KR101937826B1 - 멤브레인의 산소 투과도 측정장치 및 이를 이용한 멤브레인의 산소 투과도 측정방법 - Google Patents

멤브레인의 산소 투과도 측정장치 및 이를 이용한 멤브레인의 산소 투과도 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 상기 멤브레인의 산소 투과도 측정장치는, 연료전지와 동일한 멤브레인을 구비시켜 공급되는 산소가 멤브레인을 투과한 후, 산소의 환원으로 인해 발생하는 전류를 측정하여 1) 산소가 멤브레인을 투과하는 속도, 2) 멤브레인을 투과한 산소의 시간별 유량, 3) 멤브레인을 투과한 산소의 최대 투과유량, 4) 온도에 따른 투과유량 변화 및 5) 공급된 산소 농도별 산소의 투과유량 변화를 수학적으로 분석하고, 이를 이용해 산소의 확산계수, 활성화 에너지, 산소의 용해도 및 헨리상수를 포함하는 4가지 인자를 도출하여 멤브레인의 산소 투과도를 측정할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 산소 투과도 측정장치를 이용하면 연료전지의 핵심 구성 중 하나인 기체확산층의 산소 투과도를 효과적으로 측정할 수 있어 연료전지 분야의 기술향상에 기여할 수 있다.

Description

멤브레인의 산소 투과도 측정장치 및 이를 이용한 멤브레인의 산소 투과도 측정방법{Apparatus for measuring oxygen permeability of ion exchange membranes and method for measuring oxygen permeability of ion exchange membranes using the same}
본 발명은 멤브레인의 산소 투과도를 측정하는 장치와 이를 이용하여 멤브레인의 산소 투과도를 측정하는 방법에 관한 것이다.
최근, 과도한 화석연료의 사용으로 인한 환경문제, 공해문제, 지구온난화 등의 문제로 인해 친환경에너지에 대한 관심이 증가하고 있다. 태양전지, 풍력발전, 바이오에너지, 수소에너지 등은 화석연료에 대한 의존도를 줄일 수 있고 환경문제를 일으키지 않으며, 특히, 수소를 연료로 사용하는 연료전지는 지구온난화 가스인 이산화탄소를 배출하지 않고 에너지 변환효율이 높아 미래의 친환경에너지원으로 주목받고 있다.
상기 연료전지는 작동온도, 사용되는 전해질에 따라 알칼리 연료전지(Alkaline Fuel Cell), 고분자전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell), 인산형 연료전지(Phosphoric acid Fuel Cell), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell) 등으로 구분할 수 있다.
상기 연료전지 중에서도 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 전해질로 수소이온을 전도하는 수소이온 전도성 전해질막이 전해질로 사용되고 있으며, 연료로 공급되는 수소와 공기 중의 산소가 전해질막을 사이에 두고 공급되어 수소가 산화되는 반응과 산소가 환원되는 전기화학적 반응을 통해 수소에서 전자가 분리되고, 분리된 전자가 이동하여 전력을 생성하며, 부산물로 물이 생산되는 친환경적인 고효율 발전시스템이다.
고분자전해질 연료전지의 가장 핵심인 소재는 전해질막, 촉매층, 기체확산층(gas diffusion layer, GDL)으로, 이를 합하여 막-전극접합체(membrane electrode assembly, MEA)를 형성하고, 이를 이용해 전력을 생성한다.
특히, 상기 연료전지에서 기체확산층은 공급되는 수소와 산소를 촉매층으로 고르게 이동시키는 역할을 하고, 촉매층에서 생성되는 물을 채널쪽으로 배출시키는 통로의 역할을 하며, 전류와 열의 전도체의 역할을 수행할 뿐만 아니라, 전해질막이 분리판으로부터 직접적인 손상을 입지않도록 완충하는 역할 또한 수행하여 연료전지의 성능에 직접적인 영향을 줄 수 있다.
상기 연료전지를 이용해 전력을 생성하기 위해서는, 공기극의 반응에서 기체확산층을 통한 수소 이온의 전달이 필수적이기 때문에 기체확산층이 수소 이온을 전달하는 통로의 역할을 할 수 있도록, 나노미터 단위의 크기를 갖는 이오노머를 금속 촉매와 복합화하여 제조하고 있으며, 상기 이오노머로 탄소천(carbon cloth), 탄소펠트(carbon felt), 탄소지(carbon paper) 등과 같은 탄소계 소재를 사용하고 있다. 하지만, 연료전지를 이용해 전력을 생산하기 위해서는 촉매층의 표면까지 산소가 도달해야하는데, 상기 이오노머가 산소 확산에 장애물로 작용하여 산소투과속도를 감소시킴에 따라 촉매층으로의 산소도달이 어려워 연료전지의 성능에 장애가 유발되는 문제점이 있다.
따라서, 상기 기체확산층에서 촉매층 및 이오노머를 투과하는 산소의 투과속도가 연료전지의 반응속도에 결정적인 영향을 미치며, 기체확산층에서의 산소투과속도는 1) 산소의 확산계수, 2) 활성화 에너지, 3) 산소의 용해도 및 4) 헨리 상수를 포함하는 4가지 인자에 의해 영향을 받는다.
하지만, 종래에는 기체확산층의 상기 4가지 인자를 산출하여 기체확산층의 산소 투과속도를 산출할 수 있는 장치 및 방법에 관한 기술 내용이 개시된 바 없어 이에 대한 연구가 필요하다.
한국공개특허 제10-2010-0131869호 (공개일 : 2010.12.16) 한국공개특허 제10-2015-0071926호 (공개일 : 2015.06.29) 한국등록특허 제10-1567708호 (공개일 : 2015.11.03) 한국등록특허 제10-1154224호 (공개일 : 2010.09.24)
Lee Y., 2013, Porometric study on the gas diffusion layer in PEMFCs using method of standard porosimetry, Korean J. Air-Conditioning and Ref. Eng., Vol. 25, No. 2, pp. 064-069 Lee Y., 2013, Variation of porosity and gas permeability of gas diffusion layers under compression, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 37, No. 8, pp. 767-773
본 발명의 발명자들은 기체확산층의 이오노머를 통과하는 산소의 이동속도를 직접적으로 측정하기에는 현실적으로 어려움이 있으므로, 상기 연료전지의 기체확산층과 동일한 조성의 멤브레인을 이용해 멤브레인을 통과하는 산소의 이동특성을 평가하면, 연료전지를 구동할 때 기체확산층의 이오노머에서도 동일한 속도로 산소가 이동하는 것으로 판단할 수 있음을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명은 멤브레인의 산소 투과도를 측정할 수 있는 장치와 이를 이용하여 멤브레인의 산소 투과도를 측정하는 방법에 관한 기술 내용을 제공하고자 한다.
상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, 산소를 공급하는 산소공급부와 연결되어 공급되는 산소를 내부 수용공간에 담지하고, 일면에 개구부가 형성된 산소공급 챔버; 일면이 상기 산소공급 챔버의 개구부에 결합되고, 유로가 형성된 분리판이 구비되어 상기 산소공급 챔버에 담지된 산소가 확산되는 제1 기체확산층; 일면이 상기 제1 기체확산층의 타면에 결합되어 상기 제1 기체확산층에서 확산된 산소를 투과시키는 멤브레인을 수용하는 멤브레인 수용부; 일면이 상기 멤브레인 수용부의 타면에 결합되어 상기 멤브레인을 투과한 산소가 확산되고, 내부에 작업전극이 고정형성된 제2 기체확산층; 및 개구부에 상기 제2 기체확산층의 타면이 결합되고, 산용액을 내부 수용공간에 담지하여 상기 제2 기체확산층에서 공급되는 산소를 환원시키며, 상기 산소의 환원으로 인해 발생하는 전류를 측정하는 상대전극 및 전위를 공급하는 기준전극이 구비된 산소환원 챔버;를 포함하는 멤브레인의 산소 투과도 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 산소공급부는 공급펌프가 연결되어 산소공급 챔버에 공급되는 산소의 양을 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 산소공급부는 0.1 내지 10 lpm의 유량으로 산소를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상기 제1 기체확산층 및 제2 기체확산층은 각각 온도조절부 및 습도조절부를 추가로 포함하여 상기 제1 기체확산층 및 제2 기체확산층 내부로 확산되는 산소의 온도 및 습도를 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 기체확산층 및 제2 기체확산층은 각각 열전대(thermocouple)를 포함하여 상기 산소공급 챔버 내부 산소의 온도를 감지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기에 기재된 장치를 이용하여 멤브레인의 산소 투과도를 측정하는 방법에 있어서, 멤브레인을 투과한 산소가 산소환원 챔버의 산용액과 반응하여 산소의 환원으로 인해 발생되는 전류의 발생량을 측정하여 멤브레인의 산소 투과도를 측정하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 산소 투과도 측정방법을 제공한다.
또한, 상기 멤브레인의 산소 투과도 측정방법은 상기 산소환원 챔버에 1VSHE 이상의 전위를 유지하여 상기 산소환원 챔버에 산소 기체가 발생하지 않도록 하고, 산소 공급을 시작하는 시점을 0시간으로 설정한 후, 시간별 전류 발생량을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 멤브레인의 산소 투과도 측정방법은 산소의 온도 및 농도를 조절하여 산소 투과도 변화를 측정하는 단계를 추가로 포함하는 특징으로 한다.
또한, 상기 멤브레인의 산소 투과도 측정방법은 산소의 멤브레인 투과 속도, 멤브레인을 투과한 산소의 시간별 유량, 멤브레인을 투과한 산소의 최대 투과유량, 온도에 따른 투과유량 변화 및 공급된 산소 농도별 산소의 투과유량 변화를 분석하여, 산소의 확산계수, 활성화 에너지, 산소의 용해도 및 헨리상수를 산출하여 멤브레인의 산소 투과도를 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 멤브레인의 산소 투과도 측정방법은 발생한 전류가 정상상태에 도달한 것으로 결정되면 측정을 종결하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 멤브레인의 산소 투과도 측정방법은 멤브레인의 산소확산계수, 멤브레인 표면의 산소농도 및 패러데이 상수에 이온교환막의 두께를 나누어 정상상태에 도달 여부를 결정하고, 정상상태에 도달한 것으로 결정되면 반응을 종결시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상기 멤브레인의 산소 투과도 측정장치는, 연료전지와 동일한 멤브레인을 구비시켜 공급되는 산소가 멤브레인을 투과한 후, 산소의 환원으로 인해 발생하는 전류를 측정하여 1) 산소가 멤브레인을 투과하는 속도, 2) 멤브레인을 투과한 산소의 시간별 유량, 3) 멤브레인을 투과한 산소의 최대 투과유량, 4) 온도에 따른 투과유량 변화 및 5) 공급된 산소 농도별 산소의 투과유량 변화를 수학적으로 분석하고, 이를 이용해 산소의 확산계수, 활성화 에너지, 산소의 용해도 및 헨리상수를 포함하는 4가지 인자를 도출하여 멤브레인의 산소 투과도를 측정할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 산소 투과도 측정장치를 이용하면 연료전지의 핵심 구성 중 하나인 기체확산층의 산소 투과도를 효과적으로 측정할 수 있어 연료전지 분야의 기술향상에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 멤브레인의 산소 투과도 측정장치를 모식적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 측정장치의 구성 요소인 엔드판의 (a) 상면도 및 (b) 하면도와 용액챔버의 (c) 상면도, (d) 단면도 및 (e) 하면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 측정장치의 구성 요소인 (a) 탄소판 1의 상면도 및 하면도, (b) 탄소판 2의 상면도 및 하면도, (c) 탄소판 3의 상면도 및 하면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 측정장치의 구성 요소인 전극의 상면도이다.
도 5 및 도 6은 도 2 내지 도 4에 나타낸 구성 요소를 각각 체결하여 측정장치를 형성시키는 과정을 모식적으로 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 멤브레인의 산소 투과도 측정장치를 나타낸 사시도이다.
본 발명에서는 멤브레인의 산소 투과도를 측정할 수 있는 장치에 관한 기술 내용을 제공하며, 이하, 본 발명에 따른 멤브레인의 산소 투과도 측정장치를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 멤브레인의 산소 투과도 측정장치(10)를 모식적으로 나타낸 개념도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 측정장치(10)는, 산소를 공급하는 산소공급부(110)와 연결되어 공급되는 산소를 내부 수용공간에 담지하고, 일면에 개구부가 형성된 산소공급 챔버(100); 일면이 상기 산소공급 챔버(100)의 개구부에 결합되고, 유로가 형성된 분리판(미도시)이 구비되어 상기 산소공급 챔버(100)에 담지된 산소가 확산되는 제1 기체확산층(200); 일면이 상기 제1 기체확산층(200)의 타면에 결합되어 상기 제1 기체확산층(200)에서 확산된 산소를 투과시키는 멤브레인을 수용하는 멤브레인 수용부(300); 일면이 상기 멤브레인 수용부(300)의 타면에 결합되어 상기 멤브레인을 투과한 산소가 확산되고, 내부에 작업전극(410)이 고정형성된 제2 기체확산층(400); 및 개구부에 상기 제2 기체확산층(400)의 타면이 결합되고, 산용액을 내부 수용공간에 담지하여 상기 제2 기체확산층(400)에서 공급되는 산소를 환원시키며, 상기 산소의 환원으로 인해 발생하는 전류를 측정하는 상대전극(510) 및 전위를 공급하는 기준전극(520)이 구비된 산소환원 챔버(500);를 포함한다(도 1 참조).
상기 산소공급 챔버(100)는 산소를 공급하는 산소공급부(110)와 연결되어 공급되는 산소를 내부 수용공간에 담지하고, 일면에 개구부가 형성된 구조를 가질 수 있다.
상기 산소공급부(110)는 공급펌프(120)가 연결되어 산소공급 챔버(100)에 공급되는 산소의 농도를 변화시켜 공급되는 산소의 공급량 및 농도를 조절할 수 있으며, 상기 산소공급부(110)는 0.1 내지 10 LPM(liter per minute)의 유량으로 산소를 공급하도록 구성하여 압력에 의한 산소 기체의 확산을 방지한 상태로 후술할 제1 기체확산층(200)을 통해 산소 기체를 확산시킬 수 있다. 바람직하게는, 상기 산소공급부(110)는 0.5 LPM의 유량으로 산소 기체를 공급할 수 있다.
상기 제1 기체확산층(200)은 일면이 상기 산소공급 챔버(100)의 개구부에 결합되어 상기 산소공급 챔버(100)에 담지된 산소 기체가 확산되는 공간을 제공하며, 유로가 형성된 분리판(미도시)을 포함할 수 있다.
상기 제1 기체확산층(200)은 탄소천(carbon cloth), 탄소펠트(carbon felt), 탄소지(carbon paper) 등과 같은 탄소계 소재를 사용하여 제조한 것을 사용할 수 있다.
또한, 제1 기체확산층(200)은 내부로 확산되는 산소의 온도 및 습도를 조절할 수 있는 온도조절부(미도시)와 습도조절부(미도시)를 포함할 수 있으며, 열전대(thermocouple, 미도시)를 구비하여 제1 기체확산층(200) 내부로 확산되는 산소의 온도를 감지할 수 있다. 상기 온도조절부(미도시) 및 습도조절부(미도시)는 방열판, 열전모듈 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한받는 것은 아니다.
상기 멤브레인 수용부(300)는 산소를 투과시키는 멤브레인을 수용하고, 상기 멤브레인은 산소를 투과시킬 수 있는 멤브레인이라면 제한받지 않고 도입될 수 있다.
상기 멤브레인 수용부(300)는 일면이 상기 제1 기체확산층(200)의 타면에 결합되어 상기 제1 기체확산층(200)에서 확산된 산소를 투과시킬 수 있으며, 상기 멤브레인 수용부(300)는 멤브레인 그 자체일 수 있다. 특히, 상기 멤브레인은 연료전지의 기체확산층으로 활용되는 통상적인 다양한 멤브레인일 수 있으며, 본 발명에 따른 산소 투과도 측정장치는 이와 같은 멤브레인의 산소 투과도를 측정할 수 있다.
상기 제2 기체확산층(400)은 상기 멤브레인을 투과한 산소가 확산되는 공간을 제공하고, 멤브레인을 투과한 산소가 제2 기체확산층(400)의 표면에서 후술할 산소환원 챔버(500)의 산용액과 반응하는 반응점을 제공하는 역할을 한다. 상기 제2 기체확산층(400)은, 내부에 작업전극(410)이 고정형성되어 멤브레인을 투과하여 제2 기체확산층(400)으로 확산된 산소를 이온화시켜 산소 이온을 형성시킬 수 있다. 이에 의해, 산소 이온은 산소환원 챔버(500)에 담지된 산용액과 반응하여 환원반응이 유도되고, 이에 의해 전류가 발생되게 된다.
이를 위해, 상기 제2 기체확산층(400)은 일면이 상기 멤브레인 수용부(300)의 타면에 결합되어 멤브레인을 투과한 산소를 확산시킬 수 있다.
상기와 같이 제2 기체확산층(400)으로 확산된 산소는 작업전극(410)에서 공급되는 전류에 의해 이온화된 후, 산소환원 챔버(500)에서 산용액과 반응하여 환원되며, 산소가 멤브레인을 투과한 양에 비례하여 전류가 발생하게 된다. 이 전류를 상대전극(counter electrode, 510)이 감지하고, 감지된 전류를 측정하여 시간에 따른 산소의 투과량을 측정할 수 있다.
또한, 제2 기체확산층(400)은 멤브레인을 투과해 내부로 확산되는 산소의 온도 및 습도를 조절할 수 있는 온도조절부(미도시)와 습도조절부(미도시)를 포함할 수 있으며, 열전대(thermocouple, 미도시)를 구비하여 멤브레인을 투과해 제2 기체확산층(400) 내부로 확산되는 산소의 온도를 감지할 수 있다. 상기 온도조절부(미도시) 및 습도조절부(미도시)는 방열판, 열전모듈 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한받는 것은 아니다. 이에 따라, 상기 멤브레인을 투과하는 산소 기체의 온도, 습도 및 농도를 조절하여 온도의존성 및 농도 의존성 산소 투과도를 측정할 수 있으며, 이를 통해, 후술할 산소환원 챔버(500)에서 산소 용해도, 활성화 에너지, 헨리상수를 산출할 수 있다.
상기 산소환원 챔버(500)는 제2 기체확산층(400)에서 확산되어 작업전극(410)에 의해 이온화된 산소 이온을 환원시켜 전류를 발생시킬 수 있도록 내부 수용공간에 산용액을 담지할 수 있으며, 상대전극(510) 및 전위를 공급하는 기준전극(520)을 구비하여 제2 기체확산층(400)에서 이온화된 산소 이온이 산소환원 챔버(500)에 담지된 산용액과 반응하여 유도된 환원반응으로 발생한 전류를 측정하여 멤브레인의 산소 투과도를 측정할 수 있다.
상기 산소환원 챔버에 담지된 산용액은 황산, 질산, 염산 등과 같은 각종 산을 포함하는 산용액을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 황산을 포함하는 수용액을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 멤브레인의 산소 투과도 측정장치(10)는 상기 작업전극(410), 상대전극(510) 및 기준전극(520)에 전원을 공급할 수 있는 전원부(미도시)를 포함하여, 상기 작업전극(410)에 전류를 공급하여 상기 제2 기체확산층(400)에 공급되는 산소를 이온화시킬 수 있고, 상기 기준전극(520)의 전위를 일정하게 유지시켜 멤브레인을 통한 산소의 투과를 방지할 수 있다.
상기 산소환원 챔버(500)에는 상기 산소환원 챔버(500)에 1VSHE 이상의 전위를 유지하여 상기 산소환원 챔버(500)에 산소 기체가 발생하지 않도록 하고, 산소를 공급하는 시점을 0시간으로 설정한 후, 시간별 전류 발생량을 측정할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 멤브레인의 산소 투과도 측정장치(10)는 상기 산소환원 챔버(500)에 구비된 상대전극(510)의 전류변화 및 기준전극(520)의 전위를 감지하여 산소 투과도를 산출하는 산소 투과도 산출부(미도시)를 포함한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 멤브레인의 산소 투과도 측정장치(10)에 따르면, 공급되는 산소가 확산된 후, 멤브레인을 투과하는 산소를 산용액과 반응시켜, 산소의 환원으로 인해 발생하는 전류를 측정하는 간단한 방법으로 멤브레인의 산소 투과도를 측정할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 멤브레인의 산소 투과도 측정장치는 상기 산소공급 챔버, 제1 기체확산층, 멤브레인 수용부, 제2 기체확산층 및 산소환원 챔버는 일체형으로 결합시켜 컴팩트한 구조를 가지면서도, 멤브레인의 교체가 손쉬운 소형화된 장치로 제조할 수 있다.
먼저, 도 2 에 나타낸 바와 같이, 상기 산소공급 챔버는 내부에 수용공간이 형성된 엔드판[도 2(a) 및 (b)]을 이용하고, 상기 산소환원 챔버는 내부에 산용액을 담지하는 수용공간, 기준 전극 및 상대전극이 한 몸체로 일체화된 용액챔버[도 2(c) 내지 (e)]를 이용할 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 제1 기체확산층은 탄소판[도 3(a)]을 사용할 수 있으며, 제2 기체확산층은 탄소판 2개[도 3(b) 및 (c)]를 이용하여 형성시킬 수 있다. 상기와 같은 제2 기체확산층은 상기 탄소판 2개 사이에 도 4에 나타낸 바와 같은 전극을 고정형성시켜 이를 작업전극으로 사용할 수 있다.
상기와 같은 엔드판, 용액챔버, 탄소판 3개 및 전극을 이용하여 본 발명에 따른 멤브레인의 산소 투과도 측정장치를 제조할 수 있으며, 도 5에 나타낸 바와 같은 순서를 이용하여 형성시킬 수 있으며, 연결봉을 이용하여 각각을 체결할 수 있고, 연결봉의 개수는 제한받지 않고 다양하게 설정할 수 있다.
상기 멤브레인의 산소 투과도 측정장치는 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 연결봉 4개를 이용하여 순서대로 체결하는 방식을 이용해 형성시킬 수 있다.
먼저, 연결봉 4개에 엔드판을 형성시키고, 엔드판에 탄소판 1[도 3(a)]을 결합하고, 측정을 목적으로 한 멤브레인을 결합하며, 탄소판 2[도 3(b)]를 결합하고, 전극(도 4)을 결합하며, 탄소판 3[도 3(c)]을 결합한 후, 용액챔버를 결합하여 멤브레인의 산소 투과도 측정장치를 형성시킬 수 있다.
이에 따라, 도 7에 나타낸 바와 같은 멤브레인의 산소 투과도 측정장치(10)를 제조할 수 있다.
상기 산소 투과도 측정 장치(10)는 엔드판이 산소공급 챔버(100)의 역할을 하여, 산소저장부(미도시)에서 공급되는 산소를 내부 수용공간에 담지하고, 탄소판 1이 제1 기체확산층(200)의 역할을 해, 산소공급 챔버(100)에서 공급되는 산소를 확산시키며, 멤브레인이 맴브레인 수용부(300)의 역할을 해 산소를 투과시키고, 탄소판 1 및 탄소판 2가 각각 제2 기체확산층(400a, 400b)의 역할을 하고, 제2 기체확산층(400a, 400b) 내부에 전극을 작업전극(410)으로 포함하여 멤브레인을 투과한 산소를 이온화시킬 뿐만 아니라, 산소 이온을 확산시키며, 용액챔버를 산소환원 챔버(500)로 활용하고, 산용액을 담지하여 산소 이온을 환원시켜, 산소환원 챔버 내부에 고정형성된 상대전극으로 전류를 감지하여 멤브레인의 산소 투과도를 산출할 수 있다.
또한, 제1 기체확산층의 탄소판 1과 제2 기체확산층의 탄소판 3에 온도조절을 위한 히터봉(220, 420)과, 열전대(230, 430)를 각각 삽입하여 제1 기체확산층(200) 및 제2 기체확산층(400)에 확산되는 산소의 온도를 조절할 수 있다.
상기 산소공급 챔버에 구비된 산소저장부(미도시)는 공급펌프(120)가 구비되어 공급되는 산소의 농도 및 공급량을 조절할 수 있으며, 상기와 같은 멤브레인의 산소 투과도 측정장치(10)는 4개의 연결봉(600)을 이용해 체결되어 장치를 형성시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 산소공급 챔버, 제1 기체확산층, 멤브레인 수용부, 제2 기체확산층 및 산소환원 챔버는 일체형으로 컴팩트하게 결합시켜, 이 순차적으로 결합된 구조로 제조되어 컴팩트한 구조로 멤브레인의 교체가 손쉬운을 측정장치를 형성시킬 수 있으며, 특히, 이를 이용하면 연료전지에 기체확산층으로 활용되는 이온교환막의 산소 투과도를 효과적으로 산출할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 멤브레인의 산소 투과도 측정장치를 이용하여 멤브레인의 산소 투과도를 측정할 수 있는 방법에 관한 기술 내용을 제공하며, 이하, 본 발명에 따른 멤브레인의 산소 투과도를 측정할 수 있는 방법에 관한 기술 내용을 제공한다.
본 발명에 따른 멤브레인의 산소 투과도 측정방법은 상기 측정장치의 멤브레인 수용부에 구비된 멤브레인을 투과한 산소가 산소환원 챔버의 산용액과 반응하여 산소의 환원으로 인해 발생되는 전류의 발생량을 측정하여 멤브레인의 산소 투과도를 측정하는 단계를 포함한다.
상기 측정방법을 보다 상세히 설명하면, 상기한 멤브레인의 산소 투과도 측정장치를 이용하여, 산소공급 챔버에 산소를 공급하면, 산소공급 챔버에 공급된 산소가 제1 기체확산층을 통해 확산되고, 제1 기체확산층에 확산된 산소는 멤브레인 수용부의 멤브레인으로 공급되며 공급된 방향의 반대 방향으로 멤브레인을 통과해 이동하게 된다.
멤브레인을 통과한 산소는 제2 기체확산층으로 확산되고, 확산된 산소는 제2 기체확산층에 구비된 작업전극이 공급하는 전류로 인해 이온화되면서 산소환원 챔버 방향으로 이동하게 되고, 이동한 산소 이온은 산소환원 챔버에 담지된 산용액과 전기화학적으로 반응하여 하기 반응식 1과 같은 반응이 유도되어 산소가 환원되어 전류가 발생하게 되고, 발생한 전류를 상대전극이 감지하게 된다.
[반응식 1]
Figure 112016127190034-pat00001
특히, 본 발명의 측정방법에서는 멤브레인의 산소 투과도를 측정하기 위해서, 상기 산소환원 챔버에 1VSHE 이상의 전위를 유지하여 상기 산소환원 챔버에 산소 기체가 발생하지 않도록 하고, 산소를 공급하는 시점을 0시간으로 설정한 후, 시간별 전류 발생량을 측정할 수 있으며, 멤브레인에 공급하는 산소의 온도 및 공급되는 산소의 농도를 조절하여 시간별 산소 투과도를 측정할 수 있다.
본 발명에서는 멤브레인의 산소 투과도를 산출하기 위해서, 산소공급 챔버에서 멤브레인으로 산소를 공급하고, 1) 산소가 멤브레인을 투과하는 속도, 2) 멤브레인을 투과한 산소의 시간별 유량, 3) 멤브레인을 투과한 산소의 최대 투과유량, 4) 온도에 따른 투과유량 변화 및 5) 공급된 산소 농도별 산소의 투과유량 변화를 수학적으로 분석하여 산소의 확산계수, 활성화 에너지, 산소의 용해도 및 헨리상수를 포함하는 4가지 인자를 계산할 수 있다.
상기와 같은 방법으로 멤브레인의 산소 투과도를 산출하기 위해서, 상기 멤브레인의 산소 투과도 측정장치의 산소환원 챔버에 구비된 기준전극을 이용해 1VSHE 이상의 높은 전이를 유지시켜 산소 기체가 발행하지 않도록 유지하고, 이 시점부터 전류를 측정하며, 산소환원 챔버의 전류를 시간별로 측정한다. 이때, 산소공급 챔버에 산소의 공급을 시작하는 시간을 영(zero)로 설정하며, 산소환원에 의해 발생되는 전류가 정상상태에 도달하면 전류 측정을 종료하고 산소 투과도 측정을 종료하도록 구성할 수 있다.
상기 전류는 산소공급 챔버에 공급하는 산소의 농도와 제1 기체확산층 및 제2 기체확산층에 공급되는 산소 기체의 온도를 다양하게 설정하여 수행할 수 있으며, 이를 통해 온도의존성과 산소농도 의존성으로 부터 산소용해도, 활성화 에너지, 헨리상수의 산출이 가능하다.
즉, 멤브레인을 투과하는 산소 투과도는, 산소가 얼마나 이오노머를 통과하는 가의 지표인 1) 산소 확산계수, 산소가 이동하기 위해 넘어야하는 에너지 장벽의 크기인 2) 활성화 에너지, 이오노머에 산소가 얼마나 용해될 수 있는지의 척도인 3) 산소의 용해도, 산소를 기체상으로 공급했을 때 기체상의 산소의 농도와 이오노머 표면 아래 녹아든 산소의 농도를 나타내는 4) 헨리상수를 포함하는 4가지 인자를 이용해 산출할 수 잇고, 상기 4가지 인자는 멤브레인의 한쪽에서 갑자기 산소를 공급하고 막의 반대쪽에서 투과되어 나오는 산소가 얼마나 빨리도달하는지, 투과되는 산소의 유량이 시간에 따라 어떻게 변화하는지, 시간이 지나 투과되는 산소의 유량의 최대값이 얼마가 되는지, 온도에 따라 시간에 따른 유량 변화가 어떻게 되는지, 투입되는 산소농도에 따라 투과하는 산소의 유량이 얼마나 되는지를 수학적으로 분석하여 산출할 수 있다.
상기와 같이 산소공급 챔버에 산소를 공급하면, 산소가 제1 기체확산층을 통해 확산된 후, 멤브레인을 투과하고, 제2 기체확산층에서 확산되어 산소환원 챔버에서 산용액과 반응해 환원됨에 따라, 시간이 경과할수록 멤브레인을 통과한 산소의 환원 전류가 증가하게 되고, 전류가 정상상태에 도달하게되면 더 이상 전류가 증가하지 않으므로 측정을 종결할 수 있다. 이때, 전류가 0에서 정상상태에 도달하기 전 변곡점을 시차(time lag, tL)라고 한다.
먼저, 상기 멤브레인의 투과율 변화(permeation transients)는 하기 수학식 1을 이용하여 산출할 수 있다
[수학식 1]
Figure 112016127190034-pat00002
IP(t)는 산소를 공급하는 시간별 전류이고, IS P는 정상상태(steady state)의 전류이며, IP(0)는 최초로 산소를 공급하는 시간의 전류이고, τ는 유량을 나타냄).
상기 수학식 1에 유량(τ)은 하기 수학식 2를 이용하여 산출할 수 있다
[수학식 2]
Figure 112016127190034-pat00003
(단, 상기 수학식 1에서 Deff는 멤브레인의 유효확산계수(diffusive diffusivity)이고, t는 시간이며, d는 멤브레인의 두께를 나타냄).
또한, 시차(Time lag, tL)는 확산계수와의 관계를 이용하여 하기 수학식 3를 이용하여 산출할 수 있다
[수학식 3]
Figure 112016127190034-pat00004
(단, 상기 수학식 3에서 Q는 멤브레인을 투과한 산소의 축적된 용량이고, IP는 전류이며, d는 멤브레인의 두께이고, D는 멤브레인의 확산계수(diffusivity)를 나타냄).
또한, 정상상태 전류(IS)는 멤브레인 표면의 산소농도와의 관계를 이용해 하기 수학식 4를 이용하여 산출할 수 있다
[수학식 4]
Figure 112016127190034-pat00005
(단, 상기 수학식 4에서 IS는 정상상태의 전류이고, F는 페러데이 상수이며, D는 멤브레인의 산소확산계수이고, C0는 멤브레인 표면의 산소농도이며, d는 멤브레인의 두께를 나타냄).
또한, 헨리상수는 하이 수학식 5를 이용해 산출할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112016127190034-pat00006
(단, 상기 수학식 5에서 C0은 멤브레인 내 산소의 농도, CO2는 공급한 산소의 농도를 나타냄).
나아가, 본 발명에서는 발생한 전류가 정상상태에 도달한 것으로 결정되면 반응을 종결시키도록 구성할 수 있으며, 이를 위해, 멤브레인의 산소확산계수, 멤브레인 표면의 산소농도 및 패러데이 상수에 이온교환막의 두께를 나누어 정상상태에 도달 여부를 결정하고, 정상상태에 도달한 것으로 결정되면 반응을 종결시키도록 구성할 수 있다.
상기 정상상태에 도달 여부는 멤브레인의 산소확산계수, 멤브레인 표면의 산소농도 및 패러데이 상수에 이온교환막의 두께를 나누어 정상상태에 도달 여부를 결정하고, 정상상태에 도달한 것으로 결정되면 반응을 종결시키도록 구성할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 멤브레인의 산소 투과도 측정방법을 이용하면, 멤브레인을 투과하는 산소의 투과속도를 손쉽게 산출할 수 있으며, 이와 같은 방법을 이용해 연료전지의 핵심 구성인 기체확산층의 산소 투과도를 산출할 수 있으므로, 이와 같은 방법을 통해 연료전지의 성능향상에 기여할 수 있다.
10 : 멤브레인의 산소 투과도 측정장치
100 : 산소공급 챔버 200 : 제1 기체확산층
300 : 멤브레인 수용부 400 : 제1 기체확산층
500 : 산소환원 챔버 600 : 연결봉

Claims (11)

  1. 산소를 공급하는 산소공급부와 연결되어 공급되는 산소를 내부 수용공간에 담지하고, 일면에 개구부가 형성된 산소공급 챔버;
    일면이 상기 산소공급 챔버의 개구부에 결합되고, 유로가 형성된 분리판이 구비되어 상기 산소공급 챔버에 담지된 산소가 확산되는 제1 기체확산층;
    일면이 상기 제1 기체확산층의 타면에 결합되어 상기 제1 기체확산층에서 확산된 산소를 투과시키는 멤브레인을 수용하는 멤브레인 수용부;
    일면이 상기 멤브레인 수용부의 타면에 결합되어 상기 멤브레인을 투과한 산소가 확산되고, 내부에 작업전극이 고정형성된 제2 기체확산층; 및
    개구부에 상기 제2 기체확산층의 타면이 결합되고, 산용액을 내부 수용공간에 담지하여 상기 제2 기체확산층에서 공급되는 산소를 환원시키며, 상기 산소의 환원으로 인해 발생하는 전류를 측정하는 상대전극 및 전위를 공급하는 기준전극이 구비된 산소환원 챔버;를 포함하고,
    상기 산소공급부에는 공급펌프가 연결되어 산소공급 챔버에 공급되는 산소의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 산소 투과도 측정장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산소공급부는 0.1 내지 10 lpm의 유량으로 산소를 공급하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 산소 투과도 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상기 제1 기체확산층 및 제2 기체확산층은 각각 온도조절부 및 습도조절부를 추가로 포함하여 상기 제1 기체확산층 및 제2 기체확산층 내부로 확산되는 산소의 온도 및 습도를 조절하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 산소 투과도 측정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기체확산층 및 제2 기체확산층은 각각 열전대(thermocouple)를 포함하여 상기 산소공급 챔버 내부 산소의 온도를 감지하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 산소 투과도 측정장치.
  6. 제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 장치를 이용하여 멤브레인의 산소 투과도를 측정하는 방법에 있어서,
    멤브레인을 투과한 산소가 산소환원 챔버의 산용액과 반응하여 산소의 환원으로 인해 발생되는 전류의 발생량을 측정하여 멤브레인의 산소 투과도를 측정하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 산소 투과도 측정방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 산소환원 챔버에 1VSHE 이상의 전위를 유지하여 상기 산소환원 챔버에 산소 기체가 발생하지 않도록 하고, 산소 공급을 시작하는 시점을 0시간으로 설정한 후, 시간별 전류 발생량을 측정하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 산소 투과도 측정방법.
  8. 제6항에 있어서,
    산소의 온도 및 농도를 조절하여 산소 투과도 변화를 측정하는 단계를 추가로 포함하는 특징으로 하는 멤브레인의 산소 투과도 측정방법.
  9. 제6항에 있어서,
    산소의 멤브레인 투과 속도, 멤브레인을 투과한 산소의 시간별 유량, 멤브레인을 투과한 산소의 최대 투과유량, 온도에 따른 투과유량 변화 및 공급된 산소 농도별 산소의 투과유량 변화를 분석하여, 산소의 확산계수, 활성화 에너지, 산소의 용해도 및 헨리상수를 산출하여 멤브레인의 산소 투과도를 산출하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 산소 투과도 측정 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    발생한 전류가 정상상태에 도달한 것으로 결정되면 측정을 종결하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 산소 투과도 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    멤브레인의 산소확산계수, 멤브레인 표면의 산소농도 및 패러데이 상수에 이온교환막의 두께를 나누어 정상상태에 도달 여부를 결정하고, 정상상태에 도달한 것으로 결정되면 반응을 종결시키는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 산소 투과도 측정 방법.
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