KR101609321B1 - 레독스 흐름 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합재료 전극 및 분리판 사이의 채널이 요철 구조에 의하여 형성되어 있는 레독스 흐름 전지를 개시한다. 본 발명은 멤브레인과, 멤브레인의 양쪽에 배치되어 있는 한 쌍의 복합재료 전극과, 복합재료 전극에 밀착되어 있고, 양쪽 면에 산마루와 골바닥을 갖는 요철에 의하여 채널 형성 부분이 형성되어 있는 복합재료 분리판을 포함한다. 산마루와 접촉되는 한 쌍의 복합재료 전극의 표면 부분은 전해질의 흐름을 차단하도록 압축변형되며, 골바닥과 이웃하는 한 쌍의 복합재료 전극의 표면 부분과 골바닥 사이에 전해질의 흐름을 위한 채널이 형성되어 있다. 본 발명에 의하면, 전해질의 통로를 형성하는 채널이 요철 구조로 형성되어 전극들과의 결합력이 증가되고, 채널 형성 부분으로부터 가장자리까지 가장자리 부분이 형성되어 프레임과의 기밀성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

레독스 흐름 전지{REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 레독스 흐름 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복합재료 전극 및 분리판 사이의 채널(Channel)이 요철 구조에 의하여 형성되어 있는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
최근 지구 온난화의 주요 원인인 온실가스의 배출을 억제하기 위한 방법으로 태양광에너지나 풍력에너지와 같은 재생에너지가 각광을 받고 있다. 재생에너지는 출력변동이 심하여 연속적 공급이 불가능하고, 에너지 생산시점과 수요시점의 시간차가 발생하게 된다. 따라서 재생에너지의 출력이 높을 때 에너지를 저장하고, 출력이 낮을 때 저장된 에너지를 사용할 수 있는 에너지 저장 시스템(Energy storage system)이 중요하게 대두되고 있다.
여러 가지 에너지 저장 시스템 중에서 재생에너지의 저장에 효율적인 대용량 이차전자(Secondary battery)로 레독스 흐름 전지의 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다. 레독스 흐름 전지는 전해질(Electrolyte) 중의 활물질(Active material)이 산화(Oxdaition)-환원(Reduction)되어 충전·방전되는 시스템으로 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기에너지 저장시키는 전기화학적 축전장치이다.
이러한 레독스 흐름 전지는 미국 특허 제8,288,030호, 미국 특허 제8,221,911호, 미국 특허 제7,537,859호 등 많은 특허 문헌들에 개시되어 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 레독스 흐름 전지(10)는 복수의 단위전지(Unit cell/Single cell: 20)가 직렬로 적층되어 있는 스택(Stack: 30)과, 산화 상태가 각각 다른 활물질이 저장되어 있는 탱크(40, 50)들과, 충전 및 방전 시 활물질을 순환시키는 펌프(42, 52)들로 구성되어 있다. 음극과 양극의 전해질은 바나듐(Vanadium, V), 철(Fe), 크롬(Chromium, Cr) 등의 활물질과 주석(Stannum, Sn) 등의 전이금속을 강산수용액에 용해시킨 산성수용액을 이용한다. 스택(30)은 단위전지(20)들과 두 개의 엔드플레이트(End plate: 60, 62)로 구성되어 있다. 단위전지(20)들과 엔드플레이트(60, 62)들은 복수의 타이로드(Tie rod: 64)에 의하여 체결되어 있다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 단위전지(20)들은 기본적으로 멤브레인(Membrane: 22)과, 멤브레인의 양쪽에 배치되어 있는 한 쌍의 전극(Electrode: 24)과, 전극(24)들의 양쪽에 배치되어 있는 한 쌍의 분리판(Bipolar plate: 26)을 구비한다. 분리판은 양극판 또는 유로판(Flow field plate)으로 부르고도 있는 전기전도성 판이다. 분리판의 한쪽 면에 양극측 채널이 형성되어 있고, 다른 쪽 면에 음극측 채널이 형성되어 있다. 분리판은 전기저항이 낮고, 내화학성(Chemical resistance)과 기계적 물성이 높으며, 수소와 산소의 누설을 방지하기 위하여 가스투과율이 낮아야 한다. 또한, 인접하는 두 분리판 사이의 전기접촉저항(Electrical contact resistance)이 낮아야 한다. 분리판의 재료는 흑연(Graphite), 스테인리스스틸(Stainless steel)로 구성되거나 고분자 기지(Polymer matrix)에 탄소입자, 흑연입자를 첨가한 고분자 기지 복합재료(Polymer matrix composite)가 사용되고 있다.
상기한 바와 같은 종래의 레독스 흐름 전지에 있어서 분리판은 전극과의 전기접촉저항이 낮아야 하며, 프레임, 전극과의 조립이 간편하면서도 기밀성이 우수해야 하나, 이를 만족할 만한 레독스 흐름 전지가 개발되지 못하고 있는 실정이다. 또한, 강성이 낮은 복합재료 전극은 전해질의 흐름과 중력에 의하여 쉽게 변형되면서 분리판과의 접촉이 불량하게 되면서 레독스 흐름 전지의 성능을 저하시키는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 레독스 흐름 전지의 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은, 복합재료 분리판의 채널이 요철 구조로 형성되어 있는 새로운 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 요철에 의하여 형성되어 있는 채널 형성 부분으로부터 가장자리까지 가장자리 부분이 형성되어 프레임과의 기밀성을 향상시킬 수 있는 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 레독스 흐름 전지가 제공된다. 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는, 멤브레인과; 멤브레인의 양쪽에 배치되어 있는 한 쌍의 복합재료 전극과; 한 쌍의 복합재료 전극에 밀착되어 있고, 양쪽 면에 산마루와 골바닥을 갖는 요철에 의하여 채널 형성 부분이 형성되어 있는 복합재료 분리판을 포함하고, 산마루와 접촉되는 한 쌍의 복합재료 전극의 표면 부분은 전해질의 흐름을 차단하도록 압축변형되며, 골바닥과 이웃하는 한 쌍의 복합재료 전극의 표면 부분과 골바닥 사이에 전해질의 흐름을 위한 채널이 형성되어 있다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는, 전해질의 통로를 형성하는 채널이 요철 구조로 형성되어 전극들과의 결합력이 증가되고, 채널 형성 부분으로부터 가장자리까지 가장자리 부분이 형성되어 프레임과의 기밀성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 레독스 흐름 전지의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 단위전지의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지의 스택을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지에서 복합재료 분리판의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지에서 복합재료 분리판과 복합재료 전극의 구성을 부분적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지에서 복합재료 분리판과 복합재료 전극을 분리하여 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지에서 복합재료 분리판의 두께에 대한 저항의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지의 스택의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지의 스택의 또 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지의 스택(100)은 복수의 단위전지(110)와 두 개의 엔드플레이트(120, 122)로 구성되어 있다. 단위전지(110)들 각각은 멤브레인(112)과, 멤브레인(112)의 양쪽에 배치되어 있는 한 쌍의 복합재료 전극(114)과, 복합재료 전극(114)들이 수용되어 있는 복수의 프레임(Frame: 116)으로 구성되어 있다. 복합재료 전극(114)들은 프레임(116)들의 안쪽 공간(118)에 장착되어 있다. 멤브레인(112)의 가장자리는 이웃하는 두 프레임(116) 사이에 기밀이 유지되도록 개재되어 있다.
복합재료 전극(114)들은 탄소섬유 펠트, 일방향 탄소섬유 복합재료 시트와 같은 탄소섬유 복합재료로 구성될 수 있다. 복합재료 전극(114)과 복합재료 분리판(130)은 동시경화(Co-core)에 의하여 일체형으로 제조할 수 있다. 또한, 복합재료 분리판(130)의 제조 후, 복합재료 분리판(130)의 표면에 프리프레그(Prepreg)를 부착하거나 에폭시수지 등의 고분자 기지, 접착제를 도포하고, 여기에 복합재료 전극(114)을 접합하여 복합재료 전극(114)과 복합재료 분리판(130)을 일체형으로 제조할 수도 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 단위전지(110)들 각각은 복합재료 전극(114)들의 양쪽에 배치되어 있는 한 쌍의 복합재료 분리판(130)을 구비한다. 복합재료 분리판(130)은 그 양쪽 면에 복수의 채널(132), 즉 양극측 채널과 음극측 채널이 형성되도록 요철(134) 또는 주름(Corrugation)이 형성되어 있는 채널 형성 부분(136)을 구비한다. 요철(134)은 교번적으로 배열되어 있는 복수의 산마루(Ridge: 134a)와 복수의 골바닥(Bottom of thread: 134b)으로 이루어져 있다. 도 3과 도 4에 요철(134)은 파형으로 형성되어 있는 것이 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 요철(134)은 마름모형, 삼각형, 반원형 등 다양하게 구성될 수 있다.
채널 형성 부분(136)은 복합재료 분리판(130)의 가장자리로부터 일정한 간격을 두고 떨어져 형성되어 있다. 복합재료 분리판(130)은 채널 형성 부분(136)으로부터 연장되어 있는 가장자리 부분(138)을 구비한다. 가장자리 부분(138)은 프레임(116)의 양쪽 면이나 엔드플레이트(120, 122)들의 한쪽 면에 기밀을 유지하도록 밀착되어 있다.
복합재료 분리판(130)은 탄소섬유 복합재료를 핫프레스(Hot press) 방식으로 성형하여 제조할 수 있다. 탄소섬유 복합재료는 탄소섬유들을 고분자 기지(Polymer matrix)에 함침시켜 제조할 수 있다. 고분자 기지는 페놀수지(Phenolic resin), 에폭시수지, 폴리에스테르수지(Polyester resin) 등으로 구성될 수 있다. 바람직하기로, 고분자 기지는 페놀수지로 구성된다. 바람직하기로, 복합재료 분리판(130)은 탄소장섬유들을 페놀수지에 의하여 고정한 탄소장섬유/페놀수지강화 복합재료(Carbon long fiber reinforced phenolic resin matrix composite material)로 구성된다. 이와 같은 복합재료 분리판(130)에 의해서는 분리판(130)의 경량화에 의하여 단위전지의 개수를 증가시켜 반응면적을 증가시킴으로써, 전력밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 분리판(130)의 접촉저항이 감소되어 스택(100)에서 전류손실이 줄어 효율을 향상시킬 수 있으며, 체결 하중에 의한 굴곡강도, 압축강도 및 내부식성이 우수하여 밀폐특성을 향상시킬 수 있다.
도 3, 도 5와 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지의 스택(100)에 있어서 엔드플레이트(120, 122)들이 타이로드들에 의하여 체결될 때, 멤브레인(112), 복합재료 전극(114)들, 복합재료 분리판(130)들, 엔드플레이트(120, 122)들이 밀접하게 접하게 된다. 산마루(134a)들과 접하는 복합재료 전극(114)들의 표면은 압축변형되면서 요철(134)의 형태와 부합하는 모방 요철(114a)이 복합재료 전극(114)들의 표면에 형성된다. 골바닥(134b)들과 접하는 복합재료 전극(114)들의 표면은 산마루(134a)들과 접하는 복합재료 전극(114)들의 표면보다 압축변형량이 작게 된다. 따라서 골바닥(134b)들과 접하는 복합재료 전극(114)들의 표면 부분 사이에 공간이 형성되어 전해질이 흐르는 통로, 즉 채널(132)로 기능하게 되고, 산마루(134a)들과 접하는 복합재료 전극(114)들의 표면 부분은 압축변형에 의하여 전해질의 흐름을 차단하는 관벽(Tube wall)과 같은 기능을 하게 된다.
또한, 산마루(134a)들은 복합재료 전극(114)들의 표면을 파고들어가는 형태로 되고, 골바닥(134b)들과 접하는 복합재료 전극(114)들의 표면은 채널(132)들 안으로 진입되는 형태로 되어 복합재료 전극(114)들과 복합재료 분리판(130)들 사이의 결합력이 증가된다. 따라서 레독스 흐름 전지의 작동 시에 전해질의 흐름과 중력에 의하여 강성이 낮은 복합재료 전극(114)들이 변형되는 것이 효과적으로 방지된다.
도 5와 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 복수의 슬릿(Slit: 114b)들이 복합재료 분리판(130)들과 접촉하는 복합재료 전극(114)들의 표면에 일정한 간격을 두고 형성되어 있다. 슬릿(114b)들은 칼집과 같은 형태로 형성하거나 미세한 그루브(Groove)로 형성할 수 있다. 복합재료 전극(114)들의 표면이 산마루(134a)들에 접촉되어 압박을 받을 때 슬릿(114b)들에 의하여 복합재료 전극(114)들의 압축변형이 원활하게 실시된다. 슬릿(114b)들 중 골바닥(134b)쪽에 배치되는 슬릿은 전해질의 통로로 기능하여 전해질의 흐름을 원활하게 함으로써 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지의 성능을 향상시키게 된다. 슬릿(114b)들은 전해질의 흐름을 위하여 골바닥(134b)들의 방향과 같은 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 가장자리 부분(138)은 프레임(116)의 양쪽 면이나 엔드플레이트(120, 122)들의 한쪽 면에 긴밀하게 밀착된다. 엔드플레이트(120, 122)들과 가장자리 부분(138)은 돌기(140a)와 홈(140b)의 끼워맞춤에 의하여 고정된다. 도 3에 돌기(140a)는 복합재료 분리판(130)에 형성되어 있고, 홈(140b)은 프레임(160)의 한쪽 면에 형성되어 있는 것이 도시되어 있으나, 돌기(140a)와 홈(140b)의 위치는 서로 바뀔 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 가장자리 부분(138)은 요철의 형성 없이 프레임(116)의 양쪽 면이나 엔드플레이트(120, 122)들의 한쪽 면에 긴밀하게 밀착되도록 평탄하게 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지의 성능을 알아보기 위하여 파형의 요철이 형성되어 있는 복합재료 분리판을 100㎟의 크기로 제작하여 스택을 구성하고, 스택 저항을 측정하여 도 7의 그래프에 나타냈다. 도 7의 그래프를 보면, 본 발명의 실시예에 따른 복합재료 분리판이 적용되어 있는 스택 저항은 비교예의 평판형 복합재료 분리판이 적용되어 있는 스택 저항보다 작은 것을 알 수 있다.
도 8을 참조하면, 두 복합재료 분리판(130)의 산마루(134a)들이 서로 접하도록 배치하는 경우, 두 복합재료 분리판(130)의 채널(132)들에 의하여 폐쇄되어 있는 통로(142)를 형성하게 된다. 통로(142)는 냉각수 통로로 사용하거나 통로 안에 부동액, 단열재를 충전할 수 있다. 두 복합재료 분리판(130)의 산마루(134a)들이 접촉되는 것에 의하여 두 복합재료 분리판(130) 사이의 전기접촉저항을 감소시킬 수 있다. 도 9를 참조하면, 복합재료 분리판(130)의 요철(134)들은 산마루(134a)와 골바닥(134b)을 갖는다. 요철(134)들은 마름모형으로 서로 간격을 두고 형성되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 레독스 흐름 전지는 멤브레인의 양쪽에 배치되어 있는 한 쌍의 복합재료 전극에 밀착되어 있고, 양쪽 면에 교번적으로 배열되어 있는 복수의 산마루와 복수의 골바닥을 갖으며 각각의 산마루와 골바닥이 완만한 형상의 굴곡을 형성하는 요철에 의하여 채널 형성 부분이 형성되는 복합재료 분리판을 포함한다.
복합재료 분리판은 산마루와 골바닥이 복합재료 전극의 표면에 접촉하는 부분을 국부 압축하여 복합재료 전극의 압축 변형되고, 산마루와 상기 골바닥이 상기 복합재료 전극의 표면에 접촉하지 않는 부분을 산마루와 골바닥이 복합재료 전극의 표면에 접촉하는 부분보다 압축 변형이 작게 되어 복합재료 전극의 표면과 산마루의 사이의 공간과 복합재료 전극의 표면과 상기 골마루의 사이의 공간에 상기 채널 형성 부분이 형성된다.
완만한 형상의 굴곡을 형성하는 요철의 형상으로 복합재료 분리판과 접촉하는 복합재료 전극의 표면에 일정한 간격을 두고 복수의 슬릿이 형성된다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
삭제
100: 스택 110: 단위전지
112: 멤브레인 114: 전극
116: 프레임 120, 122: 엔드플레이트
130: 복합재료 분리판 132: 채널
134: 요철 134a: 산마루
134b: 골바닥 136: 채널 형성 부분
138: 가장자리 부분

Claims (5)

  1. 멤브레인과;
    상기 멤브레인의 양쪽에 배치되어 있는 한 쌍의 복합재료 전극과;
    상기 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 채널 형성 부분이 형성되는 복합재료 분리판을 포함하고,
    상기 복합재료 분리판은 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 골마루의 사이의 공간에 상기 채널 형성 부분이 형성되며,
    상기 완만한 형상의 굴곡을 형성하는 요철의 형상으로 상기 복합재료 분리판과 접촉하는 상기 복합재료 전극의 표면에 일정한 간격을 두고 복수의 슬릿이 형성되는 레독스 흐름 전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    복수의 슬릿은 전해질의 흐름을 위하여 상기 골바닥의 방향과 같은 방향으로 형성되어 있는 레독스 흐름 전지.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 한 쌍의 복합재료 전극은 프레임의 안쪽 공간 안에 수용되어 있고, 상기 복합재료 분리판과 상기 프레임은 돌기와 홈의 끼워맞춤에 의하여 결합되어 있으며, 상기 한 쌍의 복합재료 전극은 탄소섬유 복합재료로 이루어져 있는 레독스 흐름 전지.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 요철은 연속적으로 형성되어 있고, 상기 한 쌍의 복합재료 전극의 표면에 상기 요철의 압박에 의하여 상기 요철과 부합하는 모사 요철이 형성되어 있는 레독스 흐름 전지.
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