WO2014038764A1 - 내부 밀봉 구조를 갖는 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 - Google Patents

내부 밀봉 구조를 갖는 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 Download PDF

Info

Publication number
WO2014038764A1
WO2014038764A1 PCT/KR2013/000765 KR2013000765W WO2014038764A1 WO 2014038764 A1 WO2014038764 A1 WO 2014038764A1 KR 2013000765 W KR2013000765 W KR 2013000765W WO 2014038764 A1 WO2014038764 A1 WO 2014038764A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
manifold
composite electrode
electrode cell
bipolar plate
redox flow
Prior art date
Application number
PCT/KR2013/000765
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
진창수
전재덕
이범석
심준목
신경희
박세국
전명석
정규남
연순화
윤수근
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020120099919A external-priority patent/KR101309262B1/ko
Priority claimed from KR1020120100257A external-priority patent/KR101291752B1/ko
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to US14/426,511 priority Critical patent/US20150221959A1/en
Publication of WO2014038764A1 publication Critical patent/WO2014038764A1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/20—Indirect fuel cells, e.g. fuel cells with redox couple being irreversible
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention provides an integrated composite electrode cell capable of increasing the stacking efficiency and an internal sealing structure provided to prevent the electrolyte from falling inside the integrated composite electrode cell, and an integrated composite electrode cell having the internal sealing structure. It relates to a dox flow battery.
  • Redox flow battery (RFB) as a secondary battery for storage of large capacity power has low maintenance cost, can be operated at room temperature, and can be designed independently of capacity and output. Many studies have been conducted.
  • Conventional redox flow battery is between the current collector (2) formed inside each of a pair of end plates (1) including an electrolyte inlet and outlet formed on the outermost as shown in Figure 1a and Figure 1b schematic view It is formed in the bipolar plate 10 fixed to the frame 11, the manifold (21, 22) including the felt electrode 25, and comprises a unit having a separator 30, the unit is It may be repeatedly stacked in series.
  • the first manifold 21 and the second manifold 22 including the felt electrodes 25 having different polarities are formed with the separator 30 interposed therebetween.
  • the bipolar plate 10 fixed to the frame 11 is formed outside the first manifold 21 and the second manifold 22.
  • the first manifold 21 and the frame 11 and the second manifold 22 having the bipolar plate are repeatedly stacked based on the separator 30. Not only is the volume of the stack (stack) increased, but also many materials are used, resulting in problems such as price increase and increase in lamination time.
  • the anolyte and catholyte that are in contact with the first electrode (hereinafter referred to as the anode electrode for convenience) and the cathode electrode (hereinafter referred to as the cathode electrode for convenience) of the first manifold, respectively, should be disconnected by the bipolar plate.
  • bipolar plates are made of graphite plates or carbon plates with good conductivity, bending may occur during lamination, which may cause the electrolyte to fall over the surface of the bipolar plates between felt electrodes having different polarities. . Due to the fall of the electrolyte, the charging time becomes long or the discharge is shortened, thereby reducing the charge and discharge efficiency and the energy efficiency.
  • the present invention has been made to solve such a conventional problem, an integrated composite which can reduce the volume of the redox flow battery laminate to increase the lamination efficiency as well as significantly reduce the laminating work time and cost.
  • An object thereof is to provide an electrode cell and a redox flow battery including the same.
  • the bipolar plate when the bipolar plate is inserted into two manifolds of different polarities and integrated to reduce the volume of the redox flow cell stack, the bipolar plate is in contact with the manifold of one side. It provides an integrated composite electrode cell and a redox flow battery including the same so that the charging time is not extended or the discharge is shortened so as not to fall toward the manifold of the other side by riding the surface of the surface. There is a purpose.
  • An integrated composite electrode cell according to the present invention for achieving the above object is a first manifold in which the first electrode is inserted in the outside, a second manifold in which the second electrode is inserted in the outside, and the first manifold and the first It characterized in that it comprises a bipolar plate seated between two manifolds.
  • the lengths in the horizontal and vertical directions of the first and second electrodes may be smaller than the lengths in the horizontal and vertical directions of the bipolar plate, respectively.
  • the first electrode and the second electrode may be positive electrode or negative electrode having different polarities.
  • the bipolar plate may be seated in a seating groove provided inside the first and second manifolds, and the bipolar plate may be seated in the seating groove through adhesive or heat fusion.
  • a seating groove may be formed inside the first manifold and the second manifold, and a flow path may be formed outside.
  • the integrated composite electrode cell according to the present invention may be provided with a leakage preventing portion for blocking the leakage of the electrolyte in at least one of the mounting groove provided in the first manifold and the mounting groove provided in the second manifold.
  • a leakage preventing part for blocking leakage of an electrolyte may be formed on a contact surface of a mounting groove of the bipolar plate.
  • the leakage preventing part may be inserted a leakage preventing implant made of a material selected from the group consisting of EPDM, Viton, rubber, soft PVC, rigid PVC.
  • the leakage preventing part may be manufactured in a polygon or a circle.
  • Redox flow battery according to the present invention for achieving the above object is characterized in that it comprises at least one integral composite electrode cell.
  • the integrated composite electrode cell may be repeatedly stacked on the basis of the separator.
  • the redox flow battery according to the present invention corresponds to a pair of end plates having an electrolyte inlet and outlet, a current collector located inside each of the end plates, and located inside each of the current collectors.
  • the integrated composite electrode cell according to the present invention as described above is integrated by mounting a bipolar plate between two manifolds to remove the existing bipolar plate frame, thereby dramatically reducing the volume of the redox flow battery stack. In addition to increasing the efficiency, there is an advantage in that the lamination can be facilitated.
  • the redox flow battery according to the present invention has an advantage in that the capacity of the redox flow battery is increased compared to the existing redox flow battery in consideration of capacity per volume.
  • the redox flow battery according to the present invention can reduce the cost required for manufacturing by reducing the secondary materials (bipolar plate frame), there is an advantage that can be easily laminated to shorten the working time.
  • the electrolyte contacting the manifold of one side is the surface of the bipolar plate. It is possible to effectively prevent the charging and discharging efficiency and the energy efficiency from being lowered because the charging time becomes longer or the discharge is shortened due to the fall of the electrolyte by not passing over to the manifold on the other side.
  • Figure 1a is a view showing a laminated structure of a conventional redox flow battery
  • Figure 1b is a cross-sectional view of a conventional redox flow battery
  • FIG. 2 is a view schematically showing a laminated structure of a redox flow battery according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of an integrated composite electrode cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the combination of the integrated composite electrode cell shown in FIG.
  • FIG. 5 is an exploded cross-sectional view of the integrated composite electrode cell shown in FIG. 3.
  • FIG. 6 illustrates an integrated composite electrode cell having an internal sealing structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is an exploded perspective view
  • FIG. 6B is an exploded cross-sectional view
  • FIG. 6C is a combined cross-sectional view.
  • FIG. 7 is an exploded cross-sectional view of an integrated composite electrode cell having an inner sealing structure according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an exploded cross-sectional view of an integrated composite electrode cell having an inner sealing structure according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an exploded cross-sectional view of an integrated composite electrode cell having an inner sealing structure according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view schematically showing a laminated structure of a redox flow battery according to an embodiment of the present invention.
  • the redox flow battery according to the present invention has a pair of end plates 1a and 1b having electrolyte inlets and outlets, and a current collector located inside each of the end plates 1a and 1b. Ends (2a, 2b), which are located inside each of the current collectors (2a, 2b), the bipolar plate 110 is seated on a surface corresponding to the current collector (2a, 2b), the electrode is inserted into the opposite side Including an integrated composite electrode cell 140 located between the manifold (123, 124), and the end manifold (123, 124) between at least two separation membrane 130 and the separation membrane 130 Is done.
  • the end plates 1a and 1b serve to form an outline of the entire redox flow battery, and are disposed at the outermost side, respectively, to form an electrolyte inlet and an electrolyte outlet, which are commonly used in the art. It can be easily formed by forming a passage that can be injected or discharged.
  • the electrolyte inlet and the electrolyte outlet are connected to the anode electrolyte tank and the cathode electrolyte tank, although not shown in the drawing, and the anode electrolyte and the cathode electrolyte are circulated by the driving of a separate pump.
  • the end plates 1a and 1b may be formed using an insulator.
  • the end plates 1a and 1b may be formed using polymers such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), and vinyl chloride (PVC), and can be easily used for price and ease of purchase. In consideration of this, it is preferable to form using vinyl chloride (PVC).
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • PS polystyrene
  • PVC vinyl chloride
  • Current collectors 2a and 2b are formed inside each of the end plates 1a and 1b disposed at the outermost sides, and the current collectors 2a and 2b are passages through which electrons move and receive electrons from the outside during charging. It plays a role of emitting electrons to the outside during discharge.
  • the two current collectors 2a and 2b located at both ends have electrodes different from each other.
  • the current collectors 2a and 2b are generally used in the art, and are not particularly limited, but may be, for example, copper or brass.
  • the bipolar plate 110 may use a conductive plate generally used in the art.
  • the bipolar plate 110 may use a conductive graphite plate.
  • the bipolar plate 110 may be a graphite plate impregnated in a phenol resin. In the case of using the graphite plate alone, since the strong acid used in the electrolyte solution can permeate the graphite, it is preferable to use the graphite plate impregnated with the phenol resin in order to prevent the permeation of the strong acid.
  • the electrode may provide an active site for redox of the electrolyte and may be used without limitation, which is generally used in the art.
  • a felt electrode can be used.
  • the felt electrode may be a nonwoven fabric, carbon fiber, carbon paper, or the like.
  • the felt electrode may be a carbon fiber felt electrode formed of polyacrylonitrile (PAN) or rayon (Rayon).
  • the end manifolds 123 and 124 may be used for the positive electrode or the negative electrode according to the position, and a flow path is formed on the surface on which the electrode is inserted, which is a passage for moving the positive or negative electrolyte according to the purpose.
  • the end manifolds 123 and 124 include at least two separators 130 and an integrated composite electrode cell 140 positioned between the separators 130.
  • the separator 130 separates the positive and negative electrolytes during charging or discharging, and selectively moves only ions during charging or discharging.
  • the separator 130 is generally used in the art and is not particularly limited.
  • the integrated composite electrode cell 140 is provided between the separators 130.
  • the positive electrode manifold, the bipolar plate 110, and the negative electrode manifold are formed, respectively.
  • the integrated electrode cell 140 is provided in the conventional redox flow battery. Details of the structure and the like of the composite electrode cell 140 will be described later.
  • the integrated composite electrode cell 140 may be repeatedly stacked based on the separator 130 according to the capacity of the redox flow battery. That is, the integrated composite electrode cell 140 and the separator 130 may be repeatedly stacked, and the number thereof is not limited and may be appropriately modified to suit the design capacity.
  • the redox flow battery according to the present invention further includes a positive electrolyte tank for storing the positive electrolyte, a negative electrolyte tank for storing the negative electrolyte, and a pump for circulating the positive electrolyte and the negative electrolyte.
  • a positive electrolyte tank for storing the positive electrolyte
  • a negative electrolyte tank for storing the negative electrolyte
  • a pump for circulating the positive electrolyte and the negative electrolyte.
  • negative electrode electrolyte and the positive electrode electrolyte may also be used in general, without limitation, which can also be easily implemented by those skilled in the art and a detailed description thereof will be omitted.
  • the integrated composite electrode cell 140 will be described in detail below.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of an integrated composite electrode cell according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the integrated composite electrode cell illustrated in FIG. 3
  • FIG. 5 is a view of the integrated composite electrode cell illustrated in FIG. 3. It is an exploded cross section.
  • the integrated composite electrode cell 140 includes a first manifold 121 in which the first electrode 125 is inserted at the outside, and a second electrode 126 is inserted in the outside. And a second manifold 122, and a bipolar plate 110 seated between the first manifold 121 and the second manifold 122.
  • bipolar plate 110 may be the same as described above, a detailed description thereof will be omitted.
  • the bipolar plate 110 is seated in a mounting groove 141 formed between the first manifold 121 and the second manifold 122. As such, the bipolar plate 110 is inserted into and fixed to the seating grooves 141 inside the first and second manifolds 121 and 122, thereby removing the frame of the bipolar plate 110.
  • the bipolar plate 110 may be seated in the seating groove 141 through adhesive or heat fusion.
  • the bipolar plate 110 is fixed to the mounting groove 141 inside the first manifold 121 and the second manifold 122, so that the bipolar plate 110 can be fixed without the bipolar plate 110 frame.
  • the volume of the stack can be reduced to provide a redox flow cell structure in which the capacity of the redox flow cell per volume is increased.
  • the lamination can be easily performed to shorten the working time.
  • the first electrode 125 or the second electrode 126 is inserted into the first and second manifolds 121 and 122.
  • a felt electrode as described above may be used as the first electrode 125 and the second electrode 126.
  • the first electrode 125 and the second electrode 126 may be divided into positive or negative electrodes having different polarities according to the positive or negative electrolyte.
  • the lengths of the first electrode 125 and the second electrode 126 in the horizontal and vertical directions are smaller than the lengths of the bipolar plate 110 in the horizontal and vertical directions. That is, the sizes of the first electrode 125 and the second electrode 126 are smaller than the bipolar plate 110.
  • a flow path is provided on the surfaces of the first manifold 121 and the second manifold 122 into which the first electrode 125 or the second electrode 126 is inserted.
  • the flow path is a passage for moving the electrolyte, the positive electrolyte or the negative electrolyte is moved, the shape can be variously modified.
  • the first manifold 121 and the second manifold 122 may be provided with an inlet and an outlet for supplying or discharging the positive electrolyte solution or the negative electrolyte solution to the flow passage, which can be easily formed by those skilled in the art. It is possible.
  • FIG. 6 illustrates an integrated composite electrode cell having an internal sealing structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is an exploded perspective view
  • FIG. 6B is a cross-sectional view of the coupling
  • FIG. 6A is an exploded perspective view
  • FIG. 6B is a cross-sectional view of the coupling
  • FIG. 6A is an exploded perspective view
  • FIG. 6B is a cross-sectional view of the coupling
  • the integrated composite electrode cell 140 includes a first manifold 121 in which the first electrode 125 is inserted at the outside, and a second in which the second electrode 126 is inserted in the outside. And a bipolar plate 110 seated in the mounting groove 141 provided inside the first manifold 121 and the second manifold 122, and the first manifold 121. ) And a leakage preventing part 142 is formed in at least one of the mounting grooves 141 of the second manifold 122 to block leakage of the electrolyte.
  • the leakage preventing part 142 prevents the positive electrolyte and the negative electrolyte from contacting the first manifold 121 and the second manifold 122 to pass in the opposite direction on the surface of the bipolar plate 110. It is for.
  • the leakage preventing part 142 may be formed in the mounting grooves 141 of the first manifold 121 and the second manifold 122, respectively.
  • the leakage preventing part 142 may be formed on the contact surface of the bipolar plate 110 in contact with the mounting groove 141 of the first manifold 121 and the second manifold 122.
  • the leakage preventing implant applied to the leakage preventing part 142 may be made of a material selected from the group including EPDM, Viton, rubber, soft PVC, and rigid PVC.
  • the leakage preventing unit 142 When the leakage preventing unit 142 is applied to the integrated composite electrode cell 140 according to the present invention as described above when the bipolar plate 110 is inserted into the two manifolds (121, 122) of different polarity to integrate
  • the electrolyte preventing contact with the manifold on one side by the leakage preventing part 142 does not pass over the surface of the bipolar plate 110 toward the manifold on the other side, thereby increasing the charging time due to the fall of the electrolyte.
  • the discharge can be shortened to effectively prevent the charge and discharge efficiency and the energy efficiency from being lowered.
  • the leak prevention part 142 may be modified in various shapes.
  • FIGS. 7 to 9 are exploded cross-sectional views of an integrated composite electrode cell having an internal sealing structure according to another embodiment of the present invention.
  • the integrated composite electrode cell according to another embodiment of the present invention (The leakage preventing part 142 applied to the 140 forms grooves in the seating grooves 141 of the first manifold 121 and the second manifold 122, respectively, and inserts a leakage preventing implant into the grooves. It may be.
  • the leakage preventing part 142 may be formed by inserting one or more o-rings or two or more o-ring leakage preventing implants into the recesses of the seating grooves 141.
  • the leakage preventing prosthesis of the leakage preventing part 142 may have various shapes such as a cross section and a circular shape.
  • the leakage preventing part 142 is a bipolar plate 110 in contact with the mounting groove 141 of the first manifold 121 and the second manifold 122. It may be formed on at least one of the contact surfaces. This is because the above-described leak prevention part 142 is formed in the seating groove 141 of the first manifold 121 and the second manifold 122, the bipolar plate 110 in contact with the seating groove 141. It is formed on the contact surface of, except for this will have the same structure, so a detailed description thereof will be omitted.
  • a redox flow battery as shown in FIG. 2 was configured.
  • hard PVC without pores was used instead of the separator.
  • 5 mm graphite fiber was used as an electrode, and the cell was cut
  • the integrated composite electrode cell has one O-ring formed in each of the first and second manifolds.
  • a cathode electrolyte tank In addition, a cathode electrolyte tank, a cathode electrolyte tank, and a pump for transporting the electrolyte were prepared to enable the electrolyte flow of the redox flow battery.
  • the cathode electrolyte tank 2 mol vanadium was dissolved in 2 mol of sulfuric acid solution. The electrolyte solution was injected, and 2 mol of sulfuric acid aqueous solution was injected into the cathode electrolyte tank. Each 80ml of the electrolyte was injected, and the electrolyte was poured into the laminate at a flow rate of 80ml per minute using a pump.
  • the prepared tetravalent vanadium sulfuric acid aqueous solution exhibited a maximum absorption wavelength at 760 nm, and the absorbance change generated as the electrolyte was crossed by collecting the negative electrolyte without tetravalent vanadium was observed.
  • the redox flow battery according to the present invention includes an integrated composite electrode cell 140 integrated by seating the bipolar plate 110 between two manifolds, thereby reducing the redox flow battery.
  • the redox flow battery according to the present invention has an advantage in that the capacity of the redox flow battery is increased compared to the existing redox flow battery in consideration of capacity per volume.
  • the integrated composite electrode cell in which the leakage preventing unit is formed according to the present invention can prevent the electrolyte from falling due to the bipolar plate seated between the first and second manifolds, thereby reducing charge and discharge efficiency and energy efficiency. Can be prevented.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 레독스 흐름전지의 적층구조에 관한 것으로 매니폴드와 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)를 일체화함으로써 적층이 용이해져 스택의 적층 작업 시간 및 적층단가를 줄일 수 있고 적층 효율을 높이는, 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지에 관한 것이다. 또한 본 발명에 따른 전해액 넘어감 현상을 억제하는 레독스 흐름전지의 내부 밀봉 구조를 구비한 일체형 복합전극셀은 바이폴라 플레이트와 매니폴드의 일체화 부분에 있어서 밀봉이 가능한 구조를 형성하여 양극과 음극의 전해액이 넘어가는 현상을 억제하는 것을 특징으로 한다.

Description

내부 밀봉 구조를 갖는 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지
본 발명은 적층효율을 높일 수 있는 일체형 복합전극셀과 상기 일체형 복합전극셀 내부의 전해액 넘어감 현상을 막을 수 있도록 구비된 내부 밀봉 구조, 및 상기 내부 밀봉 구조를 갖는 일체형 복합전극셀을 포함하는 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
대용량의 전력저장을 위한 이차전지로서 레독스 흐름전지(RFB, redox flow battery)는 유지 보수 비용이 적고 상온에서 작동가능하며 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있기 때문에 최근 대용량 2차전지로 많은 연구가 진행되고 있다.
종래 레독스 흐름전지는 개략도인 도 1a 및 단면도인 도 1b에서 보는 바와 같이 최외측에 형성되는 전해액 출입구 및 배출구를 포함하는 한 쌍의 엔드플레이트(1) 각각의 내측에 형성된 집전체(2) 사이에 형성된 것으로서 프레임(11)에 고정된 바이폴라 플레이트(10), 펠트전극(25)을 포함하는 매니폴드(21, 22), 및 분리막(30)을 구비한 단위체를 포함하여 이루어지며, 상기 단위체는 직렬로 반복 적층될 수 있다.
구체적으로 상기 단위체는 도 1b에서 보는 바와 같이 극성을 달리하는 펠트전극(25)을 포함하는 제1매니폴드(21)와 제2매니폴드(22)가 분리막(30)을 사이에 두고 형성되며, 제1매니폴드(21)와 제2매니폴드(22) 외측에는 프레임(11)에 고정된 바이폴라 플레이트(10)가 형성된다.
이러한 종래 레독스 흐름전지는 적층 시 제1매니폴드(21)와 바이폴라 플레이트가 구비된 프레임(11) 및 제2매니폴드(22)를 분리막(30)을 기준으로 반복하여 적층하게 되는데, 그에 따라 적층체(스택)의 부피가 증가될 뿐만 아니라 많은 재료가 사용되어 가격 상승 및 적층 시간의 증가라는 문제점이 발생하게 된다.
또한, 제1매니폴드의 제1전극(이하 편의상 양극전극이라고도 한다)과 제2매니폴드의 음극전극(이하 편의상 음극전극이라고도 한다)에 각각 접촉되는 양극전해액과 음극전해액은 바이폴라 플레이트에 의해 단절되어야 하나, 바이폴라 플레이트는 전도성이 좋은 그라파이트 플레이트나 탄소플레이트를 사용하므로 적층 시 휘어짐 현상이 발생할 수 있어, 극성을 달리하는 펠트전극 간에 바이폴라 플레이트의 면을 타고 전해액의 넘어감 현상이 발생할 수 있다는 문제점이 있었다. 이와 같은 전해액의 넘어감 현상으로 인해 충전시간이 길어지거나 방전이 짧아져 충방전 효율 및 에너지 효율이 떨어지게 된다.
이에, 본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 레독스 흐름전지 적층체의 부피를 획기적으로 줄여 적층효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 적층 작업 시간 및 비용을 획기적으로 줄일 수 있도록 한 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 레독스 흐름전지 적층체의 부피를 획기적으로 줄여 적층효율을 높이기 위하여 서로 다른 극성의 두 장의 매니폴드 내측에 바이폴라 플레이트를 삽입하여 일체화할 때, 일 측의 매니폴드에 접촉되는 전해액이 바이폴라 플레이트의 면을 타고 타 측의 매니폴드 쪽으로 넘어가지 않도록 함으로써 충전시간이 길어지거나 방전이 짧아져 충방전 효율 및 에너지 효율을 떨어뜨리지 않도록 한 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀은 외측에 제1전극이 삽입되는 제1매니폴드, 외측에 제2전극이 삽입되는 제2매니폴드, 및 상기 제1매니폴드와 제2매니폴드 사이에 안착되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1전극과 제2전극의 가로와 세로방향의 길이는 각각 바이폴라 플레이트의 가로와 세로방향의 길이보다 작게 형성될 수 있다.
상기 제1전극과 제2전극은 극성이 서로 다른 양극전극 또는 음극전극일 수 있다.
상기 바이폴라 플레이트는 제1매니폴드 및 제2매니폴드의 내측에 구비된 안착홈에 안착될 수 있으며, 상기 바이폴라 플레이트는 접착제나 열융착을 통해 안착홈에 안착될 수 있다.
상기 제1매니폴드 및 제2매니폴드의 내측에는 안착홈이 형성되고, 외측에는 유로가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀에는 상기 제1매니폴드에 구비된 안착홈과 제2매니폴드에 구비된 안착홈 중 적어도 하나에 전해액의 누수를 차단하기 위한 누수방지부가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 일체형 복합전극셀에는 상기 바이폴라 플레이트의 안착홈 접촉면에 전해액의 누수를 차단하기 위한 누수방지부가 형성될 수 있다.
상기 누수방지부에는 EPDM, 바이톤, 고무, 연질 PVC, 경질 PVC을 포함하는 그룹에서 선택되는 소재로 제조된 누수 방지 보형물이 삽입될 수 있다.
상기 누수방지부는 다각형 또는 원형으로 제조될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 상기 일체형 복합전극셀을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 일체형 복합전극셀은 분리막을 기준으로 반복하여 적층될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 전해액 주입구 및 배출구를 갖는 한 쌍의 엔드플레이트, 상기 엔드플레이트 각각의 내측에 위치하는 집전체, 상기 집전체 각각의 내측에 위치하는 것으로서 상기 집전체와 대응되는 면에 바이폴라 플레이트가 안착되고 반대면에 펠트전극이 삽입되는 엔드매니폴드, 및 상기 엔드매니폴드 사이에 위치하는 것으로서 적어도 두 개의 분리막과 상기 분리막 사이에 위치하는 상기한 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀은 바이폴라 플레이트를 두장의 매니폴드들 사이에 안착시켜 일체화함으로써 기존에 사용하던 바이폴라 플레이트 프레임을 제거하여 레독스 흐름전지 적층체의 부피를 획기적으로 줄여 적층효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 적층을 용이하게 할 수 있다는 이점이 있다.
따라서 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 부피 당 용량을 고려하여 볼 때 기존의 레독스 흐름 전지에 비하여 용량이 증가된 레독스 흐름전지를 제공할 수 있다는 이점이 있다. 나아가, 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 부수기자재(바이폴라 플레이트 프레임)를 줄임으로서 제작에 따른 소요 비용을 절감할 수 있으며, 적층이 용이하여 작업시간을 단축시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 상기한 본 발명에 따른 내부 밀봉 구조를 갖는 일체형 복합전극셀은 서로 다른 극성의 두 장의 매니폴드 내측에 바이폴라 플레이트를 삽입하여 일체화할 때 일 측의 매니폴드에 접촉되는 전해액이 바이폴라 플레이트의 면을 타고 타 측의 매니폴드 쪽으로 넘어가지 않도록 함으로써 전해액의 넘어감 현상에 의한 충전시간이 길어지거나 방전이 짧아져 충방전 효율 및 에너지 효율을 떨어뜨리는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1a는 종래 레독스 흐름전지의 적층 구조를 나타낸 도면이고,
도 1b는 종래 레독스 흐름전지의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 복합전극셀의 분해 사시도이고,
도 4는 도 3에 도시된 일체형 복합전극셀의 결합 단면도이며,
도 5는 도 3에 도시된 일체형 복합전극셀의 분해 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 밀봉 구조를 갖는 일체형 복합전극셀을 나타낸 것으로서, 도 6a는 분해사시도이고, 도6b는 분해 단면도이며, 도 6c는 결합 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부 밀봉 구조를 갖는 일체형 복합전극셀의 분해 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내부 밀봉 구조를 갖는 일체형 복합전극셀의 분해 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내부 밀봉 구조를 갖는 일체형 복합전극셀의 분해 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 전해액 주입구 및 배출구를 갖는 한 쌍의 엔드플레이트(1a, 1b), 상기 엔드플레이트(1a, 1b) 각각의 내측에 위치하는 집전체(2a, 2b), 상기 집전체(2a, 2b) 각각의 내측에 위치하는 것으로서 상기 집전체(2a, 2b)와 대응되는 면에 바이폴라 플레이트(110)가 안착되고 반대 면에 전극이 삽입되는 엔드매니폴드(123, 124), 및 상기 엔드매니폴드(123, 124) 사이에 위치하는 것으로서 적어도 두 개의 분리막(130)과 상기 분리막(130) 사이에 위치하는 일체형 복합전극셀(140)을 포함하여 이루어진다.
상기 엔드플레이트(1a, 1b)는 전체적인 레독스 흐름전지의 윤곽을 형성하는 역할을 하는 것으로서 최외각에 배치되며 각각 전해액 주입구와 전해액 배출구가 형성되는데, 당해 분야에서 일반적으로 사용되는 통상의 플레이트에 전해액이 주입되거나 배출될 수 있는 통로를 형성하면 용이하게 형성할 수 있다. 여기서 전해액 주입구와 전해액 배출구는 도면에 도시하지는 않았지만 양극전해액탱크 및 음극전해액탱크와 연결되어 있으며, 별도로 구비된 펌프의 구동에 의해 양극전해액과 음극전해액이 순환하게 된다.
상기 엔드플레이트(1a, 1b)는 절연체를 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어 상기 엔드플레이트(1a, 1b)는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 및 염화비닐(PVC)등의 고분자를 사용하여 형성될 수 있으며, 가격 및 구입의 용이성 등을 고려하면 염화비닐(PVC)을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
최외각에 배치되는 상기 엔드플레이트(1a, 1b) 각각의 내측에는 집전체(2a, 2b)가 형성되는데, 상기 집전체(2a, 2b)는 전자가 움직이는 통로로서 충전 시 외부로부터 전자를 받아들이거나 방전 시 외부로 전자를 내어주는 역할을 한다. 양 말단에 위치한 2개의 집전체(2a, 2b)는 서로 전극을 달리한다.
이러한 집전체(2a, 2b)는 당 분야에서 일반적으로 사용하는 것으로, 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들면 구리 또는 황동을 사용할 수 있다.
상기 엔드매니폴드(123, 124)는 상기 집전체(2a, 2b) 각각의 내측에 위치하는 것으로서 상기 집전체(2a, 2b)와 대응되는 면에 바이폴라 플레이트(110)가 안착되고 반대면에 전극이 삽입된다.
상기 바이폴라 플레이트(110)는 당해분야에서 일반적으로 사용되는 도전성플레이트를 사용할 수 있다. 바람직하게 상기 바이폴라 플레이트(110)는 도전성 그라파이트 플레이트를 사용할 수 있다. 바람직하게 상기 바이폴라 플레이트(110)는 페놀 수지에 함침된 그라파이트 플레이트가 사용될 수 있다. 그라파이트 플레이트를 단독으로 사용하는 경우에는 전해액에 사용된 강산이 그라파이트를 투과할 수 있는 바, 강산의 투과를 막기 위하여 페놀 수지에 함침된 그라파이트 플레이트를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 전극은 전해액의 산화환원을 위한 활성 사이트(active site)를 제공하는 것으로서 당해분야에서 일반적으로 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있다. 바람직하게 펠트전극이 사용될 수 있다.
예를 들어 상기 펠트전극은 부직포 및 탄소섬유 및 탄소 페이퍼 등이 사용될 수 있다. 바람직하게 상기 펠트전극은 폴리아크릴로나이트릴(PAN, polyacrylonitrile) 계열 또는 레이온(Rayon) 계열로 형성된 탄소섬유펠트전극일 수 있다.
상기 엔드매니폴드(123, 124)는 위치에 따라 양극용 또는 음극용으로 사용될 수 있으며, 상기 전극이 삽입되는 면에는 용도에 따라 양극전해액 또는 음극전해액이 이동하기 위한 통로인 유로가 형성된다.
본 발명에 따르면 상기 엔드매니폴드(123, 124) 사이에는 적어도 두 개의 분리막(130)과 상기 분리막(130) 사이에 위치하는 일체형 복합전극셀(140)을 포함하여 이루어진다.
상기 분리막(130)은 충전 또는 방전 시 양극 전해액과 음극 전해액을 분리시키고, 충전 또는 방전 시 선택적으로 이온만을 이동시키는 역할을 한다. 이러한 분리막(130)은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않는다.
상기 분리막(130) 사이에는 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀(140)이 구비되며, 종래의 레독스 흐름전지에서는 양극매니폴드, 바이폴라 플레이트(110) 및 음극매니폴드가 각각 형성되어 있었으나, 본 발명에서는 이를 일체화시킨 복합전극셀(140)이 구비된다. 상기 복합전극셀(140)의 구조 등에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
상기 일체형 복합전극셀(140)은 레독스 흐름전지의 용량에 맞게 분리막(130)을 기준으로 반복하여 적층될 수 있다. 즉 일체형 복합전극셀(140)과 분리막(130)을 반복하여 적층할 수 있으며, 그 수는 제한되지 않고 설계용량에 맞게 적절하게 변형시킬 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 도면에 도시하지는 않았으나, 양극전해액을 저장하는 양극전해액탱크, 음극전해액을 저장하는 음극전해액탱크 및 상기 양극전해액과 음극전해액을 순환시키기 위한 펌프를 더 포함한다. 이는 당업자라면 용이하게 구현할 수 있는 것으로서 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
아울러 상기 음극전해액과 양극전해액 역시 일반적으로 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있으며, 이 역시 당업자라면 용이하게 구현할 수 있는 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 일체형 복합전극셀(140)에 대하여 이하 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 복합전극셀의 분해 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 일체형 복합전극셀의 결합 단면도이며, 도 5는 도 3에 도시된 일체형 복합전극셀의 분해 단면도이다.
도 3 내지 도 5에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀(140)은 외측에 제1전극(125)이 삽입되는 제1매니폴드(121), 외측에 제2전극(126)이 삽입되는 제2매니폴드(122), 및 상기 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122) 사이에 안착되는 바이폴라 플레이트(110)를 포함하여 이루어진다.
상기 바이폴라 플레이트(110)는 앞서 설명한 바와 동일한 것을 적용할 수 있는 것이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 바이폴라 플레이트(110)는 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122) 사이에 형성된 안착홈(141)에 안착된다. 이와 같이 바이폴라 플레이트(110)를 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122) 내측의 안착홈(141)에 삽입하여 고정됨으로서 바이폴라 플레이트(110)의 프레임의 제거가 가능하다.
상기 바이폴라 플레이트(110)는 접착제나 열융착을 통해 안착홈(141)에 안착될 수 있다. 상기 바이폴라 플레이트(110)는 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122) 내측의 안착홈(141)에 안착됨에 따라 바이폴라 플레이트(110) 프레임 없이도 고정이 가능하게 된다.
따라서 기존에 사용하던 바이폴라 플레이트(110) 프레임을 제거하여 제작에 따른 소요 비용을 절감할 수 있으며, 종래 평탄도 차이 및 엇갈림 현상에 따른 누수를 방지할 수 있다. 무엇보다, 스택의 부피가 줄어들어 부피 당 레독스 흐름전지의 용량이 증가된 레독스 흐름전지 구조를 제공할 수 있다. 또한, 적층이 용이하여 작업시간을 단축시킬 수 있다.
상기 제1매니폴드(121) 및 제2매니폴드(122)는 외측에는 제1전극(125) 또는 제2전극(126)이 삽입된다. 상기 제1전극(125) 및 제2전극(126)은 앞서 설명한 바와 같은 펠트전극이 사용될 수 있다. 다만, 상기 제1전극(125) 및 제2전극(126)은 접촉되는 양극전해액 또는 음극전해액에 따라 극성이 서로 다른 양극전극 또는 음극전극으로 구분될 수 있다.
이때 상기 제1전극(125)과 제2전극(126)의 가로와 세로방향의 길이는 바이폴라 플레이트(110)의 가로와 세로방향의 길이보다 작게 형성된다. 즉, 제1전극(125)과 제2전극(126)의 크기는 바이폴라 플레이트(110)보다 작게 형성된다.
상기 제1전극(125) 또는 제2전극(126)이 삽입되는 제1매니폴드(121) 및 제2매니폴드(122)의 면에는 유로가 구비된다. 상기 유로는 전해액이 이동하기 위한 통로로서 양극전해액 또는 음극전해액이 이동되며, 그 형상은 다양하게 변형 가능하다. 아울러 상기 제1매니폴드(121) 및 제2매니폴드(122)에는 양극전해액 또는 음극전해액을 상기 유로에 공급하거나 상기 유로로부터 배출하기 위한 주입구 및 배출구가 구비될 수 있으며, 이는 당업자라면 용이하게 형성 가능한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 밀봉 구조를 갖는 일체형 복합전극셀을 나타낸 것으로서, 도 6a는 분해사시도이고, 도 6b는 결합단면도이며, 도 6c는 분해 단면도이다.
도 6에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀(140)은 외측에 제1전극(125)이 삽입되는 제1매니폴드(121), 외측에 제2전극(126)이 삽입되는 제2매니폴드(122), 및 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122) 내측에 구비된 안착홈(141)에 안착되는 바이폴라 플레이트(110)를 포함하며, 상기 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122)의 안착홈(141) 중 적어도 하나에 전해액의 누수를 차단하기 위한 누수방지부(142)가 형성된다.
상기 누수방지부(142)는 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122)에 접촉되는 양극전해액과 음극전해액이 바이폴라 플레이트(110)의 면을 타고 반대방향으로 넘어가는 현상을 방지하기 위한 것이다.
전해액의 누수를 효과적으로 방지하기 위하여 상기 누수방지부(142)는 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122)의 안착홈(141)에 각각 형성될 수 있다.
상기 누수방지부(142)는 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122)의 안착홈(141)에 접촉하는 바이폴라 플레이트(110)의 접촉면에 형성될 수 있다.
상기 누수방지부(142)에 적용되는 누수방지 보형물은 EPDM, 바이톤, 고무, 연질 PVC, 경질 PVC을 포함하는 그룹에서 선택되는 소재로 제조된 것일 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀(140)에 누수방지부(142)가 적용되면 서로 다른 극성의 두 장의 매니폴드(121, 122) 내측에 바이폴라플레이트(110)를 삽입하여 일체화할 때 상기 누수방지부(142)에 의하여 일 측의 매니폴드에 접촉되는 전해액이 바이폴라 플레이트(110)의 면을 타고 타 측의 매니폴드 쪽으로 넘어가지 않게 되어 전해액의 넘어감 현상에 의한 충전시간이 길어지거나 방전이 짧아져 충방전 효율 및 에너지 효율을 떨어뜨리는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 누수방지부(142)는 다양한 형상으로 변형이 가능하다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부 밀봉 구조를 갖는 일체형 복합전극셀의 분해 단면도로서, 도 7 내지 도 9에서 보는 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 복합전극셀(140)에 적용되는 누수방지부(142)는 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122)의 안착홈(141)에 각각 요홈을 형성하고, 상기 요홈에 누수 방지 보형물을 삽입하여서 된 것일 수 있다.
이때 상기 누수방지부(142)는 하나의 오링, 또는 둘 이상의 오링으로 된 누수방지보형물을 안착홈(141)의 요홈에 삽입하여 형성할 수 있다. 또한 상기 누수방지부(142)의 누수방지보형물은 도면에 도시된 바와 같이 그 단면이 원형, 사각형 등 다양한 형태의 적용이 가능하다.
본 발명에 따르면 도면에 구체적으로 도시하지는 않았지만, 상기 누수방지부(142)는 상기 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122)의 안착홈(141)에 접촉하는 바이폴라 플레이트(110)의 접촉면 중 적어도 하나에 형성될 수도 있다. 이는 전술한 누수방지부(142)가 상기 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122)의 안착홈(141)에 형성된 것과는 달리 상기 안착홈(141)에 접촉하는 바이폴라 플레이트(110)의 접촉면에 형성된 것으로서, 이를 제외하고는 동일한 구조를 갖는 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
<실험예>
바이폴라플레이트(GCP)를 통한 양극전해액과 음극전해액의 넘어감 현상을 확인하기 위해 도 2에 도시된 바와 같은 레독스 흐름전지의 형태를 구성하였다. 다만, 분리막을 통해 전해액이 넘어가는 현상을 배제하기 위해 분리막 대신 기공이 존재하지 않는 경질 PVC를 사용하였다. 전극으로는 5mm의 그라파이트 섬유를 사용하였으며, 30cm2의 면적으로 잘라 셀을 구성하였다. 이때 일체형 복합전극셀은 도 7에 도시된 바와 같이 하나의 오링을 제1매니폴드와 제2매니폴드에 각각 형성한 형태로 하였다.
또한 레독스 흐름전지의 전해액 흐름을 가능하게 하기 위해 양극전해액 탱크, 음극전해액 탱크 및 전해액 이송을 위한 펌프를 준비하였으며, 양극 전해액 탱크에는 2몰 바나듐을 2몰의 황산 용액에 용해시켜 파란색 바나듐 4가 전해액을 주입하였으며, 음극 전해액 탱크에는 2몰의 황산 수용액을 주입하였다. 각각 80ml의 전해액을 주입하였으며, 펌프를 이용하여 분당 80ml의 유속으로 적층체에 전해액을 흘려주었다.
이때 시간에 따른 전해액 수위 변화를 관찰하였으며, 퍼킨 엘머(PERKIN ELMER)사의 흡광도 측정기(UV/Vis spectrometer Lambda2)를 이용하여 흡광도를 확인 하였다. 흡광도를 확인하기 위해 2ml의 음극전해액을 채취하여 흡광도 변화 값을 측정하였으며, 측정 후 다시 음극전해액 탱크에 주입하여 수위변화에 영향이 없도록 진행하였다.
제조된 4가의 바나듐 황산 수용액은 760 nm에서 최대 흡수 파장을 나타내며, 4가의 바나듐이 존재하지 않는 음극전해액을 수거하여 전해액이 넘어감에 따라 발생하는 흡광도 변화를 관찰하였다.
그 결과 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 200시간의 실험과정 동안에 음극전해액의 수위 및 흡광도 변화는 전혀 발생하지 않았다. 이는 전극을 통해 전해액이 누수되는 현상이 전혀 없으므로 전극 내부 밀봉이 잘되어 있음을 의미한다.
[표 1]
Figure PCTKR2013000765-appb-I000001
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 바이폴라 플레이트(110)를 두 장의 매니폴드 사이에 안착시켜 일체화한 일체형 복합전극셀(140)을 포함하여 이루어짐에 따라 종래 레독스 흐름전지에 비하여 레독스 흐름전지 적층체의 부피를 획기적으로 줄여 적층효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 적층을 용이하게 할 수 있다는 이점이 있다. 따라서 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 부피 당 용량을 고려하여 볼 때 기존의 레독스 흐름 전지에 비하여 용량이 증가된 레독스 흐름전지를 제공할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따라 누수방지부가 형성된 일체형 복합전극셀은 제1매니폴드와 제2매니폴드 사이에 안착된 바이폴라 플레이트에 의한 전해액 넘어감 현상을 방지할 수 있어, 충방전 효율 및 에너지 효율의 감소를 막을 수 있다.
상기에서 본 발명은 첨부된 도면을 일예로 하여 설명하였으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로서, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 당업자라면 이로부터 다양한 형태의 변경 및 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명은 첨부된 청구 범위의 사상 및 범위 내에 속하는 그러한 모든 대안들, 수정들, 및 변형들, 및 변경들을 포괄적으로 포함한다.
(부호의 설명)
1a, 1b : 엔드플레이트
2a, 2b : 집전체
10, 110 : 바이폴라 플레이트
11 : 바이폴라 플레이트 프레임
21, 121 : 제1매니폴드
22. 122 : 제2매니폴드
123, 124 : 엔드매니폴드
25 : 전극
125 : 제1전극
126 : 제2전극
30, 130 : 분리막
140 : 일체형 복합전극셀
141 : 안착홈
142 : 누수 방지부

Claims (15)

  1. 외측에 제1전극이 삽입되는 제1매니폴드,
    외측에 제2전극이 삽입되는 제2매니폴드, 및
    상기 제1매니폴드와 제2매니폴드 사이에 안착되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 복합전극셀.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1전극과 제2전극의 가로와 세로방향의 길이는 각각 바이폴라 플레이트의 가로와 세로방향의 길이보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 일체형 복합전극셀.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1전극과 제2전극은 극성이 서로 다른 양극전극 또는 음극전극인 것을 특징으로 하는 일체형 복합전극셀.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트는 제1매니폴드 및 제2매니폴드의 내측에 구비된 안착홈에 안착된 것을 특징으로 하는 일체형 복합전극셀.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트는 접착제나 열융착을 통해 안착홈에 안착되는 것을 특징으로 하는 일체형 복합전극셀.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1매니폴드 및 제2매니폴드의 내측에는 안착홈이 형성되고, 외측에는 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 일체형 복합전극셀.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1매니폴드에 구비된 안착홈과 제2매니폴드에 구비된 안착홈 중 적어도 하나에 전해액의 누수를 차단하기 위한 누수방지부가 형성되는 것을 특징으로 하는 일체형 복합전극셀.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트의 안착홈 접촉면에 전해액의 누수를 차단하기 위한 누수방지부가 형성되는 것을 특징으로 하는 일체형 복합전극셀.
  9. 청구항 7 또는 8에 있어서,
    상기 누수방지부에는 EPDM, 바이톤, 고무, 연질 PVC, 경질 PVC을 포함하는 그룹에서 선택되는 소재로 제조된 누수 방지 보형물이 삽입되는 것을 특징으로 하는 일체형 복합전극셀.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 누수방지부는 다각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 일체형 복합전극셀.
  11. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 따른 일체형 복합전극셀을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
  12. 청구항 9에 따른 일체형 복합전극셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
  13. 청구항 10에 따른 일체형 복합전극셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 일체형 복합전극셀은 분리막을 기준으로 적층되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
  15. 전해액 주입구 및 배출구를 갖는 한 쌍의 엔드플레이트;
    상기 엔드플레이트 각각의 내측에 위치하는 집전체;
    상기 집전체 각각의 내측에 위치하는 것으로서 상기 집전체와 대응되는 면에 바이폴라 플레이트가 안착되고 반대면에 전극이 삽입되는 엔드매니폴드; 및
    상기 엔드매니폴드 사이에 위치하는 것으로서 적어도 두 개의 분리막과 상기 분리막 사이에 형성된 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 따른 일체형 복합전극셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
PCT/KR2013/000765 2012-09-10 2013-01-30 내부 밀봉 구조를 갖는 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 WO2014038764A1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/426,511 US20150221959A1 (en) 2012-09-10 2013-01-30 Integrated complex electrode cell having inner seal structure and redox flow cell comprising same

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2012-0099919 2012-09-10
KR1020120099919A KR101309262B1 (ko) 2012-09-10 2012-09-10 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지
KR10-2012-0100257 2012-09-11
KR1020120100257A KR101291752B1 (ko) 2012-09-11 2012-09-11 내부 밀봉 구조를 갖는 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014038764A1 true WO2014038764A1 (ko) 2014-03-13

Family

ID=50237351

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2013/000765 WO2014038764A1 (ko) 2012-09-10 2013-01-30 내부 밀봉 구조를 갖는 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20150221959A1 (ko)
WO (1) WO2014038764A1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITBO20130327A1 (it) * 2013-06-25 2014-12-26 Proxhima S R L Batteria a flusso
KR102169179B1 (ko) 2016-03-31 2020-10-21 주식회사 엘지화학 바이폴라 플레이트 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지
US10553891B2 (en) * 2017-02-23 2020-02-04 International Business Machines Corporation Self-maintained flow cell device
US11081717B2 (en) * 2019-10-03 2021-08-03 Institute of Nuclear Energy Research, Atomic Energy Council, Executive Yuan, R.O.C. Storage module of distributed flow battery
CN113517452A (zh) * 2020-04-10 2021-10-19 国家能源投资集团有限责任公司 用于液流电池的复合电极、液流电池及电堆

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH067157U (ja) * 1992-06-29 1994-01-28 住友電気工業株式会社 レドックスフロー電池のセル
JP2000260460A (ja) * 1999-03-05 2000-09-22 Sumitomo Electric Ind Ltd レドックスフロー型２次電池用セル
JP2005228633A (ja) * 2004-02-13 2005-08-25 Sumitomo Electric Ind Ltd レドックスフロー電池セルおよびレドックスフロー電池
JP2011228059A (ja) * 2010-04-16 2011-11-10 Sumitomo Electric Ind Ltd レドックスフロー電池用双極板
US8182940B2 (en) * 2005-04-16 2012-05-22 Renewable Enery Dynamics Technology Ltd. Electrochemical cell stack

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH067157U (ja) * 1992-06-29 1994-01-28 住友電気工業株式会社 レドックスフロー電池のセル
JP2000260460A (ja) * 1999-03-05 2000-09-22 Sumitomo Electric Ind Ltd レドックスフロー型２次電池用セル
JP2005228633A (ja) * 2004-02-13 2005-08-25 Sumitomo Electric Ind Ltd レドックスフロー電池セルおよびレドックスフロー電池
US8182940B2 (en) * 2005-04-16 2012-05-22 Renewable Enery Dynamics Technology Ltd. Electrochemical cell stack
JP2011228059A (ja) * 2010-04-16 2011-11-10 Sumitomo Electric Ind Ltd レドックスフロー電池用双極板

Also Published As

Publication number Publication date
US20150221959A1 (en) 2015-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101309262B1 (ko) 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지
WO2014038764A1 (ko) 내부 밀봉 구조를 갖는 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지
WO2014035020A1 (ko) 션트전류 저감을 위한 레독스 흐름전지용 매니폴드 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지
WO2014123363A1 (ko) 스텝 유닛셀을 포함하는 단차를 갖는 전극 조립체
KR101887713B1 (ko) 리튬 축전지
KR101394255B1 (ko) 레독스 흐름전지 및 그 운전 방법
CN109786783B (zh) 一种多腔结构的液流电池用电极框及其组成的电池电堆
KR20130054548A (ko) 레독스 흐름전지
ES2162700T3 (es) Sistema de bateria de flujo redox y celula de pila.
JPH087913A (ja) 全バナジウムレドックス電池
CN110050372B (zh) 双极板、单元堆和氧化还原液流电池
WO2018169358A1 (ko) 레독스 흐름 전지
TW201622223A (zh) 電解液循環型電池
CN101335358A (zh) 燃料电池
JP2005005196A (ja) 燃料電池システム
WO2014168330A1 (ko) 우수한 체결력을 갖는 연료전지
WO2015102407A1 (ko) 반응물질의 누설방지를 위한 저장 및 회수수단이 구비된 레독스 흐름전지 또는 연료전지
WO2013103236A1 (ko) 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치
WO2021203932A1 (zh) 用于液流电池的复合电极、液流电池及电堆
WO2011013870A1 (ko) 연료전지용 금속 분리판 및 이를 구비하는 연료전지 스택
WO2013069888A1 (ko) 가이드 핀이 없는 스택 조립체를 구비하는 연료전지 또는 레독스 흐름전지
KR101570700B1 (ko) 레독스 흐름전지용 매니폴드 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지
WO2017023068A1 (ko) 레독스 흐름 전지용 열교환기 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지
JP2001076751A5 (ko)
CN116072909A (zh) 一种液流电池电堆

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13835473

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14426511

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13835473

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1