KR20200090455A - 수소 저장 용기 - Google Patents

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KR20200090455A KR1020190007512A KR20190007512A KR20200090455A KR 20200090455 A KR20200090455 A KR 20200090455A KR 1020190007512 A KR1020190007512 A KR 1020190007512A KR 20190007512 A KR20190007512 A KR 20190007512A KR 20200090455 A KR20200090455 A KR 20200090455A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 저장 용기는, 비금속의 라이너를 포함함으로써 용기를 경량화하고, 비금속의 라이너와 접하는 금속의 보스 부분에 플라즈마 처리를 함으로써, 라이너와 보스의 결합력을 향상시켜 접합 부분을 통하여 수소가 누출되지 않도록 하는 효과가 있다.
또한, 보스와 라이너가 접하는 보스의 접합면에만 플라즈마 처리를 하고, 접합면을 제외한 부분은 플라즈마 처리를 하지 않음으로써, 접합면을 제외한 보스 부분은 금속 상태를 유지하도록 하여, 기존 금속의 강도, 경도, 탄성 정도를 유지시켜 밸브와의 결합력을 유지할 수 있도록 하였다. 즉, 보스와 밸브와의 결합은 기존과 같게 유지시키면서, 이와 동시에, 특정 부분의 플라즈마 처리를 통하여 보스와 라이너와의 결합력을 향상시키도록 하는 효과가 있다.

Description

수소 저장 용기{Hydrogen storage tank}
본 발명은 수소 저장 용기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소 저장 용기 내부 구성간 접합 부분의 결합력을 향상시켜 수소가 외부로 누출되지 않도록 하는 수소 저장 용기에 관한 것이다.
고압 용기는 산소, 천연가스, 질소, 수소 등의 각종 유체를 보관하기 위해 사용되는 용기로서, 일반적으로 내측에 유체를 저장하는 라이너, 라이너와 연결되어 밸브와 결합되는 보스 구성은 금속 재질로 제조된다. 또한, 보스, 라이너의 외부에, 용기 전체를 둘러싸도록 형성되는 구성의 소재로는 탄소 섬유, 유리 섬유가 이용되고 있다.
이와 같이 금속 재질로 제조된 라이너의 경우, 금속의 특성상 중량이 크고, 부식에 취약하며, 제조 원가가 높아지는 문제가 있는바, 최근에는 용기의 경량화, 내부식성을 높이기 위하여, 비금속인 플라스틱 재질의 라이너가 제조되고 있다.
다만, 이와 같이, 비금속 재질의 라이너를 이용하는 경우, 금속 재질의 라이너를 이용하는 경우에 비하여, 금속 재질인 보스와의 결합력이 떨어지는 문제가 있으며, 이에 따라 라이너와 보스와의 결합 부분에 발생하는 틈새를 통하여 고압 용기로부터 수소가 누출되는 문제가 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 문제를 개선하기 위한 것으로서, 수소를 저장하는 고압 용기인, 수소 저장 용기의 경량화를 유지하면서, 이종 재질 간의 접합 부분의 결합력을 높여 수소가 누출되는 문제를 개선하도록 하는 수소 저장 용기에 대한 개발이 필요하다.
대한민국 등록특허공보 제10-1731960호(2017.05.04 공고)
본 발명의 실시예들은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 비금속의 라이너를 포함하여 용기를 경량화하고, 비금속의 라이너와 접하는 금속의 보스 부분에 플라즈마 처리를 함으로써, 라이너와 보스의 결합력을 향상시켜 접합 부분을 통하여 수소가 누출되지 않도록 하는 수소 저장 용기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 보스와 라이너가 접하는 보스의 접합면에만 플라즈마 처리를 하고, 접합면을 제외한 부분은 플라즈마 처리를 하지 않음으로써, 접합면을 제외한 보스 부분은 금속 상태를 유지하도록 하여, 기존 금속의 강도, 경도, 탄성 정도를 유지시켜 밸브와의 결합력을 유지할 수 있도록 하였다. 즉, 보스와 밸브와의 결합은 기존과 같게 유지시키면서, 이와 동시에, 특정 부분의 플라즈마 처리를 통하여 보스와 라이너와의 결합력을 향상시키는 것을 그 목적으로 한다.
다만, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 수소 저장 용기는, 내측에 수소를 저장하는 라이너; 상기 라이너의 외측에 형성되는 복합재; 및 일단은 상기 라이너에 맞물려 접합되도록 형성되고, 타단은 상기 라이너로부터 돌출되도록 형성되며, 플라즈마 처리되는 금속 재질의 보스를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 저장 용기를 제공한다.
상기 보스의 일단이 플라즈마 처리될 수 있다.
상기 보스의 타단 표면을 따라 도포된 보호 필름은, 플라즈마 처리 이후에 제거될 수 있다.
상기 금속 재질의 보스는 알루미늄(Al)일 수 있다.
상기 보스는 플라즈마 처리를 통하여 알루미나(Al2O3)로 상태가 변화할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 비금속의 라이너를 포함하여 용기를 경량화하고, 비금속의 라이너와 접하는 금속의 보스 부분에 플라즈마 처리를 함으로써, 라이너와 보스의 결합력을 향상시켜 접합 부분을 통하여 수소가 누출되지 않도록 하는 효과가 있다.
또한, 보스와 라이너가 접하는 보스의 접합면에만 플라즈마 처리를 하고, 접합면을 제외한 부분은 플라즈마 처리를 하지 않음으로써, 접합면을 제외한 보스 부분은 금속 상태를 유지하도록 하여, 기존 금속의 강도, 경도, 탄성 정도를 유지시켜 밸브와의 결합력을 유지할 수 있도록 하였다. 즉, 보스와 밸브와의 결합은 기존과 같게 유지시키면서, 이와 동시에, 특정 부분의 플라즈마 처리를 통하여 보스와 라이너와의 결합력을 향상시키도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 저장 용기의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 저장 용기에 있어서, 라이너와 보스의 접합 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수도 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 저장 용기의 측단면도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 저장 용기에 있어서, 라이너와 보스의 접합 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 저장 용기(10)는, 내측에 수소를 저장하는 라이너(110), 라이너(110)의 외측에 형성되는 복합재(140), 및 라이너(110)의 일측에 배치된 보스(120)를 포함할 수 있다.
수소 저장 용기(10)는, 라이너(110)로 감싸지는 내측으로, 수소 저장 공간(100)에 수소를 보관하는 것이며, 수소 저장 공간(100)에 수소를 반복적으로 충전하거나, 수소 저장 공간(100)으로부터 수소를 배출하도록 구성 된다
보스(120)는, 라이너(110)와의 결합을 통하여 수소 저장 공간(100)에 연결되는 구성으로, 수소 저장 공간(100)으로부터 수소를 충전, 배출시키기 위한 통로 역할을 한다. 또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 보스(120)에 연결되는 구성인 밸브(미도시)는 수소 저장 용기(10)로부터 수소의 충전, 배출을 조절하는 역할을 한다.
본 발명의 실시예에 따른 보스(120)는 금속 재질로 이루어지는 것으로서, 보스(120)의 일단은 라이너(110)에 맞물려 접합되도록 형성되며, 타단은 라이너(110)로부터 돌출되도록 형성되고, 돌출된 부분을 통하여 밸브(미도시)와 결합될 수 있다.
본 발명에서의 보스(120)는 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 금속 재질은 플라즈마 처리될 수 있다.
플라즈마(Plasma)란, 초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태를 의미하는 것으로서, 전하 분리도가 상당히 높고 전체적으로 음과 양의 전하 수가 같아서 중성을 띠게 되는 상태이다.
일반적으로 물질의 상태는 고체, 액체, 기체 등 세가지로 나뉘어지며, 플라즈마는 '제4의 물질 상태'라고 불린다. 이는 고체에 에너지를 가하면, 액체, 기체로 되고, 다시 이 기체 상태에 높은 에너지를 가하게 되면 고온에서의 기체는 전자와 원자핵으로 분리되어 플라즈마 상태가 되기 때문이다.
플라즈마 전해 산화 (Plasma Electrolytic Oxidation, PEO)는 Al, Ti, Mg 합금과 같은 경량 금속 소재에 대한 표면처리 기술로서 주목을 받고 있으며, PEO 처리에 의해 표면에 치밀하게 형성되는 산화층(알루미나, Al2O3)은, 플라즈마 처리 전의 알루미늄 금속에 비하여, 비금속 재질과의 접착력이 우수한 효과가 있다. 이와 관련하여서는 아래에서 설명하도록 한다.
플라즈마 처리를 통하여, 알루미늄 표면에 생성되는 알루미나는, 금속인 알루미늄에 비하여 내식성, 내구성, 접착성이 향상되며, 부착성, 경도, 내화학적 저항성이 뛰어난 장점을 가지게 된다. 플라즈마 처리 방법은 높은 전압에서 산화 피막을 형성하는 것으로서, 알루미늄에 별도의 코팅제나 화학 용액을 사용함이 없이, 한번의 간단한 공정으로 알루미늄의 표면의 특성에 변화를 줄 수 있다.
금속의 표면에 플라즈마 처리하는 횟수를 증가시킬수록, 벗김 강도(peel strenth)라는 것이 증가하게 되며, 이는 플라즈마 처리 횟수에 따른, 스카치 테이프 벗김 강도(Scotch tape peel strength) 실험 결과를 통하여 확인이 가능하고, 이와 같이 벗김 강도가 증가한다는 것으로부터, 표면의 접착력이 강해지게 되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 플라즈마 처리 후, 표면의 거칠기가 증가하게 됨으로써, 비금속 재질과의 접착력이 향상되는 효과가 발생하게 된다. 즉, 플라즈마 처리 후, 알루미늄 산화막 상에 형성되는 요철 형상에 의하여, 비금속 재질과 알루미늄 산화막이 상호 앵커 결합이 가능해지며, 이를 통하여 견고한 접합이 가능해지는 것이다.
실시예에 따라서는, 본 발명에서의 비금속 재질은, 열가소성 수지 부재일 수 있으며, 열가소성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리초산비닐, 폴리아크릴산 에스테르, 폴리마타아크릴산에스테르, 불포화 폴리에스테르, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에테르, 폴리우레탄 엘라스토머, 폴리스티렌, 폴리설폰, 폴리에테르 설폰, 폴리아릴레이트, 폴리아세탈, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌 에테르, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리부타디엔, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리메틸펜텐, 액정 고분자, 합금 등 일 수 있고, 이들의 열가소성 수지에는 유리 필러, 탄소필러, 금속 위스커, 탄산칼슘 및 충전제나 안료 등이 첨가될 수도 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 특징을 이용하여, 알루미늄인 보스(120)와 비금속 재질의 라이너(110) 간의 결합력을 향상시키고자 하는 것이다.
본 발명은 보스(120)에 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 것으로서, 보스(120)는 알루미늄(Al)일 수 있으며, 플라즈마 처리를 통하여 알루미늄(Al)은 알루미나(Al2O3)로 상태가 변화하게 되고, 이는, 경량의 알루미늄(Al) 표면에 치밀하고 밀착성이 우수한 알루미나(Al2O3) 코팅층을 생성하는 것이라고 볼 수 있다. 여기서, 알루미나(Al2O3)는 산화 알루미늄으로서, 세라믹 재료 중 하나이다.
다만, 보스(120)에 플라즈마 처리를 하여, 보스(120)의 상태가 알루미나(Al2O3)로 변화하는 경우, 경도는 높아지나, 탄성 정도, 유연성 정도는 기존 금속인 알루미늄(Al)에 비하여 저하되는 문제가 있다. 즉, 알루미나 세라믹으로 상태가 변한 경우, 단단한 정도는 기존 알루미늄에 비하여 높아졌으나, 유연한 정도, 탄성 정도가 낮아진 것으로, 특정 외력을 받았을 때, 깨지기 쉬운 정도가 높아진 것으로 볼 수 있다.
이 경우, 보스(120)와 밸브(미도시)와의 체결 부분에서, 보스(120)와 밸브(미도시)의 마찰, 상호간 충격으로 인하여 알루미나(Al2O3)로 상태가 변한 보스(120)는 파괴될 수 있는 위험성이 높아지게 된다.
위에서 설명한 바와 같이, 보스(120) 전체를 플라즈마 처리를 하는 경우, 비금속인 라이너(110)와의 접합 부분의 결합력이 높아지는 것은 별론으로, 밸브(미도시)와의 체결 부분에서는 보스(120)가 충격에 취약해지는 문제가 있는바, 본 발명의 다른 실시예에 따라서는, 밸브(미도시)와 체결되는 부분 등 보스(120)가 외력에 취약해지는 문제를 개선하고자, 보스(120)의 일단만이 플라즈마 처리되도록 할 수 있으며, 여기서의 일단은 라이너(110)와 접합되는 보스(120)의 접합면(130)을 의미한다.
또한, 본 발명에서는, 보스(120)의 타단, 즉 라이너(110)와 접합되는 보스(12)의 접합면(130)을 제외한 부분에는, 보스(120)의 표면을 따라 보호 필름이 도포될 수 있으며, 보호 필름은 플라즈마 처리 이후에 제거되도록 함으로써, 보스(120)의 접합면(130)에만 플라즈마 처리가 되도록 할 수 있다. 즉, 도 2에서와 같이, 수소 저장 용기(10)의 내측을 향하여 배치되는 부분으로서, 보스(120)에서 라이너(110)와 접합되는 특정 부분, 보스(120)의 접합면(130)에만 플라즈마 처리를 하여, 접합되는 표면만 알루미나(Al2O3)가 되도록 하는 것이다.
이를 통하여, 보스(120)와 라이너(110)의 접합 정도를 나타내는 결합력을 증대시켜, 즉, 보스(120)의 접합면(130)을 비금속의 라이너(110)와 접합이 우수한 상태로 변화시켜, 보스(120)의 접합이 잘 되도록 하여, 보스(120)와 라이너(110)의 결합력을 높여, 접합 부분에서 틈새가 발생하는 것을 방지하도록 할 수 있다.
이에 더하여, 보스(120)의 그 외 부분인, 밸브(미도시)와 체결되는 부분에는 플라즈마 처리를 하지 않음으로써, 기존의 금속 상태를 유지하도록 하여, 금속의 강도, 경도, 탄성 정도를 유지하여 밸브(미도시)와의 결합 시 충격에 의한 파괴 등의 문제 없이 결합되도록 하는 효과를 얻을 수 있는 것이다.
이와 같이, 금속 재질의 보스(120)에서, 라이너(110)와 접합되는 면에만 플라즈마 처리 하기 위하여는, 라이너(110)와 접합되는 면을 제외한 나머지 보스(120) 부분, 즉, 보스(20)의 타단 표면에 보호 필름을 도포한 후, 보스(120) 표면을 플라즈마 처리를 하고, 그 이후에 보호 필름을 제거하는 방법을 이용할 수 있다. 보호 필름이 도포되지 않은 부분만이 플라즈마 처리에 노출되도록 하는 것이다.
위에서는 금속의 보스(120)와 비금속의 라이너(110) 간의 결합력 향상을 위한 기술로서, 보스(120)에 플라즈마 처리하는 과정에 대하여만 설명을 하였으나, 결합력 향상을 위하여 추가적인 과정을 더 포함할 수도 있다.
예를 들어, 보스(120)에 플라즈마 처리를 하기 전 단계에서, 보스(120)의 표면에 추가적으로 요철을 형성하여, 요철에 맞닿는 부분인 라이너(110)와의 마찰력을 높임으로써 결합력을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 플라즈마 처리된 보스(120)의 표면, 즉, 라이너(110)와 접합되는 보스(120)의 접합면(130)에 접착재를 도포할 수 있으며, 접착재 도포 후 가열 과정을 거침으로써 보스(120)와 라이너(110)의 결합력을 향상시킬 수 있음은 물론이다.
실시예에 따라서, 상기의 비금속의 라이너(110)는 플라스틱 소재일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 라이너(110)의 외측에 형성되는 복합재(140)는, 탄소 섬유 복합재일 수 있으며, 실시예에 따라서, 복합재(140)는 라이너(110)의 외측에 권취 또는 적층되는 형태로 형성될 수 있다.
탄소 섬유 복합재의 경우, 기존에 이용되었던 금속에 비하여, 수소 저장 용기(10)의 경량화를 가능하게 하고, 수소의 누출, 압력변화에 따른 열화, 폭발 위험성 등에 대한 안전성을 높이는 이점이 있다.
실시예로서, 복합재(140)는 탄소 섬유, 유리 섬유 또는 합성 폴리아미드 섬유 등의 보강섬유를 에폭시 수지 등의 수지에 함침시킨 것일 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 수소 저장 용기로서, 비금속의 라이너를 포함하여 용기를 경량화하고, 비금속의 라이너와 접하는 금속의 보스 부분에 플라즈마 처리를 함으로써, 라이너와 보스의 결합력을 향상시켜 접합 부분을 통하여 수소가 누출되지 않도록 한다는 점에서 의의가 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로서, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 수소 저장 용기
100: 수소 저장 공간
110: 라이너
120: 보스
130: 접합면
140: 복합재

Claims (5)

  1. 내측에 수소를 저장하는 라이너;
    상기 라이너의 외측에 형성되는 복합재; 및
    일단은 상기 라이너에 맞물려 접합되도록 형성되고, 타단은 상기 라이너로부터 돌출되도록 형성되며, 플라즈마 처리되는 금속 재질의 보스를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 저장 용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보스의 일단이 플라즈마 처리되는 것을 특징으로 하는 수소 저장 용기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보스의 타단 표면을 따라 도포된 보호 필름은,
    플라즈마 처리 이후에 제거되는 것을 특징으로 하는 수소 저장 용기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 재질의 보스는 알루미늄(Al)인 것을 특징으로 하는 수소 저장 용기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보스는 플라즈마 처리를 통하여 알루미나(Al2O3)로 상태가 변화하는 것을 특징으로 하는 수소 저장 용기.
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