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
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특허명: 폴리(다이벤조퓨란-파라 터페닐 피페리디늄) 공중합체, 이를 포함하는 고분자막, 상기 고분자막을 포함하는 음이온 교환막
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대표 발명자: 김태현 교수
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출원번호: 10-2023-0096686
발명의 배경 및 필요성
기술의 배경
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세계적으로 지속 가능하고 깨끗한 에너지원에 대한 수요가 증가하고 있음
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화석연료 사용으로 인한 환경문제와 기후변화의 주범인 온실가스 배출이 문제시되고 있음
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수소는 청정 에너지원으로 각광받고 있으나, 기존 수전해 기술은 고가의 귀금속 촉매와 산성 조건을 요구함
기술의 필요성
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알칼리 조건에서 작동하는 이온 교환 막(AEM) 개발은 비귀금속 촉매 사용을 가능하게 하여 수소 생산 비용을 대폭 낮출 수 있음
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AEM의 내구성과 성능을 향상시키기 위한 새로운 소재 개발이 필요함
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본 발명은 고분자 막의 특정 화학 구조를 통해 안정성과 이온 전도성을 향상시키고 강한 기계적 특성을 유지하는 데 초점을 맞추고 있음
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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
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폴리(dibenzo-p-dioxin-para-terphenyl piperidinium) 공중합체를 사용해 고분자 멤브레인과 음이온 교환 멤브레인을 제작하며, 이는 연료전지에 적용 가능한 음이온 교환 멤브레인 기술임
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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
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피페리돈 모노머, p-terphenyl 및 dibenzodioxin 화합물을 유기 용매에 혼합해 공중합체를 합성하고, 알킬화제를 첨가해 메틸화 과정을 통해 피페리딘 그룹을 메틸피페리디늄 그룹으로 전환시킴
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메틸화 반응은 20~600도 섭씨에서 20~30시간 동안 진행되며, 핵자기공명(NMR)을 통해 최종 공중합체의 구조를 확인함
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DMSO와 같은 용매를 사용하여 용액 주조 방법으로 멤브레인을 제작하고, KOH 수용액에 침지시켜 I- 이온을 OH- 이온으로 대체함
기술의 장점
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이 기술은 기존 AEMs 대비 높은 이온 전도성, 우수한 셀 특성 및 화학적 안정성을 제공함
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다양한 구성의 공중합체를 합성하여 이온 전도성, 물리적 및 화학적 안정성, 그리고 셀 특성을 향상시키는 멤브레인을 제작함
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p(BF-TP)-Pip-10 멤브레인은 높은 기계적 강도와 이온 전도성을 보이며, 알칼리 환경에서도 안정성을 유지함
발명의 활용 방안
제품 및 서비스 적용 분야
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새로운 폴리머 멤브레인은 수소 연료 전지 성능 향상에 기여하며, 고온 및 강알칼리 환경에서도 안정적인 에너지 변환 장치의 핵심 부품으로 활용됨
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AEM 기반 전해 시스템에 효과적으로 통합되어 수소 생산에 기여함
산업적 영향
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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
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AEM의 성능 향상을 통해 수소 연료 전지 기술을 혁신하고, 새로운 폴리머 멤브레인의 도입으로 수소 연료 전지 시장의 점유율 확대가 예상됨
사회적 기여도
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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
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이 기술은 기존 AEM 대비 높은 이온 전도성을 제공하여 수소 연료 전지의 성능을 향상시킵니다.
화학적 안정성 및 기계적 강도
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개발된 고분자 막은 알칼리 환경에서도 높은 화학적 안정성과 기계적 강도를 유지합니다.
비귀금속 촉매 사용 가능
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알칼리 조건에서 작동하는 AEM 개발로 비귀금속 촉매 사용이 가능하게 되어 수소 생산 비용을 절감합니다.
Weaknesses
고온에서의 메틸화 반응
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메틸화 반응이 20~600도 섭씨에서 진행되어 고온에서의 반응 조건이 필요합니다.
제조 과정의 복잡성
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여러 화합물을 혼합하고, 메틸화 과정을 거쳐야 하므로 제조 과정이 복잡할 수 있습니다.
Opportunities
수소 경제로의 전환 촉진
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수소 생산의 효율성을 높이고 비용을 줄여 수소 경제로의 전환을 가속화할 수 있습니다.
지속 가능한 에너지 기술 개발
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한국 정부의 지속 가능한 에너지 기술 개발에 대한 투자와 연구 지원으로 시장 확대의 기회가 있습니다.
Threats
기존 수전해 기술과의 경쟁
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고가의 귀금속 촉매를 사용하는 기존 수전해 기술과의 경쟁에서 시장 점유율을 확보해야 합니다.
기술적 변화에 대한 적응
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지속적인 기술 혁신과 새로운 소재 개발이 필요하여 기술적 변화에 빠르게 적응해야 합니다.
Summary
Strengths
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이 기술은 높은 이온 전도성과 화학적 안정성을 제공하며, 비귀금속 촉매 사용으로 수소 생산 비용을 절감합니다.
Weaknesses
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제조 과정이 복잡하고 고온에서의 메틸화 반응이 필요합니다.
Opportunities
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수소 경제로의 전환과 지속 가능한 에너지 기술 개발로 인한 시장 확대가 기대됩니다.
Threats
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기존 수전해 기술과의 경쟁과 기술적 변화에 대한 적응이 필요합니다.
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