KR102019317B1 - 전기 생산과 탈염이 동시에 가능한 하이브리드 발전 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 역전기투석(RED) 장치 운전 시 발생하는 전기화학적 위치에너지를 축전식탈염(CDI)운전에 이용하여 연속적으로 해수 또는 기수를 담수화 하는 전기 생산과 탈염이 동시에 가능한 하이브리드 발전 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
Description
본 발명은 전기 생산과 탈염이 동시에 가능한 하이브리드 발전 장치 및 방법에 관한 것으로, 역전기투석(RED, Reverse Electrodialysis)과 축전식탈염(CDI, Capacitive Deionization)을 연계한 일체형 장치로, 염분차발전 및 해수담수화가 연속적으로 가능한 하이브리드 발전 장치 및 방법에 관한 것이다.
역전기투석(RED)은 농도가 다른 두 유체, 예를 들어 해수와 담수의 혼합 과정에서 발생한 염분차 또는 농도차 에너지를 전기 에너지 형태로 회수하는 것을 말한다.
보다 구체적으로, 역전기투석(RED)은 해수와 담수를 이용한 염분차로 발전하는 시스템으로서, 해수와 담수의 농도차로 인해 이온이 이온교환막(양이온교환막과 음이온교환막)을 통해 이동하게 되고, 복수개의 이온교환막이 번갈아 배열된 stack의 양쪽 끝의 전극(양전극, 음전극)간의 전위차를 발생시키며, 전극상에서 산화환원반응을 통하여 전기에너지를 생성하는 장치이다.
즉, 해수(염수)에 용해되어 있는 이온이 이온교환막을 통해 담수로 이동하면서 발생되는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 전환하는 발전방식으로 기존의 화력, 수력, 원자력과 같은 발전방식과 비교하여 에너지 손실이 적은 발전장치이다.
한편, 축전식 탈염(CDI) 공정은 전극에 전위를 인가했을 때 전극 표면에 형성되는 전기이중층에서 발생하는 전기적 인력에 의한 이온들의 흡착 반응을 이용하여 이온을 제거하는 기술이다.
보다 구체적으로, 축전식 탈염 공정은 1 ~ 2 볼트(V)의 전극전위를 인가했을 때 전극표면에 형성되는 전기이중층에서의 흡착반응으로 유입수 중의 이온 물질들을 제거하고, 흡착된 이온이 전극의 축전용량에 도달하게 되면 전극전위를 0 볼트(V), 또는 반대 전위로 전환하여 흡착된 이온들을 탈착시켜 전극을 재생하게 된다.
이와 같은 축전식 탈염 공정은 낮은 전극전위 (약 1~2V)에서 작동하고, 그 결과 에너지 소비량이 다른 탈염기술에 비해 월등이 낮기 때문에 저 에너지 소모형 차세대 탈염기술로 평가되고 있다.
그러나, 이러한 축전식 탈염 공정은 이온이 전극의 축전용량에 도달하게 되면 전극을 재생하기 위한 탈착 공정이 반드시 필요하기 때문에 연속 운전이 불가능 하였다.
또한, 축전식 탈염 공정에서 전극으로 다공성 탄소전극을 많이 사용하는데, 이 때 급격한 전극전위의 변화로 인해 전극에 흡착된 이온과 반대 전하의 이온들이 전기이중층으로 이동하면서 구멍에 흡착된 이온들이 모두 탈착되지 못하고 전극표면에 잔류하게 되어 전극의 흡착효율을 감소시키는 문제점이 있었다.
이러한 기술들은 현재 새로운 신재생 에너지원으로써 다양한 연구보고서와 논문 등이 발표되고 있지만, 역전기투석(RED) 장치 운전 시 발생하는 전기화학적 위치에너지를 축전식탈염(CDI) 운전에 이용하여 연속적으로 해수 또는 기수를 담수화 할 수 있는 연계 시스템은 아직까지 보고된 바 없다.
본 발명은 역전기투석(RED) 장치 운전 시 발생하는 전기화학적 위치에너지를 축전식탈염(CDI)운전에 이용하여 연속적으로 해수 또는 기수를 담수화 하는 전기 생산과 탈염이 동시에 가능한 하이브리드 발전 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 제1 전극, 제1 전극과 전기적으로 연결된 제2 전극 및, 제1 및 제2 전극 사이에 배치되며, 제1 고농도 용액과 제1 저농도 용액의 유로를 구획하기 위한 복수 개의 제1 이온교환막을 포함하는 제1 발전부; 제2 전극과 소정 간격 떨어져 위치한 제3 전극 및 제3 전극과 전기적으로 연결된 제4 전극, 제3 및 제4 전극 사이에 배치되며, 제2 고농도 용액과 제2 저농도 용액의 유로를 구획하기 위한 복수 개의 제2 이온교환막을 포함하는 제2 발전부; 및 제2 전극과 제3 전극 사이에 위치하며, 제3 고농도 용액이 유동하기 위한 탈염 유로를 갖는 탈염부; 를 포함하는 하이브리드 발전 장치를 제공한다.
또한, 탐염 유로는, 제2 전극과 제3 전극의 마주보는 대향면들 사이 공간으로 정의되는 것을 포함한다.
또한, 탐염 유로는, 제3 고농도 용액이 유동 시 제2 전극과 제3 전극의 마주보는 대향면들에 접촉 가능하게 마련되는 것을 포함한다.
또한, 제3 고농도 용액은 유동 시, 제2 캐소드 전극과 제3 전극의 마주보는 대향면들 측으로 제3 고농도 용액의 이온성 물질이 이동하는 것을 포함한다.
또한, 제1 전극은 제1 애노드 전극 이고, 제2 전극은 제1 캐소드 전극이며, 제3 전극은 제2 애노드 전극이고, 제4 전극은 제2 캐소드 전극인 것을 포함한다.
또한, 이온성 물질은, 양이온성 물질 및 음이온성 물질을 포함하며,
양이온성 물질은 제1 캐소드 전극을 투과하고, 음이온성 물질은 제2 애노드 전극을 투과하여 이동하는 것을 포함한다.
또한, 탈염부는, 제2 전극 및 제3 전극 사이에 배치된 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 추가로 포함한다.
또한, 제2 전극과 제3 전극의 마주보는 대향면은 다공성인 것을 포함한다.
또한, 제2 전극과 제3 전극은 발전부 측과 탈염부 측을 향하는 양면이 서로 다른 재질로 형성된 것을 포함한다.
또한, 제2 전극과 제3 전극은 발전부 측과 탈염부 측을 향하는 양면이 서로 다른 특성을 갖는 것을 포함한다.
또한, 제2 전극과 제3 전극은 다공성 전극을 포함한다.
또한, 다공성 전극은 폼(Foam), 메쉬(Mesh), 스폰지, 펠트(Felt), 크로스(Cloth), 활성탄, 그라핀, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 탄소구 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 구조체를 포함한다.
또한, 다공성 전극은 티타늄(Ti), 스테인레스 강(SUS), 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 집전체를 포함한다.
또한, 다공성 전극은 구조체 및 집전체가 일체형으로 형성된 복합체를 포함한다.
또한, 제1 및 제2 저농도 용액의 유로로 기수 또는 담수를 공급하기 위한 제1 공급부를 더 포함한다.
또한, 제1 및 제2 고농도 용액의 유로로 염수, 해수, 기수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액을 공급하기 위한 제2 공급부를 더 포함한다.
또한, 탈염 유로로 해수, 기수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액을 공급하기 위한 제3 공급부를 더 포함한다.
또한, 탈염 유로로, 제1 고농도 용액의 유로 또는 제2 고농도 용액의 유로에서 토출되는 토출 용액을 각각 공급하기 위한 제1 및 제2 유로를 더 포함한다.
또한, 제1 및 제2 발전부를 각각 복수 개 배열하는 것을 포함한다.
또한, 제2 전극과 제3 전극은 전기적으로 연결되는 것을 포함한다.
또한, 제1 전극과 전기적으로 연결된 제2 전극은 제1 저항을 매개로 연결되며, 제1 저항은 크기가 조절 가능하게 마련되는 것을 포함한다.
또한, 제3 전극과 전기적으로 연결된 제4 전극은 제2 저항을 매개로 연결되며, 제2 저항은 크기가 조절 가능하게 마련되는 것을 포함한다.
이에 더하여, 본 발명은, 이산화탄소 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 포집하고, 이산화탄소가 흡수된 흡수제가 토출되는 흡수제 유로를 포함하는 이산화탄소 포집장치; 및 상기 서술에 따른 하이브리드 발전 장치를 포함하며, 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 하이브리드 발전 장치의 제1 및 제2 고농도 용액 유로로 공급하도록, 흡수제 유로와 제1 및 제2 고농도 용액 유로는 유체이동 가능하게 연결되는 하이브리드 발전 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기에서 서술한, 제1 및 제2 발전부의 제1 및 제2 고농도 용액 유로와 제1 및 제2 저농도 용액 유로로 고농도 용액과 저농도 용액을 공급하는 단계; 및 탈염부의 탈염 유로로 제3 고농도 용액을 공급하는 단계; 를 포함하는 하이브리드 발전 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 제1 및 제2 발전부에서 에너지를 생산하며, 이 때 생산되는 에너지는 탈염부에 사용함으로써, 추가적인 에너지를 사용하지 않고, 해수 및 기수의 전기화학적 탈염을 통해 연속적으로 담수를 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 탈염부에서 생산된 담수를 음용수로 활용하거나 기타 생활 용수로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 및 제2 발전부의 저농도 용액으로 재 이용함으로써, 장치의 효율성을 향상시킬 수 있다.
또한, 전기를 생산하기 위한 각각의 캐소드 전극과 애노드 전극의 전기회로를 독립적으로 연결함으로써, 장치 일부에 문제가 생겨도 연속적인 운전을 유지함과 동시에 유지보수가 용이하다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치의 구성도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치의 모식도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치의 모식도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 전기 생산과 탈염이 동시에 가능한 하이브리드 발전 장치 및 방법에 관한 것으로, 역전기투석(RED, Reverse Electrodialysis)과 축전식탈염(CDI, Capacitive Deionization)을 동시에 이용하여 염분차발전 및 해수담수화가 연속적으로 가능한 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
예시적인 본 발명의 하이브리드 발전 장치에 의하면, 제1 및 제2 발전부에서 에너지를 생산하며, 이 때 생산되는 에너지는 탈염부에 사용함으로써, 추가적인 에너지를 사용하지 않고, 해수 및 기수의 전기화학적 탈염을 통해 연속적으로 담수를 생산할 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치의 구성도, 도 5 및 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치의 구성도, 도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치의 모식도이다.
이하, 도1 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치 및 방법에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 미국 지질 조사소의 염의 농도에 의한 수질 분류에 따르면, 일반적으로 '염수'또는 '해수'는 염의 농도가 해수의 염(Salt, 주로 NaCl) 농도인 35,000mg/L 이상을 가지는 용액을 의미하며, '기수'는 염 농도가 1,000~10,000mg/L 정도를 가진 용액, '담수'는 염 농도가 0~1,000mg/L 를 가진 용액을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 제1 및 제2 저농도 용액은 농도차 또는 염분차 발전을 위해 유입되는 저농도 용액을 의미한다.
특히, 제1 및 제2 저농도 용액은 기수 또는 담수 일 수 있다.
또한, 제1 및 제2 고농도 용액은 농도차 또는 염분차 발전을 위해 유입되는 고농도 용액을 의미한다.
특히, 제1 및 제2 고농도 용액은 염수, 해수, 기수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액일 수 있다.
또한, 제3 고농도 용액은 탈염 또는 담수화를 위해 유입되는 고농도 용액을 의미한다.
특히, 제3 고농도 용액은 후술할 제1 발전부(100) 또는 제2 발전부(200)에서 토출된 토출 용액, 염수, 해수, 기수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액일 수 있다.
이에 더하여, 본 명세서에서는 일반적으로 각각의 이온교환막 사이에, 내부의 유로 간격을 유지하기 위해 배치되는 스페이서 및 가스켓 등은 설명의 편의를 위해 생략하였다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치(10)는 제1 발전부(100), 제2 발전부(200) 및 탈염부(300)를 포함한다.
본 발명의 제1 발전부(100)는 제1 전극(101), 제1 전극(101)과 전기적으로 연결된 제2 전극(102) 및, 제1 전극(101)과 제2 전극(102) 사이에 배치되며, 제1 고농도 용액과 제1 저농도 용액의 유로를 구획하기 위한 복수 개의 제1 이온교환막(110)을 포함한다.
또한, 본 발명의 제2 발전부(200)는 제2 전극(102)과 소정 간격 떨어져 위치한 제3 전극(201)및 제3 전극(201)과 전기적으로 연결된 제4 전극(202), 제3 전극(201) 및 제4 전극(202) 사이에 배치되며, 제2 고농도 용액과 제2 저농도 용액의 유로를 구획하기 위한 복수 개의 제2 이온교환막(210)을 포함한다.
이에 더하여, 본 발명의 탈염부(300)는 제2 전극(102)과 제3 전극(201) 사이에 위치하며, 제3 고농도 용액이 유동하기 위한 탈염 유로(310)를 갖을 수 있다.
이하, 본 문서에서, 제1 전극은 제1 애노드 전극, 제2 전극은 제1 캐소드 전극, 제3 전극은 제2 애노드 전극, 제4 전극은 제2 캐소드 전극인 것을 예로 들어 설명한다.
본 발명의 제1 발전부(100)는 제1 애노드 전극(101), 제1 애노드 전극(101)과 전기적으로 연결된 제1 캐소드 전극(102) 및, 제1 애노드 전극(101)과 제1 캐소드 전극(102) 사이에 배치되며, 제1 고농도 용액과 제1 저농도 용액의 유로를 구획하기 위한 복수 개의 제1 이온교환막(110)을 포함한다
여기서, 제1 이온교환막(110)은 각각 복수 개의 양이온 교환막(111)과 음이온 교환막(112)를 포함한다.
보다 구체적으로, 소정간격 이격되게 배치된 제1 애노드 전극(101)과 제1 캐소드 전극(102) 사이에 배치된 양이온 교환막(111)과 음이온 교환막(112)에 의해 제1 고농도 용액 유로(120)와 제1 저농도 용액 유로(130)가 구획될 수 있다.
상기 제1 고농도 용액 유로(120) 및 제1 저농도 용액 유로(130)로 각각 고농도 용액 및 저농도 용액이 유동할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 제2 발전부(200)는 제2 애노드 전극(201), 제2 애노드 전극(201)과 전기적으로 연결된 제2 캐소드 전극(202) 및, 제2 애노드 전극(201)과 제2 캐소드 전극(202) 사이에 배치되며, 제2 고농도 용액과 제2 저농도 용액의 유로를 구획하기 위한 복수 개의 제2 이온교환막(210)을 포함한다.
여기서, 제2 이온교환막(210)은 각각 복수 개의 양이온 교환막(211)과 음이온 교환막(212)을 포함한다.
보다 구체적으로, 소정간격 이격되게 배치된 제2 애노드 전극(201)과 제2 캐소드 전극(202) 사이에 배치된 양이온 교환막(211)과 음이온 교환막(212)에 의해 제2 고농도 용액 유로(220)와 제2 저농도 용액 유로(230)가 구획될 수 있다.
상기 제2 고농도 용액 유로(220) 및 제2 저농도 용액 유로(230)로 각각 고농도 용액 및 저농도 용액이 유동할 수 있다.
여기서, 상기 제1 발전부(100)와 제2 발전부(200)에서는, 고농도 용액과 저농도 용액이 각각의 고농도 용액 유로(120,220) 및 저농도 용액 유로(130,230)를 유동할 때, 각각의 제1 이온교환막(110)과 제2 이온교환막(210)을 통과하는 고농도 용액과 저농도 용액의 농도차에 의해 제1 및 제2 애노드 전극(101, 201)과 제1 및 제2 캐소드 전극(102, 202)에서 전기가 생산될 수 있다.
특히, 제1 및 제2 발전부(100,200)에서 전기를 생산하기 위해 공급되는 전극용액은 전해질을 포함하며 전술한, 저농도 용액 또는 고농도 용액 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 후술할 탈염부(300)의 탈염 유로(310)를 형성하는 제1 캐소드 및 제2 애노드(102,201) 각각의 제2면(102b,201b) 측의 전극용액 또한, 전해질을 포함하며 담수, 순수 또는 이온 전도성이 높은 전해질 용액을 사용하는 것이 바람직하다.
여기서, 탈염 유로(310)를 형성하는 제1 캐소드 및 제2 애노드(102,201) 각각의 제2면(102b,201b) 측의 전극용액은 낮은 농도를 갖는 담수, 순수를 공급할 때, 탈염부(300)에서 발전부 측으로 이동하는 이온성 물질이 확산 현상에 의해 보다 용이하게 이동할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 탈염부(300)는 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201) 사이에 위치하며, 제3 고농도 용액이 유동하기 위한 탈염 유로(310)를 포함한다.
특히, 상기 탈염부(300)는 제1 및 제2 발전부(100,200)에서 생산된 전기에 의해 탈염 공정을 수행하게 된다.
여기서, 상기 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)은 각각 제1 면(102a,201a) 및 제2 면(102b,201b)을 포함한다.
본 발명의 탈염 유로(310)는 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)의 마주보는 대향면(102a와 201a)들 사이 공간으로 정의될 수 있다.
여기서, 상기 대향면은 제1 캐소드 전극의 제1면(102a)과 제2 애노드 전극의 제1면(201a)을 의미한다.
즉, 탈염 유로(310)는 제1 캐소드 전극의 제1면(102a)과 제2 애노드 전극의 제1면(201a) 사이 공간으로 정의될 수 있다.
보다 구체적으로, 탈염 유로(310)는 제3 고농도 용액이 유동 시, 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)의 마주보는 대향면들(102a와 201a)에 접촉 가능하게 마련될 수 있다.
따라서, 상기 제3 고농도 용액이 유동시, 제1 캐소드 전극의 제1면(102a)과 제2 애노드 전극의 제1면(201a)에 접촉 가능하게 마련될 수 있다.
이에 더하여, 상기 제3 고농도 용액은 유동 시, 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)의 마주보는 대향면들(102a와 201a) 측으로 제3 고농도 용액의 이온성 물질이 이동할 수 있다.
여기서, 상기 이온성 물질은 양이온성 물질 및 음이온성 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 양이온성 물질은 제1 캐소드 전극(102)을 투과하고, 음이온성 물질은 제2 애노드 전극(201)을 투과하여 이동할 수 있다.
특히, 상기 이온성 물질은 제3 고농도 용액에 포함된, 염분을 포함한 용해물질로써, 일 예로, 상기 양이온성 물질은 나트륨 이온(Na+)일 수 있으며, 상기 음이온성 물질은 염소 이온(Cl-) 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2를 참조하면, 상기 탈염부(300)는 제1 캐소드 전극(102) 및 제2 애노드 전극(201) 사이에 배치된 양이온 교환막(311) 및 음이온 교환막(312)을 추가로 포함할 수 있다.
상기와 같이 탈염부(300)에 양이온 교환막(311)과 음이온 교환막(312)을 배치함으로써, 탈염부를 통과하며 제1 캐소드 전극(102) 및 제2 애노드 전극(201) 측으로 이동하는 제3 고농도 용액에 포함된 이온성 물질의 선택도를 높여주어 전기적인 효율과 탈염 효율을 동시에 향상시킬 수 있게 된다.
상기 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)의 마주보는 대향면(102a와 201a)은 다공성일 수 있다.
즉, 상기 제1 캐소드 전극의 제1면(102a)과 제2 애노드 전극의 제1 면(201a)는 다공성으로 형성될 수 있다.
따라서, 상기 다공성으로 형성된 각각의 제1면(102a,201a) 측으로, 제1 및 제2 발전부(100,200)에서 생산된 전기에 의해 탈염 유로(310) 유로를 유동하는 제3 고농도 용액의 이온이 이동함으로써, 탈염 공정이 수행될 수 있다.
또한, 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)은 발전부 측과 탈염부 측을 향하는 양면이 서로 다른 재질로 형성될 수 있다.
여기서, 제1 캐소드 전극(102)의 제1면(102a)는 탈염부(300) 측을 향하고, 제2면(102b)은 발전부 측, 즉 제1 발전부(100) 측을 향한다.
또한, 제2 애노드 전극(201)의 제1면(201a)은 탈염부(300) 측을 향하고, 제2면(201b)은 발전부 측, 즉 제2 발전부(200) 측을 향한다.
보다 구체적으로, 상기 제1 캐소드 전극(102)은 제1 발전부(100) 측을 향하는 제2면(102b)과 탈염부(300) 측을 향하는 제1면(102a)이 서로 다른 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 애노드 전극(201)은 제2 발전부(200) 측을 향하는 제2면(201b)과 탈염부(300) 측을 향하는 제1면(201a)이 서로 다른 재질로 형성될 수 있다.
따라서, 상기 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201) 각각의 제1면(102a 및 201a)과 제2면(102b 및 201b)은 서로 다른 재질로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)은 다공성 전극을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 다공성 전극은 구조체와 집전체를 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 다공성 전극의 구조체는, 폼(Foam), 메쉬(Mesh), 스폰지, 펠트(Felt), 크로스(Cloth), 활성탄, 그라핀, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 탄소구 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 다공성 전극의 집전체는, 티타늄(Ti), 스테인레스 강(SUS), 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이에 더하여, 상기 다공성 전극은 구조체 및 집전체가 일체형으로 형성된 복합체로 형성될 수 있다.
일 예로, 다공성 전극의 구조체로서 활성탄을 사용하고, 집전체로 티타늄을 사용할 때, 활성탄을 이용한 다공성 탄소 전극에 집전체로 분쇄된 티타늄 입자 또는 분말을 담지 하거나 이를 화학적 또는 전기화학적으로 결합하여 일체형으로 형성함으로써, 상기 다공성 전극을 복합체로 구현할 수 있다.
여기서, 일 예로써, 활성탄과 티타늄을 사용하였으나, 전술한 구조체 및 집전체 중 각각 어느 하나 이상을 이용할 수 있다.
상기 제1 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극 각각의 제1면(102a, 201a)의 적어도 일부는 상기에서 전술한, 구조체일 수 있고, 제2면(102b, 201b)의 적어도 일부는 집전체 일 수 있다.
또한, 상기 제1 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극 각각의 제1면(102a, 201a)은 상기에서 전술한, 구조체일 수 있고, 제2면(102b, 201b)은 집전체 일 수 있다.
한편, 본 발명은 제1 및 제2 저농도 용액의 유로(130,230)로 방류수, 기수, 담수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액을 공급하기 위한 제1 공급부(401)를 더 포함할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 고농도 용액의 유로(120,220)로 해수, 기수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액을 공급하기 위한 제2 공급부(402)를 더 포함할 수 있다.
또한, 탈염 유로(310)로 해수, 기수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액을 공급하기 위한 제3 공급부(403)를 더 포함할 수 있다.
특히, 상기 탈염 유로(310)로, 제1 고농도 용액 유로(120) 또는 제2 고농도 용액 유로(220)에서 토출되는 토출 용액을 각각 공급하기 위한 제1 및 제2 유로(140,240)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 토출 용액은, 복수 개의 제1 고농도 및 제1 저농도 용액 유로(120,130)와 제2 고농도 및 제2 저농도 용액 유로(220, 230)로 각각 고농도 용액과 저농도 용액이 유동할 때, 각각의 양이온 교환막(111, 211)과 음이온 교환막(112, 212)을 통과하며 농도차에 의해, 제1 애노드 전극(101) 및 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201) 및 제2 캐소드 전극(202)에서 전기를 생산한 후, 각각의 제1 및 제2 고농도 용액 유로(120, 220)에서 토출되는 용액을 의미한다.
즉, 유입되는 고농도 용액의 이온이 이온교환막을 통과하여 저농도 용액 측으로 이동함에 따라, 유입된 고농도 용액 보다 낮은 농도를 갖는 희석된 고농도 용액일 수 있다.
이를 탈염부로 이송하여, 해수 보다 낮은 농도를 갖는 희석된 고농도 용액을 탈염함으로써, 담수화의 효율을 향상 시킬 수 있는 효과가 있게 된다.
일 예로, 고농도 용액으로써 해수를 유입하고, 저농도 용액으로써 방류수를 유입하면 유입된 해수는 대략 2.5wt%의 농도를 갖는 기수로 토출 되고, 기수를 탈염부로 이송하여 탈염 하면, 담수를 생산할 수 있게 된다.
이 때, 저농도 용액으로 사용된 방류수는 대략 1.0wt%의 농도를 갖는 기수로 토출될 수 있다.
이에 더하여, 도시하지는 않았지만, 탈염 유로(310)를 통과하여 탈염된 용액을 제1 및 제2 발전부 각각의 제1 및 제2 저농도 용액 유로(130, 230)로 이송하여, 전기 생산에 재 이용할 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)은 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 제1 애노드 전극(101)과 전기적으로 연결된 제1 캐소드 전극(102)은 제1 저항(103)을 매개로 연결되며, 제1 저항(103)은 크기가 조절 가능하게 마련될 수 있다.
이에 더하여, 제2 애노드 전극(201)과 전기적으로 연결된 제2 캐소드 전극(202)은 제2 저항(203)을 매개로 연결되며, 제2 저항(203)은 크기가 조절 가능하게 마련될 수 있다.
특히, 제1 애노드 전극(101)과 제2 캐소드 전극(202) 또한, 전기적으로 연결되며, 제3 저항(301)을 매개로 연결될 수 있다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 하이브리드 발전 장치(10)는, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 각각의 캐소드 전극과 애노드 전극이 반전된 형태를 포함할 수 있으며, 이때 각각의 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 배치되는 양이온 교환막과 음이온 교환막의 배치 또한 적절하게 변경될 수 있다.
한편, 상기와 같은 구성으로 이루어진 하이브리드 발전 장치(10)를 이용하여 전기 생산과 탈염이 동시에 진행되는 공정을 설명하면 다음과 같다.
이하에서는 제1 및 제2 저농도 용액과 제1 내지 제3 고농도 용액은 각각의 공급부에서 공급되는 것을 예로 들어 설명하지만, 전술한 바와 같이, 제1 유로 내지 제3 유로를 적절하게 이용하여 저농도 또는 고농도 용액을 공급할 수 있다.
먼저, 다시 도 1을 참조하면, 각각의 제1 및 제2 공급부(401,402)를 통해 저농도 용액과 고농도 용액이 제1 및 제2 발전부(100,200)로 유입되면, 저농도 용액과 고농도 용액의 농도차에 의해 전위차가 발생하게 된다.
이에 따라, 제1 및 제2 애노드 전극(101,201)과 제1 및 제2 캐소드 전극(102, 202)에서 전자의 흐름이 발생한다.
상기와 같은 전자의 흐름은, 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)의 마주보는 대향면들 사이 공간으로 정의되는 탈염 유로(310)에 전위가 인가됨을 의미한다.
따라서, 인가된 전위에 의해, 탈염 유로(310)를 유동하는 제3 고농도 용액 내 이온성 물질이 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)의 마주보는 대향면들 측으로 이동하게 된다.
이 때, 이동하는 각각의 이온성 물질은 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)을 투과하여, 발전부 측으로 이동한다.
여기서, 각각의 이온성 물질의 일부는 각각의 전극(102,201)을 투과할 수 있고, 나머지 일부는 전극(102,201) 흡착될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)은 다공성 구조의 다공성 전극을 포함하므로, 이온성 물질이 각각의 전극(102,201)에 흡착될 수 있으며, 이에 따라 탈염 공정, 즉 담수화 공정이 이루어 질 수 있다.
상기와 같이 구성된 하이브리드 발전 장치(10)의 탈염부(300)는 탈염을 위한 전극이 필요하지 않으므로, 보다 컴팩트한 장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 탈염부(300)에 인가되는 전위는 제1 및 제2 발전부(100,200)에서 생산된 전기이므로, 추가적인 에너지를 사용하지 않고 담수를 생산할 수 있는 효과가 있다.
이에 더하여, 전기적으로 연결된 각각의 애노드 전극과 캐소드 전극은 제1 내지 제3 저항(103,203,301)을 매개로 연결함으로써, 독립적인 전기 회로를 구현할 수 있다.
따라서, 탈염부(300)에 인가되는 전위를 연속적으로 공급할 수 있어 탈염공정을 연속적으로 유지함과 동시에 이온교환막 등의 유지보수가 필요한 부분은, 탈염부(300)의 운전을 중단하지 않고 부분적으로 교체할 수 있게 된다.
특히, 상기 제1 내지 제3 저항(103,203,301)은 그 크기를 조절할 수 있어 하이브리드 발전 장치(10)로 공급되는 저농도 용액과 고농도 용액 각각의 농도에 따라 저항값을 조절함으로써, 운전 조건을 변경할 수 있다.
일 예로, 탈염부(300)로 공급되는 제3 고농도 용액의 농도가 높을 경우, 제1 저항(103)과 제2 저항(203)의 저항값을 높게 하여 탈염부(300)로 이송되는 전기 에너지를 상승시킬 수 있다.
이에 따라, 제3 고농도 용액에 포함된 이온성물질의 이동 속도가 증가하게 되어 신속하게 담수화를 시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치(20)는 제1 및 제2 발전부(100,200)를 복수 개 배열하여 탈염의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 발전부(100)와 제2 발전부(200)를 복수 개 배열하여 교번하여 배치할 수 있다.
즉, 제1 발전부(100), 제2 발전부(200) 다음에 다시 제1 발전부(100), 제2 발전부(200) 순으로 차례로 배열될 수 있다.
이 때, 각각의 탈염 유로(310)를 유체이동 가능하게 연결하면, 담수 효과를 향상 시킬 수 있다.
일 예로, 도 5에 나타낸 바와 같이, 탈염부(300)의 탈염 유로(310)로 약 3.5wt%의 해수를 공급하면, 공급된 해수가 서로 유체이동 가능하게 연결된 탈염 유로(310)를 복수 번 통과함에 따라, 탈염이 반복적으로 진행되어 최종적으로 약 0.05wt%의 담수를 생산할 수 있게 된다.
또한, 도 6에 나타낸 바와 같이, 각각의 탈염 유로(310)에 제3 공급부(403)를 연결하여, 대량의 담수를 생산할 수 있다.
특히, 상기에서 전술한 제1 및 제2 유로(140,240)를 탈염 유로(310)와 적절하게 연결하여, 대량의 담수를 생산할 수 있다.
상기에서 서술한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치(20)는, 복수 개의 제1 및 제2 발전부(100,200)가 교번하여 배치될 때, 최종적으로 양 말단 배치되는 제1 또는 제2 발전부(100,200)를 제외한, 양 말단 사이 내부에 배치되는 복수 개의 전극들은 각각 다공성 전극으로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 제3 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치(30)는 이산화탄소 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 포집하고, 이산화탄소가 흡수된 흡수제가 토출되는 흡수제 유로를 포함하는 이산화탄소 포집장치(1000)을 포함한다.
또한, 상기에서 전술한 하이브리드 발전 장치(10 또는 20)을 포함하며, 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 하이브리드 발전 장치의 제1 및 제2 고농도 용액 유로로 공급하도록, 흡수제 유로와 제1 및 제2 고농도 용액 유로는 유체이동 가능하게 연결되는 것을 포함한다.
일 예로, 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제는 CCS(Carbon Capture Storage) 포집 공정 중 흡수제를 이용하여 이산화탄소 흡수를 통해 생성된 생성물일 수 있다.
이러한 반응은 하기의 반응식 1로 표시될 수 있다.
[반응식 1]
Abs(흡수제)(aq) + CO2(g) ↔ Abs+ (aq) + HCO3- (aq)
상기 흡수제에 포함된 탄산염(HCO3-)은，하이브리드 발전장치의 제１ 및 제２ 발전부 내의 음이온 교환막을 통과하여 이동하게 되고, 수소(H+) 이온은 양이온 교환막을 통과하여 이동하게 되어 전위차가 발생함에 따라 전기를 생산할 수 있게 된다. 여기서, 수소(H+) 이온은 상기 흡수제의 용매에 포함되는 물(H2O)에 존재하는 것일 수 있다.
본 발명은 또한, 하이브리드 발전 방법을 제공한다.
예를 들어, 상기 하이브리드 발전 방법은, 전술한 제1 내지 제3 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치(10,20,30)를 통한 발전 방법에 관한 것이다.
따라서, 후술하는 하이브리드 발전 장치에 대한 구체적인 사항은 앞서 전술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
상기 하이브리드 발전 방법은 하이브리드 발전 장치에 따른 제1 및 제2 발전부의 제1 및 제2 고농도 용액 유로와 제1 및 제2 저농도 용액유로로 고농도 용액과 저농도 용액을 공급하는 단계를 포함한다.
또한, 탈염부의 탈염 유로로 제3 고농도 용액을 공급하는 단계를 포함한다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10, 20, 30: 하이브리드 발전 장치
100: 제1 발전부
101: 제1 전극
102: 제2 전극
102a: 제2 전극 제1면 102b: 제2 전극 제2면
103: 제1 저항 110: 복수 개의 제1 이온교환막
200: 제2 발전부
201: 제3 전극
201a: 제3 전극 제1면 202b: 제3 전극 제2면
202: 제4 전극
203: 제2 저항 210: 복수 개의 제2 이온교환막
300: 탈염부 301: 제3 저항
310: 탈염 유로
100: 제1 발전부
101: 제1 전극
102: 제2 전극
102a: 제2 전극 제1면 102b: 제2 전극 제2면
103: 제1 저항 110: 복수 개의 제1 이온교환막
200: 제2 발전부
201: 제3 전극
201a: 제3 전극 제1면 202b: 제3 전극 제2면
202: 제4 전극
203: 제2 저항 210: 복수 개의 제2 이온교환막
300: 탈염부 301: 제3 저항
310: 탈염 유로
Claims (23)
- 제1 전극, 제1 전극과 전기적으로 연결된 제2 전극 및, 제1 및 제2 전극 사이에 배치되며, 제1 고농도 용액과 제1 저농도 용액의 유로를 구획하기 위한 복수 개의 제1 이온교환막을 포함하는 제1 발전부;
제2 전극과 소정 간격 떨어져 위치한 제3 전극 및 제3 전극과 전기적으로 연결된 제4 전극, 제3 및 제4 전극 사이에 배치되며, 제2 고농도 용액과 제2 저농도 용액의 유로를 구획하기 위한 복수 개의 제2 이온교환막을 포함하는 제2 발전부; 및
제2 전극과 제3 전극 사이에 위치하며, 제3 고농도 용액이 유동하기 위한 탈염 유로를 갖는 탈염부; 를 포함하며,
제1 및 제2 발전부로 유입된 각각의 저농도 용액과 고농도 용액의 농도차에 의해 제1 및 제2 전극과 제3 및 제4 전극에서 전자의 흐름이 발생하여 탈염 유로에 전위가 인가되며,
인가된 전위에 의해, 탈염 유로를 유동하는 제3 고농도 용액 내 이온성 물질은 제2 전극과 제3 전극의 마주보는 대향면들 측으로 이동하는, 하이브리드 발전 장치. - 제 1 항에 있어서,
탈염 유로는, 제2 전극과 제3 전극의 마주보는 대향면들 사이 공간으로 정의되는 하이브리드 발전 장치. - ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 2항에 있어서,
탈염 유로는, 제3 고농도 용액이 유동 시 제2 전극과 제3 전극의 마주보는 대향면들에 접촉 가능하게 마련된 하이브리드 발전 장치. - 삭제
- ◈청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 전극은 제1 애노드 전극 이고, 제2 전극은 제1 캐소드 전극이며,
제3 전극은 제2 애노드 전극이고, 제4 전극은 제2 캐소드 전극인 하이브리드 발전 장치. - ◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 1항에 있어서,
이온성 물질은, 양이온성 물질 및 음이온성 물질을 포함하며,
양이온성 물질은 제1 캐소드 전극을 투과하고, 음이온성 물질은 제2 애노드 전극을 투과하여 이동하는 하이브리드 발전 장치. - 제 2항에 있어서,
탈염부는, 제2 전극 및 제3 전극 사이에 배치된 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 추가로 포함하는 하이브리드 발전 장치. - 제 2항에 있어서,
제2 전극과 제3 전극의 마주보는 대향면은 다공성인 하이브리드 발전 장치. - 제 2항에 있어서,
제2 전극과 제3 전극은 발전부 측과 탈염부 측을 향하는 양면이 서로 다른 재질로 형성된 하이브리드 발전 장치. - 제 1항에 있어서,
제2 전극과 제3 전극은 다공성 전극을 포함하는 하이브리드 발전 장치. - ◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 10항에 있어서,
다공성 전극은 폼(Foam), 메쉬(Mesh), 스폰지, 펠트(Felt), 크로스(Cloth), 활성탄, 그라핀, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 탄소구 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 구조체를 포함하는 하이브리드 발전 장치. - ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 10항에 있어서,
다공성 전극은 티타늄(Ti), 스테인레스 강(SUS), 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 집전체를 포함하는 하이브리드 발전 장치. - ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 11항 또는 12항에 있어서,
다공성 전극은 구조체 및 집전체가 일체형으로 형성된 복합체를 포함하는 하이브리드 발전 장치. - 제 1항에 있어서,
제1 및 제2 저농도 용액의 유로로 기수 또는 담수를 공급하기 위한 제1 공급부를 더 포함하는 하이브리드 발전 장치. - 제 1항에 있어서,
제1 및 제2 고농도 용액의 유로로 염수, 해수, 기수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액을 공급하기 위한 제2 공급부를 더 포함하는 하이브리드 발전 장치. - 제 1항에 있어서,
탈염 유로로 염수, 해수, 기수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액을 공급하기 위한 제3 공급부를 더 포함하는 하이브리드 발전 장치. - 제 1항에 있어서,
탈염 유로로, 제1 고농도 용액의 유로 또는 제2 고농도 용액의 유로에서 토출되는 토출 용액을 각각 공급하기 위한 제1 및 제2 유로를 더 포함하는 하이브리드 발전 장치. - 제 1항에 있어서,
제1 및 제2 발전부를 각각 복수 개 배열하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 장치. - 제 2항에 있어서,
제2 전극과 제3 전극은 전기적으로 연결된 하이브리드 발전 장치. - 제 2항에 있어서,
제1 전극과 전기적으로 연결된 제2 전극은 제1 저항을 매개로 연결되며, 제1 저항은 크기가 조절 가능하게 마련된 하이브리드 발전 장치. - 제 2항에 있어서,
제3 전극과 전기적으로 연결된 제4 전극은 제2 저항을 매개로 연결되며, 제2 저항은 크기가 조절 가능하게 마련된 하이브리드 발전 장치. - 이산화탄소 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 포집하고, 이산화탄소가 흡수된 흡수제가 토출되는 흡수제 유로를 포함하는 이산화탄소 포집장치; 및
제 1항에 따른 하이브리드 발전 장치를 포함하며,
이산화탄소가 흡수된 흡수제를 하이브리드 발전 장치의 제1 및 제2 고농도 용액 유로로 공급하도록, 흡수제 유로와 제1 및 제2 고농도 용액 유로는 유체이동 가능하게 연결되는 하이브리드 발전 장치. - 제 1항에 따른 제1 및 제2 발전부의 제1 및 제2 고농도 용액 유로와 제1 및 제2 저농도 용액 유로로 고농도 용액과 저농도 용액을 공급하는 단계; 및
제 1항에 따른 탈염부의 탈염 유로로 제3 고농도 용액을 공급하는 단계; 를 포함하는 하이브리드 발전 방법.
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