수소 연료전지가 드론산업에 미치는 영향에 관한 연구 = A Study on the Influence of Hydrogen Fuel Cells on the Drone Industry|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study is to analyze the applicability of hydrogen fuel cells as an alternative technology to the power system to solve the problem of limiting air time, a key technical constraint that hinders the advancement and spread of commercialization of the drone industry. Existing industrial drones mainly use lithium-ion (Li-polymer) as power sources, but it is difficult to secure long-term operability due to the limitation of energy density (Wh/kg) of battery technology, which is acting as a structural limitation factor limiting long-distance missions and expansion of the medium and large-sized aerial vehicle (UAV) market. Therefore, this study attempted to systematically derive the effect of characteristics such as power conversion efficiency of hydrogen-based fuel cells on drone flight performance by including polymer electrolytes (PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) and direct methanol (DMFC) in the comparative analysis range. In terms of research methodology, energy density comparison, system weight structure, and power supply characteristics by condition were indicated for lithium-based battery-based power systems, PEMFC, and DMFC systems. In addition, by analyzing the trade-off relationship change between air time when applying a fuel cell power system, the effect of power system selection on drone operation efficiency indicators was quantitatively examined. As a result of the analysis, the application of the fuel cell-based power system resulted in a significant increase in air time compared to the existing battery power source, and in particular, it was confirmed that DMFC can secure practicality even when the initial hydrogen charging infrastructure imperfections exist in terms of liquid fuel storage and supply ease. This suggests that a certain level of diffusion path can be formed regardless of hydrogen infrastructure maturity. Overall, by analyzing the applicability of hydrogen fuel cells from the perspective of energy density-based performance comparison and operational benefits rather than just technical materials, this study suggested that hydrogen-based drones can be a practical engineering alternative to solving structural bottlenecks in industrial areas that require long-term operation such as long-distance monitoring, logistics delivery, and defense/policy. The contribution of this study is to present evidence that hydrogen fuel cells can be defined as a technology to expand the usability of the drone industry, which provides a framework that can be used for future hydrogen-based drone design, fuel cell battery hybrid integration strategy, and analysis of changes in the UAV market structure.

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국문 초록 (Abstract)

본 연구는 드론 산업의 고도화와 상용화 확산을 저해하는 핵심
기술적 제약 요인인 체공시간 한계 문제를 해결하기 위한 전원 시
스템의 대안 기술로서 수소 연료전지(Fuel Cell)의 적용 가능성을
공학적으로 분석하는데 목적을 둔다. 기존 산업용 드론은 주로 리
튬계 배터리(Li-ion, Li-polymer)를 전원으로 활용하고 있으나, 배
터리 기술의 에너지 밀도(Wh/kg) 한계로 인해 장시간 운용성 확
보가 어려우며, 이는 장거리 임무 수행 및 중·대형 드론(UAV,
Unmanned Aerial Vehicle) 시장 확대를 제약하는 구조적 한계 요
인으로 작용하고 있다. 이에 본 연구에서는 고분자전해질(PEMFC,
Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)과 직접메탄올(DMFC,
Direct Methanol Fuel Cell)을 비교 분석 범위에 포함하여, 수소
기반 연료전지의 전력 변환 효율 등 특성이 드론 비행성능에 미치
는 영향을 체계적으로 도출하고자 하였다.
연구 방법론 측면에서 리튬계 배터리 기반 전원 시스템, PEMFC,
DMFC 시스템을 대상으로 에너지 밀도 비교, 시스템 중량구조, 조
건별 전력공급 특성 등을 지표화하였으며, 또한 연료전지 전원 시
스템의 적용 시 탑재중량이 체공시간 간 Trade-off 관계 변화를
분석함으로써 전원시스템 선택이 드론 운영 효율성 지표
(Progected Operating Benefit)에 미치는 영향을 정량적으로 검토
하였다. 분석 결과, 연료전지 기반 전원 시스템 적용은 기존 배터
리 전원 대비 유의미한 체공시간 증가 가능성을 도출하였으며, 특
히 DMFC의 경우 액체 연료 저장 및 공급 용이성 측면에서 초기
수소충전 인프라 불완전성이 존재하는 시점에서도 실용성이 확보
가능함을 확인하였다. 이는 수소 인프라 성숙도와 무관하게 일정
수준의 확산 경로가 형성될 수 있음을 시사한다.
종합적으로 본 연구는 수소 연료전지 적용 가능성을 단순한 기술
소재 수준이 아니라, 에너지 밀도 기반 성능 비교 및 운용 편익 관
점에서 분석함으로써, 수소 기반 드론이 장거리 모니터링, 물류 배
송, 국방·정책 등 장시간 운용이 요구되는 산업 영역에서 구조적
병목을 해소할 수 있는 실질적 공학적 대안이 될 수 있음을 제시
하였다. 본 연구의 기여는 수소 연료전지를 드론 산업의 활용성 확
장 기술로서 정의할 수 있는 근거 데이터를 제시하였다는 데 있으
며, 이는 향후 수소 기반 드론 설계, 연료전지 배터리 하이브리드
통합 전략 및 임무형 드론(UAV) 시장 구조 변화 분석등에 활용
가능한 기준틀을 제공한다.

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본 연구는 드론 산업의 고도화와 상용화 확산을 저해하는 핵심 기술적 제약 요인인 체공시간 한계 문제를 해결하기 위한 전원 시 스템의 대안 기술로서 수소 연료전지(Fuel Cell)의 적용 가능...