KR20110053948A - 동축 전극을 포함하는 튜브형 전기분해 전지 및 그 대응 방법 - Google Patents

동축 전극을 포함하는 튜브형 전기분해 전지 및 그 대응 방법 Download PDF

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Abstract

유입구(12, 63, 65), 유출구(36, 63, 65) 및 동축의 실린더형 내부 및 외부 전극(20, 22)을 포함하는 전기분해 전지(10)가 제공된다. 실린더형 이온 선택막(18)이 내부 및 외부 전극(20, 22) 사이에 위치되며 막(18)의 반대 측면 상에서 각각 제1 및 제2 전기분해 반응 챔버(14, 16)를 형성한다. 1 및 제2 챔버(14, 16)을 따른 유체 흐름 경로는 유입구(12, 63, 65)를 통하여 결합된 유입구 흐름 경로(70) 및 유출구(36, 63, 65)를 통하여 결합된 유출구 흐름 경로(72)로서 합류한다.

Description

동축 전극을 포함하는 튜브형 전기분해 전지 및 그 대응 방법{TUBULAR ELECTROLYSIS CELL COMPRISING CONCENTRIC ELECTRODES AND CORRESPONDING METHOD}
본 발명은 유체의 전기화학적 활성화에 관한 것이며, 더 상세하게는 전기분해 전지 및 이에 대응하는 방법에 관한 것이다.
전기분해 전지는 다양하고 상이한 응용분야에서 유체의 하나 이상의 특성을 변화시키는데 사용된다. 예를 들어, 전기분해 전지는 세척/살균 응용분야, 의료 산업 및 반도체 제조 프로세스에서 사용되고 있다. 전기분해 전지는 또한 다양한 다른 응용분야에도 사용되고 있으며, 상이한 구성을 갖는다.
세척/살균 응용분야의 경우, 전기분해 전지는 양극 전해활성(electro chemically activated; EA) 액과 음극 전해활성(EA) 액을 생성하는데 사용된다. 양극 EA액은 살균 특성을 갖는 것으로 알려져 있고, 음극 EA액은 세척 특성을 갖는 것으로 알려져 있다. 세척 및/또는 살균 시스템의 실시예는 필드(Field) 등에 의하여 2007년 8월 16일에 공개된 미국 특허공개공보(U.S. Publication) 제2007/0186368 A1에 개시되어 있다.
본 발명은 유체의 전기화학적 활성화에 관한 것이며, 더 상세하게는 전기분해 전지 및 이에 대응하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태는 유입구(inlet), 유출구(outlet) 및 동축(coaxial)의 내부 및 외부 전극을 포함하는 전기분해 전지에 관한 것이다. 이온 선택막은 내부 및 외부 전극 사이의 간격(gap)에 위치되어, 막의 반대편 측면에 각각 제1 및 제2 전기분해 반응 챔버를 형성한다. 상기 제1 및 제2 챔버를 따르는 유체 흐름 경로는 유출구를 통하여 결합된 유출구 흐름 경로로 합류하게 된다.
본 발명의 특정 실시형태에서, 상기 제1 및 제2 챔버를 따르는 유체 흐름 경로는 또한 유입구를 통하여 결합된 유입구 흐름 경로로 합류하게 된다.
본 발명의 다른 실시형태는 액체의 전기분해방법에 관한 것이다. 상기 방법은 액체를 전기분해 전지를 통하여 통과시키는 단계 및 제1 및 제2 전극 사이에 가동 전압(energization voltage)을 인가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 전기분해 전지는 다양하고 상이한 응용분야에서 사용될 수 있으며, 휴대하거나(hand-held), 이동식이거나(mobiled), 고정식이거나(immobile), 벽걸이식이거나(wall-mounted), 자립형이거나(free-standing), 전동식이거나 비전동식 세척/살균 운송수단(vehicle), 바퀴가 달릴 수도 있는 다양하고 상이한 타입의 장치 등에 수용될 수 있다.
도 1은 이온 선택막을 갖는 전기분해 전지의 예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따라 튜브형 형상을 갖는 전기분해 전지의 예를 도시한다.
도 3a는 도 2에 도시된 전기분해 전지의 특이적인 예의 평면도이다.
도 3b는 전기분해 전지의 측면도이다.
도 3c는 전기분해 전지의 끝단면도(end view)이다.
도 4a는 도 3a의 A--A 선을 따른 전지의 단면도이다.
도 4b는 도 3C의 B--B 직선을 따른 전지의 단면도이다.
도 5a는 조립 최종 단계에서의 전지(10)를 도시한다.
도 5b는 하우징 튜브(housing tube)가 제거되어 외부 전극 실린더를 노출시키는 전지를 도시한다.
도 5c는 외부 전극과 말단 캡(end cap)이 제거되어 이온 선택막을 노출시키는 전지를 도시한다.
도 5d는 이온 선택막이 제거되어 내부 전극 실린더를 노출시키는 전지를 도시한다.
도 5e는 도 5d의 D--D 직선을 따른 전지의 단면도이다.
도 6a는 전지의 고형 내부 코어의 사시도이다.
도 6b는 코어의 끝단면도이다.
도 6c는 코어의 측면도이다.
도 7a는 말단 캡과 오프셋(offset)으로 조립된 내부 전극 실린더의 특징을 도시하는 전지의 평면도이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 전지의 측면도이다.
도 7c는 도 7b의 E--E 직선을 따른 전지의 단면도이다.
도 8a는 말단 캡으로 조립된 외부 전극 실린더의 특징을 도시하는 전지의 평면도이다.
도 8b는 도 8a에 도시된 전지의 측면도이다.
도 8c는 도 8b의 F--F 직선을 따른 전지의 측면도이다.
도 9a는 하우징 튜브(50)의 사시도이다.
도 9b는 하우징 튜브의 평면도이다.
도 9c는 하우징 튜브의 측면도이다.
도 9d는 도 9c의 G--G 직선을 따른 하우징 튜브의 측면도이다.
본 개시물의 일 측면은 액체의 전기분해 방법 및 장치에 관한 것이다.
1. 전기분해 전지
전기분해 전지는 적어도 하나의 양극과 적어도 하나의 음극 사이의 유체를 통하여 전기장을 인가하는데 적용되는 임의의 유체 처리 전지를 포함한다. 전기분해 전지는 임의의 적절한 개수의 전극, 임의의 적절한 개수의 유체를 보관하는 챔버 및 임의의 적절한 개수의 유체 입력 및 유체 출력을 갖는다. 전지는 액체 또는 기체-액체 결합과 같은 임의의 유체를 처리하는데 적용될 수 있다. 전지는 양극과 음극 사이에 하나 이상의 이온 선택막을 포함하거나, 어떠한 이온 선택막도 없이 구성될 수도 있다.
전기분해 전지는 다양하고 상이한 응용분야에서 사용될 수 있으며, 예를 들어, 휴대하거나(hand-held), 이동식이거나(mobiled), 고정식이거나(immobile), 벽걸이식이거나(wall-mounted), 자립형이거나(free-standing), 전동식이거나 비전동식 세척/살균 운송수단(vehicle), 바퀴가 달릴 수도 있는 다양하고 상이한 타입의 장치 등에 수용될 수 있다. 본 발명 개시된 전기분해 전지가 사용될 수 있는 다양한 응용의 비-한정 예는 2007 년 8 월 16 일에 공개된 필드(Field) 등의 미국 공개특허 번호. 2007/0186368에 개시되어 있다.
2. 막을 갖는 전기분해 전지
도 1은 액체 공급원(12)으로부터 처리될 수 있는 액체를 수용하는 전기분해 전지(10)의 예를 도시하는 개략적인 다이아그램이다. 액체 공급원(12)은 탱크 또는 다른 용액조(solution reservoir)를 포함할 수 있고, 또는 외부 공급원(source)으로부터 액체를 수용하기 위한 피팅(fitting) 또는 다른 유입구를 포함할 수 있다.
전지(10)는 반응 챔버로 알려진 하나 이상의 양극 챔버(14) 및 하나 이상의 음극 챔버(16)를 가지며, 이들은 양이온 또는 음이온 교환막(exchange membrane)과 같은 이온 교환막(18)에 의하여 분리되어 있다. 하나 이상의 양극(20) 및 음극(22)(각각의 전극 중 하나씩만 도시하였음)은 각각의 양극 챔버(14) 및 음극 챔버(16)에 각각 배치되어 있다. 양극(20) 및 음극(22)은 전도성 폴리머, 티타늄 및/또는 백금과 같은 귀금속으로 코팅된 티타늄, 또는 임의의 다른 적절한 전극 소재와 같은 임의의 적절한 소재로 만들어질 수 있다. 전극 및 각각의 챔버는 임의의 적절한 형상과 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 전극은 평판, 동축형(coaxial) 판, 막대(rod) 또는 이들의 조합 형태일 수 있다. 각각의 전극은, 예를 들어 고형(solid) 구조를 갖거나, 하나 이상의 개구를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 전극은 메쉬(mesh)로 형성된다. 또한, 다수의 전지(10)는 예를 들어 다른 전지와 직렬 또는 병렬 연결될 수 있다.
전극(20 및 22)은 통상적인 전원의 반대 단자(미도시)에 전기적으로 연결되어 있다. 이온 교환막(18)은 전극(20)과 전극(22) 사이에 위치한다. 전원은 일정한 DC 출력 전압, 펄스화되거나 변조된 DC 출력 전압 및/또는 펄스화되거나 변조된 AC 출력 전압을 양극 및 음극에 제공할 수 있다. 전원은 임의의 적절한 전압 레벨, 전류 레벨, 듀티-사이클(duty-cycle) 또는 파형을 가질 수 있다.
예를 들어, 일 실시형태에서, 전원은 상대적 정상 상태에서 공급 전압을 판에 인가한다. 전원은 전압 및 전류 출력을 제어하기 위하여 펄스-폭 변조(pulse-width modulation; PWM) 제어 방식을 사용하는 DC/DC 변환기를 포함한다. 다른 타입의 전원 또한 사용될 수 있으며, 이들은 다른 전압 및 전력 범위에서 펄스화되어 있거나 그렇지 않을 수 있다. 변수들은 주문형(application-specific)이다.
동작하는 동안, 원료 물(또는 처리될 다른 액체)은 공급원(12)으로부터 양극 챔버(14)와 음극 챔버(16) 모두로 공급된다. 양이온 교환막의 경우에, 약 5 볼트 내지 약 25 볼트까지의 범위에 있는 전압과 같은, 양극(20)과 음극(22) 사이의 DC 전압 포텐셜의 인가에 따라, 양극 챔버(14)에 원래 존재하는 양이온은 이온 교환막(18)을 통하여 음극(22)으로 이동하며, 양극 챔버(14)에 존재하는 음이온은 양극(20)으로 이동한다. 그러나, 음극 챔버(16)에 존재하는 음이온은 양이온 교환막을 통과할 수 없으므로, 음극 챔버(16) 내에 계속 남게 된다.
그 결과로서, 전지(10)는 전기분해를 적어도 부분적으로 활용함으로써 원료 물을 전기화학적으로 활성화하고, 산성의 양극액 성분(30) 및 염기성의 음극액 성분(32)의 형태로 전기화학적으로 활성화된 물을 생산한다.
필요에 따라 양극액 및 음극액은, 예를 들어 전기분해 전지의 구조에 대한 변형을 통하여 상이한 비율로 생성될 수 있다. 예를 들어, EA 물의 가장 중요한 기능이 세척이라면, 전지는 양극액보다 음극액을 더 생산하도록 구성될 수 있다. 선택적으로, 예를 들어, EA 물의 중요한 기능이 살균이라면, 전지는 음극액보다 양극액을 더 생산하도록 구성될 수 있다. 또한, 각각의 경우에서 반응 종류(reactive species)의 농도는 변할 수 있다.
예를 들어, 전지는 양극액보다 음극액을 더 생산하기 위하여 음극판 대 양극판의 비율을 3:2로 할 수 있다. 각각의 음극판은 각각의 이온 교환막에 의하여 각각의 양극판과 분리된다. 따라서, 2 개의 양극 챔버에 관해 3 개의 음극 챔버가 존재한다. 이러한 구성은 대략 60%의 음극액 대 40%의 양극액을 생산한다. 다른 비율 또한 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 이온 교환막(18)은 양이온 교환막(즉, 양성자 교환막) 또는 음이온 교환막을 포함할 수 있다. 막(18)에 관한 적절한 양이온 교환막은 부분적 또는 완전한 플루오르화 이오노머(ionomer), 폴리아로마틱(polyaromatic) 이오노머 및 이들의 조합을 포함한다. 막(18)에 관한 적절히 상업적으로 이용가능한 이오노머의 예시는 미국 델라웨어주 윌밍턴 소재의 듀퐁사(E.I. du Pont de Nemours and company)의 "NAFION" 상품명으로 이용가능한 술포네이티드 테트라플루오로에틸렌 코폴리머; 일본 소재의 아사히 그라스사(Asahi Glass Co., Ltd.)의 "FLEMION" 상품명으로 이용가능한 퍼플루오르네이티드 카르복실산 이오노머; 일본 소재의 아사히 케미칼 인더스트리스(Asahi Chemical Industries Co. Ltd.)의 "ACIPLEX" 상품명으로 이용가능한 퍼플루오르네이티드 술폰산 이오노머 및 이들의 조합물을 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서는 임의의 이온 교환막이 사용될 수 있다.
양극 EA액 및 음극 EA액 출력은 분사기(34)에 연결될 수 있으며, 분사기는 임의의 타입의 분사기, 또는 유출구, 피팅, 삽입구(spigot), 스프레이 헤드/노즐, 세척/살균 장치 또는 헤드 등과 같은 분사기를 포함할 수 있다. 각각의 출력(30 및 32)에 대한 분사기 또는 출력 모두를 위한 결합형 분사기가 존재할 수 있다.
일 실시예에서, 양극액 및 음극액 출력은 공통 출력 스트림(36)으로 혼합되어 분사기(34)로 공급된다. 필드(Field) 등의 미국 특허공개공보 제2007/0186368호에 개시되어 있는 바와 같이, 양극액과 음극액은 세척 장치의 분배 시스템 내에 및/또는 세척될 표면 또는 대상 상에서 함께 혼합될 수 있으며, 적어도 유리한 세척 및/또는 살균 특성을 일시적으로 보유한다. 양극액과 음극액이 혼합되는 경우라도, 이들은 초기에는 평형 상태에 있지 않으므로 향상된 세정 및/또는 살균 특성을 일시적으로 보유한다.
3. 전극 패턴 실시예
본 발명의 일 실시예에서, 양극 또는 음극 중 적어도 하나는 그리드 형상으로 규칙적인 크기의 직사각형 개구부(opening)를 갖는 금속 메쉬로 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 메쉬는 제곱 인치당 20*20 개의 그리드 개구부의 그리드 패턴을 갖는 0.023 인치 직경의 T316 스텐레스 스틸로 형성된다. 그러나, 다른 예시에서 다른 치수, 배열 및 소재가 사용될 수 있다.
예를 들어 상술한 바와 같이, 양극 또는 음극 중 적어도 하나는 정전하 일소성(static dissipating) 장치에 사용되는 것과 같은 전도성 폴리머로 전적으로 또는 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 적절한 전도성 폴리머의 예시는 미국 미네소타주 위노나 소재의 알티피 컴파니(RTP Company)로부터 상업적으로 이용가능하다. 예를 들어, 전극은 101 내지 106 ohm/sq와 같은 100 내지 1012 ohm/sq의 표면 저항을 갖는 전도성 플라스틱 화합물로 형성될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서 이들 범위 밖의 표면 저항을 갖는 전극이 사용될 수 있다.
하나 이상의 전극은 그리드 형상으로 규칙적인 크기의 직사각형 개구부(opening)를 갖는 메쉬를 형성할 수 있다. 그러나, 개구부 또는 개구는 원형, 삼각형, 곡선형, 직선형, 규칙형 및/또는 불규칙형과 같은 임의의 형상을 가질 수 있다. 곡선형 개구는 적어도 하나의 곡선 모서리를 갖는다. 사출 성형된 경우, 예를 들어, 개구의 형상 및 크기는 특정 패턴으로 용이하게 조정될 수 있다. 그러나, 이들 패턴은 또한 본 발명의 다른 실시예에서 금속 전극으로 형성될 수 있다.
개구는 전기분해용 전극의 표면 영역을 증가시키도록 크기가 정해지거나 위치될 수 있으며, 처리될 액체에서의 기체 버블의 발생을 촉진할 수 있다.
4. 튜브형 전극 예
전극 자체는 평판, 동축형 판, 실린더형 막대 또는 이들의 조합 형태와 같은 임의의 적절한 형상을 가질 수 있다. 도 2는 예시적인 일 실시예에 따라 튜브 형상을 갖는 전기분해 전지(10)의 일 예를 나타낸다. 전지(10)의 방사상(radial) 단면은 도 2에 도시된 원형과 같은 임의의 형상, 또는 하나 이상의 곡선 모서리를 갖는 곡선 형상 및/또는 직선 형상과 같은 다른 형상을 가질 수 있다. 특정 실시예는 타원형, 정사각형 등과 같은 다각형을 포함한다.
전지(100)의 일부는 설명의 목적으로 절단되어 있다. 이 실시예에서, 전지(10)는 튜브형 하우징(50), 튜브형 외부 전극(20) 및 0.040 인치와 같은 적절한 간격만큼 외부 전극과 분리되어 있는 튜브형 내부 전극(22)을 갖는다. 0.020 인치 내지 0.080 인치의 범위의 간격과 같이, 다른 간격 크기 또한 사용될 수 있지만 이들로 제한되는 것은 아니다. 내부 전극 또는 외부 전극 중 어느 하나는 인가된 전압의 상대적 극성에 따라 양극/음극으로서 작용할 수 있다.
이온 선택막(18)은 외부 전극(20)과 내부 전극(22) 사이에 위치한다. 하나의 특정 실시예에서, 이온 선택막은 듀퐁사(E.I. du Pont de Nemours and company)의 "NAFION"을 포함하며, 이는 2.55 인치×2.55 인치로 절단된 다음, 내부 튜브형 전극(206) 주위를 둘러싸고, 예를 들어, 쓰리엠 컴파니(3M Company)의 #1357 접착제와 같은 접촉식 접착제(contact adhesive)로 이음매 겹침부분을 고정시킨다. 또한, 다른 실시예에서는 다른 치수 및 소재가 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서, 내부 튜브형 전극(22)의 내부에서 적어도 일부의 공간 체적은 고체 삽입물(52)에 의하여 차단되어, 전극(20 및 22) 및 이온 선택막(18) 사이를 따라 액체 흐름을 하우징(50)의 세로축 방향으로 촉진한다. 이 액체 흐름은 전도성이며, 두 전극 사이에서 전기 회로를 완성한다. 전기분해 전지(10)는 임의의 적당한 치수를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 전지(10)는 약 4 인치의 길이 및 약 1 인치의 외부 직경을 가질 수 있다. 길이 및 직경은 처리 시간 및 액체 단위 체적당 발생되는 바블, 예를 들어, 나노바블 및/또는 마이크로바블의 양을 제어하도록 선택될 수 있다.
전지(10)는 이 실시예에서 유입구 튜브를 포함하는 액체 공급원(12)에 연결된다. 전지(10)는 일단 또는 양단에서 적합한 피팅을 포함할 수 있다. 플라스틱 순간-연결 피팅과 같은 임의의 부착 방법이 이용될 수 있다.
도 2에 도시되어 있는 실시예에서, 전지(10)는 전극(20 및 22) 중 하나와 이온 선택막(18) 사이에 있는 양극 챔버에서 양극 EA액을 생산하고, 전극(20 및 22) 중 다른 하나와 이온 선택막(18) 사이에 있는 음극 챔버에서 음극 EA액을 생산한다. 상기 양극 EA액 및 음극 EA액 흐름 경로는, 양극 EA액 및 음극 EA액이 이온 선택막(18)의 튜브 말단을 통과하여 전지(10)의 말단으로 빠져 나옴에 따라, 전지(10)의 유출구에서 합류한다. 그 결과, 전지(10)는 혼합된 양극 EA액 및 음극 EA액을 생성하고 분사한다.
5. 전기분해 전지의 특정 실시예
도 3 내지 9는 본 발명의 특정 실시예에 따른 전기분해 전지를 도시한다. 동일한 참조 번호는 도 3 내지 9에서 동일하거나 유사한 구성요소에 대하여 사용되었다. 도면에 도시된 치수는 인치이며 비한정 실시예로서만 제공된다. 다양한 다른 치수가 다른 실시예에서 사용될 수 있다.
도 3a는 전기분해 전지(10)의 평면도이고, 도 3b는 전기분해 전지(10)의 측면도이며, 도 3c는 전기분해 전지(10)의 끝단면도이다. 전기분해 전지(10)는 하우징 튜브(50) 및 말단 캡(60 및 62)을 포함한다. 말단 캡(60, 62)은 하우징 튜브(50)의 말단에서 밀봉된다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 말단 캡(62)은 전지의 유입구 또는 유출구 중 어느 하나를 형성하는 개구부(65)를 갖는다. 마찬가지로, 말단 캡(60)은 전지의 유출구 또는 유입구 중 어느 하나를 형성하는 개구부(63)(도 4a 및 4b에 도시됨)를 갖는다. 각각의 개구부(63, 65)는 예를 들어, 유입구 튜브 또는 유출구 튜브의 피팅에 부착용으로 1/8 인치 정상 파이프 나사산(Normal Pipe Thread: NTP)을 갖는다.
제1 전극 컨택트(64)는 말단 캡(60)을 통하여 연장하고, 제2 전극 컨택트(66)는 하우징 튜브(50)의 슬롯(67)을 통하여 연장한다. 컨택트(64)는 도 4a 및 4b에 도시된 외부 전극(20)에 전기적으로 결합되고, 컨택트(66)는 또한, 도 5a 및 5b에 도시된 내부 전극(22)에 전기적으로 결합된다. 일 실시예에서, 하우징 튜브(50) 및 말단 캡(60, 62)은 ABS 플라스틱으로 형성된다.
도 4a는 도 3a의 A--A 직선을 따른 전지(10)의 단면도이며, 도 4b는 도 3C의 B--B 직선을 따른 전지(10)의 단면도이다. 상기에서 논의된 바와 같이, 전지(10)는 튜브형 하우징(50), 말단 캡(60, 62), 유입구(또는 유출구)(63), 유출구(또는 유입구)(65), 외부 전극 실린더(20), 이온 교환막 실린더(18), 내부 전극 실린더(22) 및 고형 코어(core) 삽입물(52)을 포함한다. 컨택트(64)는 내부 전극(22)의 내부 직경 표면에 부착되고, 컨택트(66)는 외부 전극(22)의 외부 직경 표면에 부착된다. 하우징 튜브(50)의 슬롯(67)은 예를 들어, 에폭시로 컨택트(66) 주위로 밀봉될 수 있다.
도 2를 참조하여 상술한 바와 같이, 고형 코어 삽입물(52)은 내부 전극 실린더(22)의 내부에서 적어도 일부의 공간 체적을 차단하여, 도 4a의 유입구 흐름 선(70) 및 유출구 흐름 선(72)에 의하여 도시된 바와 같이, 전극(20 및 22) 및 이온 선택막(18) 사이를 따라서 액체 흐름을 촉진한다. 따라서, 내부 전극(22)은 중앙 세로 섹션(central longitudinal sections) 및 제1 및 제2 말단 세로 섹션을 갖고, 유입구 흐름 경로(70)와 유출구 흐름 경로(72)는 내부 전극(22)의 제1 및 제2 세로 섹션의 내부에서 공간 체적에 유체적으로 각각 연결되어 있다. 상기 중앙 세로 섹션의 내부에서 적어도 일부의 공간 체적은 고형 내부 코어(52)에 의하여 내부 전극(22)의 세로축을 따르는 유체 흐름이 차단되어, 유입구 흐름 경로(70) 및 유출구 흐름 경로(72)가 유체 흐름에 투과성인 내부 전극(22)을 통과하게 된다.
이온-교환막(18)은 전지(10)의 세로축을 따른 길이를 가지며, 말단 캡(60 및 62) 사이의 거리보다 짧아서 전극(20 및 22) 및 이온 선택막(18) 사이를 따라서 액체 흐름을 더 촉진시킨다. 그러나, 이온-교환막(18)은 다른 실시예에서 말단 캡(60 및 62) 사이의 거리와 동일하거나 더 긴 길이를 가질 수 있다. 화살표(74)는 이온 교환막(18)의 일단과 말단 캡(60)의 내부 모서리 사이의, 예를 들어 약 0.23 인치의, 세로 간격을 도시한다. 화살표(76)는 이온 교환막(18)의 타단과 말단 캡(62)의 내부 모서리 사이의, 예를 들어 약 0.21 인치의, 세로 간격을 도시한다.
내부 및 외부 메쉬 전극(20 및 22)은 액체 흐름에 투과성이다. 유입구 흐름(70)은 세로 간격(74)에서 내부 메쉬 전극(22)을 통과하여 전극(20 및 22) 사이의 방사상 간격으로 흐른다. 마찬가지로, 유출구 흐름(72)은 전극(20 및 22) 사이의 방사상 간격으로부터, 세로 간격(76)에서 내부 메쉬 전극(22)을 통하여 유출구(65)로 흐른다.
또한, 액체는 외부 전극(20)의 외부 직경 표면과 하우징 튜브(50)의 내부 직경 표면 사이의 방사상 간격을 따라서, 그리고 내부 전극(22)의 내부 직경 표면과 코어 삽입물(52)의 외부 직경 표면 사이의 방사상 간격을 따라서 흐른다. 말단 캡(60 및 62) 및/또는 다른 격리(standoff) 구성요소는 간격 공간을 설정하기 위한 오프셋을 형성하는 쇼울더(shoulders)를 갖는다.
도 5a 내지 도 5e는 다양한 조립 단계에서의 전기분해 전지(10)의 층을 도시한다. 도 5a는 조립의 최종 단계에 있는 전지(10)를 도시한다. 도 5b는 하우징 튜브가 제거되어 외부 전극 실린더를 노출시키는 전지(10)를 도시한다. 말단 캡(60 및 62)은 하우징 튜브(50)가 장착되어 있고(도 5a), 하우징 튜브(50) 및 외부 전극 실린더(20) 사이의 방사상 간격을 정의하는 쇼울더(80 및 82)를 갖는다. 도 5b는 전극(20)의 메쉬 패턴의 일 부분을 도시한다.
도 5c는 외부 전극(20)과 말단 캡(62)이 제거되어 이온 선택막(18)을 노출시키는 전지(10)를 도시한다. 말단 캡(60)은 외부 전극(20)이 장착되어 있고(도 5b에서), 외부 전극(20) 및 이온 선택막(18) 사이의 방사상 간격을 정의하는 쇼울더(84)를 더 포함한다. 또한, 오프셋 링(86)은 내부 전극 실린더(22) 상에 사출되거나 부착되어, 도 5b에 도시된 바와 같이 전지(10)의 타단상에 외부 전극 장착용의 유사한 쇼울더를 제공하게 된다. 예를 들어, 오프셋(86)은 내부 전극 실린더(22)의 일단을 수용하기 위한 실린더형 슬롯을 가질 수 있다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 이온-교환막(18)은 내부 전극 실린더(22)의 말단 부분을 노출시키고, 전극(20 및 22) 및 이온 선택막(18) 사이를 따라서 액체 흐름을 촉진시키는, 말단 캡(60) 및 오프셋(86) 사이의 거리보다 더 짧은 전지(10)의 세로축을 따르는 길이를 갖는다.
도 5d는 이온 선택막(18)이 제거되어 내부 전극 실린더(22)를 노출시키는 전지(10)를 도시한다.
도 5e는 도 5d의 D--D 직선을 따른 전지(10)의 단면도이며, 내부 전극 실린더(22)의 내부에 위치된 고형 내부 코어(52)를 도시한다. 일 실시예에서, 내부 전극 실린더는 말단 캡(60)의 실린더형 슬롯 및 오프셋(86)의 유사한 슬롯 내에 끼워져서, 내부 전극 실린더(22)의 내부 직경 표면 및 고형 내부 코어(52)의 외부 직경 표면 사이의 작은 방사상 간격을 정의하여, 예를 들어 상기 간격을 따라 유체 흐름을 가능하게 한다. 상기 간격은 도 5e 에서는 볼 수 없다.
도 6a 내지 도 6c는 고형 내부 코어(52)를 더 자세히 도시한다. 도 6a는 코어(52)의 투시도이고, 도 6b는 코어(52)의 끝단면도이며, 도 6c는 코어(52)의 측면도이다. 코어(52)의 각 말단은 원주로 이격된(circumferentially-spaced) 슬롯(90) 및 교환배치된(interleaved) 레그(92)의 한 세트(set)를 갖는다. 상기 레그(92)는 말단 캡(60, 62) 및 오프셋(86)을 지지하는 반면에, 슬롯(90)은 유입구/유출구(63) 및 유입구/유출구(65)를 통하여 유체 흐름을 촉진시켜 전극(20, 22) 사이를 따라서 간격으로 흐르게 한다. 또한, 상기 슬롯은 전지(10)의 유출구를 통한 유출시에 음극액 챔버에서 생성된 음극액의 흐름과 함께 양극액 챔버에서 생성된 양극 EA액의 흐름을 합류하도록 보조한다.
도 7a 내지 도 7c는 말단 캡(60) 및 오프셋(86)으로 조립된 내부 전극 실린더(22)의 특징을 도시하며 다양한 특징의 표본 수치를 도시한다. 도 7a는 전지(10)의 평면도이고, 도 7b는 전지(10)의 측면도이며, 도 7c는 도 7b의 E--E 직선을 따른 전지(10)의 단면도이다.
마찬가지로, 도 8a 내지 도 8c는 말단 캡(62)으로 조립된 외부 전극 실린더(20)의 특징을 도시하며 다양한 특징의 표본 수치를 도시한다. 도 8a는 전지(10)의 평면도이고, 도 8b는 전지(10)의 측면도이며, 도 8c는 도 8b의 F--F 직선을 따른 전지(10)의 단면도이다.
도 9a 내지 도 9d는 하우징 튜브(50)를 더 자세히 도시한다. 도 9a는 튜브(50)의 사시도이고, 도 9b는 튜브(50)의 평면도이고, 도 9c는 튜브(50)의 측면도이며, 도 9d는 도 9c의 G--G 직선을 따른 튜브(50)의 단면도이다.
상기 도시된 실시예에서, 외부 전극(20), 내부 전극(22) 및 이온 선택막(18)은 실린더형이며 실질적으로 서로 동축이다. 상기 이온 선택막(18)은 전지를 제1 및 제2 반응 챔버로 분할하고, 하나는 외부 전극(20) 및 이온 선택막(18) 사이이고, 다른 하나는 내부 전극(22) 및 이온 선택막(18) 사이이다. 상기 내부 및 외부 전극에 인가되는 전압의 상대적인 극성에 따라, 하나의 챔버는 양극 챔버이며 다른 하나는 음극 챔버이다.
상기 양극 및 음극 챔버는 임의의 밸브 없이 전지의 유입구 및 유출구에서 서로 유체적으로 연결되어 하나의 챔버로부터 다른 챔버로의 특정 흐름 스트림을 스위칭한다.
이 특정한 실시예에서, 외부 및 내부 전극(20, 22)은 이온 선택막(18)보다 더 길고, 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이 이온 선택막의 양 말단을 넘어 연장하는 외부 및 내부 전극의 말단을 갖는다. 이는 양극 챔버 및 음극 챔버의 각 말단에서의 흐름을 촉진시켜, 막의 세로 모서리를 넘어서 서로 합류하게 된다. 또한, 전극 및 말단 캡은 합류된 흐름이 내부 전극을 통하여 전지 유입구로부터 양극 및 음극 챔버로 흐르게 하고, 내부 전극을 통하여 양극 및 음극 챔버로부터 전지 유출구로 함께 흘러가도록 한다.
다른 일 실시예에서, 내부 및 외부 전극 및 이온 선택막은 동일한 길이를 갖고, 양극 및 음극 챔버를 따라 흐르는 흐름은 전극 및 막의 세로 모서리에서 합류한다. 다른 일 실시예에서, 상기 전지 전후의 유입구 및/또는 유출구는 전지의 세로축을 따라 위치되지 않는다. 예를 들어, 유입구 및/또는 유출구는 하우징 튜브(50)를 통과하거나 말단 캡을 통하여 축에서 이탈할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 유입구 및 유출구는 전지의 동일한 말단에 위치될 수 있다. 예를 들어, 전지는 서로 직렬 연결된 복수의 동축 챔버를 형성하여 꾸불꾸불한 흐름 경로를 생성하는 복수의 동축 전극 및 이온 선택막을 가질 수 있다. 또 다른 일 실시예에서, 전지는 서로 병렬로 연결된 복수의 동축 양극 및/또는 음극 챔버로서, 전지의 일단에 유입구가 있고 타단에 유출구가 있는 챔버를 생성하는, 복수의 동축 전극 및 이온 선택막을 포함할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 고형 내부 코어(52)가 제거되고, 내부 전극 실린더(22)가 고체 실린더 또는 막대로 형성된다. 또 다른 일 실시예에서, 양극 및 음극 챔버는 전지의 전후로 분리된 유입구 및 유출구를 가질 수 있다. 또한, 다른 변형들도 이용될 수 있다.
본 발명은 하나 이상의 실시예를 참조하여 기술되었지만, 당업자는 본 발명 및/또는 첨부된 청구의 범위의 취지 및 범위로부터 벗어나지 않고 구체적으로 상세히 변경될 수 있음을 알 것이다.

Claims (12)

  1. 유입구 및 유출구;
    동축의 내부 및 외부 전극; 및
    상기 내부 및 외부 전극 사이의 간격에 위치되어, 반대 측면상에 각각 제1 및 제2 전기분해 반응 챔버를 형성하는 이온 선택막을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 챔버를 따르는 유체 흐름 경로가 유출구를 통하여 결합된 유출구 흐름 경로로서 합류하는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결합된 유출구 흐름 경로는 내부 전극을 통과하는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 챔버를 따르는 유체 흐름 경로는 유입구를 통하여 결합된 유입구 흐름 경로로 합류하는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지.
  4. 제3항에 있어서, 상기 결합된 유입구 흐름 경로 및 결합된 유출구 흐름 경로는 내부 전극을 통과하는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지.
  5. 제4항에 있어서, 상기 내부 전극은 유체 흐름에 투과성이며;
    상기 내부 전극은 중앙 세로 섹션과 제1 및 제2 말단 세로 섹션을 포함하며;
    상기 유입구 흐름 경로 및 유출구 흐름 경로는 각각 제1 및 제2 세로 섹션의 내부에서 공간 체적과 유체적으로 결합되며; 그리고
    상기 중앙 세로 섹션 내부의 적어도 일부의 공간 체적은, 내부 전극의 세로축을 따르는 유체 흐름이 차단되어, 유입구 흐름 경로 및 유출구 흐름 경로가 내부 전극을 통과하는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 내부 전극의 내부 직경 공간 내에 위치된 고형 내부 코어를 더 포함하고, 고형 내부 코어를 통하여 유체 흐름을 차단하는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지.
  7. 제6항에 있어서, 상기 고형 내부 코어는 실린더형이고 제1 및 제2 말단을 포함하고;
    상기 제1 및 제2 말단의 적어도 하나는 원주로 이격된(circumferentially-spaced) 슬롯 및 교환배치된(interleaved) 레그의 한 세트(set)를 갖고; 그리고
    상기 유체 흐름 경로는 고형 내부 코어의 슬롯의 세트를 통과하는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 이온-교환막은 내부 및 외부 전극의 길이보다 더 짧은, 전지의 세로축을 따른 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지.
  9. 제8항에 있어서, 상기 내부 및 외부 전극 각각은 이온-교환막의 제1 및 제2 대향 말단을 넘어 연장하는 제1 및 제2 대향 말단을 갖고, 제1 및 제2 전기분해 챔버의 세로-대향 말단에서, 내부 및 외부 전극 사이에 이온-교환막 없이 제3 및 제4 전기분해 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 내부 전극, 외부 전극 또는 이온 선택막의 적어도 하나는 실린더형인 것을 특징으로 하는 전기분해 전지.
  11. 제1항에 있어서, 내부에 유입구가 형성되어 있는 제1 말단 캡; 및
    내부에 유출구가 형성되어 있는 제2 말단 캡을 더 포함하고
    상기 제1 및 제2 말단 캡은 서로 소기의 축 간격으로 내부 및 외부 전극을 지지하는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지.
  12. a) 유입구, 유출구, 동축의 내부 및 외부 전극 그리고 상기 내부 및 외부 전극 사이의 간격에 위치되어, 반대 측면상에 각각 제1 및 제2 전기분해 반응 챔버를 형성하는 이온 선택막을 포함하는 전기분해 전지를 통하여 액체를 통과시켜, 제1 및 제2 챔버를 따르는 유체 흐름 경로가 유출구를 통하여 결합된 유출구 흐름 경로로서 합류하는 단계; 및
    b) 상기 내부 및 외부 전극 사이에 가동 전압(energization voltage)을 인가하는 단계를 포함하는 방법.
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