KR101349753B1 - 원통형 셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원통형 셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일측면에 형성되어 있는 유입구를 통해 유입된 원수를 내부에 설치되어 있는 원통형 스택(stack)에 통과시켜 수처리한 후, 상부에 결합된 상판 중앙부에 형성되어 있는 배출구를 통해 처리수를 배출하는 원통형 실린더와, 상기 원통형 실린더의 상부와 결합하며, 상기 원통형 실린더 내의 처리수를 배출하기 위한 배출구가 관통 형성되어 있는 상판과, 상기 원통형 실린더 하부와 결합하는 하판과, 상기 상판과 하판을 상호 밀폐지지하기 위하여 설치되는 다수의 지지대를 포함하여 이루어지는 것으로서, 상기 원통형 실린더는 유입구를 통해 유입된 원수의 처리공간으로서 하우징(housing) 역할을 하는 외부실린더와, 홈이 형성되어 있어 상기 원통형 스택을 고정하고, 원통형 스택을 통해 처리된 처리수를 포집, 통과시켜 상기 상판에 형성되어 있는 배출구를 통해 배출시키는 내부실린더로 구성된 원통형 셀에 관한 것이다.

Description

원통형 셀{CYLINDER TYPE CELL STRUCTURE}

본 발명은 수처리 또는 수중 이온을 제거하는 기술인 CDI(Capacitive Deionization) 공정 장치에 사용되는 원통형 구조의 CDI 셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극와 음극을 적층형이 아닌 원통형으로 구성함으로써 셀 사이즈 감소와 고도의 정수 효과를 가질 수 있는 원통형 셀에 관한 것이다.

전기용량적 탈이온(capacitive deionization, 이하 CDI라 칭한다) 공정은 두 개의 다공성 탄소전극에 적절한 전압을 인가하고 그 사이로 이온들이 함유된 물을 흘려주어 양이온은 음극에, 음이온은 양극에 흡착되어 이온들이 서로 분리되고, 양이온과 음이온으로 포화된 탄소전극은 반대 전압을 인가하거나 탄소 전극을 서로 연결(short circuit) 해주면 흡착된 이온들의 탈리되는 원리를 이용한 것으로 용존하는 이온을 제거하는 장치를 말한다.

기존의 CDI 셀은 양극과 음극의 적층형 구조로 이루어져 있어, 전극 간의 고른 전류 인가가 어렵고 재단과 가공에 따른 집전체 및 전극 구성의 손실과 제작의 어려움이 많다는 문제가 있었다. 또한 집전체 일부를 리드인자로 사용한 리드 인출에 대한 어려움이 있었다.

본 발명의 원통형 구조의 CDI 셀과 관련하여, 대한민국등록특허 10-0934161(등록일자 2009년12월18일)에서 원통형 CDI 전극 모듈에 관한 기술이 개시된 바 있으나,

상기 등록특허는 음전극, 스페이서, 양전극이 다수개로 적층되어 있어 타공 파이프에 감을 때 다수개로 적층된 전극모듈의 두께가 두꺼워짐에 따른 전극과 스페이서의 내부 틀어짐이 발생한다. 또한 타공 파이프에 1차 고정되는 전극모듈의 구체적인 방법이 제시되지 않았으며, 2차로 외부 고정되는 탄력성 있는 밴드로는 타공 파이프에 완벽한 고정이 어려우며, 이온들의 흡착은 전극간의 거리가 가까울수록 유리하나 고무 밴드로 일정한 압을 주기 어려워 전극간 거리 조절이 어렵다. 또, 양전극과 음전극을 전극단자에 고정하기 위한 스테인레스 호일의 사용은 집전체에 코팅되는 전극재의 두께에 따른 리드 사이의 갭으로 스테인레스 호일을 이용하여 전극 단자에 감을 때 집전체로 사용되는 그라파이트 호일의 찢어짐과 같은 데미지를 줄 수 있으며 이는 저항으로 작용하여 일정한 전류를 공급하지 못해 셀 성능 저하의의 문제가 있어, 본 발명에서 달성하고자 하는 고도정수의 효과를 달성하기 위한 기술구성으로서는 적합하지가 않다.

대한민국등록특허 10-0934161(등록일자 2009년12월18일)

상기의 문제를 해결하고자, 본 발명은 전극을 일정 사이즈로 재단하지 않고 양면양극, 분리막, 양이온교환막, 양면음극, 분리막을 단일 스택(stack)으로 하되, 스택(stack)을 적층형이 아닌 원통형으로 함으로써, 셀 사이즈 감소와 고도의 정수 효과를 가질 수 있는 원통형 셀을 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 일측면에 형성되어 있는 유입구를 통해 유입된 원수를 내부에 설치되어 있는 원통형 스택(stack)에 통과시켜 수처리한 후, 상부에 결합된 상판 중앙부에 형성되어 있는 배출구를 통해 처리수를 배출하는 원통형 실린더와,

상기 원통형 실린더의 상부와 결합하며, 상기 원통형 실린더 내의 처리수를 배출하기 위한 배출구가 관통 형성되어 있는 상판과,

상기 원통형 실린더 하부와 결합하는 하판과,

상기 상판과 하판을 상호 밀폐지지하기 위하여 설치되는 다수의 지지대를 포함하여 이루어지는 것으로서,

상기 원통형 실린더는 유입구를 통해 유입된 원수의 처리공간으로서 하우징(housing) 역할을 하는 외부실린더와,

홈이 형성되어 있어 상기 원통형 스택을 고정하고, 원통형 스택을 통해 처리된 처리수를 포집, 통과시켜 상기 상판에 형성되어 있는 배출구를 통해 배출시키는 내부실린더로 구성된 원통형 셀을 주요 기술적 구성으로 한다.

본 발명의 CDI(Capacitive Deionization) 원통형 구조의 셀은 기존의 적층형 셀보다 전극 제작에 용이하며 스테인리스 또는 전도체 특성을 갖는 컨덕터 코드(conductor code) 및 컨덕터 브라킷(conductor bracket)에 직접 리드를 접촉하여 전류의 고른 인가로 인한 높은 구동전압 및 흡착능력에 의해 고도의 정수에 효과적이다.

도 1은 본 발명에 따른 원통형 셀의 사시도.
도 2는 도 1의 일부 절개사시도.
도 3은 본 발명에 따른 원통형 셀의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 스택(stack)의 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 스택(stack)이 내부실린더에 고정된 상태의 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 상판(하판)을 보인 사시도
도 7은 도 6의 일부 절개사시도.

이하, 상기 기술 구성에 대한 구체적인 내용을 살펴보고자 한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 원통형 셀의 구성을 보인 도면으로서,

본 발명에 따른 원통형 셀(1)은,

일측면에 형성되어 있는 유입구(101)를 통해 유입된 원수를 내부에 설치되어 있는 원통형 스택(stack;12)에 통과시켜 수처리한 후, 상부에 결합된 상판 중앙부에 형성되어 있는 배출구(102)를 통해 처리수를 배출하는 원통형 실린더(10)와,

상기 원통형 실린더(10)의 상부와 결합하며, 상기 원통형 실린더(10) 내의 처리수를 배출하기 위한 배출구(102)가 관통 형성되어 있는 상판(20)과,

상기 원통형 실린더(10) 하부와 결합하는 하판(30)과,

상기 상판(20)과 하판(30)을 상호 밀폐지지하기 위하여 설치되는 다수의 지지대(40)를 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 원통형 실린더(10)는 유입구(101)를 통해 유입된 원수의 처리공간으로서 하우징(housing) 역할을 하는 외부실린더(11)와,

홈(131)이 형성되어 있어 상기 원통형 스택(12)을 고정하고, 원통형 스택(12)을 통해 처리된 처리수를 포집, 통과시켜 상기 상판(20)에 형성되어 있는 배출구(102)를 통해 배출시키는 내부실린더(13)로 구성된다.

상기 원통형 셀(1)을 이용한 수처리 과정을 살펴보면,

원수는 외부 실린더(11)에 형성되어 있는 유입구를 따라 유입되어 내부 실린더에 고정된 원통형 스택(stack;12)의 유로 역할 및 전극의 단락을 막기 위한 분리막을 통하여 충전시 각 전극에 이온들이 흡착할 수 있게 하며 방전시 전극으로부터 탈착된 이온이 포함된 처리수가 홈이 형성되어 있는 내부 실린더(13)를 통해 상판의 배출구를 통해 처리수가 배출됨으로써 수처리가 이루어진다.

이하, 상기 원통형 셀(1)의 각 부 구성에 대해 살펴보도록 한다.

상기 원통형 실린더(10)의 상,하부에 결합하는 상판(20)과 하판(30)은

외부실린더(11)와 내부실린더(13)의 결합을 위한 외부결합홈(110)과 내부결합홈(130)이 원형 고리 형상으로 형성되고, 상기 결합홈(110, 130)에는 누수의 방지를 위한 오링(50)이 설치된다.

그리고 상기 상판(20), 하판(30)은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이,

외부전류를 인가해주는 컨덕터 코드(conductor code; 22, 32)가 상면(201, 301)에 설치되어 안테나 형상을 이루고, 컨덕터 브라킷(conductor bracket; 23, 33)이 저면(202, 302)에 형성되되, 외부결합홈(110)과 내부결합홈(130) 사이의 공간에 형성되어 원형고리 형상을 이루게 된다.

또한 집전체(122a, 125a)를 이용한 리드(126)는 상기 컨덕터 브라킷(conductor bracket; 23, 33)과 연결됨으로써 컨덕터 코드(conductor code; 22, 32)를 통해 인가받은 외부전류를 고르게 인가받게 된다.

상기 컨덕터 브라킷(conductor bracket)와 컨덕터 코드(conductor code)의 구체적인 재질로는 SUS 304, 18Cr-18Ni강에 0.16wt%의 질소첨가하여 부식저항성의 향상 강, 17Cr-13.5Ni-5Mo-0.05C 합금에 0.145wt%의 질소첨가 부식저항성 향상시킨 강 또는 42% MgCl₂ 용액에서 30% 냉간 가공한 스테인리스강 중 선택되는 어느 1종이며, 상기 SUS 304의 경우에는 C(탄소) 0.08%이하, Mn(망간) 2.00%이하, Si(규소) 1.00%이하, P(인) 0.040%이하의 성분을 포함하고 있는 것으로서, 탄성계수 28,000,000psi, 비전기저항(상온: Micro ohms-cm) 72.0, 비열(Btu/lb/℉)32-212℉ 0.12, 비중 7.94, 밀도(21℃) 0.29lb/cu.in(7.9SG)의 기계적 성질을 갖는다.

상기 원통형 스택(stack;12)은 상기 내부실린더(13)에 지지받아 고정설치되는 것으로서, 상기 내부실린더(13)에는 홈을 두어 상기 원통형 스택(12)의 고정과 처리수 배출공간을 확보하며, 상기 원통형 스택(12)의 고정은 다수의 절연테이프(100)로 원통형 스택(12) 둘레를 감아 달성하고, 다수의 호스밴드(200)로 원통형 스택(12) 둘레를 감아 원통형 스택(12)에 일정 압력을 가하게 된다.

상기 호스밴드(200)를 이용하여 원통형 스택(12)에 일정 압력을 가하는 이유는 평판셀의 경우 상판 및 하판에 일정 압을 주어 원수 내에 포함되어 있는 이온들이 전극에 흡착될 수 있는 거리를 형성하게 되나, 원통형 셀은 스택을 내부 실린더에 감는 형태로 이루어지지 때문에 셀에 가해지는 압력이 상대적으로 매우 낮게 되어 이온들이 전극에 흡착될 수 있는 거리를 형성하기 어렵게 된다. 따라서 이를 보완하기 위하여 호스밴드(200)를 이용하여 원통형 스택(12)에 일정 압력을 가하게 된다.

다만, 스택을 감는 도중 일정 압(press) 이상의 압을 가하게 되면 강도가 약한 집전체인 카본 호일에 데미지(damage)를 주어 셀 성능이 감소하는 문제가 발생하게 되기 때문에, 스택을 내부 실린더에 고정한 다음 일정간격으로 호스밴드를 사용하여 이온들의 흡착 가능한 거리를 만들어주기 위한 압(press)을 가하게 되는 것이다.

전극을 차례로 쌓아 놓은 것을 스택(stack)이라고 하는데, 본 발명의 원통형 스택(12)은 내부실린더(13)의 외측면에 고정 형성되는 것으로서,

도 4에 도시된 바와 같이,

제1분리막(121);과,

집전체(122a)의 양면으로 음극재(122b)가 형성되어 이루어진 양면 음극(122);과,

양이온교환막(123);과,

제2분리막(124);과,

집전체(125a)의 양면으로 양극재(125b)가 형성되어 이루어진 양면 양극(125);이 순차적으로 내부실린더(13)을 원통형으로 감아 형성된다.(도 5)

상기 내부실린더(13)에는 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 홈(131)이 형성되어 있으며, 상기 홈(131)은 유로인 분리막을 통해 처리된 처리수가 배출구로 이동할 수 있는 공간을 제공하게 되며, 상기 스택(stack)을 내부실린더(13)에 1차 고정하기 위한 공간 기능을 갖는다.

또한, 상기 고정은 내부실린더(13)의 홈(131)에 제1분리막(121)의 앞 부분을 끼워 넣을 수 있도록 상기 홈(131)의 폭에 맞춰 제1분리막(121)의 앞 부분을 재단한 후, 상기 제1분리막(121)의 앞 부분을 상기 내부실린더의 홈(131)에 끼워 넣은 후 제1분리막(121)의 나머지 부분을 내부실린더(13)에 몇 차례 감은 후, 양면 음극(122), 양이온교환막(123), 제2분리막(124), 양면 양극(125)을 순차적으로 감아 고정한다.

상기 내부실린더(13)에 고정하는 스택(stack)의 구체적인 내용을 살펴보면,

상기 집전체(122a, 125a)의 구체적인 예는 카본 시트를 사용한다.

상기 음극재(122b)의 구체적인 예는 활성탄 전극으로서, 양극, 음극을 비대칭으로 구성하며, 상기 양극재(125b)의 구체적인 예는 활성탄, 또는 활성탄에 TiO₂, MnO₂, CoO₂ 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 금속산화물의 단일 또는 복합성분 전극을 사용한다.

상기 양이온교환막(123)은 고분자 모체(matrix)에 -SO₃ ^-, -COO^-, PO₃ ^{2 -}, -HPO₂ ^-, AsO₃ ^{2 -}, -SeO₃ ^- 중 선택되는 어느 1종 이상의 음전하를 고정 이온으로 가짐으로써, 같은 전하를 가진 이온들이 막을 통과할 수 없거나 배제되도록 한다. 즉 상기 고정 음이온을 가진 양이온교환막(123)은 음이온을 투과하지 못하도록 한다.

제1분리막(121) 및 제2분리막(124)은 원수가 흐르는 유로를 확보하고 각 전극이 단락되는 것을 방지하기 위한 천으로 된 절연체로 사용 가능하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 셀 사이즈 감소의 원통형 셀은 기존의 적층형 셀보다 전극 제작에 용이하며 고도의 정수 효과를 가질 수 있어 산업상 이용가능성이 크다.

10: 원통형 실린더
11: 외부실린더
12: 원통형 스택
13: 내부실린더
20: 상판
30: 하판
40: 지지대
121: 제1분리막
122: 양면 음극
122a, 125a: 집전체
122b: 음극재
123: 양이온교환막
124: 제2분리막
125: 양면 양극
125b: 양극재

Claims (5)

1. 일측면에 형성되어 있는 유입구(101)를 통해 유입된 원수를 내부에 설치되어 있는 원통형 스택(stack;12)에 통과시켜 수처리한 후, 상부에 결합된 상판 중앙부에 형성되어 있는 배출구(102)를 통해 처리수를 배출하는 원통형 실린더(10)와,
   상기 원통형 실린더(10)의 상부와 결합하며, 상기 원통형 실린더(10) 내의 처리수를 배출하기 위한 배출구(102)가 관통 형성되어 있는 상판(20)과,
   상기 원통형 실린더(10) 하부와 결합하는 하판(30)과,
   상기 상판(20)과 하판(30)을 상호 밀폐지지하기 위하여 설치되는 다수의 지지대(40)를 포함하여 이루어지는 것으로서,
   상기 원통형 실린더(10)는 유입구(101)를 통해 유입된 원수의 처리공간으로서 하우징(housing) 역할을 하는 외부실린더(11)와,
   홈(131)이 형성되어 있어 상기 원통형 스택(12)을 고정하고, 원통형 스택(12)을 통해 처리된 처리수를 포집, 통과시켜 상기 상판(20)에 형성되어 있는 배출구(102)를 통해 배출시키는 내부실린더(13)로 구성되는 것으로, 상기 상판(20), 하판(30)은 전도체인 컨덕터 코드(conductor code; 22, 32)가 상면(201, 301)에 설치되어 안테나 형상을 이루고, 전도체인 컨덕터 브라킷(conductor bracket; 23, 33)이 저면(202, 302)에 형성되되, 외부결합홈(110)과 내부결합홈(130) 사이의 공간에 형성되어 원형고리 형상을 이루는 것에 있어서,
   상기 컨덕터 브라킷(conductor bracket; 23, 33)은 집전체(122a, 125a)를 이용한 리드(126)에 직접 접촉함으로써,
   외부전류를 인가해주는 컨덕터 코드(conductor code; 22, 32)와 연결되어 있는 컨덕터 브라킷(conductor bracket; 23, 33)을 통해 외부로 부터 인가받은 외부전류가 상기 리드(126)에 고르게 인가되도록 구성된 것임을 특징으로 하는 원통형 셀.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제

Images