KR20210026118A - 역전기투석 스택 조립 장치 및 이를 이용한 역전기투석 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1 전극부; 제1 전극부가 삽입되는 삽입홀을 갖는 제1 커넥터; 및 제1 커넥터가 장착된 제1 엔드 플레이트를 포함하고, 제1 커넥터는, 제1 전극부가 삽입홀로 삽입되는 방향의 반대방향으로 가압될 때, 삽입홀의 직경이 증가하도록 마련된 역전기투석 스택 조립 장치 및 이를 이용한 역전기투석 스택을 제공하고자 한다.

Description

역전기투석 스택 조립 장치 및 이를 이용한 역전기투석 스택{RED stack assembling apparatus and RED stack using the same}

본 발명은 원터치 방식으로 조립 가능한 전극부를 포함하여, 전극 측에서 발생하는 누수를 방지함과 동시에, 각 방향으로 동일한 힘을 받도록 설계된 역전기투석(RED) 스택을 제작하여, 제작자 및 운전자에 따른 성능 변동을 최소화 한 성능 신뢰성을 향상시킨 표준화 된 역전기투석 스택 조립 장치 및 이를 이용한 (다기능) 역전기투석 스택에 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 해수에 포함된 양이온 및 음이온이 이온교환막(양이온교환막과 음이온교환막)을 통해 선택적으로 이동하게 되고, 복수개의 이온교환막이 번갈아 배열된 스택(stack)의 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, 일반적으로 역전기투석 스택은, 집전체와 전극 사이의 누수를 방지하기 위해 오링(O-ring)을 삽입하고, 오링을 조여주기 위해서 스크류 타입의 집전체를 회전 시켜서 조여주며 조립하여 전극과 집전체를 전기적으로 연결시킨다.

이러한 경우, 조립을 위한 오링 장착이 어려운 문제가 있으며, 조립하는 사람마다 다른 힘으로 조립이 이루어 지기 때문에, 스택 내부의 가스켓, 스페이서, 이온교환막 등이 압축되는 정도가 달라져 압축 정도에 따라 그 두께가 변하게 되므로 이로 인한 틈이 발생하게 되어 누수의 원인이 된다.

또한, 이러한 경우 역전기투석 스택을 이용하여 반복적인 실험 시 출력 밀도가 균일하게 나타나지 않는 문제가 있다.

본 발명은 표준화 된 역전기투석(RED) 스택을 제작하여, 조립을 수행하는 사람의 능숙도과 상관 없이 스택의 조립 완성도가 모두 동일한 성능 신뢰성이 높은 표준화 된 역전기투석 조립 장치 및 이를 이용한 역전기투석 스택을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 전극과 집전체를 일체형으로 제작하고, 이를 커넥터를 이용하여 원터치 방식으로 조립 함으로써, 누수를 방지할 수 있는 역전기투석 조립 장치 및 이를 이용한 역전기투석 스택을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 제1 전극부; 제1 전극부가 삽입되는 삽입홀을 갖는 제1 커넥터; 및 제1 커넥터가 장착된 제1 엔드 플레이트를 포함하고, 제1 커넥터는, 제1 전극부가 삽입홀로 삽입되는 방향의 반대방향으로 가압될 때, 삽입홀의 직경이 증가하도록 마련된 역전기투석 스택 조립 장치를 제공한다.

또한, 제1 커넥터는, 제1 전극부의 삽입 통로를 갖는 하우징; 및 하우징의 삽입통로에 이동 가능하게 배치되며, 삽입홀을 형성하는 복수 개의 가압 부재를 포함하는 그리퍼를 포함하며, 삽입 통로 상의 가압 부재의 접촉 위치에 따라 가압 부재 사이 간격이 달라지도록 마련될 수 있다.

또한, 제1 전극부를 향하는 방향으로 그리퍼가 이동 시, 삽입홀의 직경이 증가하도록 가압 부재 사이 간격이 증가하도록 마련될 수 있다.

또한, 제1 전극부를 향하는 방향을 따라 소정 간격 이상으로 그리퍼가 이동 시, 삽입홀의 직경이 제1 전극부의 직경 이상이 되도록 마련될 수 있다.

또한, 제1 전극부가 삽입되는 방향으로 그리퍼가 이동 시, 삽입홀의 직경이 감소하도록 가압 부재 사이 간격이 감소하도록 마련될 수 있다.

또한, 그리퍼는, 하우징의 삽입 통로를 둘러싸며, 각각의 가압 부재가 고정된 지지 부재를 포함하며, 가압 부재는, 지지 부재의 둘레방향을 따라 소정 간격 떨어져 배치될 수 있다.

또한, 제1 전극부의 삽입 방향을 따라 가압 부재와 접촉되는 삽입통로는, 내경이 달라지도록 마련되고, 제1 전극부의 삽입 방향을 따라 삽입통로의 내경이 작아지도록 마련될 수 있다.

또한, 각각의 가압부재에는, 제1 전극부와 접촉하는 탄성부재가 마련될 수 있다.

또한, 제1 전극부는, 제1 전극 및 제1 전극에서 연장 형성된 집전체를 포함할 수 있다.

이에 더하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 소정 간격을 두고 마주하도록 배치되는 제1 및 제2 엔드 플레이트; 제1 및 제2 엔드 플레이트에 각각 장착되며, 삽입홀을 갖는 제1 커넥터; 삽입홀에 삽입되어 제1 및 제2 엔드 플레이트에 각각 고정되는 제1 및 제2 전극부; 및 제1 및 제2 전극부 사이에 배치되며, 제1 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로 및 제2 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로를 구획하도록 마련된 복수 개의 이온교환막을 포함하는, 역전기투석 스택을 제공한다.

또한, 이온교환막은, 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 포함하며, 역전기투석 스택은, 제1 전극부에서 제2 전극부를 향하여 차례로 배치된 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 각각 배치되는 복수 개의 제1 가스켓; 제1 전극부에서 제2 전극부를 향하여 차례로 배치된 음이온 교환막과 양이온 교환막 사이에 각각 배치되는 복수 개의 제2 가스켓; 및 제1 및 제2 전극부와 제1 및 제2 전극부와 각각 인접하게 배치된 이온교환막 사이에 각각 배치되는 복수 개의 제3 가스켓을 포함한다.

또한, 역전기투석 스택의 전기화학적 분석을 위한 하나 이상의 기준전극을 포함하며, 제1 및 제2 엔드 플레이트에는, 기준전극이 삽입되는 삽입홀을 갖는 제2 커넥터가 각각 장착되고, 기준전극이 삽입홀에 삽입된 상태에서, 기준전극은 제1 및 제2 전극부와 각각 접촉되는 것을 포함한다.

또한, 제1 및 제2 엔드 플레이트는, 제1 용액이 유입 및 배출되도록 각각 장착된 한 쌍의 제3 커넥터; 제3 커넥터와 각각 유체이동 가능하게 연결된 제1 유입 및 유출 유로; 제2 용액이 유입 및 배출되도록 각각 장착된 한 쌍의 제4 커넥터; 제4 커넥터와 각각 유체이동 가능하게 연결된 제2 유입 및 유출유로; 제1 및 제2 전극부 측으로 제3 용액이 유입 및 배출되기 위한 한 쌍의 제5 커넥터; 및 제5 커넥터와 각각 유체이동 가능하게 연결된 제3 유입 및 유출 유로를 각각 포함한다.

또한, 제1 및 제2 엔드 플레이트를 체결하기 위한 복수 개의 체결 부재를 포함하며, 제1 및 제2 엔드 플레이트는, 체결부재가 삽입되도록 제1 및 제2 엔드 플레이트를 각각 관통하는 복수 개의 제1 장착홀이 마련될 수 있다.

또한, 복수 개의 이온교환막은, 제1 유입 및 유출 유로와 각각 대응하는 위치에, 각각의 유로와 유체이동 가능하게 연결되는 한 쌍의 제1 유동홀, 및 제2 유입 및 유출 유로와 각각 대응하는 위치에, 각각의 유로와 유체이동 가능하게 연결되는 한 쌍의 제2 유동홀을 갖는 것을 포함한다.

또한, 제1 가스켓은, 한 쌍의 제1 유동홀을 연결하는 제1 유동 안내부 및 한 쌍의 제2 유동홀과 유체이동 가능하게 연결된 한 쌍의 제1 통과홀을 갖는 것을 포함한다.

또한, 제2 가스켓은, 한 쌍의 제2 유동홀을 연결하는 제2 유동 안내부 및 한 쌍의 제1 유동홀과 유체이동 가능하게 연결된 한 쌍의 제2 통과홀을 갖는 것을 포함한다.

또한, 복수 개의 이온교환막은, 각각의 엔드 플레이트에 마련된 제1 장착홀과 대응하는 위치에, 제1 장착홀과 각각 연통되는 제2 장착홀을 갖고, 제1 내지 제3 가스켓은, 제1 장착홀과 각각 연통되는 제3 장착홀을 갖는 것을 포함한다.

또한, 제1 유동 안내부는, 제1 유동 안내부에 삽입되는 제1 스페이서를 포함하고, 제1 스페이서는, 한 쌍의 제1 유동홀과 대응하는 위치에, 각각 유체이동 가능하게 연결된 한 쌍의 제3 유동홀을 가지며, 제2 유동 안내부는, 제2 유동 안내부에 삽입되는 제2 스페이서를 포함하고, 제2 스페이서는, 한 쌍의 제2 유동홀과 대응하는 위치에, 각각 유체이동 가능하게 연결된 한 쌍의 제4 유동홀을 가지는 것을 포함한다.

또한, 제3 가스켓은, 제3 용액이 유동하도록 마련된 제3 유동 안내부 및 제1 유입 및 유출 유로, 및 제2 유입 및 유출유로와 각각 대응하는 위치에, 유체 이동 가능하게 연결된 제3 통과홀이 마련되고, 제3 유동 안내부에 삽입되는 제3 스페이서를 포함한다.

또한, 기준전극은, 기준전극에서 측정되는 전압을 통해 제1 및 제2 전극의 상대 전압을 각각 측정하는 것을 포함한다.

본 발명에 따르면, 조립을 수행하는 사람의 능숙도와 상관없이 스택의 조립 완성도가 모두 동일하며 성능 신뢰성이 높은 표준화 된 역전기투석 스택을 제작할 수 있다.

또한, 전극과 집전체를 일체형으로 제작하고, 이를 커넥터를 이용하여 원터치 방식으로 조립 함으로써, 누수를 방지할 수 있는 역전기투석 스택을 제작할 수 있다.

또한, 원터치 방식으로 조립 가능한 커넥터를 이용하여 누수를 방지하면서 기준전극을 체결할 수 있고, 기준전극을 통해 역전기투석 스택의 출력, 이온교환막의 성능, 전극의 성능 등을 측정할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 스택 조립장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 제1 커넥터를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 커넥터의 가압 부재의 이동에 따른 삽입홀의 직경의 변화를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 4는 제1 전극부가 제1 커넥터에 장착되어 제1 엔드 플레이트에 고정된 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 스택을 나타낸 분해 사시도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 스택의 부분 단면도이다.
도 9는 도 5의 엔드 플레이트에 장착된 구성요소를 설명하기 위해 나타낸 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 스택의 제1 용액의 유동을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 스택의 제2 용액의 유동을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 스택에서 제1 및 제2 전극에 각각 전기적으로 연결된 기준전극을 통해 측정된 스택의 전체 전위, 제1 전극의 전위 및 제2 전극의 전위를 각각 나타낸 그래프이다.

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.

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 문서에서 제1 용액은 농도차 또는 염분차 발전을 위해 유입되는 상대적으로 고농도를 갖는 고농도 용액일 수 있으며, 예를 들어, 염수, 해수, 기수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액일수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 제2 용액은 농도차 또는 염분차 발전을 위해 유입되는 상대적으로 저농도를 갖는 저농도 용액일 수 있으며, 예를 들어, 기수 또는 담수 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 제3 용액은 제1 및 제2 전극 측으로 공급되어 전기를 생산하기 위해 사용되는 전극 용액일 수 있으며, 상기 전극 용액은 전해질을 포함하며, 예를 들어 저농도 용액 또는 고농도 용액 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 담수, 순수 또는 이온 전도성이 높은 전해질 용액일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 전극 측에서 발생하는 누수를 방지함과 동시에 업무 숙련도가 서로 다른 사람이 조립하여도 스택의 조립 완성도가 모두 동일한 표준화 된 역전기투석 스택 및 이를 이용한 역전기투석 스택에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 스택 조립장치(10, 이하 '조립 장치'라고 함) 및 이를 이용한 역전기투석 스택(20)에 관하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 스택 조립장치(10)를 나타낸 도면, 도 2는 도 1의 제1 커넥터를 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 조립장치(10)는, 제1 전극부(100), 제1 전극부(100)가 삽입되는 삽입홀(251)을 갖는 제1 커넥터(200) 및 제1 커넥터(200)가 장착된 제1 엔드 플레이트(150)를 포함한다.

상기 제1 전극부(100)는, 제1 전극(101) 및 제1 전극(101)에서 연장 형성된 집전체(130)를 포함한다.

상기 제1 전극(101)과 집전체는 일체로 형성될 수 있고, 제1 전극(101)은 다공성 전극 일 수 있다.

여기서, 상기 제1 전극은 원형 또는 사각형, 육각형 등의 다각형 형상을 갖도록 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

종래에는, 집전체와 전극이 분리된 형태로 형성되어 있어, 집전체와 전극을 전기적으로 연결 시키기 위해, 스크류 형태로 집전체를 회전시켜 전극과 연결하거나, 이를 용접하여 사용하였다. 전극과 집전체가 분리된 경우, 전극과 집전체 사이의 접촉저항이 문제가 되며, 전극과 집전체가 결합된 경우, 이를 스택에 고정하는 방법에 있어서 누수를 방지하기 위한 조치를 취하는데 한계가 있었다.

특히, 이러한 경우, 전극의 형상은 원형을 유지해야 했으나, 본 발명은 일체로 형성되어 회전을 시키지 않고 제1 커넥터에 의해 전극을 고정시키기 때문에 출력 밀도를 향상시킬 수 있는 형태의 전극을 다양하게 형성할 수 있는 이점이 있다.

또한, 전극과 집전체가 일체형으로 형성됨으로써, 전류 손실 및 전극부의 누수를 방지할 수 있게 된다.

특히, 종래에는 전극 및 집전체에 3μm 두께의 Pt로 코팅을 해야 했으나, 본 발명에 따르면 1μm 두께의 Pt로 전극 및 집전체를 코팅하여 전극 코팅의 두께를 감소 시킬 수 있어, 경제성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 상기 제1 엔드 플레이트(150)는, 제1 전극부(100)가 삽입되는 제1면(151), 제1면의 반대방향의 제2면(152) 및 제1면과 제2면을 연결하는 측면(153)을 포함한다. 여기서, 상기 제2면(152)에는 제1 커넥터(200)가 장착될 수 있다.

여기서, 상기 집전체(130)는 제1 전극(101)에서 제2면을 관통하여 외부로 노출되도록 연장 형성될 수 있다.

이에 더하여, 상기 제1 엔드 플레이트(150)는, 제1 전극(101)이 제1면에 삽입 장착되도록 제1면(151)에서 내측(제2면측)으로 함몰된 전극홈부(154) 및 전극홈부(154)에서 제2면 측을 향하여 관통 형성되어 집전체(130)가 삽입 가능하도록 마련된 장착통로(155)가 마련될 수 있다.

상기 제1 엔드 플레이트(150)의 제2면에는, 장착통로(155)와 연통되며, 제1 커넥터(200)가 체결되는 제1 체결홀(156)이 마련될 수 있다.

상기 제1 체결홀(156)에는 후술하는 하우징(210)의 체결부(220)와 나선 결합 가능하도록 마련된 제1 나선부(미도시)가 마련될 수 있고, 일 예로 나사산의 형태로 마련될 수 있다.

이에 더하여, 상기 제1 커넥터(200)는, 제1 전극부(100)가 삽입홀(251)로 삽입되는 방향의 반대방향으로 가압될 때, 삽입홀(251)의 직경이 증가하도록 마련될 수 있다.

여기서, 상기 제1 전극부(100)가 삽입홀(251)로 삽입되는 방향은 제1 엔드 플레이트의 제1면에서 제2면을 향하는 방향일 수 있고, 제1 방향(d1)이라 지칭될 수 있다. 즉, 제1 전극부(100)는 제1면 및 제2면을 차례로 통과하여 삽입홀(251)로 삽입될 수 있다.

이와 반대로, 제1 전극부(100)가 삽입홀(251)로 삽입되는 반대 방향은 제1 엔드 플레이트의 제2면에서 제1면을 향하는 방향일 수 있고, 제2 방향(d2)이라 지칭될 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 커넥터(200)는, 제1 전극부(100)의 삽입 통로(211)를 갖는 하우징(210)을 포함한다.

상기 하우징(210)은, 제1 엔드 플레이트(150)의 체결홀(156)에 체결되는 체결부(220)를 포함하며, 체결부(220)의 외주면에는 제1 나선부를 따라 회전하며 축 방향 즉, 제2면에서 제1면 측으로 이동 가능하도록 마련된 제2 나선부(221)가 마련될 수 있다.

여기서, 상기 제2 나선부(221)는 제1 나선부와 맞물려 회전함에 따라 축 방향으로 이동 가능하도록 제1 나선부와 대응되는 형상으로 마련될 수 있으며, 일 예로 제1 나선부와 대응되는 나사산의 형태로 마련될 수 있다.

상기와 같이, 제1 커넥터(200)는, 제1 체결홀(156)과 체결부(220)에 각각 마련된 제1 나사산 및 제2 나사산이 나선 결합하여 체결될 수 있다.

이에 더하여, 상기 체결부(220)에는, 체결부(220)의 외주면에 삽입 장착되어 적어도 일부 영역의 외주면을 감싸도록 마련된 제1 오링(O-ring, 222)을 포함한다.

상기 제1 오링(222)은, 탄성 변형 가능하게 형성되어, 체결부(220)가 제1 체결홀(156)에 체결될 때, 제1 엔드 플레이트의 제1면에 접촉 및 압착되어 유체의 누수를 방지할 수 있다.

이에 더하여, 상기 하우징(210)의 삽입 통로(211)에 이동 가능하게 배치되며, 삽입홀(251)을 형성하는 복수 개의 가압 부재(253)를 포함하는 그리퍼(250)를 포함한다.

상기 그리퍼(250)는, 하우징의 삽입 통로(211)를 둘러싸며, 각각의 가압 부재(253)가 고정된 지지부재(252)를 포함하고, 가압 부재(253)는 지지 부재의 둘레방향을 따라 소정 간격 떨어져 배치될 수 있다.

상기 가압 부재(253)는 일 예로 4개가 마련될 수 있으며, 2개의 가압 부재가 서로 마주하도록 각각 배치되어 가압 부재 사이에 소정 간격을 갖게 되어 삽입 통로(211)를 형성할 수 있다.

상기 지지부재(252)는, 내측이 관통 형성되어 집전체가 삽입되는 삽입 통로(211)를 형성할 수 있다.

즉, 지지 부재(252)는, 가압 부재(253)가 형성하는 삽입 통로(211)를 둘러싸도록 마련될 수 있다.

상기 가압 부재(253)는, 하우징(210)의 삽입 통로(211)에 접촉되도록 삽입 장착 될 수 있다.

이 때, 상기 하우징(210)에는 복수 개의 가압 부재(253)가 걸림 고정 되도록 삽입 통로(211)의 일단부에 마련된 제1 걸림턱(230)이 삽입 통로(211)의 둘레 방향을 따라 형성될 수 있다.

상기 제1 걸림턱(230)에는, 삽입 통로(211)의 내주면에서 삽입 통로를 향하여 외측으로 돌출되게 형성될 수 있다.

또한, 상기 가압 부재(253)는, 제1 걸림턱(230)에 걸림 고정되도록 가압 부재에서 외측으로 돌출되게 형성된 걸림돌기(255)가 각각 마련될 수 있다.

따라서, 상기 그리퍼가 하우징에 장착될 때, 걸림돌기(255)가 제1 걸림턱(230)에 걸림 고정 되고 외력에 의해 삽입 통로(211)를 이동할 수 있다.

또한, 상기 제1 전극부(100)의 삽입 방향을 따라 가압 부재(253)와 접촉되는 삽입통로(211)는, 내경이 달라지도록 마련되고, 제1 전극부(100)의 삽입 방향(d1)을 따라 삽입 통로(211)의 내경이 작아지도록 마련될 수 있다.

즉, 상기 가압 부재(253)와 접촉되는 삽입 통로(211)의 적어도 일부 영역은, 제1 전극부(100)의 삽입 방향을 따라 삽입 통로(211)의 내경이 작아지도록 마련되어 소정의 경사면(212)이 형성될 수 있다.

이 때, 상기 삽입 통로(211) 상의 가압 부재(253)의 접촉 위치에 따라 가압 부재(253) 사이 간격이 달라지도록 마련될 수 있다.

상기 가압 부재(253)는 소정의 경사면(212)을 따라 이동할 수 있으며, 경사면(212)의 내경에 따라 가압 부재(253)의 사이 간격이 달라질 수 있다.

상기 가압 부재(253)는, 외력에 의해 탄성 변형 가능하도록 소정의 탄성을 갖는 재질로 형성될 수 있고, 일 예로, 플라스틱 재질 등으로 마련될 수 있다.

따라서, 삽입 통로(211)를 이동할 때, 접촉 위치에 따라 삽입 통로의 내경에 대응하게 가압 부재(253)의 사이 간격이 달라짐으로써, 이에 따라 삽입홀(251)의 직경이 달라지게 되어 집전체가 삽입되거나(Y2) 삽입되지 않는 상태(지름) 을 가질 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 커넥터(200)의 가압 부재(253)의 이동에 따른 삽입홀(251)의 직경의 변화를 설명하기 위해 나타낸 도면, 도 4는 제1 전극부가 제1 커넥터에 장착되어 제1 엔드 플레이트에 고정된 상태를 나타낸 도면이다.

구체적으로, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 하우징(210)에 그리퍼(250)가 장착된 초기 상태에서, 삽입홀(251)의 직경(r1)은 그리퍼(250)가 제1 전극부(100)를 향하는 방향(d2)으로 이동된 이동 상태의 삽입홀(251)의 직경(r2)보다 작은 직경을 갖는다.

즉, 상기 제1 전극부(100)를 향하는 방향(d2)으로 그리퍼(250)가 이동 시, 삽입홀(251)의 직경이 증가하도록 가압 부재(253) 사이 간격이 증가할 수 있다.

또한, 상기 제1 전극부(100)를 향하는 방향(d2)을 따라 소정 간격 이상으로 그리퍼(250)가 이동 시, 삽입홀(251)의 직경이 제1 전극부(100)의 직경 이상이 되도록 마련될 수 있다.

또한, 제1 전극부(100)가 삽입되는 방향으로 그리퍼(250)가 이동 시, 삽입홀(251)의 직경이 감소하도록 가압 부재(253) 사이 간격이 감소할 수 있다.

구체적으로, 상기 그리퍼(250)가 하우징(210)에 장착된 초기 상태는, 삽입홀(251)의 직경이 제1 전극부(100)의 직경 즉, 집전체의 직경 보다 작은 직경을 갖게 되어 제1 전극부(집전체)가 삽입되지 않는 상태가 된다.

이와 반대로, 상기 그리퍼(250)가 외력에 의해 제1 전극부(100)를 향하는 방향(d2)으로 이동된 이동 상태는, 삽입홀(251)의 직경이 제1 전극부(100)의 직경, 즉 집전체의 직경 보다 큰 직경을 갖게 되어 제1 전극부(집전체)가 삽입 가능한 상태가 된다.

따라서, 상기와 같은 상태에서 제1 전극부(100)를 삽입하여 제1 엔드 플레이트에 고정시킬 수 있다.

이에 더하여, 상기 각각의 가압 부재(253)에는, 제1 전극부(100)와 접촉하는 탄성부재(254)가 마련될 수 있다.

상기 탄성부재(254)는, 가압 부재(253)의 내주면에서 돌출되도록 마련되어 집전체(130)를 가압하여 고정시킬 수 있다.

여기서, 상기 탄성부재(254)는, 일 예로 스프링일 수 있으며, 집전체(130)의 외주면을 가압하여 고정시킬 수 있다.

여기서, 상기 탄성부재(254)는, 예를 들어 판형의 스프링 또는 클립일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이에 더하여, 상기 하우징(210)은, 집전체(130)의 외주면의 둘레방향을 따라 적어도 일부 영역에 접촉되며 집전체를 고정하도록 마련된 제2 오링(241)을 포함한다.

또한, 상기 하우징(210)의 삽입 통로(211)의 일부 영역에는, 제2 오링(241)이 안착되는 제2 걸림턱(240)이 마련될 수 있다.

상기 제2 걸림턱(240)은 삽입 통로의 내주면에서 둘레 방향을 따라 돌출 형성되어 삽입 통로의 내경이 경사면 측 내경보다 작아지도록 마련됨으로써 형성될 수 있다.

즉, 상기 제2 걸림턱(240)이 형성된 삽입 통로(211)의 내경은, 집전체의 적어도 일부 영역이 삽입 가능하도록 집전체의 외경에 대응하게 형성될 수 있다.

따라서, 상기 하우징의 일부 영역은 집전체의 외주면을 둘러싸며 집전체를 고정하고, 하우징의 나머지 일부 영역은 그리퍼에 의해 집전체를 고정시킨다.

여기서, 상기 제1 전극부의 일부 영역, 즉 집전체(130)는 제1 커넥터에 삽입될 때 일부 영역이 외부로 노출되도록 장착될 수 있다.

상기와 같이, 집전체는 외부로 노출되는 길이 방향을 따라 지름이 서로 상이하게 마련될 수 있으며, 전극 측 집전체의 지름이 외부로 노출된 집전체의 지름보다 크게 마련될 수 있다.

상기와 같이 집전체의 지름을 상이하게 마련하여, 제1 커넥터에 전극 및 집전체가 고정될 때, 보다 단단히 고정될 수 있게 된다.

또한, 상기 제2 오링(241)에 의해 집전체를 고정시킴과 동시에 유체의 누수를 방지할 수 있다.

전술한 본 발명의 일 실시예에 다른 역전기투석 스택 조립 장치(10)는, 원터치 방식(One-touch type)으로 보다 용이하게 전극 및 집전체를 엔드 플레이트에 고정할 수 있다.

상기 역전기투석 스택 조립 장치(10)의 조립 방법은, 제1 커넥터를 제1 엔드 플레이트의 제1 체결홀에 나선 결합하여 장착하는 단계를 포함한다.

또한, 제1 커넥터의 지지부재를 제2 방향(d2)으로 외력을 가하여 가압하는 단계를 포함한다.

또한, 지지부재가 가압된 상태에서, 제1 전극부(100)를 제1 커넥터의 삽입홀에 제1 방향(d1)으로 삽입하여 고정시키는 단계를 포함한다.

상기와 같은 간단한 동작에 의해 엔드 플레이트에 전극 및 집전체를 고정시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 또한 전술한 역전기투석 스택 조립 장치(10)를 이용한 역전기투석 스택(20)을 제공한다. 따라서, 후술하는 역전기투석 스택 조립 장치(10)에서 전술한 구체적인 사항은 동일하게 적용될 수 있다.

도 5는 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 스택(20)을 나타낸 분해 사시도, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 스택(20)의 부분 단면도, 도 9는 도 5의 엔드 플레이트에 장착된 구성요소를 설명하기 위해 나타낸 사시도이다.

도 5 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 스택(20)은, 소정 간격을 두고 마주하도록 배치되는 제1 및 제2 엔드 플레이트(150,170), 제1 및 제2 엔드 플레이트(150,170)에 각각 장착되며, 삽입홀(251)을 갖는 제1 커넥터(200), 삽입홀(251)에 삽입되어 제1 및 제2 엔드 플레이트(150,170)에 각각 고정되는 제1 및 제2 전극부(100,110) 및 제1 및 제2 전극부(100,110) 사이에 배치되며, 제1 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로(401) 및 제2 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로(402)를 구획하도록 마련된 복수 개의 이온교환막(400)을 포함한다.

여기서, 상기 제2 전극부(110)는, 제2 전극(111) 및 제2 전극(111)에서 연장 형성된 집전체(130)를 포함하며, 제2 전극 또한 다공성 전극일 수 있고, 제1 전극부(100)와 동일한 형상 및 구조를 가지며, 제1 전극부에서 기술된 내용이 동일하게 적용될 수 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.

또한, 제1 전극과 제2 전극은 전기적으로 연결될 수 있다.

또한, 상기 이온교환막(400)은, 양이온 교환막(410) 및 음이온 교환막(420)을 포함한다.

상기 역전기투석 스택(20)은, 제1 전극부(100)에서 제2 전극부(110)를 향하여 차례로 배치된 양이온 교환막(410a, 410b, 410c)과 음이온 교환막(420a, 420b) 사이에 각각 배치되는 복수 개의 제1 가스켓(500)을 포함한다.

또한, 상기 제1 전극부에서 제2 전극부를 향하여 차례로 배치된 음이온 교환막(420a, 420b)과 양이온 교환막(410a, 410b, 410c) 사이에 각각 배치되는 복수 개의 제2 가스켓(530)을 포함한다.

또한, 상기 제1 전극부(100) 및 제1 전극부(100)와 인접하게 배치된 이온교환막(410a) 사이, 제2 전극부(110) 및 제2 전극부(110)와 인접하게 배치된 이온교환막(410c) 사이에 각각 배치되는 복수 개의 제3 가스켓(550)을 포함한다.

이에 더하여, 본 발명의 역전기투석 스택(20)은, 역전기투석 스택의 전기화학적 분석을 위한 하나 이상의 기준전극(600)을 포함하며, 제1 및 제2 엔드 플레이트(150,170)에는, 기준전극(600)이 삽입되는 삽입홀을 갖는 제2 커넥터(201)가 각각 장착되고, 기준전극(600)이 삽입홀에 삽입된 상태에서, 기준전극(600)은 제1 및 제2 전극부(100,110)와 각각 접촉되도록 마련될 수 있다.

구체적으로, 상기 기준전극(600)은, 각각의 전극에서 나타나는 전압을 측정하도록 마련될 수 있다.

상기 제1 및 제2 엔드 플레이트(150,170)에는, 제2 커넥터(201)가 체결되는 제2 체결홀(161)이 마련될 수 있다.

또한, 상기 제2 체결홀(161)과 연통되어 기준전극(600)이 제2 체결홀(161)을 통과하여 제1 및 제2 전극(101,111)과 접촉하도록 마련된 제1 통로(162)가 각각 마련될 수 있다.

이에 더하여, 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트(150,170)는, 제1 용액이 유입 및 배출되도록 장착된 한 쌍의 제3 커넥터(310,311)를 각각 포함한다.

상기 한 쌍의 제3 커넥터(310,311)는 각각 서로 대향하는 대각선 방향에 마련될 수 있다.

상기 한 쌍의 제3 커넥터는 제1 및 제2 엔드 플레이트에 형성된 제3 체결홀(미도시)에 체결될 수 있다.

또한, 한 쌍의 제3 커넥터(310,311)와 각각 유체이동 가능하게 연결된 제1 유입 및 유출 유로(301,302)를 포함한다.

또한, 제2 용액이 유입 및 배출되도록 각각 장착된 복수의 제4 커넥터 (320,321)를 포함한다.

상기 각각의 제4 커넥터는 제1 및 제2 엔드 플레이트에 형성된 제4 체결홀(미도시)에 체결될 수 있다.

상기 복수의 제4 커넥터(320,321)는 각각 서로 대향하는 대각선 방향에 마련될 수 있다.

또한, 복수의 제4 커넥터(320,321)와 각각 유체이동 가능하게 연결된 제2 유입 및 유출유로(303,304)를 포함한다.

상기 제1 유입유로와 연결된 제3 커넥터(310)와 제2 유입유로와 연결된 제4 커넥터(320)는 인접하게 배치되고, 제1 유출유로와 연결된 제3 커넥터(311)와 제2 유출유로와 연결된 제4 커넥터(321)는 인접하게 배치된다.

상기 제3 체결홀 및 제4 체결홀은 각각의 엔드 플레이트(150,170)의 측면에 형성하여 제3 커넥터(310,311) 및 제4 커넥터(311,321)가 측면에 장착되도록 마련될 수 있다.

이에 따라, 상기 제3 커넥터와 연결된 제1 유입 및 유출 유로는 측면에서 제1 면을 향하여 각각 연장 형성될 수 있다.

또한, 상기 제4 커넥터와 연결된 제2 유입 및 유출 유로는 측면에서 제1면을 향하여 각각 연장 형성될 수 있다.

이에 더하여, 제1 및 제2 전극부 측으로 제3 용액이 유입 및 배출되기 위한 복수의 제5 커넥터(330,331) 및 복수의 제5 커넥터(330,331)와 각각 유체이동 가능하게 연결된 제3 유입 및 유출 유로(305,306)를 포함한다.

상기 각각의 제5 커넥터는 제1 및 제2 엔드 플레이트에 형성된 제5 체결홀(미도시)에 체결될 수 있다.

상기 제5 커넥터(330,331)는 엔드 플레이트의 제2면 측에 장착될 수 있으며, 제3 유입 및 유출 유로는 각각의 전극과 유체이동 가능하게 연결될 수 있다.

일 예로, 상기 제5 커넥는 제1 커넥터를 사이에 두고 양 측에 각각 마련될 수 있다.

상기 전극은 다공성 전극으로, 제3 유입유로를 통해 유입된 유체는 전극을 통과하여 유입될 수 있고, 유입된 유체가 전극을 통과하여 제3 유출유로를 통해 유출될 수 있다.

상기와 같은 배치는, 제1 내지 제3 용액이 유입되는 간격을 균일하게 분포함으로써, 유입된 유체가 혼합되는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 상기 제2 커넥터(201) 내지 제5 커넥터는 각각 제1 커넥터(200)와 동일한 구성 및 구조를 갖는다. 즉, 제2 내지 제5 커넥터는 각각 제1 커넥터일 수 있다.

따라서, 제1 커넥터에서 전술한 내용이 동일하게 적용될 수 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.

또한, 각각의 커넥터가 체결되는 제2 내지 제5 체결홀 또한 전술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.

본 발명은, 역전기투석 스택(20)으로 제1 내지 제3 용액을 공급하기 위한 제1 내지 제3 용액 공급부를 각각 포함할 수 있다.

상기 제1 내지 제3 용액 공급부는, 각각 제3 내지 제5 커넥터와 유체이동 가능하게 장착되어 유체가 각각의 커넥터를 통과하여 제1 재니 제3 유입유로로 유체를 공급할 수 있다.

한편, 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트(150,170)를 체결하기 위한 복수 개의 체결 부재(700)를 포함하며, 제1 및 제2 엔드 플레이트(150,170)는, 체결부재(700)가 삽입되도록 제1 및 제2 엔드 플레이트(50,170)를 각각 관통하는 복수 개의 제1 장착홀(710)이 마련될 수 있다.

여기서, 상기 체결 부재(700)는, 일 예로 길이 방향을 따라 연장 형성된 볼트 및 볼트에 체결되는 너트를 포함할 수 있다.

상기 복수 개의 제1 장착홀(710)은, 각각의 엔드 플레이트의 중심에서 소정 간격 떨어진 가상의 동심원 상에 동일한 간격을 갖도록 각각 배치될 수 있다.

상기 제1 장착홀의 배치는, 각각의 전극 및 유체의 유입구(제3 내지 제5커넥터)의 위치로부터 균일한 간격으로 원형 배열됨으로써, 각각의 제1 장착홀(710)에 체결되는 체결 부재가 균일한 힘으로 스택을 눌러주게 되며, 이로 인해 작은 토크로도 누수를 방지할 수 있는 효과가 있다.

한편, 상기 복수 개의 이온교환막(410, 420)은, 제1 유입 및 유출 유로(301,302)와 각각 대응하는 위치에, 각각의 유로와 유체이동 가능하게 연결되는 한 쌍의 제1 유동홀(411,412), 및 제2 유입 및 유출 유로와 각각 대응하는 위치에, 각각의 유로와 유체이동 가능하게 연결되는 한 쌍의 제2 유동홀(413,414)을 갖는다.

여기서, 한 쌍의 제1 유동홀(411,412)은 서로 소정간격 떨어져 마주하는 대각선 방향에 배치될 수 있고, 한 쌍의 제2 유동홀(413,414)은 서로 소정간격 떨어져 마주하는 대각선 방향에 배치될 수 있다.

상기 제1 가스켓(500)은, 한 쌍의 제1 유동홀(411,412)을 연결하는 제1 유동 안내부(511) 및 한 쌍의 제2 유동홀(413,414)과 유체이동 가능하게 연결된 한 쌍의 제1 통과홀(513,514)을 갖는다.

상기 제1 유동 안내부(511)는, 제1 가스켓(500)의 적어도 일부 영역을 관통하도록 형성될 수 있다.

상기 제1 유동 안내부(511)는, 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 접촉하여 배치될 때 인접하는 2개의 이온교환막 사이에서, 제1 유동 안내부의 영역만큼의 소정의 공간이 형성됨으로써, 제1 용액이 유동하는 제1 유로(401)를 형성할 수 있다.

또한, 한 쌍의 제1 통과홀은, 제1 가스켓을 관통하도록 형성될 수 있다.

이에 더하여, 상기 제2 가스켓(530)은, 한 쌍의 제2 유동홀(413,414)을 연결하는 제2 유동 안내부(533) 및 한 쌍의 제1 유동홀(411,412)과 유체이동 가능하게 연결된 한 쌍의 제2 통과홀(531,532)을 갖는다.

상기 제2 유동 안내부(533)는, 제2 가스켓(530)의 적어도 일부 영역을 관통하도록 형성될 수 있다.

상기 제2 유동 안내부(533)는, 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 접촉하여 배치될 때 인접하는 2개의 이온교환막 사이에서, 제2 유동 안내부의 영역만큼의 소정의 공간이 형성됨으로써, 제2 용액이 유동하는 제2 유로(402)를 형성할 수 있다.

또한, 한 쌍의 제2 통과홀은, 제2 가스켓을 관통하도록 형성될 수 있다.

이에 더하여, 상기 제3 가스켓(550)은, 제3 용액이 유동하도록 마련된 제3 유동 안내부(551)를 포함한다.

또한, 상기 제3 가스켓(550)은, 제1 유입 및 유출 유로(301,302), 및 제2 유입 및 유출유로(303,304)와 각각 대응하는 위치에 유체 이동 가능하게 연결된 복수 개의 제3 통과홀(미도시)이 마련될 수 있다.

상기 제3 유동 안내부(551)는, 제3 가스켓(550)의 적어도 일부 영역을 관통하도록 형성될 수 있다.

특히, 제3 유동 안내부(551)는, 각각의 전극과 동일한 형상을 갖도록 마련될 수 있다.

상기 제3 유동 안내부(551)는, 전극과 이온교환막 사이에 접촉하여 배치될 때 전극과 이온교환막 사이에서, 제3 유동 안내부의 영역만큼의 소정의 공간이 형성됨으로써, 제3 용액이 유동하는 제3 유로(403)를 형성할 수 있다.

또한, 복수 개의 제3 통과홀은, 제3 가스켓을 관통하도록 형성될 수 있다.

이에 더하여, 상기 복수 개의 이온교환막(400)은, 각각의 엔드 플레이트에 마련된 제1 장착홀(710)과 대응하는 위치에, 제1 장착홀(710)과 각각 연통되는 제2 장착홀(720)을 갖는다.

여기서, 각각의 제2 장착홀(720)은, 일측이 개구된(개방된) 영역을 가질 수 있다.

상기 제1 내지 제3 가스켓(500,530,550)은, 제1 장착홀(710)과 각각 연통되는 제3 장착홀(730)을 갖는다.

즉, 제1 내지 제3 장착홀(710,720,730)은 각각 서로 연통되도록 마련될 수 있다.

이에 더하여, 상기 제1 유동 안내부(511)는, 제1 유동 안내부(511)에 삽입되는 제1 스페이서(810)를 포함하고, 제1 스페이서(810)는, 한 쌍의 제1 유동홀(411,412)과 대응하는 위치에, 각각 유체이동 가능하게 연결된 한 쌍의 제3 유동홀(811,812)을 갖는다.

상기 제2 유동 안내부(533)는, 제2 유동 안내부(533)에 삽입되는 제2 스페이서(820)를 포함하고, 제2 스페이서(820)는, 한 쌍의 제2 유동홀(413,414)과 대응하는 위치에, 각각 유체이동 가능하게 연결된 한 쌍의 제4 유동홀(823,824)을 갖는다.

상기 제3 유동 안내부(551)는, 제3 유동 안내부(551)에 삽입되는 제3 스페이서(830)를 포함한다.

상기 제1 내지 제3 스페이서(스페이서)는, 각각의 제1 내지 제3 유로 상에 삽입되어 유체의 유동을 불균일하게 하고 스월(swirl)을 형성하여 이온교환막 상으로 이온의 이동을 향상시키는 역할을 한다.

또한, 상기 스페이서는 유속에 따라 이온교환막 표면의 확산층의 두께를 감소시키는 역할을 함으로써 역전기투석 장치의 성능을 향상시킨다. 특히, 이온교환막의 두께가 매우 얇은 경우 이온교환막이 유체의 압력에 의해 형태가 변형되는 문제를 방지할 수 있다.

전술한 본 발명의 각각의 가스켓은, 유리섬유가 보강된 형태의 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 소재로 이루어질 수 있고, PTFE는 소수성이 있고 내부식성이 있어 가스켓 소재로 적합하다.

상기와 같이 기준전극(600)은, 역전기투석 스택의 출력, 이온교환막의 성능, 전극의 성능 등을 측정할 수 있게 된다.

상기 기준전극(600)은, 제2 방향 측으로 커넥터의 삽입홀에 삽입되어 고정될 수 있다.

또한, 상기 집전체와 같이 전극 상에 일체형으로 형성되어 제1 방향 측으로 커넥터의 삽입홀에 삽입되어 고정될 수 있다.

일반적으로 역전기투석 스택에서는 전극 반응이 전류밀도를 결정하며, 전류밀도는 전극의 과전압(over-potential)에 영향을 받으며, 과전압은 반쪽 반응에 의한 전극 전압을 측정해야 알 수 있다.

즉, 역전기투석 스택의 전류밀도를 결정하고 측정하기 위해서는 한쪽(반쪽) 반응을 명확하게 알 수 있어야 한다.

상기와 같이 제1 전극과 연결된 기준전극(제1 기준 전극이라고도 함)과 제2 전극과 연결된 기준전극(제2 기준 전극이라고도 함)은, 각각의 전극에서의 전류 밀도, 전극의 저항 즉, 실제저항(ohmic)과 허수저항(non ohmic), 전극 전압을 정밀하게 측정하는 기준으로 활용할 수 있다.

구체적으로, 상기 기준전극(600)은, 각각의 전극의 상대 전압을 측정하도록 마련될 수 있으며, 각각의 기준전극(600)에서 측정되는 전압을 통해 정밀한 반쪽 반응 전위를 측정할 수 있게 된다.

이를 통해 최적화된 산화환원 종을 선택하고 고효율 및 고성능의 역전기투석 장치를 운전하거나, 각 전극 및 각 전극 측으로 유입되는 전해질의 성능을 정밀하게 평가할 수 있게 된다.

또한, 상기와 같은 측정을 통해 역전기투석 스택의 전류밀도를 결정하고, 이온교환막이 갖는 물리적, 화학적 특징 등을 분석할 수 있게 된다.

한편, 종래의 가스켓과 스페이서는 각각 적층되기 때문에 가스켓과 스페이서의 두께 차이에 의해 누수가 발생할 가능성이 있었다.

반면, 본 발명의 가스켓과 스페이서는, 가스켓에 형성된 유동 안내부에 스페이서가 장착되기 때문에 누수 가능성을 최소화 할 수 있는 이점이 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 다른 역전기투석 스택(20)의 제1 용액의 유동을 나타내는 도면, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 다른 역전기투석 스택(20)의 제2 용액의 유동을 나타내는 도면이다.

도 10에 나타낸 화살표를 참조하면, 제3 커넥터(310) 및 제1 유입유로(301)를 통과한 제1 용액은 제3 가스켓의 제3 통과홀(미도시)을 통과하여 양이온 교환막(410a)의 제1 유동홀(411)로 유입된다.

상기와 같이, 제1 용액이 제1 유동홀(411)로 유입되면, 일부는 제1 가스켓(500)의 제1 유동안내부(511) 또는 제1 유동안내부(511)에 삽입된 제1 스페이서(810) 상을 유동하고 일부는 제3 유동홀(811)을 통과한다.

상기와 같이 제3 유동홀(811)을 통과한 제1 용액은, 음이온 교환막(420a)의 제1 유동홀(411), 제2 가스켓(530)의 제2 통과홀(531) 및 양이온 교환막(410b)의 제1 유동홀(411)을 차례로 통과한 후, 제1 가스켓(500)의 제1 유동안내부(511) 또는 제1 유동안내부(511)에 삽입된 제1 스페이서(810) 상을 유동한다.

상기와 같이, 제1 가스켓(500)의 제1 유동안내부(511) 또는 제1 유동안내부(511)에 삽입된 제1 스페이서(810) 상을 각각 유동한 제1 용액은, 마주하는 제3 유동홀(812)로 유동하고, 이와 유체이동 가능하게 연결된 이온교환막의 제1 유동홀 및 가스켓의 제2 통과홀을 각각 통과하여 제1 유출 유로(302) 및 제3 커넥터를 통과하여 외부로 배출될 수 있다.

이와 동시에, 도 11의 화살표를 참조하면, 제4 커넥터(320) 및 제2 유입유로(303)를 통과한 제2 용액은 제3 가스켓의 제3 통과홀(미도시), 양이온 교환막(410a)의 제2 유동홀(413) 및 제1 가스켓(500)의 제1 통과홀(513)을 차례로 통과하여 제2 가스켓의 제2 유동안내부(533) 또는 제2 유동안내부(533)에 삽입된 제2 스페이서(820) 상을 유동하고, 일부는 제4 유동홀(823)을 통과한다.

상기와 같이 제4 유동홀(823)을 통과한 제2 용액은, 양이온 교환막(410b)의 제2 유동홀(413), 제1 가스켓의 제1 통과홀(513) 및 음이온 교환막(420b)의 제2 유동홀(413)을 차례로 통과한 후, 제2 가스켓(530)의 제2 유동안내부(533) 또는 제2 유동안내부(533)에 삽입된 제2 스페이서(820) 상을 유동한다.

상기와 같이, 제2 가스켓(530)의 제2 유동안내부(533) 또는 제2 유동안내부(533)에 삽입된 제2 스페이서(820) 상을 각각 유동한 제2 용액은, 마주하는 제4 유동홀(824)로 유동하고, 이와 유체이동 가능하게 연결된 이온교환막의 제2 유동홀(414) 및 가스켓의 제1 통과홀(514)을 각각 통과하여 제2 유출 유로(304) 및 제4 커넥터를 통과하여 외부로 배출될 수 있다.

이와 동시에, 비록 도면에 도시되지 않았지만, 제3 용액은, 제5 커넥터(330) 및 제3 유입유로를 통해 제1 및 제2 전극 측으로 유동되고, 유동된 제3 용액은 제3 가스켓의 제3 유동안내부(551)에서 유동하며 각각의 전극에서 전기를 생산하고, 제3 유출유로 및 제5 커넥터(331)를 차례로 통과하여 외부로 배출될 수 있다.

상기와 같이, 제1 유동안내부 및 제2 유동안내부 또는 제1 스페이서 및 제2 스페이서 상을 유동하는 유체는 서로 교차흐름(cross flow)를 가질 수 있다.

즉, 제1 유로와 제2 유로를 서로 교차 흐름을 갖도록 형성되고, 제1 유로를 유동하는 제1 용액은 상대적으로 고농도를 갖고 있어, 제1 용액 내에 포함된 양이온과 음이온은 인접하는 이온교환막을 선택적으로 통과하여 제2 유로로 유동될 수 있다.

이러한 농도차에 의한 유동에 의해 전위차가 발생하여 전기가 생성될 수 있다.

전술한 제1 및 제2 용액은 제1 및 제2 엔드 플레이트에 장착된 각각의 제3 내지 제5 커넥터를 통해 양 측에서 유입될 수 있으며, 전술한 유체의 유동은, 제1 엔드 플레이트를 기준으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 스택에서 제1 및 제2 전극에 각각 전기적으로 연결된 기준전극을 통해 측정된 스택의 전체 전위, 제1 전극의 전위 및 제2 전극의 전위를 각각 나타낸 그래프이다.

각각의 전위를 측정하기 위해, 역전기투석 스택은 총 50 셀 즉, 양이온 교환막 51개, 음이온 교환막 50개를 교번하여 배치하였다.

유입수 중 고농도 용액으로서 농축수(6wt% NaCl)와 저농도 용액으로서 담수(0.1wt% NaCl)를 각각 모사하여 제조하였으며, 100ml/min의 유량으로 역전기투석 스택에 각각 공급하였다.

전극용액은 Fe(CN)₆ ^3-/4- 를 50mM로 조제하여 제1 및 제2 전극 측으로 각각 공급하였다.

도 12에 나타낸 바와 같이, 스택의 전체 전위(Cell), 제1 전극(음극, Aux1) 및 제2 전극(양극, Aux2)의 전위를 각각 측정할 수 있음을 확인하였다.

종래의 장치에서는 단위 스택의 전위(Cell) 만을 측정할 수 있었으나, 본 발명과 같이 커넥터(201)에 고정되어 각각의 전극과 전기적으로 연결된 기준전극을 통해 제1 전극(음극) 및 제2 전극(양극)의 전위를 분할하여 각각 측정할 수 있다.

또한, 이를 통해 각 전극의 실제 작동 전압 및 이에 따른 적절한 전극 반응 분석을 통해 고효율의 역전기투석 스택을 설계, 제작 및 운전을 가능하게 한다.

10: 역전기투석 스택 조립 장치
20: 역전기투석 스택
100: 제1 전극부
110: 제2 전극부
150: 제1 엔드 플레이트
170: 제2 엔드 플레이트
200: 제1 커넥터
201: 제2 커넥터
310,311: 제3 커넥터
320,321: 제4 커넥터
330,331: 제5 커넥터
400: 이온교환막
500: 제1 가스켓
530: 제2 가스켓
550: 제3 가스켓
600: 기준전극
700: 체결 부재

Claims (21)

1. 제1 전극부;
   제1 전극부가 삽입되는 삽입홀을 갖는 제1 커넥터; 및
   제1 커넥터가 장착된 제1 엔드 플레이트를 포함하고,
   제1 커넥터는, 제1 전극부가 삽입홀로 삽입되는 방향의 반대방향으로 가압될 때, 삽입홀의 직경이 증가하도록 마련된 역전기투석 스택 조립 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   제1 커넥터는, 제1 전극부의 삽입 통로를 갖는 하우징; 및 하우징의 삽입통로에 이동 가능하게 배치되며, 삽입홀을 형성하는 복수 개의 가압 부재를 포함하는 그리퍼를 포함하며,
   삽입 통로 상의 가압 부재의 접촉 위치에 따라 가압 부재 사이 간격이 달라지도록 마련된, 역전기투석 스택 조립 장치.
3. 제 2항에 있어서,
   제1 전극부를 향하는 방향으로 그리퍼가 이동 시, 삽입홀의 직경이 증가하도록 가압 부재 사이 간격이 증가하는, 역전기투석 스택 조립 장치.
4. 제 3항에 있어서,
   제1 전극부를 향하는 방향을 따라 소정 간격 이상으로 그리퍼가 이동 시, 삽입홀의 직경이 제1 전극부의 직경 이상이 되도록 마련된, 역전기투석 스택 조립 장치.
5. 제 2항에 있어서,
   제1 전극부가 삽입되는 방향으로 그리퍼가 이동 시, 삽입홀의 직경이 감소하도록 가압 부재 사이 간격이 감소하는, 역전기투석 스택 조립 장치.
6. 제 3항에 있어서,
   그리퍼는, 하우징의 삽입 통로를 둘러싸며, 각각의 가압 부재가 고정된 지지 부재를 포함하며,
   가압 부재는, 지지 부재의 둘레방향을 따라 소정 간격 떨어져 배치된, 역전기투석 스택 조립 장치.
7. 제 2항에 있어서,
   제1 전극부의 삽입 방향을 따라 가압 부재와 접촉되는 삽입통로는, 내경이 달라지도록 마련되고,
   제1 전극부의 삽입 방향을 따라 삽입통로의 내경이 작아지도록 마련된, 역전기투석 스택 조립 장치.
8. 제 2항에 있어서,
   각각의 가압부재에는, 제1 전극부와 접촉하는 탄성부재가 마련된, 역전기투석 스택 조립 장치.
9. 제1 전극부는, 제1 전극 및 제1 전극에서 연장 형성된 집전체를 포함하는, 역전기투석 스택 조립 장치.
10. 소정 간격을 두고 마주하도록 배치되는 제1 및 제2 엔드 플레이트;
    제1 및 제2 엔드 플레이트에 각각 장착되며, 삽입홀을 갖는 제1 커넥터;
    삽입홀에 삽입되어 제1 및 제2 엔드 플레이트에 각각 고정되는 제1 및 제2 전극부; 및
    제1 및 제2 전극부 사이에 배치되며, 제1 용액이 유동하는 하나 이상의 제1 유로 및 제2 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로를 구획하도록 마련된 복수 개의 이온교환막을 포함하는, 역전기투석 스택.
11. 제 10항에 있어서,
    이온교환막은, 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 포함하며,
    역전기투석 스택은, 제1 전극부에서 제2 전극부를 향하여 차례로 배치된 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 각각 배치되는 복수 개의 제1 가스켓;
    제1 전극부에서 제2 전극부를 향하여 차례로 배치된 음이온 교환막과 양이온 교환막 사이에 각각 배치되는 복수 개의 제2 가스켓; 및
    제1 및 제2 전극부와 제1 및 제2 전극부와 각각 인접하게 배치된 이온교환막 사이에 각각 배치되는 복수 개의 제3 가스켓을 포함하는, 역전기투석 스택.
12. 제 10항에 있어서,
    역전기투석 스택의 전기화학적 분석을 위한 하나 이상의 기준전극을 포함하며,
    제1 및 제2 엔드 플레이트에는, 기준전극이 삽입되는 삽입홀을 갖는 제2 커넥터가 각각 장착되고,
    기준전극이 삽입홀에 삽입된 상태에서, 기준전극은 제1 및 제2 전극부와 각각 접촉되는, 역전기투석 스택.
13. 제 10항에 있어서,
    제1 및 제2 엔드 플레이트는, 제1 용액이 유입 및 배출되도록 각각 장착된 한 쌍의 제3 커넥터;
    제3 커넥터와 각각 유체이동 가능하게 연결된 제1 유입 및 유출 유로;
    제2 용액이 유입 및 배출되도록 각각 장착된 한 쌍의 제4 커넥터;
    제4 커넥터와 각각 유체이동 가능하게 연결된 제2 유입 및 유출유로;
    제1 및 제2 전극부 측으로 제3 용액이 유입 및 배출되기 위한 한 쌍의 제5 커넥터; 및
    제5 커넥터와 각각 유체이동 가능하게 연결된 제3 유입 및 유출 유로를 각각 포함하는, 역전기투석 스택.
14. 제 10항에 있어서,
    제1 및 제2 엔드 플레이트를 체결하기 위한 복수 개의 체결 부재를 포함하며,
    제1 및 제2 엔드 플레이트는, 체결부재가 삽입되도록 제1 및 제2 엔드 플레이트를 각각 관통하는 복수 개의 제1 장착홀이 마련된, 역전기투석 스택.
15. 제 13항에 있어서,
    복수 개의 이온교환막은, 제1 유입 및 유출 유로와 각각 대응하는 위치에, 각각의 유로와 유체이동 가능하게 연결되는 한 쌍의 제1 유동홀, 및 제2 유입 및 유출 유로와 각각 대응하는 위치에, 각각의 유로와 유체이동 가능하게 연결되는 한 쌍의 제2 유동홀을 갖는, 역전기투석 스택.
16. 제 15항에 있어서,
    제1 가스켓은, 한 쌍의 제1 유동홀을 연결하는 제1 유동 안내부 및 한 쌍의 제2 유동홀과 유체이동 가능하게 연결된 한 쌍의 제1 통과홀을 갖는, 역전기투석 스택.
17. 제 15항에 있어서,
    제2 가스켓은, 한 쌍의 제2 유동홀을 연결하는 제2 유동 안내부 및 한 쌍의 제1 유동홀과 유체이동 가능하게 연결된 한 쌍의 제2 통과홀을 갖는, 역전기투석 스택.
18. 제 14항에 있어서,
    복수 개의 이온교환막은, 각각의 엔드 플레이트에 마련된 제1 장착홀과 대응하는 위치에, 제1 장착홀과 각각 연통되는 제2 장착홀을 갖고,
    제1 내지 제3 가스켓은, 제1 장착홀과 각각 연통되는 제3 장착홀을 갖는, 역전기투석 스택.
19. 제 16 항 또는 제17항에 있어서,
    제1 유동 안내부는, 제1 유동 안내부에 삽입되는 제1 스페이서를 포함하고,
    제1 스페이서는, 한 쌍의 제1 유동홀과 대응하는 위치에, 각각 유체이동 가능하게 연결된 한 쌍의 제3 유동홀을 가지며,
    제2 유동 안내부는, 제2 유동 안내부에 삽입되는 제2 스페이서를 포함하고,
    제2 스페이서는, 한 쌍의 제2 유동홀과 대응하는 위치에, 각각 유체이동 가능하게 연결된 한 쌍의 제4 유동홀을 가지는, 역전기투석 스택.
20. 제 11항에 있어서,
    제3 가스켓은, 제3 용액이 유동하도록 마련된 제3 유동 안내부 및 제1 유입 및 유출 유로, 및 제2 유입 및 유출유로와 각각 대응하는 위치에, 유체 이동 가능하게 연결된 제3 통과홀이 마련되고,
    제3 유동 안내부에 삽입되는 제3 스페이서를 포함하는, 역전기투석 스택.
21. 제 12항에 있어서,
    기준전극은, 기준전극에서 측정되는 전압을 통해 제1 및 제2 전극의 상대 전압을 각각 측정하는, 역전기투석 스택.
    

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