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KR101922103B1 - 수소저장압력용기 및 그 제작방법 - Google Patents

수소저장압력용기 및 그 제작방법 Download PDF

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KR101922103B1
KR101922103B1 KR1020160073033A KR20160073033A KR101922103B1 KR 101922103 B1 KR101922103 B1 KR 101922103B1 KR 1020160073033 A KR1020160073033 A KR 1020160073033A KR 20160073033 A KR20160073033 A KR 20160073033A KR 101922103 B1 KR101922103 B1 KR 101922103B1
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회명산업 주식회사
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Abstract

본 발명은 수소저장압력용기 및 제작방법에 관한 것으로, 금속성 라이너의 내주면에 산화방지용 차폐제를 포함하여 수소기체의 투과성은 낮추며, 금속성 라이너의 부식을 감소시킬 수 있는 수소저장압력용기에 대한 것이다.

Description

수소저장압력용기 및 그 제작방법{Hydrogen stage vessel and method for manufacturing the same}
본 발명은 수소저장압력용기 및 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속성 라이너의 외주면, 내주면 또는 금속성 라이너 양면에 산화물 차폐재층을 코팅 또는 필름화된 차폐재층을 부착하여 금속성 라이너의 내구성이 증대된 수소저장압력용기 및 제작방법에 관한 것이다.
수소는 우주에서 가장 흔한 원소이며, 가장 순수한 에너지 담체로써 공기중의 산소와 결합하면서 1g당 28,680cal의 열을 내게 된다. 수소에너지는 단위 무게당 에너지가 높고, 대량 저장이 가능한 에너지로서 연료전지와 같은 수소 사이클을 통해 전기를 만들 때 그 유일한 부산물이 열과 물 뿐인, 무공해 에너지 자원이다.
그러나 수소는 낮은 응결온도 및 작은 분자크기로 인한 높은 투과도로 인하여 저장이 쉽지 않다는 단점이 있으며, 이 때문에 많은 장점에도 불구하고 실용화에 걸림돌이 되어 왔다.
수소를 저장하는 형태로는 기체, 액체, 고체 3가지 형태로 저장이 가능하다. 현재 연구되고 있는 저장 기술로는 고압 수소기체저장, 저온 액체 수소저장, 수소저장합금을 이용한 저장, 탄소나노재료를 이용한 저장방법 등이 있다.
저온 액체수소 저장에서는 수소의 액화 온도인 -253℃까지 냉각시켜 저장하여야 하는데, 이러한 저온을 이루기 위해 수소가 가지고 있는 에너지의 절반가량이 소비되며, 수소의 공급시 상대적으로 공급 손실이 크고, 증발하지 않도록 단열시켜도 하루에 2 ~ 3 %정도의 액체 수소가 증발해 버리는 단점이 있다. 수소저장합금이나 탄소나노재료를 이용한 저장방식은 수소를 합금이나 탄소나노재료 등에 흡착시켜 저장하는 방식으로 고압을 사용하지 않는다는 점에서는 유리하나, 단위부피당의 저장능력이 상대적으로 작다는 단점이 있다.
고압 수소기체저장 방식은 물리적인 압력차를 통해 방전과 충전을 이용하는 방법으로 저장방법도 간단하고 응답성이 좋아 가장 선호되는 방식이나, 고압을 사용하므로 용기가 고압에서 견딜수 있는 용기를 사용하여야 한다.
이러한 고압용기로서, 종래의 압축수소가스차량용 연료용기는 순수 금속제였다. 그러나 순수 금속제 연료용기는 그 자체만으로도 중량이 높다는 단점때문에 플라스틱 소재의 내부 라이너층과 탄소 복합재 소재로 이루어진 경량 탱크를 사용하기도 하는데(한국등록특허 1619630호), 이러한 플라스틱 라이너는 수소에 대한 투과도가 금속보다 높아 플라스틱 라이너층으로 수소가 투과하는 문제를 완벽히 차단하기 어렵다.
또한, 수소저장압력용기의 중량을 감소하는 방편으로서, 경금속의 일종인 알루미늄 합금제 라이너를 이용하고 있는데, 알루미늄 합금제 라이너의 외면에 섬유 강화 수지 또는 강화용 섬유를 감은(필라멘트 와인딩한) 복합 재료로 이루어지는 것이 주류이다.
한국등록특허 제10-1457774호는 고압수소가스저장용기용 알루미늄 합금재에 관한 것으로, 내수소 취화 특성 및 기계적 성질 등을 겸비하는 고압 가스 용기용 알루미늄 6000계 합금재를 제공하는 것을 목적으로 하며, 이를 위해 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 아연(Zn), 타이타늄(Ti), 크롬(Cr)을 포함하여 제조된다.
또한, 한국등록특허 제10-0658116호는 고압기체연료 차량용 연료용기 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 고압기체연료가 수용되는 라이너, 탄소섬유 필라멘트, 라이너의 변형을 감지하는 변형감지수단과 변형감지수단이 절곡되지 않도록 보강하는 보강피복을 포함하는 구성으로 이루어진다.
그러나, 상기 종래의 기술들은 여전히 수소저장용기의 중량을 더욱 감소시킬 필요가 있으며, 경량금속으로 제조된 라이너의 부식을 방지하여 내구성을 증진시켜야 될 필요성이 존재한다.
한국등록특허 제10-1619630호 한국등록특허 제10-1457774호 한국등록특허 제10-0658116호
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로, 내식성이 우수하며 경량화된 수소저장압력용기 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 수소저장압력용기의 중량을 감소시키기 위해 금속성 라이너를 얇게 형성하고 이들 금속성 라이너가 산소, 수분 등에 의해 산화되는 것이 방지할 수 있는 경량화된 수소저장압력용기 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명은 원통형의 형상을 가지며, 상부 또는 하부에 수소 유입 또는 배출을 위한 적어도 하나 이상의 개구부를 포함하는 수소저장압력용기로서, 금속성 라이너(110), 복합재층 외주면에 형성된 섬유 보강층(130) 및 상기 금속성 라이너와 섬유 보강층 사이에 산화방지용 차폐재층(111)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소저장압력용기(100)를 제공한다.
본 발명의 일실시예로, 상기 금속성 라이너의 내주면에 산화방지용 차폐재층(111)를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 수소저장압력용기(100)를 제공한다.
본 발명의 일실시예로, 상기 금속성 라이너(110)와 섬유 보강재층(130) 사이에 복합재층(120)을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 수소저장압력용기(100)를 제공한다.
본 발명의 일실시예로, 상기 금속성 라이너(110)는 경금속으로 알루미늄, 마그네슘, 베릴륨 및 이들 각각의 합금에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수소저장압력용기(100)를 제공한다.
본 발명의 일실시예로, 상기 섬유 보강층(130)은 유리섬유 또는 탄소섬유 강화 플라스틱중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수소저장압력용기(100)를 제공한다.
본 발명의 일실시예로, 상기 산화방지 차폐재층(111)은 상기 산화방지용 차폐재층(111)은 유리코팅막, 흡습층과 무기물을 포함한 베리어층의 복합박막, 또는 수분흡착제가 포함된 경화성 수지인 것을 특징으로 하는 수소저장압력용기(100)를 제공한다.
본 발명은 원통형의 형상을 가지며, 상부 또는 하부에 수소 유입 또는 배출을 위한 적어도 하나 이상의 개구부를 포함하는 수소저장압력용기로서, 금속성 라이너가 형성되는 라이너 형성단계(S100), 금속성 라이너의 외주면에 산화방지용 차폐재층이 코팅 또는 필름화되어 형성되는 차폐재층 형성단계(S200), 산화방지용 차폐재층 외주면에 권취되어 섬유 보강층을 형성하는 섬유 보강층 형성단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소저장압력용기 제작방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예로, 상기 차폐재층 형성단계 후 복합재층 형성단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 수소저장압력용기 제작방법을 제공한다.
본 발명은 금속성 라이너의 외주면, 내주면 또는 양면에 차폐재층을 포함함으로써, 금속성 라이너의 부식성을 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 따른 수소저장압력용기는 종래의 금속성 수소저장압력용기에 비하여 내식성이 향상된 경량화 수소저장압력용기이며, 금속성 라이너의 내구성이 증대되는 효과를 갖는다.
도 1은 종래의 수소저장압력용기의 단면도이다.
도 2은 본 발명에 따른 수소저장압력용기의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수소저장압력용기의 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 수소저장압력용기 제작방법에 대한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 따른 수소저장압력장치에 대해 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 사이즈나 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이고, 특징적 구성이 드러나도록 공지의 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면으로 한정하지는 아니한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 수소저장압력용기(100)의 단면도 또는 부분 단면도로, 수소저장압력용기(100)는 특별히 한정되지는 않으나 바람직하게는 원통형의 형상을 갖고 있다. 또한, 수소저장압력용기(100)의 상부 및 하부 중 적어도 일부는 라운드 형상을 가지도록한다. 이렇게 라운드 형상을 가지도록 함으로써 수소저장압력용기(100)의 내부에 수용되는 고압수소기체로부터 발생한 내압이 특정 부위에 집중되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명인 수소저장압력용기(100)의 상부 및 하부 중 적어도 하나 이상에는 적어도 하나 이상의 개구부를 포함할 수 있다. 상기 개구부는 수소기체를 유입 또는 배출할 수 있는 부분이며, 개구부를 적어도 하나 이상 포함하여 수소기체의 유입부와 배출부를 달리 형성할 수도 있다.
본 발명인 수소저장압력용기(100)는 금속성 라이너(110)를 포함할 수 있다. 상기 금속성 라이너는 수소의 투과를 막아 용기내에 수소를 저장하기 위한 것이다. 상기 금속성 라이너(100)는 경금속으로 알루미늄, 마그네슘, 베릴륨 이나 이들의 합금에서 선택된 하나 이상의 금속으로 이루어질 수 있으며, 보다 바람직하게는 알루미늄 혹은 알루미늄 합금으로 이루어진다.
상기의 경금속을 금속성 라이너(110)로 사용함으로써, 수소저장압력용기(100)는 경량화할 수 있으며, 수소저장압력용기(100)의 내부에 고압수소기체를 충전되더라도, 균열 또는 변형을 최소화할 수 있다.
그러나 라이너는 금속으로 이루어지므로 수소저장용기의 경량화를 위해서는 상기 라이너의 두께를 최소로 하는 것이 바람직하다.
상기의 금속성 라이너의 두께는 0.1 내지 3 mm 인 것이 바람직하며, 라이너의 두께가 0.1mm 미만인 경우에는 금속성 라이너가 수소기체의 압력에 의해 변형 또는 균열될 수 있으며, 3mm 이상인 경우에는 수소저장압력용기의 무게가 상대적으로 증대되므로 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는 0.5 내지 1mm의 두께의 금속성 라이너를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
이와 같이 금속성 라이너의 두께가 최소화 된 경우에는 수분이나 산소 등과 같이 산화성 물질에 의한 부식에 취약해지므로, 상기 금속 라이너층의 부식을 방지하기 위하여 금속성 라이너(110)의 외주면에는 산화방지용 차폐재층(111, 111′)을 코팅하거나 또는 필름화된 차폐재층(111, 111′)을 부착할 수 있으며, 보다 바람직하게는 금속성 라이너(110)의 내주면과 외주면에 차폐재 층을 형성한다.
상기 산화방지용 차폐재 층은 유리를 코팅하여 형성할 수 있으며, 산소나 수분에 높은 차단성을 갖는 알루미나와 같은 무기층과 흡습층을 박막으로 형성하거나, 수분흡착제 등을 포함한 차단성 폴리머 필름으로 형성될 수도 있다.
박막층의 형성은 일예로서 일산화규소, 일산화칼슘, 일산화바륨등으로 형성된 흡습층, 상기 흡습층을 보호하는 배리어층으로서 Al2O3, TiO2, ZrO, SiO2, AlON, AlN, SiON, Si3N4, ZnO, 및 Ta2O5 등을 포함할 수 있다. 이때 상기 베리어층은 1층 혹은 다층으로 형성될 수 있으며, 상기 베리어층위에 흡습층을 다시 적층하거나, 유기물 베리어 층을 형성할 수 있다.
차단성 폴리머 필름은 경화성 수지에 수분흡착제를 포함한 형태일 수 있다. 이때 상기 경화성 수지는 예를 들면, 경화되어 접착 특성을 나타낼 수 있는 것으로서, 글리시딜기, 이소시아네이트기, 히드록시기, 카르복실기또는 아미드기 등과 같은 열경화 가능한 관능기를 하나 이상 포함하거나, 혹은 에폭사이드(epoxide)기, 고리형에테르(cyclic ether)기, 설파이드(sulfide)기, 아세탈(acetal)기 또는 락톤(lactone)기 등과 같은 경화 가능한 관능기를 하나 이상 포함하는 수지를 들 수 있다. 구체적으로는 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지 또는 에폭시 수지 등이 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
수분 흡착제의 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예로서 알루미나 등의 금속분말, 금속산화물, 금속염 또는 오산화인(P2O5) 등이거나, 실리카, 제올라이트, 티타니아, 지르코니아 또는 몬모릴로나이트 등에서 선택된 하나 이상이다.
상기에서 금속산화물의 구체적인 예로는, 산화리튬(Li2O), 산화나트륨(Na2O), 산화바륨(BaO), 산화칼슘(CaO) 또는 산화마그네슘(MgO) 등을 들 수 있고, 금속염의 예로는, 황산리튬(Li2SO4), 황산나트륨(Na2SO4), 황산칼슘(CaSO4), 황산마그네슘(MgSO4), 황산코발트(CoSO4), 황산갈륨(Ga2(SO4)3), 황산티탄(Ti(SO4)2) 또는 황산니켈(NiSO4) 등과 같은 황산염, 염화칼슘(CaCl2), 염화마그네슘(MgCl2), 염화스트론튬(SrCl2), 염화이트륨(YCl3), 염화구리(CuCl2), 불화세슘(CsF), 불화탄탈륨(TaF5), 불화니오븀(NbF5), 브롬화리튬(LiBr), 브롬화칼슘(CaBr2), 브롬화세슘(CeBr3), 브롬화셀레늄(SeBr4), 브롬화바나듐(VBr3), 브롬화마그네슘(MgBr2), 요오드화바륨(BaI2) 또는 요오드화마그네슘(MgI2) 등과 같은 금속할로겐화물; 또는 과염소산바륨(Ba(ClO4)2) 또는 과염소산마그네슘 (Mg(ClO4)2) 등과 같은 금속염소산염 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 금속성 라이너(110)의 외주면에 산화방지용 차폐재층은 전기 코팅(electrocoating), 슬롯 코팅 (slot coating), 압출 코팅(extrusion coating), 유동 코팅(flow coating), 분사 코팅(spray coating), 또는 다른 연속 코팅 공정에 의해 코팅되어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 금속성 라이너(110)의 외주면에 형성된 산화방지용 차폐재층(111)의 외주면에 복합재층(120)이 추가적으로 포함될 수 있다.
상기 복합재층(120)은 고분자 복합재층으로, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리아미드, 에폭시 수지, 폴리 염화비닐을 포함하는 군에서 선택되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 고밀도 폴리에틸렌이다.
본 발명의 고분자 복합재층은 수소저장압력용기의 중량을 크게 증가시키지 않으면서도 수소저장압력용기의 강도를 증대시킬 수 있다.
수소저장압력용기(100)의 복합재층(120)의 외주면에는 섬유 보강층(130)이 있으며, 상기 섬유 보강층(130)은 유리섬유, 탄소섬유 또는 PVA(Polyvinyl Alcohol) 섬유 등에서 선택된 하나 이상을 사용한 섬유강화플라스틱으로 구성된다.
본 발명에 있어서, 섬유 보강층(130)은 권취되어 형성되는 것으로, 수소저장압력용기(100)의 외주면을 감싸면서 섬유 보강층을 형성하기 때문에 수소저장압력용기(100)에 가해지는 기계적 응력과 용기의 수소저장압력용기(100)의 변형 또는 균열을 방지하는 역할을 한다.
도 4는 본 발명에 따른 수소저장압력용기 제작방법에 대한 순서도로, 금속성 라이너(110)가 형성되는 라이너 형성단계(S100), 금속성 라이너(110)의 내주면 또는 외주면에 차폐재층(111, 111′)이 코팅되거나 라미네이션 접합되어 형성되는 차폐재층 형성단계(S200), 금속성 라이너(110) 외주면에 복합재층(120)을 형성하는 복합재층 형성단계(S300) 및 복합재층(120) 외주면에 권취되어 섬유 보강층(130)을 형성하는 섬유 보강층 형성단계(S400)를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 금속성 라이너(110)가 형성되는 라이너 형성단계(S100)에서 금속성 라이너(110)는 블로우 몰링에 의해 외형이 형성될 수 있다. 금형 내부에 블로우 몰딩 성형전 금속성 라이너가 삽입되고, 금속성 라이너 내부를 가압하여 금속성 라이너가 팽창됨으로써, 금형 내부의 형상과 동일하게 금속성 라이너의 외형이 성형된다.
또한, 차폐재층 형성단계(S200)는 금속성 라이너(110)의 내주면 또는 외주면에 차폐재층(111, 111′)은 스프레이 코팅등으로 형성될 수 있으며, 필름화된 차폐재층(111, 111′)이 금속성 라이너의 내주면 또는 외주면에 부착되어 차폐재층(111, 111′)을 형성할 수 있다.
수소저장압력용기(100)를 제조하는 과정 중에서 복합재층 형성단계(S300)는 금속성 라이너의 외주면에 코팅되거나 금속라이너 외주면에 코팅된 차폐재층(111, 111′)의 외주면에 코팅되어 형성될 수 있다.
섬유 보강층 형성단계(S400)에서는 유리섬유 또는 탄소섬유가 권취되어 형성되어 섬유 보강층(130)을 형성할 수 있다.
이상으로 본 발명에 대하여 구체적으로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 수소저장압력용기
110: 금속성 라이너
111, 111′: 차폐재층
120: 복합재층
130: 섬유 보강재층

Claims (10)

  1. 원통형의 형상을 가지며, 상부 또는 하부에 수소 유입 또는 배출을 위한 적어도 하나 이상의 개구부를 포함하는 수소저장압력용기로서,
    금속성 라이너(110);
    금속성라이너의 내주면 및 외주면에 형성되는 산화방지용 차폐재층(111′, 111);
    상기 금속성 라이너(110)의 외주면에 형성된 산화방지용 차폐재층(111)의 외주면에 형성되는 고분자 복합재층(120);
    상기 고분자 복합재층 외주면에 형성되는 섬유 보강층(130);을 포함하되,
    상기 금속성 라이너는 0.5~1mm의 두께를 가지며, 상기 산화방지용 차폐재층은 흡습층의 외면에 상기 흡습층을 보호하는 무기 배리어 층을 포함하며, 상기 고분자 복합재층은 고밀도 폴리에틸렌, 에폭시 수지, 폴리염화비닐을 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수소저장압력용기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속성 라이너(110)는 경금속으로 알루미늄, 마그네슘, 베릴륨 및 이들 각각의 합금에서 선택된 금속을 사용하는 것을 특징으로 하는 수소저장압력용기.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 보강층(130)은 유리섬유, 탄소섬유 또는 PVA(Polyvinyl Alcohol) 섬유 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수소저장압력용기.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 원통형의 형상을 가지며, 상부 또는 하부에 수소 유입 또는 배출을 위한 적어도 하나 이상의 개구부를 포함하는 수소저장압력용기 제작방법으로서,
    금속성 라이너가 형성되는 라이너 형성단계(S100);
    금속성 라이너의 외주면에 산화방지용 차폐재층이 코팅 또는 필름화되어 형성되는 차폐재층 형성단계(S200);
    산화방지용 차폐재층 외주면에 고밀도 폴리에틸렌, 폴리아미드, 에폭시 수지, 폴리염화비닐을 포함하는 군에서 선택되는 복합재층 형성단계(S300)
    상기 복합재층 외주면에 권취되어 섬유 보강층을 형성하는 섬유 보강층 형성단계(S400)를 포함하되;
    상기 금속성 라이너는 0.5~1mm의 두께를 가지며, 상기 산화방지용 차폐재층은 흡습층의 외면에 상기 흡습층을 보호하는 무기 배리어 층인 것을 특징으로 하는 수소저장압력용기 제작방법.
  10. 삭제
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