[논문]NaCl 전해질을 사용한 Cu/Zn 화학전지의 전기적 특성

김용혁

doi:10.5370/kiee.2010.59.7.1259

NaCl 전해질을 사용한 Cu/Zn 화학전지의 전기적 특성
Electrical Characteristics for the Cu/Zn Chemical Cell using NaCl Electrolytes 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.59 no.7, 2010년, pp.1259 - 1264

김용혁 (조선대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper was researched about effectiveness of the electrochemical cell which is composed of the sea water and the Cu/Zn electrode. The electric potential difference between copper and zinc finally reached 0.51 volts. Short current decreased with time. It might depend on the electromotive force decreasing. Confirmed the load resistance and electrode affect in electromotive force and electric current. The resistance which shows a maximum output power was 20[$\Omega$], and the maximum output power from this resistance was evaluated as 0.736mW. In order to calculate the energy which creates from electrochemical cell, charging voltage of the capacitor with various capacitance was investigated. It was found that energy harvesting possibility of the cell which is made of a sea water electrolyte and the copper/the zinc.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이를 위하여 단락상태와 부하조건에 따른 전압, 전류특성 그리고 전압과 전류변화에 미치는 전극효과를 조사하였다. 또한 실제로 전지로부터 생성되는 에너지를 산출하기 위하여 커패시터를 통한 충전특성에 대해서 조사하였다.
본 논문에서는 해수 전해질을 사용하는 전기화학전지를 실현하기 위하여 구리전극과 아연전극에 대한 전극전위의 이론적 산출을 기초로 하여 화학반응에 의해서 생성된 기전력과 전류흐름에 대한 전극면적과 부하저항의 효과를 확인하였다. 최대출력의 조건으로부터 전지의 내부저항이 약 20[Ω] 정도가 됨을 확인하였고 이 조건에서의 최대출력전력이 0.
본 연구에서는 자연 상태로 존재하는 해수를 전해질로 하여 Cn/Zu전극에 의한 화학적 반응의 고찰을 통하여 화학반응으로 생성된 전압과 전류특성에 미치는 요인을 조사하였다. 이를 위하여 단락상태와 부하조건에 따른 전압, 전류특성 그리고 전압과 전류변화에 미치는 전극효과를 조사하였다.

제안 방법

본 연구에서는 자연 상태로 존재하는 해수를 전해질로 하여 Cn/Zu전극에 의한 화학적 반응의 고찰을 통하여 화학반응으로 생성된 전압과 전류특성에 미치는 요인을 조사하였다. 이를 위하여 단락상태와 부하조건에 따른 전압, 전류특성 그리고 전압과 전류변화에 미치는 전극효과를 조사하였다. 또한 실제로 전지로부터 생성되는 에너지를 산출하기 위하여 커패시터를 통한 충전특성에 대해서 조사하였다.
1[Wt%]의 자연 해수를 사용하였다. 전지구조는 아크릴재질의 수조 내에 15mm 간격으로 금속판을 대향 배열한 후 전해질을 주입하는 구조로 제작하였다. 해수 농도는 Digital salt meter(GMK550)를 사용하여 0.
736[mW]로 평가 되었다. 커패시터에 저장되는 시간과 에너지 저장량을 산출함으로서 해수 전해질과 구리/아연의 볼타전지 방식에 의한 에너지 수확가능성을 확인하였다.
해수 농도는 Digital salt meter(GMK550)를 사용하여 0.0∼10.0% 범위에서 측정하였다.
화학반응으로 생성된 전지 에너지에 대한 부하효과를 조사하기 위하여 부하저항 330Ω을 전지의 출력단에 연결한 후, 저항 양단의 전압과 저항과 직렬로 연결시킨 전류계를 통해서 부하전류를 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 금속전극은 순도 99% 이상의 Cu와 Zn의 사각판형 구조로서 크기는 가로 30cm, 세로 20cm, 두께 0.5mm 이다. 전해질로는 NaCI로서 농도 3.
5mm 이다. 전해질로는 NaCI로서 농도 3.1[Wt%]의 자연 해수를 사용하였다. 전지구조는 아크릴재질의 수조 내에 15mm 간격으로 금속판을 대향 배열한 후 전해질을 주입하는 구조로 제작하였다.

이론/모형

전지의 개방전압 및 단자전압은 Digital voltmeter(DV-101A)로 측정하였고 단락전류 및 부하전류는 Digital ammeter(DA-101B)를 사용하여 측정하였다. 충전전압의 변화는 Digital storage oscilloscope(DOS3062A)를 사용하여 측정하였다.
전지의 개방전압 및 단자전압은 Digital voltmeter(DV-101A)로 측정하였고 단락전류 및 부하전류는 Digital ammeter(DA-101B)를 사용하여 측정하였다. 충전전압의 변화는 Digital storage oscilloscope(DOS3062A)를 사용하여 측정하였다. 그림 3에 실험장치 사진을 나타내었다.

성능/효과

51[mV]에 도달하기 때문에 커패시터에 저장되는 에너지는 정전용량에 비례하여 증가됨을 알 수 있다. 따라서 대략 14초 후, 정전용량 112[mF]인 커패시터에 저장되는 에너지량이 14.6 [mJ] 로 계산되었다.
따라서 본 실험 조건에서는 부하저항이 20[Ω]이 될 때 최대전력을 나타내는 것으로 평가되었으며 최대출력을 얻기 위해서는 부하조정을 통해서 20[Ω]으로 정합시키는 것이 바람직하다고 하겠다.
전극면적이 증가할수록 단락전류가 면적에 비례하여 증가하는 특성을 나타내었으며 시간에 따른 감소변화 양상은 전극면적에 관계없이 거의 비슷하게 나타났다. 이와 같은 전극 면적효과는 산화전극인 Zn전극에서는 나타나지 않았고 환원전극인 Cu 전극에서만 나타났다.
본 논문에서는 해수 전해질을 사용하는 전기화학전지를 실현하기 위하여 구리전극과 아연전극에 대한 전극전위의 이론적 산출을 기초로 하여 화학반응에 의해서 생성된 기전력과 전류흐름에 대한 전극면적과 부하저항의 효과를 확인하였다. 최대출력의 조건으로부터 전지의 내부저항이 약 20[Ω] 정도가 됨을 확인하였고 이 조건에서의 최대출력전력이 0.736[mW]로 평가 되었다. 커패시터에 저장되는 시간과 에너지 저장량을 산출함으로서 해수 전해질과 구리/아연의 볼타전지 방식에 의한 에너지 수확가능성을 확인하였다.
커패시터용량의 크기에 따라서 정상값에 이르는 시간의 차이는 있지만 결과적으로 최대값(정상값)인 0.51[mV]에 도달하기 때문에 커패시터에 저장되는 에너지는 정전용량에 비례하여 증가됨을 알 수 있다. 따라서 대략 14초 후, 정전용량 112[mF]인 커패시터에 저장되는 에너지량이 14.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화학전지는 어떻게 구성되는가?	화학전지는 화학반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로써 전자를 생성하는 -전극(산화전극), 전자를 받아들이는 +전극(환원전극), 이온들을 자유롭게 움직이게 하는 전해질 용액으로 구성된다. 전선으로 연결된 서로 다른 두 금속을 전해질 용액 내에 놓았을 때, 외부회로를 따라서 전자가 이동하게 되므로 전류가 흐르게 된다.
	표준전극전위란 무엇인가?	금속이온이 산화-환원반응의 과정을 통해서 나타나는 전위가 표준전극전위이다. 표준전극전위는 전자를 얻기 위한 화학적 경향으로서 전압의 크기로 나타내며 보통 환원전극 (cathode)과 산화전극(anode) 사이의 표준전위차는 전지의 개방전압에 의해서 결정된다.
	화학전지에서 전류가 흐르는 원리는?	화학전지는 화학반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로써 전자를 생성하는 -전극(산화전극), 전자를 받아들이는 +전극(환원전극), 이온들을 자유롭게 움직이게 하는 전해질 용액으로 구성된다. 전선으로 연결된 서로 다른 두 금속을 전해질 용액 내에 놓았을 때, 외부회로를 따라서 전자가 이동하게 되므로 전류가 흐르게 된다. 전자의 흐름은 전선에 흐르는 전류를 통해서 검출하게 되는데 반응성이 큰 금속에서 반응성이 적은 금속으로 전자가 이동된다.

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상세보기
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