KR101892692B1 - Hybrid power generation system using reverse electrodialysis device and fuel cell - Google Patents

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Abstract

하이브리드 발전 시스템은 역전기투석 장치 및 연료전지를 포함한다. 역전기투석 장치는 고농도 전해질 용액 유로와 저농도 전해질 용액 유로를 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어진 셀 스택과, 제1 물 유로를 사이에 두고 셀 스택의 일측에 배치된 애노드와, 제2 물 유로를 사이에 두고 셀 스택의 타측에 배치된 캐소드를 포함하며, 캐소드에서 물 분해 반응에 따른 수소가 발생한다. 연료전지는 역전기투석 장치로부터 수소를 공급받고, 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 전기 및 반응 부산물인 물을 생산한다.The hybrid power generation system includes a reverse electrodialysis device and a fuel cell. The reverse electrodialysis apparatus comprises a cell stack comprising a cation exchange membrane and an anion exchange membrane which alternately form a high-concentration electrolyte solution channel and a low-concentration electrolyte solution channel, an anode disposed on one side of the cell stack with a first water channel therebetween, And a cathode disposed on the other side of the cell stack with a flow path interposed therebetween, and hydrogen generated by the water decomposition reaction is generated at the cathode. The fuel cell receives hydrogen from the reverse electrodialysis device and produces electricity, which is electricity and reaction by-product, by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen.

Description

역전기투석 장치와 연료전지를 이용한 하이브리드 발전 시스템 {HYBRID POWER GENERATION SYSTEM USING REVERSE ELECTRODIALYSIS DEVICE AND FUEL CELL}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a hybrid electric power generation system using a reverse electrodialysis device and a fuel cell,

본 발명은 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 역전기투석 장치와 연료전지를 이용하여 전기를 생산하는 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hybrid power generation system, and more particularly, to a hybrid power generation system for producing electricity using a reverse electrodialysis device and a fuel cell.

역전기투석(reverse electrodialysis)은 해수와 담수의 염도 차이를 이용하여 전기를 생산하는 기술로서, 전기를 공급하여 전해질 농도 차이를 발생시키는 일반적인 전기투석 공정과 반대의 공정으로 에너지를 얻는다. 역전기투석 장치는 전극 용액으로 산화 환원쌍(redox couple) 물질을 사용하여 이온 교환막들의 화학 퍼텐셜 차이를 전기 퍼텐셜 차이로 변환시킨다. Reverse electrodialysis is a technique for producing electricity using difference in salinity between seawater and fresh water. Energy is obtained by a process opposite to a general electrodialysis process in which electricity is supplied to generate difference in electrolyte concentration. The reverse electrodialysis device converts the chemical potential difference of the ion exchange membranes to the electric potential difference using the redox couple material as the electrode solution.

역전기투석 장치는 친환경적이고, 다른 신재생 에너지 기술과 달리 기후와 시간에 제약을 받지 않는다. 현재 역전기투석 장치와 관련해서는 전극 측에서 발생하는 부산물인 가스상 물질의 발생을 억제하는 방향으로 기술 개발이 이루어지고 있다.Reverse electrodialysis devices are environmentally friendly and unlike other renewable energy technologies, they are not constrained by climate and time. With respect to the current reverse electrodialyser, the technology development has been carried out in a direction to suppress the generation of gaseous substances, which are by-products generated at the electrode side.

한편, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 이용하여 전기를 생산하는 발전 장치이다. 공지의 연료전지 스택은 수소 발생장치에서 생산된 수소를 공급받거나, 개질기와 버너 및 일산화탄소 저감기를 포함하는 연료 처리장치에서 생산된 개질 가스(수소 리치가스)를 공급받는다. 수소는 탄화수소계 연료를 분해하거나, 물을 전기분해하는 방식으로 얻을 수 있다. On the other hand, a fuel cell is a power generation device that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. A known fuel cell stack is supplied with hydrogen produced in the hydrogen generator or supplied with a reforming gas (hydrogen rich gas) produced in a fuel processor including a reformer, a burner and a carbon monoxide reducing device. Hydrogen can be obtained by decomposing hydrocarbon fuels or electrolyzing water.

연료전지 스택으로 수소를 공급하는 경우, 수소를 생산하고 저장하는 시설이 필요한데 수소를 생산하기 위해서는 많은 에너지가 소비되며, 수소의 폭발 위험성 때문에 수소 저장시설 이용에 어려움이 있다. 연료전지 스택으로 개질 가스를 공급하는 경우, 수소를 공급하는 경우보다 발전 효율이 낮으며, 전기 생산비용이 높은 한계가 있다.In the case of supplying hydrogen to the fuel cell stack, a facility for producing and storing hydrogen is required. In order to produce hydrogen, a lot of energy is consumed and it is difficult to use the hydrogen storage facility because of the explosion risk of hydrogen. In the case of supplying the reforming gas to the fuel cell stack, the power generation efficiency is lower than that in the case of supplying hydrogen, and the electricity production cost is limited.

본 발명은 수소를 실시간 및 저비용으로 생산하면서 역전기투석 장치와 연료전지 모두에서 전기를 생산할 수 있는 하이브리드 발전 시스템을 제공하고자 한다.The present invention provides a hybrid power generation system capable of producing electricity in both a reverse electrodialyser and a fuel cell while producing hydrogen in real time and at a low cost.

실시예들에 따른 하이브리드 발전 시스템은 역전기투석 장치 및 연료전지를 포함한다. 역전기투석 장치는 고농도 전해질 용액 유로와 저농도 전해질 용액 유로를 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어진 셀 스택과, 제1 물 유로를 사이에 두고 셀 스택의 일측에 배치된 애노드와, 제2 물 유로를 사이에 두고 셀 스택의 타측에 배치된 캐소드를 포함하며, 캐소드에서 물 분해 반응에 따른 수소가 발생한다. 연료전지는 역전기투석 장치로부터 수소를 공급받고, 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 전기 및 반응 부산물인 물을 생산한다. A hybrid power generation system according to embodiments includes a reverse electrodialysis device and a fuel cell. The reverse electrodialysis apparatus comprises a cell stack comprising a cation exchange membrane and an anion exchange membrane which alternately form a high-concentration electrolyte solution channel and a low-concentration electrolyte solution channel, an anode disposed on one side of the cell stack with a first water channel therebetween, And a cathode disposed on the other side of the cell stack with a flow path interposed therebetween, and hydrogen generated by the water decomposition reaction is generated at the cathode. The fuel cell receives hydrogen from the reverse electrodialysis device and produces electricity, which is electricity and reaction by-product, by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen.

애노드에서는 산소 및 전자가 발생하고, 산소 및 전자는 제2 물 유로로 공급될 수 있다. 실시예들에 따른 하이브리드 발전 시스템은 산소 및 전자를 제2 물 유로로 공급하기 위한 배관과, 배관 상에 설치되어 산소를 제거하기 위한 보조 기액 분리장치를 더 포함할 수 있다.Oxygen and electrons are generated at the anode, and oxygen and electrons can be supplied to the second water channel. The hybrid power generation system according to the embodiments may further include a pipe for supplying oxygen and electrons to the second water channel, and a supplementary gas-liquid separator provided on the pipe for removing oxygen.

연료전지는 제1 물 유로와 연결되어 반응 부산물인 물을 제1 물 유로로 공급할 수 있다.The fuel cell is connected to the first water passage and can supply water, which is a reaction by-product, to the first water passage.

실시예들에 따른 하이브리드 발전 시스템은 제2 물 유로와 연결되어 제2 물 유로로부터 수소와 물을 제공받고, 수소와 물을 분리시켜 연료전지로 분리된 수소를 공급하는 기액 분리장치를 더 포함할 수 있다. The hybrid power generation system according to the embodiments further includes a gas-liquid separator connected to the second water channel to receive hydrogen and water from the second water channel, and to separate hydrogen and water to supply hydrogen separated from the fuel cell .

기액 분리장치는 기액 분리된 물을 역전기투석 장치로 공급할 수 있다. 셀 스택은 10개 이상의 단위 셀을 포함할 수 있다. The gas-liquid separator can supply the gas-liquid separated water to the reverse electrodialyser. The cell stack may include ten or more unit cells.

본 개시에 따른 하이브리드 발전 시스템은 역전기투석 장치와 연료전지를 결합시켜 역전기투석 장치의 낮은 에너지 밀도를 보상하며, 기존 연료전지의 문제점인 고에너지 소비의 수소 생산과 안전성 문제가 제기되는 저장 시설의 문제를 해소할 수 있다. 또한, 연료전지에서 필요로 하는 수소를 실시간으로 공급할 수 있으므로 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있다.The hybrid power generation system according to the present disclosure compensates for the low energy density of the reverse electrodialyser by combining the back electrodialysis device and the fuel cell, and is a storage facility in which hydrogen production with high energy consumption, Can be solved. In addition, since the hydrogen required in the fuel cell can be supplied in real time, the efficiency of the fuel cell can be improved.

도 1은 일 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 하이브리드 발전 시스템 중 연료전지 스택을 구성하는 연료전지 셀의 개략도이다.1 is a configuration diagram of a hybrid power generation system according to an embodiment.
Fig. 2 is a schematic view of a fuel cell constituting a fuel cell stack of the hybrid power generation system shown in Fig. 1. Fig.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명은 도시한 바로 한정되지 않는다.When an element is referred to as "including" an element throughout the specification, it means that the element may further include other elements unless specifically stated otherwise. The sizes and thicknesses of the respective components shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of explanation, and the present invention is not limited to the illustrated ones.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a hybrid power generation system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 하이브리드 발전 시스템(100)은 역전기투석 장치(10)와 연료전지(50)를 포함한다. 하이브리드 발전 시스템(100)은 역전기투석 장치(10)에서 에너지를 생성할 때 발생하는 수소를 연료전지(50)에 공급하여 연료전지(50)에서도 에너지를 생성하는 발전 시스템이다.1, the hybrid power generation system 100 includes a reverse electrodialyser 10 and a fuel cell 50. [ The hybrid power generation system 100 is a power generation system that generates hydrogen in the fuel cell 50 by supplying hydrogen generated when energy is generated in the reverse electrodialysis unit 10 to the fuel cell 50. [

역전기투석 장치(10)는 셀 스택(30)과, 제1 물 유로(CH1)를 사이에 두고 셀 스택(30)의 일측에 위치하는 애노드(31)와, 제2 물 유로(CH2)를 사이에 두고 셀 스택(30)의 타측에 위치하는 캐소드(32)를 포함한다. The reverse electrodialyser 10 includes a cell stack 30 and an anode 31 located at one side of the cell stack 30 with a first water channel CH1 therebetween and a second water channel CH2 And a cathode 32 located on the other side of the cell stack 30.

셀 스택은 고농도 전해질 용액과 저농도 전해질 용액이 이동하는 유로를 사이에 두고 배치된 양이온 교환막(21)과 음이온 교환막(22)을 포함한다. 셀 스택(30)에서 양이온 교환막(21)과 음이온 교환막(22)은 하나씩 교대로 배치되어 복수의 유로를 제공한다. 이웃한 두 개의 셀(20)은 양이온 교환막(21) 또는 음이온 교환막(22)을 공유한다. The cell stack includes a cation exchange membrane 21 and an anion exchange membrane 22 disposed between the high-concentration electrolyte solution and the flow path through which the low-concentration electrolyte solution moves. In the cell stack 30, the cation exchange membrane 21 and the anion exchange membrane 22 are alternately arranged one by one to provide a plurality of flow paths. The adjacent two cells 20 share the cation exchange membrane 21 or the anion exchange membrane 22.

복수의 유로는 고농도 전해질 용액 유로(CH3)와 저농도 전해질 용액 유로(CH4)로 구분되며, 고농도 전해질 용액 유로(CH3)와 저농도 전해질 용액 유로(CH4)는 하나씩 교대로 배열된다. 복수의 고농도 전해질 용액 유로(CH3)에 고농도 전해질 용액이 공급되고, 복수의 저농도 전해질 용액 유로(CH4)에 저농도 전해질 용액이 공급된다. The plurality of flow paths are divided into a high concentration electrolyte solution flow path CH3 and a low concentration electrolyte solution flow path CH4 and the high concentration electrolyte solution flow path CH3 and the low concentration electrolyte solution flow path CH4 are alternately arranged one by one. The high-concentration electrolyte solution is supplied to the plurality of high-concentration electrolyte solution flow paths CH3, and the low-concentration electrolyte solution is supplied to the plurality of low concentration electrolyte solution flow paths CH4.

도 1에서는 고농도 전해질 용액의 흐름 방향과 저농도 전해질 용액의 흐름 방향이 서로 반대 방향인 경우를 예시하고 있다. 그러나 고농도 전해질 용액의 흐름 방향과 저농도 전해질 용액의 흐름 방향은 동일 방향일 수도 있다.In FIG. 1, the flow direction of the high-concentration electrolyte solution and the flow direction of the low-concentration electrolyte solution are opposite to each other. However, the flow direction of the high-concentration electrolyte solution and the flow direction of the low-concentration electrolyte solution may be the same direction.

이온은 고농도 전해질 용액에서 저농도 전해질 용액으로 이동하는데, 유로의 길이가 길어서 이동할 수 있는 시간이 길어지면 보다 많은 양의 이온이 이동하여 입구 측보다 출구 측에서 두 용액의 농도 차이가 줄어들게 된다. 따라서, 유로의 길이가 길 때에는 고농도 전해질 용액과 저농도 전해질 용액의 흐름 방향을 서로 반대로 하는 것이 성능 향상에 유리하고, 애노드(31)와 캐소드(32) 전체에서 포텐셜이 일정하게 유지되어 수소 발생에 더 유리할 수 있다.The ions move from the high-concentration electrolyte solution to the low-concentration electrolyte solution. When the length of the flow path is long and the moving time is prolonged, a larger amount of ions migrate and the difference in concentration of the two solutions is reduced at the outlet side than at the inlet side. Therefore, when the length of the flow path is long, it is advantageous to improve the performance of reversing the flow directions of the high-concentration electrolyte solution and the low-concentration electrolyte solution, and the potential is constantly maintained throughout the anode 31 and the cathode 32, Can be advantageous.

고농도 전해질 용액은 염 농도가 35,000 mg/L 이상인 용액일 수있고, 저농도 전해질 용액은 0~1,000 mg/L의 염 농도를 가지는 용액일 수 있다. 고농도 전해질 용액으로는 해수(seawater)가 저농도 전해질 용액으로는 강물이 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며 상대적인 이온 농도차로 인하여 양이온과 음이온의 교환이 일어날 수 있도록 하는 물질의 조합이라면 어느 것이라도 적용 가능하다.The high-concentration electrolytic solution may be a solution having a salt concentration of 35,000 mg / L or more, and the low-concentration electrolytic solution may be a solution having a salt concentration of 0 to 1,000 mg / L. As the high-concentration electrolytic solution, seawater may be used as a low-concentration electrolytic solution, but the present invention is not limited thereto, and any combination of materials capable of exchanging positive ions and negative ions due to a difference in ion concentration can be applied .

셀 스택(30)으로 해수와 강물이 공급되는 경우를 예로 들면, 해수와 강물의 이온 농도차로 인하여 해수에 포함된 나트륨 양이온(Na+)이 양이온 교환막(21)을 통과하고, 염소 음이온(Cl-)이 음이온 교환막(22)을 통과한다. 고농도 전해질 유로(CH3)에서 배출되는 염분 농도가 낮아진 기수(brackish water)와, 저농도 전해질 유로(CH4)에서 배출되는 염분 농도가 높아진 기수는 셀 스택(30)의 외부로 배출된다. (Na + ) contained in the seawater passes through the cation exchange membrane (21) and the chlorine anion (Cl - ) flows through the cation exchange membrane (21) due to the ion concentration difference between the seawater and the river, ) Passes through the anion exchange membrane (22). The brackish water discharged from the high concentration electrolyte channel (CH3) is discharged to the outside of the cell stack (30) while the brackish water discharged from the high concentration electrolyte channel (CH3) and the salt concentration discharged from the low concentration electrolyte channel (CH4) are increased.

전술한 과정에서 각 이온 교환막(21, 22) 사이에 전기화학 포텐셜이 생성된다. 그리고 이를 이용하여 애노드(31)에서 산화 반응이 일어나고, 캐소드(32)에서 환원 반응이 일어나며, 애노드(31)와 캐소드(32) 사이에 전자의 흐름이 생성되어 에너지, 즉 전기가 발생한다.An electrochemical potential is generated between the respective ion exchange membranes 21 and 22 in the above-described process. An oxidation reaction occurs in the anode 31 and a reduction reaction occurs in the cathode 32. An electron flow is generated between the anode 31 and the cathode 32 to generate energy or electricity.

셀 스택(30)는 복수의 단위 셀(20), 예를 들어 10개 이상의 단위 셀(20)을 포함할 수 있다. 단위 셀(20) 수가 많아질수록 셀 전압이 높아지므로, 전극 용액으로 종래의 산화 환원쌍 물질(Redox Couple) 대신 물을 사용할 수 있다. 셀 전압은 물 분해 전압인 대략 1.2V 이상이 되어 애노드(31)와 캐소드(32)에서 물의 전기분해 반응이 일어날 수 있다. 즉, 캐소드(32)에서 물이 분해(환원)되어 수소가 발생할 수 있다. 한편, 애노드(31)에서는 물의 산화 반응에 의해 산소 및 전자가 발생할 수 있다.The cell stack 30 may include a plurality of unit cells 20, for example, ten or more unit cells 20. Since the cell voltage increases as the number of the unit cells 20 increases, water can be used instead of the conventional redox coupler as the electrode solution. The cell voltage becomes equal to or higher than the water decomposition voltage of about 1.2 V so that the electrolysis reaction of water in the anode 31 and the cathode 32 can occur. That is, water may be decomposed (reduced) in the cathode 32, and hydrogen may be generated. On the other hand, in the anode 31, oxygen and electrons may be generated by the oxidation reaction of water.

제1 물 유로(CH1)와 제2 물 유로(CH2)는 순환형 또는 비순환형으로 구성될 수 있다. 순환형으로 구성될 경우에는 제1 물 유로(CH1)는 연결관(33)을 통해 제2 물 유로(CH2)와 연결되고, 애노드(31)에서 생성된 산소 및 전자가 물과 함께 제2 물 유로(CH2)로 전달될 수 있다. 이 경우 애노드(31)에서 발생한 수소 이온을 캐소드(32)에서 이용할 수 있는 장점이 있으나, 산소는 캐소드(32)의 수소 생성을 억제하므로 연결관(33)에 보조 기액 분리장치(34)를 설치하여 산소 기체를 제거할 수 있다.The first water channel (CH1) and the second water channel (CH2) may be configured as a circulation type or a non-circulation type. The first water channel CH1 is connected to the second water channel CH2 via the connection pipe 33 and the oxygen and electrons generated in the anode 31 together with the water are connected to the second water channel CH2, (CH2). ≪ / RTI > In this case, there is an advantage that hydrogen ions generated in the anode 31 can be used in the cathode 32. However, since the oxygen suppresses the generation of hydrogen in the cathode 32, the auxiliary gas-liquid separator 34 is installed in the connection pipe 33 So that oxygen gas can be removed.

양이온 교환막(21)과 음이온 교환막(22)은 저항(Resistance)과 두께는 낮추고 투과도(permselectivity)는 높일 수 있는 물질 또는 구조로 이루어지는 것이 바람직하다. 애노드(31)와 캐소드(32)는 상이한 재질 또는 동일한 재질로 형성될 수 있다. It is preferable that the cation exchange membrane 21 and the anion exchange membrane 22 are made of a material or structure that can lower the resistance, the thickness, and the permselectivity. The anode 31 and the cathode 32 may be formed of different materials or the same materials.

단기간 또는 일회용으로 사용하는 역전기투석 장치(10)일 경우에는 애노드(31)와 캐소드(32)는 각각의 산환 환원 반응을 최적화할 수 있는 서로 다른 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 애노드(31)는 이리듐(Ir)으로 캐소드(32)는 루테늄(Ru)으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The anode 31 and the cathode 32 may be made of different materials capable of optimizing the respective oxirane reduction reactions in the case of the reverse electrodialyser 10 for short-term use or disposable use. For example, the anode 31 may be made of iridium (Ir), and the cathode 32 may be made of ruthenium (Ru), but the present invention is not limited thereto.

역전기투석 장치(10)가 수차례에 걸쳐서 사용하도록 제조된 경우에는 애노드(31)와 캐소드(32)가 동일한 재질로 형성되는 것이 운전시 극성 변화가 일어나더라도 성능이 그대로 유지되도록 할 수 있다. 예를 들면 애노드(31)와 캐소드(32)는 티타늄(Ti) 베이스 위에 백금족 촉매 물질(Pt, Ir, Ru, Pd 등)이 코팅된 전극으로 이루어질 수 있다. When the reverse electrodialyser 10 is manufactured to be used several times, the anode 31 and the cathode 32 are made of the same material so that the performance can be maintained even if the polarity changes during operation. For example, the anode 31 and the cathode 32 may be formed of an electrode coated with a platinum group catalyst material (Pt, Ir, Ru, Pd, or the like) on a titanium (Ti) base.

한편, 애노드(31)와 캐소드(32)는 다공성 물질로 형성되어 비표면적을 넓혀 주어서 많은 반응 사이트를 제공하는 것이 바람직하다. 또한 내부식성을 향상시키고 용량을 향상시킬 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 애노드(31)와 캐소드(32)는 금속 지지체 위에 다공성 구조 물질층, 예를 들면 카본 클로스(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt) 등이 형성된 용량성 전극으로 이루어질 수 있다. 금속 지지체는 Ti, Nb, Ta 메쉬 일 수 있다. Meanwhile, it is preferable that the anode 31 and the cathode 32 are formed of a porous material, thereby enlarging the specific surface area and providing a large number of reaction sites. And may be made of a material capable of improving corrosion resistance and improving capacity. For example, the anode 31 and the cathode 32 may be formed of a capacitive electrode having a layer of porous structure material, for example, carbon cloth, carbon felt, or the like formed on a metal support. The metal support may be Ti, Nb, Ta mesh.

한편, 고농도 전해질 용액 유로(CH3)와 저농도 전해질 용액 유로(CH4)에는 스페이서(미도시)가 삽입될 수 있다. 스페이서는 양이온 교환막(21)과 음이온 교환막(22) 사이의 간격을 일정하게 기계적으로 유지하도록 하고 공급되는 용액의 난류 등을 일으켜 유로(CH3, CH4) 전 영역에 걸쳐 용액이 잘 공급되도록 하기 위해 삽입될 수 있다. 따라서 스페이서는 기공율이 큰 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 스페이서는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 이루어진 망체로 구성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. Meanwhile, a spacer (not shown) may be inserted into the high-concentration electrolyte solution channel CH3 and the low-concentration electrolyte solution channel CH4. The spacers are formed by mechanically holding the gap between the cation exchange membrane 21 and the anion exchange membrane 22 and by causing turbulence or the like of the solution to be supplied so that the solution is supplied well throughout the flow channels CH3 and CH4 . Therefore, it is preferable that the spacer has a large porosity. For example, the spacer may comprise a network of polypropylene or polyethylene, but is not limited thereto.

또한 필요에 따라서는 제1 물 유로(CH1) 및 제2 물 유로(CH2)에도 전극 스페이서(미도시)가 설치될 수 있다. 전극 스페이서가 삽입됨으로써 전기저항을 높일 수 있기 때문에 전극 스페이서는 전기전도도가 좋은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 전극 스페이서에는 Pt 등의 금속이 코팅되어 전기전도도가 향상될 수 있다. Also, if necessary, an electrode spacer (not shown) may be provided in the first water channel CH1 and the second water channel CH2 as well. Since the electrode spacer can be inserted to increase the electrical resistance, the electrode spacer can be formed of a material having good electrical conductivity. For example, a metal such as Pt may be coated on the electrode spacer to improve the electric conductivity.

종래의 역전기투석 장치는 애노드와 캐소드에서 발생하는 부산물인 가스상 물질(수소, 산소, 염소가스)을 억제하는 방향으로 기술 개발이 집중되었다. 그러나 본 실시예의 역전기투석 장치(10)는 셀(20) 수를 늘려 전극용액으로 물을 사용하며, 물을 전기 분해하여 수소를 적극적으로 발생시킨다. 즉, 본 실시예에서 역전기투석 장치(10)는 발전 장치이면서 동시에 수소 발생 장치로 기능한다.Conventional reverse electrodialysis devices have been developed in the direction of suppressing gaseous substances (hydrogen, oxygen, chlorine gas) which are byproducts generated in the anode and the cathode. However, the reverse electrodialysis apparatus 10 of this embodiment uses water as the electrode solution by increasing the number of the cells 20, and electrolyzes water to positively generate hydrogen. That is, in the present embodiment, the reverse electrodialysis apparatus 10 functions both as a power generation device and a hydrogen generation device.

역전기투석 장치(10)에서 발생한 수소는 연료전지(50)로 공급되어 연료전지(50)에서 에너지, 즉 전기를 생산하도록 한다. The hydrogen generated in the reverse electrodialyser 10 is supplied to the fuel cell 50 to produce energy, that is, electricity, in the fuel cell 50.

하이브리드 발전 시스템(100)은 역전기투석 장치(10)에서 발생한 수소의 공급을 보다 원활하게 할 수 있도록 기액 분리장치(40)를 더 포함할 수 있다. 기액 분리장치(40)는 역전기투석 장치(10)의 제2 물 유로(CH2)와 연결되어 이로부터 수소와 물을 제공받는다. 이 후 기액 분리장치(40)에서 기체인 수소와 액체인 물을 분리한다. 분리된 수소는 연료전지(50)로 공급되고, 기액 분리된 물은 보조 배관(41)을 통해 다시 역전기투석 장치(10)로 재공급될 수 있다. The hybrid power generation system 100 may further include a gas-liquid separator 40 to smoothly supply hydrogen generated in the back electrodialysis unit 10. [ Liquid separator 40 is connected to the second water channel CH2 of the reverse electrodialyser 10 and is supplied with hydrogen and water therefrom. Thereafter, the gas-liquid separator 40 separates hydrogen as a gas and water as liquid. The separated hydrogen is supplied to the fuel cell 50, and the gas-liquid separated water can be supplied again to the back electrodialyser 10 through the auxiliary pipe 41.

연료전지(50)는 수소와 산소의 전기화학 반응을 이용하여 전기를 생산하는 발전 장치로서, 공지된 여러 종류의 연료전지가 적용될 수 있다. 예를 들어, 연료전지(50)는 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 및 고분자 전해질형 연료전지 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.The fuel cell 50 is a power generation device that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and various known fuel cells can be applied. For example, the fuel cell 50 may be any one of a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell.

연료전지(50)는 크게 연료전지 스택(51)과, 연료전지 스택(51)으로 공기를 공급하는 공기펌프(52)와, 연료전지 스택(51)에서 나오는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 전력 변환기(53) 등을 포함한다. 연료전지 스택(51)은 직렬로 연결된 복수의 연료전지 셀을 포함하며, 촉매와 전해질의 종류 및 운전 온도에 따라 전술한 여러 종류로 분류된다.The fuel cell 50 mainly includes a fuel cell stack 51, an air pump 52 for supplying air to the fuel cell stack 51, A converter 53, and the like. The fuel cell stack 51 includes a plurality of fuel cell cells connected in series, and is classified into the above-described various types according to the types of the catalyst, the electrolyte, and the operating temperature.

도 2는 도 1에 도시한 하이브리드 발전 시스템 중 연료전지 스택을 구성하는 연료전지 셀의 개략도이다.Fig. 2 is a schematic view of a fuel cell constituting a fuel cell stack of the hybrid power generation system shown in Fig. 1. Fig.

도 2를 참고하면, 하나의 연료전지 셀(54)은 이온을 통과시키는 매체 물질인 전해질(55)과, 전해질(55)의 양측에 위치하는 촉매층(56)과, 어느 하나의 촉매층(56)과 접하며 수소를 공급받는 연료극(anode, 음극)(57)과, 다른 하나의 촉매층(56)과 접하며 공기를 제공받는 공기극(cathode, 양극)(58)을 포함한다. 2, one fuel cell 54 includes an electrolyte 55 which is a medium material through which ions are passed, a catalyst layer 56 located on both sides of the electrolyte 55, and one of the catalyst layers 56, And an air electrode 58 which is in contact with the other catalyst layer 56 and is supplied with air.

연료극(57)에서 수소는 수소 이온과 전자로 분리되고, 전자는 외부 전선을 이동하여 전기를 발생시킨다. 전해질(55) 속을 이동한 수소 이온은 공기극(58)에 보내진 산소 및 외부 전선을 통해 들어온 전자와 반응하여 물을 생성한다. 연료전지 셀(54)은 수소와 공기로부터 전기를 생산하고, 부산물로서 물을 발생시킨다.In the fuel electrode 57, hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons, and the electrons move the external wires to generate electricity. The hydrogen ions moved in the electrolyte 55 react with oxygen sent to the air electrode 58 and electrons entered through the external wire to generate water. The fuel cell 54 produces electricity from hydrogen and air, and produces water as a by-product.

다시 도 1을 참고하면, 연료전지 스택(51)은 물 공급관(59)을 통해 역전기투석 장치(10)의 제1 물 유로(CH1)와 연결되어 부산물로 생성된 물을 역전기투석 장치(10)로 공급한다. 이때 기액 분리장치(40)에 연결된 보조 배관(41)이 물 공급관(59)에 접속될 수 있다. 1, the fuel cell stack 51 is connected to the first water passage CH1 of the reverse electrodialyser 10 through a water supply pipe 59 to supply water generated as a by-product to the reverse electrodialyser 10). At this time, the auxiliary pipe 41 connected to the gas-liquid separator 40 may be connected to the water supply pipe 59.

통상의 연료전지는 수소 공급을 위한 수소 생산 및 저장 시설이나, 개질 가스(수소 리치가스) 생산을 위한 연료 처리장치를 구비한다. 그러나 본 실시예의 연료전지(50)는 별도의 수소 생산 및 저장 시설이나 개질기를 포함한 연료 처리장치를 구비하지 않으며, 역전기투석 장치(10)에서 생산된 수소를 연료로 공급받아 발전을 행한다. A typical fuel cell includes a hydrogen production and storage facility for hydrogen supply and a fuel treatment device for the production of a reformed gas (hydrogen rich gas). However, the fuel cell 50 of the present embodiment does not have a fuel processing apparatus including a separate hydrogen production and storage facility or a reformer, and generates electricity by supplying hydrogen produced by the reverse electrodialysis unit 10 as fuel.

역전기투석 장치(10)의 수소 발생량은 역전기투석 장치(10)의 크기와 셀(20) 수 및 작동 조건 변화를 통해 조절 가능하다. 따라서 연료전지(50)에 필요한 수소를 실시간으로 생산하여 공급할 수 있다. 또한, 역전기투석 장치(10)에서 발생하는 수소는 전기를 생산하면서 부가적으로 발생하는 것으로서, 기존의 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 것보다 소비 에너지가 적다.The amount of hydrogen generated in the reverse electrodialyser 10 is adjustable through the size of the reverse electrodialyser 10, the number of cells 20, and operating conditions. Therefore, the hydrogen required for the fuel cell 50 can be produced and supplied in real time. In addition, the hydrogen generated in the reverse electrodialysis unit 10 is generated additionally while generating electricity, and consumes less energy than electrolysis of existing water to produce hydrogen.

전술한 하이브리드 발전 시스템(100)은 역전기투석 장치(10)와 연료전지(50)를 결합시켜 역전기투석 장치(10)의 낮은 에너지 밀도를 보상하며, 기존 연료전지의 문제점인 고에너지 소비의 수소 생산과 안전성 문제가 제기되는 저장 시설의 문제를 해소할 수 있다. 또한, 연료전지(50)에서 필요로 하는 수소를 실시간으로 공급할 수 있으므로 연료전지(50)의 효율을 향상시킬 수 있다.The hybrid power generation system 100 described above combines the reverse electrodialyser 10 with the fuel cell 50 to compensate for the low energy density of the reverse electrodialyser 10 and can achieve a high energy consumption Hydrogen production and safety problems can be addressed in storage facilities. In addition, since the hydrogen required by the fuel cell 50 can be supplied in real time, the efficiency of the fuel cell 50 can be improved.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.

100: 하이브리드 발전 시스템
10: 역전기투석 장치 20: 셀
30: 셀 스택 40: 기액 분리장치
50: 연료전지 51: 연료전지 스택100: Hybrid power generation system
10: reverse electrodialysis device 20: cell
30: cell stack 40: gas-liquid separator
50: fuel cell 51: fuel cell stack

Claims (12)

고농도 전해질 용액 유로와 저농도 전해질 용액 유로를 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어진 셀 스택과, 제1 물 유로를 사이에 두고 상기 셀 스택의 일측에 배치된 애노드와, 제2 물 유로를 사이에 두고 상기 셀 스택의 타측에 배치된 캐소드를 포함하며, 상기 캐소드에서 물 분해 반응에 따른 수소가 발생하는 역전기투석 장치;
상기 제2 물 유로로부터 수소와 물을 공급받고, 수소와 물을 분리하며, 분리된 물을 상기 제1 물 유로에 공급하는 기액 분리장치; 및
상기 기액 분리장치에서 분리된 수소를 공급받고, 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 전기 및 반응 부산물인 물을 생산하는 연료전지
를 포함하는 하이브리드 발전 시스템.A cell stack comprising a cation exchange membrane and an anion exchange membrane alternately forming a high-concentration electrolyte solution channel and a low-concentration electrolyte solution channel; an anode disposed on one side of the cell stack with a first water channel interposed therebetween; And a cathode disposed on the other side of the cell stack, wherein hydrogen is generated by the water decomposition reaction in the cathode;
A gas-liquid separator for receiving hydrogen and water from the second water passage, separating hydrogen and water, and supplying the separated water to the first water passage; And
A fuel cell that receives the separated hydrogen from the gas-liquid separator and produces water, which is electricity and reaction byproducts, through electrochemical reaction between hydrogen and oxygen,
The hybrid power generation system comprising: 제1항에 있어서,
상기 애노드에서 산소 및 전자가 발생하고, 상기 제1 물 유로는 배관을 통해 상기 제2 물 유로와 연결되어 상기 산소 및 전자가 물과 함께 상기 제2 물 유로로 공급되는 하이브리드 발전 시스템.The method according to claim 1,
Oxygen and electrons are generated in the anode, and the first water channel is connected to the second water channel through a pipe, and the oxygen and the electron are supplied to the second water channel together with water. 제2항에 있어서,
상기 배관 상에 설치되어 상기 산소를 제거하기 위한 보조 기액 분리장치를 더 포함하는 하이브리드 발전 시스템.3. The method of claim 2,
Further comprising an auxiliary gas-liquid separator installed on the piping to remove the oxygen. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료전지는 상기 제1 물 유로와 연결되어 상기 반응 부산물인 물을 상기 제1 물 유로로 공급하는 하이브리드 발전 시스템.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the fuel cell is connected to the first water passage and supplies water, which is reaction byproduct, to the first water passage. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 셀 스택은 10개 이상의 단위 셀을 포함하는 하이브리드 발전 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the cell stack comprises ten or more unit cells. 고농도 전해질 용액 유로와 저농도 전해질 용액 유로를 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어진 10개 이상의 단위 셀을 포함하는 셀 스택과, 제1 물 유로를 사이에 두고 상기 셀 스택의 일측에 배치된 애노드와, 제2 물 유로를 사이에 두고 상기 셀 스택의 타측에 배치된 캐소드를 포함하며, 상기 제1 물 유로와 상기 제2 물 유로에 공급되는 전극 용액은 물이고, 상기 캐소드에서 물 분해 반응에 따른 수소가 발생하며, 상기 애노드에서 산소 및 전자가 발생하여 상기 전자의 흐름에 의해 전기를 생성하는 역전기투석 장치; 및
상기 역전기투석 장치로부터 상기 수소를 공급받고, 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 전기 및 반응 부산물인 물을 생산하는 연료전지
를 포함하는 하이브리드 발전 시스템.A cell stack including ten or more unit cells made up of a cation exchange membrane and an anion exchange membrane alternately forming a high-concentration electrolyte solution flow path and a low-concentration electrolyte solution flow path, an anode disposed at one side of the cell stack with a first water flow path therebetween, And a cathode disposed on the other side of the cell stack with a second water passage interposed therebetween, wherein the electrode solution supplied to the first water passage and the second water passage is water, A reverse electrodialysis device in which hydrogen is generated, oxygen and electrons are generated in the anode, and electricity is generated by the flow of electrons; And
A fuel cell which receives the hydrogen from the reverse electrodialyser and produces water, which is electricity and reaction byproducts by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen,
The hybrid power generation system comprising: 제8항에 있어서,
상기 산소 및 전자를 상기 제2 물 유로로 공급하기 위한 배관과,
상기 배관 상에 설치되어 상기 산소를 제거하기 위한 보조 기액 분리장치를 더 포함하는 하이브리드 발전 시스템.9. The method of claim 8,
A pipe for supplying the oxygen and the electrons to the second water channel,
Further comprising an auxiliary gas-liquid separator installed on the piping to remove the oxygen. 제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 연료전지는 상기 제1 물 유로와 연결되어 상기 반응 부산물인 물을 상기 제1 물 유로로 공급하는 하이브리드 발전 시스템.10. The method according to claim 8 or 9,
Wherein the fuel cell is connected to the first water passage and supplies water, which is reaction byproduct, to the first water passage. 제8항에 있어서,
상기 제2 물 유로와 연결되어 상기 제2 물 유로로부터 상기 수소와 물을 제공받고, 상기 수소와 물을 분리시켜 상기 연료전지로 분리된 수소를 공급하는 기액 분리장치를 더 포함하는 하이브리드 발전 시스템.9. The method of claim 8,
And a gas-liquid separator connected to the second water passage to receive the hydrogen and water from the second water passage, and to separate hydrogen and water to supply hydrogen separated from the fuel cell. 제11항에 있어서,
상기 기액 분리장치는 기액 분리된 물을 상기 역전기투석 장치로 공급하는 하이브리드 발전 시스템.12. The method of claim 11,
And the gas-liquid separator supplies the gas-liquid separated water to the reverse electrodialyser.
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