메뉴 건너뛰기
.. 내서재 .. 알림
소속 기관/학교 인증
인증하면 논문, 학술자료 등을  무료로 열람할 수 있어요.
한국대학교, 누리자동차, 시립도서관 등 나의 기관을 확인해보세요
(국내 대학 90% 이상 구독 중)
로그인 회원가입 고객센터 ENG
주제분류

추천
검색

논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

조성현 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원대학교 신에너지 및 시스템기술)

지도교수
김민진
발행연도
2016
저작권
과학기술연합대학원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수9

표지
AI에게 요청하기
추천
검색

이 논문의 연구 히스토리 (2)

초록· 키워드

오류제보하기
성층권은 안정적인 대기 특성을 갖고 있고 대기권보다 태양에너지를 더 많이 얻을 수 있기 때문에 성층권에서 무인항공기를 운용하는 것은 비행 안정성과 에너지 획득 측면에서 필요하다. 또한 기존 대기권 항공기보다 더 높은 고도에서 감시 및 정찰, 관측, 중계 임무를 할 수 있으며, 인공위성보다 더 낮은 고도에서 임무를 수행하기 때문에 항공기의 유지 및 관리가 용이하다. 그러나 성층권의 극한의 기후조건과 한번 이륙하면 추가적인 연료 공급을 할 수 없다는 점은 성층권에서 무인항공기를 운용하기 위해 해결해야할 이슈로 남아있다. 이러한 이슈들을 해결하기 위해서는 내구성을 높이고 출력시스템의 성능을 향상시켜서 무게를 최소화해야 한다. 재생연료전지 시스템은 낮에는 태양전지가 항공기에 공급하고 남은 에너지를 이용하여 연료기체인 수소와 산소를 만들 수 있으며, 태양전지를 이용할 수 없는 밤에는 낮 동안 만들어진 수소와 산소를 이용하여 연료전지를 통해 항공기가 필요로 하는 출력을 공급할 수 있다. 이를 통해 성층권에서 추가적인 연료 공급에 대한 이슈를 해결할 수 있다. 재생연료전지 시스템의 비에너지는 Li-ion 배터리의 비에너지보다 높아서 동일한 에너지를 제공할 때 배터리 시스템보다 더 가볍다. 이 논문에서는 재생연료전지 기반 하이브리드 무인항공기의 성층권에서의 2주기 비행가능성과 목표 무게 도달 가능여부를 알아보기 위해 표준대기 모델링과 각 출력 시스템 별 모델링을 계산하고 패턴 시뮬레이션을 통해 재생연료전지의 설계인자가 시스템에 미치는 영향을 알아보았다. 연료전지 시스템의 경우 교환 전류 밀도, 온도, 멤브레인 두께의 설계인자 중에서 교환 전류 밀도의 영향이 가장 큰 것을 알 수 있었다. 연료전지 시스템의 성능은 연료 사용량에 영향을 미치며 성능이 향상되면 무인항공기를 운용하기 위해 필요한 최소 연료량이 줄어들기 때문에 연료를 저장하는 탱크의 크기도 줄어들어 무게의 감소로 이어진다. 수전해 시스템의 경우 압력, Bubble coverage ratio, 교환 전류 밀도, 온도의 설계인자 중에서 압력과 교환 전류 밀도의 영향이 큰 것을 알 수 있다. 수전해 시스템의 성능은 연료 생성량에 영향을 미치며 성능이 향상되면 더 작은 크기로도 최소 연료량을 생산할 수 있기 때문에 시스템의 크기를 줄여 무게를 감소시킬 수 있다. 시뮬레이션에서 교환 전류 밀도가 10-2 A/cm2 이상이고 멤브레인 두께가 25 μm 이하이며 충전기체 온도가 25 ℃인 경우 제한 무게를 충족시키는 것을 알 수 있었다. 재생연료전지 시스템의 전반적인 성능향상이 있을 경우 한 설계인자를 무리하게 올리지 않아도 제한 무게를 충족시킬 수 있을 것으로 예상된다. 저장탱크에 고압으로 충전시키기 위해 수전해 시스템을 고압조건으로 운전하는 경우 무게는 감소시킬 수 있지만 수소 폭발로 인하여 안정성에 문제가 생길 수 있다. 기본 운전압력 조건인 350 bar에서는 약 1.4 이상의 고 전류 밀도 조건에서는 산소 내의 수소 농도 비율이 수소 폭발 하한선인 4% 이하이지만 저 전류 밀도 조건에서는 비율이 4% 이상이다. 따라서 안전을 위해 고 전류 밀도 영역 또는 낮은 운전압력 조건에서 운전하는 것이 필요하다. 4% 이상의 산소 내의 수소 농도 비율 조건에서 수전해 장비를 운전하지 않도록 설정한 경우 기준압력 350 bar에서는 제한무게를 충족시키지 못하였다.

목차

Ⅰ. 서 론 ················································· 1
1. 연구 배경 ··············································· 1
2. 연구 목적 및 방법 ································· 2
Ⅱ. 모델링 ·············································· 4
1. 고도에 따른 표준대기 모델링 ············· 4
가. 가정 및 조건 ···································· 4
나. 구성 방정식 ······································ 4
2. 무인항공기 모델링 ································ 8
가. 가정 및 조건 ···································· 8
나. 구성 방정식 ······································ 8
3. 태양전지 모델링 ··································· 11
가. 가정 및 조건 ··································· 11
나. 구성 방정식 ····································· 11
4. 연료전지 모델링 ·································· 13
가. 가정 및 조건 ··································· 13
나. 구성 방정식 ···································· 13
a. 셀 전압 ·········································· 13
b. 활성화 과전압 ······························ 14
c. 농도 과전압 ·································· 14
d. Ohmic 과전압 ······························ 15
e. 연료전지 출력 ······························ 18
f. 수소-산소 사용량과 물 생성량 ··· 18
5. 수전해 모델링 ······································· 21
가. 가정 및 조건 ···································· 21
나. 구성 방정식 ····································· 21
a. 셀 전압 ··········································· 21
b. Bubble effect ································ 22
c. 활성화 과전압 ······························· 23
d. 농도 과전압 ··································· 23
e. Ohmic 과전압 ······························ 28
f. 수전해 출력 ···································· 28
g. 수소-산소 생성량 및 물 사용량 · 28
h. 가스 크로스오버와 안정성 ·········· 29
6. 가스탱크 모델링 ··································· 32
가. 가정 및 조건 ···································· 32
나. 구성 방정식 ····································· 32
Ⅲ. 시뮬레이션 ··········································· 33
1. 가정 및 조건 ·········································· 33
2. 재생연료전지 설계인자 설정 ·············· 34
Ⅳ. 결과 및 토의 ········································· 35
1. 비행경로 ················································· 35
2. 태양전지 ················································· 36
3. 연료전지 ················································· 37
가. 연료전지 성능 ·································· 37
나. 연료전지 설계인자 변화에 따른 시뮬레이션 패
턴 해석 ············································· 41
다. 연료전지 무게 ································· 45
4. 수전해 ··················································· 48
가. 수전해 성능 ····································· 48
나. 시뮬레이션 패턴 해석 ···················· 53
다. 고압 수전해의 가스 크로스오버와 안정성 ····· 56
a. 산소 내의 수소 농도 비율 ··········· 56
b. 안정성을 고려한 시뮬레이션 패턴 해석 ······· 58
c. 안정성을 고려한 재생연료전지 시스템 무게 60
Ⅴ. 결 론 ················································· 62
참고문헌 ···················································· 64

최근 본 자료

전체보기

댓글(0)

0