KR20190087730A - 레독스 흐름 전지용 막전극접합체 제조방법 및 스택의 조립방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레독스 흐름 전지에 사용되는 MEA제조 및 STACK조립방법에 관한 것으로 제작공정이 간단하고 경제적이어서 레독스 흐름 전지, 연료전지 및 각종 전자기기에 응용될 수 있다.

Description

레독스 흐름 전지용 막전극접합체 제조방법 및 스택의 조립방법{the assembly method of stack and the fabrication method od membrane electrolyte assembly on redox flow battery}

본 발명은 레독스 흐름 전지(RFB)의 기계요소중 하나인 스택(Stack)의 제조기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 MEA(Membrane Electrolyte Assembly)을 제조함에 있어서 열전사(Hot Press) 없이 기계적 접촉만으로 전해질 막에 활성탄소인 그래핀을 도막처리하는 방법과 이와같이 제조된 MEA위에 카본펠트(Cabon Felt)와 와이어 메쉬(Wire Mesh)를 적층하여 스택을 조립하는 방법에 관한 것이다.

MEA는 수소 양이온 혹은 대상이 되는 전해액의 활물질이 막을 통하여 산화, 환원반응을 할 수 있는 공간을 제공하고 다층의 Cell로 구성되는 스택에서 양극 혹은 음극으로 작용함으로써, 전자흐름인 전류를 흐르게 해주는 역활을 수행한다. 따라서 빠른 산화, 환원반응을 위해서 전해질 막의 친수성이 높아야하며, 전자의 흐름을 용이하게 하기위해서는 전기전도도가 높아야하며, 전해액의 흐름을 원활하게 하기 위해서는 기체 확산층이 다공성이어야 한다.

MEA를 구성하는 요소들이 갖추어야 할 조건들은 아래와 같다.

1. 전해질 막의 조건

- 수소이온 전도성이 우수해야 한다.

- 전해액과 접촉을 높이기 위해서 친수성이어야 한다.

- 팽윤등에 대하여 기계적 강도가 커야 한다.

- 산화, 환원에 대한 안전성이 커야 한다.

2. 전극의 조건

- 전해액, 이온 및 전자 전도체와 맞닿는 활성영역으로 다공성이어야 한다.

- 내화성, 내구성이 커야 한다.

레독스 흐름 전지용 스택에 사용되는 MEA는 다양한 방법으로 제조되는데, 일반적으로 백금촉매, 나피온 용액 및 활성탄소를 섞어서 카본페이퍼에 바르고 이를 다시 높은 압력과 온도하에서 위와같이 처리된 카본페이퍼와 전해질 막을 겹치고 이를 HOT PRESSING하는 방법을 사용하고 있다.

하지만, 이들 방법은 복잡한 공정과 조건으로 제조에 어려움이 많고, 카본 페이퍼가 전해질 막에 잘 접착되지 않는 문제점과 HOT PRESS중에 압착으로 카본페이퍼의 겉보기 전극면적등이 줄어들어서 이온 및 전자 전도체와 맞닿는 활성영역이 작아지는 문제점이 있으며, 전해질 막이 HOT PRESS중 건조되어 손상되거나 주름면이 생기는 등의 문제점이 있다.

따라서, 기존의 MEA제조기술이 가지는 문제들을 해결하면서, 전해질막의 친수성을 높이고 내화학성, 내구성등을 향상시킬 수 있는 제조기술이 요구되어 진다.

한편, STACK의 조립에 있어서 가장 큰 문제점은 내,외부 기밀을 수밀을 유지하면서, 적정유량을 확보하고 높은 전류밀도와 개방전압을 유지하는 것입니다.

기존 STACK은 카본블럭을 Bipolar 혹은 Unipolar Plate의 재료로 사용하고 이 카본블럭에 유로를 가공하여 사용하는 것이 일반적인데, 카본블럭의 약한 강도로 인하여 스택조립시에 적정한 체결압력을 제공할 수 없고, 유로 가공시 유로깊이와 유로폭의 한계성으로 적정한 유량확보에 한계가 있습니다.

따라서, 카본블럭 재료의 문제점을 극복하면서 내화성, 내구성이 뛰어나고 경제적인 분리막 재질과 스택 조립방법이 요구되어 진다.

(문헌1) KR 10-2005-0105827 (문헌2) KR 10-2009-0100647

(문헌1) 고분자 전해질 연료전지 막전극접합체의 특성(성능, 효율, 수명)평가 및 분석법에 관한 연구, 한국분말야금학회지, 2011년, 18권 6호, PP 473 - 481. (문헌2) MEA의 개요 및 구성 종류별 설명. NARA Cell Tech Corp.

본 발명은 MEA(MEMBRANE ELECTROLYTE ASSEMBLY, 막전극접합체)의 제조에 있어서 전해질 막에 활성탄소를 도포, 증착시켜 전해질 막과 카본 펠트사이의 전기전도성을 유도함으로써 기존 제조법에서 발생하는 전해질 막과 카본 펠트의 분리로 인한 전기 전도성 차단을 방지할 수 있다. 또한, 기존제조법의 HOT PRESS공정을 제거함으로서 카본펠트의 다공성 저하를 차단, 충분한 기체확산층 및 전해질, 카본펠트의 접촉면적을 넓게 확보할 수 있어서 요구하는 전류밀도와 Cell전압을 유지하는데 목적이 있다.

그리고 스택의 조립을 단순화, 경제화하여 기존 조립법이 갖는 수밀의 어려움을 극복하고 저비용으로 스택을 제조함과 동시에 높은 전류밀도와 Cell전압을 유지하는데 목적이 있다.

본 발명은 활성탄소를 사용되는 그래핀을 전자파로 가공처리하여 전기 전도성을 극대화하는 단계, 가공처리된 그래핀을 물리적 박막형태로 전처리한 전해질 막에 증착시키는 단계, MEA와 금속 분리판 사이에 카본펠트와 SUS316L재질의 와이어 메쉬(WIRE MESH)을 삽입하여 MEA와 금속분리판이 일체화되게 함으로써 전류밀도와 전압이 유지되게금 하는 단계로 이루어 지는 것에 특징이 있다.

그리고 스택의 구성은 카본블럭 대신에 SUS316L 재질의 금속 분리판을 사용하고, 수밀과 유로확보를 위해서 실리콘 혹은 PPE재질의 가스켓을 사용하며, 양극과 음극전해질이 내부에서 섞이지 않게하기 위해서 가스켓 보강용 금속분리판을 별도사용하고, 전해질 막과 가스켓 보강용 금속분리판사이에 제2의 가스켓을 사용함으로서 수밀을 확보한다. 위와 같이 함으로써, 기존 카본블럭에 유로를 가공해야하는 공정을 생략할 수 있고 이는 경제적으로 분리판을 제작할 수 있는 것이고, 각층에 가스켓과 보강판을 채택함으로써, 수밀성을 확보하고 내화학성 및 내구성을 향상시킬 수 있는 것을 또하나의 특징으로 한다.

본 발명은 MEA의 제조에 고가의 금속촉매와 나피온 수용액 같은 접착제를 사용하지 않고, 그래핀만을 사용하여 전해질 막과 카본펠트간에 높은 전기 전도성을 유도할 수 있다.

기존 제조법인 HOT PRESSING공정을 제거함으로써 기체 확산층 역활을 하는 카본펠트에 최대의 다공성과 내구성을 제공함으로써 높은 전류밀도와 Cell전압을 유지할 수 있다.

열전사(HOT PRESS)시에 발생하는 전해질 막의 수축과 손상을 막을 수 있어서 전해 활물질이 전해질막을 통과하는 CROSS-OVER을 차단할 수 있다.

스택의 제조를 단순화하여 경제적인 스택의 제조가 가능하고, 수밀성과 내구성이 높고, MEA-카본펠트-금속분리판으로 연결되는 기계요소들이 일체로 구성되어 전기전도도, 전류밀도, 전압등이 안정적으로 확보될 수 있다.

도1은 본 발명의 단위 CELL내 구성요소를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도2은 본 발명의 MEA 제조공정중 그래핀 전자파 가공을 나타낸 도면이다.
도3은 본 발명의 단위 CELL내 구성요소중 금속분리판을 나타낸 도면이다.
도4은 본 발명의 단위 CELL내 구성요소중 유로용 가스켓을 나타낸 도면이다.
도 5은 본 발명의 단위 CELL내 구성요소중 유로 보강용 금속판을 나타낸 도면이다.
도6은 본 발명의 단위 CELL내 구성요소중 제2가스켓을 나타낸 도면이다.
도7은 본 발명의 단위 CELL내 구성요소중 MEA을 나타낸 도면이다.
도8은 본 발명의 단위 CELL내 구성요소중 카본펠트를 나타낸 도면이다.
도9은 본 발명의 단위 CELL내 구성요소중 와이어 메쉬를 나타낸 도면이다.

본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 아래와 같다.

도 2에서 활성탄소로 사용될 그래핀을 전기전도도 향상을 위해서 20초 동안 2,450MHz & 1,250W로 전자파 가공을 하여 그래핀을 활성화시킴과 동시에 유기성 불순물을 제거한다.

이와같이 가공된 그래핀을 0.2g/cm2의 비율로 전처리된 전해질 막위에 도포하고 부드러운 천으로 압착하여 그래핀이 전해질 막위에 증착되도록 한다. 이때 전처리된 전해질 막은 그래핀 도포전 표면의 습기를 제거하여야 한다.

그래핀으로 증착된 전해질 막에서 양면은 전기적으로 전기전도도가 없다. 하지만, 증착된 표면에서의 전기적 저항값은 10내지 5옴의 저항값을 나타낸다.

전극재료인 카본펠트는 Cell에 삽입전에 5초간 2,450Hz & 1,250W의 전자파로 가공하여 불순물을 제거한다.

전해질 막과 금속분리판사이에는 전극재인 카본펠트(4mm두께)와 SUS316L재질 와이어 메쉬(0.3mm두께)를 삽입하여 전자의 흐름을 유도한다.

도 1에서 전극외곽으로는 가스켓 및 유로 보강판이 삽입되며, 금속 분리판과 전해질 막사이의 간격은 가스켓 및 유로 보강판의 두께에 의하여 결정된다.

일반적으로 분리판은 유로가 가공된 4mm두께의 제품을 사용하지만, 본 발명에서는 유로가 가공되지 않은 1.0mm두께의 평판을 사용하고 전해질의 유로를 확보하기 위해서 SUS316L, 0.3mm두께의 와이어 메쉬, 3mm두께 실리콘 혹은 PPE재질의 가스켓, 0.5mm두께 가스켓 보강재 및 1.2mm두께 실리콘 혹은 PPE재질의 전해질 막 가스켓(제2가스켓)을 사용한다.

도 1에서 전해질 막과 금속 분리판 사이에 삽입되는 카본펠트 전극과 와이어 메쉬의 전체 간격은 4.3mm이고 그 외곽을 감싸는 가스켓(제1 및 제2 가스켓)과 보강판의 전체 두께는 4.7mm로, 내.외각 충진물의 간격차이는 0.4mm이며, 이 간격을 와이어 메쉬의 spring back현상을 이용하여 보완함으로써 전해질 막-카본펠트-금속분리판으로 이어지는 일련의 연결이 전류의 흐름을 높이고, 수밀성과 내구성을 보장하는 구조를 갖는다.

본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 스택을 이용하여 전지의 용량을 증가시키고, 고전압과 고전류을 유도할 수 있어서 궁극적으로 고에너지 밀도를 가질수 있는 흐름전지와 연료전지에 응용할 수 있다.

Claims (2)

1. 활성탄소로 사용되는 그래핀을 고온 열처리가 아닌 간단한 전자파 처리만으로 전기전도성과 전자친화도를 증가시키는 단계.
   상기 전자파 처리된 그래핀을 나피온 솔루션과 같은 접착제를 사용하지 않고 물리적인 증착만으로 전해질 막과 기체확산층인 카본펠트에 연결하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 MEA제조방법.
2. 유로가 가공되지 않은 금속 분리판을 사용하는 단계.
   유로 확보를 위해서 유로가 가공된 가스켓과 유로 보강판을 사용하는 단계.
   MEA-카본펠트-와이어메쉬-금속전극판으로 이어지는 일련의 기계요소의 연결에서 와이어메쉬의 SPRING BACK현상을 이용하여 일련의 기계요소들이 단절이 없이 연결되어 사용하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 스택조립방법.
   
   

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