KR101865057B1 - 레독스 흐름전지 전극 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 레독스 흐름전지 전극 제조방법은, 레독스 흐름전지 전극용 탄소섬유 펠트를 준비하는 제1단계; 니들펀칭으로, 상기 탄소섬유 펠트에 전해액이 흐르는 방향으로 유로를 형성하는 제2단계; 및 니들펀칭으로, 상기 유로와 평행한 다른 유로를 상기 탄소섬유 펠트에 복수개 더 형성하는 제3단계;를 포함하며, 상기 유로의 깊이는 상기 니들펀칭의 회수와 상기 니들펀칭의 깊이로 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 니들펀칭으로, 탄소섬유 펠트에 전해액이 흐르는 방향으로 복수개의 유로를 형성하여, 전해액이 유로를 따라 원활하게 흐르게 만든다. 이로 인해, 레독스 흐름전지의 효율이 지속적으로 유지될 수 있다.

Description

레독스 흐름전지 전극 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING REDOX FLOW BATTERY ELECTRODE}
본 발명은 레독스 흐름전지 전극 제조방법에 관한 것이다.
레독스 흐름전지는 전해질의 전기화학반응에 따라 충·방전을 거듭하는 이차전지다. 레독스 흐름전지에 사용되는 전해액으로는 바나듐, Zn-Br 등이 있다.
레독스 흐름전지는, 전해액을 순환시키면서 충전과 방전을 한다. 충전과 방전은 산화와 환원의 전기화학적 반응이 일어나는 스택에서 일어나고, 전기는 전해액에 저장된다.
레독스 흐름전지는 스택 개수 및 크기에 따라 출력이 결정이 되고, 전기용량은 탱크에 저장되는 전해액의 양에 의하여 결정된다.
레독스 흐름전지는 전기를 저장하는 전해액을 반영구적으로 사용할 수 있어 친환경적이며, 폭발의 위험성이 없다.
이러한 레독스 흐름전지는, 레독스 흐름전지의 효율이 지속적으로 유지될 수 있도록, 전해액이 전기화학적 반응을 충분히 일으키기도 전에 전극을 빠져나가지 않으면서도, 전극내에서 정체되지 않는 흐름을 갖는 것이 중요하다.
한국등록특허(10-1176126)
본 발명은, 전해액이 전기화학적 반응을 충분히 일으키기도 전에 전극을 빠져나가지 않으면서도, 전극내에서 정체되지 않는 흐름을 갖는 레독스 흐름전지 전극 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 레독스 흐름전지 전극 제조방법은,
레독스 흐름전지 전극용 탄소섬유 펠트를 준비하는 제1단계;
니들펀칭으로, 상기 탄소섬유 펠트에 전해액이 흐르는 방향으로 유로를 형성하는 제2단계; 및
니들펀칭으로, 상기 유로와 평행한 다른 유로를 상기 탄소섬유 펠트에 복수개 더 형성하는 제3단계;를 포함하며,
상기 유로의 깊이는 상기 니들펀칭의 회수와 상기 니들펀칭의 깊이로 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적은,
레독스 흐름전지 전극용 탄소섬유 펠트와 메쉬를 준비하는 제1단계;
상기 메쉬 위에 상기 탄소섬유 펠트를 올려놓는 제2단계;
니들펀칭으로, 상기 탄소섬유 펠트에 전해액이 흐르는 방향으로 유로를 형성하면서, 상기 탄소섬유 펠트와 상기 메쉬를 결합시키는 제3단계; 및
니들펀칭으로, 상기 유로와 평행한 다른 유로를 상기 탄소섬유 펠트에 복수개 더 형성하면서, 상기 탄소섬유 펠트와 상기 메쉬를 결합시키는 제4단계;를 포함하며,
상기 유로의 깊이는 상기 니들펀칭의 회수와 상기 니들펀칭의 깊이로 조절되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 전극을 제조하는 방법에 의해 달성된다.
본 발명은 니들펀칭으로, 탄소섬유 펠트에 전해액이 흐르는 방향으로 복수개의 유로를 설정된 깊이와 폭으로 형성한다. 따라서, 전해액이 전기화학적 반응을 충분히 일으키기도 전에 전극을 빠져나가지 않으면서도, 전극내에서 정체되지 않는 흐름을 갖을 수 있어, 레독스 흐름전지의 효율이 지속적으로 유지될 수 있다.
본 발명은, 니들펀칭으로 유로를 형성한다. 따라서, 두께가 얇은(0.1~1mm) 박형 탄소섬유 펠트에 유로를 쉽게 형성할 수 있다.
본 발명은, 유로의 깊이가 너무 깊으면 방전시 전기화학적 반응이 충분히 일어나기도 전에 전해액이 유로를 따라 급속하게 빠져나가고, 유로의 깊이가 너무 얇으면 전해액이 잘 빠져나가지 못한다는 점을 감안하여, 유로의 깊이를 탄소섬유 펠트 두께의 1/2~1/3로 조절했다. 이러한 유로의 깊이는 니들펀칭의 회수와 니들펀칭의 깊이를 조절하여, 쉽게 조절할 수 있다.
본 발명은, 메쉬 위에 탄소섬유 펠트를 올려놓고, 니들펀칭하여 유로를 형성하면서 메쉬와 탄소섬유 펠트를 결합시킨다. 메쉬는 유로가 그 형상을 그대로 유지할 수 있도록 유로를 지지하는 역할을 한다. 따라서, 레독스 흐름전지 운전 도중에 유로가 무너지는 것이 방지되어, 레독스 흐름전지의 효율이 지속적으로 유지될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 레독스 흐름전지 전극 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 방법으로 제조된 레독스 흐름전지 전극의 사진이다.
도 3은 도 2에 도시된 단면 Ⅲ-Ⅲ을 나타낸 도면이다.
도 4는 니들펀칭으로, 도 3에 도시된 유로를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면으로, 도 4(a)는 니들이 탄소섬유 펠트의 상측에 대기한 상태, 도 4(b)는 니들이 하강하여 탄소섬유 펠트를 뚫으면서 압착하는 상태, 도 4(c)는 니들이 탄소섬유 펠트를 뚫은 후 상승하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 레독스 흐름전지 전극이 설치된 단위셀의 분해사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 레독스 흐름전지 전극 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 도 6에 도시된 방법으로 제조된 레독스 흐름전지 전극의 사진이다.
도 8은 도 6에 도시된 메쉬의 사진이다.
도 9는 도 7에 도시된 단면 Ⅸ-Ⅸ이다.
도 10은 니들펀칭으로, 도 9에 도시된 유로를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면으로, 도 10(a)는 니들이 탄소섬유 펠트의 상측에 대기한 상태, 도 10(b)는 니들이 하강하여 탄소섬유 펠트를 뚫으면서 압착하고, 탄소섬유 펠트의 탄소섬유는 끌려 내려와 탄소섬유와 메쉬를 결합시키는 상태, 도 10(c)는 니들이 탄소섬유 펠트를 뚫은 후 상승하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 7에 도시된 레독스 흐름전지 전극이 설치된 단위셀의 분해사시도이다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 레독스 흐름전지 전극 제조방법을 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 레독스 흐름전지 전극 제조방법은,
레독스 흐름전지 전극용 탄소섬유 펠트를 준비하는 제1단계(S11);
니들펀칭으로, 상기 탄소섬유 펠트에 전해액이 흐르는 방향으로 유로를 형성하는 제2단계(S12); 및
니들펀칭으로, 상기 유로와 평행한 다른 유로를 상기 탄소섬유 펠트에 복수개 더 형성하는 제3단계(S13);로 구성된다.
제1단계(S11)를 설명한다.
레독스 흐름전지 전극용 탄소섬유 펠트(F)를 준비한다. 펠트(F)는 탄소섬유(CF)가 뭉쳐져 만들어진다. 탄소섬유 펠트(F)는 0.1~1mm의 두께를 가진 박형이다.
탄소섬유 펠트(F)의 면밀도는 10g/㎡~300g/㎡인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 탄소섬유 펠트(F)의 면밀도는 50g/㎡~200g/㎡인 것이 좋다.
그 이유는, 탄소섬유 펠트(F)의 면밀도가 10g/㎡ 미만이면 탄소섬유 펠트(F)가 전해액을 그대로 흡수해 버려 유로(P)가 역할을 못하게 되고 탄소섬유 펠트(P)의 내구성이 크게 떨어지고, 반대로, 탄소섬유 펠트(F)의 면밀도가 300g/㎡를 초과하면 박형의 탄소섬유 펠트(F)의 제작이 어렵게 되고 재료비가 상승하기 때문이다.
제2단계(S12)를 설명한다.
니들펀칭으로, 탄소섬유 펠트(F)에 전해액이 흐르는 방향(도 5에 도시된 직선화살표 방향)으로 유로(P)를 형성한다.
보다 구체적으로, 도 4(b), 도 4(c)에 도시된 바와 같이, 니들(N)이 탄소섬유 펠트(F)를 반복적으로 뚫고 지나가면, 그 부분이 점점 압착된다. 압착된 부분에 유로(P)가 형성된다. 이렇게 형성된 유로(P)로 인해서, 전해액이 유로를 따라 원활하게 흐를 수 있다.
니들펀칭의 회수와 니들펀칭의 깊이를 조절하면 탄소섬유 펠트(F)의 압착정도를 조절할 수 있고, 탄소섬유 펠트(F)의 압착정도에 따라 유로(P)의 깊이(t)를 조절할 수 있다. 이렇게 유로(P)이 깊이를 단계별로 조절하기 위해서, 니들펀칭의 회수는 10타/㎠~300타/㎠인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 니들펀칭의 회수는 30타/㎠~150타/㎠인 것이 좋다.
여기서, 유로(P)의 깊이가 너무 깊으면 방전시 전기화학적 반응이 충분히 일어나기도 전에 전해액이 유로를 따라 급속하게 빠져나가고, 유로(P)의 깊이가 너무 얇으면 전해액이 잘 빠져나가지 못하게 된다. 이러한 점을 고려하여, 유로(P)의 깊이는 탄소섬유 펠트(F) 두께의 1/2~1/3이 바람직하다.
이렇게 유로(P)의 깊이를 탄소섬유 펠트(F) 두께의 1/2~1/3로 정한 것은, 레독스 흐름전지의 성능을 유지시키기 위해 매우 중요하다.
한편, 유로(P)를 탄소섬유 펠트(F)를 컷팅해서 형성하는 것이 아닌, 니들펀칭으로 탄소섬유 탄소섬유유로(P)를 압착해서 형성함으로써, 1mm이하의 얇은 두께를 가진 박형 탄소섬유 펠트(F)에도 유로(P)를 쉽게 형성할 수 있다. 이렇게 컷팅이 아닌 니들펀칭으로 유로(P)를 형성하고, 니들펀칭의 회수와 깊이를 조절하여 유로(P)의 깊이를 조절하는 것은 본 발명만이 가장 중요한 특징이 된다.
한편, 유로(P)의 폭(w)은 니들펀칭으로 최소 1mm 부터 가능하며, 최대 폭은 임의 설정이 가능하다. 다만, 유로(P)의 폭이 너무 넓으면 방전시 전기화학적 반응이 충분히 일어나기도 전에 전해액이 유로를 따라 급속하게 빠져나가고, 유로(P)의 폭이 너무 좁으면 전해액이 잘 빠져나가지 못하게 된다. 이러한 점을 고려하여, 유로(P)의 최대 폭을 정하는 것이 바람직하다.
제3단계(S13)를 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 니들펀칭으로, 유로(P)와 평행한 다른 유로(P)를 탄소섬유 펠트(F)에 복수개 더 형성한다. 유로(P) 사이 간격은 일정하거나 다른 간격이 될 수 있다. 본 실시예에서 유로(P)의 간격은 일정하다. 유로(P)의 개수와 간격은 임의로 설정될 수 있다. 도 3에서, 도면부호 T는 탄소섬유 펠트(F)의 전체 두께를 나타내고, 도면부호 t는 유로(P)의 깊이를 나타낸다.
제1단계(S11) 내지 제3단계(S13)를 거쳐, 도 2에 도시된 복수개의 유로(P)가 형성된 레독스 흐름전지 전극(20)이 완성된다.
레독스 흐름전지 전극(20)을 설정된 크기로 잘라 단위셀(1)에 설치한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 단위셀(1)은 이온교환막(11), 스페이서(12), 바이폴라 플레이트(13), 전극(20)으로 구성된다. 도 5에 도시된 직선화살표는 전해액이 흘러가는 방향을 나타낸다.
단위셀(1)을 여러 개 배치하고 연결하여 레독스 흐름전지 스택을 만들고, 스택을 전해액 탱크와 연결하여 레독스 흐름전지를 만든다.
이하, 도 6 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 레독스 흐름전지 전극 제조방법을 상세히 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 레독스 흐름전지 전극 제조방법은,
레독스 흐름전지 전극용 탄소섬유 펠트와 메쉬를 준비하는 제1단계(S21);
상기 메쉬 위에 상기 탄소섬유 펠트를 올려놓는 제2단계(S22);
니들펀칭으로, 상기 탄소섬유 펠트에 전해액이 흐르는 방향으로 유로를 형성하면서, 상기 탄소섬유 펠트와 상기 메쉬를 결합시키는 제3단계(S23); 및
니들펀칭으로, 상기 유로와 평행한 다른 유로를 상기 탄소섬유 펠트에 복수개 더 형성하면서, 상기 탄소섬유 펠트와 상기 메쉬를 결합시키는 제4단계(S24);로 구성된다.
제1단계(S21)를 설명한다.
레독스 흐름전지 전극용 탄소섬유 펠트(F)를 준비한다. 펠트(F)는 탄소섬유(CF)가 뭉쳐져 만들어진다. 탄소섬유 펠트(F)는 0.1~1mm의 두께를 가진 박형이다. 탄소섬유 펠트(F)의 면밀도는 10g/㎡~300g/㎡이다. 보다 바람직하게는 탄소섬유 펠트(F)의 면밀도는 50g/㎡~200g/㎡인 것이 좋다. 그 이유는 전술하였으므로, 다시 언급하지 않는다.
도 8에 도시된 바와 같은 메쉬(M)를 준비한다.
메쉬(M)는 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE), 폴리아미르(PA) 등의 열가소성 수지로 제작되는 것이 바람직하다.
그 이유는, 열가소성 수지가 열경화성 수지 보다 가공이 용이하며, 열가소성 수지가 열경화성 수지 보다 내산성이 더 좋아 산성계열인 전해액에서 더 적합하기 때문이다.
한편, 메쉬(M)의 두께는, 메쉬(M)로 인해 전극의 두께가 너무 두꺼워지지 않고, 충분한 강도로 탄소섬유 펠트(F)를 지지할 수 있도록, 0.1mm~2.0mm인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.2mm~1.0mm인 것이 좋다.
제2단계(S22)를 설명한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 메쉬(M) 위에 탄소섬유 펠트(F)를 올려놓는다.
제3단계(S23)를 설명한다.
니들펀칭으로, 탄소섬유 펠트(F)에 전해액이 흐르는 방향(도 11에 도시된 직선화살표 방향)으로 유로(P)를 형성한다. 이때, 탄소섬유 펠트(F)를 구성하는 탄소섬유(CF)가 끌려 내려와 탄소섬유 펠트(F)와 메쉬(M)를 결합시킨다.
보다 구체적으로, 도 10(b), 도 10(c)에 도시된 바와 같이, 니들(N)이 탄소섬유 펠트(F)가 반복적으로 뚫고 지나가면, 그 부분이 점점 압착된다. 압착된 부분에 유로(P)가 형성된다. 메쉬(M)는 유로(P)가 그 형상을 그대로 유지할 수 있도록 유로(P)를 지지하는 역할을 한다. 이로 인해, 제2실시예는 제1실시예 보다 유로(P)의 형상이 견고하게 유지될 수 있다. 이렇게 유로(P)의 형상을 견고하게 유지하기 위해, 메쉬(M)를 사용하였다는 점이 제1실시예와 차별되는 제2실시예만의 특징이 된다.
이렇게 형성된 유로(P)로 인해서, 전해액이 유로를 따라 원활하게 흐를 수 있다.
니들펀칭의 회수와 니들펀칭의 깊이를 조절하면 탄소섬유 펠트(F)의 압착정도를 조절할 수 있고, 탄소섬유 펠트(F)의 압착정도에 따라 유로(P)의 깊이(t)를 조절할 수 있다.
이렇게 유로(P)이 깊이를 단계별로 조절하고 메쉬(M)의 손상을 줄이기 위해서, 니들펀칭의 회수는 10타/㎠~300타/㎠인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 니들펀칭의 회수는 30타/㎠~150타/㎠인 것이 좋다.
유로(P)의 깊이는 탄소섬유 펠트(F) 두께의 1/2~1/3이 바람직하다. 그 이유는 전술하였으므로, 다시 언급하지 않는다.
한편, 유로(P)의 폭(w)은 니들펀칭으로 최소 1mm 부터 가능하며, 최대 폭은 임의 설정이 가능하다. 다만, 유로(P)의 폭이 너무 넓으면 방전시 전기화학적 반응이 충분히 일어나기도 전에 전해액이 유로를 따라 급속하게 빠져나가고, 유로(P)의 폭이 너무 좁으면 전해액이 잘 빠져나가지 못하게 된다. 이러한 점을 고려하여, 유로(P)의 최대 폭을 정하는 것이 바람직하다.
제4단계(S24)를 설명한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 니들펀칭으로, 유로(P)와 평행한 다른 유로(P)를 탄소섬유 펠트(F)에 복수개 더 형성한다. 이때, 탄소섬유 펠트(F)를 구성하는 탄소섬유(CF)는 끌려 내려와 탄소섬유 펠트(F)와 메쉬(M)를 결합시킨다. 도 9에서, 도면부호 T는 탄소섬유 펠트(F)의 전체 두께를 나타내고, 도면부호 t는 유로(P)의 깊이를 나타낸다.
유로(P) 사이 간격은 일정하거나 다른 간격이 될 수 있다. 본 실시예에서 유로(P)의 간격은 일정하다. 유로(P)의 개수와 간격은 임의로 설정될 수 있다.
제1단계(S21) 내지 제4단계(S24)를 거쳐, 도 7에 도시된 복수개의 유로(P)가 형성된 레독스 흐름전지 전극(30)이 완성된다.
레독스 흐름전지 전극(30)을 설정된 크기로 잘라, 단위셀(2)에 설치한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 단위셀(2)은 이온교환막(11), 스페이서(12), 바이폴라 플레이트(13), 전극(30)으로 구성된다. 도 11에 도시된 직선화살표는 전해액이 흘러가는 방향을 나타낸다.
단위셀(2)을 여러 개 배치하고 연결하여 레독스 흐름전지 스택을 만들고, 스택을 전해액 탱크와 연결하여 레독스 흐름전지를 만든다.
1,2: 단위셀 11: 이온교환막
12: 스페이서 13: 바이폴라 플레이트
20,30: 전극 F: 탄소섬유 펠트 CF: 탄소섬유 M: 메쉬

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 면밀도 10g/㎡~300g/㎡이고, 박형인 두께 0.1~1mm인 레독스 흐름전지 전극용 탄소섬유 펠트와, 두께 0.1mm~2.0mm인 메쉬를 준비하는 제1단계;
    상기 메쉬 위에 상기 탄소섬유 펠트를 올려놓는 제2단계;
    니들이 상기 탄소섬유 펠트를 반복적으로 뚫고 지나가면서 상기 탄소섬유 펠트를 점점 압착하는 방식으로, 상기 탄소섬유 펠트에 전해액이 흐르는 방향으로 유로를 상기 탄소섬유 펠트 두께의 1/2~1/3로 니들펀칭하여 형성하면서, 상기 탄소섬유 펠트와 상기 메쉬를 결합시키는 제3단계; 및
    니들펀칭으로, 상기 유로와 평행한 다른 유로를 상기 탄소섬유 펠트에 복수개 더 형성하면서, 상기 탄소섬유 펠트와 상기 메쉬를 결합시키는 제4단계;를 포함하며,
    상기 메쉬는 상기 유로가 그 형상을 그대로 유지할 수 있도록 상기 유로를 지지하는 하는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 전극을 제조하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 메쉬는 열가소성 수지로 제작되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 전극을 제조하는 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제2항에 있어서, 상기 니들펀칭의 회수는 10타/㎠~300타/㎠인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 전극을 제조하는 방법.
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