KR101301226B1 - 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

가스 확산층의 물투과 압력을 정확하게 측정할 수 있는 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법은, 가스 확산층의 양측에 공간이 위치하도록 측정 장치의 내부에 가스 확산층을 배치하고, 가스 확산층 양측 공간의 차압을 측정하는 제1 단계와, 가스 확산층의 일측 공간에 가압 유체를 주입하여 차압을 증가시킨 후 주입을 정지시키는 제2 단계와, 차압이 정상 상태로 수렴하기까지 대기하는 제3 단계와, 제2 단계와 제3 단계를 복수회 반복하는 제4 단계와, 차압의 급격한 감소 현상을 확인하는 것에 의해 가스 확산층의 물투과 압력을 측정하는 제5 단계를 포함한다.

Description

가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법 {MEASURING METHOD OF BREAK-THROUGT PRESSURE FOR GAS DIFFUSION LAYER}
본 발명은 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지의 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)와 세퍼레이터 사이에 위치하는 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법에 관한 것이다.
수소 가스와 산화제(산소 가스)의 전기화학적 반응을 이용하여 전기를 생산하는 연료 전지는 운전 과정에서 부산물로서 물이 발생한다. 섭씨 100℃ 이하에서 운전되는 저온형 연료 전지, 예를 들어 고분자 전해질형 연료 전지의 경우, 연료 전지 내부의 물이 액체 상태로 존재하는 특성이 있다.
연료 전지에 구비되는 가스 확산층은 수소 가스와 산화제를 넓게 확산시켜 촉매층의 화학 반응을 용이하게 하며, 일정량의 물을 포함하여 전해질막의 습도를 유지시키는 역할을 한다. 즉, 연료 전지의 구동 과정에서 수소 이온이 전해질막을 통과하기 위해서는 전해질막이 일정량의 물을 포함하고 있어야 하는데, 가스 확산층이 전해질막의 습도를 유지시킨다.
가스 확산층의 물 배출 특성에 따라 연료 전지의 성능이 좌우되므로 가스 확산층의 물투과 압력을 정확하게 파악하여 적절한 가스 확산층을 선택하는 것이 중요하다.
특히 연료 전지는 운전 초기에 물이 가스 확산층을 투과하는 현상이 발생하고, 이후 대부분의 운전은 물이 투과한 이후에 이루어진다. 물이 가스 확산층을 한번 투과하고 나면 가스 확산층의 물 배출 특성이 변하므로 가스 확산층의 물투과 압력도 변한다. 따라서 연료 전지의 안정적인 운전 조건을 결정하기 위해서는 '1차 투과 후 물투과 압력'을 측정하는 것도 필수적이다.
선행문헌 1: 일본 공개특허 2012-154838호 선행문헌 2: 한국 등록특허 10-1021135호
본 발명은 가스 확산층의 물투과 압력을 정확하게 측정할 수 있는 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 물이 가스 확산층을 한번 투과하고 난 후 나타나는 가스 확산층의 '1차 투과 후 물투과 압력'을 측정할 수 있는 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법은, 가스 확산층의 양측에 공간이 위치하도록 측정 장치의 내부에 가스 확산층을 배치하고, 가스 확산층 양측 공간의 차압을 측정하는 제1 단계와, 가스 확산층의 일측 공간에 가압 유체를 주입하여 차압을 증가시킨 후 주입을 정지시키는 제2 단계와, 차압이 정상 상태로 수렴하기까지 대기하는 제3 단계와, 제2 단계와 제3 단계를 복수회 반복하는 제4 단계와, 차압의 급격한 감소 현상을 확인하는 것에 의해 가스 확산층의 물투과 압력을 측정하는 제5 단계를 포함한다.
제1 단계에서 측정 장치는, ⅰ) 가스 확산층의 가장자리를 고정시키며 가스 확산층의 양측에 제1 공간과 제2 공간을 제공하는 밀폐 용기와, ⅱ) 제1 공간과 제2 공간 중 어느 한 공간과 연결된 유로에 설치된 유량 조절 밸브를 포함할 수 있다.
측정 장치는 제1 공간 및 제2 공간과 연결되어 제1 공간과 제2 공간의 차압을 측정하는 차압계를 포함할 수 있다. 다른 한편으로, 측정 장치는 제1 공간과 제2 공간에 각각 연결된 두 개의 압력계를 포함하며, 두 압력계의 측정값 차이로부터 차압을 측정할 수 있다.
제3 단계에서 정상 상태는 차압 변동이 설정값 이내 범위로 일정해지는 상태로 설정될 수 있다. 제5 단계에서 물투과 압력은 차압이 급격하게 감소하기 바로 이전 시점에서 측정된 차압으로 설정될 수 있다.
가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법은 제5 단계 이후 가압 유체가 가스 확산층을 한번 투과한 후 감소된 차압으로부터 가스 확산층의 1차 투과 후 물투과 압력을 측정하는 제6 단계를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 방법에 따르면 가압 유체가 가스 확산층 내부로 침투하는 시간을 충분히 확보할 수 있으므로 가스 확산층의 실제 물투과 압력을 높은 정밀도로 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 가압 유체가 가스 확산층을 한번 투과한 이후 감소된 차압으로부터 가스 확산층의 1차 투과 후 물투과 압력을 측정할 수 있다.
도 1은 고분자 전해질형 연료 전지의 개략도이다.
도 2는 가스 확산층의 물투과 압력 측정 장치를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4와 도 5는 도 3의 측정 방법을 이용하여 실험한 가스 확산층의 물투과 압력 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 비교예의 측정 방법을 이용하여 실험한 가스 확산층의 물투과 압력 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 저온형 연료 전지의 일종인 고분자 전해질형 연료 전지의 개략도이다. 도 1에서는 하나의 전기 생성부를 확대하여 도시하였다.
도 1을 참고하면, 연료 전지는 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)(10)와 한 쌍의 세퍼레이터(21, 23)로 구성된 전기 생성부(30)를 포함한다. 전기 생성부(30)는 복수개로 적층되어 연료 전지 스택(stack)을 구성한다.
막-전극 접합체(10)는 전해질막(11)과, 전해질막(11)의 일면에 배치된 애노드 촉매층(12)과, 전해질막(11)의 다른 일면에 배치된 캐소드 촉매층(13)과, 양 촉매층(12, 13)의 외측에 배치된 가스 확산층(14)을 포함한다. 세퍼레이터(21, 23)는 가스 확산층(14)의 외측에 위치하며, 가스 확산층(14)을 향한 내면에 수소 가스 유로(22)와 산소 가소 유로(24)를 형성한다.
수소 가스 유로(22)를 통해 공급된 수소 가스(H2)는 가스 확산층(14)을 통과하고 애노드 촉매층(12)에서 화학반응을 일으켜 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분리된다. 분리된 전자(e-)는 외부 전선을 통해 일을 하고 캐소드 촉매층(13)으로 흐른다. 분리된 수소 이온(H+)은 전해질막(11)을 통과해 캐소드 촉매층(13)으로 흐른다.
산소 가스 유로(24)를 통해 공급된 산소 가스(O2)는 가스 확산층(14)을 통과하여 캐소드 촉매층(13)으로 흐른다. 외부 전선을 통해 흘러온 전자(e-)와 전해질막(11)을 통과한 수소 이온(H+) 및 산소 가스(O2)는 캐소드 촉매층(13)에서 화학반응을 일으키며, 그 부산물로서 물이 생성된다. 생성된 물의 일부는 전해질막(11)으로 흡수되고, 남은 일부는 가스 확산층(14)을 통과해 산소 가소 유로(24)로 배출된다.
수소 이온(H+)이 전해질막(11)을 통과하기 위해서는 전해질막(11)이 일정량의 물을 함유하고 있어야 하며, 가스 확산층(14)이 전해질막(11)의 수분을 유지시키는 기능을 한다.
가스 확산층(14)이 물을 외부로 쉽게 배출하면 전해질막(11)이 포함할 수 있는 물의 양이 감소하므로 연료 전지의 성능이 저하된다. 반대로 가스 확산층(14)이 물의 배출을 방해하면 물이 연료 전지 내부에 쌓이게 되므로 수소 가스와 산소 가스는 가스 확산층(14)을 통과하지 못하여 촉매층(12, 13)으로 흐를 수 없게 된다. 따라서 이 경우에도 연료 전지의 성능이 저하된다.
이와 같이 가스 확산층(14)의 물 전달 특성을 파악하기 위해서는 가스 확산층(14)의 물투과 압력을 측정하는 것이 필요하다. 가스 확산층(14)의 물투과 압력은 물 배출 특성과 반비례 관계에 있다.
도 2는 가스 확산층의 물투과 압력 측정 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2를 참고하면, 물투과 압력 측정 장치(40)는 밀폐 용기(41)와 차압계(44) 및 유량 조절 밸브(45)를 포함한다.
밀폐 용기(41)는 내부 중앙에 가스 확산층(14)의 가장자리를 고정하며, 가스 확산층(14) 상부에 제1 공간(42)을 형성하고, 가스 확산층(14) 하부에 제2 공간(43)을 형성한다. 차압계(44)는 제1 공간(42) 및 제2 공간(43)과 연결되어 제1 공간(42)과 제2 공간(43)의 차압을 측정한다. 유량 조절 밸브(45)는 제2 공간(43)과 연결된 유로에 설치되어 가압 유체, 예를 들어 물의 유입량을 조절한다.
제2 공간(43)으로 물을 주입하고, 채워진 물의 압력을 높이면서 가스 확산층(14)의 물투과 여부를 확인한다. 이때 차압계(44)를 이용하여 제1 공간(42)과 제2 공간(43)의 차압을 측정함으로써 가스 확산층(14)의 물투과 압력을 측정한다. 차압계(44) 대신 제1 공간(42)과 제2 공간(43)에 압력계(도시하지 않음)를 각각 연결하고, 두 압력계의 측정값 차이로부터 차압을 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3을 참고하면, 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법은 가스 확산층을 측정 장치에 배치하고 가스 확산층 양측 공간의 차압을 측정하는 제1 단계(S10)와, 가스 확산층의 일측 공간에 가압 유체를 주입한 후 주입을 정지시키는 제2 단계(S20)와, 차압이 정상 상태로 수렴할 때까지 대기하는 제3 단계(S30)와, 제2 단계(S20)와 제3 단계(S30)를 복수회 반복하는 제4 단계(S40)와, 차압의 급격한 감소 현상을 통해 가스 확산층의 물투과 압력을 측정하는 제5 단계(S50)를 포함한다.
또한, 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법은 가압 유체의 1차 투과 후 감소된 차압을 측정하여 '1차 투과 후 물투과 압력'을 측정하는 제6 단계(S60)를 더 포함할 수 있다.
도 4는 도 3의 측정 방법을 이용하여 실험한 가스 확산층의 물투과 압력 변화를 나타낸 그래프이다. 실험에 사용된 가스 확산층은 Toray사의 TGPH-090로서 카본 시트로 이루어진다.
도 3과 도 4를 참고하면, 제1 단계(S10)에서 가스 확산층(14)은 도 2에 도시한 측정 장치(40)의 밀폐 용기(41)에 고정되고, 측정 장치(40)에 부착된 차압계(44)가 가스 확산층(14)의 양측 공간, 즉 제1 공간(42)과 제2 공간(43)의 차압을 지속적으로 측정한다. 이 과정에서 차압계(44) 대신 전술한 두 개의 압력계가 사용될 수도 있다.
제2 단계(S20)에서 유량 조절 밸브(45)(도 2 참조)를 열어 가스 확산층(14)의 일측 공간(도 2의 제2 공간(43))에 가압 유체를 주입하여 압력을 높인다. 그리고 차압계(44)에서 측정한 차압이 일정 압력에 도달하면 유량 조절 밸브(45)를 닫아 가압 유체의 주입을 정지시킨다.
제3 단계(S30)에서는 차압이 정상 상태로 수렴하기까지 일정 시간 대기한다. 유량 조절 밸브(45)를 닫으면 차압이 서서히 감소하다가 일정한 값으로 수렴하게 되는데, 이와 같이 차압 변동이 설정값 이내 범위로 일정해지는 상태를 정상 상태로 정의한다. 도 4에서 A1 화살표로 표시한 점선 부분이 시간에 지남에 따라 정상 상태로 수렴하는 차압 구간을 나타낸다.
차압이 정상 상태로 수렴하는 것은 주입된 가압 유체가 가스 확산층(14) 내부로 침투하면서 주입된 가압 유체의 부피가 늘어나 압력이 감소하기 때문이다. 그리고 제3 단계(S30)에서 대기 시간이 필요한 것은 가압 유체가 가스 확산층(14)으로 충분히 침투하여 정상 상태에 이르는데 시간이 걸리기 때문이다.
제4 단계(S40)에서는 제2 단계(S20)와 제3 단계(S30)를 복수회 반복한다. 즉 유량 조절 밸브(45)를 다시 열고 제2 공간(43)으로 가압 유체를 주입하여 압력을 높인 후 유량 조절 밸브(45)를 닫아 가압 유체의 주입을 정지시킨다. 그리고 차압이 정상 상태로 수렴하기까지 일정 시간 대기하는 과정을 반복한다. 따라서 도 4에서 시간에 따른 차압 변화를 살펴보면 계단 모양의 그래프가 그려지는 것을 확인할 수 있다.
제2 단계(S20)와 제3 단계(S30)를 반복하면 특정 차압을 지난 후 차압이 급격하게 감소하는 현상이 나타난다.
제5 단계(S50)에서 특정 차압을 지난 후 차압이 급격하게 감소하는 현상을 확인하는 것에 의해 이 특정 차압을 가스 확산층(14)의 '물투과 압력'으로 정의할 수 있다. 즉 차압의 급격한 감소 현상을 확인하는 것에 의해 차압의 급격한 감소 바로 이전에 측정된 특정 차압으로 가스 확산층(14)의 '물투과 압력'을 측정할 수 있다.
도 4에서 A2로 표시한 지점이 가스 확산층(14)의 '물투과 압력'을 나타낸다. 제5 단계(S50)에서 차압의 급격한 감소는 가압 유체가 가스 확산층(14) 전체를 한번 투과하는 것을 의미한다.
이와 같이 본 실시예에서는 가압 유체의 압력을 처음부터 지속적으로 증가시키지 않고 압력 증가 후 가압 유체의 유입을 정지시키고, 정상 상태로 수렴하기까지 대기하는 과정을 반복한다. 그러면 가압 유체가 가스 확산층(14) 내부로 침투하는 시간을 충분히 확보할 수 있으므로 가스 확산층(14)의 실제 '물투과 압력'을 높은 정밀도로 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 본 실시예의 방법에 따르면 제6 단계(S60)에서 가압 유체가 가스 확산층(14)을 한번 투과한 이후 감소된 차압을 이용하여 '1차 투과 후 물투과 압력'을 측정할 수 있다.
가압 유체가 가스 확산층(14)을 한번 투과하고 나면 가스 확산층(14)의 물 배출 특성이 변하므로 물투과 압력도 변한다. 따라서 연료 전지의 안정적인 운전 조건을 결정하기 위해서는 가스 확산층(14)의 '1차 투과 후 물투과 압력'이 중요한 측정 요소가 된다.
제6 단계(S60)에서는 차압이 급격하게 감소된 이후의 차압을 측정함으로써 이 차압을 가스 확산층(14)의 '1차 투과 후 물투과 압력'을 정의할 수 있다. 즉 차압이 급격하게 감소된 이후의 차압이 곧 가스 확산층(14)의 '1차 투과 후 물투과 압력'이 된다. 도 4에서 A3으로 표시한 지점이 가스 확산층(14)의 '1차 투과 후 물투과 압력'을 나타낸다.
도 5는 도 3의 측정 방법을 이용하여 실험한 가스 확산층의 물투과 압력 변화를 나타낸 그래프이다. 실험에 사용된 가스 확산층은 SGL사의 10BB로서 표면이 소수성으로 처리된 카본 시트로 이루어진다.
도 4와 도 5를 참고하면, 가스 확산층(14)의 종류에 따라 가압 유체가 가스 확산층(14)을 1차 투과한 이후 급격하게 감소하는 차압의 크기가 다르다. 도 5에서 A4로 표시한 지점이 가스 확산층의 '1차 투과 후 물투과 압력'을 나타낸다.
도 5의 실험에 사용된 가스 확산층(14)의 '1차 투과 후 물투과 압력'은 도 4의 실험에 사용된 가스 확산층(14)의 경우보다 높다. 높은 '1차 투과 후 물투과 압력'은 연료 전지의 운전 기간 동안 가스 확산층(14)의 물 배출 능력이 다소 떨어진다는 것을 의미한다.
도 6은 비교예의 측정 방법을 이용하여 실험한 가스 확산층의 물투과 압력 변화를 나타낸 그래프이다. 실험에 사용된 가스 확산층은 Toray사의 TGPH-090이다.
도 6을 참고하면, 비교예의 측정 방법은 가스 확산층(14)의 일측 공간(제2 공간(43))으로 가압 유체를 공급하고, 가압 유체의 압력을 지속적으로 증가시키는 방법으로서, 차압이 급격하게 감소하기 시작할 때의 차압으로 물투과 압력을 측정한다. 도 6에서 B1으로 표시한 지점이 가스 확산층(14)의 물투과 압력을 나타낸다.
비교예의 측정 방법으로는 가압 유체가 가스 확산층(14) 내부로 침투하는데 필요한 시간을 확보하지 못하므로 실제 물투과 압력보다 높은 차압까지 증가한다. 따라서 실제보다 높은 차압을 물투과 압력으로 잘못 측정하여 측정 정밀도가 떨어진다. 또한, 물의 압력 증가 속도에 따라 물투과 압력이 다르게 측정되므로 실험 방법에 따라 부정확한 측정 결과를 나타낸다.
또한, 비교예의 측정 방법에서는 가압 유체가 가스 확산층(14)을 1차 투과한 이후 수렴되는 구간이 명확하게 나타나지 않으므로 가스 확산층(14)의 '1차 투과 후 물투과 압력'을 측정할 수 없다.
반면, 도 4와 도 5에 나타나 있듯이 본 실시예의 방법에 따르면 가압 유체가 가스 확산층(14)을 1차 투과한 이후 차압이 일정한 값으로 수렴되는 구간이 명확하게 나타난다. 따라서 이를 근거로 가스 확산층(14)의 '1차 투과 후 물투과 압력'을 정확하게 측정할 수 있다. 그리고 측정된 가스 확산층(14)의 '1차 투과 후 물투과 압력' 자료에 근거하여 연료 전지의 안정적인 운전 조건을 용이하게 설정할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 막-전극 접합체 11: 전해질막
12: 애노드 촉매층 13: 캐소드 촉매층
14: 가스 확산층 21, 23: 세퍼레이터
22: 수소 가스 유로 24: 산소 가스 유로
30: 전기 생성부 40: 측정 장치
41: 밀폐 용기 42, 43: 제1, 제2 공간
44: 차압계 45: 유량 조절 밸브

Claims (7)

  1. 가스 확산층의 양측에 공간이 위치하도록 측정 장치의 내부에 상기 가스 확산층을 배치하고, 상기 가스 확산층 양측 공간의 차압을 측정하는 제1 단계;
    상기 가스 확산층의 일측 공간에 가압 유체를 주입하여 차압을 증가시킨 후 주입을 정지시키는 제2 단계;
    차압이 정상 상태로 수렴하기까지 대기하는 제3 단계;
    상기 제2 단계와 상기 제3 단계를 복수회 반복하는 제4 단계; 및
    차압의 급격한 감소 현상을 확인하는 것에 의해 상기 가스 확산층의 물투과 압력을 측정하는 제5 단계
    를 포함하는 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단계에서 상기 측정 장치는,
    상기 가스 확산층의 가장자리를 고정시키며 상기 가스 확산층의 양측에 제1 공간과 제2 공간을 제공하는 밀폐 용기; 및
    상기 제1 공간과 상기 제2 공간 중 어느 한 공간과 연결된 유로에 설치된 유량 조절 밸브
    를 포함하는 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 측정 장치는 상기 제1 공간 및 상기 제2 공간과 연결되어 상기 제1 공간과 상기 제2 공간의 차압을 측정하는 차압계를 포함하는 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 측정 장치는 상기 제1 공간과 상기 제2 공간에 각각 연결된 두 개의 압력계를 포함하며,
    상기 두 압력계의 측정값 차이로부터 차압을 측정하는 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 단계에서 상기 정상 상태는 차압 변동이 설정값 이내 범위로 일정해지는 상태로 설정되는 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제5 단계에서 상기 물투과 압력은 차압이 급격하게 감소하기 바로 이전 시점에서 측정된 차압으로 설정되는 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제5 단계 이후,
    상기 가압 유체가 상기 가스 확산층을 한번 투과한 후 감소된 차압으로부터 상기 가스 확산층의 1차 투과 후 물투과 압력을 측정하는 제6 단계를 더 포함하는 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법.
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