KR20190125759A - Quantification method of ion conductivity and apparatus thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이온 전도성 정량 평가 방법 및 평가 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an ion conductivity quantitative evaluation method and evaluation apparatus.
고분자 전해질 막을 사용하는 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte fuel cell, PEFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮고, 효율이 높으며，전류밀도 및 출력밀도가 크고, 시동 시간이 짧은 동시에 부하변화에 따른 응답이 빠르다는 특징을 가진다. 특히, 상기 고분자 전해질 연료전지는 고분자 전해질막을 사용하기 때문에 부식의 염려가 적고, 전해질의 조절이 필요 없으며 반응기체의 압력 변화에도 다른 연료전지에 비하여 비교적 영향을 적게 받을 수 있다.Polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) using polymer electrolyte membranes have lower operating temperatures, higher efficiency, higher current density and higher power density, and shorter startup time than other types of fuel cells. The response is fast. In particular, since the polymer electrolyte fuel cell uses a polymer electrolyte membrane, there is little concern about corrosion, and there is no need to control the electrolyte, and the pressure change of the reactor may be relatively less affected than other fuel cells.
상기 고분자 전해질 막은 이온 전도성(Ion conductivity)이 높으면서도 기계적인 강도를 높아야 하고, 기체 투과도가 낮아야 하는 물성을 필요로 한다. 이와 같이 고분자 전해질 막에서 중요한 물성인 이온 전도성은, 고분자 전해질 막을 구성하는 고분자와 개질에 따른 기능기들에 의해 쉽게 측정이 불가능하여, 일반적으로 실험을 통해 쉽게 측정되기 어렵다. 이에, 다양한 변수를 고려한 분자동역학 시뮬레이션에 기반하여 측정하고자 하는 시도가 계속되고 있다.The polymer electrolyte membrane needs to have high ionic conductivity and high mechanical strength, and low physical permeability. As such, the ionic conductivity, which is an important physical property in the polymer electrolyte membrane, cannot be easily measured by the polymers constituting the polymer electrolyte membrane and the functional groups according to the modification, and thus, it is generally difficult to measure through the experiment. Accordingly, attempts to measure based on molecular dynamics simulations considering various variables continue.
종래에는 온도와 체적이 일정한 상태로 고분자의 구조 및 원자 구성이 변하는 분자동역학 시뮬레이션 시스템 내에서, 양전하를 띈 이온의 이동 거리 값을 통해 이온 전도성을 측정하였다. 그러나 분자동역학 시뮬레이션의 특성상 양전하를 띈 이온이 음전하를 띈 원자에 소정의 거리 이내에서 이동이 가능한 상태라고 하여도, 일정 거리의 값을 갖는 진동을 하고, 고분자 전해질 막의 경우 분자동역학 시뮬레이션 내에서 양전하를 띈 이온이 활발하게 이동할 수 없다는 한계점으로 인해 측정된 이온 전도성 값에 오차가 발생될 수 있다는 문제점이 존재한다.Conventionally, ion conductivity was measured through a moving distance value of positively charged ions in a molecular dynamics simulation system in which a polymer's structure and atomic composition change at a constant temperature and volume. However, even if the positively charged ions are able to move within a certain distance to the negatively charged atom, the molecular dynamics simulation vibrates with a certain distance, and in the case of the polymer electrolyte membrane, positive charges are generated within the molecular dynamics simulation. There is a problem that an error may occur in the measured ion conductivity value due to the limitation that the ion cannot move actively.
한편, 고분자 전해질 막에서의 이온의 전도는, 전해질 막을 이루는 고분자 화합물의 골격, 예를 들면 측쇄(side chain) 등에 존재하는 음전하와 같은 특정 전하로 대전되어 존재하는 원자와, 상기 고분자 화합물의 외부에 그 반대 전하로 대전되어 존재하는 이온이 소정의 거리 내에서 구속되는 상태(이하, “흡착”이라고도 함) 및 이러한 구속 상태로부터 벗어나서 이동이 가능하게 되는 상태(이하, “탈리”라고도 함)의 과정을 통해 일어나는 것인데, 단순히 이온의 확산 계수 값 등을 이용하여 전해질 막의 이온 전도성을 평가하는 방법은 상기와 같은 흡착 및 탈리 과정을 충분히 반영할 수 없다는 한계점이 존재한다.On the other hand, conduction of ions in the polymer electrolyte membrane includes atoms that are charged and present with specific charges such as negative charges present in the skeleton of the polymer compound constituting the electrolyte membrane, for example, side chains, and the outside of the polymer compound. The process of a state in which ions charged by the opposite electric charge are confined within a predetermined distance (hereinafter referred to as "adsorption") and a state in which the movement away from this confinement state becomes possible (hereinafter referred to as "tally"). In this case, the method of evaluating the ion conductivity of the electrolyte membrane by simply using the diffusion coefficient value of the ion and the like does not sufficiently reflect the above adsorption and desorption processes.
따라서 분자동역학 시뮬레이션을 통해 고분자 전해질 막에서 보다 정확도가 높은 이온 전도성을 정량적으로 평가할 수 있는 방법의 개발이 시급한 실정이다.Therefore, it is urgent to develop a method for quantitatively evaluating more accurate ion conductivity in a polymer electrolyte membrane through molecular dynamics simulation.
본 발명은 고분자 전해질 막에서의 이온/원자 간의 흡착 및 탈리 과정을 반영하여 보다 정확한 이온 전도성 값을 산출할 수 있는 전도성 정량 평가 방법을 제공한다.The present invention provides a method for quantitatively conducting conductivity that can calculate more accurate ion conductivity values by reflecting adsorption and desorption processes between ions / atoms in the polymer electrolyte membrane.
또한 본 발명은 상기와 같은 방법을 구현하는 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 장치를 제공한다.The present invention also provides an apparatus for quantitative evaluation of ion conductivity of an electrolyte membrane implementing the above method.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 고분자 전해질 막을 구성하는 고분자와, 상기 전해질 막의 개질에 의해 발생되는 오차를 최소화시키기 위하여, 고분자 전해질 막의 표면에 존재하는 대상 원자와 양전하를 띄는 대응 이온 간의 흡착/탈리 과정을 반영하여 이온 전도성을 판단 함으로써, 정확도가 높은 고분자 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 방법 및 장치를 개발하게 되었다.In order to solve the above problems, the present inventors adsorbed between the polymer constituting the polymer electrolyte membrane and the target atoms present on the surface of the polymer electrolyte membrane and corresponding positively charged ions in order to minimize the error caused by the modification of the electrolyte membrane. By determining the ion conductivity by reflecting the desorption process, the method and apparatus for quantitative evaluation of ion conductivity of a polymer electrolyte membrane with high accuracy have been developed.
본 명세서에서 "흡착"이란, 상기 전해질 막의 표면에 존재하는 대상 원자로부터, 상기 대상 원자와 반대되는 전하를 띄는 대응 이온이 소정의 거리 내에서 구속되는 상태를 의미한다. 또한, 본 명세서에서 “탈리”란, 상기 전해질 막의 표면에 존재하는 대상 원자로부터, 상기 대상 원자와 반대되는 전하를 띄는 대응 이온이 구속되는 상태를 벗어나 자유롭게 이동 가능한 상태를 의미한다.As used herein, the term "adsorption" means a state in which corresponding ions having charges opposite to the target atoms are confined within a predetermined distance from the target atoms present on the surface of the electrolyte membrane. In addition, in the present specification, “detachment” means a state in which a corresponding ion having a charge opposite to the target atom is freely moved from the target atom present on the surface of the electrolyte membrane.
본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 방법은 전해질 막의 표면에 전하를 띄면서 존재하는 대상 원자와, 상기 전해질 막의 외부에 상기 대상 원자와 반대되는 전하를 띄면서 존재하는 대응 이온 간의 이격 거리를 결정하는 단계, 미리 결정된 기준 거리와 상기 이격 거리를 비교하는 단계, 상기 이격 거리가 상기 기준 거리를 초과하였는지 여부를 판단하는 단계, 상기 기준 거리를 초과한 경우, 상기 이격 거리가 미리 설정된 컷오프 거리 이내인지 여부를 판단하는 단계, 및 상기 이격 거리가 상기 컷오프 거리 이내인 경우의 상기 대응 이온의 수를 합산하는 단계를 포함한다.According to an exemplary embodiment of the present invention, a method for quantitatively measuring ion conductivity of an electrolyte membrane is performed between a target atom existing on the surface of the electrolyte membrane with a charge and a corresponding ion existing on the outside of the electrolyte membrane with a charge opposite to the target atom. Determining a separation distance, comparing a predetermined reference distance with the separation distance, determining whether the separation distance exceeds the reference distance, and when the separation distance is exceeded, the separation distance is preset Determining whether it is within a cutoff distance, and summing the number of corresponding ions when the separation distance is within the cutoff distance.
상기 이격 거리는 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 시간 프레임에서 상기 대상 원자와 상기 대응 이온의 위치 정보를 통해 산출된 것일 수 있다.The separation distance may be calculated by using position information of the target atom and the corresponding ion in a time frame using molecular dynamics simulation.
상기 대상 원자는 음전하를 띄고, 상기 대응 이온은 양전하를 띄는 것일 수 있다.The target atom may be negatively charged, and the corresponding ion may be positively charged.
상기 대상 원자는 음전하를 띄는 황 원자이고, 상기 대응 이온은 하이드로늄 이온인 것일 수 있다.The target atom may be a negatively charged sulfur atom, and the corresponding ion may be hydronium ion.
상기 기준 거리는 상기 대상 원자와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리인 것일 수 있다.The reference distance may be a van der Waals distance between the target atom and the corresponding ion.
상기 기준 거리는 상기 대상 원자와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리와, 상기 대상 원자 및 상기 대응 이온의 각각의 진동 거리의 합인 것일 수 있다.The reference distance may be a sum of van der Waals distances between the target atom and the corresponding ion, and vibration distances of the target atom and the corresponding ion, respectively.
상기 컷오프 거리는 상기 전해질 막에서 상기 대상 원자 및 상기 대상 원자와 동일한 전하를 띄면서 존재하는 동종의 다른 원자 간의 거리인 것일 수 있다.The cutoff distance may be a distance between the target atom and other atoms of the same kind present at the same charge as the target atom in the electrolyte membrane.
상기 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 방법은 일정한 시간 프레임에서 얻어진 상기 합산된 대응 이온의 개수의 누적된 수치를, 측정 구간의 시간으로 나눔으로써 시간당 유효 전도성 이온의 개수의 값을 산출하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.The method for quantitative evaluation of ion conductivity of the electrolyte membrane further includes calculating a value of the number of effective conductive ions per hour by dividing the accumulated value of the sum of the corresponding corresponding ions obtained in a certain time frame by the time of the measurement interval. It may be.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 장치는 전해질 막의 표면에 전하를 띄면서 존재하는 상기 대상 원자와, 상기 전해질 막의 외부에 상기 대상 원자와 반대되는 전하를 띄면서 존재하는 대응 이온 간의 이격 거리를 결정하는 거리 결정 모듈, 미리 설정된 기준 거리와 상기 이격 거리를 비교하는 거리 비교 모듈, 상기 이격 거리가 상기 기준 거리를 초과하였는지 여부를 판단하는 제1 거리 판단 모듈, 상기 기준 거리 초과한 경우, 상기 이격 거리가 미리 설정된 컷오프 거리 이내인지 여부를 판단하는 제2 거리 판단 모듈, 및 상기 이격 거리가 상기 컷오프 거리 이내인 경우의 상기 대응 이온의 수를 합산하는 합산 모듈을 포함한다.According to another exemplary embodiment of the present invention, an apparatus for quantitatively assessing an ion conductivity of an electrolyte membrane includes the target atoms that are present on the surface of the electrolyte membrane and the corresponding ions that are present on the outside of the electrolyte membrane with charges opposite to the target atoms. Distance determination module for determining the separation distance between the distance comparison module for comparing the predetermined distance and a predetermined reference distance, A first distance determination module for determining whether the separation distance exceeds the reference distance, Exceeding the reference distance The second distance determining module may determine whether the separation distance is within a preset cutoff distance, and a summing module that adds up the number of corresponding ions when the separation distance is within the cutoff distance.
상기 거리 결정모듈은, 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 시간 프레임에서 상기 대상 원자와 상기 대응 이온의 위치 정보를 통해 상기 이격 거리를 산출하는 것일 수 있다.The distance determining module may calculate the separation distance based on the positional information of the target atom and the corresponding ion in a time frame using molecular dynamics simulation.
상기 대상 원자는 음전하를 띄고, 상기 대응 이온은 양전하를 띄는 것일 수 있다.The target atom may be negatively charged, and the corresponding ion may be positively charged.
상기 대상 원자는 음전하를 띄는 황 원자이고, 상기 대응 이온은 하이드로늄 이온인 것일 수 있다.The target atom may be a negatively charged sulfur atom, and the corresponding ion may be hydronium ion.
상기 기준 거리는 상기 대상 원자와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리인 것일 수 있다.The reference distance may be a van der Waals distance between the target atom and the corresponding ion.
상기 기준 거리는, 상기 대상 원자와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리와, 상기 대상 원자 및 상기 대응 이온의 각각의 진동 거리의 합인 것일 수 있다.The reference distance may be a sum of van der Waals distances between the target atom and the corresponding ion, and vibration distances of the target atom and the corresponding ion, respectively.
상기 컷오프 거리는, 상기 전해질 막에서 상기 대상 원자 및 상기 대상 원자와 동일한 전하를 띄면서 존재하는 동종의 다른 원자 간의 거리인 것일 수 있다.The cutoff distance may be a distance between the target atom and other atoms of the same kind present at the same charge as the target atom in the electrolyte membrane.
상기 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 장치는 일정한 시간 프레임에서 얻어진 상기 합산된 대응 이온의 개수의 누적된 수치를, 측정 구간의 시간으로 나눔으로써 시간당 유효 전도성 이온의 개수의 값을 산출하는 산출 모듈을 더 포함하는 것일 수 있다.The ion conductivity quantitative evaluation apparatus of the electrolyte membrane further includes a calculation module for calculating a value of the number of effective conductive ions per hour by dividing the accumulated value of the sum of the corresponding corresponding ions obtained in a certain time frame by the time of the measurement section. It may be.
본 발명에 따른 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 방법 및 장치는 분자동역학 시뮬레이션을 기반으로 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 존재하는 대상 원자와 대응 이온 간의 흡착/탈리 과정을 반영하여 시간당 탈리 상태로 존재하는 대응 이온의 개수를 측정함으로써, 종래 확산 계수를 이용하여 이온 전도성을 측정하는 방법에 비해 보다 정확한 정량적인 이온 전도성의 값을 얻을 수 있다.The method and apparatus for quantitative evaluation of ion conductivity of an electrolyte membrane according to the present invention reflects the adsorption / desorption process between target atoms and corresponding ions in the skeleton of the polymer constituting the electrolyte membrane based on molecular dynamics simulations, and the corresponding ions present in the desorption state per hour By measuring the number of, it is possible to obtain a more accurate quantitative value of the ion conductivity compared to the method of measuring the ion conductivity using a conventional diffusion coefficient.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 방법을 도시한 흐름도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막의 분자동역학 시뮬레이션을 모식도로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자동역학 시뮬레이션 내에 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 존재하는 대상 원자와 상기 고분자의 외부에 존재하는 대응 이온의 상태를 모식도로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 대상 원자와, 대상 원자와 동일한 전하를 띄면서 존재하는 동종의 다른 원자 간의 거리를 측정한 동경 분포 함수 그래프를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막을 구성하는 고분자의 일 단위체의 모식도를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막의 이온 전도성을 그래프로 나타낸 것이다.
도 9 및 도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 장치를 구성하는 블록 구성도를 나타낸 것이다.1 to 3 show a flowchart illustrating a method for quantitatively measuring ion conductivity of an electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows a schematic diagram of the molecular dynamics simulation of the electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing states of target atoms present in a skeleton of a polymer forming an electrolyte membrane and corresponding ions existing outside of the polymer in a molecular dynamics simulation according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 illustrates a graph of a diameter distribution function measured by measuring a distance between the target atom and another atom of the same kind present while having the same charge as the target atom according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows a schematic diagram of one unit of the polymer constituting the electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing the ion conductivity of the electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.
9 and 10 are block diagrams constituting an apparatus for quantitative evaluation of ion conductivity of an electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 방법을 제공한다.The present invention provides a method for quantitative evaluation of ion conductivity of an electrolyte membrane.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 방법을 도시한 흐름도로, 이하 이온 전도성 정량 평가 방법의 각 단계를 구체적으로 설명한다.1 is a flowchart illustrating a method for quantitatively measuring ion conductivity of an electrolyte membrane according to an exemplary embodiment of the present invention. Hereinafter, each step of the method for quantitatively measuring ion conductivity will be described in detail.
S110 단계에서는 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 대상 원자와, 상기 고분자의 외부에 상기 대상 원자와 반대되는 전하를 띄면서 존재하는 대응 이온 간의 이격 거리를 결정한다.In step S110, the separation distance between the target atom existing while charging the skeleton of the polymer constituting the electrolyte membrane and the corresponding ion present while having a charge opposite to the target atom outside the polymer is determined.
상기 전해질 막은 연료 전지 내에서 산화극과 환원극을 물리적으로 분리할 뿐만 아니라, 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 대상 원자를 포함함으로써, 산화극에서 생성된 양전하를 띈 이온이 환원극으로 전달될 수 있도록 유도하는 통로 역할을 수행할 수 있다.The electrolyte membrane not only physically separates the anode and the cathode in the fuel cell, but also includes a target atom present while being charged on the skeleton of the polymer forming the electrolyte membrane, thereby reducing the positively charged ions generated in the anode. It can act as a passageway leading to delivery to the pole.
상기 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 대상 원자는 전해질 고분자에서 음으로 대전된 관능기 중의 특정 원자일 수 있으며, 예를 들어 상기 대상 원자는 음전하를 띄는 황 원자일 수 있다. 보다 구체적으로, 나피온(Nafion)계 고분자 전해질 막을 이루는 고분자의 골격, 예를 들면 고분자의 측쇄(side chain)에 존재하는 술포네이트기(-SO3 -)에서의 황 원자일 수 있다. 한편, 상기 고분자의 외부에 상기 대상 원자와 반대되는 전하를 띄면서 존재하는 대응 이온은 양전하를 띄는 것일 수 있으며, 예를 들어 상기 대응 이온은 양전하를 띄는 하이드로늄(H3O+) 이온일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 나피온계 고분자의 외부에 존재하는 하이드로늄 일 수 있다.The target atom present while being charged in the skeleton of the polymer forming the electrolyte membrane may be a specific atom of a functional group that is negatively charged in the electrolyte polymer, for example, the target atom may be a sulfur atom having a negative charge. More specifically, it may be a sulfur atom in the skeleton of the polymer constituting the Nafion-based polymer electrolyte membrane, for example, a sulfonate group (-SO 3 − ) present in the side chain of the polymer. On the other hand, the corresponding ions that are present on the outside of the polymer with a charge opposite to the target atom may be a positive charge, for example, the corresponding ions may be a positively charged hydronium (H 3 O + ) ion have. More specifically, it may be hydronium existing outside the Nafion-based polymer.
도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 구체적인 실시예에서는 분자동역학 시뮬레이션을 구현하기 위하여, 전해질 막을 나피온(Nafion) 고분자로 모델링함으로써, 상기 대상 원자는 나피온 고분자의 측쇄에 존재하는 술포네이트기(음전하)의 황 원자가 될 수 있도록 하였다. 또한, 상기 전해질 막은 수화도(hydration number, λ)가 3이 되도록 하이드로늄 이온과 물을 채웠다. 이와 같은 과정을 통해, 상기 대상 원자와 반대되는 전하를 띄면서 상기 나피온 고분자의 외부에 존재하는 대응 이온은 하이드로늄 이온이 될 수 있도록 하였다.As shown in FIG. 4, in a specific embodiment of the present invention, in order to implement a molecular dynamics simulation, the electrolyte membrane is modeled as a Nafion polymer, whereby the target atom is a sulfonate group present in the side chain of the Nafion polymer ( To become a sulfur atom of negative charge). In addition, the electrolyte membrane was filled with hydronium ions and water such that a hydration number (λ) of 3 was obtained. Through this process, the corresponding ions existing on the outside of the Nafion polymer while having a charge opposite to the target atom may be hydronium ions.
상기 이격 거리는 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 시간 프레임(단위 시간)마다 상기 대상 원자와 상기 대응 이온의 위치 정보를 통해 산출될 수 있다.The separation distance may be calculated through positional information of the target atom and the corresponding ion in each time frame (unit time) using molecular dynamics simulation.
상기 분자동역학 시뮬레이션을 이용하는 경우, 시간에 따른 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 존재하는 상기 대상 원자 및 상기 고분자의 외부에 존재하는 대응 이온의 위치에 해당하는 값이 각각 산출될 수 있다. 이에 상기 분자동역학 시뮬레이션을 통해 산출된 상기 대상 원자 및 상기 대응 이온의 각각의 위치 값을 이용하여, 상기 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 존재하는 대상 원자를 기준으로, 상기 고분자의 외부에 존재하는 대응 이온과의 이격 거리가 결정될 수 있다.In the case of using the molecular dynamics simulation, values corresponding to positions of the target atoms present in the skeleton of the polymer forming the electrolyte membrane and corresponding ions existing outside of the polymer may be calculated over time. Accordingly, by using the position values of the target atoms and the corresponding ions calculated through the molecular dynamics simulation, the corresponding ions existing on the outside of the polymer based on the target atoms present in the skeleton of the polymer forming the electrolyte membrane. The separation distance from can be determined.
S120 단계에서는 상기 이온 전도성 정량 평가 방법은 미리 결정된 기준 거리와 상기 이격 거리를 비교한다.In step S120, the ion conductivity quantitative evaluation method compares a predetermined reference distance with the separation distance.
상기 기준 거리는 상기 대상 원자와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리일 수 있다. 상기 반데르발스 거리는 양자시뮬레이션 상에서 상기 대상 원자로부터 상기 대응 이온이 소정의 거리 내에서 구속되는 상태로 존재할 때, 상기 대상 원자와 상기 대응 이온의 결합 에너지가 가장 낮은 안정한 상태일 때의 거리를 의미한다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 양자시뮬레이션(CASTEP 기반)의 GGA-PBE 함수를 이용하여, 상기 대상 원자가 음전하를 띄는 황 원자이고, 상기 대응 이온이 양전하를 띄는 하이드로늄 이온일 경우, 3.3 Å 값에 해당하는 기준 거리를 구할 수 있었다.The reference distance may be a van der Waals distance between the target atom and the corresponding ion. The van der Waals distance means a distance when the binding energy between the target atom and the corresponding ion is at a stable state when the corresponding ion is confined within a predetermined distance from the target atom in quantum simulation. . According to a specific embodiment of the present invention, when the target atom is a negatively charged sulfur atom and the corresponding ion is a positively charged hydronium ion by using a GGA-PBE function of quantum simulation (CASTEP-based), the value corresponds to 3.3 kV. A reference distance was obtained.
상기 기준 거리는 상기 대상 원자와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리와, 상기 대상 원자 및 상기 대응 이온의 각각의 진동 거리의 합일 수 있다.The reference distance may be a sum of van der Waals distances between the target atom and the corresponding ion, and vibration distances of the target atom and the corresponding ion, respectively.
상기 대상 원자로부터 상기 대응 이온이 소정의 거리 내에서 구속되는 상태에 존재하는 경우, 상기 대상 원자와 대응 이온은 보다 안정된 거리에 위치하기 위하여 끊임없이 진동을 하고 있다. 따라서, 상기 대상 원자 및 상기 대응 이온의 각각의 진동 거리와 기준 거리를 합하는 경우, 실제 대상 원자를 기준으로 기준 거리 내에서 멀리 벗어나지 못하고 단순히 진동 하고 있는 상태의 대응 이온이 대상 원자로부터 구속되는 상태를 벗어나 자유롭게 이동 가능한 상태, 즉 탈리 상태로 판단되지 않도록 함으로써 측정되는 이온 전도성 값의 오차 발생 정도를 현저하게 감소시킬 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 상기 대상 원자가 음전하를 띄는 황 원자이고, 상기 대응 이온이 양전하를 띄는 하이드로늄 이온일 경우, 3.3 Å 의 기준 거리 값에 상기 황 원자 및 하이드로늄 이온의 진동 거리에 해당하는 0.1 Å의 값을 각각 더하여 3.5 Å 값에 해당하는 기준 거리를 구할 수 있었다.When the corresponding ion is in a state in which the corresponding ion is confined within a predetermined distance, the target atom and the corresponding ion constantly vibrate to be located at a more stable distance. Therefore, when the vibration distances and the reference distances of the target atoms and the corresponding ions are summed together, the states in which the corresponding ions in the state of simply vibrating are not confined within the reference distance with respect to the actual target atoms but are constrained from the target atoms. It is possible to remarkably reduce the occurrence of error in the measured ion conductivity value by not judging as being freely moveable, i.e., detached. According to a specific embodiment of the present invention, when the target atom is a negatively charged sulfur atom and the corresponding ion is a positively charged hydronium ion, the reference distance value of 3.3 하는 corresponds to the vibration distance of the sulfur atom and the hydronium ion. The reference distance corresponding to the value of 3.5 수 was obtained by adding 0.1 Å each.
S130 단계에서는 상기 이격 거리가 상기 기준 거리를 초과하였는지 여부를 판단한다.In step S130, it is determined whether the separation distance exceeds the reference distance.
도 5를 참조하면, 상기 전해질 막 이온 전도성 평가 방법에서 구현되는 상기 분자동역학 시뮬레이션 상에서 존재하는 대상 원자와 대응 이온은 흡착, 탈리 및 계산에서 제외되는 3가지의 상태로 구분되어 존재할 수 있다.Referring to FIG. 5, target atoms and corresponding ions present in the molecular dynamics simulation implemented in the electrolyte membrane ion conductivity evaluation method may be divided into three states excluded from adsorption, desorption, and calculation.
상기 이격 거리가 기준거리 초과 인지 여부를 판단함으로써, 상기 대상 원자에 대응 이온이 흡착 또는 탈리 상태로 존재하는지를 판단할 수 있다.By determining whether the separation distance is greater than the reference distance, it may be determined whether the corresponding ion exists in the adsorption or desorption state on the target atom.
상기 기준 거리는 상기 대상 원자와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리를 의미하는 바, 상기 이격 거리가 상기 기준 거리와 동일한 경우 상기 대상 원자에 상기 대응 이온이 흡착된 상태로 존재하고 있음을 의미할 수 있다. 반면, 상기 이격 거리가 상기 기준 거리를 초과하는 경우 대상 원자에 상기 대응 이온이 멀리 물리적으로 멀리 떨어져 자유로운 상태, 즉 탈리 상태로 존재하고 있음을 의미할 수 있다.The reference distance may mean a van der Waals distance between the target atom and the corresponding ion. When the separation distance is equal to the reference distance, the reference distance may mean that the corresponding ion is present in the state in which the corresponding ion is adsorbed. . On the other hand, when the separation distance exceeds the reference distance, it may mean that the corresponding ion is present in the target atom in a physically far away free state, that is, in a detached state.
S140 단계에서는 상기 기준 거리를 초과한 경우, 상기 이격 거리가 미리 설정된 컷오프 거리 이내인지 여부를 판단한다.In step S140, when the reference distance is exceeded, it is determined whether the separation distance is within a preset cutoff distance.
상기 컷오프 거리는 상기 전해질 막에서 상기 대상 원자 및 상기 대상 원자와 동일한 전하를 띄면서 존재하는 동종의 다른 원자 간의 거리를 의미한다.The cutoff distance means a distance between the target atom and other atoms of the same kind present in the electrolyte membrane with the same charge as the target atom.
상기 컷오프 거리는 분자동역학 시뮬레이션을 기반으로 이온 전도성의 정량적 평가 시 발생할 수 있는 오차를 감소시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 분자동역학 시뮬레이션은 전해질 막과 같은 밀도가 높고 거동이 매우 어려운 구조의 고분자가 시뮬레이션으로 구현되는 경우, 상기 대상 원자와 흡착 및 탈리 상태로 존재할 수 있는 대응 이온의 이동이 활발하게 구현되기 어려워 측정 값이 중복되거나, 측정의 대상이 되는 대상 원자와 무관한 대응 이온이 측정된다는 한계점이 존재한다. 이에, 상기 대상 원자가 상기 대응 이온을 흡착 및 탈리 시킬 수 있는 영향력을 미칠 수 있는 거리에 해당하는, 전해질 막에서 대상 원자 및 상기 대상 원자와 동일한 전하를 띄면서 존재하는 동종의 다른 원자 간의 거리를 컷오프 거리로 설정함으로써, 상기와 같이 측정값이 중복되지 않을 수 있다.The cutoff distance may reduce an error that may occur in the quantitative evaluation of ion conductivity based on molecular dynamics simulation. Specifically, in the molecular dynamics simulation, when a polymer having a high density and very difficult structure such as an electrolyte membrane is implemented in the simulation, movement of corresponding ions which may exist in the adsorption and desorption state with the target atom is actively implemented. There is a limitation that it is difficult to duplicate the measured values or to measure the corresponding ions irrelevant to the target atoms to be measured. Accordingly, the distance between the target atom and other atoms of the same kind present in the electrolyte membrane at the same charge as the target atom, which corresponds to a distance at which the target atom may have an influence to adsorb and desorb the corresponding ion, is cut off. By setting the distance, the measured values may not overlap as described above.
도 6에서 보는 바와 같이, 본 발명의 구체적인 실시예에서는 상기 분자동역학 시뮬레이션 상에서 존재하는 대상 원자인 음전하를 띄는 황 원자의 동경분포함수(Radial Distribution Function; RDF)를 근거로 하여, 첫 번째 상기 음전하를 띄는 대상 황 원자와 두 번째 상기 음전하를 띄는 대상 황 원자 간의 거리인 8 Å을 컷오프 거리로 결정하였다.As shown in FIG. 6, in a specific embodiment of the present invention, the first negative charge is calculated based on a radial distribution function (RDF) of a negatively charged sulfur atom, which is a target atom present in the molecular dynamics simulation. The cutoff distance was determined to be 8 kHz, the distance between the prominent target sulfur atom and the second negatively charged target sulfur atom.
S150 단계에서는 상기 이격 거리가 상기 컷오프 거리 이내인 경우의 상기 대응 이온의 수를 합산한다. 상기 컷오프 거리 이내에 해당하는 대응 이온의 수는 전해질 막에서 탈리 상태로 존재하는 이온의 수로, 측정된 상기 대응 이온의 수의 합은 이온 전도성에 비례할 수 있다.In step S150, the number of corresponding ions is added when the separation distance is within the cutoff distance. The number of corresponding ions within the cutoff distance is the number of ions present in the detached state in the electrolyte membrane, and the sum of the measured numbers of the corresponding ions may be proportional to the ion conductivity.
도 2를 참조하면, S160 단계는 일정한 시간 프레임에서 얻어진 상기 합산된 대응 이온의 개수의 누적된 수치를, 측정 구간의 시간으로 나눔으로써 시간당 유효 전도성 이온의 개수의 값을 산출하는 단계로서, 이러한 단계를 더 포함함으로써 이온 전도성을 정량적으로 평가한다.Referring to FIG. 2, step S160 is a step of calculating a value of the number of effective conductive ions per hour by dividing the accumulated value of the sum of the corresponding corresponding ions obtained in a certain time frame by the time of the measurement interval. By further including ionic quantitatively assess the conductivity.
상기 시간당 유효 전도성 이온의 개수는 특정한 시간(측정 구간의 시간) 동안 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 대상 원자에 대해 탈리 상태로 존재하는 대응 이온의 개수로, 단위 시간(예컨대, 1초) 동안 상기 대상 원자에 대해 탈리 상태로 존재하는 대응 이온의 개수가 많을수록 전해질 막의 이온 전도성이 높음을 의미할 수 있다. 따라서, 이를 통해 이온 전도성의 값이 정량적으로 평가될 수 있다.The number of effective conductive ions per hour is the number of corresponding ions that are present in a detached state with respect to a target atom existing while being charged in a skeleton of a polymer forming an electrolyte membrane for a specific time (time of a measurement interval). 1 second), the more the number of corresponding ions in the detached state with respect to the target atom, the higher the ion conductivity of the electrolyte membrane. Therefore, the value of the ion conductivity can be quantitatively evaluated through this.
본 발명의 일 실시예에서는 도 3을 참조하면, 전해질 막의 이온 전도성 평가 방법을 단계별로 수행할 수 있다. 우선, 분자동역학 시뮬레이션에 전해질 막은 나피온(Nafion)계 고분자로 모델링 함으로써, 대상 원자는 음전하를 나피온 고분자 중에서 존재하는 술포네이트기(음전하)의 황 원자가 될 수 있도록 하였고, 전해질 막은 수화도(hydration number, λ)가 3이 되도록 하이드로늄 이온과 물을 채워, 상기 대상 원자와 반대되는 전하를 띄면서 상기 나피온계 고분자의 외부에 존재하는 대응 이온은 하이드로늄 이온이 될 수 있도록 하였다. 이렇게 나피온계 고분자로 모델링된 전해질 막에서, 기준 거리는 술포네이트기(음전하)의 황 원자와 대응 하이드로늄(양전하) 이온의 반데르발스 거리와 각각의 진동 거리를 합한 3.5 Å이고, 컷오프 거리는 술포네이트기(음전하)의 황 원자 간의 거리인 8 Å이었다. 이에, 상기 기준 거리 및 컷오프 거리를 이용하여 하기 단계를 수행하였다.In an embodiment of the present invention, referring to FIG. 3, a method of evaluating ion conductivity of an electrolyte membrane may be performed step by step. First, in the molecular dynamics simulation, the electrolyte membrane was modeled as a Nafion-based polymer so that the target atom could be a negative atom of a sulfonate group (negative charge) present in the Nafion polymer, and the electrolyte membrane was hydration. number, λ) is 3, so that the hydronium ions and water are filled so that the corresponding ions outside the Nafion-based polymer can be hydronium ions while exhibiting a charge opposite to the target atom. In the electrolyte membrane modeled as a Nafion-based polymer, the reference distance is 3.5 kW, which is the sum of the van der Waals distances of the sulfur atoms of the sulfonate group (negative charge) and the corresponding hydronium (positive charge) ions and the respective vibration distances, and the cutoff distance is sulfo It was 8 kPa which is the distance between the sulfur atoms of a nate group (negative charge). Thus, the following steps were performed using the reference distance and the cutoff distance.
이온 전도성 정량 평가를 위해 일정한 시간 프레임을 정해놓은 뒤, 상기 분자동역학 시뮬레이션에서 술포네이트기 황 원자의 위치 좌표를 특정하고, 나피온계 고분자의 외부에 상기 술포네이트기 황 원자의 대응 하이드로늄 이온들의 위치 좌표를 특정함으로써, 상기 술포네이트기 황 원자와 상기 대응 하이드로늄 이온들 간의 이격 거리 값을 결정하였다. 상기 나피온계 고분자로 모델링된 전해질 막의 이온 전도성은 상기 이격 거리가 3.5 Å 초과에 해당하고, 8 Å 이내에 해당하는 대응 하이드로늄 이온의 개수를 합산하였다. 상기와 같은 과정은 상기 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 존재하는 모든 술포네이트기 황 원자에 대해 진행되었고, 이렇게 합산된 대응 하이드로늄 이온의 개수를 측정 구간의 시간으로 나눔으로써 시간당 유효 전도성 이온의 개수의 값을 도출하였다. After determining a certain time frame for quantitative ion conductivity evaluation, in the molecular dynamics simulation, the position coordinates of the sulfonate sulfur atom are specified, and the corresponding hydronium ions of the sulfonate sulfur atom outside the Nafion polymer By specifying the position coordinates, the spacing distance value between the sulfonate group sulfur atom and the corresponding hydronium ions was determined. The ion conductivity of the electrolyte membrane modeled with the Nafion-based polymer corresponds to the separation distance of more than 3.5 kW, and adds the corresponding number of corresponding hydronium ions within 8 kW. The above process was carried out for all sulfonate group sulfur atoms present in the skeleton of the polymer forming the electrolyte membrane, and thus the number of effective conductive ions per hour was divided by dividing the number of the corresponding hydronium ions by the time of the measurement interval. The value was derived.
도 7 및 도 8에서 보는 바와 같이, 본 발명의 구체적인 실시예에서는 도 7에 도시된 반복 구조를 전해질 막의 고분자에 측쇄(side chain)로 포함하는 경우, 상기 측쇄의 반복 구조의 수가 증가할수록 단위 시간(ps) 동안 대상 원자에 대해 탈리 상태로 존재하는 대응 이온인 하이드로늄 이온의 값이 감소하는 것을 확인하였다. 구체적으로, 고분자의 측쇄의 반복 구조에 따라, 반복 구조가 0인 경우 0.428(개/ps), 반복 구조가 1인 경우 0.362(개/ps), 반복 구조가 4인 경우 0.280 (개/ps)및 반복 구조가 7인 경우 0.229(개/ps)의 이온 전도성 값을 최종적으로 산출할 수 있다. 이와 같은 결과를 통해 본 발명의 상기 전해질 막의 이온 전도성 평가 방법은 전해질 막의 이온 전도성을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 나아가 전해질 막을 구성하는 고분자의 측쇄의 반복 구조에 따른 이온 전도성을 정량적으로 예측할 수 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 7 and FIG. 8, in a specific embodiment of the present invention, when the repeating structure shown in FIG. 7 is included as a side chain in the polymer of the electrolyte membrane, the unit time increases as the number of repeating structures of the side chain increases. During (ps), it was confirmed that the value of hydronium ion, which is a corresponding ion existing in the detached state with respect to the target atom, decreased. Specifically, according to the repeating structure of the side chain of the polymer, 0.428 (dog / ps) when the repeating structure is 0, 0.362 (dog / ps) when the repeating structure is 1, 0.280 (dog / ps) when the repeating structure is 4. And when the repeating structure is 7, the ion conductivity value of 0.229 (pieces / ps) can be finally calculated. Through the above results, the ion conductivity evaluation method of the electrolyte membrane of the present invention can not only measure the ion conductivity of the electrolyte membrane, but also quantitatively predict the ion conductivity according to the repeating structure of the side chain of the polymer constituting the electrolyte membrane. Able to know.
본 발명은 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 장치를 제공한다.The present invention provides an apparatus for quantitative evaluation of ion conductivity of an electrolyte membrane.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 장치를 도시한 블록구성도로, 이하 이온 전도성 정량 평가 장치의 각 구성을 구체적으로 설명한다.9 is a block diagram illustrating an ion conductivity quantitative evaluation device for an electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, each element of the ion conductivity quantitative evaluation device will be described in detail.
상기 이온 전도성 정량 평가 장치는 버스(B)를 통해 연결되는 프로세서(110), 메모리(120), 입력장치(130), 출력장치(140), 스토리지(150) 및 네트워크 인터페이스(160)를 포함한다.The ion conductivity quantitative evaluation apparatus includes a
프로세서(110)는 이온 전도성이 정량적으로 평가될 수 있도록 실행될 수 있다. 상기 프로세서(110)는 중앙처리장치(CPU)로 구현될 수 있다. 또한 상기 프로세서(110)는 메모리(120)나, 스토리지(150)에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치로 구현될 수 있다.
프로세서(110)는 거리 결정 모듈(111), 거리 비교 모듈(112), 제1 거리 판단 모듈(113), 제2 거리 판단 모듈(114) 및 합산 모듈(115)이 포함된다.The
거리 결정 모듈(111)은 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 상기 대상 원자와, 상기 고분자의 외부에 상기 대상 원자와 반대되는 전하를 띄면서 존재하는 대응 이온 간의 이격 거리를 결정한다.The
상기 전해질 막은 연료 전지 내에서 산화극과 환원극을 물리적으로 분리할 뿐만 아니라, 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 대상 원자를 포함함으로써, 산화극에서 생성된 양전하를 띈 이온이 환원극으로 전달될 수 있도록 유도하는 통로 역할을 수행할 수 있다.The electrolyte membrane not only physically separates the anode and the cathode in the fuel cell, but also includes a target atom present while being charged on the skeleton of the polymer forming the electrolyte membrane, thereby reducing the positively charged ions generated in the anode. It can act as a passageway leading to delivery to the pole.
상기 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 대상 원자는 전해질 고분자에서 음으로 대전된 관능기 중의 특정 원자일 수 있으며, 예를 들어 상기 대상 원자는 음전하를 띄는 황 원자일 수 있다. 보다 구체적으로, 나피온(Nafion)계 고분자 전해질 막을 이루는 상기 고분자의 골격에 존재하는 술포네이트기(-SO3 -)에서의 황 원자일 수 있다. 한편, 상기 고분자의 외부에 상기 대상 원자와 반대되는 전하를 띄면서 존재하는 대응 이온은 양전하를 띄는 것일 수 있으며, 예를 들어 상기 대응 이온은 양전하를 띄는 하이드로늄 이온일 수 있다. 보다 구체적으로, 나피온계 고분자의 외부에 존재하는 하이드로늄(H3O+)일 수 있다.The target atom present while being charged in the skeleton of the polymer forming the electrolyte membrane may be a specific atom of a functional group that is negatively charged in the electrolyte polymer, for example, the target atom may be a sulfur atom having a negative charge. It may be a sulfur atom in - More specifically, Nafion (Nafion) type sulfonate groups (-SO 3) present in the backbone of the polymer constituting the polymer electrolyte membrane. On the other hand, the corresponding ions present on the outside of the polymer with a charge opposite to the target atom may be a positive charge, for example, the corresponding ions may be a hydronium ion having a positive charge. More specifically, it may be hydronium (H 3 O + ) existing on the outside of the Nafion-based polymer.
상기 거리 결정 모듈이 결정하는 상기 이격 거리는 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 시간 프레임(단위 시간) 상기 대상 원자와 상기 대응 이온의 위치 정보를 통해 산출될 수 있다.The separation distance determined by the distance determination module may be calculated by using position information of the target atom and the corresponding ion in a time frame (unit time) using molecular dynamics simulation.
상기 분자동역학 시뮬레이션을 이용하는 경우, 시간에 따른 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 존재하는 상기 대상 원자 및 상기 고분자의 외부에 존재하는 대응 이온의 위치에 해당하는 값을 각각 산출할 수 있다. 이에 상기 분자동역학 시뮬레이션을 통해 산출한 상기 대상 원자 및 상기 대응 이온의 각각의 위치 값을 이용하여, 상기 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 존재하는 대상 원자를 기준으로, 상기 고분자의 외부에 존재하는 대응 이온과의 이격 거리를 결정할 수 있다.In the case of using the molecular dynamics simulation, values corresponding to positions of the target atoms present in the skeleton of the polymer forming the electrolyte membrane and corresponding ions existing outside the polymer may be calculated over time. Accordingly, by using the position values of the target atom and the corresponding ion calculated through the molecular dynamics simulation, the corresponding ion existing outside the polymer based on the target atom present in the skeleton of the polymer forming the electrolyte membrane. To determine the separation distance.
거리 비교 모듈(112)은 미리 설정된 기준 거리와 상기 거리 결정 모듈에서 결정된 이격 거리를 비교한다.The
상기 기준 거리는 상기 대상 원자와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리일 수 있다. 상기 반데르발스 거리는 양자시뮬레이션 상에서 상기 대상 원자로부터 상기 대응 이온이 소정의 거리 내에서 구속되는 상태로 존재할 때, 상기 대상 원자와 상기 대응 이온의 결합 에너지가 가장 낮은 안정한 상태일 때의 거리를 의미한다.The reference distance may be a van der Waals distance between the target atom and the corresponding ion. The van der Waals distance means a distance when the binding energy between the target atom and the corresponding ion is at a stable state when the corresponding ion is confined within a predetermined distance from the target atom in quantum simulation. .
상기 기준 거리는 상기 대상 원자와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리와, 상기 대상 원자 및 상기 대응 이온의 각각의 진동 거리의 합일 수 있다.The reference distance may be a sum of van der Waals distances between the target atom and the corresponding ion, and vibration distances of the target atom and the corresponding ion, respectively.
상기 대상 원자로부터 상기 대응 이온이 소정의 거리 내에서 구속되는 상태에 존재하는 경우, 상기 대상 원자와 대응 이온은 보다 안정된 거리에 위치하기 위하여 끊임없이 진동을 하고 있다. 따라서, 상기 대상 원자 및 상기 대응 이온의 각각의 진동 거리와 기준 거리를 합하는 경우, 실제 대상 원자를 기준으로 기준 거리 내에서 멀리 벗어나지 못하고 단순히 진동 하고 있는 상태의 대응 이온이 대상 원자로부터 구속되는 상태를 벗어나 자유롭게 이동 가능한 상태, 즉, 탈리 상태로 판단되지 않도록 함으로써 측정되는 이온 전도성 값의 오차 발생 정도를 현저하게 감소시킬 수 있다.When the corresponding ion is in a state in which the corresponding ion is confined within a predetermined distance, the target atom and the corresponding ion constantly vibrate to be located at a more stable distance. Therefore, when the vibration distances and the reference distances of the target atoms and the corresponding ions are summed together, the states in which the corresponding ions in the state of simply vibrating are not confined within the reference distance with respect to the actual target atoms but are constrained from the target atoms. It is possible to remarkably reduce the occurrence of errors in the measured ion conductivity value by not judging from the freely moveable state, that is, the detachment state.
제1 거리 판단 모듈(113)은 상기 이격 거리가 상기 기준 거리를 초과하였는지 여부를 판단한다.The first distance determination module 113 determines whether the separation distance exceeds the reference distance.
상기 전해질 막 이온 전도성 평가 장치에서 구현되는 분자동역학 시뮬레이션 상에서 존재하는 대상 원자와 대응 이온은 흡착, 탈리 및 계산에서 제외되는 3가지의 상태로 구분되어 존재할 수 있다.The target atoms and corresponding ions present in the molecular dynamics simulation implemented in the electrolyte membrane ion conductivity evaluation apparatus may be divided into three states excluded from adsorption, desorption and calculation.
상기 이격 거리가 기준거리 초과 인지 여부를 판단함으로써, 상기 대상 원자에 대응 이온이 흡착 또는 탈리 상태로 존재하는지를 판단할 수 있다.By determining whether the separation distance is greater than the reference distance, it may be determined whether the corresponding ion exists in the adsorption or desorption state on the target atom.
상기 기준 거리는 상기 대상 원자와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리를 의미하는 바, 상기 이격 거리가 상기 기준 거리와 동일한 경우 상기 대상 원자에 상기 대응 이온이 흡착된 상태로 존재하고 있음을 의미할 수 있다. 반면, 상기 이격 거리가 상기 기준 거리를 초과하는 경우 대상 원자에 상기 대응 이온이 멀리 물리적으로 멀리 떨어져 자유로운 상태, 즉 탈리 상태로 존재하고 있음을 의미할 수 있다.The reference distance may mean a van der Waals distance between the target atom and the corresponding ion. When the separation distance is equal to the reference distance, the reference distance may mean that the corresponding ion is present in the state in which the corresponding ion is adsorbed. . On the other hand, when the separation distance exceeds the reference distance, it may mean that the corresponding ion is present in the target atom in a physically far away free state, that is, in a detached state.
제2 거리 판단 모듈(114)은 상기 기준 거리 초과한 경우, 상기 이격 거리가 미리 설정된 컷오프 거리 이내인지 여부를 판단한다.The second
상기 컷오프 거리는 상기 전해질 막에서 상기 대상 원자 및 상기 대상 원자와 동일한 전하를 띄면서 존재하는 동종의 다른 원자 간의 거리를 의미한다. The cutoff distance means a distance between the target atom and other atoms of the same kind present in the electrolyte membrane with the same charge as the target atom.
상기 컷오프 거리는 분자동역학 시뮬레이션을 기반으로 이온 전도성의 정량적 평가 시 발생할 수 있는 오차를 감소시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 분자동역학 시뮬레이션은 전해질 막과 같은 밀도가 높고 거동이 매우 어려운 구조의 고분자가 시뮬레이션으로 구현되는 경우, 상기 대상 원자와 흡착 및 탈리 상태로 존재할 수 있는 대응 이온의 이동이 활발하게 구현되기 어려워 측정 값이 중복되거나, 측정의 대상이 되는 대상 원자와 무관한 대응 이온이 측정된다는 한계점이 존재한다. 이에, 상기 대상 원자가 상기 대응 이온을 흡착 및 탈리 시킬 수 있는 영향력을 미칠 수 있는 거리에 해당하는, 전해질 막에서 대상 원자 및 상기 대상 원자와 동일한 전하를 띄면서 존재하는 동종의 다른 원자 간의 거리를 컷오프 거리로 설정함으로써, 상기와 같이 측정값이 중복되지 않을 수 있다.The cutoff distance may reduce an error that may occur in the quantitative evaluation of ion conductivity based on molecular dynamics simulation. Specifically, in the molecular dynamics simulation, when a polymer having a high density and very difficult structure such as an electrolyte membrane is implemented in the simulation, movement of corresponding ions which may exist in the adsorption and desorption state with the target atom is actively implemented. There is a limitation that it is difficult to duplicate the measured values or to measure the corresponding ions irrelevant to the target atoms to be measured. Accordingly, the distance between the target atom and other atoms of the same kind present in the electrolyte membrane at the same charge as the target atom, which corresponds to a distance at which the target atom may have an influence to adsorb and desorb the corresponding ion, is cut off. By setting the distance, the measured values may not overlap as described above.
합산 모듈(115)은 상기 이격 거리가 상기 컷오프 거리 이내인 경우의 상기 대응 이온의 수를 합산한다. 상기 컷오프 거리 이내에 해당하는 대응 이온의 수는 전해질 막에서 탈리 상태로 존재하는 이온의 수로, 측정된 상기 대응 이온의 수의 합은 이온 전도성에 비례할 수 있다.The summing
산출 모듈(116)은 일정한 시간 프레임에서 얻어진 상기 합산된 대응 이온의 개수의 누적된 수치를, 측정 구간의 시간으로 나눔으로써 시간당 유효 전도성 이온의 개수의 값을 산출하므로, 이러한 산출 모듈을 포함함으로써, 이온 전도성을 정량적으로 평가한다.The calculating
상기 시간당 유효 전도성 이온의 개수는 특정한 시간(측정 구간의 시간) 동안 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 대상 원자에 대해 탈리 상태로 존재하는 대응 이온의 개수로, 단위 시간(예컨대, 1초) 동안 상기 대상 원자에 대해 탈리 상태로 존재하는 대응 이온의 개수가 많을수록 전해질 막의 이온 전도성이 높음을 의미할 수 있다. 따라서, 상기 산출 모듈에서는 상기 합산 모듈에서 합산된 이온의 수를 측정 구간의 시간으로 나눔으로써 이온 전도성의 값을 정량적으로 평가할 수 있다.The number of effective conductive ions per hour is the number of corresponding ions that are present in a detached state with respect to a target atom existing while being charged in a skeleton of a polymer forming an electrolyte membrane for a specific time (time of a measurement interval). 1 second), the more the number of corresponding ions in the detached state with respect to the target atom, the higher the ion conductivity of the electrolyte membrane. Therefore, the calculation module can quantitatively evaluate the value of ion conductivity by dividing the number of ions added in the summing module by the time of the measurement section.
메모리(120)는 ROM(Read Only Memory)(121) 및 RAM(Random Access Memory)(122)를 포함하는 것으로, 상기 프로세서를 동작시키기 위한 프로그램이 저장될 수 있고, 입/출력되는 데이터들이 임시로 저장될 수도 있다.The
입력장치(130)는 사용자의 조작에 따른 데이터를 발생시킨다. 상기 입력장치는 키패드, 터치패드 또는 조그 스위치 등에 의해 사용자 인터페이스로 구현될 수 있다.The
출력장치(140)는 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 장치의 동작에 따라 발생되는 다양한 데이터가 출력될 수 있도록 한다. 상기 출력장치는 디스플레이, 스피커 등의 출력수단으로 구성될 수 있다.The
스토리지(150)는 상기 메모리와 같이 다양한 종류의 휘발성 또는 비-휘발성 저장매체가 포함된다. 상기 스토리지는 인터넷 상에서 메모리의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지로 구현될 수 있다.The
네트워크 인터페이스(160)는 네트워크를 통해 다른 단말기와 유무선 통신이 수행 가능하도록 한다. 상기 네트워크 인터페이스는 무선 인터넷, 이동통신, 근거리 통신 등의 통신기술 등일 수 있다.The
이상에서 본 발명은 기재된 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the present invention has been described in detail only with respect to the embodiments described, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the technical spirit of the present invention, and such modifications and modifications belong to the appended claims.
110: 프로세스
111: 거리 결정 모듈
112: 거리 비교 모듈
113: 제1 거리 판단 모듈
114: 제2 거리 판단 모듈
115: 합산 모듈
116: 산출 모듈
120: 메모리
121: ROM
122: RAM
130: 입력 장치
140: 출력 장치
150: 스토리지
160: 네트워크 인터페이스110: process
111: distance determination module
112: distance comparison module
113: first distance determination module
114: second distance determination module
115: summing module
116: output module
120: memory
121: ROM
122: RAM
130: input device
140: output device
150: storage
160: network interface
Claims (16)
미리 결정된 기준 거리와 상기 이격 거리를 비교하는 단계,
상기 이격 거리가 상기 기준 거리를 초과하였는지 여부를 판단하는 단계,
상기 기준 거리를 초과한 경우, 상기 이격 거리가 미리 설정된 컷오프 거리 이내인지 여부를 판단하는 단계, 및
상기 이격 거리가 상기 컷오프 거리 이내인 경우의 상기 대응 이온의 수를 합산하는 단계를 포함하는, 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 방법.
Determining a separation distance between a target atom existing while being charged on a skeleton of a polymer forming an electrolyte membrane and a corresponding ion existing while being charged opposite to the target atom outside of the polymer;
Comparing the separation distance with a predetermined reference distance,
Determining whether the separation distance exceeds the reference distance,
Determining whether the separation distance is within a preset cutoff distance when the reference distance is exceeded, and
And summing the number of corresponding ions when the separation distance is within the cutoff distance.
상기 이격 거리는 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 시간 프레임에서 상기 대상 원자와 상기 대응 이온의 위치 정보를 통해 산출된 것인, 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 방법.
The method according to claim 1,
The separation distance is calculated based on the position information of the target atom and the corresponding ion in the time frame using a molecular dynamics simulation, quantitative ion conductivity evaluation method of the electrolyte membrane.
상기 대상 원자는 음전하를 띄고, 상기 대응 이온은 양전하를 띄는 것인, 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 방법.
The method according to claim 1,
The target atom is negatively charged, and the corresponding ion is positively charged, the ion conductivity quantitative evaluation method of the electrolyte membrane.
상기 대상 원자는 음전하를 띄는 황 원자이고, 상기 대응 이온은 하이드로늄 이온인 것인, 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 방법.
The method according to claim 1,
The target atom is a negatively charged sulfur atom, and the corresponding ion is hydronium ion, quantitative evaluation method of the electrolyte membrane.
상기 기준 거리는 상기 대상 원자와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리인 것인, 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 방법.
The method according to claim 1,
And the reference distance is a van der Waals distance between the target atom and the corresponding ion.
상기 기준 거리는 상기 대상 원자와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리와, 상기 대상 원자 및 상기 대응 이온의 각각의 진동 거리의 합인 것인, 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 방법.
The method according to claim 1,
And the reference distance is a sum of van der Waals distances between the target atoms and the corresponding ions, and respective vibration distances of the target atoms and the corresponding ions.
상기 컷오프 거리는 상기 전해질 막에서 상기 대상 원자 및 상기 대상 원자와 동일한 전하를 띄면서 존재하는 동종의 다른 원자 간의 거리인 것인, 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 방법.
The method according to claim 1,
And the cutoff distance is a distance between the target atom and other atoms of the same kind present at the same charge as the target atom in the electrolyte membrane.
일정한 시간 프레임에서 얻어진 상기 합산된 대응 이온의 개수의 누적된 수치를, 측정 구간의 시간으로 나눔으로써 시간당 유효 전도성 이온의 개수의 값을 산출하는 단계를 더 포함하는 것인, 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 방법.
The method according to claim 1,
Quantitative evaluation of ion conductivity of the electrolyte membrane, further comprising calculating a value of the number of effective conductive ions per hour by dividing the accumulated value of the sum of the corresponding corresponding ions obtained in a certain time frame by the time of the measurement interval. Way.
미리 설정된 기준 거리와 상기 이격 거리를 비교하는 거리 비교 모듈,
상기 이격 거리가 상기 기준 거리를 초과하였는지 여부를 판단하는 제1 거리 판단 모듈,
상기 기준 거리 초과한 경우, 상기 이격 거리가 미리 설정된 컷오프 거리 이내인지 여부를 판단하는 제2 거리 판단 모듈, 및
상기 이격 거리가 상기 컷오프 거리 이내인 경우의 상기 대응 이온의 수를 합산하는 합산 모듈을 포함하는, 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 장치.
A distance determining module for determining a separation distance between the target atom existing while charged on the skeleton of the polymer forming an electrolyte membrane and the corresponding ion present while having a charge opposite to the target atom outside of the polymer;
A distance comparison module for comparing the distance between the preset reference distance and the distance;
A first distance determination module that determines whether the separation distance exceeds the reference distance,
A second distance determination module determining whether the separation distance is within a preset cutoff distance when the reference distance is exceeded; and
And a summing module for summing the number of corresponding ions when the separation distance is within the cutoff distance.
상기 거리 결정모듈은, 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 시간 프레임에서 상기 대상 원자와 상기 대응 이온의 위치 정보를 통해 상기 이격 거리를 산출하는 것인, 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 장치.
The method according to claim 9,
The distance determination module is to calculate the separation distance based on the position information of the target atom and the corresponding ion in the time frame using a molecular dynamics simulation, ion conductivity quantitative evaluation device of the electrolyte membrane.
상기 대상 원자는 음전하를 띄고, 상기 대응 이온은 양전하를 띄는 것인, 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 장치.
The method according to claim 9,
The target atom is negatively charged, the corresponding ion is positively charged, quantitative ion conductivity evaluation device of the electrolyte membrane.
상기 대상 원자는 음전하를 띄는 황 원자이고, 상기 대응 이온은 하이드로늄 이온인 것인, 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 장치.
The method according to claim 9,
The target atom is a negatively charged sulfur atom, and the corresponding ion is hydronium ion, quantitative evaluation device of the electrolyte membrane.
상기 기준 거리는 상기 대상 원자와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리인 것인, 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 장치.
The method according to claim 9,
And the reference distance is a van der Waals distance between the target atom and the corresponding ion.
상기 기준 거리는, 상기 대상 원자와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리와, 상기 대상 원자 및 상기 대응 이온의 각각의 진동 거리의 합인 것인, 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 장치.
The method according to claim 9,
And the reference distance is a sum of van der Waals distances between the target atoms and the corresponding ions, and vibration distances of the target atoms and the corresponding ions, respectively.
상기 컷오프 거리는, 상기 전해질 막에서 상기 대상 원자 및 상기 대상 원자와 동일한 전하를 띄면서 존재하는 동종의 다른 원자 간의 거리인 것인, 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 장치.
The method according to claim 9,
The cutoff distance is an ion conductivity quantitative evaluation apparatus for an electrolyte membrane, wherein the cutoff distance is a distance between the target atom and other atoms of the same kind present while having the same charge as the target atom.
일정한 시간 프레임에서 얻어진 상기 합산된 대응 이온의 개수의 누적된 수치를, 측정 구간의 시간으로 나눔으로써 시간당 유효 전도성 이온의 개수의 값을 산출하는 산출 모듈을 더 포함하는 것인, 전해질 막의 이온 전도성 정량 평가 장치.The method according to claim 9,
And a calculation module for calculating the value of the number of effective conductive ions per hour by dividing the accumulated value of the sum of the corresponding corresponding ions obtained in a certain time frame by the time of the measurement section. Evaluation device.
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|---|---|---|---|---|
| US10840526B2 (en) | 2018-07-30 | 2020-11-17 | Hyundai Motor Company | Method and apparatus for evaluating movement tendency of ions in electrolyte membrane |
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| KR20090031628A (en) * | 2006-07-20 | 2009-03-26 | 스미또모 가가꾸 가부시끼가이샤 | Polymer electrolyte membrane and method for producing the same, membrane-electrode assembly and fuel battery cell each using the polymer electrolyte membrane, and method for evaluating ion conductivity of polymer electrolyte membrane |
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