KR20230120707A - 연료전지의 이온전도도 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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이윤수
곽다희
박현명
김시원
박아현
장지훈
오송이
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Abstract

본 발명은 연료전지용 막전극 접합체의 이온전도도를 다양한 조건에서 정확하게 측정할 수 있도록 한 연료전지의 이온전도도 측정 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 하부 받침대 상에 수직 기립된 상태로 장착되는 본체 프레임; 상기 본체 프레임의 상부에 장착된 클램프 핸들; 상기 클램프 핸들에 상하 이동 가능하게 연결되는 승강샤프트; 상기 승강샤프트의 하단부와 연결됨과 함께 상기 본체 프레임에 상하 이동 가능하게 체결되는 모션 지그; 상기 모션 지그의 상부에 장착되는 상부 거치대; 상기 모션 지그의 하부에 장착되는 시편 거치대; 상기 본체 프레임의 하단부에 장착되는 하부 거치대; 상기 상부 거치대에 장착되는 상부 프로브 핀; 및 상기 하부 거치대에 장착되는 하부 프로브 핀; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 장치 및 이를 이용한 이온전도도 측정 방법을 제공한다.

Description

연료전지의 이온전도도 측정 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR MEASURING IONIC CONDUCTIVITY OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 이온전도도 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지용 막전극 접합체의 이온전도도를 다양한 조건에서 정확하게 측정할 수 있도록 한 연료전지의 이온전도도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소 양이온(Proton)을 이동시키기 위한 이온교환막인 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 전극층인 캐소드(cathode) 및 애노드(anode)로 구성되는 막전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 캐소드 및 애노드의 바깥 부분에는 수소 및 공기와 같은 기체의 확산 이동을 위한 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)과, 수소 및 공기를 촉매층으로 공급하고 전기생성 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로를 갖는 분리판이 차례로 적층된다.
따라서, 연료전지의 애노드극에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온과 전자가 발생하며, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 도선을 통하여 캐소드극으로 이동하게 된다.
이와 동시에, 캐소드극에서는 애노드극으로부터의 수소이온과 전자를 받아 산소의 환원반응이 진행되면서 물을 생성하고, 이때 도선을 따라서는 전자의 흐름에 의해, 고분자 전해질 막을 통해서는 프로톤의 흐름에 의하여 전기에너지가 생성된다.
한편, 상기 막전극 접합체에 가스확산층 및 분리판이 차례로 적층된 하나의 단위 셀을 수백 개 이상 적층하고, 적층된 양측부에 엔드플레이트를 체결하면, 연료전지 차량 등에 탑재 가능한 연료전지 스택이 완성된다.
이때, 상기 엔드플레이트의 체결압에 따라 연료전지 스택의 각 구성들에 대한 체결 면압이 결정된다.
이에, 상기 엔드플레이트의 체결압에 따라 연료전지 스택의 각 막전극 접합체에 기밀 유지를 위한 두께 방향의 면압이 작용하는 바, 이 면압에 따라 막전극 접합체의 이온교환막인 전해질막 및 전극층의 이온전도도가 달라질 수 있다.
따라서, 상기 막전극 접합체에 작용하는 두께 방향의 면압에 따라 달라지는 이온전도도의 측정 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택을 구성하는 막전극 접합체의 전해질막 및 전극층에 대한 두께방향 이온전도도를 서로 다른 압력 조건 등 다양한 조건에서 측정할 수 있고, 측정된 결과를 막전극 접합체및 연료전지 스택의 제조에 유용하게 이용할 수 있도록 한 연료전지의 이온전도도 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예는: 하부 받침대 상에 수직 기립된 상태로 장착되는 본체 프레임; 상기 본체 프레임의 상단부에 장착된 복수개의 클램프 핸들; 상기 각 클램프 핸들에 상하 이동 가능하게 연결되는 승강샤프트; 상기 승강샤프트의 하단부와 연결되는 상부 거치대와, 이 상부 거치대와 일체로 연결되는 시편 거치대로 구성되어, 상기 본체 프레임에 상하 이동 가능하게 체결되는 모션 지그; 상기 본체 프레임의 하단부에 장착 고정되는 하부 거치대; 상기 상부 거치대에 장착되어 상부 거치대의 하강시 상기 시편 거치대의 놓인 시편의 상면에 접촉되는 상부 프로브 핀; 및 상기 하부 거치대에 장착되어 상기 시편 거치대에 놓인 시편의 저면에 접촉되는 하부 프로브 핀; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 장치를 제공한다.
상기 클램프 핸들은: 파지 가능한 구조로 구비된 핸들부; 상기 핸들부로부터 연장되어 상기 본체 프레임에 힌지 체결되는 상부 힌지단; 및 상기 상부 힌지단으로부터 분기되어 상기 승강샤프트의 상단부와 힌지 체결되는 하부 힌지단; 으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 본체 프레임의 정면에서 그 상부 위치에는 상기 승강 샤프트의 상하 이동 안내를 위한 가이드관이 장착된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 본체 프레임에는 상기 모션 지그의 승강 안내를 위한 관통홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 본체 프레임의 후면 위치에는 상기 모션 지그의 상부 거치대와 시편 거치대를 일체로 연결하는 승강판이 상기 관통홀을 지나서 위치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 본체 프레임의 후면에는 승강판의 상하 이동 안내를 위한 슬라이드 샤프트가 상하로 배열되게 장착되고, 상기 승강판에는 슬라이드 샤프트가 삽입되는 슬라이드홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 승강판의 내면에는 볼 플런저가 장착되고, 상기 본체 프레임의 후면에는 상기 볼 플런저가 선택적으로 삽입 체결되는 다수개의 고정홈이 상하방향을 따라 소정의 간격으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 시편 거치대에는 시편의 고정 및 보호를 위한 코인셀이 안착되도록 한 코인셀 안착홈이 형성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 코인셀은: 상부가 개방되고, 바닥 테두리에 양면에 전극이 도포된 이온교환막 시편이 안착되는 거치면이 형성되며, 바닥 중앙에 상기 시편의 저면을 노출시키는 하부 노출홀이 형성된 구조로 구비되어, 상기 코인셀 안착홈에 안착되는 케이스; 저면부에 상기 케이스에 삽입되어 상기 시편의 테두리를 가압 고정시키는 고정단이 형성되고, 중앙부에 상기 시편의 상면을 노출시키는 상부 노출홀이 형성된 캡; 으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 시편 거치대에는 하부 프로브 핀의 상단부가 시편의 저면에 접촉 가능하게 진입되도록 한 진입홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 상부 프로브 핀은: 상기 상부 거치대에 상하로 관통되며 장착되어, 상부 거치대와 함께 승강하는 중공의 상부베럴; 상단부는 상기 상부베럴의 하부에 삽입되고, 하단부에는 시편과의 접촉 저항 최소화를 위한 상부이빨이 형성된 상부플런저; 상기 상부베럴의 상부에 삽입되어 상부플런저의 상면을 탄성 지지하는 상부스프링; 및 상기 상부플런저의 상단부에 연결되어 상기 상부스프링의 상단부와 도전 가능하게 접촉하는 상부집전봉; 으로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 상부스프링은, 상기 상부플런저의 상부이빨이 시편에 접촉한 상태에서 상기 상부 거치대의 하강에 의하여 상부베럴과 상부집전봉이 함께 하강할 때의 힘에 의하여 상기 상부플런저와 상부집전봉 사이에서 압축되는 것으로서, 내열성의 스테인레스 스틸로 제작된 것임을 특징으로 한다.
상기 하부 프로브 핀은: 상기 하부 거치대에 상하로 관통되며 고정 장착되는 중공의 하부베럴; 하단부는 상기 하부베럴의 상부에 삽입되고, 상단부에는 시편과의 접촉 저항 최소화를 위한 하부이빨이 형성된 하부플런저; 상기 하부베럴의 하부에 삽입되어 하부플런저의 저면을 탄성 지지하는 하부스프링; 및 상기 하부플런저의 하단부에 연결되어 상기 하부스프링의 하단부와 도전 가능하게 접촉하는 하부 집전봉; 으로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 하부스프링은, 상기 하부플런저의 하부이빨이 시편에 접촉한 상태에서 상기 시편 거치대가 하강할 때 하부플런저가 눌리는 힘에 의하여 상기 하부플런저와 하부집전봉 사이에서 압축되는 것으로서, 내열성의 스테인레스 스틸로 제작된 것임을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 복수개의 시편 거치대에 서로 다른 두께의 이온전도도 측정용 시편을 각각 안착시키는 단계; 본체 프레임의 하부 거치대에 장착된 하부 프로브 핀의 하부 플런저를 상기 각 시편의 저면에 밀착시키는 단계; 클램프 핸들의 회전 조작에 따른 승강샤프트의 하강에 의하여 모션 지그가 하강하는 단계; 모션 지그의 상부 거치대에 장착된 상부 프로브 핀의 상부플런저가 하강하면서 각 시편의 상면에 밀착되는 단계; 상기 하부플런저가 각 시편의 저면에 밀착 지지된 상태에서 상기 상부플런저의 점차적인 하강에 의하여 상기 각 시편에 가해지는 압력이 조절되는 단계; 및 상기 각 시편에 가해지는 압력 조건 하에서 시편에 대한 이온전도도를 측정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 방법을 제공한다.
상기 각 시편에 가해지는 압력이 조절되는 단계는: 상기 모션지그의 승강판의 내면에 장착된 볼 플런저가 상기 본체 프레임의 후면에 형성된 다수개의 고정홈 중 하나에 선택적으로 삽입 체결되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 이온전도도를 측정하는 단계는: 상기 상부 프로브 핀과 하부 프로브 핀을 통하여 상기 시편에 전류를 인가할 때, 상기 시편에 포함된 이온교환막의 저항값을 측정하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 이온전도도는 상부 프로브 핀과 하부 프로브 핀과 연결된 전기화학적 분석기에서 에 의하여 계산되는 것을 특징으로 한다.
위의 식에서, σ: 이온전도도, t: 시편 두께, R: 저항, A: 시편 면적을 나타낸다.
본 발명의 방법은, 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택의 체결 면압을 모사하기 위하여 상기 시편에 작용하는 면압을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 시편에 작용하는 면압은 에 의하여 계산되는 것을 특징으로 한다.
위의 식에서, PA: 면압, k : 상부 프로브 핀과 하부 프로브 핀에 내설된 스프링 정수, δ : 상부 프로브 핀과 하부 프로브 핀에 내설된 스프링의 변형량, A: 시편 면적을 각각 나타낸다.
상기한 과제의 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 연료전지 스택을 구성하는 막전극 접합체의 이온교환막인 전해질막에 대한 두께방향 이온전도도를 서로 다른 온도 및 압력 조건 등 다양한 조건에서 정확하게 측정할 수 있고, 측정된 결과를 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택의 제조 및 조립 단계에서 유용한 데이터로 활용할 수 있다.
둘째, 이온전도도 측정을 위한 다수개의 동일한 지그를 본체 프레임에 장착하여, 각 지그에 파지된 시편(전극층이 도포된 전해질막) 마다 서로 다른 압력을 인가함과 함께 교류 전원을 공급하여 이온전도도를 측정할 수 있도록 함으로써, 다수개의 시편에 대한 이온전도도를 동시에 측정할 수 있다.
셋째, 시편에 접촉되는 상부 프로브 핀 및 하부 프로브 핀의 각 구성들을 내열 및 내산성의 재질(예, 스테인레스 스틸)로 채택하여, 이온전도도 측정을 위한 25 ~ 200℃ 온도범위에서 시편에 대한 이온전도도를 용이하게 측정할 수 있다.
넷째, 상부 프로브 핀 및 하부 프로브 핀에 내설되는 스프링을 스프링 정수가 다른 것으로 적용하여, 시편에 대한 다양한 압력을 인가할 수 있고, 압력에 따라 달라지는 이온전도도를 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지의 이온전도도 측정 장치를 도시한 정면도,
도 2, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 연료전지의 이온전도도 측정 장치 및 그 작동 상태를 순서대로 도시한 단면도,
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 연료전지의 이온전도도 측정 장치의 상부 프로브 핀과 하부 프로브 핀의 작동 상태를 시편에 가해지는 압력별로 도시한 단면도,
도 9는 본 발명에 따른 연료전지의 이온전도도 측정 방법을 도시한 순서도.
도 10은 본 발명에 따른 연료전지의 이온전도도 측정 결과의 일례를 도시한 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지의 이온전도도 측정 장치를 도시한 정면도이고, 도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 연료전지의 이온전도도 측정 장치 및 그 작동 상태를 순서대로 도시한 단면도로서, 각 도면에서 도면부호 10은 본체 프레임을 지시한다.
상기 본체 프레임(10)은 이온전도도 측정을 위한 각 구성들이 취부되는 것으로서, 지면에 지지되는 하부 받침대(12) 상에 수직 기립된 상태로 장착된다.
상기 본체 프레임(10)의 정면에서 그 상단부에는 시편(100)에 대한 이온전도도를 측정할 때, 작업자가 직접 파지한 상태에서 회전 조작시키기 위한 클램프 핸들(20)이 상하 회전 가능하게 장착된다.
바람직하게는, 상기 시편(100)은 전극층(101,102)이 양면에 도포된 이온교환막인 전해질막(103)일 수 있다.
이때, 상기 클램프 핸들(20)에는 승강샤프트(30)가 상하 이동 가능하게 연결된다.
이를 위해, 상기 본체 프레임(10)의 정면에서 그 상부 위치 즉, 클램프 핸들(20)의 바로 아래쪽 위치에는 상기 승강 샤프트(30)의 상하 이동 안내를 위한 중공의 가이드관(32)이 장착된다.
또한, 상기 클램프 핸들(20)은, 작업자가 파지 가능한 구조로 구비된 핸들부(21)와, 이 핸들부(21)로부터 연장되어 상기 본체 프레임에 제1힌지핀(22)에 의하여 힌지 체결되는 상부 힌지단(23)과, 이 상부 힌지단(23)으로부터 분기되어 상기 승강샤프트(30)의 상단부와 제2힌지핀(24)에 의하여 힌지 체결되는 하부 힌지단(25)으로 구성된다.
이에, 상기 클램프 핸들(20)의 핸들부(21)를 가장 위쪽으로 회전시키면, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 승강샤프트(30)가 가장 위쪽에 위치되는 상태가 된다.
반면, 상기 클램프 핸들(20)의 핸들부(21)를 점차적으로 아래쪽으로 회전시키면, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 상부 힌지단(23) 및 하부 힌지단(25)이 하방향으로 회전하면서 승강샤프트(30)을 하방향으로 밀어주게 되므로, 상기 승강샤프트(30)가 점차적으로 수직 하강하게 된다.
상기 승강샤프트(30)의 하단부에는 상기 본체 프레임(10)에 상하 이동 가능하게 체결되는 모션 지그(40)와 연결된다.
보다 상세하게는, 상기 모션 지그(40)는 상기 승강샤프트(30)의 하단부와 연결되는 수평판 형태의 상부 거치대(41)와, 이 상부 거치대(41)와 일체로 연결되는 수평판 형태의 시편 거치대(43)와, 상부 거치대(41)와 시편 거치대(43)의 후단부를 일체로 연결하는 수직판 형태의 승강판(42)으로 구성되어, 상기 본체 프레임(10)에 상하 이동 가능하게 체결된다.
이때, 상기 본체 프레임(10)에는 상기 모션 지그(40)의 승강 안내 및 승강 공간이 확보될 수 있도록 소정 크기의 관통홀(11)이 형성된다.
이에, 상기 모션 지그(40)의 상부 거치대(41)와 시편 거치대(43)는 본체 프레임(10)의 정면쪽에 돌출 배열되고, 상기 승강판(42)은 관통홀(11)을 지나서 본체 프레임(10)의 후면쪽에 돌출 배열될 수 있다.
위와 같이 상기 모션 지그(40)가 본체 프레임(10)의 관통홀(11)에 승강 가능하게 배치되지만, 모션 지그(40)의 승강을 위한 안내 구조가 필요하다.
이를 위해, 상기 본체 프레임(10)의 후면에는 승강판(42)의 상하 이동 안내를 위한 슬라이드 샤프트(50)가 상하로 배열되게 장착되고, 상기 승강판(42)에는 슬라이드 샤프트(50)가 삽입되는 슬라이드홀(44)이 형성됨으로써, 상기 승강판(42)이 슬라이드 샤프트(50)를 따라 승강될 수 있고, 결국 승강판(42)을 비롯한 상부 거치대(41)와 시편 거치대(43)를 포함하는 모션 지그(40)가 승강될 수 있다.
또한, 상기 모션 지그(40)의 승강시 원하는 높이 위치에서 고정시키기 위한 구조가 필요하다.
이를 위해, 상기 승강판(42)의 양측단 내면에는 스프링(61)에 의하여 탄성 지지되는 볼(62)을 포함하는 볼 플런저(60)가 장착되고, 상기 본체 프레임(10)의 후면에는 상기 볼 플런저(60)의 볼(62)이 선택적으로 삽입 체결되는 다수개의 고정홈(13)이 상하방향을 따라 소정의 간격으로 형성된다.
이에, 상기 볼 플런저(60)의 볼(62)이 상기 다수개의 고정홈(13) 중 하나에 선택적으로 삽입 체결되면, 후술하는 바와 같이 상기 시편 거치대(43)에 안착된 시편(100)에 작용하는 압력이 결정될 수 있다.
다시 말해서, 상기 볼 플런저(60)의 볼(62)이 상기 다수개의 고정홈(13)에 각각 삽입 체결될 때, 상기 시편(100)에 작용하는 압력이 다르게 결정될 수 있다.
한편, 상기 시편 거치대(43)에는 시편(100)의 고정 및 보호를 위한 코인셀(110)이 안착되도록 한 코인셀 안착홈(45)이 형성되고, 상기 시편 거치대(43)에는 후술하는 바와 같이 하부 프로브 핀(90)의 상단부가 시편(100)의 저면에 접촉 가능하게 진입되도록 한 진입홀(46)이 형성되며, 이 진입홀(46)은 코인셀 안착홈(45)의 바닥에 형성된다.
바람직하게는, 상기 코인셀(110)은 시편(100)의 상면 및 저면을 노출시키면서 시편(100)을 고정시키기 위한 구조로서, 상호 체결 가능한 케이스(113)와 캡(116)으로 구성된다.
상기 코인셀(110)의 케이스(113)는 상기 코인셀 안착홈(45)에 안착되는 것으로서, 상부가 개방되고, 바닥 테두리에 양면에 시편(100) 즉, 전극층(101,102)이 양면에 도포된 이온교환막인 전해질막(103)이 안착되는 거치면(111)이 형성되며, 바닥 중앙에 상기 시편(100)의 저면을 노출시키는 하부 노출홀(112)이 형성된 구조로 구비될 수 있다.
상기 코인셀(110)의 캡(116)은 그 저면부에 상기 케이스(113)에 삽입되어 상기 시편(100)의 테두리를 가압 고정시키는 고정단(114)이 형성되고, 중앙부에 상기 시편(100)의 상면을 노출시키는 상부 노출홀(115)이 형성된 구조로 구비될 수 있다.
이에, 상기 시편 거치대(43)의 코인셀 안착홈(45)에 코인셀(110)이 삽입 안착되면, 코인셀(110) 내의 시편(100)의 상면은 상부 노출홀(115)을 통해 상방향을 향하여 노출되고, 코인셀(110) 내의 시편(100)의 저면은 하부 노출홀(112)을 통해 하방향을 향하여 노출될 수 있다.
한편, 상기 본체 프레임(10)의 하단부에는 수평판 형태의 하부 거치대(70)가 고정 장착된다.
또한, 상기 상부 거치대(41)에는 상부 거치대(41)의 하강시 상기 시편 거치대(43)의 놓인 시편(100)의 상면에 접촉되는 상부 프로브 핀(80)이 장착되고, 상기 하부 거치대(70)에는 상기 시편 거치대(43)에 놓인 시편(100)의 저면에 접촉되는 하부 프로브 핀(90)이 장착된다.
상기 상부 프로브 핀(80)은 도 5 내지 도 8에서 잘 볼 수 있듯이, 상기 상부 거치대(41)에 상하로 관통되며 장착되어 상부 거치대(41)와 함께 승강하는 중공의 상부베럴(81)과, 상단부는 상기 상부베럴(81)의 하부에 삽입되고, 하단부에는 시편(100)과의 접촉 저항 최소화를 위한 상부이빨(82)이 형성된 상부플런저(83)와, 상기 상부베럴(81)의 상부에 삽입되어 상부플런저(83)의 상면을 탄성 지지하는 상부스프링(84)과, 상기 상부플런저(83)의 상단부에 연결되어 상기 상부스프링(84)의 상단부와 도전 가능하게 접촉하는 상부집전봉(85)으로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 상부스프링(84)은, 상기 상부플런저(83)의 상부이빨(82)이 시편(100)에 접촉한 상태에서 상기 상부 거치대(41)의 하강에 의하여 상부베럴(81)과 상부집전봉(85)이 함께 하강할 때의 힘에 의하여 상기 상부플런저(83)와 상부집전봉(85) 사이에서 압축되는 것으로서, 이온전도도 측정을 위한 고온 조건(25 ~ 200℃)에서 견딜 수 있도록 상부 프로브 핀(80)과 동일한 내열 및 내산성의 스테인레스 스틸로 제작된 것으로 채택될 수 있다.
또한, 상기 상부스프링(84)은 원하는 스프링 정수(N/mm)의 것으로 채택되어 상기 상부 프로브 핀(80)의 상부베럴(81) 내에 교체 가능하게 내장될 수 있다.
상기 하부 프로브 핀(90)은 도 5 내지 도 8에서 잘 볼 수 있듯이, 상기 하부 거치대(70)에 상하로 관통되며 고정 장착되는 중공의 하부베럴(91)과, 하단부는 상기 하부베럴(91)의 상부에 삽입되고, 상단부에는 시편(100)과의 접촉 저항 최소화를 위한 하부이빨(92)이 형성된 하부플런저(93)와, 상기 하부베럴(91)의 하부에 삽입되어 하부플런저(93)의 저면을 탄성 지지하는 하부스프링(94)과, 상기 하부플런저(93)의 하단부에 연결되어 상기 하부스프링(94)의 하단부와 도전 가능하게 접촉하는 하부 집전봉(95)으로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 하부스프링(94)은, 상기 하부플런저(93)의 하부이빨(92)이 시편(100)에 접촉한 상태에서 상기 시편 거치대(43)가 하강할 때 하부플런저(93)가 눌리는 힘에 의하여 상기 하부플런저(93)와 하부집전봉(95) 사이에서 압축되는 것으로서, 이온전도도 측정을 위한 고온 조건(25 ~ 200℃)에서 견딜 수 있도록 하부 프로브 핀(90)과 동일한 내열 및 내산성의 스테인레스 스틸로 제작된 것으로 채택될 수 있다.
또한, 상기 하부스프링(94)은 원하는 스프링 정수(N/mm)의 것으로 채택되어 상기 하부 프로브 핀(90)의 하부베럴(91) 내에 교체 가능하게 내장될 수 있다.
이때, 상기 상부집전봉(85)과 하부집전봉(95)에는 전기화학적 분석기(200)가 고온 케이블에 의하여 연결되는 바, 이 전기화학적 분석기(200)는 상부집전봉(85)과 하부집전봉(95)으로 전류를 인가하면서 시편(100)의 이온교환막인 전해질막(103)의 저항값을 이용하여 이온전도도를 측정 및 계산하고, 또한 시편(100)에 작용하는 면압을 계산할 수 있다.
한편, 상기와 같이 볼 블런저(60)가 승강판(42)의 내면에 장착되고, 볼 플런저(60)가 선택적으로 삽입 체결되는 다수개의 고정홈(13)이 상기 본체 프레임(10)의 후면에 형성된 것에 한정되지 않고, 상기 볼 블런저(60)가 승강판(42)의 내면에 장착되고, 다수개의 고정홈(13)이 슬라이드 샤프트(50)에 형성될 수 있고, 또는 상기 볼 블런저(60)가 슬라이드 샤프트(50)에 장착되고, 다수개의 고정홈(13)이 승강판(42)의 내면에 형성될 수 있음을 밝혀둔다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 이온전도도 측정 장치에 대한 작동 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 상기 클램프 핸들(20)의 핸들부(21)를 가장 위쪽으로 회전시키면, 상기 승강샤프트(30)가 가장 위쪽에 위치되고, 승강샤프트(30)와 연결된 모션 지그(40)도 가장 위쪽에 위치된다.
즉, 상기 모션 지그(40)의 상부 거치대(41)와 시편 거치대(43)와 승강판(42)이 가장 위쪽에 위치된다.
이때, 상기 승강판(42)에 장착된 볼 플런저(60)의 볼(62)이 상기 본체 프레임(10)에 형성된 다수개의 고정홈(13) 중 가장 위쪽의 고정홈(13)에 삽입 체결됨으로써, 모션 지그(40)의 상하 움직임이 구속될 수 있다.
또한, 상기 시편 거치대(43)의 코인셀 안착홈(45)에 코인셀(110)이 삽입 안착되어, 코인셀(110) 내의 시편(100)의 상면은 상부 노출홀(115)을 통해 상방향을 향하여 노출되고, 코인셀(110) 내의 시편(100)의 저면은 하부 노출홀(112)을 통해 하방향을 향하여 노출되는 상태가 된다.
또한, 상기 모션 지그(40)가 가장 위쪽에 위치됨에 따라 도 2에 도시된 바와 같이, 상부 거치대(41)에 장착된 상부 프로브 핀(80)의 상부플런저(83)의 상부이빨(82)이 시편(100)의 상면에 닿지 않는 상태로 유지되고, 하부 거치대(70)에 장착된 하부 프로브 핀(90)의 하부플런저(93)의 하부이빨(92)도 시편(100)의 저면에 닿지 않는 상태로 유지된다.
반면, 상기 클램프 핸들(20)의 핸들부(21)를 점차적으로 아래쪽으로 회전시키면, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 상부 힌지단(23) 및 하부 힌지단(25)이 하방향으로 회전하면서 승강샤프트(30)을 하방향으로 밀어주게 되므로, 상기 승강샤프트(30)가 점차적으로 수직 하강하게 된다.
연이어, 상기 승강샤프트(30)와 연결된 모션 지그(40)도 함께 하강하게 되고, 모션 지그(40)의 승강판(42)도 하강하게 된다.
연이어, 상기 승강판(42)에 장착된 볼 플런저(60)의 볼(62)이 상기 본체 프레임(10)에 형성된 다수개의 고정홈(13) 중 가장 위쪽의 고정홈(13)으로부터 이탈되어 그 아래쪽의 고정홈(13) 중 하나에 삽입 체결될 수 있다.
예를 들어, 상기 승강판(42)에 장착된 볼 플런저(60)의 볼(62)이 도 3에 도시된 바와 같이 상기 본체 프레임(10)에 형성된 다수개의 고정홈(13) 중 가장 위쪽으로부터 네번째 고정홈(13)에 삽입 체결되거나, 상기 승강판(42)에 장착된 볼 플런저(60)의 볼(62)이 도 4에 도시된 바와 같이 상기 본체 프레임(10)에 형성된 다수개의 고정홈(13) 중 가장 아래쪽의 고정홈(13)에 삽입 체결될 수 있다.
이와 동시에, 상기 상부 거치대(41)에 장착된 상부 프로브 핀(80)의 상부플런저(83)의 상부이빨(82)이 시편(100)의 상면에 가압되는 동시에 상기 하부 거치대(70)에 장착된 하부 프로브 핀(90)의 하부플런저(93)의 하부이빨(92)도 시편(100)의 저면에 가압됨으로써, 상기 시편(100)에 소정의 압력이 인가될 수 있다.
즉, 상기 승강판(42)에 장착된 볼 플런저(60)의 볼(62)이 다수개의 고정홈(13) 중 가장 위쪽의 고정홈(13)에서 가장 아래쪽의 고정홈(13)으로 순차적으로 삽입 체결될때 마다, 상기 시편(100)에 작용하는 압력이 증가될 수 있다.
여기서, 상기한 구성을 기반으로 이루어지는 본 발명의 이온전도도 측정 방법을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 연료전지의 이온전도도 측정 장치의 상부 프로브 핀과 하부 프로브 핀의 작동 상태를 시편에 가해지는 압력별로 도시한 단면도이고, 도 9는 본 발명에 따른 연료전지의 이온전도도 측정 방법을 도시한 순서도이다.
먼저, 복수개의 시편 거치대(43)에 서로 다른 두께의 이온전도도 측정용 시편(100)을 각각 안착시킨다(S101).
이때, 상기 본체 프레임(10)의 하부 거치대(70)에 장착된 하부 프로브 핀(90)의 하부 플런저(93)를 상기 각 시편의 저면에 밀착되도록 한다(S102).
이어서, 상기 클램프 핸들(20)의 회전 조작에 따른 승강샤프트(30)의 하강에 의하여 모션 지그(40)도 함께 하강한다(S103).
이에, 상기 모션 지그(40)의 상부 거치대(41)에 장착된 상부 프로브 핀(80)의 상부플런저(83)가 하강하면서 각 시편(100)의 상면에 상부이빨(82)이 밀착되고, 상기 하부 거치대(70)에 장착된 하부 프로브 핀(90)의 하부플런저(93)의 하부이빨(92)이 각 시편(100)의 저면에 밀착 지지된다(S104).
따라서, 상기 상부 거치대(41)에 장착된 상부 프로브 핀(80)의 상부플런저(83)의 상부이빨(82)이 시편(100)의 상면에 가압되는 동시에 상기 하부 거치대(70)에 장착된 하부 프로브 핀(90)의 하부플런저(93)의 하부이빨(92)도 시편(100)의 저면에 가압됨으로써, 상기 시편(100)에 소정의 압력이 인가될 수 있다.
이때, 상기 모션 지그(40) 및 상부플런저(83)의 점차적인 하강에 의하여 상기 각 시편(100)에 가해지는 압력이 조절될 수 있다(S105).
즉, 상기 각 시편(100)에 가해지는 압력이 조절되는 것은 상기 모션지그(40)의 승강판(42)의 내면에 장착된 볼 플런저(60)가 상기 본체 프레임(10)의 후면에 형성된 다수개의 고정홈(13) 중 하나에 선택적으로 삽입 체결되어 이루어질 수 있다.
다시 말해서, 상기 승강판(42)에 장착된 볼 플런저(60)의 볼(62)이 상기 본체 프레임(10)의 후면에 형성된 다수개의 고정홈(13) 중 가장 위쪽의 고정홈(13)에서 가장 아래쪽의 고정홈(13)으로 순차적으로 삽입 체결될때 마다, 상기 시편(100)에 작용하는 압력이 증가 조절될 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 승강판(42)에 장착된 볼 플런저(60)의 볼(62)이 상기 본체 프레임(10)의 후면에 형성된 6개의 고정홈(13) 중 가장 위쪽의 고정홈(13)에 삽입 체결되면 상기 시편(100)에 대한 압력은 제로(P0)로서 인가되지 않고, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 승강판(42)에 장착된 볼 플런저(60)의 볼(62)이 6개의 고정홈(13) 중 위에서 2번째 고정홈(13)에 삽입 체결되면 상기 시편(100)에 대하여 P1 압력이 인가될 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 승강판(42)에 장착된 볼 플런저(60)의 볼(62)이 6개의 고정홈(13) 중 위에서 4번째 고정홈(13)에 삽입 체결되면 상기 시편(100)에 대하여 P1 보다 큰 P3 압력이 인가될 수 있고, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 승강판(42)에 장착된 볼 플런저(60)의 볼(62)이 6개의 고정홈(13) 중 가장 아래쪽의 고정홈(13)에 삽입 체결되면 상기 시편(100)에 대하여 P3 보다 큰 P5 압력이 인가될 수 있다.
이때, 상기 상부 프로브 핀(80)의 상부플런저(83)와 상기 하부 프로브 핀(90)의 하부플런저(93)가 상기 시편(100)을 점차적으로 가압할 때, 상기 상부 프로브 핀(80)의 상부베럴(81) 내의 상부스프링(84) 및 상기 하부 프로브 핀(90)의 하부베럴(91) 내의 하부스프링(94)이 점차적으로 압축된다.
바람직하게는, 상기 상부스프링(84)을 원하는 스프링 정수(N/mm)의 것으로 선택하여 상기 상부 프로브 핀(80)의 상부베럴(81) 내에 교체 가능하게 내장시킬 수 있고, 상기 하부스프링(94)도 원하는 스프링 정수(N/mm)의 것으로 선택하여 상기 하부 프로브 핀(90)의 하부베럴(91) 내에 교체 가능하게 내장시킬 수 있다.
이에, 서로 다른 스프링 정수(N/mm)를 갖는 상부스프링(84) 및 하부스프링(94)을 적용하는 경우, 모션 지그(40)의 승강판(42)의 볼 플런저(60)의 고정 위치에 따라 아래의 표 1에 기재된 바와 같이 스프링 변형량 및 하중이 조절될 수 있다.
따라서, 서로 다른 스프링 정수(N/mm)를 갖는 상부스프링(84) 및 하부스프링(94)을 적용하는 경우, 상기 클램프 핸들의 하방향 조작에 따른 모션 지그(40)의 승강판(42)의 볼 플런저(60)가 하강하면서 상기 본체 프레임(10)의 후면에 형성된 6개의 고정홈(13) 중 하나에 선택 삽입될 때, 스프링 압축 변형량 및 하중이 달라짐에 따라, 상기 시편(100)에 작용하는 압력을 다양한 수준으로 조절할 수 있다.
한편, 상기 각 시편(100)에 다르게 가해지는 압력 조건 하에서 시편(100)에 대한 이온전도도를 측정하는 단계가 진행된다(S106).
이때, 상기 이온전도도를 측정하는 단계는, 상기 상부 프로브 핀(80)과 하부 프로브 핀(90)과 연결된 전기화학적 분석기(200)에서 상부 프로브 핀(80)과 하부 프로브 핀(90)을 통하여 시편(100)에 전류를 인가할 때, 시편(100)에 포함된 이온교환막인 전해질막(103)의 저항값을 측정하여 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 전기화학적 분석기(200)에서 시편(100)에 포함된 이온교환막인 전해질막(103)의 저항값을 측정한 후, 아래의 수학식 1을 이용하여 시편의 이온전도도를 계산할 수 있다.
위의 식에서, σ: 이온전도도, t: 시편 두께, R: 저항, A: 시편 면적을 나타낸다.
한편, 상기 전기화학적 분석기(200)에서 상기 시편(100)에 작용하는 면압을 계산하는 단계가 더 진행될 수 있다(S107).
상기 시편(100)에 작용하는 면압을 계산하는 이유는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택의 체결 면압을 모사하기 위함에 있다.
바람직하게는, 상기 전기화학적 분석기(200)에서 상기 시편(100)에 작용하는 면압을 아래의 수학식 2를 이용하여 계산할 수 있다.
위의 식에서, PA: 면압, k : 상부 프로브 핀과 하부 프로브 핀에 내설된 스프링 정수, δ : 상부 프로브 핀과 하부 프로브 핀에 내설된 스프링의 변형량, A: 시편 면적을 각각 나타낸다.
시험예
상기 승강판(42)에 장착된 볼 플런저(60)의 볼(62)을 상기 본체 프레임(10)의 후면에 형성된 6개의 고정홈(13)에 차례로 삽입 체결시켜서 시편(100)에 작용하는 압력을 조절하였다.
이때, 상기 볼 플런저(60)의 볼(62)을 상기 본체 프레임(10)의 후면에 형성된 6개의 고정홈(13) 중 가장 위쪽의 고정홈(13)에 삽입 체결시키면 시편(100)에 대한 압력은 P0 로서 작용하지 않으며, 그 이유는 상부 프로브 핀(80)과 하부 프로브 핀(90)이 시편(100)에 접촉되지 않아 데이터 측정이 불가능하기 때문이다.
반면, 상기 볼 플런저(60)의 볼(62)을 6개의 고정홈(13) 중 위에서 2번째 고정홈(13)에 삽입 체결시키면 상기 시편(100)에 대한 P1 압력이 인가되고, 상기 볼 플런저(60)의 볼(62)을 6개의 고정홈(13) 중 위에서 3번째 고정홈(13)에 삽입 체결시키면 상기 시편(100)에 대하여 P1 보다 큰 P2 압력이 인가되며, 상기 볼 플런저(60)의 볼(62)을 6개의 고정홈(13) 중 위에서 4번째 고정홈(13)에 삽입 체결시키면 상기 시편(100)에 대하여 P2 보다 큰 P3 압력이 인가된다.
또한, 상기 볼 플런저(60)의 볼(62)을 6개의 고정홈(13) 중 위에서 5번째 고정홈(13)에 삽입 체결시키면 상기 시편(100)에 대하여 P3 보다 큰 P4 압력이 인가되고, 상기 볼 플런저(60)의 볼(62)을 6개의 고정홈(13) 중 위에서 가장 아래쪽인 6번째 고정홈(13)에 삽입 체결시키면 상기 시편(100)에 대하여 P4 보다 큰 P5 압력이 인가된다.
이와 같이, 상기 시편(100)에 작용하는 압력을 P1 ~ P5 까지 조절하고, 각 압력 조건하에서 상기 전기화학적 분석기(200)에서 시편(100)에 포함된 이온교환막인 전해질막(103)의 저항값을 측정한 후, 상기한 수학식 1을 이용하여 시편의 이온전도도를 계산하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 10에 도시된 바와 같다.
도 10을 참조하면, 상기 시편(100)에 대한 압력이 P1 → P2 → P3 순으로 증가되면, 시편(100)의 전해질막(103)과 전극층(101,102) 간의 계면 접촉저항이 감소하여 이온전도도가 증가하는 것을 알 수 있었다.
하지만, 상기 시편(100)에 대한 압력이 P3 → P4 → P5 순으로 더 증가되면, 시편(100)의 전극층(101,102)이 압착되어 효율적으로 사용되지 못하는 상태가 되고, 또한 이온전달매개체(예, 인산)의 짜내기(Squeeze out) 효과로 인해 이온전달매개체(예, 인산)의 손실이 발생하여 오히려 이온전도도가 감소하는 것을 알 수 있었다.
따라서, 상기 시편(100)의 이온교환막인 전해질막(103)에 대한 두께방향 이온전도도를 서로 다른 온도 및 압력 조건 등 다양한 조건에서 정확하게 측정함으로써, 전해질막을 포함하는 막전극 접합체에 작용하는 최적의 면압, 즉 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택을 엔드 플레이트를 이용하여 체결하기 위한 최적의 체결 면압을 알 수 있게 되므로, 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택의 제조 및 조립 단계에서 유용한 데이터로 활용할 수 있다.
이상으로 본 발명을 하나의 실시예로 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 하기의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다 할 것이다.
10 : 본체 프레임 11 : 관통홀
12 : 하부 받침대 13 : 고정홈
20 : 클램프 핸들 21 : 핸들부
22 : 제1힌지핀 23 : 상부 힌지단
24 : 제2힌지핀 25 : 하부 힌지단
30 : 승강샤프트 32 : 가이드관
40 : 모션 지그 41 : 상부 거치대
42 : 승강판 43 : 시편 거치대
44 : 슬라이드홀 45 : 코인셀 안착홈
46 : 진입홀 50 : 슬라이드 샤프트
60 : 볼 플런저 61 : 스프링
62 : 볼 70 : 하부 거치대
80 : 상부 프로브 핀 81 : 상부베럴
82 : 상부이빨 83 : 상부플런저
84 : 상부스프링 85 : 상부집전봉
90 : 하부 프로브 핀 91 : 하부베럴
92 : 하부이빨 93 : 하부플런저
94 : 하부스프링 95 : 하부 집전봉
100 : 시편 101,102 : 전극층
103 : 전해질막 110 : 코인셀
111 : 거치면 112 : 하부 노출홀
113 : 케이스 114 : 고정단
115 : 상부 노출홀 116 : 캡
200 : 전기화학적 분석기

Claims (20)

  1. 하부 받침대 상에 수직 기립된 상태로 장착되는 본체 프레임;
    상기 본체 프레임의 상단부에 장착된 복수개의 클램프 핸들;
    상기 각 클램프 핸들에 상하 이동 가능하게 연결되는 승강샤프트;
    상기 승강샤프트의 하단부와 연결되는 상부 거치대와, 이 상부 거치대와 일체로 연결되는 시편 거치대로 구성되어, 상기 본체 프레임에 상하 이동 가능하게 체결되는 모션 지그;
    상기 본체 프레임의 하단부에 장착 고정되는 하부 거치대;
    상기 상부 거치대에 장착되어 상부 거치대의 하강시 상기 시편 거치대의 놓인 시편의 상면에 접촉되는 상부 프로브 핀; 및
    상기 하부 거치대에 장착되어 상기 시편 거치대에 놓인 시편의 저면에 접촉되는 하부 프로브 핀;
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 클램프 핸들은:
    파지 가능한 구조로 구비된 핸들부;
    상기 핸들부로부터 연장되어 상기 본체 프레임에 힌지 체결되는 상부 힌지단; 및
    상기 상부 힌지단으로부터 분기되어 상기 승강샤프트의 상단부와 힌지 체결되는 하부 힌지단;
    으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 본체 프레임의 정면에서 그 상부 위치에는 상기 승강 샤프트의 상하 이동 안내를 위한 가이드관이 장착된 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 본체 프레임에는 상기 모션 지그의 승강 안내를 위한 관통홀이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 본체 프레임의 후면 위치에는 상기 모션 지그의 상부 거치대와 시편 거치대를 일체로 연결하는 승강판이 상기 관통홀을 지나서 위치된 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 본체 프레임의 후면에는 승강판의 상하 이동 안내를 위한 슬라이드 샤프트가 상하로 배열되게 장착되고, 상기 승강판에는 슬라이드 샤프트가 삽입되는 슬라이드홀이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 승강판의 내면에는 볼 플런저가 장착되고, 상기 본체 프레임의 후면에는 상기 볼 플런저가 선택적으로 삽입 체결되는 다수개의 고정홈이 상하방향을 따라 소정의 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 시편 거치대에는 시편의 고정 및 보호를 위한 코인셀이 안착되도록 한 코인셀 안착홈이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 코인셀은:
    상부가 개방되고, 바닥 테두리에 양면에 전극이 도포된 이온교환막 시편이 안착되는 거치면이 형성되며, 바닥 중앙에 상기 시편의 저면을 노출시키는 하부 노출홀이 형성된 구조로 구비되어, 상기 코인셀 안착홈에 안착되는 케이스;
    저면부에 상기 케이스에 삽입되어 상기 시편의 테두리를 가압 고정시키는 고정단이 형성되고, 중앙부에 상기 시편의 상면을 노출시키는 상부 노출홀이 형성된 캡;
    으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 시편 거치대에는 하부 프로브 핀의 상단부가 시편의 저면에 접촉 가능하게 진입되도록 한 진입홀이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 프로브 핀은:
    상기 상부 거치대에 상하로 관통되며 장착되어, 상부 거치대와 함께 승강하는 중공의 상부베럴;
    상단부는 상기 상부베럴의 하부에 삽입되고, 하단부에는 시편과의 접촉 저항 최소화를 위한 상부이빨이 형성된 상부플런저;
    상기 상부베럴의 상부에 삽입되어 상부플런저의 상면을 탄성 지지하는 상부스프링; 및
    상기 상부플런저의 상단부에 연결되어 상기 상부스프링의 상단부와 도전 가능하게 접촉하는 상부집전봉;
    으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 상부스프링은,
    상기 상부플런저의 상부이빨이 시편에 접촉한 상태에서 상기 상부 거치대의 하강에 의하여 상부베럴과 상부집전봉이 함께 하강할 때의 힘에 의하여 상기 상부플런저와 상부집전봉 사이에서 압축되는 것으로서, 내열성의 스테인레스 스틸로 제작된 것임을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 프로브 핀은:
    상기 하부 거치대에 상하로 관통되며 고정 장착되는 중공의 하부베럴;
    하단부는 상기 하부베럴의 상부에 삽입되고, 상단부에는 시편과의 접촉 저항 최소화를 위한 하부이빨이 형성된 하부플런저;
    상기 하부베럴의 하부에 삽입되어 하부플런저의 저면을 탄성 지지하는 하부스프링; 및
    상기 하부플런저의 하단부에 연결되어 상기 하부스프링의 하단부와 도전 가능하게 접촉하는 하부 집전봉;
    으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 하부스프링은,
    상기 하부플런저의 하부이빨이 시편에 접촉한 상태에서 상기 시편 거치대가 하강할 때 하부플런저가 눌리는 힘에 의하여 상기 하부플런저와 하부집전봉 사이에서 압축되는 것으로서, 내열성의 스테인레스 스틸로 제작된 것임을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 장치.
  15. 복수개의 시편 거치대에 서로 다른 두께의 이온전도도 측정용 시편을 각각 안착시키는 단계;
    본체 프레임의 하부 거치대에 장착된 하부 프로브 핀의 하부 플런저를 상기 각 시편의 저면에 밀착시키는 단계;
    클램프 핸들의 회전 조작에 따른 승강샤프트의 하강에 의하여 모션 지그가 하강하는 단계; 및
    모션 지그의 상부 거치대에 장착된 상부 프로브 핀의 상부플런저가 하강하면서 각 시편의 상면에 밀착되는 단계;
    상기 하부플런저가 각 시편의 저면에 밀착 지지된 상태에서 상기 상부플런저의 점차적인 하강에 의하여 상기 각 시편에 가해지는 압력이 조절되는 단계; 및
    상기 각 시편에 가해지는 압력 조건 하에서 시편에 대한 이온전도도를 측정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 각 시편에 가해지는 압력이 조절되는 단계는:
    상기 모션지그의 승강판의 내면에 장착된 볼 플런저가 상기 본체 프레임의 후면에 형성된 다수개의 고정홈 중 하나에 선택적으로 삽입 체결되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 이온전도도를 측정하는 단계는:
    상기 상부 프로브 핀과 하부 프로브 핀을 통하여 상기 시편에 전류를 인가할 때, 상기 시편에 포함된 이온교환막의 저항값을 측정하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 이온전도도는 상부 프로브 핀과 하부 프로브 핀과 연결된 전기화학적 분석기에서 에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 방법.
    위의 식에서, σ: 이온전도도, t: 시편 두께, R: 저항, A: 시편 면적을 나타낸다.
  19. 청구항 15에 있어서,
    막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택의 체결 면압을 모사하기 위하여 상기 시편에 작용하는 면압을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 시편에 작용하는 면압은 에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 이온전도도 측정 방법.
    위의 식에서, PA: 면압, k : 상부 프로브 핀과 하부 프로브 핀에 내설된 스프링 정수, δ : 상부 프로브 핀과 하부 프로브 핀에 내설된 스프링의 변형량, A: 시편 면적을 각각 나타낸다.
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