KR101210525B1 - 흐름전극장치를 이용한 에너지 저장 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기화학적 이온흡착(충전) 및 탈착(방전) 원리를 이용하는 것으로, 전극에 형성된 미세 유로 구조 내에 슬러리상 전극물질(Electrode Materials) 및 전해질(Electrolyte)이 동시에 연속적으로 유동하면서 대용량 전기에너지를 저장하는 흐름전극장치를 이용한 에너지 저장 장치에 관한 것이다. 상세하게는 전극활물질이 슬러리 상태로 연속 유동함으로써 손쉽게 대용량화를 이룰 수 있는 흐름전극장치를 이용하여 대용량의 에너지 저장 장치를 제시한다.
Description
본 발명은 전기화학적 이온흡착(충전) 및 탈착(방전) 원리를 이용하는 것으로, 전극에 형성된 미세 유로 구조 내에 슬러리상 전극물질(Electrode Materials) 및 전해질(Electrolyte)이 동시에 연속적으로 유동하면서 대용량 전기에너지를 저장하는 흐름전극장치를 이용한 에너지 저장 장치에 관한 것이다. 상세하게는 전극활물질이 슬러리 상태로 연속 유동함으로써 손쉽게 대용량화를 이룰 수 있는 흐름전극장치를 이용한 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
최근 세계 각국은 대기환경 오염 및 지구온난화 문제를 해결하기 위해 청정 대체 에너지 개발과 함께 에너지 저장기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 특히 다양한 대체 에너지를 통해 생성된 전기에너지를 저장할 수 있는 대용량의 전력저장장치에서부터 각종 모바일 기기 또는 대기오염 개선을 위한 미래 전기자동차 등에 필요한 소형 고출력 전력저장장치에 이르기까지 전기 에너지 저장은 미래 녹색 산업기반의 핵심으로 대두되고 있다. 이러한 미래 전력저장 기술의 대부분은 Li이온 전지 또는 슈퍼캐패시터(Super capacitor)와 같이 이온의 흡착(충전) 및 탈착(방전) 원리를 이용한 방식으로 세계 각국은 소재부품의 충방전 특성의 개선을 통한 고효율 컴팩트화와 대용량화를 위해 많은 연구개발 노력을 진행중이다.
한편, 최근에는 수질오염 및 물부족에 대비한 정수 또는 폐수처리, 해수담수화와 같은 수처리 분야에서도 이와 동일한 원리를 이용하여 기존의 증발법이나 역삼투압(RO)법에 비해 매우 낮은 에너지 비용만으로 수처리가 가능한 공정, 즉 축전식 탈염(Capacitive Deionization: CDI) 공정개발이 진행중이다.
이러한 동일 원리를 이용한 전력저장과 수처리 장치에 있어 가장 큰 문제는 대용량화시 효율저하와 고가의 장치비용이다. 즉 스케일업을 위한 전극의 대면적화, 이에 따른 전극내 전기장 분포의 불균일, 집전체에 코팅되는 박막전극의 제한된 활물질 량, 코팅과정에서 바인더에 의한 활물질과 전해질의 접촉면적 감소 및 충방전 효율저하 등으로 다수의 단위셀 스택화가 필요하고, 이에 따른 장치의 고가화, 특히 CDI(Capacitive Deionization) 공정의 경우 스택(stack) 내 물(전해질) 흐름의 압력손실에 의한 운전비용의 증가가 문제점으로 지적되고 있다.
본 발명의 과제는 손쉽게 대용량화를 이룰 수 있는 흐름전극장치를 통해 효율적이고 경제적인 대용량의 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에서 제시하는 흐름전극장치는, 양극유로 내로 흐르는 양극 활물질을 포함하는 흐름 양극; 음극유로 내로 흐르는 음극 활물질을 포함하는 흐름 음극; 및 상기 양극유로와 상기 음극유로 사이에 위치하는 전해질 유로를 흐르는 전해질을 포함하고, 상기 전해질과 상기 흐름 양극 사이, 및 상기 전해질과 상기 흐름 음극 사이에는 이온이 이동가능한 것을 특징으로 한다.
이러한 흐름전극장치에 의하면, 계속적으로 양극활물질 및 음극활물질이 유동하므로, 이들을 지속적으로 공급할 수 있어서 손쉽게 대용량화를 이룰 수 있다.
상기 흐름전극장치에서, 상기 흐름 양극과 상기 전해질 유로 사이는 양극분리막에 의해 구분되고, 상기 흐름 음극과 상기 전해질 유로 사이에는 음극분리막에 의해 구분되며, 상기 흐름 양극의 상기 양극분리막의 타측에는 양극집전체가 설치되고, 상기 흐름 음극의 상기 음극분리막의 타측에는 음극집전체가 설치된다.
따라서, 양극활물질와 전해질, 음극활물질과 전해질의 이온교환을 통해 이온흡착(충전) 및/또는 탈착(방전)되어 에너지가 저장 및/또는 발생시킬 수 있다.
또, 상기 양극분리막이 미세공 절연 분리막이거나 양이온교환(전도)막이고, 상기 음극분리막이 미세공 절연 분리막이거나 음이온교환(전도)막으로 구성될 수 있다. 이 결과, 미세공 절연 분리막 또는 이온 교환막에 의해 이온이 활물질로부터 전해질로 이동되거나 교환되어 에너지를 저장 및/또는 발생시킬 수 있다.
상기 양극활물질 또는 상기 음극활물질은 상기 전해질과 혼합된 슬러리상의 활물질로 이루어질 수 있다. 따라서, 흐름속도를 조절하기가 용이하여 일정하고 연속적으로 단위 흐름전극장치에 활물질을 공급할 수 있어, 에너지를 일정하게 저장 및/또는 발생시킬 수 있다.
또, 상기 양극활물질 또는 상기 음극활물질이 동일 물질로 이루어지는 것이 가능하다. 이 경우, 양극활물질 및 음극활물질을 하나의 장치로서 저장 및 공급이 가능하므로, 이들을 각기 구별하여 저장 및 보관해야하는 불편함을 줄이고 각 장치를 구비하는 비용을 줄일 수 있다.
또한, 상기 양극분리막 및 상기 음극분리막이 미세공 절연 분리막이고, 상기 양극활물질 또는 상기 음극활물질이 마이크로캡슐화될 수 있다. 이 결과, 마이크로캡슐화된 전극활물질로 인하여 전해질과의 접촉면적이 증대되어 반응성이 높아지게 된다.
이러한 흐름전극장치는, 2차전지 또는 전기이중층 캐패시터(EDLC: Electric Double Layer Capacitor)를 구성할 수 있다. 따라서, 그 사용 목적에 따라 다양한 형태로 이용될 수 있다.
본 발명에서는 이러한 흐름전극장치를 통해, 대용량의 에너지 저장장치를 제공할 수 있다. 즉, 상기 에너지 저장 장치는, 상술한 흐름전극장치; 상기 양극활물질, 상기 음극활물질 및 상기 전해질을 각각 공급하는 공급장치; 상기 흐름전극장치에 전력을 공급하는 전원공급장치; 상기 전원공급장치로부터 발생한 전위차를 조절하는 절환스위치; 및 상기 양극활물질, 상기 음극활물질 및 상기 전해질을 저장하는 저장탱크를 포함한다.
청구항 제1항에 기재된 에너지 저장 장치에 의하면, 양극활물질, 음극활물질, 전해질을 흐름전극장치 내가 아닌 별도의 분리되어 설치되는 저장탱크에 저장하여 공급함으로써, 전극의 대면적화나 스팩화할 필요 없이 손쉽게 대용량으로 에너지를 저장시킬 수 있어, 다양한 용량에 적합한 스케일업이 용이하며 장치 제조 및 운전 비용 등을 크게 줄일 수 있어, 미래 에너지 산업에 유용하게 사용될 수 있다.
청구항 제2항에 기재된 발명은, 제1항에 기재된 에너지 저장 장치이고, 상기 절환스위치에 연결된 저항장치를 더 포함한다.
청구항 제2항에 기재된 에너지 저장 장치에 의하면, 절환 스위치가 전원공급장치로부터 저항장치로 변환됨으로써, 저장탱크에 저장된 이온흡착(충전)된 전력이 출력될 수 있다.
청구항 제3항에 기재된 발명은, 제1항에 기재된 에너지 저장 장치이고, 상기 공급장치가 상기 양극활물질, 상기 음극활물질 및 상기 전해질을 각각 공급하는 공급탱크 및 공급펌프로 이루어진다.
청구항 제3항에 기재된 에너지 저장 장치에 의하면, 공급탱크가 흐름전극장치과 별도로 설치될 수 있어, 흐름전극장치의 크기와 무관하게 낮은 비용으로 대용량화를 이룰 수 있다.
청구항 제4항에 기재된 발명은, 제3항에 기재된 에너지 저장 장치이고, 상기 양극활물질을 공급하는 양극활물질 공급탱크와 상기 음극활물질을 공급하는 음극활물질 공급탱크가 하나의 공급탱크이다.
청구항 제4항에 기재된 에너지 저장 장치에 의하면, 양극활물질 및 음극활물질이 동일한 경우 하나의 공급탱크만으로도 공급이 가능하므로, 설치 비용을 줄일 수 있다.
청구항 제5항에 기재된 발명은, 제3항에 기재된 에너지 저장 장치이고, 상기 흐름전극장치가 2개 이상이되, 상기 흐름전극장치 중 일부는 충전 장치, 나머지는 방전장치로 사용되고, 상기 방전장치로부터 방전되어 흘러나온 양극활물질 및 음극활물질은 다시 상기 양극활물질 공급탱크 및 상기 음극활물질 공급탱크로 리사이클링된다.
청구항 제5항에 기재된 에너지 저장 장치에 의하면, 충반전을 연속해서 동시에 수행할 수 있으며, 또한 양극활물질 및 음극활물질 공급탱크를 별도로 설치하지 않아도 되므로 설비 비용을 줄일 수 있다.
청구항 제6항에 기재된 발명은, 청구항 제1항에 기재된 에너지 저장 장치이고, 상기 저장탱크가 전기적 절연상태의 저장용기이다.
청구항 제6항에 기재된 에너지 저장 장치에 의하면, 저장탱크에 저장된 전력이 세어나가지 않고 안정적으로 보관된다.
청구항 제7항에 기재된 발명은, 청구항 제6항에 기재된 에너지 저장 장치이고, 상기 전해질이 해수 또는 산업 폐수이다.
청구항 제7항에 기재된 에너지 저장 장치에 의하면, 전해질로서 해수 및 폐수가 사용되므로, 비용을 줄일 수 있고 또한 해수의 담수화 및 폐수의 정화에 이용될 수 있다.
이러한 에너지 저장 장치를 이용하여, 축전식 탈염(Capacitive Deionization)에 의한 수처리를 수행할 수 있으며, 이 수처리 방법에 의하면, 시설 설비 비용, 운전비용을 저가로 하면서도 대용량으로 수처리가 가능하다.
또, 에너지 저장 장치를 이용하여, 축전식 탈염에 의한 전해질인 해수인 해수담수화가 가능하며, 마찬가지로 전해질을 폐수로 하는 경우 폐수 정화가 가능하다. 따라서, 저렴한 비용으로 대용량으로 해수 담수화 또는 산업 폐수의 정화가 가능하다.
기존 집전체에 코팅된 고정상 활물질 전극과는 달리 집전체와 분리된 수십 nm에서 수십 ㎛크기의 미세 전극 활물질이 전해질과 혼합된 슬러리 상태로 연속 유동함으로써, 미세 유로구조를 갖는 단위셀과 절연 저장용기만으로 손쉽게 대용량화를 이룰 수 있다. 이러한 에너지 저장 및 CDI탈염장치는 다양한 용량에 적합한 스케일업이 용이할 뿐 아니라 장치제작 및 운전비용을 크게 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 흐름전극장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 전극물질을 포함하는 마이크로캡슐의 단면도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 전극물질을 포함하는 마이크로캡슐의 단면도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 개략도이다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 당해 기술분야에 속하는 전문가가 적절하게 설계변경하여 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 흐름전극장치은 유동하는 양극활물질을 포함하는 흐름 양극; 유동하는 음극 활물질을 포함하는 흐름 음극; 및 유동하는 전해질을 포함한다.
상기 양극활물질, 상기 음극활물질 및 상기 전해질은, 흐름전극장치, 예를 들어 전지 또는 축전지 등에 사용되어 오던 것 어느 것이나 다 사용될 수 있으며, 당해 기술분야의 통상의 전문가가 사용 목적 및 환경에 따라 적절하게 선택할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양극활물질 및 음극활물질은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양극활물질 및/또는 음극활물질 등의 전극물질은 다공성 탄소(활성탄, 카본파이버, 탄소에어로젤, 타노사노튜브 등), 흑연분말, 금속산화물 분말등이 사용될 수 있으며, 전해질과 혼합되어 유동화된 상태로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 전해질은 NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3등 수용성 전해질과 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)와 같은 유기성 전해질을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전극활물질만 유동하고 상기 전해질은 고체상 또는 정지상 전해질일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흐름 양극이 양극집전체; 양극분리막; 상기 양극집전체와 상기 양극분리막 사이에 형성된 양극유로; 및 상기 양극유로를 흐르는 양극활물질을 포함하고, 상기 흐름 음극이 음극집전체; 음극분리막; 상기 음극집전체와 상기 음극분리막 사이에 형성된 음극유로; 및 상기 음극유로를 흐르는 음극활물질을 포함하고, 상기 전해질이 상기 양극분리막 및 상기 음극분리막 사이에 형성된 유로를 흐른다.
상기 전극집전체 및 상기 전극분리막은 종래 흐름전극장치(전지, 축전지 등)에 사용되어 오고 있는 것들이라면 어느 것이나 다 사용가능하며, 당해 기술분야에 속하는 통상의 전문가가 그 사용목적 및 조건에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
상기 양극유로 및 상기 음극유로의 폭은 종래 흐름전극장치에서 전극집전체와 분리막 사이의 간격 또는 그 이하로 형성할 수 있다. 이는 종래에는 전극활물질이 고정되어 있어 충방전에 필요한 활물질의 용량을 확보하고자 할 때에는 흐름전극장치의 크기가 커지는 문제점이 있어, 활물질이 충진되는 전극집전체와 분리막 사이의 간격에 제한이 있었으나, 본 발명에 따르면 전극활물질을 지속적으로 공급할 수 있으므로, 이러한 제한 없이 사용 목적이나 사용되는 활물질, 전해질 등에 따라 자유롭게 설계 변경할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 유로의 폭과 높이는 수십 ㎛에서 수㎜ 크기로 사용될 수 있다.
상기 전해질유로의 폭도 마찬가지로 전해질이 지속적으로 공급될 수 있으므로, 흐름전극장치의 크기로 인한 제한없이 적절하게 설계변경할 수 있다.
다만, 충방전 효율을 높이기 위하여 전해질과 활물질의 속도를 달리하거나, 활물질유로의 폭과 전해질유로의 폭의 비에 제한을 둘 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양극분리막이 미세공 절연 분리막이거나 양이온교환(전도)막이고, 상기 음극분리막이 미세공 절연 분리막이거나 음이온교환(전도)막일 수 있다.
상기 양극분리막 및 상기 음극분리막은 전기물리적 분리를 위해 설치되는 것으로 미세공 절연 분리막(separator)은 이온 이동만이 가능하고, 상기 이온교환(전도)막은 양이온(cation) 또는 음이온(anion)만을 선택적으로 이동시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 양극활물질 또는 음극활물질이 전해질과 혼합된 슬러리상의 활물질이다.
이하, 도면을 참조로 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 흐름전극장치의 개략도이다. 도 1에 의하면 양극집전체(11), 양극분리막(13) 및 양극집전체(11)와 양극분리막(13) 사이에 형성된 양극유로(14)를 흐르는 양극활물질(12)로 이루어지는 흐름 양극(10); 음극집전체(21), 음극분리막(23) 및 음극집전체(21)와 음극분리막(23) 사이에 형성된 음극유로(24)를 흐르는 음극활물질(22)로 이루어지는 흐름 음극(20); 및 양극분리막(13)과 음극분리막(23) 사이에 형성된 전해질유로(34)를 흐르는 전해질(30)로 구성된다.
상기 흐름전극장치는 단위셀로서 2개 이상 연속해서 설치되어 사용될 수 있으며, 전극물질과 전해질을 동시에 연속적으로 유동화시킬 수 있다.
도 2를 참조로 하면 전극물질을 마이크로캡슐화하여 전해질과 전극물질의 접촉면적을 증대시킬 수 있다. 구체적으로 두 전극활물질과 전해질 흐름통로 사이에 양이온 분리막(주로 전해질 액체의 유통을 막고 양이온만 선택적으로 통과시키는 치밀막 dense막)과 음이온 분리막(음이온만 선택적으로 통과 치밀막)을 사용한다. 그러나 각각의 선택적 이온막으로 캡슐화된 전극활물질(도2)을 사용하면, 양극사이에 이온전도 치밀막들을 사용할 필요가 없고, 이온만이 아닌 전해질 유통이 가능한 미세공 절연분리막을 사용하면 전해질과 각각의 캡슐화된 전극활물질 입자와의 접촉면적이 증대된다.
마이크로캡슐 전극은 중심이 되는 코어와 바깥을 둘러싸는 셀로 구성되며 셀 물질은 전해질에 존재하는 이온을 교환시킬 수 있는 특성을 갖고 있다. 일 실시예에 따르면, 셀 물질은 양이온을 교환할 수 있는 술폰산기(SO3 －), 카르복실기(COO－), 인산기(PO4 －) 등이 존재하는 고분자 막과 음이온을 교환할 수 있는 1,2,3,4급 암모늄기가 붙어있는 고분자 막을 사용할 수 있다. 마이크로캡슐은 고상법 또는 액상법으로 만들 수 있으며, 특히 액상법에는 코어/셀 구조는 계면활성제를 이용하는 에멀전법, 셀로 사용되는 물질을 단량체에서 중합하여 제조하는 중합법, 코어와 셀을 개별적으로 혹은 동시에 분사하거나 압출시켜 제조하는 방법으로 마이크로캡슐 전극을 만들 수 있다. 마이크로캡슐화된 전극은 개별 알갱이가 하나 혹은 수개가 뭉쳐서 셀이 둘러싸게 되므로 전체 알갱이가 뭉쳐 한개 벌크화된 전극보다 단위 무게당 혹은 부피당 차지하는 전극 면적이 크다는 장점이 있다.
다음으로 도 3을 참조로 하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치(100)은, 단위셀인 흐름전극장치(1); 상기 양극활물질(12)에 전해질(30)을 혼합하여 슬러리상으로 제조한 양극활물질을 공급하는 양극활물질 공급탱크(2a)와 공급펌프(41); 상기 음극활물질(22)에 전해질(30)을 혼합하여 슬러리상으로 제조한 음극활물질을 공급하는 음극활물질 공급탱크(2b)와 공급펌프(42); 상기 전해질(30)을 공급하는 전해질 공급탱크(5)와 공급펌프(43); 상기 흐름전극장치(1)로 직류전원을 공급하는 전원공급장치(7); 상기 전원공급장치(7)로부터 발생한 전위차를 조절하는 절환스위치(9); 전위가 인가된 흐름전극장치(1)를 통과하면서 이온흡착(충전)된 양극활물질이 저장되는 양이온저장탱크(3); 이온흡착(충전)된 음극활물질이 저장되는 음이온저장탱크(4); 탈이온화된 전해질저장탱크(6)로 구성된다.
상기 에너지 저장 장치(100)의 작용은 다음과 같다.
흐름전극장치(1)에 직류전원 공급장치(7)로부터 발생한 전위차, 예를 들어 0.5~2.0v 범위의 전위차를 절환스위치(9)를 통해 인가하면서, 슬러리상의 양극활물질(12), 음극활물질(22) 및 전해질(30)을 동시에 흐름전극장치(1)에 연속적으로 통과시킨다.
상기 양극활물질(12) 및 음극활물질(22)은 사전에 전해질(30)과 혼합되어 양극활물질 공급탱크(2a), 음극활물질 공급탱크(2b) 및 전해질 공급탱크(5)로부터 공급펌프(41, 42, 43)에 의해 흐름전극장치(1)에 공급된다. 이때 사용되는 양극활물질(12) 및 음극활물질(22)이 동일한 경우 공급탱크(2a, 2b)로 각각 설치할 필요없이 하나의 공급탱크(2)만으로도 가능하다.
상기와 같이 양극활물질(12), 음극활물질(22) 및 전해질(30)을 전위가 인가된 흐름전극장치(1)를 통과하도록 흘려보내면(실선방향), 통과하면서 이온흡착(충전)된 전극활물질(12,22)과 이온이 제거된 전해질(30)은 각각 저장탱크(3, 4, 6)에 저장된다. 일 실시예에 따르면, 상기 저장탱크는 전기적 절연상태의 저장용기인 것이 바람직하다.
종래 고정상 활물질 전극의 경우에는 전극활물질에 이온이 충전되면 더 이상의 충전이 불가능하므로, 대용량화를 위해서는 전극을 대면적화 하거나 여러 개의 전극을 스택화하여야 하므로, 장치 제조나 운전비용이 크게 증가하는 문제점이 있었으나, 본 발명에 의하면 활물질을 지속적으로 공급하고 이온흡착된 활물질은 따로 설치된 저장탱크에 저장할 수 있으므로, 손쉽게 대용량화가 가능하다. 또한, 흐름전극장치(1)를 필요에 따라 더 설치할 수 있어, 보다 용이하게 다양한 용량에 적합한 스케일업이 가능하다.
한편, 각각의 저장탱크에 저장된 전극활물질에 이온흡착(충전)된 전력을 출력하는 방법은 이온흡착(충전) 과정과는 반대로 직류전원공급장치(7)를 끄고, 절환스위치(9)를 변환하여 저항장치(8)에 연결함과 동시에 흐름전극장치(1)를 통해 저장탱크(3, 4, 6)에 저장된 양극활물질, 음극활물질, 전해질을 역으로 흘려보내면(점선방향) 흐름전극장치(1)를 통과하면서 이온탈착(방전)이 진행된다.
이때, 장시간 연속적으로 충전과 방전을 동시에 수행할 필요가 있는 경우 흐름전극장치(1)을 2 이상 추가하여 장치를 구성할 수 있다. 이중 일부는 충전장치로서, 나머지는 방전장치로서 사용될 수 있으며, 이 경우 양극활물질(12)과 음극활물질(22)의 저장탱크(3,4)를 따로 설치할 필요없이 추가되어 방전용 흐름전극장치(1)에서 이온탈착(방전)된 전극활물질들이 저장탱크를 거치지 않고 바로 공급탱크(2a, 2b)로 리사이클링된다.
특히, 따로 설치되는 방전용 흐름전극장치(1)는 전극물질의 오염방지와 역전위(polarity reverse) 인가에 의한 저장이온의 급속탈착 및 전해질 농축을 위해 이온전도 특성을 갖는 분리막으로 구성되거나 마이크로캡슐화된 전극물질을 사용한다.
본 발명에 따른 에너지 저장 장치(100)은 축전식 탈염 수처리 기술에 적용할 수 있다. 예를 들어 해수 또는 산업 폐수를 전해질 공급탱크(5)를 통해 전위차가 발생된 흐름전극장치(1)를 통과시키면, 탈염(탈이온화)되어 전해질 저장탱크(6)에 저장되므로, 해수의 담수화 및 산업 폐수의 정화가 이루어질 수 있다. 따라서, 기존의 증발법이나 역삼투압(RO)법에 비해 매우 낮은 에너지 비용만으로 수처리가 가능하며, 대용량화가 가능하다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예
1 (
NaCl
전해질에서 활성탄
분말슬러리의
유동화
탈염특성
)
미세유로 구조를 갖도록 직사각형의 양극 및 음극 집전체(SUS316. 95x52mm, 접촉면적 22.4cm2) 사이에 각각 양이온 교환막(-SO3 -) 및 음이온 교환막(R3N+-), 스페이서로 분리된 단위셀(흐름전극장치)을 제작하였다. 표2에서처럼 1,030에서 11,000㎲의 전기전도도(농도)를 갖는 수용성 NaCl 전해질을 마이크로 정량펌프(일본정밀화학(주), Minichemi Pump)로 분당 3-5cc 유량으로 단위셀을 통과시켰다.
이와 동시에 표 1의 세공특성을 갖고 약 95nm 평균입도로 미분쇄된 전극활물질, 즉 활성탄 분말을 동일 전해질과 표 2의 농도로 각각 혼합하여 분당 약 20-25cc의 슬러리상 유속으로 단위셀의 양극유로 및 음극유로를 전극물질부로 통과시키면서, 양극 및 음극의 두 집전체의 단자를 통해 약 1.2-1.5v의 DC 전위차를 인가시켰다. 이때 본 실험에서는 두 집전체를 통과하면서 이온흡착(충전)된 슬러리상의 전극활물질을 따로 저장하지 않고, 하나의 공급저장용기로 리사이클하면서 약 30분 단위로 집전체의 전류변화와 전해질의 농도(전기전도도) 변화를 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.
| BET 비표면적 | 평균 세공직경 | 총 세공부피 | 미세공 부피 | 평균입도 |
| (m2/g) | (Å) | (cc/g) | (cc/g) | (nm) |
| 3,263 | 21 | 1.71 | 1.1 | 95 |
| 인가 전압 |
측정전류 | 전해질 농도 | 활물질 농도 | ||
| (V) | (mA) | 공급액(㎲) | 투과액(㎲) | 초기(㎲) | 종료(㎲) |
| 1.5 | 30 | 1,030 | 643 | 135 | 324 |
| 1.2 | 50 | 3,290 | 2,230 | 324 | 887 |
| 1.2 | 90 | 11,000 | 7,700 | 887 | 2,762 |
표 2의 측정결과에 의하면, 기존의 고정상 전극이 시간에 따라 전극활물질이 포화흡착(충전)되면서 전류의 흐름이 급격히 떨어지는 것(예를 들어, 한국특허, 2002-0076629)과 달리 본 발명의 흐름 전극은 공급되는 전해질의 농도가 일정할 경우 일정한 전류흐름을 나타내고, 집전체를 투과한 전해질의 농도(전기전도도)가 주어진 공급액(전해질) 농도에 따라 약 30-40%정도 감소되면서 리사이클된 슬러리상 전극활물질의 농도가 증가하는 것으로 보아, 본 발명의 흐름 전극물질에 의한 전해질 이온의 연속적인 흡착저장이 가능함을 확인하였다. 따라서 본 발명은 전력저장 및 CDI탈염기술 분야에서 전극물질의 코팅량에 제한을 받았던 기존의 고정상 전극방식의 문제점을 용이하게 해결함으로써 대용량에 따른 고가의 장치비용 및 운전비용을 획기적으로 개선이 가능하다.
1: 흐름전극장치 2: 활물질 공급탱크
3: 양극활물질 저장탱크 4: 음극활물질 저장탱크
5: 전해질 공급탱크 6: 전해질 저장탱크
7: 전원공급장치 8: 저항장치
9: 절환스위치 41, 42, 43: 공급펌프
10: 흐름 양극 11: 양극집전체
12: 양극활물질 13: 양극분리막
14: 양극유로 20: 흐름 음극
21: 음극집전체 22: 음극활물질
23: 음극분리막 24: 음극유로
30: 전해질 34: 전해질유로
50: 캡슐막(이온막)
3: 양극활물질 저장탱크 4: 음극활물질 저장탱크
5: 전해질 공급탱크 6: 전해질 저장탱크
7: 전원공급장치 8: 저항장치
9: 절환스위치 41, 42, 43: 공급펌프
10: 흐름 양극 11: 양극집전체
12: 양극활물질 13: 양극분리막
14: 양극유로 20: 흐름 음극
21: 음극집전체 22: 음극활물질
23: 음극분리막 24: 음극유로
30: 전해질 34: 전해질유로
50: 캡슐막(이온막)
Claims (7)
- 양극유로 내로 흐르는 양극 활물질을 포함하는 흐름 양극과, 음극유로 내로 흐르는 음극 활물질을 포함하는 흐름 음극과, 상기 양극유로와 상기 음극유로 사이에 위치하는 전해질 유로를 흐르는 전해질을 포함하고, 상기 전해질과 상기 흐름 양극 사이, 및 상기 전해질과 상기 흐름 음극 사이에는 이온이 이동가능한 흐름전극장치;
상기 양극활물질, 상기 음극활물질 및 상기 전해질을 각각 공급하는 공급장치;
상기 흐름전극장치에 전력을 공급하는 전원공급장치;
상기 전원공급장치로부터 발생한 전위차를 조절하는 절환스위치; 및
상기 양극활물질, 상기 음극활물질 및 상기 전해질을 저장하는 저장탱크
를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제1항에 있어서,
상기 절환스위치에 연결된 저항장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제1항에 있어서,
상기 공급장치가 상기 양극활물질, 상기 음극활물질 및 상기 전해질을 각각 공급하는 공급탱크 및 공급펌프로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제3항에 있어서,
상기 양극활물질을 공급하는 양극활물질 공급탱크와 상기 음극활물질을 공급하는 음극활물질 공급탱크가 하나의 공급탱크인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제3항에 있어서,
상기 흐름전극장치가 2개 이상이되,
상기 흐름전극장치 중 일부는 충전 장치, 나머지는 방전장치로 사용되고,
상기 방전장치로부터 방전되어 흘러나온 양극활물질 및 음극활물질은 다시 상기 양극활물질 공급탱크 및 상기 음극활물질 공급탱크로 리사이클링되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제1항에 있어서,
상기 저장탱크가 전기적 절연상태의 저장용기인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제1항에 있어서, 상기 흐름전극장치가 2차전지 또는 전기이중층 캐패시터(EDLC: Electric Double Layer Capacitor)이고, 상기 전해질이 해수 또는 산업 폐수인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
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