특허 개요
본 특허는 알칼리 연료전지용으로 사용할 수 있는 폴리플루오렌계 가교 공중합체와 이를 이용한 음이온교환막 기술입니다. 피페리딘이 도입된 폴리플루오렌계 블록 공중합체를 암모늄계 가교제로 가교한 뒤, 과량의 요오드화메틸로 4급 피페리디늄 염을 형성하고 막으로 제막한 다음 OH- 형태로 전환하여, 아릴 에테르 결합이 없는 주사슬과 반복단위 내 피페리디늄 그룹, 다암모늄 가교구조를 갖는 막을 구현합니다. 이러한 구조는 이온전도 경로와 기계적 안정성을 함께 확보하도록 설계되었습니다.
- 핵심 기능
고분자 사슬에 가교구조와 양이온성 전구체를 형성한 뒤 막으로 만들고 OH- 형태로 전환해, 알칼리 조건에서 음이온이 이동할 수 있는 통로를 제공합니다. 그 결과 수분 함유와 이온전도, 기계적 강도를 함께 유지하도록 작동합니다.
- 차별 강점
종래의 아릴 에테르계 음이온교환막은 알칼리 안정성과 기계적 물성에서 한계가 있었고, 소수성 가교제 기반 구조는 이온전도 개선에 제약이 있었습니다. 본 특허는 아릴 에테르 결합을 배제하고 피페리디늄기와 암모늄계 가교제를 결합해, 낮은 가습 조건에서도 안정적으로 쓸 수 있는 점이 차별적입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 알칼리 연료전지, 수전해, 이산화탄소 환원, 금속-공기 배터리, 막전극접합체 분야에 활용 가능하며, 고이온전도·내알칼리성 막이 필요한 소재 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 연료전지 스택용 막 소재, 수전해용 분리막, 전기화학 반응기 핵심 부품 등으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
실시예 1～3과 비교예 1, 2로 제조한 음이온교환막을 대상으로 기계적 물성, 모폴로지, 이온교환성능, 함수율, 팽창률, 이온전도도와 연료전지 성능을 검증했습니다. 현재는 랩테스트와 해외 업체 대상 실험실 스케일 검증이 완료된 상태이며, 대면적 제막과 장기 실셀 운전은 추가 확인이 필요합니다.
- 시료: 실시예 1～3 및 비교예 1, 2의 음이온교환막
- 비교군: 가교구조가 없는 PFTP, 소수성 가교제 기반 x-PFTP-10
- 조건: 80℃, 1M NaOH 장시간 노출 및 1200시간 알칼리 안정성 평가
- 조건: H2-O2 또는 H2-air 분위기에서 연료전지 성능 측정
현재 성과
80℃에서 OH- 전도도와 HCO3- 전도도가 비교예 대비 유사하거나 더 높게 나타났고, 알칼리 처리 후에도 전도도 유지율이 높았습니다. 수분 함유능과 기계적 물성을 함께 확보해 저가습 조건의 알칼리 구동에 유리합니다.
1M NaOH, 80℃ 조건에서 장시간 노출한 뒤 이온전도도, 1H NMR 특성, 기계적 물성을 확인했습니다. 처리 전후 비교로 알칼리 안정성과 구조 유지 여부를 검증했습니다.
기존 아릴 에테르계 막과 달리 주사슬에서 아릴 에테르 결합을 없애고, 반복단위 내 피페리디늄기와 암모늄계 가교제를 함께 적용한 점이 핵심입니다. 이 구조는 내알칼리성, 이온전도, 기계적 물성을 동시에 개선하도록 설계된 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 제막과 스케일업 제조 공정의 재현성 확보
장기 실셀 운전에서의 내구성·신뢰성 추가 검증
산업체 수준의 성능 검증과 대량 샘플 대응
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
신규 폴리플루오렌계 가교 공중합체 (알칼리 연료전지용 AEM)
Novel polyfluorene-based crosslinked block copolymer and preparation method thereof, anion exchange membrane for alkaline fuel cell using the same
10-2021-0168177 (2021.01.01)
10-2702634
이영무 (한양대학교)
한양대학교 산학협력단