KR102590291B1 - 연료전지를 사용하는 드론 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 드론본체; 상기 드론본체에 프로펠러 각각을 회전시키도록 마련되는 다수의 구동모터; 상기 구동모터의 구동에 필요한 전원을 제공하는 연료전지; 상기 연료전지의 구동에 필요한 수소를 공급하는 수소공급부; 및 상기 연료전지의 구동에 필요한 산소를 공급하는 산소공급부;를 포함하도록 한 연료전지를 사용하는 드론에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 연료전지의 사용으로 인해 비행 시간을 연장할 수 있도록 하여, 비행 목적의 달성에 도움을 줄 수 있고, 이로 인해 다양한 용도로 활용할 수 있도록 할 수 있으며, 연료전지의 전력 발생 효율을 높이도록 함으로써, 기존 연료전지 사용 드론에 비하여 보다 장시간 비행 및 활용이 가능하도록 하고, 높은 과전압이 인가되는 수전해 반응에서 물-탄소 반응에 의한 부식을 방지할 수 있도록 함으로써, 내구성이 뛰어나도록 하는 효과를 가진다.
본 발명에 따르면, 연료전지의 사용으로 인해 비행 시간을 연장할 수 있도록 하여, 비행 목적의 달성에 도움을 줄 수 있고, 이로 인해 다양한 용도로 활용할 수 있도록 할 수 있으며, 연료전지의 전력 발생 효율을 높이도록 함으로써, 기존 연료전지 사용 드론에 비하여 보다 장시간 비행 및 활용이 가능하도록 하고, 높은 과전압이 인가되는 수전해 반응에서 물-탄소 반응에 의한 부식을 방지할 수 있도록 함으로써, 내구성이 뛰어나도록 하는 효과를 가진다.
Description
본 발명은 드론에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지의 전력 발생 효율을 높이도록 함으로써, 보다 장시간 비행 및 활용이 가능하도록 하고, 연료전지의 수전해용으로 사용 전환이 가능한 연료전지를 사용하는 드론에 관한 것이다.
일반적으로, 드론은 무선통신 방식을 통해 원격 제어되고, 군사용으로 개발되어 단순한 사격연습에 사용되었으나, 전자 통신기술의 지속적 발전에 따라 군사용 뿐만 아니라, 그 이외의 다양한 분야로 확대 보급되고 있다. 예컨대 드론은 사람이 쉽게 접근할 수 없는 각종 재해나 사고지역 또는 정글이나 오지 또는 화산지역 등으로 투입되어, 현장의 상황파악이나 인명구조 또는 방송용 영상을 얻기 위하여 사용되기도 하고, 배송회사에서 물품수송의 상업적 목적으로 운용하거나, 감시카메라를 대신하는 보안 및 관제서비스에 적용되기도 한다.
최근에는 드론의 일반화에 따라 개인들도 취미생활을 목적으로 드론을 구입하기도 한다. 이러한 드론의 일반적인 구성은 양력을 출력하는 다수의 팬과, 팬에 전력을 공급하는 배터리와 제어부로 이루어진다. 팬은 배터리로부터 공급된 전력에 의해 회전력을 발생하는 모터와, 모터의 구동축에 고정되는 프로펠러로 구성된다. 이러한 드론의 운용에 있어서 가장 중요시 되는 것 중 하나는 장시간의 운용이 가능한지 여부이다. 현재 시중에서 사용되는 대부분의 드론은 비행시간이 길지 않다. 이는 여러 개의 프로펠러를 구동하는데 많은 전력이 소모되기 때문이다.
이를 개선하기 위하여 연료전지를 사용하는 드론이 개발되어 사용되고 있는데, 이와 관련되는 종래 기술로서, 한국등록특허 제10-2287434호의 "수소 연료전지 드론"이 제시된 바 있는데, 이는 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 포함한다.
그러나, 이러한 종래 기술은, 연료전지스택의 배치 구조가 효율적이지 못하여 연료전지스택의 안정적인 설치, 유지 및 관리가 불편하고, 연료전지스택의 효율성을 높일 필요가 있음에도 이에 대한 개선책이 제시되어 있지 않다는 문제점을 가지고 있다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 연료전지의 사용으로 인해 비행 시간을 연장할 수 있도록 하여, 비행 목적의 달성에 도움을 주고, 이로 인해 다양한 용도로 활용할 수 있도록 하며, 연료전지의 전력 발생 효율을 높이도록 함으로써, 기존 연료전지 사용 드론에 비하여 보다 장시간 비행 및 활용이 가능하도록 하고, 높은 과전압이 인가되는 수전해 반응에서 물-탄소 반응에 의한 부식을 방지할 수 있도록 함으로써, 내구성이 뛰어나도록 하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시례에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 드론본체; 상기 드론본체에 프로펠러 각각을 회전시키도록 마련되는 다수의 구동모터; 상기 구동모터의 구동에 필요한 전원을 제공하는 연료전지; 상기 연료전지의 구동에 필요한 수소를 공급하는 수소공급부; 및 상기 연료전지의 구동에 필요한 산소를 공급하는 산소공급부;를 포함하고, 상기 연료전지는, 제 1 수소주입홀과 제 1 산소주입홀이 각각 마련되는 제 1 엔드플레이트; 상기 제 1 엔드플레이트의 후측에 밀착되고, 접속을 위한 제 1 전극이 마련되며, 상기 제 1 수소주입홀과 상기 제 1 산소주입홀 각각에 연결되는 제 2 수소주입홀과 제 2 산소주입홀이 형성되는 수소극집전판; 상기 제 1 엔드플레이트와 상기 수소극집전판에 마련되고, 상기 제 1 산소주입홀을 통해서 주입되는 수소가 상기 수소극집전판에 분산되도록 하는 수소분산부; 상기 수소극집전판의 후측에 밀착되고, 상기 수소분산부에 의해 수소가 분산되어 접하도록 전후로 노출되는 제 1 가스디퓨전레이어가 마련되며, 상기 제 2 수소주입홀과 상기 제 2 산소주입홀 각각에 연결되는 제 3 수소주입홀과 제 3 산소주입홀이 형성되는 제 1 가스켓; 상기 제 1 가스켓의 후측에 밀착되고, 양이온을 투과시키며, 전면에 수소극 촉매를 가지고, 후면에 산소극 촉매를 가지며, 상기 제 3 수소주입홀 및 상기 제 3 산소주입홀 각각에 연결되는 제 4 수소주입홀 및 제 4 산소주입홀이 형성되는 막전극접합체; 상기 막전극접합체의 후측에 밀착되고, 전후로 노출되는 제 2 가스디퓨전레이어를 가지며, 상기 제 4 수소주입홀 및 상기 제 4 산소주입홀 각각에 연결되는 제 5 수소주입홀 및 상기 제 5 산소주입홀이 형성되는 제 2 가스켓; 상기 제 2 가스켓 후측에 밀착되고, 접속을 위한 제 2 전극이 마련되며, 상기 제 5 수소주입홀 및 상기 제 5 산소주입홀 각각에 연결되는 제 6 수소주입홀 및 제 6 산소주입홀이 형성되는 산소극집전판; 상기 산소극집전판 후측에 밀착되고, 상기 제 6 수소주입홀 및 제 6 산소주입홀 각각에 연결되는 제 7 수소주입홀 및 제 7 산소주입홀이 형성되는 제 2 엔드플레이트; 및 상기 제 2 엔드플레이트와 상기 산소극집전판에 마련되고, 상기 제 6 산소주입홀을 통해서 주입되는 산소가 상기 제 2 가스디퓨전레이어에 분산되도록 하는 산소분산부;를 포함하고, 상기 연료전지는, 상기 제 1 또는 제 7 산소주입홀을 통해 물을 주입함과 아울러, 상기 제 1 및 제 2 전극을 통해 전원을 공급함으로써, 수소와 산소를 발생시키도록 하는 수전해 반응용으로도 사용이 가능한, 연료전지를 사용하는 드론이 제공된다.
상기 연료전지는, 상기 제 2 엔드플레이트의 후측에 상기 수소극집전판, 상기 제 1 가스켓, 상기 막전극접합체, 상기 제 2 가스켓, 상기 산소극집전판, 상기 제 2 엔드플레이트가 후측으로 연속해서 적어도 하나 이상 반복되도록 마련되되, 제 2 엔드플레이트의 후측에 제 1 가스켓이 접할 경우, 서로 접하는 제 2 엔드플레이트와 상기 제 1 가스켓에 상기 수소분산부가 마련될 수 있다.
상기 수소분산부는, 상기 수소극집전판에 전.후측으로 개방되도록 형성되고, 상기 제 2 수소주입홀에 연결되어 상기 수소극집전판에 수소의 분산을 위한 경로를 제공하는 제 1 분산경로; 및 상기 제 1 엔드플레이트의 후면에 상기 제 1 분산경로에 일치하도록 형성되는 제 1 분산홈;을 포함하고, 상기 산소분산부는, 상기 산소극집전판에 전.후측으로 개방되도록 다수의 홀로 형성되는 제 2 분산경로; 및 상기 제 2 엔드플레이트의 전면에 상기 제 7 산소주입홀에 연결되어 상기 제 2 분산경로에 산소를 분사키도록 상기 홀 각각에 대응하는 돌기가 내측에 다수로 형성되는 제 2 분산홈;을 포함할 수 있다.
상기 산소극 촉매는, 물 배출과 산소 버블 배출이 용이하도록 티타늄 파우더 담지체를 사용하고, 상기 티타늄 파우더 담지체는, 촉매 물질에 해당하는 백금, 이리듐, 루테늄, 백금-이리듐합금 및 백금-루테늄합금 중에서 적어도 하나 이상을 담지할 수 있다.
상기 드론본체는, 하측에 지면에의 설치를 위해 한 쌍의 지지대 각각이 서로 이격되도록 마련되고, 상기 지지대 사이에 위치하여 상기 연료전지가 적재되는 연료전지적재부가 상기 지지대 각각의 수평부분에 수평끼움부에 의해 끼워짐으로써 고정되며, 상기 지지대 각각에 설치되는 수소공급부적재부 각각이 상기 지지대의 수직부분과 수평부분에 수직끼움부 및 수평끼움부에 의해 각각 끼워짐으로써 고정되고, 상기 산소공급부는, 상기 연료전지의 양측에 위치하여 상기 연료전지적재부 내에 각각 장착되는 송풍부 및 흡입부를 포함하고, 상기 송풍부가 상기 연료전지에 공기를 송풍하도록 하고, 상기 흡입부가 상기 연료전지로부터 물과 함께 공기를 배출시키도록 흡입할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지를 사용하는 드론에 의하면, 연료전지의 사용으로 인해 비행 시간을 연장할 수 있도록 하여, 비행 목적의 달성에 도움을 줄 수 있고, 이로 인해 다양한 용도로 활용할 수 있도록 할 수 있으며, 연료전지의 전력 발생 효율을 높이도록 함으로써, 기존 연료전지 사용 드론에 비하여 보다 장시간 비행 및 활용이 가능하도록 할 수 있고, 높은 과전압이 인가되는 수전해 반응에서 물-탄소 반응에 의한 부식을 방지할 수 있도록 함으로써, 내구성이 뛰어나도록 하는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 연료전지를 사용하는 드론을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 연료전지를 사용하는 드론을 다른 방향에서 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 연료전지를 사용하는 드론의 연료전지를 분해하여 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 연료전지를 사용하는 드론의 연료전지를 분해하여 다른 방향에서 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시례에 따른 연료전지를 사용하는 드론의 연료전지에 대한 수전해 모드에서의 반응과 연료전지 모드에서의 반응을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 연료전지를 사용하는 드론을 다른 방향에서 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 연료전지를 사용하는 드론의 연료전지를 분해하여 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 연료전지를 사용하는 드론의 연료전지를 분해하여 다른 방향에서 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시례에 따른 연료전지를 사용하는 드론의 연료전지에 대한 수전해 모드에서의 반응과 연료전지 모드에서의 반응을 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 연료전지를 사용하는 드론을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 연료전지를 사용하는 드론을 다른 방향에서 도시한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시례에 따른 연료전지를 사용하는 드론(10)은 드론본체(100), 구동모터(200), 연료전지(300), 수소공급부(400) 및 산소공급부(510,520)를 포함할 수 있다.
드론본체(100)는 중심부로부터 다수의 갈래로 분기되는 분기부(110)가 형성될 수 있고, 분기부(110) 각각에 구동모터(미도시)가 수용됨으로써 분기부(110) 마다 프로펠러(200)가 회전 구동 가능하게 설치될 수 있다. 드론본체(100)는 자율 비행이나 자율 자세 유지에 필요한 속도, 가속도, 자세 등의 정보를 획득하기 위한 속도센서, 가속도센서 등의 감지부, 위치정보를 산출하기 위한 GPS, 외부의 조정기와의 무선 통신을 수행하기 위한 무선통신부, 그리고, 조정기의 조작신호에 따른 구동모터(미도시) 각각에 대한 제어를 수행하는 제어부 등이 마련될 수 있다.
드론본체(100)는 하측에 지면에의 설치를 위해 한 쌍의 지지대(120) 각각이 서로 이격되도록 마련될 수 있고, 지지대(120) 사이에 위치하여 연료전지(300)가 적재되는 연료전지적재부(130)가 지지대(120) 각각의 수평부분에 수평끼움부(131)에 의해 끼워짐으로써 고정될 수 있으며, 지지대(120) 각각에 설치되는 수소공급부적재부(140) 각각이 지지대(120)의 수직부분과 수평부분에 수직끼움부(141) 및 수평끼움부(142)에 의해 각각 끼워짐으로써 고정될 수 있다. 여기서, 수평끼움부(131,142) 및 끼움부(141)는 휨에 대한 복원력을 가지는 재질로 이루어져서 끼움 이후 복원력에 의해 고정력을 발휘하도록 구성될 수 있고, 보다 견고한 고정을 위하여, 추가로 볼팅 등의 방법에 의해, 지지대(120)에 착탈 가능하게 고정될 수도 있다.
구동모터(200)는 드론본체(100)에 프로펠러(200) 각각을 회전시키도록 마련되는데, 본 실시례에서처럼 분기부(110) 마다 내측에 수직되게 수용될 수 있고, 분기부(110)로부터 상측으로 돌출되는 회전축에 프로펠러(200)가 각각 고정됨으로써, 프로펠러(200)의 회전에 의해, 비행 및 방향전환에 필요한 추진력을 발생시킬 수 있다.
연료전지(300)는 구동모터(200)의 구동에 필요한 전원을 제공하도록 하는데, 이에 대해서는 도면을 참조하여 후술하기로 한다.
수소공급부(400)는 연료전지(300)의 구동에 필요한 연료로서 수소를 공급하도록 한다. 수소공급부(400)는 예컨대 수소저장합금으로 이루어질 수 있으나, 이에 반드시 한하는 것은 아니며, 수소를 다양한 방식으로 저장하도록 구성될 수 있다.
산소공급부(510,520)는 연료전지의 구동에 필요한 산소를 공급하도록 하는데, 이를 위해, 일례로, 연료전지(300)의 양측에 각각 위치하여 연료전지적재부(130) 내에 각각 장착되는 송풍부(510) 및 흡입부(520)를 포함할 수 있고, 송풍부(510)가 연료전지(300)에 공기를 송풍하도록 하고, 흡입부(520)가 연료전지(510)로부터 물과 함께 공기를 배출시키도록 흡입할 수 있다. 송풍부(510) 및 흡입부(520)는 송풍력 및 흡입력 각각이 집중되는 파이프를 사용하여 연료전지에 공기의 주입 및 배출을 가능하도록 할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 연료전지(300)는 예컨대, 가장 기본적으로 제 1 엔드플레이트(310), 수소극집전판(320), 수소분산부(331,332), 제 1 가스켓(340), 막전극접합체(350), 제 2 가스켓(360), 산소극집전판(370), 제 2 엔드플레이트(380) 및 산소분산부(391,392)를 포함할 수 있다.
제 1 엔드플레이트(310)는 제 1 수소주입홀(311)과 제 1 산소주입홀(312)이 각각 마련될 수 있다. 여기서, 제 1 수소주입홀(311)은 수소공급부(400)로부터 유량조절부(410)에 의해 유량이 조절된 수소를 수소공급튜브(미도시)를 통해서 공급받도록 구성될 수 있다. 여기서 유량조절부(410)는 제어부(미도시)에 의해 제어되는 유량조절밸브가 사용될 수 있다. 제 1 엔드플레이트(310)는 강도 유지 및 경량화를 위하여, 아크릴 재질이나 이에 유사한 경금속 또는 다양한 합성수지 재질이 사용될 수 있다.
수소극집전판(320)은 제 1 엔드플레이트(310)의 후측에 밀착되고, 접속을 위한 제 1 전극(323)이 마련될 수 있으며, 제 1 수소주입홀(311)과 제 1 산소주입홀(312) 각각에 연결되는 제 2 수소주입홀(321)과 제 2 산소주입홀(322)이 형성될 수 있다. 수소극집전판(320)은 전기 전도성을 위하여, 동판을 비롯하여 이와 유사한 성질의 금속판이 사용될 수 있다. 여기서, 후측은 연료전지(300)의 각 구성들이 배열되는 방향을 기준으로 전단과 후단으로 구분될 경우, 후단을 향하는 후방측을 의미할 수 있으며, 이하의 모든 실시례에 적용될 수 있다. 또한 밀착은 기밀되도록 밀착됨을 의미할 수 있고, 이를 위해 본 실시례에서처럼 가장자리를 따라 다수의 볼트와 너트를 사용하여 서로 밀착되게 고정되도록 구성될 수 있고, 이에 한하지 않고, 브라켓 등을 사용하여 서로 간에 밀착된 상태를 유지하도록 구성될 수 있다
수소분산부(331,332)는 제 1 엔드플레이트(310)와 수소극집전판(320)에 마련될 수 있고, 제 1 산소주입홀(312)을 통해서 주입되는 수소가 수소극집전판(320)에 분산되도록 한다. 수소분산부(330)는 예컨대, 본 실시례에서처럼, 수소극집전판(320)에 전.후측으로 개방되도록 형성될 수 있고, 제 2 수소주입홀(321)에 연결되어 수소극집전판(320)에 수소의 분산을 위한 경로를 제공하는 제 1 분산경로(331)와, 제 1 엔드플레이트(310)의 후면에 제 1 분산경로(331)에 일치하도록 형성되는 제 1 분산홈(332)을 포함할 수 있다. 제 1 분산경로(331)와 제 1 분산홈(332)은 본 실시례에서처럼 지그재그 형태를 가질 수 있으나, 이에 반드시 한하는 것은 아니며, 분사에 적합한 다양한 경로를 가질 수 있다.
제 1 가스켓(340)은 수소극집전판(320)의 후측에 밀착될 수 있고, 수소분산부(330)에 의해 수소가 분산되어 접하도록 전후로 노출되는 제 1 가스디퓨전레이어(gas diffusion layer; 341)가 마련될 수 있으며, 제 2 수소주입홀(321)과 제 2 산소주입홀(322) 각각에 연결되는 제 3 수소주입홀(342)과 제 3 산소주입홀(343)이 형성될 수 있다. 제 1 가스켓(340)은 일례로 본 실시례에서처럼 제 1 가스디퓨전레이어(341)를 제외한 가장자리 부분이 실리콘이나 고무 등의 실링이 가능한 재질로 이루어질 수 있고, 제 1 가스디퓨젼레이저(341)가 카본페이퍼를 비롯하여, 전자의 전달 내지 전도성을 가지는 다양한 재질로 이루어질 수 있음은 물론이다.
막전극접합체(350)는 제 1 가스켓(340)의 후측에 밀착되고, 양이온을 투과시키며, 전면에 수소극 촉매(351)를 가지고, 후면에 산소극 촉매(352)를 가지며, 제 3 수소주입홀(342) 및 제 3 산소주입홀(343) 각각에 연결되는 제 4 수소주입홀(353) 및 제 4 산소주입홀(354)이 형성될 수 있다. 여기서 전면과 후면 각각은 앞서 설명한 바와 같이, 연료전지(300)의 각 구성들이 배열되는 방향을 기준으로 전방을 향하는 면과 후방을 향하는 면을 의미할 수 있다. 여기서, 수소극 촉매(351)는 촉매의 전극재료로서, 카본블랙상의 백금(Pt) 입자의 코팅으로 형성되도록 구성될 수 있다.
산소극 촉매(352)는 물 배출과 산소 버블 배출이 용이하도록 티타늄 파우더 담지체를 사용할 수 있는데, 티타늄 파우더 담지체는 촉매 물질에 해당하는 백금, 이리듐, 루테늄, 백금-이리듐합금 및 백금-루테늄합금 중에서 적어도 하나 이상을 담지할 수 있다. 산소극 촉매(352)는 티타늄 파우더 담지체와 물리적으로 혼합되어 담지되고, 나피온 아이오노머 바인더(Nafion sol)를 이용한 촉매 슬러리 제조 과정에서 일체의 카본물질이 배제되도록 제조될 수 있다. 촉매 물질은 나노(nano) 또는 마이크로(micro) 사이즈일 수 있고, 티타늄 파우더 담지체는 촉매 물질 크기의 5 ~ 200배 크기일 수 있다. 티타늄 파우더 담지체와 물리적으로 혼합되어 촉매층을 형성할 때, 티타늄 파우더 담지체에 대한 촉매 물질의 담지량이 01~1mg/cm2임과 아울러, 티타늄 파우더 담지체의 전체 중량에 대하여 50~99 중량%일 수 있다.
제 2 가스켓(360)은 막전극접합체(350)의 후측에 밀착될 수 있고, 전후로 노출되는 제 2 가스디퓨전레이어(361)를 가질 수 있으며, 제 4 수소주입홀(353) 및 제 4 산소주입홀(354) 각각에 연결되는 제 5 수소주입홀(362) 및 제 5 산소주입홀(363)이 형성될 수 있다. 제 2 가스켓(360)은 일례로 본 실시례에서처럼 제 2 가스디퓨전레이어(361)를 제외한 가장자리 부분이 실리콘이나 고무 등의 실링이 가능한 재질로 이루어질 수 있고, 제 2 가스디퓨젼레이저(361)가 카본페이퍼를 비롯하여, 전자의 전달 내지 전도성을 가지는 다양한 재질로 이루어질 수 있음은 물론이다.
산소극집전판(370)은 제 2 가스켓(360) 후측에 밀착될 수 있고, 접속을 위한 제 2 전극(373)이 마련될 수 있으며, 제 5 수소주입홀(362) 및 제 5 산소주입홀(363) 각각에 연결되는 제 6 수소주입홀(371) 및 제 6 산소주입홀(372)이 형성될 수 있다. 산소극집전판(370)은 예컨대, 전기 전도성을 위하여, 동판을 비롯하여 이와 유사한 성질의 금속판이 사용될 수 있다.
제 2 엔드플레이트(380)는 산소극집전판(370) 후측에 밀착될 수 있고, 제 6 수소주입홀(371) 및 제 6 산소주입홀(372) 각각에 연결되는 제 7 수소주입홀(381) 및 제 7 산소주입홀(382)이 형성될 수 있다. 또한 제 2 엔드플레이트(380)는 강도 유지 및 경량화를 위하여, 아크릴 재질이나 이에 유사한 경금속 또는 다양한 합성수지 재질이 사용될 수 있다.
산소분산부(391,392)는 제 2 엔드플레이트(380)와 산소극집전판(370)에 마련될 수 있고, 제 6 산소주입홀(371)을 통해서 주입되는 산소가 제 2 가스디퓨전레이어(361)에 분산되도록 할 수 있다. 산소분산부(391,392)는 예컨대, 본 실시례에서처럼, 산소극집전판(370)에 전.후측으로 개방되도록 다수의 홀로 형성되는 제 2 분산경로(391)와, 제 2 엔드플레이트(380)의 전면에 제 7 산소주입홀(382)에 연결되어 제 2 분산경로(391)에 산소를 분사키도록 홀 각각에 대응하는 돌기(393)가 내측에 다수로 형성되는 제 2 분산홈(392)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 2 분산경로(391)는 서로 직경 내지 폭을 달리하는 홀이 2차원적으로 배열되도록 형성됨으로써 산소가 제 2 가스디퓨전레이어(361) 측으로 분산되도록 할 수 있다. 제 2 분산홈(392)은 내측에 다수의 돌기(393)가 형성됨으로써 제 7 산소주입홀(382)을 통한 산소가 제 2 분사경로(391)의 홀 측으로 분산되도록 가이드하게 된다.
연료전지(300)는 상기한 구성들이 다수로 배열되도록 구성됨으로써, 다수의 셀(cell)로 이루어질 수 있는데, 도 3 및 도 4에서는 이해를 돕기 위하여 2개의 셀로 이루어짐을 예시적으로 나타낸다. 연료전지(300)는 다수의 셀로 이루어질 경우, 중간에 개재되는 엔드플레이트, 예컨대 제 2 엔드플레이트(380)는 셀(cell)을 서로 연결시키는 역할을 하게 되는데, 이를 위해, 제 2 엔드플레이트(380)의 후측에 수소극집전판(320), 제 1 가스켓(340), 막전극접합체(350), 제 2 가스켓(360), 산소극집전판(370), 제 2 엔드플레이트(380)가 후측으로 연속해서 적어도 하나 이상 반복되도록 마련될 수 있되, 제 2 엔드플레이트(380)의 후측에 제 1 가스켓(340)이 접할 경우, 서로 접하는 제 2 엔드플레이트(380)와 제 1 가스켓(340)에 앞서 설명한 수소분산부(331,332)가 마련될 수 있다.
연료전지(300)는 드론본체(100)로부터 분리되어, 제 1 또는 제 7 산소주입홀(312,382)을 통해 물을 주입함과 아울러, 제 1 및 제 2 전극(323,373)을 통해 전원을 공급함으로써, 제 1 또는 제 7 수소주입홀(311,381)을 통해서 수소를 배출되도록 함과 아울러, 제 1 또는 제 7 산소주입홀(312,382)를 통해서 산소를 배출시키도록 수소와 산소를 발생시키는 수전해 반응용으로도 사용이 가능하도록 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 연료전지를 사용하는 드론에 따르면, 연료전지(330)는 양단의 수소주입홀(311,381) 각각을 통해서 수소공급부(400)에 의해 수소가 주입되고, 일단의 산소주입홀(312)을 통해 송풍부(510)가 공기를 주입하면, 막전극접합체(350)의 작용에 의해 제 1 및 제 2 전극(323,373)을 통해 발생된 직류 전원을 제공하고, 타단의 산소주입홀(382)을 통한 흡입부(520)의 흡입에 의해 공기와 함께 물이 배출되도록 한다. 한편, 연료전지(300)의 셀들은 직렬로 연결되어 발생되는 직류 전원을 프로펠러(200)의 회전 구동을 위한 구동모터에 제공할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지를 사용하는 드론(10)에 구비된 연료전지(300)에 의한 수전해 모드에서의 반응과 연료전지 모드에서의 반응을 나타낸다. 이는 아래의 화학식 1 및 2에 해당한다.
[화학식 1]
Ely : 2H2O + electricity -> 2H2 +O2
[화학식 2]
FC : 2H2 + O2 -> 2H2O + electricity
화학식 1에서와 같이, 수전해 모드에서는 직류 전원과 물 공급이 이루어지고, 생성되는 것은 산소 기체와 수소 기체가 된다. 그리고, 화학식 2에서와 같이, 연료전지 모드에서는 공급되는 연료가 수소 기체와 산소 기체가 되고, 그 때 생성되는 것이 직류 전원과 물이다.
이와 같이, 본 발명은 연료전지의 사용으로 인해 비행 시간을 연장할 수 있도록 하여, 비행 목적의 달성에 도움을 줄 수 있고, 이로 인해 다양한 용도로 활용할 수 있도록 한다.
또한 본 발명은 연료전지의 전력 발생 효율을 높이도록 함으로써, 기존 연료전지 사용 드론에 비하여 보다 장시간 비행 및 활용이 가능하도록 할 수 있다.
또한 본 발명은 높은 과전압이 인가되는 수전해 반응에서 물-탄소 반응에 의한 부식을 방지할 수 있도록 함으로써, 내구성이 뛰어나다.
이와 같이 본 발명에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시례에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 드론본체 110 : 분기부
120 : 지지대 130 : 연료전지적재부
131 : 수평끼움부 140 : 수소공급부적재부
141 : 수직끼움부 142 : 수평끼움부
200 : 프로펠러 300 : 연료전지
310 : 제 1 엔드플레이트 311 : 제 1 수소주입홀
312 : 제 1 산소주입홀 320 : 수소극집전판
321 : 제 2 수소주입홀 322 : 제 2 산소주입홀
323 : 제 1 전극 331,332 : 수소분산부
331 : 제 1 분산경로 332 : 제 1 분산홈
340 : 제 1 가스켓 341 :제 1 가스디퓨전레이어
342 : 제 3 수소주입홀 343 : 제 3 산소주입홀
350 : 막전극접합체 351 : 수소극 촉매
352 : 산소극 촉매 353 : 제 4 수소주입홀
354 : 제 4 산소주입홀 360 : 제 2 가스켓
361 : 제 2 가스디퓨전레이어 362 : 제 5 수소주입홀
363 : 제 5 산소주입홀 370 : 산소극집전판
371 : 제 6 수소주입홀 372 : 제 6 산소주입홀
373 : 제 2 전극 380 : 제 2 엔드플레이트
381 : 제 7 수소주입홀 382 : 제 7 산소주입홀
391,392 : 산소분산부 391 : 제 2 분산경로
392 : 제 2 분산홈 393 : 돌기
400 : 수소공급부 410 : 유량조절부
510,520 : 산소공급부
120 : 지지대 130 : 연료전지적재부
131 : 수평끼움부 140 : 수소공급부적재부
141 : 수직끼움부 142 : 수평끼움부
200 : 프로펠러 300 : 연료전지
310 : 제 1 엔드플레이트 311 : 제 1 수소주입홀
312 : 제 1 산소주입홀 320 : 수소극집전판
321 : 제 2 수소주입홀 322 : 제 2 산소주입홀
323 : 제 1 전극 331,332 : 수소분산부
331 : 제 1 분산경로 332 : 제 1 분산홈
340 : 제 1 가스켓 341 :제 1 가스디퓨전레이어
342 : 제 3 수소주입홀 343 : 제 3 산소주입홀
350 : 막전극접합체 351 : 수소극 촉매
352 : 산소극 촉매 353 : 제 4 수소주입홀
354 : 제 4 산소주입홀 360 : 제 2 가스켓
361 : 제 2 가스디퓨전레이어 362 : 제 5 수소주입홀
363 : 제 5 산소주입홀 370 : 산소극집전판
371 : 제 6 수소주입홀 372 : 제 6 산소주입홀
373 : 제 2 전극 380 : 제 2 엔드플레이트
381 : 제 7 수소주입홀 382 : 제 7 산소주입홀
391,392 : 산소분산부 391 : 제 2 분산경로
392 : 제 2 분산홈 393 : 돌기
400 : 수소공급부 410 : 유량조절부
510,520 : 산소공급부
Claims (5)
- 드론본체;
상기 드론본체에 프로펠러 각각을 회전시키도록 마련되는 다수의 구동모터;
상기 구동모터의 구동에 필요한 전원을 제공하는 연료전지;
상기 연료전지의 구동에 필요한 수소를 공급하는 수소공급부; 및
상기 연료전지의 구동에 필요한 산소를 공급하는 산소공급부;를 포함하고,
상기 연료전지는,
제 1 수소주입홀과 제 1 산소주입홀이 각각 마련되는 제 1 엔드플레이트;
상기 제 1 엔드플레이트의 후측에 밀착되고, 접속을 위한 제 1 전극이 마련되며, 상기 제 1 수소주입홀과 상기 제 1 산소주입홀 각각에 연결되는 제 2 수소주입홀과 제 2 산소주입홀이 형성되는 수소극집전판;
상기 제 1 엔드플레이트와 상기 수소극집전판에 마련되고, 상기 제 1 산소주입홀을 통해서 주입되는 수소가 상기 수소극집전판에 분산되도록 하는 수소분산부;
상기 수소극집전판의 후측에 밀착되고, 상기 수소분산부에 의해 수소가 분산되어 접하도록 전후로 노출되는 제 1 가스디퓨전레이어가 마련되며, 상기 제 2 수소주입홀과 상기 제 2 산소주입홀 각각에 연결되는 제 3 수소주입홀과 제 3 산소주입홀이 형성되는 제 1 가스켓;
상기 제 1 가스켓의 후측에 밀착되고, 양이온을 투과시키며, 전면에 수소극 촉매를 가지고, 후면에 산소극 촉매를 가지며, 상기 제 3 수소주입홀 및 상기 제 3 산소주입홀 각각에 연결되는 제 4 수소주입홀 및 제 4 산소주입홀이 형성되는 막전극접합체;
상기 막전극접합체의 후측에 밀착되고, 전후로 노출되는 제 2 가스디퓨전레이어를 가지며, 상기 제 4 수소주입홀 및 상기 제 4 산소주입홀 각각에 연결되는 제 5 수소주입홀 및 제 5 산소주입홀이 형성되는 제 2 가스켓;
상기 제 2 가스켓 후측에 밀착되고, 접속을 위한 제 2 전극이 마련되며, 상기 제 5 수소주입홀 및 상기 제 5 산소주입홀 각각에 연결되는 제 6 수소주입홀 및 제 6 산소주입홀이 형성되는 산소극집전판;
상기 산소극집전판 후측에 밀착되고, 상기 제 6 수소주입홀 및 제 6 산소주입홀 각각에 연결되는 제 7 수소주입홀 및 제 7 산소주입홀이 형성되는 제 2 엔드플레이트; 및
상기 제 2 엔드플레이트와 상기 산소극집전판에 마련되고, 상기 제 6 산소주입홀을 통해서 주입되는 산소가 상기 제 2 가스디퓨전레이어에 분산되도록 하는 산소분산부;를 포함하고,
상기 연료전지는,
상기 제 1 또는 제 7 산소주입홀을 통해 물을 주입함과 아울러, 상기 제 1 및 제 2 전극을 통해 전원을 공급함으로써, 수소와 산소를 발생시키도록 하는 수전해 반응용으로도 사용이 가능하고,
상기 수소분산부는,
상기 수소극집전판에 전.후측으로 개방되도록 형성되고, 상기 제 2 수소주입홀에 연결되어 상기 수소극집전판에 수소의 분산을 위한 경로를 제공하는 제 1 분산경로; 및
상기 제 1 엔드플레이트의 후면에 상기 제 1 분산경로에 일치하도록 형성되는 제 1 분산홈;을 포함하고,
상기 산소분산부는,
상기 산소극집전판에 전.후측으로 개방되도록 다수의 홀로 형성되는 제 2 분산경로; 및
상기 제 2 엔드플레이트의 전면에 상기 제 7 산소주입홀에 연결되어 상기 제 2 분산경로에 산소를 분사키도록 상기 홀 각각에 대응하는 돌기가 내측에 다수로 형성되는 제 2 분산홈;
을 포함하는, 연료전지를 사용하는 드론. - 청구항 1에 있어서,
상기 연료전지는,
상기 제 2 엔드플레이트의 후측에 상기 수소극집전판, 상기 제 1 가스켓, 상기 막전극접합체, 상기 제 2 가스켓, 상기 산소극집전판, 상기 제 2 엔드플레이트가 후측으로 연속해서 적어도 하나 이상 반복되도록 마련되되, 제 2 엔드플레이트의 후측에 제 1 가스켓이 접할 경우, 서로 접하는 제 2 엔드플레이트와 상기 제 1 가스켓에 상기 수소분산부가 마련되는, 연료전지를 사용하는 드론. - 삭제
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 산소극 촉매는,
물 배출과 산소 버블 배출이 용이하도록 티타늄 파우더 담지체를 사용하고,
상기 티타늄 파우더 담지체는,
촉매 물질에 해당하는 백금, 이리듐, 루테늄, 백금-이리듐합금 및 백금-루테늄합금 중에서 적어도 하나 이상을 담지하는, 연료전지를 사용하는 드론. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 드론본체는,
하측에 지면에의 설치를 위해 한 쌍의 지지대 각각이 서로 이격되도록 마련되고, 상기 지지대 사이에 위치하여 상기 연료전지가 적재되는 연료전지적재부가 상기 지지대 각각의 수평부분에 수평끼움부에 의해 끼워짐으로써 고정되며, 상기 지지대 각각에 설치되는 수소공급부적재부 각각이 상기 지지대의 수직부분과 수평부분에 수직끼움부 및 수평끼움부에 의해 각각 끼워짐으로써 고정되고,
상기 산소공급부는,
상기 연료전지의 양측에 위치하여 상기 연료전지적재부 내에 각각 장착되는 송풍부 및 흡입부를 포함하고, 상기 송풍부가 상기 연료전지에 공기를 송풍하도록 하고, 상기 흡입부가 상기 연료전지로부터 물과 함께 공기를 배출시키도록 흡입하는, 연료전지를 사용하는 드론.
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