KR20220089756A - 주름 라이너가 구비된 비정형 수소가스저장탱크 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

주름 라이너가 구비된 비정형 수소가스저장탱크 및 이의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 주름 라이너가 구비된 비정형 수소가스저장탱크는, 수소 가스의 기밀성을 유지하는 라이너부를 포함하고, 라이너부는, 수소 가스가 직접 접촉되는 강성층; 강성층의 외벽에 마련되는 접착층; 접착층의 외벽에 마련되는 가스 차단층을 포함하고, 라이너부에는 복수의 홈부가 마련되어 주름 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

주름 라이너가 구비된 비정형 수소가스저장탱크 및 이의 제조방법{CONFORMABLE HYDROGEN TANK HAVING WRINKLE PART AND ITS MANUFACTURING METHOD}

본 발명은, 수소가스저장탱크에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 소직경의 장축 라이너 또는 소직경의 연속 생산된 라이너가 적용된 비정형 수소저장탱크 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

수소를 이용한 에너지 시스템은 지구 온난화 문제에 대한 유력한 해결책의 하나로 기대를 모으고 있다. 특히 최근에는 연료 전지를 중심으로 수소 이용 기술에 관한 연구개발이 급속하게 진행되고 있다. 수소 에너지는 여러가지의 에너지 자원으로부터 제조 가능한 2차 에너지인 동시에 연소시 물이 생성되는 가장 청정한 연료로서, 가정용 열병합 발전이나 모바일 기기, 자동차, 산업용 발전 및 항공우주 산업분야까지 적용 가능한 에너지이다.

그 중 자동차에의 수소 에너지 적용은 그의 시장 규모, 잠재적 CO2 삭감량, 탈석유 의존에의 직접적 기여 및 산업 경쟁력 향상 면에서 큰 사회적 이득을 제공할 가능성이 있다. 그러나, 수소는 그 보관 및 운반에 있어서 위험성을 내포하고 있고, 체적 에너지 밀도는 가솔린의 1/3000에 불과하기 때문에 자동차라는 한정된 공간에 탑재하기 위해서는 안전성을 확보하고 수소를 컴팩트하게 수송 및 저장하는 기술의 확립이 요구된다.

수소의 저장은 고체, 기체 및 액체 저장으로 나눌 수 있으며, 운송방법과 매우 밀접하게 연계되어 있다. 수소 저장 기술 중 가장 보편적인 방법으로는 기체 상태로 저장하는 것이다.국내의 경우 대용량 수소액화 플랜트는 전무하며, 향후 드론, 항공기 연료로의 사용 가능성이 높아 관련 산업의 발전을 위해서도 필수적인 기술 확보가 요구되고 있다.

수소 전기차의 주행거리 확보를 위해 차량에 충전되는 수소의 양을 일정 수준 이상 확보하는 것이 필수적이며, 현재 차량용 고압 수소저장탱크는 별도의 전용 탑재 공간에 장착되고 있다.

수소가 저장되는 수소저장탱크는 수소 가스의 높은 내압을 견디기 위해 비강도 및 비강성이 높은 섬유강화 복합재료로 외피가 보강되어야 하며, 내부에는 가스의 기밀성을 유지하는 라이너가 삽입된다. 수소저장탱크는 2개의 반구 형태 라이너가 접합 되어 하나의 저장 용기를 구성하며 접합부를 열을 가해서 융착하는 기술인 열 융착 기술을 사용하여 결합된다.

고압 수소기체를 저장하기위한 압력용기는 사용 재료와 복합재료 강화 방법에 따라 네 가지로 구분하는데, 제1 타입은 강 또는 알루미늄으로 만들어진 금속제 용기로 복합재료에 의한 구조적 강화 없이 금속 재료만으로 압력하중을 견디도록 만든 용기이고, 제2 타입는 강 또는 알루미늄으로만들어진 금속제 라이너 위에 수지를 함침시킨 탄소섬유나 유리섬유를 원주방향으로 감아서 만든용기이다. 제3 타입은 강 또는 알루미늄으로 만들어진 얇은 금속제 라이너 위에 수지를 함침시킨 탄소섬유나 유리섬유를 원주방향과 길이방향으로 감아서 만든 용기로 금속제 라이너는 하중을 부담하지 않거나 극히 일부분만을 부담한다. 제 4 타입은 용기의 경량화를 목적으로 비금속 재료로 만들어진 라이너 위에 수지를 함침시킨 탄소섬유나 유리섬유를 원주방향과 길이방향으로 감아서 만든 용기로 비금속 재료로 만들어진 라이너는 하중을 거의 부담하지 않고, 가스가 새지 않도록 하는 역할만을 한다. 연료전지자동차에 사용되는 수소 저장 용기는 경량화를 위해 주로 제 3 타입이나 제 4타입이 사용되고 있다.

제1 타입의 수소저장탱크는, 강철, 알루미늄 등 금속만으로 제작된 용기로 금속재료의 강도와 용기의 직경에 따라 사용압력이 결정되며, 무겁고 수소 저장용기의 소재의 제약이 따른 단점이 있다.

제2 타입의 수소저장탱크는, 용기의 몸통 부분만 복합재료로 보강하여 제작된 것으로, 몸통 부분에 복합재료를 사용하여 금속용기의 벽 두께를 감소시켜 무게를 절감할 수 있다. 이 타입도 용기의 금속재료가 강도에 지배적인 역할을 하므로 금속재료 용기 범주에 포함된다.

제3 타입의 수소저장탱크는, 금속재료로 만든 라이너(내측 용기) 전체를 복합재료로 보강하여 제작한 탱크로, 외측에 보강된 복합재료에 따라 사용압력이 결정된다. 이 타입의 수소저장탱크는 금속재료 용기에 비해 무게는 가볍지만 직경이 큰 용기의 경우 내구성이 높지 않은 단점이 있다.

제4 타입의 수소저장탱크는, 비금속 재료로 만든 라이너 전체를 복합재료로 보강하여 제작한 탱크로, 내측의 라이너보다는 외측에 보강된 복합재료가 모든 압력을 부담하며, 무게가 가장 가볍고 내구성이 우수하며 대형 용기제작이 용이한 이점이 있다.

수소전기차에 제4 타입의 탱크를 탑재한 가장 큰 이유는 수명과 안전성 때문이다. 700bar 고압의 수소를 충전하기 때문에 탱크가 ‘늘었다’, ‘줄었다’를 반복하는데 이 과정에서 제1,2 타입 탱크는 금속 피로도가 쌓여 수명이 비교적 짧다. 반면, 제4 타입 탱크의 라이너는 플라스틱 소재로 만들어져 복원력이 뛰어나 피로도에 강하다. 또한 고온에서 자가 가스 방출 시스템을 적용해 화재나 충격, 충돌에도 견딜 수 있도록 설계되어 있다.

한편, 고압의 수소가스저장탱크의 라이너 소재로서 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)는 분자량이 작은 수소에 대해 가스 베리어성이 떨어져서 가스 베리어성이 뛰어난 폴리아미드(PA) 수지 및 공중합체의 혼합물을 주로 이용하고 있다.

그런데, 최근 수소가스저장탱크를 비정형 수소가스저장탱크로 개발하는 시도가 있으며, 이런 비정형 수소가스저장탱크에 적용되는 라이너의 경우 소직경 장축 또는 소직경으로 연속으로 생산된 라이너를 사용한다.

비정형 수소가스저장탱크에 적용되는 소직경 라이너 또는 소직경으로 연속 생산된 라이너는 라이너의 두께가 얇아질 수 밖에 없어 소직경 라이너의 강성 보강과 가스차단성 향상을 위한 새로운 개선책이 요구된다.

전술한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.

한국등록특허공보 제10-0863643호(현대자동차주식회사) 2008. 10. 08.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 비정형 수소가스저장탱크에 적용되는 라이너의 강성 보강과 가스 차단성을 향상시킬 수 있는 주름 라이너가 구비된 비정형 수소가스저장탱크 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 수소 가스의 기밀성을 유지하는 라이너부를 포함하고, 상기 라이너부는, 수소 가스가 직접 접촉되는 강성층; 상기 강성층의 외벽에 마련되는 접착층; 및 상기 접착층의 외벽에 마련되는 가스 차단층을 포함하고, 상기 라이너부에는 복수의 홈부가 마련되어 주름 형상을 갖는 비정형 수소가스저장탱크가 제공될 수 있다.

상기 복수의 홈부는 상기 라이너부의 전 길이에 걸쳐 마련될 수 있다.

상기 강성층은 에틸렌계 수지를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 접착층은 접착성 수지를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 가스 차단층은 배리어성 수지를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 라이너부의 외벽에 마련되는 섬유 보강층을 더 포함할 수 있다.

상기 섬유 보강층은, 상기 홈부에 감겨지는 제1 보강층; 및 상기 제1 보강층의 외벽과 상기 라이너부의 외벽에 각각 마련되는 제2 보강층을 포함할 수 있다.

상기 섬유 보강층에도 상기 복수의 홈부에 대응되는 홈이 마련되어 상기 보강층도 주름 형상을 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 수소 가스가 직접 접촉되는 강성층을 마련하는 단계; 상기 강성층의 외벽에 마련되는 접착층을 마련하는 단계; 상기 접착층의 외벽에 마련되는 가스 차단층을 마련하는 단계; 및 상기 강성층과 상기 접착층과 상기 가스 차단층에 복수의 홈부를 마련하여 주름 형상을 갖게 하는 단계를 포함하는 비정형 수소가스저장탱크의 제조방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 라이너부를 강성층과 접착층과 가스 차단층으로 마련함과 아울러 복수의 홈부를 추가적으로 마련하여 주름 형상을 가짐으로써 라이너의 강성 보강과 가스 차단성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정형 수소저장탱크의 라이너부와 연결부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 하나의 라이너부와 이 라이너부의 단부에 평행하게 마련된 연결부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 "A" 영역을 확대한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 라이너부에 섬유 보강층이 마련된 것을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 섬유 보강층의 다른 실시예이다.

본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 조작자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정형 수소저장탱크의 라이너부와 연결부를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 하나의 라이너부와 이 라이너부의 단부에 평행하게 마련된 연결부를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 "A" 영역을 확대한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 라이너부에 섬유 보강층이 마련된 것을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 섬유 보강층의 다른 실시예이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 주름 라이너가 구비된 비정형 수소가스저장탱크는, 복수의 라이너부(10)와, 복수의 라이너부(10)의 외벽에 마련되는 섬유 보강층(20)과, 복수의 라이너부(10)를 연결하는 연결부(30)를 구비한다.

복수의 라이너부(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 소직경의 장축 라이너 또는 소직경의 연속 생산된 라이너가 사용될 수 있다. 이 경우 소직경 라이너 또는 소직경으로 연속 생산된 라이너는 라이너의 두께가 얇아질 수 밖에 없어 강성이 약해질 수 있다. 이러한 점을 보완하기 위해 본 실시예의 복수의 라이너부(10)는 다음과 같은 구조를 가질 수 있다.

본 실시 예에서 복수의 라이너부(10)는, 도 3의 확대도에 도시된 바와 같이, 수소 가스가 직접 접촉되는 강성층(11)과, 강성층(11)의 외벽에 마련되는 접착층(12)과, 접착층(12)의 외벽에 마련되는 가스 차단층(13)을 포함하고, 라이너부(10)에는 복수의 홈부(14)가 마련되어 주름 형상을 가질 수 있다.

복수의 라이너부(10)의 강성층(11)은, 고압의 수소 가스가 직접 접촉되는 영역이다.

본 실시 예에서 강성층(11)에는 복수의 홈부(14)가 마련되어 강성층(11)은 전체적으로 주름 형상을 가질 수 있다.

또한, 본 실시 예에서 강성층(11)은 에틸렌계 수지를 포함하여 이루어질 수 있다.

복수의 라이너부(10)의 접착층(12)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 강성층(11)의 상면부인 외벽에 마련되어 가스 차단층(13)을 강성층(11)에 결합시킬 수 있다.

본 실시 접착층(12)에는 복수의 홈부(14)가 마련되어 접착층(12)은 전체적으로 주름 형상을 가질 수 있다.

또한, 본 실시 예에서 접착층(12)은 접착성 수지를 포함하여 이루어질 수 있다.

복수의 라이너부(10)의 가스 차단층(13)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 접착층(12)의 상면부인 외벽에 마련되어 강성층(11)에 의해 차단된 수소 가스의 누설을 방지할 수 있다.

본 실시 예에서 가스 차단층(13)에는 복수의 홈부(14)가 마련되어 가스 차단층(13)은 전체적으로 주름진 형상을 가질 수 있다.

또한, 본 실시 예에서 가스 차단층(13)은 배리어성 수지를 포함하여 이루어질 수 있다.

그리고, 본 실시 예에서 강성층(11)과 접착층(12)과 가스 차단층(13)에 마련되는 복수의 홈부(14)는 동일한 위치에 마련될 수 있다.

또한, 본 실시 예에서 복수의 홈부(14)는 강성층(11)과 접착층(12)과 가스 차단층(13)의 전체 영역에 마련될 수 있고, 등 간격을 두고 마련될 수 있다.

섬유 보강층(20)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 라이너부(10)의 외벽에 마련되어 라이너부(10)를 구조적으로 보강할 수 있다.

본 실시 예에서 섬유 보강층(20)에도, 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 홈부(14)에 대응되는 홈이 마련되어 섬유 보강층(20)도 주름 형상을 가질 수 있다.

그리고, 본 실시 예에서 섬유 보강층(20)은 멀티 포인트 섬유 와인딩장치에 의해 라이너부(10)의 원주 방향을 기준으로 복수의 강화 섬유 부재를 일방향으로 공급하여 마련될 수 있고, 복수의 강화 섬유 부재(130)는 서로 대칭되는 방향으로 공급될 수 있다.

또한, 본 실시 예에서 강화 섬유 부재는 유리 섬유, 탄서 섬유 및 아라미드 섬유를 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다.

한편, 본 실시 예에서 섬유 보강층(20a)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 홈부(14)에 마련되는 제1 보강층(21)과, 제1 보강층(21)의 외벽과 라이너부(10)의 외벽에 각각 마련되는 제2 보강층(22)을 포함할 수 있다.

섬유 보강층(20)의 제1 보강층(21)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 라이너부(10)의 세로 방향으로 복수의 강화 섬유 부재를 감아서 마련될 수 있다.

섬유 보강층(20)의 제2 보강층(22)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 보강층(21)과 라이너부(10)의 외벽에 복수의 강화 섬유 부재를 지그재그 형태로 감아서 마련될 수 있다.

그리고, 미 도시되었지만 제2 보강층(22)에도 전술한 복수의 홈이 마련되어 제2 보강층(22)도 전술한 주름 형상을 가질 수 있다.

연결부(30)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 라이너부(10)를 연결하여 복수의 라이너부(10))에 저장된 수소 가스의 이동 통로로 제공될 수 있다.

본 실시 예에서 연결부(30)의 외벽에는 복수의 홈부(14)가 마련되어 주름 형상을 가질 수 있다.

또한, 본 실시 예에서 복수의 홈부(14)는 연속적으로 마련될 수 있다.

본 실시 예에 따른 비정형 수소가스저장탱크의 제조방법은, 수소 가스가 직접 접촉되는 강성층(11)을 마련하는 단계와, 강성층(11)의 외벽에 마련되는 접착층(12)을 마련하는 단계와, 접착층(12)의 외벽에 마련되는 가스 차단층(13)을 마련하는 단계와, 강성층(11)과 접착층(12)과 가스 차단층(13)에 복수의 홈부(14)를 마련하여 주름 형상을 갖게 하는 단계를 포함한다.

본 실시 예에서 강성층(11)과 접착층(12)과 가스 차단층(13)에 마련되는 복수의 홈부(14)는 동일한 위치에 마련될 수 있다.

또한, 본 실시 예에서 복수의 홈부(14)는 강성층(11)과 접착층(12)과 가스 차단층(13)의 전체 영역에 마련될 수 있고, 등 간격을 두고 마련될 수 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시 예는 라이너부를 강성층과 접착층과 가스 차단층으로 마련함과 아울러 복수의 홈부를 추가적으로 마련하여 주름 형상을 가짐으로써 라이너의 강성 보강과 가스 차단성을 향상시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

10 : 라이너부
11 : 강성층
12 : 접착층
13 : 가스 차단층
14 : 홈부
20,20a : 섬유 보강층
21 : 제1 보강층
22 : 제2 보강층
30 : 연결부

Claims (9)

1. 수소 가스의 기밀성을 유지하는 라이너부를 포함하고,
   상기 라이너부는,
   수소 가스가 직접 접촉되는 강성층;
   상기 강성층의 외벽에 마련되는 접착층; 및
   상기 접착층의 외벽에 마련되는 가스 차단층을 포함하고,
   상기 라이너부에는 복수의 홈부가 마련되어 주름 형상을 갖는 비정형 수소가스저장탱크.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 홈부는 상기 라이너부의 전 길이에 걸쳐 마련되는 비정형 수소가스저장탱크.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 강성층은 에틸렌계 수지를 포함하여 이루어지는 비정형 수소가스저장탱크.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 접착층은 접착성 수지를 포함하여 이루어지는 비정형 수소가스저장탱크.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 가스 차단층은 배리어성 수지를 포함하여 이루어지는 비정형 수소가스저장탱크.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 라이너부의 외벽에 마련되는 섬유 보강층을 더 포함하는 비정형 수소가스저장탱크.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 섬유 보강층은,
   상기 홈부에 감겨지는 제1 보강층; 및
   상기 제1 보강층의 외벽과 상기 라이너부의 외벽에 각각 마련되는 제2 보강층을 포함하는 비정형 수소가스저장탱크.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 섬유 보강층에도 상기 복수의 홈부에 대응되는 홈이 마련되어 상기 섬유 보강층도 주름 형상을 갖는 비정형 수소가스저장탱크.
9. 수소 가스가 직접 접촉되는 강성층을 마련하는 단계;
   상기 강성층의 외벽에 마련되는 접착층을 마련하는 단계;
   상기 접착층의 외벽에 마련되는 가스 차단층을 마련하는 단계; 및
   상기 강성층과 상기 접착층과 상기 가스 차단층에 복수의 홈부를 마련하여 주름 형상을 갖게 하는 단계를 포함하는 비정형 수소가스저장탱크의 제조방법.

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