선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 상·하 단열부에 상변화 물질을 적용하여 열전지 내부온도를 보다 안전하고 오래 유지할 수 있는 단열방법을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 시험은 카트리지 히터를 사용하여 내부더미의 온도를 열전지 동작 온도(450 ℃)로 상승시킨 후 열전지 단열부가 적층되어 있는 뚜껑을 시험장치에 장착한다. 그 후 외부전원장치를 통해 단열부에 적층되어 있는 열원을 점화시키고 더미 내부의 히터전원을 차단한 후 4개의 온도센서를 이용하여 열전지 내부의 온도변화를 측정하였다. 이때 온도센서의 위치는 Table 3과 같다.
- 기존 단열구조와 상변화 물질을 적용한 단열구조의 성능비교를 위해서 Fig. 1과 같은 시험장치를 제작하였다.
- 기존 열전지와 상변화 물질을 적용한 열전지의 방전성능 비교시험을 수행하였다. 열전지의 단열성능 향상을 명확하게 확인하기 위하여 저온(-32 ℃)에서 저장한 열전지의 방전성능을 비교하였다.
- 이번 연구에서 열전지의 단열부에 상변화 물질의 적용을 통하여 열전지의 단열성능, 안정성, 그리고 에너지밀도를 향상시킬 수 있음을 보았다. 기존의 금속판을 대신할 상변화 물질은 LiCl-LiF 공융염과 MgO바인더의 혼합을 통하여 제작하였다. 시뮬레이션을 통하여 상변화 물질을 이용한 단열부의 단열성능 및 안정성이 기존 단열구조에 비하여 우수함을 확인하였으며, 이와 같은 시뮬레이션 결과는 열전지 내부온도 모사실험을 통하여 확인할 수 있었다.
- 단열부의 설계 후, 열전지 내부온도를 확인하기 위하여 열 및 유체의 동특성 분석에 널리 사용되는 Fluent를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 시 필요한 열전지 각 부품의 열용량, 열전도도, 열량 등은 측정을 통하여 얻은 값을 사용하였으며, 상변화 물질의 녹는점, 용융잠열은 문헌 값을 이용하였다.
- . 따라서 기본적으로 기존 열전지 단열부에 존재하는 금속판 대신에 상변화 물질을 대체하여 새로운 단열구조를 설계하였다. 상변화 물질은 65 wt.
- 단열부의 설계 후, 열전지 내부온도를 확인하기 위하여 열 및 유체의 동특성 분석에 널리 사용되는 Fluent를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 시 필요한 열전지 각 부품의 열용량, 열전도도, 열량 등은 측정을 통하여 얻은 값을 사용하였으며, 상변화 물질의 녹는점, 용융잠열은 문헌 값을 이용하였다. 시뮬레이션은 실제 열전지 방전 과정을 모사하여 수행하였으며, 작동 후 2000초 동안 각 부품별 온도변화를 분석하였다.
- 시뮬레이션 시 필요한 열전지 각 부품의 열용량, 열전도도, 열량 등은 측정을 통하여 얻은 값을 사용하였으며, 상변화 물질의 녹는점, 용융잠열은 문헌 값을 이용하였다. 시뮬레이션은 실제 열전지 방전 과정을 모사하여 수행하였으며, 작동 후 2000초 동안 각 부품별 온도변화를 분석하였다. 이때 사용한 각 물성치는 Table 2의 값을 사용하였다.
- 열전지의 단열성능 향상을 명확하게 확인하기 위하여 저온(-32 ℃)에서 저장한 열전지의 방전성능을 비교하였다. 시험은 열전지를 저온(-32 ℃)의 챔버에서 10시간 이상 저장하여 열전지 내부온도를 시험온도로 조정한 후, 챔버에서 꺼내고 5분 이내에 열전지를 동작시킨 후 방전성능을 확인하였다. 이때, 두 열전지는 직렬 17셀의 동일한 셀과 활물질 양을 가지며, 유일한 차이는 한 전지는 기존 단열구조를, 다른 전지는 상변화 물질을 적용한 단열구조를 갖는다는 것이다.
- 기존 열전지와 상변화 물질을 적용한 열전지의 방전성능 비교시험을 수행하였다. 열전지의 단열성능 향상을 명확하게 확인하기 위하여 저온(-32 ℃)에서 저장한 열전지의 방전성능을 비교하였다. 시험은 열전지를 저온(-32 ℃)의 챔버에서 10시간 이상 저장하여 열전지 내부온도를 시험온도로 조정한 후, 챔버에서 꺼내고 5분 이내에 열전지를 동작시킨 후 방전성능을 확인하였다.
대상 데이터
- %의 LiClLiF 공융염과 용융된 공융염을 고정하기 위한 바인더로 35 wt.%의 MgO 분말을 혼합하여 제작하였다.
- Table 1에 기존 열전지와 상변화물질을 적용한 열전지의 적층구조가 나타나 있다. 열전지의 단열재로는 Moargan社의 K-shield BF paper를 사용하였고, 금속판으로는 SUS304 플레이트를, 열원으로는 Fe-KClO4 펠렛, 양극은 FeS2 펠렛, 음극은 Li(Si) 합금 펠렛, 전해질은 LiF-LiCl-LiBr 공융염 펠렛이 사용되었다[9].
이론/모형
- 이때, 두 열전지는 직렬 17셀의 동일한 셀과 활물질 양을 가지며, 유일한 차이는 한 전지는 기존 단열구조를, 다른 전지는 상변화 물질을 적용한 단열구조를 갖는다는 것이다. 방전은 Agilent N2001 전자부하기를 사용하여 수행하였으며, 평균 3C의 방전률로 수행하였고, 식 (1)을 이용한 열전지 내부저항 변화를 통해 내부온도 변화양상을 예상하기 위하여 펄스프로파일을 사용하였다[10]. 펄스프로파일의 한구간은 96 %의 3C, 2 %의 0C, 2 %의 6C 구성된다.
성능/효과
- 시뮬레이션을 통하여 상변화 물질을 이용한 단열부의 단열성능 및 안정성이 기존 단열구조에 비하여 우수함을 확인하였으며, 이와 같은 시뮬레이션 결과는 열전지 내부온도 모사실험을 통하여 확인할 수 있었다. 또한 최종적으로 저온(-32 ℃) 저장된 기존 및 상변화 공융염을 이용한 열전지의 방전시험을 통하여 상변화 공융염을 이용한 열전지가 성능 및 안정성이 우수함을 확인 할 수 있었다. 상변화 공융염 열전지의 1st plateau는 기존구조 대비 1.
- 또한 최종적으로 저온(-32 ℃) 저장된 기존 및 상변화 공융염을 이용한 열전지의 방전시험을 통하여 상변화 공융염을 이용한 열전지가 성능 및 안정성이 우수함을 확인 할 수 있었다. 상변화 공융염 열전지의 1st plateau는 기존구조 대비 1.42 As/g 만큼 오래 유지되었으며, 25 V cut off 전압 기준으로 전지용량도 16.87 As/g의 기존 열전지 대비 2.42As/g, 약 14.4 % 향상됨을 알 수 있었다. 이러한 결과들로 상변화 공융염을 이용한 단열기술이 열전지의 안정성, 작동시간, 에너지 밀도를 향상시킴을 알 수 있다.
- 기존의 금속판을 대신할 상변화 물질은 LiCl-LiF 공융염과 MgO바인더의 혼합을 통하여 제작하였다. 시뮬레이션을 통하여 상변화 물질을 이용한 단열부의 단열성능 및 안정성이 기존 단열구조에 비하여 우수함을 확인하였으며, 이와 같은 시뮬레이션 결과는 열전지 내부온도 모사실험을 통하여 확인할 수 있었다. 또한 최종적으로 저온(-32 ℃) 저장된 기존 및 상변화 공융염을 이용한 열전지의 방전시험을 통하여 상변화 공융염을 이용한 열전지가 성능 및 안정성이 우수함을 확인 할 수 있었다.
- 4 % 향상됨을 알 수 있었다. 이러한 결과들로 상변화 공융염을 이용한 단열기술이 열전지의 안정성, 작동시간, 에너지 밀도를 향상시킴을 알 수 있다.
- 이와 같은 현상은 앞서 시뮬레이션에서 확인하였듯이, 상변화 물질이 고체에서 액체로 상이 바뀌면서 용융잠열로 단열부의 과도한 열량을 흡수하였기 때문이다. 이러한 실험 결과를 통하여 상변화 물질을 이용한 단열구조의 적용을 통하여 열전지의 작동초기 안전성을 크게 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 또한 Fig.
- 69 As/g에서 기존 열전지 내부저항보다 낮아지게 된다. 이를 통하여 방전 초기에 보다 낮은 내부온도를 갖는 상변화 공융염을 이용한 열전지가 상변화 공융염의 용융잠열 방출로 인하여 내부온도를 보다 오래 유지할 수 있고, 12.63 ~ 13.69 As/g 부근에서 기존 열전지의 내부온도보다 높은 내부온도를 갖는 것을 알 수 있다. 또한 Fig.
- 이번 연구에서 열전지의 단열부에 상변화 물질의 적용을 통하여 열전지의 단열성능, 안정성, 그리고 에너지밀도를 향상시킬 수 있음을 보았다. 기존의 금속판을 대신할 상변화 물질은 LiCl-LiF 공융염과 MgO바인더의 혼합을 통하여 제작하였다.
- 이와 같이 PCM단열구조의 적용을 통하여 방전초기 활물질 분해를 방지하고, 단열성능을 향상시켜 25 Vcut off 전압 기준으로 16.87 As/g의 방전성능을 갖는 기존 열전지에 비하여, 상변화 공융염을 이용한 열전지는 19.3 As/g로 약 14.4 % 방전성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
- 5배 이상 길어진 시간으로 상변화물질을 이용한 단열부의 적용을 통하여 열전지의 단열성능을 크게 향상시킬 수 있음을 의미한다. 하지만 시뮬레이션 결과 대비 실험 결과에서 단열부의 최고 온도가 약 100 ℃ 상승하고 온도 유지시간 역시시뮬레이션 결과 대비 짧음을 알 수 있다. 이러한 원인은 시뮬레이션은 순수한 LiCl-LiF의 물성치를 사용하여 수행하였지만, 실제 실험에서는 LiCl-LiF에 바인더로 MgO를 혼합하였으며, 시뮬레이션시 열전지 외부로 방출되는 열량이 정확하게 고려되지 않았기 때문으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.