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전기이중층 개패시터의 개발과 적용동향
2007년 4월 1일 (일) 23:50:00 |   지면 발행 ( 2007년 3월호 - 전체 보기 )

서론최근 들어 에너지절약을 목적으로, 회생전력저장용으로 피크컷을 위한 출력 보조용으로, 또는 단시간의 정전 백업용으로 축전지를 대신할 새로운 전력저장디바이스 ‘이중층 캐패시터(EDLC : Electric Double Layer Capacitor)’가 주목을 받고 있다. 이에 당사는 고전압을 특장으로 한 바이폴라 적층형 전기 이중캐패시터 ‘M-CAP’를 개발하여 제품화하고 있다. 그 특성과 적용 사례를 소개한다.EDLC의 특징1. EDLC의 원리EDLC는 주로 화성탄전극과 유기용매계전해질 및 대향하는 전극을 물리적으로 분리하는 세퍼레터, 외부로의 액체가 흐르는 것을 막는 가스켓이 되는 셀로 구성되어 있다.EDLC는 기본원리가 전극계면에 존재하는 전기이중층으로의 전해질 이온의 흡탈착에 있으며, 화학반응을 수반하지 않는다. 따라서 대전류에 의한 급속한 충방전이 가능하며, 충방전의 반복 수명이 비약적으로 늘어난다는 특장을 갖고 있다. <그림 1>은 EDLC의 원리를 보여준다.

2. 바이폴라형 EDLC의 구성EDLC는 용량발현의 원리이기 때문에 셀 당 내전압이 2.3~2.7V로 낮으며, 전력 기기 등의 축전 디바이스로 사용하는 경우는 EDLC를 직렬로 접속해서 사용하는 경우가 많다.당사의 EDLC는 전극에서 전기를 취출하는 집전극의 양표면에 극성이 다른 전해질이온이 흡착하는 바이폴라형이기 때문에 EDLC 셀의 적층수에 비례해서 사용전압이 높게 된다. 따라서 고전압 EDLC를 하나의 EDLC 적층체에서 얻을 수가 있다.<그림 2>은 바이폴라형 EDLC의 개념도다.3. 바이폴라형 EDLC의 특성당사에서 개발·제품화된 EDLC는 용도에 따라서 사이즈와 정격전압을 바꿔가는 것도 쉽다.그 가운데서도 특히 대표적인 EDLC의 전기적 특성을 소개한다. <그림 3>은 전압 160V, 정전용량 4.5F사양이 되는 ELDC의 온도특성이다.정전용량은 -10℃ 이상의 영역에서 사양인 정전용량을 채우고 있다. 내부저항은 EDLC에 사용하는 유기용 매계전해액의 전기전도도에 의존한 곡선이 된다는 것을 알 수 있다.<그림 4>에는 자기방전 특성을 표시한다. 측정 조건은 온도 20℃ 환경하에서 24시간 충전한 후, 24시간 무부하 방치했다.

4. EDLC의 장기적인 특성EDLC는 전해질 이온의 전극표면으로의 물리적인 흡측에 따라서 용량을 표현하기 때문에 제품수명이 길다는 특징이 있지만 실제로는 전해액 중 불순물과 전극표면의 표면관기능, 외부로부터의 수분 침투 등에 따른 열화가 존재한다.그러나 EDLC의 열화속도는 다른 이차전지와 비교해서 아주 느리기 때문에 온도가속에 따른 수명평가시험이 중요하다. 그렇기 때문에 환경온도를 통상적인 사용온도에서 높여서 정격전압에서 충전한 경우의 정전용량과 내부저항의 변화를 시험했다. 온도 50℃에서 160V 4.5F 사양의 EDLC를 사용한 온도가속시험결과를 <그림 5>에 표시했다.다른 온도조건을 바꿔 과전시험을 실시, 온도에 따른 가속계수를 구함으로써 EDLC에 요구되는 제품수명을 만족하는 설계가 가능하게 되었다.EDLC의 적용사례EDLC의 특징을 살린 용도로 당사는·순시전압저하보상장치 (순저보상장치)·전선전압 보상장치의 연구를 계속해서 제품화했다. 이하에 개별용도의 적용 예를 소개한다.1. 순저보상장치(저압형)수요가에게 있어서 개별 부하를 순시전압저하와 정전으로부터 안전한 저압형 순저보상장치의 외관을 <그림 6>에, 장치 사양을 <표 1>에 표시했다.

이 장치는 EDLC 모듈을 수납한 EDLC반, 상시 상용급전과 정전발생 시의 상용전원 고속차단을 행하는 절환스위치, 입출력단자와 장치의 점검 시 등에 급전을 계속하기 위한 바이패스스위치를 수납한 고속스위치반, 정전 시에 EDLC의 축전에너지를 부하에 공급하는 쵸파 인버터를 수납한 인버터반으로 구성되어 있다.적용한 EDLC는 정격전압 100V에서 정전용량 7F의 EDLC를 5개 병렬접속한 것을 1모듈로, 그 모듈을 4개 직렬로 접속해서 구성되어 있다.특징은 상시적용급전방식을 채용함에 따라 상시 적용 운전시의 높은 효율과 EDLC를 적용함에 따라 메인테넌스 프리화다.이 장치는 2003년 6월부터 2004년 2월까지는 보상시간 2초의 장치로, 2004년 4월부터 12부터까지는 대용량형 EDLC로 변경해서 보상시간 60초의 장치로 2회의 필드시험을 실시, 실이동상태에서 순저와 정전의 보상을 실시했다. 그 결과, 순저는 20회, 구내 전압변동은 11회 보상할 수 있게 되었다.2. 순저보상장치(고압형)최근 들어 고도의 가공기술을 요하는 반도체와 고정밀도의 액정 디스플레이 등을 생산하는 공장에서는 계통전력의 품질향상이 필요하게 되었다. 특히 24시간 연속 이동하는 설비가 도입된 공장에서는 순저 등이 발생하면 생산라인이 정지하게 되어 막대한 손실을 초래한다.그래서 저압형 순저보상장치의 실적을 참고하여 수요가에서의 고압수전점 바로 밑에 배치하는 타입인 순저보상장치를 개발했다.개발한 순저보상장치의 정격용량은 2000kVA(정격역률 0.8), 전압 6600V에서 보상시간은 2초다.

<그림 7>은 장치의 외관이다. 적용한 EDLC는 저압형 50kVA 때보다 대용량화, 고전압화를 달성했으며, 정격전압 125V 정전용량 8F의 EDL를 기본으로, 1모듈은 10개 병렬접속했다. 반은 모듈을 4개 병렬접속한 것을 5개 직렬로 접속한 구성으로 2세트를 병렬로 접속했다. 정격은 전압 625V 정전용량 128F이다.현재 이 장치는 반도체 공장에서 현장데스트를 실시 중이다. <그림 8>에 순저보상동작 계를 표시한다. 계통전압의 변동이 발생하더라고 부하 측에 영향이 없다는 것을 알 수 있다.또한 현시점에서 13회 순저보상실적이 있다. 이 실적을 바탕으로 당사는 상시상용급전방식의 전력보상장치와 EDLC를 조합한 Meiposs-MCP를 제품화해서 고객에게 제공하기 시작했다.

3. 철도 전선전압 보상장치전기철도 전선에 있어서 전압은 전차의 역행·회생에 따라 크게 변동하기 때문에 전압하강 대책과 회생전력의 유효한 이용이 과제가 되었다.전력저장장치는 주로 전지와 플라이호일이 검토되어 왔지만 종래의 전지는 대전류 충방전에 대해 내구성에 문제가 있으며, 플라이호일은 기계손실이 크다는 등의 문제가 남아있다. 그래서 차랑으로부터의 회생전력저장때 전선의 전압보상을 목적으로 전압보상장치와 그에 맞춘 EDLC를 개발했다.여기에서는 직류전기철도에서 전기에너지의 유효이용을 위한 직류전기철도용 전압보상장치에 대해 말하고자한다. <그림 9>에 전압보상장치의 구성을 표시했다.장치는 주로 전선과 장치를 연결하는 직류차단기과 EDLC의 충방전을 제어하는 승강압 쵸파, 그리고 EDLC로 이뤄져 있으며 전선의 전압이 상승할 때는 EDLC로 충전하고, 전선의 전압이 강하할 때는 EDLC에서 방전시키는 동작을 한다.또 특수한 조건에서 회생전력이 EDLC의 저장능력을 넘을 때는 전선의 과전압을 막기 위해서 EDLC와 병렬로 백업 저항기를 접속시켜, 회생전류를 분류시키는 방식을 취할 때도 있다.현장테스트에 적용한 실증기를 <그림 10>에, 전선에 보상장치를 부여한 경우의 EDLC가 출력한 전압과 전류의 파상의 예를 <그림 11>에 나타냈다.한편, 장치 근방의 변전소에서의 전압과 전류파형을 측정했을 때, 전선전압 보상장치는 전선의 전압평준화에 효과가 있다는 것을 확인했다.현장테스트의 성과를 바탕으로 당사는 전선용 전력저장장치 캐패포스트를 제품화했다.전망EDLC는 빈번한 충방전에 대해 높은 신뢰성을 갖고 있으며, 그 특징을 살려서 분산형 전원과 조합한 계통전력의 평준화에 적용하는 연구가 진행되고 있다. 앞으로 태양광발전과 풍력발전이라는 비교적 소형 발전기와 조합한 용도에 적용되기를 기대하고 있다.또, 자동차에 적용하기 위한 연구도 진행중이며, 앞으로도 계속 발전할 것이다. 당사는 EDLC가 갖고 있는 특징을 계속해서 연구해 고성능화개발을 추진함으로써 지구온난화방지와 에너지절감, CO2 삭감이라는 요구에 대응해나갈 것이다.

<Energy News>

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2007년 3월호
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