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알칼리 조건에서 작동하는 새로운 고분자 이온 교환 막 개발

요약 본 발명은 알칼리 조건에서 작동하는 고분자 이온 교환 막(AEM)의 개발에 관한 것으로, 비귀금속 촉매 사용을 가능하게 하여 수소 생산 비용을 절감하는 새로운 소재를 제안합니다. 폴리(dibenzo-p-dioxin-para-terphenyl piperidinium) 공중합체를 활용하여 이온 전도성과 기계적 강도가 우수한 멤브레인을 제작함으로써, 수소 연료 전지의 성능을 향상시키고 알칼리 환경에서의 안정성을 보장합니다. 이 기술은 수소 경제로의 전환을 가속화하고, 지속 가능한 에너지원으로의 이행에 기여할 것으로 기대되며, 환경 문제 해결과 클린 에너지 생산 산업의 발전에 중요한 역할을 할 것입니다.

기본 정보

특허명: 폴리(다이벤조퓨란-파라 터페닐 피페리디늄) 공중합체, 이를 포함하는 고분자막, 상기 고분자막을 포함하는 음이온 교환막
대표 발명자: 김태현 교수
출원번호: 10-2023-0096686

발명의 배경 및 필요성

기술의 배경

세계적으로 지속 가능하고 깨끗한 에너지원에 대한 수요가 증가하고 있음
화석연료 사용으로 인한 환경문제와 기후변화의 주범인 온실가스 배출이 문제시되고 있음
수소는 청정 에너지원으로 각광받고 있으나, 기존 수전해 기술은 고가의 귀금속 촉매와 산성 조건을 요구함

기술의 필요성

알칼리 조건에서 작동하는 이온 교환 막(AEM) 개발은 비귀금속 촉매 사용을 가능하게 하여 수소 생산 비용을 대폭 낮출 수 있음
AEM의 내구성과 성능을 향상시키기 위한 새로운 소재 개발이 필요함
본 발명은 고분자 막의 특정 화학 구조를 통해 안정성과 이온 전도성을 향상시키고 강한 기계적 특성을 유지하는 데 초점을 맞추고 있음
이는 수소 생산의 효율성을 높이고 비용을 줄여 수소 경제로의 전환을 가속화하며, 지속 가능하고 청정한 에너지로의 전환을 촉진하고 기후변화의 영향을 완화하는 데 기여할 것임

구현방법

기술의 원리 및 구현

폴리(dibenzo-p-dioxin-para-terphenyl piperidinium) 공중합체를 사용해 고분자 멤브레인과 음이온 교환 멤브레인을 제작하며, 이는 연료전지에 적용 가능한 음이온 교환 멤브레인 기술임
폴리 공중합체는 이온 전도성을 가진 고분자의 기본 골격과 이온 전도 그룹으로 구성되어 있으며, 물리적 혹은 화학적 가교 방법을 사용하지 않고도 우수한 미세상 분리를 가진 polyarylene 타입의 AEM을 개발할 수 있음
피페리돈 모노머, p-terphenyl 및 dibenzodioxin 화합물을 유기 용매에 혼합해 공중합체를 합성하고, 알킬화제를 첨가해 메틸화 과정을 통해 피페리딘 그룹을 메틸피페리디늄 그룹으로 전환시킴
메틸화 반응은 20~600도 섭씨에서 20~30시간 동안 진행되며, 핵자기공명(NMR)을 통해 최종 공중합체의 구조를 확인함
DMSO와 같은 용매를 사용하여 용액 주조 방법으로 멤브레인을 제작하고, KOH 수용액에 침지시켜 I- 이온을 OH- 이온으로 대체함

기술의 장점

이 기술은 기존 AEMs 대비 높은 이온 전도성, 우수한 셀 특성 및 화학적 안정성을 제공함
다양한 구성의 공중합체를 합성하여 이온 전도성, 물리적 및 화학적 안정성, 그리고 셀 특성을 향상시키는 멤브레인을 제작함
p(BF-TP)-Pip-10 멤브레인은 높은 기계적 강도와 이온 전도성을 보이며, 알칼리 환경에서도 안정성을 유지함

발명의 활용 방안

제품 및 서비스 적용 분야

새로운 폴리머 멤브레인은 수소 연료 전지 성능 향상에 기여하며, 고온 및 강알칼리 환경에서도 안정적인 에너지 변환 장치의 핵심 부품으로 활용됨
AEM 기반 전해 시스템에 효과적으로 통합되어 수소 생산에 기여함

산업적 영향

클린 에너지 생산 산업에 기술적 진보를 가져오며, 수소 에너지 생산 분야에 기여하여 화석 연료 의존도를 감소시키는 데 도움을 줌

발명의 기대 효과

기술 혁신과 시장 확대

AEM의 성능 향상을 통해 수소 연료 전지 기술을 혁신하고, 새로운 폴리머 멤브레인의 도입으로 수소 연료 전지 시장의 점유율 확대가 예상됨

사회적 기여도

환경 친화적 수소 연료 생산 증가로 지속 가능한 에너지 솔루션 제공에 기여하며, 화석 연료 사용 및 이산화탄소 배출 감소를 통해 환경 문제 해결에도 기여함

시장 동향

수소 배터리 시장 동향

기술 SWOT 분석

Strengths

높은 이온 전도성

이 기술은 기존 AEM 대비 높은 이온 전도성을 제공하여 수소 연료 전지의 성능을 향상시킵니다.

화학적 안정성 및 기계적 강도

개발된 고분자 막은 알칼리 환경에서도 높은 화학적 안정성과 기계적 강도를 유지합니다.

비귀금속 촉매 사용 가능

알칼리 조건에서 작동하는 AEM 개발로 비귀금속 촉매 사용이 가능하게 되어 수소 생산 비용을 절감합니다.

Weaknesses

고온에서의 메틸화 반응

메틸화 반응이 20~600도 섭씨에서 진행되어 고온에서의 반응 조건이 필요합니다.

제조 과정의 복잡성

여러 화합물을 혼합하고, 메틸화 과정을 거쳐야 하므로 제조 과정이 복잡할 수 있습니다.

Opportunities

수소 경제로의 전환 촉진

수소 생산의 효율성을 높이고 비용을 줄여 수소 경제로의 전환을 가속화할 수 있습니다.

지속 가능한 에너지 기술 개발

한국 정부의 지속 가능한 에너지 기술 개발에 대한 투자와 연구 지원으로 시장 확대의 기회가 있습니다.

Threats

기존 수전해 기술과의 경쟁

고가의 귀금속 촉매를 사용하는 기존 수전해 기술과의 경쟁에서 시장 점유율을 확보해야 합니다.

기술적 변화에 대한 적응

지속적인 기술 혁신과 새로운 소재 개발이 필요하여 기술적 변화에 빠르게 적응해야 합니다.

Summary

Strengths

이 기술은 높은 이온 전도성과 화학적 안정성을 제공하며, 비귀금속 촉매 사용으로 수소 생산 비용을 절감합니다.

Weaknesses

제조 과정이 복잡하고 고온에서의 메틸화 반응이 필요합니다.

Opportunities

수소 경제로의 전환과 지속 가능한 에너지 기술 개발로 인한 시장 확대가 기대됩니다.

Threats

기존 수전해 기술과의 경쟁과 기술적 변화에 대한 적응이 필요합니다.

대표도면

기술이전 담당자 연락처

담당자명: 이미정 계장
부서: 기술사업화팀
전화번호: 032-835-9766
이메일: mijung@inu.ac.kr
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