KR20220025054A

KR20220025054A - 수소 충전용 호스

Info

Publication number: KR20220025054A
Application number: KR1020227003265A
Authority: KR
Inventors: 이쿠마 유사
Original assignee: 요코하마 고무 가부시키가이샤
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2022-03-03
Also published as: US11746933B2; CN114222878B; US20220325828A1; WO2021070465A1; JP2021063539A; JP7356009B2; CN114222878A

Abstract

고압의 수소 가스를 보다 대유량으로 흐르게 하는 것이 가능한 수소 충전용 호스(1)를 제공한다. 동축상으로 적층된 내면층(2)과 외면층(5) 사이에 동축상으로 적층된 보강층(3)을 구비하고, 내면층(2)이 90℃에 있어서의 건조 수소 가스의 가스 투과계수가 1×10^-8 cc·cm/㎠·sec.·cmHg 이하의 열가소성 수지에 의해 형성되어 있고, 내면층(2)에 의해 형성되는 유로(2a)의 직경을 10 mm 이상 25 mm 이하로 하고, 보강층(3)을 4층 이상 8층 이하로 하고, 각각의 보강층(3)을 금속 선재(4)를 나선상으로 권취하여 형성되어 있는 스파이럴 구조로 하고, 외면층(5)에는 두께 방향으로 관통하는 프리킹 구멍(6)을 산재시켜서, 내면층(2)을 투과한 수소 가스(h)를 호스(1)의 외부에 원활하게 유출시키기 쉽게 했다.

Description

수소 충전용 호스

본 발명은 수소 충전용 호스에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고압의 수소 가스를 보다 대유량으로 흐르게 하는 것이 가능한 수소 충전용 호스에 관한 것이다.

연료전지 자동차 등에 수소 가스를 충전하는 호스가 여러 가지 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 수소 충전용 호스에는, 뛰어난 내수소가스 투과성이 요구될 뿐만 아니라, 최근에는 보다 단시간에 보다 다량의 수소 가스를 디스펜서(dispenser)로부터 연료전지 자동차 등에 공급하는 것이 요망되고 있다.

이와 같은 요망에 대응하기 위해 단순히 호스 내경을 크게 하여, 고압의 수소 가스의 유량을 증가시키면, 호스의 파괴압이 저하된다. 그 때문에, 호스의 내압 성능을 향상시킬 필요가 있다. 인접하는 층에 확실하게 힘을 전달하여 내압 효율을 향상시키기 위해서는, 호스의 보강층을 섬유보다도 금속 선재로 형성하는 편이 유리하다. 또한, 보강층은 블레이드 구조보다도 스파이럴 구조로 하는 편이 내압 성능을 향상시키기에는 유리하다.

한편으로는, 호스 내경을 크게 함에 따라, 수소 가스의 투과량이 증가하기 때문에, 보강층을 금속 선재에 의해 형성한 경우는, 금속 선재가 수소 취화되기 쉬워진다는 문제가 발생한다. 그 때문에, 고압의 수소 가스를 보다 대유량으로 흐르게 하기 위해서는, 호스 구조를 개선할 여지가 있다.

일본 공개특허공보 2018-194068호

본 발명의 목적은 고압의 수소 가스를 보다 대유량으로 흐르게 하는 것이 가능한 수소 충전용 호스를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 수소 충전용 호스는, 동축상으로 적층된 내면층 및 외면층과, 상기 내면층과 상기 외면층 사이에 동축상으로 적층된 보강층을 구비하고, 상기 내면층이 90℃에 있어서의 건조 수소 가스의 가스 투과계수가 1×10^-8cc·cm/㎠·sec.·cmHg 이하의 열가소성 수지에 의해 형성되어 있는 사용 내압이 70 MPa 이상의 수소 충전용 호스에 있어서, 상기 내면층에 의해 형성되는 유로의 직경이 10 mm 이상 25 mm 이하이고, 상기 보강층이 4층 이상 8층 이하이며, 각각의 상기 보강층이 금속 선재를 나선상으로 권취하여 형성되어 있는 스파이럴 구조이며, 상기 외면층에 두께 방향으로 관통하는 프리킹 구멍(pricking hole)이 산재되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 유로의 직경을 10 mm 이상 25 mm 이하의 대구경으로 함으로써, 고압의 수소 가스의 유량을 크게 할 수 있다. 또한, 상기 보강층을 4층 이상 8층 이하로 하여, 각각의 상기 보강층을 금속 선재를 나선상으로 권취하여 형성되어 있는 스파이럴 구조로 함으로써, 호스는 유로를 대구경으로 하면서도, 실제 사용에 견딜 수 있는 충분한 내압 성능을 확보하는 것이 가능해진다. 그리고 외면층에 프리킹 구멍을 산재시킴으로써, 내면층을 투과한 수소 가스는 호스의 외부에 원활하게 유출되기 쉬어지기 때문에, 금속 선재의 수소 취화를 억제하기에는 유리해진다.

도 1은 본 발명의 수소 충전용 호스의 실시형태를 일부 절개하여 예시하는 측면도이다.
도 2는 도 1의 호스의 일부를 확대하여 횡단면시(橫斷面視)로 예시하는 설명도이다.
도 3은 수소 스테이션에 설치된 디스펜서에 장비된 호스를 예시하는 설명도이다.

이하, 본 발명의 수소 충전용 호스를 도면에 나타낸 실시형태에 기초하여 설명한다.

도 1, 2에 예시하는 본 발명의 수소 충전용 호스(1)(이하, 호스(1)라고 말한다)의 실시형태는, 내주 측으로부터 순서대로 내면층(2), 보강층(3)(3a, 3b, 3c, 3d), 외면층(5)이 동축상으로 적층되어 있다. 도면의 일점쇄선(CL)은 호스 축심을 나타내고 있다.

이 호스(1)는 도 3에 나타내는 바와 같이, 수소 스테이션에 설치되는 디스펜서(7)에 장비되는 경우에는, 호스(1)의 양단에 호스 금구(8)가 코오킹(caulking) 처리되어 취부된다. 호스(1)를 통해서 디스펜서(7)로부터 차량(9)이나 저장 탱크 등에 저온(예를 들어 마이너스 40℃ 이상 마이너스 20℃ 이하)으로 고압(예를 들어 70 MPa 이상 87.5 MPa 이하)의 수소 가스(h)가 공급, 충전된다.

즉, 호스(1)의 사용 내압은 70 MPa 이상으로 되어 있다.

호스(1)의 최내주(最內周)에 배치된 내면층(2)에 의해 원통상의 유로(2a)가 형성되어 있다. 내면층(2)에는 고압의 수소 가스(h)가 직접 접촉하기 때문에, 내면층(2)은 90℃에 있어서의 건조 수소 가스의 가스 투과계수가 1×10^-8 cc·cm/㎠·sec.·cmHg 이하의 열가소성 수지에 의해 형성되어 있다. 이 가스 투과계수는 JIS K7126에 준거하여 측정한 값이다. 이 열가소성 수지로서는, 나일론(나일론 6, 나일론 66, 나일론 11 등), 불소수지, 폴리아세탈, 에틸렌 비닐 알콜 공중합체 등을 예시할 수 있다.

이와 같이 수소 가스 배리어성이 양호한 수지를 내면층(2)에 사용함으로써, 뛰어난 내수소가스 투과성을 얻을 수 있다. 유로(2a)의 직경(즉, 호스(1)의 내경)은 예를 들어 10 mm 이상 25 mm 이하, 보다 바람직하게는 12 mm 이상 25 mm 이하, 추가로 바람직하게는 16 mm 이상 25 mm 이하의 대구경으로 설정되어 있다. 유로(2a)의 직경이 커질수록, 수소 가스(h)의 유량을 증가시키기에는 유리해지며, 이 직경이 작아질수록, 호스(1)의 내압 성능을 확보하기에는 (파괴압을 크게 하기에는) 유리하게 된다.

내면층(2)의 치수 변화를 억제하기 위해서는 층 두께를 두껍게 하는 것이 바람직하다. 한편, 호스(1)의 유연성을 확보하기 위해서는, 내면층(2)의 층 두께를 얇게 하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 내면층(2)의 층 두께는, 예를 들어 0.5 mm 이상 2.5 mm 이하, 보다 바람직하게는 1.0 mm 이상 2.0 mm 이하로 설정된다.

보강층(3)은 금속 선재(4)에 의해 형성되어 있고, 호스(1)에 요구되는 내압 성능, 구부림 성능 등에 기초하여, 적절한 재료나 구조 등이 선택된다. 이 실시형태에서는 보강층(3)이 4층이지만, 호스(1)에 요구되는 성능에 기초하여, 4층 이상 8층 이하의 범위로 설정된다.

각각의 보강층(3)은 금속 선재(4)로 형성된 스파이럴 구조로 되어 있다.

각각의 보강층(3a, 3b, 3c, 3d)을 형성하는 금속 선재(4)는, 호스 축심(CL)에 대하여 소정의 편조 각도(A1, A2, A3, A4)로 나선상으로 권취되어 있다. 각각의 보강층(3a, 3b, 3c, 3d)은 적층순으로 금속 선재(4)의 권취 방향이 교호로 다르다.

금속 선재(4)의 권취 방향을 다르게 해서 인접하여 적층되는 보강층(3)끼리가 쌍으로 되기 때문에, 보강층(3)의 적층수는 기본적으로 복수로 된다. 각각의 보강층(3)끼리의 사이에는, 서로의 접촉을 방지하는 중간층을 배치할 수도 있다. 이 중간층은 섬유, 수지나 고무 등으로 형성할 수 있다. 개재시키는 중간층은, 인접하여 적층되는 보강층(3)과 접착시킨다.

각각의 편조 각도(A1, A2, A3, A4)는 45° 이상 60° 이하가 바람직하다. 편조 각도가 45° 미만에서는 호스 내압이 작용했을 때의 호스(1)의 직경 방향의 변화량이 과대하게 되고, 60° 초과에서는 호스(1)의 길이방향의 변형량이 과대하게 된다. 각각의 편조 각도(A1, A2, A3, A4)는 동일하게 하는 것도 다르게 하는 것도 가능하다.

금속 선재(4)로서는, 피아노선(JIS G 3502에서 규정된 사양), 경강 선재(JIS G 3506에서 규정된 사양), 경강선(JIS G 3521에서 규정된 사양), 스텐레스 강선재(JIS G 4308에서 규정된 사양), 구리 및 동합금의 선(JIS H 3260에서 규정된 사양), 알루미늄 및 알루미늄 합금의 선(JIS H 4040에서 규정된 사양), 마그네슘 합금의 선(JIS H 4203에서 규정된 사양), 티타늄 및 티타늄 합금의 선(JIS H 4670에서 규정된 사양)이나, 이들에 신선(伸線, wire drawing) 처리를 실시한 것을 예시할 수 있다. 금속 선재(4)의 외경은, 호스(1)의 내압 성능 및 유연성을 고려하여, 예를 들어 0.2 mm 이상 1.2 mm 이하, 보다 바람직하게는 0.25 mm 이상 0.40 mm 이하로 한다. 금속 선재(4)의 물성으로서는, 상온에서의 파단 강도가 100 N 이상, 바람직하게는 160 N 이상, 보다 바람직하게는 200 N 이상이고, 파단 신장이 5% 이하, 보다 바람직하게는 3.5% 이하, 더욱 바람직하게는 3.0% 이하로 한다.

호스(1)의 최외주에 배치되는 외면층(5)에는, 호스(1)에 요구되는 성능(내후성, 내마모성, 유연성 등)이나 사용 환경 등에 기초하여, 적절한 재료가 선택되어, 적절한 층 두께가 설정된다. 외면층(5)은 열가소성 수지로 이루어지는 단층 구조로 하는 것도, 고무와 열가소성 수지와의 복층 구조로 하는 것도 가능하다. 외면층(5)을 형성하는 열가소성 수지로서는, 폴리우레탄, 폴리에스테르 등을 예시할 수 있고, 고무로서는, 클로로프렌 아크릴로 고무, 부틸 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 클로로설폰화 폴리에틸렌 고무 등을 예시할 수 있다.

외면층(5)의 층 두께는, 예를 들어 0.2 mm 이상 1.5 mm 이하, 보다 바람직하게는 0.5 mm 이상 1.0 mm 이하로 설정된다. 외면층(4)의 층 두께가 커질수록, 호스(1)의 내후성을 확보하기에는 유리해지며, 층 두께를 작게 할수록, 유연성을 확보하기에는 유리해진다. 호스(1)의 내후성과 유연성을 양립시키기에는, 외면층(5)의 층 두께를 상술한 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

외면층(5)에는 두께 방향으로 관통하는 프리킹 구멍(6)이 산재되어 있다. 프리킹 구멍(6)의 외경은, 예를 들어 0.2 mm 이상 1.2 mm 이하이다. 프리킹 구멍(6)의 배치 밀도는 호스(1)의 길이 1 m 당 5개 이상으로 한다. 프리킹 구멍(6)의 배치 밀도의 상한은 일률적으로 특정할 수는 없지만, 외면층(5)의 기능을 확보하면서, 금속 선재(4)의 수소 취화의 억제에 효과적인 배치 밀도를, 예를 들어 실험 데이터 등에 기초하여 파악하고, 그 파악한 배치 밀도로 프리킹 구멍(6)을 배치하면 좋다. 프리킹 구멍(6)은 외면층(5)에 균등하게 분포하여 배치되는 것이 바람직하다.

종래의 수소 충전용 호스의 내경(유로의 직경)은, 10 mm 미만이 일반적이기 때문에, 유로(2a)의 직경을 10 mm 이상 25 mm 이하로 한 이 호스(1)는 종래에 비해 대구경으로 되어 있다. 그 때문에, 고압의 수소 가스(h)의 유량을 크게 할 수 있다. 유량을 보다 크게 하기 위해, 유로(2a)의 직경은 12 mm 이상, 또는 16 mm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 호스 구경을 보다 다운사이징한 사양으로까지 적용하여, 유로(2a)의 직경을 4 mm 이상 25 mm 이상으로 할 수도 있다.

유로(2a)를 대구경으로 하는 것에 의한 호스(1)의 파괴압의 저하를 회피하기 위해, 금속 선재(4)로 형성된 스파이럴 구조의 보강층(3)을 4층 이상 갖는 사양으로 하고 있다. 또한, 보강층(8)의 적층수가 증가하면 호스(1)의 유연성이 손상되기 때문에, 이를 회피하기 위해, 보강층(3)의 적층수는 8층 이하로 한다. 이 사양으로 함으로써, 호스(1)는 유로(2a)를 대구경으로 하면서도, 실제 사용에 견딜 수 있는 충분한 내압 성능을 확보하고 있다.

또한, 유로(2a)를 흐르는 수소 가스(h)의 유량이 증가함에 따라, 내면층(2)을 투과하는 수소 가스(h)의 양도 증가한다. 이에 따라, 각각의 보강층(3)을 형성하는 금속 선재(4)가 수소 가스(h)에 접촉하기 쉬워진다. 금속 선재(4)에 수소 가스(h)가 접촉하고 있는 시간이 길어짐에 따라, 금속 선재(4)의 수소 취화가 촉진되어 보강층(3)의 내용 기간이 짧아진다.

고무나 수지로 형성된 외면층(5)은, 금속 선재(4)를 권취하여 형성된 각각의 보강층(3)보다도 수소 가스(h)가 투과하기 어렵다. 그 때문에, 내면층(2)을 투과한 수소 가스(h)가 금속 선재(4)에 접촉하는 시간이 길어지기 쉽다. 따라서 이 호스(1)에서는, 외면층(5)에 프리킹 구멍(6)을 산재시키고 있다. 내면층(2)을 투과한 수소 가스(h)는, 프리킹 구멍(6)을 통해 호스(1)의 외부로 보다 원활하게 유출되기 쉬워진다. 그 결과, 각각의 보강층(3)을 형성하는 금속 선재(4)가 수소 가스(h)에 접촉하는 시간이 짧아져서, 금속 선재(4)의 수소 취화를 억제하기에는 유리하게 되어 있다.

유로(2a)에는, 수소 가스(h) 이외의 유체가 의도하지 않게 흐르는 경우도 상정된다. 이 경우, 그 유체가 호스(1)의 내부에 잔류하면, 호스 내압이 저하된 경우에, 잔류한 유체가 팽창하여 호스(1) 내부에서 층간 박리가 발생할 가능성이 높아진다. 따라서 각각의 보강층(3)은 내면층(2)보다도 기체투과도(T)를 크게 하고, 외면층(5)은 각각의 보강층(3)보다도 기체투과도(T)를 크게 한다. 보강층(3)의 사이에 중간층을 개재시키는 경우는, 중간층의 기체투과도(T)는 각각의 보강층(3)과 동등 이상으로 한다.

이 기체 투과도(T)(㎣/㎟·sec·MPa)는 투과계수(P)(㎣·mm/㎟·sec·MPa)를, 기체를 투과시키는 층의 층 두께(t)로 나누어서 산출된다(T=P/t). 투과계수(P)란, 단위시간, 단위면적, 단위압력당 그 층을 투과하는 기체의 양이기 때문에, 기체 투과도(T)는 층 두께(t)에 의존하지 않는 지표가 된다. 투과계수(P)는 구체적으로는, JIS K 7126-1에 규정된 가스투과도 시험 방법에 준거하여 취득한다. 시험 온도는 실온, 투과시키는 기체로서는 공기를 이용하여 기체 투과도를 취득한다.

디스펜서(7)로부터 호스(1)를 통해 차량(9) 등에 고압의 수소 가스(h)를 안전하게 공급, 충전하기 위해서는, 호스(1)에 사용 내압이 작용하지 않고 있을 때(호스 내압이 제로일 때)에 대한 사용 내압 87.5 MPa가 작용하고 있을 때의 호스(1)의 외경 및 길이의 변화율은, ±1% 이내로 하는 것이 바람직하다. 이 변화율을 ±1% 이내로 하기 위해서는, 특히 각각의 보강층(3)에 있어서 편조 각도(A)의 평균을 54° 이상 55° 이하로 하면 좋다.

또한, 고압의 수소 가스(h)를 보다 다량으로 단시간에 확실하게 공급, 충전하기 위해서는, 호스(1)에 사용 내압 87.5 MPa가 작용하고, 유로(2a)를 흐르는 수소 가스(h)의 온도가 마이너스 40℃ 이상 마이너스 33℃ 이하의 조건 하에서, 수소 가스(h)의 최대 유량을 60 g/분 ∼ 300 g/분으로 하면 좋다. 이 최대 유량을 확보하기 위해서는, 상술한 바와 같이 유로(2a)를 대구경으로 하면서, 호스(1)의 내압 성능을 확보할 수 있는 상술한 보강층(3)의 사양과, 프리킹 구멍(6)의 사양과의 최적의 조합을 채용한다.

또는, 호스(1)에 사용 내압 87.5 MPa가 작용하고, 호스(1)의 사용 환경 온도가 23±2℃의 조건 하에서, 유로(2a)로부터 호스(1) 외부로의 수소 가스(h)의 투과량을 500 ㎤(m·h) 이하로 하는 것이 바람직하다. 이 투과량 500 ㎤/(m·h) 이하를 확보하면서, 상술한 수소 가스(h)의 최대 유량을 60 g/분 ∼ 300 g/분을 확보하는 것이 보다 바람직하다.

이 호스(1)에 의하면, 예를 들어 호스 내경이 작은 종래의 호스를 3개 정도 동시에 사용한 경우와 동일한 유량의 고압의 수소 가스(h)를 동일한 시간으로, 차량(9) 등에 공급, 충전하는 것이 가능해진다.

1: 수소 충전용 호스
2: 내면층
2a: 유로
3(3a, 3b, 3c, 3d): 보강층
4: 금속 선재
5: 외면층
6: 프리킹 구멍
7: 디스펜서
8: 호스 금구
9: 차량
CL: 호스 축심

Claims

동축상으로 적층된 내면층 및 외면층과, 상기 내면층과 상기 외면층 사이에 동축상으로 적층된 보강층을 구비하고, 상기 내면층이 90℃에 있어서의 건조 수소 가스의 가스 투과계수가 1×10^-8cc·cm/㎠·sec.·cmHg 이하의 열가소성 수지에 의해 형성되어 있는 사용 내압이 70 MPa 이상의 수소 충전용 호스에 있어서,
상기 내면층에 의해 형성되는 유로의 직경이 10 mm 이상 25 mm 이하이고, 상기 보강층이 4층 이상 8층 이하이며, 각각의 상기 보강층이 금속 선재를 나선상으로 권취하여 형성되어 있는 스파이럴 구조이며, 상기 외면층에 두께 방향으로 관통하는 프리킹 구멍이 산재되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 충전용 호스.
제1항에 있어서,
상기 사용 내압이 작용하고 있지 않을 때에 대한 상기 사용 내압 87.5 MPa가 작용하고 있을 때의 상기 호스의 외경 및 길이의 변화율이, ±1% 이내인 수소 충전용 호스.
제2항에 있어서,
상기 사용 내압 87.5 MPa가 작용하고, 상기 유로를 흐르는 수소 가스의 온도가 마이너스 40℃ 이상 마이너스 33℃ 이하의 조건 하에서, 상기 호스의 최대 유량이 60 g/분 이상 300 g/분 이하인 수소 충전용 호스.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 사용 내압 87.5 MPa가 작용하고, 상기 호스의 사용 환경 온도가 23±2℃의 조건 하에서 상기 유로로부터 상기 호스 외부로의 수소 가스 투과량이 500 ㎤/(m·h) 이하인 수소 충전용 호스.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 상기 보강층은 상기 내면층보다도 기체 투과도가 크고, 상기 외면층은 각각의 상기 보강층보다도 기체 투과도가 큰 수소 충전용 호스.