연료전지항공기 기술 동향

김근배(Keun-Bae Kim) 한국항공우주연구원 2009 항공우주산업기술동향 Vol.7 No.2

연료전지는 소음이 낮고 CO2 배출이 없는 친환경적 특성을 기반으로 항공기 추진시스템에 적용되고 있으며, 현재 연료전지를 탑재한 여러 종류의 무인항공기와 소형 유인항공기 개발이 진행되고 있다. 항공기용 연료전지는 대표적으로 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)방식과 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 방식으로 분류되며, 항공기의 임무 및 운용조건에 적합한 연료전지 시스템이 개발되고 있다. 무인항공기의 경우 대부분 PEM 연료전지 기술을 기반으로 군용 또는 상용으로 활용할 수 있는 다양한 형태와 크기의 항공기가 개발되고 있으며, 시스템의 안정성과 운용시간이 더욱 향상될 것이다. 소형 유인항공기에서는 추진시스템을 연료전지로 대체하기 위한 많은 연구가 수행되고 있으며, 또한 대형 상용 항공기의 보조동력장치(APU)에 연료전지를 적용하여 성능을 높이기 위한 개발이 진행되고 있다. 향후, 연료전지항공기는 연료전지의 전력밀도 증가와 더불어 신뢰성과 효율을 더욱 향상시킬 것으로 기대된다. Fuel cells are applied to the propulsion system of aircraft based on environmental-friendly characteristics with low noise and zero emission of CO2, currently many kinds of UAV and small manned aircraft equipped with fuel cells are being developed. Fuel cells for aircraft typically classified into PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type and SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) type and the system is developed to adapt missions and operational conditions of aircraft. For UAV, various types of aircraft mostly based on PEM fuel cell technology are investigated for military or commercial uses, and the stability and endurance of system will be improved. For small manned aircraft, many researches are carried out to substitute the propulsion system by fuel cell, also some developments for the higher performance of APU of large commercial aircraft to apply fuel cells are in progress. In the future, a fuel cell aircraft will be expected to improve the reliability and efficiency with higher power density.

흡열반응을 적용한 연료공급 및 냉각계통 구성품 시험장치 개발

박정배(Jeongbae Park),이영수(Youngsoo Lee),신동인(Dongin Shin),박수용(Sooyoung Park),최세영(Seyoung Choi) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.12

고속비행체의 연료공급 및 냉각계통에 적용되는 연료의 흡열반응을 이용한 냉각 특성을 확인하기 위해 열교환 냉각채널과 이를 시험할 수 있는 시험 장치를 구성하였다. 이를 이용하여 연료의 흡열반응을 일으킬 수 있는 초임계 온도 및 압력 환경을 구현하였다. 시험결과를 토대로 촉매의 연료분해 영향성을 비교 평가함으로써, 흡열 열교환 냉각채널과 촉매의 고속비행체 연료계통 시스템 및 냉각계통에 적용 가능성을 확인하였다. The test system of heat exchanger cooling channel was composed with the aim of researching a fuel cooling characteristic using endothermic reaction on fuel supply and cooling systems of high-speed vehicles. It employed a simulate endothermic reaction caused to the supercritical state of fuel. With this result, Catalyst influenced for fuel cracking was confirmed in comparison to verify applicability of endothermic heat exchanger cooling channel with catalyst to the fuel supply and cooling system of high-speed vehicles.

차량용 연료전지 열관리 계통 운전 모사를 위한 모델 기반 연료전지 시스템 에뮬레이터 개발

한재수(Jae soo Han),유상석(Sangseok Yu) 대한설비공학회 2018 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2018 No.6

A PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) is applied to automotive industry for next generation vehicle. Compared with internal combustion engine, automotive fuel cell rejects more heat via cooling system due to its operating characteristics. The thermal management of automotive fuel cell is very important for performance and durability of the system. In this study, the hardware emulator is developed to investigate the operating characteristics of fuel cell cooling system. The emulator is a part of hardware in the loop simulation (HILS) that is composed of fuel cell system model, hardware interface, industrial controller and hardware emulator. The feasibility of cooling system emulation is confirmed by analysis of system simulation input and hardware output.

가정용 연료전지시스템 계통연계형 전력변환장치의 외부사고 성능평가에 관한 연구

이정운(Lee, Jung-Woon),서원석(Seo, Won-Seok),김영규(Kim, Young-Gyu) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.11

최근 환경규제가 강화되면서 친환경적인 전력생산 요구 등의 외부환경 변화에 따른 우리나라의 전력구조가 기존의 중압 집중형 발전을 탈피한 분산전원 발전에 대한 관심이 증대되고 있는 실정이다. 특히, 분산전원으로서의 전력생산은 공급의 안전성, 경쟁력 및 에너지의 지속성 등이 요구되어지는데, 재생에너지가 가지고 있는 에너지 지속성의 한계 및 설치의 제약성을 탈피할 수 있는 시스템으로 현재 연료전지시스템이 가장 근접해 있는 실정이다. 즉, 도시가스 인프라가 우수하고 인구조밀 지역이 많은 우리나라의 특성상 각 가정 및 건물에 쉽게 설치하고 공급의 안전성을 갖는 건물용 연료전지는 최근 가장 각광받고 있는 분산전원 시스템 중의 하나이다. 올해부터 모니터링사업의 일환으로 수용가에 설치 될 연료전지 시스템이 얼마나 안정적으로 전기와 열을 각 가정에 공급하고 시스템의 안전성을 확보하는 가는 건물용 연료전지의 분산전원으로서의 가능성 및 국민의 수용성을 증대시키는 중요한 역할을 할 것이다. 연료전지시스템은 상용전력과 연계되어 있기 때문에 시스템의 안정성 뿐만 아니라 상용전력의 변화에 대응하여 안정적인 운전을 하는지에 대한 평가가 필수적이다. 이에 따라 본 연구에서는 가정용 연료전지시스템의 성능 및 안전성평가의 일환으로 계통연계형 전력변환장치의 성능 및 안전성을 평가 하고자 한다. 연료전지 검사를 위한 계통연계형 전력변환장치의 시험평가 항목으로는 크게 정상특성성능시험, 보호기능성능시험, 과도응답특성성능시험 및 외부사고성능시험 등으로 나뉘어진다. 본 연구에서는 외부사고 성능시험 항목들인 출력측 단락시험, 계통전압 순간정전?순간강하시험 및 부하차단 시험 등을 통하여 외부사고에 대한 성능 및 안전성을 평가하였다. 외부사고 성능시험의 주 목적은 시스템의 이상 운전이 아니라 외부의 영향에 따른 시스템의 안전성 및 전력품질을 평가한다. 출력측 단락시험을 수행하기 위해서 전력변환장치를 정격 출력 전압, 정격 출력 주파수 및 정격 출력에서 운전한 후, 교류 전원장치는 단락 전류를 검출하여, 사고 발생 후 0.3초 이내에 개방하도록 설정하였다. 여기서, 단락 저항 Rsc를 정격 전류의 10배 이상에 해당하는 부하와 같은 값으로 설정하였다. 스위치 SWSC를 폐로하여 단락 상태를 만들며, 이 때 전력변환장치의 출력전류와 차단 또는 정지 시간을 측정하였다. 실험 결과에 대한 판정기준은 단락전류를 검출하여 0.5초 이내에 개폐기 개방 또는 게이트 블록 기능이 동작하여 시스템을 안정하게 정지시키고 시스템 어떤 부위에도 손상이 없어야 한다. 실험 결과 파워컨디셔너의 출력전류 및 차단 또는 정지된시간이 40ms로 나타났고, 출력전류의 파형도 매우 안정함을 볼 수 있었다. 이와 같이 모든 실험을 수행한 결과 외부사고에 대하여 시스템이 안전하게 정지하는 등 연료전지 시스템의 안전성을 확인하였다.

고속 비행체 연료공급 및 냉각계통 사례분석

최세영(Seyoung Choi),박수용(Sooyong Park),최현경(Hyunkyung Choi),전필선(Pilsun Jun),박정배(Jeongbae Park) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

고속 비행체에 있어 공력에 의한 표면 가열과 내부의 발열 문제의 해결을 위해서는 적절한 연료의 선택, 이를 공급하기 위한 장치 구성, 그리고 이들을 적용한 냉각 체계 등의 부시스템이 필요하다. 이는 연료, 탱크, 연료공급을 위한 펌프, 다양한 조절 밸브, 촉매반응기를 포함한 열교환기, 구성품을 연결하는 배관, 벽면 단열 구조물 및 단열재 등의 구성품을 포함한다. 본 연구에서는 고속 비행체에 있어서 비행 특성에 따른 적용가능 연료의 특성을 고찰하였으며, 이에 따른 연료의 공급 및 냉각 시스템의 적용 기술 및 기술동향을 파악하였다. In high-speed vehicle, selection of fuel, configuration of components and cooling system are required to solve the heating issue by aerodynamic heating and inner combustion process. This subsystem consists of fuel, tank, fuel supply pump, various control valve, heat exchanger, including reactor, connecting line, adiabatic structures, insulations. In this paper, applicable fuel property is considered at flight characteristic of hypersonic vehicles. in this regard, current state of fuel/cooling system technology is identified.

프레임워크를 이용한 연료공급 및 냉각계통 예비설계 프로그램 개발

최세영,박수용,현석호,최원,박정배 항공우주시스템공학회 2018 항공우주시스템공학회지 Vol.12 No.4

In this study, we propose a conceptual design tool to develop fuel supply and engine cooling systems for high-speed vehicles. The preliminary designing of the systems and their validation were performed using this tool. Improvement in the design tool program was made using the fluid–thermal system design framework, which was applied to ensure efficient data processing using combined modules. The model geometry and thermal environment values were entered into the program. The thermodynamic properties of the system components were computed using the design tool, and simulation was performed to check the satisfaction rate of the requirements. It is hypothesized that our proposed design tool would be suitable for designing components for use in fuel supply and engine cooling systems of high-speed vehicles. 고속 비행체의 연료공급 및 냉각계통의 통합설계를 위한 프로그램을 개발하고 이를 이용하여 예비설계 및 검증을 수행하였다. 개발된 설계 도구는 상용 열유체 시스템 설계 프로그램을 프레임워크로 이용하여 모듈 통합과 입출력 처리 등이 개선되었다. 모델의 형상 및 열환경 변수를 입력하여 구성품의 상태량을 계산하고 모사를 통하여 설계 요구조건 충족을 확인할 수 있다. 이 프로그램을 사용하여 시스템의 세부 구성품 규격 선정에 적절하게 사용할 수 있음을 나타내었다.

KAS Part 23급 소형항공기 (KC-100) 연료계통 개발을 위한 주요 인증항목 적합성 입증

김덕렬,김도륭 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.11

본 논문에서는 항공기 기술기준인 KAS Part 23 의 연료계통 관련 항목인 23.951~23.1001 중, KC-100 에 적용되는 주요한 기술기준의 의미를 정확히 이해할 수 있도록 설명하고, KC-100 연료계통이 KAS Part23 에 적합하게 설계되었음을 입증하기 위한 방법에 대해 정리하였다. KC-100 연료계통에 적용되는 각 기술기준에 대한 입증방법을 설명, 계산/해석, 지상시험/실험실 시험, 비행시험으로 구분하여 제시하였으며, 이를 토대로 향후 소형항공기 연료계통 적합성 입증에 참고가 되고자 했다. This thesis describes methods to show compliance of KC-100 fuel system with Korean Airworthiness Standard(KAS) part 23. The meanings of major items of KAS part 23 fuel system sections are explained for better understanding. The means of compliance for each item have suggested of descriptive document, calculation/analysis, ground test or laboratory test and flight test. Henceforth, it would be helpful reference for showing compliance of small airplane fuel system with KAS part 23.

무인기 연료탱크 비가압식 시스템 설계 및 해석

김수현(Suhyun Kim) 한국추진공학회 2023 한국추진공학회지 Vol.27 No.6

When designing of the fuel system of aircraft, it has to be considered that the operating environmnet, maximum operating conditions, maneuvering conditions regarding negative and zero G condition, fuel type(whether or not there is auxiliary fuel), and so on. In this paper, design and simulation were performed to determine whether the fuel tank should be pressurized or not. The simulation results from AMESim which is software to analysis fuel transfer and supply system showed that non-pressurized fuel tank feed system can be possible to applied to the UAV because there is no cavitation and rapid pressure changes at the engine inlet. Furthermore, mass flow rate and pressure which are the requirements at the engine inlet are satisfied within the scheduled operating altitude range(30,000 ft).

KC-100 항공기의 연료계통 고온기상운용 시험 연구

김덕렬,최윤진,천태욱,정년수,이해선 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.11

본 논문은 고온기상상태에서 KC-100 연료계통의 연료공급성능이 항공기 기술기준 KAS Part 23.961의 요구조건을 만족하는지 검증하기 위해 수행된 비행시험에 관하여 기술한다. 연료를 115℉까지 가열하여 항공기에 급유한 후 10 분내에 이륙하여 최대운용고도까지 연속 상승하였다. 엔진 시동부터 최대운용고도까지 연속 상승하는 동안 가열된 연료를 사용하여 비행하였으며, 증기폐쇄(Vapor Lock) 등 연료공급 불안에 의한 엔진 이상반응이 발생하지 않았다. This thesis describes the result of KC-100 fuel system hot weather operation test for showing compliance with KAS part 23.961. The fuel was heated to 115℉ and refueled to airplane. The airplane took off within 10 minutes after refueling and then climbed continuously to maximum operating altitude. There is no fuel interruption including vapor lock and abnormal engine response during fuel system hot weather operation test.

고분자전해질 연료전지 특성 해석을 위한 열관리 계통 모델 기반 HILS 기초 연구

윤진원,한재영,김경택,유상석 한국수소및신에너지학회 2012 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.23 No.4

A thermal management system of a proton exchange membrane fuel cell is taken charge of controlling the temperature of fuel cell stack by rejection of electrochemically reacted heat. Two major components of thermal management system are heat exchanger and pump which determines required amount of heat. Since the performance and durability of PEMFC system is sensitive to the operating temperature and temperature distribution inside the stack, it is necessary to control the thermal management system properly under guidance of operating strategy. The control study of the thermal management system is able to be boosted up with hardware in the loop simulation which directly connects the plant simulation with real hardware components. In this study, the plant simulation of fuel cell stack has been developed and the simulation model is connected with virtual data acquisition system. And HIL simulator has been developed to control the coolant supply system for the study of PEMFC thermal management system. The virtual data acquisition system and the HIL simulator are developed under LabVIEWTM Platform and the Simulation interface toolkit integrates the fuel cell plant simulator with the virtual DAQ display and HIL simulator.