초록 ▼

개발목표
○수소카트리지 탑재 150W 수소연료 전지 파워팩 개발
- 자가가흡형 MEA 개발
- 내부물순환 기구규명
- 스택모사 단전지 평가셀 제작
- 150W 파워팩 설계/제작기술
- 150W 파워팩 운전조건 최적화
- 150W 파워팩 성능평가기술
○자가가습형 스택 개발 및 시스템 운전최적화
- 자가가습형 스택부품 국산화
- 자가가습형 스택 설계/제작기술
- 100W&200W 자가가습형 스택개발
- 자가가습형 스택 운전조건 최적화
○고효율 파워팩 시스템 운전로직

개발목표
○수소카트리지 탑재 150W 수소연료 전지 파워팩 개발
- 자가가흡형 MEA 개발
- 내부물순환 기구규명
- 스택모사 단전지 평가셀 제작
- 150W 파워팩 설계/제작기술
- 150W 파워팩 운전조건 최적화
- 150W 파워팩 성능평가기술
○자가가습형 스택 개발 및 시스템 운전최적화
- 자가가습형 스택부품 국산화
- 자가가습형 스택 설계/제작기술
- 100W&200W 자가가습형 스택개발
- 자가가습형 스택 운전조건 최적화
○고효율 파워팩 시스템 운전로직 최적화 및 제어모듈 확보
- 고효율 Power management 및 정전압/정전류 정밀제어기술
- 외부환경대응 시스템 신뢰성확보
- 하이브리드 운전로직 개발
- 고효율 Heat control 모듈 개발
- 고효율 Fuel Supply 모듈 개발
- 고효율 DC/DC, DC/AC 컨버터개발
○저전력 제어밸브 장착 고용량 수소카트리지 개발
- 저전력 수소제어밸브 선정
- 고효율 수소제어 운전로직 개발
- 고용량/고안전성 수소카트리지 개발
- 카트리지 내 고집적 기술 개발
- 열교환 카트리지 설계기술
○150W 연료전지 파워팩 제조기술 확보 및 시제품제작을 통한 제품화가능성 확보
- 150W 자가가습형 연료전지 파워팩 제작/설계 기술
- 150W 파워팩 Field Test
- 고용량 수소저장합금 개발 및 대량용해기술
정량적 목표항목 및 달성도
1. 정격출력 (W) Power pack: 180 (211) Stack: 232 (243), 2. 에너지밀도-파워팩(Wh) 2,200, 3. 에너지밀도-카트리지(stdl/kg) 105, 4. 컨버터효율 (%) 95.2, 5. 연속운전-파워팩(회) 82, 6. 열적안정성 (W) 108@0℃ 240@45℃, 7. 최대수소저장량 (wt%) 2.05, 8. 합금가역용량 (wt%) 1.85, 9. 합금양산가격 (천원/kg) 50
기대효과
○ 고 신뢰성 이동형 연료전지 시스템의 제조기술 확보를 통한 향후 가정용 & 연료전지 자동차의 핵심기술 확보
○ 향후 동일 기술 플랫폼 적용으로 산업용 및 consumer용 portable power market 진입을 위한 bridge로 활용
○ 수소저장합금 전문업체(참여기업)와의 협력개발을 통한 수소카트리지(합금)의 application 범위 확대: Ni-MH 2차전지 음극소재, 수소저장합금히트펌프, 수소센서 등
○ 현재 가격과 부피, 내구성 등이 상용화 수준에 이르지 못하는 메탄올 연료전지(DMFC) 대비 우수한 내구성과 경박단소화가 가능한 이동용(소형) 연료전지 기술개발을 통하여 미래수소에너지사회의 구현을 앞당기는 미래선도기술 확보
○ 수소저장합금을 이용한 수소카트리지 기술이 개발되면 궁극적으로 고압압축저장기술을 대체하여 수소연료전지 자동차의 상용화를 앞당기며, 특히 안정성을 크게 개선 시켜 조기에 대규모 시장을 형성하는데 큰 기여를 할 것으로 기대됨.
○ 수소저장합금의 설계 및 제조기술확보는 Ni-MH 2차전지 시장(소형, 중대형)의 확대에 기여.
적용분야
○ 동일 기술 플랫폼 적용으로 Industry & Consumer 시장확대
- 방송용 카메라, 응급의료기기, Rugged IT(건설, 소방), 산업 로봇
- 레저용 power bank, 카트, RV, 요트
- 정전/자연재해발생시 비상전원팩 (보일러 구동용, 응급복구 전원용 등)
○ 연료전지 파워팩 기능설계 구현을 통한 군수산업 분야 진입
- UAV(unmanned aerial vehicle), UGV(unmanned ground vehicle), SATCOM power, Battery charger
◦ 현재 당사(한국에너지재료(공동연구기관))는 연료전지 시스템에 적용할 수 있는 수소저장합금 물질특허 4건의 원천기술을 바탕으로 휴대용 연료전지시스템에 요구되는 동특성을 모두 충족함과 동시에 양산단가를 낮춰 경쟁사와 차별화 기술 확보를 통한 수소저장 관련 사업화 추진.
◦ 기획 단계부터 국내 수요업체와 긴밀한 사전협의를 통하여 수요기업이 필요로 하는 기술에 기반한 연구내용 및 개발목표를 설정함으로써 향후 사업화 가능성을 높임.

목차 Contents

• 산연기술개발사업 최종보고서 ... 1
• 표 지 ... 3
• 제 출 문 ... 4
• 요 약 서 (초 록) ... 6
• 목 차 ... 8
• 제 1 장. 개발기술의 개요 ... 12
• 제 1 절. 대상기술(또는 제품)의 개용 및 개발 필요성 ... 12
• 1. 대상기술의 개요 ... 12
• 2. 개발필요성 ... 14
• 가. 경제․산업적 중요성 ... 14
• 나. 기술적 중요성 ... 15
• 3. 개발대상기술 현황 ... 16
• 가. 국내외 관련기술 현황 ... 16
• (1) 국내 관련기술 현황 ... 16
• (2) 국외 관련기술 현황 ... 17
• 나. 국내외 시장현황 ... 18
• (1) 국내외 시장규모 ... 18
• (2) 국내외 주요경쟁사 ... 18
• 제 2 장. 개발목표 및 개발내용 ... 19
• 제 1 절. 기술개발 목표 ... 19
• 1. 최종목표 ... 19
• 2. 연차별 세부 개발내용 및 개발방법 ... 19
• 가. 1차년도 ... 19
• (1) 세부 개발내용 ... 19
• (2) 세부 개발방법 ... 20
• 나. 2차년도 ... 21
• (1) 세부 개발내용 ... 21
• (2) 세부 개발방법 ... 22
• 3. 수행기관별 업무분장 ... 23
• 4. 기술개발 정량적 목표 ... 24
• 제 2 절. 세부 개발내용 및 방법 ... 25
• 1. 자가가습형 MEA* 개발 ... 25
• 가. Catalyst-Coated Membrane (CCM) 선정 ... 26
• 나. 자가가습형 MEA 개발용 단전지 평가셀 설계 ... 27
• 다. 자가가습형 MEA 누설방지용 Sealant 선택 ... 28
• 라. 전극확산층(Gas Diffusion Layer, GDL) 설계 ... 29
• (1) 연료극(Anode) 확산층 설계 ... 30
• (2) 공기극(Cathode) 확산층 설계 ... 31
• 마. Catalyst-Coated Membrane (CCM) 개발 ... 32
• 바. 연료극(Anode) 유로 설계 ... 33
• 사. 공기극(Cathode) 유로 설계 ... 35
• 2. 자가가습형 MEA 운전조건 최적화 ... 37
• 가. Water balance plate (WBP) 설계 ... 37
• 나. 가습수소 vs. 무가습수소 ... 38
• 다. 수소공급 유량변화 ... 39
• 라. Dead-End 구조 효과 ... 40
• 3. 자가가습형 Air-breathing 스택 설계 ... 42
• 가. 스택부품 제작 및 선정 ... 42
• (1) Bipolar plate ... 42
• (2) End plate ... 43
• (3) 가스켓 (Gasket) ... 43
• (4) 전류집전체 (Current collector) ... 44
• (5) 절연플레이트 (Insulating plate) ... 44
• (6) 기타 부품 ... 45
• 4. 200W 자가가습형 스택 제작 및 평가 ... 46
• 가. 100W 자가가습형 스택 제작 ... 46
• 나. 100W 자가가습형 스택 평가 ... 47
• (1) 전압-전류 특성 ... 47
• (2) 정전압 특성 ... 48
• (3) 스택 운전효율 ... 49
• (4) 스택 내구성 평가 ... 50
• 다. 200W 자가가습형 스택 제작 ... 50
• 라. 200W 자가가습형 스택 평가 ... 52
• (1) 전압-전류 특성 ... 52
• (2) 정전압 특성 ... 53
• (3) 스택 운전효율 ... 55
• (4) 스택 열적안정성 평가 ... 56
• (5) 스택 내구성 평가 ... 57
• (6) 200W 자가가습형 스택 공인성적서 ... 58
• 5. 150W 연료전지 파워팩 시스템 제어모듈 개발 ... 60
• 가. 파워팩 시스템 제어모듈 설계 및 고려사항 ... 60
• (1) 연료·산화제 공급제어 설계 ... 60
• (2) 연료전지 작동특성 설계 ... 61
• 나. 고효율 Heat control module 및 Fuel supply module 설계 ... 61
• (1) 고효율 Heat control module 설계 ... 62
• (가) 공기극 제어 Heat control 모드 ... 63
• (나) 연료극 제어 Heat control 모드 ... 66
• (2) Fuel control module 설계 ... 66
• (3) 파워팩 시스템 구성 예상도면 및 제어변수 ... 68
• 다. 고효율 Power management 및 정전압․전전류 제어모드 설계 ... 69
• (1) 능동식 하이브리드 시스템 구성 및 고려사항 ... 70
• (2) 파워팩 시스템 고효율 Power management 회로설계 고려사항 ... 73
• 라. 외부환경 대응 시스템 신뢰성 확보 및 보조전원 활용 운영로직 개발 ... 75
• 마. 150W 연료전지 파워팩 시스템 제어모듈 개발 ... 76
• (1) 고효율 Heat control module ... 76
• (2) Fuel control module ... 79
• (3) 고효율 Power management 및 정전압․정전류 정밀제어기술 ... 81
• 6. Ti계 수소저장합금 탑재 고용량 수소카트리지 개발 ... 85
• 가. 다원계(multiphase) 수소저장합금 설계 및 평가방법 ... 85
• (1) 합금제조 및 특성평가 ... 85
• (2) 실험방법 ... 85
• (3) Ti계 고용량 수소저장합금 설계 ... 86
• (가) Ti 원자분율 변화에 따른 합금특성 연구 ... 87
• (나) Zr 원자분율 변화에 따른 합금특성 연구 ... 87
• (다) Mn, V 원자분율 변화에 따른 합금특성 연구 ... 88
• 나. 저가형 고용량 Ti계 수소저장합금 설계 ... 89
• (1) Ferrovanadium(Fe-V) 치환 효과 ... 89
• (2) 열처리 효과 ... 91
• 다. 대량용해 Ti계 수소저장합금 선정 및 평가 ... 95
• 라. 합금제조공정 설립과 대량용해 조건 확립 ... 97
• (1) 진공유도용해(VIM) 장비 ... 97
• (2) 대량용해 공정최적화 ... 97
• (3) VIM 장비를 이용한 수소저장합금 대량용해 ... 98
• (4) 대량용해 수소저장합금 공인인증 ... 98
• (5) 대량용해 Ti계 수소저장합금 내구성 평가 ... 100
• (6) 대량용해 Ti계 수소저장합금 충방전 평가 ... 100
• 마. 파워팩용 수소저장합금 카트리지 개발 ... 101
• 7. 150W 자가가습형 연료전지 파워팩 제작 ... 105
• 가. 파워팩 시스템 구성 ... 105
• 나. 150W 자가가습형 연료전지 파워팩 사양 ... 110
• 다. 파워팩 운전로직 개발 ... 110
• (1) Start-up mode 운전 로직 ... 110
• (2) Normal operation mode 운전 로직 ... 111
• (3) Shutdown mode 운전 로직 ... 112
• 8. 자가가습형 150W 연료전지 파워팩 운전 ... 116
• 가. 수소연료공급 및 제어기술 ... 116
• 나. Fan을 활용한 스택온도 제어기술 ... 118
• 다. 고효율 Power management 제어기술 ... 120
• 라. 파워팩 Thermal cycling 안정성 ... 121
• 마. 파워팩 운전 내구성 평가 ... 122
• 9. 향후계획 및 이슈 ... 124
• 제 3 장. 성과요약 및 기대효과 ... 125
• 제 1 절. 성과요약 ... 125
• 1. 정량적 목표 달성도 ... 125
• 2. 정성적 목표 달성도 ... 126
• 3. 기타결과물 ... 127
• 제 2 절. 기술개발 기대효과 ... 136
• 1. 기대효과 ... 136
• 가. 기술적 측면 ... 136
• 나. 경제·산업적 측면 ... 136
• 다. 개발기술 활용방안 ... 137
• 2. 참여기업의 생산현장 현황 ... 138
• 제 3 절. 결과활용 및 사업화 방안 ... 140
• 1. 개발기술 활용 사업화 방안 ... 140
• 가. 주요 핵심기술 및 차별화전략 ... 140
• 나. 제품개발 및 사업화 계획 ... 140
• (1) 제품개발 계획 ... 140
• (2) 제품양산 계획 ... 141
• (3) 판로확보 및 마케팅 계획 ... 141
• 다. 국내외 주요 판매처 현황 ... 141
• 라. 사업화 계획 ... 142
• 마. 개발공정 보급확산 계획 ... 142
• 끝페이지 ... 143