WO2020251218A1

WO2020251218A1 - 생체모방형 역전기투석장치

Info

Publication number: WO2020251218A1
Application number: PCT/KR2020/007320
Authority: WO
Inventors: 김한기; 정남조; 최지연; 남주연; 좌은진; 양승철; 황교식
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2019-06-11
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2020-12-17
Also published as: KR20200141676A; KR102238394B1

Abstract

본 발명은 생체 모방형 역전기투석 장치에 관한 것으로, 역전기투석 장치의 주어진 공간 내에 최대로 단위 스택을 배치함으로써 대규모의 역전기투석 발전 플랜트를 건설 시 공간 활용율을 극대화 시킬 수 있으며, 단위 스택의 모듈화가 쉽게 이루어져 유지 보수가 용이한 생체 모방형 역전기투석 장치를 제공하고자 한다.

Description

생체모방형 역전기투석장치

본 발명은 농도가 다른 두 용액의 농도 차이에 의해 발생하는 염분차 에너지를 전기화학적으로 회수하기 위한 발전 장치 및 방법에 관한 것으로, 역전기투석(RED, Reverse-electrodialysis)발전 장치 및 방법에 관한 것이다.

역전기투석(RED)은 농도가 다른 두 유체, 예를 들어 해수와 담수의 혼합 과정에서 발생한 염분차 또는 농도차 에너지를 전기 에너지 형태로 회수하는 것을 말한다.

보다 구체적으로, 역전기투석(RED)은 해수와 담수를 이용한 염분차로 발전하는 시스템으로서, 해수와 담수의 농도차로 인해 이온이 이온교환막(양이온 교환막과 음이온 교환막)을 통해 이동하게 되고, 복수개의 이온교환막이 번갈아 배열된 스택(stack)의 양쪽 끝의 전극(산화전극, 환원전극)간의 전위차를 발생시키며, 전극상에서 산화환원반응을 통하여 전기에너지를 생성하는 장치이다.

즉, 해수(염수)에 용해되어 있는 이온이 이온교환막을 통해 담수로 이동하면서 발생되는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 전환하는 발전방식으로 기존의 화력, 수력, 원자력과 같은 발전방식과 비교하여 에너지 손실이 적은 발전장치이다.

한편, 생체모방(biomimetic)은 자연계에서 볼 수 있는 디자인 요소 및 생물체의 특성 등을 모방하여 과학적으로 문제를 해결하고자 하는 방법 중의 하나이다.

구조적인 안정성 및 효율성이 중요시되는 구조에서 벌집 모양은 다양한 문제를 해결하는데 도움을 준다. 일례로 건축물의 안정성을 높이기 위한 경우나, 자동차의 내구성을 높이기 위한 경우에 벌집 모양의 구조체를 만들어서 공간활용 및 강도를 향상시키는 시도를 한 사례들이 있다.

역전기투석 장치는 고농도 및 저농도 유입수가 교차하는 유효면적이 넓을수록 많은 양의 에너지를 생산할 수 있는 장점을 갖고 있으며, 주어진 면적 내에서 최대의 공간효율을 갖고 재료소비를 줄일수록 경제성을 높일 수 있다.

에너지 밀도가 낮고 초기 투자비용이 기술상용화의 핵심이슈인 염분차발전의 특성 상 경제성 향상은 앞으로도 중요한 이슈가 될 것이다.

종래의 역전기투석 장치는 고농도 및 저농도 유입수가 대략 90도 각도를 갖는 교차 흐름(cross flow)으로 유입되도록 형성되어 있으나, 스택 내의 위치에 따라 농도 구배가 다르고 이에 따른 전력밀도가 저감하며, 압력 구배가 다르게 발생하여 스택의 조립에 많은 노력이 들어가는 단점이 있다.

특히 담수의 농도 변화가 스택 내 농도 구배에 많은 영향을 주는데, 전력밀도에 영향을 주는 영역은 네른스트 식에 따라 스택 내에서 크게 4개의 영역으로 구분될 수 있다. (하기 식 1 참조)

[식 1]

이 때, R: Gas constant, T: 절대온도, z: 이온 전하가, F: 패러데이 상수

도 1은 전술한 네른스트 식(Nernst's equation)에 따라 4개의 영역으로 구분되는 스택 내부를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 먼저 첫번째 영역(Ⅰ영역)은 담수 유입구 측의 저농도 담수와 해수 유입구 측의 고농도 해수가 만나는 영역으로 전력밀도가 가장 높은 영역이다.

두번째 영역(Ⅱ 영역)은 담수 유출구 측의 담수와 해수 유입구 측의 해수가 만나는 영역이다. 상기 두번째 영역은 담수가 스택 내에서 유동하며 고농도 용액(해수) 내의 이온이 이온교환막을 통과하여 저농도 용액(담수) 내로 유동하는 과정에서 담수 유입구 측의 담수보다 농도가 높아진 상태의 담수가 고농도의 해수와 만나는 영역으로, 첫번째 영역보다 전력밀도가 낮게 나타난다.

세번째 영역(Ⅲ 영역)은 담수 유입구 측의 담수와 해수 유출구 측의 해수가 만나는 영역이다. 상기 세번째 영역은 해수가 스택 내에서 유동하며 고농도 용액(해수) 내의 이온이 이온교환막을 통과하여 저농도 용액(담수) 내로 유동하는 과정에서 해수 유입구 측의 해수보다 농도가 낮아진 상태의 해수가 저농도의 담수와 만나는 영역으로, 첫번째 영역보다 전력밀도가 낮게 나타난다.

다음으로 네번째 영역(Ⅳ 영역)은 담수 유출구 측의 담수와 해수 유출구 측의 해수가 만나는 영역으로, 상기 네번째 영역은 해수 및 담수가 스택 내에서 유동하며 고농도 용액(해수) 내의 이온이 이온교환막을 통과하여 저농도 용액(담수) 내로 유동하는 과정에서 담수 유입구 측의 담수보다 농도가 높아진 상태의 담수와, 해수 유입구 측의 해수보다 농도가 낮아진 상태의 해수가 만나는 영역으로 전력밀도가 가장 낮게 나타난다.

즉, 역전기투석 장치의 출력을 향상시키기 위해선 네번째 영역을 최소화 하는 것이 스택의 출력을 높이는데 효과적이다.

또한, 수학적으로 둘레의 길이가 일정할 때 가장 넓은 면적을 갖는 것은 원이지만 원은 여러 개를 이어붙일 경우 빈 공간이 생긴다는 단점이 있다. 따라서, 여러 개의 원을 붙이는 것 보다 육각 구조의 단위 모양을 여러 개 배열하는 것이 전체적인 공간 활용에서 더욱 이득이다.

그러나 이러한 구조를 이용하여 스택 내의 전력밀도를 보다 향상시킬 수 있는 역전기투석 장치는 현재까지 보고된 바 없다.

본 발명은 역전기투석(RED) 내의 각 유입 용액(저농도 용액, 고농도 용액, 전극용액)의 누수를 최소화하고 스택의 조립을 보다 쉽게 할 수 있는 역전기투석 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 스택 내의 전력밀도가 낮은 영역을 최소화 하여 출력이 보다 향상된 스택을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 스택의 모듈화를 보다 용이하게 하여 대용량 역전기투석 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 전극부 및 제1 전극부와 전기적으로 연결되며, 소정 간격 떨어져 배치된 제2 전극부; 제1 전극부 및 제2 전극부 사이에 번갈아 각각 배치되는 복수 개의 양이온 교환막 및 음이온 교환막; 및 인접하는 2개의 이온교환막 사이, 및 제1 및 제2 전극부와 각각의 전극부에 인접하게 배치된 이온교환막 사이에 각각 배치되는 복수 개의 제1 가스켓; 을 포함하고, 양이온 교환막 및 음이온 교환막은, 서로 마주하게 배치된 한 쌍의 제1 유동홀, 한 쌍의 제2 유동홀, 및 한 쌍의 제3 유동홀을 갖고, 제1 내지 제3 유동홀은 둘레 방향을 따라 소정 간격 떨어져 위치하며, 한 쌍의 제1 유동홀의 중심을 통과하는 가상의 제1 선분과 한 쌍의 제2 유동홀의 중심을 통과하는 가상의 제2 선분 사이의 제1 각도는 90도 미만이고, 제1 가스켓은, 한 쌍의 제1 내지 제3 유동홀 중 한 쌍의 유동홀을 연결하는 유동 안내부를 갖는, 생체 모방형 역전기투석 장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 제1 전극부 및 제1 전극부와 전기적으로 연결되며, 소정 간격 떨어져 배치된 제2 전극부; 제1 전극부 및 제2 전극부 사이에 번갈아 각각 배치되는 복수 개의 양이온 교환막 및 음이온 교환막; 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 각각 배치되는 복수 개의 제2 가스켓; 양이온 교환막 및 음이온 교환막은, 각각 둘레방향을 따라 소정 간격 떨어져 차례로 위치한 제1 내지 제6 유동홀을 갖고, 제1 유동홀 및 제4 유동홀의 중심을 각각 통과하는 가상의 제1 선분, 및 제2 유동홀 및 제5 유동홀을 각각 통과하는 가상의 제2 선분 사이의 제1 각도는 90도 미만이고, 제2 가스켓은, 제1, 제3 및 제5 유동홀을 유체 이동 가능하게 연결하는 유동 안내부를 갖는, 생체 모방형 역전기투석 장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 제1 전극부 및 제1 전극부와 전기적으로 연결되며, 소정 간격 떨어져 배치된 제2 전극부; 제1 전극부 및 제2 전극부 사이에 번갈아 각각 배치되는 복수 개의 양이온 교환막 및 음이온 교환막; 및 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 배치되는 복수 개의 제4 가스켓; 을 포함하고, 양이온 교환막 및 음이온 교환막은, 각각 제1 전극부를 향하는 제1 면과 제2 전극부를 향하는 제2 면을 가지며, 제1 면과 제2 면은 각각 서로 마주하는 한 쌍의 제1 모서리부, 한 쌍의 제2 모서리부, 및 한 쌍의 제3 모서리부를 갖고, 제1 내지 제3 모서리부는 둘레방향을 따라 연속하여 배치되며, 제1 모서리부와 제2 모서리부 사이 각도는, 120도이고, 제4 가스켓은, 양이온 교환막의 제1 면에서, 한 쌍의 제3 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부가 차폐되도록 양이온 교환막에 마련되고, 음이온 교환막의 제1 면에서, 한 쌍의 제2 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부가 차폐되도록 음이온 교환막에 마련되는, 생체 모방형 역전기투석 장치를 제공한다.

이에 더하여, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 전극부 및 제1 전극부와 전기적으로 연결되며, 소정 간격 떨어져 배치된 제2 전극부; 제1 전극부 및 제2 전극부 사이에 번갈아 각각 배치되는 복수 개의 양이온 교환막 및 음이온 교환막; 및 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 배치되는 복수 개의 제4 가스켓; 을 포함하고, 양이온 교환막 및 음이온 교환막은, 각각 제1 전극부를 향하는 제1 면과 제2 전극부를 향하는 제2 면을 가지며, 제1 면과 제2 면은 각각 서로 마주하는 한 쌍의 제1 모서리부, 한 쌍의 제2 모서리부, 및 한 쌍의 제3 모서리부를 갖고, 제1 내지 제3 모서리부는 둘레방향을 따라 연속하여 배치되며, 제1 모서리부와 제2 모서리부 사이 각도는, 120도이고, 제4 가스켓은, 양이온 교환막의 제1 면에서, 한 쌍의 제3 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부가 차폐되도록 양이온 교환막에 마련되고, 음이온 교환막의 제1 면에서, 한 쌍의 제2 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부가 차폐되도록 음이온 교환막에 마련되는 것을 각각 포함하는, 복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치; 및 복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치로 제1 내지 제3 용액을 각각 공급 및 배출하기 위한 한 쌍의 제1 용액 저장조, 한 쌍의 제2 용액 저장조 및 한 쌍의 제3 용액 저장조를 각각 포함하며, 복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치가 직렬로 연결될 때, 제1 용액 저장조는, 길이 방향을 따라 연장되게 형성되어, 제1 모서리부 측에 각각 장착되고, 제2 용액 저장조는, 길이 방향을 따라 연장되게 형성되어 제2 모서리부 측에 각각 장착되고, 제3 용액 저장조는, 길이 방향을 따라 연장되게 형성되어 제3 모서리부 측에 각각 장착되어, 한 쌍 중 하나의 제1 내지 제3 용액 저장조는 제1 내지 제3 용액을 제1 내지 제3 모서리부 측으로 각각 공급하고, 나머지 하나의 제1 내지 제3 용액 저장조는, 공급된 제1 내지 제3 용액이 제1 내지 제3 모서리부 측에서 배출되어 수용되도록 마련된, 생체 모방형 역전기투석 장치 모듈을 제공한다.

이에 더하여, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 전극부 및 제1 전극부와 전기적으로 연결되며, 소정 간격 떨어져 배치된 제2 전극부; 제1 전극부 및 제2 전극부 사이에 번갈아 각각 배치되는 복수 개의 양이온 교환막 및 음이온 교환막; 및 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 배치되는 복수 개의 제4 가스켓; 을 포함하고, 양이온 교환막 및 음이온 교환막은, 각각 제1 전극부를 향하는 제1 면과 제2 전극부를 향하는 제2 면을 가지며, 제1 면과 제2 면은 각각 서로 마주하는 한 쌍의 제1 모서리부, 한 쌍의 제2 모서리부, 및 한 쌍의 제3 모서리부를 갖고, 제1 내지 제3 모서리부는 둘레방향을 따라 연속하여 배치되며, 제1 모서리부와 제2 모서리부 사이 각도는, 120도이고, 제4 가스켓은, 양이온 교환막의 제1 면에서, 한 쌍의 제3 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부가 차폐되도록 양이온 교환막에 마련되고, 음이온 교환막의 제1 면에서, 한 쌍의 제2 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부가 차폐되도록 음이온 교환막에 마련되는 것을 각각 포함하는, 복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치; 및 복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치로 제1 내지 제3 용액을 각각 공급 및 배출하기 위한 한 쌍의 제1 용액 저장조, 한 쌍의 제2 용액 저장조 및 한 쌍의 제3 용액 저장조를 각각 포함하며, 복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치가 병렬로 연결될 때, 각각의 용액 저장조를 매개로 인접하는 2개의 생체 모방형 역전기투석 장치가 유체이동 가능하게 연결되는, 생체 모방형 역전기투석 장치 모듈을 제공한다.

본 발명에 따르면, 생체 모방형 역전기투석 장치는 이온교환막을 기준으로 농도차를 최대로 유지하면서 높은 출력밀도를 얻는 효과가 있다.

또한, 주어진 공간 내에 최대로 단위 스택을 배치함으로써 대규모의 역전기투석 발전 플랜트를 건설 시 공간 활용율을 극대화 시킬 수 있으며, 단위 스택의 모듈화가 쉽게 이루어져 유지 보수가 용이하다.

도 1은 네른스트 식에 따라 4개의 영역으로 구분되는 스택 내부를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 역전기투석 장치의 분해 사시도이다.

도 3은, 도 2의 이온교환막을 설명하기 위해 나타낸 사시도이다.

도 4는, 도 2의 전극부의 정면도이다.

도 5는, 도 2의 이온교환막과 제1 가스켓이 접촉된 상태를 나타낸 사시도이다.

도 6은, 도 2의 제1 가스켓의 정면도이다.

도 7은, 제1 전극 및 제2 전극이 산화 또는 환원 전극이 되는 과정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 8은, 본 발명의 제1 실시예에 따른 역전기투석 장치의 내부에서 형성되는 유효면적을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 9 내지 도 11은, 본 발명의 제1 실시예에 따른 역전기투석 장치에서 제1 내지 제3 용액의 유동에 의해 전기가 생산되는 공정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 장치의 분해 사시도이다.

도 13은, 도 12의 전극부를 나타낸 정면도이다.

도 14는 도 12의 제2 및 제3 가스켓을 나타낸 정면도이다.

도 15는 이온교환막과 제2 및 제3 가스켓이 접촉된 상태를 나타낸 사시도이다.

도 16 내지 도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 장치에서 제1 내지 제3 용액의 유동에 의해 전기가 생산되는 공정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 19는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 장치 내에서의 유효 면적을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 20은 본 발명의 제3 실시예에 따른 역전기투석 장치를 나타낸 분해사시도이다.

도 21은 도 20의 이온교환막과 제4 가스켓이 접촉된 상태를 나타낸 사시도이다.

도 22(a)는 도 20을 조립한 도면, 도 22(b)는 도 20의 내부에서 형성되는 유효면적을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 23은 본 발명의 제3 실시예에 따른 제1 내지 제3 용액 저장조를 설명하기 위해 나타낸 사시도이다.

도 24는 본 발명의 제3 실시예에 따른 역전기투석 장치에서 제1 내지 제3 용액의 유동에 의해 전기가 생산되는 공정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 25는, 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 역전기투석 장치에서, 네른스트 식에 따라 4개의 영역으로 구분되는 내부를 도시한 도면이다.

도 26은 제1 및 제2 실시예에 따른 역전기투석 장치를 직렬로 연결한 상태를 나타낸 도면이다.

도 27은 본 발명의 제4 실시예에 따른 생체 모방형 역전기투석 장치 모듈을 나타낸 도면이다.

도 28은 본 발명의 제5 실시예에 따른 생체 모방형 역전기투석 장치 모듈을 나타낸 도면이다.

도 29는 본 발명의 제6 실시예에 따른 역전기투석 장치 모듈을 나타낸 모식도이다.

도 30 및 도 31은 본 발명의 일 실시예와 관련된 패턴형 이온교환막(50)을 나타내는 개략도이다.

도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴형 이온교환막이 적층될 때 배치되는 상태를 나타낸 도면이다.

도 33은 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

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.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생체모방형 역전기투석 장치(이하, '역전기투석 장치' 또는 '스택'이라고도 함)는 상대적으로 고농도 용액인 고농도 용액과 상대적으로 저농도 용액인 저농도 용액이 이온교환막을 사이에 두고 농도차에 의해 고농도 용액 내의 양이온 또는 음이온이 선택적으로 이온교환막을 통과하며 교차하는 공간에서 전기화학적 위치에너지를 생산한다.

이 때, 서로 다른 농도를 갖는 용액이 교차하는 유효면적(effective area)을 최대한으로 향상시킬 수 있도록 주어진 공간 안에서 두 용액이 흐르는 유로를 효율적으로 설계하여 유효면적이 육각 형상(육각형, hexagon)을 갖도록 형성시킴으로써, 출력이 보다 향상된 역전기투석 장치를 제공한다.

먼저, 미국 지질 조사소의 염의 농도에 의한 수질 분류에 따르면, 일반적으로 '염수'또는 '해수'는 염의 농도가 해수의 염(Salt, 주로 NaCl) 농도인 35,000mg/L 이상을 가지는 용액을 의미하며, '기수'는 염 농도가 1,000~10,000mg/L 정도를 가진 용액, '담수'는 염 농도가 0~1,000mg/L 를 가진 용액을 의미할 수 있다.

먼저 본 문서에서, 제1 용액은 제1 및 제2 전극 측으로 공급되어 전기를 생산하기 위해 사용되는 전극 용액일 수 있으며, 상기 전극 용액은 전해질을 포함하며, 예를 들어 후술할 저농도 용액 또는 고농도 용액 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 담수, 순수 또는 이온 전도성이 높은 전해질 용액일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 제2 용액은 상대적으로 저농도를 갖는 저농도 용액일 수 있으며, 예를 들어, 기수 또는 담수 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 제3 용액은 상대적으로 고농도를 갖는 고농도 용액일 수 있으며, 예를 들어, 염수, 해수, 기수 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합 용액일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이하에서는 첨부된 도 2 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 역전기투석 장치(10)에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 역전기투석 장치(10)의 분해 사시도, 도 3은 도 2의 이온교환막을 설명하기 위해 나타낸 사시도, 도 4는 도 2의 전극부의 정면도, 도 5는 도 2의 이온교환막과 제1 가스켓이 접촉된 상태를 나타낸 사시도, 도 6은 도 2의 제1 가스켓의 정면도이다.

도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 역전기투석 장치(10)는, 제1전극부(101) 및 제1전극부(101)와 전기적으로 연결되며, 소정 간격 떨어져 배치된 제2전극부(102)를 포함한다.

또한, 상기 제1 전극부(101) 및 제2 전극부(102) 사이에 번갈아 각각 배치되는 복수 개의 양이온 교환막(210) 및 음이온 교환막(230)을 포함한다.

또한, 인접하는 2개의 이온교환막(210,230) 사이, 및 제1 및 제2 전극부(101,102)와 각각의 전극부(101,102)에 인접하게 배치된 이온교환막(210) 사이에 각각 배치되는 복수 개의 제1 가스켓(301)을 포함한다.

상기 양이온 교환막(210) 및 음이온 교환막(230)은, 서로 마주하게 배치된 한 쌍의 제1 유동홀(211a, 211b), 한 쌍의 제2 유동홀(212a, 212b), 및 한 쌍의 제3 유동홀(213a, 213b)을 갖고, 제1 내지 제3 유동홀(211a, 211b, 212a, 212b, 213a, 213b)은 둘레 방향을 따라 차례로 소정 간격 떨어져 위치한다.

특히, 상기 한 쌍의 제1 유동홀의 중심을 통과하는 가상의 제1 선분(L1)과 한 쌍의 제2 유동홀의 중심을 통과하는 가상의 제2 선분(L2) 사이의 제1 각도(θ1)는 90도(°) 미만이다.

이에 더하여, 상기 제1 가스켓(301)은, 한 쌍의 제1 내지 제3 유동홀(211a, 211b, 212a, 212b, 213a, 213b) 중 한 쌍의 유동홀(211a, 211b 또는 212a, 212b 또는 213a, 213b)을 연결하는 유동 안내부(310)를 갖는다.

여기서, 상기 각 한 쌍의 제1 내지 제3 유동홀(211a, 211b, 212a, 212b, 213a, 213b)은, 이온교환막의 중앙부 즉, 중심을 기준으로 서로 마주하게 배치될 수 있고, 구체적으로 후술할 유체 유동 유로가 형성되는 유효 면적(반응 영역 또는 교차 영역)의 중심을 기준으로 서로 마주하게 배치될 수 있다.

이에 더하여, 상기 한 쌍의 제3 유동홀(213a, 213b)의 중심을 통과하는 가상의 제3 선분(L3)과 제1 선분(L1) 또는 제2 선분(L2) 사이의 각도는 제1 각도와 동일하게 90도 미만일 수 있다.

여기서, 상기 제1 내지 제3 선분(L1, L2, L3)은, 각각의 유동홀의 폭 방향의 중심을 통과하는 선분일 수 있다.

또한, 상기 이온교환막의 중앙부(중심)는, 제1 내지 제3 선분이 서로 교차하는 점(교차점)을 의미할 수 있다.

또한, 상기 제1 각도는 80도 미만 또는 70도 미만 또는 60도 이하 일 수 있으며, 특히 60도가 가장 바람직하다.

따라서, 상기 제1 내지 제3 선분들의 각각의 사이 각도는 서로 동일한 각도를 갖는 등각일 수 있으며, 각각 60도를 가질 수 있다.

이에 더하여, 상기 제1 가스켓(301)은, 나머지 두 쌍의 유동홀과 각각 대응하는 위치에, 각각의 유동홀과 유체 이동 가능하게 연결되는 복수 개의 통과홀(320)을 가진다.

한편, 상기 인접하는 제1 가스켓(301)은, 소정의 제2 각도로 회전된 상태로 배치될 수 있다.

상기 제2 각도는, 제1 가스켓(301)의 유동 안내부(310)의 폭 방향의 중심을 통과하는 가상의 중심선을 기준으로, 각각의 중심선(L0) 사이의 각도를 의미할 수 있다.

구체적으로, 도 2 및 도 5를 참조하면, 제1 전극부(101) 측에 인접하는 제1 가스켓을 기준으로, 각각의 제1 가스켓(301)은, 제2 전극부(102) 측을 향하여 차례로 시계방향 또는 반 시계방향으로 소정의 제2 각도로 회전된 상태로 배치될 수 있다.

상기 제2 각도는, 제1 각도와 동일한 각도를 가질 수 있다. 특히, 상기 제2 각도는 60도 일 수 있다.

즉, 제1 전극부 측에 가장 인접하는 제1 가스켓(3011a)을 기준으로 제1 전극부에서 제2 전극부를 향하여 차례로 인접하는 양이온 교환막(210)과 음이온 교환막(230) 사이의 제1 가스켓(3012a, 3012b)은, 반 시계방향(역방향)으로 소정의 제2 각도 만큼 회전되어 배치될 수 있고, 차례로 인접하는 음이온 교환막(230)과 양이온 교환막(210) 사이의 제1 가스켓(3013a, 3013b)은 시계방향(정방향)으로 소정의 제2 각도 만큼 회전되어 배치될 수 있다.

한편, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제1 전극부(101)는 제1 유동홀(211a, 211b), 제2 유동홀(212a, 212b), 제3 유동홀(213a, 213b)과 각각 연결되는 세 쌍의 유동포트를 갖는 제1 엔드 플레이트(130) 및 제1 엔드 플레이트(130)의 소정 영역 상에 장착되는 제1 전극(110)을 포함한다.

또한, 상기 제2 전극부(102)는 제1 유동홀(211a, 211b), 제2 유동홀(212a, 212b), 제3 유동홀(213a, 213b)과 각각 연결되는 세 쌍의 유동포트를 갖는 제2 엔드 플레이트(140) 및 제2 엔드 플레이트(140)의 소정 영역 상에 장착되는 제2 전극(120)을 포함한다.

상기 제1 전극(110)과 제2 전극(120)은 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 후술할 제2 및 제3 용액의 농도차에 의한 전위차에 의해 제1 및 제2 전극에서 전기가 생산될 수 있다.

상기 제1 및 제2전극부(101,102)는, 제1 및 제2전극(110,120)이 제1 엔드플레이트(130) 및 제2 엔드플레이트(140)의 소정 영역 상에 각각 삽입 장착되어, 각각의 엔드플레이트(130,140)와 일체로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이에 더하여, 제1 및 제2 엔드플레이트(130,140)는 소정 간격 떨어져 마주하도록 배치되며, 제1전극(110) 및 제2전극(120)은 제1 및 제2 엔드플레이트(130,140)의 내측에 각각 마련되어 서로 마주하도록 배치될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 제1 및 제2 엔드플레이트(130,140)는, 소정의 두께를 가지며, 제1전극(110) 및 제2전극(120)이 각각 배치된 제1면(130a, 140a) 및 제1면의 반대방향의 제2면(130b, 140b)을 가진다.

상기 제1 및 제2 엔드 플레이트(130,140)는 각각, 한 쌍의 제1 유동홀(211a, 211b)과 유체이동 가능하게 연결되는 한 쌍의 제1 유동포트(111a, 111b), 한 쌍의 제2 유동홀(212a, 212b)과 유체이동 가능하게 연결되는 한 쌍의 제2 유동포트(112a, 112b), 및 제3 유동홀(213a, 213b)과 유체이동 가능하게 연결되는 한 쌍의 제3 유동포트(113a, 113b)를 가지며, 각 한 쌍 중 하나의 제1 내지 제3 유동포트(111a, 112a, 113a)로 제1 내지 제3 용액이 각각 유입되고, 유입된 제1 내지 제3 용액은 한 쌍 중 나머지 하나의 제1 내지 제3 유동포트(111b, 112b, 113b)에서 각각 배출될 수 있다.

상기 제1 내지 제3 유동포트(111a, 111b, 112a, 112b, 113a, 113b)는, 유체가 유입 및 배출되도록 제1면 및 제2면을 관통하여 형성될 수 있다.

상기 한 쌍의 제1 유동포트(111a, 111b)의 중심을 통과하는 가상의 제1 선분(L11), 한 쌍의 제2 유동포트(112a, 112b)의 중심을 통과하는 가상의 제2 선분(L12) 및 한 쌍의 제3 유동포트(113a, 113b)의 중심을 통과하는 가상의 제3 선분(L13)의 각각의 사이 각도는, 제1 각도와 동일한 각도를 가질 수 있으며, 일 예로, 90도 미만일 수 있으며, 특히 60도 인 것이 바람직하다.

상기 각각의 전극(110,120)은 일 예로, 다공성 전극일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

이에 더하여, 상기 제1 전극(110)은 산화전극 또는 환원전극 중 어느 하나일 수 있고, 제2 전극(120)은 산화전극 또는 환원전극 중 나머지 하나 일 수 있다.

구체적으로, 상기 제1전극(110) 및 제2전극(120)은, 각각의 전극에 인접하게 배치되는 이온교환막의 종류(양이온교환막 또는 음이온교환막)와 고농도 및 저농도 용액이 흐르는 유로의 배치에 따라 각각의 전극에서 일어나는 화학반응에 의해 결정될 수 있다.

예를 들어, 도 7의 (a)를 참조하면, 각각의 전극 측에 인접하게 배치된 이온교환막이 양이온 교환막(210a, 210c)이고, 제1 전극(110)을 기준으로, 제1 전극(110)에서부터 각각의 이온교환막 사이로 고농도 용액 및 저농도 용액을 차례로 교번하여 흘려주면, 고농도 용액 내의 양이온(예를 들어, Na+)이 제1 전극(110)에 인접한 양이온 교환막(210a)을 통과하여 제1 전극(110) 측으로 유동하게 되고 이 때, 제1 전극(110)에서 환원 반응이 일어나게 되어 제1 전극(110)은 환원 전극(Cathode)이 되고 제2 전극(120)은 산화 전극(Anode)이 된다.

이와 반대로, 제1 전극(110)에서부터 각각의 이온교환막 사이로 저농도 용액 및 고농도 용액을 차례로 교번하여 흘려주면, 고농도 용액 내의 양이온(예를 들어, Na+)이 제2 전극(120)에 인접한 양이온 교환막(210c)을 통과하여 제2 전극(120) 측으로 유동하게 되고 이 때, 제2 전극(120)에서 환원 반응이 일어나게 되어 제2 전극(120)은 환원 전극(Cathode)이 되고 제1 전극(110)은 산화 전극(Anode)이 된다.

또한, 도 7의 (b)를 참조하면, 각각의 전극 측에 인접하게 배치된 이온교환막이 음이온 교환막이고, 제1 전극을 기준으로, 제1 전극에서부터 각각의 이온교환막 사이로 고농도 용액 및 저농도 용액을 차례로 교번하여 흘려주면, 고농도 용액 내의 음이온(예를 들어, Cl ^-)이 제1 전극에 인접한 음이온 교환막을 통과하여 제1 전극 측으로 유동하게 되고 이 때, 제1 전극에서 산화 반응이 일어나게 되어 제1 전극은 산화 전극(Anode)이 되고 제2 전극은 환원 전극(Cathode)이 된다.

이와 반대로, 제1 전극에서부터 각각의 이온교환막 사이로 저농도 용액 및 고농도 용액을 차례로 교번하여 흘려주면, 고농도 용액 내의 음이온(예를 들어, Cl ^-)이 제2 전극에 인접한 음이온 교환막을 통과하여 제2 전극 측으로 유동하게 되고 이 때, 제2 전극에서 산화 반응이 일어나게 되어 제2 전극은 산화 전극(Anode)이 되고 제1 전극은 환원 전극(Cathode)이 된다.

여기서, 도 7의 (c)를 참조하면, 각각의 제1 및 제2 전극 사이에 배치되는 이온교환막의 개수는 한정되지 않으며, 이온교환막이 추가 되어도 전극의 극성에는 영향을 미치지 않는다.

이에 더하여, 본 발명은, 제1 용액을 공급하기 위한 제1 용액 공급부(미도시), 제2 용액을 공급하기 위한 제2 용액 공급부(미도시) 및 제3 용액을 공급하기 위한 제3 용액 공급부(미도시)를 추가로 포함할 수 있으며, 각각의 용액 공급부는, 제1 엔드플레이트 또는 제2 엔드플레이트에 마련된 한 쌍 중 하나의 제1 내지 제3 유동포트와 각각 연결되어, 역전기투석 장치(10)로 각각의 용액을 공급할 수 있다.

한편, 상기 복수 개의 양이온 교환막(210) 및 음이온 교환막(230)은 제1전극부(101) 및 제2전극부(102) 사이에 양이온 교환막(210)과 음이온 교환막(230)이 차례로 교번하여 배치될 수 있다.

예를 들어, 제1전극부(101)를 기준으로, 양이온 교환막(210a), 음이온 교환막(230a), 양이온 교환막(210b), 음이온 교환막(230b) 및 양이온 교환막(210c)의 순으로 배치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막 각각에 형성된 서로 마주하는 세 쌍의 제1 내지 제3 유동홀(211a, 211b, 212a, 212b, 213a, 213b)은, 양이온 교환막(210) 및 음이온 교환막(230)을 각각 관통하도록 형성되어 유체가 유동하도록 마련된 관통홀 일 수 있다.

특히, 상기 각 한 쌍의 제1 내지 제3 유동홀(211a, 211b, 212a, 212b, 213a, 213b)은, 각 한 쌍의 제1 내지 제3 유동포트(111a, 111b, 112a, 112b, 113a, 113b)와 유체이동 가능하게 연결되도록 각각 대응하는 위치에 마련될 수 있다.

따라서, 제1 내지 제3 유동포트로 유입된 유체가 제1 내지 제3 유동홀(211a, 211b, 212a, 212b, 213a, 213b)을 통과하여 유동될 수 있다.

이에 더하여, 서로 인접하는 2개의 유동포트 각각에서 연장된 가상의 연장선 사이의 각도 및 서로 인접하는 2개의 유동홀 각각에서 연장된 가상의 연장선 사이의 각도는 각각 90도(°) 초과 내지 150도(°) 또는 100도 이상 내지 140도 이하 또는 110도 이상 내지 130도 이하 또는 120도를 갖도록 마련될 수 있다.

특히, 인접하는 2개의 유동포트 중 어느 하나를 기준으로, 다른 하나의 유동포트가 120도 각도로 회전되어 배치되고, 인접하는 2개의 유동홀 중 어느 하나를 기준으로, 다른 하나의 유동홀이 120도 각도로 회전되어 배치될 때, 평면을 기준으로 각각의 유동포트 및 유동홀은 최대로 이격 되게 구성됨으로써, 유체가 유입 및 유출되는 유동포트에서 누수 및 교차 오염되는 것을 최소화 할 수 있다.

특히, 상기 제1 및 제2 엔드플레이트(101,102), 및 이온교환막(210,230)은 일 예로, 육각 형상(hexagon)으로 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 도 5를 참조하면, 상기 제1 가스켓(301)의 유동 안내부(310)는, 제1 가스켓(301)의 적어도 일부 영역을 관통하도록 마련될 수 있으며, 인접하는 이온교환막에 접촉하며 한 쌍의 유동홀을 둘러싸도록 배치되어 한 쌍의 유동홀을 유체이동 가능하게 연결할 수 있다.

상기 제1 가스켓(301)의 복수 개의 통과홀(320)은, 인접하는 이온교환막의 표면 상으로 유체가 유동하는 것을 제한하도록 나머지 두 쌍의 유동홀과 각각 대응하는 위치에, 각각의 유동홀과 유체 이동 가능하게 연결될 수 있다.

여기서, 상기 나머지 두 쌍의 유동홀은, 이온교환막에 제1 가스켓을 접촉하여 배치한 상태에서, 유동안내부(310)를 형성하지 않는 나머지 유동홀을 의미한다, 따라서, 상기 통과홀(320)은, 제1 가스켓의 적어도 일부 영역을 관통하도록 형성되어 나머지 두 쌍의 유동홀과 유체 이동 가능하게 연결된다.

상기 유동 안내부(310)의 길이 방향에 따른 양 종단부 사이의 길이(d2)는, 각각 마주하는 한 쌍의 제1 유동홀(211a, 211b) 또는 제2 유동홀(212a, 212b) 또는 제3 유동홀(213a, 213b)의 사이 간격(d1) 보다 크게 형성될 수 있다.

상기와 같이 형성된 유동 안내부(310)는, 유입된 유체가 유동 안내부(310)를 따라 유동하며, 인접하는 이온교환막의 표면을 접촉하며 이온교환막을 유동하도록 마련된 유체 유동 유로일 수 있다.

일 예로, 상기 유동 안내부(310)는 직사각형을 갖도록 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 통과홀(320)은, 인접하는 2개의 통과홀(320) 각각에서 연장된 가상의 연장선 사이의 각도는 90도 초과 내지 150도 이하를 갖도록 배치될 수 있고, 보다 바람직하게 120도 각도를 갖도록 마련될 수 있다.

다시 말하면, 상기 통과홀(320)은, 서로 마주하도록 배치된 통과홀(320a, 320d 및 320b, 320c)의 폭 방향의 중심을 통과하는 가상의 선분(L) 사이의 각도는 90도 미만일 수 있으며, 특히 60도 일 수 있다.

상기와 같이 형성된 제1가스켓(301)은 소정의 제2 각도로 회전하여 유동 안내부(310)의 배치를 달리함으로써, 유체가 유동하는 방향을 결정할 수 있다.

예를 들어, 제1 가스켓(301)의 유동 안내부(301)는, 제1 가스켓(301)의 중심을 기준으로, 소정 각도 일 예로, 60도 또는 120도 회전시켜 각각 배치함으로써, 이온 교환막 상에서 유체가 유동하는 유로 영역을 결정할 수 있다.

구체적으로, 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 제1 가스켓이 각각 배치될 때, 제1 전극부(101) 측을 기준으로 제1 전극부(101)에서 제2 전극부(102)를 향하여 차례로 인접하는 양이온 교환막(210)과 음이온 교환막(230) 사이에는 제1 가스켓(301)의 유동안내부(310)가 한 쌍의 제2 유동홀(212a, 212b)을 연결하도록 배치되고, 제1 전극부(101)에서 제2 전극부(102)를 향하여 차례로 인접하는 음이온 교환막(230)과 양이온 교환막(210) 사이에는 제1 가스켓(301)의 유동안내부가 한 쌍의 제3 유동홀(213a, 213b)을 연결하도록 배치될 수 있다.

또한, 도 2 및 도 5를 참조하면, 상기 제1 및 제2 전극부(101,102)와 제1 및 제2 전극부(101,102)와 인접하는 각각의 이온교환막(210a, 210c) 사이에 배치되는 제1 가스켓(3011a, 3011b)의 유동안내부는, 한 쌍의 제1 유동홀(211a, 211b)을 연결하도록 각각 배치될 수 있다.

전술한 바와 같이, 제1 및 제2 전극부(101,102) 사이에 배치된 복수 개의 이온교환막(210,230) 및 제1 가스켓(301)이 적층된 상태에서, 한 쌍의 제1 유동홀(211a, 211b)을 연결하는 제1 가스켓의 유동 안내부(310)에 의해 제1 용액이 유동하는 제1 유로(401)가 마련되고, 한 쌍의 제2 유동홀(212a, 212b)을 연결하는 제1 가스켓의 유동 안내부(310)에 의해 제2 용액이 유동하는 제2 유로(402)가 마련되며, 한 쌍의 제3 유동홀(213a, 213b)을 연결하는 제1 가스켓의 유동 내부(310)에 의해 제3 용액이 유동하는 제3 유로(403)가 마련될 수 있다.

즉, 제1 가스켓의 유동 안내부(310)는 각각의 용액이 유동하는 유로를 형성할 수 있으며, 본 문서에서는, 제1 용액이, 이온교환막 상(표면)에 접촉하며 유동하는 일부 영역(공간)을 제1 유로(401), 제2 용액이, 이온교환막 상(표면)에 접촉하며 유동하는 일부 영역(공간)을 제2 유로(402), 제3 용액이, 이온교환막 상(표면)에 접촉하며 유동하는 일부 영역(공간)을 제3 유로(403)로 정의(지칭)할 수 있다.

상기와 같이, 제1 가스켓의 유동 안내부가 한 쌍의 제1 유동홀을 연결할 때, 각각의 통과홀은 한 쌍의 제2 유동홀 및 제3 유동홀과 각각 유체이동 가능하게 연결되고, 제1 가스켓의 유동 안내부가 한 쌍의 제2 유동홀을 연결할 때, 각각의 통과홀은 한 쌍의 제1 유동홀 및 제3 유동홀과 각각 유체이동 가능하게 연결되며, 제1 가스켓의 유동 안내부가 한 쌍의 제3 유동홀을 연결할 때, 각각의 통과홀은 한 쌍의 제1 유동홀 및 제2 유동홀과 각각 유체이동 가능하게 연결된다.

또한, 상기 양이온 교환막(210a, 210b, 210c)과 음이온 교환막(230a,230b)이 교대로 배치될 때, 이온교환막 사이에 배치되는 제1 가스켓에 의해 형성되는 제2 및 제3 유로도 서로 번갈아 배치되도록 제1 가스켓을 적절히 회전하여 배치할 수 있다.

전술한 각각의 유로는, 복수 개의 이온교환막 사이에 각각의 제1 가스켓이 접촉하여 배치될 때, 인접하는 2개의 이온교환막 사이에서, 제1 가스켓의 유동 안내부(310) 영역 만큼의 소정의 공간이 형성됨으로써 마련된다.

상기와 같이 형성된 제2 및 제3 유로를 제2 및 제3 용액이 각각 유동할 때, 제2 용액과 제3 용액의 농도차에 의한 전위차에 의해 전기가 생산될 수 있다.

이에 더하여, 제1 내지 제3 용액이 제1 내지 제3 유동 포트(111a, 112a, 113a)로 각각 유입되면, 제1 용액은, 제1 유로(401)를 형성하는 제1 가스켓(301)의 유동 안내부(310)를 따라 유동한 후 마주하는 제1 유동포트(111b)로 배출된다.

이와 동시에, 제2 용액은, 제2 유동포트(112a)와 대응하는 위치에 마련된 제2 유로를 형성하지 않는 나머지 제1 가스켓의 통과홀 및 이온교환막의 통과홀을 차례로 각각 통과하여 제2 유로를 형성하는 제1 가스켓의 유동 안내부를 따라 유동한 후 각각의 통과홀을 거쳐 마주하는 제2 유동포트로 배출된다.

이와 동시에, 제3 용액은, 제3 유동포트(113a)와 대응하는 위치에 마련된 제3 유로를 형성하지 않는 나머지 제1 가스켓의 통과홀 및 이온교환막의 통과홀을 차례로 각각 통과하여 제3 유로를 형성하는 제1 가스켓의 유동 안내부를 따라 유동한 후 각각의 통과홀을 통과하여 마주하는 제3 유동포트로 배출된다.

한편, 도 8은, 본 발명의 제1 실시예에 따른 역전기투석 장치(10)의 내부에서 형성되는 유효면적(400)을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 상기 제1 및 제2 전극부(101,102)에 인접한 제1 가스켓(301)을 포함하여 인접하는 3개의 제1 가스켓(3011a, 3012a, 3013a)의 유동 안내부(310)를 각각 전극부로 투영했을 때, 각각의 유동 안내부가 교차하여 중첩되는 교차 영역이 육각 형상을 갖는다.

다시 말하면, 상기 제1 유로(401) 내지 제3 유로(403)를 동일 평면상에 투영(정사영)시키면, 제1 내지 제3 유로(401,402,403)가 겹쳐지는 면적인 유효면적(400)은 육각형을 갖게 된다.

상기 교차 영역이란, 제1 내지 제3 유로 사이에 배치된 각각의 이온교환막을 각각의 유로를 유동하는 용액(유체)의 농도차에 의해 선택적으로 통과할 수 있는 영역을 의미하며, 이러한 영역은 전기 생산 시 출력(전력밀도)에 영향을 미치는 유효면적(교차 영역 또는 반응 영역)을 의미할 수 있다. 여기서, 상기 교차 영역은 정육각 형상으로 이루어질 수 있다.

이에 더하여, 상기 제1 내지 제3 유로 상에는, 유체의 유동을 불균일하게 하고 스월(swirl)을 형성하여 이온교환막 상으로 이온의 이동을 향상시키는 역할을 하는 스페이서(미도시)가 각각의 유로 상에 추가로 포함될 수 있다.

또한, 상기 스페이서는 유속에 따라 이온교환막 표면의 확산층의 두께를 감소시키는 역할을 함으로써 역전기투석 장치의 성능을 향상시킨다. 특히, 이온교환막의 두께가 매우 얇은 경우 이온교환막이 유체의 압력에 의해 형태가 변형되는 문제를 방지하는 목적으로도 스페이서를 활용할 수 있다.

이에 더하여, 도 4를 참조하면, 상기 역전기투석 장치(10)는, 볼트(501) 등을 이용하여 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트를 결합하여 조립할 수 있다.

상기 볼트(501)는, 복수 개 마련되어 제1 및 제2 엔드 플레이트 상에 마련된 각각의 유동포트 사이 영역에 배치될 수 있다.

구체적으로, 상기 볼트(501)는 제1 유로(401) 내지 제3 유로(403)를 동일 평면상에 투영(정사영) 시켰을 때, 제1 유로(401)와 제2 유로(402) 사이 영역, 제2 유로(402)와 제3 유로(403) 사이 영역 및 제3 유로(403)와 제1 유로(401) 사이 영역에 각각 배치됨으로써, 볼트의 조립 시 강한 힘이 필요하지 않으므로 제1 및 제2 엔드 플레이트(130,140) 사이에 배치되는 복수 개의 이온교환막, 스페이서 및 가스켓 등의 압축 변형을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.

다시 말하면, 각각의 볼트(501)는 동심원 상에 볼트 사이의 간격이 이루는 각도는 동일한 각도를 갖도록 즉, 등각을 갖도록 배치되므로, 동일한 압력으로 볼트를 조립할 수 있게 되어 복수 개의 이온교환막, 스페이서 및 가스켓 등의 압축 변형을 최소화 할 수 있게 된다. 여기서, 상기 볼트(501)는 6개가 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 도 9 내지 도 11은, 본 발명의 제1 실시예에 따른 역전기투석 장치(10)에서 제1 내지 제3 용액의 유동에 의해 전기가 생산되는 공정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 9 내지 도 11을 참조하여, 상기와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 역전기투석 장치(10)에서 제1 내지 제3 용액의 유동에 의해 전기가 생산되는 공정을 설명하면 다음과 같다.

이하에서는 제1 내지 제3 용액 공급부가 제1 엔드플레이트(101)의 제1 내지 제3 유동 포트와 연결되어, 제1 내지 제3 용액을 공급하는 것을 예로 들어 설명하지만, 제1 및 제2 엔드플레이트(101,102) 모두에 제1 내지 제3 용액 공급부가 각각 연결되어 양 측에서 제1 내지 제3 용액을 각각 공급할 수도 있음을 이해하여야 한다.

구체적으로, 상기 제1 내지 제3 용액 공급부(미도시)에서 제1 내지 제3 용액이 한 쌍 중 하나의 제1 내지 제3 유동포트(111a, 112a, 113a)로 각각 동시에 공급된다.

먼저, 도 9의 화살표를 참조하여 제1 용액의 유동 경로를 설명하면, 제1 유동포트(111a) 로 유입된 제1 용액은 제1 가스켓(3011a)의 유동 안내부(310)를 통과하여 양이온 교환막(210a)의 제1 유동홀(211a)로 유입되고, 제1 용액 중 일부는 제1 가스켓(3011a)의 유동 안내부(310)에 의해 제1 전극 및 양이온 교환막(210a) 사이에 형성된 제1 유로(401)를 유동하여 제1 유동포트(111b)를 통해 배출되고, 제1 용액 중 나머지 일부는 양이온 교환막(210a)의 제1 유동홀(211b)을 통과하여 유동된다.

즉, 상기 유동 안내부(310)에 의해 양이온 교환막(210a)의 제1 유동홀(211a) 측에서 마주하는 제1 유동홀(211b)측을 향하여 유동된 후, 양이온 교환막(210a)의 제1 유동홀(211b)을 통과하여 유동된다.

상기와 같이 양이온 교환막(210a)의 한 쌍의 제1 유동홀(211a, 211b)을 통과한 제1 용액은, 제1 가스켓(3012a)의 통과홀(320c, 320b)을 각각 통과하여 음이온 교환막(230a)의 한 쌍의 제1 유동홀(211a, 211b)로 유입된다.

상기와 같이 음이온 교환막(230a)의 한 쌍의 제1 유동홀(211a, 211b)로 유입된 제1 용액은, 제1 가스켓(3013a)의 통과홀 (320a, 320d), 양이온 교환막(210b)의 한 쌍의 제1 유동홀(211a, 211b), 제1 가스켓(3012b)의 통과홀 (320c, 320b), 음이온 교환막(230b)의 한 쌍의 제1 유동홀(211a, 211b), 제1 가스켓(3013b)의 통과홀(320a, 320d) 및 양이온 교환막(210c)의 한 쌍의 제1 유동홀(211a, 211b)를 각각 통과하여 제1 가스켓(3011b)의 유동 안내부(310)에 의해 제2 엔드플레이트(140)의 내측에 장착된 제2 전극(120) 및 양이온 교환막(210c) 사이에 형성된 제1 유로(401)를 유동하여 제2 엔드 플레이트(140)의 한 쌍의 제1 유동포트(111a, 111b) 중 적어도 하나의 포트를 통해 외부로 배출될 수 있다.

이와 동시에 유동하는, 제2 용액의 유동 경로를 도 10의 화살표를 참조하여 설명하면, 제2 유동포트(112a)로 유입된 제2 용액은, 제1 가스켓(3011a)의 통과홀 (320a)를 통과하여 양이온 교환막(210a)의 제2 유동홀(212a)로 유입된다.

상기와 같이 양이온 교환막(210a)의 제2 유동홀(212a)로 유입된 제2 용액은 제1 가스켓(3012a)의 유동 안내부(310)를 통과하여 음이온 교환막(230a)의 제2 유동홀(212a)로 유입되고, 제2 용액 중 일부는 제1 가스켓(3012a)의 유동 안내부(310)에 의해 양이온 교환막(210a)과 음이온 교환막(230a) 사이에 형성된 제2 유로(402)를 유동하여 음이온 교환막(230a)의 제2 유동홀(212b)을 통과하여 유동된다.

즉, 상기 유동 안내부(310)에 의해 음이온 교환막(230a)의 제2 유동홀(212a) 측에서, 마주하는 제2 유동홀(212b)측을 향하여 유동된 후, 음이온 교환막(230a)의 제2 유동홀(212b)을 통과하여 유동된다. 이 때, 점선 화살표를 참조하면, 제2 용액 중 일부는 제1 전극 측을 향하여, 음이온 교환막(230a)의 제2 유동홀(212b)과 연결된 양이온 교환막의 제2 유동홀(212b) 및 제1 가스켓의 통과홀(320d)을 각각 통과하여 제1 엔드플레이트(130)의 제2 유동 포트(112b)를 통해 외부로 배출될 수 있다.

상기와 같이 음이온 교환막(230a)의 한 쌍의 제2 유동홀(212a, 212b)을 통과한 제2 용액은, 제1 가스켓(3013a)의 통과홀(320b, 320c)를 통과하여 양이온 교환막(210b)의 한 쌍의 제2 유동홀(212a, 212b)로 유입된 후, 제1 가스켓(3012b)의 유동 안내부(310)에 의해 양이온 교환막(210b)과 음이온 교환막(230b) 사이에 형성된 제2 유로(402)를 유동하여 음이온 교환막(230b)의 한 쌍의 제2 유동홀(212a, 212b)을 통과하여 유동된 후, 제1 가스켓(3013b)의 통과홀 (320b, 320c), 양이온 교환막(210c)의 한 쌍의 제2 유동홀(212a, 212b) 및 제1 가스켓(3011b)의 통과홀(320a, 320d)을 각각 통과하여 제2 엔드플레이트(140)의 한 쌍의 제2 유동포트(112a, 112b) 중 적어도 하나의 포트를 통해 외부로 배출될 수 있다.

이와 동시에 유동하는, 제3 용액의 유동 경로를 도 11의 화살표를 참조하여 설명하면, 제3 유동포트(113a)로 유입된 제3 용액은, 제1 가스켓(3011a)의 통과홀(320b)를 통과하여 양이온 교환막(210a)의 제3 유동홀(213a)로 유입된다.

상기와 같이 양이온 교환막(210a)의 제3 유동홀(213a)로 유입된 제3 용액은 제1 가스켓(3012a)의 통과홀(320a)를 통과하여 음이온 교환막(230a)의 제3 유동홀(213a)로 유입된다.

상기와 같이 음이온 교환막(230a)의 제3 유동홀(213a)로 유입된 제3용액은 제1 가스켓(3013a)의 유동 안내부(310)를 통과하여 양이온 교환막(210b)의 제3 유동홀(213a)로 유입되고, 제3 용액 중 일부는 제1 가스켓(3013a)의 유동 안내부(310)에 의해 음이온 교환막(230a)과 양이온 교환막(210b) 사이에 형성된 제3 유로(403)를 유동하여 양이온 교환막(210b)의 제3 유동홀(213b)을 통과하여 유동된다.

즉, 상기 유동 안내부(310)에 의해 양이온 교환막(210b)의 제3 유동홀(213a) 측에서 마주하는 제3 유동홀(213b) 측을 향하여 유동된 후, 양이온 교환막(210b)의 제3 유동홀(213b)을 통과하여 유동된다. 이 때, 점선 화살표를 참조하면, 제3 용액 중 일부는 양이온 교환막(210b)의 제3 유동홀(213b)과 연결된 음이온 교환막(230a)의 제3 유동홀(213b), 제1 가스켓(3012a)의 통과홀(320d), 양이온 교환막(210a)의 제3 유동홀(213b) 및 제1 가스켓(3011a)의 통과홀(320c)를 각각 통과하여 제1 엔드플레이트(130)의 제3 유동포트(113b)를 통해 외부로 배출될 수 있다.

상기와 같이 양이온 교환막(210b)의 한 쌍의 제3 유동홀(213a, 213b)을 통과한 제3 용액은, 제1 가스켓(3012b)의 통과홀(320a, 320d)를 통과하여 음이온 교환막(230b)의 한 쌍의 제3 유동홀(213a, 213b)로 유입된 후, 제1 가스켓(3013b)의 유동 안내부(310)에 의해 음이온 교환막(230b)과 양이온 교환막(210c) 사이에 형성된 제3 유로(403)를 유동하여 양이온 교환막(210c)의 한 쌍의 제3 유동홀(213a, 213b)로 유입된다.

상기와 같이 양이온 교환막(210c)의 한 쌍의 제3 유동홀(213a, 213b)로 유입된 제3 용액은, 제1 가스켓(3011b)의 통과홀(320b, 320c)를 각각 통과하여 제2 엔드플레이트(140)의 한 쌍의 제3 유동포트(113a, 113b) 중 적어도 하나의 포트를 통해 외부로 배출될 수 있다.

전술한 바와 같이, 제1 엔드 플레이트(130)의 제2 및 제3 유동 포트(112a, 113a)를 통해 각각 유입된 제2 및 제3 용액은, 제2 및 제3 유동 포트(112a, 113a)와 각각 대응하는 위치에 배치된 이온교환막들의 제2 및 제3 유동홀(212a, 213a)을 각각 통과하여 유동될 때, 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 배치된 제1 가스켓은, 제2 용액이 제2 유로를 유동하도록 배치되고 제3 용액이 제3 유로를 유동하도록 배치된다.

이 때, 제3 용액 내의 양이온 및 음이온이 각각 인접하는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 통과하여 제2 용액 내로 이동함에 따라 농도차에 의한 전위차가 발생하게 되고, 제1 유로를 각각 유동하는 제1 용액에 의해 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극에서 각각 산화 및 환원 반응이 발생하여 전기가 생산될 수 있다.

여기서, 상기 제1 용액은, 제1 및 제2 전극에 직접적으로 접촉함으로써, 제1 용액 내의 전해질이 각각의 전극 상에서 산화 및 환원 반응을 일으켜 전기를 생산할 수 있게 된다.

한편, 이하에서는 전술한 본 발명의 역전기투석 장치(10)에서 이온교환막 사이에 배치되는 제1 가스켓(301)의 구조를 변경하여, 유입되는 제1 내지 제3 용액의 유동 경로를 변경함으로써, 유체의 유로 내부에서 압력 손실을 감소시킬 수 있도록 구성된 제2 실시예에 대하여 설명하며, 전술한 제1 실시예와 공통되는 부분은 동일한 도면부호를 사용하고, 그 설명을 생략한다.

도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 장치(11)의 분해 사시도, 도 13은, 도 12의 제1 및 제2 전극부를 나타낸 정면도, 도 14는 도 12의 제2 및 제3 가스켓을 나타낸 정면도, 도 15는 이온교환막과 제2 및 제3 가스켓이 접촉된 상태를 나타낸 사시도이다.

도 12 및 도 15를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 장치(10)는, 제1 전극부(101) 및 제1 전극부(101)와 전기적으로 연결되며, 소정 간격 떨어져 배치된 제2 전극부(102)를 포함한다.

상기 제1 전극부(101) 및 제2 전극부(102) 사이에 번갈아 각각 배치되는 복수 개의 양이온 교환막(210) 및 음이온 교환막(230)을 포함하며, 인접하는 2개의 이온교환막(210,230) 사이에 각각 배치되는 복수 개의 제2 가스켓(302)을 포함한다.

여기서, 상기 양이온 교환막(210) 및 음이온 교환막(230)은, 각각 둘레방향을 따라 소정 간격 떨어져 차례로 위치한 제1 내지 제6 유동홀(211a, 212a, 213a, 211b, 212b, 213b)을 갖고, 제1 유동홀(211a) 및 제4 유동홀(211b)의 중심을 각각 통과하는 가상의 제1 선분(L21), 및 제2 유동홀(212a) 및 제5 유동홀(212b)을 각각 통과하는 가상의 제2 선분(L22) 사이의 제1 각도(θ2)는 90도 미만이고, 제2 가스켓(302)은, 제1, 제3 및 제5 유동홀(211a, 213a, 212b)을 유체 이동 가능하게 연결하는 유동 안내부(311)를 가진다.

여기서, 전술한 제1 실시예의 한 쌍의 제1 유동홀, 한 쌍의 제2 유동홀 및 한 쌍의 제3 유동홀은 각각 제2 실시예에서 제1 및 제4 유동홀, 제2 및 제5 유동홀, 및 제3 및 제6 유동홀과 동일한 구성일 수 있다.

또한, 상기 제2 가스켓은, 제2, 제4 및 제6 유동홀과 각각 대응하는 위치에 마련되며, 제2, 제4 및 제6 유동홀(212a, 211b, 213b)과 각각 유체이동 가능하게 연결되는 복수 개의 통과홀(321; 321a, 321b, 321c)을 가진다.

여기서, 상기 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 배치된 인접하는 제2 가스켓은, 소정의 제3 각도로 회전된 상태로 배치될 수 있다.

구체적으로, 도 12 및 도 15를 참조하면, 제1 전극부(101) 측에 인접하는 제2 가스켓(302a)을 기준으로, 각각의 제2 가스켓(302)은, 제2 전극부(102) 측을 향하여 차례로 시계방향 또는 반 시계방향으로 소정의 제3 각도로 회전된 상태로 배치될 수 있다.

상기 제3 각도는, 제1 각도와 동일한 각도를 가질 수 있다. 특히, 상기 제3 각도는 60도 일 수 있다.

즉, 제1 전극부 측에 인접하는 제2 가스켓(302a)을 기준으로 제1 전극부에서 제2 전극부를 향하여 차례로 인접하는 음이온 교환막(230a)과 양이온 교환막(210b) 사이의 제2 가스켓(302b)은, 반 시계방향(역방향)또는 시계 방향(정방향)으로 소정의 제3 각도만큼 회전되어 배치될 수 있다.

한편, 상기 제1 전극부(101)는, 제1 내지 제6 유동홀(211a, 212a, 213a, 211b, 212b, 213b)과 각각 연결되는 제1 내지 제6 유동포트(111a, 112a, 113a, 111b, 112b, 113b)를 갖는 제1 엔드 플레이트(131) 및 제1 엔드 플레이트의 소정 영역 상에 장착된 제1 전극(110)을 포함한다.

상기 제2 전극부(102)는, 제1 내지 제6 유동홀(211a, 212a, 213a, 211b, 212b, 213b)과 각각 연결되는 제1 내지 제6 유동포트(111a, 112a, 113a, 111b, 112b, 113b)를 갖는 제2 엔드 플레이트(141) 및 제2 엔드 플레이트의 소정 영역 상에 장착된 제2 전극(120)을 포함한다.

이 때, 상기 제1 전극(110)과 제2 전극(120)은 전기적으로 연결될 수 있다.

여기서, 전술한 제1 실시예의 한 쌍의 제1 유동포트, 한 쌍의 제2 유동포트 및 한 쌍의 제3 유동포트는 각각 제2 실시예에서 제1 및 제4 유동포트, 제2 및 제5 유동포트, 및 제3 및 제6 유동포트와 동일한 구성일 수 있다.

이에 더하여, 상기 제1 엔드 플레이트(131)에는, 제1 전극(110) 측으로 유체를 공급 및 배출하기 위한 유입포트(105) 및 배출포트(106)가 각각 마련되고, 제2 엔드 플레이트(141)에는, 제2 전극(120) 측으로 유체를 공급 및 배출하기 위한 유입포트(105) 및 배출포트(106)가 각각 마련될 수 있다.

한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 장치(10)는, 상기 제1 및 제2 전극부(101,102)와 각각의 전극부(101,102)에 인접하게 배치된 이온교환막(210a, 210c) 사이에 각각 배치되는 제3 가스켓(303)을 포함한다.

상기 제3 가스켓(303)은, 제1 전극(110) 또는 제2 전극(120)의 가장자리를 따라 둘러싸도록 마련된 유동 안내부(312) 및 제1 내지 제6 유동홀(211a, 212a, 213a, 211b, 212b, 213b)과 각각 대응하는 위치에, 제1 내지 제6 유동홀(211a, 212a, 213a, 211b, 212b, 213b)과 각각 유체 이동 가능하게 연결되는 복수 개의 통과홀(322; 322a, 322b, 322c, 322d, 322e, 322f)을 갖는다.

특히, 상기 유동 안내부(312)는, 제1 및 제2 전극 측으로 유입된 유체가, 제1 및 제2 전극과 각각 접촉할 수 있도록 소정의 공간을 형성할 수 있다.

즉, 제1 및 제2 전극과 각각의 전극과 인접하게 배치된 이온교환막 사이에 배치된 제3 가스켓(303)의 유동 안내부(312)에 의해 유체가 유동할 수 있는 소정의 공간이 형성됨으로써, 제1 용액 유입포트(105)를 통해 유입된 제1 용액은 제3 가스켓의 유동 안내부(312)를 유동하며, 제1 및 제2 전극과 각각 접촉함으로써 전기를 생산할 수 있게 된다.

한편, 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 복수 개의 제2 가스켓(302)이 각각 배치될 때, 제1 전극부(101) 측을 기준으로, 제1 전극부(101)에서 제2 전극부(102) 측을 향하여 차례로 배치된, 인접하는 양이온 교환막(210a)과 음이온 교환막(230a) 사이에는 제2 가스켓(302a)의 유동 안내부(311)가 제2, 제4 및 제6 유동홀(212a, 211b, 213b)을 연결하도록 배치된다.

이 때, 제1 전극부에서 제2 전극부 측을 향하여 차례로 배치된, 인접하는 음이온 교환막(230a)과 양이온 교환막(210b) 사이에는 제2 가스켓(302b)의 유동 안내부(311)가 제1, 제3 및 제5 유동홀(211a, 213a, 212b)을 연결하도록 배치된다.

구체적으로, 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 제2 가스켓이 적층된 상태에서, 제2 용액 및 제3 용액이 각각 공급될 때, 제2, 제4 및 제6 유동홀(212a, 211b, 213b)을 연결하는 제2 가스켓의 유동 안내부에 의해 제2 용액이 유동하는 제2 유로(502)가 마련되고, 제1, 제3 및 제5 유동홀(211a, 213a, 212b)을 연결하는 제2 가스켓의 유동 안내부에 의해 제3 용액이 유동하는 제3 유로(503)가 마련되며, 제2 및 제3 용액이 각각 제2 및 제3 유로를 유동할 때, 제2 용액과 제3 용액의 농도차에 의한 전위차에 의해 전기가 생산될 수 있다.

상기 제2 용액은 제2 유동 포트(112a)로 유입되고, 제2 유동 포트(112a)와 대응하는 위치에 배치되어 제2 유동 포트(112a)와 연결되는, 제3 가스켓의 통과홀(322b) 및 양이온 교환막의 통과홀(212a)을 차례로 각각 통과하여, 제2 유로(502)로 유입될 때, 제2 유로의 제2 유동홀 측으로 유입된 제2 용액은, 유로 안내부(311)를 따라 제4 및 제6 유동홀(211b, 213b) 측으로 분기되어 유동될 수 있다.

이와 동시에, 제3 용액은 제1 유동 포트(111a)로 유입되고, 제1 유동 포트(111a)와 대응하는 위치에 배치되어 제1 유동 포트(111a)와 연결되는, 제3 가스켓의 통과홀(322a), 양이온 교환막의 통과홀(211a), 제2, 제4 및 제6 유동홀을 연결하는 제2 가스켓(302a)의 통과홀(321a) 및 음이온 교환막(230a)의 통과홀(211a)을 차례로 각각 통과하여, 제3 유로(503)로 유입될 때, 제3 유로(503)의 제1 유동홀(211a) 측으로 유입된 제3 용액은, 유로 안내부(311)를 따라 제3 및 제5 유동홀(213a, 212b) 측으로 분기되어 유동될 수 있다.

전술한 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 장치(11)에 배치되는 복수 개의 제2 가스켓(302)은, 제1 실시예에서 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 배치된 제1 가스켓(3012a, 3012b, 3013a, 3013b) 대신에 대체되어 사용될 수 있다.

또한, 상기 제3 가스켓(303)은, 제1 실시예에서 제1 및 제2 전극과 인접하게 배치된 각각의 제1 가스켓(3011a, 3011b) 대신에 대체되어 사용될 수 있다.

한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 장치(11)의 제1 및 제2 엔드플레이트(131, 141)에는 제1 및 제2 전극 측으로, 제1 용액이 유입 및 배출 되도록 마련된 제1 용액 유입포트(105) 및 제1 용액 배출포트(106)가 각각 마련될 수 있다.

상기 제1 용액 유입포트(105) 및 제1 용액 배출포트(106)는 소정 간격을 두고 제1 및 제2 엔드 플레이트의 제2면 상에 각각 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제1 용액 유입포트(105) 및 제1 용액 배출포트(106)는, 제1 및 제2 엔드 플레이트(131,141)의 제1면 및 제2면을 관통하도록 각각 마련될 수 있다.

이에 따라, 제1 용액 공급부(미도시)는 상기 제1 용액 유입포트(105)에 유체 이동 가능하게 연결되어, 제1 용액을 역전기투석 장치(11) 내로 공급할 수 있다.

즉, 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트의 제1 용액 유입포트(105)로 유입된 제1 용액은, 제1 및 제2 엔드 플레이트에 장착된 제1 및 제2 전극 측으로 각각 공급된 후 제1 용액 배출포트(106)로 배출될 수 있다.

한편, 상기 제2 가스켓의 유동 안내부(311)는, 제1, 제3 및 제5 유동홀(211a, 213a, 212b) 또는 제2, 제4 및 제6 유동홀(212a, 211b, 213b)을 둘러싸도록 제2 가스켓의 적어도 일부 영역을 관통하여 형성될 수 있다.

상기와 같이 형성된 유동 안내부(311)는, 유입된 유체가 유동 안내부(311)를 따라 유동하며, 유입된 유체 내에 포함된 양이온 또는 음이온이 인접하는 이온교환막을 선택적으로 통과하도록 마련된 유체 유동 유로일 수 있다.

또한, 상기 제2 가스켓의 복수 개의 통과홀(321)은, 인접하는 이온 교환막 표면 상으로 유체가 유동하는 것을 제한하도록 마련될 수 있다.

여기서, 상기 복수 개의 통과홀(321) 중 인접하는 2개의 통과홀(321a, 321b 또는 321b, 321c 또는 321a, 321c)은, 각각의 통과홀에서 연장된 가상의 연장선(L4) 사이의 각도(θ)가 50도(°) 이상 내지 70도(°) 이하를 갖도록 배치될 수 있으며, 보다 바람직하게 60도(°) 각도를 갖도록 배치될 수 있다.

전술한 바와 같이, 제1 및 제2 전극부(101,102) 사이에 배치된 복수 개의 이온교환막(210,230) 및 제2 및 제3 가스켓(302,303)이 적층된 상태에서, 제2 가스켓의 유동 안내부에 의해 제2 및 제3 용액이 각각 유동하는 제2 유로(502) 및 제3 유로(503)가 각각 마련되고, 제3 가스켓의 유동 안내부(312)에 의해 제1 용액이 유동하는 제1 유로(501)가 마련될 수 있다.

상기와 같이, 제2 가스켓의 유동 안내부가 제2, 제4 및 제6 유동홀(212a, 211b, 213b)을 연결할 때, 각각의 통과홀은 제1, 제3 및 제5 유동홀(211a, 213a, 212b)과 각각 유체이동 가능하게 연결되고, 제2 가스켓의 유동 안내부가 제1, 제3 및 제5 유동홀(211a, 213a, 212b)을 연결할 때, 각각의 통과홀은 제2, 제4 및 제6 유동홀(212a, 211b, 213b)과 각각 유체이동 가능하게 연결되며, 제3 가스켓의 통과홀은 제1 내지 제6 유동홀(211a, 212a, 213a, 211b, 212b, 213b)과 각각 유체이동 가능하게 연결된다.

즉, 상기와 같이 형성된 제2 가스켓(302)은 유동 안내부(311)의 배치를 달리함으로써, 유체가 유동하는 방향을 결정할 수 있다.

구체적으로, 제2용액과 제3용액이 역전기투석 장치(11) 내에서 유동하는 방향을 결정할 수 있으며, 제2 용액과 제3 용액은 각각의 이온교환막 사이에서 교차 흐름(cross flow)을 가질 수 있다.

또한, 상기 양이온 교환막(210a, 210b, 210c)과 음이온 교환막(230a,230b)이 교대로 배치될 때, 이온교환막 사이에 배치되는 제2 가스켓에 의해 형성되는 제2 및 제3 유로(502,503)도 서로 번갈아 배치되도록 제2 가스켓(302)을 적절히 회전하여 배치할 수 있다.

전술한 각각의 유로(502,503)는, 복수 개의 이온교환막 사이에 각각의 제2 가스켓(302)이 접촉하여 배치될 때, 인접하는 2개의 이온교환막 사이에서, 제2 가스켓의 유동 안내부(311) 영역만큼의 소정의 공간이 형성됨으로써 마련될 수 있고, 제3 가스켓(303)이 인접하는 이온교환막(210a, 210c)과 제1 및 제2 전극부(101,102)의 사이에서, 제3 가스켓의 유동 안내부(312) 영역만큼의 소정의 공간이 형성됨으로써 마련될 수 있다

또한, 상기 제2 가스켓(302)의 유동 안내부(311)에 의해 형성된 유로는 대략 삼각형으로 구비될 수 있다.

상기 제2 가스켓(302)의 유동 안내부(311)에 의해 유체는, 인접하는 이온교환막의 3개의 관통홀 중 하나의 관통홀 측으로 유입되어 나머지 2개의 관통홀 측으로 유동함으로써, 유입구 대비 유출구의 면적이 넓게 형성됨으로써, 유로 내부에서 압력 손실을 감소시킬 수 있다.

구체적으로, 제2 가스켓(302)의 유동 안내부(311)는, 중심축을 중심으로 소정 각도 예를 들어, 60도(°) 회전시켜 각각 배치함으로써, 이온 교환막 상에서 유체가 유동하는 유로 영역을 결정할 수 있다.

특히, 인접하는 이온교환막의 3개의 유동홀을 둘러싸도록 형성된 제2 가스켓(302)은, 3개 중 어느 하나의 유동홀 측으로 유입된 유체가 나머지 2개의 유동홀 측으로 유동되도록 유로를 형성하여 유로 내에서 유체를 분배할 수 있게 되어 입출구에서의 압력 손실을 감소할 수 있다.

한편, 도 16 내지 도 18을 참조하여, 상기와 같이 구성된 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 장치(11)에서 제1 내지 제3 용액의 유동에 의해 전기가 생산되는 공정을 설명하면 다음과 같다.

이하에서는 제1 용액 공급부가 제1 및 제2 엔드 플레이트(131,141)의 제1 용액 유입 포트(105)와 각각 연결되어 제1 용액이 공급되고, 제2 및 제3 용액이 제1 엔드 플레이트(131)의 제2 및 제1 유동 포트(112a, 111a)와 각각 연결되어 제2 및 제3 용액을 공급하는 것을 예로 들어 설명하지만, 제1 및 제2 엔드 플레이트(131,141) 모두에 제2 및 제3 용액 공급부가 각각 연결되어 양 측에서 제2 및 제3 용액을 각각 공급할 수도 있음을 이해하여야 한다.

먼저 도 16의 화살표를 참조하여 제1 용액의 유동 경로를 설명하면, 제1 용액 유입포트(105)로 유입된 제1 용액은 제3 가스켓(303)의 유동 안내부(312) 내에서 유동한 후 제1 용액 배출포트(106)로 배출될 수 있다.

다음으로, 도 17의 화살표를 참조하여 제2 용액의 유동 경로를 설명하면, 제2 유동포트(112a)로 유입된 제2 용액은, 제3 가스켓(303a)의 통과홀(322a)을 통과하여 양이온 교환막(210a)의 제2 유동홀(212a)로 유입된 제2 용액은 제2 가스켓(3021a)의 유동 안내부(311)를 통과하여 음이온 교환막(230a)의 제2유동홀(212a)로 유입된다.

이 때, 점선 화살표를 참조하면, 제2 용액 중 일부는 제2 가스켓(3021a)의 유동 안내부(311)를 따라 유동하여 제1 전극 측을 향하여 양이온 교환막(210a)의 제4 및 제6 유동홀(211b, 213b)을 통과한 후 제3 가스켓(303a)의 제4 및 제6 통과홀(322d, 322f)을 통과하여 제1 엔드 플레이트(131)의 제4 및 제6 유동 포트(111b, 113b)로 배출될 수 있다.

이어서, 음이온 교환막(230a)의 제2유동홀(212a)로 유입된 제2 용액은, 제2 가스켓(3021b)의 통과홀(321a) 및 양이온 교환막(210b)의 제2 유동홀(212a)을 차례로 통과한 후, 제2 가스켓(3022a)의 유동 안내부를 따라 유동 한 후, 제1 전극 측을 향하여 각각의 통과홀을 통과 한 후 제4 및 제6 유동 포트(111b, 113b)로 배출될 수 있다.

이와 동시에 유동하는 제3 용액의 유동 경로를 도 18을 참조하여 설명하면, 제1 유동포트(111a)로 유입된 제3 용액은 제3 가스켓(303)의 통과홀(322a)을 통과하여 양이온 교환막(210a)의 제1 유동홀(211a), 제2 가스켓(3021a)의 통과홀(321a) 및 음이온 교환막(230a)의 제1 유동홀(211a)로 유입된 후, 제2 가스켓(3021b)의 유동 안내부(311)를 통과하여 양이온 교환막(210b)의 제1 유동홀(211a)로 유입된다.

이 때, 점선 화살표를 참조하면, 제3 용액 중 일부는 제2 가스켓(3021b)의 유동 안내부(311)를 따라 유동하여 제1 전극 측을 향하여 음이온 교환막(230a)의 제3 및 제5 유동홀(213a, 212b), 제2 가스켓(3021a)의 통과홀(321b, 321c), 양이온 교환막(210a)의 제3 및 제5 유동홀(213a, 212b) 및 제3 가스켓(303a)의 제3 및 제5 통과홀(322c, 322e)을 차례로 각각 통과하여 제1 엔드 플레이트(131)의 제 3 및 제5 유동 포트(113a, 112b)로 배출될 수 있다.

이어서, 양이온 교환막(210b)의 제1 유동홀(211a)로 유입된 제3 용액은, 제2 가스켓(3022a)의 통과홀(321a) 및 음이온 교환막(230b)의 제1 유동홀(211a)을 차례로 통과한 후, 제2 가스켓(3022b)의 유동 안내부를 따라 유동 한 후, 제1 전극 측을 향하여 각각의 통과홀을 통과 한 후 제3 및 제5 유동 포트(113a, 112b)로 배출될 수 있다.

이 때, 제3 용액 내의 양이온 및 음이온이 각각 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 통과하여 제2 용액 내로 이동함에 따라 농도차에 의한 전위차가 발생하게 되고, 제1 전극 측을 유동하는 제1 용액에 의해 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극에서 각각 산화 및 환원 반응이 발생하여 전기가 생산될 수 있다.

도 19는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 역전기투석 장치(11) 내에서의 유효 면적(410)을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 19를 참조하면, 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 배치된 인접하는 2개의 제2 가스켓(302a, 302b) 및 제3 가스켓(303)의 유동 안내부를 각각 전극부로 투영했을 때, 각각의 유동 안내부(311,312)가 교차하여 중첩되는 교차영역(410)은 육각 형상을 갖는다.

여기서, 상기 제1 각도는 60도 이고, 교차 영역은 정육각 형상일 수 있다.

다시 말하면, 제2 및 제3 가스켓(302,303)에 의해 형성되는 제1 내지 제3 유로(501, 502, 503)를 동일 평면상에 투영(정사영) 시키면, 제1 내지 제3 유로가 겹쳐지는 면적인 유효면적(410)은 육각형을 갖게 된다.

여기서, 상기 제1 내지 제3 유로 상에는 스페이서(미도시)가 각각의 유로 상에 추가로 포함될 수 있다.

한편, 전술한 상기 제1 및 제2 실시예에 따른 역전기투석 장치(11,12)에서의 제1 및 제2 엔드플레이트는 6개의 모서리(1a,1b,2a,2b,3a,3b), 즉 서로 마주하는 3 쌍의 모서리(1a,1b,2a,2b,3a,3b)로 둘러싸인 육각형으로 형성되고, 제1 및 제2 엔드플레이트의 각각의 유동 포트(111a, 112a, 113a, 111b, 112b, 113b)는 6개의 모서리에서 각각 소정 간격 떨어져 배치될 수 있다.

이 때, 각각의 유동 포트(111a, 112a, 113a, 111b, 112b, 113b)의 폭(w1)은 각각의 모서리의 폭(w2) 보다 작거나 같게 형성된다. 즉, 각각의 유동 포트를 각각의 모서리 측으로 투영시키면, 각각의 유동포트의 폭의 길이가 모서리 보다 작거나 같게 형성될 수 있다.

또한, 이와 마찬가지로, 도 3을 참조하면, 각각의 양이온 교환막(210a,210b, 210c) 및 음이온 교환막(230a, 230b) 또한 6개의 모서리(1a,1b,2a,2b,3a,3b), 즉 서로 마주하는 3 쌍의 모서리(1a,1b,2a,2b,3a,3b)로 둘러싸인 육각형으로 형성되고, 상기 이온교환막의 각각의 유동홀(211a, 212a, 213a, 211b, 212b, 213b)은 6개의 모서리에서 각각 소정 간격 떨어져 배치될 수 있다.

이 때, 각각의 유동홀(211a, 212a, 213a, 211b, 212b, 213b)의 폭(w1a)은 각각의 모서리 폭(w2a) 보다 작거나 같게 형성된다. 즉, 각각의 유동홀을 각각의 모서리 측으로 투영시키면, 각각의 유동홀의 폭의 길이가 모서리 보다 작거나 같게 형성될 수 있다.

또한, 이와 마찬가지로, 도 6 및 도 14를 참조하면, 제1 가스켓 내지 제3 가스켓(301, 302, 303) 또한, 6개의 모서리(1a,1b,2a,2b,3a,3b), 즉 서로 마주하는 3 쌍의 모서리(1a,1b,2a,2b,3a,3b)로 둘러싸인 육각형으로 형성되고, 각각의 가스켓에 형성되어 유체가 유입 및 유출되는 각각의 통과홀(320a, 320b, 320c, 320d, 321a, 321b, 321c, 322a, 322b, 322c, 322d, 322e, 322f) 및 유동 안내부(310, 311,312)는 6개의 모서리에서 각각 소정 간격 떨어져 배치될 수 있다.

이 때, 통과홀(320a, 320b, 320c, 320d, 321a, 321b, 321c, 322a, 322b, 322c, 322d, 322e, 322f)의 폭(w1b) 및 유동 안내부(310, 311,312)의 폭(w1c)은 각각 인접하게 배치된 각각의 모서리 폭(w2b) 보다 작거나 같게 형성된다, 즉, 각각의 유동안내부 및 통과홀을 각각의 모서리 측으로 투영시키면, 각각의 유동안내부 및 통과홀의 폭의 길이가 모서리의 길이 보다 작거나 같게 형성될 수 있다.

도 20은 본 발명의 제3 실시예에 따른 역전기투석 장치(12)를 나타낸 분해사시도, 도 21은 도 20의 이온교환막과 제4 가스켓이 접촉된 상태를 나타낸 사시도, 도 22(a)는 도 20을 조립한 도면, 도 22(b)는 도 20의 내부에서 형성되는 유효면적을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 역전기투석 장치(12)는, 제1 및 제2 실시예에서 전술한 제1 및 제2 엔드플레이트(101)의 각각의 유동 포트를 통과하여 유입되는 유동 경로를 측면 측으로 유입되도록 형성한 것이다. 따라서, 이하에서는 역전기투석 장치(12)에서 따로 언급되지 않는 구성요소는 제1 및 제2 실시예에서 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.

도 20 내지 도 22를 참조하면, 상기 제3 실시예에 따른 역전기투석 장치(12)는, 제1 전극부(1010) 및 제1 전극부(1010)와 전기적으로 연결되며, 소정 간격 떨어져 배치된 제2 전극부(1020)을 포함한다.

또한, 상기 제1 전극부(1010) 및 제2 전극부(1020) 사이에 번갈아 각각 배치되는 복수 개의 양이온 교환막(2100a, 2100b, 2100c) 및 음이온 교환막(2300a, 2300b)을 포함한다.

또한, 상기 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 배치되는 복수 개의 제4 가스켓(304)을 포함하고, 양이온 교환막 및 음이온 교환막은, 각각 제1 전극부를 향하는 제1 면(21)과 제2 전극부를 향하는 제2 면(23)을 가질 수 있다.

상기 제1면(21) 과 제2면(23)은 각각 서로 마주하는 한 쌍의 제1 모서리부(11a, 11b), 한 쌍의 제2 모서리부(12a,12b), 및 한 쌍의 제3 모서리부(13a,13b)를 갖고, 제1 내지 제3 모서리부(11a, 11b, 12a,12b, 13a,13b)는 둘레방향을 따라 연속하여 배치되며, 제1 모서리부(11a, 11b)와 제2 모서리부(12a,12b) 사이 각도는, 120도이다.

상기 제4 가스켓(304)은, 양이온 교환막의 제1면에서, 한 쌍의 제3 모서리부(13a, 13b) 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부(11a,11b,12a,12b)가 차폐되도록 양이온 교환막에 마련되고, 음이온 교환막의 제1면(21)에서, 한 쌍의 제2 모서리부(12a,12b) 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부(11a,11b,13a,13b)가 차폐되도록 음이온 교환막에 마련될 수 있다.

즉, 상기 제4 가스켓(304)은 양이온 교환막 및 음이온 교환막의 제1면 상에 접촉하여 배치될 수 있다.

또한, 상기 제4 가스켓(304)은, 제1 전극부(1010) 측에 인접하는 양이온 교환막(2100a)의 제1면(21)에서, 한 쌍의 제1 모서리부(11a,11b) 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부(12a,12b,13a,13b)가 차폐되도록 양이온 교환막(2100a)에 마련되고, 제2 전극부 측에 인접하는 양이온 교환막(2100c)의 제2면(23)에서, 한 쌍의 제1 모서리부(11a,11b) 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부(12a,12b,13a,13b)가 차폐되도록 양이온 교환막(2100c)에 마련될 수 있다.

이에 더하여, 상기 한 쌍의 제1 모서리부(11a,11b)의 중심을 통과하는 가상의 제3 선분(L31)과 한 쌍의 제2 모서리부(12a,12b)의 중심을 통과하는 가상의 제4 선분(L32) 사이의 제4 각도(θ4)는 90도 미만일 수 있다.

특히, 상기 제4 각도는 60도 일 수 있다.

상기 제4 가스켓은, 한 쌍의 제1 내지 제3 모서리부(11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b) 중 인접하는 두 쌍의 모서리부 측의 적어도 일부 영역 상에 각각 배치될 수 있다.

상기 인접하는 제4 가스켓(304)은, 소정의 제5 각도로 회전된 상태로 배치될 수 있다.

즉, 제1 전극부 측에 가장 인접하는 제4 가스켓(304)을 기준으로 제1 전극부에서 제2 전극부를 향하여 차례로 인접하는 양이온 교환막(2100)과 음이온 교환막(2300) 사이의 제4 가스켓(304)은, 반 시계방향(역방향)으로 소정의 제5 각도만큼 회전되어 배치될 수 있고, 차례로 인접하는 음이온 교환막(2300)과 양이온 교환막(2100) 사이의 제4 가스켓(304)은 시계방향(정방향)으로 소정의 제5 각도 만큼 회전되어 배치될 수 있다.

여기서, 상기 제4 각도는, 제5 각도와 동일한 각도 일 수 있으며, 특히 제5 각도는 60도 일 수 있다.

한편, 상기 제1 전극부(1010)는 제1 엔드 플레이트(1011) 및 제1 엔드 플레이트의 소정 영역 상에 장착되는 제1 전극(1100)을 포함하고, 제2 전극부(1020)는 제2 엔드 플레이트(1021) 및 제2 엔드 플레이트의 소정 영역 상에 장착되는 제2 전극(1200)을 포함하며, 제1 전극(1100)과 제2 전극(1200)은 전기적으로 연결될 수 있다.

또한, 상기 제1 전극(1100) 및 제2 전극(1200)은, 제1 엔드 플레이트(1011) 및 제2 엔드플레이트(1021)의 소정 영역 상에 각각 삽입 장착될 수 있으며, 각각의 엔드플레이트(1011, 1021)와 일체로 형성되어 각각의 전극부를 이룰 수 있다.

상기 제1 및 제2 엔드플레이트(1010, 1020)는, 소정의 두께를 가지며, 제1전극(1100) 및 제2전극(1200)이 각각 배치된 제1면(1010a, 1020a) 및 제1면의 반대방향의 제2면(1010b, 1020b)을 가진다. 따라서, 상기 제1전극 및 제2 전극은 서로 마주하도록 배치될 수 있다.

여기서, 상기 제1 엔드 플레이트(1011) 및 제2 엔드 플레이트(1021)는 전술한 제1 및 제2 실시예의 제1 및 제2 엔드플레이트(130,140)에서 각각의 유동 포트가 형성되지 않은 형태일 수 있다.

상기 복수 개의 양이온 교환막(2100) 및 음이온 교환막(2300)은, 서로 번갈아 차례로 각각 배치되어 제1전극부(1010) 및 제2전극부(1020) 사이에 제2 용액이 유동하는 하나 이상의 제2 유로(408) 및 제3 용액이 유동하는 하나 이상의 제3 유로(409)를 구획할 수 있다.

또한, 상기 제1 전극은 산화전극 또는 환원전극 중 어느 하나일 수 있고, 제2 전극(1200)은 산화전극 또는 환원전극 중 나머지 하나 일 수 있다.

상기 산화전극과 환원전극에 대한 구체적인 예는 앞서 제1 실시예에서 전술한 내용과 동일하게 적용될 수 있다.

상기 제4 가스켓(304)은, 각각의 이온교환막에 접촉하여 배치될 때, 유체가 제1 모서리부(11a,11b) 측을 향하여 유동되도록 즉, 제2 및 제3 모서리부(12a,12b,13a,13b) 측으로 유체가 유입되지 않도록 이온교환막의 한 쌍의 제2 및 제3 모서리부 측의 적어도 일부 영역 상에 배치되거나, 유체가 제2 모서리부 측을 향하여 유동되도록 즉, 제1 및 제3 모서리부 측으로 유체가 유입되지 않도록 이온교환막의 한 쌍의 제1 및 제3 모서리부 측의 적어도 일부 영역 상에 배치되거나, 유체가 제3 모서리부 측을 향하여 유동되도록 즉, 제1 및 제2 모서리부 측으로 유체가 유입되지 않도록 이온교환막의 한 쌍의 제1 및 제2 모서리 측의 적어도 일부 영역 상에 배치되도록 마련될 수 있다.

구체적으로, 상기 제4 가스켓(304)은 소정의 폭을 가지며, 이온교환막 상의 인접하는 2개의 모서리부의 길이방향(폭방향)을 따라 연장되게 형성되며, 대략 '〈' 형상을 갖도록 형성되어 한 쌍의 제1 및 제2 모서리부 측 또는 한 쌍의 제2 및 제3 모서리부 측 또는 한 쌍의 제1 및 제3 모서리부 측을 차폐하도록 각각 배치될 수 있다.

상기와 같이, 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 배치된 제4 가스켓(304)에 의해 제1 모서리부 또는 제2 모서리부 또는 제3 모서리부 측으로 유체가 유입되어 인접하는 이온교환막의 표면을 접촉하며 유동하여 배출되는 유체 유동 유로가 형성될 수 있다.

즉, 본 문서에서는 제4 가스켓(304)이 이온교환막의 한 쌍의 제2 및 제3 모서리부 측의 적어도 일부 영역 상에 배치되어 제1 모서리부 측으로 유체가 유동하여 이온교환막 상(표면)에 접촉하며 유동하는 일부 영역(공간)을 제1 유로(407), 이온교환막의 한 쌍의 제1 및 제3 모서리부 측의 적어도 일부 영역 상에 배치되어 제2 모서리부 측으로 유체가 유동하여 이온교환막 상(표면)에 접촉하며 유동하는 일부 영역(공간)을 제2유로(408) 및 이온교환막의 한 쌍의 제1 및 제2 모서리부 측의 적어도 일부 영역 상에 배치되어 제3 모서리부 측으로 유체가 유동하여 이온교환막 상(표면)에 접촉하며 유동하는 일부 영역(공간)을 제3유로(409)로 정의(지칭)할 수 있다.

전술한 각각의 유로는, 인접하는 2개의 이온교환막 사이 및 각각의 엔드 플레이트와 인접하는 이온교환막 사이에서 각각의 제4 가스켓이 접촉하여 배치될 때, 제4 가스켓이 배치되지 않은 영역만큼의 소정의 공간이 형성됨으로써 마련될 수 있다.

여기서, 예를 들어, 상기 제1유로(407)에는 제1 용액이 유입되어 유동할 수 있고, 제2유로(408)에는 제2 용액이 유입되어 유동할 수 있고, 제3유로(409)에는 제3용액이 유입되어 유동할 수 있다.

이에 더하여, 상기 제1 및 제2 전극부(1010,1020) 사이에 복수 개의 이온교환막 및 제4 가스켓(304)이 적층된 상태에서, 한 쌍의 제1 모서리부(11a,11b) 만을 통해 유체가 유동하고 나머지 모서리부(12a,12b,13a,13b)가 차폐되도록 배치된 제4 가스켓(304)에 의해 제1 용액이 유동하는 제1 유로(407)가 마련될 수 있다.

또한, 한 쌍의 제2 모서리부(12a,12b) 만을 통해 유체가 유동하고 나머지 모서리부(11a,11b,13a,13b)가 차폐되도록 배치된 제4 가스켓(304)에 의해 제2 용액이 유동하는 제2 유로(408)가 마련되며, 한 쌍의 제3 모서리부(13a,13b) 만을 통해 유체가 유동하고 나머지 모서리부(11a,11b.12a,12b)가 차폐되도록 배치된 제4 가스켓(304)에 의해 제3 용액이 유동하는 제3 유로(409)가 마련되고, 제2 및 제3 용액이 각각 제2 및 제3 유로(408,409)를 유동할 때, 제2 용액과 제3 용액의 농도차에 의한 전위차에 의해 전기가 생산될 수 있다.

상기 각각의 제4 가스켓(304)에 의해 형성된 제1 내지 제3 유로(407,408,409)를 각각 전극부로 투영했을 때, 각각의 유로가 교차하여 중첩되는 교차영역(420)이 육각 형상을 갖는다.

상기 교차영역(420)은 정육각 형상을 갖는다.

상기와 같이 배치된 제4 가스켓에 의해, 제1 내지 제3 용액은 서로 다른 방향으로 유동하게 되고, 이 때, 스택 내에서 전력밀도에 영향을 주는 제1 내지 제3 용액이 교차하는 유효면적은 육각형을 갖게 된다.

도 22를 참조하여 다시 말하면, 상기 제1 유로(407) 내지 제3 유로(409)를 동일 평면상에 투영(정사영)시키면, 제1 내지 제3 유로(407,408,409)가 겹쳐지는 면적인 유효면적(420)은 육각형을 갖게 된다.

상기 각각의 유로 상에는 스페이서(미도시)가 추가로 포함될 수 있다.

도 23은 본 발명의 제3 실시예에 따른 제1 내지 제3 용액 저장조를 설명하기 위해 나타낸 사시도, 도 24는 도 20의 제1 내지 제3 용액의 유동에 의해 전기가 생산되는 공정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 23을 참조하면, 본 발명은 상기와 같이 구성된 제1 및 제2 엔드플레이트 사이에 마련된 복수 개의 이온교환막 및 가스켓, 스페이서를 적층하여 볼트 등을 이용하여 조립할 수 있다. 상기와 같이 조립된 상태에서, 본 발명은 제1 내지 제3 용액을 공급 및 배출하도록 마련된 각 한 쌍의 제1 내지 제3 용액 저장조(801,802,803)를 포함한다.

구체적으로, 상기 한 쌍의 제1 내지 제3 용액 저장조(801a, 801b, 802a, 802b,803a,803b)는 각각, 한 쌍의 제1 내지 제3 모서리부(11a,11b,12a,12b,13a,13b) 측에 각각 장착되어 제1 내지 제3 용액을 공급 및 배출 하도록 마련될 수 있다.

상기 제1 용액은 한 쌍 중 하나의 제1 모서리부(11a) 측으로 유입되어 유동한 후 마주하는 제1 모서리부(11b) 측으로 배출되며, 제2 용액은 한 쌍 중 하나의 제2 모서리부(12a) 측으로 유입되어 유동한 후 마주하는 제2 모서리부(12b) 측으로 배출되고, 제3 용액은 한 쌍 중 하나의 제3 모서리부(13a) 측으로 유입되어 유동한 후 마주하는 제3 모서리부(13b) 측으로 배출될 수 있다.

상기 각각의 용액 저장조는, 제1 엔드플레이트의 끝단에서 마주하는 제2 엔드플레이트의 끝단을 따라 연장되게 마련될 수 있다.

상기 각 한 쌍의 용액 저장조(801,802,803) 중 하나의 용액 저장조(801a, 802a, 803a 또는 801b, 802b, 803b)는 각각 제1 내지 제3 용액 공급부(미도시)와 유체 이동 가능하게 연결되어 연속적으로 각각의 용액을 역전기투석 장치(12) 내로 공급할 수 있다.

도 23 및 도 24의 화살표를 참조하여 상기와 같이 구성된 본 발명의 제3 실시예에 따른 역전기투석 장치(12)에서 제1 내지 제3 용액의 유동에 의해 전기가 생산되는 공정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제1 용액 내지 제3 용액이 제1 내지 제3 용액 저장조(801a,802a,803a)에서 역전기투석 장치 내로 각각 공급된다.

상기와 같이, 제1 용액 저장조(801a)에서 역전기투석 장치 내로 제1 용액이 공급되면, 제4 가스켓에 의해 형성된 제1 유로(407)를 유동하여 제1 및 제2 전극과 각각 접촉한 후 마주하는 제1 용액 저장조(801b)로 배출될 수 있다.

이와 동시에, 제2 용액 저장조(802a)에서 역전기투석 장치 내로 제2 용액이 공급되면, 제4 가스켓에 의해 형성된 제2 유로(408)를 유동한 후 마주하는 제2 용액 저장조(802b)로 배출될 수 있다.

이와 동시에, 제3 용액 저장조(803a)에서 역전기투석 장치 내로 제3 용액이 공급되면, 제4 가스켓에 의해 형성된 제3유로(409)를 유동할 때, 제3 용액은 제2 용액 보다 상대적으로 고농도의 용액이므로, 제3 용액 내에 있는 양이온 및 음이온이 양이온 교환막과 음이온 교환막을 각각 통과하여 제2 용액 내로 유동하며, 마주하는 제3 용액 저장조(803b)로 배출될 수 있다.

상기와 같이, 제3 용액 내에 있는 양이온 및 음이온이 양이온 교환막과 음이온 교환막을 각각 통과하여 제2 용액 내로 유동할 때, 농도차에 의한 전위차가 발생하게 되고, 이 때, 각각의 전극 측에서 산화 및 환원 반응이 발생하게 되어 전기가 생산될 수 있다.

또한, 상기와 같은 과정에서 제2 용액 저장조(802b)로 배출되는 제2 용액은 역전기투석 장치 내로 공급된 제2 용액에 비해 상대적으로 높은 농도를 가질 수 있다.

이와 반대로, 제3 용액 저장조(803b)로 배출되는 제3 용액은 역전기투석 장치 내로 공급된 제3 용액에 비해 상대적으로 낮은 농도를 가질 수 있다.

예를 들어, 제2 용액으로 담수가 공급되고, 제3 용액으로 해수가 공급될 때, 배출되는 제2용액 및 제3 용액은 각각 기수일 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 역전기투석 장치(12)는, 육각형으로 형성하여 제1 내지 제3 모서리부 측을 각각 유체 유입부로 이용함으로써, 제1 내지 제3 용액이 각각 유입되는 유입구가 대략 60도 각도를 갖도록 형성된다.

즉, 인접하는 2개의 모서리의 내각은 60도 각도를 가지므로, 유입되는 유체도 서로 60도의 각도를 갖도록 교차 흐름을 갖게 된다. 이러한 교차 흐름을 통해 제1 내지 제3 용액이 교차하는 유효면적 또한 육각형을 갖게 된다.

또한, 본 발명의 제1 및 제3 실시예에 따른 각각의 유효면적은, 각각의 가스켓에 의해 제1 내지 제3 용액이 서로 60도의 각도를 갖도록 하여 교차 흐름이 육각 형상을 갖게 된다.

도 25는, 전술한 바와 같이, 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 역전기투석 장치(10, 11, 12)에서, 네른스트 식에 따라 4개의 영역으로 구분되는 내부를 도시한 도면이다.

도 25를 참조하면, 전술한 본 발명은, 도 1과 비교하여, 전력밀도에 가장 큰 영향을 주는 첫번째 영역(Ⅰ영역)이 보다 큰 면적을 형성하게 되고, 전력밀도가 가장 낮은 영역인 네번째 영역(Ⅳ 영역)은 보다 작은 면적을 형성하게 됨으로써, 전체적으로 종래에 비해 보다 큰 전력밀도를 얻을 수 있게 된다.

전술한 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 역전기투석 장치(10,11,12)에서는 3개의 양이온 교환막과 2개의 음이온 교환막이 번갈아 배치된 구성을 예를 들어 설명하였지만, 이온교환막의 개수는 필요에 따라 적절하게 선택하여 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 제1 및 제2 전극은 각각의 유효 면적과 대응하게 각각 육각 형상을 갖도록 형성하고 있으며, 유효 면적과 동일만 면적(대응하는 면적)을 갖도록 형성될 수 있어, 출력밀도를 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

한편, 이하에서는 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 역전기투석 장치(10,11,12)를 각각 복수 개 마련하여, 이를 직렬연결 또는 병렬연결 함으로써 보다 많은 출력을 얻을 수 있는 장치에 대해 설명한다.

도 26은 제1 및 제2 실시예에 따른 역전기투석 장치(10, 11)를 직렬로 연결한 상태를 나타낸 도면이다.

도 26을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치(10)를 각각 포함하고, 각각의 생체 모방형 역전기투석 장치의 제1 엔드 플레이트는, 인접하게 배치된 다른 생체 모방형 역전기투석 장치의 제2 엔드 플레이트와 서로 유체이동 가능하게 연결 장착되며, 제1 엔드 플레이트의 제1 내지 제3 유동포트는, 인접하게 배치된 제2 엔드 플레이트의 제1 내지 제3 유동포트와 각각 유체 이동 가능하게 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치(11)를 각각 포함하고, 각각의 생체 모방형 역전기투석 장치의 제1 엔드 플레이트는, 인접하게 배치된 다른 생체 모방형 역전기투석 장치의 제2 엔드 플레이트와 서로 유체이동 가능하게 연결 장착되며, 제1 엔드 플레이트의 제1 내지 제6 유동포트는, 인접하게 배치된 제2 엔드 플레이트의 제1 내지 제6 유동포트와 각각 유체 이동 가능하게 연결될 수 있다.

즉, 상기와 같이 직렬로 역전기투석 장치(10,11)를 복수 개 연결할 때, 각각의 엔드플레이트에 형성된 서로 대응하는 각각의 유동포트가 서로 유체이동 가능하도록 연결된다.

상기와 같이, 제1 실시예에 따른 역전기투석 장치가 직렬 연결 상태에서 양 측 끝에 마련된 역전기투석 장치(10a, 10c,) 중 적어도 하나의 역전기투석 장치(10a)로 제1 내지 제3 유동포트를 통해 제1 내지 제3 용액이 공급되면, 이와 각각 유체이동 가능하게 연결된 가스켓의 통과홀 및 이온교환막의 제1 내지 제3 유동홀을 통과하여 유동하며, 직렬 연결된 다른 역전기투석 장치(10b, 10c)의 제1 내지 제3 유동포트를 통해 제1 내지 제3 용액이 유입된다.

또한, 제2 실시예에 따른 역전기투석 장치가 직렬 연결 상태에서 양 측 끝에 마련된 역전기투석 장치(11a, 11c) 중 적어도 하나의 역전기투석 장치(11a)로 제1 및 제2 유동포트를 통해 제3 및 제2 용액이 각각 공급되면, 이와 각각 유체이동 가능하게 연결된 가스켓의 통과홀 및 이온교환막의 제1 내지 제6 유동홀을 통과하여 유동하며, 직렬 연결된 다른 역전기투석 장치(10b, 10c)의 제1 및 제2 유동포트를 통해 제2 및 제3 용액이 유입된다.

여기서, 상기 제2 실시예에 따른 역전기투석 장치(11)가 복수 개 직렬로 연결될 때, 제1 용액이 유입 및 유출되는 제1 용액 유입 포트 및 제1 용액 유출 포트는 각각의 엔드플레이트의 측면 측에 각각 형성될 수 있다.

상기 생체 모방형 역전기투석 장치 모듈은, 전술한 제3 실시예에 따른 복수 개의 역전기투석 장치(12)가 직렬로 연결된 상태 일 수 있다.

도 27을 참조하면, 생체 모방형 역전기투석 장치 모듈은, 제1 전극부 및 제1 전극부와 전기적으로 연결되며, 소정 간격 떨어져 배치된 제2 전극부; 제1 전극부 및 제2 전극부 사이에 번갈아 각각 배치되는 복수 개의 양이온 교환막 및 음이온 교환막; 및 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 배치되는 복수 개의 제4 가스켓; 을 포함한다.

상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막은, 각각 제1 전극부를 향하는 제1 면과 제2 전극부를 향하는 제2 면을 가진다.

상기 제1 면과 제2 면은 각각 서로 마주하는 한 쌍의 제1 모서리부, 한 쌍의 제2 모서리부, 및 한 쌍의 제3 모서리부를 갖고, 제1 내지 제3 모서리부는 둘레방향을 따라 연속하여 배치된다.

상기 제1 모서리부와 제2 모서리부 사이 각도는, 120도이고, 제4 가스켓은, 양이온 교환막의 제1 면에서, 한 쌍의 제3 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부가 차폐되도록 양이온 교환막에 마련된다.

상기 음이온 교환막의 제1 면에서, 한 쌍의 제2 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부가 차폐되도록 음이온 교환막에 마련되는 것을 각각 포함한다.

상기 복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치; 및 복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치로 제1 내지 제3 용액을 각각 공급 및 배출하기 위한 한 쌍의 제1 용액 저장조, 한 쌍의 제2 용액 저장조 및 한 쌍의 제3 용액 저장조를 각각 포함한다.

상기 복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치가 직렬로 연결될 때, 제1 용액 저장조는, 길이 방향을 따라 연장되게 형성되어, 제1 모서리부 측에 각각 장착되고, 제2 용액 저장조는, 길이 방향을 따라 연장되게 형성되어 제2 모서리부 측에 각각 장착되고, 제3 용액 저장조는, 길이 방향을 따라 연장되게 형성되어 제3 모서리부 측에 각각 장착되어, 한 쌍 중 하나의 제1 내지 제3 용액 저장조는 제1 내지 제3 용액을 제1 내지 제3 모서리부 측으로 각각 공급하고, 나머지 하나의 제1 내지 제3 용액 저장조는, 공급된 제1 내지 제3 용액이 제1 내지 제3 모서리부 측에서 배출되어 수용되도록 마련될 수 있다.

상기 각 한 쌍의 제1 내지 제3 용액 저장조(801a,801b, 802a, 802b, 803a, 803b)는, 직렬로 연결된 복수 개의 역전기투석 장치(12; 12a, 12b, 12c)의 길이방향(L)을 따라 연장되게 마련될 수 있다.

즉, 복수 개의 역전기투석 장치(12; 12a, 12b, 12c)가 직렬로 연결된 상태에서, 각각의 용액 저장조는, 양 측 끝에 마련된 역전기투석 장치(12a, 12c)의 각각의 엔드플레이트를 따라 연장되게 마련될 수 있다.

다시 말하면, 직렬로 연결된 복수 개의 역전기투석 장치(12; 12a, 12b, 12c) 각각의 제1 내지 제3 모서리 측을 둘러 싸도록 각각 장착될 수 있다.

상기 생체 모방형 역전기투석 장치 모듈은, 전술한 제3 실시예에 따른 복수 개의 역전기투석 장치(12)가 병렬로 연결된 상태 일 수 있다.

도 28을 참조하면, 생체 모방형 역전기투석 장치 모듈은, 제1 전극부 및 제1 전극부와 전기적으로 연결되며, 소정 간격 떨어져 배치된 제2 전극부; 제1 전극부 및 제2 전극부 사이에 번갈아 각각 배치되는 복수 개의 양이온 교환막 및 음이온 교환막; 및 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 배치되는 복수 개의 제4 가스켓; 을 포함한다.

상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막은, 각각 제1 전극부를 향하는 제1 면과 제2 전극부를 향하는 제2 면을 가지며, 제1 면과 제2 면은 각각 서로 마주하는 한 쌍의 제1 모서리부, 한 쌍의 제2 모서리부, 및 한 쌍의 제3 모서리부를 갖고, 제1 내지 제3 모서리부는 둘레방향을 따라 연속하여 배치되며, 제1 모서리부와 제2 모서리부 사이 각도는, 120도이고, 제4 가스켓은, 양이온 교환막의 제1 면에서, 한 쌍의 제3 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부가 차폐되도록 양이온 교환막에 마련된다.

상기 음이온 교환막의 제1 면에서, 한 쌍의 제2 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부가 차폐되도록 음이온 교환막에 마련되는 것을 각각 포함하는, 복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치; 및 복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치로 제1 내지 제3 용액을 각각 공급 및 배출하기 위한 한 쌍의 제1 용액 저장조, 한 쌍의 제2 용액 저장조 및 한 쌍의 제3 용액 저장조를 각각 포함하며, 복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치가 병렬로 연결될 때, 각각의 용액 저장조를 매개로 인접하는 2개의 생체 모방형 역전기투석 장치가 유체이동 가능하게 연결될 수 있다.

먼저, 상기 병렬 연결된 역전기투석 장치 모듈을 보다 쉽게 설명하기 위해, 복수 개의 역전기투석 장치(12)를 예를 들어, 각각 제1 스택(12a), 제2 스택(12b), 제3 스택(12c), 제4 스택(12d), 제5 스택(12e)로 지칭하여 설명한다.

상기 역전기투석 장치 모듈의 제1 내지 제3 용액 저장조는, 인접하는 2개의 스택의 하나의 모서리 측을 각각 연결하도록 장착될 수 있다.

즉, 각각의 용액 저장조를 매개로 인접하는 2개의 스택이 각각 연결될 수 있으며, 용액 저장조의 일측이 어느 하나의 스택과 연결되고, 타측이 다른 어느 하나의 스택과 연결될 수 있다.

예를 들어, 제1 내지 제3 용액 저장조 각각의 일측은 스택의 어느 하나의 모서리 측과 연결되고, 타측은 다른 스택의 어느 하나의 모서리 측과 연결될 수 있다.

일 예로, 제1 스택(12a)의 제3 용액 저장조(803b)의 일측은, 제1 스택(12a)과 연결되고 타측은 제2 스택(12b)과 연결되어 제3 용액 저장조(803b)를 매개로 제1 스택(12a)과 제2 스택(12b)은 연결될 수 있다.

또한, 제1 스택(12a)의 제2 용액 저장조(802b)의 일측은 제1 스택(12a)과 연결되고, 타측은 제3 스택(12c)과 연결되어 제2 용액 저장조(802b)를 매개로 제1 스택(12a)과 제3 스택(12c)을 연결될 수 있다.

또한, 제1 스택(12a)의 제1 용액 저장조(801b)는 제1 스택(12a)과 제4 스택(12d)을 연결할 수 있다.

이러한 방식으로 각각의 스택들이 병렬로 연결될 때, 도 26의 화살표를 참조하여 유체의 유동을 설명하면 다음과 같다.

상기 제1 스택(12a)의 제1 내지 제3 용액 저장조(801a, 802a,803a)로부터 제1 내지 제3 용액이 공급되면, 제1 용액은 스택 내의 유로를 따라 마주하는 제1 용액 저장조(801b)로 배출된 후, 제1 용액 저장조(801b)에서 제4 스택(12d)으로 제1 용액이 공급될 수 있다.

즉, 제1 스택(12a)에서 공급된 제1 용액을 다른 스택 내로 공급할 수 있어, 제1 용액을 각각의 스택에 따로 공급하지 않아도 되는 장점이 있다.

또한, 제1 스택(12a)을 통과한 제2 및 제3 용액은 마주하는 제2 및 제3 용액 저장조(802b, 803b)로 배출된 후, 제2 용액은 제3 스택(12c) 내로 공급될 수 있고, 제3 용액은 제2 스택(12b) 내로 공급될 수 있다.

전술한 바와 같이, 유기적으로 연결된 각각의 스택들을 적절하게 배치하여, 스택 내에서 배출되는 유체를 보다 쉽게 활용할 수 있게 된다.

이에 더하여, 본 발명의 제6 실시예에 따른 역전기투석 장치 모듈은 제3 실시예에 따른 역전기투석 장치(12)를 병렬로 복수 개 연결할 수 있다. 이 때, 각각의 제1 내지 제3 용액 공급조가 스택을 둘러싸도록 각각의 모서리에 장착되는 것이 아니고, 복수 개의 스택들이 병렬로 연결될 때, 스택 사이, 사이에 배치되어, 각각의 스택이 연결될 수 있다.

도 29를 참조하면, 상기 역전기투석 장치 모듈은, 각각의 스택의 길이방향을 따라 연장되게 형성되고, 내부에 유체가 저장되도록 소정의 공간부를 갖도록 마련된 복수 개의 용액 저장조(900)를 포함한다.

상기 용액 저장조(900)에는 전술한 제1 내지 제3 용액이 적절하게 공급될 수 있다.

상기 용액 저장조(900)는, 일 예로 단면이 육각형인, 육각기둥 형상으로 마련될 수 있으며, 각각의 모서리 측에는 서로 다른 스택이 각각 유체이동 가능하게 연결될 수 있다.

예를 들면, 용액 저장조(900a)의 어느 하나의 모서리 측에는 제1 스택(12a)이 연결될 수 있고, 또 다른 어느 하나의 모서리 측에는 제2 스택(12b)이 연결될 수 있고, 또 다른 어느 하나의 모서리 측에는 제3 스택(12c)이 각각 연결될 수 있다

따라서, 상기 용액 저장조(900a)는, 용액 저장조(900a)의 각각의 모서리 측에 연결된 스택(12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f)들로 용액 저장조(900a)에 저장된 용액이 각각 공급될 수 있다.

즉, 상기 용액 저장조(900a)의 둘레에 각각 연결된 6개의 스택에 용액이 각각 공급될 수 있다.

예를 들어, 상기 용액 저장조(900a)에 저장된 용액이 해수인 경우, 각각의 스택(12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f)들로 해수가 공급될 수 있다.

상기와 같이, 용액 저장조(900)를 적절하게 배치하고, 제1 내지 제3 용액을 적절하게 공급함으로써, 복수 개의 스택에 제1 내지 제3 용액을 보다 용이하게 공급하여 전기를 생산할 수 있다.

한편, 전술한 본 발명의 일 실시예들에서 사용되는 이온교환막(210, 230, 2100, 2300)은 전술한 역전기투석장치 내에서 압력을 저감할 수 있는 패턴형 이온 교환막일 수 있다.

즉, 평막인 이온교환막 상에 스페이서를 배치하여 사용할 수도 있고, 스페이서를 사용하지 않고 평막인 이온교환막 상에 이온교환막 상에서 돌출되는 패턴을 형성한, 이하에서 서술하는 패턴형 이온교환막(50)을 사용할 수 있다.

일반적으로, 종래 인접하는 이온교환막간의 접촉 방지 및 유입수의 유로 확보를 위하여 스페이서를 사용하지만, 내부 저항 및 유출수간의 압력차를 높여 역전기투석으로 얻을 수 있는 출력량을 감소시키는 문제가 있다.

따라서, 전술한 본 발명의 일 실시예들의 이온교환막은 후술하는 패턴형 이온교환막을 사용하는 것이 보다 바람직하며, 패턴형 이온교환막에 의해 평막 보다 높은 출력을 얻을 수 있는 효과가 있다.

구체적으로, 양이온 교환막 및 음이온 교환막 각각은, 이온 교환막; 및 이온 교환막 상에 유체의 흐름을 안내하기 위해 소정 간격 떨어져 마련된 복수 개의 돌출부재를 포함하고, 돌출부재는, 가상의 기준선을 기준으로 연장되되, 기준선을 따라 복수 회 기준선과 교차하도록 서로 다른 방향으로 만곡된 곡선부를 포함하며, 기준선과 교차하는 복수 개의 교차점 중 인접하는 2개의 교차점 사이의 간격과, 해당 간격 내에서 기준선과 돌출부재 사이의 최대 거리의 비율은 3 내지 8 : 1을 갖는 패턴형 이온 교환막일 수 있다.

도 30 및 도 31을 참조하면, 상기 패턴형 이온교환막(50)은 이온 교환막(600) 및 이온 교환막(600) 상에 유체의 흐름을 안내하기 위해 소정 간격 떨어져 마련된 복수 개의 돌출부재(700)를 포함한다.

상기 이온교환막(600)은 이온교환수지로 형성될 수 있으며, 본 문서에서, 이온교환막(600)은 패턴형 이온교환막(10)이 양이온 교환막일 때, 통상의 양이온 수지 또는 패턴형 이온교환막(10)이 음이온 교환막일 때, 통상의 음이온 수지로 형성될 수 있다.

일 예로, 상기 이온교환막(600)의 두께는 10 내지 50㎛, 바람직하게 10 내지 20㎛, 보다 바람직하게 15 내지 17㎛ 또는 16㎛ 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이에 더하여, 상기 돌출부재(700)는 종래 스페이서를 대신하기 위해 이온교환막 상에 미세 구조물(돌출부재)을 패턴화시켜 인접하는 이온교환막 간의 간격 유지를 가능하게 하는 기능을 제공하고, 뿐만 아니라 복수 개의 돌출부재(700)를 통해 유체가 유동할 수 있는 채널 또는 유로를 제공한다.

상기 돌출부재(700)는, 가상의 기준선(K)을 기준으로 연장되되, 기준선(K)을 따라 복수 회 기준선(K)과 교차하도록 서로 다른 방향으로 만곡된 곡선부를 포함한다.

이 때, 상기 기준선(K)과 교차하는 복수 개의 교차점(P) 중 인접하는 2개의 교차점 사이의 간격(r1)과, 해당 간격(r1) 내에서 기준선(K)과 돌출부재(700) 사이의 최대 거리(r2)의 비율은 3 내지 8 :1 일 수 있다.

구체적으로, 상기 돌출부재(700)는, 가상의 기준선(K)을 기준으로, 제1 방향(d1)으로 만곡된 제1 곡선(711)과 제1 곡선(711)에서 연장되며, 제1 방향(d1)과 반대방향인 제2 방향(d2)으로 만곡된 제2 곡선(712)을 포함한다.

상기 복수 개의 교차점(P)은, 제1 곡선(711)에서 제2 곡선(712)으로 변하는 변곡점 또는 제2 곡선(712)에서 제1 곡선(711)으로 변하는 변곡점을 의미할 수 있으며, 제1 및 제2 곡선(711, 712)의 시작점 또는 끝점을 의미할 수 있다.

또한, 본 문서에서, 상기 인접하는 2개의 교차점 사이의 간격(r1)은, 제1 간격(r1)으로 지칭될 수 있고, 제1 간격(r1) 내에서 기준선(K)과 돌출부재(700) 사이의 최대 거리(r2)는 제2 간격(r2)으로 지칭될 수 있다.

상기 제2 간격(r2)은, 인접하는 2개의 교차점(P) 사이를 잇는 기준선에서 제1 곡선(711) 또는 제2 곡선(712)의 최대점까지의 길이로 정의될 수 있다.

즉, 제1 간격(r1)과 제2 간격(r2)은, 3 내지 8 : 1의 비율을 가질 수 있다.

상기 제1 간격(r1)과 제2 간격(r2)이 상기의 비율 범위를 벗어나는 경우, 제1 곡선 및 제2 곡선이 형성되지 않고, 직선형에 가까운 형태로 나타나게 되어 전해질 유출입시 압력 저감의 효과가 현저히 저하될 수 있다.

상기 제1 간격(r1)은 기준선을 기준으로, 제1 곡선(711) 또는 제2 곡선(712) 각각의 시작점에서 끝점을 잇는 직선구간의 길이를 의미할 수 있고, 제2 간격(r2)은 제1 곡선(711) 또는 제2 곡선(712) 각각의 시작점에서 끝점을 잇는 직선구간의 중앙지점에서 직선과 수직한 수직선이 제1 곡선(711) 및 제2 곡선(712)과 맞닿는 각각의 직선구간의 길이를 의미할 수 있다.

일 예로, 제1 간격(r1)은 3mm 내지 8mm 일 수 있고, 이 때, 제2 간격(r2)는 1mm 내지 3mm일 수 있다.

이에 더하여, 상기 인접하는 2개의 돌출부재(700) 사이 간격(d)은, 0.5mm 내지 3mm의 범위를 가질 수 있다.

상기 인접하는 2개의 돌출부재(700) 각각의 사이 간격(d)이, 0.5mm 미만인 경우 실제 공정상 구현이 불가능한 문제점이 있으며, 3mm 초과 시 돌출 부재(700)가 형성되지 않은 이온교환막(지지막) 즉, 인접하는 2개의 돌출부재(700) 사이 영역(유체가 유동하는 유로 또는 채널이 라고도 함)이 아래로 처지면서, 패턴형 이온교환막을 적층할 때, 유체 유로를 막는 문제점이 발생하게 된다.

또한, 상기 돌출부재(700)는, 소정의 폭(w) 및 높이(h)를 가지며, 폭(w)은 0.05mm 내지 3mm, 높이(h)는 0.05 mm 내지 0.5mm 인 범위를 각각 가질 수 있다.

특히, 상기 높이(h)는 0.05mm 내지 0.15mm의 범위를 가질 수 있다.

상기 돌출부재(700)의 폭(w)이 상기 범위를 벗어나는 경우, 기계적 안정성이 떨어지게 되며, 특히 간격이 0.05mm 미만이 되는 경우, 후술할 역전기투석 장치 내에서 압력이 증가하게 되는 문제점이 있다.

또한, 상기 높이(h)가 상기 범위를 벗어나는 경우, 역전기투석 장치 내에서 압력이 증가하게 되며, 특히, 0.15mm 이상일 경우, 역전기 투석 장치 내에서 출력이 낮아지는 문제점이 발생한다.

또한, 상기 돌출부재(700)는, 비이온전도성 소재 및 이온전도성 소재 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 돌출부재(700)는, 비이온전도성 소재로서 광경화용 잉크로 아크릴레이트계 단량체가 365nm의 UV를 조사하여 경화시켜 가교를 이룰 수 있다.

본 발명의 돌출부재(700)의 제1 및 제2 곡선이 상기와 같은 비율을 갖고, 전술한 범위의 폭과 높이를 갖도록 물결(웨이브) 형상의 패턴을 형성함으로써, 유입 및 유출수 간의 압력 차를 줄일 수 있고, 이온 교환막에서 발생될 수 있는 오염(스케일링, 파울링 등)을 현저하게 방지할 수 있는 효과가 있다.

상기와 같이 형성된 복수의 돌출부재에 의해, 인접하는 2개의 돌출부재 사이에는 유체가 유동할 수 있는 유로가 형성된다.

이에 따라, 인접하는 2개의 돌출부재 사이의 각각의 유로를 통해 저농도 용액 또는 고농도 용액이 유동할 수 있게 된다.

도 32는, 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴형 이온교환막이 적층될 때 배치되는 상태를 나타낸 도면이다.

도 32를 참조하면, 내부에 패턴형 음이온 교환막(51) 및 패턴형 양이온 교환막(52)이 교번하여 적층 될 때, 인접하는 2개의 음이온 교환막(51a, 51b) 또는 양이온 교환막(52a, 52b)의 돌출부재는, 동일 평면 상에서 기준선(K)을 기준으로 좌우 대칭 구조를 갖도록 배치될 수 있다.

실시예 1: 패턴형 이온 교환막이 적층된 역전기투석장치(RED)의 출력밀도 측정

역전기투석 장치의 구성은 제1 실시예에 따른 역전기투석 장치(10)에 전술한 패턴형 이온교환막을 배치하여 구성하였고, 운전 조건은 하기 표 1과 같다.

또한, 해수는 음이온 교환막 위쪽으로 흐르도록 하고, 담수는 양이온 교환막 위쪽으로 흐르도록 하여 최대 출력밀도 및 유량에 따른 최대 출력밀도를 각각 측정하였다.

그 결과는 도 33 (a)에 도시하였다. 도 33 (a)에 도시된 바와 같이, 최대 출력밀도는 1.72 W/m ²값을 얻음을 확인할 수 있었다.

돌출부재 사이 간격 및 높이	1.5mm, 0.1mm
돌출부재 제1 및 제2 간격길이	4mm, 2mm
해수농도	3.0wt% NaCl
담수농도	0.01wt% NaCl
전극용액농도	K ₄[FE(CN) ₆]/K ₃[Fe(CN) ₃ 50mM
해수-담수-전극용액유량	600mL/min-600mL/min-600mL/min
전극	Pt-coated Ti
이온교환막의 수	10셀

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 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims

제1 전극부 및 제1 전극부와 전기적으로 연결되며, 소정 간격 떨어져 배치된 제2 전극부;

제1 전극부 및 제2 전극부 사이에 번갈아 각각 배치되는 복수 개의 양이온 교환막 및 음이온 교환막; 및

인접하는 2개의 이온교환막 사이, 및 제1 및 제2 전극부와 각각의 전극부에 인접하게 배치된 이온교환막 사이에 각각 배치되는 복수 개의 제1 가스켓; 을 포함하고,

양이온 교환막 및 음이온 교환막은, 각각 서로 마주하게 배치된 한 쌍의 제1 유동홀, 한 쌍의 제2 유동홀, 및 한 쌍의 제3 유동홀을 갖고, 제1 내지 제3 유동홀은 둘레 방향을 따라 차례로 소정 간격 떨어져 위치하며, 한 쌍의 제1 유동홀의 중심을 통과하는 가상의 제1 선분과 한 쌍의 제2 유동홀의 중심을 통과하는 가상의 제2 선분 사이의 제1 각도는 90도 미만이고,

제1 가스켓은, 한 쌍의 제1 내지 제3 유동홀 중 한 쌍의 유동홀을 연결하는 유동 안내부를 갖는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 1 항에 있어서,

제1 가스켓은, 나머지 두 쌍의 유동홀과 각각 대응하는 위치에, 각각의 유동홀과 유체 이동 가능하게 연결되는 복수 개의 통과홀을 갖는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 2 항에 있어서,

인접하는 제1 가스켓은, 소정의 제2 각도로 회전된 상태로 배치된, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 3 항에 있어서,

제1 각도 및 제2 각도는 동일한 각도인, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 3 항에 있어서,

제1 및 제2 전극부에 인접한 제1 가스켓을 포함하여 인접하는 3개의 제1 가스켓의 유동 안내부를 각각 전극부로 투영했을 때, 각각의 유동 안내부가 교차하여 중첩되는 교차영역이 육각 형상을 갖는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 5 항에 있어서,

제1 각도는 60도 이고, 교차영역은 정육각 형상인, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 1 항에 있어서,

제1 전극부는 제1 유동홀, 제2 유동홀, 제3 유동홀과 각각 연결되는 세 쌍의 유동포트를 갖는 제1 엔드 플레이트 및 제1 엔드 플레이트의 소정 영역 상에 장착되는 제1 전극을 포함하고,

제2 전극부는 제1 유동홀, 제2 유동홀, 제3 유동홀과 각각 연결되는 세 쌍의 유동포트를 갖는 제2 엔드 플레이트 및 제2 엔드 플레이트의 소정 영역 상에 장착되는 제2 전극을 포함하며,

제1 전극과 제2 전극은 전기적으로 연결된, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 7 항에 있어서,

제1 및 제2 엔드 플레이트는 각각, 제1 유동홀과 유체이동 가능하게 연결되는 한 쌍의 제1 유동포트, 한 쌍의 제2 유동홀과 유체이동 가능하게 연결되는 한 쌍의 제2 유동포트, 및 제3 유동홀과 유체이동 가능하게 연결되는 한 쌍의 제3 유동포트를 가지며,

각 한 쌍 중 하나의 제1 내지 제3 유동포트로 제1 내지 제3 용액이 각각 유입되고, 유입된 제1 내지 제3 용액은 한 쌍 중 나머지 하나의 제1 내지 제3 유동포트에서 각각 배출되는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 1 항에 있어서,

제1 가스켓의 유동 안내부는, 제1 가스켓의 적어도 일부 영역을 관통하도록 마련되고,

인접하는 이온교환막에 접촉하며 한 쌍의 유동홀을 둘러싸도록 배치되어 한 쌍의 유동홀을 유체이동 가능하게 연결하는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 9 항에 있어서,

인접하는 2개의 이온교환막 사이에 제1 가스켓이 각각 배치될 때,

제1 전극부 측을 기준으로 제1 전극부에서 제2 전극부를 향하여 차례로 인접하는 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에는 제1 가스켓의 유동안내부가 한 쌍의 제2 유동홀을 연결하도록 배치되고,

제1 전극부에서 제2 전극부를 향하여 차례로 인접하는 음이온 교환막과 양이온 교환막 사이에는 제1 가스켓의 유동안내부가 한 쌍의 제3 유동홀을 연결하도록 배치되는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 10 항에 있어서,

제1 및 제2 전극부와 제1 및 제2 전극부와 인접하는 각각의 이온교환막 사이에 배치되는 제1 가스켓의 유동안내부는, 한 쌍의 제1 유동홀을 연결하도록 각각 배치되는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 11 항에 있어서,

제1 및 제2 전극부 사이에 배치된 복수 개의 이온교환막 및 제1 가스켓이 적층된 상태에서,

한 쌍의 제1 유동홀을 연결하는 제1 가스켓의 유동 안내부에 의해 제1 용액이 유동하는 제1 유로가 마련되고,

한 쌍의 제2 유동홀을 연결하는 제1 가스켓의 유동 안내부에 의해 제2 용액이 유동하는 제2 유로가 마련되며,

한 쌍의 제3 유동홀을 연결하는 제1 가스켓의 유동 안내부에 의해 제3 용액이 유동하는 제3 유로가 마련되고,

제2 및 제3 용액이 각각 제2 및 제3 유로를 유동할 때, 제2 용액과 제3 용액의 농도차에 의한 전위차에 의해 전기가 생산되는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 12 항에 있어서,

제1 내지 제3 용액이 제1 내지 제3 유동 포트로 각각 유입되면,

제1 용액은, 제1 유로를 형성하는 제1 가스켓의 유동 안내부를 따라 유동한 후 마주하는 제1 유동포트로 배출되며,

제2 용액은, 제2 유동포트와 대응하는 위치에 마련된 제2 유로를 형성하지 않는 나머지 제1 가스켓의 통과홀 및 이온교환막의 통과홀을 차례로 각각 통과하여 제2 유로를 형성하는 제1 가스켓의 유동 안내부를 따라 유동한 후 각각의 통과홀을 통과하여 마주하는 제2 유동포트로 배출되고,

제3 용액은, 제3 유동포트와 대응하는 위치에 마련된 제3 유로를 형성하지 않는 나머지 제1 가스켓의 통과홀 및 이온교환막의 통과홀을 차례로 각각 통과하여 제3 유로를 형성하는 제1 가스켓의 유동 안내부를 따라 유동한 후 각각의 통과홀을 통과하여 마주하는 제3 유동포트로 배출되는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제1 전극부 및 제1 전극부와 전기적으로 연결되며, 소정 간격 떨어져 배치된 제2 전극부;

제1 전극부 및 제2 전극부 사이에 번갈아 각각 배치되는 복수 개의 양이온 교환막 및 음이온 교환막;

인접하는 2개의 이온교환막 사이에 각각 배치되는 복수 개의 제2 가스켓;

양이온 교환막 및 음이온 교환막은, 각각 둘레방향을 따라 소정 간격 떨어져 차례로 위치한 제1 내지 제6 유동홀을 갖고, 제1 유동홀 및 제4 유동홀의 중심을 각각 통과하는 가상의 제1 선분, 및 제2 유동홀 및 제5 유동홀을 각각 통과하는 가상의 제2 선분 사이의 제1 각도는 90도 미만이고,

제2 가스켓은, 제1, 제3 및 제5 유동홀을 유체 이동 가능하게 연결하는 유동 안내부를 갖는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 14항에 있어서,

제2 가스켓은, 제2, 제4 및 제6 유동홀과 각각 대응하는 위치에 마련되며, 제2, 제4 및 제6 유동홀과 각각 유체이동 가능하게 연결되는 복수 개의 통과홀을 갖는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 15 항에 있어서,

인접하는 제2 가스켓은, 소정의 제3 각도로 회전된 상태로 배치된, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 16 항에 있어서,

제1 각도와 제3 각도는 동일한 각도인, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 14 항에 있어서,

제1 전극부는, 제1 내지 제6 유동홀과 각각 연결되는 제1 내지 제6 유동포트를 갖는 제1 엔드 플레이트 및 제1 엔드 플레이트의 소정 영역 상에 장착된 제1 전극을 포함하고,

제2 전극부는, 제1 내지 제6 유동홀과 각각 연결되는 제1 내지 제6 유동포트를 갖는 제2 엔드 플레이트 및 제2 엔드 플레이트의 소정 영역 상에 장착된 제2 전극을 포함하며,

제1 전극과 제2 전극은 전기적으로 연결된, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 18 항에 있어서,

제1 엔드 플레이트에는, 제1 전극 측으로 유체를 공급 및 배출하기 위한 유입포트 및 배출포트가 각각 마련되고,

제2 엔드 플레이트에는, 제2 전극 측으로 유체를 공급 및 배출하기 위한 유입포트 및 배출포트가 각각 마련되는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 18항에 있어서,

제1 및 제2 전극부와 각각의 전극부에 인접하게 배치된 이온교환막 사이에 각각 배치되는 제3 가스켓을 포함하고,

제3 가스켓은, 제1 전극 또는 제2 전극의 가장자리를 따라 둘러싸도록 마련된 유동 안내부 및 제1 내지 제6 유동홀과 각각 대응하는 위치에, 제1 내지 제6 유동홀과 각각 유체 이동 가능하게 연결되는 복수 개의 통과홀을 갖는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 20 항에 있어서,

인접하는 2개의 제2 가스켓 및 제3 가스켓의 유동 안내부를 각각 전극부로 투영했을 때, 각각의 유동 안내부가 교차하여 중첩되는 교차영역이 육각 형상을 갖는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 21항에 있어서,

제1 각도는 60도 이고, 교차 영역은 정육각 형상인, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 14항에 있어서,

인접하는 2개의 이온교환막 사이에 복수 개의 제2 가스켓이 각각 배치될 때,

제1 전극부 측을 기준으로, 제1 전극부에서 제2 전극부 측을 향하여 차례로 배치된, 인접하는 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에는 제2 가스켓의 유동 안내부가 제2, 제4 및 제6 유동홀을 연결하도록 배치되고,

제1 전극부에서 제2 전극부 측을 향하여 차례로 배치된, 인접하는 음이온 교환막과 양이온 교환막 사이에는 제2 가스켓의 유동 안내부가 제1, 제3 및 제5 유동홀을 연결하도록 배치되는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 23항에 있어서,

인접하는 2개의 이온교환막 사이에 제2 가스켓이 적층된 상태에서, 제2 용액 및 제3 용액이 각각 공급될 때,

제2, 제4 및 제6 유동홀을 연결하는 제2 가스켓의 유동 안내부에 의해 제2 용액이 유동하는 제2 유로가 마련되고,

제1, 제3 및 제5 유동홀을 연결하는 제2 가스켓의 유동 안내부에 의해 제3 용액이 유동하는 제3 유로가 마련되며,

제2 및 제3 용액이 각각 제2 및 제3 유로를 유동할 때, 제2 용액과 제3 용액의 농도차에 의한 전위차에 의해 전기가 생산되는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 24항에 있어서,

제2 용액은 제2 유동 포트로 유입되고,

제2 유동 포트와 대응하는 위치에 배치되어 제2 유동 포트와 연결되는, 제3 가스켓의 통과홀 및 양이온 교환막의 통과홀을 차례로 각각 통과하여, 제2 유로로 유입될 때,

제2 유로의 제2 유동홀 측으로 유입된 제2 용액은, 유로 안내부를 따라 제4 및 제6 유동홀 측으로 분기되어 유동하는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 25항에 있어서,

제3 용액은 제1 유동 포트로 유입되고,

제1 유동 포트와 대응하는 위치에 배치되어 제1 유동 포트와 연결되는, 제3 가스켓의 통과홀, 양이온 교환막의 통과홀, 제2, 제4 및 제6 유동홀을 연결하는 제2 가스켓의 통과홀 및 음이온 교환막의 통과홀을 차례로 각각 통과하여, 제3 유로로 유입될 때,

제3 유로의 제1 유동홀 측으로 유입된 제3 용액은, 유로 안내부를 따라 제3 및 제5 유동홀 측으로 분기되어 유동하는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제1 전극부 및 제1 전극부와 전기적으로 연결되며, 소정 간격 떨어져 배치된 제2 전극부;

제1 전극부 및 제2 전극부 사이에 번갈아 각각 배치되는 복수 개의 양이온 교환막 및 음이온 교환막; 및

인접하는 2개의 이온교환막 사이에 배치되는 복수 개의 제4 가스켓; 을 포함하고,

양이온 교환막 및 음이온 교환막은, 각각 제1 전극부를 향하는 제1 면과 제2 전극부를 향하는 제2 면을 가지며,

제1 면과 제2 면은 각각 서로 마주하는 한 쌍의 제1 모서리부, 한 쌍의 제2 모서리부, 및 한 쌍의 제3 모서리부를 갖고, 제1 내지 제3 모서리부는 둘레방향을 따라 연속하여 배치되며,

제1 모서리부와 제2 모서리부 사이 각도는, 120도이고,

제4 가스켓은, 양이온 교환막의 제1 면에서, 한 쌍의 제3 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부가 차폐되도록 양이온 교환막에 마련되고,

음이온 교환막의 제1 면에서, 한 쌍의 제2 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부가 차폐되도록 음이온 교환막에 마련되는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 27항에 있어서,

제4 가스켓은, 제1 전극부 측에 인접하는 양이온 교환막의 제1면에서, 한 쌍의 제1 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부가 차폐되도록 양이온 교환막에 마련되고,

제2 전극부 측에 인접하는 양이온 교환막의 제2면에서, 한 쌍의 제1 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부가 차폐되도록 양이온 교환막에 마련되는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 28항에 있어서,

한 쌍의 제1 모서리부의 중심을 통과하는 가상의 제3 선분과 한 쌍의 제2 모서리부의 중심을 통과하는 가상의 제4 선분 사이의 제4 각도는 90도 미만이고,

제4 가스켓은, 한 쌍의 제1 내지 제3 모서리부 중 인접하는 두 쌍의 모서리부 측의 적어도 일부 영역 상에 각각 배치되는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 29항에 있어서,

인접하는 제4 가스켓은, 소정의 제5 각도로 회전된 상태로 배치된, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 30항에 있어서,

제4 각도는, 제5 각도와 동일한 각도인, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 27항에 있어서,

제1 전극부는 제1 엔드 플레이트 및 제1 엔드 플레이트의 소정 영역 상에 장착되는 제1 전극을 포함하고,

제2 전극부는 제2 엔드 플레이트 및 제2 엔드 플레이트의 소정 영역 상에 장착되는 제2 전극을 포함하며,

제1 전극과 제2 전극은 전기적으로 연결된, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 28항에 있어서,

한 쌍의 제1 내지 제3 모서리부 측에 각각 장착되어 제1 내지 제3 용액을 공급 및 배출 하도록 마련된 한 쌍의 제1 내지 제3 용액 저장조를 포함하고,

제1 용액은 한 쌍 중 하나의 제1 모서리부 측으로 유입되어 유동한 후 마주하는 제1 모서리부 측으로 배출되며,

제2 용액은 한 쌍 중 하나의 제2 모서리부 측으로 유입되어 유동한 후 마주하는 제2 모서리부 측으로 배출되고,

제3 용액은 한 쌍 중 하나의 제3 모서리부 측으로 유입되어 유동한 후 마주하는 제3 모서리부 측으로 배출되는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 27항에 있어서,

제1 및 제2 전극부 사이에 복수 개의 이온교환막 및 제4 가스켓이 적층된 상태에서,

한 쌍의 제1 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고 나머지 모서리부가 차폐되도록 배치된 제4 가스켓에 의해 제1 용액이 유동하는 제1 유로가 마련되고,

한 쌍의 제2 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고 나머지 모서리부가 차폐되도록 배치된 제4 가스켓에 의해 제2 용액이 유동하는 제2 유로가 마련되며,

한 쌍의 제3 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고 나머지 모서리부가 차폐되도록 배치된 제4 가스켓에 의해 제3 용액이 유동하는 제3 유로가 마련되고,

제2 및 제3 용액이 각각 제2 및 제3 유로를 유동할 때, 제2 용액과 제3 용액의 농도차에 의한 전위차에 의해 전기가 생산되는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 34항에 있어서,

각각의 제4 가스켓에 의해 형성된 제1 내지 제3 유로를 각각 전극부로 투영했을 때, 각각의 유로가 교차하여 중첩되는 교차영역이 육각 형상을 갖는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 35항에 있어서,

제4 각도는, 60도 이고, 교차 영역은 정육각 형상인, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 8항에 있어서,

복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치를 각각 포함하고,

각각의 생체 모방형 역전기투석 장치의 제1 엔드 플레이트는, 인접하게 배치된 다른 생체 모방형 역전기투석 장치의 제2 엔드 플레이트와 서로 유체이동 가능하게 연결 장착되며,

제1 엔드 플레이트의 제1 내지 제3 유동포트는, 인접하게 배치된 제2 엔드 플레이트의 제1 내지 제3 유동포트와 각각 유체 이동 가능하게 연결되는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제 18항에 있어서,

복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치를 포함하고,

각각의 생체 모방형 역전기투석 장치의 제1 엔드 플레이트는, 인접하게 배치된 다른 생체 모방형 역전기투석 장치의 제2 엔드 플레이트와 서로 유체이동 가능하게 연결 장착되며,

제1 엔드 플레이트의 제1 내지 제6 유동포트는, 인접하게 배치된 제2 엔드 플레이트의 제1 내지 제6 유동포트와 각각 유체 이동 가능하게 연결되는, 생체 모방형 역전기투석 장치.
제1 전극부 및 제1 전극부와 전기적으로 연결되며, 소정 간격 떨어져 배치된 제2 전극부; 제1 전극부 및 제2 전극부 사이에 번갈아 각각 배치되는 복수 개의 양이온 교환막 및 음이온 교환막; 및 인접하는 2개의 이온교환막 사이에 배치되는 복수 개의 제4 가스켓; 을 포함하고, 양이온 교환막 및 음이온 교환막은, 각각 제1 전극부를 향하는 제1 면과 제2 전극부를 향하는 제2 면을 가지며, 제1 면과 제2 면은 각각 서로 마주하는 한 쌍의 제1 모서리부, 한 쌍의 제2 모서리부, 및 한 쌍의 제3 모서리부를 갖고, 제1 내지 제3 모서리부는 둘레방향을 따라 연속하여 배치되며, 제1 모서리부와 제2 모서리부 사이 각도는, 120도이고, 제4 가스켓은, 양이온 교환막의 제1 면에서, 한 쌍의 제3 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부가 차폐되도록 양이온 교환막에 마련되고, 음이온 교환막의 제1 면에서, 한 쌍의 제2 모서리부 만을 통해 유체가 유동하고, 나머지 모서리부가 차폐되도록 음이온 교환막에 마련되는 것을 각각 포함하는, 복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치; 및

복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치로 제1 내지 제3 용액을 각각 공급 및 배출하기 위한 한 쌍의 제1 용액 저장조, 한 쌍의 제2 용액 저장조 및 한 쌍의 제3 용액 저장조를 각각 포함하며,

복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치가 직렬로 연결될 때, 제1 용액 저장조는, 길이 방향을 따라 연장되게 형성되어, 제1 모서리부 측에 각각 장착되고, 제2 용액 저장조는, 길이 방향을 따라 연장되게 형성되어 제2 모서리부 측에 각각 장착되고, 제3 용액 저장조는, 길이 방향을 따라 연장되게 형성되어 제3 모서리부 측에 각각 장착되고,

한 쌍 중 하나의 제1 내지 제3 용액 저장조는 제1 내지 제3 용액을 제1 내지 제3 모서리부 측으로 각각 공급하고, 나머지 하나의 제1 내지 제3 용액 저장조는, 공급된 제1 내지 제3 용액이 제1 내지 제3 모서리부 측에서 배출되어 수용되도록 마련되고,

복수 개의 생체 모방형 역전기투석 장치가 병렬로 연결될 때, 각각의 용액 저장조를 매개로 인접하는 2개의 생체 모방형 역전기투석 장치가 유체이동 가능하게 연결되는, 생체 모방형 역전기투석 장치 모듈.
제1항, 제14항 및 제27항 중 어느 한 항에 있어서,

양이온 교환막 및 음이온 교환막 각각은,

이온 교환막; 및 이온 교환막 상에 유체의 흐름을 안내하기 위해 소정 간격 떨어져 마련된 복수 개의 돌출부재를 포함하고,

돌출부재는, 가상의 기준선을 기준으로 연장되되, 기준선을 따라 복수 회 기준선과 교차하도록 서로 다른 방향으로 만곡된 곡선부를 포함하며,

기준선과 교차하는 복수 개의 교차점 중 인접하는 2개의 교차점 사이의 간격과, 해당 간격 내에서 기준선과 돌출부재 사이의 최대 거리의 비율은 3 내지 8 : 1을 갖는 패턴형 이온 교환막인, 생체 모방형 역전기투석 장치.