KR20210125123A - 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents

무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 드론과 같은 무인항공기의 수소연료전지용 소형 액체수소 저장탱크의 수소소모량을 모니터링할 수 있는 액체수소 저장탱크 모니터링 장치를 제공하기 위한 것이다.
이에 본 발명에서는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생성하는 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택에서 발생하는 전력을 이용하는 전기부하, 상기 연료전지 스택의 출력 데이터를 감지하는 센서부, 상기 센서부의 감지 신호값에 근거하여, 액체수소 저장탱크 내의 액체수소가 시간이 지남에 따라 소모되는 양을 적산하고, 이를 액체수소 초기 저장량을 기준으로 감산하여 액체수소 잔량을 산출하는 제어부 및 상기 제어부에서 산출되는 데이터를 전송하기 위한 통신부를 포함하는 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치를 개시한다.

Description

무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치 및 방법{MONITORING DEVICE AND METHOD OF A LIQUID HYDROGEN STORAGE TANK FOR UAV}
본 발명은 액체수소 저장탱크 내의 액체수소 잔량을 모니터링하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 드론과 같은 무인항공기의 수소연료전지용 소용량 액체수소 저장탱크 내 액체수소 잔량과 액체수소 저장탱크의 이상유무나 고장 여부를 원격으로 진단할 수 있는 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치 및 방법에 관한 것이다.
수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치로써 화석연료를 이용하는 발전방식에 비해 에너지 효율이 높으며 소음이 없고 온실가스 발생이 적은 친환경 에너지원이다.
이러한 수소연료전지 시스템에 공급하는 수소가스는 상온에서 기체 상태로 존재하기 때문에 높은 압력으로 압축하거나 액화시켜 700bar의 압력에도 견딜 수 있는 압축수소 저장탱크/액체수소 저장탱크에 저장하고 있다.
액체수소(liquid hydrogen)는 기체수소를 극저온 상태(대기압 기준 -253?)로 냉각시켜 극저온용 특수 단열 저장탱크에 액화 상태로 저장할 수 있으며, 기체수소의 부피를 약 1/865로 감소시켜 동일 압력에서 기체수소 대비 865배의 체적에너지 밀도를 가지고 있다.
즉, 액체수소는 대기압에서 대용량, 즉 고밀도 저장이 가능하여 저장탱크의 안전성 측면은 물론 저장 비용을 줄일 수 있고, 아울러 낮은 온도로 고압의 기체수소에 비해 폭발 위험성이 낮은 장점을 가지고 있다.
한편, 무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)는 광학, 적외선, 레이더 센서 등 다양한 장비를 탑재하여 정찰, 감시, 정밀타격 유도와 같은 군사용 목적의 임무를 수행하는 것을 비롯하여 지표면 관찰, 기상관측, 재해감시, 물품이송, 항공촬영, 재난구조 등에 활용도가 급격히 증가하고 있다.
최근 무인항공기의 동력원으로 장시간 비행에 유리하고 소음이 적은 수소연료전지 시스템이 각광받고 있다.
즉, 무인항공기는 액체수소 저장탱크 내에서 기화되는 수소가스를 연료전지 스택(Fuel Cell Stack)으로 공급하고, 이를 연료전지 스택에서 공기 중의 산소와 반응시켜 만든 전기로 전기모터를 구동하여 적은 연료로도 먼 거리를 장시간 비행이 가능하고, 배기가스 및 공해물질을 거의 배출되지 않아 환경오염이 적으며, 기존 배터리의 가장 큰 단점이었던 짧은 운용 시간을 해결할 수 있어 군사용 등 다양한 산업분야에서 주목을 받고 있다.
이러한 무인항공기의 비행 중 액체수소 저장탱크에서 이상이나 고장이 발생하면, 연료전지 스택에 수소가 제대로 공급되지 않거나 수소의 온도가 공기에 비해 내려가 연료전지 스택이 전기 생성을 위한 운전 성능이 현저히 저하될 수밖에 없다.
한편, 특허문헌 1에는 저장탱크 내의 열량의 변화량과 압력의 변화량에 근거하여 저장탱크 내 액체수소의 잔량을 검출하는 시스템이 개시되어 있다.
그런데 이러한 방식은 액체수소의 온도 변동 범위가 넓은 물리적 특성상 정밀도가 떨어져 잔량을 계산하는데 오차가 매우 클 뿐만 아니라 오작동이 잦은 문제점이 있다.
또한, 액체수소를 저장탱크에 충전 시 분자 간 상호작용 또는 외부에서 전달되는 열에너지에 의해 액체수소에서 증발 및 기화된 자연기화가스(Boil Off Gas: BOG)가 발생하고, 이로 인한 저장탱크 내부의 압력과 온도 상승을 억제하기 위하여 자연기화가스를 수시로 배기하기 때문에 이에 상응하는 오차가 발생하여 액체수소의 잔량을 정확히 검출할 수 없다.
한편, 액체수소 저장탱크 내 수위 및 저장량은 액체수소의 수위를 검출하는 장치나 수위센서, 온도센서를 이용하여 직접적으로 측정할 수 있으나, 무인항공기와 같이 액체수소 저장탱크의 경량화 및 소형화가 요구되는 경우 무게 증가와 공간상의 제약으로 인해 설치가 불가능한 문제점이 있다.
여기서 상술한 배경기술 또는 종래기술은 본 발명자가 보유하거나 본 발명을 도출하는 과정에서 습득한 정보로서 본 발명의 기술적 의의를 이해하는데 도움이 되기 위한 것일 뿐, 본 발명의 출원 전에 이 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 기술을 의미하는 것은 아님을 밝힌다.
KR10-1909517 B1(2018.10.12) KR10-1022391 B1(2011.03.08) KR10-1222874 B1(2013.01.10) KR10-0189450 B1(1999.01.16) KR10-0814526 B1(2008.03.11) KR10-1340314 B1(2013.12.05)
이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려함과 동시에 기존의 액체수소용 수위센서나 온도센서를 사용하여 액체수소 저장탱크를 모니터링하기 위한 장치 및 방법이 지닌 기술적 한계 및 문제점을 해결하려는 발상에서, 액체수소용 수위센서나 온도센서를 사용하지 않고 무인항공기의 수소연료전지용 소용량 액체수소 저장탱크 내의 액체수소 잔량을 실시간으로 측정할 수 있음은 물론이고, 원격으로 연료전지 스택의 출력량과 액체수소 소모량이 정상값인지 확인하여 액체수소 저장탱크의 정상작동을 감시하고 이상유무나 고장 여부를 진단할 수 있는 새로운 구조의 무인항공기용 액체수소 저장탱크의 잔량 및 고장진단용 장치 및 방법을 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 연료전지 스택의 출력 데이터를 이용하여 액체수소 저장탱크 내 액체수소 잔량을 측정할 수 있도록 하는 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치 및 방법을 제공하는 데 있는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제 및 목적은 연료전지 스택의 출력 데이터를 이용하여 액체수소 저장탱크의 이상유무나 고장을 진단할 수 있도록 하는 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치 및 방법을 제공하는 데 있는 것이다.
여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 기술적 목적을 달성 및 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 구체적 수단은, 수소와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생성하는 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택에서 발생하는 전력을 이용하는 전기부하, 상기 연료전지 스택의 출력 데이터를 감지하는 센서부, 상기 센서부의 감지 신호값에 근거하여, 액체수소 저장탱크 내의 액체수소가 시간이 지남에 따라 소모되는 양을 적산하고, 이를 액체수소 초기 저장량을 기준으로 감산하여 액체수소 잔량을 산출하는 제어부 및 상기 제어부에서 산출되는 데이터를 전송하기 위한 통신부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치를 제시한다.
이로써 본 발명은, 연료전지 스택의 출력 데이터를 이용하여 드론과 같은 무인항공기의 수소연료전지용 소용량 액체수소 저장탱크 내에 소모되고 남은 액체수소 잔량을 정확하게 측정할 수 있어 부품수 감소 및 경량화를 통한 연료 소모량을 줄이는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예로 상기 연료전지 스택의 출력 데이터는, 상기 연료전지 스택에서 상기 전기부하로 인가되는 부하전압 및 부하전류 데이터이고, 상기 센서부는, 상기 연료전지 스택과 상기 전기부하를 전기적으로 연결하는 회로 상에 장치되어 상기 연료전지 스택에서 상기 전기부하로 인가되는 부하전압 및 부하전류를 측정하고, 그 측정 결과를 전기신호로 변환하여 출력하는 전압센서와 전류센서로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로 상기 연료전지 스택은, 상기 액체수소 저장탱크에서 발생한 수소 증발가스와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생성하고, 상기 액체수소 저장탱크 내부에 장치되고, 상기 연료전지 스택의 전기에너지를 이용하여 상기 액체수소 저장탱크 내 액체수소를 기화시켜 상기 연료전지 스택으로 수소 증발가스가 공급되도록 작용하는 히터, 상기 액체수소 저장탱크의 압력을 측정하고, 측정 결과를 전기신호로 변환하여 출력하는 압력센서 및 상기 전압센서와 전류센서 및 상기 압력센서에서 전송된 신호를 전기신호로 변환하여 상기 제어부로 출력하는 신호변환부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로 상기 제어부는, 상기 액체수소 내 액체수소 초기 저장량 및 저장탱크의 미리 정해진 압력 설정치를 입력하기 위한 비행조건 입력모듈, 상기 센서부의 감지 신호값에 근거하여, 상기 액체수소 저장탱크 내의 액체수소가 시간이 지남에 따라 소모되는 양을 적산하여 누적수소 소모량을 산출하고, 이를 액체수소 초기 저장량에서 감산하여 액체수소 잔량을 산출하는 액체수소 잔량 산정모듈, 상기 센서부의 상기 히터로 인가되는 부하전압 및 부하전류의 감지 신호값에 근거하여, 상기 히터의 시간이 지남에 따른 전력 소비량을 적산하여 누적에너지 소비량을 산출하고, 누적에너지 소비량을 누적수소 증발량으로 변환하는 히터 누적수소 증발량 산정모듈, 상기 압력센서의 측정값에 근거하여, 상기 액체수소 저장탱크 내의 압력을 산출하는 저장탱크 압력 산정모듈 및 상기 액체수소 잔량 산정모듈과, 상기 히터 누적 수소 증발량 산정 모듈로 각각 액체수소 잔량을 산출하고 비교하여 허용오차범위 밖이면 상기 액체수소 저장탱크의 이상이나 고장으로 판단하거나, 상기 저장탱크 압력 산정모듈의 압력 측정치와 상기 비행조건 입력모듈의 압력 설정치를 비교하여 허용오차범위 밖인 경우도 액체수소 저장탱크의 이상이나 고장으로 판단하여 고장 신호를 통신부를 통해 관제서버에 전송하는 저장탱크 고장 진단모듈을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고 본 발명의 다른 실시예 따른 구체적 수단은, 액체수소 저장탱크 내의 액체수소 소모량을 초기화하는 단계, 연료전지 스택에서 전기부하로 인가되는 부하전압 및 부하전류를 측정하는 단계, 상기 부하전압 및 부하전류 측정값에 근거하여, 액체수소 저장탱크 내의 액체수소가 시간이 지남에 따라 소모되는 양을 적산하여 누적수소 소모량을 산출하는 단계, 상기 누적수소 소모량을 액체수소 초기 저장량에서 감산하여 액체수소 잔량을 산출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 방법을 제시한다.
이로써 본 발명은, 연료전지 스택의 출력 데이터를 이용하여 드론과 같은 무인항공기의 수소연료전지용 소용량 액체수소 저장탱크 내에 소모되고 남은 액체수소 잔량을 정확하게 측정할 수 있어 부품수 감소 및 경량화를 통한 연료 소모량을 줄이는 효과가 있다.
상기 특징에 따라 상기 연료전지 스택에서 상기 액체수소 저장탱크 내 액체수소를 기화시키기 위해 히터로 인가되는 전압 및 전류를 측정하는 단계, 상기 히터로 인가되는 전압 및 전류 측정값에 근거하여, 히터의 시간이 지남에 따른 전력 소비량을 적산하여 누적에너지 소비량을 산출하는 단계, 상기 누적 에너지 소비량을 통해 누적 수소 증발량을 산출하는 단계를 수행할 수 있다.
또한, 상기 누적수소 소모량과 상기 누적 수소 증발량으로부터 산출한 누적수소 소모량을 비교하여 오차를 계산하는 단계, 상기 오차가 허용오차범위 밖이면 상기 액체수소 저장탱크의 이상이나 고장으로 판단할 수 있다.
또한, 상기 액체수소 저장탱크의 압력 측정치와 미리 정해진 압력설정치를 비교하여 오차를 계산하는 단계, 상기 오차가 허용범위 밖이면 상기 액체수소 저장탱크의 이상이나 고장으로 판단할 수 있다.
또한, 상기 고장 신호를 통신부를 통해 관제서버에 전송하는 단계를 더 포함하여 이루어지도록 함으로써 액체수소 저장탱크의 이상유무나 고장을 실시간으로 진단할 수 있어 비행 시 등에 액체수소의 잔량 오류 및 부족으로 인해 발생하는 추락사고를 예방할 수 있다.
상기와 같은 기술적 목적의 달성과 기술적 과제를 해결하기 위한 수단 및 구성을 갖춘 본 발명에 따르면, 액체수소용 수위센서나 온도센서를 사용하지 않고 연료전지 스택의 출력 데이터를 이용하여 무인항공기의 수소연료전지용 소용량 액체수소 저장탱크 내에 소모되고 남은 액체수소 잔량을 정확하고 안정적으로 측정할 수 있다.
따라서 무인항공기를 소형화 및 경량화할 수 있어 연료 소모량을 줄이는 효과가 있을 뿐만 아니라 액체수소 저장탱크의 이상유무나 고장을 실시간으로 진단할 수 있어 비행 시 등에 액체수소의 잔량 오류 및 부족으로 인해 발생하는 추락사고를 예방할 수 있다.
여기서 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치의 주요 구성요소를 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치의 주요 구성요소 중 제어부의 세부 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 방법을 실행하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 방법을 실행하기 위한 순서도이다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하며, 본 발명을 설명하기에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다.
또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기 및 형태와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
아울러 본 명세서에서 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함하는 의미이며, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
즉, 본 명세서에서 설시하는 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해해야 한다.
아울러 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이외에도 "부" 및 "유닛"의 용어에 대한 의미는 시스템에서 목적하는 적어도 하나의 기능이나 어느 일정한 동작을 처리하는 단위 또는 역할을 하는 모듈 형태를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 혹은 하드웨어 및 소프트웨어의 결합 등을 통한 수단이나 독립적인 동작을 수행할 수 있는 디바이스 또는 어셈블리 등으로 구현할 수 있다.
그리고 상단, 하단, 상면, 하면, 또는 상부, 하부, 상측, 하측, 전후, 좌우 등의 용어는 각 구성요소에 있어 상대적인 위치를 구별하기 위해 편의상 사용한 것이다. 예를 들어, 도면상의 위쪽을 상부로 아래쪽을 하부로 명명하거나 지칭하고, 길이 방향을 전후 방향으로, 폭 방향을 좌우 방향으로 명명하거나 지칭할 수 있다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있다. 즉, 제1, 제2 등의 용어는 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 구성요소는 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 한에서 제2 구성요소로 명명할 수 있고, 또 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명할 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치의 주요 구성요소는, 연료전지 스택(10), 전기부하(20), 센서부(30), 액체수소 저장탱크(40), 제어부(50), 통신부(60) 및 신호변환부(70)를 포함하고 있다.
연료전지 스택(10)은, 액체수소 저장탱크(40)에서 발생한 수소 증발가스와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생성한다.
여기서 연료전지 스택(10)은, 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판(bipolar plate)의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는 방식의 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 스택일 수 있다.
즉, 연료전지 스택(10)의 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
또한, 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
아울러 연료전지 스택(10)에서 생성되는 전력은 전기부하(20)에서 요구하는 전류량에 따라 값이 달라질 수 있다.
전기부하(20)는, 연료전지 스택(10)에서 발생하는 전기 에너지를 소모하는 부분으로, 무인항공기의 비행용 모터 및 각종 전기부품을 포함할 수 있다.
아울러 전기부하(20)는 연료전지 스택(10)의 전기에너지를 이용하여 액체수소 저장탱크(40) 내 액체수소를 기화시켜 연료전지 스택(10)으로 수소 증발가스가 공급되도록 작용하는 히터(41)를 포함할 수 있다.
즉, 히터(41)는 액체수소 저장탱크(40) 내 액체수소에 열량을 투입하기 위해 연료전지 스택(10)과 전기적으로 연결된 채로 액체수소 저장탱크(40) 내부에 장치되어 있다.
센서부(30)는, 연료전지 스택(10)의 출력 데이터를 시간 단계(time step)별로 감지한다.
즉, 센서부(30)는, 연료전지 스택(10)과 전기부하(20)를 전기적으로 연결하는 회로 상에 장치되어 있다.
여기서 연료전지 스택(10)의 출력 데이터는 연료전지 스택(10)에서 전기부하(20)로 인가되는 부하전압 및 부하전류 데이터일 수 있다.
또한, 센서부(30)는 연료전지 스택(10)에서 전기부하(20)로 인가되는 부하전압 및 부하전류를 감지 및 검출하고, 그 결과를 전기신호로 변환하여 신호변환부(70)에 출력하는 전압센서(V)와 전류센서(A)로 구성될 수 있다.
즉, 전압센서(V)와 전류센서(A)는 연료전지 스택(10)에서 전기부하(20)로 인가되는 부하전압 및 부하전류를 실시간으로 측정하고, 제어부(50)에 측정값을 알리기 위한 신호(signal)를 보내기 위해 연료전지 스택(10)과 전기부하(20)를 전기적으로 연결하는 회로 상에 구비되어 있다.
한편, 전압센서(V)와 전류센서(A)는 연료전지 스택(10)에서 액체수소 저장탱크(10) 내부를 웜업(warm-up)해 주기 위한 히터(41)로 인가되는 전압 및 전류를 측정하여 전기신호를 낼 수 있다.
액체수소 저장탱크(40)는, 별도의 주입구를 통해 주입되는 액체수소를 일정량 저장하고, 저장 중 발생한 수소 증발가스는 연료전지 스택(10)에 공급한다.
여기서 액체수소 저장탱크(40)는 액체수소의 증발을 최소화하는 구조로 이루어질 수 있다.
예를 들면, 액체수소를 극저온 상태로 저장하도록 내부에 다층박막단열재(multi-layer insulation), 에어로젤(aerogel), 알루미늄과 유리섬유 재질의 이중 단열재 등으로 감싸는 형태 또는 내통과 외통 사이에 단열재를 충전하여 단열하는 형태일 수 있다. 바람직하게는 스테인리스 스틸(stainless steel)의 내통과 외통으로 이루어진 이중 용기(vessel) 사이에 진공 공간이나 단열층을 갖는 형태로 형성할 수 있다.
한편, 액체수소 저장탱크(40)에는 그 내부의 압력을 검출 및 측정한 결과를 전기신호로 변환하여 신호변환부(70)로 출력하는 압력센서(P)가 구비되어 있다.
제어부(50)는, 장치의 전반적인 작동을 제어한다. 특히 제어부(50)는 센서부(30)의 감지 신호값에 근거하여, 미리 정해진 시간 동안 액체수소 저장탱크(40) 내의 액체수소가 시간이 지남에 따라 소모되는 변화량을 적산하고, 이를 액체수소 초기 저장량을 기준으로 감산하여 액체수소 잔량을 산출하는 구동 알고리즘을 저장하고 있다.
또한, 제어부(50)는 히터(41)의 구동을 제어한다.
도 2를 참조하면, 제어부(50)는 비행조건 입력모듈(51), 액체수소 잔량 산정모듈(52), 히터 누적수소 증발량 산정모듈(53), 저장탱크 압력 산정모듈(54) 및 저장탱크 고장 진단모듈(55)을 포함할 수 있다.
비행조건 입력모듈(51)은 비행조건에 따른 액체수소 저장탱크(40) 내의 액체수소 잔량 예상치와, 히터(41)의 누적에너지 소비량 예상치 및 액체수소 저장탱크(40)의 미리 정해진 압력 설정치를 입력한다.
액체수소 잔량 산정모듈(52)은, 정해진 시간 간격 동안 정해진 방법으로 측정되는 센서부(30)의 감지 신호값에 근거하여, 액체수소 저장탱크(40) 내의 액체수소가 시간이 지남에 따라 소모되는 양을 적산하여 누적수소 소모량을 산출하고, 이를 액체수소 초기 저장량에서 감산하여 액체수소 잔량을 산출한다.
히터 누적수소 증발량 산정모듈(53)은, 연료전지 스택(10)에서 히터(41)로 인가되는 전압 및 전류의 값을 정해진 시간 간격 동안 정해진 방법으로 측정한 센서부(30)의 감지 신호값에 근거하여, 히터(41)의 시간이 지남에 따른 전력 소비량을 적산하여 누적에너지 소비량을 산출하고, 이를 누적 수소 증발량으로 산출한다.
저장탱크 압력 산정모듈(54)은 압력센서(P)의 측정값에 근거하여, 액체수소 저장탱크(40) 내의 압력을 산출한다.
저장탱크 고장 진단모듈(55)은 액체수소 잔량 산정모듈(52)의 액체수소 잔량과 히터 누적수소 증발량 산정모듈(53)의 누적수소 증발량을 초기 액체수소 저장량으로부터 감산하여 산출한 액체수소 잔량을 비교하여 허용오차범위 밖이면 액체수소 저장탱크(40)의 이상이나 고장으로 판단하거나, 비행조건 입력모듈(51)의 액체수소 저장탱크 압력 설정치와 저장탱크 압력산정모듈(54)의 압력 측정치를 비교하여 허용오차범위 밖이면 액체수소 저장탱크의(40)의 이상이나 고장으로 판단하여 고장 신호를 통신부(60)를 통해 원격지의 관제서버에 전송한다.
여기서 제어부(50)는, 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 후술하는 본 발명의 실시 예에 따른 방법을 수행하기 위한 일련의 명령을 포함할 수 있다.
또한, 제어부(50)는, 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리 및/또는 스토리지에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다.
통신부(60)는, 제어부(50)에서 산출되는 데이터를 비행 컨트롤러(Flight Controller) 또는 별도의 무선 통신회선 접속을 통해서 원격지의 관제서버로 전송한다.
또한, 통신부(60)는 컨트롤 보드(15)에서 전송되는 연료전지 스택(10)의 출력 전압과 전류 측정값을 제어부(50)로 전송한다.
신호변환부(70)는, 전압센서(V)와 전류센서(A) 및 압력센서(P)에서 연속으로 전송된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 제어부(50)로 출력한다.
도 1 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치를 이용하여 액체수소 잔량 측정을 위한 모니터링 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 사용자(작업자)가 무인항공기의 구동시간, 누적수소 소모량, 히터 누적 수소 증발량 등을 초기화한 상태에서 액체수소 저장탱크 압력 설정치를 입력하여 미리 저장한다(S101).
이후, 센서부(30)가 연료전지 스택(10)에서 전기부하(20)로 인가되는 부하전압 및 부하전류를 실시간으로 감지 및 검출(측정)하여 전기신호를 생성하고, 그 검출(측정)값 정보를 통신소자를 통해 제어부(50)로 전달한다(S103).
S103 단계의 측정값에 근거하여, 제어부(50)는 액체수소 저장탱크(40) 내의 액체수소가 시간이 지남에 따라 소모되는 양을 적산하여 누적수소 소모량을 산출한다(S105).
즉, 제어부(50)는 연료전지 스택(10)의 부하전압과 부하전류를 곱하여 그 출력값을 산정하고, 누적수소 소모량은 미리 정해진 설정값을 시간 단계(time step)별로 적산하여 산정할 수 있다.
예를 들면, 전압센서(V)의 측정값이 25V, 전류센서(A)의 측정값이 80A일 경우 연료전지 스택(10)의 출력값은 2kw이고, 수소 소모량은 140g/hr(=0.039 g/s)이며, 이때 누적수소 소모량은 이전 시간 단계에서의 누적수소 소모량 + 수소 소모량(0.039g/s X초)으로 산정할 수 있다.
그리고 제어부(50)는 그 누적수소 소모량을 액체수소 초기 저장량에서 감산하여 액체수소 잔량을 산출한다(S107).
즉, 액체수소 잔량은 액체수소 초기 저장량 - 누적수소 소모량으로 산정할 수 있다.
이러한 과정을 통해 무인항공기의 액체수소 저장탱크(40) 내에 소모되고 남은 액체수소 잔량을 정확하고 안정적으로 측정할 수 있다.
도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치를 이용하여 액체수소 저장탱크 고장 진단을 위한 모니터링 방법을 설명하면 다음과 같다.
S107 단계 이후에 연료전지 스택(10)에서 액체수소 저장탱크(40) 내 액체수소를 기화시키기 위한 히터(41)로 인가되는 전압 및 전류를 측정한다(S109).
S109 단계의 측정값에 근거하여, 제어부(50)는 히터(41)의 시간이 지남에 따른 전력 소비량을 적산하여 히터 누적에너지 소비량을 산출한다(S111).
예를 들면, 히터(41)로 인가되는 전압센서(V)의 측정값이 25V, 전류센서(A)의 측정값이 0.7A일 경우 히터(41)의 출력값은 17.5W이고, 이때 히터 누적에너지 소비량은 이전 시간 단계에서의 히터 누적에너지 소모량 + 에너지 소모량(17.5W X초)으로 산정할 수 있다.
이후, 제어부(50)는 히터 누적에너지 소비량을 액체수소의 증발잠열과 히터로부터 액체수소로 전달되는 효율을 통해 히터 누적수소 증발량으로 산출할 수 있다(S113).
계속해서 제어부는, S107 단계에서 얻은 액체수소 잔량 산출치를 S113 단계의 히터 누적수소 증발량에서 얻은 액체수소 잔량과 비교하여 오차를 계산한다. (S115)
이후, 압력센서(P)를 이용하여 시간 단계(time step)별로 액체수소 저장탱크(40) 내의 압력을 측정한다(S117)
계속해서, S101 단계에서 미리 정해진 액체수소 저장탱크 압력 설정치와, S117 단계에서 얻은 액체수소 저장탱크 압력 측정치를 비교하여 오차를 계산한다(S119).
마지막으로 제어부(50)는 각 비교값들 중 적어도 어느 하나가 허용오차범위 밖이면, 액체수소 저장탱크(40)의 이상이나 고장으로 판단하여 고장 신호를 통신부(60)를 통해 원격지의 관제서버에 전송한다(S121).
이때, 제어부(50)는 각 비교값들 중 적어도 어느 하나의 값이 허용오차범위를 벗어나면, 비행중지 또는 복귀명령을 수행할 수 있고, 허용오차범위 안이면, 구동시간, 누적수소 소모량, 히터 누적수소 증발량 등을 업데이트할 수 있다.
이후, S103 단계로 되돌아가는 과정을 반복적으로 수행할 수 있다.
이렇게 함으로써 무인항공기의 액체수소 저장탱크(40) 내에 소모되고 남은 액체수소 잔량을 정확하고 안정적으로 측정하여 원격지의 관제서버에서 실시간으로 모니터링할 수 있다.
아울러 연료전지 스택(10)의 출력량 대비 액체수소 소모량이 정상값인지 확인하여 액체수소 저장탱크(40)의 정상작동을 감시하고 그 이상유무나 고장 여부를 진단할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지로 다양하게 변형하고 응용할 수 있음은 물론이고 각 구성요소의 치환 및 균등한 타 실시 예로 변경하여 폭넓게 적용할 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다.
그러므로 본 발명의 기술적 특징을 변형하고 응용하는 것에 관계된 내용은 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 해석하여야 할 것이다.
10: 연료전지 스택 20: 전기부하
30: 센서부 40: 액체수소 저장탱크
41: 히터 50: 제어부
60: 통신부 70: 신호변환부
V: 전압센서 A: 전류센서
P: 압력센서

Claims (8)

  1. 수소와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생성하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에서 발생하는 전력을 이용하는 전기부하;
    상기 연료전지 스택의 출력 데이터를 감지하는 센서부;
    상기 센서부의 감지 신호값에 근거하여, 액체수소 저장탱크 내의 액체수소가 시간이 지남에 따라 소모되는 양을 적산하고, 이를 액체수소 초기 저장량을 기준으로 감산하여 액체수소 잔량을 산출하는 제어부; 및
    상기 제어부에서 산출되는 데이터를 전송하기 위한 통신부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 출력 데이터는, 상기 연료전지 스택에서 상기 전기부하로 인가되는 부하전압 및 부하전류 데이터이고,
    상기 센서부는, 상기 연료전지 스택과 상기 전기부하를 전기적으로 연결하는 회로 상에 장치되어 상기 연료전지 스택에서 상기 전기부하로 인가되는 부하전압 및 부하전류를 측정하고, 그 측정 결과를 전기신호로 변환하여 출력하는 전압센서와 전류센서로 이루어진 것을 특징으로 하는 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 액체수소 저장탱크 내부에 장치되고, 상기 연료전지 스택의 전기에너지를 이용하여 상기 액체수소 저장탱크 내 액체수소를 기화시켜 상기 연료전지 스택으로 수소 증발가스가 공급되도록 작용하는 히터;
    상기 액체수소 저장탱크의 압력을 측정하고, 그 측정 결과를 전기신호로 변환하여 출력하는 압력센서; 및
    상기 전압센서와 전류센서 및 상기 압력센서에서 전송된 신호를 전기신호로 변환하여 상기 제어부로 출력하는 신호변환부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    비행조건 및 액체수소 저장탱크의 미리 정해진 압력 설정치를 입력하기 위한 비행조건 입력모듈;
    상기 센서부의 감지 신호값에 근거하여, 상기 액체수소 저장탱크 내의 액체수소가 시간이 지남에 따라 소모되는 양을 적산하여 누적수소 소모량을 산출하고, 이를 액체수소 초기 저장량에서 감산하여 액체수소 잔량을 산출하는 액체수소 잔량 산정모듈;
    상기 센서부의 상기 히터로 인가되는 전압 및 전류의 감지 신호값에 근거하여, 상기 전기부하의 시간이 지남에 따른 전력 소비량을 적산하여 누적에너지 소비량을 산출하고 이를 누적수소 증발량으로 변환하는 히터 누적수소 증발량 산정모듈;
    상기 압력센서의 측정값에 근거하여, 상기 액체수소 저장탱크 내의 압력을 산출하는 저장탱크 압력 산정모듈; 및
    상기 액체수소 잔량 산정모듈의 액체수소 잔량 산출치와 상기 히터 누적수소 증발량 산정모듈로부터 산출한 액체수소 잔량 산출치를 비교하여 허용오차범위 밖이면 상기 액체수소 저장탱크의 이상이나 고장으로 판단하거나, 상기 비행조건 입력모듈에서 미리 입력한 압력 설정치와 상기 저장탱크 압력 산정모듈로부터 얻은 저장탱크 압력 측정치를 비교하여 허용오차범위 밖이면 상기 액체수소 저장탱크의 이상이나 고장으로 판단하여 고장 신호를 통신부를 통해 관제서버에 전송하는 저장탱크 고장 진단모듈;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 장치.
  5. 다음의 각 단계로 이루어지는 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 방법.
    (A) 액체수소 저장탱크 내의 액체수소 소모량을 초기화하는 단계;
    (B) 연료전지 스택에서 전기부하로 인가되는 부하전압 및 부하전류를 측정하는 단계;
    (C) 상기 부하전압 및 부하전류 측정값에 근거하여, 상기 액체수소 저장탱크 내의 액체수소가 시간이 지남에 따라 소모되는 양을 적산하여 누적수소 소모량을 산출하는 단계;
    (D) 상기 누적수소 소모량을 액체수소 초기 저장량에서 감산하여 액체수소 잔량을 산출하는 단계;
  6. 제5항에 있어서,
    (E) 상기 연료전지 스택에서 상기 액체수소 저장탱크 내 액체수소를 기화시켜 주기 위한 히터로 인가되는 전압 및 전류를 측정하는 단계;
    (F) 상기 히터로 인가되는 전압 및 전류 측정값에 근거하여, 히터의 시간이 지남에 따른 전력 소비량을 적산하여 누적에너지 소비량을 산출하고 이를 액체수소의 증발잠열과 히터로부터 액체수소로 전달되는 효율을 통해 히터 누적수소 증발량을 산정하는 단계;
    (G) 상기 액체수소 잔량 산출치와 히터누적수소 증발량을 통해 얻은 액체수소 잔량 산출치를 비교하여 오차를 계산하는 단계;
    (H) 상기 액체수소 저장탱크 내의 압력을 측정하는 단계;
    (I) 상기 액체수소 저장탱크 압력 측정치와 미리 정해진 액체수소 저장탱크 압력 설정치를 비교하여 오차를 계산하는 단계;
    (J) 각 비교값 중 적어도 어느 하나가 허용오차범위 밖이면 상기 액체수소 저장탱크의 이상이나 고장으로 판단하여 고장 신호를 통신부를 통해 관제서버에 전송하는 단계;
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 연료전지 스택에서 상기 액체수소 저장탱크 내 액체수소를 기화시켜 주기 위한 히터로 인가되는 전압 및 전류를 측정하는 단계 후
    히터 누적에너지 소비량을 액체수소의 증발잠열과 히터로부터 액체수소로 전달되는 효율을 통해 히터 누적수소 증발량으로 산정하고 이를 통해 액체수소 잔량을 산출하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 누적수소 소모량을 액체수소 초기 저장량에서 감산하여 액체수소 잔량을 산출한 후 얻은 액체수소 잔량 산출치와 히터 누적에너지 소비량을 액체수소의 증발잠열과 히터로부터 액체수소로 전달되는 효율을 통해 히터 누적수소 증발량으로 산출된 액체수소 잔량을 비교하여 오차를 계산하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무인항공기용 액체수소 저장탱크 모니터링 방법.

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