CN101525171B - 电极模块及使用该电极模块的去离子设备 - Google Patents

电极模块及使用该电极模块的去离子设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电极模块及使用该电极模块的去离子设备，更具体地讲，所述电极模块能够通过使用保护膜将集电器和一对电极一体地粘合而提高生产率。所述电极模块包括：集电器，从外部电源接收电；一对电极，从集电器接收电，其中，集电器和所述电极通过使用保护膜进行热压缩一体地粘合。

Description

电极模块及使用该电极模块的去离子设备
技术领域
本发明涉及一种去离子设备，更具体地讲，涉及一种利用电化学法去除流体(液体或者气体)中的离子成分的电容去离子设备。
背景技术
水，尤其是地下水含有大量的矿物质(例如，钙和镁)。已经用数字表示的钙或者镁的总量称为水的硬度。在这点上，硬水的数值大，而软水的数值相对较小。
当洗衣机或者洗碗机使用硬水，即，高硬度的水时，水与洗涤剂反应，而产生降低去垢力的问题。当蒸汽发生单元或者加热单元使用硬水时，水形成水垢，而产生降低能量效率和管口堵塞的问题。
也就是说，在使用水的家电中的硬水降低了去垢力，并在水流动的管道中积聚了大量的水垢。因此，使产品的可靠性变差。
为了解决这些问题，提出了一种使用离子交换树脂的水软化器。
使用离子交换树脂的水软化器通过将水中包含的硬水成分Ca2+和Mg2+与离子交换树脂中注入的Na+和NaCl进行交换而将水软化。因为NaCl必须被周期性地注入到离子交换树脂中，而且由于水中含有杂质，离子交换树脂本身必须被更换，所以这种使用离子交换树脂的水软化器不方便。此外，因为在重复利用树脂的过程中必须使用酸性溶液或者碱性溶液，并且为了处理大量的水必须使用大量的聚合物树脂和化学产品，所以使用离子交换树脂的方法存在不经济的缺点。
为了克服上述缺点，近来，已经对电容去离子(以下，简写为‘CDI’)设备进行了积极的研究。
如图1所示，CDI技术基于下面简单的原理，所述原理为通过将电压施加在两个多孔电极之间，使得阴离子被吸附到阳极上，阳离子被吸附到阴极上，从而去除溶解在流体(例如，水)中的离子。在CDI技术中，因为可通过当吸附到电极上的离子饱和时断开电源或者相反地改变电极的极性使被吸附到电极上的离子分离(脱附)，所以电极被容易地重新利用。与利用离子交换树脂或者反渗透的方法不同，CDI技术不使用洗涤溶液(例如，酸性溶液或者碱性溶液)来重新利用电极。因此，优点在于：不产生二次化学废弃物，并且由于腐蚀和污染小，所以电极的寿命是半永久的。
图2A和图2B是示出传统的CDI设备的单元电池(unit cell)结构和电连接的视图。
如图2A所示，传统的CDI设备的单元电池20的上部(图2A的A区域)连接到电源30的正极，并包括向电极14供电的集电器12和正电极14。单元电池20的下部包括与电源30的负极连接的集电器12和负电极14。此外，集电器12和电极14利用集电器12和电极14之间的导电粘合剂(导电双面胶带18)彼此粘附。通过使流体(液体或者气体)流过单元电池20的上部和下部之间，并将流体中的离子成分吸附到电极14上来实现水软化处理。
传统的CDI设备的单元电池20通过将螺钉紧固到形成在集电器12上的螺钉紧固孔12a而连接到电源30。
理想地，当将单元电池20连接到电源30时，电源30的供给电压(Vp)应该全部被施加在正电极14和负电极14之间(Vp＝Vc)。然而，实际上，由螺钉紧固引起的接触阻抗和寄生阻抗(parasitic impedance)导致电压损失(Vloss)，如图2B所示。
也就是说，在电源30的供给电压(Vp)中仅仅除电压损失(Vloss)之外的电压被施加到正电极14和负电极14之间。此时，通过下面的等式1和2计算电压损失(Vloss)。
[等式1]
电压损失(Vloss)＝单元电池的回路中流动的电流(lp)×单元电池内的总阻抗(Ztotal)
[等式2]
单元电池内的总阻抗(Ztotal)＝由螺钉紧固引起的接触阻抗(Zbolt)+由集电器引起的寄生阻抗(Zcurrent collector)+由导电粘合剂引起的寄生阻抗(Zbinder)+由电极引起的寄生阻抗(Zelectrodes)
具体地讲，在单元电池20内的总阻抗(Ztotal)中，对电压损失影响最大的因素是由螺钉紧固引起的接触阻抗。紧固到集电器12的螺钉紧固孔12a的螺钉和螺母的形状以及螺钉和螺母的紧固程度显著地影响接触阻抗。也就是说，当传统的CDI设备长时间(prolonged time)使用时，紧固的程度变松弛，结果，使接触阻抗增加。
图3是示出传统的CDI设备的层叠结构的视图。在图3的B区域示出了形成传统的CDI设备的层叠结构的基底单元结构。基底单元结构包括：集电器12，向电极14供电；一对电极14，各自布置在集电器12的上方或下方。该单元结构还可在集电器12和电极14之间使用导电粘合剂(导电双面胶带18)，以将集电器12和电极14粘合在一起(然而，导电粘合剂不是必须使用的，这是因为导电粘合剂的阻抗易于降低系统的电效率)。
参照图2和图3描述的传统的CDI设备存在下面的问题。
第一，构成CDI设备的层叠结构的基底单元结构，也就是说，集电器和电极不是一体地粘合。因此，存在的问题在于：在层叠结构的装配期间，会生产出带有缺陷的产品。尤其是，通常用于集电器12的石墨本身易于破损，这就经常在形成层叠结构的过程中导致产品缺陷。
第二，由集电器12和电源30之间的螺钉紧固产生的接触阻抗使施加在正电极14和负电极14之间的电压不足。因此，存在去离子效率降低的问题，结果，系统的效率变差。
第三，传统的CDI设备的层叠结构具有许多向每个单元电池20供电的电连接端子(螺钉紧固孔)。因此，存在供电困难的问题。
发明内容
因此，本发明一方面在于提供一种电极模块，所述电极模块能够通过利用保护膜将集电器和电极一体地粘合而提高生产率。
本发明另一方面在于提供一种电极模块，所述电极模块能够通过利用保护膜将电源连接器一体地粘合到集电器上而使层叠结构简化并降低接触阻抗。
本发明另一方面在于提供多个电极模块以及具有所述多个电极模块的去离子设备，所述多个电极模块利用保护膜连续地结合，其中，每个电极模块内的集电器连接在一起以形成单个集电器，所述去离子设备中的多个电极模块使用柔性的一体地结合的电极模块连续地形成层叠结构，从而不需要与每个电极进行电连接。
根据本发明的一方面，提供一种电极模块，所述电极模块包括：集电器，从外部电源接收电；一对电极，从集电器接收电，其中，集电器和所述电极通过使用保护膜进行热压缩一体地粘合。
电极模块还可包括用于粘结的集电器和电极之间的导电粘合剂。
电极模块还可包括导电粘合剂，该导电粘合剂形成在集电器和每个电极之间，使得集电器粘附到每个电极。
保护膜可被设置成具有大于集电器以及电极的尺寸的预定的尺寸。
保护膜可具有用于暴露电极的孔。
保护膜可由聚酰亚胺制成。
根据本发明的另一方面，提供一种电极模块，该电极模块包括：集电器，从外部电源接收电；一对电极，从集电器接收电；电源连接器，向集电器供电，其中，集电器、电极和电源连接器通过使用保护膜进行热压缩一体地粘合。
电源连接器可由能够焊接的材料制成。
保护膜可具有用于暴露电极和电源连接器的孔。
电极模块还可包括导电粘合剂，该导电粘合剂形成在集电器和每个电极之间，使得集电器粘附到每个电极。
根据本发明的另一方面，提供多个电极模块，每个电极模块包括：集电器，从外部电源接收电；一对电极，从集电器接收电，其中，所述多个电极模块的集电器连接在一起以形成单个集电器，其中，所述多个电极模块通过使用保护膜进行热压缩粘合连续地结合。
集电器可具有由铜制成的连接部分，以将相邻的集电器连接起来，从而形成单个集电器。
每个电极模块还可包括在集电器和电极之间用于粘附的导电粘合剂，该集电器可由铜制成。
每个电极模块还可包括导电粘合剂，该导电粘合剂形成在每个电极模块中的集电器和所述一对电极之间，使得在每个电极模块中，集电器粘附到所述一对电极上。
单个集电器可由铜制成。
连接在一起以形成单个集电器的集电器在一端可具有电源连接器，以将单个集电器连接到电源。电源连接器可通过使用保护膜进行热压缩一体地粘合到集电器。
根据本发明的另一方面，提供一种去离子设备，该去离子设备包括：一对端板；多个电极模块，形成在所述端板之间，用于执行去离子；分隔件，形成在所述电极模块之间，使得所述电极模块彼此隔开预定距离，其中，多个电极模块内的集电器连接起来以形成单个集电器，多个电极模块通过使用保护膜进行热压缩粘合连续地结合。
导电粘合剂可形成在每个电极模块中的集电器和所述一对电极之间，使得在每个电极模块中，集电器粘结到所述一对电极上。
连接在一起以形成单个集电器的集电器可在一端具有电源连接器，以将单个集电器连接到电源，电源连接器可通过使用保护膜进行热压缩一体地粘合到集电器。
分隔件可与一体地粘合的两个电极模块交替地层叠，使得两个电极模块可彼此隔开预定距离。
所述两个电极模块的任何一个可在一端与电源的正极连接，另一个电极模块可在一端与电源的负极连接。
根据本发明，提供一种电极模块，在该电极模块中，通过使用保护膜进行热压缩将集电器和电极一体地粘合。这就降低了在装配层叠结构期间的产品缺陷率。
此外，使用保护膜将电源连接器一体地粘合到集电器，从而使层叠结构简化，并降低了接触阻抗。这就提高了系统的电效率。
此外，使用保护膜将多个电极模块连续地结合，其中，多个电极模块内的集电器连接起来形成单个集电器，一体地粘合的电极模块利用柔性的一体地粘合的电极模块连续地形成层叠结构，从而不需要与每个电极进行电连接。这就使供电容易。
附图说明
通过下面结合附图对示例性实施例进行的描述，本发明示例性实施例的的这些和/或其它方面、特点和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：
图1是示出电容去离子(CDI)技术的原理的示图；
图2A和图2B是示出在传统的CDI设备中单元电池结构和电连接的示图；
图3是示出传统的CDI设备的层叠结构的示图；
图4A和图4B分别是示出根据本发明第一示例性实施例的示图以及根据第一示例性实施例的变型的电极模块的截面示图；
图5A是根据本发明第二示例性实施例的电极模块的截面图，图5B是示出使用图5A的电极模块的去离子设备的层叠结构的示图；
图6A是根据本发明第三示例性实施例的电极模块的截面图，图6B是示出使用图6A的电极模块的去离子设备的层叠结构的示图。
具体实施方式
现在对本发明的示例性实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同的元件。下面通过参照附图对示例性实施例进行描述以解释本发明。
如图4A所示，根据本发明第一示例性实施例的电极模块100包括：集电器120，从外部电源接收电；一对电极140，布置在集电器120的上方和下方，所述一对电极140从集电器120接收电，以吸附和脱附溶解在流体中的离子；保护膜160，粘附到集电器120和电极140上，以使集电器120和电极140一体地粘合。同时，集电器120和电极140按照图4A左侧示出的顺序层叠。之后，通过利用保护膜160进行热压缩使集电器120和电极140一体地粘合。这种一体地粘合的电极模块100成为构成去离子设备的层叠结构的基底单元结构。
这里，保护膜160准备成具有大于集电器120和电极140的尺寸的预定尺寸。保护膜160具有用于暴露电极140的孔160a。当利用电极模块100形成层叠结构时，电极140通过形成在保护膜160上的孔160a与流体接触。
集电器120可由碳箔(carbon foil)或者石墨制成，碳箔或者石墨不具有腐蚀性，并可降低产品成本。
电极140可由导电材料(例如，碳气凝胶(carbon aerogels)、碳纳米管、石墨纳米纤维、活性碳电极、木炭或者金属氧化物)制成，所述导电材料是多孔的，并具有良好的吸附性能。
保护膜160由绝缘材料制成，通常是聚酰亚胺膜。
图4B中示出的电极模块是根据本发明第一示例性实施例的电极模块的变型的示例性实施例。除了根据图4A中示出的本发明的第一示例性实施例的电极模块100的构成组件之外，电极模块100还包括形成在集电器120和电极140之间的导电粘合剂180，以防止金属腐蚀，并将集电器120和电极140粘附在一起。同时，导电粘合剂180可由导电膏剂和导电带等制成。
与图4A中示出的电极模块不同，图4B中示出的电极模块100具有介于集电器120和电极140之间的导电粘合剂，从而防止集电器120被水腐蚀。因此，除不锈导体(例如，碳箔或者石墨箔)之外，当前的集电器120还可由导电金属(例如，钛)和柔性金属(例如，铜)制成。
通过参照图4A和图4B进行以上的描述，通过利用保护膜160进行热压缩而使集电器120和电极140一体地粘合，可降低在层叠结构的装配期间的产品缺陷率。
图5A是根据本发明的第二示例性实施例的电极模块的截面图，图5B是示出利用图5A的电极模块的去离子设备的层叠结构的示图。
如图5A所示，根据本发明第二示例性实施例的电极模块100包括：集电器120，从外部电源接收电；电源连接器120a，布置在集电器120的一端，以与所述电源连接；一对电极140，布置在集电器120的上方和下方，所述一对电极140从集电器接收电以吸附和脱附溶解在流体中的离子；保护膜160，粘附到集电器120和电极140上，以使集电器120、电源连接器120a和电极140一体地粘合。同时，集电器120、电源连接器120a和电极140按照图5A左侧示出的顺序层叠。之后，通过利用保护膜160进行热压缩使集电器120、电源连接器120a和电极140一体地粘合。这种一体地粘合的电极模块100成为构成去离子设备的层叠结构的基底单元结构。
这里，电源连接器120a由能够焊接(例如，铜)的材料制成。
保护膜160具有用于暴露电极140和电源连接器120a的孔160a和160b。此时，存在形成的用于暴露电极140的孔160a以当利用根据本示例性实施例的电极模块100形成层叠结构时允许电极140与流体接触。存在形成的用于暴露电源连接器120a的孔160b以允许在电源300(图5B)和电源连接器120a之间进行焊接。
除电源连接器120a之外，根据本发明第二示例性实施例的电极模块的构成组件与根据本发明第一示例性实施例的电极模块的构成组件相同。因此，将省略对所述组件的详细描述。
如图5B所示，利用根据本发明第二示例性实施例的电极模块的去离子设备包括：一对端板500a和500b，形成外观；多个电极模块100，每个均具有通过利用保护膜160进行热压缩一体地粘合的集电器120、一对电极140和电源连接器120a；电源300，向电极模块供应电压；分隔件400，形成通道，端板500a和500b中的流体在该通道中流动。
这里，当多个电极模块100层叠时，分隔件400介于电极模块100之间。分隔件400通过使每个电极模块100与另一个电极模块100隔开预定距离而形成使流体能够流动的通道。多个电极模块100用来吸附和脱附溶解在流体中的离子，所述流体在通过分隔件400隔开地布置在所述一对端板500a和500b之间的通道中流动。
同时，使用焊接法将电源300连接到设置在每个集电器120上的每个电源连接器120a上，所述每个集电器120位于层叠的多个电极模块100中。因此，根据本示例性实施例，电源300通过焊接法而不是通过螺钉紧固法连接到电极模块100。因此，简化了层叠结构，减小了通过螺钉紧固而产生的接触阻抗，从而提高了系统的电效率。
这里，与端板500a和500b接触的最上面的电极模块100和最下面的电极模块100具有仅布置在集电器120的上方和下方中的任一方上的电极140。之后，通过利用保护膜160进行热压缩使电极模块一体地粘合。
当向外突出以与电源300连接的电极模块的区域(图5B的C区域)由能够焊接的材料(例如，铜)制成时，通过将电源300直接焊接到集电器120上，能够使集电器120连接到电源300，而不需要另外的电源连接器120a。
图6A是根据本发明第三示例性实施例的电极模块的截面图，图6B是示出利用图6A的电极模块的去离子设备的层叠结构的示图。
如图6A所示，根据本发明第三示例性实施例的电极模块包括：单个集电器130，经连接部分120b将多个集电器120互相连接而形成；多对电极140，每对电极140布置在每个集电器120的上方和下方；保护膜，用于通过热压缩粘合将集电器120和电极140连续地结合。同时，集电器120的连接部分120b由柔性导体(例如，铜)制成。此外，均匀地连接的集电器130在其一端具有与电源连接的电源连接器120a。电源连接器120a通过利用保护膜160进行热压缩与集电器130和电极140一体地粘合。
然而，在当形成根据本示例性实施例的电极模块时在集电器120和电极140之间利用导电粘合剂来防止金属腐蚀并将集电器120和电极140粘合的情况下，不用担心生锈。因此，均匀地连接的集电器130可由柔性材料(例如，铜)制成，而不需要另外的连接部分120b。
如图6B所示，利用根据本发明第三示例性实施例的电极模块的去离子设备包括：一对端板500a和500b，形成外观；两个电极模块100；电源300，向电极模块施加电压；分隔件400，形成通道，端板500a和500b中的流体在该通道中流动。其中，每个电极模块100均具有：单个集电器130，经连接部分120b将多个集电器120互相连接而形成；多对电极140，每对电极140布置在每个集电器120的上方和下方；电源连接器120a，通过利用保护膜160进行热压缩一体地粘合。
如上所述，在根据本发明第三示例性实施例的电极模块100内的集电器130的连接部分120b由柔性材料(例如，铜)制成。因此，两个电极模块100分别弯曲以具有S形，每个电极模块100被一体地粘合，如图6B所示。之后，两个电极模块100交替地层叠，分隔件400介于所述电极模块100之间，使得分隔件400通过使两个电极模块彼此隔开预定距离而形成使流体能够流动的通道。
这里，两个电极模块中的任意一个电极模块在电极模块100的一端连接到电源300的正极，另一个电极模块100在其一端连接到电源300的负极。
同时，电源300利用焊接方法连接到设置在电极模块100内的集电器120上的电源连接器120a。
根据本示例性实施例，利用柔性的连续地结合的电极模块100，电源300与去离子设备的连接仅通过与电源300的各正极和负极的一个电连接就能被实现。因此，优点在于容易实现供电。
在该示例性实施例中，如第二示例性实施例，与端板500a和500b接触的最上面的电极模块100和最下面的电极模块100具有仅布置在集电器120的上方和下方中的任何一方上的电极140。之后，通过利用保护膜160进行热压缩使电极模块一体地粘合(见图6A和图6B的D区域)。
虽然已表示和描述了本发明的一些示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些示例性实施例进行修改。

Claims (19)

1.一种电极模块，包括：
集电器，从外部电源接收电；
一对电极，从集电器接收电，
其中，集电器和所述电极通过使用保护膜进行热压缩一体地粘合，
其中，保护膜由绝缘材料制成。
2.如权利要求1所述的电极模块，还包括：
导电粘合剂，形成在集电器和每个电极之间，使得集电器粘附到每个电极。
3.如权利要求1所述的电极模块，其中，设置保护膜使其具有大于集电器的尺寸以及电极的尺寸的预定的尺寸。
4.如权利要求1所述的电极模块，其中，保护膜具有用于暴露电极的孔。
5.如权利要求1所述的电极模块，其中，保护膜由聚酰亚胺制成。
6.一种电极模块，包括：
集电器，从外部电源接收电；
一对电极，从集电器接收电；
电源连接器，向集电器供电，
其中，集电器、电极和电源连接器通过使用保护膜进行热压缩一体地粘合，
其中，保护膜由绝缘材料制成。
7.如权利要求6所述的电极模块，其中，电源连接器由能够焊接的材料制成。
8.如权利要求6所述的电极模块，其中，保护膜具有用于暴露电极和电源连接器的孔。
9.如权利要求6所述的电极模块，还包括：
导电粘合剂，形成在集电器和每个电极之间，使得集电器粘附到每个电极。
10.一种层叠结构，所述层叠结构包括多个电极模块，每个电极模块包括：
集电器，从外部电源接收电；
一对电极，从集电器接收电，
其中，电极模块的集电器连接在一起以形成单个集电器，
其中，所述多个电极模块中的每个电极模块的集电器和所述电极通过使用保护膜进行热压缩粘合连续地结合，
其中，保护膜由绝缘材料制成。
11.如权利要求10所述的层叠结构，其中，每个集电器具有由铜制成的连接部分，以将相邻的集电器连接起来，从而形成单个集电器。
12.如权利要求10所述的层叠结构，还包括：
导电粘合剂，形成在每个电极模块中的集电器和所述一对电极之间，使得在每个电极模块中，集电器粘附到所述一对电极上。
13.如权利要求10所述的层叠结构，其中，连接在一起以形成单个集电器的集电器在一端具有电源连接器，以将单个集电器连接到电源，电源连接器通过使用保护膜进行热压缩一体地粘合到单个集电器。
14.如权利要求10所述的层叠结构，其中，单个集电器由铜制成。
15.一种去离子设备，包括：
一对端板；
多个电极模块，形成在所述端板之间，用于执行去离子，
其中，每个电极模块具有布置在一对电极之间的集电器；
分隔件，形成在所述电极模块的每个之间，使得所述电极模块彼此隔开预定距离，
其中，电极模块的集电器连接起来以形成单个集电器，
其中，多个电极模块中的每个电极模块的集电器和所述电极通过使用保护膜进行热压缩粘合连续地结合，
其中，保护膜由绝缘材料制成。
16.如权利要求15所述的设备，其中，连接在一起以形成单个集电器的每个集电器在一端具有电源连接器，以将单个集电器连接到电源，电源连接器通过使用保护膜进行热压缩一体地粘合到单个集电器。
17.如权利要求15所述的设备，其中，每个分隔件与一体地粘合的两个电极模块交替地层叠，使得两个电极模块彼此隔开预定距离。
18.如权利要求17所述的设备，其中，所述两个电极模块的任何一个在一端能够与电源的正极连接，另一个电极模块能够在一端与电源的负极连接。
19.如权利要求15所述的设备，还包括：
导电粘合剂，形成在每个电极模块中的集电器和所述一对电极之间，使得在每个电极模块中，集电器粘附到所述一对电极上。
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