수소 고체 카트리지 기반 연료전지 드론 개발에 관한 연구
Development of Fuel Cell Drones with Solid Hydrogen Cartridges Based on Metal Hydrides
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초록
본 연구는 수소 고체저장합금 기반 카트리지를 드론용 연료전지 시스템에 적용하여 운용시간과 에너지 효율성을 향상시키는 것을 목적으로 수행되었다. 기존 드론은 리튬이온 배터리에 의존하여 비행시간이 20분 내외로 제한되었으며, 긴 충전 시간과 안전성 문제를 동시에 안고 있었다. 이를 해결하기 위하여 Ti–Mn계 라베스상 합금을 기반으로 한 수소고체 카트리지를 설계･제작하고, 공기흡입식(오픈 캐소드) 연료전지 스택과 통합하여 Dead-End 운전 조건에서 성능을 검증하였다. 연구 결과, 카트리지는 1.52 wt%의 수소저장 용량과 10분 이내 충전 속도를 달성하였으며, 드론의 비행시간은 42분으로 연장되어 목표치를 상회하였다. 또한 퍼지 제어 및 열･수분 관리 전략을 통해 안정적인 출력과 시스템 운용 가능성을 확인하였다. 본 연구는 수소고체저장 기반 드론의 상용화 가능성을 제시하며, 향후 모빌리티 및 에너지 응용 분야로 확장이 가능하다.
Abstract
This study aimed to enhance the endurance and efficiency of unmanned aerial vehicles (UAVs) by integrating solid-state hydrogen storage cartridges into fuel cell systems. Conventional drones powered by lithium-ion batteries are limited to approximately 20 minutes of flight time and suffer from long recharging periods and safety concerns. To address these issues, lightweight cartridges based on Ti–Mn Laves-phase AB₂ alloys were designed and fabricated, then integrated with an air-breathing PEM fuel cell stack operating under dead-end anode conditions. Experimental results demonstrated a reversible hydrogen storage capacity of 1.52 wt%, a refueling time within 10 minutes, and a flight endurance of 42 minutes—exceeding the initial design targets. Moreover, optimized purge scheduling and thermal-water management ensured stable stack operation. These findings confirm the feasibility of solid hydrogen cartridge-based drones and highlight their potential for commercialization and wider applications in mobility and portable power systems.