발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 연료전지의 부피 및 무게 문제: 엔드 플레이트와 바이폴라 플레이트가 전체 스택 무게의 60~80%, 부피의 80% 이상를 차지하여 경량화 및 소형화에 한계가 있습니다.

• 복잡한 스택 구조: 각 부품을 고정하고 반응 가스의 누출을 막기 위해 별도의 클램프나 개스킷이 필요하며, 이는 스택을 형성하는 과정을 복잡하게 만듭니다.

기술의 필요성

• 경량 및 유연성 확보: 웨어러블 디바이스, 드론 등 새로운 응용 분야에 적용하기 위해 부품을 단순화하여 가볍고 유연한 형태의 연료전지 개발이 필요합니다.

• 간단한 적층 구조: 복잡한 고정 부품 없이 쉽게 직렬로 연결하고 적층할 수 있는 혁신적인 설계가 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 기술은 원뿔대통(truncated cone) 형상의 연료전지 유닛을 핵심 구조로 사용합니다.

• 한 유닛의 외경이 작은 쪽을 인접 유닛의 외경이 큰 쪽에 삽입하는 간단한 방식으로 별도의 부품 없이 직렬 연결이 가능합니다.

• 연결된 유닛들의 내부 공간은 연료 공급로로 활용되어, 별도의 연료 공급 채널이 필요 없는 단순화된 구조를 가집니다.

구체적인 구현 방법

1. 연료전지 유닛 구성: 원뿔대통 형상의 메쉬형 집전층 위에 애노드 확산층, 전극막합체층(MEA), 캐쏘드 확산층을 순차적으로 감아서 제작합니다.

2. 스택 연결: 각 연료전지 유닛의 전극막합체층에 포함된 전해질막을 180℃로 가열하여 서로 결합(열경화)시켜 밀봉하고 직렬로 연결합니다.

3. 유연성 구현: 벤딩(bending)이 가능한 주름관 형태의 연결유닛을 스택 사이에 추가하여 3D 움직임과 구부림을 가능하게 합니다.

기술의 장점

• 단순한 적층 구조: 원뿔대통 구조로 별도의 클램프 없이 쉬운 적층이 가능합니다.

• 소형화 및 경량화: 엔드 플레이트 및 바이폴라 플레이트가 필요 없어 부피와 무게를 획기적으로 감소시킬 수 있습니다.

• 디자인 유연성: 주름관 연결유닛을 적용하여 구부릴 수 있으므로 공간 활용성을 극대화하고 다양한 형태의 장치에 적용이 가능합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 발명에서 제안된 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택의 핵심적인 성능과 기계적 특성을 검증하기 위해 실험을 수행했습니다. 주요 목적은 스택 확장성, 소재의 유연성, 구부림에 따른 성능 변화를 실험적으로 확인하는 것입니다.

실험 방법 및 과정

1. 복수의 연료전지 유닛을 직렬로 연결(2개, 5개)하여 스택을 구성하고 각각의 발전 성능을 측정했습니다.

2. 카본 페이퍼를 격자 형태로 가공하여 유연한 확산층을 제작하고, 이를 적용한 연료전지의 성능을 일반 경성 확산층을 사용한 경우와 비교했습니다.

3. 주름관 형태의 연결유닛을 사용하여 연료전지 스택을 90도로 구부린 상태에서 출력 변화를 측정했습니다.

실험 결과

주요 실험 결과, 본 기술의 구조적 안정성과 유연성을 성공적으로 입증했으며, 그 내용은 아래 표와 같습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 소형 전자기기 및 웨어러블 디바이스의 전원 공급 장치

• 유사한 구조를 갖는 전기화학 에너지 저장 및 변환 장치

• 기체 연료뿐만 아니라 액체 연료를 사용하는 다양한 휴대용 장치

• 수전해(Water electrolysis) 및 CO2 전환 장치

기대효과

• 작고 가벼운 연료전지 스택: 기존 연료전지 대비 부품 수를 줄여 소형화 및 경량화를 달성할 수 있습니다.

• 디자인 유연성 확보: 주름관 형상을 적용하여 스택의 부피를 줄이고 디자인 유연성을 확보하여 다양한 형태의 기기에 적용이 가능합니다.

• 새로운 응용 분야 창출: 구부러진 상태에서도 안정적인 전력 생산이 가능하여 기존에 적용이 어려웠던 새로운 시장을 창출할 수 있을 것으로 기대됩니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 시장은 청정 에너지 수요 증가에 힘입어 가파른 성장이 예상됩니다. 전 세계 PEMFC 시장은 2024년 29.2억 달러 규모에서 연평균 15% 성장하여 2033년에는 86.4억 달러에 이를 것으로 전망됩니다. (출처: IITP)

• 전체 연료전지 시장: 2030년까지 연평균 30% 성장하여 약 50조 원 규모 형성 예상 (출처: CTIS)

• 국내 연료전지 시장: 2030년까지 연평균 21% 성장하여 2조 5천억 원 규모로 성장 전망 (출처: CTIS)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

PEMFC 시장은 높은 기술력을 요구하며, 특정 기업 및 국가들이 시장을 주도하고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 청정 에너지 수요 증가: 전 세계적인 탄소 중립 정책 강화로 친환경 에너지원인 수소 연료전지에 대한 관심이 증대하고 있습니다.

2. 정부의 강력한 지원 정책: 각국 정부는 수소 경제 활성화 정책, 보조금 및 인센티브를 제공하며 시장 성장을 견인하고 있습니다.

3. 수송용 연료전지 시장 확대: 수소전기차, 트럭, 선박, 드론 등 다양한 이동 수단으로의 적용이 확산되고 있습니다.

4. 지속적인 기술 발전: 백금 촉매 사용량 저감, 내구성 향상 등 지속적인 기술 개발을 통해 가격 경쟁력 확보 노력이 이루어지고 있습니다.