KR101394132B1 - High efficiency salinity gradient electric generating device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 해수와 담수의 이온농도차를 이용한 고효율 염분차 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 염수에서 담수로 투과되는 이온 농도를 증가시켜 이온의 막투과도를 향상시키고, 이를 통해 야기되는 전하 이동을 매체를 통해 증가시킴에 따라 발전 효율을 증대시킬 수 있도록 양 전극 유로부분에 고상의 매체를 투입시킨 폐순환 흐름전극을 이용한 농도차 발전장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a high-efficiency salt-water power generation apparatus using the difference in ion concentration between seawater and fresh water, and more particularly, to an apparatus for increasing the ion permeability of ions by increasing the ion concentration of salt water to fresh water, To a dense difference power generation apparatus using a closed-loop flow electrode in which a solid medium is charged into both electrode flow path portions so as to increase power generation efficiency by increasing the power generation efficiency through a medium.
최근 화석연료 가격의 계속적인 상승과, 일본 후쿠시마 원자력 발전소 사고로 인하여, 기존의 화석연료 및 원자력에만 의존하던 전력생산방식의 탈피가 요구되고 있다.Due to the recent rise in fossil fuel prices and the accident at the Fukushima Nuclear Power Plant in Japan, it is required to abandon the existing production methods that relied solely on fossil fuels and nuclear power.
수력발전은 발전소를 건설할 수 있는 장소적 제약이 크고 발전소 건설비용이 막대한 문제점이 있다. 그리고, 이에 따른 전력생산량도 미비하여, 국소단위의 전기공급은 가능하지만 국가 전체적인 안정적인 전기공급에는 한계가 있다.Hydroelectric power plant has a limitation in place to construct a power plant, and there is a huge problem of construction cost of a power plant. In addition, the electric power generation amount is insufficient, so that it is possible to supply electric power locally, but there is a limit to the stable electric power supply of the whole country.
풍력발전 역시 건설할 수 있는 장소적 제약이 클 뿐만 아니라, 바람의 세기가 시간에 따라 변화하기 때문에 일정한 세기의 전력을 생산하는 것이 어려운 문제점이 있다. 또한, 수력발전과 마찬가지로 전력생산량도 미비하여, 국소단위의 전기공급은 가능하지만 국가 전체적인 안정적인 전기공급에는 한계가 있다.There is a problem in that it is difficult to produce a constant intensity of power because wind power is not only limited in place but also changes in intensity with time. In addition, as with hydroelectric power generation, the amount of electricity generated is insufficient, and electricity can be supplied locally, but there is a limit to the stable supply of electricity throughout the country.
그리고, 태양열발전은 발전을 위해서는 거대한 공간을 필요로 할 뿐만, 아니라 발전량도 적고 날씨에 따라 발전효율이 크게 달라서 보조적인 전력공급원에 지나지 않는다는 문제점이 있다.
In addition, solar power generation requires a huge space for power generation, but also has a problem in that it generates only a small amount of electric power and a power generation efficiency varies greatly according to the weather, which is an auxiliary power supply source.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 폐루프로 이루어지는 전극용액에 매체를 투입시킴으로서, 산화전극과 환원전극 사이에 매체의 유동화가 이루어지며, 염수유로와 담수유로를 교대로 배치하여 유동산화전극과 유동환원전극 사이의 이온농도의 기울기를 증가시킴으로 얻어지는 전위차로 전기에너지를 생산할 수 있는 매체를 이용한 고효율 농도차 발전장치를 제공하는 데에 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention, which is devised to solve the above-described problems, to provide a method for supplying a medium to an electrode solution composed of a closed loop to fluidize a medium between an oxidizing electrode and a reducing electrode, And to provide a highly efficient dense power generation device using a medium capable of producing electrical energy with a potential difference obtained by increasing the gradient of the ion concentration between the fluid oxidation electrode and the fluidized-bed electrode.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 매체를 함유한 전극세정용액이 이동하는 유동산화전극; 상기 유동산화전극과 이격되어 마주보도록 배치되고, 상기 전극세정용액이 이동하는 유동환원전극; 및 상기 유동산화전극과 상기 유동환원전극 사이에 배치되고, 상기 유동산화전극에 근접한 방향으로 배치되고 담수가 흐르는 담수유로 및 상기 담수유로와 음이온 교환막으로 분리되는 염수가 흐르는 염수유로를 가지며, 양단부에 배치되는 양이온 교환막으로 구분되는 하나 이상의 농도차유로쌍;을 포함하고, 상기 유동산화전극과 상기 유동환원전극의 전극세정용액은 폐루프를 이루도록 순환되는 것을 특징으로 하는 폐순환 흐름전극을 이용한 농도차 발전장치이다.According to an aspect of the present invention, there is provided a plasma display apparatus including: a flow oxidation electrode through which an electrode cleaning solution containing a medium moves; A fluidized-bed electrode disposed so as to face the flow-oxidized electrode so as to face away from the fluidized-oxidized electrode; And a brine flow channel disposed between the flow oxidation electrode and the fluidized-bed reduction electrode and disposed in a direction close to the fluidized oxidation electrode and through which fresh water flows, and a brine flow channel through which the brine flow separated from the fresh water flow channel and the anion exchange membrane flows, And the electrode cleaning solution in the flow oxidation electrode and the electrode cleaning solution in the flow reduction electrode are circulated so as to form a closed loop. Device.
2개 이상의 농도차 유로쌍에서, 각각의 염수유로와 담수유로는 염수와 담수가 각각 병렬로 공급되는 것을 특징으로 한다. 또는, 2 이상의 농도차 유로쌍에서, 각각의 염수유로와 담수유로는 염수와 담수가 각각 직렬로 공급되는 것을 특징으로 한다.In the two or more concentration-difference flow path pairs, the brine flow path and the fresh water flow path are characterized in that brine and fresh water are supplied in parallel, respectively. Alternatively, in the two or more concentration-difference flow path pairs, the brine flow path and the fresh water flow path are characterized in that brine and fresh water are supplied in series, respectively.
그리고, 전극세정용액으로부터 양이온교환막을 통해 이동하는 양이온에 따른 전하량 변화는 상기 전극세정용액에 함유된 레독스쌍 이온이 고체상 매체에 의해 산화/환원반응 전환으로 전기적으로 상쇄되는 것을 특징으로 한다. 이 때 레독스쌍 이온에 대한 특별한 제한조건은 없다. 본 특허에서 레독스쌍의 종류를 한정하고자 하는 것이 아니며 어떠한 종류의 레독스쌍 이온을 사용하여도 고체매체 투입에 의한 효과인 본 발명의 사상을 만족한다. The change in charge amount depending on the cation moving through the cation exchange membrane from the electrode cleaning solution is characterized in that the redox double ion contained in the electrode cleaning solution is electrically canceled by the oxidation / reduction reaction conversion by the solid phase medium. There is no special restriction on the redox double ion. The present invention does not intend to limit the kind of redox pair and satisfies the idea of the present invention that the effect of injecting a solid medium by using any kind of redox double ion is obtained.
또, 상기 염수유로 내에는 적층의 편의성을 고려하여 바이폴라플레이트가 설치될 수 있다.A bipolar plate may be provided in the brine flow passage in consideration of the convenience of lamination.
본 발명을 통하여, 매체를 이용하여 폐회로를 가지는 산화환원전극 및 교대로 반복 설치되는 염수유로와 담수유로에 의해 이온 농도를 증가시켜 발전 효율을 증대시킬 수 있다.Through the present invention, it is possible to increase the ion generation efficiency by increasing the ion concentration by the redox electrode having the closed circuit using the medium and the salt water flow path and the fresh water flow path alternately installed.
따라서, 염수와 담수의 농도차에 의해 발전을 할 뿐만 아니라, 평시에 여유에너지로 염수를 농축하여 농축염수를 저장하고, 전력사용량이 피크시에 본 발명을 사용하여 농축염수와 담수의 농도차에 의한 발전을 통해 피크부하를 경감시킬 수 있는 전력저장장치로 활용할 수도 있다.Therefore, not only is it generated by the difference in the concentration of salt water and fresh water, but also concentrated salt water is stored by enriching the salt water with extra energy in the daytime, and when the electric power consumption is peaked, It can be utilized as a power storage device capable of reducing the peak load.
또, 본 발명에 따른 고효율 염분차 발전장치는 기후와 시간에 제약을 받지않는 전천후 발전장치로서, 친환경적이며 발전의 영속성을 유지할 수 있는 장점이 있다.
In addition, the high-efficiency salt-difference power generation apparatus according to the present invention is advantageous in that it is eco-friendly and maintains the permanence of power generation as an all-weather power generation apparatus which is free from climate and time limitation.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 유동매체를 투입한 폐순환 흐름전극을 이용한 농도차 발전장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 유동매체를 투입한 폐순환 흐름전극을 이용한 농도차 발전장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 3에 따른 유동매체를 투입한 폐순환 흐름전극을 이용한 농도차 발전장치의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 4에 따른 유동매체를 투입한 폐순환 흐름전극을 이용한 농도차 발전장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실험예 1에 따른 실험결과 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험예 1에 따른 실험결과 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic block diagram of a concentration difference generator using a closed-loop flow electrode into which a fluid medium according to a first embodiment of the present invention is charged; FIG.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a concentration difference generator using a closed-loop flow electrode into which a fluid medium according to a second embodiment of the present invention is charged.
3 is a schematic configuration diagram of a concentration difference generation device using a closed-loop flow electrode into which a fluid medium according to a third embodiment of the present invention is charged.
4 is a schematic configuration diagram of a concentration-difference power generation apparatus using a closed-loop flow electrode into which a fluid medium according to a fourth embodiment of the present invention is charged.
5 is a graph of the experimental result according to Experimental Example 1 of the present invention.
6 is a graph of an experimental result according to Experimental Example 1 of the present invention.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar elements in the drawings, unless otherwise indicated by the same reference numerals, Detailed description of functions and configurations is omitted.
일반적으로, '염수’라 칭함은 염의 농도가 해수의 염(salt) 농도인 35,000 ㎎/L 이상을 가지는 용액이며,‘기수’라고 칭함은 염 농도가 1,000∼10,000 ㎎/L 정도를 가진 용액이며, ‘담수’라 칭함은 염 농도가 0∼1,000㎎/L를 가진 용액을 뜻한다. 이는 미국 지질조사소에서 염의 농도에 따라 수질을 분류한 것이다.Generally, the term 'salt water' refers to a solution having a salt concentration of at least 35,000 mg / L, which is the salt concentration of seawater, and a salt solution having a salt concentration of about 1,000 to 10,000 mg / L , "Fresh water" refers to a solution having a salt concentration of 0 to 1,000 mg / L. This is a classification of water quality according to salt concentration at the US Geological Survey.
다만, 본 발명에서는 발전을 위해 공급되는 염이 포함된 용액을 염수라 하고, 발전을 위해 염이 없거나 공급되는 염수에 비해 농도가 상대적으로 적은 용액을 담수라 하며, 공급되는 염수와 담수의 이온 이동으로 전기를 발생시키고 배출되는 용액을 기수라 칭하며, 따라서 기수는 이온의 농도가 염수보다 작고 담수보다 크게 된다.However, in the present invention, a solution containing salt to be supplied for power generation is referred to as saline solution, and a solution having a relatively low concentration compared to saline solution for generating electricity is called a fresh water, And the discharged solution is called a radix, so that the concentration of ions in the radionuclide is smaller than the brine and larger than the freshwater.
그리고 흐름전극이라 함은 매체를 함유한 전극용액이 산화 및 환원전극 사이를 폐 루프로 유동함을 뜻하며, 여기에서의 매체란 고상으로서 탄소재, 비금속, 금속 재료이며, 전자를 주고 받을 수 있는 촉매기능을 하는 고체상 물질을 의미한다. 입자크기는 나노(㎚) 및 마이크로(㎛) 크기 정도이다. The term " flow electrode " means that an electrode solution containing a medium flows in a closed loop between the oxidation and reduction electrodes. Here, the medium is a carbon material, a non-metal material, a metal material, ≪ / RTI > The particle size is on the order of nanometer (nm) and micro (um) size.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 매체를 투입한 폐순환 흐름전극을 이용한 농도차 발전장치(100)의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a concentration-difference
상기 농도차 발전장치(100)는 매체를 함유한 전극세정용액이 이동하는 유동산화전극(112)과, 상기 유동산화전극(112)은 이격되어 마주보도록 배치되고 매체를 함유한 전극세정용액이 이동하는 유동환원전극(118)과, 상기 유동산화전극(112)과 상기 유동환원전극(118) 사이에 배치되는 농도차 유로쌍을 포함하여 이루어진다.The concentration-differentiating
상기 유동산화전극(112)과 상기 유동환원전극(118)은 매체를 함유한 전극세정용액이 지나가는 폐루프를 이룬다. 따라서, 상기 유동산화전극(112)과 상기 유동환원전극(118) 사이에는 매체를 함유한 전극세정용액의 순환을 위한 펌프 등의 순환장치가 설치될 수 있다.The fluidized oxidizing
또한, 본 발명의 실시예 1에서는 상기 농도차유로쌍은 1개를 가지고 있으며, 좌측에 담수유로(114), 우측에 염수유로(116)가 설치된다. 상기 담수유로(114)에는 담수가 공급되고, 상기 담수유로(114)를 지난 기수는 외부로 배출된다. 그리고, 상기 염수유로(116)에는 염수가 공급되고, 상기 염수유로(116)를 지난 기수는 외부로 배출된다.In the first embodiment of the present invention, the concentration difference flow path pair has one, and a fresh
그리고, 상기 농도차유로쌍의 양단부는 양이온 교환막(106,110)이 배치되고, 상기 염수유로(114)와 상기 담수유로(116) 사이에는 음이온 교환막(108)이 설치된다.
따라서, 상기 유동산화전극(112)은 양극집전체(102)와 상기 양이온 교환막(106)으로 매체를 함유한 전극세정용액이 흐르는 공간이 한정되고, 유동환원전극(118)은 상기 양이온 교환막(110)과 음극집전체(104)로 매체를 함유한 전극세정용액이 흐르는 공간이 한정된다.Accordingly, the
상기 담수유로(114), 상기 염수유로(116), 상기 유동산화전극(112), 상기 유동환원전극(118) 내부에는 간격변동을 방지하기 위한 스페이서가 설치될 수 있다. 그리고, 상기 담수유로(114) 내부에는 이온흡착성이 좋은 흡착활물질(120)이 함유될 수 있다. 이러한 흡착활물질(120)로는 일정 비표면적을 가진 나노입자의 활성탄(ANC), 탄소나노튜브(CNT) 그리고 탄소나노분말(CNP) 또는 촉매 기능을 할 수 있는 금속 분말을 사용할 수 있다. Spacers may be provided in the inside of the
상기 전극세정용액은 상기 염수유로(116)에 흐르는 염수와 동일한 양이온을 포함하며, 본 발명의 실시예에서는 나트륨이온(Na+)으로 표기하였다. 그리고, 상기 흐름환원전극유로(112, 118) 내부에는 이온흡착성이 좋은 흡착활물질(120)이 함유될 수 있다. 이러한 흡착활물질(120)로는 일정 비표면적을 가진 나노입자의 활성탄(ANC), 탄소나노튜브(CNT) 그리고 탄소나노분말(CNP) 또는 촉매 기능을 할 수 있는 금속 분말을 사용할 수 있다. 또한, 탄소입자 표면에 촉매성능이 있는 금속 또는/동시에 금속산화물을 담지하여 레독스반응을 더욱 신속하게 진행하거나 또는/동시에 전자 저장/운반 기능을 향상 할 수 있다. 이러한, 전극세정용액은 나트륨이온의 출입에 따른 전자의 잉여량 또는 부족량은 레독스쌍(Redox couple) 사이의 전환으로 보충하게 되고, 이 때 발생되는 전위차에 의해 상기 양극집전체(102)와 상기 음극집전체(104) 사이에 전류가 흐르게 된다.The electrode cleaning solution contains the same cation as the salt water flowing in the salt
전극물질 레독스에 의한 전자 발생의 일례는 반응식 1과 같이 평형반응으로 진행되며, 이러한 반응은 전극표면에서 진행된다. 그러나, 본 발명과 같이, 전극용액중에 고체입자가 존재 할 때 이들 표면에서 반응식 1로 예시된 레독스 반응이 진행되기 때문에 반응진행에 필요한 표면적을 기존 전극대비 무한하게 넓힌 효과를 제공한다. An example of electron generation by the electrode material redox proceeds in an equilibrium reaction as shown in Scheme 1, and the reaction proceeds on the electrode surface. However, when the solid particles are present in the electrode solution as in the present invention, since the redox reaction illustrated in the reaction formula 1 proceeds on these surfaces, the surface area necessary for the reaction progression is infinitely widened compared to the conventional electrode.
반응중에 생성된 전자는 일정시간 고체입자 표면에 흡착되고 용액 흐름에 따라서 이웃에 입자들과 접촉시 평형농도에 이르게 되고, 결국 전극(102, 202, 302, 402)에 전자가 전달된다. 즉, 반응식 1 이 진행되기 위해서 레독스 물질이 전극표면까지 직접 확산될 필요가 없기 때문에 Na+ 이온 농도 변화에 종속적인 반응식 1의 진행이 신속하게 되기 때문에 양이온 막(106, 206, 306, 406)을 통한 Na+ 투과 속도는 더욱 향상되고 이에 따라서 전자 생성 및 소멸 속도는 더욱 가속화되어 발전효율 향상이 유도될 수 있다.The electrons generated during the reaction are adsorbed on the surface of the solid particles for a predetermined period of time. When they contact the particles in the vicinity of the solution according to the solution flow, they reach the equilibrium concentration, and electrons are transferred to the
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
Fe2+ ↔ Fe3+ + e- Fe 2+ ↔ Fe 3+ + e -
이와 같은 전극용액의 일례로 레독스쌍(RedOx couple)을 일으킬 수 있는 페로시안화물(Fe(CN)6) 단독 또는/동시에 NaCl의 혼합용액 중에 탄소재, 귀금속 및 비금속 고체상 매체를 함유한 용액을 사용할 수 있다. 그리고, 상기 염수에는 음이온으로써 염소이온(Cl-)이 포함된다.An example of such an electrode solution is a solution containing a carbonaceous material, a noble metal and a non-metallic solid phase medium in a mixed solution of NaCl and / or ferrocyanide (Fe (CN) 6 ) alone or at the same time capable of causing redox couple Can be used. In addition, the salt is a chlorine ion (Cl -) by anion include.
본 발명의 실시예 1에 따른 농도차 발전장치(100)는 상술한 바와 같이 구성된다. 이하, 상기 농도차 발전장치(100)의 작동원리에 대하여 설명한다.The concentration
염분차로 얻을 수 있는 이론적인 에너지량을 Veerman(J. Veerman et.al., Reverse electrodialysis: Performance of a stack with 50 cells on the mixing of sea and river water, J. Membr. Sci. 327(2009) 136-144)이 제시한 방법으로 구하면 표 1과 같다.
The theoretical amount of energy that can be obtained by the salinity difference is described by Veerman (J. Veerman et al., Reverse electrodialysis: Performance of a stack with 50 cells on the mixing of sea and river water, J. Membr. Sci. -144) are shown in Table 1.
표 1에서 깁스자유에너지(Gibbs free energy)(G)는 298K에서 해수(염농도: 30kg NaCl/㎥)와 담수(염농도: 0kg NaCl/m3)의 농도차에서 얻을 수 있는 값이며, 여기서, VR는 담수량(river volume)이고, Vs는 해수량(See water volume)이다. 본 발명에 의하면 이러한 염분차로 얻을 수 있는 에너지를 전기에너지로 얻을 수 있게 된다.In Table 1, Gibbs free energy (G) is a value obtained at a difference of 298 K between seawater (salt concentration: 30 kg NaCl / m 3 ) and fresh water (salt concentration: 0 kg NaCl / m 3 ) R is the river volume and V s is the sea water volume. According to the present invention, energy that can be obtained by such a difference in salinity can be obtained as electric energy.
매체가 함유된 에노드(anode) 전극인 유동산화전극(112)과 케소드(cathode) 전극인 유동환원전극(118)의 사이에, 순차적으로 배치되는 담수유로(114)와 염수유로(116)에서 도 1과 같은 이온의 이동이 유발된다. 즉, 양이온 교환막(Cation Exchange membrane)(106,110)을 통해서는 Na+와 같은 양이온이 이동하고, 음이온 교환막(Anion Exchange membrane)(108)에서는 Cl- 와 같은 음이온이 이동하게 된다. 따라서, 상기 유동산화전극(112)의 양이온은 담수유로(114)로 이동하고, 염수유로(116)의 양이온이 유동환원전극(118)로 이동하게 된다. 또한, 염수유로(116)의 음이온은 상기 담수유로(114)로 이동하게 된다. 결과적으로, 염(salt)의 농도가 높은 해수부분에서 염의 농도가 낮은 담수부분으로 이온이 이동하면서 양이온은 오른쪽 케소드(Cathode)전극 방향으로 향하며, 이와 반대로 음이온은 왼쪽 에노드 (Anode) 전극방향으로 향하게 된다. 이를 통해 이온전류(Ion current)가 오른쪽 에서 왼쪽으로 흐르게 되면, 유동산화전극(112)에서는 산화반응이 일어나면서 전해질로부터 전자를 얻게되고 유동환원전극(118)에서는 환원반응이 일어나면서 전해질로 전자를 주게된다. 이때 전자는 외부 도선을 따라 에노드에서 케소드 방향으로 흐르게 되므로 전류를 발생시키는 것이다.A
그리고, 상기 유동산화전극(112)과 상기 유동환원전극(118)을 폐순환하는 매체가 함유된 전극세정액(Electrode rinse solution)은 상기 양극집전체(102)와 상기 음극집전체(104)에 발생하는 부반응 및 파울링을 제거하는 역할과 동시에 redox 물질의 산화 및 환원반응을 촉진, 전자전달 역할을 한다.An electrode cleaning solution containing a medium for circulating the fluidizing oxidizing
따라서, 본 발명에서는 이러한 매체가 함유된 상기 유동산화전극(112)과 상기 유동환원전극(118)과 농도차유로쌍의 배치에 의해, 단위 부피당 이온의 농도를 증가시켜서 이온의 포텐셜을 높일 수 있으며, 이 결과 이온 전류의 증가를 유발할 수 있다. 즉, 이온전류가 발생하면 이는 곧, 전하이동을 뜻하므로 전류의 증가를 뜻하는 것으로 볼 수 있다.Accordingly, in the present invention, the concentration of ions per unit volume can be increased by arranging the pair of concentration-dependent flow paths of the fluidized oxidizing
다시 말해, 염수와 담수를 투입시킬 경우, 염수가 가지고 있는 양이온 및 음이온들은 이온교환막을 통해 담수 부분으로 투과되면서, 농도 구배가 생긴다. 이때 음이온은 에노드(Anode) 전극방향으로 그리고 양이온은 케소드(Cathode) 전극방향으로 이끌리게 되면서 이온전류(Ion current)를 형성하게 되고, 이를 통해 양 전극부분에서는 산화환원 반응을 통해 전자의 이동, 즉 전류(electron current)를 발생시키게 된다. 특히, 담수유로(114)에 흡착활물질(120)를 투입시켜 유동화 할 경우 이온교환막을 통과하는 양이온 및 음이온의 투과속도를 보다 더 빠르게 함으로서, 양측 전극부분에 이온농도를 증가시켜 산화환원 반응을 더 빠르게 일어나도록 할 수 있다.
In other words, when brine and fresh water are introduced, the cation and anions of the salt water permeate into the fresh water part through the ion exchange membrane, resulting in a concentration gradient. At this time, the negative ions are attracted toward the anode electrode and the positive ions are attracted toward the cathode electrode, thereby forming an ion current, whereby the electrons are moved through the redox reaction at both electrode portions That is, an electron current. Particularly, when the adsorbing
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 매체가 함유된 폐순환 흐름전극을 이용한 농도차 발전장치(200)의 개략도이다. 상기 농도차 발전장치(200)는 실시예 1의 농도차 발전장치(100)와 동일한 구성을 가지나, 농도차유로쌍이 2개가 배치된 차이가 있다.2 is a schematic diagram of a
따라서, 상기 농도차 발전장치(200)는 매체가 함유된 전극세정용액이 이동하는 유동산화전극(216)와, 상기 유동산화전극(216)과 이격되어 마주보도록 배치되고 매체가 함유된 전극세정용액이 이동하는 유동환원전극(226)과, 상기 유동산화전극(216)과 상기 유동환원전극(226) 사이에 배치되는 2개의 농도차유로쌍을 포함하여 이루어진다.Therefore, the concentration-difference
따라서, 상기 농도차발전장치(200)의 내부에는 양극집전체(202)와 음극집전체(204) 사이에 순차적으로 양이온 교환막(206,210,214)과 음이온 교환막(208,212)이 교대로 배치되고, 좌측부터 유동산화전극(216), 담수유로(218), 염수유로(220), 담수유로(222), 염수유로(224), 유동환원전극(226)이 순차적으로 배치된다. 그리고, 상기 담수유로(218,222)에는 이온흡착성이 좋은 흡착활물질(228,230)이 함유될 수 있다. Therefore, the
상기 2개의 담수유로(218,222)에는 담수가 각각 공급되고, 각각의 담수유로(218,222)를 통과한 기수는 각각 배출된다. 상기 2개의 염수유로(220,224)에는 염수가 각각 공급되고, 각각의 염수유로(220,224)를 통과한 기수는 각각 배출된다. 즉, 상기 담수유로(218,222)와 상기 염수유로(220,224)는 각각 병렬로 배치된다.Fresh water is supplied to the two
따라서, 실시예 1의 농도차발전장치(100)보다 이온농도의 기울기가 커지기 때문에 더 큰 전기에너지를 생산하는 것이 가능하다.
Therefore, since the slope of the ion concentration becomes larger than that of the
도 3은 본 발명의 실시예 3에 따른 매체가 함유된 폐순환 흐름전극을 이용한 농도차 발전장치(300)의 개략도이다. 상기 농도차 발전장치(300)는 실시예 2의 농도차 발전장치(200)와 동일한 구성을 가지나, 담수유로(318,322)와 염수유로(320,324)의 연결방법에서 차이가 있다.3 is a schematic diagram of a
따라서, 상기 농도차 발전장치(300)는 매체가 함유된 전극세정용액이 이동하는 유동산화전극(316)와, 상기 유동산화전극(316)과 이격되어 마주보도록 배치되고 매체가 함유된 전극세정용액이 이동하는 유동환원전극(326)과, 상기 유동산화전극(316)과 상기 유동환원전극(326) 사이에 배치되는 2개의 농도차유로쌍을 포함하여 이루어진다.Therefore, the concentration-difference
따라서, 상기 농도차발전장치(300)의 내부에는 양극집전체(302)와 음극집전체(304) 사이에 순차적으로 양이온 교환막(306,310,314)과 음이온 교환막(308,312)이 교대로 배치되고, 좌측부터 유동산화전극(316), 담수유로(318), 염수유로(320), 담수유로(322), 염수유로(324), 유동환원전극(326)이 순차적으로 배치된다. 그리고, 상기 담수유로(318,322)에는 이온흡착성이 좋은 흡착활물질(328,330)이 함유될 수 있다.Therefore, the
상기 담수유로(318)에는 담수가 공급되고, 상기 담수유로(318)를 통과한 담수는 다시 담수유로(322)에 공급되며, 상기 담수유로(322)를 통과한 기수는 외부로 배출된다. 상기 염수유로(320)에는 염수가 공급되고, 상기 염수유로(320)를 통과한 염수는 다시 염수유로(324)에 공급되며, 상기 염수유로(324)를 통과한 기수는 외부로 배출된다.즉, 상기 담수유로(318,322)와 상기 염수유로(320,324)는 각각 직렬로 배치된다.Fresh water is supplied to the
따라서, 실시예 1의 농도차발전장치(100)보다 이온농도의 기울기가 커지기 때문에 더 큰 전기에너지를 생산하는 것이 가능하고, 직렬연결을 통하여 단위 부피당 일정하게 함유된 양이온과 음이온을 최대한 이온교환막을 통과시킬 수 있다. 좀 더 상술하면, 실제 유체와 접촉하는 이온교환막의 표면적은 일정하므로, 유체와 막 표면과의 접촉시간을 늘려주는 것에 의해 전기생산효율을 증대시킬 수 있다.
Therefore, it is possible to produce a larger electric energy because the slope of the ion concentration becomes larger than that of the concentration-difference
도 4는 본 발명의 실시예 4에 따른 매체가 함유된 폐순환 흐름전극을 이용한 농도차 발전장치(400)의 개략도이다. 상기 농도차 발전장치(400)는 실시예 2의 농도차 발전장치(200)와 동일한 구성을 가지나, 담수유로(418,422)에 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)(436,438)를 설치한 차이가 있다.4 is a schematic diagram of a concentration-difference
따라서, 상기 농도차 발전장치(400)는 매체가 함유된 전극세정용액이 이동하는 유동산화전극(416)와, 상기 유동산화전극(416)과 이격되어 마주보도록 배치되고 매체가 함유된 전극세정용액이 이동하는 유동환원전극(426)과, 상기 유동산화전극(416)과 상기 유동환원전극(426) 사이에 배치되는 2개의 농도차유로쌍을 포함하여 이루어진다.Therefore, the concentration-difference
따라서, 상기 농도차발전장치(400)의 내부에는 양극집전체(402)와 음극집전체(404) 사이에 순차적으로 양이온 교환막(406,410,414)과 음이온 교환막(408,412)이 교대로 배치되고, 좌측부터 유동산화전극(416), 담수유로(418), 염수유로(420), 담수유로(422), 염수유로(424), 유동환원전극(426)이 순차적으로 배치된다.Therefore, the
상기 담수유로(418,422)에는 바이폴라 플레이트(436,438)가 설치되고, 상기 담수유로(418,422) 내에서 바이폴라 플레이트(436,438)의 좌측으로 양이온흡착활물질(428,430)이 배치되고, 바이폴라 플레이트(436,438)의 우측으로 음이온흡착활물질(443,434)가 배치된다. 따라서, 각각의 이온 교환막을 통과한 양이온과 음이온을 분리시켜 저장게 된다. 이는 담수 부분에 투입된 이온흡착활물질에 흡착된 이온을 역전위를 걸어 손쉽게 제거함으로서 담수부분에 투입시킨 이온흡착활물질을 보다 빠르게 재생시키기 위함이다.
상기 2개의 담수유로(418,422)에는 담수가 각각 공급되고, 각각의 담수유로(418,422)를 통과한 기수는 각각 배출된다. 상기 2개의 염수유로(420,424)에는 염수가 각각 공급되고, 각각의 염수유로(420,424)를 통과한 기수는 각각 배출된다. 즉, 상기 담수유로(418,422)와 상기 염수유로(420,424)는 각각 병렬로 배치된다.
Fresh water is supplied to the two
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It can be understood that
[실험예][Experimental Example]
본 발명의 고체상 매체를 함유시킨 전극용액을 이용하여 이를 흐름전극으로 사용하여 염분 농도차 발전실험을 진행한 실험 예이다.
This is an experimental example in which an electrode solution containing the solid-phase medium of the present invention is used as a flow electrode to conduct an experiment of salinity concentration difference generation.
[실험예 1][Experimental Example 1]
실험 장치는 도 2와 같은 구성이다. 다만, 양이온과 음이온 분리막 C-A 5set와 우측 최 외측에 양이온 분리막 한 장을 추가하여 다층셀을 구성하였다. The experimental apparatus is configured as shown in Fig. However, a multi-layered cell was constructed by adding 5 sheets of cation and anion separator C-A and one sheet of cation separator on the rightmost outermost side.
전극용액(K3Fe(CN)6, 50mM, NaCl 3중량% 수용액) 공급속도 5㎖/min, 담수와 염수는 각각 30㎖/min으로 공급하였다. 이 때 염수는 NaCl 3.0중량%를 증류수에 첨가하여 제조하였다. The supply rate of the electrode solution (K 3 Fe (CN) 6 , 50 mM, aqueous solution of 3 wt% NaCl) was 5 ml / min, and fresh water and brine were supplied at 30 ml / min. At this time, the brine was prepared by adding 3.0 wt% of NaCl to distilled water.
실험결과 도 5에 나타낸 바와 같이, 최대전력 1.6㎽를 얻었다.
As a result of the experiment, the maximum power of 1.6 mW was obtained as shown in Fig.
[실험예 2][Experimental Example 2]
전극용액중에 CNP(carbon nano particle, 직경 5-20㎚)를 첨가한 것을 제외한 나머지 조건은 실험예 1과 같다. Except that CNP (carbon nano particle, diameter: 5-20 nm) was added to the electrode solution.
실험결과 도 6에 보인 바와 같이 최대 전력 3.2㎽를 얻었다.
As a result, the maximum power of 3.2 mW was obtained as shown in FIG.
상기 실험예1과 실험예2에 나타난 바와 같이, 전극세정용액에 매체를 함유시키는 것에 의해, 얻을 수 있는 최대전력이 약 2배의 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 즉, 전자를 주고 받을 수 있는 촉매기능을 하는 매체를 전극세정용액에 추가하는 것에 의해 이온교환막을 통과하는 양이온 및 음이온의 투과속도의 증대를 통해 산화환원 반응을 촉진하여, 동일한 농도차의 염수와 담수 조건에서 더 큰 전기에너지를 생산할 수 있다는 본 발명의 효과를 잘 설명할 수 있는 결과이다.
As shown in Experimental Example 1 and Experimental Example 2, it can be confirmed that the maximum power obtainable by adding the medium to the electrode cleaning solution is about twice the difference. That is, by adding a medium serving as a catalyst capable of transferring electrons to the electrode cleaning solution, the redox reaction is promoted by increasing the permeation rate of positive and negative ions passing through the ion exchange membrane, It is possible to explain the effect of the present invention that the larger electric energy can be produced in fresh water conditions.
100,200,300,400: 농도차발전장치
102,202,302,402: 양극집전체
104,204,304,404: 음극집전체
106,110,206,210,214,306,310,314,406,410,414: 양이온 교환막
108,208,212,308,312,408,412 : 음이온 교환막
112,216,316,416: 유동산화전극
114,218,222,318,322,418,422: 담수유로
116,220,224,320,324,420,424: 염수유로
118,226,326,426: 유동환원전극
228,230,328,330: 흡착활물질
428,430: 양이온흡착활물질432,434: 음이온흡착활물질100, 200, 300, 400:
102, 202, 302, 402:
104, 204, 304, 404:
106, 110, 206, 210, 214, 306, 310,
108, 208, 212, 308, 312, 408, 412:
112, 216, 316, 416:
114, 218, 222, 318, 322, 418, 422:
116, 220, 244, 320, 324, 420, 424:
118, 226, 326, 426:
228, 230, 328, 330: adsorbing active material
428,430: Cation-adsorbing active material 432,434: Anion-adsorbing active material
Claims (5)
상기 유동산화전극과 이격되어 마주보도록 배치되고, 전극세정용액이 이동하는 유동환원전극; 및
상기 유동산화전극과 상기 유동환원전극 사이에 배치되고, 상기 유동산화전극에 근접한 방향으로 배치되고 담수가 흐르는 담수유로 및 상기 담수유로와 음이온 교환막으로 분리되는 염수가 흐르는 염수유로를 가지며, 양단부에 배치되는 양이온 교환막으로 구분되는 하나 이상의 농도차유로쌍;을 포함하고,
상기 유동산화전극과 상기 유동환원전극의 전극세정용액은 폐루프를 이루도록 순환되며,
상기 담수유로 내부에는 흡착활물질이 함유되는 것을 특징으로 하는 매체가 함유된 폐순환 흐름전극을 이용한 농도차 발전장치.
A flow oxidation electrode through which the electrode cleaning solution containing the medium moves;
A fluidized-bed electrode disposed so as to face the flow-oxidized electrode so as to face away from the fluidized-oxidized electrode; And
A fresh water passage arranged between the fluidized oxidizing electrode and the fluidized-bed electrode and arranged in the direction close to the fluidized oxidizing electrode, and a brine flow channel through which the fresh water channel and the anion exchange membrane are separated, At least one pair of concentration-difference channels separated by a cation exchange membrane,
The electrode cleaning solution of the fluidized oxidation electrode and the fluidized-bed electrode is circulated to form a closed loop,
Wherein the adsorption active material is contained in the fresh water channel.
The apparatus as claimed in claim 1, wherein in the at least two concentration-difference flow path pairs, the brine flow paths and the fresh water flow paths are supplied with brine and fresh water in parallel, respectively.
The concentration difference generation apparatus according to claim 1, wherein in the two or more concentration difference flow path pairs, each of the salt water flow path and the fresh water flow path is supplied with the salt water and the fresh water in series.
The method of claim 1, wherein the change in the amount of charge according to the cation moving through the cation exchange membrane from the electrode cleaning solution is electrically canceled by the redox couple conversion of the electrode cleaning solution. Concentration difference generator using electrodes.
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