KR102540107B1 - Uam용 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

비행 기체 및 그라운드 이큅먼트(ground equpemnts)을 포함하는 UAM(Urban Air Mobility) 시스템에 적용되는 UAM(Urban Air Mobility)용 연료전지 시스템이 개시된다. 상기 연료전지 시스템은, 상기 비행 기체 내에 설치된 연료전지 스택; 상기 비행 기체가 운항하는 동안 상기 연료전지 스택에 수소를 공급하는 제1 수소 탱크; 상기 비행 기체가 운항하는 동안 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 내부 공기 공급부; 상기 그라운드 이큅먼트에 구비되며, 상기 비행 기체가 착륙하면 상기 제1 수소 탱크의 수소를 회수하고 상기 비행 기체가 이륙하기 전에 수소를 재충전하기 위한 제2 수소 탱크; 및 상기 그라운드 이큅먼트에 구비되며, 상기 비행 기체가 착륙하면 상기 내부 공기 공급부 내의 잔류 공기를 제거하고, 상기 비행 기체가 이륙하기 전에 설정된 상태의 공기를 상기 내부 공기 공급부로 공급하는 에어컨디셔너를 포함한다.

Description

UAM용 연료전지 시스템{Fuel cell system for UAM}
본 발명은 UAM(Urban Air Mobility) 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 수소를 이용한 UAM용 연료전지 시스템에 관한 것이다.
미래의 이동수단으로 UAM(Urban Air Mobility)이 주목받고 있다. UAM은 드론 택시, 로봇 택시, 플라잉카 등으로도 불리는 것으로서, 하늘, 특히, 도심 하늘을 운항하는 운송수단을 의미한다. 이러한 UAM은 도심 속에서 이동해야 하므로 활주로 없이도 이착륙이 가능해야 하고 크기가 너무 크지 않아야 한다. 또한, UAM은 지상으로부터 멀리 이격되지 않은 높이에서 운항될 것이다.
UAM의 에너지원과 관련하여서도 많은 연구가 이루어지고 있는데, 그 중에서도, 특히, 수소를 원료로 이용하는 수소 연료전지 시스템에 대한 관심이 높다. 수소 연료전지 시스템은 에너지 밀도를 맞추기 위해 무거워질 수밖에 없는 배터리에 비해 에너지 밀도가 높고 경량화가 가능하여, 중장거리 UAM에 유리하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
수소 연료전지 시스템에 대한 연구 개발은 자동차, 특히, 주로 자율 자동차에 집중되고 있다. 하지만, 기존 자동차에 적용되는 수소 연료전지 시스템을 그대로 UAM에 적용하는 것은 여러 기술적 한계가 있다. 또한, UAM용 수소 연료전지 시스템 개발에 있어서, 비행 기체의 경량화와 에너지 효율 향상에 대한 충분한 고려가 이루어져할 것이다.
종래 자동차 등에 적용되는 연료전지 시스템은 연료전지 스택과 연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소 공급 시스템과 연료전지 스택에 수소와 반응하는 공기를 공급하는 공기 공급 시스템과 연료전지 스택이 수소와 공기가 반응을 통해 전기를 발생시키는 동안 연료전지 스택 등을 냉각시키는 열관리 시스템 등을 포함한다. 그리고, 이러한 연료전지 스택, 수소 송급 시스템, 공기 공급 시스템 및 열관리 시스템은 모두 자동차에만 설치된다.
위와 같은 종래의 연료전지 시스템은, 공기 공급 시스템의 일부로 공기 차단 밸브를 포함하고 연료 공급 시스템의 일부로 연료 차단 밸브를 포함하며, 연료전지 스택 미사용시 공기와 수소의 반응을 막도록 구성된다. 또한, 종래의 연료전지 시스템은, 열관리 시스템에 적용되는 냉각수가 연료전지 스택을 냉각시키는 동안 발생한 냉각수의 이온율을 관리할 수 있도록 이온 제거 필터를 포함한다.
종래의 연료전지 시스템은 자동차에 유리하게 적용될 수 있지만, UAM의 비행 기체에 적용될 경우, UAM 기체가 요구하는 경량성과 에너지 효율을 만족하기 어렵다.
등록번호 10-1795241(2017.11.01.) 공개번호 10-2021-0052662(2021.05.11.)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 연료전지 스택에 수소 및 공기를 공급하고 연료전지 스택을 냉각시키는데 필요한 구성들이 비행 기체와 그라운드 이큅먼트에 나누어 배치됨으로써, 비행 기체를 경량화하고, 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 UAM용 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따라, 비행 기체 및 그라운드 이큅먼트(ground equpemnts)를 포함하는 UAM(Urban Air Mobility) 시스템에 적용되는 UAM(Urban Air Mobility)용 연료전지 시스템은, 상기 비행 기체 내에 설치된 연료전지 스택; 상기 비행 기체가 운항하는 동안 상기 연료전지 스택에 수소를 공급하는 제1 수소 탱크; 상기 비행 기체가 운항하는 동안 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 내부 공기 공급부; 상기 그라운드 이큅먼트에 구비되며, 상기 비행 기체가 착륙하면 상기 제1 수소 탱크의 수소를 회수하고 상기 비행 기체가 이륙하기 전에 수소를 재충전하기 위한 제2 수소 탱크; 및 상기 그라운드 이큅먼트에 구비되며, 상기 비행 기체가 착륙하면 상기 내부 공기 공급부 내의 잔류 공기를 제거하고, 상기 비행 기체가 이륙하기 전에 설정된 상태의 공기를 상기 내부 공기 공급부로 공급하는 에어컨디셔너를 포함한다.
일실시예에 따라, 상기 UAM용 연료전지 시스템은, 상기 비행 기체 내에 설치되어, 상기 연료전지 스택이 발전하는 동안, 상기 연료전지 스택을 냉각시키는 내부 냉각수 순환라인과, 상기 그라운드 이큅먼트에 구비되어, 상기 비행 기체가 착륙하면, 상기 내부 냉각수 순환라인에 연결되어, 이온 함유율이 높은 냉각수를 이온 함유율이 낮은 냉각수로 교체하는 냉각수 교체부를 더 포함한다.
일실시예에 따라, 상기 냉각수 교체부는, 냉각수에 포함된 이온을 제거하는 이온 제거 필터와, 상기 비행 기체가 이륙하기 전에, 상기 연료전지 스택 또는 그 주변 온도에 따라 냉각수를 선택적으로 가열하는 히터를 더 포함한다.
일실시예에 따라, 상기 UAM용 연료전지 시스템은 상기 연료전지 스택에 수소를 분사하는 이젝터를 더 포함하고, 제1 수소 탱크와 상기 이젝터 사이의 수소 공급 관로에는 고압 밸브, 감압 밸브와 및 프로포셔닝 밸브(proportioning valve)가 차례로 배치되고, 상기 감압 밸브가 수소를 감압할 때 발생한 냉각열로 상기 연료전지 스택을 공냉시키는 팬 쿨러(fan cooler)를 더 포함한다.
일실시예에 따라, 상기 UAM용 연료전지 시스템은 상기 비행 기체의 착륙 직후에, 상기 에어컨디셔너를 통해 상기 내부 공기 공급부로 주입되는 불활성 가스가 저장되는 불활성 가스 저장부와, 상기 비행 기체의 이륙 직전에, 상기 에어컨디셔너를 통해 상기 내부 공기 공급부로 공급되는 공기를 압축하여 온도를 높이는 외부 컴프레서를 더 포함한다.
일실시예에 따라, 상기 비행 기체가 착륙한 상태에서 상기 제1 수소 탱크와 상기 제2 수소 탱크 사이를 연결하는 연결관로에는 상기 제1 수소 탱크로부터 상기 제2 수소 탱크로의 수소 회수와 상기 제2 수소 탱크로부터 상기 제1 수소 탱크로의 수소의 공급을 허용하는 양방향 밸브유닛이 설치되며, 상기 내부 공기 공급부는 공기 중의 이물질을 필터링하는 내부 에어 필터와, 공기를 압축하여 공기의 온도를 높이는 내부 컴프레서와, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기 중의 수분을 증가시키는 가습기를 포함하며, 상기 내부 냉각수 순환라인에는 내부 펌프가 설치되고, 상기 냉각수 교체부에는 외부 펌프가 설치된다.
본 발명에 따른 UAM용 연료전지 시스템은 연료전지 스택에 수소 및 공기를 공급하고 연료전지 스택을 냉각시키는데 필요한 구성들이 비행 기체와 그라운드 이큅먼트에 나누어 배치됨으로써, 비행 기체를 경량화하고, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 UAM용 연료전지 시스템은 비행 기체 측에 연료 차단 밸브를 생략할 수 있고, 비행 기체의 이착륙 전후에 그라운드 이큅먼트에서 수소 회수 및 공급을 관리할 수 있다.
본 발명에 따른 UAM용 연료전지 시스템은 비행 기체 측에서 이온 제거 필터를 생략할 수 있고, 비행 기체의 이착륙 전후에 그라운드 이큅먼트에서 냉각수의 이온 함율율 관리할 수 있다
본 발명에 따른 UAM용 연료전지 시스템은, 수소를 감압할 때 발생한 냉열을 연료전지 스택을 냉각시키는데 참여시키는 것에 의해, 비행 기체의 경량화에 기여한다.
본 발명은 그라운드 이큅먼트에 구비된 수소 탱크를 이용하여 비행 기체의 이착륙 전후에 수소를 비행 기체에 설치된 수소 탱크에서 수소를 회수하거나 또는 공급할 수 있다.
도 1은 그라운드 이큅먼트가 설치된 그라운드 스테이션과 비행 기체를 포함하는 UAM 시스템을 개념적으로 도시한 도면이고,
도 2는 도 1에 도시된 UAM 시스템에 적용될 수 있는 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다.
또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 본 발명의 기술적 사상과 관계없는 부분의 설명은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적인 실시예에서만 설명하고, 그 외의 다른 실시예에서는 대표적인 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하는 것을 의미할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 그라운드 이큅먼트가 설치된 그라운드 스테이션과, 비행 기체를 포함하는 UAM 시스템을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 UAM 시스템에 적용될 수 있는 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 UAM(Urban Air Mobility)용 연료 전지 시스템은, 비행 기체(100)와 그라운드 이큅먼트(200)를 포함하는 UAM(Urban Air Mobility)용 연료 전지 시스템에 적용된다. 도 2에는 그라운드 이큅먼트(200)가 그라운드 스테이션(G)에 설치되는 것으로 도시되었지만, 이는 하나의 예일 뿐이며, 본 발명의 그라운드 이큅먼트(200)는 연료전지 시스템 중 비행 기체(100)에 설치되지 않은 일부 구성들을 포함하여, 그 구성들이 비행 기체(100)에 설치된 연료전지 시스템의 주요 구성, 특히, 연료전지 파워팩에 포함된 구성과 협력하여, 발전을 할 수 있는 최상의 상태를 만들어주는데 기여하는 것이다.
또한, 상기 비행 기체(100) 내에는 연료전지 파워팩(100A)과 전기 추진 시스템(100B)이 구비된다.
본 실시예에 따른 UAM용 연료 전지 시스템은 상기 비행 기체(100) 내에 설치된 연료전지 스택(2)과, 상기 비행 기체(100)가 운항하는 동안 상기 연료전지 스택(2)에 수소(H2)를 공급하는 제1 수소 탱크(3)와, 상기 비행 기체(100)가 운항하는 동안 상기 연료전지 스택(2)에 공기를 공급하는 내부 공기 공급부(4)와, 상기 그라운드 이큅먼트(200)에 구비되며, 상기 비행 기체(100)가 착륙하면 상기 제1 수소 탱크(3)의 수소를 회수하고 상기 비행 기체(100)가 이륙하기 전에 수소를 재충전하기 위한 제2 수소 탱크(5)와, 상기 그라운드 이큅먼트(200)에 구비되며, 상기 비행 기체(100)가 착륙하면 상기 내부 공기 공급부(4) 내의 잔류 공기를 제거하고, 상기 비행 기체(100)가 이륙하기 전에 설정된 상태의 공기를 상기 내부 공기 공급부로 공급하는 에어컨디셔너(6)를 포함한다.
상기 비행 기체(100)가 운항하는 동안, 상기 비행 기체(100) 내에 설치된 연료전지 스택(2)으로 수소와 공기가 연속적으로 공급되며, 연료전지 스택(2)은 수소와 공기의 반응에 의해 전기를 발생시킨다. 발생된 전기는 비행 기체(100)에 구비된 전기 추진 시스템(100B)에 공급되어 비행 기체(100)가 하늘을 나는데 필요한 동력원으로 이용된다.
상기 제1 수소 탱크(3)는 상기 비행 기체(100) 내에 설치되며, 상기 연료전지 스택(2)으로 공급할 수소가 저장된다. 또한, 상기 연료전지 시스템은 상기 연료전지 스택(2)에 수소를 분사하는 이젝터(35)를 더 포함한다. 상기 제1 수소 탱크(3)와 상기 이젝터(35) 사이의 수소 공급 관로(31)에는 고압 밸브(32), 감압 밸브(33)와 및 프로포셔닝 밸브(proportioning valve)(34)가 차례로 포함하는 감압 밸브 수단이 제공된다. 여기에서, 상기 고압 밸브(32)는 1차 감압 기능과 더불어 제1 수소 탱크(3)를 개페하는 역할을 하고, 상기 감압 밸브(33)는, 수소 압력의 2차 감압시 냉열을 발생시키는 팽창밸브로서의 기능을 함으로써, 팬 쿨러(7)와 함께 연료전지 스택(2)을 공냉시키는 역할을 한다.
상기 팬 쿨러(7)는 수소의 2차 감압시 발생한 냉열에 의해 차가워진 공기를 연료전지 스택(2)에 송풍시키는 역할을 한다. 상기 프로포셔닝 밸브(34)는 감압된 수소를 상황에 따라 적절히 상기 이젝터(35)로 공급하고, 상기 이젝터(35)는 상기 연료전지 스택(2)에 수소를 넓게 분사시킨다.
한편, 상기 내부 공기 공급부(4)는, 상기 비행 기체(100)가 운항하는 동안 상기 연료전지 스택(2)에 상기 수소와 반응하여 전기를 발생시키는 공기를 공급한다. 상기 내부 공기 공급부(4)는 공기 공급 라인(41)과 및 공기 배출 라인(42)과, 상기 공기 공급 라인(41)에 설치되는 요소들로서, 공기 중의 이물질을 필터링하는 내부 에어 필터(43)와, 공기를 압축하여 공기의 온도를 높이는 내부 컴프레서(44)와, 상기 연료전지 스택(2)으로 공급되는 공기 중의 수분을 증가시키는 가습기(45)를 포함한다. 또한, 상기 공기 배출 라인(42)에는 쓰로틀 밸브(46)가 설치된다.
상기 내부 컴프레서(44)는 공기를 압축하여 공기의 온도를 높인다. 상기 내부 컴프레서(44)에 의해 공기가 압축되는 과정에서 공기 중의 수분이 증발하는데, 상기 가습기(45)는 수분을 보충하여 수분 보충된 공기가 연료전지 스택(2) 내로 들어가도록 해준다. 이는 건조한 공기가 연료전지 스택(2)으로 들어갈 경우 발생하는 연료전지 스택(2)의 손상을 막아준다. 자동차용으로 이용되었던 종래 연료전지 시스템의 경우, 시스템 운전 종료시에, 발전을 유발하는 공기 투입을 막기 위해 공기 차단 밸브가 설치되지만, 본 실시예에서는, 비행 기체(100) 내에서 공기 차단 밸브를 삭제하여, 비행 기체(100)의 경량화에 기여할 수 있다. 비행 기체(100)가 하늘을 나는 동안은 지속적으로 시스템이 운전해야 하므로, 공기 차단이 요구되지 않으며, 비행 기체(100)가 착륙하는 경우, 에어컨디셔너(6)를 이용해, 내부 공기 공급부(4)에 잔류하는 공기를 제거할 수 있으므로, 전술한 공기 차단 밸브의 생략이 가능해진다. 비행 기체(100)가 착륙한 상태에서의 잔여 공기 배출은 쓰로틀 밸브(46)가 설치된 공기 배출 라인(42)을 통해 이루어질 수 있다. 또한, 내부 공기 공급부(4)는 반응 후의 공기 중의 수분을 공기로부터 제거하는 워터 세퍼레이터(47)와 수분의 배출 관로 상에 설치된 퍼지 밸브(48) 등을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 UAM용 연료전지 시스템은 상기 비행 기체(100) 내에 설치되어, 상기 연료전지 스택(2)이 발전하는 동안, 상기 연료전지 스택(2)을 냉각시키는 내부 냉각수 순환라인(9)을 더 포함한다. 상기 내부 냉각수 순환라인(9)에는 냉각수를 순환시키는 내부 펌프(91)가 설치된다. 또한, 상기 내부 냉각수 순환라인(9)은 상기 팬쿨러(7)와 상기 연료전지 스택(2)을 통과하도록 설치된다. 위에서 언급한 바와 같이, 상기 팬 쿨러(7) 부근에서는 수소 감압에 의한 냉열이 발생하며, 팬쿨러(7)는 상기 냉열의 도움을 받아 냉각수를 냉각시킨다. 팬쿨러(7)를 통과하면서 냉각된 냉각수는 연료전지 스택(2)을 냉각시킬 수 있다.
연료전지 스택(2)의 발전에 의해 발생된 전기는 전기추진시스템(100B)에 공급되어 비행 기체(100)의 운항을 위한 동력원으로 이용된다. 본 실시예에서, 상기 전기추진시스템(100B)은 고전압/저전압 배터리들(191 또는 192)과, DC/DC 컨버터(193), 릴레이 회로(194), 인버터(195) 및 발전 전력으로 프로펠러 등을 회전시켜 추진력을 얻는 트랙션 모터(196) 등을 포함할 수 있다.
한편, 상기 제2 수소 탱크(5)는 상기 그라운드 이큅먼트(200)에 구비되는 것으로서, 상기 비행 기체(100)가 착륙하면, 상기 제1 수소 탱크(3)와 연결된다. 상기 비행 기체(100)가 착륙할 때, 제2 수소 탱크(5)와 상기 제1 수소 탱크(3)를 연결하는 방식은 공지의 방식으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 제1 수소 탱크(3)와 연결된 비행 기체(100) 측의 연장 관로와 상기 제2 수소 탱크(5)와 연결된 그라운드 이큅먼트(200) 측의 연장 관로를 각각 닫힌 상태에서 접속시키고 접속 후에는 연장 관로를 개방하여, 상기 제1 수소 탱크(3)와 상기 제2 수소 탱크(5)를 연결할 수 있다.
상기 비행 기체(100)가 착륙한 상태에서 상기 제1 수소 탱크(3)와 상기 제2 수소 탱크 사이(5)를 연결하는 연결관로(51)에는 상기 제1 수소 탱크(3)로부터 상기 제2 수소 탱크(5)로의 수소 회수와 상기 제2 수소 탱크(5)로부터 상기 제1 수소 탱크(3)로의 수소의 공급을 선택적으로 허용하는 양방향 밸브유닛(52)이 설치된다. 상기 양방향 밸브유닛(52)은 일방향으로의 수소 흐름과 및 반대 방향으로의 수소 흐름 차단 기능이 선택적으로 활성화되는 전자식 체크밸브를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제2 수소 탱크(5)의 용량이 상기 제1 수소 탱크(3)의 용량보다 큰 것이 바람직하다.
상기 비행 기체(100)가 착륙하면, 상기 양방향 밸브유닛(52)이 작동하여, 상기 제1 수소 탱크(3)의 수소가 상기 제2 수소 탱크(5)로 회수되며, 이에 따라, 착륙 후에는, 연료전지 스택(2)으로의 수소 공급을 막을 수 있고, 상기 비행 기체(100)가 이륙하기 직전에, 상기 양방향 밸브 유닛(52)이 작동하여, 상기 제2 수소 탱크(5)로부터 상기 제1 수소 탱크(3)로 수소의 공급이 이루어진다.
상기 에어컨디셔너(6)는 상기 그라운드 이큅먼트(200)에 구비되며, 상기 비행 기체(100)가 착륙하면 상기 내부 공기 공급부(4) 내의 잔류 공기를 제거하고, 상기 비행 기체(100)가 이륙하기 전에 설정된 상태의 공기를 상기 내부 공기 공급부(4)로 공급한다.
또한, 상기 에어컨디셔너(6)는 연결 라인(61)에 의해 상기 내부 공기 공급부(4)의 공기 공급 라인(41)에 접속된다. 상기 비행 기체(100)가 착륙한 때에, 상기 내부 공기 공급부(4)의 공기 공급 라인(41)과 연결 라인(61)을 연결하는 방식은 공지의 방식을 따를 수 있다. 예컨대, 공기 공급 라인(41)의 연장 라인과 연결 라인(61)이 닫힌 상태에서 접속되고 공기 공급 라인(41)의 연장 라인과 연결 라인(61)이 개방되는 방식으로 접속이 이루어질 수 있다.
또한, 상기 에어컨디셔너(6)는 불활성 가스가 저장된 불활성 가스 저장부(62)와 연결되어, 상기 비행 기체(100)의 착륙 직후에, 불활성 가스를 상기 내부 공기 공급부(4) 주입하며, 이에 의해, 상기 내부 공기 공급부(4)에 잔류하는 공기를 내부 공기 공급부(4)에서 제거한다. 이때, 잔류 공기는 쓰로틀 밸브(46)가 설치된 공기 배출 라인(42)을 통해 배출된다. 상기 내부 공기 공급부(4)의 잔류 공기가 불활성 가스에 밀려 외부로 배출되므로, 착륙 후에는 연료전지 스택(2)으로 더 이상 공기가 공급되지 않아 연료전지 스택(2)에서의 발전을 멈출 수 있다. 자동차에 이용되는 자동차용 연료전지 시스템의 경우, 공기 차단 밸브가 별도로 필요하지만, 본 발명은 공기 차단 밸브가 생략될 수 있으며, 따라서, 비행 기체(100)의 경량화가 가능하다.
또한, 상기 그라운드 이큅먼트(200)에는 상기 에어컨디셔너(6)와 연결된 외부 공기 필터(63)와 외부 컴프레서(64)가 제공된다. 상기 에어컨디셔너(6)는, 상기 비행 기체(100)가 이륙하기 직전에, 상기 외부 공기 필터(63)에 의해 정화되고 외부 컴프레서(64)에 의해 압축되어 온도가 상승한 압축 공기를 내부 공기 공급부(4)로 공급한다. 이때, 내부 공기 공급부(4)로 공급된 공기는 연료전지 스택(2)에서의 발전 조건에 맞추어진 상태로 조화된 공기이다. 따라서, 상기 비행 기체(100)가 이륙할 시점에, 상기 연료전지 스택(2)으로 최적의 상태로 세팅된 공기가 공급될 수 있어서, 상기 제2 수소 탱크(5) 및 제1 수소 탱크(3)를 거쳐 공급된 수소와 에어컨디셔너(6)를 통해 공급된 공기에 의해 바로 발전이 가능한 상태가 될 수 있다.
또한, 상기 그라운드 이큅먼트(200)에는 냉각수 교체부(7)가 구비된다. 상기 냉각수 교체부(7)는 상기 비행 기체(100)가 착륙하면, 상기 내부 냉각수 순환라인(9)에 연결되어, 이온 함유율이 높은 냉각수를 이온 함유율을 낮춘 냉각수 교체한다.
상기 냉각수 교체부(7)는 냉각수에 포함된 이온을 제거하는 이온 제거 필터(71)와, 상기 비행 기체(100)가 이륙하기 전에, 상기 연료전지 스택(2) 또는 그 주변 온도에 따라 냉각수를 선택적으로 가열하는 히터(72)를 포함한다. 상기 비행 기체(100)가 운항하는 동안 연료전지 스택(2)의 냉각에 참여한 냉각수에는 다량의 이온이 포함된다. 비행 기체(100)가 착륙하면, 냉각수가 냉각수 교체부(7)에 구비된 냉각수 탱크(미도시함)로 회수되며, 냉각수가 회수되는 과정에서 외부 냉각수 라인(73)에 설치된 이온 제거 필터(71)에 의해 냉각수에 포함된 이온이 감소된다. 또한, 비행 기체(100)가 이륙하기 직전에는 외부 냉각수 라인(73)에 설치된 히터(72)가 작동하여 냉각수를 가열할 수 있다. 예컨대, 동절기에는 히터(72)가 냉각수 온도를 적정 작동 온도까지 상승시켜 냉각수 순환 라인(9)에 공급한다. 특히, 동절기에는 연료전지 스택(2)이 차가우며, 이와 같은 조건 하에서는 발전 효율이 떨어지고 손상이 있을 수 있는데, 히터(72)에 의해 미리 가열된 냉각수가 히터(72)의 온도를 올림으로써, 동절기 연료전지 스택(2)의 발전 효율이 떨어지거나 손상되는 것을 막을 수 있다. 이온 제거 필터(71)가 비행 기체(100) 내부가 아닌 그라운드 이큅먼트(200)에 구비됨으로써, 비행 기체(100)의 경량화에 기여할 수 있다. 외부 펌프(76)가 구동하면, 삼방밸브(75)를 포함하는 복수개의 밸브들에 의해, 냉각수가 그라운드 이큅먼트(200) 내 냉각수 교체부(7) 내에서만 순환할 수도 있고, 냉각수 교체부(7)의 냉각수가 비행 기체(100)에 설치된 냉각수 순환 라인(9)에 공급될 수도 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
2: 연료전지 스택 3: 제1 수소 탱크
4: 내부 공기 공급부 5: 제2 수소 탱크
6: 에어컨디셔너 100: 비행 기체
200: 그라운드 이큅먼트

Claims (6)

  1. 비행 기체 및 그라운드 이큅먼트(ground equpemnts)을 포함하는 UAM(Urban Air Mobility) 시스템에 적용되는 UAM(Urban Air Mobility)용 연료전지 시스템에 있어서:
    상기 비행 기체 내에 설치된 연료전지 스택;
    상기 비행 기체가 운항하는 동안 상기 연료전지 스택에 수소를 공급하는 제1 수소 탱크;
    상기 비행 기체가 운항하는 동안 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 내부 공기 공급부;
    상기 그라운드 이큅먼트에 구비되며, 상기 비행 기체가 착륙하면 상기 제1 수소 탱크의 수소를 회수하고 상기 비행 기체가 이륙하기 전에 수소를 재충전하기 위한 제2 수소 탱크; 및
    상기 그라운드 이큅먼트에 구비되며, 상기 비행 기체가 착륙하면 상기 내부 공기 공급부 내의 잔류 공기를 제거하고, 상기 비행 기체가 이륙하기 전에 설정된 상태의 공기를 상기 내부 공기 공급부로 공급하는 에어컨디셔너를 포함하는 것을 특징으로 하는 UAM용 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 비행 기체 내에 설치되어, 상기 연료전지 스택이 발전하는 동안, 상기 연료전지 스택을 냉각시키는 내부 냉각수 순환라인과;
    상기 그라운드 이큅먼트에 구비되며, 상기 비행 기체가 착륙하면, 상기 내부 냉각수 순환라인에 연결되어, 이온 함유율이 높은 냉각수를 이온 함유율이 낮은 냉각수로 교체하는 냉각수 교체부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 UAM용 연료전지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 냉각수 교체부는,
    냉각수에 포함된 이온을 제거하는 이온 제거 필터와;
    상기 비행 기체가 이륙하기 전에, 상기 연료전지 스택 또는 그 주변 온도에 따라 냉각수를 선택적으로 가열하는 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 UAM용 연료전지 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 연료전지 스택에 수소를 분사하는 이젝터를 더 포함하고, 제1 수소 탱크와 상기 이젝터 사이의 수소 공급 관로에는 고압 밸브, 감압 밸브와 및 프로포셔닝 밸브(proportioning valve)가 차례로 배치되고, 상기 감압 밸브가 수소를 감압할 때 발생한 냉각열로 상기 연료전지 스택을 공냉시키는 팬 쿨러(fan cooler)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 UAM용 연료전지 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 비행 기체의 착륙 직후에, 상기 에어컨디셔너를 통해 상기 내부 공기 공급부로 주입되는 불활성 가스가 저장되는 불활성 가스 저장부와;
    상기 비행 기체의 이륙 직전에, 상기 에어컨디셔너를 통해 상기 내부 공기 공급부로 공급되는 공기를 압축하여 온도를 높이는 외부 컴프레서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 UAM용 연료전지 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 비행 기체가 착륙한 상태에서 상기 제1 수소 탱크와 상기 제2 수소 탱크 사이를 연결하는 연결관로에는 상기 제1 수소 탱크로부터 상기 제2 수소 탱크로의 수소 회수와 상기 제2 수소 탱크로부터 상기 제1 수소 탱크로의 수소의 공급을 허용하는 양방향 밸브유닛이 설치되며, 상기 내부 공기 공급부는 공기 중의 이물질을 필터링하는 내부 에어 필터와, 공기를 압축하여 공기의 온도를 높이는 내부 컴프레서와, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기 중의 수분을 증가시키는 가습기를 포함하며, 상기 내부 냉각수 순환라인에는 내부 펌프가 설치되고, 상기 냉각수 교체부에는 외부 펌프가 설치되는 것을 특징으로 하는 UAM용 연료전지 시스템.
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