Green Hydrogen Business
넥슨스타 특허 및 R&D
※ 넥슨스타 특허기술 출원 및 개발
- 스택 및 수전해 시스템의 원천 특허기술 확보
- 산.학.연 협력을 통한 국가전략 원천 특허 기술 확보
- 기술 경쟁력 차별화, 부품 및 소재 개발로 2030년
판가 1/3 목표
특허 기술 경쟁력
수소경제 주도권은 특허권 확보 등 기술력의 경쟁 넥슨스타는 핵심 장치인 스택 및 수전해 시스템의 원천 특허기술 확보
수소경제 주도권은 수소공급국이 아니라 특허권 확보 등 기술력이 뛰어난 국가들이 가질 전망이며 글로벌 수소 연구개발(R&D) 투자는 대부분은 유럽, 일본, 한국, 미국 등 경제협력개발기구(OECD) 국가에서 이뤄지고 있으며 중국의 경우 2020년 R&D 투자를 전년 대비 6배 늘리며 OECD 국가를 추격하고 있습니다.
2020년 기준 수소경제 특허권은 연료전지 41%, 생산 36%, 저장 21%, 유통 2% 분야별로 나타나며 대부분 유럽, 일본, 미국 그리고 한국이 소유하고 있다
2022년 특허청에 따르면, 수전해 기술에 대한 한국, 미국, 일본, 중국, EU의 선진 5개(IP5) 특허출원이 최근 5년간 1,469건으로, 그 이전 5년에 비해 약 31% 증가한 것으로 나타났습니다.
넥슨스타는 2018년 부터 태양광에너지, 연료전지 등 재생에너지 사업을 시작으로 2021년부터 본격적인 수전해 스택 및 수전해 설비의 R&D 투자를 시작하여 2022년 부터 관련 수전해 특허 4건, 수전해 시스템 2건의 특허를 출원하고 있으며 R&D 조직을 확장하여 매년 10건 이상 신규 특허를 출원 한다는 계획입니다.
2023
전력 수직 배향형
수전해 스택type01
2023
전력 수직 배향형
수전해 스택type02
2023
전력 수직 배향형
모노폴라 수전해 스택
2023
PEM 스택 특허
2023
PEM 스택 특허
2022
에너지자립형
태양광 발전시스템
2022
에너지 자립형
수전해 시스템
2022
탄소배출권 특허
2023
벤처기업 인증서
2023
ISO 9001 인증서
2021
연구개발전담부서 인증서
R&D 네트워크
- 산.학.연 협력을 통한 국가전략 원천 특허 기술 확보
- 신기술 인증 및 한국가스공사 제조시설 및 물품인증 진행
1~2MW급 수전해 수소 생산 원천 기술은 정부의 12대 국가전략기술 중 하나 이며 정부는 산.학.연 협력을 통한 국가 경쟁력 확보를 기조로 하고 있습니다.
넥슨스타는 2022년 인하대학교, 한국생산기술연구원 울산본부와 산·학·연 협력으로 차세대 PEM 수전해 스택 및 설비 개발에 투자와 역량을 집중하여 글로벌 경쟁을 갖춘 제품 개발의 결실을 얻게 되었습니다.
넥슨스타는 성능 평가 결과를 바탕으로 신기술 인증과 국내 수전해 설비 최초 한국가스안전공사 물품 인증을 목표 로 하고 있으며 향후에도 지속적인 산.학.연 R&D 투자로 국내외 선두 기업으로 성장 할 계획입니다.
R&D 로드맵
- 기술 경쟁력 차별화, 부품 및 소재 개발로 원가 1/3 절감 목표
- 수전해 원가 구성 비중은 스택 45%, BOP가 55% 차지
수전해 기술을 이용한 수소생산비용을 낮추기 위해 스택 최적화 설계와 저가 금속재료 사용이 동시에 요구됩니다.
넥슨스타는 현재의 고효율.고내구성 스택설계와 셀 구성에서 부하변동 대응성과 고전류 밀도에서의 효율적 운전을 위해 막전극접합체와 확산층, 분리판의 최적 설계를 통한 효율과 내구성을 더욱 확보 할 계획이며 재료에 있어서도 현재의 귀금속 촉매와 금 또는 백금 코팅 티타늄과 같은 고가재료의 분리판에서 티타늄을 더 저감하거나 저가재료로 대체하고, 스택의 핵심인 CCM의 희귀금속 비용을 절감하는 연구개발로 전해조 비용 인하를 실현 할 계획입니다.
중장기 목표로 대용량의 고효율.고내구화 스택 개발과 저가의 소재.부품 개발로 2030년에는 판매가격을 1/3 가격까지 낮춘 다는 목표로 R&D에 투자하고 있으며 2050년까지 수소위원회는 평균 1.5$/kgH2, IRENA는 1$/kgH2에 도달할 것으로 전망하고 있어 지속적인 시장 우위를 점하기 위해서는 지속적인 R&D 투자가 필요합니다.
넥슨스타는 스택 내 원가 비중의 53%를 차지하고 있는 분리판(Bipolar Plates) 개발과 막전극접합체(MEA, membrane electrode assembly) 개발과 BOP 원가 비중의 50%를 차지하고 있는 전원장치 개발을 중심으로 R&D를 진행 하고 있으며 운영효율을 높이기 위한 설비기능과 ICT 개발도 병행 중이며 모듈 사이즈에 있어서도 BOP는 규모의 경제 효과가 큰 것으로 분석(모듈 사이즈 10배 증가 시 비용은 4∼5.6배 증가)되고 있어 수전해 대형화에도 지속 투자 계획입니다.
| R&D 지표 | 2023 | 2030 | 비고 | 개발 과제 |
|---|---|---|---|---|
| Efficiency(%, HHV) | 80%이상 | 90%이상 | 효율 | 스택 구조 개발 차세대 수소 생산 설비 (광분해, 열분해, 바이오, 폐자원 가스화) |
| Energy consumption(kWh/Nm3) | ||||
| Stack lifetime (operating hours) | 60,000~90,000 | 100,000~150,000 | 내구성 | 분리판 개발 MEA 개발 소재 개발 (이리듐, 백금, 티타늄) |
| Load range (%, relative to nominal load) | 5~100 | 0~160 | 부하 변동성 | |
| Plant footprint (㎡/kW) |
수전해 설비 구성품
차세대 수소 생산 설비 개발로 시장 확대
분리판 개발, MEA 개발, 전장 개발로 원가 경쟁력 확보
CCM(Catalyst-Coated Membrane)은 나피온(Nafion) 멤브레인의 양면에 촉매층(백금족 금속)을 증착하여 양극층(anode)과 음극층(cathode)을 형성한 것입니다.
선택적 고분자 막의 양극 쪽은 물 분자가 분열되어 산소 분자, 양성자 및 전자를 만드는 곳으로 양성자는 막을 통과하고 외부 회로를 통해 전달된 전자와 결합하여 수소 분자를 생성합니다.
Nafion은 PFSA(perfluorosulfonic acid-based) 폴리머이며 PFSA 폴리머는 높은 전도도, 높은 화학적 안정성을 가지고 있어 PEM 스택에 사용하기에 선호되는 멤브레인 기술이며 MEA의 부품은 40% 유리 섬유와 혼합된 폴리페닐렌 설파이드(PPS, polyphenylene sulfide) 수지로 만든 프레임으로 함께 고정됩니다.
GDL(가스확산층, Gas Diffusion Layer, PTL(Porous Transport Layer))은 MEA 내부의 가스 및 유체의 수송 및 확산을 용이하게 하기 위해 특정 특성(예: 우수한 내부식성) 및 특정 다공성을 가져야 합니다.
Plate(분리판)는 스테인레스 스틸과 같은 내식성이 우수한 금속 등의 재료를 정밀 성형 가공 및 박막
코팅 기술을 통해 만들며 스택의 핵심 원료인 Nafion 멤브레인의 경우 시장독점으로 인해 수요증가에 따라
원가 부담이 높은 상태입니다.
넥슨스타는 연구기관 등과 협업하여 이를 대체하기 위한 R&D를 진행 중입니다.
BOP 원가의 상당부분을 차지하는 Power Supply의 공급업체 다변화로 원가 절감 진행 계획이며 또한, 부품이 상품 품목으로 쉽게 구할 수 있는지 여부, 기성 부품인지 또는 특정 설계 및 제조 경로를 필요로 하는 특수 제조 부품인지 여부를 판단하여 사내 제조 또는 구매 결정하여 직접 생산 원자재 품목을 늘려 나가는 계획입니다.
BOP 각 부품(용기, 펌프, 밸브, 튜브 등 일체)은 개정된 수소법에 의해 인증을 필요로 하며 인증된 부품을 구매하여야 함에 따라 넥슨스타는 각 단위 부품별 인증품 구매 Supply Chain을 확보 한 상태입니다.
BOP 원가의 상당부분을 차지하는 Power Supply의 공급업체 다변화로 원가 절감 진행 계획이며 또한, 부품이 상품 품목으로 쉽게 구할 수 있는지의 여부, 기성 부품인지 또는 특정 설계 및 제조 경로를 필요로 하는 특수 제조 부품인지의 여부를 판단하여 사내 제조 또는 구매 결정하여 직접 생산 원자재 품목을 늘려 나가는 계획입니다.
