KR20190051185A - 전기 생산과 농축수 및 탈염수 생산이 동시에 가능한 하이브리드 발전 장치 - Google Patents

전기 생산과 농축수 및 탈염수 생산이 동시에 가능한 하이브리드 발전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 역전기투석(RED) 장치 운전 시 발생하는 전기화학적 위치에너지를 전기 투석(ED)운전에 이용하여 연속적으로 해수 또는 기수를 담수화 하는 전기 생산과 탈염이 동시에 가능한 하이브리드 발전 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

Description

전기 생산과 농축수 및 탈염수 생산이 동시에 가능한 하이브리드 발전 장치{HYBRID GENERATING DEVICE AND METHOD FOR ELECTRICITY AND CONCENTRATED WATER AND DESALTING}
본 발명은 전기 생산과 농축수 및 탈염수 생산이 동시에 가능한 하이브리드 발전 장치 및 방법에 관한 것으로, 역전기투석(RED, Reverse Electrodialysis)과 전기투석(ED, Electrodialysis)을 연계한 일체형 장치로, 염분차발전 및 해수담수화가 연속적으로 동시에 가능한 하이브리드 발전 장치 및 방법에 관한 것이다.
역전기투석(RED)은 농도가 다른 두 유체, 예를 들어 해수와 담수의 혼합 과정에서 발생한 염분차 또는 농도차 에너지를 전기 에너지 형태로 회수하는 것을 말한다.
보다 구체적으로, 역전기투석(RED)은 해수와 담수를 이용한 염분차로 발전하는 시스템으로서, 해수와 담수의 농도차로 인해 이온이 이온교환막(양이온교환막과 음이온교환막)을 통해 이동하게 되고, 복수개의 이온교환막이 번갈아 배열된 stack의 양쪽 끝의 전극(양전극, 음전극)간의 전위차를 발생시키며, 전극상에서 산화환원반응을 통하여 전기에너지를 생성하는 장치이다.
즉, 해수(염수)에 용해되어 있는 이온이 이온교환막을 통해 담수로 이동하면서 발생되는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 전환하는 발전방식으로 기존의 화력, 수력, 원자력과 같은 발전방식과 비교하여 에너지 손실이 적은 발전장치이다.
한편, 전기투석(ED) 공정은 전극에 전위를 인가했을 때 물속에 녹아 있는 화학성분 중 전기적 성질을 갖는 전해질(양(+)이온 또는 음(-)이온)을 선택적으로 투과하는 이온교환막을 이용하여 이온성 물질을 분리하는 막분리 공정이다.
보다 구체적으로, 전극에 전력이 부여됨으로써, 물 속에 녹아 있는 양이온 또는 음이온이 각각의 전극 측으로 이동하게 되며, 그 때문에 이온 농도가 감소하는 탈염실과 이온 농도가 증가하는 농축실이 번갈아 형성된다.
그러나, 이러한 전기 투석을 이용한 탈염 공정은 전극에 전력을 부여 해야 하므로 에너지를 소비하는 단점이 있다.
이러한 기술들은 현재 새로운 신재생 에너지원으로써 다양한 연구보고서와 논문 등이 발표되고 있지만, 역전기투석(RED) 장치 운전 시 발생하는 전기화학적 위치에너지를 전기투석(ED) 운전에 이용하여 연속적으로 해수 또는 기수를 담수화 할 수 있는 연계 시스템은 아직까지 보고된 바 없다.
본 발명은 역전기투석(RED) 장치 운전 시 발생하는 전기화학적 위치에너지를 전기투석(ED) 운전에 이용하여 연속적으로 해수 또는 기수를 담수화 하는 전기 생산과 탈염이 동시에 가능한 하이브리드 발전 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 제1 애노드 전극, 제1 애노드 전극과 전기적으로 연결된 제1 캐소드 전극 및, 제1 애노드 전극과 제1 캐소드 전극 사이에 배치되며, 제1 고농도 용액과 제1 저농도 용액의 유로를 구획하기 위한 복수 개의 제1 이온교환막을 포함하는 제1 발전부; 제1 캐소드 전극과 소정 간격 떨어져 위치한 제2 애노드 전극 및 제2 애노드 전극과 전기적으로 연결된 제2 캐소드 전극, 제2 애노드 전극과 제2 캐소드 전극 사이에 배치되며, 제2 고농도 용액과 제2 저농도 용액의 유로를 구획하기 위한 복수 개의 제2 이온교환막을 포함하는 제2 발전부; 및 제1 캐소드 전극과 제2 애노드 전극의 마주보는 대향면들 사이 공간으로 정의되며, 제3 고농도 용액이 유동하기 위한 적어도 하나 이상의 탈염 유로 및 농축 유로를 갖는 분리부; 를 포함하는 하이브리드 발전 장치를 제공한다.
이에 더하여, 이산화탄소 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 포집하고, 이산화탄소가 흡수된 흡수제가 토출되는 흡수제 유로를 포함하는 이산화탄소 포집장치; 및 제 1항에 따른 하이브리드 발전 장치를 포함하며, 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 하이브리드 발전 장치의 제1 및 제2 고농도 용액 유로로 공급하도록, 흡수제 유로와 제1 및 제2 고농도 용액 유로는 유체이동 가능하게 연결되는 하이브리드 발전 장치를 제공한다.
또한, 상기에서 서술한 제1 및 제2 발전부의 제1 및 제2 고농도 용액 유로와 제1 및 제2 저농도 용액 유로로 고농도 용액과 저농도 용액을 공급하는 단계; 및 분리부의 탈염 유로 및 농축 유로로 고농도 용액을 공급하는 단계; 를 포함하는 하이브리드 발전 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 제1 및 제2 발전부에서 에너지를 생산하며, 이 때 생산되는 에너지는 분리부에 사용함으로써, 추가적인 에너지를 사용하지 않고, 해수 및 기수의 전기화학적 탈염을 통해 연속적으로 담수를 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 분리부에서 생산된 담수를 음용수로 활용하거나 기타 생활 용수로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 담수 및 농축된 농축수는 제1 및 제2 발전부의 저농도 및 고농도 용액으로 재 이용함으로써, 장치의 효율성을 향상시킬 수 있다.
또한, 전기를 생산하기 위한 각각의 캐소드 전극과 애노드 전극의 전기회로를 독립적으로 연결함으로써, 장치 일부에 문제가 생겨도 연속적인 운전을 유지함과 동시에 유지보수가 용이하다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치의 구성도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치의 모식도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 전기 생산과 탈염이 동시에 가능한 하이브리드 발전 장치 및 방법에 관한 것으로, 역전기투석(RED, Reverse Electrodialysis)과 전기 투석(ED, Electrodialysis)을 동시에 이용하여 염분차발전 및 해수담수화가 연속적으로 가능한 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
예시적인 본 발명의 하이브리드 발전 장치에 의하면, 제1 및 제2 발전부에서 에너지를 생산하며, 이 때 생산되는 에너지는 분리부에 사용함으로써, 추가적인 에너지를 사용하지 않고, 해수 및 기수의 전기화학적 탈염을 통해 연속적으로 담수를 생산할 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치의 구성도, 도 4 및 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치의 구성도, 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치의 모식도이다.
이하, 도1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치 및 방법에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 미국 지질 조사소의 염의 농도에 의한 수질 분류에 따르면, 일반적으로 '염수'또는 '해수'는 염의 농도가 해수의 염(Salt, 주로 NaCl) 농도인 35,000mg/L 이상을 가지는 용액을 의미하며, '기수'는 염 농도가 1,000~10,000mg/L 정도를 가진 용액, '담수'는 염 농도가 0~1,000mg/L 를 가진 용액을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 제1 및 제2 저농도 용액은 농도차 또는 염분차 발전을 위해 유입되는 저농도 용액을 의미한다.
특히, 제1 및 제2 저농도 용액은 기수 또는 담수 일 수 있다.
또한, 제1 및 제2 고농도 용액은 농도차 또는 염분차 발전을 위해 유입되는 고농도 용액을 의미한다.
특히, 제1 및 제2 고농도 용액은 염수, 해수, 기수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액일 수 있다.
이에 더하여, 상기의 저농도 용액과 고농도 용액은 분리부에서 배출되는 제1 토출용액 및 제2 토출용액을 포함할 수 있다.
또한, 제3 고농도 용액은 탈염 또는 담수화를 위해 유입되는 고농도 용액을 의미한다.
특히, 제3 고농도 용액은 후술할 제1 발전부(100) 또는 제2 발전부(200)에서 토출된 발전부 토출 용액, 염수, 해수, 기수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액일 수 있다.
이에 더하여, 본 명세서에서는 일반적으로 각각의 이온교환막 사이에, 내부의 유로 간격을 유지하기 위해 배치되는 스페이서 및 가스켓 등은 설명의 편의를 위해 생략하였다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치(10)는 제1 발전부(100), 제2 발전부(200) 및 분리부(300)를 포함한다.
본 발명의 제1 발전부(100)는 제1 애노드 전극(101), 제1 애노드 전극(101)과 전기적으로 연결된 제1 캐소드 전극(102) 및, 제1 애노드 전극(101)과 제1 캐소드 전극(102) 사이에 배치되며, 제1 고농도 용액과 제1 저농도 용액의 유로를 구획하기 위한 복수 개의 제1 이온교환막(110)을 포함한다.
여기서, 제1 이온교환막(110)은 각각 복수 개의 양이온 교환막(111)과 음이온 교환막(112)을 포함한다.
보다 구체적으로, 소정간격 이격되게 배치된 제1 애노드 전극(101)과 제1 캐소드 전극(102) 사이에 배치된 양이온 교환막(111)과 음이온 교환막(112)에 의해 제1 고농도 용액 유로(120)와 제1 저농도 용액 유로(130)가 구획될 수 있다.
상기 제1 고농도 용액 유로(120) 및 제1 저농도 용액 유로(130)로 각각 고농도 용액 및 저농도 용액이 유동할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 제2 발전부(200)는 제2 애노드 전극(201), 제2 애노드 전극(201)과 전기적으로 연결된 제2 캐소드 전극(202) 및, 제2 애노드 전극(201)과 제2 캐소드 전극(202) 사이에 배치되며, 제2 고농도 용액과 제2 저농도 용액의 유로를 구획하기 위한 복수 개의 제2 이온교환막(210)을 포함한다.
여기서, 제2 이온교환막(210)은 각각 복수 개의 양이온 교환막(211)과 음이온 교환막(212)을 포함한다.
보다 구체적으로, 소정간격 이격되게 배치된 제2 애노드 전극(201)과 제2 캐소드 전극(202) 사이에 배치된 양이온 교환막(211)과 음이온 교환막(212)에 의해 제2 고농도 용액 유로(220)와 제2 저농도 용액 유로(230)가 구획될 수 있다.
상기 제2 고농도 용액 유로(220) 및 제2 저농도 용액 유로(230)로 각각 고농도 용액 및 저농도 용액이 유동할 수 있다.
여기서, 상기 제1 발전부(100)와 제2 발전부(200)에서는, 고농도 용액과 저농도 용액이 각각의 고농도 용액 유로(120,220) 및 저농도 용액 유로(130,230)를 유동할 때, 각각 제1 이온교환막(110)과 제2 이온교환막(210)을 통과하는 고농도 용액과 저농도 용액의 농도차에 의해 제1 및 제2 애노드 전극(101, 201)과 제1 및 제2 캐소드 전극(102, 202)에서 전기가 생산될 수 있다.
즉, 상기 저농도 용액과 고농도 용액의 농도차에 의해 고농도 용액에 포함된 양이온 및 음이온이 이온교환막을 선택적으로 이동하며 전기가 생산될 수 있다.
한편, 본 발명의 분리부(300)는 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)의 마주보는 대향면들 사이 공간으로 정의되며, 제3 고농도 용액이 유동하기 위한 적어도 하나 이상의 탈염 유로(321) 및 농축 유로(322)를 포함한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 분리부(300)는, 탈염 유로(321) 및 농축 유로(322)를 구획하기 위한 복수개의 제3 이온교환막(310)을 포함한다.
여기서, 상기 제3 이온교환막(310)은 복수 개의 양이온 교환막(311)과 음이온 교한막(312)을 포함한다.
특히, 상기 분리부(300)의 농축 유로(322)에서는 제1 및 제2 발전부(100,200)에서 생산된 전기에 의해 탈염 공정을 수행하게 된다.
보다 구체적으로, 제1 발전부(100) 및 제2 발전부(200)는, 제1 및 제2 저농도 용액 유로(130, 230)와 제1 및 제2 고농도 용액 유로(120, 220)를 저농도 용액과 고농도 용액이 유동할 때, 저농도 용액과 고농도 용액의 농도차에 의해 제1 및 제2 이온교환막(110, 210)을 통과하며 제1 및 제2 애노드 전극(101, 201)과 제1 및 제2 캐소드 전극(102, 202)에서 전기가 생산될 수 있다.
상기 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)에 생산된 전기에 의해, 제3 고농도 용액의 이온성 물질이 각각 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201) 측으로 이동하며 탈염 유로(321) 및 농축 유로(322)에서 탈염 및 농축이 이루어질 수 있다.
즉, 이온성 물질은 양이온 교환막(311)과 음이온 교환막(312)을 통과하여 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201) 측으로 이동하며 탈염 또는 농축 될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 이온성 물질 중, 양이온성 물질은 제1 캐소드 전극(102) 측으로, 음이온성 물질은 제2 애노드 전극(201) 측으로 이동함에 따라 제3 고농도 용액이 유동하는 분리부(300)는 탈염 유로(321)와 농축 유로(322)로 나뉘어 질 수 있다.
보다 구체적으로, 분리부(300)로 유입된 제3 고농도 용액의 이온성 물질은, 제1 캐소드 전극(102) 및 제2 애노드 전극(201)에 생산된 전기에 의해 양이온성 물질이 제1 캐소드 전극(102) 측으로 이동하며 양이온 교환막(311)을 통과한다.
이와 동시에, 음이온성 물질이 제2 애노드 전극(201) 측으로 이동하며, 음이온 교환막(312)을 통과하게 된다.
이 때, 양이온성 물질은 음이온 교환막(312)을 통과하지 못하고, 음이온성 물질은 양이온 교환막(311)을 통과하지 못하므로, 제3 이온교환막에 의해 구획되는 분리부의 유로는, 탈염 유로(321)와 농축 유로(322)를 형성하여 탈염 유로(321)에서는 탈염 즉, 담수화가 이루어져 기수 또는 담수가 배출되고, 농축 유로(322)에서는 농축된 농축수가 배출된다.
한편, 본 발명의 제1 캐소드 전극(102, 202)과 제2 애노드 전극(201)은 각각 제1 면(102a,201a) 및 제2 면(102b,201b)을 포함한다.
즉, 본 발명의 분리부(300)는 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)의 마주보는 대향면(102a와 201a)들 사이 공간으로 정의될 수 있다.
여기서, 상기 대향면은 제1 캐소드 전극의 제1면(102a)과 제2 애노드 전극의 제1면(201a)을 의미한다.
따라서, 분리부(300)는 제1 캐소드 전극의 제1면(102a)과 제2 애노드 전극의 제1면(201a) 사이 공간으로 정의될 수 있다.
보다 구체적으로, 분리부(300)는 제3 고농도 용액이 유동 시, 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)의 마주보는 대향면들(102a와 201a)에 접촉 가능하게 마련될 수 있다.
따라서, 상기 제3 고농도 용액이 유동 시, 제1 캐소드 전극의 제1면(102a)과 제2 애노드 전극의 제1면(201a)에 접촉 가능하게 마련될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제3 고농도 용액은 유동 시, 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)의 마주보는 대향면들(102a와 201a) 측으로 제3 고농도 용액의 이온성 물질이 이동할 수 있다.
여기서, 상기 이온성 물질은 양이온성 물질 및 음이온성 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 양이온성 물질은 제1 캐소드 전극(102)을 투과하고, 음이온성 물질은 제2 애노드 전극(201)을 투과하여 이동할 수 있다.
특히, 상기 이온성 물질은 제3 고농도 용액에 포함된, 염분을 포함한 용해물질로써, 일 예로, 상기 양이온성 물질은 나트륨 이온(Na+)일 수 있으며, 상기 음이온성 물질은 염소 이온(Cl-) 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 제1 및 제2 발전부(100,200)에서 전기를 생산하기 위해 공급되는 전극용액은 전해질을 포함하며 전술한, 저농도 용액 또는 고농도 용액 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 분리부(300)를 형성하는 제1 캐소드 및 제2 애노드(102,201) 각각의 제2면(102b,201b) 측의 전극용액 또한, 전해질을 포함하며 담수, 순수 또는 이온 전도성이 높은 전해질 용액을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)은 발전부 측과 분리부 측을 향하는 양면이 서로 다른 재질로 형성될 수 있다.
여기서, 제1 캐소드 전극(102)의 제1면(102a)는 분리부(300) 측을 향하고, 제2면(102b)은 발전부 측, 즉 제1 발전부(100) 측을 향한다.
또한, 제2 애노드 전극(201)의 제1면(201a)은 분리부(300) 측을 향하고, 제2면(201b)은 발전부 측, 즉 제2 발전부(200) 측을 향한다.
보다 구체적으로, 상기 제1 캐소드 전극(102)은 제1 발전부(100) 측을 향하는 제2면(102b)과 분리부(300) 측을 향하는 제1면(102a)이 서로 다른 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 애노드 전극(201)은 제2 발전부(200) 측을 향하는 제2면(201b)과 분리부(300) 측을 향하는 제1면(201a)이 서로 다른 재질로 형성될 수 있다.
따라서, 상기 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201) 각각의 제1면(102a 및 201a)과 제2면(102b 및 201b)은 서로 다른 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극 각각의 제1면(102a, 201a)은 상기에서 전술한, 구조체일 수 있고, 제2면(102b, 201b)은 집전체 일 수 있다.
한편, 본 발명은 제1 및 제2 저농도 용액의 유로(130,230)로 방류수, 기수, 담수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액 중 어느 하나 이상을 공급하기 위한 제1 공급부(401)를 더 포함할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 고농도 용액의 유로(120,220)로 해수, 기수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액 중 어느 하나 이상을 공급하기 위한 제2 공급부(402)를 더 포함할 수 있다.
또한, 분리부(300)의 탈염 유로(321) 및 농축 유로(322)로 해수, 기수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액 중 어느 하나 이상을 공급하기 위한 제3 공급부(403)를 더 포함할 수 있다.
특히, 상기 제1 및 제2 저농도 용액 유로(130, 230) 또는 제1 및 제2 고농도 용액 유로(120, 220)로 탈염 유로(321) 및 농축 유로(322)에서 토출되는 토출 용액을 각각 공급하기 위한 제1 및 제2 유로(140,240)를 더 포함할 수 있다.
특히, 제1 유로(140)는 제1 발전부 측 또는 제2 발전부 측 또는 제1 및 제2 발전부 양측 모두로 공급할 수 있도록 제1 및 제2 저농도 용액 유로(130,230)와 유체 이동 가능하게 연결 구비될 수 있다.
또한, 제2 유로(240)는 제1 발전부 측 또는 제2 발전부 측 또는 제1 및 제2 발전부 양측 모두로 공급할 수 있도록 제1 및 제2 고농도 용액 유로(120,220)와 유체 이동 가능하게 연결 구비될 수 있다.
여기서, 상기 토출 용액은, 탈염 유로(321) 및 농축 유로(322)에서 토출되는 토출 용액으로써, 유입되는 고농도 용액의 이온이 전극 측으로 이동하기 위해 이온교환막을 통과한 후 탈염 유로(321)와 농축 유로(322)에서 토출되는 용액을 의미한다.
즉, 탈염 유로(321) 에서는, 유입된 농도 보다 낮은 농도를 갖는 용액인 제1 토출용액이 토출되고, 농축 유로(322)에서는, 유입된 농도보다 높은 농도를 갖는 용액인 제2 토출용액이 토출될 수 있다.
이를 제1 및 제2 발전부(100, 200)로 이송하면, 일반적인 해수와 담수의 농도차에 비하여 더 큰 농도차를 갖게 되므로, 토출된 용액을 재 이용함과 동시에 높은 에너지를 회수할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 제1 토출용액과 제2 토출용액을 적절하게 희석하여 제1 및 제2 발전부(100,200) 측에 유입되는 저농도 용액으로 유입시킬 경우, 이온교환막 사이의 내부 저항을 낮춤으로써 출력을 높일 수 있는 효과가 있다.
이에 더하여, 제1 및 제2 저농도 용액 유로(130, 230) 또는 제1 및 제2 고농도 용액 유로(120, 220)에서 전기를 생산 한 후, 토출되는 발전부 토출용액은 탈염 유로(321) 및 농축 유로(322)로 공급하기 위한 제3 및 제4 유로(미도시)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 발전부 토출 용액은, 복수 개의 제1 고농도 및 제1 저농도 용액 유로(120,130)와 제2 고농도 및 제2 저농도 용액 유로(220, 230)로 각각 고농도 용액과 저농도 용액이 유동할 때, 각각의 양이온 교환막(111, 211)과 음이온 교환막(112, 212)을 통과하며 농도차에 의해, 제1 애노드 전극(101) 및 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201) 및 제2 캐소드 전극(202)에서 전기를 생산한 후, 각각의 제1 및 제2 고농도 용액 유로(120, 220)에서 토출되는 용액을 의미한다.
즉, 유입되는 고농도 용액의 이온이 이온교환막을 통과하여 저농도 용액 측으로 이동함에 따라, 유입된 고농도 용액 보다 낮은 농도를 갖는 희석된 고농도 용액일 수 있다.
이를 분리부로 이송하여, 해수 보다 낮은 농도를 갖는 희석된 고농도 용액을 탈염함으로써, 담수화의 효율을 향상 시킬 수 있는 효과가 있게 된다.
한편, 본 발명의 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)은 전기화학적으로 연결될 수 있다.
여기서, 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)은 전기적으로 직접 연결 되어 있지 않지만, 이온의 이동에 의해 전자의 흐름이 발생하므로 전기화학적으로 연결될 수 있다.
또한, 제1 애노드 전극(101)과 전기적으로 연결된 제1 캐소드 전극(102)은 제1 저항(103)을 매개로 연결되며, 제1 저항(103)은 크기가 조절 가능하게 마련될 수 있다.
이에 더하여, 제2 애노드 전극(201)과 전기적으로 연결된 제2 캐소드 전극(202)은 제2 저항(203)을 매개로 연결되며, 제2 저항(203)은 크기가 조절 가능하게 마련될 수 있다.
특히, 제1 애노드 전극(101)과 제2 캐소드 전극(202) 또한, 전기적으로 연결되며, 제3 저항(301)을 매개로 연결될 수 있다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 하이브리드 발전 장치(10)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 각각의 캐소드 전극과 애노드 전극이 반전된 형태를 포함할 수 있으며, 이때 각각의 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 배치되는 양이온 교환막과 음이온 교환막의 배치 또한 적절하게 변경될 수 있다.
여기서 반전된 형태는, 일 예로, 캐소드 전극은 애노드 전극으로, 애노드 전극은 캐소드 전극으로, 양이온 교환막은 음이온 교환막으로 음이온 교환막은 양이온 교환막으로 바뀐 형태를 의미한다.
한편, 상기와 같은 구성으로 이루어진 하이브리드 발전 장치(10)를 이용하여 전기 생산과 탈염이 동시에 진행되는 공정을 설명하면 다음과 같다.
이하에서는 제1 및 제2 저농도 용액과 제1 내지 제3 고농도 용액은 각각의 공급부에서 공급되는 것을 예로 들어 설명하지만, 전술한 바와 같이, 제1 유로 내지 제4 유로를 적절하게 이용하여 저농도 또는 고농도 용액을 공급할 수 있다.
먼저, 다시 도 1을 참조하면, 각각의 제1 및 제2 공급부(401,402)를 통해 저농도 용액과 고농도 용액이 제1 및 제2 발전부(100,200)로 유입되면, 저농도 용액과 고농도 용액의 농도차에 의해 전위차가 발생하게 된다.
이에 따라, 제1 및 제2 애노드 전극(101,201)과 제1 및 제2 캐소드 전극(102, 202)에서 전자의 흐름이 발생한다.
상기와 같은 전자의 흐름은, 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)의 마주보는 대향면들 사이 공간으로 정의되는 분리부(300)에 전위가 인가됨을 의미한다.
따라서, 인가된 전위에 의해, 분리부(300)의 탈염 유로(321)와 농축 유로(322)를 구획하는 제3 이온교환막(310)을 통과하는 제3 고농도 용액 내 이온성 물질이 각각 제1 캐소드 전극(102)과 제2 애노드 전극(201)의 마주보는 대향면들 측으로 이동하게 된다.
이 때, 각각의 이온성 물질은 양이온 교환막(311)과 음이온 교환막(312)을 통과하고, 이온성 물질 중, 양이온 교환막(311) 또는 음이온 교환막(312)을 통과하지 못하는 이온성 물질은 농축 유로(322)로 이동함으로써, 농축되어 제1 토출용액이 토출된다.
이 때, 탈염 유로(321)에서는 탈염 공정이 진행되어 탈염된 제2 토출용액이 토출된다.
상기와 같이 구성된 하이브리드 발전 장치(10)의 분리부(300)는 탈염을 위한 전극이 필요하지 않으므로, 보다 컴팩트한 장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 분리부(300)에 인가되는 전위는 제1 및 제2 발전부(100,200)에서 생산된 전기이므로, 추가적인 에너지를 사용하지 않고 담수를 생산할 수 있는 효과가 있다.
이에 더하여, 전기적으로 연결된 각각의 애노드 전극과 캐소드 전극은 제1 내지 제3 저항(103,203,301)을 매개로 연결함으로써, 독립적인 전기 회로를 구현할 수 있다.
따라서, 분리부(300)에 인가되는 전위를 연속적으로 공급할 수 있어 탈염공정을 연속적으로 유지함과 동시에 이온교환막 등의 유지보수가 필요한 부분은, 분리부(300)의 운전을 중단하지 않고 부분적으로 교체할 수 있게 된다.
특히, 상기 제1 내지 제3 저항(103,203,301)은 그 크기를 조절할 수 있어 하이브리드 발전 장치(10)로 공급되는 저농도 용액과 고농도 용액 각각의 농도에 따라 저항값을 조절함으로써, 운전 조건을 변경할 수 있다.
일 예로, 분리부(300)로 공급되는 제3 고농도 용액의 농도가 높을 경우, 제1 저항(103)과 제2 저항(203)의 저항값을 높게 하여 분리부(300)로 이송되는 전기 에너지를 상승시킬 수 있다.
이에 따라, 제3 고농도 용액에 포함된 이온성물질의 이동 속도가 증가하게 되어 신속하게 담수화를 시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치(20)는 제1 및 제2 발전부(100,200)를 복수 개 배열하여 탈염의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 3 및 도4 를 참조하면, 제1 발전부(100)와 제2 발전부(200)를 복수 개 배열하여 교번하여 배치할 수 있다.
즉, 제1 발전부(100), 제2 발전부(200) 다음에 다시 제1 발전부(100), 제2 발전부(200) 순으로 차례로 배열될 수 있다.
이 때, 각각의 탈염 유로(321)를 유체이동 가능하게 연결하면, 담수 효과를 향상 시킬 수 있다.
일 예로, 도 5에 나타낸 바와 같이, 분리부(300)의 제3 고농도 용액 유로(320)로 약 3.5wt%의 해수를 공급하면, 공급된 해수가 서로 유체이동 가능하게 연결된 각각의 탈염 유로(321) 및 농축 유로(322)를 복수 번 통과함에 따라, 탈염이 반복적으로 진행되어 탈염 유로(321)에서는 최종적으로 약 0.05wt%의 담수를 생산할 수 있게 된다.
또한, 농축 유로(322)에서는 보다 고농축의 농축수가 배출될 수 있어, 이를 제1 및 제2 발전부(100,200)의 고농도 용액으로 사용하면 발전 효율을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 각각의 분리부(300)에 제3 공급부(403)를 연결하여, 대량의 담수를 생산할 수 있다.
한편, 본 발명의 제3 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치(30)는 이산화탄소 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 포집하고, 이산화탄소가 흡수된 흡수제가 토출되는 흡수제 유로를 포함하는 이산화탄소 포집장치(1000)을 포함한다.
또한, 상기에서 전술한 하이브리드 발전 장치(10 또는 20)을 포함하며, 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 하이브리드 발전 장치의 제1 및 제2 고농도 용액 유로로 공급하도록, 흡수제 유로와 제1 및 제2 고농도 용액 유로는 유체이동 가능하게 연결되는 것을 포함한다.
일 예로, 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제는 CCS(Carbon Capture Storage) 포집 공정 중 흡수제를 이용하여 이산화탄소 흡수를 통해 생성된 생성물일 수 있다.
이러한 반응은 하기의 반응식 1로 표시될 수 있다.
[반응식 1]
Abs(흡수제)(aq) + CO2(g) ↔ Abs+ (aq) + HCO3- (aq)
상기 흡수제에　포함된 탄산염(HCO3-)은，하이브리드　발전장치의　제１　및　제２　발전부　내의 음이온 교환막을 통과하여 이동하게 되고, 수소(H+) 이온은 양이온 교환막을 통과하여 이동하게 되어 전위차가 발생함에 따라 전기를 생산할 수 있게 된다. 여기서, 수소(H+) 이온은 상기 흡수제의 용매에 포함되는 물(H2O)에 존재하는 것일 수 있다.
본 발명은 또한, 하이브리드 발전 방법을 제공한다.
예를 들어, 상기 하이브리드 발전 방법은, 전술한 제1 내지 제3 실시예에 따른 하이브리드 발전 장치(10,20,30)를 통한 발전 방법에 관한 것이다.
따라서, 후술하는 하이브리드 발전 장치에 대한 구체적인 사항은 앞서 전술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
상기 하이브리드 발전 방법은 하이브리드 발전 장치에 따른 제1 및 제2 발전부의 제1 및 제2 고농도 용액 유로와 제1 및 제2 저농도 용액 유로로 고농도 용액과 저농도 용액을 공급하는 단계를 포함한다.
또한, 분리부의 탈염 유로 및 농축 유로로 제3 고농도 용액을 공급하는 단계를 포함한다.
10, 20, 30: 하이브리드 발전 장치
100: 제1 발전부
101: 제1 애노드 전극
102: 제1 캐소드 전극
102a: 제1 캐소드 전극 제1면 102b: 제1 캐소드 전극 제2면
103: 제1 저항 110: 복수 개의 제1 이온교환막
200: 제2 발전부
201: 제2 애노드 전극
201a: 제2 애노드 전극 제1면 202b: 제2 애노드 전극 제2면
202: 제2 캐소드 전극
203: 제2 저항 210: 복수 개의 제2 이온교환막
300: 분리부 301: 제3 저항
310: 복수 개의 제3 이온교환막
321: 탈염 유로 322: 농축 유로

Claims (15)

  1. 제1 애노드 전극, 제1 애노드 전극과 전기적으로 연결된 제1 캐소드 전극 및, 제1 애노드 전극과 제1 캐소드 전극 사이에 배치되며, 제1 고농도 용액과 제1 저농도 용액의 유로를 구획하기 위한 복수 개의 제1 이온교환막을 포함하는 제1 발전부;
    제1 캐소드 전극과 소정 간격 떨어져 위치한 제2 애노드 전극 및 제2 애노드 전극과 전기적으로 연결된 제2 캐소드 전극, 제2 애노드 전극과 제2 캐소드 전극 사이에 배치되며, 제2 고농도 용액과 제2 저농도 용액의 유로를 구획하기 위한 복수 개의 제2 이온교환막을 포함하는 제2 발전부; 및
    제1 캐소드 전극과 제2 애노드 전극의 마주보는 대향면들 사이 공간으로 정의되며, 제3 고농도 용액이 유동하기 위한 적어도 하나 이상의 탈염 유로 및 농축 유로를 갖는 분리부; 를 포함하는 하이브리드 발전 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    분리부는, 탈염 유로 및 농축 유로를 구획하기 위한 복수개의 제3 이온교환막을 포함하는 하이브리드 발전 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    제1 발전부 및 제2 발전부는, 제1 및 제2 저농도 용액 유로와 제1 및 제2 고농도 용액 유로를 저농도 용액과 고농도 용액이 유동할 때,
    저농도 용액과 고농도 용액의 농도차에 의해 제1 및 제2 이온교환막을 통과하며 제1 및 제2 애노드 전극과 제1 및 제2 캐소드 전극에서 전기를 생성하는 하이브리드 발전 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    제1 캐소드 전극과 제2 애노드 전극에 생산된 전기에 의해, 제3 고농도 용액의 이온성 물질이 각각 제1 캐소드 전극과 제2 애노드 전극 측으로 이동하며 탈염 유로 및 농축 유로에서 탈염 및 농축이 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    제1 캐소드 전극과 제2 애노드 전극은 발전부 측과 분리부 측을 향하는 양면이 서로 다른 재질로 형성된 하이브리드 발전 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    제1 및 제2 저농도 용액의 유로로 기수 또는 담수 중 어느 하나 이상을 공급하기 위한 제1 공급부를 더 포함하는 하이브리드 발전 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    제1 및 제2 고농도 용액의 유로로 염수, 해수, 기수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액 중 어느 하나 이상을 공급하기 위한 제2 공급부를 더 포함하는 하이브리드 발전 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    탈염 유로 및 농축 유로로, 염수, 해수, 기수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액 중 어느 하나 이상을 공급하기 위한 제3 공급부를 더 포함하는 하이브리드 발전 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    제1 및 제2 저농도 용액 유로 또는 제1 및 제2 고농도 용액 유로로, 탈염 유로 및 농축 유로에서 토출되는 토출 용액을 각각 공급하기 위한 제1 및 제2 유로를 더 포함하는 하이브리드 발전 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    제1 및 제2 발전부를 각각 복수 개 배열하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    제1 캐소드 전극과 제2 애노드 전극은 전기화학적으로 연결된 하이브리드 발전 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    제1 애노드 전극과 전기적으로 연결된 제1 캐소드 전극은 제1 저항을 매개로 연결되며, 제1 저항은 크기가 조절 가능하게 마련된 하이브리드 발전 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    제2 애노드 전극과 전기적으로 연결된 제2 캐소드 전극은 제2 저항을 매개로 연결되며, 제2 저항은 크기가 조절 가능하게 마련된 하이브리드 발전 장치.
  14. 이산화탄소 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 포집하고, 이산화탄소가 흡수된 흡수제가 토출되는 흡수제 유로를 포함하는 이산화탄소 포집장치; 및
    제 1항에 따른 하이브리드 발전 장치를 포함하며,
    이산화탄소가 흡수된 흡수제를 하이브리드 발전 장치의 제1 및 제2 고농도 용액 유로로 공급하도록, 흡수제 유로와 제1 및 제2 고농도 용액 유로는 유체이동 가능하게 연결되는 하이브리드 발전 장치.
  15. 제 1항에 따른 제1 및 제2 발전부의 제1 및 제2 고농도 용액 유로와 제1 및 제2 저농도 용액 유로로 고농도 용액과 저농도 용액을 공급하는 단계; 및
    분리부의 탈염 유로 및 농축 유로로 고농도 용액을 공급하는 단계; 를 포함하는 하이브리드 발전 방법.
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KR20210101786A (ko) * 2020-02-11 2021-08-19 한국에너지기술연구원 공급 용액의 재순환이 가능한 염도차 발전장치

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