KR20240078600A - 내압력 특성이 우수한 수소 이송용 배관 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내압력 특성이 우수한 수소 이송용 배관에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 이송되는 수소의 고압에 팽창하거나 변형되지 않는 내압력 특성이 우수하고, 수소 투과 차단성, 굴곡성 등과 같은 장거리 수소 이송을 위한 배관의 요구 특성을 모두 만족하는 동시에 제조비용이 절감될 수 있는 수소 이송용 배관에 관한 것이다.
Description
본 발명은 내압력 특성이 우수한 수소 이송용 배관에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 이송되는 수소의 고압에 팽창하거나 변형되지 않는 내압력 특성이 우수하고, 수소 투과 차단성, 굴곡성 등과 같은 장거리 수소 이송을 위한 배관의 요구 특성을 모두 만족하는 동시에 제조비용이 절감될 수 있는 수소 이송용 배관에 관한 것이다.
최근 친환경 이슈로 석유 에너지 대신 수소 에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있고, 이러한 수소를 편리하게 활용하기 위한 수소 충전소나 저장소를 원거리 지역이나 도시 내에 설치하고 있으며, 해당 장소까지 수소를 이송하기 위한 방법이 요구되고 있다.
종래에는 수소의 장거리 운반을 위해 대부분 트레일러를 이용하고 있어 다량의 수소를 안정적으로 공급하는데 어려움이 있는 상황이고, 일부에서는 수소 생산 기지를 거점으로 금속재 수소 이송용 배관이 사용되고 있으나 설치 난이도가 매우 높고 금속 배관의 특성상 보빈 등에 감을 수 없어 10 m 이내 짧은 길이의 직선 배관만 운송이 가능하여 현장에서 10 m 마다 접속해야 하는 등 설치 비용이 높은 문제가 있다.
한편, 일반적으로 도시 가스 등의 이송용 금속 배관 재료로 탄소강이 사용되나 수소 이송시에는 수소 취성(Hydrogen Embrittlement), 즉 수소 분자가 금속 조직 내부로 침투하여 점차 확산되면서 금속의 연성이나 인장강도가 저하되는 현상이 발생할 수 있다.
또한, 수소 이송용 배관으로 수소 취성을 회피하거나 최소화할 수 있도록 수소 투과 차단성이 우수한 소재로 스테인레스 스틸을 고려해 볼 수 있는데, 이는 배관 재료비가 상승하는 문제가 있다. 나아가, 고분자나 알루미늄 등의 소재를 적용한 배관이 개발되고 있으나, 100 bar 수준의 내압력 특성과 스테인레스 스틸 수준의 수소 투과 차단성, 보빈에 권취하기 위한 최소 굴곡 반경이 확보되는 등 장거리 수소 이송을 위한 배관의 요구 특성을 모두 만족하지는 못하고 있다.
따라서, 이송되는 수소의 고압에 팽창하거나 변형되지 않는 내압력 특성이 우수하고, 수소 투과 차단성, 굴곡성 등과 같은 장거리 수소 이송을 위한 배관의 요구 특성을 모두 만족하는 동시에 제조비용이 절감될 수 있는 수소 이송용 배관이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 이송되는 수소의 고압에 팽창하거나 변형되지 않는 내압력 특성이 우수하고, 수소 투과 차단성, 굴곡성 등과 같은 장거리 수소 이송을 위한 배관의 요구 특성을 모두 만족하는 동시에 제조비용이 절감될 수 있는 수소 이송용 배관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
수소 이송용 배관으로서, 배관 본체, 상기 배관 본체의 외측에 구비에 구비된 보강층 및 상기 보강층의 외측에 구비된 시스층을 포함하고, 상기 보강층은 고분자 수지에 강화 섬유가 분산된 섬유강화고분자복합재료로 이루어지고, 상기 섬유강화고분자복합재료는 연속된 강화 섬유가 동일한 방향으로 배열된 연장섬유(Continuous Fiber;CF), 절단된 강화 섬유가 무작위로 배열된 단섬유(Short Fiber;SF) 및 직조된 형태로 배열된 직조섬유(Woven Fiber; WF)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 2종 이상의 강화 섬유를 포함하는, 수소 이송용 배관을 제공한다.
여기서, 상기 보강층은 연장섬유(CF)를 포함하는 고분자 복합재료 층, 단섬유(SF) 고분자 복합재료 층 및 직조섬유(WF) 고분자 복합재료 층으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 2종 이상의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관을 제공한다.
또한, 상기 보강층은 단섬유(SF) 고분자 복합재료로 이루어진 기저층 및 연장섬유(CF) 또는 직조섬유(WF) 고분자 복합재료로 이루어진 코팅층을 포함하는 테이프 또는 시트의 권취에 의해 형성되는 층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관을 제공한다.
그리고, 상기 보강층은 연장섬유(CF) 또는 직조섬유(WF)를 배치한 후 위에 단섬유(SF) 고분자 복합재료를 압출함으로써 형성되는 층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관을 제공한다.
한편, 상기 고분자 수지는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 중밀도 폴리에틸렌(MDPE), 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 폴리프로필렌(PP), 폴라아미드(PA11,PA12,PA6,PA66), 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE), 에폭시 및 폴리에스테르로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 강화 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 및 현무암 섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관을 제공한다.
또한, 상기 보강층의 총 중량을 기준으로 상기 강화 섬유의 함량은 10 중량% 이상인 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관을 제공한다.
그리고, 상기 섬유강화고분자복합재료와 상기 배관 본체 재료의 융점 차이가 150℃ 이하인 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관을 제공한다.
나아가, 상기 배관 본체는 라이너, 상기 라이너의 외측에 구비된 수소 차단층, 및 상기 수소 차단층과 상기 라이너 사이에 구비된 접착층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관을 제공한다.
여기서, 상기 수소 차단층은 25℃ 및 1.5 bar에서 수소 투과도(Hydrogen Permeability Coefficient)가 5 cm3·cm/(m2·24hr·atm) 이하인 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관을 제공한다.
또한, 상기 수소 차단층은 에틸렌비닐알코올(EVOH), 알루미늄 및 구리로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관을 제공한다.
본 발명에 따른 수소 이송용 배관은 특정한 소재 및 적층 구조의 조합을 통해 수소 투과 차단성, 내압력 특성, 굴곡성 등과 같은 장거리 수소 이송을 위한 배관의 요구 특성을 모두 만족하는 동시에 제조비용이 절감되는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 수소 이송용 배관의 하나의 실시예를 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 수소 이송용 배관의 하나의 실시예를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수소 이송용 배관은 배관 본체(100) 및 상기 배관 본체(100)의 외측면에 구비에 구비된 보강층(200)을 포함할 수 있고, 특히 상기 배관 본체(100)는 라이너(130), 수소 차단층(110), 상기 수소 차단층(110)의 외측에 형성된 보호층(140), 상기 수소 차단층(110)과 상기 라이너(130) 사이 및 상기 수소 차단층(110)과 상기 보호층(140)의 사이에 구비된 접착층(120)을 포함할 수 있다. 상기 보호층(140)은 상기 수소 차단층(110)의 재질에 따라 생략될 수 있다.
구체적으로, 상기 수소 차단층(110)은 25℃ 및 1.5 bar에서 수소 투과도(Hydrogen Permeability Coefficient)가 5 cm3·cm/(m2·24hr·atm) 이하인 소재, 예를 들어 에틸렌비닐알코올(EVOH) 등의 고분자 재료 또는 알루미늄, 구리 등의 금속 재료로 이루어진 단층 또는 다층을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 수소 차단층(110)에 포함되는 모든 층의 수소 투과도가 5 cm3·cm/(m2·24hr·atm) 초과인 경우 장거리 수소 이송을 위한 수소 차단 성능을 만족할 수 없거나, 수소 차단 성능을 만족하기 위해서는 배관의 두께가 두꺼워져 배관의 유연성 및 굴곡성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 상기 수소 차단층(110)은 이를 구성하는 재료에 따라 두께 및 적층 층수가 상이할 수 있고, 두께는 0.05 내지 2mm, 바람직하게는 금속재로 이루어진 경우 0.01 내지 1mm, 고분자 수지재로 이루어진 경우 0.1 내지 2 mm일 수 있다. 나아가, 상기 수소 차단층(110)이 알루미늄, 구리 등의 금속 재료로 이루어지는 경우 상기 금속 재료는 호일(foil) 또는 테이프(tape)의 형태로 적용될 수 있다.
한편, 금속 호일 또는 테이프의 경우 오버랩되는 중첩 부분의 폭이 1 mm 이상, 바람직하게는 10 mm 이상이 되도록 횡권될 수 있는데, 오버랩되는 중첩 부분의 폭이 1 mm 미만인 경우 호일 또는 테이프 사이의 충분한 접착력을 확보하기 어려워 수소 차단 성능이 저하되는 반면, 오버랩되는 중첩 부분의 폭이 클수록 호일 또는 테이프 사이의 접착력과 수소 차단 성능이 우수하나 재료의 과다 사용으로 제조비용이 증가하는 문제가 있다. 구체적으로, 금속 호일 또는 테이프에서 오버랩되는 중첩 부분의 접착력은 0.5 kgf 이상, 바람직하게는 1 kgf 이상이 적합하고, 상기 접착력이 0.5 kgf 미만인 경우 벤딩시 중첩 부분이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
그리고, 상기 수소 차단층(110)은 EVOH 등의 고분자 재료인 경우 인장강도 10 MPa 이상이고, 금속 재료인 경우 인장강도가 30 MPa 이상일 수 있다. 또한, 상기 수소 차단층(110)은 신장율이 3% 이상, 바람직하게는 5% 이상일 수 있다. 여기서, 상기 수소 차단층(110)의 신장율이 3% 미만인 경우 벤딩(bending)으로 인한 연신으로 크랙이 발생하거나 끊어지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 수소 차단층(110)이 구리로 이루어지는 경우, 산소를 많이 포함하면 수소와 반응하여 수소 취성에 취약해 지므로, 상기 구리는 무산소동(oxygen-free copper)을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 수소 투과도는 규격 ISO 2782-1 및 ISO 15105-1에 따라 측정한 데이터를 바탕으로 아래 수학식 1 및 2로 계산할 수 있다.
[수학식 1]
P = GTR × d
[수학식 2]
상기 수학식 1 및 2에서, P는 수소 투과도, GTR은 가스 투과율, d는 샘플 두께, Vc는 샘플의 저압측면 체적, R은 기체상수, T는 실험 온도, Pu는 고압측면과 저압측면 사이의 압력 차이, A는 가스 투과면적, dP/dt는 단위 시간당 샘플의 저압측면에서의 압력 변화를 의미한다.
상기 라이너(130)는 배관의 기본층으로 수소 가스와 접하면서 수소 가스가 이동하는 통로를 제공하도록 중공의 튜브 형상이고, 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌 (LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE), 중밀도 폴리에틸렌 (MDPE), 초고분자량 폴리에틸렌 (UHMWPE), 폴리프로필렌 (PP), 에틸렌프로필렌 고무 (EPDM), 스티렌부타디엔 고무 (SBR), 니트릴부타디엔 고무 (NBR), 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드 (PVDF), 불화탄소고무 (FKM), 실리콘 고무, 폴리아미드 (PA11, PA12, PA6, PA66), 폴리페닐렌설파이드 (PPS), 폴리케톤 (Polyketon), 폴리에테르에트르케톤 (PEEK) 등의 고분자 재료로 이루어질 수 있다.
상기 보호층(140)은 상기 수소 차단층(110)을 보호하고, 특히 상기 수소 차단층(110)으로 EVOH를 사용하는 경우 수분에 취약한 EVOH를 수분으로부터 보호하는 기능을 할 수 있으며, 수소 이송용 배관의 유연성 및 굴곡성을 향상시키는 기능을 수행한다. 예를 들어, 상기 보호층(140)은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 중밀도 폴리에틸렌(MDPE), 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 폴리프로필렌(PP), 에틸렌프로필렌고무(EPDM), 스티렌부타디엔고무(SBR), 클로로프렌고무(CR), 니트릴부타디엔고무(NBR), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 불화탄소고무(FKM), 실리콘고무, 폴리염화비닐(PVC), 폴리아미드(PA11, PA12) 등의 고분자 재료로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 상기 수소 차단층(110)이 수분에 매우 취약할 수 있으므로 에틸렌비닐알코올(EVOH)인 경우 상기 보호층(140)은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 이루어 질 수 있다.
상기 접착층(120)은 상기 수소 차단층(110)과 상기 라이너(130), 그리고 상기 수소 차단층(110)과 상기 보호층(140) 또는 보강층(200)을 서로 접합시키는 기능을 수행하고, 융점이 150℃ 이하, 바람직하게는 120℃ 이하인 소재, 예를 들어, 말레산 무수물 그라프트된 폴리에틸렌(MAH-g-PE), 말레산 무수물 그라프트된 폴리프로필렌(MAH-g-PP), 에틸렌 아세트산(EAA), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 에폭시 등을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 접착층(120) 소재의 융점이 150℃ 초과인 경우 상기 수소 차단층(110)부터 상기 보호층(140)까지 5중 압출로 제조할 경우, 상기 접착층(120)을 별도로 녹여 융착시키는 공정이 추가로 필요하여 생산성이 크게 저하될 수 있다.
상기 접착층(120)에 의해 상기 수소 차단층(110)과 상기 보호층(140) 또는 상기 수소 차단층(110)과 상기 라이너(130)라이너 사이의 접착력은 1 kgf 이상, 바람직하게는 2 kgf 이상일 수 있다. 상기 접착력은 상기 수소 차단층(110), 상기 라이너(130)라이너 및 상기 보호층(140) 각각의 1 mm 두께 시편 시트(sheet)를 제작하고 상기 접착층(120)을 매개로 150 kgf/cm2의 조건으로 프레스 성형하여 시료를 제작한 후 인장 시험기를 이용해 인장 속도 100 mm/min으로 상기 수소 차단층(110)으로부터 라이너 또는 상기 보호층(140), 라이너(130)만을 인장하면서 분리되는 힘을 측정함으로써 평가할 수 있다.
본 발명에 따른 수소 이송용 배관은 규격 ASTM D790에 따른 굴곡 탄성 계수가 9,000 MPa 이하, 바람직하게는 6,000 MPa 이하, 더욱 바람직하게는 5,000 MPa 이하일 수 있다. 여기서, 상기 굴곡 탄성 계수가 9,000 MPa 초과인 경우 보빈에 권취하기 위한 최대 곡률 반경을 확보하기 어렵고 유연성이 낮아 시공성이 저하될 수 있다.
본 발명에 따른 수소 이송용 배관은 배관 본체(100)의 외측 표면에 보강층(200)이 추가로 구비될 수 있다. 상기 보강층(200)은 상기 배관 본체(100) 내부에서 이송되는 압축된 수소에 의해 발생하는 압력을 견디기 위해 추가로 적용될 수 있고, 고분자 수지에 강화 섬유가 분산된 섬유강화고분자복합재료로 이루어질 수 있다.
상기 고분자 수지는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 중밀도 폴리에틸렌(MDPE), 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 폴리프로필렌(PP), 폴라아미드(PA11,PA12,PA6,PA66), 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE), 에폭시, 폴리에스테르 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 강화 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 현무암 섬유 등을 포함할 수 있다. 상기 보강층(200) 소재인 섬유강화고분자복합재료와 상기 배관 본체(100) 재료의 융점 차이는 150℃ 이하, 바람직하게는 100℃ 이하일 수 있다. 상기 융점 차이가 150℃ 초과인 경우 상기 배관 본체(100)의 외곽 표면에 상기 보강층(200)을 융착하는 과정에서 재료 간 융점 차이로 배관 본체(100)가 녹아 흘러내려 배관 형상이 유지되지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
특히, 상기 보강층(200)을 형성하는 섬유강화고분자복합재료의 강화 섬유 방향 및 배열 형상은 내압력 특성을 결정하는 매우 중요한 인자이고, 섬유강화고분자복합재료는 연속된 강화 섬유가 한 방향으로 배열된 연장섬유(Continuous Fiber; CF), 절단된 섬유가 무작위로 배열된 단섬유(Short Fiber; SF), 직조된 형태로 배열된 직조섬유(Woven Fiber; WF) 등 중에서 2종 이상의 섬유가 고분자 수지 내에 함침된 고분자 복합재료를 포함할 수 있다. 여기서, 직조섬유(WF)는 강화 섬유끼리 이루는 각도와 무관하게 강화 섬유가 서로 교차하기만 한다면 직조섬유(WF)로 정의할 수 있다.
상기 섬유강화고분자복합재료 중 강도는 직조섬유(WF)를 포함하는 직조섬유(WF) 고분자 복합재료, 연장섬유(CF) 포함하는 연장섬유(CF) 고분자 복합재료, 단섬유(SF)를 포함하는 단섬유(SF) 고분자 복합재료 순서로 우수하며, 유연성은 단섬유(SF) 고분자 복합재료, 연장섬유(CF) 고분자 복합재료, 직조섬유(WF) 고분자 복합재료 순서로 우수하다. 이에, 단섬유(SF) 고분자 복합재료층으로만 보강층으로 사용하는 경우 유연성은 우수하나, 강도가 낮게 되며, 직조섬유(WF) 고분자 복합재료층으로만 보강층으로 사용하는 경우 강도는 우수하나 유연성이 부족할 수 있다. 따라서, 본발명의 실시예에서는, 연장섬유(CF) 고분자 복합재료층, 단섬유(SF) 고분자 복합재료층, 직조섬유(WF) 고분자 복합재료층 중 2가지 이상의 조합으로 적층하여 보강층으로 사용함으로써 강도와 유연성을 모두 만족할 수 있다.
한편, 상기 보강층(200)은 섬유강화고분자복합재료를 테이프(tape) 또는 시트(sheet) 형태로 배관 본체(100) 외측 표면에 권취한 후 융착하거나, 또는 권취와 동시에 융착하거나 배관 본체(100) 외측 표면에 강화 섬유를 미리 배치하고 그 위에 고분자 수지를 압출함으로써 형성할 수 있다. 여기서, 테이프 또는 시트나 압출에 의해 형성되는 한층의 보강층의 두께는 약 0.1 내지 2.0 mm일 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 수소 이송용 배관의 내압력 특성을 만족하기 위해서 연장섬유(CF)를 포함하는 연장섬유(CF) 고분자 복합재료 + 단섬유(SF)를 포함하는 단섬유(SF) 고분자 복합재료 조합, 직조섬유(WF)를 포함하는 직조섬유(WF) 고분자 복합재료 + 단섬유(SF) 고분자 복합재료 조합이 바람직하고, 두 복합 재료로 서로 다른 층을 이루어 보강층을 구성하거나, 단섬유(SF) 고분자 복합재료 기저층과 연장섬유(CF) 또는 직조섬유(WF) 고분자 복합재료 코팅층을 포함하는 하나의 테이프 또는 시트를 하나 이상의 층으로 권취하여 적층한 후 압착함으로써 보강층을 구성하거나, 배관 본체(100)의 표면 위에 연장섬유(CF) 또는 직조섬유(WF)를 배치한 후 그 위에 단섬유(SF) 고분자 복합재료를 압출한 층을 하나 이상 적층함으로써 보강층을 구성할 수 있다.
상기 보강층(200) 중 연장섬유(CF) 고분자 복합재료 층의 인장강도는 100 MPa 이상, 바람직하게는 200 MPa 이상, 신장율은 0.5% 이상, 바람직하게는 1.0% 이상이 적합하다. 또한, 단섬유(SF) 고분자 복합재료 층의 인장강도는 20 MPa 이상, 바람직하게는 30 MPa 이상이 적합하며, 직조섬유(WF) 고분자 복합재료 층의 인장강도는 200 MPa 이상, 바람직하게는 300 MPa 이상이 적합하다. 상기 보강층(200)은 100 bar 수준의 내압력을 확보하기 위해 상기 보강층(200)의 총 중량을 기준으로 상기 강화 섬유의 함량은 10 중량% 이상, 바람직하게는 20 중량% 이상이 적합하다.
상기 강화 섬유의 함량이 10 중량% 미만인 경우 100 bar의 내압력 특성을 만족하기 위해 보강층의 두께가 두꺼워야 하고 이로써 배관의 유연성이 저하되고 배관을 접속할 접속재의 크기가 커져야 하는 등 시공성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
구체적으로, 상기 강화 섬유의 총 함량을 기준으로, 연장섬유(CF)의 함량은 0 내지 80 중량%, 단섬유(SF)의 함량은 0 내지 60 중량%, 직조섬유(WF)의 함량은 0 내지 80 중량%일 수 있다.
한편, 상기 보강층(200)의 외측 표면에는 본 발명에 따른 수소 이송용 배관을 외부 충격이나 압력으로부터 보호하기 위해 시스층(300)이 추가로 구비될 수 있고, 상기 시스층은 융점이 50℃ 이상, 바람직하게는 70℃ 이상인 소재, 예를 들어, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 중밀도 폴리에틸렌(MDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 에틸렌아세트산(EEA), 폴리올레핀 엘라스토머(POE), 열가소성 폴리에틸렌(TPE) 등으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 시스층의 융점이 50℃ 미만인 경우 내열성이 낮아 장기간 사용시 시스층이 열화되거나 형상이 유지되지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 시스층의 취성 온도는 -5℃ 이하, 바람직하게는 -10℃ 이하일 수 있고, 이로써 내한성이 우수할 수 있다. 여기서, 상기 시스층의 취성 온도가 -5℃ 초과인 경우 겨울철 등 추운 환경에서 상기 시스층에 크랙이 발생할 수 있다.
상기 취성 온도는 규격 ASTM D746에 준하여 아래 수학식 3에 의해 측정할 수 있다.
[수학식 3]
상기 수학식 3에서, Tb는 취성 온도, Th는 내한성 평가 시험시 시편의 파괴가 발생하는 가장 높은 온도, △T는 내한성 평가 시험시 온도 변화량, S는 각 시험 온도에서 파괴된 시료의 백분율의 총합이다.
이로써, 본 발명에 따른 수소 이송용 배관은 상기 특정 소재 및 적층 구조의 조합을 통해 수소 투과 차단성, 내압력 특성, 굴곡성 등과 같은 장거리 수소 이송을 위한 배관의 요구 특성을 모두 만족하는 동시에 제조비용이 절감되는 우수한 효과를 나타낸다.
[실시예]
1. 제조예
아래 표 1 및 2의 구성으로 수소 이송용 배관 샘플을 제조했다. 특히, 표 2에 따른 실시예 4 내지 7 그리고 비교예 3 및 4 각각의 수소 이송용 배관은 실시예 1의 배관 본체의 외측면에 보강층을 형성한 것이다.
| 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 비교예 1 | 비교예 2 | |
| 수소 차단층 | 소재 a | 소재 b | 소재 c | 소재 d | |
| 상부 접착층 | 소재 e | 소재e | 소재e | 소재 e | 소재 e |
| 하부 접착층 | 소재 e | 소재e | 소재e | 소재 e | |
| 상부 보호층 | 소재 f | 소재 f | 소재 f | ||
| 라이너 | 소재 f | 소재 f | 소재 f | 소재 f | 소재 f |
- 소재 a : 에틸렌비닐알코올(수소 투과도 : 1 cm3·cm/(m2·24hr·atm) 미만)- 소재 b : 알루미늄 호일(수소 투과도 : 1 cm3·cm/(m2·24hr·atm) 미만)
- 소재 c : 알루미늄 테이프(수소 투과도 : 1 cm3·cm/(m2·24hr·atm) 미만)
- 소재 d : 폴리아미드(PA11)(수소 투과도 : 7 cm3·cm/(m2·24hr·atm))
- 소재 e : 말레산 무수물 그라프트된 고밀도 폴리에틸렌(수소 투과도 : 45 cm3·cm/(m2·24hr·atm))
- 소재 f : 고밀도 폴리에틸렌(수소 투과도 : 15 cm3·cm/(m2·24hr·atm))
| 실시예 4 | 실시예 5 | 실시예 6 | 실시예 7 | 실시예 8 | 비교예 3 | 비교예 4 | |
| 보강층 구성 | CF층+SF층교대 적층 | CF층+WF층 교대 적층 |
SF(기저)+ CF(코팅)층 |
CF 위 SF층 압출 |
WF 위 SF층 압출 |
SF층 | WF층 |
| 보강층 층수 | 8층 | 6층 | 6층 | 6층 | 6층 | 8층 | 8층 |
| 보강층 형성방법 | 적층 및고온융착 | 적층 및 고온융착 |
적층 및 고온융착 |
보강섬유(CF)만 배치 후 고분자복합재료층(SF층) 압출 | 보강섬유(WF)만 배치 후 고분자복합재료층(SF층) 압출 | 적층 및 고온 융착 |
적층 및 고온 융착 |
- 적층은 테이핑기를 이용하여 적층하되 테이프 폭은 20 내지 300 mm임
- 고온 융착은 적정 층수를 적층한 뒤 앞 뒤가 뚫려있는 고온의 오븐 안으로 배관 샘플을 통과시키면서 보강층을 녹여 융착하거나 한장씩 적층과 동시에 Laser, 열풍기, Zenon Lamp 등을 이용하여 융착함
- 압출은 배관 본체 위에 보강섬유가 감아지고 그 위로 고분자 복합재료를 압출함
2. 물성 평가
1) 수소 누출 평가
규격 KGS AC118 2020에 준하여 건조한 상태의 청정한 수소 가스를 실시예 1 내지 3 그리고 비교예 1 및 2 각각의 수소 이송용 배관 샘플에 주입하되 설계 압력의 1/10 씩 단계적으로 설계 압력까지 가압한 후 단위 시간 당 투과량이 일정해지면 최소 500 시간 동안 수소 누출 양을 질량 분석계로 측정했고, 측정 결과는 아래 표 3에 기재된 바와 같다. 수소 노출량은 0.005 kg/hr·kg 이하이면 만족, 0.005 kg/hr·kg 초과이면 불만족이고, 평가 결과는 아래 표 3에 기재된 바와 같다.
| 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 비교예 1 | 비교예 2 | |
| 수소 누출량 | 만족 | 만족 | 만족 | 불만족 | 불만족 |
상기 표 3에 기재된 바와 같이, 수소 투과도가 5 cm3·cm/(m2·24hr·atm) 미만인 수소 차단층이 구비된 실시예 1 내지 3의 수소 이송용 배관은 수소 누출량이 0.005 kg/hr·kg 이하로 우수한 반면, 수소 차단층이 없거나 수소 차단층의 수소 투과도가 5 cm3·cm/(m2·24hr·atm) 초과인 수소 차단층이 구비된 비교예 1 및 2의 수소 이송용 배관은 수소 누출량이 0.005 kg/hr·kg 초과로 불량인 것으로 확인되었다.
2) 내압력성 평가
규격 KGS FS112에 준하여 실시예 4 내지 7 그리고 비교예 3 및 4 각각의 수소 이송용 배관 샘플에 대해 공기압으로 상용 압력의 50%까지 승압하고 그 후 상용 압력의 10%씩 단계적으로 승압하여 내압시험 압력에 달한 경우 배관 샘플의 팽창이나 누설 등의 이상이 없고, 압력을 내려 상용 압력으로 한 경우 팽창이나 누설 등의 이상이 없으면 합격으로 했다.
3) 굴곡성 평가
규격 API 15S에 준하여 최소 보관 굽힘 반경으로 10회의 완전 반전 사이클 시험 후 1,000 시간 내압 시험으로 합격 여부를 판단했다. 여기서, 내압 시험은 상기 내압력성 평가 방법과 동일하게 진행했다.
내압력성 및 굴곡성 평가 결과는 아래 표 4에 기재된 바와 같다.
| 실시예 4 | 실시예 5 | 실시예 6 | 실시예 7 | 실시예 8 | 비교예 3 | 비교예 4 | |
| 내압력성 | 합격 | 합격 | 합격 | 합격 | 합격 | 불합격 | 합격 |
| 굴곡성 | 합격 | 합격 | 합격 | 합격 | 합격 | 합격 | 불합격 |
상기 표 4에 기재된 바와 같이, 보강층이 단섬유(SF) 고분자 복합재료층 단독으로 구비되거나 직조섬유(WF) 고분자 복합재료층 단독으로 구비된 비교예 3 및 4의 배관 샘플은 내압력성 또는 굴곡성이 불량한 것으로 확인되었다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
100 : 배관 본체 200 : 보강층
Claims (10)
- 수소 이송용 배관으로서,
배관 본체, 상기 배관 본체의 외측에 구비에 구비된 보강층 및 상기 보강층의 외측에 구비된 시스층을 포함하고,
상기 보강층은 고분자 수지에 강화 섬유가 분산된 섬유강화고분자복합재료로 이루어지고,
상기 섬유강화고분자복합재료는 연속된 강화 섬유가 동일한 방향으로 배열된 연장섬유(Continuous Fiber;CF), 절단된 강화 섬유가 무작위로 배열된 단섬유(Short Fiber;SF) 및 직조된 형태로 배열된 직조섬유(Woven Fiber; WF)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 2종 이상의 강화 섬유를 포함하는, 수소 이송용 배관. - 제1항에 있어서,
상기 보강층은 연장섬유(CF)를 포함하는 고분자 복합재료 층, 단섬유(SF) 고분자 복합재료 층 및 직조섬유(WF) 고분자 복합재료 층으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 2종 이상의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관. - 제1항에 있어서,
상기 보강층은 단섬유(SF) 고분자 복합재료로 이루어진 기저층 및 연장섬유(CF) 또는 직조섬유(WF) 고분자 복합재료로 이루어진 코팅층을 포함하는 테이프 또는 시트의 권취에 의해 형성되는 층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관. - 제1항에 있어서,
상기 보강층은 연장섬유(CF) 또는 직조섬유(WF)를 배치한 후 위에 단섬유(SF) 고분자 복합재료를 압출함으로써 형성되는 층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고분자 수지는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 중밀도 폴리에틸렌(MDPE), 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 폴리프로필렌(PP), 폴라아미드(PA11,PA12,PA6,PA66), 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE), 에폭시 및 폴리에스테르로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고,
상기 강화 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 및 현무암 섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보강층의 총 중량을 기준으로 상기 강화 섬유의 함량은 10 중량% 이상인 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 섬유강화고분자복합재료와 상기 배관 본체 재료의 융점 차이가 150℃ 이하인 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배관 본체는 라이너, 상기 라이너의 외측에 구비된 수소 차단층, 및 상기 수소 차단층과 상기 라이너 사이에 구비된 접착층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관. - 제8항에 있어서,
상기 수소 차단층은 25℃ 및 1.5 bar에서 수소 투과도(Hydrogen Permeability Coefficient)가 5 cm3·cm/(m2·24hr·atm) 이하인 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관. - 제9항에 있어서,
상기 수소 차단층은 에틸렌비닐알코올(EVOH), 알루미늄 및 구리로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 수소 이송용 배관.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20220159911 | 2022-11-25 | ||
| KR1020220159911 | 2022-11-25 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240078600A true KR20240078600A (ko) | 2024-06-04 |
Family
ID=91465861
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230165487A KR20240078600A (ko) | 2022-11-25 | 2023-11-24 | 내압력 특성이 우수한 수소 이송용 배관 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240078600A (ko) |
-
2023
- 2023-11-24 KR KR1020230165487A patent/KR20240078600A/ko unknown
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