WO2023106520A1 - 도난 효과 기반의 다종 이온 제어를 통한 전기 발생 장치 및 적층 구조의 전기 발생 장치 - Google Patents

도난 효과 기반의 다종 이온 제어를 통한 전기 발생 장치 및 적층 구조의 전기 발생 장치 Download PDF

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WO2023106520A1
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electrolyte
ions
generating device
selective
concentration
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PCT/KR2022/007628
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한창수
김정수
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고려대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to an electricity generating device through multi-type ion control based on theft effect and to an electricity generating device having a layered structure. Electrolyte) to output higher current and power density compared to conventional reverse electrodialysis technology, thereby providing excellent electrical characteristics and an electricity generating device through multi-type ion control based on the theft effect and a laminated structured electricity generating device.
  • Reverse Electrodialysis is a system that generates electricity by the behavior of ions when the concentrations of two adjacent electrolytes are different and a selective membrane having high permeability to a specific ion included in the two electrolytes is placed adjacent to it.
  • the two electrolytes are composed of a high-concentration electrolyte and a low-concentration electrolyte, and generate an electric potential in a three-layer structure in which a selective permeable membrane such as a cation permeable membrane or an anion permeable membrane is disposed between the two.
  • the cation permeable membrane and the anion permeable membrane form electric potentials in opposite directions with respect to the same electrolyte, the high-concentration electrolyte, the cation-permeable membrane, the low-concentration electrolyte, the anion-permeable membrane, and the high-concentration electrolyte are stacked in the order and added in the same direction. An electric potential can be obtained, and a larger electric potential can be obtained when the three-layer structure is alternately and repeatedly laminated as a unit.
  • the large electrical potential obtained induces a redox reaction on the electrodes and supplies electrical energy to the external circuit.
  • it is an electrical energy supply and power generation device that converts chemical potential with a difference in concentration into electrical potential by controlling the flow of ions.
  • the high-concentration electrolyte is treated as seawater and the low-concentration electrolyte is treated as fresh water, and research on renewable energy generation and harvesting using reverse electrodialysis technology is being actively conducted.
  • the existing reverse electrodialysis technology essentially includes the low-concentration electrolyte in its configuration.
  • the low-concentration electrolyte which is generally used as fresh water or an electrolyte (0.01M) of a similar concentration to fresh water, causes a low-density ionic current. Therefore, there is a limit to increasing the power density.
  • studies on improving the power density by making the flow of specific ions stronger by improving the selectivity of the selective permeable membrane have been proposed, but the fundamental cause of the low power density is the presence of the low-concentration electrolyte, so power density A dramatic improvement in is difficult.
  • the generation of electrical energy in the living body also occurs by controlling the flow of ions.
  • the cell membrane selectively transmits ions around the cell membrane through an ion channel to control ionic behavior and generate electric potential.
  • ions such as K + , Cl + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , H + , HCO 3 - and negatively charged proteins (anionic protein, P - ) are distributed in different concentrations inside and outside the cell. are doing
  • ions are included differently inside and outside the cell with a concentration difference of up to several tens of times, but the total concentration inside and outside the cell is similar.
  • concentration difference of up to several tens of times, but the total concentration inside and outside the cell is similar.
  • only specific ions selectively pass through ion channels located in the cell membrane. There is little difference in the total concentration, but the flow according to the concentration gradient of a specific ion is activated by the ion channel, and other ions whose flow is inhibited form an ion layer around the membrane to form an electrical gradient, that is, an electric potential.
  • the generated electrical gradient forms an equilibrium with the concentration gradient and maintains the concentration difference composition of ions. This is called the Donnan effect, and the equilibrium potential at this time is called the Donnan potential.
  • the bioelectrical mechanism generated by ion transport plays an important role in the metabolism and nervous system in vivo, and is characterized by excellent energy efficiency and output and fast response speed, so research is ongoing to identify detailed mechanisms.
  • the embodiment of the present invention uses two electrolytes (first electrolyte and second electrolyte) containing high concentration of multiple ions using a selective permeable membrane to output higher current and power density compared to conventional reverse electrodialysis technology, thereby providing excellent electrical properties. It is intended to provide an electricity generating device through multi-type ion control based on the theft effect and an electricity generating device having a layered structure.
  • the first electrolyte and the second electrolyte have different ionic composition or concentration composition but have similar total concentrations, resulting in a quasi-equilibrium state due to the low osmotic pressure and theft effect of the two electrolytes (the first electrolyte and the second electrolyte) It is intended to provide an electricity generator through multi-type ion control based on the theft effect with excellent electrochemical stability and an electricity generator with a layered structure.
  • An electricity generating device is an electricity generating device including a first electrolyte, a selective permeable membrane, and a second electrolyte in a chamber, wherein the first electrolyte and the second electrolyte each generate at least two or more kinds of ions. wherein, the total number of ions included in the first electrolyte and the second electrolyte is at least three, and the selective permeable membrane selectively permeates at least one ion among the three or more ions to form the first electrolyte and the second electrolyte; It causes a theft effect between the second electrolyte.
  • permeability of one or more ions selectively permeated through the selectively permeable membrane to other ions may be 0 to 0.5.
  • At least one type of ion passing through the selectively permeable membrane may have different concentrations between the first electrolyte and the second electrolyte.
  • the different concentrations between the first electrolyte and the second electrolyte are the concentration of at least one or more ions passing through the selectively permeable membrane included in the electrolyte containing a relatively small amount of at least one kind of ion passing through the selectively permeable membrane and the concentration ratio (C low concentration / C high concentration ) of at least one ion passing through the selective permeable membrane of the electrolyte containing a relatively large amount of at least one ion passing through the selective permeable membrane may be 0 to 0.1.
  • a total concentration ratio (C second electrolyte /C first electrolyte ) of the first electrolyte and the second electrolyte may be 0.1 to 10.
  • the first electrolyte includes a cation and an anion, and the cation is H + , Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Li + , Fe 3+ , Fe 2+ , Al 3+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Zn + , V 2+ , V 3+ , Cr 2+ , Cr 3+ , Co(NH 3 ) 6 3+ and (CH 3 ) n NH m + (n and m are 0 to 4 and , the sum of n and m is 4), and the anion includes at least one of F - , Cl - , Br - , NO 3 - , OH - , F - , Br - , HCO 3 - , SO 4 2 - and CO 3 2- may include at least one of.
  • the selective transmission membrane may include a composite selective transmission membrane including a first sub-selective transmission membrane and a second sub-selective transmission membrane coupled in parallel.
  • the first electrolyte and the second electrolyte may have a thickness of 0.1 mm to 1 mm.
  • the selective transmission layer may have a thickness of 0.1 ⁇ m to 1 mm.
  • An electrode may be further included in at least one of the first electrolyte and the second electrolyte.
  • a first electrolyte, a selective permeable membrane, and a second electrolyte are included in the chamber, and the first electrolyte, the selective permeable membrane, and the second electrolyte are alternately and repeatedly laminated to generate electricity in a laminated structure according to an embodiment of the present invention.
  • the device wherein the first electrolyte and the second electrolyte each contain at least two or more ions, the total number of ions contained in the first electrolyte and the second electrolyte is at least three or more, and the selective permeable membrane comprises the at least one By selectively permeating at least one type of ions among three or more types of ions, a theft effect between the first electrolyte and the second electrolyte is caused.
  • the selective permeable membrane may be at least two or more.
  • the selective transmission membrane includes a first selective transmission membrane and a second selective transmission membrane, wherein the first selective transmission membrane and the second selective transmission membrane selectively transmit different ions and have electric potential in the same direction. ) can be formed.
  • first electrolyte and second electrolyte containing high concentrations of multiple ions using a selective permeable membrane
  • higher current and power density are output compared to conventional reverse electrodialysis technology, resulting in excellent
  • the first electrolyte and the second electrolyte have different ionic composition or concentration composition but have similar total concentrations, resulting in a quasi-equilibrium state due to the low osmotic pressure and theft effect of the two electrolytes (the first electrolyte and the second electrolyte) It is possible to provide an electricity generating device through multi-type ion control based on the theft effect and an electricity generating device having a laminated structure having excellent electrochemical stability.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an electricity generating device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the mechanism of an electricity generating device according to an embodiment of the present invention having a three-layer laminated structure including a single selective transmission membrane.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing an electricity generating device according to an embodiment of the present invention including a composite selective transmission membrane.
  • FIGS. 4 and 5 are schematic diagrams showing the mechanism of an electricity generating device according to an embodiment of the present invention including a composite selectively permeable membrane.
  • FIGS. 6 and 7 are cross-sectional views showing electricity generating devices according to embodiments of the present invention stacked in a laminated structure.
  • FIGS. 8 to 10 are schematic diagrams showing the mechanism of the electricity generating device having a laminated structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a comparison between a conventional reverse electrodialysis device and an electricity generating device having a laminated structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional reverse electrodialysis device and an electricity generating device according to an embodiment of the present invention. It is a schematic diagram showing comparison.
  • Example 13 is a graph showing electric potentials of the electricity generating device according to Comparative Example 1 and the electricity generating device according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 14 is a graph showing the electrochemical stability of the electricity generating device according to Comparative Examples 2 to 4 and the electricity generating device according to Example 2 of the present invention
  • FIG. 15 is the electricity generating device according to Comparative Examples 2 to 4 and the present invention. It is a graph showing voltage-current characteristics of the electricity generating device according to the second embodiment of the invention.
  • 16 is a graph showing osmotic pressure characteristics of the electricity generating device according to Comparative Examples 2 to 4 and the electricity generating device according to Example 2 of the present invention.
  • FIG. 17 is a graph showing current density characteristics of an electricity generating device (binary) according to Comparative Example 4 and an electricity generating device (Quaternary) according to Example 2 of the present invention.
  • the term 'or' means 'inclusive or' rather than 'exclusive or'. That is, unless otherwise stated or clear from the context, the expression 'x employs a or b' means any one of the natural inclusive permutations.
  • An electricity generating device is an electricity generating device including a first electrolyte, a selective permeable membrane, and a second electrolyte in a chamber.
  • the electricity generating device may include a single selective transmission membrane or a composite selective transmission membrane including at least two or more sub-selective transmission membranes.
  • FIGS. 1 and 2 are schematic diagrams showing a three-layer laminated electricity generation device including a single selective transmission membrane and its mechanism
  • FIGS. 3 to 5 are schematic diagrams showing a composite selective transmission membrane including two or more sub-selective transmission membranes. It is a schematic diagram showing a three-layered electricity generating device and its mechanism.
  • the electricity generating device includes the same components except for the number and structure of the selectively permeable membranes being different, the same components will be described with reference to FIG. 1 .
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an electricity generating device according to an embodiment of the present invention.
  • An electricity generating device 100a is an electricity generating device 100a including a first electrolyte 110, selective permeable membranes 130 and 140, and a second electrolyte 120 in a chamber.
  • the electricity generating device 100a uses two electrolytes (a first electrolyte and a second electrolyte) including high-concentration multi-type ions using the selective permeable membranes 130 and 140 to reverse the conventional reverse. Compared to electrodialysis technology, it can have excellent electrical characteristics by outputting high current and power density.
  • the electricity generating device 100a includes a first electrolyte 110 and a second electrolyte 120, and each of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 is at least two kinds. ions, and the total number of ions included in the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 is at least three.
  • the electricity generating device 100a uses both the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 instead of the conventionally used high-concentration electrolyte and low-concentration electrolyte, different from the ions constituting the high-concentration electrolyte.
  • high-concentration electrolytes containing ions two types of high-concentration electrolytes contain a total of three or more types of ions, and selective permeation in which only one type of ions among the constituting ions is selectively transmitted with a higher permeability than other ions.
  • By placing the membranes 130 and 140 between the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 By placing the membranes 130 and 140 between the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120, a burglary effect is induced between the two high-concentration electrolytes, thereby providing excellent electrical properties and a stable electrochemical system.
  • An electricity generating device 100a includes a first electrolyte 110 .
  • the first electrolyte 110 may include at least two or more types of ions, preferably, two to ten types of ions.
  • the first electrolyte 110 may include at least one cation and at least one anion, and for example, the cation is H + , Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Li + , Fe 3+ , Fe 2+ , Al 3+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Zn + , V 2+ , V 3+ , Cr 2+ , Cr 3+ , Co(NH 3 ) 6 3+ and (CH 3 ) n NH m + (wherein n and m are 0 to 4, and the sum of n and m is 4), and the anion is F - , Cl - , Br - , NO 3 - , OH - , F - , Br - , HCO 3 - , SO 4 2- and CO 3 2- may include at least one, but the cation and anion are not limited to the presented types.
  • the first electrolyte 110 may include KCl having a similar level of ion mobility of cations and anions and excellent size, but the characteristics of the solvent included in the first electrolyte 110 or Other ions may be substituted according to the ion selectivity of the selective permeable membranes 130 and 140 .
  • the total concentration of the first electrolyte 110 may be high concentration for high electrical conductivity, preferably, the total concentration of the first electrolyte 110 may be 0.1M to 5M, preferably, 0.1M to 2M can be
  • high concentration is universally replaced with 0.01 M electrolyte for fresh water and 0.5 M electrolyte for salt water in various studies.
  • the high concentration may be defined as 0.1M or more, and preferably, 0.1M to 5M may be defined as a high concentration.
  • At least two or more types of ions included in the first electrolyte 110 may have the same or different concentrations of each ion.
  • the different concentrations refer to electrolytes containing a relatively small amount of at least one type of ions passing through the selective permeable membranes 130 and 140 (first electrolyte).
  • the concentration of at least one ion passing through the selectively permeable membranes 130 and 140 included in the first electrolyte or the second electrolyte and the concentration of at least one or more ions passing through the selectively permeable membranes 130 and 140 are relatively high.
  • the concentration ratio (C low concentration / C high concentration ) of at least one ion passing through the selective permeable membranes 130 and 140 of the electrolyte (second electrolyte or first electrolyte), that is, the concentration ratio of the selected ion may be 0 to 0.1. there is.
  • the concentration ratio of the selected ion (C low concentration / C high concentration ) is higher than 0.1, a weak electric potential is generated.
  • the total concentrations of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 are at similar levels because reduction in osmosis is expected.
  • the similar level means that the total concentration ratio (C second electrolyte / C first electrolyte ) of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 utilizes a different concentration difference of 50 to 0.02 level in the existing technology. Therefore, the total concentration ratio (C second electrolyte /C first electrolyte ) of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 may be 0.1 to 10. Outside of this total concentration ratio, osmosis problems are caused as in the existing technology, with a different concentration difference similar to the existing technology.
  • the total concentration of ions included in the first electrolyte 110 may be high as described above.
  • the concentration has to be the ratio of the reciprocal of the absolute value of the charge.
  • the first electrolyte 110 has a high concentration of ions passing through the selective permeable membranes 130 and 140 in order to have a high total concentration, and is controlled according to the concentration ratio condition of the selected ions (0 ⁇ C low concentration / C high concentration ⁇ 0.1). 2
  • Electrolyte 120 has a low concentration of selected ions.
  • the second electrolyte 140 has a high concentration of other ions of the same polarity (positive/negative) as the selected ion in order to reduce the total concentration ratio difference (0.1 ⁇ C second electrolyte /C first electrolyte ⁇ 10).
  • ions of different poles (positive/negative) from the selected ions have a concentration at a ratio of the reciprocal of the absolute value of the charge in order to match the electrical neutrality of the ions each of the two electrolytes have.
  • one type of ion selected by the selective permeable membranes 130 and 140 may be included in a concentration different from that of the second electrolyte 120.
  • the selected The concentration of ions selected according to the ion concentration ratio condition (0 ⁇ C low concentration /C high concentration ⁇ 0.1) is different between the two electrolytes and in order to reduce the difference in the total concentration ratio of the two electrolytes (0.1 ⁇ C second electrolyte /C first electrolyte ⁇ 10 ), the concentration of another ion having the same polarity as the selected ion may be different in the opposite concentration ratio in the two electrolytes, contrary to the selected ion.
  • the total concentrations of the two electrolytes are similar, and if the selected ions and other ions of the same polarity are not at oppositely different concentrations, the total concentrations are also different, which may cause osmotic problems. Accordingly, when the first electrolyte 110 includes three or more types of ions and other ions having the same polarity as the ions selected from among them, concentrations of these ions may be different. However, as long as the two electrolytes are satisfied that the concentrations of the selected ions are different and the total concentrations are at a similar level, it is not an essential condition that the concentrations of the other ions are different.
  • the concentration of the other ions is the first electrolyte. It is only necessary to satisfy that the total concentrations of (110) and the second electrolyte 120 are similar. However, when there are no other ions of the same polarity, the first electrolyte 110 has a high concentration of ions passing through the selective permeable membranes 130 and 140 in order to have a high total concentration, and the concentration ratio condition of the selected ions (0 ⁇ According to C low concentration /C high concentration ⁇ 0.1), the second electrolyte 120 has a low concentration of selected ions.
  • the second electrolyte 120 has a high concentration of other ions of the same polarity (positive/negative) as the selected ion in order to reduce the total concentration ratio difference (0.1 ⁇ C second electrolyte /C first electrolyte ⁇ 10).
  • ions of a different polarity (positive/negative) from the selected ion have a concentration at a ratio of the reciprocal of the absolute value of the charge in order to match the electrical neutrality of the ions each of the two electrolytes have.
  • the first electrolyte 110 is an electrolyte containing ions selected by the selective permeable membrane at a low concentration, that is, even if it serves as a low concentration electrolyte in the existing technology, in this case, the first electrolyte 110 is necessarily different from each other of the same polarity. ions, and by including these ions at a high concentration, the total concentration of the first electrolyte 110 may be high.
  • the first electrolyte 110 contains no K + ions or a low concentration of 0.01 M corresponding to the selective permeable membrane for selecting K + ions
  • the second electrolyte 120 contains K + ions at a high concentration of 1 M.
  • the first electrolyte may contain 0.7M Mg 2+ ion, which is another ion of the same polarity, so that both electrolytes may have high concentrations.
  • the first electrolyte 110 is 1.41M
  • the second electrolyte 120 is 1M
  • the total concentrations of the two electrolytes are 2.12M and 2M, respectively, at similar levels. and greatly impede the osmosis problem.
  • Unselected ions such as Mg 2+ and Cl - are not directly related to the electric potential value, and a large electric potential can be obtained with a large concentration difference of K + in the two electrolytes.
  • the present invention in which all electrolytes can be high in concentration, can expect improved electrical performance, unlike the conventional technology in which low concentrations must be included.
  • the first electrolyte 110 contains K + ions at a low concentration of 0.01M corresponding to the selective permeable membrane for selecting K + ions
  • the second electrolyte 120 contains K + ions at a high concentration of 1M.
  • the first electrolyte contains 0.7M of Mg 2+ ions, which are different ions of the same polarity
  • the second electrolyte 120 contains 0.04M of Mg 2+ Both electrolytes can be high concentrations there is.
  • both electrolytes contain only Cl - ions
  • the anion is 1.41M for the first electrolyte and 1.08M for the second electrolyte 120, and the total concentrations of the two electrolytes are 2.12M and 2.12M, respectively, which are the same level. and significantly impede the osmosis problem.
  • Unselected ions such as Mg 2+ and Cl - are not directly related to the electric potential value, and a large electric potential can be obtained with a large concentration difference of K + in the two electrolytes.
  • the present invention in which all electrolytes can be high in concentration, can expect improved electrical performance, unlike conventional technologies in which low concentrations must be included.
  • the first electrolyte 110 has no K + ions corresponding to the selective permeable membrane that selects K + ions, and the second electrolyte 120 has K + ions at a high concentration of 0.5M at different concentrations.
  • the first electrolyte 110 may contain 0.5M of Mg 2+ ion, which is another ion of the same polarity, so that both electrolytes may have high concentrations.
  • the two electrolytes contain SO 4 2- and Cl - ions
  • the first electrolyte is 0.5M
  • the second electrolyte is 0.5M
  • the total concentrations of the two electrolytes are 1M and 1M, respectively. and significantly impede the osmosis problem.
  • Unselected ions such as Mg 2+ and Cl - are not directly related to the electric potential value, and a large electric potential can be obtained with a large concentration difference of K + in the two electrolytes.
  • first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 are not limited to the ion composition or concentration of the above-described embodiments, and may be applied even if the ionic composition and concentration conditions of each other are alternately changed.
  • the present invention in which all electrolytes can be high in concentration, can expect improved electrical performance, unlike the conventional technology in which low concentrations must be included.
  • the first electrolyte 110 may include a solvent, and the solvent is typically water (H 2 O), but depending on the type of ions and salts included in the first electrolyte 110, strong acid / It may include at least one of a strong base and an organic solvent electrolyte.
  • the solvent is typically water (H 2 O), but depending on the type of ions and salts included in the first electrolyte 110, strong acid / It may include at least one of a strong base and an organic solvent electrolyte.
  • an electrolyte having a high dielectric constant so as to facilitate ionization of solutes and salts and a low viscosity so as to smoothly move ions may be used as the solvent.
  • the strong acid/strong base may include at least one of HCl, H 2 SO 4 and KOH
  • the organic solvent may include at least one of linear carbonate, chain carbonate and cyclic carbonate. It may include one, but is not limited thereto.
  • the first electrolyte 110 is typically in a liquid phase, and may further include an auxiliary chamber supporting the liquid first electrolyte 110 .
  • the first electrolyte 110 may be a non-liquid gel or solid electrolyte for fixation and manufacture in a specific shape, and may further include a solidifying agent for solidification.
  • the solidifying agent is an aqueous electrolyte of a hydrogel containing at least one of agarose, collagen, and gelatin, and a polymer-based gel containing at least one of PVC and PMMA to which a plasticizer is added. It may include at least one of non-aqueous electrolytes, but is not limited thereto.
  • the thickness of the first electrolyte 110 may be 0.1 mm to 1 mm, preferably, 0.1 mm to 10 cm, and more preferably, 0.1 mm to 1 cm.
  • the thickness of the first electrolyte 110 is less than 0.1 mm, it can contact between the selectively permeable membranes 130 and 140, or between the electrodes 150 and 151 and the chamber walls supporting the first electrolyte 110, and contact At this time, there is a problem that the electrical potential to be acquired is lost.
  • both the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 can have high concentrations, they have a higher degree of freedom in terms of thickness than conventional technologies in which low concentrations are included.
  • the low concentration has lower electrical conductivity than the high concentration, the resistance rises rapidly as the thickness increases, and the increase in resistance causes a decrease in generated power, and the increase in the low concentration section with low capacitance causes a decrease in energy density. Therefore, it can be used even with a thickness of 1 cm or more, which is difficult to use due to low power generation in existing technologies.
  • the electricity generating device 100a includes a second electrolyte 120 .
  • the second electrolyte 120 may include the same components as the first electrolyte 110 .
  • the second electrolyte 120 may contain at least two or more types of ions, preferably, two to ten types of ions.
  • the ion composition of the second electrolyte 120 is preferably an electrolyte in which at least one or more of the ion types included in the first electrolyte 110 are not the same and replaced with another ion type.
  • the second electrolyte 120 may also include electrolytes containing the same type of ions as the first electrolyte 110 at different concentrations.
  • the ionic composition of the second electrolyte 120 is preferably an electrolyte in which both cations and anions included in the first electrolyte 110 are replaced with other cations and anions, and the cations and anions of the first electrolyte 110
  • An electrolyte containing low concentrations of anions but high concentrations of other cations and anions is also possible.
  • first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 each include two different cations or anions, so that one of the two cations or anions has high permeability to the selective permeable membranes 130 and 140 and the other ions may have low permeability.
  • first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 each contain at least two types of anions
  • one type of anion may be selectively transmitted therethrough
  • the second electrolyte 120 contain both at least two types of anions
  • one type of anion may be selectively transmitted. This may be the same even in the case of cations.
  • At least one type of ion passing through the selectively permeable membranes 130 and 140 among at least three types of ions included in the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 is the first electrolyte 110 While having different concentrations between the and second electrolytes 120, the total concentrations of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 may have similar concentrations.
  • the different concentrations between the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 are electrolytes (first electrolyte or second electrolyte) containing relatively little at least one type of ion passing through the selectively permeable membranes 130 and 140.
  • An electrolyte (second electrolyte or The concentration ratio (C low concentration / C high concentration ) of at least one ion passing through the selective permeable membranes 130 and 140 of the first electrolyte), that is, the concentration ratio of the selected ion may be 0 to 0.1.
  • the total concentration ratio (C second electrolyte /C first electrolyte ) of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 may be 0.1 to 10.
  • the ratio of the concentration of the selected ion in an electrolyte with a small amount of the corresponding ion to the concentration of the selected ion in an electrolyte with a large amount of the selected ion (C low concentration /C high concentration ), that is, when the concentration ratio of the selected ion is 0, the selected ion is one electrolyte (the first electrolyte or the second electrolyte) Since the total concentration ratio is 0.1 to 10, other electrolytes (second electrolyte or first electrolyte) necessarily contain other ions in an amount of 0.1 or more. Because of electrical neutrality, both positive and negative ions are further included, and the total concentration ratio can be adjusted to a similar level whether the selected ion is positive or negative.
  • both electrolytes first electrolyte and second electrolyte
  • This also includes other ions in an appropriate amount, so that the concentration ratio of only the selected ions is 0.1 or less, but the total concentration ratio of other ions must be more than 0.1.
  • the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 include the same two cations or anions, but one of the two ions is in high concentration in the first electrolyte 110, and the other is the second electrolyte ( 120), one of the two cations or anions may have high permeability to the selectively permeable membranes 130 and 140 and the other ion may have low permeability.
  • the second electrolyte 120 when the selective permeable membranes 130 and 140 distinguish the charge amount (valence) of ions, the second electrolyte 120 includes Ions different from the two or more types of ions included in the first electrolyte 110 may include multivalent ions such as Mg 2+ or Ca 2+ , and in the case of distinguishing the size of the ions, Co(NH 3 ) 6 3+ or (CH 3 ) n NH m + may include a polyatomic ion of large size, but is not limited thereto.
  • the second electrolyte 120 may preferably contain different ions in the same solvent as the first electrolyte 110, and the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 may contain three or more ions in total.
  • the second electrolyte 120 may include the same ions as the first electrolyte 120, but may be included in a concentration different from the concentration of each ion included in the first electrolyte 110.
  • the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 include a total of three or more kinds of ions, and among the ions included in the second electrolyte 120, ions different from those included in the first electrolyte 110 may depend on the selectivity of the selective transmission membranes 130 and 140.
  • At least two or more types of ions included in the second electrolyte 120 may have the same or different concentrations of each ion.
  • the total concentration of the second electrolyte 120 may be high concentration for high electrical conductivity, preferably, the total concentration of the second electrolyte 120 may be 0.1M to 5M, preferably, 0.1M to 2M can be
  • high concentration is universally replaced with 0.01 M electrolyte for fresh water and 0.5 M electrolyte for salt water in various studies.
  • 0.1M to 5M may be defined as a high concentration, considering the 0.5 M electrolyte expressed as saline as a high concentration.
  • the total concentrations of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 are at a similar level to inhibit osmosis, but there is a difference in the mobility of differently included ions and a difference in whether polyvalent ions are included. Concentration may vary depending on
  • the total concentrations of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 are the same or the total concentration difference between the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 is 10 times or less, and the first electrolyte 110 and the second electrolyte 2 It is very small compared to the concentration difference of each ion included in the electrolyte 120.
  • the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 have similar levels because reduction in osmosis is expected.
  • the similar level means that the total concentration ratio (C second electrolyte /C first electrolyte ) of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 uses a different concentration difference of 50 to 0.02 level in the existing technology,
  • the concentration ratio refers to a range of 0.1 to 10. Therefore, if the total concentration ratio of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 is out of the above-described difference in concentration similar to that of the conventional technology, an osmosis problem occurs as in the conventional technology.
  • the first electrolyte 110 has a concentration similar to the total ion concentration of the second electrolyte 120, the flow of the solvent due to osmotic pressure may be restricted, thereby forming a stable system.
  • the second electrolyte 120 like the first electrolyte 110, is not limited to a liquid phase, but can also be a gel or solid electrolyte, and the first electrolyte 110 is as high as possible within the limits of solubility depending on the ions and solvents used. ), a high concentration similar to the concentration of
  • the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 have different ionic compositions or concentration compositions, but have similar total concentrations, thereby providing the two electrolytes (the first The electrochemical stability is excellent due to the quasi-equilibrium state due to the low osmotic pressure and theft effect of the electrolyte and the second electrolyte).
  • the second electrolyte 120 may have a thickness of 0.1 mm to 1 mm, preferably, 0.1 mm to 10 cm, and more preferably, 0.1 mm to 1 cm.
  • the thickness of the second electrolyte 120 is less than 0.1 mm, it may contact between the selectively permeable membranes 130 and 140 or the chamber walls supporting the electrodes 150 and 151 and the second electrolyte 120, and contact At this time, there is a problem that the electrical potential to be acquired is lost.
  • both the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 can have high concentrations, they have a higher degree of freedom in terms of thickness than conventional technologies in which low concentrations are included.
  • the low concentration has lower electrical conductivity than the high concentration, the resistance rises rapidly as the thickness increases, and the increase in resistance causes a decrease in power generation. It is also possible to use it with more thickness.
  • the electricity generating device 100a causes a theft effect between the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 by selectively permeating at least one ion among at least three kinds of ions. It includes a selective transmission membrane (130, 140).
  • the selective permeable membranes 130 and 140 have high permeability to one ion among three or more types of ions of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120, and one or more ions among other ions. It has a low permeability to , and the Donnan effect may be induced.
  • electric potential caused by the ion layer may be generated by the Donnan effect by the selective permeable membranes 130 and 140 .
  • the selective permeable membranes 130 and 140 for cations/anions or specific ions ideally aim for complete impermeability to ions other than specific ions, but include ion-selective channels in actual living organisms, commercially available
  • the ion-selective permeable membrane that has been studied or is being studied is not completely impermeable to ions other than specific ions. Therefore, the relative permeability can cause the theft effect.
  • the selectively permeable membranes 130 and 140 selectively transmit at least two types of ions among at least three types of ions, there are ions (eg, cations) that are impermeable even when selectively passing two or more types of ions, and Since the electrolytes (the first electrolyte and the second electrolyte) have electrical and osmotic advantages of high concentration and similar concentration, it can show a difference from the existing technology.
  • ions eg, cations
  • the first electrolyte 110 is K as a cation, not one K + + and Na + , each containing half the concentration of K + ions when one type of cation is included, and containing Mg 2+ in the same way as when one type of cation is included, K + selective
  • the permeable membranes 130 and 140 are changed to monovalent ion-selective permeable membranes 130 and 140, the same effect can be obtained due to a difference in selectivity with Mg 2+ while permeating two types of ions.
  • it may be a system including a total of four ions, including at least one anion (Cl ⁇ ), in which two ions are selected from three types of cations K + , Na + , and Mg 2+ .
  • the selective permeable membranes 130 and 140 can be adjusted to have high selectivity for only one ion by adding an additional selectivity function to a generally used cation permeable membrane or anion permeable membrane.
  • the selective permeable membranes 130 and 140 are located between the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120, and the selective permeable membranes 130 and 140 are different from conventionally used cation exchange membranes or anion exchange membranes. , It is a membrane that has specific selectivity only for specific ions, and the concentration difference of ions can be individually controlled.
  • the selective permeable membranes 130 and 140 form the selective permeable membrane 130 to form 1 Concentrations of ions may be individually adjusted by selectively permeating the monovalent cation membrane included in the first electrolyte 110 using the valent cation selective membrane.
  • the selective permeable membranes 130 and 140 have a high permeability to only one ion species included in only one of the ions constituting the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120, which has a strong theft effect.
  • both electrolytes first electrolyte and second electrolyte
  • electrolytes contain three or more types of ions
  • cations and anions have asymmetric permeability by having different permeability for all ion species configured The theft effect and electric potential can occur.
  • the selectivity of the selective permeable membranes 130 and 140 may be adjusted according to the charge amount (valence) of ions or the size of the ions, and in the case where the selective permeable membranes 130 and 140 distinguish the charge amount (valence) of ions, Ions different from the two or more types of ions included in the first electrolyte 110 included in the second electrolyte 120 may include multivalent ions such as Mg 2+ or Ca 2+ , and the size of the ions is distinguished. may include large-sized polyatomic ions such as Co(NH 3 ) 6 3+ or (CH 3 ) n NH m + , but is not limited thereto.
  • the selective permeable membranes 130 and 140 have a high selectivity of 0 to 0.5, in which the permeability of one or more ions selectively transmitted through the selective permeable membranes 130 and 140 is compared to the permeability of other ions (P other ions / P selected ions ). may have, and if it exceeds 0.5, that is, if the selectivity is low, there is a problem in that the electric potential is greatly reduced by permeating unselected ions.
  • the selective transmission membranes 130 and 140 may have a thickness of 0.1 ⁇ m to 1 mm, preferably, 0.1 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the thickness of the selective permeable membrane (130, 140) is thinner than 0.1 ⁇ m, there is concern about damage due to weakening of mechanical performance, and if it is thicker than 1 mm, the current generated by the large flow resistance of the selective permeable membrane (130, 140) fear of loss
  • the selective transmission membranes 130 and 140 may include at least one of the first selective transmission membrane 130 and the second selective transmission membrane 140 .
  • the first selective permeable membrane 130 and the second selective permeable membrane 140 include only one of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120, or both electrolytes (the first electrolyte and the second electrolyte). ), it is desirable to have a selective permeability with high permeability for cations and anions, each containing a large concentration difference between them, in order to induce a strong theft effect, but all ions contained in the two electrolytes (first electrolyte and second electrolyte) By having different permeability for the species, the two selective permeability membranes have relatively high permeability to cations and anions, respectively, so that theft effect and electric potential can occur.
  • the first selective permeable membrane 130 is typically a commercial ion exchange membrane, a 2D material (graphene, graphene oxide, etc.) or a polymer-based membrane functionalized to have a charged functional group or functional group, Nafion and the like, and additional improvements are possible for low selectivity to cations that the second electrolyte 120 includes in high concentration.
  • the first selective permeable membrane 130 is located between the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120, and contains a high concentration of cations contained in the first electrolyte 110 in the second electrolyte 120. It has higher ion selectivity than the positive cations, so that the cations of the first electrolyte 110 can pass more quickly.
  • the second selective permeable membrane 140 is located between the second electrolyte 110 and the first electrolyte 120, and the first selective permeable membrane 130 and the two electrolytes (the first electrolyte and the second electrolyte) are disposed. is located oppositely, and the second selective permeable membrane 140 also induces theft effect and generates an electric potential in a similar principle to the first selective permeable membrane 130, but the arrangement of the two electrolytes (first electrolyte and second electrolyte) In order to generate an electric potential in the same direction as the first selective transmission membrane 130 while being reversed, it may have a selectivity different from that of the first selective transmission membrane 130 .
  • the selective transmission membranes 130 and 140 may include a composite selective transmission membrane including a first sub-selective transmission membrane and a second sub-selective transmission membrane coupled in parallel. It will be explained in detail in 5.
  • the electricity generating device 100a may include an electrode connected to at least one of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 to extract an electrical signal. there is.
  • An electrode can be used to extract an electrical signal from an electric potential, the electrode is inserted into the first electrolyte and the second electrolyte, or is inserted into one of the two electrolytes (the first electrolyte and the second electrolyte), and the other electrode is The potential difference can be obtained by connecting to the outside or to the ground.
  • the electrode is provided when Cl -anions are included in two electrolytes (the first electrolyte and the second electrolyte).
  • a silver/silver chloride (Ag/AgCl) reference electrode having a low oxidation-reduction potential is included
  • a copper/copper sulfate (Cu/CuSO4) reference electrode is preferable when Cu 2+ cations are included, and the first electrolyte 110 and the second electrolyte
  • gold (Au), platinum (Pt), copper (Cu), carbon (C) or other high conductivity materials are used for redox reaction or electrode polarization stability. may be included or substituted.
  • the electrodes may be used as two types of electrodes made of different materials depending on the ionic composition of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 and the purpose of electrode connection.
  • the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 may be a laminated structure forming both ends.
  • the first electrode 150 and the second electrolyte injected into the first electrolyte 110 It may include a second electrode 151 injected into (120).
  • the sizes of the first electrode 150 and the second electrode 151 may be included in the capacities of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 positioned at both ends.
  • the shape of the first electrode 150 and the second electrode 151 is preferably a wire or plate shape, and a contact area can be increased for a smooth electrical/chemical reaction with the first electrolyte 110. microstructures may be included.
  • the first electrode 150 is made of a material suitable for an electrical/chemical reaction with the first electrolyte 110, and may be both a polarizable electrode and a non-polarizable electrode.
  • a chlorine ion (Cl - ) is included as an anion of the first electrolyte 110
  • a silver/silver chloride electrode (Ag/AgCl electrode) may be used as the first electrode 150.
  • the type of ion of the first electrolyte 110 is not particularly limited, and accordingly, the first electrode 150 is made of gold (Au), platinum (Pt), or copper (Cu) for redox reaction or electrode polarization stability. , carbon (C), etc. may be included or substituted, but is not limited thereto.
  • the second electrode 151 injected into the second electrolyte 120 is the first electrode 150 injected into the first electrolyte 110 according to the stability of the redox reaction with the second electrolyte 120 or the electrode polarization state and other materials may be substituted.
  • the electricity generating device 100a can replace fresh water with other materials such as industrial water or ground water in reverse electrodialysis technology that generates electricity using the concentration difference between seawater and fresh water, resulting in higher current and power. Density and excellent stability of the system can be provided.
  • the electricity generating device 100a has the same mechanism of generating cell membrane potential in a living body, so it can be used as a source for generating and supplying electricity for flexible robots and artificial organs.
  • the electricity generating device 100a may obtain higher power by applying the reverse electrodialysis technology to a wide range of industrial water, wastewater, domestic sewage, etc., rather than salt water and fresh water.
  • the electricity generating device 100a can be used as an energy source for flexible devices due to its excellent electrochemical stability and bio-friendly characteristics based on biomimetics.
  • the electricity generating device 100a may propose a renewable energy system (eg, a flow battery) improved by a fusion technology of an oxidation & reduction reaction of an electrode.
  • a renewable energy system eg, a flow battery
  • the electricity generating device 100a may be applied to a redox battery or a flow battery.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the mechanism of an electricity generating device according to an embodiment of the present invention having a three-layer laminated structure including a single selective transmission membrane.
  • an electricity generating device having a three-layered structure including a single selective permeable membrane includes a high concentration of A + cations and a low concentration of B - anions in a first electrolyte, and a second electrolyte
  • the electrolyte may contain high concentrations of C m+ cations and B - anions.
  • the first selective permeable membrane is located between the first electrolyte and the second electrolyte, so that the A + cation contained in high concentration in the first electrolyte has a higher ion selectivity than the C m + cation contained in high concentration in the second electrolyte, A + cations of the first electrolyte may be more rapidly permeated.
  • first electrolyte and the second electrolyte have a similar level of ion selectivity for B - anions, they may have very low ion selectivity for B - anions.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing an electricity generating device according to an embodiment of the present invention including a composite selective transmission membrane.
  • the selective transmission membrane included in the electricity generating device 110b may be a composite selective transmission membrane 131 or 141 including a first sub-selective transmission membrane and a second sub-selective transmission membrane coupled in parallel. there is.
  • the composite selective permeable membranes 131 and 141 are two membranes each having high permeability to one ion contained in high concentration in the first electrolyte 110 and ions of the other polarity contained in high concentration in the second electrolyte 120. can be combined in parallel.
  • the composite selective permeable membranes 131 and 141 have high permeability and low permeability to one ion contained in high concentration in the first electrolyte 110 and another ion of the same polarity contained in high concentration in the second electrolyte 120, respectively. Two membranes having can be combined in parallel.
  • the composite selective permeable membranes 131 and 141 have high permeability and low permeability to cations or anions contained in high concentration in the first electrolyte 110 and other ions of the same pole contained in high concentration in the second electrolyte 120, respectively. may have permeability.
  • the electricity generating device 110b uses the composite selective permeable membranes 131 and 141 to asymmetrically for two ions. Permeability can be formed.
  • FIGS. 4 and 5 are schematic diagrams showing the mechanism of an electricity generating device according to an embodiment of the present invention including a composite selectively permeable membrane.
  • High permeability for only one ion species of a selective permeable membrane requires high selectivity for only one ion among two ions of the same polarity, which is generally an additionally treated selective permeable membrane for additional selectivity to cation/anion selective permeable membranes.
  • a permeable membrane is used, or a composite selective permeable membrane in which two different kinds of selective permeable membranes each having high permeability for different ions are formed in parallel can form an asymmetric permeability.
  • an electricity generating device including a composite selective permeable membrane includes A + cations and B - anions in a first electrolyte, and C m + cations and B - anions in a second electrolyte.
  • a + cations and B - anions in a first electrolyte and C m + cations and B - anions in a second electrolyte.
  • C m + cations and B - anions in a second electrolyte can include
  • a composite selective transmission membrane including a first sub-selective transmission membrane and a second sub-selective transmission membrane coupled in parallel between the first electrolyte and the second electrolyte may be included.
  • the first sub-selective permeable membrane has a higher ion selectivity for A + cations included in the first electrolyte than C m + cations included in the second electrolyte, and thus has a high permeability for A + cations, and a second sub-selective permeable membrane.
  • the permeable membrane may have high permeability due to anion selectivity for B - anions included in the first electrolyte and the second electrolyte.
  • an electricity generating device including a composite selective permeable membrane includes high concentrations of A + cations and D n- anions in a first electrolyte, and high concentration of C m+ cations in a second electrolyte. and high concentrations of B - anions.
  • the first sub-selective permeable membrane may have a higher ion selectivity for A + cations contained in high concentration in the first electrolyte than C m + cations contained in high concentration in the second electrolyte, and thus have high permeability to A + cations. there is.
  • the second sub-selective permeable membrane has high ion selectivity only for high-concentration B - anions included in the second electrolyte, and thus may have high permeability for B - anions.
  • FIGS. 6 and 7 are cross-sectional views showing electricity generating devices according to embodiments of the present invention stacked in a laminated structure.
  • the electricity generating device 100 of a laminated structure includes a first electrolyte 110, selective permeable membranes 130 and 140, and a second electrolyte 120 in a chamber. And, as an electricity generating device having a laminated structure in which the first electrolyte 110, the selective permeable membranes 130 and 140, and the second electrolyte 120 are alternately and repeatedly stacked, the first electrolyte 110 and the second electrolyte ( 120) each includes at least two or more kinds of ions, the total number of ions included in the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 is at least three kinds, and the selective permeable membranes 130 and 140 are at least three kinds. At least one ion among the above ions is selectively permeated to induce a theft effect between the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 .
  • the electricity generating device 100 having a laminated structure has a first electrolyte/selective permeable membrane/second electrolyte or a second electrolyte between the first electrolytes 110 formed at both ends of the chamber.
  • the electrolyte/selective permeable membrane/first electrolyte may be alternately and repeatedly laminated to have a structure.
  • the electricity generating device 100 having a laminated structure according to an embodiment of the present invention is the embodiment of the present invention except that the first electrolyte 110, the selective permeable membranes 130 and 140, and the second electrolyte 120 are repeatedly stacked. Since it includes the same components as the electricity generating device according to the example, a description of the same components will be omitted.
  • the multilayer structure electricity generating device 100 may include at least two or more selective transmission membranes 130 and 140, and preferably, the multilayer structure electricity generation device 100 according to an embodiment of the present invention
  • the generating device 100 may include a first selective transmission membrane 130 and a second selective transmission membrane 140 .
  • the relatively excellent permeability of cations of the first selective permeable membrane 130 causes problems in the electroneutrality of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120, and the two electrolytes (the first electrolyte and the second electrolyte)
  • the ions of ) form an ionic layer around the first selective permeation membrane 130 while limiting the permeation of cations in the first electrolyte 110.
  • the first selective permeable membrane 130 is a commercially available monovalent cation selective exchange membrane or a surface of a functionalized cation permeable membrane is coated with a material having a monovalent negative functional group or functional group at high density, It has high selectivity for monovalent cations included in the electrolyte and low selectivity for polyvalent cations included in the second electrolyte.
  • the first selective permeable membrane 130 uses a charged membrane made of nanochannels, and has high selectivity for small-sized cations included in the first electrolyte 110 at high concentration while the second electrolyte () 120) can be configured to have low selectivity for large cations included in high concentration.
  • this is an example of a method of causing a relative selectivity difference with respect to cations of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120, and is not limited to these methods.
  • the second selective permeable membrane 140 is located between the second electrolyte 110 and the first electrolyte 120, and the first selective permeable membrane 130 and the two electrolytes (the first electrolyte and the second electrolyte) are disposed. can be positioned opposite.
  • the second selective permeable membrane 140 also induces a theft effect and generates an electric potential in a similar principle to the first selective permeable membrane 130, but the arrangement of the two electrolytes (the first electrolyte and the second electrolyte) is reversed, and the first It may have a selectivity different from that of the first selectively permeable layer 130 in order to generate an electric potential in the same direction as the selectively permeable layer 130 .
  • the second selective permeation membrane 140 may replace the Donnan effect method applied to the positive ions by the first selective permeable membrane 130 with negative ions.
  • the second selective permeable membrane 140 is a selective permeable membrane functionalized with an opposite polarity, and can be further improved for low anion selectivity of the second electrolyte 120 .
  • the second selective permeable membrane 140 is a commercially available monovalent anion selective exchange membrane or a membrane coated with a material having a monovalent positive functional group, which has a high monovalent anion content in the first electrolyte 110. While having selectivity, it may have low selectivity with respect to polyvalent anions included in the second electrolyte 120 .
  • the second selective permeable membrane 140 includes a second electrolyte 120 while having a high selectivity for small-sized anions included in the first electrolyte 110 by using a reversely charged membrane made of nanochannels. It is also possible to have a low selectivity for large anions that
  • this is an example of a method of causing a relative selectivity difference with respect to anions of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120, but is not limited to these methods.
  • the high anion selectivity of the second selective permeable membrane 140 is usually accompanied by low cation selectivity.
  • the second selective permeable membrane is formed in parallel with the cation permeable membrane. It is also possible to use it as a combined composite selective permeable membrane.
  • the second selective permeable membrane 140 may also be selectively permeable to positive ions, like the first selective permeable membrane 130 .
  • the second selective permeable membrane 140 when the second selective permeable membrane 140 is coated with a material having a multivalent functional group, it has a higher selectivity for polyvalent ions, thereby forming a It can lead to the opposite theft phenomenon.
  • the arrangement of the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 formed on both sides of the second selective permeable membrane 140 is opposite to the second selective permeable membrane 140 opposite to the first selective permeable membrane 130.
  • an electric potential in the same direction as that of the first selective transmission layer 130 may be generated.
  • the first selectively permeable membrane 130 and the second selectively permeable membrane 140 can selectively transmit different ions and form electric potentials in the same direction.
  • first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 are disposed oppositely on both sides, Electric potentials in the same direction can be formed.
  • the electricity generating device 100 having a laminated structure includes a structure in which the first electrolyte 110, the selective permeable membranes 130 and 140, and the second electrolyte 120 are sequentially stacked.
  • the first electrolyte 110 and the second electrolyte 120 have high concentrations, but the types of constituting ions are different or three or more types of ions are included in different concentration differences, the selective permeable membranes 130 and 140
  • the theft effect in which an electric potential is spontaneously generated due to a concentration gradient for permeating ions, may be induced.
  • the electricity generating device 100 having a laminated structure according to an embodiment of the present invention includes a first electrolyte 110, a first selective permeable membrane 130, a second electrolyte 120, It may include a second selective permeable membrane 140 and the first electrolyte 110 .
  • the electricity generating device 100 of a laminated structure includes a first electrolyte 110, a first selective permeable membrane 130 adjacent to the first electrolyte, and a first electrolyte while facing the first electrolyte.
  • a structure including the first electrolyte 110 and stacking may be repeated, and electrodes may be inserted into the first electrolyte 110 or the second electrolyte 120 positioned at both ends of the stacked structure.
  • the electricity generating device 100 having a laminated structure includes two selectively permeable membranes and two electrolytes (first A device in which the theft effect and the generation of electric potential are accumulated in the same direction can be realized by alternately and repeatedly stacking the first electrolyte and the second electrolyte).
  • the electricity generating device 100 having a stacked structure according to an embodiment of the present invention may be stacked in series to increase the total electric potential (voltage).
  • FIGS. 8 to 10 are schematic diagrams showing the mechanism of the electricity generating device having a laminated structure according to an embodiment of the present invention.
  • an electricity generating device having a laminated structure uses two selective permeable membranes, a first electrolyte, a first selective permeable membrane, a second electrolyte, a second selective permeable membrane, and a first electrolyte. Including this sequentially stacked structure, both the first electrolyte and the second electrolyte may be included in high concentration.
  • the first selective permeable membrane and the second selective permeable membrane selectively transmit ions of different polarities (positive and negative) contained in the second electrolyte with high permeability, respectively, or ions of different polarities contained in the first electrolyte.
  • the first selectively permeable membrane and the second selectively permeable membrane can selectively transmit ions of different polarities in opposite directions to form a potential of the same polarity.
  • the second selective permeable membrane induces theft effect and generates an electric potential in a similar principle to the first selective permeable membrane, but the arrangement of the two electrolytes (the first electrolyte and the second electrolyte) is opposite to that of the first selective permeable membrane. Therefore, it may have a selectivity different from that of the first selectively permeable layer 130 in order to generate electric potential in the same direction as the first selectively permeable layer.
  • the first electrolyte may include A + cations and B - anions
  • the second electrolyte may include C m + cations and D n - anions.
  • the first selective exchange membrane may be a monovalent cation selective permeable membrane that selectively transmits A + cations contained in the first electrolyte
  • the second selective exchange membrane selectively transmits B - anions contained in the first electrolyte.
  • a monovalent anion selective permeable membrane is used, so that the second selective permeable membrane can replace the Donnan effect method applied to cations by the first selective permeable membrane 130 with negative ions,
  • the second selective permeable membrane may have high selectivity for B ⁇ anions, which are monovalent anions, included in the first electrolyte, and low selectivity for D n ⁇ ions, which are polyvalent anions, included in the second electrolyte.
  • an electricity generating device having a laminated structure uses two selective permeable membranes, including a first electrolyte, a first selective permeable membrane, a second electrolyte, a second selective permeable membrane, and a first electrolyte. Including this sequentially stacked structure, both the first electrolyte and the second electrolyte may be included in high concentration.
  • first selective permeable membrane and the second selective permeable membrane selectively transmit each one of the two ions of the same polarity included in the first electrolyte and the second electrolyte with high permeability, respectively, so that the two selectively permeable membranes have the same polarity.
  • the two ions can selectively permeate in the same direction, respectively, to form the same pole of the stolen potential.
  • the first electrolyte includes A + cations and B - anions
  • the second electrolyte contains C m+ cations and D n- anions (or B - ).
  • the first selective exchange membrane may be a monovalent cation selective permeable membrane that selectively transmits A + cations contained in the first electrolyte, and the second selective exchange membrane selectively transmits C m+ cations contained in the first electrolyte.
  • a multivalent anion selective permeable membrane may be used,
  • the second selective permeable membrane 140 when the second selective exchange membrane is prepared by coating the second selective exchange membrane with a material having a multivalent functional group, as opposed to the first selective permeation membrane, the second selective permeable membrane 140 has higher selectivity for polyvalent ions and It can lead to the opposite theft phenomenon.
  • the second selective permeation membrane in which the arrangement of the electrolyte is opposite to the first selective permeation membrane causes the opposite theft phenomenon to be the same as that of the first selective permeable membrane.
  • a directional electric potential can be generated.
  • an electricity generating device having a laminated structure uses two selective permeable membranes, including a first electrolyte, a first selective permeable membrane, a second electrolyte, a second selective permeable membrane, and a first electrolyte. Including this sequentially stacked structure, both the first electrolyte and the second electrolyte may be included in high concentration.
  • At least one of the first selective transmission membrane and the second selective transmission membrane may be a composite selective transmission membrane. Therefore, the current and power density of the electricity generating device 100 having a multilayer structure according to an embodiment of the present invention may be improved.
  • the first electrolyte may include A + cations and D n- anions
  • the second electrolyte may include C m + cations and B - anions.
  • the first selective permeable membrane has a first sub-selective permeable membrane having high selectivity for A + cations, which are monovalent cations included in the first electrolyte, and monovalent anions included in the second electrolyte have high selectivity for B - anions.
  • a second sub-selective transmission membrane having selectivity may be included.
  • the second selective permeable membrane is a first sub-selective permeable membrane having high selectivity for C m+ cations, which are polyvalent cations included in the second electrolyte, and a first sub-selective permeable membrane having high selectivity for D n- anions, which are polyvalent anions included in the first electrolyte. It may include 2 sub-selective transmission membranes.
  • electric potentials in the same direction may be generated by the first selective transmission layer and the second selective transmission layer, and current and power densities may be improved.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a comparison between a conventional reverse electrodialysis device and an electricity generating device having a laminated structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional reverse electrodialysis device and an electricity generating device according to an embodiment of the present invention. It is a schematic diagram showing comparison.
  • Existing reverse electrodialysis technology uses a concentration difference of at least 50 times to generate an electric potential similar to the resting potential of cells, but the electricity generating device according to the embodiment of the present invention and the electric potential according to the embodiment of the present invention
  • the multi-layered electricity generating device has various types of positive ions or negative ions and allows selective transmission of one ion among them, thereby obtaining electricity without limiting the total concentration.
  • the electricity generating device according to the embodiment of the present invention and the electricity generating device having a laminated structure according to the embodiment of the present invention mimic the functions of biological cells, which are different from the conventional reverse electrodialysis, and the present invention Constituting ions other than Na + and Cl - in high concentration in the low-concentration electrolyte of reverse electrodialysis technology, and using a selective permeable membrane that selectively transmits only Na + or Cl - while impermeating these other ions, Can produce electricity generators.
  • the electricity generating device according to the embodiment of the present invention and the electricity generating device having a laminated structure according to the embodiment of the present invention do not select one of Na + and Cl - , but one of Na + and other cations, Cl -
  • the low concentration member can improve the electrical performance (energy density and power density) of the single cell itself.
  • the electricity generating device according to the embodiment of the present invention and the electricity generating device having a laminated structure according to the embodiment of the present invention similar to cells, if the concentrations of the two electrolytes (the first electrolyte and the second electrolyte) are similar, Problems (reduction of concentration difference, morphological maintenance of the system, etc.) that may occur due to the movement of water by osmotic pressure can also be solved.
  • the electricity generating device according to an embodiment of the present invention and the electricity generating device having a laminated structure according to an embodiment of the present invention can secure a high current, degree, and power by using only a high concentration electrolyte, and the same concentration of the first Excellent stability (osmosis-resistive) can be secured from osmosis by using the electrolyte and the second electrolyte, and electrochemical equilibrium can be secured for a long time by utilizing the intact theft effect of cells.
  • the first Excellent stability osmosis-resistive
  • a three-layer structure consisting of a 1M aqueous solution of KCl and NaCl as the first electrolyte, a 0.5M aqueous solution of CaCl 2 , MgCl 2 and CuCl 2 as the second electrolyte, a monovalent cation exchange membrane as the first selective permeation membrane, and Ag/AgCl as the electrode.
  • An electricity generating device was prepared.
  • Example 2 The same procedure as in Example 1 was performed except that the first selective permeation membrane was replaced with a commercial general cation exchange membrane.
  • Example 13 is a graph showing electric potentials of the electricity generating device according to Comparative Example 1 and the electricity generating device according to Example 1 of the present invention.
  • An electricity generating device stacked in a five-layer structure was prepared.
  • Example 2 The same procedure as in Example 2 was performed except that the first selective permeation membrane was replaced with a commercial general cation exchange membrane and the second selective permeable membrane was replaced with a commercially available general anion exchange membrane.
  • Example 2 The same procedure as in Example 2 was performed except that a 0.1M aqueous solution of KCl was used as the second electrolyte, a commercial general cation exchange membrane was used as the first selective permeation membrane, and a commercial general anion exchange membrane was replaced as the second selective permeable membrane.
  • Example 2 The same procedure as in Example 2 was performed except that a 0.01M aqueous solution of KCl was used as the second electrolyte, a commercial general cation exchange membrane was used as the first selective permeation membrane, and a commercial general anion exchange membrane was replaced as the second selective permeable membrane.
  • FIG. 14 is a graph showing the electrochemical stability of the electricity generating device according to Comparative Examples 2 to 4 and the electricity generating device according to Example 2 of the present invention
  • FIG. 15 is the electricity generating device according to Comparative Examples 2 to 4 and the present invention. It is a graph showing voltage-current characteristics of the electricity generating device according to the second embodiment of the invention.
  • the electricity generating device according to Comparative Example 2 uses a general cation exchange membrane between two electrolytes having a very small concentration difference, so a low electric potential is measured.
  • the electricity generating device according to Example 2 of the present invention The use of a monovalent cation exchange membrane with excellent monovalent ion selectivity induces the theft effect, thereby obtaining a high electric potential.
  • the electricity generating device according to Comparative Examples 3 and 4 is a method of obtaining electric potential with a large concentration difference similar to the conventional electrodialysis device, and the difference in concentration is 100 times that of the electricity generating device according to Comparative Example 4. An electric potential similar to that of the electricity generating device according to the second embodiment of the present invention can be obtained.
  • the electricity generating devices according to Comparative Examples 3 and 4 obtain a low zero-voltage current due to the low concentration of the second electrolyte.
  • the electricity generating device according to the second embodiment of the present invention can obtain a very high zero-voltage current due to the excellent electrical conductivity of the high-concentration second electrolyte.
  • the electricity generating device according to Example 2 of the present invention can obtain a very high current about 10 times higher than that of the electricity generating devices according to Comparative Examples 3 and 4.
  • 16 is a graph showing osmotic pressure characteristics of the electricity generating device according to Comparative Examples 2 to 4 and the electricity generating device according to Example 2 of the present invention.
  • the electricity generating devices according to Comparative Examples 3 and 4 received a large osmotic pressure in the osmosis experiment due to the large concentration difference between the first electrolyte and the second electrolyte, but in Example 2 of the present invention It can be seen that the osmotic pressure of the electricity generating device according to Comparative Example 3 and Comparative Example 4 is halved compared to the electricity generating device according to Comparative Example 3 and Comparative Example 4.
  • FIG. 17 is a graph showing current density characteristics of an electricity generating device (binary) according to Comparative Example 4 and an electricity generating device (Quaternary) according to Example 2 of the present invention.
  • the electricity generating device (Quaternary) according to Example 2 of the present invention is increased by 5 times compared to the electricity generating device (Binary) according to Comparative Example 4, and the maximum power density is also increased by about 5 times. there is.

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Abstract

본 발명은 전기 발생 장치를 개시한다. 본 발명은 챔버 내에 제1 전해질, 선택적 투과막, 및 제2 전해질을 포함하는 전기 발생 장치로서, 상기 제1 전해질 및 상기 제2 전해질은 각각 적어도 2종 이상의 이온을 포함하고, 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질에 포함되는 총 이온은 적어도 3종 이상이며, 상기 선택적 투과막은 적어도 3종 이상의 이온 중 적어도 1종 이상의 이온을 선택적으로 투과시켜 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질 사이의 도난 효과를 유발하는 것을 특징으로 한다.

Description

도난 효과 기반의 다종 이온 제어를 통한 전기 발생 장치 및 적층 구조의 전기 발생 장치
본 발명은 도난 효과 기반의 다종 이온 제어를 통한 전기 발생 장치 및 적층 구조의 전기 발생 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 본 발명은 고농도의 다종 이온을 포함하는 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)을 사용하여 기존 역전기투석 기술에 비하여 높은 전류 및 전력 밀도를 출력함으로써 우수한 전기적 특성을 갖는 도난 효과 기반의 다종 이온 제어를 통한 전기 발생 장치 및 적층 구조의 전기 발생 장치에 관한 것이다.
역전기투석(Reverse Electrodialysis)은 인접한 두 전해질의 농도가 다르고 인접한 곳에 상기 두 전해질이 포함하는 특정 이온에 대하여 높은 투과성을 지니는 선택성 막이 위치할 때, 이온의 거동에 의해 전기를 발생하는 시스템이다. 상기 두 전해질은 고농도의 전해질과 저농도의 전해질로 구성되어, 둘 사이에 양이온 투과막 또는 음이온 투과막과 같은 선택적 투과막을 배치한 3층 구조로 전기 포텐셜(electric potential)을 발생시킨다.
상기 양이온 투과막과 음이온 투과막은 동일한 양쪽 전해질에 대하여 반대 방향의 전기 포텐셜을 형성하므로, 상기 고농도의 전해질, 양이온 투과막, 저농도의 전해질, 음이온 투과막, 고농도의 전해질 순으로 적층하여 동일방향으로 더해진 전기 포텐셜을 획득할 수 있으며, 더욱이 상기 3층 구조를 단위로 교번하여 반복 적층하게 되면 보다 큰 전기 포텐셜을 획득할 수 있다.
획득된 큰 전기 포텐셜은 전체 적층 구조의 양 끝 전해질에 전극을 삽입하면 전극에 산화환원반응을 유발하여 외부 회로에 전기 에너지를 공급한다. 즉, 이온의 흐름을 제어함으로써 농도 차이가 지니는 화학 포텐셜을 전기 포텐셜로 변환하는 전기에너지 공급 및 발전 장치이다. 상기 고농도 전해질은 해수로, 상기 저농도 전해질은 담수로 취급하여 역전기투석 기술을 이용한 신재생 에너지 발전 및 하베스팅 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
하지만, 기존의 역전기투석 기술은 구성에 상기 저농도 전해질이 필수적으로 포함되는데, 보편적으로 담수이거나 담수와 유사한 농도의 전해질(0.01M)로 활용하는 저농도 전해질은 저밀도의 이온 흐름(ionic current)를 유발하여, 전력 밀도(power density)를 높이는데 한계가 있다. 전력 밀도를 향상시키기 위해 상기 선택적 투과막의 선택성을 향상시켜 특정 이온의 흐름을 보다 강하게 하여 전력 밀도를 향상시키는 연구들이 제안되고 있으나, 근본적으로 낮은 전력 밀도의 원인은 상기 저농도 전해질의 존재 때문이므로 전력 밀도의 극적인 향상은 어렵다.
또한, 역전기투석 기술은 상기 저농도 전해질과 고농도 전해질이 인접하기 때문에 평형(equilibrium)이 아닌 상태로, 지속적으로 전기 에너지를 발생하며 방전한다. 보편적으로 해수이거나 해수와 유사한 수준의 농도의 전해질(0.5M)로 활용되는 상기 고농도 전해질과, 상기 저농도 전해질은 약 50배의 큰 농도 차이를 지니고, 농도 기울기를 따라 흐르는 이온과 강한 삼투압에 의한 빠른 물의 흐름은 이 농도 차이를 빠르게 감소시킬 수 있다, 이를 막고 전기 에너지 발전을 안정적으로 제어하기 위해서는 상기 두 전해질에 별도의 외부 펌프 장치로 같은 농도의 전해질들을 각각 지속적으로 주입하여 농도 차이를 유지하도록 순환시켜야 하는 부담이 있다.
한편, 생체의 전기 에너지 발생도 이온의 흐름을 제어함으로써 발생한다. 세포막은 이온채널(ion channel)을 통해 세포막 주변의 이온들을 선택적으로 투과시켜 이온 거동을 제어하고 전기 포텐셜을 발생한다. 세포 내부와 외부에는 K+, Cl+, Na+, Ca2+, Mg2+, H+, HCO3 - 등의 다종의 이온들과 음하전된 단백질(anionic protein, P-)이 다른 농도로 분포하고 있다.
다종의 이온들은 각각 세포 내부와 외부에 크게는 수십배의 농도 차이로 다르게 포함되지만, 세포 내부와 외부의 총농도는 유사하다. 이러한 세포막 주변 환경에서 이온들은 세포막 내에 위치한 이온 채널(ion channel)을 통해 특정 이온만이 선택적으로 투과한다. 총농도는 차이가 거의 없지만 이온 채널에 의해 특정 이온의 농도 기울기에 따른 흐름이 활성화되고, 흐름이 저해된 다른 이온들은 막 주변에 이온 층을 형성하여 전기적 기울기, 즉 전기 포텐셜을 형성한다.
발생된 전기적 기울기는 농도 기울기와 평형을 이루며 이온들의 농도 차이 조성을 유지하는데 이를 도난 효과(Donnan effect)라 하며 이때 평형의 전기 포텐셜(equilibrium potential)을 도난 포텐셜(Donnan potential)이라 한다. 이온 이송으로 발생하는 생체 전기 매커니즘은 생체 내에서 대사 및 신경계에서 중요한 역할을 수행하면서, 우수한 에너지 효율 및 출력과 빠른 응답속도 등을 특징으로 하여 상세한 매커니즘 규명을 위한 연구가 지속되고 있다.
본 발명의 실시예는 선택적 투과막을 이용하여 고농도의 다종 이온을 포함하는 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)을 사용하여 기존 역전기투석 기술에 비하여 높은 전류 및 전력 밀도를 출력함으로써 우수한 전기적 특성을 가질 수 있는 도난 효과 기반의 다종 이온 제어를 통한 전기 발생 장치 및 적층 구조의 전기 발생 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 제1 전해질 및 제2 전해질이 다른 이온 구성 또는 농도 조성을 가지지만 유사한 총농도를 가짐으로써 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)의 낮은 삼투압과 도난효과에 의해 준 평형 상태를 이뤄 전기화학적 안정성이 우수한 도난 효과 기반의 다종 이온 제어를 통한 전기 발생 장치 및 적층 구조의 전기 발생 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치는 챔버 내에 제1 전해질, 선택적 투과막, 및 제2 전해질을 포함하는 전기 발생 장치로서, 상기 제1 전해질 및 상기 제2 전해질은 각각 적어도 2종 이상의 이온을 포함하고, 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질에 포함되는 총 이온은 적어도 3종 이상이며, 상기 선택적 투과막은 적어도 3종 이상의 이온 중 적어도 1종 이상의 이온을 선택적으로 투과시켜 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질 사이의 도난 효과를 유발한다.
상기 선택적 투과막은, 상기 선택적 투과막에 선택적으로 투과되는 1종 이상의 이온의 투과도 대비 다른 이온들의 투과도(P다른이온/P선택이온)가, 0 내지 0.5 일 수 있다.
상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질에 포함되는 적어도 총 3종 이상의 이온 중 상기 선택적 투과막을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온이 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질 간에 상이한 농도를 가질 수 있다.
상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질 간에 상이한 농도는, 상기 선택적 투과막을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온이 상대적으로 적게 포함된 전해질에 포함된 상기 선택적 투과막을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온의 농도와 상기 선택적 투과막을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온이 상대적으로 많게 포함된 전해질의 상기 선택적 투과막을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온의 농도 비(C저농도/C고농도)가 0 내지 0.1 일 수 있다.
상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질의 총농도비(C제2전해질/C제1전해질)는 0.1 내지 10 일 수 있다.
상기 제1 전해질은 양이온 및 음이온을 포함하고, 상기 양이온은 H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Li+, Fe3+, Fe2+, Al3+, Cu2+, Zn2+, Zn+, V2+, V3+, Cr2+, Cr3+, Co(NH3)6 3+ 및 (CH3)nNHm +(n 및 m은 0 내지 4이고, n과 m의 합은 4임) 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 음이온은 F-, Cl-, Br-, NO3 -, OH-, F-, Br-, HCO3 -, SO4 2- 및 CO3 2- 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 선택적 투과막은, 병렬적으로 결합된 제1 서브 선택적 투과막 및 제2 서브 선택적 투과막을 포함하는 복합 선택적 투과막을 포함할 수 있다.
상기 제1 전해질 및 상기 제2 전해질의 두께는 0.1 mm 내지 1 mm 일 수 있다.
상기 선택적 투과막의 두께는 0.1 ㎛ 내지 1 mm일 수 있다.
상기 제1 전해질 및 상기 제2 전해질 중 적어도 어느 하나에 전극을 더 포함할 수 있다.
챔버 내에 제1 전해질, 선택적 투과막, 및 제2 전해질을 포함하고, 상기 제1 전해질, 상기 선택적 투과막 및 상기 제2 전해질이 교번하여 반복 적층된 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치로서, 상기 제1 전해질 및 상기 제2 전해질은 각각 적어도 2종 이상의 이온을 포함하고, 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질에 포함되는 총 이온은 적어도 3종 이상이며, 상기 선택적 투과막은 상기 적어도 3종 이상의 이온 중 적어도 1종 이상의 이온을 선택적으로 투과시켜 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질 사이의 도난 효과를 유발한다.
상기 선택적 투과막은, 적어도 2개 이상일 수 있다.
상기 선택적 투과막은, 제1 선택적 투과막 및 제2 선택적 투과막을 포함하며, 상기 제1 선택적 투과막 및 상기 제2 선택적 투과막은, 서로 다른 이온을 선택적으로 투과시키고, 동일한 방향으로 전기 포텐셜(electric potential)을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 투과막을 이용하여 고농도의 다종 이온을 포함하는 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)을 사용하여 기존 역전기투석 기술에 비하여 높은 전류 및 전력 밀도를 출력함으로써 우수한 전기적 특성을 가질 수 있는 도난 효과 기반의 다종 이온 제어를 통한 전기 발생 장치 및 적층 구조의 전기 발생 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예는 제1 전해질 및 제2 전해질이 다른 이온 구성 또는 농도 조성을 가지지만 유사한 총농도를 가짐으로써 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)의 낮은 삼투압과 도난효과에 의해 준 평형 상태를 이뤄 전기화학적 안정성이 우수한 도난 효과 기반의 다종 이온 제어를 통한 전기 발생 장치 및 적층 구조의 전기 발생 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 단일 선택적 투과막을 포함하는 3층 적층 구조를 갖는 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치의 매커니즘을 도시한 개략도다.
도 3은 복합 선택적 투과막을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치를 도시한 단면도이다.
도 4 및 도 5는 복합 선택적 투과막을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치의 매커니즘을 도시한 개략도다.
도 6 및 도 7은 적층 구조로 적층된 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치를 도시한 단면도이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치의 매커니즘을 도시한 개략도다.
도 11은 기존의 역전기투석 및 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치를 비교하여 도시한 단면도이고, 도 12는 기존의 역전기투석 및 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치의 비교하여 도시한 개략도이다.
도 13은 비교예 1에 따른 전기 발생 장치 및 본 발명의 실시예 1에 따른 전기 발생 장치의 전기 포텐셜을 도시한 그래프이다.
도 14는 비교예 2 내지 4에 따른 전기 발생 장치 및 본 발명의 실시예 2에 따른 전기 발생 장치의 전기화학적 안정성을 도시한 그래프이고, 도 15는 비교예 2 내지 4에 따른 전기 발생 장치 및 본 발명의 실시예 2에 따른 전기 발생 장치의 전압-전류 특성을 도시한 그래프이다.
도 16은 비교예 2 내지 4에 따른 전기 발생 장치 및 본 발명의 실시예 2에 따른 전기 발생 장치의 삼투압 특성을 도시한 그래프이다.
도 17은 비교예 4에 따른 전기 발생 장치(Binary) 및 본 발명의 실시예 2에 따른 전기 발생 장치(Quaternary)의 전류 밀도 특성을 도시한 그래프이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는'이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명의 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치는 챔버 내에 제1 전해질, 선택적 투과막, 및 제2 전해질을 포함하는 전기 발생 장치로, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치는 선택적 투과막을 이용하여 고농도의 다종 이온을 포함하는 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)을 사용하여 기존 역전기투석 기술에 비하여 높은 전류 및 전력 밀도를 출력함으로써 우수한 전기적 특성을 가질 수 있다.
실시예에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치는 단일의 선택적 투과막을 포함하거나, 적어도 2개 이상의 서브 선택적 투과막을 포함하는 복합 선택적 투과막을 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2는 단일 선택적 투과막을 포함하는 3층 적층 구조의 전기 발생 장치 및 이의 매커니즘을 도시한 개략도고, 도 3 내지 도 5는 2개 이상의 서브 선택적 투과막을 포함하는 복합 선택적 투과막을 포함하는 3층 적층 구조의 전기 발생 장치 및 이의 매커니즘을 도시한 개략도다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치는 선택적 투과막의 개수 및 구조가 상이한 것을 제외하면 동일한 구성 요소를 포함하고 있기에, 동일한 구성 요소에 대해서는 도 1에서 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치를 도시한 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 챔버 내에 제1 전해질(110), 선택적 투과막(130, 140) 및 제2 전해질(120)을 포함하는 전기 발생 장치(100a)이다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 선택적 투과막(130, 140)을 이용하여 고농도의 다종 이온을 포함하는 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)을 사용하여 기존 역전기투석 기술에 비하여 높은 전류 및 전력 밀도를 출력함으로써 우수한 전기적 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 제1 전해질(110) 및 제2 전해질(120)을 포함하고, 제1 전해질(110) 및 제2 전해질(120)은 각각 적어도 2종 이상의 이온을 포함하고, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)에 포함되는 총 이온은 적어도 3종 이상이다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 기존에 사용되는 고농도 전해질 및 저농도의 전해질 대신에 제1 전해질(110) 및 제2 전해질(120)을 모두 고농도의 전해질을 구성하는 이온과 다른 이온을 포함하는 고농도 전해질을 사용함으로써, 2가지의 고농도의 전해질이 총 3종 이상의 이온들을 포함하고, 구성하는 이온들 중 1 종의 이온 만을 다른 이온들에 비하여 높은 투과도로 선택적으로 투과시키는 선택적 투과막(130, 140)을 제1 전해질(110) 및 제2 전해질(120) 사이에 위치함으로써, 두 고농도의 전해질 사이에 도난 효과를 유발하여 우수한 전기적 특성과 안정적인 전기화학적 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 제1 전해질(110)을 포함한다.
제1 전해질(110)은 적어도 2종 이상의 이온을 포함할 수 있고, 바람직하게는, 2종 내지 10종의 이온을 포함할 수 있다.
제1 전해질(110)은 적어도 1개 이상의 양이온 및 적어도 1개 이상의 음이온을 포함할 수 있고, 예시로, 양이온은 H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Li+, Fe3+, Fe2+, Al3+, Cu2+, Zn2+, Zn+, V2+, V3+, Cr2+, Cr3+, Co(NH3)6 3+ 및 (CH3)nNHm +(상기 n 및 m은 0 내지 4이고, 상기 n과 m의 합은 4임) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 음이온은 F-, Cl-, Br-, NO3 -, OH-, F-, Br-, HCO3 -, SO4 2- 및 CO3 2- 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 양이온과 음이온은 제시된 종류에 국한하지 않는다.
바람직하게는, 제1 전해질(110)은 양이온과 음이온의 이온 이동도(ion mobility)가 유사한 수준이면서 그 크기가 우수한 KCl을 포함할 수 있으나, 제1 전해질(110)에 포함되는 용매의 특성이나 선택적 투과막(130, 140)의 이온 선택성에 따라 다른 이온으로 대체될 수 있다.
제1 전해질(110)의 총농도는 높은 전기전도성을 위하여 고농도일 수 있고, 바람직하게는, 제1 전해질(110)의 총농도는 0.1M 내지 5M일 수 있고, 바람직하게는, 0.1M 내지 2M 일 수 있다.
고농도의 정의는, 보편적으로 여러 연구에서 담수를 0.01M 전해질로, 염수를 0.5M 전해질로 대체하는데, 이 담수라 표현하는 0.01M 전해질을 저농도로 고려하여, 0 M 내지 0.1M 를 저농도라 정의하고, 염수라 표현하는 0.5 M 전해질을 고농도로 고려하여, 고농도는 0.1M 이상으로 정의할 수 있으며, 바람직하게는, 0.1M 내지 5M 을 고농도라 정의할 수 있다.
또한, 제1 전해질(110)에 포함되는 적어도 2종 이상의 이온들은 각 이온의 농도가 동일하거나 상이할 수 있다. 제1 전해질(110)에 포함되는 적어도 2종 이상의 이온들의 농도가 상이한 경우, 상이한 농도라 함은 선택적 투과막(130, 140)을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온이 상대적으로 적게 포함된 전해질(제1 전해질 또는 제2 전해질)에 포함된 선택적 투과막(130, 140)을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온의 농도와 선택적 투과막(130, 140)을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온이 상대적으로 많게 포함된 전해질(제2 전해질 또는 제1 전해질)의 선택적 투과막(130, 140)을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온의 농도 비(C저농도/C고농도), 즉 선택된 이온의 농도비가 0 내지 0.1일 수 있다.
선택된 이온의 농도비(C저농도/C고농도)가 0.1보다 높으면 약한 전기 포텐셜이 발생한다. 또한, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)의 총농도가 유사한 수준인 것이 삼투 현상의 저감이 기대되므로 바람직하다. 이 때, 유사한 수준이라 함은, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)의 총 농도비(C제2전해질/C제1전해질)가 기존 기술은 50 내지 0.02 수준의 상이한 농도차를 활용하므로, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)의 총농도비(C제2전해질/C제1전해질)는 0.1 내지 10일 수 있다. 이 총농도비를 벗어나면 기존 기술과 유사한 수준의 상이한 농도차로, 기존 기술과 같이 삼투 문제가 야기된다.
또한, 제1 전해질(110)에 포함되는 적어도 2종 이상의 이온들의 농도가 상이하다고 할지라도 제1 전해질(110)에 포함되는 이온의 총농도는 앞서 전술한 바와 같이 고농도일 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 전해질(110)에 2종의 이온(1종의 양이온과 1종의 음이온)이 포함되는 경우, 두 이온은 전기적 중성을 맞추기 위하여 전하량 절댓값의 역수의 비로 농도를 가진다. 제1 전해질(110)은 고농도의 총농도를 갖추기 위해서 선택적 투과막(130, 140)을 투과하는 이온을 고농도로 가지며, 선택된 이온의 농도비 조건(0<C저농도/C고농도<0.1)에 따라 제2 전해질(120)은 저농도의 선택된 이온을 가진다. 한편, 제2 전해질(140)은 총농도비 차이를 줄이기 위하여(0.1<C제2전해질/C제1전해질<10) 선택된 이온과 동일한 극(양/음)의 다른 이온을 고농도로 가진다. 한편, 선택된 이온과 다른 극(양/음)의 이온은 두 전해질이 각각 가진 이온들의 전기적 중성을 맞추기 위하여 전하량 절댓값 역수의 비로 농도를 가진다.
또한, 제1 전해질(110)에 3종 이상의 이온이 포함되는 경우, 선택적 투과막(130, 140)이 선택하는 이온 1종에 대하여는 제2 전해질(120)과 상이한 농도로 포함될 수 있다.
예를 들어, 제1 전해질(110)에 3종 이상의 이온이 포함되며, 그 중 선택적 투과막(130, 140)이 선택하는 이온과 동일한 극성(양/음)을 가지는 다른 이온이 포함될 경우, 선택된 이온의 농도비 조건(0<C저농도/C고농도<0.1)에 따라 선택된 이온의 농도는 두 전해질이 상이하면서 두 전해질의 총농도비 차이를 줄이기 위하여(0.1<C제2전해질/C제1전해질<10), 선택된 이온과 동일한 극성을 가지는 다른 이온의 농도는 선택된 이온과 반대로 두 전해질에서 상반된 농도비로 상이할 수 있다.
이는 두 전해질의 총농도를 유사하게 하기위해 바람직하며, 선택된 이온과 다른 동일한 극성의 이온이 서로 상반되게 상이한 농도가 아닐 될 경우 총농도도 상이하여 삼투 문제가 야기될 수 있다. 따라서, 제1 전해질(110)이 3종 이상의 이온을 포함하며 그 중 선택하는 이온과 동일한 극성을 가지는 다른 이온이 포함될 경우, 이 이온들의 농도는 상이할 수 있다. 그러나 두 전해질이 선택된 이온의 농도는 상이하면서 총농도는 유사한 수준임만 만족되면, 다른 이온들의 농도가 상이한 것이 필수 조건은 아니다.
또한, 제1 전해질(110)에 3종 이상의 이온이 포함되며, 그 중 선택적 투과막(130, 140)이 선택하는 이온과 동일한 극성을 가지는 다른 이온이 없는 경우, 다른 이온들의 농도는 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)의 총농도가 유사한 수준임만 만족하면 된다. 그러나, 동일한 극성의 다른 이온이 없는 경우는 제1 전해질(110)은 고농도의 총농도를 갖추기 위해서 선택적 투과막(130, 140)을 투과하는 이온을 고농도로 가지며, 선택된 이온의 농도비 조건(0<C저농도/C고농도<0.1)에 따라 제2 전해질(120)은 저농도의 선택된 이온을 가진다. 한편, 제2 전해질(120)은 총농도비 차이를 줄이기 위하여(0.1<C제2전해질/C제1전해질<10) 선택된 이온과 동일한 극(양/음)의 다른 이온을 고농도로 가진다. 한편, 선택된 이온과 다른 극(양/음)의 이온들은 두 전해질이 각각 가진 이온들의 전기적 중성을 맞추기 위하여 전하량 절댓값 역수의 비로 농도를 가진다.
한편, 제1 전해질(110)은 선택적 투과막이 선택하는 이온을 저농도로 포함하는 전해질이라 하더라도, 즉, 기존 기술에서 저농도 전해질 역할을 하더라도, 이 경우는 제1 전해질(110)이 반드시 동일한 극성의 다른 이온을 포함하며, 이 이온을 고농도로 포함시켜 제1 전해질(110)의 총농도는 고농도일 수 있다.
예를 들어, 제1 전해질(110)은 K+ 이온을 선택하는 선택적 투과막에 대응하여 K+ 이온이 없거나 0.01M의 저농도로 포함하고, 제2 전해질(120)은 K+ 이온을 1M의 고농도로 서로 상이한 농도로 포함할 경우, 제1 전해질이 동일한 극성의 다른 이온인 Mg2+ 이온을 0.7M 포함하여 두 전해질 모두 고농도일 수 있다.
한편, 음이온은 두 전해질이 모두 Cl- 이온만을 포함한다고 할 경우, 제1 전해질(110)은 1.41M, 제2 전해질(120)은 1M로 두 전해질의 총농도는 각각 2.12M, 2M로 유사한 수준이 되고 삼투 문제를 크게 저해시킨다.
선택되지 않은 이온인 Mg2+나 Cl-는 전기 포텐셜 수치에 직접적으로 관련하지 않으며, K+의 두 전해질에서의 큰 농도차로 큰 전기 포텐셜을 획득 할 수 있다.
또한, 모든 전해질이 고농도일 수 있는 본 발명은, 저농도가 반드시 포함되어야 하는 기존 기술과 달리 향상된 전기적 성능을 기대할 수 있다.
실시예에 따라, 제1 전해질(110)은 K+ 이온을 선택하는 선택적 투과막에 대응하여 K+ 이온이 0.01M의 저농도로 포함하고, 제2 전해질(120)은 K+ 이온을 1M의 고농도로 서로 상이한 농도로 포함할 경우, 제1 전해질이 동일한 극성의 다른 이온인 Mg2+ 이온을 0.7M 포함하고, 제2 전해질(120)이 Mg2+를 0.04M 포함 하여 두 전해질 모두 고농도일 수 있다. 한편, 음이온은 두 전해질이 모두 Cl- 이온만을 포함한다고 할 경우, 제1 전해질은 1.41M, 제2 전해질(120)은 1.08M로 두 전해질의 총농도는 각각 2.12M, 2.12M로 동일한 수준이 되고 삼투 문제를 크게 저해시킨다.
선택되지 않은 이온인 Mg2+나 Cl-는 전기 포텐셜 수치에 직접적으로 관련하지 않으며, K+의 두 전해질에서의 큰 농도차로 큰 전기 포텐셜을 획득 할 수 있다. 또한, 모든 전해질이 고농도일 수 있는 본 발명은, 저농도가 반드시 포함되어야하는 기존 기술과 달리 향상된 전기적 성능을 기대할 수 있다.
실시예에 따라, 제1 전해질(110)은 K+ 이온을 선택하는 선택적 투과막에 대응하여 K+ 이온이 없고, 제2 전해질(120)은 K+ 이온을 0.5M의 고농도로 서로 상이한 농도로 포함할 경우, 제1 전해질(110)이 동일한 극성의 다른 이온인 Mg2+ 이온을 0.5M 포함하여 두 전해질 모두 고농도일 수 있다.
한편, 음이온은 두 전해질이 각각 SO4 2-와 Cl- 이온을 포함한다고 할 경우, 제1 전해질은 0.5M, 제2 전해질은 0.5M로 두 전해질의 총농도는 각각 1M, 1M로 동일한 수준이 되고 삼투 문제를 크게 저해시킨다. 선택되지 않은 이온인 Mg2+나 Cl-는 전기 포텐셜 수치에 직접적으로 관련하지 않으며, K+의 두 전해질에서의 큰 농도차로 큰 전기 포텐셜을 획득 할 수 있다.
한편, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)은 앞서 전술한 실시예들의 이온 조성 또는 농도에 제한되지 않고, 서로의 이온 조성 및 농도 조건을 교차하여 바꾸어서도 적용할 수 있다.
또한, 모든 전해질이 고농도일 수 있는 본 발명은, 저농도가 반드시 포함되어야 하는 기존 기술과 달리 향상된 전기적 성능을 기대할 수 있다.
제1 전해질(110)은 용매를 포함할 수 있고, 용매는 통상적으로 물(H2O)이 바람직하나, 제1 전해질(110)에 포함되는 이온 및 염의 종류에 따라, 용해시키기 용이한 강산/강염기로 및 유기용매 전해액 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 용매는 용질 및 염을 이온화시키기 용이하도록 유전 상수가 높고, 이온 이동이 원활하도록 점도가 낮은 전해액을 사용할 수 있다.
강산/강염기로는 HCl, H2SO4 및 KOH 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 유기용매는 선형 카보네이트(linear carbonate), 사슬형 카보네이트(chain carbonate) 및 환형 카보네이트(cyclic carbonate) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
실시예에 따라, 제1 전해질(110)은 통상적으로 액상으로, 액상의 제1 전해질(110)을 담지하는 보조 챔버를 더 포함할 수 있다.
또한, 제1 전해질(110)은 특정 형상으로의 고정 및 제조를 위하여 액상이 아닌 겔이나 고상의 전해질일 수 있고, 고형화를 위하여 고형화제를 더 포함할 수 있다. 고형화제는 아가로즈(agarose), 콜라겐(collagen) 및 젤라틴(gelatin) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 하이드로겔의 수계 전해질, 가소제를 첨가한 PVC 및 PMMA 중 적어도 어느 하나를 포함하는 폴리머 계열의 겔의 비수계 전해질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
제1 전해질(110)의 두께는 0.1 mm 내지 1 mm 일 수 있고, 바람직하게는, 0.1 mm 내지 10 cm 일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 0.1 mm 내지 1 cm 일 수 있다.
제1 전해질(110)의 두께가 0.1mm 미만이면 선택적 투과막(130, 140) 간의, 또는 전극(150, 151) 및 제1 전해질(110)을 담지하는 챔버 벽면과의 접촉할 수 있으며, 접촉 시, 획득할 전기 포텐셜이 손실되는 문제가 있다.
반면, 제1 전해질(110)의 두께가 두꺼워질수록, 장치가 길어져 전체 저항이 상승하기 때문에, 제어가능한 수준의 가능한 한 얇은 전해질을 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120) 모두 고농도가 가능하기 때문에, 저농도가 포함되는 기존 기술보다 두께에 대해 높은 자유도를 갖는다.
보다 구체적으로, 저농도는 고농도에 비하여 전기전도성이 낮기 때문에 두께가 두꺼워짐에 따라 저항이 급격히 상승하고, 저항 상승은 발전 전력의 감소를 유발하며, 전기용량이 낮은 저농도 구간의 증가는 에너지밀도의 하락시키기 때문에, 기존 기술이 낮은 전력 발생으로 사용하기 어려운 1 cm 이상의 두께에서도 사용이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 제2 전해질(120)을 포함한다. 제2 전해질(120)은 제1 전해질(110)과 동일한 구성 요소를 포함할 수 있다.
제2 전해질(120)은 적어도 2종 이상의 이온을 포함할 수 있고, 바람직하게는, 2종 내지 10종의 이온을 포함할 수 있다.
제2 전해질(120)의 이온 구성은 제1 전해질(110)에 포함되는 이온 종류들 중 적어도 1개 이상은 동일하지 않고 다른 이온 종류로 대체된 전해질이 바람직하며, 제1 전해질(110)이 3종 이상의 이온들을 포함할 경우, 제2 전해질(120)은 제1 전해질(110)과 동일한 종류의 이온들을 각각 다른 농도로 포함하는 전해질도 가능하다.
또는, 제2 전해질(120)의 이온 구성은 제1 전해질(110)이 포함하는 양이온과 음이온을 모두 포함하지 않고 다른 양이온과 음이온으로 대체된 전해질이 바람직하며, 제1 전해질(110)의 양이온과 음이온을 저농도로 포함하되 다른 양이온과 음이온을 고농도로 포함하는 전해질도 가능하다.
즉, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)은 각각 다른 두가지의 양이온 또는 음이온을 포함하여, 두 양이온 또는 음이온 중 하나는 선택적 투과막(130, 140)에 높은 투과도를 지니고 다른 한 이온은 낮은 투과도를 지닐 수 있다.
실시예에 따라, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)이 적어도 2종의 음이온을 각각 포함하는 경우, 그 중 1 종의 음이온을 선택적으로 투과시킬 수 있고, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)이 적어도 2종의 음이온을 둘 다 포함하는 경우, 그 중 1 종의 음이온을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 이는, 양이온의 경우에서도 동일할 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)에 포함되는 적어도 총 3종 이상의 이온 중 선택적 투과막(130, 140)을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온이 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120) 간에 상이한 농도를 가지면서, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)의 총농도는 유사한 농도를 가질 수 있다.
제1 전해질(110)과 제2 전해질(120) 간에 상이한 농도는, 선택적 투과막(130, 140)을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온이 상대적으로 적게 포함된 전해질(제1 전해질 또는 제2 전해질)에 포함된 선택적 투과막(130, 140)을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온의 농도와 선택적 투과막(130, 140)을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온이 상대적으로 많게 포함된 전해질(제2 전해질 또는 제1 전해질)의 선택적 투과막(130, 140)을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온의 농도 비(C저농도/C고농도), 즉 선택된 이온의 농도비가 0 내지 0.1일 수 있다. 또한, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)의 총농도비(C제2전해질/C제1전해질)는 0.1 내지 10일 수 있다.
해당 이온이 적은 전해질의 해당 이온 농도와 많은 전해질의 선택된 이온 농도 비(C저농도/C고농도), 즉, 선택된 이온의 농도비가 0 일 경우, 선택된 이온이 한쪽 전해질(제1 전해질 또는 제2 전해질)에만 포함되며, 총농도비가 0.1 내지 10 이기 때문에 다른 전해질(제2 전해질 또는 제1 전해질)에 반드시 다른 이온을 0.1 이상 포함하고 있다. 전기적 중성 때문에 양/음 이온 모두 같이 더 포함시키게 되고 선택된 이온이 양이온이든 음이온이든 총농도비가 유사한 수준으로 맞춰질 수 있다.
또한, 선택된 이온의 농도비가 0이 아닐 경우(단, < 0.1), 선택된 이온이 양쪽 전해질에 모두 포함되며, 다만, 총농도비가 0.1 내지 10 이기 때문에, 양쪽 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)이 역시 다른 이온을 적당량 포함시켜서, 선택된 이온만 보면 농도비가 0.1 이하이지만, 다른 이온들이 포함된 총농도비는 0.1 이상이 되도록 다른 이온을 반드시 가지고 있어야한다.
실시예에 따라, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)은 같은 두가지의 양이온 또는 음이온을 포함하되 두 이온 중 하나는 제1 전해질(110)에 고농도로, 다른 하나는 제2 전해질(120)에 고농도 포함하여, 두 양이온 또는 음이온 중 하나는 선택적 투과막(130, 140)에 높은 투과도를 지니고 다른 한 이온은 낮은 투과도를 지닐 수 있다.
예를 들어, 또한, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 선택적 투과막(130, 140)이 이온의 하전량(가수)을 구분하는 경우에는 제2 전해질(120)에 포함되는 제1 전해질(110)에 포함되는 2종 이상의 이온과 상이한 이온은 Mg2+ 또는 Ca2+ 등과 같은 다가 이온을 포함할 수 있고, 이온의 크기를 구분하는 경우에는 Co(NH3)6 3+ 또는 (CH3)nNHm + 등과 같은 큰 크기의 다원자 이온을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
제2 전해질(120)은 바람직하게는 제1 전해질(110)과 동일한 용매에 상이한 이온을 포함할 수 있으며, 제1 전해질(110) 및 제2 전해질(120)이 총 3종 이상의 이온을 포함하는 경우, 제2 전해질(120)은 제1 전해질(120)과 동일한 이온들을 포함하되, 제1 전해질(110)에 포함되는 각 이온들의 농도와는 다른 농도로 포함될 수 있다.
즉, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)은 총 3종 이상의 이온을 포함하며, 제2 전해질(120)에 포함되는 이온 중, 제1 전해질(110)에 포함되는 이온과 상이한 이온은 선택적 투과막(130, 140)의 선택성에 의존될 수 있다.
또한, 제2 전해질(120)에 포함되는 적어도 2종 이상의 이온은 각 이온의 농도가 동일하거나 상이할 수 있다.
제2 전해질(120)의 총농도는 높은 전기전도성을 위하여 고농도일 수 있고, 바람직하게는, 제2 전해질(120)의 총농도는 0.1M 내지 5M일 수 있고, 바람직하게는, 0.1M 내지 2M 일 수 있다.
고농도의 정의는, 보편적으로 여러 연구에서 담수를 0.01M 전해질로, 염수를 0.5M 전해질로 대체하는데, 이 담수라 표현하는 0.01M 전해질을 저농도로 고려하여, 0 M 내지 0.1M 를 저농도라 정의하고, 염수라 표현하는 0.5 M 전해질을 고농도로 고려하여, 0.1M 내지 5M을 고농도라 정의할 수 있다.
따라서, 제1 전해질(110) 및 제2 전해질(120)의 총농도는 삼투 현상을 저해하기 위해 유사한 수준인 것이 바람직하나, 다르게 포함된 이온들의 이동도(mobility) 차이 및 다가 이온의 포함 여부 차이에 따라 농도가 상이할 수 있다.
제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)의 총농도는 동일하거나 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)의 총농도 차이가 10배 이하로, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)에 포함되는 각 이온의 농도 차이와 비교하여 매우 작다.
보다 구체적으로, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)가 유사한 수준인 것이 삼투 현상의 저감이 기대되므로 바람직하다. 유사한 수준이라 함은, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)의 총농도비(C제2전해질/C제1전해질)가 기존 기술은 50 내지 0.02 수준의 상이한 농도차를 활용하므로, 총농도비가 0.1 내지 10의 범위를 말한다. 따라서, 앞서 전술한 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)의 총농도비를 벗어나면 기존 기술과 유사한 수준의 상이한 농도차로, 기존 기술과 같이 삼투 문제가 야기된다.
따라서, 제1 전해질(110)은 제2 전해질(120)의 이온의 총농도와 유사한 농도를 가짐으로써, 삼투압에 의한 용매의 유동을 제한시켜 안정적인 시스템을 구성할 수 있다.
제2 전해질(120)은 제1 전해질(110)과 마찬가지로 액상으로 국한되지 않고 겔이나 고상의 전해질로도 가능하며, 사용하는 이온과 용매에 따른 용해도의 한계 내에서 가능한 한 높으면서 제1 전해질(110)의 농도와 유사한 수준의 고농도가 바람직하다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 제1 전해질(110) 및 제2 전해질(120)이 다른 이온 구성 또는 농도 조성을 가지지만, 유사한 총농도를 가짐으로써 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)의 낮은 삼투압과 도난효과에 의해 준 평형 상태를 이뤄 전기화학적 안정성이 우수하다.
제2 전해질(120)의 두께는 0.1 mm 내지 1 mm 일 수 있고, 바람직하게는, 0.1 mm 내지 10 cm 일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 0.1 mm 내지 1 cm 일 수 있다.
제2 전해질(120)의 두께가 0.1mm 미만이면 선택적 투과막(130, 140) 간의, 또는 전극(150, 151) 및 제2 전해질(120)을 담지하는 챔버 벽면과의 접촉할 수 있으며, 접촉 시, 획득할 전기 포텐셜이 손실되는 문제가 있다.
반면, 제2 전해질(120)의 두께가 두꺼워질수록, 장치가 길어져 전체 저항이 상승하기 때문에, 제어가능한 수준의 가능한 한 얇은 전해질을 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120) 모두 고농도가 가능하기 때문에, 저농도가 포함되는 기존 기술보다 두께에 대해 높은 자유도를 갖는다.
보다 구체적으로, 저농도는 고농도에 비하여 전기전도성이 낮기 때문에 두께가 두꺼워짐에 따라 저항이 급격히 상승하고, 저항 상승은 발전 전력의 감소를 유발하기 때문에, 기존 기술이 낮은 전력 발생으로 사용하기 어려운 1 cm 이상의 두께에서도 사용이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 적어도 3종 이상의 이온 중 적어도 1종 이상의 이온을 선택적으로 투과시켜 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120) 사이의 도난 효과를 유발하는 선택적 투과막(130, 140)을 포함한다.
실시예에 따라, 선택적 투과막(130, 140)은 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)의 3종 이상의 이온 중 1개의 이온에 대하여 높은 투과도를 지니고, 다른 이온 중 1개 이상의 이온에 대하여 낮은 투과도를 지녀 도난 효과(Donnan effect)가 유발될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 선택적 투과막(130, 140)에 의한 도난 효과(Donnan effect)에 의해 이온층이 유발하는 전기 포텐셜이 생성될 수 있다.
보다 구체적으로, 양이온/음이온, 또는 특정 이온에 대한 선택적 투과막(130, 140)은 이상적으로는 특정한 이온을 제외한 이온에 대한 완전한 불투과를 목표하나, 실제 생체의 이온 선택성 채널을 포함하여, 상용화된 또는 연구되고 있는 이온 선택적 투과막은 특정한 이온을 제외한 이온에 대하여 완전한 불투과를 하지는 못한다. 따라서, 상대적 투과도로 도난 효과를 유발할 수 있다.
2개 양이온, 1개 음이온이 있는 상황에서 2개 양이온이 투과되어도(즉, 1개 음이온이 2개 양이온에 비하여 상대적으로 불투과), 2개 양이온 간에 투과도 차이가 있을 경우(1개 양이온에 대하여 더욱 높은 투과도) 도난 효과가 유발될 수 있다. 투과되는 2개 양이온과, 투과도 차이가 나는 2개 양이온은 같거나 상이할 수 있 있다.
선택적 투과막(130, 140)이 적어도 3종 이상의 이온 중 적어도 2종의 이온을 선택적으로 투과시키는 경우, 2종 이상의 이온을 선택적으로 투과시켜도 불투과되는 이온(예; 양이온)이 존재하고, 양 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)이 고농도인 동시에 유사한 농도인 전기적, 삼투적 장점을 가지므로 기존 기술과 차이를 나타낼 수 있다.
예를 들어, 선택적 투과막(130, 140)에 투과되는 이온이 여러가지이고, 별개의 이온의 불투과로 도난 효과를 유발하는 경우, 제1 전해질(110)이 양이온으로 1개의 K+이 아닌 K+와 Na+를 포함하고, 1종의 양이온을 포함할 때의 K+ 이온의 농도를 각각 반씩 함유하고, Mg2+를 1종의 양이온을 포함할 때와 동일한 방식으로 함유하면, K+ 선택적 투과막(130, 140)을 1가 이온 선택적 투과막(130, 140)으로 변경할 경우, 2 종의 이온을 투과하면서 Mg2+와의 선택성 차이로 동일한 효과를 가져올 수 있다.
즉, K+, Na+, Mg2+ 3가지 양이온 중 2 종의 이온을 선택하는, 최소 1가지 음이온(Cl-)를 포함하여 총 4가지 이온을 포함하는 시스템일 수 있다.
또한, 선택적 투과막(130, 140)에 투과되는 여러 이온 간의 선택성 차이로 도난 효과를 유발하는 경우, 제1 전해질(110)이 1종의 양이온을 포함할 때와 동일한 방식으로 K+, Mg2+ 이온을 함유하고, K+ 선택적 투과막(130, 140)을 1가 이온을 10배 더 잘 투과시키(PMg/PK = 0.1)면, Mg2+가 두 전해질에서 상이한 농도여도 더 높은 선택성의 K+ 의 상이한 농도차가 지배적인 영향을 주어 동일한 효과를 가져올 수 있다.
실시예에 따라, 선택적 투과막(130, 140)은 한 개의 이온에 대해서만 높은 투과성을 갖기 위해서는 동일한 극을 갖는 두 개의 이온 중 한 개의 이온에 대해서만 높은 선택성이 필요하다. 이를 위해, 선택적 투과막(130, 140)은 일반적으로 사용되는 양이온 투과막 또는 음이온 투과막에 추가적인 선택성 기능을 추가하여 한 개의 이온에 대해서만 높은 선택을 갖도록 조절할 수 있다.
따라서, 선택적 투과막(130, 140)은 제1 전해질(110) 및 제2 전해질(120) 사이에 위치하며, 선택적 투과막(130, 140)은 종래에 사용되는 양이온 교환막 또는 음이온 교환막과 상이하게, 특정 이온에 대해서만 특이적 선택성을 갖는 막으로, 이온들의 농도 차이를 개별적으로 제어할 수 있다.
예를 들어, 선택적 투과막(130, 140)은 제1 전해질(110)이 1가 양이온을 포함하고, 제2 전해질(120)이 2가 양이온을 포함하는 경우, 선택적 투과막(130)으로 1가 양이온 선택막을 사용하여 제1 전해질(110)에 포함되는 1가 양이온막 선택적으로 투과시켜 이온들의 농도를 개별적으로 조절할 수 있다.
선택적 투과막(130, 140)은 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)을 구성하는 이온들 중 하나의 전해질만이 포함하는 하나의 이온 종에 대하여만 높은 투과성을 지니는 것이 강한 도난 효과를 유발하는 데에 바람직하지만, 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질) 모두 3종 이상의 이온을 포함하는 경우, 구성된 모든 이온 종들에 대하여 다른 투과도를 지니도록 하여 양이온들과 음이온들이 비대칭적인 투과도를 이루어 도난 효과와 전기 포텐셜이 발생할 수 있다.
선택적 투과막(130, 140)의 선택성은 이온의 하전량(가수) 또는 이온의 크기에 따라 조절될 수 있고, 선택적 투과막(130, 140)이 이온의 하전량(가수)을 구분하는 경우에는 제2 전해질(120)에 포함되는 제1 전해질(110)에 포함되는 2종 이상의 이온과 상이한 이온은 Mg2+ 또는 Ca2+ 등과 같은 다가 이온을 포함할 수 있고, 이온의 크기를 구분하는 경우에는 Co(NH3)6 3+ 또는 (CH3)nNHm + 등과 같은 큰 크기의 다원자 이온을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
선택적 투과막(130, 140)은 선택적 투과막(130, 140)에 선택적으로 투과되는 1종 이상의 이온의 투과도 대비 다른 이온들의 투과도(P다른이온/P선택이온)가, 0 내지 0.5의 높은 선택성을 가질 수 있고, 0.5를 초과하는 경우, 즉, 선택성이 낮을 경우 선택하지 않은 이온도 투과함으로써 전기 포텐셜이 크게 저하되는 문제가 있다.
선택적 투과막(130, 140)의 두께는 0.1 ㎛ 내지 1 mm 일 수 있고, 바람직하게는, 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛ 일 수 있다.
만약, 선택적 투과막(130, 140)의 두께가 0.1 ㎛ 보다 얇을 경우 기계적 성능의 약화로 파손이 우려되며, 1 mm 보다 두꺼울 경우 선택적 투과막(130, 140)의 큰 유동 저항으로 발생하는 전류에 손실이 우려된다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치는 선택적 투과막(130, 140)이 제1 선택적 투과막(130) 및 제2 선택적 투과막(140) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
제1 선택적 투과막(130)과 제2 선택적 투과막(140)은 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120) 중 하나의 전해질만이 포함하거나, 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질) 간에 큰 농도 차이로 포함하는 양이온과 음이온에 대하여 각각 높은 투과도를 지닌 선택적 투과성을 갖는 것이 강한 도난 효과를 유발하는 데에 바람직하지만, 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)에 포함된 모든 이온 종들에 대하여 다른 투과도를 지니도록 하여 두 선택적 투과막이 각각 양이온과 음이온에 상대적으로 높은 투과도를 이루어 도난 효과와 전기 포텐셜이 발생할 수 있다.
제1 선택적 투과막(130)은 통상적으로 상용 이온교환막(ion exchange membrane), 하전된 작용기 또는 기능기를 가지도록 기능화된 2D 물질(graphene, graphene oxide 등) 또는 폴리머 기반의 막, 나피온(nafion) 등을 포함할 수 있고, 제2 전해질(120)이 고농도로 포함하는 양이온에 대한 낮은 선택성을 위하여 추가적인 개량이 가능하다.
제1 선택적 투과막(130)은 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120) 사이에 위치하여, 제1 전해질(110)에 고농도로 포함된 양이온을 제2 전해질(120)에 고농도로 포함된 양이온보다 높은 이온 선택성을 지녀, 제1 전해질(110)의 양이온이 보다 빠르게 투과 가능한 막일 수 있다.
제2 선택적 투과막(140)은 제2 전해질(110)과 제1 전해질(120) 사이에 위치하여, 제1 선택적 투과막(130)과는 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)의 배치가 반대되어 위치하고, 제2 선택적 투과막(140)도 제1 선택적 투과막(130)과 유사한 원리로 도난 효과를 유발하고 전기 포텐셜을 생성하지만, 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)의 배치가 반대되면서 제1 선택적 투과막(130)과 동일한 방향의 전기 포텐셜을 생성하기 위해 제1 선택적 투과막(130)과 다른 선택성을 지닐 수 있다.
실시예에 따라, 선택적 투과막(130, 140)은, 병렬적으로 결합된 제1 서브 선택적 투과막 및 제2 서브 선택적 투과막을 포함하는 복합 선택적 투과막을 포함할 수 있고, 이에 대해서는 도 3 내지 도 5에서 상세히 설명하기로 한다.
실시예에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 전기신호의 추출을 위해 제1 전해질(110) 및 제2 전해질(120) 중 적어도 어느 하나에 연결되는 전극을 포함할 수 있다.
전극은 전기 포텐셜로부터 전기적 신호를 추출하기 위해 사용될 수 있고, 전극은 제1 전해질과 제2 전해질에 삽입되거나, 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질) 중 1개의 전해질에 삽입되고, 다른 전극은 외부나 접지로 연결하여 전위차를 획득할 수 있다.
예를 들어, 외부 회로에 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)의 전기 포텐셜을 적은 손실로 전달할 경우, 전극은 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)에 Cl- 음이온이 포함될 경우, 낮은 산화환원전위를 가지는 은/염화은(Ag/AgCl) 기준 전극이, Cu2+ 양이온이 포함될 경우 구리/황산구리(Cu/CuSO4) 기준 전극이 바람직하며, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)의 이온 구성과 전극 연결의 목적에 따라 산화환원 반응 또는 전극 분극 상태의 안정성을 위하여 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 탄소(C)나 다른 높은 전도도의 물질이 포함되거나 대체될 수 있다.
또한, 전극은 제1 전해질(110) 및 제2 전해질(120)의 이온 구성과 전극 연결의 목적에 따라 다른 물질로 구성된 2가지의 전극으로 사용할 수 있다.
실시예에 따라, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)로 양 끝을 이루는 적층 구조일 수 있으며, 이때, 제1 전해질(110)에 주입되는 제1 전극(150) 및 제2 전해질(120)에 주입되는 제2 전극(151)을 포함할 수 있다.
제1 전극(150) 및 제2 전극(151)의 크기는 양 끝에 위치하는 제1 전해질(110) 및 제2 전해질(120)의 용량에 포함될 수 있다.
제1 전극(150) 및 제2 전극(151)의 형상은 선(wire) 또는 판(plate) 형상이 바람직하며, 제1 전해질(110)과의 원활한 전기적/화학적 반응을 위하여 접촉 면적을 늘릴 수 있는 미세 구조가 포함될 수 있다.
제1 전극(150)은 제1 전해질(110)과의 전기적/화학적 반응에 적합한 물질로 구성되며, 분극 전극(polarizable electrode)과 비분극 전극(non-polarizable electrode) 모두 가능하다. 예를 들어, 제1 전해질(110)의 음이온으로 염소 이온(Cl-)을 포함시킬 경우 제1 전극(150)은 은/염화은 전극(Ag/AgCl electrode)이 사용될 수 있다. 그러나 제1 전해질(110)의 이온 종류는 특별히 제한되지 않으며, 이에 따라 제1 전극(150)은 산화환원 반응 또는 전극 분극 상태의 안정성을 위하여 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 탄소(C) 등이 포함되거나 대체될 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
제2 전해질(120)에 주입되는 제2 전극(151)은 제2 전해질(120)과의 산화환원 반응 또는 전극 분극 상태의 안정성에 맞추어 제1 전해질(110)에 주입된 제1 전극(150)과 다른 소재로 대체될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 해수와 담수의 농도 차이를 이용해 전기를 발전하는 역전기투석 기술에서 담수를 공업용수나 지하수와 같은 다른 물질로 대체 가능하여, 보다 높은 전류 및 전력 밀도와 시스템의 우수한 안정성을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 생체의 세포 막전위 발생 매커니즘과 동일하여, 유연 로봇 및 인공 장기의 전기 발생 및 공급원으로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 역전기투석의 기술을 염수&담수가 아닌 공업용수, 폐수 및 생활하수 등에 넓은 영역에 활용하여 보다 높은 전력을 획득할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 우수한 전기화학적 안정성과, 생체모방을 바탕으로한 생체 친화적 특징으로 유연 장치에 에너지 소스로 활용이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 전극의 산화&환원 반응의 융합 기술로 향상된 신재생 에너지 시스템(예; 흐름 전지)을 제안할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(100a)는 레독스 전지(redox battery) 또는 흐름 전지(flow battery)에 응용될 수 있다.
도 2는 단일 선택적 투과막을 포함하는 3층 적층 구조를 갖는 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치의 매커니즘을 도시한 개략도다.
도 2를 참조하면, 단일 선택적 투과막을 포함하는 3층 적층 구조를 갖는 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치는 제1 전해질에 고농도의 A+ 양이온 및 저농도의 B- 음이온을 포함하고, 제2 전해질에 고농도의 Cm+ 양이온 및 B- 음이온을 포함할 수 있다.
이 때, 제1 선택적 투과막이 제1 전해질과 제2 전해질 사이에 위치하여, 제1 전해질에 고농도로 포함된 A+ 양이온을 제2 전해질에 고농도로 포함된 Cm+ 양이온보다 높은 이온 선택성을 지녀, 제1 전해질의 A+ 양이온 이 보다 빠르게 투과 될 수 있다.
한편 제1 전해질 및 제2 전해질에 포함된 B- 음이온에 대해서는 유사한 수준의 이온 선택성을 가지므로, B- 음이온에 대해서는 매우 낮은 이온 성택성을 가질 수 있다.
따라서, 제1 전해질 및 제2 전해질 사이에 전기적 평형인 동시에 삼투적으로도 평형을 이뤄, 약한 삼투 현상이 나타나 삼투 현상으로부터 우수한 안정성(osmosis-resistive)을 확보할 수 있다.
또한, 제1 전해질과 제2 전해질 각각의 이온의 총농도는 고농도이기 때문에 고, 확보 전기화학적 평형 상태를 이뤄 높은 전류 밀도 및 전력을 확보할 수 있다.
도 3은 복합 선택적 투과막을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치를 도시한 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(110b)에 포함되는 선택적 투과막은 병렬적으로 결합된 제1 서브 선택적 투과막 및 제2 서브 선택적 투과막을 포함하는 복합 선택적 투과막(131, 141)일 수 있다.
복합 선택적 투과막(131, 141)은 제1 전해질(110)에 고농도로 포함된 한 이온과 제2 전해질(120)에 고농도로 포함된 다른 극의 이온에 대하여 각각 높은 투과도를 가지는 막 2 가지가 병렬적으로 결합될 수 있다.
또한, 복합 선택적 투과막(131, 141)은 제1 전해질(110)에 고농도로 포함된 한 이온과 제2 전해질(120)에 고농도로 포함된 같은 극의 다른 이온에 대하여 각각 높은 투과도와 낮은 투과도를 가지는 막 2 가지가 병렬적으로 결합될 수 있다.
즉, 복합 선택적 투과막(131, 141)은 제1 전해질(110)에 고농도로 포함된 양이온 또는 음이온과 제2 전해질(120)에 고농도로 포함된 같은 극의 다른 이온에 대하여 각각 높은 투과도와 낮은 투과도를 가질 수 있다.
바람직하게는, 선택적 투과막은 한 개의 이온에 대해서만 선택성을 갖기 때문에, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치(110b)은 복합 선택적 투과막(131, 141)을 사용하여 두가지의 이온에 대해 비대칭적인 투과도를 형성할 수 있다.
도 4 및 도 5는 복합 선택적 투과막을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치의 매커니즘을 도시한 개략도다.
선택적 투과막의 하나의 이온 종에 대하여만 높은 투과도는, 동일한 극의 두가지 이온 중 한가지 이온에 대하여만 높은 선택성이 필요하며, 이는 보편적으로 양이온/음이온 선택적 투과막에 추가적인 선택성 기능을 위하여 추가 처리된 선택적 투과막이 사용되며, 또는 각각 다른 이온에 의해 높은 투과도를 갖는 다른 두 종류의 선택적 투과막이 병렬적으로 형성된 복합 선택적 투과막으로 비대칭적인 투과도를 형성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 복합 선택적 투과막을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치는 제1 전해질에 A+ 양이온 및 B- 음이온을 포함하고, 제2 전해질에 Cm+ 양이온 및 B- 음이온을 포함할 수 있다.
또한, 제1 전해질 및 제2 전해질 사이에 병렬적으로 결합된 제1 서브 선택적 투과막 및 제2 서브 선택적 투과막을 포함하는 복합 선택적 투과막을 포함할 수 있다.
이 때, 제1 서브 선택적 투과막은 제1 전해질에 포함된 A+ 양이온에 대해 제2 전해질에 포함된 Cm+ 양이온보다 높은 이온 선택성을 가져, A+ 양이온에 대해 높은 투과도를 갖고, 제2 서브 선택적 투과막은 제1 전해질 및 제2 전해질에 포함된 B- 음이온에 대해 음이온 선택성을 가져 높은 투과도를 가질 수 있다.
따라서, 제1 전해질 및 제2 전해질 사이에 전기적 평형인 동시에 삼투적으로도 평형을 이뤄, 약한 삼투 현상이 나타나 삼투 현상으로부터 우수한 안정성(osmosis-resistive)을 확보할 수 있다.
도 5를 참조하면, 복합 선택적 투과막을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치는 제1 전해질에 고농도의 A+ 양이온 및 Dn- 음이온을 포함하고, 제2 전해질에 고농도의 Cm+ 양이온 및 고농도의 B- 음이온을 포함할 수 있다.
이 때, 제1 서브 선택적 투과막은 제1 전해질에 고농도로 포함된 A+ 양이온에 대해 제2 전해질에 고농도로 포함된 Cm+ 양이온보다 높은 이온 선택성을 가져, A+ 양이온에 대해 높은 투과도를 가질 수 있다.
또한, 제2 서브 선택적 투과막은 제2 전해질에 포함된 고농도의 B- 음이온에 대서만 높은 이온 선택성을 가져, B- 음이온에 대해 높은 투과도를 가질 수 있다.
따라서, 제1 전해질 및 제2 전해질 사이에 전기적 평형인 동시에 삼투적으로도 평형을 이뤄, 약한 삼투 현상이 나타나 삼투 현상으로부터 우수한 안정성(osmosis-resistive)을 확보할 수 있다.
도 6 및 도 7은 적층 구조로 적층된 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치를 도시한 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 적층 구조(다층 구조를 가짐)의 전기 발생 장치(100)는 챔버 내에 제1 전해질(110), 선택적 투과막(130, 140), 및 제2 전해질(120)을 포함하고, 제1 전해질(110), 선택적 투과막(130, 140), 및 제2 전해질(120)이 교번하여 반복 적층된 적층 구조의 전기 발생 장치로서, 제1 전해질(110) 및 제2 전해질(120)은 각각 적어도 2종 이상의 이온을 포함하고, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)에 포함되는 총 이온은 적어도 3종 이상이며, 선택적 투과막(130, 140)은 적어도 3종 이상의 이온 중 적어도 1종 이상의 이온을 선택적으로 투과시켜 제1 전해질(110)과 상기 제2 전해질(120) 사이의 도난 효과를 유발한다.
바람직하게는, 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치(100)는 챔버의 양 끝단에 형성된 제1 전해질(110) 사이에, 제1 전해질/선택적 투과막/제2 전해질 또는 제2 전해질/선택적 투과막/제1 전해질이 구조를 갖도록 교번하여 반복 적층될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치(100)는 제1 전해질(110), 선택적 투과막(130, 140) 및 제2 전해질(120)이 반복 적층된 것을 제외하면 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치와 동일한 구성요소를 포함하고 있으므로, 동일한 구성 요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치(100)는 선택적 투과막(130, 140)을 적어도 2개 이상 포함할 수 있고, 바람직하게는, 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치(100)는 제1 선택적 투과막(130) 및 제2 선택적 투과막(140)을 포함할 수 있다.
제1 선택적 투과막(130)의 양이온의 상대적으로 우수한 투과도는 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)의 전기적중성(electroneutrality)에 문제를 유발하고 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)의 이온들이 제1 선택적 투과막(130) 주변에 이온층을 형성하면서 제1 전해질(110)의 양이온 투과를 제한한다.
바람직하게는, 제1 선택적 투과막(130)은 상용의 1가 양이온 선택적 교환막이나, 기능화하여 제조한 양이온 투과막의 표면에 높은 밀도로 1가 음의 작용기 또는 기능기를 지니는 물질로 코팅하여, 제1 전해질이 포함하는 1가 양이온에 대하여 높은 선택성을 지니면서 제2 전해질이 포함하는 다가 양이온에 대하여 낮은 선택성을 지닌다. 또는, 제1 선택적 투과막(130)은 나노 채널로 이루어진 하전된 막을 사용하여, 제1 전해질(110)이 고농도로 포함하는 작은 크기의 양이온에 대하여 높은 선택성을 지니면서 제2 전()해질(120)이 고농도로 포함하는 큰 크기의 양이온에 대하여 낮은 선택성을 지니도록 구성하는 것도 가능하다.
그러나, 이는 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)의 양이온들에 대하여 상대적인 선택성 차이를 유발하는 방법의 예시로, 이 방법들에만 국한하지는 않는다.
제2 선택적 투과막(140)은 제2 전해질(110)과 제1 전해질(120) 사이에 위치하여, 제1 선택적 투과막(130)과는 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)의 배치가 반대되어 위치할 수 있다. 제2 선택적 투과막(140)도 제1 선택적 투과막(130)과 유사한 원리로 도난 효과를 유발하고 전기 포텐셜을 생성하지만, 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)의 배치가 반대되면서 제1 선택적 투과막(130)과 동일한 방향의 전기 포텐셜을 생성하기 위해 제1 선택적 투과막(130)과 다른 선택성을 지닐 수 있다.
통상적으로, 제2 선택적 투과막(140)은 제1 선택적 투과막(130)이 양이온에 적용한 도난 효과 방식을 음이온으로 대체할 수 있다. 바람직하게는, 제2 선택적 투과막(140)은 반대 극으로 기능화된 선택적 투과막으로, 제2 전해질(120)의 음이온에 대한 낮은 선택성을 위하여 추가적인 개량이 가능하다. 바람직하게는, 제2 선택적 투과막(140)은 상용의 1가 음이온 선택적 교환막이나 1가 양의 기능기를 지니는 물질이 코팅된 막으로, 제1 전해질(110)이 포함하는 1가 음이온에 대하여 높은 선택성을 지니면서 제2 전해질(120)이 포함하는 다가 음이온에 대하여 낮은 선택성을 지닐 수 있다.
또는, 제2 선택적 투과막(140)은 나노 채널로 이루어진 반대 하전된 막을 사용하여, 제1 전해질(110)이 포함하는 작은 크기의 음이온에 대하여 높은 선택성을 지니면서 제2 전해질(120)이 포함하는 큰 크기의 음이온에 대하여 낮은 선택성을 지니는 것도 가능하다.
그러나, 이는 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)의 음이온들에 대하여 상대적인 선택성 차이를 유발하는 방법의 예시로, 이 방법들에만 국한하지는 않는다.
또한, 통상적으로 제2 선택적 투과막(140)의 높은 음이온 선택성은 낮은 양이온 선택성과 동반되는데, 전기 발생 장치(100)의 전류 및 전력 밀도를 향상시키기 위하여 제2 선택적 투과막을 양이온 투과막이 병렬적으로 결합된 복합 선택적 투과막으로 사용하는 것도 가능하다.
한편, 제2 선택적 투과막(140)은 제1 선택적 투과막(130)과 같이 양이온에 대한 선택적 투과를 적용하는 방법도 가능하다.
제1 선택적 투과막(130)과 반대로, 제2 선택적 투과막(140)에 다가의 기능기를 지닌 물질로 코팅하여 제조할 경우 다가 이온에 대하여 보다 높은 선택성을 지녀 제1 선택적 투과막(130)과 반대의 도난 현상을 유발할 수 있다.
제2 선택적 투과막(140)의 양측에 형성된 제1 전해질(110) 및 제2 전해질(120)의 배치가 제1 선택적 투과막(130)과 반대인 제2 선택적 투과막(140)에 반대의 도난 현상 유발하여, 제1 선택적 투과막(130)과 동일한 방향의 전기 포텐셜을 생성할 수 있다.
따라서, 제1 선택적 투과막(130) 및 제2 선택적 투과막(140)은, 서로 다른 이온을 선택적으로 투과시키고, 동일한 방향으로 전기 포텐셜을 형성할 수 있다.
동일한 방향은 직렬적으로 적층 배치되는 제1 선택적 투과막(130)과 제2 선택적 투과막(140)에서 발생하는 전기 포텐셜이 같은 극 방향으로(+|- 다음 +|-) 전기 포텐셜 크기를 더할 수 있음을 의미한다.
즉, 제1 선택적 투과막(130)과 제2 선택적 투과막(140)은 서로 다른 이온에 대하여 높은 투과도를 가지면서, 양쪽에 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)이 반대로 배치되면서 동일한 방향의 전기 포텐셜을 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치(100)는 제1 전해질(110), 선택적 투과막(130, 140) 및 제2 전해질(120)이 순차적으로 적층된 구조를 포함함으로써, 제1 전해질(110)과 제2 전해질(120)은 모두 고농도이지만 구성하는 이온의 종류가 다르거나 3종 이상의 이온들이 각각 다른 농도 차이로 포함되기 때문에, 선택적 투과막(130, 140)에 의해 투과하는 이온에 대한 농도 기울기로 인해 자발적으로 전기 포텐셜이 발생하는 도난 효과가 유발될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치(100)는 도 7에서와 같이, 제1 전해질(110), 제1 선택적 투과막(130), 제2 전해질(120), 제2 선택적 투과막(140) 및 제1 전해질(110)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치(100)는 제1 전해질(110), 제1 전해질에 인접한 제1 선택적 투과막(130), 제1 전해질에 대향하면서 제1 선택적 투과막에 인접하는 제2 전해질(120), 제1 선택적 투과막에 대향하면서 제2 전해질에 인접하는 제2 선택적 투과막(140), 제2 전해질에 대향하면서 제2 선택적 투과막에 인접하는 제1 전해질(110)을 포함하고, 적층하는 구조가 반복될 수 있으며 적층 구조의 양 끝에 위치하는 제1 전해질(110) 또는 제2 전해질(120)에는 전극이 삽입될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치(100)는 두가지 선택적 투과막을 사용하여 5층의 적층된 구조를 포함하는 전기 발생 장치(100)는 두가지 선택적 투과막과 두가지 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)을 교번하여 반복적으로 적층함으로써, 도난 효과와 전기 포텐셜의 발생이 동일한 방향으로 누적되는 장치를 구현할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치(100)는 직렬로 적층되어 총 전기 포텐셜(전압)이 증가될 수 있다.
이하에서는, 도 8 내지 도 10을 참조하여 도 7에 따른 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치의 매커니즘에 대해 설명하기로 한다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치의 매커니즘을 도시한 개략도다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치는 두가지의 선택적 투과막을 사용하여 제1 전해질, 제1 선택적 투과막, 제2 전해질, 제2 선택적 투과막, 제1 전해질이 순차적으로 적층된 구조를 포함하고, 제1 전해질과 제2 전해질은 모두 고농도로 포함될 수 있다.
제1 선택적 투과막과 제2 선택적 투과막은 제2 전해질에 포함된 서로 다른 극(양, 음)의 이온에 대하여 높은 투과성으로 각각 선택적으로 투과하거나, 제1 전해질에 포함된 서로 다른 극의 이온을 각각 선택적으로 투과하여, 제1 선택적 투과막과 제2 선택적 투과막은 다른 극의 이온을 반대 방향으로 선택적으로 투과하여 같은 극의 도난 포텐셜을 형성할 수 있다.
즉, 제2 선택적 투과막도 제1 선택적 투과막과 유사한 원리로 도난 효과를 유발하고 전기 포텐셜을 생성하지만, 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)의 배치가 제1 선택적 투과막과 반대되기 때문에, 제1 선택적 투과막과 동일한 방향의 전기 포텐셜을 생성하기 위해 제1 선택적 투과막(130)과 다른 선택성을 지닐 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치는 제1 전해질이 A+ 양이온 및 B- 음이온을 포함하고, 제2 전해질이 Cm+ 양이온 및 Dn- 음이온을 포함할 수 있다.
이 때, 제1 선택적 교환막은 제1 전해질에 포함된 A+ 양이온을 선택적으로 투과시키는 1가 양이온 선택적 투과막일 수 있고, 제2 선택적 교환막은 제1 전해질에 포함된 B- 음이온을 선택적으로 투과시키는 1가 음이온 선택적 투과막이 사용되어, 제2 선택적 투과막은 제1 선택적 투과막(130)이 양이온에 적용한 도난 효과 방식을 음이온으로 대체할 수 있다,
즉, 제2 선택적 투과막은 제1 전해질이 포함하는 1가 음이온인 B- 음이온에 대하여 높은 선택성을 지니면서 제2 전해질이 포함하는 다가 음이온인 Dn- 음이온에 대하여 낮은 선택성을 가질 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치는 두가지의 선택적 투과막을 사용하여 제1 전해질, 제1 선택적 투과막, 제2 전해질, 제2 선택적 투과막, 제1 전해질이 순차적으로 적층된 구조를 포함하고, 제1 전해질과 제2 전해질은 모두 고농도로 포함될 수 있다.
또한, 제1 선택적 투과막과 제2 선택적 투과막은 제1 전해질 및 제2 전해질에 포함된 같은 극의 두가지 이온 중 각각 한 종에 대하여 높은 투과성으로 각각 선택적으로 투과하여, 두 선택적 투과막은 같은 극의 두가지 이온을 각각 같은 방향으로 선택적으로 투과하여 같은 극의 도난 포텐셜을 형성할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치는 제1 전해질이 A+ 양이온 및 B- 음이온을 포함하고, 제2 전해질이 Cm+ 양이온 및 Dn- 음이온( 또는 B-)을 포함할 수 있다.
이 때, 제1 선택적 교환막은 제1 전해질에 포함된 A+ 양이온을 선택적으로 투과시키는 1가 양이온 선택적 투과막일 수 있고, 제2 선택적 교환막은 제1 전해질에 포함된 Cm+ 양이온을 선택적으로 투과시키는 다가 음이온 선택적 투과막이 사용될 수 있다,
즉, 제2 선택적 교환막에 제1 선택적 투과막과 반대로 제2 선택적 투과막(140)에 다가의 기능기를 지닌 물질로 코팅하여 제조할 경우 다가 이온에 대하여 보다 높은 선택성을 지녀 제1 선택적 투과막과 반대의 도난 현상을 유발할 수 있다.
도 9에 따른 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치는 전해질의 배치가 제1 선택적 투과막과 반대인 제2 선택적 투과막에 반대의 도난 현상 유발은 결국 제1 선택적 투과막과 동일한 방향의 전기 포텐셜을 생성할 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치는 두가지의 선택적 투과막을 사용하여 제1 전해질, 제1 선택적 투과막, 제2 전해질, 제2 선택적 투과막, 제1 전해질이 순차적으로 적층된 구조를 포함하고, 제1 전해질과 제2 전해질은 모두 고농도로 포함될 수 있다.
제1 선택적 투과막 및 제2 선택적 투과막 중 적어도 어느 하나는 복합 선택적 투과막일 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치(100)는 전류 및 전력 밀도가 향상될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치는 제1 전해질이 A+ 양이온 및 Dn- 음이온을 포함하고, 제2 전해질이 Cm+ 양이온 및 B- 음이온을 포함할 수 있다.
이 때, 제1 선택적 투과막은 제1 전해질에 포함된 1가 양이온인 A+ 양이온에 대하여 높은 선택성을 갖는 제1 서브 선택적 투과막 및 제2 전해질에 포함된 1가 음이온이 B- 음이온에 대하여 높은 선택성을 갖는 제2 서브 선택적 투과막을 포함할 수 있다.
제2 선택적 투과막은 제2 전해질에 포함된 다가 양이온인 Cm+ 양이온에 대하여 높은 선택성을 갖는 제1 서브 선택적 투과막 및 제1 전해질에 포함된 다가 음이온이 Dn- 음이온에 대하여 높은 선택성을 갖는 제2 서브 선택적 투과막을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치는 제1 선택적 투과막 및 제2 선택적 투과막에 의해 동일한 방향의 전기 포텐셜이 생성되는 동시에 전류 및 전력 밀도가 향상될 수 있다.
도 11은 기존의 역전기투석 및 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치를 비교하여 도시한 단면도이고, 도 12는 기존의 역전기투석 및 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치의 비교하여 도시한 개략도이다.
기존의 역전기투석 기술은 세포의 휴지전위와 유사한 수준의 전기 포텐셜을 발생하기 위하여, 최소 50배의 농도차이를 사용하나, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치 및 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치는 양이온 또는 음이온을 다양하게 구성하고 이 중 한가지 이온에 대한 선택적 투과를 허용함으로써, 전기를 획득하면서도 총농도의 제약이 없다.
2종의 이온(주로 Na+ 와 Cl-)으로 구성하는 기존의 역전기투석 기술에서 저농도는 높은 전기 포텐셜을 내는데 필수 요소이나, 저농도 구간은 전기전도성과 전기용량이 낮아 전력밀도와 에너지밀도도 낮아지기 때문에 전력 밀도의 경우는 보편적으로 적층 구조로 고농도-선택막-저농도-선택막을 직렬연결로 반복하여 높은 전압을 획득하는 방식으로 대응하며, 에너지 밀도는 펌프 장치로 외부에서 저농도&고농도 전해질을 지속적으로 공급해주는 방식으로 대응한다.
그러나, 이는 단일 셀(고농도-선택막-저농도-선택막-고농도 단위) 자체가 가지는 전기적 성능을 향상시키는 방법이 아닌 셀 수를 늘리거나, 외부 에너지 요소를 지속적으로 공급해주는 등 확장하고 보충하는 방식인 점에서 한계가 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치 및 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치는 기존의 역전기투석과 다른 방식인 생체 세포의 기능을 모방한 것으로, 본 발명은 기존 기존의 역전기투석 기술의 저농도 전해질에 Na+ 와 Cl- 가 아닌 다른 이온들을 고농도로 구성하고, 이 다른 이온들은 불투과하면서 Na+ 또는 Cl- 만을 선택적으로 투과하는 선택적 투과막을 사용하여 고농도 구간만을 가진 전기 발전 장치를 제조할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치 및 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치는 Na+ 및 Cl- 중 하나를 선택하는 것이 아닌, Na+ 와 다른 양이온 중 하나, Cl- 와 다른 음이온 중 하나를 선택하는 것으로, 이로 인해 모든 전해질을 고농도로 사용하여 저농도의 부재는 단일 셀 자체의 전기적 성능(에너지밀도 및 전력밀도)을 향상시킬 수 있다.
부가적으로, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치 및 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치는 세포와 유사하게, 두 전해질(제1 전해질 및 제2 전해질)의 농도가 유사하면 삼투압에 의한 물의 이동으로 발생할 수 있는 문제(농도차의 감소, 시스템의 형태적 유지 등)도 해소할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 전기 발생 장치 및 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조의 전기 발생 장치는 고농도의 전해질만을 사용하여 높은 전류 및 도 및 전력을 확보할 수 있고, 동일한 농도의 제1 전해질 및 제2 전해질을 사용하여 삼투 현상으로부터 우수한 안정성(osmosis-resistive) 확보할 수 있으며, 세포의 온전한 도난 효과를 활용함으로써, 장시간 전기화학적 안정성(electrochemical equilibrium) 확보할 수 있다.
[실시예 1]
제1 전해질로 KCl과 NaCl 1M 수용액, 제2 전해질로 CaCl2, MgCl2 및 CuCl2 0.5M 수용액, 제1 선택적 투과막으로 1가 양이온 교환막, 전극으로 Ag/AgCl 로 구성된 3층 구조로 적층된 전기 발생 장치를 준비하였다.
[비교예 1]
제1 선택적 투과막으로 상용 일반 양이온 교환막으로 대체한 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
[실험예 1: 선택적 투과막에 따른 전기 포텐셜 측정]
도 13은 비교예 1에 따른 전기 발생 장치 및 본 발명의 실시예 1에 따른 전기 발생 장치의 전기 포텐셜을 도시한 그래프이다.
도 13을 참조하면, 비교예 1에 따른 전기 발생 장치는 농도 차이가 매우 적은 두 전해질 사이에 일반 양이온 교환막을 사용하여 낮은 전기 포텐셜이 측정되지만, 본 발명의 실시예 1에 따른 전기 발생 장치는 1가 이온의 선택성이 우수한 1가 양이온 교환막 사용으로 도난 효과가 유발되어 높은 전기 포텐셜을 획득할 수 있는 것을 알 수 있다.
[실시예 2: mCEM l MgSO4 0.5M l mAEM]
제1 전해질로 KCl 1M 수용액, 제2 전해질로 MgSO4 0.5M 수용액, 제1 선택적 투과막으로 1가 양이온 교환막, 제2 선택적 투과막으로 음이온 교환막과 1가 음이온 교환막, 전극으로 Ag/AgCl 로 구성된 5층 구조로 적층된 전기 발생 장치를 준비하였다.
[비교예 2: CEM l MgSO4 0.5M l AEM]
제1 선택적 투과막으로 상용 일반 양이온 교환막, 제2 선택적 투과막으로 상용 일반 음이온 교환막으로 대체한 것을 제외하면 실시예 2와 동일하게 실시하였다.
[비교예 3: CEM l MgSO4 0.1M l AEM]
제2 전해질으로 KCl 0.1M 수용액을 사용하고, 제1 선택적 투과막으로 상용 일반 양이온 교환막, 제2 선택적 투과막으로 상용 일반 음이온 교환막으로 대체한 것을 제외하면 실시예 2와 동일하게 실시하였다.
[비교예 4: CEM l MgSO4 0.01M l AEM]
제2 전해질으로 KCl 0.01M 수용액을 사용하고, 제1 선택적 투과막으로 상용 일반 양이온 교환막, 제2 선택적 투과막으로 상용 일반 음이온 교환막으로 대체한 것을 제외하면 실시예 2와 동일하게 실시하였다.
[실험예 2: 농도 및 선택적 투과막에 따른 특성]
도 14는 비교예 2 내지 4에 따른 전기 발생 장치 및 본 발명의 실시예 2에 따른 전기 발생 장치의 전기화학적 안정성을 도시한 그래프이고, 도 15는 비교예 2 내지 4에 따른 전기 발생 장치 및 본 발명의 실시예 2에 따른 전기 발생 장치의 전압-전류 특성을 도시한 그래프이다.
도 14를 참조하면, 비교예 2에 따른 전기 발생 장치는 농도 차이가 매우 적은 두 전해질 사이에 일반 양이온 교환막을 사용하기 때문에 낮은 전기 포텐셜이 측정되지만, 본 발명의 실시예 2에 따른 전기 발생 장치는 1가 이온의 선택성이 우수한 1가 양이온 교환막의 사용으로 도난 효과가 유발되어 높은 전기 포텐셜을 획득할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예 2에 따른 전기 발생 장치는 비교예 2에 따른 전기 발생 장치 대비 전기화학적 상태가 안정적으로 유지되는 것을 알 수 있다.
또한, 비교예 3 및 비교예 4에 따른 전기 발생 장치는 기존의 전기투석장치와 유사하게 큰 농도차이로 전기 포텐셜을 획득하는 방법으로 그 농도 차이가 100배인 비교예 4에 따른 전기 발생 장치에서 본 발명의 실시예 2에 따른 전기 발생 장치와 유사한 수준의 전기 포텐셜이 획득 가능하다.
그러나, 도 15를 참조하면, 비교예 3 및 비교예 4에 따른 전기 발생 장치는 저농도의 제2 전해질로 인해 낮은 0전압 전류(zero-voltage current)가 획득된다. 반면, 본 발명의 실시예 2에 따른 전기 발생 장치는 고농도의 제2 전해질의 우수한 전기 전도도로 매우 높은 0전압 전류를 획득할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예 2에 따른 전기 발생 장치가 비교예 3 및 4에 따른 전기 발생 장치 대비 약 10배의 매우 높은 전류를 획득할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 16은 비교예 2 내지 4에 따른 전기 발생 장치 및 본 발명의 실시예 2에 따른 전기 발생 장치의 삼투압 특성을 도시한 그래프이다.
도 16을 참조하면, 비교예 3 및 비교예 4에 따른 전기 발생 장치는 제1 전해질 및 제2 전해질의 큰 농도 차이로 인해, 삼투 실험에서 큰 크기의 삼투압을 받으나, 본 발명의 실시예 2에 따른 전기 발생 장치는 비교예 3 및 비교예 4에 따른 전기 발생 장치 대비 삼투압이 반감되는 것을 알 수 있다.
도 17은 비교예 4에 따른 전기 발생 장치(Binary) 및 본 발명의 실시예 2에 따른 전기 발생 장치(Quaternary)의 전류 밀도 특성을 도시한 그래프이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 실시예 2에 따른 전기 발생 장치(Quaternary)가 비교예 4에 따른 전기 발생 장치(Binary) 대비 5배 증가되고, 최대 전력밀도 또한 약 5배 증가되는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (13)

  1. 챔버 내에 제1 전해질, 선택적 투과막, 및 제2 전해질을 포함하는 전기 발생 장치로서,
    상기 제1 전해질 및 상기 제2 전해질은 각각 적어도 2종 이상의 이온을 포함하고, 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질에 포함되는 총 이온은 적어도 3종 이상이며,
    상기 선택적 투과막은 적어도 3종 이상의 이온 중 적어도 1종 이상의 이온을 선택적으로 투과시켜 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질 사이의 도난 효과를 유발하는 것을 특징으로 하는 전기 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선택적 투과막은, 상기 선택적 투과막에 선택적으로 투과되는 1종 이상의 이온의 투과도 대비 다른 이온들의 투과도(P다른이온/P선택이온)가, 0 내지 0.5 인 것을 특징으로 하는 전기 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질에 포함되는 적어도 총 3종 이상의 이온 중 상기 선택적 투과막을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온이 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질 간에 상이한 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 발생 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질 간에 상이한 농도는,
    상기 선택적 투과막을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온이 상대적으로 적게 포함된 전해질에 포함된 상기 선택적 투과막을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온의 농도와 상기 선택적 투과막을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온이 상대적으로 많게 포함된 전해질의 상기 선택적 투과막을 투과하는 적어도 1종 이상의 이온의 농도 비(C저농도/C고농도)가 0 내지 0.1 인 것을 특징으로 하는 전기 발생 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질의 총농도비(C제2전해질/C제1전해질)는 0.1 내지 10 인 것을 특징으로 하는 전기 발생 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전해질은 양이온 및 음이온을 포함하고,
    상기 양이온은 H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Li+, Fe3+, Fe2+, Al3+, Cu2+, Zn2+, Zn+, V2+, V3+, Cr2+, Cr3+, Co(NH3)6 3+ 및 (CH3)nNHm +(n 및 m은 0 내지 4이고, n과 m의 합은 4임) 중 적어도 어느 하나를 포함하며,
    상기 음이온은 F-, Cl-, Br-, NO3 -, OH-, F-, Br-, HCO3 -, SO4 2- 및 CO3 2- 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발생 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 선택적 투과막은, 병렬적으로 결합된 제1 서브 선택적 투과막 및 제2 서브 선택적 투과막을 포함하는 복합 선택적 투과막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발생 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전해질 및 상기 제2 전해질의 두께는 0.1 mm 내지 1 mm 인 것을 특징으로 하는 전기 발생 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 선택적 투과막의 두께는 0.1 ㎛ 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는 전기 발생 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전해질 및 상기 제2 전해질 중 적어도 어느 하나에 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발생 장치.
  11. 챔버 내에 제1 전해질, 선택적 투과막, 및 제2 전해질을 포함하고, 상기 제1 전해질, 상기 선택적 투과막 및 상기 제2 전해질이 교번하여 반복 적층된 적층 구조의 전기 발생 장치로서,
    상기 제1 전해질 및 상기 제2 전해질은 각각 적어도 2종 이상의 이온을 포함하고, 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질에 포함되는 총 이온은 적어도 3종 이상이며,
    상기 선택적 투과막은 상기 적어도 3종 이상의 이온 중 적어도 1종 이상의 이온을 선택적으로 투과시켜 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질 사이의 도난 효과를 유발하는 것을 특징으로 하는 적층 구조의 전기 발생 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 선택적 투과막은, 적어도 2개 이상인 것을 특징으로 하는 적층 구조의 전기 발생 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 선택적 투과막은, 제1 선택적 투과막 및 제2 선택적 투과막을 포함하며,
    상기 제1 선택적 투과막 및 상기 제2 선택적 투과막은,
    서로 다른 이온을 선택적으로 투과시키고, 동일한 방향으로 전기 포텐셜(electric potential)을 형성하는 것을 특징으로 하는 적층 구조의 전기 발생 장치.
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