(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆電気透析プロセスを行うためのセルであって、少なくとも２つの膜を備え、前記膜は少なくとも前記膜の第１の側に配置され、前記膜自体に設けられた中間壁の間の複数のチャネルを含み、前記チャネルは流体のスルーフィードに適しており、少なくとも一つの膜がアニオン交換膜であり、少なくとももう一方の膜がカチオン交換膜であり、前記アニオン交換膜および前記カチオン交換膜が交互に配置され、前記チャネルが互いに平行に設けられ、
前記膜に、
前記チャネルに前記流体を送り込むための、前記膜自体に設けられた入口部分と、
前記チャネルから前記流体を排出するための、前記膜自体に設けられた出口部分とが設けられ、
前記チャネルに前記流体の実質的な層流がもたらされる、セル。
【請求項２】
少なくとも前記入口部分に、前記膜自体に設けられたガイドリブが設けられている、請求項１に記載のセル。
【請求項３】
前記入口部分および前記出口部分に、前記チャネルにわたって前記流体を分布させる目的でリブが設けられている、請求項２に記載のセル。
【請求項４】
前記膜が、スルホ塩化ポリオレフィン材料、好ましくはポリエチレン、最も好ましくは低密度ポリエチレンを含む、請求項１〜３のいずれかに記載のセル。
【請求項５】
２つの隣接する膜が好ましくは互いに外表面で寄り合っている、請求項１〜４のいずれかに記載のセル。
【請求項６】
前記チャネル間の中間壁が、隣接する膜からある距離を置いて前記膜を支持し保持する、請求項１〜５のいずれかに記載のセル。
【請求項７】
逆電気透析プロセスを行うためのデバイスであって、
少なくとも１つの請求項１〜６のいずれかに記載のセルと、
酸化反応用試薬を含むアノード流体中に設置されるアノードが設けられている少なくとも１つのアノードコンパートメントと、
前記少なくとも１つのセルによって前記少なくとも１つのアノードコンパートメントから分離され、還元反応用試薬を含むカソード流体中に設置されるカソードが設けられている少なくとも１つのカソードコンパートメントと
を備えるデバイス。
【請求項８】
前記チャネル内の流速が合計で約３〜６ｃｍ／秒に達する、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
少なくとも１つの供給チャネルおよび少なくとも１つの排出チャネルが、前記チャネル内の前記流体の供給および排出のために設けられる、請求項７または８に記載のデバイス。
【請求項１０】
好ましくは全体寸法が１．７５×１．７５×２．０ｍであるセルを３，０００〜３，５００個備え、前記少なくとも１つの供給チャネルが好ましくは、結合幅が約１２５ｍｍである約１０４個のチャネルに流体を供給する、請求項７〜９のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの流体用供給チャネルが、前記流速を制限するために、前記マニホールドの両外側端部に入口を備える、請求項７〜１０のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１２】
前記デバイスの安定性を高めるために、隣接するセルが十字に配置されている、請求項７〜１１のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１３】
請求項１〜６のいずれかに記載のセルのための膜を作製する方法であって、前記膜の少なくとも一方の側にチャネルを設ける工程を含む、方法。
【請求項１４】
請求項７〜１２のいずれかに記載のデバイスを提供する工程と、
逆電気透析プロセスを行うために前記デバイスを用いる工程とを含む、
発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、（逆）電気透析に適した膜に関する。このような膜は、たとえば、河川淡水が海に流れ込む三角州地帯において、および混合され排出される工業塩水の流れの場合に、塩と淡水との混合からエネルギーを発生させるために使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
電気透析は、たとえば、塩水または汽水からの飲料水の製造において適用されるプロセスである。この場合アノードとカソードとの間に電圧が印加されるが、アノードとカソードとの間には複数のアニオンおよびカチオン交換膜が交互に配置されている。印加電圧により、陽イオンがカソードに向かって移動しやすく、また陰イオンがアノードに向かって移動しやすい。このように配置された膜の結果として、この配置により電解質溶液が交互に濃縮され希釈される。電気エネルギーを発生させるために、このような電気透析を逆行させることができる。これが逆電気透析である。このような逆電気透析プロセスを行うためのデバイスが、たとえば、ＮＬ１０３１１４８に記載されている。公知の膜は電気透析を目的としている。この逆電気透析プロセスにおいては、使用する基本材料の選択、および、とりわけ膜を強化するための織物材料の使用が原因で、結果として高すぎる電気抵抗が生じ、かつ通常コストがかかりすぎる。その結果、公知のデバイスでは、逆電気透析プロセスを稼働させると効率が相対的に低くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、適用する逆電気透析プロセスをより効率的に稼働させることができる発電用デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、電気透析で使用するための本発明による膜で実現され、この膜は、特に、逆電気透析プロセスにおいては、少なくとも膜の第１の側に配置されている複数のチャネルを含む逆電気透析プロセスで使用するための膜を備える。チャネルは、流体のスルーフィード（ｔｈｒｏｕｇｈｆｅｅｄ）に適し、またこれらのチャネルに、流体の実質的な層流がチャネルをもたらすように寸法が備わっている。
【０００５】
少なくとも膜の片側にチャネルを設けることによって、流体の流れをより良く制御することができる。これは、オープンスペースを通って送られるのではなく、膜のチャネルを通って導かれる流体の結果である。膜自体にこれらのチャネルを設けることによって、ある種の外形の膜が得られる。これによって、隣接する膜間の距離を１ｍｍ未満に、好ましくは０．２ｍｍまたはそれ以下の距離に制限することが可能である。数ある要因の中で、公知の膜において使用する相当長い距離と比較した場合の、この短い相互の距離の重要性は、流体内の内部電気抵抗の低下にある。逆電気透析の場合、淡水中の低イオン濃度の結果として内部電気抵抗が比較的高いことがわかっている。電気透析に対する適用は、それにより制限流れ強度を増大させるために、乱流の形成を目的としているが、これはまさしく、本発明によれば、逆電気透析の場合には望ましくないことである。流体の流れをより良く制御することができるチャネルの使用のおかげで、チャネルおよび流れの寸法および条件を、チャネル内で層流が実現されるように選択することができる。これにより、内部水圧または流れ抵抗が低下する。加えて、このような層流により、摩擦損失がより小さくなる。これにより、その外形の膜が備わっている逆電気透析プロセスを行うためには、より低いポンプ出力が必要となる。
【０００６】
電気透析プロセスを行うための他に、逆電気透析を行うための公知のデバイスにおいては、膜間にスクリーンスペーサを利用する。これら分離スペーサにより、隣接する膜間の流れの乱れが増大する。このようなスペーサにより流れも妨げられる。この結果、流れ抵抗がより大きくなる。これにより、プロセスを稼働させるためにより大きなポンプ出力が必要となり、その結果発電の効率がより低くなる。加えて、このようなスペーサは、一種の絶縁体と見なすことができるため、内部電気抵抗を増大させる。ここで通電表面の一部が非導電性となるか、またはスペーサ適用の結果として遮蔽される。この効果もまた、スペーサの影効果と称される。この結果、プロセスの効率が悪くなる。これらのスペーサはまた、汚染および粒子の蓄積の影響を受けやすい。したがって、このようなスペーサには特定の要件が定められ、使用中のクリーニングがより頻繁に必要である。このようなより厳しい要件の結果、膜を有するデバイスの製造における投資が大きくなる。使用中の追加のクリーニング工程は、製造コストを増大させ、またプロセスの稼働時間の減少により効率を下げる。隣接する膜間の流れを可能にするためには、公知のデバイスにおいてはスペーサが必要となるため、本発明に従って膜の表面にチャネルを設けると、逆電気透析プロセスの効率が大幅に改善される。加えて、膜表面にチャネルを設けることには、より少ない分離構成要素しか必要としない状況においてスペーサを用いる現状と比較して付加的利点がある。これにより組立てが簡略化され、したがって逆電気透析プロセスの効率も高まる。本発明による膜を逆電気透析プロセスにおいて使用すると、チャネルを通って流れる流体は、塩濃度が比較的高い流体か、または塩濃度が比較的低い流体とを含むことになる。有利な一実施形態においては、この膜は、深さ約０．２ｍｍのチャネルが設けられた、厚さが約０．３ｍｍの膜である。チャネルの幅は、ここでは好ましくは合計約１．０ｍｍに達する。膜表面の別個のチャネル間の中間壁は、約０．２ｍｍの厚さを有する。これらの中間壁はまた、隣接する膜に関連する膜用支持体としても働く。
【０００７】
本発明による有利な一実施形態においては、チャネルが互いに平行に設けられる。
【０００８】
流れ抵抗は、少なくとも膜の第１の側に互いに平行に配置されているチャネルを設けることによって、可能な限り制限される。これらはとりわけ、チャネルへの流体の流入と、チャネルからの流体の流出とによって生じる流れ抵抗である。これらのチャネルは、好ましくは膜の長さ方向に配向している。屈曲または角度は、好ましくはこのようなチャネルには設けられていない。やはり好ましくは、これらのチャネルは、膜の長さ方向に対して角度を成して配置されない。チャネル内の流体の流れ抵抗は、膜内のチャネルの提案されている構成によって減少する。これにより、チャネル内の流体の層流は乱されることがなく、かつ内部流れ抵抗を増大させることがある乱流が生じることがない。膜内のチャネルの提案されている構成の付加的利点は、このような構成がより実現しやすく、したがってこのような構成によりこのような膜の製造がより簡単になることである。
【０００９】
本発明による有利な一つの好適な実施形態においては、チャネルに流体を送り込むための入口部分と、チャネルから流体を排出するための出口部分とが膜に設けられ、少なくとも入口部分にはガイドリブが設けられている。
【００１０】
逆電気透析プロセスを効率的に稼働させるためには、可能な限り最適にチャネルにわたって流体を分布させなければならない。この流れに対する摩擦抵抗も、とりわけこのプロセスに必要となるポンプ出力を制限する目的で、可能な限り制限されたままでなければならない。
【００１１】
海水と、たとえば河川水との間の浸透圧の何分の一かまで圧力損失全体を制限したままで保つためには、膜の通過流（ｔｈｒｏｕｇｈｆｌｏｗ）中に生じる圧力損失が、２５〜３０ｋＰａに制限されたままでなければならない。チャネル全体にわたって液体の優れた分布を得るためには、流体供給および流体排出時の圧力損失が、チャネル全体にわたる圧力損失未満で、好ましくは５〜１０ｋＰａより低くなければならない。少なくとも入口部分には、好ましくはガイドリブが設けられる。これらのリブは、膜のための追加の支持体として考えられる機能も有する。これにより、複数の膜が設けられているデバイスに追加の強度が付与される。加えて、流体の流れは、供給口からチャネルまでこれらのリブによって導かれる。これにより、膜内のチャネル全体にわたる流体の最適な分布が実現される。入口部分への流体の供給は、膜内に生じる経路によって形成されるマニホールドによって実現される。このようなマニホールドそれ自体は、電気透析用デバイスから既に公知である。これら公知のデバイスにおいては、マニホールドから膜間の空間までの流体の経路のためのスペーサの方向に、ガスケット内で経路が生じる。チャネルを利用することにより、スペーサはもはや必要なくなり、マニホールドからの液体の供給も簡略化される。本発明による膜の付加的利点は、環境に対する膜の封止により少ない要素しか伴わないことである。公知のデバイスにおいては、膜、シール、スペーサにより、マニホールドの位置で封止が実現されるべきである。数ある可能性の中でも非一様圧縮の場合には、外部および／または内部漏れが生じることがある。本発明による膜の付加的利点は、シールにより膜が一体的に形成されることである。これにより漏れの可能性が減る。とりわけ、これにより要素の組立てが簡略化される。有利な組立体における塩分の多いコンパートメントと塩分の少ないコンパートメントとの間にある圧力面内の長い経路長によって、内部漏れの可能性が大幅に制限される。
【００１２】
本発明によるさらに有利な一つの好適な実施形態においては、膜が、スルホ塩化ポリオレフィン材料、好ましくはポリエチレン、最も好ましくは低密度ポリエチレンを含む。
【００１３】
スルホ塩化ポリオレフィン材料を用いることにより、比較的安価な基本材料から本発明による膜を作製することができる。これにより、逆電気透析プロセスを適用するためのデバイスの設置費用が低減される。好ましくはポリエチレンから、さらに好ましくは低密度ポリエチレンから膜を作製する。したがって、膜内のチャネルの形態が変化するような水圧差の場合に変形しない十分な機械的強度を有する膜を設けることが可能である。このような水圧差は、たとえば合計３０ｋＰａとなる。静圧は、十分な支持体を設けることによって吸収しなければならない。この支持体は、数ある中でも、中間壁、およびたとえば入口部分におけるリブによって実現される。
【００１４】
本発明はさらに、逆電気透析プロセスに基づく発電用セルに関する。このセルは、上述のような膜を少なくとも２つ備え、少なくとも一つの膜がアニオン交換膜であり、少なくとももう一方の膜がカチオン交換膜であり、これらの膜は交互に配置される。このようなセルにより、膜に関して述べた効果および利点と同じ効果および利点がもたらされる。
【００１５】
有利な一つの好適な実施形態においては、２つの隣接（ａｄｊａｃｅｎｔ）する膜が互いに外表面で寄り合っている（ｌｉｅ  ａｇａｉｎｓｔ）。この外表面は、膜の主平面に対して平行に位置する中間壁の表面である。したがって、本発明による所望の流れが実現される。
【００１６】
本発明はさらに、逆電気透析プロセスを実施するためのデバイスに関する。このデバイスは上述したようなセルを複数備え、少なくとも１つのアノードコンパートメントに、酸化反応用試薬を含むアノード流体中に設置されるアノードが設けられ、少なくとも１つのアノードコンパートメントから分離されている少なくとも１つのカソードコンパートメントに、還元反応用試薬を含むカソード流体中に設置されるカソードが設けられている。このようなデバイスにより、セルおよび膜に関して述べた効果および利点と同じ効果および利点がもたらされる。
【００１７】
このデバイスの有利な一つの好適な実施形態においては、少なくとも供給チャネルおよび少なくとも１つの排出チャネルが、チャネル内の流体の供給および排出のために設けられる。
【００１８】
これら供給チャネルおよびマニホールドは、膜内に経路を配置することによって実現される。膜内に設けられているチャネル内の流速は、好ましくは合計で約３〜６ｃｍ／秒に達する。この量は、供給チャネルから膜内のこれらのチャネルへと供給しなければならない。短絡回路電流を制限するためには、供給チャネルおよび排出チャネルの通過流開口が、可能な限り小さくなければならない。デバイスにおけるこのような短絡回路電流により、逆電気透析プロセスの効率が下がる。
【００１９】
有利な一つの好適な実施形態においては、デバイス内のセルの数が合計約３０００〜３５００で、好ましくは全体寸法が１．７５×１．７５×２．０メートルである。この寸法決定により、デバイス、すなわちいわゆるスタックでは、比較的限られた空間に可能な最大の膜面積を設置することができるようになり、４０フィートの海上コンテナ内に可能な限り最適にこのようなスタックを設置することができる。というのも、コンテナにはこのようなスタックを６個設置することができるからである。これにより、本発明によるデバイスの取り扱いが大幅に簡略化され、かつ所望の位置で設備全体を組み立てることが可能となる。チャネルの形をした盛んに使用される膜部分に対して、入口部分および出口部分によって使用される空間を制限するためには、たとえば電気透析プロセスに使用されているような公知のデバイスと比較して、直径が比較的小さい多くの供給チャネルおよび小さい入口部分の使用が推奨される。
【００２０】
好ましくは、膜内約１２５ｍｍごとに１つの供給チャネルが設けられる。これにより、供給チャネルの寸法を制限されたままとすることができる。これにより、膜の効率的に使用可能な部分が拡大され、その結果、プロセス全体の効率が高まる。
【００２１】
このような供給チャネル内の流速を可能な限り低く保つために、供給チャネルには好ましくは両外側端部からの流体が提供される。その結果実現した比較的低い流速により、供給チャネルにわたる圧力損失が低減され、加えて、個々のセルにわたる流れの分布がより良くなる。
【００２２】
デバイスの有利な一つの好適な実施形態においては、デバイスの安定性を高めるために、隣接するセルを十字に設置する。このような十字の積み重ねにより、全体として膜のスタックの安定性が増大する。このような積み重ねそれ自体の結果、少なくとも個々の流体の流れが同じである場合には、４つの等しい側縁部が膜に備わっているべきである。ここでの可能性のある欠点は、短絡電流回路のより大きな危険性に関する。しかしながら、この危険性は、供給チャネルの的確な構成および膜までの経路に対するその関係によって未然に防ぐことができる。
【００２３】
本発明はさらに、上に定義したような膜を作製する方法に関する。膜内のチャネルは、たとえば、チャネルの射出成形もしくは切断、圧延または加圧成形によって実現することができる。本発明は同様に、上述のような逆電気透析プロセスを行うためのデバイスを用いて発電する方法に関する。これらの方法により、膜、セルおよびデバイスに関して述べた効果および利点と同じ効果および利点がもたらされる。
【００２４】
本発明のさらなる利点、特徴および詳細は、本発明の好ましい諸実施形態に基づき明らかとなる。これら諸実施形態においては、添付の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来技術の逆電気透析プロセスの稼働の概略図を示す図である。
【図２】本発明による膜の上面図を示す図である。
【図３】図２の膜の拡大詳細図を示す図である。
【図４】本発明による膜の部分断面図を示す図である。
【図５】本発明による膜の入口部分の部分断面図を示す図である。
【図６】本発明による膜における入口部分からチャネルまでの遷移の断面図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
逆電気透析プロセス２（図１に概略的に示す）においては、複数のアニオン交換膜８およびカチオン交換膜１０が、アノード４とカソード６との間に配置されている。電解質コンパートメントが、アニオン交換膜８とカチオン交換膜１０との間に形成され、海水１２と河川水１４との流れが隣接するコンパートメントを通って交互に流れる。海水１２および河川水１４の流れの中のイオンの濃度の差により、海水１２中のイオンが、濃度を均等にするために河川水１４へと移動しようとする。便宜上、図１においては、陽イオンおよび陰イオンとしてナトリウムイオンおよび塩化物イオンのみを示している。
【００２７】
アニオン交換膜８はアニオンの通過のみを可能とし、カチオン交換膜１０はカチオンの通過のみを可能とするため、アニオンの輸送とカチオンの輸送とは反対の方向で行われる。ここでのアニオン（Ｃｌ−）はアノード４の方向に移動し、カチオン（Ｎａ＋）はカソード６の方向に移動する。電気的中性を維持するために、アノード４が設置されているコンパートメント内で酸化反応が行われ、カソード６が設置されているコンパートメント内で還元反応が行われる。これにより、アノード４およびカソード６が接続されている電気回路１６において電子流が生じる。この電気回路１６においては、ここでは電球によって象徴的にあらわされている電気装置１８によって、電気的動作を行うことができる。
【００２８】
アニオン交換膜８およびカチオン交換膜１０の一対の膜と、イオン濃度が高い大量の溶液、たとえば、海水と、イオン濃度が低い溶液、たとえば、河川水で構成される透析セル２０が、図１においては網掛けで示してある。アノード４とカソード６との間の電位差を増大させるために、透析セル２０の数（Ｎ）を増大させることができる。
【００２９】
膜３２（図２）には、たとえば、切断、圧延、加圧成形または射出成形によって複数のチャネル３４が配置されている。膜３２には、チャネルと同様にして入口部分３６および出口部分３８も設けられている。各入口部分３６には、他の隣接する膜と組み合わさって流体、すなわち、水の供給チャネルを形成する通過流開口が設けられている。このような膜３２の外のり寸法は、合計でたとえば、約１９２０×１９２０ｍｍとなる。膜３２の縁部の周りにはすべて幅８０ｍｍのストリップが設けられている。入口部分３６および出口部分３８はこの縁部に設けられている。スタック全体の中で膜を位置決めし固定する目的のために、この縁部には孔４２も配置されている。入口または出口部分３６、３８が配置されていない側縁部には、他の膜への液体の供給または排出のための通過流開口４４も設けられている。膜３２の上面図の詳細（図３）にはチャネル３４が示してあり、図示の実施形態においては、流れ方向が下から上である。膜３２の入口部分３６にはマニホールドの開口部４０が設けられている。図示の実施形態においては、この開口部４０の直径が２６ｍｍである。固定孔４２の直径は約１３ｍｍで、中間点は膜３２の側縁部から約２０ｍｍである。供給開口部４０の中間点からの距離は、膜３２の縁部から約４８ｍｍである。図示の実施形態においては、複数のチャネル３４に、各入口開口部４０から液体が供給される。明確にするために、図示の実施形態においては、１０４個のチャネル３４のうち６個が示してある。ここでは、膜３２の入口部分３６に１１個のリブ４６が設けられている。図示の実施形態においては、チャネル３４間の中間壁４８およびこれらチャネル３４の中心軸に合わせてこれらのリブ４６が配置されている。これらのリブ４６の幅は合計で約１ｍｍとなる。１つの供給開口部４０から供給される１０４個のチャネル３４の幅は合計で約１２５ｍｍとなる。
【００３０】
ＩＶ−ＩＶに沿った部分断面図（図４）は、図２に示す膜３２の側縁部に設けられている通過流開口部４０の側面図を示す。図示の実施形態において、膜３２の厚さは０．３ｍｍである。膜３２内のチャネル３４の幅は合計１ｍｍ、隣接するチャネル３４間の中間壁４４の幅は合計０．２ｍｍとなる。チャネル３４の深さは、チャネル３４底部の厚さが０．１ｍｍとなるように合計０．２ｍｍとなる。
【００３１】
リブ４６間の流出開口部４９の幅（図５は、図３のＶ−Ｖに沿った断面図を示す）は合計約１０ｍｍ、リブ４６の厚さは合計約１ｍｍとなる。リブ４６間のチャネル４９の深さは合計約０．２ｍｍ、したがってこれら流れ空間の間の底部は同様に合計０．１ｍｍとなる。
【００３２】
別の断面（図６は、図３のＶＩ−ＶＩに沿った断面図を示す）が、図示の実施形態の流れ方向における側面であり、チャネル３４を通る流れ方向に平行に位置するリブ４６の幅は合計約１ｍｍとなる。チャネル３４全体にわたって液体の優れた分布を得るために、リブ４６の外側端部と、長さ約５ｍｍのチャネル３４の開始部との間に追加のオープンスペースが設けられている。
【実施例】
【００３３】
本発明による膜の可能な構成の計算
上述の実施形態で示したように寸法を決める目的で利用する。膜および十字の積み重ねのこの寸法決定により充填密度を計算することができる。製造方法によって、この充填密度は２，３００ｍ２／ｍ３から４，４００ｍ２／ｍ３まで変動し得る。たとえば、支持体が全く機能しない場合、それら支持体は、スペーサの効果に匹敵する効果を伴う絶縁体または「影（ｓｈａｄｏｗ）」と見なされる。すべての材料が機能している別の場合には、充填密度が４，４００ｍ２／ｍ３まで増大し得る。その場合、チャネルの壁面は膜としても機能することになる。その計算は以下の通りである。
【数１】
0005524172.tif 000002
式中、ｘ１はチャネル幅、ｘ２は中間壁の厚さ、ｈはチャネル深さ、ｄは（チャネル底部の）残りの膜の厚さである。
【００３４】
滞留時間の計算には、ａ＝０．８３（後続の膜の影は考慮せず、個々の膜の影を考慮した値）を、したがって膜の充填密度２，７００ｍ２／ｍ３を利用する。
【００３５】
さらに、体積分布を決定することも可能である。
【数２】
0005524172.tif 000003
【００３６】
最適条件下においては、オープンスタック電圧（ｏｐｅｎ  ｓｔａｃｋ  ｖｏｌｔａｇｅ）の合計５０〜７５％となる電圧で、この設備を作動させる。この百分率に従えば、このシステムによって多かれ少なかれ有効な仕事が行われる。オープンスタック電圧の５０％の作動では、有効エネルギーの最大５０％が有効な仕事に変換されるが、その後高出力で作動する。オープンスタック電圧の７５％の作動では、有効エネルギーの最大７５％が有効な仕事に変換されるが、その後むしろ高出力が少ししか実現されない。６個のスタックを有する４０フィートの海上コンテナでは、膜スタックの体積は３６．７５ｍ３である。これから、滞留時間は合計で３０〜６０秒となる計算を行うことができる。１．７５メートルのチャネル長では、スタックを通る流速は合計で約３〜６ｃｍ／秒となる。以下の圧力損失の計算には、３ｃｍ／秒を利用する。
【００３７】
スタックにわたる圧力損失全体に定められた要件は、この圧力損失が合計で最大３５ｋＰａとなってもよいこと、かつさらに、チャネルの大半にわたって圧力損失が実現されることである。図示の実施形態で示した設計は、この要件を満たす。
【００３８】
チャネル
圧力損失の計算により、３ｃｍ／秒の線形流速では、チャネルにわたる圧力損失を２５ｋＰａ未満に制限することができることが確認される。
【００３９】
マニホールド
水分布は、膜内の経路、いわゆるマニホールドを用いて起こる。マニホールドは、開口部またはヘッダによってチャネルに接続される。水分布には、直径が小さい多くのマニホールドと、小さいヘッダまたは入口部分の使用が選択されている。というのもヘッダによって使用される空間は、活性膜部分（チャネル）と比較して小さいままで、さらには、ヘッダにわたる圧力損失もまた制限されたままであるからである。１７５０ｍｍの長さに沿って、１４個のマニホールド（１個のマニホールド当たり１２５ｍｍ）およびヘッダが設けられ、それぞれのマニホールドには、１０４個のチャネルが接続されている。各マニホールドの直径は２５．７ｍｍ（円周８０ｍｍ、マニホールドは縁部を避けて位置する、面積５１８ｍｍ２）である。この位置決めは、一方でマニホールドにわたる圧力損失を制限するように、他方で膜当たりの流出および流入速度を制限するように選択される。
【００４０】
圧力損失マニホールド：各セル対が０．６２ｍｌ／秒（１０４個のチャネルを通る流量）を抽出または追加する３３３３個のセル対の給排水についての試験実施形態を、マニホールドが行う。したがって、このようなスタックを用いると、マニホールド内の最大流量が約２ｌ／秒で、この最大流量により流速が４ｍ／秒となる。これにより、局所的に非常に大きな圧力損失が生じることになり、その結果、セル対にわたる水流の分布も悪くなる。したがって、マニホールドに入る流れとマニホールドから出る流れとの両側の流れが選択されている。その結果、最大速度は、スタックの最も外側で合計２ｍ／秒に達し、スタックの真ん中で０ｍ／秒となる。この設計では、依然として適度に均一な水分布が生じるように結果としてマニホールドにわたる圧力損失が変動するという計算になる（＋／−７％、したがって０．６２＋／−０．０４ｍｌ／秒）。マニホールドにわたる圧力損失は比較的小さい（スタックの通過流に必要となるポンプ出力の平均１２％が、マニホールドによって使用される）。
【００４１】
流出および流入速度：マニホールドから、またはマニホールドへの平均速度は合計３．８ｃｍ／秒となる。計算によると、流出量の７０％が、膜側のマニホールドの円弧の半分にわたって生じ、したがって残りの半分が３０％に寄与する。
【００４２】
ヘッダ
マニホールドは、ヘッダによってチャネルに接続される。これらのヘッダは、それら自体が不十分な機械的強度を有する。しかしながら、１２個のフィン（リブ）が、流路またはチャネルと平行に設置される支持点としてヘッダに組み込まれている。これらのフィンを有するヘッダにわたる圧力損失は、計算によると合計０．５ｋＰａ、チャネル全体にわたる２５ｋＰａのごく一部である。これらリブの設置は、同じ流量が各リブ間で実現されるようになっている。
【００４３】
長さ／幅比
等しい４つの辺を有する提案されている膜においては、１０４個のチャネル（その中の複数）ごとに区切ることができる。その結果長さ／幅比は１４：１となる。
【００４４】
本発明は、決して上述の好適な実施形態に限定されない。権利思想は以下の特許請求の範囲によって定義され、その範囲内で多くの変更形態が可能である。たとえば、電気透析プロセスにおいて本発明による膜を適用することも可能となる。チャネルが設けられているある外形の単一膜に加え、別の可能性は、たとえば、膜のもう一方の側にこのようなチャネルを設けることである。数ある要因の中で、たとえば使用する材料および所望の膜形状に応じて、チャネルの個数、入口部分におけるリブの形状および個数を、それにより可能な最良の流動状態を得るために変えることができる。
【図１】
0005524172.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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