KR20140046772A

KR20140046772A - Bipolar plate for redox flow battery and redox flow battery comprising said bipolar plate

Info

Publication number: KR20140046772A
Application number: KR1020120112840A
Authority: KR
Inventors: 이대길; 김부기; 김기현; 임준우; 김민국
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2014-04-21

Abstract

The present invention relates to a bipolar plate for a redox flow battery and a redox flow battery containing the same, more particularly, to a bipolar plate for a redox flow battery used in a redox flow battery comprising: a pair of electrode plates separated into a positive electrode plate and a negative electrode plate; a membrane interposed between the electrode plates; battery cells, where cathode electrolyte and anode electrolyte are supplied in turn, comprising a separating plate spaced apart from the outside of the electrode stacked in series; a core unit in which carbon fibers impregnated with a curable polymer; and a double structure where a graphite surface layer is combined outside the core unit. According to the present invention, the core unit is made of metals, and the double structure where a graphite surface layer is combined outside the core unit, so that the electrical characteristics are similar to the conventional bipolar plate, processing form is easy, mechanical rigidity can be secured, the durability of the electrolyte is maintained and manufacturing cost can be lowered.

Description

Redox flow battery separator and redox flow battery including the separator {BIPOLAR PLATE FOR REDOX FLOW BATTERY AND REDOX FLOW BATTERY COMPRISING SAID BIPOLAR PLATE}

본 발명은 레독스 흐름전지용 분리판 및 상기 분리판을 포함한 레독스 흐름전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양전극판과 음전극판으로 구분되는 한 쌍의 전극판과, 상기 전극판 사이에 개재되는 멤브레인 및 상기 전극의 외측에 이격되어 위치하는 분리판으로 구성된 전지셀이 다수 직렬적층하고, 적층된 전지셀에는 음극전해액과 양극전해액을 교차 공급시키는 레독스 흐름전지에 사용되는 레독스 흐름전지용 분리판에 있어서, 상기 분리판은 경화성 고분자에 탄소섬유를 함침시킨 코어부 및 상기 코어부의 외측에 흑연표면층을 결합시킨 2중 구조를 포함한 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 분리판 및 상기 분리판을 포함한 레독스 흐름전지에 관한 것이다.The present invention relates to a redox flow battery separator and a redox flow battery including the separator, and more particularly, a pair of electrode plates divided into a positive electrode plate and a negative electrode plate, and a membrane interposed between the electrode plates. And a plurality of battery cells composed of a plurality of separator cells arranged in series separated from the outside of the electrode, and stacked battery cells in a separator plate for a redox flow battery used in a redox flow battery that cross-feeds a cathode electrolyte solution and an anode electrolyte solution. The separator includes a core structure in which a carbon fiber is impregnated in a curable polymer, and a double structure in which a graphite surface layer is bonded to the outside of the core portion, and a redox separator for the redox flow battery and the separator. It relates to a flow cell.

최근 지구 온난화의 주요 원인인 온실가스 배출을 억제하기 위한 방법으로 태양광에너지나 풍력에너지 같은 재생에너지가 각광을 받고 있으며 이들의 실용화 보급을 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 재생에너지는 입지환경이나 자연조건에 의해 크게 영향을 받는다. 더욱이, 재생에너지는 출력 변동이 심하기 때문에 에너지를 연속적으로 고르게 공급할 수 없다는 단점이 있다. 따라서, 재생에너지를 가정용이나 상업용으로 사용하기 위해서는 출력이 높을 때 에너지를 저장하고 출력이 낮을 때 저장된 에너지를 사용할 수 있는 시스템을 도입하여 사용하고 있다. Recently, renewable energy, such as solar energy and wind energy, has been spotlighted as a method for suppressing greenhouse gas emission, which is a major cause of global warming, and a lot of researches are being carried out for their practical use. However, renewable energy is greatly affected by the site environment and natural conditions. Moreover, there is a disadvantage in that renewable energy cannot supply energy evenly continuously because the output fluctuates severely. Therefore, in order to use renewable energy for home or commercial use, a system that stores energy when the output is high and uses the stored energy when the output is low is used.

이러한 에너지 저장 시스템으로는 대용량 이차전지가 사용되는데, 일례로, 대규모 태양광발전 및 풍력발전 단지에는 대용량 이차전지 저장시스템이 도입되어져 있다. 상기 대용량의 전력저장을 위한 이차전지로는 납축전지, NaS 전지 그리고 레독스 흐름 전지 (RFB, redox flow battery) 등이 있다. 상기 납축전지는 다른 전지에 비해 상업적으로 널리 사용되고 있으나 낮은 효율 및 주기적인 교체로 인한 유지보수의 비용과 전지 교체시 발생하는 산업폐기물의 처리문제 등의 단점이 있다. NaS 전지의 경우 에너지 효율이 높은 것이 장점이나 300℃이상의 고온에서 작동하는 단점이 있다. 레독스 흐름 전지는 유지 보수 비용이 적고 상온에서 작동가능하며 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있기 때문에 최근 대용량 2차전지로 많은 연구가 진행되고 있다. As such an energy storage system, a large-capacity secondary battery is used. For example, a large-capacity secondary battery storage system is introduced into a large-scale solar power generation and wind power generation complex. The secondary battery for storing a large amount of power includes a lead acid battery, a NaS battery, and a redox flow battery (RFB). Although the lead acid battery is widely used in comparison with other batteries, it has disadvantages such as low efficiency and maintenance cost due to periodical replacement and disposal of industrial waste generated when the battery is replaced. The NaS battery has a disadvantage in that it operates at a high temperature of 300 ° C or higher, although it has an advantage of high energy efficiency. The redox flow battery has been researched as a large capacity secondary battery recently because it has low maintenance cost, can operate at room temperature, and can independently design capacity and output.

도 1은 레독스 흐름전지의 구조를 설명하기 위한 개략 구조도이고, 도 2는 종래 레독스 흐름전지의 내부구조를 설명하기 위한 분해사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 레독스 흐름전지의 단위셀의 구조를 도식적으로 나타낸 단면도이다. 레독스 흐름전지는 도 1 내지 도3과 같은 구조를 가지고 있으며 연료전지와 유사하게 멤브레인, 전극 및 분리판(Bipolar plate)이 직렬(Series)로 배치되어 스택(Stack)을 구성함으로써, 전기 에너지의 충방전이 가능한 이차전지(Secondary battery)의 기능을 가진다. 레독스 흐름전지는 멤브레인의 양측에 양극 전해질(Electrolyte)과 음극 전해질이 순환하면서 이온 교환이 이루어지고 이 과정에서 전자의 이동이 발생하여 충방전이 이루어진다. 이와 같은 레독스 흐름전지는 기존 이차전지에 비해 수명이 길고 kW~MW급 중대형 시스템으로 제작할 수 있기 때문에 ESS에 가장 적합한 것으로 알려져 있다. 1 is a schematic structural diagram for explaining the structure of a redox flow battery, Figure 2 is an exploded perspective view for explaining the internal structure of a conventional redox flow battery, Figure 3 is a unit cell of a redox flow battery according to the present invention It is sectional drawing which shows schematic of structure. Redox flow battery has a structure as shown in FIGS. 1 to 3 and similarly to a fuel cell, a membrane, an electrode, and a bipolar plate are arranged in series to form a stack, thereby providing electrical energy. It has the function of a secondary battery capable of charging and discharging. In the redox flow cell, a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte are circulated on both sides of the membrane, and ion exchange is performed. In this process, electrons move and charge and discharge are performed. Such a redox flow battery is known to be most suitable for ESS because it has a longer lifespan than a conventional secondary battery and can be manufactured in a kW to MW class medium and large system.

따라서, 최근 레독스 흐름전지에 대한 연구가 이루어지고 있다. 대한민국 공개특허 10-2011-0119775호에는 양극 전극과, 음극 전극과, 이들 양 전극 사이에 개재되는 격막을 구비하는 전지 셀에 양극 전해액 및 음극 전해액을 공급하여 충방전을 행하는 레독스 흐름 전지에 있어서, 상기 양극 전해액은 망간 이온을 함유하고, 상기 음극 전해액은 티탄 이온, 바나듐 이온, 크롬 이온, 아연 이온 및 주석 이온 중에서 선택되는 1종 이상의 금속 이온을 함유하며, MnO2의 석출을 억제하는 석출 억제 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 특허 제1176126호에는 바이폴라 플레이트와, 양전극판과 음전극판으로 구분되는 전극판과, 멤브레인으로 구성된 전지셀이 다수 직렬적층하고, 적층된 다수의 바이폴라 플레이트에는 음극전해액과 양극전해액을 교차 공급시키는 레독스 흐름전지 구조에 있어서, 상기 바이폴라 플레이트는 하부와 상부에 전해액 유입구와 전해액 배출구가 형성되고, 상기 전해액유입구와 전해액배출구 사이에는 전해액이 이동되도록 유로가 형성되고, 상기 전해액유입구와 전해액배출구의 수직선상으로 대칭되는 좌우 부분에는 다른 극을 갖는 전해액이 통과되는 유로통공이 형성되도록 하되, 상기 유로통공에는 통과되는 전해액과 바이폴라 플레이트의 접촉이 차단되도록 절연재질의 쇼트방지관이 삽설되며, 상기 쇼트방지관은 바이폴라 플레이트 외면으로 일부 돌출되도록 하여 적층시 바이플로 플레이트의 양측에 설치되는 전극판에 압밀되어 바이폴라플레이트와 전극판 사이로 전해액이 유출되는 것을 방지하도록 한 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 구조가 개시되어 있다.Therefore, research on the redox flow battery has been made recently. Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0119775 discloses a redox flow battery in which a cathode electrolyte and a cathode electrolyte are supplied to a battery cell having a cathode electrode, a cathode electrode, and a diaphragm interposed between these electrodes to perform charge / discharge. The anode electrolyte contains manganese ions, the cathode electrolyte contains one or more metal ions selected from titanium ions, vanadium ions, chromium ions, zinc ions and tin ions, and precipitation inhibiting means for inhibiting precipitation of MnO 2. Disclosed is a redox flow battery comprising: a. In addition, Korean Patent No. 1176126 has a plurality of battery cells composed of a bipolar plate, an electrode plate divided into a positive electrode plate and a negative electrode plate, and a membrane in series, and a plurality of stacked bipolar plates are supplied with a negative electrolyte solution and a positive electrolyte solution. In the redox flow battery structure, the bipolar plate is formed with an electrolyte inlet and an electrolyte outlet at the bottom and top, a flow path is formed between the electrolyte inlet and the electrolyte outlet, the flow path is formed, the electrolyte inlet and the electrolyte outlet On the left and right portions symmetrically in a vertical line, flow passage holes through which electrolyte having different poles pass are formed, but a short prevention tube made of an insulating material is inserted into the flow passage holes to block contact between the electrolyte solution and the bipolar plate. Prevention tube is bipolar plate and others As it is compacted in the electrode plate that is provided on both sides of the plate by the flow time of stacking the redox flow cell structure, characterized in that to prevent electrolyte leakage between the bipolar plate and the electrode plate it is disclosed to ensure that part of the extrusion.

이와 같은 레독스 흐름전지의 효율은 도 1의 분리판에 의해 크게 좌우된다. 분리판은 양극 전해질과 음극 전해질의 물리적 격벽 역할을 수행하며, 또한 전자의 이동 통로가 되므로 전기 저항이 낮아야 하고 대면적으로 제작하여 스택에 적용할 수 있도록 기계적 물성이 확보되어야 한다. 기존에는 흑연(Graphite) 재료로 분리판을 제작하여 전기전도성이 우수하였으나 제작 비용이 높고 기계적 물성이 낮아서 대면적으로 제작하기 어려운 단점이 있었다. 이로 인해 스택의 용량을 높이는데 한계가 있으며 레독스 흐름전지의 제작 비용이 크게 상승하는 주요 요인이 되었다. 대한민국 특허 제1149351호에는 보호 플레이트, 집전 플레이트, 전극판, 멤브레인과 함께 설치되어 극성 전해액에 의해 전기를 발생시키기 위한 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트 제조방법에 있어서, 벌크 형태의 카본체를 건식 절단방식으로 여유 절단하여 카본 플레이트를 형성하고, 여유 절단된 상기 카본 플레이트를 밀링가공 및 에지가공하여 몸체를 형성하는 단계; 상기 몸체의 일측면에 예정된 형상의 양극 전해액 유로를 형성하고, 상기 양극 전해액 유로와 동일 관통축상에 존재하지 않도록 타측면에 음극 전해액 유로를 형성하는 단계; 각각의 상기 전해액 유로의 전해액 공급라인 및 전해액 배출라인에 연통하는 각각의 전해액 공급공 및 전해액 배출공을 형성하는 단계; 상기 전해액 유로, 전해액 공급공 및 전해액 배출공이 형성된 상기 몸체중 상기 전해액 공급공 및 상기 전해액 배출공과, 상기 전해액 유로를 제외한 상기 몸체의 주변부에 불소수지를 코팅하여 코팅부를 형성하는 단계; 및 상기 몸체, 상기 전해액 유로, 상기 전해액 공급공 및 상기 전해액 배출공 전체를 검사 및 시험하는 단계를 포함하며: 상기 코팅부를 형성하는 단계는, 상기 몸체 전체를 검사하여 코팅 가능 여부를 판단한 후, 코팅이 가능하다고 판정되면, 상기 전해액 유로를 포함하는 상기 몸체의 중앙부를 마스킹 테이프(masking tape)를 이용하여 마스킹하는 단계; 각각의 상기 전해액 공급공 및 상기 전해액 배출공을 포함하는 상기 몸체의 주변부를 검사한 후 이소프로필알콜(IPA) 또는 증류수를 이용하여 탈지 처리하는 단계; 상기 전해액 공급공 및 상기 전해액 배출공을 포함하는 상기 몸체의 주변부에 액상의 테프론 프라이머(primer)를 스프레이 하고, 140 ~ 160℃의 온도에서 10 ~ 15분 동안 열처리하여 소성 가공하여 하코팅하는 단계; 열수축을 방지하기 위해 액상의 PTFE 수지를 상기 하코팅 표면에 분사하고, 300 ~ 400℃의 온도에서 10 ~ 60분간 열처리하고, 150℃의 온도로 하강시킨 후 자연냉각시켜 중코팅 하는 단계; 수분 침투 방지를 위해 ETFE 분말을 분체 코팅하고, 400℃의 온도에서 10 ~ 60분간 열처리한 후, 150℃의 온도로 하강시킨 후 자연냉각시켜 상코팅 하는 단계; 설정된 불소수지 코팅 두께에 이를 때 까지 상기 중코팅 단계 및 상코팅 단계를 반복하여 불소수지 분체 코팅을 완성하는 단계; 코팅의 외관, 도막의 두께, 크랙의 발생여부, 잔존물 유부, 스크래칭 유부, 핀홀의 유부 등을 검사하는 단계; 및 상기 마스킹 테이프를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 바이폴라 플레이트 제조방법이 개시되어 있다. The efficiency of such a redox flow battery depends largely on the separator of FIG. 1. The separator serves as a physical barrier between the positive and negative electrolytes, and also serves as a movement path for electrons, so the electrical resistance must be low, and the mechanical properties must be secured so that it can be manufactured in a large area and applied to the stack. Conventionally, the separator is made of graphite material, so the electrical conductivity is excellent, but the manufacturing cost is high and the mechanical properties are low. As a result, there is a limit to increase the capacity of the stack, and it is a major factor that greatly increases the manufacturing cost of the redox flow battery. In Korean Patent No. 1149351, a method of manufacturing a bipolar plate for a redox flow battery, which is installed together with a protection plate, a current collecting plate, an electrode plate, and a membrane to generate electricity by a polar electrolyte solution, uses a dry cutting method of a bulk carbon material. Forming a carbon plate by marginally cutting the carbon plate, and milling and edge-processing the marginally cut carbon plate to form a body; Forming an anode electrolyte flow passage having a predetermined shape on one side of the body, and forming a cathode electrolyte flow passage on the other side of the cathode electrolyte flow passage so as not to exist on the same through shaft as the anode electrolyte flow passage; Forming respective electrolyte supply holes and electrolyte discharge holes communicating with an electrolyte supply line and an electrolyte discharge line of each of the electrolyte flow paths; Forming a coating part by coating a fluorine resin on the periphery of the body except the electrolyte supply hole and the electrolyte discharge hole and the electrolyte flow path of the body in which the electrolyte flow path, the electrolyte supply hole and the electrolyte discharge hole are formed; And inspecting and testing the entire body, the electrolyte flow path, the electrolyte supply hole, and the electrolyte discharge hole. The forming of the coating part may include inspecting the entire body to determine whether coating is possible, and then coating Masking the central portion of the body including the electrolyte flow path using a masking tape when it is determined that the operation is possible; Inspecting a peripheral portion of the body including each of the electrolyte supply hole and the electrolyte discharge hole and then degreasing using isopropyl alcohol (IPA) or distilled water; Spraying a liquid teflon primer on the periphery of the body including the electrolyte supply hole and the electrolyte discharge hole, heat-processing at a temperature of 140 to 160 ° C. for 10 to 15 minutes, and plastic coating it to lower the coating; Spraying a liquid PTFE resin on the lower coating surface to prevent heat shrinkage, heat treatment at a temperature of 300 to 400 ° C. for 10 to 60 minutes, lowering the temperature to 150 ° C., and then naturally cooling the heavy coating; Powder coating of the ETFE powder to prevent moisture infiltration, heat treatment at a temperature of 400 ° C. for 10 to 60 minutes, lowering the temperature to 150 ° C., and then naturally cooling the phase coating; Repeating the heavy coating step and the phase coating step until the set fluororesin coating thickness is completed to complete the fluororesin powder coating; Inspecting the appearance of the coating, the thickness of the coating film, the presence of cracks, the residue oil, the scratch oil, the pin oil and the like; And it discloses a bipolar plate manufacturing method for a redox flow battery comprising the step of removing the masking tape.

그런데, 레독스 흐름전지용 분리판에 필요한 특성은 내산성, 전기전도성 및 기계적 물성이 있다. 황산과 같은 강산(Acid)으로 이루어진 레독스 흐름전지용 전해질과 직접 접촉하는 분리판은 높은 내산성을 가져야 하며, 전자의 이동 통로가 되므로 높은 전기전도성을 가져야 한다. 또한 기존 이차전지에 비해 큰 용량의 이차전지를 구성하기 위해서는 레독스 흐름전지 스택의 전해질 반응면적이 기존보다 커져야 하므로 분리판의 면적이 증가되어야만 한다. 기존의 흑연 분리판은 높은 내산성과 전기전도성을 가지고 있으나 낮은 기계적 물성과 높은 취성(Brittleness)으로 인해 대면적의 레독스 흐름전지 스택에 적용할 경우 체결 압력(Compaction pressure)이나 외부 충격에 의해 쉽게 파손되어 스택의 불량이 발생한다. 분리판의 면적이 증가될수록 파손 확률도 크기 때문에 중대형 레독스 흐름전지의 제작을 위해서는 기계적 강도가 우수한 대면적 분리판의 개발이 필수적이다. 그러나, 상기 문헌을 포함한 종래의 분리판(바이폴라 플레이트)의 경우 전술한 문제점을 근본적으로 해결하기 어렵고, 카본 소재의 특성상 가공이 쉽지 않고 가공시 파손의 염려가 있어 바람직하지 않다.By the way, the properties required for the separator plate for redox flow battery has acid resistance, electrical conductivity and mechanical properties. The separator in direct contact with a redox flow battery electrolyte made of a strong acid such as sulfuric acid should have high acid resistance and have high electrical conductivity since it becomes a passage for electrons. In addition, since the electrolyte reaction area of the redox flow battery stack needs to be larger than that of the conventional secondary battery to construct a larger capacity secondary battery, the area of the separator must be increased. Conventional graphite separators have high acid resistance and electrical conductivity, but they are easily damaged by reaction pressure or external impact when applied to large-area redox flow cell stacks due to their low mechanical properties and high brittleness. This results in a stack failure. As the area of the separator increases, the probability of breakage also increases, so the development of a large-area separator with excellent mechanical strength is essential for the production of medium-large redox flow batteries. However, in the case of the conventional separation plate (bipolar plate) including the above-mentioned document, it is difficult to fundamentally solve the above-mentioned problems, and because of the characteristics of the carbon material, the processing is not easy and there is a fear of breakage during processing, which is not preferable.

대한민국 공개특허 10-2011-0119775호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2011-0119775 대한민국 특허 제1176126호Republic of Korea Patent No. 1176126 대한민국 특허 제1149351호Republic of Korea Patent No. 1149351

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 요구되는 전기적 특성이 종래의 분리판과 비슷하면서 형태의 가공이 용이하면서도 기계적 강성을 확보할 수 있고, 전해액에 내구성을 가지면서 제조비용을 낮출 수 있는 소재로 된 레독스 흐름전지용 분리판 및 상기 분리판을 포함한 레독스 흐름전지를 제공하는 것이다. Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention is a material that can achieve the required electrical properties similar to the conventional separator plate, easy to process the shape and ensure mechanical rigidity, and lower the manufacturing cost while having durability in the electrolyte solution. It is to provide a redox flow battery separator and a redox flow battery including the separator.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 양전극판과 음전극판으로 구분되는 한 쌍의 전극판과, 상기 전극판 사이에 개재되는 멤브레인 및 상기 전극의 외측에 이격되어 위치하는 분리판으로 구성된 전지셀이 다수 직렬적층하고, 적층된 전지셀에는 음극전해액과 양극전해액을 교차 공급시키는 레독스 흐름전지에 사용되는 레독스 흐름전지용 분리판에 있어서, 상기 분리판은 경화성 고분자에 탄소섬유를 함침시킨 코어부 및 상기 코어부의 외측에 흑연표면층을 결합시킨 2중 구조를 포함한 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 분리판을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention is a battery cell consisting of a pair of electrode plate divided into a positive electrode plate and a negative electrode plate, a membrane interposed between the electrode plate and the separation plate which is spaced apart from the outside of the electrode In the separator plate for a redox flow battery used in a redox flow battery which cross-feeds a cathode electrolyte solution and a cathode electrolyte solution to a plurality of stacked and stacked battery cells, the separator plate is a core part impregnated with a carbon fiber in a curable polymer. And a double structure in which a graphite surface layer is bonded to an outer side of the core part.

또한, 본 발명은 상기 경화성 고분자가 아크릴, 폴리카보네이트, PE, PP, PVC, 에폭시 및 페놀로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 열경화성 또는 광경화성 고분자인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 분리판을 제공한다.The present invention also provides a separator for redox flow battery, wherein the curable polymer is at least one thermosetting or photocurable polymer selected from the group consisting of acrylic, polycarbonate, PE, PP, PVC, epoxy, and phenol. .

또한, 본 발명은 상기 흑연표면층이 10 ~ 500 마이크로미터 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 분리판을 제공한다.The present invention also provides a separator plate for a redox flow battery, wherein the graphite surface layer has a thickness in the range of 10 to 500 micrometers.

또한, 본 발명은 상기 코어부와 흑연표면층의 결합이 탄소섬유를 경화성 고분자에 함침시킨 후 고분자의 경화와 동시에 흑연층을 접착하거나 고분자의 경화 후 별도의 접착제를 이용하여 코어부에 흑연표면층을 부착하는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 분리판을 제공한다.In addition, in the present invention, the bond between the core portion and the graphite surface layer impregnates the carbon fiber with the curable polymer, and then simultaneously bonds the graphite layer with the curing of the polymer or attaches the graphite surface layer to the core portion using a separate adhesive after the curing of the polymer. It provides a separator plate for a redox flow battery, characterized in that carried out in a way.

또한, 본 발명은 상기 레독스 흐름전지용 분리판을 포함한 레독스 흐름전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a redox flow battery including the separator plate for the redox flow battery.

본 발명은 기계적 강성이 우수한 탄소섬유 및 고분자 합성수지로 이루어진 코어부와 상기 코어부의 외측면에 카본표면층을 형성한 2중구조의 레독스 흐름전지용 분리판을 제공하여, 전기적 특성이 종래의 분리판과 비슷하면서 형태의 가공이 용이하면서도 기계적 강성을 확보할 수 있고, 전해액에 내구성을 가지면서 제조비용을 낮출 수 있다. The present invention provides a core part made of carbon fiber and polymer synthetic resin having excellent mechanical rigidity, and a separator structure for a redox flow battery having a double structure in which a carbon surface layer is formed on the outer surface of the core part, and its electrical characteristics are similar to those of a conventional separator plate. While the processing of the form is easy to secure mechanical rigidity, while maintaining the durability of the electrolyte can be lowered the manufacturing cost.

도 1은 레독스 흐름전지의 구조를 설명하기 위한 개략 구조도
도 2는 종래 레독스 흐름전지의 내부구조를 설명하기 위한 분해사시도도
도 3은 레독스 흐름전지의 단위셀의 구조를 도시한 단면구조도
도 4는 본 발명에 따른 레독스 흐름전지용 분리판의 구조를 도식적으로 나타낸 구조도 및 부분 단면도
도 5은 본 발명에 따른 레독스 흐름전지용 분리판 중 코어부인 탄소섬유를 고분자에 함침시키는 제조공정을 설명하기 위한 이해도1 is a schematic structural diagram for explaining the structure of a redox flow battery
Figure 2 is an exploded perspective view for explaining the internal structure of a conventional redox flow battery
3 is a cross-sectional view showing the structure of a unit cell of a redox flow battery
4 is a structural diagram and a partial cross-sectional view schematically showing the structure of a separator plate for a redox flow battery according to the present invention;
Figure 5 is an understanding for explaining the manufacturing process of impregnating a polymer carbon fiber as a core part of the separator plate for redox flow battery according to the present invention

이하에서 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 레독스 흐름전지용 분리판(20)은 양전극판(11)과 음전극판(12)으로 구분되는 한 쌍의 전극판과, 상기 전극판 사이에 개재되는 멤브레인(10) 및 상기 전극의 외측에 이격되어 위치하는 분리판(20)으로 구성된 전지셀이 다수 직렬적층하고, 적층된 전지셀에는 음극전해액과 양극전해액을 교차 공급시키는 레독스 흐름전지(100)에 사용된다. 본 명세서에서 전극, 멤브레인, 전해액 등 레독스 흐름전지의 구조 및 분리판을 제외한 나머지 구성에 대해서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 모두 잘 알고 있을 것이므로 본 명세서에서 이에 대해 별도로 설명하지는 않기로 한다.The redox flow battery separator 20 of the present invention includes a pair of electrode plates divided into a positive electrode plate 11 and a negative electrode plate 12, a membrane 10 interposed between the electrode plates, and an outer side of the electrode. A plurality of battery cells composed of separator plates 20 spaced apart from each other are stacked in series, and the stacked battery cells are used in a redox flow battery 100 which cross-feeds a cathode electrolyte solution and a cathode electrolyte solution. In this specification, the structure of the redox flow battery, such as an electrode, a membrane, an electrolyte, and the other components except for a separator, all of those skilled in the art will be well aware of the present invention, so it will be described separately here. I will not.

도 4는 본 발명에 따른 레독스 흐름전지용 분리판의 구조를 도식적으로 나타낸 구조도 및 부분 단면도이다. 도 4에서 보는 것과 같이, 본 발명의 레독스 흐름전지용 분리판(20)은 탄소섬유(211)를 고분자(212)에 함침시킨 복합재료로 된 코어부(21)와 상기 코어부(21)의 외부에 형성된 흑연표면층(22)의 2중 구조로 되어 있다. 4 is a structural diagram and a partial cross-sectional view schematically showing the structure of a separator plate for a redox flow battery according to the present invention. As shown in FIG. 4, the separator 20 for the redox flow battery of the present invention includes a core part 21 and a core part 21 made of a composite material impregnated with a carbon fiber 211 in a polymer 212. The graphite surface layer 22 formed on the outside has a double structure.

본 명세서에서 코어부(21)인 탄소섬유 복합재료는 도 4와 같이 탄소섬유(211)가 고분자 기지(212, Matrix)와 혼합된 형태를 의미하고 기존 흑연 재료에 비해 높은 기계적 강도를 갖는다. 또한 연속된 섬유 배열에 의한 일정 수준 이상의 유연성(Flexibility) 때문에 대면적으로 제작할 경우에도 외력(External force)에 의한 파손 확률이 낮다. 상기 고분자는 고분자인 것이 바람직하며, 열경화성 또는 광경화성, 열가소성 고분자 모두 가능하다. 상기 고분자의 종류는 특별히 제한되는 것은 아니며, 전해질에 대한 내산성을 가진 것이면 모두 가능하며, 그 바람직한 예로는 아크릴, 폴리카보네이트, PE, PP, PVC, 에폭시 및 페놀로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다. 일반적으로 탄소재료는 산성환경에서 견딜 수 있는 재료로 알려져 있으나 복합재료에 포함된 고분자 기지는 산성환경에서 장시간 노출될 경우 침식이 발생할 수 있다. 그러므로 본 발명에서는 흑연 단일 재료로 구성된 기존 분리판과 달리 탄소섬유 복합재료의 코어부(21)로 분리판(20)의 기계적 강도와 형태를 유지하고, 또한 내산성을 확보할 수 있도록 분리판(20) 표면에 전도성 코팅층인 흑연표면층(22)을 부착한 구조의 분리판을 안출하였다. In the present specification, the carbon fiber composite material, which is the core part 21, refers to a form in which the carbon fiber 211 is mixed with the polymer matrix 212, as shown in FIG. 4, and has a higher mechanical strength than the existing graphite material. In addition, the possibility of breakage due to external force is low even when fabricating in a large area due to a level of flexibility due to continuous fiber arrangement. The polymer is preferably a polymer, and thermosetting or photocurable, thermoplastic polymers are possible. The type of the polymer is not particularly limited, and may be any type as long as it has acid resistance to the electrolyte, and preferred examples thereof are one or more selected from the group consisting of acrylic, polycarbonate, PE, PP, PVC, epoxy, and phenol. Do. In general, carbon materials are known to be able to withstand in acidic environments, but polymer bases contained in composite materials may be eroded when exposed to acidic conditions for a long time. Therefore, in the present invention, unlike the conventional separation plate composed of graphite single material, the core part 21 of the carbon fiber composite material to maintain the mechanical strength and shape of the separation plate 20, and also to ensure acid resistance separation plate 20 A plate having a structure having a graphite surface layer 22, which is a conductive coating layer, is attached to the surface thereof.

상기 코어부(21)와 흑연표면층(22)의 결합은 탄소섬유(211)를 경화성 고분자(212)에 함침시킨 후 흑연표면층(22)을 동시경화 접합(Adhesion)하거나, 고분자(212)의 경화 후 별도의 접착제(미도시)를 이용하여 코어부(21)에 흑연표면층(22)을 부착하는 방식으로 수행될 수 있다. 도 5은 본 발명에 따른 레독스 흐름전지용 분리판 중 코어부인 탄소섬유를 고분자에 함침시키는 제조공정을 설명하기 위한 이해도이다. 도 5에 나타난 바와 같이, 미경화 상태의 고분자 기지(212)를 탄소섬유(211)에 함침(Impregnation)시키고 흑연막(22)을 표면에 위치시킨 뒤 열과 압력을 가하여 고분자 기지(212)를 경화시킴으로써, 고분자 기지의 경화에 의해 탄소섬유 복합재료가 높은 기계적 강도를 갖는 지지재가 되고, 고분자 기지가 전해질과 접촉하지 않도록 표면에 내산성의 흑연막이 코팅된 레독스 흐름전지용 분리판을 제작할 수 있다. The core 21 and the graphite surface layer 22 are bonded to each other by impregnating the carbon fiber 211 in the curable polymer 212 and then simultaneously curing the graphite surface layer 22 or curing the polymer 212. Then, it may be performed by attaching the graphite surface layer 22 to the core portion 21 using a separate adhesive (not shown). Figure 5 is an understanding for explaining the manufacturing process of impregnating the carbon fiber, which is the core of the core portion of the separator plate for a redox flow battery according to the present invention. As shown in FIG. 5, the polymer base 212 in an uncured state is impregnated in the carbon fiber 211, the graphite film 22 is placed on the surface, and heat and pressure are applied to cure the polymer base 212. In this way, the carbon fiber composite material becomes a support material having high mechanical strength by curing the polymer matrix, and a separator plate for a redox flow battery in which an acid resistant graphite film is coated on the surface of the carbon matrix composite so as not to contact the electrolyte can be produced.

표면의 흑연층은 높은 전기전도도를 가지고 있으므로 레독스 흐름전지의 전해질 반응 면적을 넓혀주는 탄소펠트와의 접촉 저항을 줄여 효율을 향상 시킬 수 있다. 그러므로 흑연층은 탄소섬유 복합재료 분리판의 내산성과 전기전도도를 향상시킬 수 있으므로 레독스 흐름전지에 매우 적합하다. 상기 흑연표면층의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니나, 분리판의 역할을 수행하기에 적절한 저항값을 보이고 전해액의 영향으로 코어부의 금속이 침식 또는 용해되지 않을 정도의 두께 이상을 확보하는 것이 바람직하다. 상기 사항을 고려하면 흑연표면층의 두께는 10 마이크로미터 이상인 것이 바람직하다. 또한, 필요 이상으로 흑연표면층의 두께가 두꺼워질 경우 스택의 부피가 증가하므로 500 마이크로미터 이하로 형성하는 것이 경제적 관점에서 바람직하다. 따라서, 상기 흑연표면층의 두께는 10 ~ 500 마이크로미터 범위인 것이 더욱 바람직하다. Since the graphite layer on the surface has high electrical conductivity, efficiency can be improved by reducing contact resistance with carbon felt, which extends the electrolyte reaction area of the redox flow battery. Therefore, the graphite layer is very suitable for the redox flow battery because it can improve the acid resistance and electrical conductivity of the carbon fiber composite separator. Although the thickness of the graphite surface layer is not particularly limited, it is preferable to exhibit a resistance value appropriate to perform the role of the separator plate and to have a thickness that is greater than or equal to the metal of the core portion under the influence of the electrolyte solution. In view of the above, the thickness of the graphite surface layer is preferably 10 micrometers or more. In addition, since the volume of the stack increases when the thickness of the graphite surface layer is thicker than necessary, it is preferable from an economic point of view to form it at 500 micrometers or less. Therefore, the thickness of the graphite surface layer is more preferably in the range of 10 to 500 micrometers.

앞에서 설명된 본 발명의 일실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical idea of the present invention. The scope of protection of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art will be able to modify the technical idea of the present invention in various forms. Accordingly, such improvements and modifications will fall within the scope of the present invention as long as they are obvious to those skilled in the art.

11:양전극판 12:음전극판
10:멤브레인 20:분리판
21:코어부 211:탄소섬유
212:고분자 22:흑연표면층
30:프레임 50,60:전해질조
70:펌프 100:레독스 흐름전지11: positive electrode plate 12: negative electrode plate
10: membrane 20: separation plate
21: core part 211: carbon fiber
212: polymer 22: graphite surface layer
30: frame 50, 60: electrolyte
70: pump 100: redox flow battery

Claims

A plurality of battery cells comprising a pair of electrode plates divided into a positive electrode plate and a negative electrode plate, a membrane interposed between the electrode plate and a separator plate spaced apart from the outside of the electrode are laminated in series, In the separator plate for a redox flow battery used in a redox flow battery that cross-feeds a cathode electrolyte and a cathode electrolyte,
The separator is a redox flow battery separator, characterized in that it comprises a core structure impregnated with carbon fibers in the polymer and a double structure bonded to the graphite surface layer on the outside of the core portion.

The method of claim 1,
The polymer is a redox flow battery separator, characterized in that at least one photocurable or thermosetting polymer selected from the group consisting of acrylic, polycarbonate, PE, PP, PVC, epoxy and phenol.

The method of claim 1,
The graphite surface layer is a separator plate for redox flow battery, characterized in that having a thickness in the range of 10 ~ 500 micrometers.

The method of claim 1,
Bonding of the core portion and the graphite surface layer is carried out by impregnating carbon fibers in the curable polymer and then simultaneously bonding the polymer with the curing or attaching the graphite surface layer to the core using a separate adhesive after curing of the polymer. Separator for redox flow battery.

Redox flow battery comprising the separator plate for redox flow battery according to any one of claims 1 to 3.