[논문]Al/Air 연료전지의 출력특성에 미치는 KOH 전해질과 H2O2 감극제의 영향

김용혁

doi:10.5370/kieep.2015.64.4.303

[국내논문] Al/Air 연료전지의 출력특성에 미치는 KOH 전해질과 H2O2 감극제의 영향
Effect of KOH Electrolyte and H2O2 Depolarizer on the Power Characteristics of Al/Air Fuel Cells 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.64 no.4, 2015년, pp.303 - 307

김용혁 (Dept. of Electrical Engineering, Gachon University)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of additive such as $H_2O_2$ in KOH electrolyte solution for the Aluminum/Air fuel cell were investigated with regard to electric power characteristics. The power generated by a Al/Air fuel cell was controlled by the KOH electrolyte solution and $H_2O_2$ depolarizer. Higher cell power was achieved when higher KOH electrolyte concentration and higher $H_2O_2$ depolarizer amount. The maximum power was increased by the increase amount $H_2O_2$ depolarizer, it was found that $H_2O_2$ depolarizer inhibits the generation of hydrogen and the polarization effect was reduced as a result. Internal resistance analysis was employed to elucidate the maximum power variation. Higher internal resistance created internal potential differences that drive current dissipating energy. In order to improve the output characteristics of the Al/Air fuel cell, it is thought to be desirable to increase the KOH electrolyte concentration and increase the $H_2O_2$ addition amounts.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 Al/Air금속연료전지의 출력이 전해질의 종류와 농도는 물론 수소가스에 의한 생성되는 분극작용을 완화시키는 감극제의 의해서 크게 좌우된다는 점에 착안하여 전해질 농도와 감극제 첨가량에 따른 출력특성을 부하저항, 전압강하 등의 관점에서 조사하였다. 이를 위하여금속전극으로 고순도 Al금속을 사용하였으며 전해질로는 KOH(수산화칼륨) 수용액을 사용하였고 감극제로는 화학적으로 안정된 H₂O₂(과산화수소)를 사용하였다.
본 논문에서는 KOH전해질 농도와 H₂O₂감극제 첨가량이 Al/Air 연료전지의 출력특성에 미치는 영향을 조사하였다.

제안 방법

금속전극과 공기전극 간의 거리는 1cm로 조정하였다. 전해질로는 농도 5～15wt%의 KOH수용액을 사용하였으며 감극제로는 화학적 안정성이 우수한 H₂O₂(과산화수소) 를 0.5～3wt% 범위에서 첨가하였다. 전지의 전기적특성은 연료전지분석장치(PRO200F, ProPower사)를 이용하여 측정하였고, 저항부하로는 연료분석장치 내부에 실장된 전자로드 (Electronic Load)를 사용하였다.

대상 데이터

따라서 본 연구에서는 Al/Air금속연료전지의 출력이 전해질의 종류와 농도는 물론 수소가스에 의한 생성되는 분극작용을 완화시키는 감극제의 의해서 크게 좌우된다는 점에 착안하여 전해질 농도와 감극제 첨가량에 따른 출력특성을 부하저항, 전압강하 등의 관점에서 조사하였다. 이를 위하여금속전극으로 고순도 Al금속을 사용하였으며 전해질로는 KOH(수산화칼륨) 수용액을 사용하였고 감극제로는 화학적으로 안정된 H₂O₂(과산화수소)를 사용하였다.
본 실험에서 사용된 산화용 금속전극으로 순도 99.99%의 Al금속을 사용하였으며, 환원용 전극으로는 산소흡착력이 뛰어난 활성촉매탄소와 Ni-mesh를 혼합한 공기전극을 사용하였다. 전극의 크기는 90mm(L)×90mm(W)×5mm(t)로 규격화하였다.
5～3wt% 범위에서 첨가하였다. 전지의 전기적특성은 연료전지분석장치(PRO200F, ProPower사)를 이용하여 측정하였고, 저항부하로는 연료분석장치 내부에 실장된 전자로드 (Electronic Load)를 사용하였다.

성능/효과

전해질로 사용된 KOH 수용액 농도 5～15wt%에 대한 전압-전류특성을 그림 2에 나타내었다. 초기 개방전압은 약 1.45V로서 전해질의 농도에 영향을 크게 받지 않았으나 전해질 농도가 증가할수록 부하전류의 증가에 대해 전압강하의 기울기가 크게 둔화되는 현상을 나타내었다. 일반적으로 금속연료전지의 전기전도는 전지 외부회로의 전자전도와 전해질 내의 이온전도에 의해서 정해지게 되는데, 외부회로에 비해서 전해질 내의 전기저항이 훨씬 높기 때문에 전지의 전도특성은 주로 전해질의 특성에 의해서 결정되어진다.
KOH 전해질 농도가 증가됨에 따라 부하에 공급되는 전류가 크게 증가한 것으로 나타났다. 전지전압 0.
부하전류량의 증가는 바로 출력의 증가로 이어지기 때문에 KOH농도가 증가함에 따라 출력량이 크게 증가 된다고 할 수 있다. 즉 KOH농도 5wt%의 경우 0.66W의 전력량을 산출하지만 KOH농도 15wt%의 경우에는 1.68W로서약 2.5배정도로 출력량이 증가되는 것으로 나타났다. 또한 최대출력의 경우, KOH농도 5wt%, 10wt%, 15wt%에 대해서 각각 0.
5배정도로 출력량이 증가되는 것으로 나타났다. 또한 최대출력의 경우, KOH농도 5wt%, 10wt%, 15wt%에 대해서 각각 0.7W, 1.32W, 1.75W로서 KOH농도 5wt%에 비해 KOH농도 15wt%가 약 2.5배 증가된 것으로 나타났다.
를 0～3wt% 첨가하였을 때의 전압-전류특성을 그림 5에 나타내었다. 감극제 첨가량이 증가함에 따라 전지전압의 강하속도가 상당히 둔화되는 특성을 나타내었다. 이와 같은 특성은 식 (3)에서와 같이 Al금속전극 표면에서 화학반응을 통해서 발생된 수소가스가 H₂O₂와의 결합에 의해서 물로 변환됨으로써 분극이 상당 부분 해소된 결과에 따른 것으로 볼 수 있다.
이와 같은 특성은 식 (3)에서와 같이 Al금속전극 표면에서 화학반응을 통해서 발생된 수소가스가 H₂O₂와의 결합에 의해서 물로 변환됨으로써 분극이 상당 부분 해소된 결과에 따른 것으로 볼 수 있다. 실제 실험을 통해서 H₂O₂첨가제 량이 증가할수록 산화과정에서 생성된 수소기포량이 현저하게 감소되는 것을 육안으로 관찰하였다.
첨가제 증가에 따른 분극완화효과는 그림 6의 출력 특성을 통해서 보다 명확하게 확인할 수 있다. H₂O₂첨가량이 증가됨에 따라 출력의 크게 증가하였으며, H₂O₂첨가량 3wt%의 경우의 최대출력이 1.23W로서 첨가를 하지 않은 경우의 0.7W보다 1.75배 증가한 것으로 나타났다.
감극제 첨가량에 따라 그림 7에 나타내었다. H₂O₂감극제 첨가량이 증가됨에 따라 최대출력의 증가현상이 두드러지게 나타났다.
그림 8에 부하전류 0～1A에서, H₂O₂감극제 첨가량에 따른 전압강하 변화율을 전해질 농도에 따라 나타내었다. 전압강하의 폭이 KOH 전해질 농도가 증가할수록 그리고 H₂O₂감극제 첨가량이 증가할수록 크게 감소하는 것으로 나타났다. 이와 같은 특성은 외부부하에 대응하기 위하여 전지의 산화/환원반응이 급속도로 진행될 때 KOH전해질 농도가 낮거나 KOH감극제 첨가량이 적은 경우에는 내부저항이 비교적 크기 때문에 부하전류에 대한 대응능력이 떨어져서 전압강하의 폭이 증가한 것으로 볼 수 있다.
감극제 첨가량 변화(0～3wt%)에 따른 최대출력의 특성변화를 나타내었다. 전반적으로 최대출력이 KOH전해질 농도의 증가와 H₂O₂감극제 첨가량의 증가와 더불어 크게 증가되는 특성을 나타내었다.
H₂O₂첨가량이 0～3wt%로 증가되었을 때, 전해질 농도 5wt%, 10wt%, 15wt%에 있어서 최대출력이 각각 1.75배, 1.89배, 1.66배로 증가되었다. 그리고 감극제 첨가량 H₂O₂～0.
KOH 전해질 농도가 증가함에 따라 전지의 내부저항이 크게 낮아지는 특성을 나타내었다. 또한 H₂O₂감극제 첨가량이 증가할 수록 내부저항이 감소되는 특성을 나타내었다. 최대출력상태에서의 내부저항이 적을수록 내부저항에 의해서 소비되는 에너지를 최소화 할 수 있기 때문에 출력량이 증가된다고할 수 있다.
KOH전해질 농도 5～15wt%에서 전해질 농도 증가에 대해서 그리고H₂O₂감극제 첨가량 0～3wt%에서 감극제 첨가량 증가에 따라서 전압강하가 현저하게 낮아졌다. KOH전 해질 농도증가와 함께 최대출력이 상승한 것은 전해질 내의이온밀도가 증가된 결과이며, 감극제 첨가량 증가량에 의해서 최대출력이 증가한 것은 H₂O₂감극제가 수소발생을 억제 시킴으로써 분극효과가 감소되어 전지의 내부저항을 낮추는 역할을 했기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상용으로 개발된 금속연료전지는?	또한 방전전압이 일정하고 자가방전이 일어나지 않는 등 전기적 특성이 우수하기 때문에 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 현재까지 상용으로 개발된 금속연료전지는 알루미늄/공기연료전지, 아연/공기연료전지 그리고 마그네슘/공기연료 등으로써 개인이나 가정, 군 통신장비의 비상용 전원, 대기전력용 전원, 전기자동차 동력원 등으로 쓰이는 등 폭넓은 응용범위를 점유하고 있다[1-3].
	금속연료전지란?	금속연료전지는 금속전극의 산화작용과 공기전극의 산화 반응에 의해서 전력을 생산하는 전지로서 다른 연료전지에비해 에너지밀도와 전력밀도가 높은 것이 특징이다. 또한 방전전압이 일정하고 자가방전이 일어나지 않는 등 전기적 특성이 우수하기 때문에 친환경 에너지원으로 각광받고 있다.
	금속연료전지의 장점은?	금속연료전지는 금속전극의 산화작용과 공기전극의 산화 반응에 의해서 전력을 생산하는 전지로서 다른 연료전지에비해 에너지밀도와 전력밀도가 높은 것이 특징이다. 또한 방전전압이 일정하고 자가방전이 일어나지 않는 등 전기적 특성이 우수하기 때문에 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 현재까지 상용으로 개발된 금속연료전지는 알루미늄/공기연료전지, 아연/공기연료전지 그리고 마그네슘/공기연료 등으로써 개인이나 가정, 군 통신장비의 비상용 전원, 대기전력용 전원, 전기자동차 동력원 등으로 쓰이는 등 폭넓은 응용범위를 점유하고 있다[1-3].

참고문헌 (9)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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