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Research

버려지는 열을 전력으로 변환한 효율 높은 하이브리드 열전지 개발

  • 조회. 176
  • 등록일. 2021.10.14
  • 작성자. 대외협력팀

- DGIST 이호춘 교수 연구팀, 전기화학 열전지에 농도차 전지를 결합하여 효율적 폐열-전력 변환 구현

- IoT 소자/센서 등의 동력원으로서 활용 기대돼

 

 [(왼쪽부터) 에너지공학전공 강준식 석·박사통합과정생, 이호춘 교수]

 

 DGIST(총장 국양) 에너지공학전공 이호춘 교수 연구팀이 폐열로부터 전기를 생산하는 효율이 대폭 개선된 전기화학 열전지를 개발했다. 이번 연구로 개발된 열전지는 IoT 소자/센서 등의 동력원으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

 산업 공정, 지열, 및 인체에서는 많은 열이 발생하지만, 생산 혹은 소비 과정에서 사용되지 못하고 버려지는 중저온(<200 ) 폐열은 버려지는 것이 당연시 되어왔다. 하지만 최근 기술의 발전으로 이를 전기 에너지로 변환하여 지속가능한 청정 에너지원으로 사용 할 수 있게 됐다.

 폐열을 전기 에너지로 변환하기 위해 최근 연구되고 있는 방법은 전기화학 열전지를 이용하는 것이다. 이는 기존 열전소자와 비교하여, 높은 제베크 효과, 낮은 재료 및 공정비용, 및 전지 설계 유연성의 장점을 가진다. 전기화학 열전지는 P형과 N형으로 구분되는데, 열전지가 큰 전력을 공급하기 위해서는 수십~수백개의 열전지소자들을 직·병렬 연결한 모듈을 구성해야 한다. 그러나 P형에 비해 N형 열전지의 성능이 현저히 낮아서, N형 열전지 성능에 의해 전체 모듈의 성능이 제한된다는 문제를 가지고 있다.

 이에 연구팀은 N형 열전지의 성능을 높이기 위해 농도차 전지가 결합된 하이브리드 열전지를 고안했다. 농도차 전지가 결합된 하이브리드 열전지는 고온부에서만 요오드 이온이 소모되므로 고온부-저온부의 요오드 이온의 농도차이가 발생하는데, 이 농도차는 형성된 탄산 리튬층에 의해 장시간 유지되면서 추가 기전력을 생산하게 된다.

 저온(25) 및 고온(60)를 기준으로 기존 N형 열전지와 제베크 효과에 따른 전압을 비교해본 결과, 기존 N형 열전지의 제베크 상수가 +2 mV/K 이하인 반면, 본 연구팀에서 하이브리드 열전지는 +7.7 mV/K 의 높은 제베크 상수를 보였다. 또한, 높은 열-전기변환 효율(ZT = 0.0114 및 카르노트 효율 = 5.2%)을 구현하여 사상 최고 효율을 가진 N형 열전지를 개발하게 됐다.

 DGIST 에너지공학전공 이호춘 교수는 하이브리드 열전지의 제베크 상수와 열-전기변환 효율은 이제까지 보고된 N형 열전지 중에서 가장 높은 값이라며, “추가 연구를 통해 현재 다소 부족한 하이브리드 열전지의 내구성을 개선하게 되면, 폐열로부터 생산된 전력을 동력원으로 사용하는 다양한 응용분야에 적용될 수 있을 것이라고 말했다.

 한편, 본 연구는 DGIST 에너지공학 전공 이호춘 교수의 연구팀의 김경구·박기성 박사와 강준식 석박통합과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 에너지 분야 저명 국제 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal ’ 2112월호에 게재 예정이다. 또한, 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

 

 

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연구결과개요

Hybrid thermoelectrochemical and concentration cells for harvesting low-grade waste heat

Kyunggu Kim, Junsik Kang, Hochun Lee

(Chemical Engineering Journal, on-line published on 14th August, 2021)

 

중저온 페열 (<200 )은 풍부하고 지속가능한 청정에너지원이다. 전기화학 열전지는 중저온 폐열을 회수하여 전력을 생산할 수 있는 유망한 기반 기술이다. 그러나 전기화학 열전지의 본격적 상용화를 위해서는 제베크상수와 열-전기 변환 효율이 크게 개선되어야 한다.

본 연구는 전기화학 열전지와 농도차 전지가 결합된 하이브리 열전지를 고안하였다. 이 하이브리드 열전지는 디메틸카보네이트 용매와 리튬 요오드/삼요오드염 산화/환원쌍으로 구성된 전해질을 사용하는데, 고온부의 온도가 일정 이상 (>40 )으로 증가하면, 디메틸카보네이트와 요오드 이온이 친핵성 치환반응을 통해 탄산 리튬염으로 변환되면서 고온부에서만 요오드 이온이 소모되므로 고온부-저온부의 요오드 이온의 농도차이가 발생한다. 이 농도차는 형성된 탄산 리튬층에 의해 장시간 유지되면서 추가 기전력을 생산하게 되며, 이는 통상적 요오드/삼요오드 산화/환원쌍에 의한 열전지에 더해져 높은 기전력을 나타내게 된다. 연구팀은 25 저온부 및 60 고온부를 기준으로, 기존 N형 열전지의 제베크 상수가 +2 mV/K 이하인 반면, 하이브리드 열전지는 +7.7 mV/K 의 높은 제베크 상수를 보였으며, 높은 열-전기변환 효율 (ZT = 0.0114 및 카르노트 효율 = 5.2%)을 구현하였다.

이 하이브리드 열전지는 우수한 성능과 더불어, 간단한 구조 및 제조공정을 특징으로 하는 유망한 폐열회수 기반기술이다.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

열전지와 농도차 전지를 결합함으로써, 부족한 열-전기 변환 효율을 극대화하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

저전력 동력원으로 구동하는 IoT 센서 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

현재 하이브리드 열전지의 내구성은 약 2주 내외 수준으로서, 부족한 내구성 문제를 해결하는 것이 상용화에 가장 중요한 문제로 사료된다.내구성 열화 원인 규명과 해결방안 도출까지 1-2년의 추가 연구가 소요될 것으로 예상한다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

본 연구자의 전공분야인 전기화학적 지식과 경험을 통해 지속가능 청정 에너지원인 저등급 중저온 폐열의 활용방안을 마련할 수 있다는 점에 흥미를 갖게 된 것이 연구를 시작한 계기가 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

목표한 장치가 요구하는 큰 전력을 공급하기 위해서는 수십-수백개의 열전지소자들을 직/병렬 연결한 모듈을 구성해야한다. 열전소자 사례에서처럼 P형과 N형 열전지가 필요한데 P형에 비해 N형 열전지의 성능이 현저히 낮아서 전체 모듈의 성능이 열악한 N형 열전지의 성능에 의해 제한되고 있었다본 연구는 N형 열전지의 성능을 P형 수준으로 끌어 올림으로써 전체 모듈 성능을 크게 개선할 수 있는 가능성을 제시하였다.

 

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그림설명

[그림 1] 폐열-전력 변환 효율 높인 하이브리드 전기화학 열전지 

 


(그림설명) 
1. 전기화학 열전지와 농도차 전지가 결합된 하이브리 열전지를 고안하였다.
2. 하이브리 열전지는 두 개의 백금전극과 전해질로 구성된 간단한 구조를 갖는다.
3. 열전지의 고온부 온도가 40 ℃ 이상 증가하면 전해질의 카보네이트 용매와 요오드 이온이 화학반응을 일으키면서, 요오드 이온의 농도 차이가 스스로 (in situ) 형성된다. 
3. 화학반응 부산물인 탄산 리튬은 미세 기공 구조를 통해, 리튬 이온과 삼요오드화 이온의 이동은 일어날 수 있는 반면, 요오드 이온의 이동은 선택적으로 차단된다. 따라서 요오드 이온의 농도차는 장시간 유지되면서 동시에, 리튬 이온과 삼요오드화 이온에 의한 전기화학 반응이 지속될 수 있다. 
 
 
 

 

 

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