WO2023085683A1 - 고압 저장 용기 및 그 제조 방법 - Google Patents

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WO2023085683A1
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hydrogen
barrier layer
pressure
resin
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한송이
임미소
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코오롱인더스트리 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a high-pressure storage vessel and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a high-pressure storage vessel for storing a fluid such as hydrogen under a high pressure and a method for manufacturing the same.
  • the hydrogen storage tank of the hydrogen electric vehicle needs to have a shape that can be mounted in a rectangular space for mounting the battery of the electric vehicle. Accordingly, there is an increasing demand for development of a tubular or bent tubular hydrogen storage tank.
  • the liner In order to manufacture a hydrogen storage tank in a tubular or bent tubular shape, the liner must be long or include a curved section. When the liner is long or includes a curved section, a problem in that durability easily deteriorates due to repeated pressure occurs. In particular, when the liner is made of a curved pipe, the liner is molded into a corrugated pipe shape, and a reinforcing part is formed in addition to the liner. this happens
  • Patent Document 1 Korean Patent Registration No. 10-2242337
  • the present invention is to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a high-pressure storage container having a pipe-shaped high-pressure storage container in which a liner has hydrogen tightness and durability, and a manufacturing method thereof.
  • the hydrogen barrier layer may have a thickness of 0.3 to 10 ⁇ m.
  • the hydrogen barrier layer may have a hydrogen permeability of 5.0 ⁇ 10 ⁇ 13 mol ⁇ m/(m2 ⁇ S ⁇ Pa) (@15°C) or less.
  • the hydrogen barrier layer may be formed by coating a coating composition including a thermoplastic resin, a UV curable resin, a silane coupling agent, a hydrolysis resistant agent, and a photoinitiator.
  • the thermoplastic resin is made of at least one of a urethane-based resin and a polyester-based resin
  • the UV curable resin is an acrylate-based resin
  • the silane coupling agent is It is composed of at least one of epoxy, vinyl, and methacyl
  • the hydrolysis agent is an aromatic carbodiimide series
  • the photoinitiator is benzophenone, thioctic It may consist of at least one of Thioxanthone and Ketone.
  • the coating composition includes 30 to 60 wt% of the thermoplastic resin, 30 to 60 wt% of the UV curable resin, 5 to 10 wt% of the silane coupling agent, and 0.1 to 60 wt% of the hydrolysis agent.
  • 2wt% and the photoinitiator may be composed of 0.1 ⁇ 2wt%.
  • the high-pressure storage vessel may further include a shell disposed while covering an outer surface of the liner.
  • a storage space in which high-pressure hydrogen is stored and forming a tubular liner with one end open in the longitudinal direction; forming a hydrogen barrier layer on at least one of an outer surface and an inner surface of the liner to prevent high-pressure hydrogen in the storage space from passing through the liner to the outside; and coupling a boss to one end of the liner in the longitudinal direction so that the outside and the storage space communicate with each other.
  • the hydrogen barrier layer may be coated on the outer surface of the liner to a thickness of 0.3 to 10 ⁇ m.
  • the hydrogen barrier layer may be formed by coating a coating composition including a thermoplastic resin, a UV curable resin, a silane coupling agent, a hydrolysis resistant agent, and a photoinitiator.
  • the thermoplastic resin is made of at least one of a urethane-based resin and a polyester-based resin
  • the UV curable resin is an acrylate-based resin
  • the silane couple The ringing agent is composed of at least one of epoxy, vinyl, and methacyl
  • the hydrolysis agent is an aromatic carbodiimides series
  • the photoinitiator is benzophenone, It may consist of at least one of Thioxanthone and Ketone.
  • the coating composition includes 30 to 60 wt% of the thermoplastic resin, 30 to 60 wt% of the UV curable resin, 5 to 10 wt% of the silane coupling agent, and the hydrolysis-resistant agent 0.1 ⁇ 2wt% and may be composed of 0.1 ⁇ 2wt% of the photoinitiator.
  • the coating composition in the step of forming the hydrogen barrier layer, may be diluted in a solvent, coated, and then cured to form the hydrogen barrier layer.
  • the coating composition may be coated on the outer surface of the liner through a spray method, and then UV cured after hot air drying.
  • a hydrogen barrier layer for blocking hydrogen permeation is provided in a pipe-shaped liner, a high-pressure storage container having improved hydrogen airtightness and excellent durability against repeated pressure can be provided.
  • FIG. 1 is a view showing a high-pressure storage vessel according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of part A of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a view showing a case where the position of the hydrogen barrier layer in FIG. 2 is changed to the inner surface of the liner.
  • FIG. 4 is a view showing a modified example of a high-pressure storage vessel according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart of a method for manufacturing a high-pressure storage vessel according to an embodiment of the present invention.
  • spatially relative terms such as “front”, “rear”, “side”, “upper” or “lower” may be used to describe correlations with components shown in the drawings. These are relative terms based on what is shown in the drawings, and the positional relationship may be interpreted in the opposite way according to the orientation.
  • the fact that certain components are “connected” to other components includes cases where they are not only directly connected to each other but also indirectly connected to each other unless there are special circumstances.
  • FIG. 1 is a view showing a high-pressure storage vessel according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a cross-sectional view of part A of FIG. 1 .
  • the high-pressure storage vessel 1 is for storing a fluid such as hydrogen in a high-pressure state.
  • the high-pressure storage vessel 1 according to an embodiment of the present invention may have an atypical shape such as a tubular tube or a bent tube compared to a conventional cylindrical high-pressure storage vessel.
  • a high-pressure storage vessel 1 includes a liner 100, a boss 200, a hydrogen barrier layer 300, and a shell 400.
  • the hydrogen barrier layer 300 can ensure the hydrogen tightness of the liner 100, Durability can be maintained even under repeated pressure.
  • the liner 100 provides a storage space in which high-pressure hydrogen is stored.
  • the liner 100 may have a pipe shape with one end opened in the longitudinal direction.
  • the liner 100 may be made of a resin material, a polymer material, or the like.
  • the liner 100 may be made of high-density polyethylene material (HDPE), amide-based material (PA6, PA66, PA11, PA12), polyurethane-based material (TPU), or the like.
  • the boss 200 communicates the outside with the storage space and is coupled to one end of the liner 100 in the longitudinal direction.
  • the boss 200 is a part to which a valve for injecting fluid into the high-pressure storage container 1 is coupled.
  • the boss 200 may be made of a metal material.
  • the boss 200 may be made of aluminum.
  • the hydrogen barrier layer 300 is formed on at least one of the outer and inner surfaces of the liner 100 to prevent high-pressure hydrogen in the storage space from passing through the liner 100 to the outside.
  • the hydrogen barrier layer 300 may be formed by coating the outer surface of the liner 100 .
  • the hydrogen barrier layer 300 may be disposed between the liner 100 and the shell 400 .
  • the hydrogen blocking layer 300 may have a thickness of 0.3 to 10 ⁇ m.
  • the hydrogen barrier layer 300 may have a hydrogen permeability of 5.0 ⁇ 10 ⁇ 13 mol ⁇ m/(m2 ⁇ S ⁇ Pa) (@15°C) or less.
  • the hydrogen barrier layer 300 may be formed through coating. More specifically, the hydrogen barrier layer 300 may be formed by coating a coating composition including a thermoplastic resin, a UV curable resin, a silane coupling agent, a hydrolysis resistant agent, and a photoinitiator.
  • the thermoplastic resin is made of at least one of a urethane-based resin and a polyester-based resin
  • the UV curable resin is an acrylate-based resin
  • the silane coupling agent is an epoxy, vinyl, and methacrylic resin.
  • the hydrolysis agent is an aromatic carbodiimide series
  • the photoinitiator is any one or more of benzophenone, thioxanthone, and ketone series.
  • the coating composition may be composed of 30 to 60 wt% of the thermoplastic resin, 30 to 60 wt% of the UV curable resin, 5 to 10 wt% of the silane coupling agent, 0.1 to 2 wt% of the hydrolysis agent, and 0.1 to 2 wt% of the photoinitiator. .
  • the hydrogen barrier layer 300 may be formed by curing after the coating composition is diluted in a solvent and coated. At this time, as the solvent, an alcohol-based composition, a ketone-based composition, or the like may be used.
  • the hydrogen barrier layer 300 may be formed by coating the outer surface of the liner 100 with the coating composition through a spray method, drying with hot air, and UV curing.
  • Table 1 below shows composition ratios of coating compositions applied to the high-pressure storage vessel 1 according to an embodiment of the present invention and comparative examples.
  • thermoplastic profit UV curable profit Silane coupling agent my number disintegrant photoinitiator hydrogen permeability
  • Example 1 45wt% 45wt% 8wt% 1wt% 1wt% 1.28*10 -13
  • Example 2 30wt% 60wt% 8wt% 1wt% 1wt% 1.04*10 -13
  • Example 3 60wt% 30wt% 8wt% 1wt% 1wt% 1.58*10 -13
  • Comparative Example 1 70wt% 20wt% 8wt% 1wt% 1wt% 4.65*10 -12
  • Comparative Example 2 20wt% 70wt% 8wt% 1wt% 1wt% 4.65*10 -10
  • Comparative Example 3 40wt% 55wt% 3wt% 1wt% 1wt% 4.65* 10-11
  • thermoplastic resin is thermoplastic polyurethane (TPU)
  • UV curable resin is urethane acrylate
  • silane coupling agent is 3Glycidoxypropyl trimethoxysilane (a glycidyl group, that is, an epoxy group)
  • I Aromatic carbodiimides were used as the hydrolysis agent, and hydroxycyclohexyl phenyl ketone (alpha hydroxy ketone) was used as the photoinitiator.
  • the coating composition was coated on a PET substrate to a thickness of 0.3 ⁇ m to make samples, and the hydrogen permeability of each sample was measured using an evaluation device (TOYOSEIKI, BT-1) at an evaluation temperature of 15 ° C and an evaluation pressure of 1 bar.
  • Examples 1, 2 and 3 show hydrogen permeability of 5.0 ⁇ 10 -13 mol ⁇ m/(m2 ⁇ S ⁇ Pa) (@15°C) or less.
  • Comparative Examples 1 to 3 were found to have hydrogen permeability exceeding 5.0 ⁇ 10 -13 mol ⁇ m/(m2 ⁇ S ⁇ Pa) (@15°C).
  • the amine group included in the UV curable resin, urethane acrylate is sufficiently cross-linked with epoxy silane, and the vinyl group of the UV curable resin, urethane acrylate, is cross-linked to show high cross-linking density. It is believed to be due to On the other hand, when the content of the TPU resin is less than 30wt%, the molecular weight of the entire matrix is not sufficient, making it difficult to form a uniform film.
  • urethane acrylate which is a UV curable resin
  • the crosslinking of the composition is not sufficient
  • the content exceeds 60wt% the molecular weight is not large enough, so brittleness is increased and the coating film cracks ( cracks) may occur.
  • the content of the silane coupling agent is less than 5wt%, sufficient cross-linking is not formed, and when the content is 10wt% or more, unreacted silane coupling agent remains and causes a decrease in hydrogen permeability.
  • the hydrolysis-resistant agent and the photoinitiator when the content thereof is 2 wt% or more, it acts as an impurity and lowers the hydrogen permeability.
  • the coating composition includes 30 to 60 wt% of the thermoplastic resin, 30 to 60 wt% of the UV curable resin, 5 to 10 wt% of the silane coupling agent, 0.1 to 2 wt% of the hydrolysis agent, and 0.1 to 2 wt% of the photoinitiator. % is found to be optimal.
  • the shell 400 surrounds the outer surface of the liner 100 and is disposed.
  • the shell 400 may be disposed to surround an outer surface of the liner 100 and at least a portion of a portion of the boss 200 exposed to the outside of the liner 100 .
  • the shell 400 provides pressure resistance to the high-pressure storage vessel 1 .
  • the liner 100 forms a storage space therein, and the shell 400 provides pressure resistance capable of withstanding the pressure of the high-pressure hydrogen stored in the storage space. can
  • the shell 400 may be formed on the outer surface of the liner 100 through a method such as brazing or winding.
  • the shell 400 may be made of a composite material.
  • the shell 400 may be made of carbon fiber composites, thermosetting resins, and thermoplastic resins.
  • FIG. 3 is a view showing a case where the position of the hydrogen barrier layer in FIG. 2 is deformed to the inner surface of the liner.
  • the hydrogen barrier layer 300 may be formed on the inner surface of the liner 100 instead of the outer surface of the liner 100 . In other words, even when the hydrogen barrier layer 300 is formed on the inner surface of the liner 100, the hydrogen airtightness of the liner 100 can be secured.
  • FIG. 4 is a view showing a modified example of a high-pressure storage vessel according to an embodiment of the present invention.
  • a modified example of the high-pressure storage vessel 1 according to an embodiment of the present invention is formed in a curved tube shape. That is, the liner 100 has a curved pipe shape and the shell 400 also has a corresponding shape. Meanwhile, the above descriptions of the liner 100, the boss 200, the hydrogen barrier layer 300, and the shell 400 are the same in the modified example of the high-pressure storage vessel 1 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart of a method for manufacturing a high-pressure storage vessel according to an embodiment of the present invention.
  • a method for manufacturing a high-pressure storage vessel according to an embodiment of the present invention is for manufacturing a high-pressure storage vessel according to an embodiment of the present invention as described above.
  • hydrogen airtightness can be improved by forming the hydrogen barrier layer 300 on the liner 100 .
  • the method for manufacturing a high-pressure storage vessel provides a storage space in which high-pressure hydrogen is stored and forms a tubular liner 100 with one open end in the longitudinal direction (S100), Forming a hydrogen barrier layer 300 on at least one of the outer and inner surfaces of the liner 100 to block the high-pressure hydrogen in the storage space from passing through the liner 100 to the outside (S200), A step of coupling the boss 200 to one end of the longitudinal direction of the liner 100 so that the space communicates (S300) and a step of disposing the shell 400 so as to surround the outer surface of the liner 100 (S400).
  • the liner 100 may be manufactured by extrusion. At this time, the liner 100 may be continuously molded into a pipe shape.
  • the hydrogen blocking layer 300 may be coated on the outer surface of the liner 100 to a thickness of 0.3 to 10 ⁇ m. More specifically, the hydrogen barrier layer 300 may be formed by coating a coating composition including a thermoplastic resin, a UV curable resin, a silane coupling agent, a hydrolysis resistant agent, and a photoinitiator.
  • the thermoplastic resin is made of at least one of a urethane-based resin and a polyester-based resin
  • the UV curable resin is an acrylate-based resin
  • the silane coupling agent is an epoxy or vinyl and methacyl
  • the hydrolysis agent is an aromatic carbodiimide series
  • the photoinitiator is benzophenone, thioxanthone, and ketone. It may consist of any one or more of the systems.
  • the coating composition may be composed of 30 to 60 wt% of the thermoplastic resin, 30 to 60 wt% of the UV curable resin, 5 to 10 wt% of the silane coupling agent, 0.1 to 2 wt% of the hydrolysis agent, and 0.1 to 2 wt% of the photoinitiator.
  • the hydrogen barrier layer 300 may be formed by curing after the coating composition is diluted in a solvent and coated. At this time, as the solvent, an alcohol-based composition, a ketone-based composition, or the like may be used. In addition, the hydrogen barrier layer 300 may be formed by UV curing after the coating composition is coated on the outer surface of the liner 100 through a spray method, followed by hot air drying. For example, the hydrogen barrier layer 300 may be formed by diluting the coating composition with a solid content of 25 to 35 wt % in a methyl ethyl ketone (MEK) solvent, coating it by a spray method, and then drying and UV curing.
  • MEK methyl ethyl ketone
  • the boss 200 is coupled to the longitudinal end of the liner 100.
  • the boss 200 is a part to which a valve for injecting fluid into the high-pressure storage container 1 is coupled, and may be made of a metal material.
  • the boss 200 may be made of aluminum.
  • the shell 400 may be formed on the outer surface of the liner 100 through a method such as brazing or winding.
  • the shell 400 may be made of a composite material.
  • the shell 400 may be made of carbon fiber composites, thermosetting resins, and thermoplastic resins.

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Abstract

고압 저장 용기 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기는, 고압 수소가 저장되는 저장 공간을 제공하며 길이 방향 일단부가 개방된 관형의 라이너; 외부와 상기 저장 공간을 연통시키며 상기 라이너의 길이 방향 일단부에 결합되는 보스; 및 상기 저장 공간 내의 고압 수소가 상기 라이너를 통과하여 외부로 투과되지 못하도록 상기 라이너의 외면 및 내면 중 어느 하나 이상에 형성되는 수소 차단층;을 포함한다.

Description

고압 저장 용기 및 그 제조 방법
본 발명은 고압 저장 용기 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소 등의 유체를 고압 상태로 저장하기 위한 고압 저장 용기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
근래 들어 환경에 대한 중요성이 강조되면서 친환경 자동차 시장이 빠르게 성장하고 있으며, 전기차와 수소 전기차는 각각 장단점을 가지고 경쟁하고 있다. 이러한 상황 속에서 자동차 제조 업체들은 생산성 향상과 유연한 시장 대응 등을 위해 전기차와 수소 전기차의 플랫폼을 공용화 하려고 노력하고 있다.
전기차와 수소 전기차의 플랫폼 공용화를 위해서는 수소 전기차의 수소 저장 탱크가 전기차의 배터리 탑재를 위한 직사각형상의 공간에도 탑재될 수 있는 형상을 가질 필요가 있다. 이에 따라 세관형 또는 곡관형 수소 저장 탱크에 대한 개발 요구가 커지고 있는 실정이다.
수소 저장 탱크를 세관형 또는 곡관형으로 제조하기 위해서는 라이너가 길어지거나 곡선 구간을 포함해야 한다. 라이너가 길어지거나 곡선 구간을 포함하게 되면 압력 반복에 의해 내구성이 쉽게 저하되는 문제가 발생한다. 특히, 라이너가 곡관형으로 이루어질 경우 라이너를 주름관 형상으로 성형하고, 라이너에 추가적으로 보강부를 형성하기도 하는데, 이럴 경우 보강부와 라이너 사이에 공극이 생기면서 파열압 또는 압력 반복에 의해 내구성이 저하되는 현상이 발생한다.
(특허문헌 1) 한국등록특허공보 제10-2242337호
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 파이프 형상을 가지는 고압 저장 용기에 있어서 라이너가 수소 기밀성 및 내구성을 가지는 고압 저장 용기 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고압 수소가 저장되는 저장 공간을 제공하며 길이 방향 일단부가 개방된 관형의 라이너; 외부와 상기 저장 공간을 연통시키며 상기 라이너의 길이 방향 일단부에 결합되는 보스; 및 상기 저장 공간 내의 고압 수소가 상기 라이너를 통과하여 외부로 투과되지 못하도록 상기 라이너의 외면 및 내면 중 어느 하나 이상에 형성되는 수소 차단층;을 포함하는 고압 저장 용기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기에 있어서, 상기 수소 차단층은 0.3~10㎛의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기에 있어서, 상기 수소 차단층은 5.0×10-13 mol·m/(㎡·S·Pa)(@15℃)이하의 수소 투과도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기에 있어서, 상기 수소 차단층은 열가소성 수지, UV 경화성 수지, 실란 커플링제, 내가수분해제 및 광개시제를 포함하는 코팅 조성물이 코팅되어 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기에 있어서, 상기 열가소성 수지는 우레탄계 수지 및 폴리에스테르계 수지 중 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 UV 경화성 수지는 아크렐레이트계 수지이고, 상기 실란 커플링제는 에폭시(Epoxy), 비닐(Vinyl) 및 메타크릴(methacyl) 중 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 내가수분해제는 방향족 카르보디이미드(aromatic carbodiimides) 계열이고, 상기 광개시제는 벤조페논(benzophenone), 티오크산톤(Thioxanthone) 및 케톤(Ketone)계 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기에 있어서, 상기 코팅 조성물은 상기 열가소성 수지 30~60wt%, 상기 UV 경화성 수지 30~60wt%, 상기 실란 커플링제 5~10wt%, 상기 내가수분해제 0.1~2wt% 및 상기 광개시제 0.1~2wt%로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기는, 상기 라이너의 외면을 감싸며 배치되는 쉘;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 고압 수소가 저장되는 저장 공간을 제공하며 길이 방향 일단부가 개방된 관형의 라이너를 성형하는 단계; 상기 라이너의 외면 및 내면 중 어느 하나 이상에 상기 저장 공간 내의 고압 수소가 상기 라이너를 통과하여 외부로 투과되지 못하도록 차단하는 수소 차단층을 형성하는 단계; 및 외부와 상기 저장 공간이 연통되도록 상기 라이너의 길이 방향 일단부에 보스를 결합시키는 단계;를 포함하는 고압 저장 용기 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기 제조 방법에 있어서, 상기 수소 차단층은 상기 라이너의 외면에 0.3~10㎛의 두께로 코팅될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기 제조 방법에 있어서, 상기 수소 차단층은 열가소성 수지, UV 경화성 수지, 실란 커플링제, 내가수분해제 및 광개시제를 포함하는 코팅 조성물이 코팅되어 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기 제조 방법에 있어서, 상기 열가소성 수지는 우레탄계 수지 및 폴리에스테르계 수지 중 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 UV 경화성 수지는 아크렐레이트계 수지이고, 상기 실란 커플링제는 에폭시(Epoxy), 비닐(Vinyl) 및 메타크릴(methacyl) 중 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 내가수분해제는 방향족 카르보디이미드(aromatic carbodiimides) 계열이고, 상기 광개시제는 벤조페논(benzophenone), 티오크산톤(Thioxanthone) 및 케톤(Ketone)계 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기 제조 방법에 있어서, 상기 코팅 조성물은 상기 열가소성 수지 30~60wt%, 상기 UV 경화성 수지 30~60wt%, 상기 실란 커플링제 5~10wt%, 상기 내가수분해제 0.1~2wt% 및 상기 광개시제 0.1~2wt%로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기 제조 방법에 있어서, 상기 수소 차단층을 형성하는 단계에서 상기 코팅 조성물은 용매에 희석되어 코팅된 후 경화됨으로써 상기 수소 차단층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기 제조 방법에 있어서, 상기 코팅 조성물은 스프레이 공법을 통해 상기 라이너의 외면에 코팅된 후 열풍 건조 후 UV 경화될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 파이프 형상을 가지는 라이너에 수소의 투과를 막아주는 수소차단층이 구비됨으로써 수소 기밀성이 향상되고 반복 압력에도 우수한 내구성을 발휘하는 고압 저장 용기를 제공받을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 A부분의 단면도이다.
도 3은 도 2에서 수소 차단층의 위치가 라이너의 내면으로 변경된 경우를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기의 변형예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기 제조 방법의 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 도면에서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 설명하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서, 도면에 도시된 구성 요소들과의 상관 관계를 설명하기 위해 공간적으로 상대적인 용어인 "전방", "후방", "측방", "상부" 또는 "하부" 등이 사용될 수 있다. 이들은 도면에 도시된 것을 기준으로 정하여진 상대적인 용어들로서 배향에 따라 위치 관계는 반대로 해석될 수도 있다. 또한, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소와 "연결"되어 있다는 것은 특별한 사정이 없는 한 서로 직접 연결되는 것뿐만 아니라 간접적으로 서로 연결되는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기를 나타낸 도면이다. 또한, 도 2는 도 1의 A부분의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기(1)는 수소 등의 유체를 고압 상태로 저장하기 위한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기(1)는 종래의 원통형 고압 저장 용기와 비교하여 세관형, 곡관형 등의 비정형적인 형상을 가질 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기(1)는 라이너(100), 보스(200), 수소 차단층(300) 및 쉘(400)을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 의할 경우 라이너(100)가 직경에 비하여 길이가 상대적으로 긴 파이프 형상을 가지는 경우에도 수소 차단층(300)에 의해 라이너(100)의 수소 기밀성이 확보될 수 있으며, 반복 압력에도 내구성을 유지할 수 있다.
라이너(100)는 고압 수소가 저장되는 저장 공간을 제공한다. 라이너(100)는 길이 방향 일단부가 개방된 파이프 형상을 가질 수 있다. 또한, 라이너(100)는 수지 재질, 폴리머 소재 등으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 라이너(100)는 고밀도 폴리에틸렌 소재(HDPE), 아마이드계 소재(PA6, PA66, PA11, PA12), 폴리 우레탄계 소재(TPU) 등으로 이루어질 수 있다.
보스(200)는 외부와 저장 공간을 연통시키며 라이너(100)의 길이 방향 일단부에 결합된다. 보스(200)는 고압 저장 용기(1) 내로 유체를 주입하기 위한 밸브가 결합되는 부분이다. 보스(200)는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 보스(200)는 알루미늄 재질로 이루어질 수 있다.
수소 차단층(300)은 저장 공간 내의 고압 수소가 라이너(100)를 통과하여 외부로 투과되지 못하도록 라이너(100)의 외면 및 내면 중 어느 하나 이상에 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서, 수소 차단층(300)은 라이너(100)의 외면에 코팅되어 형성될 수 있다. 다시 말하면, 수소 차단층(300)은 라이너(100)와 쉘(400) 사이에 배치될 수 있다.
수소 차단층(300)은 0.3~10㎛의 두께를 가질 수 있다. 또한, 수소 차단층(300)은 5.0×10-13 mol·m/(㎡·S·Pa)(@15℃)이하의 수소 투과도를 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 수소 차단층(300)은 코팅을 통해 형성될 수 있다. 더욱 상세하게, 수소 차단층(300)은 열가소성 수지, UV 경화성 수지, 실란 커플링제, 내가수분해제 및 광개시제를 포함하는 코팅 조성물이 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 열가소성 수지는 우레탄계 수지 및 폴리에스테르계 수지 중 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 UV 경화성 수지는 아크렐레이트계 수지이고, 상기 실란 커플링제는 에폭시(Epoxy), 비닐(Vinyl) 및 메타크릴(methacyl) 중 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 내가수분해제는 방향족 카르보디이미드(aromatic carbodiimides) 계열이고, 상기 광개시제는 벤조페논(benzophenone), 티오크산톤(Thioxanthone) 및 케톤(Ketone)계 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 코팅 조성물은 상기 열가소성 수지 30~60wt%, 상기 UV 경화성 수지 30~60wt%, 상기 실란 커플링제 5~10wt%, 상기 내가수분해제 0.1~2wt% 및 상기 광개시제 0.1~2wt%로 구성될 수 있다. 수소 차단층(300)은 상기 코팅 조성물이 용매에 희석되어 코팅된 후 경화되어 형성될 수 있다. 이때, 용매는 조성물은 알코올계, 케톤계 등이 사용될 수 있다. 예를 들면, 수소 차단층(300)은 상기 코팅 조성물이 스프레이 공법을 통해 라이너(100)의 외면에 코팅된 후 열풍 건조 후 UV 경화되어 형성될 수 있다.
아래의 표 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기(1)에 적용되는 코팅 조성물들과 비교예들의 조성비가 나타나 있다.
열가소성
수지		 UV경화성
수지		 실란
커플링제		 내가수
분해제		 광개시제 수소
투과도
실시예 1 45wt% 45wt% 8wt% 1wt% 1wt% 1.28*10-13
실시예 2 30wt% 60wt% 8wt% 1wt% 1wt% 1.04*10-13
실시예 3 60wt% 30wt% 8wt% 1wt% 1wt% 1.58*10-13
비교예 1 70wt% 20wt% 8wt% 1wt% 1wt% 4.65*10-12
비교예 2 20wt% 70wt% 8wt% 1wt% 1wt% 4.65*10-10
비교예 3 40wt% 55wt% 3wt% 1wt% 1wt% 4.65*10-11
표 1에 나타난 실시예와 비교예에서 열가소성 수지는 열가소성 폴리우레탄(TPU), UV 경화성 수지는 우레탄 아크릴레이트(Urethane Acrylate), 실란 커플링제는 3Glycidoxypropyl trimethoxysilane(글리시딜그룹 즉, 에폭시 그룹), 내가수분해제는 방향족 카르보디이미드(aromatic carbodiimides) 계열, 광개시제는 hydroxycyclohexyl phenyl ketone(알파 하이드록시 케톤계)이 사용되었다. 또한, 코팅 조성물은 PET기재에 0.3㎛로 코팅되어 샘플로 제작되었으며, 각 샘플의 수소 투과도는 평가온도 15℃, 평가 압력 1bar에서 평가기기(TOYOSEIKI, BT-1)를 사용하여 측정되었다. 실시예 1, 2 및 3의 경우 5.0×10-13mol·m/(㎡·S·Pa)(@15℃) 이하의 수소 투과도를 나타낸다. 그러나 비교예 1 내지 3은 5.0×10-13mol·m/(㎡·S·Pa)(@15℃)을 초과하는 수소 투과도를 가지는 것으로 나타났다.이것은 실시예에 의할 경우 열가소성수지인 TPU와 UV경화성 수지인 우레탄 아크릴레이트에 포함된 아민그룹(amine group)이 에폭시 실란과 충분한 가교 결합을 하고, UV경화성 수지인 우레탄 아크릴레이트의 바이닐 그룹(vinyl Group)이 가교 결합하여 높은 가교 밀도를 나타내기 때문인 것으로 판단된다. 반면, TPU 수지의 함량이 30wt% 미만일때는 전체 메트릭스(Matrix)의 분자량이 충분치 않아 균일한 막 형성이 어렵고, 그 함량이 60wt% 초과일때는 점도 상승으로 인해 가교 결합력이 떨어지게 된다.
또한, UV 경화성 수지인 우레탄 아크릴레이트의 함량이 30wt% 미만일때는 조성물의 가교 결합이 충분치 않게 되며, 그 함량이 60wt%초과일때는 분자량이 충분히 크지 않아 취성(brittleness)이 높아지며 해지며 코팅막에 크랙(crack)이 발생하는 문제가 생길 수 있다.
또한, 실란 커플링제의 함량이 5wt% 미만일때는 충분한 가교 결합을 형성하지 않으며, 10wt% 이상일때는 미반응 실란커플링제가 잔류하여 수소 투과도 저하를 일으킨다.
내가수분해제와 광개시제의 경우도 그 함량이 2wt% 이상일때 불순물로 작용하여 수소 투과도를 떨어뜨리게 된다.
이러한 결과를 고려할 때, 상기 코팅 조성물은 상기 열가소성 수지 30~60wt%, 상기 UV 경화성 수지 30~60wt%, 상기 실란 커플링제 5~10wt%, 상기 내가수분해제 0.1~2wt% 및 상기 광개시제 0.1~2wt%로 구성되는 것이 최적인 것으로 확인된다.
쉘(400)은 라이너(100)의 외면을 감싸며 배치된다. 쉘(400)은 라이너(100)의 외면과, 보스(200) 중 라이너(100)의 외측으로 노출된 부분의 적어도 일부분을 감싸며 배치될 수 있다. 쉘(400)은 고압 저장 용기(1)에 내압 성능을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기(1)에서 라이너(100)는 내부에 저장 공간을 형성하고, 쉘(400)은 저장 공간 내에 저장된 고압 수소의 압력을 견딜 수 있는 내압 성능을 제공할 수 있다.
쉘(400)은 라이너(100)의 외부면에 브레이징(brazing), 와인딩(winding) 등의 방법을 통해 형성될 수 있다. 쉘(400)은 복합 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 쉘(400)은 탄소 섬유 복합재, 열경화성 수지 및 열가소성 수지 등으로 제조될 수 있다.
도 3은 도 2에서 수소 차단층의 위치가 라이너의 내면으로 변형된 경우를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 수소 차단층(300)은 라이너(100)의 외면이 아니라 라이너(100)의 내면에 형성될 수도 있다. 다시 말하면, 수소 차단층(300)이 라이너(100)의 내면에 형성되어도 라이너(100)의 수소 기밀성이 확보될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기의 변형예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기(1)의 변형예는 곡관형으로 이루어져 있다. 즉, 라이너(100)가 곡관 형상을 가지고 쉘(400)도 이에 상응하는 형상을 가지고 있다. 한편, 라이너(100), 보스(200), 수소 차단층(300) 및 쉘(400)에 관해서 앞서서 살펴본 내용들은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기(1)의 변형예에서도 동일하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기 제조 방법의 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기 제조 방법은 앞서 살펴본 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 고압 저장 용기를 제조하기 위한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기 제조 방법에 의할 경우 라이너(100)에 수소 차단층(300)을 형성함으로써 수소 기밀성을 향상시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 저장 용기 제조 방법은 고압 수소가 저장되는 저장 공간을 제공하며 길이 방향 일단부가 개방된 관형의 라이너(100)를 성형하는 단계(S100), 라이너(100)의 외면 및 내면 중 어느 하나 이상에 저장 공간 내의 고압 수소가 라이너(100)를 통과하여 외부로 투과되지 못하도록 차단하는 수소 차단층(300)을 형성하는 단계(S200), 외부와 저장 공간이 연통되도록 라이너(100)의 길이 방향 일단부에 보스(200)를 결합시키는 단계(S300) 및 라이너(100)의 외면을 감싸도록 쉘(400)을 배치하는 단계(S400)를 포함한다.
라이너(100)를 성형하는 단계(S100)에서, 라이너(100)는 압출 방식으로 제조될 수 있다. 이때, 라이너(100)는 파이프 형태로 연속적으로 성형될 수 있다.
수소 차단층(300)을 형성하는 단계(S200)에서, 수소 차단층(300)은 라이너(100)의 외면에 0.3~10㎛의 두께로 코팅될 수 있다. 더욱 상세하게, 수소 차단층(300)은 열가소성 수지, UV 경화성 수지, 실란 커플링제, 내가수분해제 및 광개시제를 포함하는 코팅 조성물이 코팅되어 형성될 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 상기 열가소성 수지는 우레탄계 수지 및 폴리에스테르계 수지 중 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 UV 경화성 수지는 아크렐레이트계 수지이고, 상기 실란 커플링제는 에폭시(Epoxy), 비닐(Vinyl) 및 메타크릴(methacyl) 중 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 내가수분해제는 방향족 카르보디이미드(aromatic carbodiimides) 계열이고, 상기 광개시제는 벤조페논(benzophenone), 티오크산톤(Thioxanthone) 및 케톤(Ketone)계 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 코팅 조성물은 상기 열가소성 수지 30~60wt%, 상기 UV 경화성 수지 30~60wt%, 상기 실란 커플링제 5~10wt%, 상기 내가수분해제 0.1~2wt% 및 상기 광개시제 0.1~2wt%로 구성될 수 있다.
수소 차단층(300)은 상기 코팅 조성물이 용매에 희석되어 코팅된 후 경화되어 형성될 수 있다. 이때, 용매는 조성물은 알코올계, 케톤계 등이 사용될 수 있다. 또한, 수소 차단층(300)은 상기 코팅 조성물이 스프레이 공법을 통해 라이너(100)의 외면에 코팅된 후 열풍 건조 후 UV 경화되어 형성될 수 있다. 예를 들면, 수소 차단층(300)은 상기 코팅 조성물이 고형분 25~35wt%로 메틸에틸케톤(MEK) 용매에 희석되어 스프레이 공법으로 코팅된 후 건조 및 UV 경화되어 형성될 수 있다.
보스(200)를 결합시키는 단계(S300)에서, 보스(200)는 라이너(100)의 길이 방향 단부에 결합된다. 보스(200)는 고압 저장 용기(1) 내로 유체를 주입하기 위한 밸브가 결합되는 부분으로 금속 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 보스(200)는 알루미늄 재질로 이루어질 수 있다.
쉘(400)을 배치하는 단계(S400)에서, 쉘(400)은 라이너(100)의 외부면에 브레이징(brazing), 와인딩(winding) 등의 방법을 통해 형성될 수 있다. 쉘(400)은 복합 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 쉘(400)은 탄소 섬유 복합재, 열경화성 수지 및 열가소성 수지 등으로 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 의해 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다. 그러나 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (14)

  1. 고압 수소가 저장되는 저장 공간을 제공하며 길이 방향 일단부가 개방된 관형의 라이너;
    외부와 상기 저장 공간을 연통시키며 상기 라이너의 길이 방향 일단부에 결합되는 보스; 및
    상기 저장 공간 내의 고압 수소가 상기 라이너를 통과하여 외부로 투과되지 못하도록 상기 라이너의 외면 및 내면 중 어느 하나 이상에 형성되는 수소 차단층;을 포함하는 고압 저장 용기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 차단층은 0.3~10㎛의 두께를 가지는 고압 저장 용기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 차단층은 5.0×10-13 mol·m/(㎡·S·Pa)(@15℃)이하의 수소 투과도를 가지는 고압 저장 용기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 차단층은 열가소성 수지, UV 경화성 수지, 실란 커플링제, 내가수분해제 및 광개시제를 포함하는 코팅 조성물이 코팅되어 형성되는 고압 저장 용기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 우레탄계 수지 및 폴리에스테르계 수지 중 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 UV 경화성 수지는 아크렐레이트계 수지이고, 상기 실란 커플링제는 에폭시(Epoxy), 비닐(Vinyl) 및 메타크릴(methacyl) 중 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 내가수분해제는 방향족 카르보디이미드(aromatic carbodiimides) 계열이고, 상기 광개시제는 벤조페논(benzophenone), 티오크산톤(Thioxanthone) 및 케톤(Ketone)계 중 어느 하나 이상으로 이루어지는 고압 저장 용기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 코팅 조성물은 상기 열가소성 수지 30~60wt%, 상기 UV 경화성 수지 30~60wt%, 상기 실란 커플링제 5~10wt%, 상기 내가수분해제 0.1~2wt% 및 상기 광개시제 0.1~2wt%로 구성된 고압 저장 용기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 라이너의 외면을 감싸며 배치되는 쉘;을 더 포함하는 고압 저장 용기.
  8. 고압 수소가 저장되는 저장 공간을 제공하며 길이 방향 일단부가 개방된 관형의 라이너를 성형하는 단계;
    상기 라이너의 외면 및 내면 중 어느 하나 이상에 상기 저장 공간 내의 고압 수소가 상기 라이너를 통과하여 외부로 투과되지 못하도록 차단하는 수소 차단층을 형성하는 단계; 및
    외부와 상기 저장 공간이 연통되도록 상기 라이너의 길이 방향 일단부에 보스를 결합시키는 단계;를 포함하는 고압 저장 용기 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 수소 차단층은 상기 라이너의 외면에 0.3~10㎛의 두께로 코팅되는 고압 저장 용기 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 수소 차단층은 열가소성 수지, UV 경화성 수지, 실란 커플링제, 내가수분해제 및 광개시제를 포함하는 코팅 조성물이 코팅되어 형성되는 고압 저장 용기 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 우레탄계 수지 및 폴리에스테르계 수지 중 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 UV 경화성 수지는 아크렐레이트계 수지이고, 상기 실란 커플링제는 에폭시(Epoxy), 비닐(Vinyl) 및 메타크릴(methacyl) 중 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 내가수분해제는 방향족 카르보디이미드(aromatic carbodiimides) 계열이고, 상기 광개시제는 벤조페논(benzophenone), 티오크산톤(Thioxanthone) 및 케톤(Ketone)계 중 어느 하나 이상으로 이루어지는 고압 저장 용기 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 코팅 조성물은 상기 열가소성 수지 30~60wt%, 상기 UV 경화성 수지 30~60wt%, 상기 실란 커플링제 5~10wt%, 상기 내가수분해제 0.1~2wt% 및 상기 광개시제 0.1~2wt%로 구성된 고압 저장 용기 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 수소 차단층을 형성하는 단계에서 상기 코팅 조성물은 용매에 희석되어 코팅된 후 경화됨으로써 상기 수소 차단층을 형성하는 고압 저장 용기 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 코팅 조성물은 스프레이 공법을 통해 상기 라이너의 외면에 코팅된 후 열풍 건조 후 UV 경화되는 고압 저장 용기 제조 방법.
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