KR20210101786A - 공급 용액의 재순환이 가능한 염도차 발전장치 - Google Patents

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KR20210101786A
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Abstract

본 발명은 염도차 발전장치 및 이를 포함하는 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 고농도 용액을 회수함에 있어서, 외부 열의 사용을 최소화할 수 있고, 고농도 용액을 지속적으로 회수하여 재공급하고, 염용액이 이동한 저농도 용액을 액체-액체 상 분리 방식으로 저농도 용액과 염을 분리할 수 있으며, 그 결과 높은 염 용액 회수율을 얻을 수 있다.

Description

공급 용액의 재순환이 가능한 염도차 발전장치 {Salinity gradient power generation possible to recycle feed solutions}
본 발명은 공급 용액의 재순환이 가능한 염도차 발전장치 및 이를 포함하는 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 염도차발전(salinity gradient power generation)은 농도가 다른 두 유체(예를 들어, 해수와 담수)의 혼합 과정에서 발생한 염 농도차 에너지를 전기 에너지 형태로 회수하여 발전하는 시스템이다.
예를 들어, 역전기투석(RED)은 해수와 담수를 이용하여 이온화되어 있는 염의 농도차로 발전하는 시스템으로서, 해수와 담수의 농도차로 인해 이온이 이온교환막(양이온교환막 및 음이온교환막)을 통과하여 이동하게 되고, 복수개의 이온교환막이 번갈아 배열된 스택(Stack)의 양쪽 끝의 한 쌍의 전극간의 전위차를 발생시키며, 전극 상에서 산화환원반응을 통하여 전기에너지를 생성하는 장치이다. 즉, 해수(염수)에 용해되어 있는 이온이 이온교환막을 통해 담수로 이동하면서 발생되는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 전환하는 발전방식이다.
한편, 염도차 발전장치에서, 예를 들어, 고농도 용액으로 암모늄 바이카보네이트(ammonium bicarbonate)(2M 수용액)를 이용하고, 저농도 용액으로 담수(염 0.02M 수용액)를 이용할 때, 스택부 내에서, 고농도 용액에서 암모늄 바이카보네이트 이온들이 저농도 용액으로 이동한다. 이후, 저농도 용액에 외부 열을 가하여 용액에 녹아 있는 암모늄 카보네이트를 CO2(g)와 NH4(g)의 가스로 분리하고, 분리된 CO2(g)와 NH4(g)는 냉각하여 고농도 용액으로 다시 회수하는 방법이 사용된다.
그러나 암모늄 바이카보네이트 염은 녹는점이 42℃로 물에 녹여 사용하여야 하기 때문에, 용해도(solubility)에 한계가 있고, 그 양은 최대 2M 정도로, 염 농도를 고농도로 설계하는데 한계가 있다. 저농도 용액과의 농도 차이를 크게 하여 농도 차에 의한 에너지 생산량에 한계가 있다.
또한, 암모늄 바이카보네이트 염은 열에 의한 분해(decomposition)가 36℃ 이상에서 발생되므로 반드시 외부로부터 지속적인 폐열 또는 신재생열 공급이 필요하다.
또한, 염을 액체 상태, 기체 상태 및 액체 상태로 차례로 상 분리하여 회수하는 방법이 사용되기 때문에, 염의 회수율에 한계가 있다.
본 발명은 고농도 용액을 회수함에 있어서 외부 열원의 사용을 최소화할 수 있는 염도차 발전장치 및 이를 포함하는 하이브리드 발전 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 고농도 용액을 지속적으로 회수하여 재공급하고, 염용액이 이동한 저농도 용액을 액체-액체 상 분리 방식으로 저농도 용액과 염을 분리할 수 있는 염도차 발전장치 및 이를 포함하는 하이브리드 발전 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 높은 염 용액 회수율을 갖는 염도차 발전장치 및 이를 포함하는 하이브리드 발전 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 한 쌍의 전극, 한 쌍의 전극 사이에 교번하여 차례로 배열된 복수 개의 양이온 교환막 및 음이온 교환막, 인접하는 2개의 교환막 사이 공간으로 정의되는 복수 개의 유로를 갖는, 발전부, 상기 발전부의 적어도 하나의 유로로 이온 용액을 포함하는 고농도 용액을 공급하고, 유로를 통과한 제1 용액을 회수하도록 마련된 고농도 용액 순환부, 상기 발전부에서 고농도 용액이 공급되는 유로와 인접한 다른 유로로 물을 포함하는 저농도 용액을 공급하고, 유로를 통과한 제2 용액을 회수하도록 마련된 저농도 용액 순환부, 및 상기 저농도 용액 순환부와 연결되고, 발전부의 유로를 통과한 제2 용액에서 소수성 분리를 통해 물과 이온 용액을 분리시키도록 마련된 용액 분리부를 포함하는 염도차 발전장치가 제공된다.
상기 용액 분리부는 소수성 분리가 이루어질 수 있는 제1 온도 범위로 유지될 수 있다. 또한, 상기 용액 분리부는 지열, 외부 대기열, 태양열 또는 산업 폐열을 이용하여 제1 온도 범위로 유지되도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1 온도 범위는 통상의 상온(약 20℃~35℃) 이하일 수 있다. 이때, 이온 용액은 소정 온도(예: 약 25℃) 이하에서 수용액과 친수성이 되고, 상기 소정 온도(예: 약 25℃)를 초과할 때 소수성이 되도록 마련될 수 있다. 상온(예: 약 25℃) 보다 낮은 온도에서 수용액과 친수성이 되고, 그 이상의 온도에서 소수성이 되는 이온 용액이 사용할 경우, 여름 철(25~38도)에는 외부 대기 열을 그대로 이용하여 용액 분리부의 온도를 유지하고, 겨울(5~-15도) 또는 봄/가을(10~20도)에는 외부 열을 통상의 상온 범위 이상으로 높일 수 있는 폐열(폐 냉각수 및 신재생열)을 일부 공급하여 용액 분리부의 온도를 유지할 수 있다. 예를 들어, 상기 이온 용액은, Tetrabutylphosphonium methanesulfonate, Tetrabutylphosphonium chloride, Tetrabutylphosphonium bromide, Tetrabutylphosphonium p-toluenesulfonate, Tetrabutylphosphonium nitrate, Tetrabutylphosphonium trifluoroacetate, Tetrabutylphosphonium tetrafluoroborate, Tetrabutylphosphonium trifluoromethanesulfonate, Tetrabutylphosphonium bis(trifluoromethanesulfonyl) imide, 1-butyl-3-methylimidazolium trifluoroacetate, 1-butylpyridinium trifluoroacetate, Tetrabutylammonium trifluoroacetate, Tetrapentylphosphonium trifluoroacetate, tetrabutylphosphonium benzoate, tetrabutylphosphonium salicylate, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate(III), 1-dodecyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate(III), Tetrabutylammonium 2,4,6-trimethylbenzenesulfonate, 및 trubutyloctylphosphonium bromide로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
이와는 다르게, 상기 이온 용액은 소정 온도(예, 상온) 이상에서 수용액과 친수성이 되고, 상기 소정 온도(예, 상온) 보다 낮을 때 소수성이 되도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 약 25℃ 이상에서 수용액과 친수성이 되고, 그 이하의 온도에서 소수성이 되는 이온 용액을 사용할 경우, 계절에 상관없이 지열(15~20도)을 사용하여 용액 분리부에서 분리가 가능하다. 예를 들어, 상기 이온 용액은 Choline bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, betainium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, 1,3-bis-[2-(2-methoxyalkoxy)ethyl]imidazolium bis-triuoromethylsulfonylamide, diethylmethylsulfonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, triethylsulfonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, 및 methyltrioctylphosphonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 용액 분리부에서 분리된 이온 용액은 고농도 용액 순환부에서 제1 용액과 합류되도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 용액 분리부에서 분리된 이온 용액은 저농도 용액 순환부로 회수되지 않도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 용액 분리부에서 분리된 물은 저농도 용액 순환부로 회수되도록 마련될 수 있다.
또한, 용액 분리부에서 물과 이온 용액은 밀도 차이에 의해 상하 배열될 수 있다.
또한, 발전부는 고농도 용액 내 이온 용액이 친수성을 유지할 수 있는 제2 온도 범위로 유지될 수 있다. 또한, 상기 발전부는 지열, 외부 대기열, 태양열 또는 산업 폐열을 이용하여 제2 온도 범위로 유지되도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 제2 온도 범위는 통상의 상온(약 20℃~35℃)이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 이온 용액은 상온 범위 내 소정 온도(예: 약 25℃) 이하에서 수용액과 친수성이 되고, 상기 소정 온도를 초과할 때 소수성이 되도록 마련될 수 있다. 통상의 상온범위 보다 낮은 온도에서 수용액과 친수성이 되고, 그 이상의 온도에서 소수성이 되는 이온 용액이 사용할 경우, 발전부는 계절에 상관없이 지열(15~20도)을 이용하여 온도가 유지될 수 있다.
이와는 다르게, 상기 이온 용액은 소정 온도 이상에서 수용액과 친수성이 되고, 상기 소정 온도 보다 낮을 때 소수성이 되도록 마련될 수 있다. 25도 이상에서 수용액과 친수성이 되고, 그 이하의 온도에서 소수성이 되는 이온 용액이 사용할 경우, 여름철 (25~38도)에는 외부 열을 그대로 이용하여 발전부의 온도를 유지하고, 겨울(5~-15도) 이나 봄/가을 (10~20도)에는 외부 열을 25도 이상으로 높일 수 있는 폐열 (폐 냉각수 및 신재생열)을 일부 공급하여 발전부의 온도를 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 염도차 발전장치, 염도차 발전장치로 공급 및 회수되는 전극 용액 순환부, 및 전극 용액 순환부 상에 마련되며, 전극 용액을 통과시켜 충전 및 방전을 수행하는 흐름 전지부를 포함하는 하이브리드 발전 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 염도차 발전장치, 및 상기 염도차 발전장치의 발전부로 물을 공급하도록 마련된 연료전지부를 포함하는, 하이브리드 발전 시스템이 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 염도차 발전장치 및 이를 포함하는 하이브리드 발전 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.
고농도 용액을 회수함에 있어서 외부 열원의 사용을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 일반적인 대기 온도 범위(대한민국, 여름 25~38도, 겨울 5~-15도, 봄/가을 10~20도)에서 액체-액체 또는 액체-고체 상태로 상변화되는 이온 용액 (ionic liquid)을 사용할 경우, 별도의 외부 열 (폐열 및 신재생에너지열)의 사용을 최소화할 수 있고, 대기 온도와 지열(지하의 온도는 깊이에 따라 연중 13~20도로 일정)을 이용할 수 있으며, 필요에 따라 최소한의 외부 열만 공급하면 되기 때문에 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 고농도 용액을 지속적으로 회수하여 재공급하고, 염용액이 이동한 저농도 용액을 액체-액체 상 분리 방식으로 저농도 용액과 염을 분리할 수 있으며, 그 결과 높은 염 용액 회수율을 얻을 수 있다.
결과적으로, 본 발명은 액체-액체 상 분리 방식으로 물과 염을 분리할 수 있는 이온 용액(ionic liquid)을 고농도 용액으로 사용하여 염 회수율이 매우 높은 공정 설계를 통해 추가적인 용액(고농도와 저농도 용액)의 공급을 최소화하면서 지속적으로 염도차 발전에 의해 에너지를 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 염도차 발전장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 하이브리드 발전 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예와 관련된 하이브리드 발전 시스템을 나타내는 개략도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 염도차 발전장치 및 이를 포함하는 하이브리드 발전 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 염도차 발전장치(100)를 나타내는 개략도이다.
상기 염도차 발전장치(100)는 발전부(110), 고농도 용액 순환부(140), 저농도 용액 순환부(150) 및 용액 분리부(160)를 포함한다.
상기 발전부(110)는 고농도 용액과 저농도 용액 사이의 농도 차를 이용하여 전기를 생산하도록 마련된다. 상기 발전부(100)는 한 쌍의 전극(111, 112)을 포함한다. 상기 한 쌍의 전극(111, 112)은 애노드 전극(111) 및 캐소드 전극(112)을 포함하며, 애노드 전극(111) 및 캐소드 전극(112)은 소정 간격 떨어져 배치되며, 전기적으로 연결된다. 상기 발전부(100)는 한 쌍의 전극(111, 112) 사이에 교번하여 차례로 배열된 복수 개의 양이온 교환막(22) 및 음이온 교환막(121), 인접하는 2개의 교환막 사이 공간으로 정의되는 복수 개의 유로(131, 132)를 갖는다.
즉, 한 쌍의 전극 사이에, 양이온 교환막, 음이온 교환막이 각각 복수로 구비되어, 소정 간격을 두고 떨어져 배열되며, 인접하여 위치한 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 유로(131, 132)가 형성된다. 또한, 복수 개의 양이온 교환막(22) 및 음이온 교환막(121)에 의해 복수 개의 유로(131, 132)가 형성되며, 상기 유로를 통해 고농도 용액과 저농도 용액이 유동하게 된다. 즉, 인접하는 2개의 유로에 대하여, 어느 한 유로에는 고농도 용액이 유동하며, 다른 한 유로에는 저농도 용액이 유동하게 된다. 즉, 교환막을 사이에 두고 인접하여 유동하는 고농도 용액과 저농도 용액 사이의 농도 차이에 따라 한 쌍의 전극(111, 112)에서 전기가 생산된다. 본 문서에서, 고농도 용액이 유동하는 유로를 제1 유로(131)로 지칭하고, 저농도 용액이 유동하는 유로를 제2 유로(132)로 지칭한다.
또한, 염도차 발전장치(100)는 상기 발전부(110)의 적어도 하나의 유로(제1 유로)로 이온 용액을 포함하는 고농도 용액(142)을 공급하고, 상기 유로(제1 유로)를 통과한 제1 용액(143)을 회수하도록 마련된 고농도 용액 순환부(140)를 포함한다.
또한, 염도차 발전장치(100)는 발전부에서 고농도 용액이 공급되는 유로(제1 유로, 131)와 인접한 다른 유로(제2 유로, 132)로 물을 포함하는 저농도 용액(152)을 공급하고, 유로를 통과한 제2 용액(153)을 회수하도록 마련된 저농도 용액 순환부(150)를 포함한다.
또한, 염도차 발전장치(100)는 상기 저농도 용액 순환부(140)와 연결되고, 발전부(110)의 유로(제2 유로)를 통과한 제2 용액(153)에서 소수성 분리를 통해 물(161)과 이온 용액(162)을 분리시키도록 마련된 용액 분리부(160)를 포함한다.
발전부(110)는 각각, 하나 이상의 고농도 용액 공급 포트, 고농도 용액 회수 포트, 저농도 용액 공급 포트 및 고농도 용액 회수 포트를 갖는다.
상기 고농도 용액 순환부(140)는 이온 용액을 포함하는 고농도 용액이 수용된 제1 저장부(141), 고농도 용액 공급 포트와 연결된 공급 라인, 고농도 용액 회수 포트와 연결된 회수 라인을 포함할 수 있다. 또한, 상기 공급 라인을 통해 이온 용액을 포함하는 고농도 용액(142)이 발전부(110)로 공급되고, 상기 회수 라인을 통해 상기 유로(제1 유로)를 통과한 제1 용액(143)이 회수된다.
또한, 고농도 용액 순환부(140)는 상기 공급 라인 및/또는 회수 라인과 연결된 하나 이상의 펌프, 및 공급 라인 및/또는 회수 라인 상이 마련된 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있다.
상기 저농도 용액 순환부(150)는 물을 포함하는 저농도 용액이 수용된 제2 저장부(151), 저농도 용액 공급 포트와 연결된 공급 라인, 저농도 용액 회수 포트와 연결된 회수 라인을 포함할 수 있다. 또한, 상기 공급 라인을 통해 물을 포함하는 저농도 용액(152)이 발전부(110)로 공급되고, 상기 회수 라인을 통해 상기 유로(제2 유로)를 통과한 제2 용액(153)이 회수된다.
또한, 저농도 용액 순환부(150)는 상기 공급 라인 및/또는 회수 라인과 연결된 하나 이상의 펌프, 및 공급 라인 및/또는 회수 라인 상이 마련된 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있다.
상기 용액 분리부(160)는 발전부(110)의 유로(제2 유로)를 통과한 제2 용액(153)이 수용되도록 마련되며, 발전부(110)의 유로(제2 유로)를 통과한 제2 용액(153)에서 소수성 분리를 통해 물(161)과 이온 용액(162)을 분리시키도록 마련된다.
상기 용액 분리부(160)는 소수성 분리가 이루어질 수 있는 제1 온도 범위로 유지될 수 있다. 대표적인 물질로, 상기 이온 용액은 Tetrabutylphosphonium methanesulfonate, Tetrabutylphosphonium chloride, Tetrabutylphosphonium bromide, Tetrabutylphosphonium p-toluenesulfonate, Tetrabutylphosphonium nitrate, Tetrabutylphosphonium trifluoroacetate, Tetrabutylphosphonium tetrafluoroborate, Tetrabutylphosphonium trifluoromethanesulfonate, Tetrabutylphosphonium bis(trifluoromethanesulfonyl) imide, 1-butyl-3-methylimidazolium trifluoroacetate, 1-butylpyridinium trifluoroacetate, Tetrabutylammonium trifluoroacetate, Tetrapentylphosphonium trifluoroacetate, tetrabutylphosphonium benzoate, tetrabutylphosphonium salicylate, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate(III), 1-dodecyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate(III), Tetrabutylammonium 2,4,6-trimethylbenzenesulfonate, 및 trubutyloctylphosphonium bromide으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않고 비슷한 유형으로 다양한 양이온과 음이온 기의 조합으로 생산된 이온용액이 사용될 수 있다.
반면, 상온 범위 내 소정 온도(예: 25도) 이상에서 수용액과 친수성이 되고, 그 이하의 온도에서 소수성이 되는 이온 용액이 사용할 경우, 제1 온도 범위는 계절에 상관없이 지열(15~20도)을 사용하여 분리가 가능하다. 대표적인 물질로, 이온 용액은 Choline bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, betainium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, 1,3-bis-[2-(2-methoxyalkoxy)ethyl]imidazolium bis-triuoromethylsulfonylamide, diethylmethylsulfonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, triethylsulfonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, 및 methyltrioctylphosphonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, 이에 한정되지 않고 비슷한 유형으로 다양한 양이온과 음이온 기의 조합으로 생산된 이온용액이 사용될 수 있다.
또한, 상기 용액 분리부(160)는 지열, 외부 대기열, 태양열 또는 산업 폐열을 이용하여 제1 온도 범위로 유지되도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 용액 분리부(160)에서 분리된 이온 용액(163)은 고농도 용액 순환부(150)에서 제1 용액(143)과 합류되도록 마련될 수 있다.
즉, 고농도 용액의 이온 용액을 회수함에 있어서 외부 열원의 사용을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 일반적인 대기 온도 범위(대한민국, 여름 25~38도, 겨울 5~-15도, 봄/가을 10~20도)에서 액체-액체 또는 액체-고체 상태로 상변화되는 이온 용액(ionic liquid)을 사용하면, 별도의 외부 열 (폐열 및 신재생에너지열)의 사용을 최소화할 수 있고, 대기 온도와 지열(지하의 온도는 깊이에 따라 연중 13~20도로 일정)을 이용할 수 있다.
또한, 용액 분리부(160)에서, 이온 용액을 지속적으로 회수하여 고농도 용액 순환부(160)로 재공급할 수 있고, 그 결과 높은 염 용액 회수율을 얻을 수 있다.
또한, 상기 용액 분리부(160)에서 분리된 이온 용액(163)은 저농도 용액 순환부(140)로 회수되지 않도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 용액 분리부(160)에서 분리된 물(154)은 저농도 용액 순환부(140)로 회수되도록 마련될 수 있다.
또한, 용액 분리부(160)에서 물(161)과 이온 용액(162)은 밀도 차이에 의해 상하 배열될 수 있다. 본 문서에서, 물과 이온 용액은, 용액 분리부(160) 내에서 밀도 차이에 의해 배열된 상태 및 각각 저농도 용액 순환부 및 고농도 용액 순환부로 회수되는 상태에 따라 다른 도면 부호로 지시한다.
또한, 발전부(110)는 고농도 용액 내 이온 용액이 친수성을 유지할 수 있는 제2 온도 범위로 유지될 수 있다. 또한, 상기 발전부(110)는 지열, 외부 대기열, 태양열 또는 산업 폐열을 이용하여 제2 온도 범위(통상의 상온 범위)로 유지되도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 통상의 상온범위 중 약 25도 보다 낮은 온도에서 수용액과 친수성이 되고, 그 이상의 온도에서 소수성이 되는 이온 용액이 사용할 경우, 제2 온도 범위는, 계절에 무관하게 지열(15~20도)을 이용하면 된다.
반면에, 통상의 상온범위 중 약 25도 이상에서 수용액과 친수성이 되고, 그 이하의 온도에서 소수성이 되는 이온 용액이 사용할 경우, 여름 (25~38도)철에는 외부 열을 그대로 이용하여 온도를 유지하고, 겨울(5~-15도) 이나 봄/가을 (10~20도)에는 외부 열을 25도 이상으로 높일 수 있는 폐열(폐 냉각수 및 신재생열)을 일부 공급하여 발전부의 온도를 유지시킬 수 있다.
상기 발전부(110)는 고농도 용액과 저농도 용액이 복수 개의 유로(제1 유로 및 제2 유로)를 통과하는 과정에서 농도 차이에 의해 전기를 생산하도록 마련될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 하이브리드 발전 시스템(1)을 나타내는 개략도이다.
본 발명의 제1 실시예와 관련된 하이브리드 발전 시스템(1)은 상기 염도차 발전장치(100), 상기 염도차 발전장치(100)로 전극 용액이 공급 및 회수되는 전극 용액 순환부(170), 및 전극 용액 순환부(170) 상에 마련되며, 전극 용액을 통과시켜 충전 및 방전을 수행하는 흐름 전지부(180)를 포함한다.
상기 흐름 전지부(180)는 한 쌍의 전극(181, 182) 및 한 쌍의 전극 사이에 배치된 이온 교환막(183)을 포함할 수 있다.
상기와 같은 구조를 통해, 모든 공급 소스가 폐루프로 재생되면서 지속 가능한 방식으로 발전과 저장을 연속적으로 할 수 있는 시스템 구현이 가능하다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예와 관련된 하이브리드 발전 시스템(2)을 나타내는 개략도이다.
본 발명의 제2 실시예와 관련된 하이브리드 발전 시스템(2)은 상기 염도차 발전장치(100) 및 상기 염도차 발전장치의 발전부로 물을 공급하도록 마련된 연료전지부를 포함한다.
상기 연료전지부는 수소 및 공기가 공급되며, 발전 과정에서 물이 생성되는 연료전지(200) 및 연료전지(200)로부터 생성된 물을 이용하여, 상기 발전부(200)로 물을 공급 및 회수하도록 마련된 물 순환부(210)를 포함할 수 있다. 또한, 발전부(110)의 캐소드 전극(112) 측에서, 수소 생산이 가능하며, 생산된 수소는 연료전지(200)로 공급되어 사용될 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
1, 2: 하이브리드 발전 시스템
100: 염도차 발전 장치
110: 발전부
140: 고농도 용액 순환부
150: 저농도 용액 순환부
160: 용액 분리부

Claims (18)

  1. 한 쌍의 전극, 한 쌍의 전극 사이에 교번하여 차례로 배열된 복수 개의 양이온 교환막 및 음이온 교환막, 인접하는 2개의 교환막 사이 공간으로 정의되는 복수 개의 유로를 갖는, 발전부;
    상기 발전부의 적어도 하나의 유로로 이온 용액을 포함하는 고농도 용액을 공급하고, 유로를 통과한 제1 용액을 회수하도록 마련된 고농도 용액 순환부;
    상기 발전부에서 고농도 용액이 공급되는 유로와 인접한 다른 유로로 물을 포함하는 저농도 용액을 공급하고, 유로를 통과한 제2 용액을 회수하도록 마련된 저농도 용액 순환부; 및
    상기 저농도 용액 순환부와 연결되고, 발전부의 유로를 통과한 제2 용액에서 소수성 분리를 통해 물과 이온 용액을 분리시키도록 마련된 용액 분리부를 포함하는 염도차 발전장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 용액 분리부는 소수성 분리가 이루어질 수 있는 제1 온도 범위로 유지되는 염도차 발전장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 용액 분리부는 지열, 외부 대기열, 태양열 또는 산업 폐열을 이용하여 제1 온도 범위로 유지되도록 마련된, 염도차 발전장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    이온 용액은 소정 온도 이하에서 수용액과 친수성이 되고, 상기 소정 온도를 초과할 때 소수성이 되는, 염도차 발전장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 이온 용액은, Tetrabutylphosphonium methanesulfonate, Tetrabutylphosphonium chloride, Tetrabutylphosphonium bromide, Tetrabutylphosphonium p-toluenesulfonate, Tetrabutylphosphonium nitrate, Tetrabutylphosphonium trifluoroacetate, Tetrabutylphosphonium tetrafluoroborate, Tetrabutylphosphonium trifluoromethanesulfonate, Tetrabutylphosphonium bis(trifluoromethanesulfonyl) imide, 1-butyl-3-methylimidazolium trifluoroacetate, 1-butylpyridinium trifluoroacetate, Tetrabutylammonium trifluoroacetate, Tetrapentylphosphonium trifluoroacetate, tetrabutylphosphonium benzoate, tetrabutylphosphonium salicylate, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate(III), 1-dodecyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate(III), Tetrabutylammonium 2,4,6-trimethylbenzenesulfonate, 및 trubutyloctylphosphonium bromide로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 염도차 발전장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 이온 용액은 소정 온도 이상에서 수용액과 친수성이 되고, 상기 소정 온도 보다 낮을 때 소수성이 되는, 염도차 발전장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 이온 용액은 Choline bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, betainium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, 1,3-bis-[2-(2-methoxyalkoxy)ethyl]imidazolium bis-triuoromethylsulfonylamide, diethylmethylsulfonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, triethylsulfonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, 및 methyltrioctylphosphonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 염도차 발전장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 용액 분리부에서 분리된 이온 용액은 고농도 용액 순환부에서 제1 용액과 합류되도록 마련된 염도차 발전장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 용액 분리부에서 분리된 이온 용액은 저농도 용액 순환부로 회수되지 않도록 마련된 염도차 발전장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 용액 분리부에서 분리된 물은 저농도 용액 순환부로 회수되도록 마련된 염도차 발전장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    용액 분리부에서 물과 이온 용액은 밀도 차이에 의해 상하 배열되는 염도차 발전장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    발전부는 고농도 용액 내 이온 용액이 친수성을 유지할 수 있는 제2 온도 범위로 유지되는 염도차 발전장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 발전부는 지열, 외부 대기열, 태양열 또는 산업 폐열을 이용하여 제2 온도 범위로 유지되도록 마련된, 염도차 발전장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    이온 용액은 소정 온도 이하에서 수용액과 친수성이 되고, 상기 소정 온도를 초과할 때 소수성이 되는, 염도차 발전장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 이온 용액은 소정 온도 이상에서 수용액과 친수성이 되고, 상기 소정 온도 보다 낮을 때 소수성이 되는, 염도차 발전장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전부는 고농도 용액과 저농도 용액이 복수 개의 유로를 통과하는 과정에서 농도 차이에 의해 전기를 생산하도록 마련된, 염도차 발전장치.
  17. 제 1 항에 따른 염도차 발전장치;
    염도차 발전장치로 공급 및 회수되는 전극 용액 순환부; 및
    전극 용액 순환부 상에 마련되며, 전극 용액을 통과시켜 충전 및 방전을 수행하는 흐름 전지부를 포함하는 하이브리드 발전 시스템.
  18. 제 1 항에 따른 염도차 발전장치; 및
    상기 염도차 발전장치의 발전부로 물을 공급하도록 마련된 연료전지부를 포함하는, 하이브리드 발전 시스템.
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