KR20230127469A - 역전기투석 염분차발전 시스템 - Google Patents
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Abstract
역전기투석 염분차발전 시스템이 개시된다.
본 발명에 따른 역전기투석 염분차발전 시스템은, 제1 유입수가 수용된 제1 유입 탱크, 제2 유입수가 수용된 제2 유입 탱크, 제1 유입 탱크 및 제2 유입 탱크와 연결되어 제1 유입수 및 제2 유입수가 공급되며, 공급받은 제1 유입수와 제2 유입수의 농도차를 이용하여 전력을 생산하는 염분차발전 유닛, 염분차발전 유닛 내에서의 레독스 반응을 위한 린스 용액을 염분차발전 유닛으로 공급하기 위한 린스 용액 탱크 및 염분차발전 유닛 내 전극 용액을 공급하기 위한 전극 용액 탱크을 포함한다.
본 발명에 따른 역전기투석 염분차발전 시스템은, 제1 유입수가 수용된 제1 유입 탱크, 제2 유입수가 수용된 제2 유입 탱크, 제1 유입 탱크 및 제2 유입 탱크와 연결되어 제1 유입수 및 제2 유입수가 공급되며, 공급받은 제1 유입수와 제2 유입수의 농도차를 이용하여 전력을 생산하는 염분차발전 유닛, 염분차발전 유닛 내에서의 레독스 반응을 위한 린스 용액을 염분차발전 유닛으로 공급하기 위한 린스 용액 탱크 및 염분차발전 유닛 내 전극 용액을 공급하기 위한 전극 용액 탱크을 포함한다.
Description
본 발명은 염분차발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 염분차발전 시스템의 에너지 출력 성능을 향상시킬 수 있는 역전기투석 염분차발전 시스템에 관한 것이다.
경제 발전과 인구 증가에 따른 에너지 소비량은 지속적으로 증가하고, 매장된 석유 자원은 상대적으로 고갈됨에 따라 유가상승을 유발시키는 현실에서 신재생에너지의 필요성은 절대적이다. 그 중에서도 현재까지 미미하게 이용되는 해양에너지(Blue Energy)를 통한 발전 가능성의 현실화는 필요하다.
염분차발전(salinity gradient power generation)은 농도가 다른 두 유체(ex. 해수, 담수)의 혼합 과정에서 발생한 염 농도차 에너지를 전기 에너지 형태로 회수하여 발전하는 시스템을 의미한다.
염분차발전은 해수(염수) 및 담수를 이용한 발전 방식으로 압력지연삼투(Pressure retarded osmosis, PRO), 역전기투석(Reverse electrodialysis, RED), CDLE(Capacitive double layer expansion) 등의 다양한 방법이 있다.
이때, 역전기투석 염분차발전은 해수(염수)에 용해되어 있는 이온이 이온교환막을 통해 담수로 이동하면서 발생되는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 전환하여 발전하는 것을 의미한다.
염수는 염의 농도가 해수의 염(salt) 농도인 35,000 mg/L 이상을 가지는 용액이며, 담수는는 염 농도가 0 ~ 1,000mg/L를 가진 용액이다. 참고로, 이는 미국 지질 조사소에서 염의 농도에 따라 수질을 분류한 기준이다.
역전기투석 염분차발전은 해수와 담수에 포함되어 이온화되어 있는 염의 농도차로 인해 양이온과 음이온이 각각 양이온교환막과 음이온교환막을 통해 분리 이동되고, 양이온교환막과 음이온교환막 사이에는 화학전 전이차가 발생되며, 복수 개로 번갈아 배열된 이온교환막의 양쪽 끝에 위치한 전극(양전극; 애노드, 음전극; 캐소드)에서 이온교환막에 의해 발생된 전위차를 이용한 산화환원 반응에 의해 전자의 이동 현상을 통해 전기에너지가 생성된다.
역전기투석 염분차발전은 일반적인 배터리와 마찬가지로 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 전환하므로, 터빈 등을 사용하는 기존의 발전 방식과 비교하여 에너지 수요발생시 대응 속도가 빠르고 공정 전환시 발생하는 에너지 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다.
특히, 종래의 역전기투석 염분차발전은 염수와 담수의 농도 차이와 이온 교환막을 이용하여 Na+와 Cl-이온을 분리하는 과정을 통해 화학 퍼텐셜(chemical potential) 차이를 만들고, 이를 레독스 커플(redox couple) 물질을 이용하여 전기 퍼텐셜(electrical potential)로 변환하여 전기를 생산한다.
이러한 염분차발전에서의 출력량을 증폭시키기 위해서는 전극에서 전자 이동을 증폭시키는 것이 필요하다.
그러나, 염분차발전에서 에너지 잠재량을 향상시키려면 염수와 담수의 농도차를 높이는 것이 필요하나, 이는 실질적으로 어려운 점이 있다.
이에, 최근 염분차발전은 전자의 빠른 이동을 위하여 전극 린스 용액 이 사용된다.
예컨대, 전극 린스 용액은 가역적인 레독스 커플인 [Fe(CN)6]4-/[Fe(CN)6]3-을 사용한다.
그러나, 산화환원 과정에서, 전극 용액이 순환되어 산화반응에서 발생하는 전자량과 환원반응에서 필요한 전자량이 같지 않기 때문에 산화반응 및 환원반응 속도에 있어서 차이가 발생되므로, 결국 산화환원 반응 효율이 저하되며 그에 따라 에너지의 출력량이 달라지는 단점이 있다.
이에, 이온 교환막과 RED 스택의 형태, 유입수(담수 또는 염수)의 농도차와 온도 등에 따라 전기 에너지의 출력 성능이 달라지는 문제점을 보완할 수 있는 역전기투석 염분차발전 시스템의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 전극 용액에 전도성 촉매제를 추가로 포함하여 레독스 반응으로 인한 에너지 출력량을 향상시킬 수 있는 역전기투석 염분차발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적은, 본 발명에 따라, 제1 유입수가 수용된 제1 유입 탱크, 제2 유입수가 수용된 제2 유입 탱크, 제1 유입 탱크 및 제2 유입 탱크와 연결되어 제1 유입수 및 제2 유입수가 공급되며, 공급받은 제1 유입수와 제2 유입수의 농도차를 이용하여 전력을 생산하는 염분차발전 유닛, 염분차발전 유닛 내에서의 레독스 반응을 위한 린스 용액을 염분차발전 유닛으로 공급하기 위한 린스 용액 탱크 및 염분차발전 유닛 내 전극 용액을 공급하기 위한 전극 용액 탱크을 포함하는, 역전기투석 염분차발전 시스템에 의해 달성될 수 있다.
전극 용액 탱크는 염분차발전 유닛 내 레독스 반응으로 생성된 전하를 전극 쪽으로 이동시킬 수 있다.
전극 용액 탱크에 수용된 전극 용액은 흐름 전극을 포함할 수 있다.
전극 용액에는 전하를 전극 쪽으로 이동되는 속도가 증가되도록 하기 위한 전도성 촉매제가 추가로 포함될 수 있다.
전도성 촉매제는 도전성을갖는 물질로 마련될 수 있다.
전도성 촉매제는 전극 용액의 전체 중량 대비 0.3 중량부(%) 내지 2.7 중량부(%) 이내의 범위를 가질 수 있다.
린스 용액은 50mM K4Fe(CN)6 and 50mM K3Fe(CN)6 로 마련되고, 전극 용액은 전극 용액의 전체 중량 대비 1 중량부(%)의 카본 블랙을 포함할 수 있다.
본 발명의 역전기투석 염분차발전 시스템은, 전극 용액에 전도성 촉매제가 포함됨에 따라 전극 쪽으로 이동되는 전하의 이동 속도가 증가되고, 이로 인하여 향상된 에너지 출력량을 얻을 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 염분차발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 역전기투석 염분차발전 시스템의 일예를 나타낸 사진이다.
도 3은 도 1에 도시한 역전기투석 염분차발전 시스템과 종래 역전기투석 염분차발전 시스템의 전력밀도(Power density)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시한 전극 용액에 첨가된 전도성 촉매제의 비율에 따른 전력밀도(Power density)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 전극 용액에 첨가된 전도성 촉매제의 비율에 따른 개방회로전압(Open Circuit Voltage; OCV)를 나타낸 그래프이다.
도 6은 전극 용액에 최적 비율의 전도성 촉매제를 포함한 상태에서 시간 변화에 따른 전력(Power)을 나타낸 그래프이다.
도 2는 도 1에 도시한 역전기투석 염분차발전 시스템의 일예를 나타낸 사진이다.
도 3은 도 1에 도시한 역전기투석 염분차발전 시스템과 종래 역전기투석 염분차발전 시스템의 전력밀도(Power density)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시한 전극 용액에 첨가된 전도성 촉매제의 비율에 따른 전력밀도(Power density)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 전극 용액에 첨가된 전도성 촉매제의 비율에 따른 개방회로전압(Open Circuit Voltage; OCV)를 나타낸 그래프이다.
도 6은 전극 용액에 최적 비율의 전도성 촉매제를 포함한 상태에서 시간 변화에 따른 전력(Power)을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예들을 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도면의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 역전기투석 염분차발전 시스템(100, 이하 '염분차발전 시스템' 이라 함)을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염분차발전 시스템(100)의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시한 염분차발전 시스템(100)의 일예를 나타낸 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 염분차발전 시스템(100)은 제1 유입 탱크(110), 제2 유입 탱크(120), 염분차발전 유닛(130), 린스 용액 탱크(150) 및 전극 용액 탱크(140)를 포함한다.
제1 유입 탱크(110)는 제1 유입수가 수용되고, 제2 유입 탱크(120)에는 제2 유입수가 수용된다.
이때, 제1 유입 탱크(110)에 수용되는 제1 유입수는 염수(해수; HC)이고 제2 유입 탱크(120)에 수용되는 제2 유입수는 담수(기수; LC) 일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 유입 탱크(110) 및 제2 유입 탱크(120)에 수용된 제1 유입수 및 제2 유입수는 제1 펌프(112) 및 제2 펌프(122)에 의해 염분차발전 유닛(130)으로 공급된다.
참고로, 제1 유입 탱크(110) 및 제2 유입 탱크(122)에서 염분차발전 유닛(130)으로 공급되는 제1 유입수 및 제2 유입수의 압력 및 유량을 파악하기 위하여, 제1 유입 탱크(110)와 염분차발전 유닛(130)의 연결 라인 및 제2 유입 탱크(120)와 염분차발전 유닛(130)의 연결 라인 상에는 적어도 하나의 압력계(180) 및 유량계(190)가 마련될 수 있다.
또한, 제1 유입 탱크(110)에서 염분차발전 유닛(130)으로 공급된 제1 유입수는 최종적으로 제1 배출 탱크(160)로 배출되고, 제2 유입 탱크(120)에서 염분차발전 유닛(130)으로 공급된 제2 유입수는 최종적으로 제2 배출 탱크(170)로 배출된다.
한편, 염분차발전 유닛(130)의 출력단에는 적어도 하나 이상의 유량계(190)가 마련될 수 있다.
다시 말해서, 제1 배출 탱크(160) 및 제2 배출 탱크(170)와 염분차발전 유닛(130)의 연결 라인 상에는 염분차발전 유닛(130)으로부터 배출되는 제1 유입수 및 제2 유입수의 유량을 파악하기 위한 유량계(190)가 각각 마련될 수도 있다.
염분차발전 유닛(130)은 염수와 담수의 염 농도차를 이용하여 전력을 생산하는 부분이다.
다시 말해, 염분차발전 유닛(130)은 제1 유입 탱크(110) 및 제2 유입 탱크(120)와 연결되어 서로 다른 염 농도를 갖는 제1 유입수(염수; HC)및 제2 유입수(담수; LC)를 공급받고, 공급받은 제1 유입수와 제2 유입수의 염 농도차를 이용하여 전력을 생산하게 된다.
린스 용액 탱크(150)는 린스 용액을 수용한다.
린스 용액 탱크(150)는 염분차발전 유닛(130)과 연결되며, 내부에 수용된 린스 용액을 염분차발전 유닛(130) 내에서의 레독스 반응을 위하여 염분차발전 유닛(130)으로 공급한다.
예컨대, 린스 용액 탱크(150)에 수용된 린스 용액은 페르시안 하이드(50mM K4Fe(CN)6 and 50mM K3Fe(CN)6), 염화철(FeCl2 또는 FeCl3), 염화 아연(ZnCl2), 염화 나트륨(NaCl) 등 일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 린스 용액 탱크(150)에서 염분차발전 유닛(130)으로 공급되는 린스 용액은 대략적으로 200mL 일 수 있다.
전극 용액 탱크(140)에는 전극 용액이 수용된다.
전극 용액 탱크(140)는 염분차발전 유닛(130)과 연결되며, 수용된 전극 용액을 염분차발전 유닛(130)의 내부로 공급한다.
전극 용액 탱크(140)에 수용된 전극 용액은 염분차발전 유닛(130) 내 레독스 반응으로 생성된 전하는 전극 쪽으로 이동시키기 위한 역할을 수행한다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 용액 탱크(140)에 수용된 전극 용액은 흐름 전극(flow electrode)를 포함할 수 있다.
흐름 전극은 흐름을 가지는 전극으로, 유체의 이동 속도를 향상시키기 위한 것이다. 예컨대, 흐름 전극은 활성탄, 카본블랙, 다공성 탄소물질 및 펠트 등의 형태로 마련될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 염분차발전 시스템(100)에서는 린스 용액은 50mM K4Fe(CN)6 and 50mM K3Fe(CN)6 로 마련될 수 있고 전극 용액은 카본 블랙으로 마련되는 것이 최적의 조합의 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 전극 용액은 전극 용액의 전체 중량 대비 대략적으로 1 중량부(%)의 카본 블랙을 포함할 수 있다.
전극 용액 탱크(140) 및 린스 용액 탱크(150)에 수용된 전극 용액 및 린스 용액은 제3 펌프(142)에 의해 염분차발전 유닛(130)으로 공급된다.
참고로, 도면에는 전극 용액 탱크(140)와 린스 용액 탱크(150) 사이에 하나의 제3 펌프(142) 만이 마련되는 것으로 도시하였으나, 펌프는 전극 용액 탱크(140)의 출력단 및 린스 용액 탱크(150)의 출력단 각각에 모두 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 전극 용액 탱크(140) 및 린스 용액 탱크(150)에서 염분차발전 유닛(130)으로 공급되는 전극 용액 및 린스 용액의 압력 및 유량을 파악하기 위하여, 전극 용액 탱크(140) 및 린스 용액 탱크(150)와 염분차발전 유닛(130)의 연결 라인 상에는 적어도 하나 이상의 압력계(180) 및 유량계(190)가 각각 마련될 수 있다.
한편, 염분차발전 유닛(130)으로 공급되는 염수(HC), 담수(LC) 및 전극 용액은 염분차발전 유닛(130)을 통해 순환(circulation)되도록 마련되나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 용액에는 전도성 촉매제가 추가로 포함될 수 있다.
전도성 촉매제는 염분차발전 유닛(130) 내에서 전하가 전극 쪽으로 이동되는 속도가 증가되도록 하기 위하여 첨가되는 것이다.
전도성 촉매제는 전자 이동에서 일종의 캐리어(carrier) 역할을 수행한다.
다시 말해서, 전도성 촉매제는 염분차발전 유닛(130) 내에서 레독스 반응으로 발생된 전자들과의 percolation network를 통해 전극(집전체)에 효율적으로 전달될 수 있도록 하는 것이다.
참고로, 레독스 반응은 전극 가까이에서 발생하는 전자들 만이 도선을 따라 이동하는 것이 일반적이다.
이러한 전도성 촉매제는 도전성을 갖는 물질로 마련될 수 있다. 예컨대, 전도성 촉매제는 은(silver), 구리(copper), 금(gold) 등과 같은 전도성 금속 입자(metal particle), 이산화규소(SiO2), 이산화 타이타늄(TiO2), 산화구리(CuO), 이산화니켈(NiO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 철(Fe2O2, Fe3O), 산화 아연(ZnO), graphene oxide(GO) 등과 같은 산화물, 그리고 활성탄, 카본블랙, 카본 나노튜브 등과 같은 다공성 도전성 물질 등으로 마련될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 전극 용액에 첨가되는 전도성 촉매제의 양에 따라 염분차발전 유닛(130)을 통해 발생되는 에너지 출력량이 달라질 수 있다.
이는, 전도성 촉매제가 전극 용액에서의 전극의 표면적을 넓혀주는 역할을 수행하기 때문이다.
여기서, 전도성 촉매제는 전극 용액의 전체 중량 대비 0.3 중량부(%) 내지 2.7 중량부(%) 이내의 범위를 갖도록 마련될 수 있다.
참고로, 전극 용액 내에서의 전도성 촉매제의 중량이 너무 많아지게 되는 경우에는 전극 용액의 점도가 상승하여 전극의 흐름이 끊기게 되고, 그에 따라 염분차발전 유닛(130)의 구동이 멈추게 되는 문제가 발생하기 때문이다.
한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 염분차발전 유닛(130)은 산화반응을 통해 전자를 공급하는 양극 용액을 포함하는 양극셀, 환원반응을 통해 전자를 받는 음극 용액을 포함하는 음극셀, 양극셀과 음극셀 사이에 교대로 설치되어 복수 개의 유로를 형성하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 포함하여 구성된다.
염분차발전 유닛(130)은 음극셀과 양극셀 사이에 교대로 설치된 양이온 교환막과 음이온 교환막에 의해 염수 유로 및 담수 유로가 형성되어, 염수와 담수가 교대로 흐르게 된다. 이때, 양극 용액과 음극 용액은 양극셀과 음극셀 사이를 순환하지 않고 각각 따로 흐르게 된다.
여기서, 전극 용액은 에노드와 캐소드를 순환하지 않고 각각 따로 흘러서 보내준다. 이에 따라, 에노드 쪽의 전극용액은 산화반응이 발생되어 염의 농도가 높아진 상태로 외부로 배출되고, 캐소드 쪽의 전극 용액은 환원반응이 발생되어 염의 농도가 낮아진 상태로 외부로 배출된다.
즉, 전극용액이 에노드(산화전극; 전자방출전극)와 캐소드(환원전극, 전자흡수전극) 사이를 순환하면서 전극 용액 속의 레독스 커플은 양쪽 전극 에서는 하기와 같은 산화환원반응이 발생한다.
[반응식 1]
에노드: Fe(CN)6 4- → Fe(CN)6 3- + e
캐소드: Fe(CN)6 3- + e → Fe(CN)6 4-
상기의 [반응식 1]에 따라, 산화환원 반응은 하기의 [반응식 2]와 같게 된다.
[반응식 2]
[Fe(CN)6]3- + e ↔ Fe(CN)6 4-
상기의 [반응식 2]에 따라, 결국 E0 = 0.356 V vs. SHE. 가 발생된다.
이때, SHE는 표준 수소 전극(기준 전극; Standard Hydrogen Electrode)을 의미한다. 기준 전극을 0 V라고 하였을때, 페로시안/페리시안 간의 산화환원 반응을 통해 생기는 전위차가 0.356V 임을 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 염분차발전 시스템(100)과 종래 염분차발전 시스템의 전력밀도(Power density)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 염분차발전 시스템(100)에 흐름 전극을 포함하는 전극 용액의 포함 유무에 따라 에너지 출력량이 달라지는 것을 알 수 있다.
다시 말해서, 전극 용액을 포함하는 염분차발전 시스템(100)의 경우에 전극 용액을 포함하지 않는 염분차발전 시스템(100)에 비하여 단위 면적당 발생한 전력량이 약 2배 정도 높아지는 것을 알 수 있다.
즉, 전극 용액을 포함하지 않는 종래 염분차발전 시스템에서의 전력량이 1W/m2이고, 전극 용액을 포함하는 본 발명에 따른 염분차발전 시스템(100)에서는 전력량이 최대 2W/m2 인것으로 나타났다.
참고로, 본 발명의 염분차발전 시스템(100)에서 전극 용액에는 전극 용액의 전체 중량 대비 약 2.5 중량부(%)의 전도성 촉매제를 포함한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염분차발전 시스템(100)의 전극 용액에 첨가된 전도성 촉매제의 비율에 따른 전력 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 전극 용액의 유량에 따라 전도성 촉매제의 비율을 달리한 것이다. 전극 용액은 각각 60mL/min 과 120mL/min의 유량을 갖고, 전도성 촉매제는 60mL/min의 유량 대비 0 중량부(%), 0.5 중량부(%), 1.0 중량부(%), 2.0 중량부(%) 및 2.5 중량부(%) 비율을 갖는다.
전극 용액의 유량이 많고, 전도성 촉매제의 비율이 높아지면 단위 면적당 발생한 전력량도 증가되는 것으로 나타났다.
단, 전도성 촉매제가 전극 용액의 유량 대비 2.5 중량부(%)의 비율을 넘어가는 경우에는 전극 용액의 점도가 상승되어 전극의 유동이 어렵게 되어 결국 염분차발전 시스템(100)의 구동이 중단되게 된다.
도 5는 전극 용액에 첨가된 전도성 촉매제의 비율에 따른 개방회로전압(Open Circuit Voltage; ACV)를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 전극 용액에 첨가되는 전도성 촉매제의 비율이 높아질수록 OCV가 증가하는 것으로 나타났다. 단, 전극 용액에 첨가된 전도성 촉매제의 비율이 다르더라도, 염분차발전 시스템(100)의 구동 시간이 증가될수록 거의 동일한 OCV를 갖는 것으로 나타났다.
이는, 일반적인 염분차발전 시스템(100)에서의 OCV는 전도성 촉매제(전도성 입자)에 의해 형성되는 것이 아니라, 이온 교환막과 농도차를 가지는 전해질에 의해 형성되게 된다. 이에 반해, 본 발명의 일 실시예에 따른 염분차발전 시스템(100)에서 전극 용액에 다공성 탄소 입자(카본 블랙)을 첨가하게 되면 전기 이중층에 의해 다공성 탄소입자에 의해서도 전위차를 발생시킬 수 있지만, 염분차발전 유닛(130)에 의해 발생되는 전위차에 비해 마이너하게 되므로, 전극 용액에 첨가되는 전도성 촉매제의 비율이 달라지더라도 염분차발전 시스템(100)의 구동 시간이 증가되는 것과 관계없이 거의 동일한 OCV를 갖게 되는 것이다.
도 6은 전극 용액에 전도성 촉매제를 포함한 상태에서 시간 변화에 따른 전력(Power)를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 전극 용액의 유량 대비 1.0 중량부(%)의 비율로 전도성 촉매제를 첨가한 상태에서 염분차발전 시스템(100)의 가동 시간에 따른 전력량은 거의 동일한 것으로 나타났다.
즉, 전극 용액의 유량 대비 미리 설정된 양의 전도성 촉매제를 포함한 경우, 향상된 에너지 출력량을 가지고, 염분차발전 시스템(100)의 가동 시간에 따른 OCV도 증가하며, 전력 량도 향상되는 것으로 나타났다.
상기한 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 염분차발전 시스템(100)은 전극 용액에 전도성 촉매제가 포함됨에 따라 염분차발전 유닛에서 전극 쪽으로 이동되는 전하의 이동 속도가 증가되고, 이로 인하여 향상된 에너지 출력량을 얻을 수 있는 이점이 있다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 염분차발전 시스템
110: 제1 유입 탱크
112: 제1 펌프
120: 제2 유입 탱크
122: 제2 펌프
130: 염분차발전 유닛
140: 전극 용액 탱크
142: 제3 펌프
150: 린스 용액 탱크
160: 제1 배출 탱크
170: 제2 배출 탱크
180: 압력계
190: 유량계
110: 제1 유입 탱크
112: 제1 펌프
120: 제2 유입 탱크
122: 제2 펌프
130: 염분차발전 유닛
140: 전극 용액 탱크
142: 제3 펌프
150: 린스 용액 탱크
160: 제1 배출 탱크
170: 제2 배출 탱크
180: 압력계
190: 유량계
Claims (7)
- 제1 유입수가 수용된 제1 유입 탱크;
제2 유입수가 수용된 제2 유입 탱크;
제1 유입 탱크 및 제2 유입 탱크와 연결되어 제1 유입수 및 제2 유입수가 공급되며, 공급받은 제1 유입수와 제2 유입수의 농도차를 이용하여 전력을 생산하는 염분차발전 유닛;
염분차발전 유닛 내에서의 레독스 반응을 위한 린스 용액을 염분차발전 유닛으로 공급하기 위한 린스 용액 탱크; 및
염분차발전 유닛 내 전극 용액을 공급하기 위한 전극 용액 탱크;
을 포함하는, 역전기투석 염분차발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
전극 용액 탱크는 염분차발전 유닛 내 레독스 반응으로 생성된 전하를 전극 쪽으로 이동시키는, 역전기투석 염분차발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
전극 용액 탱크에 수용된 전극 용액은 흐름 전극을 포함하는, 역전기투석 염분차발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
전극 용액에는 전하를 전극 쪽으로 이동되는 속도가 증가되도록 하기 위한 전도성 촉매제가 추가로 포함되는, 역전기투석 염분차발전 시스템.
- 제4항에 있어서,
전도성 촉매제는 도전성을 갖는 물질로 마련되는, 역전기투석 염분차발전 시스템.
- 제4항에 있어서,
전도성 촉매제는 전극 용액의 전체 중량 대비 0.3 중량부(%) 내지 2.7 중량부(%) 이내의 범위를 갖는, 역전기투석 염분차발전 시스템.
- 제4항에 있어서,
린스 용액은 50mM K4Fe(CN)6 and 50mM K3Fe(CN)6 로 마련되고,
전극 용액은 전극 용액의 전체 중량 대비 1 중량부(%)의 카본 블랙을 포함하는, 역전기투석 염분차발전 시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020220024789A KR20230127469A (ko) | 2022-02-25 | 2022-02-25 | 역전기투석 염분차발전 시스템 |
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| KR1020220024789A KR20230127469A (ko) | 2022-02-25 | 2022-02-25 | 역전기투석 염분차발전 시스템 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101730643B1 (ko) | 2013-09-26 | 2017-04-27 | 한국에너지기술연구원 | 전자생성을 최적화하는 고효율 역전기투석 발전 시스템 |
-
2022
- 2022-02-25 KR KR1020220024789A patent/KR20230127469A/ko not_active Application Discontinuation
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