KR102532728B1 - 레독스 흐름전지용 분리판 및 그 제조 방법과, 이를 갖는 레독스 흐름전지용 스택 - Google Patents

레독스 흐름전지용 분리판 및 그 제조 방법과, 이를 갖는 레독스 흐름전지용 스택 Download PDF

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Abstract

분리판과 플로우프레임 간의 접합력을 향상시킬 수 있는 레독스 흐름전지용 분리판 및 그 제조 방법과, 이를 갖는 레독스 흐름전지용 스택에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 레독스 흐름전지용 분리판은 플로우프레임을 관통하는 개구와 대응되는 위치에 배치되는 중앙부와, 상기 플로우프레임과 접합되는 접합 영역과 대응되는 위치에 배치되는 가장자리부를 포함하며, 상기 중앙부 및 가장자리부 각각은 전도성 분말 및 베이스 수지를 포함하되, 상기 중앙부가 가장자리부에 비하여 전도성 분말이 더 많이 첨가된 것을 특징으로 한다.

Description

레독스 흐름전지용 분리판 및 그 제조 방법과, 이를 갖는 레독스 흐름전지용 스택{BIPOLAR PLATE FOR REDOX FLOW BATTERY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME AND STACK FOR REDOX FLOW BATTERY INCLUDING THE SAME}
본 발명은 레독스 흐름전지용 분리판 및 그 제조 방법과, 이를 갖는 레독스 흐름전지용 스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분리판과 플로우프레임 간의 접합력을 향상시킬 수 있는 레독스 흐름전지용 분리판 및 그 제조 방법과, 이를 갖는 레독스 흐름전지용 스택에 관한 것이다.
레독스 흐름전지는 전해액에 전기에너지를 저장하는 원리를 이용한 이차 전지로, 다른 이차전지에 비하여 대용량화가 용이하고, 가격이 저렴하며 안전한 시스템이기 때문에 에너지 저장 시스템(Energy Storage System : ESS)에 적용되고 있다. 이러한 레독스 흐름전지는 주요 부품으로 분리판, 플로우프레임, 전극 및 이온전도성 멤브레인을 포함한다.
이때, 분리판은 전극, 즉 양극과 음극에 전자를 전달해 주는 역할과 함께 양극 전해액(V4+, V5+)과 음극 전해액(V2+, V3+)이 섞이지 않도록 분리시키는 역할을 한다. 이를 위해, 분리판은 플로우프레임에 부착하여 사용하고 있으며, 분리판과 플로우프레임 사이에 빈틈이 없어야 전해액이 외부로 누출되지 않는다.
이러한 분리판은 전도성을 부여하기 위해, 흑연 분말과 베이스 수지를 혼합하여 제작하고, 플로우프레임은 내산성이 우수한 베이스 수지 단일재료로 제작하였다. 이때, 분리판의 베이스 수지와 플로우프레임의 베이스 수지의 종류가 다를 경우에는 분리판과 플로우프레임 두 부품 간의 접착력이 좋지 않아 틈새가 발생하는 문제가 있었다. 이 경우, 분리판과 플로우프레임 간의 틈새를 통해 전해액이 누출될 경우 안전 문제와 함께 전지 성능이 저하되는 문제가 있었다.
최근에는, 이러한 문제를 해결하기 위해 분리판의 베이스 수지와 플로우프레임의 베이스 수지 상호 간을 동일한 수지를 적용하여 제작한 후, 분리판과 플로우프레임 두 부품을 핫 프레스로 가열 압착하여 수지를 용융시켜 일체화시킴으로써 전해액이 누출되는 문제를 개선하였다.
그러나, 이러한 방법을 통해 분리판과 플로우프레임을 접착할 경우에는 분리판과 플로우프레임 간의 접합력 확보로 전해액이 누출되는 문제를 개선할 수는 있으나, 전기전도성을 향상시키기 위해 흑연의 함량이 높고 베이스 수지의 함량이 낮아 플로우프레임과의 접합에 충분한 양이 아니다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-2015-0009135호(2015.01.26. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 분리판 결합체 및 분리판 탭을 포함하는 레독스 흐름전지용 스택이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 분리판과 플로우프레임 간의 접합력을 향상시킬 수 있는 레독스 흐름전지용 분리판 및 그 제조 방법과, 이를 갖는 레독스 흐름전지용 스택을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 분리판은 플로우프레임을 관통하는 개구와 대응되는 위치에 배치되는 중앙부와, 상기 플로우프레임과 접합되는 접합 영역과 대응되는 위치에 배치되는 가장자리부를 포함하며, 상기 중앙부 및 가장자리부 각각은 전도성 필러 및 베이스 수지를 포함하되, 상기 중앙부가 가장자리부에 비하여 전도성 필러가 더 많이 첨가된 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 스택은 복수의 분리판; 상기 복수의 분리판이 안착되며, 중앙 부분을 관통하는 개구를 갖는 복수의 플로우프레임; 상기 복수의 플로우프레임의 개구에 삽입된 복수의 전극; 및 상기 복수의 전극이 삽입된 플로우프레임 사이에 배치된 이온전도성 멤브레인;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 분리판 제조 방법은 (a) 금형의 중앙부에 전도성 필러 및 베이스 수지를 혼합시킨 제1 전도성 수지 혼합물을 주입하는 단계; (b) 상기 금형의 가장자리부에 전도성 필러 및 베이스 수지를 혼합시킨 제2 전도성 수지 혼합물을 주입하는 단계; 및 (c) 상기 금형에 주입된 제1 및 제2 전도성 수지 혼합물을 핫 프레스로 가열 압착하여 분리판을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 레독스 흐름전지용 분리판 및 그 제조 방법과, 이를 갖는 레독스 흐름전지용 스택은 플로우프레임과 물리적으로 접합되는 분리판의 가장자리부와 플로우프레임과 물리적으로 접합되지 않는 중앙부 각각을 전도성 필러 및 베이스 수지를 포함하되, 중앙부가 가장자리부에 비하여 전도성 필러가 더 많이 첨가되도록 조성을 이원화하여 설계함으로써, 플로우프레임과의 접합력을 향상시킬 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명에 따른 레독스 흐름전지용 분리판 및 그 제조 방법과, 이를 갖는 레독스 흐름전지용 스택은 중앙부는 고전도성을 유지할 수 있으면서, 플로우프레임과 물리적으로 접합되는 가장자리부에 대해서만 베이스 수지가 다량 첨가되므로 플로우프레임과의 접합시 우수한 접합력을 나타낼 수 있으므로, 장시간 구동에도 전해액의 누출 없이 안전하게 사용하는 것이 가능해질 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 스택을 나타낸 결합 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 스택의 단위 셀을 나타낸 분해 사시도.
도 3은 도 1의 플로우프레임을 확대하여 나타낸 사시도.
도 4는 도 1의 플로우프레임 및 분리판을 확대하여 나타낸 분해 사시도.
도 5는 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도.
도 6은 도 1의 B 부분을 확대하여 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 분리판 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 8 및 도 9는 분리판과 플로우프레임의 접합력 측정 과정을 설명하기 위한 모식도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 분리판 및 그 제조 방법과, 이를 갖는 레독스 흐름전지용 스택에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 스택을 나타낸 결합 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 스택의 단위 셀을 나타낸 분해 사시도이다. 또한, 도 3은 도 1의 플로우프레임을 확대하여 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 1의 플로우프레임 및 분리판을 확대하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 스택(100)은 분리판(110), 플로우프레임(120), 전극(130) 및 이온전도성 멤브레인(140)을 포함한다.
분리판(110)은 전극(130), 즉 양극(132)과 음극(134)에 전자를 전달해 주는 역할과 함께 양극 전해액(V4+, V5+)과 음극 전해액(V2+, V3+)이 섞이지 않도록 분리시키는 역할을 한다. 이를 위해, 분리판(110)은 전극(130)과 동일한 수로 장착될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
플로우프레임(120)은 복수의 분리판(110)이 안착되며, 중앙 부분을 관통하는 개구(121)를 갖는다. 즉, 복수의 플로우프레임(120) 각각은 내부 중앙 부분을 관통하는 개구(121)를 갖는 프레임 본체(122)와, 프레임 본체(122)의 개구(121) 가장자리에 배치되어, 분리판(110)을 안착시키기 위한 단턱(124)을 갖는다. 이때, 플로우프레임(120)은 내부 중앙 부분을 관통하는 개구(121)에 의해 사각 프레임 구조를 가지며, 단턱(124)에는 분리판(110)이 안착되게 된다.
이때, 복수의 플로우프레임(120)은 이웃한 플로우프레임(120)들 상호 간이 대칭 구조로 설계될 수 있다. 또한, 플로우프레임(120)은 프레임 본체(122)의 일측 가장자리에 배치된 전해액 유입구(126)와, 프레임 본체(122)의 타측 가장자리에 배치된 전해액 배출구(128)를 갖는다. 도면으로 상세히 나타내지는 않았지만, 플로우프레임(120)은 프레임 몸체(122)에 설계 가공되어, 전해액 유입구(126)로부터 유입되는 전해액이 유동하기 위한 유로(미도시)를 구비할 수 있다.
전극(130)은 복수개가 플로우프레임(120)의 내부에 삽입된다. 이때, 복수의 전극(130)은 양극(132)과 음극(134)을 포함할 수 있다. 이러한 전극(130)은 탄소 섬유(carbon fiber), 탄소 펠트(carbon felt), 흑연 섬유(graphite fiber), 흑연 펠트(graphite felt) 등의 카본계 물질로 구성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이온전도성 멤브레인(140)은 복수의 전극(130)이 삽입된 플로우프레임(120) 사이에 개재된다. 이러한 이온전도성 멤브레인(140)은 전해액이 누수되는 것을 방지하기 위해 플로우프레임(120) 사이에 부착된다.
한편, 도 5는 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도이고, 도 6은 도 1의 B 부분을 확대하여 나타낸 단면도로, 도 1 및 도 4와 연계하여 설명하도록 한다.
도 1, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 분리판(110)은 플로우프레임(120)을 관통하는 개구(121)와 대응되는 위치에 배치되는 중앙부와, 플로우프레임(120)과 접합되는 접합 영역과 대응되는 위치에 배치되는 가장자리부를 포함한다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 분리판(110)의 중앙부는 플로우프레임(120)의 개구(121)와 대응되는 액티브 영역(active area)에 해당하며, 분리판(110)의 가장자리부는 플로우프레임(120)과 접합되는 접합 영역, 즉 플로우프레임(120)의 단턱(124)과 대응되는 비액티브 영역(non-active area)에 해당한다. 따라서, 본 발명에서, 분리판(110)의 중앙부는 정 가운데를 의미하는 것은 아니며, 분리판(110)의 가장자리부를 제외한 분리판(110)의 내측 중앙 부분 전체를 의미한다.
이때, 중앙부 및 가장자리부 각각은 전도성 필러(112) 및 베이스 수지(114)를 포함하되, 중앙부가 가장자리부에 비하여 전도성 필러(112)가 더 많이 첨가된다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 분리판(110)은 플로우프레임(120)과의 접합력 향상을 위해 플로우프레임(120)과 물리적으로 접합되는 분리판(110)의 가장자리부와 플로우프레임(120)과 물리적으로 접합되지 않는 중앙부의 조성을 이원화하여 설계하였다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 분리판(110)은 고전도성이 요구되는 분리판(110)의 중앙부는 전도성 필러(112) 70 ~ 90wt% 및 베이스 수지(114) 10 ~ 30wt%로 조성되고, 플로우프레임(120)과 물리적으로 접합되는 분리판(110)의 가장자리부는 전도성 필러(112) 30 ~ 60wt% 및 베이스 수지(114) 40 ~ 70wt%로 조성된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 분리판(110)은 중앙부는 고전도성을 유지할 수 있으면서, 플로우프레임(120)과 물리적으로 접합되는 가장자리부에 대해서만 베이스 수지(114)가 다량 첨가되므로 플로우프레임(120)과의 접합시 우수한 접합력을 나타낼 수 있으므로, 장시간 구동에도 전해액의 누출 없이 안전하게 사용하는 것이 가능해질 수 있다.
이때, 분리판(110) 중앙부의 전도성 필러(112)가 70wt% 미만으로 첨가될 경우에는 고전도성을 확보하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 분리판(110) 중앙부의 전도성 필러(112)가 90wt%를 초과할 경우에는 성형성이 저하되는 문제가 있다.
전도성 필러(112)는 전기 전도성을 향상시키기 위해 첨가된다. 이를 위해, 전도성 필러(112)로는 흑연분말(graphite powder), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그라핀(graphene), 카본블랙(carbon black) 및 카본분말(carbon powder) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
베이스 수지(114)로는 내산성이 우수한 열가소성 수지가 이용될 수 있다. 구체적으로, 베이스 수지(114)로는 폴리프로필렌(polypropylene : PP), 폴리에틸렌(polyethylene : PE), 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene : PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride : PVDF), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride : PVC) 및 폴리스티렌(polystyrene : PS) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
여기서, 플로우프레임(120)은 95 ~ 99.5wt%의 베이스 수지 및 0.5 ~ 5.0wt%의 무기 충전제를 포함한다.
이때, 플로우프레임(120)의 베이스 수지는 분리판(110)의 베이스 수지(114)와 동일한 수지를 이용하는 것이 바람직한데, 이는 분리판(110)과 플로우프레임(120) 상호 간을 서로 상이한 수지를 이용할 경우에는 두 부품 간의 접착력이 좋지 않아 틈새가 발생하는 문제를 유발할 수 있기 때문이다.
따라서, 플로우프레임(120)의 베이스 수지로는, 분리판(110)의 베이스 수지(114)와 마찬가지로, 폴리프로필렌(polypropylene : PP), 폴리에틸렌(polyethylene : PE), 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene : PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride : PVDF), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride : PVC) 및 폴리스티렌(polystyrene : PS) 중 선택된 1종 이상을 이용하는 것이 바람직하다.
무기 충전제는 플로우프레임(120)의 성형성을 향상시키기 위해 첨가된다. 이러한 무기 충전제로는 탄산칼슘, 황산바륨, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 알루미늄실리케이트, 탈크, 규조토, 마그네슘실리케이트 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다. 무기 충전제의 첨가량이 플로우프레임(120) 전체 중량의 0.5wt% 미만일 경우에는 무기 충전제 첨가 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 무기 충전제의 첨가량이 플로우프레임(120) 전체 중량의 5.0wt%를 초과할 경우에는 상대적으로 베이스 수지의 첨가량이 감소하여 내산성이 저하되는 문제를 야기할 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 분리판은 플로우프레임과 물리적으로 접합되는 분리판의 가장자리부와 플로우프레임과 물리적으로 접합되지 않는 중앙부 각각을 전도성 필러 및 베이스 수지를 포함하되, 중앙부가 가장자리부에 비하여 전도성 필러가 더 많이 첨가되도록 조성을 이원화하여 설계함으로써, 플로우프레임과의 접합력을 향상시킬 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 분리판은 중앙부는 고전도성을 유지할 수 있으면서, 플로우프레임과 물리적으로 접합되는 가장자리부에 대해서만 베이스 수지가 다량 첨가되므로 플로우프레임과의 접합시 우수한 접합력을 나타낼 수 있으므로, 장시간 구동에도 전해액의 누출 없이 안전하게 사용하는 것이 가능해질 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 분리판 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 분리판 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 분리판 제조 방법은 제1 전도성 수지 혼합물 주입 단계(S210), 제2 전도성 수지 혼합물 주입 단계(S220) 및 핫 프레스 단계(S230)를 포함한다.
제1 전도성 수지 혼합물 주입
제1 전도성 수지 혼합물 주입 단계(S210)에서는 금형의 중앙부에 전도성 필러 및 베이스 수지를 혼합시킨 제1 전도성 수지 혼합물을 주입한다.
여기서, 금형의 중앙부는 플로우프레임을 관통하는 개구와 대응되는 면적으로 설계되는 것이 바람직하다.
여기서, 제1 전도성 수지 혼합물은 전도성 필러 70 ~ 90wt% 및 베이스 수지 10 ~ 30wt%로 조성된다.
이때, 제1 전도성 수지 혼합물의 전도성 필러가 70wt% 미만으로 첨가될 경우에는 고전도성을 확보하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 제1 전도성 수지 혼합물의 전도성 필러가 90wt%를 초과할 경우에는 성형성이 저하되는 문제가 있다.
전도성 필러는 전기 전도성을 향상시키기 위해 첨가된다. 이를 위해, 전도성 필러로는 흑연분말(graphite powder), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그라핀(graphene), 카본블랙(carbon black) 및 카본분말(carbon powder) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
제1 전도성 수지 혼합물의 베이스 수지로는 내산성이 우수한 열가소성 수지가 이용될 수 있다. 구체적으로, 제1 전도성 수지 혼합물의 베이스 수지로는 폴리프로필렌(polypropylene : PP), 폴리에틸렌(polyethylene : PE), 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene : PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride : PVDF), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride : PVC) 및 폴리스티렌(polystyrene : PS) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
제2 전도성 수지 혼합물 주입
제2 전도성 수지 혼합물 주입 단계(S220)에서는 금형의 가장자리부에 전도성 필러 및 베이스 수지를 혼합시킨 제2 전도성 수지 혼합물을 주입한다.
여기서, 금형의 가장자리부는 플로우프레임과 접합되는 접합 영역과 대응되는 면적으로 설계되는 것이 바람직하다.
이때, 제2 전도성 수지 혼합물은 전도성 필러 30 ~ 60wt% 및 베이스 수지 40 ~ 70wt%로 조성된다.
제2 전도성 수지 혼합물의 전도성 필러로는, 제1 전도성 수지 혼합물의 전도성 필러와 마찬가지로, 흑연분말(graphite powder), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그라핀(graphene), 카본블랙(carbon black) 및 카본분말(carbon powder) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
또한, 제2 전도성 수지 혼합물의 베이스 수지로는, 제1 전도성 수지 혼합물의 베이스 수지와 마찬가지로, 내산성이 우수한 열가소성 수지가 이용될 수 있다. 구체적으로, 제2 전도성 수지 혼합물의 베이스 수지로는 폴리프로필렌(polypropylene : PP), 폴리에틸렌(polyethylene : PE), 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene : PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride : PVDF), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride : PVC) 및 폴리스티렌(polystyrene : PS) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 고전도성이 요구되는 금형의 중앙부는 전도성 필러 70 ~ 90wt% 및 베이스 수지 10 ~ 30wt%로 조성되고, 플로우프레임과 물리적으로 접합되는 금형의 가장자리부는 전도성 필러 30 ~ 60wt% 및 베이스 수지 40 ~ 70wt%로 조성된다.
핫 프레스
핫 프레스 단계(S230)에서는 금형에 주입된 제1 및 제2 전도성 수지 혼합물을 핫 프레스로 가열 압착하여 분리판을 형성한다.
본 단계에서, 핫 프레스는 150 ~ 220℃ 및 10 ~ 30MPa의 조건에서 10 ~ 30분 동안 실시하는 것이 바람직하다.
핫 프레스 온도가 150℃ 미만이거나, 핫 프레스 시간이 10분 미만일 경우에는 충분한 경화가 이루어지지 않을 우려가 크다. 반대로, 핫 프레스 온도가 220℃를 초과하거나, 핫 프레스 시간이 30분을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
또한, 핫 프레스 압력이 10MPa 미만일 경우에는 충분한 압력이 인가되지 못하여 굴곡강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 핫 프레스 압력이 30MPa을 초과할 경우에는 과도한 압력으로 인해 분리판에 크랙 등의 손상이 가해질 우려가 있다.
이러한 핫 프레스에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 레독스 흐름전지용 분리판은 플로우프레임과의 접합력 향상을 위해 플로우프레임과 물리적으로 접합되는 분리판의 가장자리부와 플로우프레임과 물리적으로 접합되지 않는 중앙부의 조성이 서로 다르게 설계된다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 레독스 흐름전지용 분리판은 고전도성이 요구되는 분리판의 중앙부는 전도성 필러 70 ~ 90wt% 및 베이스 수지 10 ~ 30wt%로 조성되고, 플로우프레임과 물리적으로 접합되는 분리판의 가장자리부는 전도성 필러 30 ~ 60wt% 및 베이스 수지 40 ~ 70wt%로 조성된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 레독스 흐름전지용 분리판은 중앙부는 고전도성을 유지할 수 있으면서, 플로우프레임과 물리적으로 접합되는 가장자리부에 대해서만 베이스 수지가 다량 첨가되므로 플로우프레임과의 접합시 우수한 접합력을 나타낼 수 있으므로, 장시간 구동에도 전해액의 누출 없이 안전하게 사용하는 것이 가능해질 수 있다.
상기의 과정(S210 ~ S230)에 의해 제조되는 레독스 흐름전지용 분리판은 플로우프레임과 물리적으로 접합되는 분리판의 가장자리부와 플로우프레임과 물리적으로 접합되지 않는 중앙부 각각을 전도성 필러 및 베이스 수지를 포함하되, 중앙부가 가장자리부에 비하여 전도성 필러가 더 많이 첨가되도록 조성을 이원화하여 설계함으로써, 플로우프레임과의 접합력을 향상시킬 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 레독스 흐름전지용 분리판은 중앙부는 고전도성을 유지할 수 있으면서, 플로우프레임과 물리적으로 접합되는 가장자리부에 대해서만 베이스 수지가 다량 첨가되므로 플로우프레임과의 접합시 우수한 접합력을 나타낼 수 있으므로, 장시간 구동에도 전해액의 누출 없이 안전하게 사용하는 것이 가능해질 수 있는 효과가 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 분리판 제조
실시예 1
금형의 중앙부에 흑연 분말 84wt% 및 PVC(polyvinyl chloride) 수지 16wt%를 혼합시킨 제1 전도성 수지 혼합물을 주입하였다.
다음으로, 금형의 가장자리부에 흑연 분말 50wt% 및 PVC 수지 50wt%를 혼합시킨 제2 전도성 수지 혼합물을 주입하였다.
다음으로, 금형에 주입된 제1 및 제2 전도성 수지 혼합물을 160℃ 및 20MPa의 압력 조건으로 20분 동안 핫 프레스로 가열 압착하여 분리판을 제조하였다.
실시예 2
제1 전도성 수지 혼합물로 흑연 분말 80wt% 및 PVC 수지 20wt%를 혼합시킨 것을 이용하고, 제2 전도성 수지 혼합물로 흑연 분말 30wt% 및 PVC 수지 70wt%를 혼합시킨 것을 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 분리판을 제조하였다.
실시예 3
180℃ 및 15MPa의 압력 조건으로 30분 동안 핫 프레스로 가열 압착한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 분리판을 제조하였다.
비교예 1
제1 전도성 수지 혼합물로 흑연 분말 84wt% 및 PVC 수지 16wt%를 혼합시킨 것을 이용하고, 제2 전도성 수지 혼합물로 흑연 분말 84wt% 및 PVC 수지 16wt%를 혼합시킨 것을 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 분리판을 제조하였다.
비교예 2
제1 전도성 수지 혼합물로 흑연 분말 80wt% 및 PVC 수지 20wt%를 혼합시킨 것을 이용하고, 제2 전도성 수지 혼합물로 흑연 분말 80wt% 및 PVC 수지 20wt%를 혼합시킨 것을 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 분리판을 제조하였다.
2. 물성 평가
표 1은 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 분리판에 대한 물성 평가 결과를 나타낸 것이다.
1) 표면 전기전도도
분리판의 중앙부에 대한 표면 전기전도도는 4-탐침법(4-point probe method)에 의거하여 측정하였다.
2) 접합력 측정
도 8 및 도 9는 분리판과 플로우프레임의 접합력 측정 과정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 분리판(110)과 플로우프레임(120) 간의 접합력을 평가하기 위해, 가로 10cm 및 세로 10cm의 탄산칼슘 1wt% 및 PVC 수지 99w%로 조성된 플로우프레임(120)을 준비하였다. 다음으로, 플로우프레임(120)의 중앙부에는 가로 3cm 및 세로 3cm의 개구(121)가 뚫려 있으며, 이 개구(121)의 사방으로 1cm의 단턱(124)을 설계하였다.
이때, 분리판(110)의 접합 부위에 해당하는 플로우프레임(120)의 단턱(124) 상에 분리판(110)을 접합하기 위해, PVC 수지가 잘 녹는 용매인 THF(tetrahydrofuran)를 사용하여 용해 접착을 실시하였다.
다음으로, 용매의 완전한 증발과 PVC 수지의 접합을 위해 90℃의 저온에서 핫 프레스로 10분 동안 압착하여 용매 증발로 인해 발생한 기포를 제거하였다.
다음으로, 분리판(110)과의 접합이 완료된 플로우프레임(120)을 뒤집은 후, UTM 장비를 사용하여 아래 방향으로 하중을 가하여, 분리판(110)이 떨어지는 시점의 최대하중을 측정하였다.
[표 1]
Figure 112017012340956-pat00001
표 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 분리판들의 경우, 분리판의 중앙부에서 측정된 표면 전기전도도가 260S/cm 이상으로 매우 우수한 특성을 나타내는 것을 확인하였다.
특히, 중앙부는 흑연이 고함량인 조성을 갖고, 가장자리부는 흑연이 저함량인조성을 갖는 실시예 1 ~ 3에 제조된 분리판들의 경우, 플로우프레임과의 접합력 측정 결과 분리판이 떨어지는 시점의 최대하중이 1,000N 이상으로 측정되어 우수한 접합력을 갖는 것을 확인하였다.
반면, 중앙부와 가장자리부의 흑연 함량이 동일한 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 분리판들의 경우, 분리판의 중앙부에서 측정된 표면 전기전도도는 우수한 특성을 나타내었으나, 플로우프레임과의 접합력 측정 결과 분리판이 떨어지는 시점의 최대하중이 대략 500N에 불과하였다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 레독스 흐름전지용 스택
110 : 분리판
112 : 전도성 필러
114 : 베이스 수지
120 : 플로우프레임
130 : 전극
140 : 이온전도성 멤브레인
S210 : 제1 전도성 수지 혼합물 주입 단계
S220 : 제2 전도성 수지 혼합물 주입 단계
S230 : 핫 프레스 단계

Claims (15)

  1. 플로우프레임을 관통하는 개구와 대응되는 위치에 배치되는 중앙부와, 상기 플로우프레임과 접합되는 접합 영역과 대응되는 위치에 배치되는 가장자리부를 포함하며,
    상기 중앙부 및 가장자리부 각각은 전도성 필러 및 베이스 수지를 포함하되, 상기 중앙부가 가장자리부에 비하여 전도성 필러가 더 많이 첨가된 레독스 흐름전지용 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리판의 중앙부는 전도성 필러 70 ~ 90wt% 및 베이스 수지 10 ~ 30wt%로 조성되고,
    상기 분리판의 가장자리는 전도성 필러 30 ~ 60wt% 및 베이스 수지 40 ~ 70wt%로 조성되는 레독스 흐름전지용 분리판.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전도성 필러는
    흑연분말(graphite powder), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그라핀(graphene), 카본블랙(carbon black) 및 카본분말(carbon powder) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 레독스 흐름전지용 분리판.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 베이스 수지는
    폴리프로필렌(polypropylene : PP), 폴리에틸렌(polyethylene : PE), 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene : PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride : PVDF), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride : PVC) 및 폴리스티렌(polystyrene : PS) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 레독스 흐름전지용 분리판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플로우프레임은
    내부 중앙 부분을 관통하는 상기 개구를 갖는 프레임 본체와,
    상기 프레임 본체의 개구 가장자리에 배치되어, 상기 분리판을 안착시키기 위한 단턱을 갖는 레독스 흐름전지용 분리판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플로우프레임은
    95 ~ 99.5wt%의 베이스 수지 및 0.5 ~ 5.0wt%의 무기 충전제를 포함하는 레독스 흐름전지용 분리판.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 무기 충전제는
    탄산칼슘, 황산바륨, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 알루미늄실리케이트, 탈크, 규조토 및 마그네슘실리케이트 중 선택된 1종 이상을 포함하는 레독스 흐름전지용 분리판.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 분리판의 베이스 수지는
    상기 플로우프레임의 베이스 수지와 동일한 수지인 레독스 흐름전지용 분리판.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 복수의 분리판;
    상기 복수의 분리판이 안착되며, 중앙 부분을 관통하는 개구를 갖는 복수의 플로우프레임;
    상기 복수의 플로우프레임의 개구에 삽입된 복수의 전극; 및
    상기 복수의 전극이 삽입된 플로우프레임 사이에 배치된 이온전도성 멤브레인;
    을 포함하는 레독스 흐름전지용 스택.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 플로우프레임 각각은
    내부 중앙을 관통하는 상기 개구를 갖는 프레임 본체와,
    상기 프레임 본체의 개구 가장자리에 배치되어, 상기 분리판을 안착시키기 위한 단턱과,
    상기 프레임 본체의 일측 가장자리에 배치된 전해액 유입구와,
    상기 프레임 본체의 타측 가장자리에 배치된 전해액 배출구를 갖는 레독스 흐름전지용 스택.
  11. (a) 금형의 중앙부에 전도성 필러 및 베이스 수지를 혼합시킨 제1 전도성 수지 혼합물을 주입하는 단계;
    (b) 상기 금형의 가장자리부에 전도성 필러 및 베이스 수지를 혼합시킨 제2 전도성 수지 혼합물을 주입하는 단계; 및
    (c) 상기 금형에 주입된 제1 및 제2 전도성 수지 혼합물을 핫 프레스로 가열 압착하여 분리판을 형성하는 단계;
    를 포함하는 레독스 흐름전지용 분리판 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 전도성 수지 혼합물은 전도성 필러 70 ~ 90wt% 및 베이스 수지 10 ~ 30wt%로 조성되고,
    상기 제2 전도성 수지 혼합물은 전도성 필러 30 ~ 60wt% 및 베이스 수지 40 ~ 70wt%로 조성되는 레독스 흐름전지용 분리판 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전도성 수지 혼합물의 전도성 필러 각각은
    흑연분말(graphite powder), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그라핀(graphene), 카본블랙(carbon black) 및 카본분말(carbon powder) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 레독스 흐름전지용 분리판 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전도성 수지 혼합물의 베이스 수지 각각은
    폴리프로필렌(polypropylene : PP), 폴리에틸렌(polyethylene : PE), 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene : PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride : PVDF), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride : PVC) 및 폴리스티렌(polystyrene : PS) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 레독스 흐름전지용 분리판 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 핫 프레스는
    150 ~ 220℃ 및 10 ~ 30MPa의 조건에서 10 ~ 30분 동안 실시하는 레독스 흐름전지용 분리판 제조 방법.
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