KR20190134797A - 자가-세정 동심 관형 전기 화학 전지를 위한 신규한 흐름 특징 - Google Patents

자가-세정 동심 관형 전기 화학 전지를 위한 신규한 흐름 특징 Download PDF

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KR20190134797A
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리-시앙 량
앤드류 그린
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Abstract

자가-세정 전기 화학 전지, 자가-세정 전기 화학 전지를 포함하는 시스템, 및 자가-세정 전기 화학 전지를 동작시키는 방법이 개시된다. 상기 자가-세정 전기 화학 전지는 하우징 내에 배치된 복수의 동심 전극; 예를 들어 캐소드 및 애노드; 상기 동심 전극들 사이에 형성된 유체 채널; 상기 동심 전극들 사이에 존재하는 세퍼레이터; 상기 하우징의 각 단부에 결합된 제1 및 제2 단부 캡; 및 입구 원추부를 포함할 수 있다. 상기 세퍼레이터는 상기 전극을 국부화하도록 구성될 수 있고, 상기 세퍼레이터의 하류에서 발생하는 감속 구역을 최소화하도록 치수 설정될 수 있다. 상기 단부 캡 및 입구 원추부는 최대로-발달된 흐름을 유지하고 상기 전기 화학 전지에 걸친 압력 강하를 최소화하도록 치수 설정될 수 있다.

Description

자가-세정 동심 관형 전기 화학 전지를 위한 신규한 흐름 특징
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 미국 가출원 제62/485,539호(출원일: 2017년 4월 14일, 발명의 명칭이 "NOVEL FLOW FEATURES FOR SELF-CLEANING CONCENTRIC TUBULAR ELECTROCHEMICAL CELLS")의 35 U.S.C.§119(e) 하의 우선권을 주장하며, 이 기초 출원은 그 전문이 모든 목적을 위해 본 명세서에 원용된다.
기술 분야
본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태는 일반적으로 전기 화학 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 염소화 전지 및 장치, 이를 동작시키는 방법, 및 이를 이용하는 시스템에 관한 것이다.
일 양상에 따르면, 자가-세정 전기 화학 전지가 제공된다. 상기 자가-세정 전기 화학 전지는 하우징의 중심축 주위로 상기 하우징 내에 동심으로 배치된 캐소드 및 애노드를 포함할 수 있다. 상기 자가-세정 전기 화학 전지는, 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 형성되고 상기 중심축에 실질적으로 평행하게 연장되는 유체 채널을 포함할 수 있다. 상기 자가-세정 전기 화학 전지는, 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 있고 상기 유체 채널을 유지하도록 구성된 세퍼레이터를 포함할 수 있고, 상기 세퍼레이터는 상기 유체 채널의 폭을 유지하는 높이를 갖는다. 상기 세퍼레이터는 상기 세퍼레이터의 하류의 유체 채널 내 감속 구역(zone of reduced velocity)을 미리 결정된 길이 미만으로 유지하도록 치수 설정될 수 있다. 상기 세퍼레이터는 평균치로부터의 전해질 용액 속도 편차를 상기 유체 채널을 통한 상기 전해질 용액의 평균 유속의 ±18% 내로 유지하도록 치수 설정될 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 미리 결정된 길이에서 평균치로부터의 속도 편차는 상기 전해질 용액의 평균 유속의 ±5% 미만일 수 있다. 상기 미리 결정된 길이에서 평균치로부터의 속도 편차는 상기 전해질 용액의 평균 유속의 ±2% 미만일 수 있다.
상기 미리 결정된 길이는 2m/s 내지 2.5m/s의 평균 유속으로 상기 유체 채널을 통해 흐르는 해수(seawater)에 대해 약 120㎜ 미만일 수 있다. 상기 미리 결정된 길이는 약 60㎜ 미만일 수 있다.
특정 실시형태에 따르면, 상기 세퍼레이터는 링 및 상기 링으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 포함할 수 있다. 상기 돌출부는 상기 유체 채널의 폭을 유지하는 높이를 가질 수 있다. 돌출부의 수 및 각각의 돌출부의 길이 및 폭은 상기 감속 구역을 상기 미리 결정된 길이 미만으로 유지하기 위해 선택될 수 있다.
상기 자가-세정 전기 화학 전지는 상기 하우징의 중심축 주위로 동심으로 배열된 복수의 캐소드 및 복수의 애노드를 포함할 수 있다. 복수의 유체 채널 각각은 각각의 인접한 캐소드와 애노드 사이에 형성될 수 있다. 각각의 유체 채널은 상기 중심축에 실질적으로 평행하게 연장될 수 있다.
상기 자가-세정 전기 화학 전지는 복수의 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 각각의 세퍼레이터는 상기 복수의 유체 채널 각각을 유지하도록 구성될 수 있으며, 상기 복수의 세퍼레이터 각각은 링 및 상기 링으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 상기 세퍼레이터는 상기 캐소드와 상기 애노드 중 적어도 하나와 정합(mate)하도록 구성될 수 있다.
다른 양상에 따르면, 자가-세정 전기 화학 전지 및 전해질 용액의 공급원을 포함하는 시스템이 제공된다. 상기 자가-세정 전기 화학 전지는 유체 채널과 유체 연통하는 입구 및 출구를 가질 수 있다. 상기 전해질 용액의 공급원은, 상기 자가-세정 전기 화학 전지의 입구에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있고 2m/s 이상의 유체 채널을 통한 평균 유속으로 상기 전해질 용액을 전달하도록 구성된 출구를 가질 수 있다. 상기 자가-세정 전기 화학 전지는 상기 전해질 용액으로부터 생성물 화합물(product compound)을 생성하고 상기 생성물 화합물을 포함하는 생성물 용액을 배출하도록 구성될 수 있다. 상기 자가-세정 전기 화학 전지는 상기 출구를 통해 사용 지점에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질 용액의 공급원은 해수, 기수(brackish water) 및 염수(brine) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 직렬로 배열된 복수의 자가-세정 전기 화학 전지를 포함할 수 있다.
다른 양상에 따르면, 자가-세정 전기 화학 전지로서, 하우징의 중심축 주위로 상기 하우징 내에 동심으로 배치된 캐소드 및 애노드; 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 형성되고 상기 중심축에 실질적으로 평행하게 연장되는 유체 채널; 제1 및 제2 단부 캡; 및 입구 원추부(inlet cone)를 포함하는 상기 자가-세정 전기 화학 전지가 제공된다. 상기 제1 단부 캡은 상기 하우징의 제1 단부에 결합될 수 있고, 상기 제2 단부 캡은 상기 하우징의 제2 단부에 결합될 수 있다. 상기 제1 단부 캡 및 상기 제2 단부 캡 각각은 실질적으로 중심에 위치된 개구 및 상기 유체 채널과 유체 연통하는 유체 도관을 포함할 수 있다. 상기 제1 단부 캡의 유체 도관은 제1 반경 구역 및 상기 제1 반경보다 더 큰 제2 반경 구역을 포함할 수 있다. 상기 입구 원추부는 상기 제1 단부 캡의 유체 도관 내에 배치될 수 있고, 상기 전해질 용액이 상기 유체 채널로 흐르는 흐름 경로를 형성하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 반경 구역은 상기 흐름 경로를 통해 최대로-발달된 흐름(fully-developed flow)을 유지하도록 선택된 길이를 가질 수 있다.
상기 제2 반경 구역은 상기 흐름 경로의 유압 직경의 1배 내지 10배의 길이를 가질 수 있다. 상기 제1 단부 캡의 유체 도관은 상기 전해질 용액의 입구 압력을 약 120㎪ 미만으로 유지하도록 치수 설정될 수 있다. 상기 입구 원추부는 상기 자가-세정 전기 화학 전지 내 압력 강하를 0 내지 19㎪로 유지하도록 치수 설정될 수 있다.
상기 입구 원추부는 20° 내지 90°의 정각(apex angle)을 갖는 직원뿔(right circular cone)일 수 있다. 상기 입구 원추부는 40° 내지 60°의 정각을 갖는 직원뿔일 수 있다. 상기 자가-세정 전기 화학 전지는, 상기 제2 단부 캡의 유체 도관 내에 배치되고 상기 전해질 용액이 상기 유체 채널로부터 상기 자가-세정 전기 화학 전지 밖으로 흐르는 흐름 경로를 형성하도록 구성된 출구 절두체를 포함할 수 있다.
다른 양상에 따르면, 자가-세정 전기 화학 전지 및 전해질 용액의 공급원을 포함하는 시스템이 제공된다. 상기 자가-세정 전기 화학 전지는 입구 및 출구를 가질 수 있다. 상기 전해질 용액의 공급원은, 제1 단부 캡의 실질적으로 중심에 위치된 개구에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있고 2m/s 이상의 유체 채널을 통한 평균 유속으로 상기 전해질 용액을 전달하도록 구성된 출구를 가질 수 있다. 상기 자가-세정 전기 화학 전지는 상기 전해질 용액으로부터 생성물 화합물을 생성하고 상기 생성물 화합물을 포함하는 생성물 용액을 배출하도록 구성될 수 있다. 상기 자가-세정 전기 화학 전지는 제2 단부 캡의 실질적으로 중심에 위치된 개구를 통해 사용 지점에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질 용액의 공급원은 해수, 기수 및 염수 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 직렬로 배열된 복수의 자가-세정 전기 화학 전지를 포함할 수 있다.
다른 양상에 따르면, 자가-세정 전기 화학 전지로서, 하우징의 중심축 주위로 상기 하우징 내에 동심으로 배치된 캐소드 및 애노드; 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 형성되고 상기 중심축에 실질적으로 평행하게 연장되는 유체 채널; 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 존재하는 세퍼레이터를 포함하는 상기 자가-세정 전기 화학 전지가 제공된다. 상기 세퍼레이터는 상기 유체 채널을 통해 전해질 용액을 통과시키도록 구성될 수 있다. 상기 세퍼레이터는 상기 유체 채널을 유지하고 아쿠아라인 형태(aqualined configuration)를 갖도록 치수 설정될 수 있다.
상기 세퍼레이터는 링 및 상기 링으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 포함할 수 있다. 각각의 돌출부는 상기 유체 채널의 폭을 유지하는 높이 및 상기 유체 채널을 유지하기에 충분한 폭을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 각각의 돌출부는 상기 높이의 0.5배 내지 2배의 폭 및 상기 폭보다 더 큰 길이를 가질 수 있다. 각각의 돌출부는 아쿠아라인 형태를 가질 수 있다. 상기 복수의 돌출부는 상기 링에 실질적으로 균일하게 이격될 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 세퍼레이터는 상기 유체 채널의 흐름 면적의 약 10% 내지 약 35%의 단면적을 갖도록 치수 설정될 수 있다. 상기 세퍼레이터는 상기 캐소드와 상기 애노드 중 적어도 하나와 정합하도록 구성될 수 있다.
다른 양상에 따르면, 자가-세정 전기 화학 전지 및 전해질 용액의 공급원을 포함하는 시스템이 제공된다. 상기 자가-세정 전기 화학 전지는 유체 채널과 유체 연통하는 입구 및 출구를 가질 수 있다. 상기 전해질 용액의 공급원은, 상기 자가-세정 전기 화학 전지의 입구에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있고 2m/s 이상의 유체 채널을 통한 평균 유속으로 상기 전해질 용액을 전달하도록 구성된 출구를 가질 수 있다. 상기 자가-세정 전기 화학 전지는 상기 전해질 용액으로부터 생성물 화합물을 생성하고 상기 생성물 화합물을 포함하는 생성물 용액을 배출하도록 구성될 수 있다. 상기 자가-세정 전기 화학 전지는 상기 출구를 통해 사용 지점에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질 용액의 공급원은 해수, 기수 및 염수 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 직렬로 배열된 복수의 자가-세정 전기 화학 전지를 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 전기 화학 시스템을 동작시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 자가-세정 전기 화학 전지를 제공하는 단계; 약 2m/s 이상의 유체 채널을 통한 평균 유속으로 전해질 용액을 상기 자가-세정 전기 화학 전지에 도입하는 단계; 상기 자가-세정 전기 화학 전지의 전해질 용액으로부터 생성물 화합물을 생성하기에 충분한 전압으로 애노드 및 캐소드에 전류를 인가하는 단계; 및 미리 결정된 시간 기간 동안 상기 전기 화학 시스템을 연속적으로 동작시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 적어도 6개월 동안 상기 전기 화학 시스템을 연속적으로 동작시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 상기 방법은 복수의 자가-세정 전기 화학 전지를 제공하는 단계; 및 상기 복수의 자가-세정 전기 화학 전지를 직렬로 유체 흐름 가능하게 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 양상에 따르면, 하우징 내에 배치된 복수의 전극, 유체 채널 및 복수의 동심 세퍼레이터를 포함하는 자가-세정 전기 화학 전지가 제공된다. 상기 복수의 전극은 하우징의 중심축 주위에 배치된 동심 전극들, 및 상기 하우징의 길이를 따라 배치된 연속하는 전극들을 포함할 수 있다. 상기 유체 채널은 상기 동심 전극들 사이에 형성될 수 있고, 상기 중심축에 실질적으로 평행하게 연장될 수 있다. 상기 복수의 동심 세퍼레이터의 각각의 동심 세퍼레이터는 연속하는 전극들 사이에 위치될 수 있고, 상기 연속하는 전극들 중 적어도 하나와 정합하도록 구성될 수 있다. 상기 복수의 동심 세퍼레이터는 상기 연속하는 전극의 동심을 유지하도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 동심 세퍼레이터 각각은 복수의 연속된 링을 포함한다. 상기 복수의 연속된 링 중 인접한 2개의 링 사이의 갭의 폭은 상기 유체 채널 내 감속 구역을 미리 결정된 길이 미만으로 유지하도록 치수 설정될 수 있다.
상기 감속 구역의 길이는 평균 전해질 용액 유속이 상기 유체 채널을 통한 전해질 용액의 평균 유속보다 적어도 2% 더 낮은 영역에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 상기 감속 구역의 길이는 평균 전해질 용액 유속이 상기 유체 채널을 통한 전해질 용액의 평균 유속보다 적어도 5% 더 낮은 영역에 의해 형성될 수 있다. 특정 실시형태에 따르면, 상기 복수의 연속된 링 중 인접한 2개의 링 사이의 갭의 폭은 복수의 연속된 링 중 적어도 하나의 링의 폭의 1.60배 이하일 수 있다. 일부 실시형태에서, 상기 복수의 연속된 링 중 적어도 하나의 링은 상기 적어도 하나의 링으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 포함할 수 있다.
다른 양상에 따르면, 자가-세정 전기 화학 전지 및 전해질 용액의 공급원을 포함하는 시스템이 제공된다. 상기 전해질 용액의 공급원은 하우징의 입구에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있고 2m/s 이상의 유체 채널을 통한 평균 유속으로 상기 전해질 용액을 전달하도록 구성된 출구를 가질 수 있다. 상기 자가-세정 전기 화학 전지는 상기 전해질 용액으로부터 생성물 화합물을 생성하고 상기 생성물 화합물을 포함하는 생성물 용액을 배출하도록 구성될 수 있다. 상기 자가-세정 전기 화학 전지는 상기 출구를 통해 사용 지점에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질 용액의 공급원은 해수, 기수 및 염수 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 직렬로 배열된 복수의 자가-세정 전기 화학 전지를 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 전기 화학 시스템을 동작시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 자가-세정 전기 화학 전지를 제공하는 단계; 약 2m/s 이상의 유체 채널을 통한 평균 유속으로 전해질 용액을 상기 자가-세정 전기 화학 전지에 도입하는 단계; 상기 자가-세정 전기 화학 전지의 전해질 용액으로부터 생성물 화합물을 생성하기에 충분한 전압으로 복수의 전극에 걸쳐 전류를 인가하는 단계; 및 미리 결정된 시간 기간 동안 상기 전기 화학 시스템을 연속적으로 동작시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 적어도 6개월 동안 상기 전기 화학 시스템을 연속적으로 동작시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 상기 방법은 복수의 자가-세정 전기 화학 전지를 제공하는 단계; 및 상기 복수의 자가-세정 전기 화학 전지를 직렬로 유체 흐름 가능하게 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 전술한 양상 및/또는 실시형태 중 임의의 하나 이상의 것의 모든 조합, 및 상세한 설명에서 제시된 실시형태 및 임의의 실시예의 임의의 하나 이상의 것과의 조합을 고려한다.
첨부된 도면은 축척에 맞게 도시된 것이 아니다. 도면에서, 다양한 도면에 도시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호로 표시된다. 명확성을 위해, 모든 도면에 모든 구성 요소가 표시된 것은 아니다.
도 1a는 동심 튜브 전기 화학 전지의 일 실시형태의 사시도;
도 1b는 도 1a의 동심 튜브 전기 화학 전지의 단면도;
도 1c는 도 1a의 동심 튜브 전기 화학 전지의 입면도 및 단면도;
도 1d는 도 1a의 동심 튜브 전기 화학 전지의 다른 사시도;
도 2a는 동심 튜브 전기 화학 전지의 일 실시형태를 통한 전류 흐름을 도시하는 도면;
도 2b는 동심 튜브 전기 화학 전지의 다른 실시형태를 통한 전류 흐름을 도시하는 도면;
도 2c는 동심 튜브 전기 화학 전지의 다른 실시형태를 통한 전류 흐름을 도시하는 도면;
도 3A는 일 실시형태에 따른 전기 화학 전지의 단면도;
도 3B는 도 3A의 전기 화학 전지의 일부 확대 단면도;
도 3C는 도 3A의 예시적인 전기 화학 전지의 단면도;
도 4는 일부 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 유체 채널 아래의 속도 프로파일의 등고선도(contour map);
도 5는 다른 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 유체 채널 아래의 속도 프로파일의 등고선도;
도 6A는 일 실시형태에 따라 세퍼레이터의 사시도;
도 6B는 일 실시형태에 따라 세퍼레이터 상의 돌출부의 입면도;
도 6C는 일 실시형태에 따라 세퍼레이터 상의 돌출부의 평면도;
도 6D는 일 실시형태에 따라 세퍼레이터 상의 돌출부의 사시도;
도 7A는 일 실시형태에 따라 전극 튜브들 사이에 위치된 세퍼레이터의 사시도;
도 7B는 도 7A의 세퍼레이터 및 전극의 입면도;
도 7C는 일 실시형태에 따라 세퍼레이터의 사시도;
도 7D는 도 7C의 세퍼레이터의 입면도;
도 8A는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 입면도;
도 8B는 도 8A의 전기 화학 전지의 단면도;
도 9A는 일 실시형태에 따라 단부 캡을 상부에서 본 평면도;
도 9B는 도 9A의 단부 캡을 저부에서 본 평면도;
도 9C는 도 9A의 단부 캡의 입면도;
도 9D는 도 9의 단부 캡의 단면도;
도 10A는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 일부 단면도;
도 10B는 도 10A의 전기 화학 전지의 일부 분해도;
도 11A는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 일부 단면도;
도 11B는 다른 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 일부 사시도;
도 12는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지에 걸친 압력 강하의 등고선도;
도 13A는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 입구 단부 캡 내 입구 압력의 등고선도;
도 13B는 다른 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 입구 단부 캡 내 입구 압력의 다른 등고선도;
도 13C는 다른 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 입구 단부 캡 내 입구 압력의 다른 등고선도;
도 14A는 다양한 입구 원추부(inlet cone) 실시형태를 갖는 전기 화학 전지의 입구 단부 캡의 입구 압력의 등고선도를 집합적으로 도시하는 도면;
도 14B는 도 14A의 입구 원추부 실시형태에서 압력 강하 대(vs.) 원추부 각도의 그래프;
도 15A는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 단면도;
도 15B는 일 실시형태에 따라 출구 절두체(frustrum)를 갖는 전기 화학 전지의 출구 캡의 출구 압력의 등고선도;
도 16은 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 일부 사시도;
도 17A는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 일부 사시도;
도 17B는 도 17A의 전기 화학 전지의 다른 부분의 사시도;
도 17C는 도 17A의 전기 화학 전지의 다른 부분의 사시도;
도 18A는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 일부 사시도;
도 18B는 도 18A의 전기 화학 전지의 일부 평면도;
도 19A는 일 실시형태에 따라 세퍼레이터의 분해도;
도 19B는 도 19A의 세퍼레이터의 평면도;
도 19C는 도 19A의 세퍼레이터의 단면도;
도 20A는 일 실시형태에 따라 세퍼레이터의 일부 사시도;
도 20B는 도 20A의 세퍼레이터의 입면도;
도 20C는 도 20A의 세퍼레이터의 단면도;
도 21A는 일 실시형태에 따라 세퍼레이터의 사시도;
도 21B는 도 21A의 세퍼레이터의 입면도;
도 21C는 도 21A의 세퍼레이터의 단면도;
도 21D는 도 21A의 세퍼레이터의 분해도;
도 22는 일 실시형태에 따라 세퍼레이터의 하류에서 평균치로부터의 속도 편차의 그래프;
도 23A는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 단면도;
도 23B는 도 23A의 전기 화학 전지의 일부 확대도;
도 23C는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 전기 커넥터의 입면도;
도 23D는 도 23C의 전기 커넥터의 사시도;
도 24A는 일 실시형태에 따라 전기 커넥터의 입면도;
도 24B는 도 24A의 전기 커넥터의 일부 확대도;
도 24C는 도 24A의 전기 커넥터의 일부 측면도;
도 25A는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 일부 사시도;
도 25B는 도 25A의 전기 화학 전지의 일부에 걸친 전류 분포의 등고선도;
도 25C는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 전기 커넥터 주위의 온도의 등고선도;
도 25D는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 전기 커넥터의 하류의 속도의 등고선도;
도 26A는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 전기 연결의 입면도;
도 26B는 다른 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 다른 전기 연결의 입면도;
도 26C는 도 26A(왼쪽) 및 도 26B(오른쪽)의 전기 연결 주위의 전류 분포를 위에서 본 등고선도;
도 26D는 도 26A(왼쪽) 및 도 26B(오른쪽)의 전기 연결 주위의 전류 분포를 측면에서 본 등고선도;
도 27A는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 전기 연결의 입면도;
도 27B는 다른 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 다른 전기 연결의 입면도;
도 27C는 도 27A(왼쪽) 및 도 27B(오른쪽)의 전기 연결 주위의 전류 분포를 위에서 본 등고선도;
도 27D는 도 27A(왼쪽) 및 도 27B(오른쪽)의 전기 연결 주위의 전류 분포를 측면에서 본 등고선도;
도 28A는 도 26A의 전기 커넥터를 포함하는 전기 화학 전지를 통한 유속의 등고선도;
도 28B는 도 26B의 전기 커넥터를 포함하는 전기 화학 전지를 통한 유속의 등고선도;
도 28C는 도 27A의 전기 커넥터를 포함하는 전기 화학 전지를 통한 유속의 등고선도;
도 28D는 도 27B의 전기 커넥터를 포함하는 전기 화학 전지를 통한 유속의 등고선도;
도 29A는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지의 전기 커넥터 및 세퍼레이터 조립체의 사시도;
도 29B는 도 29A의 전기 커넥터 및 세퍼레이터 조립체의 평면도;
도 30은 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지를 통한 유속의 등고선도;
도 31은 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지를 통한 유속의 등고선도; 및
도 32는 일 실시형태에 따라 전기 화학 전지를 통한 유속의 등고선도.
본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태는 다음의 상세한 설명에 제시되거나 도면에 도시된 구성의 세부 사항 및 구성 요소의 배열로 제한되지 않는다. 본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태는 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다. 본 명세서는 전기 염소화 전지 및 전기 염소화 장치의 다양한 실시형태를 기술하지만, 본 발명은 전기 염소화 전지 또는 장치로 제한되지 않으며, 본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태는 다수의 목적 중 임의의 목적에 사용되는 전해 및 전기 화학 전지에 적용 가능하다.
전극에서의 화학 반응에 기초한 전기 화학 장치는 산업계 및 도시에서 구현하는데 널리 사용된다. 반응의 예는 다음을 포함한다:
염화나트륨과 물로부터 차아염소산 나트륨이 생성되는 전기 염소화:
애노드에서의 반응: 2Cl- → Cl2 + 2e-
캐소드에서의 반응: 2Na+ + 2H2O + 2e- → 2NaOH + H2
용액에서의 반응: Cl2 + 2OH- → ClO- + Cl- + H2O
전체 반응: NaCl + H2O → NaOCl + H2
양이온 교환막이 애노드와 캐소드를 분리하는 경우 염화나트륨과 물로부터 수산화나트륨과 염소가 생성됨:
애노드에서의 반응: 2Cl- → Cl2 + 2e-
캐소드에서의 반응: 2H2O + 2e- → 2OH- + H2
전체 반응: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2
양성자 투과막이 전극을 분리하는 경우 에너지 저장을 위한 바나듐 산화 환원 배터리:
충전 동안:
제1 전극에서의 반응: V3+ + e- → V2+
제2 전극에서의 반응: V4+ → V5+ + e-
방전 동안:
제1 전극에서의 반응: V2+ → V3+ + e-
제2 전극에서의 반응: V5+ + e- → V4+
전기 염소화 전지는 해양, 해안, 도시, 산업 및 상업적으로 구현하는데 사용될 수 있다. 전기 화학 장치의 설계 파라미터, 예를 들어, 전극 간 간격, 전극 두께 및 코팅 밀도, 전극 면적, 전기 연결 방법 등은 다양한 구현에 최적화될 수 있다.
캐소드에서 발생된 H2 가스를 제거하는 것은 전기 화학 장치 및 전체 시스템의 설계에서 주요 과제이다. 선택된 배관 위치에서 또는 생성물 탱크에서 가스를 안전하게 배출해야 한다. 일부 실시형태에서, 선택적으로 H2O2를 생성함으로써 H2 가스 생성을 완화시키기 위해 산화제가 도입될 수 있다.
본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태는 일반적으로 차아염소산 나트륨과 같은 소독제를 생성하기 위한 전기 화학 장치에 관한 것이다. "전기 화학 장치" 및 "전기 화학 전지"라는 용어 및 그 문법적 변형어는 "전기 염소화 장치" 및 "전기 염소화 전지" 및 그 문법적 변형어를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 개시된 바와 같이, 양상 및 실시형태는 동심 관형 전기 화학 전지(concentric tubular electrochemical cell: CTE)에 관한 것이다. 도 1a는 하우징(116) 내에 배치된 동심 튜브를 갖는 예시적인 전기 화학 전지(100)를 도시한다. 외부 튜브의 내부 표면 및 내부 튜브의 외부 표면은 활성 전극 영역을 포함한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 공급 전해질 용액은 전기 화학 전지(100)의 길이에 걸쳐 동심 튜브(102, 104)들 사이에서 흐른다. 흐름 채널은 도 1d에 도시된 바와 같이 동심 튜브들 사이의 갭에 의해 생성된다.
이 예시적인 실시형태에서 전극들 사이의 갭은 대략 3.5㎜이다. 해수를 공급물로 사용하는 특정 응용 분야(예를 들어, 해양 및 해안 응용 분야)에서 유체 채널을 통한 액체 속도는 2.0m/s보다 클 수 있는데, 예를 들어, 2.1m/s, 최대 3m/s, 최대 3.5m/s, 최대 6m/s 또는 최대 10m/s 정도일 수 있어서, 고도의 난류를 초래하여 전극 표면의 오염(fouling) 및 스케일링(scaling) 가능성을 줄여줄 수 있다.
전기 화학 전지(100)는 도 1c에 도시된 바와 같이 단부 캡(106, 108) 및 중심 캡(110)을 포함할 수 있다. 전기 화학 전지는 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이 원추부(112, 114)를 포함할 수 있다. 원추부(112, 114)는 동심 튜브(102, 104)들 사이의 갭을 향해 공급 전해질 용액을 지향시키기 위해 내부 전극 상에 제공될 수 있다. 세퍼레이터(정렬 특징부)는 동심 튜브의 내부 위치를 유지하고 갭을 형성하기 위해 입구, 출구, 및 중심 캡 중 하나 이상에 위치될 수 있다. 단부 캡, 원추부 및 세퍼레이터는 전기 화학 전지를 통한 유속 및 압력 강하에 영향을 미친다. 유속이 감소하면 오염과 스케일링 가능성이 높아져 유지 보수 필요성이 더 커진다. 직렬로 배열된 다수의 전기 화학 전지를 갖는 시스템에서, 각 전기 화학 전지에 걸친 압력 강하는 시스템에 누적된 영향을 미친다. 본 명세서에 개시된 특정 실시형태에 따르면, 하나 이상의 특징부는 전기 화학 전지 내의 유속 및 압력 강하에 대한 영향을 감소시키도록 설계될 수 있다. 추가적으로, 하나 이상의 특징부는 전기 화학 전지 및 그 구성 요소의 제작을 단순화하도록 설계될 수 있다. 본 명세서에 개시된 바와 같이, 특징부는 수학적 함수에 의해 설계되거나 자유롭게 생성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 특징부는 경험적으로 생성되거나 연산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics: CFD) 소프트웨어를 사용하여 설계될 수 있다.
본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태는 하나 이상의 전극을 포함하는 것으로 설명된다. 본 명세서에 사용된 "금속 전극"이라는 용어 또는 그 문법적 변형어는 하나 이상의 금속, 예를 들어 티타늄, 알루미늄 또는 니켈로 형성되거나 이를 포함하거나 이로 이루어진 전극을 포함하는 것으로 이해되지만 "금속 전극"이라는 용어는 다른 금속 또는 합금으로 이루어진 것을 포함하는 전극을 배제하는 것은 아니다. 일부 실시형태에서, "금속 전극"은 상이한 금속의 다수의 층을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태 중 임의의 하나 이상의 실시형태에서 사용되는 금속 전극은 전해질 용액에 의한 화학적 공격에 높은 내성을 갖는 금속 또는 금속 산화물, 예를 들어, 티타늄, 백금, 혼합 금속 산화물(mixed metal oxide: MMO), 마그네타이트, 페라이트, 코발트 스피넬, 탄탈륨, 팔라듐, 이리듐, 은, 금 또는 다른 코팅 재료의 층으로 코팅된 고-전도성 금속, 예를 들어 구리 또는 알루미늄의 코어를 포함할 수 있다.
"금속 전극"은 예를 들어 백금, 혼합 금속 산화물(MMO), 마그네타이트, 페라이트, 코발트 스피넬, 탄탈륨, 팔라듐, 이리듐, 은, 금 또는 다른 코팅 재료를 포함하지만 이들로 제한되지 않는 산화 방지 코팅으로 코팅될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서 이용되는 혼합 금속 산화물은 루테늄, 로듐, 탄탈륨(선택적으로 안티몬 및/또는 망간과 합금됨), 티타늄, 이리듐, 아연, 주석, 안티몬, 티타늄-니켈 합금, 티타늄-구리 합금, 티타늄-철 합금, 티타늄-코발트 합금, 또는 다른 적절한 금속 또는 합금 중 하나 이상의 것의 산화물 또는 산화물들을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서 이용되는 애노드는 백금으로 코팅될 수 있고/있거나, 이리듐, 루테늄, 주석, 로듐 또는 탄탈륨(선택적으로 안티몬 및/또는 망간과 합금됨) 중 하나 이상의 것의 산화물 또는 산화물들로 코팅될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서 이용되는 캐소드는 백금으로 코팅될 수 있고/있거나 이리듐, 루테늄 및 티타늄 중 하나 이상의 것의 산화물 또는 산화물들로 코팅될 수 있다. 일부 실시형태에서, 애노드와 캐소드 둘 모두는 전극의 극성이 주기적으로 반전하도록 유사하게 코팅된다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서 이용되는 전극은 티타늄, 탄탈륨, 지르코늄, 니오븀, 텅스텐 및/또는 실리콘 중 하나 이상의 것의 베이스를 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 전기 화학 전지들 중 임의의 전지를 위한 전극은 플레이트, 시트, 포일, 압출물 및/또는 소결물로서 형성되거나 또는 이들로부터 형성될 수 있다.
본 명세서에 사용된 "튜브"라는 용어는 원통형 도관을 포함하지만, 다른 단면 형상을 갖는 도관, 예를 들어, 정사각형, 직사각형, 난형 또는 장방형 형상 또는 임의의 규칙적 또는 불규칙적인 다각형 형상의 단면 형상을 갖는 도관을 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용된 "동심 튜브" 또는 "동심 나선부"라는 용어는 실질적으로 공통 중심축을 공유하는 튜브 또는 인터리브된 나선부(interleaved spiral)를 포함하지만, 일련의 동심 튜브 또는 인터리브된 나선부에서 각각의 동심 튜브 또는 인터리브된 나선부에 대해 반드시 중심이어야 하는 것은 아닌 실질적으로 공통 축을 둘러싸는 튜브 또는 인터리브된 나선부를 배제하지 않는다.
일 양상에 따르면, 전기 화학 전지는 동심 튜브 전극을 포함한다. 동심 튜브 전극들 중 적어도 일부는 단극성(mono-polar) 또는 양극성(bipolar)일 수 있다. 내부 튜브 전극은 산화 방지 코팅, 예를 들어, 백금 또는 MMO를 갖는 애노드일 수 있다. 외부 튜브 전극은 캐소드로서 작용하고 코팅을 갖지 않을 수 있다. 대안적으로, 내부 튜브 전극은 캐소드로서 작용할 수 있고, 외부 튜브 전극은 애노드로서 작용할 수 있다. 일부 실시형태에서, 두 전극은 극성 반전을 가능하도록 코팅된다.
예시적인 실시형태에서 전극은 전류가 전극마다 한번 전해질을 통과(pass)하도록 단극성일 수 있다. 각 전극은 티타늄 튜브를 포함할 수 있다. 애노드 전기 커넥터는 외부 튜브 전극과 전기적으로 통신할 수 있다. 캐소드 전기 커넥터는 내부 튜브 전극과 전기적으로 통신할 수 있다. 중간 튜브 전극이 있는 경우 중간 튜브 전극은 내부 튜브 전극, 외부 튜브 전극 또는 이 둘 모두와 전기적으로 통신할 수 있다. 일부 실시형태에서, 중간 튜브 전극은 표면을 최대로 이용하기 위해 내부 표면과 외부 표면 모두에 산화 방지 코팅, 예를 들어 백금 또는 MMO를 갖는 애노드일 수 있다. 중간 튜브 애노드는 캐소드로서 작용하는 2개의 전극에 의해 둘러싸일 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 CTE 전기 화학 전지에서 일부 가능한 예시적인 전극 배열을 도시한다. 도 2a는 애노드로부터 캐소드로 전류가 한번 통과하여 흐르는 예시적인 배열을 도시한다. 두 전극은 티타늄으로 제조될 수 있으며, 애노드는 백금 또는 혼합 금속 산화물(MMO)로 코팅된다. 이러한 전극은 "단극성"이라고 불린다.
예시적인 실시형태에서 전극은 전류가 전극당 1회를 초과하여 전해질을 통과하도록 양극성일 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 양극성 튜브 전극의 일 단부(일부 실시형태에서 전극의 약 절반)는 캐소드로서 기능하도록 코팅되지 않을 수 있고, 다른 단부 부분(일부 실시형태에서 전극의 약 절반)은 애노드로서 기능하도록 산화 방지 코팅, 예를 들어 백금 또는 MMO로 코팅될 수 있다. 양극성 튜브 전극은 애노드 및 캐소드 튜브 전극 내에 끼워질 수 있으며, 각각의 튜브 전극은 양극성 전극의 일 단부 부분을 둘러쌀 수 있다. 공통 직경을 갖는 애노드 튜브 전극 및 캐소드 튜브 전극은 전기 화학 전지의 길이를 따라 측방으로 변위될 수 있다. 양극성 튜브 전극은 양극성 튜브 전극, 애노드 튜브 전극 및 캐소드 튜브 전극 간에 전해질 용액을 통해 전류가 2번 통과하여 흐르도록 배향될 수 있다.
애노드 및 캐소드 튜브 전극이 전기 화학 전지를 통해 축 방향을 따라 복수의 양극성 튜브 전극의 다른 측들 상에 제공되도록 추가적인 양극성 튜브 전극을 삽입하고 각각의 애노드 튜브 전극 및 캐소드 튜브 전극을 오버랩시킴으로써, 다중 통과 병렬 플레이트 전극(parallel plate electrode: PPE)과 개략적으로 유사하게 3번 이상 전류가 통과하도록 전지를 조립할 수 있다.
도 2b는 2개의 외부 전극 및 1개의 내부 전극을 갖는 장치를 전류가 2번 통과하여 흐르는 예시적인 배열을 도시한다. 외부 전극들 중 하나는 예를 들어 애노드로서 기능하도록 내부 표면에 코팅되고; 다른 외부 전극은 코팅되지 않았다. 내부 전극의 외부 표면의 일부는 예를 들어 애노드로도 기능하도록 코팅되고, 나머지 부분은 코팅되지 않는다. 전류는 코팅된 외부 전극으로부터 전해질을 통해 내부 전극의 코팅되지 않은 부분으로 흐르고 나서 내부 전극을 따라 코팅된 부분으로 흐르고, 마지막으로 전해질을 가로 질러 코팅되지 않은 외부 전극으로 되 흐른다. 내부 전극은 "양극성" 전극이라고도 불린다.
도 2c는 다수의 외부 전극 및 하나의 내부 전극을 갖는 장치를 전류가 다수 번 통과하여 흐르는 배열을 도시한다. 캐소드 및 애노드 부분을 교번하며 필요한 곳에 전극을 코팅함으로써, 전류는 전해질을 다수 번 통과하여 앞뒤로 흐를 수 있다. 통과하는 횟수는 적절히 확장될 수 있다.
일 양상에 따르면, 전기 화학 전지는 복수의 동심 튜브 전극을 포함한다. 다수의 애노드 또는 캐소드 튜브 전극을 포함하는 본 명세서에 개시된 실시형태에서, 다수의 애노드 튜브 전극은 집합적으로 애노드 또는 애노드 튜브로 지칭될 수 있고, 다수의 캐소드 튜브 전극은 집합적으로 캐소드 또는 캐소드 튜브로 지칭될 수 있다. 다수의 애노드 및/또는 다수의 캐소드 튜브 전극을 포함하는 실시형태에서, 다수의 애노드 튜브 전극 및/또는 다수의 캐소드 튜브 전극은 본 명세서에서 집합적으로 애노드-캐소드 쌍으로 지칭될 수 있다.
전기 화학 전지는 예를 들어 3개, 4개 또는 5개의 동심 튜브를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 전기 화학 전지는 2개의 외부 튜브 전극 및 1개 또는 2개의 내부 튜브 전극을 갖는 3개 또는 4개의 동심 튜브 전극을 포함할 수 있다. 4개의 튜브 전기 화학 전지는 전해질 용액이 2개가 아니라 3개의 유체 채널을 통해 흐를 수 있다는 점을 제외하고는 3개의 튜브 전기 화학 전지와 유사한 방식으로 동작할 수 있다. 여분의 전극 튜브는 추가의 캐소드 전극 표면, 애노드 전극 표면 및 유체 채널을 제공할 수 있다. 유사하게, 5개의 튜브 전극을 포함하는 전기 화학 전지는 2개의 외부 튜브, 3개의 내부 튜브 및 4개의 유체 채널을 포함할 수 있다. 제5 전극 튜브는 추가의 캐소드 전극 표면, 애노드 전극 표면 및 유체 채널을 더 제공할 수 있다. 튜브의 수, 통과하는 횟수 및 전극 구성(단극성 또는 양극성)은 변할 수 있다. 튜브의 수, 통과하는 횟수 및 전극 구성은 원하는 전기 화학 전지의 원하는 용도에 기초하여 선택될 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 다중 관 전극 배열은 단위 체적당 활성 면적을 점진적으로 증가시킨다. 다수의 동심 튜브 전극을 포함하는 전기 화학 또는 전기 염소화 전지 및 장치에 사용되는 다중 튜브의 수가 증가함에 따라, 튜브마다 활성 표면적이 줄어들어 튜브 최내 직경이 점점 더 작아진다. 그러나, 전체 결과는 다중 튜브 전극이 다른 CTE 전극 장치에 비해 훨씬 더 활성인 표면을 가진다는 것이다.
본 명세서에서 사용된 전기 화학 전지의 "활성 밀도"라는 용어는 전기 화학 전지의 하우징 내 총 단면적에 대해 전기 화학 전지 내 처리 유체가 흐를 수 있는 활성 또는 기능성 전극 표면(전기 화학 전지의 "활성 영역")들 사이의 단면적(전기 화학 전지에서 유체의 전기 화학 처리에 기여하는 전류가 흐르는 전극의 표면)의 비로 정의된다. 정의된 "활성 밀도"는 유체가 흐를 수 있는 중심축에 수직인 평면의 면적을 중심축에 수직인 전체 단면적으로 나눈 것이다. 측정 단위는 크기가 없거나 분수 또는 백분율이다. 본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태는 약 46% 내지 약 52%, 약 50% 초과, 일부 실시형태에서, 약 75% 초과, 일부 실시형태에서 85% 초과, 일부 실시형태에서, 90% 초과, 및 일부 실시형태에서 최대 약 95%의 활성 밀도를 갖는 전기 화학 전지를 포함한다.
본 명세서에서 사용된 전기 화학 전지의 "전체 밀집(packing) 밀도"라는 용어는 전기 화학 전지의 하우징 내 총 단면적에 대해 전기 화학 전지를 통과하는 유체의 흐름에 수직인 평면에서의 전체 기능 전극 경로의 길이로서 정의된다. "밀집 밀도"는 전기 화학 장치의 전극의 "활성 표면적"을 장치의 총 내부 체적으로 나눈 것이다. 측정 단위는 1/길이(예를 들어, m-1)이다. 전극의 "활성 표면적"은 전기 화학 장치 내에서 전기 화학 반응에 기여하는 전류가 흐르는 전극의 표면적이다. 대향 표면을 갖는 전극은 단일 표면 또는 두 표면에 활성 표면적을 가질 수 있다. "애노드 밀집 밀도"는 전기 화학 장치에서 애노드(들)의 "활성 표면적"을 장치의 총 내부 체적으로 나눈 것이다. "캐소드 밀집 밀도"는 전기 화학 장치에서 캐소드(들)의 "활성 표면적"을 장치의 총 내부 체적으로 나눈 것이다. "전체 전극 밀집 밀도" 또는 "총 전극 밀집 밀도"는 전기 화학 장치의 애노드 밀집 밀도 및 캐소드 밀집 밀도의 합이다. 본 명세서에 개시된 전기 화학 전지의 양상 및 실시형태는 2㎜-1 이상의, 애노드 밀집 밀도, 캐소드 밀집 밀도 및/또는 전체 전극 밀집 밀도를 가질 수 있다.
특정 실시형태에 따르면, 전기 화학 전지의 애노드 및/또는 캐소드 튜브는 전기 화학 반응에서 생성된 수소가 전극을 통해 보다 쉽게 흐르고 전극 표면(들)에서 수소 마스킹 효과를 감소시키도록 개구(aperture)를 가질 수 있다. 수소 마스킹은 이용 가능한 애노드의 면적 및 이후 차아염소산 나트륨의 배출을 줄인다. 추가적으로 또는 대안적으로, 애노드(들) 및/또는 캐소드(들)는 유체 투과성 및/또는 천공 또는 메쉬(mesh) 재료, 예를 들어 천공된 티타늄 또는 티타늄 메쉬를 포함할 수 있다. 전기 화학 전지는 산화제를 전달하여 예를 들어 전기 염소화 반응에 의해 생성된 수소와 전지 내에서 결합하여 물 또는 과산화수소를 생성하기 위해 산화제를 전달하기 위한 가스 도관을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 촉매는 전지에서 산화제와 수소의 반응을 촉진시키기 위해 예를 들어 캐소드 상에 및/또는 캐소드 내에 제공된다.
전극의 표면적은 주름의 사용을 통해 증가될 수 있다. 전기 화학 전지는 주름진 애노드 또는 캐소드 중 하나를 포함할 수 있는 반면, 애노드 또는 캐소드 중 다른 하나는 주름지지 않는다. 전기 화학 전지는 다중 채널 주름진 전극 구조를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 애노드 및 캐소드는 증가된 전극 표면적을 제공하기 위해 도시된 것과 다른 곡률 형태를 가질 수 있다. 그러나, 주름은 난류를 증가시켜 전기 화학 전지를 통한 평균 유속을 감소시킬 수 있음에 유의해야 한다. 따라서, 주름진 전극 전지는 이를 보상하기 위해 증가된 입구 유속을 요구할 수 있다.
캐소드에서 또는 캐소드 내에서 수소 저감을 위한 표면적은 애노드당 다수의 가스 확산 캐소드를 사용하여 증가될 수 있다. 다수의 가스 확산 캐소드에는 축 방향 또는 병렬 가스 도관을 통해 가스(산화제), 예를 들어 산소가 공급될 수 있다.
본 명세서에 개시된 전기 화학 전지의 양상 및 실시형태는 애노드와 캐소드 사이의 활성 영역 또는 갭을 통과하는 모든 또는 실질적으로 모든 유체가 하우징의 중심축에 실질적으로 또는 완전히 평행한 방향으로 통과하도록 구성되고 배열된 애노드 및 캐소드(또는 애노드-캐소드 쌍)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 갭은 유체 채널로 지칭될 수 있다. 유체 채널은 0.5m 내지 2.0m, 예를 들어 약 1.0m의 길이를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 유체 채널은 적어도 3.0m 연장될 수 있다. 활성 영역을 통해 실질적으로 또는 완전히 평행한 방향은 애노드 및 캐소드(또는 애노드-캐소드 쌍)에 평행하거나 실질적으로 평행할 수 있다. 유체 흐름이 활성 영역을 통한 흐름 동안 난류 및/또는 와류를 나타내더라도, 활성 영역을 통해 흐르는 유체는 여전히 활성 영역을 통해 실질적으로 또는 완전히 평행한 방향으로 흐르는 것으로 고려될 수 있다.
본 명세서에 개시된 동심 튜브 전극, 예를 들어 하나 이상의 애노드 및/또는 캐소드를 포함하는 전기 화학 전지의 일부 양상 및 실시형태에서, 전극은 전기 화학 전지의 중심축(도 3B에서 점선으로 도시됨)에 평행한 방향으로 전극들 사이의 하나 이상의 갭을 통해 유체를 지향시키도록 구성되고 배열된다. 일부 양상 및 실시형태에서, 전극은 전기 화학 전지의 중심축에 평행한 방향으로 전극들 사이의 하나 이상의 갭을 통해 전기 화학 전지 내로 도입된 모든 유체를 지향시키도록 구성되고 배열된다.
전극들 사이의 갭의 폭은 일정하거나 가변적일 수 있다. 전극들 사이의 갭의 폭은 예를 들어 약 1㎜ 내지 약 7㎜, 약 1㎜ 내지 약 5㎜, 또는 약 3㎜ 내지 약 5㎜일 수 있다. 일부 실시형태에서, 전극들 사이의 갭의 폭은 약 2.0㎜, 약 2.5㎜, 약 3.0㎜, 약 3.5㎜ 또는 약 4.0㎜일 수 있다. 갭 및 전기 화학 전지 설계의 폭은 전기 화학 전지에서 처리될 전해질의 유형에 기초하여 선택될 수 있다.
예시적인 실시형태에서, 공급 전해질 용액은 3개의 튜브 전극 사이에 형성된 2개의 환형 갭(즉, 유체 채널)을 통해 흐른다. 일정 또는 가변의 DC 전압 또는 일부 실시형태에서 AC 전류는 애노드 및 캐소드 전기 커넥터에 걸쳐 인가될 수 있다. 전류는 애노드(중간 튜브 전극)의 내부 및 외부 표면으로부터 내부 및 외부 캐소드(내부 튜브 전극 및 외부 튜브 전극)로 동시에 흐를 수 있다. 전극과 동일한 재료, 예를 들어 티타늄으로 형성될 수 있는 하나 이상의 전도성 브리지에 의해 튜브 전극들 사이에 전기적 연결이 이루어질 수 있다. 전기 화학적 및 화학적 반응은 전극의 표면에서 및 벌크 용액에서 발생하여 생성물 용액을 생성할 수 있다. 예를 들어, 전기 화학적 및 화학적 반응은 전극의 표면에서 및 벌크 용액에서 발생하여 튜브 전극들 사이에 형성된 유체 채널에서 생성물 용액을 생성할 수 있다.
전기 화학 시스템에는 일반적으로 염수, 기수 또는 해수가 공급될 수 있지만, 이 공급 용액으로 제한되는 것은 아니다. 전기 화학 전지의 설계 파라미터는 일반적으로 공급 용액의 조성 및/또는 생성물 용액의 원하는 조성에 기초하여 선택될 수 있다. 해수는 일반적으로 약 3.0% 내지 4.0%의 염분을 가지며, 예를 들어 해수는 약 3.5%, 3.6% 또는 3.7%의 염분을 가질 수 있다. 해수는 나트륨, 염화물, 마그네슘, 황산염 및 칼슘을 포함한 용존 이온을 포함한다. 해수는 황, 칼륨, 붕화물, 탄소 및 바나듐 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다. 해수는 약 35,000 ㎎/ℓ의 총 용존 고형물(total dissolved solid: TDS) 함량을 가질 수 있다. 염수는 일반적으로 약 3.5%를 초과하는 염분을 가진다. 예를 들어, 염수는 약 4.0%, 4.5%, 5.0%, 7.5% 또는 약 10%의 염분을 가질 수 있다. 염수는 약 35,000 ㎎/ℓ를 초과하는 TDS 함량을 가질 수 있다. 포화 염수는 최대 약 25.0%의 염분을 가질 수 있다. 기수는 일반적으로 3.5% 미만의 염분을 가진다. 기수는 약 3.0%, 2.5%, 2.0% 또는 1.0%의 염분을 가질 수 있다. 기수는 약 35,000 ㎎/ℓ 미만의 TDS 함량을 가질 수 있다. 예를 들어, 기수는 약 1,000 ㎎/ℓ 내지 약 10,000 ㎎/ℓ의 TDS 함량을 가질 수 있다.
일반적으로, 전해질 용액의 전도율은 염분에 따라 약 0 내지 25 S/cm일 수 있다. 염분이 약 0.5% 내지 2.0%인 기수는 약 0.5 S/cm 내지 약 4.0 S/cm, 예를 들어 약 0.8 S/cm 또는 약 3.0 S/cm의 전도율을 가질 수 있다. 염분이 약 3.5%인 해수는 약 4.5 S/cm 내지 5.5 S/cm의 전도율, 예를 들어 약 5.0 S/cm 또는 약 4.8 S/cm의 전도율을 가질 수 있다. 약 5.0% 내지 10%의 염분을 갖는 염수는 약 7 S/cm 내지 13.0 S/cm, 예를 들어 약 12.6 S/cm의 전도성을 가질 수 있다. 약 25%의 염분을 갖는 포화 해수는 약 20.0 S/cm 내지 약 23.0 S/cm, 예를 들어 약 22.2 S/cm의 전도성을 가질 수 있다. 염분 및 전도율은 선형 관계: y = 0.9132x + 1.6332를 따를 수 있으며, 여기서 y는 전도율(S/cm)이고 x는 백분율 염분(% NaCl)이다.
스케일링 및 오염은 일반적으로 전기 화학 전지 내 저속 영역에서 발생할 수 있다. 통상적으로, 스케일링을 제거하기 위해 산세척(acid washing)이 필요할 수 있다. 산세척을 위해서는 전기 화학 전지를 오프라인 상태로 만들어야 하는데 이는 생산 및 사용을 제한한다. 본 명세서에 개시된 바와 같이, 전기 화학 전지의 구성 요소는 저속 영역을 감소시키고 스케일링 및 오염을 감소시키도록 설계될 수 있다. 자가-세정 특성을 유지하는 데 필요한 평균 유체 속도는 전해질 용액의 품질에 따라 달라질 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 자가-세정 유체 속도는 스케일 형성을 실질적으로 최소화할 수 있는 평균 벌크 유체 속도이다. 자가-세정 유체 속도는 전기 화학 전지에서 스케일 형성을 최소화, 제한 또는 실질적으로 감소시키도록 선택될 수 있다. 자가-세정 유체 속도를 유지하고/하거나 감속 구역을 최소화하면 장치의 산세척 필요성을 실질적으로 줄이거나 없앨 수 있다. 따라서, 장치는 일반적으로 전극 또는 그 코팅물이 열화될 때까지 훨씬 더 긴 시간 기간 동안 연속적인 사용이 유지될 수 있다.
전형적으로, 전기 화학 전지, 예를 들어 해수를 처리하는데 사용되는 전기 화학 전지의 자가-세정 특성을 유지하기 위해, 벌크 유체 속도는 평균 속도 2m/s를 초과하여 유지될 수 있다. 예를 들어, 실온(20℃ 내지 25℃)에서 약 1000ppm 내지 1400ppm의 마그네슘 농도 및 약 300ppm 내지 450ppm의 칼슘 농도를 갖는 물 또는 해수는 자가-세정 특성을 유지하기 위해 약 2m/s 이상의 평균 유속이 필요할 수 있다. 더 큰 경도, 예를 들어 최대 약 500ppm Ca 및 1800ppm Mg을 갖는 물 또는 해수(홍해의 물)는 자가-세정 특성을 유지하기 위해 더 큰 평균 유속을 요구할 수 있다. 이러한 해수는 자가-세정 특성을 유지하기 위해 약 2.5m/s 또는 3.0m/s의 평균 유속을 요구할 수 있다. 예를 들어 약 200ppm Ca 및 약 700ppm Mg을 갖는 경도가 낮은 물 또는 해수(아라비아만의 물)는 더 낮은 평균 유속으로 자가-세정 특성을 유지할 수 있다. 예를 들어, 이러한 해수는 약 1.5m/s 또는 1.8m/s의 평균 유속으로 자가-세정 특성을 유지할 수 있다.
약 20℃ 또는 25℃보다 높은 온도를 갖는 해수(예를 들어, 약 40℃의 온도를 가질 수 있는 아라비아만의 물) 또는 약 20℃ 또는 25℃보다 낮은 온도를 갖는 해수(예를 들어, 약 0℃의 온도를 가질 수 있는 북해의 물)는 또한 각각 더 낮거나 더 높은 평균 유속으로 자가-세정 특성을 유지할 수 있다. 추가적으로, 기수 물과 염수 물은 더 낮은 평균 유속으로 자가-세정 특성을 유지할 수 있다.
전기 화학 전지의 자가-세정 특성을 유지하기 위해 필요에 따라 평균 유속이 유지될 수 있다. 예를 들어, 유속은 특정 전해질 용액이 자가-세정 특성을 유지하기 위해 필요에 따라 약 1.5m/s 초과, 약 1.5m/s 내지 약 2m/s, 약 2m/s 초과, 약 2m/s 내지 약 2.5m/s, 약 2.5m/s 초과, 약 2.5m/s 내지 3.0m/s, 또는 약 3.5m/s 초과로 유지될 수 있다. 특정 공급 스트림의 경우, 유속은 4m/s, 5m/s, 6m/s, 7m/s, 8m/s, 9m/s 또는 10m/s에 유지되거나 또는 그 근처에 유지될 수 있다. 자가-세정 속도 미만의 임의의 평균 속도는 아래에 보다 상세히 설명된 바와 같이 미리 결정된 길이 내에서 결정될 수 있다.
본 명세서에 개시된 일부 실시형태에서, 전극, 예를 들어 캐소드 및 애노드가 하우징의 중심축 주위로 하우징 내에 동심으로 배치될 수 있다. 전극은 비금속 하우징에 삽입될 수 있고, 전기적으로 통전되는 구성 요소가 외부 환경에 노출되지 않도록 방수 커넥터를 통해 DC 또는 AC 전력 공급원에 연결될 수 있다. 이러한 설계는 일반적으로 작업자에게 더 안전하며, 장치와 외부 접지된 구성 요소 또는 액체 사이에 단락 위험이 없다.
전극은 외부 환경으로부터 전극을 전기적으로 격리시키고 전기 화학 전지를 통과하는 전해질의 유체 압력을 견디도록 설계된 비금속 하우징 내에 위치될 수 있다. 하우징은 비-전도성일 수 있고, 전해질 용액에 화학적으로 비 반응성일 수 있고, 시스템 압력, 시스템 고주파 진동 및 환경 저주파 진동(예를 들어, 선상 진동)을 견딜 수 있는 충분한 강도를 가질 수 있다. 하우징은 최대 16바(Bar) 압력을 견디기에 충분한 강도를 가질 수 있다. 하우징은 최대 10m/s의 전해질 용액 유속을 견디기에 충분한 강도를 가질 수 있다. 하우징은 폴리염화비닐(PVC), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 아크릴로나이트릴 부타다이엔 스타이렌(ABS), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 섬유 강화 폴리머(FRP) 또는 기타 적절한 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 일부 실시형태에서 강화 요소, 예를 들어 중합체 매트릭스에 매립된 유리 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 전극 커넥터는 하우징의 일 단부에서 하우징의 벽 외부로 연장될 수 있다. 일부 실시형태에서, 전극 커넥터는 하우징의 대향 단부에서 하우징의 벽 외부로 연장될 수 있다.
도 3A 내지 도 3C에 도시된 바와 같이, 전기 화학 전지(1000)는 전극(1020 및 1040)들 사이에 갭을 유지하도록 구성된 하나 이상의 세퍼레이터(1180)를 포함할 수 있다. 세퍼레이터(1180)는 (도 3C에 도시된) 전극(1020 및 1040)들 사이에 존재하도록, 예를 들어 캐소드와 애노드 사이에 존재하도록 위치될 수 있다. (도 3C에 도시된 바와 같이 전극(1020 및 1040)들 사이에) 유체 채널을 유지하기 위해, 세퍼레이터(1180)는 전극(1020 및 1040)들 사이의 갭의 폭을 유지하여, 전극(1020 및 1040)들을 국부화(localizing)하고 (도 3B에 도시된 바와 같이) 튜브의 동심을 유지하는 높이를 갖도록 치수 설정될 수 있다. 세퍼레이터(1180)는 채널을 통한 유체 흐름을 허용하도록 치수 설정될 수 있다.
도 7A 내지 도 7B는 세퍼레이터(1180)의 다른 실시형태를 도시한다. 도 7A에 도시된 바와 같이, 각각의 세퍼레이터(1180)는 전극 튜브(1020, 1040)의 단부에 부착되도록 구성되고 배열될 수 있다. 세퍼레이터는 도 7B에 도시된 바와 같이 전극 튜브(1020, 1040) 내에 위치될 수 있다. 세퍼레이터(1180)는 전극 또는 전기 커넥터와 정합하는 하나 이상의 특징부(1186)를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 "정합"이란 2개 이상의 요소 사이의 연결을 지칭한다. 연결은 기계적 및/또는 전기적일 수 있다. 정합 특징부는 정렬을 유지하고 전극 또는 전기 커넥터에 대해 세퍼레이터가 회전하는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 도 7C 내지 도 7D에 도시된 바와 같이 몰딩된 특징부(1186)는 다른 부착 요소의 필요성을 감소시킴으로써 전기 화학 전지의 조립을 용이하게 할 수 있다. 일부 실시형태에서, 세퍼레이터는 전극 튜브와 정합하고 동심 전극 튜브의 동심을 유지하도록 구성된 슬롯, 클램프 또는 일체형 부착 특징부를 포함할 수 있다.
세퍼레이터는 고압을 견딜 수 있는 화학적으로 불활성인 비-전도성 재료로 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 세퍼레이터는 최대 16바 압력, 시스템 고주파 진동, 및 환경 저주파 진동(예를 들어, 선상 진동)을 견디도록 구성될 수 있다. 세퍼레이터는 최대 10m/s의 전해질 용액 유속을 견디도록 구성될 수 있다. 세퍼레이터는 플라스틱 또는 세라믹으로 구성될 수 있다. 세퍼레이터는 PVC, PTFE, PVDF, ABS, HDPE, FRP 또는 다른 적절한 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 세퍼레이터는 제조 및 조립의 용이성을 위해 사출 성형될 수 있다.
세퍼레이터와 같은 흐름 특징부는 흐르는 전해질 용액에 항력을 발생시켜 세퍼레이터의 하류에 감속 영역(본 명세서에서 "감속 구역"이라고도 함)을 초래하는 경향이 있다. 전술한 바와 같이, 평균 유속의 감소는 전기 화학 전지의 자가-세정 특성을 손상시킬 수 있다. 따라서, 자가-세정 속도 미만의 임의의 평균 속도는 세퍼레이터로부터 유체 채널 아래로 미리 결정된 길이 내에서 결정되어야 한다. 세퍼레이터가 없는 자가-세정 전기 화학 전지는, 예를 들어 전기 화학 전지의 입구로부터 20㎜ 이내로 감속 구역을 결정할 수 있다. 일부 예시적인 실시형태에서, 감속 구역이 도 4에 도시된 바와 같이 세퍼레이터로부터 140㎜ 이내에서 결정될 때 자가-세정 특성이 충족된다. 일부 실시형태에 따르면, 세퍼레이터는 20㎜(도 4) 또는 60㎜(도 5) 이내로 감속 구역을 결정하도록 치수 설정될 수 있다.
감속 구역은 전해질 용액 유속이 채널을 통한 용액의 평균 유속 또는 자가-세정 속도보다 더 낮은 영역으로 정의될 수 있다. 세퍼레이터로부터 초래된 감속 구역은 일반적으로 세퍼레이터의 하류에 위치되지만, 다른 감속 구역은 전기 화학 전지 내에 존재할 수 있다. 일부 실시형태에서, 감속 구역은 평균 전해질 용액 유속이 자가-세정 속도 또는 유체 채널을 통한 평균 속도보다 적어도 2%, 5%, 10%, 15%, 20% 또는 25% 더 낮은 영역으로 정의된다. 적어도 2m/s의 자가-세정 또는 평균 유속을 갖는 예시적인 전기 화학 전지의 경우, 감속 구역은 2m/s보다 더 낮은 임의의 유속에 의해, 2m/s보다 적어도 25% 더 낮은 유속(예를 들어, 1.5m/s)에 의해, 2m/s보다 적어도 20% 더 낮은 유속(예를 들어, 1.6m/s)에 의해, 2m/s보다 적어도 15% 더 낮은 유속(예를 들어, 1.7m/s)에 의해, 2m/s보다 적어도 10% 더 낮은 유속(예를 들어, 1.8m/s)에 의해, 2m/s보다 적어도 5% 더 낮은 유속(예를 들어, 1.9m/s)에 의해, 2m/s보다 적어도 2% 더 낮은 유속(예를 들어, 1.96m/s)에 의해, 또는 2m/s보다 적어도 임의의 다른 백분율만큼 더 낮은 유속에 의해 정의될 수 있다.
감속 구역 내에서 임의의 평균 유속에 대해, 유체 속도가 자가-세정 유체 속도와 같거나 전기 화학 전지 내의 평균 유체 속도와 같은 평균 벌크 속도로 결정될 때 구역이 종료될 수 있다. 예를 들어, 감속 구역은 평균 유체 속도가 2m/s(또는 임의의 다른 원하는 자가-세정 속도)에 도달할 때 결정되는 주어진 속도 프로파일을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 평균 유체 속도가 자가-세정 속도 또는 전기 화학 전지 내의 평균 속도의 1%, 2%, 5% 또는 10% 이내의 속도에 도달할 때 감속 구역이 종료된다. 따라서, 자가-세정 속도가 2m/s인 예시적인 전기 화학 전지의 경우, 평균 유체 속도가 2m/s, 1.98m/s(1% 이내), 1.96m/s(2% 이내), 1.9m/s(5% 이내) 또는 1.8m/s(10% 이내)로 결정되면 감속 구역이 종료될 수 있다. 일부 실시형태에서, 평균 유체 속도가 입구 유체 속도, 예를 들어 세퍼레이터의 상류의 유체 속도로 결정될 때 감속 구역이 종료된다. 평균 유체 속도가 입구 유체 속도의 1%, 2%, 5% 또는 10% 내의 유체 속도로 결정될 때 감속 구역이 종료될 수 있다.
감속 구역은 또한 전기 화학 전지를 통한 벌크 전해질 용액의 평균 유속으로부터의 속도 편차에 의해 특징지워질 수 있다. 감속 구역 내에서 속도 확산은 일반적으로 감속 구역 및 세퍼레이터의 경계(즉, 세퍼레이터의 바로 하류)에서 가장 크다. 속도 확산은 전기 화학 전지의 평균 유속으로부터의 백분율 내에 있을 때까지 하류에서 정규화되는 경향이 있다. 예시적인 실시형태에서, 속도 확산은 도 22의 그래프의 곡선을 따른다. 일부 실시형태에서, 감속 구역 내에서 속도 편차는 평균 유속의 ±20%를 초과하지 않고, 예를 들어 ±18%를 초과하지 않고, ±15%를 초과하지 않는다. 속도 확산이 평균 유속의 ±5% 이내, ±2% 이내, ±1% 이내일 때 감속 구역이 종료될 수 있다. 평균 유속은 정의상 평균 유속이기 때문에, 속도 확산은 전기 화학 전지의 길이에 걸쳐 자가-세정 속도로부터 작은 백분율 내에 유지될 수 있는 것으로 생각된다.
세퍼레이터는 세퍼레이터의 하류의 유체 채널에서 자연적으로 발생하는 감속 구역을 최소화하도록 설계될 수 있다. 전기 화학 전지의 자가-세정 특성을 유지하기 위해 감속 구역이 최소화된다. 세퍼레이터는 감속 구역을 미리 결정된 길이 내로 유지하도록 치수 설정될 수 있다. 일반적으로, 감속 구역의 미리 결정된 길이는 유체 채널을 통한 평균 유속 및/또는 전해질 용액의 조성에 기초하여 스케일링을 최소화하거나 제거하도록 선택될 수 있다. 미리 결정된 길이는 유체 채널 길이의 예를 들어 약 2% 내지 5%, 예를 들어 약 5% 미만일 수 있다. 일부 실시형태에서, 미리 결정된 길이는 유체 채널의 약 5%, 4%, 3%, 2% 또는 1% 미만이다. 특정 전해질 용액은 다른 것보다 더 큰 미리 결정된 길이를 견딜 수 있다. 전해질 용액의 조성, 경도 및 온도는 스케일링을 위한 전기 화학 전지의 내성을 결정하는 역할을 할 수 있다.
일부 실시형태에서, 미리 결정된 길이는 흐름 채널의 폭과 관련하여 설명된다. 예를 들어, 감속 구역의 길이 대 유체 채널의 폭의 비는 120 대 3.5 미만일 수 있다. 이 비는 3.5㎜의 채널 폭에 대해 120㎜ 미만의 길이, 3.0㎜의 채널 폭에 대해 102.8㎜ 미만의 길이, 2.5㎜의 채널 폭에 대해 85.7㎜ 미만의 길이 등을 갖는 감속 구역에 해당한다. 감속 구역의 길이 대 유체 채널의 폭의 비는 100 대 3.5 미만, 60 대 3.5, 또는 20 대 3.5일 수 있다. 일부 실시형태에서, 미리 결정된 길이는 2.0m/s 내지 2.5m/s의 평균 유속으로, 예를 들어 2.0m/s, 2.1m/s, 2.2m/s, 2.3m/s, 2.4m/s 또는 2.5m/s로 유체 채널을 통해 흐르는 전해질 용액에 대해 140㎜, 120㎜, 100㎜, 60㎜ 또는 20㎜ 내일 수 있다.
일부 실시형태에서, 세퍼레이터는 채널을 통한 미리 결정된 흐름 영역만을 허용함으로써 감속 구역을 최소화하도록 설계된다. 세퍼레이터는 유체 채널의 흐름 영역의 미리 결정된 백분율을 커버하는 단면적을 갖도록 치수화될 수 있다. 예를 들어, 세퍼레이터는 유체 채널의 흐름 면적의 10% 내지 35%의 단면적을 갖도록 치수 설정될 수 있다. 세퍼레이터는 유체 채널의 흐름 면적의 약 10%, 15%, 20%, 25%, 30% 또는 35% 미만의 단면적을 갖도록 치수 설정될 수 있다. 일반적으로, 세퍼레이터는 유체 채널을 지지하면서 가능한 한 작은 (즉, 최대의 용액 흐름을 허용하는) 단면적을 갖도록 설계될 수 있다. 세퍼레이터의 단면적은 전기 화학 전지의 자가-세정 특성을 유지하기 위해 세퍼레이터의 하류에서 발생하는 감속 구역을 감소시키면서 동심을 유지하기 위해 전극 튜브를 적절히 지지하도록 설계될 수 있다.
세퍼레이터는 평균치로부터의 전해질 용액 속도 편차를 유체 채널을 통한 전해질 용액의 평균 유속의 ±20%, 예를 들어 ±18% 또는 ±15% 이내로 유지하도록 설계될 수 있다. 세퍼레이터는 세퍼레이터의 하류의 평균치로부터의 속도 편차를 최소화하도록 치수 설정될 수 있다. 예를 들어, 세퍼레이터는 세퍼레이터에 바로 인접한 평균치로부터의 속도 편차를 최소화할 수 있다. 일부 실시형태에서, 세퍼레이터는 평균치로부터의 속도 편차를 최소화하기 위해 아쿠아라인 형태로 형성될 수 있다. 본 명세서에 설명된 "아쿠아라인 형태"이란 용액의 흐름에 대해 유선형 형태를 갖는 구성 요소를 지칭할 수 있다. 아쿠아라인 형태는 평균치로부터의 최소 하류 속도 편차를 형성하는 형상을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 아쿠아라인 형태는 하류에 와류(eddy)를 형성하지 않거나 실질적으로 형성하지 않는다. 아쿠아라인 형태는 층류를 제공하는 것으로 제한될 필요는 없고 난류에 의해 둘러싸일 수 있다. 일부 실시형태에서, 아쿠아라인 형태는 전기 화학 전지를 통한 전해질의 흐름에서 난류에 실질적으로 기여하지 않는다.
특정 실시형태에 따르면, 도 6A에 도시된 바와 같이, 세퍼레이터는 링(1181) 및 이 링(1182)으로부터 연장되는 복수의 돌출부(1184)를 포함할 수 있다. 세퍼레이터는 (예를 들어, 도 3C에 도시된 바와 같이) 돌출부(1182)들 사이에 유체 흐름을 허용할 수 있다. 세퍼레이터를 정렬하기 위해 제공된 특징부(1818)는 예를 들어 인접한 돌출부들 사이에서 링(1181)에 위치될 수 있다. 돌출부(1184)는 채널을 통한 유체 흐름을 허용하면서 전극 튜브들 사이에 갭을 유지하도록 제공될 수 있다. 따라서, 돌출부는 유체 채널의 폭을 유지하는 높이를 갖도록 치수 설정될 수 있다. 도 6B 내지 도 6D에 도시된 바와 같이, H는 유체 채널의 폭과 본질적으로 동일한 돌출부의 높이이고, W는 돌출부의 폭이며, L은 유체 채널 아래로 돌출부의 길이이다. 돌출부(1184)는 일 단부에서 링(1182)에 부착될 수 있고, 링으로부터 반경 방향 외측으로 또는 링으로부터 반경 방향 내측으로 연장될 수 있다. 도 6A에 도시된 바와 같이, 돌출부가 링으로부터 반경 방향 외측으로 및 반경 방향 내측으로 연장되는 실시형태에서, 높이는 유체 채널의 폭의 절반과 본질적으로 동일할 수 있다.
전형적으로, 돌출부는 도 6C 및 도 6D에 도시된 바와 같이, 폭(W)보다 더 긴 길이(L)(흐름 채널 아래 방향으로 정의됨)를 가질 수 있다. 추가적으로, 돌출부는 흐르는 전해질의 항력을 감소시키기 위해 유선형 또는 아쿠아라인 형태를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 돌출부는 구형, 원통형, 난형, 눈물방울 형상, 아몬드 형상, 다이아몬드 형상(세장형 또는 대칭형), 또는 라운드된 삼각형일 수 있다. 돌출부는 원형, 난형, 삼각형, 다이아몬드형 또는 눈물방울 단면 형상을 가질 수 있다.
세퍼레이터는 일반적으로 전극 튜브를 지지하기에 충분한 돌출부를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 세퍼레이터는 2개 내지 8개의 돌출부, 예를 들어 3개 내지 6개의 돌출부를 가질 수 있다. 세퍼레이터는 예를 들어 3개, 4개, 5개 또는 6개의 돌출부를 가질 수 있다. 링 및 돌출부의 치수는 감속 구역을 감소시키도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 돌출부의 수 및 배열은 감속 구역을 최소화하거나 또는 감속 구역을 미리 결정된 길이 내로 유지하도록 선택될 수 있다. 따라서, 세퍼레이터는 유체 채널의 흐름 면적의 10% 내지 35%의 세퍼레이터 단면적을 초래하는 돌출부의 수 및 폭을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 돌출부는 (예를 들어, 도 6A에 도시된 바와 같이) 균일한 지지를 제공하기 위해 링에 실질적으로 균일하게 이격될 수 있다. 유사하게, 돌출부의 길이 및 폭은 감속 구역을 최소화하거나 또는 감속 구역을 미리 결정된 길이 내로 유지하도록 선택될 수 있다. 돌출부는 너무 많은 항력을 제공하는 폭을 상당히 초과하지 않으면서 (예를 들어, 돌출부의 수에 기초하여) 전극에 충분한 구조적 지지를 제공하는 폭을 갖도록 치수 설정될 수 있다. 특정 재료의 경우, 돌출부는 또한 적절한 지지를 제공하도록 제조될 수 있는 최소 폭을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 돌출부는 높이의 0.5배 내지 2배, 예를 들어 높이의 0.5배 내지 1배 또는 높이의 1배 내지 2배인 폭을 갖도록 치수 설정될 수 있다.
전형적인 전기 염소화 전지는 채널 폭이 1㎜ 내지 5㎜일 수 있다. 이러한 전기 화학 전지는 링 폭이 0.5㎜ 내지 3㎜인 세퍼레이터; 높이가 1㎜ 내지 5㎜인 돌출부(채널 폭과 관련); 폭이 1㎜ 내지 10㎜인 돌출부; 및 길이가 1㎜ 내지 10㎜인 돌출부를 포함할 수 있다. 예시적인 전기 화학 전지는 3.0㎜ 내지 3.5㎜의 채널 폭을 가질 수 있다. 이러한 전기 화학 전지는 폭이 1㎜인 링; 및 폭이 2.5㎜ 내지 7㎜이고 길이가 5㎜ 내지 10㎜인 돌출부를 포함할 수 있으며, 여기서 길이는 폭보다 짧지 않다. 링은 유체 채널의 실질적으로 중심에 위치될 수 있으며, 돌출부는 링으로부터 두 방향으로 연장된다. 이 예시적인 링에서 돌출부의 높이는 단부에서 단부까지 측정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 링은 전극들 중 하나에 위치될 수 있으며, 돌출부는 대향 전극을 향해 실질적으로 하나의 방향으로 연장될 수 있다.
전술한 바와 같이, 전기 화학 전지는 복수의 동심 튜브 전극, 예를 들어 3개, 4개 또는 5개의 동심 튜브 전극을 포함할 수 있다. 각각 추가된 동심 튜브 전극에 대해, 추가 캐소드 전극 표면, 추가 애노드 전극 표면 및 추가 유체 채널이 제공된다. 각각의 유체 채널은 각각의 인접한 캐소드와 애노드 사이에 형성될 수 있고, 각각의 유체 채널은 다른 유체 채널 및 하우징의 중심축에 실질적으로 평행하게 연장될 수 있다. 각각의 유체 채널은 추가로 유체 채널을 유지하기 위해 전극들 사이에 존재하는 세퍼레이터와 관련될 수 있다. 따라서, 전기 화학 전지는 동심 전극들 사이에 존재하는 복수의 동심 세퍼레이터를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같이, 전기 화학 전지(1000)는 복수의 연속하는 전극(1020, 1022)을 포함할 수 있다. 연속하는 전극(1020, 1022)은 하우징(도 16에 도시되지 않음)의 길이 아래에 배열될 수 있다. 도 17A 내지 도 17C에 도시된 바와 같이, 전기 화학 전지(1000)는 연속하는 전극(1020, 1022)들 사이에 위치된 하나 이상의 세퍼레이터(1200)를 포함할 수 있다. 세퍼레이터(1200)는 (예를 들어, 슬롯, 클램프 또는 전기 연결과 같은 특징부를 통해) 연속하는 전극(1020, 1022)과 정합하여 전기 화학 전지(1000) 내에 전극을 위치시키도록 위치, 배열 및 구성될 수 있다. 추가적으로, 동심 전극(1020, 1040) 및 연속하는 전극(1020, 1022)이 존재하는 경우, 복수의 동심 세퍼레이터(1200)는, 예를 들어, 도 18A 및 도 18B에 도시된 바와 같이, 연속하는 전극(1020, 1022)들 사이에 위치되고 연속하는 전극의 동심을 유지하도록 구성될 수 있다,
연속하는 전극들 사이에 위치된 세퍼레이터는 복수의 연속된 링(1220)을 포함할 수 있다. 연속된 링(1220)의 여러 실시형태가 도 19 내지 도 21에 도시되어 있다. 예를 들어, 세퍼레이터는 2개, 3개 또는 4개의 연속된 링을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 연속된 링들 중 적어도 하나는 전술한 바와 같이 복수의 돌출부를 포함한다. 연속된 링은 서로 정합하고/하거나 인접한 연속하는 전극과 정합하도록 구성될 수 있다. 연속된 링들 사이에서 발생하는 임의의 갭은 세퍼레이터의 하류에 존재하는 감속 구역을 감소시키기 위해 최소화될 수 있다. 예를 들어, 연속된 링들 사이의 갭은 전술한 바와 같이 감속 구역을 미리 결정된 길이 내로 유지하도록 치수 설정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 밀봉은 유효 갭 및 이에 따라 감속 구역을 감소시키기 위해 연속된 링들 사이에 구현될 수 있다.
연속된 링들 사이의 갭은 세퍼레이터의 폭, 예를 들어 세퍼레이터의 링의 폭의 1.60배 미만일 수 있다. 예를 들어, 세퍼레이터는 1㎜ 내지 3㎜의 폭을 갖는 링을 포함할 수 있다. 연속된 링들 사이의 갭은 4.80㎜ 미만, 3.20㎜ 미만, 또는 1.60㎜ 미만일 수 있다. 갭의 폭은 0.5㎜ 내지 4.80㎜, 0.5㎜ 내지 3.20㎜, 또는 0.5㎜ 내지 1.60㎜일 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 세퍼레이터는 폭이 1㎜인 복수의 연속된 링을 포함할 수 있고, 복수의 링 중 각각의 두 개의 링 사이의 갭은 0.5㎜ 내지 1.60㎜의 폭을 갖는다. 일반적으로, 연속된 링들 사이의 갭의 폭은 가능한 한 물리적으로 작도록 치수 설정될 수 있다. 가능하다면 제조를 위해, 연속된 링은 이들 사이에 실질적으로 갭을 갖지 않을 수 있다.
특정 실시형태에 따르면, 예를 들어 도 8A 및 도 8B에 도시된 바와 같이, 전기 화학 전지(1000)는 하우징(1160)의 원위 단부에 각각 결합된 입구 및 출구 단부 캡(1060 및 1080)을 포함할 수 있다. 단부 캡(1060, 1080)은 (각각 단부 캡의 평면도 및 저면도인 도 9A 및 도 9B에 도시된 바와 같이) 실질적으로 중심에 위치된 개구(1062)를 가질 수 있다. 도 8B의 단면도에 도시된 바와 같이, 개구는 전기 화학 전지의 내부에서 애노드와 캐소드 사이의 유체 채널과 유체 연통할 수 있다. 단부 캡은 전기 화학 전지의 유체 채널과 개구 사이에 유체 연통을 제공하는 (도 9D의 단면도에 도시된 바와 같이) 유체 도관(1064)을 더 포함할 수 있다. 유체, 예를 들어 전해질 용액은 입구 단부 캡의 하나 이상의 유체 도관을 통해 전기 화학 전지로 도입될 수 있고, 전극들 사이의 갭, 즉 유체 채널을 통해 계속될 수 있다. 유체는 출구 단부 캡의 유체 도관을 통해 그리고 실질적으로 중심에 위치된 개구로부터 전기 화학 전지를 빠져 나갈 수 있다.
단부 캡 내의 유체 도관은 전기 화학 전지에 걸친 압력 강하를 최소화하도록 설계될 수 있다. 원통형 파이프에서, 점성 효과로 인한 압력 손실은 길이에 비례하고 다르시-바이스바흐(Darcy-Weisbach) 수식으로 특성화된다:
Figure pct00001
여기서,
Δp는 압력 손실(Pa)이고,
L은 도관의 길이(m)이며,
D는 유압 직경(m)이고,
fD는 마찰 계수(레이놀즈 수, 재료의 절대 거칠기 및 상대 거칠기, 및 마찰 계수에 의해 결정됨)이고,
ρ는 유체의 밀도(kg/㎥)이며, 그리고
<v>는 평균 유속(m/s)이다.
따라서 압력 강하는 길이, 유압 직경 및 도관의 재질에 따라 달라질 수 있다. 일부 실시형태에서, 유체 도관의 반경 및/또는 길이는 전기 화학 전지 내의 압력 강하를 최소화하도록 치수 설정될 수 있다. 추가적으로, 유체 밀도와 유속은 또한 압력 강하에 영향을 줄 수 있다.
압력 강하는 전기 화학 전지를 통한 입구 압력과 출구 압력의 차이에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 압력 강하를 최소화하는 것은 입구 압력을 최소화하는 것을 포함한다. 따라서, 일부 실시형태에서, 입구 단부 캡의 유체 도관의 반경 및/또는 길이는 원하는 입구 압력을 유지하도록 치수 설정될 수 있다. 입구 압력은 예를 들어 125㎪, 122㎪, 120㎪, 118㎪, 117㎪, 116㎪ 또는 115㎪ 미만으로 유지될 수 있다. 그러나, 입구 압력은 전기 화학 전지의 적절한 사용을 촉진하는 범위 내에서 유지되어야 한다. 입구 압력은 약 115㎪ 내지 125㎪, 예를 들어 약 117㎪ 내지 121㎪로 유지될 수 있다. 출구 압력은 약 100㎪ 내지 105㎪, 예를 들어 약 101㎪ 내지 103㎪로 유지될 수 있다. 최소화된 압력 강하는 제조 및 재료 제약 조건이 허용하는 만큼 실질적으로 압력 강하 없는 것에 가까이, 예를 들어 25㎪ 미만, 24㎪, 23㎪, 22㎪, 21㎪, 20㎪, 19㎪ 미만, 18㎪ 미만, 17㎪ 미만, 16㎪ 미만, 15㎪ 미만 또는 그 미만에 근접할 수 있다. 최소화된 압력 강하는 전해질 용액 유체 밀도 및 평균 유속(예를 들어, 이러한 유체에 대한 자가-세정 유속)에 의존할 수 있다.
일부 실시형태에서, 유체 도관은 제1 반경 구역 및 이 제1 반경을 초과하는 제2 반경 구역을 포함한다. 제1 반경 구역은 실질적으로 중심에 위치된 개구에 인접할 수 있는 반면, 제2 반경 구역은 유체 채널에 인접할 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 입구 단부 캡의 유체 도관은 제1 선형 영역, 반경 방향으로 증가하는 영역, 및 제2 선형 영역을 가지며, 여기서 제1 선형 영역은 제1 반경에 대응할 수 있고, 제2 선형 영역은 제2 반경에 대응할 수 있다. 단부 캡은 하우징의 단부와 정합하기 위한 특징부를 포함할 수 있다.
단부 캡은 고압을 견딜 수 있는 화학적으로 불활성인 비-전도성 재료로 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 단부 캡은 최대 16바 압력, 시스템 고주파 진동 및 환경 저주파 진동(예를 들어, 선상 진동)을 견디도록 구성될 수 있다. 단부 캡은 최대 10m/s의 전해질 용액 유속을 견디도록 구성될 수 있다. 단부 캡은 플라스틱 또는 세라믹으로 구성될 수 있다. 단부 캡은 PVC, PTFE, PVDF, ABS, HDPE, FRP 또는 다른 적절한 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 10A 및 도 10B에 도시된 바와 같이, 전기 화학 전지는, 단부 캡(1060)의 유체 도관 내에 배치되고 용액이 유체 채널 내로 흐르는 흐름 경로를 형성하도록 구성된 원추부(1120)를 추가로 포함할 수 있다. 원추부(1120)는 유체 채널 내로 흐름 경로를 형성하기 위해 하우징(1160)에 결합될 수 있다. 일부 실시형태에서, 원추부는 유체 채널로 유체 흐름 경로를 형성하기 위해 전극(1020)(도 11A에 도시), 전기 커넥터(1240)(도 11B에 도시) 또는 전기 화학 전지의 다른 요소에 결합될 수 있다. 따라서, 원추부는 유체 채널의 내부 직경과 동일하거나 실질적으로 동일한 베이스 직경을 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 전기 화학 전지에 걸친 압력 강하는 유압 직경에 따라 변할 수 있다. 입구 원추부(1120), 출구 원추부(1140) 또는 이 둘 모두(도 8B에 도시)는, 예를 들어, 흐름 경로의 유압 직경을 변경함으로써 전기 화학 전지에 걸친 압력 강하를 최소화하도록 설계될 수 있다. 도 12는 예시적인 전기 화학 전지에 걸친 압력 강하의 등고선도이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 유체 채널에 걸쳐 압력 차이가 있다. 입구 단부 캡 유체 채널의 치수를 변화시키면 도 13A 내지 도 13C에 도시된 바와 같이 입구 압력에 영향을 미칠 수 있다. 추가적으로, 입구 원추부의 치수를 변화시키면 도 14A에 도시된 압력 강하 및 도 14B의 그래프에 제시된 데이터에 영향을 미칠 수 있다.
압력 강하를 최소화하는 것은 예를 들어 유체 도관과 원추부 사이에 실질적으로 일정한 흐름 면적을 유지하는 것을 포함할 수 있다. 일반적으로, 원추부는 유체 채널에 대응하도록 치수 설정된 베이스를 가질 수 있다. 환형 유체 채널의 경우, 베이스는 환형 유체 채널의 내부 직경과 실질적으로 대응하는 직경을 가질 수 있다. 압력 강하를 감소시키기 위해 유체 도관의 치수를 설계하는 것에 더하여, 원추부의 높이, 정각(apex angle), 베이스 각도 및 경사 높이 중 하나 이상은 전기 화학 전지에 걸친 압력 강하를 최소화하도록 치수 설정될 수 있다. 입구 원추부, 출구 원추부 또는 이 둘 모두는 독립적으로 20° 내지 90°, 예를 들어 30° 내지 80°, 또는 40° 내지 60°의 정각을 가질 수 있다. 입구 원추부, 출구 원추부 또는 이 둘 모두는 전기 화학 전지에 걸친 압력 강하를 최소화하기 위해 독립적으로 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, 60°, 70°, 80°, 90°의 정각 또는 필요한 만큼의 정각을 가질 수 있다.
일부 실시형태에서, 예를 들어, 도 15A 및 도 15B에 도시된 바와 같이, 전기 화학 전지는 출구 원추부 대신에 출구 절두체(1122)를 포함한다. 출구 절두체(1122)는 출구 단부 캡(1080)의 유체 도관(1064) 내에 배치될 수 있고, 용액이 전기 화학 전지 밖으로 흐르는 흐름 경로를 형성하도록 구성될 수 있다. 출구 절두체(1122)는 등고선도에 도시된 바와 같이 전기 화학 전지에 걸친 압력 강하를 추가로 최소화하도록 치수 설정될 수 있다. 출구 원추부를 수정하여 출구 절두체를 생성함으로써, 출구 단부 캡의 총 흐름 면적이 증가하여 압력 강하가 더욱 감소한다.
단부 캡의 유체 도관은 최대로-발달된(fully-developed) 용액 흐름을 허용하도록 치수 설정될 수 있다. 추가적으로, 유체 도관과 원추부 사이에 형성된 흐름 경로는 최대로-발달된 용액 흐름을 유지하도록 치수 설정될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 유체 도관을 통한 흐름의 경계층이 전체 도관을 채우도록 팽창될 때 최대로-발달된 흐름이 발생하고, 흐름 특성은 도관의 나머지 길이에 걸쳐 실질적으로 동일하게 유지된다. 입구 길이는 유체 흐름이 최대로-발달되는 데 필요한 도관 길이이다. 흐름 경로의 길이는 특정 용액의 입구 길이보다 더 길어서, 도관과 원추부 사이에 이동하는 흐름은 최대로-발달된 상태가 되고/되거나 최대로-발달된 상태로 유지될 수 있다.
흐름 경로는 원추부와 유체 도관 사이의 공간에 의해 형성된 유압 직경을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 흐름 경로는 최대로-발달된 흐름을 유지하기 위해 유체 도관의 더 큰 선형 영역(즉, 제2 반경 구역)의 길이의 2배 내지 10배인 유압 직경을 가질 수 있다. 흐름 경로는 특정 전해질 용액이 최대로-발달된 흐름을 유지하기 위해 제2 반경 구역의 길이의 적어도 2배, 3배, 4배, 5배, 6배, 7배, 8배, 9배 또는 10배의 유압 직경 또는 필요한 만큼의 유압 직경을 가질 수 있다. 일반적으로, 제2 반경 구역의 길이는 적절한 입구 압력 및 전기 화학 전지에 걸친 압력 강하를 유지하면서 가능한 한 클 수 있다.
단부 캡은 또한 전극에 전류를 전달하기 위한 전기 커넥터를 통합하고 전기 화학 전지를 위한 공압 밀봉을 제공할 수 있기 때문에 잠재적으로 이중 목적을 제공할 수 있다. 예를 들어, 단부 캡은 전기 화학 전지의 대향 단부에 체결될 때 공압 밀봉 챔버를 형성할 수 있다. 캡은 가스 도관의 공압 및 전기적 라우팅을 위한 구성을 제공할 수 있다.
도 23A 내지 도 23D에 도시된 바와 같이, 전기 화학 전지(1000)는, 전극의 원위 단부에 위치되고 전극에 전기적으로 연결된 전기 커넥터(1240)를 포함할 수 있다. 전류는 전기 커넥터를 통해 전기 화학 전지에 인가되고, 전극 및 공정 유체를 통해 내부로 이동하고, 대응하는 접지 연결을 통해 전기 화학 전지를 빠져나갈 수 있다. 전기 화학 전지에 인가되는 최대 전류는 일반적으로 약 3000A/m2 미만의 동작 전류 밀도에 의해 한정될 수 있다. 동작 전류 밀도는 전극 코팅 및 내부 전극 표면적에 따라 달라질 수 있다. 전기 화학 전지의 설계 동안, 저항은 전기 커넥터의 표면적, 인가된 전류, 전지 재료의 저항률 및 전지의 열 용량률에 따라 변할 수 있다.
전기 커넥터는 임의의 전도성, 내부식성 재료로 제조될 수 있다. 일부 실시형태에서, 전기 커넥터는 하나 이상의 전극과 동일한 재료, 예를 들어 티타늄으로 제조될 수 있다. 전기 커넥터는 예를 들어 정합 특징부 또는 용접을 통해 전극에 고정될 수 있다. 전기 커넥터는 연속적인 전도성 시트로 제조될 수 있거나, 또는 용접되거나 전도성으로 함께 결합된 특징부를 포함할 수 있다. 통상적으로, 전기 커넥터는 제조가 용이하지만 아쿠아라인 형태로 설계되지는 않았다. 따라서, 종래의 전기 커넥터는 일반적으로 하류에 낮은 유속의 큰 영역을 생성한다.
애노드 전극 튜브(들)에 전기 접촉을 제공하기 위해 본 명세서에 개시된 바와 같이 다중 튜브 전기 화학 전지의 제1 단부에 제1 전기 커넥터가 제공될 수 있고, 캐소드 전극 튜브(들)에 전기 접촉을 제공하기 위해 본 명세서에 개시된 바와 같이 다중 튜브 전기 화학 전지의 제2 단부에 제2 전기 커넥터가 제공될 수 있다. 동심 전극 튜브들 사이의 갭을 통해 유체가 흐를 수 있도록 개구가 전기 커넥터 내에 제공될 수 있다. 전기 커넥터의 스포크는 예를 들어 전극 튜브 및/또는 스페이서와 맞물리도록 간격을 두고 위치 설정 요소, 예를 들어 슬롯, 탭, 핀 및/또는 돌출부를 가질 수 있다. 전기 커넥터의 외부 림(outer rim)은 단일 커넥터 또는 다중 커넥터를 사용하여 전력 공급원에 연결될 수 있다.
전기 커넥터와 전력 공급원으로부터의 전선 사이의 연결은 안전 및 부식 방지를 위해 예를 들어 개스킷, 나사 및/또는 볼트에 의해 환경으로부터 밀봉 및 격리될 수 있다. 방수 커넥터(예를 들어, IP54 커넥터)는 전기 커넥터를 전력 공급원에 연결하는 데 사용될 수 있다. 특정 실시형태는 또한 쇼크 위험으로부터 작업자를 보호하고 값비싼 내후성 인클로저의 필요성을 제거하는 높은 침입 보호(ingress protection: IP) 등급을 제공할 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 예를 들어 ABS, U-PVC, C-PVC 및/또는 PVDF 재료를 사용하는 고밀도 플라스틱 배관 부품은 예를 들어, 차아염소산 나트륨에 대한 화학적 내성 및 약 5바 내지 약 15바 범위의 높은 달성 가능한 압력 등급으로 인해 전기 커넥터를 밀봉하고 격리하는데 사용될 수 있다. 상업적으로 이용 가능한 높은 IP 등급 케이블 커넥터는 전극과 전류를 주고 받는데 사용될 수 있다.
전기 커넥터는 전기 저항 및 열 발생을 최소화하도록 설계될 수 있다. 일반적으로 전기 저항은 장치의 기하 형상 및 재료 저항율의 함수이다. 전기 전도체에 의해 생성된 열량은 전류의 제곱과 저항의 곱에 비례한다는 줄-렌츠 법칙(Joule-Lenz law)에 따라 저항이 증가함에 따라 열 발생이 증가한다. 직렬로 동작될 때, 각 전기 화학 전지 내에서 발생된 열은 시리즈에 걸쳐 누적되며 최소화되어야 한다. 그러나, 원하는 전류를 생성하기 위해 인가된 전류는 적절한 범위 내에 유지되어야 한다. 따라서, 일부 실시형태에서, 전기 커넥터는 적절한 전류를 제공하면서 주어진 재료에 대한 저항(및 따라서 열 발생)을 최소화하도록 치수 설정될 수 있다.
예시적인 실시형태에서, 전기 커넥터는 티타늄 기반일 수 있다. 전기 커넥터는 25W 내지 1.5kW의 전력, 예를 들어 25W 내지 100W, 100W 내지 1kW, 또는 1kW 내지 1.5kW의 전력을 전극에 전달하도록 동작될 수 있다. 전기 커넥터는 약 100W 미만의 열, 예를 들어 약 75W 미만의 열, 약 50W 미만의 열 또는 약 25W 미만의 열을 발생시키도록 치수 설정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 전기 커넥터는 적어도 100W의 전력을 복수의 전극 중 적어도 하나에 전달할 때 약 25W 미만의 열을 발생시키도록 치수 설정될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 전기 커넥터는 적어도 100W의 전력을 전달할 때 1℃ 미만, 예를 들어 약 0.5℃ 미만 또는 약 0.1℃ 미만을 발생시키도록 치수 설정될 수 있다. 도 25C는 전기 커넥터에서 발생된 열의 등고선도이다. 도 25C의 예시적인 실시형태에 도시된 바와 같이, 유체의 온도는 입구에서 약 20.05℃로부터 전기 커넥터를 따라 최대 20.10℃까지 증가하고 나서 전기 화학 전지의 출구에서 약 20.07℃로 된다. 다른 실시형태에서, 전기 커넥터는 적어도 1kW의 전력을 전달할 때 약 25W 미만의 열을 발생시키도록 치수 설정될 수 있고, 또는 적어도 1kW의 전력을 전달할 때 약 100W 미만의 열을 발생시키도록 치수 설정될 수 있고, 또는 적어도 1.5kW의 전력을 전달할 때 약 100W 미만의 열을 발생시키도록 치수 설정된다. 전달되는 전력은 동작 요구 조건에 따라 달라질 수 있다.
전기 커넥터는 전기 커넥터의 하류에서 발생하는 감속 구역을 최소화하도록 설계될 수 있다. 도 25D는 예시적인 전기 커넥터의 하류에서 속도의 등고선도이다. 세퍼레이터와 관련하여 앞서 언급한 바와 같이, 전기 화학 전지의 자가-세정 특성을 유지하기 위해 감속 구역이 최소화된다. 전기 화학 연결부는 전술한 바와 같이 감속 구역을 미리 결정된 길이 내로 유지하도록 치수 설정될 수 있다.
전기 커넥터는 동심 전극 주위에 실질적으로 균일한 전류 분포를 제공하도록 추가로 설계될 수 있다. 내부 전극(1020) 및 외부 전극(1040) 주위의 전류 분포가 도 25B에 도시되어 있다. 전기 커넥터는 실질적으로 균일한 전류 분포를 제공하기 위해 대칭적인 또는 실질적으로 대칭적인 기하 형상을 가질 수 있다.
도 24A 내지 도 24C에 도시된 바와 같이, 전기 커넥터(1240)는 휠(1242) 및 스포크(1244)를 포함할 수 있다. 각각의 휠(1242)은 대응하는 전극 튜브에 전기적 연결을 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 다수의 동심 전극 튜브를 갖는 실시형태의 경우, 전기 커넥터는 대응하는 동심 휠을 포함할 수 있다. 스포크는 동심 휠들 사이에 전기적 연결을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 스포크는 제조를 용이하게 하고 저항을 감소시키기 위해 직선일 수 있지만, 원하는 임의의 기하학적 형상일 수 있다. 스포크의 전기 저항은 다음 수식으로 한정될 수 있다:
R = ρH/(WxL)
여기서,
R은 저항이고,
ρ는 재료의 저항률이며,
H는 동심 휠들 사이의 갭에 의해 결정된 스포크 높이이고,
W는 휠 둘레의 스포크 폭이며, 그리고
L은 유체 채널 아래로 스포크 길이이다.
스포크의 수 및 치수는 전기 커넥터에 의해 생성된 저항, 열 발생 및 감속 구역을 최소화하도록 선택될 수 있다. 개별 스포크의 저항은 약 50W 미만, 예를 들어 약 25W 미만 또는 약 10W 미만의 옴 손실을 초래해야 한다. 스포크 및 전기 커넥터의 최대 허용 옴 손실은 전기 화학 전지를 통해 흐르는 특정 전해질 용액의 열용량률과 관련하여 원하는 전기 화학 반응에 기초하여 선택될 수 있다.
일반적으로, 도 24B에서 H로 식별된 스포크의 높이는 동심 휠들 사이의 갭에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 높이는 유체 채널의 폭에 실질적으로 대응할 수 있다. 일부 실시형태에서, 교번 전극이 전기적으로 연결되는 경우, 높이는 실질적으로 2개 이상의 동심 유체 채널의 폭에 대응할 수 있다. 높이는 약 1㎜ 내지 20㎜, 예를 들어 약 20㎜, 약 16㎜, 약 14㎜, 약 10㎜, 약 8㎜, 약 7㎜, 약 6㎜, 약 5㎜, 약 3.5㎜, 약 3㎜일 수 있고, 또는 하나 이상의 유체 채널의 폭과 실질적으로 동일할 수 있다. 전기 커넥터의 휠이 전극보다 더 작은 폭을 갖는 실시형태에서, 스포크의 높이는 인접한 또는 비 인접한 동심 휠들 사이에 연결을 제공하기 위해 필요한 만큼 하나 이상의 유체 채널의 폭보다 더 클 수 있다.
도 24B에서 W로 식별된 스포크의 폭은 동심 휠들 사이에 적절한 전기적 연결을 제공하면서 (세퍼레이터와 관련하여 전술한 바와 같이) 감속 구역의 길이를 최소화하도록 치수 설정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 스포크의 폭은 스포크 높이의 0.25배 내지 2배일 수 있다. 예를 들어, 스포크의 폭은 약 0.5㎜ 내지 약 10㎜, 약 0.5㎜ 내지 약 7㎜, 약 0.5㎜ 내지 약 5㎜, 약 0.5㎜ 내지 약 3㎜, 약 0.5㎜ 내지 약 2㎜, 또는 약 0.5㎜ 내지 약 1㎜일 수 있다. 스포크의 폭은 약 1㎜ 내지 약 20㎜, 약 1㎜ 내지 약 15㎜, 약 1㎜ 내지 약 12㎜, 또는 약 1㎜ 내지 약 10㎜일 수 있다. 스포크의 폭은 유체의 항력을 줄이기 위해 필요한 만큼 작을 수 있지만 동심 휠들 사이에 전기적 연결을 제공하기에 적합한 크기일 수 있다. 일부 실시형태에서, 재료는 소량으로 적절한 저항을 제공하도록 선택될 수 있다. 통상적으로, 제조 제약 조건으로 인해 전기 커넥터의 크기 선택이 제한되었다. 그러나, 티타늄은 소량으로 더 큰 저항률을 제공하여 감속 구역을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 스포크 및/또는 휠은 감속 구역을 더 감소시키기 위해 아쿠아라인 형태로 형성될 수 있다.
도 24C에서 L로 식별된 스포크의 길이는 원하는 전력 소비를 유지하면서 전기 저항 및 열 발생을 최소화하도록 치수 설정될 수 있다. 주어진 높이(동심 휠들 사이의 갭)와 폭(감속 구역을 최소화하도록 선택된 폭)에 대해 위의 수식을 사용하여 임계값 저항에 기초하여 길이를 선택할 수 있다. 또한, 저항은 전술한 바와 같이 열 발생을 최소화하도록 선택될 수 있다. 일부 실시형태에서, 길이는 약 1㎜ 내지 약 15㎜, 예를 들어 약 5㎜ 내지 15㎜ 또는 약 7.5㎜ 내지 15㎜일 수 있다.
전기 커넥터의 저항, 열 발생, 전력 소비 및 감속 구역은 제공된 스포크의 수에 또한 의존할 수 있다. 일부 실시형태에서, 스포크의 수는 전기 저항을 최소화하거나, 열 발생을 최소화하거나, 감속 구역을 최소화하거나, 적절한 전력 소비를 제공하도록 선택된다. 전기 커넥터는 인접한 휠들 사이에 약 1개 내지 8개의 스포크, 예를 들어, 약 2개 내지 6개의 스포크, 또는 약 3개 내지 6개의 스포크, 또는 원하는 요구 조건을 충족시키기 원하는 만큼 스포크를 포함할 수 있다.
일반적으로, 스포크를 통한 전류량은 인가된 전류, 관형 전극의 표면적, 및 스포크의 수 및 분포에 의해 결정될 수 있다. 전기 커넥터에 스포크를 배열하는 것은 휠(들)에 걸친 전류 분포에 영향을 미칠 수 있다. 일부 실시형태에서, 스포크는 실질적으로 균일하게 분포되어 균일한 전류 분포를 제공할 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 전류 분포는 스포크의 수가 증가함에 따라 개선되고, 스포크는 휠에 걸쳐 실질적으로 균일하게 분포된다. 따라서, 스포크의 수 및 배열은 전술한 바와 같이 전기 화학 전지의 자가-세정 특성을 유지하기 위해 감속 구역을 미리 결정된 길이 내로 유지하면서 적절한 전류 분포를 제공하도록 선택될 수 있다.
나아가, 인접한 동심 휠에 스포크를 배열하는 것과 관련하여 제1 휠에 스포크를 배열하는 것은 전류 분포에 영향을 미칠 수 있다. 인접한 휠의 스포크는 동일선 상에 배열될 수 있고(즉, 서로 정렬될 수 있고) 또는 서로 각지게 오프셋될 수 있다. 일부 실시형태에서, 인접한 동심 휠에 제공된 스포크는 균일한 전류 분포를 제공하기 위해 실질적으로 균일하게 서로 오프셋될 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 전류 분포는 스포크의 수가 증가함에 따라 개선되고, 인접한 동심 휠에 제공된 스포크는 실질적으로 균일하게 오프셋된다.
전기 커넥터의 예시적인 실시형태가 도 26A, 도 26B, 도 27A 및 도 27B에 도시되어 있다. 도 26A 및 도 26B의 예시적인 실시형태에 걸친 전류 분포는 도 26C 및 도 26D(각각 왼쪽 이미지 및 오른쪽 이미지)에 도시되어 있다. 도 27A 및 도 27B의 예시적인 실시형태에 걸친 전류 분포는 도 27C 및 도 27D(각각 왼쪽 이미지 및 오른쪽 이미지)에 도시되어 있다. 도 26A, 도 26B, 도 27A 및 도 27B의 예시적인 전기 커넥터 각각에 의해 생성된 감속 구역은 도 28A 내지 도 28D의 등고선도에 도시되어 있고, 여기서 도 28A는 도 26A의 예시적인 실시형태에 대응하고, 도 28B는 도 26B의 예시적인 실시형태에 대응하며, 도 28C는 도 27A의 예시적인 실시형태에 대응하고, 도 28D는 도 27B의 예시적인 실시형태에 대응한다. 도 26 및 도 28의 예시적인 등고선도 각각은 2.0m/s의 평균 속도로 흐르는 해수와 동일한 샘플 전해질 용액에 대해 계산되었다.
일부 실시형태에서, 도 29A 내지 도 29B에 도시된 바와 같이, 전기 커넥터(1240)는 세퍼레이터(1180)와 정합하는 특징부를 포함할 수 있다. 세퍼레이터 및 전기 커넥터의 치수는 요소들의 조합이 생성할 수 있는 감속 구역에 대한 영향을 고려하여 설계될 수 있다. 일부 실시형태에서, 세퍼레이터의 돌출부는 감속 구역을 감소시키기 위해 전기 커넥터의 하나 이상의 스포크와 동일선 상에 있을 수 있다. 다른 실시형태에서, 세퍼레이터의 돌출부는 전기 커넥터의 스포크로부터 각지게 오프셋될 수 있다.
추가적으로, 전기 화학 전지의 동작 동안, 더 높은 전류 흐름이 전기 화학 전지로 전달될 때에도 동작 온도를 낮게 유지하는 것이 종종 바람직하다. 통상적인 전기 화학 전지는 전형적으로 티타늄 외부 쉘(outer shell)에 용접된 티타늄 전용 전기 커넥터를 포함한다. 티타늄 전기 커넥터는 일반적으로 높은 내화학성을 제공하지만 바람직하지 않은 양의 열(및 낭비되는 에너지)을 발생시킴이 없이 전기 화학 전지에 전류를 제공하는 데에는 최적이 아닐 수 있다. 티타늄 커넥터의 저항률이 높은 것으로 인해, 공기 중 커넥터의 온도 상승이 과도하게 상승하지 않도록 하기 위해 기존 티타늄 커넥터에 공급되는 전류는 제한되어야 할 수 있다. 그러나 이는 생성물 발생이 전류 입력에 직접 비례하기 때문에 전기 화학 전지에 의해 생성되는 생성물의 배출을 제한한다. 기존 티타늄 커넥터에 열이 발생하는 것으로 인해 IP54 이상의 높은 침투 보호 레벨을 가진 전기 절연 재료로 커넥터를 완전히 밀폐할 수는 없다. 이러한 배열은 일반적으로 캡슐화된 전기 커넥터만큼 많이 열을 가두지 않는 고가의 전기 인클로저를 필요로 한다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 기존 티타늄 커넥터는 종종 더 큰 단면 재료로 만들어져 전기 커넥터 및 전기 화학 전지의 비용을 상당히 증가시킨다.
구리의 저항률은 1.707 x 10-8 옴-미터인 반면, 티타늄의 저항률은 7.837 x 10-7 옴-미터이다. 구리는 티타늄보다 전기 저항률이 거의 46배 더 낮다. 따라서, 일부 실시형태에서 전기 커넥터는 적어도 부분적으로 낮은 저항률의 구리로 만들어질 수 있다. 그러나 구리는 티타늄보다 화학적 부식에 더 취약하므로 전기 화학 전지를 통해 흐르는 전해질과 접촉하지 않아야 한다.
일부 실시형태에서, 공정 유체 또는 전해질(예를 들어, 미량의 부식성 등가 염소를 포함하는 해수)과 접촉하는 전기 커넥터 부분은 티타늄일 수 있다. 이 재료를 통해 흐르는 전류에 의해 발생된 열은 흐르는 공정 유체에 의해 효율적으로 제거된다. 공정 유체의 자가-세정 유속이 2m/s를 초과할 수 있으므로, 전기 커넥터의 티타늄 부분에서의 온도 상승은 일반적으로 무시할만한 값으로 유지된다. 공기와 접촉하는 전기 커넥터 부분은 구리(또는 티타늄보다 저항률이 더 낮은 다른 금속 또는 합금)일 수 있다.
상이한 금속, 예를 들어 티타늄 및 구리(또는 티타늄보다 저항률이 더 낮은 다른 금속 또는 합금)로 형성된 부분을 포함하는 공기-액체 냉각 전기 커넥터는 기존 티타늄 커넥터에 의해 나타나는 문제점을 극복할 수 있다. 더 낮은 전기 저항 금속(예를 들어, 구리)은 공기에 노출된 전기 커넥터 부분을 형성하거나 이 부분에 포함될 수 있다. 구리는 고전도율 재료의 일례이며, 본 명세서에 개시된 전기 커넥터는 구리 대신 다른 고-전도율 재료 또는 합금을 대체할 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, "구리 부분" 및 "구리"라는 용어는 편의상 본 명세서에서 사용되지만, 이들 용어는 이들 요소가 구리로 형성된 것으로 제한되지 않는 것으로 이해된다.
구리의 전기 저항률이 매우 낮은 것으로 인해 온도 상승이 작고 허용 가능한 값으로 제한될 수 있다. 이 외부 전도체는 공정 액체(예를 들어, 해수)와 접촉하는 커넥터의 내부 더 높은 내화학성 부분(예를 들어, 티타늄)에 결합될 수 있다. 공정 액체의 수냉 효과로 인해, 커넥터의 내부 더 높은 내화학성 부분(예를 들어, 티타늄)의 온도 상승은 효과적으로 작고 허용 가능한 값으로 제한될 수 있다.
전체 이중 금속 전기 커넥터는 필적하는 전류 정격을 위해 기존 티타늄 전용 커넥터보다 더 비용 효율적일 수 있다. 이중 금속 전기 커넥터의 외부 전도체는 낮은 온도 상승을 나타낼 수 있고 전기 절연 재료로 캡슐화될 수 있으므로, 고가의 전기 인클로저의 필요성을 제거할 수 있다. 또한, 공기-액체 냉각된 이중 금속 전기 커넥터의 실시형태는 기존 티타늄 전용 전기 전지 커넥터의 경우보다 개발된 전기 화학 전지에 훨씬 더 높은 전류를 공급할 수 있다.
티타늄 부분 및 구리 부분은, 커넥터 부분 주위에 기밀 밀봉을 제공하고, 예를 들어 개스킷을 사용하여 외부 환경으로부터 전기 화학 전지의 내부를 밀봉하는 전기 화학 전지의 플랜지 내에 물리적으로 그리고 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 실시형태에서, 티타늄 부분은 기계적 체결구, 예를 들어 볼트에 의해 구리 부분에 결합될 수 있다. 볼트(1420)는 티타늄 부분 또는 구리 부분과 동일한 재료로 형성될 수 있다. 티타늄 부분은 전기 화학 장치에서 애노드 또는 캐소드 중 하나와 전기적으로 접촉하는 아암 또는 스포크, 및 공정 유체, 예를 들어 전해질이 전기 화학 장치 내로 또는 외부로 흐를 수 있도록 하는 개구를 포함할 수 있다. 아암 또는 스포크는 전기 화학 장치에서 전극과의 맞물림을 용이하게 하는 특징부, 예를 들어 슬롯을 포함할 수 있다. 티타늄 부분은 추가적으로 또는 대안적으로 억지 끼워 맞춤에 의해 구리 부분에 결합될 수 있다. 구리 부분은 티타늄 부분으로부터 연장되거나 티타늄 부분을 완전히 둘러쌀 수 있다.
추가적으로, 티타늄 부분은 구리 부분의 개구의 내부 림의 상보적인 나사산과 맞물림으로써 구리 부분에 제 위치에 나사산으로 고정될 수 있는 나사산 형성된 외부 림을 포함할 수 있다. 구리 부분은 티타늄 부분의 개구에 나사산으로 결합되는 하부 원통형 나사산 형성된 부분을 포함할 수 있다.
추가의 실시형태에서, 구리 부분은 다금속 전기 커넥터, 예를 들어 티타늄과 구리의 합금, 또는 하나 이상의 다른 높은 전도율 금속으로 대체될 수 있다. 다금속 전기 커넥터는 티타늄보다 저항률이 더 낮을 수 있다. 다금속 전기 커넥터는 티타늄 부분과 용접되거나 물리적으로 연속적일 수 있다.
유체가 전기 화학 전지의 중심 튜브 아래로 흐르고 갭을 우회하는 것을 방지하기 위해 고체 중심 코어 요소 또는 유체 흐름 디렉터가 제공될 수 있다. 코어는 비-전도성 재료, 예를 들어 PVC, PTFE, PVDF, ABS, HDPE 또는 다른 적절한 재료 중 임의의 하나 이상의 것으로 형성될 수 있다. 코어는 애노드 및 캐소드에 기계적으로 연결되지 않을 수 있다. 다른 실시형태에서, 하나 이상의 기계적 체결구가 코어를 제자리에 고정시키고/시키거나 코어를 전기 화학 전지의 하우징 또는 다른 요소, 예를 들어 전극 또는 단부 캡에 부착시키기 위해 제공될 수 있다. 다른 실시형태에서, 코어는 마찰 끼워 맞춤에 의해 최내부 전극 내에 제 자리에 유지된다. 코어는 일부 실시형태에서 애노드 전극과 캐소드 전극 중 단 하나의 전극과만 접촉할 수 있다. 애노드 전극과 캐소드 전극 중 하나는 코어에 연결되지 않을 수 있고 코어와 접촉하지 않을 수 있다.
다른 실시형태에서, 중심 코어 요소는, 애노드 전극과 캐소드 전극 중 하나의 전극에 전기적으로 결합되고 애노드 전극과 캐소드 전극 중 하나의 전극에 전류를 전달하는데 이용될 수 있는 전도성 부재일 수 있다. 추가 실시형태에서, 중심 코어 요소는 축 방향 버스바(busbar) 및/또는 제1 축 버스바와 서로 절연된 다른 전도성 중심 요소 및/또는 애노드에 전기적으로 결합된 다른 전도성 중심 요소 및 제1 축 방향 버스바로부터 전기적으로 절연되고 캐소드에 전기적으로 결합된 제2 축 방향 버스바 및/또는 다른 전도성 중심 요소를 포함할 수 있다.
전기 화학 전지는 내부 배플(baffle)을 포함할 수 있다. 배플은 전기 화학 전지를 통과하는 유체의 흐름 방향 및/또는 혼합을 제어 또는 수정하는데 이용될 수 있고, 배플이 없는 경우 전기 화학 전지에 비해 유체 흐름 채널에 추가 경로 길이를 제공할 수 있다. 전기 화학 전지를 통한 유체 흐름은 입구 개구로부터 유체 도관으로 또는 유체 도관으로부터 출구 개구로 있을 수 있다.
본 명세서에 개시된 전기 화학 전지는 더 큰 시스템의 일부로서 포함될 수 있다. 시스템은 일부 실시형태에서 해상 시스템, 예를 들어 선박 또는 석유 굴착 장치일 수 있고, 다른 실시형태에서 육상 기반 건물, 예를 들어 발전소, 석유 시추 시설 또는 시스템 또는 다른 산업 시설일 수 있다. 다른 실시형태에서, 시스템은 전기 화학 장치의 하나 이상의 생성물, 예를 들어 물을 처리하거나 소독하기 위해 살균제를 사용하는, 식수, 폐수 또는 공업용수 처리 공정을 위한 처리 시스템 또는 수영장이거나 이를 포함할 수 있다.
시스템은 본 명세서에 개시된 하나 이상의 전기 화학 또는 전기 염소화 전지 또는 장치를 포함할 수 있는 하나 이상의 전기 염소화 시스템을 포함할 수 있다. 시스템은, 예를 들어, 입구 단부 캡의 실질적으로 중심에 위치된 개구를 통해 전기 화학 전지에 유체 흐름 가능하게 연결 가능한 전해질 용액의 공급원을 포함할 수 있다. 전해질 용액의 공급원은 본 명세서에 개시된 자가-세정 속도 이상의 유체 채널을 통한 평균 유속으로 전해질 용액을 전달하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 전해질 용액의 공급원은 약 2m/s 이상의 평균 유속으로 용액을 전달하도록 구성된다.
전해질 용액의 공급원은 일부 실시형태에서 시스템 외부 및/또는 시스템 내부 공급원으로부터의 해수, 염수 또는 기수인 공정 액체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템이 해상 시스템인 경우, 외부 공급원은 해양일 수 있고, 내부 공급원은 예를 들어 선박의 밸러스트 탱크일 수 있다. 육상 기반 시스템에서, 외부 공급원은 해양일 수 있으며, 내부 공급원은 시스템에서 수행되는 산업 공정에서 나오는 폐기수일 수 있다.
시스템은 전해질 용액으로부터 생성물 화합물을 생성하고 생성물 화합물을 포함하는 생성물 용액을 배출하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 전기 화학 시스템은 처리되거나 염소화된 물 및/또는 예를 들어 차아염소산 나트륨을 포함하는 용액을 물로부터 생성하여 이를 사용 지점에 분포할 수 있다. 시스템은 예를 들어 전기 화학 전지 출구 단부 캡의 실질적으로 중심에 위치된 개구를 통해 사용 지점에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있다. 사용 지점은 저장 용기 또는 분포 장소를 포함할 수 있다. 사용 지점은 시스템을 위한 냉각수 공급원, 선박의 밸러스트 탱크를 위한 소독제 공급원, 석유 시추 시스템의 다운홀, 또는 처리되거나 염소화된 물이 사용될 수 있는 임의의 다른 시스템일 수 있다. 사용 지점은 예를 들어 생성물을 배취 방식으로 재순환시키기 위해 농축 용기를 포함할 수 있다. 다양한 펌프가 시스템을 통한 유체의 흐름을 제어할 수 있다. 하나 이상의 센서는 시스템을 통해 흐르는 유체의 하나 이상의 파라미터, 예를 들어 이온 농도, 염소 농도, 온도 또는 임의의 다른 관심 파라미터를 모니터링할 수 있다.
펌프 및 센서는 센서 및 펌프와 통신하고 원하는 동작 파라미터를 달성하기 위해 펌프 및 시스템의 다른 요소의 동작을 제어하는 제어 시스템 또는 제어기와 통신할 수 있다. 시스템의 다양한 요소의 동작을 모니터링 및 제어하는데 사용되는 제어기는 컴퓨터화된 제어 시스템을 포함할 수 있다. 배출 장치는 공급원으로부터 생성 수(예를 들어 기수 또는 해수)를 전기 화학 시스템 또는 사용 지점으로 도입시키고/시키거나 펌프 속도를 제어하는데 이용될 수 있는 밸브, 펌프 또는 스위치를 더 포함할 수 있다.
하나 이상의 센서는 또한 컴퓨터 시스템에 입력을 제공할 수 있다. 이들 센서는, 예를 들어, 흐름 센서, 압력 센서, 화학 농도 센서, 온도 센서, 또는 시스템에 관심 있는 임의의 다른 파라미터를 위한 센서일 수 있는 센서를 포함할 수 있다. 이들 센서는, 예를 들어 사용 지점 및/또는 전기 화학 시스템의 상류에 위치되거나 또는 공급원과 유체 연통하며, 사용될 수 있는 시스템의 임의의 부분에 위치될 수 있다.
시스템은 직렬로 배열된 복수의 전기 화학 전지를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 시스템은 직렬로 배열된 약 2개 내지 약 10개의 전기 화학 전지를 포함할 수 있다. 필요한 특성을 갖는 생성물 화합물을 제조하기 위해 필요한 만큼 직렬의 전기 화학 전지의 수가 선택될 수 있다. 직렬로 배열된 전기 화학 전지는 전술한 바와 같이 압력 강하를 최소화하도록 설계된 구성 요소를 가질 수 있다. 직렬인 후속 전기 화학 전지에 대한 압력 강하의 영향은 일반적으로 누적된다.
다른 양상에 따르면, 전기 화학 전지를 동작시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 본 명세서에 개시된 하나 이상의 전기 화학 전지를 동작시키는 데 사용될 수 있다. 상기 방법은, 본 명세서에 개시된 바와 같이, 자가-세정 속도로 전해질 용액을, 예를 들어 입구 단부 캡의 실질적으로 중심에 위치된 개구를 통해 전기 화학 전지 내로 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 복수의 전기 화학 전지를 유체 흐름 가능하게 연결하는 단계, 및 상기 전기 화학 전지를 직렬로 동작시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 상기 방법은 약 2m/s 이상의 유체 채널을 통한 평균 유속으로 전해질 용액을 도입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 자가-세정 전기 화학 전지에서 전해질 용액으로부터 생성물 화합물을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 생성물 화합물을 생성하기 위해, 전기 화학 전지는 전압, 예를 들어 생성물 화합물을 생성하기에 충분한 전압을 전극에 인가함으로써 동작될 수 있다. 생성물 화합물을 생성하기에 충분한 전압은 일반적으로 전해질 용액의 조성, 생성물 용액 중 생성물 화합물의 원하는 조성, 전기 화학 전지를 통한 평균 유속, 및 직렬로 동작되는 전기 화학 전지의 수에 의존할 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 전극은 일정한 전류 밀도로 동작되고, 평균 유속은 생성물 화합물의 원하는 조성을 생성하도록 제어된다. 예를 들어, 전기 화학 전지는 원하는 조성의 생성물을 생성하기 위해 필요에 따라 10m/s 미만, 6m/s 미만, 3.5m/s 미만, 3m/s 미만, 또는 2.5m/s 미만의 평균 유속으로 동작될 수 있다. 동일한 예시적인 실시형태에서, 직렬로 배열될 수 있는 전기 화학 전지의 수는 원하는 생성물을 생성하도록 선택될 수 있고, 예를 들어, 10개 미만, 8개 미만, 6개 미만, 4개 미만 또는 적어도 2개의 전기 화학 전지가 필요에 따라 직렬로 배열될 수 있다.
상기 방법은 전기 화학 전지 또는 시스템을 미리 정해진 시간 기간 동안 연속적으로 동작시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 자가-세정 유속으로 연속적으로 동작되는 전기 화학 전지는 스케일링을 감소시켜 전기 화학 전지를 산세척할 필요성을 감소시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 전기 화학 시스템은 스케일링 없이 적어도 6개월 동안 연속적으로 동작될 수 있다. 이러한 전기 화학 시스템은 스케일링 없이 6, 12, 18, 24 또는 36개월 동안 연속적으로 동작될 수 있다.
실시예:
실시예 1: 전기 화학 전지에 걸친 압력 강하
전기 화학 전지의 유체 도관 및 원추부는 전기 화학 전지에 걸친 압력 강하를 최소화하도록 설계될 수 있다. 예시적인 실시형태에서, CFD 데이터는 여러 입구 유체 도관 치수에 걸친 입구 압력에 대해 생성되었다. 데이터는 해수의 전해질 용액 및 2m/s의 평균 유속을 가정하지만, 다른 전해질 용액 및 그 대응하는 자가-세정 유속은 원하는 조건을 얻기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 유체 도관 치수에 대한 등고선도는 도 13A 내지 도 13C에 도시되어 있다. 도 13A의 예시적인 실시형태는 20㎜ 선형 영역을 갖는다. 도 13B의 예시적인 실시형태는 50㎜ 선형 영역을 갖고, 평균 입구 압력은 119㎪이다. 도 13C의 예시적인 실시형태는 75㎜ 선형 영역을 갖고, 평균 입구 압력은 117㎪이다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 선형 전이 영역이 증가하면 동시에 압력 강하가 감소된다.
추가적으로, CFD 데이터는 일정한 유체 도관 선형 길이(40㎜)에서 여러 입구 원추부 각도에 대해 생성되었다. 데이터는 도 14A의 속도 등고선도 및 도 14B의 그래프에 제시되어 있다. 중심선에 대한 원추부의 회전 각도(즉, 정각의 절반)는 10도에서 45도로 증가하고 압력 강하에 대해 평가되었다. 가장 낮은 압력 강하(약 18.8㎪ 또는 2.725psi)는 정각이 50°인 원추부에 대해 관찰되었다.
40㎜의 선형 영역을 갖는 예시적인 유체 도관의 경우, 50°의 입구 원추부 정각은 전기 화학 전지에 걸친 압력 강하를 최소화한다. 다른 유체 도관 및/또는 원추부 치수에 대해 유사한 조건이 결정될 수 있다. 다른 전해질 용액 및/또는 평균 유속에 대해서도 유사한 조건이 결정될 수 있다.
실시예 2: 세퍼레이터 및/또는 전기 커넥터의 하류에서의 재순환 효과
전해질 용액의 평균 유속이 임계값 미만인 경우 스케일링이 발생할 수 있다. 세퍼레이터는 예를 들어, 아쿠아라인 형태를 가짐으로써 하류에서 낮은 유속 영역을 최소화하도록 설계될 수 있다. 도 30 내지 도 31의 크기 속도 등고선도에 도시된 바와 같이, 직선 에지 세퍼레이터의 바로 하류의 유속이 0m/s에 접근하여, 이 위치에서 스케일 발생 확률이 증가한다. 화살표는 흐름 방향을 가리키고 유속의 크기를 나타내는 길이를 가진다. 도 30은 유체 채널의 측면도의 등고선도를 도시하는 반면, 도 31은 동일한 유체 채널의 평면도의 등고선도를 도시한다.
도 32는 아쿠아라인 형태의 세퍼레이터의 크기 속도 등고선도이다. 도 32에 도시된 바와 같이, 하류 흐름은 보다 균일하고 평균치로부터의 속도 편차가 더 작다. 도 32에 도시된 실시형태에 대한 평균치로부터의 속도 편차는 도 22의 그래프에 도시되어 있다. 해수의 전해질 용액 및 2m/s의 평균 유속을 가정하면, 속도 확산 백분율은 (세퍼레이터로부터) 약 100㎜ 흐름 거리에서 평균 임계값으로부터 ±5%를 초과할 수 있다.
따라서, 세퍼레이터는 스케일링을 감소시키기 위해 평균치로부터 더 작은 속도 편차를 갖는 보다 균일한 하류 흐름을 생성하도록 설계될 수 있다. 이러한 설계는 또한 감속 구역의 길이를 감소시켜, 더 낮은 평균 유속(에너지를 덜 필요로 함)에서 동작하는 능력을 추가하고, 전기 화학 전지를 산세척할 필요성을 감소시키거나 제거할 수 있다. 유사한 조건이 다른 전해질 용액 및/또는 평균 유속에 대해 결정될 수 있다.
실시예 3: 전기 화학 전지 내의 흐름 파라미터
파이프에서 흐르는 경우 레이놀즈 수는 일반적으로 다음과 같이 정의된다:
Figure pct00002
여기서,
DH는 파이프의 유압 직경이고,
Q는 체적 유량(㎥/s)이며,
A는 파이프의 단면적(m2)이고,
u는 유체의 평균 속도(m/s)이며,
μ는 유체의 역학 점도(dynamic viscosity)(kg/(m*s)이고,
v는 동점도(kinematic viscosity)(m2/s)이며, 그리고
ρ는 유체의 밀도(kg/㎥)이다.
복수의 유체 채널을 갖는 예시적인 전기 화학 전지의 경우, 입구 원추부와 유체 도관 사이의 흐름 영역을 통한 유체 흐름에 대한 레이놀즈 수는 57,847인 것으로 결정되었다. 이러한 도관을 통한 대략적인 입구 길이는 약 380㎜이다. 최대로-발달된 흐름의 경우, 약 2600보다 큰 레이놀즈 수에서 난류가 발생하는 경향이 있다. 따라서, 유체 도관을 통한 흐름은 매우 난류이다.
동일한 전기 화학 전지에 대해, 각각의 동심 유체 채널을 통한 유체 흐름에 대한 레이놀즈 수는 14,581인 것으로 결정되었다. 유체 채널의 대략적인 입구 길이는 약 70㎜이다. 세퍼레이터의 하류에서 유체 채널을 통한 흐름은 층류와 유사하다.
이 값은 20℃에서 해수의 전해질 용액과 2m/s의 평균 유속을 가정한다. 다른 전해질 용액 및/또는 평균 유속에 대해 유사한 조건이 결정될 수 있다.
본 명세서에 사용된 어구 및 용어는 본 발명을 본 발명을 설명하기 위한 것이므로 본 발명을 제한하는 것으로 고려되어서는 안 된다. 본 명세서에 사용된 "복수"라는 용어는 2개 이상의 항목 또는 성분을 지칭한다. 설명된 부분에서든 또는 청구범위 등에서든 상관 없이 "포함하는", "구비하는", "지니는", "갖는", "함유하는" 및 "수반하는"이라는 용어는 개방형 용어이고, 즉 " ~을 포함하지만 이에 국한되지 않는" 것을 의미한다. 따라서, 이러한 용어의 사용은 이후에 열거된 항목 및 그 등가물뿐만 아니라 추가 항목을 포함하는 것을 의미한다. 청구범위와 관련하여, "구성되는" 및 "본질적으로 구성되는"라는 전이 어구만이 각각 폐쇄형 또는 반-폐쇄형 전이 어구이다. 청구 요소를 수식하기 위해 청구범위에서 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 서수 용어를 사용하는 것은 그 자체가 하나의 청구 요소가 다른 요소에 비해 우선한다는 우선권, 우선 순위 또는 우선 순서를 나타내는 것이 아니고 방법의 동작이 수행되는 시간적 순서를 의미하는 것이 아니라, 특정 이름을 갖는 하나의 청구 요소를 동일한 이름을 갖는 다른 요소와 (단지 서수 용어를 사용하여) 구별하여 청구 요소를 구별하기 위한 단지 수식구로서 사용된 것이다.
그리하여, 적어도 하나의 실시형태의 여러 양상을 설명하였지만, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 다양한 변경, 수정 및 개선이 용이하게 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 임의의 실시형태에서 설명된 임의의 특징은 임의의 다른 실시형태의 임의의 특징에 포함되거나 이를 대체할 수 있다. 이러한 변경, 수정 및 개선은 본 발명의 일부인 것으로 의도되고 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 전술한 설명 및 도면은 단지 예일 뿐이다.

Claims (50)

  1. 자가-세정 전기 화학 전지로서,
    하우징의 중심축 주위로 상기 하우징 내에 동심으로 배치된 캐소드 및 애노드;
    상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 형성되고 상기 중심축에 실질적으로 평행하게 연장되는 유체 채널; 및
    상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 있고 상기 유체 채널을 유지하도록 구성된 세퍼레이터로서, 상기 유체 채널의 폭을 유지하는 높이를 갖는, 상기 세퍼레이터를 포함하되;
    상기 세퍼레이터는 상기 세퍼레이터의 하류의 상기 유체 채널 내 감속 구역을 미리 결정된 길이 미만으로 유지하도록 치수 설정되고;
    상기 세퍼레이터는 평균치로부터의 전해질 용액 속도 편차를 상기 유체 채널을 통한 전해질 용액의 평균 유속의 ±18% 이내로 유지하도록 치수 설정된, 자가-세정 전기 화학 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 길이에서 평균치로부터의 속도 편차는 상기 전해질 용액의 평균 유속의 ±5% 미만인, 자가-세정 전기 화학 전지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 미리 결정된 길이에서 평균치로부터의 속도 편차는 상기 전해질 용액의 평균 유속의 ±2% 미만인, 자가-세정 전기 화학 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 길이는 2m/s 내지 2.5m/s의 평균 유속으로 상기 유체 채널을 통해 흐르는 해수에 대해 약 120㎜ 미만인, 자가-세정 전기 화학 전지.
  5. 제4항에 있어서, 상기 미리 결정된 길이는 약 60㎜ 미만인, 자가-세정 전기 화학 전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 세퍼레이터는 링 및 상기 링으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 포함하고, 각각의 돌출부는 상기 유체 채널의 폭을 유지하는 높이를 갖는, 자가-세정 전기 화학 전지.
  7. 제6항에 있어서, 돌출부의 수 및 각 돌출부의 길이 및 폭은 상기 감속 구역을 상기 미리 결정된 길이 미만으로 유지하기 위해 선택되는, 자가-세정 전기 화학 전지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 하우징의 중심축 주위로 동심으로 배열된 복수의 캐소드 및 복수의 애노드를 포함하고, 복수의 유체 채널 각각은 각각의 인접한 캐소드와 애노드 사이에 형성되고, 각각의 유체 채널은 상기 중심축에 실질적으로 평행하게 연장되는, 자가-세정 전기 화학 전지.
  9. 제8항에 있어서, 복수의 세퍼레이터를 포함하고, 각각의 세퍼레이터는 상기 복수의 유체 채널 각각을 유지하도록 구성되고, 상기 복수의 세퍼레이터 각각은 링 및 상기 링으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 포함하는, 자가-세정 전기 화학 전지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 캐소드와 상기 애노드 중 적어도 하나와 정합(mate)하도록 구성된, 자가-세정 전기 화학 전지.
  11. 시스템으로서,
    유체 채널과 유체 연통되는 입구 및 출구를 갖는, 제1항의 자가-세정 전기 화학 전지; 및
    상기 자가-세정 전기 화학 전지의 입구에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있고 2m/s 이상의 유체 채널을 통한 평균 유속으로 전해질 용액을 전달하도록 구성된 출구를 갖는 전해질 용액의 공급원을 포함하되,
    상기 자가-세정 전기 화학 전지는 상기 전해질 용액으로부터 생성물 화합물을 생성하고 상기 생성물 화합물을 포함하는 생성물 용액을 배출하도록 구성되고,
    상기 자가-세정 전기 화학 전지는 상기 출구를 통해 사용 지점에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있는, 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전해질 용액의 공급원은 해수, 기수 및 염수 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 직렬로 배열된 복수의 자가-세정 전기 화학 전지를 포함하는, 시스템.
  14. 자가-세정 전기 화학 전지로서,
    하우징의 중심축 주위로 상기 하우징 내에 동심으로 배치된 캐소드 및 애노드;
    상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 형성되고 상기 중심축에 실질적으로 평행하게 연장되는 유체 채널;
    상기 하우징의 제1 단부에 결합된 제1 단부 캡 및 상기 하우징의 제2 단부에 결합된 제2 단부 캡으로서, 상기 제1 단부 캡 및 상기 제2 단부 캡 각각은 실질적으로 중심에 위치된 개구, 및 상기 유체 채널과 유체 연통하는 유체 도관을 포함하고, 상기 제1 단부 캡의 유체 도관은 제1 반경 구역 및 상기 제1 반경보다 더 큰 제2 반경 구역을 포함하는, 상기 제1 단부 캡 및 상기 제2 단부 캡; 및
    상기 제1 단부 캡의 유체 도관 내에 배치되고 전해질 용액이 상기 유체 채널 내로 흐르기 위한 흐름 경로를 형성하도록 구성된 입구 원추부를 포함하되;
    상기 제2 반경 구역은 상기 흐름 경로를 통해 최대로-발달된 흐름을 유지하도록 선택된 길이를 갖는, 자가-세정 전기 화학 전지.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제2 반경 구역은 상기 흐름 경로의 유압 직경의 1배 내지 10배의 길이를 갖는, 자가-세정 전기 화학 전지.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제1 단부 캡의 유체 도관은 상기 전해질 용액의 입구 압력을 약 120㎪ 미만으로 유지하도록 치수 설정된, 자가-세정 전기 화학 전지.
  17. 제14항에 있어서, 상기 입구 원추부는 상기 자가-세정 전기 화학 전지 내 압력 강하를 0 내지 19㎪ 사이로 유지하도록 치수 설정된, 자가-세정 전기 화학 전지.
  18. 제17항에 있어서, 상기 입구 원추부는 20° 내지 90°의 정각(apex angle)을 갖는 직원뿔(right circular cone)인, 자가-세정 전기 화학 전지.
  19. 제18항에 있어서, 상기 입구 원추부는 40° 내지 60°의 정각을 갖는 직원뿔인, 자가-세정 전기 화학 전지.
  20. 제14항에 있어서, 상기 제2 단부 캡의 유체 도관 내에 배치되고 상기 전해질 용액이 상기 유체 채널로부터 상기 자가-세정 전기 화학 전지 밖으로 흐르는 흐름 경로를 형성하도록 구성된 출구 절두체를 추가로 포함하는, 자가-세정 전기 화학 전지.
  21. 시스템으로서,
    입구 및 출구를 갖는, 제14항의 자가-세정 전기 화학 전지; 및
    제1 단부 캡의 실질적으로 중심에 위치된 개구에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있고 약 2m/s 이상의 유체 채널을 통한 평균 유속으로 전해질 용액을 전달하도록 구성된 출구를 갖는 상기 전해질 용액의 공급원을 포함하되;
    상기 자가-세정 전기 화학 전지는 상기 전해질 용액으로부터 생성물 화합물을 생성하고 상기 생성물 화합물을 포함하는 생성물 용액을 배출하도록 구성되고;
    상기 자가-세정 전기 화학 전지는 제2 단부 캡의 실질적으로 중심에 위치된 개구를 통해 사용 지점에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있는, 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 전해질 용액의 공급원은 해수, 기수 및 염수 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
  23. 제21항에 있어서, 직렬로 배열된 복수의 자가-세정 전기 화학 전지를 포함하는, 시스템.
  24. 자가-세정 전기 화학 전지로서,
    하우징의 중심축 주위로 상기 하우징 내에 동심으로 배치된 캐소드 및 애노드;
    상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 형성되고 상기 중심축에 실질적으로 평행하게 연장되는 폭을 갖는 유체 채널; 및
    상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 존재하는 세퍼레이터를 포함하되,
    상기 세퍼레이터는 상기 유체 채널을 통해 전해질 용액을 통과시키도록 구성되고, 상기 세퍼레이터는 상기 유체 채널을 유지하도록 치수 설정되고 아쿠아라인 형태(aqualined configuration)를 갖는, 자가-세정 전기 화학 전지.
  25. 제24항에 있어서, 상기 세퍼레이터는 링 및 상기 링으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 포함하는, 자가-세정 전기 화학 전지.
  26. 제25항에 있어서, 각각의 돌출부는 상기 유체 채널의 폭을 유지하는 높이 및 상기 유체 채널을 유지하기에 충분한 폭을 갖는, 자가-세정 전기 화학 전지.
  27. 제26항에 있어서, 각각의 돌출부는 상기 높이의 0.5배 내지 2배의 폭을 갖는, 자가-세정 전기 화학 전지.
  28. 제25항에 있어서, 각각의 돌출부는 상기 폭보다 더 큰 길이 및 아쿠아라인 형태를 갖는, 자가-세정 전기 화학 전지.
  29. 제25항에 있어서, 상기 복수의 돌출부는 상기 링 상에 실질적으로 균일하게 이격되어 있는, 자가-세정 전기 화학 전지.
  30. 제24항에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 유체 채널의 흐름 면적의 10% 내지 35%의 단면적을 갖도록 치수 설정된, 자가-세정 전기 화학 전지.
  31. 제24항에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 캐소드와 상기 애노드 중 적어도 하나와 정합하도록 구성된, 자가-세정 전기 화학 전지.
  32. 시스템으로서,
    유체 채널과 유체 연통하는 입구 및 출구를 갖는, 제24항의 자가-세정 전기 화학 전지; 및
    상기 자가-세정 전기 화학 전지의 입구에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있고 약 2m/s 이상의 유체 채널을 통한 평균 유속으로 전해질 용액을 전달하도록 구성된 출구를 갖는 상기 전해질 용액의 공급원을 포함하되;
    상기 자가-세정 전기 화학 전지는 상기 전해질 용액으로부터 생성물 화합물을 생성하고 상기 생성물 화합물을 포함하는 생성물 용액을 배출하도록 구성되고;
    상기 자가-세정 전기 화학 전지는 상기 출구를 통해 사용 지점에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있는, 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 상기 전해질 용액의 공급원은 해수, 기수 및 염수 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
  34. 제32항에 있어서, 직렬로 배열된 복수의 자가-세정 전기 화학 전지를 포함하는, 시스템.
  35. 전기 화학 시스템을 동작시키는 방법으로서,
    제1항, 제14항 및 제24항 중 어느 한 항의 자가-세정 전기 화학 전지를 제공하는 단계;
    약 2m/s 이상의 유체 채널을 통한 평균 유속으로 전해질 용액을 상기 자가-세정 전기 화학 전지에 도입하는 단계;
    상기 자가-세정 전기 화학 전지의 전해질 용액으로부터 생성물 화합물을 생성하기에 충분한 전압으로 애노드 및 캐소드에 전류를 인가하는 단계; 및
    미리 결정된 시간 기간 동안 상기 전기 화학 시스템을 연속적으로 동작시키는 단계를 포함하는, 전기 화학 시스템을 동작시키는 방법.
  36. 제35항에 있어서, 적어도 6개월 동안 상기 전기 화학 시스템을 연속적으로 동작시키는 단계를 포함하는, 전기 화학 시스템을 동작시키는 방법.
  37. 제35항에 있어서, 복수의 자가-세정 전기 화학 전지를 제공하는 단계; 및 상기 복수의 자가-세정 전기 화학 전지를 직렬로 유체 흐름 가능하게 연결하는 단계를 더 포함하는, 전기 화학 시스템을 동작시키는 방법.
  38. 자가-세정 전기 화학 전지로서,
    하우징 내에 배치된 복수의 전극으로서, 상기 하우징의 중심축 주위에 배치된 동심 전극들 및 상기 하우징의 길이를 따라 배치된 연속하는 전극들을 포함하는, 상기 복수의 전극;
    동심 전극들 사이에 형성되고 상기 중심축에 실질적으로 평행하게 연장되는 유체 채널; 및
    복수의 동심 세퍼레이터를 포함하되,
    각각의 동심 세퍼레이터는 연속하는 전극들 사이에 위치되고 상기 연속하는 전극들 중 적어도 하나와 정합하도록 구성되고, 상기 복수의 동심 세퍼레이터는 상기 연속하는 전극들의 동심을 유지하도록 구성된, 자가-세정 전기 화학 전지.
  39. 제38항에 있어서, 상기 동심 세퍼레이터 각각은 복수의 연속된 링을 포함하는, 자가-세정 전기 화학 전지.
  40. 제39항에 있어서, 상기 복수의 연속된 링 중 인접한 2개의 링 사이의 갭의 폭은 상기 유체 채널 내 감속 구역을 미리 결정된 길이 미만으로 유지하도록 치수 설정된, 자가-세정 전기 화학 전지.
  41. 제40항에 있어서, 상기 감속 구역의 길이는 평균 전해질 용액 유속이 상기 유체 채널을 통한 상기 전해질 용액의 평균 유속보다 적어도 2% 더 낮은 영역에 의해 형성된, 자가-세정 전기 화학 전지.
  42. 제41항에 있어서, 상기 감속 구역의 길이는 평균 전해질 용액 유속이 상기 유체 채널을 통한 상기 전해질 용액의 평균 유속보다 적어도 5% 더 낮은 영역에 의해 형성된, 자가-세정 전기 화학 전지.
  43. 제40항에 있어서, 상기 복수의 연속된 링 중 인접한 2개의 링 사이의 갭의 폭은 상기 복수의 연속된 링 중 적어도 하나의 링의 폭의 1.60배 이하인, 자가-세정 전기 화학 전지.
  44. 제39항에 있어서, 상기 복수의 연속된 링 중 적어도 하나의 링은 상기 적어도 하나의 링으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 포함하는, 자가-세정 전기 화학 전지.
  45. 시스템으로서,
    제38항의 자가-세정 전기 화학 전지; 및
    하우징의 입구에 유체 흐름 가능하게 연결 가능하고 약 2m/s 이상의 유체 채널을 통한 평균 유속으로 전해질 용액을 전달하도록 구성된 출구를 갖는 상기 전해질 용액의 공급원을 포함하되;
    상기 자가-세정 전기 화학 전지는 상기 전해질 용액으로부터 생성물 화합물을 생성하고 상기 생성물 화합물을 포함하는 생성물 용액을 배출하도록 구성되고;
    상기 자가-세정 전기 화학 전지는 상기 하우징의 출구를 통해 사용 지점에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있는, 시스템.
  46. 제45항에 있어서, 상기 전해질 용액의 공급원은 해수, 기수 및 염수 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
  47. 제45항에 있어서, 직렬로 배열된 복수의 자가-세정 전기 화학 전지를 포함하는, 시스템.
  48. 전기 화학 시스템을 동작시키는 방법으로서,
    제38항의 자가-세정 전기 화학 전지를 제공하는 단계;
    약 2m/s 이상의 유체 채널을 통한 평균 유속으로 전해질 용액을 상기 자가-세정 전기 화학 전지에 도입하는 단계;
    상기 자가-세정 전기 화학 전지의 전해질 용액으로부터 생성물 화합물을 생성하기에 충분한 전압으로 복수의 전극에 걸쳐 전류를 인가하는 단계; 및
    미리 결정된 시간 기간 동안 상기 전기 화학 시스템을 연속적으로 동작시키는 단계를 포함하는, 전기 화학 시스템을 동작시키는 방법.
  49. 제48항에 있어서, 적어도 6개월 동안 상기 전기 화학 시스템을 연속적으로 동작시키는 단계를 포함하는, 전기 화학 시스템을 동작시키는 방법.
  50. 제48항에 있어서, 복수의 자가-세정 전기 화학 전지를 제공하는 단계; 및 상기 복수의 자가-세정 전기 화학 전지를 직렬로 유체 흐름 가능하게 연결하는 단계를 더 포함하는, 전기 화학 시스템을 동작시키는 방법.
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