등가회로 모델을 이용한 역전기투석 스택전지 성능의 중요인자 연구

Abstract

역전기투석은, 이온교환막 스택 모듈에 전기에너지를 공급하여 용액으로부터 전해질을 분리하는 전기투석과는 반대로, 농도 차이가 있는 두 용액의 혼합에 수반되는 자유에너지 변화를 역전기투석 전지를 통해 전기에너지로 회수하는 조작이다. 역전기투석 전지는 양이온교환막과 음이온교환막이 교대로 적층되며, 막을 경계로 직접적으로 혼합되지 않으면서 담수가 염수가 흐르는 유로를 교대로 배치한 스택전지의 구조를 갖는다. 역전기투석 전지스택으로부터 회수되는 전력의 출력특성은 염수와 담수의 농도와 유량, 이온교환막의 막저항과 이동수, 스택 수, 장치의 유로 및 매니폴드 구조 등에 영향을 받는다. 본 연구에서는 분기 유로를 따라 발생하는 누설전류 및 이온 선택이동이 발생하는 담수와 염수 유로의 전지 내부저항, 양단판 전극저항 등을 고려하여 등가회로 모델을 수립하고, 각 변수들이 역전기투석 스택전지의 출력성능에 미치는 영향을 고찰하였으며, 실험결과에 부합하는 중요 인자들을 도출하였다. 등가회로 모델의 입력변수는 염수와 담수의 농도와, 스택 수, 이온교환막의 이동수, 막저항, 유로의 분기 구조, 이온 선택이동이 발생하는 담수와 염수 유로의 형태, 온도, 양단판 전극저항 등이며, 선형대수 기법을 이용해 스택전지의 단락 전류와 개방회로 전압을 비롯한 전류-전압 특성 및 사용된 이온교환막의 단위 면적당 전력생산 밀도를 모사할 수 있었다.