KR20230138607A - 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈 - Google Patents

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KR20230138607A
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양승철
박희성
송태섭
권화빈
김동현
에뜨샴 알리
김하은
서하은
이동수
황인성
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창원대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 전해질 내 이온 성분들을 탈리시킴으로써 해당 전해질을 정화하는 수처리 내지 이온교환막을 통한 이온 이동을 통해 발생한 전위차 가변 현상을 이용한 염분차 발전에 사용될 수 있는 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈에 따르면, 탈염 및 발전을 위한 유동상 전극의 유로인 양극측 유로와 음극측 유로 내에 돌출 구조를 지닌 와류 형성부가 제공될 수 있으며, 이와 같은 와류 형성부가 유동상 전극인 활물질들의 유동을 간섭하게 되어 이를 통해 각 유로에는 와류 발생이 유도될 수 있고, 이와 같은 와류 발생을 통해 해당 와류 발생 구간에는 상기 활물질 입자들이 집중 분포될 수 있게 됨으로써, 활물질과 전해질 내 이온 성분들간 접촉 면적 및 접촉 시간이 증가하게 되어 최종적으로 탈염 및 발전 효율이 증진될 수 있는 효과가 발생하게 된다.
　"　본 연구는 한국전력공사의 2020년 선정 기초연구개발 과제 연구비에 의해 지원되었음(과제번호 : R20XO02-02)　
Acknowledgement : This research was supported by Korea Electric Power Corporation. (Grant number : R20XO02-02) "

Description

흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈{Module for flow-electrode capacitive deionization and power generation}
본 발명은 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전해질 내 이온 성분들을 탈리시킴으로써 해당 전해질을 정화하는 수처리 내지 염분차 발전에 사용될 수 있는 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈에 관한 것이다.
축전식 탈염(Capacitive Deionization, CDi) 기술이란 일종의 전기적 흡착 원리를 응용한 것으로서, 전극에 전위를 인가했을 시 전극 계면에 형성되는 전기 이중층에서의 흡착 반응을 이용하여 전해질 내 염 성분인 이온성 물질을 제거하는 기술로, 정수, 담수화 등 각종 수처리에 활용될 수 있다.
또한, 축전식 탈염 기술에 따르면, 전극에 전위 인가가 수행되지 않더라도 이온 교환막을 통한 이온 이동을 통해 집전체에서는 이온의 이동으로 인한 전위차 가변이 발생하게 되고, 이러한 전위차 가변 현상을 이용한 염분차 발전이 수행될 수 있으며, 이를 통해 청정 에너지가 제공될 수 있는 등 축전식 탈염 기술은 다양한 활용성을 제공할 수 있다.
또한, 상술한 축전식 탈염 기술의 일 예로, 선행하는 대한민국 공개 특허 제 10-2012-0135189 호에는 이온 제거용 장치, 양방향성 전압 변환부 및 이온 제거용 구동 장치의 방법이 개시되어 있다.
그러나, 이와 같은 축전식 탈염 기술은 단위 전극별로 이온 흡착 용량의 제한을 지니고 있어, 이로 인해 다수의 전극들이 전해질 유로를 따라 적층되는 방식으로 제조되어야 하므로, 제작 단가 상승, 제작 난이도 상승, 탈염 효율의 기대치 하락 등과 같은 각종 문제점들이 발생하게 된다.
이러한 축전식 탈염 기술의 단점을 극복하고자, 흐름전극 축전식 탈염 기술(Flow-electrode Capacitive Deionization, FCDi)이 대두되고 있으며, 이에 관한 일 예로 선행하는 대한민국 공개 특허 제 10-2012-0115189 호 및 등록 특허 제 10-1318331 호에는 흐름전극장치를 이용한 수처리장치 및 흐름전극을 이용한 농도차 발전장치가 각각 개시되어 있다.
보다 상세하게는, 상기 선행문헌들에 따르면 탈염 및 발전을 위한 전극이 일종의 유로 형태로 제공되고, 이러한 유로에 염 성분들을 흡착하기 위한 활물질이 유동되는 탈염 장치가 제공될 수 있게 된다.
또한, 흐름전극 축전식 탈염 기술은 탈염을 위한 전극이 유동상으로 제공된다는 차별성을 지니고 있으며, 이를 통해 활물질 유동로를 설계하는 것만으로도 종래 다수 스택의 고체상 이온 흡착 전극들이 대체될 수 있게 되어 제조상 상당한 이점들이 제공될 수 있게 된다.
게다가, 흐름전극 축전식 탈염 기술이 적용되면 유동 전극의 특성상 연속적인 이온 흡착 및 탈착이 가능해지므로 고농도의 염수를 대상으로 탈염이 행해질 수 있다는 장점 또한 발생하게 된다.
그러나, 상술한 종래의 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 기술에 따르면, 유동 전극이 유동성을 지닌 유체로 구성되며, 이러한 유동 전극의 특성상 해당 유동 전극 내 활물질로의 전자 전달이 충분히 수행되지 않을 수 있다는 단점이 발생하게 되어, 이를 개선하기 위한 해결책이 필요한 실정이다.
대한민국 공개 특허 제 10-2012-0135189 호 대한민국 공개 특허 제 10-2012-0115189 호 대한민국 등록 특허 제 10-1318331 호
상술한 과제 해결의 일환으로, 본 발명은 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 과정에서 집전체에 형성된 와류 발생 유로를 활용함으로써, 유동 전극 내 활물질의 와류를 발생시켜 유동 전극 내 활물질로 효율적인 전자의 접촉 및 전달이 수행되도록 하여, 최대한의 탈염 및 발전 효율을 나타낼 수 있는 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈을 제공하고자 하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 의한 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈은, 양극 활물질이 유동되기 위한 양극측 유로가 형성되는 양극측 집전체, 음극 활물질이 유동되기 위하여 상기 양극측 유로에 대응되는 구조 및 형상을 지닌 음극측 유로가 형성되며, 상기 음극측 유로와 상기 양극측 유로가 상호 마주하도록 마련되고, 상기 양극측 집전체에 대응되는 구조 및 형상을 지닌 음극측 집전체, 상기 양극측 유로와 마주하도록 마련되며 전해질 내 양이온을 상기 음극측 유로에 선택적으로 투과시킬 수 있는 양이온 교환막, 상기 음극측 유로와 마주하도록 마련되며 전해질 내 음이온을 상기 양극측 유로에 선택적으로 투과시킬 수 있는 음이온 교환막 및 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이에 마련되며 전해질이 유동되는 전해질 유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양극측 집전체는, 양극측 몸체부를 포함하고, 상기 양극측 유로는, 상기 양극측 몸체부의 일 표면에 함몰 구조로 형성되며, 상기 음극측 집전체는, 음극측 몸체부를 포함하고, 상기 음극측 유로는, 상기 음극측 몸체부의 일 표면에 함몰 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양극 활물질은, 상기 양극측 유로의 길이 방향 측 테두리를 따라 분포 밀도가 가장 높게 나타나고, 상기 음극 활물질은, 상기 음극측 유로의 길이 방향 측 테두리를 따라 분포 밀도가 가장 높게 나타나는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양극측 집전체는, 상기 양극측 유로의 길이 방향을 따라 다수 마련되며 상기 양극측 유로의 내측을 향해 돌출 구조를 지닌 양극측 와류 형성부를 포함하며, 상기 음극측 집전체는, 상기 양극측 와류 형성부에 대응되는 다수의 음극측 와류 형성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양극측 와류 형성부는, 상기 양극측 유로의 내측을 향해 돌출되는 양극측 돌출부와, 상기 양극 활물질의 유동 방향과 마주하는 상기 양극측 돌출부의 일측면에 형성되며 상기 양극 활물질의 유동 방향에 대해 오목한 구조를 지닌 양극측 정면 측벽부를 포함하며, 상기 음극측 와류 형성부는, 상기 양극측 돌출부에 대응되는 음극측 돌출부와, 상기 양극측 정면 측벽부에 대응되는 음극측 정면 측벽부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양극측 와류 형성부는, 하기의 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 2]
Rv ≤ lw*0.2
(여기서, 상기 lw는 양극측 유로의 최대 폭이고, 상기 Rv는 상기 양극측 정면 측벽부의 곡률이다.)
또한, 상기 양극측 와류 형성부는, 하기의 수학식 3 및 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 3]
0.3*lw ≤ lm ≤ 0.6*lw
(여기서, 상기 lw는 상기 양극측 유로의 최대 폭이고, 상기 lm은 상기 양극측 와류 형성부의 유동 방향 최대 길이이다.)
[수학식 4]
1.7*lm ≤ ls ≤ 2.7*lm
(여기서, 상기 lw는 상기 양극측 유로의 최대 폭이고, 상기 ls는 각 상기 양극측 와류 형성부간 최단 직선 거리이다.)
본 발명에 의한 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈에 따르면, 탈염 및 발전을 위한 유동상 전극의 유로인 양극측 유로와 음극측 유로 내에 돌출 구조를 지닌 와류 형성부가 제공될 수 있으며, 이와 같은 와류 형성부가 유동상 전극인 활물질들의 유동을 간섭하게 되어 이를 통해 각 유로에는 와류 발생이 유도될 수 있고, 이와 같은 와류 발생을 통해 해당 와류 발생 구간에는 상기 활물질 입자들이 집중 분포될 수 있게 됨으로써, 활물질과 전해질 내 이온 성분들간 접촉 면적 및 접촉 시간이 증가하게 되어 최종적으로 탈염 및 발전 효율이 증진될 수 있는 효과가 발생하게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈을 나타내는 정면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 4a는 도 3에 도시된 양극측 집전체를 나타내는 정면도이다.
도 4b는 도 3에 도시된 음극측 집전체를 나타내는 정면도이다.
도 5a는 도 4a에 도시된 B 구간을 나타내는 확대도이다.
도 5b는 도 4a에 도시된 B' 구간을 나타내는 확대도이다.
도 6은 도 2에 도시된 A-A' 구간에서 바라본 상태를 기준으로 한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 의한 양극측 유로의 일부를 나타내는 도면이다.
도 8은 비교예 1에 의한 양극측 유로의 일부를 나타내는 도면이다.
도 9는 비교예 1에 따른 양극측 유로 내 활물질의 유속 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따른 양극측 유로 내 활물질의 입자 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 양극측 유로 내 활물질의 입자 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 3에 따른 양극측 유로 내 활물질의 입자 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
도 13은 본 발명의 실시예 4에 따른 양극측 유로 내 활물질의 입자 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
도 14는 본 발명의 실시예 5에 따른 양극측 유로 내 활물질의 입자 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
도 15는 본 발명의 실시예 6에 따른 양극측 유로 내 활물질의 입자 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
도 16은 비교예 1에 따른 양극측 유로 내 와도 분석을 나타내는 전산 해석도이다.
도 17은 본 발명의 실시예 2에 따른 양극측 유로 내 와도 분석을 나타내는 전산 해석도이다.
도 18은 본 발명의 실시예 3에 따른 양극측 유로 내 와도 분석을 나타내는 전산 해석도이다.
도 19는 본 발명의 실시예 4에 따른 양극측 유로 내 와도 분석을 나타내는 전산 해석도이다.
도 20은 본 발명의 실시예 5에 따른 양극측 유로 내 와도 분석을 나타내는 전산 해석도이다.
도 21은 본 발명의 실시예 6에 따른 양극측 유로 내 와도 분석을 나타내는 전산 해석도이다.
도 22는 본 발명의 실시예 1과 실시예 4에 따른 양극측 유로의 일부 구간 내 와도 분석을 나타내는 전산 해석도이다.
도 23은 비교예 1에 따른 양극측 유로 내 활물질의 유속 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
도 24는 본 발명의 실시예 2에 따른 양극측 유로 내 활물질의 유속 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
도 25는 본 발명의 실시예 3에 따른 양극측 유로 내 활물질의 유속 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
도 26은 본 발명의 실시예 4에 따른 양극측 유로 내 활물질의 유속 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
도 27은 본 발명의 실시예 5에 따른 양극측 유로 내 활물질의 유속 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
도 28은 본 발명의 실시예 6에 따른 양극측 유로 내 활물질의 유속 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
도 29a는 비교예 1에 따른 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈의 염분차 발전 출력 밀도 결과값을 나타내는 그래프이다.
도 29b는 본 발명의 실시예 4에 따른 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈의 염분차 발전 출력 밀도 결과값을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 구체적인 설명에 앞서, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면에 포함되어 있고, 명세서 전체에 걸쳐 기재된 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 본 명세서에서의 단수형 표현들은 문구에서 특별히 언급하지 않는 이상 복수형도 포함한다 할 것이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 의한 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈을 나타내는 정면도이다.
그리고, 도 3은 도 1에 도시된 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
그리고, 도 4a는 도 3에 도시된 양극측 집전체를 나타내는 정면도이고, 도 4b는 도 3에 도시된 음극측 집전체를 나타내는 정면도이다.
그리고, 도 5a는 도 4a에 도시된 B 구간을 나타내는 확대도이고, 도 5b는 도 4a에 도시된 B' 구간을 나타내는 확대도이다.
도 1 내지 도 3, 도 4a, 도 4b, 도 5a 및 5b를 참조하면, 본 발명에 의한 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈(1000)은 양극측 집전체(100), 음극측 집전체(200), 양이온 교환막(300), 음이온 교환막(400) 및 스페이서 부재(500)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 양극측 집전체(100)는 양극측 몸체부(110)와, 양극 유로 형성부(120)와, 양극측 유로(130)와, 양극측 와류 형성부(140)를 포함할 수 있다.
상기 양극측 몸체부(110)는 소정의 부피 및 형상을 지닐 수 있으며, 언급된 도면에는 사각 형태인 것으로 도시되어 있으나, 그 외 다양한 구조 형태가 적용될 수 있다.
또한, 상기 양극 유로 형성부(120)는 상기 양극측 몸체부(110)의 어느 일측면에 해당되며, 이에 후술할 상기 양극측 유로(130)가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 양극측 유로(130)는 상기 양극 유로 형성부(120)에 소정의 깊이를 지닌 함몰 구조로 형성될 수 있으며, 그 길이 방향을 따라 양극 활물질이 유동될 수 있다.
이때, 양극 활물질이란 전해질 내 음이온성 물질을 흡착하는 물질로, 소정의 유동성을 지닌 별도의 유동액과 혼합되어 유동 전극을 구성할 수 있고, 이와 같은 유동 전극은 상기 양극측 유로(130)를 따라 유동될 수 있다.
또한, 상기 유동액은 NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3등 수용성 전해질액과, 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)와 같은 유기성 전해질액, NaCl과 같은 다량의 염이 함유된 염수, 비교적 미량의 염이 함유된 담수, 그 외 각종 유체가 활용될 수 있고, 필요에 따라 소정의 점도를 지닌 슬러리 상태로 조성될 수 있다.
또한, 상기 양극측 유로(130)의 어느 하나의 단부는 도시되지 않은 별도의 양극 활물질 저장 수단과 연통될 수 있고, 상기 양극측 유로(130)의 나머지 단부는 도시되지 않은 별도의 양극 활물질(ca) 저장 수단 내지 양극 활물질 회수 수단과 연통될 수 있다.
또한, 상기 양극측 유로(130)는 다수의 양극측 단위 유로(131)와 다수의 양극측 연결 유로(132)를 포함할 수 있으며, 전체적으로 일종의 지그재그 구조를 지닐 수 있다.
더 상세하게는, 상기 양극측 단위 유로(131)는 일종의 직선 구조를 지니며, 이와 같은 다수의 양극측 단위 유로(131)들은 그 각각의 길이축이 상호 마주하도록 상호 소정 거리 이상 이격된 채 나란히 마련될 수 있다.
그리고, 상기 양극측 연결 유로(132)는 각 양극측 단위 유로(131)들을 연통하도록 다수 마련되며, 소정의 곡률을 지닌 원호 구조로 형성될 수 있다.
다만, 상술한 지그재그 구조는 기설정된 양극측 몸체부(110)의 면적 대비 최대한의 유로 길이를 확보하고자 하기 위한 일 예일 뿐이며, 상기 양극측 유로(130)는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 양극측 와류 형성부(140)는 양극측 유로(130)의 길이 방향 테두리를 따라 다수 마련될 수 있다.
또한, 도 5a를 살펴보면, 상기 양극측 와류 형성부(140)는 양극측 돌출부(141)와, 양극측 정면 측벽부(142)와, 양극측 배면 측벽부(143)를 포함할 수 있으며, 전체적으로 양극측 유로(130)의 내측을 향해 돌출된 구조로 형성될 수 있다.
더 상세하게는, 상기 양극측 돌출부(141)는 양극측 유로(130)의 내측 방향을 향해 돌출 배치되고, 양극측 유로(130)의 내벽면을 따라 다수 마련될 수 있다.
또한, 상기 양극측 돌출부(141)의 말단면은 양극측 단위 유로(131)의 길이축과 평행하도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 양극측 정면 측벽부(142)는 양극 활물질의 유동 방향인 활물질 유동 방향(ar)과 마주하는 양극측 돌출부(141)의 일측면에 형성되며, 일종의 아치와 같은 원호 구조를 지닐 수 있다.
또한, 상기 양극측 정면 측벽부(142)는 상기 활물질 유동 방향(ar)에 대해 오목한 구조를 지닐 수 있다.
또한, 상기 양극측 정면 측벽부(142)는 그 전체 외표면이 양극측 돌출부(141)의 외측 방향에만 마련되도록 형성될 수 있으며, 이때 양극측 돌출부(141)의 외측 방향이란 상기 활물질 유동 방향(ar)의 반대 방향을 의미할 수 있다.
이에 따라, 양극측 유로(130)의 내측 테두리 구간에서는 양극 활물질(ca)이 상술한 돌출 구조의 외표면에 충돌하게 되어, 활물질 유동에 간섭이 발생하게 됨으로써 해당 충돌 구간에는 양극 활물질(ca)의 와류 거동이 유도될 수 있게 된다.
그리고, 상술한 와류 발생 영역인 양극측 유로(130)의 측면 테두리 구간은 양극측 유로(130)의 중심부에 비해 양극 활물질(ca)의 유속이 감소할 수 밖에 없으므로, 이를 통해 양극 활물질(ca)과 전해질이 유동하는 유로 표면간 접촉 가능한 시간이 증가하게 되어, 이를 통해 양극 활물질(ca)과 전해질 내 음이온성 물질간 접촉 가능한 시간이 증가하게 되어 탈염 및 발전 효율이 향상될 수 있게 된다.
또한, 바람직하게는, 상기 양극측 와류 형성부(140)는 하기의 수학식 1 내지 수학식 4에 따라 설계될 수 있다.
[수학식 1]
lw*0.1 ≤ lv
(여기서, lw는 양극측 유로(130)의 최대 폭이고, lv는 양극측 돌출부(141)의 유동 방향 외표면 길이이다.)
[수학식 2]
Rv ≤ lw*0.2
(여기서, Rv는 양극측 정면 측벽부(142)의 곡률이다.)
[수학식 3]
0.3*lw ≤ lm ≤ 0.6*lw
(여기서, lm은 양극측 와류 형성부(140)의 유동 방향 최대 길이이다.)
[수학식 4]
1.7*lm ≤ ls ≤ 2.7*lm
(여기서, ls는 각 양극측 와류 형성부(140)간 최단 직선 거리이다.)
그리고, 상기 양극측 배면 측벽부(143)는 양극측 돌출부(141)의 타측면에 형성되며, 상기 양극측 돌출부(141)의 돌출 방향 축을 기준으로 상기 양극측 정면 측벽부(142)와 대칭되는 구조로 형성될 수 있다.
이때, 상기 수학식 2는 상기 양극측 배면 측벽부(143)에도 적용될 수 있다.
이어서, 도 6은 도 2에 도시된 A-A’ 구간에서 바라본 상태를 기준으로 한 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 음극측 집전체(200)는 전술한 양극측 집전체(100)와 마주하도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 음극측 집전체(200)는 음극측 몸체부(210)와, 음극 유로 형성부(220)와, 음극측 유로(230)와, 음극측 와류 형성부(240)를 포함할 수 있다.
이때, 도 4a와 도 4b를 비교 참조하면, 상기 음극측 몸체부(210) 및 상기 음극 유로 형성부(220) 각각은 전술한 양극측 몸체부(110) 및 양극 유로 형성부(120)에 대응되는 구조 및 형상을 지닐 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 전술한 양극측 몸체부(110) 및 양극 유로 형성부(120)에 대한 설명으로 갈음하도록 한다.
그리고, 도 5a와 도 5b를 비교 참조하면, 상기 음극측 유로(230)는 음극측 단위 유로(231) 및 음극측 연결 유로(232)를 포함할 수 있고, 상기 음극측 단위 유로(231) 및 음극측 연결 유로(232)는 전술한 양극측 단위 유로(131) 및 양극측 연결 유로(132)에 대응되는 구조 및 형상을 지닐 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 전술한 양극측 유로(130)에 대한 설명으로 갈음하도록 한다.
또한, 상기 음극측 유로(230)의 길이 방향을 따라 음극 활물질(aa)이 유동될 수 있으며, 음극 활물질(aa)이란 전해질 내 양이온성 물질을 흡착하는 물질로, 전술한 별도의 유동액과 혼합되어 유동 전극을 구성할 수 있고, 상기 음극측 유로(230)를 따라 유동될 수 있다.
이때, 음극측 유로(230) 내에서 음극 활물질(aa)이 유동하는 방향은 전술한 활물질 유동 방향(ar)과 동 방향일 수 있다.
또한, 상기 음극측 유로(230)의 어느 하나의 단부는 도시되지 않은 별도의 음극 활물질 저장 수단과 연통될 수 있고, 상기 음극측 유로(230)의 나머지 단부는 도시되지 않은 별도의 음극 활물질 저장 수단 내지 음극 활물질 회수 수단과 연통될 수 있다.
그리고, 상기 음극측 와류 형성부(240)는 음극측 돌출부(241)와, 음극측 정면 측벽부(242)와, 음극측 배면 측벽부(243)를 포함할 수 있으며, 이는 각각 전술한 양극측 돌출부(141), 양극측 정면 측벽부(142) 및 양극측 배면 측벽부(143)에 대응되는 구조 및 형상을 지닌 것으로, 이에 대한 상세한 설명은 전술한 양극측 와류 형성부(140)에 대한 설명으로 갈음하도록 한다.
이때, 상기 음극측 와류 형성부(240)에는 전술한 수학식 1 내지 수학식 4가 마찬가지로 적용될 수 있다.
그리고, 도 6을 참조하면, 양극측 유로(130)와 음극측 유로(230)가 상호 마주하도록 양극측 집전체(100)와 음극측 집전체(200)의 제작 배치가 수행될 수 있다.
그리고, 도 6을 참조하면, 상기 양이온 교환막(300)은 전술한 음극 유로 형성부(220)의 외표면에 마련되고, 양이온(ci)만이 선택적으로 투과될 수 있는 일종의 치밀막 구조로 형성될 수 있으며, 양이온(ci)은 이러한 막 구조를 통해 음극측 유로(230)로 통과될 수 있다.
그리고, 상기 음이온 교환막(400)은 전술한 양극 유로 형성부(120)의 외표면에 마련되고, 음이온(ai)만이 선택적으로 투과될 수 있는 일종의 치밀막 구조로 형성될 수 있으며, 음이온(ai)은 이러한 막 구조를 통해 양극측 유로(130)로 통과될 수 있다.
그리고, 상기 스페이서 부재(500)는 전술한 양이온 교환막(300)과 음이온 교환막(400) 사이에 마련된다.
더 상세하게는, 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 스페이서 부재(500)의 어느 하나의 측면은 양이온 교환막(300)과 접촉되고, 나머지 측면은 음이온 교환막(400)과 접촉된다.
즉, 상기 스페이서 부재(500)는 양이온 교환막(300)과 음이온 교환막(400)간 충분한 이격 거리를 제공하는 일종의 스페이서 기능을 제공하는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 상기 스페이서 부재(500)는 탈염 및 발전 모듈 내 각종 유체의 누설을 방지하기 위한 패킹 내지 절연 기능을 수행할 수 있다.
또한, 상기 스페이서 부재(500)는 양 단이 개구된 중공 구조로 형성될 수 있으며, 이러한 중공 구조 확보를 통해 전해질 유로(510)가 형성될 수 있게 된다.
또한, 상기 전해질 유로(510)는 일측이 양극측 유로(130)와 마주하고, 타측은 음극측 유로(230)와 마주하며, 양극측 유로(130) 및 음극측 유로(230) 각각의 전체 테두리 영역에 대응되는 형상 및 면적을 지닐 수 있다.
그리하여, 도 6을 참조하면, 양극측 집전체(100)와 음극측 집전체(200)는 상호 상기 전해질 유로(510)의 폭에 대응되는 거리만큼 상호 이격될 수 있게 된다.
또한, 상기 전해질 유로(510)에서 유동되는 전해질 내의 양이온(ci) 및 음이온(ai) 각각은 전술한 양이온 교환막(300) 및 음이온 교환막(400)을 통해 각기 음극측 유로(230)와 양극측 유로(130)로 투과될 수 있게 된다.
이때, 전해질이란 수처리 대상 내지 농도차 발전 등을 위한 매개 물질에 해당되는 것으로서, 각종 이온성 염 성분을 포함하는 염수이거나 담수일 수 있다.
덧붙여, 상기 전해질 유로(510)의 어느 일측은 도시되지 않은 별도의 전해질 공급 수단과 연통될 수 있다.
또한, 상기 전해질 유로(510)의 어느 일측은 도시되지 않은 별도의 처리수 회수 수단 내지 다른 탈염 및 발전 모듈과 연통될 수 있다.
이어서, 도 7은 본 발명의 실시예 1에 의한 양극측 유로의 일부를 나타내는 도면이고, 도 8은 비교예 1에 의한 양극측 유로의 일부를 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8을 더 참조하여 본 발명 관련 각 실시예 및 각 비교예에 따른 탈염 및 발전 모듈에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예 1에 따른 탈염 및 발전 모듈은 전술한 본 발명의 탈염 및 발전 모듈과 동일하나, 양극측 집전체(100) 및 음극측 집전체(200)의 구조에서 다음과 같은 세부 사항을 지니고 있다.
더 상세하게는, 본 실시예에서 각 양극측 단위 유로(131)의 깊이, 폭 및 길이 치수는 각각 2 mm, 2 mm, 25 mm 로 설정되었다.
또한, 본 실시예에서 이러한 양극측 단위 유로(131)는 2개가 나란히 구비되며, 이는 상호 하나의 양극측 연결 유로(132)로 상호 연결된다.
이때, 상술한 양극측 단위 유로(131)의 조건을 상기 수학식 1 내지 상기 수학식 3에 대입하면, 0.2 mm ≤ lv, Rv ≤ 0.4 mm 및 0.6 mm ≤ lm ≤ 1.2 와 같은 결과 값 범위가 도출된다.
그리고, 위 수학식 1 및 수학식 3의 결과 값 범위를 만족하도록, lv = 0.3 mm, lm = 1 mm로 본 실시예 관련 최종 조건 중 일부가 결정되었다.
또한, 위 조건 값에 따르면 수학식 4의 결과 값 범위는 1.7 mm ≤ ls ≤ 2.7 mm 이며, 이러한 결과 값 범위를 만족하도록 ls = 2 mm 로 본 실시예 관련 최종 조건 중 일부가 결정되었다.
다만, 도 7을 참조하면, 본 실시예에 의한 양극측 와류 형성부(140)는 완전한 사각 형상을 지닌 것으로, 이에 따라 양극측 정면 측벽부(142)와 양극측 배면 측벽부(143)는 단순 직선 형상을 지녀, 수학식 2에 관해서는 Rv = 0 의 최종 조건 값을 지닌다.
아울러, 본 실시예에서 음극측 유로(230) 및 음극측 와류 형성부(240)에 대한 세부 사항은 상술한 본 실시예 관련 양극측 유로(130) 및 양극측 와류 형성부(140)에 대한 세부 사항과 동일하다.
본 발명의 실시예 2에 따른 탈염 및 발전 모듈은 상술한 실시예 1에 따른 탈염 및 발전 모듈과 동일하나, 다음과 같은 조건 값 차이를 지니고 있다.
더 상세하게는, 본 실시예에서는 수학식 2 관련 Rv = 0.35 mm 의 최종 조건 값을 지니며, 이는 도 5a에 도시된 사항과 같이 양극측 정면 측벽부(142)와 양극측 배면 측벽부(143)가 곡선 구조로 형성된다는 것을 의미한다.
이때, 위 Rv = 0.35 mm 는 앞서 실시예 1의 설명에서 언급된 결과 값 범위를 만족하는 수치이다.
그리고, 본 실시예에서는 수학식 4 관련 ls = 1 mm 의 최종 조건 값을 지니며, 이는 앞서 실시예 1의 설명에서 언급된 결과 값 범위를 불만족하는 수치이다.
아울러, 본 실시예에서 음극측 유로(230) 및 음극측 와류 형성부(240)에 대한 세부 사항은 상술한 본 실시예 관련 양극측 유로(130) 및 양극측 와류 형성부(140)에 대한 세부 사항과 동일하다.
본 발명의 실시예 3에 따른 탈염 및 발전 모듈은 상술한 실시예 2에 따른 탈염 및 발전 모듈과 동일하나, 다음과 같은 조건 값 차이를 지니고 있다.
더 상세하게는, 본 실시예에서는 수학식 4 관련 ls = 1.5 mm 의 최종 조건 값을 지니며, 이는 앞서 실시예 1의 설명에서 언급된 결과 값 범위를 불만족하는 수치이다.
아울러, 본 실시예에서 음극측 유로(230) 및 음극측 와류 형성부(240)에 대한 세부 사항은 상술한 본 실시예 관련 양극측 유로(130) 및 양극측 와류 형성부(140)에 대한 세부 사항과 동일하다.
본 발명의 실시예 4에 따른 탈염 및 발전 모듈은 상술한 실시예 2에 따른 탈염 및 발전 모듈과 동일하나, 다음과 같은 조건 값 차이를 지니고 있다.
더 상세하게는, 본 실시예에서는 수학식 4 관련 ls = 2 mm 의 최종 조건 값을 지니며, 이는 앞서 실시예 1의 설명에서 언급된 결과 값 범위를 만족하는 수치이다.
아울러, 본 실시예에서 음극측 유로(230) 및 음극측 와류 형성부(240)에 대한 세부 사항은 상술한 본 실시예 관련 양극측 유로(130) 및 양극측 와류 형성부(140)에 대한 세부 사항과 동일하다.
본 발명의 실시예 5에 따른 탈염 및 발전 모듈은 상술한 실시예 2에 따른 탈염 및 발전 모듈과 동일하나, 다음과 같은 조건 값 차이를 지니고 있다.
더 상세하게는, 본 실시예에서는 수학식 4 관련 ls = 2.5 mm 의 최종 조건 값을 지니며, 이는 앞서 실시예 1의 설명에서 언급된 결과 값 범위를 만족하는 수치이다.
아울러, 본 실시예에서 음극측 유로(230) 및 음극측 와류 형성부(240)에 대한 세부 사항은 상술한 본 실시예 관련 양극측 유로(130) 및 양극측 와류 형성부(140)에 대한 세부 사항과 동일하다.
본 발명의 실시예 6에 따른 탈염 및 발전 모듈은 상술한 실시예 2에 따른 탈염 및 발전 모듈과 동일하나, 다음과 같은 조건 값 차이를 지니고 있다.
더 상세하게는, 본 실시예에서는 수학식 4 관련 ls = 3 mm 의 최종 조건 값을 지니며, 이는 앞서 실시예 1의 설명에서 언급된 결과 값 범위를 불만족하는 수치이다.
아울러, 본 실시예에서 음극측 유로(230) 및 음극측 와류 형성부(240)에 대한 세부 사항은 상술한 본 실시예 관련 양극측 유로(130) 및 양극측 와류 형성부(140)에 대한 세부 사항과 동일하다.
[비교예 1]
비교예 1에 따른 탈염 및 발전 모듈은 상술한 실시예 1에 따른 탈염 및 발전 모듈과 동일하나, 도 8에 도시된 사항과 같이 양극측 와류 형성부(140) 및 음극측 와류 형성부(240)가 구비되지 않는다는 차이를 지닌다.
그리고, 상술한 각 실시예 및 비교예 관련 수학식 1 내지 수학식 4에 대한 최종 조건 값들은 아래의 표 1과 같다.



구분

lv [mm]
(수학식 1)

Rv [mm]
(수학식 2)

lm [mm]
(수학식 3)

ls [mm]
(수학식 4)

수학식 4
만족 여부

비교예 1
0
0
0
0
X

실시예 1
0.3
0
1
2
O

실시예 2
0.3
0.35
1
1
X

실시예 3
0.3
0.35
1
1.5
X

실시예 4
0.3
0.35
1
2
O

실시예 5
0.3
0.35
1
2.5
O

실시예 6
0.3
0.35
1
3
X
이어서, 도 9는 비교예 1에 따른 양극측 유로 내 활물질의 유속 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
그리고, 도 10 내지 도 15는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 6에 따른 양극측 유로 내 활물질의 입자 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
도 9 내지 도 15를 더 참조하여 상술한 본 발명의 실시예 및 비교예 관련 하기의 시험예 1에 대해 설명하도록 한다.
[시험예 1]
먼저, 본 시험예의 시험 대상은 상술한 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1 각각에 의한 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈(1000)이다.
그리고, 도 9 내지 도 15를 더 참조하면, 언급된 각 시험 대상에 관하여, 본 시험예를 통해 양극측 유로(130) 내 활물질의 입자 분포 관련 전산 유동 해석이 실시되었다.
이때, 본 시험예에서의 각 시험 대상들에는 동일한 활물질 종류, 동일한 활물질의 유량, 동일한 활물질의 유속 등과 같은 공통 실험 조건이 적용되었다.
그 결과, 도 9와 도 10 내지 도 15를 비교 참조하면, 양극측 와류 형성부(140)가 형성되지 않은 비교예 1에 비해 본 발명의 각 실시예에 의한 양극측 유로(130)에서 활물질의 입자 분포가 더욱 집중되는 것으로 확인되었다.
특히, 본 발명의 각 실시예에 따르는 경우 활물질의 유동 방향을 따라 양극측 와류 형성부(140)의 양 측면에 활물질의 분포가 집중 유도되는 것으로 확인되었다.
이때, 유동 전극 내 활물질과 전해질 유로 표면간의 접촉 면적 및 접촉 시간이 수처리 효율이나 염분차 발전의 효율과 직접적으로 비례한다는 점을 감안한다면, 본 시험예를 통해 상술한 양극측 와류 형성부(140)의 현저한 실효성 및 우수성이 확인됨을 알 수 있다.
그리고, 각 실시예 별 시험 결과를 비교하면, 수학식 4를 만족하는 실시예 4 및 실시예 5가 수학식 4를 불만족하는 실시예 2, 실시예 3, 실시예 5 및 실시예 6에 비해 다소 높은 활물질 분포도를 나타내는 것으로 파악되어, 이 점에서 다수의 양극측 와류 형성부(140)간 간격이 유로 내 활물질 입자 거동에 중요한 영향을 미치는 요인 중 하나임이 확인되었다.
더 상세하게는, 양극측 와류 형성부(140)간 이격 간격이 너무 좁은 경우, 비교적 조밀한 양극측 와류 형성부(140)의 배치로 인해 유로의 입구측에서 활물질 입자들이 지나치게 집중 분포하게 되어, 뒤이어 유입되는 활물질 입자들은 앞서 집중 분포된 입자들에 의해 유로의 중심부측으로 밀려나게 되고, 그리하여 뒤이어 유입된 활물질 입자들은 유로의 중심부를 따라 그대로 유로의 출구측으로 유출되는 것으로 파악된다.
또한, 양극측 와류 형성부(140)간 간격이 너무 이격된 경우, 유입 및 유동되는 활물질 입자들에 대한 각 양극측 와류 형성부(140)의 간섭 작용이 원활히 진행되지 않게 되어, 이로 인해 다수의 활물질 입자들이 유로의 중심부를 따라 그대로 유로의 출구측으로 유출되는 것으로 파악된다.
아울러, 실시예 2 및 실시예 3과 실시예 6의 시험 결과를 상호 비교하면, 양극측 와류 형성부(140)간 간격이 비교적 조밀한 경우가 그렇지 아니한 경우에 비해 더 높은 입자 분포를 나타내는 것으로 확인되며, 이는 바꿔말해 수학식 4의 하한값에 미달하는 경우가 상한값을 초과하는 경우에 비해 더 높은 입자 분포를 나타내는 것으로도 이해될 수 있다.
그리고, 수학식 4 관련 같은 조건을 지닌 실시예 1과 실시예 4의 시험 결과를 상호 비교하면, 실시예 4의 경우에 다소 높은 활물질 분포도를 나타내는 것으로 파악되어, 이 점에서 수학식 2 관련 양극측 와류 형성부(140)의 측면 구조 또한 유로 내 활물질 입자 거동에 중요한 영향을 미치는 요인 중 하나임이 확인되었다.
덧붙여, 음극측 집전체(200)가 양극측 집전체(100)와 동일하게 제조되는 이상, 본 시험예 관련 상술한 사항은 당연히 음극측 집전체(200)에도 적용된다 할 것이다.
이어서, 도 16은 비교예 1에 따른 양극측 유로 내 와도 분석을 나타내는 전산 해석도이다.
그리고, 도 17 내지 도 21은 본 발명의 실시예 2 내지 실시예 6에 따른 양극측 유로 내 와도 분석을 나타내는 전산 해석도이다.
그리고, 도 22는 본 발명의 실시예 1과 실시예 4에 따른 양극측 유로의 일부 구간 내 와도 분석을 나타내는 전산 해석도이다.
도 16 내지 도 23을 더 참조하여 상술한 본 발명의 실시예 및 비교예 관련 하기의 시험예 2에 대해 설명하도록 한다.
[시험예 2]
먼저, 본 시험예의 시험 대상은 상술한 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1 각각에 의한 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈(1000)이다.
그리고, 도 16 내지 도 22를 더 참조하면, 언급된 각 시험 대상에 관하여, 본 시험예를 통해 양극측 유로(130) 내 와도 분석 관련 전산 유동 해석이 실시되었다.
그 결과, 도 16을 참조하면, 양극측 와류 형성부(140)가 형성되지 않은 비교예 1의 경우 와류 발생 거동이 극히 적은 것으로 확인되나, 도 17 내지 도 22를 비교 참조하면 양극측 와류 형성부(140)가 형성된 본 발명의 각 실시예에서는 비교예 1 대비 상당히 의미 있는 수준의 와류 발생 거동이 나타나는 것으로 확인된다.
더 상세하게는, 본 발명의 각 실시예에 따르면 활물질의 유동 방향을 따라 양극측 와류 형성부(140)의 양 측면에 와류가 집중 발생되는 것으로 확인되었으며, 이를 전술한 시험예 1의 결과에 접목한다면 와류 집중 발생 영역과 활물질 입자 집중 영역은 상호 대응된다는 결론이 도출된다.
그리고, 도 22를 참조하면, 수학식 4 관련 같은 조건을 지닌 실시예 1과 실시예 4 사이에는 극 저와류 영역(elv) 유무에 관한 차이가 존재하는 것으로 확인된다.
더 상세하게는, 실시예 1과 같이 양극측 와류 형성부(140)의 양 측면인 양극측 정면 측벽부(142)와 양극측 배면 측벽부(143)가 직선 형태로 형성되면, 활물질 유동 방향(ar)과 직접 마주하는 양극측 정면 측벽부(142)에는 와류가 거의 형성되지 않는 상기 극 저와류 영역(elv)이 발생하게 되는 것으로 확인된다.
그리고, 이러한 극 저와류 영역(elv)은 양극측 정면 측벽부(142)와 마주하는 양극측 배면 측벽부(143)에 더욱 크게 나타나는 것으로 확인되며, 이 점에서 수학식 2 관련 양극측 와류 형성부(140)의 측면 구조 또한 유로 내 활물질 입자 거동에 중요한 영향을 미치는 요인 중 하나인 것으로 재차 확인된다.
이때, 도 22에서 실시예 1의 극 저와류 영역(elv)의 전체적 외표면 형상은 실시예 4의 양극측 정면 측벽부(142)와 양극측 배면 측벽부(143)의 외표면 형상에 대응되는 것으로 파악되며, 이 점에서 수학식 2는 기설정된 조건에서 상기 극 저와류 영역(elv)을 최소할 수 있는 효과적인 설계 수단인 것으로 이해될 수 있다.
덧붙여, 음극측 집전체(200)가 양극측 집전체(100)와 동일하게 제조되는 이상, 본 시험예 관련 상술한 사항은 당연히 음극측 집전체(200)에도 적용된다 할 것이다.
이어서, 도 23은 비교예 1에 따른 양극측 유로 내 활물질의 유속 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
그리고, 도 24 내지 도 28은 본 발명의 실시예 2 내지 실시예 6에 따른 양극측 유로 내 활물질의 유속 분포를 나타내는 전산 해석도이다.
도 23 내지 도 28을 더 참조하여 상술한 본 발명의 실시예 및 비교예 관련 하기의 시험예 3에 대해 설명하도록 한다.
[시험예 3]
먼저, 본 시험예의 시험 대상은 상술한 실시예 2 내지 실시예 6 및 비교예 1 각각에 의한 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈(1000)이다.
그리고, 도 23 내지 도 28를 더 참조하면, 언급된 각 시험 대상에 관하여, 본 시험예를 통해 양극측 유로(130) 내 활물질의 유속 분포 관련 전산 유동 해석이 실시되었다.
그 결과, 도 23과 도 24 내지 도 28을 비교 참조하면, 양극측 와류 형성부(140)가 구비된 본 발명 실시예에서 저유속 구간의 면적이 비교예 1에 비해 월등이 넓은 것으로 확인된다.
그리고, 이와 같은 저유속 구간의 분포는 앞서 시험예 1 및 시험예 2에서의 활물질 입자 분포 및 와류 분포에 대응되는 것으로 확인되어, 결과적으로 양극측 와류 형성부(140)의 존재에 의해 유로 내 활물질 분포도가 증가한다는 시험예 1의 주요 시험 결과는 시험예 2 및 본 시험예에 의해 재차 뒷받침되는 것으로 보인다.
덧붙여, 음극측 집전체(200)가 양극측 집전체(100)와 동일하게 제조되는 이상, 본 시험예 관련 상술한 사항은 당연히 음극측 집전체(200)에도 적용된다 할 것이다.
이어서, 도 29a는 비교예 1에 따른 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈의 염분차 발전 출력 밀도 결과값을 나타내는 그래프이고, 도 29b는 본 발명의 실시예 4에 따른 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈의 염분차 발전 출력 밀도 결과값을 나타내는 그래프이다.
도 29a 및 도 29b를 더 참조하여 상술한 본 발명의 실시예 및 비교예 관련 하기의 시험예 4에 대해 설명하도록 한다.
[시험예 4]
먼저, 본 시험예의 시험 대상은 상술한 실시예 4 및 비교예 1 각각에 의한 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈(1000)이다.
그리고, 도 29a 및 도 29b를 더 참조하면, 언급된 각 시험 대상에 관하여, 본 시험예를 통해 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈(1000)의 염분차 발전 출력 밀도 결과값 비교 분석이 수행되었으며, 이때 아래의 표 2는 본 시험예의 주요 결과값을 나타내는 표이다.

구분
유동전극
유속
5 ml/min
유동전극
유속
10 ml/min
유동전극
유속
15 ml/min
유동전극
유속
20 ml/min
유동전극
유속
25 ml/min
유동전극
유속
30 ml/min

비교예 1의
최대
출력 전압
밀도 [W/m2]


0.26333


0.27919


0.28412


0.28878


0.28974


0.29955

실시예 1의
최대
출력 전압
밀도 [W/m2]


0.35146


0.37794


0.38680


0.39262


0.39936


0.40389
아울러, 본 시험예에서는 각 시험 대상마다 동일 종류의 유동 전극, 동일 종류의 전해질, 전해질의 동일 유량 등과 같은 공통 실험 조건들이 적용되었다.
또한, 본 시험예에서는 각 시험 대상별로 5 ml/min, 10 ml/min, 15 ml/min, 20 ml/min, 25 ml/min 및 30 ml/min 와 같이 상호 동일한 다종의 유동 전극 관련 유속 조건이 적용되었다.
그 결과, 도 29a, 도 29b 및 위 표 2를 참조하면, 실시예 4에 따른 탈염 및 발전 모듈이 비교예 1에 따른 탈염 및 발전 모듈에 비해 최대 30% 가량 높은 염분차 발전 효율을 나타내는 것으로 확인되어, 이로써 양극측 와류 형성부(140)의 유무가 염분차 발전 효율에 상당한 영향을 미치는 요인중 하나인 것으로 확인되었으며, 이는 염분차 발전 뿐만 아닌 수처리 효율의 증진에도 마찬가지로 적용되는 사항이다.
덧붙여, 음극측 집전체(200)가 양극측 집전체(100)와 동일하게 제조되는 이상, 본 시험예 관련 상술한 사항은 당연히 음극측 집전체(200)에도 당연히 적용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈을 제공하고자 하는 것을 주요한 기술적 사상으로 하고 있으며, 도면을 참고하여 상술한 실시 예는 단지 하나의 실시 예에 불과하고, 본 발명의 권리 범위는 특허 청구범위 뿐만이 아닌, 다양하게 존재할 수 있는 균등한 실시 예에도 미친다 할 것이다.
1000 : 본 발명에 의한 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈
100 : 양극측 집전체
110 : 양극측 몸체부
120 : 양극 유로 형성부
130 : 양극측 유로
131 : 양극측 단위 유로
132 : 양극측 연결 유로
140 : 양극측 와류 형성부
141 : 양극측 돌출부
142 : 양극측 정면 측벽부
143 : 양극측 배면 측벽부
200 : 음극측 집전체
210 : 음극측 몸체부
220 : 음극 유로 형성부
230 : 음극측 유로
231 : 음극측 단위 유로
232 : 음극측 연결 유로
240 : 음극측 와류 형성부
241 : 음극측 돌출부
242 : 음극측 정면 측벽부
243 : 음극측 배면 측벽부
300 : 양이온 교환막
400 : 음이온 교환막
500 : 스페이서 부재
510 : 전해질 유로

Claims (7)

  1. 양극 활물질이 유동되기 위한 양극측 유로가 형성되는 양극측 집전체;
    음극 활물질이 유동되기 위하여 상기 양극측 유로에 대응되는 구조 및 형상을 지닌 음극측 유로가 형성되며, 상기 음극측 유로와 상기 양극측 유로가 상호 마주하도록 마련되고, 상기 양극측 집전체에 대응되는 구조 및 형상을 지닌 음극측 집전체;
    상기 양극측 유로와 마주하도록 마련되며 전해질 내 양이온을 상기 음극측 유로에 선택적으로 투과시킬 수 있는 양이온 교환막;
    상기 음극측 유로와 마주하도록 마련되며 전해질 내 음이온을 상기 양극측 유로에 선택적으로 투과시킬 수 있는 음이온 교환막; 및
    상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이에 마련되며 전해질이 유동되는 전해질 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극측 집전체는,
    양극측 몸체부를 포함하고,
    상기 양극측 유로는,
    상기 양극측 몸체부의 일 표면에 함몰 구조로 형성되며,
    상기 음극측 집전체는,
    음극측 몸체부를 포함하고,
    상기 음극측 유로는,
    상기 음극측 몸체부의 일 표면에 함몰 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극 활물질은,
    상기 양극측 유로의 길이 방향 측 테두리를 따라 분포 밀도가 가장 높게 나타나고,
    상기 음극 활물질은,
    상기 음극측 유로의 길이 방향 측 테두리를 따라 분포 밀도가 가장 높게 나타나는 것을 특징으로 하는 흐름전극 축전식 탈염 및 발전 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 양극측 집전체는,
    상기 양극측 유로의 길이 방향을 따라 다수 마련되며 상기 양극측 유로의 내측을 향해 돌출 구조를 지닌 양극측 와류 형성부를 포함하며,
    상기 음극측 집전체는,
    상기 양극측 와류 형성부에 대응되는 다수의 음극측 와류 형성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 및 발전 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 양극측 와류 형성부는,
    상기 양극측 유로의 내측을 향해 돌출되는 양극측 돌출부와, 상기 양극 활물질의 유동 방향과 마주하는 상기 양극측 돌출부의 일측면에 형성되며 상기 양극 활물질의 유동 방향에 대해 오목한 구조를 지닌 양극측 정면 측벽부를 포함하며,
    상기 음극측 와류 형성부는,
    상기 양극측 돌출부에 대응되는 음극측 돌출부와, 상기 양극측 정면 측벽부에 대응되는 음극측 정면 측벽부를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 및 발전 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 양극측 와류 형성부는,
    하기의 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 및 발전 모듈.
    [수학식 2]
    Rv ≤ lw*0.2
    (여기서, 상기 lw는 상기 양극측 유로의 최대 폭이고, 상기 Rv는 상기 양극측 정면 측벽부의 곡률이다.)
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 양극측 와류 형성부는,
    하기의 수학식 3 및 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염 및 발전 모듈.

    [수학식 3]
    0.3*lw ≤ lm ≤ 0.6*lw
    (여기서, 상기 lw는 상기 양극측 유로의 최대 폭이고, 상기 lm은 상기 양극측 와류 형성부의 유동 방향 최대 길이이다.)

    [수학식 4]
    1.7*lm ≤ ls ≤ 2.7*lm
    (여기서, 상기 lw는 상기 양극측 유로의 최대 폭이고, 상기 ls는 각 상기 양극측 와류 형성부간 최단 직선 거리이다.)
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20120115189A (ko) 2012-09-03 2012-10-17 한국에너지기술연구원 흐름전극장치를 이용한 수처리장치
KR20120135189A (ko) 2009-10-23 2012-12-12 볼테아 비.브이. 이온 제거용 장치, 양방향 성 전압 변환부 및 이온 제거용 구동 장치의 방법
KR101318331B1 (ko) 2012-03-16 2013-10-16 한국에너지기술연구원 흐름전극을 이용한 농도차 발전장치

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