JP7093365B2 - 同心管型電気化学セルの内部電気接続 - Google Patents
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Description
この出願は、米国特許法35条119項に基づいて、2017年4月14日に提出された、「同心管型電気化学セルの内部電気接続」と題する、米国暫定出願第62/485,542号に対して優先権を主張するものであり、その全内容はすべての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
本明細書で開示される態様および実施形態は、一般に電気化学装置に関し、より具体的には、電気塩素化セルおよび装置、それを動作させる方法、およびそれを利用するシステムに関する。
陽極での反応:2Cl-→Cl2+2e-
陰極での反応:2Na++2H2O+2e-→2NaOH+H2
溶液中:Cl2+2OH-→ClO-+Cl-+H20
全体の反応:NaCl+H2O→Na℃l+H2
陽極での反応:2Cl-→Cl2+2e-
陰極での反応:2H20+2e-→2OH-+H2
全体の反応:2NaCl+2H20→2NaOH+Cl2+H2
充電中:
第1電極での反応:V3++e-→V2+
第2電極での反応:V4+→V5+e-
放電中:
第1電極での反応:V2+→V3+e-
第2電極での反応:V5++e-→V4+
ここで、
Δpは圧力損失(Pa)、
Lは導管の長さ(m)、
Dは水力直径(m)、
fDは摩擦係数(レイノルズ数、材料の絶対粗さと相対粗さ、および摩擦係数によって決定される)、
ρは流体の密度(kg/m3)、および
〈v〉は平均流速(m/s)である。
R=ρH/(WxL)
ここで、
Rは抵抗値、
ρは材料の抵抗率、
Hは同心ホイール間の隙間により決まるスポークの高さ、
Wはホイールの周囲のスポークの幅、
Lは流体チャネルに沿ったスポークの長さ
である。
例1:電気化学セル全体の圧力降下
電気化学セルの流体導管と錐体部は、電気化学セル全体の圧力降下を最小限に抑えるように設計できる。例示的な実施形態において、いくつかの寸法の入口流体導管の両端間の電圧降下に関してCFDデータを生成した。このデータは、海水の電解質溶液および平均流速2m/sを想定しているが、他の電解質溶液およびそれらに対応する自己洗浄流速を用いて所望の条件を得ることがでる。いくつかの寸法の流体導管のコンター図が13A-13Cに示されている。図13Aの例示的な実施形態は20mmの直線部分を有する。図13Bの例示的な実施形態は50mmの直線部分を有し、その結果、平均入口圧力は119kPaになる。図13Cの例示的な実施形態は75mmmの直線部分を有し、平均入口圧力は117kPaになる。図からわかるように、線形遷移領域への増加は圧力降下の同時減少をもたらす。
電解質溶液の平均流速がしきい値を下回ると、スケーリングが発生し得る。セパレータは、例えば、アクアライン形状とすることによって、下流の低流速領域を最小化するように設計することができる。図30-図31のマグニチュード速度コンター図に示されるように、ストレートエッジセパレーターのすぐ下流の流速は0m/sに近づくため、この場所でスケーリングが発生する確率が高くなる。矢印は流れの方向を指し、その長さが流れの速度の大きさを示す。図30は、流体チャネルの側面図のコンター図を示し、図31は、同じ流体チャネルの上面図のコンター図を示す。
パイプ内の流れに対して、レイノルズ数は一般に次のように定義されている。
DHは管の水力直径、
Qは体積流量(m3/s)、
Aは管の断面積(m2)、
uは流体の平均速度(m/s)、
μは流体の粘性係数(kg/m*s)、
νは流体の動粘性係数(m2/s)、
ρは流体の密度(kg/m3)、
である。
Claims (24)
- 自己洗浄電気化学セルであって、
ハウジング内に該ハウジングの中心軸の周りに同心配置された複数の電極と、
前記複数の電極の隣接する電極の間に画定され且つ前記中心軸に実質的に平行に延びる流体チャネルと、
前記複数の電極の少なくとも1つの遠位端に設置され且つ前記複数の電極の少なくとも1つに電気的に接続された電気コネクタと、を備え、
前記電気コネクタは、前記流体チャネルを通して流体を流すことができ且つ前記複数の電極の前記少なくとも1つに実質的に均一な電流分布を提供すると同時に、前記電気コネクタの下流の流体チャネル内の速度低下ゾーンを所定の長さ未満に維持するように寸法決めされ、前記速度低下ゾーンは、流体流速が前記流体チャネル内の平均流体流速から20%以内の偏差である流体チャネル内の領域と定義され、
前記電気コネクタは、ホイールと該ホイールから延びる複数のスポークとを含み、
前記スポークの幅は、前記ホイールの前記スポークの高さの0.25倍から2倍である、自己洗浄電気化学セル。 - 前記電気コネクタは、7.8×10-7オーム・メートル未満の平均抵抗率を有する、請求項1に記載の自己洗浄電気化学セル。
- 前記電気コネクタは、前記複数の電極の前記少なくとも1つに少なくとも100Wの電力を送電するときに25W未満の熱を発生するように寸法決めされる、請求項2に記載の自己洗浄電気化学セル。
- 前記電気コネクタは、前記複数の電極の少なくとも1つに少なくとも1kWの電力を送電するときに25W未満の熱を発生するように寸法決めされる、請求項3に記載の自己洗浄電気化学セル。
- 前記隣接する電極間に配置されたセパレータをさらに備え、前記セパレータは、前記電気コネクタと結合するように構成された機構部を備える、請求項1に記載の自己洗浄電気化学セル。
- 前記セパレータの特徴部は、前記電気コネクタのスポークと嵌合するように構成されたスロットを含む、請求項5に記載の自己洗浄電気化学セル。
- 前記複数のスポークの各スポークは、前記電気コネクタの電気抵抗を最小限に抑え、少なくとも100Wの電力を複数の電極の1つ少なくともに送電する際の電気コネクタの発熱を0.1℃未満に維持するように寸法決めされる、請求項5に記載の自己洗浄電気化学セル。
- 前記複数のスポークは、前記ホイール上に実質的に均等に分布される、請求項5に記載の自己洗浄電気化学セル。
- 前記スポークは、前記ハウジングの中心軸に平行な方向にアクアライン化した形状を有している、請求項5に記載の自己洗浄電気化学セル。
- 前記隣接する電極のそれぞれの対の間に同心配置された複数の流体チャネルを備え、前記電気コネクタは、複数のホイールと、前記複数のホイールの隣接するホイール間に延びる複数のスポークとを備える、請求項1に記載の自己洗浄電気化学セル。
- 前記隣接するホイールから延びるスポークは互いに角度オフセットされている、請求項10に記載の自己洗浄電気化学セル。
- 前記隣接するホイールから延びるスポークは互いに実質的に均等に角度オフセットされている、請求項11に記載の自己洗浄電気化学セル。
- 自己洗浄電気化学セルであって、
ハウジング内に該ハウジングの中心軸の周りに同心配置された複数の電極と、
前記複数の電極の隣接する電極の間に画定され且つ前記中心軸に実質的に平行に延びる流体チャネルと、
前記複数の電極の少なくとも1つの遠位端に設置され且つ前記複数の電極の少なくとも1つに電気的に接続された電気コネクタと、を備え、
電気コネクタは、前記チャネルを通して流体を流すことができるように寸法決めされ、且つ前記複数の電極の前記少なくとも1つに少なくとも100Wの電力を送電している間に、前記流体チャネルを2m/sで流れる20℃の温度を有する電解質の温度が0.5℃以上増加しないように構成され、
前記電気コネクタは、ホイールと該ホイールから延びる複数のスポークとを含み、
前記スポークの幅は、前記ホイールの前記スポークの高さの0.25倍から2倍である、自己洗浄電気化学セル。 - 前記電気コネクタは、外部電源に接続するための電気接続部を含み、前記電気接続部と前記電極との間の電気コネクタの電気抵抗は、5×10-5オーム未満である、請求項13に記載の自己洗浄電気化学セル。
- 前記電気コネクタは、前記複数の電極に実質的に均一な電流分布を提供するように寸法決めされている、請求項13に記載の自己洗浄電気化学セル。
- 前記電気コネクタは、前記電気コネクタの下流の前記流体チャネル内の速度低下ゾーンを所定の長さ未満に維持するように寸法決めされている、請求項13に記載の自己洗浄電気化学セル。
- 前記所定の長さにおける平均からの電解質溶液の速度偏差は、前記流体チャネルを通る電解質溶液の平均流速の±5%未満である、請求項16に記載の自己洗浄電気化学セル。
- 前記所定の長さにおける平均からの電解質溶液の速度偏差は、前記流体チャネルを通る電解質溶液の平均流速の±2%未満である、請求項17に記載の自己洗浄電気化学セル。
- 前記流体チャネルと流体連通する入口および出口を有する請求項1および13の何れかに記載の自己洗浄電気化学セルと、
前記自己洗浄電気化学セルの入口に流体接続可能な出口を有し、電解質溶液を2m/s以上の平均流速で前記流体チャネルを通して供給するように構成された電解質溶液の供給源と、を備え、
前記自己洗浄電気化学セルは、前記電解質溶液から製品化合物を生成し、前記製品化合物を含む製品溶液を出力するように構成され、
前記自己洗浄電気化学セルは、前記出口を通して使用箇所に流体接続可能である、
システム。 - 前記電解質溶液の供給源は、海水、汽水、およびブラインのうちの少なくとも1つを備える、請求項19に記載のシステム。
- 前記システムは、直列に配置された複数の自己洗浄電気化学セルを含む、請求項19に記載のシステム。
- 電気化学システムを動作させる方法であって、
請求項1および請求項13の何れかに記載の自己洗浄電気化学セルを準備するステップと、
電解質溶液を2m/s以上の平均流速で前記流体チャネルを通して前記自己洗浄電気化学セルに導入するステップ、
前記自己洗浄電気化学セル内の前記電解質溶液から製品化合物を生成するのに十分な電圧で前記複数の電極間に電流を供給するステップと、
電気化学システムを所定の期間連続的に動作させるステップと、
を含む、方法。 - 少なくとも6ヶ月の間前記電気化学システムを連続的に動作させるステップをさらに含む、請求項22に記載の方法。
- 複数の自己洗浄電気化学セルを準備するステップ、および前記複数の自己洗浄電気化学セルを直列に流体接続するステップをさらに含む、請求項22に記載の方法。
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