KR20140136749A - Power system of unmanned aerial vehicle using liquid hydrogen - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an unmanned aerial vehicle comprising a propeller, a motor operating the drive shaft of the propeller, and a power supply system supplying electrical energy to the motor. The power supply system of an unmanned aerial vehicle using liquid hydrogen comprises: a fuel tank including an inner tank which stores liquid hydrogen, an exterior tank which accommodates the inner tank therein, and a preheating tube which encloses the inner tank in a coil shape and is extended in a space between the exterior tank and the inner tank, and becomes a discharge route to the outside of the exterior tank as heated by entered heat after passing through the exterior tank while hydrogen discharged from the inner tank flows; a preheating heater which can preheat hydrogen by being provided with power from a battery while the hydrogen discharged from fuel tank passes; a preheating heat exchanger which can preheat hydrogen through heat exchange with exhaust gas discharged from a fuel cell while the hydrogen passing the preheating heater passes; a battery which supplies power to the preheating heater; and a fuel cell which produces electrical energy by reacting gaseous hydrogen supplied through the preheating heat exchanger with oxygen in the air, discharges exhaust gas, and supplies produced electrical energy to the motor and the battery.

Description

액체 수소를 이용하는 무인 항공기 동력 공급 장치{POWER SYSTEM OF UNMANNED AERIAL VEHICLE USING LIQUID HYDROGEN}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a power supply system for an unmanned aerial vehicle using liquid hydrogen,

본 발명은 무인 항공기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지표면 관찰, 기상 관측, 군사용 정찰 감시를 위해 사용되며 수소공급원으로서 연료탱크에 저장된 액체 수소를 이용하는, 액체 수소를 이용하는 무인 항공기 동력 공급 장치에 관한 것이다.
More particularly, the present invention relates to an unmanned aerial vehicle power supply system using liquid hydrogen, which uses liquid hydrogen stored in a fuel tank, which is used for observation of the surface of the ground, observation of the weather, observation of military reconnaissance .

근래에 지표면 관찰, 기상 관측, 군사용 정찰 감시의 목적으로 무인 항공기가 주목받고 있다. 무인 항공기는 인명 사고의 위험이 없기 때문에 산악 지역과 같이 사람이 접근하기 어려운 지역의 관찰이 가능하며 특히, 저고도 비행으로 인한 우수한 시인성으로 인하여 정밀 관찰을 할 수 있는 장점이 있다. 또한 저고도 비행으로 레이더망을 피하면서 침투가 가능하다는 점에서 군사용으로도 크게 주목받고 있다. Unmanned aerial vehicles (UAVs) have attracted attention in recent years for the purpose of observing the ground surface, observing the weather, and monitoring military reconnaissance. Unmanned airplanes have the advantage of being able to observe areas that are difficult for people to approach, such as mountainous areas, because there is no risk of human casualties, and they can observe precisely because of excellent visibility due to low altitude flight. In addition, since it can infiltrate while avoiding the radar network by low-altitude flying, it is attracting much attention for military use.

무인 항공기와 관련하여 가장 중요한 과제중 하나는 운항시간을 늘리는 데 있다. 이를 위해 근래에 논의되고 있는 무인 항공기는 엔진을 동력원으로 사용하는 방식에 비해 장시간 체공에 유리한 수소를 연료로 사용하는 연료전지 시스템을 채택하고 있으며, 이러한 연료전지 시스템은 수소공급원으로서 수소화합물을 이용하는 이용한 방식을 사용하고 있다. One of the most important challenges for unmanned aerial vehicles is to increase flight times. To this end, the unmanned airplane, which has been discussed recently, employs a fuel cell system that uses hydrogen as a fuel, which is advantageous for long-time operation, as compared with a system using an engine as a power source. Such a fuel cell system uses hydrogen compounds Method.

그런데 수소화합물을 수소공급원으로 사용하기 위해서는 연속적인 가스상의 수소 방출이 가능하도록 하는 촉매와 가스상의 수소를 반응에 필요한 온도로 지속적으로 가열하기 위한 열원이 필요한 단점이 있으며, 특히 수소를 포함하여 수소화합물을 이루는 고체 수소 저장재료의 수소저장능력에 의해 운항시간이 좌우되는 문제점이 있다. 또한 고체 수소 저장재료의 부피 및 하중이 최적 설계를 방해하는 요소가 되는 단점이 있다.
However, in order to use a hydrogen compound as a hydrogen source, there is a disadvantage in that it requires a catalyst capable of continuously releasing hydrogen in a gaseous state and a heat source for continuously heating the gaseous hydrogen to a temperature required for the reaction. Particularly, The operating time depends on the hydrogen storage capacity of the solid hydrogen storage material. In addition, the volume and the load of the solid hydrogen storage material are disadvantageous factors that hinder the optimum design.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 수소 공급원으로 액체 수소를 사용하여 연료 탱크의 단위 볼륨당 수소공급능력을 향상시키는 것이 가능하고, 이로 인해 운항시간을 늘릴 수 있는, 액체 수소를 이용하는 무인 항공기 동력 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived to solve the problems as described above, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of improving hydrogen supply capacity per unit volume of a fuel tank using liquid hydrogen as a hydrogen supply source, To provide an unmanned aerial vehicle power supply apparatus using the unmanned aerial vehicle.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 프로펠러와, 상기 프로펠러의 구동축에 구동하는 모터 및 상기 모터에 전기 에너지를 제공하는 동력 공급 장치를 포함하는 무인 항공기에 있어서, 액체 수소를 저장하는 내부 탱크와, 상기 내부 탱크를 내부에 수용하는 외부 탱크와, 상기 외부 탱크와 상기 내부 탱크 사이의 공간에서 상기 내부 탱크를 코일형으로 둘러싸고 연장되며 상기 내부 탱크에서 배출된 수소가 유동하면서 상기 외부 탱크를 통과하여 침입해 온 열에 의해 가열되어 상기 외부 탱크 외부로 배출되는 경로가 되는 예열 튜브를 포함하는 연료 탱크; 상기 연료 탱크로부터 배출된 수소가 지나며 배터리로부터 전원을 공급받아 수소를 예열하는 것이 가능한 예열용 히터; 상기 예열용 히터를 지난 수소가 지나면서 연료전지로부터 배출되는 배기가스와의 열교환을 통해 수소를 예열하는 것이 가능한 예열용 열교환기; 상기 예열용 히터에 전원을 공급하는 배터리; 및 상기 예열용 열교환기를 통과하여 공급된 가스상의 수소와 공기 중의 산소가 반응하여 전기 에너지를 생산하며 배기가스를 배출하며, 상기 모터 및 상기 배터리에 생산된 전기 에너지를 공급하는 연료전지를 포함하는 액체 수소를 이용하는 무인 항공기의 동력 공급 시스템을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides an unmanned aerial vehicle including a propeller, a motor for driving the driving shaft of the propeller, and a power supply for supplying electric energy to the motor, An inner tank for storing the inner tank therein; an outer tank enclosing the inner tank in a space between the outer tank and the inner tank and extending through the inner tank, A preheating tube which is heated by the heat and discharged to the outside of the outer tank; A preheating heater capable of preheating hydrogen by receiving power from the battery through the hydrogen discharged from the fuel tank; A preheating heat exchanger capable of preheating hydrogen through heat exchange with exhaust gas discharged from the fuel cell as hydrogen passes through the preheating heater; A battery for supplying power to the preheating heater; And a fuel cell for supplying electric energy produced by the motor and the battery, wherein the gas-phase hydrogen supplied through the preheating heat exchanger reacts with oxygen in the air to generate electric energy and discharge the exhaust gas, The present invention provides a power supply system for a UAV using hydrogen.

본 발명에 의하면, 상기 배터리는 상기 예열용 히터에 상기 연료전지의 가동 초기에만 전원을 공급한다. According to the present invention, the battery supplies power to the preheating heater only at the initial stage of operation of the fuel cell.

본 발명에 의하면, 상기 예열 튜브는 상기 외부 탱크의 내주면에 접촉하여 설치될 수 있다. According to the present invention, the preheating tube may be installed in contact with the inner circumferential surface of the outer tank.

본 발명에 의하면, 상기 예열 튜브는 상기 내부 탱크를 코일형으로 둘러싸면서 연속적으로 연장되는 환형 부분 사이에 이격이 없게 형성될 수 있다. According to the present invention, the preheating tube may be formed to be spaced apart from the annular portion extending continuously while surrounding the inner tank with a coil.

본 발명에 의하면, 상기 내부 탱크와 상기 외부 탱크 사이 공간에는 에어로젤이 충진될 수 있다.
According to the present invention, the space between the inner tank and the outer tank can be filled with aerogels.

본 발명에 따른 액체 수소를 이용하는 무인 항공기 동력 공급 장치에 의하면, 연료 탱크에 별도의 수소 저장 화합물을 수용하지 않고 액체 수소를 저장하여 수소 공급원으로 사용하는 것이 가능하므로, 동일한 용량의 연료탱크를 사용하더라도 연료전지에 공급되는 가스 상의 수소량을 증가시키는 것이 가능하고 경량화를 이룰 수 있다. 이로 인해 무인 항공기의 운항시간을 증가시키는 것이 가능하다. According to the power supply apparatus for unmanned aerial vehicles using liquid hydrogen according to the present invention, since it is possible to store liquid hydrogen without storing a separate hydrogen storage compound in the fuel tank and use it as a hydrogen supply source, even if a fuel tank of the same capacity is used It is possible to increase the amount of hydrogen in the gas phase supplied to the fuel cell and achieve weight reduction. This makes it possible to increase the operating time of the UAV.

본 발명에 따른 액체 수소를 이용하는 무인 항공기 동력 공급 장치에 의하면, 연료 탱크에서 외부 탱크를 통해 침입하는 외기 열 및 연료전지에서 배출되는 배기가스의 열을 액체 수소를 비등화시키고 연료전지의 반응에 적합에 온도로 승온시키는 열원으로 이용하므로, 가동 초기를 제외하고는 별도의 열원 예컨대, 배터리에 의해 가동되는 예열용 히터의 열을 필요로 하지 않거나 최소화하는 것이 가능하다. 따라서 배터리의 용량을 최소화하는 것이 가능하므로 무인 항공기를 추가적으로 경량화시키는 것이 가능하다. 이로 인해 무인 항공기의 운항시간을 증사시키는 것이 가능하다.
According to the unmanned airplane power supply apparatus using liquid hydrogen according to the present invention, the heat of the outside air entering through the external tank from the fuel tank and the heat of the exhaust gas discharged from the fuel cell can be supplied to the fuel cell, It is possible to eliminate or minimize the heat of the preheating heater operated by a separate heat source, for example, a battery, except at the initial stage of operation. Therefore, it is possible to minimize the capacity of the battery, so it is possible to further reduce the weight of the unmanned aerial vehicle. This makes it possible to increase the operating time of the UAV.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 액체 수소를 이용하는 무인 항공기 동력 공급 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 탱크의 구성을 보인 개략도이다. 1 is a schematic block diagram of a power supply system for a UAV using liquid hydrogen according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic view showing a configuration of a fuel tank according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 액체 수소를 이용한는 무인 항공기 동력 공급 장치에 대하여 상세하게 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a power supply system for an unmanned aerial vehicle using liquid hydrogen according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 액체 수소를 이용하는 무인 항공기 동력 공급 장치의 개략적인 구성도이다. 1 is a schematic block diagram of a power supply system for a UAV using liquid hydrogen according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 무인 항공기의 동력 공급 장치는 연료 탱크(10)와, 예열용 히터(20), 예열용 열교환기(30), 배터리(40), 연료전지(50)를 포함한다. The power supply device for an unmanned aerial vehicle according to the present invention includes a fuel tank 10, a preheating heater 20, a preheating heat exchanger 30, a battery 40, and a fuel cell 50.

연료 탱크(10)는 연료전지에 수소를 공급하는 수소 공급원으로서 액체 수소를 저장한다. The fuel tank 10 stores liquid hydrogen as a hydrogen supply source for supplying hydrogen to the fuel cell.

연료 탱크(10)는 액체 수소를 저장하는 내부 탱크(12)와, 상기 내부 탱크를 내부에 수용하는 외부 탱크(14)를 포함한다. 내부 탱크(12)와 외부 탱크(14)는 스테인리스 스틸로 제조될 수 있다. 연료 탱크(10)는 내부 탱크(12)에 액체 수소를 공급받아 저장하므로, 종래의 수소화합물을 이용하는 방식에 대비하여 동일한 용량을 기준으로 수소 저장량이 많고 경량화가 가능하여 무인 항공기의 운항시간을 증가시킨다.The fuel tank 10 includes an inner tank 12 for storing liquid hydrogen and an outer tank 14 for accommodating the inner tank therein. The inner tank 12 and the outer tank 14 may be made of stainless steel. Since the fuel tank 10 stores and stores the liquid hydrogen in the internal tank 12, the hydrogen storage amount and the weight can be reduced based on the same capacity in comparison with the conventional method using the hydrogen compound, thereby increasing the operating time of the unmanned airplane .

내부 탱크(12)와 외부 탱크(14) 사이의 공간에는 예열 튜브(16)가 형성된다. 예열 튜브(16)는 내부 탱크(12)에 배출되는 수소가 유동하여 연료 탱크(10) 외부로 배출되는 경로가 됨과 동시에 내부 탱크(12)에 배출된 수소가 유동하면서 연료 탱크(10) 외부로부터 전달되어온 열을 받아 수소가 예열되는 경로를 형성한다. A preheating tube (16) is formed in a space between the inner tank (12) and the outer tank (14). The preheating tube 16 is a path through which the hydrogen discharged to the inner tank 12 flows and is discharged to the outside of the fuel tank 10 and the hydrogen discharged to the inner tank 12 flows from the outside of the fuel tank 10 It receives the transferred heat and forms a path through which hydrogen is preheated.

도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 예열 튜브(16)는 환형으로 연속적으로 연장되어 내부 탱크(12)를 코일형으로 둘러싸고 연장된다. 무인 항공기에서 연료 탱크(10)의 외부 탱크(14)는 외부 상온에 노출되어 있거나 외부 상온으로 열을 전달받는 위치에 설치된다. 따라서 외부 탱크(14)와 액체 수소를 저장하는 저온 상태의 내부 탱크(12) 사이에는 외부 탱크(14)에서 내부 탱크(12) 방향으로 열 침입이 지속적으로 발생한다. 본 발명에는 예열 튜브(16)가 내부 탱크(12)를 둘러싸고 연장되어 외부 탱크에서 침입해 온 열을 열원으로 이용하여 예열 튜브(16) 내부를 유동하는 수소가 비등 및 반응에 적합한 온도로 승온되는 데 필요한 열을 제공받도록 한다. Referring to FIG. 2, the preheat tube 16 according to an embodiment of the present invention extends continuously in an annular shape and surrounds and extends the inner tank 12 in the form of a coil. In the unmanned airplane, the outer tank 14 of the fuel tank 10 is installed at a position where it is exposed to the external normal temperature or receives heat to the external normal temperature. Therefore, heat intrusion continuously occurs from the external tank 14 toward the internal tank 12 between the external tank 14 and the low-temperature internal tank 12 storing the liquid hydrogen. In the present invention, the preheating tube 16 surrounds and extends from the inner tank 12 and uses the heat that has entered from the outer tank as a heat source, so that the hydrogen flowing inside the preheating tube 16 is boiled and heated to a temperature suitable for the reaction Have the heat you need to provide.

또한, 본 발명에 의하면 예열 튜브(16)는 외부 탱크(14)를 통해 침입해 온 열이 내부 탱크(12)로 전달되는 열을 적어도 부분적으로 차단하는 기능을 할 수 있다. 즉, 예열 튜브(16)가 외부 탱크(14)와 내부 탱크(12) 사이에서 위치하여 예열 튜브(16)를 지나는 수소, 특히 액체 수소가 외부 탱크(14)로부터 전달되어온 열을 흡수하므로 내부 탱크(12)에 전달되는 열을 차단하는 기능을 할 수 있다. In addition, according to the present invention, the preheating tube 16 can function to at least partially block the heat transmitted to the inner tank 12 by the heat penetrated through the outer tank 14. That is, since the preheating tube 16 is positioned between the outer tank 14 and the inner tank 12 and absorbs heat transferred from the outer tank 14 by hydrogen, particularly liquid hydrogen, passing through the preheating tube 16, It is possible to block the heat transmitted to the heat exchanger 12.

본 발명에 의하면 예열 튜브(16)에 의한 내부 탱크(12)로의 열 차단 기능을 향상시키기 위하여 예열튜브(16)는 내부 탱크(12)를 둘러싸면서 연속적으로 연장되는 환형 부분 사이에 이격이 없게 형성될 수 있다. 이 경우 연료 탱크(10)의 반경 방향으로 볼 때 외부 탱크(14)와 내부 탱크(12) 사이를 예열 튜브(16)가 가로 막은 형태를 지니므로 내부 탱크(12)로의 열 침입을 효과적으로 차단할 수 있다. According to the present invention, in order to improve the heat shielding function to the inner tank 12 by the preheating tube 16, the preheating tube 16 is formed so as to be spaced apart from the annular portions continuously extending around the inner tank 12 . In this case, since the preheat tube 16 is interposed between the outer tank 14 and the inner tank 12 in the radial direction of the fuel tank 10, heat penetration into the inner tank 12 can be effectively prevented have.

본 발명은 예열 탱크(16)를 구비함으로 인하여, 내부 탱크(12)에서 배출되는 액체 수소는 연료 탱크(10) 외부로 배출되는 과정에서 별도의 열원을 구비하지 않고서도 비등에 필요한 열을 제공받을 수 있다. Since the present invention is provided with the preheating tank 16, the liquid hydrogen discharged from the internal tank 12 is supplied to the outside of the fuel tank 10 without being provided with a separate heat source, .

본 발명에 따르면, 예열 튜브(16)와 내부 탱크(12) 사이에는 다층단열재(미도시)가 설치될 수 있다. 다층단열재는 내부 탱크(12)로의 열 침입을 방지하면서 외부 탱크(14)를 통해 침입해 열이 예열 튜브(16)에 집중되도록 하는 기능을 할 수 있다. According to the present invention, a multilayered insulation material (not shown) may be installed between the preheating tube 16 and the inner tank 12. [ The multi-layer heat insulating material can function to prevent heat penetration into the inner tank 12 and penetrate through the outer tank 14 so that heat is concentrated in the preheating tube 16. [

또한, 본 발명에 따르면 도 2 에 도시된 바와 같이, 내부 탱크(12)와 외부 탱크(14) 사이에는 에어로젤(aerogel)(18)이 충진될 수 있다. 에어로젤(18)은 경량이며 단열효과가 우수한 소재로 공지되어 있다. 내부 탱크(12)와 외부 탱크(14) 사이에 충진된 에어로젤(18)은 외부 탱크(14)를 통과하여 침입한 열이 내부 탱크(12)로 침입하는 것을 방지한다. 이때 예열 튜브(16)은 외부 탱크(14)에 인접하여 설치될 수 있으며, 바람직하게는 외부 탱크(14)의 내주면에 접촉하여 설치될 수 있다. 이로 인해 외부 탱크(14)와 내부 탱크(12) 사이에 충진된 에어로젤(18)에 의해 외부 탱크(14)에서 예열 튜브(16)로 전달되는 열이 차단되는 것을 방지하거나 최소화할 수 있다. In addition, according to the present invention, as shown in FIG. 2, an aerogel 18 may be filled between the inner tank 12 and the outer tank 14. The airgel 18 is known to be lightweight and excellent in thermal insulation effect. The airgel 18 filled between the inner tank 12 and the outer tank 14 prevents the intrusion of the air passing through the outer tank 14 into the inner tank 12. [ At this time, the preheating tube 16 may be installed adjacent to the outer tank 14, preferably in contact with the inner circumferential surface of the outer tank 14. It is possible to prevent or minimize the heat transmitted from the outer tank 14 to the preheating tube 16 by the airgel 18 filled between the outer tank 14 and the inner tank 12. [

예열 튜브(16)를 거쳐 연료 탱크(10) 외부로 배출된 수소는 이송관을 따라 유동하면서 예열용 히터(20) 및 예열용 열교환기(30)를 거쳐 연료전지(50)로 입력된다. The hydrogen discharged to the outside of the fuel tank 10 through the preheating tube 16 flows into the fuel cell 50 through the preheating heater 20 and the preheating heat exchanger 30 while flowing along the transfer tube.

예열용 히터(20)는 배터리(40)로부터 전원을 공급받아 예열용 히터(20)를 지나는 수소에 열을 제공하는 열원으로 동작한다. 본 발명에 따르면 예열용 히터(20)는 무인 항공기의 가동 초기에만 동작하여 수소에 열을 제공한다. The preheating heater 20 receives power from the battery 40 and operates as a heat source for supplying heat to the hydrogen passing through the preheating heater 20. [ According to the present invention, the preheating heater 20 operates only at the beginning of the operation of the UAV, thereby providing heat to the hydrogen.

예열용 열교환기(30)는 연료전지(50)의 배기가스가 유입되어 배기가스와 수소와의 열교환을 통해 연료전지에 연료로 공급되는 수소를 예열하도록 구성된다. 연료전지(50)는 공급된 가스상의 수소와 주변으로부터 유입된 공기 중의 산소가 반응하여 전기 에너지와 물을 발생시키는 데, 작동 중에 연료전지(50) 내부의 화학 반응으로 인하여 열이 발생하고 이로 인해 배기가스는 고온으로 배출된다. 본 발명에 따르면 배출되는 고온의 배기가스는 예열용 열교환기(30)를 경유하면서 연료로 공급되는 수소와 열교환을 통해 수소를 가열 한 후 대기 중으로 배출된다. The preheating heat exchanger 30 is configured to preheat the hydrogen supplied to the fuel cell through the heat exchange of the exhaust gas with the exhaust gas flowing into the fuel cell 50. In the fuel cell 50, the supplied gaseous hydrogen and oxygen in the air introduced from the surrounding react with each other to generate electrical energy and water. During the operation, heat is generated due to the chemical reaction inside the fuel cell 50, The exhaust gas is discharged at a high temperature. According to the present invention, the discharged high temperature exhaust gas heats hydrogen through heat exchange with hydrogen supplied as fuel while passing through the preheating heat exchanger (30), and then discharged to the atmosphere.

연료전지(50)의 가동 및 효율적 동작을 위해서는 연료탱크(10)에서 공급되는 액체 수소의 비등 즉, 액체 수소가 가스상의 수소로 변환되어 공급되어야 하며, 연료전지(50)의 효율적인 가동을 위해서는 공급되는 가스상의 수소가 반응에 적정한 온도로 공급되어야 한다. 예열용 히터(20) 및 예열용 열교환기(30)는 연료전지(50)에 공급되는 수소의 비등 및 반응에 적합한 온도로 예열하는 기능을 하게 된다. In order to operate and efficiently operate the fuel cell 50, boiling of liquid hydrogen supplied from the fuel tank 10, that is, liquid hydrogen, must be converted into gas-phase hydrogen and supplied. In order to operate the fuel cell 50 efficiently, The hydrogen in the gaseous phase should be supplied at a suitable temperature for the reaction. The preheating heater 20 and the preheating heat exchanger 30 function to preheat the fuel to a temperature suitable for the boiling of the hydrogen supplied to the fuel cell 50 and the reaction.

무인 항공기의 가동 초기에는 배기가스의 온도가 상대적으로 낮아 배기가스의 열만으로는 수소를 예열하는 데 한계가 있다. 따라서 연료전지의 가동 초기 즉, 무인 항공기의 가동 초기에는 예열용 히터(20)가 동작하여 예열용 열교환기(30)에서 부족한 열을 보충하는 기능을 한다. 그러나 연료전지(50)의 가동이 지속되면서 연료전지(50)로부터 배출되는 배기가스만으로 수소의 예열이 충분한, 고온의 배기가스가 배출되는 경우 배터리(40)로부터 예열용 히터(20)로 공급되는 전원이 차단되고 이때부터는 예열용 열교환기(30)만으로 수소에 열이 제공된다. The temperature of the exhaust gas is relatively low at the beginning of the operation of the UAV, so there is a limitation in preheating the hydrogen by the heat of the exhaust gas alone. Accordingly, the preheating heater 20 operates to supplement the heat that is lacking in the preheating heat exchanger 30 at the beginning of the operation of the fuel cell, that is, at the beginning of the operation of the UAV. However, when the exhaust gas of high temperature, which is sufficient to preheat hydrogen, is exhausted only by the exhaust gas discharged from the fuel cell 50 while the operation of the fuel cell 50 continues, the battery 40 is supplied from the battery 40 to the preheating heater 20 The power is shut off and the heat is provided to the hydrogen only by the preheating heat exchanger 30 from this time.

예열용 히터(20)의 가동 시간을 제어하기 위해, 예열용 히터(20)를 통과한 후의 시점 및 연료전지(50)로부터 공급되는 수소의 온도를 측정하기 위해 이송관에는 온도센서가 구비되며, 배기가스가 예열용 열교환기(30)로 유입되는 배기가스 유동관에는 배기가스의 온도를 측정하는 온도센서를 구비할 수 있다. 제어부(미도시)는 온도센서들에서 검출된 정보를 입력받아 예열용 히터의 동작을 제어한다. In order to control the operating time of the preheating heater 20, a temperature sensor is provided in the transfer pipe to measure the temperature after passing through the preheating heater 20 and the temperature of hydrogen supplied from the fuel cell 50, The exhaust gas flow pipe into which the exhaust gas flows into the preheating heat exchanger (30) may be provided with a temperature sensor for measuring the temperature of the exhaust gas. A controller (not shown) receives information detected by the temperature sensors and controls the operation of the heater for preheating.

이와 같이 예열용 히터(20)와 예열용 열교환기(30)를 동시적으로 배치하여 수소를 예열하는 경우 예열용 히터(20)만으로 수소를 예열하는 경우와 대비하여 배터리의 용량을 감소시키는 것이 가능하고, 이로 인해 무인 항공기의 경량화를 달성할 수 있다. When the preheating heater 20 and the preheating heat exchanger 30 are simultaneously disposed to preheat hydrogen, it is possible to reduce the capacity of the battery in comparison with the case of preheating the hydrogen using only the preheating heater 20 And thus, the weight of the UAV can be achieved.

연료전지(50)는 연료 탱크(10) 내에 저장된 액체 수소가 예열 튜브(16), 예열용 히터(20) 및 예열용 열교환기(30)를 거치면서 변환되어 비등 및 반응에 적합한 온도로 예열된 가스상의 수소를 연료로 사용하며 산소 공급원으로서는 주변의 공기를 사용한다. The fuel cell 50 converts the liquid hydrogen stored in the fuel tank 10 through the preheating tube 16, the preheating heater 20 and the preheating heat exchanger 30 and is preheated to a temperature suitable for boiling and reaction It uses gaseous hydrogen as the fuel and the surrounding air as the oxygen source.

연료전지는 공급된 가스상의 수소와 산소가 반응하여 발생된 전기 에너지를 무인 항공기의 프로펠러를 구동시키는 모터(60)에 제공하며 제어부 및 예열용 히터(20)에 전원을 공급하는 배터리(40)를 충전한다. The fuel cell supplies the electric energy generated by the reaction of the supplied gaseous hydrogen and oxygen to the motor 60 that drives the propeller of the unmanned airplane and the battery 40 that supplies power to the control unit and the preheating heater 20 Charge.

연료전지(50)에서 배출되는 고온의 배기가스는 예열용 열교환기(30)를 거쳐 대기 중으로 배기된다. The high temperature exhaust gas discharged from the fuel cell 50 is exhausted to the atmosphere via the preheating heat exchanger 30. [

이하, 본 발명에 따른 액체 수소를 이용하는 무인 항공기 동력 공급 장치의 전체적인 동작을 살펴본다, Hereinafter, the overall operation of the unmanned aerial vehicle power supply apparatus using liquid hydrogen according to the present invention will be described.

본 발명에 따른 무인 항공기는 수소 공급원으로서 연료 탱크(10)에 저장된 액에 수소를 사용한다. 무인 항공기에서 액체 수소는 무인 항공기의 기동 전에 연료 탱크(10)에 충진된다. The unmanned airplane according to the present invention uses hydrogen for the liquid stored in the fuel tank 10 as a hydrogen supply source. In the unmanned airplane, the liquid hydrogen is filled in the fuel tank 10 before the start of the unmanned airplane.

따라서 프로펠러 구동축의 구동하는 모터(60)에 전기 에너지를 공급하는 연료전지(50)의 효율적인 가동을 위해서는 액체 수소가 비등하여 가스상의 수소로 변환되어 연료전지(50)에 공급되어야 하며, 연료전지의 효율적인 가동한 필요한 온도로 가스 상의 수소를 공급하는 것이 필요하다. 본 발명에 의하면 예열 튜브(16), 예열용 히터(20) 및 예열용 열교환기(30)가 연료전지(50)에 공급되는 수소의 비등 및 반응에 적합한 온도로 예열하는 기능을 담당한다. Accordingly, for efficient operation of the fuel cell 50 supplying electric energy to the motor 60 driving the propeller drive shaft, the liquid hydrogen is boiled and converted into gaseous hydrogen to be supplied to the fuel cell 50, It is necessary to supply hydrogen in the gas phase at an effective operating temperature required. According to the present invention, the preheating tube 16, the preheating heater 20, and the preheating heat exchanger 30 are responsible for the boiling of the hydrogen supplied to the fuel cell 50 and the preheating to a temperature suitable for the reaction.

먼저, 연료 탱크(10)의 내부 탱크(12)에서 배출된 액체 수소는 예열 튜브(16)를 지나면서 열을 제공받는다. 예열 튜브(16)에 제공되는 열은 외부 탱크(14)를 통해 외부로부터 침입해 온 열이다. 따라서 예열 튜브(16)는 별도의 열원을 제공받지 않은 상태에서 예열 튜브(16)를 지나는 수소를 가열하는 것을 가능하게 하며, 예열 튜브(16)가 내부 탱크(12)로 전달되는 열을 흡수하므로 내부 탱크(12)로 전달되는 열을 차단 또는 최소화시킨다. First, the liquid hydrogen discharged from the inner tank 12 of the fuel tank 10 is supplied with heat through the preheating tube 16. The heat provided to the preheat tube 16 is heat that has invaded from the outside through the external tank 14. Thus, the preheat tube 16 is capable of heating the hydrogen passing through the preheat tube 16 in the absence of a separate heat source, since the preheat tube 16 absorbs the heat transmitted to the inner tank 12 Thereby shutting down or minimizing the heat transmitted to the inner tank 12. [

무인 항공기에서 내부 탱크(12) 내에 저장된 액체 수소는 무인 항공기의 운항 중에 비등하면서 지속적으로 연료 탱크(10) 외부로 배출되는 것이 필요하므로 예열 튜브(16)에 의해 내부 탱크(12)로 전달되는 열을 차단 또는 최소화하는 것만으로도 적절한 단열이 될 수 있다. Since the liquid hydrogen stored in the inner tank 12 in the unmanned airplane needs to be discharged continuously to the outside of the fuel tank 10 while boiling while the unmanned airplane is operated, the heat transferred to the inner tank 12 by the preheating tube 16 It may be appropriate to just block or minimize the insulation.

그러나, 연료 탱크(10)의 충진되는 액체 수소의 양이 증가되어 무인 항공기의 운항시간이 향상되면서 내부 탱크(12)의 과열을 방지할 필요가 있는 경우 내부 탱크(12)와 예열 튜브(16) 사이에 진공층을 형성하거나, 다층단열재 등의 단열 구조를 설치하는 것이 가능하며, 바람직하게는 내부 탱크(12)와 외부 탱크(14) 사이에 에어로졸(18)이 충진된다. 에어로졸(18)은 경량이며 단열 효과가 우수하므로 연료 탱크(10)를 경량으로 설계하는 데 유리하다. However, when it is necessary to prevent overheating of the inner tank 12 due to an increase in the amount of liquid hydrogen to be filled in the fuel tank 10 to improve the operating time of the unmanned airplane, the inner tank 12 and the preheating tube 16, It is possible to form a vacuum layer between the inner tank 12 and the outer tank 14, or to provide a heat insulating structure such as a multilayered insulating material. Preferably, the aerosol 18 is filled between the inner tank 12 and the outer tank 14. The aerosol 18 is lightweight and has excellent adiabatic effect, which is advantageous in designing the fuel tank 10 lightweight.

내부 탱크(12)와 외부 탱크(14) 사이에 에어로졸(18)이 충진되는 경우 예열 튜브(16)는 외부 탱크(14)에 접하여 설치하거나 인접하여 설치함으로써 외부 탱크(14)를 통해 침입해 온 외기 열이 예열 튜브(16)로 효과적으로 흡수될 수 있도록 한다. When the aerosol 18 is filled between the inner tank 12 and the outer tank 14, the preheat tube 16 is installed adjacent to or in contact with the outer tank 14, So that the outside heat can be effectively absorbed by the preheating tube 16.

내부 탱크(12)에 저장된 액체 수소는 예열 튜브(16)를 지나면서 열을 제공받는 데, 무인 항공기의 가동 초기에는 외부 탱크로부터 침입하는 외기 열이 충분하지 않고, 연료전지(50)가 가동 초기이므로 예열용 열교환기(30)에 공급되는 배기가스의 온도가 상대적으로 낮기 때문에 수소에 열을 공급하기 위한 보충 열원이 필요하다. 본 발명에서는 배터리(40)로부터 전원을 공급받아 가동하는 예열용 히터(20)가 무인 항공기의 가동 초기에 보충 열원으로 동작한다. The liquid hydrogen stored in the inner tank 12 is supplied with heat while passing through the preheating tube 16 and the heat of the outside air entering from the outer tank is not sufficient at the beginning of the operation of the unmanned airplane, The temperature of the exhaust gas to be supplied to the preheating heat exchanger 30 is relatively low, so a supplementary heat source for supplying heat to the hydrogen is required. In the present invention, the preheating heater (20), which is powered by the battery (40), operates as a supplementary heat source at the beginning of the operation of the unmanned airplane.

따라서 무인 항공기의 가동 초기에는 예열용 히터(20)가 가동하여 액체 수소의 비등 및 연료전지(50)에서의 반응에 적정한 온도로 수소를 가열하는 기능을 한다. 이후 연료전지(50)가 적정 반응 온도로 동작하면서 고온의 배기가스를 배출하는 경우 예열용 히터(20)는 가동 정지 되며, 예열용 열교환기(30) 만으로 수소를 가열한다. Therefore, the preheating heater 20 operates at the beginning of the operation of the UAV, and functions to heat the hydrogen to a suitable temperature for the boiling of the liquid hydrogen and the reaction in the fuel cell 50. When the fuel cell 50 operates at an appropriate reaction temperature and then discharges the high temperature exhaust gas, the preheating heater 20 is stopped and heated by the preheating heat exchanger 30 alone.

이와 같은 작동을 통해 연료 탱크(10)에 저장된 액체 수소는 비등 및 가열에 적합한 온도로 승온된 가스상의 수소로 변환되어 연료전지(50)에 공급된다. 연료전지(50)에서 생산된 전기 에너지는 배터리(40) 및 모터(60)로 공급된다. Through the above operation, the liquid hydrogen stored in the fuel tank 10 is converted into the gas-phase hydrogen heated to a temperature suitable for boiling and heating and supplied to the fuel cell 50. The electric energy produced by the fuel cell 50 is supplied to the battery 40 and the motor 60.

무인 항공기는 그 활동이 정지된 상태에서는 연료 탱크(10) 및 이송관에 저장된 수소를 배출한 후 보관된다.
The unmanned airplane is stored after discharging the hydrogen stored in the fuel tank 10 and the transfer pipe in a state where the operation is stopped.

10: 연료 탱크 12: 내부 탱크
14: 외부 탱크 16: 예열 튜브
18: 에어로젤 20: 예열용 히터
30: 에열용 열교환기 40: 배터리
50: 연료전지 60: 모터10: Fuel tank 12: Internal tank
14: outer tank 16: preheating tube
18: Airgel 20: Preheating heater
30: heating heat exchanger 40: battery
50: fuel cell 60: motor

Claims (5)

프로펠러와, 상기 프로펠러의 구동축에 구동하는 모터 및 상기 모터에 전기 에너지를 제공하는 동력 공급 장치를 포함하는 무인 항공기에 있어서,
액체 수소를 저장하는 내부 탱크와, 상기 내부 탱크를 내부에 수용하는 외부 탱크와, 상기 외부 탱크와 상기 내부 탱크 사이의 공간에서 상기 내부 탱크를 코일형으로 둘러싸고 연장되며 상기 내부 탱크에서 배출된 수소가 유동하면서 상기 외부 탱크를 통과하여 침입해 온 열에 의해 가열되어 상기 외부 탱크 외부로 배출되는 경로가 되는 예열 튜브를 포함하는 연료 탱크;
상기 연료 탱크로부터 배출된 수소가 지나며 배터리로부터 전원을 공급받아 수소를 예열하는 것이 가능한 예열용 히터;
상기 예열용 히터를 지난 수소가 지나면서 연료전지로부터 배출되는 배기가스와의 열교환을 통해 수소를 예열하는 것이 가능한 예열용 열교환기;
상기 예열용 히터에 전원을 공급하는 배터리; 및
상기 예열용 열교환기를 통과하여 공급된 가스상의 수소와 공기 중의 산소가 반응하여 전기 에너지를 생산하며 배기가스를 배출하며, 상기 모터 및 상기 배터리에 생산된 전기 에너지를 공급하는 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 수소를 이용하는 무인 항공기의 동력 공급 시스템.1. A unmanned aerial vehicle comprising a propeller, a motor for driving the drive shaft of the propeller, and a power supply for supplying electric energy to the motor,
A hydrogen storage tank for storing hydrogen, comprising: an inner tank for storing liquid hydrogen; an outer tank for storing the inner tank therein; and a hydrogen generator for generating hydrogen in the space between the outer tank and the inner tank, And a preheating tube which is heated by the heat that has passed through the outer tank and flows out of the outer tank;
A preheating heater capable of preheating hydrogen by receiving power from the battery through the hydrogen discharged from the fuel tank;
A preheating heat exchanger capable of preheating hydrogen through heat exchange with exhaust gas discharged from the fuel cell as hydrogen passes through the preheating heater;
A battery for supplying power to the preheating heater; And
And a fuel cell for supplying electric energy produced by the motor and the battery, wherein the gas-phase hydrogen supplied through the preheating heat exchanger reacts with oxygen in the air to generate electric energy and discharge the exhaust gas A power supply system for a UAV that uses liquid hydrogen. 제 1 항에 있어서,
상기 배터리는 상기 예열용 히터에 상기 연료전지의 가동 초기에만 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 무인 항공기의 동력 공급 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the battery supplies power to the heater for preheating only during the initial period of operation of the fuel cell. 제 1 항에 있어서,
상기 예열 튜브는 상기 외부 탱크의 내주면에 접촉하여 설치되는 것을 특징으로 하는 무인 항공기의 동력 공급 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the preheating tube is installed in contact with the inner circumferential surface of the outer tank. 제 1 항에 있어서,
상기 예열 튜브는 상기 내부 탱크를 코일형으로 둘러싸면서 연속적으로 연장되는 환형 부분 사이에 이격이 없게 형성된 것을 특징으로 하는 무인 항공기의 동력 공급 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the preheat tube is formed so as to be spaced apart from a continuously extending annular portion surrounding the inner tank in a coil-like manner. 제 1 항, 제 3 항, 제 4 항 중 어느 하나의 항 있어서,
상기 내부 탱크와 상기 외부 탱크 사이 공간에는 에어로젤이 충진되는 것을 특징으로 하는 무인 항공기의 동력 공급 시스템. The method of any one of claims 1, 3, and 4,
Wherein a space between the inner tank and the outer tank is filled with aerogels.
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