KR102611120B1 - Red 스택 조립체 및 이를 이용한 red 염분차발전 시스템 - Google Patents
Red 스택 조립체 및 이를 이용한 red 염분차발전 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
RED 스택 조립체 및 이를 이용한 RED 염분차발전 시스템이 개시된다.
본 발명에 따른 RED 스택 조립체는, 염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막, 음이온 교환막 및 스페이서가 이격된 상태로 교대로 배치되고, 양 단부에 마련되는 애노드(Anode) 및 캐소드(cathode)를 포함하는 단위 셀, 셀의 일 단부에 캐소드와 연결되는 제1 엔드 플레이트 및 제1 엔드 플레이트와 대향하는 위치에 마련되며, 애노드와 연결되는 제2 엔드 플레이트를 포함하며, 셀은 복수 개가 적층되어 셀 스택을 형성하고, 제1 엔드 플레이트를 통해서 셀 스택으로 유입된 염수와 담수는 셀 스택을 형성하는 하나의 셀에서 염수와 담수의 농도차에 의한 전압을 생성하고 난 이후에 유출되고, 하나의 셀에서 유출된 유출수는 인접한 다른 셀로 유입되어 염수와 담수의 농도차에 의한 전압을 생성하도록 재사용된다.
본 발명에 따른 RED 스택 조립체는, 염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막, 음이온 교환막 및 스페이서가 이격된 상태로 교대로 배치되고, 양 단부에 마련되는 애노드(Anode) 및 캐소드(cathode)를 포함하는 단위 셀, 셀의 일 단부에 캐소드와 연결되는 제1 엔드 플레이트 및 제1 엔드 플레이트와 대향하는 위치에 마련되며, 애노드와 연결되는 제2 엔드 플레이트를 포함하며, 셀은 복수 개가 적층되어 셀 스택을 형성하고, 제1 엔드 플레이트를 통해서 셀 스택으로 유입된 염수와 담수는 셀 스택을 형성하는 하나의 셀에서 염수와 담수의 농도차에 의한 전압을 생성하고 난 이후에 유출되고, 하나의 셀에서 유출된 유출수는 인접한 다른 셀로 유입되어 염수와 담수의 농도차에 의한 전압을 생성하도록 재사용된다.
Description
본 발명은 적은 양의 용액으로 최대의 전기 에너지를 생산할 수 있는 RED 스택 조립체 및 이를 이용한 RED 염분차발전 시스템에 관한 것이다.
염분차 발전(salinity gradient power generation)은 농도가 다른 용액(ex. 염수, 담수)의 혼합 과정에서 발생한 농도차 에너지를 전기 에너지 형태로 회수하여 발전하는 시스템이다.
특히, RED(Reverse Electro Dialysis; 역전기 투석) 스택에서는 해수와 담수에 포함되어 있는 이온의 농도차로 인해 양이온과 음이온이 각각 양이온 교환막과 음이온 교환막을 통해 이동한다. 이때, 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에는 화학전 전이차가 발생하게 되며, 양이온 교환막과 음이온교환막이 복수 개로 번갈아 배열된 양쪽 끝에 위치한 전극(양전극(애노드), 음전극(캐소드))에서 양이온 교환막과 음이온 교환막에 의해 발생된 전위차를 이용한 산화환원 반응에 의해 전자의 이동 현상이 발생됨으로써 전기 에너지를 생성한다.
이와 같이, RED는 염수에 용해되어 있는 이온이 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 통해 담수로 이동하면서 발생되는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 전환하는 발전 방식을 의미한다.
여기서, RED 방식의 염분차 발전장치를 실험실 수준의 소규모에서 실제 현장에서 적용 가능한 수준의 발전 성능을 나타내도록 하기 위해서 기존 단위 셀(cell)을 적층한 스택(stack)을 이용한다.
도 1의 (a)을 참조하면, 종래 RED 염분차발전 시스템에는 단위 셀(10)이 적층된 스택(1)의 내부에 균등 분배된 염수(HC)와 담수(LC)가 양이온 교환막(CEM,12), 가스켓&스페이서(13) 및 음이온 교환막(AEM,14) 사이에 유입된다. 스택(1)의 양 단부에는 염수(HC)와 담수(LC)가 유입되는 제1 엔드 플레이트(17) 및 제1 엔드 플레이트(17)를 통해 유입된 염수(HC)와 담수(LC)가 유출되는 제2 엔드 플레이트(19)를 포함한다. 또한, 도 1의 (b)를 참조하면, 양이온 교환막(12)과 음이온 교환막(14), 가스켓&스페이서(13)가 번갈아 배열된 양쪽 끝에는 음전극(16) 및 양전극(18)이 배치된다. 이때, 염수(HC)와 담수(LC)는 일반적인 RED 작동 방법에서의 병렬 흐름모드를 갖는다.
종래 RED 염분차발전 시스템에 사용되는 단위 셀(10)이 적층된 스택(1)으로 유입된 염수(HC)와 담수(LC)는 유입된 흐름의 방향이 변경되지 않고, 복수 개의 스택(10)을 거쳐서 전해질과 반응한 이후에 유입된 방향과 반대되는 방향으로 배출된다.
이와 같이, 염수(HC)와 담수(LC)가 병렬 흐름 모드를 가지게 되면, 발전량을 늘리기 위해 다량의 염수와 담수가 필요하게 되고 이로 인해 높은 펌핑 에너지와 압력강하가 불가피하게 된다.
만약, 염수와 담수의 유속을 줄이게 되면 압력 강하가 저하되고 필요한 염수와 담수의 양이 줄어들지만, 그에 따라 총 발전 에너지량도 감소하게 되는 문제점이 있다.
반대로, 염수와 담수가 직렬 흐름 모드를 가지게 되면, 염분차발전에 필요한 염수와 담수의 양은 획기적으로 줄이며 스택 내 체류시간을 증가시킬 수 있으나, 많은 스택을 포함하는 RED 염분차발전 시스템에서는 높은 유체의 저항 때문에 적용하기 힘들다는 한계가 있다.
이에, 적은 양의 염수와 담수를 사용하면서 종래 RED 염분차발전 시스템에서 발생되는 에너지와 동일한 양을 생산할 수 있는 RED 염분차발전 시스템의 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명의 목적은 소량의 염수와 담수만으로도 전기 에너지의 최대한으로 생산할 수 있는 RED 스택 조립체 및 이를 이용한 RED 염분차발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적은, 본 발명에 따라, 염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막, 음이온 교환막 및 스페이서가 이격된 상태로 교대로 배치되고, 양 단부에 마련되는 애노드(Anode) 및 캐소드(cathode)를 포함하는 단위 셀, 셀의 일 단부에 캐소드와 연결되는 제1 엔드 플레이트 및 제1 엔드 플레이트와 대향하는 위치에 마련되며, 애노드와 연결되는 제2 엔드 플레이트를 포함하며, 셀은 복수 개가 적층되어 셀 스택을 형성하고, 제1 엔드 플레이트를 통해서 셀 스택으로 유입된 염수와 담수는 셀 스택을 형성하는 하나의 셀에서 염수와 담수의 농도차에 의한 전압을 생성하고 난 이후에 유출되고, 하나의 셀에서 유출된 유출수는 인접한 다른 셀로 유입되어 염수와 담수의 농도차에 의한 전압을 생성하도록 재사용되는, RED 스택 조립체에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 셀 스택으로 유입된 염수와 담수의 흐름 변경 횟수는 셀 스택 내에 포함된 셀의 개수에 따라 달라지도록 마련될 수 있다.
한편, 셀 스택으로 유입되는 염수와 담수의 유량은 동일하거나 서로 다른 유량을 가질 수 있다.
특히, 셀 스택으로 유입되는 염수와 담수의 유량이 동일하거나 서로 다른 유량을 가지는 경우에도 생산되는 에너지 양은 서로 동일하도록 마련될 수 있다.
이때, 셀 스택으로 유입된 염수와 담수는 서로 동일한 방향에서 유입되고 동일한 방향의 흘러서 유입된 방향과 대향되는 방향으로 배출될 수 있다.
또한, 셀 스택으로 유입된 염수와 담수는 서로 반대 방향에서 유입되고, 유입된 방향과 반대 방향으로 각각 배출될 수 있다.
또한, 셀 스택으로 유입된 염수와 담수는 서로 다른 방향에서 유입되고, 적어도 일부분이 교차되어 배출될 수 있다.
한편, 셀 스택으로 유입되는 염수는 해수 농축수로 마련되고, 해수 농축수는 전처리된 상태로 셀 스택으로 유입될 수 있다.
또한, 해수 농축수의 전처리 과정에서, 해수 농축수에 이산화탄소 및 알카리가 공급되어 다가이온 형태로 형성되며, 침전 제거되어 셀 스택으로 유입될 수 있다.
한편, 본 발명의 목적은, 염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막, 음이온 교환막 및 스페이서가 이격된 상태로 교대로 배치되고, 양 단부에 마련되는 애노드(Anode) 및 캐소드(cathode)를 포함하는 단위 셀, 셀 스택의 일 단부에 캐소드와 연결되는 제1 엔드 플레이트 및 제1 엔드 플레이트와 대향하는 위치에 마련되며, 애노드와 연결되는 제2 엔드 플레이트를 포함하며, 셀은 복수 개가 적층되어 셀 스택을 형성하고, 제1 엔드 플레이트를 통해서 스택 모듈로 저탄소 형태로 전처리된 염수와 담수가 공급되며, 제1 엔드 플레이트를 통해서 셀 스택으로 유입된 염수와 담수는 셀 스택을 형성하는 하나의 셀에서 염수와 담수의 농도차에 의한 전압을 생성하고 난 이후에 유출되고, 하나의 셀에서 유출된 유출수는 인접한 다른 셀로 유입되어 염수와 담수의 농도차에 의한 전압을 생성하도록 재사용되는, RED 스택 조립체에 의해 달성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 분야에 의하면, 본 발명의 목적은, 해수 담수화 설비로부터 해수 농축수를 공급받고, 공급받은 해수 농축수에 이산화탄소 및 알카리가 공급되어 칼슘, 마그네슘 등의 이온이 침전 제거되는 전처리 탱크, 전처리 탱크에서 저탄소 형태로 처리된 해수 농축수가 공급되는 제1항에 기재된 염분차발전을 위한 RED 스택 조립체 및 염분차발전을 위한 RED 스택 조립체로 담수를 공급하는 담수 공급부를 포함하는, RED 염분차발전 시스템에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 RED 스택 조립체 및 이를 이용한 RED 염분차발전 시스템은, 염분차발전에 사용되는 염수와 담수의 양을 최소화하면서 전기 에너지의 생산량을 최대화할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 RED 스택 조립체 및 이를 이용한 RED 염분차발전 시스템은, 유입되는 염수와 담수의 유량이 다르더라도 전기 에너지를 생산할 수 있고, 유입되는 염수와 담수의 유량이 같은 경우에도 생산된 전기 에너지의 생산량과 거의 차이가 없을 수 있다.
또한, 본 발명의 RED 스택 조립체 및 이를 이용한 RED 염분차발전 시스템은, RED 스택 조립체에 공급되는 염수(해수 또는 해수 농축수)에 이산화탄소 및 알카리를 공급하여 염수 내의 칼슘, 마그네슘 이온이 침전, 제거된 상태로 셀 스택에 유입되게 된다. 이에 따라, RED 스택 조립체의 염분차발전 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 RED 염분차발전 시스템에 포함되는 RED 스택 조립체를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 RED 스택 조립체의 일예를 나타낸 사시도이다.
도 3 내지 도 7은 도 3에 도시한 RED 스택 조립체에서 셀 스택의 개수에 따른 RED 스택 조립체를 나타낸 도면이다.
도 8 내지 도 10은 도 3에 도시한 RED 스택 조립체에 유입되는 염수와 담수의 흐름 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 2에 도시한 RED 스택 조립체를 이용한 RED 염분차발전 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 12의 (a)는 도 1에 도시한 종래 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 전력 밀도(Power density)를 나타낸 그래프이고, 도 12의 (b) 내지 (f)는 도 3 내지 도 7에 도시한 셀 스택 개수에 따른 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 전력 밀도(Power density)를 나타낸 그래프이다.
도 13은 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 유출수의 전도도(Conductivity)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 14는 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 출력(Gross power)을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 15는 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 압력 손실(hydraulic loss)을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 16은 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 순 전력 밀도(Net power density)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 17은 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 에너지 효율(Energy efficiency)을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 18은 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 순 비에너지(Net specific energy)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 19는 종래 RED 스택 조립체와 본 발명에서 4개의 셀 스택을 포함하는 RED 스택 조립체의 전력 밀도(power density)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 RED 스택 조립체의 일예를 나타낸 사시도이다.
도 3 내지 도 7은 도 3에 도시한 RED 스택 조립체에서 셀 스택의 개수에 따른 RED 스택 조립체를 나타낸 도면이다.
도 8 내지 도 10은 도 3에 도시한 RED 스택 조립체에 유입되는 염수와 담수의 흐름 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 2에 도시한 RED 스택 조립체를 이용한 RED 염분차발전 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 12의 (a)는 도 1에 도시한 종래 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 전력 밀도(Power density)를 나타낸 그래프이고, 도 12의 (b) 내지 (f)는 도 3 내지 도 7에 도시한 셀 스택 개수에 따른 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 전력 밀도(Power density)를 나타낸 그래프이다.
도 13은 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 유출수의 전도도(Conductivity)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 14는 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 출력(Gross power)을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 15는 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 압력 손실(hydraulic loss)을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 16은 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 순 전력 밀도(Net power density)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 17은 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 에너지 효율(Energy efficiency)을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 18은 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 순 비에너지(Net specific energy)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 19는 종래 RED 스택 조립체와 본 발명에서 4개의 셀 스택을 포함하는 RED 스택 조립체의 전력 밀도(power density)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예들을 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도면의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 RED 스택 조립체 및 이를 이용한 RED 염분차발전 시스템을 설명한다.
먼저, 도 2 내지 도 19를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 RED 스택 조립체(100)를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 RED 스택 조립체(100)는 단위 셀(110), 제1 엔드 플레이트(120) 및 제2 엔드 플레이트(130)를 포함한다.
단위 셀(110)은 하나 이상의 양이온 교환막(cation exchange membrane; CEM)(112)과 하나 이상의 음이온 교환막(aninon exchange membrane)(114)로 구성된다.
양이온 교환막(112)은 양이온 만을 선택적으로 통과시키고, 음이온 교환막(114)은 음이온만을 선택적으로 통과시킬 수 있다.
이때, 양이온 교환막(112)과 음이온 교환막(114)이 하나씩 교대로 배치되어 복수 개의 채널(channel, 미도시)을 제공한다.
서로 인접하게 위치된 단위 셀(110)은 양이온 교환막(112) 또는 음이온 교환막(114)을 공유할 수 있다.
여기서, 양이온 교환막(112)과 음이온 교환막(114) 사이에는 적어도 하나의 가스켓(113)이 마련되고, 가스켓(113)의 안쪽 부분에는 스페이서(113a)가 마련된다. 가스켓(113)은 염수(HC)와 담수(LC)의 흐름을 변경하는데 활용할 수 있다.
또한, 가스켓(113) 및 스페이서(113a)는 담수(LC) 및 염수(HC)가 흐를 수 있는 채널을 형성할 수 있고, 양이온 교환막(112) 및 음이온 교환막(114)이 서로 접하는 것을 방지할 수 있다. 이때, 스페이서(113a)는 적어도 일부분이 메쉬(mesh) 형태로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 단위 셀(110)을 사이에 두고 캐소드(cathode)(116) 및 애노드(anode)(118)가 서로 대향하여 배치될 수 있다.
또한, 단위 셀(110)의 양 단부에는 제1 엔드 플레이트(120) 및 제2 엔드 플레이트(130)가 마련될 수 있다.
제1 엔드 플레이트(120)는 단위 셀(110)의 일단부에서 마련되어 단위 셀(110)의 캐소드(116)와 연결되는 부분이고, 제2 엔드 플레이트(120)는 단위 셀(110)의 타단부에 마련되어 단위 셀(110)의 애노드(118)와 연결되는 부분이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀(110)은 복수 개가 적층되어 하나의 셀 스택(1100)을 형성할 수 있다.
도 3 내지 도 7을 참조하여, 단위 셀(cell-pair (CP); 110)의 개수에 따른 RED 스택 조립체(100)의 구조를 간단히 설명한다.
참고로, 하기에서는 설명의 편의를 위해, 단위 셀(110)의 총 개수를 100CP 라고 가정한다. 또한, 단위 셀(110)이 복수 개가 적층되어 형성된 것을 셀 스택(1100)이라 한다. 여기서, 셀 스택(1100)을 구성하는 복수 개의 단위 셀(110) 중에서 제1 엔드 플레이트(120)와 가까운 위치에서부터 제1 셀(110a), 제2 셀(110b),제n 셀(110n)이라 한다.
도 3을 참조하면, 셀 스택(1100)은 2개의 단위 셀(110)이 적층된 형태(2-stage cascaded stack)로 마련될 수 있다.
도 3에 도시된 셀 스택(1100)은 제1 셀(110a) 및 제2 셀(110b)을 포함한다. 이때, 제1 셀(110a) 및 제2 셀(110b)은 각각 50CP의 단위 셀(110)의 개수를 포함한다.
이와 같이, 2개의 셀(110a,110b)로 셀 스택(1100)이 구성되는 경우, 제1 엔드 플레이트(120)를 통해서 셀 스택(1100)의 제1 셀(110a)로 유입된 염수(HC)와 담수(LC)는 제1 셀(110a)에서 농도차에 의한 전압을 생성하고 제1 셀(110a)의 유출수는 흐름 방향이 변경되어 제1 셀(110a)과 이웃한 제2 셀(110b)로 유입되어 전압 생성에 이용된 염수(HC)와 담수(LC)는 제2 엔드 플레이트(130)를 통해서 외부로 배출된다. 상기한 바와 같이, 셀 스택(1100)으로 유입된 염수(HC)와 담수(LC)는 하나의 셀(110a)과 이웃한 셀(110b)로 유동될 때, 흐름 방향이 한번 변경된다.
즉, 2개의 셀(110a,110b)로 구성되는 셀 스택(1100)에서는, 제1 셀(110a)로 염수(HC)와 담수(LC)가 유입되어 전압을 발생시키고 제1 셀(110a)의 유출 염수(HC)와 담수(LC)는 흐름 방향이 전환된 상태로 제2 셀(110b)로 유입된다. 제1 셀(110a)의 유출수는 염수(HC)는 초기 대비 이온농도가 낮아진 상태이고 담수(LC)는 초기 대비 이온농도가 높아진 상태로 제2 셀(110b)로 유입되며 농도차에 의해 제2 셀(110b)에서 전압을 생성한 후 외부로 배출된다.
또한, 도 4를 참조하면, 셀 스택(1100)은 3개의 셀(110a,110b,110c)이 적층된 형태(3-stage cascaded stack)로 마련될 수 있다.
도 4에 도시된 셀 스택(1100)은 제1 셀(110a), 제2 셀(110b) 및 제3 셀(110c)을 포함한다. 이때, 제1 셀(110a)은 33CP의 단위 셀의 개수를 포함하고, 제2 셀(110b) 및 제3 셀(110c)은 각각 34CP의 단위 셀 개수를 포함할 수 있다.
이와 같이, 3개의 셀(110a,110b,110c)로 셀 스택(1100)이 구성되는 경우, 제1 엔드 플레이트(120)를 통해서 셀 스택(1100)의 제1 셀(110a)로 유입된 염수(HC)와 담수(LC)는 제1 셀(110a)에서 농도차에 의한 전압을 발생시킨 이후에, 흐름이 변경되어 제1 셀(110a)과 이웃한 제2 셀(110b)로 유입된다. 제2 셀(110b)로 유입되어 전압을 발생시킨 염수(HC)와 담수(LC)는 제2 셀(110b)과 이웃한 제3 셀(110c)로 유입되어 전압을 발생시킨 후 마지막으로 흐름 방향이 변경되어 제2 엔드 플레이트(130)를 통해서 외부로 배출된다.
즉, 3개의 셀(110a,110b,110c)로 셀 스택(1100)이 구성되는 경우, 셀 스택(1100)으로 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)는 흐름 방향이 두번 변경되게 된다.
도 5를 참조하면, 셀 스택(1100)은 4개의 셀(110a,110b,110c,110d)이 적층된 형태(4-stage cascaded stack)로 마련될 수 있다.
도 5에 도시된 셀 스택(1100)은 제1 셀(110a), 제2 셀(110b), 제3 셀(110c) 및 제4 셀(110d)을 포함한다. 이때, 제1 셀(110a), 제2 셀(110b), 제3 셀(110c) 및 제4 셀(110d)은 각각 25CP의 단위 셀 개수를 포함할 수 있다.
이와 같이, 4개의 셀(110a,110b,110c,110d)로 셀 스택(1100)이 구성되는 경우, 제1 엔드 플레이트(120)를 통해서 제1 셀(110a)으로 유입된 염수(HC)와 담수(LC)는 제1 셀(110a)에서 농도차에 의한 전압을 생성하고 제1 셀(110a)의 유출수는 흐름 방향이 변경되어 제1 셀(110a)과 이웃한 제2 셀(110b)으로 유입된다. 제2 셀(110b)으로 유입되어 전압 생성에 이용된 염수(HC)와 담수(LC)는 흐름 방향이 다시 변경되어 제2 셀(110b)과 이웃한 제3 셀(110c)으로 유입된다. 제3 셀(110c)으로 유입되어 전압 생성에 이용된 염수(HC)와 담수(LC)의 유출수는 흐름 방향이 또다시 변경되어 제3 셀(110c)과 이웃한 제4 셀(110d)으로 유입되고, 제4 셀(110d)에서 전압 생성에 이용된 후 흐름 방향이 또다시 변경되어 제2 엔드 플레이트(130)를 통해서 외부로 배출된다.
즉, 4개의 셀(110a,110b,110c,110d)로 셀 스택(1100)이 구성되는 경우, 셀 스택(1100)로 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)는 흐름 방향이 세번 변경되게 된다.
도 6을 참조하면, 셀 스택(1100)은 5개의 셀(110a,110b,110c,110d,110e)이 적층된 형태(5-stage cascaded stack)로 마련될 수 있다.
도 6에 도시된 셀 스택(1100)은 제1 셀(110a), 제2 셀(110b), 제3 셀(110c), 제4 셀(110d) 및 제5 셀(110e)을 포함한다. 이때, 제1 셀(110a), 제2 셀(110b), 제3 셀(110c), 제4 셀(110d) 및 제5 셀(110e)은 각각 20CP의 단위 셀 개수를 포함할 수 있다.
이와 같이, 5개의 셀(110a,110b,110c,110d,110e)으로 셀 스택(1100)이 구성되는 경우, 제1 엔드 플레이트(120)를 통해서 제1 셀(110a)로 유입된 염수(HC)와 담수(LC)는 제1 셀(110a)에서 농도차에 의한 전압을 생성하고 제1 셀(110a)의 유출수는 흐름 방향이 1차로 변경되어 제1 셀(110a)과 이웃한 제2 셀(110b)로 유입된다. 제2 셀(110b)로 유입되어 전압 생성에 이용된 염수(HC)와 담수(LC)는 흐름 방향이 2차로 변경되어 제2 셀(110b)과 이웃한 제3 셀(110c)로 유입된다. 제3 셀(110c)로 유입되어 전압 생성에 이용된 염수(HC)와 담수(LC)는 흐름 방향이 3차로 변경되어 제3 셀(110c)과 이웃한 제4 셀(110d)로 유입된다. 제4 셀(110d)로 유입되어 전압 생성에 이용된 염수(HC)와 담수(LC)는 흐름 방향이 4차로 변경되어 제4 셀(110d)과 이웃한 제5 셀(110e)로 유입되고, 제5 셀(110e)로 유입되어 전압 생성에 이용된 염수(HC)와 담수(LC)는 마지막으로 흐름 방향이 변경되어 제2 엔드 플레이트(130)를 통해서 외부로 배출된다.
즉, 5개의 셀(110a,110b,110c,110d,110e)로 셀 스택(1100)이 구성되는 경우, 셀 스택(1100)로 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)는 흐름 방향이 네번 변경되게 된다.
마지막으로, 도 7을 참조하면, 셀 스택(1100)은 6개의 셀(110a,110b,110c,110d,110e,110f)이 적층된 형태(6-stage cascaded stack)로 마련될 수 있다.
도 7에 도시된 셀 스택(1100)은 제1 셀(110a), 제2 셀(110b), 제3 셀(110c), 제4 셀(110d), 제5 셀(110e) 및 제6 셀(110f)을 포함한다. 이때, 제1 셀(110a), 제2 셀(110b)은 각각 16CP의 단위 셀 개수를 포함할 수 있고, 제3 셀(110c), 제4 셀(110d), 제5 셀(110e) 및 제6 셀(110f)은 각각 CP의 단위 셀 개수를 포함할 수 있다.
이와 같이, 6개의 셀(110a,110b,110c,110d,110e,110f)로 셀 스택(1100)이 구성되는 경우, 제1 엔드 플레이트(120)를 통해서 제1 셀(110a)로 유입된 염수(HC)와 담수(LC)는 제1 셀(110a)에서 농도차에 의한 전압을 생성하고 제1 셀(110a)의 유출수는 흐름 방향이 변경되어 제1 셀(110a)과 이웃한 제2 셀(110b)로 유입된다. 제2 셀(110b)로 유입되어 전압 생성에 이용된 염수(HC)와 담수(LC)는 흐름 방향이 다시 변경되어 제2 셀(110b)과 이웃한 제3 셀(110c)으로 유입된다. 제3 셀(110c)로 유입되어 전압 생성에 이용된 염수(HC)와 담수(LC)는 흐름 방향이 또다시 변경되어 제3 셀(110c)과 이웃한 제4 셀(110d)로 유입된다. 제4 셀(110d)로 유입되어 전압 생성에 이용된 염수(HC)와 담수(LC)는 흐름 방향이 다시 변경되어 제4 셀(110d)과 이웃한 제5 셀(110e)로 유입된다. 제5 셀(110e)로 유입되어 전압 생성에 이용된 염수(HC)와 담수(LC)는 또다시 흐름 방향이 변경되어 제5 셀(110e)과 이웃한 제6 셀(110f)로 유입되고, 제6 셀(110f)으로 유입되어 전압 생성에 이용된 염수(HC)와 담수(LC)는 마지막으로 흐름이 변경되어 제2 엔드 플레이트(130)를 통해서 외부로 배출된다.
즉, 6개의 셀(110a,110b,110c,110d,110e,110f)로 셀 스택(1100)이 구성되는 경우, 셀 스택(1100)로 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)는 흐름 방향이 다섯번 변경되게 된다.
상술한 같이, 복수 개의 셀(110a,110b,110c,110d,110e,110f)을 포함하는 셀 스택(1100)로 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)의 흐름 변경 횟수는 셀 스택(1100) 내에 포함된 셀(110a,110b,110c,110d,110e,110f)의 개수에 따라 달라질 수 있다.
이때, 바람직하게, 복수 개의 셀(110a,110b,110c,110d,110e,110f)을 포함하는 셀 스택(1100)로 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)의 흐름 변경 횟수는 셀 스택(1100)을 구성하는 셀(110a,110b,110c,110d,110e,110f)의 개수가 증가할수록 횟수가 늘어날 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 염수(HC)와 담수(LC)의 흐름 방향을 셀 스택(1100)을 구성하는 셀(110) 단위 별로 변경하는 것은 전압 생성에 이용된 염수(HC)와 담수(LC)를 재사용하도록 채널을 구성함으로써, 적은 양의 염수(HC)와 담수(LC)로도 최대한의 전기 에너지를 생산할 수 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 셀 스택(1100)으로 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)의 유량은 서로 동일하거나 다른 유량을 가질 수 있다.
종래 RED 스택 조립체를 이용한 염분차발전의 경우, 염수(HC)와 담수(LC)의 유량이 서로 비슷하게 운전되는 경향이 있다. 때문에, 염수(HC)와 담수(LC)의 유량이 비대칭적으로 서로 다르게 되면, 셀 스택 내 저항이 커져 발생되는 전력이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 RED 스택 조립체(100)에서는 셀 스택(1100)으로 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)의 유량이 동일하거나 서로 다른 유량을 가지는 경우에도 생산되는 에너지의 총량은 거의 동일하거나 오히려 증가할 수 있다.
더욱이, 염수(HC)와 담수(LC)의 유량이 비대칭적으로 다르더라도, 정상적으로 염수(HC)와 담수(LC)의 농도차이에 의한 전기 에너지가 생산되게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 셀 스택(1100)으로 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)의 방향이 서로 다를 수 있다.
예컨대, 도 8에 도시한 바와 같이, 셀 스택(1100)으로 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)는 Co-flow 형태를 가질 수 있다.
Co-flow 형태를 가지는 경우, 염수(HC)와 담수(LC)는 같은 방향으로 흐르게 된다.
즉, 염수(HC)와 담수(LC)는 같은 방향에서 셀 스택(1100)으로 유입되어 하나의 셀(110) 내에서 전극 반응한 후, 흐름 방향이 함께 변경되어 이웃한 다른 셀(110)로 같은 방향으로 유입된다.
또한, 도 9에 도시한 바와 같이, 셀 스택(1100)으로 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)는 Counter-flow 형태를 가질 수 있다.
Counter-flow 형태를 가지는 경우, 염수(HC)와 담수(LC)는 서로 다른 방향으로 흐르게 된다.
즉, 염수(HC)와 담수(LC)는 완전하게 다른 방향에서 셀 스택(1100)으로 유입되어 셀(110) 내에서 전극 반응한 후, 흐름 방향이 서로 반대 방향으로 변경되어 이웃한 다른 셀(110)로 다른 방향으로 유입된다.
또한, 도 10에 도시한 바와 같이, 셀 스택(1100)으로 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)는 Cross-flow 형태를 가질 수 있다.
Cross-flow 형태를 가지는 경우, 염수(HC)와 담수(LC)는 서로 반대 방향에서 유입되지만 적어도 일 부분이 교차될 수 있다.
즉, 염수(HC)와 담수(LC)는 서로 다른 방향에서 유입되어 적어도 일부분이 교차된 상태로 셀 스택(1100)의 하나의 셀(110)로 유입되어 전압을 생성한 후, 흐름 방향이 변경되어 이웃한 다른 셀(110)로 유입되게 된다. 참고로, Cross-flow 형태에서, 또한 이웃한 셀(110)로 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)는 적어도 일부분이 교차될 수 있다.
한편, 상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 스택(1100)에는 염수(HC)와 담수(LC)가 유입되게 된다. 이때, 셀 스택(1100)으로 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)는 서로 농도에서 차이를 가질 수 있다.
예를 들어, 염수(HC)는 일종의 해수(sea water)로서 고농도 용액이고, 담수(LC,fresh water)는 저농도 용액을 의미한다. 즉, 담수(LC)는 염수(HC)보다 낮은 농도를 가지는 용액이고, 염수(HC)는 담수(LC)보다 높은 농도를 가지는 용액이다. 참고로, 염수(HC)는 해수에 한정되는 것은 아니며, 담수(LC)에 비해 높은 농도를 가지는 것으로 대체될 수도 있다.
단위 셀(110)을 구성하는 양이온 교환막(112)과 음이온 교환막(114) 사이로 제1 농도(저농도 용액)의 담수(LC)와 제2 농도(고농도 용액)이 교대로 지나간다. 단위 셀(110)로 유입된 염수(HC)와 담수(LC) 사이에서 양이온 교환막(112) 또는 음이온 교환막(114)을 통해 양이온 또는 음이온의 교환이 이루어진다. 염수(HC)의 나트륨 이온(Na+)은 양이온만을 선택적으로 통과시키는 양이온 교환막(112)을 통과하여 염수(HC)로부터 담수(LC)로 확산되고, 염수(HC)의 염화 이온(Cl-)은 음이온만을 선택적으로 통과시키는 음이온 교환막(114)을 통과하여 염수(HC)로부터 담수(LC)로 나트륨 이온과는 반대 방향으로 확산된다. 그 결과, 나트륨 이온이 쏠린 쪽은 양(+)을 띄고, 염화 이온이 쏠린 쪽은 음(-)을 띔에 따라, 결국 전압이 발생되는 것이다.
한편, 애노드(118)에서 산화 반응이 일어나서 전자가 생성되고 생성된 전자는 캐소드(116)로 이동하며, 캐소드(116)에서 환원반응이 일어나면서 전자를 흡수함으로써 전자의 흐름이 생겨 전류(I)가 발생되게 된다. 발생된 전류(I)의 크기와 셀(110)에서 발생한 전압(V)을 곱한 값이 RED 염분차발전 시스템(200)에 의해 생산되는 전기 에너지의 크기가 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 셀 스택(1100)으로 유입되는 염수(HC)는 해수 농축수로 마련될 수 있다.
이때, 셀 스택(1100)으로 유입되는 염수(HC)는 해수 또는 해수 농축수 중에서 적어도 하나로 마련되고, 해수 및 해수 농축수는 전처리된 상태로 셀 스택(1100)으로 유입될 수 있다.
셀 스택(1100)으로 유입되는 염수(HC)가 해수 농축수인 경우, 해수 농축수의 전처리 과정에서는 해수 농축수에 이산화탄소(CO2) 및 알카리(NaOH)가 공급되어 다가이온 형태로 침전 제거된 해수 농축수가 셀 스택(1100)으로 유입될 수 있다.
이때, 해수 농축수에 공급된 알칼리(NaOH)는 RED 스택 조립체(100)의 환원전극으로부터 생산될 수 있는데, 반응식은 [화학식 1]과 같다.
[화학식 1]
2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-
상기의 [화학식 1]을 이용하고, 셀 스택(1100)의 캐소드(116)에 인접하게 위치되는 양이온교환막(112)을 통해 넘어오거나 혹은 해수 농축수 내에 존재하는 Na+ 로 인하여 알카리(NaOH)가 생산되게 된다.
이에 따라, 해수 농축수는 Ca2+, Mg2+, Na+, Cl-, CO3 2-, HCO3 - 등의 이온을 포함하고, 여기에 이산화탄소(CO2) 및 알카리(NaOH)를 주입하게 되면, CaCO3, MgCO3, Mg(OH)2 형태의 자원이 해수 농축수로부터 회수 될 수 있다.
상기와 같이 전처리된 해수 농축수는 셀 스택(1100)으로 유입되어 전극 반응을 하게 된다.
한편, 도 11를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 RED 염분차발전 시스템(200)은 상술한 RED 스택 조립체(100), 전처리 탱크(220) 및 담수 공급부(230)를 포함할 수 있다.
전처리 탱크(220)는 해수 설비(210)로부터 Ca2+, Mg2+, Na+, Cl-, CO3 2-, HCO3 - 를 포함한 해수 농축수를 공급 받고, 공급받은 해수 농축수에 이산화탄소 및 알카리를 공급하여 해수 농축수의 다가 이온을 제거함으로써 셀 스택(1100)의 성능에 저해를 미치지 않는 형태로 처리하게 된다.
참고로, 전처리 탱크(220)로 공급되는 해수 농축수는 해수 담수화 설비와 같은 해수 설비(210)로부터 공급받는다.
전처리 탱크(220)에서 전처리된 해수 농축수는 상술한 RED 스택 조립체(100)로 공급된다.
담수 공급부(230)는 RED 스택 조립체(100)로 담수를 공급하기 위한 부분이다.
일례로, 담수 공급부(230)는 하수처리시설 등과 같은 시설일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
담수 공급부(230)가 하수처리시설인 경우, RED 스택 조립체(100)로 공급되는 담수는 하수처리시설에서 처리된 하수방류수 일 수 있다.
이와 같이, RED 스택 조립체(100)에 전처리된 해수 농축수 및 담수(LC)가 유입되어 전극 반응이 발생되면, 산화환원 반응으로 인하여 전기 에너지가 생산되게 된다.
이때, RED 스택 조립체(100)로 유입되어 산화환원반응 되고 난 이후에 방출되는 반응수는 RED 스택 조립체(100)의 유지/세정에 효과가 있고, 해수 농축수의 유기물을 제거하는 데에도 활용할 수 있다.
실험예
RED 스택 조립체를 이용한 RED 염분차발전 시스템에서 RED 성능을 알아보기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
특히, 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)의 RED 성능을 알아보기 위한 것이다.
하기 실험에서는, 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)에 각각 공급되는 염수(HC)는 인공 해수(전도도, ~ 50 mS/cm)이고, 담수(LC)는 저농도 염용액(전도도, ~ 1.8 mS/cm)을 사용하였다.
이때, 염수(HC) 용액 및 담수(LC) 용액은 서로 다른 유속을 갖는 연동 펌프에 의해 종래 및 본 발명에 따른 RED 모듈 조립체(100)의 셀 스택(1100)에 공급하였다.
한편, 도 12의 (a)는 종래 RED 스택 조립체를 이용한 RED 염분차발전 시스템에서 전력 밀도(Power density)를 나타낸 그래프이고, 도 12의 (b) 내지 (f)는 본 발명의 일 실시예에 따른 RED 스택 조립체(100)를 이용한 RED 염분차발전 시스템(200)에서 셀 스택(1100) 개수에 따른 RED 스택 조립체에서 유속에 따른 전력 밀도(Power density)를 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하면, RED 성능 실험은 0.25 cm/s, 0.50 cm/s, 0.75 cm/s, 1.00 cm/s, 1.50cm/s 의 서로 다른 선속도 (linear flow)에서 수행하였다.
또한, 도 12의 (a)에 도시한 바와 같이, 종래 RED 스택 조립체의 경우에 유속은 210 ~ 1260mL/min으로 나타났다.
반면, 도 12의 (b) 내지 (f)에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)에서의 유속은 2개의 셀(2-stage)을 포함하는 경우에는 05 ~ 840mL/min, 3개의 셀(3-stage)을 포함하는 경우에는 70 ~ 420mL/min, 4개의 셀(4-stage)을 포함하는 경우에는 52.5 ~ 315mL/min, 5개의 셀(5-stage)을 포함하는 경우에는 42 ~ 252 mL/min, 6개의 셀(6-stage)을 포함하는 경우에는 35 ~ 210mL/min 이다.
도 12의 (b) 내지 (f)에 나타난 바와 같이, 셀의 개수가 늘어남에 따라, 급수량은 현저히 감소하는 것으로 나타났다.
이에 반해, 도 12의 (a)를 참조하면, 종래 RED 스택 조립체에서는 스택의 입구 압력 강하가 커서 일정시간 동안 용액을 공급하기 어려웠고, 특히 1.5 cm/s 에서는 안정적인 운전이 불가능한 것으로 나타났다.
즉, 도 12에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 RED 스택 조립체(100)는 종래 RED 스택 조립체와 비교하여 더 적은 급수량을 필요로 하고, 더 적은 급수량으로도 RED 스택 조립체(100) 전체에서 다양한 전류 범위에서 전력 밀도가 유지되는 것으로 나타났다.
또한, [표 1]을 참조하면, 종래 RED 스택 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체에서는 선속도 증가에 따라 OCV가 증가된 전력 및 전류를 생산하는 것으로 나타났다.
특히, 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)에서 전력 밀도의 범위는 1cm/s에서 0.74 ~ 0.78 W/m2, 1.5cm/s 에서 0.79 ~ 0.84 W/m2으로 나타났다. 이러한 결과는 종래의 RED 스택에서의 OCV(Open circuit voltages) 결과와 유사하였지만, 이와는 다르게 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)에서의 필요한 급수량은 크게 감소하는 것으로 나타났다.
참고로, 이러한 결과는 상대적으로 낮은 선속도에서 전력 밀도는 셀의 개수가 증가함에 따라 감소하는 것이고, 특히 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)에서는 일정량의 급수를 여러 개의 셀(110)에서 재사용함에 따라 후기 단계에서 급수로 공급되는 염수(HC)의 염도가 감소하기 때문이다.
도 13은 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)에서 유속에 따른 유출수의 전도도(Conductivity)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 13 및 [표 1]을 참조하면 6개의 셀(6-stage)을 포함하는 RED 스택 조립체의 OCV는 가장 낮은 선속도(0.25cm/s)에서 가장 낮은 것으로 나타났으며 염수(HC)와 담수(LC)가 6개의 셀(6-stage)을 포함하는 셀 스택(1100)의 여러 셀(110)을 거치며 염수(HC)와 담수(LC)의 농도차이가 작아져 초래한 결과라 할 수 있다.
도 14는 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)에서 유속에 따른 에너지 출력(Gross power)을 비교하여 나타낸 그래프이고, 도 15는 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)에서 유속에 따른 압력 손실(hydraulic loss)을 비교하여 나타낸 그래프이며, 도 16은 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)에서 유속에 따른 순 전력 밀도(Net power density)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 14를 참조하면, 선속도가 높아질수록 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)에서의 Gross power는 비슷한 수준으로 발생하는 것으로 나타났다.
그러나, 도 15를 참조하면, 종래 RED 스택 조립체는 높은 유량에서 압력 손실이 커지는 것을 알 수 있다.
반면, 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)의 압력 손실은 낮은 수준으로 유지된 것으로 나타났으며, 복수 개의 셀(110)을 포함하는 것은 낮은 압력 손실을 유지하는데 유리한 것으로 나타났다.
참고로, 압력 강하와 관련해서는 하기의 [표 2]에 기재하였다.
특히, 종래 RED 스택 조립체의 압력 손실은 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)에 비해 높은 것으로 나타났으며, 동일한 선속도를 생성하기 위해서는 더 많은 급수량을 공급해야 하는 것으로 나타났다.
한편, 3개의 셀(3-stage)을 포함하는 RED 스택 조립체(100)에서는 낮은 압력 강하가 유지되었으나, 4개 ~ 6개(4-stage, 5-stage, 6-stage)로 셀(110)의 개수가 늘어날수록 압력 강하가 증가하는 것으로 나타났다.
더욱이, 종래 RED 스택 조립체의 압력 강하는 본 발명의 RED 스택 조립체(100)에 비하여 높은 선속도에서 더 심각한 것으로 나타났다.
참고로, 도 16을 참조하면, 순 출력 밀도는 복수 개의 셀을 포함하는 RED 스택 조립체(100)에서 압력 손실을 고려한 순(Net) 출력을 사용하여 계산한 것이다.
본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)에서 가장 높은 순 전력 밀도는 0.5cm/s의 4개의 셀(4-stage)을 포함하는 RED 스택 조립체(100)에서 큰 것으로 나타났다.
참고로, 2개의 셀(2-stage)을 포함하는 RED 스택 조립체(100)에서는 0.25cm/s, 0.5cm/s, 0.75cm/s의 선속도에서 양의 순 전력 밀도로 나타났으며, 3개 내지 6개의 셀(3-stage, 4-stage, 5-stage, 6-stage)을 각각 포함하는 RED 스택 조립체(100)에서는 1.5cm/s 선속도를 제외하고 나머지 선속도 모두에서 양의 순 전력 밀도로 나타났다.
도 17은 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)에서 유속에 따른 에너지 효율(Energy efficiency)을 비교하여 나타낸 그래프이다.
참고로, 본 발명의 일 실시예에 따른 RED 스택 조립체(100)는 높은 순 전력 밀도 외에도 복수 개의 셀을 포함하는 RED 스택 조립체에는 다른 중요한 기능을 가지는 것이 필요하다.
구체적으로, 상대적으로 낮은 선속도에서 높은 전력 밀도는 높은 에너지 효율을 산출한다. 여기서, 에너지 효율은 동일한 양의 물을 혼합할 때 방출되는 이론적인 에너지 양과 비교하여 실험에서 추출한 에너지를 의미한다.
도 17을 참조하면, 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)에서 최대 에너지 효율이 낮은 선속도에 도달한 것으로 나타났다.
특히, 본 발명에 따른 복수 개의 셀을 포함하는 RED 스택 조립체(100)의 경우, 6개의 셀(6-stage)을 포함하는 RED 스택 조립체(100)에서의 에너지 효율이 다양한 선속도에 대해 가장 높았고, 최대 효율은 0.25cm/s 의 선속도에서 발생하는 것으로 나타났다.
그러나, 전력 밀도와 에너지 효율 사이에는 트레이드오프(tradeoff)가 있다.
즉, 4개의 셀(4-stage)을 포함하는 RED 스택 조립체(100)의 경우, 최대 에너지 효율(0.25cm/s 에서 15.9%)보다 훨씬 낮은 9.6% 효율로 나타났다.
도 18은 종래 및 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)에서 유속에 따른 순 비에너지(Net specific energy)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 18을 참조하면, 순 비에너지는 RED 스택 조립체(100)에서 셀(110)의 개수가 늘어남에 따라 지속적으로 증가하는 것으로 나타났다.
반면, 종래 RED 스택 조립체는 0.25cm/s 에서만 양의 순 비에너지가 나타났고, 다른 선속도에서는 음의 순 비에너지가 나타났다.
본 발명에 따른 2개의 셀(2-stage)을 포함하는 RED 스택 조립체(100)는 0.5cm/s 의 선속도에서까지 양의 순 비에너지를 나타났으며, 3개의 셀(3-stage)을 포함하는 RED 스택 조립체(100)는 최고 선속도인 1.5cm/s를 제외한 모든 조건에서 양의 순 비에너지를 갖는 것으로 나타났다.
특히, 본 발명에 따른 4개의 셀(4-stage)을 포함하는 RED 스택 조립체(100)는 가장 높은 순 비에너지(0.058kWh/m3)를 갖는 것으로 나타났으며, 이는 16%의 에너지 효율에 해당된다.
참고로, 본 발명에 따른 복수 개의 셀을 포함하는 RED 스택 조립체(100)에서 양이온 교환막(112)과 음이온 교환막(114) 사이의 가스켓(113) 및 스페이서(113a)를 더 얇은 것을 사용하는 경우, 양이온 교환막(112)과 음이온 교환막(114) 사이의 거리가 가까워져서 더 많은 전력을 생산할 수 있게 된다. 그러나, 가스켓(113) 및 스페이서(113a)는 염수(HC) 및 담수(LC) 내의 유기 및 무기 오염 물질에 의해 막힐 수 있기 때문에, 유지 관리를 위해서 천연의 염수(HC)와 담수(LC)를 사용하는 것은 RED 스택 조립체를 장기 작동하기에는 바람직하지 않다.
반대로, 복수 개의 셀을 포함하는 RED 스택 조립체(100)에서 양이온 교환막(112)과 음이온 교환막(114) 사이의 가스켓(113) 및 스페이서(113a)를 두꺼운 것을 사용하는 경우, 셀(110)의 설계 및 작동 매개변수를 최적화하여 높은 비에너지 및 에너지 효율을 생성할 수 있는 이점이 있다.
도 19는 종래 RED 스택 조립체와 본 발명에 따른 4개의 셀(4-stage)을 포함하는 RED 스택 조립체(100)의 전력 밀도(power density)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 19를 참조하면, 같은 유량(mL/min)에서 종래 RED 스택 조립체 보다 4개의 셀(4-stage)을 포함하는 RED 스택 조립체(100)에서 높은 전력 밀도를 갖는 것으로 나타났다. 특히, 동일한 유량에서 4개의 셀(4-stage)을 포함하는 RED 스택 조립체(100)의 전력 밀도는 0.60W/m2으로, 종래 RED 스택 조립체의 0.40Wm/2 보다 높은 것으로 나타났다.
결론적으로, 본 발명에 따른 RED 스택 조립체(100)를 이용한 RED 염분차발전 시스템(200)은 종래 RED 스택 조립체에 비하여, 순 전력 밀도, 에너지 효율 및 순 비에너지를 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.
특히, 본 발명에 따른 4개의 셀(4-stage)을 포함하는 RED 스택 조립체(100)는 0.60W/m2의 총 전력 밀도에 해당하는 가장 높은 순 비에너지(0.06kWh/m3) 및 순 전력 밀도(0.48W/m2)로 이는 같은 유량에서 테스트한 종래의 RED 스택 대비 높은 것으로 나타났다.
또한, 에너지 효율은 셀(110)의 개수가 많을수록 증가하며, 특히 더 낮은 선속도에서 에너지 효율이 증가하는 것으로 나타났으며, 가장 높은 효율 값은 17.2%로 나타났다.
상기한 구성에 의하여, 본 발명의 실시예들에 따른 RED 스택 조립체(100) 및 이를 이용한 RED 염분차발전 시스템(200)은, 염분차발전에 사용되는 염수(HC)와 담수(LC)의 양을 최소화하면서 전기 에너지의 생산량을 최대화할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 RED 스택 조립체(100) 및 이를 이용한 RED 염분차발전 시스템(200)은, 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)의 유량이 다르더라도 전기 에너지를 생산할 수 있고, 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)의 유량이 같은 경우에도 생산된 전기 에너지의 생산량과 거의 차이가 없을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 RED 스택 조립체(100) 및 이를 이용한 RED 염분차발전 시스템(200)은, RED 스택 조립체(100)에 공급되는 염수(HC, 해수 또는 해수 농축수)에 이산화탄소 및 알카리를 공급하여 염수(HC) 내의 칼슘, 마그네슘 이온이 침전 제거되어 셀 스택(1100)에 유입되게 된다. 이에 따라, RED 스택 조립체(100)의 염분차발전 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: RED 스택 조립체
110: 셀
120: 제1 엔드 플레이트
130: 제2 엔드 플레이트
200: RED 염분차발전 시스템
210: 해수 설비
220: 전처리 탱크
230: 담수 공급부
110: 셀
120: 제1 엔드 플레이트
130: 제2 엔드 플레이트
200: RED 염분차발전 시스템
210: 해수 설비
220: 전처리 탱크
230: 담수 공급부
Claims (11)
- 염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막, 음이온 교환막 및 스페이서가 이격된 상태로 교대로 배치되고, 양 단부에 마련되는 애노드(Anode) 및 캐소드(cathode)를 포함하는 단위 셀을 포함하며,
단위셀은 복수 개가 적층되어 셀 스택을 형성하고,
셀 스택의 일 단부에 캐소드와 연결되는 제1 엔드 플레이트, 및 제1 엔드 플레이트와 대향하는 위치에 마련되며, 애노드와 연결되는 제2 엔드 플레이트가 마련되며,
셀 스택은 제1 엔드 플레이트와 가까운 위치에서부터 복수 개의 단위 셀을 갖는 제1 셀과, 제1 셀과 이웃하며 복수 개의 단위 셀을 갖는 제2 셀을 포함하고,
제1 엔드 플레이트를 통해서 셀 스택으로 유입된 염수와 담수는 흐름 방향이 변경되어 제1 셀로 유입되며, 제1 셀로 유입된 염수와 담수는 제1 셀에서 농도차에 의한 전압을 생성하고 난 후에 제1 셀에서 유출되며, 제1 셀에서 유출된 염수와 담수는 흐름 방향이 변경되어 제1 셀과 이웃한 제2 셀로 유입되며, 제2 셀로 유입된 염수와 담수는 농도차에 의한 전압을 재생성하고 난 후에 흐름 방향이 변경되어 제2 엔드 플레이트를 통해서 외부로 배출되는, RED 스택 조립체.
- 제1항에 있어서,
셀 스택으로 유입된 염수와 담수의 흐름 변경 횟수는 셀 스택 내에 포함된 셀의 개수에 따라 달라지도록 마련된, RED 스택 조립체.
- 제2항에 있어서,
셀 스택으로 유입되는 염수와 담수의 유량은 동일하거나 서로 다른 유량을 가지는, RED 스택 조립체.
- 제3항에 있어서,
셀 스택으로 유입되는 염수와 담수의 유량이 동일하거나 서로 다른 유량을 가지는 경우에도 생산되는 에너지 양은 서로 동일하도록 마련된, RED 스택 조립체.
- 제1항에 있어서,
셀 스택으로 유입된 염수와 담수는 서로 동일한 방향에서 유입되고 동일한 방향으로 흘러서 유입된 방향과 대향되는 방향으로 배출되는, RED 스택 조립체.
- 제1항에 있어서,
셀 스택으로 유입된 염수와 담수는 서로 다른 방향에서 유입되고, 유입된 방향과 반대 방향으로 각각 배출되는, RED 스택 조립체.
- 제1항에 있어서,
셀 스택으로 유입된 염수와 담수는 서로 다른 방향에서 유입되고, 적어도 일부분이 교차되어 배출되는, RED 스택 조립체.
- 제1항에 있어서,
셀 스택으로 유입되는 염수는 해수 또는 해수 농축수 중에서 적어도 하나로 마련되고, 해수 농축수는 전처리된 상태로 셀 스택으로 유입되는, RED 스택 조립체.
- 제8항에 있어서,
셀 스택으로 유입되는 염수가 해수 농축수 인 경우,
해수 농축수의 전처리 과정에서, 해수 농축수에 이산화탄소 및 알카리가 공급되어 다가이온이 광물화되고 침전 제거되어 셀 스택으로 유입되는, RED 스택 조립체.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |