KR102423427B1 - 고압수소 저장 압력용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부의 라이너를 폴리머 재질로 구성하고 그 라이너를 감싸는 외형부는 금속 재질로 구성하여 금속 재질의 라이너에 수소취성이 발생하는 문제를 해결함과 동시에 제조공정을 단순화하여 제조비용을 절감할 수 있도록 하는 압력용기에 관한 것이다.
본 발명에 의한 고압수소 저장 압력용기는 내부의 공간에 수소가 저장될 수 있도록 일측에 개구부가 형성된 용기의 형상으로 구성되는 폴리머 재질의 라이너, 라이너의 개구부 측에 접합되는 보스 및, 라이너를 감싸는 형태로 외부층을 형성하는 금속 재질의 외형부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

고압수소 저장 압력용기{Pressure vessel for storage of high-pressure hydrogen}

본 발명은 고압수소를 저장하는 압력용기에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 내부의 라이너를 폴리머 재질로 구성하고 그 라이너를 감싸는 외형부는 금속 재질로 구성하여 금속 재질의 라이너에 수소취성이 발생하는 문제를 해결함과 동시에 제조공정을 단순화하여 제조비용을 절감할 수 있도록 하는 압력용기에 관한 것이다.

일반적으로, 고압가스를 저장하기 위한 목적으로 사용되는 압력용기는 금속 재질로만 구성되는 제1형, 금속 재질의 라이너에 탄소섬유를 원주방향으로 감아서 만든 형태의 제2형, 금속 재질의 라이너에 탄소섬유를 원주방향과 길이방향으로 감아서 만든 형태의 제3형 그리고 비금속 재질의 라이너에 탄소섬유를 원주방향과 길이방향으로 감아서 만든 형태의 제4형 중 어느 하나로 구성될 수 있으며, 이중 고압수소를 저장하기 위한 목적으로 주로 사용되는 것은 제3형 또는 제4형의 압력용기이다.

즉, 상기와 같은 제1형 또는 제2형의 압력용기는 고압가스에 의한 전체 또는 대부분의 하중을 내부의 라이너가 부담하도록 구성되므로 안정성에 문제가 발생할 수 있으나, 상기와 같은 제3형 또는 제4형의 압력용기는 고압가스에 의한 일부의 하중만을 내부의 라이너가 부담하거나 하중을 전혀 부담하지 않도록 구성되므로 하중이 크게 발생하는 고압수소의 저장에 보다 적합하다 할 수 있다.

이와 관련하여, 제3형의 압력용기에 관한 종래의 발명으로는 대한민국 등록특허공보 제10-1922103호의 “수소저장압력용기 및 그 제작방법” 등의 발명들이 제안되어 공개된 바 있고, 제4형의 압력용기에 관한 종래의 발명으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0090455호의 “수소 저장 용기” 등의 발명들이 제안되어 공개된 바 있다.

우선, 상기 대한민국 등록특허공보 제10-1922103호의 “수소저장압력용기 및 그 제작방법”에는 금속성 라이너의 외주면 또는 내주면 중 어느 하나 이상에 차폐재층을 추가하여 그 금속성 라이너의 부식성을 저하시킬 수 있고, 동시에 경량화와 내구성의 증대에도 효과가 있는 압력용기에 관한 발명이 제안되었다.

또한, 상기 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0090455호의 “수소 저장 용기”에는 비금속의 라이너를 사용하여 경량화되고, 그 비금속의 라이너와 보스의 접합면에 플라즈마 처리를 함으로써 틈새를 통한 수소의 누출을 방지할 수 있도록 하는 용기에 관한 발명이 제안되었다.

그러나 상기와 같은 제3형의 압력용기는 고압수소에 의한 1,000 bar 이상의 압력하에서 금속 재질의 라이너에 수소취성이 쉽게 발생할 수 있고, 상기와 같은 제4형의 압력용기는 비금속 재질의 라이너에 탄소섬유를 원주방향과 길이방향으로 감는 방식인 제조공정이 복잡하여 상당한 제조비용이 필요하게 되는 문제가 발생하게 된다.

따라서, 고압수소에 의한 고압의 환경에서 그 압력에 의해 라이너가 손상될 수 있는 문제와 금속 재질의 라이너에 수소취성이 쉽게 발생할 수 있는 문제를 해결할 수 있도록 하고, 제조공정을 단순화하여 제조비용을 절감할 수 있도록 하는 압력용기에 관한 발명의 필요성이 제기되고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제10-1922103호(2018. 11. 20.) 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0090455호(2020. 07. 29.)

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 기술로써,

고압가스를 저장하기 위한 목적으로 사용되는 제1형 또는 제2형의 압력용기는 고압가스에 의한 전체 또는 대부분의 하중을 내부의 라이너가 부담하도록 구성되므로 안정성에 문제가 발생할 수 있고,

상기와 동일한 목적으로 사용되는 제3형 또는 제4형의 압력용기 중 제3형의 압력용기는 고압수소에 의한 1,000 bar 이상의 압력하에서 금속 재질의 라이너에 수소취성이 발생할 수 있으며,

제4형의 압력용기는 비금속 재질의 라이너에 탄소섬유를 원주방향과 길이방향으로 감는 방식인 제조공정이 복잡하여 상당한 제조비용이 발생하게 되는 문제가 있기 때문에, 이에 대한 해결책을 제시하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 실현하고자,

내부의 공간에 수소가 저장될 수 있도록 일측에 개구부가 형성된 용기의 형상으로 구성되는 폴리머 재질의 라이너; 상기 라이너의 개구부 측에 접합되는 보스; 및, 상기 라이너를 감싸는 형태로 외부층을 형성하는 금속 재질의 외형부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고압수소 저장 압력용기를 제시한다.

본 발명에 의한 고압수소 저장 압력용기는,

내부의 라이너를 폴리머 재질로 구성하고 그 라이너를 감싸는 외형부는 금속 재질로 구성하여 안정성을 확보하고, 금속 재질의 라이너에 수소취성이 발생하는 문제를 해결하며, 제조공정을 단순화하여 제조비용을 절감할 수 있도록 하는 효과가 발생한다.

도 1은 본 발명에 의한 고압수소 저장 압력용기를 측면에서 바라본 단면을 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 고압수소 저장 압력용기를 구성하는 라이너와 외형부의 사이에 보호층이 부가된 상태를 나타낸 단면도.

본 발명은 본 발명은 고압수소를 저장하는 압력용기에 관한 것으로써,

내부의 공간에 수소가 저장될 수 있도록 일측에 개구부가 형성된 용기의 형상으로 구성되는 폴리머 재질의 라이너(100); 상기 라이너(100)의 개구부 측에 접합되는 보스(110); 및, 상기 라이너(100)를 감싸는 형태로 외부층을 형성하는 금속 재질의 외형부(120); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고압수소 저장 압력용기에 관한 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하고자 한다.

우선, 상기 라이너(100)는 수소의 저장을 위한 용도로 사용되는 본 발명의 구성물이며, 도 1에 도시된 바와 같이, 내부의 공간에 수소가 공급되어 저장될 수 있도록 일측에 개구부가 형성된 용기의 형상으로 구성될 수 있으나, 일측과 타측에 각각 개구부가 형성된 용기의 형상으로도 구성될 수 있다.

이때, 상기 라이너(100)를 구성하는 재질로는 폴리머가 사용되어 내부에 저장되는 수소의 투과가 방지될 수 있도록 하며, 그 종류로는 고밀로 폴리에틸렌, 변성 폴리에틸렌, 실리콘수지, 에폭시 수지, 불소수지, 고밀도 폴리프로필렌, 변성 폴리프로필렌 중 어느 하나가 이용될 수 있다.

또한, 상기 보스(110)는 상기 라이너(100)의 개구부 측에 접합되어 수소의 저장 또는 배출을 위한 통로를 형성하는 본 발명의 구성물이며, 보스(110)를 구성하는 재질로는 상기 라이너(100)와 동일한 재질의 폴리머 또는 외형부(120)와 동일한 재질의 금속 재질이 사용될 수 있으나, 폴리머의 사용이 가장 바람직하다.

또한, 상기 외형부(120)는 상기 라이너(100)를 감싸는 형태로 전체 압력용기의 외부층을 형성하는 본 발명의 구성물이며, 도 1에 도시된 바와 같이, 라이너(100)의 내입을 위한 공간이 내부에 형성되고, 그 라이너(100)의 내부에 형성된 공간에 수소가 공급되어 저장될 수 있도록 일측에 개구부가 형성된 용기의 형상으로 구성될 수 있으나, 일측과 타측에 각각 개구부가 형성된 용기의 형상으로도 구성될 수 있다.

즉, 상기 외형부(120)는 상기 라이너(100)의 형상에 따라 일측에 개구부가 형성된 용기의 형상으로 구성되거나 일측과 타측에 각각 개구부가 형성된 용기의 형상으로도 구성될 수 있다.

이때, 상기 외형부(120)는 내부에 형성된 공간에 내입된 상기 라이너(100)의 보호를 위한 목적으로 금속 재질로 구성되며, 그 종류로는 알루미늄, 강, 마그네슘 등이 이용될 수 있다.

또한, 상기 외형부(120)의 내부면은 질화강 재질로 질화 처리될 수 있으며, 상기 질화강은 C : 0.05 ~ 0.3 중량%, Al : 0.2 ~ 0.5 중량%, Cr : 0.35 ~ 0.8 중량% 및 잔부의 Fe를 포함하며, Al 및 Cr은 0.5% < 1.9Al + Cr < 1.75%의 관계식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 질화강의 구성성분 중 탄소(C)는 상기 외형부(120)의 내부면의 강도 및 경도를 결정하나, 저탄소강의 영역인 0.05 중량% 미만에서는 상기 라이너(100)의 충분한 강도를 얻기 어렵고, 0.3 중량%를 초과하는 경우에는 강도 및 경도가 과도하게 높아져 인성 및 가공성에 영향을 미치게 되므로 0.05 ~ 0.3 중량%가 되도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 질화강의 구성성분 중 알루미늄(Al)은 제강시 유효한 탈산제로써, 질소(N)와 결합하여 질화물을 형성하고, 결정립을 미세화하여 질화층의 강도 및 경도를 향상시키나, 0.01 중량 % 미만에서는 상기 라이너(100)의 보호에 충분한 질화층의 경도를 얻기 어렵고, 0.5 중량% 이상에서는 그 효과가 반감되므로, 이를 고려하여, 0.2 ~ 0.5 중량%가 되도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 질화강의 구성성분 중 크롬(Cr)은 탄소(C) 및 질소(N)와 함께 탄질활물을 형성하여 경화층을 강화시키는 구성성분이나, 0.35 중량 % 미만에서는 상기 라이너(100)를 안정적으로 지지하기 위한 경화층을 얻기 어렵고, 0.8 중량 % 이상에서는 경화층의 두께가 얇아지는 문제가 있으므로, 0.35 ~ 0.8 중량%가 되도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 질화강의 구성성분 중 질소(N)는 비조질강 중에서 알루미늄(Al)과 결합하여 질화물을 형성시켜 결정립 미세화에 의한 강도 및 인성 향상에 기여하는 구성성분이나 과잉으로 첨가되면 효과에 변화가 없으므로 상기 범위내로 첨가량이 제한되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 질화강의 구성성분 중 Al 및 Cr은 0.5% < 1.9Al + Cr < 1.75%의 관계식을 만족하도록 함유되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 외형부(120)의 내벽은 상기 라이너(100)의 외벽에 밀착됨으로써 그 라이너(100)가 내부에 저장된 고압수소에 의한 압력에 대응하도록 할 수 있으나, 외형부(120)와 라이너(100) 각각의 형상이나 제조 과정에서 발생할 수 있는 오차 등을 고려하여 외형부(120)와 라이너(100)의 사이에는 도 2에 도시된 바와 같은 형태로 보호층(130)이 부가될 수 있다.

즉, 상기 보호층(130)은 상기 외형부(120)와 상기 라이너(100) 각각의 형상이나 제조 과정에서 발생할 수 있는 오차에 의해 외형부(120)와 라이너(100)의 사이에 형성될 수 있는 이격 공간을 채움으로써 라이너(100)가 외형부(120)의 내부에 더욱 견고하게 고정될 수 있도록 함과 동시에 그 이격 공간의 존재로 인해 발생할 수 있는 라이너(100)의 손상을 방지하게 된다.

이때, 상기 보호층(130)은 상기 라이너(100)의 외형과 상기 외형부(120)의 내형에 곡선부가 상당부분 포함된 것을 고려하여 우레탄(PTU) 재질로 구성되는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

위에서 소개된 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해, 예로써 제공되는 것이며, 본 발명은 위에서 설명된 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화 될 수도 있다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장 또는 축소되어 표현될 수 있다.

또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

100 : 라이너
110 : 보스
120 : 외형부
130 : 보호층

Claims (2)

1. 내부의 공간에 수소가 저장될 수 있도록 일측에 개구부가 형성된 용기의 형상으로 구성되는 폴리머 재질의 라이너(100);
   상기 라이너(100)의 개구부 측에 접합되는 보스(110); 및,
   상기 라이너(100)를 감싸는 형태로 외부층을 형성하는 금속 재질의 외형부(120); 를 포함하여 구성되되,
   상기 외형부(120)의 내부면은,
   질화강 재질로 질화 처리되도록 구성되고,
   상기 질화강은 C : 0.05 ~ 0.3 중량%, Al : 0.2 ~ 0.5 중량%, Cr : 0.35 ~ 0.8 중량% 및 잔부의 Fe를 포함하며, Al 및 Cr은 0.5% < 1.9Al + Cr < 1.75%의 관계식을 만족하도록 구성되고,
   상기 외형부(120)와 라이너(100)의 사이에는 각각의 형상이나 제조 과정에서 발생할 수 있는 오차에 의해 외형부(120)와 라이너(100)의 사이에 형성될 수 있는 이격 공간을 채울 수 있는 보호층(130)이 구성되고,
   상기 보호층(130)은 우레탄(PTU) 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 고압수소 저장 압력용기.
   
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