KR102287434B1 - 수소 연료전지 드론 - Google Patents

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KR102287434B1
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김신
정근성
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재단법인 한국탄소산업진흥원
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Abstract

본 발명에 따른 수소 연료전지 드론은, 수소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지스택이 배치되는 드론 본체; 상기 연료전지스택으로부터 전기를 공급받아 비행을 위한 양력을 발생시키는 복수 개의 날개부들; 및 내부에 수소를 저장하여 상기 연료전지스택에 상기 수소를 공급하는 복수 개의 프레임 겸용 수소용기들을 포함하며, 상기 프레임 겸용 수소용기들은 상기 드론 본체의 외측 둘레를 따라 소정 간격을 두고 방사상으로 돌출 배치되며, 일단부는 상기 드론 본체에 연결되고 타단부는 상기 날개부에 연결되는 것을 특징으로 한다. 본 발명을 사용하면, 프레임 겸용 수소용기가 드론 본체와 날개부를 연결하는 프레임을 대체함으로써, 별도의 프레임 및 별도의 수소용기가 필요 없어져, 드론의 총 중량을 획기적으로 줄일 수 있다.

Description

수소 연료전지 드론{HYDROGEN FUEL CELL DRONE}
본 발명은 수소 연료전지 드론에 관한 것이다.
드론(drone)은 사람이 타지 않고 무선전파의 유도에 의해서 비행하는 비행기나 헬리콥터 모양의 비행체를 말한다. 드론은 처음에는 군사적으로 사용되었으나 최근에는 드론의 활용도가 확대되고 있다. 일 예로, 소형 드론을 개발하여 레저용으로 사용하고, 배송업계에서도 드론을 이용하여 주문받은 상품을 배송하는 등 드론의 대중화는 점차 확대되는 추세이다. 이러한 추세에 발맞춰 세계 각국의 주요 기업들은 드론 관련 산업을 유망 신사업으로 보고 투자 및 기술개발에 매진하고 있다.
드론의 운용에 있어서 가장 중요시 되는 것 중 하나는 장시간의 운용이 가능한지 여부이다. 현재 시중에서 사용되는 대부분의 드론은 비행시간이 길지 않다. 여러 개의 프로펠러를 구동하는데 많은 전력이 소모되기 때문이다.
따라서, 드론의 비행시간을 증가시키기 위해서는 전력공급을 늘리고 드론의 무게를 줄일 필요가 있다. 특히 배송 관련 드론의 경우에는 페이로드(payload) 값도 고려해야 하므로, 드론 자체의 크기와 무게 경감은 드론 운용에 있어서 중요한 요소 중의 하나이다.
따라서 드론의 구동원으로서 연료전지를 사용하여 전력공급을 증가시킴과 아울러 드론의 경량화가 필요하다.
한국등록특허(10-2062974) 한국등록특허(10-0817709)
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 수소 연료전지 드론을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 수소 연료전지 드론은,
수소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지스택이 배치되는 드론 본체;
상기 연료전지스택으로부터 전기를 공급받아 비행을 위한 양력을 발생시키는 복수 개의 날개부들; 및
내부에 수소를 저장하여 상기 연료전지스택에 상기 수소를 공급하는 복수 개의 프레임 겸용 수소용기들을 포함하며,
상기 프레임 겸용 수소용기들은 상기 드론 본체의 외측 둘레를 따라 소정 간격을 두고 방사상으로 돌출 배치되며, 일단부는 상기 드론 본체에 연결되고 타단부는 상기 날개부에 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 프레임 겸용 수소용기들에 의해 드론 본체와 날개부가 연결됨으로써, 프레임 겸용 수소용기가 드론 본체와 날개부를 연결하는 프레임을 대체하고, 별도의 수소용기가 제거된다. 이로 인해, 드론의 총 중량을 획기적으로 줄일 수 있다.
또한 강도가 높은 수소용기가 프레임으로서 기능하게 되므로 드론의 프레임 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 프레임 겸용 수소용기는 작은 용량을 가진 단위용기들이 매니폴드에 의해 서로 결합됨으로써, 단위용기를 추가적으로 장착할 수 있어 상황에 맞게 프레임 겸용 수소용기의 용량을 조절하여, 드론의 비행시간을 획기적으로 연장할 수 있다.
도 1은 종래의 수소 연료전지 드론을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 수소 연료전지 드론을 나타낸 도면이다.
도 3은 단위용기를 나타낸 도면이다.
도 4는 단위용기가 한 개인 프레임 겸용 수소용기를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 단면 A-A를 나타낸 도면이다.
도 6은 단위용기가 두 개인 프레임 겸용 수소용기를 나타낸 도면이다.
도 7은 수소 연료전지 드론의 블록도를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료전지 드론을 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료전지 드론(10)은, 드론 본체(100), 날개부(200), 프레임 겸용 수소용기(300)로 구성된다.
[드론 본체]
드론 본체(100)에는 연료전지스택(110), 제어부(120) 등이 배치된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 연료전지스택(110)은 프레임 겸용 수소용기(300)로부터 수소를 공급받아 전기를 생산한다. 연료전지스택(110)에 수소가 공급되면 대기 중의 산소와 반응하여 에너지를 발생시키고 이때 발생되는 에너지를 전기로 바꾼다.
연료전지스택(110)에서 생성된 전력은 후술될 날개부(200)의 구동모터를 비롯하여 수소 연료전지 드론(10)에 구비된 시스템들을 작동시키기 위한 에너지원으로 사용된다.
제어부(120)는 프레임 겸용 수소용기(300)들에서 동일한 양의 수소가 배출되도록 제어한다. 이를 위해 프레임 겸용 수소용기(300)에는 유량조절밸브가 구비될 수 있다.
각 프레임 겸용 수소용기(300)로부터 동일한 양의 수소가 배출되도록 제어함으로써, 수소가 각 프레임 겸용 수소용기(300)로부터 순차적으로 배출되는 것이 아니라 모든 프레임 겸용 수소용기(300)로부터 동시에 균일하게 배출된다. 이로 인해, 구조적으로 프레임 역할을 하는 프레임 겸용 수소용기(300)들이 서로 다른 무게로 인해 수소 연료전지 드론(10)의 무게 균형이 깨지는 것을 방지하여 안정적인 비행을 유지할 수 있다.
한편, 드론 본체(100)는 보조배터리(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 보조 배터리는, 프레임 겸용 수소용기(300)에서 수소가 모두 소진되어 연료전지스택(110)이 더 이상 전기를 생산할 수 없는 비상시에, 수소 연료전지 드론(10)에 전기를 공급한다.
[날개부]
날개부(200)는 연료전지스택(110)으로부터 전기를 공급받아 비행을 위한 양력을 발생시키며, 복수 개가 구비된다. 본 실시예에서는 4개의 날개부(200)가 구비된다. 4개의 날개부(200)는 드론 본체(100)의 외측 둘레를 따라 소정 간격을 두고 배치되며, 드론 본체(100)로부터 방사상 방향으로 일정 간격 떨어져 위치된다. 날개부(200)에는 프레임 겸용 수소용기(300)의 일단부가 연결된다.
날개부(200)는 구동모터(210), 프로펠러(220), 레그부(230)로 구성된다. 구동모터(210)는 연료전지스택(110)으로부터 전력을 공급받아, 회전축에 연결된 프로펠러(220)를 회전시킨다. 도면이 복잡해짐을 피하기 위해, 연료전지스택(110)에서 구동모터(210)로 전기를 전달하는 전선의 도시는 생략되었다. 레그부(230)는 구동모터(210)의 하부에 연결되며, 이착륙을 위해 수소 연료전지 드론(10)을 지면에 지지한다. 한편, 수소 저장 공간을 더 늘리기 위해, 레그부(230)까지 프레임 겸용 수소용기(300)의 형태로 만들 수 있다. 이 경우, 레그부(230)는 수소 연료전지 드론(10)을 지면에 지지하는 역할 뿐만 아니라, 수소를 저장하는 역할도 동시에 한다.
[프레임 겸용 수소용기]
프레임 겸용 수소용기(300)는 내부에 수소를 저장하여 연료전지스택(110)에 수소를 공급한다. 프레임 겸용 수소용기(300)는 복수 개가 구비된다. 프레임 겸용 수소용기(300)들은 드론 본체(100)의 외측 둘레를 따라 소정 간격을 두고 방사상으로 돌출 배치된다. 본 실시예에서는 4개의 프레임 겸용 수소용기(300)가 구비되며, 4개의 프레임 겸용 수소용기(300)가 드론 본체(100)를 기준으로 2개씩 서로 대칭되게 배치되어 수소 연료전지 드론(10)의 무게 균형이 유지되게 한다.
각 프레임 겸용 수소용기(300)의 일단부는 드론 본체(100)에 연결되고 타단부는 날개부(200)에 연결된다. 따라서 드론 본체(100)와 드론 본체(100)로부터 방사상 방향으로 일정 간격 떨어져 위치되는 날개부(200)는 프레임 겸용 수소용기(300)에 의해 서로 연결된다.
프레임 겸용 수소용기(300)는 드론 본체(100)와 날개부(200)로부터 장착 및 탈착이 가능하게 연결된다. 이를 위해 드론 본체(100)와 날개부(200)에는 프레임 겸용 수소용기(300)의 양단부가 연결되는 장착부재(미도시)가 구비될 수 있다.
종래의 수소 연료전지 드론(1)은 도 1에 도시된 바와 같이 드론 본체(11)와 날개부(13)가 빔형 프레임(12)에 의해 연결되고 수소용기(14)는 드론 본체(11)에 별도로 장착되었다. 그러나, 본 발명에서는 프레임 겸용 수소용기(300)가 종래의 수소 연료전지 드론(1)의 빔형 프레임(12)을 대체하여 드론 본체(100)와 날개부(200)를 연결한다. 따라서, 빔형 프레임(12)과 별도의 수소용기가 제거되어, 드론의 무게를 획기적으로 줄일 수 있다.
프레임 겸용 수소용기(300)는 작은 용량의 단위용기(310)가 하나 이상 구비될 수 있다. 하나 이상의 단위용기(310)들은 모두 동일한 형상으로 형성된다. 단위용기(310)들이 모두 동일한 형상으로 형성됨으로써, 원하는 수소 용량에 따라 단위용기(310)를 추가 배치하기 용이하다.
도 4 및 도 5는 단위용기(310) 한 개로 이루어진 프레임 겸용 수소용기(300)를 도시하고, 도 6는 단위용기(310) 두 개로 이루어진 프레임 겸용 수소용기(300)를 도시한다. 단위용기(310)는 필요한 수소 용량에 따라 더 추가될 수 있다.
이러한 프레임 겸용 수소용기(300)는, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 단위용기(310), 본체용 매니폴드(320a, 320b), 날개부용 매니폴드(330a, 330b)로 구성된다.
단위용기
단위용기(310)에는 수소가 고압으로 농축되어 수용된다. 이러한 단위용기(310)는 금속재 용기로 만들어진다.
또는, 단위용기(310)는 금속재 라이너 또는 비금속재 라이너에 수지가 함침된 탄소섬유를 원주방향으로 와인딩(winding)한 후 수지를 경화시킴으로써 만들어질 수 있다.
또는, 단위용기(310)는 금속재 라이너 또는 비금속재 라이너에 탄소섬유를 원주방향으로 와인딩하고, 탄소섬유로 한 번 더 브레이딩(braiding) 한 후, 수지를 함침하고 경화시킴으로써 만들어질 수 있다.
또는, 단위용기(310)는 한국등록특허(10-0817709)에 개시된, 복합재료 용기의 후프랩 와인딩 방법에 의해서도 만들어질 수 있다.
단위용기(310)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 원통몸체(311)와, 원통몸체(311)의 양단에 형성된 원통형의 결합관(312)으로 구성된다.
원통몸체(311)는 외경이 작고 길이가 긴 원통형상으로 형성된다. 결합관(312)은 원통몸체(311)의 양단에서 연장되며, 원통몸체(311)보다 외경이 작은 원통형상으로 형성된다. 결합관(312)은 후술될 본체용 매니폴드(320a, 320b)와 날개부용 매니폴드(330a, 330b)가 각각 결합된다.
본체용 매니폴드
본체용 매니폴드(320a, 320b)는 단위용기(310)의 일단부에 결합되며, 드론 본체(100)에 장착된다. 날개부용 매니폴드(330a, 330b)는 단위용기(310)의 타단부에 결합되며, 날개부(200)에 장착된다. 본체용 매니폴드(320a, 320b)와 날개부용 매니폴드(330a, 330b)는 금속재 또는 복합재로 만들어진다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본체용 매니폴드(320a, 320b)는 본체용 메인관(321a, 321b), 하나 이상의 본체용 서브관(322a, 322b)들, 본체용 결합부(323a, 323b), 배출구(324a, 324b), 주입구(325a, 325b)로 구성된다.
본체용 매니폴드(320a, 320b)의 내부는 본체용 메인관(321a, 321b), 본체용 서브관(322a, 322b)들, 본체용 결합부(323a, 323b), 배출구(324a, 324b), 주입구(325a, 325b)가 연통되게 비어있다. 따라서 각 단위용기(310)에 저장된 수소가 본체용 서브관(322a, 322b)들을 통해 본체용 메인관(321a, 321b)으로 유동하여 배출구를 통해 배출될 수 있다.
본체용 메인관(321a, 321b)의 외면에는 길이방향으로 본체용 서브관(322a, 322b)들이 단위용기(310)의 개수에 상응하는 개수로 형성된다. 본체용 서브관(322a, 322b)에는 단위용기(310)의 결합관(312)이 나사체결된다. 이를 위해, 본체용 서브관(322a, 322b)의 내주면에 암나사산(미도시)이 형성되고, 단위용기(310)의 결합관(312) 외주면에 수나사산(미도시)이 형성된다. 이러한 나사체결 방식으로 인해, 본체용 서브관(322a, 322b)에 단위용기(310)가 쉽게 결합될 수 있다. 본체용 서브관(322a, 322b)과 결합관(312) 사이로 가스가 누출되지 않게 본체용 서브관(322a, 322b)의 내부에 가스켓(미도시)이 설치될 수 있다.
본체용 서브관(322a, 322b)에 대향하는 본체용 메인관(321a, 321b)의 외면에는 길이 방향 중심에 본체용 결합부((323a, 323b)가 형성된다. 본체용 결합부(323a, 323b)는 드론 본체(100)에 장착 및 탈착이 가능하게 결합된다.
본체용 결합부(323a, 323b)에는 배출구(324a, 324b)가 형성된다. 배출구(324a, 324b)를 통해 단위용기(310) 내부에 저장된 수소가 배출되어 배출구(324a, 324b)에 연결된 배관을 통해 연료전지스택(110)으로 수소가 공급된다.
본체용 메인관(321a, 321b)의 단부에는 외부에서 수소를 충전시킬 수 있는 주입구(325a, 325b)가 형성된다.
날개부용 매니폴드
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 날개부용 매니폴드(330a, 330b)는 날개부용 메인관(331a, 331b), 하나 이상의 날개부용 서브관(332a, 332b)들, 날개부용 결합부(333a, 333b)로 구성된다.
날개부용 매니폴드(330a, 330b) 내부는 본체용 매니폴드(320a, 320b)와 달리 날개부용 메인관(331a, 331b), 날개부용 서브관(332a, 332b)들, 날개부용 결합부(333a, 333b)가 서로 연통될 필요는 없다. 따라서 단위용기(310)가 결합되는 날개부용 서브관(332a, 332b)의 내부는 비어있지만, 날개부용 메인관(331a, 331b)과 날개부용 결합부(333a, 333b)는 막혀있을 수 있다.
날개부용 메인관(331a, 331b)의 외면에는 본체용 매니폴드(320a, 320b)와 마찬가지로 길이방향으로 날개부용 서브관(332a, 332b)들이 단위용기(310)의 개수에 상응하는 개수로 형성된다. 날개부용 서브관(332a, 332b)에는 단위용기(310)의 결합관(312)이 상술한 본체용 서브관(322a, 322b)과 동일한 방식으로 체결된다.
날개부용 서브관(332a, 332b)에 대향하는 날개부용 메인관(331a, 331b)의 외면에는 길이 방향 중심에 날개부용 결합부(333a, 333b)가 형성된다. 날개부용 결합부(333a, 333b)는 날개부(200)에 장착 및 탈착이 가능하게 결합된다.
10: 수소 연료전지 드론 100: 드론 본체
110: 연료전지스택 120: 제어부
200: 날개부 210: 구동모터
220: 프로펠러 230: 레그부
300: 프레임 겸용 수소용기 310: 단위용기
320a, 320b: 본체용 매니폴드 3330a, 330b: 날개부용 매니폴드

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 수소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지스택이 배치되는 드론 본체; 상기 연료전지스택으로부터 전기를 공급받아 비행을 위한 양력을 발생시키는 복수 개의 날개부들; 및 내부에 수소를 저장하여 상기 연료전지스택에 상기 수소를 공급하는 복수 개의 프레임 겸용 수소용기들을 포함하며, 상기 프레임 겸용 수소용기들은 상기 드론 본체의 외측 둘레를 따라 소정 간격을 두고 방사상으로 돌출 배치되며, 일단부는 상기 드론 본체에 연결되고 타단부는 상기 날개부에 연결되며,
    상기 프레임 겸용 수소용기는,
    하나 이상의 단위용기;
    상기 단위용기의 일단부에 결합되며, 상기 드론 본체에 장착되는 본체용 매니폴드; 및
    상기 단위용기의 타단부에 결합되며, 상기 날개부에 장착되는 날개부용 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 드론.
  3. 제2항에 있어서, 상기 단위용기는,
    원통몸체; 및
    상기 원통몸체의 양단에 형성된 원통형의 결합관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 드론.
  4. 제3항에 있어서, 상기 하나 이상의 단위용기들은 동일한 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 드론.
  5. 제4항에 있어서, 상기 드론 본체는,
    상기 프레임 겸용 수소용기들에서 동일한 양의 수소가 배출되도록 제어하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 드론.
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