KR101149351B1 - 레독스 흐름전지용 바이폴라 플레이트 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전해액 공급공 및 배출공과 몸체의 주변부를 불소수지로 분체코팅하여 단락 및 전해액의 누설을 방지할 수 있는 레독스 흐름전지용 바이폴라 플레이트 제조방법을 제공한다.
그 바이폴라 플레이트 제조방법은, 벌크 형태의 카본체를 제조할 레독스 흐름전지에 적합한 형태로 건식 절단방식으로 여유절단하고, 여유 절단된 카본 플레이트를 밀링가공 및 에지가공하여 몸체(310)를 형성하는 단계(S100); 상기 몸체(310)의 일측면에 예정된 형상의 양극 전해액 유로(320)를 형성하고, 상기 양극 전해액 유로(320)와 동일 관통축(X-X)상에 존재하지 않도록 타측면에 음극 전해액 유로(350)를 형성하는 단계(S110); 각각의 상기 전해액 유로(320;350)의 전해액 공급라인(323;353) 및 전해액 배출라인(324;354)에 연통하는 각각의 전해액 공급공(330;360) 및 전해액 배출공(340;370)을 형성하는 단계(S120); 상기 전해액 유로(320;350), 전해액 공급공(330;360) 및 전해액 배출공(340;370)이 형성된 상기 몸체(310)중 상기 전해액 공급공(330;360) 및 상기 전해액 배출공(340;370)과, 상기 전해액 유로(320;350)를 제외한 상기 몸체(310)의 주변부를 불소수지 코팅하여 코팅부(380)를 형성하는 단계(S130); 및 상기 몸체(310), 상기 전해액 유로(320;350), 전해액 공급공(330;360) 및 전해액 배출공(340;370) 전체를 검사 및 시험하는 단계(S140)를 포함한다.
그 바이폴라 플레이트 제조방법은, 벌크 형태의 카본체를 제조할 레독스 흐름전지에 적합한 형태로 건식 절단방식으로 여유절단하고, 여유 절단된 카본 플레이트를 밀링가공 및 에지가공하여 몸체(310)를 형성하는 단계(S100); 상기 몸체(310)의 일측면에 예정된 형상의 양극 전해액 유로(320)를 형성하고, 상기 양극 전해액 유로(320)와 동일 관통축(X-X)상에 존재하지 않도록 타측면에 음극 전해액 유로(350)를 형성하는 단계(S110); 각각의 상기 전해액 유로(320;350)의 전해액 공급라인(323;353) 및 전해액 배출라인(324;354)에 연통하는 각각의 전해액 공급공(330;360) 및 전해액 배출공(340;370)을 형성하는 단계(S120); 상기 전해액 유로(320;350), 전해액 공급공(330;360) 및 전해액 배출공(340;370)이 형성된 상기 몸체(310)중 상기 전해액 공급공(330;360) 및 상기 전해액 배출공(340;370)과, 상기 전해액 유로(320;350)를 제외한 상기 몸체(310)의 주변부를 불소수지 코팅하여 코팅부(380)를 형성하는 단계(S130); 및 상기 몸체(310), 상기 전해액 유로(320;350), 전해액 공급공(330;360) 및 전해액 배출공(340;370) 전체를 검사 및 시험하는 단계(S140)를 포함한다.
Description
본 발명은 일명 2차 전지라 칭하는 레독스 흐름전지에 사용되는 바이폴라 플레이트를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전해액 공급공 및 배출공과 몸체의 주변부를 불소수지로 분체코팅하여 단락 및 전해액의 누설을 방지할 수 있는 레독스 흐름전지용 바이폴라 플레이트를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 지구 온난화의 주요 원인인 온실가스 배출을 억제하기 위한 방법으로 태양광에너지나 풍력에너지 같은 재생에너지가 각광을 받고 있으며 이들의 실용화 보급을 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 이와 같은 재생에너지는 입지환경이나 자연조건에 의해 크게 영향을 받는다. 더욱이, 재생에너지는 출력 변동이 심하기 때문에 에너지를 연속적으로 고르게 공급할 수 없다는 단점이 있었다.
따라서, 에너지의 출력을 고르게 하기 위해서 출력이 높을 때는 에너지를 저장하고 출력이 낮을 때는 저장된 에너지를 사용할 수 있는 저장장치의 개발이 중요시 되고 있으며, 이와 같은 대표적인 대용량 저장장치로는 납축전지, NaS 전지 그리고 레독스 흐름 전지 (RFB ; Redox Flow Battery) 등이 있다.
납축전지는 다른 전지에 비해 상업적으로 널리 사용되고 있으나 낮은 효율 및 주기적인 교체로 인한 유지보수의 비용과 전지 교체시 발생하는 산업폐기물의 처리문제 등의 단점이 있으며, 또한 NaS 전지의 경우 에너지효율이 높은 것이 장점이나 300℃이상의 고온에서 작동하는 단점이 있다. 반면, 레독스 흐름 전지는 유지 보수비용이 적고 상온에서 작동가능하며 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있기 때문에 최근 대용량 저장장치로의 많은 연구가 진행되고 있다.
한편, 레독스 흐름전지의 경우 바이폴라 플레이트와 전극판, 멤브레인을 반복적으로 적층함으로써 대용량화가 가능함으로 대형화에 유리하고 용량 증설이 용이하며 상온에서 작동하고 초기비용이 저렴하다는 장점이 있으나, 바이폴라 플레이트가 다수 적층된 레독스 흐름전지에서 전해액이 바이폴라 플레이트의 유로를 통과하여 최종적으로 배출되는 과정에서 서로 다른 극을 가진 바이폴라 플레이트의 유로도 통과하게 되며, 이때 전해액 통과시 단락(전기적 쇼트)이 발생되어 레독스 흐름전지의 효율의 저하를 초래하게 되는 문제점이 있었다.
이와 같은 레독스 흐름전지에서의 단락의 문제점을 해결하기 위한 하나의 예가 한국 특허공개 제10-2011-116624호에 개시되어 있다. 상기 특허공개 제10-2011-116624호의 레독스 흐름 전지 구조에 의하면, 바이폴라 플레이트와, 양전극판과 음전극판으로 구분되는 전극판과, 멤브레인으로 구성된 전지셀이 다수 직렬적층하고, 적층된 다수의 바이폴라 플레이트에는 음극전해액과 양극전해액을 순차적으로 교차 공급시키는 레독스 흐름전지 구조로서, 상기 바이폴라 플레이트는 하부와 상부에 전해액 유입구와 전해액 배출구가 형성되고, 상기 전해액유입구와 전해액배출구 사이에는 전해액이 이동되도록 유로가 형성되고, 상기 전해액유입구와 전해액배출구의 수직선상으로 대칭되는 좌우 부분에는 다른 극을 갖는 전해액이 통과되는 유로통공이 형성되도록 하되, 상기 유로통공에는 절연재질의 쇼트방지관이 삽설되어 통과되는 전해액과 바이폴라 플레이트의 접촉을 차단하는 구성을 갖는다.
이와 같은 구성에 의해, 바이폴라 플레이트와 양전극판 멤브레인 음전극판이 하나의 셀로 구성되고 다수의 셀이 직렬적층된 구조에서 일측으로 주입된 전해액이 각 셀을 순차적으로 통과할 때 서로 다른 극을 갖는 바이폴라 플레이트의 유로통공에는 테프론 재질의 쇼트방지관을 내설하여 서로 다른 극을 갖는 전해액이 바이폴라 플레이트와 접촉되는 것을 차단하여 접촉에 의한 쇼트발생으로 전지 효율이 저감되는 것을 방지하였고, 또한 상기 유로통공에 내설되는 쇼트방지관을 둘 이상으로 분리하고, 분리된 객체를 일부 겹치게 해 압밀에 대한 완충이 이루어지도록 함으로써 쇼트방지관의 양단부가 바이폴라 플레이트의 양측에 적층되는 양전극판 및 음전극판에 밀착됨으로 전극판과의 갭을 통해 전해질이 바이폴라 플레이트로 혼입되는 것을 방지할 수 있는 효과를 제공하고 있다.
그러나, 상기 특허공개 제10-2011-116624호는 상기와 같은 기술적 특징 및 작용효과에도 불구하고 다소의 문제점을 초래하는 것으로 나타났다. 먼저, 바이폴라 플레이트와 쇼트방지관을 별도로 제조 및 형성한 후 쇼트방지관을 바이폴라 플레이트의 유로통공에 삽입 또는 삽설하는 방식으로 일체화시켜야 하므로 제조가 복잡하고 제조비용이 증가되는 문제점이 있다.
그리고 유로통공과 쇼트방지관 사이에 간극이 발생될 수 있어 전해액의 누설이 초래될 수 있으며, 쇼트방지관의 돌출로 인해 바이폴라 플레이트와 이웃하는 전극판의 주변에서의 액밀 접촉을 이룰 수 없어 전해액의 누설이 초래되는 문제점이 있다.
또한, 바이폴라 플레이트의 양 측면에 형성되는 각각의 유로가 상호 동일 단면상에 위치하고 있으므로, 바이폴라 플레이트의 두께가 두꺼워져야 하고, 유로의 가공에 곤란함이 있으며, 바이폴라 플레이트의 절대적인 두께로 인해 전체적인 셀 스택 및 전지 구조가 산출 전력에 비해 대형화 되거나 과도한 설치 공간을 필요로하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 바이폴라 플레이트의 유로통공에 별도의 쇼트방지 수단을 설치하지 않고 절연재를 직접 코팅할 수 있고, 바이폴라 플레이트의 주변에 절연재를 직접 코팅할 수 있으며, 바이폴라 플레이트의 양 면에 형성되는 각각의 유로가 상호 동일 단면상에 위치하지 않도록 하여 바이폴라 플레이트의 내구성을 향상시킬 수 있는 레독스 흐름전지용 바이폴라 플레이트 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여 이루어진 것으로서, 집전 플레이트, 전극판, 멤브레인과 함께 설치되어 극성 전해액에 의해 전기를 발생시키기 위한 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트 제조방법에 있어서, 벌크 형태의 카본체를 건식 절단방식으로 여유절단하여 카본 플레이트를 형성하고, 여유 절단된 상기 카본 플레이트를 밀링가공 및 에지 가공하여 몸체를 형성하는 단계; 상기 몸체의 일측면에 예정된 형상의 양극 전해액 유로를 형성하고, 상기 양극 전해액 유로와 동일 관통축상에 존재하지 않도록 타측면에 음극 전해액 유로를 형성하는 단계; 각각의 상기 전해액 유로의 전해액 공급라인 및 전해액 배출라인에 연통하는 각각의 전해액 공급공 및 전해액 배출공을 형성하는 단계; 상기 전해액 유로, 전해액 공급공 및 전해액 배출공이 형성된 상기 몸체중 상기 전해액 공급공 및 상기 전해액 배출공과, 상기 전해액 유로를 제외한 상기 몸체의 주변부를 불소수지 코팅하여 코팅부를 형성하는 단계; 및 상기 몸체, 상기 전해액 유로, 전해액 공급공 및 전해액 배출공 전체를 검사 및 시험하는 단계를 포함하며: 상기 불소수지를 코팅하여 코팅부를 형성하는 단계는, 상기 몸체 전체를 검사하여 코팅 가능 여부를 판단한 후, 코팅이 가능하다고 판정되면, 상기 전해액 유로를 포함하는 상기 몸체의 중앙부를 마스킹 테이프를 이용하여 마스킹하는 단계; 각각의 상기 전해액 공급공 및 상기 전해액 배출공을 포함하는 상기 몸체의 주변부를 검사한 후 이소프로필알콜 또는 증류수를 이용하여 탈지 처리하는 단계; 상기 전해액 공급공 및 상기 전해액 배출공을 포함하는 상기 몸체의 주변부에 액상의 테프론 프라이머를 스프레이 하고, 140 ~ 160℃의 온도에서 10 ~ 15분 동안 열처리하여 소성 가공하여 하코팅하는 단계; 열수축을 방지하기 위해 액상의 ETFE 수지를 상기 하코팅 표면에 분사하고, 300 ~ 400℃의 온도에서 10 ~ 60분간 열처리하고, 150℃의 온도로 하강시킨 후 자연냉각시켜 중코팅 하는 단계; 수분 침투 방지를 위해 ETFE 분말을 분체 코팅하고, 400℃의 온도에서 10 ~ 60분간 열처리한 후, 150℃의 온도로 하강시킨 후 자연냉각시켜 상코팅 하는 단계; 상기 예정된 불소수지 코팅 두께에 이를 때 까지 상기 중코팅 단계 및 상코팅 단계를 반복하여 불소수지 분체 코팅을 완성하는 단계; 코팅의 외관, 도막의 두께, 크랙의 발생여부, 잔존물 유부, 스크래칭 유부, 핀홀의 유부 등을 검사하는 단계; 및 상기 마스킹 테이프를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 레독스 흐름전지용 바이폴라 플레이트 제조방법에 의하면, 바이폴라 플레이트의 전해액 공급공 및 배출공 과 바이폴라 플레이트 몸체의 주변부에 불소 수지를 일체적으로 분체 코팅하여 코팅함으로써, 별도의 절연수단의 설치공정이 생략되어 제조공정이 간단하고, 이웃하는 집전 플레이트 및 전극판과의 액밀을 유지시킬 수 있으며, 바이폴라 플레이트의 양 면에 형성된 유로가 상호 동일 축상에 위치하지 않게 형성됨으로써, 바이폴라 플레이트의 내구성을 향상시킬 수 있는 현저한 효과가 있는 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 바이폴라 플레이트가 적용된 레독스 흐름전지의 구조를 개략적으로 보여주는 분해 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 사시도.
도 3은 도 2의 바이폴라 플레이트의 양극 전해액 유로를 보여주는 정면도.
도 4는 도 2의 바이폴라 플레이트의 음극 전해액 유로를 보여주는 배면도.
도 5는 도 2의 선Ⅴ-Ⅴ에 따른 확대 단면도.
도 6은 도 2의 선Ⅵ-Ⅵ에 따른 확대 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 레독스 흐름전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법을 보여주는 블럭도.
도 2는 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 사시도.
도 3은 도 2의 바이폴라 플레이트의 양극 전해액 유로를 보여주는 정면도.
도 4는 도 2의 바이폴라 플레이트의 음극 전해액 유로를 보여주는 배면도.
도 5는 도 2의 선Ⅴ-Ⅴ에 따른 확대 단면도.
도 6은 도 2의 선Ⅵ-Ⅵ에 따른 확대 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 레독스 흐름전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법을 보여주는 블럭도.
이하, 본 발명 따른 레독스 흐름전지용 바이폴라 플레이트 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 바이폴라 플레이트가 적용되는 레독스 흐름전지의 기본적인 구조를 살펴보면, 양측에는 전지의 외관을 형성하며 그 사이에 배치되는 구성요소들을 보호하기 위한 2개의 보호 플레이트, 즉 제1보호 플레이트(11) 및 제2보호 플레이트(12)가 설치되고, 제1보호 플레이트(11)의 내측에는 제1집전 플레이트(21)가 접촉설치되며, 제2보호 플레이트(12)의 내측에는 제2집전 플레이트(22)가 접촉 설치된다.
그리고 상기 제1집전 플레이트(21)와 제2집전 플레이트(22) 사이에는 그 제1집전 플레이트(21)로부터 제2집전 플레이트(22)를 향해, 제1바이폴라 플레이트(31), 제1전극판(41), 제1멤브레인(51), 제2전극판(42), 제2바이폴라 플레이트(32), 제3전극판(43), 제2멤브레인(52), 제4전극판(44), 제3바이폴라 플레이트(33), 제5전극판(45), 제3멤브레인(53), 제6전극판(46), 제4바이폴라 플레이트(34)가 상호 접촉 상태를 유지하며 스택 구조로 이루어져 있다. 물론 이와 같은 구조는 기본적인 것으로서, 각각의 구성요소들의 개수는 필요 용량 또는 사양에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 또한 각각의 상기 전극판(41 ~ 46)은 공급되는 극성 전해액 및 각각의 상기 바이폴라 플레이트(31 ~ 34)의 배치에 따라 양극 또는 음극의 극성을 가질 수 있다.
이와 같은 구성에 따라, 예컨대 제1보호 플레이트(11)의 하부에 형성된 각각의 통공을 통해 공급되는 양극 전해액 및 음극 전해액은 제1집전 플레이트(21)의 통공을 지나 제1바이폴라 플레이트(31), 제1전극판(41), 제1멤브레인(51), 제2전극판(42), 제2바이폴라 플레이트(32), 제3전극판(43), 제2멤브레인(52), 제4전극판(44), 제3바이폴라 플레이트(33), 제5전극판(45), 제3멤브레인(53), 제6전극판(46), 제4바이폴라 플레이트(34)를 거쳐 제2집전 플레이트(22)의 통공을 지나 제2보호 플레이트(11)를 통해 배출되면서, 상기 양극 전해액과 각각의 상기 바이폴라 플레이트(31 ~ 34)의 양극 전해액 유로와의 산화 환원 반응에 의해 양전기가 발생되고, 동시에 상기 음극 전해액과 각각의 상기 바이폴라 플레이트(31 ~ 34)의 음극 전해액 유로와의 산화 환원 반응에 의해 음전기가 발생되어 소정의 전기를 발생하게 되는 것이다.
여기서, 양극 전해액은 각각의 상기 바이폴라 플레이트(31 ~ 34)의 일측면에 형성된 양극 전해액 유로만을 지나야 하며, 역으로 음극 전해액은 각각의 상기 바이폴라 플레이트(31 ~ 34)의 타측면에 형성된 음극 전해액 유로만을 지나야 한다.
특히 상기와 같이 구성되는 레독스 흐름전지에 적용되는 각각의 상기 바이폴라 플레이트(31 ~ 34)(이하 바이폴라 플레이트(300)라 칭함)는 다음과 같은 특징을 구비한다.
도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 바이폴라 플레이트(300)는 장방형 몸체(310)를 포함한다. 상기 몸체(310)는 일정 두께를 갖는 카본 플레이트 또는 그라파이트(graphite) 플레이트로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 몸체(310)의 일측면에는 양극 전해액이 유동하면서 산화 환원을 발생시킬 수 있도록 양극 전해액 유로(320)가 형성되어 있다. 상기 양극 전해액 유로(320)는 상기 몸체(310)의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 형성된 복수의 종방향 유로(321)와, 각각의 상기 종방향 유로(321)의 양단을 상호 연결시키기 위한 2개의 횡방향 유로(322)로 이루어진다.
그리고, 각각의 상기 횡방향 유로(322)중 하나에는 양극 전해액을 도입하기 위한 전해액 공급라인(323)이 형성되어 있으며, 다른 하나의 횡방향 유로(322)에는 상기 종방향 유로(321) 및 횡방향 유로(322)를 통과한 양극 전해액을 배출시키기 위한 전해액 배출라인(324)이 형성되어 있다.
또한, 상기 몸체(310)의 상부 또는 하부에는 양극 전해액을 양극 전해액 유로(320)로 공급하기 위한 양극 전해액 공급공(330)이 천공되어 있다. 물론 상기 양극 전해액 공급공(330)은 상기 전해액 공급라인(323)에 연결되어 있어, 결국 상기 양극 전해액 공급공(330)을 통해 공급되는 양극 전해액은 상기 전해액 공급라인(323)을 통해 상기 종방향 유로(321) 및 횡방향 유로(322)에 공급되어 유동되는 것이다.
또, 상기 몸체(310)의 하부 또는 상부에는 양극 전해액 유로(320)를 거친 양극 전해액을 후속하는 다른 하나의 바이폴라 플레이트로 공급하거나 회수하기 위한 양극 전해액 배출공(340)이 천공되어 있다. 상기 양극 전해액 배출공(340)은 상기 전해액 배출라인(324)에 연결되어 있어, 상기 종방향 유로(321) 및 횡방향 유로(322)를 거쳐 상기 전해액 배출라인(324)을 지난 양극 전해액을 배출시키는 것이다.
한편, 상기 몸체(310)의 타측면에는 음극 전해액이 유동하면서 산화 환원을 발생시킬 수 있도록 음극 전해액 유로(350)가 형성되어 있다. 상기 음극 전해액 유로(350)는 상기 몸체(310)의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 형성된 복수의 종방향 유로(351)와, 각각의 상기 종방향 유로(351)의 양단을 상호 연결시키기 위한 2개의 횡방향 유로(352)로 이루어진다.
그리고, 각각의 상기 횡방향 유로(352)중 하나에는 음극 전해액을 도입하기 위한 전해액 공급라인(353)이 형성되어 있으며, 다른 하나의 횡방향 유로(352)에는 상기 종방향 유로(351) 및 횡방향 유로(352)를 통과한 양극 전해액을 배출시키기 위한 전해액 배출라인(354)이 형성되어 있다.
또한, 상기 몸체(310)의 하부 또는 상부에는 음극 전해액을 음극 전해액 유로(350)로 공급하기 위한 음극 전해액 공급공(360)이 천공되어 있다. 물론 상기 음극 전해액 공급공(360)은 상기 전해액 공급라인(353)에 연결되어 있어, 결국 상기 음극 전해액 공급공(360)을 통해 공급되는 음극 전해액은 상기 전해액 공급라인(353)을 통해 상기 종방향 유로(351) 및 횡방향 유로(352)에 에 공급되어 유동하게 되는 것이다.
또, 상기 몸체(310)의 상부 또는 하부에는 음극 전해액 유로(350)를 거친 음극 전해액을 후속하는 다른 하나의 바이폴라 플레이트로 공급하거나 회수하기 위한 음극 전해액 배출공(370)이 천공되어 있다. 상기 음극 전해액 배출공(370)은 상기 전해액 배출라인(354)에 연결되어 있어, 상기 종방향 유로(351) 및 횡방향 유로(352)를 거쳐 상기 전해액 배출라인(354)을 지난 양극 전해액을 배출시키는 것이다.
특히, 본 발명의 하나의 특징에 따르면, 상기 몸체(310)의 일측면에 형성된 양극 전해액 유로(320)와 타측면에 형성된 음극 전해액 유로(350)는 상기 몸체(310)의 동일 관통축(X-X)상에 존재하지 않도록 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 구조로 인해, 상기 몸체(310)의 내구성을 증대시킬 수 있고, 두께를 최소화할 수 있음은 물론 상기 바이폴라 플레이트(300) 전체를 콤팩트하게 유지시킬 수 있는 것이다.
한편, 상기 바이폴라 플레이트(300)는 전해액에 의한 단락을 방지함은 물론 이웃하는 구성요소들과의 안정적인 액밀을 위해 코팅부(380)를 포함한다.
상기 코팅부(380)는 전해액에 의한 전기적 단락을 방지하기 위해 각각의 상기 전해액 공급공(330;360) 및 전해액 배출공(340;370)에 일정 두께로 코팅되어 있으며, 또한 상기 바이폴라 플레이트(300;31 ~ 34)와 이웃하는 상기 전극판(41 ~ 46) 및 집전 플레이트(21;22)간의 액밀 또는 기밀 접촉을 위해 상기 몸체(310)의 주변부, 즉 상기 몸체(310)에 형성된 각각의 전해액 유로(320;350)를 제외한 상기 몸체(310)의 주변부에 일정 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 코팅부(380)의 두께는 135 ~ 165㎛이며, 135㎛ 미만이면 핀홀(pine hole)의 발생으로 인한 코팅불량이 초래될 수 있으며, 165㎛ 초과이면 전해액 유동성의 저하 및 이웃하는 전극판 및 집전 플레이트간의 조립성 및 기밀성이 저하될 수 있다. 따라서 가장 적절한 코팅부(380)의 두께는 약 150㎛이다.
또한 상기 코팅부(380)는 절연성, 내약품성, 내열성,비유성, 비점착성 및 전기적 특성이 우수하며, 낮은 마찰계수를 갖는 불소수지 코팅으로 형성된다. 이와 같은 불소수지의 재료로는 ETFE(ethylene-tetrafluoroethylene), PTFE, PFA, FEP, ECTFE, PVDF 등을 주성분으로 하는 불소수지를 이용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 4.1 ~ 4.7 ㎏/㎟의 인장강도, 3.5 ~ 4.0 ㎏/㎟의 굴곡강도, 130 ~ 150 ㎏/㎟의 굴곡탄성, 3.5 ~ 4.0 ㎏/㎟의 압축강도, 8.5 ~ 9.3의 선팽창계수 및 -50 ~ 200℃의 내열성을 갖는 ETFE를 주성분으로 하는 불소수지를 분체코팅 방식으로 코팅하여 상기 코팅부(380)를 형성하였다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트(300)의 제조방법을 도 7과 도 2 내지 6을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 최종 완성될 레독스 흐름전지에 적합한 형태의 카본 플레이트로 몸체(310)를 준비한다(S100). 보다 상세히 설명하면, 벌크 형태의 카본체를 건식 절단방식으로 여유절단하고, 여유 절단된 카본 플레이트를 밀링가공 및 에지 가공하여 소정의 사이즈의 몸체(310)를 형성한다.
상기와 같이 준비된 상기 몸체(310)의 일측면에 예정된 형상의 양극 전해액 유로(320)를 형성하고, 타측면에 음극 전해액 유로(350)를 형성한다(S110). 여기서, 각각의 전해액 유로(320;350)의 형성은, 상기 몸체(310)의 내구성 및 강성의 유지를 위해, 상기 몸체(310)의 단면을 통과하는 동일 관통축(X-X)상에 존재하지 않도록 형성하여야 한다.
그리고, 각각의 전해액 유로(320;350)의 전해액 공급라인(323;353) 및 전해액 배출라인(324;354)에 연통하는 각각의 전해액 공급공(330;360) 및 전해액 배출공(340;370)을 형성한다(S120).
이후, 상기와 같이 전해액 유로(320;350), 전해액 공급공(330,360) 및 전해액 배출공(340;370)이 형성된 상기 몸체(310)에 불소수지를 코팅하여 코팅부(380)를 형성한다(S130).
먼저, 상기 몸체(310) 전체를 검사하여 코팅 가능 여부를 판단한 후, 코팅이 가능하다고 판정되면, 불(不)코팅 영역, 즉 상기 전해액 유로(320;350)를 포함하는 상기 몸체(310)의 중앙부를 마스킹 테이프(masking tape)를 이용하여 마스킹 한다(S131). 여기서, 상기 마스킹 테이프는 후술되는 코팅공정에서의 안정성을 위해 내약품성, 고내열성, 전기적 특성, 저마찰계수성, 자기윤활성을 갖는 PTFE 수지로 형성된 마스킹 테이프이다.
다음으로 코팅 영역, 즉 각각의 상기 전해액 공급공(330;360) 및 상기 전해액 배출공(340;370)을 포함하는 상기 몸체(310)의 주변부를 검사한 후 이소프로필알콜(IPA) 또는 증류수를 이용하여 탈지 처리한다(S132).
이후, 상기 코팅영역에 액상의 테프론 프라이머(primer)를 스프레이 하여 하코팅 한다(S133). 이 같은 프라이머 하코팅은 후술되는 분체코팅의 접착력을 높이기 위한 것으로서, 프라이머의 스프레이 후 140 ~ 160℃의 온도에서 10 ~ 15분 동안 열처리하여 소성 가공한다. 여기서, 열처리 시간이 10분 이하인 경우에는 코팅의 불량이 발생될 수 있으며, 15분이 초과하는 경우에는 분체코팅물과의 접착력이 저하되므로, 약 13분의 열처리 시간이 바람직하다.
소성가공이 완료되면, 대기중에서 자연 냉각시킨 후 코팅부분의 잔존물 유무, 및 기타 이상 여부를 검사하고, 이상 발생시 잔존물의 제거 및 표면을 깨끗하게 처리한다.
다음으로, 코팅부(380)의 열수축을 방지하기 위해 액상의 ETFE 수지를 상기 하코팅 표면에 분사하여 중코팅 한다(S134). 이와 같은 중코팅후 약300 ~ 400℃의 온도에서 10 ~ 60분간 열처리한 후, 약 150℃의 온도로 하강시킨 후 자연냉각시켜 소성처리를 완료한다. 이와 같은 중코팅 공정은 소정의 두께를 획득할 때까지 반복적으로 행할 수 있다.
이후, 상기 코팅부(380)의 수분 침투 방지를 위해 ETFE 분말을 분체코팅하여 상코팅을 행한다(S135). 이와 같은 상코팅후 약 400℃의 온도에서 10 ~ 60분간 열처리한 후, 약 150℃의 온도로 하강시킨 후 자연냉각시켜 소성처리를 완료한다. 물론, 이와 같은 상코팅을 위한 분체코팅은 소정의 두께를 획득할 때까지 반복적으로 행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 코팅부(380)의 전체적인 두께가 135 ~ 165㎛로 설정되는 경우, 중코팅과 하코팅의 1회 두께를 각각 22.5 ~ 27.5㎛씩 3회 반복하거나 또는 동일한 두께로 중코팅과 하코팅을 순번적으로 3회 반복하여 불소수지 분체코팅을 완성할 수 있다(S136).
상기와 같이 불소수지 코팅이 완료되면 코팅의 외관, 도막의 두께, 크랙의 발생여부, 잔존물 유부, 스크래칭 유부, 핀홀의 유부 등을 검사하여 합격여부를 결정한다(S137). 합격된 코팅부는 본 발명의 경우 150㎛(허용오차 ±10%)의 도막 두께를 지니며, 크랙, 잔존물, 스크래칭, 핀홀 등이 존재하지 않아야 한다.
이후, 불(不)코팅 영역에 부착된 마스킹 테이프를 제거한다(S138).
최종적으로, 분체 코팅된 바이폴라 플레이트(300)를 전체적으로 검사 및 시험하여 바이폴라 플레이트(300)의 제조를 완성하는 것이다(S140).
위와 같이 바이폴라 플레이트(300)가 완성되면, 상기 제1집전 플레이트(21)로부터 제2집전 플레이트(22)를 향해, 제1바이폴라 플레이트(31), 제1전극판(41), 제1멤브레인(51), 제2전극판(42), 제2바이폴라 플레이트(32), 제3전극판(43), 제2멤브레인(52), 제4전극판(44), 제3바이폴라 플레이트(33), 제5전극판(45), 제3멤브레인(53), 제6전극판(46), 제4바이폴라 플레이트(34)를 배치시켜 레독스 흐름 전지를 제조하게 되는 것이다.
여기서, 각각의 상기 바이폴라 플레이트(31 ~ 34;300)는 극성에 따라 상,하로 변경되어 교번적으로 배치되어, 일측면에 구비된 양극 전해액 유로(320)에는 양극 전해액만 공급되어 유동되며, 타측면에 구비된 음극 전해액 유로(340)에는 음극 전해액만 공급되어 유동되므로, 각각의 전해액과 바이폴라 플레이트간의 접촉을 통한 산화 환원에 의해 전기가 발생하게 되는 것이다.
한편, 본 실시예에서는 양극 전해액 및 음극 전해액을 순 방향, 즉 상호 동일 방향으로 송출 및 공급하는 방식으로 설명하였으나, 본 기술 분야의 당업자라면 각각의 전해액을 역방향으로 송출 및 공급하여도 동일한 결과를 달성할 수 있음을 자명하게 이해할 것이다.
특히, 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트(300)에 의하면, 상기 바이폴라 플레이트(31 ~ 34;300)의 각각의 전해액 공급공(330;360) 및 각각의 전해액 배출공(340;370)에 절연성능을 갖는 불소수지 코팅에 의한 코팅부(380)가 형성되어 있어 상이한 극성으로 인한 전기적 쇼크, 즉 단락이 발생되지 않아 전지의 효율 저하가 방지되는 것이다.
그리고 상기 코팅부(38)가 상기 전해액 유로(320;340)를 제외한 상기 몸체(310)의 주변부에 형성되어 있으므로, 각각의 상기 바이폴라 플레이트(31 ~ 34 ; 300)와 이웃하여 접하는 상기 전극판(41 ~ 46) 및 집전 플레이트(21;22)간의 액밀 또는 기밀이 유지되어 전해액의 누출을 방지할 수 있는 것이다.
또한, 각각의 상기 바이폴라 플레이트(31 ~ 34 ; 300)의 전해액 유로(320;350)가 상기 몸체(310)를 관통하는 동일 관통축(X-X)상에 존재하지 않도록 형성됨으로써, 바이폴라 플레이트의 내구성이 향상됨은 물론 그 두께를 감소시킬 수 있으므로, 완성된 레독스 흐름전지의 전체적인 내구성 및 콤팩트성이 향상될 수 있는 것이다.
더욱이, 각각의 전해액 공급공(330;360) 및 각각의 전해액 배출공(340;370)에 별도의 절연수단을 제조하여 삽입하거나 설치함이 없이 일체화된 불소수지 코팅방식을 이용함으로써, 조립 및 제조가 신속하고 용이하게 되는 것이다.
11, 12 : 보호 플레이트 21, 22 : 집전 플레이트
31 ~ 34, 300 : 바이폴라 플레이트 41 ~ 46 : 전극판
51 ~ 53 : 멤브레인 310 : 몸체
320 : 양극 전해액 유로 330 : 양극 전해액 공급공
340 : 양극 전해액 배출공 350 : 음극 전해액 유로
360 : 음극 전해액 공급공 370 : 음극 전해액 배출공
380 : 코팅부
31 ~ 34, 300 : 바이폴라 플레이트 41 ~ 46 : 전극판
51 ~ 53 : 멤브레인 310 : 몸체
320 : 양극 전해액 유로 330 : 양극 전해액 공급공
340 : 양극 전해액 배출공 350 : 음극 전해액 유로
360 : 음극 전해액 공급공 370 : 음극 전해액 배출공
380 : 코팅부
Claims (3)
- 보호 플레이트, 집전 플레이트, 전극판, 멤브레인과 함께 설치되어 극성 전해액에 의해 전기를 발생시키기 위한 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트 제조방법에 있어서,
벌크 형태의 카본체를 건식 절단방식으로 여유 절단하여 카본 플레이트를 형성하고, 여유 절단된 상기 카본 플레이트를 밀링가공 및 에지가공하여 몸체(310)를 형성하는 단계(S100);
상기 몸체(310)의 일측면에 예정된 형상의 양극 전해액 유로(320)를 형성하고, 상기 양극 전해액 유로(320)와 동일 관통축(X-X)상에 존재하지 않도록 타측면에 음극 전해액 유로(350)를 형성하는 단계(S110);
각각의 상기 전해액 유로(320;350)의 전해액 공급라인(323;353) 및 전해액 배출라인(324;354)에 연통하는 각각의 전해액 공급공(330;360) 및 전해액 배출공(340;370)을 형성하는 단계(S120);
상기 전해액 유로(320;350), 전해액 공급공(330;360) 및 전해액 배출공(340;370)이 형성된 상기 몸체(310)중 상기 전해액 공급공(330;360) 및 상기 전해액 배출공(340;370)과, 상기 전해액 유로(320;350)를 제외한 상기 몸체(310)의 주변부에 불소수지를 코팅하여 코팅부(380)를 형성하는 단계(S130); 및
상기 몸체(310), 상기 전해액 유로(320;350), 상기 전해액 공급공(330;360) 및 상기 전해액 배출공(340;370) 전체를 검사 및 시험하는 단계(S140)를 포함하며:
상기 코팅부(380)를 형성하는 단계(S130)는,
상기 몸체(310) 전체를 검사하여 코팅 가능 여부를 판단한 후, 코팅이 가능하다고 판정되면, 상기 전해액 유로(320;350)를 포함하는 상기 몸체(310)의 중앙부를 마스킹 테이프(masking tape)를 이용하여 마스킹하는 단계(S131);
각각의 상기 전해액 공급공(330;360) 및 상기 전해액 배출공(340;370)을 포함하는 상기 몸체(310)의 주변부를 검사한 후 이소프로필알콜(IPA) 또는 증류수를 이용하여 탈지 처리하는 단계(S132);
상기 전해액 공급공(330;360) 및 상기 전해액 배출공(340;370)을 포함하는 상기 몸체(310)의 주변부에 액상의 테프론 프라이머(primer)를 스프레이 하고, 140 ~ 160℃의 온도에서 10 ~ 15분 동안 열처리하여 소성 가공하여 하코팅하는 단계(S133);
열수축을 방지하기 위해 액상의 ETFE 수지를 상기 하코팅 표면에 분사하고, 300 ~ 400℃의 온도에서 10 ~ 60분간 열처리하고, 150℃의 온도로 하강시킨 후 자연냉각시켜 중코팅 하는 단계(S134);
수분 침투 방지를 위해 ETFE 분말을 분체 코팅하고, 400℃의 온도에서 10 ~ 60분간 열처리한 후, 150℃의 온도로 하강시킨 후 자연냉각시켜 상코팅 하는 단계(S135);
설정된 불소수지 코팅 두께에 이를 때 까지 상기 중코팅 단계(S134) 및 상코팅 단계(S135)를 반복하여 불소수지 분체 코팅을 완성하는 단계(S136);
코팅의 외관, 도막의 두께, 크랙의 발생여부, 잔존물 유부, 스크래칭 유부, 핀홀의 유부 등을 검사하는 단계(S137); 및
상기 마스킹 테이프를 제거하는 단계(S138)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 바이폴라 플레이트 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 마스킹 테이프는 PTFE 수지로 형성된 마스킹 테이프이고;
상기 ETFE는 4.1 ~ 4.7 ㎏/㎟의 인장강도, 3.5 ~ 4.0 ㎏/㎟의 굴곡강도, 130 ~ 150 ㎏/㎟의 굴곡탄성, 3.5 ~ 4.0 ㎏/㎟의 압축강도, 8.5 ~ 9.3의 선팽창계수 및 -50 ~ 200℃의 내열성이 있으며;
상기 코팅부(380)의 두께는 135 ~ 165㎛인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 바이폴라 플레이트 제조방법.
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