KR101484252B1 - 수직 방향 탄소 섬유 층을 구비한 탄소 전극 및 그 제조방법, 수직 방향 탄소 섬유 층을 구비한 탄소 전극을 포함하는 단위 셀 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 플랜트, 담수화 장치, 연료전지, 2차 전지 (레독스 흐름전지), 천연가스 개질기 등 여러 분야의 전기 화학적 반응 효율을 높이기 위해서 사용되는 다공성 전극 및 이를 포함하는 전지 셀에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수직 방향 탄소 섬유 층을 구비한 탄소 전극은 탄소 펠트 층과, 상기 탄소 펠트 층 위에 형성되는 수직 방향 탄소 섬유 층을 포함한다. 본 발명에 따른 수직 방향 탄소 섬유 층을 구비한 탄소 전극은 두께 방향으로의 전기전도도가 높으며, 양이온 교환막 및 분리판과의 접촉 저항이 낮다는 장점이 있다.

Description

수직 방향 탄소 섬유 층을 구비한 탄소 전극 및 그 제조방법, 수직 방향 탄소 섬유 층을 구비한 탄소 전극을 포함하는 단위 셀 및 그 제조방법{Carbon electrode with vertically oriented carbon fiber layer and method for preparing the carbon electrode, unit cell having the carbon electrode and method for preparing the unit cell}

본 발명은 화학 플랜트, 담수화 장치, 연료전지, 2차 전지, 천연가스 개질기 등 여러 분야의 전기 화학적 반응 효율을 높이기 위해서 사용되는 다공성 전극 및 이를 포함하는 전지 셀에 관한 것이다.

다공성 전극은 화학 플랜트, 담수화 장치, 연료전지, 2차 전지, 천연가스 개질기 등 여러 분야의 전기 화학적 반응 효율을 높이기 위하여 다양하게 사용되는 물질이다. 전기 화학적 반응 효율을 높이기 위하여 다공성 전극이 가져야 할 기능적 요구는 다음과 같다. 첫째, 단위 부피당 표면적이 높아야 한다. 둘째, 표면 에너지가 높아야 한다. 셋째, 두께 방향으로의 전기 전도도가 높아야 한다.

일반적으로 사용되는 다공성 전극 중의 하나인 탄소 펠트(Carbon felt) 또는 흑연 펠트(Graphite felt)는 폴리머 펠트(Polymer felt)의 산처리 또는 무산소 환경하에서의 탄화 반응 등을 통해 제조된다.

탄소 펠트는 표면이 매끄럽고 섬유 표면에 안정적인 탄소층이 형성되기 때문에 전기 화학적으로 안정되어 있지만, 비표면적이 작고 표면이 활성화되어 있지 않으므로 상대적으로 전극으로서의 효율이 낮다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 탄소 펠트 전극의 전기 화학적 반응 효율을 높이기 위한 방법으로, 열처리, 산처리 등을 통해 탄소 섬유의 표면을 변화시켜 단위 부피당 표면적을 늘리고, 표면 에너지를 높이는 방법이 알려져 있다. 그러나 이와 같은 방법은 탄소 펠트 전극을 사용한 셀 내의 화학 반응 효율은 증가시킬 수 있으나, 탄소 펠트 전극의 두께 방향으로의 전기 전도도를 향상시키는 것은 불가능하다. 탄소 펠트 전극의 전기 전도도가 현저히 낮거나 양이온 교환막 및 분리판과의 접촉 저항이 높으면 이로 인해 발생하는 저항 손실에 의해 효율이 감소하게 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 탄소 펠트 전극의 표면 구조를 변화시켜 단위 셀 내에서 발생하는 전기적 저항을 최소화할 수 있는 탄소 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 이러한 탄소 전극을 제조하는 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한, 이러한 탄소 전극을 포함하는 단위 셀을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 이러한 탄소 전극을 포함하는 단위 셀을 제조하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직 방향 탄소 섬유 층을 구비한 탄소 전극은 탄소 펠트 층과, 상기 탄소 펠트 층 위에 형성되는 수직 방향 탄소 섬유 층을 포함한다. 이때, 상기 탄소 펠트 층의 표면에는 요철(凹凸)이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직 방향 탄소 섬유 층을 구비한 탄소 전극의 제조방법은 탄소 펠트를 제조하는 단계와, 상기 탄소 펠트의 적어도 일면에 수직 방향 탄소 섬유 층을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 수직 방향 탄소 섬유 층을 형성하는 단계는, 상기 탄소 펠트의 적어도 일면을 내핑(napping) 또는 스티칭(stitching) 처리하는 단계일 수 있다.

상술한 탄소 전극의 제조방법은 상기 수직 방향 탄소 섬유 층의 표면적을 증가시키기 위하여 상기 수직 방향 탄소 섬유 층을 산처리, 열처리 또는 화학 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 양극과 음극으로 구분되는 한 쌍의 탄소 전극과, 상기 한 쌍의 탄소 전극 사이에 개재되는 양이온 교환막 및 상기 한 쌍의 탄소 전극의 외측에 위치하는 분리판으로 구성된 단위 셀에 있어서, 상기 탄소 전극은 탄소 펠트 층과, 상기 탄소 펠트 층 위에 형성되는 수직 방향 탄소 섬유 층을 포함하며, 상기 수직 방향 탄소 섬유 층은 상기 양이온 교환막의 표면을 접촉하는 것을 특징으로 하는 단위 셀이 제공된다.

또한, 양극과 음극으로 구분되는 한 쌍의 탄소 전극과, 상기 한 쌍의 탄소 전극 사이에 개재되는 양이온 교환막 및 상기 한 쌍의 탄소 전극의 외측에 위치하는 분리판으로 구성된 단위 셀에 있어서, 상기 탄소 전극은 탄소 펠트 층과, 상기 탄소 펠트 층 위에 형성되는 수직 방향 탄소 섬유 층을 포함하며, 상기 수직 방향 탄소 섬유 층은 상기 분리판의 표면을 접촉하는 것을 특징으로 하는 단위 셀이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 탄소 펠트 및 양이온 교환막을 제조하는 단계와, 상기 탄소 펠트의 적어도 일면에 수직 방향 탄소 섬유 층을 형성하는 단계와, 상기 탄소 펠트 및 양이온 교환막을 밀착시킨 후 압축력을 가하여, 상기 수직 방향 탄소 섬유 층이 상기 양이온 교환막의 표면을 접촉하도록 하는 단계를 포함하는 단위 셀의 제조방법이 제공된다.

상술한 단위 셀의 제조방법에 있어서, 상기 양이온 교환막을 산처리하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면, 탄소 펠트 및 분리판을 제조하는 단계와, 상기 탄소 펠트의 적어도 일면에 수직 방향 탄소 섬유 층을 형성하는 단계와, 상기 탄소 펠트 및 분리판을 밀착시킨 후 압축력을 가하여, 상기 수직 방향 탄소 섬유 층이 상기 분리판의 표면을 접촉하도록 하는 단계를 포함하는 단위 셀의 제조방법이 제공된다.

본 발명에 따른 수직 방향 탄소 섬유 층을 구비한 탄소 전극은 두께 방향으로의 전기전도도가 높으며, 양이온 교환막 및 분리판과의 접촉 저항이 낮다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수직 방향 탄소 섬유 층을 구비한 탄소 전극의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수직 방향 탄소 섬유 층을 구비한 탄소 전극의 다른 실시예의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수직 방향 탄소 섬유 층을 구비한 탄소 전극을 포함하는 단위 셀의 개략도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수직 방향 탄소 섬유 층을 구비한 탄소 전극의 개략도이다.

도 1에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 탄소 전극(10)은 탄소 펠트 층(11)과, 탄소 펠트 층(11) 위에 형성된 수직 방향 탄소 섬유 층(12)을 포함한다.

탄소 펠트는 폴리머 펠트를 무산소 환경에서 탄화하여 제조할 수 있다. 예를 들어, 질소 분위기나 진공 분위기인 열처리로에서 열처리를 하여 제조할 수 있다. 폴리머 펠트는 레이온 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유 등 이루어질 수 있다. 폴리머 펠트를 열처리하면, 탄소를 제외한 나머지 원소들이 분해되어서 제거되고, 탄소만이 남아 탄소 펠트를 이루게 된다. 이렇게 제조된 탄소 펠트는 표면이 매끄럽고, 탄소 섬유의 방향이 무작위로 형성되어 있다. 이로 인해서 분리판(30)과 양이온 교환막(20) 사이에 배치될 경우에 전기 저항을 증가시킨다.

탄소 펠트의 두께 방향으로의 전기 전도도가 높이고, 분리판(30) 및 양이온 교환막(20)과의 접촉저항을 낮추기 위한 수직 방향 탄소 섬유 층(12)은 탄소 펠트의 표면 처리를 통해서 형성한다. 수직 방향 탄소 섬유 층(12)을 형성하는 방법으로는 특별히 제한하는 것은 아니지만, 예를 들어, 스티칭(stitching) 공정과 내핑(napping) 공정을 사용할 수 있다.

스티칭 공정은 바늘을 이용하여 섬유를 끊어내어 수직 방향 탄소 섬유 층(12)을 탄소 펠트의 표면에 형성하는 방법이다. 내핑 공정은 사포 등으로 탄소 펠트의 표면을 문질러서 탄소 펠트 표면의 섬유를 끊어서 수직 방향 탄소 섬유 층(12)을 형성하는 방법이다.

탄소 전극(10)의 전기화학적 활성도를 향상시키고 에너지 효율 및 내구성을 증가시키기 위해 전극의 표면을 열처리(thermal treatment), 화염처리, 플라스마 처리, 감마레이 처리, 산처리(acidic treatment)할 수도 있다.

도 2는 본 발명에 따른 수직 방향 탄소 섬유 층을 구비한 탄소 전극의 다른 실시예의 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 탄소 전극은 셀 내에 흐르는 전해액의 흐름 저항을 낮춤과 동시에 탄소 펠트 전극의 접촉 면적을 향상시키기 위하여 탄소 펠트의 표면에 수직 방향 요철이 형성된다. 도 3에는 요철의 단면 형상이 사각형인 것으로 도시되어 있으나, 요철의 단면 형상은 삼각 또는 사다리꼴 등 다양한 형태가 가능하다. 이때, 도 3에 도시된 바와 같이, 표면에 형성된 요철에는 수직 방향 섬유가 형성되는 것이 바람직하다. 요철은 탄소 펠트의 표면을 단면 형상에 따라 절단함으로써 형성할 수 있다.

이러한 요철을 형성할 수 있는 또 다른 방법으로는 요철 형상의 스페이서, 예를 들어, 원형, 사각형 또는 U자형 단면을 가진 스페이서를 양이온 교환막 또는 분리판과 탄소 전극 사이에 일정한 간격으로 배치하여 탄소 전극의 일부가 스페이서에 의해 부분 압축되어 요철이 형성되도록 하는 것이다. 스페이서는 산에 견딜 수 있는 고분자 재료 또는 복합재료로 이루어질 수 있다.

다음으로, 상술한 탄소 전극(10)을 포함하는 단위 셀에 대해서 설명한다. 단위 셀은 레독스 흐름전지와 같은 2차 전지 또는 연료 전지 단위 셀일 수 있다. 2차 전지 또는 연료 전지는 직렬로 연결된 복수의 단위 셀을 포함한다.

도 3은 본 발명에 따른 수직 방향 탄소 섬유 층을 구비한 탄소 전극을 포함하는 단위 셀의 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 단위 셀은 양극과 음극으로 구분되는 한 쌍의 탄소 전극(10)과, 한 쌍의 탄소 전극(10) 사이에 개재되는 양이온 교환막(20) 및 각각의 탄소 전극(10)의 외측에 위치하는 한 쌍의 분리판(30)을 포함한다.

2차 전지에 사용되는 양이온 교환막(20)은 표면에 이온 채널이 형성되어 있다. 이 이온 채널은 물을 매개로 작동하게 되므로 양이온 교환막(20) 표면이 정상적으로 작동하기 위해서는 물을 포함하고 있어야 한다. 표면에 물이 포함된 양이온 교환막(20)의 표면은 표면 경도가 극도로 낮은 젤(Gel) 상태가 된다. 이러한 양이온 교환막(20)과 본 발명에서 제시된 수직 방향 탄소 섬유 층(12)이 형성된 탄소 전극(10)이 맞닿게 되면 도 3에 도시된 같이 수직 방향 탄소 섬유가 양이온 교환막(20)의 젤 상태의 표면을 파고들어 탄소 전극(10)과 양이온 교환막(20) 사이의 접촉 표면적을 극단적으로 높이게 된다. 따라서 탄소 전극(10)과 양이온 교환막(20) 사이의 접촉 저항이 줄어드는 효과가 있다.

접촉 저항을 더 낮추기 위한 수단으로써, 단위 셀의 조립 전에 양이온 교환막(20)과 수직 방향 탄소 섬유 층(12)이 형성된 탄소 전극(10)을 프레스를 이용하여 압축하여 접촉 표면적을 높인 상태로 조립할 수 있다. 이때, 양이온 교환막(20) 표면의 형성된 젤 층의 두께를 조절하기 위해 양이온 교환막(20)을 일정한 농도의 산에 노출시킨 후 탄소 전극(10)과 접촉시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, 수직 방향 탄소 섬유 층(12)의 표면적을 증가시키기 위하여 탄소 전극(10)을 열처리, 산처리, 화학 처리할 수 있다.

분리판(30)의 표면에는 경도가 낮은 흑연층이 형성되어 있다. 흑연층은 탄소 전극(10)과의 접촉저항을 낮추기 위한 것이다. 수직 방향 탄소 섬유 층(12)은 분리판(30)의 흑연층을 파고들어 분피판과 탄소 전극(10) 사이의 접촉저항을 낮춘다.

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.

10: 탄소 전극 11: 탄소 펠트 층
12: 수직 방향 탄소 섬유 층 13: 요철
20: 양이온 교환막 30: 분리판

Claims (13)

1. 삭제
2. 삭제
3. 탄소 펠트를 제조하는 단계와,
   상기 탄소 펠트의 적어도 일면을 내핑(napping) 처리하여 수직 방향 탄소 섬유 층을 형성하는 단계를 포함하는 탄소 전극의 제조방법.
4. 삭제
5. 제3항에 있어서,
   상기 수직 방향 탄소 섬유 층의 표면적을 증가시키기 위하여 상기 탄소 펠트의 적어도 일면을 산처리, 열처리 또는 화학 처리하는 단계를 더 포함하는 탄소 전극의 제조방법.
6. 제3항에 있어서,
   상기 탄소 펠트의 적어도 일면에 요철(凹凸)을 형성하는 단계를 더 포함하는 탄소 전극의 제조방법.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 탄소 펠트 및 양이온 교환막을 제조하는 단계와,
    상기 탄소 펠트의 적어도 일면을 내핑(napping) 처리하여 수직 방향 탄소 섬유 층을 형성하는 단계와,
    상기 탄소 펠트 및 양이온 교환막을 밀착시킨 후 압축력을 가하여, 상기 수직 방향 탄소 섬유 층이 상기 양이온 교환막의 표면을 접촉하도록 하는 단계를 포함하는 단위 셀의 제조방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 양이온 교환막을 산처리하는 단계를 더 포함하는 단위 셀의 제조방법.
13. 탄소 펠트 및 분리판을 제조하는 단계와,
    상기 탄소 펠트의 적어도 일면을 내핑(napping) 처리하여 수직 방향 탄소 섬유 층을 형성하는 단계와,
    상기 탄소 펠트 및 분리판을 밀착시킨 후 압축력을 가하여, 상기 수직 방향 탄소 섬유 층이 상기 분리판의 표면을 접촉하도록 하는 단계를 포함하는 단위 셀의 제조방법.

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