[논문]미래병사체계를 위한 휴대형 연료전지 기술개발 동향 및 발전방안

이유화

doi:10.5762/kais.2020.21.6.618

미래병사체계를 위한 휴대형 연료전지 기술개발 동향 및 발전방안
R&D Trends and Technology Development Plan on Portable Fuel Cell for Future Soldier System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.6, 2020년, pp.618 - 624

이유화 (국방기술품질원)

초록
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병사용 휴대형 전원은 전투원의 작전 수행 능력을 해치지 않는 범위의 휴대 하중을 지님과 동시에 전투장비의 소비전력에 대응하는 전기에너지를 공급할 수 있어야 한다. 특히 미래병사체계의 경우 전투장비의 고성능화에 따라 장비의 총 요구전력이 증가하고 있으므로 경량 고효율 특성을 가지는 휴대형 전원 개발이 필수적이다. 연료전지는 군용 전원으로 주로 적용되던 종래의 리튬 전지에 비해 중량 대비 에너지밀도가 높아 경량 소형화가 가능하여 휴대형 전원 시스템으로 활발한 연구개발이 진행되고 있다. 본 논문에서는 휴대형 전원으로 적용되는 연료전지의 특성을 살펴보고, 국내·외 군용 휴대형 연료전지 개발 현황을 조사한 후, 국외 선진 기술국의 개발 수준 대비 국내 기술 현황에 대해 분석한다. 또한, 미래병사체계용 전원으로의 적용을 위한 휴대형 연료전지 개발 시 고려해야할 주요 요소를 전력 공급 안정성, 휴대 용이성, 비용 절감 세 가지로 분류하고, 이와 관련된 기술을 중심으로 발전방안을 제시하여 향후 연료전지 기반 개인병사 체계용 휴대형 전원 기술 발전방안 수립 시 활용할 수 있도록 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

A portable power supply system for soldiers must be able to supply electric energy corresponding to the power consumption of combat support troops, and have a carrying load in a range that does not impair the combatant's ability to execute operations. In particular, as the total required power of combat equipment increases with the advances in the future soldier system, a portable, lightweight power supply system with high efficiency is essential. A fuel cell has a high energy-to-weight density compared to lithium batteries, which are used mainly as a military power source system. Therefore, it is capable of miniaturization and lightweight, making active R&D to a portable power supply system. In this paper, the characteristics of the fuel cell applied as a portable power supply system, and the R&D trends of domestic and foreign military portable fuel cell systems were investigated. The current status of domestic technology compared to the level of foreign development was analyzed. In addition, future technology development plans are presented based on the consideration factors when developing a portable fuel cell (power supply stability, portability, and cost reduction) so that it can be used when establishing a plan on the development of a portable fuel cell system for the future soldier system.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Conceptional Diagram for Future Soldier System[2]
그림 Fig. 2. Mass of Energy Storage and Conversion Materials as a Function of Mission Length, or Mission Energy Requirement[5]
그림 Fig. 3. Electrochemical Reactions of Fuel Cells
표 Table 1. Characteristics Comparison of PEMFC and DMFC[8]
그림 Fig. 5. Jenny 1200 & Jenny 600S(SFC Energy)[13]
그림 Fig. 6. PFC Soldierpak(HES)[14]
그림 Fig. 4. (a) XX55(UltraCell) (b) Figuration of XX55 Equipped for Soldier System[12]
그림 Fig. 7. Samsung DMFC(Samsung SDI)[15]
표 Table 2. Comparison of Major Military Portable Fuel Cells

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존 군용 전지에 비해 중량 대비 고에너지밀도로 미래 개인전투체계의 휴대형 전원으로 적용 성이 높은 연료전지에 대해 알아보고 국내·외 개발 현황에 대해 조사·분석하였다.
본 논문에서는 현재 군용 전원으로 적용되고 있는 전 지 중 중량 대비 고효율의 에너지를 가지고 있어 개인전투체계에 활용 가능성이 높은 연료전지 현황 및 국내·외 주요 군용 휴대형 연료전지 개발 현황에 대해 알아본다.
1과 같다. 주야간 감시, 통신 등이 가능한 다기능 통합 헬멧, 고성능 개인화기, 화생방 보호 및 방탄위장, 생체신호 모니터링이 가능한 전투복, 임무수행 능력을 향상하기 위한 외골격 근력증강체계 등을 병사 개인이 착용하여 임무 수행에 필요한 구성장비와 탑재기술의 직접 운용을 목표로 한다.

제안 방법

한국에너지기술연구원(KIER)은 2009년 1월부터 2014 년 12월까지 국방 차세대 군용전원 특화연구센터 사업 (1,2단계)을 통해 저온 작동형 초경량 DMFC/배터리 파워팩을 개발하였다[16]. 개발된 파워팩은 DMFC와 2차 전지의 하이브리드 시스템으로 DMFC 시스템의 안정적인 동작을 위해 2차 전지를 시동 초기 전원 및 보조전원 으로 활용하는 시스템이다. 정격출력과 최대출력은 각각 24 W와 30 W며, 중량은 약 1.
또한, 조사·분석 결과를 바탕으로 휴대형 연료전지 개발 시 고려요소를 안정적인 전력 공급, 휴대 용이성, 비용 절감 세 가지로 구분하여 연료전지 기반 개인병사체계용 휴대형 전원의 기술 발전 방안을 제시하였다.

대상 데이터

79 kg으로 알려져 있으며, 군용 전원임을 고려하여 360° 전 방위 방향성을 가지도록 설계되었다. 연료는 순수 메탄올을 사용하며, 연료 카트리지 중량은 약 0.52 kg, 에너지용량은 600 Wh로 25 W급으로 24 시간 운용이 가능하다. 또한, 미 육군 CERDEC를 통해 72 시간 작전 운영을 위한 전지 성능 평가를 완료하였다[15].

성능/효과

개발된 파워팩은 DMFC와 2차 전지의 하이브리드 시스템으로 DMFC 시스템의 안정적인 동작을 위해 2차 전지를 시동 초기 전원 및 보조전원 으로 활용하는 시스템이다. 정격출력과 최대출력은 각각 24 W와 30 W며, 중량은 약 1.18 kg을 달성하였다.

후속연구

이러한 연료전지 핵심소재의 기술 발전은 미래 개인전투체계의 예상 요구 전력인 50 W를 만족하는 휴대형 연료전지 개발에 기여 가능할 것이다. 더불어 국외 선진 기술국의 50 W급 휴대형 연료전지와 유사 수준으로 기술을 발전함으로써 향후 개인전투체계용 휴대형 연료전지의 국산화 개발을 위한 기반 기술 확보 또한 가능할 것으로 전망된다.
제시된 기술은 전해질막, 촉매 등 연료전지 핵심소재 성능 향상과 관련된 기술로 휴대형 연료전지 획득을 위한 전략 수립에 활용 가능할 것으로 예상한 다. 더불어 향후 미래 개인전투체계 전력화에 맞춰 휴대형 연료전지 시스템 또한 전력화가 가능하도록 기술로드맵 수립에도 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
국내 주요 연구개발 현황에서 볼 수 있듯이 25 W급 삼성 DMFC 이후 병사용 휴대형 전원 적용을 위해 개발되어 국내 운용 중인 예는 없으나, 현재 휴대형 연료전지 적용 가능 기초 원천기술개발이 수행되고 있다. 또한, 미래 개인전투체계의 임무 지속성 제공을 위한 에너지원 기술개발의 일환으로 응용연구/시험개발 수준으로 연구 개발이 진행 예정 중에 있다. 대표적인 예로 2021년부터 2023년까지 국방 핵심기술개발(시험개발) 사업으로 72 시간 운용이 가능한 24 W급 개인전투체계용 초경량 파워팩 기술 개발이 있다.
본 논문에서는 현재 군용 전원으로 적용되고 있는 전 지 중 중량 대비 고효율의 에너지를 가지고 있어 개인전투체계에 활용 가능성이 높은 연료전지 현황 및 국내·외 주요 군용 휴대형 연료전지 개발 현황에 대해 알아본다. 또한, 전력 공급의 안정성, 휴대 용이성, 저비용 고효율등 휴대형 연료전지 개발 시 고려해야 할 핵심 요소 분석에 따른 개인전투체계 적용을 위한 연료전지의 향후 발전 방안을 제시한다.
종합해보면 메탄올 크로스오버 현상을 저하시킬 수 있는 전해질막과 백금 촉매의 고 활성 비용절감 기술개발 및 새로운 촉매의 개발, 연료전지 시스템을 안정적으로 운용하고 경량화하기 위한 BOP 관련 기술의 발전이 필요하다. 이러한 연료전지 핵심소재의 기술 발전은 미래 개인전투체계의 예상 요구 전력인 50 W를 만족하는 휴대형 연료전지 개발에 기여 가능할 것이다. 더불어 국외 선진 기술국의 50 W급 휴대형 연료전지와 유사 수준으로 기술을 발전함으로써 향후 개인전투체계용 휴대형 연료전지의 국산화 개발을 위한 기반 기술 확보 또한 가능할 것으로 전망된다.
마지막으로는 비용 경감이다. 장기적인 수요량을 고려하여 비용대 효과가 우수한 저비용 고효율 연료전지 개발을 위한 연구가 수행되어야 한다.
이는 전력 공급의 안정성 및 내구성과 직결되는 문제이므로 메탄올의 투과를 막을 수 있으면서도 이온전도도가 높은 전해질막의 개발이 필요하다. 전해질막에 도포하여 메탄올을 선택적으로 투과하지 못하도록 방어벽 역할을 할 수 있는 나노입자의 개발도 연구방안으로 고려해야 한다.
또한, 조사·분석 결과를 바탕으로 휴대형 연료전지 개발 시 고려요소를 안정적인 전력 공급, 휴대 용이성, 비용 절감 세 가지로 구분하여 연료전지 기반 개인병사체계용 휴대형 전원의 기술 발전 방안을 제시하였다. 제시된 기술은 전해질막, 촉매 등 연료전지 핵심소재 성능 향상과 관련된 기술로 휴대형 연료전지 획득을 위한 전략 수립에 활용 가능할 것으로 예상한 다. 더불어 향후 미래 개인전투체계 전력화에 맞춰 휴대형 연료전지 시스템 또한 전력화가 가능하도록 기술로드맵 수립에도 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
종합해보면 메탄올 크로스오버 현상을 저하시킬 수 있는 전해질막과 백금 촉매의 고 활성 비용절감 기술개발 및 새로운 촉매의 개발, 연료전지 시스템을 안정적으로 운용하고 경량화하기 위한 BOP 관련 기술의 발전이 필요하다. 이러한 연료전지 핵심소재의 기술 발전은 미래 개인전투체계의 예상 요구 전력인 50 W를 만족하는 휴대형 연료전지 개발에 기여 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	병사용 휴대형 전원의 역할은?	병사용 휴대형 전원은 전투원의 작전 수행 능력을 해치지 않는 범위의 휴대 하중을 지님과 동시에 전투장비의 소비전력에 대응하는 전기에너지를 공급할 수 있어야 한다. 특히 미래병사체계의 경우 전투장비의 고성능화에 따라 장비의 총 요구전력이 증가하고 있으므로 경량 고효율 특성을 가지는 휴대형 전원 개발이 필수적이다.
	에너지 저장장치는 어떤것이 있는가?	휴대형 전원 공급 장치는 저장된 에너지로 전력을 공급하는 에너지 저장장치와 다른 형태의 에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 제공하는 에너지 변환장치로 구분할 수 있다. 에너지 저장장치로는 1, 2차 전지가 대표 적이며, 에너지 변환장치로는 연료전지, 태양전지 등이 있다.
	미래 전장 환경에서 병사가 하나의 체계로 고려되는 이유는?	미래 전장 환경에서는 병사 또한 하나의 체계로 고려한다. 즉, 전투원 개인 화기, 피복, 휴대품 등에 첨단기술을 적용하여 임무수행 능력을 극대화하고, 소부대 전술 네트워크와 연동하여 미래 NCW 환경 하에서 감시정찰및 정밀타격 능력을 구축함으로써 전투원을 단위 무기체 계화 하는 것이다[1,2].

참고문헌 (17)

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상세보기
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상세보기
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D. Jung, N. Shin, S. Lee, "Research on Military Portable Power Source System II", Defense & Technology, No. 335, pp.72-81, Jan. 2007.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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