KR20200037128A - 바나듐 레독스 유동 배터리를 위한 다지점 전해질 유동장 실시형태 - Google Patents

바나듐 레독스 유동 배터리를 위한 다지점 전해질 유동장 실시형태 Download PDF

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안젤로 단치
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카를로 알베르토 브로베로
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Abstract

애노드 전해질을 위한 제1 탱크; 캐소드 전해질을 위한 제2 탱크; 특정 평면형 전지에 전해질을 공급하기 위한 해당 펌프를 구비하고, 양성자 교환막 및 전극에 의해 서로 분리된, 상기 전해질의 균일한 이송을 위한 2개의 서로 대향하는 면 상에 다지점 유동 분배기를 갖는 바이폴라 플레이트를 구비하는 각각의 유압식 회로를 포함하는 유형의 유동 배터리로서, 상기 평면형 전지는 유동 배터리 스택을 구성하도록 서로 정렬되어 적층된다.

Description

바나듐 레독스 흐름 전지를 위한 멀티 포인트 전해질 흐름 필드 구현
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 3월 27일자로 출원된 가출원번호 제62/476,945호의 우선권을 주장한다. 본 가특허출원의 전체 개시물은 그 전체 내용이 참조로 본원에 포함된다.
본 발명은 바나듐 레독스 유동 배터리(redox flow battery)의 바이폴라 플레이트 구조물에 관한 것으로서, 특히 흑연 바이폴라 플레이트의 인-아웃 유동 채널에 내장된 다지점 유동 분배기(multipoint flow distributor) 장치에 흑연 다공성 전극이 연결되는 바나듐 레독스 유동 배터리의 바이폴라 플레이트 구조물에 관한 것이다.
유동 배터리는 하나 이상의 용해된 전기 활성 물질을 함유하는 전해질이 전기 화학 전지를 통해 유동하여 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 재충전식 배터리의 유형이다. 전해질은 외부 탱크에 저장되고 반응기의 전지를 통하여 펌핑된다.
레독스 유동 배터리는 (전력 구성 요소와 에너지 구성 요소 사이의 분리로 인한) 유연한 레이아웃, 긴 수명 주기, 빠른 응답 시간을 갖고, 충전을 평활화할 필요가 없으며, 유해한 배출물이 없는 장점이 있다.
유동 배터리는 1 kWh 내지 수 MWh의 에너지 수요량을 갖는 고정식 적용을 위해 사용된다: 이들은 그리드의 부하를 평활화하기 위해 사용되며, 배터리는 야간에 저비용으로 에너지를 축적하고 보다 고비용일 때 이를 그리드로 리턴시키기 위해 사용될 뿐만 아니라, 태양 에너지 및 풍력과 같은 재생 가능 소스로부터 전력을 축적한 다음, 에너지 수요의 피크 기간 동안 이를 제공하기 위해 사용된다.
특히, 바나듐 레독스 배터리는 2개의 전해질이 양성자 교환막에 의해 분리되는 한 세트의 전기 화학 전지들로 이루어진다. 두 전해질은 바나듐을 기재로 한다: 양극 반전지(half-cell)의 전해질은 V<4+> 및 V<5+> 이온을 함유하는 반면에, 음극 반전지의 전해질은 V<3+> 및 V<2+> 이온을 함유한다. 전해질은 여러 방식으로 제조될 수 있으며, 예를 들어 황산(H2SO4) 중에 바나듐 오산화물(V2O5)의 전해 용해에 의해 제조될 수 있다. 사용되는 용액은 강산성으로 유지된다. 바나듐 유동 배터리에서, 2개의 반전지는 또한 매우 다량의 전해질을 수용하는 저장 탱크에 연결됨으로써, 펌프에 의해 전지를 통하여 순환하도록 이루어진다. 액체 전해질의 이러한 순환은 특정한 공간 점유를 필요로 하며, 이동식 적용에서 바나듐 유동 배터리를 사용할 수 있는 가능성을 제한함으로써, 실제로 이들을 대형 고정식 설비로 한정시킨다.
배터리가 충전되는 동안, 양극 반전지에서 바나듐이 산화되어, V<4+> 를 V<5+>로 변환시킨다. 수득된 전자가 음극 반전지로 이동되어, 바나듐을 V<3+>로부터 V<2+>로 환원시킨다. 동작 동안, 프로세스가 역으로 수행되고, 개방 회로에서 25℃에서 1.41 V의 전위차를 달성한다.
바나듐 레독스 배터리는 다른 모든 배터리 기술에서 통상적으로 이루어지는 것처럼 플레이트 또는 전극 상에 전기 에너지를 축적하지 않고 전해질에 전기 에너지를 축적하는 유일한 배터리이다.
다른 모든 배터리와는 달리, 바나듐 레독스 배터리에서, 탱크에 수용된 전해질은 일단 충전되면 자동 방전되지 않는 반면에, 전기 화학 전지 내에 고정되어 있는 전해질의 부분은 시간이 경과함에 따라 자동 방전된다.
배터리에 저장되는 전기 에너지의 양은 탱크에 수용된 전해질의 체적에 의해 결정된다.
특히 효율적인 특정 구조적 솔루션에 따라, 바나듐 레독스 배터리는 폴리머 전해질에 의해 서로 분리된 2개의 전해질이 그 내부에서 유동하는 한 세트의 전기 화학 전지들로 이루어진다. 두 전해질은 용해된 바나듐의 산성 용액으로 구성된다. 양극 전해질은 V<5+> 및 V<4+> 이온을 함유하는 반면에, 음극 전해질은 V<2+> 및 V<3+> 이온을 함유한다. 배터리가 충전되는 동안, 양극 반전지에서 바나듐이 산화되는 반면에, 음극 반전지에서는 바나듐이 환원된다. 방전 단계 동안에는, 프로세스가 역전된다. 다수의 전지를 전기적으로 직렬 연결하면 배터리에 걸친 전압을 증가시킬 수 있으며, 전압은 전지의 수에 1.41 V를 곱한 값과 동일하다.
충전 단계 동안, 에너지를 저장하기 위해, 펌프가 턴 온되어, 전기 화학 관련 전지 내에서 전해질이 유동하게 한다. 전기 화학 전지에 인가된 전기 에너지는 막을 통한 양성자 교환을 촉진시킴으로써, 배터리를 충전시킨다.
방전 단계 동안, 펌프가 턴 온되어, 전해질이 전기 화학 전지의 내부에서 유동하게 함으로써, 관련 전지에서 양압을 생성하여 축적된 에너지를 방출시킨다.
배터리의 동작 동안에, 전해질은 다공성 전극의 두께를 통하여 하부로부터 상부로 선형으로 유동함으로써 전하 이동을 제공한다.
배경 기술:
도 1은 종래의 바나듐 레독스 유동 배터리를 도시하는 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 바나듐 레독스 유동 배터리는 복수의 양극(7), 복수의 음극(8), 양극 전해질(1), 음극 전해질(2), 양극 전해질 탱크(3), 및 음극 전해질 탱크(4)를 포함한다. 양극 전해질(1) 및 음극 전해질(2)은 탱크(3) 및 탱크(4)에 각각 저장된다. 동시에, 양극 전해질(1) 및 음극 전해질(2)은 양극 연결 파이프라인 및 음극 연결 파이프라인을 통해 양극(7) 및 음극(8)을 각각 통과하여 도 1에서 화살표로도 나타낸 각각의 루프를 형성한다.
펌프(5) 및 펌프(6)는 전해질을 전극으로 연속적으로 이송하기 위한 연결 파이프라인 상에 흔히 설치된다. 또한, 전력 변환 장치(11), 예를 들어 DC/AC 변환기가 바나듐 레독스 유동 배터리에 사용될 수 있으며, 전력 변환 장치(11)는 양극 연결 라인(9) 및 음극 연결 라인(10)을 통해 양극(7) 및 음극(8)에 각각 전기적으로 연결되고, 전력 변환 장치(11)는 또한 외부 입력 전원(12)에 의해 생성된 AC 전력을 바나듐 레독스 유동 배터리를 충전하기 위한 DC 전력으로 변환하거나, 또는 바나듐 레독스 유동 배터리에 의해 방전된 DC 전력을 외부 부하(13)로 출력하기 위한 AC 전력으로 변환하기 위해, 외부 입력 전원(12) 및 외부 부하(13)에 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
도 2는 최신 기술에 따른 종래의 유동 배터리 스택의 개략적인 입체도이다. 이는 2개의 대향 단부 플레이트(16), 복수의 개스킷(14), 복수의 양극(15), 복수의 음극(18), 유동장(flow field)(20)이 내장된 복수의 바이폴라 플레이트(19), 및 일련의 양성자 교환막(17)을 포함한다.
도 3에서 설명되는 바와 같이, 도 3에서 물결 모양 라인으로 개략적으로 도시된 영역을 형성하기 위해, 바이폴라 플레이트(19)에 위치된 양극 및 음극 연결 구멍에 연결된 영역(22a, 22b 및 22c)(도 3에 도시됨)에 해당하는 유동장 영역(20)(도 2에 도시됨)을 거쳐서 전극(15 및 18)을 통하여 전해질(22)이 각각 유동한다. 유동 방향은 유입구 유동(21)에서의 화살표로 그리고 배출구 유동(23)으로 표시된다. 유입구 및 배출구 유동은 한 쌍의 유입구 개구부 및 한 쌍의 배출구 개구부가 있는 개구부(번호 지정되지 않음)를 통하여 이루어진다. 개략적으로 도시된 유입구 유동은 두 유입구 개구부(즉, 유입구 유동(21)과 동일한 측면 상의 쌍)를 통해 이루어지고, 두 배출구 개구부(즉, 배출구 유동(23)과 동일한 측면 상의 쌍)를 통해 이루어진다.
그러나, 전술한 종래의 유동 배터리의 단점은 배터리에서 전자 이동 효율의 감소를 초래하여 에너지 효율이 감소되도록 하는 전해질의 분극의 농도를 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전해질 유동(22)은 양극(15) 및 음극(18)의 두께를 선형으로 통과하며, 상기 선형 유동 동안 전하 이동이 이루어지므로, 분극의 농도의 현상을 개략적으로 나타내기 위해 음영 밴드(88, 90, 92, 94, 96 및 98)를 사용하여 도 6에서 설명되는 바와 같이, 활성 영역에 대한 분극의 큰 차이를 유발한다.
도 4는 최신 기술에 따른 종래의 전극(15, 18)의 개략적인 입체도이며, 전형적인 교대 배치형(interdigital) 유동장이다. 이것은 도 6에 도시된 유동 통과 유형에 비해 개선된 것으로서, 교대 배치형 유동장 유형은 유동 통과 유형의 전력 밀도의 약 3배의 전력 밀도를 갖는다. 여기서, 유입구 유동 방향(D)은 배출구 유동 방향(F)과 함께 도시된다. 이는 밴드(78, 80, 82, 84, 86 및 88)로 개략적으로 도시된 바와 같이, 점진적으로 증가하는 분극을 초래한다. 이것은 점진적인 분극 증가를 도시하는 것이다. 도 6은 마찬가지로 유입구 유동 방향(D) 및 배출구 유동 방향(F)을 갖는, 최신 기술에 따른 추가적인 종래의 전극의 개략적인 입체도이다.
도 4 및 도 6 모두에서, 전극의 밝은 부분(유입 유동)은 분극이 무시될 수 있는 영역인 반면에, 어두운 영역은 분극이 집중되는 부분(배출 유동)이다. 즉, 전극의 밝은 부분은 분극이 한계에 도달한 어두운 부분으로 인해 완전하게 이용되지 않는다. 이상적인 조건은 전극의 모든 부분이 (전압에 해당하는) 균일한 분극을 갖는 경우에 발생하며, 이는 전극 표면에 걸쳐서 동일한 전압으로 전해질을 공급하는 것이 가능한 경우에만 일어난다.
본 발명은 표면 상에 실질적으로 균일한 전해질 공급이 이루어지도록 보장함으로써, 전해질이 과충전될 수 없게 하는 유입 유동 및 배출 유동 사이의 짧은 거리로 인해 가급적 실질적으로 거의 최대 성능으로 모든 전극 부분을 이용한다.
도 4 및 도 6의 의미는 전기 화학 반응의 결과를 개략적으로 도시하는 것이며, 구체적으로 이들 도면은 전극 표면을 통한 전기적 분극을 개략적으로 도시한다. 분극은 기본적으로 내부 저항으로 인한 과전압이며, 유동 배터리의 경우에는 주로 전극을 통한 전해질 확산으로 인한 과전압이고, 경우에 따라 느린 전해질 유동 또는 심지어 정체는 국부적인 임계 과전압, 즉 분극을 야기한다. 최신 기술에서, 경로 동안 전극을 통하여 유동하는 전해질은 입력에 대하여 더 높은 전압을 갖는 전해질이 전극의 최종 부분에 공급되도록 전하를 받을 것이며, 이러한 과전압은 바나듐 유동 배터리에 허용 가능한 최대 전압에 아주 근접한다. 이것은 전력을 제한한다.
도 5는 최신 기술에 따른 추가적인 교대 배치형 유동장 설계를 도시하는 것으로서, 바이폴라 플레이트(19)는 그 내부에 내장된 2개의 막힌 단부(dead end) 채널을 가지며, 2개의 막힌 단부 채널은 도시된 유동 라인 경로로 나타낸 바와 같이, 양극(15) 및 음극(18)의 두께에 걸쳐서 횡방향으로 유동하도록 전해질 유동(24)을 가압한다. 여기서, 유동장 영역(24)은 밴드(24a, 24b 및 24c)를 갖는 것으로 도시된다. 또한, 이 경우, 전극을 통과하기 전에 채널의 내부에서 전해질의 선형 유동 동안, 전해질이 전극과 접촉됨에 따라, 전하 이동이 이루어짐으로써, 어떠한 경우에도 도 4에서 설명된 바와 같은 활성 영역에 대한 분극의 차이를 초래한다. 그 현상을 설명하기 위해 일련의 음영 밴드가 도시된다.
따라서, 전술한 종래의 유동 배터리 설계에 의해 제시된 문제점을 해결하고, 효율적인 전하 이동을 달성하여 전류 밀도가 증가될 수 있으며, 에너지 효율이 개선될 수 있고, 전해질의 동작 압력을 감소시키기 위해, 전극에 균일하게 공급되는 바나듐 레독스 유동 배터리를 제공할 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 혁신적인 바이폴라 플레이트 설계를 갖는 바나듐 레독스 유동 배터리 스택을 제공하는 것으로서, 바이폴라 플레이트 설계는, 적어도 2개의 단부 플레이트; 적어도 하나의 양성자 교환막; 그 사이에 양성자 교환막이 삽입되는 적어도 2개의 다공성 전극; 복수의 개스킷; 양측면 상에 막힌 단부 유동장 채널을 갖는 적어도 하나의 바이폴라 플레이트; 복수의 구멍을 갖는 적어도 2개의 다지점 유동 분배기를 포함한다. 상기 다지점 분배기는 복수의 구멍이 유입구 및 배출구 유동 채널에 정렬되는 방식으로 유동장에 대응하여 바이폴라 플레이트의 상부 상에 배치되며; 양극 및 음극은 다지점 유동 분배기의 상부 상에 배치되고; 다지점 유동 분배기에 내장된 구멍은 상이한 산화 상태의 바나듐 이온을 갖는 전해질이 전극을 통하여 유동할 수 있게 하도록 제공되며, 전해질에서 바나듐 이온의 전기 화학 반응에 의해 전기 에너지가 생성되어 외부 부하로 출력되거나, 또는 외부 전기 에너지가 바나듐 이온에 저장되는 화학 에너지로 변환된다. 본 발명의 새로운 바이폴라 플레이트 설계는 바나듐 레독스 유동 배터리에 사용될 수 있다.
전해질의 분극의 농도를 포함하는 전술한 종래의 유동 배터리의 문제점은 본 발명의 새로운 바이폴라 플레이트 설계를 사용함으로써 개선된다. 한편, 본 발명에서, 전극은 균일한 반응 영역을 가지며 전해질의 동작 압력은 감소되기 때문에, 전기 화학 에너지 변환의 효율이 증대된다.
이것은 도 4의 교대 배치형 유동장 유형에 비해 약 2배만큼 전력 밀도를 개선하고, 도 6의 유동 통과 유형에 비해 약 6배만큼 전력 밀도를 개선한다.
본 발명의 추가적인 목적은 저비용이고, 실제로 제공하기에 비교적 간단하며, 적용이 안전한 유동 배터리를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 특징 및 장점은 첨부된 도면에서 제한적이지 않은 실시예로서 도시된 본 발명에 따른 유동 배터리의 바람직하지만 배타적이지 않은 실시형태의 설명으로부터 보다 명백해질 것이며, 도면으로서:
도 1은 종래의 바나듐 레독스 유동 배터리를 도시하는 개략도이다.
도 2는 최신 기술에 따른 유동 배터리 스택의 개략적인 입체도이다.
도 3은 최신 기술에 따른 유동 통과 유형의 종래의 바이폴라 플레이트 설계의 개략적인 입체도이다.
도 4는 최신 기술에 따른 교대 배치형 유형의 종래의 전극의 개략적인 입체도이다.
도 5는 최신 기술에 따른 교대 배치형 유형의 추가적인 바이폴라 플레이트 설계의 개략적인 입체도이다.
도 6은 최신 기술에 따른 유동 통과 유형의 추가적인 종래의 전극의 개략적인 입체도이다.
도 7은 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트 설계의 개략적인 입체도이다.
도 8은 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트 설계의 개략적인 입체도이다.
도 9는 본 발명에 따라 동작하는 전극의 개략적인 입체도이다.
도 10은 본 발명에 따른 유동 배터리 스택의 개략적인 입체도이다.
도 11은 바이폴라 플레이트의 채널에 대해 횡방향으로 취해진 개략적인 단면도로서, 바이폴라 플레이트의 양측면 및 구성 요소들의 조립체를 도시한다.
도 12는 바이폴라 플레이트의 유입구 부분의 확대도로서, 막힌 단부 유입구 채널 및 평행한 배출구 채널, 및 막힌 단부 채널로의 유동을 도시한다.
도 1 내지 도 6은 위에서 설명되었다.
도 7은 도 3 및 도 5와 관련하여 전술한 유형의 바이폴라 플레이트(19)를 갖는 바이폴라 플레이트 조립체의 개략적인 입체도이다. 본 발명의 바이폴라 플레이트(19)는, 복수의 평행한 막힌 단부 유입구 채널(25)(이하에서 유입구 유동장으로도 지칭됨), 및 도 7에 도시된 바와 같이 유입구 채널(25)과 서로 맞물린 복수의 막힌 단부 배출구 채널(26)(이하에서 배출구 유동장으로도 지칭됨)을 갖는다는 점에서 상이하다. 이를 명확하게 도시하는 이러한 배치의 확대도가 도 12에 제공된다.
구체적으로, 도 7은 바나듐 레독스 유동 배터리를 위한 혁신적인 바이폴라 플레이트 조립체를 도시하며, 도 11에 명확하게 도시된 바와 같이, 이의 2개의 서로 대향하는 면 상에, 유입구 막힌 단부 유동장(25), 배출구 유동장(26), 복수의 구멍(28)을 갖는 다지점 유동 분배기(27)를 각각 갖는 바이폴라 플레이트(19)를 포함한다. 구멍들(28)은 그들 사이의 비교적 가까운 간격으로, 예를 들어 8 mm 이격되어 있고, 구멍들(28)은 다지점 유동 분배기(27)의 표면 상에 실질적으로 균일하게 분포된다. 바이폴라 플레이트(19)의 일 측면만이 도시되며, 대향 측면은 동일하므로(도 11 참조), 도 7에 도시되지 않는다.
다지점 유동 분배기(27)는 바이폴라 플레이트 유동장(25 및 26)의 상부 상에 배치됨으로써, 구멍(28)이 채널(25 및 26)과 각각 연통하도록 정렬된다. 양극(15)은 바이폴라 플레이트(19)의 일 측면 상에서 다지점 유동 분배기(27) 위에 배치되고, 음극(18)은 각각의 다지점 유동 분배기(27)의 대향 표면 상에서 각각 바이폴라 플레이트(19)의 대향 측면 상에 배치된다. 이를 도시하는 도 12를 참조한다.
도 8은 유입구 유체 경로, 횡방향 유체 유동, 및 배출구 유체 경로를 도시하는 바이폴라 플레이트 조립체의 개략적인 입체도이다. 이들은 명확성을 위하여 상이한 음영으로 도시되며, 유입구 유동은 점조각을 갖고, 배출구 유동은 검은색 실선이다. 횡방향 유동은 반원형 루프로서 도시되며, 이는 대략적으로 실제 유체 유동이 나타나는 방식이다; 횡방향 유체 유동의 상세도에 대해 도 11을 참조한다.
도 9는 위에서 설명된 도 7 및 도 8에 도시된 배치로 동작하는 전극(15, 18)의 개략적인 입체도이다. 유입구 유동 방향은 D로 표시된 화살표로 도시되고, 배출구 유동 방향은 F로 표시된 화살표로 도시된다. 도 8과 관련하여 위에서 설명된 횡방향 유체 유동으로 인해, 분극의 밴드는 전체 유체 유동의 방향에 횡방향으로 이어지고, 밝은 밴드(110)가 어두운 밴드(112)와 상호 배치된다. 음영은 전극(15, 18)의 표면에 걸쳐서 훨씬 더 균일하게 분포된다. 이는 앞서 설명된 도 4 및 도 6의 밴드와 비교하여, 밴드(110 및 112)로 인해, 전극(15, 18)의 전체 표면이 더 적은 농도의 분극으로 사용되고 있음을 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따른 유동 배터리 스택의 개략적인 입체도이다. 유동 배터리 스택은 상부 및 하부 플레이트(16)(바람직하게는 구조에 있어서 바이폴라 플레이트(19)와 동일하지만 일 측면만이 사용됨)를 가지며, 이들은 일련의 캐소드 전극(15), 일련의 양성자 교환막(17), (도 11에 도시된 바와 같은) 2개의 서로 대향하는 면 상에 다지점 유동 분배기(27)를 구비한 일련의 바이폴라 플레이트(19), 일련의 애노드 전극(18), 일련의 개스킷(14)으로 각각 구성된 한정되지 않은 수(즉, 임의로 선택된 수)의 평면형 전지를 각각 포함하고, 위의 모두는 전해질의 독립적인 이송을 위해 2개의 서로 대향하는 면 상에 다지점 유동 분배기(27)를 구비한 특정 평면형 전지에 전해질을 공급하기 위한 해당 펌프(도 10에 도시되지 않음)를 구비한 유동 배터리 스택을 구성하며, 전지들은 양성자 교환막(17) 및 전극(15, 18)에 의해 서로 분리된다.
바람직한 실시형태에서 배터리 스택의 평면형 전지들은 층류 팩(laminar pack)을 구성하도록 서로 정렬되어 적층된다. 단부 플레이트(19)는 층류 팩의 적어도 하나의 전면 상에 배치된다. 단부 플레이트(19)는, 유입구 측면 상의 큰 개구부 쌍(번호 지정되지 않음)인 유입구 측면 상의 한 쌍의 접근 채널, 및 배출구 측면(번호 지정되지 않음) 상의 한 쌍의 배출 개구부를 구비함으로써, (도 1에 도시된 바와 같은) 2개의 펌프에 의해 전해질 탱크로부터 도달하는 전해질을 위한 접근을 제공하고, 도 1의 각각의 탱크에 연결되는, 배출 전해질을 위한 배출구를 제공한다.
본 발명의 도 8에서 설명된 바와 같이, 다지점 유동 분배기(27)를 통해, 전해질 유동은 유입구 막힌 단부 유동장(25)에 대응하여 연결된 급송 구멍(28)에 의해 각각 배출되고, 전해질은 횡방향으로 유동함으로써, 매우 짧은 경로를 형성하며, 배출구 유동장(26)에 연결된 구멍(28)으로 각각 낙하한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 다지점 유동 분배기(27)는 표면 상에 균일하게 분포된 복수의 구멍(28)을 갖는다. 이러한 구멍들은 예를 들어 8 mm로 서로 가까운 거리에 배치되며, 전해질 유동(29)은 그러한 복수의 구멍(28)을 통하여 유동한다. 이러한 유동은 화살표로 표시된 바와 같이, 분배기 표면 상에서 확산되어 복수의 전해질 유동(29)을 생성한다. 전술한 바와 같이, 이러한 복수의 유동(29)은 표면 상에 균일하게 분포되고, 유동은 유동 분배기 표면 상에 배치된 전극(15-18)에 걸쳐서 횡방향으로 통과하며, 유입구 구멍과 배출구 구멍 사이의 짧은 경로로 인해, 전해질로의 전하 이동이 전극 표면 전체에 걸쳐서 균일한 상태로 국부적으로 이루어진다.
이것은 도 4의 교대 배치형 유동장 유형에 비해 약 2배만큼 전력 밀도를 개선하고, 도 6의 유동 통과 유형에 비해 약 6배만큼 전력 밀도를 개선한다.
본 발명의 도 9에 도시된 바와 같이, 동작 중인 전극(15-18)이 표현되며, 전해질로의 전하 이동은 색상의 변화로 나타낸다. 전하 이동은 모든 전극 표면 상에서 균일하게 분포되는 한편, 전류 밀도가 증가되고, 에너지 효율은 개선되며, 동작 압력은 감소된다.
본 발명의 중요한 특징은 바이폴라 플레이트 및 다지점 유동 분배기를 함께 조립함으로써 고효율 바이폴라 플레이트 설계가 달성된다는 점이며, 흑연 바이폴라 플레이트(19)에서, 유동장 채널은 전해질이 분배기 구멍으로 유동할 수 있게 하도록 생성됨으로써, 전해질의 분극의 농도 및 균일한 분포의 문제가 감소될 수 있다. 한편, 복수의 구멍을 서로 근접한 거리로 결합함으로써 전극의 반응성이 증가되므로, 전해질로의 전하 이동이 보다 효율적으로 되고, 에너지 변환이 개선되며, 동작 압력이 감소된다. 본 발명에 의해 제공된 설계는 유동 배터리에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 예를 들어 연료 전지, 전해조, 및 유동 분배가 중요한 모든 다른 전기 화학 장치와 같은, 다양한 전기 화학 장치에도 적용될 수 있다.
도 11은 바이폴라 플레이트의 채널에 대해 횡방향으로 취해진 개략적인 단면도로서, 바이폴라 플레이트의 양측면 및 구성 요소들의 조립체를 도시한다. 이들은 위에서 설명되었다.
도 12는 바이폴라 플레이트의 유입구 부분의 확대도로서, 막힌 단부 유입구 채널(25) 및 평행한 배출구 채널(26), 및 막힌 단부 채널(25, 26)로의 또는 막힌 단부 채널(25, 26)로부터의 유동을 (화살표를 사용하여) 도시한다. 이는 위에서 설명되었다.
다지점 유동 분배기(27)의 구멍(28)은 바람직한 실시형태에서 균일한 것으로 도시되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 구멍은 크기, 형상 및 위치가 변동될 수 있으며, 특히 유체 유량, 유동 경로를 따르는 압력, 온도, 및 분극과 같은 변수를 제어하기 위해 그러한 방식으로 변동될 수 있다.
본 발명은 이의 바람직한 실시형태를 참조하여 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 의해 한정되도록 의도된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백하다.

Claims (7)

  1. 유동 배터리로서,
    상기 유동 베터리는, 애노드 전해질을 위한 제1 탱크, 캐소드 전해질을 위한 제2 탱크, 특정 평면형 전지에 전해질을 공급하기 위한 해당 펌프를 구비한 각각의 유압식 회로를 갖는 유형이며, 상기 평면형 전지는,
    2개의 대향 면을 갖는 바이폴라 플레이트 본체로서, 각각의 상기 대향 면은 복수의 유입구 막힌 단부 채널 및 복수의 배출구 막힌 단부 채널을 갖는, 바이폴라 플레이트 본체;
    각각의 한 쌍의 다지점 유동 분배기가 상기 유입구 채널 및 상기 배출구 채널과 맞물리도록 상기 2개의 대향 면 상에 배치된 한 쌍의 다지점 유동 분배기를 포함하고,
    상기 다지점 유동 분배기는 상기 전해질의 비교적 균일한 이송을 위해, 상기 유입구 채널과 상기 배출구 채널 사이의 연통을 가능하게 하는 통로를 가지며,
    상기 바이폴라 플레이트는 복수의 양성자 교환막 및 전극 각각에 의해 서로 분리되고, 상기 평면형 전지는 유동 배터리 스택을 구성하도록 서로 정렬되어 적층되는,
    유동 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유입구 채널 및 상기 배출구 채널은 서로 맞물리는, 유동 배터리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다지점 유동 분배기는 표면을 가지며, 상기 표면 상에 균일하게 이격된 복수의 구멍을 갖는, 유동 배터리.
  4. 제3항에 있어서,
    다지점 유동 분배기는 상기 구멍을 상기 유입구 및 배출구 채널에 정렬시키는 상기 바이폴라 플레이트 유동장의 상부 상에 각각 배치되는, 유동 배터리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다지점 유동 분배기의 표면 상에 양극 및 음극이 배치되는, 유동 배터리.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 구멍은 직사각형 그리드 패턴으로 배치되는, 유동 배터리.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 다지점 유동 분배기는 약 8 mm의 간격으로 상기 표면 상에 균일하게 분포된 복수의 구멍을 가지며,
    상이한 산화 상태의 바나듐 이온을 갖는 상기 전해질은 상기 구멍을 통해 유동하고, 상기 유동 분배기 표면 상에 배치되는 상기 전극을 횡방향으로 통과하며,
    상기 바나듐 이온의 전기 화학 반응에 의해 전기 에너지가 생성되고, (a) 외부 부하 중 하나로 선택적으로 출력되며, (b) 상기 바나듐 이온에 저장되는 화학 에너지로 변환되는, 유동 배터리.
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