WO2013103236A1 - 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치 - Google Patents

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WO2013103236A1
WO2013103236A1 PCT/KR2013/000007 KR2013000007W WO2013103236A1 WO 2013103236 A1 WO2013103236 A1 WO 2013103236A1 KR 2013000007 W KR2013000007 W KR 2013000007W WO 2013103236 A1 WO2013103236 A1 WO 2013103236A1
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cathode
electrolyte
hole
separation membrane
transfer plate
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박종수
김동국
황경란
여정구
추고연
김태환
이춘부
전성일
박홍란
정헌도
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Korea Institute of Energy Research KIER
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Korea Institute of Energy Research KIER
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    • C02F1/469—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
    • C02F1/4691—Capacitive deionisation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features

Definitions

  • the present invention relates to a stack type fluidized bed deionization apparatus for stack fluidized bed, and more particularly, to a stack type fluidized bed capacitive deionized device capable of increasing the processing capacity per unit time due to an increase in the number of stacked sheets. It is about.
  • Liquid desalination may be carried out in various ways such as evaporation, separation membrane, capacitive deionization (CCI), and flow capacitive deionization (FCDi).
  • evaporation separation membrane
  • CCI capacitive deionization
  • FCDi flow capacitive deionization
  • FCDi is evaluated as a new technology in the desalination field as a process that does not require a continuous process and active material coating.
  • FCDi can simultaneously store energy when storing adsorbed ions in a separate container, it is evaluated as a technology that can be utilized for energy storage as well as desalination.
  • the module according to the above configuration can perform the battery function by desalting and operation opposite to the process.
  • An object of the present invention devised to solve the above problems is that the electrode material and the electrolyte are supplied and discharged to a single inlet and outlet, respectively, regardless of the number of stacked layers in the FCDi structure in which the unit cells are stacked.
  • the connection of the holes provides a configuration of a compact modular unit cell constituting the distribution hole.
  • Still another object of the present invention is to provide a processing capacity expansion module per unit time by increasing the number of unit cell stacks in an FCDi process.
  • the number of cathodes, anodes, and electrolyte particles is the same as that of the unit cells. Compared to cost, space can be competitive.
  • a laminated fluidized bed capacitive deionization apparatus comprising: a positive electrode active material channel consisting of a positive electrode active material moving and a positive electrode active material supply path, a positive electrode active material delivery path, and a positive electrode active material discharge path, and a negative electrode active material moving and a negative electrode active material supply path; A negative electrode active material passage consisting of a negative electrode active material transfer passage and a negative electrode active material discharge passage, and an electrolyte passage consisting of an electrolyte supply passage, an electrolyte transfer passage, and an electrolyte discharge passage, wherein the positive electrode active material transfer passage and the electrolyte transfer passage are anions Contacted by a separator, the cathode active material delivery path and the electrolyte delivery path contacted by a cation separation membrane, the cathode active material supply path, the cathode active material discharge path, the anode active material supply path, the cathode active material discharge path, the electrolyte supply
  • One or both of the pair of cathode tubes connected to both ends of the negative electrode active material flow path is installed, and one or both of the upper and lower plates is provided with a pair of electrolyte tubes connected to both ends of the electrolyte flow path, respectively.
  • the positive electrode terminal is connected to the active material flow path, and the negative electrode terminal is connected to the negative electrode active material flow path.
  • the unit cell may include a one side cathode transfer plate having one side cathode channel exposed toward the upper side, a cation separator stacked on the one side cathode transfer plate, and an electrolyte channel stacked on the cation separator and exposed toward both sides.
  • the branch may have an electrolyte transfer plate, an anion separation layer stacked on the electrolyte transfer plate, and a one side positive electrode transfer plate having one side positive electrode channel stacked on the anion separation layer and exposed downward.
  • the unit cell may include a bilateral positive electrode transport plate having bilateral positive electrode channels exposed toward both sides, an anion separation membrane attached below the both positive electrode transmission plates, and an electrolyte channel attached below the anion separation membrane and exposed toward both sides.
  • anode transfer plate having an electrolyte transfer plate, a cation separation membrane attached below the electrolyte transfer plate, both cathode channels attached below the cation separation membrane and exposed toward both sides, and disposed below the both cathode transfer plates. And a cation separation membrane, an electrolyte transfer plate attached below the cation separation membrane and exposed toward both sides, and an anion separation membrane disposed below the electrolyte transfer plate.
  • the one side cathode transfer plate, the cation separation membrane, the electrolyte transfer plate, the anion separation membrane, and the one side bipolar transfer plate may each have a first anode hole, a second cathode hole, a first cathode hole, a second cathode hole, and a first cathode hole.
  • An electrolyte hole and a second electrolyte hole are formed to be separated from each other, the first anode hole and the second anode hole communicate with each other by the one cathode channel, and the first cathode hole and the second cathode hole are the one cathode side.
  • the first electrolyte hole and the second electrolyte hole communicate with each other by an electrolyte channel, and the positive terminal is electrically connected to one of the first positive electrode hole and the second positive electrode hole.
  • the cathode terminal may be electrically connected to one of the first cathode hole and the second cathode hole.
  • the unit cell stacking structure according to the present invention can provide a stacked fluidized bed deionization device having an enlarged capacity.
  • a compact module is provided as compared to an independent unit cell parallel connection configuration. This is expected to contribute to the commercialization of large-scale desalination, wastewater treatment, energy storage, energy production equipment.
  • 1 is a schematic cross-sectional view of the operating principle of the fluidized bed deionization device.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a fluidized bed deionization apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • Figure 3 is a perspective view from below of the one-side positive electrode transfer plate used in the fluidized bed deionization apparatus of FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG.
  • FIG. 5 is a perspective view of an electrolyte transfer plate used in the fluidized bed deionization apparatus of FIG. 2.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line B-B of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a perspective view of one side cathode transfer plate used in the fluidized bed deionization apparatus of FIG. 2.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line C-C of FIG.
  • FIG. 9 is a perspective view of a partially assembled state of the fluidized bed deionization apparatus of FIG. 2.
  • FIG. 10 is a perspective view of the assembled state of the fluidized bed deionization apparatus of FIG. 2.
  • FIG. 10 is a perspective view of the assembled state of the fluidized bed deionization apparatus of FIG. 2.
  • FIG. 11 is a partially exploded perspective view of the fluidized bed deionization apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 12 is an exploded perspective view of a fluidized bed deionization apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 13 is a perspective view of the bilateral cathode transfer plate used in the fluidized bed deionization apparatus of FIG. 12.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view taken along the line D-D of FIG. 13.
  • FIG. 15 is a perspective view of the bilateral positive electrode transfer plate used in the fluidized bed deionization apparatus of FIG. 12.
  • 16 is a cross-sectional view taken along the line E-E of FIG.
  • FIG. 17 is a partially exploded perspective view of the fluidized bed deionization apparatus of FIG. 12.
  • FIG. 18 is a perspective view of the assembled state of the fluidized bed deionization apparatus of FIG. 12.
  • FIG. 19 is a partially exploded perspective view of the fluidized bed deionization apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 20 is a partially exploded perspective view of the fluidized bed deionization apparatus according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the present invention provides a method for constructing a stacked fluidized bed deionization device having an increased capacity by repeating unit cells.
  • FCDi fluidized-bed capacitive deionization
  • the fluidized-phase capacitive deionization apparatus 1 has a positive electrode active material 12 flowing between the positive electrode current collector 11 and the positive electrode channel 14 formed between the positive electrode separation membrane 13. And a fluidized bed cathode 20 having a phase anode 10 and a cathode active material 22 flowing through a cathode flow passage 24 formed between the anode current collector 21 and the cathode separator 23.
  • ions may be moved from the electrolyte 30 to concentrate the electrolyte solution.
  • the positive electrode current collector 11, the negative electrode current collector 21, the positive electrode separator 13, and the negative electrode separator may be used as long as they have been used in a conventional fluidized electrode system (battery, battery, etc.). It is possible, and those skilled in the art can appropriately select and use according to the purpose and conditions of use.
  • Electrode materials such as the positive electrode active material 12 and the negative electrode active material 22 may be porous carbon (activated carbon, carbon fiber, carbon aerogel, carbon nanotube, etc.), graphite powder, metal oxide powder, or the like. Can be used in a fluidized state.
  • the positive electrode active material and the negative electrode active material may be different materials, but the same material may be used.
  • the width of the anode channel 14 and the cathode channel 24 may be formed to be equal to or less than an interval between the electrode current collector and the separator in the conventional fluidized bed electrode system. This is because there is a problem that the size of the fluidized bed electrode system is large when the electrode active material is fixed to secure the capacity of the active material required for charging and discharging, and there is a limitation in the distance between the electrode current collector and the separator in which the active material is filled. In the fluidized-phase capacitive deionization apparatus 1, since the electrode active material can be continuously supplied, the design can be freely changed according to the purpose of use, the active material, the electrolyte, and the like without such limitation.
  • the width of the anode flow passage 14 and the cathode flow passage 24 may be used in a size of several tens of micrometers to several mm.
  • the width of the electrolyte flow path 34 can likewise be supplied continuously with electrolyte, so that the design can be appropriately changed without limitation due to the size of the fluidized bed electrode system.
  • the anode separation membrane 13 and the cathode separation membrane 23 may be microporous insulation separation membranes or ion exchange (conduction) membranes.
  • the anode separation membrane 13 and the cathode separation membrane 23 are provided for electrophysical separation, and the micropore insulation separator can only move ions, and the ion exchange membrane is a cation or anion. Only anions can be moved selectively.
  • the electrolyte 30 is desalted (deionized) to be concentrated water. Since the electrolyte in the inside is separated into the positive electrode channel 14 and the negative electrode channel 24 may be desalination. Therefore, compared to the conventional evaporation method or reverse osmosis (RO) method, water treatment is possible at a very low energy cost, and large capacity is possible.
  • RO reverse osmosis
  • reference numeral 100 designates a stacked fluidized bed deionization apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the stacked fluidized bed deionization apparatus 100 includes a top plate 110 and a bottom plate 170, and a unit cell 101 interposed between the top plate 110 and the bottom plate 170.
  • a positive electrode, a negative electrode active material, a supply hole and an discharge hole of the electrolyte are respectively disposed in the upper plate 110 and the lower plate 170. That is, the moving directions of the positive electrode active material, the negative electrode active material, and the electrolyte may be changed as necessary.
  • the supply and discharge holes may be arranged on both sides of the upper plate or the lower plate or distributed.
  • the electrolyte and the positive electrode active material are supplied to the upper plate 110 and discharged to the lower plate 170 for ease of explanation, and the negative electrode active material is lowered to the 170. It is supplied and discharged to the top plate (110). Therefore, the upper plate 110, the upper cathode tube 111, the upper electrolyte tube 115, the upper cathode tube 114 is formed, the lower plate 170, the lower anode tube 176, lower electrolyte tube 172, The lower cathode tube 173 is formed.
  • the unit cell 101 includes an electrolyte transfer plate 140 in which an electrolyte moves between the positive electrode transfer plate 120, the negative electrode transfer plate 160, and the positive electrode transfer plate 120 and the negative electrode transfer plate 160.
  • the unit cell 101 has an anion separation membrane 130 that prevents direct contact between the cathode active material and the electrolyte between the cathode transport plate 120 and the electrolyte transport plate 140.
  • each of the electrolyte transfer plate 140 and the cathode transfer plate 160 has a cation separation membrane 150 to prevent direct contact between the negative electrode active material and the electrolyte.
  • the positive electrode transport plate 120 and the negative electrode transport plate 150 should be configured to supply power to the active material by coating a conductive material on the surface of the flow path through which the active material is moved when made of a conductive metal or composed of a non-conductive material. do.
  • the electrolyte transfer plate 140 should be made of a non-conductive material, or when the conductive material is formed of a conductive material to be coated with a non-conductive material to prevent the conduction of the negative electrode and the positive electrode.
  • the two anode holes 126, 136, 146, 156, 166, the first electrolyte holes 122, 132, 142, 152, 162, the second electrolyte holes 125, 135, 145, 155, 165, the first cathode holes 123, 133, 143, 153, 163, and the second cathode holes 124, 134, 144, 154, 164 are formed to be separated from each other.
  • the holes 124, 134, 144, 154, and 164 are formed at the same positions in the positive electrode transfer plate 120, the anion separator 130, the electrolyte transfer plate 140, the cation separator 150, and the negative electrode transfer plate 160, respectively.
  • the positive electrode transfer plate 120, the anion separation membrane 130, the electrolyte transfer plate 140, the cation separation membrane 150, and the negative electrode transfer plate 160 are stacked, one tube is formed.
  • the upper anode tube 111, the upper electrolyte tube 115, the upper cathode tube 114, the lower anode tube 176, the lower electrolyte tube 172, the lower cathode tube 173 is also the tube It is formed in a position that can communicate with.
  • One anode channel 127 is formed at the lower portion of the cathode transfer plate 120 to communicate the first cathode hole 121 and the second anode hole 126 with each other.
  • the one positive electrode channel 127 is formed to be exposed downward, as shown in FIGS. 3 and 4.
  • either one of the first anode hole 121 and the second cathode hole 126 is provided with a cathode terminal 128 that is electrically connected to the anode of the power source.
  • the cation separation membrane 130 is a polymer membrane having a sulfonic acid group (SO 3- ), a carboxyl group (COO-), a phosphoric acid group (PO 4- ) and the like and the anion separation membrane 150 is 1, which can exchange anions It consists of a polymer membrane material with a 2,3,4 ammonium group attached.
  • One cathode channel 167 is formed on the cathode transfer plate 160 to communicate the first cathode hole 123 and the second cathode hole 124 with each other.
  • the one cathode channel 167 is formed to be exposed upward, as shown in FIG.
  • either one of the first cathode hole 123 or the second cathode hole 124 is provided with a cathode terminal 168 electrically connected to the anode of the power source.
  • the electrolyte flows inside the first electrolyte hole 132 and the second electrolyte hole so that the electrolyte may contact the anion separation membrane 130 and the cation separation membrane 150, respectively.
  • An electrolyte channel 147 communicating with each other 134 is formed therethrough.
  • the stacked fluidized bed capacitive deionization apparatus 100 is basically configured as described above. Accordingly, the positive electrode transport plate 120, the anion separator 130, the electrolyte transfer plate 140, the cation separation membrane 150, and the negative electrode transfer plate 160 are stacked, and the upper plate 110 and the upper and lower portions thereof. By joining the lower plate 170, the stacked fluidized bed deionization apparatus 100 as shown in FIG. 9 is completed. Hereinafter, the operation of the laminated fluidized bed storage deionization apparatus 100 will be described.
  • the inflow and outflow of the positive electrode active material, the negative electrode active material, and the electrolyte are formed on the upper positive electrode tube 111, the upper electrolyte tube 115, the upper negative electrode tube 114, and the lower plate 170 formed on the upper plate 110.
  • the lower cathode tube 176, the lower electrolyte tube 172, and the lower cathode tube 173 may be selected.
  • the positive electrode active material is supplied to the upper positive electrode tube 111 and discharged to the lower positive electrode tube 176
  • the electrolyte is supplied to the upper electrolyte tube 115 and discharged to the lower electrolyte tube 172.
  • the cathode active material is supplied to the lower cathode tube 173 and is discharged to the upper cathode tube 114.
  • the positive electrode active material is supplied to the upper positive electrode tube 111 is formed on the positive electrode transfer plate 120, the anion separation membrane 130, the electrolyte transfer plate 140, the cation separation membrane 150, the negative electrode transfer plate 160, respectively
  • the first anode holes 121, 131, 141, 151, and 161 are laminated to each other to proceed to the cathode active material supply path.
  • the positive electrode active plate 120 passes through one side of the positive electrode channel 127, which is the positive electrode active material transfer path, and passes through the positive electrode active material discharge path formed by stacking the second positive electrode holes 126, 136, 146, 156 and 166 with each other, and lower part of the lower plate 170. It is discharged through the anode tube (176).
  • the anode active material is supplied to the lower anode tube 173 and is formed on the cathode transfer plate 120, the anion separator 130, the electrolyte transfer plate 140, the cation separator 150, and the cathode transfer plate 160, respectively.
  • the cathode holes 124, 134, 144, 154, and 164 are stacked to form a cathode active material supply path.
  • the first cathode hole 123, 133, 143, 153, 163 is formed by stacking the first cathode holes 123, 133, 143, 153, 163 stacked on each other, passing through one cathode channel 167 serving as the cathode active material transfer path in the cathode transport plate 160, and an upper portion of the upper plate 110. It is discharged through the cathode tube 114.
  • the electrolyte is supplied to the upper electrolyte tube 115 and the second electrolyte is formed on the positive electrode transfer plate 120, the anion separator 130, the electrolyte transfer plate 140, the cation separator 150, and the negative electrode transfer plate 160, respectively.
  • the holes 125, 135, 145, 155, and 165 proceed to the electrolyte supply path formed by stacking each other.
  • the first electrolyte hole 122, 132, 142, 152, and 162 is stacked on the electrolyte channel 147 through the electrolyte channel 147, which is a cathode active material transfer path, from the electrolyte transfer plate 140 to the lower electrolyte tube of the lower plate 170. Is discharged through 172.
  • the electrode plays the same role as the electrode.
  • Anion of the electrolyte passing through the electrolyte channel 147 flows into the one cathode channel 127 through an anion separation membrane 130.
  • the cations in the electrolyte passing through the electrolyte channel 147 flow into the one cathode channel 167 through the cation separation membrane 150.
  • the stack-type fluidized bed deionization device 102 of the stacked type is a stack of a plurality of unit cells 101 in the stackable fluidized bed deionization device 100 of the first embodiment, as shown in FIG.
  • the length of the positive electrode active material supply passage and the positive electrode active material discharge passage, the negative electrode active material supply passage and the negative electrode active material discharge passage, the electrolyte supply passage and the electrolyte discharge passage only increases, all the operation principle is an embodiment Same as 1 Therefore, only by stacking the plurality of unit cells 101, the processing capacity of the stacked fluidized bed deionization apparatus 102 can be easily increased.
  • the stacked fluidized bed deionization apparatus 104 is for reducing the number of components used in the unit cell 105 compared to the stacked fluidized bed deionization apparatus 100 according to the first embodiment.
  • the anode transfer plates of the unit cells below the cathode transfer plates of the upper unit cells are separated from each other.
  • the anion separation membrane 130 may be disposed above and below the one cathode transfer plate 190, and one cathode transfer plate 180 may be disposed.
  • C) may be disposed above and below the cation separation membrane 150. Therefore, since the separator area per electrode unit area can be doubled, the overall height of the unit cell 105 can be reduced.
  • the unit cell 105 includes a positive electrode transfer plate 190, an anion separator 130, an electrolyte transfer plate 140, a cation separator 150, a negative electrode transfer plate 180, and a cation transfer.
  • the plate 150, the electrolyte transfer plate 140, and the anion separation membrane 130 may be formed.
  • the stacked fluidized bed deionization device 106 of the fourth embodiment is formed by stacking a plurality of unit cells 105 of the third embodiment, and all operating principles are the same as those of the third embodiment.
  • the unit cells 105 are stacked, the length of the positive electrode active material supply passage and the positive electrode active material discharge passage, the negative electrode active material supply passage and the negative electrode active material discharge passage, the electrolyte supply passage and the electrolyte discharge passage may be increased. Therefore, only by stacking the plurality of unit cells 105, the processing capacity of the stacked fluidized bed deionization unit 106 can be doubled.
  • the stacked fluidized bed capacitive deionization apparatus 108 is connected to only one side of the upper plate 200 and the lower plate 210, as shown in FIG. 20, and constitutes a system using a plurality of deionizers. Can provide design convenience.
  • the stacked fluidized bed capacitive deionization apparatus 108 may include first and second cathode tubes 201 and 206, first and second cathode tubes 173 and 174 for supplying and discharging cathode active material, electrolyte and cathode active material to the upper plate 200.
  • First and second electrolyte tubes 204 and 205 are formed, and the lower plate 200 is a simple plate. Therefore, the stacked fluidized bed deionization apparatus 108 of the stacked type has an advantage that the pipe can be arranged on only one side of the stacked fluidized bed deionized device 100 of the first embodiment.
  • fluidized bed deionizer 10 anode
  • electrolyte transfer plate 150 cation separation membrane
  • cathode transfer plate 167 one cathode channel
  • first anode tube 202 first electrolyte tube
  • first cathode tube 204 second cathode tube

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Description

적층형 유동상 축전식 탈이온화장치
본 발명은 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 적층이 가능하도록 단위셀을 구성하여, 적층수 증가에 의한 단위 시간당 처리용량 증대시킬 수 있는 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치에 관한 것이다.
액상 탈염은, 증발, 분리막, CDi(Capacitive Deionization), FCDi(Flow Capacitive Deionization)와 같이 다양한 방법으로 진행 될 수 있다.
상기 기술 중에서, CDi 공정이 에너지효율이 가장 높은 기술로 알려져 있으며, FCDi의 경우 연속공정과 활물질 코팅이 불필요한 공정으로 탈염 분야에 신기술로 평가되고 있다.
특히, 상기 FCDi는 흡착된 이온을 별도의 용기에 저장시 에너지 저장 또한 동시에 할 수 있기 때문에 탈염 뿐만 아니라 에너지 저장 분야에 활용 가능한 기술로 평가되고 있다.
또한, 상기 구성에 따른 모듈은 탈염과 공정과 반대 운전으로 밧데리 기능을 수행할 수 있다.
상기 특성으로, 본 발명자들은 특허를 출원한 바 있다(대한민국 특허 출원번호 1020100078543호, 국제특허 출원번호 PCT/KR2011/006010호). 상기 발명에서는, 용량 확대를 위해서 상기 독립셀 다수를 병렬연결에 의한 구성을 제시하고 있다.
상기 구성으로 용량 확대시, 단일 FCDi 장치에 2가지 전극활물질과 전해질 입출구 연결 튜브들이 각각 설치되어야 하기 때문에 용량 확장시 전체 시스템 구성이 복잡하고, 부피가 증가되는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 단위셀을 적층화한 FCDi 구성시 적층수량과 무관하게 전극물질과 전해질은 각각 단일 입출구로 공급과 배출이 진행되고, 구성 플레이트에 존재하는 홀의 연결에 의하여 유통홀을 구성하는 컴팩트하게 모듈화된 단위셀의 구성을 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적은, FCDi 공정에 있어서, 단위셀 적층 수 증가에 의한 단위 시간당 처리용량 확대모듈 제공에 있다.
상기 구성에 따라서, 단위셀 다수를 반복하여 용량을 확대하여도, 음극, 양극, 전해질 입축구 수량은 단위셀과 동일하게 각기 단위 연결 튜브구성이 되기 때문에, 기존 단위셀의 병렬연결에 의한 용량 확대에 비해서, 비용과 공간 측면에서 경쟁력을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치는, 양극활물질이 이동하고 양극활물질공급로와 양극활물질전달로와 양극활물질배출로로 이루어지는 양극활물질유로와, 음극활물질이 이동하고 음극활물질공급로와 음극활물질전달로와 음극활물질배출로로 이루어지는 음극활물질유로와, 전해질이 이동하고 전해질공급로와 전해질전달로와 전해질배출로로 이루어지는 전해질유로를 가지고, 상기 양극활물질전달로와 상기 전해질전달로는 음이온분리막에 의해 접하고, 상기 음극활물질전달로와 상기 전해질전달로는 양이온분리막에 의해 접하며, 상기 양극활물질공급로와 상기 양극활물질배출로와 상기 음극활물질공급로와 음극활물질배출로와 전해질공급로와 전해질배출로는 서로 격리되는 하나 이상이 적층되는 단위셀; 적층되는 단위셀의 최상측에 배치되는 상판; 및 적층되는 단위셀의 최하측에 배치되는 하판을 포함하고, 상기 상판과 상기 하판 중 어느 일방 또는 양방에는 양극활물질유로의 양단에 각각 연결되는 한쌍의 양극관이 설치되며, 상기 상판과 상기 하판 중 어느 일방 또는 양방에는 음극활물질유로의 양단에 각각 연결되는 한쌍의 음극관이 설치되고, 상기 상판과 상기 하판 중 어느 일방 또는 양방에는 전해질유로의 양단에 각각 연결되는 한쌍의 전해질관이 설치되며, 상기 양극활물질유로에는 양극단자가 연결되고, 상기 음극활물질유로에는 음극단자가 연결된다.
이 때, 상기 단위셀은, 상측을 향해 노출되는 일측음극채널을 가지는 일측음극전달판과, 상기 일측음극전달판 위에 적층되는 양이온분리막과, 상기 양이온분리막에 적층되고 양측을 향해 노출되는 전해질채널을 가지는 전해질전달판과, 상기 전해질전달판 위에 적층되는 음이온분리막과, 상기 음이온분리막 위에 적층되고 하측을 향해 노출되는 일측양극채널을 가지는 일측양극전달판을 가질 수 있다. 또, 상기 단위셀은, 양측을 향해 노출되는 양측양극채널을 가지는 양측양극전달판과, 상기 양측양극전달판 아래에 부착되는 음이온분리막과, 상기 음이온분리막 아래에 부착되고 양측을 향해 노출되는 전해질채널을 가지는 전해질전달판과, 상기 전해질전달판 아래에 부착되는 양이온분리막과, 상기 양이온분리막 아래에 부착되고 양측을 향해 노출되는 양측음극채널을 가지는 양측음극전달판과, 상기 양측음극전달판 아래에 배치되는 양이온분리막과, 상기 양이온분리막 아래에 부착되고 양측을 향해 노출되는 전해질채널을 가지는 전해질전달판과, 상기 전해질전달판 아래에 배치되는 음이온 분리막을 가질 수 있다.
그리고, 상기 일측음극전달판과 상기 양이온분리막과 상기 전해질전달판과 상기 음이온분리막과 상기 일측양근전달판은 각각 제1양극홀, 제2양극홀, 제1음극홀, 제2음극홀, 제1전해질홀, 제2전해질홀이 서로 격리되도록 형성되고, 상기 제1양극홀과 상기 제2양극홀은 상기 일측양극채널에 의해 연통되고, 상기 제1음극홀과 상기 제2음극홀은 상기 일측음극채널에 의해 연통되며, 상기 제1전해질홀과 상기 제2전해질홀은 전해질채널에 의해 연통되며, 상기 제1양극홀 또는 상기 제2양극홀 중 어느 하나에는 상기 양극단자가 전기적으로 연결되며, 상기 제1음극홀 또는 상기 제2음극홀 중 어느 하나에는 음극단자가 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 단위셀 스텍화 구성으로 용량이 확대된 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치를 제공할 수 있다.
따라서, FCDi 용량 확대를 위해서 독립된 단위셀 병렬연결 구성에 비해서 컴팩트한 모듈을 제공한다. 이로 인하여 대용량의 탈염, 폐수처리, 에너지 저장, 에너지 생산 장치의 상용화에 기여할 수 있는 것으로 기대된다.
도 1은 유동상 축전식 탈이온화장치의 작동원리의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 유동상 축전식 탈이온화장치의 분해사시도이다.
도 3은 도 2의 유동상 축전식 탈이온화장치에서 사용된 일측양극전달판의 아래에서 바라본 사시도이다.
도 4는 도 3의 A-A선에 따른 단면도이다.
도 5는 도 2의 유동상 축전식 탈이온화장치에서 사용된 전해질전달판의 사시도이다.
도 6는 도 5의 B-B선에 따른 단면도이다.
도 7은 도 2의 유동상 축전식 탈이온화장치에서 사용된 일측음극전달판의 사시도이다.
도 8은 도 5의 C-C선에 따른 단면도이다.
도 9는 도 2의 유동상 축전식 탈이온화장치의 부분 조립상태의 사시도이다.
도 10는 도 2의 유동상 축전식 탈이온화장치의 전체 조립상태의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 유동상 축전식 탈이온화장치의 부분 결합 분해사시도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 3에 따른 유동상 축전식 탈이온화장치의 분해사시도이다.
도 13은 도 12의 유동상 축전식 탈이온화장치에서 사용된 양측음극전달판의 사시도이다.
도 14는 도 13의 D-D선에 따른 단면도이다.
도 15는 도 12의 유동상 축전식 탈이온화장치에서 사용된 양측양극전달판의 사시도이다.
도 16은 도 15의 E-E선에 따른 단면도이다.
도 17은 도 12의 유동상 축전식 탈이온화장치의 부분 결합 분해사시도이다.
도 18은 도 12의 유동상 축전식 탈이온화장치의 조립상태의 사시도이다.
도 19는 본 발명의 실시예 4에 따른 유동상 축전식 탈이온화장치의 부분 결합 분해사시도이다.
도 20은 본 발명의 실시예 5에 따른 유동상 축전식 탈이온화장치의 부분 결합 분해사시도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 단위셀 반복에 의한 용량이 확대된 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치의 구성방법을 제공한다.
먼저, 유동상 축전식 탈이온화장치(FCDi : Flow Capacitive Deionization)(1)는 본 발명인이 대한민국 특허 출원번호 1020100078543호에서 새롭게 제시한 것으로 종래의 CDI(축전식탈염법, Capacitive Deionization)기술의 고정전극을 유동전극으로 변경하여 고농도로 농축할 수 있는 방법이다.
상기 유동상 축전식 탈이온화장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 양극집전체(11)와 양극분리막(13) 사이에 형성된 양극유로(14) 사이로 흐르는 양극활물질(12)을 가지는 유동상 양극(10)과, 음극집전체(21)와 음극분리막(23) 사이에 형성된 음극유로(24)를 흐르는 음극활물질(22)을 가지는 유동상 음극(20)을 포함하여 이루어지며, 상기 양극분리막(13)과 상기 음극분리막(23) 사이에 형성되는 전해질유로(34)에 전해질(30)이 흐르는 것에 의해 상기 전해질(30)으로부터 이온이 이동하여 전해액은 농축될 수 있다.
상기 양극집전체(11), 상기 음극집전체(21), 상기 양극분리막(13), 및 상기 음극분리막은 종래 유동상 전극 시스템(전지, 축전지 등)에 사용되어 오고 있는 것들이라면 어느 것이나 다 사용가능하며, 당해 기술분야에 속하는 통상의 전문가가 그 사용목적 및 조건에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
상기 양극활물질(12)과 상기 음극활물질(22) 등의 전극물질은 다공성 탄소(활성탄, 카본파이버, 탄소에어로젤, 탄소나노튜브 등), 흑연분말, 금속산화물 분말 등이 사용될 수 있으며, 전해질과 혼합되어 유동화된 상태로 사용될 수 있다. 양극활물질 및 음극활물질은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수도 있다.
상기 양극유로(14) 및 상기 음극유로(24)의 폭은 종래 유동상 전극 시스템에서 전극집전체와 분리막 사이의 간격 또는 그 이하로 형성할 수 있다. 이는 종래에는 전극활물질이 고정되어 있어 충방전에 필요한 활물질의 용량을 확보하고자 할 때에는 유동상 전극 시스템의 크기가 커지는 문제점이 있어, 활물질이 충진되는 전극집전체와 분리막 사이의 간격에 제한이 있었으나, 상기 유동상 축전식 탈이온화장치(1)에서는 전극활물질을 지속적으로 공급할 수 있으므로, 이러한 제한 없이 사용 목적이나 사용되는 활물질, 전해질 등에 따라 자유롭게 설계 변경할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 양극유로(14) 및 상기 음극유로(24)의 폭은 수십 ㎛에서 수㎜ 크기로 사용될 수 있다. 마찬가지로, 상기 전해질유로(34)의 폭도 마찬가지로 전해질이 지속적으로 공급될 수 있으므로, 유동상 전극 시스템의 크기로 인한 제한 없이 적절하게 설계 변경할 수 있다.
그리고, 상기 양극분리막(13)과 상기 음극분리막(23)은 미세공 절연 분리막이거나 이온교환(전도)막일 수 있다. 상기 양극분리막(13)과 상기 음극분리막(23)은 전기물리적 분리를 위해 설치되는 것으로 미세공 절연 분리막(separator)은 이온 이동만이 가능하고, 상기 이온교환(전도)막은 양이온(cation) 또는 음이온(anion)만을 선택적으로 이동시킬 수 있다.
따라서, 예를 들어, 전해질(30)로써 농축수를 도시되지 않은 공급수단을 통해 전위차가 발생된 유동화 전극시스템(1)의 상기 전해질유로(34)에 통과시키면, 탈염(탈이온화)되어 농축수 속의 전해질이 상기 양극유로(14) 및상기 음극유로(24)로 이동분리되므로 담수화가 이루어질 수 있다. 따라서, 기존의 증발법이나 역삼투압(RO)법에 비해 매우 낮은 에너지 비용만으로 수처리가 가능하며, 대용량화가 가능하다.
이러한 작동원리를 바탕으로, 본 발명에 따른 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(100,102,104,106,108)에 대하여 설명한다.
도 1에서 도면부호 100은 본 발명의 실시예 1에 따른 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치를 지시한다.
상기 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(100)는 크게 상판(110)과 하판(170), 그리고 상기 상판(110)과 상기 하판(170)의 사이에 개재되는 단위셀(101)을 포함한다.
상기 상판(110)과 상기 하판(170)에는 양극, 음극 활물질, 전해질의 공급홀 및 배출홀이 각각 배치된다. 즉, 상기 양극 활물질, 음극 활물질, 전해질의 이동방향은 필요에 따라 변경될 수 있다. 또, 상기 공급 및 배출홀은 상판 또는 하판 일측에 모두 배치하거나 분산 배치될 수 있다.
다만, 실시예 1의 유동상 축전식 탈이온화장치(100)에서는 설명의 편이를 위해 전해질과 양극 활물질은 상판(110)으로 공급되고 하판(170)으로 배출되며, 음극 활물질은 하판(170)으로 공급되고 상판(110)으로 배출된다. 따라서, 상기 상판(110)에는 상부양극관(111), 상부전해질관(115), 상부음극관(114)이 형성되며, 하판(170)에는 하부양극관(176), 하부전해질관(172), 하부음극관(173)이 형성된다.
상기 단위셀(101)은 양극전달판(120)과, 음극전달판(160)과, 양극전달판(120)과 음극전달판(160)의 사이에서 전해질이 이동하는 전해질전달판(140)을 가진다. 또, 상기 단위셀(101)은, 상기 양극전달판(120)과 상기 전해질전달판(140) 사이에는 양극 활물질과 전해질의 직접 접촉을 방지하는 음이온분리막(130)을 가진다. 그리고, 상기 전해질전달판(140)과 상기 음극전달판(160) 사이에는 각각 음극 활물질과 전해질의 직접 접촉을 방지하는 양이온분리막(150)을 가진다.
상기 양극전달판(120)과 상기 음극전달판(150)은 도전성 금속으로 제작하거나 또는 비도전성 물질로 구성시 활물질이 이동되는 유로의 표면을 도전성 물질을 코팅하여 활물질에 전원을 공급할 수 있도록 구성되어야 한다. 또, 상기 전해질전달판(140)은 비 도전성 물질로 구성하거나, 도전성 물질로 구성시 전해질과 접촉되는 부분을 비 도전성 물질로 코팅하여 음극과 양극의 통전을 방지하여야 한다.
상기 양극전달판(120), 상기 음이온분리막(130), 상기 전해질전달판(140), 상기 양이온분리막(150), 및 상기 음극전달판(160)의 각각에는 제1양극홀(121,131,141,151,161), 제2양극홀(126,136,146,156,166), 제1전해질홀(122,132,142,152,162), 제2전해질홀(125,135,145,155,165), 제1음극홀(123,133,143,153,163), 및 제2음극홀(124,134,144,154,164)이 서로 격리되도록 형성된다. 상기 제1양극홀(121,131,141,151,161), 상기 제2양극홀(126,136,146,156,166), 상기 제1전해질홀(122,132,142,152,162), 상기 제2전해질홀(125,135,145,155,165), 상기 제1음극홀(123,133,143,153,163), 및 상기 제2음극홀(124,134,144,154,164)은 각각이 상기 양극전달판(120), 상기 음이온분리막(130), 상기 전해질전달판(140), 상기 양이온분리막(150), 및 상기 음극전달판(160)에서 동일한 위치에 형성되어, 상기 양극전달판(120), 상기 음이온분리막(130), 상기 전해질전달판(140), 상기 양이온분리막(150), 및 상기 음극전달판(160)을 적층한 경우에 하나의 관체을 이루게 된다. 또, 상기 상부양극관(111), 상기 상부전해질관(115), 상기 상부음극관(114), 상기 하부양극관(176), 상기 하부전해질관(172), 상기 하부음극관(173) 역시 상기 관체와 연통될 수 있는 위치에 형성된다.
상기 양극전달판(120)의 하부에는 상기 제1양극홀(121)과 상기 제2양극홀(126)을 서로 연통시키는 일측양극채널(127)이 형성된다. 상기 일측양극채널(127)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 아래를 향하여 노출되도록 형성된다. 그리고, 상기 제1양극홀(121) 또는 상기 제2양극홀(126) 중 어느 하나에는 전원의 양극과 전기적으로 연결되는 양극단자(128)가 설치된다.
상기 양이온분리막(130)은, 술폰산기(SO3-), 카르복실기(COO-), 인산기(PO4-) 등이 존재하는 고분자 막과 상기 음이온분리막(150)은 음이온을 교환할 수 있는 1,2,3,4급 암모늄기가 붙어있는 고분자 막 재질로 이루어진다.
상기 음극전달판(160)의 상부에는 상기 제1음극홀(123)과 상기 제2음극홀(124)을 서로 연통시키는 일측음극채널(167)이 형성된다. 상기 일측음극채널(167)은 도 7 도 8에 도시된 바와 같이, 위를 향하여 노출되도록 형성된다. 그리고, 상기 제1음극홀(123) 또는 상기 제2음극홀(124) 중 어느 하나에는 전원의 양극과 전기적으로 연결되는 음극단자(168)가 설치된다.
그리고, 상기 전해질전달판(130)에서는 내부로 전해질이 흐르면서 상기 음이온분리막(130)과 상기 양이온분리막(150)에 각각 전해질이 접촉할 수 있도록 상기 제1전해질홀(132)와 제2전해질홀(134)을 서로 연통시키는 전해질채널(147)이 관통하여 형성된다.
상기 일측양극채널(127), 상기 전해질채널(147), 상기 일측음극채널(167)의 형상의 제한은 없으며, 이온과의 접촉면적을 넓히기 위해 다양한 형상(예를 들어, 망상구조)으로 변경이 가능하다.
실시예 1에서 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(100)은 기본적으로 상술한 바와 같이 구성된다. 따라서, 양극전달판(120)과, 음이온분리막(130), 전해질전달판(140), 양이온분리막(150), 및 음극전달판(160)을 적층하고, 그 상부와 하부에 상판(110)과 하판(170)을 접합시키는 것에 의해 도 9에 도시된 바와 같은 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(100)가 완성된다. 이하, 상기 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(100)의 작동모습에 대해 설명한다.
상술한 바와 같이, 양극활물질, 음극활물질, 전해질의 유입과 배출은 상판(110)에 형성된 상부양극관(111), 상부전해질관(115), 상부음극관(114)과, 하판(170)에 형성된 하부양극관(176), 하부전해질관(172), 하부음극관(173)에서 선택되어 이루어질 수 있다. 다만, 설명을 위한 일예로써, 양극활물질은 상부양극관(111)으로 공급되어 하부양극관(176)으로 배출되고, 전해질은 상부전해질관(115)으로 공급되어 하부전해질관(172)으로 배출되며, 음극활물질은 하부음극관(173)으로 공급되어 상부음극관(114)으로 배출되는 것으로 한다.
먼저, 양극활물질은 상부양극관(111)으로 공급되어 양극전달판(120), 음이온분리막(130), 전해질전달판(140), 양이온분리막(150), 음극전달판(160)에 각각 형성되는 제1양극홀(121,131,141,151,161)이 서로 적층되어 형성하는 양극활물질공급로로 진행된다. 그리고, 상기 양극전달판(120)에서 양극활물질전달로인 일측양극채널(127)을 지나 제2양극홀(126,136,146,156,166)이 서로 적층되어 형성하는 양극활물질배출로를 지나서, 상기 하판(170)의 하부양극관(176)을 통해 배출된다.
음극활물질은 하부양극관(173)으로 공급되어 양극전달판(120), 음이온분리막(130), 전해질전달판(140), 양이온분리막(150), 음극전달판(160)에 각각 형성되는 제2음극홀(124,134,144,154,164)이 서로 적층되어 형성하는 음극활물질공급로로 진행된다.
그리고, 상기 음극전달판(160)에서 양극활물질전달로인 일측음극채널(167)을 지나 제1음극홀(123,133,143,153,163)이 서로 적층되어 형성하는 음극활물질배출로를 지나서, 상기 상판(110)의 상부음극관(114)을 통해 배출된다.
전해질은 상부전해질관(115)으로 공급되어 양극전달판(120), 음이온분리막(130), 전해질전달판(140), 양이온분리막(150), 음극전달판(160)에 각각 형성되는 제2전해질홀(125,135,145,155,165)이 서로 적층되어 형성하는 전해질공급로로 진행된다.
그리고, 상기 전해질전달판(140)에서 양극활물질전달로인 전해질채널(147)을 지나 제1전해질홀(122,132,142,152,162)이 서로 적층되어 형성하는 전해질배출로를 지나서, 상기 하판(170)의 하부전해질관(172)을 통해 배출된다.
이 때, 양극활물질 및 음극활물질에 직류전원을 공급하면 전극과 같은 역할을 하게 되므로, 상기 전해질채널(147)을 지나는 전해질 중 음이온은 음이온분리막(130)을 통해 상기 일측양극채널(127)로 유입되고, 상기 전해질채널(147)을 지나는 전해질 중 양이온은 양이온분리막(150)을 통해 일측음극채널(167)로 유입된다.
다음으로, 실시예 2에 따른 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(102)에 대해 설명한다. 상기 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(102)는 실시예 1의 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(100)에서 단위셀(101)을 복수개 적층한 것으로, 도 11에 도시된 바와 같다.
상기 단위셀(101)을 적층하는 경우, 양극활물질공급로 및 양극활물질배출로, 음극활물질공급로 및 음극활물질배출로, 전해질공급로 및 전해질배출로의 길이가 늘어날 뿐이며, 모든 작동원리는 실시예 1과 동일한다. 따라서, 상기 단위셀(101)을 복수개 적층하는 것만으로, 간단하게 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(102)의 처리능력을 배가시킬 수 있다.
다음으로, 실시예 3에 따른 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(104)에 대해 설명한다. 상기 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(104)는 실시예 1의 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(100)에 비해 단위셀(105)에 사용되는 구성요소의 수를 감축하기 위한 것이다. 즉, 실시예 1의 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(100)에서는 인접하는 단위셀(101)에서, 상측의 단위셀의 음극전달판의 하측의 단위셀의 양극전달판은 서로 격리되어 있다. 이와 달리, 실시예 3의 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(104)에서는 양극전달판(190)과 음극전달판(180)에 각각 양측으로 노출되는 양측양극채널(197) 및 양측음극채널(187)을 설치하는 것에 의해, 단위셀(105)을 적층하면, 하나의 양극전달판(190)에 대하여 그 상측과 하측에 음이온분리막(130)이 배치될 수 있고, 마찬가지로 하나의 음극전달판(180)에 대하여 그 상측과 하측에 양이온분리막(150)이 배치될 수 있다. 따라서, 전극 단위면적당 분리막 면적은 2배로 확대시킬 수 있으므로, 단위셀(105)의 전체적인 높이를 줄일 수 있다.
이러한 단위셀(105)은 도 12에 도시된 바와 같이, 양극전달판(190), 음이온분리막(130), 전해질전달판(140), 양이온분리막(150), 음극전달판(180), 양이온전달판(150), 전해질전달판(140), 음이온분리막(130)으로 구성될 수 있다.
다음으로 실시예 4에 따른 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(106)에 대해 설명한다. 실시예 4의 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(106)는 실시예 3의 단위셀(105)을 복수개 적층한 것으로 모든 작동원리는 실시예 3과 동일하다. 상기 단위셀(105)을 적층하는 경우, 양극활물질공급로 및 양극활물질배출로, 음극활물질공급로 및 음극활물질배출로, 전해질공급로 및 전해질배출로의 길이가 늘어날 수 있다. 따라서, 상기 단위셀(105)을 복수개 적층하는 것만으로, 간단하게 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(106)의 처리능력을 배가시킬 수 있다.
다음으로, 실시예 5에 따른 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(108)을 설명한다. 상기 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(108)은 도 20에 도시된 바와 같이, 상판(200)과 하판(210) 중 일측에만 관체를 연결한 것으로, 복수의 탈이온화장치를 이용하여 시스템을 구성하는 경우 설계상의 편의를 제공할 수 있다. 상기 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(108)는 상판(200)에 양극활물질, 전해질, 음극활물질의 공급 및 배출을 위한 제1,2양극관(201,206), 제1,2음극관(173,174), 제1,2전해질관(204,205)가 형성되고, 하판(200)은 단순한 판재이다. 따라서, 상기 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(108)은 실시예 1의 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치(100)에 비하여 배관을 일측에만 배치할 수 있는 장점이 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
[부호의 설명]
1: 유동상 축전식 탈이온화장치 10: 양극
11: 양극집전체 12: 양극활물질
13: 양극분리막 14: 양극유로
20: 음극 21: 음극집전체
22: 음극활물질 23: 음극분리막
24: 음극유로 30: 전해질
34: 전해질유로
100,102,104,106,108: 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치
101,105: 단위셀 110,200: 상판
111: 상부양극관 115: 상부전해질관
114: 상부음극관 120,190: 양극전달판
121,131,141,151,161,181,191: 제1양극홀
2,132,142,152,162,182,192: 제1전해질홀
123,133,143,153,163,183,193: 제1음극홀
124,134,144,154,164,184,194: 제2음극홀
125,135,145,155,165,185,195: 제2전해질홀
126,136,146,156,166,186,196: 제2양극홀
128,198: 양극단자 168,188: 음극단자
127: 일측양극채널 130: 음이온분리막
140: 전해질전달판 150: 양이온분리막
160,180: 음극전달판 167: 일측음극채널
170,210: 하판 172: 하부전해질관
173: 하부음극관 176: 하부양극관
187: 양측음극채널 197: 양측음극채널
201: 제1양극관 202: 제1전해질관
203: 제1음극관 204: 제2음극관
205: 제2전해질관 206: 제2전해질관

Claims (5)

  1. 양극활물질이 이동하고 양극활물질공급로와 양극활물질전달로와 양극활물질배출로로 이루어지는 양극활물질유로와, 음극활물질이 이동하고 음극활물질공급로와 음극활물질전달로와 음극활물질배출로로 이루어지는 음극활물질유로와, 전해질이 이동하고 전해질공급로와 전해질전달로와 전해질배출로로 이루어지는 전해질유로를 가지고, 상기 양극활물질전달로와 상기 전해질전달로는 음이온분리막에 의해 접하고, 상기 음극활물질전달로와 상기 전해질전달로는 양이온분리막에 의해 접하며, 상기 양극활물질공급로와 상기 양극활물질배출로와 상기 음극활물질공급로와 음극활물질배출로와 전해질공급로와 전해질배출로는 서로 격리되는 하나 이상이 적층되는 단위셀;
    적층되는 단위셀의 최상측에 배치되는 상판; 및
    적층되는 단위셀의 최하측에 배치되는 하판을 포함하고,
    상기 상판과 상기 하판 중 어느 일방 또는 양방에는 양극활물질유로의 양단에 각각 연결되는 한쌍의 양극관이 설치되며,
    상기 상판과 상기 하판 중 어느 일방 또는 양방에는 음극활물질유로의 양단에 각각 연결되는 한쌍의 음극관이 설치되고,
    상기 상판과 상기 하판 중 어느 일방 또는 양방에는 전해질유로의 양단에 각각 연결되는 한쌍의 전해질관이 설치되며,
    상기 양극활물질유로에는 양극단자가 연결되고, 상기 음극활물질유로에는 음극단자가 연결되는 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단위셀은, 상측을 향해 노출되는 일측음극채널을 가지는 일측음극전달판과, 상기 일측음극전달판 위에 적층되는 양이온분리막과, 상기 양이온분리막에 적층되고 양측을 향해 노출되는 전해질채널을 가지는 전해질전달판과, 상기 전해질전달판 위에 적층되는 음이온분리막과, 상기 음이온분리막 위에 적층되고 하측을 향해 노출되는 일측양극채널을 가지는 일측양극전달판을 가지고,
    상기 일측음극전달판과 상기 양이온분리막과 상기 전해질전달판과 상기 음이온분리막과 상기 일측양근전달판은 각각 제1양극홀, 제2양극홀, 제1음극홀, 제2음극홀, 제1전해질홀, 제2전해질홀이 서로 격리되도록 형성되고, 상기 제1양극홀과 상기 제2양극홀은 상기 일측양극채널에 의해 연통되고, 상기 제1음극홀과 상기 제2음극홀은 상기 일측음극채널에 의해 연통되며, 상기 제1전해질홀과 상기 제2전해질홀은 전해질채널에 의해 연통되며,
    상기 제1양극홀 또는 상기 제2양극홀 중 어느 하나에는 상기 양극단자가 전기적으로 연결되며,
    상기 제1음극홀 또는 상기 제2음극홀 중 어느 하나에는 음극단자가 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단위셀은, 양측을 향해 노출되는 양측양극채널을 가지는 양측양극전달판과, 상기 양측양극전달판 아래에 부착되는 음이온분리막과, 상기 음이온분리막 아래에 부착되고 양측을 향해 노출되는 전해질채널을 가지는 전해질전달판과, 상기 전해질전달판 아래에 부착되는 양이온분리막과, 상기 양이온분리막 아래에 부착되고 양측을 향해 노출되는 양측음극채널을 가지는 양측음극전달판과, 상기 양측음극전달판 아래에 배치되는 양이온분리막과, 상기 양이온분리막 아래에 부착되고 양측을 향해 노출되는 전해질채널을 가지는 전해질전달판과, 상기 전해질전달판 아래에 배치되는 음이온 분리막을 가지고,
    상기 일측음극전달판과 상기 양이온분리막과 상기 전해질전달판과 상기 음이온분리막과 상기 일측양근전달판은 각각 제1양극홀, 제2양극홀, 제1음극홀, 제2음극홀, 제1전해질홀, 제2전해질홀이 서로 격리되도록 형성되고, 상기 제1양극홀과 상기 제2양극홀은 상기 일측양극채널에 의해 연통되고, 상기 제1음극홀과 상기 제2음극홀은 상기 일측음극채널에 의해 연통되며, 상기 제1전해질홀과 상기 제2전해질홀은 전해질채널에 의해 연통되며,
    상기 제1양극홀 또는 상기 제2양극홀 중 어느 하나에는 양극단자와 전기적으로 연결되며,
    상기 제1음극홀 또는 상기 제2음극홀 중 어느 하나에는 음극단자와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치.
  4. 상측을 향해 노출되는 일측음극채널을 가지는 일측음극전달판과, 상기 일측음극전달판 위에 적층되는 양이온분리막과, 상기 양이온분리막에 적층되고 양측을 향해 노출되는 전해질채널을 가지는 전해질전달판과, 상기 전해질전달판 위에 적층되는 음이온분리막과, 상기 음이온분리막 위에 적층되고 하측을 향해 노출되는 일측양극채널을 가지는 일측양극전달판을 가지고 하나 이상이 적층되는 단위셀;
    적층되는 단위셀의 최상측에 배치되는 상판; 및
    적층되는 단위셀의 최하측에 배치되는 하판을 포함하고,
    상기 상판과 상기 하판 중 어느 일방 또는 양방에는 양극활물질유로의 양단에 각각 연결되는 한쌍의 양극관이 설치되며,
    상기 상판과 상기 하판 중 어느 일방 또는 양방에는 음극활물질유로의 양단에 각각 연결되는 한쌍의 음극관이 설치되고,
    상기 상판과 상기 하판 중 어느 일방 또는 양방에는 전해질유로의 양단에 각각 연결되는 한쌍의 전해질관이 설치되며,
    상기 일측음극전달판과 상기 양이온분리막과 상기 전해질전달판과 상기 음이온분리막과 상기 일측양근전달판은 각각 제1양극홀, 제2양극홀, 제1음극홀, 제2음극홀, 제1전해질홀, 제2전해질홀이 서로 격리되도록 형성되고, 상기 제1양극홀과 상기 제2양극홀은 상기 일측양극채널에 의해 연통되고, 상기 제1음극홀과 상기 제2음극홀은 상기 일측음극채널에 의해 연통되며, 상기 제1전해질홀과 상기 제2전해질홀은 전해질채널에 의해 연통되고,
    상기 제1양극홀 또는 상기 제2양극홀 중 어느 하나에는 양극단자와 전기적으로 연결되며,
    상기 제1음극홀 또는 상기 제2음극홀 중 어느 하나에는 음극단자와 전기적으로 연결되는 적층형 유동상 축전식 탈이온화장치.
  5. 양측을 향해 노출되는 양측양극채널을 가지는 양측양극전달판과, 상기 양측양극전달판 아래에 부착되는 음이온분리막과, 상기 음이온분리막 아래에 부착되고 양측을 향해 노출되는 전해질채널을 가지는 전해질전달판과, 상기 전해질전달판 아래에 부착되는 양이온분리막과, 상기 양이온분리막 아래에 부착되고 양측을 향해 노출되는 양측음극채널을 가지는 양측음극전달판과, 상기 양측음극전달판 아래에 배치되는 양이온분리막과, 상기 양이온분리막 아래에 부착되고 양측을 향해 노출되는 전해질채널을 가지는 전해질전달판과, 상기 전해질전달판 아래에 배치되는 음이온 분리막을 가지고 하나 이상이 적층되는 단위셀;
    적층되는 단위셀의 최상측에 배치되는 상판; 및
    적층되는 단위셀의 최하측에 배치되는 하판을 포함하고,
    상기 상판과 상기 하판 중 어느 일방 또는 양방에는 양극활물질유로의 양단에 각각 연결되는 한쌍의 양극관이 설치되며,
    상기 상판과 상기 하판 중 어느 일방 또는 양방에는 음극활물질유로의 양단에 각각 연결되는 한쌍의 음극관이 설치되고,
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