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혁신적 수전해 기술, 연료전지 통합으로 고효율 수소 생산의 미래

요약 새로운 기술은 수전해를 통한 수소 생산의 문제점을 해결하며, 효율적으로 친환경 에너지인 수소를 생산합니다. 연료전지와 수전해 반응을 결합하여 과전압 문제를 줄이고, 연료전지-수전해전지 하이브리드 시스템을 통해 적은 에너지로 수소를 효과적으로 발생시킬 수 있습니다. 이로 인해 기존의 촉매 내구성 문제와 높은 과전압 문제가 간단하게 해결되었습니다.

기본 정보

특허명: 산화 반응 공유를 기반으로 하는 연료전지-수전해전지 하이브리드 시스템
대표 발명자: 권오중 교수
출원번호: 10-2023-0084093

발명 배경

수소 에너지 중요성

수소는 높은 에너지 밀도를 가진 친환경적인 에너지 저장 매체임
화석 연료를 대체할 수 있는 새로운 에너지 원으로 인식되고 있음
수전해를 통한 수소 생산이 아직 활성화되지 못한 상황임

수전해 시스템의 문제점

높은 과전압 때문에 수전해 반응의 효율이 낮음
수전해 촉매의 내구성이 확보되지 않음
산소발생반응과 수소발생반응에 고가의 귀금속이 사용되며, 이로 인한 비용 문제가 있음

발명 필요성

과전압 줄이기

연료전지와 수전해 반응에서 공통으로 사용될 수 있는 산화 반응을 공유하여, 수전해 반응에서 수소 생산을 위한 과전압을 줄임
산소 산화 반응을 대응 반응으로 사용하여 수전해전지가 갖는 1.23 V라는 이론 전압보다 더 낮은 전압에서 수소 생산이 가능함

수소 생산 효율 향상

연료전지를 수전해의 보조 장치로 사용하여 수전해 반응에 필요한 과전압을 낮춤
연료전지 산화 반응이 수전해 수소 발생 반응의 대응 반응으로 적용할 수 있도록 셀의 구조와 회로를 제시함
산소 산화 반응 대신 다른 산화 반응을 이용하여 낮은 과전압으로 적은 에너지로 수소를 생산하고, 산소 발생 반응을 제외함으로써 내구성도 향상시킴

실험 및 구현

기술의 작동 원리

3구획 셀 도입 및 산화 반응 공유를 위한 회로 구성으로 수소 발생을 위한 과전압을 낮춤
특정 산화 반응의 표준 환원 전압이 수소 산화/환원 반응과 산소 산화/환원 반응 사이에 존재하면, 이를 3구획 셀에서 공유하여 수소 발생을 위한 과전압을 낮추고, 효율적으로 수소를 생산함
연료전지-수전해전지 하이브리드 시스템 제공, 이 시스템은 산소환원반응 전극과 수소발생반응 전극, 그리고 이 두 전극 사이에 공유 산화 반응 전극을 포함함

실험 방법 및 결과

3구획 셀을 사용하되, 산화 반응 공유 전극 내의 격막과 회로를 이용해 직렬로 연결되는 효과를 얻음
요소수 산화 반응과 메탄올 산화 반응을 이용한 3구획 H-cell에서의 수소 발생 반응을 구현함
요소수 산화 반응을 공유 반응으로 사용한 경우, HER에 대한 개시 전압이 1.4 V이하에서 시작하였고, 전류가 증가할수록 전압이 1.27 V의 최저값을 가진 후 다시 증가함
메탄올 산화 반응을 공유 반응으로 사용한 경우, HER에 대한 개시 전압이 0.35 V이하에서 시작하였고, 전류가 증가할수록 초기 전압이 0.077 V의 최저값을 가진 후 다시 증가함

발명 활용 방안

제품 및 서비스 적용

이 발명은 연료전지와 수전해전지의 효율적인 작동을 가능하게 함
산화반응을 공유함으로써 수전해전지에서 수소 발생을 위한 과전압 문제를 해결함
이 시스템은 고분자막을 포함하며, 이 고분자막은 양성자 교환막 또는 음이온 교환막일 수 있음

산업 및 사회 문제 해결

이 시스템은 고분자 연료전지 및 고분자 수전해전지 또는 고체 산화물 연료전지 및 고체 산화물 수전해전지에 적용 가능함
공유 산화 반응 전극에 절연체를 포함하는 경우, 수전해 수소 발생 전극 - 연료전지 공유 산화 전극 - 연료전지 산소 환원 전극 - 수전해 공유 산화 전극을 직렬로 연결하는 회로를 구성 가능함
이를 통해 기존 연구에서 수소 발생 반응 수전해전지의 활성 및 내구성 향상을 위한 촉매 개발 문제를 간단한 시스템 제시로 해결함

시장 동향

수소 에너지 시장 동향

수전해 시장 동향

대표도면

기술이전 담당자 연락처

담당자명: 고소라 계장
부서: 기술사업화팀
전화번호: 032-835-9766
이메일: ksr@inu.ac.kr
인천대학교 산학협력단
(21999) 인천광역시 연수구 갯벌로 27(송도동) INU이노베이션센터 202호
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