KR20210094631A - 전기 투석 액체 방습제 제습 시스템 - Google Patents

전기 투석 액체 방습제 제습 시스템 Download PDF

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마이클 베네딕트
유진 에스. 버
엘리프 캐러테이
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팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드
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Abstract

공기가 공기-액체 계면을 가로질러 유동하여, 계면을 통해 유동하는 액체 방습제가 공기로부터 물을 흡수하여 희석되어 유출 스트림이 형성된다. 유출 스트림은 중앙 이온 교환 막 및 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막을 갖는 전기 투석 스택을 통해 순환된다. 산화환원 셔틀 루프는 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막 주위를 순환한다. 전기 투석 스택을 가로질러 전압이 인가되며, 상기 스택은 액체 방습제를 재생시킨다.

Description

전기 투석 액체 방습제 제습 시스템
본 발명은 전기 투석 액체 방습제 제습 시스템에 관한 것이다. 일 양태에서, 액체 방습제 시스템(liquid desiccant system)은 중앙 이온 교환 막에 의해 분리된 액체 방습제의 희석 스트림 및 농축 스트림을 갖는 액체 방습제 루프를 갖는 전기 투석 스택(stack)을 포함한다. 제1 산화환원 스트림 및 제2 산화환원 스트림을 갖는 산화환원 셔틀 루프(redox shuttle loop)는, 중앙 이온 교환 막과 상이한 유형의 제1 외부 이온 교환 및 제2 외부 이온 교환 막 각각에 의해 액체 방습제 루프의 희석 스트림 및 농축 스트림으로부터 분리된다.
액체 방습제 시스템은 전기 투석 스택을 가로질러 전압을 인가하도록 작동할 수 있는 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 상기 시스템은 액체 방습제의 농축 스트림과 유체 통신하는 공기-액체 계면을 갖는다. 공기-액체 계면은 액체 방습제의 농축 스트림을 공기-액체 계면을 가로질러 유동하는 공기에 노출시키고, 상기 농축 스트림은 상기 공기로부터의 물의 흡수를 통해 희석되어 유출 스트림을 형성한다.
액체 방습제 시스템은 제1 펌프를 포함할 수 있으며, 상기 펌프는 전기 투석 스택 및 공기-액체 계면을 통해 액체 방습제를 순환시킨다. 공기-액체 계면으로부터의 유출 스트림은 전기 투석 스택으로 진입시 희석 스트림 및 농축 스트림으로 분할될 수 있다. 제1 산화환원 스트림 및 제2 산화환원 스트림을 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막을 가로질러 순환시키기 위해 제2 펌프가 사용될 수 있다.
또 다른 양태에서, 방법은 공기-액체 계면을 통해 액체 방습제를 순환시키는 단계를 포함한다. 공기가 공기-액체 계면을 가로질러 유동하여, 액체 방습제가 공기로부터 물을 흡수한다. 액체 방습제는 물의 흡수를 통해 희석되어 유출 스트림을 형성한다. 유출 스트림은 전기 투석 스택으로의 유입에서 희석 스트림 및 농축 스트림으로 분할된다. 전기 투석 스택은 중앙 이온 교환 막, 및 상기 중앙 이온 교환 막과 상이한 유형의 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막을 갖는다. 희석 스트림은 중앙 이온 교환 막과 제1 외부 이온 교환 막 사이를 유동하고, 농축 스트림은 중앙 이온 교환 막과 제2 외부 이온 교환 막 사이를 유동한다. 산화환원 셔틀 루프는 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막 주위를 순환한다. 예를 들면, 중앙 이온 교환 막과 제1 외부 이온 교환 막을 가로지르는 이온 이동을 일으키기 위해 전기 투석 스택에 전압이 인가되어, 방습제 농축물이 희석 스트림으로부터 산화환원 셔틀 루프로 그리고 농축 스트림으로 이동된다.
도 1 및 1a는 예시적인 양태에 따른 액체 방습제 시스템(liquid desiccant system)의 다이어그램이고;
도 2는 예시적인 양태에 따른 공조 시스템의 사시도이고;
도 3은 예시적인 양태에 따른 공조 시스템의 블록 다이어그램이고;
도 4는 예시적인 양태에 따른 액체 방습제 시스템의 다이어그램이고;
도 5a 및 5b는 예시적인 양태에 따른 전기 투석 스택의 다이어그램이고;
도 6은 예시적인 양태에 따른 공기-액체 계면와 함께 사용되는 열 교환기의 다이어그램이고;
도 7은 예시적인 양태에 따른 다단계 전기 투석 스택의 다이어그램이고;
도 8은 예시적인 양태에 따른 방법의 흐름도이다.
본 발명은 액체 방습제 시스템에 관한 것이다. 액체 방습제 시스템은 무엇보다도 난방, 환기 및 공조(HVAC)에 사용될 수 있다. 공조는 미국 전기 소비량의 거의 10%를 차지하며 제습(dehumidification)은 습한 지역의 전기 부하의 절반 이상을 차지한다. 본 발명은 공조를 위한 제습에 대한 효율적인 열역학적 접근을 설명한다. 일반적으로, 시스템은 산화환원-보조 전기 투석 액체 건조 농축기와 나란히 있는 막 제습기를 포함한다.
본원에 기술되는 시스템은 산화환원-보조 전기 투석 방법의 이점을 취하며, 상기 방법은 막 기반 액체 방습제 공조 시스템을 사용 가능하게 한다. 이러한 산화환원-보조 전기 투석(ED) 방법에서는, 산화환원 활성 종의 수용액이 전기화학 스택의 애노드와 캐쏘드 사이를 순환하여 이온 용액을 농축하여, 증기 압축(VC) 또는 방습제 기반 공조에 필요한 열 또는 압력에 의해 구동되는 열역학적 상 변화를 제거한다. 액체 방습제(예를 들면, 염화 리튬, LiCl의 수용액)는 막 계면을 통해 공기로부터 수분을 흡수한다. 희석된 액체 방습제는 효율적으로 재농축되어, 물을 증발시키는 데 필요한 잠열의 유입(input)을 방지한다. 이러한 신규한 제안된 사이클의 향상된 효율성은 2030년까지 매년 1.5쿼드의 에너지 절약으로 이어질 것으로 추정된다.
도 1에서, 다이어그램은 예시적인 양태에 따른 전기 투석 액체 방습제 공조(ELDAC) 시스템(100)을 도시한다. 시스템(100)은 방습제 섹션(102) 및 냉각 섹션(104)을 포함한다. 방습제 섹션(102)에서, 실외 공기(106)(및/또는 재순환된 공기)는 액체 운반 막 건조기(108)를 가로지르게 되며, 본원에서는 공기-액체 계면으로도 나타낸다. 공기(106)는 높은 온도 및 높은 상대 습도(RH)의 외부 공기일 수 있다. 공기(106)로부터의 물(109)은 막 계면(108)에서, 예를 들면 수성 LiCl의 농축된 액체 방습제(110) 내로 흡수된 다음, 산화환원-보조 재생기(112)를 통과하여 희석 스트림(114)(예를 들면, 배출수)을 분리하고 방습제 스트림(110)을 재농축한다. LiCl 대신 다른 농축물, 예를 들면, NaCl, LiBr 및 CaCl2가 방습제에 사용될 수 있다.
습기는 방습제 섹션(102)을 떠나는 공기(115) 중에서 감소되어 있고, 이는 냉각 섹션(104)에 의해 냉각된다. 이러한 냉각 섹션(104)은 증발기(116) 및 도시되지 않은 다른 구성 요소(예를 들면, 응축기, 압축기)를 포함할 수 있다. 냉각 섹션(104)으로 진입하는 공기(115)는 외부/재순환된 공기(106)에 비해 상대 습도가 더 낮기 때문에, 증발기(116)가 보다 더 효율적이고, 증발기(116)가 진입되는 공기(115)로부터도 응축해야 했던 수분보다 더 많은 양으로 냉각된 공기(120)의 온도를 낮출 수 있다. 산화환원-보조 전기 투석이 이온성 수용액을 농축하기 위해 사용하는 에너지를 계측한 실험 결과는, ELDAC 시스템(100)이 0.05kBTU/lb 미만의 재생 비열 유입(RSHI: regeneration specific heat input)을 가질 수 있음을 보여주며, 이는 현재 사용되는 열 재생 방법보다 최대 30배 낮다.
도 1a의 상세도(122)에서 확인할 수 있는 바와 같이, 산화환원-보조 재생기(112)는 2개의 외부 이온 교환 막(124)을 가지며, 상기 막들은 외부 산화환원 채널(126)을 내부 농축물(110) 및 희석물(114) 스트림으로부터 분리한다. 이러한 예에서, 외부 이온 교환 막(124)은 음이온 교환 막(AEM)으로 구성된다. 농축물(110) 및 희석물(114) 스트림은 중앙 이온 교환 막(130)에 의해 분리되며, 이러한 예에서 상기 막은 양이온 교환 막(CEM)이다. 다른 구성에서, 중앙 이온 교환 막(130)은 AEM일 수 있고, 외부 막(124)은 CEM일 수 있다.
외부 전압(132)은 산화환원 활성 셔틀 분자의 산화 또는 환원을 유도하여, 물을 분할하지 않으면서 또는 생성물에 의해 기타 기체(예를 들면, 염소)를 생성하지 않으면서 막(124 및 130)을 가로지르는 이온 이동을 유도하고, 재농축된 방습제(110) 및 배출수(114)의 두 가지 스트림을 생성한다. 이러한 목표는 여러 단계에 걸쳐 달성될 수 있다. 하나의 제안된 산화환원 셔틀은 양으로 하전된 페로센 유도체, 예를 들면, (비스(트리메틸암모니오프로필)페로센/비스(트리메틸암모니오프로필)페로세늄, [BTMAP-Fc]2+/[BTMAP-Fc]3+)(134)로서, 이는 비독성이고, 매우 안정적이고, 매우 빠른 전기화학적 키네틱 및 무시할 수 있는 막 투과성을 갖는다. 다른 산화환원 셔틀 용액은 페로시아나이드/페리시아나이드([Fe(CN)6]4-/[Fe(CN)6]3-) 또는 음으로 하전된 페로센 유도체를 포함할 수 있다. 시스템의 이동부는 액체 순환을 위한 저압 펌프 및 공기 순환을 위한 팬을 포함할 수 있다.
도 2에서, 사시도는 예시적인 양태에 따른 ELDAC 시스템(200)의 세부 사항을 도시한다. 도 3에서, 블록 다이어그램은 도 2에 도시된 일부 구성 요소들 간의 기능적 관계를 그리고 추가의 양태에 따른 다른 구성 요소를 도시한다. 시스템(200)은 다양한 기능적 구성 요소를 보유하고 공기 덕트 경로를 제공하는 인클로저(202)를 포함한다. 가습된 공기(214)(예를 들면, 외부 및/또는 반환 공기)는 송풍기(212)를 통해 제1 덕트(220)를 통하여 전달된다. 상기 공기(214)는 공기-액체 계면 제습기(206)를 가로지르게 된다. 이러한 예에서, 제습기(206)는 제1 덕트(220)를 채우는 직사각형 막 요소(element)로 구성된다.
제습기(206)의 프레임(206a) 내에는 하나 이상의 평면 막(206b)이 있으며, 이를 통해 액체 방습제가 순환된다. 다른 양태에서, 중공 튜브, 액체-to-공기 표면, 액체 스프레이가 평면 막(206b) 대신에 또는 평면 막(206b) 이외에 제습기(206)에서 사용될 수 있다. 막(206b)을 통한 유체 방습제의 이동은 모세관 작용, 중력 공급, 액체의 직접 펌핑 등의 임의의 조합을 사용하여 달성될 수 있다. 그릴(206c)은 막(206b)의 기계적 지지를 위해 제공되어, 공기 유동물(214)로부터의 공기 압력으로 인한 굴곡(flexing)을 감소시킬 수 있다. 액체 펌프(207)는 액체 방습제를 임의의 저장 탱크(210)로부터 막 제습기(206)로 이동시키기 위해 사용되며, 막 제습기(206)에서 액체 방습제는 공기(214)로부터 물을 흡수하고 산화환원-보조 재생기(208)로 다시 공급된다. 산화환원-보조 재생기(208)는 액체 방습제로부터 물을 분리하고, 분리된 물은 배수관(209)을 통해 배출된다. 구성 요소(207, 208, 210) 및 관련 배관은 도시의 편의를 위해 인클로저(202) 외부에 도시되어 있지만, 이들은 부분적으로 또는 완전히 인클로저(202) 내에 위치한다.
막 제습기(206)를 통과한 공기(216)는 RH가 낮아 냉매-사이클 공조기의 증발기와 같은 현열 제거기(204)에 의해 보다 효율적으로 처리될 수 있다. 현열 제거기(204)를 통과한 냉각된 공기(218)는 공급 덕트(220)를 통과하여 인클로저(202)를 빠져나가고, 예를 들면 건물, 차량 등과 같은 목표 공간을 냉각하는데 사용된다.
도 3에서, 산화환원 저장 탱크(300)는 LD 재생기(208)와 유체 통신하는 것으로 도시되어 있음에 유의. ELDAC 시스템(200)은 산화환원 저장조(reservoir) 및 방습제 저장조(300 및 210) 중 하나 또는 이들 저장조 둘 다를 포함할 수 있다. 방습제 저장부(storage)(210)는 개별 저장조들 또는 둘 이상의 구획을 갖는 단일 저장조를 사용하여 농축물 스트림 및 희석물 스트림(예를 들면, 도 1의 스트림(110 및 114)) 둘 다에 대한 유체를 저장할 수 있음에 유의. 산화환원 저장부(300)는 산화환원 스트림의 농축된 부분 및 희석된 부분(예를 들면, 도 1에 도시된 스트림(126)의 저부 및 상부 부분)을 유사하게 저장할 수 있다. 이들 저장조(210 및 300)는 일부 양태에서 완충액으로서 사용될 수 있다. 예를 들면, ELDAC 시스템(200)으로부터 배수되는 물이 공기로부터 흡수되는 물과 동일하지 않으면, 농축된 방습제 또는 희석된 방습제 중 하나(또는 이들 방습제 둘 다의 조합)가 저장조(210)로부터 배출되어, 방습제 루프가 원하는 농축 수준 및/또는 유속으로 유지되는 것을 보장한다.
저장조(210 및 300)는 제습 이외에 다른 목적으로 사용하기에 충분한 용량을 가질 수 있다. 예를 들면, 미국 특허출원 16/200,289(변리사 문서 번호 20171214US03/PARC.225U1)에 개시된 바와 같이, 전기 투석 배터리(302)는 산화환원 용액(300)을 사용하여 전기를 발생시켜 제습에 사용된 전기의 일부를 회수할 수 있다. 이러한 과정은 제습과 함께 또는 제습과 별도로 실시될 수 있다. 예를 들면, 시스템을 가볍게 이용하거나 또는 차단하는 야간에 발전이 발생할 수 있다.
도 4에서, 다이어그램은 예시적인 양태에 따른 액체 방습제 시스템의 추가의 세부 사항을 도시한다. 전기 투석 스택(400)은 액체 방습제 루프(402) 및 산화환원 셔틀 루프(404)를 위한 인클로저를 제공한다. 루프(402 및 404)는 외부 교환 막(406)에 의해 하우징(400) 내에서 분리되고, 액체 방습제 루프(402)의 희석/농축 경로(402a 및 402b)는 중앙 교환 막(408)에 의해 분리된다. 루프(402 및 404) 내의 유체는 각각 펌프(412 및 410)에 의해 구동된다.
액체 방습제 루프(402)는 지점(402c)에서 농축된 액체 방습제로 출발한다. 방습제 루프(402)는 물 중 염화 리튬과 같은 수성 이온 용액을 포함한다. 일반적인 출발 농도는 ~30wt%의 방습제이다. 농축된 방습제 용액은 도 2 및 도 3에 도시된 막 제습기(206)와 같은 공기-막 계면/교환기(414)와 접촉하게 된다. 교환기(414)에서, 더 높은 RH의 공기(416)가 진입하고 더 낮은 RH의 공기(418)가 빠져나온다. 공기로부터의 수증기(420)는 방습제에 의해 교환기(414)에서 물 선택성 막(422)(또는 다른 액체-공기 계면)을 가로질러 당겨져 방습제 용액을 희석시키고, 방습제 용액은 지점(402d)에서 더 낮은 농도로 배출된다.
전기 투석 스택(400)에서, 저농도 액체 방습제 용액(402d)은 접합부(402e)에서 분할되어 별도의 스트림(402a 및 402b)으로 분할되며, 상기 스트림들은 스택(400)의 막(406 및 408)과 접촉하게 된다. 스트림(402b)은 스택(400)을 통과할 때 농축되어, 지점(402c)과 동일한 농도를 갖는 펌프(412)로 재진입된다. 다른 스트림(402a)은 스택(400)을 통과할 때 희석되어, 고도로 희석된 물 스트림으로 남으며, 상기 물 스트림은 배수, 저장될 수 있거나 또는 일부 다른 목적으로 사용될 수 있다.
펌프(410)는 지점들(404a 및 404b) 사이에서 산화환원 셔틀을 순환시키고, 그 결과 전극(424)과 접촉하게 된다. 전기 투석 스택에 인가된 전압(426)은 이온을 스트림(402a)에서 스트림(402b)으로, 스트림(402a)에서 스트림(404b)으로 그리고 스트림(404a)에서 스트림(402b)으로 구동시킨다. 각각의 경우에, 막(406 및 408)을 통해 이온을 구동시키는 것은 농도에 영향을 미친다. LiCl을 방습제 농축물로서 사용하고 [BTMAP-Fc]2+/[BTMAP-Fc]3+를 산화환원 셔틀로서 사용하는 전기 투석 스택(500)의 다른 양태가 도 5a에 도시되어 있다. LiCl 방습제 농축물은 중앙 이온 교환 막(506), 이 경우에는 CEM에 의해 탈염/희석 스트림 및 농축 스트림(504)으로 분할된다. 산화환원 셔틀 루프(508)는, 중앙 이온 교환 막(506)과는 상이한 유형의 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막(507 및 509)(이 경우에는 AEM) 각각에 의해, 액체 방습제 루프의 희석 스트림 및 농축 스트림으로부터 분리된 제1 산화환원 스트림 및 제2 산화환원 스트림(508a 및 508b)을 갖는다.
LiCl을 방습제 농축물로서 사용하고, [Fe(CN)6]4-/[Fe(CN)6]3-를 산화환원 셔틀로서 사용하는 전기 투석 스택(510)의 또 다른 대안적인 양태가 도 5b에 도시되어 있다. LiCl 방습제 농축물은, 중앙 이온 교환 막(516), 이 경우에는 AEM에 의해 탈염화/희석 스트림 및 농축 스트림(514)으로 분할된다. 산화환원 셔틀 루프(518)는, 중앙 이온 교환 막(516)과는 상이한 유형의 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막(517 및 519)(이 경우에는 CEM) 각각에 의해, 액체 방습제 루프의 희석 스트림 및 농축 스트림으로부터 분리된 제1 산화환원 스트림 및 제2 산화환원 스트림(518a 및 518b)을 갖는다. 도 5a 및 5b에 도시된 전기 투석 스택(500 및 510)은 본원에 도시되는 임의의 제습 루프에 사용될 수 있다.
상기 기술한 시스템의 제습부는, 펌프 및 전기 투석 스택을 구동하기 위한 유입 전기 및 제습되는 유입 공기 스트림만을 필요로 한다. 물의 유출 스트림 및 낮은 RH의 공기가 있을 것이다. 이러한 시스템은, 예를 들면 저장된 산화환원 용액으로부터 전기를 발생시키는 추가의 용도에 맞게 조정할 수 있지만, 제습용으로 사용하도록 고안되었다. ELDAC는, 0 또는 0에 가까운 과전압에서의 전기 투석 농도를 사용하여, 기존의 제습 시스템보다 훨씬 적은 에너지를 필요로 하기 때문에, 이익을 제공한다. 이러한 시스템은 이온 운동을 구동하기 위한 물 분할에 의존하지 않기 때문에, ELDAC는 기존 전기 투석과 같은 다른 전기화학 공정과 달리 농축 염 용액에 대해 사용시 어떠한 독성 또는 가연성 기체(예를 들면, 염소 또는 수소)도 생성하지 않는다. 예시적인 응용 분야는 일반 공조기로부터의 ELDAC 업스트림을 사용하여 공조기에 대한 잠열 부하를 제거하고 공조 비용을 낮출 수 있다.
액체 방습제에서의 수분의 흡수는 발열성이어서, 액체 방습제를 운반하는 공기-액체 계면의 온도를 증가시킨다. 이러한 온도 상승은 공기-액체 계면을 통과하는 공기를 수용하는 현열 냉각 섹션(sensible cooling section)에 대한 부하를 증가시킬 수 있다. 도 6에서, 다이어그램은 예시적인 양태에 따라 공기-액체 계면(600)으로부터 열을 제거하기 위한 시스템을 도시한다. 열 교환기(602)는 계면(600)의 일부(예를 들면, 막)를 통해 분포된 열 전달 요소(604)에 열적으로 결합된다.
열 전달 요소(604)는 전도성 스트립(예를 들면, 금속, 탄소 나노 튜브 등), 기체-충전 또는 액체-충전 수동 열 파이프(예를 들면, 열 사이펀), 기체 또는 액체가 펌핑되는 튜브, 복사 열 흡수기 또는 당업계에 공지된 다른 열 전달 구조일 수 있다. 요소(604)를 통해 전달된 열은 냉각 유동물(606)이 가해지는 열 교환기(602)로 전달된다. 냉각 유동물(606)은, 열 교환기(602)로부터 열을 전달하고 궁극적으로는 열을 주위 히트 싱크(heat sink)(예를 들면, 공기, 토양, 물)로 넘길 수 있는 기체 또는 액체 유동물이다. 다른 양태에서, 열(608)은 (예를 들면, 열 전달 경로(610)를 따라) 다른 히트 싱크, 예를 들면, 전기 투석 스택(612)(계면(600) 또는 상이한 스택에 방습제를 제공하는 동일한 스택일 수 있음) 및/또는 시스템으로부터의 배출수(614)(예를 들면, 도 1의 배출수(114))로 전달될 수 있다.
이전의 예에서, 전기 투석 스택은 단일 산화환원 루프를 포함했다. 다른 양태에서, 스택은, 희석/농축의 수준을 추가로 증가시키고/증가시키거나 처리될 수 있는 방습제 유동물의 양을 증가시키기 위해, 다수의 산화환원 루프 및 회합된 이온 막을 포함할 수 있다. 도 7에서, 블록 다이어그램은 예시적인 양태에 따른 이중 단계 전기 투석 스택(700)을 도시한다.
전기 투석 스택(700)은 액체 방습제 루프(702)를 처리하며, 이는 희석 스트림(702a) 및 농축 스트림(702b)으로 분할되어 제1 단계(704)를 통과한다. 단계(704)를 빠져나가는 스트림(702a)은 제2 희석 스트림(702d) 및 제2 농축 스트림(702e)으로 추가로 분할되어 제2 단계(706)를 통과한다. 단계(706)를 빠져나가는 스트림(702e)은 단계(704)를 빠져나가는 스트림(702b)보다 농도가 더 낮고, 유출 스트림(702c)과 재혼합될 수 있고, 702b와 재혼합되는 대신 이전 단계(704)로 재도입될 수 있고, 공기-액체 계면(708)으로 재도입될 수 있다. 효율을 최대화하기 위해, 스트림(702c 및 702e)의 방습제 농도는 거의 동등하다(예를 들면, 0 내지 20% 이내).
각각의 단계(704 및 706)는 희석 스트림(702a 및 702d) 및 농축 스트림(702b 및 702e)을 분리하는 중앙 이온 교환 막(704a 및 706a)을 갖는다. 각각의 단계(704 및 706)는, 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막(704c, 704d, 706c 및 706d) 각각에 의해 액체 방습제 루프(702)의 희석 스트림(702a 및 702d) 및 농축 스트림(702b 및 702e)으로부터 분리된 제1 산화환원 스트림 및 제2 산화환원 스트림(704ba, 704bb, 706ba 및 706bb)을 갖는 산화환원 셔틀 루프(704b 및 706b)를 갖는다. 단계(704 및 706)는 각각 제1 전극 및 제2 전극(704e, 704f, 706e 및 706f)을 포함하며, 이들은 전기 투석 스택(700)의 단계(704 및 706)에 걸쳐 전압을 인가하도록 작동 가능하다.
공기-액체 계면(708)은 제1 단계(704)를 빠져나가는 액체 방습제의 농축 스트림(702b)과 유체 통신한다. 공기-액체 계면(708)은 액체 방습제의 농축 스트림(702b)을 공기-액체 계면(708)을 통과하여 유동하는 공기에 노출시키고, 상기 농축 스트림은 공기로부터 물의 흡수를 통해 희석되어 유출 스트림(702c)을 형성한다. 유출 스트림(702c)은 제2 단계(706)를 빠져나가는 유출 스트림(702e)과 합쳐진다. 제1 펌프(712)는 액체 방습제를 전기 투석 스택(700) 및 공기-액체 계면(708)을 통해 순환시킨다. 공기-액체 계면(708)으로부터의 유출 스트림(702c)은, 유출 스트림(702e)과 합쳐진 후, 전기 투석 스택(700)으로 유입시 희석 스트림(702a) 및 농축 스트림(702b)으로 분할된다.
전극(704e, 704f, 706e 및 706f)을 가로지르는 전압은 중앙 이온 교환 막(704a 및 706a) 및 제1 외부 이온 교환 막(704c 및 706c)을 가로지르는 이온 이동을 일으켜, 방습제 농축물이 제1 희석 스트림(702a)으로부터 단계(704)의 제1 산화환원 스트림(704ba) 및 제1 농축 스트림(702b)으로, 유사하게는 제2 희석 스트림(702d)으로부터 단계(706)의 제1 산화환원 스트림(706ba) 및 제2 농축 스트림(702e)으로 이동하게 한다. 제2 펌프(714 및 716)는 산화환원 셔틀 루프(704b 및 706b)를 순환시켜, 제1 산화환원 스트림(704ba 및 706ba) 및 제2 산화환원 스트림(704bb 및 706bb)이 각각 제1 외부 이온 교환 막(704c 및 706c) 및 제2 외부 이온 교환 막(704d 및 706d)을 가로질러 유동하게 한다. 전압은 또한 제2 외부 교환 막(704d 및 706d)을 가로지르는 제2 (및 유사한) 이온 이동을 일으켜, 방습제 농축물을 제2 산화환원 스트림(704bb 및 706bb)으로부터 농축 스트림(702b 및 702e)으로 이동시킨다.
단계(704 및 706)는 동일할 수 있거나 상이할 수 있음에 유의. 예를 들면, 각각의 단계(704)는 산화환원 셔틀 용액, 중앙 및 외부 교환 막 유형, 전압, 막의 기하학적 형상(geometry), 방습제 유동물의 기하학적 형상, 산화환원 유속 등의 상이한 조합을 사용할 수 있다. 이러한 방식으로, 단계(704 및 706)는, 희석 스트림(702a 및 702d) 및 농축 스트림(702b 및 702e)의 부분들 내의 상이한 예상 농도에 대해 최적화될 수 있다. 단계(704 및 706)는 동시에 작업될 수 있고, 하나 또는 다른 단계가 일부 조건 하에 차단될 수도 있다. 예를 들면, 희석 스트림(702a) 내의 농축 수준이 어떤 임계값 미만이면, 에너지를 절약하고 마모를 줄이기 위해 단계들(704 및 706) 중 하나가 차단될 수 있다. 희석 스트림(702a) 내의 농축 수준이 상기 임계값을 초과하면, 비활성화된 단계(704 및 706)가 재개될 수 있다.
도 7에 도시된 양태는 두 단계(704 및 706) 이상으로 확장될 수 있다. 또한, 단계(704 및 706)가 단일 전기 투석 스택 유닛(700)의 일부로 도시되어 있지만, 이들은 예를 들면 방습제 루프(702)의 스트림(702a, 702b, 702d 및 702e)을 운반하기 위한 배관에 의해 결합되는 별도의 인클로저로서 구현될 수 있다. 일 양태에서, 하나의 산화환원 펌프가 예를 들면 병렬로 또는 직렬로 실시되는 루프(704b 및 706b)에 의해 2개의 펌프(714 및 716) 대신에 사용될 수 있다. 도 7에 도시된 것과 같은 다단계 전기 투석 스택이 이전에 도시된 임의의 양태(예를 들면, 도 1 내지 5)에서 사용될 수 있고, 이들 및 다른 도면에 도시된 임의의 특징적인 구성, 예를 들면 유체 저장부 저장조, 열 교환기 등을 포함할 수 있다.
도 8에서, 흐름도는 예시적인 양태에 따른 방법을 도시한다. 이 방법은 공기-액체 계면을 통해 액체 방습제를 순환시킴(800)을 포함한다. 공기는 공기-액체 계면을 가로질러 유동하여 액체 방습제가 공기로부터 물을 흡수하게 된다(801). 액체 방습제는 물의 흡수를 통해 희석되어 유출 스트림을 형성한다. 유출 스트림은 전기 투석 스택에 대한 유입에서 희석 스트림 및 농축 스트림으로 분할된다(802). 전기 투석 스택은 중앙 이온 교환 막 및 상기 중앙 이온 교환 막과 상이한 유형의 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막(예를 들면, 양이온 또는 음이온)을 갖는다.
희석 스트림은 중앙 이온 교환 막과 제1 외부 이온 교환 막 사이에서 유동하게 된다(803). 농축 스트림은 중앙 이온 교환 막과 제2 외부 이온 교환 막 사이에서 유동하게 된다(804). 산화환원 셔틀 루프는 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막 주위로 순환된다(805). 전압이 전기 투석 스택을 가로질러 인가되어, 중앙 이온 교환 막과 제1 외부 이온 교환 막을 가로지르는 이온 이동을 일으킨다(806). 이러한 이동은, 희석 스트림으로부터 산화환원 셔틀 루프 및 농축 스트림으로의 방습제 농축물의 이동을 초래한다.
달리 명시되지 않는 한, 명세서 및 청구범위에 사용되는 피처(feature)의 크기, 양 및 물리적 성질을 표현하는 모든 수는 모든 경우에 용어 "약"에 의해 수정되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 명시되지 않는 한, 상기 명세서 및 첨부된 청구범위에 기재된 수치 파라미터는, 본원 명세서에 개시된 교시를 이용하여 당업자가 얻고자 하는 원하는 성질에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 종점에 의한 수치 범위의 사용은 상기 범위 내의 모든 수(예를 들면, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4, 5를 포함함) 및 상기 범위 내의 모든 범위를 포함한다.

Claims (20)

  1. 전기 투석 스택(stack) 및 공기-액체 계면을 포함하는 액체 방습제 시스템(liquid desiccant system)으로서,
    상기 전기 투석 스택은,
    중앙 이온 교환 막에 의해 분리된 액체 방습제의 희석 스트림 및 농축 스트림을 갖는 액체 방습제 루프;
    상기 중앙 이온 교환 막과 상이한 유형의 제1 외부 이온 교환 및 제2 외부 이온 교환 막 각각에 의해 상기 액체 방습제 루프의 희석 스트림 및 농축 스트림으로부터 분리된 제1 산화환원 스트림 및 제2 산화환원 스트림을 갖는 산화환원 셔틀 루프(redox shuttle loop); 및
    상기 전기 투석 스택을 가로질러 전압을 인가하도록 작동 가능한 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고;
    상기 공기-액체 계면은 상기 액체 방습제의 농축 스트림과 유체 통신하고, 상기 공기-액체 계면은 상기 액체 방습제의 농축 스트림을 상기 공기-액체 계면을 가로질러 유동하는 공기에 노출시키고, 상기 농축 스트림은 상기 공기로부터의 물의 흡수를 통해 희석되어 유출 스트림을 형성하고, 상기 유출 스트림은 상기 전기 투석 스택의 액체 방습제 루프로 다시 순환되는, 액체 방습제 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 펌프로서, 상기 액체 방습제를 상기 전기 투석 스택 및 상기 공기-액체 계면을 통해 순환시키고, 상기 공기-액체 계면으로부터의 상기 유출 스트림은 상기 전기 투석 스택으로 진입시 상기 희석 스트림 및 상기 농축 스트림으로 분할되는, 상기 제1 펌프; 및
    제2 펌프로서, 상기 제1 산화환원 스트림 및 제2 산화환원 스트림을 상기 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막을 가로질러 순환시키는, 상기 제2 펌프를 추가로 포함하는, 액체 방습제 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전압이,
    상기 중앙 이온 교환 막 및 상기 제1 외부 이온 교환 막을 가로지르는 제1 이온 이동으로서, 방습제 농축물을 상기 희석 스트림으로부터 상기 제1 산화환원 스트림으로 그리고 상기 농축 스트림으로 이동시키는, 상기 제1 이온 이동; 및
    상기 제2 외부 교환 막을 가로지르는 제2 이온 이동으로서, 상기 방습제 농축물을 상기 제2 산화환원 스트림으로부터 상기 농축 스트림으로 이동시키는, 상기 제2 이온 이동을 유발하는, 액체 방습제 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 중앙 이온 교환 막이 양이온 교환 막을 포함하고, 상기 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막이 음이온 교환 막을 포함하는, 액체 방습제 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 방습제 농축물이 LiCl을 포함하고, 상기 산화환원 셔틀 루프가 양으로 하전된 페로센 유도체를 포함하는, 액체 방습제 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 중앙 이온 교환 막이 음이온 교환 막을 포함하고, 상기 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막이 양이온 교환 막을 포함하는, 액체 방습제 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 방습제 농축물이 LiCl을 포함하고, 상기 산화환원 셔틀 루프가 페로시아나이드/페리시아나이드 [Fe(CN)6]4-/3- 또는 음으로 하전된 페로센 유도체를 포함하는, 액체 방습제 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 공기-액체 계면과 열 통신하는 열 전달 요소(element)를 추가로 포함하고, 상기 열 전달 요소는 상기 공기로부터의 상기 물의 흡수로부터 상기 공기-액체 계면의 유출 스트림 내로 발생된 열을 히트 싱크(heat sink)로 전달하는, 액체 방습제 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 액체 방습제의 상기 희석 스트림 및 상기 농축 스트림 중 적어도 하나의 분획을 저장하는 저장조(reservoir)를 추가로 포함하고, 저장된 분획은 상기 공기로부터 흡수된 물이 상기 희석 스트림에 첨가된 물의 양과 동일하지 않은 경우 상기 액체 방습제 루프에 첨가되는, 액체 방습제 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 산화환원 셔틀 루프로부터의 유체의 분획을 저장하는 저장조와 유체 통신하는 전기 투석 배터리를 추가로 포함하고, 저장된 분획은 상기 전기 투석 배터리를 통해 전기를 발생시키는데 사용되는, 액체 방습제 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    제3 외부 이온 교환 막 및 제4 외부 이온 교환 막 각각에 의해 상기 액체 방습제 루프의 제2 희석 스트림 및 제2 농축 스트림으로부터 분리된 제3 산화환원 스트림 및 제4 산화환원 스트림을 갖는 제2 산화환원 셔틀 루프; 및
    상기 제3 외부 이온 교환 막과 상기 제4 외부 이온 교환 막 사이의 제2 중앙 이온 교환 막으로서, 전압이 상기 제2 중앙 이온 교환 막과 상기 제3 외부 이온 교환 막을 가로지르는 제2 이온 이동을 야기하고, 이는 방습제 농축물을 상기 제2 희석 스트림으로부터 상기 제3 산화환원 스트림으로 그리고 상기 제2 농축 스트림으로 이동시키는, 상기 제2 중앙 이온 교환 막을 추가로 포함하는, 액체 방습제 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 액체 방습제 루프의 상기 희석 스트림이 상기 산화환원 셔틀 루프와의 막 접촉으로부터 빠져나갈 때 상기 제2 희석 스트림 및 상기 제2 농축 스트림으로 분할되어, 상기 제2 희석 스트림이 상기 제2 중앙 이온 교환 막과 상기 제3 외부 이온 교환 막 사이를 유동하게 하고, 상기 제2 농축 스트림이 상기 제2 중앙 이온 교환 막과 상기 제4 외부 이온 교환 막 사이를 유동하게 하는, 액체 방습제 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2 농축 스트림이 상기 유출 스트림과 거의 동등한 방습제 농축물 수준을 가지며, 상기 제2 농축 스트림이 상기 유출 스트림과 재혼합되는, 액체 방습제 시스템.
  14. 액체 방습제가 공기-액체 계면을 통해 순환하는 단계;
    공기가 상기 공기-액체 계면을 가로질러 유동하는 단계로서, 상기 액체 방습제가 상기 공기로부터 물을 흡수하고, 상기 액체 방습제는 상기 물의 흡수를 통해 희석되어 유출 스트림을 형성하는, 상기 유동 단계;
    상기 유출 스트림이 전기 투석 스택으로의 유입에서 희석 스트림 및 농축 스트림으로 분할되는 단계로서, 상기 전기 투석 스택은 중앙 이온 교환 막, 및 상기 중앙 이온 교환 막과 상이한 유형의 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막을 갖는, 상기 분할 단계;
    상기 희석 스트림이 상기 중앙 이온 교환 막과 상기 제1 외부 이온 교환 막 사이를 유동하는 단계;
    상기 농축 스트림이 상기 중앙 이온 교환 막과 상기 제2 외부 이온 교환 막 사이를 유동하는 단계;
    산화환원 셔틀 루프를 상기 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막 주위로 순환시키는 단계; 및
    전압을 상기 전기 투석 스택을 가로질러 인가하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 전압 인가 단계가,
    상기 중앙 이온 교환 막 및 상기 제1 외부 이온 교환 막을 가로지르는 제1 이온 이동으로서, 방습제 농축물을 상기 희석 스트림으로부터 상기 산화환원 셔틀 루프로 그리고 상기 농축 스트림으로 이동시키는, 상기 제1 이온 이동; 및
    상기 제2 외부 교환 막을 가로지르는 제2 이온 이동으로서, 상기 방습제 농축물을 상기 산화환원 셔틀 루프로부터 상기 농축 스트림으로 이동시키는, 상기 제2 이온 이동을 유발하는, 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 중앙 이온 교환 막이 양이온 교환 막을 포함하고, 상기 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막이 음이온 교환 막을 포함하는, 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 전기 투석 스택으로부터 상기 희석 스트림을 배수하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 액체 방습제의 상기 희석 스트림 및 상기 농축 스트림 중 적어도 하나의 분획을 저장하는 단계; 및
    상기 공기로부터 흡수된 상기 물이 상기 희석 스트림 내의 물과 동일하지 않은 것을 측정하고, 이에 응하여 상기 저장된 분획을 상기 농축 스트림 및 상기 유출 스트림 중 적어도 하나의 스트림에 첨가하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 산화환원 셔틀 루프로부터의 유체의 분획을 저장하는 단계; 및
    상기 유체의 분획을 이용하여 전기 투석 배터리를 통해 전기를 발생시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  20. 전기 투석 스택, 공기-액체 계면 및 현열 냉각 요소(sensible cooling element)를 포함하는 공조 시스템으로서,
    상기 전기 투석 스택은,
    중앙 이온 교환 막에 의해 분리된 액체 방습제의 희석 스트림 및 농축 스트림을 갖는 펌프-구동되는 액체 방습제 루프;
    상기 중앙 이온 교환 막과 상이한 유형의 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막을 가로질러 유동하는 산화환원 셔틀 루프로서, 상기 제1 외부 이온 교환 막 및 제2 외부 이온 교환 막에 의해 상기 액체 방습제 루프의 상기 희석 스트림 및 상기 농축 스트림으로부터 분리되는, 상기 산화환원 셔틀 루프; 및
    상기 전기 투석 스택을 가로질러 전압을 인가하도록 작동 가능한 전극을 포함하고;
    상기 공기-액체 계면은 상기 농축 스트림과 유체 통신하고, 상기 농축 스트림은 상기 공기-액체 계면을 통한 상기 공기로부터의 물의 흡수를 통해 희석되어, 상기 액체 방습세의 유출 스트림 및 제습 공기 스트림을 형성하고, 상기 공기-액체 계면으로부터의 상기 유출 스트림은 상기 전기 투석 스택으로의 진입시 상기 희석 스트림 및 상기 농축 스트림으로 분할되고,
    상기 현열 냉각 요소는 상기 제습 공기를 수용하여 냉각시키는, 공조 시스템.
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