KR102652351B1 - 다중 에너지 생산 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에너지원으로 활용 가능한 수소(H2), 산소(O2), 높은 순도의 산/염기, 염 및 전기 에너지를 동시에 생산할 수 있고, 고농도 용액의 저농도화 또한 동시에 수행할 수 있는 다중 에너지 생산 시스템을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 다중 에너지 생산 시스템에 관한 것이다.
최근 환경 오염, 기후 변화 및 에너지 자원 제한 등의 문제를 극복하기 위한 대안으로 수소에너지, 연료전지 등과 같은 신재생 에너지에 대한 연구 및 해수담수화 등에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
예를 들어 수소에너지(hydrogen energy)는 주택 및 건물의 난방/발전, 공장, 발전소, 건설 등의 산업 생산에의 활용, 버스, 트럭 등의 수송/이동에의 활용 등 그 활용 가능성이 크고, 친환경적이라는 점에서 주목받고 있다. 그러나 종래의 메탄가스 등의 화석연료를 수증기 개질하여 수소를 얻는 방식은, 화석연료가 유한하고, 환경문제를 야기한다는 측면의 문제가 있다. 또한 종래의 수전해를 이용해 수소를 얻는 방식은 산소와 수소를 분리하는 분리공정의 필요, 수용액 상태의 전해질을 지속적으로 보충해야만 하는 공정관리의 필요, 수소생산 효율의 저하 및/또는 높은 전압에 의한 과다한 전력소모 등의 문제가 있다. 따라서 수소를 효율적으로 생산하는 방법 등의 제공이 필요한 실정이다.
또한 수소 연료전지는 수소와 산소를 공급하여 전기에너지를 생산하는 연료전지로써, 전기 에너지를 발생시키는 에너지원 등이 친환경적이라는 점에서 주목받고 있으나, 고순도 수소를 지속적으로 공급해야 하는 측면의 문제, 생산성 내지 효율성 등의 문제가 있다.
이외에도 해수 담수화(seawater desalination)는, 무한대에 가까운 수자원인 바닷물을 담수로 이용한다는 측면에서 물 부족 문제를 해결할 수 있는 대안으로 떠오르고 있는 기술이다. 종래에는 해수 담수화에 있어, 해수를 끓여 수증기를 포집하는 증발 방식 또는 강한 압력으로 물을 여과시켜 바닷물에 녹아 있는 나트륨 및 이온을 걸러내어 담수로 바꾸는 역삼투압 방식 등이 이용되어 왔다. 그러나 이러한 방식은, 에너지 소비량이 지나치게 많고, 비용이 지나치게 비싸다는 문제가 있다.
따라서 이러한 문제점들을 해결하면서도 다양한 에너지원을 공급할 수 있으며, 해수담수화와 같은 고농도 용액의 저농도화 또한 동시에 수행할 수 있는 시스템의 개발이 필요하다.
본 발명은 에너지원으로 활용 가능한 수소(H2), 산소(O2), 높은 순도의 산/염기, 염 및 전기 에너지를 동시에 생산할 수 있고, 고농도 용액의 저농도화 또한 동시에 수행할 수 있는 다중 에너지 생산 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 출원은 예를 들어, 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드 및 상기 애노드 사이에 개재된 전해질부를 포함할 수 있고, 상기 전해질부는 2개의 양극성 막 및/또는 적어도 2 이상의 단위 멤브레인을 포함할 수 있으며, 상기 단위 멤브레인은 양이온 교환막 및/또는 음이온 교환막을 포함할 수 있고, 상기 2개의 양극성 막은 각각 상기 캐소드에 인접하여 배치되거나 상기 애노드에 인접하여 배치될 수 있으며, 상기 단위 멤브레인은 상기 2개의 양극성 막 사이에 배치될 수 있고, 상기 단위 멤브레인 내 상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막 사이에 고농도 용액부를 포함할 수 있으며, 상기 단위 멤브레인 사이에 제 1 저농도 용액부를 포함할 수 있고, 상기 양극성 막 및 상기 단위 멤브레인 사이에 제 2 저농도 용액부를 포함할 수 있는 다중 에너지 생산 시스템에 관한 것일 수 있다.
본 출원에서 상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막의 개수는 동일할 수 있다.
본 출원에서 상기 단위 멤브레인 내 양이온 교환막 및 음이온 교환막 간의 간격은 예를 들어, 10 내지 1000㎛의 범위 내일 수 있다.
본 출원은 예를 들어, 상기 양극성 막이 음이온 교환층, 중간층 및/또는 양이온 교환층을 포함하는 다중 에너지 생산 시스템에 관한 것일 수 있다.
본 출원은 예를 들어, 캐소드와 인접한 양극성 막은 양이온 교환층이 캐소드 방향을 향하도록 배치될 수 있고, 애노드와 인접한 양극성 막은 음이온 교환층이 애노드 방향을 향하도록 배치될 수 있는 다중 에너지 생산 시스템에 관한 것일 수 있다.
본 출원의 양극성 막에 포함된 중간층은 촉매층, 양이온 교환 전해질층 및/또는 음이온 교환 전해질층을 포함할 수 있다.
상기 촉매층은 예를 들어, 2차 아민 또는 3차 아민으로 치환된 산화 그래핀을 포함할 수 있다.
상기 촉매층은 예를 들어, 2차 아민 또는 3차 아민에 대한 산화 그래핀의 중량비가 0.1 내지 5의 범위 내일 수 있다.
상기 음이온 교환 전해질층의 이온교환용량(Ea)에 대한 양이온 교환 전해질층의 이온교환용량(Ec)의 비(Ec/Ea)는 예를 들어, 0.01 내지 10의 범위 내일 수 있다.
상기 양이온 교환층(CEL)의 두께(TCEL)에 대한 상기 음이온 교환층(AEL)의 두께(TAEL)의 비(TAEL/TCEL)는 예를 들어, 0.01 내지 10의 범위 내일 수 있다.
상기 양이온 교환층(CEL)의 두께(TCEL)에 대한 중간층(IL)의 두께(TIL)의 비(TCEL/TIL)는 예를 들어, 0.0001 내지 0.2의 범위 내일 수 있다.
상기 음이온 교환층(AEL)의 두께(TAEL)에 대한 중간층(IL)의 두께(TIL)의 비(TAEL/TIL)는 예를 들어, 0.0001 내지 0.2의 범위 내일 수 있다.
본 출원의 다중 에너지 생산 시스템은 예를 들어, 고농도 용액부 및 저농도 용액부 간의 농도 차에 의한 기전력을 통해 작동될 수 있다.
본 출원의 다중 에너지 생산 시스템은 예를 들어, 수소, 산소, 산, 염기, 염 및 전기 에너지의 생산; 및 고농도 용액의 저농도화가 동시에 수행될 수 있다.
본 발명은 에너지원으로 활용 가능한 수소(H2), 산소(O2), 높은 순도의 산/염기, 염 및 전기 에너지를 동시에 생산할 수 있고, 고농도 용액의 저농도화 또한 동시에 수행할 수 있는 다중 에너지 생산 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 및 도 2는 본 출원의 다중 에너지 생산 시스템의 일 예시를 나타낸 모식도이다.
도 3 및 도 4는 본 출원의 다중 에너지 생산 시스템을 포함하는 스택의 일 예시를 나타낸 모식도이다.
도 5는 양극성 막의 중간층 구조의 일 예시를 나타낸 모식도이다.
도 6은 양극성 막 구조의 일 예시를 나타낸 모식도이다.
도 3 및 도 4는 본 출원의 다중 에너지 생산 시스템을 포함하는 스택의 일 예시를 나타낸 모식도이다.
도 5는 양극성 막의 중간층 구조의 일 예시를 나타낸 모식도이다.
도 6은 양극성 막 구조의 일 예시를 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있고 여기에서 설명하는 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
덧붙여, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 발명의 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본원의 제 1 측면은, 다중 에너지 생산 시스템에 관한 것일 수 있다.
본 명세서에서 다중 에너지 생산 시스템은 예를 들어, 수소, 산소, 산, 염기, 염 및 전기 에너지를 동시에 생산하면서, 고농도 용액의 저농도화 또한 수행할 수 있는 시스템을 의미하는 것일 수 있다.
이하, 본원의 제 1 측면에 따른 다중 에너지 생산 시스템(101)의 구조를 도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 다중 에너지 생산 시스템(101)은 캐소드(110); 애노드(120); 및/또는 전해질부(200)를 포함할 수 있다. 상기 전해질부(200)는 예를 들어, 상기 캐소드(110) 및 상기 애노드(120) 사이에 개재되어 있을 수 있다.
상기 전해질부는 예를 들어, 전해질을 포함할 수 있다. 상기 전해질은 예를 들어, 상기 전해질부에서 환류하면서 후술하는 양이온 및/또는 음이온의 이동을 도울 수 있다. 상기 전해질은 예를 들어, Na2SO4(aq)를 단독으로 사용하거나, 캐소드 측을 환류하는 전해질은 Na2SO4(aq)를 포함하는, H2SO4(aq) 및/또는 HNO3(aq) 등일 수 있으며, 애노드 측을 환류하는 전해질은 Na2SO4(aq)을 포함하는 KOH(aq) 및/또는 NaOH 등일 수 있다.
본 출원의 전해질부의 몰 농도는 예를 들어, 0.1M 내지 1.5M의 범위 내일 수 있다. 상기 전해질부의 몰 농도는 예를 들어, 수용액의 부피(L)에 대한 상기 수용액 상에 존재하는 용질의 총 몰 수(mol)의 비를 의미하는 것일 수 있다. 상기 용질은 예를 들어, 염 및/또는 이온 등을 의미할 수 있다. 상기 전해질부의 몰 농도는 다른 예시에서, 0.15 M 이상, 0.2 M 이상, 0.25 M 이상, 0.3 M 이상, 0.35 M 이상, 0.4 M 이상 또는 0.45 M 이상이거나, 1.4 M 이하, 1.3 M 이하, 1.2 M 이하, 1.1 M 이하, 1.0 M 이하, 0.9 M 이하, 0.8 M 이하, 0.7 M 이하 또는 0.6 M 이하일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고, 전해질부에 포함된 용질의 종류 등에 따라 적절히 선택될 수 있다.
상기 전해질부(200)는 예를 들어, 2개의 양극성 막(211, 212)을 포함할 수 있다. 상기 2개의 양극성 막(211, 212)은 예를 들어, 각각 상기 캐소드(110) 및 상기 애노드(120)에 인접하여 배치될 수 있다(이하, 캐소드(110)에 인접한 양극성 막을 제 1 양극성 막(211)이라 칭하고, 애노드(120)에 인접한 양극성 막을 제 2 양극성 막(212)이라 칭함.)
상기 전해질부(200)는 예를 들어, 적어도 2개 이상의 단위 멤브레인(400)을 포함할 수 있다. 본 출원은, 적어도 2 개 이상의 단위 멤브레인(400)을 포함함으로써, 에너지원으로 활용 가능한 수소(H2), 산소(O2), 높은 순도의 산/염기, 염 및 전기 에너지를 동시에 생산할 수 있고, 고농도 용액의 저농도화 또한 동시에 수행할 수 있다(도 2 참조). 상기 단위 멤브레인(400)의 개수는 다른 예시에서, 3 개 이상, 4 개 이상, 5 개 이상, 6 개 이상, 7 개 이상, 8 개 이상, 9 개 이상, 10 개 이상, 11 개 이상, 12 개 이상, 13 개 이상, 14 개 이상, 15 개 이상, 16 개 이상, 17 개 이상, 18 개 이상, 19 개 이상 또는 20 개 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고 물 분해를 일으킬 수 있는 기전력을 발생시킬 수 있으면 된다. 상기 단위 멤브레인(400)의 개수의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 100 개 이하, 90 개 이하, 80 개 이하, 70 개 이하, 60 개 이하, 50 개 이하, 40 개 이하 또는 30 개 이하일 수 있다. 상기 단위 멤브레인(400)의 개수는 예를 들어, 후술하는 고농도 용액부 및 저농도 용액부 간(이하, 이온 농도차 발생부라고도 칭함)의 이온 농도 비율, 양이온 교환막의 종류, 음이온 교환막의 종류, 고농도 용액부에 포함된 이온의 종류 및/또는 상기 이온의 이동성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
상기 단위 멤브레인(400)은 예를 들어, 상기 2개의 양극성 막(211, 212) 사이에 배치될 수 있다. 상기 단위 멤브레인(400)은 예를 들어, 양이온 교환막(401) 및 음이온 교환막(402)이 순차 배치된 것일 수 있다. 상기에서 양이온 교환막(401) 및 음이온 교환막(402)이 순차 배치된 것의 의미는, 예를 들어, 캐소드(110)로부터 애노드(120)로 향하는 방향으로 양이온 교환막(401) 및 음이온 교환막(402)이 순서대로 인접하여 배치된 것을 의미할 수 있다. 상기 단위 멤브레인(400)은 예를 들어, 상기 양이온 교환막(401) 및 상기 음이온 교환막(402)을 각각 1개씩 포함하는 것일 수 있다.
상기 다중 에너지 생산 시스템(101)은 3개 이상의 저농도 용액부를 포함할 수 있다.
상기 다중 에너지 생산 시스템(101)은 예를 들어, 상기 단위 멤브레인(400) 사이에 제 1 저농도 용액부(601)을 포함할 수 있다. 본 출원의 다중 에너지 생산 시스템(101)은 상기 단위 멤브레인(400)을 적어도 2개 이상 포함할 수 있기 문에, 상기 제 1 저농도 용액부(601)는 적어도 1개 이상 포함될 수 있다.
상기 다중 에너지 생산 시스템(101)은 또한 예를 들어, 상기 양극성 막(211, 212) 및 상기 양극성 막과 인접한 단위 멤브레인(400) 사이 각각에 제 2 저농도 용액부(602)를 포함할 수 있다. 제 1 양극성 막(211) 및 상기 제 1 양극성 막(211)에 인접한 단위 멤브레인(400) 사이에 제 2 저농도 용액부(602)를 포함하거나 및/또는 제 2 양극성 막(212) 및 상기 제 2 양극성 막(212)에 인접한 단위 멤브레인(400) 사이에 제 2 저농도 용액부(602)를 포함할 수 있다.
상기 다중 에너지 생산 시스템(101)은 또한, 예를 들어, 2개 이상의 고농도 용액부(500)를 포함할 수 있다. 상기 고농도 용액부(500)는 예를 들어, 단위 멤브레인(400) 내 양이온 교환막(401) 및 음이온 교환막(402) 사이에 포함될 수 있다. 본 출원의 다중 에너지 생산 시스템(101)은 상기 단위 멤브레인(400)을 적어도 2개 이상 포함하기 때문에, 상기 고농도 용액부(500) 또한 적어도 2개 이상 포함할 수 있다.
상기 양이온 교환막(401) 및 음이온 교환막(402)의 개수는 예를 들어, 동일할 수 있다.
상기 단위 멤브레인(400) 내의 양이온 교환막(401) 및 음이온 교환막(402) 간의 간격은 예를 들어, 10 내지 1000 ㎛의 범위 내일 수 있다. 상기 간격이 상기와 같은 범위 내임으로써, 압력손실을 줄여 산, 염기, 염 및/또는 물 등의 배출이 원활히 일어날 수 있고, 고농도 용액부 내에 포함된 이온의 이동 저항이 감소되어 저농도 용액부로의 이온 이동이 원활히 수행될 수 있다. 상기 간격은 다른 예시에서, 20㎛ 이상, 30㎛ 이상, 40㎛ 이상, 50㎛ 이상, 60㎛ 이상, 70㎛ 이상, 80㎛ 이상, 90㎛ 이상 또는 100㎛ 이상이거나, 900㎛ 이하, 800㎛ 이하, 700㎛ 이하, 600㎛ 이하, 500㎛ 이하, 400㎛ 이하 또는 300㎛ 이하일 수 있다
본 출원의 다중 에너지 생산 시스템(101)은 예를 들어, 공급부, 배출부, 포집부, 전자 이동부 및/또는 에너지 저장장치 등을 추가로 포함할 수 있다.
상기 공급부는 예를 들어, 고농도 용액 공급부(701) 및/또는 저농도 용액 공급부(702)를 포함할 수 있다. 상기 고농도 용액 공급부(701)는 예를 들어, 상기 고농도 용액부(500)에 고농도 용액을 공급하는 통로를 의미할 수 있다. 상기 고농도 용액 공급부(701)의 형태는 복수 개의 고농도 용액부(500) 각각에 고농도 용액을 공급할 수 있는 형태이면 특별히 제한되지 않는다. 상기 저농도 용액 공급부(702)는 예를 들어, 상기 제 1 및 제 2 저농도 용액부(601, 602)에 저농도 용액을 공급하는 통로를 의미할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 저농도 용액부(601, 602)에 공급되는 저농도 용액은 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 상기 저농도 용액 공급부(702)의 형태는 복수 개의 저농도 용액부(601, 602)에 저농도 용액을 공급할 수 있는 형태이면 특별히 제한되지 않는다.
상기 배출부는 예를 들어, 염 배출부(1000), 산 배출부(802), 염기 배출부(801) 및/또는 물 배출부(900) 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 염 배출부(1000), 산 배출부(802), 염기 배출부(801) 및/또는 물 배출부(900)는 단수 개이거나, 복수 개일 수 있다. 상기 개수는 필요에 따라 적절히 조절할 수 있다.
상기 염 배출부(1000)는 예를 들어, 상기 제 1 저농도 용액부(601)로부터 배출되는 염의 이동 통로일 수 있다. 상기 염은 예를 들어, NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2, Na2SO4, K2SO4, MgSO4 또는 CaSO4 등일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고, 고농도 용액부(500)에 포함되어 있는 양이온 및 음이온의 종류에 따라 다를 수 있다. 상기 염 배출부(1000)의 개수는 예를 들어, 상기 제 1 저농도 용액부(601)의 개수와 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 염기 배출부(801) 및/또는 상기 산 배출부(802)는 각각 예를 들어, 상기 제 2 저농도 용액부(602)로부터 배출되는 염기 또는 산의 이동 통로일 수 있다. 상기 염기는 예를 들어, NaOH, Mg(OH)2 또는 Ca(OH)2 등일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고, 고농도 용액부(500)에 포함되어 있는 양이온 및/또는 음이온의 종류에 따라 다를 수 있다. 상기 산은 예를 들어, HCl 또는 H2SO4 등일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고, 고농도 용액부(500)에 포함되어 있는 양이온 및/또는 음이온의 종류에 따라 다를 수 있다. 일 예시에서, 제 1 양극성 막(211) 및 상기 제 1 양극성 막(211)과 인접한 단위 멤브레인(400) 사이의 제 2 저농도 용액부(602)로부터 염기 배출부(801)을 통해 염기가 배출되고, 제 2 양극성 막(212) 및 상기 제 2 양극성 막(212)과 인접한 단위 멤브레인(400) 사이의 제 2 저농도 용액부(602)로부터 산 배출부(802)를 통해 산이 배출되는 것일 수 있다.
상기 물 배출부(900)는 예를 들어, 상기 고농도 용액부(500)로부터 배출되는 물의 이동 통로일 수 있다. 상기 물은 예를 들어, 이온 농도가 50000 mg/L 이하일 수 있다. 상기 이온 농도는 예를 들어, 총 용존 고용물(total dissolved solid, TDS)을 의미할 수 있다. 상기 물의 이온 농도는 다른 예시에서, 45000 mg/L 이하, 40000 mg/L 이하, 35000 mg/L 이하, 30000 mg/L 이하, 25000 mg/L 이하, 20000 mg/L 이하, 15000 mg/L 이하, 10000 mg/L 이하, 5000 mg/L 이하, 4000 mg/L 이하, 3000 mg/L 이하, 2000 mg/L 이하, 1000 mg/L 이하, 900mg/L 이하, 800mg/L 이하, 700mg/L 이하, 600mg/L 이하, 500mg/L 이하, 400mg/L 이하, 300mg/L 이하, 200mg/L 이하 또는 100mg/L 이하이거나, 10 mg/L 이상, 20 mg/L 이상, 30 mg/L 이상, 40 mg/L 이상 또는 50 mg/L 이상 정도일 수 있다.
상기 물 배출부(900)의 개수는 예를 들어, 상기 고농도 용액부(500)의 개수와 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 포집부는 예를 들어, 수소 포집부 및/또는 산소 포집부를 포함할 수 있다(미도시). 상기 수소 포집부는 예를 들어, 캐소드(110)로부터 배출되는 수소가 이동하는 통로 및/또는 포집된 상태로 존재할 수 있는 공간을 의미할 수 있다. 상기 수소 포집부는 예를 들어, 상기 캐소드(110)와 연결되어 있을 수 있다. 상기 산소 포집부는 예를 들어, 애노드(120)로부터 배출되는 산소가 이동하는 통로 및/또는 포집된 상태로 존재할 수 있는 공간을 의미할 수 있다. 상기 산소 포집부는 예를 들어, 상기 애노드(120)와 연결되어 있을 수 있다.
상기 전자 이동부는 예를 들어, 전자 이동부(300)일 수 있다. 상기 전자 이동부(300)는 예를 들어, 상기 캐소드(110) 및 상기 애노드(120)를 연결하는 통로일 수 있다. 상기 전자 이동부(300)는 예를 들어, 상기 애노드(120)로부터 상기 캐소드(110)로 전자(e-)가 이동하는 통로일 수 있다.
상기 에너지 저장장치(미도시)는 예를 들어, 커패시터, 축전기, 이차전지 또는 흐름전지 등을 의미할 수 있다. 상기 에너지 저장장치는 예를 들어, 상기 전자 이동부(300)에 연결되어, 다중 에너지 생산 시스템(101)의 작동 시 발생되는 전기 에너지를 수집하는 것일 수 있다. 상기 수집된 전기 에너지는 예를 들어, 기타 산업에 전력원으로 이용될 수 있다.
본 출원의 다중 에너지 생산 시스템은 예를 들어, 집전체(미도시)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 집전체는 예를 들어, 상기 캐소드(110) 및 상기 애노드(120) 각각의 외측면에 존재할 수 있다. 상기 집전체는 상기 캐소드(110) 및 상기 애노드(120) 각각으로부터 발생하는 수소 또는 산소 등이 상기 다중 에너지 생산 시스템의 외부로 방출되는 것을 방지하기 위해 도입한 구성일 수 있다. 상기 집전체의 재질은 상기 기능을 할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 상기 집전체의 크기 또한 제한되지 않으나, 일 예시에서 상기 캐소드(110) 및 상기 애노드(120) 각각과 동일한 크기일 수 있다.
본 출원의 다중 에너지 생산 시스템은 또한 예를 들어 펌프 및/또는 밸브 등을 추가로 포함할 수 있다. 상기 펌프 및/또는 밸브 등은 예를 들어, 상기 공급부 등에 설치될 수 있고, 이를 통해 공급되는 물질의 유량 또는 유속을 적절히 조절할 수 있다.
이하, 본원의 제 1 측면에 따른 다중 에너지 생산 시스템(101)의 작용 기작 및/또는 구성에 관한 구체적인 특징 등을 상세히 설명한다. 설명의 편의를 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하지만 이에 제한되는 것은 아니며, 이를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원의 다중 에너지 생산 시스템은 예를 들어, 2개의 양극성 막(211, 212)을 포함할 수 있다. 상기 양극성 막은 예를 들어, 수소 이온(H+) 및/또는 수산화 이온(OH-)을 캐소드(110), 애노드(120) 및/또는 제 2 저농도 용액부(602)에 제공하는 것일 수 있다. 상기 수소 이온(H+) 및/또는 수산화 이온(OH-)은 예를 들어, 물 분해(water dissociation)에 의해 형성된 것일 수 있다.
상기 2개의 양극성 막은 예를 들어, 제 1 양극성 막(211) 및 제 2 양극성 막(212)일 수 있다.
상기 제 1 양극성 막(211)은 예를 들어, 캐소드(110)에 수소 이온(H+)을 공급할 수 있고, 상기 캐소드(110)와 인접한 제 2 저농도 용액부(602)에 수산화 이온(OH-)을 공급할 수 있다. 상기 캐소드(110)에 공급된 수소 이온(H+)은 예를 들어, 애노드(120)로부터 전달된 전자와의 반응을 통해, 수소 기체를 형성할 수 있다. 상기 캐소드(110)와 인접한 제 2 저농도 용액부(602)에 공급된 수산화 이온(OH-)은 예를 들어, 인접한 고농도 용액부(500)로부터 공급된 양이온과 반응하여 염기를 형성할 수 있다. 상기 염기는 예를 들어, NaOH, Mg(OH)2 또는 Ca(OH)2 등일 수 있고, 후술하는 양이온 교환막(401)의 특징 등을 고려할 때, NaOH가 주로 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고, 상기 고농도 용액부에 포함된 양이온의 종류 및/또는 양이온 교환막 등에 따라 달라질 수 있다. 본 명세서에서 NaOH가 주로 형성된다는 것은, 상기 형성 가능한 염기의 총 몰 농도에 대한 상기 NaOH의 몰 농도의 비가 80 이상인 것을 의미할 수 있다. 상기 몰 농도의 비는 다른 예시에서, 81 이상, 82 이상, 83 이상, 84 이상, 85 이상, 86 이상, 87 이상, 88 이상, 89 이상, 90 이상, 91 이상, 92 이상, 93 이상, 94 이상, 95 이상, 96 이상, 97 이상, 98 이상 또는 99 이상이거나, 100 이하, 95 이하 또는 90 이하일 수 있다.
상기 제 2 양극성 막(212)은 예를 들어, 애노드(120)에 수산화 이온(OH-)을 공급할 수 있고, 상기 애노드(120)와 인접한 제 2 저농도 용액부(602)에 수소 이온(H+)을 공급할 수 있다. 상기 애노드(120)에 공급된 수산화 이온(OH-)은 예를 들어, 산화 반응에 의해 전자(e-), 물(H2O) 및/또는 산소 기체를 형성할 수 있다. 상기 애노드(120)와 인접한 제 2 저농도 용액부(602)에 공급된 수소 이온(H+)은 예를 들어, 인접한 고농도 용액부(500)로부터 공급된 음이온과 반응하여 산을 형성할 수 있다. 상기 산은 예를 들어, HCl 또는 H2SO4 등일 수 있고, 후술하는 음이온 교환막(402)의 특징 등을 고려할 때, HCl이 주로 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고, 상기 고농도 용액부에 포함된 음이온의 종류 및/또는 음이온 교환막 등에 따라 달라질 수 있다. 본 명세서에서 HCl이 주로 형성된다는 것은, 상기 형성 가능한 산의 총 몰 농도에 대한 상기 HCl의 몰 농도의 비가 80 이상인 것을 의미할 수 있다. 상기 몰 농도의 비는 다른 예시에서, 81 이상, 82 이상, 83 이상, 84 이상, 85 이상, 86 이상, 87 이상, 88 이상, 89 이상, 90 이상, 91 이상, 92 이상, 93 이상, 94 이상, 95 이상, 96 이상, 97 이상, 98 이상 또는 99 이상이거나, 100 이하, 95 이하 또는 90 이하일 수 있다.
상기 양극성 막(211,212)은 예를 들어, 음이온 교환층(anion exchange layer; AEL)(221), 양이온 교환층(cation exchange layer; CEL)(222) 및 중간층(intermediate layer; IL)(220)을 포함할 수 있다. 상기 중간층(IL)은 예를 들어, 상기 음이온 교환층(AEL) 및 상기 양이온 교환층(CEL) 사이에 개재되어 있을 수 있다. 상기 음이온 교환층(AEL)은 예를 들어, 음이온 교환 전해질층을 의미할 수 있고, 상기 양이온 교환층(CEL)은 예를 들어, 양이온 교환 전해질층을 의미할 수 있다. 상기 중간층(IL)이 음이온 교환층(AEL) 및 양이온 교환층(CEL) 사이에 개재되어 있다는 것은 예를 들어, 음이온 교환층(AEL), 중간층(IL) 및 양이온 교환층(CEL)이 순차 형성되어 있는 것을 의미할 수 있다. 이 때, 음이온 교환층(AEL)과 중간층(IL), 양이온 교환층(CEL)과 중간층(IL) 각각은 분리되어 존재하거나 또는 서로 중첩되어 존재할 수도 있다.
본 출원의 다중 에너지 생산 시스템은 예를 들어, 전압이 1.23 V 이상일 때 구동될 수 있다. 상기 최소 구동 전압은 예를 들어, 물 분해가 가능한 최소 전압을 의미할 수 있다. 상기 전압은 예를 들어, 추가적인 외부 전압의 인가 또는 고농도 용액부와 저농도 용액부의 농도 차 등에 의해 발생될 수 있다. 본 출원의 다중 에너지 생산 시스템은 바람직하게는, 추가적인 외부 전압의 인가 없이도 고농도 용액부와 저농도 용액부의 농도차 등에 의해 자체적으로 발생된 기전력에 의해 구동되는 것일 수 있다. 일 예시에서, 상기 저농도 용액부의 이온 농도에 대한 상기 고농도 용액부의 이온 농도의 비율이 10배인 경우, 이에 의해 발생하는 기전력은 약 0.0592 V 일 수 있고, 따라서 이온 농도차 발생부가 적어도 22개 이상 필요할 수 있다. 다른 예시에서, 상기 저농도 용액부의 이온 농도에 대한 상기 고농도 용액부의 이온 농도의 비율이 100배인 경우, 이에 의해 발생하는 기전력은 약 0.1184 V 일 수 있고, 따라서 이온 농도차 발생부가 적어도 12개 이상 필요할 수 있다. 다만 상기 수치는 고농도 용액부 및 저농도 용액부 간의 이온 농도 비율, 양이온 교환막의 종류, 음이온 교환막의 종류, 고농도 용액부에 포함된 이온의 종류 및/또는 상기 이온의 이동성 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 범위가 상기 수치에 제한되어서는 안된다. 전술한 다양한 조건 등을 고려하여, 1개의 이온 농도차 발생부에서 발생하는 기전력을 계산하고, 물 분해가 가능한 최소 전압 이상의 기전력이 발생하도록 이온 농도차 발생부의 개수 및/또는 단위 멤브레인의 개수 등을 적절히 선택할 수 있다.
상기 물 분해는 예를 들어, 중간층(IL)에서 수행될 수 있다. 상기 중간층(IL)에서의 물 분해에 의해 발생된 수소 이온(H+)은 예를 들어, 상기 양이온 교환층(CEL)을 통해 캐소드(110) 및/또는 인접한 제 2 저농도 용액부(602)에 제공되는 것일 수 있다. 상기 중간층(IL)에서의 물 분해에 의해 발생된 수산화 이온(OH-)은 예를 들어, 상기 음이온 교환층(AEL)을 통해 인접한 제 2 저농도 용액부(602) 및/또는 애노드(120)에 제공되는 것일 수 있다.
상기와 같은 원리를 고려할 때, 상기 제 1 양극성 막(211)은 양이온 교환층(CEL)이 캐소드(110) 방향을 향하도록 배치될 수 있고, 상기 제 2 양극성 막(212)은 음이온 교환층(AEL)이 애노드(120) 방향을 향하도록 배치될 수 있다.
본 출원의 다중 에너지 생산 시스템은 상기와 같은 양극성 막을 적절히 배치함으로써, 양이온 교환막 및/또는 음이온 교환막 등을 포함하는 다른 구성들과의 조합에 의해, 다양한 에너지원을 동시에 생산할 수 있다. 상기 다양한 에너지원으로는 예를 들어, 수소, 산소, 산, 염기, 염 및 전기 에너지 등이 있을 수 있으며, 본 출원의 다중 에너지 생산 시스템은 이와 더불어 고농도 용액의 저농도화(예를 들어, 해수 담수화) 또한 동시에 수행할 수 있어 우수할 수 있다.
본 출원의 다중 에너지 생산 시스템에 포함되는 양극성 막은 상기와 같은 구조, 기능 및/또는 특징 등을 가지는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
상기 양극성 막은 예를 들어, 이하와 같은 추가적인 특성을 가짐으로써 본 출원의 다중 에너지 생산 시스템의 생산성, 공정성 및 공정 효율 등을 향상시킬 수도 있다.
일 예시에서, 상기 양극성 막의 중간층(IL)은 고분자 지지체를 포함할 수 있다. 상기 고분자 지지체로는 예를 들어, 탄화수소계 고분자 지지체 및/또는 ePTFE(Expanded polytetrafluoroethylene) 등을 사용할 수 있다.
상기 중간층(IL)은 예를 들어, 기공율이 60% 이상일 수 있다. 상기 기공율은 예를 들어, 수은흡착법에 의해 측정될 수 있다. 상기 중간층(IL)의 기공율은 다른 예시에서, 61% 이상, 62% 이상, 63% 이상, 64% 이상, 65% 이상, 66% 이상, 67% 이상, 68% 이상, 69% 이상 또는 70% 이상이거나, 95% 이하, 90% 이하 또는 85% 이하일 수 있다.
상기 중간층(IL)은 예를 들어, 기공 크기가 0.001㎛ 내지 1㎛의 범위 내일 수 있다. 상기 기공 크기는 예를 들어, 수은흡착법(Porosimeter) 또는 가스흡착법(BET) 등에 의해 공지의 방식으로 측정될 수 있다. 본 명세서에서 기공 크기는 최대 기공 크기, 최소 기공 크기 및/또는 평균 기공 크기를 의미할 수 있다. 상기 중간층(IL)의 기공 크기는 다른 예시에서, 0.005㎛ 이상, 0.01㎛ 이상, 0.015㎛ 이상, 0.02㎛ 이상, 0.025㎛ 이상, 0.03㎛ 이상, 0.035㎛ 이상, 0.04㎛ 이상, 0.045㎛ 이상 또는 0.05㎛ 이상이거나, 0.9㎛ 이하, 0.8㎛ 이하, 0.7㎛ 이하, 0.6㎛ 이하, 0.5㎛ 이하, 0.4㎛ 이하, 0.3㎛ 이하, 0.2㎛ 이하 또는 0.1㎛ 이하일 수 있다.
본 출원의 양극성 막은 상기와 같은 특징을 가지는 중간층(IL)을 포함함으로써, 더욱 우수한 효율로 물을 분해하여 수소 이온(H+) 및/또는 수산화 이온(OH-)의 공급을 원활하게 하도록 할 수 있다.
상기 중간층(IL)의 두께는 예를 들어, 0.05㎛ 내지 10㎛의 범위 내일 수 있다. 상기 중간층(IL)의 두께는 예를 들어, 두께 게이지를 이용해 공지의 방식에 의해 측정될 수 있다. 본 명세서 상기 두께는 예를 들어, 최대 두께, 최소 두께 및/또는 평균 두께를 의미하는 것일 수 있다. 상기 중간층(IL)의 두께는 다른 예시에서, 0.1㎛ 이상, 0.15㎛ 이상 또는 0.2㎛ 이상이거나, 9㎛ 이하, 8㎛ 이하, 7㎛ 이하, 6㎛ 이하, 5㎛ 이하, 4㎛ 이하, 3㎛ 이하, 2㎛ 이하 또는 1㎛ 이하일 수 있다.
상기 중간층(IL)은 예를 들어, 코팅층을 추가로 포함할 수 있다. 상기 코팅층은 예를 들어, 촉매층 또는 전해질층 중 적어도 1 이상을 포함할 수 있다. 상기 코팅층은 물 분해 효율 등의 관점에서 바람직하게는, 촉매층 및 전해질층을 모두 포함할 수 있다.
일 예시에서, 상기 코팅층은 촉매층을 포함할 수 있다. 상기 촉매층은 예를 들어, 치환 및/또는 비치환된 산화 그래핀(graphene oxide; GO)을 포함할 수 있다. 상기 촉매층은 물 분해를 촉진하는 관점에서, 치환된 산화 그래핀을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 치환된 산화 그래핀의 치환기는 예를 들어, 2차 아민 및/또는 3차 아민 등일 수 있다.
상기 치환된 산화 그래핀은 예를 들어, 치환기에 대한 산화 그래핀(GO)의 중량비율이 0.1 내지 5의 범위 내일 수 있다. 상기 치환기에 대한 산화 그래핀(GO)의 중량비율은 다른 예시에서, 0.2 이상, 0.3 이상, 0.4 이상, 0.5 이상, 0.6 이상, 0.7 이상, 0.8 이상 또는 0.9 이상이거나, 4.5 이하, 4 이하, 3.5 이하, 3 이하 또는 2.5 이하일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 치환기에 대한 산화 그래핀(GO)의 중량비율은 2.0 이하 또는 1.5 이하일 수 있다.
상기 촉매층은 예를 들어, 촉매 용액을 상기 중간층에 코팅 및/또는 경화하여 형성한 층일 수 있다. 상기 경화는 재료 등의 특성을 고려하여 열 경화 및/또는 자외선 경화 등을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 치환 및/또는 비치환된 산화 그래핀(GO)은 예를 들어, 상기 촉매 용액 100 중량부에 대해 0.1 내지 30 중량부의 범위 내로 포함될 수 있다. 상기 치환 및/또는 비치환된 산화 그래핀(GO)은 다른 예시에서, 상기 촉매 용액 100 중량부에 대해 0.2 이상, 0.3 이상, 0.4 이상, 0.5 이상, 0.6 이상, 0.7 이상, 0.8 이상, 0.9 이상 또는 1 이상이거나, 25 이하, 20 이하, 15 이하 또는 10 이하로 포함될 수 있다. 상기 치환 및/또는 비치환된 산화 그래핀(GO)은 바람직하게는 상기 촉매 용액 100 중량부에 대해 1.1 이상, 1.2 이상, 1.3 이상, 1.4 이상, 1.5 이상, 1.6 이상, 1.7 이상, 1.8 이상 또는 1.9 이상이거나, 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하, 4 이하 또는 3 이하로 포함될 수 있다.
상기 촉매 용액은 예를 들어, 루테늄 클로라이드(ruthenium chloride), 틴 클로라이드(tin chloride) 및 징크옥사이드(zinc oxide) 등의 전이 또는 전이후 금속(post-transition metal) 등을 추가로 포함할 수 있다.
상기 촉매층의 두께는 예를 들어, 1,000 nm 이하의 범위 내일 수 있다. 상기 촉매층의 두께는 다른 예시에서, 950 nm 이하, 900 nm 이하, 850 nm 이하, 800 nm 이하, 750 nm 이하, 700 nm 이하, 650 nm 이하, 600 nm 이하, 550 nm 이하, 500 nm 이하, 450 nm 이하, 400 nm 이하, 350 nm 이하, 300 nm 이하, 250 nm 이하, 200 nm 이하, 150 nm 이하, 100 nm 이하, 95 nm 이하, 90 nm 이하, 85 nm 이하, 80 nm 이하, 75 nm 이하, 70 nm 이하, 65 nm 이하, 60 nm 이하, 55 nm 이하, 50 nm 이하, 45 nm 이하, 40 nm 이하, 35 nm 이하, 30 nm 이하, 25 nm 이하, 20 nm 이하 또는 15 nm 이하이거나, 10 nm 이상, 15 nm 이상, 20 nm 이상, 25 nm 이상, 30 nm 이상, 35 nm 이상, 40 nm 이상, 45 nm 이상, 50 nm 이상, 55 nm 이상, 60 nm 이상, 65 nm 이상, 70 nm 이상, 75 nm 이상, 80 nm 이상, 85 nm 이상, 90 nm 이상 또는 95 nm 이상일 수 있다.
본 출원의 양극성 막은 상기와 같은 특징을 가지는 촉매층을 포함함으로써, 물 분해 효율이 보다 향상될 수 있고, 다른 구성들 간의 조합을 통해 다양한 에너지원을 동시에 우수한 효율로 생산할 수 있도록 할 수 있다.
일 예시에서, 상기 코팅층은 전해질층을 포함할 수 있다. 상기 전해질층은 예를 들어, 양이온 교환 전해질층 및/또는 음이온 교환 전해질층일 수 있다. 상기 양이온 교환 전해질층 및/또는 음이온 교환 전해질층은 예를 들어, 이온 교환 전구체 용액으로부터 형성된 것일 수 있다.
상기 이온 교환 전구체 용액은 일 예시에서, 전해질 모노머, 3차 아민 작용기를 가지는 아크릴아미드계 가교제, 개시제 및/또는 용매를 포함할 수 있다. 상기 이온 교환 전구체 용액이 양이온 교환 전구체 용액인 경우, 상기 전해질 모노머는 예를 들어, 음이온기를 가지는 술폰산 함유 전해질 모노머인 것이 바람직할 수 있고, 상기 이온 교환 전구체 용액이 음이온 교환 전구체 용액인 경우, 상기 전해질 모노머는 예를 들어, 양이온기를 가지는 4가 암모늄염의 전해질 모노머인 것이 바람직할 수 있다.
상기 양이온기를 가지는 4가 암모늄염은 예를 들어, 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서 R1 내지 R4는 각각 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 측쇄의 알킬 또는 아릴일 수 있고, A는 할로겐 원소일 수 있다.
상기 양이온기를 가지는 4가 암모늄염은 예를 들어, (3-아크릴아미도프로필)트리메틸암모늄 클로라이드[(3-acrylamidopropyl)trimethylammonium chloride], (비닐벤질)트리메틸암모늄 클로라이드[(vinylbenzyl)trimethylammonium chloride] 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.
상기 음이온기를 가지는 술폰산 함유 전해질 모노머는 예를 들어, 하기 화학식 2로 나타낼 수 있다.
[화학식 2]
상기 화학식 2에서 R5는 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 측쇄의 알킬 또는 아릴일 수 있으며, B는 수소 또는 금속 원소일 수 있다.
상기 음이온기를 가지는 술폰산 함유 전해질 모노머는 염 또는 산의 형태일 수 있고, 예를 들어, 2-아크릴아미드-2-메킬프로판술포네이트 소듐(2-acrylamide-2-methylpropanesulfonate sodium), 비닐 술포닉 액시드(vinylsulfonic acid), 비닐술포네이트 소듐(vinylsulfonate sodium), 알릴술포네이트 소듐(allyl sulfonate sodium), 2-메틸-2-프로펜-1-술포네이트 소듐(2-methyl-2-propene-1-sulfonate sodium), 3-술포프로필 아크릴레이트 소듐(3-sulfopropyl acrylate sodium) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.
상기에서 양이온기를 가지는 4가 암모늄염의 전해질 모노머는 바람직하게는 음이온 교환 전해질층의 제조에 사용되는 것일 수 있고, 상기 음이온기를 가지는 술폰산 함유 전해질 모노머는 바람직하게는 양이온 교환 전해질층의 제조에 사용되는 것일 수 있다. 즉, 양이온 교환 전구체 용액은 음이온기를 가지는 술폰산 함유 전해질 모노머, 3차 아민 작용기를 가지는 아크릴아미드계 가교제, 개시제 및/또는 용매를 포함할 수 있고, 음이온 교환 전구체 용액은 양이온기를 가지는 4가 암모늄염의 전해질 모노머, 3차 아민 작용기를 가지는 아크릴아미드계 가교제, 개시제 및/또는 용매를 포함할 수 있다.
상기 3차 아민 작용기를 가지는 아크릴아미드계 가교제는 예를 들어, 하기 화학식 3으로 나타낼 수있다.
[화학식 3]
상기 화학식 3에서 R6 및 R7은 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 측쇄의 알킬 또는 아릴일 수 있다.
상기 3차 아민 작용기를 가지는 아크릴아미드계 가교제는 예를 들어, N,N'-비스(아크릴로일)피레라진[N,N'-bis(acryloyl)piperazine], N,N'-(1,2-디히드록시에틸렌)비스아크릴아미드[N,N'-(1,2-dihydroxyethylene)bisacrylamide], N,N'-메틸렌비스아크릴아미드(N,N'-methylenebisacrylamide), N,N'-메틸렌비스메타크릴아미드(N,N'-methylenebismethacrylamide) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.
상기 개시제는 예를 들어, 광 개시제일 수 있다. 상기 광 개시제로는 예를 들어, 스위스의 시바 가이기(Ciba Geigy)사 제품의 Darocur 또는 Igacure 시리즈 중 어느 하나를 사용하거나, 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐프로판-1-온(2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropane-1-one)을 사용할 수 있다.
상기 용매는 예를 들어, 물, 메탄올 또는 에탄올 등의 수용성 용매일 수 있으며, 바람직하게는 물일 수 있다.
일 예시에서, 음이온 교환 전구체 용액은, 상기 양이온기를 가지는 4가 암모늄염의 전해질 모노머를 약 53 중량부 내지 약 60 중량부, 상기 가교제를 약 3 중량부 내지 약 7 중량부 및/또는 상기 용매를 약 33 중량부 내지 약 44 중량부의 비율로 포함할 수 있고, 상기 개시제는 상기 용매 100 중량부에 대해 약 33 중량부 내지 약 44 중량부 포함할 수 있다. 상기 개시제는 예를 들어, 상기 전해질 모노머, 가교제 및 용매가 혼합된 용액 100 중량부에 대해 약 0.1 중량부 내지 약 0.5 중량부 포함할 수 있다.
다른 일 예시에서, 양이온 교환 전구체 용액은, 상기 음이온기를 가지는 술폰산 함유 전해질 모노머를 약 44 중량부 내지 약 47 중량부, 상기 가교제를 약 6 중량부 내지 약 12 중량부 및/또는 상기 용매를 약 44 중량부 내지 약 47 중량부의 비율로 포함할 수 있고, 상기 개시제는 상기 음이온기를 가지는 술폰산 함유 전해질 모노머, 가교제 및 용매가 혼합된 용액 100 중량부 대비 약 0.1 중량부 내지 약 0.5 중량부로 포함될 수 있다.
상기와 같은 특징을 가지는 양이온 및/또는 음이온 교환 전구체 용액을 이용해 양이온 및/또는 음이온 교환 전해질층을 형성함으로써, 우수한 이온교환용량을 가져 이온전도도를 향상시키면서도, 내구성 또한 우수한 양극성 막을 제공할 수 있다.
상기 음이온 교환 전해질층의 이온교환용량(Ea)에 대한 상기 양이온 교환 전해질층의 이온교환용량(Ec)의 비(Ec/Ea)는 예를 들어, 0.1 내지 3의 범위 내일 수 있다. 상기 이온교환용량 비(Ec/Ea)는 다른 예시에서, 0.2 이상, 0.3 이상, 0.4 이상 또는 0.5 이상이거나 2.5 이하, 2 이하, 1.5 이하 또는 1 이하일 수 있다. 상기 이온교환용량 비(Ec/Ea)는 바람직하게는 0.6 이상 또는 0.7 이상이거나, 0.9 이하 또는 0.8 이하일 수 있다.
본 출원의 양극성 막의 코팅층은 예를 들어, 양이온 교환 전해질층 및 음이온 교환 전해질층을 모두 포함할 수 있다. 상기 코팅층은 예를 들어, 상기 양이온 교환 전해질층 및 상기 음이온 교환 전해질층이 교차하여 순차 배치된 구조를 가질 수 있다.
일 예시에서, 본 출원의 중간층은 도 5와 같이 고분자 지지체(230) 상에 촉매층(223)이 존재하고, 상기 촉매층 상에 양이온 교환 전해질층(224) 및 음이온 교환 전해질층(225)이 교차하여 순차 배치된 구조를 가질 수 있다. 상기 양이온 교환 전해질층 및 상기 음이온 교환 전해질층의 배치 순서는 크게 제한되지 않으며, 양이온 교환 전해질층이 상기 촉매층 상에 형성되고, 상기 양이온 교환 전해질층 상에 상기 음이온 교환 전해질층이 형성되거나, 상기 음이온 교환 전해질층이 상기 촉매층 상에 형성되고, 상기 양이온 교환 전해질층이 상기 음이온 교환 전해질층 상에 형성된 것일 수도 있다. 또한, 상기 양이온 교환 전해질층 및 상기 음이온 교환 전해질층이 단층으로 존재할 수도 있고, 복수층으로 존재할 수도 있으며, 지지체 표면의 일부에는 존재하지 않을 수도 있다.
본 출원의 양극성 막은 또한 예를 들어, 음이온 교환층(anion exchange layer; AEL) 및/또는 양이온 교환층(cation exchange layer; CEL)을 포함할 수 있다. 일 예시에서, 도 6과 같이, 상기 중간층(IL)(220)의 일면에 음이온 교환층(AEL)(221)을 포함하고, 상기 중간층(IL)의 다른 일면에 양이온 교환층(CEL)(222)을 포함할 수 있다.
상기 음이온 교환층 및/또는 상기 양이온 교환층은 각각 전술한 음이온 교환 전구체 용액 및/또는 양이온 교환 전구체 용액으로부터 형성된 것일 수 있다. 바람직하게는 상기 음이온 교환층은 상기 음이온 교환 전구체 용액으로부터 형성될 수 있고, 상기 양이온 교환층은 상기 양이온 교환 전구체 용액으로부터 형성될 수 있다.
상기 양이온 교환층(CEL)의 두께(TCEL)는 예를 들어, 1㎛ 내지 150㎛의 범위 내일 수 있다. 상기 양이온 교환층(CEL)의 두께(TCEL)는 다른 예시에서, 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 5㎛ 이상, 6㎛ 이상, 7㎛ 이상, 8㎛ 이상, 9㎛ 이상, 10㎛ 이상, 11㎛ 이상, 12㎛ 이상, 13㎛ 이상, 14㎛ 이상 또는 15㎛ 이상이거나, 140㎛ 이하, 130㎛ 이하, 120㎛ 이하, 110㎛ 이하, 100㎛ 이하, 90㎛ 이하, 80㎛ 이하, 70㎛ 이하 또는 60㎛ 이하일 수 있다.
상기 음이온 교환층(AEL)의 두께(TAEL)는 예를 들어, 0.1㎛ 내지 100㎛의 범위 내일 수 있다. 상기 음이온 교환층(AEL)의 두께(TAEL)는 다른 예시에서, 0.5㎛ 이상, 1㎛ 이상, 1.5㎛ 이상, 2㎛ 이상, 2.5㎛ 이상, 3㎛ 이상, 3.5㎛ 이상, 4㎛ 이상, 4.5㎛ 이상 또는 5㎛ 이상이거나, 95㎛ 이하, 90㎛ 이하, 85㎛ 이하, 80㎛ 이하, 75㎛ 이하, 70㎛ 이하, 65㎛ 이하, 60㎛ 이하, 55㎛ 이하, 50㎛ 이하, 45㎛ 이하, 40㎛ 이하, 35㎛ 이하, 30㎛ 이하, 25㎛ 이하, 20㎛ 이하 또는 15㎛ 이하일 수 있다.
본 출원의 양극성 막은 예를 들어, 양이온 교환층(CEL)의 두께(TCEL)에 대한 음이온 교환층(AEL)의 두께(TAEL)의 비(TAEL/TCEL)가 0.01 내지 10의 범위 내일 수 있다. 상기 두께의 비(TAEL/TCEL)는 다른 예시에서, 0.02 이상, 0.03 이상, 0.04 이상, 0.05 이상, 0.06 이상, 0.07 이상, 0.08 이상, 0.09 이상, 0.1 이상, 0.11 이상, 0.12 이상, 0.13 이상, 0.14 이상, 0.15 이상, 0.16 이상, 0.17 이상, 0.18 이상, 0.19 이상, 0.2 이상, 0.21 이상, 0.22 이상, 0.23 이상, 0.24 이상 또는 0.25 이상이거나, 9.5 이하, 9 이하, 8.5 이하, 8 이하, 7.5 이하, 7 이하, 6.5 이하, 6 이하, 5.5 이하, 5 이하, 4.5 이하, 4 이하, 3.5 이하, 3 이하, 2.5 이하, 2 이하, 1.5 이하 또는 1 이하일 수 있다.
본 출원의 양극성 막은 예를 들어, 양이온 교환층(CEL)의 두께(TCEL)에 대한 중간층(IL)의 두께(TIL)의 비(TCEL/TIL)가 0.0001 내지 0.2범위 내일 수 있다. 상기 두께의 비(TCEL/TIL)는 다른 예시에서, 0.0005 이상, 0.001 이상, 0.0015 이상, 0.002 이상, 0.0025 이상 또는 0.003 이상이거나, 0.19 이하, 0.18 이하, 0.17 이하, 0.16 이하, 0.15 이하, 0.14 이하, 0.13 이하, 0.12 이하, 0.11 이하, 0.1 이하, 0.09 이하, 0.08 이하, 0.07 이하 또는 0.06 이하일 수 있다.
본 출원의 양극성 막은 예를 들어, 음이온 교환층(AEL)의 두께(TAEL)에 대한 중간층(IL)의 두께(TIL)의 비(TAEL/TIL)가 0.0001 내지 0.2의 범위 내일 수 있다. 상기 두께의 비(TAEL/TIL)는 다른 예시에서, 0.0005 이상, 0.001 이상, 0.0015 이상, 0.002 이상, 0.0025 이상, 0.003 이상, 0.0035 이상, 0.004 이상, 0.0045 이상, 0.005 이상, 0.0055 이상 또는 0.006 이상이거나, 0.19 이하, 0.18 이하, 0.17 이하, 0.16 이하, 0.15 이하, 0.14 이하, 0.13 이하, 0.12 이하, 0.11 이하, 0.1 이하, 0.09 이하, 0.08 이하, 0.07 이하 또는 0.06 이하일 수 있다.
본 출원의 양극성 막은 상기와 같은 특징을 가짐으로써 물(H2O)을 분해하여 수소 이온(H+) 및 수산화 이온(OH-)을 생산하는 데 필요한 과전위(overpotential)가 낮고, 상기 수소 이온(H+) 및 상기 수산화 이온(OH-)의 이동 선택성이 우수한 양극성 막을 제공할 수 있다.
본 출원의 다중 에너지 생산 시스템(101)은 또한 예를 들어, 적어도 2 이상의 단위 멤브레인(400)을 포함할 수 있다. 상기 단위 멤브레인(400)은 예를 들어, 양이온 교환막(401) 및 음이온 교환막(402)이 순차 배치된 것일 수 있다.
상기 양이온 교환막(cation exchange membrane; CEM)은 예를 들어, 1가 양이온 교환막일 수 있다. 본 명세서에서 1가 양이온 교환막은 예를 들어, 1가 양이온만을 통과시키는 막을 의미하거나 및/또는 1가 양이온 및 다가 양이온이 모두 통과할 수는 있으나, 1가 양이온의 막 이동도가 다가 양이온의 막 이동도 대비 우수한 막을 의미하는 것일 수 있다.
상기 양이온 교환막은 예를 들어, Na+의 이동도가 Mg2+의 이동도 대비 3배 이상 큰 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 양이온 교환막의 Na+의 이동도는 다른 예시에서, 상기 Mg2+의 이동도 대비 3.1배 이상, 3.2배 이상, 3.3배 이상, 3.4배 이상, 3.5배 이상, 3.6배 이상, 3.7배 이상, 3.8배 이상, 3.9배 이상, 4배 이상, 4.1배 이상, 4.2배 이상, 4.3배 이상, 4.4배 이상, 4.5배 이상, 4.6배 이상, 4.7배 이상 또는 4.8배 이상 큰 것을 특징으로 하거나, 10배 이하, 9배 이하 또는 8배 이하일 수 있다. 상기 양이온 교환막은 또한 예를 들어, Na+의 이동도가 Ca2+의 이동도 대비 큰 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 양이온 교환막은 예를 들어, Ca2+의 이동도가 Mg2+의 이동도 대비 클 수 있다.
상기 음이온 교환막(anion exchange membrane; AEM)은 예를 들어, 1가 음이온 교환막일 수 있다. 본 명세서에서 1가 음이온 교환막은 예를 들어, 1가 음이온만을 통과시키는 막을 의미하거나 및/또는 1가 음이온 및 다가 음이온을 모두 통과시키기는 하지만, 1가 음이온의 막 이동도가 다가 음이온의 막 이동도 대비 우수한 막을 의미하는 것일 수 있다.
하나의 단위 멤브레인(400) 내 양이온 교환막(401) 및 음이온 교환막(402) 사이에 고농도 용액부(500)가 존재할 수 있다.
상기 고농도 용액부는 예를 들어, 폐수를 정밀여과(microfiltration, MF), 한외여과(ultrafilteration, UF), 나노여과(nanofiltration, NF) 또는 역삼투(reverse osmosis, RO) 막 등을 이용한 일반적인 수처리 방식을 이용하여 수처리한 후 방출된 이온 농축수이거나, 전기투석공정(electrodialysis, ED), 전기탈이온공정(electrodeionization, EDI), 전식탈이온공정(capacitive deionization, CDI) 등 전기 수처리 방식을 이용하여 수처리한 후 방출된 이온 농축수이거나 및/또는 해수(sea water) 등일 수 있다. 상기 고농도 용액부의 이온 농도는 예를 들어, 10,000 mg/L 이상일 수 있다. 상기 이온 농도는 예를 들어, 총 용존 고용물(total dissolved solid, TDS)을 의미할 수 있다. 상기 고농도 용액부의 이온 농도는 다른 예시에서, 15000 mg/L 이상, 20000 mg/L 이상, 25000 mg/L 이상, 30000 mg/L 이상, 35000 mg/L 이상, 40000 mg/L 이상, 45000 mg/L 이상 또는 50000 mg/L 이상일 수 있다. 상기 고농도 용액부의 이온 농도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 500000 mg/L 이하, 450000 mg/L 이하, 400000 mg/L 이하, 350000 mg/L 이하 또는 300000 mg/L 이하일 수 있다.
상기 고농도 용액부에 포함된 이온은 Na+, Mg2+, Ca2+, K+, Cl- 및/또는 SO4 2- 등을 예시할 수 있다. 상기 고농도 용액부는 예를 들어, 총 이온 100 중량부에 대해, 상기 Na+은 25 중량부 내지 35 중량부, 상기 Mg2+은 1 중량부 내지 10 중량부, 상기 Ca2+은 0.1 중량부 내지 5 중량부, 상기 K+은 0.1 중량부 내지 3 중량부, 상기 Cl-은 40 중량부 내지 80 중량부 및/또는 상기 SO4 2-은 1 중량부 내지 15 중량부의 범위 내로 포함되어 있는 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 다중 에너지 생산 시스템(101)은 예를 들어, 상기 단위 멤브레인(400) 사이에 제 1 저농도 용액부(601)을 포함하거나, 및/또는 상기 양극성 막(211, 212) 및 상기 양극성 막과 인접한 단위 멤브레인(400) 사이에 제 2 저농도 용액부(602)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 저농도 용액부는 각각 예를 들어, 이온 농도가 5,000 mg/L 이하일 수 있다. 상기 이온 농도는 예를 들어, 총 용존 고용물(total dissolved solid, TDS)을 의미할 수 있다. 상기 저농도 용액부의 이온 농도는 다른 예시에서, 4000 mg/L 이하, 3000 mg/L 이하, 2000 mg/L 이하 또는 1000 mg/L 이하일 수 있다. 상기 저농도 용액부의 이온농도의 하한은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 100 mg/L 이상, 200 mg/L 이상, 300 mg/L 이상, 400 mg/L 이상, 500 mg/L 이상 또는 600 mg/L 이상 정도일 수 있다.
본 출원의 다중 에너지 생산 시스템(101)은 예를 들어, 저농도 용액부(601, 602) 및 고농도 용액부(500)가 서로 교차하여 배치된 구조를 가질 수 있다. 이와 같은 배치를 통해, 고농도 용액부 및 저농도 용액부 간의 이온 농도 차에 의한 이온의 이동이 일어날 수 있고, 이를 통해 외부 전압의 인가 없이도 본 출원의 다중 에너지 생산 시스템이 작동될 수 있다.
상기 이온의 이동 메커니즘은 설명의 편의를 위해 도 2를 예시로 하여 설명하나, 본 출원은 이에 제한되는 것은 아니고 이를 포함하는 개념으로 이해되어야 한다.
일 예시에서, 고농도 용액부(500)로부터 캐소드(110)와 인접한 제 2 저농도 용액부(602)로 양이온이 이동할 수 있다. 이 때 상기 고농도 용액부(500)는 예를 들어, 상기 캐소드(100)와 인접한 제 2 저농도 용액부(602)와 인접하여 배치된 고농도 용액부(500)를 의미할 수 있다. 상기 양이온은 예를 들어, Na+, Mg2+, Ca2+ 또는 K+ 등일 수 있으나, 상기 양이온 교환막(401)의 1가 및/또는 다가 양이온 이동도 특성, 상기 고농도 용액부(500) 내의 각 양이온들의 중량비율, 상기 고농도 용액부(500) 내의 음이온과의 친화도 등을 고려할 때, Na+의 이동이 가장 우세할 수 있다. 상기 Na+은 예를 들어, 전술한 제 1 양극성 막(211)으로부터 제공된 수산화 이온(OH-)과 반응하여 NaOH를 형성할 수 있다. 다만, NaOH만 형성될 수 있는 것은 아니고, 상기 양이온 교환막(401)을 통과한 일부 Mg2+, Ca2+ 또는 K+ 등과 상기 제 1 양극성 막(211)으로부터 제공된 수산화 이온(OH-)이 반응하여 Mg(OH)-2, Ca(OH)2 또는 KOH 등을 형성할 수도 있다. 상기 염기는 예를 들어, 염기 배출부(801)를 통해 배출될 수 있다.
다른 일 예시에서, 고농도 용액부(500)로부터 애노드(120)와 인접한 제 2 저농도 용액부(602)로 음이온이 이동할 수 있다. 상기 음이온은 예를 들어, Cl- 또는 SO4 2- 등일 수 있으나, 상기 음이온 교환막(402)의 1가 및/또는 다가 음이온 이동도 특성, 상기 고농도 용액부(500) 내의 각 음이온들의 중량비율, 상기 고농도 용액부(500) 내의 양이온과의 친화도 등을 고려할 때, Cl-의 이동이 가장 우세할 수 있다. 상기 Cl-은 예를 들어, 전술한 제 2 양극성 막(212)으로부터 제공된 수소 이온(H+)과 반응하여 HCl를 형성할 수 있다. 다만, HCl만 형성될 수 있는 것은 아니고, 상기 음이온 교환막(402)을 통과한 일부 SO4 2- 등의 음이온이 상기 제 2 양극성 막(212)로부터 제공된 수소 이온(H+)과 반응하여 H2SO4 등을 형성할 수도 있다. 상기 산은 예를 들어, 산 배출부(802)를 통해 배출될 수 있다.
또 다른 일 예시에서, 고농도 용액부(500)로부터 제 1 저농도 용액부(601)로 양이온 및/또는 음이온이 이동할 수 있다. 예를 들어, 고농도 용액부(500)와 제 1 저농도 용액부(601) 사이에 음이온 교환막(402)이 존재하는 경우, 고농도 용액부(500)로부터 제 1 저농도 용액부(601)로 음이온이 이동할 수 있고, 고농도 용액부(500)와 제 1 저농도 용액부(601) 사이에 양이온 교환막(401)이 존재하는 경우, 고농도 용액부(500)로부터 제 1 저농도 용액부(601)로 양이온이 이동할 수 있다. 상기 양이온 및 음이온의 이동은 동시에 수행될 수 있고, 이에 따라, 상기 제 1 저농도 용액부에는 염이 형성될 수 있다. 일 예시에서, 상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막의 1가 및/또는 다가 이온이동도 특성, 상기 고농도 용액부(500) 내의 각 이온들의 중량비율, 상기 고농도 용액부(500) 내에서의 각 이온들 간의 친화성 등을 고려할 때, 각각 Na+ 및 Cl-의 이동이 가장 활발할 수 있고, 따라서 제 1 저농도 용액부에 형성된 염은 NaCl일 수 있다. 다만 이에 제한되는 것은 아니고, MgCl2, CaCl2, MgSO4 또는 CaSO4 등이 형성될 수도 있다. 상기 제 1 저농도 용액부에 형성된 염은 예를 들어, 염 배출부(1000)를 통해 배출될 수 있다. 상기 염의 순도는 예를 들어, 80 % 이상일 수 있다. 상기 염의 순도는 다른 예시에서, 81 % 이상, 82 % 이상, 83 % 이상, 84 % 이상, 85 % 이상, 86 % 이상, 87 % 이상, 88 % 이상, 89 % 이상, 90 % 이상, 91 % 이상, 92 % 이상, 93 % 이상, 94 % 이상, 95 % 이상, 96 % 이상, 97 % 이상, 98 % 이상 또는 99 % 이상이거나, 100 % 이하, 99.9 % 이하, 99.8 % 이하, 99.7 % 이하, 99.6 % 이하, 99.5 % 이하, 99.4 % 이하, 99.3 % 이하, 99.2 % 이하, 99.1 % 이하 또는 99 % 이하일 수 있다.
본 출원의 다중 에너지 생산 시스템에 포함되는 양이온 교환막 및/또는 음이온 교환막은 상기와 같은 기능 및/또는 특징 등을 가지는 것이면 특별히 제한되지 않으나, 이하와 같은 추가적인 특성을 가짐으로써 본 출원의 다중 에너지 생산 시스템의 생산성, 공정성 및 공정 효율 등을 향상시킬 수도 있다.
상기 양이온 교환막(CEM)으로는 예를 들어, 공지의 양이온 교환막(CEM)이 적용되거나, KR出10-2018-0124802에 개시된 다가 이온 배제형 이온 교환막에 관한 사항이 동일하게 적용될 수 있다.
일 예시에서, 상기 음이온 교환막(AEL)으로는 예를 들어, 공지의 음이온 교환막(AEM)이 적용되거나, KR出10-2019-0091669에 개시된 1가 음이온 선택성 이온 교환막에 관한 사항이 동일하게 적용될 수 있다.
본 출원의 다중 에너지 생산 시스템은 또한 예를 들어, 캐소드(110) 및 애노드(120)를 포함할 수 있다.
상기 캐소드 및 상기 애노드는 예를 들어, 캐소드 및 애노드의 촉매로 사용될 수 있는 전극 또는 금속 촉매를 포함할 수 있다. 상기 전극은 예를 들어, 은(Ag), 은 합금, 백금, 이리듐, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ir, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속일 수 있음) 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 금속 촉매는 예를 들어, 아세틸렌 블랙, 흑연과 같은 탄소, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등을 담체로 하여 금속을 담지한 촉매일 수 있다. 상기 담체에 귀금속을 담지한 촉매를 사용하는 경우, 상용화된 시판품을 사용할 수도 있고, 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 바람직하게는 탄소 재질의 금속 촉매를 사용하는 것일 수 있다.
상기 캐소드 및 애노드의 크기는 특별히 제한되지 않으나, 양극성 막, 양이온 교환막 및/또는 음이온 교환막 등과 그 크기가 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 캐소드 및 애노드는 예를 들어, 다공성 구조를 가질 수 있다. 상기 캐소드 및 애노드는 예를 들어, 1 내지 100㎛의 미세 기공을 포함할 수 있다. 상기 미세 기공의 크기는 바람직하게는 2 내지 75㎛의 범위 내일 수 있고, 보다 바람직하게는 10 내지 50㎛의 범위 내일 수 있다.
상기 캐소드 및 애노드는 예를 들어, 표면이 발수처리된 것일 수 있다. 상기 캐소드 및 애노드는 표면에 발수기능을 하는 물질을 코팅 등의 방식으로 처리함으로써, 발수특성을 가질 수 있다. 상기 발수기능을 하는 물질은 예를 들어, 폴리테트라플루오르에틸렌(poly(tetrafluoroethylene) 또는 폴리에틸렌(polyethylene) 등과 같은 소수성 물질을 포함할 수 있다.
본 출원의 다중에너지 시스템은 예를 들어, 양극성 막에서 물분해를 통하여 H+ 및/또는 OH-이온을 발생하는 것일 수 있다. 상기 양극성 막에서는 하기 식 1과 같은 반응이 수행될 수 있다.
[식 1]
H2O → 4H+ + 4OH-
상기 식 1의 물분해 반응은 상온에서 포텐셜 값이 0.83 V일 수 있다.
본 출원의 다중에너지 생산시스템은 예를 들어, 캐소드(110)에서 수소 기체가 발생하는 것일 수 있다. 상기 수소 기체는 하기 식 2와 같은 반응을 통해 생성될 수 있다.
[식 2]
4H+ + 4e- →2H2(g)
상기 식 2의 수소 이온(H+)은 예를 들어, 제 1 양극성 막(211)으로부터 전달된 것일 수 있다. 상기 식 2의 전자(e-)는 예를 들어, 애노드(120)로부터 전달된 것일 수 있다. 상기 식 2의 환원반응은 상온에서 환원 포텐셜값이 0V일 수 있다.
본 출원의 다중에너지 시스템은 예를 들어, 애노드(120)에서 산소 기체 등이 발생하는 것일 수 있다. 상기 애노드(120)에서는 하기 식 3과 같은 반응이 수행될 수 있다.
[식 3]
4OH- →4e- + 2H2O + O2(g)
상기 식 3에서 수산화 이온(OH-)은 예를 들어, 제 2 양극성 막(212)으로부터 전달된 것일 수 있다. 상기 식 3의 산화반응은 상온에서 포텐셜 값이 0.4 V일 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 복수 개의 상기 제 1 측면의 다중 에너지 생산 시스템(101)이 직렬 또는 병렬로 연결된 것인 스택을 제공한다.
본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하나, 본원의 제 1 측면에 대한 내용은 제 2 측면에서 동일하게 적용될 수 있다.
이하, 본원의 제 2 측면에 따른 상기 스택을 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명한다. 도 3은 상기 다중 에너지 생산 시스템(101)이 직렬로 연결된 스택을 나타내는 개략도이고, 도 4는 상기 다중 에너지 생산 시스템(101)이 병렬로 연결된 스택을 나타내는 개략도이다.
본 출원의 스택은 예를 들어, 도 3과 같이 복수의 다중 에너지 생산 시스템(101)을 직렬로 연결하여 형성된 것일 수 있다. 이 때, 상기 다중 에너지 생산 시스템(101) 간의 연결은 전자 이동부(300)로 연결된 것일 수 있으며, 이 경우 본원의 제 1 측면에 따른 상기 다중 에너지 생산 시스템(101)에 있어서, 캐소드(110) 및 애노드(120)를 연결하는 전자 이동부(300)이 단일 다중 에너지 생산 시스템(101) 내에서 연결된 구조가 아닌 이웃하는 다중 에너지 생산 시스템(101) 간에 연결된 형태일 수 있다. 즉, 본원의 제 1 측면의 다중 에너지 생산 시스템(101)의 개략도를 나타낸 도 1 및 도 2에서의 다른 모든 구성은 도 3에 나타낸 다중 에너지 생산 시스템(101)과 동일하나, 전자 이동부(300)의 배치만은 일부 상이할 수 있다. 상기 전자 이동부(300)은 예를 들어, 서로 이웃하는 다중 에너지 생산 시스템(101) 간을 연결하는 형태이며, 직렬로 연결된 스택 양 끝단의 다중 에너지 생산 시스템(101) 또한 서로 상기 전자 이동부(300)으로 연결되어 있는 것일 수 있다.
즉, 본 출원에서 상기 다중 에너지 생산 시스템(101)이 직렬로 연결되어 스택을 구성할 경우, 단일 다중 에너지 생산 시스템(101)의 애노드(120)로부터 이웃하는 다중 에너지 생산 시스템(101)의 캐소드(110)로 전자가 전달되는 형태로 구성될 수 있으며, 상기 스택의 양 끝단에 배치된 다중 에너지 생산 시스템의 경우, 상기 양 끝단에 배치된 다중 에너지 생산 시스템(101) 중 하나의 애노드(120)로부터 다른 하나의 캐소드(110)로 전자가 전달되는 형태로 구성될 수 있다.
이와 같은 원리로 직렬로 연결된 각각의 다중 에너지 생산 시스템(101) 및 이를 포함하는 스택이 작동하는 것일 수 있다.
본 출원에서 상기와 같이 다중 에너지 생산 시스템(101)이 직렬로 연결되어 스택을 구성한 경우, 상기 스택에 포함된 다중 에너지 생산 시스템(101) 각각에 대한 전류는 일정하나, 전압이 증가하기 때문에 전력을 증가시킬 수 있는 것일 수 있다.
본 출원의 스택은 예를 들어, 도 4와 같이 복수의 다중 에너지 생산 시스템(101)을 병렬로 연결하여 형성된 것일 수 있다. 이 때, 상기 다중 에너지 생산 시스템(101) 간의 연결은 전자 이동부(300)으로 연결된 것일 수 있으며, 이 경우 본원의 제 1 측면에 따른 상기 다중 에너지 생산 시스템(101)에 있어서, 캐소드(110) 및 애노드(120)를 연결하는 전자 이동부(300)이 단일 다중 에너지 생산 시스템(101) 내에서 연결된 구조가 아닌 모든 다중 에너지 생산 시스템(101) 간에 연결된 형태일 수 있다.
상기 다중 에너지 생산 시스템(101)이 복수 개 병렬로 연결되어 스택을 구성할 경우, 일 애노드(120)에서 생성된 전자가 전자 이동부(300)을 통하여 스택을 구성하는 모든 다중 에너지 생산 시스템(101)에 전달될 수 있다. 상기와 같은 원리로 병렬로 연결된 각각의 다중 에너지 생산 시스템(101)이 작동하는 것일 수 있다.
본 출원에서 상기와 같이 다중 에너지 생산 시스템(101)이 병렬로 연결되어 스택을 구성한 경우, 상기 스택에 포함된 다중 에너지 생산 시스템(101) 각각에 대한 전압은 일정하나, 전류이 증가하기 때문에 전력을 증가시킬 수 있는 것일 수 있다.
101 : 다중 에너지 생산 시스템
110 : 캐소드
120 : 애노드
200 : 전해질부
211, 212 : 제 1 양극성 막, 제 2 양극성 막
300 : 전자 이동부
400 : 단위 멤브레인
401 : 양이온 교환막(CEM)
402 : 음이온 교환막(AEM)
500 : 고농도 용액부
601, 602 : 제 1 저농도 용액부, 제 2 저농도 용액부
701, 702 : 고농도 용액 공급부, 저농도 용액 공급부
801, 802 : 염기 배출부, 산 배출부
900 : 물 배출부
1000 : 염 배출부
220 : 중간층(IL)
230 : 고분자 지지체
221 : 음이온 교환층(AEL)
222 : 양이온 교환층(CEL)
223 : 촉매층
224 : 양이온 교환 전해질층
225 : 음이온 교환 전해질층
101 : 다중 에너지 생산 시스템
110 : 캐소드
120 : 애노드
200 : 전해질부
211, 212 : 제 1 양극성 막, 제 2 양극성 막
300 : 전자 이동부
400 : 단위 멤브레인
401 : 양이온 교환막(CEM)
402 : 음이온 교환막(AEM)
500 : 고농도 용액부
601, 602 : 제 1 저농도 용액부, 제 2 저농도 용액부
701, 702 : 고농도 용액 공급부, 저농도 용액 공급부
801, 802 : 염기 배출부, 산 배출부
900 : 물 배출부
1000 : 염 배출부
220 : 중간층(IL)
230 : 고분자 지지체
221 : 음이온 교환층(AEL)
222 : 양이온 교환층(CEL)
223 : 촉매층
224 : 양이온 교환 전해질층
225 : 음이온 교환 전해질층
110 : 캐소드
120 : 애노드
200 : 전해질부
211, 212 : 제 1 양극성 막, 제 2 양극성 막
300 : 전자 이동부
400 : 단위 멤브레인
401 : 양이온 교환막(CEM)
402 : 음이온 교환막(AEM)
500 : 고농도 용액부
601, 602 : 제 1 저농도 용액부, 제 2 저농도 용액부
701, 702 : 고농도 용액 공급부, 저농도 용액 공급부
801, 802 : 염기 배출부, 산 배출부
900 : 물 배출부
1000 : 염 배출부
220 : 중간층(IL)
230 : 고분자 지지체
221 : 음이온 교환층(AEL)
222 : 양이온 교환층(CEL)
223 : 촉매층
224 : 양이온 교환 전해질층
225 : 음이온 교환 전해질층
101 : 다중 에너지 생산 시스템
110 : 캐소드
120 : 애노드
200 : 전해질부
211, 212 : 제 1 양극성 막, 제 2 양극성 막
300 : 전자 이동부
400 : 단위 멤브레인
401 : 양이온 교환막(CEM)
402 : 음이온 교환막(AEM)
500 : 고농도 용액부
601, 602 : 제 1 저농도 용액부, 제 2 저농도 용액부
701, 702 : 고농도 용액 공급부, 저농도 용액 공급부
801, 802 : 염기 배출부, 산 배출부
900 : 물 배출부
1000 : 염 배출부
220 : 중간층(IL)
230 : 고분자 지지체
221 : 음이온 교환층(AEL)
222 : 양이온 교환층(CEL)
223 : 촉매층
224 : 양이온 교환 전해질층
225 : 음이온 교환 전해질층
Claims (14)
- 캐소드;
애노드; 및
상기 캐소드 및 상기 애노드 사이에 개재된 전해질부를 포함하고,
상기 전해질부는 2개의 양극성막 및 적어도 2 이상의 단위 멤브레인을 포함하고, 상기 단위 멤브레인은 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 포함하며, 상기 2개의 양극성막은 제1 양극성 막 및 제2 양극성 막을 포함하고, 상기 제1 양극성 막은 상기 캐소드에 인접하여 배치되고, 상기 제2 양극성 막은 상기 애노드에 인접하여 배치되며, 상기 단위 멤브레인은 상기 제1 양극성 막 및 상기 제2 양극성 막 사이에 배치되고,
상기 단위 멤브레인 내 상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막 사이에 고농도 용액부를 포함하며, 상기 단위 멤브레인 사이에 제 1 저농도 용액부를 포함하고, 상기 제1 양극성 막 및 상기 제2 양극성 막과 상기 단위 멤브레인 사이 각각에 제 2 저농도 용액부를 포함하고,
상기 제1 저농도 용액부로부터 배출되는 염의 이동통로인 염 배출부를 포함하고,
상기 제1 양극성 막 및 상기 제1 양극성 막과 인접한 단위 멤브레인 사이의 제2 저농도 용액부로부터 배출되는 염기의 이동통로인 염기 배출부를 포함하고,
상기 제2 양극성 막 및 상기 제2 양극성 막과 인접한 단위 멤브레인 사이의 제2 저농도 용액부로부터 배출되는 산의 이동통로인 산 배출부를 포함하고,
상기 염은 NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2, Na2SO4, K2SO4, MgSO4, 및 CaSO4으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고,
수소, 산소, 산, 염기, 염 및 전기 에너지의 생산; 및 고농도 용액의 저농도화가 동시에 수행되는 다중 에너지 생산 시스템. - ◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 1 항에 있어서, 양이온 교환막 및 음이온 교환막의 개수는 동일한 다중 에너지 생산 시스템.
- ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 1 항에 있어서, 단위 멤브레인 내 양이온 교환막 및 음이온 교환막 간의 간격은 10 내지 1000㎛의 범위 내인 다중 에너지 생산 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 양극성 막은 음이온 교환층, 중간층 및 양이온 교환층을 포함하는 다중 에너지 생산 시스템.
- ◈청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 4 항에 있어서, 캐소드와 인접한 양극성 막은 양이온 교환층이 캐소드 방향을 향하도록 배치되고, 애노드와 인접한 양극성 막은 음이온 교환층이 애노드 방향을 향하도록 배치되는 다중 에너지 생산 시스템.
- 제 4 항에 있어서, 중간층은 촉매층, 양이온 교환 전해질층 및 음이온 교환 전해질층을 포함하는 다중 에너지 생산 시스템.
- 제 6 항에 있어서, 촉매층은 2차 아민 또는 3차 아민으로 치환된 산화 그래핀을 포함하는 다중 에너지 생산 시스템.
- 제 7 항에 있어서, 2차 아민 또는 3차 아민에 대한 산화 그래핀의 중량비는 0.1 내지 5의 범위 내인 다중 에너지 생산 시스템.
- 제 6 항에 있어서, 음이온 교환 전해질층의 이온교환용량(Ea)에 대한 양이온 교환 전해질층의 이온교환용량(Ec)의 비(Ec/Ea)는 0.01 내지 10의 범위 내인 다중 에너지 생산 시스템.
- 제 4 항에 있어서, 양이온 교환층(CEL)의 두께(TCEL)에 대한 음이온 교환층(AEL)의 두께(TAEL)의 비(TAEL/TCEL)가 0.01 내지 10의 범위 내인 다중 에너지 생산 시스템.
- 제 4 항에 있어서, 양이온 교환층(CEL)의 두께(TCEL)에 대한 중간층(IL)의 두께(TIL)의 비(TCEL/TIL)가 0.0001 내지 0.2의 범위 내인 다중 에너지 생산 시스템.
- 제 4 항에 있어서, 음이온 교환층(AEL)의 두께(TAEL)에 대한 중간층(IL)의 두께(TIL)의 비(TAEL/TIL)가 0.0001 내지 0.2의 범위 내인 다중 에너지 생산 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 고농도 용액부 및 저농도 용액부 간의 농도 차에 의한 기전력을 통해 작동되는 다중 에너지 생산 시스템.
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210127126A KR102652351B1 (ko) | 2021-09-27 | 2021-09-27 | 다중 에너지 생산 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210127126A KR102652351B1 (ko) | 2021-09-27 | 2021-09-27 | 다중 에너지 생산 시스템 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230045665A KR20230045665A (ko) | 2023-04-05 |
| KR102652351B1 true KR102652351B1 (ko) | 2024-04-01 |
Family
ID=85884630
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210127126A KR102652351B1 (ko) | 2021-09-27 | 2021-09-27 | 다중 에너지 생산 시스템 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102652351B1 (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102515317A (zh) * | 2012-01-10 | 2012-06-27 | 刘景亮 | 用氨氮废水生产酸和氨水的方法及装置 |
| KR102062737B1 (ko) | 2019-10-14 | 2020-01-06 | 상명대학교 천안산학협력단 | 물분해용 바이폴라막 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101538683B1 (ko) * | 2013-07-18 | 2015-07-22 | (주) 시온텍 | 바이폴라 이온교환시트 및 이의 제조방법 |
| KR101895525B1 (ko) * | 2017-01-13 | 2018-09-05 | 한국에너지기술연구원 | 역전기투석 장치를 이용한 저 에너지 소비형 수산화나트륨 생산 장치 및 이를 이용한 하이브리드 시스템 |
-
2021
- 2021-09-27 KR KR1020210127126A patent/KR102652351B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102515317A (zh) * | 2012-01-10 | 2012-06-27 | 刘景亮 | 用氨氮废水生产酸和氨水的方法及装置 |
| KR102062737B1 (ko) | 2019-10-14 | 2020-01-06 | 상명대학교 천안산학협력단 | 물분해용 바이폴라막 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20230045665A (ko) | 2023-04-05 |
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|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |