KR101628522B1 - 부직포 삽입형 수소 탱크 및 그 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 자동차용 수소 탱크 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 복합재 수소 탱크의 정적 강도를 증대시킬 수 있고, 강도의 확률적 편차 감소, 피로 강도의 신뢰성 향상을 기대할 수 있는 연료전지 자동차용 수소 탱크 및 그 제작 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 수소가 충전되는 용기 부분인 라이너, 및 상기 라이너 외측면에 형성된 보강층을 포함하고, 상기 보강층은, 상기 라이너 외측면에 적층된 부직포; 및 상기 부직포 위에 적층된 섬유강화 복합재를 포함하는 것을 특징으로 하는 부직포 삽입형 수소 탱크, 및 그 제작 방법을 제공한다.

Description

부직포 삽입형 수소 탱크 및 그 제작 방법{Non-woven fabric insert type hydrogen tank and method for manufacturing the same}

본 발명은 수소 탱크 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복합재 수소 탱크의 정적 강도를 증대시킬 수 있고, 강도의 확률적 편차 감소, 피로 강도의 신뢰성 향상을 기대할 수 있는 연료전지 자동차용 수소 탱크 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관 자동차가 화석연료와 공기 중의 산소를 내연기관에서 연소시켜 그 폭발력으로 발생하는 회전동력에 의해 주행하는 것과 달리, 연료전지 자동차는 고압 수소 탱크와 같은 수소 저장부 또는 개질기를 통해 공급되는 수소(연료)와, 압축기 또는 블로워를 통해 공급되는 공기 중의 산소(산화제)를 연료전지 스택에서 전기화학 반응시켜 생성된 전기에너지를 이용하여 주행한다.

반응기체로 수소와 공기를 연료전지 스택에 공급하고, 연료전지 스택에서 연료인 수소와 산화제인 공기 중의 산소를 전기화학 반응시켜, 이때 생성된 전기에너지를 이용하여 전기모터를 구동시킴으로써 차량의 주행이 이루어지도록 하는 것이다.

이러한 연료전지 자동차에서는 연료인 수소를 보다 안전하고 콤팩트(Compact)하게 저장하는 것이 중요한데, 차량의 주행거리 증대와 안전성을 모두 만족하는 다양한 수소 저장 기술이 연구되고 있다.

수소 저장 기술로 기체인 수소를 액체수소로 저장하거나 흡장합금에 흡장시키는 방법이 있지만, 이는 자연증발이나 흡장량 등 측면에서 해결할 수 없는 문제가 있다.

따라서, 경량 및 고강도이면서도 고압에도 견딜 수 있는 수소 탱크에 수소를 충전하여 사용하는 것이 일반적이며, 승차 공간 및 충분한 주행거리 확보를 위하여 탱크 내에 수소를 고압으로 충전하여 사용한다.

통상 연료전지 자동차의 수소 탱크로는 350bar나 700bar 사양이 적용되고 있는데, 금속이나 고강도 플라스틱을 재질로 하여 내부 용기에 해당하는 라이너를 제작한 뒤 충분한 내압 성능 확보를 위하여 라이너 외측면에 보강소재를 와인딩(Winding)하는 방식이 채택되고 있다.

여기서, 보강소재로는 섬유강화 복합재료, 예를 들면 탄소섬유강화 복합재료가 사용되고 있다.

라이너는 고압의 수소가 저장되는 용기 역할을 하는 부분으로, 수소 가스가 새는 것을 방지하고, 섬유강화 복합재를 와인딩할 수 있는 외형을 제공한다.

또한, 섬유강화 복합재는 수소 압력에 파열되지 않도록 고압의 수소에 의해 가해지는 하중 및 내압을 지지하는 역할을 한다.

도 1은 종래기술에 따른 수소 탱크 제작 방법을 나타내는 공정 도면으로서, 라이너(1)를 선 제작한 후 라이너 외측면에 섬유강화 복합재(이하 '섬유 복합재'라 약칭함)(2)를 와인딩하게 된다.

이때, 라이너(1)는 와인딩 공정 동안 미도시된 회전장치에 장착된 상태로 회전되며, 섬유 복합재(2)는 수지도포부(4)와 롤러(5)를 거친 후 회전하고 있는 라이너(1)의 외측면에 와인딩된다.

섬유 복합재(2)는 공급롤(3)에 감긴 상태에서 공급롤로부터 인출되어 수지도포부(4)를 통과하게 되는데, 수지도포부(4)에서 액상의 수지(Resin)가 도포된 상태로 롤러(5)를 통과한 뒤 라이너(1) 쪽으로 공급된다.

이와 같이 제작된 수소 탱크는 도 2에 나타낸 바와 같이 라이너(1) 외측면에 섬유 복합재로 이루어진 보강층(7)이 와곽층으로서 적층된 벽 구성을 가지게 된다.

한편, 상기와 같이 연료전지의 에너지원이 되는 수소는 고압의 가스 형태로 복합재 수소 탱크에 저장되는데, 복합재료는 금속재료와 달리 이방성을 가지기 때문에 방향에 따라 재료 강도가 다르고, 동일 시험편에 대한 강도의 확률적 편차가 크다.

따라서, 고압 수소가 저장되는 연료전지 자동차용 수소 탱크에 복합재료를 적용함에 있어서 복합재료의 정적 강도를 향상시키고 강도의 확률적 편차를 감소시킬 수 있는 기술이 필요한 실정이다.

또한, 복합재료는 금속재료에 비해 가벼우므로 복합재료의 사용이 수소 탱크의 경량화에 기여하고 있지만, 탄소섬유강화 복합재료와 같이 수소 탱크에 사용되고 있는 복합재료는 금속재료에 비해 가격이 매우 높으며, 이는 수소 탱크 및 차량 가격의 상승 요인이 되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 복합재 수소 탱크의 정적 강도를 증대시킬 수 있고, 강도의 확률적 편차 감소, 피로 강도의 신뢰성 향상을 기대할 수 있는 연료전지 자동차용 수소 탱크 및 그 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 향상된 강도 신뢰성을 바탕으로 하여 섬유 복합재의 사용을 줄일 수 있고, 이를 통해 경량화 및 원가 절감을 달성할 수 있는 수소 탱크 및 그 제작 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 수소가 충전되는 용기 부분인 라이너, 및 상기 라이너 외측면에 형성된 보강층을 포함하고, 상기 보강층은, 상기 라이너 외측면에 적층된 부직포; 및 상기 부직포 위에 적층된 섬유강화 복합재를 포함하는 것을 특징으로 하는 부직포 삽입형 수소 탱크를 제공한다.

여기서, 상기 보강층은 점착력을 갖는 수지가 도포된 섬유강화 복합재, 부직포, 그리고 수지 필름을 압착한 상태로 라이너 외측면에 와인딩한 후 경화시켜서 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보강층에서 섬유강화 복합재와 부직포에 존재하는 기공은 내부에 수지 필름의 수지가 침투하여 충전된 구조로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 섬유강화 복합재는 탄소섬유강화 복합재인 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 수소가 충전되는 용기 부분인 라이너를 회전장치에 장착하여 회전시키고, 섬유강화 복합재를 점착력을 갖는 수지가 도포된 상태로 압착롤러 기구에 공급하며, 부직포와 수지 필름을 압착롤러 기구에 공급하여 상기 수지가 도포된 섬유강화 복합재와 부직포, 수지 필름을 압착롤러 기구의 압착롤러에서 압착한 상태로 상기 라이너에 와인딩하고, 상기 섬유강화 복합재와 부직포, 수지 필름이 와인딩된 라이너를 가열하는 경화 공정을 통하여 수소 탱크를 완성하는 것을 특징으로 하는 부직포 삽입형 수소 탱크의 제작 방법을 제공한다.

여기서, 상기 섬유강화 복합재, 부직포, 수지 필름은 각각의 공급롤에 감겨 있는 상태에서 각 공급롤로부터 압착롤러 기구의 압착롤러에 의해 인출된 후 압착롤러 사이를 통과하도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 섬유강화 복합재는 수지 도포를 위한 수지도포부를 통과한 후 압착롤러 기구로 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 섬유강화 복합재와 부직포, 수지 필름을 압착롤러 기구의 압착롤러에 의해 가압 및 압착된 상태로 라이너 외측면에 와인딩하되, 와인딩시 라이너 외측면 위에 수지 필름, 부직포, 섬유 복합재의 순으로 적층되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 라이너 외측면에 부직포와 섬유강화 복합재를 포함하는 보강층을 형성하되, 상기 보강층에서 섬유강화 복합재와 부직포에 존재하는 기공의 내부에 상기 수지 필름의 수지가 침투하여 충전된 구조가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 섬유강화 복합재는 탄소섬유강화 복합재인 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 수소 탱크 및 그 제작 방법에 의하면, 부직포를 적용하여 수소 탱크의 정적 강도 및 피로 강도를 향상시키고, 강도 신뢰성을 나타내는 확률적 편차를 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 향상된 강도 신뢰성을 바탕으로 하여 섬유 복합재의 사용을 줄일 수 있고, 이를 통해 경량화 및 원가 절감을 달성할 수 있게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 수소 탱크 제작 방법을 나타내는 공정 도면이다.
도 2는 종래기술의 수소 탱크를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수소 탱크 제작 방법을 나타내는 공정 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 수소 탱크의 보강층을 형성하기 위한 적층 구성을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 수소 탱크 제작 방법을 나타내는 공정 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 수소 탱크의 보강층을 형성하기 위한 적층 구성을 나타내는 도면이다.

도 4는 라이너(도 3에서 도면부호 11임) 외측면에 와인딩되어 적층 형성되는 구성을 보여주고 있다.

본 발명의 수소 탱크(10)는 섬유강화 복합재(이하 '섬유 복합재'라 약칭함)(12)를 포함하여 구성되는 보강층 내부에 부직포(13)를 삽입한 점에 주된 특징이 있는 것으로, 부직포(13)는 섬유 복합재(12)와 결합하여 수소 탱크(10)의 정적 강도를 향상시키고, 정적 강도에 대한 확률적 분산 편차를 줄여주게 된다.

먼저, 본 발명의 수소 탱크(10)는 고압의 수소가 저장되는 내부 용기인 라이너(11), 상기 라이너(11) 외측면에 적층되어 형성된 보강층을 포함하며, 라이너 외측면의 외곽층이 되는 보강층은 섬유강화 복합재(12), 부직포(13), 수지 필름(14)을 압착 상태로 라이너(11) 외측면에 와인딩하여 구성하게 된다.

이때, 섬유 복합재(12)와 부직포(13)에 존재하는 기공에는 수지 필름(14)의 수지가 침투하여 충전된 구조를 가진다.

상기 라이너(11)는 고압의 수소가 저장되는 용기 역할을 하는 부분으로, 수소 가스가 새는 것을 방지하고, 섬유 복합재(12) 및 부직포(13)를 와인딩할 수 있는 외형을 제공한다.

또한, 섬유 복합재(12)는 라이너(11)에 와인딩되어 적층되며, 수소 압력에 파열되지 않도록 고압의 수소에 의해 가해지는 하중 및 내압을 지지하는 역할을 한다.

본 발명에서 섬유 복합재(12)로는 탄소섬유강화 복합재가 사용될 수 있다.

또한, 부직포(13)는 섬유 복합재(12)와 라이너(11) 외측면 사이에 삽입되어 수소 탱크(10)의 정적 강도 및 피로 강도를 향상시키고, 강도 신뢰성을 나타내는 확률 분산 편차를 줄이는 역할을 한다.

수지 필름(14)은 부직포(13)와 함께 압착롤러(28)에 의해 압착된 상태로 라이너(11) 외측면에 와인딩되어 섬유 복합재(12)와 부직포(13) 사이의 기공에 채워지는 수지를 제공하게 되는 것으로, 기공에 수지가 채워지도록 함으로써 결과적으로 기공을 제거하는 역할을 하게 된다.

한편, 도 3에 나타낸 바와 같이, 와인딩 공정 동안 라이너(11)는 미도시된 회전장치에 장착된 상태로 회전되며, 섬유 복합재(12)는 수지도포부(25)와 압착롤러 기구(27)를 거친 후 회전하고 있는 라이너(11)에 공급되어 와인딩된다.

섬유 복합재(12)는 공급롤(21)에 감긴 상태에서 공급롤로부터 인출되어 수지도포부(25)를 통과하게 되는데, 수지도포부(25)에서 점착력을 갖는 액상의 수지(Resin)가 도포된 상태로 압착롤러 기구(27)를 통과한 뒤 라이너(11)로 공급된다.

여기서, 수지는 섬유 복합재(12)가 부직포(13)와 함께 라이너(11)에 잘 감기도록 마찰을 부여하며, 섬유 복합재(12)를 접착시켜 섬유 간의 하중 전달 역할을 하게 된다.

이와 더불어 와인딩 공정 동안 부직포(13)와 수지 필름(14)이 각각의 공급롤(22,23)에 감긴 상태에서 각 공급롤로부터 인출되어 압착롤러 기구(27)를 거친 뒤 라이너(11)에 공급되어 와인딩된다.

또한, 섬유 복합재(12)와 부직포(13), 수지 필름(14)은 가이드 롤러(24,26)에 의해 안내되어 정해진 공급 경로를 따라 공급되는데, 가이드 롤러(24,26)는 섬유 복합재(12), 부직포(13), 수지 필름(14)이 압착롤러 기구(27)의 케이스(29) 등에 걸리지 않고 압착롤러(28) 사이를 원활하게 통과할 수 있도록 해주는 역할을 한다.

압착롤러 기구(27)는 압착롤러(28)를 포함하여 구성되는 기구로서, 섬유 복합재(12), 부직포(13) 및 수지 필름(14)을 양면에서 가압하여 하나로 압착하는 역할을 하며, 섬유 복합재(12), 부직포(13) 및 수지 필름(14)을 양면에서 가압하여 압착할 수 있도록 복수 개의 압착롤러(28)를 가진다.

바람직한 실시예에서, 상기 압착롤러 기구(27)는 라이너(11)에 대한 와인딩 각도(α)를 조절할 수 있도록 구성된다.

즉, 도면상 Z축을 중심축으로 회전될 수 있도록 구성되는 것으로, 이때 회전을 위한 동력은 미도시된 모터 등이 제공할 수 있도록 한다.

즉, 압착롤러 기구(27)의 케이스(29)가 컨트롤러(미도시)에 의해 구동이 제어되는 모터의 회전축에 결합되어 모터의 구동시에 회전축에 결합된 압착롤러 기구(27)가 Z축을 중심으로 회전되도록 하는 것이다.

또한, 압착롤러 기구(27)는 미도시된 이송기구에 의해 X축 방향으로 병진 이동할 수 있도록 구비되는데, 압착롤러 기구(27)가 라이너 길이방향인 X축 방향으로 이동됨에 따라 라이너(11)에서 섬유 복합재(12), 부직포(13) 및 수지 필름(14)이 와인딩되는 위치가 이동될 수 있게 된다.

이와 같이 압착롤러 기구(27) 및 라이너(11)에서의 와인딩 위치를 라이너 길이방향인 X축 방향을 따라 이동시켜가면서 섬유 복합재(12), 부직포(13) 및 수지 필름(14)을 와인딩시키며, 이를 통해 섬유 복합재(12), 부직포(13) 및 수지 필름(14)이 나머지 와인딩되지 않은 라이너 부분을 따라 공급될 수 있도록 한다.

또한, 압착롤러 기구(27)는 미도시된 이송기구에 의해 Y축 방향으로도 병진 이동할 수 있도록 구비되는데, 라이너(11) 양단부에서 병진 운동을 함으로써 라이너 양단부의 굴곡진 곡면 부분에 섬유 복합재(12), 부직포(13) 및 수지 필름(14)을 와인딩시킬 수 있게 된다.

이와 같은 장치 구성에서 섬유 복합재(12)와 부직포(13), 수지 필름(14)이 각각의 공급롤(21,22,23)에서 인출되어 압착롤러 기구(27)로 공급되고, 이어 압착롤러 기구(27)에 의해 라이너(11)로 공급되어 라이너 외측면에 와인딩되어진다.

이때, 섬유 복합재(12)는 가이드 롤러(24)에 의해 안내되어 수지도포부(25)를 통과하므로 수지가 도포된 상태로 압착롤러 기구(27)에 공급되며, 부직포(13)와 수지 필름(14)도 가이드 롤러(26)에 의해 함께 안내되어 압착롤러 기구(27)로 공급된다.

또한, 섬유 복합재(12)와 부직포(13), 수지 필름(14)이 압착롤러 기구(27)의 압착롤러(28)에 의해 가압되어 압착된 상태로 라이너(11) 외측면에 와인딩되며, 이때 라이너 외측면 위에 수지 필름(14), 부직포(13), 섬유 복합재(12)의 순으로 적층이 이루어지도록 한다.

즉, 라이너(11) 외측면 바로 위에 수지 필름(14), 그 위에 부직포(13), 부직포(13) 위에 섬유 복합재(12)가 적층되도록 하는 것이며, 섬유 복합재(12)가 수소 탱크(10)의 외부 표면을 이루도록 바깥쪽에, 그리고 부직포(13)가 라이너(11)와 섬유 복합재(12) 사이에 삽입되도록 한다.

상기와 같이 와인딩이 모두 끝나고 나면, 가열로 내에서 정해진 온도 조건으로 가열하여 고온 경화시킴으로써 수소 탱크(10)를 완성하게 된다.

본 발명에서 부직포(13)의 적용시 섬유 복합재(12) 표면의 수지 부족 및 와인딩 장력에 기인한 부직포(13)의 끊김 현상으로 고온 경화 후에 완성된 복합재 수소 탱크(10)에 기공이 발생할 가능성이 있다.

이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 부직포 적용시 수지 필름(14)을 함께 와인딩하여 내부 기공 발생시 수지 필름이 기공을 채울 수 있도록 하며, 부직포(13)를 압착롤러(28)를 이용하여 섬유 복합재(12)와 함께 접착하여 함께 와인딩할 수 있도록 함으로써 부직포(13)가 와인딩 장력에 의해 끊기지 않게 한다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 부직포를 적용하여 수소 탱크의 정적 강도 및 피로 강도를 향상시키고, 강도 신뢰성을 나타내는 확률적 편차를 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 향상된 강도 신뢰성을 바탕으로 하여 섬유 복합재의 사용을 줄일 수 있고, 이를 통해 경량화 및 원가 절감을 달성할 수 있게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 수소 탱크 11 : 라이너
12 : 섬유 복합재 13 : 부직포
14 : 수지 필름 21, 22, 23 : 공급롤
24, 26 : 가이드 롤러 25 : 수지도포부
27 : 압착롤러 기구 28 : 압착롤러
29 : 케이스

Claims (10)

1. 수소가 충전되는 용기 부분인 라이너, 및 상기 라이너 외측면에 형성된 보강층을 포함하고,
   상기 보강층은:
   상기 라이너 외측면에 적층되는 수지필름;
   상기 수지필름 위에 적층되는 부직포 및;
   점착력을 갖는 수지가 부착되어 부직포 위에 적층되는 섬유강화 복합재;
   로 구성되고,
   상기 섬유강화 복합재와 부직포와 수지 필름이 압착롤러 기구에 의하여 서로 압착된 상태로 라이너 외측면에 와인딩한 후 경화시켜서, 상기 라이너 외측면 위에 수지 필름, 부직포, 섬유강화 복합재의 순서로 적층된 것을 특징으로 하는 부직포 삽입형 수소 탱크.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 보강층에서 섬유강화 복합재와 부직포에 존재하는 기공은 내부에 수지 필름의 수지가 침투하여 충전된 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 부직포 삽입형 수소 탱크.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 섬유강화 복합재는 탄소섬유강화 복합재인 것을 특징으로 하는 부직포 삽입형 수소 탱크.
   
5. 수소가 충전되는 용기 부분인 라이너를 회전장치에 장착하여 회전시키는 단계;
   섬유강화 복합재를 점착력을 갖는 수지가 부착된 상태로 압착롤러 기구에 공급하는 단계;
   부직포와 수지 필름을 압착롤러 기구에 공급하여 상기 수지가 부착된 섬유강화 복합재와 부직포, 수지 필름을 압착롤러 기구의 압착롤러에서 압착한 상태로 상기 라이너에 와인딩하는 단계;
   상기 섬유강화 복합재와 부직포, 수지 필름이 와인딩된 라이너를 가열하는 경화 공정을 통하여 수소 탱크를 완성하는 단계;
   를 포함하고,
   상기 섬유강화 복합재와 부직포, 수지 필름을 압착롤러 기구의 압착롤러에 의해 가압 및 압착된 상태로 라이너 외측면에 와인딩하되, 와인딩시 라이너 외측면 위에 수지 필름, 부직포, 섬유강화 복합재의 순으로 적층되도록 한 것을 특징으로 하는 부직포 삽입형 수소 탱크의 제작 방법.
   
6. 삭제
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 섬유강화 복합재는 수지 부착를 위한 수지도포부를 통과한 후 압착롤러 기구로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 부직포 삽입형 수소 탱크의 제작 방법.
   
8. 삭제
9. 청구항 5에 있어서,
   상기 라이너 외측면에 부직포와 섬유강화 복합재를 포함하는 보강층을 형성하되, 상기 보강층에서 섬유강화 복합재와 부직포에 존재하는 기공의 내부에 상기 수지 필름의 수지가 침투하여 충전된 구조가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 부직포 삽입형 수소 탱크의 제작 방법.
   
10. 청구항 5에 있어서,
    상기 섬유강화 복합재는 탄소섬유강화 복합재인 것을 특징으로 하는 부직포 삽입형 수소 탱크의 제작 방법.
    
    
    

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