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
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특허명: 산화 반응 공유를 기반으로 하는 연료전지-수전해전지 하이브리드 시스템
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대표 발명자: 권오중 교수
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출원번호: 10-2023-0084093
발명 배경
수소 에너지 중요성
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수소는 높은 에너지 밀도를 가진 친환경적인 에너지 저장 매체임
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화석 연료를 대체할 수 있는 새로운 에너지 원으로 인식되고 있음
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수전해를 통한 수소 생산이 아직 활성화되지 못한 상황임
수전해 시스템의 문제점
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높은 과전압 때문에 수전해 반응의 효율이 낮음
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수전해 촉매의 내구성이 확보되지 않음
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산소발생반응과 수소발생반응에 고가의 귀금속이 사용되며, 이로 인한 비용 문제가 있음
발명 필요성
과전압 줄이기
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연료전지와 수전해 반응에서 공통으로 사용될 수 있는 산화 반응을 공유하여, 수전해 반응에서 수소 생산을 위한 과전압을 줄임
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산소 산화 반응을 대응 반응으로 사용하여 수전해전지가 갖는 1.23 V라는 이론 전압보다 더 낮은 전압에서 수소 생산이 가능함
수소 생산 효율 향상
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연료전지를 수전해의 보조 장치로 사용하여 수전해 반응에 필요한 과전압을 낮춤
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연료전지 산화 반응이 수전해 수소 발생 반응의 대응 반응으로 적용할 수 있도록 셀의 구조와 회로를 제시함
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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
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3구획 셀 도입 및 산화 반응 공유를 위한 회로 구성으로 수소 발생을 위한 과전압을 낮춤
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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
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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
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3구획 셀을 사용하되, 산화 반응 공유 전극 내의 격막과 회로를 이용해 직렬로 연결되는 효과를 얻음
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요소수 산화 반응과 메탄올 산화 반응을 이용한 3구획 H-cell에서의 수소 발생 반응을 구현함
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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
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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
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이 발명은 연료전지와 수전해전지의 효율적인 작동을 가능하게 함
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산화반응을 공유함으로써 수전해전지에서 수소 발생을 위한 과전압 문제를 해결함
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이 시스템은 고분자막을 포함하며, 이 고분자막은 양성자 교환막 또는 음이온 교환막일 수 있음
산업 및 사회 문제 해결
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이 시스템은 고분자 연료전지 및 고분자 수전해전지 또는 고체 산화물 연료전지 및 고체 산화물 수전해전지에 적용 가능함
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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
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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
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