KR102015064B1 - Power generation system having serially connected heterogeneous reverse electrodialysis - Google Patents

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KR102015064B1
KR102015064B1 KR1020180033943A KR20180033943A KR102015064B1 KR 102015064 B1 KR102015064 B1 KR 102015064B1 KR 1020180033943 A KR1020180033943 A KR 1020180033943A KR 20180033943 A KR20180033943 A KR 20180033943A KR 102015064 B1 KR102015064 B1 KR 102015064B1
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한지형
박순철
서용석
김찬수
황교식
김한기
정남조
남주연
좌은진
최지연
양승철
이수연
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한국에너지기술연구원
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Abstract

Provided is a power generation system having serially connected heterogeneous reverse electrodialysis (RED) to maximize net output. Moreover, first RED is large capacity batch-type RED, and second RED is a photocatalytic electrode-based RED or an ion charge and discharge electrode-based RED.

Description

직렬 연결된 이종 RED를 포함하는 발전 시스템{POWER GENERATION SYSTEM HAVING SERIALLY CONNECTED HETEROGENEOUS REVERSE ELECTRODIALYSIS}POWER GENERATION SYSTEM HAVING SERIALLY CONNECTED HETEROGENEOUS REVERSE ELECTRODIALYSIS}

본 발명은 발전 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 직렬 연결된 이종 RED를 포함하여 발전의 알짜(net) 출력이 향상된 발전 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a power generation system, and more particularly, to a power generation system having improved net output of power generation, including heterogeneous REDs connected in series.

염분차 발전 장치는 염수와 담수의 염도 차이를 이용하여 전기를 생산한다. 이 중에서 역전기투석(reverse electrodialysis, RED)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. Salinity generators generate electricity by using salinity differences between saline and fresh water. Reverse electrodialysis (RED) is a technology for producing electricity by using salinity differences between seawater and fresh water, and obtains energy in a process opposite to a general electrodialysis process in which electricity is generated to generate electrolyte concentration differences. . The reverse electrodialysis apparatus converts the chemical potential difference of the ion exchange membranes into the electrical potential difference using a redox couple material as the electrode solution.

그런데 염 농도가 약 70,000 mg/L인 해수 담수화 농축수를 염수로, 수돗물을 담수로 사용한 RED에서 유출수가 약 25% 정도 희석되어 배출되더라도 여전히 염 농도가 52,500 mg/L정도로 높을 것으로 예상된다. 이 농도는 일반적인 해수 농도(35,000 mg/L)보다 훨씬 높기 때문에 해양 생물들에게 악영향을 미칠 가능성이 크다. However, even if the effluent is discharged by diluting about 25% in RED using seawater desalination concentrate with salt concentration of about 70,000 mg / L and tap water as freshwater, the salt concentration is still expected to be high as 52,500 mg / L. Since this concentration is much higher than the usual seawater concentration (35,000 mg / L), it is likely to adversely affect marine life.

본 발명은 알짜 출력이 향상되고 환경오염을 방지할 수 있는 발전 시스템을 제공하고자 한다. The present invention is to provide a power generation system that can improve the net output and prevent environmental pollution.

본 발명의 실시예들에 따른 발전 시스템은 제1 역전기 투석 장치와 상기 제1 역전기 투석 장치의 유출수가 유입되도록 직렬 연결된 제2 역전기 투석 장치를 포함하는 직렬 연결된 이종 RED를 포함하는 발전 시스템으로, The power generation system according to the embodiments of the present invention includes a power generation system including a heterogeneous RED connected in series including a first reverse electrodialysis apparatus and a second reverse electrodialysis apparatus connected in series such that the effluent of the first reverse electrodialysis apparatus is introduced. to,

상기 제1 역전기 투석 장치는 염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어지고 복수개의 단위 셀이 적층되어 상기 물 분해 반응에 필요한 막 전압을 제공하는 막 스택, 상기 막 스택의 양단에 설치되고 각각 중성 pH의 물이 전극액으로 담기는 캐소드 챔버 및 애노드 챔버, 상기 캐소드 챔버에 설치되어 상기 중성 pH의 물의 환원 반응에 의해 상기 수소를 발생시키는 캐소드, 및 상기 애노드 챔버 내에 설치된 애노드로 상기 애노드 챔버내에서 상기 중성 pH의 물의 산화 반응에 의해 산소와 전자를 발생시키는 애노드를 포함하고, 상기 애노드 챔버에서 발생한 상기 전자가 부하를 거쳐 상기 캐소드로 공급되면서 전기를 생산하는 제1 역전기 투석 장치이고The first reverse electrodialysis apparatus includes a membrane stack including a cation exchange membrane and an anion exchange membrane that alternately form a salt water channel and a fresh water channel, and a plurality of unit cells are stacked to provide a membrane voltage necessary for the water decomposition reaction. A cathode chamber and an anode chamber installed at both ends and each containing water of a neutral pH as an electrode solution, a cathode installed in the cathode chamber to generate the hydrogen by a reduction reaction of water of the neutral pH, and an anode installed in the anode chamber And an anode generating oxygen and electrons by an oxidation reaction of the neutral pH water in the anode chamber, wherein the electrons generated in the anode chamber are supplied to the cathode through a load to produce electricity. It's a dialysis device

상기 제2 역전기 투석 장치는 염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어지고 적어도 제1 RED의 셀 수보다 적은 수의 단위 셀들이 적층된 막 스택, 상기 막 스택의 양단에 설치되고 각각 수용액이 담기는 캐소드 챔버 및 애노드 챔버, 상기 캐소드 챔버에 설치되어 상기 물의 환원 반응에 의해 상기 수소를 발생시키는 광촉매 캐소드, 및 상기 애노드 챔버 내에 설치된 애노드로 상기 애노드 챔버 내에서 물의 산화 반응에 의해 산소와 전자를 발생시키는 광촉매 애노드 또는 생물학적 포토애노드를 포함하고, 상기 애노드 챔버에서 발생한 상기 전자가 부하를 거쳐 상기 캐소드로 공급되면서 전기를 생산하는 제2 역전기 투석 장치이다. The second reverse electrodialysis apparatus includes a cation exchange membrane and an anion exchange membrane that alternately form a salt water channel and a fresh water channel, and a membrane stack having at least one unit cell stacked in at least one number of cells of the first RED, on both ends of the membrane stack. A cathode chamber and an anode chamber installed in each of the aqueous solution, a photocatalytic cathode installed in the cathode chamber to generate the hydrogen by the reduction reaction of water, and an anode installed in the anode chamber for oxidation reaction of water in the anode chamber. And a photocatalytic anode or a biological photoanode that generates oxygen and electrons, wherein the electrons generated in the anode chamber are supplied to the cathode via a load to produce electricity.

본 발명의 실시예들에 따른 발전 시스템은 제1 역전기 투석 장치와 상기 제1 역전기 투석 장치의 유출수가 유입되도록 직렬 연결된 제2 역전기 투석 장치를 포함하는 직렬 연결된 이종 RED를 포함하는 발전 시스템으로, The power generation system according to the embodiments of the present invention includes a power generation system including a heterogeneous RED connected in series including a first reverse electrodialysis apparatus and a second reverse electrodialysis apparatus connected in series such that the effluent of the first reverse electrodialysis apparatus is introduced. to,

상기 제1 역전기 투석 장치는 염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어지고 복수개의 단위 셀이 적층되어 상기 물 분해 반응에 필요한 막 전압을 제공하는 막 스택, 상기 막 스택의 양단에 설치되고 각각 중성 pH의 물이 전극액으로 담기는 캐소드 챔버 및 애노드 챔버, 상기 캐소드 챔버에 설치되어 상기 물의 환원 반응에 의해 상기 수소를 발생시키는 캐소드, 및 상기 애노드 챔버 내에 설치된 애노드로 상기 애노드 챔버내에서 물의 산화 반응에 의해 산소와 전자를 발생시키는 애노드를 포함하고, 상기 애노드 챔버에서 발생한 상기 전자가 부하를 거쳐 상기 캐소드로 공급되면서 전기를 생산하는 제1 역전기 투석 장치이고The first reverse electrodialysis apparatus includes a membrane stack including a cation exchange membrane and an anion exchange membrane that alternately form a salt water channel and a fresh water channel, and a plurality of unit cells are stacked to provide a membrane voltage necessary for the water decomposition reaction. A cathode chamber and an anode chamber installed at both ends and each containing a neutral pH of water as an electrode solution, a cathode installed in the cathode chamber to generate the hydrogen by a reduction reaction of water, and an anode installed in the anode chamber A first reverse electrodialysis apparatus including an anode generating oxygen and electrons by an oxidation reaction of water in the chamber, wherein the electrons generated in the anode chamber are supplied to the cathode through a load, and generate electricity;

상기 제2 역전기 투석 장치는 염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어지고 적어도 제 1 RED의 셀 수보다 적은 수의 단위 셀들이 적층된 막 스택, 및 상기 막 스택의 양단에 설치된 이온 충방전 캐소드 및 이온 충방전 애노드를 포함하는 직렬 연결된 이종 RED를 포함하는 발전 시스템이다. The second reverse electrodialysis apparatus includes a membrane stack including a cation exchange membrane and an anion exchange membrane that alternately form a salt water channel and a fresh water channel, and at least fewer unit cells are stacked than at least a first RED cell, and both ends of the membrane stack. A power generation system comprising a heterogeneous RED connected in series including an ion charge and discharge cathode and an ion charge and discharge anode installed in the.

본 발명의 실시예들에 따르면, 직렬 연결된 이종 RED를 포함하는 발전 시스템은 역전기투석 염분차 발전의 알짜 출력을 향상시킬 수 있고 안정적인 에너지를 획득할 수 있다. According to embodiments of the present invention, a power generation system including a heterogeneous RED connected in series can improve the net output of reverse electrodialysis salinity generation and obtain stable energy.

본 발명의 실시예들에 따르면, 직렬 연결된 이종 RED를 포함하는 발전 시스템은 염 농도가 높은 유출수를 제2 RED가 사용하여 최종 배출하는 유출수의 염 농도를 낮추어 환경오염을 방지할 수 있다. According to the embodiments of the present invention, the power generation system including the heterogeneous RED connected in series can prevent the environmental pollution by lowering the salt concentration of the effluent discharged by the second RED using the effluent having a high salt concentration.

본 발명의 실시예들에 따르면, 직렬 연결된 이종 RED를 포함하는 발전 시스템은 제1 RED에서 유출되는 유출수를 제2 RED에 유입하여 추가적인 전기 에너지를 얻을 수 있기 때문에 알짜 효율(net efficiency)을 향상시킬 수 있다. According to embodiments of the present invention, a power generation system including a heterogeneous RED connected in series can improve net efficiency because the effluent flowing out of the first RED can be introduced into the second RED to obtain additional electric energy. Can be.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 직렬 연결된 이종 RED를 포함하는 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 직렬 연결된 이종 RED의 제1 RED(배치 타입 RED)의 단면도이다.
도 3은 종래의 RED(Conventional RED)의 단면도이다.
도 4는 막 스택을 구성하는 단위 셀의 수에 따른 개방회로 전압(OCV)을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5a는 배치형 제 1 RED의 셀 수에 따른 전기에너지와 수소에너지의 생산량을 측정한 그래프이다.
도 5b는 배치형 제 1 RED의 셀 수에 따른 전기에너지 대비 생산되는 수소에너지의 비율을 타내는 그래프이다.
도 6은 배치형 제 1 RED의 셀 수에 따른 수소 생산 효율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7a는 종래의 RED 대비 배치형 RED의 전기에너지의 비율을 측정한 그래프이다.
도 7b는 종래의 RED와 배치형 RED 에서 셀 수에 따라 생성되는 수소에너지를 측정한 그래프이다.
도 8a는 종래의 RED 대비 배치형 RED의 전체에너지 비율을 측정한 그래프이다.
도 8b는 종래의 RED와 배치형 RED에서 셀 수에 따른 전력밀도(power density)를 측정한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결된 이종 RED의 광촉매 기반 제2 RED의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결된 이종 RED의 광촉매 기반 제2 RED를 구성하는 애노드의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직렬 연결된 이종 RED의 이온충방전 기반 제2 RED의 단면도이다.
도 12은 유량에 따른 염수 및 담수의 유출수 전도도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 일반 해수를 염수로 수돗물을 담수로 사용함.
도 13은 유량에 따른 최대 전력밀도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 1 is a block diagram of a power generation system including a heterogeneous RED connected in series according to embodiments of the present invention.
2 is a cross-sectional view of a first RED (batch type RED) of a heterogeneous RED connected in series in accordance with embodiments of the present invention.
3 is a cross-sectional view of a conventional RED (Conventional RED).
4 is a graph illustrating a result of measuring an open circuit voltage (OCV) according to the number of unit cells constituting a film stack.
Figure 5a is a graph measuring the production of the electrical energy and hydrogen energy according to the number of cells of the batch type first RED.
5B is a graph showing a ratio of hydrogen energy to electrical energy produced according to the number of cells of the batch type first RED.
6 is a graph showing a result of measuring hydrogen production efficiency according to the number of cells of a batch type first RED.
Figure 7a is a graph measuring the ratio of the electrical energy of the batch RED compared to the conventional RED.
Figure 7b is a graph measuring the hydrogen energy generated according to the number of cells in the conventional RED and batch RED.
Figure 8a is a graph measuring the total energy ratio of the batch RED compared to the conventional RED.
8B is a graph measuring power density according to the number of cells in the conventional RED and the batch RED.
9 is a cross-sectional view of a photocatalyst based second RED of a heterogeneous RED connected in series according to an embodiment of the present invention.
10 is a schematic diagram of an anode constituting a photocatalyst-based second RED of a heterogeneous RED connected in series according to an embodiment of the present invention.
11 is a cross-sectional view of an ion charge / discharge based second RED of a heterogeneous RED connected in series according to another embodiment of the present invention.
12 is a graph showing the results of measuring the effluent conductivity of saline and fresh water according to the flow rate. General seawater is used as salt water and tap water is used as fresh water.
13 is a graph showing the results of measuring the maximum power density according to the flow rate.

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 so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

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 a part of the specification is said to "include" a certain component it means that it can further include other components unless otherwise stated. The size and thickness of each of the components shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, and thus, the present invention is not limited to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결된 이종 RED를 포함하는 발전 시스템(1)의 구성도이다. 1 is a block diagram of a power generation system 1 including a heterogeneous RED connected in series according to an embodiment of the present invention.

발전 시스템(1)을 구성하는 직렬 연결된 이종 RED는 대용량 발전 및 수소 생산을 위한 제1 RED(100)와 광촉매 전극 기반 RED 또는 이온 충방전 전극 기반 RED로 이루어진 제2 RED(200)를 포함한다. The heterogeneous REDs connected in series constituting the power generation system 1 include a first RED 100 for large capacity power generation and hydrogen production, and a second RED 200 consisting of a photocatalytic electrode based RED or an ion charge / discharge electrode based RED.

제1 RED(100)와 제2 RED(200)에서 생성되는 수소와 전기는 각각 수소충전기(170)와 전기충전기(180)에 각각 저장된다. Hydrogen and electricity generated in the first RED 100 and the second RED 200 are stored in the hydrogen charger 170 and the electric charger 180, respectively.

제1 RED(100)에 공급되는 제1 담수(103)와 제1 염수(105)는 전처리부(101)에 의해 처리된 제1 담수(103)와 제1 염수(105)를 이용할 수 있으며, 취수 및 전처리부(101), 제1 RED(100)의 오염 모니터링부(미도시), 제1 RED(100)의 막 스택이 오염되었을 경우 이를 화학적 또는 물리적으로 세정하는 막 재생부(미도시)와 관련해서는 본 출원인의 선행 출원인 KR 10-2015-0161014 의 설명으로 대신한다. The first freshwater 103 and the first brine 105 supplied to the first RED 100 may use the first freshwater 103 and the first brine 105 treated by the pretreatment unit 101. Water intake and pretreatment unit 101, contamination monitoring unit (not shown) of the first RED (100), membrane regeneration unit (not shown) for chemically or physically cleaning the membrane stack of the first RED (100) if it is contaminated In connection with the description of the applicant's prior application KR 10-2015-0161014.

제1 RED(100)는 캐소드 챔버와 애노드 챔버에 공급되는 전해질(electrolyte, catholyte, anolyte)로 중성 pH의 물을 사용하고 전해질은 비순환되며, 막 스택에 공급되는 유입수, 즉 제1 담수(103)와 제1 염수(105)의 농도차에 따라 막 스택을 이루는 단위 셀의 수가 정해지는 RED이다. 제1 RED(100)의 구체적인 구성은 도 2를 참조하여 설명한다. The first RED 100 uses neutral pH water as the electrolyte (electrolyte, catholyte, anolyte) supplied to the cathode chamber and the anode chamber, and the electrolyte is acyclic, and the inflow water supplied to the membrane stack, that is, the first fresh water 103 The number of unit cells constituting the film stack is determined according to the concentration difference between the first brine 105 and RED. A detailed configuration of the first RED 100 will be described with reference to FIG. 2.

도 2를 참조하면, 제1 RED(100)는 대용량 RED로 막 스택(10), 캐소드 챔버(30) 및 애노드 챔버(40)로 구성되며, 도 3에 예시되어 있는 종래의 RED(conventional RED)와의 차별화를 위해서 배치형 RED(batch-type RED)라 명명한다. Referring to FIG. 2, the first RED 100 is a large-capacity RED, which is composed of the membrane stack 10, the cathode chamber 30, and the anode chamber 40, and the conventional RED illustrated in FIG. 3. It is called batch-type RED for differentiation.

도 2에 예시되어 있는 배치형 제1 RED(100)와 도 3에 예시되어 있는 종래의 RED(1000)를 비교하면 배치형 제1 RED(100)의 경우 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)에 전극용액(catholyte, anolyte)으로 중성 pH의 물이 사용된다. 중성 pH의 물로는 중성 pH의 NaCl 또는 Na2SO4수용액이 사용될 수 있다. 또한 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)의 전해질은 비순환되어 각 챔버(30 또는 40)에만 존재한다. 따라서 물 분해 반응의 결과로 얻어진 수소를 챔버 상부에 연결된 포집 기둥(70)을 통하여 외부로 포집하기가 용이해진다.Comparing the batch first RED 100 illustrated in FIG. 2 with the conventional RED 1000 illustrated in FIG. 3, the cathode chamber 30 and the anode chamber 40 in the case of the batch first RED 100 illustrated in FIG. ), Neutral pH water is used as the electrode solution (catholyte, anolyte). As neutral pH water, neutral pH NaCl or Na 2 SO 4 aqueous solution may be used. In addition, the electrolyte of the cathode chamber 30 and the anode chamber 40 is acyclic and exists only in each chamber 30 or 40. Therefore, it is easy to collect the hydrogen obtained as a result of the water decomposition reaction to the outside through the collecting column 70 connected to the upper portion of the chamber.

반면 도 3에 예시되어 있는 종래의 RED(1000)의 경우에는 캐소드 챔버(1030)와 애노드 챔버(1040)에 전해질로 Fe2 +/Fe3 + 또는 페리-/페로시안(ferri-/ferrocyanide) 화합물의 산화환원쌍(redox couple)을 사용하고 이들 전해질이 외부 순환 용기(1080)를 통해 순환하게 된다. In contrast, the conventional RED (1000), the cathode chamber 1030 and the anode chamber with the electrolyte (1040), Fe 2 + / Fe 3 + or a ferry, which is illustrated in Figure 3 - / ferrocyanide (ferri- / ferrocyanide) compound Using redox couple and these electrolytes are circulated through the external circulation vessel (1080).

도 3에 예시되어 있는 종래의 RED(1000)의 경우에는 캐소드 챔버(1030) 및 애노드 챔버(1040)는 캐소드(1032)과 애노드(1042)을 담을 수 있을 정도로만 형성된다. 캐소드(1032)와 애노드(1042)는 외부 로드(1090)와 연결된다. 전극 개스킷(gasket)(250)은 막 스택(10)과 엔드 플레이트(221, 222) 사이의 공간을 밀폐(sealing)하여 캐소드 챔버(1030)와 애노드 챔버(1040) 에서 용액이 새는 것을 방지하기 위한 것이다. 종래의 RED(1000)의 캐소드 챔버(1030) 및 애노드 챔버(1040)의 폭(w)은 애노드(1042) 또는 캐소드(1032)의 폭과 거의 실질적으로 동일하다. 반면, 도 2에 예시되어 있는 배치형 제1 RED(100)의 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)의 폭(W)은 캐소드(32) 및 애노드(42)의 폭에 제한을 받지 않는다. 따라서, 종래의 RED(1000)와 같은 높이와 길이로 형성한다고 하면 그 부피를 10배 이상, 바람직하기로는 25배 이상, 더욱 바람직하기로는 50배 이상으로 크게 할 수 있다. 예를 들면 종래의 캐소드 챔버(1030)의 크기가 특히 2.5㎤ 라면 본 발명의 실시예에 따른 캐소드 챔버(30)의 크기는 125㎤ 일 수 있다. 캐소드 챔버(30)의 크기를 크게 할 경우 반응물인 물이 벌크 용액으로부터 충분히 공급되기 때문에 농도차 분극에 의한 저항을 줄여 안정적인 물 전기분해반응이 일어날 수 있다. 막 스택(10)은 고농도 전해질 용액(HC) 예컨대 염수가 공급되는 유로(CH1)와 저농도 전해질 용액(LC) 예컨대 담수가 공급되는 유로(CH2) 를 번갈아 형성하는 양이온 교환막(11)과 음이온 교환막(12)으로 이루어진다. 이웃한 두 개의 단위 셀(unit cell)은 양이온 교환막(11) 또는 음이온 교환막(12)을 공유한다. In the case of the conventional RED 1000 illustrated in FIG. 3, the cathode chamber 1030 and the anode chamber 1040 are formed to only contain the cathode 1032 and the anode 1042. The cathode 1032 and the anode 1042 are connected with the outer rod 1090. An electrode gasket 250 seals the space between the membrane stack 10 and the end plates 221, 222 to prevent leakage of the solution in the cathode chamber 1030 and the anode chamber 1040. will be. The width w of the cathode chamber 1030 and the anode chamber 1040 of the conventional RED 1000 is substantially substantially the same as the width of the anode 1042 or cathode 1032. In contrast, the width W of the cathode chamber 30 and the anode chamber 40 of the batch-type first RED 100 illustrated in FIG. 2 is not limited to the width of the cathode 32 and the anode 42. . Therefore, if it is formed in the same height and length as the conventional RED (1000), the volume can be increased to 10 times or more, preferably 25 times or more, more preferably 50 times or more. For example, if the size of the conventional cathode chamber 1030 is particularly 2.5 cm 3, the size of the cathode chamber 30 according to the embodiment of the present invention may be 125 cm 3. When the size of the cathode chamber 30 is increased, since the reactant water is sufficiently supplied from the bulk solution, a stable water electrolysis reaction may occur by reducing resistance due to concentration difference polarization. The membrane stack 10 includes a cation exchange membrane 11 and an anion exchange membrane, which alternately form a high concentration electrolyte solution HC such as a channel for supplying brine and a low concentration electrolyte solution LC such as a channel for supplying fresh water. 12). Two adjacent unit cells share a cation exchange membrane 11 or an anion exchange membrane 12.

막 스택(10)을 구성하는 최소한의 단위 셀(unit cell)의 수는 막 스택(10)에 유입되는 염수와 담수의 농도차에 따라 달라질 수 있다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 농도가 35,000mg/L인 일반해수를 염수로 사용하고 농도가 0~1,000mg/L인 수돗물을 담수로 사용할 경우, 즉 염수와 담수의 농도 차이(=염수의 농도/담수의 농도)가 약 30 정도가 될 경우 50셀 이상이면 물 전기분해반응을 일으킬 수 있는 충분한 막 전압(6V)을 형성할 수 있음을 알 수 있다. The minimum number of unit cells constituting the membrane stack 10 may vary depending on the concentration difference between the brine and fresh water flowing into the membrane stack 10. As shown in FIG. 4, when using general seawater having a concentration of 35,000 mg / L as saline and tap water having a concentration of 0 to 1,000 mg / L as freshwater, that is, a difference between concentrations of saline and fresh water (= concentration of saline) When the concentration of freshwater is about 30, it can be seen that if the cell is 50 cells or more, a sufficient film voltage (6V) can be formed to cause the water electrolysis reaction.

도 5a는 배치형 제 1 RED의 단위 셀 수에 따른 전기에너지와 수소에너지의 생산량을 측정한 그래프이고, 도 5b는 배치형 제 1 RED의 셀 수에 따른 전기에너지 대비 생산되는 수소에너지의 비율을 타내는 그래프이다. Figure 5a is a graph measuring the production of the electrical energy and hydrogen energy according to the number of unit cells of the batch type first RED, Figure 5b is a ratio of the hydrogen energy produced relative to the electrical energy according to the number of cells of the batch type 1 RED. It is a graph to show.

도 5a와 도 5b에 나타나 있는 바와 같이 RED 전력 대비 생산되는 수소에너지 비율을 보면 25 셀의 경우에는 RED 전력이 차지하는 비율이 매우 작은데 반해 50셀 이상에서는 RED 전력이 약 60 퍼센트를 유지하면서 나머지 분율을 수소에너지가 차지하고 있다. 즉, 50 셀 이상에서는 물 산화환원반응이 일어나기 위한 최소한의 에너지인 활성화 과전위(activation overpotential, 2.2 V)보다 큰 막전압이 전극에 걸리기 때문에 원활한 전극 반응이 일어날 수 있다. 즉, 전극 반응에 의한 수소 생산이 전기에너지 생산에 부정적인 영향을 주지 않는다는 것을 의미한다. 도 6은 셀 수에 따른 수소 생산 효율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 6으로부터 염수와 담수의 농도차가 30일 경우 적어도 50셀 이상, 바람직하기로는 수소 생산 효율이 100이 될 수 있는 125셀 이상으로 제 1 RED(100)의 막 스택(10)을 구성하는 것이 바람직함을 알 수 있다. As shown in FIG. 5A and FIG. 5B, the ratio of hydrogen energy produced to RED power is very small in the case of 25 cells, whereas the ratio of RED power is very small in the case of 25 cells. Hydrogen energy is occupied. That is, at more than 50 cells, a smooth electrode reaction may occur because a film voltage greater than activation overpotential (2.2 V), which is the minimum energy for water redox reaction, is applied to the electrode. In other words, hydrogen production by the electrode reaction does not have a negative effect on the production of electrical energy. 6 is a graph showing the results of measuring hydrogen production efficiency according to the number of cells. From FIG. 6, when the concentration difference between the brine and the fresh water is 30, it is preferable to configure the film stack 10 of the first RED 100 at least 50 cells or more, preferably 125 cells or more, in which the hydrogen production efficiency is 100. It can be seen that.

도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이 염수와 담수의 농도차가 30이상이고 단위 셀 수가 50셀 이상일 경우 물 전기분해반응을 일으킬 수 있는 충분한 막 전압을 형성할 수 있기 때문에 캐소드챔버(30)와 애노드챔버(40)에 공급되는 전극용액으로 중성 pH의 물 또는 담수를 사용하더라도 전극 용액 저항에 의한 전력 감소량 및 수소 생산량 감소량은 무시할 수 있을 정도의 양이 된다 게다가 역전기투석 염분차발전 시스템의 특성 상 셀 수가 증가함에 따라 전극 반응을 위한 최소한의 과전위와 전극 용액 저항에 의한 전극 저항이 상대적으로 작아진다. 따라서 과전위를 줄이기 위해 부식성이 높은 강산, 강염기를 전극 용액으로 사용할 필요가 없다. 즉, 수백 셀 이상으로 이루어진 역전기투석 염분차 발전에서는 순수 물로도 전력을 생산하면서 동시에 수소를 생산할 수 있기 때문에 기존의 물의 전기분해(water electrolysis)에 의한 수소 생산에 비해 다양한 장점이 있다. 기존의 물 전기분해에서는 용액 저항의 영향이 크기 때문에 순수 물을 전해질로 사용할 수 없어서 순수 물을 전해질로 사용하지 않는다. 반면 본 발명의 제1 RED(100)에서는 캐소드 챔버(30)에 기존의 산화환원종을 사용하지 않고 순수 물만을 공급해서 수소를 생산할 수 있기 때문에 더욱 더 순수한 수소 기체를 생산할 수 있다. 따라서, 수소분리막 같은 추가적인 분리장치없이 바로 연료전지에 연결할 수 있게 된다. 또한 강산이나 강염기를 사용하지 않기 때문에 부식 반응에 의한 구조 불안정성 및 취급 주의로부터 자유롭다.As described with reference to FIGS. 4 to 6, when the difference between the concentrations of the brine and the fresh water is 30 or more and the number of unit cells is 50 cells or more, a sufficient membrane voltage may be formed to cause the water electrolysis reaction. Even if neutral pH water or fresh water is used as the electrode solution supplied to the anode chamber 40, the amount of reduction in power and the amount of hydrogen produced by the electrode solution resistance is negligible. As the number of phase cells increases, the minimum overpotential for electrode reaction and the electrode resistance due to electrode solution resistance become relatively small. Therefore, there is no need to use highly corrosive strong acid and strong base as electrode solution to reduce overpotential. That is, in the reverse electrodialysis salt differential power generation consisting of more than a few hundred cells, since it is possible to produce hydrogen at the same time to produce power even with pure water, there are various advantages over the production of hydrogen by conventional water electrolysis (water electrolysis). In conventional water electrolysis, pure water cannot be used as an electrolyte because the effect of solution resistance is large, so pure water is not used as an electrolyte. On the other hand, in the first RED 100 of the present invention, since pure hydrogen can be produced by supplying only pure water to the cathode chamber 30 without using the existing redox species, it is possible to produce even more pure hydrogen gas. Therefore, the fuel cell can be directly connected without an additional separation device such as a hydrogen separation membrane. In addition, since no strong acid or strong base is used, it is free from structural instability and handling precautions caused by the corrosion reaction.

물론 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)의 용액 저항을 낮추기 위해서는 필요에 따라 염이 용해된 수용액을 사용할 수 있다. 예를 들면, NaCl 또는 Na2SO4 가 2.92g/L ~ 5.8g/L로 용해된 수용액을 사용할 수도 있다. 염이 용해되어 있을 경우 전극 용액의 저항이 감소하는 효과를 볼 수 있으나, 앞에서도 설명한 바와 같이 셀 수가 많아지게 되면 전극 용액의 저항의 영향은 미미하므로 순수 물 또는 담수를 전극용액으로 사용할 수 있다. Of course, in order to lower the solution resistance of the cathode chamber 30 and the anode chamber 40, an aqueous solution in which salt is dissolved may be used. For example, NaCl or Na 2 SO 4 end It is also possible to use an aqueous solution dissolved at 2.92 g / L to 5.8 g / L. When the salt is dissolved, the resistance of the electrode solution can be reduced, but as described above, when the number of cells increases, the effect of the resistance of the electrode solution is insignificant, so that pure water or fresh water can be used as the electrode solution.

즉, 화학식(1)과 같이 애노드(42)에서 물의 산화 반응에 의해 산소 및 전자가 발생할 수 있다. 애노드 챔버(40)의 용액에 염화나트륨이 녹아있는 경우에는 염화 이온이 산화되어 화학식(2)와 같이 염소기체를 발생할 수 있다. That is, oxygen and electrons may be generated by the oxidation reaction of water in the anode 42 as shown in Formula (1). When sodium chloride is dissolved in the solution of the anode chamber 40, chloride ions may be oxidized to generate chlorine gas as shown in Formula (2).

Figure 112018029363972-pat00001
Figure 112018029363972-pat00001

Figure 112018029363972-pat00002
Figure 112018029363972-pat00002

그리고, 화학식(3)와 같이 캐소드(32)에서 물의 환원 반응에 의해 수소 및 수산화이온이 발생할 수 있다. In addition, hydrogen and hydroxide ions may be generated by the reduction reaction of water in the cathode 32 as in Chemical Formula (3).

Figure 112018029363972-pat00003
Figure 112018029363972-pat00003

캐소드(32)와 애노드(42)는 Pt 등의 귀금속으로만 형성하지 않아도 가능하다. 예를 들면, 탄소, 티타늄, 니켈, 망간, 구리 등 비귀금속을 전극으로 사용 가능하다.The cathode 32 and the anode 42 need not be formed only of a precious metal such as Pt. For example, non-noble metals such as carbon, titanium, nickel, manganese and copper can be used as the electrode.

제1 RED(100)의 캐소드 챔버(30)의 전극 용액과 애노드 챔버(40)의 전극 용액은 비순환형으로 구성되어 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)는 각각 독립적으로 구성될 수 있다. 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)를 각각 독립적으로 구성할 경우 캐소드 챔버(30)에서 발생하는 수소와 애노드 챔버(40)에서 발생하는 산소 또는 염소 기체가 서로 섞이지 않기 때문에 포집한 후 이를 다시 분리하는 과정이 필요 없게 된다. The electrode solution of the cathode chamber 30 and the electrode solution of the anode chamber 40 of the first RED 100 may be configured in an acyclic manner so that the cathode chamber 30 and the anode chamber 40 may be independently configured. When the cathode chamber 30 and the anode chamber 40 are configured independently, the hydrogen generated in the cathode chamber 30 and the oxygen or chlorine gas generated in the anode chamber 40 are not mixed with each other and are collected again. There is no need for separation.

따라서 캐소드 챔버(30)에는 수소 포집기(50)가 설치되어 수소를 포집하고, 애노드 챔버(40)에는 산소 또는 염소 포집기(60)가 각각 설치되어 산소 또는 염소를 포집한다. Therefore, the hydrogen chamber 50 is installed in the cathode chamber 30 to collect hydrogen, and the oxygen chamber or chlorine collector 60 is installed in the anode chamber 40 to collect oxygen or chlorine, respectively.

고농도 전해질 용액은 염 농도가 35,000 mg/L 이상을 가지는 용액이고, 저농도 전해질 용액은 염 농도가 0~1,000 mg/L 를 가지는 용액일 수 있다. 고농도 전해질 용액으로는 해수(seawater)가 저농도 전해질 용액으로는 담수(fresh water)가 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며 상대적인 이온 농도차로 인하여 양이온과 음이온의 교환이 일어날 수 있도록 하는 물질의 조합이라면 어느 것이라도 적용가능하다. 그리고 막 스택(10)에 유입되기 전에 다양한 전처리 시설(도 1의 101 참조)이 설치 가능하다면 고농도 전해질 용액(염수)으로는 산업 폐염수, 해수, 인공염수 등이 사용될 수 있다. 저농도 전해질 용액(담수)으로는 산업냉각수, 하수방류수, 하천수, 수도물 등이 사용될 수 있다. 이하에서는 고농도 전해질 용액(HC)으로 염수를 저농도 전해질 용액(LC)으로 담수를 예로 들어 설명한다. The high concentration electrolyte solution may be a solution having a salt concentration of 35,000 mg / L or more, and the low concentration electrolyte solution may be a solution having a salt concentration of 0 to 1,000 mg / L. Seawater may be used as the high concentration electrolyte solution and fresh water may be used as the low concentration electrolyte solution. However, the present invention is not limited thereto. Is also applicable. In addition, if various pretreatment facilities (see 101 in FIG. 1) can be installed before the membrane stack 10 is introduced, industrial waste brine, seawater, artificial brine, etc. may be used as the high concentration electrolyte solution (saline). As the low concentration electrolyte solution (fresh water), industrial cooling water, sewage discharged water, river water, tap water, and the like may be used. Hereinafter, the salt water is used as the high concentration electrolyte solution HC and the fresh water is described as the low concentration electrolyte solution LC.

도 2에서는 염수의 흐름 방향과 담수의 흐름 방향은 서로 반대 방향인 경우를 예시하고 있다. 그러나 염수의 흐름 방향과 담수의 흐름 방향은 동일 방향일 수도 있다. 이온은 염수에서 담수로 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 염수와 담수의 흐름 방향을 서로 반대로 하는 경우가 같은 방향으로 하는 경우보다 위치에 따른 농도 차이가 적어져서 성능 향상에 유리할 수 있다. In FIG. 2, the brine flow direction and the fresh water flow direction are opposite to each other. However, the flow direction of the brine and the fresh water may be in the same direction. The ions move from the brine to fresh water. The longer the flow path, the longer the ions move, so that more ions move and the concentration difference between the two solutions is reduced at the outlet side than at the inlet side. Therefore, when the length of the flow path is long, the difference in concentration according to the position is smaller than the case where the flow direction of the brine and the fresh water is opposite to each other, which is advantageous in improving the performance.

막 스택(10)의 양단에는 캐소드(32)와 애노드(42)가 각각 배치된다. 캐소드(32)와 애노드(42)는 각각 환원 및 산화 반응이 일어나서 전자(e-)의 흐름이 생성되도록 한다. 또한 캐소드(32)와 애노드(42)는 염수와 담수의 펌핑 압력에 의해 막 스택(10)의 양이온 교환막(11)과 음이온 교환막(12)이 서로 팽창되는 현상을 막기 위해 막 스택(10) 양단 쪽에 설치하여 엔드플레이트로 기능하도록 한다. 캐소드(32)와 애노드(42)는 각각 이웃한 캐소드 챔버(30) 및 애노드 챔버(40)와 개방부를 통해 서로 연통한다. 캐소드(32)와 애노드(42)는 일정한 오픈 영역(open area)를 갖는 메쉬형으로 구성된다. 캐소드(32)와 애노드(42)가 메쉬형으로 구성됨으로써 막 스택(10)의 팽창을 막고 막 스택(10)이 캐소드 챔버(30) 또는 애노드 챔버(40)의 용액과 바로 접촉할 수 있도록 한다. 캐소드(32)와 애노드(42)는 금속 메쉬로 형성될 수 있으며, 금속 메쉬의 경우에는 티타늄 메쉬 등이 사용될 수 있다. 캐소드(32)와 애노드(42)가막 스택에 접하도록 형성하면 막 스택(10)과 캐소드(32) 및 애노드(42) 간의 옴 저항이 최소화될 수 있다. 도 7a는 종래의 RED 대비 배치형 RED의 전기에너지의 비율을 측정한 그래프를 도 7b는 종래의 RED와 배치형 RED 에서 셀 수에 따라 생성되는 수소에너지를 측정한 그래프이다. 도 8a는 종래의 RED 대비 배치형 RED의 전체에너지 비율을 측정한 그래프이고 도 8b는 종래의 RED와 배치형 RED에서 셀 수에 따른 전력밀도(power density)를 측정한 그래프이다. A cathode 32 and an anode 42 are disposed at both ends of the membrane stack 10, respectively. The cathode 32 and the anode 42 cause reduction and oxidation reactions, respectively, to produce a flow of electrons (e − ). In addition, the cathode 32 and the anode 42 are both ends of the membrane stack 10 to prevent the cation exchange membrane 11 and the anion exchange membrane 12 of the membrane stack 10 from expanding due to the pumping pressure of the brine and fresh water. Install on the side to function as an end plate. The cathode 32 and the anode 42 communicate with each other through the opening with the neighboring cathode chamber 30 and the anode chamber 40, respectively. The cathode 32 and the anode 42 are configured in mesh form with a constant open area. The cathode 32 and anode 42 are meshed to prevent expansion of the membrane stack 10 and to allow the membrane stack 10 to directly contact the solution of the cathode chamber 30 or the anode chamber 40. . The cathode 32 and the anode 42 may be formed of a metal mesh, and in the case of the metal mesh, a titanium mesh or the like may be used. When the cathode 32 and the anode 42 are formed in contact with the film stack, ohmic resistance between the film stack 10 and the cathode 32 and the anode 42 may be minimized. Figure 7a is a graph measuring the ratio of the electrical energy of the batch RED compared to the conventional RED Figure 7b is a graph measuring the hydrogen energy generated according to the number of cells in the conventional RED and batch RED. FIG. 8A is a graph measuring the total energy ratio of the batch RED to the conventional RED, and FIG. 8B is a graph measuring the power density according to the number of cells in the conventional RED and the batch RED.

도 7a의 그래프를 보면 셀 수가 증가함에 따라 종래의 RED의 전력과 배치형 RED의 전력차이가 약 5% 밖에 나지 않음을 알 수 있다. 25 셀은 물 산화환원반응을 일으키는데 충분한 전압을 제공하지 않기 때문에 중성 pH 수용액을 전극 용액으로 사용하는 배치형 RED인 경우 전력이 상당히 낮다. 반면, 전극 용액이 순환하는 종래의 RED 시스템에서는 물이 환원되어 생성된 수산화이온이 건너편 애노드로 이동하여 다시 산화되고, 이와 동시에 애노드에서 물이 산화되어 생성된 양성자 이온이 건너편 캐소드로 이동하여 다시 환원반응이 일어난다. 수산화이온의 산화반응과 양성자 이온의 환원반응에 필요한 과전위는 물 자체 산화환원반응보다 훨씬 작기 때문에 25 셀에서도 전극 반응이 원활하게 일어날 수 있다. 따라서 셀 수가 적은 경우, 전극 용액 순환을 기반으로 하는 기존 RED에서의 출력이 배치형보다 50% 이상 크다. 하지만 셀 수가 증가함에 따라 막 전압은 물 산화환원반응을 일으키는데 필요한 과전위 (약 2.2 V)를 훨씬 넘기 때문에 전극 용액이 순환하지 않더라도 물의 산환 환원반응으로 RED 전력을 낼 수 있다. 그 결과 50 셀 이상에서 배치형 RED의 전력은 기존 RED보다 약 5% 정도 작을 뿐이다. 한편,7b에 도시되어 있는 바와 같이 생산되는 수소에너지는 배치형 RED가 더 크다는 것을 알 수 있다. 기존 RED에서는 전체 흐르는 전류량에서 수산화이온과 양성자 이온에 의한 전기화학 반응의 기여도가 높기 때문에 그만큼 물 환원반응에 의한 수소생산량은 감소할 수 밖에 없다. 또한 물에 분산되어 있는 수소기체가 다시 산화될 가능성이 많기 때문에 그만큼 수소포집량은 감소하게 된다. 따라서, 도 8a에 도시되어 있는 바와 같이 전기에너지와 수소에너지를 합한 전체에너지와 도 8b에 도시되어 있는 바와 같이 전체 전력 밀도(power density)는 종래의 RED 대비 본 발명의 배치형 RED 에서 더 크게 된다는 것을 알 수 있다. 도 8b의 그래프에서는 종래의 RED의 경우에는 전기에너지만 고려했으나, 전극용액이 순환되면서 염소와 같이 기체들이 수소와 섞여 있어서 수소만 분리하기 위해 사용되는 수소분리장치의 유지에너지는 고려하지 않았기 때문에 도 8b에 도시된 결과보다는 본 발명의 배치형 RED에서 전체 전력 밀도는 실제로는 이 보다 더 커질 수 있다. 또한 종래의 RED의 경우, 수소와 산소가 함께 존재하여 폭발의 위험성이 있기 때문에 전기에너지만 사용하고 수소는 분리하지 않고 바로 폐기하는 것이 더 안전할 수 있게 된다. Referring to the graph of FIG. 7A, as the number of cells increases, the difference between the power of the conventional RED and the batch RED is only about 5%. Since the 25 cells do not provide enough voltage to cause water redox, the power is considerably lower in batch REDs using neutral pH aqueous solution as electrode solution. On the other hand, in the conventional RED system in which the electrode solution is circulated, the hydroxide ion generated by the reduction of water moves to the opposite anode and is oxidized again, and at the same time, the proton ions generated by oxidizing the water at the anode are moved to the opposite cathode and reduced again. Reaction takes place. The overpotential required for the oxidation of hydroxide ions and the reduction of proton ions is much smaller than the redox reaction of water itself, so that electrode reactions can occur smoothly in 25 cells. Thus, for a small number of cells, the output from a conventional RED based on electrode solution circulation is more than 50% larger than that of a batch. However, as the number of cells increases, the membrane voltage far exceeds the overpotential (about 2.2 V) needed to cause the water redox reaction, so that even if the electrode solution does not circulate, the redox reaction of water can generate RED power. As a result, the power of batch REDs in more than 50 cells is only about 5% smaller than traditional REDs. On the other hand, it can be seen that the hydrogen energy produced as shown in 7b is larger in batch RED. In the existing RED, since the contribution of the electrochemical reaction by hydroxide ions and proton ions is high in the total amount of current flowing, hydrogen production by water reduction reaction is inevitably reduced. In addition, since the hydrogen gas dispersed in water is more likely to be oxidized again, the amount of hydrogen trapped decreases accordingly. Therefore, as shown in FIG. 8A, the total energy combined with the electric energy and the hydrogen energy and the total power density as shown in FIG. 8B are larger in the batch RED of the present invention than the conventional RED. It can be seen that. In the graph of FIG. 8B, in the case of the conventional RED, only electric energy is considered, but gas is mixed with hydrogen such as chlorine as the electrode solution circulates, and thus the maintenance energy of the hydrogen separation device used to separate only hydrogen is not considered. The overall power density in the batch RED of the present invention may actually be larger than this rather than the result shown in 8b. In addition, in the case of the conventional RED, since there is a risk of explosion because hydrogen and oxygen are present together, it may be safer to use only electric energy and dispose of hydrogen without separating it.

또한, 본 발명의 배치형 RED에서는 50셀 이상, 바람직하기로는 125셀 이상의 경우 막 전압(예., 1000셀인 경우 72V 정도)이 커지기 때문에 촉매성이 낮지만 값싼 금속인 티타늄으로 이루어진 전극을 캐소드(32)와 애노드(42)로 사용할 수가 있게 된다. In addition, in the batch type RED of the present invention, since the membrane voltage (eg, about 72 V in the case of 1000 cells) is increased in the case of 50 cells or more, preferably 125 cells or more, the electrode made of titanium, which is low in catalytic property but cheap metal, is used. 32 and the anode 42 can be used.

캐소드(32) 및 애노드(42)와 각각 연접하여 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)가 배치된다. 막 스택(10)으로 공급된 염수와 담수의 이온 농도차로 인하여 염수에 포함된 나트륨 양이온(Na+)이 양이온 교환막(11)을 통과하고, 염소 음이온(Cl-)이 음이온 교환막(12)을 통과한다. 고농도 전해질 유로(CH1)에서 배출되는 염분 농도가 낮아진 제2 염수(도 1의 205 참고)와, 저농도 전해질 유로(CH2)에서 배출되는 염분 농도가 높아진 제1 담수(도 1의 203)가 막 스택(10)의 외부로 배출되어 제2 RED(200)에 공급된다. The cathode chamber 30 and the anode chamber 40 are disposed in contact with the cathode 32 and the anode 42, respectively. Due to the difference in ion concentration between the brine and fresh water supplied to the membrane stack 10, sodium cations (Na + ) included in the brine pass through the cation exchange membrane 11, and chlorine anion (Cl − ) passes through the anion exchange membrane 12. do. Membrane stack of the second brine (see 205 of FIG. 1) having a low salt concentration discharged from the high concentration electrolyte channel CH1 and the first fresh water (203 of FIG. 1) having a high salt concentration discharged from the low concentration electrolyte channel CH2. Discharged to the outside of the 10 is supplied to the second RED (200).

각 이온 교환막(11, 12) 사이에 전기화학 포텐셜이 생성되면, 이를 이용하여 애노드(42)에서 산화 반응이 일어나고, 캐소드(32)에서 환원 반응이 일어나며, 애노드(42)와 캐소드(32) 사이에 전자(e-)의 흐름이 생성되어 에너지, 즉 전기가 발생한다. 애노드 챔버(40)에서 발생한 전자는 부하(load)를 거쳐 캐소드 챔버(30)로 전달될 수 있다. When an electrochemical potential is generated between each of the ion exchange membranes 11 and 12, an oxidation reaction occurs at the anode 42, a reduction reaction occurs at the cathode 32, and between the anode 42 and the cathode 32 using the electrochemical potential. electron (e -) in the flow of energy is generated to occur, that is electrical. Electrons generated in the anode chamber 40 may be transferred to the cathode chamber 30 through a load.

다시 도 1을 참조하면, 일반해수를 염수로 수돗물을 담수로 사용한 제1 RED(100)에서 전기 및 수소를 생산한 후 유출되는 제2 담수(203)와 제2 염수(205)는 제2 RED(200)로 유입된다. 제1 RED(100)에서 전기 및 수소를 생산한 후 유출되는 제2 담수(203)와 제2 염수(205)의 농도차는 약 5 이하가 된다. 농도 차가 5 이하인 경우에는 막 스택을 구성하는 셀 수가 100 셀 이하가 될 경우에는 OCV가 1.6V 정도가 되기 때문에 막 스택에서 발생하는 RED 자체 전압으로는 물 분해를 통한 수소 생성 및 전력 생산이 어렵다. Referring back to FIG. 1, the second fresh water 203 and the second brine 205 which are discharged after producing electricity and hydrogen in the first RED 100 using general seawater as salt water and tap water as fresh water are the second RED. Flows into 200. The concentration difference between the second fresh water 203 and the second brine 205 flowing out after producing electricity and hydrogen in the first RED 100 is about 5 or less. When the difference in concentration is 5 or less, when the number of cells constituting the film stack is 100 cells or less, the OCV becomes about 1.6 V. Therefore, hydrogen generation and power generation through water decomposition are difficult with the RED self voltage generated in the film stack.

따라서, 도 9에 예시되어 있는 바와 같이 제2 RED(200)는 캐소드(232) 및/또는 애노드(242)를 광촉매(금속 또는 생물촉매)전극을 기반으로 구성한다. 캐소드(232) 및/또는 애노드(242)를 광촉매 물질로 형성하면 외부에서 입사되는 광(250)에 의해서 광촉매 애노드(234)와 광촉매 캐소드(232)의 광촉매 반응이 일어난다. 그 결과 광촉매 애노드(234)에서는 화학식 1의 반응이 활성화되어 산소 및 전자가 발생하고, 광촉매 캐소드(232)에서는 화학식 3의 반응이 활성화되어 수소가 발생한다. Accordingly, as illustrated in FIG. 9, the second RED 200 configures the cathode 232 and / or the anode 242 based on a photocatalyst (metal or biocatalyst) electrode. When the cathode 232 and / or the anode 242 are formed of a photocatalytic material, photocatalytic reaction of the photocatalytic anode 234 and the photocatalytic cathode 232 occurs by light 250 incident from the outside. As a result, the reaction of Formula 1 is activated in the photocatalytic anode 234 to generate oxygen and electrons, and the reaction of Formula 3 is activated in the photocatalytic cathode 232 to generate hydrogen.

한편, 제2 RED(200)의 막 스택(210)은 100셀 이하의 단위 셀이 스택된 형태로 구성될 수 있다. 100셀 이하의 스택으로 구성하고 제2 담수(203)와 제2 염수(205)의 농도차가 5 이하일 경우 막 스택(210)에서 생성되는 막 전압은 약 1.6V 정도가 되며 이는 단독으로 물 분해 반응을 일으킬 수 있는 전압은 아니지만 광촉매의 재조합(recombination) 확률을 크게 줄여 광촉매 효율을 크게 증가시킬 수 있는 전압이 될 수 있다. Meanwhile, the film stack 210 of the second RED 200 may have a form in which unit cells of 100 cells or less are stacked. When the stack consists of 100 cells or less and the concentration difference between the second fresh water 203 and the second brine 205 is 5 or less, the membrane voltage generated in the membrane stack 210 is about 1.6V, which is a water decomposition reaction alone. Although it is not a voltage that can cause the voltage, it can be a voltage that can greatly increase the photocatalytic efficiency by greatly reducing the probability of recombination of the photocatalyst.

광촉매 표면에서 일어나는 물 전기분해반응에 의한 수소생산속도를 증가시키기 위해서는 광촉매가 최대한 많이 사용될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 캐소드(232)와 애노드(242)의 면적을 가능한 크게 하거나 제2 RED(200)의 채널 길이를 길게할 수 있다. 따라서 제2 RED(200)의 채널 길이가 제1 RED(100)의 채널 길이보다 길 수 있다. 또는 제2 RED(200)의 캐소드(232)의 표면적이 제1 RED(100)의 캐소드(32)의 표면적보다 클 수 있다. 또는 제2 RED(200)의 애노드(242)의 표면적이 제1 RED(100)의 애노드(42)의 표면적보다 클 수 있다. In order to increase the hydrogen production rate by water electrolysis reaction occurring on the surface of the photocatalyst, it is desirable to use the photocatalyst as much as possible. Therefore, the area of the cathode 232 and the anode 242 can be made as large as possible or the channel length of the second RED 200 can be made long. Therefore, the channel length of the second RED 200 may be longer than the channel length of the first RED 100. Alternatively, the surface area of the cathode 232 of the second RED 200 may be larger than the surface area of the cathode 32 of the first RED 100. Alternatively, the surface area of the anode 242 of the second RED 200 may be larger than the surface area of the anode 42 of the first RED 100.

캐소드 챔버(230)에는 수소 포집기(50)가 설치되어 수소를 포집하고, 애노드 챔버(240)에는 산소 또는 염소 포집기(60)가 각각 설치되어 산소 또는 염소를 포집한다. A hydrogen collector 50 is installed in the cathode chamber 230 to collect hydrogen, and an oxygen or chlorine collector 60 is installed in the anode chamber 240 to collect oxygen or chlorine, respectively.

광촉매 캐소드(232)는 전자를 전달받아 산소를 물로 전환시키거나 물을 분해하여 수소를 발생시킬 수 있는 광촉매 물질인 CuxO, YFeO3, GaP 등이 Si, ITO, TiO2에 담지된 형태로 형성될 수 있고, 다양한 메탈 나노파티클 (Pt, Au, Ag 등)이 표면에 코팅된 TiO2일 수도 있다. The photocatalytic cathode 232 converts oxygen into water by receiving electrons, or CuxO, YFeO 3 , GaP, etc., which can generate hydrogen by decomposing water to be formed in a form in which Si, ITO, TiO 2 are supported. And various metal nanoparticles (Pt, Au, Ag, etc.) may be TiO 2 coated on the surface.

광촉매 애노드(242) 또한 물을 산화시켜 산소 및 전자를 생성할 수 있는 광촉매 물질인 BiVO4, Cu3V2O8. WO3등이 Si, ITO, TiO2 에 담지된 형태로 형성될 수 있다. Photocatalyst anode 242 is also a photocatalytic material that can oxidize water to produce oxygen and electrons, BiVO 4 , Cu 3 V 2 O 8 . WO 3 and the like may be formed in a form supported on Si, ITO, TiO 2 .

한편, 광촉매 애노드(242)는 도 10에 도시되어 있는 바와 같이 생물학적인 물질로 구성될 수 있다. 도 10을 참조하면, ITO 등과 같은 투명 전도성 기판(244) 상에 양전하를 띠는 페로센 고분자전해질(ferrocene polyelectrolyte) 폴리머(246)와 박테리아에서 추출한 틸라코이드막(Thylakoid Membrane, TM)(248)을 번갈아서 원하는 층만큼 적층시킨 LBL(layer by layer) 필름이 형성되어 광촉매 애노드(242)를 구성할 수 있다. On the other hand, the photocatalytic anode 242 may be composed of a biological material as shown in FIG. Referring to FIG. 10, a positively charged ferrocene polyelectrolyte polymer 246 and a thylakoid membrane (TM) 248 extracted from bacteria are alternated on a transparent conductive substrate 244 such as ITO. A layer by layer (LBL) film laminated by a layer may be formed to constitute the photocatalytic anode 242.

도 11은 제2 RED(200)의 다른 실시예를 나타내는 개략도이다. 제2 RED(200)는 이온 충방전 전극 기반 RED로 구성될 수 있다. 11 is a schematic diagram illustrating another embodiment of a second RED 200. The second RED 200 may be configured as an ion charge / discharge electrode based RED.

막 스택(210)의 양 단에 각각 이온 충방전 캐소드(532)와 이온 충방전 애노드(542)가 각각 배치된다. 도면에는 도시되어 있지 않지만 이온 충방전 캐소드(532)와 이온 충방전 애노드(542)는 막 스택(210)과 분리된 전극 컴파트먼트에 배치될 수 있다. Ion charge and discharge cathodes 532 and ion charge and discharge anodes 542 are respectively disposed at both ends of the membrane stack 210. Although not shown, the ion charge / discharge cathode 532 and the ion charge / discharge anode 542 may be disposed in an electrode compartment separate from the membrane stack 210.

막 스택(210)에 유입된 제2 담수(203)과 제2 염수(205)가 이온 농도차로 인하여 양이온이 막 스택(210)의 양이온 교환막을 통과하여 이온 충방전 캐소드(532)에 충전되고, 음이온이 막 스택(210)의 음이온 교환막을 통과하여 이온 충방전 애노드(542)에 충전된다. 전자들은 이온 충방전 애노드(542)에서부터 부하를 거쳐서 이온 충방전 캐소드(544)를 향하여 흐른다. Due to the ion concentration difference between the second freshwater 203 and the second brine 205 introduced into the membrane stack 210, cations are charged in the ion charge / discharge cathode 532 through the cation exchange membrane of the membrane stack 210. Anions pass through the anion exchange membrane of the membrane stack 210 and are charged to the ion charge / discharge anode 542. Electrons flow from the ion charge / discharge anode 542 via the load toward the ion charge / discharge cathode 544.

최대 출력 밀도가 얻어진 후에는 막 스택(210)에 공급되는 제2 담수(203)와 제2 염수(205)의 흐름을 스위칭하여 이온 충방전 캐소드(532)에서 양이온이 방전되고 이온 충방전 애노드(542)에서 음이온이 방전되도록 하여 제2 RED의 성능을 유지시킨다. After the maximum output density is obtained, the flows of the second fresh water 203 and the second brine 205 supplied to the membrane stack 210 are switched to discharge the cations from the ion charge / discharge cathode 532 and the ion charge / discharge anode ( Anion is discharged at 542 to maintain the performance of the second RED.

이온 충방전 캐소드(532)와 이온 충방전 애노드(542)는 다공성 구조에 이온들의 이온을 저장하여 알짜 전하(net electrical charge)를 저장할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 활성 탄소, 탄소 나노튜브, 그래핀, 또는 MnO2, RuO2, 또는 Ru/Ir 혼합 산화물들과 같은 금속 산화물들을 들 수 있다. 탄소 나노튜브, 그래핀, 금속 산화물들은 활성 탄소와 함께 또는 활성 탄소 없이 사용될 수 있다. The ion charge and discharge cathode 532 and the ion charge and discharge anode 542 may be formed of a material capable of storing net electrical charge by storing ions of ions in a porous structure. For example, metal oxides such as activated carbon, carbon nanotubes, graphene, or MnO 2 , RuO 2 , or Ru / Ir mixed oxides. Carbon nanotubes, graphene, metal oxides can be used with or without activated carbon.

일반적인 이온 충방전 RED에서 고전압이 생성되면 물 반응이 우선적으로 일어나 전극의 구조적 안정성이 낮아질 가능성이 높다. 반면 도 5에 예시되어 있는 제2 RED(200)에서는 제1 RED(100)에서 유출되어 농도 차이가 5 이하인 제2 담수(203)와 제2 염수(205)가 유입되고 막 스택(210)은 100셀 이하의 단위 셀이 스택된 형태로 구성되기 때문에 막 전압 자체가 작아서 물 산화환원 반응이 일어나기 보다는 이온 충방전 캐소드(532)와 이온 충방전 애노드(542) 계면에서 이온 흡탈착이 우세하게 일어날 가능성이 더 높다. 따라서, 제2 RED(200)에서 이온충방전 전극을 사용할 경우 전극 안정성을 최대한 확보하면서 전기에너지를 생산해낼 수 있다.When high voltage is generated in general ion charge / discharge RED, water reaction is likely to occur, which lowers the structural stability of the electrode. On the other hand, in the second RED 200 illustrated in FIG. 5, the second fresh water 203 and the second brine 205 having a concentration difference of 5 or less flow out from the first RED 100, and the membrane stack 210 is introduced. Since the unit cells of 100 cells or less are stacked, the membrane voltage itself is small so that the ion adsorption and desorption occurs predominantly at the interface between the ion charge / discharge cathode 532 and the ion charge / discharge anode 542 rather than the water redox reaction. More likely. Therefore, when using the ion charge and discharge electrode in the second RED (200) it can be produced electrical energy while ensuring the electrode stability to the maximum.

다시 도 1을 참조하면, 제1 RED(100)와 제2 RED(200)에서 생산된 수소는 수소충전기(170)에 공급된다. 수소충전기(170)에 충전된 수소는 이후 연료전지자동차(175)를 충전하는데 사용될 수 있다. 수소충전기(170)에 공급되기 전에 제1 RED(100)와 제2 RED(200)에서 생산된 수소는 수소분리장치(155)를 거친 후 수소충전기(170)에 공급될 수 있다. 제1 RED(100)와 제2 RED(200)에서 전극 용액으로 순수한 물을 사용할 경우에는 수소분리장치(155)가 필요하지 않으며 염을 포함하는 수용액을 사용할 경우에는 수소분리장치(155)가 필요할 수 있다. Referring back to FIG. 1, the hydrogen produced in the first RED 100 and the second RED 200 is supplied to the hydrogen charger 170. The hydrogen charged in the hydrogen charger 170 may then be used to charge the fuel cell vehicle 175. Hydrogen produced in the first RED 100 and the second RED 200 before being supplied to the hydrogen charger 170 may be supplied to the hydrogen charger 170 after passing through the hydrogen separation device 155. When using pure water as the electrode solution in the first RED (100) and the second RED (200) does not require a hydrogen separation device 155, when using an aqueous solution containing salt is required a hydrogen separation device (155). Can be.

제1 RED(100)와 제2 RED(200)에서 생산된 전기는 전기충전기(180)에 저장된 후 이후 전기자동차(185)를 충전하는데 사용될 수 있다. 도면에는 도시되어 있지 않지만 역전기 투석 장치(100)에서 생산된 전기는 전력 변환기를 통해 전기충전기(180)의 종류에 따라 전력을 변환할 수 있다. 일반적으로 급속충전기는 DC로 공급되며, 완속 및 홈 충전기 방식은 AC로 전력이 공급된다. 역전기투석 장치(100)는 필요에 따라 상시 전력생산이 가능하므로 전기충전 장치에 직접 공급이 가능하며, 잉여 발전량은 전력망(187)으로 공급될 수 있다. The electricity produced by the first RED 100 and the second RED 200 may be stored in the electric charger 180 and then used to charge the electric vehicle 185. Although not shown in the figure, the electricity produced by the reverse electrodialysis apparatus 100 may convert power according to the type of the electric charger 180 through the power converter. Typically, fast chargers are powered by DC, while slow and home chargers are powered by AC. The reverse electrodialysis apparatus 100 is capable of producing power at all times as needed, so that it can be directly supplied to the electric charging device, and the surplus generation amount can be supplied to the electric power grid 187.

본 발명의 일 실시예에 따른 제1 RED(100)와 제2 RED(200)에서 발생하는 수소는 전기를 생산하면서 동시에 발생하는 것으로서, 기존의 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 것보다 소비 에너지가 거의 없다. 종래의 역전기투석 장치를 구동할 때에는 해수 담수 펌핑 에너지가 필요하다. 역전기투석 장치에서 발생하는 전력에서 펌핑 에너지를 뺀 값이 실제 얻을 수 있는 알짜 에너지(net energy)이다. 소형 셀에서는 펌핑 에너지가 상대적으로 커서 알짜 에너지가 음의 값을 나타낸다. 반면 본 발명의 실시예들에 따르면 수 백셀 이상의 셀로 이루어진 제1 RED(100)에서는 출력 자체가 높아져서 펌핑 에너지를 빼더라도 양의 값의 알짜 에너지를 얻을 수 있다. 따라서, 대형 셀에서의 수소 생산은 추가적인 에너지가 필요하지 않을 수 있다. Hydrogen generated in the first RED (100) and the second RED (200) according to an embodiment of the present invention is generated at the same time to produce electricity, energy consumption than to produce hydrogen by electrolysis of existing water There is almost no. Seawater freshwater pumping energy is required when driving conventional reverse electrodialysis devices. The power generated by the reverse electrodialysis apparatus minus the pumping energy is the net energy actually obtained. In small cells, the pumping energy is relatively large and the net energy is negative. On the other hand, according to the embodiments of the present invention, in the first RED 100 having cells of several hundred cells or more, the output itself is increased so that even if the pumping energy is subtracted, a positive net energy can be obtained. Thus, hydrogen production in large cells may not require additional energy.

1000셀 이상의 단위 셀을 포함하는 RED에서 수돗물(전도도, 0.25 mS/㎝)을 제1 담수로 해수(전도도 48.1mS/cm)를 제1 염수로 공급하여 RED를 구동하면 염수 유출수의 전도도는 46.2 mS/㎝ 이고 담수 유출수는 9.7 mS/㎝로 측정되었다. When RED is driven by supplying tap water (conductivity, 0.25 mS / cm) as the first freshwater and seawater (conductivity 48.1mS / cm) as the first brine in the RED containing more than 1000 cells, the conductivity of the brine effluent is 46.2 mS. / Cm and freshwater runoff was measured at 9.7 mS / cm.

아래 표 1은 NaCl의 몰 농도에 따른 전도도를 측정한 결과를 나타낸다. Table 1 below shows the results of measuring the conductivity according to the molar concentration of NaCl.

몰 농도(mM)Molarity (mM) NaCl 투입량(g)
(계산값)NaCl input amount (g)
(Calculated value) NaCl 투입량(g)
(실제투입량)NaCl input amount (g)
(Actual dose) 전도도(mS/㎝)Conductivity (mS / cm) 10001000 5.8445.844 5.8445.844 88.3088.30 500500 2.9222.922 2.9232.923 48.1048.10 250250 1.4611.461 1.4611.461 25.3825.38 100100 0.5840.584 0.5840.584 10.7110.71 5050 0.2920.292 0.2910.291 5.235.23 2525 0.1460.146 0.1470.147 2.832.83 1010 0.0580.058 0.0580.058 1.181.18

표 1에 따라 제1 염수와 제1 담수의 농도를 환산한 결과 이들의 농도차는 30배임을 알 수 있다. 반면, 제1 RED에서 유출되는 제2 염수와 제2 담수의 농도를 환산한 결과, 제2 염수와 제2 담수의 농도차는 5 이하임을 알 수 있다. As a result of converting the concentration of the first brine and the first fresh water according to Table 1, it can be seen that their concentration difference is 30 times. On the other hand, as a result of converting the concentration of the second brine and the second fresh water flowing out of the first RED, it can be seen that the difference in concentration between the second brine and the second fresh water is 5 or less.

또한 유량이 작을수록 유출되는 염수와 담수의 전도도 차이가 작음을 알 수 있다. (도 12, 50셀 소형 RED) 이는 유량이 적을수록 염수에서 담수로 이온이 많이 이동한다는 것을 나타낸다. In addition, it can be seen that the smaller the flow rate, the smaller the difference in conductivity between the outflow of brine and fresh water. (Fig. 12, 50-cell compact RED) This indicates that the lower the flow rate, the more ions move from brine to fresh water.

도 13은 50셀의 단위 셀을 포함하는 RED에서 유량에 따라 얻어지는 최대 전력 밀도(W/㎡)을 측정한 결과를 나타낸다. 전도도가 48.1 mS/㎝ 인 염수와 1.5 mS/㎝ 인 담수를 공급하면서 출력을 측정하였다. 유량이 증가할수록 최대 전력 밀도(W/㎡)가 증가함을 알 수 있다. FIG. 13 shows the result of measuring the maximum power density (W / m 2) obtained according to the flow rate in the RED including a unit cell of 50 cells. The output was measured while supplying brine with a conductivity of 48.1 mS / cm and fresh water with 1.5 mS / cm. It can be seen that the maximum power density (W / m 2) increases as the flow rate increases.

제2 RED 셀 수는 제1 RED 보다 적기 때문에 셀 당 흐르는 유량이 제1 RED 보다 크다. 따라서 제2 RED의 경우에는 광촉매 또는 이온충방전 전극 물질을 가급적 많이 로딩하기 위해서 상대적으로 스택 면적을 넓게 만들더라도 (또는 채널 길이가 제 1 RED보다 최소 5배 이상 길게 되더라도) 유입부와 유출부에서의 농도차이가 일정하게 유지되어 원활한 수소발생 및 전력발생이 일어날 수 있음을 예상할 수 있다. Since the number of second RED cells is less than the first RED, the flow rate per cell is greater than the first RED. Therefore, in the case of the second RED, even if the stack area is made relatively large (or the channel length becomes at least five times longer than the first RED) in order to load as much of the photocatalyst or ion-charged electrode material as possible, the inlet and the outlet It can be expected that the concentration difference of is kept constant so that smooth hydrogen generation and power generation can occur.

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.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the range of.

100 : 제1 RED 200: 제2 RED
101: 전처리부 103: 제1 담수
105: 제1 염수 203: 제2 담수
205: 제2 염수 30: 캐소드 챔버
40: 애노드 챔버 32: 캐소드
42: 애노드 232: 광촉매 캐소드
242: 광촉매 애노드 532: 이온 충방전 캐소드
542: 이온 충방전 애노드100: first RED 200: second RED
101: pretreatment unit 103: first freshwater
105: first brine 203: second freshwater
205: second brine 30: cathode chamber
40: anode chamber 32: cathode
42: anode 232: photocatalytic cathode
242: photocatalytic anode 532: ion charge and discharge cathode
542 ion-discharge anode

Claims (14)

제1 역전기 투석 장치와 상기 제1 역전기 투석 장치의 유출수가 유입되도록 직렬 연결된 제2 역전기 투석 장치를 포함하는 직렬 연결된 이종 RED를 포함하는 발전 시스템으로,
상기 제1 역전기 투석 장치는
염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어지고 복수개의 단위 셀이 적층되어 물 분해 반응에 필요한 막 전압을 제공하는 막 스택;
상기 막 스택의 양단에 설치되고 각각 중성 pH의 물이 전극액으로 담기는 캐소드 챔버 및 애노드 챔버;상기 캐소드 챔버에 설치되어 상기 중성 pH의 물의 환원 반응에 의해 수소를 발생시키는 캐소드; 및
상기 애노드 챔버 내에 설치된 애노드로 상기 애노드 챔버내에서 상기 중성 pH의 물의 산화 반응에 의해 산소와 전자를 발생시키는 애노드를 포함하고,
상기 애노드 챔버에서 발생한 상기 전자가 부하를 거쳐 상기 캐소드로 공급되면서 전기를 생산하는 제1 역전기 투석 장치이고
상기 제2 역전기 투석 장치는
염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어지고 적어도 제1 RED의 셀 수보다 적은 수의 단위 셀들이 적층된 막 스택;
상기 막 스택의 양단에 설치되고 각각 수용액이 담기는 캐소드 챔버 및 애노드 챔버;
상기 캐소드 챔버에 설치되어 상기 물의 환원 반응에 의해 수소를 발생시키는 광촉매 캐소드; 및
상기 애노드 챔버 내에 설치된 애노드로 상기 애노드 챔버 내에서 물의 산화 반응에 의해 산소와 전자를 발생시키는 광촉매 애노드 또는 생물학적 포토애노드를 포함하고,
상기 애노드 챔버에서 발생한 상기 전자가 부하를 거쳐 상기 캐소드로 공급되면서 전기를 생산하는 제2 역전기 투석 장치이고,
상기 제1 역전기 투석 장치의 상기 염수 채널과 상기 담수 채널에 각각 공급되는 염수와 담수의 농도차(=염수의 농도/담수의 농도)가 30 이상이고,
상기 복수개의 단위 셀은 적어도 50개 이상의 단위 셀을 포함하는
직렬 연결된 이종 역전기 투석 장치를 포함하는 발전 시스템.A power generation system comprising a heterogeneous RED connected in series including a first reverse electrodialysis device and a second reverse electrodialysis device connected in series so that the effluent of the first reverse electrodialysis device is introduced.
The first reverse electrodialysis device
A membrane stack consisting of a cation exchange membrane and an anion exchange membrane alternately forming a salt water channel and a fresh water channel, wherein a plurality of unit cells are stacked to provide a membrane voltage necessary for a water decomposition reaction;
A cathode chamber and an anode chamber installed at both ends of the membrane stack and each containing water of a neutral pH as an electrode solution; a cathode installed in the cathode chamber to generate hydrogen by a reduction reaction of water of the neutral pH; And
An anode installed in the anode chamber, the anode generating oxygen and electrons by an oxidation reaction of water at the neutral pH in the anode chamber,
A first reverse electrodialysis apparatus that generates electricity while the electrons generated in the anode chamber are supplied to the cathode through a load;
The second reverse electrodialysis apparatus
A membrane stack consisting of a cation exchange membrane and an anion exchange membrane that alternately form a salt water channel and a fresh water channel, wherein at least a number of unit cells are stacked at least less than the number of cells of the first RED;
A cathode chamber and an anode chamber installed at both ends of the membrane stack and each containing an aqueous solution;
A photocatalytic cathode installed in the cathode chamber to generate hydrogen by a reduction reaction of the water; And
An anode installed in the anode chamber, the photocatalyst anode or a biological photoanode which generates oxygen and electrons by oxidation of water in the anode chamber,
A second reverse electrodialysis apparatus that generates electricity while the electrons generated in the anode chamber are supplied to the cathode through a load,
The difference in concentration between brine and fresh water (= brine concentration / fresh water concentration) supplied to the brine channel and the fresh water channel of the first reverse electrodialysis apparatus is 30 or more,
The plurality of unit cells includes at least 50 unit cells
A power generation system comprising a heterogeneous reverse electrodialysis apparatus connected in series. 제1 항에 있어서,
상기 제1 역전기 투석 장치의 상기 전극액은 비순환하는 직렬 연결된 이종 역전기 투석 장치를 포함하는 발전 시스템.According to claim 1,
And the electrode solution of the first reverse electrodialysis apparatus includes a non-circulating series connected heterogeneous reverse electrodialysis apparatus. 제1 항에 있어서,
상기 제2 역전기 투석 장치의 상기 광촉매 애노드 또는 생물학적 포토애노드의 표면적이 상기 제1 역전기 투석 장치의 애노드의 표면적보다 큰 직렬 연결된 이종 역전기 투석 장치를 포함하는 발전 시스템. According to claim 1,
A series connected heterogeneous reverse electrodialysis device of which the surface area of the photocatalytic anode or biological photoanode of the second reverse electrodialysis device is greater than the surface area of the anode of the first reverse electrodialysis device. 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 제2 역전기 투석 장치의 상기 염수 채널과 상기 담수 채널에 각각 공급되는 염수와 담수의 농도차(=염수의 농도/담수의 농도)는 5 이하이고, 상기 복수개의 단위 셀은 1.5V 이하의 막 전압을 생성할 수 있는 복수개의 단위 셀을 포함하는 직렬 연결된 이종 역전기 투석 장치를 포함하는 발전 시스템.According to claim 1,
The concentration difference between the brine and fresh water supplied to the brine channel and the fresh water channel of the second reverse electrodialysis apparatus (= brine concentration / fresh water concentration) is 5 or less, and the plurality of unit cells are 1.5 V or less. A power generation system comprising a series connected heterogeneous reverse electrodialysis apparatus comprising a plurality of unit cells capable of generating a membrane voltage. 제1 항에 있어서,
상기 생물학적 포토애노드는 투명 전도성 기판 상에 페로센 고분자전해질 폴리머와 틸라코이드막이 번갈아서 적층된 LBL 필름이 형성되어 이루어진 직렬 연결된 이종 역전기 투석 장치를 포함하는 발전 시스템. According to claim 1,
The biological photoanode includes a series connected heterogeneous reverse electrodialysis apparatus formed by forming an LBL film in which a ferrocene polymer electrolyte polymer and a thylakoid film are alternately stacked on a transparent conductive substrate. 제1 항에 있어서,
상기 제2 역전기 투석 장치의 캐소드 챔버와 상기 애노드 챔버에는 페리-/페로시안(ferri-/ferrocyanide) 화합물 또는 Fe2 +/3+ 없는 수용액이 공급되는 직렬 연결된 이종 역전기 투석 장치를 포함하는 발전 시스템. According to claim 1,
Power generation including a series connected heterogeneous reverse electrodialysis apparatus supplied with a ferri- / ferrocyanide compound or an aqueous solution without Fe 2 + / 3 + to the cathode chamber and the anode chamber of the second reverse electrodialysis apparatus system. 제1 항에 있어서,
상기 제1 역전기 투석 장치와 상기 제2 역전기 투석 장치에서 생성된 수소는 수소충전기에 직접적으로 공급되는 직렬 연결된 이종 역전기 투석 장치를 포함하는 발전 시스템.According to claim 1,
And the hydrogen generated in the first reverse electrodialysis diaphragm and the second reverse electrodialysis diaphragm includes a series connected heterogeneous reverse electrodialysis diaphragm directly supplied to a hydrogen charger. 제1 역전기 투석 장치와 상기 제1 역전기 투석 장치의 유출수가 유입되도록 직렬 연결된 제2 역전기 투석 장치를 포함하는 직렬 연결된 이종 RED를 포함하는 발전 시스템으로,
상기 제1 역전기 투석 장치는
염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어지고 복수개의 단위 셀이 적층되어 물 분해 반응에 필요한 막 전압을 제공하는 막 스택;
상기 막 스택의 양단에 설치되고 각각 중성 pH의 물이 전극액으로 담기는 캐소드 챔버 및 애노드 챔버;
상기 캐소드 챔버에 설치되어 상기 물의 환원 반응에 의해 수소를 발생시키는 캐소드; 및
상기 애노드 챔버 내에 설치된 애노드로 상기 애노드 챔버내에서 물의 산화 반응에 의해 산소와 전자를 발생시키는 애노드를 포함하고,
상기 애노드 챔버에서 발생한 상기 전자가 부하를 거쳐 상기 캐소드로 공급되면서 전기를 생산하는 제1 역전기 투석 장치이고
상기 제2 역전기 투석 장치는
염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어지고 적어도 제 1 RED의 셀 수보다 훨씬 적은 수의 단위 셀들이 적층된 막 스택; 및
상기 막 스택의 양단에 설치된 이온 충방전 캐소드 및 이온 충방전 애노드를 포함하고,
상기 제1 역전기 투석 장치의 상기 염수 채널과 상기 담수 채널에 각각 공급되는 염수와 담수의 농도차(=염수의 농도/담수의 농도)가 30 이상이고,
상기 복수개의 단위 셀은 적어도 50개 이상의 단위 셀을 포함하는
직렬 연결된 이종 RED를 포함하는 발전 시스템.A power generation system comprising a heterogeneous RED connected in series including a first reverse electrodialysis device and a second reverse electrodialysis device connected in series such that the effluent of the first reverse electrodialysis device is introduced.
The first reverse electrodialysis device
A membrane stack consisting of a cation exchange membrane and an anion exchange membrane alternately forming a salt water channel and a fresh water channel, wherein a plurality of unit cells are stacked to provide a membrane voltage necessary for a water decomposition reaction;
A cathode chamber and an anode chamber installed at both ends of the membrane stack and each containing water of a neutral pH as an electrode solution;
A cathode installed in the cathode chamber to generate hydrogen by a reduction reaction of the water; And
An anode installed in the anode chamber, the anode generating oxygen and electrons by an oxidation reaction of water in the anode chamber,
A first reverse electrodialysis apparatus that generates electricity while the electrons generated in the anode chamber are supplied to the cathode through a load;
The second reverse electrodialysis apparatus
A membrane stack consisting of a cation exchange membrane and an anion exchange membrane which alternately form a salt water channel and a fresh water channel, and in which at least a plurality of unit cells are stacked in a number smaller than that of the first RED; And
An ion charge / discharge cathode and an ion charge / discharge anode installed at both ends of the membrane stack;
The difference in concentration between brine and fresh water (= brine concentration / fresh water concentration) supplied to the brine channel and the fresh water channel of the first reverse electrodialysis apparatus is 30 or more,
The plurality of unit cells includes at least 50 unit cells
Generation system with heterogeneous REDs connected in series. 제9 항에 있어서,
상기 제1 역전기 투석 장치의 상기 전극액은 비순환하는 직렬 연결된 이종 역전기 투석 장치를 포함하는 발전 시스템.The method of claim 9,
And the electrode solution of the first reverse electrodialysis apparatus includes a non-circulating series connected heterogeneous reverse electrodialysis apparatus. 제9 항에 있어서,
상기 제2 역전기 투석 장치의 상기 광촉매 애노드 또는 생물학적 포토애노드의 표면적이 상기 제1 역전기 투석 장치의 애노드의 표면적보다 큰 직렬 연결된 이종 역전기 투석 장치를 포함하는 발전 시스템. The method of claim 9,
A series connected heterogeneous reverse electrodialysis device of which the surface area of the photocatalytic anode or biological photoanode of the second reverse electrodialysis device is greater than the surface area of the anode of the first reverse electrodialysis device. 삭제delete 제9 항에 있어서,
상기 제2 역전기 투석 장치의 상기 염수 채널과 상기 담수 채널에 각각 공급되는 염수와 담수의 농도차(=염수의 농도/담수의 농도)는 5 이하이고, 상기 복수개의 단위 셀은 1.5V 이하인 막 전압을 생성할 수 있는 복수개의 단위 셀을 포함하는 직렬 연결된 이종 역전기 투석 장치를 포함하는 발전 시스템.The method of claim 9,
The concentration difference between the brine and the fresh water supplied to the brine channel and the fresh water channel of the second reverse electrodialysis apparatus (= brine concentration / freshwater concentration) is 5 or less, and the plurality of unit cells are 1.5V or less. A power generation system comprising a series connected heterogeneous reverse electrodialysis apparatus comprising a plurality of unit cells capable of generating a voltage. 제9 항에 있어서,
상기 제1 역전기 투석 장치에서 생성된 수소는 수소충전기에 직접적으로 공급되는 직렬 연결된 이종 역전기 투석 장치를 포함하는 발전 시스템.The method of claim 9,
The hydrogen generated in the first reverse electrodialysis apparatus includes a series connected heterogeneous reverse electrodialysis apparatus directly supplied to a hydrogen charger.
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