025. 화학반응공학 실험 보고서_PEMFC, DSSC 예비 보고서 2 ver._200413_R0

<PEMFC>

1. 실험목적

신재생에너지인 고분자전해질 연료전지와 염료감응 태양전지의 제작 및 성능 측정을 통해 에너지 변환 기술에 대해 이해한다.

 

2. 기본이론조사

a-1. 연료전지란

일종의 발전장치(發電裝置)라고 할 수 있다. 산화·환원반응을 이용한 점 등 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만, 닫힌 계내(系內)에서 전지반응(電池反應)을 하는 화학전지와 달라서 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어, 반응생성물이 연속적으로 계외(系外)로 제거된다. 가장 전형적인 것에 수소-산소 연료전지가 있다. 원리적으로는 1839년 영국의 W. R. 그로브(1811~96)가 발견하였으나, 그 특징이 바뀌어 다시 관심을 가지게 된 것은 1950년대 후반의 일로, 1959년 5 kW의 수소-산소 연료전지가 영국의 F. T. 베이컨에 의해 실증시험(實證試驗)됨으로써 각광을 받게 되었다. 그 후 1960~1970년대에 걸쳐 제미니 및 아폴로11호 우주선에 연료전지가 탑재되었다. 이 전지는 다같이 알칼리 수용액을 전해질로 하며, 순수한 수소와 산소를 사용한다.

 

 그 후, 수소 외에 메테인과 천연가스 등의 화석연료를 사용하는 기체연료와, 메탄올(메틸알코올) 및 하이드라진과 같은 액체연료를 사용하는 것 등 여러 가지의 연료전지가 나왔다. 이 중에서, 작동온도가 300 ℃ 정도 이하의 것을 저온형, 그 이상의 것을 고온형이라고 한다. 또, 발전효율의 향상을 꾀한 것이나, 귀금속 촉매를 사용하지 않는 고온형의 용융탄산염(溶融炭酸鹽) 연료전지를 제2세대, 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지를 제3세대의 연료전지라고 한다.

최근, 가장 실용화에 접근한 것은 제1세대의 것으로서, 미국 UT사(社)를 중심으로 일반 민수용(民需用)으로 개발된 인산전해질(燐酸電解質) 연료전지가 그 좋은 예이다. 이것은 화석연료를 개질(改質)한 수소를 주성분으로 하는 수소가스와 공기 속의 산소를 사용한 수소-공기 연료전지이다. 연료전지는 저공해성이며, 소음이 없고, 배열(排熱)을 이용할 수 있기 때문에 종합효율이 높다. 1988년에 한국에서는 동력자원연구소와 한국전력(주) 기술연구원에서 메탄올을 연료로 하여 열과 전기를 동시에 얻는 5 kW급 연료전지를 개발하였다. 이 연료전지는 천연가스 등의 연료와 공기 중의 산소를 반응시켜 전지를 얻는 기술로, 효율이 50~60 %로서 매우 높다.

 

a-2. 연료전지의 특징

연료전지는 산화, 환원 반응을 통해서 화학적 에너지를 전기에너지로 직접 전환하는 발전장치이다. 연료전지는 수소를 연료로 산소를 산화제로 사용하고, 물이 유일한 부산물로 공해물질을 거의 배출하지 않으며, 기존의 발전기술에 비해 발전효율이 높아, 고효율, 친환경적 기술이라 할 수 있다.

연료전지의 연료인 수소는 매우 비싸서 널리 활용되지 못하고 있다. 따라서 더 널리 사용할 수 있고 저장, 운송이 용이한 탄화수소들 예를 들어 천연 가스와 메탄올, LPG(액화석유가스; propane gas), 나프타, 등유, 석탄등 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 에너지자원을 확보하기 쉽고, 연료를 태우지 않기 때문에 지구 환경보호에도 기여할 수 있는 미래의 에너지다. 수소를 생산하기 위해 이러한 연료를 개질하게 되면 부산물 즉, 이산화탄소가 발생하게 된다. 그러나 내연기관과 비교하면 연료전지의 전체 이산화탄소 배출량은 20~50% 이상 절감된다. 그 외 모듈화가 가능하고 Moving part가 없어 무소음이며, 열병합에 이용이 가능하다.

 

b. 연료전지의 종류

종류	고온형 연료전지		저온형 연료전지
	용융 탄산염 연료전지 (MCFC)	고체 산화물 연료전지 (SOFC)	인산형 연료전지 (PAFC)	고분자형 연료전지 (PEMFC)	알칼리 연료전지 (AFC)
전해질	탄산염	세라믹산화물	인산	고분자막	알카리
작동온도	약 650oC	약 1000oC	약 200oC	약 80oC	약 80-100oC
사용분야	대용량 화력 발전소 대체용(수MW)	대용량 화력 발전소 대체용(수MW)	소규모 발전소 (MW급이하),  병원, 호텔, 버스	휴대용 발전기, 교통수단  (승용차, 버스, 선박), 우주선	군사용, 우주선 등 특수용도

 

c-1. 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 정의

PEMFC는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하며 Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell(SPEFC), Solid Polymer Fuel Cell(SPFC), Polymer Electrolyte FuelCell(PEFC) 또는 Proton-Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC) 등의 다양한 이름으로 불리고 있다.

또한 다른 형태의 연료전지에 비하여 운전온도가 낮은 PEMFC는 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧은동시에 부하 변동에 대한 응답이 빠른 특성이 있다.

특히 전해질로 고분자막을 사용함으로써 부식 및 전해질 조절이 필요 없고 기존의 확립된 기술인 메탄올 개질기의 적용이가능하며 반응기체의 압력변화에도 덜 민감하다.

그리고 설계가 간단하고 제작이 쉬우며 연료전지의 본체 재료로 여러 가지를 사용할 수 있는 동시에 부피와 무게도 운전원리가 같은 인산형 연료전지에 비해 작다.

 

이러한 특성 이외에도 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있기 때문에 PEMFC는 무공해 차량의 동력원, 현지 설치형 발전, 우주선용 전원, 이동용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다.

그러나 PEMFC는 낮은 온도에서 운전되므로 폐열을 활용할 수 없고 고온에서 운전되는 개질기와 연계하기가 어렵다는 문제점이 있다.

또한 전극촉매로 백금(Pt)을 사용하기 때문에 반응기체 내의 일산화탄소 허용치가 낮고 제조비용을 줄이기 위해 촉매 함침량을 크게 낮추어야 하는 어려움이 있다. 그리고 전해질로 사용하는 고분자막의 값이 매우 비싸고 운전 중에 고분자막의 수분함량 조절이 어렵다는 단점이 있다.

 

c-2. 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 특징

장점	단점
◦ CO2에 대한 내구성 => AFC에 비해 장점 ◦ 낮은 작동온도(100℃ 이하) : 재료측면의 문제 최소화, 빠른 기동 및 높은 안전성 ◦ 고체 형태의 전해질 => 액상 전해질에 비해 장점 ◦ 비 부식성 전해질 => 시스템 부식 문제 최소화, 안전성 향상 ◦ 높은 전압 및 전류 범위에서의 운전 ◦ 낮은 운전 압력 => 안전성 향상 ◦ 운전 시 연료극과 공기극 사이의 압력차에 강함 ◦ 소형화 유리 ◦ 기계적으로 간단한 디자인 ◦ 재료측면에서 안정성이 높음	◦ CO에 대한 내구성이 낮음 =>50ppm 이하 조건에서 운전 ◦ 황 성분에 대한 내구성이 낮음 =>수 ppm 이하 조건에서 운전 ◦ 반응 가스에 대한 가습이 필요함 - 에너지 소모 및 시스템의 복잡성을 높임 - 연료전지의 운전조건이 물의 끓는점 이하로 제한됨 - 복합발전(Co-generation) 능력을 저하함 ◦ 고가의 귀금속 촉매 사용 ◦ 고가의 전해질 막 사용

 

d-1. PEMFC에서 쓰이는 고분자전해질(Membrane)의 구조와 특징현재 PEM으로 널리 사용되는 물질은 DU Pont에서 생산하는 NafionⓇ이며, 현재까지 생산.

시판되는 물질로는 가장 좋은 것으로 알려져 있다. 그러나 NafionⓇ은 불소계 고분자로 접착력이 낮으며, Tg가 140℃ 정

도로 낮아 80℃이상에서 장시간 사용하면 CO에 의한 전극 피독으로 그 성능이 현저하게 저하된다는 문제점을 가지고 있다. NafionⓇ은 탄소와 염소가 연속적으로 결합된 고분자 구조로 이루어져있다. 탄소와 염소결합의 끝에 SO3-이온이 붙어 있고 SO3-이온은 친수성이어서 물을 끌어당긴다. 수소이온은 이렇게 형성된 NafionⓇ의 수로를 통해 확산된다. 따라서 NafionⓇ에는 항상 적정량의 물이 함유되어 있어야 한다. 또한 이러한 이유로 PEMFC의 작동온도는 물의 끓는점을 넘을 수 없다.

 

 

 

 

 

d-2. PEMFC에서 쓰이는 고분자전해질(Membrane)의 역할

연료전지의 전해질은 cathode와 anode를 분리하고 이온형태의 물질이 통과하는 역할을 하게 된다. 연료 전지의 반응이 대부분 수소 와 산소를 이용하고 있음으로, 전해질을 투과하는 이온은 수소와 산소의 반응을 위한 것으로 수소이온 (H+), 수산화물이온(OH-), 산화물이온(O2-) 혹은 산화물이온이 이산화탄소와 결합한 탄산 이온(CO32-) 등이다. 고체고분자 연료전지는 두께 50~200um 의 전해질 막 양쪽에 전극을 구성한 것이 MEA이다.

PEMFC 경우 고분자 막을 구성하는 분자는 분자 내에 SO3H기를 갖고 있어 물에 대하여 친화성을 나타낸다. 막 중에 SO3H 기 부분은 클러스터를 형성하고 있고, 수소 이온은 여러 개의 물 분자를 끌어들이면서 클러스터 사이를 순차적으로 이동하여 수소이온 전도성을 나타낸다. 따라서 수소이온 전도성을 위해서는 막이 수분을 함유해야 한다. 즉 고분자 전해질이 충분한 수소이온의 전도성을 확보하기 위해서는 막 중에 수분의 유지가 필요하여 가습이 요구된다. 또한 아래와 같은 현상에 의해서 전지의 성능이 저하된다.

1. back diffusion : cathode로부터 anode로 수분이 이동하는 경우

2. fooding : 막 부근에서의 수분과다로 가스의 확산이 저해되는 경우

3. dry out : 막에 공급되는 수분이 부족하여 이온 전도도가 저하되는 경우

e. Three Phase boundary(3상계면)이란? 그 역할은?

3상계면(Three Phase boundary)은 전극반응이 일어나는 곳으로 MEA연료가스와 전극 및 전해질로 이루어져 있다. 때문에 전극 반응속도는 이들이 이루는 계면의 성질에 따라서 크게 달라진다. 즉, 전극 내에서 가스의 확산이 잘 이루어지도록 하고 전극과 전해질 사이의 접촉을 좋게 함으로써 전극반응을 촉진시킬 수 있다.

PEMFC의 주요 구성요소는 고분자전해질막과 전극(anode, cathode), 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판(separator)으로 이루어져있다. 특히 anode와 cathode의 두 전극을 고분자 전해질막에 hot-pressing 방법으로 부착시킨 것을 고분자전해질막-전극접합체(membrane-electrode assembly, MEA) 라고 하는데, 이러한 MEA의 구성과 성능이 고분자전해질 연료전지의 핵심이라고 할 수 있다. 3상계면을 효과적으로 만드는 기술로는 나피온 용액과 분말을 이용한 방법, 전기화학적 백금촉매의 localization에 의한 방법이 있고 최근에는 공중합체 분말을 이용하여 제반 방법의 단점을 극복한 기술이 소개되고 있다. 매 이용율을 증진시킴과 아울러 촉매 사용량의 감소를 도모하는 기술이 알려지고 있다.

 

f. 연료전지의 성능을 개선시키는 방법에 대해서 기술하시오.(2가지 이상)

1. 채널을 물이 막아 공기공급이 되지 않아 성능이 저하되는 현상을 막기 위하여 반응에 참여하지 않는 실리카겔성분을 촉매층에 가하여 수분을 확실히 배출한다.

2. 온도를 85~100℃에서 벗어나지 않도록 지속적으로 온도를 유지 시켜주는 히터를 함께 사용한다.

3. 촉매(Pt-Ru or Pt/C)를 이용한다. (하지만 비용적인 손해)

 

h. 연료전지의 최근동향과 사용분야

PEMFC에 현재 이용되고 있는 PEM은 파흐르오로스르폰산 폴리머로 이 재료는 식염 전해용의 전해질막 응용 제품이다. 이 재료는 전해질막에 필요한 이온투과성, 내산화성, 내열성을 겸비한 것으로서 우수하고, 현 단계로서는 파흐르오로스르폰산 이외로 유효한 재료는 없는 것으로 보인다.

PEM의 이온투과성을 규정하는 용도로 큰 것은 막두께이다. 막두께가 엷을수록 이온투과성이 높아진다. 현재의 막두께는 25㎛전후로 제조법 적으로는 15㎛ 까지는 가능한 것으로 보인다. 그러나 실제로 연료전지에 이용한 경우에는 핀홀과 가스투과 문제가 우려되어 25㎛가 한계인 것으로 생각되고 있다.

다른 한편 막두께와 동시에 막강도의 보강 필요성도 있어 고아텍스에서는 전해질에「고아텍스」를 이용하여 15㎛ 두께로 평가시험 하고 있다.

PEM의 이온투과성은 전해질막이 균일한 습윤 상태여야 하기 때문에 연료전지에 가습기능이 필요하게 되나 이 점에서도 가습이 필요 없는 저 가습에서 이온투과성능을 갖는 소재개발이 추진되고 있다.

현재의 내열성은 100℃ 정도로 알려져 있으나 120∼130℃에서 작동이 가능한 소재와 복합재료로 350℃까지의 내열성을 갖는 것이 있다. 이들 고내열성 전해질이면서 동시에 이온투과성도 높은 소재의 개발도 추진되고 있다.

 

<DSSC>

 

1. 실험목적

신재생에너지인 고분자전해질 연료전지와 염료감응 태양전지의 제작 및 성능 측정을 통해 에너지 변환 기술에 대해 이해한다.

 

2. 기본이론조사

a. 태양전지의 종류와 특징

태양빛의 에너지를 전기에너지로 바꾸는 것이 태양전지이다. 이 태양전지는 지금까지의 화학전지와는 다른 구조를 가진 것으로 ‘물리전지’라 할 수 있다. 태양전지는 P형 반도체와 N형 반도체라고 하는 2종류의 반도체를 사용해 전기를 일으킨다.

태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생한다. 발생된 전하들은 P, N극으로 이동하며 이 현상에 의해 P극과 N극 사이에 전위차(광기전력)가 발생하며 이때, 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다. 이를 광전효과라 한다.

태양전지 모듈은 대형의 시스템에서는 여러 태양전지를 직·병렬로 연결하여 전력을 꺼낸다. 셀은 전기를 일으키는 최소 단위이며, 모듈은 전기를 꺼내는 최소 단위이고 현관문의 반만한 크기이다. 어레이는 직·병렬로 끼어진 여러 패널을 말한다. 서브어레이는 설치 작업이나 유지보수의 편리함 때문에 여러 개의 모듈을 정리한 단위이다.

 

단결정 실리콘 태양전지 다결정 실리콘 태양전지	단결정 또는 다결정의 실리콘 기판을 사용한 타입으로, 발전 효율이 우수하다. 현재가장 많이 생산되고 있는 타입의 태양전지이다.
아몰퍼스(amorphous) 실리콘 태양전지	유리, 또는 금속등의 기판 위에, 얇은 막 상태의 아몰퍼스(amorphous) 실리콘을 성장시켜 만든다. 장래의 저가격화가 기대되고 있는 태양전지이다.
단결정 화합물 반도체 태양전지 다결정 화합물 반도체 태양전지	화합물 반도체 태양전지와는 복수의 원소를 주원료로 한 것으로, 단결정과 다결정의 것이 있다. 단결정의 태양전지에는, 인공위성등의 특수용도에 사용되고 있는 것등이 있다. 다결정의 것에는, 용도나 사용 방법에 맞추어 다양한 재료나 구조의 것이 있다

b. 염료 감응형 태양전지 DSSC(Dye sensitized Solar Cell)의 정의와 기본원리, 구조

Dye Sensitized Solar Cell로 염료감응태양전지이다. 작동원리는 이렇다. 투명한 상부전극을 통과한 빛은 dye에 흡수된다. 빛에 의해 여기된 dye는 전자를 방출하고 cation이 된다. 방출된 전자는 TiO2 nanocrystal network을 따라서 상부전극으로 이동하여서 외부로 전류를 공급하게 된다. 한편 cation으로 바뀐 dye는 I-와 반응해서 환원되어 I3-가 생성된다. 태양전지 외부에서 에너지를 전달한 전자는 counter 전극에 도착해서 I3- 를 다시 환원시켜서 I-를 생성한다.

• Transparent Conducting Oxide

DSSC 최상부는 transparent conducting oxide (TCO)가 coating된 glass로 이루어져 있다. 높은 효율을 얻기 위해서는 낮은 면저항과 높은 투과도를 가져야하며 일반적으로 TiO2 전극의 sintering 처리 온도인 500℃ 까지 안정해야 한다. Indium-tin oxide (ITO)가 대표적인 TCO라 할 수 있다.

• TiO2 전극

TCO 하부에는 nanocrystalline 구조의 TiO2 전극이 있다. TiO2 전극의 장점은 화학적 안정성과 넓은 표면적이다. 일반적으로 Si, GaAs, InP, CdS 등의 반도체물질을 용액상로 태양광에 장시간 노출시키면 photocorrosion에 의해서 분해된다. 하지만 TiO2와 같은 금속산화물 반도체는 이러한 조건에서 안정성이 뛰어나다. 이러한 안정성으로 인해서 TiO2외에도 SnO2, ZnO 등과 같은 많은 금속산화물이 태양전지의 전극으로 사용된다. TiO2 전극은 TiO2 colloid 용액을 TCO 표면에 coating한 후 500℃ 부근에서 가열해서 얻게 된다. 열처리 과정을 통해서 10 ~ 30 nm 크기의 TiO2 입자가 형성되며 nanoporous 구조가 얻어진다. 이러한 nanoporous 구조는 두께 10㎛, 면적 1cm2 인 TiO2 박막의 경우 실제 표면적을 1000cm2 까지 증가시킬 수 있으므로 단결정과 같이 표면적이 작은 전극에 비해서 많은 양의 photosensitizing dye를 흡착시킬 수 있다.

• Photosensitizing Dye

- 태양광의 대부분을 차지하는 가시광(400 ~ 800 nm)에 대한 흡수 능력이 뛰어난 photosensitizing dye는 대부분은 Ru complex들이다. 가시광 흡수는 중심금속인 Ru에서 ligand로의 전하 전이에 의한 것으로 알려져 있다.

• Redox Electrolyte

- DSSC에 사용되는 electrolyte는 I-/I3 redox ion으로 구성되어 있으며 TiO2 전극과 counter 전극 사이에서 전자를 전달하는 역할을 한다. 실제 구성은 LiI, NaI, KI 등이 I2와 함께 acetonitrile 등과 같은 nonprotonic solvent에 녹아있는 용액이다. 태양전지의 성능은 counter cation (Li+, Na+, K+)에 영향을 받는데 이는 counter cation의 확산속도, TiO2 표면 흡착 능력 때문인 것으로 알려져 있다.

• Counter 전극

- (Dye cation)-(I- anion)간의 환원-산화 반응에 의해서 형성된 I3- 는counter 전극에서 다시 I- 로 환원된다. 따라서 counter 전극은 활성이 뛰어나야 한다. 이를 위해서 Pt가 coating 된 TCO이나 carbon 전극을 사용한다.

 

c. 태양전지 기본 용어 조사

- Open-circuit voltage(Voc)는 회로가 개방된 상태, 즉 무한대의 임피던스가 걸린 상태에서 빛을 받았을 때 태양전지의 양단에 형성되는 전위차이다. 동종접합(homojunction)의 경우를 예로서 설명하자면, 얻을 수 있는 최대한의 Voc값은 p-type 반도체와 n-type 반도체 사이의 일함수 값(work function)의 차이로 주어지며, 이 값은 반도체의 밴드갭에 의해 결정되므로 밴드갭이 큰 재료를 사용하면 대체로 높은 Voc값이 얻어진다.

- Short-circuit current(Jsc)는 회로가 단락된 상태, 즉 외부저항이 없는 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 역방향(음의 값)의 전류밀도 이다. 이 값은 우선적으로 입사광의 세기와 파장분포(spectral distribution)에 따라 달라지지만, 이러한 조건이 결정된 상태에서는 광흡수에 의해 여기된 전자와 정공이 재결합(recombination) 하여 손실되지 않고 얼마나 효과적으로 전지 내부에서 외부회로 쪽으로 보내어지는가에 의존된다. 이 때 재결합에 의한 손실은 재료의 내부에서나 계면에서 일어날 수 있다. 또한 Jsc를 크게 하기 위해선 태양전지 표면에서의 태양 빛의 반사를 최대한으로 감소 시켜야 한다. 이를 위해 Antireflection coating을 해주거나 metal contact을 만들 때 태양 빛을 가리는 면적을 최소화 해주어야 한다. 가능한 모든 파장의 빛을 흡수하기 위해선 반도체의 밴드갭 에너지가 작을수록 유리하지만 그렇게 되면 Voc도 감소하게 되므로 적정한 밴드갭을 가진 재료가 필요하다. 따라서 최대크기의 Voc와 Jsc값을 얻기 위해 계산된 이론적인 최적의 밴드갭 에너지는 1.4eV가 된다.

 

- Fill factor(FF) 는 최대 전력점에서의 전류밀도와 전압값의 곱(Vmp×Jmp) 을 Voc와 Jsc의 곱으로 나눈 값이다. 따라서 fill factor는 빛이 가해진 상태에서 J-V곡선의 모양이 사각형에 얼마나 가까운가를 나타내는 지표이다. 태양전지의 효율 η은 전지에 의해 생산된 최대 전력과 입사광 에너지 Pin 사이의 비율이다.

 

- 태양전지의 가장 중요한 성능 지수는, 빛으로부터 전기로의 변환 효율이다. 변환 효율은, 태양전지에 흐르는 광에너지 중에, 몇 %를 전기에너지 전적으로 변환할 수 있는지를 나타내는 수치를 나타내는 것이다. 태양전지의 효율을 특징 지워주는 변수로는 밴드갭 에너지(open-circuit voltage(Voc), short-circuit current(Jsc), fill factor(FF)), Temperature, Recombination Lifetime, Light Intensity, Doping Density and Profile, Surface recombination Velocities, Series Resistance, Metal Grid, Optical Reflection 등이다.

5. AM

⇒ 태양에너지가 지구표면에 도달할 때 대기권에 의해 흡수, 반사 및 굴절 과정을 거쳐 세기가 감소되는데, 이와 같이 감소되는 정도를 “AIr Mass(AM)"로 정의한다.

 

6. 1 SUN

⇒ 태양전지 에너지 변환효율 측정에 사용된다. 1태양(one sun)조건은 1000 W/m2(=100 mW/cm2)세기이다.

 

d. TiO2의 Phase 및 물질 특성

TiO2는 대표적인 백색안료로서 플라스틱, 도료, 고무, 제지 등에 사용되면서, 실생활에 널리 적용되는 중요한 무기화합물로써, 한 국가의 경제발전도를 1인당 TiO2 사용량으로 비교하기도 한다.

TiO2 는 백색안료중 최고 높은 굴절율을 가지고 정확한 입도와 분산성을 가지고 있으므로, 은폐력, 착색력이 우수하고 화학적으로나 물리적으로 매우 안정된 물질로서 안료용으로 사용되는 것은 물론, 화학섬유의 광택제거 및 내마모성향상제로도 사용이 되며, 전자적 특성을 이용하여 전자재료, TV브라운관, 용접봉 피복제 등 그 쓰임새가 광범위하여 우리들의 실생활 중에서 항상 접하는 제품이다.

최근 TiO2의 특성을 이용한 새로운 제품들이 개발되어 적용되는 추세가 급속도로 진행되며, 국가간 치열한 경쟁이 되고 있는데 대표적인 제품들로 나노(NANO) 형태의 제품을 이용한, 촉매, 광촉매 제품 등이 있다

TiO2의 상은 아래와 같이 두 가지 종류가 있다.

 

구 분	Anatase	Rutile
결정계	정방정계	정방정계
밀 도 (g/㎠)	3.9	4.27
굴절율nD	2.52	2.72
모스경도	5.5~6.0	7.0~7.5
비 열 (cal/℃g at 25℃)	0.169	0.169
열전도율 (cal/cm/sec/℃)	0.43	0.148
전기전도도 (mho/cm)	10-13 ~ 10-14	10-13 ~ 10-14
유전율	48	114

 

e. 태양전지의 최근동향과 사용분야

III-V(화합물반도체태양전지) : 다중접합구조를 이용하여 매우 높은 효율(40.7%)을 얻고 있지만 고가의 원재료를 사용하고 있어 제조단가가 실리콘 태양전지에 비해 매우 높아 인공위성과 같은 특수용도로 사용된다. 최근 실리콘 태양전지의 2배 효율이 되며 지상용 전원으로 사용하려는 연구가 미국,일본,호주에서 주도적으로 진행중이다. 집광장치와 화합물반도체 태양전지를 결합하여 제조단가 문제를 해결하기 위해 연구 개발중이다. 거울이나 렌즈를 이용하여 넓은 면적의 태양광을 작은 면적의 태양전지에 빛을 모으는 방법을 사용한다.

박막 Si(Amorphous Silicon) : 결정질 실리콘 태양전지보다 싼 제조 공정으로 초기에 인기를 끌었으나 효율이 낮아 현재는 다른 박막형 태양전지가 대세입니다. 이전 블로그에 1999년 미대륙을 횡단한 비행기 "민들레"에 적용된 태양전지입니다.

CdTe(카드뮴 텔루륨 박막태양전지) : 카드뮴의 유해성의 논란이 있어 카드뮴 독성의 철저한 안전관리 기술과 재활용시스템구축이 필요합니다. 하지만 가장 제조원가가 싸고 박막계 태양전지중 가장 많은 매출을 올리는 태양전지로 미국의 first solar사가 생산하고 있습니다.

CIGS(CuInGaSe2) 박막태양전지 : 구리,인듐,갈륨,셀레늄 4원소가 결합된 화합물 반도체를 기판위에 박막형태로 증착하여 제작한 태양전지. 박막두께가 1~2 um에 불과하여 소재의 사용량이 적고 대량 생산이 용이하다는 장점을 가진 2세대 태양전지입니다.

 

f. Reference

전지의 과학/ 하시모토 타카시/ 도서출판 아카데미서적/ 1999년/ p. 77-78

에너지 변환공학/ 임장순 외 2명/ 원창출판사/ 1998년/ p. 271-274

태양전지공학/ 이준신, 김경해/ 도서출판 그린/ 2007년/ p. 452-458

 

<PEMFC>

1. 실험방법

 

2. 결과 및 고찰

- Data excel로 정리하여 붙일 것.

- Data로 Polariation curve 그릴 것.

(전류 단위 전류밀도로 바꿀 것)

- Polarization Curve 분석(자세히) 및 실험 전반에 대한 고찰

 

3. Problems

① PEMFC에 인가하는 각 전류값에 따라 필요로 하는 H2와 Air의 최소 유량을 구하시오.

② URFC(Unitized Regenerative Fuel Cell)와 PEMFC의 공통점과 차이점을 기술하시오.

 

<DSSC>

1. 실험방법 (예비실험부터 각 실험 과정을 사진으로 첨부하여 자세히)

 

2. 결과 및 고찰

- Data를 excel로 정리.

- Data로부터 I-V curve, power curve, FF 그래프로 도시.

- Data로부터 얻어진 Voc, Isc, FF를 이용하여 효율을 계산

(반드시 계산과정을 보일 것).

- 그래프 분석 및 실험 전반에 대한 고찰.

 

 

<주의사항>

* 보고서 작성법 준수
- 보고서는 보고서 양식에 따라 PEMFC, DSSC 내용 각각 작성

- 클립 사용하여 하나의 보고서로 제출.

- 작성분량 : 예비보고서는 PEMFC, DSSC 합쳐서 5장 이내 (표지 제외),
결과보고서는 제한 없음.

- 족보 내용 그대로 작성하여 제출 시 적발되면 0점 처리

- 보고서 표지에 자기사진 반드시 부착

- 예비보고서는 실험 당일 수업시작 전 걷고, 결과보고서는 실험 하고 1주일 후 걷습니다.

 

* 태도 준수

- 높은 구두, 슬리퍼, 모자, 치마, 반바지 금지

- 실험복 지참

 

* Oral test 있음

 

* 출석

- 지각시 감점 처리

- 합당한 사유로 출석을 미루어야 할 때 최소 1주일 전 조교와 상의

 

* DSSC 실험은 실험 전 예비실험이 있으므로 수시로 공지를 확인하여 불이익이 없길 바랍니다.