에너지기술연구원 남주연 해양융복합연구팀
[이투뉴스] 에너지기술연구원(원장 김종남)은 남주연 해양융복합연구팀 연구진이 역전기투석 염분차발전 성능을 획기적으로 개선하는 스택기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
염분차발전기술은 염수와 담수 등 용액 이온농도 차이 전기에너지로 전환하는 기술이다. 역전기투석(RED) 방식 스택은 전극, 이온교환막, 가스켓, 스페이서로 구성되고 두 전극 사이에 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교차로 적층된다.
두 이온교환막 사이는 가스켓으로 구분하고 스페이서를 통해 유체가 흐를 수 있는 공간을 만들어 준다. 이온교환막 사이에 고농도 용액과 저농도 용액을 교차로 흘려주면 이온 농도 차이에 의해 전위차가 형성된다. 전극 표면에서 전기화학 반응을 통해 전기가 발생한다.
역전기투석기술은 물만 있으면 탄소 배출 없이 전기를 생산할 수 있는 장점이 있다. 하지만 농도분극현상과 유입수 전처리 문제로 인한 에너지손실 및 비용 상승 등 해결해야 할 과제가 남아있다.
농도분극현상은 이온교환막 표면에 이온이 농축되는 현상이다. 이온 이동을 감소시켜 발전 효율을 떨어뜨린다. 이를 해소하기 위해서는 많은 물이 투입해야 하며, 부유물 제거를 위한 전처리 공정도 필요해 비용 상승의 원인이 된다.
연구진은 적은 양의 물을 이용해 농도분극현상을 줄일 수 있는 캐스케이드형 고효율 역전기투석 스택을 개발했다. 캐스케이드 스택은 단일 스택 내부를 여러 단계로 구분해 전 단계에서 사용한 물을 다음 단계에서 사용하도록 재순환시켜 유입수의 이용률을 높였다.
캐스케이드 스택은 기존 스택보다 순전력이 20% 향상됐다. 내부에서 유입수의 이동거리(체류시간)가 길어져 누설전류 경로가 차단돼 더 많은 전류가 생성되는 것으로 확인됐다. 4단스택을 이용해 최대 전력생산에 필요한 유입수 부피를 4분의 1로 저감했으며, 기존 스택 대비 에너지밀도는 최대 480%, 효율은 420%까지 향상됐다.
남주연 박사는 “지금까지 역전기투석기술에 시도된 적 없는 새로운 구조의 스택을 통해 성능을 획기적으로 개선했다"며 "역전기투석 스택에서 발생하는 문제를 해결 할 수 있어 기술 상용화에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
진경남 기자 jin07@e2news.com