JP2020009658A - 薄型レドックスフロー電池の電極の製造方法 - Google Patents

薄型レドックスフロー電池の電極の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】薄型レドックスフロー電池の電極の製造方法を提供する。【解決手段】炭素繊維束と、炭素繊維フェルトを準備する第1のステップ、炭素繊維束をニードルパンチングで拡げ、炭素繊維が一方向に配列された支持層を作製する第2のステップ、支持層上に炭素繊維フェルトを載せる第3のステップ;炭素繊維フェルトをニードルパンチングして、炭素繊維フェルト中の炭素繊維が引かれて降りてきて、支持層中の炭素繊維が左右に散らばらないように束ねる第4のステップ、炭素繊維フェルト上面に電解液が流れる方向に流路を形成するために、ニードルが炭素繊維フェルトを繰り返し突き抜けながら、炭素繊維フェルトを次第に圧着する第5のステップ、及び第5のステップを繰り返して、流路と平行する他の流路を炭素繊維フェルトに複数個さらに形成する第6のステップを含む。【選択図】図1

Description

本発明は、レドックスフロー電池の電極の製造方法に関する。
レドックスフロー電池は、電解質の電気化学反応によって充放電を繰り返す二次電池である。レドックスフロー電池に用いられる電解液としては、バナジウム、Zn−Brなどがある。
レドックスフロー電池は、電解液を循環させながら充電と放電を行う。充電と放電は、酸化と還元の電気化学的反応が起こるスタックで起こり、電気は電解液に貯蔵される。
レドックスフロー電池は、スタック数及びサイズに応じて出力が決定され、電気容量はタンクに貯蔵される電解液の量によって決定される。
レドックスフロー電池は、電気を貯蔵する電解液を半永久的に使用でき、環境にやさしく、爆発の危険性がない。
このようなレドックスフロー電池は、レドックスフロー電池の効率が持続的に維持されるように、電解液が電気化学的反応を十分に起こす前に電極を抜けていかず、電極内で停滞しない流れを有することが重要である。
このような問題点を解決するために、本出願人の韓国登録特許(特許文献1参照)には、ニードルパンチングにより、炭素繊維フェルトに電解液が流れる方向に複数の流路を形成し、電解液が流路に沿ってスムーズに流れるようにするレドックスフロー電池の電極の製造方法を開示している。このようなレドックスフロー電池の電極の製造方法には、0.1〜2.0mmの厚さの熱可塑性樹脂メッシュ上に、0.1〜1mmの厚さの炭素繊維フェルトを載せてニードルパンチングして流路を形成し、メッシュは流路がその形状をそのまま維持することができるように流路を支持する役割をする。
一方、レドックスフロー電池の電極の厚さを減らし、同じ空間内により多くの単位セルを積層すると、より多くの電気を生産することができる。
しかし、特許文献1に使用されたメッシュは、熱可塑性樹脂で作られ、実際には1mm未満の厚さにするのが非常に困難である。このため、炭素繊維フェルトとメッシュの厚さを合わせた電極の厚さを1mm未満に減らすことは難しい。
一方、特許文献1は、メッシュ上に炭素繊維フェルトを載せてニードルパンチングし、炭素繊維フェルトの上面に流路を形成して、炭素繊維フェルトとメッシュを結合させるため、ニードルが硬いメッシュに当たって頻繁に折れ、折れたニードルは炭素繊維フェルト中に隠れてレドックスフロー電池の故障を起こす問題点があった。
韓国登録特許10−1865057号公報
本発明の目的は、上記の問題点をすべて解決できる新しい概念の薄型レドックスフロー電池の電極の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するための薄型レドックスフロー電池の電極の製造方法は、
炭素繊維束と、炭素繊維フェルトを準備する第1のステップ、
炭素繊維束をニードルパンチングで、炭素繊維が一方向に配列された支持層を作製する第2のステップ、
支持層上に炭素繊維フェルトを載せる第3のステップ、
炭素繊維フェルトをニードルパンチングして、炭素繊維フェルト中の炭素繊維が引かれて降りてきて、支持層中の炭素繊維が左右に散らばらないように束ねる第4のステップ、
炭素繊維フェルト上面に電解液が流れる方向に流路を形成するために、ニードルが炭素繊維フェルトを繰り返し突き抜けながら、炭素繊維フェルトを次第に圧着する第5のステップ、及び
第5のステップを繰り返して、流路と平行する他の流路を炭素繊維フェルトに複数個さらに形成する第6のステップを含むことを特徴とする。
炭素繊維フェルトの綿密度は10g/m2〜300g/mであることがよい。
炭素繊維フェルトの厚さは0.1〜1mmであることができる。
支持層は、数個から数十本の炭素繊維が積層された単位グループが一方向に配列されて形成されたことが好ましい。
支持層の厚さは、単位グループを構成する炭素繊維の直径の倍数であることができる。
支持層は、一本の炭素繊維が一方向に配列されて形成されることが好ましい。
支持層の厚さは、炭素繊維の直径と同じであることが好ましい。
本発明によると、本発明の薄型レドックスフロー電池の電極の製造方法は、数個から数十本の高強度炭素繊維が積層された単位グループが一方向に配列されて形成された支持層上に炭素繊維フェルトを載せてニードルパンチングして流路を形成するので、従来の熱可塑性メッシュよりも薄い厚さ(0.1〜0.2mm)で流路が壊れないように流路を支持することができる。
また、本発明の電極の製造方法は、一本の高強度炭素繊維が一方向に配列されて形成された支持層上に炭素繊維フェルトを載せてニードルパンチングして流路を形成するので、従来の熱可塑性メッシュよりもはるかに薄い厚さでも流路が壊れないように流路を支持することができる。これにより、炭素繊維フェルトの厚さと支持層の厚さを合わせたレドックスフロー電池の電極の厚さを、熱可塑性メッシュを使用した従来のレドックスフロー電池の電極の厚さの1/5まで減らすことができ、同じ空間内により多くの単位セルを積層し、より多くの電気を生産することができる。
さらに本発明によると、本発明の薄型レドックスフロー電池の電極の製造方法は、格子状の熱可塑性メッシュではなく、炭素繊維が電解液が流れる方向に一列に配列された支持層を備えており、支持層が電解液が流れる方向を案内する役割をすることができる。
本発明は、硬い熱可塑性メッシュではなく、柔軟な炭素繊維で構成された支持層を備えており、支持層上に炭素繊維フェルトを載せてニードルパンチングしても、ニードルが折れることはない。したがって、ニードルが硬いメッシュに当たって折れた後、炭素繊維フェルト中に隠れて、レドックスフロー電池の故障を起こすのを防ぐことができる。
本発明の一実施例による薄型レドックスフロー電池の電極の製造方法を示したフローチャートである。 炭素繊維束をニードルパンチングで左右に拡げた状態を示した図である。 数個から数十本の炭素繊維が積層された単位グループが一方向に配列されて形成された支持層上に、炭素繊維フェルトが載せられた状態を示した図である。 一本の炭素繊維が一方向に配列されて形成された支持層上に、炭素繊維フェルトが載せられた状態を示した図である。 ニードルパンチングによって引かれてきた炭素繊維フェルト中の炭素繊維により、図3に示した支持層中の一方向炭素繊維が、左右に散らばらないように束ねられた状態を示した図である。 ニードルパンチングによって引かれてきた炭素繊維フェルト中の炭素繊維により、図4に示した支持層中の一方向炭素繊維が、左右に散らばらないように束ねられた状態を示した図である。 図5に示した炭素繊維フェルトをニードルが繰り返し突き抜けながら圧着して、炭素繊維フェルト上面の特定部位に流路を形成する状態を示した図である。 図6に示した炭素繊維フェルトをニードルが繰り返し突き抜けながら圧着して、炭素繊維フェルト上面の特定部位に流路を形成する状態を示した図である。 図5に示した炭素繊維フェルト上面に一定の間隔で複数の流路が形成されて作られたレドックスフロー電池の電極を示した図である。 図6に示した炭素繊維フェルト上面に一定の間隔で複数の流路が形成されて作られたレドックスフロー電池の電極を示した図である。 図9に示したレドックスフロー電池の電極が設けられた単位セルの分解斜視図である。 図10に示したレドックスフロー電池の電極が設けられた単位セルの分解斜視図である。
以下、本発明の一実施例による薄型レドックスフロー電池の電極の製造方法について詳しく説明する。
図1に示したとおり、本発明の一実施例による薄型レドックスフロー電池の電極の製造方法は、炭素繊維束と、炭素繊維フェルトを準備する第1のステップ(S11)、炭素繊維束をニードルパンチングで拡げ、炭素繊維が一方向に配列された支持層を作製する第2のステップ(S12)、支持層上に炭素繊維フェルトを載せる第3のステップ(S13)、炭素繊維フェルトをニードルパンチングして、炭素繊維フェルト中の炭素繊維が引かれて降りてきて、支持層中の炭素繊維が左右に散らばらないように束ねる第4のステップ(S14)、炭素繊維フェルト上面に電解液が流れる方向に流路を形成するために、ニードルが炭素繊維フェルトを繰り返し突き抜けながら、炭素繊維フェルトを次第に圧着する第5のステップ(S15)、第5のステップを繰り返して、流路と平行する他の流路を炭素繊維フェルトに複数個さらに形成する第6のステップ(S16)で構成される。
第1のステップ(S11)について説明する。
図2に示したとおり、まず炭素繊維束Tを準備する。炭素繊維束Tは、長い炭素繊維CF1が一方向に配列されて合わさったトウ(tow)形態を有する。炭素繊維CF1は、数十から数百個の炭素繊維フィラメントで構成され、0.1〜0.2mmの直径を有する。図面が複雑になることを避けるために、図2〜図12で炭素繊維フィラメントの図示は省略した。
次に図3に示したとおり炭素繊維フェルトFを準備する。炭素繊維フェルトFは、短い炭素繊維CF2がランダムに固まって作られる。炭素繊維フェルトFは、0.1〜1mmの厚さを有する。
炭素繊維フェルトFの綿密度は10g/m2〜300g/mであることが好ましい。より好ましくは、炭素繊維フェルトFの綿密度は50g/m2〜200g/mであるのがよい。
その理由は、炭素繊維フェルトFの綿密度が10g/m未満であれば、炭素繊維フェルトFが電解液をそのまま吸収してしまい流路が自らの役割を果たせなくなり、炭素繊維フェルトFの耐久性が大幅に低下し、炭素繊維フェルトFの綿密度が300g/mを超えると薄型の炭素繊維フェルトFの製作が困難になって材料費が上昇するからである。
第2のステップ(S12)について説明する。
図2に示したとおり、ニードルNが繰り返し炭素繊維束Tをパンチングすると、炭素繊維束Tを構成する炭素繊維CF1の間の間隔が徐々に広がり、炭素繊維束Tが拡布される。
炭素繊維束Tがニードルパンチングで拡布され、図3又は図4に示した支持層S1,S2が作られる。ここで、炭素繊維束Tの両端が拘束されない状態でニードルパンチングすることもできるが、ニードルパンチング中に炭素繊維CF1が散らばることを防止するために、炭素繊維束Tの両端を治具(jig)で掴んだ状態で炭素繊維束Tの中間部分をニードルパンチングすることもできる。
ニードルパンチングの回数に応じて、図3に示したとおり、数個から数十本の炭素繊維CF1が積層された単位グループが一方向に配列された支持層S1が形成されることがよい。この場合、支持層S1の厚さは炭素繊維CF1の直径の倍数となる。
一例として、図3に示した単位グループは、垂直に積層された3本の炭素繊維CF1で構成される。
炭素繊維CF1一本の直径が0.1〜0.2mmなので、3本の炭素繊維CF1が垂直に積層された支持層S1の厚さは、炭素繊維CF1の直径(0.1〜0.2mm)の3倍の0.3〜0.6mmとなる。
他の例として、単位グループが垂直に積層された4本の炭素繊維CF1で構成される場合、支持層S1の厚さは、炭素繊維CF1の直径(0.1〜0.2mm)の4倍の0.4〜0.8 mmとなる。
このように本発明は、垂直に積層される炭素繊維CF1の数を調節して、支持層S1の厚さを容易に調節することができる。
一方、ニードルパンチングの回数が増加するほど、炭素繊維束Tの拡がりはますます大きくなり、結局図4に示したとおり、一本の炭素繊維CF2が一方向に配列された支持層S2まで形成されてもよい。この場合、支持層S2の厚さは、炭素繊維CF2の直径(0.1〜0.2mm)と同じ0.1〜0.2mmとなる。したがって、支持層S2の厚さを、炭素繊維CF2一本の直径まで減らすことができる。
以下、第3のステップ(S13)〜第6のステップ(S16)の説明では、
図3に示した単位グループが一方向に配列されて形成された支持層S1によって支持される炭素繊維フェルトFの上面に流路P1を形成する方法と、
図4に示した一本の炭素繊維CF2が一方向に配列された支持層S2によって支持される炭素繊維フェルトFの上面に流路P2を形成する方法を交互に説明する。
第3のステップ(S13)について説明する。
図3に示したとおり、支持層S1上に炭素繊維フェルトFを載せる。支持層S1は、数個から数十本の高強度な炭素繊維が積層された単位グループが一方向に配列されて形成されるので、従来の熱可塑性メッシュよりも薄い厚さでも、流路P1(図9参照)が壊れないように流路P1を支持することができる。また、支持層S1の炭素繊維CF1が電解液が流れる方向に一列に配列され、電解液が流れる方向を案内することができる。
一方、図4に示したとおり、支持層S2上に炭素繊維フェルトFを載せる。支持層S2は、一本の高強度な炭素繊維が一方向に配列されて形成されるので、従来の熱可塑性メッシュよりもはるかに薄い厚さでも、流路P2(図10参照)が壊れないように流路P2を支持することができる。また、支持層S2の炭素繊維CF1が電解液が流れる方向に一列に配列され、電解液が流れる方向を案内することができる。
第4のステップ(S14)について説明する。
図3に示した炭素繊維フェルトFをニードルパンチングして、図7に示した流路P1を形成する過程で、何らの拘束なしに一方向に配列された支持層S1の炭素繊維CF1が左右に散らばることを防ぐため、支持層S1中の炭素繊維CF1を炭素繊維フェルトF中の炭素繊維CF2で束ねる。このため、支持層S1上に炭素繊維フェルトFが載せられた状態で炭素繊維フェルトFを所々ニードルパンチングする。
そうすると、図5に示したとおり、炭素繊維フェルトF中の炭素繊維CF2が引かれて降りてきて、支持層S1中の炭素繊維CF1が左右に散らばらないように束ねる。
一方、図4に示した炭素繊維フェルトFをニードルパンチングして、図8に示した流路P2を形成する過程で、何らの拘束なしに一方向に配列された支持層S2の炭素繊維CF1が左右に散らばることを防ぐため、支持層S2中の炭素繊維CF1を炭素繊維フェルトF中の炭素繊維CF2で束ねる。このため、支持層S2上に炭素繊維フェルトFが載せられた状態で炭素繊維フェルトFを所々ニードルパンチングする。
そうすると、図6に示したとおり、炭素繊維フェルトF中の炭素繊維CF2が引かれて降りてきて、支持層S2中の炭素繊維CF1が左右に散らばらないように束ねる。
第5のステップ(S15)について説明する。
図3に示した炭素繊維フェルトFをニードルパンチングして、図7に示したとおり、炭素繊維フェルトF上面に電解液が流れる方向(図11に図示した直線矢印の方向)に流路P1を形成する。このため、図7に示したとおり、ニードルNが炭素繊維フェルトFを繰り返し突き抜けながら、流路P1を形成する部分を次第に圧着させる。このように圧着された部分に流路P1が形成される。このように形成された流路P1によって、電解液が流路P1に沿ってスムーズに流れることができる。
一方、図4に示した炭素繊維フェルトFをニードルパンチングして、図8に示したとおり、炭素繊維フェルトF上面に電解液が流れる方向(図12に図示した直線矢印の方向)に流路P2を形成する。このため、図8に示したとおり、ニードルNが炭素繊維フェルトFを繰り返し突き抜けながら、流路P2を形成する部分を次第に圧着させる。このように圧着された部分に流路P2が形成される。このように形成された流路P2によって、電解液が流路P2に沿ってスムーズに流れることができる。
一方、ニードルパンチングの回数とニードルパンチングの深さを調節すれば、炭素繊維フェルトFの圧着程度を調節することができ、炭素繊維フェルトFの圧着程度により流路P1,P2の深さを調節することができる。このように流路P1,P2の深さを段階別に調節するために、ニードルパンチングの回数は10打/cm2〜300打/cmであることが好ましい。より好ましくは、ニードルパンチングの回数は30打/cm2〜150打/cmであるのがよい。
一方、流路P1,P2の深さがあまりにも深ければ、電気化学的反応が十分に起こる前に電解液が流路P1に沿って急速に抜けていき、流路P1,P2の深さが浅すぎると電解液がうまく抜けなくなる。このような点を考慮して、流路P1,P2の深さは、炭素繊維フェルトFの厚さの1/2〜1/3が好ましい。
前述したとおり、流路P1,P2を炭素繊維フェルトFをカットして形成するのではなく、ニードルパンチングで炭素繊維炭素繊維流路Pを圧着して形成することにより、1mm以下の薄い厚さを有する薄型炭素繊維フェルトFにも流路P1を容易に形成することができる。
一方、流路P1,P2の幅w1,w2は、ニードルパンチングで最小1mmから可能であり、最大幅は任意に設定が可能である。ただし、流路P1,P2の幅w1,w2が広すぎれば、電気化学的反応が十分に起こる前に電解液が流路に沿って急速に抜けていき、流路P1,P2の幅w1,w2が狭すぎると電解液がうまく抜けなくなる。このような点を考慮して、流路P1,P2の幅w1,w2の最大幅を定めることが好ましい。
第6のステップ(S16)について説明する。
図7に示したとおり、炭素繊維フェルトFをニードルパンチングする方式で、流路P1と平行する他の流路P1を炭素繊維フェルトFに複数個さらに形成して、図9に示したレドックスフロー電池の電極10を最終的に作製する。流路P1の間の間隔は、一定でも異なる間隔であってもよい。本実施例では、流路P1の間の間隔が一定である。
図9に示した図面符号T1はレドックスフロー電池の電極10の厚さを示し、図面符号t11は炭素繊維フェルトFの厚さを示し、図面符号t12は支持層S1の厚さを示す。したがって、T1=t11+t12となり、t11は0.1〜1mmの範囲にあり、t12は0.3〜0.6mm(炭素繊維3本の積層高さ)から始まるので、レドックスフロー電池の電極10を最小0.4mm厚さの薄型にすることができる。
図11に示したとおり、レドックスフロー電池の電極10は、設定されたサイズにカットされて単位セル1に設けられる。
単位セル1は、イオン交換膜11、スペーサ12、バイポーラプレート13、レドックスフロー電池の電極10から構成される。図11に示した直線矢印は、電解液が流れる方向を示す。単位セル1を複数配置し、連結してレドックスフロー電池のスタックを作り、スタックを電解液タンクと連結して、レドックスフロー電池を作る。
レドックスフロー電池の電極10が薄型なので、同じ空間内により多くの単位セルを積層して、より多くの電気を生産することができる。
一方、図8に示したとおり、炭素繊維フェルトFをニードルパンチングする方式で、流路P2と平行する他の流路P2を炭素繊維フェルトFに複数個さらに形成して、図10に示したレドックスフロー電池の電極20を最終的に作製する。流路P2の間の間隔は、一定であってよく、または、異なる間隔であってもよい。本実施例では、流路P2の間の間隔は一定である。
図10に示した図面符号T2はレドックスフロー電池の電極20の厚さを示し、図面符号t21は炭素繊維フェルトFの厚さを示し、図面符号t22は支持層S2の厚さを示す。したがって、T2=t21+t22となり、t21は0.1〜1mmの範囲にあり、t22は0.1〜0.2mm(炭素繊維1本の直径)から始まるので、レドックスフロー電池の電極20を最小0.2mmの厚さの超薄型にすることができる。
図12に示したとおり、レドックスフロー電池の電極20は、設定されたサイズにカットされて単位セル2に設けられる。
単位セル2は、イオン交換膜11、スペーサ12、バイポーラプレート13、レドックスフロー電池の電極20から構成される。図12に示した直線矢印は、電解液が流れる方向を示す。単位セル2を複数配置し、連結してレドックスフロー電池のスタックを作り、スタックを電解液タンクと連結して、レドックスフロー電池を作る。
レドックスフロー電池の電極20が超薄型なので、同じ空間内により多くの単位セルを積層して、より多くの電気を生産することができる。
1,2:単位セル
10,20:レドックスフロー電池の電極
11:イオン交換膜
12:スペーサ
13:バイポーラプレート
CF1,CF2:炭素繊維
F:炭素繊維フェルト
N:ニードル
P,P1,P2:流路
S1,S2:支持層
T:炭素繊維束
T1,T2:レドックスフロー電池の電極の厚さ
t11,t21:炭素繊維フェルトFの厚さ
t12,t22:支持層の厚さ
w1,w2:流路の幅

Claims (7)

  1. 炭素繊維束と、炭素繊維フェルトを準備する第1のステップ、
    前記炭素繊維束をニードルパンチングで、炭素繊維が一方向に配列された支持層を作製する第2のステップ、
    前記支持層上に前記炭素繊維フェルトを載せる第3のステップ、
    前記炭素繊維フェルトをニードルパンチングして、前記炭素繊維フェルト中の炭素繊維が引かれて降りてきて、前記支持層中の炭素繊維が左右に散らばらないように束ねる第4のステップ、
    前記炭素繊維フェルト上面に電解液が流れる方向に流路を形成するために、ニードルが前記炭素繊維フェルトを繰り返し突き抜けながら、前記炭素繊維フェルトを次第に圧着する第5のステップ、及び
    前記第5のステップを繰り返して、前記流路と平行する他の流路を前記炭素繊維フェルトに複数個さらに形成する第6のステップを含むことを特徴とする薄型レドックスフロー電池の電極を製造する方法。
  2. 前記炭素繊維フェルトの綿密度は10g/m2〜300g/mであることを特徴とする請求項1に記載の薄型レドックスフロー電池の電極を製造する方法。
  3. 前記炭素繊維フェルトの厚さは0.1〜1mmであることを特徴とする請求項1に記載の薄型レドックスフロー電池の電極を製造する方法。
  4. 前記支持層は、
    数個から数十本の炭素繊維が積層された単位グループが一方向に配列されて形成されたことを特徴とする請求項1に記載の薄型レドックスフロー電池の電極を製造する方法。
  5. 前記支持層の厚さは、前記単位グループを構成する炭素繊維の直径の倍数であることを特徴とする請求項4に記載の薄型レドックスフロー電池の電極を製造する方法。
  6. 前記支持層は、
    一本の炭素繊維が一方向に配列されて形成されたことを特徴とする請求項1に記載の薄型レドックスフロー電池の電極を製造する方法。
  7. 前記支持層の厚さは、前記炭素繊維の直径と同じであることを特徴とする請求項1に記載の薄型レドックスフロー電池の電極を製造する方法。
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