KR101394081B1

KR101394081B1 - 고효율 역전기투석 발전장치

Info

Publication number: KR101394081B1
Application number: KR1020130050876A
Authority: KR
Inventors: 김태환; 박종수; 양현경; 김찬수; 곽성조; 박철호; 신평호; 김한기
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2013-05-06
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2014-05-15

Abstract

본 발명은 전극과 이온교환막 사이에 스페이서를 설치하여 발전 효율을 증대시킬 수 있는 고효율 역전기투석 발전장치에 관한 것으로, 스페이서에 의해 염수와 담수 그리고 전극세정용액이 이동시 난류유동이 가능하여 분리막에서 이온과의 접촉량을 늘려 이온이동이 활발하게 이루어지는 것에 의해 발전량을 증대시킬 수 있다. 특히, 전극측에 설치되는 스페이서에 Pt를 코팅하여 종래의 귀금속전극을 Ti전극으로 대체할 수 있다.

Description

고효율 역전기투석 발전장치{Improved reverse electrodialysis electric generating device}

본 발명은 고효율 역전기투석 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극과 이온교환막 사이에 스페이서를 설치하여 발전 효율을 증대시킬 수 있는 고효율 역전기투석 발전장치에 관한 것이다.

경제 발전과 인구 증가에 따른 에너지 소비량은 지속적으로 증가하고, 매장된 석유 자원은 상대적으로 고갈(苦渴) 됨에 따라 유가 상승을 유발시키는 현실에서 신재생에너지의 필요성은 절대적이다. 그 중에서도 현재까지 미미하게 이용되는 해양에너지(Blue Energy)를 통한 발전 가능성의 현실화는 절대적으로 필요한 시점이라 할 것이다.

수력발전은 발전소를 건설할 수 있는 장소적 제약이 크고 발전소 건설비용이 막대한 문제점이 있다. 그리고, 이에 따른 전력생산량도 미비하여, 국소단위의 전기공급은 가능하지만 국가 전체적인 안정적인 전기공급에는 한계가 있다.

풍력발전 역시 건설할 수 있는 장소적 제약이 클 뿐만 아니라, 바람의 세기가 시간에 따라 변화하기 때문에 일정한 세기의 전력을 생산하는 것이 어려운 문제점이 있다. 또한, 수력발전과 마찬가지로 전력생산량도 미비하여, 국소단위의 전기공급은 가능하지만 국가 전체적인 안정적인 전기공급에는 한계가 있다.

그리고, 태양열발전은 발전을 위해서는 거대한 공간을 필요로 할 뿐만, 아니라 발전량도 적고 날씨에 따라 발전효율이 크게 달라서 보조적인 전력공급원에 지나지 않는다는 문제점이 있다.

이에 비해 RED 장치는 기후와 시간에 제약을 받지않는 전천후 발전장치로서, 친환경적이며 발전의 영속성을 유지할 수 있는 장점이 있다.

지구 표면적의 71%를 차지하는 해수(海水)로부터 얻을 수 있는 해양에너지는 조력(潮力), 파력(波力), 해양온도차 발전 등을 제외하고라도, 해양 염분차 발전을 통해 1톤당 획득 에너지 량은 1.7MJ이나, 전체 해수량으로 볼 때 발전량은 2.6TW로서 본 기술의 경제적 및 산업적 파급효과는 너무나 크다. 따라서, RED장치의 전력생산효율의 향상이 요구된다.

WO2011/0050473

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 전극과 이온교환막 사이에 스페이서를 설치하여 발전 효율을 증대시킬 수 있는 고효율 역전기투석 발전장치를 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 양전극을 가지고 전극세정용액이 이동하는 산화유로; 상기 양전극과 마주보도록 배치되는 음전극을 가지고, 전극세정용액이 이동하는 환원유로; 및 상기 산화유로와 상기 환원유로 사이에 배치되고, 상기 산화유로에 근접한 방향으로 배치되고 담수가 흐르는 담수유로 및 상기 담수유로와 음이온 교환막으로 분리되는 염수가 흐르는 염수유로를 가지며, 양단부에 배치되는 양이온 교환막으로 구분되는 하나 이상의 농도차유로쌍;을 포함하고, 상기 산화유로와 상기 환원유로의 전극세정용액은 폐루프를 이루도록 순환되며, 상기 전극세정용액의 양이온과 상기 염수의 양이온은 동일하고, 상기 염수유로 및 상기 담수유로에는 망체인 유로스페이서가 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 유로스페이서는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 이루어질 수 있다.

또, 상기 산화유로와 상기 환원유로에는 전극스페이서가 배치되는 것도 가능하다.

이 때, 상기 전극스페이서는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 이루어질 수 있다. 또, 상기 전극스페이서에는 Pt, Au, Ag, Ir, Ru, Ir/Ru등이 코팅될 수 있다.

본 발명을 통하여, 스페이서에 의해 염수와 담수 그리고 전극세정용액이 이동시 난류유동이 가능하여 분리막에서 이온과의 접촉량을 늘려 이온이동이 활발하게 이루어지는 것에 의해 발전량을 증대시킬 수 있다.

또, Pt, Au, Ag, Ir, Ru, Ir/Ru합금 등 고가의 양전극 및 음전극를 사용하지 않아도 PP(polypropylene), PE(polyethylene)의 망체에 백금을 코팅한 전극스페이서를 사용는 것에 의해 고가의 금속 기반의 양전극 및 음전극과 같은 효과를 얻을 수 있다.

따라서, 평시에 여유에너지로 염수를 농축하여 농축염수를 저장하고, 전력사용량이 피크시에 본 발명을 사용하여 농축염수와 담수의 농도차에 의한 발전을 통해 피크부하를 경감시킬 수 있는 전력저장장치로 활용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐순환 흐름전극을 이용한 농도차 발전장치의 개략적인 구성도이다.
도 2a 내지 도 2d는 스퍼터링을 이용하여 폴리프로필렌 망체에 백금을 코팅한 전극스크린의 SEM사진이다.
도 3은 Ti전극만 사용한 경우, Pt/Au/Ti 전극과 백금이 코팅된 전극스페이서를 사용한 경우, Ti 전극과 백금이 코팅된 전극스페이서를 사용한 경우의 발전량을 비교한 그래프이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

일반적으로, '염수’라 칭함은 염의 농도가 해수의 염(salt) 농도인 35,000 ㎎/L 이상을 가지는 용액이며,‘기수’라고 칭함은 염 농도가 1,000∼10,000 ㎎/L 정도를 가진 용액이며, ‘담수’라 칭함은 염 농도가 0∼1,000㎎/L를 가진 용액을 뜻한다. 이는 미국 지질조사소에서 염의 농도에 따라 수질을 분류한 것이다.

다만, 본 발명에서는 발전을 위해 공급되는 염이 포함된 용액을 염수라 하고, 발전을 위해 염이 없거나 공급되는 염수에 비해 농도가 상대적으로 적은 용액을 담수라 하며, 공급되는 염수와 담수가 이온의 이동으로 전기를 발생기키고 배출되는 용액을 기수라 칭하며, 따라서 기수는 이온의 농도가 염수보다 작고 담수보다 크게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 역전기투석 발전장치(100)의 개략도이다.

상기 농도차 발전장치(200)는 양전극(202)를 가지고 전극세정용액이 이동하는 산화유로(216)와, 상기 산화유로(216)과 이격되어 마주보도록 배치되고 음전극(204)을 가지며 전극세정용액이 이동하는 환원유로(226)과, 상기 산화유로(216)과 상기 환원유로(226) 사이에 배치되는 농도차유로쌍을 포함하여 이루어진다.

상기 산화유로(216)과 상기 환원유로(226)은 전극세정용액이 지나가는 폐루프를 이룬다. 따라서, 상기 산화유로(216)과 상기 환원유로(226) 사이에는 전극세정용액의 순환을 위한 펌프 등의 순환장치가 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 상기 농도차유로쌍은 2개를 가지고 있다. 따라서, 상기 농도차발전장치(200)의 내부에는 양극집전체(202)와 음극집전체(204) 사이에 순차적으로 양이온 교환막(206,210,214)과 음이온 교환막(208,212)이 교대로 배치되고, 좌측부터 산화전극(216), 담수유로(218), 염수유로(220), 담수유로(222), 염수유로(224), 환원전극(226)이 순차적으로 배치된다.

상기 2개의 담수유로(218,222)에는 담수가 각각 공급되고, 각각의 담수유로(218,222)를 통과한 기수는 각각 배출된다. 상기 2개의 염수유로(220,224)에는 염수가 각각 공급되고, 각각의 염수유로(220,224)를 통과한 기수는 각각 배출된다. 즉, 상기 담수유로(218,222)와 상기 염수유로(220,224)는 각각 병렬로 배치된다.

상기 담수유로(218,222)와 상기 염수유로(220,224)는 직렬로 배치되는 것도 가능하다.

상기 담수유로(218,222)와 상기 염수유로(220,224)에는 유로스페이서(244,246,248,250)이 설치되고, 상기 산화유로(216), 상기 환원유로(226)에는 전극스페이서(240,242)가 설치될 수 있다.

상기 유로스페이서(244,246,248,250)와 상기 전극스페이서(240,242)는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 이루어진 망체로 구성될 수 있다.

특히, 상기 전극스페이서(240,242)는 Pt이 코팅될 수 있다. 코팅방법은 스퍼터링을 사용할 수 있으며, 그 밖의 다른 공지의 코팅기술을 사용할 수 있다. 도 2는 스퍼터링을 이용하여 폴리프로필렌 망체에 백금을 코팅한 전극스크린의 SEM사진이다.

상기 전극세정용액은 상기 염수유로(220,224)에 흐르는 염수와 동일한 양이온을 가지며, 본 발명의 실시예에서는 나트륨이온(Na⁺)를 사용한다. 이러한, 전극세정용액은 나트륨이온의 출입에 따른 전자의 잉여량 또는 부족량은 Fe²⁺와 Fe³⁺ 사이의 전환으로 보충하게 되고, 이 때 발생되는 전위차에 의해 상기 양전극(202)와 상기 음전극(204) 사이에 전류가 흐르게 된다.

[반응식 1]

Fe²⁺= Fe³⁺+ e^-

이와 같은 전극세정용액으로는 페로시안화물(Fe(CN)₆)과 NaCl의 혼합용액을 사용할 수 있다. 그리고, 상기 염수에는 음이온으로써 염소이온(Cl^-)이 포함된다.

본 발명의 실시예에 따른 고효율 역전기투석 발전장치(100)는 상술한 바와 같이 구성된다. 이하, 상기 농도차 발전장치(100)의 작동원리에 대하여 설명한다.

염분차로 얻을 수 있는 이론적인 에너지량을 Veerman(J. Veerman et.al., Reverse electrodialysis: Performance of a stack with 50 cells on the mixing of sea and river water, J. Membr. Sci. 327(2009) 136-144)이 제시한 방법으로 구하면 표 1과 같다.

V_R(㎥)	V_S(㎥)	V_R/V_S	G(J)
∞	1	∞	∞
10	1	10	6.1
2	1	2	2.8
1	1	1	1.76
1.26	0.74	1.72	1.87
1	2	0.5	2.06
1	10	0.1	2.43
1	∞	0	2.55

표 1에서 깁스자유에너지(Gibbs free energy)(G)는 298K에서 해수(염농도: 30kg NaCl/㎥)와 담수(염농도: 0kg NaCl/m3)의 농도차에서 얻을 수 있는 값이며, 여기서, V_R는 담수량(river volume)이고, V_s는 해수량(See water volume)이다. 본 발명에 의하면 이러한 염분차로 얻을 수 있는 에너지를 전기에너지로 얻을 수 있게 된다.

에노드(anode) 전극인 산화유로(218)과 케소드(cathode) 전극인 환원유로(226)의 사이에, 순차적으로 배치되는 담수유로(218,222)와 염수유로(220,224)에서 도 1과 같은 이온의 이동이 일어난다. 즉, 양이온 교환막(Cation Exchange membrane)(206,210,214)을 통해서는 Na⁺와 같은 양이온이 이동하고, 음이온 교환막(Anion Exchange membrane)(208,212)에서는 Cl^-와 같은 음이온이 이동하게 된다. 따라서, 상기 산화유로(216)의 양이온은 담수유로(218)로 이동하고, 염수유로(224)의 양이온이 환원유로(226)로 이동하게 된다. 또한, 염수유로(220,224)과 상기 담수유로(218,222)에서도 위와 같은 방향으로 이온이 이동하게 된다. 결과적으로, 염(salt)의 농도가 높은 해수부분에서 염의 농도가 낮은 담수부분으로 이온이 이동하면서 양이온은 오른쪽 케소드(Cathode)전극 방향으로 향하며, 이와 반대로 음이온은 왼쪽 에노드 (Anode) 전극방향으로 향하게 된다. 이를 통해 이온전류(Ion current)가 오른쪽 에서 왼쪽으로 흐르게 되면, 산화유로(112)에서는 산화반응이 일어나면서 전해질로부터 전자를 얻게되고 환원유로(118)에서는 환원반응이 일어나면서 전해질로 전자를 주게된다. 이때 전자는 외부 도선을 따라 흐르게 되므로 전류를 발생시키는 것이다.

그리고, 상기 산화유로(216)과 상기 환원유로(226)을 폐순환하는 전극세정액(Electrode rinse solution)은 상기 양전극(202)와 상기 음전극(204)에 발생하는 파울링을 제거하는 역할과 동시에 산화 및 환원반응을 촉진시키는 역할을 한다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 상기 산화유로(216)과 상기 환원유로(226)과 농도차유로쌍의 배치에 의해, 단위 부피당 이온의 농도를 증가시켜서 이온의 포텐셜을 높일 수 있으며, 이 결과 이온 전류의 증가를 유발할 수 있다. 즉, 이온전류가 발생하면 이는 곧, 전하이동을 뜻하므로 전류의 증가를 뜻하는 것으로 볼 수 있다.

다시 말해, 염수와 담수를 투입시킬 경우, 염수가 가지고 있는 양이온 및 음이온들은 이온교환막을 통해 담수 부분으로 투과되면서, 농도 구배가 생긴다. 이때 양이온은 에노드(Anode) 전극방향으로 그리고 음이온은 케소드(Cathode) 전극방향으로 이끌리게 되면서 이온전류(Ion current)를 형성하게 되고, 이를 통해 양 전극부분에서는 산화환원 반응을 통해 전자의 이동, 즉 전류(electron current)를 발생시키게 된다.

[시험예]

도 1과 같은 역전기투석 발전장치(100)를 구성하고 다음과 같은 3가지 실험군을 형성하였다.

실험군1은 양전극(202)과 음전극(202)으로 Ti전극만 사용하고 전극스페이서는 사용하지 않았다.

실험군2는 양전극(202)과 음전극(202)으로 Ti전극만 사용하고 Pt가 코팅된 전극스페이서(240,242)를 사용하였다.

실험군3은 양전극(202)과 음전극(202)으로 Pt/Au/Ti 전극을 사용하고, Pt가 코팅된 전극스페이서(240,242)를 사용하였다.

이 시험 결과를 도 3에 도시하였다.

실험군1 대비 실험군2는 13.75배의 출력향상이 있었다. 그리고, 실험군2 대비 실험군3은 5%의 출력향상이 있었다.

따라서, 고가의 백금전극을 사용하지 않고 백금이 코팅된 전극스페이서를 사용하여도 백금전극을 사용하는 것에 버금가는 출력을 낼 수 있음을 확인할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

200: 역전기투석 발전장치 202: 양전극
204: 음전극 206,210,214: 양이온 교환막
208,212 : 음이온 교환막 216: 산화유로
218,222: 담수유로 220,224: 염수유로
226: 환원유로
240,242: 전극스페이서 244,246,248,250: 유로스페이서

Claims

양전극을 가지고 전극세정용액이 이동하는 산화유로;
상기 양전극과 마주보도록 배치되는 음전극을 가지고, 전극세정용액이 이동하는 환원유로; 및
상기 산화유로와 상기 환원유로 사이에 배치되고, 상기 산화유로에 근접한 방향으로 배치되고 담수가 흐르는 담수유로 및 상기 담수유로와 음이온 교환막으로 분리되는 염수가 흐르는 염수유로를 가지며, 양단부에 배치되는 양이온 교환막으로 구분되는 하나 이상의 농도차유로쌍;을 포함하고,
상기 산화유로와 상기 환원유로의 전극세정용액은 폐루프를 이루도록 순환되며,
상기 전극세정용액의 양이온과 상기 염수의 양이온은 동일하고,
상기 염수유로 및 상기 담수유로에는 망체인 유로스페이서가 배치되는 것을 특징으로 하는 고효율 역전기투석 발전장치.
제1항에 있어서, 상기 유로스페이서는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고효율 역전기투석 발전장치.
양전극을 가지고 전극세정용액이 이동하는 산화유로;
상기 양전극과 마주보도록 배치되는 음전극을 가지고, 전극세정용액이 이동하는 환원유로; 및
상기 산화유로와 상기 환원유로 사이에 배치되고, 상기 산화유로에 근접한 방향으로 배치되고 담수가 흐르는 담수유로 및 상기 담수유로와 음이온 교환막으로 분리되는 염수가 흐르는 염수유로를 가지며, 양단부에 배치되는 양이온 교환막으로 구분되는 하나 이상의 농도차유로쌍;을 포함하고,
상기 산화유로와 상기 환원유로의 전극세정용액은 폐루프를 이루도록 순환되며,
상기 전극세정용액의 양이온과 상기 염수의 양이온은 동일하고,
상기 산화유로와 상기 환원유로에는 전극스페이서가 배치되는 것을 특징으로 하는 고효율 역전기투석 발전장치.
제3항에 있어서, 상기 전극스페이서는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고효율 역전기투석 발전장치.
제3항에 있어서, 상기 전극스페이서에는 Pt, Au, Ag, Ir, Ru, Ir/Ru가 코팅되는 것을 특징으로 하는 폐순환 흐름전극을 이용한 농도차 발전장치.