KR20180053739A - 전기화학 전지에서의 반응 생성물을 약화시키기 위한 인시투 전달 시스템 - Google Patents
전기화학 전지에서의 반응 생성물을 약화시키기 위한 인시투 전달 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
전기염소화 시스템은, 하우징을 포함하는 전기화학 전지로서, 하우징이 입구, 출구, 및 하우징 내에 배치된 애노드-캐소드 쌍을 갖는, 상기 전기화학 전지; 전기화학 전지의 입구에 유체 연결 가능한 출구를 갖는 염화물 함유 수용액의 공급원; 및 전기화학 전지의 상류에 있는 염화물 함유 수용액의 공급원에 유체 연결 가능한 산화제의 공급원을 포함한다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 미국 특허법(35 U.S.C. §119(e))에 따라 2015년 9월 18일자로 출원된 "GAS DIFFUSION ELECTRODE ARCHITECTURES"라는 명칭의 미국 가특허 출원 일련번호 제62/220,313호, 2015년 9월 23일자로 출원된 "IN-SITU DELIVERY SYSTEMS FOR REACTION PRODUCT ABATEMENT IN ELECTROCHEMICAL CELLS"이라는 명칭의 미국 가특허 출원 일련번호 제62/222,290호, 및 2016년 1월 28일자로 출원된 "Gas Separation Membrane/Air Cathode Method and Apparatus for Ballast Water Treatment"라는 명칭의 미국 가특허 출원 일련번호 제62/288,073호인 우선권을 주장한다. 이들 우선권의 각각의 전문은 모든 면에서 본 명세서에 참고로 원용된다.
발명의 기술분야
본 명세서에서 개시되는 양상과 실시형태는, 일반적으로 전기화학 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 전기염소화(electrochlorination) 전지 및 장치, 이를 동작시키는 방법, 및 이를 이용하는 시스템에 관한 것이다.
전극에서 화학 반응을 일으키는 전기화학 장치는 산업용 구현예 및 도시용 구현예에서 널리 사용된다. 염화나트륨과 물로부터 하이포아염소산나트륨(sodium hypochlorite)을 생성하기 위한 전기화학 반응(전기염소화)은 다음과 같다:
애노드에서의 반응: 
캐소드에서의 반응: 
용액에서: 
전체 반응: 
이러한 반응에서, 열거된 전위는 반응물 및 생성물의 1M 농도(활성) 및 표준 조건(25℃ 및 1기압)의 조건 하에 있다.
위 반응으로부터, 염화나트륨과 물로부터의 하이포아염소산나트륨의 전기화학적 생산의 부산물이 수소인 것을 알 수 있다. 전기염소화 전지 내에 수소가 생성되는 것은 바람직하지 않다. 수소의 농도가 물 내의 수소의 용해 한계를 초과하도록 충분한 수소가 생성되면, 수소는 폭발 위험을 제기하는 수소 기체로서 진화할 수 있다. 전기염소화 전지 내에 존재하는 수소 기체는, 또한, 전기염소화 전지의 전극의 일부가 그 전지 내의 전해질과 접촉하는 것을 차단하여, 유효 전극 면적을 감소시키고 하이포아염소산나트륨의 생성 효율을 감소시킬 수 있다. 또한, 전기염소화 전지의 전극이 종종 형성되는 티타늄과 같은 물질 내로 수소가 확산됨으로 인해, 전극이 취화될 수 있고 전극의 기계적 결함 가능성이 증가할 수 있다. 따라서, 염화나트륨과 물로부터 하이포아염소산나트륨을 생성하기 위한 전기염소화 시스템은, 통상적으로 용액 및/또는 대기로부터 수소를 제거하도록 또는 적어도 수소 기체의 농도를 점화될 수 있는 농도 미만으로 유지시키도록 기액 분리기 및/또는 송풍기를 구비한다. 이러한 기액 분리기 및/또는 송풍기는 전기염소화 시스템의 자본 및 운영 비용을 증가시킨다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 전기염소화(electrochlorination) 시스템을 제공하며, 이 시스템은, 하우징을 포함하는 전기화학 전지로서, 하우징은 입구, 출구, 및 하우징 내에 배치된 애노드-캐소드 쌍을 갖는, 전기화학 전지; 전기화학 전지의 입구에 유체 연결 가능한 출구를 갖는 염화물 함유 수용액의 공급원; 및 전기화학 전지의 상류에 있는 염화물 함유 수용액의 공급원에 유체 연결 가능한 산화제의 공급원을 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기화학 전지의 하우징의 출구는 사용 지점에 유체 연결 가능하다. 전기화학 전지에서 생성되는 소독 화합물은 하우징의 출구를 통해 사용 지점에 유체 연결될 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기염소화 시스템은, 염화물 함유 수용액의 유속, 염화물 함유 수용액의 염화물의 농도, 또는 사용 지점에서의 액체의 산화 환원 전위 중 적어도 하나 이상에 기초하여 산화제가 염화물 함유 수용액 내에 도입되는 것을 규제하도록 구성된 제어기를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 사용 지점은, 선상 시스템, 굴착 플랫폼 시스템, 수중 시스템. 음용수 시스템, 또는 석유 굴착 시스템의 다운홀(downhole) 중 하나를 포함한다. 사용 지점은 냉각수 시스템과 밸러스트 탱크 중 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 염화물 함유 수용액의 공급원은 해수, 기수, 또는 염수 중 하나를 포함한다.
일부 실시형태에서, 산화제의 공급원은 기체 분리 시스템을 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기염소화 시스템은 산화제를 전기화학 전지의 상류에 있는 염화물 함유 수용액과 혼합하도록 구성된 산소화 시스템을 더 포함한다. 산소화 시스템은 포기 용기, 용존 공기 부상 펌프, 혼합 용기, 또는 벤투리 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기염소화 시스템은, 염화물 함유 수용액을 염화물 함유 수용액의 공급원으로부터 하우징의 입구로 전달하도록 구성되고 산화제의 주입 지점을 포함하는 도관을 더 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기염소화 시스템은, 적어도 전기화학 전지에서 생성되는 염소계 소독 화합물의 농도에 기초하여 산화제의 염화물 함유 수용액 내로의 도입을 규제하도록 구성된 제어기를 더 포함한다. 제어기는, 또한, 적어도 전기화학 전지의 하우징의 출구에 유체 연결될 수 있는 사용 지점에서의 액체의 산화 환원 전위에 기초하여 전기화학 전지에서 생성되는 염소계 소독 화합물의 농도를 조절하도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기염소화 시스템은, 전기화학 전지의 온도, 염화물 함유 수용액의 pH, 또는 전기화학 전지에서 생성되는 소독액의 pH 중 적어도 하나 이상에 기초하여 산화제의 상기 염화물 함유 수용액 내로의 도입을 규제하도록 구성된 제어기를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기염소화 시스템은, 전기화학 전지 내에 존재하는 기체 수소의 양, 염화물 함유 수용액에 용해된 수소의 농도, 염소 함유 수용액에 용해된 수소의 농도, 또는 전기화학 전지에서 생성되는 소독액에 용해된 산소의 농도 중 적어도 하나 이상에 기초하여 산화제의 상기 염화물 함유 수용액 내로의 도입을 규제하도록 구성된 제어기를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기염소화 시스템은, 염화물 함유 수용액의 유속 및 산화제가 염화물 함유 수용액 내로 도입되는 속도에 적어도 부분적으로 기초하여 애노드-캐소드 쌍에 걸친 전류 또는 애노드-캐소드 쌍에 걸쳐 인가되는 전압 중 하나 이상을 규제하도록 구성된 제어기를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기염소화 시스템은, 전기화학 전지의 동작 중 애노드-캐소드 쌍의 캐소드의 표면에서 염화물 함유 수용액의 물 분자가 아닌 산화제에 대한 전자 공여를 유지하는 데 충분한 양의 산화제를 염화물 함유 수용액 내에 도입하도록 구성된 제어기를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기염소화 시스템은, 전기화학 전지의 동작 중 전기화학 전지 내의 수소 기체의 형성을 방지하는 데 충분한 양의 산화제를 염화물 함유 수용액 내에 도입하도록 구성된 제어기를 더 포함한다. 제어기는, 전기화학 전지의 동작 중 애노드-캐소드 쌍의 캐소드에서의 수소 기체의 형성을 방지하는 데 충분한 양의 산화제를 염화물 함유 수용액 내에 도입하도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기염소화 시스템은, 전기화학 전지에서 생성되는 염소계 소독 화합물의 양과 대략 화학량론적인 양의 산화제를 염화물 함유 수용액 내에 도입하도록 구성된 제어기를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기염소화 시스템은, 산화될 전기화학 전지 내의 실질적으로 자유 수소를 제공하는 데 충분한 양의 산화제를 염화물 함유 수용액 내에 도입하도록 구성된 제어기를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기화학 전지는 입구와 출구 사이의 하우징에 하나 이상의 산화제 주입 지점을 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기염소화 시스템은, 출구와 입구를 유체 연결하는 도관을 포함하는 공급 및 배출 시스템(feed-and-bleed system)에 포함된다.
일부 실시형태에서, 산화제는 기체 산소, 공기, 산소 풍부 공기, 오존, 또는 과산화수소 중 하나 이상을 포함한다.
일부 실시형태에서, 애노드-캐소드 쌍은, 하우징의 중심 축을 중심으로 하우징 내에 실질적으로 동심 배치되고, 애노드-캐소드 쌍의 애노드와 캐소드 사이의 활성 영역을 규정하고, 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나의 활성 표면적은 하우징의 내면의 표면적보다 큰 표면적을 갖는다. 애노드-캐소드 쌍은 중심 축을 중심으로 나선형 권취될 수 있다. 애노드-캐소드 쌍은 복수의 동심 전극 관 및 인접하는 전극 관들 사이에 규정된 갭들을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 애노드-캐소드 쌍의 애노드와 캐소드의 각각은 호형 부분(arcute portion)을 포함하고, 애노드의 활성 표면적은 하우징의 내면의 표면적보다 크고, 캐소드의 활성 표면적은 하우징의 내면의 표면적보다 크다.
일부 실시형태에서, 애노드-캐소드 쌍의 애노드와 캐소드의 각각은 하우징의 중심 축 근방의 영역으로부터 외측으로 방사상 연장되고, 애노드의 활성 표면적은 하우징의 내면의 표면적보다 크고, 캐소드의 활성 표면적은 하우징의 내면의 표면적보다 크다.
본 발명의 다른 일 양상에 따르면, 전기화학 전지 내의 수소를 약화시키는 방법을 제공한다. 이 방법은, 산화제를 염화물 함유 수용액에 도입하여 전기화학 전지의 입구의 상류에 산소화된 수용액(oxygenated aqueous solution)을 생성하는 단계; 산소화된 수용액을 전기화학 전지 내에 전기화학 전지의 애노드와 캐소드 사이로 도입하는 단계; 및 전기화학 전지의 산소화된 수용액으로부터 염소계 소독 화합물을 생성하는 데 충분한 전압으로 애노드와 캐소드에 걸쳐 전류를 인가하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은, 전기화학 전지 내의 실질적으로 모든 수소 기체의 축적을 억제하는 데 충분하도록 산화제를 염화물 함유 수용액 내에 도입하는 속도를 제어하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 산화제를 염화물 함유 수용액에 도입하는 단계는 염화물 함유 수용액을 산소 함유 기체와 접촉시키는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 산화제를 염화물 함유 수용액에 도입하는 단계는 산소 함유 액체를 염화물 함유 수용액 내에 주입하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은, 전기화학 전지의 입구의 하류에 있는 하나 이상의 지점에서 상기 산화제를 상기 전기화학 전지 내에 주입하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은, 염화물 함유 수용액의 유속, 전기화학 전지로부터의 소독액의 유속, 또는 염화물 함유 수용액의 염화물의 농도 중 적어도 하나 이상에 기초하여 산화제의 염화물 함유 수용액 내로의 도입을 규제하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은, 적어도 전기화학 전지에서 생성되는 염소계 소독 화합물의 농도에 기초하여 산화제의 염화물 함유 수용액 내로의 도입을 규제하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은, 적어도 전기화학 전지의 하우징의 출구에 유체 연결 가능한 사용 지점에서의 액체의 산화-환원 전위에 기초하여 전기화학 전지에서 생성되는 염소계 소독 화합물의 농도를 규제하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은, 적어도 전기화학 전지의 온도, 염화물 함유 수용액의 pH, 또는 전기화학 전지에서 생성되는 소독액의 pH 중 하나 이상에 기초하여 산화제의 염화물 함유 수용액 내로의 도입을 규제하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은, 적어도 전기화학 전지 내에 존재하는 기체 수소의 양, 염화물 함유 수용액에 용해된 수소의 농도, 염화물 함유 수용액에 용해된 산소의 농도, 또는 전기화학 전지에서 생성되는 소독액에 용해된 산소의 농도 중 하나 이상에 기초하여 산화제의 염화물 함유 수용액 내로의 도입을 규제하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은, 염화물 함유 수용액의 유속 및 산화제의 염화물 함유 수용액 내로의 도입 속도에 기초하여 애노드-캐소드 쌍에 걸친 전류 또는 애노드-캐소드 쌍에 걸쳐 인가되는 전압 중 하나 이상을 규제하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은, 산화제가 전기화학 전지에서 생성되는 염소계 소독 화합물의 양과 대략 화학량론적인 양으로 도입되도록 산화제의 전기화학 전지 내로의 도입을 규제하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은, 전기화학 전지 내의 실질적으로 모든 자유 수소가 산화되도록 산화제의 전기화학 전지 내로의 도입을 규제하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 산화제를 염화물 함유 수용액에 도입하는 단계는, 기체 산소, 오존, 공기, 산소 풍부 공기, 또는 과산화수소 중 하나 이상을 염화물 함유 수용액 내로 도입하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 양상에 따르면, 전기염소화 전지 내의 기체 수소의 축적을 억제하는 방법을 제공한다. 이 방법은, 전기염소화 전지의 전해질 입구의 상류에 있는 액체 전해질에 산화제를 첨가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 양상에 따르면, 전기염소화 전지 내의 수소의 생성을 감소시키도록 전기염소화 전지를 개조(retrofit)하는 방법을 제공한다. 이 방법은, 전기염소화 전지의 전해질 입구의 상류에 있는 전해질에 산화제를 도입하도록 구성된 시스템을 설치하는 단계를 포함한다.
첨부 도면은 일정한 비율로 그려지도록 의도된 것은 아니다. 도면에서, 다양한 도에 도시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성요소는 동일한 번호로 표시된다. 명확히 하기 위하여, 모든 구성요소가 모든 도에 표시되지 않을 수 있다. 도면에서,
도 1a는 동심형 튜브 전기화학 전지의 일 실시형태의 등각도;
도 1b는 도 1a의 동심형 튜브 전기화학 전지의 단면도;
도 2a는 동심형 튜브 전기화학 전지의 일 실시형태를 통한 전류 흐름을 도시한 도면;
도 2b는 동심형 튜브 전기화학 전지의 다른 일 실시형태를 통한 전류 흐름을 도시한 도면;
도 2c는 동심형 튜브 전기화학 전지의 또 다른 일 실시형태를 통한 전류 흐름을 도시한 도면;
도 3은 평행 판 전기화학 전지의 일 실시형태의 등각도;
도 4는 다중 패스 평행 판 전기염소화 전지의 개략도;
도 5는 단일 패스 나선형 권취된 전기화학 전지의 일 실시형태의 등각도;
도 6은 단일 패스 나선형 권취된 전기화학 전지의 다른 일 실시형태의 등각도;
도 7은 3개의 튜브 동심형 튜브 전기화학 전지의 일 실시형태의 부분 단면도;
도 8은 4개의 튜브 동심형 튜브 전기화학 전지의 일 실시형태의 부분 단면도;
도 9는 5개의 튜브 동심형 튜브 전기화학 전지의 일 실시형태의 부분 단면도;
도 10a는 방사상으로 배열된 전극들을 포함하는 전기화학 전지의 일 실시형태의 단면도;
도 10b는 도 10a의 전기화학 전지의 등각도;
도 11a는 인터리브된 전극들을 포함하는 전기화학 전지의 일 실시형태의 단면을 도시한 도면;
도 11b는 도 11a의 전기화학 전지를 통과하는 유체의 흐름 방향을 도시한 도면;
도 11c는 도 11a의 전기화학 전지의 대체 구성을 도시한 도면;
도 11d는 도 11a의 전기화학 전지의 다른 대체 구성을 도시한 도면;
도 11e는 모노폴라 구성으로 인터리브된 전극들을 포함하는 전기화학 전지의 일 실시형태를 도시한 도면;
도 11f는 바이폴라 구성으로 인터리브된 전극들을 포함하는 전기화학 전지의 일 실시형태를 도시한 도면;
도 12는 상이한 조건 하에서 동작하는 전기염소화 전지들을 개략적으로 비교한다.
도 13은 전기염소화 시스템의 일부를 개략적으로 도시한 도면;
도 14는 다른 전기염소화 시스템의 일부를 개략적으로 도시한 도면;
도 15는 또 다른 전기염소화 시스템의 일부를 개략적으로 도시한 도면;
도 16은 또 다른 전기염소화 시스템의 일부를 개략적으로 도시한 도면;
도 17은 또 다른 전기염소화 시스템의 일부를 개략적으로 도시한 도면;
도 18은 본 명세서에 개시된 전기화학 전지들의 실시형태들이 이용될 수 있는 시스템을 도시한 도면;
도 19는 본 명세서에 개시된 전기화학 전지의 실시형태에 대한 제어 시스템을 도시한 도면;
도 20은 도 19의 제어 시스템을 위한 메모리 시스템을 도시한 도면;
도 21은 테스트 전기염소화 장치의 전기적 데이터를 취득하는 데 사용되는 정전위 전해장치(potentiostat)의 개략도;
도 22는 샘플 전기염소화 장치에서 사용되는 염수 용액에 대한 샘플 I-V 곡선;
도 23a는 상이한 조건 하에서 테스트 전기염소화 장치를 통과하는 염수로부터 얻은 I-V 곡선의 차트;
도 23b는 상이한 조건 하에서 테스트 전기염소화 장치를 통과하는 염수로부터 얻은 I-V 곡선의 다른 차트;
도 23c는 상이한 조건 하에서 테스트 전기염소화 장치를 통과하는 염수로부터 얻은 I-V 곡선의 또 다른 차트;
도 23d는 상이한 조건 하에서 테스트 전기염소화 장치를 통과하는 염수로부터 얻은 I-V 곡선의 또 다른 차트;
도 23e는 상이한 조건 하에서 테스트 전기염소화 장치를 통과하는 염수로부터 얻은 I-V 곡선의 또 다른 차트.
도 1a는 동심형 튜브 전기화학 전지의 일 실시형태의 등각도;
도 1b는 도 1a의 동심형 튜브 전기화학 전지의 단면도;
도 2a는 동심형 튜브 전기화학 전지의 일 실시형태를 통한 전류 흐름을 도시한 도면;
도 2b는 동심형 튜브 전기화학 전지의 다른 일 실시형태를 통한 전류 흐름을 도시한 도면;
도 2c는 동심형 튜브 전기화학 전지의 또 다른 일 실시형태를 통한 전류 흐름을 도시한 도면;
도 3은 평행 판 전기화학 전지의 일 실시형태의 등각도;
도 4는 다중 패스 평행 판 전기염소화 전지의 개략도;
도 5는 단일 패스 나선형 권취된 전기화학 전지의 일 실시형태의 등각도;
도 6은 단일 패스 나선형 권취된 전기화학 전지의 다른 일 실시형태의 등각도;
도 7은 3개의 튜브 동심형 튜브 전기화학 전지의 일 실시형태의 부분 단면도;
도 8은 4개의 튜브 동심형 튜브 전기화학 전지의 일 실시형태의 부분 단면도;
도 9는 5개의 튜브 동심형 튜브 전기화학 전지의 일 실시형태의 부분 단면도;
도 10a는 방사상으로 배열된 전극들을 포함하는 전기화학 전지의 일 실시형태의 단면도;
도 10b는 도 10a의 전기화학 전지의 등각도;
도 11a는 인터리브된 전극들을 포함하는 전기화학 전지의 일 실시형태의 단면을 도시한 도면;
도 11b는 도 11a의 전기화학 전지를 통과하는 유체의 흐름 방향을 도시한 도면;
도 11c는 도 11a의 전기화학 전지의 대체 구성을 도시한 도면;
도 11d는 도 11a의 전기화학 전지의 다른 대체 구성을 도시한 도면;
도 11e는 모노폴라 구성으로 인터리브된 전극들을 포함하는 전기화학 전지의 일 실시형태를 도시한 도면;
도 11f는 바이폴라 구성으로 인터리브된 전극들을 포함하는 전기화학 전지의 일 실시형태를 도시한 도면;
도 12는 상이한 조건 하에서 동작하는 전기염소화 전지들을 개략적으로 비교한다.
도 13은 전기염소화 시스템의 일부를 개략적으로 도시한 도면;
도 14는 다른 전기염소화 시스템의 일부를 개략적으로 도시한 도면;
도 15는 또 다른 전기염소화 시스템의 일부를 개략적으로 도시한 도면;
도 16은 또 다른 전기염소화 시스템의 일부를 개략적으로 도시한 도면;
도 17은 또 다른 전기염소화 시스템의 일부를 개략적으로 도시한 도면;
도 18은 본 명세서에 개시된 전기화학 전지들의 실시형태들이 이용될 수 있는 시스템을 도시한 도면;
도 19는 본 명세서에 개시된 전기화학 전지의 실시형태에 대한 제어 시스템을 도시한 도면;
도 20은 도 19의 제어 시스템을 위한 메모리 시스템을 도시한 도면;
도 21은 테스트 전기염소화 장치의 전기적 데이터를 취득하는 데 사용되는 정전위 전해장치(potentiostat)의 개략도;
도 22는 샘플 전기염소화 장치에서 사용되는 염수 용액에 대한 샘플 I-V 곡선;
도 23a는 상이한 조건 하에서 테스트 전기염소화 장치를 통과하는 염수로부터 얻은 I-V 곡선의 차트;
도 23b는 상이한 조건 하에서 테스트 전기염소화 장치를 통과하는 염수로부터 얻은 I-V 곡선의 다른 차트;
도 23c는 상이한 조건 하에서 테스트 전기염소화 장치를 통과하는 염수로부터 얻은 I-V 곡선의 또 다른 차트;
도 23d는 상이한 조건 하에서 테스트 전기염소화 장치를 통과하는 염수로부터 얻은 I-V 곡선의 또 다른 차트;
도 23e는 상이한 조건 하에서 테스트 전기염소화 장치를 통과하는 염수로부터 얻은 I-V 곡선의 또 다른 차트.
본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태는, 다음에 따르는 설명에서 설명되거나 도들에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열의 세부 사항으로 한정되지 않는다. 본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태는 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 어구 및 용어는, 설명을 위한 것이며, 한정적인 것으로서 간주되어서는 안 된다. 본 명세서에서 "포함하는"(including), "포함하는"(comprising), "갖는"(having), "함유하는"(containing), "포함하는"(involving), 및 그 변형어를 사용하는 것은 이후에 열거되는 항목 및 그 균등물뿐만 아니라 추가 항목도 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서에 개시되는 양상 및 실시형태는 일반적으로 하이포아염소산나트륨과 같은 소독제를 생성하는 전기화학 장치 및 이러한 장치에서 생성되는 수소를 약화시키는 방법에 관한 것이다. "전기화학 장치" 및 "전기화학 전지"라는 용어들 및 이들의 문법적 변형은, "전기염소화 장치" 및 "전기염소화 전지" 및 이들의 문법적 변형을 포함하는 것으로 이해해야 한다. 본 명세서에 개시되는 양상 및 실시형태는 하나 이상의 전극을 포함하는 것으로 설명된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "금속 전극"이라는 용어 또는 이의 문법적 변형은, 하나 이상의 금속, 예를 들어, 티타늄, 알루미늄, 또는 니켈을 포함하거나 티타늄, 알루미늄, 또는 니켈로 이루어지는 전극을 포함하지만 "금속 전극"이라는 용어가 다른 금속 또는 합금을 포함하거나 이러한 다른 금속 또는 합금으로 이루어지는 전극을 배제하지 않는 것으로 이해해야 한다. 일부 실시형태에서, "금속 전극"은 상이한 금속들의 다중 층들을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시되는 실시형태들 중 임의의 하나 이상의 실시형태에서 이용되는 금속 전극은, 전해질 용액에 의한 화학적 공격에 대해 높은 내성을 갖는 금속 또는 금속 산화물, 예를 들어, 티타늄, 백금, 혼합 금속 산화물(MMO), 자철광, 페라이트, 코발트 스피넬, 탄탈럼, 팔라듐, 이리듐, 은, 금의 층, 또는 다른 코팅 물질로 코팅된, 예를 들어 구리 또는 알루미늄과 같은 고 도전성 금속의 코어를 포함할 수 있다. "금속 전극"은, 예를 들어, 백금, 혼합 금속 산화물(MMO), 자철광, 페라이트, 코발트 스피넬, 탄탈럼, 팔라듐, 이리듐, 은, 금, 또는 기타 코팅 물질과 같은 내산화성 코팅으로 코팅될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 본 명세서에 개시되는 실시형태들에서 사용되는 혼합 금속 산화물은, 루테늄, 로듐, (선택적으로, 안티몬 및/또는 망간과 합금화된) 탄탈럼, 티타늄, 이리듐, 아연, 주석, 안티몬, 티타늄-니켈 합금, 티타늄-구리 합금, 티타늄-철 합금, 티타늄-코발트 합금, 또는 기타 적절한 금속 또는 합금 중 하나 이상의 산화물 또는 산화물들을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시되는 실시형태에서 사용되는 애노드는 백금 및/또는 이리듐, 루테늄, 주석, 로듐 또는 (선택적으로 안티몬 및/또는 망간과 합금화된) 탄탈럼 중 하나 이상의 산화물 또는 산화물들로 코팅될 수 있다. 본 명세서에 개시되는 실시형태들에서 이용되는 애노드는, 이리듐, 루테늄, 주석, 로듐, 또는 (선택적으로, 안티몬 및/또는 망간과 합금화된) 탄탈럼 중 하나 이상의 산화물 또는 산화물들 및 백금으로 코팅될 수 있다. 본 명세서에 개시되는 실시형태들에서 이용되는 캐소드는, 이리듐, 루테늄, 티타늄 중 하나 이상의 산화물 또는 산화물들 및/또는 백금으로 코팅될 수 있다. 본 명세서에 개시되는 실시형태들에서 이용되는 전극은, 티타늄, 탄탈럼, 지르코늄, 니오븀, 텅스텐, 및/또는 실리콘 중 하나 이상의 베이스를 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시되는 전기화학 전지들 중 임의의 전기화학 전지를 위한 전극은, 판, 시트, 호일(foil), 압출물, 및/또는 소결체로서 또는 판, 시트, 호일, 압출물, 및/또는 소결체로부터 형성될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "튜브"라는 용어는, 원통형 도관을 포함하지만, 다른 단면 형상을 갖는 도관, 예를 들어, 정사각형, 직사각형, 오벌(oval)형, 또는 장박(obround) 형상, 또는 임의의 규칙적 또는 불규칙한 다각형으로서 성형된 단면 형상을 갖는 도관을 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "동심형 튜브" 또는 "동심형 나선"이라는 용어들은, 공통 중심축을 공유하는 튜브들 또는 인터리브된 나선들을 포함하지만, 반드시 동심형 튜브들 또는 인터리브된 나선들의 세트의 동심형 튜브들 또는 인터리브된 나선들의 각각에 대하여 중심이 아닌 공통 축을 둘러싸는 튜브들 또는 인터리브된 나선들 또는 서로 오프셋된 축을 갖는 동심형 튜브들 또는 인터리브된 나선들을 배제하는 것은 아니다.
전기염소화 전지는, 해양, 해안, 도시, 산업 및 상업 응용분야에서 사용된다. 전기염소화 전지의 설계 파라미터, 예를 들어, 전극간 간격, 코팅 밀도와 전극의 두께, 전극 면적, 전기 접속 방법 등은 상이한 구현예들을 위해 선택될 수 있다. 본 명세서에 개시되는 양상 및 실시형태는, 전극의 수, 전극 사이의 공간, 전극 물질, 전극 사이의 임의의 스페이서의 물질, 전기염소화 전지 내의 패스의 수, 또는 전극 코팅 물질로 한정되지 않는다.
본 개시 내용은 전기염소화 전지 및 전기염소화 장치의 다양한 실시형태를 설명하지만, 본 개시 내용은 전기염소화 전지 또는 장치로 한정되지 않으며, 본 명세서에 개시되는 양상 및 실시형태는 여러 목적 중 임의의 하나의 목적에 사용되는 전해조 및 전기화학 전지에 적용 가능하다.
도 1a와 도 1b는 Electrocatalytic Ltd.에 의해 제조된 동심형 튜브(102, 104)를 갖는 전기염소화 전지(100)의 일례를 도시한다. 외부 튜브(102)의 내면 및 내부 튜브(104)의 외면은 활성 전극 영역이다. 전극들 사이의 갭은 약 3.5㎜이다. 해수가 공급물인 해양 및 해안 응용분야의 경우, 축 방향으로 갭에서의 액체 속도는 2.1m/s 정도일 수 있어서, 전극 표면에서의 파울링(fouling) 및 스케일링(scaling) 가능성을 감소시키는 고도의 난류가 발생할 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 동심형 튜브 전극(CTE) 전기화학 전지에서의 전극들의 일부 가능한 구성을 도시한다. 도 2a는 전류가 애노드에서 캐소드로 하나의 패스(pass)로 흐르는 구성을 도시한다. 두 전극은 전형적으로 티타늄으로 제조되며, 이때, 애노드는 백금 또는 혼합 금속 산화물(mixed metal oxide: MMO)로 코팅된다. 전극들은 "모노폴라"(mono-polar)라고 한다.
도 2b는 두 개의 외부 전극과 하나의 내부 전극을 갖는 장치를 통해 전류가 두 개의 패스로 흐르는 구성을 도시한다. 외부 전극들 중 하나는 내면 상에 코팅되어 애노드로서 기능하고, 다른 하나는 코팅되지 않았다. 내부 전극의 외면의 일부도 코팅되어 애노드로서 기능하며, 나머지 부분은 코팅되지 않았다. 전류는, 코팅된 외부 전극으로부터 내부 전극의 코팅되지 않은 부분까지, 내부 전극을 따라 코팅된 부분까지 흐르고, 이어서 마지막으로 전해질을 가로질러 코팅되지 않은 외부 전극으로 되돌아간다. 내부 전극은 "바이폴라" 전극이라고도 한다.
도 2c는 다수의 외부 전극과 하나의 내부 전극을 갖는 장치를 통해 전류가 다중 패스로 흐르는 구성을 도시한다. 코팅된 외부 전극과 코팅되지 않은 외부 전극을 교대로 배치하고 내부 전극을 적합한 간격으로 코팅함으로써, 전류가 다중 패스로 전해질을 통해 앞뒤로 흐를 수 있다.
다중 패스의 근거는, 표면에서의 전기화학적 반응에 이용 가능한 전체 전극 면적 및 이에 따른 소독제(예를 들어, 하이포아염소산나트륨)의 전체 생성 속도가 인가 전류에 비례한 증가 없이 증가될 수 있다는 것이다. 전류를 증가시키면, DC 전원으로부터 전기염소화 전지로의 더욱 큰 와이어 또는 버스 바(bus bar), 전지 상의 더욱 큰 전기 커넥터(도 1a의 예에서는 외부 전극의 외면 상의 돌출부(101A, 101B)), 및 전극을 위한 더욱 두꺼운 티타늄을 필요로 한다.
동일한 전류의 경우, 다중 패스 장치는 단일 패스 전지보다 높은 생성 속도를 갖지만, 전체 전압 강하는 (패스 수에 대략 비례하여) 더욱 높을 것이다. 동일한 생성 속도인 경우, 다중 패스 전지는 (패스의 수에 대략 반비례하여) 더욱 낮은 전류를 필요로 한다. 동일한 전력 출력(kW)의 경우, 전원 비용은 출력 전압보다 출력 전류에 더 민감할 수 있으므로, 다중 패스 전지가 유리하다.
실제로, 다중 패스 전지에 연관된 비효율성이 존재한다. 예를 들어, "우회 전류"라고 하는 전류의 일부는, 외부 전극과 내부 전극 사이의 갭에서 전해질을 가로지르지 않고 애노드로부터 캐소드로 직접 흐를 수 있다(도 2b 및 도 2c 참조). 우회 전류는, 전력을 소비하지만, 비우회 전류보다 소독제를 덜 효율적으로 생성하게 된다. 다중 패스 전지는, 또한, 제조 및 조립하기가 더 복잡하다. 예를 들어, 내부 전극의 외면의 부분들은, 예를 들어, 나머지 부분들이 코팅되기 전에 마스킹되어야 한다.
도 3은 평행 판 전기염소화(PPE) 전지를 도시하고, 도 4는 병렬로 배열된 평평한 전극들의 세트들을 갖는 다중-패스 유닛의 개략도이다. 각 단부의 전극들의 세트들은 전기적으로 병렬 접속되며, 이때, 한 세트는 DC 전원의 포지티브 출력에 접속되고 다른 세트는 네거티브 출력에 접속된다. 이들 사이의 전극들은 바이폴라이다. 동심형 튜브 설계에 비해 다중 통과 평행 판 설계의 한 장점은, 각 전극의 양측 면이 전해질 용액에 노출되어 전극 반응에 참여하므로 장치의 단위 체적당 활성 전극 면적의 충전 밀도가 높다는 것이다. 더욱 타이트한 패킹 및 다중 패스에 의해, CTE 전지보다 PPE 전지에서 더욱 높은 압력 강하가 발생한다. 판들 사이의 평균 유속은 압력 강하를 낮추고 유압 체류 시간을 증가시키도록 감소될 수 있고, 단점은 파울링 및 스케일링의 위험이 증가하므로, 예를 들어, 산(acid)으로 더욱 자주 세척된다는 점이다.
프레임 구조는, 다수의 판을 기계적으로 지지하고 인접하는 전극들 사이의 특정된 간격을 유지하도록 PPE 전지에서 종종 이용된다. 각 단부에서의 다수의 판에 대한 전기적 접속도 어려울 수 있다.
본 명세서에서 개시되는 양상 및 실시형태는 나선형으로 권취된 전극들을 포함하는 전기화학 전지에 적용될 수 있으며, 비제한적인 예가 도 5 및 도 6에 도시되어 있다. 나선형 권취 구성에 있어서, 나선형으로 권취된 두 개의 전극인, 애노드-캐소드 쌍을 형성하는 애노드(205)와 캐소드(210)는 애노드(205)와 캐소드(210) 사이에 갭(215)을 형성하도록 위치설정된다. 도 5에서 θ로 표시된, 헬릭스의 시작 단부와 헬릭스의 종료 단부 간의 각도 차는 0°내지 180°범위일 수 있다. 공급 전해질 용액은, 나선의 축에 실질적으로 평행한 방향으로 갭(215)을 통해 흐른다. DC 전압, 상수 또는 변수, 또는 일부 실시형태에서, AC 전류는, 전극들에 걸쳐 및 전해질 용액을 통해 인가된다. 애노드 탭(220)과 캐소드 탭(225)은, 애노드(205) 및 캐소드(210)에 대한 전기접 접속을 제공하도록 애노드(205) 및 캐소드(210)에 각각 접속되거나 일체로 형성된다. 전류는 단일 패스로 애노드(205)로부터 캐소드(210)로 흐른다. 전기화학적 반응 및 화학 반응은, 전극의 표면 및 전기화학 전지의 벌크 전해질 용액에서 발생하여 생성물 용액을 생성한다.
나선형으로 권취된 전극들(205, 210)은, 외부 환경으로부터 전극을 전기적으로 절연시키고 전기화학 전지를 통과하는 전해질의 유체 압력을 견딜 수 있도록 설계된 하우징(235)(도 6 참조) 내에 수용될 수 있다. 하우징(235)은, 비도전성일 수 있고, 전해질 용액에 화학적으로 반응하지 않을 수 있으며, 시스템 압력을 견딜 수 있는 충분한 강도를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 유체가 중앙으로부터 흘러내려 갭을 우회하는 것을 방지하는, 솔리드 코어, 중앙 코어 요소, 또는 유체 흐름 디렉터가 제공될 수 있다.
본 명세서에 개시되는 양상 및 실시형태는, 동심으로 배열된 튜브 전극들을 포함하는 전기화학 전지에 적용될 수 있으며, 비제한적인 예가 도 7 내지 도 9에 도시되어 있다. 동심형 튜브 전극들 중 적어도 일부는 모노폴라 또는 바이폴라일 수 있다. 3개의 동심형 튜브를 포함하는 제1실시형태가, 일반적으로 참조번호 300으로 표시된 도 7에 도시되어 있다. 중간 튜브 전극(305)은, 내부 튜브 전극(305)의 표면적을 최대한 활용하도록 내면과 외면 모두 상에 산화 저항 코팅, 예를 들어 백금 또는 MMO를 갖는 애노드이다. 내부 튜브 전극(310)과 외부 튜브 전극(315)은 코팅을 갖지 않으며, 내부 캐소드와 외부 캐소드로서 각각 기능한다. 전극은, 전류가 전극당 전해액을 한 번 통과하는 것처럼 모노폴라이다. 전극들(305, 310, 315)의 각각은 티타늄 튜브를 포함할 수 있다. 애노드 전기적 접속부(330)는 중간 튜브 전극(305)과 전기적으로 연통한다. 캐소드 전기적 접속부(335)는 내부 튜브 전극(310) 및 외부 튜브 전극(315)과 전기적으로 연통한다. 본 명세서에 개시되는 동심형 튜브 전극을 포함하는 전기염소화 전지(300) 및 다른 전기화학 전지는, 비도전성 하우징, 예를 들어, 도 6에 도시된 하우징(235)에 포함될 수 있다.
다수의 애노드 또는 캐소드 튜브 전극을 포함하는 본 명세서에 개시되는 실시형태에서, 다수의 애노드 튜브 전극은 총괄적으로 애노드 또는 애노드 튜브라 칭할 수 있으며, 다수의 캐소드 튜브 전극은 총괄적으로 캐소드 또는 캐소드 튜브라 칭할 수 있다. 다수의 애노드 및/또는 다수의 캐소드 튜브 전극을 포함하는 실시형태에서, 다수의 애노드 튜브 전극 및/또는 다수의 캐소드 튜브 전극은 본 명세서에서 총괄적으로 애노드-캐소드 쌍이라 칭할 수 있다.
내부 튜브 전극(310) 및 외부 튜브 전극(315)과 동일한 물질, 예컨대, 티타늄으로 형성될 수 있는 하나 이상의 도전성 브리지(340)에 의해 내부 튜브 전극(310)과 외부 튜브 전극(315) 사이에 전기적 접속이 이루어질 수 있다. 전기화학 반응과 화학 반응은, 전극 표면과 벌크 용액에서 발생하여, 소독용 하이포아염소산나트륨과 같은 생성물 용액을 생성한다.
일 실시형태에 따르면, 동심형 튜브 전기화학적 또는 전기염소화 전지는 4개의 동심형 튜브 전극을 포함한다. 4개의 튜브 전기염소화 전지의 일례가, 일반적으로 참조번호 400으로 도 8에 도시되어 있다. 4개의 튜브 전기염소화 전지(400)는, 애노드로서 기능하고 애노드 전기 커넥터(425)와 전기적으로 연통할 수 있는 내부 튜브 전극(405) 및 중간 튜브 전극(410)을 포함한다. 내부 튜브 전극(405) 및 중간 튜브 전극(410)은, 또한, 하나 이상의 도전성 브리지(450)를 통해 서로 전기적으로 연통할 수 있다. 외부 튜브 전극(420) 및 중간 튜브 전극(415)은, 캐소드 전기 커넥터(430)와 전기적으로 연통할 수 있는 캐소드로서 기능한다. 외부 튜브 전극(420) 및 중간 튜브 전극(415)은, 또한, 하나 이상의 도전성 브리지(455)를 통해 서로 전기적으로 연통할 수 있다. 외부 튜브 전극(420) 및 중간 튜브 전극(415)은 중간 애노드 튜브 전극(410)의 대향측면 상에 배치된다. 4개의 튜브 전기염소화 전지(400)는, 4개의 튜브 전기염소화 전지(400)에 형성된 3개의 환형 갭(435, 440, 445)을 통해 공급 전해질 용액이 흐르는 것을 제외하고는, 3개의 튜브 전기염소화 전지(300)와 유사한 방식으로 동작한다.
다른 일 실시형태에 따르면, 동심형 튜브 전기염소화 전지는 5개의 동심형 튜브 전극을 포함한다. 5개의 튜브 전기염소화 전지의 예가, 일반적으로 참조번호 500으로 표시된 도 9에 도시되어 있다. 5개의 튜브 전기염소화 전지(500)는, 애노드로서 기능하고 애노드 전기 커넥터(535)와 전기적으로 연통할 수 있는 중간 튜브 전극(520, 525)을 포함한다. 중간 튜브 전극(520, 525)은, 또한, 하나 이상의 도전성 브리지(565)를 통해 서로 전기적으로 연통할 수 있다. 내부 튜브 전극(505), 중앙 튜브 전극(510), 및 외부 튜브 전극(515)은 캐소드 전기 커넥터(530)와 전기적으로 연통할 수 있는 캐소드로서 기능한다. 내부 튜브 전극(505), 중앙 튜브 전극(510), 및 외부 튜브 전극(515)은, 또한, 하나 이상의 도전성 브리지(560)를 통해 서로 전기적으로 연통할 수 있다. 중간 튜브 전극(520, 525)은 중앙 애노드 튜브 전극(510)의 대향측면 상에 배치된다. 5개의 튜브 전기염소화 전지는, 5개의 튜브 전기염소화 전지에 형성된 4개의 환형 갭(540, 545, 550, 555)을 통해 공급 전해질 용액이 흐르는 것을 제외하고는, 4개의 튜브 전기염소화 전지(400)와 유사한 방식으로 동작한다.
본 명세서에 개시되는 양상 및 실시형태는 방사상으로 배열된 전극들을 포함하는 전기화학 전지에 적용될 수 있으며, 비제한적인 예가 도 10a 및 도 10b에 도시되어 있다. 도 10a 및 도 10b는, 일반적으로 참조번호 600으로 표시된, 방사상으로 연장되는 전극들을 포함하는 전기화학 전지 또는 전기염소화 전지의 비제한적인 대표적 일 실시형태를 도시한다. 전기화학 전지(600)는, 유체 채널(615)에 의해 방사상으로 연장되는 캐소드(610)로부터 분리된 방사상으로 연장되는 복수의 애노드(605)를 포함한다. 방사상으로 연장되는 애노드(605) 및 방사상으로 연장되는 캐소드(610)는, 전기화학 전지(600)의 중심 축(635)에 인접하면서 이러한 중심 축을 중심으로 규정된 영역(630)으로부터 전기화학 전지의 외주면 또는 하우징을 향하여 연장된다. 일부 실시형태에서, 애노드들(605) 중 일부 또는 전부는, 강성 금속 전극, 예를 들어, MMO 또는 백금과 같은 내산화성 코팅으로 코팅될 수 있는 티타늄 전극이다. 일부 실시형태에서, 캐소드들(610) 중 일부 또는 전부는, 강성 금속 전극, 예를 들어, 티타늄 전극 또는 다른 실시형태에서는 수소 약화를 용이하게 하는 다공성 기체 확산 캐소드이다. 일부 실시형태에서, 애노드들(605) 중 일부 또는 전부는 기체 확산 애노드일 수 있다. 일부 실시형태에서, 본 명세서에 개시되는 바와 같이 방사상으로 연장되는 전극들을 포함하는 전기화학적 전지 또는 전기염소화 전지는 하나 이상의 바이폴라 전극을 포함할 수 있다.
중심 기체 도관(620)은, 산소가 예를 들어 전지(600) 내의 전기염소화 반응에 의해 생성되는 수소와 결합하여 물을 생성할 수 있도록 산소 전달을 위해 제공될 수 있다. 일부 실시형태에서는, 캐소드(610) 상에 및/또는 캐소드 내에 촉매가 제공되어 전지(600) 내의 산소 및 수소의 반응을 용이하게 한다. 비도전성 외부 쉘(625)은, 방사상으로 연장되는 애노드(605), 방사상으로 연장되는 캐소드(610), 유체 채널(615), 및 중심 도관(620)을 수용할 수 있다. 전극 표면적 대 체적 비율은, 전극 두께, 전극간 간격, 및 전체 셀 크기 등의 인자들의 선택을 통해 조작될 수 있다.
유체, 예를 들어, 전지(600) 내에서의 처리를 겪는 전해질은 중심 도관(620) 및 중심 축(635)에 실질적으로 평행한 방향으로 유체 채널을 통해 흐를 수 있다. 본 명세서에 개시되는 바와 같이 방사상으로 연장되는 애노드(605) 및 방사상으로 연장되는 캐소드(610)를 포함하는 전기화학 전지의 일부 실시형태에서, 방사상으로 연장되는 애노드(605) 및 방사상으로 연장되는 캐소드(610)는, 전기화학 전지의 중심 길이방향 축에 평행하거나 적어도 실질적으로 평행한 방향으로 인접하는 방사상으로 연장되는 애노드(605)와 방사상으로 연장되는 캐소드(610) 사이에 규정된 유체 채널을 통한 유체의 일부 또는 전부의 흐름을 제어하도록 구성되고 배열된다.
본 명세서에 개시되는 양상 및 실시형태는 인터리브된 전극들을 포함하는 전기화학 전지에 또한 적용될 수 있으며, 비제한적인 예들이 도 11a 내지 도 11f에 도시되어 있다. 도 11a와 도 11b에서 일반적으로 참조번호 700으로 표시된 전기염소화 전지는, 호형 베이스(705B)에 전기적 및 기계적으로 결합된 복수의 평행 판(705A)을 갖는 캐소드(705) 및 호형 베이스(710B)에 전기적 및 기계적으로 결합된 복수의 평행 판(710A)을 갖는 애노드(710)를 포함한다. 캐소드(705)의 평행 판(705A)은 애노드(710)의 평행 판(710A)과 인터리브된다. 본 명세서에 개시되는 다른 실시형태들에서와 같이, 애노드(710) 및/또는 캐소드(705)는 티타늄일 수 있고, 애노드(710)는 내산화성 코팅, 예를 들어, 백금 또는 MMO로 코팅될 수 있다. 애노드(710) 및/또는 캐소드(705)는 압출에 의해 형성될 수 있다. 캐소드(705) 및 애노드(710)는 원통형 또는 실질적으로 원통형인 용기(715)에 배치되며, 일부 실시형태에서, 이 용기는 비도전성 물질로 형성된다. 전기적 접속부는 전술한 임의의 전기적 접속 메커니즘에 따라 애노드(710) 및 캐소드(705)에 대하여 형성될 수 있다. 스페이서는, 애노드(710)의 판과 캐소드(705)의 판 사이에 제공되어 판들 사이의 고정된 간격을 유지할 수 있다. 애노드(705)와 캐소드(710)의 활성 영역들은, 캐소드(705)의 평행 판(705A)과 애노드(710)의 평행 판(710A)을 포함하고, 일부 실시형태에서는 캐소드(705)와 애노드(710)의 호형 베이스(705B, 710B)도 포함한다. 유체는, 애노드와 캐소드 각자의 베이스 부분들부터 애노드(710) 및 캐소드(705)의 판들의 연장 방향에 대략 수직인 도 11b에 표시된 방향으로 용기(715)를 통해 흐른다. 애노드(705)와 캐소드(710)의 활성 영역들은, 용기(715)의 실질적으로 단면 전체를 가로질러 연장되어, 애노드(705)와 캐소드(710)가 서로 접촉하지 않고 전기적으로 단락되지 않도록 용기(715)의 에지로부터 충분한 간격을 두게 한다. 호형 베이스(705B, 710B)는, 대량의 활성 전극 영역을 제공하도록 단지 약 180° 미만, 예를 들어, 약 165° 내지 약 175°의 호 범위에 걸쳐 이어질 수 있다. 따라서, 전기염소화 전지(700)는, 종래의 평행 판 전기염소화 장치보다 단위 부피당 더 큰 활성 전극 영역을 포함하고, 더욱 작은 전체 체적으로 염소화의 동등량을 생성하도록 동작할 수 있다.
상이한 애노드-캐소드 판 간격을 갖는 전기화학 전지(700)의 대체 구성이 도 11c와 도 11d에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 애노드(710) 또는 캐소드(705)의 최외측 판(710A, 705A)은, 베이스(710B, 705B)보다 두껍고 다른 판들(710A, 705A)과 동일하거나 이러한 다른 판들보다 큰 두께를 가질 수 있는 두꺼운 부분(710C, 705C)을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 두꺼운 부분(710C, 705C)은, 외부 판(710A, 705A)이 형성된 시트 금속을 시트 금속 자신에 대하여 접음으로써 형성될 수 있다. 애노드(710) 및/또는 캐소드(705)는 시트 금속(도 11c)의 굽힘 및/또는 압출(도 11d)에 의해 형성될 수 있다. 인터리브된 애노드와 캐소드(710, 705)를 포함하는 전기화학 전지(700)는, 단일 애노드(710)와 캐소드(705)(도 11e)를 갖는 모노폴라일 수 있으며, 또는 단일 애노드(710)와 캐소드(705)가 전기화학 전지(700)의 길이를 따라 서로 변위된 바이폴라(도 11f)일 수 있으며, 각각이 바이폴라 전극(720)의 판들과 인터리브된 판들을 갖는다. 전기화학 전지를 멀티폴라로 되게 하도록 추가 애노드(710) 및/또는 캐소드(705)가 제공될 수 있다.
나선형으로 권취되고 방사상으로 배열되며 동심 인터리브된 전극들을 포함하는 전기화학 전지는, 본 명세서에 그 전문이 참고로 원용되는, 공통 소유되는 PCT 출원번호 PCT/US2016/018213에 더욱 상세히 개시되어 있다.
본 명세서에 개시되는 양상 및 실시형태는, 전기화학 전지 내의 수소 기체의 형성 및/또는 전기화학 전지 내의 전해질에 용해된 수소를 약화, 완화, 최소화, 방지, 또는 제거하기 위한 특징부를 갖는 전기화학 전지, 및 이러한 전기화학 전지를 제조 및 동작시키는 방법을 포함한다. 염화물 함유(예를 들어, 염화나트륨 함유) 수용액, 예를 들어, 해수, 기수, 또는 염수로부터 하이포아염소산나트륨을 생성하도록 구성된 전기염소화 전지를 구체적으로 언급하지만, 전기화학 전지의 다른 형태로 사용하기 위한 개시되는 특징부 및 방법도 고려할 수 있다.
전기염소화 전지 내의 염화나트륨과 물로부터 하이포아염소산나트륨의 생성의 부산물로서 생성되는 수소의 축적은, 염화나트륨과 물을 포함하는 염화물 함유 수용액에 산화제를 첨가함으로써 감소, 약화, 억제, 완화, 최소화, 또는 제거될 수 있다고 밝혀졌다. 전술한 바와 같이, 전기염소화 전지의 캐소드에서의 반응은, -0.8277V의 표준 전위를 갖는 수소 생성 환원 반응 
을 포함할 수 있다. 염화물 함유 수용액에 산화제, 예를 들어, 산소를 첨가하면, 이러한 수소 생성 환원 반응은, 0.401V의 표준 전위를 갖는 에너지적으로 더욱 유리한 반응 
으로 대체될 수 있다. 따라서, 염화물 함유 수용액에 산소를 첨가하면, 애노드 및 캐소드에서의 염소 및 수산화물 생성 반응이 아래와 같이 변할 수 있다.
A1: 애노드에서의 반응: 
C1: 캐소드에서의 반응: 
에서
A1: 애노드에서의 반응: 
C2: 캐소드에서의 반응: 
로 변할 수 있다.
염화물 함유 수용액에 산소를 첨가함으로써, 이들 반응에서의 수소의 생성 및/또는 축적을 제거하고, 또한, 염소 및 수산화물의 생성에 필요한 전압을 절반 초과로 감소시킨다. 따라서, 염화물 함유 수용액에 산소를 첨가하면, 전기염소화 전지 내의 염화나트륨과 물로부터 하이포아염소산나트륨의 생성의 부산물인 수소의 형성 및/또는 축적을 감소 또는 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 하이포아염소산나트륨 생성 공정도 더욱 에너지 효율적으로 되게 할 수 있다.
전술한 반응 A1 및 C1에 따라 동작하는 전기화학 전지의 일부를 전술한 반응 A1 및 C2에 따라 동작하는 전기화학 전지의 일부와 도 12에서 개략적으로 비교한다.
전기화학 전지를 포함하는 전기염소화 시스템의 일부의 일 실시형태가, 일반적으로 참조번호 800으로 표시된 도 13에 도시되어 있다. 도 13에서, 소자(1000)는 염화물 함유 수용액으로부터 염소계 소독제를 생성하기 위한 전기화학 전지를 나타낸다. 전기화학 전지(1000)는 상술한 전기화학 전지의 실시형태들 중 임의의 실시형태와 유사할 수 있다. 전기화학 전지(1000)의 하우징(1005)은 입구(1010) 및 출구(1015)를 포함한다. 개시된 다양한 전기화학 전지를 참조하여 전술한 애노드-캐소드 쌍이 하우징(1005) 내에 배치된다. 염화물 함유 수용액(900)의 공급원은, 전기화학 전지(1000)의 입구(1010)에 유체 연결될 수 있는(그리고 동작 시 유체 연결되는) 출구(905)를 포함한다. 산화제 공급원(805)은, 전기화학 전지(1000)의 입구(1010)의 상류에 있는 염화물 함유 수용액(900)의 공급원에 유체 연결 가능하다(그리고 동작 시 유체 연결된다). 산화제 공급원(805)은, 염화물 함유 수용액(900)의 소스에 직접적으로 유체 연결될 수 있거나 연결되며, 또는, 염화물 함유 수용액(900)의 공급원과 전기화학 전지(1000)의 입구(1010) 간에 유체 연결 가능하거나 연결된 도관(815)의 주입 지점(810)에 유체 연결될 수 있거나 연결된다. 전기화학 전지(1000)의 출구(1015)는, 예를 들어, 도관(820)을 통해 저장 탱크 또는 사용지점(1100)에 유체 연결될 수 있다(그리고 동작 시 유체 연결된다).
다양한 펌프는, 관련된 다양한 수용액의 흐름을 유발하기 위해 시스템(800)의 일부에 포함될 수 있지만, 명확성을 위해 도시하지는 않는다. 시스템(800)의 일부의 다양한 동작 파라미터 및 관련된 다양한 수용액을 측정할 수 있는 다양한 센서가 또한 존재할 수 있지만, 명확성을 위해 도 13에서는 생략되어 있다.
동작 시, 염화물 함유 수용액은 염화물 함유 수용액(900)의 공급원으로부터 도관(815)을 통해 전기화학 전지(1000)의 입구(1010)로 흐른다. 산화제 공급원(805)으로부터의 산화제는 염화물 함유 수용액에 도입된다. 산화제 공급원(805)으로부터의 산화제는, 염화물 함유 수용액(900)의 공급원 내로 및/또는 전기화학 전지(1000)로 흐르는 염화물 수용액과 혼합되는 전기화학 전지(1000)의 상류에 있는 도관(815) 내로 직접 도입될 수 있다. 전기화학 전지(1000)에서는, 염화물 함유 수용액으로부터 소독액, 예를 들면, 염소계 소독액이 생성된다. 소독액은, 전기화학 전지(1000)로부터 출구(1015)를 통해 그리고 도관(820)을 통해 저장 탱크 또는 사용 지점(1100)으로 흐른다.
산화제 공급원(805)은, 기체 산화제, 예를 들어, 공기 또는 순수한 산소를 수용액, 예를 들어, 물 또는 염화물 함유 수용액에 혼합하기 위한 시스템을 포함할 수 있다. 산화제 공급원(805)은, 예를 들어, 도관(910)을 통해 또는 도관(815)으로부터의 브랜치를 통해 염화물 함유 수용액(900)의 공급원으로부터 산화제가 첨가될 염화물 함유 수용액을 수용할 수 있다. 산화제 공급원(805)은, 예를 들어, 용해된 공기 부상 펌프, 미세 기포 관형 확산기, 포기 용기, 혼합 용기, 벤투리, 또는 전기화학 전지의 상류에 있는 염화물 함유 수용액과 산화제를 혼합하도록 구성된 다른 형태의 산소화 시스템을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 도 14에 도시된 바와 같이, 산화제 공급원(805)은 도관(815)에서 인라인일 수 있다. 산화제 공급원(805)으로부터의 산화제는, 대기압보다 큰 압력 하에 염화물 함유 수용액에 도입되어, 염화물 함유 수용액 내의 산화제의 용해도를 대기압 하에 있는 염화물 함유 수용액 내의 산화제의 용해도와 비교하여 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 산소, 공기, 및/또는 다른 산화제는, 약 1bar 게이지 내지 약 7bar 게이지, 약 3bar 게이지 내지 약 5bar 게이지의 상승된 압력에서, 또는 원하는 양의 산화제를 염화물 함유 수용액 내에 도입하고자 하는 다른 임의의 압력에서 염화물 함유 수용액 내에 도입될 수 있다. 산화제 공급원(805)으로부터의 산화제가 가압 하에서 염화물 함유 수용액 내에 도입되는 일부 실시형태에서, 산화제는, 산소화된 염화물 함유 수용액이 전기화학 전지(1000) 내에 들어가고 산화제의 도입 또는 산화제에 대한 노출 중에 산소화된 염화물 함유 수용액에 인가되는 압력이 염화물 함유 수용액에 인가되는 압력에 비해 감소됨에 따라, 전기화학 전지(1000) 내에 미세 기포를 형성할 수 있다.
또 다른 일 실시형태에서, 전기화학 전지(1000)는, 도 15에 도시된 바와 같이 입구(1010)와 출구(1015) 사이의 하우징(1005) 내에 하나 이상의 산화제 주입 지점(825)을 더 포함한다. 산화제 주입 지점들(825)은 하우징(1005)의 길이를 따라 실질적으로 고르게 이격될 수 있다. 이러한 추가 산화제 주입 지점(825)은, 원하는 범위 및 원하는 경우에만 전기화학 전지(1000) 내에 추가 산화제를 도입할 수 있다. 예를 들어, 산화제가 공기 또는 산소와 같은 기체를 포함하는 경우, 전기화학 전지(1000)의 입구(1010)에 너무 많은 산화제를 도입하는 것은 바람직하지 않을 수 있는데, 이는 산화제가 용액으로부터 기포로서 나올 수 있고 전기화학 전지(1000)의 애노드 또는 캐소드의 일부를 차폐할 수 있어서 소독제를 생성하도록 이용 가능한 전극 면적을 감소시킬 수 있기 때문이다. 다수의 산화제 주입 지점(825)을 포함함으로써, 전기화학 전지 전체에 걸쳐 수소와 반응하기를 원하는 것보다 적은 양의 산화제를 입구(1010)에서 도입할 수 있다. 추가 산화제는, 전기화학 전지(1000) 내에서의 수소와의 반응을 통해 입구(1010)를 통해 도입된 산화제의 손실을 보충하도록 추가 산화제 주입 지점(825)에 도입될 수 있다. 하우징(1005)에서 다수의 산화제 주입 지점(825)을 사용함으로써, 전기화학 전지(1000)의 길이를 따라 실질적으로 균일한 농도의 산화제를 유지하는 것을 용이하게 할 수 있다. 하우징(1005)에서 다수의 산화제 주입 지점(825)을 사용함으로써, 입구(1010)를 통해 도입된 산화제가 예를 들어 전기화학 전지(1000) 내에서의 유체 흐름을 위한 저 난류 및 소량의 혼합 또는 작은 레이놀드 수로 인해 도달하지 못할 수 있는 전기화학 전지(1000)의 원하는 영역으로의 산화제의 전달을 용이하게 할 수 있다.
공기 또는 오존에 더하여 또는 그 대안으로, 산화제는, 산소 풍부 공기, 오존, 이산화탄소, 과산화수소, 불소, 염소, 브롬, 요오드, 질산, 아산화질소, 질산염, 황산, 과산화황산, 과산화일황산, 6가류 과망간산염 화합물, 과붕산나트륨, 질산칼륨, 또는 알려져 있는 다른 임의의 공지된 산화 화합물 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 산화제는 기체, 고체 또는 액상제일 수 있다. 산화제는, 자유 전자를 생성하기 위해 전자가 물 분자로 통과하는 것을 차단하는 데 충분히 낮은 환원 전위를 갖는 임의의 화합물을 포함할 수 있다. 산화제는, 표준 수소 전극에 비해 -0.8277볼트보다 작은 음의 값인 환원 전위를 갖는 임의의 화합물을 포함할 수 있다. 산화제의 환원 전위는 농도, 온도, 및 촉매 효과 등의 동적 인자들에 기초하여 달라질 수 있다.
염화물 함유 수용액에 산화제를 도입하는 것은 염화물 함유 수용액을 산소 함유 기체와 접촉시키는 것을 포함할 수 있다. 염화물 함유 용액에 산화제를 도입하는 것은 산소 함유 액체를 염화물 함유 용액에 주입하는 것을 포함할 수 있다.
염화물 함유 수용액은 해수, 기수, 또는 염수 중 하나를 포함할 수 있다.
사용 지점(1100)은, 선상 시스템, 굴착 플랫폼 시스템, 수중 시스템(예를 들어, 수영장 또는 분수)，음용수 시스템, 또는 석유 굴착 시스템의 다운홀을 포함할 수 있다. 사용 지점(1100)은 선박 또는 해상 플랫폼의 냉각수 시스템 또는 선박의 밸러스트 탱크를 포함할 수 있다.
전기염소화 시스템의 일부의 또 다른 일 실시형태는, 일반적으로 참조번호 1200으로 표시된 도 16에 도시되어 있다. 시스템(1200)은, 상술한 전기화학 전지의 실시형태들 중 임의의 실시형태와 유사할 수 있는 전기화학 전지(1000)를 포함한다. 산화제 또는 산화 시스템(805)의 공급원은 전기화학 전지(1000)의 상류에 있는 도관(815)에 배치된다. 염화물 함유 수용액(900)의 공급원은 탱크로서 도시되어 있다. 사용 지점(1100)은 전기화학 전지(1000)의 하류에 배치된다. 보유 또는 저장 탱크(1105)는, 전기화학 전지(1000)와 사용 지점(1100) 사이에 배치되고, 전기화학 전지(1000)에서 생성되는 원하는 양의 소독제를 사용 지점(1100)에 주입하도록 개방, 폐쇄, 또는 조절될 수 있는 밸브(참조 표시 없음)에 의해 사용 지점(1100)에 연결된다. 시스템(1200)은, pH 조절제 공급원, 예를 들어, NaOH와 같은 무기산 또는 부식제 및 열 교환기(1210)를 포함하는 pH 조절 시스템(1205)을 더 포함한다. pH 조절 시스템(1205)은, 염화물 함유 수용액의 pH를, 전기화학 전지(1000)의 염소계 소독제의 원하는 종의 생성을 위한 반응을 유리하게 하는 pH, 전기화학 전지(1000)의 염소 기체의 형성이 억제될 정도로 충분히 높은 pH, 및/또는 전기화학 전지(1000)의 염화물 함유 수용액으로부터의 마그네슘의 침전이 억제될 정도로 충분히 낮은 pH로 조절할 수 있다. pH 조절 시스템(1205)은, 염화물 함유 수용액의 pH를, 예를 들어, 약 2 내지 약 14 또는 약 7 내지 약 10의 pH로 조절할 수 있다. 열 교환기는, 염화물 함유 수용액의 온도를 전기화학 전지(1000)에서의 원하는 반응 속도를 발생시키는 온도로 조절하고 및/또는 염화물 함유 수용액 내의 산소 또는 수소의 용해도를 조절하는 데 사용될 수 있다.
시스템(1200)은, 센서로부터의 데이터에 기초하여 시스템(1200)의 구성요소의 동작 파라미터를 조절할 수 있는 제어 시스템(도 16에 도시되지 않음)에 데이터를 공급할 수 있는 다수의 센서를 포함한다. 센서는, 열 교환기의 제어를 위해 피드백을 제공할 수 있는 열 교환기(1210)의 하류에 있는 온도 센서(S1), 제어기가 염화물 함유 수용액 내로의 산화제의 주입량을 조절하는 데 사용할 수 있는 데이터를 제공하도록 사용될 수 있는, 전기화학 전지(1000)의 내부에 또는 그 전기화학 전지 상에 있는 온도 센서(S1), 및 얼마나 많은 소독제가 사용 지점(1100)으로 언제 주입되어야 하는지를 결정하는 데 사용될 수 있는 피드백을 제어기에 제공할 수 있는, 사용 지점(1100)의 내부에 또는 그 사용 지점 상에 있는 온도 센서(S1)를 포함할 수 있다. pH 센서(S2)는, 전기화학 전지(1000)의 상류 및/또는 하류에 제공될 수 있으며, 전기화학 전지(1000)로부터 나오는 소독액 및/또는 전기화학 전지(1000)에 들어가는 염화물 함유 수용액의 pH를 원하는 범위 내에서 유지하도록 pH 조절 시스템(1205)의 동작을 조절하는 데 사용될 수 있는 피드백을 제어기에 제공할 수 있다. 예를 들어, pH 조절 시스템(1205)은, 전기화학 전지(1000)에 들어가는 염화물 함유 수용액의 pH를 약 4 내지 약 10으로 유지하도록 동작될 수 있다.
용존 산소 센서(S3)는 염화물 함유 수용액 내의 용존 산소 수준을 측정하는 데 사용될 수 있다. 제어기는, 염화물 함유 수용액에 용해된 산소 수준의 표시를 이용하여 산화제 또는 산화 시스템(805)의 공급원을 제어하여 전기화학 전지에 도입되는 염화물 함유 수용액 내의 용해된 산소 수준을 원하는 범위 내에서 유지할 수 있다. 흐름 센서(S4)는, 펌프(P)의 동작, 산화제 또는 산화 시스템(805)의 공급원 및/또는 전기화학 전지(1000)의 애노드-캐소드 쌍을 가로질러 인가되는 전류 또는 전압을 제어하기 위해 소독액 유속 데이터를 사용할 수 있는 제어기에 이 데이터를 제공할 수 있다. 전기 계량기(S5), 예를 들어, 정전위 전해장치는, 전기화학 전지 내의 실질적으로 모든 수소가 염화물 함유 수용액 내에 공급되는 산소와 반응하고 있는 영역에서 전기화학 전지가 동작 중인지에 관한 정보를 얻도록 이용될 수 있는 소독액의 전기 파라미터를 측정하고 및/또는 전류-전압 곡선을 생성하는 데 이용될 수 있다. 전기 계량기(S5)로부터의 데이터는, 펌프(P)의 동작, 산화제 또는 산화 시스템(805)의 공급원, 및/또는 전기화학 전지(1000)의 애노드-캐소드 쌍에 인가되는 전류 또는 전압을 제어하는 제어기에 의해 사용될 수 있다. 산화 환원 전위(ORP) 계량기(S6)는, 사용 시점(1100)에서 언제 그리고 얼마나 많은 소독제가 주입되어야 하는지를 결정하기 위해 제어기에 의해 사용될 수 있는 사용 지점(1100) 내의 액체의 ORP 판독 값을 얻도록 제공될 수 있다.
시스템(1200)은, 소독액으로부터 잔류 수소를 제거하는 데 사용될 수 있는 기체 분리 컬럼(1215)을 더 포함할 수 있다. 브레이크아웃 루프(1220)는, 소독액의 샘플링 및/또는 추가 센서 또는 대체 센서, 예를 들어, 소독액 내의 염소, 산소, 또는 수소 수준을 측정하기 위한 센서의 추가를 허용하도록 제공될 수 있다.
시스템(1200)의 다양한 구성요소는 서로 일렬로 직렬 반복될 수 있다. 예를 들어, 시스템(1200)은, 가능한 한 서로 직렬로 배열된, 열 교환기(1210), pH 조절 시스템(1205), 산화제 또는 산화 시스템(805)의 공급원, 전기화학 전지(1000), 및 펌프(P)를 포함하는 반복되는 다수의 서브시스템을 가질 수 있다.
전기염소화 시스템의 또 다른 일 실시형태는 일반적으로 참조번호 1300으로 표시된 도 17에 도시되어 있다. 시스템(1300)은, 동일한 표시자로 표시된 도 16의 시스템(1200)과 유사한 구성요소들을 포함한다. 시스템(1300)은, 시스템(1300)이 "공급 및 배출"(feed & bleed) 시스템인 반면 시스템(1200)은 "일회 통과"(once through) 유형의 시스템이라는 점에서 시스템(1200)과 다르다. 시스템(1300)에서, 전기화학 전지(1000)에 의해 생성되는 소독액은, 저장 탱크(1105) 및/또는 사용 지점(1100)으로 소독액을 배출하는 것이 필요할 때까지 루프(L) 주위로 순환한다. 소독액이 루프(L)로부터 제거될 때 또는 제거된 후, 염화물 함유 수용액(900)의 공급원으로부터 추가 염화물 함유 수용액을 루프(L)에 도입할 수 있다.
본 명세서에 개시되는 바와 같은 전기화학 또는 전기염소화 전지 및 장치는 보다 큰 시스템의 일부로서 포함될 수 있다. 하나 이상의 전기화학적 또는 전기염소화 전지 또는 장치를 사용하는 시스템의 일례가 일반적으로 참조번호 1400으로 도 18에 도시되어 있다. 시스템(1400)은, 일부 실시형태에서는 선박 또는 오일 리그와 같은 바다 기반 시스템이며, 다른 실시형태에서는 발전소, 석유 굴착 설비 또는 시스템 또는 다른 산업 설비와 같은 육상 기지 건물이다. 다른 실시형태에서, 시스템(1400)은, 시스템(1400)에서 전기화학 장치의 하나 이상의 생성물, 예를 들어, 물을 처리하거나 소독하기 위한 소독제를 사용하는 음료수, 폐수, 또는 산업용 수처리 공정을 위한 수영장 또는 처리 시스템이며, 혹은 이러한 수영장 또는 처리 시스템을 포함할 수 있다.
시스템(1400)은, 본 명세서에 개시된 바와 같은 하나 이상의 전기화학 또는 전기염소화 전지 또는 장치를 포함할 수 있는 하나 이상의 전기염소화 시스템(1405)을 포함한다. 전기염소화 시스템(1405)은, 예를 들어, 도 13 내지 도 17 중 임의의 하나 이상의 도를 참조하여 전술한 전기염소화 시스템들 중 임의의 전기염소화 시스템과 실질적으로 유사할 수 있고, 이러한 전기염소화 시스템과 실질적으로 유사한 구성요소들을 포함할 수 있다. 전기염소화 시스템(1405)은 산화제의 공급원(1435)으로부터의 산화제를 수용할 수 있고, 이러한 산화제의 공급원은, 전술한 산화제의 공급원들 중 임의의 공급원과 실질적으로 유사할 수 있고 이러한 임의의 공급원과 실질적으로 유사한 구성요소들을 포함할 수 있고 및/또는 후술하는 구현예에서 설명하는 바와 같은 기체 분리 시스템을 포함할 수 있다.
시스템(1400)은, 일부 실시형태에서 외부(1410A) 및/또는 내부(1410B)의 공급원으로부터 시스템으로의 해수, 기수 또는 염수인 공정 액체 또는 전해질을 도출할 수 있다. 예를 들어, 시스템이 해상 기반 시스템인 경우, 외부 공급원(1410A)은 해양이 될 수 있고, 내부 공급원(1410B)은 예를 들어 선박의 밸러스트 탱크일 수 있다. 육상 시스템에서, 외부 공급원(1410A)은 해양이 될 수 있고, 내부 공급원(1410B)은 시스템(1400)에서 수행되는 산업 공정으로부터의 염분이 섞인 폐수일 수 있다. 하나 이상의 전기염소화 시스템(1405)은, 공급원(1410A 및/또는 1410B)으로부터의 물로부터 염소화된 물 및/또는 하이포아염소산나트륨을 포함하는 용액을 생성하여 사용 지점(1415)에 분배한다. 사용 지점은, 시스템의 냉각수 공급원, 선박의 밸러스트 탱크용 소독제의 공급원, 석유 굴착 시스템의 다운홀, 또는 염소계 소독액이 유용할 수 있는 다른 임의의 시스템일 수 있다.
다양한 펌프(1420)는 시스템(800)을 통한 유체의 흐름을 제어할 수 있다. 하나 이상의 센서(1425)는, 시스템을 통해 흐르는 유채, 예를 들어 하나 이상의 전기염소화 시스템(1405) 내의 전기화학 전지(1000)에 도입되는 염화물 수용액, 전기화학 전지 내부의 유체, 사용 지점(1415)에서의 액체, 또는 전기화학 전지에서 생성되거나 발생하는 소독액의 하나 이상의 파라미터를 감시할 수 있다. 이들 파라미터는, 예를 들어, 유속, 이온 농도, 염소 농도, 산소 농도, 수소 농도, pH, 전기 파라미터, 온도, 산소 환원 전위CORP), 또는 관심을 갖는 다른 임의의 파라미터를 포함할 수 있다. 추가 센서는, 전기화학 전지 자체의 파라미터, 예컨대, 전기화학 전지 내의 애노드-캐소드 쌍을 가로지르는 전류 및/또는 전압, 전기화학 전지의 온도 또는 전기화학 전지 내부의 온도, 또는 전기화학 전지를 통한 전해질의 유속을 감시할 수 있다.
펌프(1420)와 센서(1425)는, 센서(1425) 및 펌프(1420)와 통신하며 원하는 동작 파라미터를 달성하도록 시스템(1400)의 다른 요소 및 펌프(1420)를 동작을 제어하는 제어 시스템 또는 제어기(1430)와 통신한다.
본 명세서에 개시된 전기염소화 시스템의 다양한 동작 파라미터는, 전기염소화 시스템의 상이한 부분들에 위치하는 다양한 센서에 의해 측정되는 다양한 파라미터에 기초하여, 연관된 제어 시스템 또는 제어기, 예를 들어, 도 18에 도시된 제어기(1430)와 유사한 제어기에 의해 제어되거나 조절될 수 있다. 제어기는, 염화물 함유 수용액의 유속, 염화물 함유 수용액 내의 염화물의 농도, 또는 전기화학 전지에서 생성되는 소독액을 위한 사용 지점에서의 액체의 산화 환원 전위 중 적어도 하나 이상에 기초하여 전기염소화 시스템의 전기화학 전지에 도입되는 산화제의 염화물 함유 수용액 내로의 도입을 규제하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 제어기는, 적어도 전기화학 전지에서 생성되는 염소계 소독제 화합물의 농도에 기초하여 염화물 함유 수용액 내로의 산화제의 도입을 규제하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 제어기는, 또한, 전기화학 전지의 하우징의 출구에 유체적으로 연결될 수 있는 사용 지점에서의 액체의 산화 환원 전위에 적어도 기초하여 전기화학 전지에서 생성되는 염소계 소독제 화합물의 농도를 규제하도록 구성될 수 있다.
제어기는, 전기화학 전지의 온도, 염화물 함유 수용액의 pH, 또는 전기화학 전지에서 생성되는 소독액의 pH 중 적어도 하나 이상에 기초하여 염화물 함유 수용액 내로의 산화제의 도입을 규제하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 제어기는, 전기화학 전지 내에 존재하는 기체 수소의 양, 염화물 함유 수용액에 용해된 수소의 농도, 염화물 함유 수용액에 용해된 산소의 농도, 또는 전기화학 전지에서 생성되는 살균액에 용해된 산소의 농도 중 적어도 하나 이상에 기초하여 염화물 함유 수용액 내로의 산화제의 도입을 규제하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다.
제어기는, 염화물 함유 수용액의 유속 및 염화물 함유 수용액 내로의 산화제의 도입 속도에 기초하여 애노드-캐소드 쌍에 걸친 전류 또는 애노드-캐소드 쌍에 인가되는 전압 중 하나 이상을 규제하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 제어기는, 전기화학 전지 내의 실질적으로 모든 수소 기체의 축적을 억제하는 데 충분한 양의 산화제를 염화물 함유 수용액 내에 도입하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 제어기는, 전기화학 전지에서 생성되는 염소계 소독제 화합물의 양과 대략 화학량론적인 양의 산화제를 염화물 함유 수용액 내에 도입하고, 예를 들어, 동작 중 수소가 캐소드(들)에서 생성되지 않게끔 전기화학 전지의 캐소드(들)에서의 충분한 산화제 가용성을 제공하기 위해 산화제를 화학량론적인 양보다 많게 잠재적으로 과다 주입하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다. 산소 과다 주입의 양은, 예를 들어, 전기화학 전지 내의 유동 조건 또는 난류, 전기화학 전지 내의 산소의 확산도, 동작 전류, 캐소드 면적 등에 의존할 수 있다. 제어기는, 산화될 전기화학 전지 내의 실질적으로 모든 자유 수소를 제공하는 데 충분한 양의 산화제를 염화물 함유 수용액 내에 도입하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다.
시스템(1400)의 다양한 요소의 동작을 감시하고 제어하는 데 사용되는 제어기(1430)는 컴퓨터 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어기(1430)의 다양한 양상은, 도 19에 도시된 것과 같은 범용 컴퓨터 시스템(1500)에서 실행되는 특수 소프트웨어로서 구현될 수 있다. 컴퓨터 시스템(1500)은, 디스크 드라이브, 고체 메모리, 또는 데이터를 저장하기 위한 다른 장치와 같은 하나 이상의 메모리 장치(1504)에 접속된 프로세서(1502)를 포함할 수 있다. 메모리(1504)는, 전형적으로 컴퓨터 시스템(1500)의 동작 중에 프로그램 및 데이터를 저장하는 데 사용된다. 컴퓨터 시스템(1500)의 구성요소들은, (예를 들어, 동일한 기계 내에 집적된 구성요소들 간의) 하나 이상의 버스 및/또는 (예를 들어, 별도의 이산 기계들에 상주하는 구성요소들 간의) 네트워크를 포함할 수 있는 상호접속 메커니즘(1506)에 의해 결합될 수 있다. 상호접속 메커니즘(1506)은, 시스템(1500)의 시스템 구성요소들 간에 통신(예를 들어, 데이터, 명령어)이 교환될 수 있게 한다. 컴퓨터 시스템(1500)은, 또한, 예를 들어 키보드, 마우스, 트랙볼, 마이크로폰, 터치 스크린인 하나 이상의 입력 장치(1508), 및 예를 들어 인쇄 장치, 표시 스크린, 및/또는 스피커와 같은 하나 이상의 출력 장치(1510)를 포함한다.
또한, 출력 장치(1510)는, 공급원(1410A 및/또는 1410B)으로부터의 생성된 물(예를 들어, 염수, 기수, 또는 해수)을 전기염소화 시스템(1405) 또는 사용 지점(1415) 내에 도입하고 및/또는 펌프(1420)의 속도를 제어하도록 이용될 수 있는 밸브, 펌프, 또는 스위치를 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서(1514)는, 또한, 컴퓨터 시스템(1500)에 입력을 제공할 수 있다. 이들 센서는, 예를 들어, 압력 센서, 화학물 농도 센서, 온도 센서, 또는 시스템(1400)에 대한 관심 있는 다른 임의의 파라미터를 위한 센서일 수 있는, 센서(1425)를 포함할 수 있다. 이들 센서는, 예를 들어, 사용 지점(1415) 및/또는 전기염소화 시스템(1405)의 상류에 있거나 공급원(1410A 및/또는 1410B)과 유체 연통하는 유용한 곳인 시스템(1400)의 임의의 부분에 위치할 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(1500)은, 컴퓨터 시스템 (1500)을 상호 접속 메커니즘(1506)에 더하여 또는 그 대안으로 컴퓨터를 통신 네트워크에 접속시키는 하나 이상의 인터페이스(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.
도 20에 더욱 상세하게 도시된 저장 시스템(1512)은, 전형적으로 프로세서(1502)에 의해 실행될 프로그램 또는 프로그램에 의해 처리될 정보를 규정하는 신호가 저장되는 컴퓨터 판독가능 및 기입가능 비휘발성 기록 매체(1602)를 포함한다. 매체는 예를 들어 디스크 또는 플래시 메모리를 포함할 수 있다. 전형적으로, 동작 시, 프로세서는, 데이터가 비휘발성 기록 매체(1602)로부터 비휘발성 기록 매체(1602)보다 프로세서에 의한 정보로의 더욱 빠른 접근을 허용하는 다른 메모리(1604)로 판독되게 한다. 이 메모리(1604)는 전형적으로 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM) 또는 정적 메모리(SRAM)와 같은 휘발성 랜덤 액세스 메모리이다. 이것은 도시된 바와 같이 저장 시스템(1512)에 또는 메모리 시스템(1504)에 위치할 수 있다. 프로세서(1502)는, 일반적으로 집적 회로 메모리(1604) 내의 데이터를 조작한 다음, 처리가 완료된 후에 그 데이터를 매체(1602)에 복사한다. 매체(1602)와 집적 회로 메모리 소자(1604) 간의 데이터 이동을 관리하기 위한 다양한 메커니즘이 알려져 있으며, 본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태는 이에 한정되지 않는다. 본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태는 특정 메모리 시스템(1504) 또는 저장 시스템(1512)으로 한정되지 않는다.
컴퓨터 시스템은, 예를 들어 주문형 집적 회로(ASIC)와 같은 특별하게 프로그래밍된 전용 하드웨어를 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태는 소프트웨어, 하드웨어 또는 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 또한, 이러한 방법, 동작, 시스템, 시스템 요소, 및 시스템의 구성요소는, 전술한 컴퓨터 시스템의 일부로서 또는 독립적인 구성요소로서 구현될 수 있다.
본 명세서에 개시된 다양한 양상 및 실시형태가 실시될 수 있는 컴퓨터 시스템의 일 유형으로서 컴퓨터 시스템(1500)이 도시되어 있지만, 본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태는 도 19에 도시된 바와 같이 컴퓨터 시스템 상에 구현되는 것으로 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에 개시된 다양한 양상 및 실시형태는, 도 19에 도시된 것과 다른 아키텍쳐 또는 구성요소를 갖는 하나 이상의 컴퓨터 상에서 실행될 수 있다.
컴퓨터 시스템(1500)은 고급 컴퓨터 프로그래밍 언어를 사용하여 프로그래밍가능한 범용 컴퓨터 시스템일 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(1500)은 특별하게 프로그래밍된 전용 하드웨어를 사용하여 구현될 수도 있다. 컴퓨터 시스템(1500)에서, 프로세서(1502)는, 전형적으로 Intel Corporation으로부터 입수가능한 공지된 Pentium™ 또는 Core™ 클래스 프로세서와 같은 상업적으로 이용 가능한 프로세서이다. 프로그래머블 로직 컨트롤러를 포함한 다른 많은 프로세서를 사용할 수 있다. 이러한 프로세서는, 예를 들어, Microsoft Corporation로부터 입수가능한 Windows 7, Windows 8, 또는 Windows 10 운영 체제, Apple Computer로부터 입수가능한 MAC OS System X, Sun Microsystems으로부터 입수가능한 Solaris Operating System, 또는 다양한 공급원으로부터 입수가능한 UNIX일 수 있는 운영 체제를 실행한다. 다른 많은 운영 체제가 사용될 수 있다.
프로세서 및 운영 체제는 고급 프로그래밍 언어의 애플리케이션 프로그램이 기입되는 컴퓨터 플랫폼을 함께 규정한다. 본 발명은 특정 컴퓨터 시스템 플랫폼, 프로세서, 운영 체제, 또는 네트워크로 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태가 특정 프로그래밍 언어 또는 컴퓨터 시스템으로 한정되지 않는다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 또한, 다른 적절한 프로그래밍 언어 및 다른 적절한 컴퓨터 시스템이 또한 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
컴퓨터 시스템의 하나 이상의 부분은 통신 네트워크에 결합된 하나 이상의 컴퓨터 시스템(도시되지 않음)에 걸쳐 분산될 수 있다. 이들 컴퓨터 시스템은 또한 범용 컴퓨터 시스템일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 다양한 양상은, 서비스를 하나 이상의 클라이언트 컴퓨터들에 제공하거나 분산된 시스템의 일부로서 전체 작업을 수행하도록 구성된 하나 이상의 컴퓨터 시스템(예를 들어, 서버들) 간에 분산될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 다양한 양상 및 실시형태는, 본 명세서에 개시된 다양한 양상 및 실시형태에 따라 다양한 기능을 수행하는 하나 이상의 서버 시스템 간에 분산된 구성요소들을 포함하는 클라이언트-서버 시스템에서 수행될 수 있다. 이들 구성요소는, 통신 프로토콜(예를 들어, TCP/IP)을 사용하여 통신 네트워크(예를 들어, 인터넷)를 통해 통신하는 실행 파일, 중간 파일(예를 들어, IL), 또는 해석(예를 들어, Java) 코드일 수 있다. 일부 실시형태에서, 컴퓨터 시스템(1500)의 하나 이상의 구성요소는, 예를 들어 셀룰러 전화 네트워크를 포함하는 무선 네트워크를 통해 하나 이상의 다른 구성요소와 통신할 수 있다.
본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태는 임의의 특정 시스템 또는 시스템들의 그룹에서의 실행으로 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 양상 및 실시형태는 임의의 특정 분산형 아키텍처, 네트워크, 또는 통신 프로토콜로 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에 개시된 다양한 양상 및 실시형태는, SmallTalk, Java, C++, Ada, 또는 C#(C-Sharp)과 같은 객체 지향 프로그래밍 언어를 사용하여 프로그래밍될 수 있다. 다른 객체 지향 프로그래밍 언어가 또한 사용될 수 있다. 대안으로, 기능, 스크립팅, 및/또는 논리적 프로그래밍 언어가 사용될 수 있다(예를 들어, 래더 로직). 본 명세서에 개시된 다양한 양상 및 실시형태는, 프로그래밍되지 않은 환경(예를 들어, 브라우저 프로그램의 윈도우에서 볼 때 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 양상을 렌더링하거나 다른 기능을 수행하는 HTML, XML, 또는 다른 포맷으로 생성된 문서)에서 구현될 수 있다. 본 명세서에 개시된 다양한 양상 및 실시형태는, 프로그래밍된 또는 프로그래밍되지 않은 요소들, 또는 이들의 임의의 조합으로서 구현될 수 있다.
일부 실시형태에서, 기존의 전기염소화 시스템은, 본 명세서에 개시된 전기염소화 시스템의 요소들을 포함하도록 또는 본 명세서에 개시된 전기염소화 시스템에 따라 동작하도록 수정되거나 업그레이드될 수 있다. 전기염소화 전지 내의 수소의 생성을 감소시키도록 전기염소화 전지를 개조하는 방법은, 전기염소화 전지의 전해질 입구의 상류에 있는 전해질에 산화제를 도입하도록 구성된 시스템을 설치하는 단계를 포함할 수 있다.
구현예: 선박 기반 시스템
선박은 안정성과 기동성을 제공하도록 밸러스트 탱크를 사용한다. 전형적으로, 밸러스트 탱크는, 화물의 적재 또는 하역 작업이 진행되는 동안 또는 후에 한 포트에서 해수 등의 물로 채워진다. 이러한 밸러스트 물은, 화물이 적재되거나 하역될 때 다른 포트에서 배출될 수 있다. 효과적으로, 밸러스트 물은, 제1포트로부터 제2포트 또는 배출 포트에서 수중 생물(ANS)이 도입될 가능성이 있는 제2포트로 전달된다. ANS 전달은 해로운 생태학적 문제로 될 수 있다. ANS 전달을 제어하는 한 가지 방식은 밸러스트 물 소독 시스템을 사용하는 것이다.
염소계 소독 시스템은, 전형적으로 건조 염소 기체, 벌크 하이포아염소산나트륨, 및 인시투(in-situ) 염소 또는 하이포아염소산나트륨 전해 발전기 중 임의의 것을 이용한다. 염소를 생성하기 위한 해수의 전기 분해는, 해수를 냉각제로서 이용하는 시스템과 같은 냉각 시스템의 바이오파울링 제어를 위해 육상 기반의 산업 및 해안 응용분야에 사용되어 왔다. 자동 세척 튜브-인-튜브 전기화학 전지의 개발에 따라, 엔진 냉각 시스템 및 공기 조절 및 기타 보조 시스템의 바이오파울링 제어 등의 선상 응용분야에서 전기염소화를 사용하게 되었다.
밸러스트 물 소독 시스템은, ANS 전달을 감소시키거나 제거하도록 해수로부터 염소 종을 생성하기 위해 전해 전지를 사용할 수 있다. 선박에 밸러스트 물 소독 시스템을 설치하고 해수의 전기 분해를 통해 염소 종을 생성할 수 있다. 일부 실시형태에서, 밸러스트 탱크 내로 도입되는 물을 처리하는 방법은, 살생물제(biocide)를 물 내에 도입하고 살생물제의 도입 속도를 규제하여 물에서의 약 200mV 내지 약 1,000mV 범위의 타겟 물 산화 환원 전위 값(살생물제 강도의 측정값)을 달성하는 단계를 포함할 수 있다.
수소 기체는 전해 공정 중에 생성된다. 수소 기체는 수소의 폭발적 성질로 인해 불필요한 부산물이다. 수소 제거는 수소를 폭발 한계값 미만으로 희석시키는 공기 송풍기에 의해 달성될 수 있다. 직접적 수소 제거는 공기 송풍기 대신 하이드로사이클론을 사용하여 수행될 수 있다. 그러나 수소의 방출이 완전히 방지될 수 있다면 큰 이점이 될 것이다. 염화물 함유 수용액, 예를 들어 산화제, 예컨대 산소가 첨가된 해수가 공급되는 본 명세서에 개시된 바와 같은 전해조는, 캐소드에 산소를 공급함으로써 이러한 문제를 극복할 수 있다. 전술한 바와 같이, 캐소드에서의 산소와 물 간의 반응
은, 캐소드에서 물로부터 수소를 생성하는 반응
보다 에너지 측면에서 더욱 유리하다. 캐소드에서의 수소 기체 방출은, 전기염소화 전지에 대한 공급 전해질이 충분한 산소를 포함한다면 본질적으로 제거된다. 공기 또는 산소 모두가 수소 방출을 제거하도록 기능하지만, 프로세스가 보다 효율적으로 기능하고 보다 작은 체적의 기체가 필요하므로 산소가 바람직할 수 있다.
기체 분리 시스템은 불활성 환경을 제공하도록 선박에서 점점 더 많이 사용된다. 이러한 시스템 공기는 질소와 산소로 분리된다. 질소는 불활성 기체를 제공하는 데 사용되며, 산소는 폐기물로서 간주된다. 선상 환경에서 정제된 질소의 용도는 이하의 것들 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다.
질소 정화 시스템은, 육상 기반 시스템이나 해상 기반 플랫폼(예를 들어, 석유 플랫폼)에서 유사한 용도를 찾을 수 있다.
본 명세서에 개시된 일부 양상 및 실시형태는, 질소 정화 시스템에 의해 생성되는 산소 풍부 스트림을 이용하여 이러한 산소 풍부 스트림을 전기화학 전지에 공급되도록 첨가하여, 성능을 개선하고, 크기를 감소시키고, 전기염소화 공정을 더욱 효율적으로 만들 수 있다.
질소 정화 시스템의 일부 예들의 구성요소는 PRISM® 멤브레인 분리기 모듈(Air Products and Chemicals, Inc.)이다. 각 모듈에는 수천 개의 중공 섬유 멤브레인이 포함되어, 압축 공기의 산소, 수증기, 및 이산화탄소를 선택적으로 제거할 수 있어서, 질소 풍부 생성물 스트림을 얻을 수 있다. 멤브레인 모듈을 통과하는 기류 속노를 조절함으로써, 상이한 질소 유속을 얻을 수 있다.
멤브레인은 단위 체적당 최대 멤브레인 표면을 얻도록 중공 섬유로 형성된다. 수천 개의 섬유는, 섬유를 보호하고, 기체를 공급부터 생성 끝까지 적절히 경로 지정하고, 시스템의 모듈식 용량 증가를 위해 쉽게 함께 적층될 수 있는 편리하고 표준화된 유닛들을 생성하는 케이싱에 묶인다.
사람들이 호흡하는공기는, 약 78%의 질소, 21%의 산소, 및 1%의 기타 기체(아르곤, H2O 등)를 포함한다. PRISM® 멤브레인은 질소의 특정 순도를 생성하도록 이러한 원료의 무제한적 공급을 이용한다.
대기의 공기는, 압축되고, 여과되고, 가열되고, 멤브레인의 보어(bore) 측으로 공급된다. 공기가 개별 섬유 내부로 흐름에 따라, 공기에 함유된 O2 CO2, 및 H2O(증기)가, 질소보다 빠르게 멤브레인 벽을 통해 섬유의 저압 측으로 침투한다. 보어 측 공기에서는 빠른 기체가 점진적으로 고갈되어, 결국 질소 퍼센티지가 증가한다. 이어서, 최종 생성물은, 사용 지점으로 직접 향할 수 있고, 또는 나중에 사용하기 위해 N2 수용 탱크 내에 보관될 수 있다.
실시예: 염수액의 전기 특성 대 유속 및 산소 농도
염수액(수중 3.5중량% NaCl)을, 50mm×20mm×2.5mm 치수의 흐름 캐비티 및 표면적이 0.00126m2인 티타늄 메쉬 전극을 갖는 샘플 전기염소화 장치를 통과시켰다. 샘플 전기염소화 장치를 통과하기 전에 공기 또는 산소를 상이한 압력에서 염수액에 가하여 염수액에 상이한 양의 산소를 첨가하였다. 공기 또는 산소를, 염수액이 상이한 공기 또는 산소 압력에서 산소로 포화될 때까지 염수액을 통해 상이한 압력에서 공기 또는 산소를 기포화함으로써 염수액에 첨가하였다. 염소를 다양한 유속으로 샘플 전기염소화 장치를 통과시켰다.
전류-전압 곡선은, 정전위 전해장치를 사용하여 상이한 유속으로 흐르는 상이하게 산소화된 염수액들에 대해 생성되었다. 정전위 전해장치의 개략도가 도 21에 도시되어 있다. 정전위 전해장치는, 동작 전극(WE), 카운터 전극(CE), 및 기준 전극(RE)을 포함하는 3-전극 시스템이다. 이용한 정전위 전해장치에서, 동작 전극과 카운터 전극은 티타늄 전극이고, 기준 전극은 염화은 전극이다. 동작 시, 작은 전압이 RE와 WE 간에 인가된다. RE는, 최소 전류를 소비하며 시스템을 방해하지 않는다. 도 21에 도시된 것과 유사한 정전위 진해장치가, 도 16 및 도 17의 시스템에 도시된 전기 센서(S5)에 대하여 이용될 수 있다. 3-전극 실험 시스템은, 두 개의 작은 전극을 WE 및 RE로서 구성함으로써 완전한 동작 유닛들로 구현될 수 있고, AgCl 또는 포화 칼로멜 전극(SCE)의 기준 전극이 시스템 흐름에 삽입될 수 있다.
정전위 전해장치를 사용하여 전기 데이터를 수집하는 샘플 전기염소화 장치를 테스트하는 동안, RE와 WE에 걸친 전압을 50mV/sec의 상승 전압에서 스캔하였다. 전류를 WE와 CE 사이에서 측정하였다. 샘플 전기염소화 장치의 캐소드를 WE로서 사용하였고, 애노드를 CE로서 사용하였다. RE를 샘플 전기염소화 장치의 외부에 배치하였다. 전압 및 전류 측정값을 서로에 대하여 플롯팅하여 상이한 염수액과 유속에 대한 I-V 곡선을 생성하였다.
예시적인 I-V 곡선이 도 22에 도시되어 있다. 이 곡선으로부터, 반응 
에 따라 어떤 전압과 전류에서 수소가 캐소드(WE)에서 생성되었는지 및 어떤 전압과 전류에서 염수액에 존재하는 산소로 인해 수소 생성이 억제되었는지를 알 수 있다. 도 22의 I-V 곡선에서, "1ATM"으로 표시된 라인은, 가압된 공기 또는 산소에 노출되지 않았지만 천연 산소 농도만을 포함한 염수액을 나타낸다. "6.9bar"로 표시된 라인은 6.9bar 게이지의 압력에서 산소로 가압된 염수액을 나타낸다(이 예 및 도면의 I-V 곡선들에서 언급되는 모든 압력은, 대기압인 "1ATM" 또는 제로 게이지 압력을 제외하고는 게이지 압력이다). 도 22의 예시적인 I-V 곡선에서, 별에 의해 식별되는 변곡점이 반응 메커니즘에 존재한다. 변곡점은, 서로 다른 반응들 사이의 전환점으로서, 즉, 캐소드 반응은 산소 소비 반응으로부터 수소 형성 반응으로 바뀐다. 별표 표시된 변곡점의 왼쪽에 있는 라인 상의 지점들은, 수소가 생성된 조건을 나타낸다. 별로 표시된 변곡점의 오른쪽에 있는 라인들은, 자유 수소가 생성되지 않는 반응에 의해 산소가 소비된 조건을 나타낸다.
도 23의 예시적인 I-V 곡선에서 알 수 있는 바와 같이, 증가된 기압에 노출됨으로써 염수 내의 산소 농도가 증가함에 따라, 보다 큰 전류 밀도에서 수소 생성이 억제되었다(애노드에서 하이포아염소산나트륨의 생성량이 더욱 많음에 대응한다). 대기압에서 공기에 노출된 염수에 있어서, 수소 생성은 약 -200A/m2의 전류 밀도에서 시작되었다. 대조적으로, 6.9bar에서 공기에 노출된 염수에 대해, 수소 생성은 약 -2250A/m2로 될 때까지 시작되지 않았다. 이 데이터는, 수소 생성의 시작 전에 염수의 용존 산소의 상승된 압력이 전기염소화 전지에서 염수로부터 생성될 수 있는 하이포아염소산나트륨의 양을 상당히 증가시킬 수 있음을 나타낸다.
도 23a 내지 도 23e는, 공기 또는 산소의 상이한 압력에 노출된 후의 샘플 전기염소화 장치를 통한 염수의 상이한 유속을 사용하여 생성된 I-V 곡선을 도시한다. 상이한 유속을 도시하는 차트(도 23b 내지 도 23e)에서, "1ATM" 곡선은, 대기압에 있는 공기에만 노출된 염수가 3.1m/s로 전기염소화 전지를 통과한 도 23a에 도시된 베이스라인을 나타낸다. 이들 차트에서 알 수 있듯이, 공기에서 산소로 전환하거나 염수가 노출된 기체 압력을 증가시켜 염수의 산소화가 증가함에 따라, I-V 곡선이 차트의 낮은 위치로 떨어졌다. 이것은, 염수의 산소화가 증가함에 따라, 샘플 전기염소화 장치가 높은 전류 밀도에서 동작할 수 있었고 이에 따라 수소 생성이 시작되기 전에 염수로부터 하이포아염소산나트륨을 더 많이 생성할 수 있었음을 나타낸다. 유사하게, 샘플 전기염소화 장치를 통한 염수의 유속이 증가함에 따라, I-V 곡선은 차트 상의 더욱 낮은 위치로 떨어졌다. 특정 이론에 구애받지 않고, 샘플 전기염소화 장치를 통한 산소화된 염수의 증가된 유속에 따라, 수소와의 반응에 의해 소비되는 산소가 더욱 신속하게 보충되었다고 여겨진다. 따라서, 염수의 유속을 증가시킴으로써, 장치가 보다 높은 전류 밀도에서 동작하였으며, 이에 따라 수소 생성이 시작되기 전에 하이포아염소산나트륨을 더 많이 생성하였다.
본 명세서에서 사용된 어구 및 용어는 설명하기 위한 것이며 한정적인 것으로서 간주되어서는 안 된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "복수"라는 용어는 두 개 이상의 항목 또는 구성요소를 지칭한다. 서면 설명이나 청구항 등 어느 것이든 "포함하는"(comprising), "포함하는"(including), "지니는"(carrying), "갖는"(having), "함유하는"(containing), 및 "포함하는"(involving)"이라는 용어들은, 개방형 용어들, 즉 "포함하지만 이에 한정되지 않는"을 의미한다. 따라서, 이러한 용어들의 사용은, 이후에 열거되는 항목 및 그 균등물뿐만 아니라 추가 항목도 포함하는 것을 의미한다. "로 이루어지는"(consisting)과 "로 본질적으로 이루어지는"(consisting essentially of)이라는 전이(transitional) 구문만이, 청구항과 관련하여 각각 폐쇄형 또는 반폐쇄형 전이 구문이다. 청구 요소를 수식하기 위해 청구범위에서 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 서수 용어를 사용하는 것은, 그 자체로 하나의 청구항 요소의 다른 청구항 요소에 대한 임의의 우선 순위(priority), 선행(precedence), 또는 순서(order), 또는 방법의 단계들이 수행되는 시간적 순서를 암시하지 않으며, 단지 소정의 이름을 갖는 하나의 청구항 요소를 (서수 용어를 사용한다는 점을 제외하고는) 동일한 이름을 갖는 다른 청구항 요소로부터 구별하여 청구항 요소들을 구별하기 위한 표지로서 사용된다.
따라서, 적어도 하나의 실시형태에 대한 일부 양상을 설명하였으므로, 통상의 기술자라면 다양한 변경, 수정, 및 개선을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 임의의 실시형태에서 설명된 임의의 특징부는 임의의 다른 임의의 실시형태의 임의의 특징부에 포함되거나 이러한 특징부로 대체될 수 있다. 이러한 변경, 수정, 및 개선은, 본 개시 내용의 일부이도록 의도된 것이며, 본 발명의 범위 내에 속하도록 의도된 것이다. 이에 따라, 상술한 설명 및 도면은 예일 뿐이다.
Claims (45)
- 전기염소화(electrochlorination) 시스템으로서,
하우징을 포함하는 전기화학 전지로서, 상기 하우징은 입구, 출구, 및 상기 하우징 내에 배치된 애노드-캐소드 쌍을 갖는, 상기 전기화학 전지;
상기 전기화학 전지의 입구에 유체 연결 가능한 출구를 갖는 염화물 함유 수용액의 공급원; 및
상기 전기화학 전지의 상류에 있는 상기 염화물 함유 수용액의 공급원에 유체 연결 가능한 산화제의 공급원을 포함하는, 전기염소화 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지의 하우징의 출구는 사용 지점에 유체 연결 가능한, 전기염소화 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 전기화학 전지에서 생성되는 소독 화합물은 상기 하우징의 출구를 통해 상기 사용 지점에 유체 연결되는, 전기염소화 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 염화물 함유 수용액의 유속, 상기 염화물 함유 수용액의 염화물의 농도, 또는 상기 사용 지점에서의 액체의 산화 환원 전위 중 적어도 하나 이상에 기초하여 상기 산화제가 상기 염화물 함유 수용액 내에 도입되는 것을 규제하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 사용 지점은, 선상 시스템, 굴착 플랫폼 시스템, 수중 시스템. 음용수 시스템, 또는 석유 굴착 시스템의 다운홀(downhole) 중 하나를 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제5항에 있어서, 상기 사용 지점은 냉각수 시스템과 밸러스트 탱크 중 하나를 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 염화물 함유 수용액의 공급원은 해수, 기수, 또는 염수 중 하나를 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 산화제의 공급원은 기체 분리 시스템을 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 산화제를 상기 전기화학 전지의 상류에 있는 상기 염화물 함유 수용액과 혼합하도록 구성된 산소화 시스템을 더 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제9항에 있어서, 상기 산소화 시스템은 포기 용기, 용존 공기 부상 펌프, 혼합 용기, 또는 벤투리 중 하나 이상을 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 염화물 함유 수용액을 상기 염화물 함유 수용액의 공급원으로부터 상기 하우징의 입구로 전달하도록 구성되고 상기 산화제의 주입 지점을 포함하는 도관을 더 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 적어도 상기 전기화학 전지에서 생성되는 염소계 소독 화합물의 농도에 기초하여 상기 산화제의 상기 염화물 함유 수용액 내로의 도입을 규제하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 제어기는, 또한, 적어도 상기 전기화학 전지의 하우징의 출구에 유체 연결될 수 있는 사용 지점에서의 액체의 산화 환원 전위에 기초하여 상기 전기화학 전지에서 생성되는 염소계 소독 화합물의 농도를 조절하도록 구성된, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지의 온도, 상기 염화물 함유 수용액의 pH, 또는 상기 전기화학 전지에서 생성되는 소독액의 pH 중 적어도 하나 이상에 기초하여 상기 산화제의 상기 염화물 함유 수용액 내로의 도입을 규제하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지 내에 존재하는 기체 수소의 양, 상기 염화물 함유 수용액에 용해된 수소의 농도, 상기 염소 함유 수용액에 용해된 수소의 농도, 또는 상기 전기화학 전지에서 생성되는 소독액에 용해된 산소의 농도 중 적어도 하나 이상에 기초하여 상기 산화제의 상기 염화물 함유 수용액 내로의 도입을 규제하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 염화물 함유 수용액의 유속 및 상기 산화제가 상기 염화물 함유 수용액 내로 도입되는 속도에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 애노드-캐소드 쌍에 걸친 전류 또는 상기 애노드-캐소드 쌍에 걸쳐 인가되는 전압 중 하나 이상을 규제하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지의 동작 중 상기 애노드-캐소드 쌍의 캐소드의 표면에서 상기 염화물 함유 수용액의 물 분자가 아닌 상기 산화제에 대한 전자 공여를 유지하는 데 충분한 양의 상기 산화제를 상기 염화물 함유 수용액 내에 도입하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지의 동작 중 상기 전기화학 전지 내의 수소 기체의 형성을 방지하는 데 충분한 양의 상기 산화제를 상기 염화물 함유 수용액 내에 도입하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제18항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 전기화학 전지의 동작 중 상기 애노드-캐소드 쌍의 캐소드에서의 수소 기체의 형성을 방지하는 데 충분한 양의 상기 산화제를 상기 염화물 함유 수용액 내에 도입하도록 구성된, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지에서 생성되는 염소계 소독 화합물의 양과 대략 화학량론적인 양의 상기 산화제를 상기 염화물 함유 수용액 내에 도입하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 산화될 상기 전기화학 전지 내의 실질적으로 모든 자유 수소를 제공하는 데 충분한 양의 상기 산화제를 상기 염화물 함유 수용액 내에 도입하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지는 상기 입구와 상기 출구 사이의 상기 하우징에 하나 이상의 산화제 주입 지점을 더 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 출구와 상기 입구를 유체 연결하는 도관을 포함하는 공급 및 배출 시스템(feed-and-bleed system)에 포함된, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 산화제는 기체 산소, 공기, 산소 풍부 공기, 오존, 또는 과산화수소 중 하나 이상을 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 애노드-캐소드 쌍은, 상기 하우징의 중심 축을 중심으로 상기 하우징 내에 실질적으로 동심 배치되고, 상기 애노드-캐소드 쌍의 애노드와 캐소드 사이의 활성 영역을 규정하고, 상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나의 활성 표면적은 상기 하우징의 내면의 표면적보다 큰 표면적을 갖는, 전기염소화 시스템.
- 제25항에 있어서, 상기 애노드-캐소드 쌍은 상기 중심 축을 중심으로 나선형 권취된, 전기염소화 시스템.
- 제25항에 있어서, 상기 애노드-캐소드 쌍은 복수의 동심 전극 관 및 인접하는 전극 관들 사이에 규정된 갭들을 포함하는, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 애노드-캐소드 쌍의 애노드와 캐소드의 각각은 호형 부분(arcute portion)을 포함하고, 상기 애노드의 활성 표면적은 상기 하우징의 내면의 표면적보다 크고, 상기 캐소드의 활성 표면적은 상기 하우징의 내면의 표면적보다 큰, 전기염소화 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 애노드-캐소드 쌍의 애노드와 캐소드의 각각은 상기 하우징의 중심 축 근방의 영역으로부터 외측으로 방사상 연장되고, 상기 애노드의 활성 표면적은 상기 하우징의 내면의 표면적보다 크고, 상기 캐소드의 활성 표면적은 상기 하우징의 내면의 표면적보다 큰, 전기염소화 시스템.
- 전기화학 전지 내의 수소를 약화시키는 방법으로서,
산화제를 염화물 함유 수용액에 도입하여 상기 전기화학 전지의 입구의 상류에 산소화된 수용액(oxygenated aqueous solution)을 생성시키는 단계;
상기 산소화된 수용액을 상기 전기화학 전지 내에 상기 전기화학 전지의 애노드와 캐소드 사이로 도입하는 단계; 및
상기 전기화학 전지의 상기 산소화된 수용액으로부터 염소계 소독 화합물을 생성하는 데 충분한 전압으로 상기 애노드와 상기 캐소드에 걸쳐 전류를 인가하는 단계를 포함하는, 전기화학 전지 내의 수소를 약화시키는 방법. - 제30항에 있어서, 상기 전기화학 전지 내의 실질적으로 모든 수소 기체의 축적을 억제하는 데 충분하도록 상기 산화제를 상기 염화물 함유 수용액 내에 도입하는 속도를 제어하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지 내의 수소를 약화시키는 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 산화제를 염화물 함유 수용액에 도입하는 단계는 상기 염화물 함유 수용액을 산소 함유 기체와 접촉시키는 단계를 포함하는, 전기화학 전지 내의 수소를 약화시키는 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 산화제를 염화물 함유 수용액에 도입하는 단계는 산소 함유 액체를 상기 염화물 함유 수용액 내에 주입하는 단계를 포함하는, 전기화학 전지 내의 수소를 약화시키는 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 전기화학 전지의 입구의 하류에 있는 하나 이상의 지점에서 상기 산화제를 상기 전기화학 전지 내에 주입하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 염화물 함유 수용액의 유속, 상기 전기화학 전지로부터의 소독액의 유속, 또는 상기 염화물 함유 수용액의 염화물의 농도 중 적어도 하나 이상에 기초하여 상기 산화제의 상기 염화물 함유 수용액 내로의 도입을 규제하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지 내의 수소를 약화시키는 방법.
- 제30항에 있어서, 적어도 상기 전기화학 전지에서 생성되는 염소계 소독 화합물의 농도에 기초하여 상기 산화제의 상기 염화물 함유 수용액 내로의 도입을 규제하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지 내의 수소를 약화시키는 방법.
- 제36항에 있어서, 적어도 상기 전기화학 전지의 하우징의 출구에 유체 연결 가능한 사용 지점에서의 액체의 산화-환원 전위에 기초하여 상기 전기화학 전지에서 생성되는 상기 염소계 소독 화합물의 농도를 규제하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지 내의 수소를 약화시키는 방법.
- 제30항에 있어서, 적어도 상기 전기화학 전지의 온도, 상기 염화물 함유 수용액의 pH, 또는 상기 전기화학 전지에서 생성되는 소독액의 pH 중 하나 이상에 기초하여 상기 산화제의 상기 염화물 함유 수용액 내로의 도입을 규제하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지 내의 수소를 약화시키는 방법.
- 제30항에 있어서, 적어도 상기 전기화학 전지 내에 존재하는 기체 수소의 양, 상기 염화물 함유 수용액에 용해된 수소의 농도, 상기 염화물 함유 수용액에 용해된 산소의 농도, 또는 상기 전기화학 전지에서 생성되는 소독액에 용해된 산소의 농도 중 하나 이상에 기초하여 상기 산화제의 상기 염화물 함유 수용액 내로의 도입을 규제하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지 내의 수소를 약화시키는 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 염화물 함유 수용액의 유속 및 상기 산화제의 상기 염화물 함유 수용액 내로의 도입 속도에 기초하여 상기 애노드-캐소드 쌍에 걸친 전류 또는 상기 애노드-캐소드 쌍에 걸쳐 인가되는 전압 중 하나 이상을 규제하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지 내의 수소를 약화시키는 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 산화제가 상기 전기화학 전지에서 생성되는 염소계 소독 화합물의 양과 대략 화학량론적인 양으로 도입되도록 상기 산화제의 상기 전기화학 전지 내로의 도입을 규제하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지 내의 수소를 약화시키는 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 전기화학 전지 내의 실질적으로 모든 자유 수소가 산화되도록 상기 산화제의 상기 전기화학 전지 내로의 도입을 규제하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지 내의 수소를 약화시키는 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 산화제를 상기 염화물 함유 수용액에 도입하는 단계는, 기체 산소, 오존, 공기, 산소 풍부 공기, 또는 과산화수소 중 하나 이상을 상기 염화물 함유 수용액 내로 도입하는 단계를 포함하는, 전기화학 전지 내의 수소를 약화시키는 방법.
- 전기염소화 전지 내의 기체 수소의 축적을 억제하는 방법으로서,
상기 전기염소화 전지의 전해질 입구의 상류에 있는 액체 전해질에 산화제를 첨가하는 단계를 포함하는, 전기염소화 전지 내의 기체 수소의 축적을 억제하는 방법. - 전기염소화 전지 내의 수소의 생성을 감소시키도록 상기 전기염소화 전지를 개조(retrofit)하는 방법으로서,
상기 전기염소화 전지의 전해질 입구의 상류에 있는 전해질에 산화제를 도입하도록 구성된 시스템을 설치하는 단계를 포함하는, 전기염소화 전지를 개조하는 방법.
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