KR20170014295A - 무인항공기용 동력공급장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무인항공기용 동력공급장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 전기부하에 전기 에너지를 제공하는 무인항공기용 동력공급장치에 있어서, 액체 수소를 저장하는 연료탱크; 상기 연료탱크로부터 기화되어 공급되는 수소와 상기 외부로부터 유입되는 외부 공기 중의 산소가 반응하여 전기 에너지를 생산하고 배기가스를 배출하며, 상기 전기부하와 상기 배터리에 생산된 전기 에너지를 공급하는 연료전지 스택; 배터리로부터 전기 에너지를 공급받아 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 외부 공기를 예열하는 것이 가능한 예열용 히터; 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배기가스와의 열교환을 통해 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 외부 공기를 예열하기 위한 예열용 열교환기; 및, 상기 예열용 히터의 가동을 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 무인항공기용 동력공급장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

Description

무인항공기용 동력공급장치 및 그 제어방법{POWER SUPPLY SYSTEM FOR UNMANNED AERIAL VEHICLE AND CONTROL METHOD OF THE SAME}
본 발명은 무인항공기용 동력공급장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 동력원으로서 연료전지 시스템을 사용하는 무인항공기용 동력공급장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 정찰, 감시, 정밀 타격 등의 목적으로 군사 임무 수행을 위해 제작된 무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)는 최근 재해감시, 물품이송, 영상촬영, 재난구조 등을 비롯하여 그 목적과 방법에 따라서 민수 분야에서도 수요 및 활용도가 급격히 증가하고 있다. 특히 최근 몇년 간 각종 신기술 박람회와 전시회에서 가장 큰 이슈가 되고 있으며, 사용목적에 따른 다양한 어플리케이션이 존재하기 때문에 전 세계 항공우주선진국과 IT업계는 앞다투어 기술개발을 위해 투자 및 연구개발에 박차를 가하고 있다.
상기 무인항공기는 산악 지역과 같이 사람이 접근하기 어려운 지역의 관찰이 가능하며 특히 저고도 비행으로 인한 우수한 시인성으로 인하여 정밀 관찰을 수행할 수 있는 장점이 있다. 또한, 저고도 비행으로 레이더망을 피하면서 침투가 용이하다는 점에서 군사용으로도 크게 주목받고 있다.
상기 무인항공기의 성능과 가장 밀접한 관련이 있고, 그 성능을 바탕으로 하여 활용범위 및 그 사용목적을 결정하는 것은 무인항공기의 체공시간이다. 즉, 상기 무인항공기와 관련하여 가장 중요한 과제중 하나는 운항시간을 늘리는데 있다.
종래의 무인항공기는 동력원으로서 주로 NiMH(Nickel Metal Hydride)전지, 리튬이온전지 등의 이차전지를 이용하고 있으며, 중대형 및 고고도 무인항공기의 경우 내연기관을 직접 동력원으로 사용하기도 한다. 하지만, 기존 이차전지 또는 내연기관으로 이루어진 동력원은 소음, 충전시간, 내구성 등에서 각각의 단점이 있으며, 다양한 무인항공기 활용범위에 제약이 따를 수 밖에 없다.
따라서, 근래에는 장시간 체공에 유리하며 소음이 적은, 수소를 연료로 사용하는 연료전지시스템을 채택한 무인항공기가 대안으로 논의되고 있다.
연료전지 시스템을 구비한 무인항공기는 종래에는 수소공급원으로서 수소화합물을 사용하는 방식이 이용되고 있다. 그런데 수소화합물을 수소공급원으로 사용하기 위해서는 연속적인 가스 상의 수소 방출이 가능하도록, 촉매와 가스 상의 수소 반응에 필요한 온도로 수소 저장부를 가열하기 위한 열원이 필요한 단점이 있었다. 특히 고체 수소 저장재료의 부피 및 하중이 최적 설계를 방해하는 요소가 되는 단점이 있었다. 그런데, 고체 상태의 수소 저장재료의 부피 및 하중이 최적 설계를 방해하는 요소가 되었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 근래에는 연료탱크에 액체 수소를 저장하고 연료탱크 내에서 기화되는 수소를 연료전지 스택으로 공급하여 전기에너지를 발생시키는 무인항공기의 동력공급장치가 개발되었다.
그런데, 액체 수소를 이용하는 무인항공기에서 연료전지 스택에서의 전기 에너지 발생 효율이 예상치 보다 낮고 이로 인해 운전 성능이 기대치 보다 낮은 문제점이 발생하였다. 이에 종래의 연구자들은 이러한 연료전지 스택에서의 전기 에너지 발생 효율 저하로 인한 운전 특성 저하가 수소가 액체 상태에서 기화된 즉시 연료전지 스택으로 공급됨으로 인한 낮은 수소 온도에 기인한 것으로 판단하였으며, 이에 따라 무인항공기에서 연료전지 스택으로 공급되는 가스 상의 수소 온도를 상승시키는 여러 방안에 대해 연구를 지속하고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2014-0136749호(2014.12.1)
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 수소를 연료로 하여 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택을 채용한 무인항공기에서 연료전지 스택 내로 공급되는 외부 공기의 온도를 제어하여 운전 특성을 개선되도록 한 무인항공기용 동력공급장치 및 그 제어방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전기부하에 전기 에너지를 제공하는 무인항공기용 동력공급장치는, 액체 수소를 저장하는 연료탱크; 상기 연료탱크로부터 기화되어 공급되는 수소와 상기 외부로부터 유입되는 외부 공기 중의 산소가 반응하여 전기 에너지를 생산하고 배기가스를 배출하며, 상기 전기부하와 상기 배터리에 생산된 전기 에너지를 공급하는 연료전지 스택; 배터리로부터 전기 에너지를 공급받아 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 외부 공기를 예열하는 것이 가능한 예열용 히터; 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배기가스와의 열교환을 통해 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 외부 공기를 예열하기 위한 예열용 열교환기; 및, 상기 예열용 히터의 가동을 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 무인항공기용 동력공급장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 온도를 측정하는 온도센서를 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 온도센서의 측정값을 이용하여 상기 공기의 온도가 목표값에 도달하도록 상기 예열용 히터의 가동을 제어한다.
본 발명에 의하면, 상기 온도센서는 상기 예열용 히터를 거친 공기가 상기 연료전지 스택 내로 공급되는 공기유입부에 설치된다.
본 발명에 의하면, 상기 컨트롤러는 상기 온도센서의 측정값을 목표값과 대비하여 상기 예열용 히터의 발열량을 피드백 제어하도록 구성된다.
본 발명에 의하면, 상기 예열용 열교환기로 배기가스가 공급되는 경로 상에는 상기 예열용 열교환기로의 배기가스 공급을 제어할 수 있는 배기가스 공급제어기가 더 구비된다.
본 발명에 따른 무인항공기용 동력공급장치의 제어방법은, 연료전지 스택의 가동을 시작하는 단계; 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 공기의 온도를 측정하는 단계; 및, 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 공기가 예열용 열교환기 및 예열용 히터를 경유하되, 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 공기의 온도를 기 설정된 목표값과 대비하여 상기 예열용 히터의 가동을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 공기의 온도를 기 설정된 목표값과 대비하여 상기 예열용 열교환기로의 배기가스 공급을 제어하는 단계를 더 포함한다.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 무인항공기용 동력공급장치 및 그 제어방법에 의하면, 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 공기의 온도를 목표값 이상으로 유지되도록 하여 연료전지 스택의 운전 특성을 향상시키는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 의하면, 연료전지 스택에서 배출되는 배기가스를 연료전지 스택 내로 유입되는 외부 공기를 승온시키는 열원으로 이용함으로써 예열용 히터의 크기를 최소화시키는 것이 가능하다. 따라서 배터리의 용량을 줄일 수 있고 무인항공기를 경량화시킬 수 있어 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무인항공기용 동력공급장치를 나타내는 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 무인항공기용 연료전지시스템의 성능 측정을 위한 수소 연료의 온도에 대한 I-V 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 무인항공기용 연료전지시스템의 외기 온도에 따른 연료전지 스택의 개회로 전압 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 무인항공기용 동력공급장치는, 연료탱크(10)와, 예열용 히터(20), 예열용 열교환기(30), 배터리(40), 연료전지 스택(50), 및 컨트롤러(60)를 포함한다.
상기 연료탱크(10)는 연료전지 스택(50)에 수소를 공급하는 수소 공급원으로서 액체 수소를 저장하며, 수소는 가스 상태로 이송관을 따라 유동하여 연료전지 스택(50)으로 유입된다. 상기 연료탱크(10)에 저장되는 액체 수소는 상압에 가까운 상태로 충전하며, 액체 상태로 저장하기 때문에 부피가 작아져 무게 배분과 저장용기에 대한 역학적 설계에 대한 제약을 줄일 수 있다.
액체 수소는, 무인항공기의 가동 준비상태에서 상기 연료탱크(10)에 주입되며, 상기 연료탱크에 주입된 액체 수소는 외부에서의 열 침입을 이용하여 기화되어 가스 상의 상태로 연료전지 스택(50)에 공급된다. 이때 연료탱크(10)에서 연료전지 스택(50)로의 수소 이송 경로 즉, 이송관에는 수소 예열기(25)가 구비될 수 있다.
연료전지 스택(50)은 연료탱크(10)로부터 공급된 수소와 외부에서 공급되는 공기를 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다.
본 발명에 의하면 외부로부터 연료전지 스택(50)으로 공급되는 외부 공기의 공급 경로 상에 예열용 히터(20)와, 예열용 열교환기(30)를 구비한다.
상기 예열용 히터(20)는 배터리(40)로부터 전기 에너지를 공급받아 가동되며, 예열용 히터(20)를 지나 연료전지 스택(50)에 유입되는 외부 공기에 열을 제공하는 열원으로 동작한다.
상기 예열용 열교환기(30)는 연료전지 스택(50)에서 배출되는 배기가스가 유입되어 배기가스와 연료전지 스택(50)에 유입되는 외부 공기와의 열교환을 통해 공기를 예열하도록 구성된다.
상기 연료전지 스택(50)은 연료극과 공기극으로 이루어지는 단위 셀(미도시)이 복수개로 적층되어 이루어지는데, 상기 연료극에서 일어나는 수소 산화반응과 공기극에서 일어나는 산소 환원반응을 통해 전기 에너지와 물을 발생시키게 된다. 이때 연료전지 스택(50)의 작동 중에 연료전지 스택(50) 내부의 화학 반응으로 인하여 열이 발생하고 이로 인해 배기가스가 고온으로 배출된다. 본 발명에 따르면 상기 연료전지 스택(50)으로부터 배출되는 고온의 배기가스는 예열용 열교환기(30)를 경유하면서 유입된 외부 공기와 열교환을 통해 공기를 가열한 후 대기 중으로 배출하게 된다.
상기 연료전지 스택(50)에 배출된 고온의 배기가스가 예열용 열교환기(30)로 공급되는 경로에는 배기가스 공급제어기(70)가 구비되며, 배기가스 공급제어기(70)는 배출구(71)를 구비한다. 배기가스 공급제어기(70)는 컨트롤러(60)에 의해 제어되어 배기가스를 예열용 열교환기(30)로 공급하거나 배출구(71)를 통해 외기로 배출하는 기능을 한다. 이때 배기가스 공급제어기(70)는 예열용 열교환기(30)로 공급되는 배기가스 유량을 조절하는 방식으로 제어될 수 있다.
본 발명의 연구자들의 연구에 의하며 무인항공기에서의 연료전지 스택(50)의 스타트 업 이후의 운전 효율은 가스 상의 수소 온도 보다는 외부에서 공기극으로 공급되는 외부 공기 온도에 의해 크게 좌우된다는 것을 확인할 수 있었다.
도 2는 무인항공기의 동력공급장치에서 스타트 업 이후의 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 온도에 따른 전압 및 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
무인항공기의 연료전지 스택(50)의 스타트 업(cold start 시) 시에는 수소의 온도가 낮은 경우 시동 불량이 발생하는 경우가 있었다. 그러나, 연료전지 스택(50)이 스타트 업 된 이후에는, 도 2에서 보이는 바와 같이 수소 온도는 연료전지 시스템의 운전 성능에 크게 영향을 미치지 않는다.
즉, 무인항공기의 동력공급장치에서, 연료탱크(10)에서 연료전지 스택(50)으로 공급되는 가스 상의 수소 온도는 스타트 업(start-up) 시에는 제어될 필요가 있으나, 연료전지 스택(50)이 가동된 이후에는 연료전지 스택(50)의 가동 효율에 미치는 영향이 거의 없다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서 수소 예열기(25)는 연료전지 스택(50)의 스타트 업시에 동작되도록 적절히 조절되는 것이 바람직하다.
도 3은 무인항공기용 동력공급장치에서 외기 온도에 따른 연료전지 스택의 개회로전압(OCV) 변화를 나타내는 그래프이다. 도 3은, 무인항공기의 연료전지 스택(50)의 운전 특성 즉, 가동 효율은 외기 온도에 의해 크게 영향을 받는다는 것을 보여준다.
무인 항공기는 지상으로부터 이격된 상공에서 운행을 하게 되는 데, 연료전지 스택(50)의 사용되는 공기는 외기에서 공급되는 것이므로, 계절 등과 같은 기후 조건뿐만 아니라 고도에 따라 외기의 온도가 변화된다. 그런데 본 발명의 연구자들에 의하면 연료전지 스택(50)의 운전 특성은 공기극에 공급되는 공기의 온도에 의해 영향을 받는 바, 지상으로부터 이격된 저온 상태의 상공에서 운행하는 무인항공기에서 공기극으로 공급되는 외기의 온도는 무인항공기의 운전 특성에 큰 영향을 미치는 인자가 되며, 특히 고고도 운행을 위해서는 공기극으로 공급되는 공기의 온도 제어가 중요하다.
도 3의 그래프를 참조하면, 연료전지 스택(50)의 개회로 전압은 -8℃에서 급격히 하강하며, 운전 특성 유지를 위해서는 -5℃를 최저 허용온도로 하여 공기극으로 공급되는 외기의 온도를 제어하는 것이 필요하다.
본 발명은 연료전지 스택(50)으로 공급되는 공기의 온도 제어를 위해 상기 예열용 히터(20)와, 상기 예열용 열교환기(30)를 구비한다.
연료전지 시스템은 운전 과정에서 일어나는 작동 열(배기가스)을 방출하여 연료전지 시스템의 내부의 작동 온도를 일정하게 유지하도록 하고 있다. 상기 예열용 열교환기(30)는 연료전지 스택(50)에 발생하는 작동 열을 이용하여 공기극으로 공급되는 공기의 온도를 제어할 수 있게 구비된다. 즉, 외부에서 공급되는 공기가 예열용 열교환기(30)에 공급된 배기가스와의 열 교환을 통해 승온된 후 공기극으로 공급될 수 있도록 한다.
그러나, 무인항공기의 가동 초기에는 배기가스의 온도가 상대적으로 낮아 배가가스의 열만으로는 공기를 예열하는 데 한계가 있다. 또한 고고도 환경에서도 배기가스의 열만으로 공기를 예열하는 데 한계가 있다. 본 발명에서는 예열용 히터(20)가 작동하여 예열용 열교환기(30)에서 부족한 열을 보충하는 기능을 한다.
본 발명에서 예열용 히터(20)의 동작은 온도 센서(51)의 센싱 값에 의해 제어되며, 이를 위해 컨트롤러(60)를 구비한다.
온도 센서(51)는 연료전지 스택(50)으로의 공기 유입 경로 상에 설치되어 연료전지 스택(50)의 공기극으로 공급되는 온도를 측정하며, 컨트롤러(60)는 온도센서(51)에서 검출된 공기극으로의 공급 공기 온도 정보를 입력받아 예열용 히터(20)의 동작을 제어한다. 상기 컨트롤러(60)는 피드백 제어 방식으로 예열용 히터(20)의 발열량을 제어할 수 있다.
상기 피드백 제어 방식은 온도센서(51)를 통해 연료전지 스택(50)에 공급되는 공기의 온도를 검출하고, 이를 목표온도와 비교하여 차이 값을 계산하여, 이 차이 값을 이용하여 예열용 히터(20)의 가동을 제어하는 방식을 사용한다.
본 발명은 예열용 히터(20)와 예열용 열교환기(30)를 동시적으로 배치하여 공기를 예열하므로, 예열용 히터(20)만으로 공기를 예열하는 경우와 대비하여 배터리(40)의 용량을 감소시키는 것이 가능하고, 이로 인해 무인항공기의 경량화를 달성할 수 있으며, 예열용 히터(20)의 제어에 의해 연료전지 스택(50)에 배출되는 배기가스의 온도에 관계없이 연료전지 스택(50)의 공기극으로 공급되는 온도를 목표 값 이상으로 제어하는 것이 가능하게 된다.
또한, 배기가스 공급기(70)를 구비하여 예열용 열교환기(30)로의 배기가스 공급을 제어하므로 필요에 따라 공기극으로 공급되는 공기의 온도가 과열되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 컨트롤러(60)는 예열용 히터(20)의 가동을 오프시킨 상태에서도 온도센서(51)을 통해 측정되는 공급 공기의 온도가 설정 온도 이상인 경우 예열용 열교환기(30)로 공급되는 배기가스의 공급을 제어하거나 공급 유량을 제어함으로써 공기극으로 공급되는 공기의 온도가 과열되는 것을 방지할 수 있다. 배출구(71)는 배기가스 중 예열용 열교환기(30)로 공급되지 않는 배기가스가 외기 중으로 방출되는 바이패스 경로가 된다.
상기 연료전지 스택(50)은 공급된 가스 상의 수소와 공기 중의 산소가 반응하여 발생된 전기에너지를 프로펠러를 구동시키는 모터(M) 등과 같은 무인항공기의 전기부하에 제공하며 컨트롤러(60) 및 예열용 히터(20)에 전기 에너지를 공급하는 배터리(40)를 충전한다. 본 명세서에서 모터(M)는 무인항공기의 전기부하를 대표한다.
상기 연료전지 스택(50)에서 배출되는 고온의 배기가스는 예열용 열교환기(30)를 거쳐 대기 중으로 배기된다.
이하, 본 발명에 따른 무인항공기용 동력공급장치의 전체적인 동작을 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에 따른 무인항공기는 수소 공급원으로서 연료탱크(10)에 액체 수소를 저장하여 사용한다. 무인항공기에서 액체 수소는 무인항공기의 가동 전에 연료탱크(10)에 충전된다.
연료탱크(10)에 저장된 극저온의 액체 수소는 외부로의 열 침입에 의해 기화되어 연료전지 스택(50)으로 공급된다. 기화된 극저온의 기체 수소는 수소 예열기(25)에 의해 예열되어 연료전지 스택(50)으로 공급되는 데, 수소 예열기(25)가 연료전지 스택(50)의 스타트 업 시에 동작하여 연료전지 스택(50)의 시동을 도우며, 연료전지 스택(50)이 가동된 후 수소 예열기(25)는 가동이 중지된다. 수소 예열기(25)는 기화된 극저온의 기체 수소를 예열하여 연료전지 스택(50)에 공급함으로써 연료전지 스택(50)의 효율적인 가동을 가능하게 한다.
연료전지 스택(50)의 공기극으로 공급되는 공기의 온도를 제어하기 위해 예열용 히터(20)와 예열용 열교환기(30)가 동작한다. 컨트롤러(60)는 온도센서(51)를 이용하여 연료전지 스택(50)의 공기극으로 공급되는 공기 온도를 센싱하며, 목표 온도값 예컨대, -5℃ 이하인 경우 예열용 히터(20)를 가동시키며 피드백 제어를 수행한다.
상기 연료전지 스택(50)이 가동 초기에는 예열용 열교환기(30)에 공급되는 배기가스의 온도가 상대적으로 낮기 때문에, 외기 온도가 낮은 경우, 열을 공급하기 위한 보충 열원이 필요하다. 본 발명에서는 배터리(40)로부터 전기 에너지를 공급받아 가동하는 예열용 히터(20)가 보충 열원으로 동작한다. 어느 정도의 시간이 경과하여 연료전지 스택(50)이 적정 반응 온도로 동작하면서 고온의 배기가스를 배출하고 이에 따라 예열용 열교환기(30)만으로 공기극에 공급되는 공기의 온도가 목표값에 도달하는 경우 예열용 히터(20)의 가동이 중지된다. 예열용 히터(20)의 동작은 피드백 제어되는 바, 온도센서(51)에서 측정되는 온도값에 따라 예열용 히터(20)의 발열량이 제어되면서 예열용 히터(20)의 가동 중지가 결정된다.
한편, 무인항공기가 고고도로 상승함에 따라 외기의 온도가 하강되면서 예열용 열교환기(30)만으로 공기극에 공급되는 공기의 온도를 목표값 이상으로 유지할 수 없는 경우 예열용 히터(20)는 다시 가동되어 피드백 방식으로 제어된다.
한편, 컨트롤러(60)는 예열용 히터(20)의 가동 중지 상태에서 공기극으로 공급되는 공기의 온도가 설정치 이상으로 높아 과열의 우려가 있는 경우 배기가스 공급기(70)를 제어하여 배출부(70)를 통해 배기가스를 외기로 배출함으로써 예열용 열효관기(30)로의 배기가스 공급 유량을 조절하여 공기극으로 공급되는 공기의 과열을 방지할 수 있다.
연료전지 스택(50)에서 생산된 전기 에너지는 배터리(40) 및 모터(M) 등과 같은 전기부하로 공급된다. 배터리(40)에 충전된 전기에너지는 컨트롤러 등의 전자기기 작동 및 예열을 위해 사용된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예의 기재에 한정되지 않으며, 본 발명의 특허청구범위의 기재를 벗어나지 않는 한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 실시 또한 본 발명의 보호범위 내에 있는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 연료탱크 20 : 예열용 히터
25 : 수소 예열기 30 : 열교환기
40 : 배터리 50 : 연료전지 스택
60 : 컨트롤러 70 : 바이패스 밸브

Claims (6)

  1. 전기부하에 전기 에너지를 제공하는 무인항공기용 동력공급장치에 있어서,
    액체 수소를 저장하는 연료탱크;
    상기 연료탱크로부터 기화되어 공급되는 수소와 상기 외부로부터 유입되는 외부 공기 중의 산소가 반응하여 전기 에너지를 생산하고 배기가스를 배출하며, 상기 전기부하와 상기 배터리에 생산된 전기 에너지를 공급하는 연료전지 스택;
    배터리로부터 전기 에너지를 공급받아 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 외부 공기를 예열하는 것이 가능한 예열용 히터;
    상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배기가스와의 열교환을 통해 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 외부 공기를 예열하기 위한 예열용 열교환기; 및,
    상기 예열용 히터의 가동을 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기용 동력공급장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 온도를 측정하는 온도센서를 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 온도센서의 측정값을 이용하여 상기 공기의 온도가 목표값에 도달하도록 상기 예열용 히터의 가동을 제어하는 것을 특징으로 하는 무인항공기용 동력공급장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 온도센서의 측정값을 목표값과 대비하여 상기 예열용 히터의 발열량을 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 무인항공기용 동력공급장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 예열용 열교환기로 배기가스가 공급되는 경로 상에는 상기 예열용 열교환기로의 배기가스 공급을 제어할 수 있는 배기가스 공급제어기가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 무인항공기용 동력공급장치.
  5. 연료전지 스택의 가동을 시작하는 단계;
    상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 공기의 온도를 측정하는 단계; 및,
    상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 공기가 예열용 열교환기 및 예열용 히터를 경유하되, 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 공기의 온도를 기 설정된 목표값과 대비하여 상기 예열용 히터의 가동을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기용 동력공급장치의 제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 공기의 온도를 기 설정된 목표값과 대비하여 상기 예열용 열교환기로의 배기가스 공급을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기용 동력공급장치의 제어방법.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2567504A (en) * 2017-10-03 2019-04-17 Linde Ag Fuel cell system
WO2020090879A1 (ja) * 2018-10-31 2020-05-07 株式会社ナイルワークス ドローン、ドローンの制御方法、および、ドローン制御プログラム
US11152631B2 (en) * 2019-06-09 2021-10-19 Textron Innovations Inc. Air-cooled fuel-cell freeze-protection system
KR20230099359A (ko) * 2021-12-27 2023-07-04 한국기계연구원 개인형 항공기용 액화수소 기반 통합 에너지 시스템 및 이를 이용한 에너지 관리 방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140136749A (ko) 2013-05-21 2014-12-01 한국과학기술연구원 액체 수소를 이용하는 무인 항공기 동력 공급 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140136749A (ko) 2013-05-21 2014-12-01 한국과학기술연구원 액체 수소를 이용하는 무인 항공기 동력 공급 장치

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2567504A (en) * 2017-10-03 2019-04-17 Linde Ag Fuel cell system
WO2020090879A1 (ja) * 2018-10-31 2020-05-07 株式会社ナイルワークス ドローン、ドローンの制御方法、および、ドローン制御プログラム
JP6751932B1 (ja) * 2018-10-31 2020-09-09 株式会社ナイルワークス ドローン、ドローンの制御方法、および、ドローン制御プログラム
US11152631B2 (en) * 2019-06-09 2021-10-19 Textron Innovations Inc. Air-cooled fuel-cell freeze-protection system
KR20230099359A (ko) * 2021-12-27 2023-07-04 한국기계연구원 개인형 항공기용 액화수소 기반 통합 에너지 시스템 및 이를 이용한 에너지 관리 방법

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