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KR101808606B1 - 열가소성 수지를 이용한 분리판-전극조립체 및 그 제조방법 - Google Patents

열가소성 수지를 이용한 분리판-전극조립체 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101808606B1
KR101808606B1 KR1020160167688A KR20160167688A KR101808606B1 KR 101808606 B1 KR101808606 B1 KR 101808606B1 KR 1020160167688 A KR1020160167688 A KR 1020160167688A KR 20160167688 A KR20160167688 A KR 20160167688A KR 101808606 B1 KR101808606 B1 KR 101808606B1
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김유종
박경매
한신
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주식회사 에이치투
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Abstract

본 발명은 레독스 흐름전지 스택에 사용되는 분리판 및 전극 조립체에 있어서, 상기 분리판(140)은 열가소성 수지이며, 상기 분리판의 양쪽에 배치되는 전극(170A, 170B)은 상기 분리판의 중앙 부위에서 열압착되어 상기 분리판으로 침투되고, 상기 분리판의 크기는 전극보다 크며, 상기 분리판의 전극보다 큰 영역인 가장자리(141)에서는 화이버 매트(150A; 150B)가 가열 가압되어 침투되어 있는레독스 흐름전지 스택에 사용되는 분리판 및 전극 조립체에 관한 것이다.

Description

열가소성 수지를 이용한 분리판-전극조립체 및 그 제조방법{Bipolar-Electrode Assembly using Thermoplastic Resin and a method thereof }
본 발명은 레독스 흐름 전지용 단위셀에 사용되는 분리판-전극 조립체에 관한 것으로, 특히 열가소성 수지를 이용한 분리판-전극 조립체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
레독스 흐름전지는 최근 전 세계적으로 가장 큰 관심을 불러일으키고 있는 신재생에너지, 온실가스 감축, 2차 전지, 스마트그리드 등과 긴밀하게 연관된 핵심 제품 중 하나이고, 연료전지는 환경오염 물질 배출이 없이 화석 연료를 대체할 신재생에너지발전원으로써 전 세계적으로 급격한 시장의 확대가 진행중인 제품이다. 현재 대부분의 에너지를 화석 연료로부터 얻고 있으나, 이러한 화석 연료의 사용은 대기오염, 산성비 및 지구 온난화 같이 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율도 낮은 문제점이 있다.
이러한 화석 연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기위해 근래에는 신재생에너지 및 연료전지에 대한 관심이 급속도로 높아졌다. 이러한 신재생에너지에 대한 관심 및 연구는 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
신재생에너지 시장의 경우 국내외적으로 성숙 단계에 접어들었다고는 하지만 재생에너지의 특성상 시간 및 날씨 등의 환경 영향에 따라 발생하는 에너지의 양이 크게 변화한다는 문제점이 있어, 신재생에너지 발전의 안정화를 위해 발생된 재생 에너지를 저장하는 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)의 보급이 매우 필요한 상황이며, 이러한 대용량 에너지 저장 시스템으로 주목받고 있는 것이 레독스 흐름전지이다.
본 발명이 적용되는 레독스 흐름전지의 일반적인 구조는 도 1과 같이 전기화학 반응이 일어나는 셀을 적층한 스택(1), 전해질을 보관하는 탱크(3) 및 전해질 탱크에서 스택으로 전해질을 공급하는 펌프(4)로 구성되어 있다.
도 2는 본 발명이 적용되는 스택(1)의 구조를 단순화 하여 보여주고 있으며 좌측에서부터 엔드플레이트(11)-절연판(12)-전류 플레이트(13)-분리판(14)-가스켓(15)-플로우 프레임(16)-전극(17)-가스켓(15)-이온교환막(18)-가스켓(15)-전극(17)-플로우 프레임(16)-가스켓(15)-분리판(14)-전류판(13)-절연판(12)-엔드 플레이트(11)를 도시하고 있고, 분리판(14)~분리판(14)까지 단위 셀을 이루며 일반적으로 하나의 스택은 수십~수백 개의 단위셀을 적층하여 구성된다.
본 발명은 분리판(14)과 상기 분리판(14)의 양쪽에 배치되는 전극(17)을 일체화시키는 조립체를 제작하고자 하는 것으로 이와 관련하여 US 6656639 B1가 있다.
그러나, US 6656639 B1에는 지그에 전극과 수지 시트(분리판 재료)를 넣어 열압착하여 제조되기 때문에 전극과 맞닿지 않는 부분의 수지 시트까지 가열되어 냉각 과정에서 전극과 닿는 부분과 닿지 않는 부분의 경계에서 잔류응력이 형성되어지그를 분리했을 때 분리판이 변형 되거나 강도가 약해지는 문제점이 있다.
본 발명은 분리판-전극의 조립체를 제조하고자 하는 것으로, 특히 전극과 전극 사이에 분리판 재료인 열가소성 수지 시트를 열압착 후 냉각 시에 분리판-전극조립체가 변형되거나 강도가 약해지는 문제를 개선할 수 있는 일체화된 분리판-전극 조립체를 제조하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명에서는 전극과 열가소성 수지 시트의 열압착 과정에서 열가소성 수지 시트의 강도가 취약해질 수 있는 부위에 화이버 매트를 침투시킴으로서 강도를 보강하고자 하는 것이다.
본 발명은 레독스 흐름전지 스택에 사용되는 분리판 및 전극 조립체에 있어서, 상기 분리판(140)은 열가소성 수지이며, 상기 분리판의 양쪽에 배치되는 전극(170A, 170B)은 상기 분리판의 중앙 부위에서 열압착되어 상기 분리판으로 침투되고, 상기 분리판의 크기는 전극보다 크며, 상기 분리판의 전극보다 큰 영역인 가장자리(141) 에서는 화이버 매트(150A; 150B)가 가열 가압되어 침투되어 있는레독스 흐름전지 스택에 사용되는 분리판 -전극 조립체에 관한 것이다.
또한 본 발명에서는 상기 화이버 매트(150A; 150B)의 일부가 상기 전극의 가장자리와 분리판 사이에 놓여지며 가열 가압되어 분리판(140)으로 침투된다.
또한 본 발명에서는 상기 침투된 화이버 매트(150A; 150B)는 안쪽에 구멍이 있는 형태이며 상기 화이버 매트의(150A, 150B)의 바깥쪽의 크기는 상기 분리판의 바깥쪽의 크기와 동일하고 안쪽 구멍의 크기는 상기 전극(170A, 170B)의 바깥쪽의 크기보다 작다.
또한 본 발명에서는 분리판(140) 재료인열가소성 수지 시트의 양쪽 각각에 안쪽에 구멍이 있는 화이버 매트(150A; 150B)를 배치하는 단계; 상기열가소성 수지 시트의 양쪽 각각의 중앙 부분에 전극 재료를 배치하는 단계; 상기 화이버 매트(150A; 150B) 각각에 지그(160A; 160B)를 배치하는 단계; 및 상기 지그(160A; 160B)와 상기 전극 재료의 바깥쪽에서 가열 가압 및 냉각하는 단계를 포함하는 분리판- 전극 조립체를 제작하는 방법에 관한 것이다.
또한 본 발명에서는 상기 전극 재료를 배치하는 단계와 지그를 배치하는 단계의 순서는 서로 변경이 가능하다.
또한, 본 발명에서는 상기 지그(160A; 160B)는 안쪽에 구멍이 있는 형태이며 바깥쪽의 크기는 화이버 매트(150A, 150B)의 바깥쪽의 크기와 동일하고 안쪽 구멍의 크기는 전극재료의 바깥쪽의 크기와 동일하며두께는 전극의 두께보다 얇다.
또한 본 발명에서, 상기 전극(170A, 170B)에는 가로지르는 유로(142)가 형성될 수 있다.
일체화된 바이폴라-전극의 접합체에서 전극과 맞닿지 않는 부분의 분리판 재료인 열가소성 수지 시트에 화이버 매트가 침투되어 뒤틀림이나 변형이 적고 강도가 향상되기 때문에 고품질의 바이폴라-전극 접합체 제조가 가능하다.
또한,전극의테두리 부분을테두리 안쪽까지 화이버 매트가보강하여 전극 테두리에서의 깨짐을 방지하는 효과가 있다.
또한, 스택 프레임과 접합시 견고하게 밀착되어 이 부분에서의 전해질 누수에 따른 성능 저하를 방지하는 효과가 있다.
또한, 수지 시트가 열화되지않아 장시간 사용에서 부식이나 깨짐에 대한 안정적인 효과가 있다.
도 1은 본발명이 적용되는 레독스 흐름전지의 개략도이다.
도 2는 종래 레독스 흐름전지스택의 분해 사시도이다.
도 3는 본발명의 분리판-전극 조립체를 제작하기 위한 구성요소이다.
도 4a 내지 4c는 본발명의 분리판-전극 조립체를 제작하는 방법이다.
도 5는 본 발명에 의한 분리판-전극 조립체의 사시도이다.
도 6은 본 발명에 의한 분리판-전극 조립체의 또다른 실시예이다.
도 7a는 도 6의 실시예의 제작 방법이다.
도 7b는 도 6의 실시예의 또 다른 제작 방법이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본발명을 보다 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일뿐, 이에 의해 본발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 분리판-전극 조립체의 제조 방법을 설명하는 것이다. 전극은 전해질이 관통하여 흐르며 전기화학 반응이 일어나는 곳으로 다공성의 전도성 물질이 사용되며 흑연 펠트(170, graphite felt)가 바람직하다. 단위셀에는 양극 전극(170A)과 음극 전극(170B)이 각각 하나씩 들어가게 될 것이다. (다만, 도 6과 같이 양극 전극과 음극 전극에 유로가 형성된 상태가 될 수 있다.)
분리판(140)은 단위셀들을 나누는 구성요소로 전해질을 완전히 차단시키면서 전기만 통하게 만들어주는 역할을 하며 본 발명에서는 열가소성 수지 시트를 사용한다. 열가소성 수지 자체는 전도성이 없지만 전극과의 열압착 과정에서 전극이 수지 내부로 스며들면서 전도성을 띄게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예인 도 5의 전극(170) 및 분리판 조립체를 제작하기 위한 구성요소들을 도시하고 있다.
화이버 매트(150)는섬유소재(탄소섬유, 유리섬유 등)로 된 얇은 시트(부직포와 비슷한 재질)이거나 또는 두께가 매우 얇은 카본 펠트 (carbon felt)와 같이 전기 전도성 재료인 것이 바람직하며 이에 한정되는 것은 아니다.
다만, 화이버 매트(150)가레독스 흐름전지(Redox Flow Battery)에 적용되기 위해서는 내산성 있는 재료를 사용해야 하며 바깥쪽 크기는 분리판(140)의 재료인열가소성 수지 시트의 바깥쪽 크기와 동일하며 안쪽 구멍은 전극(170)의 바깥쪽 크기보다는 작아야 한다.
조립지그(160)은 핫프레스 공정에서 화이버 매트(Fiber mat)와 열가소성 수지 시트인 분리판(170)을 압착하여 화이버(fiber)가 분리판에 스며들도록 하며 조립 지그(160)의 두께는 전극(170)보다 얇게 한다. 조립지그의 바깥쪽 크기는 분리판(140)의 바깥쪽 크기와 동일하며 안쪽 구멍은 전극(170)의 바깥쪽 크기와 동일하다.
도 4a는 도 3에 나열된 구성요소들을 열판(200A, 200B)사이에 적층한 상태를 도시한다. 분리판(140)의 양쪽의 가장자리에는 화이버 매트(150A, 150B)가 놓여진다. 화이버 매트(150)의 바깥쪽 크기는 분리판(140)의 재료인열가소성 수지 시트의 바깥쪽 크기와 동일하므로 나란하게 정렬을 맞출 수 있다.
그 후 전극(170A, 170B)를 분리판(140) 양쪽의 중앙 부위에 배치하는데, 전극(170A, 170B) 의 바깥쪽 크기가 화이버 매트(150A, 150B)의 안쪽 구멍보다 크므로 동그라미 A와 같이 중첩되는 부분이 발생한다.
그 후, 지그(160A, 160B)가 화이버 매트(150A, 150B)위에 놓여진다. 바깥쪽 크기는 분리판(140)의 바깥쪽 크기와 동일하며 안쪽 구멍은 전극(170A, 170B)의 바깥쪽 크기와 동일하므로, 지그(160A, 160B)는 화이버 매트(150A, 150B)위에만 놓여질 것이다. 이후 가열판(200A, 200B)를 양쪽에 놓은 상태에서 가열 가압을 하게 되면 도 4b와 같이 눌려지는 상태가 될 것이다.
또한, 전극(170A, 170B)과 지그(160A, 160B)을 놓는 순서는 바뀌어 질 수 있을 것이다.
이와 같이, 가열 가압을 하게 되면 분리판(140)의 양쪽에 배치된화이버 매트(150A, 150B)와 전극(170A, 170B)이 분리판으로 스며들어가 일체형을 이루게 되어 도 4c 및 도 5와 같은 형태의 분리판-전극 조립체가 형성된다.
분리판(140)의 가장자리(141)는 화이버 매트(150A, 150B)만이 스며들어간 것이고, 분리판 가운데 부분은 전극(170A, 170B)이 스며들어간 것이다.전극테두리의 안쪽 부분은 화이버 매트와 전극이 동시에 스며들어가 있다.
본 발명에서는 전극(170)이 없는 분리판(140)의 가장자리(141)에 화이버 매트(150)을 적용하여 강도를 보강한 것이며 전극(170)과 화이버 매트(150)이 부분적으로 겹치게 하여 전극(170) 또는 화이버 매트(150)에서 에지가 취약해지는 점을 방지하고자 한 것이다.
압착 과정을 통하여 화이버 매트(150)은 수지 시트인 분리판(140) 내부로 모두 침투하게되어 가장자리(141)에서 매끈한 면을 얻을 수 있으며 상기 매끈한 면(141)을 이웃하는 플로우 프레임(16)에 접합할 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예로서, 분리판(140)위의 전극(170)을 관통하는 유로(142)를 형성하는 것이다. 이는 2이상의 직사각형 소재의 펠트 전극 사이로전해질이 통과하도록하여 전해질의압력 강하를 감소하도록 하며 이로 인하여 시스템효율을 향상시키고자 하는 것이다.
도 6의 전극-분리판 조립체는 도 7a와 같이 도 4c에서 제작된 전극-분리판 조립체에서 전극(170)의 중앙 부위를 가공툴이나 조각칼 등을 이용하여 유로를 형성할 수 있다. 파낸 부분(142)은 전극과 연결되 분리판 펠트가 침투되어 있으므로 충분히 높은 강도를 구비할 수 있을 것이다.
또한, 도 6과 같은 전극-분리판 형태의 조립체는 도 7b에서 처럼 분리판(140)의 양쪽에 2개 이상의 안쪽 구멍을 구비하는 화이버 매트(150')를 놓고 그 후 2개 이상의 전극(170')를 놓은 후 2개 이상의 안쪽 구멍을 구비하는 지그(160')를 놓고 열가압하여 형성할 수 있을 것이다.
또한, 전극(170')과 지그(160')을 놓는 순서는 바뀌어 질 수 있을 것이다.
전극의 재료로는그래파이트 펠트(graphite felt), 카본 펠트(carbon felt), 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 천(carbon cloth)등이 사용될 수 있다.
분리판(140)의 재료인열가소성 수지 시트로는폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS), 폴리염화비닐(PVC), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지 (PET), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PETG), 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS)시트 등이 사용될 수 있다.
11: 엔드플레이트 12: 절연판
13: 전류플레이트 14:분리판
15: 가스켓 16: 플로우프레임
16a: 플로우프레임의내부의빈공간 16b: 플로우프레임의외부프레임
17: 전극 18: 이온교환막
140: 분리판 150A, 150B: 화이버 매트
160A, 160B: 지그 170A, 170B: 전극

Claims (10)

  1. 레독스 흐름전지 스택에 사용되는 분리판 및 전극 조립체에 있어서,
    상기 분리판(140)은 열가소성 수지이며,
    상기 분리판의 양쪽에 배치되는 전극(170A, 170B)은 상기 분리판의 중앙 부위에서 열압착되어 상기 분리판으로 침투되고,
    상기 분리판의 크기는 전극보다 크며,
    상기 분리판의 전극보다 큰 영역인 가장자리(141)에서는 화이버 매트(150A; 150B)가 가열 가압되어 침투되어 있는레독스 흐름전지 스택에 사용되는 분리판 및 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화이버 매트(150A; 150B)의 일부가 상기 전극의 가장자리와 분리판사이에 놓여지며 가열 가압되어 분리판(140)으로 침투되어 있는분리판 및 전극 조립체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 침투된 화이버 매트(150A; 150B)는 안쪽에 구멍이 있는 형태이며
    상기 화이버 매트의(150A, 150B)의 바깥쪽의 크기는 상기 분리판의 바깥쪽의 크기와 동일하고 안쪽 구멍의 크기는 상기 전극(170A, 170B)의 바깥쪽의 크기보다 작은분리판 및 전극 조립체.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극(170A, 170B)에는 가로지르는 유로(142)가 형성된 분리판 및 전극 조립체.
  5. 분리판(140) 재료인 열가소성 수지 시트의 양쪽 각각에 안쪽에 구멍이 있는 화이버 매트(150A; 150B)를 배치하는 단계;
    상기열가소성 수지 시트의 양쪽 각각의 중앙 부분에 전극 재료를 배치하는 단계;
    상기 화이버 매트(150A; 150B) 각각에 지그(160A; 160B)를 배치하는 단계; 및
    상기 지그(160A; 160B)와 상기 전극 재료의 바깥쪽에서 가열 가압하는 단계를 포함하는 분리판 및 전극 조립체를 제작하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전극 재료를 배치하는 단계와 지그를 배치하는 단계의 순서는 서로 변경이 가능한 분리판 및 전극 조립체를 제작하는 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 화이버 매트의(150A, 150B)의 바깥쪽의 크기는 상기 분리판의 바깥쪽의 크기와 동일하고 안쪽 구멍의 크기는 상기 전극(170A, 170B)의 바깥쪽의 크기보다 작은분리판 및 전극 조립체를 제작하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지그(160A; 160B)는 안쪽에 구멍이 있는 형태이며 바깥쪽의 크기는 화이버 매트(150A, 150B)의 바깥쪽의 크기와 동일하고 안쪽 구멍의 크기는 전극재료의 바깥쪽의 크기와 동일한분리판 및 전극 조립체를 제작하는 방법.
  9. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 가열 가압 단계 이후에 전극 재료에 가공툴 또는 조각칼로 유로(142)를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 분리판 및 전극 조립체를 제작하는 방법.
  10. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 화이버 매트는 2개 이상의 안쪽 구멍을 구비하고, 상기 배치되는 전극 재료는 2개 이상이며, 상기 지그는 2개 이상의 안쪽 구멍을 구비하고 있어서 전극 재료를 가로지르는 유로(142)가 형성될 수 있는 분리판 및 전극 조립체를 제작하는 방법.
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