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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 금속재료 중에서 염화나트륨 수용액 전해질에 대해서 뛰어난 특성을 나타내면서 높은 에너지 밀도를 갖는 마그네슘 금속연료전지에 대해서 전지의 내부 저항에 따른 출력변화를 전해질 농도, 전극간 거리, 전극크기 면에서 조사하였다. 이를 위하여 전해질 농도변화와 전극면적에 따른 내부저항 변화를 측정하여 금속연료전지의 내부저항이 출력특성이 미치는 영향에 대해서 조사하였다.
- 본 논문에서는 금속연료전지의 출력특성 변화를 내부저항의 관점에서 조사하였다. 금속연료전지의 내부저항을 전해질저항, 공기전극저항과 금속전극저항이 직렬로 연결된 회로로 등가화 하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 금속연료전지의 출력특성 변화를 내부저항의 관점에서 조사하였다. 금속연료전지의 내부저항을 전해질저항, 공기전극저항과 금속전극저항이 직렬로 연결된 회로로 등가화 하였다. 이러한 회로구성을 통하여 금속연료전지의 출력이 각각의 내부저항에 따라 어떻게 변화하는가에 대해 실험적으로 해석하였다.
- 금속연료전지의 내부저항을 전해질저항, 공기전극저항과 금속전극저항이 직렬로 연결된 회로로 등가화 하였다. 이러한 회로구성을 통하여 금속연료전지의 출력이 각각의 내부저항에 따라 어떻게 변화하는가에 대해 실험적으로 해석하였다. 부하저항에 따른 최대출력곡선으로부터 전해질 농도, 전극간 거리, 공기전극 면적, 금속전극 면적조건에 따른 내부저항값을 산출하였으며, 금속연료전지의 출력특성이 이들 내부저항에 의해 영향을 받는 사실을 확인하였다.
- 따라서 본 연구에서는 금속재료 중에서 염화나트륨 수용액 전해질에 대해서 뛰어난 특성을 나타내면서 높은 에너지 밀도를 갖는 마그네슘 금속연료전지에 대해서 전지의 내부 저항에 따른 출력변화를 전해질 농도, 전극간 거리, 전극크기 면에서 조사하였다. 이를 위하여 전해질 농도변화와 전극면적에 따른 내부저항 변화를 측정하여 금속연료전지의 내부저항이 출력특성이 미치는 영향에 대해서 조사하였다.
- 전해질로는 염도 5~15wt%의 염화나트륨 수용액을 사용하였다. 전지의 전압-전류특성은 연료전지 분석장치(PRO200F, ProPower제작)를 이용하여 측정하였고, 저항부하는 분석장치 내부에 실장 된 전자로드를 사용하였다.
대상 데이터
- 전해질과의 전기화학적 산화반응을 일으키는 산화용 금속전극은 90mm(L)×90mm(W)×10mm(t) 크기의 판상형 마그네슘 합금금속(AZ91)을 사용하였다.
- 환원용 공기 전극으로는 Ni-mesh에 활성촉매탄소를 혼합시킨 공기전극(미트제품)을 사용하였으며 전극면적은 금속전극과 같은 크기로 하였다. 전해질로는 염도 5~15wt%의 염화나트륨 수용액을 사용하였다. 전지의 전압-전류특성은 연료전지 분석장치(PRO200F, ProPower제작)를 이용하여 측정하였고, 저항부하는 분석장치 내부에 실장 된 전자로드를 사용하였다.
- 전해질과의 전기화학적 산화반응을 일으키는 산화용 금속전극은 90mm(L)×90mm(W)×10mm(t) 크기의 판상형 마그네슘 합금금속(AZ91)을 사용하였다. 환원용 공기 전극으로는 Ni-mesh에 활성촉매탄소를 혼합시킨 공기전극(미트제품)을 사용하였으며 전극면적은 금속전극과 같은 크기로 하였다. 전해질로는 염도 5~15wt%의 염화나트륨 수용액을 사용하였다.
성능/효과
- 88Ω이 되었다. 공기전극 면적이 감소됨에 따라 전력이 감소되면서 내부저항이 증가하는 경향을 나타내었다. 따라서 공기전극 면적이 작아지면 환원작용이 원활치 못하기 때문에 결국 내부 저항이 증가되는 현상으로 나타난다고 볼 수 있다.
- 부하저항에 따른 최대출력곡선으로부터 전해질 농도, 전극간 거리, 공기전극 면적, 금속전극 면적조건에 따른 내부저항값을 산출하였으며, 금속연료전지의 출력특성이 이들 내부저항에 의해 영향을 받는 사실을 확인하였다. 그리고 전지의 출력은 부하저항이 전지의 내부 저항보다 크거나 작은 경우에 감소되는 특성을 나타내었으며, 연료효율은 부하저항의 증가에 따라 크게 증가하는 특성으로 나타났다. 최대출력에서 연료효율이 50%이라는 점에서, 금속연료전지의 최대출력과 금속연료효율을 동시에 최적화할 수 없음을 확인하였다.
- 이러한 전류-전압 영역에서의 회로전류는 주로 전해질 이온흐름이 주가 되어 나타나는 것으로 생각된다. 그리고 전해질 농도가 증가할수록 전압이 크게 증가하는 특성을 나타냈으며, 전해질 농도 5wt%의 경우, 10wt%나 15wt%에 비해서 상대적으로 빠른 하강 기울기를 나타내었다.
- 따라서 저 전류 영역에서의 전압특성은 주로 금속전극과 공기 전극의 제한 된 산화/환원반응의 결과로 볼 수 있다. 나아가 전류가 보다 증가됨에 따라 전압이 거의 일정한 기울기로 낮아지는 오옴성 특성을 나타냈다. 이러한 전류-전압 영역에서의 회로전류는 주로 전해질 이온흐름이 주가 되어 나타나는 것으로 생각된다.
- 대체로 부하저항 약 7Ω 이상에서 효율이 90%이상으로 크게 증가되었다.
- 전극간 거리가 증가됨에 따라 출력이 낮아지면서 내부저항이 증가되는 현상을 나타냈다. 또한 전극간 거리가 커짐에 따라서 부하저항에 대한 출력변화가 다소 완만해지는 특성을 나타내었다. 전극간 거리 10mm와 30mm에서의 내부저항이 각각 0.
- 그림 3은 연료전지 분석장치로 측정한 마그네슘 금속연료전지의 전류변화에 따른 전압과 전력특성을 나타낸 것이다. 무부하시 전압이 1.4V로 측정되었으며 부하전류의 증가와 더불어 전압이 선형적으로 감소되는 특성을 나타내었다. 전력은 일정 전류값을 정점으로 좌우로 낮아지는 특성을 나타내었다.
- 이러한 회로구성을 통하여 금속연료전지의 출력이 각각의 내부저항에 따라 어떻게 변화하는가에 대해 실험적으로 해석하였다. 부하저항에 따른 최대출력곡선으로부터 전해질 농도, 전극간 거리, 공기전극 면적, 금속전극 면적조건에 따른 내부저항값을 산출하였으며, 금속연료전지의 출력특성이 이들 내부저항에 의해 영향을 받는 사실을 확인하였다. 그리고 전지의 출력은 부하저항이 전지의 내부 저항보다 크거나 작은 경우에 감소되는 특성을 나타내었으며, 연료효율은 부하저항의 증가에 따라 크게 증가하는 특성으로 나타났다.
- 이상의 결과로써 금속연료전지의 연료변환효율은 전해질 농도나 전극면적에 크게 의존되지 않고 단지 금속연료전지 고유의 연료변환효율로 특정 지을 수 있음을 알 수 있다. 이미 앞에서 관찰한 바와 같이 부하저항을 변화시켰을 때 어느 한 부하 점에서 최대출력이 나타나게 되고, 이때 최대 출력은 부하저항과 전지내부저항이 같을 때 전달된다는 사실을 확인하였다.
- 이러한 현상은 전극간 거리가 클수록 전해질의 이온밀도가 낮아지기 때문인 것으로 생각된다. 이와 같은 결과로부터 금속연료전지의 전극간 거리가 증가할수록 내부저항이 증가되며 그로 인해 출력이 저하된다는 것을 확인하였다.
- 대체로 부하저항 약 7Ω 이상에서 효율이 90%이상으로 크게 증가되었다. 이와 같은 결과로서 금속연료 변환효율은 전해질 농도에 따른 내부저항의 영향을 거의 받지 않지만 부하저항에 대한 영향은 크게 작용한다는 것을 확인하였다.
- 그림 10에 전해질농도에 따른 전지의 연료변환효율을 나타내었다. 전해질 농도가 증가될수록 연료변환효율이 다소 증가되는 경향을 나타냈으며, 부하저항의 증가에 대해서는 크게 상승되는 특성을 나타냈다. 대체로 부하저항 약 7Ω 이상에서 효율이 90%이상으로 크게 증가되었다.
- 39Ω으로 나타났다. 즉, 전해질 농도가 증가할수록 낮은 저항에서 최대출력을 나타내었다. 최대출력 시의 부하저항은 결국 전지의 내부저항 값과 같으므로 전해질 농도의 증가는 전지내부저항의 감소로 나타났음을 확인할 수 있다.
- 즉, 전해질 농도가 증가할수록 낮은 저항에서 최대출력을 나타내었다. 최대출력 시의 부하저항은 결국 전지의 내부저항 값과 같으므로 전해질 농도의 증가는 전지내부저항의 감소로 나타났음을 확인할 수 있다. 이와 같은 특성은 전해질 농도가 증가할수록 이온농도가 증가됨으로써 전류흐름을 증가시켰기 때문이다.
- 그리고 전지의 출력은 부하저항이 전지의 내부 저항보다 크거나 작은 경우에 감소되는 특성을 나타내었으며, 연료효율은 부하저항의 증가에 따라 크게 증가하는 특성으로 나타났다. 최대출력에서 연료효율이 50%이라는 점에서, 금속연료전지의 최대출력과 금속연료효율을 동시에 최적화할 수 없음을 확인하였다.
- 최대출력일 때의 부하저항은 전해질 농도 5%, 10%, 15%에 대해서 각각 0.67Ω, 0.58Ω, 0.39Ω으로 나타났다.
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