최근 화석연료 고갈에 따른 에너지위기와 환경오염으로 지구 온난화의 심각성이 대두됨에 따라 이를 해결하기 위해 신재생 에너지(태양광, 풍력, 연료전지)를 이용한 분산전원에 대한 관심이 집중되고 있다. 또한 환경친화적인 대체에너지 상용화를 위해 국가 보급사업이 활발히 진행되고 있으나 장수명의 신뢰성 있는 전력공급 장치의 개발이 절실히 요구되고 있다. 특히 소형 분산전원용으로 연료전지와 ...
최근 화석연료 고갈에 따른 에너지위기와 환경오염으로 지구 온난화의 심각성이 대두됨에 따라 이를 해결하기 위해 신재생 에너지(태양광, 풍력, 연료전지)를 이용한 분산전원에 대한 관심이 집중되고 있다. 또한 환경친화적인 대체에너지 상용화를 위해 국가 보급사업이 활발히 진행되고 있으나 장수명의 신뢰성 있는 전력공급 장치의 개발이 절실히 요구되고 있다. 특히 소형 분산전원용으로 연료전지와 납축전지를 사용하여 하이브리드화를 추진하는 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나 연료전지는 자체의 전기화학반응시간은 빠르지만 반응가스를 포함한 외부 주변기기의 지연시간 발생으로 시스템 측면에서 연료전지가 부하 변화에 신속하게 대응하지 못하며, 고출력(피크 부하)에서 성능 및 효율이 급격히 감소하는 단점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해서는 소형화 및 경량화를 할 수 있는 에너지 밀도가 높고 장수명화가 가능한 환경친화적인 차세대 2차전지 개발이 필수적인데 이에 대한 연구는 미미하다. 따라서 본 연구에서는 연료전지와 하이브리드 시스템을 구성할 수 있는 고효율 밀폐식 Ni-MH 2차전지를 개발하기 위하여 현재 일본 D사의 수산화니켈을 니켈폼에 J사의 AB5 합금을 NPPS에 코팅하여 용량이 약 750mAh인 50×40㎜ 크기의 음·양극판을 제조하였다. 이때 첨가제 종류 및 함량, 극판제조 조건, 침적(soaking)조건, 초기활성화 조건, 시효처리(aging) 조건 등을 변경하면서 최적조건 확립을 위해 먼저 open cell로 충·방전 실험을 행하여 전극 특성을 조사하였다. 밀폐형 1.2V, 100Ah 전지는 5~8Ah인/매 음·양극판을 적용하였으며, open cell 실험을 통해 얻은 최적조건으로 전기화학적 특성을 조사하였다. 침적 및 시효처리 조건에 따른 충·방전 전후 전극과 내구성 실험 후 전극의 표면은 SEM(주사전자현미경)으로 관찰하였고, 전해액의 성분 변화는 ICP분석을 통해 조사하였으며, 최종적으로 3㎾급 연료전지 하이브리드시스템에 2㎾ 밀폐형 Ni-MH전지를 적용하여 부하변동 및 가동시간에 따른 실증실험으로 특성을 조사하였다. 그 실험 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 양극에 수산화니켈(NiOH2)을 음극에 AB5계(MmNi3.9Co0.6Mn0.3 Al0.2) 수소저장합금을 적용하여 음·양극 활물질의 이론용량 대비 음극은 264mAh/g으로 약 85%를 양극은 212mAh/g으로 약 75%의 효율을 갖는 100Ah급 밀폐형 Ni-MH 2차전지를 제조하였다. 2. 밀폐형전지의 경우 초기활성화 방법은 정전류로 충전전기량을 증대하면서 사이클을 반복한 것 보다 충전전류를 가변하면서 Step충전을 실시한 경우가 초기활성화율이 90%이상으로 우수하고 균일하였다. 3. 온도별 충전효율은 20℃에서는 0.2C로 만충전시 100%의 방전용량을 나타낸 전지가 60℃ 조건하에서는 0.2C로 만충전시 약 50%의 방전용량을 나타내었으나 50℃에서 1C 고율로 충전하였을 때 방전용량이 약 95%수준으로 향상 되었다. 4. 방전할 때 전지 분위기 온도를 -18℃, 20℃, 40℃로 변경하면서 온도별 방전효율을 조사한 결과 -18℃에서 90%, 20℃에서 101%, 40℃에서100.7%로 밀폐형 Ni-MH전지의 온도특성이 비교적 우수하였다. 5. 밀폐형 Ni-MH전지의 20℃에서 5C이상 고율방전 성능을 나타내기 위해서는 침적을 55℃에서 20시간 하고 초기활성화 충전 후 시효처리를 70℃에서 60시간 행하였을 때 방전지속시간이 9분 10초로 우수한 결과를 얻었다. 6. 전해액에 KOH 농도와 LiOH, NaOH 첨가제의 함량을 변경하면서 밀폐형 전지의 상온하에서 초기활성화율과 용량 및 5C 고율방전 특성을 실험한 결과 초기활성화율은 6M KOH + 2M NaOH + 1.5M LiOH 전해액이 92.8%로 가장 우수하였으며, 용량과 5C 고율방전 특성은 7.5M KOH + 1.5M LiOH 전해액이 우수하여 전해액내 이온농도가 높을수록 전지성능이 향상됨을 알 수 있었다. 7. DOD 40%, 60%, 100% 조건으로 내구성 실험을 한 결과 DOD 60%에서 500cycle 이상인 KS규격을 만족하였으며, 심방전인 DOD 100%에서도 700cycle째 용량이 96.7%로써 Ni-MH전지의 심방전 특성이 매우 우수하였다. 8. 100Ah급 밀폐형 Ni-MH 2차전지를 병렬 연결하여 12V 200Ah급 전지로 제조한 후 3㎾급 연료전지 하이브리드 시스템에 적용하여 300시간동안 연속가동 실험을 한 결과 연료전지의 초기 가동시 응답속도 저하와 고출력시 효율이 감소되는 단점을 해결하였다.
최근 화석연료 고갈에 따른 에너지위기와 환경오염으로 지구 온난화의 심각성이 대두됨에 따라 이를 해결하기 위해 신재생 에너지(태양광, 풍력, 연료전지)를 이용한 분산전원에 대한 관심이 집중되고 있다. 또한 환경친화적인 대체에너지 상용화를 위해 국가 보급사업이 활발히 진행되고 있으나 장수명의 신뢰성 있는 전력공급 장치의 개발이 절실히 요구되고 있다. 특히 소형 분산전원용으로 연료전지와 납축전지를 사용하여 하이브리드화를 추진하는 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나 연료전지는 자체의 전기화학 반응시간은 빠르지만 반응가스를 포함한 외부 주변기기의 지연시간 발생으로 시스템 측면에서 연료전지가 부하 변화에 신속하게 대응하지 못하며, 고출력(피크 부하)에서 성능 및 효율이 급격히 감소하는 단점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해서는 소형화 및 경량화를 할 수 있는 에너지 밀도가 높고 장수명화가 가능한 환경친화적인 차세대 2차전지 개발이 필수적인데 이에 대한 연구는 미미하다. 따라서 본 연구에서는 연료전지와 하이브리드 시스템을 구성할 수 있는 고효율 밀폐식 Ni-MH 2차전지를 개발하기 위하여 현재 일본 D사의 수산화니켈을 니켈폼에 J사의 AB5 합금을 NPPS에 코팅하여 용량이 약 750mAh인 50×40㎜ 크기의 음·양극판을 제조하였다. 이때 첨가제 종류 및 함량, 극판제조 조건, 침적(soaking)조건, 초기활성화 조건, 시효처리(aging) 조건 등을 변경하면서 최적조건 확립을 위해 먼저 open cell로 충·방전 실험을 행하여 전극 특성을 조사하였다. 밀폐형 1.2V, 100Ah 전지는 5~8Ah인/매 음·양극판을 적용하였으며, open cell 실험을 통해 얻은 최적조건으로 전기화학적 특성을 조사하였다. 침적 및 시효처리 조건에 따른 충·방전 전후 전극과 내구성 실험 후 전극의 표면은 SEM(주사전자현미경)으로 관찰하였고, 전해액의 성분 변화는 ICP분석을 통해 조사하였으며, 최종적으로 3㎾급 연료전지 하이브리드시스템에 2㎾ 밀폐형 Ni-MH전지를 적용하여 부하변동 및 가동시간에 따른 실증실험으로 특성을 조사하였다. 그 실험 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 양극에 수산화니켈(NiOH2)을 음극에 AB5계(MmNi3.9Co0.6Mn0.3 Al0.2) 수소저장합금을 적용하여 음·양극 활물질의 이론용량 대비 음극은 264mAh/g으로 약 85%를 양극은 212mAh/g으로 약 75%의 효율을 갖는 100Ah급 밀폐형 Ni-MH 2차전지를 제조하였다. 2. 밀폐형전지의 경우 초기활성화 방법은 정전류로 충전전기량을 증대하면서 사이클을 반복한 것 보다 충전전류를 가변하면서 Step충전을 실시한 경우가 초기활성화율이 90%이상으로 우수하고 균일하였다. 3. 온도별 충전효율은 20℃에서는 0.2C로 만충전시 100%의 방전용량을 나타낸 전지가 60℃ 조건하에서는 0.2C로 만충전시 약 50%의 방전용량을 나타내었으나 50℃에서 1C 고율로 충전하였을 때 방전용량이 약 95%수준으로 향상 되었다. 4. 방전할 때 전지 분위기 온도를 -18℃, 20℃, 40℃로 변경하면서 온도별 방전효율을 조사한 결과 -18℃에서 90%, 20℃에서 101%, 40℃에서100.7%로 밀폐형 Ni-MH전지의 온도특성이 비교적 우수하였다. 5. 밀폐형 Ni-MH전지의 20℃에서 5C이상 고율방전 성능을 나타내기 위해서는 침적을 55℃에서 20시간 하고 초기활성화 충전 후 시효처리를 70℃에서 60시간 행하였을 때 방전지속시간이 9분 10초로 우수한 결과를 얻었다. 6. 전해액에 KOH 농도와 LiOH, NaOH 첨가제의 함량을 변경하면서 밀폐형 전지의 상온하에서 초기활성화율과 용량 및 5C 고율방전 특성을 실험한 결과 초기활성화율은 6M KOH + 2M NaOH + 1.5M LiOH 전해액이 92.8%로 가장 우수하였으며, 용량과 5C 고율방전 특성은 7.5M KOH + 1.5M LiOH 전해액이 우수하여 전해액내 이온농도가 높을수록 전지성능이 향상됨을 알 수 있었다. 7. DOD 40%, 60%, 100% 조건으로 내구성 실험을 한 결과 DOD 60%에서 500cycle 이상인 KS규격을 만족하였으며, 심방전인 DOD 100%에서도 700cycle째 용량이 96.7%로써 Ni-MH전지의 심방전 특성이 매우 우수하였다. 8. 100Ah급 밀폐형 Ni-MH 2차전지를 병렬 연결하여 12V 200Ah급 전지로 제조한 후 3㎾급 연료전지 하이브리드 시스템에 적용하여 300시간동안 연속가동 실험을 한 결과 연료전지의 초기 가동시 응답속도 저하와 고출력시 효율이 감소되는 단점을 해결하였다.
Recently, distributed power sources using solar energy, wind power and fuel cell has aroused our interest due to the recent energy crisis by the exhaustion of fossil fuels and the global warming by environmental pollution. In addition, the development of power supply system with long cycle life and ...
Recently, distributed power sources using solar energy, wind power and fuel cell has aroused our interest due to the recent energy crisis by the exhaustion of fossil fuels and the global warming by environmental pollution. In addition, the development of power supply system with long cycle life and reliability is needed for the commercialization and widespread use of the alternative energy sources. Fuel cell is one of the most attractive future energy sources. However, fuel cell cannot response to the initial variation of electric loading. Furthermore, the performance and efficiency of fuel cell are significantly degraded with high power loading. In order to overcome these problems it needs a hybridization of fuel cell with secondary battery which has a fast response to load change. In this study, a positive plate composed of Ni(OH)2 on nickel foam and a negative plate of AB5 type alloys on NPPS with the dimensions of 50 mm × 40 mm were fabricated to develop the sealed type Ni-MH secondary battery with the capacity of about 750 mAh. Charge-discharge tests were conducted using a open cell to optimize the content of additives and the conditions for plate fabrication, soaking, initial activation and aging. After charge-discharge tests, the surface morphologies of electrodes were observed using SEM. In addition, the compositional change in electrolyte was investigated using ICP. Finally, the 2 kW Ni-MH battery was employed to 3 kW fuel cell hybrid system, and its characteristics was investigated with load and operating time. The summaries of experimental results are as follows 1. The measured capacities of positive and negative electrode were 212 mAh/g and 264 mAh/g corresponding to the efficiency of 73 % and 84 %, respectively, compared with their theoretical capacities. 2. The initial capacity ratio was superior in the battery through activation in current step charging mode compared with that in constant current mode 3. The discharge capacity of the battery 60 ℃ was measured to be half of that at 20 ℃ when charged at 0.2C rate. However, the discharge capacity at 50 ℃ was improved up to 95 % of that at 20 ℃ when charged at 1C rate. The effects of temperature on the charge efficiency can be attributed to the temperature dependence of plateau pressure of hydride and over potential for gas formation from electrolyte. 4. The low temperature performance of the battery was acceptable showing as 90% capacity at -18℃ compared to that of 20 ℃. 5. A high rate (5C) performance of the battery could be achieved by soaking for 20 hr at 55 ℃ and aging for 60 hr at 70 ℃. 6. The electrolyte composing of 6M KOH + 2M NaOH + 1.5M LiOH has showed the best activation rate and the electrolyte of 7.5M KOH + 1.5M LiOH has showed the largest discharge capacity at a high rate. 7. Cycling test showed that 96.7% of the initial capacity had been preserved after 700 cycle suggesting a longer cycle life than 1000 cycle. 8. The initial response delay and the low efficiency at high power loading in fuel cell was found to be significantly improved in an experiment for 300 hr using 3 kW fuel cell hybrid system where 12 V, 200 Ah Ni-MH battery modules were employed.
Recently, distributed power sources using solar energy, wind power and fuel cell has aroused our interest due to the recent energy crisis by the exhaustion of fossil fuels and the global warming by environmental pollution. In addition, the development of power supply system with long cycle life and reliability is needed for the commercialization and widespread use of the alternative energy sources. Fuel cell is one of the most attractive future energy sources. However, fuel cell cannot response to the initial variation of electric loading. Furthermore, the performance and efficiency of fuel cell are significantly degraded with high power loading. In order to overcome these problems it needs a hybridization of fuel cell with secondary battery which has a fast response to load change. In this study, a positive plate composed of Ni(OH)2 on nickel foam and a negative plate of AB5 type alloys on NPPS with the dimensions of 50 mm × 40 mm were fabricated to develop the sealed type Ni-MH secondary battery with the capacity of about 750 mAh. Charge-discharge tests were conducted using a open cell to optimize the content of additives and the conditions for plate fabrication, soaking, initial activation and aging. After charge-discharge tests, the surface morphologies of electrodes were observed using SEM. In addition, the compositional change in electrolyte was investigated using ICP. Finally, the 2 kW Ni-MH battery was employed to 3 kW fuel cell hybrid system, and its characteristics was investigated with load and operating time. The summaries of experimental results are as follows 1. The measured capacities of positive and negative electrode were 212 mAh/g and 264 mAh/g corresponding to the efficiency of 73 % and 84 %, respectively, compared with their theoretical capacities. 2. The initial capacity ratio was superior in the battery through activation in current step charging mode compared with that in constant current mode 3. The discharge capacity of the battery 60 ℃ was measured to be half of that at 20 ℃ when charged at 0.2C rate. However, the discharge capacity at 50 ℃ was improved up to 95 % of that at 20 ℃ when charged at 1C rate. The effects of temperature on the charge efficiency can be attributed to the temperature dependence of plateau pressure of hydride and over potential for gas formation from electrolyte. 4. The low temperature performance of the battery was acceptable showing as 90% capacity at -18℃ compared to that of 20 ℃. 5. A high rate (5C) performance of the battery could be achieved by soaking for 20 hr at 55 ℃ and aging for 60 hr at 70 ℃. 6. The electrolyte composing of 6M KOH + 2M NaOH + 1.5M LiOH has showed the best activation rate and the electrolyte of 7.5M KOH + 1.5M LiOH has showed the largest discharge capacity at a high rate. 7. Cycling test showed that 96.7% of the initial capacity had been preserved after 700 cycle suggesting a longer cycle life than 1000 cycle. 8. The initial response delay and the low efficiency at high power loading in fuel cell was found to be significantly improved in an experiment for 300 hr using 3 kW fuel cell hybrid system where 12 V, 200 Ah Ni-MH battery modules were employed.
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