KR101906544B1 - 역전기투석 염분차 발전 장치 - Google Patents

역전기투석 염분차 발전 장치 Download PDF

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Abstract

역전기투석 염분차 발전 장치가 제공된다. 역전기투석 염분차 발전 장치는 서로 대향하는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트, 및 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 사이의 역전기투석 셀 스택을 포함하고, 상기 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트의 적어도 하나는 일 방향으로 연장되어 전해질 용액의 통로를 제공하는 메인 유로와 상기 메인 유로와 연결되고 상기 역전기투석 셀 스택 방향으로 분기된 다수의 서브 유로들을 포함한다.

Description

역전기투석 염분차 발전 장치{POWER GENERATOR USING THE SALINITY GRADIENT WITH RED STACK CELL}
본 개시는 역전기투석 염분차 발전 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 전력 생산 효율을 개선할 수 있도록 한 역전기투석(RED) 모듈에서의 셀 스택과 엔드 플레이트에 관한 것이다.
역전기투석 염분차 발전 장치는 해수와 담수의 염분차에 의해 발생하는 화학포텐셜(chemical potential)을 이용하여 전력을 생산한다. 역전기투석 염분차 발전 장치는 종래의 풍력 발전 또는 태양광 발전과 달리 기상조건, 시간 등의 제약 없이 발전이 가능하다.
그러나, 역전기투석 염분차 발전 장치를 실험실 수준의 소규모에서 실제 현장에 적용가능한 수준의 발전 성능을 나타내도록 하기 위해서는 해수 및 담수 주입구를 여러 개 설치해야 하고 이로 인해 해수 및 담수의 배관 설치가 매우 복잡해진다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 해수 및 담수의 공급을 위한 배관설치가 용이하고 전력 생산 효율을 개선할 수 있는 새로운 엔드 플레이트와 셀 스택을 적용한 역전기투석 염분차 발전 장치를 제공함에 있다.
일 실시예 따른 역전기투석 염분차 발전 장치는 서로 대향하는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트, 및 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 사이의 역전기투석 셀 스택을 포함하고, 상기 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트의 적어도 하나는 일 방향으로 연장되어 전해질 용액의 통로를 제공하는 메인 유로와 상기 메인 유로와 연결되고 상기 역전기투석 셀 스택 방향으로 분기된 다수의 서브 유로들을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면 엔드 플레이트 내부에 유로를 적용하여 해수 및 담수 공급을 위한 외부 배관설치를 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 새로운 셀 스택을 적용하여 전력 생산 효율을 개선할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 내부에 채널형 유로를 적용한 스페이서를 포함하여 펌프 전력 소모를 감소시킬 수 있다.
도 1은 역전기투석 염분차 발전 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치에서 스페이서를 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치에서 엔드 플레이트를 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치에서 셀 스택 수에 따른 전력 밀도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치에서 스페이서의 내부 유로 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치에서 스페이서의 내부 유로 구조에 따른 펌프 전력 소모의 차이를 비교하는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치에서 유속에 따른 순 전력 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치에서 전극 용액에 따른 전력 밀도를 나타내는 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 역전기투석 염분차 발전 장치의 개념도이다.
역전기투석(RED) 염분차 발전 장치(1000)는 교대로 배치되는 하나 이상의 양이온 교환막(cation exchange membrane, CEM)(103)과 하나 이상의 음이온 교환막(anion exchange membrane, AEM)(104)으로 구성되는 셀들의 스택을 포함한다. 양이온 교환막(103)은 양이온만을 선택적으로 통과시키고, 음이온 교환막(104)은 음이온만을 선택적으로 통과시킬 수 있다. 셀 스택에서 양이온 교환막(103)과 음이온 교환막(104)이 하나씩 교대로 배치되어 복수의 유로를 제공한다. 이웃한 두 개의 단위 셀(unit cell)은 양이온 교환막(103) 또는 음이온 교환막(104)을 공유한다. 셀 스택의 양단에는 양이온교환막(103)을 배치할 수 있으나 이는 선택적인 사항이다. 셀 스택을 사이에 두고 캐소드(cathode)(101) 및 애노드(anode)(102)가 서로 대향하여 배치된다.
도 1은 예시로서 네 개의 셀을 포함하는 역전기투석(RED) 염분차 발전 장치(1000)를 개념적으로 나타낸 것으로, 네 개의 양이온 교환막(103)과 네 개의 음이온 교환막(104)이 교대로 배치되고, 마지막에 다시 양이온 교환막(103)이 배치된다. 양이온 교환막(103)과 음이온 교환막(104) 사이로 제1 농도, 예컨대 저농도 전해질 용액 유입부(105)로부터 유입된 저농도 전해질 용액, 예컨대 담수(fresh water)와 제2 농도, 예컨대 고농도 전해질 용액 유입부(106)로부터 공급된 고농도 전해질 용액, 예컨대 해수(sea water)가 교대로 지나간다. 이하에서는 설명의 편의를 위해서 해수와 담수를 각각 예로 들어 설명한다. 유입된 해수와 인접하는 유입된 담수 사이에서 양이온 교환막(103) 또는 음이온 교환막(104)을 통해 양이온 또는 음이온의 교환이 이루어진다. 해수의 나트륨 이온(Na+)은 양이온만을 선택적으로 통과시키는 양이온 교환막(103)을 통과하여 해수로부터 담수로 확산되고, 해수의 염화 이온(Cl-)은 음이온만을 선택적으로 통과시키는 음이온 교환막(104)을 통과하여 해수로부터 담수로 나트륨 이온과는 반대방향으로 확산된다. 그 결과 나트륨 이온이 쏠린 쪽은 양(+)을, 염화 이온이 쏠린 쪽은 음(-)을 띠며 전압이 생긴다. 셀 스택 말단의 양이온 교환막(103)과 캐소드(cathode)(101) 사이에는 환원 채널(107a)이 형성되고, 양이온 교환막(103)과 애노드(anode)(102) 사이에는 산화 채널(107b)이 형성될 수 있다.
환원 채널(107a)에는 캐소드 용액이 제공되고, 산화 채널(107b)에는 애노드 용액이 제공되며, 캐소드 용액과 애노드 용액은 용액 순환부(107)를 통해 순환될 수 있다. 도 1에서는 캐소드 용액과 애노드 용액이 순화되는 것으로 도시하였으나, 비순환형으로도 구성할 수 있음은 물론이다.
애노드(102)에서 산화반응이 일어나 전자가 생성되고 생성된 전자는 캐소드(101)로 이동하고, 캐소드(101)에서 환원반응이 일어나면서 전자를 흡수하여 이를 통해 전자의 흐름이 생겨 전류가 발생한다.
이론적으로 이 전류(I)의 크기와 셀 스택에서 발생한 전압차(V)를 곱한 값이 바로 역전기투석(RED) 염분차 발전 장치(1000)가 생산하는 전력의 크기가 될 수 있다.
양이온 교환막(103) 및 음이온 교환막(104) 사이를 통과한 해수 및/또는 담수는 각각 제2 농도 전해질 용액(해수) 유출부(109) 및 제1 농도 전해질 용액(담수) 유출부(108)를 통해 외부로 빠져 나간다.
도 2는 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치의 구성도이다.
역전기투석 염분차 발전 장치(1000)는 제 1 엔드 플레이트(first end plate)(110)와 제 2 엔드 플레이트(second end plate)(111) 사이에 하나 이상의 역전기투석 셀(RED Cell)이 스택 될 수 있다. 제 1 엔드 플레이트(110)와 역전기투석 셀 사이에는 애노드(anode)(102)가 배치되고, 제 2 엔드 플레이트(111)와 역전기투석 셀 사이에는 캐소드(cathode)(101)가 배치될 수 있다. 역전기투석 셀 스택은 양이온 교환막(103), 상부 스페이서(114a) 및 상부 개스킷(115a), 음이온 교환막(104), 하부 스페이서(114b) 및 하부 개스킷(115b)으로 하나의 역전기투석 셀 스택 적층 유닛을 구성하고, 이러한 역전기투석 셀 스택 적층 유닛이 반복되어 적층될 수 있다. 도 2에는 예시로서 하나의 셀을 도시하였고, 다수의 셀들이 스택될 경우 도 2의 역전기투석 셀 스택 적층 유닛이 반복적으로 배치되어 만들어지는 것이다. 상부 스페이서(114a)와 하부 스페이서(114b)는 동일한 구조를 가지며 단지 유로의 개구가 서로 교번하도록 대칭적으로 배치되어 있는 것이다. 상부 개스킷(115a) 및 하부 개스킷(115b)은 서로 동일한 구조를 가지며 각각 대응하는 스페이서에 적합하도록 서로 대칭적으로 배치된 것이다.
양이온 교환막(103)과 음이온 교환막(104) 사이에는 상부 또는 하부 스페이서(114a, 114b) 및 상부 또는 하부 개스킷(115a, 115b)이 배치되고, 특히 상부 또는 하부 스페이서(114a, 114b)는 양이온 교환막(103)과 음이온 교환막(104) 사이의 공간을 만들어 주는 역할을 한다.
제1 엔드 플레이트(110) 및 전극 스페이서(electrode spacer)(113) 사이, 그리고 제2 엔드 플레이트(111)와 전극 스페이서(electrode spacer)(113) 사이에는 각각 전극 개스킷(electrode gasket)(112)이 배치되고, 캐소드(101) 및/또는 애노드(102)와 양이온 교환막(103) 사이에는 전극 스페이서(113)가 있다. 전극 스페이서(113)는 캐소드(101) 및/또는 애노드(102)와 양이온 교환막(103) 사이에 공간을 만들어 주는 역할을 한다. 이 공간을 통해 전극 용액(electrode rinse solution), 즉 산화-환원 용액이 흐른다.
도 2에 예시되어 있는 바와 같은 스페이서(114a, 114b), 제1 엔드 플레이트(110) 및 제2 엔드 플레이트(111)의 구조를 채택함으로써 제1 농도 즉, 저농도의 전해질 용액, 예컨대 담수는 위쪽에 표시되어 있는 화살표의 방향(A)을 따라서 이동이 일어난다. 그리고 제2 농도 즉, 고농도의 전해질 용액, 예컨대 해수는 아래쪽에 표시되어 있는 화살표의 방향(B)을 따라서 이동이 일어난다.
이하, 스페이서(114a, 114b), 제1 엔드 플레이트(110) 및 제2 엔드 플레이트(111)의 구조를 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치에서 스페이서(114a, 114b)를 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 상부 스페이서(114a)는 일측면에는 제1 농도 전해질 용액, 예컨대 담수가 통과하는 제1 개구(12)를 포함하는 다수의 제1 돌출부(10)를 포함하고, 타측면에는 제1 농도 전해질 용액이 통과하는 제2 개구(22)를 포함하는 다수의 제2 돌출부(20)를 포함하고 있다. 제1 개구(12)를 통해 유입된 제1 농도 전해질 용액은 제2 개구(22)를 통해 유출될 수 있고, 반대로 제2 개구(22)를 통해 유입된 제1 농도 전해질 용액은 제1 개구(12)를 통해 유출될 수 있다. 제1 돌출부(10)와 제2 돌출부(20)는 하나의 기준선(14)에 대해서 지그재그로 배치되어 있다. 이와 같은 구조를 채택함으로써 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 스페이서(114a, 114b)를 통해서 담수 및 해수의 유입과 유출이 가능해지게 된다.
하나의 이온 교환막을 사이에 두고 양쪽으로 상부 스페이서(114a)와 하부 스페이서(114b)가 배치되는데, 상부 스페이서(114a)의 제1 돌출부(10)와 하부 스페이서(114b)의 제1 돌출부(30)는 서로 교번하도록 배치될 수 있다. 이 때 상부 스페이서(114a)의 제1 돌출부(10)의 제1 개구(12)와 이에 대향하는 하부 스페이서(114b)의 제1 돌출부(30)의 제1 개구(32) 사이의 간격을 작게 하면 제1 농도 전해질 용액 또는 제2 농도 전해질 용액이 공급되지 못하는 부분인 데드 존(dead zone)(16)이 감소하게 되어 더 큰 전력 생산이 가능하나 이 간격이 일정 수준 이하가 되면 누설(leak)이 발생하여 오히려 전력 생산 효율이 감소하게 된다. 데드 존은 전해질 용액의 이동 경로 중 개구 사이의 간격이 넓어 제1 농도 전해질 용액과 제2 농도 전해질 용액이 공급되지 않거나 미약하여 전력 생산에 기여 하지 않거나 아주 작게 기여하는 부분을 의미한다. 다시 말해 개구 사이의 간격을 크게 하면 데드 존이 상대적으로 크게 발생하여 전력 생산의 효율이 낮아지게 된다. 반대로 개구 사이의 간격을 너무 작게 하면 누설을 막아주는 개스킷(115a, 115b)이 필요한 역할을 하지 못하여 해수와 담수가 물리적으로 서로 섞이게 된다. 이렇게 해수와 담수가 물리적으로 서로 섞이면 이온 이동에 의한 전위차를 형성하지 못하므로 전력 생산에 문제를 발생시킨다. 도 3의 화살표는 이해를 돕기 위해 제1 농도 전해질 용액 및/또는 제2 농도 전해질 용액의 이동 경로를 개념적으로 나타낸 것이다.
따라서, 설계적으로 상부 스페이서(114a)의 제1 돌출부(10)의 제1 개구(12)와 이에 대향하는 하부 스페이서(114b)의 제1 돌출부(30)의 제1 개구(32) 사이의 간격에 대응하는, 제1 돌출부(10)의 일면에서의 간격(d)을 최적화할 필요가 있다. 본 발명자는 누설을 작게 하여 최적의 전력 생산 효율을 달성할 수 있는 간격(d)을 설정하기 위한 노력을 기울인 결과 간격(d)의 최소값을 6mm 이상 18mm이하가 되도록 설정하였다.
그리고, 하나의 이온 교환막을 사이에 두고 양쪽에 설치되는 상부 스페이서(114a)와 하부 스페이서(114b)는 서로 대향하는 돌출부가 서로 교번하도록 배치되어야 해수는 해수대로 담수는 담수대로 흐름이 생성되고 이들이 서로 섞이지 않게 할 수 있다.
해수와 담수가 역전기투석 셀 스택을 통해 흐르면 양이온 및 음이온의 확산에 의한 전위차가 해수 및 담수가 각각 유입되는 제2 농도 전해질 용액 유입부(106) 및 제1 농도 전해질 용액 유입부(105)에 가까운 유로에 비해 해수 및 담수가 각각 유출되는 제2 농도 전해질 용액 유출부(109) 및 제1 농도 전해질 용액 유출부(108)에 가까운 유로에서 더 작게 형성된다. 또한 역전기투석 셀 스택에서의 해수 및/또는 담수의 유로의 길이를 길게 하면 할수록 유출부에서의 전위차는 작아지게 되고 전력 생산의 효율은 증가 하나 설비 비용은 상승하게 된다. 반대로 역전기투석 셀 스택에서의 해수 또는 담수의 유로의 길이가 짧아지면 전위차가 크게 유지되어 생산되는 전력 밀도(power density)는 증가하나 전력 생산의 효율은 감소하게 된다. 전력 생산 효율 및 설비 비용을 고려하였을 때, 상부 스페이서(114a)의 제1 돌출부(10)의 제1 개구(12)로부터 제2 돌출부(20)의 제2 개구(22)까지의 유로의 최단 거리는 약 100mm ~ 300mm 가량이 최적임을 확인하였다.
한편, 종래의 역전기투석 염분차 발전 장치는 제1 엔드 플레이트에 해수 유입부 및 담수 유입부를 두고 제 2 엔드 플레이트에 해수 유출부 및 담수의 유출부를 두는 구조를 가지고 있었다. 이와 달리 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치(1000)는 도 2 및 도 4에 예시되어 있는 바와 같이, 제1 엔드 플레이트(110)에 제1 농도 전해질 용액(담수) 유입부(105) 및 제1 농도 전해질 용액(담수) 유출부(108)가 모두 형성되어 있는 구조이다. 다시 도 2를 참조하면, 담수(fresh water)는 제1 엔드 플레이트(110)에 형성된 제1 농도 전해질 용액(담수) 유입부(105)로 유입되어 제1 엔드 플레이트(110)와 가까운 양이온 교환막(103)과 음이온 교환막(104) 사이의 상부 스페이서(114a)에 형성된 유로를 따라 흐른 후 제1 엔드 플레이트에 형성된 제1 농도 전해질 용액(담수) 유출부(108)를 통해 흘러 나온다.
해수(sea water)는 제2 엔드 플레이트(111)에 형성된 제2 농도 전해질 용액(해수) 유입부(106)로 유입되어 제2 엔드 플레이트(111)에 가까운 양이온 교환막(103)과 음이온 교환막(104) 사이의 하부 스페이서(114b)에 형성된 유로를 따라 흐른 후 제2 엔드 플레이트(111)에 형성된 제2 농도 전해질 용액(해수) 유출부(109)를 통해 흘러 나온다. 즉 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치(1000)는 종래와 달리 제2 엔드 플레이트(111)에 제2 농도 전해질 용액(해수) 유입부(106) 및 제2 농도 전해질 용액(해수) 유출부(109)가 모두 형성되어 있는 구조이다.
제1 및 제2 엔드 플레이트(110, 111)는 해수 및 담수의 유량을 효율적으로 분배하기 위하여 내부에 유로를 가지는 구조로 구성된다. 높은 전력 생산을 위해 도 3에 예시되어 있는 바와 같이 스페이서(114a, 114b) 내 해수 및 담수의 개구 (12, 22, 32, 42)의 개수를 증가시킬 경우 엔드 플레이트 외부에서 이들 개구(12, 22, 32, 42)에 유로를 형성하기가 어렵게 된다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 엔드 플레이트 내에 담수 및/또는 해수의 유로를 형성하여 유로를 단순화 시킬 수 있다.
도 4의 (A)는 제1 엔드 플레이트(110)의 평면 사시도이고, 도 4의 (B)는 제1 엔드 플레이트(110)의 측면 사시도이다.
도 4를 참조하면, 제1 엔드 플레이트(110)는 메인 유로(50, 60)와 서브 유로(52, 62)를 포함한다. 제1 엔드 플레이트(110)의 제1 영역에 형성된 제1 메인 유로(50)는 일 방향으로 연장되어 제1 농도 전해질 용액(담수) 유입부(105)와 연결되어 제1 농도의 전해질 용액이 유입되도록 한다. 제1 메인 유로(50)와 연결된 제1 서브 유로(52)는 셀 스택 방향으로 분기되어, 보다 구체적으로는 상부 스페이서(114a)의 제1 개구(12)로 분기되어 제1 농도의 전해질 용액을 셀 스택으로 제공한다. 제1 엔드 플레이트(110)의 제2 영역에 형성된 제2 메인 유로(60)는 제1 농도 전해질 용액(담수) 유출부(108)와 연결되어 제1 농도의 전해질 용액, 예를 담수가 유출되도록 한다. 제2 메인 유로(60)와 연결된 제2 서브 유로(62) 또한 셀 스택 방향으로 분기되어, 보다 구체적으로는 상부 스페이서(114a)의 제2 개구(22)로 분기되어 제1 농도 전해질 용액이 유출될 수 있도록 하는 다수의 제2 서브 유로(62)를 형성할 수 있다. 그리고 상부 스페이서(114a) 구조와 마찬가지로 상부의 제1 돌출부(10)와 마주하는 제1 서브 유로(52)와 제2 돌출부(20)와 마주하는 제2 서브 유로(62)는 서로 교번하여 배치된다.
제2 엔드 플레이트(111)는 제1 엔드 플레이트(110)의 제 1영역과 제2 영역의 위치를 서로 바꾸어 배치하면 된다.
도 4에 도시되어 있는 바와 같은 제1 엔드 플레이트(110)의 구조를 채용함으로써 외부 배관은 제1 농도 전해질 용액(담수) 유입부(105)와 제1 농도 전해질 용액(담수) 유출부(108)에 하나만 설치하면 되기 때문에 배관 설치가 매우 간단해진다. 제2 엔드 플레이트(111)의 경우에도 반대로만 생각하면 되기 때문에 동일하게 배관 설치가 간단해진다.
도 5은 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치에서 셀 스택 수에 따른 전력 밀도를 도시한 것이다.
도 5에서 (a) 내지 (e)는 역전기투석 염분차 발전 장치에서 스택되는 셀의 수에 따른 생산되는 전력 밀도의 차이를 도시한 것이다. (a)는 역전기투석 셀 스택에서의 셀의 수가 50인 경우이고, (b)는 100, (c)는 300, (d)는 500, (e)는 700인 경우이다. 도 6를 참조하면, 역전기투석 셀 스택에서의 셀의 수가 증가할수록 역전기투석 염분차 발전 장치(1000)가 생산하는 전력 밀도(power density)도 함께 증가한다. 그러나 셀의 수가 일정 수준 이상이 되면 셀 수가 증가해도 전력 밀도는 크게 증가하지 않고 실질적으로 일정 값에 수렴하게 되는 특징을 보인다. 실험 결과 전력 밀도가 실질적으로 일정 값에 수렴되는 스택에서의 최소의 셀의 수는 약 300 정도이다. 다시 말해 역전기투석 염분차 발전 장치(1000)에서 역전기투석 셀 스택에서의 셀의 수는 300셀 이상은 되어야 설비 비용 대비 효율적 전력 생산이 가능하다.
도 6은 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치에서 스페이서의 내부 유로를 상세하게 설명하기 위한 도면이다. 도 6에서 (A)는 스페이서(114a, 114b)의 평면도를, (B)은 일부 단면도를 나타낸다.
종래에는 일반적으로 우븐형 스페이서(woven type spacer)를 사용하였다. 우븐형 스페이서는 해수 또는 담수의 이동경로가 털실로 짠 옷감과 같이 상하 및 좌우로 꼬여 있는 형태를 가지고 있고, 이를 통해 이온 교환의 효율을 향상시킬 수 있으나, 펌프 동력도 같이 증가시키는 문제가 있었다.
이에 도 6과 같이 해수 또는 담수의 유로가 서로 꼬여 있지 않게 형성되어 있는 채널형 스페이서(channel type spacer)를 적용할 경우, 해수 또는 담수 공급을 위한 소비 전력을 대폭 감소시켜 역전기투석 염분차 발전 장치(1000)에서 생산되는 순 전력 밀도를 향상시킬 수 있다. 이는 도 7에서 더 자세히 설명한다.
채널은 메쉬형 기재(600) 위에 채널을 형성하기 위한 격벽(610)을 형성함으로써 제공할 수 있다. 메쉬형 기재(600)로는 PET 등을 적용할 수 있으며 격벽(610)으로는 PP, PTFE 등을 적용할 수 있다. 격벽(610)의 높이는 100μm 이하가 되도록 하는 것이 양이온 교환막(103)과 음이온 교환막(104) 사이의 간격을 최소하여 전력 생산량을 증가시킬 수 있다.
채널 영역은 돌출부에서부터 격벽에 의해 만들어지며 스페이서의 상단 및 하단에서는 격벽에 의해 데드존이 결정된다.
도 7은 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치에서 스페이서의 내부 유로 구조에 따른 펌프 전력 소모의 차이를 비교하는 그래프이다.
도 7에서 (a)는 우븐형 스페이서를 적용했을 때 역전기투석 염분차 발전 장치가 생산하는 전력 밀도이고, (b)는 채널형 스페이서를 적용했을 때 역전기투석 염분차 발전 장치가 생산하는 전력 밀도이다. 또한 (c)은 우븐형 스페이서를 적용했을 때의 해수 및/또는 담수를 공급하기 위한 펌프 전력 소모를 나타내고, (d)는 채널형 스페이서를 적용했을 때의 해수 및/또는 담수를 공급하기 위한 펌프 전력 소모를 나타낸 것이다.
도 7을 참조하면, 유사한 수준의 전력 밀도를 생산하기 위하여 우븐형 스페이서를 적용했을 때와 채널형 스페이서를 적용했을 때 해수 및/또는 담수를 공급하기 위해 소모되는 펌프 전력이 상이함을 알 수 있다. 다시 말해 우븐형 스페이서를 적용한 경우 대비 채널형 스페이서를 적용했을 때 동일한 전력 밀도를 생산하기 위하여 더 적은 펌프 전력이 요구되고, 결과적으로 더 높은 순 전력 밀도(net power density)를 생산할 수 있는 것이다. 따라서 본 발명의 역전기투석 염분차 발전 장치(1000)는 채널형 스페이서를 적용하여 더 높은 순 전력 밀도를 생산할 수 있도록 하였다.
도 8은 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치에서 유속에 따른 순 전력 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 8에서 (a)는 역전기투석 염분차 발전 장치에서 생산되는 전력 밀도이고 (b)는 유체 전력 손실(hydrodynamic power loss), 그리고 (c)는 순 전력 밀도(net power density)를 나타낸다.
해수 및 담수의 유속이 증가할수록 (a)과 같이 생산되는 전력 밀도도 증가하나 (b)와 같이 유체 전력 손실 역시 증가하게 된다. 유체 전력 손실은 요구되는 유속으로 해수 및 담수를 공급하기 위한 펌프의 전력 소비를 포함한다. 생산 전력 밀도에서 유체 전력 손실을 뺀 순 전력 밀도는 유속이 증가할 때 일정 수준까지는 증가하다가 다시 감소하게 된다. 따라서 최적의 순 전력 밀도를 보이는 유속으로 역전기투석 염분차 발전 장치(1000)를 구동하여야 한다.
도 9는 본 발명에 의한 역전기투석 염분차 발전 장치에서 전극 용액에 따른 전력 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 9에서 (a) 및 (b)은 각각 역전기투석 염분차 발전 장치에서 셀 스택의 수가 50인 경우, 전극 용액으로 해수(sea water), 즉 염화나트륨(NaCl) 용액을 사용한 경우와 종래와 같이 페리시안화물(ferricyanide)을 사용한 경우의 전류 밀도에 따른 생산되는 전력 밀도의 변화를 도시한 것이다. 또한 (c) 및 (d)은 각각 역전기투석 염분차 발전 장치에서 셀 스택의 수가 300인 경우, 전극 용액으로 해수(sea water) 즉 염화나트륨(NaCl) 용액을 사용한 경우와 페리시안화물(ferricyanide)을 사용한 경우의 전류 밀도에 따른 생산되는 전력 밀도의 변화를 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 역전기투석 셀 스택의 셀 수가 작을 때는 전극 용액으로 페리시안화물을 사용하는 경우(b)와 해수, 즉 염화나트륨 용액을 사용하는 경우(a)에 있어 생산되는 전력 밀도의 차이가 비교적 크나, 역전기투석 셀 스택의 셀 수가 일정 수준 이상이 되면 전극 용액으로 페리시안화물을 사용하는 경우(d)와 염화나트륨 용액을 사용하는 경우(c)에 있어 생산되는 전력 밀도의 차이가 크지 않음을 알 수 있다. 실험 결과 스택의 수가 300 셀 이상이 되면 전극 용액으로 페리시안화물을 사용하는 것과 염화나트륨 용액을 사용하는 것에 있어 전력 밀도의 차이가 10% 가량이 되어 비용 대비 전력 생산 효율 측면에서 해수, 즉 염화나트륨 용액이 더 유리할 수 있음을 확인하였다. 페리시안화물 대비 해수는 구하기도 쉽고 비용도 훨씬 저렴하기 때문이다.
역전기투석 셀 스택에서 셀의 수가 증가함에 따라 물 반응이 주 반응이 되어, 전극 용액으로 페리시안화물(ferricyanide)을 사용하는 것과 해수(sea water) 즉 염화나트륨(NaCl) 용액을 사용하는 것이 생산되는 전력 밀도 측면에서 큰 차이가 없다. 또한 해수 사용시 환경 문제에서도 큰 장점을 가지고 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

  1. 서로 대향하는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트; 및
    상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 사이의 역전기투석 셀 스택을 포함하고,
    상기 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트의 적어도 하나는 일 방향으로 연장되어 전해질 용액의 통로를 제공하는 메인 유로와 상기 메인 유로와 연결되고 상기 역전기투석 셀 스택 방향으로 분기된 다수의 서브 유로들을 포함하고,
    상기 셀은 양이온 교환막, 제1 스페이서, 및 음이온 교환막을 포함하고,
    상기 제1 스페이서는 메쉬형 기재 및 상기 메쉬형 기재 상에 형성되어 채널을 형성하는 격벽을 포함하는 채널형 스페이서인 역전기투석 염분차 발전 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 역전기투석 셀 스택은 300개 이상의 셀을 포함하는 역전기투석 염분차 발전 장치.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제1 스페이서의 일측면에는 제1 농도의 전해질 용액이 통과하는 개구를 포함하는 다수의 제1 돌출부를, 타측면에는 상기 제1 농도의 전해질 용액이 통과하는 개구를 포함하는 다수의 제2 돌출부를 포함하고,
    상기 제1 돌출부와 상기 제2 돌출부는 기준선에 대해 지그재그로 배치된 역전기투석 염분차 발전 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 스페이서와 대향하는 음이온 교환막의 반대 면에는 제2 스페이서가 배치되고,
    상기 제2 스페이서의 일측면에는 제2 농도의 전해질 용액이 통과하는 개구를 포함하는 다수의 제1 돌출부를 포함하고, 타측면에는 상기 제2 농도의 전해질 용액이 통과하는 개구를 포함하는 다수의 제2 돌출부를 포함하고,
    서로 대향하는 상기 제1 스페이서의 상기 제1 돌출부와 상기 제2 스페이서의 상기 제1 돌출부는 서로 교번하는 역전기투석 염분차 발전 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 스페이서의 상기 제1 돌출부의 상기 개구와 이와 대향하는 상기 제2 스페이서의 상기 제1 돌출부의 상기 개구 사이의 간격은 최소값이 6mm 이상 18mm 이하인 역전기투석 염분차 발전 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 엔드 플레이트에는 상기 제1 농도 전해질 용액 유입부 및 유출부를 포함하고,
    상기 제2 엔드 플레이트에는 상기 제2 농도 전해질 용액 유입부 및 유출부를 포함하는 역전기투석 염분차 발전 장치.
  7. 삭제
  8. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 스페이서의 제1 돌출부의 개구로부터 상기 제2 돌출부의 개구까지의 유로의 최단 거리는 100mm 보다 길고 300mm 보다 짧은 역전기투석 염분차 발전 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 역전기투석 염분차 발전 장치의 전극 용액은 염화나트륨 수용액을 사용하는 역전기투석 염분차 발전 장치.
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