특허 개요
본 특허는 알칼리 조건에서 쓰는 음이온교환막과 그 재료가 되는 이오노머를 개선한 기술입니다. 아릴 에테르 결합이 없는 폴리(아릴 피페리디늄) 골격에 프로파길기를 그라프트하고 피페리디늄 그룹을 도입한 뒤, 열처리로 가교하여 막을 형성함으로써 화학적·열적 안정성, 이온전도도, 치수안정성, 기계적 물성을 함께 높이도록 설계했습니다. 또한 이오노머는 촉매층에 적용되어 막전극접합체의 계면 상호작용과 박리강도를 높이는 방향으로 작동합니다.
- 핵심 기능
프로파길기가 도입된 공중합체를 열처리하면 가교 구조가 형성되어 막의 팽윤과 열화를 억제합니다. 이렇게 만든 이오노머와 가교막은 촉매층과의 결합을 강화해 계면 안정성과 전지 운전 안정성을 높입니다.
- 차별 강점
종래 알칼리용 막은 장시간 운전에서 계면 불안정, 촉매 입자 응집, 과도한 팽윤으로 성능 저하가 문제였습니다. 본 특허는 아릴 에테르 결합이 없는 고분자 골격과 프로파길 가교 구조를 결합해 이러한 한계를 줄이고, 막과 촉매층의 안정성을 함께 높인 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 알칼리 연료전지, 수전해, 이산화탄소 환원, 산화-환원 플로우 전지, 슈퍼캐퍼시터의 막·이오노머 소재 개발에 활용 가능하며. 사업 측면에서는 수소 생산·에너지저장·전기화학 전원 시스템용 핵심 부품으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
합성예 1～6의 이오노머와 제조예 1～6의 가교막, 제조예 7의 막전극접합체를 대상으로 RDE, ORR, 연료전지, 수전해, in-situ 내구성 시험을 수행해 구조 형성과 성능 경향을 확인했습니다. 다만 실제 제품 수준의 장기 내구성, 대면적 제막, 스케일업 제조 재현성은 아직 추가 검증이 필요합니다.
- 검증대상: 합성예 1～6 이오노머, 제조예 1～6 가교막, 제조예 7 막전극접합체
- 비교군: 비교예 1 PDTP, 비교예 2 Trip-PFBP
- 시험조건: 5중량% DMSO 고분자용액 캐스팅, 170℃에서 120～240분 열처리, 1M NaOH 또는 1M KOH, 60℃ 또는 80℃, RDE·ORR·AEMFC·AEMWE·in-situ 내구성 시험
현재 성과
x-Trip-PFBP-Pr-10 및 x-Trip-PFBP-Pr-30 이오노머 기반 연료전지는 배압 없이 1.0W cm-2 이상의 최대전력밀도를 보였습니다. 또한 가교 구조를 통해 화학적·열적 안정성, 치수안정성, 내구성을 함께 높이도록 설계되었습니다.
합성예 1～6 이오노머, 제조예 1～6 가교막, 제조예 7 막전극접합체를 대상으로 캐스팅, 열처리, OH-형 전환 후 RDE, ORR, 연료전지, 수전해, in-situ 내구성 시험을 수행했습니다. 프로파길기 도입, 가교 진행, 박리강도, 전기화학 성능을 단계적으로 확인했습니다.
아릴 에테르 결합이 없는 폴리(아릴 피페리디늄) 골격에 프로파길기를 그라프트하고 열가교해 막과 이오노머를 동시에 설계한 점이 핵심입니다. 이오노머-촉매층 상호작용과 막 안정성을 함께 겨냥한 구조로, 기존 단순 막 개선과 구분됩니다.
상용화까지 남은 부분
실제 제품 수준의 장기 내구성 실증이 추가로 필요합니다.
대면적 제막과 스케일업 제조 재현성 확보가 필요합니다.
다양한 운전 조건에서의 성능 검증과 현장 적용성 확인이 필요합니다.
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
프로파길기가 그라프트된 폴리(아릴 피페리디늄) 공중합체 이오노머
Propargyl grafted poly(aryl piperidinium) ionomer, a crosslinked anion exchange membrane and method for preparing the same
10-2023-0139957 (2023.01.01)
10-2819438
이영무 (한양대학교)
한양대학교 산학협력단