KR20200045938A - 레독스 플로우 전지 셀, 레독스 플로우 전지 셀 스택, 및 레독스 플로우 전지 - Google Patents

레독스 플로우 전지 셀, 레독스 플로우 전지 셀 스택, 및 레독스 플로우 전지 Download PDF

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Abstract

정극 전극과, 부극 전극과, 상기 정극 전극과 상기 부극 전극 사이에 개재되는 격막을 포함하는 레독스 플로우 전지 셀로서, 상기 정극 전극과 상기 부극 전극이 상기 격막을 통해 중합되는 중복 영역과, 상기 정극 전극과 상기 부극 전극 중 적어도 한쪽에 있어서 상기 격막을 통해 중합되지 않는 비중복 영역을 가지고, 상기 비중복 영역의 합계 면적이, 상기 중복 영역의 면적의 0.1％ 이상 20％ 이하인 레독스 플로우 전지 셀.

Description

레독스 플로우 전지 셀, 레독스 플로우 전지 셀 스택, 및 레독스 플로우 전지
본 발명은 레독스 플로우 전지 셀, 레독스 플로우 전지 셀 스택 및 레독스 플로우 전지에 관한 것이다.
대용량의 축전지의 하나로서, 격막을 사이에 두고 배치된 정부의 각 전극에 각각 전해액을 순환 유통시켜 충방전을 행하는 레독스 플로우 전지(이하, 「RF 전지」라고 부르는 경우가 있음)가 알려져 있다(특허문헌 1을 참조). 특허문헌 1에는, 셀 프레임, 정극 전극, 격막(이온 교환막), 부극 전극을 복수 적층한 셀 스택이 개시되어 있다. 셀 프레임은, 프레임과, 프레임에 일체화된 쌍극판을 구비한다. 이 셀 스택에서는, 인접하는 셀 프레임의 쌍극판 사이에, 격막을 끼워 정부의 전극이 배치되어, 하나의 셀이 형성된다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2012-99368호 공보
본 개시의 레독스 플로우 전지 셀은,
정극 전극과, 부극 전극과, 상기 정극 전극과 상기 부극 전극 사이에 개재되는 격막을 구비하는 레독스 플로우 전지 셀로서,
상기 정극 전극과 상기 부극 전극이 상기 격막을 통해 중합되는 중복 영역과, 상기 정극 전극과 상기 부극 전극 중 적어도 한쪽에 있어서 상기 격막을 통해 중합되지 않는 비중복 영역을 가지고,
상기 비중복 영역의 합계 면적이, 상기 중복 영역의 면적의 0.1％ 이상 20％ 이하이다.
본 개시의 레독스 플로우 전지 셀 스택은,
상기 본 개시의 레독스 플로우 전지 셀을 복수 적층하여 구비한다.
본 개시의 레독스 플로우 전지는,
상기 본 개시의 레독스 플로우 전지 셀, 또는, 상기 본 개시의 레독스 플로우 전지 셀 스택을 구비한다.
도 1은 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지의 동작 원리도이다.
도 2는 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지의 개략 구성도이다.
도 3은 실시형태에 따른 셀 스택의 개략 구성도이다.
도 4는 실시형태에 따른 셀 스택에 구비하는 셀 프레임를 일면측에서 본 개략 평면도이다.
도 5는 실시형태에 따른 셀에 있어서의 정극 전극과 부극 전극의 배치 형태의 일례를 투시적으로 나타내는 개략 평면도이다.
[본 개시가 해결하고자 하는 과제]
RF 전지에 있어서, 전력 계통의 정전 시에 자력으로 운전을 재개할 수 있는 것이 요구되고 있다.
RF 전지는 격막을 사이에 두고 정극 전극과 부극 전극이 대향하도록 배치된 셀 내에 전해액을 펌프에 의해 순환시켜 충방전을 행한다. 일반적으로, RF 전지에서는, 외부의 전력 계통으로부터 펌프에 전력을 공급하여 펌프를 구동시키고 있다. 그 때문에, 전력 계통이 정전되면, 펌프가 정지하여 전해액의 유통이 정지하기 때문에, RF 전지로부터 전력 계통에 방전하고자 해도 방전할 수 없다. 그래서, 전력 계통의 정전 시에 RF 전지의 운전을 자력으로 재개할 수 있도록 하기 위해, 셀(또는 셀 스택)로부터 펌프의 기동에 필요한 전력을 공급하는 것이 요구되고 있다.
RF 전지에서는, 전력 계통의 정전 시에 펌프가 정지되어도, 셀 내에 전해액이 잔존하게 되기 때문에, 셀 내의 정부의 전극 사이의 전해액의 방전에 의한 전력을 이용하여 펌프를 기동시키는 것이 가능하다. 그러나, 종래의 RF 전지에 있어서의 셀은, 통상, 정부의 양 전극의 면적이 동등하며, 또한, 양 전극의 전체면이 격막을 사이에 두고 서로 중복하도록 배치되어 있기 때문에, 양 전극의 전체면에서 전지 반응이 생긴다. 그 때문에, 종래의 셀에서는, 예컨대 RF 전지의 방전 시에 전력 계통의 정전이 일어난 경우, 방전 반응에 따라 셀 내에 있어서의 전해액이 방전된 상태로 되어 있기 때문에, 셀 내에 잔존하는 전해액에 의해 펌프를 기동시키기 위해 필요한 전력을 충분히 확보할 수 없는 경우가 있다. 또한, 양 전극 사이에서 전해액의 자기 방전이 진행되기 쉬워, 펌프의 정지 중에 셀 내의 전해액에 축적된 전력이 자기 방전에 의해 소비되기 쉽기 때문에, 전력 계통의 정전에 의해 펌프가 정지하고 나서 펌프를 기동시키기까지의 시간적 제약이 엄격하다.
그래서, 본 개시는 전력 계통의 정전 시에 펌프를 기동시키는 전력을 공급하는 것이 가능한 레독스 플로우 전지 셀 및 레독스 플로우 전지 셀 스택을 제공하는 것을 목적의 하나로 한다. 또한, 본 개시는 전력 계통의 정전 시에 자력으로 운전을 재개하는 것이 가능한 레독스 플로우 전지를 제공하는 것을 목적의 하나로 한다.
[본 개시의 효과]
본 개시에 따르면, 전력 계통의 정전 시에 펌프를 기동시키는 전력을 공급하는 것이 가능한 레독스 플로우 전지 셀 및 레독스 플로우 전지 셀 스택을 제공할 수 있다. 또한, 본 개시에 따르면, 전력 계통의 정전 시에 자력으로 운전을 재개하는 것이 가능한 레독스 플로우 전지를 제공할 수 있다.
[본원 발명의 실시형태의 설명]
먼저 본원 발명의 실시형태의 내용을 열기하여 설명한다.
(1) 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지 셀은,
정극 전극과, 부극 전극과, 상기 정극 전극과 상기 부극 전극 사이에 개재되는 격막을 구비하는 레독스 플로우 전지 셀로서,
상기 정극 전극과 상기 부극 전극이 상기 격막을 통해 중합되는 중복 영역과, 상기 정극 전극과 상기 부극 전극 중 적어도 한쪽에 있어서 상기 격막을 통해 중합되지 않는 비중복 영역을 가지고,
상기 비중복 영역의 합계 면적이, 상기 중복 영역의 면적의 0.1％ 이상 20％ 이하이다.
상기 레독스 플로우 전지 셀은, 정극 전극과 부극 전극의 중복 영역과 비중복 영역을 갖도록 양 전극이 배치되어 있고, 양 전극에 있어서의 비중복 영역의 합계 면적이 중복 영역의 면적의 0.1％ 이상 20％ 이하이다. 「중복 영역」이란, 정극 전극 및 부극 전극을 한쪽측으로부터 투시하여 본 경우에, 정극 전극 및 부극 전극이 서로 중합되는 영역을 말한다. 한편, 「비중복 영역」이란, 중복 영역을 제외한, 서로 중합되지 않는 영역을 말한다. 중복 영역은 양 전극 사이에서 전지 반응에 기여하는 부분이고, 비중복 영역은 양 전극 사이에서 전지 반응에 기여하지 않는 부분이다.
상기 레독스 플로우 전지 셀에 의하면, 정극 전극과 부극 전극 중 적어도 한쪽에 있어서, 비중복 영역을 가지고 있다. 비중복 영역에서는 전지 반응에 기여하지 않기 때문에, 비중복 영역에는 전지 반응하지 않는 미반응의 전해액이 존재하게 된다. 즉, 전력 계통의 정전 시에 펌프가 정지하여 전해액의 유통이 정지한 경우, 셀 내에 미반응의 전해액이 일부에 잔존한 상태가 된다. 그리고, 펌프의 정지 중, 비중복 영역에 존재하는 미반응의 전해액이 중복 영역에 확산됨으로써, 양 전극 사이에서의 방전에 의해, 셀로부터 펌프의 기동에 필요한 전력을 공급하는 것이 가능해진다. 그 때문에, 예컨대, RF 전지의 방전 시에 전력 계통의 정전이 일어나 펌프가 정지하였다고 해도, 셀 내에 있어서의 비중복 영역에 존재하는 방전 반응하지 않는 전해액에 의해 펌프를 기동시키기 위해 필요한 전력을 확보할 수 있다. 또한, 펌프의 정지 중에, 양 전극 사이의 중복 영역에서 전해액의 자기 방전이 진행되어도, 비중복 영역에 존재하는 미반응의 전해액이 중복 영역에 확산됨으로써, 미반응의 전해액에 축적된 전력을 장시간에 걸쳐 방전 가능해진다. 따라서, 전력 계통의 정전에 의해 펌프가 정지하고 나서 펌프를 기동시키기까지의 시간적 제약을 완화할 수 있다. 따라서, 상기 레독스 플로우 전지 셀은, 전력 계통의 정전 시에 펌프를 기동시키는 전력을 공급하는 것이 가능하여, 외부로부터 펌프에 전력 공급이 없는 상태라도, 펌프를 기동시키는 것이 가능해진다.
상기 레독스 플로우 전지 셀에서는, 비중복 영역의 합계 면적이 중복 영역의 면적의 0.1％ 이상임으로써, 비중복 영역에 흐르는 전해액의 양을 확보하여, 전력 계통의 정전 시에 펌프의 기동에 필요한 전력을 확보하기 쉽다. 한편으로, 비중복 영역의 면적 비율이 클수록, 비중복 영역을 흐르는 전해액의 비율이 커져, 중복 영역에 흐르는 전해액의 양이 감소하게 된다. 비중복 영역의 합계 면적이 중복 영역의 면적의 20％ 이하임으로써, 전지 반응에 기여하는 중복 영역을 확보하여, 충방전 시의 출력의 저하를 억제할 수 있다.
(2) 상기 레독스 플로우 전지 셀의 일형태로서, 상기 정극 전극과 상기 부극 전극의 쌍방이 상기 비중복 영역을 갖는 것을 들 수 있다.
정극 전극과 부극 전극의 쌍방이 비중복 영역을 가짐으로써, 각 전극의 비중복 영역에 미반응의 전해액이 존재하게 된다. 그 때문에, 양 전극 사이에서 전해액의 방전을 확실하게 일으키게 할 수 있어, 전력 계통의 정전 시에 펌프의 기동에 필요한 전력을 공급하여, 펌프를 확실하게 기동시키는 것이 가능해진다.
(3) 상기 레독스 플로우 전지 셀의 일형태로서, 상기 정극 전극과 상기 부극 전극의 면적이 동등한 것을 들 수 있다.
정극 전극과 부극 전극의 면적이 동등한 경우, 정극 전극과 부극 전극의 쌍방에 동일한 면적의 비중복 영역이 형성되고, 각 전극의 비중복 영역에 흐르는 전해액의 양이 같아진다. 그 때문에, 양 전극 사이에서 전해액의 방전을 충분히 일으키게 할 수 있어, 전력 계통의 정전 시에 펌프의 기동에 필요한 전력을 충분히 공급하는 것이 가능해진다. 「정극 전극과 부극 전극의 면적이 동등」이란, 양 전극의 면적이 실질적으로 같은 것을 의미하고, 예컨대, 양 전극의 면적의 차가 각각의 면적의 0.01％ 이하인 경우는 동등한 면적이라고 간주한다. 여기서, 정극 전극과 부극 전극의 각 면적은, 각 전극의 서로 대향하는 면의 평면 면적이다.
(4) 상기 레독스 플로우 전지 셀의 일형태로서, 상기 정극 전극 및 상기 부극 전극의 두께가 0.05 ㎜ 이상인 것을 들 수 있다.
양 전극의 두께가 0.05 ㎜ 이상임으로써, 비중복 영역에 흐르는 전해액의 양을 충분히 확보하기 쉽다. 따라서, 전력 계통의 정전 시에 펌프의 기동에 필요한 전력을 충분히 확보하기 쉽다. 여기서, 정극 전극과 부극 전극의 각 두께는, 셀 내에 배치된 상태에서의 각 전극의 두께이고, 전극이 압축된 상태로 셀 내에 수납되어 있는 경우는 압축 상태에 있어서의 두께이다.
(5) 상기 레독스 플로우 전지 셀의 일형태로서, 상기 정극 전극 및 상기 부극 전극의 면적이 250 ㎠ 이상인 것을 들 수 있다.
양 전극의 면적이 250 ㎠ 이상임으로써, 중복 영역 및 비중복 영역의 각각의 면적을 충분히 확보하기 쉬워, 각 영역에 흐르는 전해액의 양을 충분히 확보하기 쉽다. 따라서, 충방전 시의 출력을 확보하며, 전력 계통의 정전 시에 펌프의 기동에 필요한 전력을 충분히 확보하기 쉽다.
(6) 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지 셀 스택은,
상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 레독스 플로우 전지 셀을 복수 적층하여 구비한다.
상기 레독스 플로우 전지 셀 스택은, 상기한 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지 셀을 구비함으로써, 전력 계통의 정전 시에 펌프를 기동시키는 전력을 공급하는 것이 가능하다. 상기 레독스 플로우 전지 셀 스택에서는, 복수의 셀을 구비하고 있어, 각 셀 내에 있어서의 비중복 영역에 존재하는 미반응의 전해액에 의해 펌프를 기동시키기 위해 필요한 전력을 확보할 수 있다.
따라서, 셀 스택으로부터 펌프의 기동에 필요한 전력을 충분히 공급하는 것이 가능해진다.
(7) 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지는,
상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 레독스 플로우 전지 셀, 또는, 상기 (6)에 기재된 레독스 플로우 전지 셀 스택을 구비한다.
상기 레독스 플로우 전지는, 상기한 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지 셀 또는 레독스 플로우 전지 셀 스택을 구비함으로써, 전력 계통의 정전 시에 셀 또는 셀 스택으로부터 펌프의 기동에 필요한 전력을 공급하는 것이 가능하여, 펌프를 기동시키는 것이 가능해진다. 따라서, 상기 레독스 플로우 전지에 의하면, 전력 계통의 정전 시에 자력으로 운전을 재개하는 것이 가능하다.
[본원 발명의 실시형태의 상세]
본원 발명의 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지 셀(이하, 단순히 「셀」이라고 부르는 경우가 있음), 레독스 플로우 전지 셀 스택(이하, 단순히 「셀 스택」이라고 부르는 경우가 있음) 및 레독스 플로우 전지(RF 전지)의 구체예를, 이하에 도면을 참조하면서 설명한다. 도면 중 동일 부호는 동일 또는 상당 부분을 나타낸다. 또한, 본원 발명은 이들 예시에 한정되는 것이 아니고, 청구범위에 의해 나타나며, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
《RF 전지》
도 1∼도 5를 참조하여, 실시형태에 따른 RF 전지(1) 및 RF 전지(1)에 구비하는 셀(100) 및 셀 스택(2)의 일례를 설명한다. 도 1, 도 2에 나타내는 RF 전지(1)는, 정극 전해액 및 부극 전해액에 산화 환원에 의해 가수가 변화하는 금속 이온을 활물질로서 함유하는 전해액을 사용하고, 정극 전해액에 포함되는 이온의 산화 환원 전위와, 부극 전해액에 포함되는 이온의 산화 환원 전위의 차를 이용하여 충방전을 행하는 전지이다. 도 1에서는, RF 전지(1)의 일례로서, 정극 전해액 및 부극 전해액에 활물질이 되는 V 이온을 함유하는 바나듐 전해액을 사용한 바나듐계 RF 전지를 나타낸다. 도 1 중 셀(100) 내의 실선 화살표는 충전 반응을, 파선 화살표는 방전 반응을 각각 나타내고 있다. RF 전지(1)는 교류/직류 변환기(C)를 통해 전력 계통(L)에 접속되어, 예컨대, 부하 평준화 용도, 순시 전압 저하 보상이나 비상용 전원 등의 용도, 대량 도입이 진행되고 있는 태양광 발전이나 풍력 발전 등의 자연 에너지의 출력 평활화 용도 등에 이용된다.
《셀》
RF 전지(1)에는, 정극 전극(104)과, 부극 전극(105)과, 정극 전극(104)과 부극 전극(105) 사이에 개재되는 격막(101)을 구비하는 셀(100)을 구비한다(도 1 참조). 이 예에 나타내는 셀(100)의 구조는, 수소 이온을 투과시키는 격막(101)으로 정극 셀(102)과 부극 셀(103)로 분리되고, 정극 셀(102)에 정극 전극(104)이, 부극 셀(103)에 부극 전극(105)이 각각 내장되어 있다. 정극 셀(102)에는, 정극 전해액을 저류하는 정극 전해액용 탱크(106)가 도관(108, 110)을 통해 접속되어 있다. 도관(108)에는, 정극 전해액을 정극 전해액용 탱크(106)로부터 정극 셀(102)에 순환시키는 펌프(112)가 마련되어 있고, 이들 부재(106, 108, 110, 112)에 의해 정극 전해액을 순환시키는 정극용 순환 기구(100P)가 구성되어 있다. 마찬가지로, 부극 셀(103)에는, 부극 전해액을 저류하는 부극 전해액용 탱크(107)가 도관(109, 111)을 통해 접속되어 있다. 도관(109)에는, 부극 전해액을 부극 전해액용 탱크(107)로부터 부극 셀(103)에 순환시키는 펌프(113)가 마련되어 있고, 이들 부재(107, 109, 111, 113)에 의해 부극 전해액을 순환시키는 부극용 순환 기구(100N)가 구성되어 있다. 충방전을 행하는 운전 시에는, 펌프(112, 113)가 구동되어, 셀(100)[정극 셀(102) 및 부극 셀(103)] 내에 정부의 각 전해액이 유통되고, 충방전을 행하지 않는 대기 시에는, 펌프(112, 113)가 정지하여, 각 전해액의 유통이 정지한다. 이 예에서는, 통상의 운전 시는, 전력 계통(L)으로부터 펌프(112, 113)에 전력을 공급하여 펌프(112, 113)를 구동시킨다.
《셀 스택》
이 예에 나타내는 RF 전지(1)에서는, 도 2, 도 3에 나타내는 바와 같이, 셀(100)을 복수 적층하여 구비하는 셀 스택(2)을 구비한다. 셀 스택(2)은 서브 스택(200)(도 3 참조)으로 불리는 적층체를 그 양측으로부터 2장의 엔드 플레이트(220)로 끼워 넣고, 양측의 엔드 플레이트(220)를 체결 기구(230)로 체결함으로써 구성되어 있다[도 3에 예시하는 구성에서는, 복수의 서브 스택(200)을 구비함]. 서브 스택(200)은, 셀 프레임(3), 정극 전극(104), 격막(101) 및 부극 전극(105)을 복수 적층하여 이루어지고, 그 적층체의 양 단부에 급배판(210)(도 3의 아래 도면 참조, 도 2에서는 생략)이 배치된 구성이다. 셀 스택(2)에 있어서의 셀(100)의 적층수는, 예컨대 5 이상, 50 이상, 더욱 100 이상인 것을 들 수 있다. 셀(100)의 적층수의 상한은, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 200 이하이다.
《셀 프레임》
셀 프레임(3)은 도 2, 도 3에 나타내는 바와 같이, 정극 전극(104)과 부극 전극(105) 사이에 배치되는 쌍극판(31)과, 쌍극판(31) 주위에 마련되는 프레임(32)을 갖는다. 쌍극판(31)의 일면측에는, 정극 전극(104)이 접촉하도록 배치되고, 쌍극판(31)의 타면측에는, 부극 전극(105)이 접촉하도록 배치된다. 프레임(32)의 내측에는, 쌍극판(31)이 마련되고, 쌍극판(31)과 프레임(32)에 의해 오목부(32o)가 형성된다(도 4도 참조). 오목부(32o)는 쌍극판(31)의 양측(도 4에 있어서 지면의 앞쪽 및 안쪽)에 각각 형성되고, 각 오목부(32o)에 정극 전극(104) 및 부극 전극(105)이 쌍극판(31)을 사이에 두고 수납된다. 서브 스택(200)[셀 스택(2)]에서는, 인접하는 각 셀 프레임(3)의 프레임(32)의 일면측과 타면측이 서로 대향하여 맞대어져, 인접하는 각 셀 프레임(3)의 쌍극판(31) 사이에 각각 하나의 셀(100)이 형성되게 된다.
쌍극판(31)은, 예컨대, 플라스틱 카본 등으로 형성되고, 프레임(32)은 예컨대, 염화비닐 수지(PVC), 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 불소 수지, 에폭시 수지 등의 플라스틱으로 형성되어 있다. 쌍극판(31)은 예컨대, 사출 성형, 프레스 성형, 진공 성형 등의 공지의 방법에 따라 성형되고 있다. 이 예에 나타내는 셀 프레임(3)은, 쌍극판(31)의 주위에 프레임(32)이 사출 성형 등에 의해 일체화되어 있다. 이 예에서는, 쌍극판(31)의 평면 형상(평면에서 보았을 때의 형상)이 직사각 형상이며, 프레임(32)의 형상이 직사각형 프레임형이다.
셀(100)에의 전해액의 유통은, 급배판(210)(도 3의 아래 도면 참조)을 통해, 도 3에 나타내는 셀 프레임(3)의 프레임(32)에 관통하여 마련된 급액 매니폴드(33, 34) 및 배액 매니폴드(35, 36)와, 프레임(32)에 형성된 급액 슬릿(33s, 34s) 및 배액 슬릿(35s, 36s)에 의해 행해진다(도 4도 더불어 참조). 이 예에 나타내는 셀 프레임(3)[프레임(32)]의 경우, 정극 전해액은, 프레임(32)의 하부에 마련된 급액 매니폴드(33)로부터 프레임(32)의 일면측(도 4의 지면 앞쪽)에 형성된 급액 슬릿(33s)을 통해 정극 전극(104)에 공급되고, 프레임(32)의 상부에 형성된 배액 슬릿(35s)을 통하여 배액 매니폴드(35)에 배출된다. 마찬가지로, 부극 전해액은, 프레임(32)의 하부에 마련된 급액 매니폴드(34)로부터 프레임(32)의 타면측(도 4의 지면 안쪽)에 형성된 급액 슬릿(34s)을 통해 부극 전극(105)에 공급되고, 프레임(32)의 상부에 형성된 배액 슬릿(36s)을 통해 배액 매니폴드(36)에 배출된다. 쌍극판(31)이 마련되는 프레임(32)의 내측의 하부 가장자리부 및 상부 가장자리부에는, 가장자리부를 따라 정류부(도시하지 않음)가 형성되어 있어도 좋다. 정류부는, 급액 슬릿(33s, 34s)으로부터 공급되는 각 전해액을 각 전극(104, 105)의 하부 가장자리부를 따라 확산시키거나, 각 전극(104, 105)의 상부 가장자리부로부터 배출되는 각 전해액을 배액 슬릿(35s, 36s)에 집약하는 기능을 갖는다.
이 예에 나타내는 셀(100)에서는, 정극 전극(104) 및 부극 전극(105)의 하측으로부터 각각 전해액이 공급되고, 각 전극(104, 105)의 상측으로부터 전해액이 배출되도록 되어 있고, 각 전극(104, 105)의 하부 가장자리부로부터 상부 가장자리부를 향하여 전해액이 흐른다(도 4 중, 지면 좌측의 굵은선 화살표는, 전해액의 전체적인 전해액의 유통 방향을 나타냄). 쌍극판(31)의 각 전극(104, 105)과 접하는 표면에는, 전해액의 유통 방향을 따라 복수의 홈부(도시하지 않음)가 형성되어 있어도 좋다. 이에 의해, 전해액의 유통 저항을 작게 할 수 있어, 전해액의 압력 손실을 저감할 수 있다. 홈부의 단면 형상(전해액의 유통 방향과 직교하는 단면의 형상)은, 특별히 한정되지 않고, 예컨대, 직사각 형상, 삼각 형상(V자형), 사다리꼴 형상, 반원 형상이나 반타원 형상 등을 들 수 있다.
그 외에, 각 셀 프레임(3)의 프레임(32) 사이에는, 전해액의 누설을 억제하기 위해, O 링이나 평패킹 등의 환형의 시일 부재(37)(도 2, 도 3 참조)가 배치되어 있다. 프레임(32)에는, 시일 부재(37)를 배치하기 위한 시일홈(38)(도 4 참조)이 형성되어 있다.
실시형태에 따른 셀(100)의 특징의 하나는, 격막(101)을 사이에 두고 서로 대향하여 배치되는 정극 전극(104)과 부극 전극(105)의 배치 형태에 있다. 구체적으로는, 정극 전극(104)과 부극 전극(105)이 격막(101)을 통해 중합되는 중복 영역(OA)과, 정극 전극(104)과 부극 전극(105) 중 적어도 한쪽에 있어서 격막(101)을 통해 중합되지 않는 비중복 영역(SA)을 갖는다(도 5 참조). 이하, 도 5를 주로 참조하여, 셀(100)에 있어서의 정극 전극(104)과 부극 전극(105)의 배치 형태에 대해서 설명한다. 도 5에서는, 격막을 생략하고 있다.
《정극 전극 및 부극 전극》
정극 전극(104) 및 부극 전극(105)은, 전해액에 포함되는 활물질(이온)이 전지 반응을 행하는 반응장이다. 각 전극(104, 105)은, 공지의 재료로 형성할 수 있고, 예컨대, 카본 파이버로 이루어지는 부직포(카본 펠트) 또는 직포(카본 크로스)나, 종이(카본 페이퍼) 등으로 형성되어 있다. 이 예에서는, 각 전극(104, 105)의 평면 형상이 직사각 형상이다.
각 전극(104, 105)의 두께는, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 0.05 ㎜ 이상, 더욱 0.2 ㎜ 이상인 것을 들 수 있다. 각 전극(104, 105)의 두께가 0.05 ㎜ 이상임으로써, 각 전극(104, 105)에 흐르는 전해액의 양을 확보하여, 충방전 시의 출력을 확보하기 쉽다. 여기서 말하는 각 전극(104, 105)의 두께는, 셀(100)(도 3 참조)이 조립된 상태에서의 두께이며, 셀(100) 내[셀 프레임(3)의 오목부(32o)]에 각 전극(104, 105)이 두께 방향으로 압축된 상태로 수납되어 있는 경우는 압축 상태에서의 두께이다. 이 경우, 오목부(32o)의 깊이가 각 전극(104, 105)의 두께에 상당한다. 각 전극(104, 105)의 두께의 상한은, 예컨대 3.0 ㎜ 이하이다.
각 전극(104, 105)의 면적은, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 250 ㎠ 이상, 더욱 500 ㎠ 이상인 것을 들 수 있다. 각 전극(104, 105)의 면적이 250 ㎠ 이상임으로써, 각 전극(104, 105)에 흐르는 전해액의 양을 확보하여, 충방전 시의 출력을 확보하기 쉽다. 여기서 말하는 각 전극(104, 105)의 면적은, 서로 대향하는 면의 평면 면적이다. 양 전극(104, 105)의 면적은, 동일하여도 좋고, 상이하여도 좋다. 이 예에서는, 양 전극(104, 105)의 면적이 동등하다. 각 전극(104, 105)의 면적의 상한은, 예컨대 8000 ㎠ 정도이다.
〈전극의 배치 형태〉
본 실시형태에서는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 평면에서 보아, 정극 전극(104)과 부극 전극(105)의 중복 영역(OA)과 비중복 영역(SA)을 갖도록 양 전극(104, 105)이 배치되어 있다. 도 5는 셀(100)에 있어서의 정극 전극(104) 및 부극 전극(105)을 정극 전극(104)측에서 투시하여 본 경우의 전극의 배치 상태를 나타내고 있고, 도 5에 나타내는 전극의 배치 형태의 예에서는, 정극 전극(104)과 부극 전극(105)이 서로 경사 방향으로 어긋나 배치되어 있다. 구체적으로는, 정극 전극(104) 및 부극 전극(105)의 각각 중심이 일치하도록 중합되는 상태로부터, 정극 전극(104)이 좌측 경사 상방향, 부극 전극(105)이 우측 경사 하방향으로 어긋나도록 배치되어 있다. 이 예에서는, 정극 전극(104)과 부극 전극(105)의 면적이 동등하며, 정극 전극(104)과 부극 전극(105)의 쌍방이 비중복 영역(SA)을 갖는다. 또한, 정극 전극(104)의 비중복 영역(SA)과 부극 전극(105)의 비중복 영역(SA)이 동일한 면적이다. 도 5에서는, 이해하기 쉽게 하기 위해, 정극 전극(104)과 부극 전극(105)의 중복 영역(OA)을 더블 해칭으로 나타내고, 정극 전극(104)의 비중복 영역(SA)을 우측 오름의 해칭, 부극 전극(105)의 비중복 영역(SA)을 우측 내림의 해칭으로 각각 나타내고 있다.
도 5에 나타내는 예에서는, 정극 전극(104)과 부극 전극(105)이 서로 경사 방향으로 어긋나 배치되어 있는 경우를 예시하고 있지만, 정극 전극(104)과 부극 전극(105)이 서로 상하 방향(종방향)으로 어긋나 배치되어 있어도 좋고, 좌우 방향(횡방향)으로 어긋나 배치되어 있어도 좋다.
또한, 정극 전극(104)과 부극 전극(105)의 면적이 상이하여도 좋고, 그 경우, 면적이 큰 한쪽의 전극에 대하여 면적이 작은 다른쪽의 전극의 전체가 중첩되도록 배치하는 것을 들 수 있다. 이 경우, 정극 전극(104) 및 부극 전극(105) 중, 면적이 큰 한쪽의 전극에만 비중복 영역(SA)이 형성되고, 면적이 작은 다른쪽의 전극에는 중복 영역(OA)만 갖게 된다. 그 외에, 정극 전극(104)과 부극 전극(105)의 면적이 상이한 경우에 있어서, 면적이 큰 한쪽의 전극에 대하여 면적이 작은 다른쪽의 전극의 일부가 비어져 나오도록 배치하는 것도 가능하다. 이 경우, 면적이 작은 다른쪽의 전극에도 비중복 영역(SA)을 가질 수 있다.
각 전극(104, 105)이 수납되는 셀 프레임(3)의 오목부(32o)(도 3 참조)에 대하여 전극의 사이즈가 작은 경우, 전극을 위치 결정하기 위해, 프레임(32)의 내주면에 전극측으로 돌출하는 돌기부(도시하지 않음)를 형성하거나, 전극의 외주면에 프레임(32)측으로 돌출하는 돌기부(도시하지 않음)를 형성하여도 좋다. 돌기부의 사이즈는 전극을 지지할 수 있을 정도이면 좋고, 전극의 외주면에 돌기부를 마련하는 경우는, 중복 영역이 지나치게 증가하지 않도록, 될 수 있는 한 작게 형성하면 좋다. 또는, 프레임(32)의 내주면과 각 전극(104, 105)의 외주면 사이에 별개체의 위치 결정편(도시하지 않음)을 삽입하여, 전극을 위치 결정하는 것도 가능하다. 위치 결정편은, 적절한 유연성과 전해액에 대한 내성(내전해액성)을 갖는 재료, 예컨대, 고무나 스펀지 고무, 또는 수지 등의 재료로 형성하는 것을 들 수 있다. 위치 결정편을 형성하는 수지로서는, 예컨대, 발포 폴리에틸렌, 발포 우레탄, 발포 폴리스티렌 등을 들 수 있다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 정극 전극(104)과 부극 전극(105) 중 적어도 한쪽(이 예에서는 양쪽)에 비중복 영역(SA)을 갖는 경우, 비중복 영역(SA)에는 전지 반응하지 않는 미반응의 전해액이 존재하게 된다. 이것은, 비중복 영역(SA)은 양 전극(104, 105) 사이에서 전지 반응에 기여하지 않는 부분이기 때문에, 비중복 영역(SA)에는 전해액이 미반응의 상태로 흐르기 때문이다. 즉, 전력 계통(L)의 정전 시에 펌프(112, 113)가 정지하여 전해액의 유통이 정지된 경우(도 1이나 도 2 참조), 셀(100) 내에 미반응의 전해액이 일부에 잔존한 상태가 된다. 그리고, 비중복 영역(SA)에 존재하는 미반응의 전해액이 중복 영역(OA)에 확산됨으로써, 양 전극(104, 105) 사이에서 전지 반응을 일으키게 함으로써, 정전 시에 셀(100)[셀 스택(2)]로부터 펌프(112, 113)의 기동에 필요한 전력을 공급하는 것이 가능해진다. 이 예에서는, 정극 전극(104)과 부극 전극(105)의 쌍방에 비중복 영역(SA)을 갖기 때문에, 각각의 비중복 영역(SA)에 미반응의 전해액이 존재하게 되기 때문에, 양 전극(104, 105) 사이에서 전지 반응을 확실하게 일으킬 수 있다. 또한, 정극 전극(104) 및 부극 전극(105)에 있어서의 비중복 영역(SA)의 면적이 동일하여, 각각의 비중복 영역(SA)에 흐르는 전해액의 양이 같아지기 때문에, 양 전극(104, 105) 사이에서 전지 반응을 충분히 일으킬 수 있다.
〈중복 영역과 비중복 영역의 면적 비율〉
본 실시형태에서는, 정극 전극(104) 및 부극 전극(105)에 있어서의 비중복 영역(SA)의 합계 면적이 중복 영역(OA)의 면적의 0.1％ 이상 20％ 이하이다. 비중복 영역(SA)의 합계 면적이 중복 영역(OA)의 면적의 0.1％ 이상임으로써, 비중복 영역(SA)에 흐르는 전해액의 양을 확보하여, 정전 시에 펌프(112, 113)의 기동에 필요한 전력을 확보하기 쉽다. 한편으로, 비중복 영역(SA)의 면적 비율[비중복 영역(SA)의 합계 면적/중복 영역(OA)의 면적]이 클수록, 비중복 영역(SA)을 흐르는 전해액의 비율이 커져, 중복 영역(OA)에 흐르는 전해액의 양이 감소하게 된다. 비중복 영역(SA)의 합계 면적이 중복 영역(OA)의 면적의 20％ 이하임으로써, 전지 반응에 기여하는 중복 영역(OA)을 확보하여, 충방전 시의 출력의 저하를 억제할 수 있다. 비중복 영역(SA)의 합계 면적은, 중복 영역(OA)의 면적의 예컨대 0.2％ 이상 15％ 이하가 바람직하다.
{실시형태의 효과}
실시형태에 따른 셀(100), 셀 스택(2) 및 RF 전지(1)는, 다음의 작용 효과를 나타낸다.
《셀》
실시형태에 따른 셀(100)에 의하면, 정극 전극(104)과 부극 전극(105) 중 적어도 한쪽에 비중복 영역(SA)을 가지고 있다. 이에 의해, 전력 계통(L)의 정전 시에 펌프(112, 113)가 정지한 경우, 비중복 영역(SA)에 존재하는 미반응의 전해액이 중복 영역(OA)에 확산됨으로써, 양 전극(104, 105) 사이에서의 방전에 의해, 펌프(112, 113)의 기동에 필요한 전력을 방전하는 것이 가능하다. 따라서, 실시형태의 셀(100)은, 전력 계통(L)의 정전 시에 펌프(112, 113)를 기동시키는 전력을 공급하는 것이 가능하다.
셀(100)을 구비하는 RF 전지(1)는, 외부로부터 펌프(112, 113)에 전력 공급이 없는 상태라도, 셀(100)로부터 펌프(112, 113)에 전력을 공급함으로써, 펌프(112, 113)를 기동시키는 것이 가능해진다. 예컨대, RF 전지(1)의 방전 시에 전력 계통(L)의 정전이 일어나 펌프(112, 113)가 정지하였다고 해도, 셀(100) 내에 있어서의 비중복 영역(SA)에 존재하는 방전 반응하지 않는 전해액에 의해 펌프(112, 113)를 기동시키기 위해 필요한 전력을 확보할 수 있다. 또한, 펌프(112, 113)의 정지 중에, 양 전극(104, 105) 사이의 중복 영역(OA)에서 전해액의 자기 방전이 진행되어도, 비중복 영역(SA)에 존재하는 미반응의 전해액이 중복 영역(OA)에 확산됨으로써, 미반응의 전해액에 축적된 전력을 장시간에 걸쳐 방전 가능해진다. 그 때문에, 정전에 의해 펌프(112, 113)가 정지하고 나서 펌프(112, 113)를 기동시키기까지의 시간적 제약을 완화할 수 있다.
비중복 영역(SA)의 합계 면적이 중복 영역(OA)의 면적의 0.1％ 이상 20％ 이하임으로써, 비중복 영역(SA) 및 중복 영역(OA)의 각 영역에 흐르는 전해액의 양을 적절하게 확보하기 쉬워, 정전 시에 있어서의 펌프(112, 113)의 기동에 필요한 전력을 확보하며, 통상 운전 시에 있어서의 충방전 시의 출력을 확보하기 쉽다.
실시형태의 셀(100)과 같이, 정극 전극(104)과 부극 전극(105)의 쌍방이 비중복 영역(SA)을 갖는 경우, 각 전극(104, 105)의 비중복 영역(SA)에 미반응의 전해액이 존재하게 된다. 그 때문에, 양 전극(104, 105) 사이에서 전해액의 방전을 확실하게 일으키게 할 수 있어, 정전 시에 펌프(112, 113)의 기동에 필요한 전력을 공급하여, 펌프(112, 113)를 확실하게 기동시키는 것이 가능해진다. 또한, 정극 전극(104)과 부극 전극(105)의 면적이 동등한 경우, 정극 전극(104)과 부극 전극(105)의 쌍방에 동일한 면적의 비중복 영역(SA)이 형성되게 된다. 그 때문에, 양 전극(104, 105) 사이에서 전해액의 방전을 충분히 일으키게 할 수 있어, 정전 시에 펌프(112, 113)의 기동에 필요한 전력을 충분히 공급하는 것이 가능해진다.
또한, 정극 전극(104) 및 부극 전극(105)의 두께가 0.05 ㎜ 이상임으로써, 비중복 영역(SA)에 흐르는 전해액의 양을 충분히 확보하기 쉽다. 따라서, 정전 시에 펌프(112, 113)의 기동에 필요한 전력을 충분히 확보하기 쉽다. 정극 전극(104) 및 부극 전극(105)의 면적이 250 ㎠ 이상임으로써, 중복 영역(OA) 및 비중복 영역(SA)의 각각의 면적을 충분히 확보하기 쉬워, 각 영역에 흐르는 전해액의 양을 충분히 확보하기 쉽다. 따라서, 충방전 시의 출력을 확보하며, 정전 시에 펌프(112, 113)의 기동에 필요한 전력을 충분히 확보하기 쉽다.
《셀 스택》
실시형태에 따른 셀 스택(2)에 의하면, 전술한 실시형태의 셀(100)을 구비함으로써, 전력 계통(L)의 정전 시에 펌프(112, 113)를 기동시키는 전력을 공급하는 것이 가능하다. 셀 스택(2)은 복수의 셀(100)을 구비하고 있어, 각 셀(100) 내에 있어서의 비중복 영역(SA)에 존재하는 미반응의 전해액에 의해 펌프(112, 113)를 기동시키기 위해 필요한 전력을 확보하는 것이 용이하다. 따라서, 셀 스택(2)으로부터 펌프(112, 113)의 기동에 필요한 전력을 충분히 공급하는 것이 가능해진다.
《RF 전지》
실시형태에 따른 RF 전지(1)에 의하면, 전술한 실시형태의 셀(100) 또는 셀 스택(2)을 구비함으로써, 전력 계통(L)의 정전 시에 셀(100) 또는 셀 스택(2)으로부터 펌프(112, 113)의 기동에 필요한 전력을 공급하는 것이 가능하여, 펌프(112, 113)를 기동시키는 것이 가능해진다. 따라서, 실시형태의 RF 전지(1)는, 전력 계통(L)의 정전 시에 자력으로 운전을 재개하는 것이 가능하다.
[시험예 1]
셀에 있어서의 정극 전극과 부극 전극의 배치 형태가 상이한 RF 전지(시험체 A∼D)를 각각 조립하고, 각 RF 전지를 이용하여 펌프의 기동 시험을 행하였다.
셀 프레임, 정극 전극, 격막 및 부극 전극을 순서대로 복수 적층하여 적층체를 구성하여, 셀 스택을 제작하였다. 정극 전극 및 부극 전극에는, 동일한 형상·사이즈의 카본 펠트제의 전극을 사용하였다. 사용한 정극 전극 및 부극 전극은, 평면 형상이 직사각 형상이며, 면적 및 두께가 동일하고, 면적이 250 ㎠, 두께가 0.3 ㎜이다. 셀 스택에 있어서의 셀의 적층수는 5로 하였다.
이 시험에서는, 셀 스택을 구성하는 각 셀에 있어서, 정극 전극 및 부극 전극에 있어서의 비중복 영역의 합계 면적이 중복 영역의 면적의 0.1％, 20％, 0.05％, 0％가 되도록 전극을 배치한 4종류의 셀 스택을 제작하였다. 그리고, 각각의 셀 스택에 전해액을 순환시키는 순환 기구를 장착하여, RF 전지의 시험체 A∼D를 조립하였다. 여기서, 비중복 영역의 합계 면적이 중복 영역의 면적의 0％란, 양 전극의 전체면이 서로 중복하는 것을 의미한다.
시험 방법은, 각 시험체의 RF 전지를 충전한 후에 방전을 행하고, 방전 시에 펌프를 정지하고, 펌프의 정지 중에 셀 스택으로부터 펌프에 전력을 공급하여, 펌프가 기동하는지를 조사하였다. 펌프의 기동의 가부를 표 1에 나타낸다. 사용한 펌프의 기동 시에 필요한 전력은 5 W이다. 표 1에서는, 펌프를 기동시킬 수 있었던 경우를 「A」, 펌프를 기동시킬 수 없었던 경우를 「B」로서 나타낸다.
Figure pct00001
표 1의 결과로부터, 비중복 영역의 합계 면적이 중복 영역의 면적의 0.1％ 이상이면, 펌프를 기동시키는 전력을 공급 가능한 것을 확인할 수 있었다.
{실시형태의 용도}
실시형태에 따른 레독스 플로우 전지 셀 및 레독스 플로우 전지 셀 스택은, 레독스 플로우 전지에 적합하게 이용 가능하다.
1 레독스 플로우 전지(RF 전지)
L 전력 계통
C 교류/직류 변환기
2 레독스 플로우 전지 셀 스택(셀 스택)
3 셀 프레임
31 쌍극판
32 프레임
32o 오목부
33, 34 급액 매니폴드
35, 36 배액 매니폴드
33s, 34s 급액 슬릿
35s, 36s 배액 슬릿
37 시일 부재
38 시일홈
100 레독스 플로우 전지 셀(셀)
101 격막
102 정극 셀
103 부극 셀
100P 정극용 순환 기구
100N 부극용 순환 기구
104 정극 전극
105 부극 전극
106 정극 전해액용 탱크
107 부극 전해액용 탱크
108, 109, 110, 111 도관
112, 113 펌프
200 서브 스택
210 급배판
220 엔드 플레이트
230 체결 기구
OA 중복 영역
SA 비중복 영역

Claims (7)

  1. 정극 전극과, 부극 전극과, 상기 정극 전극과 상기 부극 전극 사이에 개재되는 격막을 포함하는 레독스 플로우 전지 셀에 있어서,
    상기 정극 전극과 상기 부극 전극이 상기 격막을 통해 중합되는 중복 영역과, 상기 정극 전극과 상기 부극 전극 중 적어도 한쪽에 있어서 상기 격막을 통해 중합되지 않는 비중복 영역을 가지고,
    상기 비중복 영역의 합계 면적이, 상기 중복 영역의 면적의 0.1％ 이상 20％ 이하인 것인 레독스 플로우 전지 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정극 전극과 상기 부극 전극의 쌍방이 상기 비중복 영역을 갖는 것인 레독스 플로우 전지 셀.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 정극 전극과 상기 부극 전극의 면적이 동등한 것인 레독스 플로우 전지 셀.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정극 전극 및 상기 부극 전극의 두께가 0.05 ㎜ 이상인 것인 레독스 플로우 전지 셀.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정극 전극 및 상기 부극 전극의 면적이 250 ㎠ 이상인 것인 레독스 플로우 전지 셀.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 레독스 플로우 전지 셀을 복수 적층하여 포함하는 레독스 플로우 전지 셀 스택.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 레독스 플로우 전지 셀, 또는 제6항에 기재된 레독스 플로우 전지 셀 스택을 포함하는 레독스 플로우 전지.
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