KR20180124608A - 효율적인 수소-전기 생산이 가능한 역전기 투석 장치를 이용한 하이브리드 발전 시스템 및 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션 - Google Patents

효율적인 수소-전기 생산이 가능한 역전기 투석 장치를 이용한 하이브리드 발전 시스템 및 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션 Download PDF

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Abstract

에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션이 제공된다. 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션은 염수 및 담수의 염분차를 이용하여 물 분해 반응에 의해 수소를 발생시킴과 동시에 전기를 생성하는 역전기투석 장치, 상기 역전기투석 장치에서 생성된 수소가 공급되는 수소충전기, 상기 역전기투석 장치에서 생성된 전력을 변환하는 전력 변환기, 및 상기 전력 변환기로부터 변환된 전력을 공급받는 전기충전기를 포함한다. 역전기투석 장치의 전극 반응용기는 수소생산속도를 높이면서 수소를 효율적으로 포집할 수 있도록 구성된다.

Description

효율적인 수소-전기 생산이 가능한 역전기 투석 장치를 이용한 하이브리드 발전 시스템 및 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션{HYBRID POWER GENERATION SYSTEM AND SELF SUPPORTING HYDROGEN-ELECTRICITY COMPLEX CHARGE STATION USING REVERSE ELECTRODIALYSIS POWER GENERATION APPARTUS WITH EFFECTIVE HYDROGEN-ELECTRICITY GENERATION}
본 발명은 역전기투석 장치에 관한 것으로서, 효율적인 수소-전기 생산이 가능한 역전기투석 장치를 이용한 하이브리드 발전 시스템 및 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션에 관한 것이다.
염분차 발전 장치는 염수와 담수의 염도 차이를 이용하여 전기를 생산한다. 이 중에서 역전기투석(reverse electrodialysis, RED)은 해수와 담수의 염도 차이를 이용하여 전기를 생산하는 기술로서, 전기를 공급하여 전해질 농도 차이를 발생시키는 일반적인 전기투석 공정과 반대의 공정으로 에너지를 얻는다. 역전기투석 장치는 전극 용액으로 산화 환원쌍(redox couple) 물질을 사용하여 이온 교환막들의 화학 퍼텐셜 차이를 전기 퍼텐셜 차이로 변환시킨다.
이온교환막 셀 수가 수백 개 이상인 대형 역전기투석 장치에서는 물 산화환원반응을 일으키는 전압을 훨씬 웃도는 막 전압 때문에 물 산화환원반응이 불가피하게 일어난다. 이 때 기존의 메쉬형(mesh type) 전극을 사용하게 되면 물 산화환원반응에 의해서 만들어지는 기포들이 메쉬 사이에 갇히게 되어 전극 표면적을 감소시키는 문제가 발생한다.
한편, 종래의 역전기투석 장치에서는 산화환원반응을 일으키는 데 필요한 최소한의 전압, 즉 과전압(overpotential)이 적은 산화환원종(Redox Couple)인 페리시안화물/페로시안화물 또는 Fe2 +/3+ 를 전극용액으로 가장 많이 사용한다. 하지만 이들 산화환원종을 사용할 경우 염수 또는 담수와 비교했을 때 상대적으로 높은 독성을 가지고 있어서 역전기투석 장치로부터 나오는 전극용액 물질을 바로 배출할 수 없다.
또한 이들 산화환원종은 화학적 안정성이 낮아서 역전기투석 장치의 장기 성능을 저하시킨다. 페리시안화물/페로시안화물을 산화환원종으로 사용할 경우에는 물 산화반응이 애노드에서 일어나면서 전극계면의 용액 pH가 낮아져 페리시안화물/페로시안화물이 깨져 자유 페리 이온(free ferric, Fe3 +) 또는 페로스 이온(free ferrous ion, Fe2 +) 이 만들어진다. 이러한 반응 생성물은 깨지지 않은 페리시안화물 또는 페로시안화물과 반응하여 파란 침전물을 만든다. 이 침전물이 전극 표면에 달라붙어 전극의 유효면적을 감소시킨다. 그 결과 전기화학 반응에 참여하는 산화-환원종의 농도가 감소하고, 장기적으로 역전기투석 장치를 운전했을 때 전력이 감소한다. Fe2 +/3+ 을 산화환원종으로 사용할 경우에는 물 환원 반응에 의해서 전극계면의 용액 pH가 높아져 페릭옥시하이드록사이드(ferric oxyhydroxide) 침전물이 생긴다.
본 개시는 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션을 제공하고자 한다.
본 개시는 수소를 실시간 및 저비용으로 생산하면서 역전기투석 장치와 연료 전지 모두에서 전기를 생산할 수 있는 하이브리드 발전 시스템을 제공하고자 한다.
실시예들에 따른 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션은 염수 및 담수의 염분차를 이용하여 물 분해 반응에 의해 수소를 발생시킴과 동시에 전기를 생성하는 역전기투석 장치, 상기 역전기투석 장치에서 생성된 수소가 공급되는 수소충전기 및 상기 역전기투석 장치에서 생성된 전기를 공급받는 전기충전기를 포함한다.
역전기 투석 장치는 염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어지고 적어도 10개 이상의 단위 셀이 적층되어 상기 물 분해 반응에 필요한 막 전압을 제공하는 셀 스택, 상기 셀 스택의 양단에 설치되고 각각 수용액이 담기는 캐소드 챔버 및 애노드 챔버, 상기 캐소드 챔버 내에 설치된 적어도 하나 이상의 선형 캐소드로 상기 캐소드 챔버내에서 상기 물의 환원 반응에 의해 상기 수소를 발생시키는 캐소드, 및 상기 애노드 챔버 내에 설치된 애노드로 상기 애노드 챔버내에서 물의 산화 반응에 의해 산소와 전자를 발생시키는 애노드를 포함하고, 상기 애노드 챔버에서 발생한 상기 전자가 부하를 거쳐 상기 캐소드 공급되면서 상기 전력을 생산하는 역전기 투석 장치일 수 있다.
상기 셀 스택과 상기 캐소드 챔버 및 상기 애노드 챔버의 사이에 각각 상기 캐소드 챔버 용액 및 상기 애노드 챔버 용액와 연통하는 메쉬형 엔드 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 캐소드의 말단과 상기 엔드 플레이트는 이격되어 있다.
상기 캐소드 챔버와 상기 애노드 챔버에는 페리시안화물/페로시안화물 또는 Fe2+/3+ 없는 수용액이 공급될 수 있다.
상기 수용액은 0 이상 5.8g/L 이하의 염을 더 포함하는 수용액일 수 있다.
상기 캐소드 챔버에서 생성된 수소는 상기 수소충전기에 직접적으로 공급될 수 있다.
상기 애노드는 선형 또는 메쉬형 전극일 수 있다.
상기 염수 채널과 담수 채널은 주기적으로 서로 스위칭할 수 있다.
실시예들에 따른 하이브리드 발전 시스템은 염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어지고 적어도 10개 이상의 단위 셀이 적층되어 상기 물 분해 반응에 필요한 막 전압을 제공하는 셀 스택, 상기 셀 스택의 양단에 설치되고 각각 수용액이 담기는 캐소드 챔버 및 애노드 챔버, 상기 캐소드 챔버 내에 설치된 적어도 하나 이상의 선형 캐소드로 상기 캐소드 챔버내에서 상기 물의 환원 반응에 의해 상기 수소를 발생시키는 캐소드, 및 상기 애노드 챔버 내에 설치된 애노드로 상기 애노드 챔버내에서 물의 산화 반응에 의해 산소와 전자를 발생시키는 애노드를 포함하고, 상기 애노드 챔버에서 발생한 상기 전자가 부하를 거쳐 상기 캐소드 공급되면서 상기 전력을 생산하는 역전기 투석 장치, 및 상기 역전기투석 장치로부터 상기 수소를 공급받고, 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 전기 및 반응 부산물인 물을 생산하는 연료전지를 포함한다.
상기 연료전지는 상기 반응 부산물인 물을 상기 캐소드 챔버와 상기 애노드 챔버로 공급할 수 있다.
본 개시에 따른 수소-전기 생산이 가능한 역전기투석 장치는 화학적 독성이있는 산화환원종을 사용하지 않고 물 산화환원 반응만으로 수소-전기를 생산하므로 친환경 에너지 생산 장치를 구현할 수 있다.
본 개시에 따른 역전기투석 장치는 충분한 양의 수소 생산이 가능하므로 연료 전지의 수소 공급원으로 사용될 수 있다. 따라서 기존 연료 전지의 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.
본 개시에 따른 역전기투석 장치는 전기생산과 동시에 수소생산이 가능하므로 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션의 구성도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션을 구성하는 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 장치의 단면도와 상면도이다.
도 3은 종래의 일반적인 역전기투석 장치의 개략도이다.
도 4는 종래의 역전기투석 장치의 메쉬 형태의 캐소드에 수소 버블이 맺힌 현상을 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기 투석 장치의 운전 방법에 대한 개략도이다.
도 6은 종래의 역전기투석장치와 선형 전극을 이용한 역전기투석장치의 전류에 따른 전력을 도시한 그래프이다. 도 7은 전극 끝과 셀 스택 간의 거리에 따른 생성되는 에너지의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 장치와 연료전지를 하이브리드한 하이브리드 생산 장치를 적용한 하이브리드 시스템의 구성도이다.
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 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션의 구성도이다.
에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션은 수소와 전기를 동시에 생산하는 대용량 역전기투석 염분자 발전 장치(100), 대용량 역전기투석 염분차 발전 장치(100)에서 생산된 수소와 전기가 각각 공급되는 수소 충전기(170)와 전기 충전기(180)를 포함한다.
대용량 역전기투석 염분차 발전 장치(100)는 셀 스택을 이루는 단위 셀의 수가 적어도 50개 이상, 바람직하기로는 1000셀 이상이 되는 대용량 장치이다. 이 경우 셀 스택에 형성되는 막 전압은 7.5V 이상 100V 이상이 될 수 있으며 충분한 물 분해 반응이 일어나도록 할 수 있다. 대용량 역전기투석 염분차 발전 장치(100)의 구체적인 구성은 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명하도록 한다.
대용량 역전기투석 염분차 발전 장치(100)에서 생산된 수소는 수소충전기(170)에 공급된다. 수소충전기(170)에 충전된 수소는 이후 연료전지자동차(175)를 충전하는데 사용될 수 있다. 수소충전기(170)에 공급되기 전에 대용량 역전기투석 염분차 발전 장치(100)에서 생산된 수소는 수소분리장치(155)를 거친 후 수소충전기(170)에 공급될 수 있다. 대용량 역전기투석 염분차 발전 장치(100)에 사용되는 전극 용액으로 순수한 물을 사용할 경우에는 수소분리장치(155)가 필요하지 않으며 염을 포함하는 수용액을 사용할 경우에는 수소분리장치(155)가 필요할 수 있다.
역전기투석 장치(100)에서 생산된 전기는 전기충전기(180)에 저장된 후 이후 전기자동차(185)를 충전하는데 사용될 수 있다. 도면에는 도시되어 있지 않지만 역전기 투석 장치(100)에서 생산된 전기는 전력 변환기를 통해 전기충전기(180)의 종류에 따라 전력을 변환할 수 있다. 일반적으로 급속충전기는 DC로 공급되며, 완속 및 홈 충전기 방식은 AC로 전력이 공급된다. 역전기투석 장치(100)는 필요에 따라 상시 전력생산이 가능하므로 전기충전 장치에 직접 공급이 가능하며, 잉여 발전량은 전력망(187)으로 공급될 수 있다.
역전기투석 장치(100)에 공급되는 담수(103)와 염수(105)는 취수 및 전처리부(101)에 의해 처리된 담수(103)와 염수(105)를 이용할 수 있으며, 취수 및 전처리부(101), 역전기투석 장치(100)의 오염 모니터링부(미도시), 대용량 역전기투석 염분차 발전 장치(100)의 셀 스택이 오염되었을 경우 이를 화학적 또는 물리적으로 세정하는 막 재생부(미도시)와 관련해서는 본 출원인의 선행 출원인 KR 10-2015-0161014 의 설명으로 대신한다.
도 2a 및 도 2b는 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션을 구성하는 본 발명의 일 실시예에 따른 대용량 역전기투석 염분차 발전 장치(100)의 단면도와 상면도를 각각 나타낸다.
도 2a 및 도 2b를 참고하면, 대용량 역전기투석 염분차 발전 장치(100)는 셀 스택(10), 캐소드 챔버(30) 및 애노드 챔버(40)로 구성된다.
셀 스택(10)은 고농도 전해질 용액(HC) 예컨대 염수가 공급되는 유로(CH1)와 저농도 전해질 용액(LC) 예컨대 담수가 공급되는 유로(CH2) 를 번갈아 형성하는 양이온 교환막(11)과 음이온 교환막(12)으로 이루어진다. 이웃한 두 개의 단위 셀(unit cell)은 양이온 교환막(11) 또는 음이온 교환막(12)을 공유한다.
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. 그리고 셀 스택(10)에 유입되기 전에 다양한 전처리 시설(도 1의 101 참조)이 설치 가능하다면 고농도 전해질 용액(염수)으로는 산업 폐염수, 해수, 인공염수 등이 사용될 수 있다. 저농도 전해질 용액(담수)으로는 산업냉각수, 하수방류수, 하천수, 수도물 등이 사용될 수 있다. 이하에서는 고농도 전해질 용액(HC)으로 염수를 저농도 전해질 용액(LC)으로 담수를 예로 들어 설명한다.
도 2a 및 도 2b에서는 염수의 흐름 방향과 담수의 흐름 방향은 서로 반대 방향인 경우를 예시하고 있다. 그러나 염수의 흐름 방향과 담수의 흐름 방향은 동일 방향일 수도 있다. 이온은 염수에서 담수로 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 염수와 담수의 흐름 방향을 서로 반대로 하는 경우가 같은 방향으로 하는 경우보다 위치에 따른 농도 차이가 적어져서 성능 향상에 유리할 수 있다.
셀 스택(10)의 양단에는 엔드 플레이트(21,22)가 각각 설치된다. 엔드 플레이트(21, 22)는 염수와 담수의 펌핑 압력에 의해 셀 스택(10)의 양이온 교환막(11)과 음이온 교환막(12)이 서로 팽창되는 현상을 막기 위해 셀 스택(10) 양단 쪽에 설치한다. 엔드 플레이트(21, 22)는 각각 이웃한 캐소드 챔버(30) 및 애노드 챔버(40)와 개방부를 통해 서로 연통한다. 엔드 플레이트(21, 22)는 메쉬형처럼 일정한 오픈 영역(open area)를 갖고 있다. 엔드 플레이트(21,22)가 메쉬형으로 구성됨으로써 셀 스택(10)의 팽창을 막고 셀 스택(10)이 캐소드 챔버(30) 또는 애노드 챔버(40)의 용액과 바로 접촉할 수 있도록 한다. 엔드 플레이트(21, 22)는 플라스틱만으로 구성될 수도 있고, 금속으로 이루어질 수도 있다. 금속 메쉬의 경우에는 티타늄 메쉬 등이 사용될 수 있다.
엔드 플레이트(21, 22)와 연접하여 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)가 배치된다. 캐소드 챔버(30)에 적어도 하나 이상의 선형의 캐소드(32)가 배치되는 것이 수소 발생에 적합하다. 애노드 챔버(40)에는 메쉬형 전극, 선형 전극 중 어느 하나의 전극이 사용될 수 있다. 도 2a에는 선형 애노드(42)가 예시되어 있으나 메쉬형 애노드가 배치될 수도 있다. 셀 스택(10)으로 공급된 염수와 담수의 이온 농도차로 인하여 염수에 포함된 나트륨 양이온(Na+)이 양이온 교환막(11)을 통과하고, 염소 음이온(Cl-)이 음이온 교환막(12)을 통과한다. 고농도 전해질 유로(CH1)에서 배출되는 염분 농도가 낮아진 기수(brackish water)와, 저농도 전해질 유로(CH2)에서 배출되는 염분 농도가 높아진 기수는 배출구(미도시)를 통해서 셀 스택(10)의 외부로 배출된다.
전술한 과정에서 각 이온 교환막(11, 12) 사이에 전기화학 포텐셜이 생성된다. 그리고 이를 이용하여 애노드(42)에서 산화 반응이 일어나고, 캐소드(32)에서 환원 반응이 일어나며, 애노드(42)와 캐소드(32) 사이에 전자(e-)의 흐름이 생성되어 에너지, 즉 전기가 발생한다. 애노드 챔버(40)에서 발생한 전자는 부하(load)를 거쳐 캐소드 챔버(30)로 전달될 수 있다.
셀 스택(10)는 복수의 단위 셀(unit cell), 예를 들어 10개 이상의 단위 셀을 포함할 수 있다. 단위 셀 수가 많아질수록 셀 전압이 높아지므로, 전극 용액으로 종래의 산화환원종 대신 물을 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 대용량 역전기투석 염분차 발전 장치(100)에서는 셀 스택(10)의 전압이 물 전기분해 전압인 대략 1.23V 이상이 되어 애노드(42)와 캐소드(32)에서 물의 전기분해 반응이 일어날 수 있다. 또한, 캐소드 챔버(30)의 용액의 pH와 애노드 챔버(40)의 용액의 pH를 다르게 할 경우에는 물 분해 전압을 더 낮출 수도 있다. 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)를 비순환형으로 독립적으로 사용할 경우 캐소드 챔버(30)의 용액과 애노드 챔버(40)의 용액의 pH를 각각의 반응에 유리한 pH로 조절하여 사용할 수 있다. 예를 들어 환원 반응이 일어나는 캐소드 챔버(30)의 용액은 산성 용액으로 산화 반응이 일어나는 애노드 챔버(40)의 용액은 염기성 용액으로 조절할 수 있다. 이 때의 이론적인 물 분해 전압은 0.4V 정도가 될 수 있다. 따라서 셀 스택(10)에 걸리는 전압이 0.4V 이상이면 물 전기 분해반응이 일어날 수 있다. 결론적으로, 캐소드 챔버(30)의 용액과 애노드 챔버(40)의 용액의 pH에 따라 이론적인 물의 전기분해 전압은 달라지며 이 전압보다 높은 전압을 갖는 셀 전압이 생성되면 물 전기분해 반응을 일으켜서 수소 기체를 생산할 수 있다.
이와 같이 셀 스택(10)의 셀 수를 10셀 이상, 나아가 몇 백셀 이상으로 하면 대용량 역전기투석 염분차 발전 장치(100)의 전체 저항 성분 중에 전극 저항의 비율이 현저히 작아지기 때문에 순수 물 또는 담수를 전극 용액으로 사용하더라도 전극 용액 저항에 의한 전력 감소량 및 수소 생산량 감소량은 무시할 수 있을 정도의 양이 된다. 즉, 순수 물로도 수소를 생산할 경우 기존의 물의 전기분해(water electrolysis)에 의한 수소 생산에 비해 다양한 장점이 있다. 기존의 물 전기분해에서는 용액 저항의 영향이 크기 때문에 순수 물을 전해질로 사용할 수 없어서 순수 물을 전해질로 사용하지 않는다. 반면 본 발명의 대용량 역전기투석 염분차 발전 장치(100)에서는 캐소드 챔버(30)에 기존의 산화환원종을 사용하지 않고 순수 물만을 공급해서 수소를 생산하기 때문에 더욱 더 순수한 수소 기체를 생산할 수 있다. 따라서, 수소분리막 같은 추가적인 분리장치없이 바로 연료전지에 연결할 수 있게 된다.
물론 캐소드 챔버(30)의 용액 저항을 낮추기 위해서는 필요에 따라 염이 용해된 수용액을 사용할 수 있다. 예를 들면, NaCl 또는 Na2SO4 가 2.92g/L ~ 5.8g/L로 용해된 수용액을 사용할 수도 있다. 염이 용해되어 있을 경우 전극 용액의 저항이 감소하는 효과를 볼 수 있으나, 앞에서도 설명한 바와 같이 셀 수가 많아지게 되면 전극 용액의 저항의 영향은 미미하므로 순수 물 또는 담수를 전극용액으로 사용할 수 있다.
즉, 화학식(1)과 같이 애노드(42)에서 물의 산화 반응에 의해 산소 및 전자가 발생할 수 있다. 애노드 챔버(40)의 용액에 염화나트륨이 녹아있는 경우에는 염화 이온이 산화되어 화학식(2)와 같이 염소기체를 발생할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
그리고, 화학식(3)와 같이 캐소드(32)에서 물의 환원 반응에 의해 수소 및 수산화이온이 발생할 수 있다.
Figure pat00003
캐소드(32)로 메쉬형 전극 대신 선형 전극을 사용하면 전기화학적 활성면적이 작아지게 되어 계면 저항이 커진다. 큰 저항에 큰 전압이 걸리기 때문에 (옴의 법칙) 셀 스택(10)의 막 전압의 상당 부분이 캐소드(32) 계면에 걸리게 되어 수소 발생 속도가 급속히 증가할 수 있다. 애노드(42)의 경우에도 면적이 작을수록 애노드 계면 걸리는 전압이 커져 산소 발생 속도 또는 염소 기체 발생속도가 급속히 증가할 수 있다. 따라서, 애노드 챔버(40)에서 산소 발생 또는 염소 발생을 증가시키고자 할 경우에는 애노드(42)도 선형 전극을 사용할 수 있지만 산소 발생 또는 염소 발생이 주된 목적이 아니고 전기 생산이 주된 목적이라면 애노드(42)는 메쉬형 전극으로 형성하는 것이 더 바람직할 수 있다.
캐소드(32)와 애노드(42)는 전극 면적을 줄여 전극 계면에 가해지는 전압을 증가시킴으로써 전기화학 반응속도 및 전류를 증가시키는 작용을 담당하기 때문에 종래와 같이 Pt 등의 귀금속으로만 형성하지 않아도 가능하다. 예를 들면, 탄소, 티타늄, 니켈, 망간, 구리 등 비귀금속을 전극으로 사용 가능하다.
캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)는 종래의 역전기투석 장치 대비 그 부피를 10배 이상, 바람직하기로는 25배 이상, 더욱 바람직하기로는 50배 이상으로 크게 할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에서 미설명 도면 부호 35 및 45는 각각 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)의 용액 주입구이다. 도면 부호 32a와 42a는 각각 캐소드(32)와 애노드(42)의 주입구이다.
도 3은 종래의 일반적인 역전기투석 장치의 개략도이다. 종래의 경우에는 엔드 플레이트(221, 222) 안 쪽에 캐소드(232)과 애노드(242)가 표면적이 넓은 메쉬 형태로 형성된다. 그리고, 셀 스택(210)의 전면과 100 내지 200㎛ 두께를 가지고 오픈 영역(open area)의 비율이 약 50% 정도인 스페이서를 사이에 두고 접촉하는 형태로 형성된다. 또한, 캐소드 챔버(230) 및 애노드 챔버(240)는 캐소드(232)과 애노드(242)을 담을 수 있을 정도로만 형성된다. 캐소드(232)와 애노드(242)는 전극 연결부(240)을 통해 외부 로드(미도시)와 연결된다. 개스킷(gasket)(250)은 셀 스택(10)과 엔드 플레이트(221, 222) 사이의 공간을 밀폐(sealing)하여 캐소드 챔버(230)와 애노드 챔버(240) 에서 용액이 새는 것을 방지하기 위한 것이다. 종래의 역전기투석 장치(200)의 캐소드 챔버(230) 및 애노드 챔버(240)의 폭(w)은 애노드(242) 또는 캐소드(232)의 폭과 거의 실질적으로 동일하다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 장치(100)의 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)의 폭(W)은 캐소드(32) 및 애노드(42)의 폭에 제한을 받지 않는다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 장치(100)의 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)의 폭(W)은 종래의 일반적인 역전기투석 장치(200)의 캐소드 챔버(230) 및 애노드 챔버(240)의 폭(w)보다 10배 이상, 바람직하기로는 25배 이상, 더욱 바람직하기로는 50배 이상으로 크게 할 수 있다. 따라서, 종래와 같은 높이와 길이로 형성한다고 하면 그 부피를 10배 이상, 바람직하기로는 25배 이상, 더욱 바람직하기로는 50배 이상으로 크게 할 수 있다. 예를 들면 종래의 캐소드 챔버(230)의 크기가 특히 2.5㎤ 라면 본 발명의 실시예에 따른 캐소드 챔버(30)의 크기는 125㎤ 일 수 있다. 캐소드 챔버(30)의 크기를 크게 할 경우 충분한 물 분해 반응이 일어나도록 할 수 있으며, 물 분해 반응의 결과로 얻어진 수소를 챔버 상부에 연결된 포집 기둥(50a)을 통하여 외부로 포집하기가 용이해진다.
도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 장치(100)에서 발생하는 수소는 전기를 생산하면서 동시에 발생하는 것으로서, 기존의 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 것보다 소비 에너지가 적다. 종래의 역전기투석 장치를 구동할 때에는 해수 담수 펌핑 에너지가 필요하다. 역전기투석 장치에서 발생하는 전력에서 펌핑 에너지를 뺀 값이 실제 얻을 수 있는 알짜 에너지(net energy)이다. 소형 셀에서는 펌핑 에너지가 상대적으로 커서 알짜 에너지가 음의 값을 나타낸다. 반면 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 장치(100)에서는 출력 자체가 높아져서 펌핑 에너지를 빼더라도 양의 값이 알짜 에너지를 얻을 수 있다. 따라서, 대형 셀에서의 수소 발생 및 전력 생산은 추가적인 에너지가 필요하지 않을 수 있다. 선형 전극을 사용함으로써 거리 저항에 의한 전체 내부 저항 증가로 수소 생산 및 전력 생산을 포함한 알짜 에너지가 감소할 수 있으나, 추가적인 외부 에너지가 필요하지 않기 때문에 기존의 외부 전압을 가하여 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 물 전기분해 방식에 비해서는 소비 에너지가 훨씬 적게된다.
도 3에 예시된 종래의 역전기투석 장치(200)에서는 캐소드(232)와 애노드(242)는 각각 셀 스택(210)의 이온교환막과 매우 가까운 거리(약 0.1~0.2 mm)에 있다. 또한 애노드 챔버 캐소드 챔버는 전극용액으로 완전히 채워진다. 따라서, 도 3에 예시된 종래의 역전기투석 장치에서 수소를 발생시키면 발생된 수소가 캐소드(232) 및 애노드(242)와 이온교환막의 계면에 흡착되는 현상이 발생한다. 따라서, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 메쉬 형태의 캐소드(232)에 수소 버블이 맺힌다. 수소 버블이 맺히면 캐소드(232)의 전기화학적 활성 표면이 감소한다.
반면, 도 2a 및 도 2b에 예시된 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 장치(100)에서는 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)의 크기를 최대한 크게 할 수 있다. 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)의 크기를 크게 하면 할수록 선형의 캐소드(32)와 애노드(42)의 말단을 셀 스택(10)과 비접촉하도록 할 수 있다. 구체적으로는 각각의 엔드 플레이트(21, 22)와 비접촉하면서도 가능한 거리를 가까이하여 전력 생산량에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다. 예를 들면, 적어도 수 밀리미터에서 수 센티미터 이하로 떨어져 위치하도록 할 수 있다. 캐소드 및 애노드(32, 42)의 말단이 셀 스택(10)과 떨어져 위치하고 선형으로 형성될 경우 종래와 같이 전극 계면에서 발생하는 수소 기체가 막 표면에 흡착되는 문제가 발생하지 않는다.
캐소드 챔버(30)의 전극 용액과 애노드 챔버(40)의 전극 용액은 비순환형으로 구성되어 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)는 각각 독립적으로 구성될 수 있다. 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)를 각각 독립적으로 구성할 경우 캐소드 챔버(30)에서 발생하는 수소와 애노드 챔버(40)에서 발생하는 산소 또는 염소 기체가 서로 섞이지 않기 때문에 포집한 후 이를 다시 분리하는 과정이 필요 없게 된다.
따라서 캐소드 챔버(30)에는 수소 포집기(50)가 설치되어 수소를 포집하고,애노드 챔버(40)에는 산소 또는 염소 포집기(60)가 각각 설치되어 산소 또는 염소를 포집한다.
경우에 따라서는 캐소드 챔버(30)와 애노드 챔버(40)의 전극 용액이 순환되도록 형성할 수 있다. 이 경우에는 애노드(42)에서 발생한 수소 이온(H+)를 캐소드(32)에서 이용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 산소가 같이 공급될 경우 캐소드(32)에서 수소가 생성되는 것을 억제하므로 연결관에 기액 분리 장치를 설치하여 산소 기체를 따로 분리한 후 수소 이온만을 포함하는 전극 용액이 캐소드 챔버(30)로 전달되도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기 투석 장치의 운전 방법에 대한 개략도이다.
도 5의 왼쪽에 도시되어 있는 바와 같이, 일정 시간 발전을 진행하면 산화 반응이 일어나는 애노드 챔버(40)의 pH는계속 낮아지고 환원 반응이 일어나는 캐소드 챔버(30)의 pH는 높아진다. 이 상태에서 오른쪽에 도시되어 있는 바와 같이, 염수 자리에 담수를 담수 자리에 염수를 공급하면 pH가 낮은 챔버(40)에서 하이드로늄 이온(hydronium ion)의 환원 반응에 의해 수소발생 반응이 일어나고, pH가 높은 챔버(30)에서 하이드록사이드(hydroxide ion)의 산화반응에 의해서 산소발생 반응이 일어난다.
낮은 pH에서의 하이드로늄 이온의 환원반응과 높은 pH 에서의 하이드록사이드이온의 산화반응의 과전위는 중성 pH에서의 물 산화환원반응의 과전위보다 훨씬 낮기 때문에 전극계면 임피던스가 줄어들어 더 원활한 전극 반응이 일어나게 된다. 즉, 염수와 담수를 주기적으로 서로 스위칭함으로써 수소발생속도와 산소발생속도를 증가시키면서 동시에 역전기투석 장치의 전력을 얻을 수 있다.
도 6은 종래의 역전기투석장치(RED)와 선형 전극을 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석장치의 전류에 따른 전력을 도시한 그래프이다. 종래의 역전기투석장치의 최대 출력은 110 mW인데 반해 본 발명의 일 실시예에 따른 선형전극을 이용한 역전기투석장치의 최대 출력은 약 25 mW이다. 선형전극을 이용한 RED의 출력이 낮아진 이유는 크게 두 가지이다. 첫 번째는 면적이 작은 선형 전극을 사용함으로써 계면 저항이 커진 캐소드에서 수소기체 발생량이 늘어나 출력 감소의 일부분이 수소발생으로 변환되기 때문이다. 두 번째는 셀 스택과 선형전극간의 거리가 멀어짐에 따른 저항 증가와 면적이 작아짐에 따른 계면 저항 증가가 역전기투석 시스템 자체의 내부저항을 증가시켰기 때문이다. 한 시간 동안 역전기투석장치를 구동하여 수소기체를 포집한 후 선형 전극을 갖는 역전기투석장치의 에너지생산량을 계산하였다. 염수와 담수의 유량이 채널당 50 mL/min 이 되도록 공급하고, 82ohm의 저항을 걸어주고, 100 mM NaCl 수용액을 전극 용액으로 사용하였다. 구동 결과 생성된 수소 포집량은 30 mL 이었고 산소 포집량은 17 mL 이었다. 수소 포집량을 에너지로 환산환 결과 24 mWh, 역전기투석 장치의 발전 전력은 19 mWh 이었다. 즉 총 에너지 생산량은 43 mWh로 종래의 산화환원종을 사용하는 역전기투석 장치의 발전량인 110 mWh 에 비해 총 에너지 생산량은 적게 나타났다. 따라서 RED 전력 감소의 일부분이 수소 생산으로 변환되었음을 확인할 수 있고, 선형전극을 사용함에 따른 내부저항 증가가 총 에너지 생산량을 감소시켰음을 확인할 수 있다. 내부저항을 줄이기 위해서는 선형전극과 셀 스택 사이의 거리가 가급적 짧아야 하며 선형전극의 용액에 접촉되어있는 전기화학적 활성 면적을 가급적 넓게 해야 한다. 도 7이 그 관계를 나타내는 그래프이다.
즉, 캐소드와 애노드를 구성하는 Pt 선형전극이 엔드 플레이트인 Ti 메쉬와 거의 닿을 정도의 거리에 있는 경우 (약 5 mm 이하) → 캐소드와 애노드를 구성하는 Pt 선형 전극과 Ti mesh 와의 거리가 약 1 cm 이상 떨어져 있는 경우 → 캐소드와 애노드를 구성하는 Pt 선형전극과 Ti mesh와의 거리가 4 cm 이상 떨어져 있는 경우 순으로 에너지 발생량은 감소함을 알 수 있다. 즉, 전극 끝이 셀 스택에 가까워질수록 파워가 증가함을 알 수 있다.
이로부터 전극과 셀 스택간의 거리 그리고 전극의 면적 등을 최적화함으로써 역전기투석의 발전에 의해 생성되는 전기적 에너지를 최대화함과 동시에 수소 생산량 또한 최대화할 수 있음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 장치와 연료전지를 하이브리드한 하이브리드 생산 장치를 적용한 하이브리드 발전 시스템(800)의 구성도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 바와 같이 종래의 역전기투석 장치는 애노드와 캐소드에서 발생하는 부산물인 가스상 물질(수소, 산소, 염소가스)을 억제하는 방향으로 기술 개발이 집중되었다. 그러나 본 실시예의 역전기투석 장치(100)는 단위 셀 수를 늘려 전극 용액으로 물을 사용하며, 전극 표면적을 줄여서 전극 계면 저항을 증가시켜 전극 계면에 가해지는 전압을 증가시키고 이로 인해 수소 발생 속도를 증가시킨다. 또한 전극 용액 챔버를 넓게 만들어 반응물인 물을 다량 포함할 수 있도록 할 수 있다. 즉, 본 실시예에서 역전기투석 장치(100)는 발전 장치이면서 동시에 수소 발생 장치로 기능한다.
역전기투석 장치(100)에서 발생한 수소는 별도의 기액분리장치 없이 바로 연료전지(810)로 공급되어 연료전지(810)에서 에너지, 즉 전기를 생산하도록 한다.
연료전지(810)는 수소와 산소의 전기화학 반응을 이용하여 전기를 생산하는 발전 장치로서, 공지된 여러 종류의 연료전지가 적용될 수 있다. 예를 들어, 연료전지(810)는 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 및 고분자 전해질형 연료전지 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
연료전지(810)는 크게 연료전지 스택(801)과, 연료전지 스택(801)으로 공기를 공급하는 공기펌프(802)와, 연료전지 스택(801)에서 나오는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 전력 변환기(803) 등을 포함한다. 연료전지 스택(801)은 직렬로 연결된 복수의 연료전지 셀을 포함하며, 촉매와 전해질의 종류 및 운전 온도에 따라 전술한 여러 종류로 분류된다.
연료전지 스택(801)은 물 공급관(809)을 통해 부산물로 생성된 물을 캐소드 챔버(30) 및/또는 애노드 챔버(40)로 공급할 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(50)는 별도의 수소 생산 및 저장 시설이나 개질기를 포함한 연료 처리장치를 구비하지 않으며, 역전기투석 장치(100)에서 생산된 수소를 연료로 공급받아 발전을 행한다. 즉 연료전지(810)에 필요한 수소를 실시간으로 생산하여 공급할 수 있다. 또한, 역전기투석 장치(100)에서 발생하는 수소는 전기를 생산하면서 동시에 발생하는 것으로서, 기존의 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 것보다 소비 에너지가 적다.
전술한 하이브리드 발전 시스템(800)은 역전기투석 장치(100)와 연료전지(810)를 결합시켜 역전기투석 장치(100)의 낮은 에너지 밀도를 보상하며, 기존 연료전지의 문제점인 고에너지 소비의 수소 생산과 안전성 문제가 제기되는 저장 시설의 문제를 해소할 수 있다. 또한, 연료전지(810)에서 필요로 하는 수소를 실시간으로 공급할 수 있으므로 연료전지(810)의 효율을 향상시킬 수 있다.
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 : 역전기투석 장치 10: 셀 스택
11: 양이온 교환막 12: 음이온 교환막
21, 22: 엔드 플레이트 30: 캐소드 챔버
32: 선형의 캐소드 40: 애노드 챔버
42: 선형의 애노드

Claims (18)

  1. 염수 및 담수의 염분차를 이용하여 물 분해 반응에 의해 수소를 발생시킴과 동시에 전기를 생성하는 역전기투석 장치;
    상기 역전기투석 장치에서 생성된 수소가 공급되는 수소충전기;및
    상기 역전기투석 장치에서 생성된 전기를 공급받는 전기충전기를 포함하는 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 역전기투석 장치는
    염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어지고 적어도 10개 이상의 단위 셀이 적층되어 상기 물 분해 반응에 필요한 막 전압을 제공하는 셀 스택;
    상기 셀 스택의 양단에 설치되고 각각 수용액이 담기는 캐소드 챔버 및 애노드 챔버;
    상기 캐소드 챔버 내에 설치된 적어도 하나 이상의 선형 캐소드로 상기 캐소드 챔버내에서 상기 물의 환원 반응에 의해 상기 수소를 발생시키는 캐소드; 및
    상기 애노드 챔버 내에 설치된 애노드로 상기 애노드 챔버내에서 물의 산화 반응에 의해 산소와 전자를 발생시키는 애노드를 포함하고,
    상기 애노드 챔버에서 발생한 상기 전자가 부하를 거쳐 상기 캐소드 공급되면서 상기 전력을 생산하는 역전기 투석 장치인 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 셀 스택과 상기 캐소드 챔버 및 상기 애노드 챔버의 사이에 각각 상기 캐소드 챔버 용액 및 상기 애노드 챔버 용액와 연통하는 메쉬형 엔드 플레이트를 더 포함하는 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 캐소드의 말단과 상기 엔드 플레이트는 이격되어 있는 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 캐소드 챔버와 상기 애노드 챔버에는 페리시안화물/페로시안화물 또는 Fe2+/3+ 없는 수용액이 공급되는 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 수용액은 0 이상 5.8g/L 이하의 염을 더 포함하는 수용액인 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 캐소드 챔버에서 생성된 수소는 상기 수소충전기에 직접적으로 공급되는 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 애노드는 선형 또는 메쉬형 전극인 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션.
  9. 제2 항에 있어서,
    상기 염수 채널과 담수 채널은 주기적으로 서로 스위칭하는 에너지 자립형 수소-전기 복합 충전 스테이션.
  10. 염수 채널과 담수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어지고 적어도 10개 이상의 단위 셀이 적층되어 상기 물 분해 반응에 필요한 막 전압을 제공하는 셀 스택;
    상기 셀 스택의 양단에 설치되고 각각 수용액이 담기는 캐소드 챔버 및 애노드 챔버;
    상기 캐소드 챔버 내에 설치된 적어도 하나 이상의 선형 캐소드로 상기 캐소드 챔버내에서 상기 물의 환원 반응에 의해 상기 수소를 발생시키는 캐소드; 및
    상기 애노드 챔버 내에 설치된 애노드로 상기 애노드 챔버내에서 물의 산화 반응에 의해 산소와 전자를 발생시키는 애노드를 포함하고,
    상기 애노드 챔버에서 발생한 상기 전자가 부하를 거쳐 상기 캐소드 공급되면서 상기 전력을 생산하는 역전기 투석 장치; 및
    상기 역전기투석 장치로부터 상기 수소를 공급받고, 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 전기 및 반응 부산물인 물을 생산하는 연료전지를 포함하는 하이브리드 발전 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연료전지는 상기 반응 부산물인 물을 상기 캐소드 챔버와 상기 애노드 챔버로 공급하는 하이브리드 발전 시스템.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 셀 스택과 상기 캐소드 챔버 및 상기 애노드 챔버의 사이에 각각 상기 캐소드 챔버 용액 및 상기 애노드 챔버 용액와 연통하는 메쉬형 엔드 플레이트를 더 포함하는 하이브리드 발전 시스템.
  13. 제120 항에 있어서,
    상기 캐소드의 말단과 상기 엔드 플레이트는 이격되어 있는 하이브리드 발전 시스템.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 캐소드 챔버와 상기 애노드 챔버에는 페리시안화물/페로시안화물 또는 Fe2+/3+ 없는 수용액이 공급되는 하이브리드 발전 시스템.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 수용액은 0 이상 5.8g/L 이하의 염을 더 포함하는 수용액인 하이브리드 발전 시스템.
  16. 제10 항에 있어서,
    상기 캐소드 챔버에서 생성된 수소는 상기 연료전지에 직접적으로 공급되는 하이브리드 발전 시스템.
  17. 제10 항에 있어서,
    상기 애노드는 선형 또는 메쉬형 전극인 하이브리드 발전 시스템.
  18. 제10 항에 있어서,
    상기 염수 채널과 담수 채널은 주기적으로 서로 스위칭하는 하이브리드 발전 시스템.
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