KR102536038B1 - 감소된 체적의 전기염소화 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

감소된 체적의 전기염소화 전지 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

전기화학 전지는 유입구, 유출구 및 중심 축을 갖는 하우징, 및 중심 축을 중심으로 하우징 내에 실질적으로 동심원 상으로 배치되고 애노드-캐소드 쌍의 애노드와 캐소드 사이에 활성 영역을 획정하는 애노드-캐소드 쌍을 포함한다. 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나의 활성 표면적은 하우징의 내부 표면의 표면적보다 크다. 애노드-캐소드 쌍은 전기화학 전지를 축 방향으로 통과하는 모든 유체가 활성영역을 통해 지향하도록 구성되고 배열된다.

Description

감소된 체적의 전기염소화 전지 및 이의 제조 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2015년 2월 17일자로 출원된 "ELECTROCHLORINATION CELLS WITH SPIRAL ELECTRODES AND METHODS OF MANUFACTURING SAME"이라는 명칭의 미국 가출원 제62/116,979호 및 2015년 5월 6일자로 출원된 "ELECTROCHLORINATION CELLS WITH MULTI-TUBE ELECTRODES AND METHODS OF MANUFACTURING SAME"이라는 명칭의 미국 가출원 제62/157,504호에 대해 35 U.S.C.§119(e)호에 따른 우선권을 주장한다. 이들 각각의 출원은 모든 목적을 위해 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.
발명의 기술분야
본 명세서에 개시된 양태 및 실시예는 일반적으로 전기화학 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전기염소화(electrochlorination) 전지 및 장치, 이의 제조 방법 및 이를 이용하는 시스템에 관한 것이다.
전극에서의 화학 반응에 기초한 전기화학 장치는 산업 및 도시 구현에 널리 사용된다. 반응의 예는 다음을 포함한다:
A. 염화나트륨 및 물에서 차아염소산나트륨이 생성되는 전기 염소화.
애노드에서의 반응: 2Cl- → Cl2 + 2e-
캐소드에서의 반응: 2Na+ + 2H2O +2e- → 2NaOH + H2
수용액에서: Cl2 + 2OH- → ClO- + Cl- + H20
전체 반응: NaCl + H2O → NaOCl + H2
B. 애노드와 캐소드를 분리하는 양이온 교환막(cation exchange membrane)으로 염화나트륨과 물에서 수산화나트륨과 염소 생성:
애노드에서의 반응: 2Cl- → Cl2 + 2e-
캐소드에서의 반응: 2H2O + 2e- → 2OH- + H2
전체 반응: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2
C. 전극을 분리하는 양성자 투과막(proton permeable membrane)으로 에너지 저장을 위한 바나듐 산화 환원 전지(Vanadium redox battery):
충전 중:
제1 전극에서의 반응: V3+ + e- → V2+
제2 전극에서의 반응: V4+ → V5+ + e-
방전 중:
제1 전극에서의 반응: V2+ → V3+ + e-
제2 전극에서의 반응: V5+ + e- → V4+
본 개시는 전기염소화 전지 및 전기염소화 장치의 다양한 실시예를 설명하지만, 본 개시는 전기염소화 전지 또는 장치에 제한되지 않고, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시예는 다수의 목적 중 임의의 것에 사용되는 전해질 및 전기화학 전지에 적용 가능하다.
현재 상업적인 전기염소화 전지는 전형적으로 동심형 튜브(concentric tubes: CTE) 및 평행 플레이트(parallel plates: PPE)의 두 전극 배열 중 하나에 기초한다.
도 1a 및 도 1b는 일렉트로카탈라이틱사(Electrocatalytic Ltd.)에 의해 제조된 동심형 튜브(102, 104)를 갖는 전기염소화 전지(100)의 일례를 도시한다. 외부 튜브(102)의 내부 표면 및 내부 튜브(104)의 외부 표면은 활성 전극 면적이다. 전극 사이의 갭은 약 3.5㎜이다. 해수가 공급물인 해양 및 해안 어플리케이션의 경우, 축 방향 갭에서의 액체 속도는 2.1m/s 정도일 수 있으며, 이로 인해 고도의 난류(turbulent flow)가 발생하여 전극 표면에서의 파울링(fouling) 및 스케일링(scaling) 가능성을 감소시킨다.
도 2a 내지 도 2c는 CTE 전기화학 전지에서 전극의 가능한 배열을 도시한다. 도 2a는 전류가 애노드에서 캐소드로 하나의 패스(pass)로 흐르는 구성을 도시한다. 두 전극은 전형적으로 티타늄으로 제조되며 애노드는 백금 또는 혼합 금속 산화물(mixed metal oxide: MMO)로 코팅된다. 상기 전극은 "모노-폴라(mono-polar"라고 불린다.
도 2b는 두 개의 외부 전극과 하나의 내부 전극을 구비하는 장치를 두 패스로 전류가 흐르는 배열을 도시한다. 외부 전극 중 하나는 내부 표면 상에 코팅되어 애노드로 작용하고 다른 하나는 코팅되지 않았다. 내부 전극의 외부 표면 일부도 코팅되어 애노드로 작용하며 나머지 부분은 코팅되지 않았다. 전류는 코팅된 외부 전극으로부터 내부 전극의 코팅되지 않은 부분까지, 내부 전극을 따라 코팅된 부분까지, 그리고 마지막으로 전해질을 가로질러 코팅되지 않은 외부 전극으로 되돌아간다. 상기 내부 전극은 "바이폴라" 전극이라고도 한다.
도 2c는 다중 외부 전극과 하나의 내부 전극을 갖는 장치를 통해 다중 패스로 전류가 흐르는 배열을 도시한다. 코팅된 외부 전극과 코팅되지 않은 외부 전극을 교대로 배치하고 내부 전극을 일정한 간격으로 코팅함으로써, 전류가 다중 패스로 전해질을 앞뒤로 흐를 수 있다.
다중 통과의 근거는 표면에서의 전기화학적 반응에 이용 가능한 전체 전극 면적 및 그에 따른 소독체(disinfectant)(예를 들어, 차아염소산나트륨)의 전체 생산 속도가 인가된 전류에 비례한 증가없이 증가될 수 있다는 것이다. 전류를 증가시키면 DC 전원으로부터 전기염소화 전지로의 더 큰 와이어 또는 버스 바(bus bar), 전지 상의 더 큰 전기 커넥터(되 1a의 예에서는 외부 전극의 외부 표면 상의 돌출부) 및 전극을 위한 더 두꺼운 티타늄을 필요로 한다.
동일한 전류의 경우, 다중 패스 장치는 단일 패스 전지보다 높은 생산 속도를 갖지만 전체 전압 강하는 (대략 패스 수에 비례하여) 더 높을 것이다. 동일한 생산 속도인 경우, 다중 패스 전지는 (패스의 수에 대략 반비례하여) 더 낮은 전류를 필요로 할 것이다. 동일한 전력 출력(kW)의 경우, 전원 비용은 출력 전압보다 출력 전류에 더 민감할 수 있으므로, 다중 패스 전지가 유리하다.
실제로, 다중 패스 셀과 관련하여 비효율성이 있다. 예를 들어, "우회 전류"로 언급되는, 전류의 일부는 외부 전극과 내부 전극 사이의 갭에서 전해질을 가로지르지 않고 애노드로부터 캐소드로 직접 흐를 수 있다(도 2b 및 도 2c 참조). 상기 우회 전류는 전력을 소비하지만 소독제를 생산하지는 않는다. 다중 패스 전지는 제조 및 조립하기가 더 복잡하다. 예를 들어, 내부 전극의 외부 표면의 부분들은 나머지 부분이 코팅되기 전에 마스킹되어야 한다.
도 3은 평행 플레이트 전기염소화(PPE) 전지를 도시하고, 도 4는 병렬로 배열된 평평한 전극 세트를 구비한 다중-패스 유닛의 개략도이다. 각 단부의 전극 세트는 전기적으로 병렬 접속되며, 한 세트는 DC 전원 공급장치의 포지티브(positive) 출력에 접속되고 다른 세트는 네가티브(negative) 출력에 접속된다. 그 사이의 전극은 바이폴라이다. 동심원 튜브형 디자인에 대한 다중 통과 평행 플레이트 디자인의 장점은 각 전극의 양 측면이 전해질 용액에 노출되어 전극 반응에 참여하기 때문에 장치의 단위 체적당 활성 전극 면적의 충전 밀도가 높다는 것이다. 더 타이트한 패킹 및 다중 패스는 CTE 셀보다 PPE 셀에서 더 높은 압력 강하를 초래한다. 플레이트 사이의 평균 유속은 압력 강하를 낮추고 유압 체류시간(hydraulic residence time)을 증가시키기 위해 감소될 수 있다. 단점은 파울링 및 스케일링의 위험이 증가하므로 예를 들어 산(acid)으로 더 자주 세척된다는 것이다.
프레임 구조는 PPE 셀에서 다중 플레이트를 기계적으로 지지하고 인접한 전극 사이의 특정 간격을 유지하는 데 필요하다. 각 단부의 다중 플레이트에 대한 전기 접속도 어려울 수 있다.
CTE 및 PPE 전지 모두에서, 캐소드에서 발생된 H2 가스의 제거는 장치 및 전체 시스템의 디자인에서 주요한 과제이다. 가스는 배관의 선택된 위치 또는 제품 탱크에서 안전하게 배출되어야 한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 전기화학 전지가 제공된다. 상기 전기화학 전지는 유입구, 유출구 및 중심 축을 갖는 하우징과, 하우징 내에 상기 중심 축에 대해 실질적으로 동심원으로 배치되고 애노드-캐소드 쌍의 애노드와 캐소드 사이의 활성영역을 획정하는 애노드-캐소드 쌍을 포함하되, 상기 애노드와 캐소드 중 적어도 하나의 활성 표면적은 상기 하우징의 내부 표면의 표면적보다 큰 표면적을 가지며, 상기 애노드-캐소드 쌍은 상기 전기화학적 전지를 통과하는 모든 유체가 상기 활성영역을 통해 축 방향으로 지향시키도록 구성되고 배치된다.
일부 실시예에서, 상기 전기화학 전지는 적어도 약 2㎜-1의 전체 전극 패킹 밀도를 갖는다.
일부 실시예에서, 상기 전기화학 전지는 전기화학 전지 내에 배치되고 중심 축을 따라 전기화학 전지의 일부를 통한 유체의 흐름을 차단하도록 구성된 중앙 코어 요소를 더 포함하되, 상기 중앙 코어 요소는 상기 애노드-캐소드 쌍 중 적어도 하나의 전극에 접속되지 않는다.
일부 실시예에서, 상기 애노드-캐소드 쌍은 상기 중심 축에 대해 나선형으로 권취된다.
일부 실시예에서, 상기 전기화학 전지는 하나 이상의 나선형으로 권취된 바이폴라 전극을 더 포함한다. 일부 실시예에서, 애노드는 캐소드로부터 전기화학 전지의 길이를 따라 측 방향으로 변위된다.
일부 실시예에서, 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나는 강성(rigid) 전극이다. 상기 애노드 및 캐소드는 각각 티타늄 플레이트를 포함할 수 있고, 애노드의 표면은 백금 및 혼합 금속 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 내 산화성 코팅으로 코팅될 수 있다. 상기 애노드 및 캐소드는 각각 티타늄, 니켈 및 알루미늄 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 애노드의 표면은 백금, 혼합 금속 산화물, 자철광(magnetite), 페라이트(ferrite), 코발트 스피넬(cobalt spinel), 탄탈륨, 팔라듐, 이리듐, 금 및 은으로 이루어진 군으로부터 선택된 내 산화성 코팅으로 코팅될 수 있다. 상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나는 유체 투과성일 수 있고/또는 천공된 티타늄 플레이트를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 전기화학 전지는 애노드와 캐소드 사이의 갭 거리를 유지하도록 구성된 분리기(separator)를 더 포함하고, 상기 분리기는 전해질 용액이 활성영역을 통해 유동하도록 개방된다. 분리기는 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나의 에지를 결합하는 슬롯을 구비하는 스포크(spoke)를 갖는 허브(hub)를 포함할 수 있다. 상기 허브는 애노드 및 캐소드 중 하나를 전류원에 전기적으로 접속하도록 구성된 전기 커넥터를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 전기화학 전지는 애노드와 캐소드 중 하나와 전기적으로 접촉하는 스포크를 포함하는 허브를 더 포함한다. 스포크는 애노드와 캐소드 중 하나의 에지를 결합하고 나선형으로 권취된 애노드-캐소드 쌍의 턴(turn) 사이의 갭을 유지하는 슬롯을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 중앙 코어 요소는 애노드-캐소드 쌍의 최 내측 권선 내에 배치된 비전도성 코어를 포함한다.
일부 실시예에서, 애노드-캐소드 쌍은 복수의 동심형 전극 튜브 및 인접한 전극 튜브 사이에 획정된 갭을 포함한다. 복수의 동심 전극 튜브는 복수의 애노드 전극 튜브 및 복수의 캐소드 전극 튜브 중 하나를 포함할 수 있다. 상기 복수의 애노드 전극 튜브 및 복수의 캐소드 전극 튜브 중 하나는 강성 전극일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 복수의 동심형 전극 튜브는 복수의 애노드 전극 튜브 및 복수의 캐소드 전극 튜브를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 전기화학 전지는 전류(DC 및/또는 AC)가 전해질 용액을 통해 애노드 전극 튜브로부터 캐소드 전극 튜브로 단일 패스(single pass)로 흐르게 하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 상기 전기화학 전지는 애노드 전극 튜브와 캐소드 전극 튜브 사이에 배치된 바이폴라 전극 튜브를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 애노드 전극 튜브는 애노드 전극 튜브와 동일한 직경을 갖는 캐소드 전극 튜브로부터 전기화학 전지의 길이를 따라 측 방향으로 변위된다. 상기 전기화학 전지는 에노드 절반 및 캐소드 절반을 포함하는 전극 튜브를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전기화학 전지는 동심원으로 배열된 인접한 쌍의 애노드 전극 튜브 및 캐소드 전극 튜브 사이에 각각 배치된 복수의 바이폴라 전극 튜브를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 복수의 애노드 전극 튜브 및 복수의 캐소드 전극 튜브 중 적어도 하나는 천공되거나 및/또는 유체 투과성이다.
일부 실시예에서, 전기화학 전지는 인접한 전극 튜브 사이에 위치한 적어도 하나의 분리기를 더 포함하되, 상기 적어도 하나의 분리기는 인접한 전극 튜브 사이의 갭을 획정하고 유지하도록 구성된다. 분리기는 전해질 용액이 인접한 전극 튜브 사이에 획정된 갭을 통해 유동하도록 개방될 수 있다.
일부 실시예에서, 전기화학 전지는 복수의 동심형 전극 튜브의 에지에 전기적으로 결합된 스포크를 포함하는 금속 허브를 더 포함한다. 각각의 스포크는 복수의 동심형 전극 튜브의 에지와 결합하여 복수의 동심형 전극 튜브에서 인접한 전극 튜브 사이에 갭을 유지하는 슬롯을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 중앙 코어 요소는 상기 전기화학 전지의 최 내측 동심형 튜브 전극의 일 단부 내에 배치된 단부 캡(end cap)을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 전기화학 전지는 오벌형(obround) 횡단면을 갖는다.
일부 실시예에서, 상기 전기화학 전지는 애노드 및 캐소드 중 하나와 전기적으로 연통하는 전기 커넥터를 더 포함하되, 상기 전기 커넥터는 전해질 용액에 의한 화학적 침식에 대해 상이한 정도의 내성을 갖는 둘 이상의 재료를 포함한다. 상기 적어도 둘 이상의 재료는 제1 재료 및 제2 재료를 포함할 수 있고, 상기 전기 커넥터는 상기 제1 재료로 형성된 유체 투과성 본체를 포함할 수 있다. 상기 유체 투과성 본체는 복수의 개구(aperture)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 전기화학 전지는 제1 재료로 형성된 유체 투과성 본체에 하나 이상의 기계적 체결구(fastener)로 결합된 제2 재료의 플레이트 또는 본체를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 전기화학 전지는 제1 재료로 형성된 유체 투과성 본체에 압축 결합으로 결합된 제2 재료의 플레이트 또는 본체를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 전기화학 전지는 제1 재료로 형성된 유체 투과성 본체에 제1 재료로 형성된 유체 투과성 본체의 에지에 형성된 나사산으로 결합된 제2 재료의 플레이트 또는 본체를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 전기화학 전지는 제1 재료로 형성된 유체 투과성 본체에 제2 재료로 형성된 본체의 원통형 부분에 형성된 나사산으로 결합된 제2 재료로 형성된 본체를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 전기화학 전지는 제1 재료로 형성된 본체에 용접된 제2 재료로 형성된 본체를 포함한다.
다른 측면에 따르면, 전기화학 전지를 포함하는 시스템이 제공된다. 상기 전기화학 전지는 유입구, 유출구 및 중심축을 갖는 하우징과, 상기 하우징 내에서 중심축에 대해 실질적으로 동심원으로 배치되고 애노드-캐소드 쌍의 애노드와 캐소드 사이의 활성 영역을 획정하는 애노드-캐소드 쌍을 포함하되, 상기 애노드와 캐소드 중 적어도 하나의 활성 표면적은 상기 하우징의 내부 표면의 표면적보다 큰 표면적을 가지며, 상기 애노드-캐소드 쌍은 상기 전기화학 전지를 통과하는 모든 유체를 상기 활성 영역을 통해 축 방향으로 지향시키도록 구성되고 배치된다. 상기 시스템은 전기화학 전지와 유체 연통하는 전해질 공급원을 더 포함한다. 상기 전기화학 전지는 전해질 공급원으로부터의 전해질로부터 하나 이상의 반응 생성물을 생성하고 상기 하나 이상의 반응 생성물을 출력하도록 구성된다. 상기 시스템은 전기화학 전지에 의해 출력되는 하나 이상의 반응 생성물에 대한 사용 지점을 더 포함한다. 상기 하나 이상의 반응 생성물은 소독제를 포함할 수 있다. 상기 소독제는 본질적으로 차아염소산나트륨으로 구성되거나 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 전해질 공급원은 염수(brine) 및 해수 중 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 시스템은 선박 및 오일 플랫폼(oil platform) 중 하나에 포함된다.
일부 실시예에서, 상기 사용 지점은 냉각수 시스템 및 밸러스트 탱크(balast tank) 중 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 시스템은 육상-기반 오일 시추 시스템(oil drilling system)에 포함되되, 상기 사용 지점은 오일 시추 시스템의 다운홀(downhole)이다.
다른 측면에 따르면, 전기화학 전지가 제공된다. 상기 전기화학 전지는 하우징 내에 배치되고 그들 사이에 갭을 획정하는 캐소드 및 애노드를 포함하되, 캐소드 및 애노드 각각은 아크형 부분을 포함하고, 애노드의 활성 표면적은 하우징의 내부 표면의 표면적보다 크고, 상기 캐소드의 활성 표면적은 하우징의 내부 표면의 표면적보다 크며, 상기 캐소드 및 애노드는 상기 갭을 통해 축 방향으로 전기화학 전지를 통과하는 모든 유체를 지향시키도록 구성되고 배치된다.
일부 실시예에서, 상기 애노드는 아치형 베이스로부터 연장되는 복수의 플레이트를 포함하고, 상기 캐소드는 아치형 베이스로부터 연장되는 복수의 플레이트를 포함하되, 상기 애노드의 복수의 플레이트는 캐소드의 복수의 플레이트와 인터리브된다(interleaved).
다른 측면에 따르면, 전기화학 전지가 제공된다. 상기 전기화학 전지는 하우징 내에 배치되고 그들 사이에 갭을 획정하는 캐소드와 애노드를 포함하되, 캐소드 및 애노드 각각은 하우징의 내부 표면의 각 부분에 일치하는 부분을 포함하며, 애노드의 활성 표면적은 상기 하우징의 내부 표면의 표면적보다 크고 상기 캐소드의 활성 표면적은 상기 하우징의 내부 표면의 표면적보다 크며, 캐소드 및 애노드는 상기 갭을 통해 전기화학 전지를 통과하는 모든 유체를 축 방향으로 지향시키도록 구성되고 배치된다. 애노드와 캐소드 중 적어도 하나는 주름진 부분을 포함할 수 있다.
첨부 도면은 일정한 비율로 그려진 것은 아니다. 도면들에서, 다양한 도면들에 도시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성 요소는 동일한 번호로 표시된다. 명확히 하기 위하여, 모든 구성 요소가 모든 도면에 표시되지는 않는다. 도면에서:
도 1a는 동심형 튜브 전기화학 전지의 일 실시예의 사시도;
도 1b는 도 1a의 동심형 튜브 전기화학 전지의 횡단면도;
도 2a는 동심형 튜브 전기화학 전지의 일 실시예를 통한 전류 흐름을 도시한 도면;
도 2b는 동심형 튜브 전기화학 전지의 다른 실시예를 통한 전류 흐름을 도시한 도면;
도 2c는 동심형 튜브 전기화학 전지의 다른 실시예를 통한 전류 흐름을 도시한 도면;
도 3은 평행 플레이트 전기화학 전지의 일 실시예의 사시도;
도 4는 다중-패스 평행 플레이트 전기염소화 전지의 개략도;
도 5는 단일 패스 나선형으로 권취된 전기화학 전지의 일 실시예의 개략도;
도 6은 단일 패스 나선형으로 권취된 전기화학 전지의 다른 실시예의 개략도;
도 7a는 이중 패스 나선형으로 권취된 전기화학 전지의 일 실시예의 등각도;
도 7b는 도 7a의 전기화학 전지의 단면도;
도 8은 본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 전지용 전극의 일 실시예에 사용될 수 있는 연장된 티타늄 물질의 예시도;
도 9a는 본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 전지용 전극의 일 실시예에 사용될 수 있는 직조된 매쉬 분리기의 예시도;
도 9b는 본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 전지용 전극의 일 실시예에 사용될 수 있는 압출 메쉬 분리기의 예시도;
도 10은 본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 전지의 일 실시예에 사용될 수 있는 허브 또는 휠 전극 분리기/전기 접촉기를 도시한 도면;
도 11은 본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 전지의 일 실시예에 사용될 수 있는 전극 분리기의 일 실시예를 도시한 도면;
도 12a는 본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 전지의 일 실시예에 사용될 수 있는 전극 분리기/ 전기 접촉기의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 12b는 본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 전지의 일 실시예에 사용될 수 있는 전극 분리기/ 전기 접촉기의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 12c는 본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 전지의 일 실시예에 사용될 수 있는 전극 분리기/ 전기 접촉기의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 13a는 전극 접촉기를 기밀 밀봉하기 위한 피처를 포함하는 전기화학 전지의 일 실시예의 분해도;
도 13b는 도 13a의 전기화학 전지의 부분 조립된 도면이고;
도 13c는 도 13a의 전기화학 전지의 조립된 도면이고;
도 14a는 3 튜브 동심형 튜브 전기화학 전지의 일 실시예의 부분 단면도;
도 14b는 3 튜브 동심형 튜브 전기화학 전지의 다른 실시예의 부분 단면도;
도 15는 4 튜브 동심형 튜브 전기화학 전지의 일 실시예의 부분 단면도;
도 16은 5 튜브 동심형 튜브 전기화학 전지의 일 실시예의 부분 단면도;
도 17은 유체 투과성 전극 및 단부 캡을 포함하는 전기화학 전지의 일 실시예의 등각도;
도 18a는 유체 투과성 전극 및 단부 캡을 포함하는 이중 패스 전기화학 전지의 일 실시예의 등각도;
도 18b는 도 18a의 전기화학 전지의 횡단면도;
도 19a는 본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 전지의 일 실시예에 사용하기 위한 전극 스페이서의 일 실시예를 도시한 도면;
도 19b는 본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 전지의 일 실시예에 사용하기 위한 전극 스페이서의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 19c는 본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 전지의 일 실시예에 사용하기 위한 전극 스페이서의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 20a는 본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 전지의 일 실시예에 사용될 수 있는 전극 분리기/ 전기 접촉기의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 20b는 본 명세서에 바와 같은 개시된 전기화학 전지의 일 실시예에 사용될 수 있는 전극 분리기/ 전기 접촉기의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 21a는 밀봉된 전극 접촉기를 구비하는 전기화학 전지를 조립하기 위한 시스템의 일 실시예의 분해도;
도 21b는 도 21a의 시스템의 조립된 버전의 횡단면도;
도 22a는 방사상으로 배열된 전극을 포함하는 전기화학 전지의 일 실시예의 횡단면도;
도 22b는 도 22a의 전기화학 전지의 등각도;
도 22c는 도 22a의 전기화학 전지의 캐소드의 횡단면 사시도;
도 22d는 도 22a의 전기화학 전지의 애노드의 횡단면 사시도;
도 22e는 도 22a의 전기화학 전지의 다른 구성의 횡단면도;
도 22f는 절연 부재로 도 22e의 전기화학 전지의 캐소드에 접속된 애노드를 도시한 도면;
도 22g는 절연 부재로 도 22e의 전기화학 전지의 캐소드에 접속된 애노드의 다른 도면이고;
도 22h는 방사상으로 배열된 전극을 포함하는 전기화학 전지의 모노폴라 구성을 도시한 도면;
도 22i는 방사상으로 배열된 전극을 포함하는 전기화학 전지의 바이폴라 구성을 도시한 도면;
도 23a는 전기화학 전지용 단부 캡의 일 실시예를 도시한 도면;
도 23b는 도 23a의 단부 캡을 이용하는 전기화학 전지의 일 실시예를 통과하는 유동 패턴을 도시한 도면;
도 23c는 전기화학 전지용 단부 캡의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 23d는 도 23a 및 도 23c의 단부 캡뿐만 아니라 내부 배플(internal baffles )을 포함하는 전기화학 전지의 횡단면도;
도 24는 방사상으로 배열된 전극을 포함하는 전기화학 전지의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 25a는 방사상으로 배열되고 주름진 전극을 포함하는 전기화학 전지의 일 실시예를 도시한 도면;
도 25b는 방사상으로 배열되고 주름진 전극을 포함하는 전기화학 전지의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 26은 방사상으로 배열된 전극을 포함하는 전기화학 전지의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 27a는 전기화학 전지용 단부 캡의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 27b는 전기화학 전지용 단부 캡의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 27c는 도 27a 및 도 27b의 단부 캡을 포함하는 전기화학 전지의 등각도;
도 28a는 오벌형 전기화학 전지의 일 실시예의 개략적인 횡단면도;
도 28b는 도 28a의 오벌형 전기화학 전지의 등각도;
도 29a는 오벌형 전기화학 전지의 다른 실시예의 개략적인 횡단면도;
도 29b는 오벌형 전기화학 전지의 다른 실시예의 개략적인 횡단면도;
도 29c는 오벌형 전기화학 전지의 일 실시예를 통과하는 유체의 유동 방향을 도시한 도면;
도 29d는 오벌형 전기화학 전지의 일 실시예를 통과하는 유체의 유동 방향을 도시한 도면;
도 30a는 오벌형 전기화학 전지의 일 실시예에서 버스바(busbar) 전극의 배열을 개략적으로 도시한 도면;
도 30b는 오벌형 전기화학 전지의 일 실시예에서 버스바 전극의 다른 배열을 개략적으로 도시한 도면;
도 30c는 오벌형 전기화학 전지의 일 실시예의 횡단면의 개략적인 도시이고;
도 31a는 오벌형 전기화학 전지의 일 실시예에서의 전극에 대한 접속 및 유지 요소의 개략도;
도 31b는 도 31a의 오벌형 전기화학 전지의 접속 및 유지 요소 중 하나 및 관련 전극의 확대도;
도 32는 전기화학 전지의 전극용 전기적 커넥터의 일 실시예를 도시한 전기화학 전지의 일 실시예의 부분 횡단면도;
도 33a는 전기화학 전지의 전극용 전기적 커넥터의 일 실시예를 도시한 도면;
도 33b는 전기화학 전지의 전극용 전기적 커넥터의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 33c는 전기화학 전지의 전극용 전기적 커넥터의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 33d는 전기화학 전지의 전극용 전기적 커넥터의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 33e는 전기화학 전지의 전극용 전기적 커넥터의 다른 실시예를 도시한 도면;
도 34a는 인터리브된 전극을 포함하는 전기화학 전지의 일 실시예의 횡단면을 도시한 도면;
도 34b는 도 34a의 전기화학 전지를 통과하는 유체의 유동 방향을 도시한 도면;
도 34c는 도 34a의 전기화학 전지의 대안적인 구성을 도시한 도면;
도 34d는 도 34a의 전기화학 전지의 다른 대안적인 구성을 도시한 도면;
도 34e는 모노폴라 구성에서 인터리브된 전극을 포함하는 전기화학 전지의 일 실시예를 도시한 도면;
도 34f는 바이폴라 구성에서 인터리브된 전극을 포함하는 전기화학 전지의 일 실시예를 도시한 도면;
도 35는 본 명세서에 개시된 전기화학 전지의 일 실시예가 사용될 수 있는 시스템을 도시한 도면;
도 36은 본 명세서에 개시된 전기화학 전지의 일 실시예를 위한 제어 시스템을 도시한 도면;
도 37은 도 36의 제어 시스템을 위한 메모리 시스템을 도시한 도면; 및
도 38은 본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 전지의 상이한 실시예의 다양한 기능적 파라미터를 나타낸 표.
본 명세서에 개시된 양태 및 실시예는 이하의 설명에서 설명되거나 도면들에 도시된 구성 요소의 구성 및 배치의 세부 사항에 한정되지 않는다. 본 명세서에 개시된 양태 및 실시예는 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용된 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며, 한정적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 명세서에서 사용되는 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)", "갖는(having)", "함유하는(containing)", "포함하는(involving)" 및 그 변형은 이후에 열거된 항목 및 그 등가물뿐만 아니라 추가 항목을 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서에 개시된 양태 및 실시예는 일반적으로 차아염소산나트륨과 같은 소독제를 생성하는 전기화학 장치에 관한 것이다. 용어 "전기화학 장치" 및 "전기화학 전지" 및 이들의 문법적 변형은 "전기염소화 장치" 및 "전기염소화 전지" 및 이들의 문법적 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에 개시된 양태 및 실시예는 하나 이상의 전극을 포함하는 것으로 설명된다. 본 명세서에 개시된 일부 양태 및 실시예는 강성 전극을 포함하는 것으로 설명된다. 본 명세서에서 이 용어가 사용되는 바와 같이, "강성" 물체는 정상 작동 온도 및/또는 상승된 온도에서 인가된 힘이 없는 상태에서 그 형상을 유지하는 물체이다. 본 명세서에서 사용된 용어인 "강성 전극"은 스페이서를 필요로 하지 않고 본 명세서에 개시된 전기화학 전지 및 장치의 다양한 실시예에서 인접한 전극 또는 전극 권선 사이의 형상 및 분리를 유지하도록 충분한 기계적 강도를 갖는 것으로 고려된다. 예를 들어, 금속 코팅을 포함하는 가요성(flexible) 필름은 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "강성 전극"으로 고려되어서는 안 된다.
본 명세서에서 사용된 용어 "금속 전극" 또는 이의 문법적 변형은, 용어 "금속 전극"이 다른 금속 또는 합금을 포함하거나 구성된 전극을 배제하지 않더라도, 하나 이상의 금속, 예를 들어, 티타늄, 알루미늄 또는 니켈로 형성되거나, 이들을 포함하거나 또는 이들로 이루어진 전극을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 일부 실시예에서, "금속 전극"은 상이한 금속의 다중 층을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 임의의 하나 이상의 실시예에서 사용되는 금속 전극은, 전해질 용액에 의한 화학적 침식에 대해 높은 내성을 갖는 금속 또는 금속 산화물, 예를 들어, 티타늄, 백금, 혼합 금속 산화물(MMO), 자철광, 페라이트, 코발트 스피넬, 탄탈륨, 파라듐, 이리듐, 은, 금의 층, 또는 다른 재료의 층으로 코팅된, 예를 들어 구리 또는 알루미늄과 같은 고 전도성 금속의 코어를 포함할 수 있다. "금속 전극"은, 예를 들어, 백금, 혼합 금속 산화물(MMO), 자철광, 페라이트, 코발트 스피넬, 탄탈륨, 팔라듐, 이리듐, 은, 금 또는 기타 코팅 재료와 같은 내 산화성 코팅으로 코팅될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 본 명세서에 개시된 실시예에서 사용되는 혼합 금속 산화물은 루테늄, 로듐, (선택적으로 안티몬 및/또는 망간과 합금화된) 탄탈륨, 티타늄, 이리듐, 아연, 주석, 안티몬, 티타늄-니켈 합금, 티타늄-구리 합금, 티타늄-철 합금, 티타늄-코발트 합금, 또는 기타 적절한 금속 또는 합금 중 하나 이상의 산화물 또는 산화물들일 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시예에서 사용되는 애노드는 백금 및/또는 이리듐, 루테늄, 주석, 로듐 또는 (선택적으로 안티몬 및/또는 망간과 합금화된) 탄탈륨 중 하나 이상의 산화물 또는 산화물들로 코팅될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시예에서 사용되는 캐소드는 백금 및/또는 이리듐, 루테늄 및 티타늄 중 하나 이상의 산화물 또는 산화물들로 코팅될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시예에서 사용되는 전극은 티타늄, 탄탈륨, 지르코늄, 니오븀, 텅스텐 및/또는 실리콘 중 하나 이상의 베이스를 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 임의의 전기화학 전지용 전극은 플레이트, 시트(sheet), 호일(foil), 압출물(extrusion) 및/또는 소결체(sinter)로서 또는 이들로부터 형성될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "튜브"는 원통형 도관을 포함하지만, 다른 단면 형상을 갖는 도관, 예를 들어 정사각형, 직사각형, 타원형 또는 오벌 형상 또는 임의의 규칙적 또는 불규칙한 다각형을 갖는 도관을 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "동심형 튜브" 또는 "동심형 나선"은 공통 중심축을 공유하는 튜브 또는 인터리브된 나선을 포함하지만, 반드시 동심형 튜브 또는 인터리브된 나선 세트의 각 동심형 튜브 또는 인터리브된 나선의 중앙에 반드시 있어야 하는 것은 아닌, 공통 축을 둘러싸는 튜브 또는 인터리브된 나선을 배제하지는 않는다.
본 명세서에 개시된 양태 및 실시예는 이전에 공지된 전기염소화 전지보다 컴팩트하다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 전기화학 전지의 "활성 밀도(active density)"는 전기화학 전지의 하우징 내의 총 단면적에 대해 전기화학 전지 내에서 처리중인 유체가 (전기화학 전지의 "활성 영역"을) 흐를 수 있는 활성 또는 기능성 전극 표면(전기화학 전지 내의 유체의 전기화학적 처리에 기여하는 전류가 흐르는 전극의 표면) 사이의 단면적의 비로 정의된다. 정의된 바와 같이 "활성 밀도"는 유체가 유동할 수 있는 중심 축에 수직인 평면에서 중심 축에 수직인 총 단면적으로 나누어진 면적이다. 측정 단위는 무 차원, 분수 또는 백분율이다. 본 명세서에서 개시된 양태 및 실시예는 약 46%와 약 52% 사이, 약 50% 초과, 일부 실시예에서는 약 75% 초과, 일부 실시예에서는 85% 초과, 일부 실시예에서는 90% 초과, 그리고 일부 실시예에서는 95%까지의 활성 밀도를 갖는 전기화학 전지를 포함한다.
본원에 사용되는 바와 같이, 전기화학 전지의 "전체 충전 밀도(packing density)"는 전기 화학 전지의 하우징 내의 총 단면적에 대한 전기 화학 전지를 통과하는 유체 유동에 수직인 평면에서 총 기능 전극 경로 길이로서 정의된다. "충전 밀도"는 전기 화학 장치의 전극의 "활성 표면적"을 장치의 전체 내부 체적으로 나눈 값이다. 측정 단위는 1/길이(예, m-1)이다. 전극의 "활성 표면적"은 전기 화학 장치 내에서 전기 화학적 반응에 기여하는 전류가 흐르는 전극의 표면적이다. 대향 표면을 갖는 전극은 단일 표면 또는 양 표면 상에 활성 표면적을 가질 수 있다. "양극 충전 밀도(anodic packing density)"는 전기 화학 장치의 양극의 "활성 표면적"을 장치의 전체 내부 체적으로 나눈 것이다. "음극 충전 밀도(cathodic packing density)"는 전기 화학 장치의 캐소드의 "활성 표면적"을 장치의 전체 내부 체적으로 나눈 것이다. "전체 전극 충전 밀도(overall electrode packing density)" 또는 "전체 전극 충전 밀도(total electrode packing density"본 명세서에 사용되는 바와 같이, 전기화학 전지의 "전체 충전 밀도(packing density)"는 전기화학 전지의 하우징 내의 총 단면적에 대한 전기화학 전지를 통과하는 유체 유동에 수직인 평면에서 총 기능성 전극 경로 길이로 정의된다. "충전 밀도"는 전기화학 장치의 전극의 "활성 표면적"을 장치의 전체 내부 체적으로 나눈 값이다. 측정 단위는 1/길이(예, m-1)이다. 전극의 "활성 표면적"은 전기화학 장치 내에서 전기화학적 반응에 기여하는 전류가 흐르는 전극의 표면적이다. 대향하는 표면을 갖는 전극은 단일 표면 또는 양 표면 상에 활성 표면적을 가질 수 있다. "애노드 충전 밀도(anodic packing density)"는 전기화학 장치의 애노드의 "활성 표면적"을 장치의 전체 내부 체적으로 나눈 것이다. "캐소드 충전 밀도(cathodic packing density)"는 전기화학 장치의 캐소드의 "활성 표면적"을 장치의 전체 내부 체적으로 나눈 것이다. "전체 전극 충전 밀도(overall electrode packing density)" 또는 "전체 전극 충전 밀도(total electrode packing density)"는 전기화학 장치의 애노드 충전 밀도와 캐소드 충전 밀도의 합이다. 본 명세서에 개시된 전기화학 전지의 양태 및 실시예는 2㎜-1 이상의 애노드 충전 밀도, 캐소드 충전 밀도 및/또는 전체 충전 밀도를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 전기염소화 전지의 중심 축으로부터 중심 축에 수직인 평면 내의 전기염소화 전지의 외주를 통과하는 선은 다수의 전극 플레이트를 통과한다. 다수의 전극 플레이트는 다수의 애노드 및/또는 다수의 캐소드를 포함할 수 있다. 중심 축은 전기화학 전지를 통과하는 유체의 평균 유동 방향에 평행할 수 있다. 본 명세서에 개시된 추가 실시예는 전기화학 전지의 전극을 제조하고, 전기화학 전지의 전극 사이의 간격을 제어하고, 전극을 전력 소스에 접속하는 구조 및 방법을 포함한다.
도 5는 전기화학 또는 전기염소화 전지용 나선형으로 권취된 전극 쌍의 일 실시예를 도시한다. 두 개의 나선형으로 권취된 전극, 즉 애노드-캐소드 쌍을 형성하는 애노드(205) 및 캐소드(210)가 애노드(205)와 캐소드(210) 사이에 갭(215)을 형성하도록 위치한다. 갭(215)의 폭은 일정하거나 가변적일 수 있다. 일부 실시예에서, 갭(215)의 폭은 약 1㎜ 내지 약 5㎜일 수 있다. 본 명세서에 개시된 전기화학 전지의 임의의 실시예에서, 전극 사이의 갭의 폭은 전기화학 전지에서 처리될 전해질의 유형에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 염수가 전해질로 사용되는 경우, 갭은 약 2㎜로 설정될 수 있다. 해수가 전해질로 사용되는 경우, 갭은 약 3㎜ 내지 약 5㎜로 설정될 수 있다.
도면에서 θ로 표시된 헬릭스의 시작 단부와 끝 단부 사이의 각도 차이는 0˚에서 180˚까지 일 수 있다. 공급 전해질 용액은 나선의 축에 실질적으로 평행한 방향으로 갭(215)을 통과하여 흐른다. DC 전압, 일정 또는 가변, 또는 일부 실시예에서는 AC 전류가 전극 양단 및 전해질 용액을 통해 인가된다. 애노드 탭(220) 및 캐소드 탭(225)은 각각 애노드(205) 및 캐소드(210)에 전기적 접속을 제공하도록 애노드(205) 및 캐소드(210)에 접속되거나 애노드 및 캐소드와 일체로 형성된다. 전류는 애노드(205)로부터 캐소드(210)로 단일 패스로 흐른다. 전기화학 및 화학 반응은 전극의 표면 및 전기화학 전지의 벌크 전해질 용액에서 발생하여 생성물 용액을 생성한다.
일 실시예에서, 도 5 및/또는 도 6에 도시된 바와 같은 나선형으로 권취된 전기화학 전지는 약 23.8㎜의 하우징 내부 직경, 약 444.1㎟의 내부 하우징 단면적, 약 301.1㎜의 전극 경로 길이, 약 12㎜의 코어 외부 직경(약 113㎟의 단면적), 및 약 0.68㎜-1의 전체 충전 밀도를 가질 수 있다.
본 명세서에 개시된 나선형으로 권취된 애노드(들) 및 캐소드(들)를 포함하는 전기화학 전지의 일부 양태 및 실시예에서, 애노드(들) 및 캐소드(들)는 유체를 애노드(들)와캐소드(들) 사이의 하나 이상의 갭을 통해 상기 전기화학 전지의 중심 축에 평행한 방향으로 지향시키도록 구성되고 및 배치된다. 본 명세서에 개시된 나선형으로 권취된 애노드(들) 및 캐소드(들)를 포함하는 전기화학 전지의 일부 양태 및 실시예에서, 애노드(들) 및 캐소드(들)는 애노드(들)와캐소드(들) 사이의 하나 이상의 갭을 통해 전기화학 전지로 도입되는 모든 유체를 전기화학 전지의 중심 축에 평행한 방향으로 지향시키도록 구성되고 배열된다.
도 5에 도시된 디자인은 애노드, 캐소드 및 하나 이상의 바이폴라 전극을 포함하도록 연장될 수 있어, 전류가 전해질 용액을 다중 통과할 수 있다.
본 개시의 모든 도면에서, 구성 요소의 치수는 명확성을 위해 스케일링되지 않을 수도 있다. 유사하게, 피처의 디자인 및 위치, 예를 들어, 도 5의 전극 커넥터(220, 225)는 단지 설명을 위한 것일 수 있다.
도 6은 단일 전류 패스 나선형으로 권취된 전기화학 전지의 다른 실시예를 도시한다. 나선형으로 권취된 애노드(205)와 캐소드(210) 사이의 갭은 일정하다. 갭은 예를 들어 약 1㎜ 내지 5㎜일 수 있다. 고체 코어(230)(도 7b에서 보다 명확하게 도시됨)는 유체가 중심을 통과하여 갭을 우회하는 것을 방지하는 중앙 코어 요소 또는 유체 흐름 디렉터이다. 코어는 비 전도성 재료, 예를 들어 폴리염화비닐(PVC), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리플루오르화비닐리덴(PVDF), 아크릴로나이트t 부타디엔 스타이렌(ABS), 또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 형성될 수 있다. 코어(230)는 애노드(205) 및 캐소드(210)에 기계적으로 접속되지 않을 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 기계적 체결구가 코어를 제 위치에 고정시키고 코어(230)를 최 내측 전극 권선(도 5에 도시된 실시예에서 애노드의 최 내측 권선 부분)에 부착하도록 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 코어(230)는 마찰 끼워맞춤(friction fit)에 의해 최 내측 전극 권선 내의 제 위치에 유지된다. 코어(230)는 도 5에 도시된 실시예에서 애노드(205) 및 캐소드(210) 전극 중 단 하나의 전극에만 접촉한다. 애노드(205) 및 캐소드(210) 전극 중 하나는 코어(230)에 접속되지 않고 접촉하지 않는다. 다른 실시예에서, 중앙 코어 요소는 애노드(205) 및 캐소드(210) 전극 중 하나에 전기적으로 결합된 전도성 부재일 수 있으며, 애노드(205) 및 캐소드(210) 전극 중 하나에 전류를 전달하는 데 이용될 수 있다. 다른 실시예에서, 중앙 코어 요소는 애노드(205)에 전기적으로 결합된 제1 축 방향 버스바 및/또는 다른 도전성 중심 요소로 서로 절연된 축 방향 버스바 및/또는 다른 도전성 중심 요소와, 제1 축 방향 버스바와 전기적으로 절연되고 캐소드(210)에 전기적으로 결합된 제2 축 방향 버스바 및/또는 다른 도전성 중심 요소를 포함할 수 있다.
전극은 외부 환경으로부터 전극을 전기적으로 격리시키고 전기화학 전지를 통과하는 전해질의 유체 압력을 견디도록 디자인된 비 금속성 하우징(305) 내부에 위치한다. 하우징(305)은 비 전도성이고, 전해질 용액과 화학적으로 반응하지 않으며, 시스템 압력을 견딜 수 있는 충분한 강도를 갖는다. 하우징(305)은 PVC, PTFE, PVDF, ABS, HDPE, FRP, 또는 기타 적절한 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있으며, 일부 실시예에서는, 보강 요소, 예를 들어 중합체 매트릭스에 내장된 유리 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 전극 커넥터(220, 225)는 하우징(305)의 단부에서 하우징(305)의 벽 외부로 연장된다. 일부 실시예에서, 전극 커넥터(220, 225)는 하우징(305)의 대향하는 단부에서 하우징(305)의 벽 외부로 연장될 수 있다. 전기적 커넥터(220, 225)에 대한 대인적인 디자인이 후속 섹션에서 논의되며, 이들 대안적인 디자인은 도 6의 실시예 및 본 명세서에 개시된 다른 실시예에 동일하게 적용될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 두 개의 전류 패스를 갖는 나선형으로 권취된 전기화학 전지의 다른 실시예를 도시한다. 나선형으로 권취된 애노드(205) 및 캐소드(210) 이외에, 바이폴라인 제3 전극(235)이 있다. 나선형으로 권취된 애노드(205) 및 캐소드(210)는 전기화학 전지의 중심 축에 평행한 방향으로 서로 측 방향으로 변위된다. (애노드(205)를 구비하는 전기화학 전지의 측면 상의) 제3 전극(235)의 일 단부(일부 실시예에서, 약 절반)는 캐소드로서 기능하도록 코팅되지 않고 다른 단부(캐소드(210)을 갖는 전기화학 전지의 측면 상의, 일부 실시예에서, 전극(235)의 약 절반)는 애노드로서 기능하도록 내 산화성 코팅, 예를 들어, 백금 또는 MMO로 코팅된다. 제3 전극(235)은 제1 부분을 따라 애노드(205) 내에 놓이고, 제2 부분을 따라 캐소드(210) 내에 놓이고, 전류가 도 2b의 CTE에서와 유사한 방식으로 전해질 용액을 통과하는 두 개의 패스로 흐르도록 배향된다.
중앙 코어(230)는 유체가 전기화학 전지의 중심을 흘러나와 애노드(205)와 바이폴라 전극(235) 사이의 갭과 캐소드(210)와 바이폴라 전극(235) 사이의 갭을 우회하는 것을 방지하는 중앙 코어 요소 또는 유체 유동 디렉터이다. 코어(230)는 애노드(205), 캐소드(210) 및 바이폴라 전극(235)과 기계적으로 접속되지 않을 수 있다. 다른 실시예에서, 코어를 제 위치에 고정시키고 및/또는 코어(230)를 최 내측 전극 권선(애노드(205)를 구비하는 전기화학 전지의 측면 상의 애노드(205) 또는 바이폴라 전극(235), 또는 캐소드(210)를 구비하는 전기화학 전지의 측면 상의 캐소드(210) 또는 바이폴라 전극(235))에 부착하기 위해 하나 이상의 기계적 체결구가 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 코어(230)는 마찰 끼워맞춤에 의해 최 내측 전극 권선 내의 제 위치에 유지된다. 다른 실시예에서, 코어(230)는 애노드(205)를 구비하는 전기화학 전지의 측면 상의 애노드(205) 또는 바이폴라 전극(235) 중 단 하나에만 접촉 및/또는 접속되고, 캐소드(210)를 구비하는 전기화학 전지의 측면 상의 캐소드(210) 또는 바이폴라 전극(235) 중 하나에만 접촉 및/또는 접속된다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 전지는 비 금속성 하우징(305), 예를 들어, 도 6에 도시된 비 금속성 하우징 내부에 위치할 수 있다. 다른 실시예에서, 다중 전류 패스가 사용될 수 있다. 추가의 바이폴라 전극을 삽입하고 각각의 애노드 및 캐소드 섹션을 중첩시킴으로써, 전기염소화 전지는 도 4에 도시된 멀티-패스 PPE와 개략적으로 유사한 세 개 이상의 전류 패스를 제공하도록 조립될 수 있다.
도 5 내지 도 7b에 도시된 실시예 및 본 명세서에 개시된 나선형으로 권취된 전기화학 전지의 임의의 다른 실시예에서, 전극(205, 210)은 개별적으로 권취된 다음에 함께 조립될 수 있다. 예를 들어, 각각의 전극은 맨드렐(mandrel) 주위에 코팅되거나 코팅되지 않은 티타늄 플레이트를 권취함으로써 제조될 수 있다. 롤러 또는 다른 수단은 맨드렐이 회전될 때 전극을 형성하는 데 사용되는 금속(예를 들어, 티타늄) 플레이트를 가압하고 구부리는 데 사용될 수 있다. 잔류 응력으로 인해, 티타늄이 스프링 백하여 나선형의 각각의 회전 사이에 갭을 발생시킨다. 계산 및 실험에 의해, 전극이 동일한 중심 축에 정렬된 다른 나선형 전극을 수용하기에 충분히 큰 갭을 갖는 상태로 완화되도록 각각의 전극의 감기의 단단함 정도가 결정될 수 있다. 대안적으로, 제2 물질이 티타늄 플레이트에 인접하여 배치되고 나선의 턴(turn) 사이에 필요한 갭을 보장하도록 맨드렐 주위에 티타늄으로 권취될 수 있다. 상기 물질은 예를 들어 높은 듀로미터(durometer)를 갖는 엘라스토머(elastomer)일 수 있다. 중앙 코어(230)는 전극을 조립하기 전 또는 후 또는 하우징에 전극을 삽입하기 전 또는 후에 최 내측 전극의 최 내측 권선에 의해 획정되는 공간에 삽입 및/또는 고정될 수 있다.
본 명세서에 개시된 전기화학 전지의 임의의 실시예의 전극(205, 210 및/또는 235)은 두께가 약 0.25㎜ 및 약 3㎜인 티타늄 플레이트(나선형으로 권취된 실시예에서 각 나선형으로 권취된 전극을 위한 단일 티타늄 플레이트)를 포함하거나 티타늄 플레이트로 구성될 수 있다. 본 명세서에 개시된 전기화학 전지의 임의의 실시예의 전극(205, 210 및/또는 235)은 강성 전극일 수 있다.
권선 후 티타늄 전극의 백금 코팅은 직접적이며, 예를 들어 전기 도금에 의해 달성될 수 있다. MMO 코팅은 평평한 전극이 권취되기 전에 수행될 수 있다. MMO는 하나 이상의 화학적, 열적 및/또는 증기 증착, 페인트 스프레이 및 열처리에 의해 도포될 수 있으며, 증착 후에 열처리될 수 있다.
전극(205, 210)은 그 사이의 분리기와 함께 권취될 수 있는데, 분리기는 전극 사이의 갭을 통해 유체가 흐를 수 있도록 다공성 구조를 가질 수 있다. 분리기는 전극 사이의 갭을 유지하고 유동 분산 및 혼합과 같은 다른 기능을 제공하기 위해 제 위치에 남겨질 수 있다.
전극은 유체 투과성 재료, 예를 들어 천공된 티타늄 플레이트 또는 팽창된 메쉬로부터 제조될 수 있다(도 8 참조). 애노드(205) 또는 애노드로서 작용하는 바이폴라 전극(235)의 부분에 대해, 모든 노출된 표면은 내 산화성 코팅, 예를 들어 백금 또는 MMO로 코팅될 수 있다.
전극(205, 210 및/또는 235)(존재하는 경우) 사이의 간격을 유지하기 위한 가능한 방법은 예를 들어, 전극 사이에 분리기를 제공하는 것을 포함한다. 분리기는 각각 도 9a 및 도 9b에 전체적으로 (300)과 (350)으로 나타낸 바와 같이, 예를 들어 시판되는 비 전도성 직물 또는 압출 스크린을 포함할 수 있다. 분리기(300, 350)는 분리기와 인접한 전극 사이의 접촉 면적을 최소화하도록 구성될 수 있는데, 이 면적은 전극 반응으로부터 마스킹될 수 있고, 전극 표면으로부터의 H2 가스의 방출 및 유체 유동 스트림 내의 가스의 제거와의 간섭을 최소화하고, 전기염소화 장치의 단부 양단의 압력 강하를 최소화하고, 및/또는 혼합물 및 물질 전달을 최대화할 수 있고, 이에 의해 전극 표면에서의 반응 속도를 최대화할 수 있다. 일부 실시예에서, 전극(205, 210 및/또는 235)(존재하는 경우)은, 전극이 가요성 재료로 형성되는 경우보다 전극(205, 210 및/또는 235)(존재하는 경우) 사이에 원하는 분리를 유지하기 위해 더 적은 수의 스페이서(또는 스페이서가 없는 경우도)를 필요로 할 수 있는 강성인 금속 전극일 수 있다.
일부 실시예에서, 비 금속성 (예를 들어, PVC, PTFE, PVDF 및/또는 HDPE 또는 높은 전기적 및 화학적 저항 모두를 갖는 기타 재료) 허브(hub) 또는 복수의 스포크(245)를 구비하는 휠(240)은 전극(205, 210 및/또는 235)(존재하는 경우) 사이에 간격을 유지하기 위해 이용될 수 있다. 각각의 스포크(245)는 도 10에 도시된 바와 같이 전극(205, 210 및/또는 235)(존재하는 경우)의 에지를 수용하고 위치시키기 위해 특정 간격으로 슬롯이 형성된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 스포크(245)는 전극의 에지의 교대하는 측면과 맞물려 제 위치에 유지할 수 있는 핀 또는 돌출부를 포함할 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같은 허브 또는 휠(240)은 전기염소화 전지의 양 단부에 제공될 수 있다. 한 쌍의 허브 또는 휠(240)의 실시예는 전기염소화 전지의 두 외측 단부에, 각 단부에 하나의 허브 또는 휠(240)이 설치될 수 있다. 비 금속성 허브 또는 휠(240)은 유체가 전기염소화 장치의 코어를 유동하는 것을 방지하기 위해 고체 중심부(250)를 포함할 수 있다. 전기염소화 장치의 코어는 고체 중심부가 없는 전기염소화 장치에서 전해질을 통해 애노드 및 캐소드에 인가된 전류가 통과하는 중심 면적으로 정의된다. 일부 실시예에서, 고체 중심부(250)는 전기화학 장치의 최 내측 전극에만 접촉한다.
다른 실시예에서, 허브 또는 휠(240)은 전류를 전극(205, 210)에 전달 및/또는 분배하는 것을 돕기 위해 전도성 물질, 예를 들어 티타늄으로 형성될 수 있다. 그러한 실시예에서, 제1 허브 또는 휠(240)은 애노드(205) 또는 캐소드(210) 중 하나만 전기적으로 접촉하고, 제2 허브 또는 휠(240)은 애노드(205) 또는 캐소드(210) 중 다른 하나와 전기적으로 접촉한다.
다른 실시예에서, 도 11에 도시된 바와 같이, 전극은 선택된 위치에서 천공될 수 있으며 인접한 전극 표면과의 간격을 유지하기 위해 비 도전성 범퍼(255)가 설치될 수 있다. 범퍼(255)는 예를 들어, PTFE 또는 PVDF와 같은 비 도전성 중합체로 성형될 수 있으며, 제자리에 고정되도록 디자인된다. 예를 들어, 범퍼는 수형 및 암형 부(255A, 255B)를 포함할 수 있으며, 수형 부(255A)는 전극(205, 210 및/또는 235)(존재하는 경우)의 제1 표면 상에 배치된 암형 부(255B) 내에서 제자리에 스냅되도록 구성되고, 암형 부(255B)는 전극(205, 210 및/또는 235)(존재하는 경우)의 반대 표면 상에 배치된다.
전극(205, 210)과의 전기적 접속부는, 도 12a 내지 도 12c에 도시된 바와 같이, 전기적 접속을 제공하기 위해 전극의 에지에 용접되는 스포크(265)를 구비하는 티타늄 휠 형 장치(260)를 포함할 수 있다. 스포크(265)는 전극(205, 210) 중 하나의 단부 에지와 맞물리는 간격의 슬롯을 포함하여, 전극이 접속되는 전극의 나선형의 권선 사이의 간격을 유지할 수 있다. 장치(260)의 외부 테두리(rim)(270)는 장치(260)가 전기적으로 접속된 전극에 전류를 제공하기 위해 DC 전력의 소스에 접속될 수 있다. 외부 테두리(270)는 도 12a에 도시된 바와 같은 단일 전기적 접속부(275), 도 12b에 도시된 바와 같은 다중 전기 접속부(275) 및/또는 도 12c에 도시된 바와 같은 탭 커넥터(280)를 포함할 수 있다. 장치(260)는 도 12c에 도시된 바와 같이 전기적으로 접속된 전극(205, 210)의 표면을 따라 연장하는 암(arm)(285)을 포함하여, 도 12a 및 도 12b에 도시된 장치(260)보다 큰 전기 접촉 면적을 제공함으로써 저항 접촉을 낮출 수 있다. 접속부(들)(275, 280)는 아래에 개시된 바와 같은 구조 및 방법을 이용하여 안전 및 부식 방지를 위해 환경으로부터 밀봉 및 격리될 수 있다.
다양한 실시예에서, 하나 이상의 탭이 각각의 전극에 부착된다. 도 6은, 예를 들어 전극(205, 210)에 용접되고 탭(220, 225)을 형성하기 위해 일 단부에서 구부러진 된 티타늄 스트립을 도시한다. 상기 스트립은 전극의 가장자리를 기계적으로 보강하고 전류가 가장자리로 흐르도록 전기저항이 낮은 경로를 제공하기 위해 전극보다 두꺼운 티타늄일 수 있다.
탭과 전원으로부터의 전기 와이어 사이의 접속부는 밀봉될 수 있고, 안전 및 부식 방지를 위해 전기화학 전지를 통해 흐르는 전해질 및 환경으로부터 격리될 수 있다. 도 13a 내지 도 13c는 비 금속 하우징(305)의 단부에서 플랜지(310) 내의 탭(295)을 밀봉하기 위해 가스켓(290)을 사용하는 방법을 도시한다. 방수 커넥터(315)(예를 들어, IP54 커넥터)는 탭(295)을 DC 전력원에 접속시키는 데 사용될 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 나선형으로 권취된 전극을 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 장치의 양태 및 실시예는 애노드와 캐소드 사이의 활성 영역 또는 갭을 통과하는 실질적으로 모든 또는 모든 유체를 활성 영역을 통해 실질적으로 또는 완전히 축 방향으로 지향시키도록 구성되고 배열된 애노드 및 캐소드(또는 애노드-캐소드 쌍)을 포함할 수 있다. 상기 활성 영역을 통한 실질적으로 또는 완전히 축 방향으로의 방향은 전기화학 전지 및/또는 애노드 및 캐소드(또는 애노드-캐소드 쌍)의 중심 축에 평행하거나 실질적으로 평행할 수 있다. 활성 영역을 통해 유동하는 유체는, 유체 유동이 활성 영역을 통과해 유동하는 동안 난류 및/또는 와류를 나타내더라도 여전히 활성 영역을 통과해 실질적으로 또는 완전히 축 방향으로 유동하는 것으로 고려될 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 나선형으로 권취된 전극을 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 장치의 양태 및 실시예는 현재 시장에 있는 동심원 튜브 전기염소화 전지 및 평행 플레이트 전기염소화 전지보다 많은 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, 현재의 동심원 튜브 전기염소화(CTE) 전지에서는, 차아염소산나트륨을 생성하는 전극 반응에서 외부 전극의 내부 표면과 내부 전극의 외부 표면만 활성화된다. 다른 전극 표면은 전해질 용액으로부터 격리되어 있다. 외부 튜브 및 전기적 접속부는 환경에 노출되어 있다.
나선형으로 권취된 전극을 구비하는 디자인에서는, 각 전극의 양 측면의 대부분 또는 모든 표면적이 활성화된다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 4인치 Schedule 40 하우징 (또는 SCH80 PVC와 같은 PVC 하우징) 내의 두 개의 전류 패스를 갖는 장치는, 도 1에 도시된 전기화학 전지와 비교하여, 장치의 단위 체적당 5배 이상의 활성 영역을 갖는다. 따라서, 본 명세서에 개시된 장치는 종래의 CTE 장치와 동등한 양의 활성 전극 면적에 대해 훨씬 더 컴팩트할 것이다(체적이 80% 이상 더 작음).
본 명세서에 개시된 양태 및 실시예에서, 나선형으로 권취된 전극을 비금속 하우징에 삽입하고 방수 커넥터에 의해 DC 또는 AC 전력의 소스에 접속하여 전기적으로 활성 요소가 외부 환경에 노출되지 않도록 할 수 있다(도 13a 내지 도 13c 참조). 이 디자인은 조작자에게 훨씬 안전하며 장치와 외부 접지된 구성 요소 또는 액체 사이의 단락의 위험이 없다. 현재의 CTE 장치에 필요한 밀폐형 인클로저(enclosure)가 필요하지 않으므로 시스템의 복잡성과 자본 비용이 감소한다.
평행 플레이트 전기염소화(PPE) 전지에서는, 다수의 편평한 전극을 지지하고 정렬하고 장치를 통해 유체 흐름을 유도하기 위해 복잡한 프레임 구조가 필요하다(예를 들어, 도 3 참조). 본 명세서에 개시된 바와 같은 나선형으로 권취된 전기화학 장치의 실시예에서는 훨씬 적은 수의 전극을 필요로 한다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 장치의 단위 체적당 활성 전극 면적의 밀도는 평행 플레이트 전기염소화 전지보다 나선형으로 권취된 장치가 더 높을 것으로 예상된다. 전극이 원통형 하우징의 전체 원형 단면을 차지하는 반면, PPE에서는 정사각형 또는 직사각형 부분만 차지한다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 나선형 권취 전극을 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 장치의 양태 및 실시예는 약 46% 내지 약 52%, 약 50% 초과, 일부 실시예에서는, 약 75% 초과, 일부 실시예에서는, 85% 초과, 일부 실시예에서는, 90% 초과, 일부 실시예에서는 95%까지의 활성 밀도를 가질 수 있다.
나선형으로 권취된 소자의 일 단부에서의 단일 애노드 및 다른 단부에서의 단일 캐소드에 대한 전기 접속부는 PPE에서와 같이 다수의 애노드 및 캐소드에 대한 접속부보다 덜 복잡하다(도 4와 도 7a 및 도 7b를 비교). 또한, 본 명세서에 개시된 바와 같은 나선형으로 권취된 장치는 PPE보다 적은 부품을 가지며 조립하기가 쉬울 것으로 기대된다.
전기염소화 전지는 해양, 해안, 도시, 산업 및 상업용으로 사용된다. 나선형으로 권취된 전기화학 장치의 디자인 파라미터, 예를 들어, 전극간 간격, 전극 두께 및 코팅 밀도, 전극 면적, 전기 접속 방법 등은 서로 다른 구현을 위해 최적화될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시예는 CTE 및 PPE 디자인 모두를 대체할 수 있고, 하나의 디자인 플랫폼에서 제품 라인을 통합할 수 있으므로 조달 및 제조의 규모 및 구성 요소의 공통성으로부터 이익을 얻을 수 있다.
다른 양태에 따르면, 전기염소화 전지는 복수의 동심원 튜브 전극을 포함한다. 동심원 튜브 전극 중 적어도 일부는 모노폴라 또는 바이폴라일 수 있다. 세 개의 동심원 튜브를 포함하는 제1 실시예가 도 14a에서 도면 부호 400으로 도시되어 있다. 중간 튜브 전극(405)은 중간 튜브 전극(405)의 표면적을 최대한 이용하기 위해 내부 및 외부 표면 모두에 내 산화성 코팅, 예를 들어, 백금 또는 MMO를 갖는 애노드이다. 내부 튜브 전극(410) 및 외부 튜브 전극(415)은 내부 캐소드 및 외부 캐소드로 각각 작용하며 코팅을 갖지 않는다. 상기 전극들은 모노폴라이므로 전류는 전극당 한 번 전해액을 통과한다. 각각의 전극(405, 410, 415)은 티타늄 튜브를 포함할 수 있다. 애노드 전기적 접속부(430)는 중간 튜브 전극(405)과 전기적으로 연통한다. 캐소드 전기적 접속부(435)는 내부 튜브 전극(410) 및 외부 튜브 전극(415)과 전기적으로 연통한다.
본 명세서에 개시된 다수의 애노드 또는 캐소드 튜브 전극을 포함하는 실시예에서, 다수의 애노드 튜브 전극은 집합적으로 애노드 또는 애노드 튜브로 지칭될 수 있으며, 다수의 캐소드 튜브 전극은 집합적으로 캐소드 또는 캐소드 튜브로 지칭될 수 있다. 다수의 애노드 및/또는 다수의 캐소드 튜브 전극을 포함하는 실시예에서, 다수의 애노드 튜브 전극 및/또는 다수의 캐소드 튜브 전극은 본 명세서에서 집합적으로 애노드-캐소드 쌍으로 지칭될 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 동심형 튜브 전극, 예를 들어, 하나 이상의 애노드 및/또는 캐소드를 포함하는 전기화학 전지의 일부 양태 및 실시예에서, 전극은 전극 사이의 하나 이상의 갭을 통과한 유체를 전기화학 전지의 중심 축에 평행한 방향으로 지향시키도록 구성되고 배열된다. 본 명세서에 개시된 바와 같은 동심형 튜브 전극, 예를 들어 하나 이상의 애노드 및/또는 캐소드를 포함하는 전기화학 전지의 일부 양태 및/또는 실시예에서, 전극은 전극 사이의 하나 이상의 갭을 통해 전기화학 전지로 도입되는 모든 유체를 전기화학 전지의 중심 축에 평행한 방향으로 지향시키도록 구성되고 배열된다.
전극 사이의 갭(420, 425)의 폭은 일정하거나 가변적일 수 있다. 전극 사이의 갭의 폭은, 예를 들어, 약 1㎜와 약 5㎜ 사이일 수 있으며, 상술한 바와 같이, 전기화학 전지에서 처리될 전해질의 유형에 기초하여 선택될 수 있다. 공급 전해질 용액은 세 개의 튜브 전극 사이에 형성된 두 개의 환형 갭(420, 425)을 통과해 흐른다. 일정하거나 가변적인 DC 전압, 또는 일부 실시예에서, AC 전류가 애노드 및 캐소드 전기적 접속부(430, 435) 양단에 인가된다. 전류는 애노드(중간 튜브 전극(405))의 내부 및 외부 표면으로부터 내부 및 외부 캐소드(내부 튜브 전극(410) 및 외부 튜브 전극(415))로 동시에 흐른다. 내부 튜브 전극(410)과 외부 튜브 전극(415) 사이의 전기적 접속은 내부 튜브 전극(410) 및 외부 튜브 전극(415)과 동일한 재료, 예를 들어, 티타늄으로 형성될 수 있는 하나 이상의 전도성 브리지(440)에 의해 이루어질 수 있다. 전기화학 및 화학 반응은 전극의 표면과 벌크 용액에서 발생하여, 예를 들어 소독제로서의 차아염소산나트륨과 같은 제품 용액을 생성한다. 전기염소화 전지(400)는, 예를 들어, 도 6에 도시된 하우징(305)과 같은 비 전도성 하우징 내에 포함될 수 있다.
도 14b에서 전체적으로 (400')로 나타낸 다른 실시예에서, 중간 튜브 전극(405)는 코팅되지 않거나 또는 도금되지 않기 때문에, 중간 튜브 전극(405)의 내부 및 외부가 두 개의 캐소드 표면으로 작용한다. 중간 튜브 전극(405)과 대면하는 내부 튜브 전극(410)과 외부 튜브 전극(415)의 표면은 내 산화성 코팅, 예를 들어, MMO 또는 백금으로 코팅되어 두 개의 애노드 표면을 형성한다. 전극은 모노폴라이므로 전류가 전극당 전해질을 한 번 통과한다. 각각의 전극(405, 410, 415)은 티타늄 튜브를 포함할 수 있다. 애노드 전기 접속부(430)는 내부 튜브 전극(410) 및 외부 튜브 전극(415)과 전기적으로 연통한다. 캐소드 전기 접속부(435)는 중간 튜브 전극(405)과 전기적으로 연통한다.
도 14b에 도시된 실시예는, 전류가 내부 튜브 전극(410)의 애노드 표면과 외부 튜브 전극(415)으로부터 중간 튜브 전극(405)의 두 개의 캐소드 표면으로 흐르는 것을 제외하면, 도 14a에 도시된 실시예와 유사하다. 전기적 접속은 내부 튜브 전극(410) 및 외부 튜브 전극(415)과 동일한 물질, 예를 들어 티타늄으로 형성되거나 포함할 수 있는 하나 이상의 도전성 브리지(440)에 의해 내부 튜브 전극(410)과 외부 튜브 전극(415) 사이에 만들어질 수 있다. 동심형 튜브 전극을 포함하는 전기화학 전지의 임의의 실시예의 전극은, 예를 들어, 약 0.25㎜ 내지 약 3㎜, 약 0.9㎜ 내지 약 2㎜, 또는 약 1.5㎜의 두께를 갖는 강성 금속 전극일 수 있다. 전기화학 및 화학 반응은 전극 표면 및 벌크 용액에서 발생하여 튜브 전극(405, 410, 415) 사이에 형성된 환형 갭(420, 425) 내에 차아염소산나트륨과 같은 생성물 용액을 생성한다. 전기화학 또는 전기염소화 전지(400')는 비 도전성 하우징, 예를 들어, 도 6에 도시된 하우징(305) 내에 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 최 내측 전극(410)의 내부를 통과하여 전기화학 전지(400, 400')의 중심을 통과하는 전해질의 흐름은, 예를 들어, 아래에서 논의되는 도 17, 및/또는 도 10에 도시된 바와 같이 전기화학 셀 및/또는 단부 캡에, 도 7b에 도시된 바와 같이, 비 도전성 코어를 포함함으로써 차단될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 동심형 튜브 전기화학 또는 전기염소화 전지는 네 개의 동심형 튜브 전극을 포함한다. 4 튜브 전기염소화 전지의 예가 도 15에 도시되어 있으며 전체적으로 (500)으로 표시되어 있다. 4 튜브 전기염소화 전지(500)는 애노드로서 작용하고 애노드 전기 접속부(525)와 전기적으로 연통할 수 있는 내부 튜브 전극(505) 및 중간 튜브 전극(510)을 포함한다. 내부 튜브 전극(505) 및 중간 튜브 전극(510)은 또한 하나 이상의 도전성 브리지(550)를 통해 서로 전기적으로 연통할 수 있다. 외부 튜브 전극(520) 및 중간 튜브 전극(515)은 캐소드 전기 접속부(530)와 전기적으로 연통할 수 있는 캐소드로서 작용한다. 외부 튜브 전극(520) 및 중간 튜브 전극(515)은 또한 하나 이상의 도전성 브리지(555)를 통해 서로 전기적으로 연통할 수 있다. 외부 튜브 전극(520) 및 중간 튜브 전극(515)은 중간 애노드 튜브 전극(510)의 대향 측면 상에 배치된다.
4 튜브 전기염소화 전지(500)는, 4 튜브 전기염소화 전지(500) 내에 형성된 세 개의 환형 갭(535, 540, 545)을 통해 공급 전해질 용액이 흐르도록 하는 것을 제외하고는, 3 튜브 전기염소화 전지(400)와 유사한 방식으로 동작한다. 4 튜브 전기염소화 전지(500)를 형성하기 위해 3 튜브 전기염소화 전지(400)에 추가된 여분의 튜브는 추가적인 캐소드 전극 표면, 추가적인 애노드 표면 및 추가적인 환형 갭을 제공한다. 전기화학 및 화학 반응은 전극 및 벌크 용액에서 발생하여 4 튜브 전극 전기염소화 전지(500)에 형성된 세 개의 환형 갭(535, 540, 545) 내에 생성물 용액을 생성한다. 전기염소화 전지(500)는 비 전도성 하우징, 예를 들어, 도 6에 도시된 하우징(305) 내에 포함될 수 있다. 다른 실시예에서, 외부 튜브 전극(520) 및 중간 튜브 전극(515)은 애노드로서 사용되고 내 산화성 코팅으로 코팅될 수 있으며, 내부 튜브 전극(505) 및 중간 튜브 전극(510)은 캐소드로서 사용되고 내 산화성 코팅을 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 최 내측 전극(505)의 내부를 통과하여 전기염소화 전지(500)의 중심을 통과하는 전해질의 흐름은, 예를 들어, 아래에서 논의되는 도 17, 및/또는 도 10에 도시된 바와 같이 전기화학 셀 및/또는 단부 캡에, 도 7b에 도시된 바와 같이, 비 도전성 코어를 포함함으로써 차단될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 동심형 튜브 전기화학 또는 전기염소화 전지는 다섯 개의 동심형 튜브 전극을 포함한다. 5 튜브 전기염소화 전지의 예가 도 16에 도시되어 있으며 전체적으로 (600)으로 표시되어 있다. 5 튜브 전기염소화 전지(600)는 애노드로서 작용하고 애노드 전기 접속부(635)와 전기적으로 연통할 수 있는 중간 튜브 전극(620, 625)을 포함한다. 중간 튜브 전극(620, 625)은 또한 하나 이상의 도전성 브리지(665)를 통해 서로 전기적으로 연통할 수 있다. 내부 튜브 전극(605), 중심 튜브 전극(610) 및 외부 튜브 전극(615)은 캐소드 전기 접속부(630)와 전기적으로 연통할 수 있는 캐소드로서 작용한다. 내부 튜브 전극(605), 중심 튜브 전극(610) 및 외부 튜브 전극(615)은 또한 하나 이상의 도전성 브리지(660)를 통해 서로 전기적으로 연통할 수 있다. 중간 튜브 전극(620, 625)은 중심 애노드 튜브 전극(610)의 대향 측면 상에 배치된다.
5 튜브 전기염소화 전지는, 5 튜브 전기염소화 전지 내에 형성된 네 개의 환형 갭(640, 645, 650, 655)을 통해 공급 전해질 용액이 흐르도록 하는 것을 제외하고는 4 튜브 전기염소화 전지(500)와 유사한 방식으로 동작한다. 5 튜브 전기염소화 전지(600)를 형성하기 위해 4 튜브 전기염소화 전지(500)에 추가된 여분의 튜브는 추가적인 캐소드 전극 표면, 추가적인 애노드 표면 및 추가적인 환형 갭을 제공한다. 전기화학 및 화학 반응은 전극 및 벌크 용액에서 발생하여 5 튜브 전극 전기염소화 전지(600) 내에 형성된 네 개의 환형 갭 내에 생성물 용액을 생성한다. 전기염소화 전지(600)는 비 전도성 하우징, 예를 들어, 도 6에 도시된 하우징(305) 내에 포함될 수 있다. 다른 실시예에서, 내부 튜브 전극(605), 중심 튜브 전극(610) 및 외부 튜브 전극(615)은 애노드로서 사용되고 내 산화성 코팅으로 코팅될 수 있으며, 중간 튜브 전극(620 및 625)은 캐소드로서 사용되고 내 산화성 코팅을 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 최 내측 전극(605)의 내부를 통한 전기 염소화 전지(600)의 중심을 통한 전해질의 흐름은, 예를 들어, 아래에서 논의되는 도 17, 및/또는 도 10에 도시된 바와 같이 전기화학 셀 및/또는 단부 캡에, 도 7b에 도시된 바와 같이, 비 도전성 코어를 포함함으로써 차단될 수 있다.
도 17은 전기화학 전지의 다른 실시예를 도시하며, 전체적으로 (700)으로 표시된다. 도 17에 도시된 바와 같이, 전기염소화 전지의 애노드 및/또는 캐소드 튜브(705, 710)는 전기염소화 전지에서의 전기화학 반응에서 생성된 수소가 전극(705, 710)을 통해 더 쉽게 흐르게 하고 전극 표면에서의 수소 마스킹 효과를 감소시키도록 애퍼처(715)를 구비할 수 있다. 수소 마스킹은 사용가능한 애노드 면적을 줄이고 따라서 차아염소산나트륨 배출을 줄인다. 부가적으로 또는 대안적으로, 애노드(들) 및/또는 캐소드(들)는 유체 투과성 및/또는 천공된 또는 메쉬 재료, 예를 들어 도 8에 도시된 바와 같은 천공된 티타늄 또는 티타늄 메쉬를 포함할 수 있다. 캡핑된 중심 코어를 제공하기 위해 단부 캡(720) 및 전기화학 전지(700)의 유입구 단부 및/또는 유출구 단부가 제공될 수 있다. 단부 캡(들)(720)은 유체가 최 내측 튜브 전극의 내부에 획정된 전기화학 전지(700)의 중심 도관 아래로 흐르고 환형 갭(들)(725)을 우회하는 것을 방지하는 중심 코어 요소 또는 유체 흐름 디렉터이다. 일부 실시예에서, 단부 캡(들)(720)은 하나 이상의 기계적 체결구 및/또는 마찰 끼워맞춤에 의해 동심형 튜브 전극 전기화학 전지의 최 내측 동심형 튜브 전극에 접속될 수 있다. 일부 실시예에서, 단부 캡(들)(720)은 동심형 튜브 전극 전기화학 전지의 최 내측 동심 튜브 전극에만 접촉 및/또는 접속될 수 있다. 동심형 튜브 전극 전기화학 전지의 실시예의 적어도 하나의 전극은 단부 캡(들)(720)에 접속되지 않고 접촉되지 않을 수 있다.
전극은 외부 환경으로부터 전극을 전기적으로 절연시키고 유체 압력을 견디도록 디자인된 비금속 하우징, 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같은 하우징(305) 내부에 위치할 수 있다. 피처(feature), 예를 들어, 도 17에 도시된 전극(715) 및 단부 캡(720)에서의 홀은 다중-튜브 전기염소화 또는 전기화학 전지의 임의의 실시예 또는 본 명세서에 개시된 나선형으 권취 전기화학 전지의 실시예에 포함될 수 있다.
도 18a 및 도 18b는 전체적으로 (800)으로 표시되는 동심형 전극 튜브 전기화학 전지의 다른 실시예를 도시한다. 다중-튜브 애노드(805) 및 캐소드(810) 외에, 바이폴라인 제3 튜브 전극(815)이 있다. 바이폴라 튜브 전극(815)의 일 단부(815A)(일부 실시예에서는 전극(815)의 약 절반)는 캐소드로서 기능하기 위해 코팅되지 않고 다른 단부(815B)(일부 실시예에서는 전극(815)의 약 절반)는 애노드로서 기능하기 위해 내 산화성 코팅, 예를 들어, 백금 또는 MMO로 코팅되어 있다. 바이폴라 튜브 전극(815)은 애노드 튜브 전극(805) 및 캐소드 튜브 전극(810) 내에 위치하는데, 애노드 튜브 전극(805)은 단부(815A)를 둘러싸고 캐소드 튜브 전극(810)은 단부(815B)를 둘러싼다. 공통 직경을 갖는 애노드 튜브 전극(805) 및 캐소드 튜브 전극(810)은 전기화학 전지(800)의 길이를 따라 축 방향으로 변위된다. 바이폴라 튜브 전극(815)은 전류가, 도 2b에 도시된 장치와 유사한 방식으로, 바이폴라 튜브 전극(815)과 애노드 튜브 전극(805) 및 캐소드 튜브 전극(810) 사이를 통과하여 전해질 용액을 2회 통과하여 흐르도록 배향된다. 도 18b에 도시된 바와 같이, 내부 스페이서 캡(820) 및/또는 단부 캡(825)은 전기화학 전지(800)의 최 내측 전극(예를 들어, 최 내측 바이폴라 튜브 전극(815))의 중심을 통과하는 유체의 유동을 방지하기 위해 바이폴라 튜브 전극(815) 내에 배치될 수 있는 중앙 코어 요소 또는 유체 흐름 디렉터이다. 전기화학 전지(800)는 비금속 하우징, 예를 들어, 도 6에 도시된 하우징(305) 내에 장착될 수 있다.
추가의 바이폴라 튜브 전극(815)을 삽입하고 각각의 애노드 튜브 전극(805)과 캐소드 튜브 전극(810)을 중첩시켜 애노드 및 캐소드 튜브 전극이 방사형 방향을 따라 전기염소화 또는 전기화학 전지를 통과하여 복수의 바이폴라 튜브 전극의 다른 측면에 제공되도록 함으로써 전기염소화 전지는 도 4에 도시된 다중 패스 PPE와 개략적으로 유사한 세 개 이상의 전류 패스를 제공하도록 조립될 수 있다.
동심형 튜브 전기화학 또는 전기염소화 전지의 각각의 전극은 상업적으로 입수할 수 있는 ASTM B338 티타늄 튜브 또는 ANSI 배관 또는 미터법 상당의 코팅 또는 코팅되지 않은 제품을 사용하여 제작될 수 있다. 티타늄 단부 접속 플레이트(730)는 레이저 절단될 수 있고, 전극 튜브 사이의 갭 폭을 설정하고 전극 튜브를 이송하기 위해 도 17에 도시된 바와 같이 전극 튜브에 용접될 수 있다. 폭이, 예를 들어, 약 1㎜ 내지 약 5㎜ 또는 폭이 약 3㎜ 내지 약 4㎜인 갭은 화학적으로 불활성 및/또는 비 전도성 재료, 예를 들어 PTFE 또는 PVDF로 만들어진 스페이서 핍(pips) 또는 분리기를 사용하여 전극 튜브를 따라 유지될 수 있다. 분리기는 도 19에 도시된 바와 같이 전극 튜브의 에지 주위에 끼워지는 C자형 또는 U자형 스페이서 탭과 같은 스페이서 탭(905)을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 도 19b에 도시된 바와 같이, 전극은 선택된 위치에서 천공될 수 있고 인접한 전극 표면과의 간격을 유지하도록 비 전도성 범퍼(910)가 설치될 수 있다. 범퍼(910)는 예를 들어, PTFE 또는 PVDF와 같은 비 전도성 폴리머로 성형될 수 있으며, 제자리에 고정되도록 디자인된다. 예를 들어, 범퍼는 수형 및 암형 부(910A, 910B)를 포함할 수 있으며, 수형부(910A)는 전극의 제1 표면 상에 배치된 수형부(910A)로 암형부(910B) 내로 제자리에 스냅되도록 구성되고, 암형부(910B)는 상기 전극의 대향하는 표면 상에 배치된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 분리기는 도 19c에 도시된 바와 같이 전극 튜브 내의 구멍(orifice)을 통과하고 전극 튜브를 인접한 전극 튜브로부터 이격시키는 나사식 고정구(915)를 포함할 수 있다. 도 19a 내지 도 19c에 도시된 임의의 분리기는 또한 본 명세서에 개시된 바와 같은 나선형으로 권취된 또는 평행 플레이트 전기화학 또는 전기염소화 전지의 실시예에 이용될 수 있다.
도 20a 및 도 20b에 도시된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 바와 같이 다중 튜브 전기화학 또는 전기염소화 전지에서 전극의 에지에 용접되는, 예를 들어 티타늄으로 제조되고 스포크(1005)를 포함하는 휠형 장치(1000)가 전극에 전기 접속을 제공하기 위해 이용될 수 있다. 제1 휠형 장치(1000)는 애노드 전극 튜브(들)에 전기적 접촉을 제공하기 위해 본 명세서에 개시된 바와 같은 다중-튜브 전기화학 또는 전기염소화 전지의 제1 단부 상에 제공될 수 있고, 제2 휠형 장치(1000)는 캐소드 전극 튜브(들)에 전기적 접촉을 제공하기 위해 본 명세서에 개시된 다중-튜브 전기화학 또는 전기염소화 전지의 제2 단부 상에 제공될 수 있다. 개구(1010)는 유체가 동심형 전극 튜브 사이의 갭을 통과해 흐를 수 있도록 휠형 장치(1000) 내에 제공될 수 있다. 스포크(1005)는 전극들을 결합시키고 전극 튜브 사이에 간격을 유지시키기 위해, 예를 들어, 도 10에 도시된 휠(240)에서의 슬롯과 유사하게 간격을 두고 위치 설정 요소, 예를 들어, 슬롯, 탭, 핀 및/또는 돌출부를 구비할 수 있다. 휠형 장치(1000)의 외부 테두리(1015)는 도 20a에 도시된 바와 같은 단일 접속부(1020) 또는 도 20b에 도시된 바와 같은 다중 커넥터(1020)를 이용하여 전원에 접속될 수 있다.
전기 커넥터(1020)와 전원으로부터의 전기 와이어(1025) 사이의 접속부는 안전 및 부식 방지를 위해 환경으로부터 밀폐 및 격리될 수 있다. 도 21a 및 도 21b는 전기화학 또는 전기염소화 전지가 배치되는 비 금속성 하우징(1040)의 단부의 플랜지(1035) 내에 전기 커넥터(1020)를 밀봉하기 위해 가스킷(1030)을 사용하는 방법의 예를 도시한다. 방수 커넥터(1045)(예를 들어, IP54 커넥터)는 전기 커넥터(1020)를 전원에 접속하는 데 사용된다.
도 21a 및 도 21b는 또한 조작자를 충격 위험으로부터 보호하고 값비싼 내후성 인클로저에 대한 필요성을 없애는 높은 진입 보호(ingress protection; IP) 등급을 제공하는 실시예를 도시한다. 예를 들어, ABS, U-PVC, C-PVC, 및/또는 PVDF 재료를 사용하는 고밀도 플라스틱 배관 부품은 차아염소산나트륨에 대한 내 화학성 및 약 5 내지 약 15 바(Bar) 범위에서 달성할 수 있는 높은 압력 등급으로 인해 비 금속성 하우징(1040) 용으로 사용될 수 있다. 상업적으로 이용가능한 고 IP 정격 케이블 커넥터를 사용하여 전극으로 또는 전극으로부터 전류를 전송할 수 있다.
다중 동심형 튜브 전극을 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 전지 및 장치의 실시예는 현재 사용중인 전기화학 또는 전기염소화 디자인에 비해 많은 장점을 갖는다. 예를 들어, 현재의 동심형 튜브 전기염소화(CTE) 전지에서는, 차아염소산나트륨을 생성하는 전극 반응에서 외부 전극의 내부 표면 및 내부 전극의 외부 표면만 활성화된다. 다른 표면은 전해질 용액으로부터 격리된다. 외부 튜브 및 전기 접속부는 환경에 노출되어 있다. 반대로, 다중 튜브 전극을 갖는 실시예(예를 들어, 3 튜브 및 5 튜브 실시예)에서는, 애노드 전극 튜브의 내부 및 외부 표면 모두를 사용하기 위해 애노드는 내 산화성 코팅, 예를 들어 MMO 또는 백금으로 코팅된다.
네 개의 동심형 전극 튜브를 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 전지는 하나의 애노드 튜브의 양면에 코팅 또는 도금되고, 다른 애노드 튜브는 한 면만 코팅된다. 그러나, 이는 여전히 기존의 CTE 디자인과 비교할 때 재료의 보다 효율적인 사용을 나타낸다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 3 튜브, 4 튜브 및 5 튜브 다중 튜브 전극 배열은, 도 1a 및 도 1b에 도시된 CTE 전극과 비교할 때, 단위 체적당 활성 영역을 점진적으로 증가시킨다. 다중 동심형 튜브 전극을 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 전지 및 장치에 사용되는 다중 튜브의 수가 증가함에 따라, 최 내측 튜브 직경은 튜브 당 보다 적은 활성 표면적으로 점차 작아질 것이다. 그러나, 전체 결과는 도 1a 및 도 1b에 도시된 CTE 전극 장치와 비교할 때 다중 튜브 전극이 상당히 더 활성적인 표면을 가질 것이라는 것이다
따라서, 본 명세서에 개시된 다중 튜브 전기화학 또는 전기염소화 전지는 기존의 CTE 전해기(electrolyzer)와 비교하여 동일한 양의 차아염소산나트륨의 생산하기 위한 크기의 전해기를 형성하는 다수의 유닛으로 사용될 때 훨씬 더 컴팩트하게 된다. 세 개의 동심형 전극 튜브를 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 전지는 종래의 CTE보다 약 30% 적은 공간을 필요로 한다. 네 개 또는 다섯 개의 동심형 전극 튜브를 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 전지는 상당히 더 많은 공간을 절약할 수 있다.
다중 튜브 전극은 비 금속성 비 전도성 하우징 내에 삽입될 수 있고 전기적으로 충전된 부품이 외부 환경에 노출되지 않도록 방수 커넥터에 의해 전원에 접속될 수 있다(도 21a 및 도 21b 참조). 이 디자인은 조작자에게 훨씬 안전하며 장치와 외부 접지된 구성 요소 또는 액체 사이의 단락의 위험이 없다. 현재의 CTE 장치에 필요한 밀폐형 인클로저가 필요하지 않으므로 시스템의 복잡성과 자본 비용이 감소한다.
평행 플레이트 전기염소화(PPE) 전지는 종래의 CTE 전지에 비해 단위 체적당 훨씬 높은 충전 밀도를 가지며, 높은 농도의 차아염소산나트륨이 생산될 수 있다. 복수의 동심형 전극 튜브를 포함하는 전기염소화 전지는 이들 PPE 장점들 모두에 도전할 수 있을 것이다. 그러나, 복수의 동심형 전극 튜브를 포함하는 전기염소화 전지는 PPE 전지에서 전형적으로 나타나는 낮은 유속 및 이로 인한 낮은 자체 청소 정도로 인해 주기적인 산 세척을 요구하는 PPE 단점을 갖지 않을 것이므로, 유지 보수 및 유해한 화학 물질의 취급을 훨씬 적게 한다. 복수의 동심형 전극 튜브 장치를 포함하는 전기염소화 전지는 PPE보다 부품 수가 적고 조립이 쉽다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 동심형 전극 튜브를 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 장치의 양태 및 실시예는 애노드와 캐소드 사이의 활성 영역 또는 갭을 통과하는 실질적으로 모든 또는 모든 유체를 활성 영역을 통해 실적으로 또는 완전히 축 방향으로 지향시키도록 구성되고 배열된 애노드 및 캐소드(또는 애노드-캐소드 쌍)를 포함할 수 있다. 활성 영역을 통과하는 실질적으로 또는 완전히 축 방향으로의 방향은 전기화학 전지 및/또는 애노드 및 캐소드(또는 애노드-캐소드 쌍)의 중심 축에 평행하거나 실질적으로 평행할 수 있다. 활성 영역을 통과하여 유동하는 유체 유동이 활성 영역을 통과해 유동하는 동안 난류 및/또는 와류를 나타내더라도 여전히 활성 영역을 통과해 실질적으로 또는 완전히 축 방향으로 유동하는 것으로 고려될 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 동심형 전극 튜브를 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 장치의 양태 및 실시예는 약 46% 내지 약 52%, 일부 실시예에서, 약 50% 초과, 일부 실시예에서, 약 75% 초과, 일부 실시예에서, 85% 초과, 일부 실시예에서 90% 초과, 일부 실시예에서 약 95%까지의 활성 밀도를 가질 수 있다.
전기염소화 전지는 해양, 해안, 도시, 산업 및 상업용으로 사용된다. 전극 간격, 전극 두께 및 코팅 밀도, 전극 면적, 전기적 접속 방법 등을 포함하는 다수의 동심형 전극 튜브를 포함하는 전기염소화 전지의 디자인 파라미터가 상이한 구현을 위해 선택될 수 있다. 본 명세서에 개시된 양태 및 실시예는 전극의 수, 전극 사이의 공간, 전극 재료 또는 스페이서 재료, 전기염소화 전지 또는 전극 코팅 재료 내에서의 패스 수에 제한되지 않는다.
다른 양태에 따르면, 전기화학 또는 전기염소화 전지에는 본 명세서에서 반경 방향으로 실질적으로 정렬된 전극으로도 지칭되는 축 방향 방사 전극(axially radiating electrode)이 제공될 수 있다. 축 방향 방사 전극은 전기화학 또는 전기염소화 전지의 중앙 채널에 인접한 영역으로부터 전지의 외부 쉘 또는 하우징을 향해 연장되는 캐소드 및 애노드를 포함할 수 있다. 캐소드 및 애노드는 전지를 통과하는 유체의 흐름에 대체로 수직인 평면에 형성된 원형 경로를 따라 번갈아가며 배치된다. 캐소드 및 애노드 전극은 갭에 의해 분리되고 갭을 통과해 흐르는 액체는 전기화학적 처리, 예를 들어, 전기염소화 처리된다. 나선형-귄취 전극 구조는 대체로 표면적 대 체적의 가능한 비율이 가장 높은 것으로 간주되지만, 축 방향 방사 디자인은 동일한 충전 밀도에 접근할 수 있다. 축 방향 방사 디자인의 구축은 서브 유닛 구성 요소의 간소화 및 이들을 제작하기 위해 사용할 수 있는 견고한 기술(판금, 소결, 압출)로 인해 나선형으로 권취된 디자인을 구축하는 것보다 쉽다.
도 22a 및 도 22b는 전체적으로 (1100)으로 표시되는 방사상으로 연장되는 전극을 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 전지의 하나의 대표적인, 비-한정적인 실시예를 도시한다. 전기화학 전지(1100)는 유체 채널(1115)에 의해 방사상으로 연장되는 캐소드(1110)로부터 분리된 방사상으로 연장되는 복수의 애노드(1105)를 포함한다. 방사상으로 연장되는 애노드(1105) 및 방사상으로 연장되는 캐소드(1110)는 전기화학 전지(1100)의 중심 축(1135)에 인접하여 그 주위에 정의된 영역(1130)으로부터 전기화학 전지의 외주 또는 하우징 쪽으로 연장된다. 일부 실시예에서, 애노드(1105)의 일부 또는 전부는 강성 금속 전극, 예를 들어 MMO 또는 백금과 같은 내 산화성 코팅으로 코팅될 수 있는, 예를 들어 티타늄 전극이다. 일부 실시예에서, 캐소드(1110)의 일부 또는 전부는 강성 금속 전극, 예를 들어 티타늄 전극이고, 또는 다른 실시예에서, 수소 저감을 제공하는 다공성 가스 확산 캐소드이다. 일부 실시예에서, 애노드(1105)의 일부 또는 전부는 가스 확산 애노드일 수 있다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 개시된 방사상으로 연장되는 전극을 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 전지는 하나 이상의 바이폴라 전극을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 방사상으로 연장되는 전극을 포함하는 전기화학 전지의 임의의 실시예의 전극은, 예를 들어, 약 0.25㎜ 내지 약 3㎜ 또는 약 1㎜ 내지 약 2㎜의 두께를 갖는 강성 금속 전극일 수 있다.
중심 가스 도관(1120)은 산소 전달을 위해 제공되어 산소가, 예를 들어 전지(1100) 내에서 전기염소화 반응에 의해 생성된 수소와 결합하여 물을 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 촉매는 전지(1100) 내에서 산소 및 수소의 반응을 용이하게 하기 위해, 예를 들어, 캐소드(1110) 상부 및/또는 내부에 제공된다. 비 전도성 외부 쉘(1125)은 방사상으로 연장되는 애노드(1105), 방사상으로 연장되는 캐소드(1110), 유체 채널(1115) 및 중앙 도관(1120)을 수용할 수 있다. 전극 표면적 대 체적비는 전극 두께, 전극 간 간격, 전체 전지 크기와 같은 파라미터의 선택을 통해 조작될 수 있다.
유체, 예를 들어, 전지(1100) 내에서 처리중인 전해질은 중심 도관(1120) 및 중심 축(1135)에 실질적으로 평행한 방향으로 유체 채널을 통과해 유동할 수 있다. 본 명세서에 개시된 방사상으로 연장되는 애노드(1105) 및 방사상으로 연장되는 캐소드(1110)를 포함하는 전기화학 전지의 일부 실시예에서, 방사상으로 연장되는 애노드(1105) 및 방사상으로 연장되는 캐소드(1110)는 인접한 방사상으로 연장되는 애노드(1105)와 방사상으로 연장되는 캐소드(1110) 사이에 정의된 유체 채널을 통해 일부 또는 모든 유체의 흐름을 전기화학 전지의 중심 종 방향 축에 평행한 방향 또는 적어도 실질적으로 평행한 방향으로 지향하도록 구성되고 배치된다.
도 22c는 도 22a의 전기화학 전지(1100)의 애노드(1105)의 단면 사시도이다. 도 22d는 방사상으로 연장된 부분(1110A)이 지지부(1110B)에 의해 어떻게 결합될 수 있는지를 도시하는, 도 22a의 전기화학 전지(1100)의 캐소드(1110)의 단면 사시도이다.
도 22e는 방사상으로 연장되는 애노드(1105) 및 방사상으로 연장되는 캐소드(1110)가 방사상 연장부를 따라 실질적으로 동일한 두께를 갖는 도 22a 및 도 22b의 전기화학 전지(1100)의 다른 구성을 도시한다. 도 22e의 전기화학 전지는 또한 유체가 전기화학 전지의 코어를 통과해 흐르는 것을 방지하는 솔리드 코어(1150)를 포함한다. 코어(1150)는 비 전도성 재료, 예를 들어, PVDF, PTFE 또는 기타 폴리머를 포함하거나 전도성 재료로 형성될 수 있다. 도 22f 및 도 22g는 방사상으로 연장되는 전극을 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 전지의 실시예의 방사상으로 연장되는 애노드(1105) 및 방사상으로 연장되는 캐소드(1110)가 절연 요소(1140)에 의해 어떻게 서로 접속되거나 결합되는지를 도시한다. 도 22h는 방사상으로 연장되는 전극(1105, 1110)을 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 전지의 실시예가 모노폴라일 수 있음을 도시한다. 도 22i는 방사상으로 연장되는 전극을 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 전지의 실시예가 바이폴라일 수 있고, 전기화학 전지의 길이를 따라서 서로 변위된 방사상으로 연장되는 애노드(1105) 및 방사상으로 연장되는 캐소드(1110)뿐만 아니라 방사상으로 연장되는 전극(1145)을 포함할 수 있음을 도시한다. 추가의 방사상으로 연장되는 애노드(1105) 및/또는 방사상으로 연장되는 캐소드(1110)는 전기화학 전지를 멀티-폴라로 만들기 위해 제공될 수 있다.
도 23a 내지 도 23d는 도 22a 및 도 22b의 전기화학 전지의 기하학적 구조의 대안적인 배관 구성을 포함하는 전체적으로 (1200)으로 표시된 전기화학 전지를 도시한다. 전환(diverting) 캡의 사용을 통해, 전기화학 전지(1200)를 통과하는 유체 유동의 축 방향 유동 패턴이 형성될 수 있다. 도 23a에 도시된 바와 같이, 전기화학 전지(1200)는 유입 단부 캡(1205)의 외측 에지(1215)에 원주 방향으로 근접하여 배치되지만, 유입 단부 캡의 외측 에지로부터 변위된 개구(1210)를 갖는 유입 단부 캡(1205)을 포함할 수 있다. 개구(1210)는 전기화학 전지(1200)의 내부에서 애노드(1225)와 캐소드(1230) 사이의 유체 채널(1220)과 유체 연통할 수 있다. 따라서, 유체가 전기화학 전지(1200)의 길이를 따라 이동함에 따라, 유체, 예를 들어, 개구(1210)을 통해 유입된 전해질은 화살표(1235)(도 23b)에 의해 지시된 방향으로 방사상 내측으로 유동하여 중심 유체 도관(1240)을 향해 유동할 수 있다. 방사상으로 연장된 애노드(1225) 및 방사상으로 연장된 캐소드(1230)는 전기화학 전지(1200)의 중심 도관(1240)으로부터 전기화학 전지(1200)의 외주 또는 하우징을 향해 연장된다. 전기화학 전지(1100)에서와 같이, 애노드(1225)의 일부 또는 전부는 내 산화성 코팅, 예를 들어, MMO 또는 백금으로 코팅될 수 있는 금속 전극, 예를 들어 티타늄 전극이고, 캐소드(1230)의 일부 또는 전부는 수소 저감을 제공하는 다공성 가스 확산 캐소드이다. 가스 도관(1245)은 가스 확산 캐소드(1230)에 산소의 유동을 제공하기 위해 비 전도성 외부 쉘 또는 하우징(1250) 내의 유체 채널(1220)의 원주 방향으로 외측에 제공될 수 있다. 도 23c에 도시된 바와 같이, 출구 개구(1255)는 출구 단부 캡(1260) 내에서 대체로 중앙에 위치되고 중심 도관(1240)과 유체 연통 상태로 제공된다. 대안적인 실시예에서, 유체가 전기화학 전지(1200)를 통해 흐를 때, 유체는 출구 단부 캡(1260)으로부터 입구 단부 캡(1205)으로 유동하고 중심 도관(1240)으로부터 개구(1210)로 반경 방향으로 외측으로 유동할 수 있다.
도 23d에 도시된 바와 같이, 전기화학 전지(1200)는 내부 배플(1265)을 포함할 수 있다. 배플(1265)은 전기화학 전지(1200)를 통과하는 유체의 유동 방향 및/또는 혼합을 제어 또는 수정하고, 유체 배플(1265)이 없는 전기화학 전지(1200)와 비교하여 유체 유동 채널(1220)에 추가적인 경로 길이를 제공할 수 있다. 전기화학 전지(1200)를 통과하는 유체 유동은 외부 개구(1210)에서 중심 유체 도관(1240)까지, 중심 유체 도관(1240)에서 중심 유체 도관(1240)까지, 또는 외부 개구(1210)에서 외부 개구(1210)까지일 수 있다.
도 24는 도 22a 및 도 22b의 전기화학 전지의 다른 기하학적 변형을 나타낸다. 전극 두께 및 전극 간 갭을 감소시킴으로써, 전기염소화 전지 체적에 대한 전극(1105, 1110)의 표면적의 비율이 증가되었다.
도 25a는 전극(1105, 1110)의 표면적이 주름의 사용을 통해 추가로 증가된 도 24의 전기화학 전지의 다른 기하학적 변형을 도시한다. 도 25a의 실시예에서, 애노드(1105) 및 캐소드(1110) 각각은 주름진 형상이다. 다른 실시예에서, 애노드(1105) 및 캐소드(1110)는 증가된 전극 표면적을 제공하기 위해 도시된 것과 상이한 곡률 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 25b에 도시된 바와 같이, 전기화학 전지는 주름진 애노드(1105) 또는 캐소드(1110) 중 하나를 포함할 수 있고, 애노드(1105) 또는 캐소드(1110) 중 다른 하나는 주름지지 않을 수 있다.
도 26은 다중-채널 주름진 전극 구조를 포함하는 도 22a 및 도 22b의 실시예에 대한 변형을 도시한다. 도 26의 실시예에서, 캐소드(1110)에서 또는 캐소드 내에서 수소 저감을 위한 표면적은 애노드(1105) 당 다수의 가스 확산 캐소드(1110)의 사용을 통해 도 22a 및 도 22b의 실시예와 비교하여 증가될 수 있다. 다수의 가스 확산 캐소드(1110)는 중심 도관(1120)뿐만 아니라 중심 도관(1120)으로부터 방사상으로 변위된 축 방향 가스 도관(1145)을 통해 가스, 예를 들어, 산소를 공급받을 수 있다.
도 27a 내지 도 27c는 도 26의 축 방향 가스 도관(1145)의 공압(pneumatic) 및 전기적 라우팅을 위한 구성의 실시예를 도시한다. 완화된 채널 피처(1160) 및 가스 입구/출구(1165)를 구비하는 단부 캡(1150, 1155)은 전기화학 전지(1100)의 대향 단부(1170, 1175)에 고정될 수 있으며, 따라서 공기 밀봉된 챔버를 형성한다. 이들 캡(1150, 1155)은 전극(1105, 1110)에 전류를 전달하기 위한 전기 접점을 통합할 수 있기 때문에 잠재적으로 이중 목적을 제공할 수 있다.
본 명세서에 개시된 방사상으로 연장된 전극을 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 장치의 양태 및 실시예는 애노드와 캐소드 사이의 활성 영역 또는 갭을 통과하는 실질적으로 모든 또는 모든 유체를 활성 영역을 통해 실질적으로 또는 완전히 축 방향으로 지향시키도록 구성되고 배열된 애노드 및 캐소드(또는 애노드-캐소드 쌍)를 포함할 수 있다. 활성 영역을 통한 실질적으로 또는 완전히 축 방향으로의 방향은 전기화학 전지 및/또는 애노드 및 캐소드(또는 애노드-캐소드 쌍)의 중심 축에 평행하거나 실질적으로 평행할 수 있다. 활성 영역을 통과하여 유동하는 유체는 유체 유동이 활성 영역을 통과해 유동하는 동안 난류 및/또는 와류를 나타내더라도 여전히 활성 영역을 통과해 실질적으로 또는 완전히 축 방향으로 유동하는 것으로 고려될 수 있다.
본 명세서에 개시된 방사상으로 연장되는 전극을 포함하는 전기화학 또는 전기염소화 장치의 양태 및 실시예는 약 46% 내지 약 52%, 약 50% 초과, 일부 실시예에서, 약 75% 초과, 일부 실시예에서, 85% 초과, 일부 실시예에서, 90% 초과, 그리고 일부 실시예에서는 약 95%까지의 활성 밀도를 가질 수 있다.
다른 양태에 따르면, 오벌형 또는 축 방향 권취가 아닌 전기화학 전지가 제공된다. 오벌형은 2차원 형상을 가지며, 종점(도 28a)에 접하는 평행선에 의해 접속된 두 개의 반원으로 구성되며, 그 후에 3차원(도 28b)으로 투영될 수 있다.
오벌형 구조는 배관 및 전기 배선에 무수한 구성을 허용하기 때문에 축 방향으로 권취된 또는 원통형의 전기화학 전지에 비해 뚜렷한 이점을 갖는다. 오벌형 전기화학 전지의 실시예는 중앙 오벌형 코어의 둘레 주위에 권취된 둘 이상의 전극에 의해 경계가 정해진 하나 이상의 채널을 포함할 수 있다. 채널은 관통 전극, 멤브레인, 스페이서, 도관 또는 기타 피처 중 어느 것을 사용하여 획정될 수 있다. 전극은 또한 치수면에서 안정한 전도성 시트 또는 가스 확산 전극을 포함하지만 이들로 한정되지 않는 형태로 변화될 수 있다. 일단 획정되면, 채널은 유체 또는 가스 흐름에 관계없이 하나 이상의 반응물을 전달하는 데 사용된다. 전압은 전극 양단에 인가되어, 전기화학 전지가 하나 이상의 생성물을 생성하게 할 수 있다.
도 29a 내지 도 29d는 몇몇 상이한 유동 구성 실시예를 도시한다. 예를 들어, 도 29a에 도시된 바와 같이, 하나의 유동 스트림이 내향 또는 외향하면서 오벌형 코어 주위에 하나의 채널이 권취될 수 있다. 다른 실시예는, 예를 들어, 도 29b에 도시된 바와 같이, 유체 및/또는 가스가 다수의 방향으로 이동할 수 있는 채널보다 많은 기하학적 구조를 포함한다. 그러한 구조는 처리되는 유체가 하나의 채널을 통해 흐르고 산소가 다른 채널을 통해 가스 확산 전극으로 흐르는, 가스 확산 전극을 사용하는 실시예에 특히 유리할 것이다. 다른 실시예에서, 도 29c에 도시된 바와 같이, 반응물은 중심 코어의 압출 축을 따라서 "플로우-쓰루(flow-through)" 방식으로 이동할 수 있다. 도 29d에 도시된 바와 같은 다른 실시예는, 도 29a 및 도 29c에 도시된 유동 구성의 조합을 포함하며, 유체는 일부 전지에서는 코어 압출부를 따라 이동하는 반면, 다른 전지에서는 권취된 외주를 따른다.
도 30a 내지 도 30c는 오벌형 전기화학 전지의 실시예에서의 전기적 라우팅을 위한 잠재적인 구성을 도시한다. 일부 실시예에서, 전기적 라우팅의 방위는 배관의 방위를 그대로 따른다. 일부 실시예에서, 전기적 버스바(1305)는 전지들 사이에 전압을 공급하고, 코어 압출 길이를 따라서 이동하거나(도 30a), 또는 외주에 권취될 수 있다(도 30b).
도 30c는 코어 요소가 절연체(1320)에 의해 캐소드(1315)로부터 격리된 애노드(1310)를 포함하는 압출된 전기적 접속부의 비 제한적인 실시예를 도시한다. 이 구성에서, 반원형 단부(1325)는 전극 팩(들)(1330)의 두께를 허용하도록 오프셋될 수 있고, 팩(1330)이 서로 겹쳐질 때 매끄러운 전이(transition)를 허용할 수 있다. 전극(1345)을 버스바(1350)에, 제 위치에 서로 및 스페이서(1350)에 전기적으로 접속하는 데 사용되는 나사 또는 볼트(1335) 및 전도성 스페이서(1340)를 구비하는 간단하고 안전한 전기적 접속부가 또한 이용될 수 있다(도 31a 및 도 31b).
다른 양태에 따르면, 전기화학 또는 전기염소화 장치 또는 전지의 전극에 우수한 전기적 접속을 제공하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 이러한 우수한 전기적 접속의 실시예는 본 명세서에 개시된 임의의 및 모든 전기화학 또는 전기염소화 장치 또는 전지에 적용가능하다.
전기화학 전지의 동작 중에, 더 높은 전류의 흐름이 전기화학 전지로 전달되더라도 작동 온도를 낮게 유지하는 것이 종종 바람직하다. 종래의 전기화학 전지는 전형적으로 티타늄 외피에 용접된 티타늄만의 전기 커넥터(101A, 101B)를 포함한다(도 1a 참조). 티타늄 전기 커넥터(101A, 101B)는 고도의 내 화학성을 제공하지만 바람직하지 않은 양의 열(및 낭비된 에너지)을 발생시키지 않으면서 전기화학 전지에 전류를 제공하기에 최적이 아닐 수 있다. 티타늄 커넥터의 높은 비저항으로 인해, 전통적인 티타늄 커넥터에 공급되는 전류가 제한되어야 할 수 있으므로, 공기 중에서의 커넥터의 온도 상승은 과도하게 상승하지 않는다. 그러나, 차아염소산나트륨 전지 출력이 전류 입력에 직접적으로 비례하기 때문에, 이는 전기염소화 전지에 의해 생성된 염소 또는 차아염소산나트륨의 출력을 제한한다. 전통적인 티타늄 커넥터에서의 발열로 인해, 커넥터는 IP54 이상의 높은 침투 보호 레벨을 갖춘 전기적 절연 물질 내에 완전히 밀폐될 수 없다. 따라서, 밀봉된 전기 커넥터만큼 열을 가두지 않는 값비싼 전기 인클로저가 필요하다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 전통적인 티타늄 커넥터는 종종 보다 큰 단면적 재료로 만들어지는데 이는 전기 커넥터 및 전기화학 전지의 비용을 실질적으로 증가시킨다.
구리의 비저항은 1.707×10-8 Ω/m이고, 티타늄의 비저항은 7.837×10-7 Ω/m이다. 구리는 티타늄보다 전기적 비저항이 거의 46배 정도 낮다. 따라서, 저 저항 구리로 적어도 부분적으로 만들어진 전기화학 전지의 전극에 전기 커넥터를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나 구리는 티타늄보다 화학적으로 부식되기 쉽기 때문에 전기화학 셀을 통과하는 전해질과의 접촉을 피해야 한다.
개선된 전기 커넥터의 일부 실시예에서, 프로세스 유체 또는 전해질(예를 들어, 동등한 염소의 부식 흔적을 함유하는 해수)과 접촉하는 전기 커넥터 부분은 티타늄이다. 이 물질을 통과하여 흐르는 전류에 의해 발생되는 열은 유동하는 프로세스 유체에 의해 효율적으로 제거된다. 프로세스 유체의 유속은 자기-세척(self-cleaning) 전지의 경우 2 m/s를 초과하고, 평행 플레이트 전지의 경우 0.2 내지 0.4 m/s를 초과하는 유속으로 종종 상당하므로, 전기 커넥터의 티타늄 부분의 온도 상승은 무시할만한 값으로 유지된다. 공기와 접촉하는 전기 커넥터 부분은 구리(또는 티타늄보다 낮은 비저항을 갖는 기타 금속 또는 합금)이다.
상이한 금속, 예를 들어, 티타늄 및 구리(또는 티타늄보다 낮은 비저항을 갖는 기타 금속 또는 합금)로 형성된 부분을 포함하는 공기-액체 냉각 전기 커넥터는 전통적인 티타늄 커넥터에 의해 나타나는 문제점을 극복할 수 있다. 전기 저항이 낮은 금속(예를 들어, 구리)이 공기에 노출된 전기 커넥터의 일부에 형성되거나 포함될 수 있다. 우수한 낮은 전기 저항으로 인해, 온도 상승은 작고 수용 가능한 값으로 제한된다. 이 외부 도체는 프로세스 액체(예를 들어, 해수)와 접촉하는 커넥터의 내부보다 높은 내 화학성(예를 들어, 티타늄) 부분에 결합된다. 프로세스 액체의 수냉 효과로 인해 커넥터의 내부 높은 내 약품성 부분의 온도 상승은 작고 수용 가능한 값으로 제한된다.
전체 이중 금속 전기 커넥터는 비교 가능한 전류 등급을 위해 기존의 티타늄 전용 커넥터보다 비용면에서 효율적일 수 있다. 이중 금속 전기 커넥터의 외부 도체는 낮은 온도 상승을 나타내며 전기 절연 재료 내에 밀봉될 수 있으므로 값비싼 전기 인클로저에 대한 필요성이 제거된다. 또한, 공기-액체 냉각 이중 금속 전기 커넥터의 실시예는 전통적인 티타늄 전용 전기 전지 커넥터의 경우보다 개발되는 전기화학 전지에 훨씬 더 많은 전류를 공급한다.
전기 커넥터를 포함하는 전기화학 전지(1400)의 일 실시예는, 도 32에 도시된 바와 같이, 사용 중에 프로세스 유체 또는 전해질과 접촉할 수도 있는 티타늄 부분(1405) 및 사용 중에 공기와 접촉할 수도 있는 구리 부분(1410)을 포함한다. 티타늄 부분(1405) 및 구리 부분(1410)은 전기화학 전지의 플랜지(1415) 내에서 물리적 및 전기적으로 접속될 수 있으며, 전기화학 전지의 내부에서 커넥터 부분 주위에 기밀 밀봉을 제공하고, 예를 들어 상기 도 13a 내지 도 13c 및/또는 도 21a 및 도 21b를 참조하여 상술한 바와 같은 가스켓(명확성을 위해 도 32에서 생략됨)을 사용하여 외부 환경으로부터 전기화학 전지의 내부를 밀봉한다. 구리는 높은 전도성 물질의 예이고, 본 명세서에 개시된 전기적 접속부는 구리에 대해 다른 고 전도성 물질 또는 합금을 대체할 수 있음을 이해해야 한다. "구리 부분" 또는 "구리"라는 용어는 편의를 위해 사용되었지만, 이들 용어는 이들 구성 요소를 구리로 형성하는 것으로 제한하지 않는 것으로 이해된다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 전지에 사용하기 위한 공기-액체 냉각 이중 금속 전기 커넥터를 제조하는 다양한 방법이 도 33a 내지 도 33f에 도시되어 있다. 예를 들어, 도 33a는 티타늄 부분(1405)이 기계적 체결구, 예를 들어 볼트(1420)에 의해 구리 부분(1410)에 결합되는 방법을 도시한다. 볼트(1420)는 티타늄 부분(1405) 또는 구리 부분(1410)과 동일한 재료로 형성될 수 있다. 도 33a에 도시된 실시예 및 본 명세서에 개시된 다른 실시예에서 티타늄 부분(1405)은 전기화학 장치 내의 애노드 또는 캐소드 중 하나와 전기적으로 접촉하는 암(arm) 또는 스포크(1425) 및 프로세스 유체, 예를 들어, 전해질이 전기화학 장치 내외로 유동하도록 하는 개구(1430)를 포함할 수 있다. 암 또는 스포크(1425)는 전기화학 장치 내의 전극과의 결합을 용이하게 하기 위한 슬롯(1430)을 포함할 수 있다.
도 33b는 티타늄 부분(1405)이 억지 끼워맞춤(interference fit)에 의해 구리 부분(1410)에 결합되는 방법을 도시한다. 도 33a와 도 33b를 비교하면, 구리 부분(1410)이 티타늄 부분(1405)으로부터 연장되거나 또는 티타늄 부분(1405)을 완전히 둘러쌀 수 있음을 볼 수 있다.
도 33c는 티타늄 부분(1405)이 구리 부분(1410) 내의 개구(1440)의 내측 테두리 상에 상보적인 나사산을 결합시킴으로써 구리 부분(1410)의 제 위치에 나사 결합될 수 있는 나사형 외부 테두리(1435)를 포함하는 실시예를 도시한다.
도 33d에 도시된 다른 실시예에서, 구리 부분(1410)은 티타늄 부분(1405)의 개구(1450)에 나사 결합하는 하부 원통형 나사부(1445)를 포함한다. 도 33a 내지 도 33c에서, 티타늄 부분(1405)은 실질적으로 플레이트 형이지만, 도 33d에서 티타늄 부분(1405)는 3차원 원통형 요소이다.
도 33e에 도시된 다른 실시예에서, 구리 부분(1410)은 다중 금속 전기 커넥터(1455), 예를 들어 티타늄 및 구리 또는 하나 이상의 다른 고 전도성 금속의 합금으로 대체된다. 다중 금속 전기 커넥터(1455)는 티타늄보다 낮은 비저항을 갖는다. 다중 금속 전기 커넥터(1455)는 도 33e에 도시된 바와 같이 티타늄 부분(1405)에 용접될 수 있다. 다른 실시예에서, 도 33a 내지 도 33d 중 어느 하나에서의 구리 부분(1410)과 유사한 치수를 갖는 다중 금속 부분이 이들 실시예에서 구리 부분(1410)으로 대체될 수 있다.
다른 양태에 따르면, 도 34a 및 도 34b에서 전체적으로 (1500)으로 표시된 전기염소화 전지는 아치형 베이스(1505B)에 전기적 및 기계적으로 결합된 복수의 평행 플레이트(1505A)를 구비하는 캐소드(1505) 및 아치형 베이스(1510B)에 전기적 및 기계적으로 결합된 복수의 평행 플레이트(1510A)를 구비하는 애노드(1510)를 포함한다. 캐소드(1505)의 평행 플레이트(1505A)는 애노드(1510)의 평행 플레이트(1510A)와 인터리브된다. 본 명세서에 개시된 다른 실시예에서와 같이, 애노드(1510) 및/또는 캐소드(1505)는 티타늄일 수 있고, 애노드(1510)는 내 산화성 코팅, 예를 들어, 백금 또는 MMO로 코팅될 수 있다. 애노드(1510) 및/또는 캐소드(1505)는 압출에 의해 형성될 수 있다. 캐소드(1505) 및 애노드(1510)는 원통형의, 또는 실질적으로 원통형의 용기(1515) 내에 배치되고, 일부 실시예에서 비 전도성 재료로 형성된다. 전기적 접속은 상술한 임의의 전기적 접속 기구에 따라 애노드(1510) 및 캐소드(1505)에 만들어질 수 있다. 스페이서는 상술한 임의의 스페이서 메카니즘에 따라 애노드(1510) 및 캐소드(1505)의 플레이트 사이에 제공될 수 있다. 애노드(1505)와 캐소드(1510)의 활성 영역은 캐소드(1505) 및 애노드(1510)의 아치형 베이스(1505B, 1510B)뿐만 아니라, 일부 실시예에서, 캐소드(1505)의 평행 플레이트(1505a) 및 애노드(1510)의 평행 플레이트(1510A)를 포함한다. 유체의 유동은 각각의 베이스 부로부터 애노드(1510) 및 캐소드(1505)의 플레이트의 연장 방향에 대체로 수직인, 도 34b에 지시된 방향으로 용기(1515)를 통과한다. 애노드(1505)와 캐소드(1510)의 활성 영역은 용기(1515)의 단면 전체를 가로질러 연장되어 용기(1515)의 에지로부터 오로지 충분한 간격을 남겨두어서, 애노드(1505)와 캐소드(1510)가 접촉하지 않고 전기적으로 서로 단락되지 않도록 한다. 아치형 베이스(1505B, 1510B)는 많은 양의 활성 전극 면적을 제공하기 위해 약 180° 미만, 예를 들어 약 165° 내지 약 175°의 아크 범위를 확장할 수 있다. 따라서 전기염소화 전지(155)는 종래의 평행 플레이트 전기염소화 장치보다 단위 체적 당 더 큰 활성 전극 면적을 포함하고 더 낮은 전체 체적으로 동등한 양의 염소화를 생성하도록 동작할 수 있다.
상이한 애노드-캐소드 플레이트 간격을 갖는 전기화학 전지(1500)의 대안적인 구성이 도 34c 및 도 34d에 도시된다. 도시된 바와 같이, 애노드(1510) 또는 캐소드(1505)의 최 외측 플레이트(1510A, 1505A)는 베이스(1510B, 1505B)보다 두껍고 다른 플레이트(1510A, 1505A)와 같거나 더 큰 두께를 가질 수 있는 두꺼워진 부분(1510C, 1505C)을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 두꺼워진 부분(1510C, 1505C)은 바깥 플레이트(1510A, 1505A)가 형성된 시트를 그 자체로 접음으로써 형성될 수 있다. 애노드(1510) 및/또는 캐소드(1505)는 시트의 구부림(도 34c) 및/또는 압출(도 34d)에 의해 형성될 수 있다. 인터리브된 애노드 및 캐소드(1510, 1505)를 포함하는 전기화학 전지(1500)는 단일 애노드(1510) 및 캐소드(1505)(도 34e)를 구비하는 모노폴라이거나, 또는 전기화학 전지(1500)의 길이를 따라서 변위되는 단일 애노드(1510) 및 캐소드(1505)를 구비하는 바이폴라(도 34f)로서 각각은 바이폴라 전극(1520)의 플레이트와 인터리브된 플레이트를 각각 갖는다. 추가적인 애노드(1510) 및/또는 캐소드(1505)는 전기화학 전지를 멀티폴라(multi-polar)로 하기 위해 제공될 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 또는 전기염소화 전지 및 장치는 보다 큰 시스템의 일부로서 포함될 수 있다. 하나 이상의 전기화학 또는 전기염소화 전지 또는 장치를 사용하는 시스템의 예가 도 35에서 전체적으로 (1600)으로 도시되어 있다. 시스템(1600)은 일부 실시예에서는 선박 또는 오일 리그(oil rig)와 같은 바다 기반 시스템이며, 다른 실시예에서는 예를 들어 발전소, 석유 시추 설비 또는 시스템 또는 기타 산업 설비와 같은 육상 기반 빌딩이다. 다른 실시예에서, 시스템(1600)은 수영장 또는 음용수, 폐수 또는 공업용수 처리 공정을 위한 처리 시스템이거나 그를 포함할 수 있으며, 시스템(1600)에서 전기화학 장치의 하나 이상의 생성물, 예를 들어 소독제를 사용하여 물을 처리 또는 소독한다.
시스템(1600)은 본 명세서에 개시된 바와 같은 하나 이상의 전기화학 또는 전기염소화 전지 또는 장치를 포함할 수 있는 하나 이상의 전기염소화 시스템(1605)을 포함한다. 상기 시스템은, 일부 실시예에서 외부의 소스(1610A) 및/또는 내부의 소스(1610B)로부터 시스템으로 해수 또는 염수인 프로세스 액체 또는 전해질을 끌어들일 수 있다. 예를 들어, 시스템이 해상 기반 시스템인 경우, 외부 소스(1610A)는 해양이 될 수 있고 내부 소스(1610B)는 예를 들어 선박의 밸러스트 탱크일 수 있다. 육상 기반 시스템에서, 외부 소스(1610A)는 해양일 수 있고 내부 소스(1610B)는 시스템(1600)에서 수행되는 산업 공정으로부터의 염수 폐수일 수 있다. 하나 이상의 전기염소화 시스템(1605)은 소스(1610A 및/또는 1610B)로부터 물로부터 염소화된 물 및/또는 차아염소산나트륨을 포함하는 용액을 생성하고 이를 사용 지점(1615)에 분배한다. 사용지점은 시스템, 선박의 밸러스트 탱크용 소독제의 소스, 석유 시추 시스템의 다운홀(downhole) 또는 염소처리된 물이 유용할 수 있는 기타 시스템일 수 있다. 다양한 펌프(1620)가 시스템(1600)을 통과하는 유체의 유동을 제어할 수 있다. 하나 이상의 센서(1625)는 시스템을 통과해 유동하는 유체의 하나 이상의 파라미터, 예를 들어, 이온 농도, 염소 농도, 온도 또는 임의의 기타 관심 파라미터를 모니터링할 수 있다. 펌프(1620) 및 센서(1625)는, 센서(1625) 및 펌프(1620)와 연통하고 펌프(1620) 및 시스템(1600)의 다른 요소의 작동을 제어하여 원하는 동작 파라미터를 달성하는 제어 시스템 또는 제어기(1630)와 연통한다.
시스템(1600)의 다양한 요소들의 동작을 모니터링하고 제어하기 위해 사용되는 제어기(1630)는 전산화된 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어기(1630)의 다양한 양태는 도 36에 도시된 것과 같은 범용 컴퓨터 시스템(1700)에서 실행되는 특수 소프트웨어로서 구현될 수 있다. 컴퓨터 시스템(1700)은 디스크 드라이브, 솔리드 스테이트 메모리 또는 데이터를 저장하기 위한 기타 장치와 같은 하나 이상의 메모리 장치(1704)에 접속된 프로세서(1702)를 포함할 수 있다. 메모리(1704)는 컴퓨터 시스템(1700)의 동작 중에 프로그램 및 데이터를 저장하는 데 전형적으로 사용된다. 컴퓨터 시스템(1700)의 구성 요소는 하나 이상의 버스(예를 들어, 동일한 장치 내에 통합된 구성 요소 사이) 및/또는 네트워크(예를 들어, 개별 이산 장치에 상주하는 구성 요소)를 포함할 수 있는 상호접속 메커니즘(1706)에 의해 결합될 수 있다. 상호접속 기구(1706)는 시스템(1700)의 시스템 구성 요소 간에 통신(예를 들어, 데이터, 명령)이 교환될 수 있게 한다. 컴퓨터 시스템(1700)은 또한, 예를 들어, 키보드, 마우스, 트랙볼, 마이크, 터치 스크린과 같은 하나 이상의 입력 장치(1708)와, 예를 들어 프린팅 장치, 디스플레이 스크린, 및/또는 스피커와 같은 하나 이상의 출력 장치(1710)를 포함할 수 있다.
출력 장치(1710)는 또한 생성 물(예를 들어, 염수 또는 해수)을 소스(1610A 및/또는 1610B)로부터 전기염소화 시스템(1605) 또는 사용 지점(1615)으로 도입하고 및/또는 펌프(1620)의 속도를 조절하는 데 이용될 수 있는 밸브, 펌프 또는 스위치를 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서(1714)가 또한 컴퓨터 시스템(1700)에 입력을 제공할 수 있다. 이들 센서는, 예를 들어, 압력 센서, 화학 물질 농도 센서, 온도 센서, 또는 시스템(1600)에 관심있는 임의의 기타 파라미터에 대한 센서일 수 있는 센서(1625)를 포함할 수 있다. 이들 센서는 예를 들어 사용 지점(1615) 및/또는 전기염소화 처리 시스템(1605)의 상류 또는 소스(1610A 및/또는 1610B)와 유체 연통하는 시스템(1600)의 임의의 부분에 위치할 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(1700)은 컴퓨터 시스템(1700)을 상호 접속 기구(1706)에 추가하여 또는 대안적으로 통신 네트워크에 접속시키는 하나 이상의 인터페이스(미도시)를 포함할 수 있다.
도 37에 더 상세하게 도시된, 저장 시스템(1712)은 전형적으로 프로세서(1702)에 의해 실행될 프로그램 또는 그 프로그램에 의해 처리될 정보를 정의하는 신호가 저장되는 컴퓨터 판독 가능 및 기록 가능 비휘발성 기록 매체(1802)를 포함한다. 상기 매체는 예를 들어 디스크 또는 플래시 메모리를 포함할 수 있다. 전형적으로, 동작 시, 프로세서는 비휘발성 기록 매체(1802)로부터 매체(1802)보다 정보에 더 빠른 액세스를 허용하는 다른 메모리(1804)로 데이터를 판독하게 한다. 이 메모리(1804)는 전형적으로 다이나믹 랜덤 액세스 메모리(DRAM) 또는 스태틱 메모리(SRAM)와 같은 휘발성, 랜덤 액세스 메모리를 포함할 수 있다. 이는, 도시된 바와 같이, 저장 시스템(1712) 또는 메모리 시스템(1704) 내에 위치할 수 있다. 프로세서(1702)는 일반적으로 집적 회로 메모리(1804) 내의 데이터를 조작한 다음, 처리가 완료된 후에 데이터를 매체(1802)에 복사한다. 매체(1802)와 집적회로 메모리 소자(1804) 사이의 데이터 이동을 관리하기 위한 다양한 메커니즘이 공지되어 있으며, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시예는 이들로 한정되지 않는다. 본 명세서에 개시된 양태 및 실시예는 특정 메모리 시스템(1704) 또는 저장 시스템(1712)에 한정되지 않는다.
컴퓨터 시스템은 ASIC(application-specific integrated circuit)과 같은 특별히 프로그래밍된 특수 목적 하드웨어를 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 양태 및 실시예는 소프트웨어, 하드웨어 또는 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 또한, 그러한 방법, 동작, 시스템, 시스템 요소 및 그 구성 요소는 상술한 컴퓨터 시스템의 일부로서 또는 독립적인 구성 요소로서 구현될 수 있다.
본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시예가 실행될 수 있는 컴퓨터 시스템의 일 유형으로서 예로서 컴퓨터 시스템(1700)이 도시되어 있지만, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시예는 도 36에 도시된 바와 같은 컴퓨터 시스템상에 구현되는 것으로 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시예는 도 36에 도시된 것과 상이한 구조 또는 구성 요소들을 갖는 하나 이상의 컴퓨터상에서 실행될 수 있다.
컴퓨터 시스템(1700)은 고급 컴퓨터 프로그래밍 언어를 사용하여 프로그램 가능한 범용 컴퓨터 시스템일 수 있다. 컴퓨터 시스템(1700)은 특별히 프로그램된 특수 목적 하드웨어를 사용하여 구현될 수도 있다. 컴퓨터 시스템(1700)에서, 프로세서(1702)는 전형적으로 인텔사(Intel Corporation)로부터 입수 가능한 잘 알려진 펜티엄(PentiumTM) 또는 코어(CoreTM) 급(class) 프로세서와 같은 상업적으로 이용 가능한 프로세서이다. 프로그래머블 로직 컨트롤러를 포함하여 많은 기타 프로세서를 이용할 수 있다. 그러한 프로세서는 일반적으로 마이크로소프트사(Microsoft Corporation)에서 제공하는 윈도우 7(Windows 7), 윈도우 8(Windows 8) 또는 윈도우 10(Windows 10) 운영 시스템, 애플 컴퓨터(Apple Computer)에서 제공하는 맥 운영 시스템 X(MAC OS System X), 썬 마이크로시스템(Sun Microsystems)에서 제공하는 쏠라리스(Solaris) 운영 시스템, 또는 다양한 출처에서 제공하는 유닉스(UNIX)일 수 있는 운영 시스템을 실행한다. 다른 많은 운영 시스템이 사용될 수 있다.
프로세서 및 운영 시스템은 고급 프로그래밍 언어의 응용 프로그램이 작성되는 컴퓨터 플랫폼을 정의한다. 본 발명은 특정 컴퓨터 시스템 플랫폼, 프로세서, 운영 시스템 또는 네트워크에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시예가 특정 프로그래밍 언어 또는 컴퓨터 시스템에 한정되지 않는다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 다른 적절한 프로그래밍 언어 및 다른 적절한 컴퓨터 시스템이 또한 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
컴퓨터 시스템의 하나 이상의 부분은 통신 네트워크에 결합된 하나 이상의 컴퓨터 시스템(미도시)에 걸쳐 분산될 수 있다. 이들 컴퓨터 시스템은 또한 범용 컴퓨터 시스템 일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 다양한 양태는 서비스(예를 들어, 서버들)를 하나 이상의 클라이언트 컴퓨터들에 제공하거나 분산된 시스템의 일부로서 전체적인 작업을 수행하도록 구성된 하나 이상의 컴퓨터 시스템들 사이에 분산될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시예는, 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시예에 따르는 다양한 기능을 수행하는 하나 이상의 서버 시스템 사이에 분산된 구성 요소를 포함하는 클라이언트-서버 시스템상에서 수행될 수 있다. 이러한 구성 요소는 통신 프로토콜(예를 들어, TCP/IP)을 사용하여 통신 네트워크(예를 들어, 인터넷)를 통해 통신하는 실행 가능, 중간(예를 들어, IL) 또는 해석된(예를 들어, Java) 코드일 수 있다. 일부 실시예에서, 컴퓨터 시스템(200)의 하나 이상의 구성 요소는 예를 들어 셀룰러 폰 네트워크를 포함하는 무선 네트워크를 통해 하나 이상의 다른 구성 요소와 통신할 수 있다.
본 명세서에 개시된 양태 및 실시예는 임의의 특정 시스템 또는 시스템의 그룹상에서 실행하는 것으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 양태 및 실시예는 임의의 특정 분산 구조, 네트워크 또는 통신 프로토콜에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시예는 스몰톡(SmallTalk), 자바(Java), C++, Ada, 또는 C#(C-Sharp)과 같은 객체-지향 프로그래밍 언어를 사용하여 프로그래밍될 수 있다. 다른 객체-지향 프로그래밍 언어도 사용될 수 있다. 또는, 기능적, 스크립팅 및/또는 논리적 프로그래밍 언어, 예를 들어 래더 로직(ladder logic)이 사용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시예는 비 프로그래밍 환경(예를 들면, 브라우저 프로그램의 윈도우에서 볼 때 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 측면을 랜더링하거나 다른 기능을 수행하는 HTML, XML 또는 다른 포맷으로 생성된 문서)에서 구현될 수 있다. 여기에 개시된 다양한 양태 및 실시예는 프로그래밍된 또는 비 프로그래밍된 요소들, 또는 이들의 임의의 조합으로서 구현될 수 있다.
실험예
도 14a를 참조하여 상술한 바와 같은 3 튜브 전지 및 도 16을 참조하여 상술한 바와 같은 5 튜브 전지를 포함하는, 동심원 튜브 전기염소화 전지의 동작을 도 1a 및 도 1b를 참조하여 상술한 종래의 CTE와 비교하기 위해 테스트가 수행되었다
3 튜브 및 5 튜브 전기염소화 전지를 비 전도성 12BarG 정격 u-PVC 외피로 둘러쌌다. 밀폐된 전지는 누출 또는 수압 저하 없이 30분 동안 12BarG까지 수압 테스트되었다. 3 튜브 및 5 튜브 애노드 전극은 주로 루테늄산화물(RuO2)을 포함하나 이리듐산화물(IrO2) 및 일부 티타늄산화물(TiO2)을 포함하는 MMO로 코팅되었다. 차아염소산나트륨 출력이 테스트되었다. 차아염소산나트륨 출력은 증가된 애노드 표면적에 비례하여 증가하였다.
표 1을 참조하면, 애노드 전극 표면적과 전지 체적을 비교하면, 3 튜브 전기염소화 전지는 동일한 단위 체적에 대해 종래의 CTE 전기염소화 전지의 애노드 면적의 1.73배(또는 173%)를 갖는다.
계산: 0.97 ㎥ / 0.56 ㎥ = 1.73 또는 178%
또는, 이는 동등한 활성 애노드 표면적을 갖게 하는 종래의 CTE 전기염소화 전지의 체적의 0.58배(58%)만 필요로 하는 3 튜브 멀티 튜브로 볼 수 있다.
계산: 0.56 ㎥ / 0.97 ㎥ = 0.58 또는 58%
표 2를 참조하면, 애노드 전극 표면적과 전지 체적을 비교함으로써, 5 튜브 전극은 동일한 단위 체적에 대한 종래의 CTE 전극의 애노드 면적의 2.77배(또는 277%)를 갖는다.
계산: 0.97 ㎥ / 0.33 ㎥ = 2.93 또는 293%
또는, 이는 동등한 활성 애노드 표면적을 갖게 하는 종래의 CTE 전기염소화 전지의 체적의 0.36배(36%)만 필요로 하는 5 튜브 멀티 튜브로 볼 수 있다.
계산: 0.33 ㎥ /0.97 ㎥ = 0.34 또는 34%
표 1을 참조하면, 등가 단위 부피 기준에서, 3 튜브 다중 튜브 전기염소화 전지는 종래의 CTE 전기염소화 전지보다 165% 내지 174% 더 차아염소산 나트륨을 생성하였다.
표 2를 참조하면, 등가 단위 부피 기준에서, 5 튜브 다중 튜브 전기염소화 전지는 종래의 CTE 전기염소화 전지보다 327% 내지 387% 더 차아염소산 나트륨을 생성하였다.
2개의 전해질 갭이 있는 3개의 튜브를 구비하는 전극다중 튜브와 비교한 전해질 갭이 1개인 2개의 튜브를 구비하는 기존 CTE 전극
전해질: 16 내지 21℃에서 20.3g/I/3.6% NaCl의 염화물 함량을 갖는 염수
코팅
RUA-SW		 기존 CTE 전극 다중 전극 비율 애노드 면적 차이로 조정된 비율 기존 CTE
전극		 다중 전극 비율 애노드 면적 차이로 조정된 비율
애노드
면적(㎡)
0.28
0.30
0.93		 0.3㎡ × 0.93
= 0.28㎡
0.28
0.30
0.93		 0.3㎡ × 0.93
= 0.28㎡
애노드
길이(m)
1.36
0.79
1.36
0.79
외부
튜브
직경(m)
0.071
0.077
0.071
0.077
전지
체적(㎥)
0.097
0.060		 다중-튜브(3)
0.06㎥ × 0.93
= 0.056㎥
0.097
0.060		 다중-튜브(3)
0.06㎥ × 0.93
= 0.056㎥
염수
온도(℃)
16
20
21
전지 DC전류(A)
210
450
280
600
전제
전류(A)
420
450
560
600
셀 CD (A/㎡)
1500
1500
2000
2000
실제 셀 (V)
10.1
5.47
11.5
6.2
전류
패스 당 전압
5.05
5.47
5.75
6.2
실제 Kg/h
0.53
0.54
0.68
0.73
길이(1m)당 실제 Kg/h
0.39
0.69
1.77
0.50
0.93
1.86
체적(1㎥)당 실제 Kg/h/
5.46
9
1.65
7.01
12.16
1.74
4개의 전해질 갭이 있는 5 튜브를 구비하는 다중 튜브 전극과 비교하여, 1개의 전해질 갭이 있는 2개의 튜브를 구비하는 기존 CTE 전극
전해질: 15 내지 17℃에서 20.3g/I/3.6% NaCl의 염화물 함량을 갖는 염수
코팅
RUA-SW		 기존 CTE 전극 다중 전극 비율 애노드
면적 차이로 조정된 비율		 다중
전극		 애노드
면적 차이로 조정된 비율		 비율
애노드
면적(㎡)
0.28
0.5
0.58
0.5
애노드
길이(m)
1.36
0.79
0.79
외부
튜브
직경(m)
0.071
0.077
0.077
전지
체적(㎥)
0.097
0.060		 다중-튜브(5)
0.6㎥ ×0.56
= 0.33 ㎥
0.060
염수
온도(℃)
16.6
15
15
전지 DC전류(A)
260
450
576
전제
전류(A)
520
900
1152
셀 CD (A/㎡)
1857
1875
2400		 1875/2400
=0.781
실제 셀 (V)
11
11.7
12.8
전류
패스 당 전압
5.5
5.6
6.4
실제 Kg/h 0.64 1.55 1.66 0.781×1.66
=1.297
길이(1m)당 실제 Kg/h
0.47
1.97
4.20
2.11
1.64
체적(1㎥)당 실제 Kg/h/
6.6
25.6
3.87
27.6
21.6
3.27
위의 결과는 다음을 보여준다.
1. 종래의 CTE 디자인과 비교할 때, 단위 체적당 훨씬 더 높은 활성 애노드 표면적이 다중 튜브 전기염소화 전지로 달성될 수 있다. 즉. 훨씬 더 높은 충전 밀도가 달성되었다.
2. 다중 튜브 디자인으로 달성된 훨씬 높은 황성 애노드 표면적과 일치하게, 전류가 전극에 인가될 때 차아염소산나트륨의 비례하는 높은 출력이 측정되었다.
3. 더 높은 충전 밀도/다중 튜브 전기염소화 전지의 더 높은 차아염소산 나트륨 배출로 이 디자인이 PPE 전기염소화 전지에 비해 경쟁력을 갖지만 산성 세척의 단점은 없다.
확인된 추가적인 장점은 종래의 PPE 전기염소화 전지에 비해 다중 튜브 전기염소화 전지에 필요한 부품이 상당히 적어, 무게가 적게 들고 조립 시간이 단축된다는 것이다. 5 튜브 다중 튜브 전극의 무게는 약 15kg이지만 전형적인 PPE 전기염소화 전지의 무게는 이보다 10배 이상이다. 다중 튜브 전극은 종래의 PPE 전기염소화 전지의 15시간에 비해 다중 튜브 전극의 경우 약 1.5시간으로, 조립하는 것이 더 쉽고 시간이 덜 소요되는 것으로 밝혀졌다.
도 38의 표는 본 명세서에 개시된 바와 같은 전기화학 전지의 상이한 실시예의 다양한 기능 파라미터를 도시한다. "MK2M" 디자인 엔트리는 도 1a 및 도 1b에 도시된 실시예에 대응한다. 상기 표에서 알 수 있는 바와 같이, 일부 디자인은 위에 언급된 "활성 밀도" 파라미터에 해당하는 85% 이상의 유동 비율을 사용할 수 있다. 또한, 표에서 볼 수 있는 바와 같이, 일부 디자인은 위에서 설명한 "전체 전극 충전 밀도" 파라미터에 해당하는 최대 1.7 ㎜-1의 전극 비율을 가진다.
본 명세서에서 사용된 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한적으로 간주되어서는 안 된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "복수형"이라는 용어는 둘 이상의 아이템 또는 구성 요소를 지칭한다. 서면 설명이나 청구항 등 어느 것이든 "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "가지고 다니는(carrying)", "갖는(having)", "포함하는(containing)" 및 "포함시키는(involving)"의 용어는 제한없는 용어, 즉 "포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다"를 의미한다. 따라서, 그러한 용어의 사용은 이후에 열거되는 항목 및 그 등가물뿐만 아니라 추가 항목을 포함하는 것을 의미한다. "구성된(consisting)"과 "본질적으로 구성된(consisting essentially of)"이라는 전이(transitional) 구문은 청구항과 관련하여 각각 폐쇄형 또는 반 폐쇄형 전이 구분이다. 청구 요소를 수정하기 위해 청구범위에서 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 서수 용어의 사용은 그 자체로 하나의 청구항 요소의 다른 청구항 요소에 대한 우선 순위(priority), 우선 순위(precedence) 또는 순서(order), 또는 시간적으로 방법이 수행되는 순서를 암시하지 않고, 단지 특정 이름을 갖는 하나의 청구항 요소를 다른 청구항 요소로부터 구별하기 위해 동일한 명칭을 갖는 다른 요소(그러나 서수 용어를 사용하기 위한)와 구별하는 표지로서 사용된다.
따라서, 적어도 하나의 실시예에 대한 일부 양태를 설명하였으므로, 당업자는 다양한 변경, 수정 및 개선을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 임의의 실시예에서 설명된 임의의 특징은 임의의 다른 실시예의 임의의 특징에 포함되거나 대체될 수 있다. 그러한 변경, 수정 및 개선은 본 개시의 일부로서 의도되며, 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 상술한 설명 및 도면은 단지 예일 뿐이다.

Claims (49)

  1. 전기화학 전지로서,
    유입구, 유출구 및 중심 축을 갖는 하우징; 및
    상기 중심 축을 중심으로 상기 하우징 내에 동심원 상으로 배치되고 애노드-캐소드 쌍의 애노드와 캐소드 사이에 활성 영역을 획정하는 애노드-캐소드 쌍을 포함하되, 상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나의 활성 표면적은 상기 하우징의 내부 표면의 표면적보다 큰 표면적을 가지며, 상기 애노드-캐소드 쌍은 상기 전기화학 전지를 통과하는 모든 유체를 상기 활성 영역을 통해 축 방향으로 지향시키도록 구성되고 배열되며,
    상기 전기화학 전지 내에 배치되고 상기 중심 축을 따라 상기 전기화학 전지의 일부분을 통과하는 유체의 유동을 차단하도록 구성된 비전도성 중앙 코어 요소를 더 포함하되, 상기 비전도성 중앙 코어 요소는 상기 애노드-캐소드 쌍의 적어도 하나의 전극에 접속되지 않은 것을 특징으로 하는, 전기화학 전지.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 2㎜-1의 전체 전극 충전 밀도(packing density)를 갖는, 전기 화학 전지.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 애노드-캐소드 쌍은 상기 중심 축에 대해 나선형으로 권취되는, 전기화학 전지.
  5. 제4항에 있어서, 하나 이상의 나선형으로 권취된 바이폴라 전극을 더 포함하는, 전기화학 전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 애노드는 상기 캐소드로부터 상기 전기화학 전지의 길이를 따라 측 방향으로 변위되는, 전기화학 전지.
  7. 제4항에 있어서, 상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나는 강성(rigid) 전극인, 전기화학 전지.
  8. 제7항에 있어서, 상기 애노드 및 캐소드 각각은 티타늄, 니켈 및 알루미늄 중 1종 이상을 포함하는, 전기화학 전지.
  9. 제7항에 있어서, 상기 애노드의 표면은 백금, 혼합 금속 산화물(mixed metal oxide), 자철광(magnetite), 페라이트(ferrite), 코발트 스피넬(cobalt spinel), 탄탈륨, 팔라듐, 이리듐, 금 및 은으로 이루어진 군으로부터 선택된 내 산화성 코팅으로 코팅되는, 전기화학 전지.
  10. 제8항에 있어서, 상기 애노드 및 상기 캐소드 중 적어도 하나는 유체 투과성(fluid permeable)인, 전기화학 전지.
  11. 제4항에 있어서, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 갭 거리를 유지하도록 구성된 분리기를 더 포함하되, 상기 분리기는 전해액이 상기 활성 영역을 통과해서 유동하도록 개방되어 있는, 전기화학 전지.
  12. 제11항에 있어서, 상기 분리기는 상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나의 에지와 결합하는 슬롯을 갖는 스포크(spoke)를 구비하는 허브를 포함하는, 전기화학 전지.
  13. 제12항에 있어서, 상기 허브는 상기 애노드와 상기 캐소드 중 하나를 전류원에 전기적으로 접속하도록 구성된 전기 커넥터를 더 포함하는, 전기화학 전지.
  14. 제4항에 있어서, 상기 애노드 및 상기 캐소드 중 하나와 전기적으로 접촉하는 스포크를 포함하는 허브를 더 포함하는, 전기화학 전지.
  15. 제14항에 있어서, 상기 스포크는 상기 애노드와 상기 캐소드 중 하나의 에지와 결합하고 나선형으로 권취된 애노드-캐소드 쌍의 턴(turn) 사이의 갭을 유지하는 슬롯을 포함하는, 전기화학 전지.
  16. 제4항에 있어서, 상기 중앙 코어 요소는 상기 애노드-캐소드 쌍의 최 내측 권선 내에 배치된 비 전도성 코어를 포함하는, 전기화학 전지.
  17. 제1항에 있어서, 상기 애노드-캐소드 쌍은 복수의 동심형 전극 튜브와 인접 전극 튜브 사이에 획정되는 갭을 포함하는, 전기화학 전지.
  18. 제17항에 있어서, 상기 복수의 동심형 전극 튜브는 복수의 애노드 전극 튜브 및 복수의 캐소드 전극 튜브 중 하나를 포함하는, 전기화학 전지.
  19. 제18항에 있어서, 상기 복수의 애노드 전극 튜브 및 상기 복수의 캐소드 전극 튜브 중 하나는 강성 전극인, 전기화학 전지.
  20. 제18항에 있어서, 상기 복수의 동심 전극 튜브는 복수의 애노드 전극 튜브 및 복수의 캐소드 전극 튜브를 포함하는, 전기화학 전지.
  21. 제18항에 있어서, 전류가 전해질 용액을 통과해 애노드 전극 튜브로부터 캐소드 전극 튜브로 단일 패스(pass)로 흐르도록 구성되는, 전기화학 전지.
  22. 제18항에 있어서, 애노드 전극 튜브와 캐소드 전극 튜브 사이에 배치된 바이폴라 전극 튜브를 더 포함하는, 전기화학 전지.
  23. 제22항에 있어서, 애노드 절반 및 캐소드 절반을 포함하는 전극 튜브를 더 포함하는, 전기화학 전지.
  24. 제22항에 있어서, 애노드 절반 및 캐소드 절반을 갖는 동심원으로 배열된 인접한 쌍의 전극 튜브들 사이에 각각 배치된 복수의 바이폴라 전극 튜브를 더 포함하는, 전기화학 전지.
  25. 제22항에 있어서, 상기 복수의 애노드 전극 튜브 및 상기 복수의 캐소드 전극 튜브 중 적어도 하나는 유체 투과성인, 전기화학 전지.
  26. 제17항에 있어서, 인접한 전극 튜브 사이에 위치한 적어도 하나의 분리기를 더 포함하되, 상기 적어도 하나의 분리기는 상기 인접한 전극 튜브 사이의 갭을 획정하고 유지하도록 구성되는, 전기화학 전지.
  27. 제26항에 있어서, 상기 분리기는 전해질 용액이 인접한 전극 튜브 사이에 형성된 갭을 통해 유동하도록 개방되는, 전기화학 전지.
  28. 제17항에 있어서, 복수의 동심형 전극 튜브의 에지에 전기적으로 결합된 스포크를 포함하는 금속성의 허브를 더 포함하는, 전기화학 전지.
  29. 제28항에 있어서, 각각의 스포크는 상기 복수의 동심형 전극 튜브의 에지와 결합하여 상기 복수의 동심형 전극 튜브에서 인접한 전극 튜브 사이에 갭을 유지하는 슬롯을 포함하는, 전기화학 전지.
  30. 제17항에 있어서, 상기 비전도성 중앙 코어 요소는 상기 전기화학 전지의 최 내측 동심형 튜브 전극의 단부 내에 배치된 단부 캡(end cap)을 포함하는, 전기화학 전지.
  31. 제1항에 있어서, 오벌형(obround) 단면을 갖는, 전기화학 전지.
  32. 제1항에 있어서, 상기 애노드 및 상기 캐소드 중 하나와 전기적으로 연통하는 전기 커넥터를 더 포함하되, 상기 전기 커넥터는 전해질 용액에 의한 화학적 침식에 대해 상이한 정도의 내성을 갖는 둘 이상의 재료를 포함하는, 전기화학 전지.
  33. 제32항에 있어서, 상기 적어도 둘 이상의 재료는 제1 재료 및 제2 재료를 포함하고, 상기 전기 커넥터는 상기 제1 재료로 형성된 유체 투과성 본체를 포함하는, 전기화학 전지.
  34. 제33항에 있어서, 상기 제1 재료로 형성된 유체 투과성 본체에 하나 이상의 기계적 체결구로 결합된 상기 제2 재료로 형성된 플레이트를 포함하는, 전기화학 전지.
  35. 제33항에 있어서, 상기 제1 재료로 형성된 유체 투과성 본체에 압축 결합된 제2 재료로 형성된 플레이트를 포함하는, 전기화학 전지.
  36. 제33항에 있어서, 상기 제1 재료로 형성된 유체 투과성 본체의 에지에 형성된 나사산으로 상기 제1 재료로 형성된 유체 투과성 본체에 결합된 상기 제2 재료로 형성된 플레이트를 포함하는, 전기화학 전지.
  37. 제33항에 있어서, 상기 제2 재료로 형성된 본체의 원통형 부분에 형성된 나사산으로 상기 제1 재료로 형성된 유체 투과성 본체에 결합된 제2 재료로 형성된 본체를 포함하는, 전기화학 전지.
  38. 제33항에 있어서, 상기 제1 재료로 형성된 유체 투과성 본체에 용접된 상기 제2 재료로 형성된 본체를 포함하는, 전기화학 전지.
  39. 시스템으로서,
    제1항의 상기 전기화학 전지;
    상기 전기화학 전지와 유체 연통하는 전해질 공급원으로서, 상기 전기화학 전지는 상기 전해질 공급원으로부터의 전해질로부터 하나 이상의 반응 생성물을 생성하고 상기 하나 이상의 반응 생성물을 배출하도록 구성된, 상기 전해질 공급원; 및
    상기 전기화학 전지에 의해 출력되는 하나 이상의 반응 생성물에 대한 사용 지점을 포함하는, 시스템.
  40. 제39항에 있어서, 상기 하나 이상의 반응 생성물은 소독제(disinfectant)를 포함하는, 시스템.
  41. 제40항에 있어서, 상기 소독제는 차아염소산나트륨(sodium hypochlorite)을 포함하는, 시스템.
  42. 제39항에 있어서, 상기 전해질 공급원은 해수(seawater)를 포함하는, 시스템.
  43. 제40항에 있어서, 선박 및 오일 플랫폼 내에 포함되는, 시스템.
  44. 제41항에 있어서, 상기 사용 지점은 냉각수 시스템 및 밸러스트 탱크(ballast tank) 중 하나를 포함하는, 시스템.
  45. 제39항에 있어서, 육지-기반 오일 시추 시스템에 포함되며, 상기 사용 지점은 상기 오일 시추 시스템의 다운홀(downhole)인, 시스템.
  46. 삭제
  47. 삭제
  48. 전기화학 전지로서,
    하우징 내에 배치되고, 사이에 갭이 획정된 애노드-캐소드 쌍을 포함하되, 상기 캐소드 및 애노드 각각은 상기 하우징의 내부 표면의 각 부분을 따르는 부분을 포함하고, 상기 애노드의 활성 표면적은 상기 하우징의 내부 표면의 표면적보다 크고 상기 캐소드의 활성 표면적은 상기 하우징의 내부 표면의 표면적보다 크며, 상기 캐소드 및 애노드는 축 방향으로 상기 전기화학 전지를 통과하는 모든 유체를 상기 갭을 통과하게 지향시키도록 구성되고 배열되며,
    상기 전기화학 전지 내에 배치되고 중심 축을 따라 상기 전기화학 전지의 일부분을 통과하는 유체의 유동을 차단하도록 구성된 비전도성 중앙 코어 요소를 더 포함하되, 상기 비전도성 중앙 코어 요소는 상기 애노드-캐소드 쌍의 적어도 하나의 전극에 접속되지 않은 것을 특징으로 하는, 전기화학 전지.
  49. 제48항에 있어서, 상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나는 주름진 부분을 포함하는, 전기화학 전지.
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