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숙 맹
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1 유익한특허상식 고분자전해질연료전지시스템의특허출원동향 특허청환경화학심사팀조준배심사관. 기술분류및검색식 고분자전해질연료전지는전지본체만으로운전하는것이아니라개질기, 콤프레서, 냉각장치, 가습장치, 제어장치등을조합하여운전하고있으며, 이와같은조합에관한기술을연료전지이라하고, 여기에서는발전설비나 2차전지와의조합기술은제외하였다. 연료전지에관한개발은에너지절약, 자원절약, 안정화를목표로하여추진되고있으며, 예를들면연료전지의반응열을연료가스와공기를가습할때열원으로서이용하는순환시스템이있고, 연료전지본체로부터배출되는미사용연료및산화제를리사이클하여에너지효율을개선하는방법등이있다. 은,, 계,,, 시스템계 6개중분류로구분하고, 각중분류별로다시요소기술의특징에따라 6 개의소분류로기술을세분류하여각각의소분류에속하는특허들을선별하였으며, 본보고서에서사용한전체적인기술분류체계는표 과같다. 에는 Cell Stack이원활히작동하고, 발생된전력을유용하게사용하기위한여러가지구성성분을포함시켰고, 연료전지작동에필요한온도, 압력, 가습, 유량제어등의공정제어시스 표. 고분자전해질연료전지시스템의기술분류체계 대분류중분류소분류세분류공기공급모듈압축기, 블로어 ( 필터, 소음기포함 ) (BA) 마이크로압축기 (BAA) 시스템및운전 (B) (BB) 계 (BC) (BD) (BE) 시스템계 (BF) 연료변환장치 (BBA) 수소공급장치 (BBB) 냉시동 (BCA) 냉각모듈 (BCB) 열교환기, 라디에이터 (BCC) 열회수 ( 열이용 )(BCD) 가습 (BCE) 물관리 ( 필터, 센서 )(BCF) 냉각유체 (BCG) 전력변환장치 (BDA) 운전방법 (BEA) (BFA) 개질기마이크로개질기기타수소제조 (Chemical hydride) 수소공급및순환 수소저장 템과연료공급장치, 공기공급장치, 냉각장치등의복합설비및가습시스템, 냉각시스템, 물관리시스템, 산화제공급장치등을포함하여분석하였다. 표 2. 고분자전해질연료전지시스템의선행기술검색식 대분류 중분류 소분류 검색식연료전지 and ( 고분자 * or 수소 * or 메탄올 * or 프로톤 *) and ( 펌프 or 마이크로펌프 or 에어펌프 or ( 공기공급 or ( 공기 and 공급 *) 시스템 계 시스템계 공기공급모듈 연료변환장치 냉시동냉각모듈 열교환기 열회수가습물관리 냉각유체 전력변환장치 운전방법 시스템계 (pump* or micropump* or compressor* or blower* or ((air or oxygen) and suppl*)). ti. and (fuel and cell*) and (polymer* or proton* or hydrogen* or 95<=653) ( 연료전지 and ( 고분자 * or 수소 * or 메탄올 * or 프로톤 )) and ( 개질 * or 마이크로개질 * or (( 연료 * or 수소 ) and 공급 *) or 카트리지 ) ((modifier or reform* or microreform*) or ((fuel or hydrogen*) and (process* or suppl*)) or cartridge).ti. and (fuel and cell*) and (polymer* or proton* hydrogen* or ( 연료전지 and ( 고분자 * or 수소 * or 메탄올 * or 프로톤 *)) and ( 냉시동 * or 열관리 or ( 열 and 관리 ) or 냉각모듈 or ( 냉각 and 모듈 ) or 열교환 or ( 열 and 교환 ) or 라디에이터 or 열회수 or ( 열 and 회수 ) or 가습 or 필터 or 센서 or 냉각유체 or ( 냉각 and 유체 )) 95<=653 ((cold and start*) or ((therm* or water) and (manag* or exchang* or transfer* or recover*)) or (cool* and module*) or radiat* or moistur* or wet* or humid* or filt* or sens* or coolant*).ti. and (fuel and cell*) and (polymer* or proton* or hydrogen* or 653) 연료전지 and ( 고분자 * or 수소 * or 메탄올 * or 프로톤 *) and ( 전력변환 * or ( 전력 and 변환 *) or 인버터 or 트랜스포머 or 트랜스퍼머 or 인덕터 or 커패시터or 입출력필터 or 필터 ) 95<= 653 (fuel and cell) and (polymer* or hydrogen* or methanol* or proton*) and ((power and (convert* or transfer* or invert*)) or inverter* or transformer* or induct* or capacit* or filter) 연료전지 and ( 고분자 * or 수소 * or 메탄올 * or 프로톤 *) and ( 운전 * or 제어 *) 95<= 653 (control* or operat*).ti. and (fuel and cell) and (polymer* or 95<=653) 연료전지 and ( 고분자 * or 수소 * or 메탄올 * or 프로톤 *) and ( 시스템 ) 95<=653 (system*).ti. and (fuel and cell) and (polymer* or 653) 고분자과학과기술제 권 2 호 7 년 4 월 5

2 표 3. 고분자전해질연료전지시스템의분석데이터건수 대분류 중분류 소분류 미국일본유럽한국 계 공기공급모듈 ( 필터, 소음기포함 ) 연료변환장치 수소공급장치 냉시동 냉각모듈 시스템열교환기, 라디에이터 및열및물열회수 ( 열이용 ) 7 7 운전관리계가습 물관리 냉각유체 전력변환장치 운전방법 시스템계 계 표 4. 고분자전해질연료전지시스템의유효데이터선별 분류기술분야유효데이터선별조건 시스템및운전 계 시스템계 산소및공기공급기술중필터, 소음기, 모듈, 압축기, 블로어등공기공급과관련된기술을포함하고, 수소공급은노이즈로분류함연료개질기와같은연료변환장치, 수소제조기술, 수소공급및저장장치에관한기술을포함함고분자전해질연료전지의냉시동, 냉각모듈, 냉각유체, 물관리용필터, 센서및열교환, 열회수등에대한기술을포함함고분자전해질연료전지의전력변환장치만을대상으로함고분자연료전지의전체적인제어기술과운전방법에관한기술을포함하고, 세부적인제어기술은노이즈로분류함고분자연료전지의전체적인시스템에대한기술을포함함 한국유럽미국일본 395 (3) 2 () 74 (5%) 미국 36% 일본 43% 377 (%) 279 () 59 (3%) 유럽 한국 3% 그림. 시스템및운전기술의국가및연도별특허동향 그림 2. 의출원비율및연도별특허동향. 공급계 59건, 377건, 2건, 계 279건, 74건순으로출원경향을보이고있다. 시스템및운전기술의세부분야중핵심기술은시스템,, 분야의기술로판단된다 ( 그림 2). 분석대상특허는 WIPS 데이터베이스를이용하여추출하였으며, Raw-Data 추출을위한검색식과추출된 Raw-Data의건수는표 2와표 3에정리하였다. 2. 유효데이타선별추출된 Raw-Data의초록및특허청구범위의내용을검토하여본보고서의분석대상이될유효데이타를확정하였다 ( 표 4). 3. 시스템의국가및연도별특허동향의국가및연도별특허동향을보면, 전체출원 3,565건중가,59건으로전체의 43% 를점유하고있고,,293건 (36%), 472건 (3%), 2건 () 순서로출원동향을보여주고있다 ( 그림 ). 4. 의세부분야별특허동향분야의세부분야별특허동향을보면, 시스템계가 395건으로전체의 3 를점유하고있으며, 뒤를이어연료 5. 의국가별특허동향 5. 일본및미국의특허동향의일본과미국의출원동향을보면, 일본의경우 95 년부터 995년사이에는의출원비율이컸으나 년이후분야의출원이월등히증가하고있으며, 미국은 년이후와시스템계가비슷한증가현상을보여주고있다 ( 그림 3). 5.2 유럽및한국의특허동향에대한유럽과한국의출원동향을나타낸것으로, 유럽은 5년최초출원이후 년까지는분야에서최다출원동향을보이다가 년이후분야와같이분야도출원이증가하고있으며, 한국은타국에비해비교적늦은 96년이후출원이시작된후 년부터는시스템분야,, 기술분야순으로출원동향을보여주고있다 ( 그림 4). 6. 의출원인별특허동향의주요출원인현황을보면, 주요출원인상위 개 6 Polymer Science and Technology Vol., No. 2, April 7

3 2% 2% % 6% 9% 9% 96- 산화제시스템공급계기술 7% 33% 34% % 전력열및변환계물관리 7% 9% 4% 7% -6 46% 27% 많으며,, 삼성 SDI사와 는,. 분야에, 은시스템과분야에, 와 Fuji Electric은분야에중점적으로출원하고있다 ( 그림 5). 일본 ( 출원 ) 미국 ( 출원, 등록 ) 그림 3. 의국가별출원동향 ( 일본, 미국 ) 시스템산화제기술 3% 공급계 4% 2% % 9% 전력 % 변환계 2% 열및연료공급계물관리 % 44% 3% 유럽 ( 출원 ) 산화제시스템공급계 기술 6% 39% 2% 열및산화제연료연료물관리공급계공급계공급계 7% 22% 22% 39% 한국 ( 출원 ) 그림 4. 시스템및운전기술의국가별동향 ( 유럽, 한국 ). 7. 시스템분야주요출원인의세부기술특허동향의주요출원인의연도및세부기술의특허동향을나타낸것으로, 95년에서 995년까지분야는, Toyota, Honda가, 분야는 Mitsubishi Electric,, 및 가, 분야는 Mitsubishi Electric이, 분야는 와 가, 운전방법분야는 Mitsubishi Electric,, 이, 은 Mitsubishi Electric, Sanyo Electric,,, 가다출원을하고있다. 996년에서 년까지분야는 와 이, 분야는,,,, 가, 운전분야는 Mitsubishi Electric,, 및 가, 분야는,, 및 가많은출원을하고있다. 년에서 5년까지분야는, 삼성 SDI,,, 가, 운전방법분야는 이, 분야는 Nissan Motor, 삼성 SDI,,, Honda Motor가다출원을하고있다 ( 그림 6).. 의 IPC별특허동향연료전지분야특허출원에나타난 IPC에대한동향을보면, 연료전지의주분류인 HM- 이 2476건으로가장많이나타나고있으며, 다음으로 CB-3 이 3건이며, 그이외에는거의미미한건수를나타내고있다 ( 그림 7) 전력변환장치 운전방법 그림 5. 의주요출원인현황. 사가 434건을출원하여전체의 4% 를점유하고있으며, 기술분야별출원현황을살펴보면, 분야는한국의삼성 SDI (59건) 가, 는 (64건 ) 가, 열 / 물관리계와분야에서는 (건 ) 가, 는 Matsushita Electric(45건 ) 이, 분야에서는 (2건 ) 가각각최다출원을하고있다. 상위출원 개사대부분이분야출원건수가가장 9. 시스템의세부기술별특허동향 9. 기술의연도별특허출원동향을보면, 가장많은출원을하고있는미국은 5년도최초출원이후완만한증가추세를보이다가 년부터급증세를나타내고있으며한국은비교적늦은 96년도에최초출원이후 2년부터급증세를보인후 4년도에 54건을출원그정점을이루고있고일본은 7년에최초출원이후비교적완만한출원증가추세를보여주고있다. 일본의 Matsushita 정공에서는연료전지용공기공급장치를개발하고있으며, 개발품은 이개발을진행하고있는가정용연료전지병합발전시스템에채용되고있다. 공기공급장치도다른연료전지부재와같이저비용화와콤팩트화는필요로될것이며, 성능면에서앞으로의개발은저풍량조건에서저소음, 저소비전력, 장수명등개발포인트를들수있으며, 특히저소 고분자과학과기술제 권 2 호 7 년 4 월 7

4 (3%) 9 (24%) 5 4 (%) 36 (35%) 전력변환장치 운전방법 % 5% % 그림. 기술의국가별출원현황. () 7 (%) 전력변환장치 운전방법 (36%) % 5% % 그림 9. 기술의국가별출원현황. 452 (46%) 전력변환장치 운전방법 그림 6. 의다특허출원인연도별현황. HM 254 (%) CB 3 (2%) BJ (3%) 기타 43 (4%) 그림 7. 의주요 IPC 별현황. HM HM HM-4 43 CB BJ 기타 HM-2 29 CB-3 BJ- 79 BJ-23 3 BD B6L- 27 GN-27 7 CJ-3 6 C25B- 3 BJ-7 3 F2B 비전력은연료전지시스템의전체적효율과밀접하게관계가있고, 가정용등 kw급연료전지에서의저소비전력화는필수과제이며, 가정용에서는생활환경에배려한저소음화도중요하다. 는 5-475와 US 등을출원하고있으며, 여러가지운전상태에대응할수있고, 요구출력에대한응답성을높일수있는반응가스공급장치를제공하는것이다 ( 그림 ). 9.2 기술의국가별출원동향을보면일본이 452건을출원하여전체 (,3건) 중 46% 를차지하고있으며, 뒤를이어미국이 33건, 한국이 7건, 유럽이 건을출원하고있으며, 한국과일본은자국출원인비율이유럽과미국은타국출원인의출원비율이높다 ( 그림 9) 수소공급장치수소공급장치는수소스테이션에서의수소공급을하기위한장치로서, 수소발생장치, 수소컴프레서, 수소저장탱크등으로구성되며, 컴프레서의압력은 4 MPa, 3 m 3 /h로서, 아직실증중이지만, 실용단계에서는 m 3 /h 급의컴프레서가필요할것이다. 수소제조장치는현재공업적으로수소를제조하는플랜트설비를그대로이용할수있으므로, 장치에있어서신규성은낮지만, 수소컴프레서와수소저장탱크는고압이요구되는것이므로신규시 Polymer Science and Technology Vol., No. 2, April 7

5 장으로서의기대가높다. 연료전지자동차에탑재되는수소연료는주행거리를연장하기위해수소고압화를지향하고있으며, 이에맞춰아직개발단계이지만 7 MPa의수소탱크가실용화될전망이다. 연료전지차에수소가채용될경우고압화는필수이며, 현재의 4 MPa로는당연능력이부족하고, 컴프레서압축능력의향상이필요하고, 고압화에따른비용이문제로되어수소공급에관한밸브, 조인트, 배관, 감압밸브등이기술과제로되어있다 개질기연료전지용개질기의기술은기본적으로는기존의개질기술 ( 촉매기술 ) 을응용하는것이지만, 연료전지의이용실태에맞는개질기의개발이필요하다. 가정용연료전지 (PEFC) 의경우, 야간운전의비효율성등으로부터간헐운전을하는것도생각되지만, 개질기내에공기 ( 산소 ) 유입에의한촉매열화 ( 산화 ) 가문제시되고있으며, 내산화성이과제로되어있다. 촉매산화문제에서는종래이용되고있는 Cu-Zn계촉매가내산화성이없기때문에다른촉매를이용하는방법이검토되고있으며, 백금계촉매를주촉매로한복합촉매가이용되고있다. 메탄올은자동차용개질에대한개발이진행되고있으며, 다른탄화수소에비하여개질온도가낮은것이장점이지만, 정치용과같은수증기개질법에서는시동성에문제가있기때문에부분산화법이나자기개질법이검토되고있으나, 수증기개질법에비하면개질효율이떨어지기때문에기술개발과제가많은실정이다. 개질기술의개발뿐만아니라개질기의비용절감과콤팩트화도개발과제로서는중요하다. 비용절감으로는제조비용을줄이는연구도있지만, 각프로세스의반응기를동일형상으로하는등의방법이검토되고있다. 향후연료전지중주택용이실용화가가깝다고생각되므로, 천연가스개질기의실용화가실현될것으로판단된다. 주택용에서는소형화과제가자동차용에비하여장해가적고, 주택용연료전지의연료원으로서유력한도시가스의개질은도시가스회사에서기술축적이있기때문에금후시장투입에있어서실현가능성이높다고판단된다. 또한, 수소스테이션용개질기도연료공급인프라로서의가능성이높고, 실용화가가깝다고판단되며, 수소스테이션용개질기는종래공업적으로이용되어온기술을거의그대로이용할수있으므로기술적장해는낮고, 시장요구가높아지면시장투입은용이하게진행될것으로생각된다. 한편, 수소저장에있어서케미칼하이드라이드에수소를저장하는방법이있으며, 기술동향을보면, 시클로헥산 -나프탈렌계, 데칼린-벤젠계, 보로하이드라이드계등이연구단계에있으며, 실용화단계는 2년경으로보고있고, 인프라구축과함께재생시스템제작도필요하다. Mitsubishi는일본공개특허 와 EP 3945, US 를출원하고있으며, 기존의인프라를최대로활용하면서수소를공급할수있는시스템을제공하는것이고, 을출원하여암모니아에의한연료전지및개질기에포함된촉매의피독을방지할수있는연료전지개질기도개발하고있다. 9.3 계기술의국가별출원동향을보면, 미국이 46건을출 원하여전체 (279건) 의 52% 를차지하고있고뒤를이어일본이 74 건, 유럽이 33건, 한국이 26건순으로출원동향을보이고있으며, 한국과일본은자국출원인비율이유럽은타국출원인의출원비율이높다. 에너지효율을올리기위해배열을유효이용하는병합발전시스템도검토되고있으며, 흡수식냉동기는실내공조를위해공조기에냉수를공급하는장치로서일반적으로사용되고있고, 냉방능력에따라여러가지장치로분류되며, 흡수식은푸론을사용하지않기때문에환경에도우수하고, 전력소비가적은시스템으로서주목되고있다. 병합발전시스템에서배기가스를이용하는보일러로서는크게나누어수관식, 연관식이많이사용되고있으나, 현재로는수관식이주류이며, 수관식중에서도고압증기대응이가능한관류식, 2통수관식 ( 자연순환식 ) 을채용하고있으며, 이중에서증기발생량이많은경우 2통수관식이사용되고있다. 는 63563, 일본공개특허 및한국공개특허 를출원하고있으며, 저온에서도신속하게연료전지를시동하는장치를개발하고있다 ( 그림 ). 9.4 기술의국가별출원동향을보면, 미국이 5건을출원전체 (74건) 의 6% 를출원하고있으며뒤를이어일본이 52건, 유럽이 9건, 한국이 건순으로출원동향을보이고있고, 한국과일본은자국출원인이대부분이며유럽은타국출원인이많은출원비율을점유하고있다. 이미보급되어있는태양광발전시스템용인버터 (DC->AC) 와같으며, 현재큰과제는없지만비용절감, 변환효율향상, 고주파대책등이과제로되고있다. 연료전지시스템에는거의필수기기로서채용된다고생각되며, 기존기술로서비용절감이문제가되고있고, 전력품질의열화요인으로는고주파문제가있으며, 대책으로서 PWM 트랜지스터인버터나전력제어형인버터등이개발되고있다. 향후인버터는연료전지시스템의표준품으로서채용될것이며, 연료전지시스템이종합적인효율을추구하는시스템인이상변환시의손실저감이요구되며, 고효율화나범용화에의한저가격화와소형화가기대된다. 는일본공개특허 을출원하고있으며, 입력직류전압과교류전압의수준이다른경우에도효율적으로전 26 (9%) 33 (2%) % 5% % (27%) 4 (52%) 그림. 기술의국가별출원현황. 고분자과학과기술제 권 2 호 7 년 4 월 9

6 (5%) 52 (3%) 9 (4%) 696 (49%) 9 (5%) 5 (6%) 2 (6%) 427 (3%) % 5% % 그림. 기술의국가별현황 % 5% % 그림 3. 의국가별출원현황.. 결론 (%) 29 (%) % 5% % 그림 2. 기술의국가별현황. 27 (46%) 96 (34%) 력을변환시킬수있는전력변환장치를개발하고있다 ( 그림 ). 9.5 기술의국가별출원동향을보면, 일본이 27건을출원하여전체출원 (2건) 의 46% 를출원하고있고뒤를이어미국이 96 건, 한국과유럽이각각 29건을출원하고있고한국과일본은자국출원인비율이미국과유럽은타국출원인비율이상대적으로높다. 은냉각수로의압력변동을회피하고, 냉각수의수질유지를위해사용하는이온교환수지의장수명화및저비용으로보기의소비전력을저감할수있는연료전지시스템의운전방법을개발하고있다 ( 그림 2). 9.6 시스템의국가별출원동향을보면, 일본이 696건을출원하여전체출원 (395건) 의 49% 를출원하고있고뒤를이어미국이 427 건, 한국이 9건, 유럽이 2건을출원하고있고한국과일본은자국출원인비율이미국과유럽은타국출원인비율이상대적으로높다. 는일본공개특허 -235을출원하고있으며, 부하변동시응답성이좋은증발기를가진연료전지시스템을제공하는것이다 ( 그림 3). 에서시스템분야가 3 로가장높고, 3%, %, 계,, 5% 순으로출원되고있다. 에서 95~995년에는위주에서, 996 년에는시스템계가분야만큼출원되고있으며 5년에는시스템계에대한출원이급신장하여다출원되고있고,,,, 계순으로출원동향이나타났다. 분야에서최다출원인은 로나타났으며, 다음으로삼성 SDI,,,,, Mitsubishi,,, 순으로나타났고,,, 는시스템계및분야에다출원하고있고, 삼성 SDI는시스템계,, 분야에, 은시스템계,, 에다출원하고있다. 분야에대하여, Mitsubishi,, Toyota Motor, Sanyo, 이 년대말과 9년대초에상기기술분야에서다출원하여현재까지꾸준히이기술분야에출원중에있으며 9년대말부터 년초에는,, GM, 삼성SDI, 등의출원이다출원인으로부상하여초기의출원인인, Mitsubishi, Thosiba,,, 등의출원인보다많은특허를출원하고있다. 참고문헌위글은특허청의용역사업중 6년분쟁대비특허맵작성사업으로작성된고분자전해질연료전지에서일부를발췌한내용이며, 보다상세한정보를얻고자하시는분은분쟁대비특허정보넷 ( 을참고하시기바랍니다. 9 Polymer Science and Technology Vol., No. 2, April 7

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歯_892-906_ 2001년도 회원사명단.doc Polymer Science and Technology Polymer Science and Technology Polymer Science and Technology Polymer Science and Technology Polymer Science and Technology Polymer Science and Technology Polymer Science