KR20160032949A - 이온교환집전체를 가지는 축전식 흐름전극장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발전, 에너지저장, 탈염 등의 대단위 플랜트에 적합하도록 전극용량을 확대시키면서도 부품수를 줄여서 제조비용과 설치공간을 획기적으로 감소시킬 수 있는 축전식 흐름전극장치에 관한 것으로, 전해질이 흐르는 전해질 유로; 상기 전해질 유로의 일측으로 접하여 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 상기 전해질 유로의 타측으로 접하여 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름부극; 상기 전해질 유로와 상기 흐름정극 사이에 배치돼서 양이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 정극이온교환집전체; 및 상기 전해질 유로와 상기 흐름부극 사이에 배치돼서 음이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 부극이온교환집전체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또, 이러한 이웃하는 축전식 흐름전극장치가 흐름정극 또는 흐름부극을 공유하도록 배치하여, 설계자가 원하는 만큼 용량을 증대시키는 것이 가능하다.

Description

이온교환집전체를 가지는 축전식 흐름전극장치{Capacitive flow electrode device with ion-exchanged current collector}
본 발명은 이온교환집전체를 가지는 축전식 흐름전극장치에 관한 것으로, 발전, 에너지저장, 탈염 등의 대단위 플랜트에 적합하도록 전극용량을 확대시키면서도 부품수를 줄여서 제조비용과 설치공간을 획기적으로 감소시킬 수 있는 축전식 흐름전극장치에 관한 것이다.
최근 세계 각국은 대기환경 오염 및 지구온난화 문제를 해결하기 위해 청정대체 에너지 개발과 함께 에너지 저장기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
화석연료 가격의 계속적인 상승과, 원자력 발전의 안전성 문제로 인하여, 기존의 화석연료 및 원자력에만 의존하던 전력생산방식의 탈피가 요구되고 있다.
최근에는, 수력, 풍력, 태양에너지를 이용한 대체에너지 개발과 함께 해양 농도차를 이용한 발전이 새로운 화두로 크게 대두되고 있다.
또한, 다양한 대체 에너지를 통해 생성된 전기에너지를 저장할 수 있는 대용량 전력저장장치에서부터 각종 모바일 기기 또는 대기오염 개선을 위한 미래 전기자동차 등 에 필요한 소형 고출력 전력저장장치에 이르기까지 전기 에너지 저장은 미래 녹색산업기반의 핵심으로 대두되고 있다. 이러한 미래 전력저장 기술의 대부분은 Li이온 전지 또는 슈퍼캐패시터(Super capacitor)와 같이 이온의 흡착(충전) 및 탈착(방전) 원리를 이용한 방식으로 세계 각국은 소재부품의 충방전 특성의 개선을 통한 고효율 컴팩트화와 대용량화를 위해 많은 연구개발 노력을 진행중이다.
한편, 최근에는 수질오염 및 물부족에 대비한 정수 또는 폐수처리, 해수담수화와 같은 수처리 분야에서도 이와 동일한 원리를 이용하여 기존의 증발법이나 역삼투압(RO)법에 비해 매우 낮은 에너지 비용만으로 수처리가 가능한 공정, 즉 축전식 탈염(Capacitive Deionization: CDI) 공정개발이 진행중이다.
이러한 동일 원리를 이용한 전력저장과 수처리 시스템에 있어 가장 큰 문제는 대용량화시 효율저하와 고가의 장치비용이다. 즉 스케일업을 위한 전극의 대면적화, 이에 따른 전극내 전기장 분포의 불균일, 집전체에 코팅되는 박막전극의 제한된 활물질 량, 코팅과정에서 바인더에 의한 활물질과 전해질의 접촉면적 감소 및충방전 효율저하 등으로 다수의 단위셀 스택화가 필요하고, 이에 따른 장치의 고가화, 특히 CDI(Capacitive Deionization) 공정의 경우 스택(stack) 내 물(전해질) 흐름의 압력손실에 의한 운전비용의 증가가 문제점으로 지적되고 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인은 축전식 흐름전극장치(한국특허 제10-1233295호)를 개발하였고, 이를 발전(한국특허 제10-1318331호), 에너지 저장(한국특허 제10-1210525호), 수처리(한국특허 제10-1221562호) 등에 사용하였다.
상기 축전식 흐름전극장치는 용량을 증대시키기 위해서는 전극면적을 늘리거나, 스택화를 하여야 하는데, 이 경우 종래기술에서는 전해질을 중심으로 양이온교환막과 음이온교환막을 두고, 그 외측으로 흐름정극 및 흐름부극을 배치하고, 다시 그 외측으로 양극집전체 및 음극집전체를 배치한다. 따라서, 적층을 하기 위해서는 이러한 구성요소를 동일하게 반복하면서 적층해야 하므로, 양극집전체 및 음극집전체를 공통요소로 사용한다고 해도 1개의 전해질 유로를 중심으로 흐름정극와 흐름부극이 반드시 배치되어야 한다.
이 결과, 흐름전극의 적층은 부피가 증대할 뿐만 아니라, 많은 유로로 인하여 부품수가 증대하여 장치를 제작하기 위한 비용이 큰 문제가 있다.
한국특허 제10-1233295호 한국특허 제10-1318331호 한국특허 제10-1210525호 한국특허 제10-1221562호
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 구조를 간단하게 하여 부품수를 줄일 수 있는 축전식 흐름전극장치에 관한 것이다.
또, 적층시 흐름정극 및 흐름부극을 인접하는 흐름전극유니트에서 공유하도록 하여 발전, 에너지저장, 탈염 등의 대단위 플랜트에 적합하도록 전극용량을 확대시키면서도 부품수를 줄여서 제조비용과 설치공간을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전해질이 흐르는 전해질 유로; 상기 전해질 유로의 일측으로 접하여 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 상기 전해질 유로의 타측으로 접하여 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름부극; 상기 전해질 유로와 상기 흐름정극 사이에 배치돼서 양이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 정극이온교환집전체; 및 상기 전해질 유로와 상기 흐름부극 사이에 배치돼서 음이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 부극이온교환집전체를 포함하는 축전식 흐름전극장치이다.
이러한 축전식 흐름전극장치를 적층할 때에는 이웃하는 축전식 흐름전극장치가 흐름정극 또는 흐름부극을 공유하도록 배치된다. 즉, 축전식 흐름전극어셈블리는 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 복수의 흐름정극과 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 복수의 흐름부극이 서로 이격되도록 하여 교호적으로 배치되고, 전해질이 흐르는 복수의 전해질 유로가 상기 흐름정극과 상기 흐름부극 사이의 이격된 공간에 상기 흐름정극 및 상기 흐름부극에 접하도록 배치되며, 양이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 정극이온교환집전체가 상기 전해질 유로와 상기 흐름정극 사이에 배치되고, 음이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 부극이온교환집전체가 상기 전해질 유로와 상기 흐름부극 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 정극이온교환집전체는, 양이온교환막과, 상기 양이온교환막에 접하도록 다공성정극판을 적층하여 이루어지고, 상기 부극이온교환집전체는, 음이온교환막과, 상기 음이온교환막에 접하도록 다공성부극판을 적층하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 전해질 유로, 상기 흐름정극, 상기 흐름부극 중 어느 하나 이상에는 스페이서가 배치되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 흐름정극와 상기 흐름부극의 외측으로 폐쇄플레이트가 배치되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 폐쇄플레이트에는, 양극활물질이 혼합된 전극용액 및 음극활물질이 혼합된 전극용액이 상기 흐름정극와 상기 흐름부극에 각각 공급하는 전극공급부와, 상기 흐름정극와 상기 흐름부극를 거친 양극활물질이 혼합된 전극용액 및 음극활물질이 혼합된 전극용액이 배출되는 전극배출부가 배치되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 양극교환양극과 상기 부극이온교환집전체는 파형을 이루는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 상기 전해질 유로, 상기 흐름정극, 상기 흐름부극 중 어느 하나 이상에는 다공성 골격부재가 배치되는 것을 특징으로한다.
또, 상기 양극교환양극과 상기 전해질 유로와 상기 부극이온교환집전체는 파형을 이루는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 상기 흐름정극 또는 상기 흐름부극 중 어느 하나 이상에는 다공성 골격부재가 배치되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 다공성 골격부재는, 다공평판인 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극장치. 것을 특징으로 한다.
또 다른 발명으로, 코어쉘을 이용하면 이온교환막을 생략할 수 있다. 즉, 전해질이 흐르는 전해질 유로; 상기 전해질 유로의 일측으로 접하여 코어쉘이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 상기 전해질 유로의 타측으로 접하여 코어쉘이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름부극; 상기 전해질 유로와 상기 흐름정극 사이에 배치돼서 양이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 정극이온교환집전체; 및 상기 전해질 유로와 상기 흐름부극 사이에 배치돼서 음이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 부극이온교환집전체를 포함하는 축전식 흐름전극장치이다.
이 때, 상기 정극이온교환집전체는 다공성정극판이고, 상기 부극이온교환집전체는 다공성부극판인 것을 특징으로 한다.
적층시 흐름정극 및 흐름부극을 인접하는 전극유니트에서 공유하도록 하여 발전, 에너지저장, 탈염 등의 대단위 플랜트에 적합하도록 전극용량을 확대시키면서도 부품수를 줄여서 제조비용과 설치공간을 획기적으로 감소시킬 수 있는 축전식 흐름전극장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 흐름전극어셈블리의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2의 변형예에 따른 축전식 흐름전극어셈블리의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 6은 이중 코팅을 가지는 코어쉘의 단면도이다.
도 7은 탈염 시간에 따른 농도 변화 그래프이다.
도 8은 탈염 시간에 따른 전류 변화 그래프이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명의 가장 기본이 되는 실시예1에 따른 축전식 흐름전극장치(100)에 대해 설명한다.
상기 축전식 흐름전극장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전해질 유로(102)를 중심으로 그 양측에 흐름정극(112)과 흐름부극(114)가 배치된다. 상기 전해질 유로(102)와 상기 흐름정극(112) 사이에는 정극이온교환집전체가 배치되고, 상기 전해질 유로(102)와 상기 흐름부극(114) 사이에는 부극이온교환집전체가 배치된다. 그리고, 상기 흐름정극(112)의 외측과 상기 흐름부극(114)의 외측으로 유로를 형성하기 위한 폐쇄플레이트(116,118)가 배치된다.
상기 흐름정극(112)은 전극용액에 정극활물질(111)이 혼합되어 분산된 슬러리 상태로 흐르는 유로를 의미한다. 그리고, 상기 흐름부극(114)은 전극용액에 부극활물질(113)이 혼합되어 분산된 슬러리 상태로 흐르는 유로를 의미한다. 상기 흐름정극(112)과 상기 흐름부극(114)은 유로를 형성할 수 있는 스페이서가 내부에 사용될 수 있다. 상기 양극활물질 및 상기 음극활물질은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수 있으며, 이 경우에 양자를 합쳐서 전극활물질이라고 명명한다. 상기 양극활물질 및 상기 음극활물질은 다공성 탄소(활성탄, 카본파이버, 탄소에어로젤, 탄소나노튜브 등), 흑연분말, 금속산화물 분말 등이 사용될 수 있다.
또, 상기 전극용액은 NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3등 수용성 전해질액과, 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)와 같은 유기성 전해질액을 포함할 수 있다. 특히, 상기 전극용액으로써 다량의 염(특히, NaCl)이 함유된 염수 또는 미량의 염이 함유된 담수를 사용하는 것이 가능하다.
상기 정극이온교환집전체는 도 1에 도시된 바와 같이, 양이온교환막(104)과 다공성정극판(106)을 적층한 것을 사용할 수 있다. 상기 양이온교환막(104)은 상기 전해질 유로(102) 측에 배치되고, 상기 다공성정극판(106)은 상기 흐름정극(112) 측에 배치된다. 반대로, 상기 양이온교환막(104)은 상기 흐름정극(112) 측에 배치되고, 상기 다공성정극판(106)은 상기 전해질 유로(102) 측에 배치되는 것도 가능하다.
또, 상기 부극이온교환집전체는 도 1에 도시된 바와 같이, 음이온교환막(108)과 다공성부극판(110)을 중첩한 것을 사용할 수 있다. 상기 음이온교환막(108)은 상기 전해질 유로(102) 측에 배치되고, 상기 다공성부극판(110)은 상기 흐름부극(114) 측에 배치된다. 반대로, 상기 음이온교환막(108)은 상기 흐름부극(114) 측에 배치되고, 상기 다공성부극판(110)은 상기 전해질 유로(102) 측에 배치되는 것도 가능하다.
상기 부극이온교환집전체과 상기 정극이온교환집전체는 이온만을 투과시키는 전기 전도성 재질이 개발된다면, 상술한 적층형의 부극이온교환집전체 또는 정극이온교환집전체보다 더욱 두께를 줄일 수 있다.
상기 다공성정극판(106) 및 상기 다공성정극판(106)으로는 전기가 통하면서도 유체가 통과할 수 있는 물질, 예를 들어 탄소섬유 플레이트를 사용할 수 있다. 그리고, 상기 양이온 분리막(104)은 전해질 액체의 유통을 막고 양이온만 선택적으로 통과시키는 치밀막이고, 상기 음이온 분리막(108)은 전해질 액체의 유통을 막고 음이온만 선택적으로 통과시키는 치밀막이다. 상기 양이온 분리막(104)과 상기 음이온 분리막(108)은 공지의 이온 분리막을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 전해질 유로(102)에는 전해질이 이동하며, 상기 전해질로는 상기 전극용액과 마찬가지로 NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3 등 수용성 전해질액과, 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)와 같은 유기성 전해질액을 포함할 수 있다. 특히, 상기 전극용액으로써 다량의 염(특히, NaCl)이 함유된 염수 또는 미량의 염이 함유된 담수를 사용하는 것이 가능하다. 상기 전해질 유로(102)은 유로를 형성할 수 있는 스페이서가 내부에 사용될 수 있다.
상기 전해질 유로(102)의 전해질 이동방향과 상기 흐름정극(112) 및 상기 흐름부극(114)의 유체의 이동방향은 서로 동일하거나 반대방향일 수 있다.
또, 상기 전해질 유로(102)는 전해질이 흐르는 공간으로 형성되는 것도 가능하지만, 스페이서가 상기 전해질 유로(102) 내부에 채워질 수 있다. 상기 스페이서는 절기적 절연체이며, 전해질이 이동하기 용이하도록 섬유조직으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 폐쇄플레이트(116,118)는 비전기 전도성 플레이트를 사용할 수도 있고, 전기 전도성이 있는 금속판을 사용할 수도 있다. 전기 전도성 금속판을 사용하는 경우에는 추가 집전체로써 활용될 수 있다.
본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 흐름전극장치(100)는 기본적으로 상술한 바와 같이 구성된다. 이하, 상기 축전식 흐름전극장치(100)를 발전장치로 활용할 경우의 작동원리에 대하여 설명한다. 상기 전해질 유로(102)로 양이온과 음이온을 가지는 전해질을 흘리면, 상기 정극이온교환집전체를 통과한 양이온이 상기 흐름정극(112)로 이동하고 상기 부극이온교환집전체를 통과한 음이온이 상기 흐름부극(114)로 이동하면, 상기 흐름정극(112)와 상기 흐름부극(114) 사이에 전위차가 발생하게 된다. 이 전위차가 상기 상기 다공성정극판(106)과 상기 다공성부극판(110)을 통해 외부로 전기적으로 연결되면, 상기 축전식 흐름전극장치(100)는 발전유니트로써 활용될 수 있다.
반대로, 상기 다공성정극판(106)과 상기 다공성부극판(110)에 전위차가 발생하도록 외부에서 전류를 흘리면, 상기 흐름정극(112)와 상기 흐름부극(114)로 상기 전해질 유로(102)를 흐르는 전해질로부터 강제로 양이온과 음이온이 이동하면서, 전해질을 탈염시키게 된다.
또, 동시에 상기 흐름정극(112)와 상기 흐름부극(114)를 흐르는 슬러리에 전하가 채워지므로, 상기 슬러리를 저장하여 전기 저장장치로 활용하는 것도 가능하다.
다음으로 상기 축전식 흐름전극장치(100)를 기본으로 하여, 적층하여 전기용량을 확장한 실시예2에 따른 축전식 흐름전극어셈블리(200)를 도 2를 이용하여 설명한다. 실시예2의 축전식 흐름전극어셈블리(200)는 실시예1의 축전식 흐름전극장치(100)를 확장한 것이며, 기본적인 구성은 동일하다. 다만, 실시예2에 따른 축전식 흐름전극어셈블리(200)에서는 인접하는 흐름전극유니트에서 흐름정극(214)과 흐름부극(216)을 공유하는 차이점이 있다.
상기 축전식 흐름전극어셈블리(200)는 전해질 유로(212)를 중심으로 그 양측에 흐름정극(214)과 흐름부극(216)이 배치된다. 상기 전해질 유로(212)와 상기 흐름정극(214) 사이에는 정극이온교환집전체가 배치되고, 상기 전해질 유로(212)와 상기 흐름부극(216) 사이에는 부극이온교환집전체가 배치된다.
상기 흐름정극(214)과 상기 흐름부극(216)은 유로를 형성할 수 있는 스페이서가 내부에 사용될 수 있다. 상기 흐름정극(214)에 포함되는 양극활물질(211) 및 상기 흐름부극(216)에 포함되는 음극활물질(213)은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수도 있다.
상기 정극이온교환집전체는 양이온교환막(204)과 다공성정극판(206)을 중첩한 것을 사용할 수 있다. 상기 양이온교환막(204)은 상기 전해질 유로(212) 측에 배치되고, 상기 다공성정극판(206)은 상기 흐름정극(214) 측에 배치된다.
또, 상기 부극이온교환집전체는 음이온교환막(208)과 다공성부극판(210)을 중첩한 것을 사용할 수 있다. 상기 음이온교환막(208)은 상기 전해질 유로(212) 측에 배치되고, 상기 다공성부극판(210)은 상기 흐름부극(216) 측에 배치된다.
상기 전해질 유로(212)의 전해질 이동방향과 상기 흐름정극(214) 및 상기 흐름부극(216)의 유체의 이동방향은 서로 동일하거나 반대방향일 수 있다.
그리고, 상기 전해질 유로(212)를 중심으로 하여 그 상하측에 또 다른 전해질 유로(212)를 배치할 수 있다. 이 때, 이웃하는 흐름정극 또는 흐름부극을 공유하도록 배치된다. 즉, 축전식 흐름전극어셈블리(200)는 복수의 흐름정극(214)과 복수의 흐름부극(216)이 서로 이격되도록 하여 교호적으로 배치되고, 전해질 유로(212)가 상기 흐름정극(214)과 상기 흐름부극(216) 사이의 이격된 공간에 상기 흐름정극(214) 및 상기 흐름부극(216)에 접하도록 배치된다. 그리고, 정극이온교환집전체가 상기 전해질 유로(212)와 상기 흐름정극(214) 사이에 배치되고, 부극이온교환집전체가 상기 전해질 유로(212)와 상기 흐름부극(216) 사이에 배치된다.
이 결과, 최상측과 최하측에는 흐름정극 또는 흐름부극이 배치된다. 그리고, 최상측과 최하측에 배치되는 흐름정극 또는 흐름부극의 외측으로 폐쇄플레이트(222,224)가 배치된다. 상기 폐쇄플레이트(222,224)는 절연체를 사용할 수도 있고, 전기 전도성을 가지는 재료를 사용하는 것도 가능하다. 상기 폐쇄플레이트(222,224)로 전기 전도성을 가지는 재료를 사용하는 경우에는, 상기 폐쇄플레이트(222,224)에 근접하는 흐름정극 또는 흐름부극에 대하여 전기를 가하거나 집전이 이루어지므로, 상기 축전식 흐름전극어셈블리(200)의 효율을 높일 수 있어서 바람직하다.
그리고, 상기 정극이온교환집전체과 상기 부극이온교환집전체는 파형을 이루는 것을 특징으로 한다. 이 결과, 같은 폭방향 길이에 대하여 정극이온교환집전체 및 부극이온교환집전체의 전해질, 흐름정극, 흐름부극에 접하는 면적을 증대시킬 수 있어서 바람직하다. 상기 파형은 쐐기파형, 웨이브파형 등 다양한 변화가 가능하다. 또, 이 경우 정극이온교환집전체 미 부극이온교환집전체만으로 구조물의 강성이 충분하지 않을 수 있으므로, 상기 전해질 유로(212), 상기 흐름정극(214), 상기 흐름부극(216) 중 어느 하나 이상에는 다공성 골격부재가 배치되는 것이 바람직하다.
이러한 상기 다공성 골격부재는, 다공평판(202,218,220)으로 이루어질 수 있다. 흐름정극과 흐름부극에 배치되는 다공평판(218,220)는 전기 전도체 또는 부도체 모두 활용이 가능하며, 특히, 전기 전도체를 사용하는 경우에는 흐름정극과 흐름부극에 대하여 추가적으로 전기를 가하거나 집전이 이루어질 수 있으지므로 바람직하다.
그리고,상기 전해질 유로(212)에 설치되는 다공평판(202)은 양이온과 음이온의 이동을 방해하지 않도록 절연체로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 3은 도 2의 축전식 흐름전극어셈블리(200)를 확장한 축전식 흐름전극어셈블리(201)으로, 설계자가 원하는 만큼 용량을 확장하는 것이 가능하다.
다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예 3에 따른 흐름전극어셈블리(300)를 설명한다.
상기 흐름전극어셈블리(300)는 상기 축전식 흐름전극장치(100)를 기본으로 하여 적층하여 전기용량을 확장한 것이다. 실시예2에 따른 축전식 흐름전극어셈블리(200)에 비하여 정극이온교환집전체과 부극이온교환집전체에 전해질 유로(312)를 집적하여 더욱 작은 부피를 차지하는 것을 특징으로 한다. 이는 전해질 유로(312)는 그 공간이 흐름정극(314) 및 흐름부극(316)에 비해 작아도 활물질이 포함되지 않기 때문에 충분히 전해질의 유량을 확보할 수 있기 때문이다.
상기 축전식 흐름전극어셈블리(300)는 전해질 유로(312)를 중심으로 그 양측으로 정극이온교환집전체와 부극이온교환집전체가 배치된다.
상기 정극이온교환집전체는 양이온교환막(304)과 다공성정극판(306)을 중첩한 것을 사용할 수 있다. 상기 양이온교환막(304)은 상기 전해질 유로(312) 측에 배치되고, 상기 다공성정극판(306)은 상기 흐름정극(314) 측에 배치된다.
또, 상기 부극이온교환집전체는 음이온교환막(308)과 다공성부극판(310)을 중첩한 것을 사용할 수 있다. 상기 음이온교환막(308)은 상기 전해질 유로(312) 측에 배치되고, 상기 다공성부극판(310)은 상기 흐름부극(316) 측에 배치된다.
상기 전해질 유로(312)의 전해질 이동방향과 상기 흐름정극(314) 및 상기 흐름부극(316)의 유체의 이동방향은 서로 동일하거나 반대방향일 수 있다. 상기 전해질 유로(312)의 내부에는 전해질의 이동을 도우면서 상기 정극이온교환집전체과 상기ㅣ 부극이온교환집전체 사이에서 공간을 유지하도록 스페이서가 배치되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 정극이온교환집전체, 상기 부극이온교환집전체, 및 상기 전해질 유로(312)는 파형을 이루는 것을 특징으로 한다. 이 결과, 같은 폭방향 길이에 대하여 전해질 유로(312)를 내포하고 있는 정극이온교환집전체 및 부극이온교환집전체가 흐름정극 및 흐름부극에 접하는 면적을 증대시킬 수 있어서 바람직하다. 상기 파형은 쐐기파형, 웨이브파형 등 다양한 변화가 가능하다. 또, 이 경우 정극이온교환집전체 미 부극이온교환집전체만으로 구조물의 강성이 충분하지 않을 수 있으므로, 상기 흐름정극(314), 상기 흐름부극(316)에는 다공성 골격부재가 배치될 수 있다.
이러한 상기 다공성 골격부재는, 다공평판(318,320)으로 이루어질 수 있다. 흐름정극과 흐름부극에 배치되는 다공평판(318,320)는 전기 전도체 또는 부도체 모두 활용이 가능하며, 특히, 전기 전도체를 사용하는 경우에는 흐름정극과 흐름부극에 대하여 추가적으로 전기를 가하거나 집전이 이루어질 수 있으지므로 바람직하다.
상기 흐름정극(314)과 상기 흐름부극(316)은 유로를 형성할 수 있는 스페이서가 내부에 사용될 수 있다. 상기 흐름정극(314)에 포함되는 양극활물질(311) 및 상기 흐름부극(316)에 포함되는 음극활물질(313)은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수도 있다.
그리고, 전해질 유로(312)를 내포하고 있는 정극이온교환집전체 및 부극이온교환집전체를 복수개 배치하면서, 그 상하측에 흐름정극과, 흐름부극이 교대로 배치하여 흐름정극과 흐름부극을 공유하도록 배치된다. 즉, 축전식 흐름전극어셈블리(300)는 복수의 흐름정극(314)과 복수의 흐름부극(316)이 서로 이격되도록 하여 교호적으로 배치되고, 전해질 유로(312)를 내포하고 있는 정극이온교환집전체 및 부극이온교환집전체가 그 사이에 위치되도록 배치된다.
이 결과, 최상측과 최하측에는 흐름정극 또는 흐름부극이 배치된다. 그리고, 최상측과 최하측에 배치되는 흐름정극 또는 흐름부극의 외측으로 폐쇄플레이트(322,324)가 배치된다. 상기 폐쇄플레이트(322,324)는 절연체를 사용할 수도 있고, 전기 전도성을 가지는 재료를 사용하는 것도 가능하다. 상기 폐쇄플레이트(322,324)로 전기 전도성을 가지는 재료를 사용하는 경우에는, 상기 폐쇄플레이트(322,324)에 근접하는 흐름정극 또는 흐름부극에 대하여 전기를 가하거나 집전이 이루어지므로, 상기 축전식 흐름전극어셈블리(300)의 효율을 높일 수 있어서 바람직하다.
따라서, 상기 축전식 흐름전극어셈블리(300)는 설계자가 원하는 만큼 용량을 확장하는 것이 가능하다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 축전식 흐름전극장치(101)를 도시한다. 실시예 4에 따른 축전식 흐름전극장치(101)는 실시예 1의 축전식 흐름전극장치(100)와 달리 양이온교환막(104)과 음이온교환막(108)이 제외된다. 그리고, 흐름정극(112)과 흐름부극(114)에는 코어쉘(120,121)이 전극용액과 함께 흐르게 된다. 그 외의 구성은 실시예 1과 동일하므로, 동일한 구성에 대한 설명은 생략한다.
상기 코어쉘(120,121)은 코어(124)와 상기 코어(124)의 외측을 둘러싸는 코팅층(122)으로 구성된다. 상기 코어(124)는 전극활물질이고, 상기 코팅층(122)을 구성하는 전해질에 존재하는 이온을 교환시킬 수 있는 특성을 갖고 있다. 일 실시예에 따르면, 셀 물질은 양이온을 교환할 수 있는 술폰산기(SO3 －), 카르복실기(COO－), 인산기(PO4 －) 등이 존재하는 고분자 막과 음이온을 교환할 수 있는 1,2,3,4급 암모늄기가 붙어있는 고분자 막을 사용할 수 있다. 상기 코어쉘(120,121)은 고상법 또는 액상법으로 만들 수 있으며, 특히 액상법에는 계면활성제를 이용하는 에멀전법, 셀로 사용되는 물질을 단량체에서 중합하여 제조하는 중합법, 코어와 셀을 개별적으로 혹은 동시에 분사하거나 압출시켜 제조하는 방법으로 만들 수 있다. 상기 코어쉘(102)은 개별 알갱이가 하나 혹은 수개가 뭉쳐서 셀이 둘러싸게 되므로 전체 알갱이가 뭉쳐 한개 벌크화된 전극활물질보다 단위 무게당 혹은 부피당 차지하는 전극 면적이 크다는 장점이 있다.
도 6은 또 다른 형태의 코어쉘(126)을 도시하고 있다. 상기 코어쉘(126)은 코어(124)와 상기 코어(124)의 외측을 둘러싸는 코팅층(122)과, 상기 코팅층(122)의 외측으로 이온을 끌어들이기 용이하도록 다공전도층(128)이 배치된다. 상기 다공전도층(128)은 그라파이트, 그래핀, 실버, 금 등과 같은 재료를 코팅하여 이루어질 수 있다.
[시험예 1]
본 발명의 실시예 3에 따라, 미세유로 구조를 갖는 직사각형의 폐쇄플레이트 (Polycarbonate, 104×56㎜, 유효면적 12㎠) 사이에 이온교환양극과 이온교환음극 및 스페이서로 분리된 축전식 흐름전극장치를 제작하였다.
이온교환양극과 이온교환음극은 각각 다공성 탄소시트 (SIGRATEX® - nonwoven type, SGL group, Germany) 를 양이온/음이온 교환막 (Neosepta CMX/AMX. Astom, Japan) 과 중첩한 것을 사용하였다. 또한 축전식 흐름전극장치를 Potentiostat (Ivium Technologies B.V., Netherlands)와 연결하기 위한 외부단자를 구성하기 위해 활성탄소 천 (carbon cloth) 을 다공성 탄소시트와 이온교환막 사이에 접하여 외부로 빼내었다.
약 3,263㎡/g의 비표면적을 갖는 활성탄 (평균 세공직경 21Å, 총 세공부피 1.71㏄/g)을 0.1 M NaCl 수용액에 섞어 nanodisperser (ISA-N-10, Ilshin Autoclave, Korea)로 미분쇄하여 증류수 내 활성탄의 평균입도가 8㎛인 흐름전극을 제조했다. 제조된 흐름전극을 25㎖/min의 유속으로 축전식 흐름전극장치의 양극유로 및 음극유로에 통과시키면서, 각각 2440μS/cm 의 전기전도도를 갖는 NaCl 전해질을 마이크로 정량펌프(일본정밀화학(주), Minichemi pump)를 이용하여 3㎖/min의 유량으로 축전식 흐름전극장치의 전해질 유로에 통과시켰다. 이와 동시에 축전식 흐름전극장치의 외부단자를 Potentiostat (Ivium Technologies B.V., Netherlands)에 연결하여 1.2V의 전압을 가해 탈염 실험을 수행했다. 탈염 실험 후 나온 NaCl 전해질의 농도는 conductivity meter (S47, Mettler-Toledo, Switzerland)로 10초마다 측정되었고, 탈염 시간에 따른 농도 변화 그래프는 도 7에 도시하였고 전류 변화 그래프는 도 8에 도시하였다.
축전식 흐름전극장치의 전해질 유로를 통과하여 나온 NaCl 전해질의 전기전도도는 1310μS/cm까지 감소하여 그 값을 계속 유지하였다. 이때 축전식 흐름전극장치에서 측정된 전류는 46.4 mA를 유지하였다.
이를 통해 흐름전극의 공급이 계속 된다면 무한한 흡착용량에 의해 지속적으로 탈염이 됨을 알 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100,101: 축전식 흐름전극장치
102,212,312: 전해질 유로
104,204,304: 양이온교환막
106,206,306: 다공성정극판
108,208,308: 음이온교환막
110,210,308: 다공성부극판
111,211,213: 정극활물질
112,214,314: 흐름정극
113,213,313: 부극활물질
114,216,316: 흐름부극
116,118,222,224,322,324: 폐쇄플레이트
120,121,126: 코어쉘
122: 코팅층
124: 코어
128: 다공전도층
200,201,300: 축전식 흐름전극어셈블리
202,218,220,318,320: 다공평판

Claims (20)

  1. 전해질이 흐르는 전해질 유로;
    상기 전해질 유로의 일측으로 접하여 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극;
    상기 전해질 유로의 타측으로 접하여 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름부극;
    상기 전해질 유로와 상기 흐름정극 사이에 배치돼서 양이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 정극이온교환집전체; 및
    상기 전해질 유로와 상기 흐름부극 사이에 배치돼서 음이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 부극이온교환집전체를 포함하는 축전식 흐름전극장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정극이온교환집전체는, 양이온교환막과, 상기 양이온교환막에 접하도록 다공성정극판을 적층하여 이루어지고,
    상기 부극이온교환집전체는, 음이온교환막과, 상기 음이온교환막에 접하도록 다공성부극판을 적층하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 유로, 상기 흐름정극, 상기 흐름부극 중 어느 하나 이상에는 스페이서가 배치되는 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흐름정극과 상기 흐름부극의 외측으로 폐쇄플레이트가 배치되는 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양극교환양극과 상기 부극이온교환집전체는 파형을 이루는 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전해질 유로, 상기 흐름정극, 상기 흐름부극 중 어느 하나 이상에는 다공성 골격부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 양극교환양극과 상기 전해질 유로와 상기 부극이온교환집전체는 파형을 이루는 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 상기 흐름정극 또는 상기 흐름부극에는 다공성 골격부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극장치.

  9. 제6항 또는 제8항에 있어서,
    상기 다공성 골격부재는, 다공평판인 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극장치. 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극장치.
  10. 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 복수의 흐름정극과 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 복수의 흐름부극이 서로 이격되도록 하여 교호적으로 배치되고,
    전해질이 흐르는 복수의 전해질 유로가 상기 흐름정극과 상기 흐름부극 사이의 이격된 공간에 상기 흐름정극 및 상기 흐름부극에 접하도록 배치되며,
    양이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 정극이온교환집전체가 상기 전해질 유로와 상기 흐름정극 사이에 배치되고,
    음이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 부극이온교환집전체가 상기 전해질 유로와 상기 흐름부극 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극어셈블리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 정극이온교환집전체는, 상기 전해질 유로에 접하는 음이온교환막과, 상기 흐름정극에 접하는 다공성정극판을 적층하여 이루어지고,
    상기 부극이온교환집전체는, 상기 전해질 유로에 접하는 양이온교환막과, 상기 흐름정극에 접하는 다공성부극판을 적층하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극어셈블리.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전해질 유로, 상기 흐름정극, 상기 흐름부극 중 어느 하나 이상에는 스페이서가 배치되는 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극어셈블리.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 흐름정극과 상기 흐름부극의 외측으로 폐쇄플레이트가 배치되는 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극어셈블리.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 양극교환양극과 상기 부극이온교환집전체는 파형을 이루는 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극어셈블리.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 전해질 유로, 상기 흐름정극, 상기 흐름부극 중 어느 하나 이상에는 다공성 골격부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극어셈블리.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 양극교환양극과 상기 전해질 유로와 상기 부극이온교환집전체는 파형을 이루는 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극어셈블리.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 흐름정극 또는 상기 흐름부극에는 다공성 골격부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극어셈블리.
  18. 제15항 또는 제17항에 있어서,
    상기 다공성 골격부재는, 다공평판인 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극장치. 것을 특징으로 축전식 흐름전극어셈블리.
  19. 전해질이 흐르는 전해질 유로;
    상기 전해질 유로의 일측으로 접하여 정극코어쉘이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극;
    상기 전해질 유로의 타측으로 접하여 부극코어쉘이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름부극;
    상기 전해질 유로와 상기 흐름정극 사이에 배치돼서 양이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 정극이온교환집전체; 및
    상기 전해질 유로와 상기 흐름부극 사이에 배치돼서 음이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 부극이온교환집전체를 포함하는 축전식 흐름전극장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 정극이온교환집전체는 다공성정극판이고, 상기 부극이온교환집전체는 다공성부극판인 것을 특징으로 하는 축전식 흐름전극장치.
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