KR100902316B1 - 연료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이,저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치 - Google Patents

연료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이,저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치에 관한 것으로, 그 목적은 연료전지의 기체확산층 물성 측정시 압력에 따른 물성변화를 동시에 측정하고, 기체가 시편과 직각방향으로 통과하는 투과도(through-plane permeability) 뿐만 아니라 시편과 평행방향으로 가로질러 통과하는 투과도(in-plane permeability)를 측정할 수 있는 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 고분자 연료전지를 구성하는 기체확산층의 물성 측정장치에 있어서, 기체확산층 시편에 압력을 가하는 모터 및 로드(motor & load, 2,11)와; 모터 및 로드(motor & load, 2,11)의 가압에 따라 하강하여 상부도금판(5)의 상부를 가압하도록 구성되고, 윗면에는 두께 게이지(Thickness Gauge)가 고정장치된 플레이트(6)와; 플레이트(plate, 6)에 고정되어 있으며 압력에 따른 기체확산층 시편의 길이 변화를 측정하는 두께 게이지(Thickness Gauge, 3)와; 모터 및 로드(motor & load, 2,11)의 가압에 따라 하강하는 플레이트(6)의 하부와 접촉되어 하부방향에 위치한 기체확산층 시편을 가압하고, 어느 한 면 이상에 기체확산층 시편을 통과한 기체가 내부 통로를 지난 후 배출되는 기체출구가 형성되며, 도금된 표면의 한 지점에는 밀리 옴 미터(7)와의 밀리 옴 미터(mili ohm meter) 연결 단자부(71)가 형성된 상부 도금판(5)과; 상부 도금판(5) 하부에 설치되어 기체확산층 시편에 가해지는 압력을 지지하고, 한 면에 기체확산층 시편에 기체를 공급하는 기 체 입구(Inlet, 41)가 형성되어 공급된 기체가 내부 통로를 지난 후 기체확산층 시편을 통과하도록 구성되며, 한 지점에는 밀리 옴 미터(7)와의 밀리 옴 미터(mili ohm meter) 연결 단자부(71)가 형성된 하부 도금판(4)과; 상기 상부 도금판(5)과 하부 도금판(4)에 각각 설치된 밀리 옴 미터(mili ohm meter) 연결 단자부(71, 72)와 전선으로 연결되어 저항을 측정하는 밀리 옴 미터(mili ohm meter, 7)와; 내부에 로드 인디케이터(load indicator), 모터 스피드 컨트롤러(motor speed controller), 로드 컨트롤러(load controller) 및 모터 및 로드(motor & load,2,11)에 의해 가압된 기체확산층 시편의 인플레인(in-plane)과 스루플레인(through-plane)에서의 차압을 측정하는 차압측정계가 장치되어 있는 컨트롤 박스(Control Box, 1)로 구성된 것을 그 기술적 사상의 특징으로 한다.
연료전지, 기체확산층, 기체투과도, 전기전도도, 물성측정장치

Description

연료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치{Integrated multi-measurement system which can measure thickness, electric resistance, differential pressure of gas diffusion layer for a polymer electrolyte fuel cell with respect to compression}
본 발명은 연료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치에 관한 것으로, 기체확산층의 여러 가지 물성을 동시에 측정할 수 있는 장치에 관한 것이다.
연료전지란 연료의 산화(酸化)에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지를 말한다. 이는 일종의 발전장치(發電裝置)라고 할 수 있으며 산화 ㅇ환원반응을 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.
수소 외에 메탄과 천연기체 등의 화석연료(化石燃料)를 사용하는 기체연료와, 메탄올(메틸알코올) 및 히드라진과 같은 액체연료를 사용하는 것 등 여러 가지 의 연료전지가 나왔으며 이 중에서, 작동온도가 300 ℃ 정도 이하의 것을 저온형, 그 이상의 것을 고온형이라고 한다. 또한 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.
이러한 연료전지의 종류를 살펴보면, 인산형(PAFC), 알칼리형(AFC), 고분자전해질형(PEFC), 용융탄산염형(MCFC), 고체산화물형(SOFC) 전지 등이 있다.
상기한 연료전지의 종류 중 본원발명과 관련한 연료전지는 고분자연료전지이다. 종래 고분자전해질 연료전지의 기본구조는 도 10에 도시되어 있는 바와 같이 고분자전해질 막을 중심으로 양쪽에 다공질의 양극(anode)과 음극(cathode) 및 기체확산층이 부착되어 있는 형태로 되어 있다.
보다 상세히 설명하자면 고분자전해질 연료전지의 주요 구성요소는 고분자전해질 막과 전극(anode, cathode), 기체확산층 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판 (separator)으로 이루어져 있다. 특히 양극(anode)과 음극(cathode)의 두 전극을 고분자전해질 막에 열간 압착(hot pressing)방법으로 부착시킨 것을 고분자전해질 막 전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)라고 하는데 이러한 MEA의 구성과 성능이 고분자전해질 연료전지의 핵심이라고 할 수 있다.
연료전지 스택(stack)은 전기화학반응이 일어나는 단위전지(single cell)를 수십 또는 수백개씩 적층함으로써 구성되는데 단위전지나 스택은 구성요소간의 접촉저항을 줄이기 위하여 양쪽 끝판(end plate)을 타이로드(tie rod)나 공기압으로 압착하게 되어 있다. 양쪽 끝판에는 반응기체의 출구 및 입구 냉각수 순환구, 전원 출력(electric power output)을 위한 커넥션(connection)이 설치되어 있다.
도 11은 이러한 Ballard의 고분자전해질 연료전지 스택 개념도를 나타낸 것이다. 물론 실제 시스템은 이러한 스택 외에도 연료개질기, 공기압축기, 열 및 물 처리기, 전력변환기 등으로 이루어진다.
고분자전해질 연료전지는 높은 출력 밀도 100℃이하의 낮은 작동 온도와 전해질의 높은 부식저항성 등의 장점을 비롯하여, 설치장소의 제약이 적고, 설비 구조의 단순화 및 소형 설비가능(수 kW 설비), 높은 반복 작동 안전성(편리한 운전 안전성), 상온 작동 및 짧은 시동 시간(비상용 및 군사용 전원) 등의 장점을 지니고 있어 산업용으로 사용하는 250 kW급 모듈에서부터 수십 kW급의 상업용, 수 kW급의 주거용, 80 kW급의 승용차용, 150 kW전후의 버스용에서부터 1 kW 미만의 소형 연료전지뿐 아니라 서브와트(subwatt)급의 IT용까지 넓은 범위의 제품에 적용할 수 있다.
도 12은 상기한 도 10, 11에서 설명한 연료전지의 구조를 보다 구체적으로 설명한 분해사시도인데, 양측 단에는 전류 집전체(Current collector)가 있고, 가운데에는 고분자전해질 막 전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)가 있으며, 전류 집전체(Current collector)와 고분자전해질 막 전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA) 사이에는 기체확산층이 각각 위치하고 있는 모습을 보이고 있다. 또한 각각의 전류 집전체(Current collector)는 분리판과 기체 입구 및 출구관이 형성되어 있음을 알 수 있다.
상기한 단위 연료전지 내에서 기체확산층은 반응기체와 생성물인 물의 이동 통로이며 열전도, 전기전도가 일어나는 매체로, 실제 운전시 기체확산층은 체결압을 받기 때문에 체결상태에서 일어나는 물성변화를 알아낼 필요가 있다.
또한 연료전지에서 체결압의 정도가 연료전지 성능에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 최적 체결조건을 알아야 한다. 이러한 최적 체결조건은 압력에 따른 두께와 접촉저항과 기체투과도의 최적 구간 안에서 찾을 수 있다.
기체확산층의 기초 물성값(두께, 접촉저항, 기체투과도, 압축도)은 연료전지 스택 설계 및 제작에 있어서 중요한 인자이다. 기초 물성 각각에 대한 측정을 위한 개별 장치는 존재한다. 하지만 실제 스택 체결 조건에서는 물성 값이 동시에 변한기 때문에 개별 물성값 보다 실제 체결 조건에서 가지는 물성값을 동시에 파악하는 것이 최적 설계 및 제작에 필수적이다.
또한 종래 측정장치에서의 기체투과도는 기체가 시편과 직각방향으로 통과하는 투과도(through-plane permeability)만을 제시하고 있어서, 시편과 평행방향으로 가로질러 통과하는 투과도(in-plane permeability)를 제시하지 못한다는 단점이 있다. 기체가 시편과 평행방향으로 가로질러 통과하는 투과도(in-plane permeability)는 기체확산층의 물성값 자체로도 중요할 뿐만 아니라, 분리판 설계 및 컴퓨터 시뮬레이션을 할 때 기체확산층으로의 우회유동을 예측하는데 있어 특히 중요한 인자(parameter)로 쓰인다. 또한 연료전지 운전시 고분자 막의 수화(hydration)를 위해 가습공기를 공급하므로 상대습도에 따른 기체확산층 내에서의 기체유동 특성을 이해할 필요가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 연료전지의 기체확산층 물성 측정시 체결 압력에 따른 물성변화를 동시에 측정하고, 기체가 시편과 직각방향으로 통과하는 투과도(through-plane permeability) 뿐만 아니라 시편과 평 행방향으로 가로질러 통과하는 투과도(in-plane permeability)를 측정할 수 있도록 기체확산층의 압력에 따른 두께, 저항, 차압 변화 등을 측정할 수 있는 장치를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 연료전지의 기체확산층 물성 측정 장치 시스템의 온도 및 공급되는 기체에 포함되는 수분량을 조절하여 상대습도에 따라 기체확산층에 걸리는 차압을 측정할 수 있는 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 고분자 연료전지를 구성하는 기체확산층의 물성 측정장치에 있어서,
기체확산층 시편에 압력을 가하는 모터 및 로드(motor & load)와;
모터 및 로드(motor & load)의 가압에 따라 하강하여 상부도금판의 상부를 가압하도록 구성되고, 윗면에는 두께 게이지(Thickness Gauge)가 고정장치된 플레이트와;
플레이트(plate)에 고정되어 있으며 압력에 따른 기체확산층 시편의 두께 변화를 측정하는 두께 게이지(Thickness Gauge)와;
모터 및 로드(motor & load)의 가압에 따라 하강하는 플레이트의 하부와 접촉되어 하부방향에 위치한 기체확산층 시편을 가압하고, 공급된 기체가 기체확산층 및 내부 통로를 지난 후 배출되는 기체출구가 있으며, 도금된 표면 한 지점에는 밀 리 옴 미터와의 밀리 옴 미터(mili ohm meter) 연결 단자부가 형성된 상부 도금판과;
상부 도금판 하부에 설치되어 기체확산층 시편에 가해지는 압력을 지지하고, 한 면에 기체확산층 시편에 기체를 공급하는 기체 입구(Inlet)가 형성되어 공급된 기체가 내부 통로를 지난 후 기체확산층 시편을 통과하도록 구성되며, 한 지점에는 밀리 옴 미터와의 밀리 옴 미터(mili ohm meter) 연결 단자부가 형성된 하부 도금판과;
상기 상부 도금판과 하부 도금판에 각각 설치된 밀리 옴 미터(mili ohm meter) 연결 단자부와 전선으로 연결되어 저항을 측정하는 밀리 옴 미터(mili ohm meter)와;
내부에 로드 인디케이터(load indicator), 모터 스피드 컨트롤러(motor speed controller), 로드 컨트롤러(load controller)가 장치되어 있으며 모터 및 로드(motor & load)에 의해 가압된 기체확산층 시편의 인플레인(in-plane)과 스루플레인(through-plane)에서의 차압을 측정하는 차압측정계로 구성되어 있는 컨트롤 박스(Control Box)를 특징으로 하는 연료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 두께, 저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치를 제공함으로써 달성된다.
실제 체결 조건에서 기체확산층의 물성값 확인은 스택 설계 및 제작 등에 필수적이다. 이에 본 발명은 연료전지의 기체확산층 물성 측정 시 체결 압력에 따른 물성변화(두께, 접촉저항, 기체투과도)를 동시에 측정할 수 있다는 장점과,
또한 연료전지의 기체확산층 물성 측정 장치 시스템의 온도를 조절하여 상대습도에 따라 기체확산층에 걸리는 차압을 측정할 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 정확한 물성값을 바탕으로 최적의 연료전지 체결조건을 잡을 수 있으며 기체확산층 내의 이상유동(two phase)을 이해할 수 있다. 더 나아가 기체확산층으로의 우회유동이 연료전지 성능에 미치는 영향을 알 수 있으며 이를 바탕으로 균일한 기체분포를 위한 분리판 설계 및 제작 시 지침이 되기에, 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본원발명의 개략적인 장치구성도이고, 도 2는 본 발명에 따라 기체가 시편의 직각방향으로 통과하는 투과도(through-plane permeability) 및 시편의 평행방향으로 가로질러 통과하는 투과도(in-plane permeability) 측정시의 개념도를 도시하고 있는데, 도시된 바와 같이 본 발명은 기체확산층의 물성측정장치에 있어서,
기체확산층 시편에 압력을 가하는 모터 및 로드(motor & load, 2,11)와;
모터 및 로드(motor & load, 2,11)의 가압에 따라 하강하여 상부도금판(5)의 상부를 가압하도록 구성되고, 윗면에는 두께 게이지(Thickness Gauge)가 고정장치 된 플레이트(6)와;
플레이트(plate, 6)에 고정되어 있으며 압력에 따른 기체확산층 시편의 두께 변화를 측정하는 두께 게이지(Thickness Gauge, 3)와;
모터 및 로드(motor & load, 2,11)의 가압에 따라 하강하는 플레이트(6)의 하부와 접촉되어 하부방향에 위치한 기체확산층 시편을 가압하고, 어느 한 면 이상에 기체확산층 시편을 통과한 기체가 내부 통로를 지난 후 배출되는 기체출구가 형성되며, 도금된 표면의 일 지점에는 밀리 옴 미터(7)와의 밀리 옴 미터(mili ohm meter) 연결 단자부(71)가 형성된 상부 도금판(5)과;
상부 도금판(5) 하부에 설치되어 기체확산층 시편에 가해지는 압력을 지지하고, 한 면에 기체확산층 시편에 기체를 공급하는 기체 입구(Inlet, 41)가 형성되어 공급된 기체가 내부 통로를 지난 후 기체확산층 시편을 통과하도록 구성되며, 일 지점에는 밀리 옴 미터(7)와의 밀리 옴 미터(mili ohm meter) 연결 단자부(71)가 형성된 하부 도금판(4)과;
상기 상부 도금판(5)과 하부 도금판(4)에 각각 설치된 밀리 옴 미터(mili ohm meter) 연결 단자부(71, 72)와 전선으로 연결되어 저항을 측정하는 밀리 옴 미터(mili ohm meter, 7)와;
내부에 로드 인디케이터(load indicator), 모터 스피드 컨트롤러(motor speed controller), 로드 컨트롤러(load controller)가 장치되어 있으며 모터 및 로드(motor & load)에 의해 가압된 기체확산층 시편의 인플레인(in-plane)과 스루플레인(through-plane)에서의 차압을 측정하는 차압측정계로 구성된 컨트롤 박 스(Control Box, 1)를 특징으로 하여 체결 압력에 따른 두께, 저항, 차압을 동시에 측정하게 된다.
상기 상부 도금판(5)에 형성된 기체출구는 양측에 기체 출구(51, 52)가 형성되어 기체출구 밸브의 선택적 개폐에 따라 기체가 기체확산층 시편의 직각방향(through-plane)으로 통과할 때와 시편의 평행방향으로 가로질러(in-plane) 통과할 때 걸린 차압을 측정토록 구성된다.
상기에서 기체 출구(51, 52) 밸브의 선택적 개페는 수동으로 밸브를 개폐한다.
상기 상부 및 하부 도금판은 저항 측정을 위해 금도금되어 구성된다.
즉, 상부 도금판(5)의 기체 출구(51)의 밸브를 닫으면 기체는 하부 도금판(4)의 기체입구(Inlet, 41)통해 공급된 후 시편을 가로지른 후 기체 출구(51)를 통해 배출되는데, 이 경우는 인플레인(in-plane)에 의한 차압을 측정하게 되고,
상부 도금판(5)의 기체 출구(52)의 밸브를 닫으면 기체는 하부 도금판(4)의 기체입구(Inlet, 41)통해 공급된 후 시편을 통과한 후 기체 출구(52)를 통해 배출되는데, 이 경우는 스루플레인(through-plane)에 의한 차압을 측정하게 된다.
보다 구체적으로 설명하자면, 본 발명은 차압을 측정하기 위해 기체가 시편의 직각방향으로 통과하는 방향(through-plane)과 평행방향(in-plane)으로 가로질러 통과하는 방향에 걸린 차압을 측정한다. 기체 입구(41)는 mFC(Mass Flow Controller)가 연결된 기체공급용 기체통 또는 연료전지 스테이션과 연결되어 있으며 연결 튜브 중간에 T자 관을 달아 한 쪽은 기체 입구(41번)으로 들어가고 다른 한 쪽은 control box 안에 있는 차압계의 inlet과 연결되도록 구성되어 있다. 걸리는 차압 범위에 따라 다른 종류의 차압계를 사용할 수 있다(예:1000mmH2O ~ ). 이는 필요에 따라서 교체할 수 있는 부분이다. 또한 기체 출구(51, 52)에는 밸브가 끝에 달린 튜브가 연결되어 있으며 밸브를 열었을 때 대기에 노출되도록 되어 있다.
또한 상기 상부 도금판(5) 및 하부 도금판(4)을 일정한 온도조건하에서 상대습도에 따른 길이, 저항, 차압을 동시에 측정하기 위해 온도조절수조 내부에 설치하고, 기체확산층 시편 둘레에 오링(12)을 설치하여 밀봉한 상태에서 물속에서 측정한다.
이와 같이 온도조절수조 내부에 설치한 이유는 시스템을 일정한 온도로 조절, 유지하여 상대습도를 조절하기 위해서이다. 상대습도는 공급 기체의 온도와 시스템의 온도에서 포화수증기압을 이용하여 계산하는 것으로 온도조절수조의 온도를 다르게 하여 상대습도를 조절한다.
또는 온도를 조절하기 위해 상부 및 하부 도금판을 전기적인 히터 등으로 가열할 수 있다.
또한 본 발명의 하부 도금판(4) 위에는 기체확산층 시편의 위치가 표시되어 있으며, 추가적으로 보다 엄밀한 정렬을 위한 치구로 아크릴 반원판을 삽입하여 정 확한 위치에 놓을 수 있도록 구성하였다.
상기 본 발명의 두께 게이지(3)는 해상도가 0.001mm(1 μm) 이상인 것으로 압력에 따른 길이(두께) 변화를 측정한다. 두께 게이지는 플레이트를 통과하여 설치되어 있으며 두께 게이지(3)의 두께 게이지의 유동부(9)가 플레이트(6)가 하강하면 두께 게이지의 유동부와 맞닿는 부분(10)과 닿게 되며 플레이트가 움직인 만큼 게이지에 나타나게 된다. 좀 더 자세히 기체확산층의 두께를 측정하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
1) 샘플의 재료적 성질에 따라 일정 압력에서의 두께를 나타내는 표준규격이 있다.
2) 기체확산층의 경우 DIN 53855에 따라 25kPa압력하에서의 두께를 초기 두께로 본다.
3) 이에 25kPa의 하중을 가하면 6번 플레이트가 하강하며 상,하부 금도금판이 닿게 되며 움직인만큼 게이지에 표시된다.
4) 이 때 게이지를 영으로 세팅한다.
5) 모터를 윗방향으로 돌려 가한 압력을 제거한다.
6) 상, 하부 금도금판 사이에 시편을 넣는다.
7) 그리고 25kPa의 하중을 가하면 그 때 샘플의 두께가 게이지에 표시된다.
8) 이 때의 하중을 영점으로 잡는다.
9) 이 후 원하는 압력을 가해가며 그에 따른 두께 변화를 측정할 수 있다.
이와 같은 해상도를 가진 두께 게이지(thickness gauge)를 사용함으로써 수 μm의 미세 변화를 정확하고 간편하게 측정할 수 있다.
상기 본 발명의 상부 도금판(5) 및 하부 도금판(4)에 놓여지는 기체확산층 시편은 그 크기를 외경 0.5 ∼ 5cm, 내경 0.3 ∼ 4.5cm로 넓이를 조절할 수 있다. 즉, 샘플의 크기가 다른 것을 필요에 따라 장치하여 측정한다.
상기 본 발명의 모터 및 로드(motor & load, 11, 2,11)의 로드(load, 11)는 압력을 조절할 수 있다. 즉, 스텝핑 모터(stepping motor)를 사용하여 압력을 조절하는데, 경우에 따라 수동, 자동 조절이 가능하도록 하였다. 또한 로드(load, 11)는 0~30kgf/cm2범위내에서의 압력을 감지하고 로드인디케이터에 값을 나타낸다.
상기 컨트롤 박스(Control Box)(1)는 컨트롤 박스에는 로드 인디케이터(load indicator), 차압측정계, 모터 스피드 컨트롤러(motor speed controller), 로드 컨트롤러(load controller)가 있는데, 로드 인디케이터(load indicator)에는 현재 가해진 압력이 어느 정도인지를 나타내주며, 차압측정계는 기체가 시편의 직각방향으로 통과하기 전(through-plane), 시편의 평행방향으로 가로질러 통과하기 전(in-plane) 압력과 시편을 지난 후 대기압과의 압력 차이를 나타낸다.
도 3은 본 발명 장치에 의해 측정된, 시편에 대한 압축 정도에 따른 두께 변 화를 보인 그래프이이다. 기체확산층은 완전탄성체가 아니기 때문에 한 번 압력을 가하면 압력을 제거한 후에도 초기 두께를 회복하지 못한다. 따라서 압력을 가하면서 (forward) 변하는 샘플의 두께와 압력을 제거하며 (backward) 변하는 샘플의 두께가 일치하지 않다. 실제 스택 채결 시 조립과 해체를 반복하기 때문에 압력에 따른 두께 변화 싸이클 데이터가 중요하다.
도 4는 본 발명 장치에 의해 측정된, 시편에 대한 압축 정도에 따른 접촉저항 변화를 보인 그래프이다. 낮은 압력 범위에서 급격한 접촉저항의 감소를 보이며 5 bar이상에서는 큰 변화를 보이지 않는다. 체결압력에 의한 기체확산층의 구조의 손상으로 압력을 제거한 후에도 초기값을 회복하지 않음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명 장치에 의해 측정된 압력에 따른 in-plane permeability로, 측정한 두께와 차압을 Darcy's Law를 이용하여 기체투과도(gas permeability)를 계산하였다.
Darcy's Law
Figure 112007089048695-pat00001
도면중 1 bar = 100000 Pa이다.
ug = Q/A로 나타낼 수 있으며 유량조절장치(Mass Flow Controller)로 유량을 조절하여 Q값을 얻고 샘플의 단면적 A는 두께변화에 따라 달라진다. μg 는 사용한 기체의 점도이며 ▽Pg는 해당 압력과 유량에서 걸리는 차압을 나타낸다. 그래프의 y 축 permeability/m2는 Darcy's Law에서 kg에 해당하는 계산값이다. 시편이 압축됨에 따라 (forward) 기체가 통과할 수 있는 단면적이 줄어들어 기체투과도 역시 감소함을 알 수 있다. 체결압력에 의한 기체확산층의 구조의 손상으로 압력을 제거한 후에도 (backward) 초기값을 회복하지 않음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명 장치에 의해 측정된 기체확산층 Sigracet® SGL10BA의 각기 다른 시편 8개의 두께와 through-plane으로 걸리는 차압 측정값을 나타낸 그래프이다. 이 그래프는 같은 종류의 기체확산층 내에서의 두께 편차를 알아볼 수 있는 그래프로 두께가 얇으면 상대적으로 시편 양단에 걸리는 차압이 작으며 두께가 두꺼우면 차압이 커짐을 알 수 있다.
도 7은 본 발명 장치에 의해 조절된 상대습도(RH30%)에서 압력에 따른 유량별 차압측정(in-plane permeability)이고, 도 8은 본 발명 장치에 의해 조절된 상대습도(RH50%)에서 압력에 따른 유량별 차압측정(in-plane permeability)이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예이다.
<실시 예 1>
through plane permeability를 측정하기 위해 반지름이 2.5 cm 인 원형 펀치를 사용하여 구멍을 뚫는다. 이 때 기체확산층 Sigracet® SGL10BA를 사용하였다. 초기 두께를 다음과 같은 과정으로 측정한다.
1) 샘플의 재료적 성질에 따라 일정 압력에서의 두께를 나타내는 표준규격이 있다.
2) 기체확산층의 경우 DIN 53855에 따라 25 kPa압력하에서의 두께를 초기 두께로 본다.
3) 이에 25 kPa의 하중을 가하면 6번 플레이트가 하강하며 상,하부 금도금판이 닿게 되며 이동 정도만큼 게이지에 표시된다.
4) 이 때 두께 게이지를 영으로 세팅한다.
5) 모터를 윗방향으로 돌려 가한 압력을 제거한다.
6) 상, 하부 금도금판 사이에 시편을 넣는다.
7) 그리고 25 kPa의 하중을 가하면 그 때 시편의 두께가 게이지에 표시된다.
상부 금박판을 아랫방향으로 이동하여 시편에 10 bar의 압을 가한다. 해당 압력에서 밀리 옴 미터(mili ohm meter)에 나타난 접촉저항 값을 읽는다. 유량은 100 cc/min으로 기체를 흘려준다.
< 결과 >
초기두께 : 0.370 mm
접촉저항 : 76 mΩ cm2
기체 투과도 : 4.5 * 10 -12 m2
10 bar에서 두께 :0.336 mm
접촉저항 : 4 mΩ cm2
기체투과도 : 3.42 * 10 -12 m2
<실시 예 2>
상대습도 100% 이상에서 in-plane으로의 차압변화 측정하기 위해 내경 0.85 cm, 외경 1.5 cm인 원형 편치를 사용하여 도넛 모양의 시편을 준비한다. 이 때 기체확산층 Sigracet® SGL35BC를 사용하였다. 하부 금박판에 표시된 곳에 올려놓는다. 반지름이 2.8 cm인 O-ring을 삽입한다. 실시 예 1에서의 방법으로 초기 두께를 측정한다. 온도조절수조를 60 oC로 설정하고 상부 금박판까지 모두 잠기도록 한다. 상, 하부 금박판 및 내부 기체확산층 까지 60 oC로 열평형이 일어나도록 충분한 시간(30분 이상)을 기다린다. 공급 가습기체의 온도는 70 oC로 하여 상대습도가 126%가 되도록 한다. 10 bar 만큼 압력을 가한다. 유량 200, 400, 600, 800 cc/min를 흘려준다. 이 경우 상대습도가 100% 이상이므로 기체확산층 내부는 two phase 상태가 된다. 시편에 걸리는 차압을 시간에 따라 측정한다.
도 9에 도시된 그래프에 나타난 시간에 따른 차압 변동 분석을 통해 시편과 평행방향으로 기체가 통과할 때 기체확산층 내부에서 물이 기체이동을 막을 경우 차압이 증가, 공급되는 기체에 의해 물이 제거되면서 차압이 감소하는 수분 이동 기작을 예상할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본원발명의 개략적인 장치구성도이고,
도 2는 본 발명에 따라 기체가 시편을 통과하기 전 투과도(through-plane permeability) 및 시편을 가로지르기 전 투과도(in-plane permeability) 측정시의 개념도이고,
도 3은 본 발명 장치에 의해 측정된 압력에 따른 두께 변화를 보인 그래프이고,
도 4는 본 발명 장치에 의해 측정된 압력에 따른 접촉저항 변화를 보인 그래프이고,
도 5는 본 발명 장치에 의해 측정된 압력에 따른 in-plane permeability이고,
도 6은 본 발명 장치에 의해 측정된 기체확산층 SGL社 10BA의 각기 다른 샘플 8개의 두께 및 through-plane으로 걸리는 차압을 측정한 그래프이고,
도 7은 본 발명에 장치에 의해 측정된 상대습도(RH30%)에서 압력에 따른 유량별 차압측정(in-plane permeability)이고,
도 8은 본 발명에 장치에 의해 측정된 상대습도(RH50%)에서 압력에 따른 유량별 차압측정(in-plane permeability)이고,
도 9는 본 발명에 따른 실시예2의 시간에 따른 차압 변동 분석 그래프이고,
도 10은 종래 고분자전해질 연료전지의 기본구조도이고,
도 11은 종래 고분자전해질 연료전지 스택 개념도이고,
도 12는 종래 연료전지의 구조를 보인 분해사시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 컨트롤 박스(Control Box) (2) : 모터 (motor)
(3) : 두께 게이지(Thickness Gauge) (4) : 하부 도금판
(5) : 상부 도금판 (6) : 플레이트
(7) : 밀리 옴 미터(mili ohm meter) (8) : 온도조절수조(water bath)
(9) : 두께 게이지의 유동부
(10) : 두께 게이지의 유동부와 맞닿는 부분
(11) : 로드(load)
(12) : 오링(O-ring) (41) : 기체 입구(Inlet)
(51, 52) : 기체 출구(Outlet)
(71, 72) : 밀리 옴 미터(mili ohm meter) 연결 단자부

Claims (10)

  1. 고분자 연료전지를 구성하는 기체확산층의 물성 측정장치에 있어서,
    기체확산층 시편에 압력을 가하는 모터 및 로드(motor & load, 2,11)와;
    모터 및 로드(motor & load, 2,11)의 가압에 따라 하강하여 상부도금판(5)의 상부를 가압하도록 구성되고, 면상에는 두께 게이지(Thickness Gauge)가 고정장치된 플레이트(6)와;
    플레이트(plate, 6)에 고정되어 있으며 압력에 따른 기체확산층 시편의 길이 변화를 측정하는 두께 게이지(Thickness Gauge, 3)와;
    모터 및 로드(motor & load, 2,11)의 가압에 따라 하강하는 플레이트(6)의 하부와 접촉되어 하부방향에 위치한 기체확산층 시편을 가압하고, 어느 한 면 이상에 기체확산층 시편을 통과한 기체가 내부 통로를 지난 후 배출되는 기체출구가 형성되며, 도금된 표면 일 지점에는 밀리 옴 미터(7)와의 밀리 옴 미터(mili ohm meter) 연결 단자부(71)가 형성된 상부 도금판(5)과;
    상부 도금판(5) 하부에 설치되어 기체확산층 시편에 가해지는 압력을 지지하고, 한면에 기체확산층 시편에 기체를 공급하는 기체 입구(Inlet, 41)가 형성되어 공급된 기체가 내부 통로를 지난 후 기체확산층 시편에 배출되도록 구성되며, 일 지점에는 밀리 옴 미터(7)와의 밀리 옴 미터(mili ohm meter) 연결 단자부(71)가 형성된 하부 도금판(4)과;
    상기 상부 도금판(5)과 하부 도금판(4)에 각각 설치된 밀리 옴 미터(mili ohm meter) 연결 단자부(71, 72)와 전선으로 연결되어 저항을 측정하는 밀리 옴 미터(mili ohm meter, 7)와;
    내부에 로드 인디케이터(load indicator), 모터 스피드 컨트롤러(motor speed controller), 로드 컨트롤러(load controller)가 장치되어 있으며 모터 및 로드(motor & load)에 의해 가압된 기체확산층 시편의 인플레인(in-plane)과 스루플레인(through-plane)에서의 차압을 측정하는 차압측정계가 장치되어 있는 컨트롤 박스(Control Box, 1)로 구성된 것을 특징으로 하는, 연료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 도금판(5)에 형성된 기체출구는 양측에 기체 출구(51, 52)가 형성되어 기체출구 밸브의 개폐에 따라 기체확산층 시편의 스루 플레인(through-plane)이나 인 플레인(in-plane)에 걸린 차압을 측정토록 구성한 것을 특징으로 하는 연료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 도금판(5) 및 하부 도금판(4)은 표면에 금도금된 것을 특징으로 하는 연료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 기체확산층 시편의 상하에 위치하는 상부 도금판(5) 및 하부 도금판(4) 외부에 온도조절이 가능한 장치(8)를 더 포함하여 상대습도에 따른 차압을 측정토록 구성한 것을 특징으로 하는 연료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 상부 도금판(5) 및 하부 도금판(4) 사이에 위치한 기체확산층 시편 둘레에 오링(O-ring) 방식의 밀봉재 설치가 가능한 것을 특징으로 하는 연료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치.
  6. 제 1항 또는 4항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 도금판에 온도조절장치로 항온수조, 항온조, 히팅 테이프 (heating tape), 히팅 밴드(heating band)를 감아 구성한 것을 특징으로 하는 연료 전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 도금판(4) 위에는 기체확산층 시편의 위치가 표시되어 있으며, 추가적으로 보다 엄밀한 정렬을 위한 치구로 아크릴 반원판을 삽입하여 정확한 위치에 놓을 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 연료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 두께 게이지(3)는 해상도가 0.001mm(1 μm) 이상인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 도금판(5) 및 하부 도금판(4)에 놓여지는 기체확산층 시편은 크기가 외경 0.5 ∼ 5 cm, 내경 0.3 ∼ 4.5 cm인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 연 료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 모터 및 로드(motor & load, 2,11)는 스텝핑 모터(stepping motor)를 사용하여 0 ~ 30 kgf/cm2까지 압력을 조절토록 구성한 것을 특징으로 하는 연료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치.
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