KR20160136153A - 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판 및 그 제조 방법 - Google Patents

탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 복합재료 시트와 탄소섬유 펠트 각각의 탄소섬유가 접촉되도록 접합되어 있는 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 분리판은 탄소섬유강화 복합재료의 양쪽 표면에 한 쌍의 탄소섬유 펠트를 적층한 후, 탄소섬유강화 복합재료 시트의 탄소섬유와 한 쌍의 탄소섬유 펠트의 탄소섬유가 접촉되도록 고분자 기지에 의하여 탄소섬유강화 복합재료 시트와 한 쌍의 탄소섬유 펠트를 접합하여 제조한다. 본 발명에 의하면, 탄소섬유강화 복합재료 시트와 탄소섬유 펠트 각각의 탄소섬유가 접촉되도록 고분자 수지에 의하여 탄소섬유 펠트가 일체형으로 접합되어 전기전도도를 향상시킬 수 있다. 또한, PEMFC, RFB 등과 같은 전지의 스택에서 접촉저항의 감소로 인하여 전류손실이 줄어 효율을 향상시킬 수 있는 유용한 효과가 있다.

Description

탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판 및 그 제조 방법{CARBON FIBER FELT INTEGRATED BIPOLAR PLATE FOR BATTERIES AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은 전지용 분리판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소섬유 복합재료 시트와 탄소섬유 펠트 각각의 탄소섬유가 접촉되도록 접합되어 있는 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 신재생에너지(New renewable energy)는 유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응 등으로 그 중요성이 커지게 되었다. 신재생에너지의 원활한 사용을 위하여 연료전지(Fuel cell)와 에너지 저장 시스템(Energy storage system)의 개발이 활발히 진행되고 있다. 대표적인 연료전지는 고분자 전해질 연료전지(Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)가 있고, 에너지 저장 시스템은 이차전지(Secondary cell)의 하나로 레독스 흐름 전지(Redox flow battery, RFB)가 있다.
미국 특허 제7,862,922호 "연료전지용 고분자 전해질막 및 이것을 포함하는 연료전지 시스템(Polymer electrolyte membrane for fuel cell and fuel cell system comprising same)"과 미국 특허 제7,901,836호 "고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte fuel cell)"이 개시되어 있다. 이 특허 문헌들에 개시되어 있는 PEMFC의 스택(Stack)은 기본적으로 복수의 단위전지(Unit cell/Single cell)들과 두 개의 엔드플레이트(End plate)들로 구성되어 있다.
PEMFC의 단위전지는 양극(Anode), 음극(Cathode), 고분자 전해질막(Polymer electrolyte membrane), 두 개의 가스확산층(Gas diffusion layer, GDL)들, 복수의 개스킷(Gasket)들과 두 개의 분리판들로 구성되어 있다. 분리판은 전기저항이 낮고, 내화학성(Chemical resistance)과 기계적 물성이 높으며, 수소와 산소의 누설을 방지하기 위하여 가스투과율이 낮아야 한다. 또한, 인접하는 두 분리판들 사이의 전기접촉저항(Electrical contact resistance)이 낮아야 한다. 분리판의 재료는 흑연(Graphite), 팽창 카본(Expanded carbon), 스테인리스스틸(Stainless steel)로 구성되거나 고분자 기지(Polymer matrix)에 카본입자, 흑연입자를 첨가한 고분자 기지 복합재료(Polymer matrix composite)가 사용되고 있다. 섬유강화 복합재료(Fiber reinforced composite material), 특히 일방향 탄소섬유 복합재료(Unidirectional carbon fiber composite)의 분리판은 그 표면에 잉여되어 있는 잉여 고분자 기지에 의하여 접촉저항이 크게 된다.
한국 등록특허 제10-1353354호 "연료전지용 섬유강화 복합재료 분리판의 표면처리 방법"은 접촉저항의 감소를 위하여 섬유강화 복합재료의 표면에 잉여되어 있는 잉여 고분자 기지층을 불꽃에 의하여 가열하여 탄화시킨 탄화층을 형성하고 있다. 한편, 잉여 고분자 기지층은 플라스마 처리(Plasma treatment)에 의하여 탄화시키고도 있다. 그러나 불꽃의 가열이나 플라스마 처리에 의한 잉여 고분자 기지층의 탄화는 분리판의 제조 공정을 복잡하게 하여 분리판의 생산성을 저하시키게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 전지용 분리판의 여러 가지 문제를 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은, 탄소섬유강화 복합재료 시트와 탄소섬유 펠트 각각의 탄소섬유가 접촉되도록 일체형으로 접합되어 전기전도도를 향상시킬 수 있는 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 따른 목적은, 전지의 스택에서 접촉저항의 감소로 인하여 전류손실이 줄어 효율을 향상시킬 수 있는 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판 제조 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판의 제조 방법은, 탄소섬유가 고분자 기지에 고정되어 있는 탄소섬유강화 복합재료 시트를 준비하는 단계와; 탄소섬유강화 복합재료의 양쪽 표면에 탄소섬유로 이루어지는 한 쌍의 탄소섬유 펠트를 적층하는 단계와; 탄소섬유강화 복합재료 시트의 탄소섬유와 한 쌍의 탄소섬유 펠트의 탄소섬유가 접촉되도록 고분자 기지에 의하여 탄소섬유강화 복합재료 시트와 한 쌍의 탄소섬유 펠트를 접합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판은, 탄소섬유가 고분자 기지에 고정되어 있는 탄소섬유강화 복합재료 시트와; 탄소섬유강화 복합재료 시트의 양쪽 표면 각각에 적층되어 있으며, 탄소섬유강화 복합재료 시트의 탄소섬유에 그 탄소섬유가 접촉되도록 고분자 기지에 의하여 탄소섬유강화 복합재료 시트와 접합되어 있는 탄소섬유 펠트를 포함한다.
본 발명에 따른 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판 및 그 제조 방법은, 탄소섬유강화 복합재료 시트와 탄소섬유 펠트 각각의 탄소섬유가 접촉되도록 고분자 수지에 의하여 탄소섬유 펠트가 일체형으로 접합되어 전기전도도를 향상시킬 수 있다. 또한, PEMFC, RFB 등과 같은 전지의 스택에서 접촉저항의 감소로 인하여 전류손실이 줄어 효율을 향상시킬 수 있는 유용한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전지용 분리판을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전지용 분리판을 부분적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전지용 분리판의 제조 방법에 대한 일례를 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 전지용 분리판의 제조 방법에 대한 다른 예를 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판 및 그 제조 방법에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판(10)은 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)의 양쪽 표면 각각에 한 쌍의 탄소섬유 펠트(30, 32)들이 일체형으로 접합되어 구성된다. 탄소섬유 펠트(30, 32)들은 PEMFC의 가스확산층이나 RFB의 전극으로 사용될 수 있다.
탄소섬유강화 복합재료 시트(20)는 복수의 탄소섬유(22)들이 고분자 기지(24)에 의하여 고정되어 구성된다. 탄소섬유(22)들은 탄소장섬유(Carbon long fiber)로 구성될 수 있다. 고분자 기지(24)는 열경화성 수지(Thermosetting resin)나 열가소성 수지(Thermoplastic resin)로 구성될 수 있다. 전기전도도의 증가 및 기계적 성질의 향상을 위하여 비금속 전도성 분말(26)이 고분자 기지(24)에 혼합될 수 있다. 비금속 전도성 분말(26)은 카본 블랙(Carbon black), 카본 나노 튜브(Carbon nanotube), 그래핀(Graphene) 등으로 구성될 수 있다. 탄소섬유 펠트(30, 32)들 각각은 탄소섬유(34)의 무작위 배열이나 일방향 배열에 의하여 구성될 수 있다.
고분자 기지(24)로 열경화성 수지는 페놀(Phenolic), 에폭시(Epoxy) 등으로 구성될 수 있다. 열경화성 수지의 경화는 80~400℃ 정도에서 모노머(Monomer) 형태의 수지가 가교반응(Cross-linking)을 하거나 비스테이지(B-stage)의 수지가 일단 용융되었다가 가교반응에 의하여 액체에서 고체로 변화하여 이루어진다. 따라서 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)와 탄소섬유 펠트(30, 32)들은 열경화성 수지의 경화 사이클을 이용하는 동시경화(Co-curing) 또는 부분경화(Partial curing)에 의하여 일체형으로 접합될 수 있다.
고분자 기지(24)로 열가소성 수지는 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketone, PEEK) 등으로 구성될 수 있다. 열가소성 수지의 경화는 열에너지의 부여에 의하여 수지가 완전히 용융되고, 온도가 낮아지면 다시 고체로 변화하여 이루어진다. 따라서 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)와 탄소섬유 펠트(30, 32)들은 열경화성 수지의 특성을 이용하여 고온 프레스(Hot press), 확산 접합(Diffusion bonding), 저항 용접(Resistance welding), 초음파 용접(Ultrasonic welding) 등 다양한 방법에 의하여 일체형으로 접합될 수 있다.
도 3을 참조하여 본 발명에 따른 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판의 제조 방법을 설명한다. 분리판(10)은 핫프레스 머신(Hot press machine: 40)에 의하여 일체형으로 제조된다. 핫프레스 머신(40)은 테이블(42), 램(Ram: 44)과 금형 조립체(Mold assembly: 50)를 구비한다. 금형 조립체(50)는 상부금형(52)과 하부금형(54)으로 구성되어 있다. 상부금형(52)은 램(44)에 장착되어 있고, 하부금형(54)은 테이블(42)의 상면에 장착되어 있다. 하부금형(54)은 분리판(10)의 성형을 위한 캐버티(Cavity: 56)를 갖는다. 분리판(10)의 양면에는 연료, 물, 공기의 유동을 위한 채널(Channel)이 형성된다. 채널의 형성을 위하여 상부 및 하부금형(52, 54)에는 채널 패턴(Channel pattern)이 형성되어 있다.
작업자는 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)의 양쪽 표면 각각에 한 쌍의 탄소섬유 펠트(30, 32)들이 배치되도록 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)와 탄소섬유 펠트(30, 32)들을 하부금형(54)의 캐버티(56) 안에 장입한다. 복합재료 시트(20)와 탄소섬유 펠트(30, 32)들의 장입이 완료되면, 핫프레스 머신(40)의 작동에 의하여 열에너지를 부여하면서 상부금형(52)과 하부금형(54)을 형합하여 복합재료 시트(20)와 탄소섬유 펠트(30, 32)들을 압밀한 후 경화시킨다.
고분자 기지(24)로 열경화성 수지는 핫프레싱(Hot pressing)에 의하여 용융된다. 탄소섬유 펠트(30, 32)들 각각이 용융되는 열경화성 수지에 의하여 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)의 양쪽 표면에 일체형으로 접합된다. 이때, 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)의 양쪽 표면에 이웃하는 탄소섬유 펠트(30, 32)들의 탄소섬유(34)들이 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)의 양쪽 표면에 노출되어 있는 탄소섬유(22)들의 노출 부분(22a)에 접촉하게 된다. 한편, 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)와 탄소섬유 펠트(30, 32)들의 접합은 전체적으로 실시될거나 부분적으로 실시될 수 있다.
계속해서, 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)와 탄소섬유 펠트(30, 32)들의 압밀·경화에 의하여 분리판(10)이 제조되면, 상부금형(52)과 하부금형(54)을 열고, 캐버티(56)로부터 분리판(10)을 취출한다. 이와 같이 탄소섬유 펠트(30, 32)의 탄소섬유(34)들이 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)의 탄소섬유(22)들에 접촉되는 것에 의하여 접촉저항을 감소시킬 수 있다. 또한, PEMFC, RFB 등과 같은 전지의 스택에서 접촉저항의 감소로 인하여 전류손실이 줄어 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4에 본 발명에 따른 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판의 제조 방법에 대한 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 분리판(10)은 초음파 용접기(60)의 초음파 용접에 의하여 제조된다. 초음파 용접기(60)는 초음파를 방사하는 초음파 혼(Ultrasonic horn: 62)과 앤빌(Anvil: 64)을 구비한다. 초음파 혼(62)은 적층되어 있는 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)와 탄소섬유 펠트(30, 32)들의 압밀을 위하여 앤빌(64)의 위쪽에 승강이 가능하도록 배치되어 있다. 초음파 혼(62)의 승강은 리니어 액추에이터(Linear actuator)에 의하여 실시될 수 있다. 리니어 액추에이터는 공압 실린더(Pneumatic cylinder), 리드 스크루 리니어 액추에이터(Lead screw linear actuator) 등으로 구성될 수 있다.
작업자는 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)의 양쪽 표면 각각에 한 쌍의 탄소섬유 펠트(30, 32)들이 배치되도록 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)와 탄소섬유 펠트(30, 32)들을 앤빌(64) 위에 적층한다. 복합재료 시트(20)와 탄소섬유 펠트(30, 32)들의 적층이 완료되면, 초음파 혼(62)의 작동에 의하여 초음파를 발진하면서 복합재료 시트(20)와 탄소섬유 펠트(30, 32)들을 압밀한다.
고분자 기지(24)로 열가소성 수지는 초음파에 의하여 용융된다. 탄소섬유 펠트(30, 32)들 각각이 용융되는 열가소성 수지에 의하여 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)의 양쪽 표면에 일체형으로 접합된다. 이때, 핫프레싱에서와 마찬가지로 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)의 양쪽 표면에 이웃하는 탄소섬유 펠트(30, 32)들의 탄소섬유(34)들이 탄소섬유강화 복합재료 시트(20)의 양쪽 표면에 노출되어 있는 탄소섬유(22)들의 노출 부분(22a)에 접촉하게 된다.
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: 분리판 20: 탄소섬유강화 복합재료 시트
22: 탄소섬유 24: 고분자 기지
26: 전도성 분말 30, 32: 탄소섬유 펠트
34: 탄소섬유 40: 핫프레스 머신
50: 금형 조립체 60: 초음파 용접기

Claims (5)

  1. 탄소섬유가 고분자 기지에 고정되어 있는 탄소섬유강화 복합재료 시트를 준비하는 단계와;
    상기 탄소섬유강화 복합재료의 양쪽 표면에 탄소섬유로 이루어지는 한 쌍의 탄소섬유 펠트를 적층하는 단계와;
    상기 탄소섬유강화 복합재료 시트의 탄소섬유와 상기 한 쌍의 탄소섬유 펠트의 탄소섬유가 접촉되도록 상기 고분자 기지에 의하여 상기 탄소섬유강화 복합재료 시트와 상기 한 쌍의 탄소섬유 펠트를 접합하는 단계를 포함하는 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유강화 복합재료 시트의 탄소섬유를 상기 고분자 기지에 의하여 고정할 때 상기 고분자 수지에 전기전도도의 증가를 위한 전도성 분말을 혼합하는 단계를 더 포함하는 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 한 쌍의 탄소섬유 펠트를 접합하는 단계는 상기 탄소섬유강화 복합재료 시트와 상기 한 쌍의 탄소섬유 펠트를 압밀하면서 상기 고분자 수지가 용융되도록 열에너지, 초음파 중 어느 하나를 상기 고분자 수지에 가하는 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판의 제조 방법.
  4. 탄소섬유가 고분자 기지에 고정되어 있는 탄소섬유강화 복합재료 시트와;
    상기 탄소섬유강화 복합재료 시트의 양쪽 표면 각각에 적층되어 있으며, 상기 탄소섬유강화 복합재료 시트의 탄소섬유에 그 탄소섬유가 접촉되도록 상기 고분자 기지에 의하여 상기 탄소섬유강화 복합재료 시트와 접합되어 있는 탄소섬유 펠트를 포함하는 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고분자 수지에 전기전도도의 증가를 위한 전도성 분말이 혼합되어 있는 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판.
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