JP2017503637A - 電気透析用スペーサ及びスタック - Google Patents

Abstract

膜スタックのためのスペーサが、上面及び下面を有する。上面は、膜支持部を囲む隆起周縁部を有する。スペーサは、１以上の突出部及び凹部を有し、この１以上の突出部及び凹部は、第１のスペーサの１以上の突出部が第１のスペーサに対して積み重ねられる同じ突出部及び凹部を有する第２のスペーサの１以上の凹部に嵌まり込むように構成される。随意により、締まり嵌め又はスナップフィットが存在してもよい。スタックにおいて、膜は、スペーサ間に位置する膜支持部上に配置される。好ましくは、上側のスペーサの底部が、下側のスペーサの隆起周縁部に当接する。スペーサは、スペーサの縁からスペーサ内の流れ場の内部まで延びる穴を有することができる。穴は、診断検査及び／又は採取のための流れ場へのアクセスを可能にする。【選択図】 図３

Description

本明細書は、例えば電気透析又は他の電気的に駆動される膜分離装置に使用される膜スタック、並びにそれらの製作方法に関する。

典型的なプレート及びフレーム形式の電気的に駆動される膜分離装置においては、スタックが、交互のイオン交換膜及びスペーサで作り上げられる。スペーサは、イオン交換膜を互いに電気的に絶縁し、イオン交換膜の間に流路をもたらす。ガスケットが、流路の周囲においてスペーサと膜との間に設けられる。電気透析（ＥＤ）スタック（反転電気透析（ＥＤＲ）及び逆電気透析（ＲＥＤ）などのＥＤの変種を含む）において、イオン交換膜は、交互に陰イオン及び陽イオン交換膜である。他の種類のスタック（ドナン又は拡散透析）においては、陽イオン交換膜だけ又は陰イオン交換膜だけが存在してよい。電気脱塩（ＥＤＩ）又は連続電気透析（ＣＥＤＩ）スタックにおいては、交互の陰イオン及び陽イオン交換膜並びに一部又はすべてのスペーサの流路内のイオン交換樹脂が存在する。さらなる拡張においては、ＥＤスタックにおけるイオン交換膜を、表面積の大きい電極で置き換えて、容量式脱塩スタックを生み出すことができる。

米国特許第６，２３５，１６６号が、スペーサとイオン交換膜とを有する電気的に駆動される膜装置を説明しており、スペーサが、開口を画成する内周縁を備える表面を有する周縁部と、内周縁に形成された凹所とを有し、イオン交換膜が、凹所にはめ込まれる外縁を有する。スタックが、２種類のスペーサを含んでいる。一方の種類のスペーサは、シール部材であり、比較的柔らかい材料で作られている。他方の種類のスペーサは、比較的硬い材料で作られ、他方の種類のスペーサのシール部材を受け入れるための溝を有する。

米国特許出願公開第２０１２／１１７７８９号明細書

以下の概要は、読者を後述される詳細な説明へと案内するように意図されており、特許請求の範囲を限定又は定義しようとするものではない。

電気分離システムにおける膜間のスペーサが、脱塩された（或いは、フィード又は希釈物と呼ばれる）流れ及び濃縮物（或いは、塩水の流れと呼ばれる）の流れの経路を呈する。これらのスペーサは、典型的には、低密度ポリエチレン又は同様の材料で作られ、すべての脱塩された流れが水に関して集められ、すべての濃縮物の流れが集められるように、膜スタックに配置される。陽イオン交換膜、脱塩された水の流れのスペーサ、陰イオン輸送膜及び濃縮水の流れのスペーサで構成されるセル対と呼ばれる繰り返し部分が形成される。本明細書は、スペーサ及びセル対の新規な設計、並びに膜に対して流れの領域を画成し、セル対をコンパートメント化するための方法を説明する。これらの設計及び方法は、例えば反転電気透析、逆電気透析、ドナン透析及び電気脱塩などの変種を含む透析及び電気透析に有用である。

本明細書は、上面及び下面を有するスペーサを説明する。上面は、膜支持部を囲む隆起周縁部を有する。スペーサは、膜支持部の外側に１以上の突出部及び１以上の凹部を有する。隆起周縁部は、突出部又は凹部であってよく、或いは突出部又は凹部を含むことができる。突出部及び凹部は、第１のスペーサの１以上の突出部が第１のスペーサに対して積み重ねられる同じ突出部及び凹部を有する第２のスペーサの１以上の凹部に嵌まり込み、水シールを形成するように構成される。随意により、凹部と突出部との間に締まり嵌め又はスナップフィットが存在してもよい。スタックを、複数のスペーサを互いに上下に重ねて配置し、スペーサ間に位置した膜支持部に膜を配置することによって、形成することができる。好ましくは、上側のスペーサの底部が、下側のスペーサの隆起周縁部に当接する。随意により、追加のシール材料を、スペーサと一緒に設けることができ、別途のガスケットに設けることができ、或いはスタックへと注入することができる。

さらに、本明細書は、スペーサの縁からスペーサ内の流れ場（flow fielｄ）の内部まで延びる１以上の穴を有するスペーサを説明する。この穴を、例えば、流れ場から水サンプルを取り出し、或いは流れ場へとプローブ、センサ又は撮像装置を挿入するために使用することができる。穴を、使用されないときに栓で塞ぐことができ、或いは弁を介して採取ポートへと取り付けることができる。

電気透析スタックの概略の断面を示している。 平坦なスペーサの上面図を示している。 隆起周縁部と、協働する突出部及び凹部とを備える第１のスペーサの概念的な側面図である。 図３のスペーサの概念的な斜視図である。 隆起周縁部と、協働する突出部及び凹部とを備える第２のスペーサの斜視図である。 隆起周縁部と、協働する突出部及び凹部とを備える第３のスペーサの斜視図である。 図５Ａのスペーサの一部分の拡大図である。 図６Ｂのスペーサの一部分の拡大図である。 ３つの図５Ａのスペーサと３つの膜とからなるアセンブリの分解斜視図である。 図５Ａのスペーサにおける塞ぐことができる穴の拡大図である。 ９０度回転可能なスペーサの平面図を示している。 １８０度回転可能なスペーサの平面図を示している。 フィンガ状のシール面を有する代案のスペーサの平面図を示している。 フィンガ状のシール面を有する代案のスペーサの側面図を示している。 リブの形態のシール面を有する代案のスペーサの平面図を示している。 リブの形態のシール面を有する代案のスペーサの側面図を示している。 横方向又は水平方向のスナップフィットを備える代案のスペーサを示している。

図１が、電気透析スタックを示している。陽極及び陰極が、一連の陰イオン交換膜及び陽イオン交換膜によって隔てられている。図示のスタックにおいては、陰イオン及び陽イオン交換膜が、交互に存在している。電気透析又は他のスタックの他の例においては、２つの同じ種類の膜が続けて使用される場所が存在してもよく、或いはスタック全体が１種類の膜を有してもよい。種々の液体が、膜の間を流れる。これらの流れは、典型的には、スペーサを通って生じ、スペーサは、スペーサへの物理的な完全性の付与、隣接する膜の支持、組み立て時のスタックの整列の補助及びコロイドの付着の低減に役立つ乱流の促進のうちの１以上を行うためのクロスストラップを有する。スペーサは、一連の膜を物理的に隔て、絶縁する。スペーサは、典型的には、約０．１ｍｍ〜１０ｍｍの厚さである。さらに、スペーサは、２つの膜の間に入り口から出口までの流れの経路を画成するように、流れ場の内部の構造物をもたらすことができる。

図２は、平坦なスペーサを示している。スペーサは、２組のポートを有する。スタックにおいて、ポート及び膜内の対応するマニホールド切り抜きが、スタックにおける鉛直管を形成する。一方の組のポートが、流れ場への入り口及び出口をもたらす。他方の組のポートが、隣接するスペーサからの流体の供給又は取り出しに使用される内部導管を完成させる。隣接するスペーサは、図示のスペーサに対して反転させられ、或いは他方の２つのポートへと接続された流れ場を有する。流れ場及びポートの外側の領域は、基本的に平坦である。スタックにおいては、スペーサと同じ外寸を有する膜が、スペーサの各組の間に配置される。例えば電極又は端部プレートなどの任意の他の構成要素が加えられた後、スタックは圧縮される。これによって使用可能なスタックを生み出すことができるが、組み立てられるときにスタックを整列した状態に保つことは、困難である。さらに、膜の縁が、スタックの側面に露出する。膜そのものを通り、或いは膜とスペーサとの間を通るスタックの外部への漏れが、存在しうる。スタックの外面が、波打った状態になり、或いはスケールで覆われる可能性がある。さらに、膜の縁が乾燥し、劣化する可能性がある。

図３及び図４が、隆起周縁部と、協働する突出部及び凹部とを備える第１のスペーサを示している。このスペーサには、スペーサの２辺に沿って延びるＵ字スロット及びスペーサの残りの２辺においてＵ字スロットの間を延びる同じ高さのリッジの形態の隆起周縁部が存在する。Ｕ字スロット及びリッジが協働して、スペーサの膜支持部を囲んでいる。スペーサの前側を横切って延びているリッジは、膜支持部の内部を示すために、図３からは取り除かれている。スロットは、随意により、スナップフィット雌部分を提供する。スナップフィット雄部分が、スナップフィット雌部分の下方においてスペーサから下方へと延びている。図示のスペーサの上に別の同一のスペーサが配置されるとき、上側及び下側のスペーサの膜支持部並びに下側のスペーサの隆起周縁部の間に、随意により上側のスペーサからの１以上の突出部との組み合わせにおいて、室が形成される。室は、膜支持部上に配置された膜をコンパートメント化する。これは、スタックの外部への漏れを防止する役に立つ。また、スナップフィットは、より多くのスペーサが追加されるときにスタックの各部を一体に保つうえで役に立ち、スタックの組み立てをより容易にする。隆起周縁部は、スペーサの補強にも役立つ。好ましくは、後述されるように、スペーサは、スタックを分解することなくスタック内のセル対の診断試験を可能にするための１以上のポートをさらに有する。或いは、スナップフィット部材を、横方向の干渉をもたらす鉛直方向のスライドが可能な嵌まり合いを有する部材で置き換えることで、幅広い範囲の膜の厚さをスタックにおいて使用できるようにすることができる。或いは、協働する突出部及び凹部の一方又は両方が、圧縮されたときのシールの形成に役立つ可撓又はエラストマ材料で製作されてよく、或いはそのような可撓又はエラストマ材料を含むことができる。

図５Ａ、図６Ａ−１、図６Ａ−２、図７及び図８が、隆起周縁部と、協働する突出部及び凹部とを備える第２のスペーサを示している。このスペーサも、膜支持部を囲むＵ字スロットの形態の隆起周縁部を有する。第１のスペーサは、２組のポートを有する。一方の組のポートが、流れ場への入り口及び出口をもたらす。他方の組のポートが、図示のスペーサと比べて反転させられた膜支持部を有する隣接するスペーサからの流体の供給又は取り出しに使用される内部導管を完成させる。１つのスペーサの流れ場における流れは、隣接する流れ場における流れに対して平行であるが、流れの方向は、随意により、交互のスペーサにおいて逆にされてもよい。流れ場及びポート並びに隆起周縁部の間の領域は、基本的に平坦である。

流れ場は、好ましくは、斜めバー（図示の通り）又は他の乱流促進構造を有する。斜めバーは、単に図面を単純にするために、膜支持部の厚さを貫いて延びるものとして図示されている。製作時に、一方向に延びる斜めバーは、この厚さの上半分だけを貫いて延び、他方の方向に延びる斜めバーは、この厚さの下半分だけを貫いて延びる。或いは、織物メッシュが存在でき、もしくは斜めバーの内側部分が、バーを通って水を流すための開口をもたらすために、斜めバーの間の交点の間において取り除かれる。しかしながら、流れ場を通る流れについて、より均等に近い分布を促進するために、１以上のスペーサランドが、膜支持部の厚さ全体を貫いて延びることができる。斜めバーは、好ましくは、さまざまな機械的強度の膜を支持するように構成される。

隆起周縁部の外側の整列穴（随意により、図示の通りのタブに位置する）を、スタックの組み立て時にスペーサの整列を補助すべく、組み立て治具のロッドにおいてスペーサを下方へと滑らせるために使用することができる。

とくには図６Ａ−１及び図６Ａ−２を参照すると、スペーサの上部から上方へと延びているＵ字スロットが存在する。スペーサの下部から下方へと延びているリッジが、スロットの内側幅に対応する外側厚さを有する。さらに、リッジは、スロットの内側に鉛直方向に整列している。このやり方で、図示のスペーサを、同様のスロット及びリッジを備える別のスペーサの上に、図示のスペーサのリッジを他方のスペーサのスロットへと滑り込ませて配置することができる。同様に、別のスペーサを、図示のスペーサの上に、上側のスペーサのリッジを図示のスペーサのスロットへと滑り込ませて配置することができる。膜が、上側のスペーサが追加される前に、下側の各スペーサのスロットの内側に配置される。得られる構造が、図７の分解図に示されている。所望のサイズのスタックを製作するために、さらなるスペーサを追加することができる。随意により、スタックを、リッジを上方へと延ばし、スロットの壁を下方へと延ばして、組み立てることができる。リッジは、好ましくは、横方向の干渉を伴う嵌まり合いが両者の間に存在するように、少なくともスロットの内壁にぴったりと嵌まり込む。随意により、リッジとスロットとの間にスナップフィットが存在してもよい。随意により、整列穴及びＵ字スロットを、例えばスナップフィットが水平な平面内で生じることができるなど、鉛直配置とは対照的に、スペーサの平面に対して平行に横方向に、隆起周縁部の外側に設計することができる。

図５Ｂ、図６Ｂ−１及び図６Ｂ−２が、第３のスペーサを示している。このスペーサは、膜支持領域を囲む高くされたリッジ又は壁の形態で周囲の隆起周縁部を有する。この壁の外側に、複数の円形穴が存在している。スペーサの底部に、複数の円柱が存在している。円柱は、複数のスペーサが互いに積み重ねられるときに別のスペーサの円形穴へと滑り込み、或いは随意によりスナップフィットするような位置及びサイズとされている。随意により、円柱を、高くされた壁を備えるスペーサの側面に位置させることができ、円形穴を、他方の側面に位置させることができる。随意により、円形穴及び円柱を、他の適合する形状の凹部及び突出部で置き換えることができる。随意により、凹部及び突出部を、鉛直配置とは対照的に、スペーサの平面に対して平行に横方向に設計することができる。

図８が、第２のスペーサの１つの縁を貫く穴を示している。随意により、さらなる穴を、同じ又は別の縁を貫いて設けることができる。弁、計器の継手又は着脱式の栓（図示されていない）を、穴へと取り付けることができる。同様の穴を、第１又は第３のスペーサに設けることができる。穴は、流れ場の水の採取を可能にし、或いは流れ場に連絡する分析プローブの挿入を可能にする。これらの縁の穴は、スタックの個々のセルの分離された診断試験を可能にする。診断試験として、例えば、プローブにもとづく測定、漏れ試験、或いはスケール又は付着物の採取を挙げることができる。試験が、流れ場の状態を分析することができる。膜の各側の流れ場の状態の分析を、膜の特性を判断するために使用することができる。お互いからさらに離れた流れ場の状態の分析を、スタック全体における状態のばらつきを判断するために使用することができる。スタックの特定の部分で問題が検出された場合に、スタックを、スタックの他の部分を分解する必要なく、問題の部分において開くことができる。随意により、１以上の縁の穴を、プロセス又はスタックの状態のリアルタイム又は遠隔監視を可能にするために使用することができる。

スペーサを、例えば、低密度ポリエチレン又は同様の材料から製作することができる。

上述の設計は、膜スタックの製作のための有用な代案の構造を少なくとも提供する。加えて、スペーサ又はセルの設計は、スタックから外部への漏れを防止し、スペーサ内の膜のコンパートメント化を可能にする役に立つ。従来のスタックにおいては、膜の縁が露出している。乾燥し、スケールで覆われる膜の縁からの漏れが、頻繁に存在する。加えて、膜の縁の乾燥は、ポリマーの脱落及び布の繊維の露出を引き起こす可能性があり、結果としてスタックの性能が時間とともに低下しかねない。上述のスペーサは、膜を取り囲むことで、膜を湿った状態に保ち、外部への漏れの防止に役立つ。さらに、各々の膜がスペーサの底部に据えられる一方で、液体が、スペーサの隆起周縁部によって囲まれたコンパートメント又は室において膜を覆って流れる。さらに、スペーサは、膜に良好な構造的支持も提供し、例えば０．１ｍｍ〜２ｍｍの間などのさまざまな厚さ及びさまざまな強度の膜とともに使用することができる。

また、従来のスタックは、スタックの構成要素を正確に整列させた状態で組み立てることが困難となりうる。上述のスペーサ構造は、スナップフィット部分が随意により自動的に整列し、新たな部品を付け加えるときに先行のスナップフィット部分の各々が整列した状態を保つがゆえに、整列を手助けする。２つの整列穴は、スナップフィット前のスタックの調節も容易にする。

従来のスタックは、場合により、スタックにおける問題を診断するために分解を余儀なくされる。上述のスペーサ及びセルの設計は、技術者がスタックを分解することなくスタックの特定の部分を調べることを可能にする。ポートが、スタックを分解することなく特定の室において診断試験を実行することを可能にする。また、ポートを、スタックの遠隔監視のための計器又はセンサの設置に使用することもできる。次いで、スナップフィット設計が、不良の膜のコンパートメントを、他のコンパートメントを閉じたままにしつつ開くことを可能にする。

図５Ａに示される通り、スペーサは、スペーサバッフル部分へのスナップフィット設計を有することもできる。これは、間に膜を位置させつつスペーサを互いに上下にぴったりと重ねることを可能にする。この設計は、隣接するスペーサのスナップフィットを容易にするように膜が適切なギャップ−穴を有することを必要とする。

従来のスペーサを備えるいくつかの既存のスタックにおいては、ただ１種類のスペーサしか存在せず、そのようなスペーサを、希釈及び濃縮室を形成するように長さに沿って裏返しにすることができる。上述したスペーサは、一般に、シールの特徴を失わずにこのやり方で裏返しにすることが不可能である。したがって、一方が希釈室を形成するためのものであり、一方が濃縮室を形成するためのものである２種類のスペーサが製作される。随意により、これらの２種類のスペーサを、取り違えの可能性を減らすために、色で識別することができ、或いは他のやり方で区別することができる。

或いは、希釈及び濃縮室を生み出すために回転させることができるスペーサを、製作することができる。図９が、例えば、正方形のスペーサを示している。対角線上に位置するポートが、一方の種類の室へと接続される内部配管を形成するために使用される場合、スペーサを９０度回転させることによって、希釈及び濃縮室が交互に生み出される。一辺に位置する２つのポートが、一方の種類の室へと接続される内部配管を形成するために使用される場合、スペーサを１８０度回転させることによって、希釈及び濃縮室が交互に生み出される。隆起周縁部並びにスナップフィット特徴などの協働する突出部及び凹部は、図９には示されていないが、協働する突出部及び凹部の一方をスペーサの下側に、一方を上側に位置させて、スペーサの周縁部を巡って延びるように追加することができる。図１０が、矩形のスペーサを示している。一方の短辺に位置する２つのポートを、一方の種類の室へと接続される内部配管を形成するために使用することができる。このスペーサを１８０度回転させることによって、希釈及び濃縮室が交互に生み出される。隆起周縁部並びに協働する突出部及び凹部（随意により、スナップフィット特徴）が、スペーサの縁を巡って設けられる。

別の代案においては、シールが、スナップフィットよりもむしろ、複数の可撓な構成要素の相互作用によって形成される。例えば、図１１及び図１２に示される通り、シールが、スペーサの平面から一方向又は両方向に突出する多数の小さなフィンガによって生み出される。図１３及び図１４においては、シールが、スペーサの周縁部を巡って延びる一連のリブによって形成される。これらのリブも、スペーサの平面から一方向又は両方向に突出してよい。いずれの場合も、互いに干渉するか否かにかかわらずにシールを形成することができる多数の小さくて細かい特徴（すなわち、リブ又はフィンガ）が存在する。一方向に突出するこれらの特徴において、図１２及び図１４に示されるように、一方のスペーサの特徴が他方のスペーサの底に接触することによってシールが生み出される。特徴は、シールを形成するために互いの位置合わせ又は精密な公差を必要としない。随意により図１２及び図１４に示されているよりも低い高さまでスペーサから両方向に突出する特徴においては、スペーサを、希釈又は濃縮室を交互に形成するために裏返すことができる。

別の代案においては、協働する突出部及び凹部が、図５に示される通りのスペーサの外縁又は壁に設けられる。随意により、隆起周縁部を、協働する突出部及び凹部の内側に設けることができる。随意により、水平方向又は横方向のスナップフィットが設けられる。例えば、スペーサの平面の一方側から延び、スペーサの周縁部を巡って間隔を空けて位置している一連の突出部が、存在してよい。これらの突起は、スペーサの外縁を巡って間隔を空けて位置している対応する凹部へと嵌まり込む。随意により、スナップフィット特徴を、スペーサの１つの縁にだけ設けることができ、或いはスペーサの２つの反対側の縁に、反対側の縁に位置する突出部を反対方向に突出させて設けることができ、スナップフィットを、鉛直方向の積み重ねの動きよりもむしろスタックの上部へのスペーサのスライドの水平方向の動きによって形成することができる。

本発明の態様は、例えば熱交換器、電解セル又は燃料電池などの電気化学セル、膜ろ過装置、或いは他の平坦なシート膜にもとづくスタックなど、プレート及びフレームの装置にも適用可能である。

上述及び図面に示した実施形態は、以下の特許請求の範囲に定められる本発明をさらに可能にするように意図されているが、他の実施形態も、特許請求の範囲の技術的範囲において可能である。

Claims (5)

1. スナップフィット設計を有するスペーサ。
2. 前記スナップフィットが鉛直方向、横方向又は水平方向である、請求項１に記載のスペーサ。
3. 膜支持領域を囲む隆起周縁壁を有するスペーサ。
4. 採取ポートを有するスペーサ。
5. スペーサバッフル部にスナップフィット設計を有するスペーサ。