KR101712408B1 - 침지형 역전기투석 발전 시스템 - Google Patents

침지형 역전기투석 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 침지형 역전기투석 발전 시스템에 관한 것으로, 그 목적은 역전기투석 발전 시스템에 해수 및 담수를 공급하는데 사용되는 펌프를 제거하고, 수중에 침지시킨 역전기투석조의 오픈셀로는 수압차를 이용하여 해수를 공급하고, 클로즈드 셀로는 위치에너지를 가진 담수를 외부에서 공급토록 구성하여 농도차를 이용하여 고효율로 전기를 발생시키는 침지형 역전기투석 발전 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 수중 해수에 침지되어 수압차에 의해 해수를 공급받는 역전기투석 발전장치와; 상기 역전기투석 발전장치에 위치에너지를 가진 담수를 공급하는 담수공급용 배관;을 포함하여 구성되어, 비동력방식으로 공급된 해수와 담수의 농도차를 이용하여 전기를 생산하도록 구성한 침지형 역전기투석 발전 시스템을 발명의 특징으로 한다.

Description

침지형 역전기투석 발전 시스템{Power generation system using submerged reverse electrodialysis}
본 발명은 침지형 역전기투석 발전 시스템에 관한 것으로, 역전기투석조를 바다에 침지시켜 해수와 담수를 펌프를 통해 공급하지 않고 해수는 수압차를 이용하고 담수는 위치에너지를 이용하여 수중에 침지된 역전기투석조에 공급하여 농도차에 의해 분리된 이온들이 전극상에서 전극수와의 반응에 의해 고효율로 전기를 발생시키는 고효율 발전시스템에 관한 것이다.
도 2는 종래의 한 실시예에 따른 역전기투석 발전 시스템을 보인 개략도인데, 도시된 바와 같은 RED(reverse electrodialysis, 역전기투석) 발전 시스템은 해수와 담수를 이용한 염분차로 발전하는 시스템으로서, 해수와 담수의 농도차로 인해 이온이 이온교환막(양이온교환막과 음이온교환막)을 통해 이동하게 되고, 복수개의 이온교환막이 번갈아 배열된 stack의 양쪽 끝의 전극(양전극, 음전극)간의 전위차를 발생시키며, 전극상에서 산화환원반응을 통하여 전기에너지를 생성하는 장치이다. 이때 공급되는 담수와 해수 그리고 기수는 각각 펌프를 이용하여 공급하거나 배출토록 구성한다.
즉, 해수(염수)에 용해되어 있는 이온이 이온교환막을 통해 담수로 이동하면서 발생되는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 전환하는 발전방식으로 기존의 화력, 수력, 원자력과 같은 발전방식과 비교하여 에너지 손실이 적은 발전장치이다.
구체적으로, RED(reverse electrodialysis, 역전기투석) 발전을 위해서는 해수, 담수가 공급이 되어야 한다. RED 발전 시스템의 구성은 종래 ED(Electrodialysis, 전기투석) 시스템과 기본 시스템은 유사한데 차이점으로는 ED 시스템은 전기를 가해줘서 한쪽은 농도가 증가하고, 다른 한쪽은 농도가 낮아지는 탈염공정인 반면, RED 발전시스템은 염분차로 인해 전기가 생성되는 공정으로 구성된다는 것이 다르다. 특히 전극실에 Redox couple이 있다는 점이 다르다.
종래의 ED 시스템인 US4172779 특허에서는 해수와 담수에 유료를 형성하기 위한 스페이서를 장착하였고, 효율을 향상시키기 위해 한 개의 펌프로 직렬시스템으로 구성된다.
한편, 종래 RED 발전 시스템인 한국 특허 출원번호 10-2013-0114752호는 종래 RED시스템의 문제점인 고효율의 역전기투석 발전장치를 구현하는데 장애가 되는 총 발전량의 약 20~30% 정도를 차지하는 펌프의 사용량을 줄이고, 펌프 사용시 발생되는 압력 손실 등의 에너지 손실을 줄이기 위해 기존 역전기투석발전 장치에 적용된 순환형 전극 용액을 사용하는 방식 대신 순환 압력에 의해 발생되는 압력 손실 및 전극 용액 누수 등의 문제점을 방지하고, 복잡한 배관 설계 및 운영 등을 배제하여 고효율 역전기투석 발전시스템을 완성하도록 전극용액 비순환형 역전기투석 발전시스템이 개시되어 있다. 다만, 이 기술에서도 여전히 해수와 담수를 펌프로 공급하여 발전하는 시스템을 사용하고 있다는 구조적 한계가 있다.
상기에서 살펴본 바와 같은 종래 RED 발전 시스템은 해수와 담수를 공급하기 위해 펌프를 구성함으로써 총 발전량의 20 ~ 30%를 소모하여 전체 발전 효율이 떨어진다는 구조적 문제가 여전히 해소되지 못하고 있어서 고효율의 RED 시스템을 구현하기 위해 펌프의 전력 사용량을 최소화하여 에너지 손실을 줄일 수 있는 발전 기술의 개발이 필요한 실정이다.
한국 공개특허공보 공개번호 10-2015-0034544(2015.04.03) 한국 공개특허공보 공개번호 10-2015-0003060)(2015.01.08.) 한국 공개특허공보 공개번호 10-2015-0034544(2015.04.03) 한국 특허등록공보 등록번호 10-1394081(2014.05.07)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 역전기투석 발전 시스템에 해수 및 담수를 공급하는데 사용되는 펌프를 제거하고, 수중에 침지시킨 역전기투석조의 오픈셀로는 수압차를 이용하여 해수를 공급하고, 클로즈드 셀로는 위치에너지를 가진 담수를 외부에서 공급토록 구성하여 농도차를 이용하여 고효율로 전기를 발생시키는 침지형 역전기투석 발전 시스템을 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 수중 해수에 침지되어 수압차에 의해 해수를 공급받는 역전기투석 발전장치와;
상기 역전기투석 발전장치에 위치에너지를 가진 담수를 공급하는 담수공급용 배관;을 포함하여 구성되어, 비동력방식으로 공급된 해수와 담수의 농도차를 이용하여 전기를 생산하도록 구성한 것을 특징으로 하는 침지형 역전기투석 발전 시스템을 제공함으로써 달성된다.
바람직한 실시예로, 상기 역전기투석 발전장치의 상단 또는 하단에 설치되어 해수의 유동을 제공하는 수중팬을 더 포함하여 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 역전기투석 발전장치는, 전자의 산화반응이 일어나는 산화극이 구비된 양극셀과; 전자의 환원반응이 일어나는 환원극이 구비된 음극셀과; 상기 산화극과 환원극 사이에 번갈아 설치된 양이온교환막과 음이온교환막 간의 유로 공간에 형성되어 수압차에 의해 해수를 공급받는 오픈 셀 및 담수공급용 배관을 통해 위치에너지를 가진 담수를 공급받는 클로즈드 셀과; 상기 양극셀과 음극셀간을 전극수 순환 배관으로 연결하여 전극수를 순환시킴으로써 전극수 농도 저하를 방지하는 수중펌프;를 포함하여 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 오픈 셀은 상부와 하부가 개방된 구조로 이루어지고 내부에는 복수개로 이루어진 플레이트 또는 메쉬 또는 다공성 폼으로 구성된 스페이서를 설치하여 양이온교환막과 음이온교환막을 지지토록 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 클로즈드 셀은 상부와 하부가 막힌 구조로 이루어져 상부로는 담수공급용 배관이 연통되고, 하부로는 기수배관이 연통되게 구성되고, 내부에는 복수개로 이루어진 플레이트 또는 메쉬 또는 다공성 폼으로 구성된 스페이서를 설치하여 양이온교환막과 음이온교환막을 지지토록 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 산화극 또는 환원극은 금속전극 또는 백금 또는 루테늄 또는 이리듐 또는 티타늄이 코팅된 티타늄전극 또는 티타늄 합금 또는 카본 전극 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 산화극 또는 환원극 구조는 금속플레이트 또는 금속폼 또는 금속메쉬 또는 직조 형태의 금속 와이어 전극 또는 카본 클로스, 카본 펠트 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 양극셀과 음극셀과 인접한 이온교환막은 양이온교환막 또는 음이온교환막이 될 수 있다. 더욱 바람직하게는 일가선택성막을 사용할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 전극수는 Fe(CN)6 3-/4- 또는 Fe3+/2+를 사용할 수 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명은 역전기투석조를 바다에 침지시켜 해수는 수압차를 이용하여 공급하고 담수는 수중이 아닌 외부에서 위치에너지를 이용하여 역전기투석조에 공급토록 하여 해수와 담수간의 농도차에 의해 분리된 이온들이 전극상에서 전극수와의 반응에 의해 전기를 발생시키도록 구성함으로써 종래 역전기투석 발전시 해수와 담수를 공급하는 펌프가 총 발전양 20 ~ 30%를 소모하는 문제점을 해결하여 고효율로 전기를 생산할 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 역전기투석 발전 시스템을 보인 개략도이고,
도 2는 종래의 한 실시예에 따른 역전기투석 발전 시스템을 보인 개략도이다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 역전기투석 발전 시스템을 보인 개략도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 역전기투석 발전 시스템은 종래와 달리 해수 또는 담수를 펌프를 이용하지 않고 담수는 위치에너지를 이용하여 공급하고 해수는 수압차를 이용하여 비동력 방식으로 공급하도록 구성하였다. 이하 본 발명에서 '해수'는 '염수'를 말하는 것이고, 담수는 지상의 하천이나 지하수 등을 말하는 것이고, 기수는 해수보다 농도가 낮은 용액을 말한다. 미국 지질 조사소에서 염의 농도에 따라 수질을 분류한 기준으로 설명하면 해수는 염의 농도가 35,000 mg/L 이상을 가지는 용액이고, '기수'는 염 농도가 1,000 ~ 10,000 mg/L 인 용액이고, '담수'는 염 농도가 0 ~ 1,000 mg/L를 가진 용액을 뜻한다.
본 발명은 수중 해수에 역전기투석 발전장치(1)를 침지시키고, 이와 높이차가 있어서 위치에너지를 가지는 육지의 담수를 담수공급용 배관(2)을 통해 높은 곳에서 수중의 역전기투석장치까지 연결하여 위치에너지 가진 담수가 비동력방식으로 자연적으로 공급하도록 구성하였다. 이때 담수가 공급되는 역전기투석 발전장치의 셀, 즉 양이온교환막과 음이온교환막간의 유로공간은 클로즈드 셀(Closed cell, 101) 형태로 구성하여 해수의 유입을 방지하도록 구성하고 담수공급용 배관이 직접 관통하여 공급하도록 구성하였다. 이때 클로즈드 셀을 복수로 구성시는 담수공급용 배관을 메인관에서 필요한 만큼 분지관을 늘려 형성하면 된다.
또한 해수는 수압차를 이용하여 비동력 방식으로 수중에 침지된 역전기투석 발전장치(1)의 오픈 셀(Open cell, 102)로 공급하도록 구성하였다. 오픈 셀은 상부와 하부가 개방된 구조로 수중의 수압차에 의해 해수가 유입된 후 배출되도록 구성하였다. 이때 해수가 유입되는 오픈 셀로 해수의 수압차에 의한 자연대류를 통해서 원활한 이온의 이동이 쉽지 않을 수 있기 때문에 역전기투석 발전장치 상단 또는 하단에 수중팬(3)을 설치하면 해수의 유동이 원활하도록 구성할 수 있다. 수중팬의 구조는 미도시되었지만 지상의 전원공급장치에서 연결되는 전원공급선이 연결되어 전원이 공급되도록 구성하였고, 그 위치에 따라 고정 지지하는 지지구조가 설치됨은 물론이다.
또한, 수중팬을 구동하기 위한 전원은 역전기투석 발전장치에서 생성되는 전력을 이용하도록 구성될 수도 있다. 이러한 구성에 의하면 수중에서 지상까지 별도의 전원공급선이 없어도 수중팬을 가동할 수 있는 장점을 가진다.
상기 역전기투석 발전장치(1)의 기본 구조는 전자의 산화반응이 일어나는 산화극(양전극, Anode, 103)과, 전자의 환원반응이 일어나는 환원극(음전극, Cathode, 104)이 구비된다. 이때 산화극과 양이온교환막 사이에는 전극수가 흐르는 공간인 양극셀(105)이 형성되고, 환원극과 양이온교환막 사이에는 전극수가 흐르는 공간인 음극셀(106)이 형성된다.
상기 산화극과 환원극 재질은 동일한 재질로 구성하되, 금속전극 또는 백금 또는 루테늄 또는 이리듐 또는 티타늄이 코팅된 티타늄전극 또는 티타늄 합금 또는 카본 전극 중에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 산화극 또는 환원극 구조는 금속플레이트 또는 금속폼 또는 금속메쉬 또는 직조 형태의 금속 와이어 전극 또는 카본 클로스, 카본 펠트 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용한다.
상기 양극셀과 음극셀에 공급되는 전극수는 레독스-커플용액(redox-couple solution)인 Fe(CN)6 3-/4- 또는 Fe3+/2+를 사용하여 순환하도록 구성한다. 이때 닫힌계인 양극셀과 음극셀에서 전극수의 농도가 감소하는 것을 막기 위해 산화극(양전극)과 환원극(음전극)의 전극수가 서로 순환되도록 전극수 순환 배관(107)을 연결하고 수중펌프(108)를 사용하여 폐회로상에서 전극수를 순환 공급하도록 구성한다.
또한 해수로의 통전을 막기 위해서, 상기 양극셀과 음극셀이 형성된 스택(stack) 말단과 수중이 아닌 외부(예, 지상 또는 수면 위)에 설치된 전력사용처 또는 전력저장장치(Electric loader, 4)와 연결된 전력공급선(109) 부위에는 에폭시 코팅하여 수밀처리를 하는 것이 바람직하다.
상기 수중에 침지된 역전기투석 발전장치의 산화극과 환원극 사이에는 교대로 양이온교환막과 음이온교환막이 번갈아 배열되게 구성하는데, 양이온교환막과 음이온교환막이 번갈아 배열된 횟수가 많은 스택(Stack) 구조를 취할수록 산화극과 환원극간에 보다 많이 증폭된 전위차를 가지게 된다.
상기 양이온교환막과 음이온교환막간의 유로 공간인 셀(Cell)에는 서로 다른 농도를 가지는 유체인 해수 또는 담수가 각각 공급되어 농도차에 의해 양이온교환막 또는 음이온교환막을 통해 양이온 또는 음이온이 각각 이동하게 되는데 간극을 좁게 형성할수록 저항이 적어지므로 발전 효율이 높아지게 된다.
상기 양극셀과 음극셀과 인접한 이온교환막의 이온 선택도가 높을수록, 발전효율이 증가하게 되는데 이를 위해 양극셀과 음극셀이 인접한 이온교환막을 일가선택성막으로 사용할 수 있다. 소재는 한정하지 않지만, 바람직한 이온교환막은 5 μm내지 500 μm 두께로 구성한다.
또한 상기 해수가 유입되는 오픈 셀 및 담수가 유입되는 클로즈드 셀의 내부공간에는 스페이서(110) 또는 다공성폼을 설치하여 양이온교환막과 음이온교환막을 견고히 지지하도록 구성한다. 이와 같은 구성이 필요한 이유는 얇은 두께를 가지는 양이온교환막과 음이온교환막으로 구성할수록 산화극과 환원극에서의 발전 효율이 높아지게 되는데, 얇은 두께를 가지는 양이온교환막과 음이온교환막을 견고히 지지하지 않으면, 유입되는 해수 또는 담수에 의해 흔들리면서 물리적 영향을 받아 막이 찢어져 전체적인 발전 효율이 저하되기 때문이다.
이를 방지하기 위해 본 발명에서는 유로 형태를 갖는 복수개로 배열되고, 표면이 천공된 스페이서로 구성하거나 다공성 폼 재질로 스페이서를 구성하여 지지 역할을 하면서 담수 또는 해수가 원활히 공급되게 구성하고, 농도차에 의해 분리된 양이온 또는 음이온의 이동도 원활하게 구성하였다.
바람직한 셀 간격은 100 um 내지 10 mm, 플레이트 개수는 3개 내지 1000개, 플레이트 두께는 100 um 내지 10 mm, 다공성 폼의 두께는 100 um 내지 10 mm로 구성한다. 다공성 폼의 다공도는 30% 내지 95%까지 구성한다. 하지만 이와 같은 수치로만 본 발명이 한정되지는 않는다.
한편, 상기 오픈 셀의 상부를 통해 공급된 해수는 자연배수가 되는 구조로 구성되고, 상기 클로즈드 셀의 상부를 통해 공급된 해수 또는 담수는 각 셀의 하부에 설치된 기수(Brackish water) 배관(111)을 통해 수중으로 배출되게 구성함으로써 새로운 해수 또는 담수가 유입되게 하는 것이 바람직하다.
(1) : 역전기투석 발전장치 (2) : 담수공급용 배관
(3) : 수중팬 (4) : 전력저장장치
(101) : 클로즈드 셀 (102) : 오픈 셀
(103) : 산화극 (104) : 환원극
(105) : 양극셀 (106) : 음극셀
(107) : 전극수 순환 배관 (108) : 수중펌프
(109) : 전력공급선 (110) : 스페이서
(111) : 기수배관

Claims (10)

  1. 수중 해수에 침지되어 수압차에 의해 해수를 공급받는 역전기투석 발전장치와;
    상기 역전기투석 발전장치에 위치에너지를 가진 담수를 공급하는 담수공급용 배관;을 포함하여 구성되어, 비동력방식으로 공급된 해수와 담수의 농도차를 이용하여 전기를 생산하도록 구성한 것을 특징으로 하는 침지형 역전기투석 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 역전기투석 발전장치는, 전자의 산화반응이 일어나는 산화극이 구비된 양극셀과; 전자의 환원반응이 일어나는 환원극이 구비된 음극셀과; 상기 산화극과 환원극 사이에 번갈아 설치된 양이온교환막과 음이온교환막 간의 유로 공간에 형성되어 수압차에 의해 해수를 공급받는 오픈 셀 및 담수공급용 배관을 통해 위치에너지를 가진 담수를 공급받는 클로즈드 셀;을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 침지형 역전기투석 발전 시스템.
  4. 청구항 3항에 있어서,
    상기 역전기투석 발전장치는, 상기 양극셀과 음극셀간을 전극수 순환 배관으로 연결하여 전극수를 순환시킴으로써 전극수 농도 저하를 방지하는 수중펌프;를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 침지형 역전기투석 발전 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 오픈 셀은 상부와 하부가 개방된 구조로 이루어지고 내부에는 복수개로 이루어진 플레이트 또는 메쉬 또는 다공성 폼으로 구성된 스페이서를 설치하여 양이온교환막과 음이온교환막을 지지토록 구성한 것을 특징으로 하는 침지형 역전기투석 발전 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 클로즈드 셀은 상부와 하부가 막힌 구조로 이루어져 상부로는 담수공급용 배관이 연통되고, 하부로는 기수배관이 연통되게 구성되고, 내부에는 복수개로 이루어진 플레이트 또는 메쉬 또는 다공성 폼으로 구성된 스페이서를 설치하여 양이온교환막과 음이온교환막을 지지토록 구성한 것을 특징으로 하는 침지형 역전기투석 발전 시스템.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 산화극 또는 환원극은 동일 재질의 금속전극 또는 백금 또는 루테늄 또는 이리듐 또는 티타늄이 코팅된 티타늄전극 또는 티타늄 합금 또는 카본 전극 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 침지형 역전기투석 발전 시스템.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 산화극 또는 환원극 구조는 금속플레이트 또는 금속폼 또는 금속메쉬 또는 직조 형태의 금속 와이어 전극 또는 카본 클로스, 카본 펠트 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 침지형 역전기투석 발전 시스템.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 양극셀과 음극셀과 인접한 이온교환막은 일가선택성인 양이온교환막, 음이온교환막을 사용하는 것을 특징으로 하는 침지형 역전기투석 발전 시스템.
  10. 청구항 4에 있어서,
    상기 전극수는 Fe(CN)6 3-/4- 또는 Fe3+/2+를 사용하는 것을 특징으로 하는 침지형 역전기투석 발전 시스템.

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