WO2016140521A1 - 격자형 흐름전극구조체 - Google Patents

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WO2016140521A1
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electrode
positive electrode
negative electrode
porous
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PCT/KR2016/002110
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김동국
여정구
전성일
박종수
추고연
양승철
최지연
박홍란
이정현
김희연
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한국에너지기술연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a lattice-shaped flow electrode structure, by forming a skeleton with a grid support for supplying an electrolyte suitable for large-scale plants such as power generation, energy storage, desalination, etc., it is possible to reduce the cost of equipment and increase the capacity while occupying a small space
  • the present invention relates to a flow electrode structure.
  • the biggest problem in the power storage and water treatment system using the same principle is the efficiency reduction and the high cost of the device at the time of large capacity. That is, due to the large area of the electrode for scale-up, the nonuniformity of the electric field distribution in the electrode, the limited amount of active material of the thin film electrode coated on the current collector, the reduction of the contact area between the active material and the electrolyte by the binder during the coating process, and the decrease in charge and discharge efficiency A large number of unit cell stacks are required, and as a result, the high cost of the device, particularly in the case of a CDI (Capacitive Deionization) process, has been pointed out as an increase in operating costs due to pressure loss of water (electrolyte) flow in the stack.
  • CDI Capacitive Deionization
  • the electrode having infinite electrode capacity it was possible to supply the electrode having infinite electrode capacity to the unit cell as the flow electrode proposed in the above invention, but the prior art such as the redox flow battery including the devices using the flow electrode increases the electrode area to increase the capacity.
  • the unit components including the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are infinitely stacked.
  • the stacking of the unit cells not only greatly increases the volume, but also has a large problem that the number of parts increases due to the large flow path, thereby increasing the cost for manufacturing the device.
  • Patent Document 1 Korean Patent No. 10-1233295
  • Patent Document 2 Korean Patent No. 10-1318331
  • Patent Document 3 Korean Patent No. 10-1210525
  • Patent Document 4 Korean Patent No. 10-1221562
  • Patent Document 5 Korean Patent No. 10-1327741
  • An object of the present invention devised to solve the above problems is to form a skeleton with a grid support for supplying an electrolyte suitable for large-scale plants such as power generation, energy storage, desalination, etc., while reducing the device cost and occupy a small space It can make a large capacity.
  • the flow electrode structure of the first aspect of the present invention for achieving the above object is a lattice support, which is formed in the axial direction elongated, the electrolyte is flowed by the liquid penetrating wall, the cross-sectional shape is a lattice structure to form a plurality of channels;
  • a flow positive electrode through which a positive electrode is passed through a channel of the lattice supporter, and a positive electrode ion current collector having electrical conductivity is inserted, and an electrode solution in which a positive electrode active material is mixed into the center of the positive electrode ion exchange current collector flows;
  • a negative electrode through which an anion is passed through a channel of the lattice supporter, and a negative electrode ion current collector having electrical conductivity is inserted, and an electrode solution in which a negative electrode active material is mixed into the center of the negative electrode ion exchange current collector flows.
  • the flow electrode structure is characterized by being disposed so that the flow negative electrode abuts around the positive
  • the flow electrode structure of the second form is characterized in that it further comprises an electrolyte flow path in the flow electrode structure of the first form. That is, the lattice support which is elongated in the axial direction and whose cross-sectional shape is a lattice structure so that electrolyte flows by a liquid-permeable wall and consists of a plurality of channels; A flow positive electrode through which a positive electrode is passed through a channel of the lattice supporter, and a positive electrode ion current collector having electrical conductivity is inserted, and an electrode solution in which a positive electrode active material is mixed into the center of the positive electrode ion exchange current collector flows; A flow negative electrode through which an anion is passed through a channel of the lattice support and a negative electrode ion current collector having electrical conductivity is inserted, and an electrode solution in which a negative electrode active material is mixed into the center of the negative ion ion current collector; And an electrolyte flow path through which the electrolyte flows into
  • the third type of flow electrode structure has a different lattice support. That is, the lattice support is formed long in the axial direction, made of a separation membrane, the grid support having a cross-sectional shape so as to consist of a plurality of channels; A flow positive electrode in which a porous positive electrode plate is disposed to contact an inner wall surface of the channel of the lattice supporter, and an electrode solution in which a positive electrode active material is mixed into the porous positive electrode plate flows; And a flow positive electrode in which a porous negative electrode plate is disposed to contact the inner wall surface of the channel of the lattice supporter, and an electrode solution in which the negative electrode active material is mixed into the porous negative electrode plate flows and flows around the flow positive electrode. It is characterized in that the negative electrode is arranged to abut.
  • the fourth type flow electrode structure is characterized by further comprising an electrolyte flow path in the third type flow electrode structure. That is, the lattice support is formed long in the axial direction, made of a separation membrane, the grid support having a cross-sectional shape so as to consist of a plurality of channels; A flow positive electrode in which a porous positive electrode plate is disposed to contact an inner wall surface of the channel of the lattice supporter, and an electrode solution in which a positive electrode active material is mixed into the porous positive electrode plate flows; A flow positive electrode in which a porous negative electrode plate is disposed to contact the inner wall surface of the channel of the lattice supporter, and an electrode solution in which the negative electrode active material is mixed into the porous negative electrode plate flows; And an electrolyte flow path through which the electrolyte flows into the channel, and the flow negative electrode or the electrolyte flow path is disposed around the flow positive electrode, and the flow positive electrode or the electrolyte flow path is surrounded by the flow negative electrode. It
  • the positive electrode ion current collector is formed by stacking a positive electrode ion exchange membrane disposed in contact with an inner wall surface of the channel, and a porous positive electrode plate in contact with an inner side of the positive electrode ion exchange membrane.
  • the negative electrode ion exchange membrane is disposed to be in contact with the inner wall surface of the channel, and the porous negative electrode plate may be laminated on the inner side of the negative ion ion exchange membrane.
  • the cathode ion exchange current collector is formed by stacking a porous positive electrode plate disposed to abut on an inner wall surface of the channel, and a positive ion exchange membrane so as to be in contact with the inside of the porous positive electrode plate.
  • the exchange current collector may be formed by stacking a porous negative electrode plate disposed to be in contact with an inner wall surface of the channel and a negative ion exchange membrane so as to be in contact with the inside of the porous negative electrode plate.
  • the lattice support may be made of zeolite, ceramic, or polymer material.
  • the ceramic material aluminum oxide, silicon oxide, silicon carbide, silicon nitride, or the like may be used, and as the polymer material, plastic, polymer fiber, or the like may be used.
  • the flow electrode structure of the third type it may be made of a pore filling membrane that transmits only protons.
  • the fourth type flow electrode structure may be formed of a pore filling membrane that transmits ions.
  • the porous positive electrode plate and the porous negative electrode plate may be made of a porous carbon plate.
  • the porous carbon plate may be manufactured using graphite, graphene, carbon fiber, activated carbon, carbon nanotubes, and the like.
  • the cross-sectional shape of the channel is characterized in that consisting of a circular or polygonal.
  • the first, second, and fourth flow electrode structures described above may be formed to form a capacitive flow electrode device.
  • a redox flow battery device including the flow electrode structure of the third form can be formed.
  • the flow positive electrode and the negative electrode are shared by adjacent electrode units, which can reduce manufacturing cost and installation space by reducing the number of parts while increasing electrode capacity for large-scale plants such as power generation, energy storage, and desalination.
  • a capacitive flow electrode device or a redox flow electrode device can be provided.
  • the present invention is applicable to any device for generating electricity, storing energy, or desalting electricity while moving ions or platonic.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a capacitive electrode flow device forming a basic structure of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of a capacitive electrode flow device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the capacitive electrode flow device of FIG.
  • FIG. 4 is a schematic view of a capacitive electrode flow device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a capacitive electrode flow device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic view of a capacitive electrode flow device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic view of a capacitive electrode flow device according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG 8 is a schematic view of a capacitive electrode flow device according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic view of a capacitive electrode flow device according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic view of a capacitive electrode flow device according to a eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram of a capacitive electrode flow device according to a ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a capacitive electrode flow device according to a tenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of a redox flow electrode device according to Embodiment 11 of the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic view showing the structure of a general redox flow battery.
  • a capacitive flow electrode device or a redox flow electrode device can be manufactured. Therefore, the flow electrode structure of the present invention will be described by taking a capacitive flow electrode device and a redox flow electrode device as an example.
  • the capacitive electrode flow device 100 forming the basic structure of the present invention will be described with reference to FIG. 1.
  • the capacitive electrode flow device 100 will be described by taking an example of the case used in the power generation device for producing electricity from the electrolyte.
  • the positive electrode means a cathode
  • the negative electrode means an anode. In desalting or discharging, the polarity may change.
  • the capacitive flow electrode device 100 includes a flow positive electrode 112 and a flow negative electrode 114 at both sides of the electrolyte flow path 102.
  • a positive ion exchange current collector is disposed between the electrolyte flow path 102 and the flow positive electrode 112
  • a negative ion exchange current collector is disposed between the electrolyte flow path 102 and the flow negative electrode 114.
  • closed plates 116 and 118 for forming a flow path outside the flow positive electrode 112 and the outside of the flow negative electrode 114 are disposed.
  • the flow positive electrode 112 refers to a flow path flowing in a slurry state in which the positive electrode active material 111 is mixed with the electrode solution.
  • the flow negative electrode 114 refers to a flow path flowing in a slurry state in which the negative electrode active material 113 is mixed and dispersed in the electrode solution.
  • a lattice support capable of forming a flow path may be used therein.
  • the positive electrode active material and the negative electrode active material may be different materials, but the same material may be used. In this case, the positive electrode active material and the negative electrode active material are collectively referred to as electrode active materials.
  • the cathode active material and the anode active material may be porous carbon (activated carbon, carbon fiber, carbon aerogel, carbon nanotube, etc.), graphite powder, metal oxide powder, or the like.
  • the electrode solution is a water-soluble electrolyte solution such as NaCl, H 2 SO 4 , HCl, NaOH, KOH, Na 2 NO 3 , propylene carbonate (Propylene Carbonate, PC), diethyl carbonate (DEC), tetrahydro It may include an organic electrolyte solution such as furan (Tetrahydrofuran, THF). In particular, it is possible to use brine containing a large amount of salt (especially NaCl) or fresh water containing a small amount of salt as the electrode solution.
  • the cathode ion exchange membrane 104 and the porous cathode plate 106 may be stacked.
  • the positive ion exchange membrane 104 is disposed on the electrolyte flow path 102 side, and the porous positive electrode plate 106 is disposed on the flow positive electrode 112 side.
  • the positive ion exchange membrane 104 may be disposed on the flow positive electrode 112 side, and the porous positive electrode plate 106 may be disposed on the electrolyte flow path 102 side.
  • the negative electrode ion exchange current collector may be formed by overlapping the negative electrode ion exchange membrane 108 and the porous negative electrode plate 110.
  • the negative ion exchange membrane 108 is disposed on the electrolyte flow path 102 side
  • the porous negative electrode plate 110 is disposed on the flow negative electrode 114 side.
  • the negative ion exchange membrane 108 may be disposed on the flow negative electrode 114 side
  • the porous negative electrode plate 110 may be disposed on the electrolyte flow path 102 side.
  • the thickness may be further reduced than that of the stacked negative ion current collector or the positive electrode ion current collector.
  • porous positive electrode plate 106 and the porous negative electrode plate 110 a material, such as a porous carbon plate, through which fluid can pass while using electricity may be used.
  • the carbon carbon plate may be made of graphite, graphene, carbon fiber, activated carbon, carbon nanotubes, and the like.
  • the cation separation membrane 104 is a dense membrane that prevents the flow of electrolyte and selectively passes only cations.
  • the anion separation membrane 108 is a dense membrane that prevents the flow of electrolyte and selectively passes only anions.
  • the cation separation membrane 104 and the anion separation membrane 108 may use a known ion separation membrane.
  • an electrolyte moves in the electrolyte flow path 102, and as the electrolyte, a water-soluble electrolyte solution such as NaCl, H 2 SO 4 , HCl, NaOH, KOH, Na 2 NO 3 , and propylene carbonate (Propylene).
  • a water-soluble electrolyte solution such as NaCl, H 2 SO 4 , HCl, NaOH, KOH, Na 2 NO 3 , and propylene carbonate (Propylene).
  • Carbonate, PC), diethyl carbonate (Diethyl Carbonate, DEC), tetrahydrofuran (Tetrahydrofuran, THF) may include an organic electrolyte solution.
  • brine containing a large amount of salt (especially NaCl) or fresh water containing a small amount of salt as the electrode solution.
  • the electrolyte flow path 102 may be used therein a lattice support capable of forming a flow path.
  • An electrolyte moving direction of the electrolyte flow path 102 and a moving direction of the fluid of the flow positive electrode 112 and the flow negative electrode 114 may be the same or opposite directions.
  • the electrolyte flow path 102 may be formed as a space in which the electrolyte flows, but a lattice support may be filled in the electrolyte flow path 102.
  • the lattice support is a seasonal insulator, preferably made of a fibrous structure to facilitate the movement of the electrolyte.
  • the closing plates 116 and 118 may use a non-electrically conductive plate, or may use an electrically conductive metal plate. In the case of using an electrically conductive metal plate, it can be utilized as an additional current collector.
  • the capacitive electrode flow device 100 is basically configured as described above. Hereinafter, the operating principle in the case of using the capacitive electrode flow device 100 as a power generation device will be described.
  • a cation that has passed through the positive ion exchange collector moves to the flow positive electrode 112
  • an anion that has passed through the negative electrode ion exchange collector moves the negative electrode.
  • a potential difference occurs between the flow positive electrode 112 and the flow negative electrode 114.
  • the capacitive electrode flow device 100 may be utilized as a power generation unit.
  • the electrolyte flow path 102 flows through the flow positive electrode 112 and the flow negative electrode 114. As the positive and negative ions move out of the electrolyte, the electrolyte is desalted.
  • the slurry since charge is filled in the slurry flowing through the flow positive electrode 112 and the flow negative electrode 114 at the same time, the slurry may be stored and used as an electric storage device.
  • the capacitive electrode flow device 200 is an extension of the capacitive electrode device 100 of the first embodiment, the basic configuration is the same.
  • the grid support 202 is a grid-shaped structure in which a plurality of channels having a rectangular cross section are formed.
  • the channel may be formed in a circle or polygon other than a rectangle.
  • a flow positive electrode 201 and a flow negative electrode 203 are disposed in the channel.
  • the positive electrode ion exchange current collector is disposed in the flow positive electrode 201
  • the negative electrode ion exchange current collector is disposed in the flow negative electrode 203.
  • the positive electrode active material included in the electrode solution 212 flowing in the flow positive electrode 201 and the negative electrode active material included in the electrode solution 214 flowing in the flow negative electrode 203 may be different materials, but the same material may be used. It may be.
  • the positive electrode ion exchange current collector may be one that overlaps the positive electrode ion exchange membrane 204 and the porous positive electrode plate 206. That is, the cathode ion exchange membrane 204 is disposed to abut against the inner wall surface of the channel, and the porous cathode plate 206 is disposed to abut inside the cathode ion exchange membrane 204. Accordingly, the positive electrode ion exchange membrane 204 and the porous positive electrode plate 206 form a stacked body.
  • the negative electrode ion exchange current collector may be one in which the negative electrode ion exchange membrane 208 and the porous negative electrode plate 210 are stacked in this order from the inner wall surface of the channel. Therefore, the negative ion exchange membrane 208 and the porous negative electrode plate 210 form a tube.
  • electrolyte passage 216 may be included.
  • the moving direction of the electrolyte of the electrolyte flow path 216 and the moving direction of the electrode solution of the flow positive electrode 201 and the flow negative electrode 203 may be the same or opposite directions.
  • the grid support 202 is a part of the electrolyte solution to allow the electrolyte to move naturally due to gravity or capillary action, or the electrolyte forcibly flows in the electrolyte flow path 216 is a wall of the grid support 202 Can be soaked in
  • Only the flow negative electrode 203 may be disposed around the flow positive electrode 201, or the flow negative electrode 203 or the electrolyte flow path 216 may be disposed.
  • only the flow positive electrode 201 may be disposed around the flow negative electrode 203, or the flow positive electrode 201 or the electrolyte flow path 216 may be disposed.
  • Example 1 although the electrolyte flow path 216 is included, when there is no electrolyte flow path 216, a channel may be formed only by the flow positive electrode 201 and the flow negative electrode 203. This configuration is shown in Example 8 below (see FIG. 10).
  • the flow positive electrode 201 and the flow negative electrode 203 face each other around the electrolyte flow path 216, and at the same time, the flow positive electrode 201 and the flow negative electrode 203 are disposed in a diagonal direction. .
  • the electrolyte flow path 216 is disposed in a diagonal direction.
  • the wall of the lattice supporter 202 positioned between the adjacent flow positive electrode 201 and the flow negative electrode 203 causes the movement of anions and cations as described in FIG. 1.
  • the capacity of the flow electrode device 200 is greatly increased.
  • the electrolyte passage 216 serves to continuously supply the electrolyte.
  • FIG. 10 shows a capacitive electrode flow device 230 according to Embodiment 8 of the present invention.
  • the capacitive electrode flow device 230 omits the electrolyte flow path, and the electrolyte is delivered only by the grid support 202. Therefore, there is an advantage that can be further reduced in size compared to Examples 1 to 8.
  • FIG. 11 shows a capacitive electrode flow device 300 according to a ninth embodiment of the present invention.
  • the capacitive electrode flow device 300 is the reverse arrangement of the capacitive electrode flow device 200, the positive electrode ion exchange current collector and the negative electrode ion exchange current collector of FIG.
  • the grid support 302 is a grid-shaped structure in which a plurality of channels having a rectangular cross section are formed.
  • the channel may be formed in a circle or polygon other than a rectangle.
  • a flow positive electrode 301 and a flow negative electrode 303 are disposed in the channel.
  • the positive electrode ion exchange current collector is disposed in the flow positive electrode 301
  • the negative electrode ion exchange current collector is disposed in the flow negative electrode 303.
  • the positive electrode active material included in the electrode solution 312 flowing in the flow positive electrode 301 and the negative electrode active material included in the electrode solution 314 flowing in the flow negative electrode 303 may be different materials, but the same material may be used. It may be.
  • the positive electrode ion exchange current collector may be one that overlaps the positive electrode ion exchange membrane 304 and the porous positive electrode plate 306. That is, the porous positive electrode plate 306 is disposed to be in contact with the inner wall surface of the channel, and the positive ion exchange membrane 304 is disposed to be in contact with the inside of the porous positive electrode plate 306. Accordingly, the porous cathode plate 306 and the cathode ion exchange membrane 304 form a stacked body.
  • the negative ion exchange current collector may be a laminate in which the porous negative electrode plate 310 and the negative electrode ion exchange membrane 308 are stacked in this order from the inner wall surface of the channel. Therefore, the porous negative electrode plate 310 and the negative ion exchange membrane 308 form a tubular body.
  • electrolyte passage 316 may be included.
  • the movement direction of the electrolyte of the electrolyte flow path 316 and the movement direction of the electrode solution of the flow positive electrode 301 and the flow negative electrode 303 may be the same or opposite directions.
  • the lattice supporter 302 is part of the electrolyte solution so that the electrolyte moves naturally by gravity or capillary action, or the electrolyte forcibly flowing in the electrolyte flow path 316 is a wall of the lattice supporter 302. Can be soaked in
  • Only the flow negative electrode 303 may be disposed around the flow positive electrode 301, or the flow negative electrode 303 or the electrolyte flow path 316 may be disposed.
  • only the flow positive electrode 301 may be disposed around the flow negative electrode 303, or the flow positive electrode 301 or the electrolyte flow path 316 may be disposed.
  • the flow positive electrode 301 and the flow negative electrode 303 face each other around the electrolyte flow path 316, and at the same time, the flow positive electrode 301 and the flow negative electrode 303 are disposed in a diagonal direction. .
  • the electrolyte flow path 316 is disposed in a diagonal direction.
  • the movement of anions and cations occurs in the wall of the lattice supporter 302 located between the adjacent flow positive electrode 301 and the flow negative electrode 303.
  • the capacity of the capacitive electrode flow device 300 is greatly increased.
  • the electrolyte flow passage 316 serves to continuously supply the electrolyte.
  • the capacitive flow electrode device 400 has a lattice support 402 serving as a movement of ions and a structure, and the movement of the electrolyte is transferred to the electrolyte flow path 416.
  • the lattice supporter 402 is a lattice-shaped structure in which a plurality of channels having a rectangular cross section are formed.
  • the channel may be formed in a circle or polygon other than a rectangle.
  • the lattice supporter 402 may be a pore filling membrane coated with a pore of the porous support with a coating layer for selectively transmitting ions to a porous support to form a structure.
  • a flow positive electrode 401 and a flow negative electrode 403 are disposed in the channel.
  • the porous positive electrode plate 404 is disposed on the flow positive electrode 301, and the porous negative electrode plate 410 is disposed on the flow negative electrode 403.
  • the positive electrode active material included in the electrode solution 412 flowing in the flow positive electrode 401 and the negative electrode active material included in the electrode solution 414 flowing in the flow negative electrode 403 may be different materials, but the same material may be used. It may be.
  • the porous positive electrode plate 404 and the porous negative electrode plate 410 are disposed to contact the inner wall surface of the channel.
  • an electrolyte passage 416 is included.
  • the moving direction of the electrolyte of the electrolyte flow path 416 and the moving direction of the electrode solution of the flow positive electrode 401 and the flow negative electrode 403 may be the same or opposite directions.
  • the electrolyte is supplied to the flow positive electrode 401 and the flow negative electrode 403 by the electrolyte flow passage 416. Therefore, in the tenth embodiment, the flow positive electrode 401 and the flow negative electrode 403 face each other around the electrolyte flow path 416, and at the same time, the flow positive electrode 401 and the flow negative electrode 403 are in a diagonal direction. Is placed.
  • the electrolyte flow path 416 is disposed in a diagonal direction.
  • movement of anions and cations occurs in the wall of the lattice supporter 402 located between the adjacent flow positive electrode 401 and the flow negative electrode 403.
  • the movement of the negative ions and positive ions occurs on the lattice supporter 402 as a whole, the capacity of the capacitive electrode flow device 400 is greatly increased.
  • the electrolyte flow path 416 serves to continuously supply the electrolyte.
  • the redox flow electrode device 120 has a positive electrode channel 126 and a negative electrode channel 128 in which electrode solutions flow on both sides of the separator 130, and the positive electrode channel 126 and the negative electrode channel 128 are formed. ), A positive electrode current collector 122 and a negative electrode current collector 124 for collecting electricity are disposed.
  • the positive electrode solution 126 is circulated by the positive electrode pump 134 in the positive electrode passage 126, and the negative electrode solution stored in the negative electrode solution tank 136 is negatively pumped in the negative electrode passage 128. 138).
  • the positive electrode solution and the negative electrode solution generally use an electrolyte solution containing zinc ions and bromine ions.
  • the redox reaction occurs in the positive electrode channel 126 and the negative electrode channel 128 based on the separator 130, thereby releasing or accumulating electricity.
  • the redox flow electrode device 418 which implements this principle includes a lattice support 402 for transmitting only protons, a flow positive electrode 401 and a flow negative electrode 403 disposed in a channel of the lattice support 402. It is done by
  • the grating support 402 is a grating structure in which a plurality of channels having a rectangular cross section are formed.
  • the channel may be formed in a circle or polygon other than a rectangle.
  • the lattice supporter 402 may be a pore filling membrane coated with a pore of the porous support with a coating layer for selectively transmitting protons to a porous support to form a structure.
  • a flow positive electrode 401 and a flow negative electrode 403 are disposed in the channel.
  • the porous positive electrode plate 404 is disposed on the flow positive electrode 301, and the porous negative electrode plate 410 is disposed on the flow negative electrode 303.
  • the positive electrode active material included in the electrode solution 412 flowing in the flow positive electrode 401 and the negative electrode active material included in the electrode solution 414 flowing in the flow negative electrode 403 may be different materials, but the same material may be used. It may be.
  • the porous positive electrode plate 404 and the porous negative electrode plate 410 are disposed to contact the inner wall surface of the channel.
  • the flow positive electrode 401 and the flow negative electrode 403 are arranged to have a checkered pattern, as shown in FIG. 13. As a result, while the proton moves through the lattice supporter 402, a redox reaction occurs in the flow positive electrode 401 and the flow negative electrode 403, thereby charging or discharging.

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Abstract

본 발명은 발전, 에너지저장, 탈염 등의 대단위 플랜트에 적합하도록 전해질을 공급하는 격자지지체로 골격을 이루는 것에 의해, 장치비용을 낮추고 작은 공간을 차지하면서도 대용량화시킬 수 있는 격자형 흐름전극구조체에 관한 것으로, 축전식 흐름전극장치 또는 레독스 흐름전극장치에 활용될 수 있다.

Description

격자형 흐름전극구조체
본 발명은 격자형 흐름전극구조체에 관한 것으로, 발전, 에너지저장, 탈염 등의 대단위 플랜트에 적합하도록 전해질을 공급하는 격자지지체로 골격을 이루는 것에 의해, 장치비용을 낮추고 작은 공간을 차지하면서도 대용량화시킬 수 있는 흐름전극구조체에 관한 것이다.
최근 세계 각국은 대기환경 오염 및 지구온난화 문제를 해결하기 위해 청정대체 에너지 개발에 노력을 기울이고 있으며 특히 최근에는 해양 농도차를 이용한 발전이 새로운 화두로 크게 대두되고 있다.
이와 함께 다양한 대체 에너지를 통해 생성된 전기에너지를 저장할 수 있는 대용량 전력저장기술 개발은 미래 녹색산업기반의 핵심으로 대두되고 있다. 이러한 미래 전력저장 기술의 대부분은 Li이온 전지 또는 슈퍼캐패시터(Super capacitor)와 같이 이온의 흡착(충전) 및 탈착(방전) 원리를 이용한 방식으로 세계 각국은 소재부품의 충방전 특성의 개선을 통한 고효율 컴팩트화와 대용량화를 위해 많은 연구개발 노력을 진행중이다.
한편, 최근에는 수질오염 및 물부족에 대비한 정수 또는 폐수처리, 해수담수화와 같은 수처리 분야에서도 이와 동일한 원리를 이용하여 기존의 증발법이나 역삼투압(RO)법에 비해 매우 낮은 에너지 비용만으로 수처리가 가능한 공정, 즉 축전식 탈염(Capacitive Deionization: CDI) 공정개발이 진행중이다.
이러한 동일 원리를 이용한 전력저장과 수처리 시스템에 있어 가장 큰 문제는 대용량화시 효율저하와 고가의 장치비용이다. 즉 스케일업을 위한 전극의 대면적화, 이에 따른 전극내 전기장 분포의 불균일, 집전체에 코팅되는 박막전극의 제한된 활물질 량, 코팅과정에서 바인더에 의한 활물질과 전해질의 접촉면적 감소 및충방전 효율저하 등으로 다수의 단위셀 스택화가 필요하고, 이에 따른 장치의 고가화, 특히 CDI(Capacitive Deionization) 공정의 경우 스택(stack) 내 물(전해질) 흐름의 압력손실에 의한 운전비용의 증가가 문제점으로 지적되고 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인은 축전식 흐름전극장치(한국특허 제10-1233295호)를 개발하였고, 이를 발전(한국특허 제10-1318331호), 에너지 저장(한국특허 제10-1210525호), 수처리(한국특허 제10-1221562호) 등에 사용하였다.
상기의 발명에서 제안한 흐름전극으로 무한한 전극용량가진 전극을 단위셀에 공급하는 것이 가능하였지만 흐름전극을 이용한 장치들을 비롯한 레독스 흐름전지(redox flow battery) 등의 종래기술은 대용량화를 위해서는 전극면적을 늘리거나, 스택화를 하여야 하는데, 이 경우 종래기술에서는 양극집전체 및 음극집전체를 비롯한 단위구성요소들을 무한히 적층하게 된다.
이 결과, 단위셀의 적층은 부피가 크게 증대할 뿐만 아니라, 많은 유로로 인하여 부품수가 증대하여 장치를 제작하기 위한 비용이 커진다는 큰 문제가 있다.
<선행기술문헌>
(특허문헌)
(특허문헌 1) 한국특허 제10-1233295호
(특허문헌 2) 한국특허 제10-1318331호
(특허문헌 3) 한국특허 제10-1210525호
(특허문헌 4) 한국특허 제10-1221562호
(특허문헌 5) 한국특허 제10-1327741호
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 발전, 에너지저장, 탈염 등의 대단위 플랜트에 적합하도록 전해질을 공급하는 격자지지체로 골격을 이루는 것에 의해, 장치비용을 낮추고 작은 공간을 차지하면서도 대용량화시킬 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명 중 첫번째 형태의 흐름전극구조체는, 축방향으로 길게 형성되고, 액체침투성 벽체에 의해 전해질이 유동되고, 복수의 채널로 이루어지도록 단면형상이 격자구조인 격자지지체; 상기 격자지지체의 채널에 양이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 정극이온교환집전체가 삽입되고, 상기 정극이온교환집전체의 중심으로 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 및 상기 격자지지체의 채널에 음이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 부극이온교환집전체가 삽입되고, 상기 부극이온교환집전체의 중심으로 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름부극을 포함하고, 상기 흐름정극의 주위로는 상기 흐름부극이 맞닿도록 배치되는 것을 특징으로 하는 흐름전극구조체이다.
두번째 형태의 흐름전극구조체는, 첫번째 형태의 흐름전극구조체에 전해질유로를 추가적으로 포함하는 것이 특징이다. 즉, 축방향으로 길게 형성되고, 액체침투성 벽체에 의해 전해질이 유동되고, 복수의 채널로 이루어지도록 단면형상이 격자구조인 격자지지체; 상기 격자지지체의 채널에 양이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 정극이온교환집전체가 삽입되고, 상기 정극이온교환집전체의 중심으로 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 상기 격자지지체의 채널에 음이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 부극이온교환집전체가 삽입되고, 상기 부극이온교환집전체의 중심으로 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름부극; 및 상기 채널의 내부로 전해질이 흐르는 전해질유로를 포함하고, 상기 흐름정극의 주위로는 상기 흐름부극 또는 상기 전해질 유로가 맞닿도록 배치되고, 상기 흐름부극의 주위로는 상기 흐름정극 또는 상기 전해질 유로가 맞닿도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
세번째 형태의 흐름전극구조체는, 격자지지체가 상이하다. 즉, 축방향으로 길게 형성되고, 분리막으로 이루어지고, 복수의 채널로 이루어지도록 단면형상이 격자구조인 격자지지체; 상기 격자지지체의 채널의 내벽면에 맞닿도록 다공성 정극판이 배치되고, 상기 다공성 정극판의 내부로 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 및 상기 격자지지체의 채널의 내벽면에 맞닿도록 다공성 부극판이 배치되고, 상기 다공성 부극판의 내부로 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극을 포함하고, 상기 흐름정극의 주위로는 상기 흐름부극이 맞닿도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
네번째 형태의 흐름전극구조체는, 세번째 형태의 흐름전극구조체에 전해질유로를 추가적으로 포함하는 것이 특징이다. 즉, 축방향으로 길게 형성되고, 분리막으로 이루어지고, 복수의 채널로 이루어지도록 단면형상이 격자구조인 격자지지체; 상기 격자지지체의 채널의 내벽면에 맞닿도록 다공성 정극판이 배치되고, 상기 다공성 정극판의 내부로 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 상기 격자지지체의 채널의 내벽면에 맞닿도록 다공성 부극판이 배치되고, 상기 다공성 부극판의 내부로 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 및 상기 채널의 내부로 전해질이 흐르는 전해질유로를 포함하고, 상기 흐름정극의 주위로는 상기 흐름부극 또는 상기 전해질 유로가 맞닿도록 배치되고, 상기 흐름부극의 주위로는 상기 흐름정극 또는 상기 전해질 유로가 맞닿도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 정극이온교환집전체는, 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 배치되는 정극이온교환막과, 상기 정극이온교환막의 내측에 접하도록 다공성정극판을 적층하여 이루어지고, 상기 부극이온교환집전체는, 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 배치되는 부극이온교환막과, 상기 부극이온교환막에 내측에 접하도록 다공성부극판을 적층하여 이루어질 수 있다.
또, 다른 형태로, 상기 정극이온교환집전체는, 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 배치되는 다공성정극판과, 상기 다공성정극판의 내측에 접하도록 정극이온교환막을 적층하여 이루어지고, 상기 부극이온교환집전체는, 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 배치되는 다공성부극판과, 상기 다공성부극판의 내측에 접하도록 부극이온교환막을 적층하여 이루어지는 것도 가능하다.
첫번째와 두번째 형태의 흐름전극구조체에서, 상기 격자지지체는, 제올라이트, 세라믹, 또는 고분자 물질로 이루어질 수 있다. 상기 세라믹 재료로는 산화알루미늄, 산화규소, 탄화규소, 질화규소 등을 사용할 수 있으며, 상기 고분자 물질로는, 플라스틱, 고분자 섬유 등을 사용할 수 있다.
그리고, 세번째 형태의 흐름전극구조체에서는 프로톤만 투과시키는 세공충진막으로 이루어질 수 있다. 또, 네번째 형태의 흐름전극구조체에서는 이온을 투과시키는 세공충진막으로 이루어질 수 있다.
또, 상기 다공성정극판 및 상기 다공성부극판은 다공성 탄소 플레이트로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 다공성 탄소 플레이트는 그라파이트, 그래핀, 탄소섬유, 활성탄, 카본나노튜브 등을 이용하여 제작될 수 있다.
또, 상기 채널의 단면형상은 원형 또는 다각형으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상술한 첫번째와 두번째, 그리고 네번째의 흐름전극구조체로는 이루어지고 축전식 흐름전극장치를 형성할 수 있다.
또, 세번째 형태의 흐름전극구조체로는 이루어지는 레독스 흐름전지장치를 형성할 수 있다.
적층시 흐름정극 및 흐름부극을 인접하는 전극유니트에서 공유하도록 하여 발전, 에너지저장, 탈염 등의 대단위 플랜트에 적합하도록 전극용량을 확대시키면서도 부품수를 줄여서 제조비용과 설치공간을 획기적으로 감소시킬 수 있는 축전식 흐름전극장치 또는 레독스 흐름전극장치를 제공할 수 있다.
또, 축전식 흐름전극장치 또는 레독스 흐름전극장치 외에도, 이온 또는 플라톤을 이동하면서 전기를 발전, 에너지저장, 탈염하는 장치에는 모두 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 기본구조를 이루는 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 3은 도 2의 축전식 흐름전극장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 4에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 5에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 6에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예 7에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 실시예 8에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 실시예 9에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 10에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 실시예 11에 따른 레독스 흐름전극장치의 개략도이다.
도 14는 일반적인 레독스 흐름전지의 구조를 나타내는 개략도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 흐름전극구조체에 의해서는 축전식 흐름전극장치 또는 레독스 흐름전극장치를 제작할 수 있다. 따라서, 본 발명의 흐름전극구조체는 축전식 흐름전극장치와 레독스 흐름전극장치를 예로 하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 기본구조를 이루는 축전식 흐름전극장치(100)에 대해 설명한다. 이 때, 상기 축전식 흐름전극장치(100)는 전해질로부터 전기를 생산하는 발전장치에 사용되는 경우를 예로 하여 설명한다. 본 발명에서, 정극은 캐소드(cathode)를 의미하며, 부극은 애노드(anode)를 의미한다. 탈염 또는 방전에서는 극성이 바뀔 수 있다.
상기 축전식 흐름전극장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전해질 유로(102)를 중심으로 그 양측에 흐름정극(112)과 흐름부극(114)가 배치된다. 상기 전해질 유로(102)와 상기 흐름정극(112) 사이에는 정극이온교환집전체가 배치되고, 상기 전해질 유로(102)와 상기 흐름부극(114) 사이에는 부극이온교환집전체가 배치된다. 그리고, 상기 흐름정극(112)의 외측과 상기 흐름부극(114)의 외측으로 유로를 형성하기 위한 폐쇄플레이트(116,118)가 배치된다.
상기 흐름정극(112)은 전극용액에 정극활물질(111)이 혼합되어 분산된 슬러리 상태로 흐르는 유로를 의미한다. 그리고, 상기 흐름부극(114)은 전극용액에 부극활물질(113)이 혼합되어 분산된 슬러리 상태로 흐르는 유로를 의미한다. 상기 흐름정극(112)과 상기 흐름부극(114)은 유로를 형성할 수 있는 격자지지체가 내부에 사용될 수 있다. 상기 양극활물질 및 상기 음극활물질은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수 있으며, 이 경우에 양자를 합쳐서 전극활물질이라고 명명한다. 상기 양극활물질 및 상기 음극활물질은 다공성 탄소(활성탄, 카본파이버, 탄소에어로젤, 탄소나노튜브 등), 흑연분말, 금속산화물 분말 등이 사용될 수 있다.
또, 상기 전극용액은 NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3등 수용성 전해질액과, 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)와 같은 유기성 전해질액을 포함할 수 있다. 특히, 상기 전극용액으로써 다량의 염(특히, NaCl)이 함유된 염수 또는 미량의 염이 함유된 담수를 사용하는 것이 가능하다.
상기 정극이온교환집전체는 도 1에 도시된 바와 같이, 정극이온교환막(104)과 다공성정극판(106)을 적층한 것을 사용할 수 있다. 상기 정극이온교환막(104)은 상기 전해질 유로(102) 측에 배치되고, 상기 다공성정극판(106)은 상기 흐름정극(112) 측에 배치된다. 반대로, 상기 정극이온교환막(104)은 상기 흐름정극(112) 측에 배치되고, 상기 다공성정극판(106)은 상기 전해질 유로(102) 측에 배치되는 것도 가능하다.
또, 상기 부극이온교환집전체는 도 1에 도시된 바와 같이, 부극이온교환막(108)과 다공성부극판(110)을 중첩한 것을 사용할 수 있다. 상기 부극이온교환막(108)은 상기 전해질 유로(102) 측에 배치되고, 상기 다공성부극판(110)은 상기 흐름부극(114) 측에 배치된다. 반대로, 상기 부극이온교환막(108)은 상기 흐름부극(114) 측에 배치되고, 상기 다공성부극판(110)은 상기 전해질 유로(102) 측에 배치되는 것도 가능하다.
상기 부극이온교환집전체과 상기 정극이온교환집전체는 이온만을 투과시키는 전기 전도성 재질이 개발된다면, 상술한 적층형의 부극이온교환집전체 또는 정극이온교환집전체보다 더욱 두께를 줄일 수 있다.
상기 다공성정극판(106) 및 상기 다공성부극판(110)으로는 전기가 통하면서도 유체가 통과할 수 있는 물질, 예를 들어 다공성 탄소플레이트를 사용할 수 있다. 상기 탄소 탄소플레이트는 그라파이트, 그래핀, 탄소섬유, 활성탄, 카본나노튜브 등으로 제작될 수 있다.
그리고, 상기 양이온 분리막(104)은 전해질 액체의 유통을 막고 양이온만 선택적으로 통과시키는 치밀막이고, 상기 음이온 분리막(108)은 전해질 액체의 유통을 막고 음이온만 선택적으로 통과시키는 치밀막이다. 상기 양이온 분리막(104)과 상기 음이온 분리막(108)은 공지의 이온 분리막을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 전해질 유로(102)에는 전해질이 이동하며, 상기 전해질로는 상기 전극용액과 마찬가지로 NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3 등 수용성 전해질액과, 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)와 같은 유기성 전해질액을 포함할 수 있다. 특히, 상기 전극용액으로써 다량의 염(특히, NaCl)이 함유된 염수 또는 미량의 염이 함유된 담수를 사용하는 것이 가능하다. 상기 전해질 유로(102)은 유로를 형성할 수 있는 격자지지체가 내부에 사용될 수 있다.
상기 전해질 유로(102)의 전해질 이동방향과 상기 흐름정극(112) 및 상기 흐름부극(114)의 유체의 이동방향은 서로 동일하거나 반대방향일 수 있다.
또, 상기 전해질 유로(102)는 전해질이 흐르는 공간으로 형성되는 것도 가능하지만, 격자지지체가 상기 전해질 유로(102) 내부에 채워질 수 있다. 상기 격자지지체는 절기적 절연체이며, 전해질이 이동하기 용이하도록 섬유조직으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 폐쇄플레이트(116,118)는 비전기 전도성 플레이트를 사용할 수도 있고, 전기 전도성이 있는 금속판을 사용할 수도 있다. 전기 전도성 금속판을 사용하는 경우에는 추가 집전체로써 활용될 수 있다.
본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 흐름전극장치(100)는 기본적으로 상술한 바와 같이 구성된다. 이하, 상기 축전식 흐름전극장치(100)를 발전장치로 활용할 경우의 작동원리에 대하여 설명한다. 상기 전해질 유로(102)로 양이온과 음이온을 가지는 전해질을 흘리면, 상기 정극이온교환집전체를 통과한 양이온이 상기 흐름정극(112)로 이동하고 상기 부극이온교환집전체를 통과한 음이온이 상기 흐름부극(114)로 이동하면, 상기 흐름정극(112)와 상기 흐름부극(114) 사이에 전위차가 발생하게 된다. 이 전위차가 상기 상기 다공성정극판(106)과 상기 다공성부극판(110)을 통해 외부로 전기적으로 연결되면, 상기 축전식 흐름전극장치(100)는 발전유니트로써 활용될 수 있다.
반대로, 상기 다공성정극판(106)과 상기 다공성부극판(110)에 전위차가 발생하도록 외부에서 전류를 흘리면, 상기 흐름정극(112)와 상기 흐름부극(114)로 상기 전해질 유로(102)를 흐르는 전해질로부터 강제로 양이온과 음이온이 이동하면서, 전해질을 탈염시키게 된다.
또, 동시에 상기 흐름정극(112)와 상기 흐름부극(114)를 흐르는 슬러리에 전하가 채워지므로, 상기 슬러리를 저장하여 전기 저장장치로 활용하는 것도 가능하다.
다음으로 상기 축전식 흐름전극장치(100)를 기본으로 하여, 격자지지체(202)를 활용하는 것에 의해 전기용량을 확장한 실시예 1에 따른 축전식 흐름전극장치(200)를 도 2 및 도 3을 이용하여 설명한다. 상기 축전식 흐름전극장치(200)는 실시예1의 축전식 흐름전극장치(100)를 확장한 것이며, 기본적인 구성은 동일하다.
상기 격자지지체(202)는 도 2에 도시된 바와 같이, 단면이 사각형으로 관통된 채널이 복수개가 형성되는 격자형태의 구조물이다. 상기 채널은 사각형 이외의 원형 또는 다각형으로 형성되는 것도 가능하다.
상기 축전식 흐름전극장치(200)는 상기 채널에 흐름정극(201)과 흐름부극(203)이 배치된다. 상기 흐름정극(201)에는 정극이온교환집전체가 배치되고, 상기 흐름부극(203)에는 부극이온교환집전체가 배치된다.
상기 흐름정극(201)에 흐르는 전극용액(212)에 포함되는 양극활물질 및 상기 흐름부극(203)에 흐르는 전극용액(214)에 포함되는 음극활물질은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수도 있다.
상기 정극이온교환집전체는 정극이온교환막(204)과 다공성정극판(206)을 중첩한 것을 사용할 수 있다. 즉, 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 상기 정극이온교환막(204)이 배치되고, 상기 다공성정극판(206)이 상기 정극이온교환막(204)의 내측에 맞닿도록 배치된다. 따라서, 상기 정극이온교환막(204)과 상기 다공성정극판(206)이 적층된 관체를 이룬다.
또, 상기 부극이온교환집전체는 부극이온교환막(208)과 다공성부극판(210)을 상기 채널의 내벽면으로부터 순서대로 중첩하여 적층한 것을 사용할 수 있다. 따라서, 상기 부극이온교환막(208)과 상기 다공성부극판(210)은 관체를 이룬다.
그리고, 추가적으로 전해질유로(216)가 포함될 수 있다.
상기 전해질 유로(216)의 전해질 이동방향과 상기 흐름정극(201) 및 상기 흐름부극(203)의 전극용액의 이동방향은 서로 동일하거나 반대방향일 수 있다.
상기 격자지지체(202)는, 전해질 용액에 일부가 담겨져서 중력 또는 모세관 현상에 의해 자연적으로 전해질이 이동하도록 하거나, 상기 전해질 유로(216)에 강제로 유동되는 전해질이 상기 격자지지체(202)의 벽체로 스며들면서 유동될 수 있다.
상기 흐름정극(201)의 주위로는 상기 흐름부극(203) 만이 배치되거나, 흐름부극(203) 또는 상기 전해질 유로(216)가 배치될 수 있다. 마찬가지로, 상기 흐름부극(203)의 주위로는 상기 흐름정극(201)만이 배치되거나, 흐름정극(201) 또는 상기 전해질 유로(216)가 배치될 수 있다.
실시예 1에서는 전해질 유로(216)를 포함하고 있으나, 전해질 유로(216)가 없는 경우에는, 상기 흐름정극(201)과 상기 흐름부극(203) 만으로 채널이 구성되는 것도 가능하다. 이와 같은 구성은 아래의 실시예 8(도 10 참조)에 나타난다.
실시예 1에서는, 전해질 유로(216)의 주위로 흐름정극(201)과 흐름부극(203)이 서로 마주보는 형태를 가지며, 동시에 흐름정극(201)과 흐름부극(203)은 대각선 방향으로 배치된다. 그리고, 상기 전해질 유로(216)는 대각선 방향으로 배치된다.
좀 더 설명하면, 인접하는 흐름정극(201)과 흐름부극(203) 사이에 위치하는 격자지지체(202)의 벽체가, 도 1에서 설명한 것과 같은 음이온과 양이온의 이동이 일어나게 된다. 이러한, 음이온과 양이온의 이동이 상기 격자지지체(202) 전제적으로 발생되면서, 상기 흐름전극장치(200)의 용량은 크게 증가하게 된다. 그리고, 상기 전해질 유로(216)는 지속적으로 전해질을 공급해 주는 역할을 하게 된다.
도 4 내지 도 9는 실시예 2 내지 7에 따른 축전식 흐름전극장치(218,220,222,224,226,228)를 도시한다. 실시예 1과 동일한 구성이지만, 흐름정극(201)과 흐름부극(203)과 전해질 유로(216)의 배치모습이 상이하다. 따라서, 설계자의 의도에 따라 다양한 형태의 배열이 가능하며, 이를 통해 흐름전극의 공급이 계속 된다면 무한한 흡착용량에 의해 지속적으로 탈염이 됨을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예 8에 따른 축전식 흐름전극장치(230)를 도시한다. 상기 축전식 흐름전극장치(230)는 전해질 유로를 생략하고, 전해질은 오로지 격자지지체(202)에 의해서만 전달하게 된다. 따라서, 실시예 1 내지 실시예 8에 비해 크기를 더욱 작게 할 수 있는 장점이 있다.
도 11은 본 발명의 실시예 9에 따른 축전식 흐름전극장치(300)를 도시한다. 상기 축전식 흐름전극장치(300)는 도 1의 축전식 흐름전극장치(200)와 정극이온교환집전체와 부극이온교환집전체의 배치방식이 반대이다.
격자지지체(302)는 도 11에 도시된 바와 같이, 단면이 사각형으로 관통된 채널이 복수개가 형성되는 격자형태의 구조물이다. 상기 채널은 사각형 이외의 원형 또는 다각형으로 형성되는 것도 가능하다.
상기 축전식 흐름전극장치(300)는 상기 채널에 흐름정극(301)과 흐름부극(303)이 배치된다. 상기 흐름정극(301)에는 정극이온교환집전체가 배치되고, 상기 흐름부극(303)에는 부극이온교환집전체가 배치된다.
상기 흐름정극(301)에 흐르는 전극용액(312)에 포함되는 양극활물질 및 상기 흐름부극(303)에 흐르는 전극용액(314)에 포함되는 음극활물질은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수도 있다.
상기 정극이온교환집전체는 정극이온교환막(304)과 다공성정극판(306)을 중첩한 것을 사용할 수 있다. 즉, 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 다공성정극판(306)이 배치되고, 정극이온교환막(304)가 상기 다공성정극판(306)의 내측에 맞닿도록 배치된다. 따라서, 상기 다공성정극판(306)과 상기 정극이온교환막(304)이 적층된 관체를 이룬다.
또, 상기 부극이온교환집전체는 다공성부극판(310)과 부극이온교환막(308)을 상기 채널의 내벽면으로부터 순서대로 중첩하여 적층한 것을 사용할 수 있다. 따라서, 상기 다공성부극판(310)과 상기 부극이온교환막(308)은 관체를 이룬다.
그리고, 추가적으로 전해질유로(316)가 포함될 수 있다.
상기 전해질 유로(316)의 전해질 이동방향과 상기 흐름정극(301) 및 상기 흐름부극(303)의 전극용액의 이동방향은 서로 동일하거나 반대방향일 수 있다.
상기 격자지지체(302)는, 전해질 용액에 일부가 담겨져서 중력 또는 모세관 현상에 의해 자연적으로 전해질이 이동하도록 하거나, 상기 전해질 유로(316)에 강제로 유동되는 전해질이 상기 격자지지체(302)의 벽체로 스며들면서 유동될 수 있다.
상기 흐름정극(301)의 주위로는 상기 흐름부극(303) 만이 배치되거나, 흐름부극(303) 또는 상기 전해질 유로(316)가 배치될 수 있다. 마찬가지로, 상기 흐름부극(303)의 주위로는 상기 흐름정극(301)만이 배치되거나, 흐름정극(301) 또는 상기 전해질 유로(316)가 배치될 수 있다.
실시예 9에서는, 전해질 유로(316)의 주위로 흐름정극(301)과 흐름부극(303)이 서로 마주보는 형태를 가지며, 동시에 흐름정극(301)과 흐름부극(303)은 대각선 방향으로 배치된다. 그리고, 상기 전해질 유로(316)는 대각선 방향으로 배치된다.
좀 더 설명하면, 인접하는 흐름정극(301)과 흐름부극(303) 사이에 위치하는 격자지지체(302)의 벽체에서 음이온과 양이온의 이동이 일어나게 된다. 이러한, 음이온과 양이온의 이동이 상기 격자지지체(302) 전제적으로 발생되면서, 상기 축전식 흐름전극장치(300)의 용량은 크게 증가하게 된다. 그리고, 상기 전해질 유로(316)는 지속적으로 전해질을 공급해 주는 역할을 하게 된다.
실시예 9과 같은 구조를 이용하여, 실시예 1 외에 실시예 2 내지 8의 구조를 가지도록 배치하는 것도 가능하다.
도 12은 본 발명의 실시예 10에 따른 축전식 흐름전극장치(400)를 도시한다. 상기 축전식 흐름전극장치(400)는 도 1의 축전식 흐름전극장치(200)과 달리, 격자지지체(402)가 이온의 이동 및 구조물의 역할을 하며, 전해질의 이동은 전해질 유로(416)에 의한다.
격자지지체(402)는 도 12에 도시된 바와 같이, 단면이 사각형으로 관통된 채널이 복수개가 형성되는 격자형태의 구조물이다. 상기 채널은 사각형 이외의 원형 또는 다각형으로 형성되는 것도 가능하다.
상기 격자지지체(402)는, 구조물을 형성하도록 하는 다공성 지지체에 이온을 선택적으로 투과시키는 코팅층을 상기 다공성 지지체의 공극에 코팅한 세공충진막을 사용할 수 있다.
상기 축전식 흐름전극장치(400)는 상기 채널에 흐름정극(401)과 흐름부극(403)이 배치된다. 상기 흐름정극(301)에는 다공성정극판(404)이 배치되고, 상기 흐름부극(403)에는 다공성부극판(410)이 배치된다.
상기 흐름정극(401)에 흐르는 전극용액(412)에 포함되는 양극활물질 및 상기 흐름부극(403)에 흐르는 전극용액(414)에 포함되는 음극활물질은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수도 있다.
상기 다공성정극판(404) 및 상기 다공성부극판(410)은 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 배치된다.
그리고, 추가적으로 전해질유로(416)가 포함된다.
상기 전해질 유로(416)의 전해질 이동방향과 상기 흐름정극(401) 및 상기 흐름부극(403)의 전극용액의 이동방향은 서로 동일하거나 반대방향일 수 있다. 그리고, 상기 흐름정극(401) 및 상기 흐름부극(403)에의 전해질의 공급은 상기 전해질유로(416)에 의해 이루어진다. 따라서, 실시예 10에서는, 전해질 유로(416)의 주위로 흐름정극(401)과 흐름부극(403)이 서로 마주보는 형태를 가지며, 동시에 흐름정극(401)과 흐름부극(403)은 대각선 방향으로 배치된다. 그리고, 상기 전해질 유로(416)는 대각선 방향으로 배치된다.
좀 더 설명하면, 인접하는 흐름정극(401)과 흐름부극(403) 사이에 위치하는 격자지지체(402)의 벽체에서 음이온과 양이온의 이동이 일어나게 된다. 이러한, 음이온과 양이온의 이동이 상기 격자지지체(402) 전제적으로 발생되면서, 상기 축전식 흐름전극장치(400)의 용량은 크게 증가하게 된다. 그리고, 상기 전해질 유로(416)는 지속적으로 전해질을 공급해 주는 역할을 하게 된다.
다음으로 도 13을 이용하여 본 발명의 실시예 11에 따른 레록스 흐름전극장치(418)에 대해서 설명한다. 이에 앞서서. 레독스 흐름전극장치(120)의 일반적인 구성을 도 14를 통해 설명한다.
상기 레독스 흐름전극장치(120)는 분리막(130)을 기준으로 양측에 전극용액이 흐르는 정극유로(126)와 부극유로(128)가 형성되고, 상기 정극유로(126) 및 상기 부극유로(128) 각각에는 전기를 모으는 정극집전체(122)와 부극집전체(124)가 배치된다.
상기 정극유로(126)에는 정극용액탱크(132)에 저장된 정극용액이 정극펌프(134)에 의해 순환하게 되고, 상기 부극유로(128)에는 부극용액탱크(136)에 저장된 부극용액이 부극펌프(138)에 의해 순환하게 된다. 정극용액과 부극용액은 일반적으로 아연이온과 브롬이온을 포함하는 전해질용액을 사용한다.
따라서, 상기 분리막(130)을 기준으로 상기 정극유로(126)와 상기 부극유로(128)에서 산화환원반응이 일어나면서, 전기를 방출하거나 축전하게 된다.
이러한 원리를 구현하는 레독스 흐름전극장치(418)는, 프로톤만을 투과시키는 격자지지체(402)와, 상기 격자지지체(402)의 채널에 배치되는 흐름정극(401)과 흐름부극(403)을 포함하여 이루어진다.
상기 격자지지체(402)는 도 13에 도시된 바와 같이, 단면이 사각형으로 관통된 채널이 복수개가 형성되는 격자형태의 구조물이다. 상기 채널은 사각형 이외의 원형 또는 다각형으로 형성되는 것도 가능하다.
상기 격자지지체(402)는, 구조물을 형성하도록 하는 다공성 지지체에 프로톤을 선택적으로 투과시키는 코팅층을 상기 다공성 지지체의 공극에 코팅한 세공충진막을 사용할 수 있다.
상기 축전식 흐름전극장치(418)는 상기 채널에 흐름정극(401)과 흐름부극(403)이 배치된다. 상기 흐름정극(301)에는 다공성정극판(404)이 배치되고, 상기 흐름부극(303)에는 다공성부극판(410)이 배치된다.
상기 흐름정극(401)에 흐르는 전극용액(412)에 포함되는 양극활물질 및 상기 흐름부극(403)에 흐르는 전극용액(414)에 포함되는 음극활물질은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수도 있다.
상기 다공성정극판(404) 및 상기 다공성부극판(410)은 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 배치된다.
상기 흐름정극(401)과 상기 흐름부극(403)은 도 13에 도시된 바와 같이, 바둑판 무늬를 가지도록 배치된다. 이 결과, 상기 격자지지체(402)를 통해 프로톤이 이동하면서, 상기 흐름정극(401)과 상기 흐름부극(403)에 산화환원반응이 일어나면서, 충전 또는 방전을 하게 된다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
<부호의 설명>
100,200,218,220,222,224,226,228,300,400,418: 흐름전극장치
102,216,316,416: 전해질 유로
104,204,304: 정극이온교환막
106,206,306,: 다공성정극판
108,208,308: 부극이온교환막
110,210,308: 다공성부극판
111: 정극활물질
112,201,301,401: 흐름정극
113: 부극활물질
114,203,303,403: 흐름부극
116,118: 폐쇄플레이트
202,302,402: 격자지지체
212,214,312,314,412,414: 전극용액

Claims (13)

  1. 축방향으로 길게 형성되고, 액체침투성 벽체에 의해 전해질이 유동되고, 복수의 채널로 이루어지도록 단면형상이 격자구조인 격자지지체;
    상기 격자지지체의 채널에 양이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 정극이온교환집전체가 삽입되고, 상기 정극이온교환집전체의 중심으로 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 및
    상기 격자지지체의 채널에 음이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 부극이온교환집전체가 삽입되고, 상기 부극이온교환집전체의 중심으로 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름부극을 포함하고,
    상기 흐름정극의 주위로는 상기 흐름부극이 맞닿도록 배치되는 것을 특징으로 하는 흐름전극구조체.
  2. 축방향으로 길게 형성되고, 액체침투성 벽체에 의해 전해질이 유동되고, 복수의 채널로 이루어지도록 단면형상이 격자구조인 격자지지체;
    상기 격자지지체의 채널에 양이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 정극이온교환집전체가 삽입되고, 상기 정극이온교환집전체의 중심으로 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극;
    상기 격자지지체의 채널에 음이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 부극이온교환집전체가 삽입되고, 상기 부극이온교환집전체의 중심으로 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름부극; 및
    상기 채널의 내부로 전해질이 흐르는 전해질유로를 포함하고,
    상기 흐름정극의 주위로는 상기 흐름부극 또는 상기 전해질 유로가 맞닿도록 배치되고,
    상기 흐름부극의 주위로는 상기 흐름정극 또는 상기 전해질 유로가 맞닿도록 배치되는 것을 특징으로 하는 흐름전극구조체.
  3. 축방향으로 길게 형성되고, 분리막으로 이루어지고, 복수의 채널로 이루어지도록 단면형상이 격자구조인 격자지지체;
    상기 격자지지체의 채널의 내벽면에 맞닿도록 다공성 정극판이 배치되고, 상기 다공성 정극판의 내부로 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 및
    상기 격자지지체의 채널의 내벽면에 맞닿도록 다공성 부극판이 배치되고, 상기 다공성 부극판의 내부로 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극을 포함하고,
    상기 흐름정극의 주위로는 상기 흐름부극이 맞닿도록 배치되는 것을 특징으로 하는 흐름전극구조체.
  4. 축방향으로 길게 형성되고, 분리막으로 이루어지고, 복수의 채널로 이루어지도록 단면형상이 격자구조인 격자지지체;
    상기 격자지지체의 채널의 내벽면에 맞닿도록 다공성 정극판이 배치되고, 상기 다공성 정극판의 내부로 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극;
    상기 격자지지체의 채널의 내벽면에 맞닿도록 다공성 부극판이 배치되고, 상기 다공성 부극판의 내부로 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 및
    상기 채널의 내부로 전해질이 흐르는 전해질유로를 포함하고,
    상기 흐름정극의 주위로는 상기 흐름부극 또는 상기 전해질 유로가 맞닿도록 배치되고,
    상기 흐름부극의 주위로는 상기 흐름정극 또는 상기 전해질 유로가 맞닿도록 배치되는 것을 특징으로 하는 흐름전극구조체.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 정극이온교환집전체는, 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 배치되는 정극이온교환막과, 상기 정극이온교환막의 내측에 접하도록 다공성정극판을 적층하여 이루어지고,
    상기 부극이온교환집전체는, 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 배치되는 부극이온교환막과, 상기 부극이온교환막에 내측에 접하도록 다공성부극판을 적층하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 흐름전극구조체.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 정극이온교환집전체는, 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 배치되는 다공성정극판과, 상기 다공성정극판의 내측에 접하도록 정극이온교환막을 적층하여 이루어지고,
    상기 부극이온교환집전체는, 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 배치되는 다공성부극판과, 상기 다공성부극판의 내측에 접하도록 부극이온교환막을 적층하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 흐름전극구조체.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 격자지지체는, 제올라이트, 세라믹, 또는 고분자물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흐름전극구조체.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 격자지지체는, 플로톤을 투과시키는 세공충진막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흐름전극구조체.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 격자지지체는, 이온을 투과시키는 세공충진막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흐름전극구조체.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다공성정극판 및 상기 다공성부극판은 다공성 탄소플레이트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흐름전극구조체.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 채널의 단면형상은 원형 또는 다각형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흐름전극구조체.
  12. 제1항, 제2항, 및 제 제4항 중 어느 한 항의 흐름전극구조체로 이루어지고 축전식 흐름전극장치.
  13. 제3항의 흐름전극구조체로 이루어지는 레독스 흐름전지장치.
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