KR101723807B1 - 전극용액 비순환형 역전기투석 발전 시스템 및 제어방법 - Google Patents

전극용액 비순환형 역전기투석 발전 시스템 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극용액이 양극셀의 양극용액과 음극셀의 음극용액으로 분리되어 순환하지 않음으로써 순환형 전극용액을 사용하는 경우에 발생하는 전극용액이 염수 및 담수부로 유출되는 문제 등을 해결하여 전력생산효율을 극대화시킬수 있는 전극용액 비순환형 역전기투석 발전시스템 및 발전방법을 제공하고자 한다. 이를 위하여, 역전기투석 발전 시스템에 있어서, 산화반응을 하여 전자를 공급하는 양극용액을 포함하는 양극셀과, 환원반응을 하여 전자를 받는 음극용액을 포함하는 음극셀과, 상기 양극셀과 음극셀 사이에 교대로 설치되어 복수의 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 구비하며, 상기 복수의 유로에서는 염수와 담수가 교대로 흐르고, 상기 유로의 각각에서는 염수와 담수가 시간적으로 교대로 흐르는 것을 특징으로 한다.

Description

전극용액 비순환형 역전기투석 발전 시스템 및 제어방법{POWER GENERATION SYSTEM AND CONTROL METHOD USING NON-CIRCULATING REVERSE ELECTRODIALYSIS}
본 발명은 해수-담수 간의 염도차 에너지를 회수하는 역전기투석 발전시스템 및 발전방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극용액이 양극셀의 양극용액과 음극셀의 음극용액으로 분리되어 순환하지 않음으로써 순환형 전극용액을 사용하는 경우에 발생하는 전극용액이 염수 및 담수부로 유출되는 문제 등을 해결하여 전력생산효율을 극대화시킬 수 있는 전극용액 비순환형 역전기투석 발전시스템 및 발전방법에 관한 것이다.
염수 및 담수를 이용한 발전 방식은 PRO(Pressure retarded osmosis), 역전기투석(RED, Reverse electrodialysis), CDLE(Capacitive double layer expansion) 등의 다양한 방법이 제시되어있다. 이 중 RED 시스템은 양이온 및 음이온 교환막을 교차로 배열하고 염수와 담수를 이온교환막 사이로 번갈아가며 흐르게 하여 염수에 용해되어 있는 이온이 이온교환막을 통해 담수로 이동하면서 발생되는 화학적인 에너지를 전기적인 에너지로 전환하는 발전방식이다.
역전기투석 발전시스템(RED)은 일반적인 배터리와 마찬가지로 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 전환하므로 터빈 등을 사용하는 기존의 발전방식과 비교하여 에너지 수요발생시 대응 속도가 빠르고 공정 전환시 발생하는 에너지 손실을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
일반적으로 '염수'라 칭함은 염의 농도가 해수의 염(salt) 농도인 35,000 mg/L 이상을 가지는 용액이며, '기수'라 칭함은 염 농도가 1,000 ~ 10,000 mg/L 정도를 가진 용액이며, '담수'라 칭함은 염 농도가 0 ~ 1,000 mg/L를 가진 용액을 뜻한다. 이는 미국 지질 조사소에서 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 작은 용액을 담수라 하며, 공급되는 염수와 담수가 이온 이동으로 전기를 발생시키고 배출될 때의 용액을 기수라 칭한다. 따라서 기수의 농도는 염수의 농도보다 작고 담수의 농도보다 크게 된다.
도 1은 종래의 전극용액 순환형 역전기투석 발전장치의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 염분차 발전장치의 일종인 역전기투석 발전시스템(Reverse Electrodialysis,RED)는 염수와 담수의 염분 차이와 이온 교환막을 이용하여 Na+ 이온과 Cl- 이온을 분리하여 화학 퍼텐셜(chemical potential) 차이를 만들고 이를 산화환원쌍(redox couple) 물질을 이용하여 전기 퍼텐셜(electrical potential)로 변환하여 전기를 생산하는 장치이다.
도 1에서 보는 바와 같이 종래의 순환형 역전기투석 발전장치(100)에서는 담수 유로(118,122)와 염수 유로(120,124)로 구성되는 농도차 유로 쌍을 가지고 있으며, 각 유로의 양단부는 양이온 교환막(106,110,114)과 음이온 교환막(108,112)이 설치된다. 담수 유로(118,122)에는 담수가 공급되고, 이웃에 위치한 양극용액 유로(116)와 염수 유로(120,124)로부터 이온이 이동해 들어와 염분 농도가 높아진 기수가 되어 외부로 배출된다. 비슷한 방법으로 염수 유로(120,124)에는 염수가 공급되고, 염수 유로(120,124)로부터 담수 유로(118,122) 및 음극용액 유로(126)로 이온이 이동해 나가면서 염수는 염분 농도가 낮아진 기수가 되어 외부로 배출된다. 전극용액은 양이온의 출입에 따른 전자의 잉여량 또는 부족량을 Fe2 +와 Fe3 + 사이의 전환으로 보충하게 되고, 이때 발생되는 전위차에 의해 산화전극(102)과 환원전극(104) 사이에 전류가 흐르게 된다. 여기서 양극용액 유로(116)와 음극용액 유로(126)는 폐루프(loop)(140a,140b)를 이루어 순환된다. 따라서, 양극용액 유로(116)와 음극용액유로(126) 사이에는 전극용액의 순환을 위한 펌프 등의 순환 장치가 설치된다.
그러나, 고효율의 역전기투석 발전장치를 구현하기 위해서는 총 발전량의 약 20~30% 정도를 차지하는 펌프의 사용량을 줄이고, 펌프 사용시 발생되는 압력 손실 등의 에너지 손실을 줄일 필요가 있다. 특히 기존의 역전기투석발전 장치에 적용된 순환형 전극 용액을 사용하는 경우, 펌프에 의한 압력에 의해 전극 용액이 염수 및 담수부로 유출되고, 순환형 시스템을 위한 복잡한 배관 설계가 필요하고, 이를 유지하기 위한 운영 방식의 개발 및 고출력을 얻기 위한 고용량의 펌프가 필요하다는 문제점 등을 안고 있다.
1. 대한민국 등록특허 제10-1067422호(2011.09.27.자 공고)
이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 순환 압력에 의해 발생되는 압력 손실 및 전극 용액 누수 등의 문제점을 방지하고, 복잡한 배관 설계 및 운영 등을 배제하여 고효율 역전기투석 발전시스템을 완성하고 이를 소형화 할 수 있는 전극용액 비순환형 역전기투석 발전시스템 및 발전방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 역전기투석 발전 장치에 있어서, 역전기투석 발전 시스템에 있어서, 산화반응을 하여 전자를 공급하는 양극용액을 포함하는 양극셀과, 환원반응을 하여 전자를 받는 음극용액을 포함하는 음극셀과, 상기 양극셀과 음극셀 사이에 교대로 설치되어 복수의 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 구비하며, 상기 복수의 유로에서는 염수와 담수가 교대로 흐르고, 상기 유로의 각각에서는 염수와 담수가 시간적으로 교대로 흐르는 것을 일 특징으로 한다.
여기서, 상기 양극용액과 상기 음극용액은 산화환원쌍을 포함하고, 상기 산화환원쌍은 Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-, Fe2 +/Fe3 + 착화물 중 어느 하나이며, 상기 양극용액과 상기 음극용액은 높은 출력을 얻고 장시간의 운전이 가능하도록 상온에서 포화상태이고, 상기 양극용액과 상기 음극용액은 침전 문제가 있는 다가이온(Al3 +, Mg2 + 등)을 포함하지 않으며, 상기 산화전극과 환원전극은 극성 변화에 대응하기 위하여 동일한 재질로 형성되고, 상기 산화전극과 상기 환원전극은 그라파이트이고, 상기 산화전극과 상기 환원전극은 표면에 빈틈이 많은 다공성 구조가 형성되어 있고, 상기 산화전극과 상기 환원전극의 다공성 구조는 직조(weaving) 형태의 와이어, 금속 메시, 카본 클로스(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 산화반응을 하여 전자를 공급하는 양극용액을 포함하는 양극셀과, 환원반응을 하여 전자를 받는 음극용액을 포함하는 음극셀과, 상기 양극셀과 음극셀 사이에 교대로 설치되어 복수의 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 구비하고, 상기 복수의 유로에서는 염수와 담수가 교대로 흐르는 역전기투석 발전 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 발전 시스템의 출력을 센싱하는 단계와, 상기 센싱된 출력이 일정 수준 이하로 감소하면 염수가 흐르는 유로에는 담수를 공급하고, 담수가 흐르는 유로에는 염수를 공급하는 단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다. 여기서, 담수와 염수의 흐름방향은 서로 병류식이거나 향류식일 수 있다.
또한, 역전기투석 발전 시스템에 있어서, 전극용액을 포함하는 두 개의 전극셀과, 상기 두 개의 전극셀 사이에 교대로 설치되어 복수의 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 구비하며, 상기 복수의 유로에서는 염수와 담수가 교대로 흐르고, 상기 유로의 각각에서는 염수와 담수가 시간적으로 교대로 흐르는 것을 또다른 특징으로 한다.
본 발명의 전극용액 비순환형 역전기투석 발전시스템 및 발전방법에 따르면, 순환 압력에 의해 발생되는 압력 손실이 발생하지 않고, 전극 용액이 누수되지 않으며, 복잡한 배관 설계 및 운영 등을 배제하여 고효율 역전기투석 발전시스템을 완성하고, 이를 소형화 할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 전극용액 순환형 역전기투석 발전시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용액 비순환형 역전기투석 발전시스템의 개략도이다.
도 3은 염수 및 담수의 흐름에 따른 전극의 극성 변화를 나타내는 개략도이다.
도 4는 염수유로와 담수유로를 전환하여 반복적으로 전력밀도를 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 전극에 카본클로스(carbon cloth)를 사용하여 출력 밀도를 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 담수와 염수가 병류식일 때와 향류식일 때의 출력을 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 향류식에서의 염수와 담수의 흐름 방향을 나타내는 그림이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면들을 함께 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용액 비순환형 역전기투석 발전시스템의 개략도이다. 도 2를 참조하면 본 발명에 의한 전극용액 비순환형 역전기투석 발전시스템(200)은 산화반응을 하여 전자를 공급하는 양극용액을 포함하는 양극셀과(216), 환원반응을 하여 전자를 받는 음극용액을 포함하는 음극셀(226)과, 상기 양극셀과 음극셀 사이에 교대로 설치되어 복수의 유로(218,220,222,224)를 형성하는 양이온 교환막(206,210,214) 및 음이온 교환막(208,212)을 구비하며, 상기 복수의 유로에서는 염수(220,224)와 담수(218.222)가 교대로 흐르고, 상기 유로의 각각에서는 염수와 담수가 시간적으로 교대로 흐를 수 있다.
양극용액과 상기 음극용액은 상기 양극셀(216)과 상기 음극셀(226) 사이를 순환하지 않는 고정형인 것을 특징으로 한다. 발전원리는 도 1의 순환형 역전전기투석 발전 시스템과 같으나, 전극용액이 양극셀(216)과 음극셀(226) 사이를 순환하도록 하는 파이프나 순환 펌프가 설치되지 않는 것에 차이가 있다. 따라서, 총 발전량의 약 20~30% 정도를 차지하는 펌프의 사용량을 줄이고, 펌프 사용시 발생되는 압력 손실 등의 에너지 손실을 줄일 수 있다. 또한, 기존의 역전기투석발전 장치에 적용된 순환형 전극 용액을 사용하는 경우와 비교할 때 펌프에 의한 순환 압력이 없으므로 전극 용액이 염수유로 및 담수유로 유출되지 않고, 순환형 시스템을 위한 복잡한 배관 설계가 필요하지 않게 된다.
역전기투석 발전장치(RED)는 염수와 담수의 농도차에 의해 전위차를 얻고 이를 전기적 에너지로 전환하는 것이므로 산화환원 반응을 하는 전극용액의 역할이 중요하다. 양극용액과 음극용액은 산화환원쌍을 포함할 수 있다. 산화환원쌍은 Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-, Fe2 +/Fe3 + 착화물 중 어느 하나일 수 있다. 그리고, 양극용액과 음극용액은 높은 출력을 얻고 장시간의 운전이 가능하도록 상온에서 포화상태인 것이 바람직하다. 또한, 양극용액과 음극용액은 침전 문제가 있는 다가이온(Al3+, Mg2+ 등)을 포함하지 않는 것이 바람직하다.
<실험예 1>
실험예 1에서는 염수유로와 담수유로를 전환하는 운전을 반복하면서 전력 밀도를 측정하였다. 도 2를 참조하면, 실험예 1은 K3Fe(CN)6 및 K4Fe(CN)6 를 각각 음극 용액 및 양극 용액으로 사용한 상태에서 제 1 담수밸브(231a)와 제 1 염수밸브(232a)를 열어 염수와 담수를 공급하면서 전력밀도를 측정하다가, 제 1 담수밸브(231a)와 제 1 염수밸브(232a)를 잠그고 제 2 담수밸브(231b)와 제 2 염수밸브(232b)를 열어 담수와 염수의 공급을 반대로 하면서 전력 밀도를 측정하였다.
양극셀(216) 속의 양극용액에는 과포화된 K4Fe(CN)6 1.0 M이 녹아 있으며, 음극셀(226) 음극 용액에는 과포화된 K3Fe(CN)6 1.0 M 이 녹아있다. 그리고 염수 및 담수는 역전기투석발전시스템 내부를 병류 (co-current flow) 형태로 유입 및 유출되며 양극용액 및 음극용액과는 양이온 교환막(206,214)으로 분리되어 접촉하지 않는다. 따라서 양극용액 및 음극용액이 정체되어 있는 공간은 산화전극 및 환원전극과 인접하고 양이온 교환막(206,214)으로 분리된 공간 내부로 한정되며, 정체되어 있는 공간은 직조 형태의 스페이서를 통해 확보될 수 있다.
양극용액 및 음극용액은 염수 내 이온이 이온 교환막을 통해 선택적으로 이동하는 과정에서 발생되는 전기적 위치에너지를 이용하여 산화환원 반응을 하며, 이때 발생되는 전기화학적 에너지를 이용하여 산화전극(202)과 환원전극(204) 사이에 전류가 흐르게 된다.
[반응식 1]
(산화전극,양극) Fe(CN)6 4- → Fe(CN)6 3- + e-
(환원전극,음극) Fe(CN)6 3- + e- → Fe(CN)6 4-
반응식 1과 같은 전극반응은 전기화학적 안정성이 좋고 전자전달에 유리한 전극재의 표면에서 일어나게 되며, 대표적인 전극소재로써 그라파이트, Ru-Ir/Pt 등이 사용될 수 있다. 본 발명에서는 그라파이트를 산화전극 및 환원전극의 재료로 사용하였다.
본 발명에서는 역전기투석 시스템 내에 염수유로 및 담수유로의 위치에 따라 전극의 극성이 정해지게 되는데, 도 3은 염수 및 담수의 흐름에 따른 전극의 극성 변화를 나타내는 개략도이다. 염수와 담수가 동시에 유입되게 되면, 상대적으로 농도가 높은 염수유로 내 이온은 이온교환막을 통해 선택적으로 확산되어 담수유로로 이동한다. 이때 음이온 교환막을 따라 염수 내 음이온이 이동하는 방향에 위치한 전극은 극성을 산화전극(Anode) 갖게 되며, 양이온 교환막을 따라 염수 내 양이온이 이동하는 방향에 위치한 전극은 극성을 환원전극(Cathode)을 갖게 된다. 따라서 도 2에서의 제 1 담수밸브(231a)와 제 1 염수밸브(232a)의 개폐와 제 2 담수밸브(231b)와 제 2 염수밸브(232b)의 개폐에 따라 염수유로와 담수유로의 배치가 전환하게 되면 전극의 극성 역시 전환하게 된다.
실험예 1에서는 염수 및 담수의 유입유량을 각각 10 mL/min 으로 고정하여 실험하였으며, 실험 시작 직후 이온교환막 면적당 2 W/m2 이상의 출력을 얻을 수 있었다. 기존에 보고된 논문들에 비하여 낮은 염수유량 및 담수유량임에도 불구하고 양극용액과 음극용액을 분리하여 사용함으로써 전극용액의 혼합과정에서 희석되지 않고 고농도의 전극용액이 사용되었기 때문에 높은 출력을 얻을 수 있었다. 용해도가 높고 전기화학적 가역반응을 원활하게 수행하는 전극 용액을 선택할 경우 전기적 에너지는 더욱 크게 증가할 수 있다.
반응이 지속될수록 양극용액 및 음극용액 내에 반응에 참여하는 이온의 양이 감소하게 되며, 일정 수준에 도달하게 되면 출력 밀도가 경제성을 갖지 못하는 한계에 도달하게 된다. 실험예 1에서는 운전을 계속할 경우 양극용액에서는 Fe(CN)6 4- 가 감소하고 Fe(CN)6 3- 가 증가하며, 음극 용액에서는 Fe(CN)6 3-가 감소하고 Fe(CN)6 4- 가 증가한다. 따라서 반응에 참여하는 이온의 농도가 감소하게 되고 이에 따라 출력 밀도가 감소하게 되는 것이다. 이러한 경우 염수 및 담수의 공급을 전환하여 염수유로와 담수유로를 전환하여주면 자연히 양극과 음극의 극성이 서로 전환되며 출력을 회복할 수 있게 된다.
도 4는 염수유로와 담수유로를 전환하면서 전력밀도를 측정한 그래프이다. 도 4에서와 같이 비순환형 역전기투석 발전시스템은 운전 초기 높은 출력을 갖지만 점차 출력 밀도가 감소하게 되며, 염수와 담수의 유입구를 전환시키면 출력이 다시 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이때, 전환시키기 전과 비교하여 출력밀도가 감소하게 되는데, 이는 전극 표면에서 발생되는 농도 분극 현상 및 전극 용액의 용해도 등에 의한 현상 때문이다.
실험예 1과 같이 본 발명의 실시예에 따르면 전극의 극성이 바뀌기 때문에 산화전극과 환원전극은 극성 변화에 대응하기 위하여 동일한 재질로 형성되는 것이 바람직하고, 또한 부식에 강한 그라파이트로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 발전 시스템의 출력을 센싱하는 단계와, 상기 센싱된 출력이 일정 수준 이하로 감소하면 염수가 흐르는 유로에는 담수를 공급하고, 담수가 흐르는 유로에는 염수를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법이 가능하다.
<실험예 2>
실험예 2는 전극에 비표면적이 넓은 카본클로스(carbon cloth)를 사용한 비순환형 RED의 출력 밀도와 실험예 1에서 얻은 RED 출력 밀도를 비교하였다. 도 5는 그결과를 보여주는 그래프인데 카본클로스(carbon cloth)를 사용한 경우는 사용하지 않은 경우와 비교할 때 양극용액 및 음극용액이 정체되어 있는 공간을 3차원형태로 차지하게 된다. 따라서 전극용액과 전극간의 접촉이 더욱 용이하게 되어 초기 출력 밀도가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 시간이 지날수록 출력이 감소되는 현상을 지연시킬 수 있다. 또한 이러한 방법을 통해 실험예 1에서 문제점으로 제기된 농도 분극 등의 문제점을 효과적으로 개선할 수 있으며 염수 및 담수의 유입을 전환시켜 운전하는 경우에도 출력 밀도가 더욱 균질하게 회복될 수 있다.
이와 같이 전극용액과 전극의 반응 사이트를 넓게하기 위하여 산화전극과 환원전극은 표면에 빈틈이 많은 다공성 구조가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 다공성 구조는 직조(weaving) 형태의 와이어, 금속 메시, 카본 클로스(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt) 중 어느 하나일 수 있다.
<실험예 3>
실험예 3에서는 염수와 담수의 흐름 방향이 병류식(co-current flow)일 때와 향류식(counter flow)일 때의 출력을 비교하였다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 향류식에서의 염수와 담수의 흐름 방향을 나타내는 그림이다. 도 7에서 보는 바와 같이 염수와 담수의 흐름 방향은 반대이다.
실험예 3에서는 양극 용액으로 Fe(CN)6 4- 0.5M, 음극 용액으로 Fe(CN)6 3- 0.5M를 사용하여 전극 용액이 불포화된 상태에서 실험하였으며, 염수 및 담수의 유입 유량은 10 mL/min으로써 실험예 1, 실험예 2와 동일하게 하였다. 또한, 전극은 그라파이트 전극에 카본클로스(carbon cloth)를 사용한 다공성 전극을 사용하였다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 담수와 염수가 병류식일 때와 향류식일 때의 출력을 비교한 그래프이다. 도 6에서 보는 바와 같이 병류식 흐름의 경우 비순환형 RED에 사용된 이온 교환막의 면적을 기준으로 한 출력 밀도가 1.25 W/m2 이 나왔으나 항류식 흐름의 경우 2.36 W/m2 을 얻을 수 있었다. 따라서 향류식 흐름이 비순환형 RED의 운전에 더욱 바람직하다.
그러므로 본 발명의 역전기투석 발전시스템의 발전 방법에 있어서, 염수유로의 염수와 담수유로의 담수는 흐름 방향이 같은 병류식(co-current flow) 또는 흐름 방향이 반대인 향류식(counter-current flow)으로 공급될 수 있다. 또한, 역전기투석 발전시스템의 출력 밀도가 일정 수준 이하로 감소하면 상기 염수 유로에는 담수를 공급하고 상기 담수유로에는 염수를 공급하는 방식의 발전 방법을 사용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
100: 전극용액 순환형 역전기투석 발전 시스템
200: 전극용액 비순환형 역전기투석 발전 시스템
106, 110, 114, 206, 210, 214 : 양이온 교환막
108, 112, 208, 212 : 음이온 교환막
102, 202 : 산화전극 104, 204 : 환원전극
118, 122, 218, 222 : 담수 유로 120, 124, 220, 224 : 염수 유로
116 : 양극용액 유로 126 : 음극용액 유로
140a, 140b : 전극용액 순환 유로 216 : 양극셀
226 : 음극셀 231a : 제 1 담수밸브
231b : 제 2 담수밸브 232a : 제 1 염수밸브
232b : 제 2 염수밸브

Claims (17)

  1. 역전기투석 발전 시스템에 있어서,
    산화반응을 하여 전자를 공급하는 양극용액을 포함하는 양극셀과,
    환원반응을 하여 전자를 받는 음극용액을 포함하는 음극셀과,
    상기 양극셀과 음극셀 사이에 교대로 설치되어 복수의 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 구비하며,
    상기 복수의 유로에서는 염수와 담수가 교대로 흐르고,
    상기 발전 시스템의 출력이 미리 설정된 수준 이하로 감소하면 상기 유로의 각각에서 염수와 담수가 교대로 흐르는 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극용액과 상기 음극용액은 산화환원쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 산화환원쌍은 Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-, Fe2 +/Fe3 +착화물 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극용액과 상기 음극용액은 상온에서 포화상태인 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극용액과 상기 음극용액은 침전 문제가 있는 다가이온을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극셀과 상기 음극셀의 외측에 각각 형성되며 상기 양극셀로부터는 전자를 수용하고 상기 음극셀에게는 전자를 공급할 수 있는 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
  7. 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 6 항에 있어서,
    상기 전극은 동일한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
  8. 청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 7 항에 있어서,
    상기 전극은 그라파이트인 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 전극의 표면은 다공성 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
  10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 9 항에 있어서,
    상기 다공성 구조는 직조 형태의 와이어, 금속 메시, 카본 클로스, 카본 펠트 중 적어도 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
  11. 산화반응을 하여 전자를 공급하는 양극용액을 포함하는 양극셀과, 환원반응을 하여 전자를 받는 음극용액을 포함하는 음극셀과, 상기 양극셀과 음극셀 사이에 교대로 설치되어 복수의 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 구비하고, 상기 복수의 유로에서는 염수와 담수가 교대로 흐르는 역전기투석 발전 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 발전 시스템의 출력을 센싱하는 단계와,
    상기 센싱된 출력이 일정 수준 이하로 감소하면 염수가 흐르는 유로에는 담수를 공급하고, 담수가 흐르는 유로에는 염수를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 11 항에 있어서,
    상기 담수와 염수를 공급하는 단계는 담수와 염수의 흐름방향을 같은 방향으로 공급하거나 또는 반대방향으로 공급하는 것 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  13. 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    역전기투석 발전 시스템에 있어서,
    전극용액을 포함하는 두 개의 전극셀과,
    상기 두 개의 전극셀 사이에 교대로 설치되어 복수의 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 구비하며,
    상기 복수의 유로에서는 염수와 담수가 교대로 흐르고,
    상기 발전 시스템의 출력이 미리 설정된 수준 이하로 감소하면 상기 유로의 각각에서 염수와 담수가 교대로 흐르는 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
  14. 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 13 항에 있어서,
    상기 전극셀의 각각의 외측에 전자를 수용하거나 받을 수 있는 동일한 재질의 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
  15. 청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 14 항에 있어서,
    상기 전극은 그라파이트인 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
  16. 청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 15 항에 있어서,
    상기 전극의 표면은 다공성 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
  17. 청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 16 항에 있어서,
    상기 다공성 구조는 직조 형태의 와이어, 금속 메시, 카본 클로스, 카본 펠트 중 적어도 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180131013A (ko) 2017-05-31 2018-12-10 한국에너지기술연구원 연속운전이 가능한 침지형 역전기투석 발전장치
KR101958734B1 (ko) * 2017-11-16 2019-07-02 상명대학교 천안산학협력단 이온교환막 재생 시스템
US11502323B1 (en) 2022-05-09 2022-11-15 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell and methods of use thereof
US11502322B1 (en) 2022-05-09 2022-11-15 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell with heat pump
US11855324B1 (en) 2022-11-15 2023-12-26 Rahul S. Nana Reverse electrodialysis or pressure-retarded osmosis cell with heat pump

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101712408B1 (ko) 2015-05-28 2017-03-06 (주) 테크윈 침지형 역전기투석 발전 시스템
KR101863186B1 (ko) * 2015-09-18 2018-06-04 한국에너지기술연구원 고체염 역전기투석 장치
KR102041554B1 (ko) * 2017-05-12 2019-11-27 한국에너지기술연구원 효율적인 수소-전기 생산이 가능한 역전기 투석 장치를 이용한 하이브리드 발전 시스템 및 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션
KR101953387B1 (ko) * 2017-12-11 2019-05-23 한국에너지기술연구원 염도차 태양에너지 복합 발전 장치

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102066268B (zh) * 2008-06-24 2013-05-08 苏特沃克技术有限公司 用浓度差能使盐水脱盐的方法、装置和设备
KR101297930B1 (ko) * 2011-07-01 2013-08-19 홍익대학교부설과학기술연구소 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템
KR101067422B1 (ko) 2011-07-01 2011-09-27 한국기계연구원 염수-담수간의 염도차를 이용한 하이브리드 발전방법 및 이를 이용한 염수-담수간의 염도차를 이용한 하이브리드 발전시스템
NL2008538C2 (en) * 2012-03-26 2013-09-30 Stichting Wetsus Ct Excellence Sustainable Water Technology Energy generating system using capacitive electrodes and method there for.

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180131013A (ko) 2017-05-31 2018-12-10 한국에너지기술연구원 연속운전이 가능한 침지형 역전기투석 발전장치
KR101958734B1 (ko) * 2017-11-16 2019-07-02 상명대학교 천안산학협력단 이온교환막 재생 시스템
US11502323B1 (en) 2022-05-09 2022-11-15 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell and methods of use thereof
US11502322B1 (en) 2022-05-09 2022-11-15 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell with heat pump
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US11611099B1 (en) 2022-05-09 2023-03-21 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell and methods of use thereof
US11699803B1 (en) 2022-05-09 2023-07-11 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell with heat pump
US11855324B1 (en) 2022-11-15 2023-12-26 Rahul S. Nana Reverse electrodialysis or pressure-retarded osmosis cell with heat pump

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