연료전지 추진 무인기, 11시간 이상 연속 비행 성공 

재료硏, 자체 개발한 무인기용 연료전지 동력원 공중 실증

□ 과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환/ 이하 재료연) 재료디지털플랫폼연구본부 항공재료연구센터 양철남 박사 연구팀이 1 kW 용량의 고분자 전해질 연료전지를 자체 설계 제작해, 윙스팬 7.2 M 길이의 무인기에 적용, 11시간 연속 비행과 함께 비행거리 770 ㎞의 공중 실증을 완료했다.

□ 기존 무인기에 적용되는 내연기관 엔진의 경우, 장시간 체공에는 유리하지만, 소음과 진동, 열 감지, 배기가스에 의한 대기오염, 그리고 낮은 에너지효율 등 여러 문제점을 가진다. 최근 전동 추진 방식이 대세를 이루며 무인기용 전동모터 에너지원으로 2차전지인 리튬전지가 사용되는 추세이다. 하지만 전지의 낮은 에너지밀도 등으로 인해 이 역시 짧은 임무 수행 시간을 극복하기가 어려운 한계에 직면해있다.

□ 연구팀은 이와 같은 엔진 및 리튬전지의 단점을 극복하고자, 새로운 동력인 1 kW급 연료전지 동력원을 개발하고, 배터리와 하이브리드 전원으로 구성해 무인항공기에 적용했다. 이를 통해, 12시간 이상 장시간 체공 및 임무 수행이 가능한 무인기용 연료전지 동력원을 개발하고, 이와 함께 공중 실증까지 완료했다.

□ 이번에 사용한 연료전지, 배터리 하이브리드 기술은 1 kW의 연료전지 전기 출력과 리튬폴리머 2차전지의 조합으로 구성됐다. 무인기의 이륙 및 공중에서 급격한 전기 출력에 대응하고자, 최고 출력 4,200W 이상을 낼 수 있도록 구성했다. 해당 기술은 기존 무인기에 적용되는 2차전지의 낮은 에너지밀도를 극복할 수 있어 장시간 체공을 요구하는 전동 추진 무인기에 적합해, 이를 통해 해안선, 내수면, 환경 모니터, 산업 인프라 감시 등에 활용될 것으로 기대된다.

□ 현재 민수용 연료전지 추진 무인기 기술은 캐나다 BPS社와 아프리카 정부 지원을 받은 FLY H2 에어로스페이스가 공동으로 9시간 600㎞를 비행하는 수준으로 개발 중이다. 이번 성과는 이 목표를 상회하는 수준으로 개발됐다.

□ 연료전지 추진 무인기 기술 관련 국내 시장규모는 아직 초기 단계로, 학교나 벤처 기업에서 해외 연료전지를 도입해 무인기에 적용하는 수준이다. 대부분 해외 연료전지 시스템 업체에 끌려가는 수준으로 개발되어, 개발의 자유도가 낮다. 본 기술개발은 국내 연료전지 추진 무인기 개발업체와 협업 및 공동 개발을 통해 국산화에 의한 수입 대체 효과뿐만 아니라, 기술 자립에도 이바지할 것으로 전망된다.

□ 연구책임자인 양철남 책임연구원은 “개발된 연료전지 동력원을 적용해 11시간 이상 비행함으로써, 민수용으로는 세계적인 수준에 도달했다고 본다.”라며, “이제는 민/군 겸용으로 활용할 수 있는 수준을 목표로 24시간 연속 비행이 가능한 연료전지 개발 및 무인기 적용 실증연구를 계속해서 이어갈 것.”이라고 말했다.

□ 본 연구성과는 과학기술정보통신부 지원을 받아 한국재료연구원 기본사업인 ‘항공기용 연료전지 동력원 개발 및 실증 기술 개발’과제를 통해 수행됐다.