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문제 정의
- 따라서 마그네슘/공기연료전지의 과도특성에 영향을 미치는 요소들을 조사하는 것은 전지의 사용범위와 효율성을 극대화 시킬 수 있는 측면에서 매우 중요한 과제라 할 수 있다. 본 연구에서는 마그네슘 금속연료전지의 초기방전 시에 발생되는 전압의 과도특성에 대해 전해질 농도, 전극면적, 전극간 거리 등 전지구성요소를 중심으로 조사하였다.
제안 방법
- Mg/Air연료전지의 과도현상은 전해질 내에서 마그네슘금속과 공기전극의 산화작용과 환원작용에 의한 것으로서 전해질 농도, 전극간 거리, 전극면적의 관점에서 단자전압의 과도특성을 조사하였다. 단자전압의 과도현상은 전압강하와 전압상승 과정을 통해서 발생되었으며 전지의 내부저항이 전압의 과도시간을 결정하는 원인으로 작용하는 것으로 분석하였다.
- Mg/Air연료전지의 과도현상은 전해질 내에서 마그네슘금속과 공기전극의 산화작용과 환원작용에 의한 것으로서 전해질 농도, 전극간 거리, 전극면적의 관점에서 단자전압의 과도특성을 조사하였다. 단자전압의 과도현상은 전압강하와 전압상승 과정을 통해서 발생되었으며 전지의 내부저항이 전압의 과도시간을 결정하는 원인으로 작용하는 것으로 분석하였다. 내부저항이 증가할수록 단자전압이 낮아지고 과도시간이 길어진다는 사실을 확인하였다.
- 부하전류에 따른 전지의 방전특성을 관찰하기 위하여 그림 4에 전해질 농도 10wt%, 전극간 거리10mm의 조건에서, 부하전류를 0.5~5.0A까지 변화시켰을 때, 시간에 따른 단자 전압의 변화를 나타내었다. 단자전압은 초기전압에서 시간에 따라 급격하게 감소 한 후, 다시 전압이 상승하여 정상값에 도달하는 과도적 특성을 나타내었다.
- 산화용 금속전극은 90mm(L)×90mm(W)×10mm(t) 크기의 판상형 마그네슘 합금금속(AZ91)을 사용하였다. 환원용 공기전극으로는 활성탄 촉매에 Ni-mesh를 삽입하여 산소와의 반응을 활성화 시킨 구조로서 전해질과의 접촉면은 친수성막을 사용하였고 공기 접촉면에는 소수성막을 사용하여 전해질 누수를 방지하면서 다공성 구조 통하여 공기 흡입의 효율성을 높였다. 공기전극면적은 금속전극과 같은 크기로 하였으며 전해질로는 염도 5~20wt%의 NaCl(염화나트륨) 수용액을 사용하였다.
대상 데이터
- 환원용 공기전극으로는 활성탄 촉매에 Ni-mesh를 삽입하여 산소와의 반응을 활성화 시킨 구조로서 전해질과의 접촉면은 친수성막을 사용하였고 공기 접촉면에는 소수성막을 사용하여 전해질 누수를 방지하면서 다공성 구조 통하여 공기 흡입의 효율성을 높였다. 공기전극면적은 금속전극과 같은 크기로 하였으며 전해질로는 염도 5~20wt%의 NaCl(염화나트륨) 수용액을 사용하였다. 전지의 전기적 특성은 연료전지 분석장치(PRO200F, ProPower제작)를 이용하여 측정하였고, 부하장치로는 연료분석장치 내부에 실장 된 전자로드를 사용하였다.
- 산화용 금속전극은 90mm(L)×90mm(W)×10mm(t) 크기의 판상형 마그네슘 합금금속(AZ91)을 사용하였다.
- 공기전극면적은 금속전극과 같은 크기로 하였으며 전해질로는 염도 5~20wt%의 NaCl(염화나트륨) 수용액을 사용하였다. 전지의 전기적 특성은 연료전지 분석장치(PRO200F, ProPower제작)를 이용하여 측정하였고, 부하장치로는 연료분석장치 내부에 실장 된 전자로드를 사용하였다.
성능/효과
- 그리고 전압강하시간 τd는 0.21~0.25s로 증가하였고 전압 상승시간 τr은 0.14~0.6s로 크게 증가하는 특성을 나타내었다.
- 그리고 최저전압에서 정상상태에 이르는 전압 상승시간 τr은 0.1~0.35s 정도로서 부하전류 증가에 따라 크게 증가되는 특성을 나타내었다.
- 단자전압의 과도현상은 전압강하와 전압상승 과정을 통해서 발생되었으며 전지의 내부저항이 전압의 과도시간을 결정하는 원인으로 작용하는 것으로 분석하였다. 내부저항이 증가할수록 단자전압이 낮아지고 과도시간이 길어진다는 사실을 확인하였다. 따라서 전지의 내부저항을 줄이기 위해서는 전해질 농도와 공기전극면적의 증가와 함께 전극간 거리의 감소가 주요 조건임을 확인하였다.
- 내부저항이 증가할수록 단자전압이 낮아지고 과도시간이 길어진다는 사실을 확인하였다. 따라서 전지의 내부저항을 줄이기 위해서는 전해질 농도와 공기전극면적의 증가와 함께 전극간 거리의 감소가 주요 조건임을 확인하였다.
- 부하전류가 증가됨에 따라 전압강하시간 τd 와 전압상승 시간 τr 모두 더욱 길어지는 것으로 나타났다.
- 5V로 낮아졌고 τd와 τr 또한 크게 증가된 것으로 나타났다. 이와 같은 전압특성 결과 실용성 면에서 공기전극의 크기가 금속전극의 75% 이상에서 효율성을 갖게 됨을 알 수 있다. 이와 같은 전극면적 효과는 공기전극의 환원작용이 연료전지의 전기적 특성에 미치는 영향이 크다는 것을 증명한 결과라고 볼 수 있다.
- 전극간 거리가 증가됨에 따라 출력이 낮아지면서 최대출력 점에서의 저항 값이 증가하는 현상을 나타내었다. 또한 전극간 거리가 커짐에 따라 부하저항에 대한 출력변화가 완만해지는 특성을 보이고 있다.
- 전극간 거리가 증가함에 따라 전압강하시간 τd와 전압상승시간 τr가 증가하는 특성을 나타내었다.
- 전극거리 5~30mm에서 전압강하시간 τd는 0.15~ 0.4s로 증가하였으며 전압상승시간 τr은 0.15~0.31s정도로 증가하는 특성을 나타내었다.
- 전반적으로 부하전류가 증가할수록 전압강하시간 τd와 전압상승시간 τr 모두 증가한 것으로 나타났으며 t = 0로부터 정상전압에 이르는 과도시간은 0.5~5A 부하전류에 대해 0.31~0.58s로서 부하전류가 증가함에 따라 과도시간이 늘어나는 것으로 나타났다.
- 32s 감소하는 결과로 나타났다. 전반적으로 전해질 농도가 증가함에 따라 단자전압의 과도시간이 감소되는 특성을 나타내었다.
- 따라서 최대전력을 나타내는 부하저항이 전지의 내부저항 값에 해당된다. 전해질 농도가 낮을수록 전지의 내부저항이 낮아지는 특성과 함께 내부저항 변화에 따른 출력변화가 완만해지는 특성을 나타내었다. 전해질 농도 5wt%, 10wt%, 20wt%에 대한 전지 내부저항값이 각각 0.
- 전해질 농도가 증가함에 따라 전압강하 시간 τd와 전압상승 시간 τr이 함께 감소하는 특성을 나타났다.
- 즉 전해질농도를 5wt%에서 20wt%로 증가하였을 때 τd가 0.13s 감소되었고 τr은 0.32s 감소하는 결과로 나타났다.
- 특히 전압강하 시간 τd는 전해질농도의 증가에 따라 약간 감소하는 경향을 보였으나 전압상승 시간 τr는 전해질 농도의 증가에 따라 크게 감소한 것으로 나타났다.
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