KR20050016384A

KR20050016384A - 액체-고체 확산 경계층에서의 물질 전달을 증가시키기위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20050016384A
Application number: KR10-2004-7017649A
Authority: KR
Inventors: 췬웨이 우; 크레이그 엘. 브로듀어; 존 이. 필리온; 지-화 슈
Original assignee: 마이크롤리스 코포레이션
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2003-05-02
Publication date: 2005-02-21

Abstract

본 발명은 유체 셀 내에서 고체와 유체 계면에서의 화학적 또는 전기화학적 공정의 물질 전달 속도를 증가시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 장치는 작업편의 표면과 밀접하게 접촉하는 막을 포함하여 두개의 챔버 내의 프로세스 셀을 분리시킴으로서, 작업편에서의 유체 속도를 주요 셀 유동과는 별도로 제어한다. 따라서, 확산 경계층은 유체가 작업편 챔버로부터 배출되는 속도에 의해 제어되고 최소화된다.

Description

액체-고체 확산 경계층에서의 물질 전달을 증가시키기 위한 장치 및 방법{Device and Method for Increasing Mass Transport at Liquid-Solid Diffusion Boundary Layer}

많은 제조 방법이 플로우 셀 (flow cell)의 고체와 유체 계면에서의 화학적 또는 전기화학적 반응에 의존한다. 그 예로는 전기화학적 가공 및 고체 촉매 반응이 있다. 유체와 고체 계면 사이의 화학적 반응 속도는 계면에서의 반응물 또는 생성물의 물질 전달 속도에 의해 좌우된다. 픽의 법칙 (Ficks' Law)에 의해 결정되는 물질 전달 속도는 화학종의 농도, 확산 계수에 비례하고, 확산 경계층 두께에 역비례한다. 확산 경계층은 고체 표면 근처 유체 속도에 의해 결정되기 때문에, 보다 빠른 유속은 물질 전달 속도 및 그에 따른 반응 속도를 증가시킨다. 따라서, 유체의 교반 또는 순환이 유체와 표면 사이의 화학 공정에서 통상적으로 사용되어, 경계층을 감소시키고 물질 또는 에너지 전달 속도를 증가시킨다.

유체의 부피가 클수록, 상당한 부피의 유체가 고체 표면을 가로질러 순환되도록 하기 위해서는 강한 교반이 요구된다. 확산 경계층은 고체의 표면 근처 유동 속도에 의해 주로 결정되기 때문에, 고체와 유체 계면으로부터 떨어져 있는 유체 유동의 벌크는 확산 경계층에 거의 영향을 주지 않는다. 유체를 순환시키기 위하여 사용되는 에너지의 많은 비율이 낭비된다. 또한, 상당한 유속이 요구됨에 따라 그러한 화학적 반응기 시스템의 디자인이 더욱 복잡해지고 있다. 또한, 균일한 확산 경계가 전기도금 공정과 같은 특정 코팅 분야에서 중요하기 때문에, 정교한 설비 디자인은 높은 자재 비용을 유발한다.

표면과 접촉하는 유체 간의 반응을 촉진하기 위하여 물질 또는 에너지 전달 속도를 증가시키는 다른 수단으로는 진동, 충돌 제트 유동 또는 분무가 있다. 그러나, 이러한 방법은 종종 특정 공정의 다른 제약으로 인해 실용적이지 않거나 또는 불가능하다.

공정 일관성을 위하여, 고체 표면을 가로지르는 물질 또는 에너지 전달 속도를 균일하게 하는 것이 유리하다. 전기도금에서 애노드 격실과 캐소드 격실을 분리하기 위하여 막이 통상적으로 사용되나, 이들 막은 상기한 다른 수단을 사용하지 않을 경우 물질 이동을 애노드 또는 캐소드에서 제어되지 않은 경계층까지 여전히 허용하면서 단지 벌크 유체에서만 이온 이동을 방해하거나 또는 촉진시킨다. 게다가, 미국 특허 제5,096,550호 및 동 제6,126,798호에 기재되어 있는 전기도금 시스템은 상기 계면에서의 유체 유동 제어를 고려하지 않았다. 미국 특허 제5,616,246호에 기재되어 있는 애노드 주머니도 또한 이러한 문제점을 전혀 고려하지 않았다. 일본 특허 제4052296호 및 유럽 특허 제471577호와 같은 다른 종래 문헌도 또한 고체-액체 경계층의 제어에 대해서 충분히 고려하지 않았다.

상당한 부피의 유체를 순환시킴없이 고체 계면에서의 물질 또는 에너지 전달 속도를 강화하고 고체와 액체 계면에서의 유체 유동을 제어할 필요가 있다.

<발명의 요약>

본 발명은 막을 이용하여 기질 상에 유체의 얇은 필름을 생성시킴으로써 기질과 유체 사이의 계면에서의 유체 유동을 제어하는 장치에 관한 것이다. 장치는 기질과 유체 사이의 물질 또는 에너지 이동을 제어하기 위하여 사용될 수 있다. 바람직하게는, 장치를 사용하여 기질로부터 고체-유체 확산 경계층에서의 유체로의 물질 전달을 증가시킨다. 장치 및 방법은 유체 셀 (fluid cell) 내의 고체와 유체 계면에서의 화학 공정의 물질 전달 속도를 증가시키기 위하여 사용될 수 있다. 장치는 기질 또는 작업편 (work piece)의 표면과 밀접하게 접촉하는 막을 포함하여 두 챔버 내의 프로세스 셀을 분리함으로써, 작업편에서의 유체 속도를 주요 셀 유동과는 별도로 제어한다. 유체가 작업편 챔버로부터 또는 작업편 내의 포트를 통해 배출되는 속도에 의해 작업편에서의 확산 경계층이 제어되고 최소화된다.

본 발명의 일 실시양태는 고체 작업편 또는 기질의 표면에 부합되도록 개작된 다공질 막이 있는 장치이다. 다공질 막은 작업편이 다른 공정 유체와 분리되거나 또는 보다 상당한 공정 유체 유동의 일부 유동과 분리되도록 구성된다. 장치에 의한 유체 유동의 분리는 격실 (compartment)을 형성하고 다공질 막과 작업편 또는 기질 사이에 간극을 생성시킨다. 장치에는 또한 격실 외부로부터 격실과 유체 소통하는 포트 또는 도관이 있을 수 있다. 막을 통한 유체 유동은 기질 또는 작업편의 표면을 따라 유체가 흐르게 하는 유동 포트 또는 도관을 통한 유체의 배출에 의해 제어된다. 막과 기질 사이의 유체 유동은 막과 기질 사이의 간극에서 유체 박층이 생성되게 한다.

본 발명의 일 실시양태는 기질에 인접하고 기질을 덮는 다공질 막을 포함하는 장치이다. 이 장치에는 다공질 막에 의해 또한 덮인 포트가 있다. 다공질 막을 통한 유체 유동은 박층의 유체가 기질과 다공질 막 사이에서 그리고 장치 포트를 통해 흐르게 한다. 기질과 막 사이의 유체 유동의 흐름은 기질과의 물질 및(또는) 에너지의 이동에 의해 유체의 상태를 개질한다. 막은 기질의 형상이 변할 때 막이 기질에 인접한 채로 있을 정도로 가요성이거나 또는 가요성이도록 하는 부재에 결합될 수 있다. 기질은 전극, 화학 시약, 열교환 성분, 냉각기 (chiller), 촉매 또는 이들의 배합물일 수 있다. 장치는 기질 지지용 기부를 더 포함할 수 있다. 기부에는 기질 내의 포트와 유체 소통하는 포트가 있을 수 있고, 기부 포트는 또한 다공질 막에 의해 덮이거나 또는 둘러싸일 수 있다.

본 발명의 일 실시양태는 다공질 막에 봉인된 가요성 회선상 부재를 포함한다. 회선상 부재는 기부와 함께 유체 밀봉 봉인을 형성하고, 유체 유동 및 기질의 형상 변화 동안 다공질 막을 기질에 인접하게 유지시킨다. 본 발명의 또다른 실시양태는 다공질 막을 기질 표면에 인접하게 유지시키고 기질과 접촉하는 유체의 유동 두께를 제어하기 위하여 기질과 다공질 막 사이에 성긴 배수 물질을 사용하는 것을 포함한다.

본 발명의 일 실시양태는 액체와 접촉하는 하나 이상의 표면을 갖는 작업편의 액체-고체 확산 경계층에서의 물질 또는 에너지 전달을 증가시키는 방법이다. 이 방법은 작업편의 표면에서 유체 유동을 제공하고, 표면 액체 유동을 다른 액체 유동과 격리시킴으로써 작업편 표면에서 액체-고체 확산 경계층을 제어하는 것을 포함한다. 막과 작업편 표면 사이에서 격리된 표면 액체 유동의 높이는 표면 액체 유동을 유발하는 방식으로 작업편의 표면으로부터 액체를 연속적으로 제거함으로써 제어한다.

방법은 또한 기질과 접촉하는 유체의 상태를 개질하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 다공질 막을 통해 그리고 기질과 막 사이에 유체의 공급원을 흐르게 함으로써 기질 상에 유체의 얇은 필름을 형성하는 것을 포함한다. 막과 기질 사이의 유체 유동은 다공질 막이 기질에 인접하게 하거나 또는 유지시킨다. 기질과 막 사이에서 흐르는 유체의 상태는 유체와 기질 사이에서의 물질 또는 에너지의 이동에 의해 개질된다. 기질은 전극, 화학 시약, 열교환 성분, 촉매 또는 이들의 배합물일 수 있다. 유체는 기질을 가로질러 흐른 후 하우징 및(또는) 기질 내에 있을 수 있는 장치의 포트를 통해 흐르고, 이때 상기 포트는 다공질 막에 의해 벌크 유체 공급원으로부터 분리되며, 포트와 기질은 다공질 막에 의해 둘러싸이거나 또는 덮인다.

부분적으로, 본 발명의 실시양태의 다른 면, 특징, 이득 및 이점은 이하 상세한 설명, 첨부된 청구의 범위 및 수반된 도면으로부터 명백해질 것이다.

도 1A는 기질의 포트 및 기부의 포트를 덮거나 또는 둘러싸는 막을 예시하는, 본 발명의 일 실시양태의 개략도이다.

도 1B는 기질의 형상이 변화된 후 기질에 대한 다공질 막의 관계를 예시하는, 도 1A의 장치의 개략도이다.

도 2A는 기질의 포트 및 기부의 포트를 둘러싸는 다공질 막, 및 기질과 다공질 막 사이의 성긴 배수층을 예시하는, 본 발명의 일 실시양태의 개략도이다.

도 2B는 기질의 형상이 변화된 후 기질에 대한 다공질 막과 성긴 배수층의 관계를 예시하는, 도 2A의 기질의 개략도이다.

도 3은 기질 및 포트를 덮거나 또는 둘러싸는 다공질 막을 예시하는, 기질의 개략도이다.

도 4는 기질을 둘러싸고, 다공질 막과 장치 기부에 봉인된 가요성 회선상 부재에 연결된 다공질 막을 예시하는, 기질의 개략도이다.

도 5A는 다공질 막으로 에워싸인 유체 유동용 포트가 있는 기질 및 기부의 개략도이고, 도 5B는 유체 유동용 포트가 다수 있는 기질의 개략도이고, 도 5C는 도관 및 유체 유동 제어 장치에 연결된 포트가 있는 기질 및 기부의 개략도이다.

도 6은 다수의 연결을 갖는 기질, 포트가 있는 기부, 및 기부의 포트를 에워싸거나 또는 덮는 가요성 회선상 부재에 연결된 다공질 막의 개략도이다.

도 7은 포트가 있는 기질을 둘러싸는 다공질 막의 개략도이다.

도 8A는 본 발명의 기질과 다공질 막 사이의 유체 층 두께의 그래프이고, 도 8B는 다공질 막이 존재하는 본 발명의 시간 경과에 따른 안정성을 예시하는 그래프이다.

도 9는 본 발명의 전극 및 막을 갖는 연료 전지의 개략도이다.

본 조성물 및 방법의 설명에 앞서, 기재되는 특정 분자, 조성물, 방법론 또는 실험계획안은 변할 수도 있으므로, 본 발명은 이러한 특정 분자, 조성물, 방법론 또는 실험계획안에 제한되지 않음을 알아야 한다. 또한, 설명에 사용된 용어는 단지 특정 변법 또는 실시양태를 기재하기 위한 것이고, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니며, 본 발명의 범위는 오로지 첨부된 청구의 범위에 의해서만 제한될 것임을 알아야 한다.

본원 및 첨부된 청구의 범위에 사용된 단수형은 문맥상 분명하게 달리 표시되지 않은 한 복수형을 포함한다는 것에 또한 유의해야 한다. 다르게 정의되지 않은 한, 본원에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 통상의 당업자에게 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원에 기재된 것과 유사하거나 또는 동등한 임의의 방법 및 물질을 본 발명의 실시양태의 실시 또는 시험에 사용할 수 있으나, 아래에서는 바람직한 방법, 장치 및 물질만을 기재할 것이다. 본원에 언급된 모든 문헌은 참고로 인용된다. 이러한 인용 중 어떠한 것도 본 발명이 종래 발명에 의한 그러한 개시보다 선행하는 자격이 없음을 용인하는 것으로서 오해되어서는 안 된다.

도 1A는 본 발명의 일 실시양태의 장치의 개략도이다. 단면 표시는 스탠드오프 (30)이 있는 기질 또는 작업편 (14a), 및 기질 또는 작업편 (14a)에 인접하고 기질 또는 작업편 (14a)를 덮음으로써 경계층 유체 유동 (22)에 의해 정의되는 격실을 생성하는 순응성 다공질 막 (12) (점선 또는 파선으로 표시됨)를 보여준다. 다공질 막은 기질, 및 하나 이상의 기질 포트(들) (38) 및 기부 포트(들) (20)을 덮거나 또는 둘러싸고, 막 유체 유동 (28)이 기질 (14a)와 다공질 막 (12) 사이의 얇은 경계층 필름의 유체 (22)로서 흐르도록 조작하거나 또는 유발한다.

경계층 유체 (22)는 유체 셀 또는 기부 (10) 내부의 다공질 막 (12) 및 기질 (14a)의 사이에서 흐른다. 막 (12) 위의 유체 공급원 (16)은 흐르거나 또는 정지된 상태일 수 있고, 도관 중의 유체, 재순환 유체 유동 시스템 중의 유체, 또는 벌크 유체 공급원으로부터의 유체일 수 있다. 순응성 다공질 막 (12)를 통과하는 막 유체 유동 (28)은 기부 포트 (20) 및 기질 포트 (38)로부터 배출(18)되는 유체의 속도에 의해 좌우된다. 막은 개스킷, 융합 결합 또는 접착제를 사용하여 스탠드오프 (30)과 기질 (14a) 사이 (36)에 고정될 수 있다. 막 유체 유동 (28)은 막 (12)를 통과한 후에 작업편 (14a)의 표면을 따라 흐르며, 실질적으로 다공질 막 (12)를 기질 (14a)에 인접한 상태로 유지시키는, 평균 두께 또는 높이 (32)로 유지되는 얇은 필름의 유체 또는 경계층 유동 (22)를 생성한다. 유체 (22)의 상태는 유체 공급원 (16)으로서의 그의 상태 또는 막 (28)을 통과하여 흐르기 전의 상태로부터 변화되며; 물질 및(또는) 에너지가 유체 (22)와 기질 (14a) 사이에서 이동할 수 있다. 막은 스탠드오프 (30)과 기질 (14a) 사이에서 기질에 고정될 수 있다.

고체 기질 (14a)는 전극, 화학 시약, 열 교환체, 촉매 또는 이들의 조합물일 수 있으며, 기질의 표면에 따른 유체 유동 (22)가 있기 전 형상 또는 초기 두께 (34a)를 갖는다. 도 1B는 얇은 필름의 유체 (22)와 기질 (14a) 사이의 물질 이동으로 인해 기질의 형상 또는 두께 (34a)가 변화된 후의 기질 (14b)의 개략도이다. 경계층 유동 (22)는 실질적으로 다공질 막 (12)와 기질 (14a) 사이에 비교적 균일한 두께 또는 높이 (32)를 유지한다. 막은 기질의 형상이 변화될 때 다공질 막이 기질의 표면에 인접된 상태를 유지하도록 가요성일 수 있다. 기질의 형상의 변화는 도 1A 및 도 1B에서 이상적으로 나타나져 있다. 본 발명의 실시양태에서, 기질이 열교환체인 경우와 같이, 기질의 형상이 변화되지 않을 수도 있다. 기질 (14a)에는 요철이 있거나 또는 요철이 생길 수 있고, 기질의 표면은 흠집 또는 자국이 있거나 또는 흠집 또는 자국이 생길 수 있으나, 다공질 막 (12)는 기질의 형상이 변화될 때 기질의 표면에 부합하기에 충분히 가요성이다. 다공질 막은 유체 유동 (22) 동안 평균 분리 높이 (32)로 기질 (14a)에 인접한 상태를 유지한다. 기질 (14a)는 물질을 손실하는 것으로 나타냈으나, 기질은 또한 유체로부터 오염물이 제거되어 기질 상에 퇴적됨으로써 물질을 획득하고 높이가 증가될 수도 있다. 도면은 예시를 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.

도 2A는 기질 (14a)에 하나 이상의 연결 (26)이 이루어진 본 발명의 일 실시양태를 예시한다. 연결은 바람직하게는 열 교환 또는 전기화학적 공정을 위한 적합한 전력 공급 장치에 대한 전기적 연결이지만, 연결 (26)은 기질 (14a)에게 히트 싱크 (heat sink)를 제공할 수도 있다. 기질이 편 또는 잉곳으로 이루어진 경우, 당업자에게 공지된 바와 같이, 백금 망 또는 불활성이고 전기 도전성 또는 열 도전성인 다른 망 (나타내지 않음)을 고체 편 아래에 위치시켜 기질 편에 전기적 또는 열적 연결을 제공할 수 있다. 도 2A는 또한 다공질 막 (12)와 기질 (14a) 사이에 위치한 다공질 배수층 (24)를 예시한다. 배수층은 막 (12)에 대한 지지를 제공하고, 또한 기질을 따른 경계층 유체 (22)를 위한 추가적인 통로를 제공한다. 바람직하게는, 배수층 (24)는 미국 델라웨어주에 소재하는 듀폰 디 네모아사 (DuPont de Nemours)로부터 입수가능한 타이벡(TYVEK, 등록상표) 또는 다른 섬유상 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 화학적으로 상용성인 다른 물질로부터 제조된다. 바람직하게는, 성긴 배수층, 예컨대 타이벡 (등록상표)을 친수성화시켜 친수성으로 만든다. 도 2A는 막 (12)가 성긴 배수층 물질 (24) 및 얇은 필름의 유체 (22)에 의해 기질 (14a)로부터의 평균 분리 (32)를 유지하고 있는 것을 개략적으로 예시한다. 도 2A는 성긴 배수층 (24)가 개재되어 있는 기질 (14a) 및 막 (12) 사이의 유체 유동 층 (22)의 두께 (32)를 예시한다. 기질 (14a)의 초기 두께는 (34a)이다. 도 2B는 물질 이동에 의해 기질의 두께가 두께 (34b)로 감소된 후에 기질 (14b)에 부합하고 유체 유동 층 (22)를 평균 분리 (32)로 유지하는 성긴 배수층 (24) 및 막 (12)를 예시한다.

도 3은 유체 셀 또는 하우징 (50) 내부의 막 (52)와 기질 (54) 사이에 경계층 유체 유동 (62)로 예시된 격실 또는 간극을 생성하는 작업편 (54) 및 순응성 막 (52)의 개략적인 단면도이다. 막은 막이 고체 편 (54)의 형상이 변화될 때 그의 표면에 부합하기에 충분한 막이 있는 경질 고리, 판 또는 컵 (유체 셀 (50)을 포함)에 부착된다. 막은 융합 결합, 초음파 결합 또는 접착제를 포함하나 이에 제한되지는 않는 방법에 의해 셀 (50)의 (76)에 결합될 수 있다. 유체 셀 또는 기부 (50)은 재순환 유체 시스템의 일부일 수 있거나 또는 장치를 통과하는 단일 유동의 일부일 수 있다. 유체 공급원 (56)은 흐르거나 정지된 상태일 수 있다. 도 3에서 막 (52)로 유입되어 통과하는 막 유체 유동 (68)은 작업편 또는 기질 (54)의 외부 둘레에 유지되는 얇은 필름 또는 경계층 유동 (62)를 생성한다. 경계층 유동은 채널 (72)를 통해 기질 (54)가 장착된 다공질 또는 멀티-오리피스 고리 (70)을 통과하여 개략적인 유동선 (58)로 도시한 바와 같이 유체 도관 (60)을 통해 배출된다. 연결 (66)이 작업편 (54)에 부착된 것으로 나타난다.

도 4는 작업편 (104), 및 가요성 회선상 부재 (128)와 결합된 다공질 막 (102)의 개략적인 단면도이다. 가요성 회선상 부재 (128)은 하우징 또는 작업편 홀더 (100)에 연결된 부착 고리 (126)에 연결된다. 다공질 막 (102)는 회선상 부재 (128)에 부착되어, 하우징 (100) 사이의 경계층 유체 유동 (112)에 의해 형성된 기질 (104)와 다공질 막 (102) 사이에 격실 또는 간극을 생성한다. 막 (102), 가요성 회선상 부재 (128) 및 부착 고리 (126)은 유사한 중합체 물질로서 함께 융합된 것이 바람직하지만, 별법으로는 기계적으로 클램핑되어 일체형 봉인을 생성할 수 있다. 부착 고리 (126)은 하우징 (100)에 융합되거나, 또는 작업편 (104)의 교환을 위한 격실의 개방이 가능하도록 기계적으로 부착될 수 있다. 막 유체 (118)의 일부는 공급원 유동 (106)으로부터 막 내부로 흘러 기질 (104)의 표면을 가로지르며 다공질 배수층 (114)와 함께 경계층 유동 (112)을 생성한다. 유체 (112)의 에너지 또는 화학적 상태는 기질 (104)에 의해 개질되고, 작업편 (104)가 장착된 측면 또는 그 아래에 위치한 다공질, 단일 개구 또는 멀티-오리피스 고리 (120)을 통과하여 하우징 (100)에서 빠져나간다. 유체는 채널 (122)를 따라 흐를 수 있고, 하우징 (100)의 기부의 유체 포트 (110)을 통해 유체 (108)로서 배출된다. 임의의 연결 (116)이 기질의 히트 싱크 또는 전기적 연결을 위해 작업편 (104)에 부착된 것으로 나타나 있으며, 이 연결은 하우징 (100)의 기부와 함께 유체 밀봉 봉인 (나타내지 않음)를 형성한다.

도 5는 주요 유체 공급원 (146)으로부터 분리될 수 있는 격실을 형성하는, 가요성 또는 경질 필름 또는 기부 (140)에 부착된 작업편 (144) 및 순응성 다공질 막 (142)의 개략적인 단면도이다. 순응성 막 (142)는 (166)에서 가요성 또는 경질 필름 또는 막 (140)에 열가소적으로 봉인되거나 또는 기계적으로 클램핑될 수 있다. 주요 유체 공급원 (146)으로부터의 유체의 일부인 막 유체 유동 (158)은, 개략적인 유체 유동선 (148)로 도시된 바와 같이, 기부의 포트 (130) 및 기질 (144)의 포트 (168)로부터 배출되는 속도와 동일한 속도로 막 (142)를 통과하여 흐른다. 기질 (144)와 막 (142) 사이의 경계층 유체 유동 (152)는 유체가 기질 (144) 위로 지나는 동안의 물질 또는 에너지의 교환에 의한 유체 (152)의 상태의 개질을 유발한다. 기질 (156)에 대한 연결이 나타나 있다. 도 5B는 막 (142)와 기질 (144) 사이의 유체 유동 (152)가 다수의 개구 도관 또는 포트, 예를 들어, 기부를 통해 연장된 기부 포트 (130a), (130b), (130c) 및 기질 또는 작업편 (144)를 통해 연장된 다수의 개구 또는 포트 (168a), (168b), (168c)를 통과하는 장치를 예시한다. 포트는 포트에 부착된 도관 (나타내지 않음)을 통해 외부 유동 회로로 연결될 수 있다. 도 5C는 기부 (140)의 포트 (130)에 연결된 개구 (154)가 있는 도관 (150), 및 유체 유동 (148) 및 기질 (144)를 가로지르는 유체 유동 (152)를 조절하기 위한 장치 (160)을 예시한다. 장치는 외부 유동 회로 (나타내지 않음)에 연결될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시양태의 개략적인 예시이다. 공급원 유체 (186)으로부터의 막 유체 유동 (198)의 일부는 다공질 막 (182)를 통과하여 흐른다. 유체는 기질 (184)의 표면을 따라 경계층 유동 (202)를 생성한다. 다공질 막 (182)는 기질 (184) 및 장치 기부 (180)의 포트 (190a) 및 (190b)를 모두 둘러싼다. 장치 기부 (180)의 포트 (190a) 및 (190b)는 유체 (202)가 기질과 접촉하여 기부 (180)으로 빠져나가는 것을 허용한다. 장치에서 빠져나가는 유체 (188)은 오염물 제거, 필름 퇴적 또는 온도 컨디셔닝을 포함하나 이에 제한되지는 않는 추가의 공정(나타내지 않음)에 사용될 수 있다. 도면은 2개의 연결 (196a) 및 (196b)을 예시하는데, 이것들은 전력 공급 장치에 대한 전기적 연결 또는 기질의 히트 싱크를 위한 연결일 수 있다. 전기적 연결은 기질 (184) 및 유체 (202)를 가열하거나 또는 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 경계층 유동 (202)는 다공질 막 (182)를 기질 (184)에 평균 분리 높이의 인접한 상태로 유지하고, 유체 (202)의 상태의 개질을 유발한다.

도 6에 예시된 장치는 다공질 막 (182)에 봉인된 가요성 회선상 부재 (208)을 포함한다. 회선상 부재 (208)은 기부 (180)과 함께 유체 밀봉 봉인 (206)을 형성하고, 다공질 막 (182)가 유체 유동 (202) 및 기질 (184)의 형상 변화 동안 기질 (184)에 인접하거나 또는 부합하도록 다공질 막 (182)를 기질 (184)로부터 평균 분리 높이로 유지한다. 가요성 부재 (208)은 파형 또는 회선상을 갖는 분리된 다공질 또는 비다공질의 얇은 필름일 수 있고, 가요성 부재 (208)은 나타낸 바와 같이 (206)에서 고정된 고리 또는 하우징에 부착될 수 있다.

본 발명의 일 실시양태에서, 막은 (206)에서 고정된 고리 또는 하우징에 직접 결합된다 (나타내지 않음). 기질의 형상 또는 크기가 변화될 때 막이 기질에 부합하고 기질에 인접하도록 충분한 막이 존재한다. 성긴 배수층도 막과 함께 (206)에서 고정된 고리 또는 하우징에 직접 결합될 수 있다 (나타내지 않음).

도 7은 본 발명의 일 실시양태의 개략적인 예시이다. 장치는 기질 (224)에 인접하여 기질 (204)를 둘러싸고 있는 다공질 막 (222) 및 다공질 막으로 둘러싸인 기질 (224)의 포트 (248)을 포함한다. 다공질 막 (222)는 보유 고리 (242)에 의해 (236)에서 기질 (224)에 고착될 수 있다. 다공질 막 (222)은 유체 공급원 (226)의 일부로부터의 막 유체 유동 (238)이 기질 (224)와 다공질 막 (222) 사이의 얇은 경계층 유체 필름 (232)로서 흐르고 기질 포트 (248)을 통과하도록 조작한다. 기질 (224)와 막 (222) 사이의 유체 유동 (232)는 유체 필름 (232)의 상태를 개질시키고, 다공질 막을 기질 (224)에 평균 분리 높이로 인접한 상태를 유지시킨다. 개질된 유체 (228)은 유체 유동 회로로의 연결을 위한 도관 (나타내지 않음)을 고착시키기 위한 임의의 부재 (230)이 있는 기질 포트 (248)을 통과하여 빠져나갈 수 있다.

도 9는 연료 전지에서의 본 발명의 용도를 예시하는 개략도이다. 연료 전지는 2개의 전극, 예를 들어 캐소드 (278) 및 애노드 (284), 메탄올 또는 수소와 같은 연료 (266), 및 산화제 (268)을 포함한다. 다공질 막 (276)은 애노드 (284)의 표면에 부합하고, 다공질 막 (276)과 애노드 (284) 사이의 경계 유체 유동 (282)는 펌프 (280)에 의해 유지될 수 있고, 유체 공급원 유동 (274)를 제공한다.

본 발명은 고체 작업편과 연료 사이의 유체-고체 확산 경계층에서 물질 또는 에너지 전달을 증가시키는 장치이다. 이 장치는 고체 작업편 또는 기질의 표면에 부합되도록 개작된 다공질 막을 포함한다. 막은 하우징 및(또는) 작업편을 포함할 수 있는 장치의 고체 작업편 및 포트의 둘레에 배열되어 그것을 덮거나 또는 둘러싼다. 보다 큰 유체 유동의 일부일 수 있는 유체가 다공질 막을 통과하여 다공질 막과 작업편의 사이에 흐른다. 작업편 표면을 따라 흐르는 측면 유체 유동은 막과 기질 사이에서 일어나며, 유체로 충전되고 막과 고체 작업편 표면 사이의 부피에 의해 정의되는 간극 또는 격실을 생성한다. 물질 및 에너지 교환은 고체 기질과 간극 내의 유체 사이에 발생되며, 유체의 화학적 상태 또는 에너지 상태를 개질시킨다. 예를 들어, 물질 이동은 기질과 막 사이의 얇은 유체 층을 생성하는 막의 사용에 의한 기질로의 또는 기질로부터의 이온의 이동을 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 에너지 이동은 기질과 막 사이의 얇은 유체 층을 생성하는 막의 사용에 의한 기질로의 또는 기질로부터의 열 에너지의 이동을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 막을 통한 그리고 기질과 막 사이의 유체 유동은 기질 또는 기부의 포트 또는 그 포트에 연결된 도관을 통해 제어될 수 있다. 포트 또는 도관은 격실 외부로부터 격실과 유체 소통한다.

다공질 막과 기질 사이에 흐르는 얇은 유체 필름의 두께 또는 높이는 국소적인 유체 속도, 장치의 포트를 통한 유체의 배출 속도, 막 공극 크기, 및 기질의 외형으로 인해 기질과 막을 가로지르는 높이가 변할 수 있다. 다공질 막은 기질과 물리적으로 접할 수 있으며, 바람직하게는 다공질 막은 유체 필름 또는 경계층 유체 유동에 의해 기질로부터 분리된다. 다공질 막과 기질 사이의 얇은 유체 필름의 두께, 분리 또는 높이는 평균 값을 가질 것이며, 바람직하게는 얇은 필름의 분리는 막과 기질 사이의 평균 분리의 약 50％ 미만으로 변한다. 얇은 유체 필름은 약 2000 마이크론 미만, 바람직하게는 약 750 마이크론 미만의 평균 높이일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 막을 고체 작업편 또는 기질에 실질적으로 인접한 상태로 유지한다는 것은 다공질 막 및(또는) 성긴 배수층이 상기 변법 중 임의의 것을 포함하나 이에 제한되지 않는 얇은 필름의 높이만큼 고체 기질 또는 작업편의 표면으로부터 분리됨을 의미한다.

장치의 다공질 막은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 폴리(테트라플루오로에틸렌-코-퍼플루오로(알킬비닐에테르)) (PFA), 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF)를 포함하나 이에 제한되지 않는 중합체 물질일 수 있다. 본 발명은 고체 표면 및 이 고체 표면에 부합하여 그것을 둘러싸는 다공질 막의 계면에, 단리된 유동 격실을 형성하는 균일하고 얇은 확산 경계층을 생성하는 장치이다. 다공질 막이 친수성이거나(막의 표면 개질에 의해) 또는 친수성 중합체(예컨대, 폴리술폰, 폴리아릴술폰 또는 폴리에테르술폰)로부터 제조된 경우가 또한 유리하다. 그러한 특성을 갖는 물질은 다공질 막과 기질 사이의 격실에서 기체의 포획이 발생할 경우에 막을 통한 균일한 액체 유동을 보장할 수 있다.

다공질 막의 공극 크기는 0.005 내지 약 50 마이크론, 바람직하게는 약 0.5 내지 약 20 마이크론의 범위일 수 있다. 다공질 막의 공극 크기는 막을 통한 액체 유동을 제어하고 다공질 막과 기질 사이의 얇은 유체 필름의 두께를 실현하는데 이용될 수 있다. 막은 또한 여과 매질로 작용할 수 있다. 막의 두께는 약 1 내지 500 마이크론, 바람직하게는 약 5 내지 약 50 마이크론의 범위일 수 있다. 막은 유체 및 고체 기질과 화학적 및 열적으로 상용성이 있어야 하고, 막이 기질에 부합할 때 막에 강도를 제공할 두께를 가져야 한다. 막을 통한 유체의 압력 저하는 다공질 막 공극의 크기, 및 막 중의 공극의 수 및 분포에 의해 조절할 수 있다. 막은 친수성 또는 소수성일 수 있고, 막의 표면 에너지는 막에 코팅을 적용하거나 또는 막 표면의 화학적 개질에 의해 변화시킬 수 있다.

다공질 막은 바람직하게는 고체 편의 형상이 변화될 때 고체 편의 표면에 부합하여 실질적으로 고체 편의 표면에 인접한 상태를 유지할 수 있도록 충분히 가요성이다. 막은 일체성을 유지하고, 사용하는 동안 막을 통과하는 유속을 일정하게 유지해야 한다. 막을 고리 또는 하우징에 고정하여 고체 작업편 표면에 부합하게 할 수 있다. 막은 도 7에 나타낸 보유 고리에 의해 기질에 고착될 수 있다. 막은 고체 편의 형상이 변화될 때 막이 그의 표면에 부합하도록 충분한 잉여 막 재료가 있는 경질 고리, 판 또는 컵에 부착될 수 있다. 막은 기질과 고리 사이에 부착될 수 있다. 막은 기질의 형상이 변화될 때 가요성 부재 및 막이 기질의 표면에 부합되게 하는 가요성 회선상 부재에 부착될 수 있다. 회선상 부재는 스피커 콘을 배스킷에 연결하는 오디오 확성기의 주변 부분과 구조 및 기능이 유사하다. 회선상 부재는 성형 또는 열형성에 의해 얇은 가요성 플라스틱 물질로부터 형성될 수 있다. 회선상 부재는 얇은 고체 플라스틱 재료, 얇은 다공질 발포체, 제직 플라스틱 또는 부직 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다. 폴리에틸렌의 얇은 고체 플라스틱 필름이 융합 용접이 달성될 수 있게 하는 바람직한 실시양태이다. 회선상 부재는 막과 함께 융합될 수 있도록 막과 동일하거나 또는 유사한 물질로 이루어질 수 있다.

가요성 부재는 파형 또는 회선상 형상의 분리된 다공질 또는 비다공질의 얇은 필름일 수 있고, 가요성 부재는 고정된 고리 또는 하우징 및 막에 부착된다. 막은 고정된 고리 또는 하우징에 직접 부착된 회선상 부재로서 사용될 수 있고, 기질의 형상이 변화될 때 기질을 덮기 위해 잉여량의 막을 사용할 수 있다. 회선상 부재에 부착된 다공질 막은 기질과 다공질 막 사이의 격실 또는 간극이 고체 기질과 다공질 막 사이에 존재하는 경계층 유체 유동을 형성하는 것을 허용한다. 다공질 막, 가요성 회선상 부재 및 임의의 부착 고리는 바람직하게는 유사한 중합체 물질로 된 것이고 함께 융합되나, 별법으로는 기계적으로 클램핑되어 일체형 봉인을 생성할 수 있다. 부착 고리는 작업편 홀더에 융합되거나 또는 작업편의 교환을 위한 격실의 개방이 가능하도록 기계적으로 부착될 수 있다.

장치는 장치의 고체 기질 및 배출 포트에 인접하여 그것을 에워싸거나 또는 덮는 다공질 막을 포함한다. 막은 고체 기질의 표면에 부합하고 유체가 격실 또는 간극을 생성하는 고체 및 다공질 막의 사이를 흐를 때 기질의 표면에 인접한 상태를 유지한다. 유체는 다공질 막, 막과 고체 기질 사이를 흐른 후에 기질, 하우징 또는 이들 모두에 있을 수 있는 장치의 포트를 통과하여 흐른다. 바람직하게는, 막은 액체가 막을 통과하여 흐를 수 있도록 액체에 대해 다공성이다. 유체는 장치 포트를 통해 장치에서 빠져나가고, 유체는 유체 유동 회로에 연결될 수 있다. 기질과 막 사이에 흐르는 얇은 층의 유체의 상태는 기질과의 접촉에 의해 개질된다. 본 발명의 실시에서, 막은 유체 유동 및 기질 형상의 변화 동안에 실질적으로 기질에 인접한 상태를 유지한다. 경계층은 기질 표면에서의 유체 속도의 함수이다. 이것은 다공질 막을 통한 유체 유동 및 막과 기질 사이의 거리(성긴 배수층에 의해서 유지될 수도 있음)에 의해 좌우된다. 소정의 공정에 대한 특정 경계층 두께의 효과는 공정 물질(액체 및 고체 기질) 및 물질 이동 속도로 나타낸 그의 농도에 따라 달라진다. 물질의 구조는 경계층에 영향을 미친다. 친수성 막, 보다 개방된 막, 측면 유동성이 양호한 얇은 지지층의 사용은 유체 유동 속도를 향상시켜 경계층을 감소시킨다.

장치는 고체 표면과 막 사이에 성긴 배수층을 더 포함할 수 있다. 배수층은 바람직하게는 제공된 다공질 막 없이 액체가 흐르는 기질 표면의 경계층보다 얇다. 배수층은 제직물, 편망물, 캐스트물, 모직물 또는 다른 섬유상 망 물질인 물질로부터 제조될 수 있다. 유용한 성긴 배수 물질은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 석영 또는 유리 물질과 같은 화학적으로 상용성인 중합체를 포함하지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 성긴 배수층은 듀폰 디 네모아사 (미국 델라웨어주 소재)로부터 입수할 수 있는 타이벡 (등록상표)이며, 바람직하게는 타이벡 (등록상표)은 친수성화된다.

바람직하게는, 본 발명의 여러 실시양태에서 사용되는 친수성 다공질 막 및(또는) 성긴 배수층은 그 전문이 본원에 참조로 인용되는 미국 특허 제4,778,601호 및 동 제4,828,772호에 개시되어 있는 예비 형성된 초고분자량의 폴리에틸렌 (UMWPE) 다공질 막을 사용한다. 이들 막 또는 성긴 배수층은 이들을 친수성화시키도록 개질된 표면을 가질 수 있다. 막 또는 배수층은 그 전문이 본원에 참조로 인용되는 미국 특허 제4,618,533호에 기재되어 있는 가교 친수성 중합체로 친수성화시킬 수 있다. 친수성화된 막을 고리 또는 하우징 및 유사 친수성 스펀본드 고밀도 폴리에틸렌 성긴 배수층에 부착시킬 수 있다. 폴리테트라플루오로에틸렌 막 및 다른 퍼플루오로화 중합체를 사용할 수 있으며, 또한 그 전문이 본원에 참조로 인용되는 미국 특허 제5,629,084호 및 동 제5,928,729호에 개시되어 있는 방법 및 조성으로 친수성화시킬 수도 있다.

벌크 유체 공급원 또는 유동으로부터 새로운 용액은 막과 기질 사이로부터 장치 포트를 통해 유체를 배출하거나 작업편 격실로부터 유체를 배출함으로써 다공질 막을 통해 도입한다. 임의로는, 막과 고체 표면 사이에 다공질 물질 (예컨대, 부직물, 멜트 블로운 또는 스펀본드 HDPE, 폴리프로필렌, ECTFE)로 이루어진 배수층을 사용하여 고체 표면을 따라 견실한 유동 채널을 제공할 수 있다. 유체를 막과 고체 표면 사이로 강제로 흘려보냄에 따라 기질 표면에 부합하는 얇은 확산 경계층이 생성된다. 따라서, 높은 화학적 또는 전기화학적 반응 속도를 달성할 수 있다. 유체 공급원은 정적 또는 유동적일 수 있으며 기체, 액체 또는 초임계 유체를 포함할 수 있다.

본 발명에서, 고체 기질 또는 고체 작업편은 전극, 화학 시약, 열교환 성분, 촉매 또는 이들의 배합물일 수 있다. 장치는 기질을 지지하는 기부를 더 포함할 수 있다. 기질 또는 작업편은 열교환체 또는 전극의 경우에서처럼 고상 단일체 물질일 수 있다. 기질은 또한 고착되거나 또는 고정되거나 또는 함께 배치되는 잉곳같은 보다 작은 조각으로 이루어져 기부에 의해 지지될 수 있는 기질을 형성할 수 있다. 기질은 가압되거나 함께 소결된 분체로 이루어져 프릿화된 기질 또는 작업편을 형성할 수 있다. 다공질 막은 고체 표면에 부합하거나 또는 고체 표면에 인접하여 막과 고체 사이에 유체가 흐르도록 한다. 기질의 조성물은 구리, 니켈, 각종 스테인레스강, 탄소, 백금같은 귀금속, 탄화규소 등의 코팅된 물질 및 알루미나같은 세라믹을 포함할 수 있으나 이들로 한정되지는 않는다.

하나 이상의 전기적 연결, 또는 기질 히트 싱크용의 하나 이상의 연결을 만들 수 있다. 예를 들어 티탄 등의 화학적 비활성 물질을 통해 기질을 DC 전력 공급기 또는 교류 전력 공급기에 전기적으로 연결시킬 수 있다. 연결 부위는 하우징을 통해 봉인되어 유체가 연결 부위를 통해 흐르는 것을 방지한다. 기질이 전기적 도전성 편 또는 잉곳으로 이루어지는 경우, 편에 전기적 또는 열적 연결을 제공하기 위해 당업자에게 공지된 바와 같이, 백금 망 또는 다른 도전성 망을 고체 편과 접촉하도록 위치시켜 편에 전기적 접촉을 제공할 수 있다.

다공질 막을 통과하여 기질과 접촉하는 유체는 기체, 액체 또는 초임계 유체일 수 있다. 막이 현탁된 물질에 의한 막의 폐색 또는 플러깅을 방지될 정도로 충분히 다공질인 한, 유체는 현탁된 물질을 포함할 수 있다. 수용액은 산, 염기 또는 용해된 염; 에틸렌 글리콜, 아세트산 등의 유기 액체를 포함하나, 이들로 한정되지는 않으며, 포토레지스트를 또한 본 발명의 장치 및 방법과 사용할 수 있다.

장치에 있어서, 막은 기질로부터의 유체의 벌크 공급원과 포트를 분리한다. 포트는 기질 내, 기부 내 또는 이들 모두에 위치할 수 있으며; 포트는 도 1 내지 도 7에 나타낸 바와 같이 막으로 덮여 있다. 포트는 유체가 기질과 물질 또는 에너지를 교환하면서 장치를 떠나게 한다. 포트는 유체 유동 제어 또는 계량 장치, 가공 도구의 유체 유동 회로, 도관 또는 다른 유체 용기와 연결될 수 있다. 기질은 도 1A에 나타낸 바와 같이 단일 포트를 가질 수 있거나, 도 5B에 나타낸 바와 같은 다중 포트를 가질 수 있거나, 기질은 복수 개의 세공 (나타내지 않음)으로 이루어진 소결물일 수 있다. 다공질 기질의 경우, 기질을 통한 흐름은 예컨대 도 3에 나타낸 바와 같이 기부 내의 포트의 크기로 제어할 수 있다. 장치에 있어서, 기부는 도 6에 나타낸 바와 같이 유체 유동을 위해 하나 이상의 포트를 가질 수 있으며; 이러한 경우 기질은 고체일 수 있다. 기부 및 기질 또는 작업편이 포트 또는 도관을 갖는 경우, 이들은 유체가 다공질 막과 기질 사이에서 제거되어 다공질 막을 기질에 인접하게 유지시키고 유체의 상태를 변형시킬 수 있도록 서로 유체 소통된다. 기부와 기질 사이에 포트 및(또는) 도관을 정렬할 수 있다.

전기화학적 공정에서 작업편의 침식 또는 유체로부터의 오염을 방지하기 위해 도금된 전극의 침식에 의한 것과 같이 표면, 크기 또는 형상이 시간에 따라 변하는 고체의 경우, 성긴 가요성 또는 이동성 다공질 막을 사용하여 다공질 막을 도금, 용해 또는 침식으로 인해 그 형상이 변하는 고체 표면에 부합시킬 수 있다.

보다 구체적으로는, 본 발명은 고체 작업편으로부터 유체의 벌크를 분리하기 위해 다공질 막을 사용하여 유체 유동 회로와 유체 소통하기 위한 유동 포트(들)를 갖는 본질적으로 분리된 유동 격실을 생성한다. 도관은 포트에 연결되어 유체 유동 회로에 물리적 연결을 제공할 수 있다. 도관은 용접, 나사 결합되거나 장치 포트로의 확개 연결을 포함할 수 있다. 포트는 밸브, 또는 펌프, 유체 유동 계량기 또는 오리피스 (이들로 한정되지는 않음) 등의 유동 제어 장치에 직접 연결될 수 있다. 유체 도관을 통한 유체 유동의 제어는 막을 가로지르는 유체의 흐름을 조절한다. 막의 정압 상류 또는 유동 도관의 음압 하류는 막을 가로지르는 유체 유동을 생성시킨다. 고도의 다공질 부직 막과 같은 분리된 성긴 배수층을 다공질 막과 고체 표면 사이에 사용하여 막과 기질 사이의 거리를 제어하고, 막과 기질의 물리적 접촉으로 인한 흐름의 플러깅을 방지할 수 있다. 막을 통한 유체의 흐름이 증가하면 유체의 속도가 증가하고 경계층의 필름 두께가 감소한다.

본 발명에 있어서, 유체의 상태는 기질과 유동 유체 사이의 물질 전달 또는 에너지 전달에 의해 개질된다. 기질은 전극, 화학 시약, 열교환체, 촉매 또는 이들의 배합물일 수 있다. 본 발명의 분야는 전기화학 반응이 액체와 고체 계면에서 발생하는 전기화학 전지, 예컨대 전기도금 전지, 전해 전지, 재순환 유체를 갖는 배터리, 연료 전지 (이들로 한정되지는 않음)의 고체 전극을 포함한다. 이는 또한 전해 연마, 전기화학적 가공 또는 화학적 연마 방법에도 적용될 수 있다. 기질은 내열기 (resistive heater) 또는 펠티에 (Peltier) 냉각기 등의 열교환 장치일 수 있으며, 별법으로 기질은 애노드 또는 캐소드 등의 전극일 수 있다. 기질과 접촉하는 유체의 상태는 기질과 포트가 다공질 막에 의해 둘러싸인 경우 포트를 통해 유체의 공급원을 유동시킴으로써 개질할 수 있다. 막을 통한 유체의 유동은 막과 기질 사이에 얇은 유체 필름을 형성하여 막과 기질 사이의 물질 또는 에너지 이동에 의해 유체의 상태를 개질한다. 다공질 막은 기질의 형상 및(또는) 크기가 변하더라도 기질에 인접한 채로 있는다.

장치의 하우징 또는 기부는 기질에 의해 변하는 유체의 흐름을 위해 하나 이상의 포트를 가질 수 있다. 작업편을 통과해 연장되는 단일 또는 다중 포트가 있을 수 있다. 또한, 작업편의 아래에 또는 그의 측면에 위치하는 단일 또는 다중 개방 도관이 있을 수 있다. 기부 포트 또는 기질 포트는 임의로 유체 유동 시스템의 일부로서 도관과 연결될 수 있다. 부속품은 용접, 나사 결합, 압축 또는 확개된 부속품을 포함할 수 있다. 장치는 기질 지지용 기부를 더 포함할 수 있다. 기부는 기질 포트와 소체 유통하는 기부 포트를 가질 수 있고, 상기 기부 포트는 다공질 막으로 둘러싸여 있다. 하우징 또는 그 일부는 접이식일 수 있다. 예를 들면, 도 4에 나타낸 하우징의 측벽은 가요성이어서 막이 기질에 인접한 채로 있도록 이동할 수 있다.

액체와 접촉하는 하나 이상의 표면을 갖는 작업편의 액체-고체 확산 경계층에서의 물질 전달의 증가는 작업편의 표면에 액체 유동을 제공하고, 막을 사용하여 다른 액체 흐름으로부터 작업편 표면의 액체 유동을 격리시켜 작업편 표면에서 액체-고체 확산 경계층을 제어함으로써 달성될 수 있다. 작업편을 따라 격리된 표면 액체 유동의 높이는 액체 유동을 유발하는 방식으로 작업편의 표면으로부터 액체를 연속적으로 제거함으로써 제어될 수 있다.

실시예 1

본 발명을 사용하여 기질의 경계층의 두께를 제어하는 것을 도 8A에 예시하였다. 본 발명의 막에 의해 둘러싸인 것과 같은 기질의 경계층의 두께는 전기화학적 방법에 의해 결정될 수 있었다. 본 실시예에 있어서, 기질을 덮는 다공질 막은 두께 약 20 내지 40 m의 0.2 m UPE 막이었다. 예를 들어, 전기화학적 전지 중 제한 전류는 유체 중 소정의 이온 벌크 농도에서 유체 경계층의 두께의 함수로 공지되어 있다. 제한 전류 밀도는 관계 i_L = [(nFD_i (표면 이온 농도 - 벌크 이온 농도))/(경계층의 두께)]로 결정될 수 있었으며, 여기서 n은 예컨대 양이온 M⁺ⁿ (즉, Cu⁺² 또는 Ni²⁺의 경우 n = 2)의 관심 이온의 전하수이고, F는 패러데이 (Faraday) 상수이며, D_i는 이온의 확산 계수이다. M⁺ⁿ에 대한 표면 이온 농도는 포화 용액 중 이온의 농도로서 취해질 수 있었다.

막이 없는 고체 기질에서 유체의 경계층의 평균 두께 (250), 막을 갖는 고체 기질에서 유체의 경계층의 평균 두께 (252), 및 배수층과 막을 갖는 고체 기질의 유체의 경계층의 평균 두께 (254)는 각각 도 8A에 나타낸 바와 같이 막을 통한 액체의 유속의 함수로서 나타내었다. 그래프로부터, 막을 갖지 않는 고체 기질의 경계층의 두께 (250)와 비교하여 막으로 덮인 기질의 경계층의 두께 (252) 또는 막과 배수층으로 덮인 기질의 경계층의 두께 (254)가 감소함을 알 수 있었다.

본 발명은 도 8B에 나타낸 바와 같이 전극의 작업 개선을 제공하였다. 도 8B에는, 전극에 인접하여 존재하는 가요성 다공질 막을 갖는, 시간에 따른 전극의 전지 저항 변화 (％) (256) 및 제공된 가요성 다공질 막이 없는, 시간에 따른 전극의 전지 저항 변화 (％) (258)를 나타내었다. 전지 저항은 각 시스템에 있어서 전극의 안정도의 척도이다. 전극에 인접하는 다공질 막을 갖는 전극은 막이 없는 전지와 비교하여 시간에 따른 전지 저항 변화가 훨씬 적었다. 그래프로부터, 본 발명의 다공질 막과 장치가 기질과 다공질 막 사이에서 유체의 얇은 필름 및 물질 이동을 조절한다는 것을 알 수 있었다.

실시예 2

물질 이동은 연료 전지 효율의 제한 인자이었다. 물질 이동 속도를 최대화하기 위해, 애노드-캐소드의 간극을 작게 유지하고 이온 교환 물질을 종종 전해 영역에 사용하였다. 이온 교환막은 이온 이동 속도 및 온도에 대한 제한을 가지며 종종 산소에 의해 악화되었다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 연료 공급원 (266), 산화제 공급원 (268) 및 애노드 (284) 표면에 이웃한 순응성 막 (276)을 갖는 연료 전지를 사용하여 유체 경계층 (282)을 제어하고 물질 이동을 최대화할 수 있었다. 연료 전지 중의 순응성 막을 구현하기 위해, 펌프 (280)를 사용하여 전해질 재순환을 확립할 수 있었다. 전해질의 재순환은 막 (276)을 통과해 애노드 (284)의 표면을 가로질러 유체 (282)를 씻어 내리는 전해질 유동 (274)을 제공하였다. 다른 분야에서처럼, 막과 전극 사이에 얇은 하부 배수층을 사용하여 유속 및 균일성을 향상시킬 수 있었다 (나타내지 않음). 또한, 이러한 용액을 구현하기 위해서는 애노드 매질의 "범람 (flooding)" 및 그에 따른 전해질 (액체 인산 또는 수산화칼륨일 수 있음)로의 연료 (기상 수소 가능) 이동 감소의 기회를 감소시키는 것을 매우 기피하도록 전극 표면을 처리할 필요가 있을 수 있었다.

본 발명은 고체-유체 계면에서 물질 또는 에너지 이동을 개선하기 위해 요구되는 설비의 크기 및 복잡성을 감소시킨다. 이는 화학적 반응기 시스템의 디자인의 복잡성을 크게 단순화하고, 이러한 설비를 위한 자재 비용을 감소시키며, 임의의 코팅 분야, 연료 전지 작업 및 전기도금 공정에서 중요한 기질-유체 계면에 균일한 확산 경계층을 형성시킬 수 있다.

본 발명은 그의 임의의 바람직한 실시양태를 참고하여 상세히 설명하였으나, 다른 형태도 가능하다. 따라서, 첨부된 청구범위의 취지 및 범위를 본원에 포함된 설명 및 바람직한 형태로 제한해서는 안 된다.

<관련 출원에 대한 상호 참조>

본 출원은 그 전문이 본원에 참조로 인용된, 2002년 5월 2일자로 출원된 미국 가출원 제60/377,257호 (발명의 명칭: "액체-고체 확산 경계층에서의 물질 전달을 증가시키기 위한 장치 및 방법")를 우선권 주장한다.

Claims

기질에 인접하고 기질을 덮는 다공질 막, 및

상기 다공질 막에 의해 덮인 기질 포트를 포함하며,

상기 다공질 막이 기질과 다공질 막 사이에서 및 기질 포트를 통해 유체 공급원이 흐르게 하고, 기질과 막 사이에서의 이러한 유체 유동의 흐름이 유체의 상태를 개질하고 다공질 막이 기질에 인접하게 실질적으로 유지시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 기질을 지지하기 위한 기부를 더 포함하며,

상기 기부가 다공질 막에 의해 덮이고 기질과 막 사이의 유체와 유체 소통하는 기부 포트를 갖는 것인 장치.
제1항에 있어서, 기질과 다공질 막 사이에서 성긴 배수층을 더 포함하는 장치.
제1항에 있어서, 다공질 막이 친수성인 장치.
제1항에 있어서, 기질이 전극, 화학 시약, 가열기, 냉각기, 촉매 또는 이들의 배합물인 장치.
제1항에 있어서, 다공질 막과 기질 사이의 유체의 유동이 유동 계량기, 펌프, 밸브, 또는 다공질 막과 기질 사이의 유체와 유체 소통하는 오리피스에 의해 제어되는 장치.
제1항에 있어서, 상기 기질과 전력 공급 장치 사이에서 하나 이상의 전기적 연결을 더 포함하는 장치.
제2항에 있어서, 다공질 막에 봉인된 가요성 회선상 부재를 포함하며,

상기 회선상 부재가 상기 기부와 함께 유체 밀봉 봉인을 형성하고, 상기 다공질 막과 가요성 회선상 부재가 유체 유동 동안 다공질 막을 기질에 인접하게 유지시키는 장치.
기질에 인접하고 기질을 덮는 다공질 막, 및

기질과 다공질 막 사이에서 흐르는 유체 유동과 유체 소통하며 상기 다공질 막에 의해 덮인 기부 포트가 있는 기질 지지용 기부를 포함하며, 이때 상기 다공질 막이 기질과 막 사이에서 유체의 공급원이 흐르게 하고 그로 인해 유체의 상태가 개질되며, 이러한 유체의 흐름이 다공질 막을 기질에 인접하게 실질적으로 유지시키는,

기질에 인접하는 유체의 상태를 개질하기 위한 장치.
제9항에 있어서, 다공질 막에 봉인된 가요성 회선상 부재를 포함하며,

상기 회선상 부재가 상기 기부와 함께 유체 밀봉 봉인을 형성하고, 상기 다공질 막과 가요성 회선상 부재가 유체 유동 동안 다공질 막을 기질에 인접하게 유지시키는 장치.
제9항에 있어서, 상기 막이 친수성인 장치.
제9항에 있어서, 기질과 다공질 막 사이에서 성긴 배수층을 더 포함하는 장치.
제9항에 있어서, 기질이 전극, 화학 시약, 가열기, 냉각기, 촉매 또는 이들의 배합물인 장치.
다공질 막 및 이 다공질 막에 의해 덮인 고체 기질을 포함하는 장치 내의, 상기 다공질 막에 의해 덮인 포트를 통해 유체의 공급원을 흐르게 하고, 상기 포트를 통해 흐르는 유체는 기질과 막 사이에서 또한 흐르고, 이러한 유체의 흐름에 의해 다공질 막을 기질에 인접하게 유지시키고,

유체와 기질 사이의 물질 또는 에너지의 이동에 의해 유체의 상태를 개질하는 것을 포함하는,

기질과 접촉하는 유체의 상태를 개질하기 위한 방법.
제14항에 있어서, 고체 기질이 전극, 화학 시약, 열교환체, 촉매 또는 이들의 배합물인 방법.
하우징에 부착되어 있고, 고체 작업편 (work piece)의 표면에 부합되도록 개작되어 있으며, 공정 액체 공급원의 일부분으로부터 작업편을 분리하여 격실 (compartment)이 형성되게 하고 작업편과의 사이에서 간극이 생성되도록 구성된 다공질 중합체 막, 및

격실의 외부로부터 격실과 유체 소통하고, 이로 인해 막을 통한 액체 유동이 유동 도관으로부터 액체를 배출함으로써 제어되고 작업편 표면을 따라 흐르는 측면 유동이 막과 고체 작업편 표면 사이의 간극에 의해 생성되는 도관을 포함하는,

액체 환경에 노출되는 고체 작업편의 액체-고체 확산 경계층에서의 물질 전달을 증가시키기 위한 장치.
제16항에 있어서, 고체 작업편 표면과 막 사이에서 성긴 배수층을 더 포함하는 장치.
제16항에 있어서, 다공질 중합체 막이 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PTFE, PFA 또는 PVDF인 장치.
제16항에 있어서, 고체 작업편이 전극인 장치.
제16항에 있어서, 다공질 중합체 막이 고체 작업편의 형상이 변할 때 고체 작업편의 표면에 부합하도록 충분히 가요성인 것인 장치.
제16항에 있어서, 다공질 중합체 막이 고체 작업편의 표면에 부합하도록 다공질 중합체 막이 고리 또는 하우징에 고정되어 있는 장치.
제21항에 있어서, 다공질 중합체 막이 고체 작업편의 형상이 변할 때 고체 편의 표면에 부합하도록 다공질 중합체 막이 충분한 막이 있는 경질 고리, 판 또는 컵에 부착되어 있는 장치.
제21항에 있어서, 막이 고체 작업편의 형상이 변할 때 고체 편의 표면에 부합하도록 막이 가요성 부재에 부착되어 있고,

상기 가요성 부재가 회선상 형상의 얇은 필름이고 가요성 부재가 하우징에 부착되어 있는 장치.
제21항에 있어서, 다공질 중합체 막이 접이식 하우징 (collapsible housing)에 부착되어 있고, 상기 접이식 하우징이 회선상 필름인 장치.
제21항에 있어서, 유동 도관이 작업편을 통해 연장되어 있는 단일 또는 다중 개방 도관인 장치.
제18항에 있어서, 다공질 중합체 막이 친수성인 장치.
제18항에 있어서, 유체가 기질을 코팅하기 위해 사용되는 것인 장치.
작업편의 표면에서 표면 액체 유동을 제공하고,

표면 액체 유동을 액체 공급원으로부터 격리시키고 작업편 표면을 따라 흐르는 격리된 표면 액체 유동의 높이를 제한함으로써 작업편 표면에서의 액체-고체 확산 경계층을 제어하고,

작업편의 표면에서 액체가 흐르게 하는 방식으로 작업편의 표면으로부터 액체를 연속적으로 제거하는 것을 포함하는,

액체와 접촉하는 하나 이상의 표면이 있는 작업편의 액체-고체 확산 경계층에서의 물질 전달을 증가시키기 위한 방법.
제28항에 있어서, 작업편이 전극인 방법.
제28항에 있어서, 작업편이 전력 공급 장치에 연결되어 있는 방법.
제28항에 있어서, 액체로 기질을 코팅하는 단계를 더 포함하는 방법.