(57)【要約】  電気化学的分離システムをモジュール構成とすることができ、当該電気化学的分離システムは、少なくとも１つの第１のモジュールユニットと第２のモジュールユニットとを含むことができる。各モジュールユニットはそれぞれ、セルスタックとフレームとを含むことができる。前記フレームは流路系を含むことができる。前記フレームの流れ分配系により、電流効率を向上させることができる。モジュールユニット間に配置されたスペーサによっても、システムの電流効率を向上させることができる。
2013543791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極および第２の電極と、
複数設けられた希釈区画と濃縮区画とを交互に含む、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された第１の電気化学的分離モジュールユニットと、
複数設けられた希釈区画と濃縮区画とを交互に含み、前記第１の電気化学的分離モジュールユニットと前記第２の電極との間に配置され、当該第１の電気化学的分離モジュールユニットと協働する第２の電気化学的分離モジュールユニットと、
当該第１の電気化学的分離モジュールユニットと当該第２の電気化学的分離モジュールユニットとの間に、かつ、当該第１の電気化学的分離モジュールと当該第２の電気化学的分離モジュールとに隣接して配置されており、前記電気化学的分離システム内における電流損失を低減するように構成されたスペーサと
を有することを特徴とする電気化学的分離システム。
【請求項２】
前記スペーサは、前記システム内において前記希釈区画および濃縮区画へ電流が流れるのを促進するように構成されている、
請求項１記載の電気化学的分離システム。
【請求項３】
各電気化学的分離モジュールユニットは、複数設けられた前記希釈区画と濃縮区画とを交互に画定するセルスタックと、当該セルスタックの垂直方向のアラインメントを維持するように構成された支持システムとを有する、
請求項１記載の電気化学的分離システム。
【請求項４】
前記支持システムは、前記セルスタックを包囲するフレームを含む、
請求項３記載の電気化学的分離システム。
【請求項５】
前記フレームは流路系を含む、
請求項４記載の電気化学的分離システム。
【請求項６】
前記フレームは、前記流路系と連通している流れ分配系を含む、
請求項５記載の電気化学的分離システム。
【請求項７】
前記流れ分配系は、前記システム内における電流損失を低減するように構成された少なくとも１つのバイパス路を有する、
請求項６記載の電気化学的分離システム。
【請求項８】
前記第１の電気化学的分離モジュールユニットと前記第２の電気化学的分離モジュールユニットとは平行に配置されている、
請求項１記載の電気化学的分離システム。
【請求項９】
前記第１の電気化学的分離モジュールユニットおよび前記第２の電気化学的分離モジュールユニットは取り外し可能に構成されている、
請求項１記載の電気化学的分離システム。
【請求項１０】
前記第１の電気化学的分離モジュールユニットおよび前記第２の電気化学的分離モジュールユニットは容器内に取り付けられている、
請求項９記載の電気化学的分離システム。
【請求項１１】
前記電気化学的分離システムはさらに、前記容器のインレットに連通された、処理対象である水の供給源を有する、
請求項１０記載の電気化学的分離システム。
【請求項１２】
前記複数の希釈区画および濃縮区画はそれぞれ、前記容器のインレットに連通されたインレットを有する、
請求項１１記載の電気化学的分離システム。
【請求項１３】
前記流れ分配系はインサートを含み、
前記フレームは、前記インサートを受け入れるように構成された凹入部を画定する、
請求項５記載の電気化学的分離システム。
【請求項１４】
前記インサートは、前記セルスタックへの均質な流れ分配の実現を促進する格子構造を成す、
請求項１３記載の電気化学的分離システム。
【請求項１５】
前記第１の電気化学的分離モジュールユニットおよび前記第２の電気化学的分離モジュールユニットは、前記システム内において非半径方向の流れを実現するように構成されている、
請求項１記載の電気化学的分離システム。
【請求項１６】
前記第１の電気化学的分離モジュールユニットおよび前記第２の電気化学的分離モジュールユニットは、前記システム内において均質な液体流速分布を実現するように構成されている、
請求項１記載の電気化学的分離システム。
【請求項１７】
前記電気化学的分離モジュールユニットを構成するためのイオン交換膜の表面積のうち少なくとも約８５％が流体とコンタクトするように、前記システムは構成および配置されている、
請求項１記載の電気化学的分離システム。
【請求項１８】
前記希釈区画および濃縮区画のうち少なくとも１つは阻止スペーサまたは流れ再分配器を有する、
請求項１記載の電気化学的分離システム。
【請求項１９】
前記希釈区画内の流れの方向が前記濃縮区画内の流れの方向と異なるように前記システムが構成されている、
請求項１記載の電気化学的分離システム。
【請求項２０】
前記希釈区画内の流れの方向が前記濃縮区画内の流れの方向に対して実質的に垂直になるように前記システムが構成されている、
請求項１記載の電気化学的分離システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の参照
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、米国特許仮出願第６１／４１３，０２１号（提出日：第２０１０年１１月１２日、発明の名称：「クロスフロー式電気化学的脱イオン装置、およびその製造方法」）、米国特許仮出願第６１／５１０，１５７号（提出日：２０１１年７月２１日、発明の名称：「モジュール型クロスフロー式電気透析装置、およびその製造方法」）の優先権を主張するものである。これらの優先権の内容はすべて、引用により本願の開示内容に含まれるものとし、これらの優先権の内容はすべて、いかなる目的にも用いられる。
【０００２】
発明の分野
本発明は、一般的には電気化学分離に関し、より具体的には、電気化学的モジュールシステムと方法とに関する。
【０００３】
発明の概要
本発明の１つまたは複数の側面では、電気化学的分離システムは、
第１の電極および第２の電極、
当該第１の電極と当該第２の電極との間に配置された第１の電気化学的分離モジュールユニット、および、
当該第１の電気化学的分離モジュールユニットに隣接し、かつ、当該第１の電気化学的分離モジュールユニットと協働する、当該第１の電気化学的分離モジュールユニットと前記第２の電極との間に配置された第２の電気化学的分離モジュールユニット
を有し、前記第１の電気化学的分離モジュールユニットは、複数設けられた希釈区画と濃縮区画とを交互に画定する第１のセルスタックを含み、前記希釈区画および濃縮区画は第１のフレームによって支持されており、前記第２の電気化学的分離モジュールユニットは、複数設けられた希釈区画と濃縮区画とを交互に画定する第２のセルスタックを含み、前記希釈区画および濃縮区画は第２のフレームによって支持されている。
【０００４】
本発明の１つまたは複数の側面では、電気化学的分離システムを組み立てる方法は、
第１のフレームによって包囲された第１のセルスタックを有する第１の電気化学的分離モジュールユニットを容器内に、第１の電極と第２の電極との間に取り付けるステップと、
第２のフレームによって包囲された第２のセルスタックを有する第２の電気化学的分離モジュールユニットを前記容器内に、前記第１の電気化学的分離モジュールユニットと前記第２の電極との間に取り付けるステップと
を有する。
【０００５】
本発明の１つまたは複数の側面では、電気化学的分離モジュールユニットは、複数設けられた希釈区画と濃縮区画とを交互に画定する第１のセルスタックを含むセルスタックと、当該セルを包囲するフレームとを有し、当該フレームは、当該セルスタックにおける流体の流れを向上させるために構成された流路系を含む。
【０００６】
本発明の１つまたは複数の側面では、電気化学的分離のための流れ分配器は、向きが第１の方向である複数の第１の流路と、向きが第２の方向である複数の第２の流路とを有し、前記複数の第１の流路は、電気化学的分離装置の少なくとも１つの区画へ供給するように構成されており、前記複数の第２の流路は前記複数の第１の流路と連通しており、かつ、前記電気化学的分離システムに所属するインレット流路系と連通している。
【０００７】
本発明の１つまたは複数の側面では、電気化学的分離システムは、
第１の電極および第２の電極、
複数設けられた希釈区画と濃縮区画とを交互に含む、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された第１の電気化学的分離モジュールユニット、
複数設けられた希釈区画と濃縮区画とを交互に含み、当該第１の電気化学的分離モジュールユニットと協働するように配置された第２の電気化学的分離モジュールユニット、および、
当該第１の電気化学的分離モジュールユニットと当該第２の電気化学的分離モジュールユニットとの間に、かつ、当該第１の電気化学的分離モジュールと当該第２の電気化学的分離モジュールとに隣接して配置されたスペーサ
を有し、前記第２の電気化学的分離モジュールユニットは、前記第１の電気化学的分離モジュールユニットと前記第２の電極との間に配置されており、前記スペーサは、前記電気化学的分離システム内における電流損失を低減するように構成されている。
【０００８】
以下、本発明の更に他の側面および実施形態と、これらの実施例の利点とを詳細に説明する。本願において開示した実施形態は、本願にて開示している基本的思想の少なくとも１つに合致するように、他の実施形態と組み合わせることができ、「（或る）実施形態」、「幾つかの実施形態」、「択一的な実施形態」、「種々の実施形態」、「１つの実施形態」等を取り上げた場合、これは必ずしも、他の実施形態と組み合わせられないことを意味するものではなく、ある特定の構成、構造または特性が少なくとも１つの実施形態に含まれ得ることを示唆することを意図したものである。このような記載を用いた場合、必ずしも、同じ実施形態を指しているとは限らない。
【０００９】
図面の簡単な説明
以下、添付の図面を参照して、少なくとも１つの実施形態の種々の側面を説明する。この図面は、実寸の比率通りに図示されたものではない。図面は、種々の側面や実施形態を図示することによりさらに分かりやすくするためのものであり、本願の開示内容に含まれ、これを構成するものであるが、本発明を限定するためのものではない。図面中の技術的特徴、詳細な説明、または、いずれかの請求項の後に符号が付されている場合、この符号は単に、図面および明細書をさらに理解しやすくするためのものに過ぎない。図面中、異なる図にて示された構成要素が同一である場合、またはほぼ同一である場合には、この構成要素に同様の番号を付している。簡潔にするため、すべての図において構成要素すべてに符号を付していない場合がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】１つまたは複数の実施形態の全体構造の、フレーム内に配置されたセル対のスタックを示す概略図である。
【図２】１つまたは複数の実施形態の、図１の断面Ａ−Ａを示す概略図である。
【図３】１つまたは複数の実施形態の、スロットから希釈流れ区画のインレットへの希釈流れを示す概略図である。
【図４】１つまたは複数の実施形態の、接着剤を用いて角のポッティングを行う方法を示す概略図である。
【図５】１つまたは複数の実施形態の、向きが垂直方向であるインレットポートおよびアウトレットポートを有する、フレーム内に配置されたスタックを示す概略図である。
【図６】１つまたは複数の実施形態の流路を示す概略図である。
【図７】１つまたは複数の実施形態の、スロットに流れる可能性のある電流バイパスを示す概略図である。
【図８】１つまたは複数の実施形態の、電流バイパスを低減するための水平方向の複数のブロックを示す概略図である。
【図９】１つまたは複数の実施形態の、少しずつずらして配置された水平方向の複数のブロックを示す概略図である。
【図１０】１つまたは複数の実施形態の、別個に製造されたブロックを有するグリッドの概略図である。
【図１１】１つまたは複数の実施形態の、少しずつずらして配置された複数のブロックを有するグリッドを示す概略図である。
【図１２】１つまたは複数の実施形態の、４つの部分を組み立てて構成されたフレームを示す概略図である。
【図１３】１つまたは複数の実施形態の電気化学的分離システムを示す概略図である。
【図１４】１つまたは複数の実施形態の、フレーム内に挿入されポッティングされたスタックを有するモジュールユニットを示す概略図である。
【図１５】１つまたは複数の実施形態の、図１４の断面Ａ−Ａを示す概略図である。
【図１６】１つまたは複数の実施形態の、図１５の細部を示す概略図である。
【図１７】１つまたは複数の実施形態の、図１４の断面Ｂ−Ｂを示す概略図である。
【図１８】１つまたは複数の実施形態のモジュールユニットの断面を示す概略図である。
【図１９】１つまたは複数の実施形態のＥＤ装置の概略的な分解組立図である。
【図２０】１つまたは複数の実施形態の、図１９のモジュールユニット１の断面Ａ−Ａを示す概略図である。
【図２１】１つまたは複数の実施形態の、図１９のモジュールユニット２の断面Ｂ−Ｂを示す概略図である。
【図２２】１つまたは複数の実施形態の、ＥＤ装置における膜およびセルの配置を示す概略図である。
【図２３】１つまたは複数の実施形態の、組立後のＥＤ装置の断面を示す概略図である。
【図２４】１つまたは複数の実施形態の、図２３の細部を示す概略図である。
【図２５】１つまたは複数の実施形態の、外形が円筒形であるフレームを示す概略図である。
【図２６】１つまたは複数の実施形態の、成形された端面板を有する円筒形の容器内に配置されたＥＤ装置を示す概略図である。
【図２７】１つまたは複数の実施形態の、透明アクリル円筒部品内に配置された基本形のモジュールユニットを示す概略図である。
【図２８】１つまたは複数の実施形態の、複数のセル対のスタックにおける流れを示す概略図である。
【図２９】１つまたは複数の実施形態の、複数のスロットを有するフレームに配置されたセルスタックを示す概略図である。
【図３０】１つまたは複数の実施形態の、フレームと複数のセル対のスタックとにおける流れを示す概略図である。
【図３１】１つまたは複数の実施形態の、有利なＥＤモジュールユニットにおける輸送プロセスを示す概略図である。
【図３２】１つまたは複数の実施形態の、電流効率が低いＥＤモジュールユニットにおける輸送プロセスを示す概略図である。
【図３３】１つまたは複数の実施形態の、電流効率が低く水損失が存在するＥＤモジュールユニットにおける輸送プロセスを示す概略図である。
【図３４】１つまたは複数の実施形態のモジュールユニットにおける電流路を示す概略図である。
【図３５】１つまたは複数の実施形態の、モジュールユニットフレーム内部の流路の流体容積を示す概略図である。
【図３６】１つまたは複数の実施形態のインレット流路を示す概略図である。
【図３７】１つまたは複数の実施形態の、スタック周辺の電流バイパスの経路の一例を示す概略図である。
【図３８】１つまたは複数の実施形態の、少しずつずらして配置された垂直方向の複数の流路を示す概略図である。
【図３９】１つまたは複数の実施形態の挿入物の垂直方向のスロットと水平方向の溝とを示す概略図である。
【図４０】１つまたは複数の実施形態の、挿入物に対応する凹入部を有するフレームの概略図である。
【図４１】１つまたは複数の実施形態の、フレームと、挿入されようとしているインサートとを示す概略図である。
【図４２】１つまたは複数の実施形態の、組立後のモジュールユニット内の流路を概略的に示す断面図である。
【図４３】１つまたは複数の実施形態の成形されたフレームを示す概略図である。
【図４４】１つまたは複数の実施形態の、周縁が円形である成形されたフレームの概略図である。
【図４５】１つまたは複数の実施形態の、曲面の面に水平方向の溝が設けられた挿入物を示す概略図である。
【図４６】１つまたは複数の実施形態の、挿入物に対応する凹入部に水平方向の溝を有する成形されたフレームの概略図である。
【図４７】１つまたは複数の実施形態の、端面膜が延長されたモジュールユニットの概略図である。
【図４８】１つまたは複数の実施形態の、フランジに接続されたモジュールユニットを示す概略図である。
【図４９】１つまたは複数の実施形態の、挿入物に所属する流路系を示す概略図である。
【図５０】１つまたは複数の実施形態の、添付の実施例における参考データを示す図である。
【００１１】
詳細な説明
本発明の１つまたは複数の実施形態の電気化学的分離モジュールシステムは、種々の処理プロセスの効率および全体的なフレキシビリティを向上することができる。この電気化学的分離モジュールシステムは、電気的精製装置とも称される。幾つかの実施形態では、たとえばクロスフロー式電気透析（ＥＤ）装置等であるクロスフロー式電気化学的分離装置を、従来のプレートフレーム型装置に代わる魅力的な代替物として実現することができる。幾つかの実施形態では、クロスフロー式電気化学的分離装置における電流非効率性を低減することができる。少なくとも１つの特定の実施形態では、インレット流路系およびアウトレット流路系に流れる電流バイパスに起因する電流の非効率性に対応することもできる。エネルギー消費量を削減し、膜の要件を軽減することができ、これら双方が実現されることにより、種々の用途におけるライフサイクルコストに影響を及ぼすことができる。幾つかの実施形態では、膜使用率が最低でも８５％に達することができる。膜の要件が軽減することにより、電気化学的分離装置の製造コスト、質量およびスペースに課される要件を軽減することができる。幾つかの特定の実施形態では、クロスフロー式ＥＤ装置の処理効率を格段に改善することができる。幾つかの実施形態では、石油生成物やガス生成物からの汽水、海水および塩水の脱塩を行う電気化学的分離システムの効率を改善することができる。少なくとも幾つかの実施形態では、現在のところ主力脱塩技術となっているＲＯより、ＥＤのコスト競合力を改善することができる。
【００１２】
電界を用いて流体を精製するための装置は通常、イオン種が溶解した水や他の液体を処理するために使用される。このように水を処理する装置には２種類あり、電気脱イオン装置と電気透析装置とがある。この装置内部には、濃縮区画と希釈区画とがあり、これらはイオン選択膜によって分離されている。電気透析装置には典型的には、電気活性かつ半透性のアニオン交換膜とカチオン交換膜とが交互に含まれている。これらの膜間のスペースは、インレットとアウトレットとを有する液流区画を形成するように構成されている。電極を介して電界を印加することにより、溶解したイオンが生じ、このイオンはそれぞれの対向電極に引きつけられ、アニオン交換膜およびカチオン交換膜を通って泳動する。このことにより、一般的には、希釈区画の液体中ではイオンが減少し、濃縮区画内の液体中では、輸送されたイオンが増加する。
【００１３】
電気脱イオン（ＥＤＩ）は、イオン輸送に影響を及ぼすために、電気活性媒質と電位とを用いて、１つまたは複数のイオン化された種またはイオン化可能な種を水から除去するかまたは少なくとも低減する処理である。この電気活性媒質は典型的には、イオン種および／またはイオン化可能な種を交互に収集および放出するために用いられ、また、この電気活性媒質は、連続的にイオン置換メカニズムまたは電子置換メカニズムによるイオンの輸送を向上させるために用いられるケースもある。ＥＤＩ装置は、持続的または一時的な荷電の電気活性媒質を含むことができ、このＥＤＩ装置はバッチ方式で、間欠的に、連続的に、および／または、反転極性モードで動作させることができる。ＥＤＩは、性能を実現または向上させるために特別に構成された１つまたは複数の電気化学反応を促進させるように動作することができる。さらに、このような電気化学的装置は、たとえば半透性または選択透過性のイオン交換膜またはバイポーラ膜等である電気活性膜を含むこともできる。連続電気脱イオン（ＣＥＤＩ）装置は当業者に知られているＥＤＩ装置であり、この装置は、イオン交換材料に連続的に再チャージしながら浄水を連続的に行えるように動作することができる。ＣＥＤＩ技術は、たとえば連続脱イオン、充填セル電気透析または電気透析（electrodiaresis）等である処理を含むことができる。ＣＥＤＩシステムにおいて電圧条件および塩分条件を制御することにより、水分子が分解することにより、水素イオンまたはヒドロニウムイオンまたは水素種またはヒドロニウム種と、水酸化物イオンまたはヒドロキシルイオンまたは水酸化物種またはヒドロキシル種とを生成することができ、これが、装置に設置されたイオン交換媒質を再生することにより、トラップされた種をイオン交換媒質から放出されるのを促進することができる。このようにして、イオン交換樹脂を化学的に再装填する必要なく、処理対象である水流を連続的に浄水することができる。
【００１４】
電気透析（ＥＤ）装置の動作原理はＣＥＤＩの動作原理と同様であるが、ＥＤ装置は典型的には、膜間に電気活性媒質を含まないという点で相違する。電気活性媒質が無いので、塩分が低い水を供給すると電気抵抗が上昇するため、ＥＤの動作が妨げられることがある。また、高い塩分の水を供給してＥＤを動作させると、電流消費量が上昇してしまうので、従来は、塩分量が中程度である未処理水にＥＤ装置を用いると、最も有効に使用することができた。ＥＤ方式のシステムでは、電気活性媒質が無いので、水を分けることは非効率的であり、このような方式で動作させることを避けるのが普通である。
【００１５】
ＣＥＤＩ装置およびＥＤ装置では、複数の隣接するセルまたは区画が、典型的には、正または負に荷電された種を透過させるが典型的には両方を透過させることはない選択透過膜によって分離されている。このような装置では、希釈区画の相互間に濃縮区画が設けられている。幾つかの実施形態では、セル対という用語は、相互に隣接する濃縮区画と希釈区画との対を指すことができる。希釈区画に水が流れると、典型的には、たとえば直流電界等である電界の影響を受けて、イオン種または別の荷電された種が濃縮区画へ引き込まれる。正に荷電された種は前記装置のカソードへ引きつけられ、負に荷電された種も同様に前記装置のアノードへ引きつけられる。前記カソードは典型的には、複数の希釈区画と濃縮区画とのスタックの一端に配置されており、前記アノードは典型的には、前記区画のスタックの他端に配置されている。両電極は典型的には、電解質区画内に収容されており、この電解質区画は通常、その一部が、希釈区画および／または濃縮区画との連通部から隔絶されている。典型的には、荷電した種は濃縮区画において一度、当該濃縮区画を少なくとも部分的に画定する選択透過膜のバリアによってトラップされる。たとえば、カチオン選択膜により、アニオンが濃縮区画内からカソードへ泳動するのが阻止されるのが典型的である。濃縮区画に捕捉されると、トラップされた荷電種は濃縮流にさらわれてしまう可能性がある。
【００１６】
ＣＥＤＩ装置およびＥＤ装置では典型的には、電圧源から直流電界がセルに印加され、電極（アノードまたは正電極、および、カソードまたは負電極）に電流が供給される。この電圧源および電流源（まとめて「電源」という）自体に給電するために使用できる手段として種々の手段が存在し、たとえば、交流電源、または、太陽熱、風力または波力等から得られる電力源を用いることができる。電極と液体との界面において電気化学的な半電池反応が生じ、この半電池反応により、膜および区画を通ってイオンの輸送が開始され、および／または促進される。電極界面において生じるこの特殊な電気化学的な反応は、電極構成体を収容する専用の区画内の塩分濃度によって、ある程度制御することができる。たとえば、アノード電解質区画へは、塩化ナトリウム量を高くして供給を行うと、塩素イオンおよび水素イオンを生じさせる傾向があるのに対し、カソード電解質区画へこのような供給を行うと、水素ガスおよび水酸化物イオンを生じさせる傾向がある。一般的には、アノード区画において生成された水素イオンは、たとえば塩化イオン等である自由アニオンと協働して、荷電状態を中性に維持し、塩酸溶液を成す。これと同様に、カソード区画において生成された水酸化物イオンは、たとえばナトリウム等である自由カチオンと協働して荷電状態を中性に維持し、水酸化ナトリウム溶液を成す。電極区画のこのような反応生成物、たとえば、生成された塩素ガスおおよび水酸化ナトリウムは、消毒、膜の洗浄および除染、ｐＨ調節等で必要とされる処理で使用することができる。
【００１７】
プレートフレーム構成および螺旋巻き構成は、種々の種類の電気化学的脱イオン装置にて使用されてきた。この電気化学的脱イオン装置には、電気透析（ＥＤ）装置や電気脱イオン（ＥＤＩ）装置が含まれるが、これらに限定されない。市販されているＥＤ装置は典型的にはプレートフレーム構成となっているのに対し、ＥＤＩ装置では、プレートフレーム構成の装置および螺旋構成の装置の双方が販売されている。
【００１８】
１つまたは複数の実施形態は、電気的に流体を精製する装置、および、当該装置の製造方法および使用方法に関する。前記装置は、ハウジング内に収容することができる。精製すべき液体または流体は精製装置内に供給され、電界を印加してこの液体または流体を処理することにより、イオン希釈液が生成される。供給された前記液体からの種を集めることにより、イオン濃縮液が得られる。
【００１９】
１つまたは複数の実施形態では、電気化学的分離システムまたは電気化学的分離装置をモジュールとすることができる。各モジュールユニットは一般的に、電気化学的分離システム全体の１サブブロックとして機能することができる。１つのモジュールユニットに含まれるセル対の数を、任意の所望の数とすることができる。幾つかの実施形態では、１モジュールユニットあたりのセル対の数はセル対の総数に依存することができ、分離装置内に通すことができる。１モジュールユニットあたりのセル対の数はまた、クロスリークや他の性能基準でテストしたときに許容可能な欠陥率で１つのフレームに熱ボンディングやポッティングを行えるセル対の数に依存することもできる。この数は、製造プロセスの統計的分析結果に基づくことができ、プロセス制御を改善させるほど増大させることができる。本発明を限定しない幾つかの実施形態では、１モジュールユニットは約５０個のセル対を含むことができる。モジュールユニットを個別に組み立てて、より大きなシステムに統合する前に各モジュールユニットを個別に、たとえば漏れ、分離性能、圧力低下等の品質制御テストを行うことができる。幾つかの実施形態では、独立してテストできるモジュールユニットとしてセルスタックを１フレーム内に組み付けることができる。その後、複数のモジュールユニットをまとめて組み立てることにより、１つの電気化学的分離装置に含まれる予定の総数のセル対を設けることができる。幾つかの実施形態では、組立方法は一般的に、第１のモジュールユニットを第２のモジュールユニットに配置するステップと、前記第１のモジュールユニットおよび第２のモジュールユニットに第３のモジュールユニットを配置するステップと、所望の数の複数のモジュールユニットが得られるまで繰り返すステップとを含むことができる。幾つかの実施形態では、上述のように組み立てられたものを、または各モジュールユニットを個別に、動作のために圧力容器内に挿入することができる。モジュールユニット相互間または各モジュールユニット内部に阻止膜および／またはスペーサを配置することにより、複数回通過構成を実現することも可能である。モジュール方式を採用することにより製造性を改善することができ、時間およびコストの削減を実現することができる。モジュール化によって、各モジュールユニットの診断、隔絶、取り外しおよび再配置を行うことができるようになることにより、システムの保守が容易にもなる。電気化学的分離処理を促進するため、各モジュールユニットが個別に、流路系および流れ分配系を含むことができる。各モジュールユニットを個別に、他の各１つのモジュールユニットと連通させることができ、また、各モジュールユニットを個別に、全体の電気化学的分離処理に関わる中央流路系や他のシステムと連通させることもできる。
【００２０】
１つまたは複数の実施形態では、電気化学的分離システムの効率を改善することができる。非効率性を引き起こす可能性のある原因の１つに、電流損失がある。クロスフロー構成を含む実施形態等である幾つかの実施形態では、電流漏れが生じる危険性に対応することができる。電流効率は、希釈流中から濃縮流中へ移動するイオン中で実効性を有する電流の百分率として定義することができる。電気化学的分離システムには、電流の非効率性に繋がる種々の原因が存在する。この非効率性を引き起こす可能性のある原因の１つに、希釈インレット流路系、濃縮インレット流路系、希釈アウトレット流路系および濃縮アウトレット流路系に流れることによってセル対をバイパスして流れる電流が含まれる。開放されたインレット流路系およびアウトレット流路系を流れ区画と直接連通させ、各流路における圧力降下を低減させることができる。このような開放された領域に流れることにより、一方の電極から他方の電極への電流の一部がセル対のスタックをバイパスする可能性がある。このバイパス電流により、電流効率が低減し、エネルギー消費量が増大する。非効率性に繋がる可能性のある別の原因に、イオン交換膜の選択透過性が不完全であることに起因して濃縮流からイオンが希釈流に流れ込むことが挙げられる。幾つかの実施形態では、装置内部に膜およびスクリーンの封止およびポッティングに関する技術を用いることにより、電流漏れの低減を促進させることができる。
【００２１】
１つまたは複数の実施形態では、セル内の直線経路に沿って電流が流れるのを促進させるために、スタックに流れるバイパス路を操作することができる。このことにより、電流効率を改善することができる。幾つかの実施形態では、セルスタック内の直線経路よりも１つまたは複数のバイパス路が蛇行形状になるように、電気化学的分離装置を構成および配置することができる。少なくとも幾つかの特定の実施形態では、セルスタック内の直線経路の抵抗よりも１つまたは複数のバイパス路の抵抗の方が高くなるように、電気化学的分離装置を構成および配置することができる。モジュールシステムを含む幾つかの実施形態では、各モジュールユニットを個別に、電流効率を向上させるように構成することができる。電流効率に寄与する電流バイパス路を実現するように、モジュールユニットを構成および配置することができる。本発明を限定しない幾つかの実施形態では、モジュールユニットはそれぞれ、電流効率を向上させるように構成された流路系および／または流れ分配系を含むことができる。少なくとも幾つかの実施形態では、予め定められた電流バイパス路を設けるために、電気化学的分離モジュールユニット内に含まれるセルスタックを包囲するフレームを構成および配置することができる。幾つかの実施形態では、マルチパスフロー構成を採用することにより、電流漏れの低減を促進させることができる。本発明を限定しない少なくとも幾つかの実施形態では、電流効率を改善するため、マルチパスフロー構成内に希釈流および／または濃縮流が流れるように、モジュールユニット相互間に阻止膜またはスペーサを挿入することができる。幾つかの実施形態では、少なくとも約６０％の電流効率を達成することができる。別の幾つかの実施形態では、少なくとも約７０％の電流効率を達成することができる。さらに別の幾つかの実施形態では、少なくとも約８０％の電流効率を達成することができる。少なくとも幾つかの実施形態では、少なくとも約８５％の電流効率を達成することができる。
【００２２】
１つまたは複数の実施形態では、電気的精製装置を構成するためのセルスタックを準備する方法は、複数の区画を形成するステップを含むことができる。複数のイオン交換膜を相互に固定することにより、当該イオン交換膜間に配置された第１のスペーサを含む第１のスペーサ構成体を構成することにより、第１の区画を形成することができる。たとえば、第１のカチオン交換膜および第１のアニオン交換膜の周辺の第１の位置において当該第１のカチオン交換膜を当該第１のアニオン交換膜に固定することにより、当該第１のカチオン交換膜と当該第１のアニオン交換膜との間に配置された第１のスペーサを含む第１のスペーサ構成体を構成することができる。
【００２３】
複数のイオン交換膜を相互に固定することにより、当該イオン交換膜間に配置された第１のスペーサを含む第２のスペーサ構成体を構成することにより、第２の区画を形成することができる。たとえば、第２のカチオン交換膜および第２のアニオン交換膜の周辺の第１の位置において当該第２のアニオン交換膜を第２のカチオン交換膜に固定することにより、当該第２のアニオン交換膜と第２のカチオン交換膜との間に配置された第２のスペーサを含む第２のスペーサ構成体を構成することができる。
【００２４】
前記第１のスペーサ構成体を前記第２のスペーサ構成体に固定し、これらの間にスペーサを配置することにより、前記第１の区画と前記第２の区画との間に第３の区画を形成することができる。たとえば、前記第１のカチオン交換膜の周辺の第２の位置と、前記第２のアニオン交換膜の周辺の位置とにおいて、第１のスペーサ構成体を第２のスペーサ構成体に固定することにより、当該第１のスペーサ構成体と当該第２のスペーサ構成体との間に配置されたスペーサを含むスタック構成体を構成することができる。
【００２５】
前記第３の区画に流れる流体の方向と異なる方向に流体が流れるように、第１の区画および第２の区画の各区画を構成および配置することができる。たとえば、前記第３の区画内に流れる流体は、０°軸の方向に流れるようにすることができる。第１の区画内の流体の流れは３０°とすることができ、第２の区画内の流体の流れの角度は、第１の区画内の流体の流れの角度（３０°）と等しくするか、または、たとえば１２０°等である別の角度とすることができる。前記方法はさらに、上述のようにして組み立てられたセルスタックをハウジング内部に固定するステップを含むことができる。
【００２６】
１つまたは複数の別の実施形態では、電気化学的分離システムはクロスフロー構成を有することができる。クロスフロー構成を用いることにより、膜使用率を上昇させ、圧力低下を縮小し、外部漏れを低減させることができる。さらに、クロスフロー構成を用いることにより、操作に課される制限を緩和させることもできる。少なくとも幾つかの実施形態では、操作圧力に課される制限が実質的に、シェルおよびエンドキャップの定格圧力のみとなるようにすることができる。また、製造プロセスの自動化を実現することもできる。
【００２７】
１つまたは複数の実施形態では、第１の流体流路および第２の流体流路を選択し、相互に固定されたイオン交換膜の周辺領域の一部によってこれらの流体流路を設けることができる。第１の流体流路を０°軸に沿って延在する方向として使用すると、第２の流体流路は、０°より大きくかつ３６０°より小さい任意の角度の方向に延在することができる。本発明の特定の実施形態では、第２の流体流路は９０°の角度で延在するか、または第１の流体流路に対して垂直に延在することができる。別の実施形態では、前記第２の流体流路は、第１の流体流路に対して１８０°の角度で延在することができる。イオン交換膜を追加してセルスタックに固定することにより、さらに別の区画を設ける場合、この別の区画内における流体流路を、前記第１の流体流路および前記第２の流体流路と同じとするか、または別の流体流路とすることができる。特定の実施形態では、各区画内の流体流路を交互に、第１の流体流路としたり第２の流体流路とすることができる。たとえば、第１の区画内の第１の流体流路は０°の方向に延在し、第２の区画内の第２の流体流路は９０°の方向に延在し、第３の区画内の第３の流体流路は０°の方向に延在することができる。特定の実施例では、このような構成をクロスフロー電気的精製方式と称することができる。
【００２８】
別の実施形態では、各区画内の流体流路は順次、交互に、第１の流体流路と第２の流体流路と第３の流体流路とすることができる。たとえば、第１の区画内の第１の流体流路は０°の方向に延在し、第２の区画内の第２の流体流路は３０°の方向に延在し、第３の区画内の第３の流体流路は９０°の方向に延在することができ、第４の区画内の第４の流体流路は０°に延在することができる。別の実施形態では、前記第１の区画内の第１の流体流路は０°の方向に延在し、第２の区画内の第２の流体流路は６０°の方向に延在し、第３の区画内の第３の流体流路は１２０°の方向に延在することができ、第４の区画内の第４の流体流路は０°に延在することができる。幾つかの実施形態では、１つまたは複数の流路が、実質的に非半径方向になるようにすることができる。少なくとも幾つかの実施形態では、１つまたは複数の流路が、システム内における液体の流速分布が実質的に均質になるのを促進するように構成することができる。
【００２９】
１つまたは複数の実施形態では、各区画内における流体と膜表面との接触が大きくなるように、各区画内部の流れを調整、再分配または方向変更することができる。各区画内の流体の流れを再分配するように各区画を構成および配置することができる。各区画内における流れを再分配するための構造を実現する閉塞部、突起部、凸出部、フランジまたはバッフルを、各区画が有することができる。このことについては下記で詳細に説明する。特定の実施形態では、これらの閉塞部、突起部、凸出部、フランジまたはバッフルを流れ再分配部と称することができる。この流れ再分配部は、セルスタックの区画のうち１つまたは複数の区画に設置することができる。
【００３０】
電気精製装置用のセルスタックに含まれる各区画は、流体とコンタクトする表面積率または膜使用率が所定の表面積率または膜使用率となるように構成および配置することができる。膜使用率が大きいほど、電気精製装置の動作効率が高くなることが判明している。膜使用率を大きくできることの利点には、エネルギー消費量の低下、装置の設置面積の縮小、装置内の流路の減少、および、生産水の品質上昇が含まれる。特定の実施形態では、実現可能な膜使用率は６５％を上回る。別の実施形態では、実現可能な膜使用率は７５％を上回る。特定の別の実施形態では、実現可能な膜使用率が８５％を上回るようにすることができる。膜使用率は少なくとも部分的に、各膜を相互間で固定するために用いられる手法と、スペーサの構成とに依存することができる。所定の膜使用率を実現するためには、電気精製装置内部に漏れを引き起こすことなく電気精製装置の最大限の動作を可能にする高信頼性かつ確実な封止を実現するのに適した固定技術および固定部品を選択することができる。幾つかの実施形態では、スタック形成プロセスは、膜使用率を最大限にし、かつ、当該スタック形成プロセスにおいて使用できる膜の表面積を大きく維持するために、熱ボンディング技術を用いることができる。
【００３１】
１つまたは複数の実施形態では、電気精製装置はセルスタックを含む。前記電気精製装置は、複数のイオン交換膜を含む第１の区画を有することができ、また、当該イオン交換膜相互間において第１の方向に直線距離で流体が流れるように、この第１の区画を構成および配置することができる。前記電気精製装置はまた、複数のイオン交換膜を含む第２の区画を有することもでき、第２の方向に直線距離で流体が流れるように、この第２の区画を構成および配置することができる。前記第１の区画および第２の区画はそれぞれ、流体とコンタクトする表面積率または膜使用率を所定の表面積率または膜使用率にするように構成および配置することができる。
【００３２】
電気精製装置はセルスタックを含むことができ、当該電気精製装置は、第１のカチオン交換膜と第１のアニオン交換膜とを含む第１の区画を含むことができ、当該第１の区画は、当該第１のカチオン交換膜と第１のアニオン交換膜との間において流体が第１の方向に直線距離で流れるように構成および配置されている。前記電気精製装置はまた、前記第１のアニオン交換膜と第２のカチオン交換膜とを含む第２の区画を有することができ、これは、第１のアニオン交換膜と第２のカチオン交換膜との間に流体が第２の方向で直線距離で流れるように構成されている。前記第１の区画および前記第２の区画はそれぞれ、所定の膜使用率を実現できるように、たとえば、第１のカチオン交換膜の表面積、第１のアニオン交換膜の表面積、および、第２のカチオン交換膜の表面積のうち８５％を上回る割合が流体とコンタクトするように、構成および配置することができる。前記第１の区画および前記第２の区画のうち少なくとも１つはスペーサを含むことができる。このスペーサは阻止スペーサとすることができる。
【００３３】
１つまたは複数の実施形態では、セルスタックを含む前記電気精製装置はさらに、当該セルスタックを包囲するハウジングを含むことができ、当該セルスタックの表面の少なくとも一部は当該ハウジングに固定される。前記ハウジング内に第１のモジュールユニットを設けるために、当該ハウジングと前記セルスタックとの間にフレームを配置することができる。セルスタックの区画のうち１つまたは複数の区画に流れ再分配部を設置することができる。前記区画のうち少なくとも１つは、当該区画内において流れの反転が生じるように構成および配置することができる。
【００３４】
本発明の幾つかの実施形態では、電気精製装置用のセルスタックが設けられている。このセルスタックは、イオン希釈区画とイオン濃縮区画とが交互に複数設けられるように構成することができる。各イオン希釈区画はそれぞれ、第１の方向に希釈流体を流すインレットおよびアウトレットを有することができる。各イオン濃縮区画は、前記第１の方向と異なる第２の方向に濃縮流体を流すインレットおよびアウトレットを有することができる。前記セルスタック内にスペーサを配置することができる。このスペーサは前記区画の構造を決定し、かつ、当該区画を画定することができ、特定の実施例では、当該区画内において流体の流れ方向を決定するのに用いることができる。前記スペーサは阻止スペーサとすることができ、この阻止スペーサは、前記セルスタック内における流体の流れおよび電流のうち少なくとも１つの方向を変更するように構成および配置することができる。上述のように、前記阻止スペーサは、電気精製装置における電流非効率性を緩和または防止することができる。
【００３５】
本発明の幾つかの実施形態では、電気精製装置が設けられており、当該電気精製装置は、イオン希釈区画とイオン濃縮区画とを交互に含むセルスタックを有することができる。各イオン希釈区画は、第１の方向に流体を流すように構成および配置することができ、各イオン濃縮区画は、前記第１の方向と異なる第２の方向に流体を流すように構成および配置することができる。前記電気精製装置はまた、前記セルスタックの第１の端部に設けられたアニオン交換膜に隣接する第１の電極と、当該セルスタックの第２の端部に設けられたカソード交換膜に隣接する第２の電極とを含むこともできる。前記電気精製装置はさらに、前記セルスタック内に配置された阻止スペーサを含むこともでき、この阻止スペーサは、当該電気精製装置内における希釈流体の流れおよび濃縮流体の流れのうち少なくとも１つの流れの方向を変更し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に直線距離で電流路が形成されるのを防止するように構成および配置することができる。上述のように、前記阻止スペーサは、電気精製装置における電流非効率性を緩和するように構成および配置することができる。
【００３６】
前記電気精製装置用のセルスタックの表面の少なくとも一部をハウジングに固定することにより、当該セルスタックをハウジング内に収容することができる。前記ハウジング内に第１のモジュールユニットを設けるために、当該ハウジングと前記セルスタックとの間にフレームを配置することができる。第２のモジュールユニットを前記ハウジング内に固定することもできる。前記第１のモジュールユニットと前記第２のモジュールユニットとの間に阻止スペーサを配置することもできる。セルスタックの区画のうち１つまたは複数の区画に流れ再分配部を設置することができる。前記区画のうち少なくとも１つは、当該区画内において流れの反転が生じるように構成および配置することができる。前記区画のうち少なくとも１つは、当該区画内において流れの反転が生じるように構成および配置することができる。前記モジュールユニットを支持してハウジング内に固定するために、前記フレームと当該ハウジングとの間にブラケットアセンブリを配置することができる。
【００３７】
前記第１の方向の流体の流れを希釈流とし、前記第２の方向の流体の流れを濃縮流とすることができる。特定の実施形態では、印加する電界を反転させる極性反転を用いて流れ動作を反転させることにより、前記第１の方向の流体の流れを濃縮流に変換し、前記第２の方向の流体の流れを希釈流に変換することができる。スペーサによって分離された複数のスペーサアセンブリを相互に固定することにより、セル対のスタックまたは膜セルスタックを構成することができる。
【００３８】
本発明の前記電気精製装置はさらに、前記セルスタックを収容するハウジングを含むことができる。前記セルスタックの表面の少なくとも一部を前記ハウジングに固定することができる。前記セルスタックの更なる支持構成を追加するため、前記ハウジングと当該セルスタックとの間にフレームまたは支持構造体を配置することができる。前記フレームはまた、前記セルスタックの内外へ液体を流すためのインレット流路系とアウトレット流路系とを含むこともできる。前記フレームと前記セルスタックとが、電気精製装置モジュールユニットを構成することができる。前記電気精製装置はさらに、前記ハウジング内に固定された第２のモジュールユニットを含むこともできる。前記第１のモジュールユニットと前記第２のモジュールユニットとの間に、たとえば阻止スペーサ等であるスペーサを配置することができる。前記第２のモジュールユニットと連通している一端と反対側の、前記第１のモジュールユニットの一端に、第１の電極を配置することができ、前記第１のモジュールユニットと連通している一端と反対側の、前記第２のモジュールユニットの一端に、第２の電極を配置することができる。
【００３９】
前記第１のモジュールユニットのフレームとハウジングとの間、または、前記第２のモジュールユニットのフレームとハウジングとの間、または、両モジュールユニットのフレームとハウジングとの間に、ブラケットアセンブリを配置することができる。このブラケットアセンブリによって前記モジュールユニットを支持することができ、また、ハウジングに固定的に取り付けることもできる。本発明の１つの実施形態では、膜セルスタックをハウジング内または容器内に配置することにより、前記電気精製装置を組み立てることができる。前記セルスタックの各端面に端面板を設けることができる。前記セルスタックの表面の少なくとも一部を前記ハウジングの内壁に取り付けて封止するために接着剤を適用することができる。
【００４０】
本発明の特定の実施形態では、電力消費量を増大させる原因となる非効率性を低減または防止するように電気精製装置が構成されている。本発明の前記電気精製装置は、電流の非効率性を緩和または防止するための多流路構成を実現することができる。この多流路構成により、前記電気精製装置のアノードとカソードとの間の直接経路を消失または低減させることにより、流路系を通る電流のバイパスを低減するか、または電流の漏れを低減することができる。本発明の特定の実施形態では、各区画内における流体と膜表面との接触が大きくなるように、各区画内部の流れを調整、再分配または方向変更することができる。各区画内の流体の流れを再分配するように各区画を構成および配置することができる。各区画内における流れを再分配するための構造を実現する閉塞部、突起部、凸出部、フランジまたはバッフルを、各区画が有することができる。前記閉塞部、突起部、凸出部、フランジまたはバッフルを、イオン交換膜の一部またはスペーサの一部として形成することができ、または、前記区画内に設置される追加的な別個の構造体とすることもできる。少なくとも１つの実施形態では、前記システム内部における電流の流れに大きな影響を与えるために、膜または阻止スペーサを実質的に非導電性とすることができる。
【００４１】
本発明の幾つかの実施形態では、電気精製装置用の膜セルスタックを構成するために、イオン交換膜と、オプションとしてスペーサとを固定またはボンディングする方法を提供する。前記方法により、たとえばクロスフロー電気透析（ＥＤ）モジュールユニット等である電気精製装置において使用される複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを固定することができる。
【００４２】
本発明の幾つかの実施形態では、電気精製装置用の第１のセルスタックを設置する方法を提供する。この方法は、第１のイオン交換膜を第２のイオン交換膜に固定するステップを含むことができる。前記第１のイオン交換膜と前記第２のイオン交換膜との間にスペーサを配置することにより、スペーサアセンブリを構成することができる。このスペーサアセンブリは、電気精製装置にて用いられる場合、流体を流す第１の区画を画定する。複数の前記イオン交換膜を相互に固定することにより、区画列を構成することができる。特定の実施形態では、複数のスペーサアセンブリを構成し、これらのスペーサアセンブリを相互に固定することができる。各スペーサセンブリ間にスペーサを配置することができる。このようにして、電気精製装置の各区画において１つまたは複数の方向で流体を流すように、区画列が構成される。
【００４３】
前記区画内に配置することができる前記スペーサによって、当該区画を画定する構造を実現することができ、特定の実施例では、当該区画内における流体の流れの方向を決定するのに前記スペーサを用いることができる。前記スペーサは、前記区画内部の所望の構造と流体の所望の流れとを実現するポリマー材料または別の材料から成ることができる。特定の実施形態では、前記区画内部における流体の流れを方向変更または再分配するように前記スペーサを構成および配置することができる。幾つかの実施例では、前記スペーサは、前記区画内部の構造と区画内における流体の所望の流れとを実現する網目状またはスクリーン材料を含むことができる。前記スペーサは、プロセス効率を改善するために、流体の流れと電流とのうち少なくとも１つを方向変更するように構成および配置することができる。また、電気精製装置において複数の流体流れ段を形成するように、前記スペーサを構成および配置することもできる。前記スペーサは、流体の流れを特定の方向に方向変更するための間断の無い部分を含むことができる。この間断の無い部分は、電流の流れを特定の方向に方向変更することもでき、また、電気精製装置内においてアノードとカソード間に直線経路が形成されるのを防止することもできる。幾つかの実施形態では、セルスタック内の電流の流れを促進し、全般としてセルスタックに対して電流バイパスが生じるのを防止するスペーサを設けることができる。間断の無い部分を含むスペーサは、阻止スペーサと称することができる。この阻止スペーサは、セルスタック内部に配置するか、または、第１のセルスタックまたは第１のモジュールユニットと第２のセルスタックまたは第２のモジュールユニットとの間に配置することができる。
【００４４】
幾つかの実施形態では、イオン希釈区画とイオン濃縮区画との列を構成するため、相互に固定された前記複数のイオン交換膜は、交互に、カチオン交換膜とアニオン交換膜とすることができる。前記膜の幾何学的構成は、当該膜をセルスタック内部に固定できる幾何学的構成であれば、任意の適切な幾何学的構成とすることができる。特定の実施形態では、ハウジング内部にセルスタックを適切に固定できるように、当該セルスタックに設けられる所定数の角または頂点を所望の数とすることができる。特定の実施形態では、前記セルスタック内の特定の膜の幾何学的構成が他の膜の幾何学的構成と異なるようにすることができる。前記膜の相互間の固定と、セルスタック内部におけるスペーサの固定と、モジュールユニット内部における膜の固定と、モジュールユニットの固定と、支持構造体内部における膜の固定と、たとえばセルスタック等である複数の膜から成る群をハウジングに固定することと、ハウジング内部にモジュールユニットまたはモジュールユニットを固定することとのうち少なくとも１つの固定を支援するように、当該膜の幾何学的構成を選択することができる。前記膜、スペーサおよびスペーサアセンブリを、当該膜、スペーサまたはスペーサアセンブリの表面または辺の一部に固定することができる。前記膜、スペーサまたはスペーサアセンブリの表面の一部は、連続的な長さまたは断続的な長さとすることができる。前記膜、スペーサまたはスペーサアセンブリを固定するために選択された、前記表面の一部は、流体の流れを予め決定された方向に決定するための境目または縁部を形成することができる。
【００４５】
１つまたは複数の実施形態では、上述のセルスタックは、任意の所望の数のイオン交換膜、セル対または流れ区画を有することができる。幾つかの実施形態では、電気化学的分離システムが有するセルスタックを１つとすることができる。たとえばモジュール構成等である別の実施形態では、電気化学的分離システムが有するセルスタックを２つ以上とすることができる。幾つかの実施形態では、各セルスタックをそれぞれ、上述のような、別個のモジュールユニット内に包含させることができる。このようなモジュール構成により、構成のフレキシビリティを実現し、製造を容易にすることができる。
【００４６】
本発明の１つまたは複数の側面では、電気化学的分離システムは、
第１の電極および第２の電極、
当該第１の電極と当該第２の電極との間に配置された第１の電気化学的分離モジュールユニット、および、
当該第１の電気化学的分離モジュールユニットと協働する、当該第１の電気化学的分離モジュールユニットと前記第２の電極との間に配置された第２の電気化学的分離モジュールユニット
を有し、前記第１の電気化学的分離モジュールユニットは、複数設けられた希釈区画と濃縮区画とを交互に画定する第１のセルスタックを含み、前記希釈区画および濃縮区画は第１のフレームによって支持されており、前記第２の電気化学的分離モジュールユニットは、複数設けられた希釈区画と濃縮区画とを交互に画定する第２のセルスタックを含み、前記希釈区画および濃縮区画は第２のフレームによって支持されている。前記第１のセルスタックを第１のフレームによって包囲することができ、前記第２のセルスタックを第２のフレームによって包囲することができる。幾つかの実施形態では、前記第１の電気化学的分離モジュールユニットと前記第２の電気化学的分離モジュールユニットとを流体的に相互に並行に配置する。各第１の電気化学的分離モジュールユニットおよび各第２の電気化学的分離モジュールユニットをそれぞれ独立して構成するか、または、前記第１の電気化学的分離モジュールユニットおよび電気化学的分離モジュールユニットをサブブロック構成とすることができる。前記第１の電気化学的モジュールユニットおよび前記第２の電気化学的モジュールユニットは、取り外し可能に構成することができる。幾つかの実施形態では、前記第１の電気化学的分離モジュールユニットと前記第２の電気化学的分離モジュールユニットとの間に阻止スペーサを配置することができる。以下で説明するように、各フレームがそれぞれ流路系および／または流れ分配系を含むことができる。前記第１の電気化学的分離モジュールユニットと前記第２の電気化学的分離モジュールユニットとを容器内に、たとえばブラケットアセンブリ等を用いて組み付けることができる。前記システムに含まれるモジュールユニットの数は、所期の用途や種々の構成要素に依存して、２つ、３つ、４つ以上とすることができる。処理すべき水の給水源を、前記容器のインレットに連通させることができる。各希釈区画および各濃縮区画がそれぞれ、前記容器のインレットと連通しているインレットを有することができる。
【００４７】
本願発明を限定しない幾つかの実施形態では、前記希釈区画および前記濃縮区画のうち少なくとも１つは流れ再分配器を含む。幾つかの実施形態では、前記希釈区画内の流れの方向が前記濃縮区画内の流れの方向と異なるように前記システムが構成されている。少なくとも１つの実施形態では、前記希釈区画内の流れの方向が前記濃縮区画内の流れの方向に対して実質的に垂直になるように、前記システムを構成することができる。前記第１の電気化学的分離モジュールユニットおよび前記第２の電気化学的分離モジュールユニットは、前記システム内においてマルチパスフローを容易にするように構成することができる。
【００４８】
本発明の１つまたは複数の実施形態による分離システムの組立方法は、
第１のフレームによって包囲された第１のセルスタックを有する第１の電気化学的分離モジュールユニットを容器内に、第１の電極と第２の電極との間に取り付けるステップと、
第２のフレームによって包囲された第２のセルスタックを有する第２の電気化学的分離モジュールユニットを前記容器内に、前記第１の電気化学的分離モジュールユニットと前記第２の電極との間に取り付けるステップと
を有する。この組立方法はさらに、前記第１の電気化学的分離モジュールユニットと前記第２の電気化学的分離モジュールユニットとの間に阻止スペーサを配置するステップを含むことができる。容器内に組み付ける前に、各第１の電気化学的分離モジュールユニットおよび各第２の電気化学的分離モジュールユニットの各性能をテストすることができる。処理すべき水の給水源を、前記容器のインレットに連通させることができる。
【００４９】
１つまたは複数の実施形態では、第１の電極と第２の電極との間に１つまたは２つ以上の前記モジュールユニットを介挿することができる。幾つかの実施形態では、前記システム内部において２つの前記モジュールユニットを実質的に相互に隣接させることができる。別の実施形態では、２つの隣接する前記モジュールユニット間に阻止スペーサを配置することができる。少なくとも特定の実施形態では、分離システム内のいずれかのモジュールユニットが専用の電極を有さないように構成することができる。その代わりに、複数のいずれかのモジュールユニットを一対の電極間に配置することができる。
【００５０】
１つまたは複数の実施形態の電気化学的分離モジュールユニットは、複数の希釈区画と濃縮区画とを交互に画定するセルスタックと、支持システムとを含むことができる。前記支持システムは、前記セルスタックの垂直方向のアラインメントを維持するように構成することができる。幾つかの実施形態では、前記支持システムをフレームとすることができる。フレームは、少なくとも部分的に前記セルスタックを包囲することができる。別の実施形態では、前記フレームは前記セルスタックの大部分を包囲することができる。幾つかの実施形態では、フレームは、前記セルスタック内における流体の流れを容易にするために構成された流路系を含むことができる。この流路系は、中央システム流路系から、当該流路系が設置された各個別のモジュールユニットへの処理液を移送することができる。前記流路系は、インレット流路系とアウトレット流路系とを含むことができる。前記流路系は、各希釈区画のインレットと各濃縮区画のインレットとに連通しているインレット流路系を含むことができる。前記流路系はさらに、各希釈区画のアウトレットと各濃縮区画のアウトレットとに連通しているアウトレット流路系を含むことができる。前記流路系は、前記アウトレット流路系を介して、処理後の液体を下流側へ移送するように構成することができる。前記流路系の少なくとも一部をフレームと一体とするか、またはフレームとは別体の構造体に統合することができる。少なくとも幾つかの実施形態では、前記流路系は、各１つのモジュールユニット内において希釈流と濃縮流とが混合するのを防止するように構成および配置することができる。前記流路系は、１スタックに所属する前記希釈区画のアウトレットと前記濃縮区画のアウトレットとを流体分離し、かつ分離した状態に維持することができる。
【００５１】
幾つかの実施形態では、フレーム等である支持システムは流れ分配系を含むことができる。前記流れ分配系を前記流路系の一部とするか、または別体のシステムとすることができる。この流れ分配系は前記流路系と連通させることができ、セルスタックへ均質な流れ分配を行うのを向上させるように、前記流れ分配系を構成することができる。前記流れ分配系は、各希釈区画のインレットと各濃縮区画のインレットとに連通させることができる。幾つかの実施形態では、前記流れ分配系の少なくとも一部を前記フレームと一体とすることができる。別の実施形態では、前記流れ分配系の少なくとも一部が前記フレームと係合とすることができる。幾つかの実施形態では、前記流れ分配系の少なくとも一部は、前記フレームによって取り外し可能に収容できるインサートを有する。このことにより、前記流れ分配系の１つまたは複数の特徴的要素の製造を容易にすることができる。前記流路系および／または流れ分配系の１つまたは複数の特徴的要素は、たとえばインサート構造体を介して前記フレーム内に組み込むことができる。幾つかの実施形態では、流れ分配系は前記セルスタックのインレットとアウトレットとにそれぞれ係合することができる。幾つかの実施形態では、前記フレームは前記セルスタックの少なくとも１つの側面に対して設けられたインサートを含むことができる。少なくとも幾つかの実施形態では、前記フレームは前記セルスタックの各側面に対して設けられたインサートを含むことができる。たとえば、長方形のセルスタックが４つのインサートを含む構成が可能である。セルスタックの各側面ごとに前記流路系および／または流れ分配系を設置するか、または、各側面ごとに当該流路系および／または流れ分配系の部品を設けることができる。
【００５２】
１つまたは複数の実施形態では、流れ分配系、または、モジュールユニットフレームに対して設置されたインサートは、処理対象である液体をセルスタックの希釈区画のインレットと濃縮区画のインレットとに供給するように構成および配置することができる。前記流れ分配系またはインサートはさらに、前記セルスタックの希釈区画のアウトレット流と濃縮区画のアウトレット流とを受け取り、かつ流体分離するように、構成および配置することができる。前記流れ分配系またはインサートは、希釈アウトレット流と濃縮アウトレット流とを分離した状態に維持することができる。１つまたは複数の実施形態では、所望の機能を有することができる流れ分配系の具現化可能な構成は種々存在する。前記セルスタックの特性に応じて、セルスタックの１つまたは複数の面に区画のインレットおよびアウトレットを配置することができる。幾つかの実施形態では、セルスタックのすべての側面に区画のインレットおよびアウトレットを配置することができる。流路系および流れ分配系を含めたフレームの構成は、前記セルスタックをいかなる向きでも受け入れ可能であるように構成することができる。さらに、インサートまたは流れ分配器をフレームのどの側に挿入することも可能であり、また、フレキシビリティを実現するために、前記セルスタックのいかなる側面にインサートまたは流れ分配器を挿入することも可能である。インサートまたは流れ分配器を挿入し、これを用いて、処理対象の流体をスタックの多重区画へ供給することも、また、セルスタックのアウトレット流を流体分離させてこの状態に維持することも可能である。ここで詳細に説明するが、前記インサートまたは流れ分配器は、各モジュールユニット全体の電流効率を改善するように構成および配置することもできる。
【００５３】
１つまたは複数の実施形態では、セルスタック内の直線経路上に電流が流れるのを促進させるために、スタックに流れるバイパス路を操作することができる。このことにより、電流効率を改善することができる。幾つかの実施形態では、１つまたは複数のバイパス路がセルスタック内の直線経路よりも蛇行した形状になるように、電気化学的分離装置を構成および配置することができる。少なくとも幾つかの特定の実施形態では、セルスタック内の直線経路の抵抗よりも１つまたは複数のバイパス路の抵抗の方が高くなるように、電気化学的分離装置を構成および配置することができる。モジュールシステムを含む幾つかの実施形態では、各モジュールユニットを個別に、電流効率を向上させるように構成することができる。電流効率に寄与する電流バイパス路を実現するように、モジュールユニットを構成および配置することができる。本発明を限定しない幾つかの実施形態では、モジュールユニットはそれぞれ、電流効率を向上させるように構成された流路系および／または流れ分配系を含むことができる。少なくとも幾つかの実施形態では、予め定められた電流バイパス路を形成するために、電気化学的分離モジュールユニット内に含まれるセルスタックを包囲するフレームを構成および配置することができる。幾つかの実施形態では、たとえば流路系または流れ分配系の部品等である、前記支持システムに対して設けられたインサートは、電流効率を向上させるように構成することができる。
【００５４】
１つまたは複数の実施形態では、前記流路系および前記流れ分配系のうち少なくとも１つは、モジュールユニットの効率を改善するように構成および配置することができる。前記流れ分配系は、電流損失を低減させるように構成された少なくとも１つのバイパス路を含むことができる。前記流れ分配系は、第１の方向に向けられた複数の第１の流体路を含むことができる。前記流れ分配系はさらに、前記複数の第１の流体路と連通している、第２の方向に向けられた複数の第２の流体路を含むこともできる。幾つかの実施形態では、前記第１の方向と前記第２の方向とは実質的に相互に垂直とすることができる。前記流れ分配系はインサートを含むことができ、その際には前記フレームが、当該インサートを受け入れるための凹部を画定する。少なくとも幾つかの実施形態では、前記インサートは、セルスタックへの均質な流れ分配の実現を促進するように構成された格子構造を形成することができる。
【００５５】
本発明を限定しない幾つかの実施形態では、前記インサートは、前記セルスタックから最も近い第１の面と、当該第１の面と反対側の第２の面とを有することができる。前記インサートは、前記第１の面および前記第２の面のうち少なくとも１面に複数のポートを有することができる。幾つかの実施形態では、前記ポートのうち少なくとも幾つかをスロットまたは溝とすることができる。前記インサートのいずれかの面と他のいずれかの面とで、ポートが異なるようにすることが可能である。幾つかの実施形態では、前記インサートの第１の面の各ポートの向きを、前記セルスタックのイオン交換膜に対して実質的に垂直になるようにし、当該インサートの第２の面の各ポートの向きを、当該セルスタックのイオン交換膜に対して実質的に平行になるようにすることができる。幾つかの実施形態では、前記第１の面の少なくとも１つのポートは、当該セルスタックの２つ以上の区画に連通されている。前記インサートのいずれかの面において、複数のポートを交差させることができる。１つのポートを１つまたは複数の区画に対して用いることが可能である。幾つかの実施形態では、前記セルスタックを構成するイオン交換膜の表面積のうち少なくとも約８５％が流体とコンタクトするように、当該セルスタックを構成および配置することができる。前記希釈区画および濃縮区画のうち少なくとも１つは、阻止スペーサまたは流れ再分配器を有することができる。幾つかの実施形態では、前記希釈区画内の流れの方向が前記濃縮区画内の流れの方向と異なるようにセルスタックが構成されている。少なくとも１つの実施形態では、前記希釈区画内の流れの方向が前記濃縮区画内の流れの方向に対して実質的に垂直になるように、前記セルスタックを構成する。
【００５６】
１つまたは複数の実施形態による電気化学的分離モジュールユニットは、１セルスタック内において均質な流れ分配の実現を促進するように構成された流れ分配器を含むことができる。この流れ分配器は、１セルスタックを包囲するフレームまたは流路系の構造と一体とすることができる。別の実施形態では、前記流れ分配器の少なくとも一部が、前記フレームまたは流路系と係合するように構成することができる。前記流れ分配器は、フレームによって取り外し可能に収容できるインサートを含むことができる。前記電気化学的分離モジュールユニットは、前記流れ分配器を１つまたは複数含むことができる。幾つかの実施形態では、前記セルスタックの１つの側面または複数の側面に対して１つの流れ分配器を設けることができる。少なくとも幾つかの実施形態では、前記セルスタックの各側面に対して１つの流れ分配器を設けることができる。前記セルスタックの各側面が、専用の流れ分配器を有することができる。前記電気化学的分離装置によって取り外し可能に収容されるように、流れ分配器を構成することができる。阻止膜を用いてマルチパスフロー構成を実現することができる。
【００５７】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、電気化学的分離のための流れ分配器は、向きが第１の方向である複数の第１の流路と、向きが第２の方向である複数の第２の流路とを有し、前記複数の第１の流路は、電気化学的分離装置の少なくとも１つの区画へ供給するように構成されており、前記複数の第２の流路は前記複数の第１の流路と連通しており、かつ、前記電気化学的分離システムに所属するインレット流路系と連通している。幾つかの実施形態では、前記第１の方向は実質的に垂直方向であり、少なくとも１つの実施形態では、前記第２の方向は実質的に水平方向である。前記複数の第１の流路は相互に平行に配置することができる。少なくとも１つの実施形態では、前記複数の第２の流路を相互に平行に配置することができる。幾つかの実施形態では、少なくとも１つの第１の流路と少なくとも１つの第２の流路とが交差する。第１の流路と第２の流路との交差部分に阻止部材を配置することができる。前記電気化学的分離装置内における電流漏れを低減させるように、前記複数の第１の流路および前記複数の第２の流路を配置することができる。本発明を限定しない幾つかの実施形態では、格子構造を形成するように、前記複数の第１の流路を前記複数の第２の流路とともに配置することができる。
【００５８】
１つまたは複数の実施形態では、流れ分配器は、前記電気化学的分離装置のセルスタックの近傍に位置するように形成された第１の面を有することができる。前記分配器は、前記第１の面に複数のポートを有することができる。クレームの流れ分配器は、前記第１の面と反対側に位置する第２の面を有することができ、当該第２の面に複数のポートを有することができる。複数の実施形態では、前記第１の面および前記第２の面に設けられた複数のポートはスロットまたは溝を有することができる。少なくとも１つの実施形態では、前記第１の面と前記第２の面とで前記ポートが異なるようにすることができる。本発明を限定しない幾つかの実施形態では、前記第１の面の各ポートの向きを、前記電気化学的分離装置の区画に対して実質的に垂直方向にすることができる。前記第２の面の各ポートの向きは、前記電気化学的分離装置の区画に対して実質的に平行にすることができる。前記第２の面の複数のポートは、前記第１の面の複数のポートに流体の流れを分配するように構成することができる。幾つかの実施形態では、前記第１の面の少なくとも１つのポートは、前記電気化学的分離装置の２つ以上の区画に連通させることができる。幾つかの実施形態では、前記第１の面または前記第２の面の複数のポートを相互に交差させることができる。前記流れ分配器は、前記電気化学的分離装置の動作面への電流の流れを促進させるように構成および配置することができる。前記流れ分配器に対してポートを設けることができる。前記ポートは、前記流れ分配器に対して種々の相対位置をとることができる。前記流れ分配器は、インレット流路系から前記電気化学的分離装置の区画への均質な流れ分配の実現を促進させるために、当該流れ分配器に対して実質的にセンタリングされたポートを有することができる。別の実施形態では、いずれかのポートを、前記流れ分配器に対して相対的にオフセットさせることができる。
【００５９】
１つまたは複数の実施形態では、最終的に組み立てて電気化学的分離システムを構成する前に品質管理を行うため、モジュールユニットまたはサブブロックを構成するように、セル対のスタックを構成することができる。前記サブブロックは、熱ボンディング、接着手法または別の手法によって構成することができる。幾つかの実施形態では、セル対のサブブロックをテストした後にクロスフロー式モジュールユニットを組み立てることができる。動作中に複数回排出を実現するために、ケーシングの壁にポートを埋め込むことができる。１つのクロスフロー式モジュールユニットに、シェル内またはハウジング内に積層およびはパッケージングされた多数のセル対を設けることができる。流路を画定するために、セル対に対してシールを設けることができる。シールのうち１つでも不具合が生じた場合には、１モジュールユニット全体が動作不能であると見なすことができる。１つまたは複数の実施形態では、前記セル対すべてを積層することによって、より大型のモジュールユニットまたはシステムを構成する前に、不具合のあるシールを検出するために、セル対のサブブロックを使用することができる。幾つかの実施形態では、最終的な組立を行う前にシールの完全性を判定するため、セル対を、各フレームにそれぞれパッケージングされたスタックに分けることができる。幾つかの実施形態では、このパッケーシング方法は、内部のクロスリークや外部漏れを一切引き起こすことなく、１つのサブブロックと別の１つのサブブロックまたは電極板とを機械的に接続するために、Ｏリングまたはガスケットを使用することができる。標準的なサブブロックを製造および保管できるよう、また、特定の動作条件のための１モジュールユニットあたり任意の所望の数の流路および排出路にできるように標準的なサブブロックを容易に構成できるよう、フレーム構成によって濃縮流の多重排出を向上させることができる。フレーム構成によって、均質な流れ分配、希釈流と濃縮流との分離、および電流の効率性の実現を促進させることができる。
【００６０】
１つまたは複数の実施形態では、アラインメントを維持するため、フレームがセル対のスタックの側面をきつく支持することができる。インレット流路系およびアウトレット流路系と流れ区画とを、垂直方向のスロットが連通させることができる。このことにより、流れ区画の幅にわたって均質な流れ分配の実現が促進され、かつ、区画から流路系への電流漏れを低減させることができる。Ｏリングまたは別の機構を用いて、スタックの端部にある膜をフレームに固定して封止することができる。複数の部品を組み立ててフレームを構成するか、または、１部品としてモールド成形する等、フレームを一体とすることもできる。各モジュールユニットがそれぞれ、モジュールユニット間に封止された阻止膜を有する１流路として機能することができる。端部ブロックの隣のモジュールユニットは、膜によって電極区画から分離することができ、また、たとえばＯリングまたは接着剤等を用いてこのモジュールユニットを封止することもできる。モジュールユニットフレーム、または、モジュールユニットフレームの流路系は一般的に、１つまたは複数の希釈ポートと、１つまたは複数の濃縮ポートとを有することができる。これらのポートは、フレームまたはインサートに設けることができる。モジュールユニットフレームはまた、流れ分配系を有することもできる。この流れ分配系は、前記フレームによって取り外し可能に収容可能である１つまたは複数のインサートまたは流れ分配器を有することができる。前記フレームは、インサートを受け入れるように寸法および形状が定められた１つまたは複数の凹入部を有することができる。フレームおよびモジュールユニットの全体的な構成が、バイパス電流を低減する構成となるようにすることができる。バイパス路は、スタック中の直線経路よりも蛇行した形状であり、かつ、バイパス路の抵抗が前記直線経路の抵抗より高くなるようにすることができる。本発明を限定しない幾つかの実施形態では、スロットの下半分を通って、水平方向の流路系に沿ってポート流路系まで流れ、そこから戻って上部の水平方向の流路系に沿って流れ、スロットの上半分を通ってスタックに戻ることにより、電流が前記スタックのバイパスのみを行うようにすることができる。
【００６１】
本発明を限定しない１つまたは複数の特定の実施形態では、セル対のスタック１１０の４面を、一体構成のフレーム１２０で包囲することにより、図１と、図２，３の断面Ａ‐Ａとに示されているようなモジュールユニット１００を構成することができる。分かりやすくするため、流れ区画および膜の厚さを誇張して示している。フレーム部分内に収められた複数の流路系を含むセットにより、向きが膜表面に対して垂直方向になっている複数のスロットのアレイを介して、希釈区画のインレットへ供給が行われる。希釈区画のアウトレットでは、スロットの第２のアレイを通って生産水が流れ、図の右側にあるフレーム部分に収められた複数の流路系を含む第２のセットに入っていく。断面Ａ‐Ａに対して垂直な断面には、濃縮区画における流路系およびスロットの同様の配置が現れる。
【００６２】
図２に示しているように、スタックの角とフレームとの間にシールを設けることにより、希釈区画および濃縮区画のインレットおよびアウトレットを相互に隔絶することができる。このシールを実現できる技術は種々存在し、この技術としてたとえば、接着剤、熱ボンド、または、これらの組み合わせ等がある。図４に、角をシールする１方法を示す。スタック４１０をフレーム４２０内に挿入し、当該スタック４１０とフレーム４２０との間のギャップにポッティング接着剤を投入することにより、モジュールユニット４００を構成する。この接着剤が硬化した後、スタックとフレームとを９０°回転させ、次の角のポッティングを行い、これらを繰り返す。接着剤の特性を完全に発揮させるためには、温度を上昇させてさらに硬化させなければならない場合がある。その代わりに択一的に、４つの角すべてのポッティングを完了するまで、融点まで高温になった、粘度が十分低い溶融状態の接着剤をギャップに投入することもできる。
【００６３】
全体構成が上述のようになっている前記フレームは、複数の機能を果たすことができる。このフレームは、１スタックに含まれるセル対のアラインメントを維持することができ、流れ区画および膜の厚さを縮小することによって、ＥＤ装置にて消費されるエネルギー量を低減させることができる。従来技術の装置に設けられる流れ区画（膜間距離）は、０．３８ｍｍ（０．０１５″）程度の薄さとすることができるのに対し、膜厚は３０ミクロン（０．００１２″）程度に小さくすることができる。このように薄くフレキシブルな構成部材を組み立てて成る、１２００個のセル対を含む１スタックの剛性は、非常に小さく、横方向にずれないようにスタックを支持しなければならない。この問題は、スタックの構成部材を封止するために圧縮しなければならない従来のプレートフレーム型装置であって、スタックをアラインメントするために側面支持溝およびタイバーを必要とする従来のプレートフレーム型装置において特に深刻である。クロスフロー式装置においても、接着剤および熱ボンディングのうち一方を用いてスタック構成要素をシールし、スタック全体を円筒容器内に収容しても、上記の問題は依然として存在する。インレット流路系およびアウトレット流路系と流れ区画と連通させるスロットは、適切に構成されている場合には、各希釈区画の各インレット全体にわたって流れが均質に分配されるのを保証することができる。前記スロットの向きは、流れ区画に対して垂直方向にされている。前記スロットと各区画のインレットとを一直線に配列する必要はない。このようなスロットにより、スタックからインレット流路系およびアウトレット流路系へ電流が漏れるときに通ることができる領域が縮小し、この領域の縮小によって、膜およびセルのスタックをバイパスする電流の割合が小さくなる。この電流のバイパスによって電流効率（理論的な所要電流／電流実測値。ファラデー定数９６，４９８Ｃ／当量に基づく）が低下し、製品の体積あたりのエネルギー消費量が増大する。電流効率を改善する他の方法に、阻止膜またはスペーサを使用したマルチパスモジュールユニット構成を使用する方法がある。
【００６４】
別の実施形態では、電流漏れをさらに低減することによって電流効率を改善するため、スロットの構成を変更してスロットにブロックを配置することができる。図５に、セル対のスタック５１０を含むモジュールユニット５００を示しており、このスタック５１０は、向きが垂直方向になっているインレットポートおよびアウトレットポートを備えたフレーム５２０内に収められている。図６は、流れ１のための流路を示す断面図である。インレットポートから流体が、相互に平行な３つの水平方向のインレット流路系を経由した後に垂直方向のスロットを経由して、スタック内の流れ区画内へ流入していき、このスタックから流体が、他のセットの垂直スロットと３つのアウトレット流路系とを通ってアウトレットポートへ流れていく。
【００６５】
それに対して図７には、スタックの一端から垂直方向のスロットを通って当該スタックの他端へ流れることにより、電流がスタック７１０をバイパスする可能性がある様子を示している。図８には、モジュールユニット８００におけるスロットを変更した一実施形態を示しており、本発明はこの構成に限定されない。バイパス電流がより大きくバイパスした経路をとるようにし、これによってバイパス路の電気抵抗を増大させるために、スロット内に閉塞部または突起部を配置することができる。幾つかの実施形態では、スロット内にブロックを、たとえば水平方向のブロック等を配置することができる。
【００６６】
幾つかの実施形態では、すべてのスロットにおいて同じ位置に水平方向ブロックを設置しないようにする。そうしないと、１つまたは複数の流れ区画が、インレット流路系またはアウトレット流路系から完全に遮断される可能性がある。図９に、いずれかの所与の流れ区画から遮断されるインレットまたはアウトレットの割合が僅かのみになるようにするためには、ブロック９３０をどのように互い違いに配置することができるかを示す。膜間スクリーンを適切に構成することにより、区画内における平均流速を一層均質にすることができる。幾つかの実施形態では、フレームを機械加工するかまたは一体部品を成すようにモールド成形しなければならず、これにより、ブロックの数および位置が制限される場合、互い違いに配置されたブロックすべてを、水平方向流路系のうち１つと一直線に整列することができる。
【００６７】
別の実施形態では、前記スロット無しで前記フレームを機械加工またはモールド成形により形成する。前記スロットおよび水平方向ブロックを含む複数のグリッドをそれぞれ別個に製造し、図１０および１１に示した流れ分配器１０５０のようなフレーム１０２０内に挿入する。このようにして、ブロックの数および位置をよりフレキシブルにすることができる。アレイを成すように前記ブロックを配置するか、または無作為に配置することができる。
【００６８】
前記フレームは、ＥＤによって脱イオン処理すべき流体に対して化学的適合性を有しかつ必要な機械的特性を有する材料から製造することができる。たとえば海水の脱塩等の用途では、腐食耐性や低コスト性を有することから、プラスチック材料が好まれている。可能なプラスチックとしては、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡまたはナイロン）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリスルホン、または、ポリフェニレンオキサイド（ＰＰＯ）とポリスチレン（ＰＳ）とのブレンドであるノリル等であるプラスチックのブレンドが挙げられる。化学的耐性、機械的特性および熱特性を向上させるため、たとえばガラス繊維等である補強フィラーを添加することもできる。
【００６９】
幾つかの実施形態では、たとえば機械加工および／または射出成形法等である手法を使用して前記フレームを製造することができる。さらに、たとえばステレオリソグラフィ、３Ｄプリント、熱溶解積層法等である「ラピッドプロトタイピング」技術を、フレームの製造に使用することができる。別の実施形態では、図１２に示しているように、接着剤、熱方式または機械的手法によって、またはこれらの手法を組み合わせて、４つの部分を接合することによりフレーム１２２０を組み立てる。これら４つの部分は、上記にて説明した材料および手法と同じ材料および手法を用いて製造することができる。
【００７０】
特に複数の部分を組み立てて前記フレームを構成する場合、このフレームが、１スタック内に含まれる複数のセル対を収容するのに必要な深さを有するようにすることができる（図２中の高さ「Ｄ」を参照されたい）。たとえば膜間距離が０．３８ｍｍ（０．０１５″）であり膜厚が３０ミクロン（０．００１２″）である１２００個のセル対を有するスタックを収容するためには、フレームの深さは約０．９８４ｍ（３８．７４″）でなければならない。
【００７１】
しかし実際には、このような組立体の製造には制限がある。多数のセル対を有するスタックを深いフレーム内に挿入するのは難しい場合がある。当初は、スタック内のフレキシブルな膜およびスクリーンを接着剤または熱封止材のみによって結合していたが、このようにするとスタックは剛性を有さなくなる。スタックの高さが大きくなるほど、角のポッティングは難しくなる。たとえば、図４に示したようなフレームとスタックとの間のギャップ内に全長にわたって、ポッティング接着剤を均等に投与しなければならない。角のポッティングが終わるまでは、フレーム内に組み立てられたスタック内のシールをテストしてはならない。シールのいずれかに不具合がある場合には、組み立てたもの全体を破棄しなければならない場合がある。このことは、材料および労力の完全な損失の原因となる。
【００７２】
図１３に、１２００個のセル対を有する３回通過型ＥＤ装置における希釈流を一例として概略的に示す。ここでは６つのモジュールユニットが設けられており、各モジュールユニットに含まれるセル対数は２００である。その代わりに択一的に、使用されるモジュールユニットを３つとし、各モジュールユニットに含まれるセル対数を４００とすることができる。セル対と複数の流路との可能な組み合わせは多数存在する。さらに、各流路に含まれるセル対数が異なるようにして、構成を非対称的にすることもできる。本発明は、セル対数および流路数を特定の数に限定するものではない。
【００７３】
図１４に別の実施形態であるモジュールユニット１４００を示す。図１５には断面Ａ‐Ａを示し、図１６に断面Ｂ‐Ｂを示す。ここでも見やすくするため、流れ区画の厚さと膜の厚さとが、大幅に誇張されている。各区画に、相互に隣接する膜を分離するスクリーンが嵌められている。このスクリーンにより、流体が各区画内に流れるときの流体の混合が向上される。図１５は図１４の断面Ａ‐Ａを示しており、この断面図では、希釈区画内における流れを示す。スタックの上部の最端位置の膜（ＡＥＭ）、および、底部の最端位置の膜（ＣＥＭ）は、当該スタックから突出しており、クリップによって固定されるＯリングを用いてシールされる。これらの膜が、スタックの上端部と下端部とにおいて最端位置の濃縮区画から希釈流（インレット流路系、アウトレット流路系、スロットおよび区画）を隔絶する。図１６に、希釈区画のインレットの細部を示す。図１７は、図１４の断面Ｂ‐Ｂを示している。濃縮流は相互に平行に、前記濃縮区画すべてに流れる。これらの濃縮区画には、スタックの上端部および下端部に配置されたものも含まれる。
【００７４】
図１５のフレームの上面にある外側のＯリングは、隣接する平坦な表面からモジュールユニットをシールするために用いられる。この隣接する平坦な表面は、テスト装置の上板、上方に隣接するモジュールユニットのフレーム、または端面板とすることができる。図１８に一例として、モジュールユニットにおけるシールの完全性をテストするためのモジュールユニット装置１８００の断面を示す。このモジュールユニットは２つのプレート間に挟まれている。底板は、モジュールユニットフレームの底面に対してシールするＯリングを有する。モジュールユニットの上部のＯリングは、上板に対してシールするものである。希釈アウトレットポートは塞がれており、加圧された流体または気体が希釈インレットポートへ供給される。膜間のボンドのうちいずれかに、またはいずれかの角のシールに漏れがあると、濃縮流へのクロスリークが生じる。モジュールユニットの品質を判定するための基準として、クロスリークの有無またはクロスリーク率を使用することができる。図１９に、組立前の、端面板とモジュールユニット１９００と分離膜１９７０とのスタックを示す。たとえば位置決めピンを用いて、これらの構成要素をアラインメントすることができる。
【００７５】
幾つかの実施形態では、各モジュールユニットが使用するフレームの構成を同一とすることができる。クリップの位置によって示されているように、ユニット２のフレームの向きを、ユニット１およびユニット３のフレームに対して垂直方向にすることができる。ユニット１およびユニット３の内部のスタックは同じであるが、これら２つのユニット内部のスタックとユニット２内部のスタックとは異なっている。図２０はユニット１の断面Ａ‐Ａを示しており、図２１はユニット２の断面Ｂ‐Ｂを示している。ユニット１の上部および底部にある最端位置の区画は濃縮区画であり、上部の最端位置の膜は、突出したＡＥＭまたは分離ＡＥＭであり、底部の最端位置の膜は、突出したＣＥＭまたは分離ＣＥＭである。ユニット２では、上部および底部にある最端位置の区画は希釈区画であり、上部の最端位置の膜は、突出したＣＥＭであり、底部の最端位置の膜は、突出したＡＥＭまたは分離ＡＥＭである。
【００７６】
図２２の概略図にて示したように、モジュールユニット内に含まれる膜およびセルを阻止膜に沿って配置することにより、希釈流と濃縮流とにおいてマルチパスフロー構成を実現することができ、これにより、電極区画に濃縮区画が隣接することになる。これらの濃縮区画は、電極区画と隣の希釈との間のバッファセルとして使用される。図２３は、組立後のＥＤ装置の断面を示しており、これは、希釈区画内の３流路の流れを示している。図２４は、モジュールユニット１の希釈アウトレットとユニット２の希釈インレットとを示す細部図であり、ここでは、モジュールユニット２４００間に阻止スペーサ２４７０が示されている。
【００７７】
この組立後のＥＤモジュールユニットを、図２３に示した断面に対して垂直方向に切断すると、その断面には、濃縮区画内の３流路の流れが現れることになる。図１９および図２３に示されたＥＤ装置の端面板は、端部にナットを有するねじロッドを用いて相互に引き寄せることができる。このねじロッドは、プレートフレーム型ＥＤ装置では通常、タイロッドまたはタイバーと称される。これらの端面板は、Ｏリングをシールするための十分な圧縮力をモジュールユニットに与えなければならない。また、別の装置を用いてモジュールユニットに圧縮力を与えることもできる。その一例として、モジュールユニットのスタックの端部に配置された加圧されるブラダが挙げられる。タイバーをフレームの外側に配置するか（outboard）、またはフレームの壁を、タイバーをフレームの壁の中に配置できるような十分な厚さにすることができる（inboard）。装飾のため、または安全上の理由から、ＥＤ装置を封止することができる。たとえば、熱成形された複数のプラスチックパネルを組み立てることにより、この包囲部材を構成することができる。ＥＤ装置はまた、安全上または構造上の理由から、圧力容器内に挿入することもできる。幾つかの実施形態では、フレームの外形は正方形であり、実質的に間断のない壁を有する。過度に厚い部品を回避できるようにフレームを射出成形すべき場合には、フレームの壁の中央部分を除去することもできる。動作中にモジュールユニット内には、加圧された流体をポンピングして流すので、剛性および強度を実現するため、フレームの壁に補強リブを追加することができる。フレームの外形は正方形でなければならないわけではなく、たとえば図２５に、外形を円形とすることにより射出成形用に適したフレーム２５２０を示している。他の可能な形状には、方形、六角形、八角形が含まれる。フレームの辺の長さおよび数を非対称的にすることもできる。
【００７８】
図２６に、２つのモールド成形された端面板間に６つのモジュールユニット２６００を配置した構成を示し、これらはすべて、円筒形の容器２６８０内（透明に示されている）に収容されている。端面板に設けられたＯリングは、前記円筒形の両端における内壁に対してシールする。この円筒形部材は複数の機能を果たすことができ、これらの機能の中には、組立中のモジュールブロックのアラインメント、動作中にＥＤ装置内の流れ区画および流路系が加圧されるときに丸形のフレームを構造的にサポートする機能、モジュールユニット間のＯリング、および、モジュールユニットと端面板との間のＯリングのうちいずれかに漏れが生じそうになった場合に外部への漏れを阻止する機能、および、装飾用カバーとしての機能が含まれる。フレームが十分な剛性および強度を有するように構成および製造できる場合には、この円筒形容器は必要でない場合がある。構造用でない１つまたは複数の装飾用カバーを用いてモジュールユニットを包囲することもできる。図２７および図２８はそれぞれ、フレームを用いずに円形の包囲部材内に挿入されたモジュールユニットの構成を示す。図２９および図３０は、スロット３０９０を有するフレーム３０２０を用いて構成されたモジュールユニットを示す。
【００７９】
本発明の用途は電気透析装置に限定されない。セル対が挿入されるスロットを有するモジュールフレームを用いた、複数の流路を有するクロスフロー構成を採用して、たとえば電気脱イオン（ＥＤＩ）装置または連続脱イオン（ＣＥＤＩ）装置等である別の電気化学脱イオン装置を構成することも可能である。
【００８０】
クロスフロー式の電気透析（ＥＤ）装置および電気脱イオン（ＥＤＩ）装置では、希釈流が流れる方向と濃縮流が流れる方向とは相互に垂直になる。可能な用途としては、石油製造やガス製造からの海水、汽水および塩水の脱塩が含まれる。
【００８１】
クロスフロー式モジュールユニットに使用できる構成および製造方法は種々存在する。本発明を限定しない幾つかの実施形態では、複数のモジュールユニットを容器内に包含させることができる。本発明を限定しない少なくとも１つの実施形態では、この容器を実質的に円筒形とすることができる。図２７に、セル対数５０のモジュールユニットを示す。この構成では、開放されたインレット流路系およびアウトレット流路系が、図２８に示されたような流れ区画に直接連通される。これらの開放された流路系により、各流れにおける圧力の低下が少なくなるが、この開放された領域を通ることにより、一方の電極から他方の電極へ流れる電流の一部がセル対スタックをバイパスする可能性が出てくる。このバイパス電流により、電流効率が低減し、エネルギー消費量が増大する。ＮａＣｌ溶液の脱塩の場合には、電流効率は次式のように算出することができる：
ηi＝ [(qd)inCin−(qd)outCout]zF / I
ここで、
ηi＝電流効率
(qd)in＝インレットにおける希釈区画あたりの流速
(qd)out＝インレットにおける希釈区画あたりの流速
Cin＝希釈インレットにおける濃度
Cout＝希釈アウトレットにおける濃度
ｚ＝原子価＝ＮａＣｌの場合には１
Ｆ＝ファラデー定数
Ｉ＝電流
海水の脱塩の場合には、電流効率は次式のように求めることができる：
【数１】
2013543791.tif 000003
ここで、
Ci＝個別イオンの濃度
zi＝個別イオンの原子価
ＮａＣｌ溶液の場合、「プロセス効率ηp」は、以下のように定義することができる：
ηp＝(qd)out(Cin−Cout)zF / I
このプロセス効率は一般的に、電流効率より下回るかまたは等しい：
ηp＝ηi−Δ(qd)CinzF / I
ここで、
Δ(qd)＝電気浸透または浸透に起因する希釈区画から失われる水の損失率
幾つかの実施形態のシステムおよび方法は、セル対のスタックの全面をフレームによって支持することができる。このフレームは、希釈流および濃縮流に対応するインレット流路系およびアウトレット流路系をそれぞれ、図２９および図３０に示されたようなスタック内の各流れ区画に連通させる垂直方向スロットを有することができる。このような構成にて期待される利点の中には、スタックのインレットおよびアウトレットにおいて開放された領域を無くすことにより、電流バイパスが低減されるという利点がある。フレーム内において前記セル対のスタックの角においてポッティングすることにより、モジュールサブブロックを形成することができ、このモジュールサブブロックに対して、クロスリーク検査、脱塩性能検査および圧力降下検査を行うことができる。複数のブロックを積層することによりＥＤモジュールユニットを構成することができる。希釈流および／または濃縮流が複数回通過構成内に流れるよう方向決定するため、阻止膜を前記ブロック間に挿入することができる。図３１に、理想的な電気化学的分離システムにおける輸送プロセスを示す。図３２は、電気化学的分離システム内部において電流非効率性が生じている輸送プロセスを示しており、図３３は、電気化学的分離システムの電流非効率性と水損失とが同時に生じている輸送プロセスを示す。
【００８２】
図３４に、フレームとスタックとの間にある、垂直方向スロット内のギャップを通って、当該スタックの一端から他端へ流れることにより、電流が依然として当該スタックをバイパスすることができる状態を示している。したがって、この垂直方向スロットを通ってバイパスする電流は少なくない。１つまたは複数の実施形態の方法は、クロスフロー式ＥＤ装置における電流バイパスを低減させることができる。幾つかの実施形態では、サブブロックフレーム内の流路により、スタックをバイパスする電流の割合を低減させることができ、これにより電流効率を上昇させることができる。このサブブロックフレーム内の流路は、インレットポートおよびアウトレットポートを、セル対スタック内の流れ区画に連通させることができる。図３５に、１サブブロックフレーム内部の流路の流体容積を示す。たとえば、流れ１はインレットポートからフレーム内に入り、流路の格子を通ってスタック内に流入していく。簡略化するため、スタックの流体容積を透明なブロックによって表している。スタックの流れ区画内の実際の流体容積は、膜とスクリーンとによって画定される。流れ１はこのスタックから、第２の流路格子を経由してアウトレットポートへ流れていく。流れ２の方向は流れ１に対して垂直方向になっており、流れ流路のその他の構成は同じである。
【００８３】
図３６は、流れ１のインレット流れ流路の細部図である。インレットポートからの流れは、相互に平行である複数の水平方向流路に分配される。各水平方向流路に分配された、前記流れの各一部を、各水平方向流路は垂直方向流路を介して、前記スタックの複数の流れ区画へ分配する。流れ区画のアウトレットでは、流れは逆の順序で前記流路を通ることにより（垂直方向流路→水平方向流路→アウトレットポート）、サブブロックから出て行くことができる。
【００８４】
図３７には、バイパス電流が垂直方向流路および水平方向流路の順序でしか、スタックの一端から他端へ流れることができない様子を示している。というのも水平方向流路は、ポート流路系によってのみ相互に連通されているからである。ここでは、２つのバイパス路セットが存在し、１つのバイパス路セットはインレットポート流路系を通り、他方のバイパス路セットはアウトレットポート流路系を通る。インサート３７９５はインレット流路系３７９７を含む。
【００８５】
したがってサブブロック内における電流路は、相互に並列な３つの抵抗を有する回路として表すことができる。これらの３つの抵抗のうち１つは、スタック内に含まれるセル対の抵抗であり、他の２つの抵抗は、バイパス電流が通る経路の２セットの抵抗である。
【００８６】
流路のサイズを適切に調整することにより、上述のバイパス電流に関与する経路の電気抵抗を、スタック内の直線経路の抵抗より格段に高くすることができる。したがって、電流の大部分をスタック内に流すようにすることができる。少なくとも幾つかの実施形態では、スタック内に流れる電流の割合を少なくとも７０％とすることができ、このことにより、少なくとも約７０％の電流効率を実現することができる。少なくとも幾つかの実施形態では、スタック内に流れる電流の割合を少なくとも８０％とすることができ、このことにより、少なくとも約８０％の電流効率を実現することができる。少なくとも幾つかの実施形態では、スタック内に流れる電流の割合を少なくとも９０％とすることができ、このことにより、少なくとも約９０％の電流効率を実現することができる。
【００８７】
スタックに隣接する流路の向きは垂直方向になっているので、各流路がそれぞれ複数のセル対と連通している。これらは、図３８に示されているように垂直方向に相互に重なっているので、すべての流れ区画がそれぞれ、複数の垂直流路と連通している。垂直方向流路および水平方向流路の寸法および相互間のスペースが、スタックに含まれる流れ区画への流れ分配に影響を与え、かつ、２つの流れにおける全体的な圧力降下に影響を与える。この構成を最適化するため、数値流体力学（ＣＦＤ）ソフトウェアを使用することができる。
【００８８】
幾つかの実施形態では、図３６に示したような内部流路を材料ブロックに成形することができる。このようにして、内部流路をフレームと一体とすることができる。別の実施形態では、流路のうち少なくとも一部を別個の材料部材に成形し、その後にフレーム内に挿入することができる。たとえば、インサートが前記流路の一部を包含することができる。インサートは、別個に製造された後にフレーム内に組み付けられるスロットおよび／または溝を有することができる。
【００８９】
図３９に、垂直方向流路を形成するためにインサート３９９５の片面に垂直方向スロットが設けられ、もう片面に、水平方向流路を形成するために水平方向溝が設けられている構成を示す。このインサートは、機械加工またはモールド成形によって製造することができる。図４０に、機械加工による製造に適したフレーム４０２０構成の一例を示す。このフレームは、インサートに対応する４つの凹部４０２５と、ポート流路系を形成するための比較的広幅の４つの溝とを有する。見やすくするため、１サブブロックを他のサブブロックに対して封止するためのＯリングに対応する溝等である構成は図示していない。図４１に、インサート４０９５が挿入されようとしているフレームの断面を示す。角に接着剤を適用してフレームにスタックをポッティングする前に、各流れあたり２つのインサートを、つまり合計４つのインサートを設置する。図４２は、各水平方向流路が、平行に配置された複数の垂直方向流路にどのように連通されているか、および、水平方向流路がポート流路系を介してどのように相互に連通されているかを示す断面図である。ここでも簡略化のために、セル対のスタックを透明なボックスによって示している。図中のインサートの上部および底部にはさらにスロットが追加されて設けられており、これらのスロットは、スタックの上端部および下端部へ流れを供給するフレームのスロットに連通されている。図４３は、図３９に示したインサートを収容することができるモールド成形されたフレーム４３１０の一例を示す。有限要素解析（ＦＥＡ）を用いて、最大内圧の場合の、曲げおよび応力に課される機械的仕様を満たしながら、部品コストに影響を与える重量を最小限にすることにより、前記フレームの構成を最適化することができる。図４４に、成形されたフレーム４４２０の別の例を示す。前記インサートに対応する凹入部４４２５は、前記フレーム全体の円形の形状に合致する曲面の壁を有する。このフレーム構成を用いて複数のサブブロックを積層して、円筒形のハウジング内に挿入することができる。図４５に、前記曲面に水平方向の溝が形成された、対応するインサートを示す。前記流路のすべてを前記インサートに設けなければならないわけではない。図４６に示しているように、垂直方向スロットをインサートに設けることを可能とし、かつ、水平方向の流路を形成するように、フレーム４６２０に水平方向の溝を配置することができる。クロスフロー式モジュールユニットに対応する最良のフレームおよびインサートの構成の選択は、部品の製造および組み立てが比較的複雑であること、および、この製造と組立とに係るコストにより影響を受ける。
【００９０】
前記インサートおよびフレームは処理すべき流体に対して化学的適合性を有しかつ必要な機械的特性を有する材料から製造することができる。たとえば海水の脱塩等の用途では、腐食耐性や低コスト性を有することから、プラスチック材料が好まれている。可能なプラスチックとしては、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡまたはナイロン）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリスルホン、または、ポリフェニレンオキサイド（ＰＰＯ）とポリスチレン（ＰＳ）とのブレンドであるノリル等であるプラスチックのブレンドが挙げられる。化学的耐性、機械的特性および熱特性を向上させるため、たとえばガラス繊維等である補強フィラーを添加することもできる。
【００９１】
１つまたは複数の実施形態の電気化学的脱イオン装置は、少なくとも１つのセル対とフレームとを含むことができる。この少なくとも１つのセル対は、前記フレーム内に収容することができる。幾つかの実施形態では、前記電気化学的脱イオン装置は電気透析装置を含むことができる。別の実施形態では、前記電気化学的脱イオン装置は電気脱イオン装置を含むことができる。前記フレームは１つまたは複数のスロットを有することができる。幾つかの実施形態では、前記スロット内にブロックを設けることができる。少なくとも１つの実施形態では、前記スロットを前記少なくとも１つのセル対に対して垂直にすることができる。
【００９２】
１つまたは複数の実施形態のクロスフロー式電気化学的分離装置は、モジュールユニットを含むことができ、このモジュールユニットは、少なくとも１つのセル対とフレームとを有することができる。この少なくとも１つのセル対は、前記フレームに取り付けることができる。前記クロスフロー式電気化学的分離装置は電気透析装置とすることができる。別の実施形態では、前記クロスフロー式電気化学的分離装置を電気脱イオン装置とすることができる。前記フレームは１つまたは複数のスロットを有することができる。幾つかの実施形態では、前記スロット内にブロックを設けることができる。少なくとも１つの実施形態では、前記スロットを前記少なくとも１つのセル対に対して垂直にすることができる。前記クロスフロー式電気化学的分離装置はさらに、各モジュールユニット間に阻止膜または阻止スペーサを有することができる。前記装置は、複数のモジュールユニットを有することができる。これら複数のモジュールユニットは、多流路構成を実現するように配置することができる。幾つかの実施形態では、前記モジュールユニットを円筒形の容器内に収容することができる。
【００９３】
１つまたは複数の実施形態では、前記電気化学的脱イオン装置の組み立て方法は、第１のイオン交換膜を第１のスクリーンにボンディングし、当該第１のイオン交換膜および第１のスクリーンに第２のイオン交換膜をボンディングし、前記第１のイオン交換膜と第１のスクリーンと第２のイオン交換膜とに第２のスクリーンをボンディングすることにより、セル対を構成するステップと、複数の前記セル対を相互にボンディングすることにより、セル対のスタックを構成するステップと、当該セル対のスタックをフレーム内に挿入するステップと、モジュールユニットを構成するために前記セル対のスタックを前記フレームにシールするステップとを含むことができる。前記組立方法はさらに、第１のイオン交換膜を前記モジュールユニットの第１面にシールするステップと、当該モジュールユニットの第２面に第２のイオン交換膜をシールするステップとを含むことができる。幾つかの実施形態では、前記組立方法はさらに、第１のモジュールユニットを第２のモジュールユニットに配置するステップと、前記第１のモジュールユニットおよび第２のモジュールユニット上にさらなるモジュールユニットを追加して配置するステップと、所望の数の複数のモジュールユニットが得られるまで繰り返すステップとを含むことができる。前記複数のモジュールユニットを円筒形の容器内に挿入することができる。
【００９４】
本発明を限定しない幾つかの実施形態では、膜を延長させてセル対のスタックを開始および終了させることができる。このことは、フレーム内部において希釈流と濃縮流と電極流とを隔絶するのを補助することができる。上述のように延長された膜は、スタックの他の残りの膜と異なる形状とすることができる。前記延長された膜は、スタック本体の少なくとも１つの側面にボンディングすることができ、たとえば２つの側面にボンディングすることができる。幾つかの実施形態では、膜の角においてスクリーンの角をスタックから突出させることができる。スクリーンの突出した角は後に、角のポッティングを行った後に膜を固定するための補強部として機能するか、または、角のポッティングを行っている間にスタック内に低粘度のポッティング材料を引き込むように運ぶことができる。上部および底部の膜の延長部分を図４７Ａに示すように折り畳み、図４７Ｂに示すようにボンディングすることにより、４つの角のポッティングの完了後には１区画を形成することができる。この形成された区画を使用して、スタックにおけるシールの完全性を検査することができる。その際には、最後の組立を行った後に希釈流体を別のサブブロックに分流させることができるように開口を形成することができる。濃縮流体を希釈流体および電極流体から分離することができる。サブブロックを別のサブブロックに接合する場所、または電極板に接合する場所において、Ｏリングまたはガスケットを使用することができる。幾つかの実施形態では、１つのＯリングまたはガスケットを使用して接続部を形成することができる。サブブロックにおいて、スタックの４つの角とともに内部支持構造体の４つの部分のポッティングを行うことにより、インレットポートのための側壁およびアウトレットポートのための側壁に平面を形成することができる。２つのサブアセンブリを組み立てる間、ポートが重要になる。というのも、流れが混流しないことを保証するために、このポートが、サブブロックの接続部において濃縮流と希釈流とを分離するための代わりの流路となるからである。これらはまた、上方および下方にある膜のムラの無い平坦な表面を形成することにより、組立中にサブブロックと端部ブロックとのシールを容易にすることができる。外側支持構造体は、モジュールユニットの正圧を抑圧することにより膜の破損を防ぐための補強部として機能することができる。この外側支持構造体はまた、ボンディングの強度を増大させるように前記内部支持構造体と協働することもできる。外部支持構造体の各部材の凸突部は、組立中に誤整合を防ぐためのガイドとして機能することができる。ポートコネクタによってサブブロックを接続することができる。これは、サブブロック接続部を横切って延長された膜を通る流路が必要である場合に塞ぐことができる。このポートコネクタはまた、角をモールドするためのポッティング材料を注入する前にフレーム状のパターンになるように前記延長された膜の４辺すべてが折り畳まれるのを保証するために前記外側支持構造体と内部支持構造体とを挟んで位置固定することもできる。前記角のポッティングとともに上部スクリーンおよび底部スクリーンのポッティングを行うことにより、前記延長された膜にさらに追加的な保持強度を与えることができる。これら２つのスクリーンは、各接続部ごとに前記サブブロックの延長された膜相互間のスペーサとして機能することができる。前記角のポッティング成形部分の両端において、Ｏリングまたはガスケットに対応する溝をモールド成形することができる。動作中には、この角のポッティング成形部分が内部支持構造体と外側支持構造体とを共に保持することにより、流路系内の正圧を抑圧することができる。スクリーンの角から外に出た、前記ポッティング角部分は、スタックを封止するのに使用することができる。このポッティング角部分はまた、濃縮流路系から希釈流路系を分離してクロスリークを防止するための隔絶ブロックとして機能することもできる。角成形部分の端部は、すべての接続部において封止の過度な締付を防止するストッパとして機能することができる。図４７Ｃに、３つの実施形態の組立を示す。幾つかの実施形態の製造方法は、膜相互間の第１のセットのボンディングと、スタックの４つの角における第２のセットのボンディングとを含むことができる。たとえばＯリングを用いて、複数のモジュールユニットを組み立て、製造中にサブブロック品質制御テストを行うことができる。
【００９５】
１つまたは複数の実施形態では、モジュールユニットまたはモジュールユニットを構成するため、インレット流路系とアウトレット流路系とを有するフレームまたは支持構造体内にセルスタックを固定することができる。その後、このモジュールユニットをハウジング内に固定することができる。このモジュールユニットはさらに、当該モジュールユニットをハウジングに固定することができるブラケットアセンブリまたは角支持部を有することができる。第２のモジュールユニットを前記ハウジング内に固定することができる。さらに１つまたは複数のモジュールユニットを追加して前記ハウジング内に固定することもできる。本発明の特定の実施形態では、前記第１のモジュールユニットと第２のモジュールユニットとの間に阻止スペーサを配置することができる。本発明を限定しない幾つかの実施形態では、モジュールユニットを構成するために、希釈区画と濃縮区画とを含む、１回通過構成のセル対のスタックを各部ごとにシールすることができる。これらのモジュールユニットの間に阻止スペーサを介在させて共に接合することにより、複数回通過構成を実現することができる。接着剤を角に用いてハウジング部品にスタックをシールすることができる。阻止スペーサをハウジングの内壁にシールする必要はないが、その代わり、モジュールユニット間に阻止スペーサを挟んで端部間においてシールする。本発明を限定しない幾つかの実施形態では、端部にフランジを有する２つのモジュールユニット間に阻止スペーサを挟んで、これらのモジュールユニットを積層することができる。これらのモジュールユニットのフランジをボルト締めすることができる。前記阻止スペーサをフレームと共にモールド成形し、前記フランジ間に接着剤またはガスケットを用いて前記阻止スペーサとフレームとをシールすることができる。その代わりに択一的に、熱可塑性材料または別の製造方法を用いて前記フレームをモールド成形することもできる。幾つかの実施形態では、クランプまたはタイバーを用いて複数のモジュールユニットを接続することができる。このことに対応して、前記阻止スペーサの構成を変更することができる。図４８に、フランジを用いて組み立てられた複数のモジュールユニットの１実施形態を示す。本発明はこの実施形態に限定されない。
【００９６】
１つまたは複数の実施形態では、均質な流れ分配の実現を促進し、かつ、電気化学的分離装置内部の流れの、膜全体における圧力の低下が小さくなるように、上述のインサートを構成することができる。流れ分配を調整するために、インレットポートおよびアウトレットポートの位置とインサートの開口サイズとを変更することができる。ＣＦＤソフトウェアを用いることにより、流れ分配および圧力降下の推定を容易に行うことができる。圧力降下が小さくなると、ポンピング要件を緩和させることができる。モジュールユニットを形成するのに使用される材料が薄くできれば、モジュールユニットのコストを削減することができる。インサートは流れ分配器として機能することができ、また、電流効率を改善させることもできる。流れ分配を変化させるためには、前記インサートにおいて、ポートまたはスロットのサイズを変化させることができる。図４９に、中心に向かって配置されたポート４９９７を有する流れ分配器またはインサート４９９５を示す。幾つかの実施形態では、位置が異なるごとに前記インサートのスロットのサイズを変化させることができる。
【００９７】
以下の例から、上記または他の実施形態の動作および利点をより完全に理解することができる。これらの例は本来は図解のためのものであり、ここで開示した実施形態の範囲を限定するものと見なすべきではない。
【００９８】
実施例１
クロスフロー構成を使用して２つのモジュールユニットを構成した。これらのモジュールユニットは双方とも、１つの流路に５０個のセル対を有していた。制御モジュールユニットはフレームを含んでいなかったが、図２７および２８に示したような円形の包囲部材内にこの制御モジュールユニットを簡単に挿入した。第２のモジュールユニットは、図２９および３０に示したようなスロットを有するフレームを用いて構成された。両モジュールユニットの１つの膜あたりの有効面積は０．０２４ｍ２であった。流路長は１７．１ｃｍである。膜間スペースは０．０３８ｃｍである。両モジュールユニット共に、ＮａＣｌを含有する供給水で動作させた。両モジュールユニットに電界を印加し、電流効率を求めた。
【００９９】
動作パラメータは以下の通りであった：
【表１】
2013543791.tif 000004
フレームを有さない制御コントロールユニットの測定された電流効率は４９％であった。フレームを有するモジュールユニットの測定された電流効率は６３．３％であった。このことから、スロットを有するフレームを用いた場合、電流効率は約２９％改善されたことが分かる。
【０１００】
実施例２
１４５個のセル対を有する、３流路構成の基本形のモジュールユニットを組み立てた。これらのセル対は３つのフレームに収められ、１つのフレームは５０個のセル対を有し、１つのフレームは５０個のセル対を有し、もう１つのフレームは４５個のセル対を有していた。供給水として５６ｍＳ／ｃｍのＮａＣｌ溶液を用いてテストしたところ、平均プロセス効率は６５％であり、流速は２．０〜４．３ｃｍ／ｓの範囲内であった。
【０１０１】
実施例３
支持フレーム内にインサートを収めたモジュールユニット（ベータ２．５）を動作させ、支持フレーム内にインサートを収めないモジュールユニット（ベータ２）と比較した。このデータを図４に示しており、同図から、インサートに関連する圧力降下がより大きくなったことが分かる。
【０１０２】
実施例４
数値流体力学（ＣＦＤ）ソフトウェアを使用して中央流路系を有するインサートを含むモジュールユニットをモデリングおよびシミュレートし、側方流路系を有するインサートを含むモジュールユニットと比較した。その結果、側方流路系は、側面の低流速領域が中央流路系よりも幅広くなることと相関することが分かった。低流速領域の方が、スケールが形成される可能性が高くなり、中央流路系によって実現される流れ分配の方が良好である。また、中央流路系は、圧力降下が側方流路系の圧力降下より約１４％小さくなることとも相関した。
【０１０３】
本発明の方法および装置の実施形態は、明細書や図面に記載された構成および構成要素の配置の詳細に限定されないと解すべきである。本発明の方法および装置は、別の実施形態でも具現化することができ、また、本発明の方法および装置を実用化したり実施するための手段は種々存在する。詳細な実施例は詳しく説明するためのものであり、本発明を限定するものではない。とりわけ、いずれか１つまたは複数の実施形態を参照して説明した動作、構成要素および構成は、他のいずれかの実施形態において同様の役割を果たさないことを意味するものではない。
【０１０４】
また、ここで使用した表現や用語は説明のためのものであり、これらも、本発明を限定するものとして見なすべきではない。本願にて開示したシステムおよび方法の実施形態、構成要素または動作をどのように参照したとしても、これらは、複数の前記構成要素を含む実施形態を包含することができ、また、本願にて開示したいかなる実施形態または構成要素または動作を複数でどのように参照しても、これらは、１つの構成要素のみを含む実施形態も包含する。「含む」、「有する」、「備える」、「包含する」、「持つ」、「具備する」等の用語、およびこれらの用語の組み合わせを使用した場合、これは、その後に続いて挙げられた項目、その等価的特徴、およびその他の項目を包含することを意味する。「または」という記載を使用した場合、これは、「または」を用いて記載した用語のうち１つ、複数またはすべてを指し示すものとして解することができる。前後、左右、上下、上方向下方向、垂直方向および水平方向との用語は、説明上の都合により用いたものであり、本発明のシステムおよび方法、または本発明の構成要素を、いずれか１つの位置や空間的方向に限定するものではない。
【０１０５】
少なくとも１つの実施形態の複数の側面に基づいて説明したが、当業者であれば容易に、種々の変更、修正および改良を行うことができることが明らかである。このような当業者に明らかな他の変更、修正および改良も本願の開示内容の一部に包含され、本発明の範囲に含まれる。したがって、上記の説明および図面は、単に一例として挙げたものである。
【図１】
2013543791.tif 000005
【図２】
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【図３】
2013543791.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2013543791.tif 000021
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【国際調査報告】
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