수소압축기 특허
-심규진 경상대학교 대학원(정밀기계공학과)

고압 수소 저장을 위한 압축기의 특허동향

  최근 수소압축기의 세계적인 추세는 가솔린과 디젤 차량의 주행거리에 맞추어 연구·개발되는데 대부분의 수소압축기는 수소스테이션에서 연료전지 차량에 수소를 공급하기 위해 고압으로 충전하는 압축기의 용도로 개발되고 있다.

  또 수소 압축기는 크게 왕복동식과 다이어프램식 두 분류로 나눌 수 있으며 최근에는 각각을 장점으로 한 하이브리드식 수소 압축기가 개발되기도 했다.

  이는 다단압축의 형태로 수소를 압축하는 과정에서 저단에서는 왕복동 피스톤식이, 고압에서는 다이어프램식의 형태를 갖추고 있다는 것이다.

  우리나라의 수소 압축기 개발과 연구는 기업과 정부 주관 하에 이루어지고 있으며 수소 압축기의 기술력은 선진국에 비해 뒤지지 않는다고 전문가들은 말하고 있다.

  따라서 정부차원에서 더 많은 관심과 지원이 뒤따른다면 핵심기술의 확보와 더불어 해외시장 진출의 기회도 많아질 것으로 본다.

  현재 우리나라의 경우에서는 수소 스테이션을 구축하고자 하지만 가장 핵심적인 부분인 압축기의 개발이 미흡한 상황이다.

  따라서, 수소 고압 충전용 압축기를 국내 기술로서 개발이 이루어진다면 향후 수소 스테이션의 증설시 국내의 순수한 기술에 의한 수입대체효과와 함께 전 세계적으로 판매 인프라를 구축할 수 있을 것으로 생각된다.

  수소 압축기 관련 주요 특허 기술 분석을 위한 데이터 베이스 구축을 위하여 윕스(WIPS)사의 윕스DB(전세계 동합 특허검색 시스템)과 특허기술정보원의 특허기술정보센터(www.kipris.or.kr)를 활용화였다. 기술 분석 데이터 베이스에서 특허의 초록을 검색하고, 명세서 원문 및 등록특허 여부를 추가로 조사, 확인하였다.

<표 1> 특허 데이터 검색 현황

  특허조사는 출원년도를 기준으로 1986년 10월부터 2005년 9월까지 최근 20년간 조사하였으며, 한국, 미국, 일본, 유럽을 분석대상 국가로 선정하였다. 특허 조사는 공개 특허와 등록특허를 대상으로 하였다. 한국, 미국, 일본, 유럽의 특허기술 검색결과는 총 1086건이었다.

  전체 특허를 대상으로 Hydrogen과 compressor를 검색어로 하여 수소압축기 관련기술(수소압축기, 수소 연료전지 자동차, 연료전지, 수소가스의 제조 방법 및 활용방안)를 도출하였으며, 중복특허를 정리하고 기술 분류체계에 따라 유효 데이터를 선별 및 분류하였다.

<그림1> 한국, 미국, 일본 유럽의 연도별 특허출원 동향

  그림 2는 검색된 866건의 특허를 기술 분야별로 분류하였다.

  수소자동차의 수소공급과 저장을 위한 수소제조방법 및 활용방안이 62%로 가장 많은 특허 출원을 보였고, 연료전지 자동차 및 연료전지관련 분야 특허출원이 36%, 수소압축기는 2%의 특허 출원율을 나타내었다.

<그림 2>수소압축기의 기업별 특허출원 동향

  그림 3은 각국의 수소압축기 관련 특허출원을 년도 별로 분류하여 나타내었다.

  866건의 특허중 수소압축기 관련 특허수 총 19건으로 미국 8건, 일본 5건, 유럽 4건, 한국은 2000년대 들어서 2건의 특허 출원을 하였다.

<그림3>년도별 수소압축기 특허출원 동향

  그림 4는 전체 특허출원을 기업별로 분류하였다.

  한국, 일본, 미국, 유럽의 수소 압축기 관련 특허 19건의 10개 기업을 나타내었다.

  이중 일본은 6개 기업, 유럽과 미국은 각각 1개의 기업이 출원을 하였다.

  일본기업의 수소압축기관련 특허출원비중은 53%로 나타났다. 한국의 수소압축기 관련 특허 2건은 LG전자와 송죽테크놀로지(주)에서 각각 1건의 특허를 출원하였다.

<그림4>수소압축기의 기업별 특허출원 동향

수소관련 특허 일본, 미국 順

  수소압축기에 대한 특허 검색결과 총 1086건의 특허가 검색되었고 필터링 작업으로 중복 및 수소압축기에 관한 것이 아닌 특허를 제외한 실제 분석에 사용된 특허 건수는 866건으로 각국의 수소압축기 관련 특허를 분석한 결과 수소관련 기술을 최다 보유한 일본이 401건, 미국이 그 뒤를 이어 251건으로 나타났다.

  이는 수소에너지의 활용과 개발은 세계 대부분의 나라들이 정부정책 방향의 일환으로 이끌어 지고 있으며 민간자본과 기술이 더욱더 집중화되는 짧은 미래에 폭넓은 기술의 개발 및 발전이 사료된다.

  수소압축기 관련 특허 출원을 기업별로 분류하면 일본은 6개 기업이 10건, 유럽은 독일계 회사GHH BORSIG TURBOBAS에서 3건, 미국은 ENERGY CONVERSION DEVICES에서 2건의 특허출원을 하였다.

  일본 기업의 특허출원 동향을 보아 향후 수소에너지 시대의 선두주자로써 대열에 서게 될 것이라는 예측과 함께 수소에너지 관련 기술의 최다 보유국임을 입증하고 있다.

기술개발

-국내외 수소압축기 기술개발 동향

초고압, 회전식 등 최신 수소압축기 등장

●월드파워텍(주), 대유량 고압 수소충전용 왕복동식 압축기 개발

  2005년 8월 월드파워텍 컨소시엄(월드파워텍, 부광플랜트, 경상대학교, 인제대학교)과 데크 컨소시엄(데크, 파카하니핀커넥터)은 지식경제부(산자부)의 지역산업기술개발사업의 일환으로 실시한 수소압축기와 천연가스/수소압력용기 개발 업체에 선정, 본격적인 수소압축기 개발에 들어가게 되었다.

  월드파워텍이 개발하는 대유량 고압 수소충전용 왕복동식 압축기는 압축정도 360kg/㎠(5100psig)에 압축 후 순도가 99.9999%, 압축용량 800N㎥.hr/kw, 압축실 내 무급유식 고순도 수소압축 시스템이다. 이를 위해 1단계로 올해부터 2006년 6월말까지 압축기의 설계 및 작동 시뮬레이션과 부품설계, 가공기술 및 신소재 개발을 진행하였으며 2단계(2007.7∼2010.10)는 개발품의 조립과 성능시험 및 시스템 매칭 기술개발, 시운전, 종합평가를 거쳐 출시하게 된다.

  이러한 제품을 개발하기 위해 월드파워텍 컨소시엄은 1단계로 24억 8000만원(정부출연금:17억5000만원, 민간현금:3억6000만원, 민간현물:3억7000만원)을 지원 받았다.

  또한 데크 컨소시엄은 1단계로 2006년 7월까지 350kg/㎠까지 사용할 수 있는 복합재 고압용기의 알루미늄 라이너에 고강도 탄소섬유 와인딩을 마무리하였고 2단계(2007.7∼2009.6)에는 700kg/㎠까지 사용할 수 있는 고압수소용기를 개발하게 된다. 아울러 파카하니핀커넥터에서는 가스공급장치를 완료한다는 계획이다.

  데크 컨소시엄은 이번 과제를 위해 1단계로 31억원(정부출연금:17억8000만원, 민간현금:5억8000만원, 민간현물:7억5000만원)을 지원 받았다.

  발전설비 전문생산업체인 월드파워텍(대표 하종근)은 2004년 하반기 사용압력이 255kg/㎠인 CNG압축기를 개발한바 있다.

  또한 항공용 탄소복합재료 관련 및 항공 방산용 복합재 구조물 전문업체인 데크(대표 김광수)는 지난해 사용압력 310kg/㎠의 공기호흡기용 일반복합용기를 개발, 가스안전공사의 검사와 EM인증을 받은 바 있다.

● 광신기계공업, 수소스테이션용 다이어프램 압축기 개발

  2006년도 제2차 신재생에너지 기술개발과제로 선정된 수소스테이션용 다이어프램(Diaphragm) 압축기를 기계연, 부산대, 진주산업대와 공동으로 내년까지 개발완료할 계획이다.

  3년 동안 총 53억4000만원(정부 40억원, 민간 13억4000만원)을 투입해 수소저장 봄베로부터의 수소를 30N㎥/hr, 700㎏/㎠으로 수소자동차에 공급하는 수소 스테이션용 금속 격막식 고압수소 압축기 및 패키지를 개발할 방침이다.

  현재 수소 스테이션용 다이아프램 압축기는 전량 수입하고 있는 것이 국내 실정이다. 광신기계공업에서 성공적인 개발이 완료되면,  ▲스테이션 주변기기의 생산기술 산업 발전 ▲수소압축 저장소에 필요한 고압 수소를 생산 ▲주행거리를 늘리기 위해 연료전지 또는 수소자동차에 700기압으로 수소 충전 가능 외에도 연간 500억 원 이상의 수입대체 효과가 있을 것으로 여겨진다.

  또한, 세계적으로는 활성화되지 않은 시장이므로 활성화 될 시에는 시장을 선점하는 효과도 있을 것으로 전망하고 있다.

● 神鋼, 100기압 회전식 압축기 개발

  神戶製鋼所는 세계 최고의 100기압까지 승압할 수 있는 스크류(회전식) 압축기를 개발했다.

  액화천연가스(LNG) 발전에 있어서 연료가스의 고압화 대응과 수소가스를 사용하는 석유정제 탈황공정의 효율화를 겨냥한 것으로 지금까지 神鋼이 세계 최고를 자랑해온 60기압기에서 일거에 성능을 향상시켰다.

  2006년도 내의 첫수주를 지향한다. 50기압 이상의 플랜트용 동사는 스크류 압축기 매출을 2005년도 실적 예상 20억엔대에서 2008년도에는 30억엔대로 끌어올린다. 각종 가스를 압축하는 플랜트용 압축기 분야에서 神鋼은 세계에서 유일하게 스크류 외에 레시프로(왕복식), 터보(원심식)의 전방식의 상품군을 갖추게 된다. 

  특히 스크류식의 고압화에서 선행하여 빈번한 메인테넌스가 필요한 레시프로식의 대체수요를 흡수한다. 

  스크류식에서 세계 쉐어 약 30%의 톱 메이커이다. LNG 발전의 연료가스 승압용 압축기는 가스터빈 부스터(GTB)라고도 부른다.

● 세계최초의 초고압1100기압 수소가스압축기 개발

  KAJITECH(株)사는 세계최초의 초고압1100기압(110MPa)수소가스압축기를 개발하여 앞으로 연료전지자동차의 수소가스공급스테이션용을 중심으로 판매될 계획이다.

  상품화된 압축기는 세계에서 최초로 공냉(空冷)ㆍReciproㆍ전단(前段)피스톤ㆍOilless타입으로 다시 말하면, 크랭프샤프트(crankshaft)부와 실린더ㆍ피스톤부에 윤활유를 공급할 필요가 없다.

  그 라인업은 전단압축기, 후단압축기, 옥외 방음케이스부착 압축기 유닛(전단압축기, 후단압축기 또는 필요기기식 탑재)으로 된다.

  이 중, 잔단압축기는 4단압축ㆍ토출압력400기압(40MPa)「XQ4A-60GH-OL형」(형식)으로후단입축기는 1단압축ㆍ토출압력1100기압「WSA-60GH-OL형」이다.

  흡입압력6기압(0.6MPa), 토출압력1100기압, 토출량200㎥/시간, 또한 축동력은 전단압축기 60kW, 후단압축기 20kW로 되어 있다.

  그린에너지로서 주목되고 있는 연료전지자동차용의 수소가스공급스테이션용으로「공냉(空冷)ㆍReciproㆍ전단(前段)피스톤ㆍOilless타입」의 고압수소가스 400기압 압축기를 2003년9월에 발매하였으며 제2탄으로 연료전지자동차의 항속거리를 늘리기 위하여 개발, 상품화한 것이 100기압압축기이다.

  당사는 전력, 화학플랜트용 압축기의 최고업체로서 고압Recipro압축기의 기술개발로 성장해온 기술로 천연가스자동차의 연료가 되는 압축천연가스공급스테이션(에코스테이션)용 천연가스 250기압(25MPa)압축기로 국내시장최고의 68%(납입실적누계 201대)의 시장을 자랑하고 있다.

  이 중에 세계최초의「공냉(空冷)ㆍReciproㆍ전단(前段)피스톤ㆍOilless타입」은 상품화된 이래, 이미 누계 155대의 납입실적이 있다.

  당사는 이 기술경험을 발판으로 천연가스로 이어지는 그린에너지로서 주목되는 연료전지자동차용의 수소가스공급스테이션용「공냉(空冷)ㆍReciproㆍ전단(前段)피스톤ㆍOilless타입」의 초고압수소가스압축기를 상품화하고 있다.

  앞으로는 연료전지자동차에 탑재하는 연료수소탱크에 350~1000기압까지 충진이 될 수 있도록 400기압, 800기압, 1100기압 압축기를 시리즈화한 판매를 추진해나갈 계획이다.

  종래의 초고압 수소가스압축기에는 아래와 같은 타입 등이 채용되고 있다.

·Diaphragm Type(수명이 짧고 가격이 비싸다. 대용량에서는 대형이 된다)

·Plunger Type(가격이 싸지만 수명이 짧다. 작은 토출량에 적당하다)

·Recipro Type(크랭크부ㆍ실린더ㆍ피스톤부에 윤활유를 사용한다)

·Recipro Type(최종압축단부에 Diaphragm type을 사용한다)

·냉각방식이 수냉 Type(냉각수, 배수관리가 필요)

한편, 동사가 개발한「공냉(空冷)ㆍReciproㆍ전단(前段)피스톤ㆍOilless타입」에는 다음과 같은 특징이 있다.

·압축가스에 오일이 혼입하지 않는다.(오일이 혼입하지 않기 때문에 연료전지에 문제가 일어날 걱정이 없다)

·콤팩트하고 경량, 소음이 적다.(공간절약에 설치할 수 있다)

·관리도 쉽고 급유, 폐유와 급수, 배수를 필요로 하지 않는다(관리가 용이하다)

·요소부품은 당사제품, 부대기기는 순국산품으로 신속한 관리대응을 할 수 있다.

·종래의 초고압 수소가스압축기에 비하여 수명이 길다.

  그렇기 때문에 공급스테이션 등의 인프라조건에 합치된 압축기로 주목되고 있다. 당사의 1100기압압축기가 상품화된 것으로 앞으로의 연료전지자동차용 수소가스공급스테이션의 보급에 크게 공헌할 것으로 생각하고 있다.

  반면, 연료전지자동차와 수소가스공급스테이션의 실용화를 향하여 소규모실증시험이 당분간 계속될 것으로 예상되므로 이 요구에 대응한 토출량 50~100㎥/시간 그래프 등을 시리즈로 개발하여 갈 예정이다.

  이 시리즈화에 따라 일반산업용 수소봄베충진설비용에도 판매가 기대되고 있다. 당사의 압축기 유닛과 관련기기의 수요는 앞으로 비약적으로 높아질 것으로 기대하고 있다.

■자료제공:한국가스신문사로부터 일부 기사 및 사진자료를 제공받았음을 밝힙니다.