본 연구에서 폐열 에너지를 수집하여 직접 전기로 변환하는 박막형 열전지를 제작하였다. 전도성 탄소섬유에 탄소나노튜브를 코팅함으로써 전기 전도도는 증가하였고, 다양한 곡률 반경에 대한 굽힘 실험에서 전극의 저항변화는 없었다. 열전지의 최대출력은 온도차의 제곱에 비례하여 증가하였으며, $3.4^{\circ}C$의 온도차에서 2.5 mW/kg의 전력을 생산하였다. 12시간의 방전 실험 결과, 열전지는 지속적으로 구동이 가능함을 확인하였다. 또한, 유연한 열전지를 뜨거운 유체가 흐르는 파이프에 감아 구동한 결과, 파이프의 곡률반경에 따라 내부저항은 감소하였고, 생산된 전력은 최대 30 % 상승하였다. 따라서 제작된 열전지는 다양한 곡면형 열원에 적용이 가능하다.
본 연구에서 폐열 에너지를 수집하여 직접 전기로 변환하는 박막형 열전지를 제작하였다. 전도성 탄소섬유에 탄소나노튜브를 코팅함으로써 전기 전도도는 증가하였고, 다양한 곡률 반경에 대한 굽힘 실험에서 전극의 저항변화는 없었다. 열전지의 최대출력은 온도차의 제곱에 비례하여 증가하였으며, $3.4^{\circ}C$의 온도차에서 2.5 mW/kg의 전력을 생산하였다. 12시간의 방전 실험 결과, 열전지는 지속적으로 구동이 가능함을 확인하였다. 또한, 유연한 열전지를 뜨거운 유체가 흐르는 파이프에 감아 구동한 결과, 파이프의 곡률반경에 따라 내부저항은 감소하였고, 생산된 전력은 최대 30 % 상승하였다. 따라서 제작된 열전지는 다양한 곡면형 열원에 적용이 가능하다.
In this study, a thin-film thermo-electrochemical cell that directly converts waste thermal energy into electrical energy was fabricated. Electrical conductivity of conducting carbon fiber, which was used as flexible electrode, was increased through coating of carbon nanotube, and resistance of the ...
In this study, a thin-film thermo-electrochemical cell that directly converts waste thermal energy into electrical energy was fabricated. Electrical conductivity of conducting carbon fiber, which was used as flexible electrode, was increased through coating of carbon nanotube, and resistance of the CNT-coated fiber electrode was not changed even after bending test with various curvatures. Maximum output power of the thermocell was increased quadratically with the temperature difference, and showed a value of about 2.5 mW/kg at temperature difference of $3.4^{\circ}C$. As a result of discharge test for 12 hours, it is confirmed that the cell can operates continuously. And thin-film thermocell wrapped around a pipe with hot liquid flowing within was demonstrated. Internal resistance of the cell was decreased with various curvature of heat pipe, and maximum output power was increased by 30 %. Therefore, the cell can be applied to various heat source.
In this study, a thin-film thermo-electrochemical cell that directly converts waste thermal energy into electrical energy was fabricated. Electrical conductivity of conducting carbon fiber, which was used as flexible electrode, was increased through coating of carbon nanotube, and resistance of the CNT-coated fiber electrode was not changed even after bending test with various curvatures. Maximum output power of the thermocell was increased quadratically with the temperature difference, and showed a value of about 2.5 mW/kg at temperature difference of $3.4^{\circ}C$. As a result of discharge test for 12 hours, it is confirmed that the cell can operates continuously. And thin-film thermocell wrapped around a pipe with hot liquid flowing within was demonstrated. Internal resistance of the cell was decreased with various curvature of heat pipe, and maximum output power was increased by 30 %. Therefore, the cell can be applied to various heat source.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구는 폐열을 수집하여 전기에너지로 직접 변환하는 동시에 활용성이 높은 박막형 열전지를 제작하였다. 유연 전극으로는 탄소섬유를 사용하였고, 탄소나노튜브를 코팅함으로써 전기전도도를 향상시켰다.
가설 설정
4 ℃. (b) Cell potential(solid) and output power(open) on current at steady state.
제안 방법
열전지의 최대 전류밀도를 가정하여 3.4 ℃의 온도차에서 열전지의 내부저항과 같은 저항(30 Ω)을 외부 부하로 걸어주어 12시간 동안 방전 실험을 수행하였다.
전극은 탄소나노튜브가 코팅된 탄소섬유를 이용하였고, 실험 용기로는 U-관을 사용하였다. 온도 차이를 0에서 15 ℃까지 변화시키면서 개방 전압을 측정하였다. 두 전극의 온도차에 따른 개방 전압은 선형적인 특성으로 보였고, 기존 문헌[7,8]에서 알려진 값(1.
온도유지를 위해 정밀한 온도 조절(정확도~±0.1 ℃)이 가능한 열온 수조를 이용하였다.
본 연구는 폐열을 수집하여 전기에너지로 직접 변환하는 동시에 활용성이 높은 박막형 열전지를 제작하였다. 유연 전극으로는 탄소섬유를 사용하였고, 탄소나노튜브를 코팅함으로써 전기전도도를 향상시켰다. 제작된 열전지는 1분 내로 정상상태에 도달하며 최대출력은 ΔT2에 비례하여 증가하여 3.
섬유전극 기반의 박막형 열전지는 유연한 환경에서 구동할 수 있기 때문에, 활용도 측면에서 큰 장점을 가지고 있다. 유연한 환경에서의 구동 여부를 확인하기 위해서 뜨거운 유체가 흐르는 유리 파이프에 박막 열전지를 감아 측정하였다 (Fig. 5(b)의 삽입그림).
활성탄소직물(Activated carbon textile, ACT)은 전도성 직물로써 화학적으로 안정하며, 표면적이 넓고 용액 흡수 능력이 우수하다[9]. 이러한 장점을 극대화하기 위해 활성 탄소직물을 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)가 고농도(2 mg/ml)로 분산되어 있는 탈이온수(De-ionized water)에 담지/건조 하였다. Fig.
본 연구에서는 탄소섬유 기반의 유연 전극과 PET로 구성된 박막형 열전지가 제작되었다. 제작된 열전지를 이용하여 온도차에 따른 성능변화를 관찰하였다. 또한, 12시간의 방전실험과 파이프 실험을 통해 제작된 열전지는 곡면형 열원에도 적용할 수 있고, 지속적인 구동이 가능함을 확인하였다.
이 결과는 탄소 나노튜브 네트워크가 표면을 따라 잘 형성되었고, 전기적 통로를 확보하고 있다는 의미로 해석 된다. 직물의 유연성 특성을 확인하기 위해 탄소나노튜브가 증착된 ACT의 굽힘 실험을 하였다. Fig.
대상 데이터
본 연구에서는 탄소섬유 기반의 유연 전극과 PET로 구성된 박막형 열전지가 제작되었다. 제작된 열전지를 이용하여 온도차에 따른 성능변화를 관찰하였다.
열전지에 사용된 전해질은 산화/환원쌍인 ferry/ferrocyanide (Fe(CN)64-/Fe(CN)63-)가 물에 0.4 M의 농도로 용해되어 있는 용액을 이용하였다. ferry/ferrocyanide 전해질은 다른 이온의 전해질보다 열전 계수가 높고 큰 전류 밀도를 가지고 있어 연구에 주로 이용되고 있다.
4 M 농도의 전해질을 이용하여 측정된 열전 계수를 보여주고 있다. 전극은 탄소나노튜브가 코팅된 탄소섬유를 이용하였고, 실험 용기로는 U-관을 사용하였다. 온도 차이를 0에서 15 ℃까지 변화시키면서 개방 전압을 측정하였다.
성능/효과
열전지의 구동 온도는 뜨거운 전극의 온도와 차가운 전극의 온도의 평균값으로 정의한다. 구동 온도가 높아질수록 열전지의 내부저항이 줄어드는 것을 관찰하였다(Fig. 4(c)).
온도 차이를 0에서 15 ℃까지 변화시키면서 개방 전압을 측정하였다. 두 전극의 온도차에 따른 개방 전압은 선형적인 특성으로 보였고, 기존 문헌[7,8]에서 알려진 값(1.4 ~1.6 mV/K)과 상응하는 1.39 mV/K의 열전 계수를 얻었다.
2(b)의 삽입 그래프에서 볼 수 있듯이, 큰 굽힘에도 C-ACT의 저항은 변화가 없었다. 따라서 전극은 매우 유연하며 높은 전도도를 가지고 있음을 확인하였다.
σ와 κ는 각각 전해질의 전기전도도와 열전도도를 나타낸다. 따라서, 열전도도 대비 전기전도도의 상대적 비율이 열전지 성능에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 전기전도도는 전해질 내의 이온에 의해 영향을 받으며, 열전도도는 용액과 이온을 통한 열의 전도 및 대류에 의해 영향을 받는다.
제작된 열전지를 이용하여 온도차에 따른 성능변화를 관찰하였다. 또한, 12시간의 방전실험과 파이프 실험을 통해 제작된 열전지는 곡면형 열원에도 적용할 수 있고, 지속적인 구동이 가능함을 확인하였다.
내부저항은 E-I 곡선의 기울기로부터 구할 수 있었다. 열전지는 1분 내에 정상상태에 도달하며, 약 10%의 저항 증가를 보였다. 하였다.
5(b)는 파이프의 직경에 따른 최대출력과 내부 저항을 보여주고 있다. 열전지를 파이프에 감았을 때, 최대출력은 30% 가량 증가하였고, 그 만큼 내부저항은 감소한 것을 알 수 있다. 앞서 전극의 유연성 실험에서 전극의 저항은 곡률에 따라 변화가 없었다.
유연 열전지를 유리 파이프에 적용하여 측정한 결과 파이프의 곡률에 따라 저항이 감소(출력 전류 증가)하고 최대출력은 증가하였다. 이를 통해 제작된 열전지는 다양한 곡면형 열원에 적용됨을 확인하였다.
탄소나노튜브를 코팅한 후 ACT의 면저항은 15에서 4 Ω/sq 로 낮아졌다. 이 결과는 탄소 나노튜브 네트워크가 표면을 따라 잘 형성되었고, 전기적 통로를 확보하고 있다는 의미로 해석 된다. 직물의 유연성 특성을 확인하기 위해 탄소나노튜브가 증착된 ACT의 굽힘 실험을 하였다.
유연 열전지를 유리 파이프에 적용하여 측정한 결과 파이프의 곡률에 따라 저항이 감소(출력 전류 증가)하고 최대출력은 증가하였다. 이를 통해 제작된 열전지는 다양한 곡면형 열원에 적용됨을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열전지는 무엇을 이용해 전위차를 생산하는가?
온도차 부식 전지(thermogalvanic cell) 또는 열-전기화학 전지(thermo-electrochemical cell)로도 알려진 열전지는 열에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 전기화학 전지이다. 열전지는 서로 다른 온도를 갖는 두 개의 전극과 , 전해질 그리고 분리막으로 구성되며, 전해질에 담지되어 있는 두 전극의 온도차에 의해 전위차를 생성한다. 이는 온도 차이를 갖는 전극과 전해질 계면에서 산화/환원 매개체(redox mediator)가 반응하는 것으로 두 전극이 동일하거나 같은 전해질에 놓여 있더라도 전압은 생성된다.
열전지의 구성과 특징은?
온도차 부식 전지(thermogalvanic cell) 또는 열-전기화학 전지(thermo-electrochemical cell)로도 알려진 열전지는 열에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 전기화학 전지이다. 열전지는 서로 다른 온도를 갖는 두 개의 전극과 , 전해질 그리고 분리막으로 구성되며, 전해질에 담지되어 있는 두 전극의 온도차에 의해 전위차를 생성한다. 이는 온도 차이를 갖는 전극과 전해질 계면에서 산화/환원 매개체(redox mediator)가 반응하는 것으로 두 전극이 동일하거나 같은 전해질에 놓여 있더라도 전압은 생성된다.
전해질 기반의 열전지와 온도차에 의해 전압을 생성하는 열전대의 차이는?
근본적으로, 전해질 기반의 열전지는 온도차에 의해 전압을 생성하는 열전대(thermocouple)와 매우 흡사하다. 다만, 열전대의경우 운송자(carrier)의 농도차에 의해 유도된 전압차가 생성되지만, 열전지에서는 전극 계면에서 이온의 반응 엔트로피 차이에 의해 전위차가 생성된다.
참고문헌 (9)
Joo Seok Park, "Alkari Metal Thermal to Electric Converter for Space Power Generation", 자동차공학회지 Vol. 25, Jun. 2003, pp.60-65.
Tae June Kang, Shaoli Fang, Mikhail E. Kozlov, Carter S. Haines, Na Li, Yong Hyup Kim, Yongsheng Chen and Ray H. Baughman, "Electrical power from nanotube and graphene electrochemical thermal energy harvesters" Adv. Func. Mater., Vol. 22, Dec. 2011, pp.477-489.
Cronin B. Vining, "An inconvenient truth about thermoelectrics" Nat. Mater., Vol. 8, Feb. 2009, pp.83-85.
E. D. Eastman, "THERMODYNAMICS OF NON-ISOTHERMAL SYSTEMS" J. Am. Chem. Soc., Vol. 48, Jun. 1927, pp.1482-1493.
Rama Venkatasubramanian, Edward Siivola, Thomas Colpitts and Brooks O'Quinn, "Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit" Nat., Vol. 413, Oct. 2001, pp.597-602.
Toshiro Hirai, Kazuhiko Shindo and Tsutomu Ogata, "Charge and Discharge Characteristics of Thermochargeable Galvanic Cells with an $[Fe(CN)6]^{4-}$ / $[Fe(CN)6]^{3-}$ Redox Couple" J. Electrochem. Soc., Vol. 143, Apr. 1996, pp.1305-1313.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.