TWI279245B - Fluid deionization flow through capacitor systems - Google Patents

Description

1279245 玖、發明說明： I：發明所屬之技術領域3 發明領域 本發明有關流體去離子化之流通型電容器系統，包括 5 具有增強電容量性質之系統。 t先前技術】 發明背景 已經發展出用於從流體物流分離出材料諸如從水分離 出鹽之流通型電容器。譬如，安多曼(Andleman)的美國專 10 利案 5，192,432、5，186，115、5,200,068、5,360,540、5,415,768、 5,547,581、5,620,597、5,415,768 號及頒予乙和戶四郎 (Toshiro Otawa)的美國專利案5,538,611號係描述用於在活 性碳的交錯電極（電容器）之間過濾經污染及含鹽的水之流 通型電容器系統。當施加電壓時，將水中的鹽、硝酸鹽、 15 完全溶解固體及其他摻雜物吸引至高表面積碳材料。離子 吸附在電極上，因此必須停止處理而使污染物以濃縮液體 產生脫附。藉由電極的短路來達成此作用。 已經將此方法揭露為一種比諸如逆滲透等傳統系統更 好之水除鹽的處理方法，逆滲透可使諸如硝酸鹽等污染物 2〇 通過而促進了細菌成長且對於每加侖淨化的水會浪費一或 更多加侖的水。並且，亦廣泛為人使用的離子交換系統係 會產生污染且使用強酸、強鹼及鹽來使樹脂再生。 去離子水使用在諸如半導體及鍍鉻廠、汽車廠、飲料 生產及鋼處理等許多商業應用中。並且，預定將系統使用 1279245 在家庭單- 、， 凡、企業、製造與公共設施及其他應用中藉以回 收其水輪出、節省成本且保護環境。 田…、、，主要的流通型電容器技術係以合理成本進行海 5 2除鹽而對於需要的區域提供取之不盡的可用水源。目 ^利用包括碳奈米管的新材料進行先進研究。然而，奈 米技術尚未成為可貞擔且完全被人瞭解之領域。 然而，第三世界對於水具有迫切的需求。世界上三分 的人口热法取得乾淨用水。開發中國家的大部份疾病 ^有關母年有超過5百萬人死於諸如腹满、病疾及霍i 10等易於防止之經由水傳播的疾病。 簡單言之，飲水是未來最有價值的日用物。世界人口 在50至90年之間將會倍增。個體的耗水量將增加，但供給 卻減y世界的80%人口生活在海岸線的200英哩内，其中 可取得水但卻無法供飲用或農用。70%的地下水含鹽。所 15有疾病中有85%與不安全的飲水相關聯。 口此世界上需要一種低成本、安全且有效率之用於 將水除鹽或視需要從材料移除其他物質之系統及方法。 【明内溶1】 發明概要 20 藉由本發明的數種用於從流體移除離子性物質諸如從 水移除鹽之方法及裝置來克服或減輕了先前技術的上述及 其他問題與缺失。

SlL通型電谷器在此處描述為具有改良的能力。一般而 言，形成不對稱的流通型電容器，而增加了整體的電容量。 1279245 可利用不同材料、不同尺寸或具有不同電容量性質的相同 材料之電極來達成_稱性。 '、” 技衍者可由下文詳細描述及圖式來認知及瞭解 本發明的上述與其他特性及優點。 、 5圖式簡單說明 第1圖為-習知的流通型電容器之示意圖； 第2圖為根據本發明之一不對稱的流通型電容器之示 意圖； 第3圖為根據本發明之另一不對稱的流通型電容器之 10示意圖，此電容器具有一帶狀結構形式之負電極且其婉誕 經過一用於流體去離子化之第-組正電極及-用於離子回 復之第二正電極； 第4圖為根據本發明之另一不對稱的流通型電容器之 示W圖此電各器具有一帶狀結構形式之負電極且其橫越 15用U去離子化之正電極及—用於離子回復之第二正 電極；及 弟5圖為a 1 , 巴括通道之流通型電容器的一電極之等角 圖。 【實施令式】 20示範性實施例的詳細描述 現在參照笫 不丄圖’ 一不乾性習知對稱的流通型電容器 100在圖中包含〜 々 〜具有笔谷值C+的正電極110及一具有電容 值C-之負電極 y 、 一 ^通型電容器100的整體電容量C(總 量)係由式1所| $ 1279245 式1 : l/CT=(l/C+)+(l/C-) 在習知的流通型電容器中，電極110、120概括相同， 因此其電容量為相同值c。因此，利用式i，1/CT= (1/C)+(1/C)=2/C ;且整體電容量CtJ/zC。 5 雖然第1圖的範例及（第2圖）其他實施例中只顯示一對 電極，一般使用多組電極。各組電極之間包括一可供流體 流動之空間。當施加電壓（譬如從一DC供源，且經由適當接 觸部來接觸電極)及一離子性流體通過時，將適當電荷的離 子吸引至電極，形成一電性雙層。如此技術所知，電極的 10 短路將使此程序反轉，而從電極移除所吸引的離子。 現在參照第2圖，顯示根據本發明之一不對稱的流通 型電容器200之示意圖。流通型電容器200包括一具有電容 值C+’之正電極210及一具有電容值C-(亦即與電極12〇相同 的電容量）之負電極220。如果C+值充分地增加，式丄中的表 15達式1/C+趨近零，因此可在式2中表達整體電容量Ct，。 式2 : C+，》C+ 1/CT，《1/C- CJrp5 «(]]-.sas2Ct 可利用一不對稱的組態充分地增加電容值4，其中一 20電極具有遠高於另一電極之電容量。因此，可由式2看出， 整體電容量CT，約為用於負電極的具有相同電容值之對稱性 單元的兩倍。熟習該技術者瞭解雖然此處的範例描述正電極 具有增加的電容量，相同的整體電容量增幅將來自於一種可 使負電極的電容量顯著大於正電極的電容量之系統。 1279245 應瞭解負及正電極的相對值可使得一者的電容量至小 為另一者的兩倍。因此’將本文所用的“顯著大於，，定義為 至少為該值的兩倍。 又我馮 5 一般而言’各電極的離子性電容量取决於電極 徵。這些特徵可能包括電極的有效表面積、電極的構成材 料、或至少一上述特徵的組合。 可能利用較高表面積材料來構成—電極以増加—電極 相對於另—電極之孔隙性或其他物理特徵，藉以增加有效 表面積。 1〇 #料與離子的交互侧可能以電極的構請料為基礎 來增加電容量。 一較佳實施例中，將流通型電容器3〇〇使用在水除鹽用 途。此實施例中，負電極220吸引正鈉離子，而正電極21〇 吸引負氣離子。 15 在水除鹽流通型電容器的一實施例中，負及正電極 220、210由相同材料形成。將一電極增加容積使得所增加 的電極顯著地增大電容量，藉以獲得不對稱性。此實施例 中，電極可能譬如包含高表面積的碳或如此處進一步所述 之其他適當材料。 20 水除鹽流通型電容器之另一實施例中，負及正電極 220、21〇由相同材料形成。將一電極增加表面積使得所增 加的電極顯著地增大電容量，藉以獲得不對稱性。此實施 例中’電極可能譬如包含高表面積的碳或如此處進一步所 述之其他適當材料，藉此使一個電極的表面積充分地大於 1279245 另-電極的表面積俾令較高表面積的電極之電容量充分地 大於另一電極以達成所需要的不對稱性。 水除鹽流通型電容器之另-實施例中，負及正電極 220、21G由不同材料形成。藉由這些不同材料的先天電容 5量差異來獲得不對稱性。此實施例中，負電極可能譬如包 含高表面積的碳或如此處進一步所述之其他適當材料，且 正電極包含-氣釋放電極，如此處進_步所述。因為氯釋 放電極般不吸附離子，電容量實質上不受限制，藉以達 成不對稱性。請注意此實施例的特徵可能作為一複合系 1〇統，其中藉此將鈉離子吸附在負的高表面積電極且隨後加 以脫附，氯離子在氣釋放電極上經歷電化反應以形成氯氣 且可將其捕捉以供後續使用、釋入空氣中、溶解於水中、 或上述組合。 此處單獨將-高表面積傳導性組份形成為特定電極， 15或可將其支撐在適當基材上（依據電極形式而為傳導性或 非傳導性基材）。或者，-電流集器或一高表面積傳導性組 份譬如可能為數層的形式或可能為單層形式，如同下案揭 露的示範性空氣陰極所描述—1999年1〇月8日提交之頒予姚 (Wayne Yao)及蔡(Tsepin Tsai)名稱為“用於燃料電池之電化 20電極”美國專利案6,368,751號，此案以引用方式整體併入本 文中。 流通型電容器中使用之高表面積傳導性材料可#包人 廣泛不同的導電材料，包括但不限於石墨、活性皆顆粒 活性碳纖維、與結合劑材料一體成型的活性碳顆粒、織告 10 1279245 的活性碳纖維性片、織造的活性碳纖維性布、棒織造的活 性碳纖維性片、非織造的活性碳纖維性布；經壓縮活性碳 顆粒、經壓縮活性碳顆粒纖維；艾來特、金屬導電顆 粒、金屬導電纖維、乙块黑、貴金屬、貴金屬鑛覆材料、 5富勒烯、傳導性陶竞、傳導性聚合物、或包含上列至少-者之任何組合°高表面積材料可能選擇性包括-種諸如 把、翻系黑等傳導性材料之塗覆或锻覆處理以增強導電 1*生。同表面積亦可*諸如氫氧化料倾或氟㈣素之化 學物處理；以增加表面積及傳導性。依據包括但不限於下 10列因素而定，最好採用每克大於約1〇〇〇平分公尺表面積的 活性碳材料，但已知亦可採用較低表面積的材料：電極之 間的距離、施加的電壓、所需要的離子移除程度、可移式 陰極的速度及可移式陰極的組態。 在使用不同電極的水除鹽流通型電容器之實施例中， 15氯釋放電極可能包含板狀、網狀、格狀、海綿狀或類似形 式之任何適當的氯釋放電極。氯釋放電極的材料可能為石 墨或尺寸穩定的陽極（DSA)，如同氯/強鹼製造技術所習 知。適當的DSA包括具有釕、錶、翻、把或其混合物的有 效表面層之鈦、錯、铪、銳或其混合物。 20 可能將一分離器選擇性設置於電極之間，如同此技術 所習知，以防止相對的電極之間的不良電性接觸，並在電 極表面上選擇性提供結構整體性。分離器可為能夠將電極 電性隔離且可讓其間具有充分離子性運送之任何市售的分 離裔。適當的分離器以包括但不限於下列的形式提供：織 11 1279245 造、非織造、多孔(諸如微孔性或奈米孔性）、蜂巢住、聚合 物片及類似物。用於分離器的材料包括但不限於：耐綸、 I細fe (譬如購自陶氏化學公司（D〇w Chemical Company)的 Gelgard®)、聚乙烯醇(PVA)、纖維素（譬如硝酸纖維素、醋 5 酸纖維素及類似物）、聚乙烯、聚醯胺（譬如耐綸）、氟碳型 樹脂（譬如購自杜邦（du Pont)具有磺酸基功能之Nafion®家 族樹月曰）、賽路紛、渡紙、及包含至少一種上列材料之組合。 分離器亦可包含添加物及/或塗層諸如丙烯酸化合物及類 似物，以使其更可被電解質所濕潤及穿透。 1〇 或者，分離器亦可提供離子傳導性，譬如藉由固態薄 膜的形式。適當的薄膜描述於共同讓渡之1998年9月17曰提 交頒予姚、蔡、張及陳(Wayne Yao、Tsepin Tsai、Yuen-Ming Chang及Muguo Chen)名稱為“以聚合物為基礎之氫氧化物 傳導薄膜”之美國專利案6，183,914號；1999年2月26日提交 15 的陳、蔡、女也、張、李及凱倫(Muguo Chen、Tsepin Tsai、 Wayne Yao、Yuen-Ming Chang、Lin-Feng Li及Tom Karen) 名稱為“固體凝膠薄膜”之美國專利申請案09/259,068號； 2000 年 1月 11 日提交的陳、蔡、李（Muguo Chen、Tsepin Tsai、 Lin-Feng Li)名稱為“可再充電電化電池中之固體凝膠薄膜 20 分離器”之美國專利申請案09/259,068號；2001年8月30日提 交的高樂漢、史帝芬及陳(Robert Callahan、Mark Stevens 及Muguo Chen)的名稱為“聚合物基體材料”之美國專利申 請案09/943,053號；2001年8月30日提交的高樂漢、史帝芬 及陳(Robert Callahan、Mark Stevens及Muguo Chen)的名稱 12 1279245 為“採用聚合物基體材料之電化電池，，之美國專利申請案 09/942,887號；所有各案以引用方式整體併入本文中。 分離器可豐層在電極上’或者在電極的一或多個表面 上於現場聚合。 5 現在參照第3圖，描述另一種不對稱的流通型電容器 300。流通型電容器300包括一可移式負電極32〇，且其馨如 為帶狀結構的形式。如同熟習該技術者所瞭解，可能採用 適當的滚子結構及其他機械及/或機電結構以讓帶狀電極 320橫越。正電極310設置於帶狀電極320的蜿蜒路徑中。如 10圖所示，流通型電容器300包括一除鹽次系統3〇2、及一電 極再生次系統304(用於從帶狀電極320移除經吸附離子）。再 生次系統304包括用於使離子從帶狀電極32〇脫附之任何適 當的電極330，諸如一空氣擴散電極。或者，電極再生次系 統304可包含如此技術所熟習用於使負帶狀電極32〇短路以 15 讓離子脫附之適當組態。 現在參照第4圖，描述另一不對稱的流通型電容器 3〇〇。流通型電容器棚包括一可移式負電極42〇，且其孽： 為帶狀結構的形式。如同熟習該技術者所瞭解，可能採用° 適當的滾子結構及其他機械及/或機電結構以 20 橫越。-正電極樣設置為與帶狀電極物呈離子性導 通。如圖所示，流通型電容器_包括—除鹽次系統術、 及-電極再生次系統撕(用於從帶狀電極伽移除婉吸附 離子）。再生次系統撕包括用於使離子從帶狀電極侧脫附 之任何適當的電極43〇，諸如一空氣擴散電極。或者，恭極 13 1279245 再生火系、、4 404可包3如此技術所熟習用於使負帶狀電極 420短路以讓離子脫附之適當組能。 在第3及4圖的組怨中，藉由至少三種機構提供不對稱 性。在t例中，電極的材料及表面積可能相似。另一案 5例中，電極的材料可能相似，但電極的表面積可能不同Ϊ 因為橫越作用可讓電容量增大而使帶狀電極珊42〇 比靜態電極训細更大的電容量，故達成了不對稱性。、在 另一案例中，用於電極的材料可能不同，譬如 ~包含高表面積材料諸如吸附用的碳，而靜態 10 310/410包含氯釋放電極。 “电位 現在蒼照弟5圖，描诚 4+ , 田述—其十具有通道550之示範性電 極540。電極540包含一體部地且其譬 電 極所述相同之材料形成。並且，生、”文對於電 或其他方式與電極的體部545 — ^；擇性分離器可以疊層 面，可採用其他形狀，包射形、長方料/开^ ^ 當類似於電極的電極使用在：或:壬何形狀組合。 時，可顯著地增高流體產出率 〜通型電容器中 減小以使整體產出增高。電容器的Λ^545的間隔可能 〇現平衡以具有最佳化的效能（在容度必須與產出呈 電荷儲存盡量加大以增加電荷儲存率）Γ產出的情形下使 -電池中的兩電極皆如第5圖所示 可能對齊以使通道對準或偏移，且、有通道。這些電極 極組態中，以及對稱與不對稱系統中。用在雙極組態或單 14 1279245 並且，一具有一或多個電極540之電池内的整體壓力可 能減小，藉此簡化具有複數個此等電池的電化流通型電容 器系統之任何所需要的支撐結構。並且，電極的整體表面 積將因為包括複數個通道545而增大。 5 雖然已經顯示及描述較佳實施例，可作出各種不同修 改及替代而不脫離本發明之精神與範圍。為此，可瞭解已 經由示範而非限制來描述本發明。 t圖式簡單說明3 第1圖為一習知的流通型電容器之示意圖； 10 第2圖為根據本發明之一不對稱的流通型電容器之示 意圖； 第3圖為根據本發明之另一不對稱的流通型電容器之 示意圖，此電容器具有一帶狀結構形式之負電極且其婉蜒 經過一用於流體去離子化之第一組正電極及一用於離子回 15 復之第二正電極； 第4圖為根據本發明之另一不對稱的流通型電容器之 示意圖，此電容器具有一帶狀結構形式之負電極且其橫越 一用於流體去離子化之正電極及一用於離子回復之第二正 電極；及 20 第5圖為一包括通道之流通型電容器的一電極之等角 圖。 15 1279245 【圖式之主要元件代表符號表】 100…通型電容器 110、210、310、410···正電極 120、220…負電極 200、300、400…不對稱的流通 型電容器 302、402…除鹽次系統 3〇4、404…電極再生次系統 320、420…可移式負電極 330、430、540…電極 545…體部 550…通道 CT、CT’···整體電容量

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Claims (1)

1279245 拾、申請專利範圍： 1. 一種流通型電容器，包含一具有一電容量值c+的正電極 及一具有一電容量值C-的負電極，其中整體電容量CT 以下式界定： 5 l/CT=(l/C+)+(l/C-)， 且其中C+及C-值充分地不同以形成一不對稱的電容器。 2. 如申請專利範圍第1項之流通型電容器，其中該正電極 及該負電極包含類似的材料。 3. 如申請專利範圍第2項之流通型電容器，其中該正電極 10 及該負電極包含高表面積傳導性組份。 4. 如申請專利範圍第3項之流通型電容器，其中該等高表 面積傳導性組份支撐在基材上。 5. 如申請專利範圍第4項之流通型電容器，其中該基材為 導電性。 15 6.如申請專利範圍第4項之流通型電容器，其中該基材為 不導電性。 7. 如申請專利範圍第5或6項之流通型電容器，其中該等高 表面積傳導性組份浸入剛性海綿基材中。 8. 如申請專利範圍第5項之流通型電容器，其中該等高表 20 面積傳導性組份浸入剛性海綿基材中。 9. 如申請專利範圍第3項之流通型電容器，其中該等高表 面積傳導性組份選自包括下列各物的群組：石墨、活性 碳顆粒、活性碳纖維、與一結合劑材料一體成型之活性 碳顆粒、織造活性碳纖維性片、織造活性碳纖維性布、 17 1279245 非織造活性碳纖維性片、非織造活性碳纖維性布；經壓 縮活性碳顆粒、經壓縮活性碳顆粒纖維；艾來特(azite)、 金屬導電顆粒、金屬導電纖維、乙炔黑、貴金屬、貴金 屬鍍覆材料、富勒烯、傳導性陶瓷、傳導性聚合物、或 5 包含至少一上列材料之任何組合。 10. 如申請專利範圍第1項之流通型電容器，其中該正電極 及該負電極包含不同的材料。 11. 如申請專利範圍第10項之流通型電容器，其中該正電極 或該負電極包含高表面積傳導性組份。 10 12.如申請專利範圍第11項之流通型電容器，其中該等高表 面積傳導性組份支撐在基材上。 13. 如申請專利範圍第12項之流通型電容器，其中該基材為 導電性。 14. 如申請專利範圍第12項之流通型電容器，其中該基材為 15 不導電性。 15. 如申請專利範圍第13或14項之流通型電容器，其中該等 高表面積傳導性組份浸入剛性海綿基材中。 16. 如申請專利範圍第13項之流通型電容器，其中該等高表 面積傳導性組份浸入剛性海綿基材中。 20 17.如申請專利範圍第11項之流通型電容器，其中該等高表 面積傳導性組份選自包括下列各物的群組：石墨、活性 碳顆粒、活性碳纖維、與一結合劑材料一體成型之活性 碳顆粒、織造活性碳纖維性片、織造活性碳纖維性布、 非織造活性碳纖維性片、非織造活性碳纖維性布；經壓 18 1279245 縮活性碳顆粒、經壓縮活性碳顆粒纖維；艾來特(azite)、 金屬導電顆粒、金屬導電纖維、乙炔黑、貴金屬、貴金 屬鍍覆材料、富勒烯、傳導性陶瓷、傳導性聚合物、或 包含至少一上列材料之任何組合。 5 18.如申請專利範圍第11項之流通型電容器，其中該相對電 極選自包括下列各物的材料之群組：石墨或尺寸穩定的 陽極。 19. 一種不對稱的流通型電容器，包含具有一電容量值C+ 的正電極及一具有一電容量值C-的負電極，其中電容量 10 值C+足夠大以使表達式1/C+趨近零，其中整體電容量 CT為 1/CT«1/C- 〇 20. —種不對稱的流通型電容器，包含具有一電容量值C+ 的正電極及一具有一電容量值C-的負電極，其中電容量 15 值C+足夠大以使表達式1/C-趨近零，其中整體電容量CT 為 1/CT«1/C+。 21. —種用於一流通型電容器之電極，其中包含用於流體流 之通道。 20 22. —種電極-分離器總成，包含一電極，其中包括用於流 體流之通道，且包含一分離器，其以疊層或其他方式與 該電極一體成型。 19