The Effect of Load Conditions for the Power of Mg-Air Fuel Cell

Abstract - The power characteristics of the Mg-Air fuel cell were investigated with regard to variation of load conditions. The types of load current using for the Mg-Air fuel cell with 10% NaCl electrolyte were step type, ramp type and pulse type. It was found that transient phenomena occurred in the step current load, which is due to activate of the oxidation-reduction reaction process. And the transient time increase with the load current increase. In the load current of ramp type, the slop of voltage drop increased with current load slop  increase. The load voltage and power decreased according to the pulse period of load current decrease were attributed to the metal sludgesKey Words : Mg-Air fuel cell, Mg electrode, Air electrode, Transient time, Load current, Load voltage, Step current, Ramp current, Pulse current †교신저자, 정회원 : 가천대 공대 전기공학과 교수E-mail : kimyh@gachon.ac..kr 접수일자 : 2012년 7월 23일 최종완료 : 2012년 8월 24일 1. 서 론 금속-공기연료전지는 금속을 음극으로 하고 공기를 양극으로 하는 신개념의 연료전지로서 매우 높은 전기적 퍼텐셜을 갖고 있다. 또한 다른 연료전지와 달리 귀금속 촉매를 사용하지 않으면서 값 싼 전해질을 매질로 사용하기 때문에 제작비가 저렴하고 환경적으로 깨끗하며 유해가스의 발생이 없는 청정 에너지원으로 알려져 있다 [1]. 금속연료전지는 에너지밀도가 높기 때문에 리튬이온 이차전지를 대체할 전지로 개발되어 왔으며 최근에 들어 모바일 전자기기 발전에 따른 휴대용 전자제품의 소형전원이나 가정 및 선박 등의 비상용 전원으로서의 가치를 인정받음으로서 향후 전자기기나 조명구동전원용 전지로서 크게 기대되고 있다[2-3].금속-공기연료전지의 성능은 공기전극의 에너지밀도와 금속전극과 전해질과의 반응특성에 따라서 크게 영향을 받게 되므로 금속종류와 전해질과의 상관관계를 고려한 금속재료들이 사용되고 있다. 특히 염화나트륨 전해질을 사용하는 경우, 마그네슘금속에서 가장 우수한 출력특성을 나타내는 것으로 보고되었으며 또한 유해물질의 생성이 전혀 없고 화학적으로 안정되므로 사용면에서 매우 안전한 전지로 평가되고 있다[4-6]. 금속연료전지에 적용되는 부하 대상은 수W의 mp3나 스마트폰 전원용 USB포트로부터 수kW의 대용량의 전기전자기기에 이르기까지 적용되는 부하 분야가 매우 넓고 다양하므로 전기전자기기의 부하특성에 적합한 금속연료전지는 결국 전자기기의 성능향상이나 이용의 편리성 등을 제공할 수 있다. 금속연료전지는 금속의 산화반응을 이용해서 전력을 생성시키는 전지인 만큼, 금속의 산화반응이 부하에 대응해서 얼마나 안정되게 전력을 발생시키느냐에 의해서 전지 성능이 결정된다고 할 수 있다. 금속연료전지의 요소 중에서 에너지밀도(Wh/I)와 전력밀도(Wh/kg) 등은 전지의 성능을 평가하는 주요 지표가 된다. 이 성능지표는 전지가 전력원으로써 기능이 얼마나 우수한가를 나타내는 척도로 사용되고 있으므로 부하의 종류나 패턴에 따라서 반응속도나 성능 면에서 많은 차이를 나타낼 것으로 예상된다. 지금까지 금속연료전지에 대한 연구의 대부분은 금속전극의 종류, 전해질 농도, 공기전극의 특성 등에 초점을 맞추어 이루어져왔다. 그러나 금속연료전지의 주요 성능이 부하특성에 따라서 전력을 얼마나 능동적으로 생성시키느냐에 의해서 평가되고 있음에도 불구하고 금속연료전지의 부하특성에 대한 연구는 거의 미비한 수준에 머물러 있다. 그러므로 금속연료전지의 부하특성이 전지의 출력특성에 미치는 영향을 조사하는 것은 금속연료전지와 부하를 최적 상태로 정합시킬 수 있는 기초자료가 되므로 전지의 사용효율을 극대화 시킬 수 있는 측면에서 매우 중요한 과제라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 염화나트륨 수용액 전해질을 사용한 금속-공기연료전지에 대해서 외부의 부하조건(부하전류 및 부하패턴)에 따른 전지의 출력특성을 부하전압, 부하전류, 전력 면에서 연구 검토하였다.