KR20150046790A - 수소 전달 튜브 - Google Patents

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KR20150046790A KR1020130113255A KR20130113255A KR20150046790A KR 20150046790 A KR20150046790 A KR 20150046790A KR 1020130113255 A KR1020130113255 A KR 1020130113255A KR 20130113255 A KR20130113255 A KR 20130113255A KR 20150046790 A KR20150046790 A KR 20150046790A
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Abstract

본 발명은 수소 전달 튜브에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시시예에 따른 수소 전달 튜브는 수소에 대해 내용출성을 갖는 제1층 및 제1층의 외면을 둘러싸는 별도의 층으로서 수소의 투과 방지를 위해 폴리우레탄으로 이루어진 제2층 포함하는 것이다.

Description

수소 전달 튜브{HYDROGEN TRANSFER TUBE}
본 발명은 수소를 전달하는 튜브에 관한 것이다. 구체적으로 자동차, 선박, 휴대용 발전기 등에 사용되는 수소 전지에 수소를 안전하게 공급할 수 있도록 수소를 전달하는 튜브에 관한 것이다.
운수 분야에 적용되는 환경 규제와 탄소 연료의 고갈 등으로 인해, 자동차, 선박 등에 동력을 공급하는 새로운 방법이 제시되고 있다. 이러한 새로운 방법으로서 전기 동력을 사용하는 것이 가장 간단하다고 생각할 수 있지만 운송 수단 안에 전기 에너지를 저장하는 방법이 문제가 된다. 공지된 축전지는 비교적 무겁고 부피가 커지고 있으며 장거리 운행을 위한 충분한 에너지의 저장이 불가능하다.
따라서, 일반적인 축전지를 연료 전지로 대체하려는 시도가 이루어지고 있다. 연료 전지는 전기 분해의 반대의 원리를 이용한다. 일반적으로 연료인 수소와 산화제인 산소가 화학 반응하여 전기를 발생시킨다. 수소는 운송 수단에 탑재된 탱크에 저장된다. 수소는 고온(섭씨 100도 이상) 및 고압(약 5bar)을 견디는 강철로 만들어진 파이프를 이용해 이동되는데, 강철은 수소에 대해서 실질적으로 불활성이라는 이점을 가져, 파이프가 수소 가스로 인해 분해되거나 가스가 오염되는 것을 방지할 수 있다.
그렇지만, 산소는 강철을 열화시키는 경향이 있다. 게다가 강철 파이프는 비교적 무겁고 가요성이 없으며 고가라는 문제가 있다.
본 발명은 수소를 전달하는 튜브로서, 고온, 고압에 견디고 가요성이 있는 수소 전달 튜브를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고온, 고압뿐만 아니라, 저온, 고압의 상황에서도 내구성을 유지하는 가요성있는 수소 전달 튜브를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 전달 튜브는, 수소에 대해 내용출성을 갖는 재료로 이루어진 제1층 및 상기 제1층의 외면을 둘러싸는 별도의 층으로서 수소의 투과 방지를 위해 폴리우레탄으로 이루어진 제2층을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1층의 재료는 폴리아미드 계열의 재료이다.
일 실시예에 따른 수소 전달 튜브는 상기 제1층 및 제2층을 둘러싸도록 배치되어 상기 튜브에 내충격성 및 내열성을 제공하는 제1 보호층을 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 보호층은 열가소성 탄성체로 이루어진다.
일 실시예에 따른 수소 전달 튜브는 상기 제1층 및 제2층을 둘러싸도록 배치되어 상기 튜브에 내약품성을 제공하는 제2 보호층을 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 보호층은 폴리에스테르 계열의 재료로 이루어진다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 보호층은 제2 보호층의 외면을 둘러싸도록 배치된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 4개 층으로 이루어진 수소 전달 튜브를 도시한 사시도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 전달 튜브(100)를 설명한다. 본 발명에서 설명하는 수소 전달 튜브(100)는 수소 연료를 이용해 동력을 발생하는 장치에 있어서 수소 연료를 전달하는데 사용하는 것으로 예시한다. 예컨대, 수소 전달 튜브(100)는 수소 연료로 구동하는 자동차 또는 선박 등에서 수소 연료를 연료전지로 공급하는 공급관의 역할을 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 전달 튜브(100)는 제1층(110) 및 제2층(120)을 포함한다.
수소 전달 튜브(100)를 구성하는 제1층(110) 및 제2층(120)을 설명하기 위해 도 1을 제시한다. 도 1은 다층으로 이루어진 튜브의 사시도이다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 내측으로부터 제1층, 제2층 순서로 이루어진 수소 전달 튜브를 개략적으로 도시한다.
제1층(110)은 수소 전달 튜브(100)를 통해 흐르는 수소와 직접적으로 맞닿는 층을 형성한다. 따라서, 제1층(110)은 제1층(110)을 이루는 성분이 수소 전달 튜브(100) 내로 용출되어 수소를 오염시키는 것을 방지하도록 내용출성의 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 일 실시예에 따르면, 제1층(110)의 재료는 폴리아미드 계열의 재료가 사용될 수 있다. 통상 사용되는 불소계 재료는 알코올에 대하여 투과성이 낮으며, 유체가 액상일 때에 기상일 때보다 용출물이 적다는 장점이 있다. 그러나, 유체가 수소와 같이 기상일 때는 나일론과 같은 폴리아미드 계열의 재료가 내용출성이 뛰어나다. 제1층(110)의 두께는 요구되는 수소 전달 튜브의 내구성 및 강도에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
제2층(120)은 수소 전달 튜브(100)에 기밀성을 제공하는 층을 형성한다. 수소 기체 분자는 분자 중에 가장 부피와 질량이 작은 분자로서 누출의 가능성이 높으며, 누출시 폭발의 위험성이 있다. 따라서 수소 전달 튜브에 있어서 기밀성은 가장 중요한 문제이다. 제2층(120)은 수소의 투과 방지를 위하여 폴리우레탄으로 이루어지는 것이 바람직하다. 통상의 경우 폴리우레탄은 다층 튜브에 있어서 두 층을 접착시켜주는 접착층으로서 이용된다. 그러나 본 수소 전달 튜브(100)에서는 폴리우레탄 층이 기밀성을 위해 일정 두께를 갖는 별도의 층으로서 제공된다. 이러한 제2층은 요구되는 수소 전달 튜브(100)의 내구성, 기밀성 및 강도에 따라 적절한 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소 전달 튜브(100)는 제1 보호층(130)을 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제1층(110), 제2층(120), 및 제1 보호층(130)를 포함하는 수소 전달 튜브(100)를 도시한다. 도 1을 참조하면, 제1 보호층(130)은 제1층(110) 및 제2층(120)을 감싸도록 형성된다. 제1 보호층(130)은 수소 전달 튜브(100)에 내충격성 및 내열성(난연성)을 제공한다. 즉, 제1 보호층(130)은 수소 전달 튜브(100)에 물리적인 강인함을 제공하는데, 제1 보호층(130)의 배치로 인하여, 예컨대, 수소 전달 튜브(100)는 섭씨 115도의 고온 또는 섭씨 -40도의 저온에서 견딜 수 있고, 외부로부터의 충격에 대하여 견딜 수 있다. 이러한 물리적인 충격은 수소 전달 튜브(100)가 장착된 차량 또는 선박이 사막이나 열대지방 혹은 한대지방이나 극지방에서 사용되거나, 수소 전달 튜브(100)가 차량의 저면에 장착되어 주행 중에 작은 돌멩이 등이 튈 수 있는 상황에서 유리함을 제공한다. 일 실시예에서, 제1 보호층(130)은 열가소성 탄성체로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소 전달 튜브(100)는 제2 보호층(140)을 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제1층(110), 제2층(120), 제1 보호층(130) 및 제2 보호층(140)을 포함하는 수소 전달 튜브(100)를 도시한다. 도 1을 참조하면, 제2 보호층(140)은 제1층(11) 및 제2층(120)을 감싸도록 형성된다. 제2 보호층(140)은 수소 전달 튜브(100)에 내약품성을 제공한다. 즉, 제2 보호층(140)은 수소 전달 튜브(100)에 외부로부터 가해지는 화학적인 충격에 대한 강인함을 제공한다. 제2 보호층(140)의 배치로 인해, 예컨대, 수소 전달 튜브(100)는 10bar 이상의 고압에서 견딜 수 있고, 외부로부터 침투되는 물질에 의해 튜브가 열화되는 것을 방지한다. 일 실시예에 따르면, 제2 보호층(140)은 폴리에스테르 계열의 재료로 형성되는 것이 바람직히다. 또한, 일 실시예에 따르면, 제2 보호층(140)은 제1 보호층(130)의 내측으로 형성되는 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 전달 튜브의 성능 시험 결과를 제시한다.
<수소 기밀 테스트>
시험 진행 순서는 다음과 같다.
1) 1/2" 튜브 배관을 설치한다.
2) 수소(순도 99.9%)를 인가하여(20barg) 각 온도 별로(25℃ 상온, -40℃ 저온, 115℃ 고온) 4시간 소킹(soaking)한다.
3) 소킹 후 1시간 동안 압력 변화량을 확인한다.
4) 압력 변화량을 이용하여 누출량을 확인하고 튜브의 변형을 확인한다.
시험결과,는 기밀유지로 인한해 압력변화가 없으며와 누출량도이 기준치 이하이다.
상기 기준치는 유럽 기준(EC406) 또는 OEM 차량 최종 제작사 등의 개별적인 기준치가 될 수 있다.
본 시험에 의하여 본 발명의 일실시예에 따른 수소 전달 튜브가 상온, 저온, 고온에서 기존 양산용 튜브에 비하여 온도변화에 따른 내투과성이 효과가 월등함을 알 수 있었다.
<파열 압력 평가>
파열 압력은 60barg 이상일 것을 요한다.
시험 결과는 다음과 같다.
구분 상온(25℃) 저온(-40℃) 고온(115℃)
파열 압력(barg) 190barg 190barg 120 barg
상기 표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수소 전달 튜브가 요구되는 파열압력보다 상온 및 저온에서 세 배, 고온에서 두 배 이상의 파열압력을 가짐을 보여준다.
본 시험에 의하여 이로써, 본 발명의 일실시예에 따른 수소 전달 튜브가 상온, 저온, 고온의 파열압 시험에서 양산용 튜브에 비하여 온도변화에 따른 내투과성이 효과가 월등함을 알 수 있었다.
<압력 순환 평가>
압력 순환 평가의 목적은 반복 순환 평가의 극한 조건으로 시험 진행시 제품의 변형 및 기밀을 유지할 수 있는지 확인하기 위함이다. 최저 5barg, 최고 20barg의 압력으로 10초를 1사이클로 하여 100,000사이클 시험을 실시하였다.
다음은 시험 사이클의 내에서의 구체적인 압력에 관한 것이다.
압력 유지 시간(초) 인가 압력(barg)
0 ~ 1 0
2 ~ 3 5
4 ~ 6 20
7 ~ 8 5
9 ~ 10 0
시험 결과는 다음과 같다.
상온(25℃) 저온(-40℃) 고온(115℃)
변형 유무 이상 없음 이상없음 이상없음
상기 표 3은 상온, 저온, 고온에서 100,000사이클의 압력 순환 시험에도 본 발명의 일실시예에 따른 수소 전달 튜브의 변형이 없음을 보여준다.
이러한 압력 순환 시험 이후 제품의 변형 및 기밀 유지를 확인하기 위해 수소 기밀 테스트 및 파열압 시험을 진행하였다. 시험 결과는 다음과 같다.
상온(25℃) 저온(-40℃) 고온(115℃)
수소 누출량 이상없음 이상없음 이상없음
파열 압력(barg) 180barg 180barg 120 barg
상기 표 4는 본 압력 순환 시험에 의하여후에 본 발명의 일실시예에 따른 수소 전달 튜브가 상온, 저온, 고온의에서 수소 누출량에 이상이 없고 및 파열압 시험에서이 요구되는 파열압(60barg)보다 상온 및 저온에서 3배, 고온에서 2배로 나타남을 보여준다. 이로써, 본 발명의 일실시예에 따른 수소 전달 튜브가 양산용 튜브에 비하여 온도변화 및 압력변화에 따른 효과가 월등함을 알 수 있었다.
<복합 환경 내구 평가>
복합 환경 내구 평가(PVT, Pressure/Vibration/Temperature)는 압력, 진동, 온도에 대한 종합적인 성능 평가로서 1일을 1사이클로 하여 14일 동안 각 온도별로 시험을 진행한다. 그 이후, PVT 시험 후에 수소 기밀 테스트와 파열압 시험을 차례로 거친다.
시험 결과는 다음과 같다.
상온(25℃) 저온(-40℃) 고온(115℃)
수소 누출량 이상없음 이상없음 이상없음
파열 압력(barg) 180barg 180barg 120 barg
상기 표 5는 상온, 저온, 고온에서 14사이클의 PVT 시험 후에 본 발명의 일실시예에 따른 수소 전달 튜브가 상온, 저온, 고온에서 수소 누출량에 이상이 없고 파열압이 요구되는 파열압(60barg)보다 상온 및 저온에서 3배, 고온에서 2배로 나타남을 보여준다. 본 시험에 의하여 수소 전달 튜브가 상온, 저온, 고온의 수소 누출량 및 파열압 시험에서이로써, 본 발명의 일실시예에 따른 수소 전달 튜브가 양산용 튜브에 비하여 온도변화 및 압력변화에 따른 효과가 월등함을 알 수 있었다.
한편, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 기준으로 설명하였으나, 첨부된 청구항에 기재된 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 변경이 가능할 것이다.
100: 수소 전달 튜브 110: 제1층
120: 제2층 130: 제1 보호층
140: 제2 보호층

Claims (7)

  1. 수소를 전달하는 튜브에 있어서,
    수소에 대해 내용출성을 갖는 재료로 이루어진 제1층; 및
    상기 제1층의 외면을 둘러싸는 별도의 층으로서, 수소의 투과 방지를 위해 폴리우레탄으로 이루어진 제2층;
    을 포함하는 수소 전달 튜브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1층의 재료는 폴리아미드 계열의 재료인 수소 전달 튜브.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1층 및 제2층을 둘러싸도록 배치되어 상기 튜브에 내충격성 및 내열성을 제공하는 제1 보호층을 더 포함하는 수소 전달 튜브.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 보호층은 열가소성 탄성체로 이루어진 수소 전달 튜브.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1층 및 제2층을 둘러싸도록 배치되어 상기 튜브에 내약품성을 제공하는 제2 보호층을 더 포함하는 수소 전달 튜브.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 보호층은 폴리에스테르 계열의 재료로 이루어진 수소 전달 튜브.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 보호층은 제2 보호층의 외면을 둘러싸도록 배치되는 수소 전달 튜브.
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