KR102276418B1 - 수소 장입량 측정 방법 및 수소 확산도 측정 방법 - Google Patents
수소 장입량 측정 방법 및 수소 확산도 측정 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102276418B1 KR102276418B1 KR1020190138863A KR20190138863A KR102276418B1 KR 102276418 B1 KR102276418 B1 KR 102276418B1 KR 1020190138863 A KR1020190138863 A KR 1020190138863A KR 20190138863 A KR20190138863 A KR 20190138863A KR 102276418 B1 KR102276418 B1 KR 102276418B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- hydrogen
- pressure
- sample
- loading amount
- chamber
- Prior art date
Links
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 167
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 130
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 130
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 25
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 title claims description 19
- 238000003780 insertion Methods 0.000 title 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 title 1
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 36
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 61
- 239000013074 reference sample Substances 0.000 claims description 27
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 13
- 239000005060 rubber Substances 0.000 claims description 13
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims description 7
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 5
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 3
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 3
- 229920002943 EPDM rubber Polymers 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 2
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000011066 ex-situ storage Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 229920001973 fluoroelastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/02—Measuring force or stress, in general by hydraulic or pneumatic means
-
- G01F25/0053—
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
- G01F25/10—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of flowmeters
- G01F25/15—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of flowmeters specially adapted for gas meters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
- Investigating And Analyzing Materials By Characteristic Methods (AREA)
Abstract
본 실시예에 의한 수소 장입량 연산 방법은 기지 질량의 시료가 위치하는 챔버에 미리 설정된 초기 압력으로 수소 가스를 주입하는 수소 가스 주입 단계와, 수소 가스가 시료에 장입되어 압력이 평형 상태를 이룰 때의 평형 압력을 측정하는 평형 압력 측정 단계와, 수소 가스의 압력 변화율로부터 시료의 수소 장입량을 연산하는 수소 장입량 연산 단계를 포함한다.
Description
본 기술은 수소 장입량 및 수소 확산도를 측정하는 방법에 관한 것이다.
지구 온난화로 인한 환경 파괴를 막기 위해 이산화탄소 배출량 감축이 필수적이고, 가까운 미래에 화석연료의 고갈이 예상되고 있으며, 원자력의 위험을 수차례 겪는 등 현 인류는 청정에너지와 신재생에너지 개발이 절실한 상황에 처해 있다. 2015년 국제에너지기구(IEA)가 화석에너지를 대체할 미래 에너지원으로 수소를 지목할 정도로 수소 에너지는 전 세계적인 관심을 받고 있다.
수소는 화석연료, 공업 프로세스 부산물, 바이오 매스 등으로부터도 얻어질 수 있지만, 궁극적으로는 신재생에너지를 이용한 물의 전기 분해로 얻을 수 있으며, 산소와 반응하여 전기를 생성함에 있어 이산화탄소를 배출하지 않는 이상적인 청정 에너지원으로서 이를 중심으로 하는 수소경제는 국가경제, 사회전반, 국민생활 등에 근본적인 변화를 초래하며, 경제성장의 새로운 동력이 될 수 있다.
수소 가스는 분자 크기가 매우 작아서 물질 속에 쉽게 침투되어 확산될 수 있고, 침투된 수소는 재료의 취하 및 파단현상을 야기하며 막대한 피해를 유발할 수 있다. 철강과 같은 금속의 경우 100 wt ppm의 적은 양으로도 재료의 파괴가 일어나며, 수소를 함유한 금속이 외력을 받았을 때 입계와 수소간의 상호작용에 의해 내부의 압력이나 전위 슬립현상으로 인해 항복강도, 파단강도, 연신율 등 기계적 물성이 저하되는 데 그 과정이 서서히 진행되기 때문에 구조물의 제작 시 이상이 없더라도 시간이 경과함에 따라 연결 나사나 용접부위 등에서 파단 현상이 발생할 수 있다.
한편 플라스틱이나 고무와 같은 유기물 소재에서도 수소는 비교적 금속보다 쉽게 재료에 침투하여 물성의 저하를 일으킬 수 있는데, 부풀어 올라 터지거나(블리스터 파괴), 탄성이 저하되는 등 물성이 열화되는 현상이 발생할 수 있다. 또한, 수소 에너지가 생활과 밀접해지면서 상용화되기 시작한 수소 전기차의 경우 수소 가스를 연료로 사용하는데 이는 700 bar의 고압 수소를 사용하기 때문에 폭발이나, 가스 누출 위험을 없애야 한다. 이를 위해 가스 저장 탱크의 경우 금속 취화 방지 및 반복적인 수축과 팽창으로 인한 피로 파괴를 피할 수 있도록 플라스틱 라이닝을 사용하고 탄소섬유를 감아서 강도를 보강하는 등의 기술이 개발되어 있다.
또한 가스 저장 탱크로부터 수소 가스의 배출 제어가 가능한 밸브 시스템과 가스 탱크의 체결에 fluoroelastomer (FKM)이나 ethylene propylene diene monomer (EPDM)과 같은 고무 소재를 적용한 O-링 실링을 하고 있다. 수소 가스 수송 경로 상에서 고무와 플라스틱 소재가 안전 상 매우 중요한 역할을 담당하고 있기 때문에 이들 소재의 수소 침투 및 투과 특성과 수소 취화 특성을 평가하는 기술 개발이 필요하다.
종래 기술로는 고압에서 고무에 수소를 장입한 후 감압하여 GC(gas chromatography) 장치를 이용해서 고무로부터 방출되는 수소 가스의 양을 시간에 따라 측정하여 고무의 수소 용해도, 수소의 확산도, 투과도 등을 평가하는 TDA (thermal desorption analysis) 방법을 개발하였다.
한편 수소 전기차 등에서 실제 사용 중인 실링 소재의 열화 및 수소 투과도 변화를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 방법이 요청되는데, 종래 기술의 방법은 수소 침투 특성을 실시간으로 인 시튜(in-situ)로 모니터링 할 수 있는 방법이 아니며, 인 시튜(in-situ) 및 실시간으로 수소 가스 장입량 관측 기술 개발은 개발된 바 없다.
본 기술은 종래 기술이 해결하지 못한 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로, 시료의 수소 침투 특성을 실시간 및 인시튜(in-situ)로 모니터하여 그로부터 시료로의 수소 침투량을 구할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 실시예에 의한 수소 장입량 연산 방법은 기지 질량의 시료가 위치하는 챔버에 미리 설정된 초기 압력으로 수소 가스를 주입하는 수소 가스 주입 단계와, 수소 가스가 시료에 장입되어 압력이 평형 상태를 이룰 때의 평형 압력을 측정하는 평형 압력 측정 단계와, 수소 가스의 압력 변화율로부터 시료의 수소 장입량을 연산하는 수소 장입량 연산 단계를 포함한다.
본 실시예에 의한 수소 확산도 연산 방법은 기지 질량의 시료가 위치하는 챔버에 제1 압력으로 수소 가스를 제공하는 제1 수소 가스 주입 단계와, 챔버 내부의 압력이 제2 압력으로 평형을 이룰 때까지 챔버 내부의 압력 변화 및 평형 상태에 도달할 때 까지 시간을 측정하는 압력 측정 단계 및 제1 수소 가스 주입 단계 이후 시간으로부터 시료의 수소 확산도(diffusivity)를 연산하는 연산 단계를 포함한다.
본 실시예에 의하면 인 시튜 및 실시간으로 시료에 대한 수소 가스의 장입량 및 시료에 대한 수소 가스의 확산도를 얻을 수 있다는 장점이 제공된다.
도 1은 본 실시예에 의한 수소 장입량 측정 방법을 수행할 수 있는 장치의 개요를 나타낸 개요도이다.
도 2(a) 및 도 2(b)는 센서(Sensor)의 실시예들을 개요적으로 도시한 개요도이다.
도 3는 본 실시예에 의한 수소 장입량 측정 방법의 개요를 나타낸 순서도이다.
도 4는 시간에 따라 시료(S)에 수소가 장입됨에 따른 압력 변화를 도시한 도면이다.
도 5(a)는 압력과 온도에 따른 수소 기체의 밀도를 예시한 표이며, 도 5(b)는 압력과 온도에 따른 수소 기체의 밀도를 예시한 도면이다.
도 6은 챔버에서 기준 시료를 반출한 후, 10분 간격으로 1시간 30분 동안 측정하고, 그로부터 평형 상태의 질량이 외삽되어 연산된 결과를 도시한 도면이다.
도 2(a) 및 도 2(b)는 센서(Sensor)의 실시예들을 개요적으로 도시한 개요도이다.
도 3는 본 실시예에 의한 수소 장입량 측정 방법의 개요를 나타낸 순서도이다.
도 4는 시간에 따라 시료(S)에 수소가 장입됨에 따른 압력 변화를 도시한 도면이다.
도 5(a)는 압력과 온도에 따른 수소 기체의 밀도를 예시한 표이며, 도 5(b)는 압력과 온도에 따른 수소 기체의 밀도를 예시한 도면이다.
도 6은 챔버에서 기준 시료를 반출한 후, 10분 간격으로 1시간 30분 동안 측정하고, 그로부터 평형 상태의 질량이 외삽되어 연산된 결과를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 의한 수소 장입량 측정 방법을 설명한다. 도 1은 본 실시예에 의한 수소 장입량 측정 방법을 수행할 수 있는 장치의 개요를 나타낸 개요도이다. 도 1을 참조하면, 기지 질량의 시료(S)를 챔버(C)에 배치한다. 일 예로, 시료(S)는 고무일 수 있다. 고무는 수소를 밀폐하기 위한 용기 등에 있어서 밀폐를 위한 밀폐 부재인 O 링(O-ring)에 흔히 사용되는 재질이다. 고무에 수소가 장입되면 외력에 쉽게 부서지는 등의 물성 변화가 발생한다. 이러한 물성 변화에 의하여 밀폐 특성이 열화되므로 고무의 수소 장입 특성을 파악해야 할 필요가 있다.
일 실시예로, 시료(S)의 질량을 높은 정밀도를 가지는 저울로 측정한다. 일 예로, 시료(S)의 질량은 10ug의 분해능을 가지는 전자 저울로 측정하여 수소 장입량을 높은 정밀도로 측정할 수 있다.
제어부(controller)는 유입 밸브(inlet), 배기 밸브(vent) 및 진공 펌프측 밸브의 개폐를 제어한다. 일 실시예로, 유입 밸브(inlet)는 전자적으로 제어되는 솔레노이드 밸브일 수 있다. 도시되지 않은 실시예로, 배기 밸브(vent) 및 진공 펌브(Vacuum pump)와 연결된 밸브도 제어부(controller)가 전자적으로 제어할 수 있는 솔레노이드 밸브일 수 있다.
센서(sensor)는 수소가 챔버(C)에 주입되거나, 배출됨에 따라 변화하는 챔버(C) 내부의 압력을 검출하고, 검출된 압력에 상응하는 신호를 제어부(controller)에 제공한다. 도 2(a) 및 도 2(b)는 센서(sensor)의 실시예들을 개요적으로 도시한 개요도이다. 도 2(a)는 피에조 저항을 이용하는 압력 센서의 개요를 도시한 도면이다. 도 2(a)의 좌측도면을 참조하면, 챔버(C)에 주입된 수소 가스에 의한 압력이 다이어프램(diaphragm)에 제공되면, 압력에 의하여 다이어프램(diaphragm)이 변형되며, 다이어프램(diaphragm)의 변형에 의하여 피에조 저항(piezo-resistors)의 길이가 변화하여 결과적으로 저항값이 압력에 상응하도록 변화한다. 피에조 저항(piezo-resistors)들은 도 2(a)의 우측 회로도와 같이 휘트스톤 브릿지(Wheatstone bridge)의 형태로 배치되며, 여기 전류(excitation current)가 제공되어 압력에 상응하는 전압을 출력한다.
도 2(a)로 예시된 피에조 저항을 포함하는 센서의 저항값 변화량은 압력에 의한 변형에 비례하는 선형적인 특성을 가지며, 최대 100 MPa 까지 0.1 ~ 0.5 %FS 불확도의 선형 출력 특성을 갖는 센서를 형성할 수 있다.
도 2(b)는 정전 용량식 압력 센서의 개요를 도시한 도면이다. 도 2(b)의 상부 도면을 참조하면, 압력이 제공되기 이전에 다이어프램(diaphragm)과 기판(substrate)은 간격 g 만큼 이격되어 있어 커패시턴스가 형성된다.
챔버(C)에 주입된 수소 가스에 의한 압력이 다이어프램(diaphragm)에 제공되면, 압력(P)에 의하여 다이어프램(diaphragm)이 변형되며, 다이어프램(diaphragm)의 변형에 의하여 다이어프램(diaphragm)과 기판 사이의 거리가 변화하며, 결과적으로 커패시턴스가 압력에 상응하도록 변화한다. 도 2(b)로 예시된 압력 센서는 압력에 의하여 변화하는 커패시턴스의 변화로 압력을 측정하는 것으로 70 MPa까지 0.01 %FS의 불확도를 갖는 압력 센서로서 사용할 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 본 실시예에 의한 수소 장입량 측정 방법을 설명한다. 도 3는 본 실시예에 의한 수소 장입량 측정 방법의 개요를 나타낸 순서도이다. 도 1 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 수소 장입량 측정 방법은 기지 질량의 시료(S)가 위치하는 챔버(C)에 미리 설정된 초기 압력으로 수소 가스를 주입하는 수소 가스 주입 단계(S100)와, 수소 가스가 시료(S)에 장입되어 압력이 평형 상태를 이룰 때의 압력인 평형 압력을 측정하는 평형 압력 측정 단계(S200)와, 수소 가스의 압력 변화율과 시료의 단위 수소 장입량으로부터 시료의 수소 장입량을 연산하는 수소 장입량 연산 단계(S300)를 포함한다.
챔버(C)에 기지 질량의 시료(S)를 배치하여 수소 가스 주입 단계(S100)를 수행한다. 제어부(controller)는 유입 밸브(inlet)를 열어 수소 봄베(Bombe)로부터 수소를 챔버(C)로 유입시키되, 배기 밸브(vent)와 유입 밸브(inlet)를 닫아 수소가 유출되지 않도록 한다.
센서는 챔버(C) 내부의 압력을 측정하고, 측정된 압력에 상응하는 전기적 신호를 형성하여 제어부(controller)에 제공한다. 일 실시예로, 센서(sensor)는 측정한 압력에 상응하는 전압을 형성하여 제어부(controller)에 제공한다. 제어부(controller)는 시료(S)가 배치된 챔버(C) 내의 압력이 목적 압력에 도달하면 유입 밸브(inlet)가 잠기도록 제어한다.
도 4는 시간에 따라 시료(S)에 수소가 장입됨에 따른 압력 변화를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 시료(S)가 배치된 챔버(C)에 수소 가스가 고압으로 주입됨에 따라 수소 가스가 시료(S)에 용해되며, 이를 시료(S)에 수소가 장입된다고 한다. 도 4로 예시된 실시예에서, 시료(S)가 배치된 챔버(C) 내부에 수소를 10MPa의 압력으로 주입하였을 때, 시간이 경과함에 따라 수소가 시료(S)에 장입되고, 그에 따라 챔버(C) 내부 압력이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 대략 10 시간 경과 후에는 챔버(C) 내부 압력이 변화하지 않아 평형 상태에 도달한 것을 확인할 수 있다. 시간이 경과함에 따라 수소가 시료(S)에 장입되어 도시된 것과 같이 챔버(C) 내부의 압력이 감소하나, 시료(S)에 수소가 더 이상 장입되지 않을 때 챔버(C) 내부의 압력은 변화하지 않고 평형(equilibrium)에 도달한다. 이때의 압력을 측정한다(S200).
도 5(a)는 압력과 온도에 따른 수소 기체의 밀도를 예시한 표이며, 도 5(b)는 압력과 온도에 따른 수소 기체의 밀도를 예시한 도면이다. 도 5(a)와 도 5(b)를 참조하면, 수소 기체의 밀도는 압력에 비례하는 것을 알 수 있다. 도 5(a) 에서 실내온도 25 ℃, 10 MPa에서 밀도 
이다. 수소가 채워져 있는 챔버(C)의 부피가 일정하다면 챔버(C)의 압력은 수소의 질량에 비례한다.
압력 변화율은 챔버(C)에 수소 가스 주입 단계(S100)에서 챔버(C)에 가스가 주입된 압력(P)과 평형 압력 측정 단계(S200)에서 측정된 압력의 차이(ΔP)를 가스 주입 단계(S100)에서 챔버(C)에 수소 가스가 주입된 압력으로 나눈 값
이다. 압력 변화율(
)는 챔버(C) 내의 총 수소 질량에 대한 시료로 장입된 수소 질량의 비율과 같다. 즉 아래의 수학식 1과 같이 쓸 수 있다.
수학식 1에서 챔버(C) 내 총 수소 질량을 알기 위하여는 챔버 내부 부피를 정확하게 알아야 한다. 이것이 어려우므로, 다음과 같이 장입된 수소 질량을 알 수 있다.
상기한 수학식 1은 아래의 수학식 2와 같이 정리된다.
챔버(C) 내의 총 수소 질량이 같다면(즉, 챔버 내의 수소 압력이 동일하다면) 시료로 장입된 수소 질량은 압력 변화율에 비례한다. 따라서, 시료(S)와 동일한 재질의 기준 시료에 대한 압력 변화율과 그에 따른 기준 시료 수소 장입량을 알 수 있다면 비례로부터 시료(S)에 대한 수소 장입량을 연산할 수 있다.
일 예로, 기준 시료의 압력 변화율인 기준 압력 변화율 
= 1.03 %이고, 그 때 기준 시료의 수소 장입량인 기준 시료 수소 장입량이 750 wt ppm 이라고 하자. 기준 시료와 동일한 재질의 시료(S)에 대한 압력 변화율(
)이 k % 이면 비례로부터 시료(S)에 대한 수소 장입량은 아래의 수학식 3과 같이 연산될 수 있다.
따라서, 챔버 내의 압력이 동일(챔버 내로 유입되는 총 수소 질량이 동일한) 경우에는 압력 변화율(
)로부터 수소 장입량의 측정이 가능하다.
기준 시료에 대한 기준 시료 수소 장입량을 측정하는 경우를 설명한다. 챔버(C)에 기지 질량의 기준 시료를 배치하고 목적하는 압력으로 수소 가스를 주입한다. 이어서, 챔버(C)에 주입된 수소 가스가 기준 시료에 장입되어 챔버 내의 수소 압력이 평형에 도달할 때의 압력을 검출하여 기준 압력 변화율을 연산한다.
평형 상태에 도달한 후, 수소가 장입된 기준 시료를 챔버 외부로 반출하여 수소가 장입된 기준 시료의 질량을 측정한다. 평형 상태일 때 수소가 장입된 기준 시료의 질량을 측정하여야 하나, 측정을 위하여 수소가 장입된 기준 시료를 챔버 외부로 반출하는데 소요되는 시간동안 장입된 수소 가스가 외부로 배출되어 질량의 오차가 발생한다.
질량의 오차를 확산 법칙(픽(Fick)의 제2 법칙)에 따라 외삽하여 평형 상태일 때의 질량을 연산한다. 도 6은 챔버(C)에서 기준 시료를 반출한 후, 10분 간격으로 1시간 30분 동안 측정하고, 그로부터 평형 상태의 질량이 외삽되어 연산된 결과를 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 챔버(C) 외부로 반출된 후, 질량은 시간이 경과함에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있다. 측정 결과를 수학식 4로 표시된 확산 법칙(픽(Fick)의 제2 법칙)에 따라 외삽하여 평형 상태일 때의 수소 장입량을 연산한다.
(CH,R(t)는 원통형 고무 시료에 수소가 균일하게 분포되어 있다가 진공으로 확산해 나갈 때 시간 t에서의 잔류 수소량, l: 원통형 고무 시료의 두께, ρ: 반지름, βn 는 영차의 베셀함수의 근, D: 확산도(Diffusivity), CH0: t=0일 때의 잔류 수소량)
측정된 결과를 외삽하여 연산한 결과, 평형 상태에서 수소가 장입된 기준 시료 수소 장입량은 750wt ppm으로 연산되었으며, 평형 상태에서의 기준 압력 변화율은 1.03%이었다. 따라서, 기준 시료와 동일한 재질의 시료에 대하여 챔버 내의 수소 압력을 동일하게 유지한 후, 압력 변화율을 검출하면 비례를 이용하여 시료 내의 수소 장입량을 얻을 수 있다.
이하에서는 도 1로 예시된 장치로 수소의 확산도(diffusivity)를 측정하는 경우를 설명한다. 챔버(C) 내에 시료를 배치하고, 목적하는 압력으로 챔버(C)에 수소를 주입한다. 수소 가스가 챔버(C)에 주입됨에 따라 수소 가스는 시료에 장입되며, 챔버 내의 압력은 감소한다. 시간이 경과함에 따라 압력은 평형에 도달한다.
제어부(controller)는 수소 가스의 주입과 동시에 챔버(C) 내의 수소 압력을 실시간으로 모니터할 수 있으며, 압력이 평형에 도달할 때까지의 시간을 측정할 수 있다. 상술한 실시예로부터 시료(S)로 장입된 수소량을 파악할 수 있으며, 평형에 도달할 때까지의 압력의 변화를 실시간 측정하여 가압시 시료의 수소 확산도(D, diffusivity)는 수학식 4를 이용하여 얻을 수 있다.
다른 예로, 챔버(C) 내에서 평형 상태에 도달한 경우에, 제어부(controller)는 배기(vent) 밸브를 제어하여 챔버 내부를 상압으로 유지하거나, 진공 펌프(Vacuum pump)와 연결된 밸브를 제어하고, 진공 펌프를 구동하여 챔버 내부를 진공으로 형성할 수 있다.
챔버(C) 내부가 상압 혹은 진공으로 감압된 후, 제어부(controller)는 챔버와 연결된 모든 밸브를 잠그고, 시료(S)에서 방출되는 수소에 의하여 형성되는 챔버 내부의 압력을 모니터할 수 있다. 제어부(controller)는 압력이 평형에 도달할 때까지의 시간을 측정할 수 있으며, 시료(S)로 장입된 수소량과 평형에 도달할 때까지의 압력의 변화를 실시간 측정하여 감압시 시료의 수소 확산도(D, diffusivity)는 수학식 4를 이용하여 얻을 수 있다.
본 실시예에 의한 수소 장입량 측정 방법에 의하면, 1회에 한하여 표준 압력 변화율과, 엑스 시튜(ex-situ)로 표준 시료 수소 장입량을 얻으면, 챔버내의 압력을 모니터하여 시료의 수소 장입량을 구할 수 있으며, 가압중의 시료의 수소 확산도를 인 시튜(in-situ)로 구할 수 있다는 장점이 제공된다.
상술한 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
S100 ~ S300: 본 실시예에 의한 수소 장입량 연산 방법의 각 단계.
Bombe: 수소 봄베 C: 챔버
S: 시료 sensor: 센서
controller: 제어부 inlet: 유입 밸브
vent: 배기 밸브 Vacuum pump: 진공 펌프
Bombe: 수소 봄베 C: 챔버
S: 시료 sensor: 센서
controller: 제어부 inlet: 유입 밸브
vent: 배기 밸브 Vacuum pump: 진공 펌프
Claims (13)
- 기지 질량의 시료가 위치하는 챔버에 미리 설정된 초기 압력으로 수소 가스를 주입하는 수소 가스 주입 단계와,
상기 수소 가스가 상기 시료에 장입되어 압력이 평형 상태를 이룰 때의 평형 압력을 측정하는 평형 압력 측정 단계와,
상기 수소 가스의 압력 변화율로부터 상기 시료의 수소 장입량을 연산하는 수소 장입량 연산 단계를 포함하고,
상기 수소 장입량 연산 단계는,
기준 압력 변화율에 대응하는 기준 시료 수소 장입량에 대하여
상기 수소 가스의 압력 변화율에 대한 비례를 연산하여 상기 시료의 수소 장입량을 연산하여 수행하는 수소 장입량 연산 방법. - 제1항에 있어서,
상기 평형 압력 측정 단계는,
상기 챔버 내의 수소 가스가 상기 시료에 장입됨에 따라 감소된 상기 챔버 내의 압력이 일정하게 유지될 때의 압력을 측정하여 수행되는 수소 장입량 연산 방법. - 제1항에 있어서,
상기 수소 가스의 압력 변화율은,
상기 초기 압력과 상기 평형 압력의 차이를 상기 초기 압력으로 나눈 값인 수소 장입량 연산 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 수소 장입량 연산 방법은,
기준 압력 변화율과 기준 시료 수소 장입량을 측정하는 단계를 더 포함하되, 기준 압력 변화율과 기준 시료 수소 장입량을 측정하는 단계는:
기지 질량의 기준 시료를 챔버에 배치한 후, 제1 압력으로 수소 가스를 주입하는 단계와,
상기 챔버에 주입된 상기 수소 가스의 압력이 평형 상태를 이룰 때까지 대기하는 단계와
상기 수소 가스가 장입된 상기 기준 시료의 질량을 측정하는 질량 측정 단계를 포함하며,
상기 제1 압력에 대한 상기 평형 상태의 압력의 압력 변화율을 상기 기준 압력 변화율로 설정하고,
상기 기준 시료에 장입된 수소의 장입량을 상기 기준 시료 수소 장입량으로 설정하는 수소 장입량 연산 방법. - 제5항에 있어서,
상기 기준 시료 수소 장입량을 설정하는 단계는
오차 보상 단계를 더 포함하며,
상기 오차 보상 단계는,
상기 챔버 내에서 평형 상태를 이룰 때까지 대기하는 단계 이후, 상기 질량 측정시 까지 상기 기준 시료에서 외부로 배출되는 수소 가스의 질량을 보상하여 수행하는 수소 장입량 연산 방법. - 제1항에 있어서,
상기 수소 가스 주입 단계 및 상기 평형 압력 측정 단계는
인 시튜(in-situ)로 수행되는 수소 장입량 연산 방법. - 기지 질량의 시료가 위치하는 챔버에 제1 압력으로 수소 가스를 제공하는 제1 수소 가스 주입 단계와,
상기 챔버 내부의 압력이 제2 압력으로 평형을 이룰 때까지 상기 챔버 내부의 압력 변화 및 평형 상태에 도달할 때 까지 압력 변화를 측정하는 압력 측정 단계와,
상기 제1 수소 가스 주입 단계 이후 상기 챔버 내부의 압력이 상기 제2 압력으로 평형을 이룰 때까지 시간으로부터 상기 시료의 수소 확산도(diffusivity)를 연산하는 연산 단계를 포함하고,
상기 제2 압력은 상기 제1 압력에 비하여 높은 압력으로,
상기 수소 확산도는 상기 시료의 가압 수소 확산도인 수소 확산도 연산 방법. - 삭제
- 제8항에 있어서,
상기 제2 압력은 상기 제1 압력에 비하여 낮은 압력인 진공 상태 및 상압 중 어느 하나의 압력으로,
상기 수소 확산도는 상기 시료의 감압 수소 확산도인 수소 확산도 연산 방법. - 제8항에 있어서,
상기 수소 확산도 연산 방법은
인 시튜(in-situ)로 수행되는 수소 확산도 연산 방법. - 제8항에 있어서,
상기 압력 측정 단계는,
상기 압력 변화를 실시간으로 측정하는 수소 확산도 연산 방법. - 제8항에 있어서,
상기 연산 단계는,
상기 시료의 수소 확산도(diffusivity)를 수학식
에 따라 연산하는 수소 확산도 연산 방법.
(CH,R(t)는 원통형 고무 시료에 수소가 균일하게 분포되어 있다가 진공으로 확산해 나갈 때 시간 t에서의 잔류 수소량, l: 원통형 고무 시료의 두께, ρ: 반지름, βn 는 영차의 베셀함수의 근, D: 확산도(Diffusivity), CH0: t=0일 때의 잔류 수소량)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190138863A KR102276418B1 (ko) | 2019-11-01 | 2019-11-01 | 수소 장입량 측정 방법 및 수소 확산도 측정 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190138863A KR102276418B1 (ko) | 2019-11-01 | 2019-11-01 | 수소 장입량 측정 방법 및 수소 확산도 측정 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210053057A KR20210053057A (ko) | 2021-05-11 |
| KR102276418B1 true KR102276418B1 (ko) | 2021-07-12 |
Family
ID=75914986
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190138863A KR102276418B1 (ko) | 2019-11-01 | 2019-11-01 | 수소 장입량 측정 방법 및 수소 확산도 측정 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102276418B1 (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117538213A (zh) * | 2023-11-10 | 2024-02-09 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 一种盐岩岩心氢气扩散系数测试装置及方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR200332134Y1 (ko) * | 2003-07-14 | 2003-11-05 | 한국에너지기술연구원 | 가스 흡탈착 특성 측정장치 |
| KR100658642B1 (ko) | 2005-07-19 | 2006-12-21 | 정경환 | 고압 기체 저장량 측정방법 및 이에 관한 측정장치 |
| KR100747329B1 (ko) | 2006-02-14 | 2007-08-07 | 엘에스전선 주식회사 | 가스 용해도 측정 장치 및 방법 |
| JP5857351B2 (ja) | 2012-05-14 | 2016-02-10 | マイクロトラック・ベル株式会社 | ガス吸着量測定方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20070113584A (ko) | 2006-05-25 | 2007-11-29 | 정경환 | 기체 흡착등온선 측정 방법 및 이에 사용되는 측정장치 |
-
2019
- 2019-11-01 KR KR1020190138863A patent/KR102276418B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR200332134Y1 (ko) * | 2003-07-14 | 2003-11-05 | 한국에너지기술연구원 | 가스 흡탈착 특성 측정장치 |
| KR100658642B1 (ko) | 2005-07-19 | 2006-12-21 | 정경환 | 고압 기체 저장량 측정방법 및 이에 관한 측정장치 |
| KR100747329B1 (ko) | 2006-02-14 | 2007-08-07 | 엘에스전선 주식회사 | 가스 용해도 측정 장치 및 방법 |
| JP5857351B2 (ja) | 2012-05-14 | 2016-02-10 | マイクロトラック・ベル株式会社 | ガス吸着量測定方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20210053057A (ko) | 2021-05-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| LU101959B1 (en) | Apparatus and method for testing radial gas permeability of concrete | |
| CN109612899B (zh) | 一种压力修正式气体渗透率计算方法 | |
| CN103163057A (zh) | 一种致密岩石材料气体渗透率测试装置及测算方法 | |
| CN101395453A (zh) | 气体流量检验单元 | |
| CN104880400B (zh) | 高压氢渗透测试装置及测试方法 | |
| KR102276418B1 (ko) | 수소 장입량 측정 방법 및 수소 확산도 측정 방법 | |
| TWI494554B (zh) | Method and device for differential pressure measurement | |
| CN101865754A (zh) | 一种复合材料层合板气密性检测装置 | |
| CN110095340B (zh) | 高压掺氢天然气环境下的材料单次加载损伤试验方法 | |
| CN111129549A (zh) | 快速检测燃料电池堆串漏的系统及方法 | |
| KR101108564B1 (ko) | 내압성 실험장치 및 그 장치를 이용한 내압성 실험방법 | |
| Jung et al. | Analyses of permeation characteristics of hydrogen in nitrile butadiene rubber using gas chromatography | |
| CN110542636B (zh) | 部分饱和的水泥基材料渗透系数测定方法及其试验装置 | |
| CN101881713A (zh) | 电脑控制移动量管外测法气瓶试验装置 | |
| Kulkarni et al. | Investigation of desorption of hydrogen gas from polymer matrix using thermal desorption analysis and finite element modeling | |
| KR102589777B1 (ko) | 수소 투과량 측정시스템 및 이를 이용한 측정 방법 | |
| KR101358087B1 (ko) | 안전밸브 정밀 자동시험방법 및 장치 | |
| KR102518070B1 (ko) | 시료의 수소 투과 특성 평가 방법 | |
| KR101691740B1 (ko) | 고압인젝터 오링의 내한성 평가장치 및 방법 | |
| Acosta-Iborra et al. | Hydrogen tank filling experiments at the JRC-IE GASTEF facility | |
| Andresen | Corrosion fatigue testing | |
| CN107741449B (zh) | 奥氏体不锈钢中马氏体体积分数的测试装置 | |
| JP2014084957A (ja) | 高圧ガスタンクの検査方法 | |
| EP4411323A1 (en) | Network of optical fiber sensors and method for monitoring the structural health of a composite cryogenic liquid hydrogen fuel tank | |
| CN217211908U (zh) | 一种体积变形测量系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |