초록 ▼

최종목표
○ 고온 고분자 전해질막 소재 및 이를 채용한 고출력 MEA 제조기술 개발
- 이온전도도 인산계 > 0.07S/cm @120~170℃, 습도 < 40%RH 非인산계 < 0.09Ω·cm² @120~170℃, 습도 < 40%RH
- 출력 인산계 > 0.20W/cm² @0.7V, 120~170℃, 습도 < 40%RH 非인산계 > 0.15W/cm² @0.7V, 120~170℃, 습도 < 40%RH
- 성능감소율 인산계 < 0.5%/1000h 非인산계

최종목표
○ 고온 고분자 전해질막 소재 및 이를 채용한 고출력 MEA 제조기술 개발
- 이온전도도 인산계 > 0.07S/cm @120~170℃, 습도 < 40%RH 非인산계 < 0.09Ω·cm² @120~170℃, 습도 < 40%RH
- 출력 인산계 > 0.20W/cm² @0.7V, 120~170℃, 습도 < 40%RH 非인산계 > 0.15W/cm² @0.7V, 120~170℃, 습도 < 40%RH
- 성능감소율 인산계 < 0.5%/1000h 非인산계 < 1%/1000h
- 인산계 MEA 전해질막 두께 균일성 2% ,성능 편차 ±5 %,촉매 로딩 편차 ±5 %,대량 합성 고분자 점도 0.9 ±10%
개발내용 및 결과
인산계 막은 PBOA-PBI 막 재료로 전해질 전도도 (0.12S/cm)와 수소 투과도 (0mA/cm²) 1단계에서 달성. 인산계 MEA의 생산 공정 중의 중요한 부분인 고분자 전해질 막의 대량 생산을 위해 전해질 막 원료 대량 합성 설비 구축 완료. 전해질 막의 제막공정 및 막 조성 최적화를 통해 연속 코팅 공정에서 막의 균일성 확보. 전극 연속 코팅, 자동인산도핑, 자동 프레스 등의 장비 구축으로 시간당 25장 MEA 생산 가능. 장비로 생산 한 MEA의 Pt 로딩 및 성능 편차 목표 달성. 비인산계 MEA의 전해질 막은 블록 공중합체와 나노무기전도체 복합막을 사용하여 면적비저항 목표 달성 하였으며 MEA의 출력과 내구성 목표 또한 2단계에서 달성. 비인산계 MEA 연구를 통해 기존 기술보다 높은 운전 온도에서 작동 가능한 고분자 연료전지의 소재 기술을 개발하였으며 차세대 FCV용 MEA 기반 기술로 활용 가능.
○ 고내구성의 산도핑계/非산도핑계 전해질막 소재 개발
- 수소이온전도도 : 0.088Ω·cm²(블록공중합체/ZrP, 非산도핑계) 0.12 S/cm (PBOA-PBI막, 산도핑계)
- 수소투과도 : ~0mA/cm²
○ MEA 성능
- 非산도핑계 MEA 출력 : 0.26W/cm² (120℃, 40% RH)
- 산도핑계 MEA 출력 : 0.208W/cm² (150℃, 무가습)
○ MEA 성능 감소율
- 0.3%/1000h (인산계, 150℃), 1%/250h (비인산계, 120℃)
○ 전해질막 두께 균일성 : ±2%
○ 대량합성 고분자 점도 : 0.84dL/g
○ MEA 성능 편차 : ±2%
○ 촉매 로딩 편차 : ±5%
기술개발 배경
○ PEMF 시스템의 간소화 위해 고온 저가습 고분자 연료전지용 전해질막 소재 개발 필요
- 고 내열성 고분자막 소재 필요
- 고분자막의 수소이온 전도도 확보 필요
- 시스템의 30%(HHV) 발전 효율을 위해 0.7V 운전, 고출력 MEA 필요
- 수명 확보를 위해 MEA 성능감소 억제 필요
- 경제성을 위해 고분자막 연속 제조 및 MEA 대면적 코팅기술 필요
- 양산을 위한 고분자막 및 MEA 제조 장치 설계 기술 및 구축 필요
○ 고온 고체고분자전해질형 연료전지는 발전 및 수송 시스템에 적용 가능하여, 향후 급격한 성장이 예상되는 연료전지 시장을 차별화된 기술로 선도할 것으로 예측됨.
핵심개발 기술의 의의
○ 120oC 이상에서 운전되는 고온 고분자 연료전지는 CO 내피독성이 있어 개질기를 단순화 시킬 수 있으며 무가습 운전이 가능한 인산계 연료전지는 시스템 내 가습기를 제거할 수 있어 추가적으로 시스템 부피를 줄일 수 있음.
○ 非인산계 전해질막은 신규개발 소재로서 FCV용 연료전지에 적용 가능하며 현재 많은 기업들이 집중 개발하고 있는 저온 PEMFC와의 기술 차별화 됨.
○ 인산계 MEA는 삼성전자 기술로서 상용중인 B社 MEA대비 성능이 40% 우수하여 대량 생산 시 MEA 품질이 확보 되면 시장 진입 가능 함.
○ 해외 선진업체가 상당수 IP를 점유하고 있는 저온 시스템 대비, 고온 시스템은 IP 포지셔닝이 가능하여 향후 시장경쟁력을 보다 공고히 할 수 있을 것으로 예상됨.
○ 고온 PEMFC 시스템 업체의 MEA 사용량을 바탕으로 추측하면 고온 PEMFC MEA 시장은 ‘15년 $5M 이상.
적용 분야
○ 해당 기술은 연료전지 MEA에 바로 활용할 수 있는 기술로서, 향후 급격한 성장이 예상되는 연료전지 시장을 지배할 수 있을 것으로 판단됨.
○ 가정용, 휴대용 시스템 및 보조전원장치 그리고 자동차에도 적용 가능함.
○ 특히 선진사들이 IP 및 기술 우위를 점하고 있는 저온 PEMFC와의 기술 차별성을 통해 시장 파급력 강화 가능함.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 8
• 목차 ... 21
• 제 1 장 서론 ... 22
• 제 1 절 과제의 개요 ... 22
• 1. 기술개발의 필요성 ... 22
• 2. 관련 현황 ... 26
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 (기술개발 내용 및 방법) ... 40
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 40
• 1. 최종 목표 ... 40
• 2. 개발기술의 목표 항목 ... 41
• 3. 정량적 목표 항목의 평가방법 및 평가환경 ... 42
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 43
• 1. 1단계 개발목표 : 고성능 MEA 기술 확보 ... 43
• 2. 2단계 개발목표 : MEA 양산기술 확보 ... 44
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 44
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 65
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 65
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 67
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 67
• 1. 연구개발 추진 일정 ... 67
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 73
• 3. 각 기관/기업별 추진 내역 ... 74
• 4. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 ... 108
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 110
• 1. 각 기관/기업별 역할 ... 110
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 111
• 1. 국내ㆍ외 시장 규모 및 수출ㆍ입 현황 ... 111
• 2. 국내ㆍ외 주요 수요처 현황 ... 111
• 제 4 절 고용 창출 효과 ... 112
• 제 5 절 자체보안관리진단표 ... 113
• 별첨 ... 120
• 끝페이지 ... 237