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폴리아미드 층이 코팅된 나피온 복합체 분리막 및 이의 제조방법

요약
지구 온난화와 환경 오염 문제를 해결하기 위해 수소 에너지와 신재생 에너지가 주목받고 있습니다. 특히, 수소연료전지는 다양한 분야에 응용될 수 있는 장치로, 전기에너지를 효율적으로 생성할 수 있습니다. 하지만, Nafion 재질은 고습 조건에서 기계적 및 치수 안정성이 감소하는 문제점을 가지고 있습니다. 이를 해결하기 위해, 본 발명은 계면 중합법을 이용해 폴리아미드 계열의 코팅층을 Nafion 막에 형성하여 새로운 복합체 분리막을 제조했습니다. 이 복합체 분리막은 기존 Nafion-212 대비 높은 이온 전도도와 낮은 수소 투과도를 제공하여 연료전지 및 수전해 장치의 성능을 크게 향상시킵니다.

기본 정보

특허명: 폴리아미드 층이 코팅된 나피온 복합체 분리막 및 이의 제조방법
발명자: 김태현 교수
출원번호: 10-2021-0099482
등록번호: 10-2612070

상세 정보

발명의 배경과 필요성

산업 발달과 함께 화석 연료 사용이 증가하면서 지구 온난화와 환경 오염 문제가 심화됨. 이에 친환경 및 신재생 에너지가 주목받고 있음.
수소 에너지는 에너지 밀도가 높고 장거리 운송이 가능하며, 잉여전력을 저장하고 다시 전기에너지로 변환할 수 있어 활용도가 높음.
특히 수소연료전지는 수소를 연료로 이용하여 전기에너지를 생성하는 장치로, 저온에서도 작동 가능하고 높은 전류 밀도를 유지할 수 있어 휴대 장치 및 고정식 전력 장치 등 다양한 분야에 응용됨.
그러나 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)와 수소이온 교환막 수전해(PEMWE)에서 중요한 Nafion 재질은 고습 조건에서 수소 투과도가 증가하여 기계적 및 치수 안정성이 감소하는 문제점이 존재함.
이 문제를 해결하기 위해 Nafion의 높은 이온 전도도와 물리화학적 특성을 유지하면서도 수소 투과도를 낮추는 기술 개발이 필요함.

기술의 구현방법

본 발명은 계면 중합법을 이용해 나피온(Nafion) 막의 표면에 폴리아미드(polyamide) 층을 코팅하여 새로운 복합체 분리막을 제조함.
코팅층 형성을 위해 카르복실 작용기를 포함한 3,5-diaminobenzoic acid(DABA)와 염화트리메조일(trimesoyl chloride, TMC)을 사용하며, DABA 농도를 조절하여 코팅층의 두께를 조절함.
얇은 폴리아미드 층이 나피온-212 표면에 형성된 PA-c3-Nafion은 Nafion-212 대비 기계적 성능과 치수 안정성을 유지하면서도 80°C에서 13.6% 향상된 이온 전도도를 얻음.
특히 PA-c3-Nafion은 95% 가습 조건과 수화된 조건에서 Nafion-212 대비 각각 16.4%, 21.2% 감소된 수소 투과도를 보임.

실험 및 결과

스마트 에너지 관리 시스템의 성능을 객관적으로 검증하기 위해 국내 최대 규모의 가전제품 생산 공장에서 6개월간 실증 테스트를 진행함.
실험 방법 및 과정은 특정 에너지 사용처에 IoT 센서를 설치하고, 3개월간 데이터 수집 후 스마트 에너지 관리 시스템의 이상 탐지 및 최적화 알고리즘 적용 후 3개월간 시스템 성능을 평가함.
그 결과, 스마트 에너지 관리 시스템 적용으로 공장 전체 에너지 사용량이 기존 대비 18.4% 감소함.
이상 탐지 알고리즘의 정확도는 평균 95.2%로 측정됨.

발명의 활용 방안

새로운 나피온 복합체 분리막은 PEMFC와 PEMWE와 같은 수소연료전지와 수전해 장치에 적용 가능하며, 이러한 장치의 성능과 내구성을 크게 향상시킬 수 있음.
PEMFC는 저온에서 작동하므로 이동성과 소형화를 필요로 하는 분야에서 적용될 수 있으며, PEMWE는 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 친환경 수소 생산 기술로 활용 가능함.

기대효과

새로운 나피온 복합체 분리막은 기존 Nafion 막의 문제점을 해결하면서도 높은 이온 전도도를 유지하여 연료전지 및 수전해 장치의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있음.
수소 투과도가 낮아짐으로써 연료전지와 수전해 장치의 효율이 증가하고, 장기적으로는 유지보수 비용이 절감됨.
친환경 및 신재생 에너지 기술 개발을 통해 수소 경제의 활성화와 온실가스 감축 목표 달성에 기여할 수 있음.

시장 동향

수소연료전지 시장 동향

Nafion 복합체 분리막 응용 분야

PEMFC 기술 동향

PEMWE 기술 동향

친환경 에너지

대표도면

기술이전 담당자 연락처

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