1. 기술로드맵
[ 수소 연료전지 시스템 기술개발 로드맵 ]
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핵심기술
| 수소 연료전지 시스템 통합설계에 필요한 각종 BOP 류들의 국산화 및
수소 연료전지 시스템 통합설계에 필요한 각종 BOP 류들의 국산화 및 시스템 제어기술 및 격상기술의 고도화
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`23년
| `24년
| `25년
| 최종 목표
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가격경쟁력 확보를 위한 금속촉매 기술
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 | 귀금속 촉매 사용량 최소화 및 비귀금속 촉매 개발
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고 내구성 MEA 기술
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| 저비용 고내구성 MEA 코팅기술 및 양산화 기술 개발
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고효율·고내구성·저가형 연료전지 스택 기술
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| 연료전지 스택 핵심부품들의 효율 및 내구성 증대를 위한 최적설계와 제조 및 운전 기술 고도화
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수소 연료전지 추진 선박용 주요 기자재 국산화 개발
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| 선박용 수소 연료 저장・공급 시스템 및 추진・제어 시스템 국산화
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수소 연료전지용 백금촉매 제조를 위한 정밀제어 제조장치 기술개발
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| 백금촉매 담지량 최소화 및 생산 공정 정밀제어를 위한 제조장치 고도화
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수소 전기차 연비향상 및 소형화를 위한 고효율/대용량 수소 재순환 시스템 기술
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| 연비 향상 및 최적 스텍 용량 선정을 위한 고효율/대용량 미반응 수소 재순환시스템 개발
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* 출처: 자체작성
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2. 개요
가. 정의 및 필요성
□ 수소 연료전지 시스템은 수소를 활용하여 전기를 생산하는 장치로서, 내연기관의 엔진에 해당하는 수소전기차의 핵심 부품임
□ 수소전기차에서 연료전지 시스템은 연료전지 스택, 수소공급 장치, 공기공급 장치, 열 및 물 관리 장치로 구성됨
[ 수소 연료전지시스템 구성 ]
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* 출처 : 한국자동차연구원 (2020)
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□ 수소 연료전지 시스템은 신재생에너지 분야에서 다양한 분야 적용을 위한 전략품목으로, 시장 진입이 일정 이루어져 청정에너지로의 주요 활용처가 되고 있으며, 신재생에너지 분야에 있어서 수소 에너지 공급 안정성 확보를 통해 차별화된 경쟁력 획득 및 다양한 산업생태계 창출이 가능할 것으로 전망됨
[ 신재생에너지 품목로드맵 내 수소 연료전지 시스템 ]
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* 출처: 자체작성
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□ 연료전지 시스템은 외부에서 연료 및 공기를 공급하면 연속적으로 전기를 발생시키는 발전기 이며, 전력 사용이 요구되는 모든 영역에서 적용이 가능함
▪ 연료전지 시스템은 수소, 천연가스 또는 다른 탄화수소 연료의 화학적 에너지로 전기를 생상하기 위한 장치임. 배터리와 달리, 연료전지 시스템은 에너지를 저장하지 않고 내연기관에서 디젤, 산소의 지속적인 공급에 의존하는 방법으로 연료와 산소를 지속적으로 공급하면 전기를 발생함
▪ 연료전지 시스템은 사용자에게 전기, 수소 등 원하는 연료 공급원의 가격에 따라 수소, 배터리 또는 이 둘의 최적조합 등 유영하게 에너지원을 선택 할 수 있는 다양한 운영 전략을 제공함
▪ 현재 연료전지 시스템은 에너지 밀도가 높고 연료 재급유 속도가 빠르기 때문에 장거리 운행에 필요로 하는 애플리케이션에 더 적합함
▪ 또한 연료전지 시스템은 모듈식 설계로 시스템 및 저장탱크를 다양한 시장과 응용장비의 요구에 부합하도록 설계할 수 있는 뛰어난 유연성을 제공하고, 전기분해 과정을 통해 물분자를 수소와 산소로 분리, 탈 탄소 에너지원으로 사용이 가능함
□ 연료전지 시스템은 수소전기차 뿐만 아니라 전기를 필요로 하는 모든 어플리케이션 적용이 가능함
▪ 적용 가능 분야 : 수소승용전기차, 수소상용전기차, 지게차, 이륜차, 건설기계, 건물용, 발전용, 선박용, 항공용, 철도용, 레저용 등 다양한 분야 적용 가능
나. 범위 및 분류
□ 전력이 필요한 전 산업 분야에서 수소 연료전지 시스템이 구축될 경우 에너지 산업 융합이 가속화되어 전 산업 분야에서 추가적 부가가치 창출이 가능
▪ 수소 연료전지 시스템 기술을 이용하여 산업별 다양한 요구사항에 따라 최적의 어플리케이션을 적용하여 에너지 및 운영비용 절감을 통한 경제 발전 예상
▪ 수소 연료전지 시스템은 에너지밀도가 타 발전시스템에 비해 높아 자동차를 비롯한 다양한 산업에 적용이 가능함
[ 수소 연료전지 시스템 품목 산업구조 ]
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후방산업
| 수소 연료전지 시스템
| 전방산업
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금속 및 세라믹 분말 소재, 분리판 성형을 위한 금속 박판 소재, 연료 합성 산업, 연료전지 제조 공정/검사/자동화 설비 등
| 펌프 제조 공정, 열교환기 관련 소재, 가습기 패키지, 열 교환기 제어 등 제조업 및 전력 기반 산업
| 자동차, 조선, 건설, 기계, 에너지
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* 출처: 자체작성
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□ 연료전지에서 생산되는 전류는 반응 면적에 비례하며 전압은 셀 적층 개수에 따라 자유롭게 조절이 가능하여 다양한 분야에 사용될 수 있고, 용도에 따라 다음과 같이 분류할 수 있음
▪ 고정형(Stationary) : PEMFC, PAFC, MCFC, SOFC
▪ 수송형(Transport) : PEMFC, MCFC, DMFC, SOFC
▪ 휴대형(Portable) : PEMFC, DMFC
3. 산업 및 시장분석
가. 산업분석
◎ 연료전지 관련 업체들은 가격 저감과 기술의 신뢰성확보를 위해 노력하고 있으며, 이에 도달하기 위한 정책적 뒷받침이 필요한 상황임
□ 연료전지 시장은 대부분 국제유가의 영향을 많이 받으며, 현재 단가가 높은 점 때문에 각 시스템 기업들은 가격 저감과 기술의 신뢰성확보에 주력하고 있는 실정임
▪ 연료전지의 경쟁력 확보를 위해 일관성 있는 연료전지 육성정책과 그 후속으로 연료전지 시장 확대를 위한 가스가격의 지원정책 등의 필요성이 대두되고 있음
◎ 국가별로 진행되는 수소산업 지원 정책으로 수소시장이 커짐에 따라 민간 기업 투자가 활성화되고 있음
□ 2021년 수소 산업에 SK, 포스코, 현대차, 한화, 효성에서 총 43조원 투자함
▪ 국내 연료전지 자동차의 기술은 현대자동차가 대표적이며, 그 수준은 완성차수준 세계 정상급으로 수소 연료전지자동차 모니터링 사업 등을 통해 신뢰성을 확보하여, 현재 북유럽 4개국에 시범보급 및 독일·미국 등에 보급 중에 있음
▪ 연료전지 스택의 핵심 부품인 MEA, GDL 소재는 외국에 의존하고 있어, MEA 성능 향상과 가격 저감을 위해 스택 성능을 획기적으로 향상시키는 기술을 집중적으로 개발 중임
□ 수소전기차 중심의 수송형 연료전지와 발전용 연료전지 위주로 시장이 성장할 전망임
◎ 타 산업 파급효과
□ 타 산업에 적용 가능한 수소 연료전지 시스템 기술 확보 시, 기존 수소차외 수소분야로 확대가 가능하여 새로운 시장 확대가 가능함
□ 2025년 이내 중국, 독일 등의 경쟁국 수소전기차 출시가 예상되고 있으며, 그동안 기술적 우위를 선점하여 경제적·산업적 측면에서 경쟁력을 확보해야 함
□ 수소경제 활성화 및 수소 산업 확대
▪ 수소전기차는 국내를 포함한 유럽·북미 등에서 시장이 창출되어 2025년에는 자동차 시장의 30%까지 증가할 것으로 전망되며, 이에 따라 수소 경제 활성화가 기대됨
▪ 연료전지 스택 부품 개발에 있어서, 중소·중견기업이 높은 비중을 차지하고 있으므로 신성장 동력 확보, 가치사슬 내 중소·중견기업의 역량 강화, 수소 산업 확대 등이 기대됨
□ 시장 확대 및 고용 창출
▪ 연료전지 스택용 금속 분리판, 기체확산층, 가스켓 부품 관련 국내 시장 확대가 기대되며, 각 부품 별 다양한 신기술 개발이 이루어질 것으로 예상됨
▪ 수소전기차 시장 외에 가정용, 산업용 등의 연료전지 시장으로 확대되고 있으며, 이는 인력양성 및 대규모 고용 창출에 크게 기여할 것으로 보임
나. 시장분석
◎ 세계시장
□ 2021년 38억 5천만 달러였던 수소 연료전지 세계시장 규모는 2026년 236억 7,300만 달러로 증가할 것으로 전망됨
▪ 2020년부터 2026년까지의 연평균 성장률은 43.80%로 전망
[ 수소 연료전지 세계 시장규모 및 전망 ]
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(단위 : 백만 달러, %)
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구분
| `20
| `21
| `22
| `23
| `24
| `25
| `26
| CAGR
(`20~`26)
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세계시장
| 2,780
| 3,850
| 5,536
| 7,961
| 11,448
| 16,463
| 23,673
| 43.80
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* 출처 : RESEARCHANDMARKETS, Hydrogen Fuel Cells Global Market Report 2021: COVID-19 Growth and Change (2021.11) 자료를 재구성하여 추산
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◎ 국내시장
□ 연료전지 국내 시장규모는 2021년 4,606억 원에서 2026년 1조 1,948억 원으로 증가할 것으로 전망됨
▪ 2020년부터 2026년까지의 연평균 성장률은 21.00%로 전망
[ 연료전지 국내 시장규모 및 전망 ]
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(단위 : 억 원, %)
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구분
| `20
| `21
| `22
| `23
| `24
| `25
| `26
| CAGR
(`20~`26)
|
국내시장
| 3,807
| 4,606
| 5,574
| 6,744
| 8,161
| 9,874
| 11,948
| 21.00
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* 출처 : 김호건, K 뉴딜산업 INSIGHT 보고서-3 연료전지 개요와 현황 (2021.08) 자료를 재구성하여 추산
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4. 기술개발 동향
가. 기술개발 이슈
□ 기술경쟁력
▪ 수소 연료전지 시스템은 미국이 최고기술국으로 평가 되었으며, 우리나라는 최고기술국 대비 91.5%의 기술수준을 보유하고 있으며, 최고기술국과의 기술격차는 0.9년으로 분석
▪ 중소기업의 기술경쟁력은 최고기술국 대비 68.7%, 기술격차는 2.4년으로 평가
▪ 일본(97.8%)>한국>유럽(89.5%)>중국(72.8%)의 순으로 평가
□ 기술수명주기(TCT)
▪ 수소 연료전지 시스템은 5.82의 기술수명주기를 지닌 것으로 파악
나. 생태계 기술동향
□ (기술동향) 수소 연료전지 시스템 가격저감 및 내구성 향상 관련 기술 개발이 활발하며 미국, 일본은 연료전지의 핵심부품 기술력이 높은 것으로 평가되고, 연료전지 관련 특허 출원 건수는 미국이 가장 많음
□ (플레이어) TOYOTA(일), HONDA(일), Ballard Power Systems(캐), Bloom Energy(미), FuelCell Energy(미), Panasonic(일), Plug power(미), 현대자동차(한), 두산퓨얼셀(한), 포스코에너지(한), 코오롱인더스트리(한)
□ (중소기업) 에스퓨얼셀, 미코파워, 프로파워, 블룸SK퓨얼셀, 시노펙스
다. 국내 연구개발 기관 및 동향
[ 수소 연료전지 시스템 주요 연구조직 현황 ]
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기관
| 연구분야
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울산대학교
| ▶ 유체 마찰전기 기반의 에너지 수확 기전 연구
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경기대학교
| ▶ 수소 연료전지 하이브리드 철도차량 내 수소 누출 안전 확보를 위한 수소 제거 촉매 시스템 개발
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숙명여자대학교
| ▶ 새로운 함침법을 이용한 고성능·고신뢰성 고체산화물연료전지 나노구조 연료극 개발
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부산대학교
| ▶ 탄소중립(Zero-emission) 지향 신조선·해양산업 생태계 선도 연구중심대학 구현
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한국과학기술연구원
| ▶ 자동차용 연료전지 가격 저감을 위한 비 백금 촉매 원천기술 개발
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5. 전략품목 기술로드맵
가. 핵심기술 리스트
[ 수소 연료전지 시스템 핵심기술 ]
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핵심기술
| 개요
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가격경쟁력 확보를 위한 금속촉매 기술
| ▶ 수소는 연료극 촉매표면에서 빠르게 산화되어 수소 양이온과 전자로 분해되는데 촉매성능이 우수한 백금 소재는 고가로, 백금 사용량을 줄이는 코어쉘형 또는 이종금속 간 합금화, 백금을 대체하는 전이금속 및 비 귀금속 촉매를 개발하는 기술
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고 내구성 MEA 기술
| ▶ 막전극접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)는 전기 화학반응으로 전기 생산하는 연료전지의 핵심 부품으로, 수소를 산화시켜 수소 이온과 전자 생성하는 수소극, 수소 이온을 공기극으로 전달 및 연료 분리하는 전해질막, 수소 이온 이용하여 공기 환원시켜 물을 생성되는 공기극으로 구성되는 기술
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고효율·고내구성·저가형 연료전지 스택 기술
| ▶ 연료전지 스택 성능을 증대시키기 위해서는 스택을 구성하는 다양한 핵심부품들의 성능 고도화 및 이들을 조합하여 최대 성능을 이끌어 내기 위한 최적설계 방안이 도출되어야 함에 따른, 연료전지 스택 내구성과 초기 투자비용과 밀접한 관련이 있는 수소/공기분자 이온화 및 수소이온 전달, 전자 이동, 물 및 열 제거 등 스택 설계, 제조, 운전에 대한 고도화 기술
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수소 연료전지 추진 선박용 주요 기자재 국산화 개발
| ▶ 수소 연료전지 추진 선박의 핵심 구성요소는 동력을 생산하는 수소 연료전지 시스템과 수소 연료 공급을 위한 수소 연료 저장・공급 시스템 및 추진・제어 시스템으로 분류할 수 있으며, 수소 연료 저장・공급 시스템은 연료저장탱크와 연료공급시스템으로 구성되어 있음
▶ 수소 연료전지 추진 선박의 특성 상 선박 환경에 특화된 고성능·고내구성 연료전지 개발 및 제조기술과 수소 연료 저장・공급 시스템에 대한 핵심 기자재 개발 기술
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수소 연료전지용 백금촉매 제조를 위한 정밀제어 제조장치 기술개발
| ▶ 수소 연료전지 내 백금촉매의 담지량은 스택의 가격 결정에 있어 핵심 요소로, 백금촉매의 담지량 최소화, 제조 및 양산화 방안이 매우 중요함
▶ 생산원가의 상당 부분을 차지하고 있는 백금촉매의 제조를 위한 담지량 최소화를 비롯한 백금촉매 성능 극대화를 위한 생산 공정 정밀제어 및 고도화된 제조장치 개발 기술
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수소 전기차 연비향상 및 소형화를 위한 고효율/대용량 수소 재순환 시스템 기술
| ▶ 스택에서 미반응된 수소를 스택 입구로 재순환하면 연료전지 시스템 성능과 효율이 증가하고 스택 크기는 감소함
▶ 수소 재순환으로 차량 연비가 개선되고 배기되는 수소의 양이 줄어들어 대량의 수소 배기에 의한 환경영향을 최소화하기 위한 기술
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나. 중소기업 기술개발 전략
□ 연료전지 스택 개발 시 CAPEX/OPEX 최소화를 위한 방안 확보가 무엇보다 중요하며, 귀금속 촉매 최소화/대체 방안, MEA/Stack 제조 방법 고도화 및 내구성 증대 방안 확보가 시장 진입을 위한 최소 조건임
□ 핵심기자재인 스택 제조기술 및 이와 연계되는 BOP 설계/제조 기술, 시스템 제어기술, 용량 증대를 위한 Unit 통합을 위한 제어기술에 관한 종합적인 설계 개발이 필요함
□ 수소 연료전지 시스템의 End-User는 육·해·공 모빌리티용 또는 발전용 산업으로, 해당 적용처 맞춤형의 시스템 열성능 최적화를 위한 열적 통합설계가 필요함
□ 수소 연료전지 특성 및 시스템 적용 환경에 적합한 각종 BOP 류들의 개발과 연료전지 스택 연계에 필요한 Interface 최적설계가 중요함. 또한 O&M 사용자 편의성을 고려한 모듈러 타입 설계, 저소음 설계 등이 제품 선정 시 사용자 입장에서 중요한 고려 대상이 되므로, 이에 대한 대응이 필요함
□ 수소법 발효로 인한 법규 준수 및 각종 인허가에 따른 대책수립과 안전설계가 수반되어야 함
다. 기술개발 로드맵
[ 수소 연료전지 시스템 핵심기술 연구목표 ]
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핵심기술
| 기술
요구사항
| 연차별 개발목표
| 최종목표
| 연계
R&D
유형
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1년차
| 2년차
| 3년차
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가격경쟁력 확보를 위한 금속촉매 기술
| 귀금속 촉매 사용량 최소화 및 비귀금속 촉매 개발
| 귀금속 촉매 사용량 최소화 또는 비귀금속을 활용한 촉매 설계
| 귀금속 촉매 사용량 최소화 또는 비귀금속을 활용한 촉매 제작
| 귀금속 촉매 사용량 최소화 또는 비귀금속을 활용한 촉매 특성평가 및 upgrade
| 귀금속 촉매 사용량 최소화 및 비귀금속 촉매 개발
| 창업성장
기술혁신
산학연
상용화
|
고 내구성 MEA 기술
| 저비용 고내구성 MEA 소재 개발과 대량 생산 기술 확보
| 저비용 고내구성 소재 기반 MEA 및 코팅 방안 설계
| 저비용 고내구성 소재 기반 MEA 제작 및 특성평가
| 저비용 고내구성 소재 기반 MEA upgrade 및 양산화 기술 개발
| 저비용 고내구성 MEA 코팅기술 및 양산화 기술 개발
| 창업성장
기술혁신
산학연
상용화
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고효율·고내구성·저가형 연료전지 스택 기술
| 연료전지 스택 핵심부품들의 최적설계, 제조 및 운전 기술 고도화
| 연료전지 스택 핵심부품들의 효율 및 내구성 증대를 위한 최적설계
| 최적설계된 연료전지 스택 핵심부품 제작
| 최적설계된 연료전지 스택 핵심부품 특성평가 및 upgrade
| 연료전지 스택 핵심부품들의 효율 및 내구성 증대를 위한 최적설계와 제조 및 운전 기술 고도화
| 창업성장
기술혁신
산학연
상용화
|
수소 연료전지 추진 선박용 주요 기자재 국산화 개발
| 수소 연료전지 시스템, 수소 연료 저장・공급 시스템 및 추진・제어 시스템 국산화
| 선박용 수소 연료 저장・공급 시스템 및 추진・제어 시스템 설계
| 선박용 수소 연료 저장・공급 시스템 및 추진・제어 시스템 제작
| 선박용 수소 연료 저장・공급 시스템 및 추진・제어 시스템 특성평가 및 upgrade
| 선박용 수소 연료 저장・공급 시스템 및 추진・제어 시스템 국산화
| 창업성장
기술혁신
산학연
상용화
|
수소 연료전지용 백금촉매 제조를 위한 정밀제어 제조장치 기술개발
| 백금촉매 담지량 최소화 및 생산 공정 정밀제어를 위한 제조장치 고도화
| 담지량 최소화를 위한 백금촉매 설계
| 담지량 최소화를 위한 백금촉매 제작 및 특성평가
| 백금촉매 생산 공정 정밀제어를 위한 제조장치 고도화
| 백금촉매 담지량 최소화 및 생산 공정 정밀제어를 위한 제조장치 고도화
| 창업성장
기술혁신
산학연
상용화
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수소전기차 연비향상 및 소형화를 위한 고효율/대용량 수소 재순환 시스템 기술
| 연비 향상 및 최적 스텍 용량 선정을 위한 고효율/대용량 미반응 수소 재순환시스템 개발
| 미반응 수소 재순환장치 (Ejector 등) 최적설계
| 미반응 수소 재순환장치 (Ejector 등) 제작 및 시운전
| 최적 스텍 용량 선정을 위한 미반응 수소 재순환 장치 시스템 통합 및 운영 특성평가
| 연비 향상 및 최적 스텍 용량 선정을 위한 고효율/대용량 미반응 수소 재순환시스템 개발
| 창업성장
기술혁신
산학연
상용화
|
