KR20230088999A - 드론 전력용 수소 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 펠릿 형태로 성형된 수소화물(Hydride) 펠릿을 수용하는 카트리지 모듈; 상기 카트리지 모듈에서 수소화물 펠릿을 공급받아 수소를 발생시키는 반응 모듈; 및 상기 반응 모듈에서 발생하는 수소를 일시적으로 보관하며, 소요 전력에 맞추어 수소를 연료 전지 모듈로 공급하는 공급 제어 모듈을 포함하는 드론 전력용 수소 발생기에 관한 것이다.

Description

드론 전력용 수소 발생기{Hydrogen Generation Device for Drone Power System}
본 기술은 드론 전력용 수소발생장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 무인 비행체인 드론의 배터리 전력 시스템을 대체하여 장시간 비행 및 장거리 활동범위를 가지는 드론의 전력 공급을 위한 수소발생장치에 관한 것이다.
현재 많이 사용되고 있는 2차 전지는 낮은 에너지 밀도를 가지고 있어 장시간 사용하는데 어려움을 가지고 있으며, 그에 따른 좁은 활동 반경(40km 전후) 제약이 발생한다.
따라서, 신재생에너지의 한 분야인 연료전지를 접목한 드론은 장시간 비행 및 넓은 활동 반경으로 다양한 임무 활용에 적합하며, 효율적이고 최적화된 수소 공급 기술이 가장 큰 관건이다.
대한민국 등록특허 제10-0782383호 공고일자 2007년12월07일
본 발명은 무인 비행체인 드론의 배터리 전력 시스템을 대체하여 장시간 비행 및 장거리 활동범위를 가지는 드론의 전력 공급을 위한 수소발생 장치의 제공을 목적으로 한다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 의한 드론 전력용 수소 발생기는,펠릿 형태로 성형된 수소화물(Hydride) 펠릿을 수용하는 카트리지 모듈; 상기 카트리지 모듈에서 수소화물 펠릿을 공급받아 수소를 발생시키는 반응 모듈; 및 상기 반응 모듈에서 발생하는 수소를 일시적으로 보관하며, 소요 전력에 맞추어 수소를 연료 전지 모듈로 공급하는 공급 제어 모듈을 포함한다.
이때, 상기 수소화물 펠릿은, 수소화붕소나트륨(NaBH4)을 펠릿 형태로 성형한 것이 바람직하다.
또한, 상기 수소화물 펠릿은, 코발트-붕소 촉매를 포함할 수 있다.
한편, 상기 연료 전지 모듈에서 발생된 반응물인 수증기를 반응 모듈에 공급하는 수분 응축 모듈을 더 포함할 수 있다.
아울러, 상기 반응 모듈은, 수소화물 펠릿을 공급받아 수소를 발생시키는 제1 반응 탱크; 상기 제1 반응 탱크와 동일한 형태의 것으로서 상기 제1 반응 탱크와 병열 형태로 배치되는 제2 반응 탱크; 및 상기 카트리지 모듈로부터 이송되온 상기 수소화물 펠릿을 상기 제1 반응 탱크 또는 상기 제2 반응 탱크에 선택적으로 제공하는 밸브형 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 드론 전력용 수소 발생기에 의하면, 상온에서도 안전한 분말 형태의 화학 소재를 펠렛 형태로 보관 및 활용하며 실시간 전력 수요에 따른 화학적 반응을 통해 수소를 공급 및 전력으로 변환하여 드론에 탑재되는 전력 시스템의 총 중량을 낮추는동시에, 수소 공급량을 최대화하여 드론 활동의 연속성을 보장할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 드론 전력용 수소 발생기의 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 드론 전력용 수소 발생기의 모식적인 사시도이다.
도 3은 반응 모듈을 설명하는 모식도이다.
도 4는 공급 제어 모듈을 설명하는 모식도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 2는 일 실시예에 따른 드론 전력용 수소 발생기의 모식적인 사시도이다. 도 2는 모듈화 방식이 아닌 일체형 타입의 드론 전력용 수소 발생기(1000)를 설명한다.
도 2에서 각 식별부호가 의미하는 바는 다음과 같다.
(1) : 분말 펠렛 화학 소재 투입 장치
(2) : 가수분해 화학반응을 통한 수소 반응조
(3) : 수소가스 이동관
(4) : 바이패쓰(Bypass) 밸브
(5) : 수소 가스 압축 실린더
(6) : 가스 펌프
(7) : 솔레노이드 밸브
(8) : 유량조절기
(9) : 연료전지에서 젼력 생산 후 발생한 수분 이동관
(10) : 수분 펌프
(11) : 수분응축기 및 (2)으로 투입되는 수분 투입기
(1)은 수소 성분이 포함된 분말 형태의 원소재를 촉매 입자와 혼합한 후, 동전 모양의 펠렛으 로 제조하고 투입장치에 보관 및 수소 발생조에 공급하는 구성이다.
(2)는 물 또는 화학적 용액이 담긴 수소 반응조로서, 펠렛 소재가 용액과 반응하여 수소를 발생시키는 장치이다.
(3)은 수소 반응조에서 발생한 수소가 전력 발생을 위해, 연료전지 수소 투입구로 이동하는 수소 이동관이다.
(4)는 수소 가스 압축 실린더에 압력이 설정 압력보다 높아질 경우, 안전을 위해 외부로 자동으로 수소 가스를 방출하여 압력을 낮춰주는 밸브이다.
(5)는 화학적으로 발생한 수소를 연료전지 수소 투입구로 공급 전에 일시적으로 보관하는 수소 압축 실린더이다.
(6)은 화학 반응의 속도 차이로 발생하는 수소의 양이 적을 경우, 강제적으로 연료전지 수소 투입구로 수소 가스를 이동시켜주는 장치이다.
(7) 은 드론의 on/off 상황에 맞춰 수소 가스의 공급을 on/off 하는 밸브 방식의 스위치이다.
(8)은 필요로하는 전력양을 만족시키기 위해, 수소의 공급 유량을 조절하는 장치이다.
(9)는 전기화학 반응 후, 연료전지에서 발생한 물을 재활용하기 위해 배출된 물을 수소 반응조로 이동시키기 위한 수분 이동관이다.
(10)은 원활한 수분 이동을 위한 펌프이다.
(11)은 재활용을 위한 수분응축실린더 및 수소 반응조에 공급하기 위한 투입기이다.
도 1은 일 실시예에 따른 드론 전력용 수소 발생기의 블록도이고, 도 3은 반응 모듈을 설명하는 모식도이고, 도 4는 공급 제어 모듈을 설명하는 모식도이다.
도 1, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 드론 전력용 수소 발생기(1000)는 카트리지 모듈(100), 반응 모듈(200), 공급 제어 모듈(300) 및 수분 응축 모듈(400)을 포함한다. 드론 전력용 수소 발생기(1000)는 신속한 운용이 가능하도록 모듈화된 구조를 가진다. 필요한 모듈만을 교체하는 방식으로 사용될 수 있다.
카트리지 모듈(100)은 펠릿 형태로 성형된 수소화물(Hydride) 펠릿(P)을 수용한다. 수소화붕소나트륨(NaBH4)을 압착하여 소정의 크기의 고체로 형성한다. 본 발명에서는 이를 수소화물 펠릿(P)이라고 호칭하기로 한다. 실시하고자 하는 드론 전력용 수소 발생기(1000)의 규모 또는 사용 환경에 따라 수소화물 펠릿(P) 분말에 가까운 1mm 내외의 크기로 형성될 수도 있고, 수 cm 단위의 크기로 형성될 수도있다. 도시에서는 수소화물 펠릿(P)을 알갱이 형태로, 카트리지 모듈(100)은 수소화물 펠릿(P)을 수용하는 용기 형태로 도시하였으나 이는 설명의 편의를 위한 것 뿐으로서, 카트리지 모듈(100)과 펠릿(P)의 형태는 실시자에 따라 여러 변형 형태로 실시될 수 있다.예를 들어 수소화물 펠릿(P)을 동전 모양으로 성형하고, 카트리지 모듈(100)은 이를 1개씩 인출 할 수 있는 형태로 실시되는 것도 가능하다.
수소화붕소나트륨(NaBH4)을 촉매(본 실시 형태에서는 코발트-붕소 촉매)와 일정 비율로 혼합하여 수소화물 펠릿(P)을 성형한다. 견고함과 표면적을 넓히기 위하여 다공성 소재(예를 들어 규조토) 등을 더 혼합할 수 있다.
수소화붕소나트륨(NaBH4)은 사용 가능한 수소화물의 가운데 하나일 뿐이며, 필요에 따라서는 수소화 붕소 아연(ZnBH4), 수소화 붕소 칼륨(CaBH4), 수소화 알루미늄 리튬(LiAlH4) 및 NaBH(OCH3)3 등 수소를 함유하는 다른 물질이 사용될 수 있다.
반응 모듈(200)은 카트리지 모듈(100)에서 수소화물 펠릿(P)을 공급받아 수소를 발생시킨다. 도 3을 참조하면 반응 모듈(200)은 제1 반응 탱크(210), 제2 반응 탱크(220) 및 벨브형 스위치(V1)를 포함한다.
제1 반응 탱크(210)는 수소화물 펠릿(P)을 공급받아 수소를 발생시키는 탱크이다. 제2 반응 탱크(220)는 제1 반응 탱크(210)와 동일한 형태의 것으로서 제1 반응 탱크(210)와는 병렬 형태로 배치된다.
NaBH4는 물과 반응하여 다음 식과 같은 가수분해반응을 통해 수소를 발생한다.
NaBH4 + 2H2O → 4H2 + NaBO2
일정 수량의 수소화물 펠릿(P)이 제1 반응 탱크(210)에 투입되면 공급되는 물과 반응하여 수소를 발생시킨다. 반응 진행에 따라 수소 발생량이 줄어들게되며, 수소 발생량을 일정 수준으로 유지시키기 위해서는 수소화물 펠릿(P)을 연속으로 제1 반응 탱크(210)에 투입해야 한다. 다만, 이 경우 압력에 의해 펠릿(P) 투입구 쪽으로 수소가 유출되는 문제가 발생한다.
본 실시형태는 이러한 수소 유출 문제를 최소화 하기 위한 것으로서, 반응 모듈(200)은 제1 반응 탱크(210)와 제2 반응 탱크(220)를 포함하는 형태를 가진다.
벨브형 스위치(V1)는 카트리지 모듈(100)로부터 이송되온 수소화물 펠릿(P)을 제1 반응 탱크(210) 및 제2 반응 탱크(220)에 선택적으로 제공한다.
벨브형 스위치(V1)를 제어하여, 먼저 제1 반응 탱크(210)에 수소화물 펠릿(P)을 일정량 투입한다. 반응 진행에 따라 수소 발생량이 줄어들게 되면 특정 시점에 벨브형 스위치(V1)를 제어하여 제2 반응 탱크(220)에 수소화물 펠릿(P)을 투입시킨다.
이후, 제1 반응 탱크(210)의 압력이 설정된 압력 이하로 낮아지면 벨브형 스위치(V1)를 제어하여 제1 반응 탱크(210)에 수소화물 펠릿(P)을 설정된 양만큼 다시 투입한다. 두 반응 탱크(210, 220)를 번갈아가는 방식으로 수소 유출을 최소하면서도 수소의 공급을 효율적으로 제어하는 것이 가능하다.
벨브형 스위치(V1)와 제1 반응 탱크(210), 제2 반응 탱크(220)를 연결하는 파이프(L2, L3)은 수소의 누설이 일어나지 않도록 밀폐형태의 관으로 연결되어야 하며, 수소화물 펠릿(P)의 원활한 이동을 위해 각 파이프에는 진동을 유발하는 모터(M)가 구비되는 것이 바람직하다. 도시에서는 카트리지 모듈(100)이 파이프(L1)를 통해 벨브형 스위치(V1)와 연결된 것으로 되어 있으나 컴팩트한 형태로서 카트리지 모듈(100)이 벨브형 스위치(V1)에 직접 결합하는 방식으로 실시될 수 있다.
공급 제어 모듈(300)은 반응 모듈(200)에서 발생하는 수소를 일시적으로 보관하며, 소요 전력에 맞추어 수소를 연료 전지 모듈로 공급한다.
공급 제어 모듈(300)은 저장 탱크(310), 바이패스 밸브(320), 강제 공급 펌프(330), 유량 조절 벨브(340) 및 압축 펌프(350)를 포함한다.
저장 탱크(310)는 반응 모듈(200)에서 발생되는 수소의 양이 연료 전지 모듈(500)에서 소요되는 양보다 많은 경우 남은 수소를 일시적으로 저장하는 탱크이다. 바이패스 밸브(320)는 저장 탱크(310)에 수소가 과잉 충전되어 폭발하는 것을 방지하기 위해 저장 탱크(310)의 압력을 일정 수준으로 유지시키는 밸브이다.
강제 공급 펌프(330)는 저장 탱크(310)의 압력이 낮아진 경우 수소를 강재로 공급(인출)하기 위한 펌프이다. 유량 조절 벨브(340)는 공급되는 수소의 양을 조절하는 밸브이다.
NaBH4는 가수분해 반응을 통해 수소를 방출하는데, 수분 응축 모듈(400)은 연료 전지 모듈(500)에서 발생된 수증기를 응축하여 반응 모듈(200)에 공급한다. 따라서 물을 별도로 탑재하지 않아도 되므로 시스템 전체 중량을 줄일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 드론 전력용 수소 발생기(1000)에 의하면, 상온에서도 안전한 분말 형태의 화학 소재를 펠렛 형태로 보관 및 활용하며 실시간 전력 수요에 따른 화학적 반응을 통해 수소를 공급 및 전력으로 변환하여 드론에 탑재되는 전력 시스템의 총 중량을 낮추는동시에, 수소 공급량을 최대화하여 드론 활동의 연속성을 보장할 수 있다. 특히 카트리지 모듈(100)을 교체하는 방식으로 신속하게 수소 공급 물질을 충전할 수있다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
1000 : 드론 전력용 수소 발생기
100 : 카트리지 모듈
200 : 반응 모듈
300 : 공급 제어 모듈
400 : 수분 응축 모듈

Claims (5)

  1. 펠릿 형태로 성형된 수소화물(Hydride) 펠릿을 수용하는 카트리지 모듈;
    상기 카트리지 모듈에서 수소화물 펠릿을 공급받아 수소를 발생시키는 반응 모듈; 및
    상기 반응 모듈에서 발생하는 수소를 일시적으로 보관하며, 소요 전력에 맞추어 수소를 연료 전지 모듈로 공급하는 공급 제어 모듈을 포함하는 드론 전력용 수소 발생기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소화물 펠릿은,
    수소화붕소나트륨(NaBH4)을 펠릿 형태로 성형한 것을 특징으로 하는 드론 전력용 수소 발생기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 수소화물 펠릿은,
    코발트-붕소 촉매를 포함하는 특징으로 하는 드론 전력용 수소 발생기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료 전지 모듈에서 발생된 반응물인 수증기를 반응 모듈에 공급하는 수분 응축 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드론 전력용 수소 발생기.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 반응 모듈은,
    수소화물 펠릿을 공급받아 수소를 발생시키는 제1 반응 탱크;
    상기 제1 반응 탱크와 동일한 형태의 것으로서 상기 제1 반응 탱크와 병열 형태로 배치되는 제2 반응 탱크; 및
    상기 카트리지 모듈로부터 이송되온 상기 수소화물 펠릿을 상기 제1 반응 탱크 또는 상기 제2 반응 탱크에 선택적으로 제공하는 밸브형 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론 전력용 수소 발생기.
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