KR20220122309A - 염수 전기 분해 시스템 및 장치 - Google Patents

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이동욱
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Abstract

실시예는 염수 전기 분해 시스템 및 장치에 관한 것으로서, 실시예에 따른 염수 전기 분해 시스템은, 염수를 전기 분해하는 전기 분해 장치, 열유체를 저장하는 저장조, 및 상기 전기 분해 장치 및 상기 저장조 사이에 배치되어, 상기 전기 분해 장치가 상기 염수를 전기 분해하는 경우, 상기 저장조에 저장된 열유체를 상기 전기 분해 장치에 투입하는 순환 펌프를 포함한다.

Description

염수 전기 분해 시스템 및 장치{SYSTEM AND APPARATUS FOR BRINE ELECTROLYSIS}
실시예는 염수 전기 분해 시스템 및 장치에 관한 것으로서, 보다 자세히는 염수를 원료로 하여 수소, 염소, 및 가성소다를 생산하는 기술에 관한 것이다.
통상 클로-알칼리(Chlor-Alkali) 공정이라고도 불리는 염수 전기 분해 공정은, 전기 분해 방법에 따라 격막법, 수은법, 및 멤브레인법이 있다. 다만, 격막법은 가성소다를 농축시키기 위한 별도의 증발 공정이 요구되어 추가적인 에너지 비용이 발생하는 문제점이 존재하고, 수은법은 수은 회수의 어려움으로 인한 환경적인 문제점이 존재한다.
이러한 격막법과 수은법이 가지는 문제점으로 인하여, 격막법과 수은법을 대체하기 위한 멤브레인법이라는 새로운 전기 분해 방법이 나타나게 되었으며, 현재는 멤브레인법의 효율을 높이기 위한 연구가 진행 중에 있다.
염수 전기 분해 공정의 설계 및 최적 운영을 위한 핵심 성능 지표 중 하나로써, 셀 구동을 위한 전력 사용량을 들 수 있다. EU 클로-알칼리 산업 보고서(EU Chlor-Alkali Industry report, 2005)에 따르면, 염수 전기 분해 공정의 운영 비용의 50% 이상을 플랜트 가동을 위한 전력 비용이 차지하는 것으로 보고되고 있다.
따라서, 염수 전기 분해 공정의 운영비 저감, 및 전력 생산 관련 화석연료 사용에 따른 탄소 발자국(carbon footprint) 감축을 위해서는, 에너지를 적게 소비하여 공정의 효율을 높이는 기술을 개발하는 것이 매우 중요하다.
대한민국 등록특허공보 제10-1567911호
실시예는 상술한 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 실시예에 따른 염수 전기 분해 시스템 및 장치는, 제로 갭(Zero-Gap) 방식을 이용하여, 멤브레인과 전극 사이의 고유 저항을 줄임으로써, 전력 사용량을 저감하는 것을 목적으로 한다.
또한, 실시예에 따른 염수 전기 분해 시스템 및 장치는, 열유체를 이용하여, 전기 분해의 반응 속도를 활성화시킴으로써, 전력 사용량을 저감하는 것을 목적으로 한다.
실시예가 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 실시예의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시예는 염수 전기 분해 시스템으로서, 염수를 전기 분해하는 전기 분해 장치, 열유체를 저장하는 저장조, 및 상기 전기 분해 장치 및 상기 저장조 사이에 배치되어, 상기 전기 분해 장치가 상기 염수를 전기 분해하는 경우, 상기 저장조에 저장된 열유체를 상기 전기 분해 장치에 투입하는 순환 펌프를 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 전기 분해 장치는, 상기 염수에 포함된 염소 이온을 산화시켜 염소 가스를 생성하는 산화 전극, 상기 염수에 포함된 나트륨 이온을 통과시키는 멤브레인, 물 분자를 환원시켜 수산화 이온을 생성하고, 상기 수산화 이온과 상기 멤브레인을 통과한 나트륨 이온이 결합하여 가성소다가 생성되는 환원 전극, 상기 염수가 투입되고 상기 염소 가스가 배출되는 제1 유로를 형성하는 제1 플레이트, 및 상기 물 분자가 투입되고 상기 가성소다가 배출되는 제2 유로를 형성하는 제2 플레이트를 포함하고, 상기 멤브레인은, 상기 산화 전극과 상기 환원 전극 사이에 배치되고, 상기 산화 전극 및 상기 환원 전극과 직접 접촉할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 제1 플레이트는, 내부에 제1 공간을 형성하고, 상기 제2 플레이트는, 내부에 제2 공간을 형성할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 순환 펌프는, 상기 전기 분해 장치가 상기 염수를 전기 분해하는 경우, 상기 제1 공간 및 상기 제2 공간에, 소정의 온도로 가열된 상기 열유체를 투입할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 소정의 온도는, 60[℃] 내지 100[℃]일 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 열유체는, 광유, 글리콜 수용액, 합성 파라핀, 디아릴알칸, 폴리페닐 유도체, 아릴에테르, 및 디메틸 실록산 폴리머 중 하나일 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 제1 플레이트의 폭은 5[mm] 내지 10[mm]로 형성될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 제2 플레이트의 폭은 5[mm] 내지 10[mm]로 형성될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 멤브레인은, PTFE(Polytetrafluoroethylene) 재질의 다공성 지지체의 기공에 이오노머(Ionomer)를 함침시킨 강화복합막 형태일 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 제1 유로는 상기 제1 플레이트의 일면에서 환형으로 형성되고, 상기 일면은 상기 산화 전극을 향하는 면일 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 제2 유로는 상기 제2 플레이트의 일면에서 환형으로 형성되고, 상기 일면은 상기 환원 전극을 향하는 면일 수 있다.
실시예는 염수를 전기 분해하는 장치로서, 상기 염수에 포함된 염소 이온을 산화시켜 염소 가스를 생성하는 산화 전극, 상기 염수에 포함된 나트륨 이온을 통과시키는 멤브레인, 물 분자를 환원시켜 수산화 이온을 생성하고, 상기 수산화 이온과 상기 멤브레인을 통과한 나트륨 이온이 결합하여 가성소다가 생성되는 환원 전극, 상기 염수가 투입되고 상기 염소 가스가 배출되는 제1 유로를 형성하는 제1 플레이트, 및 상기 물 분자가 투입되고 상기 가성소다가 배출되는 제2 유로를 형성하는 제2 플레이트를 포함하고, 상기 멤브레인은, 상기 산화 전극과 상기 환원 전극 사이에 배치되고, 상기 산화 전극 및 상기 환원 전극과 직접 접촉할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 제1 플레이트는, 내부에 제1 공간을 형성하고, 상기 제2 플레이트는, 내부에 제2 공간을 형성할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 제1 공간 및 상기 제2 공간에는, 소정의 온도로 가열된 열유체가 투입될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 소정의 온도는, 60[℃] 내지 100[℃]일 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 열유체는, 광유, 글리콜 수용액, 합성 파라핀, 디아릴알칸, 폴리페닐 유도체, 아릴에테르, 및 디메틸 실록산 폴리머 중 하나일 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 제1 플레이트의 폭은 5[mm] 내지 10[mm]로 형성될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 제2 플레이트의 폭은 5[mm] 내지 10[mm]로 형성될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 멤브레인은, PTFE(Polytetrafluoroethylene) 재질의 다공성 지지체의 기공에 이오노머(Ionomer)를 함침시킨 강화복합막 형태일 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 제1 유로는 상기 제1 플레이트의 일면에서 환형으로 형성되고, 상기 일면은 상기 산화 전극을 향하는 면일 수 있다.
또한, 실시예에 따른 상기 제2 유로는 상기 제2 플레이트의 일면에서 환형으로 형성되고, 상기 일면은 상기 환원 전극을 향하는 면일 수 있다.
실시예에 따른 염수 전기 분해 시스템 및 장치는, 제로 갭(Zero-Gap) 방식을 이용하여, 멤브레인과 전극 사이의 고유 저항을 줄임으로써, 전력 사용량을 저감할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 염수 전기 분해 시스템 및 장치는, 열유체를 이용하여, 전기 분해의 반응 속도를 활성화시킴으로써, 전력 사용량을 저감할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 전기 분해 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 전기 분해 장치의 사시도이다.
도 3은 실시예에 따른 전기 분해 장치의 사시분해도이다.
도 4는 실시예에 따른, 산화 전극, 멤브레인, 및 환원 전극의 배치 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 제1 플레이트의 정면도이다.
도 6은 실시예에 따른 제2 플레이트의 정면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 실시예에 따른 전기 분해 시스템(1000)을 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 전기 분해 시스템(1000)의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 전기 분해 장치(100)의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 전기 분해 시스템(1000)은, 전기 분해 장치(100), 저장조(200), 및 순환 펌프(300)를 포함할 수 있다.
전기 분해 장치(100)는, 염수(NaCl)를 전기 분해하여 수소(H2), 염소(Cl2), 및 가성소다(NaOH)를 생산하는 장치이다. 전기 분해 장치(100)는, 후술할, 산화 전극(101), 멤브레인(102), 및 환원 전극(103)에서, 염수 전기 분해 반응을 진행할 수 있다.
구체적으로, 전기 분해 장치(100)는, 산화 전극(101)에서, 염수(NaCl)에 포함된 염소 이온(Cl-)을 산화시켜 염소 가스(Cl2)를 생성할 수 있다. 반응식은 다음의 화학식 1과 같다.
[화학식 1]
2Cl- → Cl2 + 2e-
또한, 전기 분해 장치(100)는, 멤브레인(102)에서, 염수(NaCl)에 포함된 나트륨 이온(Na+)을 통과시킬 수 있다.
또한, 전기 분해 장치(100)는, 환원 전극(103)에서, 물 분자(H20)를 환원시켜 수산화 이온(OH-)을 생성할 수 있다. 또한, 환원 전극(103)에서, 수소(H2)가 생성될 수 있다. 반응식은 다음의 화학식 2와 같다.
[화학식 2]
2H2O +2e- → H2 + 2OH-
또한, 전기 분해 장치(100)의 환원 전극(103) 측에서, 수산화 이온(OH-)과, 멤브레인(102)을 통과한 나트륨 이온(Na+)이 결합하여, 가성소다(NaOH)가 생성될 수 있다.
전기 분해 장치(100)에서 진행되는 염수 전기 분해 반응의 전체 반응식은 다음의 화학식 3과 같다.
[화학식 3]
2NaCl +2H2O → Cl2 + H2 + 2NaOH
한편, 도 2를 참조하면, 전기 분해 장치(100)는, 상술한, 산화 전극(101), 멤브레인(102), 및 환원 전극(103)을 포함하는 셀(cell)의 형태로 구성될 수 있다. 전기 분해 장치(100)의 구체적인 구성 및 구조에 대해서는, 도 3 내지 도 6을 참조하여 후술한다.
저장조(200)는, 열유체를 저장하는 장치이다. 여기서, 열유체는, 광유(mineral oil), 글리콜 수용액, 합성 파라핀, 디아릴알칸(Diaryl alkane), 폴리페닐 유도체(Polyphenyl derivatives), 아릴에테르(Arylether), 및 디메틸 실록산 폴리머(Dimethyl siloxane polymer) 중 하나일 수 있다.
순환 펌프(300)는, 전기 분해 장치(100)와 저장조(200) 사이에 배치되어, 전기 분해 장치(100)가 염수를 전기 분해하는 경우, 저장조(200)에 저장된 열유체를 전기 분해 장치(100)에 투입할 수 있다. 여기서, 열유체는, 소정의 온도로 가열되어 전기 분해 장치(100)에 투입될 수 있다. 즉, 고온으로 가열된 열유체가 전기 분해 장치(100)에 투입되어 전기 분해의 반응 속도를 활성화시킴으로써, 전기 분해 장치(100)의 전력 사용량을 낮출 수 있다.
한편, 순환 펌프(300)가 전기 분해 장치(100)에 열유체를 투입하는 경우, 투입 온도(상술한, 소정의 온도)는 60[℃] 내지 100[℃]인 것이 바람직하다. 열유체의 투입 온도가 100[℃]를 초과하는 경우, 염수에 포함된 수분이 끓기 시작하면서 이상 흐름(Two phase flow)가 발생하여 안정적인 운전이 이루어지지 못한다. 또한, 열유체의 투입 온도가 60[℃] 미만인 경우, 염수 전기 분해 장치(100)의 전력 사용량 저감 효과가 크지 않다. 열 유체의 투입 온도에 따른 전기 분해 장치(100)의 전력 사용량 변화에 대한 구체적인 내용은 후술한다.
한편, 이상에서, 순환 펌프(300)가 전기 분해 장치(100)에 열유체를 투입하는 것으로 설명하였으나, 구체적으로는, 후술할, 전기 분해 장치(100)의 제1 공간 및 제2 공간에 열유체를 투입하는 것이며, 구체적인 내용은 후술한다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 실시예에 따른 전기 분해 장치(100)의 구성 및 구조에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 실시예에 따른 전기 분해 장치(100)의 사시분해도이다.
도 4는 실시예에 따른, 산화 전극(101), 멤브레인(102), 및 환원 전극(103)의 배치 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 제1 플레이트(104)의 정면도이다.
도 6은 실시예에 따른 제2 플레이트(105)의 정면도이다.
도 3을 참조하면, 전기 분해 장치(100)는, 산화 전극(101), 멤브레인(102), 환원 전극(103), 제1 플레이트(104), 및 제2 플레이트(105)를 포함할 수 있다.
산화 전극(101)은, 염수(NaCl)에 포함된 염소 이온(Cl-)을 산화시켜 염소 가스(Cl2)를 생성할 수 있다. 반응식은 전술한 화학식 1과 같다.
멤브레인(102)은, 염수(NaCl)에 포함된 나트륨 이온(Na+)을 통과시킬 수 있다. 구체적으로, 멤브레인(102)은, 산화 전극(101)과 환원 전극(103) 사이에 배치되어, 산화 전극(101) 측에서 환원 전극(103) 측으로 나트륨 이온(Na+)을 통과시킬 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 멤브레인(102)은, 산화 전극(101) 및 환원 전극(103)과 직접 접촉할 수 있다. 구체적으로, 멤브레인(102)의 일면은 산화 전극(101)의 일면과 직접 접촉하고, 멤브레인(102)의 타면은 환원 전극(103)의 일면과 직접 접촉할 수 있다. 전기 분해 장치(100)에서 염수의 전기 분해 시, 산화 전극(101)에서는 1.36[V]의 이론 전압이 요구되고, 환원 전극(103)에서는 -0.84[V]의 이론 전압이 요구되며, 전체적으로는 2.20[V]의 이론 전압이 요구된다. 여기서, 멤브레인(102)과 산화 전극(101), 그리고 멤브레인(102)과 환원 전극(103) 사이에 각각 간극이 존재한다고 가정할 경우, 상술한 이론 전압과 함께, 고유 저항에 따른 과전압이 요구된다. 다만, 실시예에 따른 전기 분해 장치(100)는, 멤브레인(102)과 산화 전극(101), 그리고 멤브레인(102)과 환원 전극(103) 사이에 간극이 존재하지 않으므로, 고유 저항을 최소화할 수 있다. 즉, 전기 분해 장치(100)는, 염수의 전기 분해 시, 고유 저항에 따른 과전압이 요구되지 않으므로, 전력 사용량을 저감할 수 있다. 한편, 도 4는, 산화 전극(101), 멤브레인(102), 및 환원 전극(103)의 배치 구조를 도시하기 위한 것일 뿐, 도 4에 의하여 산화 전극(101), 멤브레인(102), 및 환원 전극(103)의 형태가 한정되지 않는다.
한편, 멤브레인(102)은, PTFE(Polytetrafluoroethylene) 재질의 다공성 지지체의 기공에 이오노머(Ionomer)를 함침시킨 강화복합막 형태일 수 있다. 멤브레인(102)은 이러한 형태로써, 염수 전기 분해의 가혹한 운전 조건인, 산화 전극(101)의 강산 조건, 및 환원 전극(103)의 강염기 조건에서, 화학적 안전성을 유지하고, 나트륨 이온의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다. 또한, 멤브레인(102)은 이러한 형태로써, 수소, 및 염소 가스에 대한 높은 가스 차단을 할 수 있다.
환원 전극(103)은, 물 분자(H2O)를 환원시켜 수산화 이온(OH-)을 생성하고, 수산화 이온(OH-)과 멤브레인(102)을 통과한 나트륨 이온(Na+)이 결합하여 가성소다(NaOH)가 생성될 수 있다. 반응식은 전술한 화학식 2와 같다.
제1 플레이트(104)는, 염수가 투입되고 염소 가스가 배출되는 제1 유로(104a)를 형성할 수 있다. 구체적으로, 도 5를 참조하면, 제1 유로(104a)의 일단(104b)에서 염수가 투입되고, 제1 유로(104a)의 타단(104c)에서 전기 분해 반응의 생산물인 염소 가스가 배출될 수 있다. 여기서, 제1 유로(104a)가 형성되는 제1 플레이트(104)의 일면은 산화 전극(101)을 향하는 면일 수 있다. 한편, 제1 유로(104a)는 제1 플레이트(104)의 일면에서 환형(serpentine)으로 형성될 수 있다. 제1 유로(104a)가 환형으로 형성됨으로써, 염수 및 염소 가스가, 제1 유로(104a)에서 원활한 흐름을 유지할 수 있다.
제2 플레이트(105)는, 물 분자가 투입되고 가성소다 및 수소가 배출되는 제2 유로(105a)를 형성할 수 있다. 구체적으로, 도 6을 참조하면, 제2 유로(105a)의 일단(105b)에서 물 분자가 투입되고, 제2 유로(105a)의 타단(105c)에서 전기 분해 반응의 생산물인 가성소다 및 수소가 배출될 수 있다.
여기서, 제2 유로(105a)가 형성되는 제2 플레이트(105)의 일면은 환원 전극(103)을 향하는 면일 수 있다. 한편, 제2 유로(105a)는 제2 플레이트(105)의 일면에서 환형으로 형성될 수 있다. 제2 유로(105a)가 환형으로 형성됨으로써, 물 분자, 가성소다, 및 수소가, 제2 유로(105a)에서 원활한 흐름을 유지할 수 있다.
한편, 제1 플레이트(104), 및 제2 플레이트(105)는, 내부에 각각 제1 공간(미도시), 및 제2 공간(미도시)을 형성할 수 있다. 제1 공간 및 제2 공간에는, 염수의 전기 분해 시, 순환 펌프(300)로부터 전술한 열유체가 공급될 수 있다. 한편, 실시예에서, 제1 공간 및 제2 공간의 구조 및 형태는 한정하지 않는다. 다만, 제1 공간, 및 제2 공간이 형성됨으로써 발생하는 부피 증가를 최소화하기 위하여, 제1 플레이트(104)의 폭, 및 제2 플레이트(105)의 폭은, 각각 5[mm] 내지 10[mm]로 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 제1 플레이트(104)의 폭, 및 제2 플레이트(105)의 폭은, 각 플레이트의 일면과 타면 사이의 거리를 의미한다.
한편, 다시 도 3을 참조하면, 전기 분해 장치(100)는, 상술한 구성 외에, 집전판(106), 프레임(107), 및 고정 부재(108)를 더 포함할 수 있다.
집전판(106)은, 복수 개로 형성되며, 각 집전판(106)의 일면이, 제1 플레이트(104)의 타면, 또는 제2 플레이트(105)의 타면에 접하도록 배치될 수 있다. 집전판(106)은, 외부의 전원(미도시)과 연결되어 염수 전기 분해 반응 시 전력을 공급할 수 있다.
프레임(107)은, 복수 개로 형성될 수 있다. 프레임(107)은, 각 프레임(107)의 일면이 각 집전판(106)의 타면에 접하도록 배치되어, 전기 분해 장치(100)의 외형을 형성할 수 있다.
고정 부재(108)는, 적어도 하나의 볼트와, 이에 대응하는 개수의 너트를 포함할 수 있다. 고정 부재(108)는, 복수의 프레임(107)을 서로 고정할 수 있다.
이하, 복수의 실시예와 비교예를 이용하여, 열유체의 투입 온도에 따른 전기 분해 장치(100)의 전력 사용량 변화를 구체적으로 설명한다.
실시예 1
실시예 1의 운전 조건은 다음과 같다. 전기 분해 장치(100)는, 100[cm2]의 활성 면적을 갖는 멤브레인(Aciplex™, Asahi Kasei 제조)이 적용된 단일 셀 형태로 제작하였다. 전기 분해 장치(100)의 용량은, 가성소다의 생산량 기준으로, 일일 약 10[kg] 생산이 가능하도록 설계하였다. 또한, 전기 분해 장치(100)로 투입되는 열유체는, 100[℃]의 투입 온도로, 분당 약 100[ml]의 속도로 투입하였다. 한편, 전기 분해 장치(100)에는 온도 센서를 설치하여 열유체의 흐름에 따른 온도 측정이 가능하도록 하였다. 제시된 운전 조건에서, 전기 분해 장치(100)를 운전하여 수학식 1에 따른 Faraday efficiency를 계산하였고, 이를 기초로 하여 단위 가성소다 생산을 위한 전력 사용량을 측정하였다. 실시예 1에 따른 결과를 표 1에 나타내었다.
[수학식 1]
Figure pat00001
수학식 1에서, m(t) 와 m(t=0)는 각각 해당 시간에서 가성소다의 생산량(mass)이고, n은 가성소다 생산을 위한 전자의 mol 수이고, F는 Faraday 상수(96485 C mol-1)이다.
실시예 2
전기 분해 장치(100)에 투입되는 열유체의 투입 온도가 80[℃]인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 운전을 수행하였다. 실시예 2에 따른 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 3
전기 분해 장치(100)에 투입되는 열유체의 투입 온도가 60[℃]인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 운전을 수행하였다. 실시예 3에 따른 결과를 표 1에 나타내었다.
비교예 1
전기 분해 장치(100)에 열유체가 투입되지 않는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 운전을 수행하였다. 비교예 1에 따른 결과를 표 1에 나타내었다.
비고 테스트 조건(열 유체) 주요 결과
투입 온도 유량 유로내 유체 온도 전력사용량
(MWh/ton 가성소다)
실시예 1 100℃ 100 ml/min 94~95℃ 2.4 ~ 2.5
실시예 2 80℃ 76~78℃ 2.6 ~ 2.7
실시예 3 60℃ 56~58℃ 2.8
비교예 1 - - 45℃ 3.0
결과
실시예 1 내지 실시예 3을, 비교예 1과 비교하면, 전기 분해 장치(100)에 고온의 열유체를 투입 시, 동일한 양의 가성소다 생산을 위한 전력 사용량이 감소됨을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1 내지 실시예 3을 각각 비교하면, 전기 분해 장치(100)로 투입되는 열유체의 투입 온도가 높을수록 전력 사용량이 감소됨을 확인할 수 있다. 이러한 결과로부터, 실시예 1 내지 실시예 3에서, 열유체를 이용한 전력 사용량 저감 효과를 확인할 수 있다.
이상에서 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 실시예의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 이하의 청구범위에서 정의하고 있는 실시예의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 실시예의 권리범위에 속하는 것이다.
따라서, 상술한 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 안되고 예시로서 고려되어야 한다. 실시예의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 실시예의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 실시예의 범위에 포함된다.
1000: 전기 분해 시스템 100: 전기 분해 장치
101: 산화 전극 102: 멤브레인
103: 환원 전극 104: 제1 플레이트
104a: 제1 유로 104b: 제1 유로의 일단
104c: 제1유로의 타단 105: 제2 플레이트
105a: 제2 유로 105b: 제2 유로의 일단
105c: 제2 유로의 타단 106: 집전판
107: 프레임 108: 고정 부재
200: 저장조 300: 순환 펌프

Claims (21)

  1. 염수를 전기 분해하는 전기 분해 장치,
    열유체를 저장하는 저장조, 및
    상기 전기 분해 장치 및 상기 저장조 사이에 배치되어, 상기 전기 분해 장치가 상기 염수를 전기 분해하는 경우, 상기 저장조에 저장된 열유체를 상기 전기 분해 장치에 투입하는 순환 펌프
    를 포함하는 전기 분해 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 분해 장치는,
    상기 염수에 포함된 염소 이온을 산화시켜 염소 가스를 생성하는 산화 전극,
    상기 염수에 포함된 나트륨 이온을 통과시키는 멤브레인,
    물 분자를 환원시켜 수산화 이온을 생성하고, 상기 수산화 이온과 상기 멤브레인을 통과한 나트륨 이온이 결합하여 가성소다가 생성되는 환원 전극,
    상기 염수가 투입되고 상기 염소 가스가 배출되는 제1 유로를 형성하는 제1 플레이트, 및
    상기 물 분자가 투입되고 상기 가성소다가 배출되는 제2 유로를 형성하는 제2 플레이트
    를 포함하고,
    상기 멤브레인은, 상기 산화 전극과 상기 환원 전극 사이에 배치되고, 상기 산화 전극 및 상기 환원 전극과 직접 접촉하는, 전기 분해 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 플레이트는, 내부에 제1 공간을 형성하고,
    상기 제2 플레이트는, 내부에 제2 공간을 형성하는, 전기 분해 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 순환 펌프는, 상기 전기 분해 장치가 상기 염수를 전기 분해하는 경우, 상기 제1 공간 및 상기 제2 공간에, 소정의 온도로 가열된 상기 열유체를 투입하는, 전기 분해 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 소정의 온도는, 60[℃] 내지 100[℃]인, 전기 분해 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열유체는, 광유, 글리콜 수용액, 합성 파라핀, 디아릴알칸, 폴리페닐 유도체, 아릴에테르, 및 디메틸 실록산 폴리머 중 하나인, 전기 분해 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 플레이트의 폭은 5[mm] 내지 10[mm]로 형성되는, 전기 분해 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 플레이트의 폭은 5[mm] 내지 10[mm]로 형성되는, 전기 분해 시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 멤브레인은, PTFE(Polytetrafluoroethylene) 재질의 다공성 지지체의 기공에 이오노머(Ionomer)를 함침시킨 강화복합막 형태인, 전기 분해 시스템.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제1 유로는 상기 제1 플레이트의 일면에서 환형으로 형성되고,
    상기 일면은 상기 산화 전극을 향하는 면인, 전기 분해 시스템.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 제2 유로는 상기 제2 플레이트의 일면에서 환형으로 형성되고,
    상기 일면은 상기 환원 전극을 향하는 면인, 전기 분해 시스템.
  12. 염수를 전기 분해하는 장치로서,
    상기 염수에 포함된 염소 이온을 산화시켜 염소 가스를 생성하는 산화 전극,
    상기 염수에 포함된 나트륨 이온을 통과시키는 멤브레인,
    물 분자를 환원시켜 수산화 이온을 생성하고, 상기 수산화 이온과 상기 멤브레인을 통과한 나트륨 이온이 결합하여 가성소다가 생성되는 환원 전극,
    상기 염수가 투입되고 상기 염소 가스가 배출되는 제1 유로를 형성하는 제1 플레이트, 및
    상기 물 분자가 투입되고 상기 가성소다가 배출되는 제2 유로를 형성하는 제2 플레이트
    를 포함하고,
    상기 멤브레인은, 상기 산화 전극과 상기 환원 전극 사이에 배치되고, 상기 산화 전극 및 상기 환원 전극과 직접 접촉하는, 전기 분해 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 플레이트는, 내부에 제1 공간을 형성하고,
    상기 제2 플레이트는, 내부에 제2 공간을 형성하는, 전기 분해 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 공간 및 상기 제2 공간에는, 소정의 온도로 가열된 열유체가 투입되는, 전기 분해 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 소정의 온도는, 60[℃] 내지 100[℃]인, 전기 분해 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 열유체는, 광유, 글리콜 수용액, 합성 파라핀, 디아릴알칸, 폴리페닐 유도체, 아릴에테르, 및 디메틸 실록산 폴리머 중 하나인, 전기 분해 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 플레이트의 폭은 5[mm] 내지 10[mm]로 형성되는, 전기 분해 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 플레이트의 폭은 5[mm] 내지 10[mm]로 형성되는, 전기 분해 장치.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 멤브레인은, PTFE(Polytetrafluoroethylene) 재질의 다공성 지지체의 기공에 이오노머(Ionomer)를 함침시킨 강화복합막 형태인, 전기 분해 장치.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 제1 유로는 상기 제1 플레이트의 일면에서 환형으로 형성되고,
    상기 일면은 상기 산화 전극을 향하는 면인, 전기 분해 장치.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 제2 유로는 상기 제2 플레이트의 일면에서 환형으로 형성되고,
    상기 일면은 상기 환원 전극을 향하는 면인, 전기 분해 장치.
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