탄소중립을 위한 친환경 분산전원 Metal-Air Generator 설계, 성능·신뢰성 평가 = Design, Performance, and Reliability Evaluation of Eco-Friendly Distributed Power Metal-Air Generator for Carbon Neutrality|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

최근 대기 온실가스 농도 증가를 막기 위해 인류활동에 의해 배출되는 탄소량을 감소시키고 흡수량을 증대시켜 순배출량이 ‘Zero’를 이루는 탄소중립을 위한 노력이 활발하다. 본 논문은 탄소저감을 위해 발전 시 탄소가 발생하지 않고, 기존 재생에너지 대비 적은 면적에서 발전이 가능한 Mg-Air Generator(MAG)을 제안하고자 한다. 본 논문에서 제안하는 MAG는 금속-공기 전지 셀(Cell)을 모듈(Module)-랙(Rack) 형태로 조합하여 kW급 용량으로 구성한 발전장치이며, 다수의 MAB 셀을 직렬 및 병렬로 연결한 시스템이다. 기존의 금속-공기 전지 연구는 주로 금속 합금, 전해질 종류 및 농도에 집중되어 있으나, 본 연구는 분산전원으로 활용 가능한 대용량 셀 및 랙 시스템의 설계와 성능 평가에 초점을 둔 차별화된 연구이다.
MAB 셀은 금속 음극(Metal Anode), 공기 양극(Air Cathode), 전해질(NaCl)로 구성되며, 이들의 산화반응을 통해 전기에너지를 생성하는 발전 시스템이다. 본 연구에서는 최적의 MAB 설계를 위해 금속 음극과 공기 양극의 성능 요소를 분석하고, 전압 및 전류 특성 평가를 통해 최적의 셀을 설계 및 제작하였다. 설계한 MAB는 7.5 A 방전전류에서 0.8 V로 최고 성능을 확인했다. 또한, 단위 셀 당 1 A 방전 조건에서 전해질이 공급하지 않을 경우 130시간 동안 발전이 가능하며, 전해질 지속 공급 시 14일 발전이 가능함을 확인했다. 공기 양극의 최적성능을 위해 카본과 산화코발트, PTFE의 조성비를 설계했으며 압연공정으로 제작 시 압연기기의 압력과 가열온도에 따라 제작되는 공기 양극 성능 변화를 통해 최적의 제작방식을 연구했다.
분산전원으로써 장기적 지속가능한 발전을 유지하기 위해 전해질 공급 및 순환 장치를 개발하고, MAB 셀 내부 전해질 공급, 부산물이 배출되도록 2D/3D CAD 설계했다. MAB 셀 100개(25S-4P)로 구성된 MAG 랙 시스템을 구성하고 지속적 발전이 가능하도록 전해질을 순환 공급할 수 있는 시스템을 도입했다. 무부하 개방전압에서 33V, 방전전류 4 A에서 30.2 V, 120.9 W 및 방전전류 12 A에서 25 V, 300 W 출력성능을 확인하여 Off-Grid 분산전원으로써 가능성을 확인했다.

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최근 대기 온실가스 농도 증가를 막기 위해 인류활동에 의해 배출되는 탄소량을 감소시키고 흡수량을 증대시켜 순배출량이 ‘Zero’를 이루는 탄소중립을 위한 노력이 활발하다. 본 논문은 ...

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