KR20170107610A - 바이폴라 플레이트 제작방법 - Google Patents

바이폴라 플레이트 제작방법 Download PDF

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KR20170107610A
KR20170107610A KR1020160030837A KR20160030837A KR20170107610A KR 20170107610 A KR20170107610 A KR 20170107610A KR 1020160030837 A KR1020160030837 A KR 1020160030837A KR 20160030837 A KR20160030837 A KR 20160030837A KR 20170107610 A KR20170107610 A KR 20170107610A
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박홍식
윤국헌
최웅휘
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주식회사씨앤에프
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Abstract

본 발명에 따른 바이폴라 플레이트 제작방법은,
탄소섬유직물을 준비하는 단계;
탄소나노튜브 필름을 준비하는 단계;
상기 탄소섬유직물 사이에 상기 탄소나노튜브 필름을 삽입하여 서로 적층하는 단계; 및
서로 적층된 탄소섬유직물과 탄소나노튜브 필름을 한꺼번에 가압 및 가열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

바이폴라 플레이트 제작방법{METHOD FOR MANUFACTURING BIPOLAR PLATE USING IN VANADIUM REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 바이폴라 플레이트 제작방법에 관한 것이다.
바나듐 레독스 흐름 전지는, 전기가 저장되는 바나듐 전해질을 순환시키면서 충전과 방전을 한다. 충전과 방전은 산화와 환원의 전기화학적 반응이 일어나는 스택에서 일어나고, 전기는 바나듐 전해질에 저장된다.
바나듐 레독스 흐름 전지는 스택 개수 및 크기에 따라 출력이 결정이 되고, 전기용량은 탱크에 저장되는 전해질의 양에 의하여 결정된다.
바나듐 레독스 흐름 전지는 전기를 저장하는 전해질을 반영구적으로 사용할 수 있어 친환경적이며, 폭발의 위험성이 없고 중금속을 함유하지 않아 안전하다.
바나듐 레독스 흐름 전지는 스택, 바나듐 전해질을 저장하는 탱크, 탱크에서 스택으로 바나듐 전해질을 순환시키는 펌프로 구성된다.
스택은 복수개의 단위셀로 구성된다.
단위셀은, 양극, 음극, 이온교환막, 바이폴라 플레이트로 구성된다.
양극과 음극은, 내식성과 도전성이 우수한 탄소섬유 펠트로 만들어진다.
바이폴라 플레이트는 단위셀 간 전자를 이동시키므로 높은 전기전도도가 요구된다.
바이폴라 플레이트는 전해액에 의한 압력과 온도변화에 견뎌야 하므로, 높은 기계적 강도가 요구된다.
바이폴라 플레이트의 전기전도도 및 기계적 강도를 높이기 위해서, 바이폴라 플레이트에 탄소나노튜브를 첨가하는 경우가 늘고 있다.
탄소나노튜브는 전기 전도도가 구리와 비슷하고 강도가 철강보다 100배 크다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 탄소나노튜브가 포함되면, 바이폴라 플레이트의 전기전도도 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
종래에는 바이폴라 플레이트에 탄소나노튜브를 포함시키기 위해서, 탄소나노튜브가 포함된 열경화성 수지 용액을 준비하고, 열경화성 수지 용액이 담긴 용기 속으로 탄소섬유직물이 통과하게 하여, 탄소섬유직물에 열경화성 수지 용액을 묻혔다. 열경화성 수지 용액이 묻은 탄소섬유직물을 바이폴라 플레이트의 형상과 크기로 절단한 다음, 절단된 탄소섬유직물을 설정된 두께로 적층하고 가압 및 가열하였다. 그러면, 탄소나노튜브가 포함된 바이폴라 플레이트가 제작된다.
한편, 적층된 탄소섬유직물을 가압하는 과정에서, 탄소섬유직물에 함침되고 남은 열경화성 수지 용액이 탄소섬유직물 바깥으로 빠져 나온다. 이때, 열경화성 수지 용액에 포함된 탄소나노튜브도, 액체 상태인 열경화성 수지 용액을 따라, 별 다른 저항 없이 탄소섬유직물을 빠져나온다.
이로 인해, 탄소섬유직물에 탄소나노튜브를 충분히 남기기 어려웠다. 따라서, 종래 바이폴라 플레이트는 탄소나노튜브가 포함되어 있더라도, 전기전도도 및 기계적 강도의 향상을 기대하기 어려웠다.
한국공개특허(10-2014-0099871)
본 발명의 목적은, 바이폴라 플레이트의 전기전도도 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있도록, 바이폴라 플레이트에 탄소나노튜브를 충분히 포함시킬 수 있는, 바이폴라 플레이트 제작방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 바이폴라 플레이트 제작방법은,
탄소섬유직물을 준비하는 단계;
탄소나노튜브 필름을 준비하는 단계;
상기 탄소섬유직물 사이에 상기 탄소나노튜브 필름을 삽입하여 서로 적층하는 단계; 및
서로 적층된 탄소섬유직물과 탄소나노튜브 필름을 한꺼번에 가압 및 가열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 탄소나노튜브가 포함된 바이폴라 플레이트를 제조하기 위하여, 탄소나노튜브가 포함된 액체상태의 열경화성 수지를 사용하는 대신에, 액체상태보다 흐름성이 나쁜 반고체상태의 탄소나노튜브 필름을 사용한다. 이로 인해, 서로 적층된 탄소섬유직물과 탄소나노튜브 필름을 가압 및 가열할 때, 탄소섬유직물 바깥으로 탄소나노튜브가 쉽게 빠져나가지 못한다. 또한, 탄소나노튜브의 흐르는 속도가 액체상태의 열경화성 수지에 포함되어 있을 때보다 느려져, 탄소나노튜브가 탄소섬유직물에 쉽게 걸려 탄소섬유직물의 바깥으로 쉽게 빠져나가지 못하게 된다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 탄소나노튜브를 충분히 포함시킬 수 있다.
본 발명은 탄소나노튜브 필름이 탄소섬유직물과 밀착된 상태에서 가압 및 가열되므로, 탄소나노튜브 필름에 포함된 탄소나노튜브가 탄소섬유직물 바깥으로 쉽게 빠져나가지 못한다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 탄소나노튜브를 충분히 포함시킬 수 있다.
본 발명은 탄소나노튜브 필름이 탄소섬유직물의 전 면적에 걸쳐 밀착된 상태이므로, 탄소나노튜브 필름에 포함된 탄소나노튜브가 탄소섬유직물의 전 면적에 걸쳐 골고루 분포될 수 있다.
실험결과, 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트는, 종래 바이폴라 플레이트보다, 비저항(mΩ.cm)이 53.8에서 14.9로 낮아지고, 전기전도도(S/cm)가 18,59에서 67.1로 높아졌다. 따라서, 본 발명을 사용하면, 종래 바이폴라 플레이트 보다 전기전도도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 탄소섬유직물 사이에 삽입되는 탄소나노튜브 필름의 개수를 조절하여 탄소섬유직물에 포함되는 탄소나노튜브의 양을 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명을 사용하면, 바이폴라 플레이트의 전기전도도 및 기계적 강도를 쉽게 조절할 수 있다.
본 발명은 전기전도도 및 기계적 강도가 우수한 탄소섬유로 직조된 탄소섬유직물을 적층하여 바이폴라 플레이트를 제조하기 때문에, 바이폴라 플레이트의 전기전도도 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 탄소섬유직물을 적층해서 바이폴라 플레이트를 제작하므로, 탄소섬유직물의 개수를 조절하여, 바이폴라 플레이트의 두께를 쉽게 조절할 수 있다.
본 발명은 탄소섬유직물과 탄소나노튜브 필름을 서로 적층한 후, 가압 및 가열만 하면 바이폴라 플레이트를 제조할 수 있으므로, 바이폴라 플레이트를 신속하게 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 플레이트 제작방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 두 장의 탄소섬유직물 사이에 한 장의 탄소나노튜브 필름을 삽입하고, 이렇게 적층된 두 장의 탄소섬유직물과 한 장의 탄소나노튜브 필름을 한꺼번에 가압 및 가열하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 서로 적층된 두 장의 탄소섬유직물과 한 장의 탄소나노튜브 필름으로부터 제작된 바이폴라 플레이트를 나타낸 도면이다.
도 4는 두 장의 탄소섬유직물 사이에 두 장의 탄소나노튜브 필름을 삽입하고, 이렇게 적층된 두 장의 탄소섬유직물과 두 장의 탄소나노튜브 필름을 한꺼번에 가압 및 가열하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 서로 적층된 두 장의 탄소섬유직물과 두 장의 탄소나노튜브 필름으로부터 제작된 바이폴라 플레이트를 나타낸 도면이다.
도 6은 네 장의 탄소섬유직물 사이사이에 한 장의 탄소나노튜브 필름을 삽입하고, 이렇게 적층된 네 장의 탄소섬유직물과 세 장의 탄소나노튜브 필름을 한꺼번에 가압 및 가열하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 서로 적층된 네 장의 탄소섬유직물과 세 장의 탄소나노튜브 필름으로부터 제작된 바이폴라 플레이트를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 플레이트 제작방법을 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 플레이트 제작방법은,
탄소섬유직물을 준비하는 단계(S11);
탄소나노튜브 필름을 준비하는 단계(S12);
탄소섬유직물 사이에 탄소나노튜브 필름을 삽입하여 서로 적층하는 단계(S13); 및
서로 적층된 탄소섬유직물과 탄소나노튜브 필름을 한꺼번에 가압 및 가열하는 단계(S14);로 구성된다.
탄소섬유직물을 준비하는 단계(S11)를 설명한다.
탄소섬유(CF)를 직조하여 탄소섬유직물(10)을 제조한다. 탄소섬유직물(10)은 능직, 평직, 수자직 조직을 가진다. 탄소섬유직물(10)은 적절한 전기전도도 및 기계적 강도를 가지도록 150~350g/m2의 면밀도를 가진다. 탄소섬유직물(10)을 제조하고자 하는 바이폴라 플레이트의 형상과 크기로 자른다.
탄소나노튜브 필름을 준비하는 단계(S12)를 설명한다.
액체상태의 열경화성 수지(R)를 준비한다. 열경화성 수지(R)로는 페놀수지, 요소수지, 멜라민수지, 에폭시수지, 폴리에스테르수지, 폴리우레탄수지가 사용된다.
용기(미도시)에 열경화성 수지를 넣는다. 용기에 탄소나노튜브(CNT)를 넣는다.
교반기(미도시)로 열경화성 수지(R)를 저어서, 탄소나노튜브(CNT)를 열경화성 수지(R)에 골고루 혼합시킨다.
탄소나노튜브(CNT)가 혼합된 열경화성 수지(R)를 유리(미도시) 위에 뿌린다.
탄소나노튜브(CNT)가 혼합된 열경화성 수지(R)를 블레이드(미도시)로 훑어서 유리 위에 10~200㎛의 두께로 도포시킨다.
도포된 열경화성 수지(R)를 70~90℃의 온도로 건조시켜 반고체 상태로 만든다. 반고체 상태란 흐르지 않으면서 끈적끈적한 상태를 말한다.
건조된 열경화성 수지(R)를 제조하고자 하는 바이폴라 플레이트의 형상과 크기로 자른다.
그러면, 10~200㎛ 두께를 가진 여러 장의 탄소나노튜브 필름(20)이 제작된다.
물론, 탄소섬유직물을 준비하는 단계(S11)와 탄소나노튜브 필름을 준비하는 단계(S12)의 순서는 바뀔 수 있다.
탄소섬유직물 사이에 탄소나노튜브 필름을 삽입하여 서로 적층하는 단계(S13)를 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 두 장의 탄소섬유직물(10) 사이에 한 장의 탄소나노튜브 필름(20)을 삽입한다. 탄소나노튜브 필름(20)은 끈적끈적한 반고체 상태이므로, 탄소섬유직물(10)과 탄소나노튜브 필름(20)이 적층된 상태에서 쉽게 흩어지지 않는다.
서로 적층된 탄소섬유직물과 탄소나노튜브 필름을 가압 및 가열하는 단계(S14)를 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 서로 적층된 두 장의 탄소섬유직물(10)과 한 장의 탄소나노튜브 필름(20)을 한꺼번에 프레스(미도시)로 가압하고 히터(미도시)로 가열한다. 프레스로 가압하는 압력은 3~5Mpa 이고, 히터로 가열하는 온도는 120~180℃이다. 도 2에 도시된 직선 화살표는 탄소섬유직물(10)로 함침되고 남은 열경화성 수지(R)가 탄소섬유직물(10)의 바깥으로 빠져나가는 상태를 나타낸다.
탄소나노튜브 필름(20)이 녹는다. 탄소나노튜브 필름(20)을 구성하는 열경화성 수지(R)가 탄소섬유직물(10)로 함침된다. 함침되고 남은 열경화성 수지(R)는 탄소섬유직물(10) 바깥으로 빠져나간다. 탄소섬유직물(10)로 함침된 열경화성 수지(R)가 굳으면서 두 장의 탄소섬유직물(10)을 서로 결합시킨다.
탄소나노튜브 필름(20)에 포함된 탄소나노튜브(CNT)는 탄소섬유직물(20)에 달라붙는다. 함침되고 남은 열경화성 수지(R)가 탄소섬유직물(10) 바깥으로 빠져나갈 때, 탄소나노튜브(CNT)는 탄소섬유직물(20)에 걸려서 잘 빠져나가지 못한다. 따라서, 함침되고 남은 열경화성 수지(R)가 탄소섬유직물(10)의 바깥으로 빠져나가더라도, 탄소나노튜브 필름(20)에 포함되어 있던 대부분의 탄소나노튜브(CNT)는 탄소섬유직물(10)에 그대로 남게 된다. 또한, 탄소나노튜브 필름이 탄소섬유직물의 전 면적에 걸쳐 밀착된 상태에서 가압 및 가열되므로, 탄소나노튜브(CNT)가 탄소섬유직물(10)에 골고루 분포된다.
열경화성 수지가 굳으면서 도 3에 도시된 바이폴라 플레이트(1)가 제작된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 바이폴라 플레이트(1)에는 탄소나노튜브(CNT)가 골고루 분포된다.
한편, 도 3에 도시된 바이폴라 플레이트(1)에 포함된 탄소나노튜브(CNT)의 양을 2배로 늘리려면, 도 4에 도시된 바와 같이, 두 장의 탄소나노튜브 필름(20)을 두 장의 탄소섬유직물(10) 사이에 삽입하면 된다. 도 4에 도시된 직선 화살표는 탄소섬유직물(10)로 함침되고 남은 열경화성 수지(R)가 탄소섬유직물(10)의 바깥으로 빠져나가는 상태를 나타낸다.
서로 적층된 두 장의 탄소섬유직물(10)과 두 장의 탄소나노튜브 필름(20)을 가압 및 가열한다.
두 장의 탄소나노튜브 필름(20)이 녹는다. 두 장의 탄소나노튜브 필름(20)을 구성하는 열경화성 수지(R)가 탄소섬유직물(10)로 함침된다. 함침되고 남은 열경화성 수지(R)는 탄소섬유직물(10) 바깥으로 빠져나간다. 탄소섬유직물(10)로 함침된 열경화성 수지(R)가 굳으면서 두 장의 탄소섬유직물(10)을 서로 결합시킨다.
두 장의 탄소나노튜브 필름(20)에 포함된 탄소나노튜브(CNT)가 탄소섬유직물(20)에 달라붙는다.
열경화성 수지(R)가 굳으면서 도 5에 도시된 바이폴라 플레이트(2)가 제작된다. 바이폴라 플레이트(2)에 포함된 탄소나노튜브(CNT)는 도 2에 도시된 바이폴라 플레이트(10)의 두 배가 되고, 전기전도도 및 기계적 강도도 향상된다. 물론, 탄소섬유직물(10) 사이에 삽입되는 탄소나노튜브 필름(20)의 개수를 늘려서, 전기전도도 및 기계적 강도를 더 향상시킬 수도 있을 것이다.
한편, 바이폴라 플레이트의 두께를 조절하려면, 적층되는 탄소섬유직물(10)의 개수를 조절해야 한다. 탄소나노튜브 필름(20)은 가압 및 가열하면 녹아서 탄소섬유직물(10)에 함침되거나 탄소섬유직물(10)의 바깥으로 빠져나가기 때문에, 탄소나노튜브 필름(20)으로는 바이폴라 플레이트(100)의 두께를 조절할 수 없다. 따라서, 바이폴라 플레이트(100)의 두께를 조절하려면 적층되는 탄소섬유직물(10)의 개수를 조절해야 한다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바이폴라 플레이트(1)의 두께(T1)를 두배로 두껍게 만들기 위해서, 도 6에 도시된 바와 같이, 네 장의 탄소섬유직물(10) 사이사이에 탄소나노튜브 필름(20)을 삽입하면 된다.
서로 적층된 네 장의 탄소섬유직물(10)과 세 장의 탄소나노튜브 필름(20)을 가압 및 가열한다. 가압하는 도 6에 도시된 직선 화살표는 탄소섬유직물(10)로 함침되고 남은 열경화성 수지(R)가 탄소섬유직물(10)의 바깥으로 빠져나가는 상태를 나타낸다.
세 장의 탄소나노튜브 필름(20)이 녹는다. 세 장의 탄소나노튜브 필름(20)을 구성하는 열경화성 수지(R)가 탄소섬유직물(10)로 함침된다. 함침되고 남은 열경화성 수지(R)는 탄소섬유직물(10) 바깥으로 빠져나간다. 탄소섬유직물(10)로 함침된 열경화성 수지(R)는 굳으면서 네 장의 탄소섬유직물(10)을 서로 결합시킨다.
네 장의 탄소나노튜브 필름(20)에 포함된 탄소나노튜브(CNT)가 탄소섬유직물(20)에 달라붙는다.
열경화성 수지(R)가 굳으면서 도 7에 도시된 바이폴라 플레이트(3)가 제작된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 바이폴라 플레이트(3)는 도 3에 도시된 바이폴라 플레이트(1)의 두께(T1) 보다 2배의 두께(T2)를 가진다.
물론, 적층되는 탄소섬유직물(10)의 개수를 더 늘려서 더 두꺼운 바이폴라 플레이트를 제조할 수도 있을 것이다.
한편, 바이폴라 플레이트의 두께를 두껍게 하는 동시에 바이폴라 플레이트에 포함되는 탄소나노튜브(CNT)의 양을 늘리려면, 적층되는 탄소섬유직물(10)의 개수와, 탄소섬유직물(10) 사이에 삽입되는 탄소나노튜브 필름(20)의 개수를 동시에 늘리면 된다.
1,2,3: 바이폴라 플레이트
10: 탄소섬유직물 20: 탄소나노튜브 필름
CF: 탄소섬유 CNT: 탄소나노튜브
R: 열경화성 수지

Claims (5)

  1. 탄소섬유직물을 준비하는 단계;
    탄소나노튜브 필름을 준비하는 단계;
    상기 탄소섬유직물 사이에 상기 탄소나노튜브 필름을 삽입하여 서로 적층하는 단계; 및
    서로 적층된 탄소섬유직물과 탄소나노튜브 필름을 한꺼번에 가압 및 가열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트 제작방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유직물과 탄소나노튜브 필름을 서로 적층하는 단계에서,
    상기 탄소섬유직물 사이에 삽입되는 탄소나노튜브 필름의 개수를 조절하여, 바이폴라 플레이트에 포함되는 탄소나노튜브의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트 제작방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유직물과 탄소나노튜브 필름을 서로 적층하는 단계에서,
    상기 탄소섬유직물의 개수를 조절하여,
    바이폴라 플레이트의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트 제작방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유직물과 탄소나노튜브 필름을 서로 적층하는 단계에서,
    상기 탄소섬유직물의 개수 및 상기 탄소섬유직물 사이에 삽입되는 탄소나노튜브 필름의 개수를 동시에 조절하여,
    상기 바이폴라 플레이트에 포함되는 탄소나노튜브의 양과, 상기 바이폴라 플레이트의 두께를 동시에 조절하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트 제작방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 필름은 반고체 상태로 제작되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트 제작방법.
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