[논문]수소에너지 주거건물의 운영비용 감축을 위한 연료전지 발전 부산물 활용기술에 관한 특허분석

지상훈; 김원재

doi:10.5762/kais.2020.21.12.488

수소에너지 주거건물의 운영비용 감축을 위한 연료전지 발전 부산물 활용기술에 관한 특허분석
Patent Analysis on Fuel Cell By-Product Utilization Technology for Operating Expenditure Reduction of Hydrogen Residential Buildings 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.12, 2020년, pp.488 - 493

지상훈 (한국건설기술연구원 국토보전연구본부 환경자원재생연구센터) , 김원재 (한국건설기술연구원 국토보전연구본부 환경자원재생연구센터)

초록
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친환경 에너지원으로 고려되는 수소의 수요가 증가하고 있고 이와 동시에 수소의 고효율 에너지변환이 가능한 설비인 연료전지의 시장 규모 또한 지속적으로 증가하고 있다. 본 연구는 수소를 에너지원으로 하는 주거건물의 운영비용을 감축하기 위한 연료전지 발전 부산물 활용기술에 대한 특허분석을 통해 관련 기술의 지식재산권 확보를 위한 전략을 수립하는데 목적을 두고 있다. 본 특허분석은, 2019 년 10 월까지 출원 공개 및 등록된 한국, 미국, 일본 및 유럽의 특허를 대상으로 분석하며 전문가회의를 거쳐 확정된 중분류 및 소분류 기술 체계를 기준으로 정량분석 및지표분석을 실시하였다. 특허분석을 통해, 2019년 10월까지 출원/공개/등록된 한국, 미국, 일본 및 유럽 특허를 조사하였고 전문가 토의를 바탕으로 기술분류체계 및 분류기준을 마련하였다. 특히, 수소에너지 주거건물의 운영비용 감축을 위해, 데드앤드 모드 운전을 통해 고분자전해질 연료전지 발전 시 생성되는 공기극 측 주요 부산물인 정화공기, 생성수분 및 산소희박 공기를 활용하는 시스템 및 방법으로 출원하여 권리화를 시도해 볼 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The demand for hydrogen, which is considered an environmentally friendly energy source, is increasing, and at the same time, the fuel cell market is increasing continuously. This study aimed to establish a strategy for securing intellectual property rights on fuel cell by-product utilization technology for operating expenditure reduction of hydrogen-powered residential buildings. In this patent analysis, this study investigated Korean, American, Japanese, and European patents filed/published/registered by October 2019 and established a technical classification system and classification criteria through expert discussion. To reduce the operating expenditure of hydrogen-powered residential buildings, intellectual property rights will be improved using systems and methodologies involving cathode-side purified air, product water, and oxygen-depleted air captured with the dead-end mode operation of polymer electrolyte fuel cells.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. KIPO (Korean Intellectual Property Office), USPTO (United States Patent and Trademark Office), JPO (Japan Patent Office), EPO(European Patent Office) patent data
표 Table 1. Technology classification
표 Table 2. Patent selection results
그림 Fig. 2. Number of applications by major applicant country by application category
그림 Fig. 3. Number of applications by major applicant
그림 Fig. 4. Number of applications by category
그림 Fig. 5. Number of multi applications by major applicant

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수소에너지 주거건물의 운영비용을 감축시키기 위해 연료전지 발전 시 생성되는 부산물의 활용과 관련된 기술에 대한 특허분석을 수행하였고 핵심결과는 아래와 같다.
대표적인 연료전지 부산물은 발전폐열, 정화 공기, 생성수분, 산소희박공기로 구분될 수 있으며 [5-8], 사전조사 결과 건물용 연료전지에서 이와 같은 부산물을 활용하는 기술은 상용화 단계와는 상당히 거리가 먼 것으로 파악된다. 본 연구의 목적은 수소에너지 주거 건물의 운영비용 감축을 위한 연료전지 부산물 활용기술에 대한 특허분석을 통해 관련기술 현황을 파악하고 연구개발 방향을 제시하며 나아가 지식재산권 확보 전략을 구축하는 것이다.

제안 방법

네 번째, 연료전지 산소희박공기활용 기술(AAD)의 범위는 연료전지, 산소희박, 질소, 회수, 추출을 핵심 키워드로 ‘연료전지 발전 시 생성되는 산소희박공기 포집 및 활용 기술’로 한정지었다. 다섯 번째, 연료전지 운전모드 제어 (AB)의 범위는 연료전지, 데드앤드, 퍼징을 핵심 키워드로 ‘데드엔드 모드 운전(평상 시 연료 출구를 닫아 연료이용률을 최대화하는 운전 기법) 기술을 적용한 연료전지 발전 기술’로 한정지었다[9].
최종 검색식을 통해 얻은 원본 데이터의 건수는 한국 818건, 미국 1, 014건, 일본 2, 009건, 유럽 362건으로 총 4, 203건으로 검색되었다(Table 2). 도출된 키워드와 최종 검색식을 적용하여 얻은 원본 데이터로부터 분석의 대상이 되는 기술과 관련도가 낮은 특허를 제외하기 위해 전문가 논의를 통해 노이즈 제거/중복 건 기준을 설정하였다. 이를 기준으로 Table 2에서 보는 바와 같이 각 소분류/국가별 유효특허를 추출하였으며 추출한 전체 검색결과 중 총 1, 190건의 유효데이터를 대상으로 정량분석을 진행하였다.
첫 번째, 연료전지 발전폐열활용 기술(AAA)의 범위는 연료전지, 폐열, 회수를 핵심 키워드로 ‘연료전지 발전 시생성되는 폐열 회수 및 활용 기술’로 한정지었다. 두 번째, 연료전지 정화공기활용 기술(AAB)의 범위는 연료전지, 공기, 불순물, 정화를 핵심 키워드로 ‘연료전지 발전을 위해 공급하는 공기를 정화하는 기술’로 한정지었다. 세 번째, 연료전지 생성수분활용 기술(AAC)의 범위는 연료전지, 수분, 회수를 핵심 키워드로 ‘연료전지 발전 시생성되는 수분 포집 및 활용 기술’로 한정지었다.
본 특허분석의 각 기술분류별 특허검색을 위한 핵심키워드는 예비타당성조사 대상 사업에서 기 제출한 기획내용을 기준으로 전담기관과의 논의를 거쳐 도출하였으며, 도출한 키워드를 조합하여 각 소분류 기술별 검색식을 작성하였다. 최종 검색식을 통해 얻은 원본 데이터의 건수는 한국 818건, 미국 1, 014건, 일본 2, 009건, 유럽 362건으로 총 4, 203건으로 검색되었다(Table 2).
두 번째, 연료전지 정화공기활용 기술(AAB)의 범위는 연료전지, 공기, 불순물, 정화를 핵심 키워드로 ‘연료전지 발전을 위해 공급하는 공기를 정화하는 기술’로 한정지었다. 세 번째, 연료전지 생성수분활용 기술(AAC)의 범위는 연료전지, 수분, 회수를 핵심 키워드로 ‘연료전지 발전 시생성되는 수분 포집 및 활용 기술’로 한정지었다. 네 번째, 연료전지 산소희박공기활용 기술(AAD)의 범위는 연료전지, 산소희박, 질소, 회수, 추출을 핵심 키워드로 ‘연료전지 발전 시 생성되는 산소희박공기 포집 및 활용 기술’로 한정지었다.
선정한 기술분류체계 및 범위는 아래와 같다. 첫 번째, 연료전지 발전폐열활용 기술(AAA)의 범위는 연료전지, 폐열, 회수를 핵심 키워드로 ‘연료전지 발전 시생성되는 폐열 회수 및 활용 기술’로 한정지었다. 두 번째, 연료전지 정화공기활용 기술(AAB)의 범위는 연료전지, 공기, 불순물, 정화를 핵심 키워드로 ‘연료전지 발전을 위해 공급하는 공기를 정화하는 기술’로 한정지었다.
특허분석은 주요 국가, 주요 출원인, 세부기술별 분야로 나누어 분석하였다. Fig.

대상 데이터

WIPSON 검색 데이터베이스(Baidu, KIPRIS와 같은 특정 국가 특허 검색에 특화된 데이터베이스가 아닌 주요 100여개 국가 특허 검색이 가능한 데이터베이스)를 분석데이터로 활용하였고, 해당기술에 대해 유럽 내 특정 국가에서 원천 및 선두 기술을 보유하고 있는 것으로 판단되는 경우 유럽 내 해당 국가 특허청 검색을 실시하였다.
세 번째, 연료전지 생성수분활용 기술(AAC)의 범위는 연료전지, 수분, 회수를 핵심 키워드로 ‘연료전지 발전 시생성되는 수분 포집 및 활용 기술’로 한정지었다. 네 번째, 연료전지 산소희박공기활용 기술(AAD)의 범위는 연료전지, 산소희박, 질소, 회수, 추출을 핵심 키워드로 ‘연료전지 발전 시 생성되는 산소희박공기 포집 및 활용 기술’로 한정지었다. 다섯 번째, 연료전지 운전모드 제어 (AB)의 범위는 연료전지, 데드앤드, 퍼징을 핵심 키워드로 ‘데드엔드 모드 운전(평상 시 연료 출구를 닫아 연료이용률을 최대화하는 운전 기법) 기술을 적용한 연료전지 발전 기술’로 한정지었다[9].
본 특허분석은 2019년 10월까지 출원/공개/등록된 한국(Korean Intellectual Property Office, KIPO), 미국(United States Patent and Trademark Office, USPTO), 일본(Japan Patent Office, JPO), 유럽 (European Patent Office, EPO)의 특허를 대상으로 수행하였다. WIPSON 검색 데이터베이스(Baidu, KIPRIS와 같은 특정 국가 특허 검색에 특화된 데이터베이스가 아닌 주요 100여개 국가 특허 검색이 가능한 데이터베이스)를 분석데이터로 활용하였고, 해당기술에 대해 유럽 내 특정 국가에서 원천 및 선두 기술을 보유하고 있는 것으로 판단되는 경우 유럽 내 해당 국가 특허청 검색을 실시하였다.
도출된 키워드와 최종 검색식을 적용하여 얻은 원본 데이터로부터 분석의 대상이 되는 기술과 관련도가 낮은 특허를 제외하기 위해 전문가 논의를 통해 노이즈 제거/중복 건 기준을 설정하였다. 이를 기준으로 Table 2에서 보는 바와 같이 각 소분류/국가별 유효특허를 추출하였으며 추출한 전체 검색결과 중 총 1, 190건의 유효데이터를 대상으로 정량분석을 진행하였다.
작성하였다. 최종 검색식을 통해 얻은 원본 데이터의 건수는 한국 818건, 미국 1, 014건, 일본 2, 009건, 유럽 362건으로 총 4, 203건으로 검색되었다(Table 2). 도출된 키워드와 최종 검색식을 적용하여 얻은 원본 데이터로부터 분석의 대상이 되는 기술과 관련도가 낮은 특허를 제외하기 위해 전문가 논의를 통해 노이즈 제거/중복 건 기준을 설정하였다.

성능/효과

2008년 이후 출원 건수가 다소 감소하였으며 해당 기술에 대한 지식재산권 확보 가능성이 높을 것으로 예상된다. 기술별 다 출원인 현황(Fig. 5)을 살펴보면, 연료전지 발전 시 생성되는 폐열 활용 기술(AAA) 관련 출원은 PANASONIC이, 연료전지 발전을 위해 공급하는 공기를 정화하는 기술(AAB) 관련 출원은 DONALDSON이, 연료전지 발전 시 생성되는 수분 포집 및 활용 기술(AAC) 관련 출원은 현대자동차가, 연료전지 발전 시 생성되는 산소희박공기 포집 및 공급 기술(AAD) 관련 출원은 NISSAN MOTOR가 그리고 데드엔드 모드 운전을 통한 연료전지 운전모드 제어(AB) 관련 출원은 TOYOTA MOTOR가 주도하는 것으로 나타나고 있다. 특히, 연료전지 발전 시 생성되는 산소희박공기 포집/공급 기술(AAD) 및 데드엔드 모드 운전을 통한 연료전지 운전모드제어(AB)의 경우 타 기술에 비해 출원 건수가 적어 연구개발을 통한 원천기술 확보 및 지식재산권 확보 가능성이 높을 것으로 예상된다.
네 번째, 산소희박공기활용 기술의 경우, ‘건물용 연료전지 발전 시 생성되는 산소희박공기포집 및 활용 기술’ 에 대한 특허는 검색되지 않았다. 이와 관련하여, 건물용 연료전지용 연료 공급을 위한 수소공급인프라의 화재·폭발 사고 방지를 위한 산소농도 강하용 기체로 사용한다면 기존의 수소공급인프라 화재·폭발 사고방지 장치의 운영 시간을 감축시키며 안전관리 소요되는 총 비용을 감축시킬 수 있을 것으로 예상된다.
다섯 번째, 데드앤드모드 운전기술의 경우, ‘데드엔드모드 기술을 적용한 건물용 연료전지 발전 배출물 활용기술’에 대한 특허는 검색되지 않았다. 이와 관련하여, 건물용 연료전지에서 배출되는 정화공기, 생성수분 그리고산소희박공기를 효율적으로 포집하기 위해 연료전지 반응유체를 공간적/시간적으로 제어할 수 있는 데드앤드모드 운전이 이용될 수 있을 것으로 고려되며 이때 에너지효율 저감율 완화를 위한 방안이 동시에 고려되어야할 것으로 예상된다.
두 번째, 연료전지 정화공기활용 기술의 경우, ‘건물용연료전지 공기정화를 위해 시스템 내에서 정화된 공기를활용하는 기술’에 대한 특허는 검색되지 않았다. 이와 관련하여, 건물 내 공기 정화를 목적으로 연료전지에서 배출되는 정화공기를 활용한다면 기존의 공기정화 장치의운영 시간 및 빈도를 감축시키며 건물 공기 정화에 소요되는 총 비용을 감축시킬 수 있을 것으로 예상된다.
세 번째, 생성수분활용 기술의 경우, ‘건물용 연료전지발전 시 배출되는 청정수의 활용 기술’에 대한 특허는 검색되지 않았다. 이와 관련하여, 건물 내에서의 활용을 목적으로 연료전지에서 배출되는 청정수를 활용하고자 한다면 활용목적이 명확한 분야(예.
주요출원인의 출원현황은, PANASONIC이 전체 다 출원인 1위(107건)로 나타나고, 현대자동차가 2위(84건)로 나타나며, TOYOTA MOTOR가 3위(71건)로 나타난다 (Fig. 2, Fig. 3). 그 뒤로, NISSAN MOTOR, FUJI ELECTRIC, HONDA MOTOR, OSAKA GAS, DONALDSON, FUELCELL ENERGY, TOKYO GAS 순으로 나타난다.
첫 번째, 연료전지 폐열활용 기술의 경우, ‘건물용 연료전지 발전 시 생성되는 폐열활용 기술’에 대한 특허가 다수 검색되었다. 그럼에도 불구하고, 고체산화물 연료전지와 같이 상대적으로 높은 온도영역에서 운전하는 연료전지를 활용할 경우 양질의 폐열을 통해 적용 가능성을 보다 높일 수 있을 것으로 예상된다.

후속연구

검색되었다. 그럼에도 불구하고, 고체산화물 연료전지와 같이 상대적으로 높은 온도영역에서 운전하는 연료전지를 활용할 경우 양질의 폐열을 통해 적용 가능성을 보다 높일 수 있을 것으로 예상된다.
본 연구진은, 연료전지 발전 과정에서 생성되는 다양한 부산물(이하 연료전지 부산물)을 활용할 경우 생활에 필요한 전기에너지를 수소로부터 공급받는 건물(이하 수소에너지 주거건물)의 운영비용(에너지 공급/환경개선/안전확보 비용)을 효과적으로 감축시킬 수 있을 것으로 예상하고 있다. 대표적인 연료전지 부산물은 발전폐열, 정화 공기, 생성수분, 산소희박공기로 구분될 수 있으며 [5-8], 사전조사 결과 건물용 연료전지에서 이와 같은 부산물을 활용하는 기술은 상용화 단계와는 상당히 거리가 먼 것으로 파악된다.
기술’에 대한 특허는 검색되지 않았다. 이와 관련하여, 건물 내 공기 정화를 목적으로 연료전지에서 배출되는 정화공기를 활용한다면 기존의 공기정화 장치의운영 시간 및 빈도를 감축시키며 건물 공기 정화에 소요되는 총 비용을 감축시킬 수 있을 것으로 예상된다.
않았다. 이와 관련하여, 건물 내에서의 활용을 목적으로 연료전지에서 배출되는 청정수를 활용하고자 한다면 활용목적이 명확한 분야(예. 가습 수분원으로 기존의 수돗물을 대신하는 연료전지 배출 청정수를 활용)의구체화가 필요할 것으로 판단된다.
대한 특허는 검색되지 않았다. 이와 관련하여, 건물용 연료전지에서 배출되는 정화공기, 생성수분 그리고산소희박공기를 효율적으로 포집하기 위해 연료전지 반응유체를 공간적/시간적으로 제어할 수 있는 데드앤드모드 운전이 이용될 수 있을 것으로 고려되며 이때 에너지효율 저감율 완화를 위한 방안이 동시에 고려되어야할 것으로 예상된다.
대한 특허는 검색되지 않았다. 이와 관련하여, 건물용 연료전지용 연료 공급을 위한 수소공급인프라의 화재·폭발 사고 방지를 위한 산소농도 강하용 기체로 사용한다면 기존의 수소공급인프라 화재·폭발 사고방지 장치의 운영 시간을 감축시키며 안전관리 소요되는 총 비용을 감축시킬 수 있을 것으로 예상된다.
특히, 수소에너지 주거건물의 운영비용을 감축시키기위해서는 데드앤드 모드 운전을 기반으로 연료전지로부터 배출되는 부산물(정화공기, 생성수분, 산소희박공기) 을 에너지효율적으로 활용할 수 있는 시스템 및 방법으로 출원하여 권리화를 시도해 볼 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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