KR20230065581A - 역전기투석 배터리 - Google Patents

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KR20230065581A
KR20230065581A KR1020210151297A KR20210151297A KR20230065581A KR 20230065581 A KR20230065581 A KR 20230065581A KR 1020210151297 A KR1020210151297 A KR 1020210151297A KR 20210151297 A KR20210151297 A KR 20210151297A KR 20230065581 A KR20230065581 A KR 20230065581A
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supply chamber
water supply
water
reverse electrodialysis
power generation
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KR1020210151297A
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박응규
김유신
김요한
이동훈
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주식회사 큐에스택
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/22—Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising carbon or oxygen or hydrogen and other elements; Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising only elements other than carbon, oxygen or hydrogen
    • H01M8/227—Dialytic cells or batteries; Reverse electrodialysis cells or batteries
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

필요에 따라 신속하고 간편하게 사용 가능한 역전기투석 배터리가 제공된다, 역전기투석 배터리는, 교대로 배치된 양이온교환막과 음이온교환막을 포함하며, 양이온교환막과 음이온교환막에 염수를 공급받아 발전 가능한 발전 모듈과, 내부에 형성된 수용공간에 염수를 저장하며, 발전 모듈 상부에 배치되는 급수 챔버와, 적어도 일부가 외부로 노출되도록 발전 모듈과 급수 챔버 사이에 개재되어 외력에 의해 급수 챔버를 파단하는 파단바를 포함한다.

Description

역전기투석 배터리{Reversed Electrodialysis Battery}
본 발명은 역전기투석 배터리에 관한 것으로, 필요에 따라 신속하고 간편하게 사용 가능한 역전기투석 배터리에 관한 것이다.
역전기 투석 장치(Reverse Electrodialysis Device, RED)는 전기를 이용해 용액성의 이온을 제거하는 전기 투석의 원리를 역으로 이용하여 전기를 생산하는 기술로, 구체적으로 양이온 교환막과 음이온 교환막을 번갈아가며 배치시킨 셀스택에 고염수와 저염수가 교대로 들어감으로써 이온의 흐름을 만들어 전기에너지를 생산하는 장치이다.
RED를 이용하여 발전을 할 경우, 대량의 고농도 용액과 담수를 사용하기 때문에 이를 위한 취수시설, 전처리 시설, 보관시설(용액 보관 탱크) 등 인프라 구축이 선결되어야 하며, 많은 투자비용이 필요하다. 또한, 기존 RED는 각 셀에 고농도 용액(해수)와 담수를 번갈아 공급하기 때문에 이를 위한 펌프, 유량계, 전도도계, 압력계 등이 각각 필요하며, RED 셀의 구조 또한 복잡한 형태를 하고 있다.
또한, 이러한 역전기 투석 장치로부터 지속적으로 전기에너지를 얻기 위해서는 고염수와 저염수의 농도차를 유지시켜야 한다. 따라서 고염수와 저염수를 지속적으로 공급하기 위한 펌프가 필요하기 때문에 설치규모가 클 수밖에 없는 단점을 가지고 있으며, 소형 또는 휴대형 발전장치를 만드는데 한계성을 가지고 있는 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 제10-1863186호("고체염 역전기투석 장치", 한국에너지기술연구원, 2018.05.25)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 필요에 따라 파단하여 신속하고 간편하게 사용 가능한 소형 또는 휴대형 역전기투석 배터리에 관한 것이다.
본 발명의 역전기투석 배터리는, 교대로 배치된 양이온교환막과 음이온교환막을 포함하며, 상기 양이온교환막과 상기 음이온교환막에 염수를 공급받아 발전 가능한 발전 모듈과, 내부에 형성된 수용공간에 상기 염수를 저장하며, 상기 발전 모듈 상부에 배치되는 급수 챔버와, 적어도 일부가 외부로 노출되도록 상기 발전 모듈과 상기 급수 챔버 사이에 개재되어 외력에 의해 상기 급수 챔버를 파단하는 파단바를 포함한다.
상기 파단바는 일방향을 따라 연장 형성된 연장부와, 상기 연장부의 일단부로부터 상부를 향하여 연장 형성되는 칼날부 및 상기 연장부의 타단부로부터 연장 형성되어 상기 급수 챔버의 외부로 노출된 손잡이부를 포함할 수 있다.
상기 파단바는 적어도 일부가 상기 급수 챔버의 하부에 슬라이딩 이동 가능하도록 결합될 수 있다.
상기 파단바는 적어도 일부가 상기 급수 챔버에 회동 가능하도록 축 결합될 수 있다.
상기 급수 챔버는 상기 수용공간에 고염수와 저염수를 구획하여 저장할 수 있다.
상기 칼날부는 서로 이격 배치된 한 쌍을 포함하며, 한 쌍이 상기 고염수와 상기 저염수의 하부에 각각 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
한 쌍의 상기 칼날부는 상기 연장부의 길이방향을 따라 이격 배치될 수 있다.
한 쌍의 상기 칼날부는 상기 연장부를 중심으로 이격 배치될 수 있다.
상기 급수 챔버는 상하면을 관통하는 염수로를 형성하며, 상기 급수 챔버와 상기 발전 모듈 사이에 배치되는 하판부를 더 포함할 수 있다.
상기 파단바는 상기 하판부에 레일 결합되거나 축결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 발전 모듈은 상기 양이온교환막과 상기 음이온교환막 사이에 배치되는 고체염을 포함할 수 있다.
본 발명의 역전기투석 배터리는 일반 사용자들이 필요에 따라 역전기투석 배터리의 구동 용액을 간편하고 신속하게 공급하여 사용 가능할 수 있다.
또한, 본 발명은 구동 용액을 공급하기 위해 펌프 또는 실린지 등의 부수적인 장치를 필요로 하지 않아 소형화 제작이 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 역전기투석 배터리의의 사시도이다.
도 2는 도 1의 급수 챔버를 분해 도시한 분해사시도이다.
도 3은 도 1의 역전기투석 배터리를 분해 도시한 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 의한 역전기투석 배터리의 작동도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 역전기투석 배터리의 사시도이다.
도 6은 도 5의 분해사시도이다.
도 7은 도 5의 작동도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 의한 역전기투석 배터리의 사시도이다.
도 9는 도 8의 분해사시도이다.
도 10은 도 8의 작동도이다.
본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 의한 역전기투석 배터리를 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 의한 역전기투석 배터리의 구성에 대해 구체적으로 설명한 후에, 도 4를 참조하여 작동과정에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 역전기투석 배터리의의 사시도이고, 도 2는 도 1의 급수 챔버를 분해 도시한 분해사시도이고, 도 3은 도 1의 역전기투석 배터리를 분해 도시한 분해사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 의한 역전기투석 배터리의 작동도이다.
역전기투석 배터리는 염수의 농도차를 전기에너지로 전환하는 친환경 에너지 소자로, 외부 전력의 추가 공급 없이 센서 구동이 가능하고 지속적인 전원 제공이 가능한 특징이 있다.
본 발명의 역전기투석 배터리(1)는 일반 사용자들이 필요에 따라 역전기투석 배터리의 염수와 같은 구동 용액을 간편하고 신속하게 공급하여 사용 가능하도록 제작되었으며, 저전압으로 구동되고 소형화 제작이 가능하여 진단기기, 연속 혈압 측정기(ECG, electrocardiogram), 패치 형태의 센서(patch sensor) 및 전자약(electroceutical) 등과 같은 분야에 적용이 가능한 특징이 있다.
이하, 본 발명의 역전기투석 배터리(1)의 구조에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 역전기투석 배터리(1)는, 교대로 배치된 양이온교환막(도 3의 122참조)과 음이온교환막(도 3의 112참조)을 포함하며 양이교환막과 음이온교환막(112)에 염수를 공급받아 발전이 가능한 발전 모듈(10)과, 내부에 형성된 수용공간(211)에 염수를 저장하며 발전 모듈(10) 상부에 배치되는 급수 챔버(20)와, 적어도 일부가 외부로 노출되도록 발전 모듈(10)과 급수 챔버(20) 사이에 개재되어 외력에 의해 급수 챔버(20)를 파단하는 파단바(30)를 포함한다.
발전 모듈(10)은 염수의 염도차를 이용하여 전기적 에너지를 생산하는 에너지 소자이다. 발전 모듈(10)은 염수를 저장하고 있는 급수 챔버(20)의 하부에 배치되고, 급수 챔버(20)로부터 염수를 공급받아 전기에너지를 생산할 수 있다. 발전 모듈(10)은 양이온교환막(122), 음이온교환막(112), 양극전극(도 3의 111참조), 음극전극(도 3의 121참조), 고체염(도 3의 125참조) 등을 포함하며, 발전 모듈(10)과 관련하여 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 후술하도록 한다.
급수 챔버(20)는 발전 모듈(10)로 공급하기 위한 염수를 저장하는 것으로, 일종의 소형화 제작된 저장 탱크를 예로 들 수 있다. 급수 챔버(20)는 발전 모듈(10)의 상부에 배치되고 파단바(30)에 의해 적어도 일부가 파단되어 하부에 배치된 발전 모듈(10)로 내부에 저장된 염수를 공급할 수 있다.
파단바(30)는 사용자들의 필요에 따라 급수 챔버(20)의 내부에 저장된 염수가 발전 모듈(10)로 공급되도록 급수 챔버(20)를 파단하기 위한 것이다. 파단바(30)는 발전 모듈(10)과 급수 챔버(20) 사이에 개재되어 사용자의 동작에 의해 급수 챔버(20)의 일부를 파단할 수 있다.
급수 챔버(20) 및 파단바(30)와 관련하여 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2를 참조하면, 급수 챔버(20)는 염수를 저장하는 것으로, 내부에 수용공간(211)을 형성하여 염수를 저장하는 저장부(21)와, 저장부(21)의 하면에 결합되는 하판부(22, 23)를 포함한다.
저장부(21)는 염수를 저장하는 하우징으로, 내부에 염수를 수용할 수 있는 수용공간(211)을 형성한다. 저장부(21)는 상면, 하면, 측면이 결합된 밀폐된 구조로 형성되어 내부에 수용공간(211)을 형성할 수 있으며, 도면에 도시된 바와 같이 원통 형상으로 형성될 수 있다. 다만, 저장부(21)의 형상은 도면에 도시된 형상에 한정되지 않고 다양한 크기 및 형상으로 제작될 수 있다.
저장부(21)는 수용공간(211)에 고염수와 저염수 중 적어도 하나의 염수를 저장할 수 있다. 저장부(21)는 수용공간(211)에 한가지 종류의 염수만 저장할 경우 이를 테면 저염수만 저장할 경우, 발전 모듈(10)에 고체염(125)(도 3의 125참조)이 포함되어 있을 수 있다. 저장부(21)가 고염수와 저염수 모두 저장할 경우, 고염수와 저염수를 구획하여 저장할 수 있다. 다만, 저장부(21)는 염수를 저장하는 것으로 예로 들어 설명하지만, 이에 한정될 필요는 없으며, 무염의 용액을 저장할 수도 있다. 이와 같이, 저장부(21)가 무염의 용액의 저장할 경우, 발전 모듈(10) 또는 저장부(21)의 하부에 서로 다른 농도를 갖는 복수 개의 고체염(125)이 배치될 수도 있다.
고염수와 저염수는 수용공간(211)을 구획하는 구획판(214)에 의해 수용공간(211)에 구획되어 저장되거나, 파우치와 같은 형태로 형성된 고염수 챔버(212)와 저염수 챔버(213)에 각각 밀봉되어 수용공간(211)에 구획되어 저장될 수 있다. 고염수와 저염수는 MgCl2, CaCl2, K2CO3, Na2CO3, NaCl 및 KCl 중 하나로 이루어질 수 있다.
고염수 챔버(212)와 저염수 챔버(213)는 고염수와 저염수를 각각 저장 및 밀봉하는 일종의 파우치(pouch)로, 칼날에 의해 파단이 용이할 수 있는 얇은 비닐로 만든 주머니와 같은 형태로 형성될 수 있다. 고염수 챔버(212)와 저염수 챔버(213)는 각각 분리 형성되어 고염수와 저염수를 각각 저장하고 수용공간(211)에 배치됨으로써, 저장부(21)에 고염수와 저염수를 분리하여 보관 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 급수 챔버(20)는 고염수 챔버(212)와 저염수 챔버(213)를 별도로 필요로 하지 않고 구획판(214)으로 고염수와 저염수를 구획하여 저장할 수도 있다.
구획판(214)은 저장부(21) 내부에 형성된 수용공간(211)을 구획하기 위한 것으로, 얇은 판과 같은 형태로 형성될 수 있다. 구획판(214)은 수용공간(211)을 완전한 두 공간으로 분리할 수 있도록 길이 및 높이가 저장부(21)의 지름 및 높이와 동일하게 형성될 수 있다. 구획판(214)은 저장부(21)에 결합 및 분리 가능하도록 저장부(21)와 별도로 형성되거나, 저장부(21)와 일체로 제작될 수도 있으며 이에 한정되지 않고 수용공간(211)을 두 공간으로 분리할 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 도면에 고염수 챔버(212), 저염수 챔버(213), 구획판(214)이 모두 도시되어 있으나, 급수 챔버(20)가 고염수 챔버(212), 저염수 챔버(213), 구획판(214)을 모두 포함할 필요는 없으며, 선택적으로 사용 가능할 수 있다. 급수 챔버(20)는 저장부(21)에 저염수만 저장하거나 고염수와 저염수를 함께 저장할 수 있다.
저장부(21)는 적어도 일부에 형성된 칼날수용부(215)를 포함할 수 있다.
칼날수용부(215)는 후술할 파단바(30)의 칼날부(31)가 삽입 배치되는 공간을 형성한다. 칼날수용부(215)는 저장부(21)의 상하면을 관통하는 관통공 형태로 형성되어 칼날부(31)가 삽입되는 공간을 형성할 수 있다. 본 명세서 상에서의 칼날수용부(215)는 저장부(21)의 상하면이 관통되는 형태로 형성되는 것을 예로 들어 설명하지만, 이에 한정되지 않으며, 상부가 저장부(21) 상면에 의해 밀폐되도록 형성되고 하부만 칼날부(31)가 삽입될 수 있도록 개방 형성될 수도 있다. 칼날수용부(215)는 칼날부(31)의 수만큼 형성되거나, 염수의 수만큼 형성될 수 있으며, 도면에 도시된 바와 같이 한 쌍이 저장부(21)에 이격 형성되는 것을 예로 들어 설명하도록 한다. 한 쌍의 칼날수용부(215)는 각각 고염수 및 저염수와 인접하게 형성될 수 있으며, 구획판(214)을 중심으로 한 쌍이 평행하게 이격 배치될 수 있다. 저장부(21)는 칼날수용부(215)를 형성하여, 필요치 않을 때 칼날부(31)에 의해 저장부(21)가 파단되면서 염수가 누수되는 현상을 방지하고, 필요에 따라 파단바(30)에 외력이 작용된 경우에만 저장부(21)가 파단될 수 있도록 할 수 있다.
저장부(21)의 하부에는 하판부(22, 23)가 결합될 수 있다.
하판부(22, 23)는 염수의 유동로를 형성하기 위한 것으로, 얇은 판상의 형태로 형성되어 저장부(21)의 하면에 결합될 수 있다. 하판부(22, 23)는 저장부(21)의 하부에 결합되기에, 저장부(21)의 하면과 유사한 형성으로 형성될 수 있다. 하판부(22, 23)는 저장부(21)의 하면에 결합되는 제1 하판부(22)와, 제1 하판부(22)의 하면에 결합되는 제2 하판부(23)를 포함할 수 있다.
제1 하판부(22)와 제2 하판부(23)는 염수가 유동하기 위한 복수 개의 제1 염수로(221)와 제2 염수로(231)를 형성할 수 있다. 제1 염수로(221)와 제2 염수로(231)는 제1 하판부(22)와 제2 하판부(23)의 상하면을 관통하여 형성될 수 있다.
제1 염수로(221)는 제1 하판부(22)에 이격 형성된 한 쌍을 포함할 수 있다. 제1 염수로(221)는 한 쌍이 각각 고염수와 저염수의 하부에 위치하도록 저장부(21)에 결합될 수 있다. 한 쌍의 제1 염수로(221)는 각각 고염수가 유동하는 유동로와, 저염수가 유동하는 유동로를 형성한다. 저장부(21)가 파단될 경우, 고염수와 저염수가 제1 염수로(221)를 따라 유동할 수 있다.
제2 염수로(231)는 제2 하판부(23)에 원주방향을 따라 이격 형성된 복수 개를 포함할 수 있다. 복수 개의 제2 염수로(231)는 제1 염수로(221)와 서로 어긋나도록 배치될 수 있다. 다시 말해, 복수 개의 제2 염수로(231)는 제1 염수로(221)와 서로 다른 수직선상에 배치될 수 있다. 제2 염수로(231)는 제1 염수로(221)보다 많이 형성되고, 중심부가 아닌 가장자리에 형성되어 제1 염수로(221)로 배출된 염수를 분배하는 역할을 할 수 있다.
한편, 제1 하판부(22)는 파단바(30)와 접하는 일측면에 일방향을 따라 연장 형성된 레일홈(35)을 형성할 수 있다. 레일홈(35)은 파단바(30)가 급수 챔버(20)에 결합되어 외력에 의해 일방향을 따라 슬라이딩 이동 가능하게 하는 것으로, 사용자의 외력이 가해지는 방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 레일홈(35)은 파단바(30)에 형성된 레일부(34)과 결합될 수 있다. 레일홈(35)과 레일부(34)는 제1 하판부(22)와 파단바(30)에 각각 형성되는 것을 예로 들어 설명하지만, 이에 한정되지 않고 형성되는 위치가 서로 상호 교환되어, 레일홈(35)이 파단바(30)에 형성되고 레일부(34)가 제1 하판부(22)에 형성될 수도 있다.
파단바(30)는 급수 챔버(20)를 파단하기 위한 것으로, 급수 챔버(20)와 발전 모듈(10) 사이에 개재된다. 파단바(30)는 급수 챔버(20)와 발전 모듈(10) 사이에 개재될 때 적어도 일부가 외부로 노출되도록 배치된다. 이에, 파단바(30)는 사용자의 필요에 따라 외부로 노출된 일부에 외력이 가해지면 저장부(21)를 파단할 수 있다. 이러한 파단바(30)는 일방향을 따라 연장 형성된 연장부(33)와, 연장부(33)의 일단부로부터 상부를 향하여 연장 형성되는 칼날부(31)와, 연장부(33)의 타단부로부터 연장 형성되어 급수 챔버(20)의 외부로 노출된 손잡이부(32)를 포함한다.
연장부(33)는 파단바(30)의 몸체를 형성하는 것으로, 일 방향(z축 방향)을 따라 연장 형성되어 급수 챔버(20)와 발전 모듈(10) 사이에 배치될 수 있다. 더 정확하게 연장부(33)는 저장부(21)와 제1 하판부(22) 사이에 배치될 수 있으며, 역전기투석 배터리의 두께를 최소화할 수 있도록 납작한 막대바와 같은 형태로 형성될 수 있다. 연장부(33)는 저장부(21)와 제1 하판부(22) 사이에 배치된 일단부에 칼날부(31)가 형성될 수 있으며, 외부로 노출된 타단부에 손잡이부(32)가 형성될 수 있다. 또한, 연장부(33)는 제1 하판부(22)와 접하는 하면에 레일부(34)가 형성될 수 있다. 칼날부(31)와 손잡이부(32)에 대해 먼저 설명한 후에, 레일부(34)에 대해 설명하도록 한다.
칼날부(31)는 손잡이부(32)에 가해지는 외력에 의해 저장부(21)를 파단하기 위한 파단바(30)의 일부로, 연장부(33)의 일단부로부터 상부를 향하여 연장 형성된다. 칼날부(31)는 저장부(21)의 재질을 파단할 수 있을 정도의 얇고 날카롭게 형성될 수 있으며, 도면에 도시된 바와 같이 상부를 향하여 연장될수록 좁게 형성되는 삼각형 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 칼날부(31)는 연장부(33)의 일단부에 연장부(33)의 길이방향을 따라 이격배치된 한 쌍을 포함할 수 있다. 한 쌍의 칼날부(31)는 고염수 챔버(212)와 저염수 챔버(213)를 동시에 파단할 수 있도록, 고염수 챔버(212)와 저염수 챔버(213)의 하부에 각각 배치될 수 있으며, 고염수 챔버(212)와 저염수 챔버(213)가 이격된 간격 이상의 간격을 두고 이격 배치될 수 있다. 또한, 칼날부(31)는 구획판(214)을 중심으로 한 쌍이 평행하게 이격 배치될 수 있다. 한 쌍의 칼날부(31)는 한 쌍의 칼날수용부(215)에 삽입 배치될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 의한 칼날부(31)는 한 쌍이 연장부(33)의 길이방향을 따라 이격 배치되는 것을 예로 들어 설명한다. 다만, 칼날부(31)의 배치 구조 및 형상은 반드시 이에 한정될 필요는 없다. 칼날부(31)는 후술할 제2 실시예에서와 같이 연장부(33)를 중심으로 한 쌍이 대칭을 이루도록 이격 형성될 수도 있으며, 한 쌍이 저염수 챔버(213)와 고염수 챔버(212)를 각각 파단할 수 있는 다양한 구조 및 형상으로 형성될 수 있다.
연장부(33)의 끝단부에는 칼날부(31)가 형성되고, 다른 끝단부에는 손잡이부(32)가 형성된다.
손잡이부(32)는 사용자가 역전기투석 배터리를 사용 시, 파단바(30)를 용이하게 조작하기 위한 파단바(30)의 일부로, 연장부(33)로부터 연장 형성되어 수급 챔버와 발전 모듈(10)의 외측에 위치할 수 있다. 손잡이부(32)는 외부로 노출되도록 배치되는 것을 특징으로 하며, 사용자로부터 가해지는 외력에 의해 일 방향으로 이동하면서 저장부(21)를 절개할 수 있다. 파단바(30)는 연장부(33)가 제1 하판부(22)와 레일 결합되어, 손잡이부(32)에 외력이 가해지면 레일을 따라 일방향으로 슬라이딩 이동하여 저장부(21)를 절개할 수 있다. 이때, 제1 실시예에 의한 레일홈(35)은 동일 평면상(zx평면)에서 연장부(33)의 길이방향(z축방향)과 수직한 방향(x축방향)을 따라 연장 형성된다. 이에, 동일 평면상에서 파단바(30)의 길이방향(z축방향)과 수직한 방향(x축 또는 -x축 방향)으로 손잡이부(32)에 외력이 가해지면, 파단바(30)는 레일홈(35)을 따라 x축 또는 -x축 방향으로 슬라이딩 이동하면서 저장부(21)를 파단할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 의한 파단바(30)는 일 방향(x축 또는 -x축 방향)으로 슬라이딩 이동하여 저장부(21)를 파단하는 것을 예로 들어 설명하지만, 이러한 작동 방식에 한정되지 않고, 파단바(30)를 가압하거나 회동하여 저장부(21)를 파단할 수도 있으며, 이와 관련하여 제2 실시예 및 제3 실시예를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
상술한 급수 챔버(20)의 하부에 발전 모듈(10)이 결합될 수 있다.
도 3을 참조하면, 발전 모듈(10)은 급수 챔버(20)로부터 염수를 공급받아 전기적 에너지를 생산하기 위한 것으로, 염수의 염도차를 이용하여 발전하는 일종의 역전기투석 배터리를 예로 들 수 있다. 발전 모듈(10)은 급수 챔버(20)로부터 염수를 공급받아 발전할 수 있도록 교대로 배치된 양이온교환막(CEM)(122)과 음이온교환막(AEM)(112)을 포함한다.
발전 모듈(10)은 제1 흡수패드(113), 양극전극(111), 제1 방수테이프(114a, 124a), 음이온교환막(112), 제2 방수테이프(114b, 124b), 양이온교환막(122), 제2 흡수패드(123), 음극전극(121), 고체염(125) 등을 포함하며, 도면에 도시된 바와 같이, 각 구성이 순차적으로 중첩되어 결합 형성될 수 있다.
양이온교환막(122)과 음이온교환막(112)은 일정 거리 이격되어 교대로 배치될 수 있다. 양이온교환막(122)은 음전하를 띠고 있어 음전하를 갖는 이온은 반발하여 통과시키지 않고 양전하를 갖는 이온을 통과시킬 수 있으며, 음이온교환막(112)은 양전하를 띠고 있어 양전하를 갖는 이온은 반발하여 통과시키지 않고 음전하를 갖는 이온을 통과시킬 수 있다.
양이온교환막(122)과 음이온교환막(112) 사이에 고체염(125)이 배치될 수 있다. 고체염(125)이 배치될 수 있다. 고체염(125)은 급수 챔버(20)에 하나의 염수만 저장될 경우에 배치될 수 있으며, 급수 챔버(20)에 고염수 및 저염수가 저장될 경우 배치되지 않는다. 고체염(125)은 MgCl2, CaCl2, K2CO3, Na2CO3, NaCl 및 KCl 중 하나로 이루어질 수 있다. 발전 모듈(10)에 고체염(125)이 형성될 경우, 급수 챔버(20)에 염 농도가 낮은 저염수 또는 무염 용액이 저장될 수 있다. 고체염(125)은 양이온교환막(122)-음이온교환막(112) 순으로 순차적으로 배치될 때, 양이온교환막(122)과 음이온교환막(112) 사이에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
양극전극(111)과 음극전극(121)은 음이온교환막(112)과 양이온교환막(122)의 상부와 하부에 각각 배치된다. 양극전극(111)과 음극전극(121)은 상부에 흡수패드(113, 123)가 각각 배치된다. 아울러, 제1 방수테이프(114a, 124a, 114b, 124b)는 각 구성 사이에 배치될 수 있다.
발전 모듈(10)은 상술한 구성을 포함하여 저염수가 공급되거나, 저염수 및 고염수가 공급되면 별도의 구성을 필요로하지 않고 발전할 수 있으며, 고체염 또는 고농도의 염수를 사용하여 고출력을 발생할 수 있다.
이하, 상술한 본 발명의 역전기투석 배터리의 작동과정에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4를 참조하면, 역전기투석 배터리(1)로부터 전기에너지를 생산하기 위해, 사용자가 파단바(30)의 손잡이부(32)에 외력을 가한다. 손잡이부(32)에 파단바(30)의 길이방향(z축방향)과 수직한 수평방향(-x축방향)으로 외력이 가해지면, 파단바(30)는 손잡이부(32)에 가해지는 사용자의 외력에 의해 레일부(34)의 길이방향(-x축방향)을 따라 이동할 수 있다. 이때, 파단바(30)는 레일부(34)의 길이방향(-x축방향)을 따라 슬라이딩 이동하면서 고염수와 저염수가 저장된 저장부(21)를 파단할 수 있다. 파단바(30)의 슬라이딩 동작에 의해 저장부(21)가 파단되면, 저장부(21)에 저장된 고염수와 저염수는 하부에 배치된 제1 하판부(22)의 제1 염수로(221)를 통해 유동한다. 또한, 제1 염수로(221)로 유입된 고염수와 저염수는 제2 유동로(231)로 분배되어 발전 모듈(10)로 공급될 수 있다. 발전 모듈(10)은 급수 챔버(20)로부터 염수를 공급받아 전기 에너지를 생산할 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 의한 역전기투석 배터리를 설명하도록 한다.
본 발명의 제2 실시예에 의한 역전기투석 배터리(1a)는 슬라이딩 동작에 의해 급수 챔버(20)를 파단하는 구조가 아닌, 가압하는 동작에 의해 급수 챔버(20)를 파단하는 구조로 이루어진다. 이에, 역전기투석 배터리(1a)는 파단바(30a)와, 급수 챔버(20)의 배치 방향을 제외하면 이미 설명한 제1 실시예와 사실상 동일하다. 따라서, 이미 설명한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이고, 제1 실시예와 동일한 구성요소의 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 제2 실시예의 구성에 대해 구체적으로 설명하고, 도 7을 참조하여 작동과정에 대해 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 역전기투석 배터리의 사시도이고, 도 6은 도 5의 분해사시도이고, 도 7은 도 5의 작동도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예의 역전기투석 배터리(1a)의 파단바(30a)는 연장부(33)와, 칼날부(31a)와, 손잡이부(32)를 포함한다.
연장부(33)는 일방향을 따라 연장 형성된 납작한 막대바와 같은 형태로 형성되며, 제1 실시예에서의 연장부(33)와 동일하게 형성될 수 있다. 다만, 연장부(33)는 칼날부(31)가 배치되는 일단부에 길이방향과 수직한 수평방향으로 돌출되어 형성된 돌출부(311)를 더 포함할 수 있다.
돌출부(311)는 연장부(33)의 일부로, 연장부(33)의 일단부에 연장부(33)의 길이방향의 양측(x축, -x축)을 향하여 연장 형성될 수 있다. 한 쌍의 돌출부(311)는 연장부(33)를 중심으로 대칭을 이루도록 형성될 수 있으며, 상면에 각각 칼날부(31)가 형성될 수 있다.
칼날부(31a)는 연장부(33)의 일단부에 형성된 한 쌍의 돌출부(311)로부터 상부를 향하여 연장 형성된다. 이에, 칼날부(31a)는 연장부(33)의 길이방향을 따라 이격 배치되는 구조가 아닌, 연장부(33)를 중심으로 대칭을 이루도록 이격 배치되는 구조로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 칼날부(31a)는 연장부(33)를 중심으로 배치되는 구조를 제외하면 제1 실시예에서와 동일하므로, 보다 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
칼날부(31a)의 배치구조가 변경됨에 따라, 저장부(21) 및 배치구조도 변경될 수 있다.
저장부(21)는 제1 실시예에서의 저장부(21)와 동일하게 형성되되, 고염수 및 저염수가 파단바(30a)를 중심으로 양 측에 위치하도록 회전하여 배치될 수 있다. 또한, 한 쌍의 칼날부(31a)가 칼날수용부(215)에 삽입 배치될 수 있도록 파단바(30)의 상부에 배치될 수 있다.
도 6에서와 같이 구성된 역전기투석 배터리(1a)는 파단바(30a)를 가압하여 저장부(21)를 파단하기 위해 형성된 구조이며, 도 7을 참조하여 작동과정을 설명하도록 한다.
도 7을 참조하면, 역전기투석 배터리(1a)로부터 전기에너지를 생산하기 위해, 사용자가 파단바(30a)의 손잡이에 외력을 가한다. 이때, 파단바(30a)의 길이방향(z축방향)을 향하여 손잡이부(32)를 가압하면, 파단바(30a)는 길이방향(z축방향)을 따라 슬라이딩 이동하면서 고염수와 저염수가 저장된 저장부(21)를 파단할 수 있다. 파단바(30a)에 가해지는 가압에 의해 저장부(21)가 파단되면, 저장부(21)에 저장된 고염수와 저염수는 하부에 배치된 하판부(22)의 제1 유동로(221)를 통해 유동한다. 또한, 제1 유동로(221)로 유입된 고염수와 저염수는 제2 유동로(222)로 분배되어 발전 모듈(10)로 공급될 수 있다. 발전 모듈(10)은 급수 챔버(20)로부터 염수를 공급받아 전기 에너지를 생산할 수 있다.
이하, 도 8 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 의한 역전기투석 배터리를 설명하도록 한다.
본 발명의 제3 실시예에 의한 역전기투석 배터리(1b)는 가압 또는 슬라이딩 동작에 급수 챔버(20)를 파단하는 구조가 아닌, 회동축(301)을 중심으로 회동하는 동작에 의해 급수 챔버(20)를 파단하는 구조로 이루어진다. 이에, 역전기투석 배터리(1b)는 파단바(30b)의 구조를 제외하면 이미 설명한 제1 실시예와 사실상 동일하다. 따라서, 이미 설명한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이고, 제1 실시예와 동일한 구성요소의 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명의 제3 실시예의 구성에 대해 구체적으로 설명하고, 도 10을 참조하여 작동과정에 대해 설명하도록 한다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 의한 역전기투석 배터리의 사시도이고, 도 9는 도 8의 분해사시도이고, 도 10은 도 8의 작동도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 의한 파단바(30b)는 연장부(33)와, 칼날부(31)와, 손잡이부(32b)와, 회동축(301)을 포함한다. 연장부(33)와 칼날부(31)는 제1 실시예에서와 동일하게 형성되기에 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
손잡이부(32b)는 외부로 노출 배치된 연장부(33)의 끝단부로부터 적어도 한번 굴절 형성된다. 손잡이부(32)는 도면에 도시된 바와 같이, 일단부가 연장부(33)의 끝단부로부터 상부를 향하여 굴절 형성되고, 타단부가 다시 한번 굴절되어 저장부(21)의 상부에 고정될 수 있다. 손잡이부(32b)가 굴절 형성됨에 따라 파단바(30b)는 'ㄷ'자 형상으로 형성될 수 있다. 파단바(30b)는 굴절된 구조로 형성됨에 따라 회동 가능한 구조로 이루어져 회동축(301)을 포함할 수 있다. 회동축(301)은 손잡이부(32)의 타단부에 형성되고, 저장부(21)의 상부에 고정된다. 이에, 파단바(30b)는 회동축(301)에 의해 급수 챔버(20)에 회동 가능한 구조로 결합될 수 있다.
한편, 본 발명의 파단바(30b)는 회동축(301)이 저장부(21)의 상면에 형성되는 것을 도시하였기에, 이와 관련하여 설명하였으나, 회동 가능한 파단바(30)의 구조가 이에 한정될 필요는 없으며 다른 구조 및 형상으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 파단바(30b)는 연장부(33)의 적어도 일부분에 회동축(301)이 형성되고, 회동축(301)이 저장부(21), 제1 하판부(22), 제2 하판부(23) 중 적어도 하나에 결합되는 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 손잡이부(32b)는 굴절 형성되지 않고 제1 실시예에서와 같이, 연장부(33)로부터 연장 형성되어 급수 챔버(20)의 외부로 노출된 단순한 구조로 형성될 수 있다.
역전기투석 배터리(1b)는 파단바(30b)를 회동시켜 저장부(21)를 파단하기 위해 형성된 구조이며, 도 10을 참조하여 작동과정을 설명하도록 한다.
도 10을 참조하면, 역전기투석 배터리(1b)로부터 전기에너지를 생산하기 위해, 사용자가 파단바(30b)의 손잡이에 외력을 가한다. 이때, 파단바(30b)에 외력을 가하면, 파단바(30b)는 회동축을 중심으로 시계방향 또는 시계 반대방향으로 회동하면서 고염수와 저염수가 저장된 저장부(21)를 파단할 수 있다. 파단바(30b)에 가해지는 회전력에 의해 저장부(21)가 파단되면, 저장부(21)에 저장된 고염수와 저염수는 하부에 배치된 제1 하판부(22)의 제1 유동로(221)를 통해 유동한다. 또한, 제1 유동로(221)로 유입된 고염수와 저염수는 제2 유동로(231)로 분배되어 발전 모듈(10)로 공급될 수 있다. 발전 모듈(10)은 급수 챔버(20)로부터 염수를 공급받아 전기 에너지를 생산할 수 있다.
본 발명의 역전기투석 배터리(1, 1a, 1b))는 일반 사용자들의 필요에 따라 한번의 동작으로 손쉽게 발전 모듈(10)을 동작할 수 있으며, 원터치 방식으로 구동 용액(염수)을 간편하고 신속하게 공급하여 사용 가능한 특징이 있다.
또한, 본 발명은 구동 용액을 공급하기 위한 별도의 펌프 또는 실린지 등의 부수적인 장치를 필요로 하지 않아 소형화 제작이 가능하여 진단기기, 연속 혈압 측정기(ECG, electrocardiogram), 패치 형태의 센서(patch sensor) 및 전자약(electroceutical) 등과 같은 분야에 적용이 가능할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1, 1a, 1b: 역전기투석 배터리
10: 발전 모듈
20: 급수 챔버
21: 저장부
22: 제1 하판부
23: 제2 하판부
30, 30a, 30b: 파단바
31: 칼날부
32: 손잡이부
33: 연장부
34: 레일부
35: 레일홈
111: 양극전극
112: 음이온 교환막
113: 제1 흡수패드
114a, 114b: 제1 방수테이프
121: 음극 전극
122: 양이온 교환막
123: 제2 흡수패드
125: 고체염
124a, 124b: 제2 방수테이프
211: 수용공간
212: 고염수 챔버
213: 저염수 챔버
214: 구획판
215: 칼날수용부
221, 231: 염수로
232: 단차부
30: 회동축
311: 돌출부

Claims (11)

  1. 교대로 배치된 양이온교환막과 음이온교환막을 포함하며, 상기 양이온교환막과 상기 음이온교환막에 염수를 공급받아 발전 가능한 발전 모듈;
    내부에 형성된 수용공간에 상기 염수를 저장하며, 상기 발전 모듈 상부에 배치되는 급수 챔버; 및
    적어도 일부가 외부로 노출되도록 상기 발전 모듈과 상기 급수 챔버 사이에 개재되어 외력에 의해 상기 급수 챔버를 파단하는 파단바;
    를 포함하는 역전기투석 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파단바는 일방향을 따라 연장 형성된 연장부와, 상기 연장부의 일단부로부터 상부를 향하여 연장 형성되는 칼날부 및 상기 연장부의 타단부로부터 연장 형성되어 상기 급수 챔버의 외부로 노출된 손잡이부를 포함하는 역전기투석 배터리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 파단바는 적어도 일부가 상기 급수 챔버의 하부에 슬라이딩 이동 가능하도록 결합되는 역전기투석 배터리.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 파단바는 적어도 일부가 상기 급수 챔버에 회동 가능하도록 축 결합되는 역전기투석 배터리.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 급수 챔버는 상기 수용공간에 고염수와 저염수를 구획하여 저장하는 역전기투석 배터리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 칼날부는 서로 이격 배치된 한 쌍을 포함하며, 한 쌍이 상기 고염수와 상기 저염수의 하부에 각각 위치하는 것을 특징으로 하는 역전기투석 배터리.
  7. 제6항에 있어서,
    한 쌍의 상기 칼날부는 상기 연장부의 길이방향을 따라 이격 배치되는 역전기투석 배터리.
  8. 제6항에 있어서,
    한 쌍의 상기 칼날부는 상기 연장부를 중심으로 이격 배치되는 역전기투석 배터리.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 급수 챔버는 상하면을 관통하는 염수로를 형성하며, 상기 급수 챔버와 상기 발전 모듈 사이에 배치되는 하판부를 더 포함하는 역전기투석 배터리.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 파단바는 상기 하판부에 레일 결합되거나 축결합되는 것을 특징으로 하는 역전기투석 배터리.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 발전 모듈은 상기 양이온교환막과 상기 음이온교환막 사이에 배치되는 고체염을 포함하는 역전기투석 배터리.
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