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[A+]리튬이온 이차전지 제작 결과레포트 평가A좋아요

결과레포트실험 리튬이온 이차전지 제작1. 서론■ 실험목적리튬이온전지의 기본이론을 습득하고, 이를 바탕으로 2차전지를 제작/평가함으로써 소재, 작동원리, 2차전지 분석법, 전지의 특성 및 문제점 등을 이해한다.■ 실험개요전극제작1. Graphite powder(활물질), carbon black(도전재), PVDF(바인더)를 1:1의 비율로 각각 0.2g, 0.025g, 0.025g 담고 1.5mL의 NMP와 함께 30분간 교반시킨다.2. Cu foil위에 Graphite slurry를 6mil의 두께로 Doctor Blade coating으로 증착시킨 뒤 오븐에서 12시간 건조시킨다.Coin cell 제작1. Cu foil에 증착시킨 후 slurry를 14 Ø로 자른다.(전극)2. 전극 무게 측정 후 Glove box chamber에 넣고 약 1시간정도 진공을 잡아준다.3. 전극을 Glove box 안에 넣고 Cap-Gasket-spacer-전극(Graphite)-전해질-분리막-전해질-Li metal-spacer-case 순으로 조립한 후 클링퍼로 셀을 압착시킨다.4. Glove box에서 셀을 꺼낸 후 셀 무게와 특성을 적고 충방전기를 통해 OCV를 잡아준다.cell 조립전극을 16Ø로 자른다. 분리막을 미리 전해질에 담궈놓는다(분리막 안의 미세한 공기를 빼기 위해) 리튬메탈을 자른다.Coin cell 제작의 3번 과정1. Cap에 Gasket을 끼운다.2. 두꺼운 spacer을 넣고 증착된 그라파이트가 위로 향하게 전극을 넣는다.3. 전해질을 50ul를 넣고 분리막을 넣어준다.4. 다시 전해질을 넣은 후 리튬 메탈을 넣는다.5. 얇은 spacer을 넣고 spring을 넣는다.6. Case를 덮어준 후 뒤집어서 클림퍼에 넣어준다.7. 손잡이를 내리면서 cell을 압착시켜준다.- 리튬이온 배터리의 필요성리튬이온 배터리는 단순한 화학작용이 아니라 기후 변화를 완화하고 에너지 혼합에서 화석 연료를 대체하는데 핵심적인 기술이다.리튬이온 배터리는 가볍고 에너지 밀도가 대한 우리의 의존도를 줄이는데 도움을 줄 수 있다.더하여, 다른 2차 전지보다 낮은 자가방전율 특성을 가지기 때문에 오랜시간 동안 방치되어도 오랜시간동안 충전 상태를 유지할 수 있다. 또한 Intercalation 현상을 가져 긴 수명시간을 가진다.2. 실험결과1) CV 곡선2) 100mA/g 충/방전 그래프3) 100mA/g 사이클 성능 곡선 그래프3. 실험결과분석 및 고찰1) CV curve에서 각 피크가 나타나는 이유선형 주사 전압-전류법에서는 전위를 선형적으로 한쪽방향으로만 주사를 하면서 scan rate을 고려하여 전류값을 정하는 것이고 cyclic voltammetry에선 반응을 되돌려서 다시 제자리로 일정한 scan rate을 가지고 전류값을 측정하는 것이다. 전극 표면에 반응물만 존재할 때 반응을 시켜준다면 서서히 반응물은 감소를 하고 생성물이 형성이 될 것이다. 반응물이 다 사라지고 나면 다시 반응을 시켜주어 생성물이 소모를 하고 반응물이 다시 형성이 되어지는데 이때 생성물의 농도는 전극 표면에서는 0이 되지만 특정 거리에선 일정 농도를 유지하는 것을 알 수 있다. 그래서 플러스 방향으로 전압을 인가했을 때 산화 전류가 생성이 되고 전류값이 증가하다가 전극 표면에서 반응물의 농도가 0이 될 때 전류값이 피크를 찍게 되고 표면의 생성물을 소모시킴으로서 확산에 의한 전류가 발생하며 피크가 다시 떨어지고 마이너스 방향으로 전압이 인가되면서 환원반응이 일어나게 되고 또 다른 피크를 찍게 된다.2) 충방전 테스트에서 같은 조건에서 제작한 코인 셀의 성능이 차이나는 이유?코인셀은 구조적인 특징으로 인하여 과량의 전해액을 주입할 시, 조립 과정에서 전해액 누액이 발생하게 되고 이로 인해 초기 주입한 전해액만으로 코인셀 내부에 존재하는 최종 전해액의 양을 정확하게 파악하는 것이 어렵다. 그래서 같은 조건에서 제작을 하였다하더라고 각각의 전해질의 양은 차이를 가질 것이다.3) Half cell 제작 테스트 결과 음극 물질 Graphite의 이론 용량보다 작게 때문에 전극반응이 일어나는 전위가 낮아지게 되어 전류가 더 이상 흐르지 않는 전위 즉, cut off 전위에 일찍 도달하게 된다. 따라서 이러한 이유 때문에 Graphite의 이론 용량까지 발현되지 못하고 이론 용량보다 상대적으로 낮은 용량이 측정되는 것이다.4) SEI층의 역할SEI(Solid Electrolyte Interphase) 층이란 Anode 전해액 내의 첨가물의 부반응 결과로써 생성된 생성물과 충전 시에 Anode로 넘어온Li ^{+}과의 반응으로 인해 만들어진 얇은 고체 막이다. SEI 층의 경우 전자전도도는 매우 낮은 반면에Li ^{+}의 전도성은 높은 특징을 가지고 있다. 이는 전자는 통과하지 못하고 오로지Li ^{+}만 통과할 수 있도록 하는 분리막의 성질과 동일하다. 따라서 SEI 층은 Anode와 Cathode가 직접적으로 서로 맞닿지 않게 해주는 분리막과 동일한 역할을 한다고 볼 수 있다. 단, SEI 층이 얇게 존재할 경우에는 분리막과 동일한 역할을 하여 배터리 성능 향상에 기여하는 장점을 가지는 반면, SEI 층이 두꺼워지게 되면 내부의 임피던스 증가 및 이동하는Li ^{+}양의 감소 등에 의한 열화 현상이 발생한다는 단점 또한 가지고 있다.4. 논의 및 고찰이번 실험은 리튬이온전지의 기본 개념을 바탕으로 직접 cell을 만들어본 다음, 측정 결과값들을 그래프를 통해 분석해 보는 것이 주된 실험 목적이다.실험과정을 찬찬히 읽어보면 첫 번째로 Graphite 슬러리를 만들기 위해서 Graphite뿐만 아니라 Carbon black과 PVDF라는 물질들을 함께 넣어서 제조하는 것을 알 수 있다. 그러면 위의 실험에서 Carbon black과 PVDF를 넣어주는 이유는 무엇일까? 이에 대한 의문이 들어서 알아본 결과 Carbon black은 ‘도전재’의 역할을 수행하는 물질이고, PVDF는 ‘바인더’의 역할을 수행하는 물질이다. 먼저 ‘도전재’로 사용되는 Carbon black에 대해서 알아보자. ‘도전재’란 전극에서 활물질 입자 간 알아보자. ‘바인더’란 Active material들과 Current collector들 사이에서 Binding 하는 역할 즉, 잡아주는 역할을 수행하는 물질이다. Active material들을 잘 잡아 유지하고 Current collector에 접지하여 떨어지지 않게 하는 역할들을 통해서, 광범위한 전압 범위에 걸쳐 전기화학적 안정성을 확보할 수 있게 된다. 따라서 이러한 이유 때문에 바인더의 대표적인 물질로서 PVDF를 실험에서 사용한 것이었다.두 번째 실험 과정으로는 구리 foil 위에 Doctor blade라는 기구를 통해서 coating을 하는 작업이 진행된다. Doctor blade를 사용하는 주된 이유는 film 자체의 두께를 얇고 고르게 만들어 주어서, 전체적으로 균일한 측정값을 얻기 위함이라고 생각한다. 그런데 왜 하필 많고 많은 물질들 중에서 굳이 구리 foil 위에 슬러리를 증착시키는지에 대한 의문이 생겨 알아본 결과, 우리가 이번에 진행하는 실험은 Anode에 관한 실험을 진행하는 것이기 때문에 집천체로 사용되는 구리 foil 위에 슬러리를 증착시켜준 것이었다. (만약 이번 실험이 Anode에 관한 실험이 아닌 Cathode에 관한 실험이었더라면 Cu foil을 사용하는 것이 아닌 Al foil을 사용하였을 것이다.) 그런 다음에는 용매와 수분을 증발시키기 위해서 건조과정을 거치게 된다.마지막으로 이렇게 만들어진 슬러리와 다른 물질들(gasket, separator, spacer 등)을 Glove Box 내에서 조립하는 과정이 진행된다. 이번 실험을 진행하기 앞서 가장 의문점이 들었던 것이 ‘왜 굳이 Glove Box 내에서 cell을 조립할까?’ 였다. 이번 실험 과정에서 직접 Glove Box 내에서 cell을 조립해보았었는데, 내가 움직일 수 있는 팔의 각도도 제한되어 있을 뿐만 아니라 그 외에도 불편한 점들이 상당히 많았었다. 그래서 이에 대해서 알아본 결과, 외부 환경에 의한 물질들이 cell 조립과정 내에 의도치 않게 포함될 붙어있을 수도 있기 때문에 이러한 공기들을 미리 제거해주기 위함이었다.일반적으로 배터리는 3전극 system이라고 불리는 working electrode, counter electrode 그리고 reference electrode로 구성되어있다. 이번 실험에서는 내가 관심 있는 부분이 Graphite이므로 Graphite가 working electorde가 되고, 그러면 자연스레 Li Metal이 counter electrode가 된다는 것까지는 자연스레 이해가 되었다. 그런데 이렇게 되면 과연 어떠한 물질이 reference electrode에 해당하는지에 대해서 의문점이 생겼었다. 이에 대해서 알아본 결과 이번 실험의 경우에서는 Li Metal이 counter electrode의 역할과 reference electrode의 역할을 동시에 수행한다는 것을 알게 되었다. Li Metal이 동시에 2가지의 역할(counter electrode, reference electrode)을 수행하다 보니 working electrode인 Graphite에 의한 용량만 측정할 수 있었던 것이었다.이제 다 만들어진 cell을 가지고 CV(Cyclic voltammetry)와 충방전 테스트를 통해 우리가 만든 cell이 수차례의 cycle 동안 안정적으로 계속 작동하는지 혹은 어느 전압 범위에서 산화 및 환원 반응이 일어나는지 등을 그래프를 통해서 관찰해보았다. Graphite의 경우는 통상적으로 0~2V까지 범위를 정해서 측정을 실시한다. 전극에 (-) charge를 주면(= 2V -> 0V) 환원 반응이 일어나고, 전극에 (+) charge를 주면(= 0V -> 2V) 산화 반응이 일어난다. 따라서 이를 토대로 CV 그래프를 관찰해보면 약 0.15V 부근에서 그래프가 한번 꺾이므로 이때 환원 반응이 일어나고, 0.4V 부근에서 산화 반응이 일어나는 것을 확인할 수 있게 된다. 이러한 산화/환원 반응이 일어나는 전압을 통해서 cell의 성능을 분석할 수 있게 된다. CV 시

공학/기술| 2023.03.16| 7페이지| 1,000원| 조회(694)

화공실험, 결과레포트, LIB, 리튬이온 이차전지, 이차전지 제작

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[A+]수소연료전지(PEMFC) 평가 예비레포트

예비 레포트PEMFC 평가1. 실험 목적: PEMFC의 성능 측정을 통하여 분극 곡선을 그려보고, 전기화학적 의미를 알아본다.2. 실험 이론A. 연료전지의 정의와 기본원리, 구조 (PEMFC 외 종류 간략히): 연료전지란 산화, 환원 반응을 통해서 연료의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시켜주는 전기화학적 에너지 컨버터이다.연료전지의 기본원리는 전기를 이용하여 물을H_{ 2}와O_{ 2}로 분해하는 것을 역이용하는 방식으로,H_{ 2}와O_{ 2}의 반응을 통해 물이 생성됨과 동시에 전기를 만들어내는 원리를 이용하고 있다.연료전지의 구조는 크게 Anode와 Cathode 그리고 전해질로 이루어져 있다. 그리고 그 사이사이에는 전류를 뽑아내기 위한 Current collector, 내가 넣어준 가스가 오로지 반응에만 참여할 수 있게 해주는 역할을 하는 Gasket, 가스가 전체 전극에 골고루 퍼져서 반응을 잘 일으켜 주게 하기 위한 길의 역할을 하는 Polar plate, 촉매층과 GDL(Gas Diffusion layer, 가스 확산이 잘되도록 만든 층) 그리고 멤브레인을 결합한 MEA 등으로 이루어져 있다.PEMFC 외에도 여러 연료전지가 존재하는데 이 연료전지들의 이름은 주로 사용하는 전해질이 무엇이냐에 따라 명명된다. 가령 Proton Exchange Membrane을 전해질로 사용하는 PEMFC나H_{ 3}PO _{ 4}를 전해질로 사용하는 PAFC, Solid Oxide를 전해질로 사용하는 SOFC 그리고 Molten salt를 전해질로 사용하는 MCFC 등이 있다.B. 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 정의와 특징: PEMFC는H^{ +}의 교환이 일어나는 분리막 이라는 뜻의 Proton Exchange Membrane을 전해질로 사용하는 연료전지로, 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 장치이다.내가 생각하는 PEMFC의 가장 큰 특징으로는 낮은 온도(대략 50~100℃)에서 작동을 한다는 점이다. PEMFC는 Pt를 촉매로 사용하는데반응 속도를 저하함으로써 셀의 성능을 감소시키는 결과를 초래한다. 이러한 문제점을 방지하기 위해서 일반적으로 개질기와 CO 변성장치 등을 통해 CO를 ppb 수준까지 낮추는 작업을 진행한다. Pt의 피독 현상을 예방하기 위한 또 다른 방법으로는 Ru을 조촉매로 도입한 PtRu/C을 촉매로 사용하는 방법이다. 이는 Ru의 도입으로 인해 Pt 표면에서의 CO 흡탈/착 세기가 약화되어 Pt 표면에 흡착되는 CO의 양을 줄일 수 있기 때문이다.C. PEMFC에서 쓰이는 고분자전해질(Membrane)의 구조와 특징 및 역할: 고분자 전해질막의 종류에는 크게 4가지가 있다. 불소계 고분자 전해질막, 탄화수소계 고분자 전해질막, Hybrid 고분자 전해질막 그리고 고온용 고분자 전해질막이 있다. 그중에서 PEMFC는 주로 불소계 고분자 전해질막을 사용한다. 일반적으로는 Nafion membrane이나 Dow membrane을 사용하는 편이다.불소계 고분자 전해질막의 구조는CF _{ x}가 주 사슬 역할을 하고, 주 사슬의 끝부분에SO _{ 3} ^{ -}가 붙어있는 구조로 되어있다.이러한 불소계 고분자 전해질막의 주된 역할은 Anode에서 만들어진H^{ +}을 Cathode 쪽으로 이동시키는 역할을 한다. 이러한 역할을 할 수 있게 된 이유는 주 사슬 역할을 하는CF _{ x}가 소수성 성질을 띠며, 주 사슬 끝부분에 위치한SO _{ 3} ^{ -}가 친수성 성질을 띠기 때문이다. 만약 주 사슬의 역할을 하는 부분과 주 사슬 끝부분에 위치한 부분 둘 다 친수성을 띠게 된다면,H^{ +}는 주 사슬 부분으로도 이동이 가능해지므로H^{ +}를 Cathode 쪽으로 제대로 전달하는 것이 어렵게 된다. 따라서H^{ +}를 Cathode 쪽으로 잘 전달하기 위해서 주 사슬의 끝부분만을 친수성인 물질로 구성하여H^{ +}가SO _{ 3} ^{ -}와 결합하며 하나씩 하나씩 Cathode 쪽으로 이동할 수 있게 되는 것이다.마지막으로 불소계 고분자 전해질막의 특징에는 여러 가지가 있다고 불리는η_{ activation}와 ohmic loss라고 불리는η_{ ohm}, 그리고 Concentration loss라고 불리는η_{ concentration}의 값들과 같은 다양한 정보들을 I-V curve data 값을 통해서 얻을 수 있다. 그러므로 이러한 장점들 때문에 연료전지를 분석함에 있어서 I-V curve를 측정하는 것이다. 참고로 이때 전체 η의 값 =η_{ activation} +η_{ ohm} +η_{ concentration} 으로 나타낸다.첫 번째로η_{ activation}에 대해 알아보자. 속도결정 단계에서는 에너지 장벽을 줄이기 위해서 추가적인 전압이 필요하다. 이때 활성화하기 위해 소비되는 에너지에 의해 감소되는 양이 Activation loss에 해당되는 부분이다. 이러한 느린 반응속도를 해결하기 위한 방법으로는 촉매를 사용하여 에너지 장벽을 낮추거나 온도를 증가하여 반응성을 증가시키는 방법 등이 있다.두 번째로η_{ ohm}에 대해 알아보자.η_{ ohm}에 해당하는 부분은 접촉저항이나 이온에 의한 저항과 같은 내부저항 작용에 의한 전압 손실 부분이다. 이러한 전압 손실을 최소화하기 위한 방법으로는 전도도가 높은 전극을 사용하거나 계면에서의 접촉 저항을 줄이기 위해서 bipolar plate와 interconnector에 적절한 material을 사용하고 good design을 적용해주면 된다. 추가적으로 전해질을 최대한 얇게 만들어주는 방법도 하나의 방법이라고 할 수 있다.마지막으로η_{ concentration}에 대해 알아보자. 일반적으로 고전류에서는 빠른 전기화학적 반응이 일어난다. 하지만 그 속도를 따라가지 못하는 Mass transfer 문제 즉, 물질전달 속도 한계에 의해 셀 전압이 감소하는 영역이다.즉, 우리는 I-V curve의 data 값을 통해η_{ activation}와η_{ ohm} 그리고η_{ concentration}의 값을 측정하여 어떤 부분에 의해 Cell의 전압 값이 가장 많이 손실되었계면의 면적을 크게 만들어주고 촉매를 전해질과 최대한 접촉시켜서 삼상 계면에 위치하는 것이 중요하다고 할 수 있다.F. 연료전지의 성능을 개선시키는 방법에 대해서 기술 하시오. (2가지 이상): 첫 번째 방법은 Ru을 조촉매로 도입한 PtRu/C을 촉매로 사용하는 방법이다. 이는 기존의 Pt/C를 촉매로 사용하는 경우의 단점을 보완한 방법으로, Ru 덕분에 Pt 표면에 흡착되는 CO 양을 줄일 수 있게 되어 Pt의 피독 현상을 줄일 수 있게 된다. 그로 인해 연료전지 촉매의 성능을 꾸준하게 유지할 수 있으므로 연료전지의 성능을 개선할 수 있는 방법 중 하나라고 생각한다.두 번째 방법은 Ion Channels이 물에 의해 막혀 성능이 저하되는 현상을 최소화하는 방법으로, Self-humidifying 할 수 있는 능력을 갖추도록 하거나 혹은 실리카겔과 같은 반응에 참여하지 않는 성분을 촉매층에 가하는 방법이다. 위와 같은 방법을 통해 수분에 의한 공기 공급 차단으로 인한 성능 저하가 일어나지 않도록 하는 방법 역시 연료전지의 성능을 개선할 수 있는 방법들 중 하나라고 생각한다.세 번째 방법으로 고분자 전해질막의 디자인에 따라서도 연료전지의 성능을 개선할 수 있다고 생각한다. 가령 탄화수소계 고분자막을 제조하는 과정에서 sulfone을 앞에 붙여서 만드느냐 혹은 뒤에 붙여서 만드느냐와 같이, 디자인을 어떤 식으로 하는지에 따라서 성능이 바뀌는 경우가 발생한다. 그러므로 전해질막을 제조하는 과정에서 좋은 디자인 역시 연료전지의 성능을 개선할 수 있는 방법 중 하나라고 생각한다.연료전지의 성능을 개선하는 마지막 방법으로 Membrane 내의 물관리가 잘 되도록 만들어주는 방법이다. 가령 높은 ionic conductivity를 위해서는 Membrane 내에 물이 많아야 하지만, 낮은 water flooding을 위해서는 Membrane 내에 물이 적어야 하는 상충되는 점이 발생하게 된다. 그러므로 높은 ionic conductivity와 낮은 water floodin쪽에서는2H _{ 2} rarrow4H ^{ +}+4e의 화학반응이 일어나고, Cathode 쪽에서는O_{ 2}+4H ^{ +}+4e rarrow2H _{ 2}O의 화학반응이 일어난다. 수소의 표준 환원전위는 0V이고, 산소의 표준 환원전위는 1.23V이므로 PEMFC의 이론적인 cell 전압값은 1.23V가 나와야 한다. 하지만 실제로 이론 전압값인 1.23V가 나오는지에 대한 물음의 대답은 ‘아니다’이다. 그러면 과연 그 이유는 무엇이고, 어떠한 portion이 cell의 전압을 가장 많이 감소시켰는가에 대한 결과분석 또한 분극 곡선을 통해서 할 수 있다. 따라서 이러한 분극 곡선을 활용하여 조금이나마 이론적인 셀 전압값에 근접하게 만들고자 I-V curve data 값을 측정하고 이를 분석하는 것이다.분극 곡선을 얻는 방법은 우선 전류가 0A일 때의 초기전압값을 측정한 후에 전압의 특정 경향성이 벗어날 때까지 전류를 조금씩 증가시키면서 data 값을 측정하고, 측정된 I-V curve data 값을 통해 분극 곡선을 얻을 수 있게 된다. 이번 실험은 PEMFC에 관한 실험이므로 전류가 0A일 때 측정된 전압값이 이상적인 셀 전압값인 1.23V가 나올 것이라고 예상해볼 수 있다. 우리가 일반적으로 알고 있는 상식인 옴의 법칙에 따르면 V=IR이므로 전류가 증가하면 증가할수록 전압 또한 비례하여 증가하게 한다. 하지만 분극 곡선을 관찰해보면 전류의 증가에 따라 전압이 감소하는 현상을 발견할 수 있다. 즉, 분극 곡선을 통해서 Cell의 전압값을 감소시키는 특정 요인들이 존재한다는 것을 알 수 있다.우리가 분극 곡선을 측정해보면 3가지 구간에서 전압 손실이 일어나는 것을 파악할 수 있다. 제일 먼저 전류가 증가함에 따라 가파르게 전압이 감소하는 부분이 나타난다. 우리는 해당 부분을 Activation polarization(활성화 분극)이라고 부른다. 그리고 그 Activation polarization에서 일어나는 손실을 Activation loss라고 한다있었다.

공학/기술| 2023.03.16| 7페이지| 1,000원| 조회(264)

화공실험, 수소연료전지, PEMFC, 예비 레포트, PEMFC 평가

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[A+]리튬이온 이차전지 제작 예비레포트

예비 레포트리튬이온 이차전지 제작1. 실험 목적: 리튬이온전지의 기본 이론을 습득하고, 이를 바탕으로 2차전지를 제작 및 평가함으로써 소재, 작동 원리, 2차전지 분석법, 전지의 특징 및 문제점 등을 이해한다.2. 실험 이론A. 리튬이온 이차전지의 정의와 특징: 전지(battery)란 내부의 화학물질들의 chemical energy를 통해 전기화학적 산화와 환원 반응을 통해서 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 방전해 버리면 다시 원래의 상태로 되돌아오지 않는 일회성인 일차전지와는 달리, 리튬 이온 이차전지는 크게 Anode와 Cathode 그리고 Electrolyte로 구성되어 방전 시에는Li ^{ +}이 Anode에서 Cathode로 이동하고, 충전 시에는Li ^{ +}이 Cathode에서 Anode로 이동하는 방식으로 구동되어 여러 번 재사용 할 수 있는 전지를 뜻한다.리튬 이온 이차전지의 특징으로는 크게 3가지가 있다. 첫 번째는 바로 높은 에너지 밀도를 가진다는 것이다. 왜냐하면 리튬의 경우 가장 낮은 표준 환원 전위를 가지고 있어서 스스로 전자를 잘 내어주는 성질이 있다. 또한 금속 물질의 이온화 경향도 측면에서 보았을 때도 역시 리튬은 전자를 제일 잘 내어주는 성질을 띠고 있다. 따라서 이러한 이유들 때문에 리튬 이온 이차전지는 다른 배터리들에 비해 상대적으로 높은 에너지 밀도를 가지게 되는 것이다. 두 번째 특징은 메모리 효과가 없어서 완충/완방이 불필요하다는 것이다. 만약 리튬 이온 이차전지에 메모리 효과가 있었다면 전지를 완전히 방전시키지 않은 상태에서 충전을 하게 되면 전지의 충전 가능 용량이 줄어드는 단점이 있었겠지만, 리튬 이온 이차전지는 이러한 메모리 효과가 없기 때문에 오랫동안 그리고 안정적으로 쓸 수 있다는 특징을 가지고 있다. 마지막 특징으로는 전해액의 추가가 불필요하다는 점이다. 리튬이온 배터리 이전의 배터리들은 전해질이 소비가 되면서 화학반응이 일어나는 system 이었다. 따라서 전해질을 주기적으로 계속 추가해 주어야 하는 불존재하는 대신에 전해질의 안정성이 좋아 SEI 층이 형성되지 않는다는 장점이 있다. 또한 LTO의 경우는 급속충전용으로 많이 사용되는 물질이다. 즉, 사용 용도에 따라 리튬 이온 이차전지를 만드는 데 들어가는 재료 물질이 달라진다는 것을 알 수 있는 부분이다.두 번째로 Cathode의 대표적인 주된 재료로는 Layered 구조의LiCoO _{eqalign{2#}}, Spinel 구조의LiMn _{2} O _{4}, 마지막으로 Olivine 구조의LiFeO _{4}가 있다. 이들의 구조는 어떤 물질로 만들어지느냐에 따라 결정되는데 구조적 차이로 인해서Li ^{+}을 얼마나 잘 받아들이고, 또 안에서 얼마나 잘 배열이 되느냐에 따라서 용량이 결정되게 된다. Layered 구조의LiCoO _{eqalign{2#}}의 경우는 용량을 높이기 위해서 만약 4.2V 이상으로 전압을 올려버리면 구조적 붕괴로 인한 코발트의 dissolution에 의해 안전성이 감소하여 화재의 위험성이 존재하는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 Metal oxide 계열의 물질로LiCoO _{eqalign{2#}}의 구조가 망가지지 않으면서도, Co가 dissolution 되지 않게 코팅을 해주면 된다. 두 번째로 Spinel 구조의LiMn _{2} O _{4}의 경우도 역시 불안정한 전압 범위 내에서 충/방전이 일어날 경우 Mn의 dissolution으로 인한 구조의 변화가 일어날 수 있다는 문제점이 있다. 이러한 dissolution에 의한 구조 변화를 방지하기 위해서는 Mn만 쓰는 것이 아니라 대체물질인 Ni을 섞어서 사용하면 구조도 유지하면서 동시에 성능 저하의 문제점까지 해결할 수 있다. 마지막으로 Olivine 구조의LiFeO _{4}의 장점은 작동 전위가 3.4V로 낮기 때문에 전해질의 부반응에 의해서 전해질이 소모될 염려도 없을뿐더러 안정된 구조이므로 Stability와 Safefy가 우수하다는 점이 가장 큰 장점이 아닐까 생각한다. 또한LiFeO _{4}의 이론적와 Cathode가 직접적으로 맞닿지 않게 해주는 역할을 한다. 왜냐하면 두 전극이 직접 맞닿게 되면 전자가 내부로 돌게 되어 우리가 흔히 말하는 ‘쇼트’가 발생하여 폭발하게 되는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다. 따라서 분리막은 전자는 통과하지 못하고 단지 리튬 이온만 통과할 수 있도록 하는 역할을 수행해야 한다.따라서 리튬 이온 이차전지의 기본 원리는 앞서 설명한 Anode와 Cathode 간의 전압 차이를 이용하여 방전 시에는Li ^{ +}이 Anode에서 전해질을 통해 Cathode로 이동하고, 충전 시에는Li ^{ +}이 Cathode에서 전해질을 통해 Anode로 이동하는 방식으로 구동되는 원리이다. 물론 Anode와 Cathode가 서로 직접적으로 맞닿지 않도록 해주는 역할을 분리막이 수행한다. 기본 원리상으로는 단순히Li ^{+}이 Anode와 Cathode를 왔다 갔다 하면서 전자가 일을 수행하는구나 라고 보일 수는 있겠지만 앞서 설명한 바와 같이 어떤 물질을 Anode로 사용할지 그리고 어떤 물질을 Cathode로 사용할지에 따라 해당 배터리가 낼 수 있는 전압의 범위가 달라질 뿐만 아니라 사용 용도에 따라서도 물질들을 달리해주어야 하기 때문에 어떻게 보면 원리 자체는 되게 단순하지만 배터리를 연구함에 있어서는 상당히 복잡한 과정들이 수반되는 전지임을 알 수 있다.C. 순환전압전류법(Cyclic voltammetry, CV)이란?: 순환 전압전류법이란 전극 표면에서 현재 어떤 반응이 일어나고 있는지를 우리가 직접적으로 파악할 수 있는 방법들 중 하나이다. 시간에 따라 potential을 변화시킬 때 흐르는 전류들을 반복적으로 기록하여 potential의 차이에 따른 전류의 변화를 나타내는 방법을 Cyclic voltammetry이라고 한다. 이러한 순환 전압전류법을 사용하는 주된 이유로는 CV를 통해서 셀 내부의 산화 반응과 환원 반응, 그리고 가역성과 지속성 등을 확인해 봄으로써 해당 배터리의 안정성과 성능 및 효율들을 평가할 수 있기 때수 있게 된다. 즉, 전체 cell의 용량 증가를 위해서는 Anode 자체의 용량을 늘려주어야 하므로 위와 같은 mix된 Anode 물질을 사용해 주게 되면 기존보다 더 우수한 성능을 지닌 리튬 이온 이차전지를 만들 수 있지 않을까 생각한다.두 번째 성능 개선 방법은 고용량의 Cathode 물질을 만드는 방법이다. 기존에는 Cathode의 이론 용량을 Anode의 용량만큼 늘리려는 시도로 Cathode를 겹겹이 쌓아서 두껍게 만드는 시도들을 해왔었다. 이렇게 두껍게 쌓으면 쌓을수록 배터리 자체의 부피가 커지기 때문에 마냥 계속 두껍게 쌓을 수는 없는 한계점이 분명히 존재하였다. 하지만 NMC 혹은 NCM이라고 불리는 물질을 사용해 주면 위의 겹겹이 쌓는 방법의 한계점을 뛰어넘을 수 있지 않을까 생각해 보았다. NMC 혹은 NCM이라고 불리는 이 물질의 경우는 리튬 코발트 oxide와 Ni 그리고 Mn이 mix된 Cathode 물질이다. 리튬 코발트 같은 경우에는 성능적인 측면에서 다른 물질들에 비해 뛰어난 장점이 있고, Mn은 느린 충방전 속도와 큰 비가역 용량에도 불구하고 안전성 측면에서 다른 물질들에 비해 뛰어나다는 특징이 있다. 그리고 마지막으로 Ni 같은 경우에는 고온에서 Swelling이 되는 단점이 있는 반면에 용량적인 측면에서는 상대적으로 다른 물질들에 비해 우수한 특징이 있다. 따라서 앞서 언급한 3가지 물질인 리튬 코발트, Mn 그리고 Ni을 합쳐서 하나의 Cathode Material로 만들어주게 된다면 성능과 고용량 및 안정성까지 모두 잡을 수 있는 Cathode 물질을 만들 수 있을 것이라고 생각한다. 따라서 위의 NMC(NCM) 물질을 사용해 주게 되면 현재보다 더욱 우수한 성능의 리튬 이온 이차전지를 만들 수 있을 것이라고 생각하는 바이다.3. 실험 방법A. Graphite 슬러리(Graphite 0.4g, Carbon black 0.05g. PVDF 0.05g, NMP 3mL) 제조 후 30분간 교반시킨다.B. Cu foil 위에 D리고 Separators로 이루어져 있다고 했었는데 이외에도 활물질에서 전기화학 반응이 일어나도록 전자를 외부에서 전달하거나 또는 전자를 받아 외부로 흘려보내는 통로 역할을 하는 집전체 라는 물질 또한 리튬 이온 이차전지 내에 포함되어 있다는 사실을 실험 과정을 통해서 알게 되었다. 즉, Anode에서는 구리를 집전체로 사용하기 때문에 우리가 Cu foil 위에 슬러리를 증착 시켜준 것이었다. (만약에 우리가 Anode가 아닌 Cathode에 대해서 실험을 주로 진행하였었다면 Cu가 아닌 Al을 사용했었을 것이다.) 그 후에는 Ar 기체가 가득 차 있는 glove box 내에서 리튬 이온 이차전지를 하나씩 조립하는 과정이 진행되었다. 사실 다큐멘터리나 영화 속에서만 보던 실험 장치를 직접 사용해 보았던 경험 자체도 신기했기는 하지만 왜 실내의 환경에서 배터리를 만들어도 될 것을 굳이 저 안에서 힘들게 만들지 라는 의문이 가장 크게 들었었다. 그래서 이를 조사해 본 결과 우리는 배터리라는 민감한 물질들의 조합을 조립하는 과정을 진행하는 것인데 만약 외부의 환경에 의한 물질들이 배터리를 조립하는 과정 내에 의도치 않게 포함될 수도 있기 때문에 불편하지만 굳이 glove box 내에서 조립을 진행했던 것임을 뒤늦게야 알게 되었다. 이제 다 만들어진 cell의 OCV를 측정하는 과정이 진행된다. OCV란 Open Circuit Voltage의 약자로 전류의 흐름이 없는 즉, 아무런 저항요소가 없을 때 우리가 사용할 수 있는 이론상의 최고치의 전압이 바로 OCV가 된다. 하지만 OCV가 실제 우리가 전지를 통해 사용할 수 있는 전압이 아니라는 점을 유의해야 한다. 왜냐하면 실제 우리가 전지를 작동할 때에는 전지 내부의 저항이 관여되기 때문에 실제로는 OCV보다는 상대적으로 낮은 전압을 사용할 수 있게 된다. 그 후에는 Cyclic voltammetry와 충방전 테스트를 통해서 우리가 만든 리튬 이온 이차전지가 여러 차례의 cycle 동안 안정적으로 계속 작동하는지 혹은각한다.

공학/기술| 2023.03.16| 6페이지| 1,000원| 조회(383)

화공실험, 리튬이온전지, LIB, 예비 레포트, 리튬이온 이차전지

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[A+] 염료감응형 태양전지(DSSC) 예비레포트

학과학번이름실험날짜제목염료감응형 태양전지(DSSC)실험목적염료감응형 태양전지(DSSC)를 배우는 이유 및 염료감응형 태양전지(DSSC)의 장점, 구조 및 구동 원리에 대해서 알아보자이론이번 실험에서는 여러 가지 신재생 에너지들 중 태양전지, 그중에서도 염료감응형 태양전지에 대해서 배워볼 것이다.신재생 에너지라는 것은 탄소를 배출하지 않는 깨끗한 에너지를 의미한다. 신재생 에너지의 종류에는 태양전지 외에도 풍력발전을 통한 풍력에너지나 지열발전을 통한 지열에너지 등도 신재생 에너지라고 할 수 있다. 그런데 왜 여러 종류의 신재생 에너지 중에서도 태양전지가 주목받고 있는 것일까? 풍력에너지나 지열 에너지 등은 발전을 하기 위한 위치를 선정함에 있어서 까다롭기도 할뿐더러 이러한 발전들로 인해 그 주변에 사람들이 살기가 어려워지는 등의 여러 문제점이 수반되기 때문이다. 하지만 태양에너지로부터 에너지를 만드는 태양전지의 경우는 태양이 많이 쬐는 곳이라면 어디에서든지 에너지 발전을 할 수 있다는 아주 큰 장점이 있다. 실제로 태양으로부터 지구까지 오는 에너지양은 어마어마하기 때문에 이를 잘 활용만 할 수 있게 된다면 현재 우리가 사용하고 있는 에너지의 상당량을 태양에너지를 이용한 에너지로 대체할 수 있을 것이다. 이러한 이유들로 인해 현재 태양전지 시장은 세계적으로 매년 급성장하고 있는 추세일 뿐만 아니라 생산량이나 발전량 등 또한 매년 증가하고 있는 상황이다.태양전지는 세대에 따라서 현재 크게 3개로 분류할 수 있다. 우리가 흔히 태양전지라고 하면 현재 가장 쉽게 볼 수 있는 것이 바로 1세대 태양전지인 실리콘 태양전지이다. 반면 2세대 태양전지라고 불리는 화합물 반도체 태양전지는 CdTe나 CdS 등을 사용하는 태양전지이지만 현실적으로 아직 상용화 단계에 이르기에는 약간 어려움이 있는 태양전지이다. 마지막으로 우리가 이번에 배우게 될 3세대 태양전지 중 하나인 염료감응형 태양전지가 있다. 사실 염료감응형 태양전지 또한 아직까지는 상용화하기에는 살짝 어려운 것이 사실이기는 하다. 하지만 우리가 이번 실험에서 염료감응형 태양전지를 배우는 주된 이유는 염료 감응형 태양전지가 태양전지 중에서 가장 복잡한 시스템을 가진 태양전지이므로 학문적인 측면에서 볼 때 전기화학을 배우는 기초 단계로 가장 적합하므로 염료 감응형 태양전지를 배우는 것이다.염료 감응형 태양전지의 장점은 바로 색깔 구현이 가능하다는 점과 반투명하게 만들 수 있다는 점이 염료 감응형 태양전지의 가장 큰 장점이라고 할 수 있다. 왜냐하면 우리가 흔히 볼 수 있는 1세대 태양전지인 실리콘 태양전지는 투명성이라고는 볼 수 없는 검은색 단색 계열의 태양전지만을 볼 수 있었을 것이다. 하지만 염료감응형 태양전지의 경우는 빨간색 염료를 사용하면 빨간색 태양전지를 얻을 수 있고, 파란색 염료를 사용하면 파란색 태양전지를 얻을 수 있다. 즉, 색의 구현과 반투명하게 만들 수 있다는 점을 이용하여 이를 건물의 창문 등으로 구현해 낸다면 미적인 측면에서도 뛰어날 뿐만 아니라 동시에 전기를 생산해낼 수 있는 일거양득의 효과를 얻을 수 있다. 또한 염료감응형 태양전지는 발전을 위해 일정량 이상의 광량이 필요한 실리콘 태양전지와는 달리 약한 광에서도 발전이 가능하다는 이점을 지니고 있다. 그러므로 염료감응형 태양전지는 빛이 약하면 약한 대로, 강하면 강한 대로 발전을 계속할 수 있는 장점을 가진 태양전지이다. 비록 실리콘 태양전지가 효율적인 측면에서는 염료감응형 태양전지보다 상대적으로 높은 효율을 보이지만, 아침 햇볕이 약할 때나 비 오는 날, 눈 오는 날 등에서도 발전이 가능한 점을 고려해보면 실질적으로 1년 동안의 발전량을 따져보았을 때 실리콘 태양전지와 거의 비슷한 양의 에너지를 만들어 냄을 알 수 있게 된다.그렇다면 이 염료감응형 태양전지는 어떠한 구조로 이루어져 있을까? 염료감응형 태양전지는 제일 아래쪽에는 유리가 있고, 위에 FTO라는 투명전극이 발려져 있다. 바로 그 위에는 염료를 잘 염착시킬 수 있는 물질인TiO _{2}가 15~20nm 사이즈의 particle로 깔려져 있다. (15~20nm 사이즈가 최적화된 크기인데. 이러한 작은 크기 덕분에 전체적인TiO _{2}의 표면적이 늘어나 효율이 높아지게 되는 장점이 있다.) 마지막으로 염료감응형 태양전지는 상대전극으로 pt를 사용한다. pt를 사용하는 이유는 전극으로 들어온 전자들을 전해질로 넘겨 줘야 하는데 그 화학반응이 일반적으로 잘 일어나지 않는다. 따라서 촉매 활성을 시켜주어야 하기 때문에 pt를 사용하는 것이다.앞서 염료감응형 태양전지의 장점 및 구조에 대해서 알아보았다면 이번에는 염료감응형 태양전지의 구동 원리에 대해서 알아보자. 우선 염료감응형 태양전지에 빛이 들어오게 되면 처음 염료 쪽으로 빛이 들어가게 된다. 이때 염료가 전자를 만들어내게 되는데 이 만들어진 전자는TiO _{2}를 따라서 FTO 쪽으로 내려와서 외부 회로를 통해서 넘어들어오게 된다. 이 들어온 전자들은 pt 촉매의 활성에 의해서 전해질과 반응하여 전자 하나를 넘겨주게 되고, 그 전자들이 염료에서 빠져버린 전자의 빈 공간을 채우게 되어 전자가 한 바퀴 돌아서 다시 돌아오는 원리로 염료감응형 태양전지는 구동되게 된다. 위의 내용을 우리가 기존에 배웠던 HOMO 나 LUMO 등을 통해서 조금 더 깊게 알아보자. 우선 빛이 처음 염료감응형 태양전지에 들어가게 되면 HOMO에서 LUMO로 전자가 여기가 된다. 그러면 이때 여기 된 전자들은TiO _{2}의 conduction band로 전자가 천이되자마자 바로 넘어가게 되고, 이때 넘어가는 속도는 100ps로 효율로 따지자면 약 92% 정도가 넘어가는 꼴이다. 그런 다음 넘어들어온 전자들은TiO _{2}의 표면을 타고 FTO 전극까지 흘러가게 된다. 이때의 속도는 1ms ~ 1s 정도의 느린 속도로 흘러가게 된다. 결국 이렇게 들어온 전자들이 외부 회로를 통해 일을 하고, 전해질을 통해서는 남아있는 전자들이 원래 여기되고 남아있던 전자의 빈자리에 에너지적으로 채워지는 형태로 염료감응형 태양전지가 구동되는 것이다.그렇다면 우리는 왜 이 태양전지를 염료감응형 태양전지라고 부르는 것일까? 그 이유는 바로 염료가 붙어있는TiO _{2}를 활용하기 때문이다. 그럼 염료라는 것은 무엇일까? 염료는 발색단(색을 내는 부분)과 조색단(어떤 기질에 염료를 붙이는 즉, 염착시키는 역할을 하는 부분)으로 구성되어 있다. 이 염료들은 선택적으로 특정 파장의 빛을 흡수하는 성질을 가지고 있다. 예를 들어 우리가 파란색 셔츠를 본다고 생각해 보자. 이때 우리가 파란색 빛을 본다는 것은 실제로 해당 물질이 빨간색 빛만을 선택적으로 흡수하는 것이라고 할 수 있다. 그렇게 되면 나머지 색깔들(주황색+노란색+초록색+파란색+남색+보라색)은 반사되어 튕겨져 나가게 되는데, 이 나머지 색깔들의 색의 합인 파란색이 우리 눈에 보이게 되므로 우리는 해당 물질을 파란색으로 인지하게 된다. 즉, 유기화학적으로 설명하자면 각 물질의 핵마다 자기한테 소속되어 있는 파이전자를 당기는 힘의 정도가 상이하기 때문에 물질마다 빛을 흡수하는 정도가 달라지게 되어 특정 파장의 빛만 선택적으로 흡수하게 되는 것이라고 할 수 있다. 이러한 이유들로 우리가 이번 실험에서 사용하게 될 염료는 500nm의 빛(녹색 빛)을 선택적으로 흡수하는 물질이므로 녹색을 제외한 나머지 색들의 합인 빨간색이 우리 눈에 보이게 되는 것이다.실험장치유리, FTO(투명전극),TiO _{2}, 염료, pt촉매실험방법추론이번 시간에는 염료를 활용하여 에너지를 발전시키는 염료감응형 태양전지에 대해서 배워보았다. 염료감응형 태양전지의 경우 실리콘 태양전지보다 효율이 상대적으로 낮다. 그러므로 염료감응형 태양전지의 효율을 향상시키는 것 또한 다른 태양전지들과의 경쟁력 측면에서 보았을 때 중요하다고 할 수 있다. 효율을 향상시키기 위해서는 우선 염료감응형 태양전지의 구동에 대해서 알고 있어야 효율을 향상시키는 방법에 대해서 잘 이해를 할 수 있다. 염료감응형 태양전지의 구동방식은 앞서 이론 부분에서 설명했다시피 빛이 처음 염료에 들어가게 되면 염료가 전자를 만들어낸다. 이때 이 전자가TiO _{2}를 따라서 FTO 쪽으로 이동하는 과정이 진행된다. (참고로 전자가TiO _{2}의 표면을 이동할 때 수많은 계면들이 존재하는데 이 계면들 때문에 전자의 loss가 발생하게 된다.) 이때 전자의 이동속도는 1ms ~ 1s 정도의 느린 속도로 이동하게 된다. 이러한 느린 이동속도 때문에 앞서 설명한

공학/기술| 2023.03.16| 5페이지| 1,000원| 조회(198)

화공실험, 태양전지, DSSC, 염료감응형

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[A+]수소연료전지(PEMFC) 평가 결과레포트

결과 레포트PEMFC 평가1, 서론(실험개요, 목적, 필요성 등을 서술)- 실험개요 : PEMFC Cell의 구성 요소에 대한 이해를 바탕으로 Cell을 조립하여 측정 장비를 통해 성능을 측정하고, 측정된 데이터 값을 통해 Cell을 개선하는 방법에 대해 논의해 본다.- 목적 : PEMFC의 성능 측정을 통한 데이터 값을 통해 분극 곡선을 그려보고, 분극 곡선을 통한 전기화학적 의미를 알아본다.- 필요성 : 전 지구적으로 에너지 소비의 증가와 이에 따른 지구온난화에 따라 교토의정서나 파리협약과 같은 국제적인 환경규제는 점점 더 강화되고 있다. 또한, 석유나 천연가스가 유한한 자원이기에 새로운 대안으로서 수소를 활용한 연료전지 개발의 필요성이 두드러지고 있다.2. 실험결과3. 실험결과분석 및 고찰1) 그래프의 전압-전류밀도 곡선에서 3가지 저항 성분에 대해 설명: PEMFC의 경우 수소의 표준 환원전위는 0V이고, 산소의 표준 환원전위는 1.23V이므로 PEMFC의 이론적인 Cell의 전압값은 1.23V가 나와야 한다. 하지만 PEMFC의 성능 측정을 통한 Data 분석값들을 통해 분극 곡선을 그려보면 크게 3가지 구간에서 전압손실이 나타나는 것을 확인할 수 있다.첫 번째로 전류의 증가에 따라 급격하게 전압이 떨어지는 구간이 나타난다. 해당 부분을 우리는 Activation polarization(활성화 분극)이라고 부른다. 그리고 이 Activation polarization에서 일어나는 손실을 Activation loss라고 한다. 그렇다면 이러한 Activation loss가 일어나는 원인은 무엇일까? 이는 속도 결정 단계에서 에너지 장벽을 줄이기 위해 추가적인 전압을 필요로 하기 때문이다. 따라서 이때 활성화하기 위해서 소비되는 에너지에 의해 감소되는 영역이고, 그때의 손실량이 Activation loss가 된다. 그렇다면 이러한 Activation loss를 최소화할 수 있는 방법은 무엇일까? 그 방법은 바로 느린 반응 속도에 대한 문제점을 해결해주면 된다. 즉, 반응 속도를 증가시키는 방법을 통해 Activation loss를 최소화할 수 있다는 것이다. 이에 대한 예시로 촉매를 사용하여 활성화 에너지를 낮추는 방법, 온도를 상승시켜주는 방법 그리고 반응할 수 있는 전극의 면적을 증가시키는 방법 등을 통해 반응 속도를 증가시켜줌으로써 위의 문제점을 해결할 수 있다.두 번째로 전류가 증가함에 따라 linear 하게 전압이 감소하는 구간이 나타난다. 해당 부분을 우리는 Ohmic polarization(저항 분극)이라고 부르고, Ohmic polarization에서 일어나는 손실을 Ohmic loss라고 한다. 그렇다면 Ohmic loss가 일어나는 원인은 무엇이고, 이러한 Ohmic loss를 최소화하는 방법들에는 어떠한 것들이 있을까? Ohmic loss가 일어나는 주된 이유는 바로 전류가 증가함에 따라 동시에 접촉저항이나 이온에 의한 저항과 같은 내부저항 역시 같이 증가하기 때문이다. 따라서 이러한 문제점은 내부저항을 감소시켜주는 방법을 통해서 해결할 수 있다. 가령, 전도도가 높은 전극 물질을 사용하기, 전해질을 최대한 얇게 만들기 그리고 계면에서의 접촉저항을 줄이기 위한 방법으로 Bipolar와 Interconnector에 적합한 Material의 사용과 향상된 Design을 적용시키는 방법 등이 Ohmic loss를 최소화하는 방법이다.마지막으로 높은 Current density 구간에서 전압이 감소하는 부분이 나타난다. 우리는 이를 Concentration polarization(농도 분극)라고 부르고, Concentration polarization에서 일어나는 손실을 Concentration loss라고 한다. Concentration polarization은 앞선 Activation polarization이나 Ohmic polarization보다 상대적으로 높은 Current density 구간에서 나타난다. 일반적으로 ‘전류가 높다’라는 의미는 ‘반응이 빠르게 일어난다’는 것을 의미하는데, 이러한 빠른 반응 속도를 따라가지 못하면 Mass transfer 문제 즉, Slow diffusion에 의한 물질전달 속도의 한계가 발생하기 때문에 해당 구간에서 Concentration loss가 발생하게 되는 것이다. 그러므로 이러한 Concentration loss를 최소화하기 위해서는 Membrane의 표면을 통과하는 유체의 유속을 증가시켜 turbulent mixing(난류 혼합)을 증가시켜주는 방법을 통해 해당 문제를 해결할 수 있다.2) Cell의 구성 요소에 대해 설명: PEMFC cell의 경우에는 가운데에 MEA(Membrane electrode assembly)를 기준으로 좌우 대칭의 형태를 띠고 있다. 우선 MEA는 Catalyst layer(촉매층)와 Gas Diffusion Layer(GDL) 그리고 Membrane으로 이루어져 있다. PEMFC의 경우 Catalyst layer는 Pt를 촉매로 사용하기 때문에 낮은 온도에서도 반응이 잘 일어나도록 도와주는 역할을 한다. 그리고 GDL은 Polar plate에서 확산이 되는 Gas를 Membrane에 전달하는 역할을 한다.MEA 기준 양옆으로 Gasket-Polar plate-Current collector-End plate 순으로 좌우 대칭의 형태를 이루며 존재한다. 첫 번째 요소는 Gasket이다. Gasket은 내가 넣어준 가스가 오로지 반응에만 참여할 수 있게 해주는 역할을 하는 물질이다. 두 번째로 Polar plate가 존재하는데, Polar plate는 Gas가 전체 전극에 골고루 퍼져서 반응을 잘 일으켜 주게 하기 위한 일종의 ‘길’의 역할을 한다고 보면 된다. 세 번째로 Polar plate 옆에는 Current collector가 존재하는데, Current collector는 전선을 물려서 전자를 뽑아 쓸 때 즉, Cell 내부에서 생성된 전류를 외부 회로로 뽑아내려고 할 때 사용되는 구성 요소이다. 마지막으로 양쪽 끝에는 End plate가 존재한다. 이 End plate는 제일 바깥쪽에 위치하면서 Cell들을 압착시킬 때 단단하게 고정 및 지지해주는 역할을 한다.3) 고찰: 이번 실험은 아쉽게도 직접 PEMFC를 만들어보지는 못했지만, 대신에 미리 만들어진 PEMFC를 가지고 Test Station을 통해 I-V curve를 측정해보았다. 예비 보고서를 쓰는 과정에 있어서 PEMFC의 구조라든지 혹은 분극 곡선에서 관찰할 수 있는 3가지의 loss들에 대해서는 나름 자세하게 공부했었기 때문에 실험 수업을 따라가는 데 있어서 큰 어려움 없이 조교님의 설명을 잘 이해할 수 있었다. 이번 실험을 통해서 가장 기억에 남았던 부분은 Cell의 성능을 측정하는 장비에 대해서 배운 점이다. PEMFC의 성능을 측정하기 위해서는 전압이나 전류를 내가 원하는 대로 인가해줄 수 있는 PEMFC용 Test Station이라는 장비가 필요하다는 것을 처음 알게 되었다. Test Station의 장치들을 간단히 소개하자면 연료전지의 경우 습도가 굉장히 중요하기 때문에 일정 퍼센티지 가령 80~100%의 습도로 조절할 수 있게 만들어주는 Humidifier나 전압이나 전류를 제어하는 역할을 하는 Electric load, 그 외에도 온도계나 가스 유량을 조절하는 유량 조절계 등이 있었다. 앞서 설명한 장치들 외에 가장 인상 깊었던 기능은 바로 Anode Purge와 Cathode Purge 기능이었다. Anode 쪽으로는H _{2}가 들어가고, Cathode 쪽으로는O _{2}가 들어간다는 기본개념은 알고 있었는데, 사실 실험을 종료한 후에 Cell 내에 남아있는H _{2}나O _{2}가 미치는 영향에 대해서까지는 생각해보지 않았던 부분이었다. 하지만 이번에 성능 측정 장비인 Station을 통해 해당 문제점을 미리 예방하는 방법에 대해서 알게 되었다, 그 방법은 바로 Anode Purge와 Cathode Purge를 이용하는 것이다. 이 Purge 장치를 이용하면 실험이 종료된 후에 질소 가스로 남아있는H _{2}와O _{2}를 밀어내 줌으로써 Cell 내에 남아있는H _{2}와O _{2}를 완벽하게 제거해주는 역할을 한다. 그러므로 PEMFC의 연료인H _{2}나O _{2}가 더 이상 존재하지 않기 때문에 Cell 내에서 추가적인 불필요한 반응이 일어나지 않도록 만들어주는 역할을 한다는 점이 가장 인상 깊은 부분이었다. 그러고 나서 간단하게 모니터를 통해 Cell의 측정 결과값을 그래프로 관측할 수 있었다. 그래프를 통해 가장 먼저 알 수 있는 점은 바로 일정한 전류를 주면서 시간에 따라 단계별로 점점 전류를 증가시키며 전압의 변화를 측정한다는 점이었다. 즉, 해당 Cell 측정은 constant current로 측정한다는 것이다. 이러한 결과 data 값들을 시각화하기 좋게 IV Curve를 통해 나타내었다. IV Curve를 찍는 이유에 대해서 처음에는 오로지 data 값들을 분극 곡선으로 표현하기 위함이라고만 생각했었다. 왜냐하면 분극 곡선은 크게 3군데에서의 loss(Activation loss, Ohmic loss, Concentration loss)가 발생하는데, 어느 부분에서의 loss가 가장 큰지를 파악하고 이를 통해 어떻게 하면 loss를 줄여서 Cell의 성능을 향상시킬 수 있을지에 대해서 분석을 할 수 있기 때문이다. 하지만 IV Curve를 찍는 또 다른 이유로는 라는 공식을 통해서 Power density 그래프를 구할 수 있기 때문이다. Power density 그래프를 통해서 우리가 알아낼 수 있는 것은 2가지가 있는데, 첫 번째는 Power density의 최고값 즉, 해당 Cell이 낼 수 있는 최대출력이 얼마인지를 알 수 있다는 점이다. 그리고 두 번째로 과연 최대출력을 내기 위해서 얼마만큼의 전류와 전압을 인가해주어야 하는지 역시 Power density 그래프를 통해서 구할 수 있었다. 참고로 실험 결과값에 첨부된 그래프를 통해 우리가 측정한 Cell이 낼 수 있는 최대출력은 0.316

공학/기술| 2023.03.16| 5페이지| 1,000원| 조회(181)

화공실험, 수소연료전지, PEMFC

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