KR20130124941A - 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 측정방법 및 이 측정방법을 수행하기 위한 장치 - Google Patents

양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 측정방법 및 이 측정방법을 수행하기 위한 장치 Download PDF

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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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Abstract

본 발명은 양성자 교환막(1)의 전기삼투 전송계수(K)를 결정하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 종래기술의 방법보다 더 신뢰할 수 있으면서 더 정확하고 좀더 대표적인 조건 하에서 실시하는 것이 용이하다. 이를 위해, 상기 방법은 상대습도가 소정 지점에서 양성자 교환막의 각 측에서 거의 동일해지도록 영구히 제어되는 양성자 교환막의 어떤 측면에서도 수화 수소의 유동을 생성하는 단계를 포함함으로써, 그러한 양성자 교환막에서의 소정의 역확산을 최소화할 수 있게 한다. 더욱이, 상기 본 발명에 따른 방법은 바람직하게 전류가 차단되는 순간에 시작되는 상대습도의 평형상태로의 리턴 비율로부터 상기 양성자 교환막에서의 역확산 유동을 추정하는 단계를 포함한다.

Description

양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 측정방법 및 이 측정방법을 수행하기 위한 장치{METHOD OF MEASURING THE ELECTROOSMOTIC TRANSPORT COEFFICIENT OF A PROTON EXCHANGE MEMBRANE AND DEVICE FOR IMPLEMENTING SUCH A METHOD}
본 발명은 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 측정방법 및 이 측정방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
양성자 교환막 연료전지(PEMFC)는 물을 형성하기 위해 이수소(dihydrogen)와 이산소(dioxygen)의 재조합에 의해 화학적 에너지를 전기 에너지와 열로 변환시킬 수 있는 장치이다. 이들 연료전지는 동작시에 CO2를 방출하지 않기 때문에 점점 더 관심의 대상이 되고 있다.
양성자 교환막 연료전지에서, 그러한 양성자 교환막은 연료전지의 각각의 전극이 서로 분리되고, 어느 한 전극에서 다른 전극으로 전자가 통과하는 것을 방지하며, 애노드 산화 동안 생성된 양성자가 캐소드로 전송될 수 있어야 한다. 그러나, 그러한 양성자-전도 모드 및 양성자의 이동성은 그러한 양성자 교환막에서의 수량(quantity of water)에 크게 좌우된다.
평형상태에서, 주어진 조건 하에, 양성자 교환막에서의 이러한 수량은 그러한 가스의 상대습도 및 온도에 좌우된다. 또한, 그러한 양성자 교환막에서의 수량은 균일하지 않다. 사실상, 그러한 양성자 교환막은 2개의 유동간 경쟁으로부터 야기된 수량 구배를 제공한다.
- 애노드에서 캐소드로의 전기삼투 유동은 양성자들이 그 교환막을 가로지를 때 그들과 함께 물분자를 이끈다는 사실에 의해 설명된다.
- 캐소드에서 애노드로의 역확산(back diffusion) 유동은 캐소드에서 생성된 물 및 이러한 전극으로 전기삼투 유동에 의해 이끌어진 물의 축적이 확산 유동을 야기한다는 사실에 의해 주로 설명된다.
그러한 양성자 교환막 두께에서의 그러한 수량의 불균일한 분포는 연료전지의 성능 뿐만 아니라 수명을 제한한다.
연료전지 성능 및 수명을 증가시키기 위해서는, 물 분포를 최적화시킬 필요가 있으며, 이는 그러한 양성자 교환막에서의 물의 전송과 관련된 모든 현상의 보다 많은 지식을 필요로 한다. 특히, 이들을 각각 수량화할 수 있도록 전기삼투 및 역확산을 연구할 필요가 있다. 이를 위해서는 특히 물 농도 구배가 없는 양성자 교환막을 가로질러 이끌어진 평균의 물 분자량을 갖는 것으로 규정된 전기삼투 전송계수(K)를 알 필요가 있다.
이러한 전기삼투 전송계수를 결정하기 위한 다양한 방법의 종래기술이 알려져 있다.
따라서, M. Ise 등에 의한 "Electro-osmotic drag in polymer electrolyte membranes: an electrophoretic NMR study"로 명칭된 공개공보(Solid State lonics 125 (1999) 213-223)에는 전류가 그러한 양성자 교환막의 스택을 통과하도록 2개의 전극간 배치된 양성자 교환막의 스택에서의 전위차를 제공함으로써 전기삼투 전송계수를 산출하는 것이 제안되고 있다. 이러한 어셈블리는 주어진 수량을 포함하는 NMR 튜브 내에 배치된다. 그러나, 이들 전기삼투 전송계수 산출은 그러한 NMR 튜브에서의 수량이 미리 알려져 있지 않고 대략적 추측에 의해 추정되기 때문에 정확하지 않다.
따라서, 이러한 전기삼투 전송계수 결정방법은 그러한 측정이 연료전지 동작시 그러한 양성자 교환막이 처해있는 각기 다른 환경에서 그러한 스택의 외측에서 수행되기 때문에 실행하기 복잡하고 신뢰할 수 없다. 또한, 이러한 방법은 교환막 서로간 상부에 대한 스택이 필요로 하고, 그러한 교환막들간 접촉의 발생은 측정을 방해한다. 또한, 그러한 스택에서 측정된 수량이 균일하지 않아 측정된 전기삼투 전송계수가 평균계수이지 주어진 수량의 계수는 아니다.
Luo 등에 의한 "lectro-osmotic drag coefficient and proton conductivity in Nafion membrane for PEMFC"로 명칭된 문서 International Journal of Hydrogen Energy (2009) 1-5에는 액체의 물을 함유하는 2개의 구획 사이에 위치된 양성자 교환막의 평면에 양성자의 유동을 야기시킬 수 있는 양성자 펌프의 사용이 기술되어 있다. 이후 그러한 양성자 교환막의 평면에서의 양성자의 유동은 물의 유동을 그 교환막의 평면으로 이끈다. 이후 이 문서의 저자는 액체의 물을 함유하는 그 구획들 중 어느 하나에 각각 배치된 2개의 모세관간 물 레벨의 차이를 측정함으로써 물의 유동을 측정하고 있다.
그러나, 이러한 문서에서 사용된 그러한 측정방법은 알려지지 않은 수량 구배가 그러한 교환막의 두께에서, 각각의 구획에서 그리고 각 구획간 교환막의 평면에서 존재하기 때문에 부정확하다. 또한, 이러한 측정방법에 사용된 조건들, 특히 전류가 연료전지 동작시의 전류와 매우 다르며, 이는 부정확한 측정을 야기한다.
또한, 그러한 종래의 측정방법은 산출된 전기삼투 전송계수가 그 교환막에서의 전기삼투 유동을 나타낸다는 것을 보장하지 못하며, 역확산 현상에 영향을 주지 못한다.
본 발명은 종래의 방법보다 더 신뢰할 수 있는 연료전지의 양성자 교환막에서의 전기삼투 전송계수를 결정하는 방법을 제안함으로써 종래기술의 단점을 개선하는데 도움을 준다.
또한, 본 발명의 목적은 실제 조건 또는 이러한 실제 조건에 가까운 조건 하에서 양성자 교환막에서의 전기삼투 전송계수를 측정하는 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 이러한 연료전지의 분리없이 연료전지에 곧바로 실시될 수 있는 양성자 교환막에서의 전기삼투 전송계수를 결정하는 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 간편하고, 빠르면서 정확한 양성자 교환막에서의 전기삼투 전송계수를 결정하는 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 전기삼투 현상만을 나타내는 전기삼투 전송계수를 결정하는 방법을 제공하는데 있다.
더욱이, 본 발명의 목적은 본 발명에 따른 방법을 실시하는 장치를 제공하는데 있다.
이를 위한 본 발명의 제1형태는 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수를 결정하는 방법에 관한 것으로, 상기 양성자 교환막은 제1구획과 제2구획 사이에 배치되고, 상기 각각의 제1 및 제2구획은 양성자 교환막의 양측으로 확장하고, 상기 각각의 제1 및 제2구획은 입구 및 출구를 제공하고, 상기 제1구획의 입구는 상기 제2구획의 출구에 대면하여 위치되거나 그와 반대로 위치되며,
상기 방법은:
(i) 상기 각각의 제1 및 제2구획에서 수화 가스의 유동(flux of hydrated gas)을 생성하는 단계로서, 상기 제1구획에서의 수화 가스의 유동은 수화 수소의 유동이고, 상기 수화 가스의 유동은 상기 각각의 구획에서 상기 입구에서 출구로 지향되고, 연속하는 동작에 있어서, 상기 구획들 중 적어도 어느 하나의 입구에서의 상대습도가 상기 구획들 중 다른 어느 하나의 출구에서의 상대습도와 동일해지도록 상기 각각의 구획에서 수화 가스의 유동이 제어되는 단계;
(ii) 상기 제2구획의 방향으로 상기 제1구획의 양성자 교환막을 통과하는 양전류를 생성하는 단계;
(iii) 연속하는 동작에 있어서, 상기 제2구획의 출구에서 적어도 하나의 수량(quantity of water)의 측정을 이용하여, 상기 제1구획에서 상기 제2구획의 방향으로 상기 양성자 교환막을 가로지르는 총 물 유동을 결정하는 단계;
(iv) 상기 총 물 유동으로부터 상기 전기삼투 전송계수를 산출하는 단계를 포함한다.
본 전체 문서에서, 전기삼투 전송계수는 양성자 교환막의 물 농도 구배가 없는 양성자 교환막을 가로질러 이끌어진 평균의 물 분자량을 갖는 것으로 규정된다. 또한 그러한 전기삼투(electroosmotic) 전송계수는 전기침투(electroosmosis) 계수로도 알려져 있다.
"수화 가스(Hydrated gas)"는 이수소(dihydrogen) 또는 이산소(dioxygen)와 같은 가스 분자 및 물 분자를 포함하는 유체라는 것을 이해해야 한다.
"수화 수소(Hydrated hydrogen)"는 H2 및 H2O 분자를 포함하는 유체라는 것을 이해해야 한다. 수소와 물 분자의 혼합인 이러한 수화 수소의 유동을 얻기 위한 하나의 방법은 주어진 이슬점 온도에서 액체의 물을 포함하는 인클로저(enclosure) 내로 가스화 수소를 통과시키는 것이다. 이러한 수화 수소의 유동을 얻기 위한 또 다른 방법은 주어진 유량으로 수증기와 건조 가스의 유동을 혼합하는 것이다.
통상 φ 또는 RH로 나타낸 매체의 상대습도는 동일한 온도에서 포화 증기압(또는 증기 인장)에 대한 이러한 매체에 포함된 수증기의 분압의 비율에 대응한다. 따라서, 매체의 상대습도는 소정 조건 하에 포함하기 위한 매체의 물 함량과 매체의 용량간 비율의 측정치이다.
서로 대향의 방향으로 양성자 교환막을 따라 통과하는 수화 가스의 유동을 양성자 교환막의 양측으로 보내는 동작과, 구획들 중 적어도 어느 하나의 입구에서의 상대습도가 구획들 중 다른 어느 하나의 출구에서의 상대습도와 동일해지도록 각 구획의 입구에서의 이들 수화 가스 유동을 제어하는 동작은 상기 양성자 교환막의 양측에서의 상대습도의 변화를 작게하는 것을 보장한다.
따라서, 그러한 수화 가스 유동의 제어는 양성자 교환막의 양측에서의 균일한 물 분포를 가능하게 하고, 이는 역확산 현상을 가능한 한 제한한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 방법을 이용하여 얻어진 전기삼투 전송계수는 실제 그 전기삼투 현상을 나타낸다.
따라서, 본 발명에 따른 방법은 전기삼투 전송계수가 간단하면서 정확한 방식으로 산출될 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 따른 방법은 특히 구획들 중 어느 하나로 수소의 유동을 그리고 구획들 중 다른 어느 하나로 산소의 유동을 보내는 대신 수화 수소의 유동이 제1구획으로 보내지고 수화 가스의 유동이 제2구획으로 보내지는 연료전지에서 직접 실시될 수 있기 때문에 더더욱 효과적이다. 제2구획에서의 수화 가스의 유동은 제1구획에서의 수화 수소의 유동과 대향의 방향으로 양성자 교환막을 가로지른다.
또한, 상대습도를 측정함으로써 양성자 교환막을 가로지르는 총 물 유동을 결정하는 것은 실시가 정확하면서 간단하며 시장에서 이용가능한 장치를 이용하여 연료전지의 출구에서 직접 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법은 이하와 같이 개별적으로 또는 기술적으로 가능한 모든 조합들에 따른 하나 또는 그 이상의 특성들을 제공할 수 있다.
장점적으로, 또한 제2구획에서의 수화 가스의 유동은 수화 수소의 유동이다.
장점적으로, 양성자 교환막은 길이방향을 따라 확장하고, 제1 및 제2구획은 그 길이방향을 따라 양성자 교환막의 양측으로 확장한다.
장점적으로, 또한 각 구획에서의 수화 가스의 유동은, 연속하는 동작에 있어서, 상대습도가 각 구획의 입구와 출구 사이에서 거의 동일해지도록 제어된다.
바람직하게, 양성자 교환막의 양측에서의 수화 가스의 유동은 이하의 경우에 제어된다:
- 양성자 교환막의 양측에 위치된 2개의 지점이 선택될 때, 그 2개의 지점이 동일한 횡단 평면에 있을 때, 이들 2개의 지점들간 상대습도가 이들 2개의 지점들 사이에서 5% 이상으로 변하지 않을 때;
- 길이방향을 따라 어느 한 구획으로 이동할 때, 이 구획에서의 상대습도가 그 입구와 출구 사이에서 5% 이상으로 변하지 않을 때.
"횡단방향"은 길이방향에 수직인 방향이라는 것을 알아야 한다.
장점적으로, 수화 가스의 유동은 횡단 평면에 위치할 때 양성자 교환막의 양측의 모든 지점에서 동일해지도록 제어된다.
장점적으로, 각 구획에서의 수화 가스의 유동은, 연속하는 동작에 있어서, 상대습도가 각 구획의 입구와 출구 사이에서 거의 동일해지도록 제어된다.
구획의 입구와 출구 사이에서 이동할 때 상대습도가 균일해지는 것을 보장하기 위해, 바람직하게는 양성자 교환막을 가로지르는 양전류의 강도가 제어되고, 이에 따라 양성자 교환막을 가로지르는 양성자의 유동 및 그에 따른 물의 유동이 양성자 교환막의 양측의 각 구획을 가로지르는 수화 가스의 유동 및 그에 따른 물의 유동과 사소하게 비교된다.
따라서, 수화 수소의 유동은 이것이 양성자 교환막을 가로지르는 양성자 및 물의 유동과 매우 중요하게 비교되도록 제어된다.
장점적으로, 상기 각 구획을 가로지르는 수화 가스의 유동은 상기 양성자 교환막을 가로지르는 양성자의 유동보다 큰 10배 내지 2000배 사이인 것이 바람직하다. 바람직하게, 상기 수화 가스의 유동은 상기 양성자 교환막을 가로지르는 양성자의 유동보다 큰 50배 내지 1500배 사이이고, 바람직하게는 양성자 교환막을 가로지르는 양성자 유동의 거의 1000배이다.
제2구획의 출구에서의 수량 측정은:
- 제2구획의 출구에서의 상대습도 측정;
- 제2구획의 출구에서의 물 중량의 측정이 될 것이다.
그 외에, 그러한 양성자 교환막의 양측에 위치한 2개의 지점이 동일한 상대습도가 되는 것을 보장하기 위해, 이하의 2가지 방법이 사용될 것이다.
그 첫번째 방법에 따르면, 단계 (i)는:
- 단일의 수소의 유동이 구획을 가로지르도록 구획들 중 어느 한 구획의 입구로 단일의 수화 수소의 유동을 보내는 단계;
- 상기 구획의 출구에서 상기 단일의 수화 수소의 유동을 회복하는 단계; 및
- 상기 구획들 중 다른 어느 한 구획의 입구로 상기 회복된 단일의 수화 수소의 유동을 보내는 단계를 포함한다.
따라서, 상기 첫번째 방법은 루프를 구성함으로써 구획들 중 어느 한 구획의 출구를 다른 어느 한 구획의 입구에 연결하는 것을 포함한다. 이러한 방식에서, 구획들 중 어느 한 구획의 입구에서의 상대습도는 항상 구획들 중 다른 어느 한 구획의 출구에서의 상대습도와 동일하고, 그러한 양성자 교환막의 양전류는 널(null)이거나 널이 아니다. 실제로, 양전류가 양성자 교환막에 생성될 때, 양성자는 그들과 함께 물 분자를 이끄는 경향이 있다. 따라서, 제1구획으로부터의 그러한 물 분자는 제2구획으로 이끌어지는 경향이 있다. 그렇게 되는 경우, 구획들 중 어느 하나의 출구가 구획들 중 다른 어느 하나의 입구에 연결됨에 따라, 제1구획에서 제2구획으로 이끌어지는 물 분자는 루프를 통해 제1구획으로 리턴됨으로써, 2개의 구획들간 균일한 물 분포를 갖게 할 수 있다.
따라서, 양성자 교환막에서의 구배가 없고 그에 따라 역확산도 없다.
이러한 실시예에 따르면, 수화 가스의 유동은 2개의 구획들에서의 수화 수소의 유동이다.
장점적으로, 제2구획의 출구는 제1구획의 입구에 유체 연결된다.
두번째 방법에 따르면, 단계 (i)는:
- 제1구획의 입구에서의 상대습도가 제2구획의 출구에서의 상대습도와 동일해지도록 제1구획의 입구로 수화 수소의 유동을 보내는 단계; 및
- 제2구획의 입구에서의 상대습도가 제1구획의 출구에서의 상대습도와 동일해지도록 제2구획의 입구로 수화 가스의 유동을 보내는 단계를 포함한다.
따라서, 상기 두번째 방법은 각 구획의 출구에서의 상대습도를 측정하고 각 구획에서의 수화 가스의 유동을 다른 구획의 출구에서의 상대습도로 안정화시키는 것을 포함한다. 이러한 실시예에 따르면, 각 구획으로 가는 수화 가스의 유동은 2개의 다른 소스로부터 오지만, 각 구획의 입구에서 발생하는 상대습도는 동일하다.
따라서, 양성자 교환막의 양측의 상대습도는 동일하며, 이에 따라 역확산 현상을 방지한다. 그러나, 이러한 방법은 이전 방법보다 더 복잡하다.
바람직한 실시예에 따르면, 양성자 교환막을 가로지르는 총 물 유동을 결정하는 단계 (iii)는:
- 구획들 중 어느 하나의 입구에서 보내진 물 유동을 산출하는 단계;
- 상기 구획의 출구에서 상대습도를 측정하는 단계;
- 상기 구획의 출구에서 물 유동을 산출하는 단계;
- 상기 구획의 입구 및 출구에서의 물 유동간 차를 산출함으로써 양성자 교환막을 가로지른 총 물 유동을 산출하는 단계를 포함한다.
실제로, 알려진 구획의 입구에서의 물 유동과 양성자 교환막을 가로지르는 물이 추가(또는 제거)되는 입구에서의 물 유동과 동일한 상기 알려진 구획의 출구에서의 물 유동간 차이에 의해, 양성자 교환막을 가로지르는 물의 유동이 얻어진다.
장점적으로, 구획의 출구에서의 물 유동은 상기 구획의 출구에서의 상대습도의 측정으로부터 산출된다. 또한, 구획의 출구에서의 물 유동은 상기 구획의 출구에서의 물 중량 또는 물 부피의 측정으로부터 산출될 것이다.
장점적으로, 구획의 입구에서의 물 유동은:
- 상기 구획의 입구로 보내지는 수화 가스의 유량의 측정;
- 알려진 수소의 상대습도;
- 총 가스압; 및
- 가스의 온도에 좌우되는 가스의 포화 증기압으로부터 산출된다.
본 발명에 따른 방법의 제1실시예에 따르면, 단계 (iv) 동안 바람직하게 총 물 유동은 전기삼투 유동과 관련된다.
실제로, 첫번째 접근방식으로서, 양성자 교환막의 양측의 상대습도간 차가 가능한 한 제한됨에 따라 양성자 교환막을 가로지르는 역확산이 없고 그에 따라 전기삼투 유동이 총 물 유동과 거의 동일해지는 것으로 간주될 것이다.
다음에, 전기삼투 유동이 총 물 유동과 동일해지는 것을 고려함으로써 전기삼투 전송계수가 산출된다.
이러한 본 발명의 실시예는 사실상 역확산 유동이 실질적으로 전기삼투 유동에 비해 매우 낮기 때문에 실시가 매우 간단하고 또 비교적 정확하다는 장점을 제공한다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 단계 (iv)는:
(v) 제2구획에서 제1구획으로 양성자 교환막을 가로지르는 역확산 유동을 산출하는 단계; 및
(vi) 총 물 유동과 역확산 물 유동의 합으로부터 전기삼투 유동을 산출하는 단계를 포함한다.
따라서, 본 발명의 제2실시예는 전기삼투 전송계수와 관련된 좀더 정확한 결과를 가능하게 하는 역확산 유동을 추정하는 단계를 포함한다.
실제로, 역확산 유동이 매우 낮은 경우에도, 좀더 정확한 결과를 얻기 위해 역확산 유동을 추정해야 할 것이다.
바람직하게, 역확산 유동을 산출하는 단계 (v)는:
- 양성자 교환막을 통과하는 양전류를 정지시키는 단계;
- 시간의 함수로서 제2구획의 출구에서의 상대습도의 변화의 커브 표시를 기록하는 단계;
- 시간의 함수로서 제2구획의 출구에서의 물 유동의 변화의 커브 표시를 산출하는 단계;
- 시간의 함수로서 제2구획의 출구에서의 물 유동의 변화의 커브 표시를 보간함으로써 역확산 유동을 산출하는 단계를 포함한다.
실제로, 시간의 함수로서 제2구획의 출구에서의 상대습도의 변화의 커브와 시간의 함수로서 제2구획의 출구에서의 물 유동의 변화의 커브는 증가배율 내에서 동일하다.
바람직하게, 보간에 의해 역확산 유동을 산출하는 단계는:
시간의 함수로서 제2구획의 출구에서의 물 유동의 변화의 커브 표시와 가장 유사한 식
Figure pct00001
의 함수를 조사하는 단계;
τ1보다 높은 시간상수 τ2와 관련된 계수(λ2)로 역확산 유동을 확인하는 단계를 포함하며,
상기 첫번째 항의 λ1는 시간상수가 τ1인 총 물 유동과 관련되고, τ2를 갖는 두번째 항의 λ2는 역확산으로 인한 물 구배의 완화와 관련된다.
실제로, 상기 역확산 유동은 수화 가스의 유동이 중단되는 시점에 상대습도의 평형상태로의 리턴 비율로 추정될 것이다. 실제로, 일단 전류가 정지되면, 전기삼투 유동이 낮은 특정 시간(τ1) 동안 매우 빠르게 정지되는 한편 양성자 교환막에서의 물 구배가 확산에 의해 좀더 길게 완화되는데, 이는 역확산 유동이 높은 특정 시간(τ2) 동안 더 오랫동안 사라지게 한다는 것을 의미한다.
따라서, 시간에 따른 상대습도의 변화 및 이에 따른 제2구획의 출구에서의 물 유동의 변화는 일단 전류가 정지되면 각각 진폭 및 특정 시간으로 규정된 2개의 1차 지수로 나타나며, 상기 진폭은 총 유동 또는 역확산 유동을 나타내고 상기 특정 시간은 양성자 교환막에서의 전류를 정지한 후 그 총 유동 및 역확산 유동의 완화 시간을 나타낸다. 상대습도의 평형상태 커브에 그 리턴을 보간함으로써, 진폭(λ2)에 대응하는 연속하는 동작에서의 역확산 유동이 계산될 것이다.
이때 전기삼투 유동은 역확산 유동이 부가되는 총 물 유동과 동일하다. 다음에 전기삼투 전송계수가 그 전기삼투 유동만으로 산출된다.
장점적으로, 본 발명에 따른 방법은 임피던스 스펙트로스코피(impedance spectroscopy)에 의해 "제1구획-제2구획-교환막"의 저항을 측정함으로써 그 측정 동안 그 교환막에서의 수량이 변경되지 않는 것을 검증하는 단계를 더 포함한다.
따라서, 본 발명에 따른 방법은 매우 정확한 측정이 필요할 경우 역확산을 고려하고, 양성자 교환막에서의 수량을 제어하여, 전기삼투 전송계수의 신속한 측정을 취함으로써, 실제 조건 하에서 전기삼투 계수의 측정을 가능하게 한다.
또한, 본 발명에 따른 방법은 특히 온도, 양성자 교환막에서의 수량 또는 필요할 경우 전류 밀도의 함수로서 전기삼투 전송계수 변화를 조사할 수 있게 하는데, 그 이유는 본 발명에 따른 방법이 양성자 교환막의 온도, 그 교환막에서의 수량 또는 전류 밀도와 같은 파라미터를 변경함으로써 실제 조건 하에서 몇몇 측정을 가능하게 하기 때문이다.
본 발명은 선행 실시예들에 따른 방법을 이용하여 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수를 결정하는 장치에 관한 것으로,
상기 장치는, 제1 및 제2구획(2, 3), 적어도 하나의 수화 가스 공급장치(8, 21, 28), 전력 공급장치(16), 수량(quantity of water) 측정수단(22), 유량(flow rate) 측정 및 제어수단(19, 26), 및 컴퓨터를 포함하며,
상기 제1 및 제2구획(2, 3)은 양성자 교환막(1)의 양측으로 확장하고, 상기 각각의 제1 및 제2구획은 입구(10, 11) 및 출구(12, 13)를 포함하고, 제1구획(2)의 입구(10)는 제2구획(3)의 출구(13)에 대향하여 위치되거나 그와 반대로 위치되고,
상기 적어도 하나의 수화 가스 공급장치(8, 21, 28)는 수화 수소의 유동을 제1구획(2)의 입구(10)로 그리고 수화 가스의 유동을 제2구획(3)의 입구(11)로 보낼 수 있고,
상기 전력 공급장치(16)는 제1구획(2)에서 제2구획(3)까지 양성자 교환막(1)을 가로지르는 양전류를 생성할 수 있고,
상기 수량 측정수단(22)은 제2구획의 출구에서 수량을 측정하고,
상기 유량 측정 및 제어수단(19, 26)은 제2구획의 입구에서 수화 가스 공급장치의 유량을 측정 및 제어하며,
상기 컴퓨터는 실시예들 중 어느 하나에 따른 방법의 단계를 수행한다.
본 발명에 따른 장치는 또한 이하의 개별적으로 고려된 또는 기술적으로 모든 기술적으로 가능한 조합에 따른 하나 또는 그 이상의 특징들을 제공할 것이다.
장점적으로, 또한 본 발명에 따른 장치는 제1구획의 입구에 제2구획의 출구를 연결하는 루핑 시스템을 포함한다.
장점적으로, 상기 제1구획은 양성자 교환막에 대해 배치된 애노드 및 수화 가스 유동이 흐르는 애노드에 대해 배치된 채널을 포함한다.
장점적으로, 상기 제2구획은 양성자 교환막에 대해 배치된 캐소드 및 수화 가스 유동이 흐르는 캐소드에 대해 배치된 채널을 포함한다.
장점적으로, 상대습도를 측정하기 위한 수단은 +/- 0.1%의 정확도 및 초(second) 이하의 시간 분해능으로 상대습도를 측정할 수 있다. 이러한 타입의 센서가 상업적으로 이용가능하다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 상대습도는 또한 상대습도를 알기를 원하는 매체에서의 초음파 전파속도를 측정함으로써 산출될 수 있다. 이것은 원하는 정확도 및 시간 분해능을 가능하게 한다.
장점적으로, 그러한 양성자 교환막은 길이방향으로 따라 확장한다.
본 발명의 다른 특성 및 장점들은 도시되는 부가의 도면들을 참조하여 이하 상세히 설명한 기술내용을 통해 명확히 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법이 실시되는 연료전지를 나타낸 개략 횡단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법을 실시하는 장치를 나타낸 개략 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 방법을 실시하는 장치를 나타낸 개략 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 방법을 실시하는 장치를 나타낸 개략 횡단면도이다.
도 5는 선행 도면들 중 어느 하나로부터 추정되는 양성자 교환막에서의 역확산 유동을 생성하는 시간의 함수로서 상대습도의 변화를 나타낸 커브이다.
도 6은 연료전지의 상대습도의 함수로서 본 발명에 따른 방법에 의해 전기삼투 전송계수에 대한 얻어진 결과를 나타내는 커브이다.
도 7은 양성자 교환막에서의 수량의 함수로서 본 발명에 따른 방법에 의해 전기삼투 전송계수에 대한 얻어진 결과를 나타내는 커브이다.
도 8은 본 발명에 따른 방법의 단계를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 방법을 실시하는 또 다른 장치의 상면도이다.
도 10은 도 9 장치의 횡단면도이다.
보다 명확하게 하기 위해, 모든 도면에서 동일하거나 유사한 요소들에 대해서는 동일한 참조부호로 표시한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법이 실시되는 단일의 연료전지를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 방법이 실시되는 장치를 나타낸다.
도 1은, 도 2의 경우에서와 같이, 양성자 교환막(1)의 전기삼투 전송계수(K)를 측정하기 위한 것이다.
그렇게 하기 위해, 양성자 교환막(1)은 제1구획(2)과 제2구획(3) 사이에 배치된다. 제1구획(2)은 화학종(chemical species)들이 순환되는 제1채널(4) 및 애노드(5)를 포함한다. 제2구획(3)은 화학종들이 순환되는 제2채널(7) 및 캐소드(6)를 포함한다.
양성자 교환막은 길이방향(9)을 따라 확장한다. 각각의 제1 및 제2채널은 그 길이방향(9)을 따라 양성자 교환막의 양측으로 확장한다.
각각의 제1 및 제2채널(4, 7)은 각각의 입구(10, 11) 및 각각의 출구(12, 13)를 포함한다. 각 채널의 입구는 양성자 교환막의 어느 한 단부의 레벨에 위치하고 각 채널의 출구는 양성자 교환막의 어느 한 단부의 레벨에 위치한다.
제1채널의 입구(10)는 제2채널의 출구(13)에 대향하여 위치하고, 제2채널의 입구(11)는 제1채널의 출구(12)에 대향하여 위치한다.
본 발명에 따른 방법의 실시를 가능하게 하는 장치는 또한 수화 수소의 유동을 보낼 수 있는 적어도 하나의 수화 수소 공급장치(8)를 포함하며, 그 유량은 각각의 채널에서 제어된다.
따라서, 그러한 양성자 교환막에 따른 채널들의 위치로 인해, 제1채널(4)에서의 수화 수소의 유동(14)은 제2채널(7)을 가로지르는 수화 수소의 유동(15)에 대향하는 방향으로 그 양성자 교환막의 측면을 따라 통과한다.
본 발명에 따른 방법의 실시를 가능하게 하는 장치는 또한 애노드(5)를 캐소드(6)에 연결하고 양성자 교환막(1)에서의 양전류(H+)의 재생성을 이끄는 애노드와 캐소드간 전기전류를 생성하는 전력 공급장치(16)를 포함한다. 이러한 양전류는 제2구획의 방향으로 제1구획으로부터 양성자 교환막을 가로지른다.
또한 전류의 반전을 고려할 수 있는데, 이 경우 그 애노드는 캐소드가 되거나 그 반대가 될 수 있다.
양성자 교환막을 가로지르는 양성자(H+)는 이들과 함께 물 분자를 이끌며, 이는 제1구획에서 제2구획으로 전기삼투 유동(17)을 생성한다.
그러한 양성자 교환막의 작용을 좀더 잘 이해하기 위해, 바람직하게는 전기삼투 현상 및 역확산 현상을 각각 알아야 한다. 이를 위해, 전기삼투 전송계수의 지식이 필요하다.
그러한 전기삼투 전송계수(K)는 이하의 식으로 주어진다:
Figure pct00002
여기서,
Figure pct00003
은 전기삼투 유동이고, 그 전기삼투 유동은 또한 그 양성자 교환막을 가로지르는 양성자 유동에 의해 편승된 물 유동인 것으로 규정될 수 있다.
Figure pct00004
은 그 양성자 교환막을 가로지르는 양성자의 유동이다.
그러한 양성자 교환막을 가로지르는 양성자의 유동
Figure pct00005
은 애노드와 캐소드간 인가된 전류에 좌우되며, 그러한 애노드와 캐소드간 인가된 전류를 알고 있는 그러한 양성 교환막을 가로지르는 양성자 유동을 정확하게 산출하기 위한 다양한 방법이 종래기술로 공지되어 있다.
본 발명에 따른 방법은 특히 전기삼투 유동
Figure pct00006
이 정확하게 결정될 수 있게 하는데 주목해야 한다.
이를 위해, 무엇보다도 본 발명에 따른 방법은 이하의 과정을 제안하고 있다:
- 양성자 교환막을 가로지르고 전기삼투 유동 및 역확산 유동의 결과물인 총 물 유동의 측정,
- 상기 총 물 유동이 역확산 유동과 거의 동일해지도록, 역확산 유동을 미약하게 하기 위해 그 역확산 유동을 최소화.
이하, 양성자 교환막에서의 역확산 유동을 최소화시킬 수 있는 본 발명에 따른 방법의 단계들이 도 3 및 4를 참조하여 좀더 상세히 기술된다.
실제로, 그러한 역확산 유동을 최소화하기 위해, 무엇보다도 본 발명에 따른 방법은 "제1 및 제2구획-교환막" 어셈블리에서의 상대습도가 균일해지도록 각 구획의 입구에서의 수화 수소 유동을 제어할 것을 제안하고 있다.
보다 정확히 말하자면, 본 발명에 따른 방법은 이하와 같이 되도록 구획들 중 적어도 어느 하나의 입구에서의 수화 수소 유동을 제어할 것을 제안하고 있다:
- 상대습도는 그 길이방향을 따라 이동할 때 각 구획에 걸쳐 거의 동일하게 유지하고;
- 제1구획의 입구(10)에서의 상대습도는 제2구획의 출구(13)에서의 상대습도와 동일하게 함. 이런 식으로, 그 상대습도는 양성자 교환막의 양측에서 거의 동일해진다.
상대습도가 그 길이방향을 따라 이동할 때 각 구획에 걸쳐 거의 동일하게 유지하는 것을 보장하기 위해, 본 발명에 따른 방법은 각 구획의 입구에서의 수화 수소 유동을 선택할 것을 제안함으로써, 전류가 어떠하든 그 양성자 교환막을 가로지르는 물 유동(17, 18)보다 큰 수화 수소 유동(14, 15)을 부과하여 각 구획의 입구와 출구 사이에서의 상대 습도, 즉 물 농도를 조금 변화시킨다.
이를 위해, 각 구획의 입구에서의 수화 수소 유동은 그 양성자 교환막을 가로지르는 양성자의 유동보다 1000배 크도록 선택되는 것이 바람직하다.
따라서, 국소지점에서의 물 농도는 각 구획에서 매우 균일하다:
Figure pct00007
Figure pct00008
Figure pct00009
은 제1구획의 입구에서의 상대습도를 나타내고,
Figure pct00010
는 제1구획의 출구에서의 상대습도를 나타내며,
Figure pct00011
는 제2구획의 입구에서의 상대습도를 나타내고,
Figure pct00012
는 제2구획의 출구에서의 상대습도를 나타내며,
Figure pct00013
은
Figure pct00014
의 0과 5% 사이이고,
Figure pct00015
은
Figure pct00016
의 0과 5% 사이이다.
이러한 방식에서, 상대습도는 길이방향을 따라 비교적 균일하며, 그에 따라 그 길이방향을 따라 아주 낮은 물 농도 구배는 나타나지 않는다.
또한, 양성자 교환막의 어느 한측의 상대습도가 그 양성자 교환막의 다른 어느 한측의 상대습도와 같아지는 것을 보장하기 위해, 본 발명에 따른 방법은 다음을 제안하고 있다:
- 전류가 널(null)일 경우의 측정과 전류가 널이 아닐 경우의 측정에 의해 구획들 중 다른 어느 하나의 출구에서의 상대습도와 같아지도록 구획들 중 어느 하나의 입구에서의 상대습도를 조절한다. 이러한 경우, 각각의 구획에 제공되는 수화 수소의 유동은 2개의 다른 소스로부터 오며, 그 유량은 서로 독립적으로 조절되나 그 상대습도 레벨은 연계된다. 이는 본 발명에 따른 방법에 의해 사용되는 그러한 유동을 조절하는 첫번째 방법이다.
- 또는 루프를 구성하여 구획들 중 어느 하나의 출구를 구획들 중 다른 어느 하나의 입구에 연결한다. 이러한 구성의 경우, 그 2개의 구획들에서의 상대습도 레벨이 직접 연계된다. 그러한 루프 때문에, 구획들 중 어느 하나의 입구에서의 상대습도는 구획들 중 다른 어느 하나의 출구에서의 상대습도와 항상 동일하다. 이러한 후자의 방법은 실시가 더 간단하며 장비를 덜 필요로 한다. 이는 본 발명에 따른 방법에 의해 사용되는 그러한 유동을 조절하는 두번째 방법이다.
도 3은 수화 수소의 유동을 조절하는 상기 첫번째 방법을 사용하는 본 발명에 따른 방법을 실시하는 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 3에 도시된 장치는 각각 제2구획의 입구(11) 및 제1구획의 입구(10)에 다음의 구성요소를 포함한다:
- 건조 수소 공급장치(34, 35),
- 수소 유량을 제어하기 위한 수단(19, 26),
- 압력 센서(20, 27),
- 상기 건조 수소 공급장치로부터 유출된 건조 수소를 수화 수소로 변환시키는 가습기(21, 28),
제2구획(제1구획)의 입구에서의 상대습도를 측정하기 위한 수단(22, 29).
또한, 도 3의 장치는 전지의 레벨에서 그 전지의 온도(T cell )를 측정할 수 있는 온도 센서(45)를 포함한다.
또한, 도 3의 장치는 제2구획의 출구(13)에 그 제2구획의 출구(13)에서의 상대습도를 매우 정확하게 측정할 수 있는 센서(23)를 포함한다.
바람직하게, 상기 센서(23)는 +/- 0.1%의 정확도 및 초(second) 이하의 시간 분해능으로 상대습도를 측정할 수 있다.
또한, 도 3의 장치는 바람직하게 각각 제2구획의 입구(13) 및 제1구획의 입구(12)에 다음의 구성요소를 포함한다:
- 상(phase) 분리기(24, 30),
- 콘덴서(25, 31),
- 압력 센서(26, 32),
- 압력 조절기(27, 33).
본 발명의 이러한 실시예에 따르면, 제2 및 제1구획의 입구에서의 수화 수소의 유동(36, 37)은 독립적인데, 제2구획의 출구에서의 상대습도는 센서(23)에 의해 연속적으로 측정되고, 제1구획의 입구에서 주입된 수화 수소의 유동(37)은 상대습도 측정수단(29)에 의해 제어됨으로써, 제1구획의 입구(10)에서의 상대습도는 제2구획의 출구(13)에서 측정된 상대습도와 같아진다.
그러나, 이러한 실시예는 실시하는데 비교적 복잡하다.
도 4는 수화 수소의 유동을 조절하는 두번째 방법을 사용하는 본 발명에 따른 방법을 실시하는 장치를 개략적으로 나타낸다.
이러한 장치는 제2구획의 입구(11)에만 이하의 구성요소를 포함하기 때문에 도 3의 장치보다 더 단순하다:
- 건조 수소 공급장치(34),
- 건조 수소 유량을 제어하기 위한 수단(19),
- 압력 센서(20),
- 상기 건조 수소 공급장치로부터 유출된 건조 수소를 수화 수소로 변환시키는 가습기(21).
또한, 도 4의 장치는 전지의 레벨에서 그 전지의 온도(T cell )를 측정할 수 있는 온도 센서(45)를 포함한다.
또한, 도 4의 장치는 제2구획의 출구(13)에 그 제2구획의 출구(13)에서의 상대습도를 매우 정확하게 측정할 수 있는 센서(23)를 포함한다.
또한, 도 4의 장치는 제1구획의 입구(10)에서의 상대습도가 제2구획의 출구(13)에서의 상대습도와 동일해지도록 제2구획의 출구(13)와 제1구획의 입구(10)간 유체 소통하게 하는 연결수단을 포함한다.
또한, 도 4의 장치는 제1구획의 출구(12)에 다음의 구성요소를 포함한다:
- 상 분리기(30),
- 콘덴서(31),
- 압력 센서(32),
- 압력 조절기(33).
이하, 도 4의 장치에 의해 실시된 본 발명에 따른 방법에 의해 사용된 전기삼투 계수를 산출하는 단계들을 도 8을 참조하여 좀더 상세히 설명한다. 통상의 기술자라면 도 3의 장치에 의해 실시된 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위해 이들 단계들을 용이하게 채용할 수 있을 것이다.
이하에서는 "교환막-제1구획-제2구획" 어셈블리를 "전지(cell)"라 부른다.
우선 이러한 실시예에 따른 방법은 제2구획의 입구(11)에서 수화 수소의 유동을 측정하는 단계를 포함한다. 제2구획의 입구(11)에서 수화 수소의 유동을 측정하는 것은 제2구획의 입구로 보내지는 수소 유동(
Figure pct00017
)을 산출할 수 있게 한다.
다음에, 상기 방법은 전지의 온도(T cell ) 뿐만 아니라 포화 수소의 총 압력(P tot )의 측정을 포함한다.
다음에, 상기 방법은 이하의 식(수학적 처리 1)에 의해 이러한 온도에서 포화된 물 증기압(
Figure pct00018
)을 산출하는 단계를 포함한다.
Figure pct00019
다음에, 상기 방법은 상기 장치가 없을 때에 제2구획의 출구에서의 상대습도(
Figure pct00020
)를 측정하는 단계를 포함한다.
그와 같은 경우에는 전류가 없으며, 물 유동이 어디에서든지 동일하며, 그에 따라 제1구획의 출구에서의 상대습도는 제2구획의 입구에서의 상대습도와 동일하다:
Figure pct00021
=
Figure pct00022
다음에, 이들 데이터는 이하의 식(수학적 처리 2)에 의해 제2구획의 입구에서의 물 유동()이 산출될 수 있게 한다:
Figure pct00024
따라서,
Figure pct00025
는 전류가 인가되지 않을 때 그 시스템에 도입되는 물의 유동이다.
여기서는 애노드와 캐소드 사이에 전류가 인가되지 않을 때까지이다.
다음에, 양성자 교환막을 가로지르는 양성자의 전류를 생성하기 위해 애노드와 캐소드 사이에 전류가 생성된다.
애노드(5)를 캐소드(6)에 연결하는 전기적 전력 공급장치(16)에 의해 인가된 전류(I)를 아는 경우, 그러한 양성자 유동은 이하의 식(수학적 처리 3)에 의해 산출될 것이다:
Figure pct00026
여기서, N A 는 아보가드로수 6.023 xl0 23 mol -1
e - 은 단위 전하량 1.6 x 10 19 C
또한, 캐소드에서의 양성자 감소(2H + +2e - → H 2 )에 따라, 생성된 추가의 다량의 수소가 캐소드(각각 애노드에서 소비된)의 출구에서의 수화 수소의 유동에 부가되며, 이때 그 수화 수소의 유동은 이하의 식에 의해 그 보내진 전류로부터 산출될 것이다:
Figure pct00027
=
Figure pct00028
(수학적 처리 4)
다음에, 상기 방법은 이하의 식에 의해 캐소드의 출구에서의 총 수소 유동을 산출하는 단계를 포함한다:
Figure pct00029
=
Figure pct00030
+
Figure pct00031
(수학적 처리 5)
다음에, 상기 방법은 캐소드의 출구에서의 물 유동(
Figure pct00032
)을 산출하는 단계를 포함한다(수학적 처리 6).
실제로, 양성자가 양성자 교환막을 가로지를 때, 그 양성자에 의해 물이 제1구획에서 제2구획으로 이끌어지고, 이에 따라 그 입구에서 출구로 길이방향을 따라 제2구획으로 이동할 때 그 상대습도 값이 증가할 것이다.
시스템이 다시 평형상태 모드에 도달하도록 애노드와 캐소드간 전류가 충분히 오랜 기간 동안 유지되어야 한다.
다음에, 전류가 있을 때의 평형상태에서의 상대습도(
Figure pct00033
)의 값은 이하의 식에 의해 제2구획의 출구에서의 물 유동(
Figure pct00034
)이 산출될 수 있게 한다:
Figure pct00035
다음에, 상기 방법은 전류가 애노드와 캐소드간 생성될 때 제1구획에서 제2구획으로 양성자 교환막을 가로지르는 총 물 유동(φ total )을 이하의 식에 의해 산출하는 단계를 포함한다:
φ total =
Figure pct00036
-
Figure pct00037
(수학적 처리 7)
다음에, 본 발명에 따른 상기 방법은 바람직하게 각 구획의 양성자 교환막의 각 표면간 국소적인 물 농도 구배의 존재에 의해, 제1 및 제2구획에서의 가스 이동의 제한에 의해, 그리고 전극의 존재에 의해 제2구획에서 제1구획으로 가로지르는 역확산 유동을 산출하는 단계를 포함한다.
이러한 역확산 유동을 산출하기 위해, 본 발명에 방법은 애노드와 캐소드간 전류를 정지하는 단계 및 전류가 차단되는 순간에 시간의 함수로서 캐소드의 출구에서의 상대습도(
Figure pct00038
)의 변화를 측정하는 단계를 제안하고 있다.
다음에, 이러한 상대습도((
Figure pct00039
))는 물 유동으로 변환된다.
도 6은 시간의 함수로서 물 유동 변화를 나타낸다. 다음에, 이러한 커브는 보간된다. 실제로, 이러한 커브와 가장 유사한 식
Figure pct00040
의 함수를 조사한다. 이때 그러한 역확산 유동(φ backdiffusion )은 최고의 시간상수 T1 또는 T2와 관련된 계수 λ1 또는 λ2와 유사하다.
다음에, 상기 방법은 이하의 식(수학적 처리 9)에 의해 전기삼투 유동(φ electroosmosis )을 산출하는 단계를 포함한다.
φ electroosmosis = φ total + φ backdiffusion
마지막으로, 본 발명에 따른 상기 방법은 이하의 식(수학적 처리 10)에 의해 전기삼투 전송계수(K drag )를 산출하는 단계를 포함한다:
Figure pct00041
앞서 기술한 바와 같은 방법은 전지에서의 상대습도의 함수로서 전기삼투 전송계수의 변화를 확인할 수 있도록 상대습도를 나타내는 수화 수소의 유동을 제2구획의 입구로 보냄으로써 수행될 것이다. 25℃의 온도에서 다양한 상대습도 값에 대한 계수에 의해 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 결과들이 도 6에 주어져 있다.
또한, 측정된 흡착 등온선을 이용함으로써, 전지에서의 상대습도 및 양성자 교환막에서의 수량간 관계를 나타내는 것은 본 발명에 따른 방법에 의해 그러한 수량 및 온도의 함수로서 전기삼투 전송계수(K)를 알 수 있게 한다. 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 결과들이 도 7에 나타나 있다.
물론, 본 발명은 도면과 연관시켜 기술한 실시예들로 한정하지 않고 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능하다.
예컨대, 비-평행육면체의 양성자 교환막이 사용될 수 있다. 예컨대, 도 9 및 10은 본 발명을 실시하는 장치를 나타내며, 그 양성자 교환막(1)은 원통형의 종방향 섹션을 나타낸다. 이러한 실시예에서, 제1구획(39) 및 제2구획(40)은 그 양성자 교환막의 양측으로 확장한다. 상기 제1구획은 제2구획과 같이 원통형의 종방향 섹션을 제공한다. 상기 제1구획(39)은 링 형상(횡단면)의 입구(41) 및 출구(43)를 포함한다. 상기 제1구획의 입구는 제1구획의 주위에 위치한다. 상기 제1구획의 출구(43)는 제1구획의 중심 레벨에 위치한다. 상기 제2구획은 제1구획의 출구(43)에 대면하여 위치된 입구(44) 및 제1구획의 입구(41) 중 어느 하나에 각각 대면하여 위치된 링 형상의 출구(42)를 포함한다. 따라서, 앞선 실시예에서와 같이, 그러한 수화 가스의 유동은 서로 대향하여 2개의 구획을 가로지른다.

Claims (15)

  1. 양성자 교환막(1)의 전기삼투 전송계수(K)를 결정하는 방법으로서,
    상기 양성자 교환막(1)은 제1구획(2)과 제2구획(3) 사이에 배치되고, 상기 각각의 제1 및 제2구획(2,3)은 양성자 교환막(1)의 양측으로 확장하고, 상기 각각의 제1 및 제2구획은 입구(10, 11) 및 출구(12, 13)를 제공하고, 상기 제1구획(2)의 입구(10)는 상기 제2구획(3)의 출구(13)에 대면하여 위치되거나 그와 반대로 위치되며,
    상기 방법은:
    (i) 상기 각각의 제1 및 제2구획(2, 3)에서 수화 가스(14, 15)의 유동을 생성하는 단계로서, 상기 제1구획에서의 수화 가스의 유동은 수화 수소의 유동이고, 상기 수화 가스의 유동은 상기 각각의 구획에서 상기 입구에서 출구로 지향되고, 연속하는 동작에 있어서, 상기 구획들 중 적어도 어느 하나의 입구에서의 상대습도가 상기 구획들 중 다른 어느 하나의 출구에서의 상대습도와 동일해지도록 상기 각각의 구획에서 수화 가스의 유동이 제어되는 단계;
    (ii) 상기 제2구획(3)의 방향으로 상기 제1구획(2)의 양성자 교환막(1)을 통과하는 양전류를 생성하는 단계;
    (iii) 연속하는 동작에 있어서, 상기 제2구획의 출구에서 적어도 하나의 수량(quantity of water)의 측정을 이용하여, 상기 제1구획(2)에서 상기 제2구획(3)의 방향으로 상기 양성자 교환막(1)을 가로지르는 총 물 유동(φ total )을 결정하는 단계;
    (iv) 상기 총 물 유동(φ total )으로부터 상기 전기삼투 전송계수(K)를 산출하는 단계를 포함하는 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 결정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 구획에서의 수화 가스의 유동 또한 연속하는 동작에 있어서 상대습도가 상기 각 구획의 입구와 출구간 거의 동일해지록 제어되는 것을 특징으로 하는 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 결정 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 각 구획을 가로지르는 수화 가스(14, 15)의 유동은 상기 양성자 교환막(1)을 가로지르는 양성자 및 물의 유동보다 큰 10배 내지 2000배 사이인 것을 특징으로 하는 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 결정 방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 (i)는:
    단일의 수소의 유동이 구획을 가로지르도록 구획들 중 어느 한 구획(3)의 입구(11)로 단일의 수화 수소의 유동을 보내는 단계;
    상기 구획의 출구(13)에서 상기 단일의 수화 수소의 유동을 회복하는 단계; 및
    상기 구획들 중 다른 어느 한 구획(2)의 입구(10)로 상기 회복된 단일의 수화 수소의 유동을 보내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 결정 방법.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    제2구획의 출구에서의 수량의 측정은 제2구획의 출구에서의 상대습도의 측정인 것을 특징으로 하는 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 결정 방법.
  6. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 (i)는:
    제1구획의 입구에서의 상대습도(
    Figure pct00042
    )가 제2구획의 출구에서의 상대습도(
    Figure pct00043
    )와 동일해지도록 제1구획(2)의 입구(10)로 수화 수소의 유동을 보내는 단계; 및
    제2구획의 입구에서의 상대습도(
    Figure pct00044
    )가 제1구획의 출구에서의 상대습도(
    Figure pct00045
    )와 동일해지도록 제2구획의 입구로 수화 가스의 유동을 보내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 결정 방법.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    제2구획의 출구에서의 수량의 측정은 제2구획의 출구에서의 물 중량의 측정인 것을 특징으로 하는 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 결정 방법.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 (iii)는:
    구획들 중 어느 하나의 입구에서 보내진 물 유동(
    Figure pct00046
    )을 산출하는 단계;
    상기 구획의 출구에서 상대습도(
    Figure pct00047
    )를 측정하는 단계;
    상기 구획의 출구에서 물 유동(
    Figure pct00048
    )을 산출하는 단계;
    상기 구획의 입구 및 출구에서의 물 유동간 차( φ total =
    Figure pct00049
    -
    Figure pct00050
    )를 산출함으로써 양성자 교환막(1)을 가로지른 총 물 유동을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 결정 방법.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (iv) 동안 총 물 유동(φ total )은 전기삼투 유동(φ electroosmosis )과 관련되는 것을 특징으로 하는 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 결정 방법.
  10. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (iv)는:
    (v) 제2구획(3)에서 제1구획(2)으로 양성자 교환막(1)을 가로지르는 역확산 유동(back diffusion flux; φ backdiffusion )을 산출하는 단계; 및
    (vi) 총 물 유동과 역확산 물 유동의 합(φ total +φ backdiffusion )으로부터 전기삼투 유동(φ electroosmosis )을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 결정 방법.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (v)는:
    양성자 교환막을 통과하는 양전류를 정지시키는 단계;
    시간의 함수로서 제2구획의 출구에서의 상대습도(
    Figure pct00051
    )의 변화의 커브 표시를 기록하는 단계;
    시간의 함수로서 제2구획의 출구에서의 물 유동의 변화의 커브 표시를 산출하는 단계;
    시간의 함수로서 제2구획의 출구에서의 물 유동의 변화의 커브 표시를 보간함으로써 역확산 유동(φ backdiffusion )을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 결정 방법.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    보간에 의해 역확산 유동을 산출하는 단계는:
    시간의 함수로서 제2구획의 출구에서의 물 유동의 변화의 커브 표시와 가장 유사한 식
    Figure pct00052
    의 함수를 조사하는 단계;
    최고의 시간상수 T1 또는 T2와 관련된 계수 λ1 또는 λ2로 역확산 유동을 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 결정 방법.
  13. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 따른 방법을 이용하여 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수를 결정하는 장치로서,
    상기 장치는, 제1 및 제2구획(2, 3), 적어도 하나의 수화 가스 공급장치(8, 21, 28), 전력 공급장치(16), 수량 측정수단(23), 유량 측정 및 제어수단(19, 26), 및 컴퓨터를 포함하며,
    상기 제1 및 제2구획(2, 3)은 양성자 교환막(1)의 양측으로 확장하고, 상기 각각의 제1 및 제2구획은 입구(10, 11) 및 출구(12, 13)를 포함하고, 제1구획(2)의 입구(10)는 제2구획(3)의 출구(13)로부터 대향하여 위치되거나 그와 반대로 위치되고,
    상기 적어도 하나의 수화 가스 공급장치(8, 21, 28)는 수화 수소의 유동을 제1구획(2)의 입구(10)로 그리고 수화 가스의 유동을 제2구획(3)의 입구(11)로 보낼 수 있고,
    상기 전력 공급장치(16)는 제1구획(2)에서 제2구획(3)까지 양성자 교환막(1)을 가로지르는 양전류를 생성할 수 있고,
    상기 수량 측정수단은 제2구획의 출구에서 수량을 측정하고,
    상기 유량 측정 및 제어수단(19, 26)은 제2구획의 입구에서 수화 가스 공급장치의 유량을 측정 및 제어하며,
    상기 컴퓨터는 청구항 1 내지 12항 중 어느 한 항에 따른 방법의 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 결정장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    제1구획의 입구에 제2구획의 출구를 연결하는 루핑 시스템(38)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 결정장치.
  15. 청구항 13 또는 14에 있어서,
    양성자 교환막은 길이방향을 따라 확장하는 것을 특징으로 하는 양성자 교환막의 전기삼투 전송계수 결정장치.
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