KR101766926B1 - 다른 이온 농도를 갖는 용액을 이용해서 전기 에너지를 생산하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

부하에 흐르는 전류의 형태로, 전기적 에너지를 생산하기 위한 장치 및 방법. 상기 방법은 에너지 원으로서 다른 이온 농도를 갖는 2가지 용액을 이용한다. 상기 장치는 셀의 포함된 용액에 적어도 부분적으로 침지된 적어도 2개의 전극을 포함한다. 방법은 다수의 상태를 포함한다. 그 중에서, 전극이 제1용액과 접촉하는 상태; 전기적으로 충전되는 상태; 제2용액과 접촉하는 상태; 축적된 전하의 적어도 일부가 부하를 통해 흐르게 하는 상태;가 있다. 부하에 제공된 에너지는 전극을 충전하는데 이용된 에너지 이상이다.

Description

다른 이온 농도를 갖는 용액을 이용해서 전기 에너지를 생산하기 위한 장치 및 방법{Device and method for producing electrical energy that uses solutions with different ionic concentration}
본 발명은, 다른 이온 농도를 갖는 용액을 이용해서 전기 에너지를 생산하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 이러한 장치는, 예컨대 강이나 호수로부터 오는 신선한 물(fresh water)과, 바다로부터의 염수(salt water) 사이, 또는 바다로부터의 염수와, 증발된 못에 의해 얻어진 고-염분-농도수(high-salt-concentration water) 사이의 염도 차이(salinity difference)를 이용하는 것에 의해 전기적 전류를 생산하기 위해 이용되어질 수 있다.
염도 차이, 또는 염도 증감(salinity gradient)을 이용하는 관심은, 1970년대로 돌아가고, 이 에너지 원이 크게 유용하고, 저렴하며, 무공해임과 더불어 재생 가능하다는 사실에 있다.
개발된 주요 용액은 "PRO(Pressure Retarded Osmosis)", "RED(Reverse Electro-Dialysis)" 및 "VP(Vapor Pressure)"로 불리워진다.
3가지 방법은 신선한 물(fresh water)의 1m3/s의 흐름을 갖는 MW 등급의 전력 발생에 도달할 수 있다.
PRO 장치는, 염수로부터 신선한 물을 분리하는, 반투과성막(semipermeable membrane)을 기초로 한다. 삼투압(osmotic pressure)은, 수두(hydraulic head)의 약 250m에 대응하는, 약 24atm이다. 최종 삼투 흐름은 드라이브 및 엔진, 가능하게는 터빈에 이용되고, 차례로 교류발전기(alternator) 또는 발전기(dynamo)를 구동한다. 이러한 종류의 장치의 문제는 고압에 견디는, 높은 투과성을 갖는 반투성막의 상당한 양이 필요하다는 것이다. 이러한 막은 비교적 고가이고, 그들의 성능은, 부착물(fouling)에 기인하여, 급속하게 감소한다.
또한, RED 장치는 막(membranes)을 기초로 한다. 이 경우, 그들은 선택적 막이고, 포지티브 또는 네가티브 이온에 대해 투과성이 있는 바; 교대로 된 막(alternated membranes)이 적층되고, 다른 염도를 갖는 물이 그들을 통해 흐름을 만든다.
이온의 선택적 통과(selective passing)는, 전극을 통한 전기적 전류로 변환되는, 전위차를 발생시킨다. RED 장치를 위한 막은 심지어 PRO를 위한 막 보다 더 고가이고, 부유 재료(materials in suspension)에 대해 동일하게 민감하다.
막의 이용을 회피하기 위해, 염수와 신선한 물의 증기압(vapor pressure) 차를 기초로 VP 장치가 마지막으로 개발되었다. 압력 차이는 터빈을 구동하는데 이용되고, 이는 번갈아 교류발전기 또는 발전기를 구동시킨다. 압력에서의 작은 차이는 이러한 시스템을 개발함에 있어 주요 걸림돌이다.
이동 부분(moving parts)을 요구하는 PRO 및 VP 시스템은 큰 공장을 위해 더욱 적절하고, 반면 작거나 가정 설비를 위해서는 RED가 가장 장래성이 있다. 상당한 관심에도 불구하고, 이들 기술의 비용은 여전히 높고, 그들은 여전히 널리 보급되지 않고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 예컨대 막이 필요하지 않고, 교류발전기 또는 발전기와 같은, 기계적 동작을 전기로 변환하는 메카니즘도 아닌, 알려진 기술의 결점을 극복하는, 다른 이온 농도를 갖는 용액(solutions)을 이용해서, 전기를 생성하기 위한 장치를 실현하는 것에 있다. 더욱이 본 발명의 다른 목적은, 이용된 이온 용액(used ionic solution)의 주어진 양에 대해, 전력의 높은 값을 달성할 수 있는 장치를 실현하는데 있다.
본 발명에 따르면, 이들 목표는 청구항 제1항에 언급된 바와 같은, 다른 이온 농도를 갖는 용액을 이용하는 전기적 에너지 발생기를 실현하는 것에 의해 달성된다. 본 발명의 부가적 특징은 뒤따르는 청구항들에서 언급된다.
또한 본 발명은 상기에서 설명된 바와 같은 장치를 이용해서 전기 에너지를 발생시키기 위한 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 장치에 대해 설명한 바와 같은 동일한 효과와 이점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 다른 이온 농도를 갖는 용액을 이용하는 것에 의해 전기를 발생시키기 위한 장치의 바림직한 구현예의 일반적 개략도이다.
도 2, 3 및 4는 용액이 어떻게 셀 내의 이온 농도를 변화시키기 위해 이용될 수 있는가를 나타내는, 수압 시스템(hydraulic system) 및 셀의 구현의, 설명은 하지만 제한되지 않는, 3가지 예의 도면이다.
도 5 및 6은 축측 및 직교 투사(axonometric and orthogonal projection)에서, 확대도에 있어서, 설명은 하지만 제한되지 않는, 셀 및 전극의 배열의 가능한 실현의 상세한 구조를 나타낸 것이다.
도 7은 전극을 충전 및 방전하는 책임이 있는, 설명은 하지만 제한되지 않는, 전기 시스템의 가능한 구현과 관련한 일반적 전기 구성을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 전체에 걸쳐 참조부호 10으로 지시된, 본 발명에 따른 다른 이온 농도를 갖는 용액을 이용해서 전기를 발생시키기 위한 장치의 실현과 관련하여, 바람직한 예가 도식적으로 도시되어 있다.
장치에 의해 이용된 에너지의 소스는 2가지 용액(14,16)의 이온 농도에 차이가 있고, 용액(14)은 용액(16) 보다 더 높은 이온 농도를 갖는다. 전형적인 응용에 있어서, 2가지 용액은 강으로부터의 신선한 물과 바다로부터의 염수, 또는 염수와 증발된 연못으로부터의 물이다.
셀(22)은, 이들 용액(14,16) 중 하나로부터 얻어진, 액체, 또는 그들의 혼합물을 함유한다. 방법은 셀(22) 또는 그 부분에서의 용액의 농도를 변경시키기 위해, 2가지 용액(14,16)을, 다른 시간에서 그리고 다른 비율로, 셀에 주입하는 것에 의해, 셀(22)에 함유된 액체가 그 성분이 변형된다는 사실에 의해 특징지워진다. 이 동작은, 셀(22)의 액체가 주로 용액(14)으로 구성된 "고농도 상태(high concentration phase)"와, 셀(22)의 액체가 주로 용액(16)으로 구성된 "저농도 상태(low concentration phase)"인, 적어도 2가지 상태를 얻는 것을 목표로 한다.
장치는, 적어도 부분적으로 셀(22)의 액체에 침지된(immersed), 적어도 2개의 전극(18,20)을 포함한다. "고농도 상태"의 부분에서, 전류는 전극(18,20) 사이에서 흐름을 만들고, 그에 따라 전기적으로 충전되고(충전 상태; charge phase): 캐패시터와 같이 작용한다. 전압이 산화 환원 반응(redox reactions)이 활성화되어 질 수 있는 값을 초과하지 않으면, 캐피시터는 그 충전을 계속 유지한다. 수용액(aqueous solution)의 경우, 전위차의 한계 값은 1V이다. 이러한 상태에서는, 에너지가 소모된다. 후에 "저농도 상태"를 시작할 때, 2개의 전극(18,20)에 의해 형성된 캐패시터의 등가 캐패시턴스는 감소한다. 그 축적된 전하는 감소되지 않으므로, 그 정전 에너지는 증가하고, 그리고 부하(12)를 통해 전극 사이에서 전류 흐름을 허용하는 것에 의해(방전 상태; discharge phase), 사용된다. 충전 상태 동안 소모된 에너지는 방전 상태 동안 추출된 에너지 이하이고, 따라서 효과적으로 시스템이 용액의 이온 농도의 차이로부터 도입되는 자유 에너지를 이용하는 것에 의해 에너지를 추출하게 된다.
에너지 절약의 관점에서, 이 에너지는 액체의 열 에너지의 희생으로 추출되는 바: 온도를 유지하기 위해, 액체는 열을 흡수한다. 열역학 제2법칙의 관점에서, 시스템은 이온 농도의 차이의 자유 에너지(free energy)를 이용하고: 실제적으로, 에너지의 추출 후, 초기 용액의 부분은 혼합되고, 그 엔트로피가 증가한다.
다공질(porous material)의 전극의 이용은 시스템의 캐패시턴스를 증가시키고 전극의 크기를 감소시키는 것을 허용한다. 특히, 슈퍼캐패시터(supercapacitors)를 만들기 위해 개발된, 활성화된 카본, 카본 에어로겔(carbon aerogels) 및 나노튜브(nanotubes)는 본 발명을 위해 유용하게 채택될 수 있다.
시스템은 셀(22)의 액체의 성분을 변화시키기 위한 책임이 있고, 셀 그 자체는 어떠한 방법으로 구현될 수 있는 바: 3가지 예가 도 2, 3, 4에 도시되어 있고; 3개의 도면은 설명은 하지만 한정하는 것은 아니다.
도 2에 있어서, 2개의 전극(18,20)은 셀(22)의 반대편 벽 상에 배열된다. 전극(18,20) 사이의 갭은, 2개의 펌프(24,26) 중 하나를 활성화시킴으로써, 용액(14 또는 16)으로 교대로 채워진다. 이는 펌프(24)가 활성화된 후, "고농도 상태"와, 펌프(26)가 활성화된 후, "저농도 상태" 사이에서 절환되도록 허용한다.
도 3에서 제안된 구조에서, 전극(18,20)이, 작은 거리로, 서로 평행하게 배치되고, 다공질로 구성된다. 셀(22)은 2개의 부분으로, 전극(18,20)의 쌍에 의해 분할되고, 분리를 구성한다. 이 경우, 펌프(24,26)는, 셀의 2 부분에서의 용액(14,16)을, 다른 스테이지에서, 흐르게 만든다. 펌프(24)가 활성화되고, 펌프(26)가 비활성화될 때, 용액(14)이 흐르고, 그리고 확산을 통해, 전체 셀을 가로지르는 농도가 증가하여, "고농도 상태"가 얻어진다. 계속해서, 펌프(24)가 비활성화되고 펌프(26)가 활성화된다. 확산을 통해 셀의 액체의 농도가 감소한다.
도 4에서 제안한 구조에서, 셀(22)은 2개의 분리 구획(two separate compartments)으로 구성되고, 각각은 용액(14,16) 중 하나를 함유한다. 전극(18,20)은 다른 다음 상태에서 하나의 구획으로부터 다른 구획으로 이동한다. 전극(18,20)이 용액(14)에 침지될 때, "고농도 상태"가 발생되고, 반면 용액(16)에 침지될 때, "저농도 상태"가 발생된다.
본 발명에 따라 전기를 발생시키도록 장치를 구현하기 위한 실제적 예에 따르면, 전극은 측면 10㎝, 1㎜ 두께를 갖는 그라파이트 정사각형 판(graphite square plates)으로 만들어진다. 이들 판 상에, 활성화된 카본으로 구성된, 0.1 ㎜ 두께 층이 퇴적된다. 이 퇴적은 활성화된 카본으로 만들어진 슈퍼캐패시터를 제조하기 위해 채택된 절차를 따름으로써 수행되어 질 수 있다. 이 층을 얻기 위한 절차의 진행의 예에 있어서, 활성화된 카본이 먼저 미크론(micron) 보다 더 작은 입자(grains)로 갈려지고; 이는 바인더(예컨대, PVDF; polyvinylidene fluoride)로서 작용하는 폴리머의 카본에 비교하여 5%의 양으로 혼합되고; 이는 폴리머의 완전한 분해(dissolution)를 얻기 위해 적절한 양으로 폴리머를 위한 적절한 솔벤트(예컨대, 디메틸아세트아미드 또는 N-메틸-2-피롤리돈)와 함께 혼합되고, 밀도(consistency)는 브러쉬를 위한 페인트(paint)의 그것과 동등하고; 마지막으로, 그와 같이 얻어진 부유물(suspension)이, 0.1㎜의 두께를 갖고서 건조에 대해 허용된, 그라파이트의 판의 일측 상에 퍼지게 된다.
단일 셀(도 5 및 6)이 1㎜의 거리에서, 평행하는, 판의 쌍을 조립하는 것에 의해 얻어지고, 따라서 활성화된 카본의 층이 판 사이의 갭 내에 있게 된다. 그들은 전극(18,20)을 구성한다. 이어 판의 2개의 대향하는 측이 가스킷(28)으로 밀봉되고, 나머지 2개의 측이, 도전성(conductivity)을 증가시키기 위해, 강으로부터의 신선한 물과 바다로부터 도입되는 염수로, 다음 상태(successive phases)에서 판 사이의 공간을 채우는 것을 허용하는, 또한 해수의 적은 양을 포함할 수 있는, 수압 시스템(hydraulic system)을 구성하는 덕트(30,32)에 연결된다.
2개의 구리 선이 외측에 위치하고, 각 판에 연결된다.
장치(10)를 이용하는 전기적 회로가 도 7에 도식적으로 나타나 있다. 전극(18,20)은 부하(12) 및 캐패시턴스 300F(슈퍼캐패시터)을 갖는 캐패시터(36)에 직렬로 연결된다. 부하(12)가 삽입된 회로는 스위치(38)에 의해 개방 또는 폐쇄된다. 회로가 개방될 때, 400mV를 공급하는, 전원공급기(34)는 그를 재충전하기 위해 캐패시터(36)에 연결된다.
방법은 4가지 상태로 구성된다:
1) 스위치(38)는 부하(12) 회로를 개방한다. 셀(22)은 염수로 채워진다. 캐패시터(36)는 전원공급기(34)에 의해 400mV까지 재충전된다.
2) 스위치(38)는 부하(12) 회로를 폐쇄한다. 전류는 부하(12)에 전원을 공급하는, 전극(18,20)을 통해 흐른다
3) 스위치(38)는 부하(12) 회로를 개방한다. 셀(22)은 신선한 물로 채워진다. 캐패시터(36)는 전원공급기(34)에 의해 전압 400mV까지 재충전된다.
4) 스위치(38)는 부하(12) 회로를 폐쇄한다. 전류는 부하(12)에 전원을 공급하는, 전극(18,20)을 통해 흐른다.
각 사이클에서, 약 20mJ의 에너지가 부하에 공급된다. 각 사이클을 위한 셀에서 순환되는 물은 10㎤이다. 누설 전류를 보상하기 위해, 얼마간의 에너지가 캐패시터(36)를 충전하기 위해 상태 1 및 3에서 소모되고(약 1mJ), 그리고 유체를 이동시키도록 상태 2 및 4에서 소모된다(약 1mJ). 이 에너지 소모는 부하에 공급된 에너지로부터 빼내어져야만 한다. 시스템은 요구된 전력을 달성하기 위해, 다수의 셀, 또는 더 큰 셀을 포함한다.
따라서, 상기 개략적으로 설명된 목적을 달성하는 본 발명에 따른 다른 이온 농도를 갖는 용액을 이용하는 것에 의해 전기를 발생시키기 위한 장치 및 방법이 도시되어 있다. 특히, 장치가 다른 농도에서 이온 용액을 이용하는 것에 의해 전기를 발생시킬 수 있음이 도시되어 있고; 알려진 기술과 대비하여, 이는 발전기 또는 교류발전기, 그리고 선택적 또는 이온-교환하는, 양쪽 반투과성 막의 이용을 회피하는 기회를 인식하는 것을 가능하게 하고; 이러한 특징은 비용 및 유지보수를 감소시키는 것을 허용한다. 더욱이, 이는 장치가 도입되는 용액의 질적 성분을 상당하게 변경시키지 않고, 이들이 혼합되는 것과 같이 농도를 단순히 변화시키며, 따라서 오염의 가장 복잡한 부재를 보증함을 주지할 수 있다.
본 발명의 다른 이온 농도를 갖는 용액을 이용해서 전기를 발생시키는 것으로 고려된 장치는 다양한 변형 및 변경의 모든 경우에서 여지가 있고, 모두 같은 발명 개념에 속하며; 더욱이, 모든 상세는 기술적으로 동일한 엘리먼트에 의해 대체가능하다. 실제로, 형상 및 크기는 기술적 요구에 따라 무엇이든지 될 수 있다.
따라서, 발명의 보호의 관점은 첨부된 청구항들에 의해 정의된다.

Claims (10)

  1. 용액(14,16)의 이온 농도의 차이로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 방법으로,
    - 더 높은 이온 농도를 갖춘 용액(14)과 더 낮은 이온 농도를 갖춘 용액(16) 중 하나 이상을 구비하는 액체를 함유하도록 구성되고, 부하(12)에 직렬로 연결되면서, 갭이 제공되는 도전성 재료로 만들어진 적어도 2개의 전극(18,20)을 구비하며, 전극이 상기 액체에 부분적으로 침지되는, 셀(22)과, 더 높은 이온 농도를 갖춘 용액과 더 낮은 이온 농도를 갖춘 용액으로 전극 사이의 갭을 교대로 채우도록 구성된 하나 이상의 펌프, 및 상기 전극을 전기적으로 충전 및 방전하기 위해 부하가 삽입된 회로를 개방하거나 폐쇄하는 스위치(38)를 제공하는 단계와;
    - 펌프에 의해 용액(14)이 셀(22)로 흐르고, 확산을 통해 적어도 2개의 전극이 적어도 부분적으로 침지되는 셀의 액체가 다른 용액(16) 보다 더 높은 이온 농도를 갖춘 용액(14)으로 구성되는 고농도 상태를 얻는 단계;
    - 고농도 상태에서 전극 사이에서 전류가 흐를 수 있도록 하여 전기적으로 충전되는 충전 상태로 되도록 하는 단계;
    - 펌프에 의해 다른 용액(16)이 셀(22)로 흐르고, 확산을 통해 적어도 2개의 전극이 적어도 부분적으로 침지되는 셀의 액체가 다른 용액(16)으로 구성되는 저농도 상태를 얻는 단계; 및
    - 저농도 상태에서 부하(12)를 통해 전극 사이에서 전류 흐름을 허용하여 전기적으로 방전되는 방전 상태로 되도록 하는 단계;를 갖추어 이루어지고,
    충전 상태 동안 소모된 에너지가 방전 상태 동안 추출된 에너지 보다 더 적음에 따라, 에너지가 용액의 이온 농도의 차이로부터 추출되는, 상기 방법은:
    1) 스위치를 개방하고 더 높은 이온 농도를 갖춘 용액으로 셀을 채우고;
    2) 스위치를 폐쇄하여 전류가 전극을 통해 흐르게 하고, 부하에 전원을 공급하며;
    3) 스위치를 개방하고 더 낮은 이농 농도를 갖춘 용액으로 셀을 채우고;
    4) 스위치를 폐쇄하여 전류가 전극을 통해 흐르게 하고, 부하에 전원을 공급하는; 4가지 상태를 갖추고, 전극이 상기 충전 상태의 적어도 일부 동안 침지되는 상기 액체의 이온 농도가 전극이 상기 방전 상태의 적어도 일부 동안 침지되는 상기 액체의 이온 농도 보다 더 높은 것을 특징으로 하는 용액의 이온 농도의 차이로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극이 고정되고, 상기 전극이 고정된 이후인 다음의 상태에서, 이온 농도 차이를 갖는 상기 용액 중 적어도 2가지 다른 이온 농도를 갖는 용액의 혼합물이 흐르게 하여 상기 전극과 접촉하게 하는 것을 특징으로 하는 용액의 이온 농도의 차이로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극이 하나의 구획으로부터 다른 구획으로 이동 가능하고, 상기 전극이 하나의 구획으로부터 다른 구획으로 이동된 이후인 다음의 상태에서, 전극이 상기 용액 중 다른 이온 농도를 갖는 용액에 침지되도록 이동하는 것을 특징으로 하는 용액의 이온 농도의 차이로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극 중 적어도 하나가 다공성 도전성 재료(porous conductive material)로 만들어지는 것을 특징으로 하는 용액의 이온 농도의 차이로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 용액 중 하나가 강으로부터 취해진 신선한 물에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 용액의 이온 농도의 차이로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 이용된 용액 중 하나가 바다로부터 취해진 염수에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 용액의 이온 농도의 차이로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    이용된 용액 중 하나가, 농도가 증발에 의해 증가되는, 염수에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 용액의 이온 농도의 차이로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 이용된 용액 중 하나가, 염수와 어떠한 비율로 혼합된, 신선한 물에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 용액의 이온 농도의 차이로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    전극이 충전을 유지하도록 전압이 산화 환원 반응(redox reactions)이 활성화되어 질 수 있는 값을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 용액의 이온 농도의 차이로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 방법.
  10. 삭제
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