KR20200080842A - 전해질막 손상도 검사 장치 및 이를 이용한 검사 방법 - Google Patents
전해질막 손상도 검사 장치 및 이를 이용한 검사 방법 Download PDFInfo
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Abstract
전해질막의 손상도를 검사하기 위한 검사 장치는, 제1 용액이 수용되는 리세스가 형성되는 제1 면을 포함하는 베이스; 적어도 일부가 상기 리세스를 덮도록 상기 베이스의 상기 제1 면에 배치되는 제1 발수성 시트; 상기 제1 발수성 시트와 마주보는 제2 발수성 시트; 상기 제2 발수성 시트에 형성되고, 제2 용액를 수용하되 적어도 일부가 상기 리세스에 대응되는 수용 공간을 형성하도록 상기 수용 공간을 둘러싸는 측벽 부재; 상기 수용 공간에 형성되고, 상기 수용 공간을 복수의 서브 공간으로 구획하도록 상기 측벽 부재에 결합되는 격벽 부재; 및 상기 리세스에 수용되는 상기 제1 용액에 압력을 인가할 수 있는 가압 부재;를 포함하고,
상기 복수의 서브 공간 각각은 적어도 일부가 상기 제2 발수성 시트에 의해 형성되고, 상기 제1 용액은 pH 7 이하이고, 상기 제2 용액은 히드록실 라디칼과 반응하면 색이 변화되는 라디칼 반응 지시약을 포함하고, 상기 제1 발수성 시트와 상기 제2 발수성 시트 사이에는 상기 전해질막이 배치될 수 있다.
상기 복수의 서브 공간 각각은 적어도 일부가 상기 제2 발수성 시트에 의해 형성되고, 상기 제1 용액은 pH 7 이하이고, 상기 제2 용액은 히드록실 라디칼과 반응하면 색이 변화되는 라디칼 반응 지시약을 포함하고, 상기 제1 발수성 시트와 상기 제2 발수성 시트 사이에는 상기 전해질막이 배치될 수 있다.
Description
본 발명은 전해질막 손상도 검사 장치 및 이를 이용한 검사 방법에 관한 것이다.
수소 이온 교환막 연료 전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 높은 에너지 효율, 간단한 시스템 구성 및 친환경적인 장점을 가지고 있는 수소 연료를 이용한 전기 발생 장치로서 각광을 받고 있다. 상기 연료 전지의 전기 생성을 위한 반응은 과불소 술폰산계 이오노머 기반 전해질막(Perfluorinated Sulfonic Acid Ionomer-Based Membrane)과 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode)의 전극으로 구성된 막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)에서 발생하는데, 연료 전지의 산화극인 애노드에 공급된 수소가 수소 이온(Proton)과 전자(Electron)로 분리된 후, 수소 이온은 막을 통해 환원극인 캐소드로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하게 되어, 상기 캐소드에서 산소 분자, 수소 이온 및 전자가 함께 반응하여 전기와 열을 생성함과 동시에 반응 부산물로서 물(H2O)을 생성하게 된다.
연료 전지는 큰 동력을 얻기 위해 개별로 구성된 0.6 내지 1 V의 전압을 갖는 셀을 여러 장 적층함으로써(Stacking) 전기적으로 큰 에너지를 얻을 수 있다. 이렇게 개별 구성품을 하나 하나 쌓은 것을 연료 전지 스택이라 부르고, 일반적으로 300장 이상 쌓아 연료 전지 차량을 구동할 수 있도록 한다.
연료 전지 스택 내 셀은 전기 화학 반응과 수소이온 통로가 되는 막-전극 접합체, 반응 가스 및 전자를 이동시키는 분리판, 반응 가스를 전극에 고르게 분해해주는 가스 확산층 및 적층 시 반응가스로 사용되는 수소, 공기 및 냉각 시키기 위해 사용하는 냉각수를 각각 격리하고 외부로 세어나가는 것을 막기 위한 가스켓으로 구성된다. 막-전극 접합체는 다시 전해질막과 전극으로 나눌 수 있는데, 여기에 사용되는 전해질막은 Perfluorosulfonic acid계 고체 고분자를 많이 사용하고, 일반적으로 연료 전지 성능에 큰 영향을 미치는 이온 전도성을 높이기 위해 10 내지 30 ㎛ 의 얇은 막을 사용하게 된다.
얇은 전해질막을 사용하게 됨에 따라 전해질막의 품질 안정성은 매우 중요하고, 전해질막의 제조 공정이나 촉매층과 가스 확산층과의 접합 공정, 또는 서브 가스켓과의 접합 공정에서 전해질막의 손상으로 인해 찢김이나 핀홀(Pinhole) (즉, 구멍)이 발생할 수 있다. 또한 전해질막 열화가 쉽게 발생하는 다음과 같은 운전 조건, 첫번째 비정상적인 상황(예를 들면, 연료 전지가 부분적으로 냉각되지 않아 국부적으로 온도가 상승하는 상황, 또는 역전압으로 인해 국부적으로 온도가 상승하는 상황)에서 짧게 시간 동안 운전, 두번째 히드록실 라디칼(Hydroxyl Radical)이 잘 발생하는 OCV(Open Circuit Voltage)과 같은 고전위 운전 조건, 세번째 막이 쉽게 건조되는 조건 등에서 장시간 운전하게 되면 막이 얇아지거나(Thinning), 핀홀이 발생할 수 있다. 이는 수소와 공기의 기밀성을 악화시켜 전해질막의 더 큰 손상을 초래할 수 있다.
실질적으로 육안으로 확인할 수 있는 핀홀은 그 위치와 크기를 쉽게 확인할 수 있지만, 육안으로 확인할 수 없을 정도 크기의 미세한 핀홀이나 전해질막의 두께 감소, 또는 부분적인 손상의 경우 육안으로 확인할 수 없는 문제가 발생한다.
따라서, 전해질막에 형성된 핀홀, 전해질막의 두께 감소, 및 전해질막의 부분적인 손상을 정량적으로 측정할 수 있는 검사 장치에 대한 요구가 증대되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 저가의 간단한 구성을 가지는 검사 장치를 이용하여 전해질막의 손상 여부, 손상 위치 및 그 손상 정도를 정량적으로 파악하는 방법을 제공한다.
또한, 전해질막의 손상 검사에 따라 추가적으로 발생할 수 있는 전해질막의 손상을 방지하면서 검사 정확성을 높인 전해질막 손상도 검사 장치 및 이를 이용한 검사 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 색깔 및 그 농도의 변화로부터 손상 정도를 파악함으로써, 미세한 손상 부위를 감지할 수 있고, 손상 정도를 정량적으로 민감하게 감지할 수 있는 검사 장치 및 검사 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전해질막의 손상도를 검사하기 위한 검사 장치는,
제1 용액이 수용되는 리세스가 형성되는 제1 면을 포함하는 베이스; 적어도 일부가 상기 리세스를 덮도록 상기 베이스의 상기 제1 면에 배치되는 제1 발수성 시트; 상기 제1 발수성 시트와 마주보는 제2 발수성 시트; 상기 제2 발수성 시트에 형성되고, 제2 용액를 수용하되 적어도 일부가 상기 리세스에 대응되는 수용 공간을 형성하도록 상기 수용 공간을 둘러싸는 측벽 부재; 상기 수용 공간에 형성되고, 상기 수용 공간을 복수의 서브 공간으로 구획하도록 상기 측벽 부재에 결합되는 격벽 부재; 및 상기 리세스에 수용되는 상기 제1 용액에 압력을 인가할 수 있는 가압 부재;를 포함하고,
상기 복수의 서브 공간 각각은 적어도 일부가 상기 제2 발수성 시트에 의해 형성되고, 상기 제1 용액은 pH 7 이하이고, 상기 제2 용액은 히드록실 라디칼과 반응하면 색이 변화되는 라디칼 반응 지시약을 포함하고, 상기 제1 발수성 시트와 상기 제2 발수성 시트 사이에는 상기 전해질막이 배치될 수 있다.
상기 전해질막에 손상이 있는 경우에, 상기 손상이 있는 위치에 대응되는 서브 공간에 수용되는 제1 용액의 색은 다른 서브 공간에 수용되는 제1 용액의 색과 구별될 수 있다.
상기 전해질막과 마주보는 상기 서브 공간의 면적은 0.3 cm2 내지 5 cm2 일 수 있다.
상기 제2 발수성 시트는 신축성이 있으며, 상기 제2 용액이 상기 전해질막으로 흡수되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제2 발수성 시트는 기공도가 50 % 내지 90 %일 수 있다.
상기 제2 발수성 시트는 폴리테트라플로오로에틸렌을 포함할 수 있다.
상기 베이스의 양 단부 및 상기 측벽 부재의 양 단부가 서로 기밀되도록, 상기 베이스 및 상기 측벽 부재 사이에 형성되는 기밀 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 전해질막은 상기 기밀 부재 사이에 배치될 수 있다.
상기 가압 부재는, 제1 용액의 압력을 상승시키는 정량 펌프, 상기 제1 용액의 압력을 측정할 수 있는 압력 센서 및 상기 제1 용액의 압력을 조절할 수 있는 압력 조절 부재를 포함할 수 있다.
상기 제2 발수성 시트의 상기 제1 발수성 시트와 대향하는 면에, 투과성이 높은 제3 발수성 시트를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 용액이 상기 복수의 서브 공간 중 적어도 하나에 수용되는 제2 용액으로 이동하는 것을 방지하는 과투과 억제 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 용액은 과산화수소(H2O2)를 포함하고, 상기 과산화수소(H2O2)의 몰 농도(M)는, 1×10-2 mol/L 내지 1×10-1 mol/L일 수 있다.
상기 제2 용액은, 메틸 바이올렛(Methyl Violet), 메틸 레드(Methyl Red), 메틸 오렌지(Methyl Orange), 에틸 바이올렛(Ethyl Violet) 및 메틸렌 블루(Methylene Blue)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제2 용액에서 상기 라디칼 반응 지시약의 몰 농도(M)는, 1×10-6 mol/L 내지 1×10-3 mol/L일 수 있다.
상기 제1 용액 및 상기 제2 용액 중 어느 하나에는 금속 이온이 포함될 수 있다.
상기 금속 이온은, 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 바륨(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 아연(Zn)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 이온을 포함할 수 있다.
상기 금속 이온의 몰 농도(M)는, 1×10-2 mol/L 내지 10 mol/L일 수 있다.
또한, 상기 과제를 달성하기 위해 상술한 검사 장치를 이용하여 전해질막의 손상도를 검사하는 방법은,
상기 베이스 및 상기 제2 발수성 시트의 사이에 전해질막을 설치하는 단계; 상기 측벽 부재의 상기 수용 공간에 금속 이온을 포함하는 제2 용액을 투입하는 단계; 상기 복수의 서브 공간이 형성되도록 상기 격벽 부재를 설치하고, 상기 서브 공간의 부피를 측정하는 단계; 상기 베이스의 상기 리세스에 제1 용액을 투입하는 단계; 상기 가압 부재로 상기 리세스에 수용된 상기 제1 용액에 압력을 인가하는 단계; 및 상기 복수의 서브 공간의 색과 관련한 데이터를 수집하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수의 서브 공간의 색과 관련한 데이터를 수집하는 단계는, 상기 제1 용액 및 상기 제2 용액에 포함되는 성분의 함량에 따른 색 변화 데이터베이스와 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 서브 공간의 색과 관련한 데이터를 수집하는 단계는, 기 측정값과 비교하여 전해질막의 손상도를 정량화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 전해질막 손상도 검사 장치 및 이를 이용한 검사 방법은, 전해질막 또는 막-전극 접합체에서 제조 공정 중, 또는 장기 운전 중 발생하는 전해질막의 핀홀(Pinhole)이나 얇아지는(Thinning) 손상에 대해 정확한 위치를 파악할 수 있다.
또한, 전해질막의 손상 정도를 색깔 변화 등 육안으로 파악할 수 있을 뿐만 아니라 정량화할 수 있어, 전해질막의 손상 발생 위치를 구분하고, 각 위치 별로 손상 정도를 구분하고 정량화 할 수 있다.
또한, 전해질막 손상도 검사 장치에 발수층을 사용함으로써 전해질막의 어떠한 손상 없이 분석이 가능하며, 육안으로 검수가 어려운 미세한 핀홀과 얇아진 막에 의한 크로스오버(Crossover)와 같은 상황도 정량적으로 파악할 수가 있다.
또한, 효과적인 전해질막 손상도의 검사를 통해, 연료 전지 차량의 운전 전략 수립, 단품 신뢰성 향상 및 연료 전지 제조 공정의 안정성 확보 및 개선이 가능하다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 4는 제2 발수성 시트 및 제3 발수성 시트를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 검사 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 제2 용액에 포함될 수 있는 라디칼 반응 지시약의 분자 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 제2 용액의 색 변화 관련 화학 반응을 나타내는 도면이다.
도 8은 전해질막을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 방법을 나타내는 순서도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 검사 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 검사 방법을 나타내는 순서도이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 시험예에 따른 결과를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 검사 방법에서 전해질막의 손상도를 정량화하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 4는 제2 발수성 시트 및 제3 발수성 시트를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 검사 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 제2 용액에 포함될 수 있는 라디칼 반응 지시약의 분자 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 제2 용액의 색 변화 관련 화학 반응을 나타내는 도면이다.
도 8은 전해질막을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 방법을 나타내는 순서도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 검사 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 검사 방법을 나타내는 순서도이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 시험예에 따른 결과를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 검사 방법에서 전해질막의 손상도를 정량화하는 방법을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하다(comprises)”및/또는 "가지다(include)"는 언급된 구성요소, 특징, 숫자, 단계 및/또는 동작 이외에 하나 이상의 다른 구성요소, 특징, 숫자, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다. 그리고, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전해질막의 손상도를 검사하기 위한 검사 장치는, 제1 용액이 수용되는 리세스(105)가 형성되는 제1 면을 포함하는 베이스(100), 적어도 일부가 리세스(105)를 덮도록 베이스(100)의 상기 제1 면에 배치되는 제1 발수성 시트(water repellency sheet)(110), 제1 발수성 시트(110)와 마주보는 제2 발수성 시트(210), 제2 발수성 시트(210)에 형성되고, 제2 용액를 수용하되 적어도 일부가 리세스(105)에 대응되는 수용 공간을 형성하도록 상기 수용 공간을 둘러싸는 측벽 부재(200), 상기 수용 공간에 형성되고, 상기 수용 공간을 복수의 서브 공간(205)으로 구획하도록 측벽 부재(200)에 결합되는 격벽 부재(250), 및 리세스(105)에 수용되는 상기 제1 용액에 압력을 인가할 수 있는 가압 부재(191, 192, 193)를 포함할 수 있다. 또한, 복수의 서브 공간(205) 각각은 적어도 일부가 제2 발수성 시트(210)에 의해 형성된다.
특히, 리세스(105)에 수용되는 상기 제1 용액은 pH 7 이하일 수 있고, 복수의 서브 공간(205) 각각에 수용되는 제2 용액은 히드록실 라디칼과 반응하면 색이 변화되는 라디칼 반응 지시약을 포함할 수 있다. 이와 같은 제1 용액은 과산화수소(H202) 희석용액을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 측벽 부재(200)의 수용 공간, 즉 각각 복수의 서브 공간(205)에는 제2 용액이 수용되어 있고, 이와 같은 제2 용액은 예를 들어, 라디칼 반응 지시약 및 금속 이온이 포함된 금속 염수화물이 초순수에 희석되어 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 제1 용액(예를 들어, 과산화수소(H202) 희석용액)은 베이스(100)의 리세스(105) 내에 주입될 수 있고, 전해질막(10)의 검사 및 분석을 위해 전해질막(10)의 제1 면에 위치하는 제1 발수성 시트(110)의 면적을 덮으면서 균일하게 흐를 수 있다.
제2 발수성 시트(210)는 측벽 부재(200) 및 전해질막(10) 사이에 위치함으로써, 격벽 부재(250)로 둘러싸인 서브 공간(205)의 제2 용액(예를 들어, 라디칼 반응 지시약 포함 용액)이 전해질막(10)으로 흡수되지 않도록 발수성일 수 있다. 특히, 베이스(100)로부터 제1 용액이 흡수되지 않고 통과할 수 있다. 이와 같은 제2 발수성 시트(210)는 일정 압력 이상에서는 용액을 흡수하지 않고 투과할 수 있다.
한편, 검사 장치는, 격벽 부재(250)를 지지할 수 있는 격벽 부재 압력 지지 부재(150)를 더 포함할 수 있다. 또한, 검사 장치는 복수의 격벽 부재(250)가 측벽 부재(200)에 고정될 수 있도록 격벽 부재 지지 부재(280)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 격벽 부재 지지 부재(280)는 예를 들어, 지지 볼트 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 검사 장치는 측벽 부재(200)와 베이스(100) 간의 기밀을 위해, 측벽 부재(200) 및 베이스(100)의 바깥 부분에 설치되는 베이스-측벽 부재 고정 부재(180)를 더 포함할 수 있다. 도 1에서는 예를 들어, 측벽 부재(200) 및 베이스(100)의 외곽에 4개의 고정 볼트가 설치되어 기밀하는 것으로 도시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 검사 장치는 제1 용액을 보관할 수 있는 제1 용액 리저버(130)를 포함할 수 있다.
한편, 가압 부재(예를 들어, 191 내지 193)에 의해 제1 용액(예를 들어, 과산화수소(H202) 포함)의 압력을 상승시킴으로써, 제1 용액 리저버(130)로부터 제1 용액이 베이스(100)의 리세스(105)에 채워지도록 제1 용액을 순환시킬 수 있다.
이에 따라, 손상 여부 및 정도를 검사하기 위해, 제1 발수성 시트(110)와 제2 발수성 시트(210) 사이에는 전해질막(10)이 배치될 수 있다. 한편, 전해질막(10) 대신에 전해질막(10)을 포함하는 막 전극 접합체가 포함될 수도 있다.
그 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 장치에서는, 전해질막(10)에 손상이 있는 경우에, 상기 손상이 있는 위치에 대응되는 서브 공간(205)에 수용되는 제1 용액의 색이 다른 서브 공간에 수용되는 제1 용액의 색과 구별될 수 있다.
구체적으로 설명하면, 본 발명의 검사 장치에서 검사 대상 전해질막(10)에 손상 부위가 발생하는 경우, 리세스(105)로부터 상기 손상 부위로 제1 용액이 투과할 수 있고, 이와 같이 통과된 제1 용액이 서브 공간(205)에 수용되어 있는 제2 용액과 반응할 수 있다. 이에 따라, 제2 용액의 라디칼 반응 지시약(예를 들어, 메틸 바이올렛)이 제1 용액의 투과에 따라 형성되는 히드록실 라디칼과 반응하여 색 변화를 발생할 수 있고, 이에 따라 손상 여부 및 그 서브 공간(205)에 대응되는 전해질막의 위치를 파악하여 손상 위치를 판별할 수 있다. 한편, 정확하고 미세하게 전해질막(10)의 손상 부위를 파악하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 장치에서 전해질막(10)과 마주보는 각 서브 공간(205)의 면적은 0.3 cm2 내지 5 cm2 일 수 있다.
보다 자세하게 설명하면, 전해질막(10)의 손상 부분에서는, 손상 정도에 따라 제1 용액이 비례적으로 넘어가는데, 격벽 부재(250)에 형성되는 복수의 서브 공간(205)에 의해 나누어 위치하는 제2 용액(라디칼 반응 지시약 포함)의 색 변화로부터 그 위치를 알 수 있다. 또한, 육안으로의 파악뿐만 아니라, 미세한 손상 부위의 차이도 색 변화를 고해상도 카메라를 이용한 사진의 RGB(Red Green Blue)값, 또는 자외선 가시광선 분광기를 통해 흡광도를 정량화함으로써, 제1 용액이 전해질막(10)을 투과하여 넘어가는 양 및 손상 정도를 정확하게 알 수 있다. 또한, 본 발명의 검사 장치는 제1 용액이 투과하는 적은 양의 작은 차이에도 각 용액의 성분의 농도를 조절함으로써 더욱 민감하게 차이점을 구분 및 손상도 검사할 수 있다.
따라서, 본 발명의 검사 장치는 이와 같은 색 변화에 따라 전해질막(10)에 발생된 손상된 지점과 손상된 크기를 정량적으로 검사 및 분석할 수 있다. 이와 같은 장치는 액체(즉, 제1 용액 및 제2 용액)를 이용하므로, 종래의 가스 이용 검사 장치에서, 연료 전지 셀에서 수소와 공기 중 산소와 같은 반응 가스가 산화극(Anode)에서 환원극(Cathode)으로, 또는 환원극에서 산화극으로 넘어가기 때문에 가스를 이용하여 측정한 것과 구별될 수 있다.
따라서, 기존의 가스 이용 검사 장치 및 방법에서 위치를 찾을 수 있지만, 정량적으로 전해질막 각 부분 마다의 손상 정도나 열화 정도를 판단할 수 없는 단점을 개선할 수 있다. 또한, 기존의 가스 이용 검사 장치에서 전해질막 내에 큰 손상 부분이 발생하는 경우에 상기 부분으로의 대부분의 가스 통과에 의한 측정의 어려움 및 측정 오차를 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 검사 장치에서 베이스(100)의 양 단부 및 측벽 부재(200)의 양 단부가 서로 기밀되도록, 베이스(100) 및 측벽 부재(200) 사이에 기밀 부재(400)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 전해질막(10)은 기밀 부재(400) 사이에 배치되어 고정될 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 것 과 같이, 측벽 부재(200)와 베이스(100) 사이의 기밀을 위해 바깥쪽 맞닿는 부분에 기밀 부재(400)가 포함될 수 있다. 한편, 이와 같은 기밀 부재(400)가 삽입되기 위해, 측벽 부재(200) 및 베이스(100)는 기밀 부재 고정 홈 등을 기밀 부재(400)와 함께 포함할 수 있다. 이에 따라, 전해질막(10)의 손상 여부 및 정도를 검사하기 위해, 기밀 부재(400)의 사이로 전해질막(10)이 위치할 수 있다.
한편, 가압 부재는 예를 들어, 도 1에 도시된 것과 같이 제1 용액의 압력을 상승시키는 정량 펌프(191), 제1 용액의 압력을 측정할 수 있는 압력 센서(192) 및 제1 용액의 압력을 조절할 수 있는 압력 조절 부재(193)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 정량 펌프(191)는 제1 용액을 순환시킬 수 있고, 압력 센서(192)를 통해 제1 용액의 압력을 측정할 수 있으며, 적절하게 전해질막(10)의 손상 여부 및 손상 정도를 파악하기 위해 압력 조절 부재(193)를 통해 인가되는 압력을 조절할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 제2 발수성 시트 및 추가적으로 포함될 수 있는 제3 발수성 시트에 대해 보다 자세히 설명한다.
우선, 도 2를 참조하면, 제2 발수성 시트(210)가 없는 경우에, 서브 공간(205)에 수용되는 제2 용액(예를 들어, 라디칼 반응 지시약으로서 메틸 바이올렛이 초순수에 희석되어 포함)의 경우, 쉽게 전해질막(10)에 흡수되어 전해질막(10)을 오염시킬 수 있다. 또한, 이에 따라 검사 대상 전해질막(10)의 재활용이 불가하고, 제2 용액이 수용되어 있는 양을 정확하게 측정할 수 없다.
또한, 도 2에 도시된 것과 같이, 제2 발수성 시트(210)가 없는 경우에는, 각 서브 공간(205)의 구분을 위해 격벽 부재 기밀 부재(251)와 같은 구조가 필요하다. 이와 같은 경우, 격벽 부재(250)의 하중 지지를 위해, 필연적으로 두꺼운 격벽 부재 기밀 부재(251)를 사용할 수 밖에 없다. 따라서, 두꺼운 격벽 부재 기밀 부재(251)가 사용되는 경우, 격벽 부재(250)와 바로 대응되는 위치에 전해질막(10)의 손상 부위가 위치하는 경우, 정학하게 측정 및 위치를 감지해낼 수 없다.
이어서, 도 3을 참조하면, 제2 발수성 시트(210)가 포함되는 본 발명의 서브 공간(205)을 포함하는 격벽 부재(도 1의 200 참조)의 일부가 도시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2 발수성 시트(210)는 신축성이 있으며, 상기 제2 용액이 상기 전해질막으로 흡수되는 것을 방지할 수 있다. 제2 발수성 시트(210)는 전해질막(10)과 서브 공간(205) 사이에 제2 용액이 흡수되지 않도록 발수성인 것을 특징으로 한다. 즉, 상압 조건에서 제2 용액이 중력에 의해 베이스(100) 방향으로 투과되는 것을 방지한다.
또한, 앞서 도 2에서 설명한 것과 같이, 격벽 부재(250)가 가능한 얇을수록 정확한 전해질막(10)의 손상 및 손상 정도 검사가 가능하고, 이를 위해 제2 발수성 시트(210)는 발수성이면서 압력 차이에 따른 투과성을 가질 수 있다. 특히, 제2 발수성 시트(210)는 신축성 있는 시트를 사용하여, 각 서브 공간(205) 내의 제2 용액 간의 기밀 안정성을 도모하면서 얇은 격벽 부재(250)의 구현이 가능하다.
특히, 앞서 설명한 것과 같이, 손상이 있는 전해질막(10)의 위치에 대응되는 서브 공간(205)에 수용되는 제1 용액의 색이 다른 서브 공간에 수용되는 제1 용액의 색과 구별될 수 있도록, 제2 발수성 시트(210)는 백색일 수 있다.
한편, 이와 같은 제2 발수성 시트(210)는 기공도가 50 % 내지 90 %일 수 있다. 베이스(100)의 리세스(105)에 위치하는 제2 용액이 압력 차에 의해 제2 발수성 시트(210)로 잘 투과될 수 있도록 기공률이 50% 이상일 수 있다.
또한, 이와 같은 제2 발수성 시트(210)는 폴리테트라플로오로에틸렌(예를 들어, PTFE 또는 expanded-PTFE)을 포함할 수 있다. 폴리테트라플로오로에틸렌이 포함됨으로써 제2 발수성 시트(210)의 백색을 구현할 수 있다. 또한, 추가적인 기밀 독립성을 높이기 위해, 카본 소재의 카본 파이버 같은 신축성 물질이 함께 포함될 수 있다. 이에 따라, 제2 발수성 시트(210)는 흰색으로 고 기공성을 가지면서 신축성 및 발수성을 모두 구현할 수 있다.
한편, 바람직하게 제2 발수성 시트(210)의 적절한 투과성 및 신축성을 위해, 두께는 1 mm 이하일 수 있다. 너무 얇은 경우에는 투과성이 높은 반면 신축성이 떨어질 수 있고, 1 mm 이상으로 너무 두꺼운 경우에는 신축성은 증가하는 반면 투과성은 떨어질 수 있다.
이어서, 도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 검사 장치에서 제2 발수성 시트(210)의 제1 발수성 시트(110)와 대향하는 면에는, 투과성이 높은 제3 발수성 시트(310)가 더 포함될 수 있다.
이와 같이, 서로 다른 종류의 제2 발수성 시트(210) 및 제3 발수성 시트(310)를 적용함으로써, 투과성 및 신축성을 모두 만족시킬 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 제3 발수성 시트(310)는 얇은 백색의 폴리테트라플로오로에틸렌이 적용될 수 있고, 신축성을 부여하기 위해 0.2 mm 두께 이상의 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)을 포함할 수 있다. 이와 같이 가스 확산층을 포함하는 제3 발수성 시트(310)는 예를 들어, 5 wt% 내지 50 wt%의 무게비로 폴리테트라플로오로에틸렌이 함유될 수 있다. 또한, 제3 발수성 시트(310)의 기공률은 50 % 내지 90 %일 수 있고, 소재로서 카본 파이버, 펠트 또는 섬유를 이용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 검사 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 리세스(105)에 수용되는 제1 용액이 복수의 서브 공간(205) 중 적어도 하나에 수용되는 제2 용액으로 이동하는 것을 방지되도록, 과투과 억제 부재(500)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 검사 장치에서, 검사 대상 전해질막(10)의 일 부위에 과도한 열화나 손상이 발생되는 경우, 다른 부위의 손상 여부 및 손상 정도를 비교하기가 어렵다. 따라서, 도 5에 도시된 것과 같이, 예를 들어 왼쪽에서 두번째 서브 공간(205)에 대응되는 위치의 전해질막(10)에 과도한 손상이 생겨 검사 및 측정이 불가능한 경우에, 그 서브 공간(205)에 과투과 억제 부재(500)를 형성(예를 들어, 폐쇄)함으로써, 다른 서브 공간(205)에 대응하는 위치의 전해질막(10)의 손상 여부 및 정도를 검사 및 정량화할 수 있다. 즉, 과투과 억제 부재(500)와 대응되는 위치의 전해질막(10)에는 제1 용액의 투과를 막을 수 있어, 다른 서브 공간(205)에 대응하는 위치의 전해질막(10)의 손상 여부 및 정도를 검사 및 정량화할 수 있다.
한편, 이와 같은 과투과 억제 부재(500)는, 과투과 억제 부재 지지판(580)이 함께 장착됨으로써 고정될 수 있다. 또한, 과투과 억제 부재 지지판(580)은 사진을 찍는 경우에, 색 변화를 감지할 수 있도록 투명한 유리나 아크릴로 제작될 수 있다. 또한, 더 선명한 색을 파악하기 위해, 다른 서브 공간(205)에는 개구가 형성되면서 과투과 억제 부재(500)를 지지할 수 있다.
한편, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 검사 장치에서, 전해질막의 정확한 손상 여부 및 정도 검사를 위해, 바람직하게 제1 용액은 과산화수소(H2O2)를 포함할 수 있다. 또한, 제1 용액에 포함되는 과산화수소(H2O2)의 몰 농도(M)는, 1×10-2 mol/L 내지 1×10-1 mol/L일 수 있다. 상기 농도 범위보다 높은 농도의 과산화수소(H2O2)가 공급되는 경우에는, 제2 용액의 라디칼 반응 지시약(예를 들어, 메틸 바이올렛)의 색이 빠르게 무색으로 변하여 검사의 민감도를 저하시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 검사 장치에서, 전해질막의 정확한 손상 여부 및 정도 검사를 위해, 바람직하게 제2 용액에 포함되는 라디칼 반응 지시약의 몰 농도(M)는, 1×10-6 mol/L 내지 1×10-3 mol/L일 수 있다. 상기 범위보다 높은 농도의 라디칼 반응 지시약(예를 들어, 메틸 바이올렛)을 사용하는 경우, 민감도가 떨어져 미세한 차이 구분에 따른 정확한 검사가 불가하다. 반면에, 상기 범위보다 낮은 농도의 경우, 라디칼 반응 지시약의 색이 쉽게 변화하여 전해질막의 손상 정도를 구분할 수 없다. 따라서, 라디칼 반응 지시약(예를 들어, 메틸 바이올렛)의 몰 농도(M)가 1×10-6 mol/L 내지 1×10-3 mol/L인 경우에 가장 민감하게 전해질막의 기밀 손상 여부를 판단하면서도, 손상 위치를 정확하게 측정할 수 있다.
한편, 라디칼 반응 및 색 변화에 따른 정확한 검사를 위하여, 제1 용액 및 상기 제2 용액 중 어느 하나에는 금속(M) 이온이 포함될 수 있다. 즉, 금속 이온이 제2 용액에 포함되는 경우에는 예를 들어, 앞서 설명한 것과 같이, 라디칼 반응 지시약 및 금속 이온이 포함된 금속 염수화물이 초순수에 희석되어 제2 용액을 형성할 수 있다.
또한, 금속 이온은, 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 바륨(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 아연(Zn)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 이온을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 포함되는 금속 이온의 몰 농도(M)는, 바람직하게 1×10-2 mol/L 내지 10 mol/L일 수 있다. 이는 일부 금속 이온에 전해질막 내 술폰산기에 이온 결합을 할 수 있기 때문이다. 이에 따라, 예를 들어, 히드록실 라디칼 생성을 위해 필요한 과산화수소(제1 용액에 포함)의 양 보다 더 많이 넣어줄 필요가 있다.
이하, 도 6 내지 8을 참조하여, 제1 용액 및 제2 용액의 특징에 대하여 보다 자세하게 설명한다.
앞서 설명한 것과 같이, 제2 용액은 라디칼 반응 지시약을 포함할 수 있다. 이에 따라, 제2 용액은 예를 들어, 메틸 바이올렛(Methyl Violet), 메틸 레드(Methyl Red), 메틸 오렌지(Methyl Orange), 에틸 바이올렛(Ethyl Violet), 메틸렌 블루(Methylene Blue)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 그러나, 제2 용액은 다른 종류의 라디칼 반응 지시약 또는 pH 변화 지시약을 배제하는 것은 아니다.
우선, 도 6에는 제2 용액에 포함될 수 있는 라디칼 반응 지시약으로써 메틸 바이올렛의 분자 구조가 도시된다.
도 6를 참조하면, 메틸 바이올렛은 일반적으로 염색 물질로 사용되는 진한 보라색을 나타내는 유기 복합 분말로서, 기능 그룹(Functional Group)에 따라 도 6의 (a) 내지 (c)와 같이 3 가지 형태로 나눌 수 있지만 그 특성은 동일하다.
즉, 메틸 바이올렛은 물이나 알코올에 잘 녹고 매우 작은 양을 가지고도 중성인 물에서 진한 보라색을 나타낼 수 있다. 메틸 바이올렛은 히드록실 라디칼의 공격을 받으면 보라색에서 무색으로 변하는 특성을 가지고 있고, pH가 낮아짐에 따라서도 색이 보라색에서 무색으로 변할 수 있다.
이어서, 도 7을 참조하면, 히드록실 라디칼에 의한 메틸 바이올렛의 색 변화 메커니즘을 알 수 있다.
메틸 바이올렛 분자(도 8의 (a) 참조)는, 히드록실 라디칼과 반응하여 결합됨으로 고유의 보라색을 잃어버리게 되고 무색(도 8의 (b) 참조)으로 변한다. 또한, 색 변화의 정량화를 위해 자외선 가시광선 분광법을 이용하여 변화된 농도를 분석할 수 있다. 또한, 도 7에 도시된 메틸 바이올렛 및 히드록실 라디칼의 반응 속도는, 대략 8.0×109 M-1s-1 으로 매우 빨라 색 변화에 대한 응답을 빠른 시간에 볼 수 있다[A.C. Bhasikuttan et al., Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 90 (1995) 177-182].
이어서, 도 8을 참조하면, 본 발명에 몇몇 실시예에 따른 검사 장치에서 전해질막(10)을 중심으로, 리세스(105)로부터 유래되는 제1 용액 및 서브 공간(205)으로부터 유래되는 제2 용액이 포함하는 화학 물질 및 상태를 알 수 있다.
우선, 도 8에 도시된 것과 같이, 금속 이온(M+)이 제1 용액에 포함될 수 있다. 즉, 앞서 설명한 라디칼 반응 지시약 및 금속 이온을 포함하는 금속 염수화물이 함유된 제2 용액과 달리, 제1 용액에 금속 이온이 포함되고 제2 용액에는 라디칼 반응 지시약만 포함될 수 있다. 구체적으로 설명하면, 리세스(105)에 수용되는 제1 용액(예를 들어, 과산화수소(H2O2) 포함)은 금속 이온(M+)을 포함하여 금속 염수화물을 형성할 수 있다. 이 때, 리세스(105)의 금속 이온(M+)은 히드록실 라디칼을 생성하기 위해 도입되는 제2 용액의 성분(예를 들어, 과산화수소(H2O2))의 함량 보다 과량으로 넣는다. 이를 위해 높은 농도의 금속 염수화물을 넣고, 금속 염수화물의 농도는 전해질막(10)의 이온 당량 또는 부피에 따라 달라질 수 있다.
한편, 이와 같은 제1 용액을 사용함으로써 앞서 설명한 검사 장치와 구별되는 특징은, 전해질막(10) 내에 포함되는 산화방지제(15)의 산화방지성을 서브 공간(205)에 대응되는 전해질막(10)의 위치 별로 비교할 수 있다는 점이다.
보다 구체적으로, 리세스(105)의 금속 이온(M+)과 과산화수소(H2O2)가 반응하여 히드록실 라디칼을 형성시킬 수 있고, 상기 금속 이온(M+), 과산화수소(H2O2) 및 형성된 히드록실 라디칼이 서브 공간(205)으로 이동할 수 있다. 이 때, 도 8에 도시된 것과 같이 전해질막(10)에 충분한 산화방지제(15) 또는 고 산화방지제(15)가 많이 포함되어 있어 산화방지성이 우수하다면, 상기 반응에 의해 생성된 히드록실라디칼이 산화방지제(15)에 의해 물로 변화되어 안정화되기 때문에 히드록실 라디칼 반응제의 색깔은 변화되지 않을 것이다.
그러나, 산화방지제(15)가 없거나 기능이 약한 경우는 히드록실 라디칼이 전해질막(10)을 투과하여 그대로 넘어갈 수 있기 때문에, 메틸 바이올렛의 색깔을 흐려지게 할 수 있다. 이를 통해 전해질막(10) 단위 면적 당 산화방지 능력을 구분하여 나타낼 수 있다. 또한, 보다 세밀한 검사를 위해 색 변화나 자외선 시광선 분광법 등을 통해 정량화할 수 있다.
이하, 도 9 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 검사 장치를 이용하여 전해질막의 손상도를 검사하는 방법에 관하여 설명한다. 설명의 편의상, 도 1 내지 도 8을 이용하여 설명한 것과 다른 점을 위주로 설명한다.
우선, 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 방법은, 베이스 및 제2 발수성 시트의 사이에 전해질막을 설치하는 단계(S10), 측벽 부재의 수용 공간에 금속 이온을 포함하는 제2 용액을 투입하는 단계(S20), 복수의 서브 공간이 형성되도록 격벽 부재를 설치하고, 서브 공간의 부피를 측정하는 단계(S30), 베이스의 리세스에 제1 용액을 투입하는 단계(S40), 가압 부재로 상기 리세스에 수용된 제1 용액에 압력을 인가하는 단계(S50) 및 복수의 서브 공간의 색과 관련한 데이터를 수집하는 단계(S60)를 포함할 수 있다.
이어서, 도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 검사 방법에서 복수의 서브 공간의 색과 관련한 데이터를 수집하는 단계(S60)는, 상기 제1 용액 및 상기 제2 용액에 포함되는 성분의 함량에 따른 색 변화 데이터베이스와 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다.
구체적으로 예를 들면, 우선, 기밀 부재가 설치된 베이스를 준비(S10)한 후 그 위에 분석하고자 하는 전해질막 또는 막-전극 접합체를 놓을 수 있다. 분석하고자 하는 전해질막 샘플 위에 흰색의 신축성이 있는 제2 발수성 시트를 올려 놓을 수 있다. 제2 발수성 시트의 기능은 백색의 격벽 부재로 둘러싸인 서브 공간 내에 있는 제2 용액(예를 들어, 메틸 바이올렛 포함)이 중력에 의해 전해질막으로 흡수 또는 투과 되는 것을 억제 하면서, 베이스의 리세스에 공급되어 전해질막을 통해 서브 공간으로 투과되는 제1 용액(예를 들어, 과산화수소 용액)이 압력 차에 의해 잘 투과되게 하는 것일 수 있다. 육안 검수나 카메라로 찍을 때 색상의 변화를 잘 볼 수 있도록, 제2 발수성 시트는 흰색으로 설치한다(S10).
또한, 고형분 메틸 바이올렛을 초순수에 용해시킨 용액과 철(Fe) 이온이 포함되는 제2 용액을 사용할 수 있다(S20). 보다 구체적으로는 황산철칠수염이 초순수에 희석하여 용해된 용액을 혼합하여 폴리테트라플로오로에틸렌이 바닥에 깔려있는 위에 적절한 양을 붓고, 이 후에 흰색 또는 흰색 물질로 코팅된 격벽 부재를 설치한다(S30). 설치된 격벽 부재를 고정하기 위해 격벽 부재 바깥쪽에 있는 체결 부분을 이용하여 측벽 부재에 고정시킬 수 있다. 이 때 각 격벽 부재 사이의 서브 공간 내에 있는 용액의 높이는 일정하게 유지될 수 있도록 수평을 맞출 수 있다.
한편, 눈금이 새겨진 격벽 부재를 사용함으로써, 각 서브 공간 내의 제2 용액의 양을 정확하게 알 수 있다.
또한, 본 발명의 검사 방법에서는 바람직하게 도 6의 (b)에 해당하는 메틸 바이올렛을 사용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 도 11을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 검사 방법은, 복수의 서브 공간의 색과 관련한 데이터를 수집하는 단계(S60)는, 기 측정값과 비교하여 전해질막의 손상도를 정량화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 검사 방법이 다른 검사 방법과 구별되는 점은, 제2 용액에 포함될 수 있는 메틸 바이올렛의 pH 변화를 이용하여 전해질막을 검사한다는 점이다.
구체적으로, 히드록실 라디칼 반응을 이용한 것과 유사하지만, 측벽 부재의 서브 공간에는 메틸 바이올렛 용액이 포함될 수 있다(S30). 반면에, 베이스의 리세스에는 서브 공간으로부터 공급된 메틸 바이올렛이 pH 3 이하에서 색깔 변화를 일으키기 위해 pH 3 미만, 더 바람직하게는 pH 2 이하의 산성 용액이 포함될 수ㅠ 있다(S40). 전해질막의 손상도에 따라 pH 2 이하의 산성 용액이 리세스에서 서브 공간으로 넘어가면서 메틸 바이올렛 용액 색은 보라색에서 무색으로 변할 수 있다.
한편, 미리 측정된 pH 2 이하의 산성 용액에 의한 색깔 변화를 나타낸 색변화표 또는 자외선 가시광선 분광법을 이용한 흡광도값을 이용하여 복수의 서브 공간 각각에서의 산 희석 용액의 미세한 이동량을 정량화할 수 있다(S63).
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 더 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 예시적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
시험예
본 시험예에서는 제2 용액에 포함되는 메틸 바이올렛의 pH 에 따른 색 변화 및 흡광도를 측정하는 것을 목적으로 한다.
베이스에 연결되어 있는 압려 조절 부재인 밸브를 열어 정량 펌프를 이용하여 과산화수소가 희석된 용액을 기포가 생기지 않도록 가득 채워 넣어 시험 준비를 마친다. 이때 시험을 원활하게 진행될 수 있도록 기포를 원활하게 빼 줄 수 있는 별도의 장치의 설계도 가능하다.
시험을 위해 정량 펌프를 이용하여 과산화수소를 순환시키고, 압력 밸브를 조절하여 베이스의 리세스에 과산화수소가 채워져 있는 부분의 압력을 상승시킨다. 검사 대상 전해질막의 큰 손상이 없는 경우 일반적으로 0.1 barg ~ 0.5 barg 수준으로 진행할 수 있고, 이 때 20분 이내에 평가 결과를 확인할 수 있다.
결과 확인을 위해 일정시간 동안 과산화수소 용액을 투과시키고, 축벽 부재의 메틸 바이올렛과 철 이온 및 과산화수소 혼합 용액의 색깔 변화를 통해 미세한 기밀 차이를 확인할 수 있다.
이 때 손상도에 따라 과산화수소가 베이스으 리세스에서 측벽 부재의 서브 공간으로 넘어가면서 메틸 바이올렛 용액 색깔을 보라색에서 무색으로 바뀌는데, 무색으로 변할 수록 더 높은 투과성을 보이고, 그 위치에서의 전해질막 손상도가 높다고 할 수 있다.
이를 미리 측정된 과산화수소 함량에 따른 색 변화를 나타낸 색변화표(RGB값) 또는 자외선 가시광선 분광법을 이용한 흡광도값을 이용하여 각 격벽 부재 사이의 서브 공간에서 과산화수소 용액이 넘어간 양을 색깔 변화를 통한 농도로 나타냄으로 과산화수소가 넘어간 함량을 분석할 수 있다. 전해질막의 손상도가 높을 경우에는 각 부재 옆에 그려져 있는 눈금을 이용하여 측벽 부재의 각 결실에 추가된 용액의 양을 통해 손상 정도를 구분할 수도 있고, 그 차이가 미세할 경우는 색깔 변화를 통해 손상도 정도를 구분할 수 있다.
시험 결과 평가
평가예 1-샘플의 색 변화 평가
이하, 도 12 및 도 13을 참조하여 본 발명의 시험예에 따른 결과를 평가한다.
우선, 도 12를 참조하면, 메틸 바이올렛이 포함되는 제2 용액에서, 메틸 바이올렛의 pH 변화에 따라, 샘플의 색이 육안으로 구분될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 메틸 바이올렛과 pH에 따른 변화의 경우에도 매우 빠른 반응으로 색깔이 변함을 알 수 있다. pH 3 이상에서는 보라색으로 거의 변화가 없지만 pH 3 이하에서 서서히 변하면서 pH 0에서는 거의 무색에 가까워 진다.
평가예 2-흡광도 측정 및 평가
이어서, 도 13을 참조하면, 메틸 바이올렛의 pH에 따른 색 및 흡광도 변화를 나타낸 것이다. pH 3 이하에서부터 메틸 바이올렛의 보라색 흡광도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 따라서 장치의 서브 공간에 pH 3의 메 틸바이올렛을 넣고, 리세스에 묽은 황산 같은 pH 2 이하의 용액을 넣어 준 후에 시험을 실시하게 되면 손상도의 크기에 따라 리세스에서 서브 공간으로 넘어가는 양이 달라지고 이에 따라 측벽 부재에 있는 격벽 부재로 구분되는 서브 공간의 메틸 바이올렛의 색 변화가 나타남을 알 수 있었다. 또한, 전체 부피, 색 및 자외선 가시광선 분광 장치를 이용한 흡광도를 측정을 통해 미세한 차이도 정량적으로 측정 가능하고, 이후 넘어간 양을 정량적으로 파악할 수 있다.
한편, 도 14는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 검사 방법에서 전해질막의 손상도를 정량화하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 14을 참조하면, 특정 시간 동안, 각 용액의 특정 농도에 대해 전해질막 손상 정도에 따라 미리 측정된 히드록실 라디칼 반응제의 색과 과산화수소의 농도 또는 산성 수용액의 농도와 비교하여, 전해질막 손상도 검사 장치를 통한 전해질막 손상도 검증 후 나타낸 히드록실 라디칼 반응제의 색을 자외선 가시광선 분광도 분석에 의해 나타난 흡광도 값에 대해 정량화 하여 도 14에 나타내었다.
구체적으로 설명하면, Case 1에 대한 낮은 흡광도 값은 색깔이 무색에 가까우므로 많은 전해질막 손상이 발생했음을 알 수 있고, Case 2에 대한 상대적으로 높은 흡광도 값은 색깔이 보라색에 가까우므로 상대적으로 손상이 덜 발생했음을 알 수 있다.
또한, 고해상도 카메라와 포토샵과 같은 사진 분석 프로그램을 이용한 RGB 값을 이용하여서도 정량 비교할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 검사 방법 적용 시 전해질막 내 큰 손상이 있다면 과산화수소가 히드록실라디칼을 형성시키지 않고 넘어가는 양이 많아 지기 때문에 데이터의 신뢰도가 떨어질 수 있다. 따라서 동일한 투과도를 같은 전해질막에 대해 구분이 가능하고, 제조 초기 전해질막 또는 전해질막의 손상도가 낮은 경우에 대한 것으로 활용 범위가 제한될 수는 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
10: 전해질막
15: 산화방지제
100: 베이스 105: 리세스
110: 제1 발수성 시트 130: 제1 용액 리저버
150: 격벽 부재 압력 지지 부재 180: 베이스-측벽 부재 고정부재
200: 측벽 부재 210: 제2 발수성 시트
205: 서브 공간(수용 공간) 250: 격벽 부재
251: 격벽 부재 기밀 부재 280: 격벽 부재 지지 부재
191: 정량 펌프 192: 압력 센서
193: 압력 조절 부재 310: 제3 발수성 시트
400: 기밀 부재 500: 과투과 억제 부재
580: 과투과 억제 부재 지지판
100: 베이스 105: 리세스
110: 제1 발수성 시트 130: 제1 용액 리저버
150: 격벽 부재 압력 지지 부재 180: 베이스-측벽 부재 고정부재
200: 측벽 부재 210: 제2 발수성 시트
205: 서브 공간(수용 공간) 250: 격벽 부재
251: 격벽 부재 기밀 부재 280: 격벽 부재 지지 부재
191: 정량 펌프 192: 압력 센서
193: 압력 조절 부재 310: 제3 발수성 시트
400: 기밀 부재 500: 과투과 억제 부재
580: 과투과 억제 부재 지지판
Claims (19)
- 전해질막의 손상도를 검사하기 위한 검사 장치에 있어서,
제1 용액이 수용되는 리세스가 형성되는 제1 면을 포함하는 베이스;
적어도 일부가 상기 리세스를 덮도록 상기 베이스의 상기 제1 면에 배치되는 제1 발수성 시트;
상기 제1 발수성 시트와 마주보는 제2 발수성 시트;
상기 제2 발수성 시트에 형성되고, 제2 용액를 수용하되 적어도 일부가 상기 리세스에 대응되는 수용 공간을 형성하도록 상기 수용 공간을 둘러싸는 측벽 부재;
상기 수용 공간에 형성되고, 상기 수용 공간을 복수의 서브 공간으로 구획하도록 상기 측벽 부재에 결합되는 격벽 부재; 및
상기 리세스에 수용되는 상기 제1 용액에 압력을 인가할 수 있는 가압 부재;를 포함하고,
상기 복수의 서브 공간 각각은 적어도 일부가 상기 제2 발수성 시트에 의해 형성되고,
상기 제1 용액은 pH 7 이하이고, 상기 제2 용액은 히드록실 라디칼과 반응하면 색이 변화되는 라디칼 반응 지시약을 포함하고,
상기 제1 발수성 시트와 상기 제2 발수성 시트 사이에는 상기 전해질막이 배치될 수 있는, 검사 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 전해질막에 손상이 있는 경우에, 상기 손상이 있는 위치에 대응되는 서브 공간에 수용되는 제1 용액의 색은 다른 서브 공간에 수용되는 제1 용액의 색과 구별되는, 검사 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 전해질막과 마주보는 상기 서브 공간의 면적은 0.3 cm2 내지 5 cm2 인, 검사 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제2 발수성 시트는 신축성이 있으며, 상기 제2 용액이 상기 전해질막으로 흡수되는 것을 방지하는, 검사 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제2 발수성 시트는 기공도가 50 % 내지 90 %인, 검사 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제2 발수성 시트는 폴리테트라플로오로에틸렌을 포함하는, 검사 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 베이스의 양 단부 및 상기 측벽 부재의 양 단부가 서로 기밀되도록, 상기 베이스 및 상기 측벽 부재 사이에 형성되는 기밀 부재를 더 포함하고,
상기 전해질막은 상기 기밀 부재 사이에 배치될 수 있는, 검사 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 가압 부재는, 제1 용액의 압력을 상승시키는 정량 펌프, 상기 제1 용액의 압력을 측정할 수 있는 압력 센서 및 상기 제1 용액의 압력을 조절할 수 있는 압력 조절 부재를 포함하는, 검사 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제2 발수성 시트의 상기 제1 발수성 시트와 대향하는 면에, 투과성이 높은 제3 발수성 시트를 더 포함하는, 검사 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 용액이 상기 복수의 서브 공간 중 적어도 하나에 수용되는 제2 용액으로 이동하는 것을 방지하는 과투과 억제 부재를 더 포함하는, 검사 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 용액은 과산화수소(H2O2)를 포함하고, 상기 과산화수소(H2O2)의 몰 농도(M)는, 1×10-2 mol/L 내지 1×10-1 mol/L인, 검사 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제2 용액은, 메틸 바이올렛(Methyl Violet), 메틸 레드(Methyl Red), 메틸 오렌지(Methyl Orange), 에틸 바이올렛(Ethyl Violet) 및 메틸렌 블루(Methylene Blue)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 검사 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제2 용액에서 상기 라디칼 반응 지시약의 몰 농도(M)는, 1×10-6 mol/L 내지 1×10-3 mol/L인, 검사 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 용액 및 상기 제2 용액 중 어느 하나에는 금속 이온이 포함되는, 검사 장치. - 제 14항에 있어서,
상기 금속 이온은, 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 바륨(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 아연(Zn)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 이온을 포함하는, 검사 장치. - 제 14항에 있어서,
상기 금속 이온의 몰 농도(M)는, 1×10-2 mol/L 내지 10 mol/L인, 검사 장치. - 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항의 검사 장치를 이용하여 전해질막의 손상도를 검사하는 방법에 있어서,
상기 베이스 및 상기 제2 발수성 시트의 사이에 전해질막을 설치하는 단계;
상기 측벽 부재의 상기 수용 공간에 금속 이온을 포함하는 제2 용액을 투입하는 단계;
상기 복수의 서브 공간이 형성되도록 상기 격벽 부재를 설치하고, 상기 서브 공간의 부피를 측정하는 단계;
상기 베이스의 상기 리세스에 제1 용액을 투입하는 단계;
상기 가압 부재로 상기 리세스에 수용된 상기 제1 용액에 압력을 인가하는 단계; 및
상기 복수의 서브 공간의 색과 관련한 데이터를 수집하는 단계를 포함하는, 검사 방법. - 제 17항에 있어서,
상기 복수의 서브 공간의 색과 관련한 데이터를 수집하는 단계는,
상기 제1 용액 및 상기 제2 용액에 포함되는 성분의 함량에 따른 색 변화 데이터베이스와 비교하는 단계를 포함하는, 검사 방법. - 제 18항에 있어서,
상기 복수의 서브 공간의 색과 관련한 데이터를 수집하는 단계는,
기 측정값과 비교하여 전해질막의 손상도를 정량화하는 단계를 포함하는, 검사 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180170744A KR20200080842A (ko) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | 전해질막 손상도 검사 장치 및 이를 이용한 검사 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180170744A KR20200080842A (ko) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | 전해질막 손상도 검사 장치 및 이를 이용한 검사 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200080842A true KR20200080842A (ko) | 2020-07-07 |
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ID=71603250
Family Applications (1)
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| KR1020180170744A KR20200080842A (ko) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | 전해질막 손상도 검사 장치 및 이를 이용한 검사 방법 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20200080842A (ko) |
-
2018
- 2018-12-27 KR KR1020180170744A patent/KR20200080842A/ko not_active Application Discontinuation
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