KR20110124283A - 흐름 전지용 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일종의 흐름 전지용 전극은, 그라파이트 펠트(1)로 구성되고, 상기 그라파이트 펠트(1)에는 전해액을 수송하는 여러 개의 유로 채널(2)이 구비되며, 상기 유로 채널(2)은 다이렉트 유로 채널(2)이며, 유로 채널(2)은 등간격으로 분포되며, 또한, 상기 유로 채널(2)의 폭, 유로 채널(2)의 깊이, 인접한 유로 채널(2)사이의 간격은 각각 상기 그라파이트 펠트(1)의 두께의 절반이며, 상기 그라파이트 펠트(1)는 폴리아크릴로니트릴 그라파이트 펠트(1)이며, 본 발명의 흐름 전지용 전극은 구조가 간단하고, 가공이 용이하며, 조합도 간편하고, 흐름 전지의 두께 및 내부 저항이 작으며, 전해액의 수송 확산 효과도 좋으며, 흐름 전지의 전력밀도는 크며, 또한 에너지 효율이 높고, 사용수명이 긴 장점을 갖고 있으므로, 하이파워 흐름 전지 또는 슈퍼 하이파워 흐름 전지에 사용될 수 있다.

Description

흐름 전지용 전극 {ELECTRODE FOR A FLOW BATTERY}

본 발명은 흐름 전지 영역에 관한 것으로서, 일종의 흐름 전지용 전극에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 전체 바나듐 레독스 흐름 전지용 전극에 관한 것이다.

흐름 전지의 종류는 다양하며, 전체 바나듐 레독스 흐름 전지로 예를 든다면, 흐름 전지는 원자가 상태가 다른 전해액을 통하여, 다공성 확산 전극에서 전기화학 반응을 일으켜, 화학에너지와 전기에너지의 상호 전환을 구현한다. 이는 현재 규모가 제일 크고, 기술이 제일 진보적이며, 산업화에 제일 가까운 고효율 가역 연료전지이며, 또한 큰 공률, 큰 용량, 높은 효율, 낮은 원가, 긴 수명, 친환경성 등 장점을 갖고 있다. 향후 이는 태양광 발전, 풍력발전, 발전소, 전력망, 통신, UPS 전원, 교통, 도시 행정, 군용 축전지 등 넓은 영역에서 응용이 더욱 활성화 될 것이며, 새로운 에너지 기술혁명을 일으킬 것이다.

흐름 전지의 전극은 보통 표면이 평탄하고, 미세한 홀을 갖고 있는 그라파이트 펠트를 사용하며, 전해액은 순환 펌프의 작용 하에, 그라파이트 펠트의 세로 방향에 따라 아래에서부터 위로 흐르며, 또한 그라파이트 펠트의 미세한 홀을 통하여, 그라파이트 펠트의 섬유표면에 확산되어 전극 반응을 일으킨다. 전극 반응을 연속으로 신속하게 진행하기 위하여, 전극 반응에 필요한 반응물도 역시 신속하게 연속으로 공급해야 하며, 또한 전극 반응의 생산물도 연속으로 신속하게 이동되어야 한다. 만약 전해액이 신속하게 수송되는 메인 경로가 없다면, 다만 그라파이트 펠트의 미세한 홀에 의해 확산되면, 전해액의 확산속도는 아주 느리게 되고, 전극 반응은 아주 심한 확산의 극화를 발생시키며, 흐름 전지의 전력밀도도 저하되며, 또한 에너지 효율과 사용수명도 떨어진다. 특히 하이파워 흐름 전지에 반드시 사용되는 큰 면적, 긴 변을 갖고 있는 그라파이트 펠트 전극은 더욱 심하다.

그라파이트 펠트 전극에서, 흐름 전지의 전해액의 수송 확산 속도를 개선하기 위하여, 보통 이온 교환막과 그라파이트 펠트 전극사이에 다이버션 그리드, 터뷸런스 그리드 등을 설치한다. 그러나 이는 구조가 복잡하고, 가공이 어려우며, 조합 도 용이하지 않으며, 흐름 전지 두께 및 내부 저항이 크며, 전해액의 수송 확산 효과도 바람직하지 않으며, 흐름 전지의 전력밀도도 작으며, 또한 에너지 효율과 사용수명도 떨어지는 등 부족한 점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 구조가 간단하고, 가공이 용이하며, 조합도 간편하고, 흐름 전지의 두께 및 내부 저항이 작으며, 전해액의 수송 확산 효과도 양호하며, 흐름 전지의 전력밀도는 크며, 또한 높은 에너지 효율 및 긴 사용수명 등 장점을 갖고 있는 일종의 흐름 전지 전극을 제공하여, 하이파워 흐름 전지 또는 슈퍼 하이파워 흐름 전지를 생산하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일종의 흐름 전지용 전극은, 그라파이트 펠트로 구성되고, 상기 그라파이트 펠트에는 전해액을 수송하는 여러 개의 유로 채널이 구비된다.

상기 그라파이트 펠트는 폴리아크릴로니트릴 그라파이트 펠트이다.

또한, 상기 유로 채널은 다이렉트 유로 채널이다.

또한, 상기 유로 채널은 등간격으로 분포된다.

또한, 상기 그라파이트 펠트의 두께는 2~10밀리미터이고, 상기 유로 채널의 폭은 1~5밀리미터이며, 유로 채널의 깊이는 1~5밀리미터이며, 유로 채널의 간격은 1~5밀리미터이다.

상기 유로 채널의 폭, 유로 채널의 깊이, 유로 채널의 간격은 각각 상기 그라파이트 펠트의 두께의 절반인 것을 특징으로 한다.

조사에 의하면, 그라파이트 펠트의 두께가 2밀리미터보다 작을 때, 전극 반응의 활성 중심은 적게 되고, 전극의 전기화학 극화는 크며, 또한 유로 채널의 단면적은 작고, 전해액이 유로 채널의 세로 방향에 따라 유동 수송되는 저항력이 크게 되며, 전극의 확산 극화도 크기 때문에, 흐름 전지는 전력밀도가 작고, 에너지 효율이 떨어지게 된다.

이어서, 그라파이트 펠트의 두께가 10밀리미터보다 클 때, 전극의 전기저항은 크고, 또한 옴 극화도 크기 때문에, 흐름 전지는 전력밀도가 작고, 에너지 효율이 떨어지게 된다. 연구를 통해, 그라파이트 펠트의 두께는 6밀리미터 내외가 바람직하다.

유로 채널은 전해액을 신속하게 수송하는 메인 경로이고, 또한 순환 펌프의 동력을 추가하지 않은 상황에서, 전해액의 유동량이 증가되도록 한다. 순환 펌프의 작용으로 전해액은 유로 채널에서 아래부터 위로 상하로 유동되고, 세로 방향으로 유동하는 과정에서, 전해액은 유로 채널의 가로 방향과 세로 방향에 따라, 그라파이트 펠트의 미세한 홀을 통하여 확산 수송된다.

조사에 의하면, 유로 채널의 폭이 두께의 절반보다 작고, 깊이도 두께의 절반보다 작을 때, 유로 채널의 단면적이 작기 때문에, 전해액은 유로 채널의 세로 방향에 따라 유동 수송되는 저항력이 크게 된다.

또한, 유로 채널의 깊이는 두께의 절반보다 작을 때, 전해액은 유로 채널의 깊이 방향에 따라 확산 수송되는 저항력이 크게 된다.

또한, 인접한 두 개의 유로 채널의 간격은 두께의 절반보다 클 때, 전해액은 유로 채널의 가로 방향에 따라 확산 수송되는 저항력도 역시 크다.

본 발명에 따른 일종의 흐름 전지용 전극은 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명의 흐름 전지용 전극은 구조가 간단하고, 가공이 용이하며, 조합도 간편하고, 흐름 전지의 두께 및 내부 저항이 작으며, 전해액의 수송 확산 효과도 양호하며, 흐름 전지의 전력밀도가 크며, 또한 에너지 효율이 높고, 사용수명이 긴 장점을 갖고 있으므로, 하이파워 흐름 전지 또는 슈퍼 하이파워 흐름 전지에 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 구성도,
도 2는 도 1의 A부분을 확대한 도면,
도 3은 도 2의 정면도.

도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 일종의 전체 바나듐 레독스 흐름 전지용 전극이고, 상기 전극은 그라파이트 펠트(1)로 구성되며, 상기 그라파이트 펠트(1)는 폴리아크릴로니트릴 그라파이트 펠트이다. 그라파이트 펠트(1)는 정방형이고, 그라파이트 펠트(1)의 두께는 H이며, 또한 그라파이트 펠트(1)의 표면에는 전해액을 수송하는 여러 개의 세로 방향의 유로 채널(2)이 구비된다. 각각의 유로 채널(2)은 다이렉트 유로 채널이고, 각각의 유로 채널(2)의 폭은 C이며, 깊이는 D이며, 각각의 유로 채널(2)은 등간격으로 분포되며, 간격은 L이다.

아래 3개의 실시예는 모두 그라파이트 펠트(1)를 사용하여 전극에 활용되고, Perfluorinated ionomer membrane과 같이 전체 바나듐 레독스 흐름 전지를 제조하며, 농도가 2mol/L인 바나듐 이온 전해액을 사용하여 충전/방전 테스트를 진행하며, 구체적인 테스트 결과는 아래와 같다.

상기 3개의 실시예에서, 그라파이트 펠트(1)의 두께 H는 각각 2mm, 6mm, 10mm이고, 또한 각 실시예에서, 유로 채널(2)의 폭 C, 깊이 D, 간격 L은 그라파이트 펠트(1)의 두께 H의 절반이다. 또한 전해액이 유로 채널(2)의 세로 방향, 가로 방향, 심도 방향에 따라 확산 수송되는 효과는 양호하고, 전극의 극화도 매우 작으며, 흐름 전지의 평균 방전전압, 전력밀도, 에너지 효율도 모두 양호하다.

그라파이트 펠트(1)의 두께 H가 2밀리미터보다 작을 때, 전극 반응의 활성 중심은 적게 되고, 전극의 전기화학 극화는 크며, 또한 유로 채널(2)의 단면적은 작고, 전해액이 유로 채널(2)의 세로 방향에 따라 유동 수송되는 저항력이 크게 되며, 전극의 확산 극화도 크기 때문에, 흐름 전지는 전력밀도가 작고, 에너지 효율이 떨어지게 된다.

그라파이트 펠트(1)의 두께 H가 10밀리미터보다 클 때, 전극의 전기저항은 크고, 또한 옴 극화도 크기 때문에, 흐름 전지는 전력밀도가 작고, 에너지 효율이 떨어지게 된다.

상기 테스트 결과를 통해, 그라파이트 펠트(1)의 두께 H는 6밀리미터가 바람직하며, 이때 전해액이 그라파이트 펠트(1)에서 확산 수송되는 효과도 제일 양호하며, 전극의 극화도 제일 작으며, 흐름 전지의 평균 방전전압, 전력밀도, 에너지 효율도 모두 제일 양호하다.

본 발명의 흐름 전지용 전극은 구조가 간단하고, 가공이 용이하며, 조합도 간편하고, 흐름 전지의 두께 및 내부 저항이 작으며, 전해액의 수송 확산 효과도 양호하며, 흐름 전지의 전력밀도는 크며, 또한 에너지 효율이 높고, 사용수명이 긴 장점을 갖고 있으므로, 하이파워 흐름 전지 또는 슈퍼 하이파워 흐름 전지에 사용될 수 있다.

Claims (6)

1. 그라파이트 펠트로 구성되고, 상기 그라파이트 펠트에는 전해액을 수송하는 여러 개의 유로 채널이 구비된 것을 특징으로 하는 일종의 흐름 전지용 전극.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 그라파이트 펠트는 폴리아크릴로니트릴 그라파이트 펠트인 것을 특징으로 하는 일종의 흐름 전지용 전극.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 유로 채널은 다이렉트 유로 채널인 것을 특징으로 하는 일종의 흐름 전지용 전극.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 유로 채널은 등간격으로 분포된 것을 특징으로 하는 일종의 흐름 전지용 전극.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 그라파이트 펠트의 두께는 2~10밀리미터이고, 상기 유로 채널의 폭은 1~5밀리미터이며, 또한 유로 채널의 깊이는 1~5밀리미터이며, 유로 채널의 간격은 1~5밀리미터인 것을 특징으로 하는 일종의 흐름 전지용 전극.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 유로 채널의 폭, 유로 채널의 깊이, 유로 채널의 간격은 각각 상기 그라파이트 펠트의 두께의 절반인 것을 특징으로 하는 일종의 흐름 전지용 전극.
   

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