WO2020158960A1 - 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판 - Google Patents

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WO2020158960A1
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an integral separator for a redox flow battery, and more particularly to an integral separator for a redox flow battery that electrically connects unit cells.
  • Redox flow battery (Redox Flow Battery) is one of the secondary batteries is a flow battery using the oxidation and reduction reaction of the electrolyte.
  • Redox flow cells are largely composed of cells and stacks, and the performance and efficiency of the entire system are determined by battery performance and input energy for electrolyte flow.
  • an electrode active material having energy exists in a liquid state rather than a solid state, and thus a tank for storing the electrode active material is required and the voltage is applied through stacking of unit cells. Can be increased.
  • the redox flow battery is basically composed of a membrane 10, which is a separator, an electrode 20 made of carbon felt, etc., and a bipolar plate that electrically connects unit cells.
  • the flow frame 40 for mounting the bipolar plate 30 and forming the electrolyte flow path, the current collector 50, the fixed plate 60, the pump 70 for supplying the electrolyte to the electrode 20 and the electrode It includes a tank 80 in which the electrolyte supplied to the (20) is stored.
  • the redox flow battery has a bipolar structure, and different electrodes are positioned on the front and rear surfaces of the bipolar plate 30.
  • the flow frame 40 as shown in Figure 2, as a separation plate, the bipolar plate 30 on both sides of the bipolar plate 30 to support the bipolar plate 30 with an electrolyte inlet and outlet both sides of the diffusion plate ( 41, 45), and each of the six parts including the inlet cover (42,46) and the outlet cover (43,47) for covering the inlet and outlet of the electrolyte.
  • a channel forming portion which is in close contact with one side of the electrode, has irregularities for forming a plurality of channels on both sides, and is disposed at regular intervals from the edge;
  • a composite material separation plate for a redox flow battery including a flat edge portion formed flat from the channel forming portion to the edge has been proposed (see Patent Document 2).
  • the present invention is to solve the above problems, and can improve productivity by improving manufacturing cost and assembly through simplification of parts, and redox flow batteries for improving the efficiency of redox flow battery stacks.
  • the purpose is to provide an integral separator.
  • the redox flow battery-integrated separation plate according to the present invention, the first and second plates of the same shape having a receiving groove in the center, each of which is tightly coupled integrally in a state positioned to face each other, the combined first Electrodes are disposed in the receiving grooves on the outer front or rear sides of the ,2 plate, and the electrolyte flows into the combined first and second plates, diffuses and flows by the electrodes, and then flows out of the first and second plates. It is configured to form a flow path, the inlet passage through which the electrolyte is introduced into the first and second plates; It is formed at a position facing the inlet passage, characterized in that it comprises an outlet passage for the electrolyte to flow out of the first and second plates.
  • a first bent portion for forming a plurality of flow paths between the inlet passage and the electrode;
  • a second bent portion for forming a plurality of flow paths between the outlet passage and the electrode;
  • a plurality of electrode inlet holes provided in the receiving groove to allow electrolyte to flow from the inlet passage to the electrode; It may include a plurality of electrode outlet holes provided in the receiving groove to allow the electrolyte to flow from the electrode to the outlet passage.
  • first and second plates may be arranged and combined to form different flow paths between each other.
  • the separator can be used in a horizontal state, so that the electrolyte is introduced into the electrode in a horizontal state disposed on the separator and distributed evenly over the entire area of the electrode, This has the advantage of improving the efficiency of the redox flow battery stack by reducing the concentration gradient of the electrolyte as a result.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a conventional redox flow battery.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of a conventional flow frame.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of an integral separator for a redox flow battery according to the present invention.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of the first and second plates of FIG. 3;
  • FIG. 5 is a layout view of a redox flow battery to which the integral separator according to the present invention is applied.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of an integral separation plate for a redox flow battery according to the present invention
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of the first and second plates of FIG. 3
  • FIG. 5 is a layout view of a redox flow battery to which the integral separation plate according to the present invention is applied.
  • the redox flow battery-integrated separation plate according to the present invention can improve productivity by improving manufacturing cost and assemblability through component simplification, and is configured to improve the efficiency of the redox flow battery stack.
  • the redox flow battery-integrated separation plate 100 As shown in the figure, the redox flow battery-integrated separation plate 100 according to the present invention, the first and second plates (110,120) having a predetermined receiving groove (111,121) in the center of each of the plate shape of approximately square Including, but in close contact with each other integrally coupled.
  • the redox flow battery-integrated separator 100 the electrode 20 made of carbon felt or the like in the receiving grooves 111 and 121 of the outer front or rear of the combined first and second plates 110 and 120 This is arranged, it is configured to form a flow path that flows out of the first and second plates 110 and 120 after flowing into the inside of the first and second plates 110 and 120 to which the electrolyte solution is combined and diffused and flowed by the electrode 20. do.
  • the first and second plates 110 and 120 may be sealed and tightly coupled through a bonding process.
  • the first and second plates 110 and 120 in the redox flow battery-integrated separator 100 may be configured in the same shape, the inlet passage 112, 114, 122, 124 through which the electrolyte flows from the outside, and the inlet It may be installed facing the passages 112, 114, 122, and 124, and may include an outlet passage 113, 115, 123, 125 through which the electrolyte flows out.
  • the inflow passages 112, 114, 122, and 124, the inflow passages 112, 114, 122, and 124 may be formed in a cross shape at positions facing each other up, down, left, or right, or diagonally formed at positions opposite to each other at four corners. It may be formed of.
  • the inlet passages 112, 114, 122, and 124 and the inlet passages 112, 114, 122, and 124 are formed on the first and second plates 110 and 120 to face each other, so that the separator 100 can be used in a horizontal state. Electrolyte is introduced into the electrode 20 in a horizontal state to be disposed to be evenly distributed over the entire electrode area.
  • the inlet passage (112,114,122,124) and the electrode 20 may be provided with a curved bent portion (116,118,126,128) for forming a plurality of flow paths
  • the outlet passage (113,115,123,125) and the plurality of electrodes between the (20) It may be provided with a bent portion (117,119,127,129) to form a flow path of.
  • a plurality of electrode inlet holes 130 may be provided in the receiving grooves 111 and 121 so that the electrolyte can be smoothly introduced from the inlet passages 112 and 122 into the electrode 20.
  • the electrolyte is rapidly introduced from the inlet passages 112 and 122 into the electrode 20, and serves to distribute the electrolyte evenly over the entire area.
  • a plurality of electrode outlet holes 131 may be provided in the accommodating grooves 111 and 121 so that the electrolyte can be smoothly discharged from the electrode 20 to the outlet passages 113 and 123.
  • the electrode 20 serves to rapidly discharge the electrolyte from the electrode 20 to the outlet passages 113 and 123.
  • the first and second plates 110 and 120 may be arranged and combined to form different flow paths. That is, since the different electrodes 20 are disposed in the receiving grooves 111 and 121 of the outer front and rear surfaces of the combined first and second plates 110 and 120, they are arranged and combined to form different flow paths between each other.
  • the second plate 120 with respect to the first plate 110 may be coupled while being rotated 90 degrees.
  • the separator can be used in a horizontal state, so that the electrolyte is introduced into the horizontal electrode disposed on the separator and distributed evenly over the entire electrode surface.
  • the separator can be used in a horizontal state, so that the electrolyte is introduced into the horizontal electrode disposed on the separator and distributed evenly over the entire electrode surface.

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Abstract

본 발명은 레독스 흐름 전지에 사용되는 분리판(100)에 관한 것으로서, 서로 대향되게 위치시킨 상태에서 일체형으로 밀착 결합되되 각각 중심부에 수용홈(111,121)을 구비한 동일 형상의 제1,2 플레이트(110,120)를 포함하고, 상기 결합된 제1,2 플레이트(110,120)의 외측 전면 또는 후면의 수용홈(111,121)에는 전극(20)이 배치되어, 전해액이, 결합된 제1,2 플레이트(110,120)의 내측으로 유입되고 전극(20)에 의해 확산되어 유동된 후 제1,2 플레이트(110,120)의 외측으로 유출되는 유로를 형성하도록 구성되되, 상기 제1,2 플레이트(110,120)의 내측으로 전해액이 유입되는 유입 통로(112,114,122,124)와; 상기 유입 통로(112,114,122,124)에 대향하는 위치에 형성되어 상기 제1,2 플레이트(110,120)의 외측으로 전해액이 유출되는 유출 통로(113,115,123,125)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 레독스 흐름 전지용 분리판의 부품 단순화를 통해 제조 단가와 조립성 등을 개선하여 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

레독스 흐름 전지용 일체형 분리판
본 발명은 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판에 관한 것으로서, 특히 단위 셀들을 전기적으로 연결해주는 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판에 관한 것이다.
레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery)는 이차전지 중의 하나로 전해액의 산화, 환원 반응을 이용한 흐름 전지이다. 레독스 흐름 전지는 크게 셀과 스택으로 구성되어 있으며, 전지 성능과 전해액 흐름을 위한 투입 에너지로 전체 시스템의 성능과 효율이 결정된다.
이러한 레독스 흐름 전지는 일반적인 이차전지와 달리 에너지를 보유하고 있는 전극 활물질이 고체 상태가 아닌 액체 상태로 존재하므로, 전극 활물질을 저장하는 탱크가 필요하게 되며 단위 셀의 적층(stacking)을 통하여 전압을 높일 수 있다.
레독스 흐름 전지는, 도 1에 도시한 바와 같이, 기본적으로 분리막인 멤브레인(10), 카본 펠트 등으로 이루어진 전극(20), 그라파이트 등으로 이루어지며 단위 셀(cell)들을 전기적으로 연결해주는 바이폴라 플레이트(30), 바이폴라 플레이트(30)의 장착 및 전해액 유로 형성을 위한 플로우 프레임(40), 집전체(50), 고정 플레이트(60), 전극(20)에 전해액 공급을 위한 펌프(70) 및 전극(20)에 공급되는 전해액이 저장되어 있는 탱크(80)를 포함한다. 그리고, 레독스 흐름 전지는 바이폴라 구조로서 바이폴라 플레이트(30)를 기준으로 전면 및 후면에 서로 다른 전극이 위치하게 된다.
한편, 상기 플로우 프레임(40)은, 도 2에 도시한 바와 같이, 분리판으로서, 바이폴라 플레이트(30)의 양측에서 바이폴라 플레이트(30)를 지지하기 위해 전해액 유입구와 유출구를 구비한 양측 확산판(41,45) 그리고, 각각의 전해액 유입구와 유출구를 커버하기 위한 유입구 커버(42,46)와 유출구 커버(43,47)를 포함하여 총 6개의 부품으로 이루어진다.
따라서, 종래 플로우 프레임(40)의 경우, 부품 개수가 상대적으로 많아 부품 제조비용이 증가할 뿐만 아니라 조립성이 떨어지는 문제점이 있다.
종래 관련 분야 특허 기술로서, 멤브레인의 양쪽에 배치되어 있는 한 쌍의 복합재료 전극에 밀착되어 있고, 양쪽 면에 교번적으로 배열되어 있는 복수의 산마루와 복수의 골바닥을 갖으며 상기 각각의 산마루와 골바닥이 완만한 형상의 굴곡을 형성하는 요철에 의하여 형성되는 채널 형성 부분을 포함하며, 상기 산마루와 골바닥이 상기 복합재료 전극의 표면에 접촉하는 부분을 국부 압축하여 상기 복합재료 전극의 압축 변형되고, 상기 산마루와 상기 골바닥이 상기 복합재료 전극의 표면에 접촉하지 않는 부분을 상기 산마루와 상기 골바닥이 상기 복합재료 전극의 표면에 접촉하는 부분보다 압축 변형이 작게 되어 상기 복합재료 전극의 표면과 상기 산마루의 사이의 공간과 상기 복합재료 전극의 표면과 상기 골바닥의 사이의 공간에 상기 채널 형성 부분이 형성되는 레독스 흐름 전지용 복합재료 분리판이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).
또한, 전극의 한쪽 면에 밀착되어 있으며, 양쪽 면에 복수의 채널을 형성하기 위한 요철이 형성되어 있고, 가장자리로부터 일정한 간격을 두고 배치되어 있는 채널 형성 부분과; 상기 채널 형성 부분으로부터 상기 가장자리까지 평탄하게 형성되어 있는 평탄한 가장자리 부분을 포함하는 레독스 흐름 전지용 복합재료 분리판이 제안되어 있다(특허문헌 2 참조).
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 부품 단순화를 통해 제조 단가와 조립성 등을 개선하여 생산성을 향상시킬 수 있고, 레독스 흐름 전지 스택의 효율을 향상시킬 수 있는 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판은, 서로 대향되게 위치시킨 상태에서 일체형으로 밀착 결합되되 각각 중심부에 수용홈을 구비한 동일 형상의 제1,2 플레이트를 포함하고, 상기 결합된 제1,2 플레이트의 외측 전면 또는 후면의 수용홈에는 전극이 배치되어, 전해액이, 결합된 제1,2 플레이트의 내측으로 유입되고 전극에 의해 확산되어 유동된 후 제1,2 플레이트의 외측으로 유출되는 유로를 형성하도록 구성되되, 상기 제1,2 플레이트의 내측으로 전해액이 유입되는 유입 통로와; 상기 유입 통로에 대향하는 위치에 형성되어 상기 제1,2 플레이트의 외측으로 전해액이 유출되는 유출 통로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 유입 통로와 전극의 사이에서 복수의 유로 형성을 위한 제1 굴곡부와; 상기 유출 통로와 전극의 사이에서 복수의 유로 형성을 위한 제2 굴곡부와; 상기 유입 통로로부터 상기 전극으로 전해액이 유입될 수 있도록 수용홈에 마련되는 복수의 전극 유입홀과; 상기 전극으로부터 상기 유출 통로로 전해액이 유출될 수 있도록 수용홈에 마련되는 복수의 전극 유출홀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1,2 플레이트는 서로간에 상이한 유로를 형성할 수 있도록 배치되어 결합될 수 있다.
본 발명에 따르면, 레독스 흐름 전지용 분리판의 부품 단순화를 통해 제조 단가와 조립성 등을 개선하여 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 플레이트에 유입 통로와 유출 통로가 서로 대향하는 위치에 형성되어 분리판을 수평 상태로 사용할 수 있으므로 분리판에 배치되는 수평 상태의 전극에 전해액이 유입되어 전극 전면적에 골고루 분산되는 효과가 있고, 이는 결과적으로 전해액의 농도 구배를 줄여줌으로써 레독스 흐름 전지 스택의 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 레독스 흐름 전지의 개념도.
도 2는 종래 플로우 프레임의 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판의 개념도.
도 4는 도 3의 제1,2 플레이트의 개념도.
도 5는 본 발명에 따른 일체형 분리판이 적용된 레독스 흐름 전지의 배치도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판의 개념도, 도 4는 도 3의 제1,2 플레이트의 개념도, 도 5는 본 발명에 따른 일체형 분리판이 적용된 레독스 흐름 전지의 배치도이다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판은, 부품 단순화를 통해 제조 단가와 조립성 등을 개선하여 생산성을 향상시킬 수 있고, 레독스 흐름 전지 스택의 효율을 향상시킬 수 있도록 구성된 것을 그 기술적 요지로 한다.
도면에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판(100)은, 대략적으로 사각형의 판상으로서 각각 중심부에 소정의 수용홈(111,121)을 구비한 제1,2 플레이트(110,120)를 포함하는데, 서로 대향되게 위치시킨 상태에서 일체형으로 밀착 결합된다.
이때, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판(100)은, 상기 결합된 제1,2 플레이트(110,120)의 외측 전면 또는 후면의 수용홈(111,121)에 카본 펠트 등으로 이루어진 전극(20)이 배치되는데, 전해액이 결합된 제1,2 플레이트(110,120)의 내측으로 유입되고 전극(20)에 의해 확산되어 유동된 후 제1,2 플레이트(110,120)의 외측으로 유출되는 유로를 형성하도록 구성된다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판(100)에서 상기 제1,2 플레이트(110,120)는 본딩 과정을 거쳐 실링 처리되어 견고하게 밀착 결합될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판(100)에서 상기 제1,2 플레이트(110,120)는 동일한 형상으로 구성될 수 있는데, 외부에서 전해액이 유입되는 유입 통로(112,114,122,124)와, 상기 유입 통로(112,114,122,124)에 대향하여 설치되어 외부로 전해액이 유출되는 유출 통로(113,115,123,125)를 포함할 수 있다.
예를 들면, 도면에 도시한 바와 같이, 유입 통로(112,114,122,124)와, 유입 통로(112,114,122,124)가 상하좌우에 서로 대향하는 위치에 십자가 형태로 형성될 수 있거나 또는 4모서리에 서로 대향하는 위치에 대각선 형태로 형성될 수도 있다.
이와 같이, 제1,2 플레이트(110,120)에 유입 통로(112,114,122,124)와, 유입 통로(112,114,122,124)가 서로 대향하는 위치에 형성되어 분리판(100)을 수평 상태로 사용할 수 있으므로 분리판(100)에 배치되는 수평 상태의 전극(20)에 전해액이 유입되어 전극 전면적에 걸쳐 골고루 분산시킬 수 있다.
그리고, 상기 유입 통로(112,114,122,124)와 전극(20)의 사이에는 복수의 유로 형성을 위하여 구불구불한 굴곡부(116,118,126,128)를 구비할 수 있고, 상기 유출 통로(113,115,123,125)와 전극(20)의 사이에는 복수의 유로 형성을 위하여 구불구불한 굴곡부(117,119,127,129)를 구비할 수 있다.
또한, 상기 유입 통로(112,122)로부터 전극(20)으로 전해액이 원활하게 유입될 수 있도록 수용홈(111,121)에는 복수의 전극 유입홀(130)을 구비할 수 있다. 복수의 전극 유입홀(130)의 경우, 유입 통로(112,122)로부터 전극(20)으로 전해액을 신속하게 유입시키면서 전면적에 걸쳐 골고루 분산시키는 역할을 한다.
또한, 상기 전극(20)으로부터 상기 유출 통로(113,123)로 전해액이 원활하게 유출될 수 있도록 수용홈(111,121)에는 복수의 전극 유출홀(131)을 구비할 수 있다. 복수의 전극 유출홀(131)의 경우, 전극(20)으로부터 유출 통로(113,123)로 전해액을 신속하게 유출시키는 역할을 한다.
한편, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판(100)에서 상기 제1,2 플레이트(110,120)는 상이한 유로를 형성할 수 있도록 배치되어 결합될 수 있다. 즉, 상기 결합된 제1,2 플레이트(110,120)의 외측 전면 및 후면의 수용홈(111,121)에 서로 다른 전극(20)이 배치되게 되므로 서로간에 상이한 유로를 형성할 수 있도록 배치되어 결합되는 것이다. 예를 들면, 제1 플레이트(110) 기준으로 제2 플레이트(120)가 90도 회전한 상태에서 결합될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 종래와 비교하여 레독스 흐름 전지용 분리판의 부품 단순화를 통해 부품 개수를 줄여 제조 단가와 조립성 등을 개선함으로써 생산성을 향상시켜 제품 경쟁력을 확보할 수 있다.
또한, 플레이트에 유입 통로와 유출 통로가 서로 대향하는 위치에 형성되어 분리판을 수평 상태로 사용할 수 있으므로 분리판에 배치되는 수평 상태의 전극에 전해액이 유입되어 전극 전면적에 골고루 분산되는 효과가 있다. 결과적으로 전해액의 농도 구배를 줄여줌으로써 레독스 흐름 전지 스택의 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판을 한정된 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (3)

  1. 레독스 흐름 전지에 사용되는 분리판(100)으로서,
    서로 대향되게 위치시킨 상태에서 일체형으로 밀착 결합되되 각각 중심부에 수용홈(111,121)을 구비한 동일 형상의 제1,2 플레이트(110,120)를 포함하고,
    상기 결합된 제1,2 플레이트(110,120)의 외측 전면 또는 후면의 수용홈(111,121)에는 전극(20)이 배치되어,
    전해액이, 결합된 제1,2 플레이트(110,120)의 내측으로 유입되고 전극(20)에 의해 확산되어 유동된 후 제1,2 플레이트(110,120)의 외측으로 유출되는 유로를 형성하도록 구성되되,
    상기 제1,2 플레이트(110,120)의 내측으로 전해액이 유입되는 유입 통로(112,114,122,124)와;
    상기 유입 통로(112,114,122,124)에 대향하는 위치에 형성되어 상기 제1,2 플레이트(110,120)의 외측으로 전해액이 유출되는 유출 통로(113,115,123,125)를 포함하는 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유입 통로(112,114,122,124)와 전극(20)의 사이에서 복수의 유로 형성을 위한 제1 굴곡부(116,118,126,128)와;
    상기 유출 통로(113,115,123,125)와 전극(20)의 사이에서 복수의 유로 형성을 위한 제2 굴곡부(117,119,127,129)와;
    상기 유입 통로(112,122)로부터 전극(20)으로 전해액이 유입될 수 있도록 수용홈(111,121)에 마련되는 복수의 전극 유입홀(130)과;
    상기 전극(20)으로부터 유출 통로(113,123)로 전해액이 유출될 수 있도록 수용홈(111,121)에 마련되는 복수의 전극 유출홀(131)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1,2 플레이트(110,120)는 서로간에 상이한 유로를 형성할 수 있도록 배치되어 결합되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 일체형 분리판.
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