연료전지는 친환경적 에너지 발생원으로 미래의 에너지 부족 문제와 공해 문제를 한꺼번에 해결하기 위한 방법으로 최근 그 연구가 활발히 진행되고 있다. 연료전지는 별도의 발전 장치를 필요로 하지 않고, 수소와 산소의 반응에 의해 전기를 직접 생산하기 때문에 발전 효율이 높다. 연료전지 시스템에서의 핵심 기술은 고분자분리막을 제조하는 것으로써 상용화된 나피온 전해질막은 제조 단가가 높고 고온에서 성능이 급감한다는 단점이 있다. 따라서 많은 학자들이 나피온 전해질 분리막을 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 총설에서는 연료전지용 전해질 분리막의 특허 및 논문의 기술 경쟁력 평가를 통하여 국가별, 기관별, 기업별 발표 빈도수를 정리하였으며, 고분자 전해질 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 그리고 알칼리 연료전지에 대한 평가를 진행하였다.
연료전지는 친환경적 에너지 발생원으로 미래의 에너지 부족 문제와 공해 문제를 한꺼번에 해결하기 위한 방법으로 최근 그 연구가 활발히 진행되고 있다. 연료전지는 별도의 발전 장치를 필요로 하지 않고, 수소와 산소의 반응에 의해 전기를 직접 생산하기 때문에 발전 효율이 높다. 연료전지 시스템에서의 핵심 기술은 고분자 분리막을 제조하는 것으로써 상용화된 나피온 전해질막은 제조 단가가 높고 고온에서 성능이 급감한다는 단점이 있다. 따라서 많은 학자들이 나피온 전해질 분리막을 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 총설에서는 연료전지용 전해질 분리막의 특허 및 논문의 기술 경쟁력 평가를 통하여 국가별, 기관별, 기업별 발표 빈도수를 정리하였으며, 고분자 전해질 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 그리고 알칼리 연료전지에 대한 평가를 진행하였다.
The fuel cell technology as a green energy source has been actively studied to solve energy shortages and pollution problems. The generating efficiency of fuel cell is high because the electricity is directly produced by using hydrogen and oxygen and the additional power generator is not needed. The...
The fuel cell technology as a green energy source has been actively studied to solve energy shortages and pollution problems. The generating efficiency of fuel cell is high because the electricity is directly produced by using hydrogen and oxygen and the additional power generator is not needed. The key technology is the manufacturing process of polymer electrolyte membranes for polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) system. The Nafion, perfluoro-based polymeric membrane is mainly used as a polymer electrolyte membrane. However, the Nafion is expensive and rapidly decreases the performance of Nafion at high temperature. So, many researchers are lively studying new alternative electrolyte membranes. In this review, through the technology competitiveness evaluation of patents and papers, the frequencies of presentation are filed by country, institution and company. In addition, polymer electrolyte membrane fuel cell, direct methanol fuel cell and alkaline fuel cell are also filed.
The fuel cell technology as a green energy source has been actively studied to solve energy shortages and pollution problems. The generating efficiency of fuel cell is high because the electricity is directly produced by using hydrogen and oxygen and the additional power generator is not needed. The key technology is the manufacturing process of polymer electrolyte membranes for polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) system. The Nafion, perfluoro-based polymeric membrane is mainly used as a polymer electrolyte membrane. However, the Nafion is expensive and rapidly decreases the performance of Nafion at high temperature. So, many researchers are lively studying new alternative electrolyte membranes. In this review, through the technology competitiveness evaluation of patents and papers, the frequencies of presentation are filed by country, institution and company. In addition, polymer electrolyte membrane fuel cell, direct methanol fuel cell and alkaline fuel cell are also filed.
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문제 정의
본 총설에서는 연료전지 분야 중 가장 활발히 연구되고 있는 분야인 고분자 전해질 연료전지와 직접 메탄올 연료전지, 그리고 알칼리 연료전지에 대한 국내외 특허 정보분석 및 논문 게재를 통하여 기술 흐름과 최근 기술 동향, 출원 국가 및 기술 분야별 등으로 세분화하여 분석하였으며, 정리된 그래프를 통하여 연료전지의 기술 개발 동향을 파악하고자 하였다.
본 장에서는 연료전지 전해질 분리막에 대한 전체 특허 및 논문 게재에 대해 나타내었으며, 이에 대하여 최근 10년(2006~2015년)간 고분자 전해질 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 알칼리 연료전지 분야의 동향을 조사하였다. 특허의 분석을 위한 사용 데이터 베이스는 Wisdomain 특허 시스템을 이용하였으며, Wisdomain이란 특허검색 및 분석 솔루션으로 다양한 편의 기능 및 부가가치 데이터 베이스를 검색하여, 세계 주요국가 특허 검색을 빠르고 쉽게 검색할 수 있도록 만든 시스템이다.
본 총설은 연료전지 전해질 분리막의 특허 및 논문의 기술 경쟁력 평가를 통하여 각 나라별 연료전지에 대한 연구 진행량을 관찰하고자 하였다. 최근 10년간 가장 급격하게 특허 출원량이 증가한 국가는 중국이며, 그 뒤로 미국, 한국, 일본, 캐나다와 같은 나라들이 비슷한 수준을 나타내었다.
제안 방법
특허의 분석을 위한 사용 데이터 베이스는 Wisdomain 특허 시스템을 이용하였으며, Wisdomain이란 특허검색 및 분석 솔루션으로 다양한 편의 기능 및 부가가치 데이터 베이스를 검색하여, 세계 주요국가 특허 검색을 빠르고 쉽게 검색할 수 있도록 만든 시스템이다. 특허 자료의 검색은 key word 검색과 boolean 검색 방법을 사용하였으며 이를 이용하여 소분류별, 국가별 특허 정보를 수집하고 유효특허를 대상으로 특허활동도, 특허집중도, 특허시장력, 특허영향력의 4개 항목을 분석/평가하였다. 이러한 용어는 다음과 같이 정의할 수 있다.
5는 연료전지의 구성별 논문 게재 건수를 나타내었다. 논문 기술 경쟁력 분석을 위해 사용된 데이터베이스는 Scopus 논문 검색 시스템이며, 이를 이용하여 소분류별, 국가별 논문 정보를 수집하고, 유효논문을 대상으로 논문활동도, 논문 영향력, 논문집중도 등의 3개 항목을 분석/평가하였다. 이러한 용어는 다음과 같이 정의할 수 있다.
대상 데이터
특허출원건수는 주요 개발 국가인 한국, 미국, 일본, 중국, 유럽(7개국) 및 전 세계 동향을 조사하였으며 각 나라별 주요 학교 또는 기업 10곳에 대한 자료를 나타내었다. 특허출원 건수로는 한국 3,822건, 미국 9,776건, 일본 7,149건, 중국 1,770건, 유럽(7개국) 8,046건이며 전 세계적으로는 14,811건(상위 10개 기업)으로 나타났다.
특허출원 건수로는 한국 3,822건, 미국 9,776건, 일본 7,149건, 중국 1,770건, 유럽(7개국) 8,046건이며 전 세계적으로는 14,811건(상위 10개 기업)으로 나타났다. 각 나라별 주요 기관으로는 한국 Samsung Electronics, ETRI, LG Electronic 순으로 출원건수가 조사되었으며, 미국 IBM, Microsoft, Qualcomm Inc., 일본 Panasonic Electronic works Corp., Honda Motor Corp., NEC Corp., 중국 Huawei Technologies Corp., ZTE Corp., China Iwncomm Corp., 유럽(7개국) Robert BOSCH Corp., Koninklije Philips Electronics Corp., Siemens AG 순으로 조사되었다.
논문 게재는 고분자 전해질 연료전지 1,930건, 직접 메탄올 연료전지 1,061건, 알칼리 연료전지 2,935건으로 조사되었으며, Fig. 5는 연료전지의 구성별 논문 게재 건수를 나타내었다. 논문 기술 경쟁력 분석을 위해 사용된 데이터베이스는 Scopus 논문 검색 시스템이며, 이를 이용하여 소분류별, 국가별 논문 정보를 수집하고, 유효논문을 대상으로 논문활동도, 논문 영향력, 논문집중도 등의 3개 항목을 분석/평가하였다.
성능/효과
연료전지용 분리막의 특허기술경쟁력은 한국(KR)이 가장 높고, 영국(GB, 2위), 네덜란드(NL, 3위), 미국(US, 4위), 일본(JP, 5위), 중국(CN, 6위), 독일(DE, 7위), 프랑스(FR, 8위), 이스라엘(IL, 9위), 스웨덴(SE, 10위), 이탈리아(IT, 11위), 대만(TW, 12위), 인도(IN, 13위), 남아프리카공화국(ZA, 14위)으로 조사되었으며, 한국은 특허활동도 4위, 특허집중도 1위, 특허시장력 12위, 특허영향력 5위로 전체기술수준은 1위로 평가되었다. 연료전지용 분리막 분야의 특허 출원 활동은 중국에 소재 하는 기업들이 가장 활발한 것으로 평가되었으며 최근 10년간 특허 출원 상위 기업은 Dalian Institute of Chemical Physics Chinese Academy of Science (중국, 83건), Sunrise Power Corp.
고분자 전해질 연료전지용 분리막의 특허기술경쟁력은 한국이 가장 높고, 네덜란드(2위), 중국(3위), 영국(4위), 미국(5위), 일본(6위), 프랑스(7위), 독일(8위), 스웨덴(9위), 인도(10위) 순으로 조사되었으며, 한국은 특허활동도 3위, 특허집중도 1위, 특허시장력 11위, 특허영향력 6위로 전체기술수준 1위로 평가되었다. 최근 10년간 특허 출원 활동이 급격하게 증가된 기업은 Dalian Institute of Chemical Physics Chinese Academy of Science (중국, 75건), Sunrise Power Corp.
직접 메탄올 연료전지용 분리막의 논문기술경쟁력은 미국이 가장 높고, 프랑스(2위), 일본(3위), 영국(4위), 네덜란드(5위), 한국(6위), 중국(7위), 독일(8위) 순서로 나타났으며, 한국은 논문 게재 활동 5위, 논문 영향력 4위, 논문집중도 6위로 전체 기술수준은 6위로 조사되었다. 직접 메탄올 연료전지 분리막 분야의 논문 게재활동은 러시아에 소재하는 기관들이 가장 활발한 것으로 평가되었으며 최근 5년간 논문 게재 상위 기관은 Institute of Developmental Biology (러시아, 3건), University of Veterianry Medicine (독일, 2건) 순으로 조사되었다.
와 중국의 South China University of Technology로 조사되었다. 논문 게재량 또한 특허 출원량과 비례하여 중국이 가장 급격한 증가를 보였으며 한국, 미국, 일본 등이 비슷한 수준을 나타내었다. 논문 게재량이 증가한 기관으로는 중국의 Tongji University, 캐나다의 University of Technology, 한국의 Konkuk University, 미국의 Hawaii National Energy Institute로 조사되었다.
3가지 종류의 연료전지에 대한 게재된 총 논문 건수는 5,926건으로 그중 고분자 전해질 연료전지 1,930건, 직접 메탄올 연료전지 1,061건, 알칼리 연료전지 2,935건으로 개발 역사가 오래된 알칼리 연료전지가 가장 많은 논문 게재량을 나타내었다. 연료전지의 개발 분야별 논문 게재 건수는 촉매 관련 2,589건, MEA 관련 1,324건, 양극 관련 1,069건, 음극 관련 944건으로 조사되었다.
연료전지의 개발 분야별 논문 게재 건수는 촉매 관련 2,589건, MEA 관련 1,324건, 양극 관련 1,069건, 음극 관련 944건으로 조사되었다. 이를 연료전지 종류별로 구분을 하면 고분자 전해질 연료전지 중 촉매관련 912건, MEA 관련 415건, 양극 관련 327건, 음극 관련 276건이며, 직접 메탄올 연료전지 중 촉매 관련 387건, MEA 관련 204건, 양극 관련 294건, 음극 관련 176건으로 나타났다. 마지막으로 알칼리 연료전지 중 촉매 관련 1,290건, MEA 관련 705건, 양극 관련 448건, 음극 관련 492건으로 조사되었다.
이를 연료전지 종류별로 구분을 하면 고분자 전해질 연료전지 중 촉매관련 912건, MEA 관련 415건, 양극 관련 327건, 음극 관련 276건이며, 직접 메탄올 연료전지 중 촉매 관련 387건, MEA 관련 204건, 양극 관련 294건, 음극 관련 176건으로 나타났다. 마지막으로 알칼리 연료전지 중 촉매 관련 1,290건, MEA 관련 705건, 양극 관련 448건, 음극 관련 492건으로 조사되었다.
후속연구
따라서 이를 해결하기 위한 방안으로는 원천기술확보(고온형 MEA), 타기술 융복합(태양광, 풍력, 태양열, 지열 등), 기술 고도화를 통한 기술내재화 뿐만 아니라 경제성 확보가 가능한 시스템 개발을 하여야 한다. 또한 온실가스 저감, 수도권 계통 안정도에 대한 사회적 요구 증대에 대응할 수있는 도심형, 산업단지형 등 수요지에 적합한 친 시장형 제품을 개발하여야 할 것이다. 수소공급 기반기술 확보로 수소연료전지 자동차 신산업 선점 및 기후변화 대응 전략으로 활용이 필요하고, 중장기적으로 재생에너지 수소를 활용하는 방안이 마련된다면 연료전지의 응용분야는 점차 높아질 것이다.
또한 온실가스 저감, 수도권 계통 안정도에 대한 사회적 요구 증대에 대응할 수있는 도심형, 산업단지형 등 수요지에 적합한 친 시장형 제품을 개발하여야 할 것이다. 수소공급 기반기술 확보로 수소연료전지 자동차 신산업 선점 및 기후변화 대응 전략으로 활용이 필요하고, 중장기적으로 재생에너지 수소를 활용하는 방안이 마련된다면 연료전지의 응용분야는 점차 높아질 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연료전지가 사용되는 산업은 무엇인가?
연료전지는 전기, 전자, 통신뿐만 아니라 가전, 항공 우주 산업, 자동차 산업, 로봇 산업 등 고부가가치 산업에도 영역을 넓히고 있다(Fig. 1)[1].
연료전지의 분류를 전해질에 따라 할 시 어떻게 구분되는가?
연료전지는 전해질의 종류에 따라 운전온도가 결정되며, 일반적으로 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC), 알칼리 연료전지 (alkaline fuel cell, AFC), 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC), 인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cell, PAFC), 용융탄산염 연료전지(Molton Carbonate fuel cell, MCFC), 고체산화물 연료전지 (Solid oxide fuel cell, SOFC)로 나뉘게 된다. Table 1에 연료전지의 분류에 대해 간략히 나타내었다[7].
연료전지의 구동방식은 무엇인가?
연료전지의 구동방식은 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 시스템으로써, 기존의 에너지 변환 방식의 문제점인 환경오염물질 배출, 에너지 생산 및 이송의 어 려움, 제한된 사용분야 등 여러 단점들을 보완하는 시스템이다[1-3]. 급속한 산업 발달로 인한 에너지 부족현상이 점점 심화되고 있으며, 환경 또한 심각한 문제에 직면하고 있다[4].
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