KR20130027011A - 기포 발생 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

미세 기포 발생용 장치(1)가 공개되며, 이 장치는 기판(3)을 포함하며, 상기 기판은 관통하는 구멍(5)을 가지며, 각각의 구멍은 가스 유입구(7) 및 가스 유출구(9)를 포함하며, 가스 유출구의 폭은 가스 유입구의 폭보다 크다. 상기 장치의 제조 방법 및 미세 기포 발생 방법이 공개된다.

Description

기포 발생 장치 및 방법 {BUBBLES GENERATION DEVICE AND METHOD}
본 발명은 일반적으로 기포 발생용 장치에 일반적으로 관련된 것으로, 더욱 상세하게는, 미세 기포(fine bubbles) 발생용 장치 및 그 장치의 다양한 용도(uses)에 관련된 것이다. 본 발명은 또한 상기 장치의 제조 방법 및 미세 기포 발생 방법을 포함한다.
미세 기포의 형성은 잘 연구되고 보고된 연구 구역이다. 최근, 마이크로 미터 수준의 직경을 갖는 미세 기포를 활용하는 다양한 방법이 주목받고 있고, 미세 기포 발생을 위한 다양한 장치가 제안되고 있다.
기포를 형성하기 위해 사용되는 공통 기술들 중 일부는: 액체 스트림(liquid stream) 내에 공기를 용해시키기 위해 공기가 압축되고, 이어서 액체 스트림이 캐비테이션(cavitation)에 의해 기포를 형성하기 위해 노즐을 통해 방출되며; 공기 스트림(air streams)은 액체 표면 아래로 전달되고, 여기서 기포들은 기계적으로, 이를 테면 교반(agitation) 또는 전단력에 의해 터지며; 초음파가 캐비테이션을 일으키는 것을 포함한다.
베인(vanes) 및 공기 기포 제트 스트림(air bubble jet stream)을 이용하는 전단력으로 수류(water flow) 내에 공기를 넣음으로써 공기 기포를 발생하는 시스템에서, 캐비테이션 발생을 위해 보다 많은 회전수를 적용하는 것이 종종 요구된다. 그러나, 동력 소모 증가 및 베인의 부식 또는 캐비테이션의 발생에 의해 유발되는 진동과 같은 문제가 발생한다. 더욱이, 이러한 기술은 대량의 미세 기포를 발생하기 위해 그 자체로 도움이 되지 못한다.
소형 기포에 대한 요구는, 소형 기포가 다양한 탁월한 효과를 제공하는 것인데, 소형 기포는 식물 재배, 양식장, 폐수 처리 등을 포함하는 다수의 산업 분야에서 활용되고 있다. 기포의 용적에 대해 기포의 표면적을 증가시키기 위해 기포의 직경을 감소시키는 것이 효과적이며, 이로 인해 기포와 주위 액체 사이의 접촉 면적이 증대되며; 이에 따라, 기포 크기가 줄어들었을 때 더 신속한 질량 전달 프로세스가 프로세스가 일어날 수 있다.
폐수 처리 공장에서, 폐수 정화 프로세스의 부분으로서, 오수 또는, 슬러지에 폭기(aerate)하는 것이 알려져 있다. 일반적으로, 파이프 및/또는 호스 시스템을 경유하여 폐수를 담고 있는 폭기조(aeration tank)의 바닥 및 박테리아 플록(bacterial floc) 근처에 공기가 도입된다. 공기가 공기 기포로서 표면으로 상승하는 동안, 공기 내 산소의 일부는 폐수로 전달되고, 하수 처리에 도움이 되는 소화(digestion) 동안 호흡하는 박테리아에 의해 소모된다. 박테리아에 공급되는 산소가 더 많을수록, 소화 프로세스가 더 효율적으로 된다. 따라서, 좀더 작은 기포를 제공하여 소화 프로세스의 효율을 더 강화하는 것이 바람직하다.
폭기 목적을 위해 기포가 살포되는(sparged) 경우, 생물 반응기(bioreactors) 및 발효조(fermenters)에서 유사한 요구조건이 존재한다. 구용적으로, 이스트 박테리아가 성장 및 번식하는 이스트(yeast) 제조 산업은 호흡 목적을 위해 일정한 산소 보충이 필요하다는 요구 조건을 갖는다.
그러나, 종래 방식의 미세 기포 발생 시스템, 예를 들어 분사(injection)를 기반으로 하는 확산(diffusion) 시스템을 이용하는 폭기 시스템에서, 미세 기공(pores)이 제공될 때조차, 공기 기포가 압력하에서 기공을 통과하여 분사될 때, 각 기포의 용적이 팽창되고 각각의 기포의 직경은 분사 동안 공기 기포의 표면 장력에 의해 수(several) 밀리미터까지 증대된다. 이러한 방법은 소형 직경의 미세 기포 발생에 있어 어려움에 부딪히게 된다. 이러한 방법과 관련된 또 다른 문제점은 기공의 막힘이고, 이는 시스템의 효율을 감소시킨다.
소형 기포의 추가 응용은, 작은 량의 오일이 남아 있거나, 모래에 갇혀 있는 오일을 가진 일부 현장에서 뽑아 올리기 어려운 오일(hard-to-lift oil) 매장물(reserves)의 추출(extraction)이다. 이러한 오일-함유 매장물을 통과하여 위로 가스를 발포하는 것(bubbling)은 기포들이 중력하에서 상승하고 기포들과 함께 오일을 가져올 때 오일을 뽑아 올리는 효과를 가진다. 기포는 물에서 형성되고 유전정(well) 또는 매장물 안으로 펌핑되고(pumped) 오일은 각 기포의 가스와 물 사이의 계면에서 기포가 매장물을 통과하여 지나감으로 운반된다. 그런 이유로, 기포가 더 작을수록, 오일의 운반을 위한 관련 표면적이 더 커진다.
그러므로 지금까지 알려진 것보다 좀더 편리하고 효과적인 방법으로 미세 기포를 발생하는 것이 바람직하다.
일반적인 통찰은 기포의 크기를 줄이기 위하여 유일한 요구 조건이 기포가 형성되어 통과하는 기공 크기가 작아져야 한다는 것이다. 그러나, 이러한 통찰이 왜 잘못된 발상(ill-conceived)인지에는 많은 이유가 있다.
이러한 이유 중 첫 번째는 기포는 기포가 형성되어 통과하는 기판(substrate) 재료에 "고착되어(anchored)"있고, 어떤 파열힘(disruptive force)에 의해 기포가 떨어져 나갈 때까지 계속적으로 팽창되어 있다는 것이다. 그 힘은, 예를 들어, 기포가 성장할 때 기포에 적용되는 부력, 관성 또는 전단력이 될 수 있다. 계면장력은 기포가 표면에 고착되어 있는 덕분에 유지되는 힘을 제어한다. 이러한 방식으로, 고려될 필요가 있는 세 개의 상호 작용이 있다.
- 액체 및 고체 기판 사이의 상호 작용,
Figure pct00001
, [mN/m];
- 액체 및 가스(즉, 공기) 사이의 상호 작용,
Figure pct00002
, [mN/m]; 및
- 고체 기판과 가스(즉, 공기) 사이의 상호 작용,
Figure pct00003
, [mN/m].
이러한 힘들의 상대적인 기여는 기포 성장의 성질 및 기포가 표면으로부터 떨어져 나갈 수 있는 용이성을 제어한다.
전술된 것에 부가하여, 기포 성장률,
Figure pct00004
, 은 구멍 크기에 독립적이지만, 다음과 같이 표현낼 수 있다;
Figure pct00005
공식(1)
여기서 F 는 구멍을 통과하는 가스의 유량(flow rate), 그리고 rb 는 기포의 반경이다. 이는 기포가 작을수록, 성장률은 더 빨라진다는 것을 의미하고, 이는 30 미크론 직경의 단일 구멍을 통과하는 기포의 신속한 성장을 보여주는 도 1 로부터 명백하게 알 수 있다.
기포는 구멍 뚫린(pierced) 또는 소결된 재료(sintered material) 표면에서 거의 순간적으로 다소 형성된다는 것이 관찰되었다. 가스 기포가 구멍으로부터 액체 안으로 나타남에 따라, 기포의 형상은 도 1 에서 보이는 바와 같이, 반경(r), 및 높이(h)의 구형 캡(spherical cap)이 되는 것으로 추정된다. 기포의 용적은 그러므로 다음 식으로 주어진다.
Figure pct00006
공식(2)
이등분하는 코드(cords) 사이에는 기하학적 관계가 존재하고, 공식 (2)는 단일변수 h, 로 다음과 같이 변형될 수 있고:
Figure pct00007
공식(3)
기포의 용적 성장률, dV/dt,는 구멍을 통과하는 가스 유량, F 와 동일하고, 일정한 압력 변화율,
Figure pct00008
가 주어진다. 미분 항등식은:
Figure pct00009
공식(4)
공식(4)는 기포의 선형(linear) 성장률을 제공하기 위해 사용될 수 있다.:
Figure pct00010
공식(5)
공식(5)의 수치적 해는 도 2 에서 보는 바와 같이, 기포 반경의 성장률로 주어진다. 도 2 에서 보이는 해석은 기포가 구멍 뚫린 또는 소결된 재료 표면에서 다소 순간적으로 형성된다는 관찰과 일치된다. 0.01초 내에 r0 =15μm의 초기 조건으로부터 250μm 반경 (0.5 mm 직경)까지 기포 반경의 매우 빠른 성장률을 볼 수 있다. 이는 상대적으로 정상(steady) 성장률이 후속된다. 공식(5)의 해는 그러므로 또한 관찰과 일치한다.
기포 내의 최대압력, ΔP, 는 기포가 최소 반경, rb 가 될 때 달성된다는 것이 영-라플라스 방정식(Young-Laplace equation)으로부터 알려져 있다:
Figure pct00011
공식(6)
여기서
Figure pct00012
는 액체/가스 계면 장력이다.
기포가 통과하는 구멍과 동일한 반경의 반구(hemisphere)가 될 때, 기포의 최소 반경이 발생하고, 따라서 이는 기포 내의 최대 압력점(point of maximum pressure)이 되며; 이는 파괴 압력(break-through pressure)으로서 알려져 있다.
기포가 너무 크게 성장하기 전에 기판의 표면으로부터 액체 내로 기포를 제거하는 수단과 방법을 제공하는 것은 바람직하다. 예를 들어, 100 미크론 또는 그 미만, 및 바람직하게는 50 미크론 또는 그 미만의 직경을 가지는 미세 기포를 생성하는 것이 바람직할 수 있다.
후술되는 설명으로부터, 본 발명이 알려진 기술과 관련된 결함을 해결하는 방법을 명확하게 하고, 지금까지 고려되지 않거나 가능하게는 공지된 구성이 갖는 수많은 부가적 장점을 제공한다.
발명자는 만일, 공기 흐름, F,가 기포의 파괴 압력에 도달하자마자 중단할 수 있다면, 이때 구멍 내의 잔류 압력이 기포를 작은 크기로 팽창하게 되고, 이 기포는 이어서, 흐름이 재개되기 전에, 표면으로부터 분리될 수 있는 것을 가정하였다.
공기의 저장부(reservoir)는 기포를 공급하는 기공 내에 형성되고, 기공은 깊이(δ) 및 반경(r0)을 가진다. 보일의 법칙(Boyle's law)으로부터, 아래 첨자 "0"을 가지는 초기 상태 및 기포 파괴 상태는 아래 첨자 "1"을 가지는 최종 상태와 관련될 수 있다.:
Figure pct00013
공식(7)
초기 및 최종 상태에서의 용적은 다음과 같이 주어진다.:
Figure pct00014
공식(8)
Figure pct00015
잠재적(potential) 기포 크기는 공식(6),(7) 및 (8)을 조합함으로써 결정될 수 있고, 단순화에 의해 간편화 삼차 방정식의 형태의 관계를 제공한다.:
Figure pct00016
공식(9)
여기서 δ는 구멍의 길이/깊이(즉, 기판의 두께), r0 는 기포가 통과하여 형성되는 구멍의 반경, 그리고 rb 는 최종 기포 크기이다.
공식(9)의 해는 명백하게 r0 및 δ의 값에 종속된다. r0 = 15 μm 및 δ=70 μm의 전형적인 값에 대해, 공식(9)의 해는 r0 = 30μm 로 제공되고, 기포는 구멍 크기의 두 배가 되지만, 그러나 원하는 범위 내에 있다. 표 1 은 평형이 도달될 때 기포가 형성할 해의 범위를 제공한다. 이러한 최종 값은 만일 대량으로 형성될 경우 양호한 물질 전달을 제공하는 크기 모두이다.


구멍
반경
[μm]
판 두께

80
[μm]
70
[μm]
60
[μm]
50
[μm]
40
[μm]

5

22
20
19
16
14

10
29
27
24
21

15
33
30
26

20
35
30

23
35
발명자는 기포의 파괴점에서 가스 흐름을 중단하기 위한 수단을 고려했다. 전형적인 다공성 부재에는 수 만개의 구멍들이 있어, 각 구멍에서 흐름의 개별적인 중단은 터무니없이 복잡하게 보일 것이다.
- 진동형(oscillatory) 또는 펄스형(pulsed) 가스 흐름;
- 압력 최고점 및 최저점(peaks and troughs)을 유발하는 스피커와 같은, 음의 주파수 액츄에이터(sonic frequency actuator)를 사용;
- 가스가 흐를 때 구멍의 후방을 개폐할 수 있는 가요성 멤브레인(flexible membrane); 및
- 성장의 팽창 단계(expansion phase) 동안 흐름을 제한하는 오리피스 판의 사용을 포함하는;
다수의 대안적 루트(alternative routes)가 고려되었다.
따라서, 본 발명의 제 1 양태에 따라, 미세 기포를 발생하기 위한 장치가 제공되고, 장치는 구멍이 관통하는 기판을 포함하며, 각각의 구멍은 가스 유입구 및 가스 유출구를 포함하고, 여기서 가스 유출구의 폭은 가스 유입구의 폭보다 크며;
평균 가스 유입구 폭은 약 2 내지 10 미크론의 범위를 가지고: 및/또는
평균 가스 유출구 폭은 약 5 내지 100 미크론의 범위를 가지고: 및/또는
유입구 직경은 유출구 직경의 10분의 1 내지 5분의 1이다.
흐름을 제한할 목적으로 유입구 크기보다 더 큰 유출구 크기를 갖는 오리피스의 사용은 모색-후 특성(sought-after property)을 가져오는 것을 알게 되었다. 기포가 파괴 압력을 넘어 팽창함으로써, 공기 공급은 오리피스의 제한에 의해 한정될 것이고, 그래서 공식(1)에서 흐름 항, F,는 감소되고 그 결과로서 기포의 성장률은 감속된다. 이러한 방식으로, 대량의 미세 기포 발생 능력을 보유하는 한편 기포 크기를 최소화하는 방식이 제공된다. 미세 기포 발생을 위한 주된 기술로서 캐비테이션을 적용하는 장치들과 같은 공지된 장치의 복잡성보다 훨씬 적다.
장치와 관련하여, 각각의 구멍의 단면 형상은 원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형, 구각형 및 십각형으로부터 선택된 형상일 수 있다. 물론, 다른 기하학적 형상들이 본 발명의 기능을 달성하는 데 있어, 동일하게 효과적일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 원형 단면은 몇몇 실시예에서 미세 기포 발생에 특히 효과적일 수 있다.
장치는 다공성 부재이거나 또는 그와 같은 것으로 간주 될 수 있다. 다공성 부재는 산화 환원 연료 전지(redox fuel cells)와 같은 응용예, 특히 이 같은 전지용 재생 시스템에 활용될 수 있다.
가스 유출구의 폭은 가스 유입구의 폭 보다 10배 더 클 수 있다. 전형적으로, 유출구 직경은 원하는 기포 직경의 절반보다 작을 수 있다. 유입구 직경은 가스 흐름을 막히게 하기에(choke) 충분히 작아야만 한다. 특히 유입구 직경이 유출구 구멍 직경의 10분의 1(0.1) 내지 5분의 1 (0.2)일 때, 이런 효과가 보인다. 2 미크론 내지 10 미크론의 범위의 가스 유입구 폭 및 직경 20 미크론 내지 50 미크론 범위의 가스 유출구 폭이 특히 효과적이다. 천공된 표면 전체에 걸친 기하학적 일관성은 장치의 효과적인 성능에 대하여 결정적일 수 있고; 그러므로, 10% 이하의 편차가 선호되며; 더욱 특별히 1% 미만의 편차가 바람직할 수 있다.
구멍은 가스 유입구로부터 가스 유출구를 향하여 규칙적으로 테이퍼질 수 있다. 액체-고체 계면 장력에 따라, 구멍의 형상은 구멍 안으로 액체의 침투(ingress)를 방지할 수 있다. 예를 들어, 개방 원추형 구조를 가진 소수성(hydrophobic) 기판은 바람직하게 액체 침투를 방지할 수 있다.
구멍은 가스 유입구로부터 가스 유출구를 향하여 불규칙하게 줄어들 수 있다.
기판 상의 구멍 밀도는 400 내지 10000 구멍/㎠의 범위를 가질 수 있다. 구멍 밀도는 압력 강하 및 기포의 유착(coalescence) 사이에서의 균형이다. 기포 발생 주파수가 높을수록, 구멍 팩킹(packing) 밀도가 높을 때 기포들은 더욱 유착되게 될 것이다. 1,000 내지 2,500 구멍/㎠의 구멍 밀도는 정사각형 피치(square pitch)를 사용할 때 특히 유리하다. 스태거드 피치(staggered pitch)는 또한, 기포 분리를 최대화하기 위해 사용될 수 있다. 육각형 및 다른 피치들도 효과적이었다. 물론, 다른 기하학적 피치들이 본 발명의 기능을 수행하는데 있어서 동일하게 효과적일 수 있다는 것은 이해될 것이다.
기판의 두께는 20 내지 1,000 미크론의 범위를 가질 수 있고; 두께는 공기 저장이 증대될 때 최종 기포 직경에 영향을 줄 것이다. 선호되는 범위는 50 내지 100 미크론이 될 수 있다. 물론, 기판의 다른 두께들이 본 발명의 다른 응용예에 좀더 적합하게 될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
가스 유출구 폭은 원하는 기포 크기 폭의 대략 절반이 될 수 있고, 여기서 원하는 기포 크기는 50 내지 100 미크론의 범위를 가질 수 있다.
기판은 구멍의 가스 유출구를 향하는 활성 표면을 가질 수 있다. 활성 표면은 그 안에서 기포들이 분산되는 액상(liquid phase)과 접촉하는 표면이다. 액상을 끌어당기는 활성 표면, 예를 들어 수용성 액체와 같은 경우에 소수성 표면을 가짐으로써, 형성 기포 하에서 액체가 순조롭게 흐르고 표면으로부터 기포를 상승시킬 때 작은 기포를 생산하는데 있어서 유리하고, 그로 인해 미세 기포 발생을 강화한다.
기포가 형성되는 표면의 가습(wetting)이 중요하다. 이를 위해, 활성 표면의 적어도 일부분은 친수성 재료로 형성되거나 코팅될 수 있다. 친수성 표면은 기포를 성장시킬 때 액체가 기포 "아래 놓이도록" 하여, 기포를 상승시켜 좀 더 작은 기포를 발생하도록 한다.
구멍의 가스 유입구를 향하는 표면의 적어도 일부분은 소수성 재료로 형성되거나 코팅될 수 있다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 구멍 내부의 적어도 일부분은 소수성 재료로 코팅될 수 있다. 소수성 재료는 젖지 않고, 따라서 장치가 작동하지 않을 때, 구멍 안으로 또는 가스 측에 걸친 액체의 침투가, 가스 압력하에서, 방지되고 최소 파괴 압력 요구 조건으로 신속한 개시를 허용한다.
기판은 세장형 부재(elongate member)일 수 있다. 세장형 부재는 산화 환원 연료전지에서 음극 용액(catholyte solutions)의 재생과 같은 응용에에 특히 적합하다.
가스 유출구는 활성 표면으로부터 돌출하는 립(lip)을 포함한다. 립은 액체 흐름의 층류 경계층(laminar boundary layer)에서 존재하는 기포를 좀더 높게 들어올리고, 고체 기판로부터 기포를 분리하도록 전단 응력을 증대하는 작용을 할 수 있다. 물론, 기판은 가요적이어서 기판의 기포-부착 능력을 개선할 수 있다.
상기 장치는 하나 또는 둘 이상의 소결 유리(sintered glass) 또는 금속 분말(metal powders), 플라스틱, 다공성 멤브레인, 메쉬(meshes) 및 드릴 가공된(drilled) 또는 천공된(punctured) 시트(sheets)을 포함할 수 있다.
소정의 실시예에서는, 장치가 스테인레스강 호일 및/또는 폴리이미드 필름을 포함하는 것이 선호될 수 있다. 이러한 재료들은 얇은 시트/기판로서 용이하게 형성될 수 있고, 능력/특성은 그 자체로 본 발명의 의도된 기능에 부여된다.
소정의 실시예에서는, 가스 유입구로부터 가스 유출구로 향하는 테이퍼의 각도는 각 구멍의 종방향 축선에 대한 것이며 대략 6°내지 26°의 범위를 가지고, 바람직하게는 대략 10°내지 15°의 범위를 가진다. 오리피스 직경과 조합된, 이러한 각도들은 기포형성에 유용한 가스의 저장부를 제한함에 의해 기포 크기 형성에 대한 우수한 제어를 제공한다.
각각의 구멍이 절두 원추(frusto-conical) 형상인 것이 특히 유리할 수 있다.
제 2 양태에서, 본 발명은 미세 기포 발생용 장치의 제조 방법을 포함하며, 이 방법은:
- 기판을 제공하는 단계; 및
- 상기 기판을 미리 결정된 위치에서 미리 결정된 폭의 구멍으로 천공하는 단계를 포함한다.
기판에서 구멍의 위치 선택은 기판 표면에서 기포의 유착을 방지하기 위해 중요할 수 있다. 잘 설계된 패턴의 분포는 기포가 형성되고 형성 프로세스 중에 다른 기포에 영향을 주지 않으면서 액체 내로 방출되는 것을 허용한다. 구멍의 무작위 분포는 이러한 수준의 공학적 제어를 허용하는 것이 반드시 필요하지는 않다.
기판 천공의 단계는 레이저의 사용이 포함될 수 있다. 레이저는 구멍의 위치 간격(term) 및 크기에 있어 기판을 천공하는 정밀 진로(way)를 제공한다. 이는 레이저 기계 가공의 이용으로 마스터 템플릿(master tempalate)을 형성하고 이어서 전기도금(electroplating) 또는 전착(electro deposition)에 의해 살포 부재를 대량 생산하는 방식에 의해 이루어질 수 있다.
제 3 양태에서, 본 발명은:
- 청구항 제 1 항 내지 제 25항 중 어느 한 항을 따르는(또는 여기서 규정된 것과 같은) 장치를 제공하는 단계;
- 구멍들에 액체를 공급하는 단계; 및
- 각각의 구멍의 가스 유입구를 경유하여 구멍을 통과하는 가스를 피팅(feeding)하는 단계를 포함하는,
미세 기포 발생 방법을 구상한다.
소정의 실시예에서, 액체의 흐름을 유도하기 위해 구멍을 가로질러 액체가 공급되는 것이 선호될 수 있다. 이는 결과로 생기는 기포 크기를 상당히 줄일 수 있다. 액체 흐름에 의해 제공된 기포 형성 중의 점성 저항은 가스와 액체 사이의 부력보다 상당히 더 큰 힘이다. 점성 저항은 계면 장력을 형성하는 점착을 더 빠르게 극복하고, 그래서 더 작은 기포가 형성된다.
한편, 앞에서 설명된 기포 발생용 장치는 다양한 응용예들을 가지고, 특히 효과적인 응용예는 예를 들어, 산화 환원 연료 전지용 음극액 재생 시스템 장치에서의 사용이다.
간접 또는 산화 환원 연료 전지에서, 산화제(및/또는 소정의 경우에는 연료)는 전극에서 직접적으로 반응되지 않지만, 대신에 산화시키기 위한 산화 환원제 커플(redox couple)의 환원된(reduced) 형태(연료에 대해 산화된 형태)와 반응하고, 이러한 산화된 종류(oxidised species)는 음극에 공급된다.
산화 환원제 커플을 산화시키는 이러한 단계에서 다수의 제약이 있다. 음극을 통과하는 음극액의 유량에서의 감소가 에너지 생산율을 감소시키는 동안, 산화 환원제 커플의 산화는 가능하면 신속하게 일어나야 한다. 만일 산화 환원제 커플의 산화가 가능한 완벽하지 않다면, 즉, 만일 산화 환원제 커플의 상당부분이 산화되지 않고 남는다면, 에너지 생산율은 또한 감소 될 것이다. 음극 용액 내에 존재하는 산화 환원제 커플을 신속하고 완벽하게 산화시키는 장치의 제공은 산화 단계가 수행될 때 소비되는 에너지가 상대적으로 낮다는 것을 보장하기 위한 필요에 의해 도전적으로(challenging) 만들어지고, 그렇지 않으면 연료전지의 전반적인 전력생산능력은 감소 될 것이다. 부가적으로, 산화 환원제 커플을 산화시키기 위해 사용된 장치는, 특히 연료전지가 휴대용 또는 자동차용 응용예로 사용하기 위해 의도될 때, 가능한 소형(compact)이어야 한다.
이러한 상반된 요구조건들에 균형을 이루기 위한 필요는, 전지 성능에서, 특히 자동차 응용에서 및 조합된 열 및 전력에서 비효율성을 일으킨다.
미세 기포 발생용 장치는 다공성 부재로 되는 것을 취할 수 있다.
산화환원 연료 전지의 작동시, 음극액은 전지의 음극 구역을 관통하는 음극과 유체 소통(fluid communication)되는 흐름(flowing)이 제공될 수 있다. 산화 환원 매개체 커플(redox mediator couple)은 전지의 작동시 음극에서 적어도 부분적으로 환원되고, 그리고 음극에서 이런 환원 후 산화제와의 반응에 의해 적어도 부분적으로 재생된다. 산화 환원 매개체 커플의 적어도 부분적인 재생은 재생 구역에서 달성된다. 특히, 다공성 부재의 활성 표면 및 다공성 부재를 향하거나 또는 인접하여 흐르는 음극액을 통과하여 지나가는 산화제의 계면 영역이 크다. 산화 환원 매개체 커플의 재생은 이때에 시작되고 그 안에 혼입된 산화제를 가지는 음극액이 재산화(reoxidation) 존(zone)을 통과하여 지나갈 때 지속된다.
바람직한 배열에서, 채널 벽의 적어도 일부분은 음극액 채널의 내부를 다공성 부재의 활성 표면의 적어도 일부분에 노출하도록 개방될 수 있다.
다공성 부재는 적어도 부분적으로 환원된 산화 환원제 커플이 적어도 부분적으로 재생되는, 즉 산화되는 것이 가능하도록 충분한 용적에서 산화제의 관통 흐름(throughflow)를 허락하는 임의의 다공성 재료로 형성될 수 있다.
따라서, 제 4 양태에 따라, 본 발명은 산화환원 연료 전지용 음극액 재생시스템을 고려하며: 챔버; 전지의 음극 구역으로부터 환원된 산화 환원 매개체 커플을 챔버 안으로 수용하기 위한 제 1 유입구 포트; 산화된 산화 환원 매개체 커플을 전지의 음극 구역으로 공급하기 위한 제 1 유출구 포트; 산화제를 수용하기 위한 제 2 유입구 포트; 및 챔버, 제 1 유입구 포트와 유체 소통시 음극액 채널, 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항을 따르고(또는 여기서 규정된 것과 같은) 활성 표면을 가지는 장치, 및 활성 표면에 인접하거나 또는 향하는 음극액의 흐름을 지향하도록 배치되는 음극액 채널로부터 가스, 수증기 및/또는 열을 벤팅(venting)하기 위한 제 2 유출구 포트를 가진다.
장치는 5 내지 100 미크론, 바람직하게는 20 내지 50 미크론의 평균 직경을 가지는 구멍을 포함할 수 있다.
"음극 구(cathode region)역"은 멤브레인 전극 조립체의 음극 측에 의해 일 측부 상에 인접하는 전지의 일 부분을 의미한다. 대안적으로, 또는 더욱이, "음극 구역"은 전지의 작동시 전지를 관통하여 흐르는 음극액의 적어도 일 부분이 멤브레인 전극 조립체의 음극 측과 접촉하는 전지의 부분으로서 생각될 수 있다.
또한, "양극 구역(anode region)"은 멤브레인 전극 조립체의 양극 측에 의해 일 측부 상에 인접하는 전지의 일 부분을 의미한다.
미세-기포 발생 장치(다공성 부재)의 성능을 강화하도록, 통과하여 지나가는 산화제의 표면적을 최대화하도록 특별하게 형성되거나 변형될 수 있다. 예를 들면, 기공(구멍)의 위치 및 크기는 작은/미세 가스 기포의 방출을 촉진하도록 제어될 수 있다. 더욱이, 다공성 부재를 향하거나 지나가는 음극액/액체의 흐름은 기포가 성장할 시간을 갖기 전에 작은 기포들의 방출을 촉진할 것이다. 신속한 기포의 제거(removal)는 신선한 음극액이 다공성 부재의 활성 표면에 접촉하는 것을 허용할 때 유용하다.
전형적으로, 평균 기포 직경 크기는 1 내지 1000 미크론의 범위를 가진다. 바람직하게는, 형성된 기포 크기는 좀더 작고, 예를 들면, 직경이 150 미크론 또는 그 미만, 1 내지 100 미크론, 또는 가장 바람직하게는, 직경이 25 내지 50미크론이다. 이러한 바람직한 범위 내에 있는 평균 직경을 가지는 기포의 흐름을 달성하기 위하여, 목표 기포 직경보다 3배 내지 10배 만큼 더 작은 직경을 갖는 기공이 제공되어야 한다.
다공성 부재의 표면을 친수성 재료로 코팅함으로써, 또는 친수성 재료로부터 다공성 부재의 활성 표면을 형성하으로써, 다공성 부재의 표면을 친수성으로 만드는 것에 의해, 기포의 신속한 제거가 또한 촉진될 수 있다. 다공성 부재의 활성 표면 상의 친수성 재료의 존재는 형성된 기포가 소수성 표면으로부터 보다 더 용이하게 방출되는 것을 초래할 것이다. 바람직하게는, 이러한 재료는 46 dynes/㎠ 보다 큰 표면 에너지를 가질 것이고 및/또는 수산기(hydroxyl groups)와 같은 친수기(hydrophilic groups)를 포함할 수 있다. 이러한 재료의 예가 아세테이트 레이온(acetate rayon)이다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 수용가능한 친수 특성은 금속 표면을 처리함으로써 달성될 수 있다. 이러한 처리된 금속 표면은 풀림 처리된 오스테나이트 스테인레스 강(annealed austenitic stainless steel), 레이저 또는 플라즈마 코팅된 스테인레스 강 또는 산화 또는 질화 변형된 표면 코팅을 포함한다.
다공성 부재 내로 음극액의 침투는 다공성 부재가 산화제의 관통 흐름을 차단할 때, 그 음극액의 산화율이 감소되는 것을 의미한다. 이러한 문제점을 극복하기 위해, 다공성 부재는 친수성인 음극액 채널에 노출되는 표면상에 코팅을 구비한 소수성 재료로 형성될 수 있다. 다공성 부재를 형성하는 소수성 재료의 예는 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 할로겐화 유기 폴리머(halogenated organic polymers), 실리콘 폴리머 및 폴리에틸렌(polythene) 및 폴리프로필렌(polypropylene)과 같은 하이드로카본 폴리머(hydrocarbon polymers)를 포함한다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 최대 기공 크기는 음극액의 표면 장력이 어떤 산화제도 다공성 부재를 통과하여 지나가지 못할 때조차, 음극액이 다공성 부재 안으로 들어가는 것을 방지하도록 충분히 작을 수 있다.
다공성 부재 내의 기공, 특히 다공성 부재의 활성 표면은 본 기술 분야의 전문가들에게 알려진 임의의 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 기공들은 레이저 기계 가공(laser machining) 또는 전기 주조(electroforming)에 의해 생산된다.
음극 용액 내의 산화 환원제 커플이 적어도 부분적으로 재생된다면, 음극액 채널 및 다공성 부재가 임의의 방식으로 배열될 수 있다.
하나의 배열에서, 다공성 부재는 세장형 부재가 될 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 다공성 부재는 실질적으로 원통형 또는 관형이다. 하나 또는 둘 이상의 다공성 부재는 본 발명의 연료 전지 내에 적용될 수 있다.
대안적으로, 음극액 채널은 다공성 부재 둘레에 감겨진 튜브로서, 다공성 부재와 동축 채널로서 또는 다공성 부재 둘레의 환형부로서 제공될 수 있다. 이러한 배열에서, 채널 벽은 실질적으로 벽의 길이 전체를 따라, 또는 벽의 길이 일부를 따라 개방될 수 있어, 음극액 채널의 내부를 다공성 부재의 활성 표면의 부분에 노출한다. 산화제는 정압에서 다공성 부재의 내부로 공급되어 산화제가 다공성 부재의 외부 표면을 통과하여 음극액 채널 안으로 지나가도록 한다.
대안적인 배열로서, 음극액 채널은 다공성 부재 내에 형성될 수 있다. 음극액 채널은 선형일 수 있거나 나선형일 수 있다. 이러한 배열에서, 다공성 부재의 활성 표면은 다공성 부재의 내부 표면상에 제공되고 산화제는 다공성 부재를 통과하여 안쪽를 향하여, 내부 활성표면을 통과하여 그리고 음극액 채널 안으로 지나간다.
소정의 실시예에서, 가장 바람직하게는 음극액 채널의 내부가 대부분의 둘레를 다공성 부재의 활성 표면에 노출되는 곳들이, 그 둘레의 전체가 아니라면, 연료 전지의 재생 존은 바람직하게는 활성 표면에 대한 음극액의 노출을 최대화하기 위해, 음극액 회전 수단을 포함할 수 있고, 이에 따라 산화환원제 커플의 산화를 최대화한다. 회전 수단은 채널을 통하여 음극액의 나선형 흐름을 유발하기 위해, 오프셋 액체 유입구(offset liquid inlet)를 포함할 수 있다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 회전 수단은, 예를 들어, 나선형 돌기에 의해 채널을 통한 회전 흐름을 유도하는 전환 부재(diversion member)를 포함할 수 있다.
추가적인 배열에서, 재생 구역은 챔버의 하나 또는 둘 이상의 벽을 규정하는 일반적인 평면형 다공성 부재를 포함할 수 있다. 음극액 채널에 존재하는 음극액의 스트림이 다공성 부재의 활성 표면의 적어도 일부분을 향하여 지향되어 다공성 부재의 활성 표면의 적어도 일부분을 지나 흐르는 것을 보장하도록 음극액 채널의 개방 단부가 제공된다. 이는 음극액 채널의 개방 단부를 평면형 다공성 부재에 실질적으로 인접하게 또는 다공성 부재로부터 약간의 거리로 떨어지지만 다공성 부재를 향하게 위치시킴으로써 달성될 수 있다.
재생 구역을 통과하는 음극액의 유량은 바람직하게는 상대적으로 높다. 바람직한 일 실시예에서, 음극액이 다공성 부재의 활성 표면에 접촉하거나 인접하게 지나갈 때 음극액의 유량은 적어도 약 0.2m/s 이다. 특히 바람직한 일 실시예에서, 음극액이 다공성 부재의 활성 표면에 접촉하거나 인접하게 지나갈 때 음극액의 유량은 약 0.5 내지 약 1.5 m/s 이다.
다공성 부재(장치)를 통과하여 액체 내로 공기의 살포는 기포를 음극액으로 도입하고 거품을 형성할 수 있다. 미세 공기(산화제) 기포는 산소 전달 및 액체 촉매/매개체 시스템의 원하는 산화를 촉진하는 증대된 표면적을 제공한다.
상기 장치는 주어진 반응량에 대해 더 작은 접촉 용적이 요구되기 때문에 재생 시스템에서 유용하게 적용될 수 있고, 그래서 더 작고 더 휴대할 수 있는 재생기가 만들어질 수 있다.
제 5 양태에 따라, 본 발명은 미세 기포 발생으로의 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도를 제공한다.
제 6 양태에 따라, 본 발명은 산화환원 연료 전지의 음극액 재생 시스템으로의 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도를 포함한다.
제 7 양태에 따라, 본 발명은 작은 산소 기포를 이용하는 하수를 처리로의 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도를 고려한다.
제 8 양태에 따라, 본 발명은 작은 산소 기포를 이용하는 이스트 박테리아를 성장 및 번식으로의 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도를 구상한다.
제 9 양태에 따라, 본 발명은 작은 이산화탄소 기포를 이용하는 음료의 탄산화(carbonisation)로의 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도를 제공한다.
제 10 양태에 따라, 본 발명은 오일이 장치를 통과하여 거품이 일어날 때 각각의 작은 기포의 가스와 액체 사이의 계면에서 오일이 운반되도록, 오일-함유 매장물로부터 오일의 제거(removing)로의 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시예는 단지 예에 의해, 첨부하는 도면에서 도시한 바와 같이, 지금부터 좀더 자세히 설명될 것이고, 도면은;
도 1은 기포가 종래-형상의 구멍(종래 기술)으로부터 나올 때의 가스 기포의 개략도이고;
도 2는 고정된 공급 유량(7μl/s) 및 직경 30μm의 구멍 크기에 대한 기포 성장 그래프이며;
도 3은 원추형 구멍을 통과한 기포 형성에 대한 개략도(측면도) 및 서술적 공식들의 형태의 본 발명의 일 실시예이고;
도 4는 본 발명의 일 실시예를 따라 형성된 장치의 평면도이며;
도 5는 레이저 입구(가스 유출구)로부터 보여 주는 기판에 형성된 구멍의 평면도이고;
도 6은 레이저 출구(가스 유입구)로부터 보여 주는 기판에 형성된 구멍의 평면도이며;
도 7은 정지된 물에서의 미세-기포 형성의 사진이고;
도 8은 유도된 액체에 의한 미세-기포 형성의 사진이며; 그리고
도 9는 본 발명을 이용하여 폴리옥소메탈레이트(Polyoxometalate)에서의 기포 형성의 사진이다.
도 3 을 참조하여, 원추형 구멍을 통한 기포 형성에 대한 개략도(측면도) 및 서술적 공식들이 도시된다. 본 발명에 따라서 절두 원추형으로 만들어진 구멍에 의해 흐름을 제한하기 위한 오리피스의 사용이 모색-후 특성을 가져오는 것을 발명자가 알게 되었다. 파괴 압력을 넘어 기포가 팽창할 때, 공기 공급은 오리피스의 제한에 의해 한정될 것이고, 그래서 공식 (1)에서, 흐름 항, F,가 감소되고 기포의 성장률이 감속된다. 파괴점의 개략적 표현은, 오리피스를 통과하는 유량에 대한 서술적 공식 및 기포 성장률과 함께, 도 3 에서 주어지며, 공식에서:
F = 가스의 유량 = 기포에서 용적의 변화율 = dV/dt
ri = 가스 유입구 구멍 반경
rb = 기포의 반경
r0 = 가스 유출구 구멍 반경
Pi = 가스의 유입구 압력
Pb = 기포 내부 압력
ΔP = 오리피스 압력 강하
ΔPb = 기포에 걸친 압력 강하 = 내부 압력 - 외부 압력
ΔPp = 액체 흐름 압력 강하
lp = 액체 흐름 특성 치수
R = 파이프 흐름 반경
d = 파이프 흐름 직경
cd = 오리피스 방출 계수
t = 시간
dU/dy = 액체 변형 속도 = 속도 프로파일
Ax = 오리피스 횡단면적
ρ= 가스 밀도
γ = 계면 장력
τ = 점성 전단 응력
μ = 액체 점도
π = 3.1415927
본 발명을 실제 살포 판(장치)내로 통합하기 위해, 이상의 설계 공식은 절두 원추형으로 천공된 입구 및 출구 크기, 그리고 결과로서의 공기 유량을 계산하기 위해 이용되었다. 전형적인 값은 이하의 표 2에 보여준다.


구멍 개수
내부 직경
[μm]
외부 직경
[μm]
각도
[°]
유량
[Litre/min]

10000
2.5
25
18
0.5

10000
1
8
5
0.08

시험 예

286
1.5
10
7
0.01
개념을 증명하기 위한 시험편은 레이저 드릴링(drilling) 기술을 이용하여 70μm 316 스테인레스강 호일(foil)로 제조되었다. 드릴링 기술의 일부분으로서 립(lip)은 레이저 입구 측, 구멍의 가스 유출구 측 상에, 4μm로 형성되었다. 가스 유출구 측을 둘러싸인 립은 액체 흐름의 층류 경계층에서 기포를 더 높이 들어올리고, 고체 기판으로부터 기포를 분리하는 전단 응력을 증대하므로 유익하다.
도 3은 일반적으로 도시된 미세 기포 발생용 장치(1)의 측면도를 도시하고, 세장형 부재(3)로서, 세장형 부재를 관통하는 적어도 하나의 구멍(5)을 갖는 세장형 부재(3)를 포함하며, 구멍(5)은 가스 유입구(7) 및 가스 유출구(9)를 포함하며, 가스 유출구(9)의 폭이 가스 유입구(7)의 폭보다 크다.
구멍(5)은 구조에 있어 원추형이고 그리고 가스 유입구(7)로부터 가스 유출구(9)로 경사진 벽(11)을 갖는다. 본 실시예에서, 경사(구멍의 테이퍼)는, 규칙적(regular)이다. 도 3 의 개략적 도시에서, 벽(11)은 구멍(5)의 종 방향 축에 대해 15°각도로 기울어진다.
공기가 구멍(5)을 통과하여 지나갈 때, 기포(13)는 구멍(5)의 가스 유출구(9) 측에 형성된다.
도 4 를 참조하여, 도 1의 장치(1)의 평면도가 도시된다. 장치(1)는 316 스테인레스강으로 형성된 기판(3)을 포함한다. 기판(3)은 각각 50 미크론 크기를 가진 36개의 구멍(5)을 포함한다. 이 도면은 실척으로 도시한 것이 아니다(not to scale). 구멍(5)은 6 x 6 정사각형 패턴으로 배열된다.
실시예
본 발명의 유용한 실시예는 조절된(regulated) 공기 공급이 되는 아크릴 블럭(block)에 장착 및 밀봉된, 레이저 드릴가공된(drilled) 스테인레스 강 판의 10 mm x 10 mm 섹션을 이용하여 시험되었다. 시험편의 입구 및 출구 구멍은 주사형 전자 현미경(SEM)을 이용하여 검사되었다 - 도 5 및 도 6 참조. 가스 입구(유입구) 구멍은 3.3μm로 측정되었고 가스 출구(유출구) 구멍은 19.1 μm로 측정되었다.
시험판은 수평으로 장착되었다. 250 mbar의 공기 압력이 시험판(작은 구멍들)의 공급부에 인가되었고, 증류수가 표면을 덮기 위해 추가되었다. 기포 형성이 관찰되고 사진으로 촬영되었다. 기포는 표면에서 축적되고 유착되었다. 구멍에 걸친 물 흐름은 증류수의 세척병을 이용하여 유도되었고, 다시 기포 생성이 관찰되고 사진으로 촬영되었다. 많은 좀더 미세한 기포들이 유도된 물 흐름과 함께 관찰되었다.
이러한 실험은 환원된 폴리옥소메탈레이트(0.3M 용액)를 사용하여 반복되었다.
도 7 및 8에서 보이는 사진으로부터, 상대적 척도(relative scaling)를 사용하여, 유도된 물 흐름 하에서 기포는 대략 50μm 직경이 되는 것으로 추정되었다. 도 7 에서, 물 기포는 표면에서 부서지고 물의 미세 물방울은 수면 위에서 볼 수 있다. 도 8 에서, 1mm 의 표면 기포도 또한 볼 수 있다.
도 9에서 보이는 사진으로부터, 폴리옥소메탈레이트(POM)를 이용한 측정은 대략 직경 75μm 내지 100μm의 더 큰 기포를 보였다. 그러나, POM의 불투명한 특성에 기인하여 단지 표면 기포만이 관찰되었고, 이러한 것은 물 실험에 있어서의 결과들과 일치하였다.

Claims (50)

  1. 미세 기포 발생용 장치로서,
    기판을 포함하며, 상기 기판은 관통하는 구멍을 가지며, 각각의 구멍은 가스 유입구 및 가스 유출구를 포함하며, 상기 가스 유출구의 폭이 상기 가스 유입구의 폭보다 크고;
    상기 평균 가스 유입구 폭은 약 2 내지 10 미크론 범위를 가지고; 및/또는
    상기 평균 가스 유출구 폭은 약 5 내지 100 미크론의 범위를 가지고; 및/또는
    상기 유입구 직경은 유출구 직경의 10분의 1 내지 5분의 1인,
    미세 기포 발생용 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 구멍의 횡단면 형상이 원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형, 구각형 및 십각형으로부터 선택된 형상인,
    미세 기포 발생용 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 장치가 다공성 부재(porous member)인,
    미세 기포 발생용 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 유출구의 폭이 상기 가스 유입구의 폭 보다 10배 더 큰,
    미세 기포 발생용 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍이 상기 가스 유입구로부터 상기 가스 유출구를 향하여 규칙적으로 테이퍼지는(tapers regularly),
    미세 기포 발생용 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍이 상기 가스 유입구로부터 상기 가스 유출구를 향하여 불규칙적으로 테이퍼지는,
    미세 기포 발생용 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 상의 상기 구멍 밀도는 400 내지 10000 구멍/㎠ 의 범위를 가지는,
    미세 기포 발생용 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 정사각형 피치(square pitch)를 가지고 상기 기판 상의 상기 구멍 밀도가 1000 내지 2500 구멍/㎠ 의 범위를 가지는,
    미세 기포 발생용 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 두께가 약 20 내지 1000 미크론의 범위를 가지는,
    미세 기포 발생용 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 두께가 약 50 내지 100 미크론의 범위를 가지는,
    미세 기포 발생용 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 유입구 폭이 약 0.1 내지 0.2 가스 유출구 폭의 범위를 가지는,
    미세 기포 발생용 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평균 가스 유출구 폭이 약 20 내지 50 미크론의 범위를 가지는,
    미세 기포 발생용 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 길이에 걸쳐, 상기 가스 유출구 및/또는 가스 유입구의 폭의 편차가 10% 이하, 바람직하게는 1% 미만인,
    미세 기포 발생용 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 유출구 폭이 상기 원하는 기포 크기의 폭의 약 절반 크기이고, 바람직하게는 상기 원하는 기포 크기가 50 내지 100 미크론의 범위를 가지는,
    미세 기포 발생용 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판이 상기 구멍의 상기 가스 유출구를 향하는 활성 표면을 가지는,
    미세 기포 발생용 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 활성 표면의 적어도 일 부분이 친수성 재료로 형성되거나 코팅된,
    미세 기포 발생용 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍의 상기 가스 유입구를 향하는 상기 표면의 적어도 일 부분이 소수성 재료로 형성되거나 코팅된,
    미세 기포 발생용 장치.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍의 내부의 적어도 일부분이 소수성 재료로 코팅된,
    미세 기포 발생용 장치.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판이 세장형 부재(elogate member)인,
    미세 기포 발생용 장치.
  20. 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 유출구가 상기 활성 표면으로부터 돌출되는 립(lip)을 포함하는,
    미세 기포 발생용 장치.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    소결 유리(sintered glass) 또는 금속 분말(metal powders), 플라스틱, 다공성 멤브레인, 메쉬(meshes) 및 드릴 가공된(drilled) 또는 천공된(punctured) 시트(sheets) 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는,
    미세 기포 발생용 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    스테인레스 강 호일(foil) 및/또는 폴리이미드(polyimide) 필름을 포함하는,
    미세 기포 발생용 장치.
  23. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각각의 구멍의 횡단면 형상이 원형이고, 상기 가스 유입구 및 가스 유출구의 폭이 상기 가스 유입구 및 가스 유출구의 직경인,
    미세 기포 발생용 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 가스 유입구로부터 상기 가스 유출구를 향하는 테이퍼의 각도가 상기 각각의 구멍의 종방향 축선에 대한 것이며 약 6°내지 26°, 바람직하게는 10°내지 15°의 범위를 가지는,
    미세 기포 발생용 장치.
  25. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 각각의 구멍이 절두 원추형(frusto-conical shape)인,
    미세 기포 발생용 장치.
  26. 미세 기포 발생용 장치의 제조 방법으로서,
    - 기판을 제공하는 단계; 및
    - 상기 기판을 미리 결정된 위치에서 미리 결정된 폭의 구멍으로 천공하는 단계를 포함하는,
    미세 기포 발생용 장치의 제조 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 기판을 천공하는 단계는 레이저를 사용하는 단계를 포함하는,
    미세 기포 발생용 장치의 제조 방법.
  28. 미세 기포 발생 방법으로서,
    - 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 제공하는 단계;
    - 상기 구멍들에 액체를 공급하는 단계; 및
    - 상기 각각의 구멍의 가스 유입구를 경유하여 상기 구멍을 통하여 가스를 피팅하는 단계(feeding)를 포함하는,
    미세 기포 발생 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 액체의 흐름을 유도하도록 상기 구멍에 걸쳐 상기 액체가 공급되는,
    미세 기포 발생 방법.
  30. 산화 환원 연료 전지용 음극액 재생 시스템으로서,
    챔버;
    환원된 산화 환원 매개체 커플을 상기 전지의 상기 음극 구역으로부터 상기 챔버 내로 수용하기 위한 제 1 유입구 포트;
    산화된 산화 환원 매개체 커플을 상기 전지의 상기 음극 구역으로 공급하기 위한 제 1 유출구 포트;
    산화제의 공급을 수용하기 위한 제 2 유입구 포트; 및
    상기 챔버, 상기 제 1 유입구 포트와 유체 소통되는 음극액 채널, 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 활성 표면을 가지는 장치, 및 상기 활성 표면에 인접하거나 또는 향하는 음극액의 흐름을 지향하도록 배열되어 있는 상기 음극액 채널로부터 가스, 수증기 및/또는 열을 벤팅하기 위한 제 2 유출구 포트를 포함하는,
    산화 환원 연료 전지용 음극액 재생 시스템.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 장치가 약 5 내지 100 미크론의 평균 작경을 가지는 구멍을 포함하는,
    산화 환원 연료 전지용 음극액 재생 시스템.
  32. 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,
    상기 장치가 약 20 내지 50 미크론의 평균 직경을 가지는 구멍을 포함하는,
    산화 환원 연료 전지용 음극액 재생 시스템.
  33. 제 30 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 표면의 적어도 일부분이 친수성 재료로 형성되거나 코팅되는,
    산화 환원 연료 전지용 음극액 재생 시스템.
  34. 제 30 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 표면을 제외한, 상기 장치의 적어도 일부분이, 소수성 재료로 형성되는,
    산화 환원 연료 전지용 음극액 재생 시스템.
  35. 미세 기포 발생으로의 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도.
  36. 산화 환원 연료 전지의 음극액 재생 시스템으로의 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도.
  37. 작은 산소 기포를 이용한 하수 처리로의 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도.
  38. 작은 산소 기포를 이용한 이스트 박테리아의 성장 및 번식으로의 제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도.
  39. 작은 이산화탄소 기포를 이용한 음료의 탄산화(carbonisation)로의 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도.
  40. 장치를 통해 거품이 일어날 때 각각의 작은 기포의 가스와 액체 사이의 계면에서 오일이 운반되도록 오일-함유 매장물로부터의 오일의 제거(removing)로의 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도.
  41. 실질적으로 도 3 내지 도 9를 참조하여 본 명세서에서 규정된 바와 같은 그리고 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같은 미세 기포 발생용 장치.
  42. 실질적으로 도 3 내지 도 9를 참조하여 본 명세서에서 규정된 바와 같은 그리고 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같은 미세 기포 발생용 장치를 제조하는 방법.
  43. 실질적으로 도 3 내지 도 9를 참조하여 본 명세서에서 규정된 바와 같은 그리고 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같은 미세 기포 발생 방법.
  44. 실질적으로 도 3 내지 도 9를 참조하여 본 명세서에서 규정된 바와 같은 그리고 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같은 산화 환원 연료 전지용 음극액 재생 시스템.
  45. 미세 기포 발생으로의, 실질적으로 도 3 내지 도 9를 참조하여 본 명세서에서 규정된 바와 같은 그리고 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같은 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도.
  46. 산화 환원 연료 전지의 음극액 재생 시스템으로의, 실질적으로 도 3 내지 도 9를 참조하여 본 명세서에서 규정된 바와 같은 그리고 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같은 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도.
  47. 작은 산소 기포를 이용한 하수의 처리로의, 실질적으로 도 3 내지 도 9를 참조하여 본 명세서에서 규정된 바와 같은 그리고 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같은 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도.
  48. 산소 기포를 이용한 이스트 박테리아의 성장 및 번식으로의, 실질적으로 도 3 내지 도 9를 참조하여 본 명세서에서 규정된 바와 같은 그리고 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같은 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도.
  49. 작은 이산화탄소 기포를 이용한 음료의 탄산화로의, 실질적으로 도 3 내지 도 9를 참조하여 본 명세서에서 규정된 바와 같은 그리고 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같은 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도.
  50. 장치를 통해 거품이 일어날 때 각각의 작은 기포의 가스와 액체 사이의 계면에서 오일이 운반되도록 오일-함유 매장물로부터의 오일의 제거(removing)로의, 실질적으로 도 3 내지 도 9를 참조하여 본 명세서에서 규정된 바와 같은 그리고 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같은 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도.
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