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요약
본 발명은 중저온에서 작동 가능한 고체 산화물 연료전지의 제조 기술을 제공합니다. 이 기술은 연료전지의 작동 온도를 낮추고, 성능을 향상시키며, 제조 과정을 간소화하는 것을 목표로 합니다. 공기극과 전해질을 포함하는 연료전지를 제작하고, 전해질 표면에 나노 금속 입자 촉매를 부착하여 전기화학적 산화반응을 일으키는 방식을 사용합니다. 이는 세라믹 공정이 필요 없으며, 금속 용출 공정 온도를 낮추는 효과가 있습니다. 이 기술을 통해 연료전지의 효율성과 활용성을 높이고, 제조 비용을 줄일 수 있어 에너지 산업의 경쟁력을 높일 수 있을 것으로 기대됩니다.
기본 정보
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특허명: 연료극 층을 포함하지 않는 프로톤 전도성 연료전지 및 이의 제조방법
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대표 발명자: 명재하 교수
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출원번호: 10-2023-0038929
발명의 배경 및 필요성
기술 배경과 문제점
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기존의 연료전지 기술은 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)가 주류였으며, 이는 700~1000도의 고온에서 운전해야 했음
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이 고온 운전은 연료극 미세 구조의 조대화, 분리판에서의 크롬 휘발, 공기극의 크롬 피독, 분리판 부식, 제2상 생성 등 다양한 문제를 유발하며, 이로 인해 연료전지의 장기 성능 저하를 초래하였음
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또한, 고온에서 내산화성이 우수한 고가의 금속 소재가 필요하게 되어, 이는 고체산화물 연료전지의 상업화를 어렵게 만들었음
기술 개선의 필요성
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연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 고체산화물 연료전지의 작동 온도를 중저온 영역인 400~600도로 낮추는 연구를 진행하였음
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그러나, 프로톤 전도성 연료전지는 낮은 작동온도에서 용출 성장이 제한되어 표면에 나노 입자 형성을 통한 성능 향상을 기대하기 어려웠으며, 프로톤 전도성 소재는 난소결성을 지니고 있어 연료극 및 전해질 간 접합을 위해 1400도 이상 높은 온도의 소결과정이 요구되었음
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따라서, 연료전지의 작동 온도를 낮추고, 성능을 향상시키며, 제조 과정을 간소화할 수 있는 새로운 연료전지 기술의 개발이 필요함
구현방법
기술 원리 및 구현 방법
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연료극 층이 없는 연료전지 제작을 목표로 함.
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이를 위해 공기극과 그 위에 위치한 전해질을 포함하는 연료전지를 제작하고, 전해질 표면에는 전기화학적 산화반응을 일으키는 나노 금속 입자 촉매를 부착함.
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나노 금속 입자 촉매는 수소와 반응하여 전자와 수소이온으로 분리되는 역할을 수행함.
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이 방법은 세라믹 공정이 필요 없으며, 금속 용출 공정 온도를 낮추는 효과가 있음.
기술의 장점
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세라믹 공정이 불필요한 연료전지 제작 방식임.
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금속 용출 공정 온도를 낮추는 효과가 있음.
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나노 금속 입자 촉매를 이용하여 전자와 수소이온으로 분리하는 효과가 있음.
실험 및 결과
실험 목적 및 방법
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연료전지의 성능을 확인하고, 이를 통해 연료전지의 효율성을 검증하는 것을 목표로 함.
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이를 위해 공기극과 전해질을 포함하는 연료전지를 제작하고, 이에 나노 금속 입자 촉매를 부착함.
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나노 금속 입자 촉매가 수소와 반응하여 전자와 수소이온으로 분리되는 과정을 관찰함.
실험 결과
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나노 금속 입자 촉매가 수소와 반응하면서 전자와 수소이온으로 분리되는 과정이 잘 진행됨.
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연료전지의 성능이 향상되었으며, 특히 금속 용출 공정 온도가 낮아져 효율성이 높아짐을 확인함.
발명의 활용 방안
제품과 서비스 적용
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본 발명인 고체 산화물 연료전지는 중저온에서도 작동 가능하여 기존 고온에서만 작동하던 연료전지보다 활용 범위가 넓어짐
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프로톤 전도성 전해질 표면에 나노 촉매를 용출하면 전기화학적 산화 반응의 활성 면적이 증가하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있음
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이 기술을 사용하면 연료 전지 제조 과정에서 고온의 환원분위기가 필요 없어져 제조 공정의 효율성 및 경제성이 향상될 수 있음
산업 및 사회적 가치 창출
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중저온에서 작동 가능한 연료전지 제조 기술은 에너지 산업에 큰 변화를 가져올 수 있으며, 다양한 환경에서 활용 가능해져 에너지 효율성 및 활용성을 높일 수 있음
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나노 촉매를 용출하는 기술은 연료 전지의 효율성을 극대화시켜 에너지 산업의 경쟁력을 높일 수 있음
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제조 과정을 단순화하여 제조 비용을 줄이고, 에너지 생산의 경제성을 높일 수 있음
기대효과
기술적 혁신성
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중저온에서 작동 가능한 고체 산화물 연료전지와 나노 촉매를 용출하는 기술은 기존 연료전지 기술에 비해 혁신적임
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이 두 가지 기술을 결합하여 연료전지의 효율을 향상시키고, 제조 과정을 단순화하여 연료전지 기술의 경쟁력을 높일 수 있음
사회적 기여
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본 발명을 통해 제조된 연료전지는 다양한 환경에서의 에너지 공급에 기여하며, 이는 에너지 효율성 및 활용성을 높이는 결과를 가져올 것임
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나노 촉매를 용출하는 기술은 연료전지의 효율을 극대화하여 에너지 사용의 효율성을 높이고, 그에 따른 에너지 비용을 줄일 수 있음. 이는 사회 전체의 에너지 비용 절감에 기여할 수 있음
장래의 전망
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본 발명은 중저온에서 작동 가능한 연료전지 제조 기술과 나노 촉매를 용출하는 기술의 결합을 통해 연료전지 산업의 미래를 밝게 할 수 있음. 이 두 가지 기술은 에너지 효율성, 활용성, 경제성을 모두 높일 수 있어, 장기적으로 볼 때 에너지 산업의 성장과 발전에 크게 기여할 것으로 기대됨
시장 동향
연료전지 기술 시장 동향
나노 기술 시장 동향
기술 SWOT 분석
Strengths
중저온에서 작동 가능한 연료전지
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기존 고온에서만 작동하던 연료전지보다 활용 범위가 넓어집니다.
나노 촉매를 이용한 성능 향상
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전기화학적 산화 반응의 활성 면적이 증가하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있습니다.
제조 공정의 효율성 및 경제성 향상
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연료 전지 제조 과정에서 고온의 환원분위기가 필요 없어져 제조 공정의 효율성 및 경제성이 향상될 수 있습니다.
Weaknesses
프로톤 전도성 소재의 난소결성
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프로톤 전도성 소재는 난소결성을 지니고 있어 연료극 및 전해질 간 접합을 위해 1400도 이상 높은 온도의 소결과정이 요구되었습니다.
Opportunities
에너지 산업의 변화
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중저온에서 작동 가능한 연료전지 제조 기술은 에너지 산업에 큰 변화를 가져올 수 있으며, 다양한 환경에서 활용 가능해져 에너지 효율성 및 활용성을 높일 수 있습니다.
제조 비용 절감
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제조 과정을 단순화하여 제조 비용을 줄이고, 에너지 생산의 경제성을 높일 수 있습니다.
Threats
기존 연료전지 기술과의 경쟁
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기존의 고온에서 작동하던 연료전지 기술과의 경쟁에서 밀릴 수 있습니다.
Summary
Strengths
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중저온에서 작동 가능하며, 나노 촉매를 이용한 성능 향상과 제조 공정의 효율성 및 경제성 향상이 주요 강점입니다.
Weaknesses
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프로톤 전도성 소재의 난소결성으로 인해 높은 온도의 소결 과정이 필요한 점이 주요 약점입니다.
Opportunities
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에너지 산업의 변화와 제조 비용 절감 등이 주요 기회입니다.
Threats
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기존 연료전지 기술과의 경쟁이 주요 위협입니다.
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