KR20170118510A

KR20170118510A - 수소탱크 장치

Info

Publication number: KR20170118510A
Application number: KR1020160046388A
Authority: KR
Inventors: 심규환
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2017-10-25

Abstract

본 발명은 수소탱크 장치에 관한 것으로서, 특히 실린더 형상의 라이너와, 상기 라이너 외부에 구비되는 탄소복합재로 이루어진 수소탱크와; 상기 수소탱크 양단에 구비되어 상기 라이너와 상기 탄소복합재를 연결하는 보스와; 상기 수소탱크 일단에 구비되며, 상기 보스에 삽입되어 상기 수소탱크 내부를 개폐시키는 밸브와; 상기 밸브에 삽입되어 상기 수소탱크 내부의 소정 위치에 수소를 분사하도록 소정의 분사각(θ)을 형성하는 노즐로 구성되어, 실린더 형상의 수소탱크 내부 구조와 충전 노즐에 의해 소정 각도로 분사되는 수소를 통해 수소탱크 내부로 주입된 수소의 유동을 제어하여 수소탱크 내부 벽면을 통해 방열이 가능하게 함으로써 내부 온도의 균일성을 확보하고, 정체 영역의 해소를 통해 국보적 고온부 해소와 탱크의 구조적 강건성과 안전성을 향상시키며, 충전 속도를 향상시키는데 효과가 있도록 하는 것이다.

Description

수소탱크 장치{Hydrogen tank device}

본 발명은 수소탱크 장치에 관한 것으로서, 특히 수소탱크의 내부 구조와 충전 노즐의 수소 분사각을 통해 수소탱크 내부로 주입된 수소의 유동을 제어하여 내부 온도의 균일성을 확보하고 이로 인해 수소탱크의 구조적 강건성 및 충전 속도를 향상시키기 위한 수소탱크 장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 자동차에 사용되는 수소탱크는 자동차 운행에 필요한 전기를 생산하는 고분자 전해질 연료전지에 수소를 공급하는데 사용된다.

이러한, 수소탱크는 이중 구조로 이루어지는데 이와 같은 구조는 70MPa 이상의 고압 충전을 견디기 위함이다.

또한 충전 중 탱크의 안전성을 보장하기 위해 최대 온도는 라이너의 한계온도를 넘지 않도록 해야 한다.

한편, 종래의 수소탱크는 충전 시퀀스를 통해 이와 같은 제한을 만족하면서 충전을 수행하며, 충전방법으로는 수소 충전소와 자동차의 통신으로 현재 SOC(State of Charge)를 고려하여 충전하는 '통신 충전' 방법과 다양한 조건 하에서 실험을 통해 축적된 충전 유량을 표에서 찾아 충전소와 자동차의 통신 없이 충전을 진행하는 'table based' 충전 방법이 있다.

그러나, 종래의 이러한 충전 방법들은 탱크 내부에서 일어나는 유동 패턴이나 노즐의 형상은 고려하지 않기 때문에 수동적인 충전 방법이 될 수밖에 없으며, 이로 인해 충전시간이 증가되어 상품성이 저하되는 문제점이 있었다.

특허 1 : 대한민국 공개특허 제10-2012-0051850호

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 수소탱크 장치에 관한 것으로서, 특히 수소탱크의 내부 구조와 충전 노즐의 수소 분사각을 통해 수소탱크 내부로 주입된 수소의 유동을 제어하여 내부 온도의 균일성을 확보하고 이로 인해 수소탱크의 구조적 강건성 및 충전 속도를 향상시키기 위한 것을 목적으로 한다.

이러한 본 발명은 실린더 형상의 라이너와, 상기 라이너 외부에 구비되는 탄소복합재로 이루어진 수소탱크와; 상기 수소탱크 양단에 구비되어 상기 라이너와 상기 탄소복합재를 연결하는 보스와; 상기 수소탱크 일단에 구비되며, 상기 보스에 삽입되어 상기 수소탱크 내부를 개폐시키는 밸브와; 상기 밸브에 삽입되어 상기 수소탱크 내부의 소정 위치에 수소를 분사하도록 소정의 분사각(θ)을 형성하는 노즐을 포함함으로써 달성된다.

상기 수소탱크 타단에 구비되며 상기 보스에 삽입되어 상기 수소탱크 타단을 폐쇄하는 엔드플러그를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 노즐을 통해 수소가 분사되는 소정 위치는 상기 수소탱크 내부에서 원통 형상의 옆면부와 돔 형상의 일측면이 만나는 상기 수소탱크 내측 둘레의 한 지점이 되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 노즐에서 분사되는 수소의 소정 분사각(θ)은 상기 수소탱크 내부 구조를 기준으로 하되, 상기 노즐에서 상기 수소탱크 내부의 옆면부까지의 수평거리 x와, 상기 노즐에서 상기 수소탱크 내부의 일측면까지의 수직거리 y를 측정하여 tan^-1(y/x)로 계산하여 산출하도록 하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명은 실린더 형상의 수소탱크 내부 구조와 충전 노즐에 의해 소정 각도로 분사되는 수소를 통해 수소탱크 내부로 주입된 수소의 유동을 제어하여 수소탱크 내부 벽면을 통해 방열이 가능하게 함으로써 내부 온도의 균일성을 확보하고, 정체 영역의 해소를 통해 국보적 고온부 해소와 탱크의 구조적 강건성과 안전성을 향상시키며, 충전 속도를 향상시키는데 효과가 있는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 수소탱크 장치에서 지점을 도시하는 단면도,
도 2는 본 발명의 수소탱크 장치의 수소 분사각과 종래의 수소 분사각을 도시하는 단면도,
도 3은 본 발명의 수소탱크 장치의 수소 분사각을 산출하는 기준을 도시하는 단면도,
도 4는 본 발명의 수소탱크 장치와 종래의 수소탱크 장치의 수소 분사각에 따른 온도 변화, 온도 편차 및 유동 비교를 도시하는 그래프.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 수소탱크 장치는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 수소탱크(100)와, 수소탱크(100)에 구비되는 보스(130) 및 밸브(140)와, 밸브(140)에 삽입되어 수소를 분사하는 노즐(150)을 포함한다.

수소탱크(100)는 연료전지 차량에서 수소가 충진되어 차량 운행에 필요한 전기를 생산한다.

이때, 수소탱크(100)는 실린더 형상으로 이루어져 수소탱크(100) 내부를 형성하는 라이너(110)와, 라이너(110) 외부에 구비되어 수소탱크(100) 외부를 형성하는 탄소복합재(120)로 이루어진다.

보스(130)는 수소탱크(100) 양단에 구비되어 라이너(110)와 탄소복합재(120)를 연결하여 수소탱크(100)의 내부와 외부를 일체화시킨다.

밸브(140)는 수소탱크(100) 일단에 구비되며, 보스(130)에 삽입되어 수소탱크(100) 내부를 개폐시켜 후술하게 될 노즐(150)을 통해 수소 유입이 가능하게 한다.

이때, 수소탱크(100)는 타단을 폐쇄하는 엔드플러그(160)가 구비되도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 보스(130)에 삽입되어 밸브(140) 반대쪽인 수소탱크(100) 타단을 폐쇄할 수 있게 한다.

노즐(150)은 밸브(140)에 삽입되어 수소탱크(100) 내부의 소정 위치에 수소를 분사하도록 소정의 분사각(θ)을 형성하도록 한다.

이때, 도 1에 도시된 바와 같이 본원발명에서 노즐(150)을 통해 수소가 분사되는 소정 위치는 수소탱크(100) 내부에서 원통 형상의 옆면부와 돔 형상의 일측면이 만나는 수소탱크(100) 내측 둘레의 한 지점(C)인 것을 특징으로 한다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이 노즐(150)에서 분사되는 수소의 소정 분사각(θ)은 원통 형상의 옆면부와 돔 형상의 일측면이 형성되는 수소탱크(100) 내부 구조를 기준으로 하고, 노즐(150)에서 수소탱크(100) 내부의 옆면부까지의 수평거리 x와, 상기 노즐에서 수소탱크 내부의 일측면까지의 수직거리 y를 측정하여 tan^-1(y/x)로 계산하여 산출하도록 한다.

즉, 본 발명은 수소탱크(100) 내부에 소정의 수소 분사각을 형성하는 노즐(150)을 적용하여 수소탱크(100) 내부 온도 분포 균일성을 향상시키도록 하되, 수소탱크(100)의 구조적 형상과 관련하여 밸브(140)의 노즐(150)에서 분사되는 수소의 분사각을 조정하여 수소탱크(100) 내부 유동이 온도 균일성을 향상시키는데 기여하도록 한다.

이때, 수소탱크(100) 내부온도 균일성 향상을 위해 우선적으로 고려되어야 할 것은 정체영역이 형성되지 않도록 하는 것인데, 이를 위해 도 1의 지점(C)과 같이 수소탱크(100)의 옆면부와 일측면이 만나는 지점을 목표로 수소를 분사하면 수소탱크(100) 내부의 수소는 수소탱크(100) 전반을 순환하는 유동을 형성하게 되어 운동에너지의 급격한 변화를 방지하고, 주류 유동 형성을 통한 온도 균일성을 향상시킬 수 있게 한다.

여기서, 운동에너지의 급격한 변화 방지는 노즐(150)에서 분사된 수소는 대부분의 에너지를 운동에너지의 형태로 갖고 있는데, 이 수소가 탱크(100) 내부 벽면에 도달하여 정지하면서 대부분의 운동에너지가 열에너지로 전환되고 이러한 에너지의 변환은 수소탱크(100) 내부 온도를 높이는 방향으로 작용한다. 이러한 메커니즘은 유동 방향과 내벽이 이루는 각도가 수직에 가까울수록 더 급격해지기 때문에 본 발명에서는 노즐(150)을 통해 수소의 유동 방향과 수소탱크(100) 내벽이 이루는 각을 최소화하여 에너지의 급격한 변화를 최소화 할 수 있게 한다.

또한, 주류 유동 형성을 통한 온도 균일성 향상은 수소탱크(100) 내부에서 정체 유동을 형성하는 위치에 국부적으로 고온이 형성되기 때문에 정체 유동의 형성을 방지하고 수소탱크(100) 내부 온도분포를 균일하게 하기 위해서 유동 방향을 적절하게 조절할 필요가 있으며, 그 방법으로 주입된 수소가 수소탱크(100) 내부 전반을 순환하도록 하는 것이고 이를 위해 수소탱크(100) 내벽을 가이드 베인(guide vane)으로 이용함으로써 주입된 수소가 수소탱크(100) 전반을 순환하는 루프를 형성하고 온도 균일성을 향상시킬 수 있게 한다.

한편, 본 발명에서 수소탱크(100)의 충전 노즐(150)에 의한 열전달과 관련한 물리적 원리를 수식으로 설명하면 Q = kA(dT/dx)이며, 이때 Q는 열량, k는 재료의 열전도도, A는 접촉 면적, T는 온도, x는 길이를 의미한다.

즉, 수소탱크(100)를 구성하는 재료의 종류와 형상이 결정되어 있을 때 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하며, 매질에서의 열전달량은 매질 양단의 온도 차이에 의해 결정되므로 온도 차이(dT)가 클수록 더 많은 열량을 전달할 수 있게 된다.

이러한 원리를 통해 노즐(150)의 수소 분사각이 종래인 도 2의 (1)과 같은 경우 -40℃의 수소 충전 시 주입 수소가 향하는 수소탱크(100) 내벽의 온도가 외부 온도보다 낮아지기 때문에 국부적으로 외부로부터 열이 유입되는 경로가 되어 수소탱크(100) 내부의 온도가 상승 할 수 있지만 본 발명인 도 2의 (2)와 같은 경우 국부적으로 수소탱크(100) 내벽의 온도가 낮아지는 부분이 발생하지 않아 전체 수소탱크(100) 벽면을 통해 균일한 방열이 가능하게 된다.

또한, 종래의 충전 방식은 플라스틱 라이너(110)의 한계온도를 초과하지 않도록 하기 위해 충전 속도를 조절했다. 하지만 이 방법은 온도 센서에 의해 온도가 측정되기 때문에 온도 측정 위치와는 다른 위치에서 고온이 발생할 가능성이 있어 측정된 온도가 한계온도를 초과하지 않았더라도 어느 정도 마진을 두며 충전을 진행해야 했다. 그러나 본 발명은 수소탱크(100) 전반에 걸쳐 온도 분포가 균일하기 때문에 종래의 충전 방식 보다 구조적 안전성에 유리하고 좀 더 적극적인 충전이 가능하여 정체영역의 해소를 통한 국부적 고온부 해소와 탱크(100)의 구조적 안전성 확보 및 충전시간 단축이 가능하게 한다.

또한, 도 4는 노즐(150)을 통한 수소 분사각에 따른 온도 변화를 도시한 것으로, 본 발명과 같이 노즐(150)에서 수소탱크(100) 내부의 옆면부까지의 수평거리를 x로 하고, 노즐(150)에서 수소탱크(100) 내부의 일측면까지의 수직거리 y로 하여 tan^-1(y/x)로 계산하여 분사각을 설정한 경우 최대 온도 및 온도 편차가 가장 낮게 나타나는 것을 알 수 있고, 수소탱크(100) 내부에서 정체 영역 없이 수소탱크(100) 전반에 걸쳐 순환하는 유동을 형성하게 되는 것을 알 수 있다.

이처럼, 본 발명은 실린더 형상의 라이너(110)와, 라이너(110) 외부에 구비되는 탄소복합재(120)로 이루어진 수소탱크(100)와, 수소탱크(100) 양단에 구비되어 라이너(110)와 탄소복합재(120)를 연결하는 보스(130)와, 수소탱크(100) 일단에 구비되며, 보스(130)에 삽입되어 수소탱크(100) 내부를 개폐시키는 밸브(140)와, 밸브(140)에 삽입되어 수소탱크(100) 내부의 소정 위치에 수소를 분사하도록 소정의 분사각(θ)을 형성하는 노즐(150)로 이루어져, 실린더 형상의 수소탱크(100) 내부 구조와 충전 노즐(150)에 의해 소정 각도로 분사되는 수소를 통해 수소탱크(100) 내부로 주입된 수소의 유동을 제어하여 수소탱크(100) 내부 벽면을 통해 방열이 가능하게 함으로써 내부 온도의 균일성을 확보하고, 정체 영역의 해소를 통해 국보적 고온부 해소와 탱크(100)의 구조적 강건성과 안전성을 향상시키며, 충전 속도를 향상시킨다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 수소탱크 110 : 라이너
120 : 탄소복합재 130 : 보스
140 : 밸브 150 : 노즐
160 : 엔드플러그

Claims

실린더 형상의 라이너와, 상기 라이너 외부에 구비되는 탄소복합재로 이루어진 수소탱크와;
상기 수소탱크 양단에 구비되어 상기 라이너와 상기 탄소복합재를 연결하는 보스와;
상기 수소탱크 일단에 구비되며, 상기 보스에 삽입되어 상기 수소탱크 내부를 개폐시키는 밸브와;
상기 밸브에 삽입되어 상기 수소탱크 내부의 소정 위치에 수소를 분사하도록 소정의 분사각(θ)을 형성하는 노즐;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소탱크 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 수소탱크 타단에 구비되며 상기 보스에 삽입되어 상기 수소탱크 타단을 폐쇄하는 엔드플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소탱크 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 노즐을 통해 수소가 분사되는 소정 위치는 상기 수소탱크 내부에서 원통 형상의 옆면부와 돔 형상의 일측면이 만나는 상기 수소탱크 내측 둘레의 한 지점인 것을 특징으로 하는 수소탱크 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 노즐에서 분사되는 수소의 소정 분사각(θ)은 상기 수소탱크 내부 구조를 기준으로 하되,
상기 노즐에서 상기 수소탱크 내부의 옆면부까지의 수평거리 x와, 상기 노즐에서 상기 수소탱크 내부의 일측면까지의 수직거리 y를 측정하여 tan^-1(y/x)로 계산하여 산출하는 것을 특징으로 하는 수소탱크 장치.