KR101730643B1 - 전자생성을 최적화하는 고효율 역전기투석 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해수와 담수간의 염도차 에너지를 회수하는 역전기투석(REVERSE ELECTRODIALYSIS, RED) 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극용액을 양극과 음극사이에 순환시키지 않고 각각의 전극에 따로 흘려 줌으로써 전자의 산화환원반응을 최적화 시키고, 전력생산을 최적화 시킬 수 있는 역전기투석 발전시스템을 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 양극용액과 상기 음극용액은 서로 혼합하지 않고 각각 양극용액조와 음극용액조를 통해 순환하고, 상기 양극조와 상기 음극조의 pH 값에 따라 상기 양극셀과 상기 음극셀에 교대로 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

전자생성을 최적화하는 고효율 역전기투석 발전 시스템{HIGH EFFICIENCY REVERSE ELECTRODIALYSIS SYSTEM FOR OPTIMIZED ELECTRON GENERATION}

본 발명은 해수-담수 간의 염도차 에너지를 회수하는 역전기투석(REVERSE ELECTRODIALYSIS, RED) 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극용액을 양극과 음극 사이에 순환시키지 않고 각각의 전극에 따로 흘려 줌으로써 전자의 산화환원반응을 최적화시키고, 전력생산을 최적화시킬 수 있는 역전기투석 발전시스템에 관한 것이다.

경제 발전과 인구 증가에 따른 에너지 소비량은 지속적으로 증가하고, 매장된 석유 자원은 상대적으로 고갈됨에 따라 유가상승을 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 태양열 발전은 발전을 위해 거대한 공간이 필요할 뿐만 아니라 발전량도 적고 날씨에 따라 발전효율이 크게 달라서 보조적인 전력공급원에 지나지 않는다는 문제점이 있다.

이에 비해 RED 장치는 기후와 시간에 제약을 받지 않는 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 에너지량은 1.7MJ이나, 전체 해수량으로 볼 때 발전량은 2.6TW로서 본 기술의 경제적 및 산업적 파급효과는 너무나 크다.

이에 해수(염수) 및 담수를 이용한 발전 방식으로 압력지연삼투(Pressure retarded osmosis, PRO), 역전기투석(Reverse electrodialysis, RED), CDLE(Capacitive double layer expansion) 등의 다양한 방법이 제시되어 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 레독스 커플의 최적 조건을 맞추어 전자생성을 최적화함으로써 전력생산을 최적화하는 역전기투석 발전 시스템을 제공하고자 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, 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 양극용액과 상기 음극용액은 서로 혼합하지 않고 각각 양극용액조와 음극용액조를 통해 순환하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 역전기투석 발전시스템을 따르면 전극에서의 전자 생성을 최적화시킬 수 있으므로 전력생산을 최적화 시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 전극용액 순환형 역전기투석 발전시스템의 개략도이다.
도 2는 전극용액 속의 레독스 커플의 2가와 3가의 비율에 따른 전력밀도(Power density)를 보여주는 그래프이다.
도 3은 전극용액 속의 레독스 커플의 2가와 3가의 비율에 따른 개방회로전압(Open Circuit Voltage, OCV)을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 RED 장치의 개략도이다.

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.

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)은 염수와 담수의 염분 차이와 이온 교환막을 이용하여 Na+ 이온과 Cl- 이온을 분리하여 화학 퍼텐셜(chemical potential) 차이를 만들고 이를 레독스 커플(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(closed loop)(140a,140b)를 이루어 순환된다. 즉, 기존의 RED 시스템은 레독스 커플을 동시에 넣어서 에노드(Anode) 쪽에서는 산화를, 캐소드(Cathode) 쪽에서는 환원을 유도하여 전자를 주고 받는 폐루프(closed loop) 시스템으로 사용되고 있다.

즉, 전극용액이 에노드와 캐소드 사이를 순환하면서 전극용액 속의 레독스 커플은 양쪽 전극에서는 다음과 같은 산화반응과 환원 반응이 각각 일어난다.

[반응식 1]

(에노드,산화전극,양극): Fe^{2 +} → Fe^{3 +} + e^- (산화)

(캐소드,환원전극,음극): Fe^{3 +} + e^- → Fe^{2 +} (환원)

일반적으로 전극용액 속의 레독스 커플 Fe²⁺: Fe³⁺ 를 1 : 1로 섞은 것을 넣어 준다. 그러나 전극용액이 순환되면서 산화되어 발생하는 전자량과 환원되면서 필요한 전자량이 같지 않다. 이는 산화반응의 속도가 환원반응의 속도보다 빠르기 때문이다.

도 2는 전극용액 속의 레독스 커플의 2가와 3가의 비율에 따른 전력밀도(Power density)를 보여주는 그래프이다. 도 2에서, 2가와 3가의 비율에 따라서 출력량이 달라지는 것을 알 수 있으며, 상대적으로 산화가 될 수 있는 2가 이온의 양이 높을 때 출력이 높으며, 산화이온(2가) 대비 환원이온(3가)의 양이 늘어날수록 출력이 감소함을 보이고 있다. 특히 전극용액 속에 Fe²⁺와 Fe³⁺를 동일한 양을 넣어 주었을 때인 5번째 실험( Fe²⁺: Fe³⁺ = 1 : 1)의 경우 출력밀도가 제일 낮았다. 따라서 산화와 환원의 이온양 및 유량의 조절이 필요하고, 전력 발생을 최적화하기 위해서는 전극용액을 순환시키지 말고 각각 따로 흘려 보내주어야 할 것이다.

도 3은 전극용액 속의 레독스 커플의 2가와 3가의 비율에 따른 개방회로전압(Open Circuit Voltage, OCV)를 보여주는 그래프이다. 도 3을 참조하면 환원 전극 이온의 비율이 증가할수록 OCV가 증가함을 알 수 있으며, OCV의 증가는 상대적으로 전류의 량을 감소시키므로, 출력이 낮아지는 효과를 발생시킨다. 따라서 산화와 환원의 이온양 및 유량의 조절을 통하여 OCV의 조절 역시 가능할 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 RED 장치의 개략도이다. 도 4를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 의한 역전기투석 발전시스템(200)은 산화반응을 하여 전자를 공급하는 양극용액을 포함하는 양극셀(216)과, 환원반응을 하여 전자를 받는 음극용액을 포함하는 음극셀(226)과, 양극셀(216)과 음극셀(226) 사이에 교대로 설치되어 복수의 유로(218,220,222,224)를 형성하는 양이온 교환막(206,210,214) 및 음이온 교환막(208,212)을 구비하며, 복수의 유로에서는 염수(220,224)와 담수(218.222)가 교대로 흐른다. 양극용액과 음극용액은 양극셀(216)과 음극셀(226) 사이를 순환하지 않고 각각 따로 흐른다. 발전 원리는 도 1의 순환형 역전전기투석 발전 시스템과 같으나, 전극용액이 양극셀(216)과 음극셀(226) 사이를 순환하도록 하는 파이프나 순환 펌프가 설치되지 않는 것에 차이가 있다.

도 4를 참조하면 전극용액은 에노드와 캐소드를 순환하지 않고 각각 따로 흘려보내 준다. 산화가 진행되는 속도가 환원이 진행되는 속도보다 빠르므로, 레독스 커플을 따로 보관하여 에노드 쪽의 유랑과 캐소드 쪽의 유량을 조절하여 산화 환원의 균형을 최적화시키는 시스템이다.

에노드 쪽의 전극용액은 산화가 일어나게 되고 pH가 높아지게 되며, 캐소드 쪽의 전극용액은 환원이 일어나게 되므로 pH가 낮아지게 된다. 이때 각 전극용액의 pH가 일정 pH 만큼 변하게 되면 용액을 서로 교환하여 산화된 전극은 환원전극으로 환원된 전극은 산화전극으로 보내어 다시 재사용하여 지속적인 사용이 가능하다.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 발전 시스템은 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 양극용액과 상기 음극용액은 서로 혼합하지 않고 각각 양극용액조와 음극용액조를 통해 순환하고, 상기 양극조와 상기 음극조의 pH 값에 따라 상기 양극셀과 상기 음극셀에 교대로 연결될 수 있다.

여기서, 상기 양극용액의 유량 속도가 상기 음극용액의 유량 속도보다 더 커야 할 것이며, (양극용액의 유량 : 음극용액의 유량)은 (3 : 1)인 것이 바람직하다.

또한, 양극용액조의 pH가 일정 값 이상이거나 음극용액조의 pH가 일정 값 이하이면 양극용액조는 음극셀로 연결되고, 음극용액조는 양극셀로 연결될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 역전기투석 발전 시스템을 제어하는 방법으로서 상기 발전 시스템의 양극용액조와 상기 음극용액조의 pH를 센싱하는 단계와, 상기 양극용액조의 pH 값이 일정 수준 이상으로 증가하거나 상기 음극용액조의 pH 값이 일정 수준 이하로 감소하면 상기 양극용액의 유량과 상기 음극용액의 유량을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 양극용액의 유량대 상기 음극용액의 유량을 3 : 1로 유지하는 것이 바람직하고, 상기 양극용액조의 pH 값이 일정 수준 이상으로 증가하거나 상기 음극용액조의 pH 값이 일정 수준 이하로 감소하면 상기 양극용액조를 상기 음극셀에 연결하고 상기 음극용액조를 상기 양극셀에 연결할 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

Claims (7)

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 양극용액과 상기 음극용액은 각각 양극용액조와 음극용액조를 통해 순환하고,
   상기 양극용액조와 상기 음극용액조는 pH 값에 따라 상기 양극셀과 상기 음극셀에 교대로 연결되는 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 양극용액의 유량 속도가 상기 음극용액의 유량 속도보다 더 큰 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 양극용액의 유량 대 상기 음극용액의 유량은 3 : 1인 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 양극용액조의 pH가 일정 값 이상이거나 상기 음극용액조의 pH가 일정 값 이하이면 상기 양극용액조는 상기 음극셀로 연결되고, 상기 음극용액조는 상기 양극셀로 연결되는 것을 특징으로 하는 역전기투석 발전 시스템.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

Images