이온 교환막 전극 접합체와 알루미나 나노포어 전극 접합체를 이용한 역전기투석식 발전 향상에 관한 연구

Abstract

오랜 기간 화석연료를 주 에너지원으로 사용하면서 그로 인한 지구온난화 등 환경오염 문제가 심화되고 있다. 이에 따라 화석연료를 대체할 신재생에너지에 대한 연구와 투자가 활발히 진행되고 있다. 그 중 해수와 담수의 염도 차이를 이용한 염도차 에너지는 2.4 TW의 발전 잠재력을 가지고 있고 해수와 담수를 활용하여 전기를 생산하기에 에너지원이 무한하고 환경오염 없이 많은 에너지를 항상 일정하게 생산할 수 있기에 각광 받고 있다. 염도차를 이용한 발전 방식 중 에너지 변환 효율이 높은 역전기투석식 발전에 대해 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 역전기투석식 발전은 두 개의 전극 사이에 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교차로 배치되어 있고 해수 속 나트륨 이온은 양이온 교환막으로만 이동하고 염소 이온은 음이온 교환막으로만 이동하여 전위차를 형성하고 양단의 전극을 통해 전류를 생성하는 발전 방식이다. 역전기투석식 발전 성능에 영향을 미치는 요인은 크게 이온 교환막과 시스템 저항이다. 따라서 본 논문에서는 이온 교환막으로 기존 폴리머 이온 교환막 대신 알루미나 나노포어 막을 역전기투석식 발전에 적용하여 발전성능을 평가하고, 둘째로 역전기투석식 발전 셀의 시스템 저항을 줄이기 위해 막 전극 접합체를 적용하여 실험적으로 발전 성능을 평가하며, 최종적으로 알루미나 나노포어와 막 전극 접합체 시스템을 결합한 나노포어 전극 접합체를 개발하여 성능을 분석하였다. 먼저 알루미나 나노포어의 수치해석 모델을 개발하여 역전기투석 내 알루미나 나노포어의 반경과 길이 그리고 농도 조합에 따른 이온 선택성과 발전량을 분석하였다. 수치해석 모델은 Poisson 식, Nernst-Planck 식, Navier-Stokes 식을 풀어 알루미나 나노포어 내 농도장, 전기장, 속도장을 해석하였다. 알루미나 나노포어의 표면전하량을 구하기 위해 실험적으로 알루미나 나노포어의 반경과 양단 농도 조합에 따른 표면전하량 상관식을 도출하여 수치해석 모델에 적용하였다. 그리고 수치해석을 통해 역전기투석 내 알루미나 나노포어의 전압-전류 특성을 분석하고 다양한 나노포어의 반경과 길이, 농도 조합에 따른 이온 선택성과 발전 성능을 분석하였다. 그 결과 알루미나 나노포어 반경이 작고 길이가 증가할수록 이온 선택성은 증가하였다. 그리고 알루미나 나노포어 내 역전기투석식 발전량은 나노포어 반경과 길이가 줄어들수록 증가하는 경향이 있고, 나노포어 길이가 길 때(L>4µm)에는 용액 농도차가 커질수록 발전량은 증가하고 반면, 나노포어 길이가 짧을 때(L<4µm)에는 용액의 평균 농도가 증가할수록 발전량은 증가하는 경향이 나타났다. 이러한 경향과 결과들을 이용하여 알루미나 형상과 농도 조합에 따른 역전기투석식 발전량을 예측할 수 있다. 최종적으로 알루미나 나노포어의 경우 포어 반경 10 nm, 길이 4 µm, 고농도측 KCl용액 농도 100 mM, 저농도측 KCl 용액 농도 0.1 mM 일 때 역전기투석식 발전을 통해 9.9 W/m2의 발전량을 얻을 수 있다. 이 값은 기존 폴리머 이온 교환막을 이용한 역전기투석식 발전의 수치해석 결과인 4.4 W/m2와 실험 결과인 2.4 W/m2와 비교했을 때 월등히 높은 발전량으로 이를 통해 알루미나 나노포어를 이용한 역전기투석 발전의 큰 가능성을 제시하였다. 둘째로, 역전기투석식 셀의 시스템 저항을 줄이기 위해 막 전극 접합체를 개발하였고 이를 역전기투석식 발전에 적용하여 실험적으로 발전 성능을 평가하였다. 막 전극 접합체는 두 다공성 Ag/AgCl 전극 사이에 양이온 교환막을 결합하여 제작하였고 서로 다른 농도의 NaCl 용액 사이에 막 전극 접합체를 두고 전기적 특성과 발전량을 측정하였다. 그 결과 막 전극 접합체 역시 전류가 증가함에 따라 전압이 선형적으로 감소하는 전형적인 전압-전류 특성이 나타났다. 막 전극 접합체를 이용하여 역전기투석식 발전량을 측정한 결과 고농도 측 NaCl 용액 농도 500 mM, 저농도 측 NaCl 용액 농도 1 mM 일 때, 최대 발전 밀도 8.8 W/m2을 얻었다. 이는 기존 역전기투석식 발전에서 보고된 발전 밀도 2.4 W/m2 보다 약 3.5 배 큰 값으로 막 전극 접합체 시스템을 통해 역전기투석식 발전의 높은 발전 잠재력을 정량적으로 평가하였다. 마지막으로 알루미나 나노포어의 장점과 막 전극 접합체 시스템의 장점을 결합하여 나노포어 전극 접합체를 개발하였다. 여기에 알루미나 나노포어의 이온 선택성과 내구성을 향상시키기 위해 고분자전해질을 주입하고 두 다공성 Ag/AgCl 전극과 결합하여 나노포어 전극 접합체를 제작하였다. 이를 서로 다른 농도의 NaCl 용액 사이에 두고 역전기투석식 발전량을 측정하여 성능을 분석하였다. 그 결과 고농도 측 NaCl 용액 농도가 500 mM이고 저농도 측 NaCl 용액 농도가 1 mM 일 때 최대 발전 밀도 1.25 W/m2를 얻었다. 따라서 기존 보고된 알루미나 나노포어 막과 고분자전해질-알루미나 막의 역전기투석식 발전 실험결과와 비교하였을 때, 나노포어 전극 접합체는 약 30 배 높은 발전 밀도를 얻을 수 있다. 추후 알루미나 나노포어 해석 모델에서 구한 형상안을 적용한 알루미나 나노포어 막을 제작하여 나노포어 전극 접합체를 제작한다면 아주 높은 발전량을 얻을 수 있을 거라 사료된다.