KR20180083717A - 역전기투석 장치를 이용한 저 에너지 소비형 수산화나트륨 생산 장치 및 이를 이용한 하이브리드 시스템 - Google Patents

역전기투석 장치를 이용한 저 에너지 소비형 수산화나트륨 생산 장치 및 이를 이용한 하이브리드 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20180083717A
KR20180083717A KR1020170006330A KR20170006330A KR20180083717A KR 20180083717 A KR20180083717 A KR 20180083717A KR 1020170006330 A KR1020170006330 A KR 1020170006330A KR 20170006330 A KR20170006330 A KR 20170006330A KR 20180083717 A KR20180083717 A KR 20180083717A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sodium hydroxide
water
electrolyte solution
cathode
cell stack
Prior art date
Application number
KR1020170006330A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101895525B1 (ko
Inventor
김찬수
황교식
한지형
김한기
정남조
윤여일
김영은
남성찬
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020170006330A priority Critical patent/KR101895525B1/ko
Publication of KR20180083717A publication Critical patent/KR20180083717A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101895525B1 publication Critical patent/KR101895525B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/14—Alkali metal compounds
    • C25B1/16—Hydroxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01D—COMPOUNDS OF ALKALI METALS, i.e. LITHIUM, SODIUM, POTASSIUM, RUBIDIUM, CAESIUM, OR FRANCIUM
    • C01D1/00—Oxides or hydroxides of sodium, potassium or alkali metals in general
    • C01D1/04—Hydroxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/469—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
    • C02F1/4693—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis electrodialysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/22—Inorganic acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
    • C25B13/02—Diaphragms; Spacing elements characterised by shape or form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
    • C25B13/04—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B9/18—
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02B90/10—Applications of fuel cells in buildings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

수산화나트륨 생산 장치는 서로 대향하는 애노드와 캐소드, 상기 애노드와 캐소드 사이에 배치된 셀 스택, 상기 애노드와 상기 셀 스택 사이에 제공되는 제1 물 유로, 및 상기 캐소드와 상기 셀 스택 사이에 제공되는 제2 물 유로를 포함하고, 상기 캐소드에서 물 분해 반응에 따른 수산화이온과 수소가 발생하고, 상기 수산화이온이 상기 셀 스택으로부터 전달된 나트륨과 반응하여 수산화나트륨이 생산된다.

Description

역전기투석 장치를 이용한 저 에너지 소비형 수산화나트륨 생산 장치 및 이를 이용한 하이브리드 시스템{SODIUM HYDROXIDE MANUFACTURING APPARATUS USING REVERSE ELECTRODIALYSIS DEVICE AND HYBRID SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 수산화나트륨 생산 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 역전기투석 장치를 이용한 수산화 나트륨 생산 장치 및 이를 이용한 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
수산화나트륨은 비누, 제지, 펄프, 섬유, 염료, 의약품, 식품, 전기 등 모든 분야에 걸쳐 널리 사용된다. 이렇게 다양한 산업 분야에 걸쳐 여러 용도로 사용되는 수산화나트륨을 제조하는 가장 대표적인 방법은 클로르 알칼리 공정(Chlor-Alkali process)이다. 클로르 알칼리 공정은 고농도 염화나트륨 용액(예를 들면 고농축 염수)을 전기분해해서 수산화나트륨을 생산하는 공정이다.
그러나, 클로르 알칼리 공정은 전기분해를 위해 많은 전력 소비를 필요로 한다. 또한, 염화나트륨의 전기 분해로 인해 다량의 유독한 염소가스가 발생하기 때문에 이를 처리하기 위한 추가적인 공정을 필요로 한다.
본 개시는 저 에너지를 소비하거나 나아가 에너지를 생성하면서 수산화나트륨을 생산할 수 있는 장치를 제공하고자 한다.
본 개시는 또한 염소와 같은 유독한 부산물의 생성이 없이 수산화나트륨을 생산할 수 있는 청정 생산 장치를 제공하고자 한다.
본 개시는 또한 수산화나트륨과 함께 수소 또는 산소와 같은 유용한 부산물을 생산할 수 있는 생산 장치를 제공하고자 한다.
본 개시는 또한 수산화나트륨 생산 장치를 이용한 하이브리드 시스템을 제공하고자 한다.
실시예들에 따른 수산화나트륨 생산 장치는 서로 대향하는 애노드와 캐소드, 상기 애노드와 캐소드 사이에 배치된 셀 스택, 상기 애노드와 상기 셀 스택 사이에 제공되는 제1 물 유로, 및 상기 캐소드와 상기 셀 스택 사이에 제공되는 제2 물 유로를 포함하고, 상기 캐소드에서 물 분해 반응에 따른 수산화이온과 수소가 발생하고, 상기 수산화이온이 상기 셀 스택으로부터 전달된 나트륨과 반응하여 수산화나트륨이 생산된다.
본 개시에 따른 수산화나트륨 생산 장치는 역전기투석 장치에서 에너지를 생산하면서 이 에너지를 이용하여 물을 분해하고 물 분해로 인해 생성된 수산화이온을 이용하여 수산화나트륨을 생성할 수 있다. 따라서 물 분해 만으로 유독한 부산물의 생성 및 외부 에너지의 소비 없이 수산화나트륨을 생산할 수 있는 청정 생산 장치를 구현할 수 있다.
부수적으로 생성되는 수소는 연료전지로 공급될 수 있다. 따라서, 기존 연료전지의 문제점인 고에너지 소비의 수소 생산과 안전성 문제가 제기되는 저장 시설의 문제를 해소할 수 있다. 또한, 연료전지에서 필요로 하는 수소를 실시간으로 공급할 수 있으므로 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
부수적으로 생성되는 산소는 의료용, 용접용, 폐수처리, 수처리, 화학합성공정, 염료합성 등에 사용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 NaOH 생산 장치의 개략도이고,
도 2는 다른 실시예에 따른 NaOH 생산 장치의 개략도이고,
도 3은 또 다른 실시예에 따른 NaOH 생산 장치의 개략도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 NaOH 생산 장치를 적용한 하이브리드 시스템의 구성도이고,
도 5는 도 4에 도시한 연료전지 스택을 구성하는 연료전지 셀의 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명은 도시한 바로 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 NaOH 생산 장치의 구성도이다.
도 1을 참고하면, NaOH 생산 장치(100)는 역전기투석부(10)와 기액 분리 및 농축부(40)를 포함한다.
서로 대향하는 애노드(31)와 캐소드(32), 애노드(31)와 캐소드(32) 사이에 배채된 셀 스택(30)을 포함한다. 애노드(31)와 셀 스택(30) 사이에 제1 물 유로(CH1)가 캐소드(32)와 셀 스택(30) 사이에 제2 물 유로(CH2)가 제공된다.
셀 스택(30)은 교대로 설치되어 고농도 전해질 용액 유로(CH3)와 저농도 전해질 용액 유로(CH4)를 번갈아 형성하는 양이온 교환막(21)과 음이온 교환막(22)으로 이루어진다. 이웃한 두 개의 셀(20)은 양이온 교환막(21) 또는 음이온 교환막(22)을 공유한다.
고농도 전해질 용액 유입부(24)로부터 고농도 전해질 용액 유로(CH3)에 고농도 전해질 용액이 공급되고, 저농도 전해질 용액 유입부(26)로부터 저농도 전해질 용액 유로(CH4)에 저농도 전해질 용액이 공급된다. 도 1에서는 고농도 전해질 용액의 흐름 방향과 저농도 전해질 용액의 흐름 방향은 서로 반대 방향인 경우를 예시하고 있다. 그러나 고농도 전해질 용액의 흐름 방향과 저농도 전해질 용액의 흐름 방향은 동일 방향일 수도 있다.
이온은 고농도 전해질 용액에서 저농도 전해질 용액으로 이동하는데, 유로의 길이가 길어서 이동할 수 있는 시간이 길어지면 보다 많은 양의 이온이 이동하여 입구 측보다 출구 측에서 두 용액의 농도 차이가 줄어들게 된다. 따라서, 유로의 길이가 길 때에는 고농도 전해질 용액과 저농도 전해질 용액의 흐름 방향을 서로 반대로 하는 경우가 같은 방향으로 하는 경우보다 위치에 따른 농도 차이가 적어져서 성능 향상에 유리하고, 애노드(31)와 캐소드(32) 전체에 걸쳐 포텐셜이 일정하게 유지되어 수산화나트륨 생성에 더 유리할 수 있다.
고농도 전해질 용액은 염 농도가 35,000 mg/L 이상을 가지는 용액이고, 저농도 전해질 용액은 염 농도가 0~1,000 mg/L 를 가지는 용액일 수 있다. 고농도 전해질 용액으로는 해수(seawater)가 저농도 전해질 용액으로는 담수(fresh water)가 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며 상대적인 이온 농도차로 인하여 양이온과 음이온의 교환이 일어날 수 있도록 하는 물질의 조합이라면 어느 것이라도 적용가능하다. 보다 효율적인 NaOH의 생산을 위해서는 고농도 전해질 용액은 염 농도가 35,000 mg/L 이상을 가지는 것이 바람직하다.
셀 스택(30)으로 해수와 담수가 공급되는 경우를 예로 들면, 해수와 담수의 이온 농도차로 인하여 해수에 포함된 나트륨 양이온(Na+)이 양이온 교환막(21)을 통과하고, 염소 음이온(Cl-)이 음이온 교환막(22)을 통과한다. 고농도 전해질 유로(CH3)에서 배출되는 염분 농도가 낮아진 기수(brackish water)와, 저농도 전해질 유로(CH4)에서 배출되는 염분 농도가 높아진 기수는 배출구(28)를 통해서 셀 스택(30)의 외부로 배출된다.
전술한 과정에서 각 이온 교환막(21, 22) 사이에 전기화학 포텐셜이 생성된다. 그리고 이를 이용하여 애노드(31)에서 산화 반응이 일어나고, 캐소드(32)에서 환원 반응이 일어나며, 애노드(31)와 캐소드(32) 사이에 전자(e-)의 흐름이 생성되어 에너지, 즉 전기가 발생한다.
셀 스택(30)는 복수의 단위 셀(20), 예를 들어 10개 이상의 단위 셀(20)을 포함할 수 있다. 단위 셀(20) 수가 많아질수록 셀 전압이 높아지므로, 전극 용액으로 종래의 산화 환원쌍 물질(Redox Couple) 대신 물을 사용할 수 있다. 셀 전압은 물 분해 전압인 대략 1.2V 이상이 되어 애노드(31)와 캐소드(32)에서 물의 전기분해 반응이 일어날 수 있다.
즉, 화학식(1)과 같이 애노드(31)의 물의 산화 반응에 의해 산소 및 전자가 발생할 수 있다. 그리고, 화학식(2)와 같이 캐소드(32)에서 물의 환원 반응에 의해 수소 및 수산화이온이 발생하고 발생한 수산화이온은 셀 스택(30)으로부터 전달된 나트륨 이온(Na+)과 반응하여 수산화나트륨(NaOH)를 생성하게 된다.
[화학식 1]
H2O → 2H+ + 2e- + 1/2O2
[화학식 2]
2H2O + 2e- → H2 ↑ + 2OH-
2OH- + 2Na+ → 2NaOH
제1 물 유로(CH1)와 제2 물 유로(CH2)는 순환형 또는 비순환형으로 구성될 수 있다. 순환형으로 구성될 경우에는 제1 물 유로(CH1)는 연결관(33)을 통해 제2 물 유로(CH2)와 연결되고, 애노드(31)에서 생성된 수소 이온(H+)을 캐소드(32)와 접촉하고 있는 제2 물 유로(CH2)로 전달할 수 있다. 이 경우 애노드(31)에서 발생한 수소(H+) 이온을 캐소드(32)에서 이용할 수 있는 장점이 있으나, 산소(O2)는 캐소드(32)에서 수소 생성을 억제할 수 있기 때문에 연결관(33)에 보조 기액 분리장치(34)를 설치하여 산소 기체를 제거할 수 있다.
양이온 교환막(21)과 음이온교환막(22)은 저항(Resistance)과 두께는 낮추고 투과도(permselectivity)는 높일 수 있는 물질 또는 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.
애노드(31)와 캐소드(32)는 상이한 재질 또는 동일한 재질로 형성될 수 있다.
단기간 또는 일회용으로 사용하는 RED 일 경우에는 애노드(31)와 캐소드(32)는 각각의 산환 환원 반응을 최적화할 수 있는 서로 다른 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 애노드(31)는 이리듐(Ir)으로 캐소드(32)는 루테늄(Ru)으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
RED가 수차례에 걸쳐서 사용하도록 제조된 경우에는 애노드(31)와 캐소드(32)가 동일한 재질로 형성되는 것이 운전시 극성 변화가 일어나더라도 성능이 그대로 유지되도록 할 수 있다. 예를 들면 애노드(31)와 캐소드(32)는 티타늄(Ti) 베이스 위에 백금족 촉매 물질(Pt, Ir, Ru, Pd 등)이 코팅된 전극으로 이루어질 수 있다.
한편, 애노드(31)와 캐소드(32)는 다공성 물질로 형성되어 비표면적을 넓혀 주어서 많은 반응 사이트를 제공하는 것이 바람직하다. 또한 내부식성을 향상시키고 용량을 향상시킬 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 애노드(31)와 캐소드(32)는 금속 지지체 위에 다공성 구조 물질층, 예를 들면 카본 클로스(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt) 등이 형성된 용량성 전극으로 이루어질 수 있다. 금속 지지체는 Ti, Nb, Ta 메쉬 일 수 있다.
한편, 고농도 전해질 용액 유로(CH3)와 저농도 전해질 용액 유로(CH4)에는 스페이서(미도시)가 삽입될 수 있다. 스페이서는 양이온 교환막(21)과 음이온 교환막(22) 사이의 간격을 일정하게 기계적으로 유지하도록 하고 공급되는 용액의 난류 등을 일으켜 유로(CH3, CH4) 전 영역에 걸쳐 용액이 잘 공급되도록 하기 위해 삽입될 수 있다. 따라서 스페이서는 기공율이 큰 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 스페이서(190)는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 이루어진 망체로 구성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 필요에 따라서는 제1 물 유로(CH1) 및 제2 물 유로(CH2)에도 전극 스페이서(미도시)가 설치될 수 있다. 전극 스페이서가 삽입됨으로써 전기저항을 높일 수 있기 때문에 전극 스페이서는 전기전도도가 좋은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 전극 스페이서에는 Pt 등의 금속이 코팅되어 전기전도도가 향상될 수 있다.
종래의 역전기투석 장치는 애노드와 캐소드에서 발생하는 부산물인 가스상 물질(수소, 산소, 염소가스)을 억제하는 방향으로 기술 개발이 집중되었다. 그러나 본 실시예의 역전기투석부(10)는 셀(20) 수를 늘려 전기 에너지를 생성하고 전극용액으로 물만을 사용하여 물을 전기 분해하여 수산화이온(OH-)을 적극적으로 생성하고 이를 나트륨 이온과 반응시켜 친환경적으로 염소가스와 같은 부산물의 생성 없이 NaOH를 생성한다.
역전기투석부(10)에서 발생한 수소를 분리하고 NaOH를 농축시키기 위해서는 제2 물 유로(CH2)에 기액 분리 및 농축부(40)를 설치할 수 있다. 기액 분리 및 농축부(40)는 역전기투석부에서 수소, NaOH 및 물을 제공받는다. 이 후 기액 분리 및 농축부(40)에서 기체인 수소와 액체인 물을 분리하고 NaOH를 농축한다.
또한 기액 분리 및 농축부(40)에서 분리된 물은 보조 배관(41)을 통해 다시 역전기투석부(10)의 제1 물 유로(CH1)로 재공급될 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 NaOH 생산 장치(200)의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 다른 실시예에 따른 NaOH 생산 장치(200)는 제1 고농도 전해질 용액 주입부(24)와 제2 고농도 전해질 용액 주입부(25)를 포함한다.
제1 고농도 전해질 용액 주입부(24)는 캐소드(32)와 맞닿아 있는 셀의 고농도 전해질 용액 유로(CH3)에만 제1 고농도 전해질 용액을 주입하고, 제2 고농도 전해질 용액 주입부(25)는 나머지 고농도 전해질 용액 유로(CH3)에 제2 고농도 전해질 용액을 주입한다.
NaOH의 생산성을 향상시키기 위해서 제1 고농도 전해질 용액의 농도는 제2 고농도 전해질 용액의 농도보다 높다. 예를 들면 제1 고농도 전해질 용액은 염 농도가 35,000 mg/L 이고, 제2 고농도 전해질 용액은 염 농도가 35,000~200,000 mg/L 일 수 있다. 기타 나머지 구성요소는 도 1에 예시된 일 실시예에 따른 NaOH 생산 장치(100)와 동일하므로 설명을 생략한다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 NaOH 생산 장치(300)의 개략도이다.
도 3을 참조하면, 캐소드(32)와 맞닿아 있는 셀에 고체염 유로(CH5)를 포함한다. 고체염 유로(CH5)를 형성하여 캐소드(32)와 맞닿아 있는 셀의 전해질 용액의 농도를 높여서 캐소드(32)가 놓여 있는 제2 물 유로(CH2)와의 Na+ 이온 농도 차를 최대화할 수 있다. 고체염 유로(CH5)에는 (A)와 같이 압축된 고체염(150)을 삽입하거나, (B)와 같이 고체염(250)이 제공된 폼(260)을 삽입하거나, (C)와 같이 양이온 교환막(21)에 고체염(350)이 제공되거나, (D)와 같이 음이온 교환막(22)에 고체염(450)이 제공되는 형태로 고체염 유로(CH5)를 형성할 수 있다. 고체염이 제공된다는 것은 고체염이 대상물에 충진, 코팅, 부착, 압축, 흡착 등이 된 경우를 모두 포괄하는 의미로 사용한다. 폼(260)에는 고체염이 충진되는 방식으로, 이온 교환막(21, 22)에는 고체염이 코팅 또는 흡착되는 방식으로 제공될 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하다.
고체염(150, 250, 350, 450)은 Na+ 이온을 다량 생산할 수 있는 고체염이라면 어느 고체염이라도 가능하다. 예를 들면, NaCl, Na2S, Na2SO4, Na2CO3 등을 예로 들 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
고농도 전해질 용액 주입부(24)에서 고농도 전해질 용액 유로(CH3)에 고농도 전해질 용액을 저농도 전해질 용액 주입부(26)에서 저농도 전해질 용액 유로(CH4)에 저농도 전해질 용액을 주입하면, 고체염 채널(CH5)에 인접한 저농도 전해질 용액 유로(CH4)의 저농도 전해질 용액이 음이온 교환막(22)을 통해 흘러서 고체염 채널(CH5)로 전달되면 고체염(150, 250, 350, 450)이 해리되어 고농도의 Na+ 이온을 형성한다. 고농도의 Na+ 이온은 양이온 교환막(21)을 통해서 캐소드(32)가 설치되어 있는 제2 물 유로(CH2)로 전달되어 캐소드(32)에서 물의 환원 반응에 의해 생성된 OH- 이온과 반응하여 수산화나트륨(NaOH)를 생성하게 된다.
고체염(150, 250, 350, 450)의 표면은 다공성 물질로 코팅하여 사용함으로써 고체염(150, 250, 350, 450)의 용해 속도를 조절할 수 있다. 특히 염 농도가 증가하면 이온교환막(21, 22)이 오염되거나 부식될 수 있으므로 다공성 코팅 물질은 내오염성 또는 내부식성이 높은 물질이 적합하다. 예를 들면 다공성 코팅 물질로는 다공성 탄소계 물질(amorphous carbon, grapheme 등), 전도성 폴리머 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 전도성 폴리머의 경우에는 고체염(150, 250, 350, 450)의 전기저항을 줄여주는 추가적인 효과를 기대할 수 있다.
도 4는 도 1에 예시된 NaOH 생산 장치를 적용한 하이브리드 시스템(1000)의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 NaOH 생산 장치(100)는 탄화 공정 장치(50)와 하이브리드되어 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 생산하고, 연료 전지(61)와 하이브리드되어 에너지, 즉 전기를 생산할 수 있다.
구체적으로 NaOH 생산 장치(100)의 기액 분리 및 농축부(40)에서 생산된 NaOH는 탄화 공정 장치(50)의 원료로 공급되어 탄화 공정을 거쳐서 탄산수소나트륨(NaHCO3)를 생산할 수 있다.
또한 기액 분리 및 농축부(40)에서 분리된 수소는 연료전지(60)로 공급되어 연료전지(60)에서 에너지, 즉 전기를 생산하도록 한다. 분리된 수소는 연료전지(60)로 공급되고, 기액 분리된 물은 보조 배관(41)을 통해 다시 역전기투석부(10)로 재공급될 수 있다. 연료전지(60)는 수소와 산소의 전기화학 반응을 이용하여 전기를 생산하는 발전 장치로서, 공지된 여러 종류의 연료전지가 적용될 수 있다. 예를 들어, 연료전지(60)는 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 및 고분자 전해질형 연료전지 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
연료전지(60)는 크게 연료전지 스택(61)과, 연료전지 스택(61)으로 공기를 공급하는 공기펌프(62)와, 연료전지 스택(61)에서 나오는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 전력 변환기(63) 등을 포함한다. 연료전지 스택(61)은 직렬로 연결된 복수의 연료전지 셀을 포함하며, 촉매와 전해질의 종류 및 운전 온도에 따라 전술한 여러 종류로 분류된다.
연료전지 스택(61)은 물 공급관(59)을 통해 역전기투석부(10)의 제1 물 유로(CH1)와 연결되어 부산물로 생성된 물을 역전기투석부(10)로 공급한다. 이때 기액 분리 및 농축부(40)에 연결된 보조 배관(41)이 물 공급관(59)에 접속될 수 있다.
통상의 연료전지는 수소 공급을 위한 수소 생산 및 저장 시설이나, 개질 가스(수소 리치가스) 생산을 위한 연료 처리장치를 구비한다. 그러나 본 실시예의 연료전지(60)는 별도의 수소 생산 및 저장 시설이나 개질기를 포함한 연료 처리장치를 구비하지 않으며, NaOH 생산장치(100)에서 생산된 수소를 연료로 공급받아 발전을 행한다.
역전기투석부(10)의 수소 발생량은 역전기투석부(10)의 크기와 셀(20) 수 및 작동 조건 변화를 통해 조절 가능하다. 따라서 연료전지(60)에 필요한 수소를 실시간으로 생산하여 공급할 수 있다. 또한, 역전기투석부(10)에서 발생하는 수소는 전기를 생산하면서 부가적으로 발생하는 것으로서, 기존의 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 것보다 소비 에너지가 적다.
전술한 하이브리드 시스템(1000)은 역전기투석부(10)와 연료전지(60)를 결합시켜 역전기투석부(10)의 낮은 에너지 밀도를 보상하며, 기존 연료전지의 문제점인 고에너지 소비의 수소 생산과 안전성 문제가 제기되는 저장 시설의 문제를 해소할 수 있다. 또한, 연료전지(60)에서 필요로 하는 수소를 실시간으로 공급할 수 있으므로 연료전지(60)의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 탄화 공정 장치(50)의 원료인 NaOH를 역전기투석부(10)에서 자체적으로 생성되는 에너지를 이용하여 물 분해만으로 생성하기 때문에 NaOH를 저렴한 비용으로 생성해서 원료로 공급할 수 있기 때문에 탄화 공정 자체의 단가를 낮출 수 있다.
도 4에서는 하이브리드 시스템(1000)이 탄화 공정 장치(50) 및 연료전지(60)와 모두 연결된 경우를 예시하였으나 필요에 따라 어느 하나에만 하이브리드 될 수 있음은 물론이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200, 300: NaOH 생산 장치
10: 역전기투석부 20: 셀
30: 셀 스택 40: 기액 분리 및 농축부
60: 연료전지 61: 연료전지 스택

Claims (11)

  1. 서로 대향하는 애노드와 캐소드;
    상기 애노드와 캐소드 사이에 배치된 셀 스택;
    상기 애노드와 상기 셀 스택 사이에 제공되는 제1 물 유로; 및
    상기 캐소드와 상기 셀 스택 사이에 제공되는 제2 물 유로를 포함하고,
    상기 캐소드에서 물 분해 반응에 따른 수산화이온과 수소가 발생하고, 상기 수산화이온이 상기 셀 스택으로부터 전달된 나트륨과 반응하여 수산화나트륨이 생산되는 역전기투석을 이용한 수산화나트륨 생산 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 물 유로와 연결되어 상기 제2 물 유로로부터 상기 수산화나트륨, 상기 수소 및 물을 제공받고,
    상기 수소와 물을 분리시키고, 상기 수산화나트륨을 농축하는 기액분리 및 농축부를 더 포함하는 수산화나트륨 생산 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 기액 분리 및 농축부는 기액 분리된 물을 상기 제1 물 유로로 공급하는 수산화나트륨 생산 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 애노드에서는 산소, 수소 이온 및 전자가 발생하고,
    상기 수소 이온은 상기 제2 물 유로로 공급되고,
    상기 전자는 상기 캐소드로 전달되는 수산화나트륨 생산 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 셀 스택은 10 개 이상의 단위 셀을 포함하는 수산화나트륨 생산 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 셀 스택은 교대로 설치되어 다수의 저농도 전해질 용액 유로와 다수의고농도 전해질 용액 유로를 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막을 포함하고,
    상기 다수의 고농도 전해질 용액 유로 중 상기 제1 물 유로와 인접한 고농도 전해질 용액 유로에는 제1 고농도 전해질 용액이 나머지 고농도 전해질 용액 유로들에는 상기 제1 고농도 전해질 용액보다 농도가 낮은 제2 고농도 전해질 용액이 공급되는 수산화나트륨 생산 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 셀 스택은 상기 캐소드와 맞닿아 있는 양이온교환막과 이와 이격된 음이온 교환막 사이에 고체염을 포함하는 수산화나트륨 생산 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 고체염은 압축된 고체염, 폼에 충진된 고체염, 양이온 교환막에 제공된 고체염 또는 음이온 교환막에 제공된 고체염 중 어느 하나인 수산화나트륨 생산 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 고체염의 표면은 다공성 물질로 코팅된 수산화나트륨 생산 장치.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 수산화나트륨 생산 장치; 및
    상기 수산화나트륨 생산 장치로부터 상기 수산화나트륨을 공급받고 탄산수소나트륨을 생산하는 탄화 공정 장치와 상기 수산화나트륨 생산 장치로부터 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 및 반응 부산물일 물을 생성하는 연료 전지 중 적어도 하나인 하이브리드 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 연료전지는 상기 제1 물 유로와 연결되어 상기 반응 부산물인 물을 상기 제1 물 유로로 공급하는 하이브리드 시스템.
KR1020170006330A 2017-01-13 2017-01-13 역전기투석 장치를 이용한 저 에너지 소비형 수산화나트륨 생산 장치 및 이를 이용한 하이브리드 시스템 KR101895525B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170006330A KR101895525B1 (ko) 2017-01-13 2017-01-13 역전기투석 장치를 이용한 저 에너지 소비형 수산화나트륨 생산 장치 및 이를 이용한 하이브리드 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170006330A KR101895525B1 (ko) 2017-01-13 2017-01-13 역전기투석 장치를 이용한 저 에너지 소비형 수산화나트륨 생산 장치 및 이를 이용한 하이브리드 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180083717A true KR20180083717A (ko) 2018-07-23
KR101895525B1 KR101895525B1 (ko) 2018-09-05

Family

ID=63103174

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170006330A KR101895525B1 (ko) 2017-01-13 2017-01-13 역전기투석 장치를 이용한 저 에너지 소비형 수산화나트륨 생산 장치 및 이를 이용한 하이브리드 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101895525B1 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110904465A (zh) * 2019-10-22 2020-03-24 新疆中泰创新技术研究院有限责任公司 一种处理粘胶厂副产物芒硝的装置及其方法
KR20210000073A (ko) * 2019-06-24 2021-01-04 한국에너지기술연구원 산-염기 용액을 이용한 수소생산 장치
KR20210122990A (ko) * 2020-04-02 2021-10-13 한국에너지기술연구원 고농도 이온용액을 이용한 수소생산 장치
KR20220092147A (ko) * 2020-12-24 2022-07-01 한국에너지기술연구원 전기 화학 밸브 및 이를 포함하는 배양 장치
KR20230045665A (ko) * 2021-09-27 2023-04-05 한국에너지기술연구원 다중 에너지 생산 시스템

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR910001138B1 (ko) * 1988-07-26 1991-02-25 테네코 캐나다 인코오퍼레이티드 이산화염소와 수산화나트륨의 제조방법
KR20140076540A (ko) * 2014-05-29 2014-06-20 (주) 테크윈 해수전해 및 연료전지 복합시스템
KR20160035140A (ko) * 2014-09-22 2016-03-31 한국전력공사 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR910001138B1 (ko) * 1988-07-26 1991-02-25 테네코 캐나다 인코오퍼레이티드 이산화염소와 수산화나트륨의 제조방법
KR20140076540A (ko) * 2014-05-29 2014-06-20 (주) 테크윈 해수전해 및 연료전지 복합시스템
KR20160035140A (ko) * 2014-09-22 2016-03-31 한국전력공사 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
H.Strathmann. Desalination. 2010., 264, pp.268~288 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210000073A (ko) * 2019-06-24 2021-01-04 한국에너지기술연구원 산-염기 용액을 이용한 수소생산 장치
CN110904465A (zh) * 2019-10-22 2020-03-24 新疆中泰创新技术研究院有限责任公司 一种处理粘胶厂副产物芒硝的装置及其方法
KR20210122990A (ko) * 2020-04-02 2021-10-13 한국에너지기술연구원 고농도 이온용액을 이용한 수소생산 장치
KR20220092147A (ko) * 2020-12-24 2022-07-01 한국에너지기술연구원 전기 화학 밸브 및 이를 포함하는 배양 장치
KR20230045665A (ko) * 2021-09-27 2023-04-05 한국에너지기술연구원 다중 에너지 생산 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR101895525B1 (ko) 2018-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101895525B1 (ko) 역전기투석 장치를 이용한 저 에너지 소비형 수산화나트륨 생산 장치 및 이를 이용한 하이브리드 시스템
CN103459674B (zh) 用于盐溶液去极化电渗析的槽
JP3007137B2 (ja) 電解オゾン発生方法及び装置
JP2000104189A (ja) 過酸化水素の製造方法及び製造用電解槽
TWI622666B (zh) 電解水生成裝置
JP5069292B2 (ja) 電気化学的な水処理のための装置
KR20100123797A (ko) 물로부터 직접 과산화수소의 전기분해 합성 및 이의 응용
US20130228459A1 (en) Electrolyzed water producing apparatus
KR100634889B1 (ko) 차아염소산나트륨 발생장치
KR101892692B1 (ko) 역전기투석 장치와 연료전지를 이용한 하이브리드 발전 시스템
WO2001004383A1 (fr) Procede d'electrolyse de chlorure alcalin
JP4768988B2 (ja) 電解液濾過電気化学セル用の分配部材
JP2020508849A (ja) 電極が隔離された廃水処理用の電気化学セルのスタック
EP3161185B1 (en) Narrow gap, undivided electrolysis cell
JP2012193428A (ja) 電解液分解装置及びそれを用いた電解液の分解方法
CN111032919A (zh) 电解池及电解池用电极板
JP2018076579A (ja) 水電解装置、機能水の製造方法
JP2007059196A (ja) 発電システム
JP2006291330A (ja) 水素製造方法及び装置
JPH09202986A (ja) ３室型電解槽
JP2006219746A (ja) 水素製造方法及び装置
JPH09217185A (ja) ３室型電解槽
JP2024000171A (ja) 電解装置
JP2004285427A (ja) ガス拡散電極を備えたイオン交換膜電解槽
JP2001340855A (ja) アルカリイオン水生成装置及びその生成方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant