KR102135198B1 - 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템 및 방법 - Google Patents

흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2차 전지의 일종인 바나듐 레독스 플로우 배터리(VRFB)의 흑연전극으로 사용되는 탄화섬유 펠트의 z축 심도를 향상시킬 수 있도록 함과 동시에 두께 편차를 줄일 수 있도록 하여 전극의 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템 및 방법 {Manufacturing system and method of the Oxi-PAN felt for graphite electrode}
본 발명은 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2차 전지의 일종인 바나듐 레독스 플로우 배터리(VRFB)의 흑연전극으로 사용되는 탄화섬유 펠트의 z축 심도를 향상시킬 수 있도록 함과 동시에 두께 편차를 줄일 수 있도록 하여 전극의 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 환경오염 및 지구 온난화로 인하여 전 세계적으로 온실 가스를 줄이고자 하는 노력을 진행하고 있는데, 그 일환으로 신재생 에너지의 도입 확대, 친환경 자동차 개발, 전력 수급 시스템의 개선을 위한 에너지 저장 시스템 개발 등의 다양한 노력이 시도되고 있다.
그 중, 에너지 저장 시스템(ESS; Energy Storage System)은 생산된 전기를 저장장치(배터리 등)에 저장하였다가 전력이 필요할 때 공급하여 전력 사용 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 시스템으로, 친환경적이고 높은 효율을 갖는 에너지의 개발과 함께 이를 이용한 전력 공급 시스템의 개발에 대한 연구가 크게 증가하고 있는 실정이다.
이 중에서도 충전과 방전을 반복할 수 있는 2차 전지에 대한 관심 및 연구개발이 크게 증가되고 있는데, 그 중 바나듐 레독스 플로우 배터리(VRFB; Vanadium Redox Flow Battery)가 최근 새로운 에너지 저장 시스템으로 각광받고 있다.
상기 레독스 플로우 배터리는 전극에 에너지를 저장하는 다른 2차 전지와는 달리 전해질에 에너지를 저장할 수 있도록 구성된 것으로, 폭발 위험이 없어 안전하고 재활용(recycling)이 가능하여 수명이 반영구적일 뿐만 아니라 출력과 용량의 독립적인 설계가 가능하여 대용량화가 용이하므로 기존의 에너지 저장장치를 대체할 수 있을 것으로 평가받고 있다.
이러한 바나듐 레독스 플로우 배터리의 주요 구성은 카본 및 금속계 전극소재, 유기 및 무기 전해액, 분리막, 분리판을 포함하여 이루어지는데, 이와 관련된 기술로 대한민국 등록특허공보 10-1145714호에는 표면 처리된 카본 펠트 전극을 가지는 레독스 플로우 이차 전지가 게재되어 있는 등 바나듐 레독스 플로우 배터리의 구조 및 작용에 대해서는 이미 공지되어 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상기 바나듐 레독스 플로우 배터리의 전극은 활물질의 산화ㆍ환원 반응이 발생하는 장소를 제공하는 주요 구성으로 배터리의 효율 및 장기 수명과 밀접한 관련이 있다.
이러한, 전극의 소재로는 자체적으로 반응에 참여하지 않으면서 화학적 또는 전기화학적으로 안정하며, 전기 전도성이 우수한 특성이 요구되는데 이러한 요구조건을 대체적으로 만족하는 탄소(C)는 탄소섬유를 이용하여 직물구조로 형성할 수 없으므로 PAN(Polyacrylonitrile) 계열의 탄화섬유 펠트(Oxi-PAN Felt)가 주로 사용된다.
하지만, 종래의 바나듐 레독스 플로우 배터리용 전극으로 사용되는 탄화섬유 펠트는 에너지 저장 효율에 영향을 미치는 관통저항, 즉 활물질이 전극의 폭방향으로 통과하지 못하도록 하는 저항이 크다는 단점이 있었다.
즉, 배터리의 에너지 저장 효율을 향상시키기 위해서는 전극에서의 산화ㆍ환원 반응이 활발하게 이루어져야 하는데, 전극으로 사용되는 탄화섬유 펠트의 관통저항이 클 경우 z축 심도 즉, 탄화섬유 펠트의 폭방향(두께방향)으로 활물질이 통과하는 정도가 작아지게 되어 배터리의 에너지 저장 효율이 저하될 수 있는 것이다.
또한, 종래의 탄화섬유 펠트는 두께 편차가 약 20% 정도로 크게 나타나는 문제점도 있는데, 탄화섬유 펠트의 두께 편차가 클 경우 전극의 밀도가 균일하지 않게 되어 마찬가지로 에너지 저장 효율이 떨어지게 되는 단점이 있다.
1. 대한민국 등록특허공보 제10-1145714호(2012. 05. 14. 공고)
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 2차 전지의 일종인 바나듐 레독스 플로우 배터리(VRFB)의 흑연전극으로 사용되는 탄화섬유 펠트의 z축 심도를 향상시킬 수 있도록 함과 동시에 두께 편차를 줄일 수 있도록 하여 전극의 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은,
블렌딩 장치, 개면기(opener), 호퍼 피더, 카딩머신, 크로스래퍼, 니들펀칭머신 및 열처리장치를 포함하여 이루어지는 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템에 있어서, 상기 호퍼 피더는 개면기에 의해 오프닝된 탄화섬유를 수용하여 저장하는 원료저장부와, 상기 원료저장부에 저장된 원료를 공급하는 원료공급부와, 상기 원료공급부를 통해 공급되는 원료를 진동실로 이송시키는 원료이송부와, 상기 원료이송부를 통해 이송되는 원료를 진동을 이용하여 다짐 작업하는 진동부 및 상기 진동부로부터 공급되는 원료의 중량을 측정하는 중량측정부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 원료저장부는 메쉬망 형태로 이루어지고, 일측에 개면기로부터 공급되는 탄화섬유가 투입되는 입구부가 형성되며, 상기 입구부의 타측에는 스테인레스 판재가 부착된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 원료공급부는 모터의 구동에 의해 원료저장부에 저장된 원료를 원료이송부로 공급하는 피드롤러 및 실린더롤을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 원료이송부는 원료공급부로부터 공급되는 원료를 이송시키는 하부컨베이어와, 상기 하부컨베이어의 단부에 연결 설치되는 스파이크 래티스와, 상기 스파이크 래티스의 단부에 설치되어 원료를 진동부로 공급하는 스트리퍼롤 및 상기 스파이크 래티스의 단부에 설치되어 진동부로 공급되는 원료의 양을 조절하는 정류롤을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 진동부는 원료이송부를 통해 이송되는 원료가 투입되는 진동실과, 상기 진동실 내부에 설치되어 투입된 원료의 진동 다짐 작업을 수행하는 진동플레이트 및 진동 다짐 작업이 완료된 원료를 중량측정부로 이송시키는 딜리버리롤러를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 중량측정부는 진동부를 통해 이송되는 원료를 전달하는 측정컨베이어벨트와, 상기 측정컨베이어벨트로부터 전달되는 원료의 중량을 실시간으로 측정하는 측정플레이트 및 중량 측정이 완료된 원료를 카딩머신으로 공급하는 피드컨베이어를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 호퍼 피더는 원료의 공급을 자동으로 제어하기 위한 센서부를 더 포함하여 구성되고, 상기 센서부는 원료저장부에 구비되어 개면기로부터 원료저장부로의 탄화섬유의 공급 여부를 제어하는 제1센서와, 원료이송부에 구비되어 원료공급부로부터의 원료 공급 여부를 제어하는 제2센서 및 진동부에 구비되어 원료이송부로부터 진동부로의 원료 공급 여부를 제어하는 제3센서로 구성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 니들펀칭머신은 총 4대가 직렬로 설치되되, 그 중 일부는 상,하 방향으로 반전된 구조로 이루어져 웹 상태의 원료를 상부와 하부로부터 각각 1회 이상씩 펀칭작업을 수행할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조방법은,
블렌딩 단계, 오프닝 단계, 호퍼링 단계, 소면 및 웹 적층단계, 펀칭단계 및 열처리단계를 포함하여 구성되는 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조방법에 있어서, 상기 호퍼링단계는 오프닝된 탄화섬유를 메쉬망 형태로 이루어진 호퍼 피더의 원료저장부에 저장하는 원료저장단계와, 원료저장부에 저장된 원료를 원료공급부 및 원료이송부를 이용하여 진동실로 이동시키는 원료이송단계와, 진동플레이트를 이용하여 이송된 원료에 대한 진동 다짐작업을 수행하는 진동다짐단계 및 진동다짐작업이 완료된 원료의 중량을 측정하는 중량측정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 호퍼링단계는 중량측정단계에서 측정된 중량에 따라 원료이송단계에서의 원료 이동속도를 조절하는 속도조절단계를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 펀칭단계에서는 직렬로 설치된 4대의 니들펀칭머신을 이용하여 웹 상태의 원료를 상부와 하부로부터 각각 1회 이상씩 총 4번의 펀칭작업을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 호퍼 피더에서의 중량 측정에 의해 공급되는 탄화섬유의 양을 제어하고, 진동다짐 작업을 통해 제조되는 흑연전극의 밀도를 균일하게 함과 동시에 두께 편차를 줄일 수 있도록 하여 전극의 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 뛰어난 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 따르면 네 차례에 걸친 웹 상태의 탄화섬유의 상부와 하부로부터의 펀칭작업에 의해 바나듐 레독스 플로우 배터리(VRFB)의 흑연전극으로 사용되는 탄화섬유 펠트의 z축 심도를 향상시킴과 동시에 공극의 크기를 줄여 반응이 일어날 수 있는 단면적을 증가시킬 수 있도록 함으로써 배터리의 에너지 저장 효율을 향상시킬 수 있게 되는 효과를 추가로 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명 중 호퍼 피더의 구성을 구체적으로 나타낸 측단면도.
도 3은 도 1에 나타낸 본 발명 중 카딩머신의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 도 1에 나타낸 본 발명 중 크로스래퍼의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 5의 (a),(b)는 도 1에 나타낸 본 발명 중 니들펀칭머신의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 흑연전극용 탄화섬유 펠트의 제조방법을 나타낸 흐름도.
도 7의 (a),(b)는 본 발명에 의해 제조된 흑연전극용 탄화섬유 펠트의 z축 심도를 종래의 탄화섬유 펠트와 비교하여 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 의해 제조된 흑연전극용 탄화섬유 펠트의 두께편차를 나타낸 도면.
도 9의 (a), (b)는 본 발명에 의해 제조된 흑연전극용 탄화섬유 펠트의 상,하부 표면에서의 공극의 크기를 종래의 탄화섬유 펠트와 비교하여 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템 및 방법의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명 중 호퍼 피더의 구성을 구체적으로 나타낸 측단면도이며, 도 3은 도 1에 나타낸 본 발명 중 카딩머신의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 도 1에 나타낸 본 발명 중 크로스래퍼의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 5의 (a),(b)는 도 1에 나타낸 본 발명 중 니들펀칭머신의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 흑연전극용 탄화섬유 펠트의 제조방법을 나타낸 흐름도이며, 도 7의 (a),(b)는 본 발명에 의해 제조된 흑연전극용 탄화섬유 펠트의 z축 심도를 종래의 탄화섬유 펠트와 비교하여 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명에 의해 제조된 흑연전극용 탄화섬유 펠트의 두께편차를 나타낸 도면이며, 도 9의 (a),(b)는 본 발명에 의해 제조된 흑연전극용 탄화섬유 펠트의 상,하부 표면에서의 공극의 크기를 종래의 탄화섬유 펠트와 비교하여 나타낸 도면이다.
본 발명은 2차 전지의 일종인 바나듐 레독스 플로우 배터리(VRFB)(이하, '배터리'라 한다.)의 흑연전극으로 사용되는 탄화섬유 펠트(Oxi-PAN FELT)의 z축 심도를 향상시킬 수 있도록 함과 동시에 두께 편차를 줄일 수 있도록 하여 전극의 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템 및 방법에 관한 것으로, 먼저 본 발명에 따른 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템(10)은 도 1에 나타낸 바와 같이, 크게 블렌딩(blending) 장치(100), 개면기(opener)(200), 호퍼 피더(hopper feeder)(300), 카딩머신(carding machine)(400), 크로스래퍼(cross rapper)(500), 니들펀칭머신(600), 히터롤러(heater roller)(700), 권취장치(800) 및 열처리장치(900)를 포함하여 이루어진다.
먼저, 상기 블렌딩 장치(100)는 흑연전극용 탄화섬유 펠트(이하, '펠트'라 한다)의 원료가 되는 탄화섬유를 투입하여 솜(다발) 형상으로 혼합시키는 역할을 하는 것이고, 상기 개면기(200)는 얽혀 있는 솜 형상의 원료, 즉 탄화섬유를 풀어헤쳐 펼치는 역할을 하는 것으로, 기존에 사용되고 있던 블렌딩 장치 및 개면기의 주요 구성과 동일하므로 세부적인 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.
단, 본 발명에 사용되는 블렌딩 장치(100)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 원료(탄화섬유)를 투입하기 위한 투입구(110)가 세 개로 분할 형성되는데, 이와 같이 투입구(110)를 분할 형성하는 경우 원료의 마찰에 의한 정전기 발생을 억제할 수 있게 되고, 균질한 혼섬을 위한 임펠러 및 에어 공급량을 보다 용이하게 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 개면기(200)로는 정밀 개면기(fine opener)가 사용되어 개면(開綿) 성능을 향상시킬 수 있도록 구성되어 있으며, 상기 블렌딩 장치(100)와 개면기(200)의 사이에는 혼합탱크(150)가 설치되어 개면기(200)로 공급되는 원료가 보다 균질하게 혼섬될 수 있도록 구성할 수도 있다.
다음, 상기 호퍼 피더(300)는 개면기(200)를 통해 공급되는 원료를 일정량으로 펼쳐 카딩머신(400)으로 공급하는 역할을 하는 것으로, 도 2에 나타낸 바와 같이, 원료저장부(310), 원료공급부(320), 원료이송부(330), 진동부(340) 및 중량측정부(350)를 포함하여 이루어진다.
보다 상세히 설명하면, 상기 원료저장부(310)는 개면기(200)에 의해 오프닝(opening)된 상태의 원료, 즉 탄화섬유를 수용하여 저장하는 역할을 하는 것으로, 호퍼 피더(300)의 최상단에 위치된다.
상기 원료저장부(310)는 내측으로 공기가 투입될 수 있도록 메쉬망 형태로 이루어지는데, 원료저장부(310)의 일측에는 개면기(200)로부터 공급되는 탄화섬유가 투입되는 입구부(312)가 형성되고, 상기 입구부(312)의 타측, 즉 반대쪽 원료저장부(310)의 내측 또는 외측면에는 스테인레스 판재(314)가 부착되어 원료저장부(310)로 투입된 원료가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있도록 구성되어 있다.
다음, 상기 원료공급부(320)는 원료저장부(310)에 수용된 원료를 원료이송부(330)로 공급하는 역할을 하는 것으로, 회전 구동에 의해 원료저장부(310)에 수용된 원료를 물어 아래쪽으로 공급하는 한 쌍의 피드롤러(324)와, 상기 피드롤러(324)의 하부에 설치되어 원료이송부(330)로 원료를 공급하는 실린더롤(326) 및 상기 피드롤러(324)와 실린더롤(326)을 회전 구동시키기 위한 모터(322)를 포함하여 이루어진다.
다음, 상기 원료이송부(330)는 원료공급부(320)를 통해 공급된 원료를 진동부(340)로 이송하는 역할을 하는 것으로, 하부컨베이어(332), 스파이크 래티스(spike lattice)(334), 스트리퍼롤(Stripper Roll)(336) 및 정류롤(Evener Roll)(338)을 포함하여 이루어진다.
보다 상세히 설명하면, 상기 하부컨베이어(332)는 원료공급부(320)의 하부에 지면과 수평방향으로 설치되어 실린더롤(326)의 구동에 의해 떨어지는 원료를 스파이크 래티스(334)로 이동시키는 역할을 하는 것이고, 상기 스파이크 래티스(334)는 하부컨베이어(332)로부터 공급되는 원료를 진동부(340)로 이동시키는 역할을 하는 것으로, 금속 재질이 굵은 바늘, 즉 스파이크를 꽂은 목재를 범포(帆布)로 연결한 형상으로 이루어진다.
즉, 상기 스파이크 래티스(334)는 하부컨베이어(332)를 통해 이송된 원료를 스파이크로 긁어 올려 스파이크 실린더의 바늘(미도시)과 래티스 사이에서 뭉쳐진 상태로 공급되는 원료를 풀어주는 역할을 하게 되는데, 양쪽의 스파이크를 서로 약간 교차된 상태로 배치하고, 운동방향이 서로 반대가 되도록 하여 원료의 이동과정에서 뭉쳐진 상태의 원료가 보다 효과적으로 풀릴 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
다음, 상기 스트리퍼롤(336) 및 정류롤(338)은 스파이크 래티스(334)의 상단부 측에 설치되어 스파이크 래티스(334)에 의해 풀어진 원료를 진동부(340)의 진동실(342)로 공급하는 역할을 주로 하는 것으로, 모터에 의해 구동된다.
이때, 상기 스트리퍼롤(336)은 진동부(340)의 상부에 위치되도록 설치되어 스파이크 래티스(334)에 의해 풀어지지 않은 원료를 걸러냄과 동시에 스파이크 래티스(334)의 표면을 청소하는 역할을 하게 되고, 상기 정류롤(338)은 스파이크 래티스(334)의 상부에 위치되도록 설치되어 스파이크 래티스(334)에 의해 이동하는 원료에 포함된 협잡물을 제거함과 동시에 진동부(340)로 투입되는 원료의 양을 조절하는 역할을 하게 된다.
다음, 상기 진동부(340)는 원료이송부(330)를 통해 풀어진 상태로 이송되는 원료를 진동에 의해 다짐 작업하는 역할을 하는 것으로, 진동실(342), 진동플레이트(344) 및 딜리버리롤러(346)를 포함하여 이루어진다.
먼저, 상기 진동실(342)은 원료이송부(330)를 통해 풀어진 상태로 이송되는 원료가 투입되는 곳으로, 스파이크 래티스(334)의 상단부 및 스트리퍼롤(336)의 하부에 위치된다.
이때, 상기 진동실(342)의 상부는 원료의 투입을 위해 개구된 형태로 이루어지고, 진동실(342)의 상부 내측에는 투입되는 원료를 진동플레이트(344)로 가이드하기 위한 가이드판이 설치된다.
다음, 상기 진동플레이트(344)는 진동실(342)의 내부에 지면과 수직방향으로 설치되어 진동실(342)로 투입되는 원료에 진동을 가하여 다짐 작업을 수행하는 역할을 하는 것으로, 서로 일정거리 이격되도록 설치되고 각각 모터의 구동에 의해 진동을 일으킬 수 있도록 하는 한 쌍의 플레이트로 이루어진다.
즉, 상기 진동실(342) 내부로 투입된 원료는 가이드판의 가이드에 의해 진동플레이트(344) 사이를 통과하게 되고, 이 과정에서 원료에 다짐작업이 수행됨과 동시에 원료가 진동에 의해 골고루 펼쳐지게 되어 카딩머신(400)에 원료가 골고루 펼쳐진 상태로 공급될 수 있게 된다.
또한, 상기 딜리버리롤러(346)는 진동플레이트(344)의 하부에 설치되어 회전에 의해 진동플레이트(344)에 의해 다져지고 펼쳐진 원료를 중량측정부(350)로 공급하는 역할을 하는 것이다.
다음, 상기 중량측정부(350)는 딜리버리롤러(346)에 의해 진동부(340)로부터 공급되는 원료의 중량을 측정하는 역할을 하는 것으로, 원료의 중량 측정은 카딩머신(400)으로 원료를 일정량으로 공급할 수 있도록 함과 동시에 호퍼 피더(300)의 구동 속도를 제어할 수 있도록 하기 위한 것이다.
보다 상세히 설명하면, 상기 중량측정부(350)는 측정컨베이어벨트(352), 측정플레이트(354) 및 피드컨베이어(356)를 포함하여 이루어지는데, 먼저 상기 측정컨베이어벨트(352)는 진동부(340)의 하부에 지면과 수평 방향으로 설치되어 딜리버리롤러(346)에 의해 진동부(340)로부터 공급되는 원료를 측정플레이트(354)로 이동시키는 역할을 하는 것이다.
다음, 상기 측정플레이트(354)는 측정컨베이어벨트(352)의 단부에 위치되도록 설치되어 측정컨베이어벨트(352)에 의해 전달되는 원료의 중량을 실시간으로 측정하는 역할을 하는 것으로, 상기 측정플레이트(354)의 하부에는 로드셀 등의 중량센서(354a)가 두 개 이상 설치되어 상부에 얹혀지는 원료의 중량을 실시간으로 측정할 수 있도록 구성되어 있다.
즉, 상기 측정플레이트(354)에 의해 실시간으로 측정된 중량값이 기설정된 세팅값 보다 작은 경우 호퍼 피더(300)의 구동속도를 빨리하고, 측정된 중량값이 기설정된 세팅값 보다 큰 경우에는 호퍼 피더(300)의 구동속도를 느리게 하여 항상 일정량의 원료를 카딩머신(400)에 공급할 수 있도록 구성된 것이다.
다음, 상기 피드컨베이어(356)는 측정플레이트(354)와 카딩머신(400)의 사이에 연결 설치되어 측정플레이트(354)에 의해 중량 측정이 완료된 원료를 카딩머신(400)으로 공급하는 역할을 하는 것이다.
한편, 상기 호퍼 피더(300)는 센서부(360)를 더 포함하여 구성될 수 있는데, 상기 센서부(360)는 호퍼 피더(300)의 구동 속도를 조절하는 역할을 하게 된다.
보다 상세히 설명하면, 상기 센서부(360)는 제1 내지 제3센서(362,364,366)를 포함하여 이루어지는데, 먼저 상기 제1센서(362)는 원료저장부(310)에 구비되어 개면기(200)로부터 원료저장부(310)로의 원료, 즉 탄화섬유의 공급 여부를 제어하는 역할을 하는 것이다.
즉, 상기 제1센서(362)는 원료저장부(310)의 내부 압력을 측정하는 압력센서로 구성될 수 있는데, 제1센서(362)에 의해 측정되는 원료저장부(310)의 내부 압력이 설정치 이상으로 증가하게 되면 개면기(200)로부터의 원료 공급을 중단하게 된다.
다음, 상기 제2센서(364)는 원료이송부(330)에 구비되어 원료공급부(320)에 의한 원료 공급 여부를 제어하는 역할을 하는 것으로, 압력센서 또는 중량센서로 구성되어 측정치가 기설정된 값 이상이 되는 경우 원료공급부(320)에 의한 원료 공급을 중단시킬 수 있도록 구성되어 있다.
또한, 상기 제3센서(366)는 진동실(342)에 구비되어 원료이송부(330)로부터 진동부(340)로의 원료 공급 여부를 제어하는 것으로, 마찬가지로 압력센서로 구성되어 진동실(342)의 내부 압력이 기설정된 값 이상으로 증가될 경우 스파이크 래티스(334)의 구동을 정지시킬 수 있도록 구성되어 있다.
한편, 상기 호퍼 피더(300)는 터치패널 형태를 갖는 제어부(미도시)를 더 포함하여 구성될 수도 있는데, 상기 제어부는 중량측정부(350)에 의해 측정된 원료의 중량을 실시간으로 표시함으로써 표시되는 원료의 중량에 따라 호퍼 피더(300)의 전체 구동속도를 조절할 수 있도록 구성되어 있다.
또한, 상기 제어부를 통해 스파이크 래티스(334)의 구동속도나 진동플레이트(344)의 진동속도를 설정하거나 조절할 수 있도록 구성되어 있다.
다음, 상기 카딩머신(400)은 호퍼 피더(300)로부터 공급되는 원료를 도 3에 나타낸 바와 같이, 여러 개의 각각 다른 침포의 롤러 사이를 통과시킴으로써 원료가 서로 결속되어 웹(web)을 형성하도록 소면하는 장치로, 얇은 빗질이 가능하도록 하여 원료의 파손을 최소화할 수 있도록 구성되어 있다.
다음, 상기 크로스래퍼(500)는 카딩머신(400)에 의해 형성된 웹 형상의 원료를 직교 방향으로 적층시킬 수 있도록 하는 장치로, 상기 카딩머신(400) 및 크로스래퍼(500)는 기존에 당업계에서 사용되고 있는 장치와 동일하므로 이에 대한 상세한 구성 설명은 생략하기로 한다.
다음, 상기 니들펀칭머신(600)은 카딩머신(400)에 의해 적층된 웹 형상의 원료를 니들(630)의 상,하 방향으로의 스트로크에 의해 상호 결합시킬 수 있도록 하는 역할을 하는 것으로, 도 5의 (a),(b)에 나타낸 바와 같이, 니들(630)의 구동을 위한 구동력을 제공하는 모터 등을 포함하는 구동장치(610)와, 상기 구동장치(610)의 회전력을 상,하 방향으로의 운동으로 전환시키는 푸쉬로드(620), 상기 푸쉬로드(620)의 단부에 설치되는 다수의 니들(630) 및 적층된 웹 형상의 원료가 내측으로 통과되도록 하고 상기 니들(630)의 설치위치와 대응되는 위치에 니들(630)이 관통하는 관통홀이 형성된 스트리퍼 플레이트(640)와 베드 플레이트(650)를 포함하여 이루어진다.
즉, 상기 니들펀칭머신(600)은 구동장치(610)의 회전력이 푸쉬로드(620)에 전달되어 니들(630)을 상,하 방향으로 구동시키고, 상기 니들(630)은 스트리퍼 플레이트(640)와 베드 플레이트(650) 사이를 통과하는 수평 방향으로 적층된 웹 형상의 원료를 수직 방향으로 서로 얽히게 함으로써 펠트 형상으로 제조할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명에서는 상기와 같은 니들펀칭머신(600) 4대를 직렬로 설치하여 총 4번의 펀칭작업을 수행할 수 있도록 구성하였는데, 4대의 니들펀칭머신(600a,600b,600c,600d) 중 일부는 도 5의 (a),(b)에 나타낸 바와 같이, 그 구조가 상,하 방향으로 반전되도록 구성되어 니들(630)의 펀칭 방향을 서로 다르게 할 수 있도록 구성하였다.
즉, 종래의 흑연전극용 펠트는 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이, 그 z축 심도가 약 60% 정도이므로 펠트의 관통저항이 커서 펠트의 z축 방향, 즉 폭방향으로 활물질이 통과하는 정도가 작아지게 되어 배터리의 에너지 저장 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있던 것임에 비해, 본 발명에서와 같이, 니들(630)의 펀칭 방향을 서로 다르게 하여 총 4회의 펀칭작업을 수행하는 경우 도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이, 펠트의 z축 방향 심도를 약 80% 까지 향상시킬 수 있으므로 배터리의 에너지 저장 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.
또한, 종래의 흑연전극용 펠트의 경우 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이, 상면과 하면에서의 평균 공극이 각각 667㎛와 409㎛ 인 것임에 비해, 본 발명에서와 같이 니들(630)의 펀칭 방향을 서로 다르게 하여 총 4회의 펀칭작업을 수행하는 경우 도 9의 (a)에 나타낸 바와 같이, 상면과 하면에서의 평균 공극이 각각 416㎛와 285㎛인 것으로 나타나 펠트에서의 반응이 일어날 수 있는 단면적이 증가되는 것을 확인할 수 있고, 결과적으로 배터리의 에너지 저장 효율을 종래의 펠트에 비해 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
다음, 상기 히터롤러(700)는 니들펀칭머신(600)의 후부에 설치되어 펀칭작업이 완료된 펠트에 열을 가하여 안정화시키는 역할을 하는 것이고, 상기 권취장치(800)는 후술할 열처리 장치(900)에 의한 열처리 작업 후 흑연화된 펠트를 권취시키는 역할을 하는 것으로, 기존의 당업계에서 사용되는 히터롤러 및 권취장치와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다음, 상기 열처리장치(900)는 히터롤러(700)에 의해 안정화된 상태의 펠트에 열을 가하여 약 60%의 탄소 함량을 갖는 탄화섬유가 약 100%의 탄소 함량을 갖는 흑연구조의 탄소섬유가 되도록 열처리하는 장치로, 1차적으로 약 700 ~ 1,000℃의 온도로 가열하여 탄화시키고, 2차적으로 약 1,500 ~ 2,000℃의 온도로 가열하여 흑연화시킴으로써 거의 100%의 탄소 함량을 갖는 펠트를 제조할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조방법(이하, '펠트 제조방법'이라 한다.)은 도 6에 나타낸 바와 같이, 크게 블렌딩 단계(S10), 오프닝 단계(S20), 호퍼링 단계(S30), 소면 및 웹 적층단계(S40), 펀칭단계(S50), 열융착단계(S60), 열처리단계(S70), 권취단계(S80)를 포함하여 이루어진다.
먼저, 상기 블렌딩 단계(S10)는 펠트의 원료가 되는 탄화섬유를 블렌딩 장치(100)에 투입하여 솜(다발) 형상으로 혼합시키는 단계에 관한 것으로, 원료를 블렌딩 장치(100)에 구비된 세 개의 투입구(110)에 나누어 투입시킴으로써 원료의 마찰에 의한 정전기 발생을 억제할 수 있게 되고, 균질한 혼섬을 위한 임펠러 및 에어 공급량을 보다 용이하게 제어할 수 있게 된다.
다음, 상기 오프닝 단계(S20)는 블렌딩 작업이 완료된 원료를 개면기(200)에 투입하여 얽혀 있는 솜 형상의 원료, 즉 탄화섬유를 풀어헤쳐 펼치는 단계에 관한 것으로 종래의 오프닝 단계와 동일하므로 세부적인 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.
다음, 상기 호퍼링 단계(S30)는 개면기(200)를 통해 공급되는 원료를 일정량으로 펼쳐 카딩머신(400)으로 공급하는 단계에 관한 것으로, 원료저장단계(S31), 원료이송단계(S32), 진동다짐단계(S33), 중량측정단계(S34) 및 속도조절단계(S35)를 포함하여 이루어진다.
보다 상세히 설명하면, 상기 원료저장단계(S31)는 오프닝(opening) 즉, 개면기(200)에 의해 풀어 헤쳐진 상태의 원료를 호퍼 피더(300)에 투입하여 원료저장부(310)에 저장하는 단계에 관한 것이고, 상기 원료이송단계(S32)는 호퍼 피더(300)의 원료공급부(320) 및 원료이송부(330)를 이용하여 원료저장부(310)에 저장된 원료를 진동부(340)의 진동실(342)로 이동시키는 단계에 관한 것이다.
즉, 전술한 바와 같이, 원료공급부(320)의 모터(322)에 의해 구동되는 한 쌍의 피드롤러(324)와 실린더롤(326)에 의해 원료저장부(310)에 저장된 원료를 원료이송부(330)의 하부컨베이어(332) 상으로 이동시키고, 상기 하부컨베이어(332)는 솜 형상으로 뭉쳐진 상태의 원료를 스파이크 래티스(334)로 공급하여 뭉쳐진 상태의 원료를 풀어진 상태로 진동실(342)로 공급하게 된다.
다음, 상기 진동다짐단계(S33)는 진동실(342)에 설치된 한 쌍의 진동플레이트(344)를 이용하여 풀어진 상태로 공급되는 원료에 진동에 의한 다짐작업을 수행하는 단계에 관한 것으로, 이와 같은 진동다짐작업에 의해 원료가 골고루 펼쳐지게 되어 카딩머신(400)에 원료가 고르게 펼쳐진 상태로 공급될 수 있게 되고, 그에 따라 제조되는 펠트의 두께 편차를 줄일 수 있게 된다.
다음, 상기 중량측정단계(S34)는 로드셀 등의 중량센서(354a)를 포함하는 중량측정부(350)에 의해 진동다짐작업 후 공급되는 원료의 중량을 실시간으로 측정하는 단계에 관한 것으로, 전술한 바와 같이 이와 같은 중량 측정에 의해 호퍼 피더(300)의 구동속도를 조절할 수 있게 되고, 그에 따라 호퍼 피더(300)로부터 카딩머신(400)으로 공급되는 원료의 양을 항상 일정하게 유지할 수 있게 된다.
다음, 상기 속도조절단계(S35)는 중량측정단계(S34)에서 측정된 원료의 실시간 중량에 따라 원료이송단계(S32)에서 원료를 이동시키는 속도를 조절하는 단계에 관한 것으로, 실시간으로 측정된 중량값이 기설정된 세팅값 보다 작은 경우 호퍼 피더(300) 내부에서 원료를 이동시키는 속도를 보다 빠르게 하고, 측정된 중량값이 기설정된 세팅값 보다 큰 경우에는 원료를 이동시키는 속도를 보다 느리게 조절하여 항상 일정량의 원료를 카딩머신(400)에 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
이때, 전술한 바와 같이, 원료저장부(310), 원료이송부(330) 및 진동부(340)에 각각 구비된 제1 내지 제3센서(362,364,366)에 의해 측정되는 값을 이용하여 개면기(200)로부터 원료저장부(310)로의 원료 공급 여부, 원료공급부(320)로부터 원료이송부(330)로의 원료 공급 여부 및 원료이송부(330)로부터 진동부(340)로의 원료 공급 여부를 개별적으로 조절할 수도 있음은 물론이다.
다음, 상기 소면 및 웹 적층단계(S40)는 호퍼 피더(300)에 의해 일정한 양으로 고르게 펼쳐진 상태로 공급되는 원료를 카딩머신(400)을 이용하여 원료가 서로 결속되어 웹(web)을 형성하도록 소면한 후, 카딩머신(400)에 의해 형성된 웹 형상의 원료를 크로스래퍼(500)를 이용하여 직교 방향으로 적층시키는 단계에 관한 것으로, 호퍼 피더(300)에 의해 일정한 양의 원료가 고르게 펼쳐진 상태로 카딩머신(400)에 공급되므로 종래에 비해 균일한 두께를 갖는 펠트를 제조할 수 있게 된다.
다음, 상기 펀칭단계(S50)는 크로스래퍼(500)에 의해 소정의 두께로 적층된 상태의 원료를 니들펀칭머신(600)에 구비된 니들(630)을 이용하여 상,하 방향으로 펀칭함으로써 스트리퍼 플레이트(640)와 베드 플레이트(650) 사이에 적층된 상태로 공급되는 웹 형상의 원료를 수직 방향으로 서로 얽히게 하여 펠트 형상으로 제조하는 단계에 관한 것이다.
이때, 상기 펀칭단계(S50)는 제1 내지 제4펀칭단계(S51,S52,S53,S54)를 포함하여 이루어지는데, 상기 제1 내지 제4펀칭단계(S51,S52,S53,S54)는 원료의 상부로부터의 펀칭작업과, 원료의 하부로부터의 펀칭작업이 적어도 1회 이상 포함된다.
즉, 전술한 바와 같이, 상기 니들펀칭머신(600)은 총 4대가 직렬로 배치되어 제1 내지 제4펀칭단계(S51,S52,S53,S54)가 순차적으로 진행될 수 있도록 구성되어 있는데, 4대의 니들펀칭머신(600a,600b,600c,600d) 중 일부는 니들(630)이 적층된 상태의 원료 하부로부터 상부 방향으로 펀칭할 수 있도록 구성되고, 나머지는 니들(630)이 적층된 상태의 원료 상부로부터 하부 방향으로 펀칭할 수 있도록 구성되어 펀칭 작업에 의해 생성되는 펠트의 z축 심도를 향상시킴과 동시에 펠트의 상부 및 하부 표면에서의 공극 직경이 보다 작아질 수 있도록 할 수 있는 것이다.
또한, 상기와 같은 4회에 걸친 펀칭작업에 의해 생성되는 펠트의 두께가 종래에 비해 보다 균일해질 수 있는데, 펠트의 두께 편차가 작아질 경우 흑연전극의 밀도가 보다 균일해지므로 흑연전극의 성능이 보다 향상될 수 있게 된다.
즉, 종래의 흑연전극용 펠트는 일반적으로 두께 편차가 약 20% 정도의 변동 범위를 보임에 비해, 본 발명에 의해 제조된 펠트는 도 8에 나타낸 바와 같이 두께 편차가 5% 미만이 되므로 종래에 비해 개선된 성능을 보일 수 있는 것이다.
다음, 상기 열융착단계(S60)는 히터롤러(700)를 이용하여 펀칭단계(S50) 완료 후에 공급되는 펠트에 열을 가함으로써 펠트를 구성하는 원료들을 열융착시킴으로써 안정화시킴과 동시에 펠트의 표면이 균일해지도록 하는 단계에 관한 것으로, 기존 방법과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다음, 상기 열처리단계(S70)는 열처리장치(900)를 이용하여 약 60%의 탄소 함량을 갖는 탄화섬유(Oxi-PAN)로 제조된 펠트를 열처리 하여 약 100%의 탄소 함량을 갖는 흑연구조의 탄소섬유가 되도록 하는 단계에 관한 것으로, 제1열처리단계(S82)와 제2열처리단계(S84)를 포함하여 이루어진다.
보다 상세히 설명하면, 상기 제1열처리단계(S72)는 탄화(carbonization) 단계로, 열융착단계(S60)에서 안정화된 펠트를 약 700 ~ 1,000℃의 온도로 가열하여 탄화시키는데, 제1열처리단계(S72)가 완료된 펠트는 약 90%의 탄소 함량을 갖게 된다.
다음, 상기 제2열처리단계(S74)는 흑연화(graphitization) 단계로, 제1열처리단계(S72)가 완료된 펠트를 약 1,500℃의 이상의 고온으로 가열하면, 흑연상의 결정이 성장하면서 질소 원자가 분해 방출되어 흑연 구조의 약 100%의 탄소 함량을 갖는 탄소섬유 펠트를 제조할 수 있게 된다.
상기 권취단계(S80)는 열처리단계(S70) 이후에 펠트를 권취장치(800)에 권취시킴으로써 펠트 제조를 완료하는 단계에 관한 것이다.
따라서, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템 및 방법에 의하면, 호퍼 피더(300)에서의 중량 측정에 의해 공급되는 탄화섬유의 양을 제어하고, 진동다짐 작업을 통해 제조되는 흑연전극의 밀도를 균일하게 함과 동시에 두께 편차를 줄일 수 있도록 하여 전극의 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 네 차례에 걸친 웹 상태의 탄화섬유의 상부와 하부로부터의 펀칭작업에 의해 바나듐 레독스 플로우 배터리(VRFB)의 흑연전극으로 사용되는 탄화섬유 펠트의 z축 심도를 향상시킴과 동시에 공극의 크기를 줄여 반응이 일어날 수 있는 단면적을 증가시킬 수 있도록 함으로써 배터리의 에너지 저장 효율을 향상시킬 수 있는 등의 다양한 장점을 갖는 것이다.
전술한 실시예들은 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.
본 발명은 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2차 전지의 일종인 바나듐 레독스 플로우 배터리(VRFB)의 흑연전극으로 사용되는 탄화섬유 펠트의 z축 심도를 향상시킬 수 있도록 함과 동시에 두께 편차를 줄일 수 있도록 하여 전극의 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템 및 방법에 관한 것이다.
10 : (탄화섬유) 펠트 제조 시스템 100 : 블렌딩 장치
150 : 혼합탱크 200 : 개면기
300 : 호퍼 피더 310 : 원료저장부
320 : 원료공급부 322 : 모터
324 : 피드롤러 326 : 실린더롤
330 : 원료이송부 332 : 하부컨베이어
334 : 스파이크 래티스 336 : 스트리퍼롤
338 : 정류롤 340 : 진동부
342 : 진동실 344 : 진동플레이트
346 : 딜리버리롤러 350 : 중량측정부
352 : 측정컨베이어벨트 354 : 측정플레이트
354a : 중량센서 356 : 피드컨베이어
360 : 센서부 362 : 제1센서
364 : 제2센서 366 : 제3센서
400 : 카딩머신 500 : 크로스래퍼
600 : 니들펀칭머신 610 : 구동장치
620 : 푸쉬로드 630 : 니들
640 : 스트리퍼 플레이트 650 : 베드 플레이트
700 : 히터롤러 800 : 권취장치
900 : 열처리장치 S10 : 블렌딩 단계
S20 : 오프닝 단계 S30 : 호퍼링 단계
S31 : 원료저장단계 S32 : 원료이송단계
S33 : 진동다짐단계 S34 : 중량측정단계
S35 : 속도조절단계 S40 : 소면 및 웹 적층단계
S50 : 펀칭단계 S51 : 제1펀칭단계
S52 : 제2펀칭단계 S53 : 제3펀칭단계
S54 : 제4펀칭단계 S60 : 열융착단계
S70 : 열처리단계 S72 : 제1열처리단계
S74 : 제2열처리단계 S80 : 권취단계

Claims (11)

  1. 블렌딩 장치, 개면기(opener), 호퍼 피더, 카딩머신, 크로스래퍼, 니들펀칭머신 및 열처리장치를 포함하여 이루어지는 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템에 있어서,
    상기 호퍼 피더는 개면기에 의해 오프닝된 탄화섬유를 수용하여 저장하는 메쉬망 형태의 원료저장부와,
    상기 원료저장부에 저장된 원료를 공급하는 원료공급부와,
    상기 원료공급부를 통해 공급되는 원료를 진동실로 이송시키는 원료이송부와,
    상기 원료이송부를 통해 이송되는 원료를 진동을 이용하여 다짐 작업하는 진동부와,
    상기 진동부로부터 공급되는 원료의 중량을 측정하는 중량측정부 및
    원료의 공급을 자동으로 제어하기 위한 센서부를 포함하여 구성되되,
    상기 센서부는 원료저장부의 내부 압력을 측정하는 압력센서로 구성되어 개면기로부터 원료저장부로의 탄화섬유의 공급 여부를 제어하는 제1센서와, 원료이송부에 구비되는 압력센서 또는 중량센서로 구성되어 원료공급부로부터의 원료 공급 여부를 제어하는 제2센서 및 진동부에 구비되는 압력센서로 구성되어 원료이송부로부터 진동부로의 원료 공급 여부를 제어하는 제3센서로 구성되고,
    상기 니들펀칭머신은 총 4대가 직렬로 설치되되, 그 중 일부는 상,하 방향으로 반전된 구조로 이루어져 웹 상태의 원료를 상부와 하부로부터 각각 1회 이상씩 펀칭작업을 수행할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 원료저장부는 일측에 개면기로부터 공급되는 탄화섬유가 투입되는 입구부가 형성되고, 상기 입구부의 타측에는 스테인레스 판재가 부착된 것을 특징으로 하는 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 원료공급부는 모터의 구동에 의해 원료저장부에 저장된 원료를 원료이송부로 공급하는 피드롤러 및 실린더롤을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 원료이송부는 원료공급부로부터 공급되는 원료를 이송시키는 하부컨베이어와, 상기 하부컨베이어의 단부에 연결 설치되는 스파이크 래티스와, 상기 스파이크 래티스의 단부에 설치되어 원료를 진동부로 공급하는 스트리퍼롤 및 상기 스파이크 래티스의 단부에 설치되어 진동부로 공급되는 원료의 양을 조절하는 정류롤을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 진동부는 원료이송부를 통해 이송되는 원료가 투입되는 진동실과, 상기 진동실 내부에 설치되어 투입된 원료의 진동 다짐 작업을 수행하는 진동플레이트 및 진동 다짐 작업이 완료된 원료를 중량측정부로 이송시키는 딜리버리롤러를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 중량측정부는 진동부를 통해 이송되는 원료를 전달하는 측정컨베이어벨트와, 상기 측정컨베이어벨트로부터 전달되는 원료의 중량을 실시간으로 측정하는 측정플레이트 및 중량 측정이 완료된 원료를 카딩머신으로 공급하는 피드컨베이어를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조 시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 블렌딩 단계, 오프닝 단계, 호퍼링 단계, 소면 및 웹 적층단계, 펀칭단계 및 열처리단계를 포함하여 구성되는 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조방법에 있어서,
    상기 호퍼링단계는 오프닝된 탄화섬유를 메쉬망 형태로 이루어진 호퍼 피더의 원료저장부에 저장하는 원료저장단계와,
    원료저장부에 저장된 원료를 원료공급부 및 원료이송부를 이용하여 진동실로 이동시키는 원료이송단계와,
    진동플레이트를 이용하여 이송된 원료에 대한 진동 다짐작업을 수행하는 진동다짐단계와,
    진동다짐작업이 완료된 원료의 중량을 측정하는 중량측정단계 및
    중량측정단계에서 측정된 중량에 따라 원료이송단계에서의 원료 이동속도를 조절하는 속도조절단계를 포함하여 구성되고,
    상기 펀칭단계에서는 직렬로 설치된 4대의 니들펀칭머신을 이용하여 웹 상태의 원료를 상부와 하부로부터 각각 1회 이상씩 총 4번의 펀칭작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 흑연전극용 탄화섬유 펠트 제조방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102636199B1 (ko) * 2023-11-30 2024-02-13 문정우 재생탄소섬유 부직포 제조시스템에 특화된 카드기

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09227288A (ja) * 1996-02-27 1997-09-02 Shin Etsu Handotai Co Ltd 単結晶引上装置
KR100299747B1 (ko) * 1999-04-02 2001-09-22 강신중 정전기 제거용 펠트 및 그 제조방법과 장치
US20020026688A1 (en) * 2000-09-02 2002-03-07 Bernhard Rubenach Fiber material feeder having a spiked lattice
KR101145714B1 (ko) 2010-04-09 2012-05-14 전자부품연구원 표면 처리된 카본 펠트 전극을 가지는 레독스 플로우 이차 전지
KR101294825B1 (ko) * 2010-05-20 2013-08-08 주식회사 제이앤티지 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층용 탄소기재의 제조방법과 그에 의하여 형성된 탄소기재 및 이의 제조에 사용되는 시스템

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09227288A (ja) * 1996-02-27 1997-09-02 Shin Etsu Handotai Co Ltd 単結晶引上装置
KR100299747B1 (ko) * 1999-04-02 2001-09-22 강신중 정전기 제거용 펠트 및 그 제조방법과 장치
US20020026688A1 (en) * 2000-09-02 2002-03-07 Bernhard Rubenach Fiber material feeder having a spiked lattice
KR101145714B1 (ko) 2010-04-09 2012-05-14 전자부품연구원 표면 처리된 카본 펠트 전극을 가지는 레독스 플로우 이차 전지
KR101294825B1 (ko) * 2010-05-20 2013-08-08 주식회사 제이앤티지 고분자 전해질형 연료전지의 기체확산층용 탄소기재의 제조방법과 그에 의하여 형성된 탄소기재 및 이의 제조에 사용되는 시스템

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102636199B1 (ko) * 2023-11-30 2024-02-13 문정우 재생탄소섬유 부직포 제조시스템에 특화된 카드기

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