(57)【要約】  本発明は、フロースルーキャパシタの被覆電流コレクタ電極を準備するための方法に関する。本方法は、  少なくとも５００ｍ２／ｇの比表面積を有するカーボンの１０〜５０重量％と、  バインダの０．３〜５重量％と、  第１の沸点を有する第１の溶媒の全ペーストに基づく１０〜５０重量％と、  第２の沸点を有する第２の溶媒の全ペーストに基づく１０〜５０重量％とを含む被覆ペーストを準備するステップを含む。  本方法はさらに、被覆ペーストを電流コレクタ上に適用するステップと、電流コレクタ上に適用された被覆ペースト内の第２の溶媒が第１の沸点よりも低い温度で蒸発することを可能にするステップとを含む。
2017527438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フロースルーキャパシタのための被覆電流コレクタ電極を準備するための方法において、前記方法は、
ａ  被覆ペーストを準備するステップであって、重量％により、
少なくとも５００ｍ２／ｇの比表面積を有するカーボンの１０〜５０重量％と、
バインダの０．３〜５重量％と、
第１の沸点を有する第１の溶媒の全ペーストに基づく１０〜５０重量％と、
第２の沸点を有する第２の溶媒であって、前記第２の沸点が前記第１の沸点よりも低い、第２の溶媒の前記全ペーストに基づく１０〜５０重量％とを含む被覆ペーストを準備するステップと、
ｂ  前記被覆ペーストを電流コレクタ上に適用するステップと、
ｃ  前記電流コレクタ上に適用された前記被覆ペースト内の前記第２の溶媒が前記第１の沸点よりも低い温度で蒸発することを可能にするステップであって、前記第１の沸点は、１ａｔｍにおいて１２０℃よりも大きい、ステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記第１の溶媒は、前記全ペーストに基づく２０〜４０重量％で存在する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の溶媒は、前記全ペーストに基づく２５〜３５重量％で存在する、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の溶媒は、アルコールを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の溶媒は、ポリオールを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の溶媒は、トリオールを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記トリオールは、グリセロールである、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記グリセロールは、食品等級グリセロールである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の溶媒は、グリコールを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の沸点は、１ａｔｍにおいて１００℃であり、前記第２の溶媒は、水である、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の沸点は、前記第１の溶媒の十分な量が、保管および／または輸送中に前記被覆電流コレクタの亀裂を避けるために、前記被覆電流コレクタ内に残ることになることを確実にするために、１ａｔｍにおいて１２０℃よりも大きい、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の沸点は、１ａｔｍにおいて好ましくは１２０℃よりも大きく、より好ましくは１６０℃よりも大きく、さらにより好ましくは２００℃よりも大きく、さらにより好ましくは２４０℃よりも大きく、最も好ましくは約２８０℃を上回り、１ａｔｍにおいて好ましくは３５０℃を下回り、より好ましくは３００℃を下回る、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記被覆ペーストは、ペースト−、ブレード−、浸漬−、噴霧−もしくは回転塗布法によってまたはグラビアロール塗布法、押し出し塗布法によってまたはラミネート加工もしくはスクリーン印刷によって適用される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法によって得られるフロースルーキャパシタのための被覆電流コレクタ。
【請求項１５】
イオン除去のための装置であって、前記装置は、筐体が設けられており、前記装置は、
水が前記筐体の内部に入るための水入口と、
水を前記筐体の前記内部から外に出すための水出口と、
第１および第２の被覆電流コレクタと、
前記第１および第２の被覆電流コレクタを分離し、水が前記第１の被覆電流コレクタと前記第２の被覆電流コレクタとの間に流れることを可能にするためのスペーサとを備え、前記被覆電流コレクタは、請求項１４に記載の被覆電流コレクタである、イオン除去のための装置。
【請求項１６】
少なくとも５００ｍ２／ｇの比表面積を有するカーボンの１５〜８０重量％と、
バインダの０．４５〜７．５重量％とを含む、フロースルーキャパシタのための電流コレクタのための被覆物であって、前記被覆電流コレクタはさらに、
１２０℃よりも大きい大気圧における沸騰温度を有する第１の溶媒の１５〜８０重量％を含む、電流コレクタのための被覆物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フロースルーキャパシタのための被覆電流コレクタ電極を準備するための方法に関し、その方法は、
ａ  溶媒を用いて被覆ペーストを準備するステップと、
ｂ  被覆ペーストを電流コレクタ上に適用するステップと、
ｃ  電流コレクタ上に適用された被覆ペースト内の溶媒が蒸発することを可能にするステップとを含む。
【背景技術】
【０００２】
ここ数年、人は、環境への人間活動の影響およびこれが有することもある否定的な結果にますます気付くようになった。資源を低減し、再使用し、リサイクルするための方法が、より重要になりつつある。特に、清浄水は、乏しい生活必需品になりつつある。従って、水を浄化するための様々な方法およびデバイスが、公表されている。
【０００３】
水浄化のための方法は、水内のイオン除去のためのフロースルーキャパシタ（ＦＴＣ）を提供される装置を使用する、容量性脱イオン化によるものである。ＦＴＣは、容量性脱イオン化のための電気的に再生可能なセルとして機能する。電極を帯電させることによって、イオンは、電解質から除去され、電極における電気二重層内に保持される。電極は、化学薬品を追加することなくそのような前に除去されたイオンを脱着させるために（部分的に）電気的に再生することができる。
【０００４】
イオン除去のための装置は、間隔を介した電極の１つまたは複数の対（電極の各対は、カソードおよびアノードを備える）および電極を分離し、水が電極間に流れることを可能にするスペーサを備える。電極は、電流コレクタまたはバッキング層および除去されたイオンを保存するために使用されることもある例えばカーボンなどの高表面積材料を提供される。電流コレクタは、高表面積材料と直接接触していることもある。電流コレクタは、導電性であり、電荷を電極の内外にかつ高表面積材料内に輸送する。
【０００５】
電荷バリアが、フロースルーキャパシタの電極に隣接して置かれることもある。用語、電荷バリアは、イオンについて透過性または半透過性であり、電荷を保持する能力がある材料の層を指す。電荷バリアの電荷と反対の電荷を有するイオンは、電荷バリア材料を通ることができ、一方、電荷バリアの電荷と同様の電荷のイオンは、電荷バリア材料を通ることができないまたは部分的にだけ通る。電荷バリア材料と同様の電荷のイオンは従って、例えば電極コンパートメントおよび／またはスペーサコンパートメント内に含有されるまたは閉じ込められる。電荷バリアはしばしば、イオン交換材料から作られる。電荷バリアは、イオン効率の増加を可能にすることもあり、それは次に、エネルギー効率の良いイオン除去を可能にする。
【０００６】
国際特許公開（ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ｐａｔｅｎｔ  ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ）ＷＯ２０１０／１３１９５１は、フロースルーキャパシタのための電極のために被覆電流コレクタを準備するための方法を開示する。その方法は、溶媒として水を使用するアノード被覆電流コレクタを準備するステップを含む。被覆電流コレクタは、オーブン内で乾燥されることもあり、それは、電極厚さの大幅な減少をもたらすこともある。このように、高密度電極が、炭素被覆物を高温で乾燥することによって得られることもある。
【０００７】
国際特許公開ＷＯ２００９／００２０４３０およびＷＯ２０１０／０１７０８８４は、水、１−ブタノール、ポリウレタンおよびカーボンの混合物を含む被覆物の準備を開示する。被覆物は、カーボン紙上に被覆され、室温においてセ氏８０°で乾燥される。
【０００８】
いくらかの溶媒は通常、オーブン内で乾燥された後、カーボン被覆電流コレクタ内に保有されることもある。実際には、カーボン被覆電流コレクタ内での溶媒の保有は、カーボン被覆電極の亀裂を防止するので、しばしば有益である。それにもかかわらず、もし電流コレクタが、保存されかつ／または輸送されるならば、いくらかのさらなる乾燥があることもある。このさらなる乾燥は、電流コレクタの柔軟性に影響を及ぼすこともあり、その結果例えばそれらが、曲げられるとき、亀裂が、カーボン被覆電流コレクタに現れることもある。亀裂は、カーボン被覆電流コレクタの働きに悪影響を有することもあり、一般に亀裂は、回避されるべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際特許公開ＷＯ２０１０／１３１９５１
【特許文献２】国際特許公開ＷＯ２００９／００２０４３０
【特許文献３】国際特許公開ＷＯ２０１０／０１７０８８４
【特許文献４】米国特許第６，７０９，５６０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
フロースルーキャパシタのためのカーボン被覆電流コレクタ電極を準備するための改善された方法を提供することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
それに応じて、フロースルーキャパシタのための被覆電流コレクタ電極を準備するための方法が、提供され、その方法は、
ａ  被覆ペーストを準備するステップであって、重量％により、
少なくとも５００ｍ２／ｇの比表面積を有するカーボンの１０〜５０重量％と、
バインダの０．３〜５重量％と、
第１の沸点を有する第１の溶媒の全ペーストに基づく１０〜５０重量％と、
第２の沸点を有する第２の溶媒であって、第２の沸点が第１の沸点よりも低い、第２の溶媒の全ペーストに基づく１０〜５０重量％とを含む被覆ペーストを準備するステップと、
ｂ  被覆ペーストを電流コレクタ上に適用するステップと、
ｃ  電流コレクタ上に適用された被覆ペースト内の第２の溶媒が第１の沸点よりも低い温度で蒸発することを可能にするステップであって、第１の沸点は、１ａｔｍにおいて１２０℃よりも大きい、ステップとを含む。
【００１２】
このようにして、第１の溶媒が、被覆電流コレクタ内に残る間に、第２の溶媒を蒸発させることが、可能になる。電流コレクタ上に適用された被覆ペースト内の第２の溶媒が第１の溶媒の第１の沸点よりも低い温度で蒸発することを可能にすることによって、第１の溶媒は、高い沸点を有するように選択されてもよく、蒸発しなくてもよい。このようにして、保存および／または輸送中に、第１の溶媒の十分な量が、被覆電流コレクタの亀裂を避けるために被覆電流コレクタ内に残ることになる。
【００１３】
第１の溶媒は、全ペーストに基づく２０〜４０重量％、または２５〜３５重量％で存在してもよい。
【００１４】
第１の溶媒は、ポリオール（例えばトリオールまたはジオール）などのアルコールを含んでもよい。
【００１５】
第１の溶媒は、グリセロールであってもよく、グリセロールは、低毒性を有し、その結果グリセロールの浸出は、被覆電流コレクタと接触する水を汚染することにならない。
【００１６】
グリセロールは、被覆電流コレクタ電極が、飲料水応用のために使用されてもよいように、食品等級グリセロールであってもよい。
【００１７】
グリセロールは、１ａｔｍにおいてセ氏２９０°の沸騰温度を有し（確認されたし）、従って輸送および保存中に被覆電極から蒸発しないことになる。被覆電極の亀裂は、それで回避される。
【００１８】
第１の溶媒は、グリコールであってもよい。
【００１９】
第２の溶媒は、１ａｔｍにおいて１００℃の沸点を有する水であってもよい。溶媒として水を用いた被覆物組成は、かなり良く知られており、その結果被覆物は、異なる溶媒への多くの適応を必要としなくてもよい。電流コレクタ内に水を残すことは、使用中に被覆電流コレクタと接触する水を汚染しないことになる。
【００２０】
被覆ペーストは、ペースト−、ブレード−、浸漬−、噴霧−もしくは回転塗布法によってまたはグラビアロール塗布法、押し出し塗布法によってまたはラミネート加工もしくはスクリーン印刷によって適用されてもよい。
【００２１】
本方法を用いて、フロースルーキャパシタのための電極として機能する被覆電流コレクタが、作製されてもよい。
【００２２】
被覆電流コレクタ（電極）は、イオン除去のための装置に使用されてもよく、装置は、筐体が設けられており、装置は、
水が筐体の内部に入るための水入口と、
水を筐体の内部から外に出すための水出口と、
第１および第２の被覆電流コレクタと、
被覆電流コレクタを分離し、水が被覆電流コレクタ間に流れることを可能にするスペーサとを備える。
【００２３】
さらなる実施形態によると、本発明は、
少なくとも５００ｍ２／ｇの比表面積を有するカーボンの１５〜８０重量％と、
バインダの０．４５〜７．５重量％とを含む、フロースルーキャパシタのための電流コレクタのための被覆物に関してもよく、
被覆電流コレクタはさらに、１ａｔｍにおいて１２０℃よりも大きい大気圧における沸騰温度を有する第１の溶媒の１５〜８０重量％を含む。
【００２４】
これらの態様、特徴および利点ならびに他の態様、特徴および利点は、下記の詳細な説明および添付のクレームを読むことで、当業者には明らかになるであろう。誤解を避けるために、本発明の一態様の任意の特徴は、本発明の任意の他の態様に利用されてもよい。以下の説明で与えられる例は、本発明を明確にすることを意図され、本発明をそれらの例それ自体に限定することを意図されていないことに留意する。同様に、すべてのパーセントは、別に示されない限り、重量／重量パーセントである。書式「ｘからｙ」で表される数値範囲は、ｘおよびｙを含むと理解される。特定の特徴について、複数の好ましい範囲が、書式「ｘからｙ」で記述されるとき、異なる端点を組み合わせるすべての範囲もまた、熟考されると理解される。
【００２５】
本発明の実施形態は、対応する参照記号が、対応する部分を示す、付随する概略的図面を参照して、ほんの一例として述べられることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】イオン除去のための装置の概略横断面を示す図である。
【図２ａ】図１のスタック３の詳細拡大を示す図である。
【図２ｂ】図１の詳細を示す図である。
【図３】乾燥の影響を示すために３０分ごとに撮影された従来技術およびグリセロール電極を示す図である。
【図４】１２０分の間乾燥された後の従来技術の電極内の亀裂を示す図である。
【図５】２４個の電極の粗さ平均を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、筐体の一部が除去された状態の、本発明による方法を用いて作製されたイオン除去のための装置１の概略的横断面を示す。本例では、装置は、１２個のフロースルーキャパシタスタック３を備えてもよい。フロースルーキャパシタスタック３は、第１の電極４（スタックの拡大である図２ａを参照）、スペーサ８、および第２の電極６の繰り返し単位を提供されてもよい。第１の電極４は、第１の電流コレクタ５を提供されてもよく（図１を参照）、それは、第１のコネクタ１１と一緒に束ねられてもよい。第２の電極６は、第２の電流コレクタ９を提供されてもよく、それは同様に、装置のもう一方の側で第２のコネクタ１０と一緒に束ねられてもよい。
【００２８】
第１のコネクタ１１（図１の部分的拡大である図２ｂを参照）は、第１の電流コレクタ５を一緒にクランプするために使用されてもよい。電流コレクタ５、９ならびに第１のコネクタ１１および第２のコネクタ１０は、電流コレクタ５、９とコネクタ１１、１０との間の電気抵抗率を下げるために同じ材料、例えばカーボン（例えばグラファイト）で作られてもよい。第１のコネクタ１１は、例えば銅などの、例えば金属からのインサート１５を提供されてもよい。インサート１５は、インサート１５と第１のコネクタ１１との間の低電気抵抗率を確実にするように、第１のコネクタ１１内にネジ留めされてもよい。電力端子２７は、電力供給装置および１つまたは複数のコネクタ１０、１１の両方に接続される構築物である。電力端子２７は、筐体の上部および／もしくは下部２２、２４ならびに／または任意の他の部分内に固定されてもよい。電力端子２７は、すべての第１のコネクタ１１をそれらのインサート１５を介して電力源（図示されず）に電気的に接続するために、例えば金属、例えば銅で作られたレール、例えばロッド１７を提供されてもよい。第１のコネクタ１１およびインサート１５は、ロッド１７のための開口部を提供されてもよい。インサート１５およびロッド１７は、水バリアとして機能する例えば樹脂、ニカワまたはペーストによって装置内部の水からシールドされてもよい。樹脂、ニカワもしくはペーストまたは任意の他の水シールド材料がオプションとして、スタックの圧縮後にコネクタ１１の中空部分１９に適用されてもよい。樹脂がスタック３を汚染することもあることを回避するために、ゴムリング１２が、インサート１５内に提供されてもよい。トレイ１３は、１つのスタック３を製造し、スタック３を一緒に装置の筐体２１内にアセンブルするのに役立つために提供されてもよい。筐体内では、スタック３は、上部２２と下部２４との間で圧縮されてもよい。筐体２１の最上部２３は、ロッド１７が電力源と接続することを可能にするフィードスルーを提供される。このように、電荷は、例えば電極の再生中に、第１の電流コレクタ５を介して第１の電極に入ることができ、また電極から再び出ることもできる。水は、水入口２６を介して装置の内部に提供されてもよく、その水は、フロースルーキャパシタスタック３の周りを流れることを許され、スペーサを介してスタックに入ってもよい。フロースルーキャパシタスタック３は、スタックの真ん中に穴を提供される。穴の中には、円形チューブ２９が、提供され、穴とチューブとの間のスペースを介して、水が、出口３０へ流れてもよい。チューブ２９の内部は、電極をスタック３内に圧縮し、筐体２１の上部２２と下部２４との間にスタック３を圧縮するために役立つこともあるナット３５およびネジ付き棒３３を提供されてもよい。
【００２９】
圧縮は、装置の作製中に、またはオプションとしてメンテナンス中に生じてもよい。すべてのスタックを一度に圧縮することによって、圧縮力は、各スタックについて非常に似ておりまたは等しくさえもあり、同時に電極の表面にわたって均等にまたは均一に分配されることが、確実にされてもよい。
【００３０】
スタック３の製造中に、第１の電流コレクタ５を備える第１の電極は、トレイ１３内に提供されてもよい。スペーサは、第１の電極の上部に位置してもよく、第２の電極は、スペーサの上部に置かれてもよい。その後、スペーサは、第２の電極の上部に置かれてもよく、その後に別の第１の電極が続く。これは、例えば１０個の第１および第２の電極ユニットが、各第１の電極が第２の電極からスペーサを用いて分離される状態でトレイ１３によって保持されるスタック３内に提供されまで繰り返されてもよい。その後、コネクタ部分１１は、電流コレクタ５の上部に位置してもよく、金属インサート１５は、スタック３をトレイ１３に固定するために、スタック３のもう一方の側からトレイ１３および第１の電流コレクタ５を通ってネジ留めされてもよい。
【００３１】
トレイ１３およびスタック３は、良好な電気接触を可能にするためにインサート１５をロッド１７の上にスライドさせることによって第１の電力端子２７のロッド１７に接続されてもよい。インサート１５内の穴は、インサート１５とロッド１７との間の良好な電気接触を可能にし、同時にインサート１５がロッド１７の上にスライドすることを可能にするようなサイズであってもよい。コネクタ１１は、インサート１５をコネクタ部分１１内にネジ留めすることによって電流コレクタ５または複数電流コレクタ５がコネクタ１１とトレイ１３との間にある状態でトレイ１３上に押し付けられてもよい。コネクタ１１と第１の電流コレクタ５との間の良好な電気伝導性を確実にするために、コネクタ部分１１および電流コレクタ５への圧力は、１００Ｂａｒ未満、好ましくは５０Ｂａｒ未満、より好ましくは２０Ｂａｒ未満、最も好ましくは約１０Ｂａｒであってもよい。
【００３２】
複数スタック３は、ロッド１７に接続されてもよく、スタック３は、同様の方法で第２のコネクタ１０に接続されてもよい。力は、電極の主表面に垂直であるネジ付き棒３３の長さに平行な第１の方向に第１および第２の電極を圧縮するように、ナット３５およびネジ付き棒３３を用いて上部および下部２２、２４を介してスタック３に与えられてもよい。力は、５Ｂａｒ未満、好ましくは３Ｂａｒ未満の圧力をスタックに与えてもよい。
【００３３】
第１および第２のコネクタ１１、１０は、電流コレクタが、スタック３への圧縮力によって損傷を受けないように、ロッド１７、１８に沿った第１の方向への第１および第２の電流コレクタ５、９の移動を可能にする。移動は、第１の方向に複数スタック３の高さの０．０５から１０％の程度であってもよい。十分な圧力が、スタックに与えられた後、樹脂またはグリースが、コネクタ１０、１１の中空部分１９内に第１および／または第２のコネクタ１１、１０に沿ってまたは通って提供されてもよい。硬化後の樹脂は、コネクタ１０、１１の位置を固定し、（金属）インサート１５およびロッド１７を腐食から保護することができる。
【００３４】
本装置は、次のステップ、
水がキャパシタの第１の電極４と第２の電極６との間に流れることを可能にするステップと、
イオンを電極４、６内に引き込むために、コントローラＣを介してキャパシタを電荷で充電するステップと、
コントローラを介してキャパシタから電荷を解放することによって電極からイオンを解放するステップとを用いて動作させられてもよい。安定動作を得るためには、本装置が、電極を帯電させることからイオンを電極から解放することに切り替わる瞬間およびその逆もまた同様に決定することが、重要なこともある。
【００３５】
電極のための被覆電流コレクタの準備
フロースルーキャパシタのための被覆電流コレクタ電極を準備するための方法は、
ａ  重量％によって、
少なくとも５００ｍ２／ｇの比表面積を有するカーボンの１０〜５０重量％と、
バインダの０．３〜５重量％と、
第１の沸点を有する第１の溶媒の全ペーストに基づく１０〜５０重量％と、
第２の沸点を有する第２の溶媒の全ペーストに基づく１０〜５０重量％とを含む被覆ペーストを準備するステップと、
ｂ  被覆ペーストを電流コレクタ上に適用するステップと、
ｃ  電流コレクタ上に適用された被覆ペースト内の第２の溶媒が第１の沸点よりも低い温度で蒸発することを可能にするステップとを含む。
【００３６】
カーボン
被覆物内のカーボンは、活性カーボン、およびオプションとしてカーボンブラックなどの任意の他のカーボン材料を含む。活性カーボンは、蒸気活性化されたまたは化学的に活性化されたカーボン、好ましくはＤＬＣ  Ａ  Ｓｕｐｒａ  Ｅｕｒ（Ｎｏｒｉｔから）などの、蒸気活性化されたカーボンであってもよい。カーボンは好ましくは、少なくとも５００ｍ２／ｇ、好ましくは少なくとも１０００ｍ２／ｇ、より好ましくは少なくとも１５００ｍ２／ｇの比表面積を有する。アノードおよびカソードは、異なるカーボン材料でできていてさえよい。カーボン表面積が高いほど、電流コレクタのイオン保存容量は、より高い。カーボンの比表面積は、当技術分野で一般に使用されるように、例えばＢ．Ｅ．Ｔ．法によって測定されてもよい。
【００３７】
カーボンは、乾燥被覆物の重量により少なくとも５０％、好ましくは少なくとも６０％、より好ましくは少なくとも７０％、または少なくとも７５％さえの濃度で被覆物内に存在してもよい。組成は一般に、カーボンの乾燥被覆物の重量により９８．５％より多くを含有することはない。
【００３８】
バインダ
バインダは、カーボン材料と混合可能であってもよい。好ましくは、バインダは、水ベースの接着剤である。バインダシステムは、カーボン粒子もしくは電流コレクタ材料を濡らすそれらの能力について選択されてもよく、または表面活性剤もしくは他の化学物質が、カーボン粒子またはグラファイトホイルをより良く濡らすためにバインダ混合物に追加されてもよい。分散剤または分散化学物質は、製造、保存、適用およびフィルム形成の全体にわたってカーボン粒子が沈殿し（ｓｅｔｔｌｉｎｇ）、凝集する（ｃｌｕｍｐｉｎｇ）のを防止することによってカーボン粒子の分散を改善するために、カーボン被覆ペーストに追加されてもよい表面活性物質である。分散剤はまた、特に水ベースの接着剤であるバインダについて、バインダを安定させるまたはバインダの分散を改善するためにカーボン被覆ペーストに追加されてもよい。
【００３９】
分散剤は、任意の種類の表面活性剤または任意の種類の乳化剤であってもよく、親水性親油性バランス数に基づいて選択されてもよい。分散剤は、合成洗剤、せっけん、高分子界面活性剤または任意の種類の非荷電性高分子、特に水溶性高分子またはそれらの任意の混合物とすることができる。洗浄用表面活性剤は、アニオン性、カチオン性もしくは非イオン性またはそれらの混合とすることができる。界面活性剤は、ドデシル硫酸ナトリウム、アルキルベンゼンスルホン酸塩またはアルキルエトキシレートおよびアミンオキシド界面活性剤であってもよい。Ｓｏｌｓｐｅｒｓｅ（登録商標）およびＤｉｓｐｅｒｂｙｋ（登録商標）などの、インクジェットまたはペイントおよび被覆業界で使用される分散剤、および多くの他のものがまた、使用されてもよい。
【００４０】
分散剤はまた、高分子電解質であってもよい。しかしながら、高分子電解質はまた、電解質および分散剤の両方を互いに独立して最適化することを可能にするので、分散剤にさらに追加されてもよい。例えば、高分子電解質の最適量は、分散剤の最適量と異なってもよく、分散剤および高分子電解質は、それらを独立して最適化することによって、最適量で存在してもよい。
【００４１】
非荷電性高分子の例は、ポリエチレンオキシド、ポリエチレングリコールおよびポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、例えばＬｕｖｉｔｅｃ（登録商標）レンジまたはＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｐｅｃｉａｌｉｔｙ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（ＩＳＰ）からのＰＶＰレンジである。
【００４２】
適切な商業用のバインダ材料は、３Ｍ（商標）からのＦａｓｔｂｏｎｄ（商標）レンジなどのポリアクリル酸ベースのバインダであってもよい。
【００４３】
バインダは、乾燥被覆物の重量により少なくとも１％、好ましくは少なくとも２％、より好ましくは少なくとも５％の濃度で被覆物内に存在してもよい。バインダは好ましくは、乾燥被覆物の重量により５０％未満、好ましくは４０％未満、より好ましくは３０％未満、さらにより好ましくは２０％未満、なおより好ましくは１５％未満の濃度で被覆物内に存在する。
【００４４】
高分子電解質
高分子電解質が、追加されてもよい。高分子電解質は、アニオン性またはカチオン性のいずれであってもよい。高分子電解質を含有するカーボン電極は、イオン選択性膜を有してかまたは有さずに構築されるＦＴＣセルに使用されてもよい。原理的には、アニオン性かまたはカチオン性の高分子電解質が、アノードおよびカソードの両方に使用されてもよい。またアニオン性高分子電解質およびカチオン性高分子電解質の混合物が、両性イオン性高分子と同様に、アノードおよびカソードの両方に使用されてもよい。それにもかかわらず、イオン保存容量の増加を得るためには、アノードにカチオン性高分子電解質を使用し、カソードにアニオン性高分子電解質を使用することが、好ましい。
【００４５】
本発明の文脈において適切なカチオン性高分子電解質は、例えば窒素ベースの高分子電解質である。この種の市販の高分子電解質は、Ｌｕｐａｓｏｌ（登録商標）（ＢＡＳＦから）などのポリエチレンイミン、Ｍｅｒｑｕａｔ（登録商標）ポリクオタニウム（Ｎａｌｃｏから）などのポリクオタニウム、ポリアミン、ならびにポリビニルピリジンおよびその誘導体、同じくＡｃｃｅｐｔａ（Ａｃｃｅｐｔａから）などのカチオン性ポリアクリルアミドである。
【００４６】
適切なアニオン性高分子電解質は、スルホン化高分子およびカルボキシル化高分子、ならびにそれらの混合物である。市販のアニオン性高分子電解質は、Ｆｌｅｘａｎ（登録商標）（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｔａｒｃｈから）などのポリスチレンスルホン酸およびＳｏｋｏｌａｎ（商標）シリーズ（ＢＡＳＦから）などのポリカルボン酸塩である。
【００４７】
カチオン性高分子電解質およびアニオン性高分子電解質の両方は好ましくは、少なくとも２００Ｄ、より好ましくは少なくとも５００Ｄ、なおより好ましくは少なくとも１０００Ｄの分子量を有する。分子量は好ましくは、５，０００，０００Ｄより多くなく、好ましくは１００，０００Ｄ未満であり、なおより好ましくは１０，０００Ｄ未満である。高分子電解質は、単分散系または広い分子量範囲をカバーする多分散系とすることができる。
【００４８】
高分子電解質は、乾燥被覆物の重量により少なくとも０．５％、好ましくは少なくとも１％、より好ましくは少なくとも２％または少なくとも４％さえもの濃度で被覆物内に存在してもよい。高分子電解質は好ましくは、乾燥被覆物の重量により３０％より多くなく、好ましくは２０％より多くなく、より好ましくは１５％より多くなく、または１０％未満さえもの濃度で存在する。カーボンおよび高分子電解質の量は、アノード電極およびカソード電極の容量をバランスさせるように調整されてもよい。実際、これは、より多くの高分子電解質および／またはカーボンが、カソード電極についてよりもアノード電極について使用されてもよいことを意味する。
【００４９】
溶媒
被覆ペーストを混合するのに適している溶媒は、第１の沸点を有する第１の溶媒の全ペーストに基づく１０〜５０重量％、好ましくは２０〜４０重量％、より好ましくは２５〜３５重量％、および第２の沸点を有する第２の溶媒の全ペーストに基づく１０〜５０重量％、好ましくは２０〜４０重量％、より好ましくは２５〜３５重量％であってもよい。
【００５０】
第１の溶媒は、ポリオール例えばグリセロールなどのトリオールまたはエチレングリコールなどのジオールなどの、アルコールであってもよい。グリセロールは、電極が、飲料水のための装置に使用されてもよいように、食品等級グリセロールとすることができる。第１の溶媒の第１の沸点は、１ａｔｍにおいて１２０℃よりも大きい。
【００５１】
第２の溶媒は、水であってもよく、第２の沸点は、１ａｔｍにおいて１００℃であってもよい。第２の溶媒の第２の沸点は、第１の溶媒の第１の沸点よりも低い。
【００５２】
第２の溶媒は一般に、電流コレクタ上に固体被覆物を形成するために、ペーストから蒸発させられる。蒸発は例えば、空気（周囲のまたは加熱された）にさらすことによって達成されてもよい。
【００５３】
乾燥後、被覆物は好ましくは、第２の溶媒の５０％未満、より好ましくは３０％未満、なおより好ましくは１０％未満を含有する。
【００５４】
第１の溶媒は、使用中の電極が、水で洗浄されることになり、第１の溶媒が、流し出されてもよいまで、電流コレクタ上の固体被覆物内に残ってもよい。
【００５５】
方法
一実施形態では、本発明は、被覆電流コレクタを準備するための方法を提供し、
カーボン、バインダおよび溶媒を含む被覆ペーストを準備するステップと、
被覆ペーストを電流コレクタ上に適用するステップと、
第２の溶媒を蒸発させるために被覆電流コレクタを乾燥するステップとを含む。
【００５６】
被覆電流コレクタを乾燥するステップは、１５℃から、好ましくは３０℃から１２０℃の温度範囲においてなされてもよい。
【００５７】
被覆電流コレクタの製造のために、カーボンペーストが、ペースト−、ブレード−、浸漬−、噴霧−または回転塗布法によって単層または多層としてならびにグラビアロール塗布法、押し出し塗布法によってまたはラミネート加工もしくはスクリーン印刷によって適用されてもよい。例えば、スクリーン印刷プロセスは、カーボンペーストがステンシルで覆われた基板、例えばｇｒａｆｏｉｌ（登録商標）を通る、または頑丈なフレームに取り付けられた金網を通るように強制することから成る。この場合、カーボンペーストは、ステンシルの開いたエリアを通り抜けるだけであり、フレームの下方に位置決めされた印刷基板、例えばｇｒａｆｏｉｌ（登録商標）上に堆積される。手動スクリーン印刷は、少数の簡単な品目、頑丈なフレーム、スクリーン布地、ステンシル、スキージー、およびカーボンペーストだけを用いて遂行されてもよい。プロセスを大きく加速するということになる自動加圧機が、使用されてもよい。電流コレクタシートは、両面をカーボンペーストで被覆されてもよい。
【００５８】
乾燥電極
電流コレクタ上に被覆されるような、本発明の方法によって作られる乾燥電極は一般に、少なくとも５０、好ましくは少なくとも約１００、より好ましくは少なくとも約２００マイクロメータ、および好ましくは１０００未満、より好ましくは７５０マイクロメータ未満の厚さを有する。
【００５９】
電流コレクタ
電流コレクタは、任意の一般的な種類の電流コレクタであってもよい。電流コレクタが作られる材料は、導電性材料である。適切な材料は例えば、グラファイトなどのカーボン、または高グラファイト含有量を有するカーボン混合物、銅、チタン、白金、（ステンレス）スチール、ニッケルおよびアルミニウムなどの金属である。電流コレクタは一般に、シートの形である。そのようなシートは本明細書では、少なくとも３３Ａｍｐｓ／ｍ２および２０００Ａｍｐｓ／ｍ２に至るまでを輸送するのに適していると規定される。グラファイトホイルの表面が、使用されるとき、そのような表面は、バインダ付着力を高めるためにコロナ処理され、プラズマエッチングされ、化学的にもしくは機械的にすり減らされまたは酸化されてもよい。グラファイト電流コレクタの厚さはその結果典型的には、１００から１０００マイクロメータ、一般的には２００から５００マイクロメータになる。
【００６０】
電荷バリア層
電荷バリアは、ＦＴＣに使用するために米国特許第６，７０９，５６０号に開示されている。本発明は、電極被覆層に適用される電荷バリアをさらに備える、本明細書において上で論じられたような被覆電流コレクタを一実施形態として提供し、電荷バリアは、アニオンまたはカチオンを選択する膜を備え、電荷バリアは、さらなる被覆層としてまたはラミネート層として電極被覆層に適用される。
【００６１】
別の実施形態では、本発明は、米国特許第６，７０９，５６０号に開示されるような別個の従来の電荷バリアと組み合わせて、カーボン、バインダおよび高分子電解質を含む、本発明による被覆電流コレクタを備えるシステムを提供する。
【００６２】
適切な膜材料は、均一または不均一であってもよい。適切な膜材料は、アニオン交換膜材料および／またはカチオン交換膜材料、好ましくは強解離性アニオン基および／または強解離性カチオン基を含むイオン交換材料を含む。そのような膜材料の例は、Ｎｅｏｓｅｐｔａ（商標）レンジ材料（Ｔｏｋｕｙａｍａから）、ＰＣ−ＳＡ（商標）およびＰＣ−ＳＫ（商標）（ＰＣＡ  ＧｍｂＨから）のレンジ、Ｆｕｍａｔｅｃからのイオン交換膜材料、イオン交換膜材料Ｒａｌｅｘ（商標）（Ｍｅｇａから）または不均一膜材料のＥｘｃｅｌｌｉｏｎ（商標）レンジ（Ｓｎｏｗｐｕｒｅから）である。
【００６３】
被覆電流コレクタＦＴＣの適用
被覆電流コレクタは、カルシウムおよびマグネシウムなどの硬度（ｈａｒｄｎｅｓｓ）イオンならびに他のイオンの除去が有益である、例えばコーヒーメーカー、エスプレッソ機、洗濯機、食洗機、氷または水のディスペンサを有する冷蔵庫、蒸気アイロン、その他などの国内応用において低システムコストを必要とするＦＴＣデバイスにおいて特に有用である。それらはまた、全家庭のための使用場所（ｐｏｉｎｔ  ｏｆ  ｕｓｅ）デバイスならびに入口場所（ｐｏｉｎｔ  ｏｆ  ｅｎｔｒｙ）デバイスなどの住宅用水処理のために使用されてもよい。これらの電極はまた、商業的および工業的応用、例えば農業における水処理（例えば地下水および地表水の処理）、ボイラー水、冷却塔、プロセス水、パルプ紙、実験室水、廃水処理、鉱業のために、ならびに超純水の生産のために使用されてもよい。最後に、電極は、例えば水泳プール内の硝酸塩ならびに例えば地下水内のヒ素および／またはフッ化物などの問題イオンの除去のために使用されてもよい。
【００６４】
本発明は、今から下記の限定されない実施例を用いて例示されることになる。
【００６５】
［実施例１］
−  水道水を追加：３２．６７ｗｔ％
−  ポリスルホン酸塩０．７６％を追加
−  混合
−  カーボンブラック１．６９ｗｔ％を追加
−  混合
−  グリセロールを追加：３２．５４ｗｔ％
−  混合
−  活性カーボン（Ｎｏｒｉｔから）２９．５８ｗｔ％（カーボン）を追加
−  混合
−  バインダ２．７６ｗｔ％を追加
被覆電流コレクタを作るために、ペーストをグラファイトホイル上に広げ（速度：５ｍｍ／ｓ）、被覆ペーストを乾燥する。
【００６６】
［実施例２］
１つの溶媒だけ、例えば水が使用される電極被覆プロセス中に、電極ペーストのいくらかの水は、バインダを硬化し、電極を安定させるために、蒸発させる必要がある。他方では、いくらかの水は、電極欠陥を避けるために電極内にとどまる必要がある。例えば、水が完全に蒸発させられた電極は通常、特により大きい厚さ、すなわち１００マイクロメータよりも大きい厚さにおいて亀裂を示す。
【００６７】
電極を水分のこれらの２つのレベルの間に保つ必要性は、電極製造プロセスをはるかにより複雑にするだけでなく、またその短いハンドリング時間に起因してそれらを使用するときに問題を与えもする。水は、電極が空気にさらされるときに蒸発させられ、標準電極の平均ハンドリング時間は、２０分であり、この時間の後、欠陥が、現れ始める。
【００６８】
この問題を解決するために、我々は、異なる沸点を有する２つの異なる溶媒内にカーボンペーストを準備する。
【００６９】
この例では、５０％グリセロールが水の一部を置き換える処方において追加された。結果として、電極の水は、被覆（乾燥）プロセス中に蒸発させられることになり、一方、グリセロールは、その高い沸点（２９０℃）に起因して電極内に残ることになり、電極にひびが入らないことを確実にし、それらがもろくなることを防止する。加えて、グリセロールを含有する電極は、はるかにより柔軟である。第２の溶媒を使用することによる電極のハンドリング時間は、約２０分から数時間または数週間および数か月さえにもなる。
【００７０】
利点
電極内に欠陥なし
グリセロール電極は、オーブン乾燥に起因する亀裂または表面欠陥を有さない。電極はまた、柔軟でもあり、曲げられてもよく、このように電極は、ロール状に作製されてもよい。別の利点は、グリセロール電極の電極厚さが、より大きくでき、それが、ＦＴＣ装置における電極のより高いイオン保存容量をもたらすということである。
【００７１】
改善されたハンドリング時間
標準電極およびグリセロール電極は、室温（２０℃）においてテーブル上に置かれ、図３ａ（初期）から、図３ｂ（３０分後）、図３ｃ（６０分後）、図３ｄ（９０分後）、および図３ｅ（１２０分後）と３０分ごとに撮影された（従来技術の電極は、画像の背景にあり、グリセロール電極は、前景にある）。従来技術の電極は、実験の開始前の乾燥を防止するように、打ち抜き後すぐに水に浸され、他方で、グリセロール電極はすでに、６か月の間空気にさらされていた。
【００７２】
図４は、周囲温度に１２０分の間乾燥され、それらがその後平らにされた後の従来技術の電極におけるクラックを開示する。
【００７３】
電極ハンドリング時間は、従来技術の電極についての約２０分からグリセロール電極についてのほとんど無限大まで増加する。それは、次の便益を与える。
・乾燥積み重ねの可能性、それ故に構築プロセスを自動化するのがより容易である。
・被覆プロセスの終わりに電極に再度水分を与える（水を噴霧することによって）必要がない。それは、被覆ライン酸化を防止し、従って機械の寿命を延ばす。
【００７４】
より強固なプロセス
最終溶媒含有量を設定するのが、より容易で、はるかにより正確である。それは、最終生成物の水分変動を低減する。その結果、はるかにより少ない電極が、規格外であり、それでより少数の不合格である。
【００７５】
電極のさらなる展開のための新しい可能性を開く
グリセロールは、水蒸発条件において蒸発させられないことになるので、電極は、被覆ラインのオーブンを数回通り抜けることができ、
・両面被覆電極。電流コレクタの両側にある電極を被覆することまたは
・電極上に膜を被覆することを可能にする。
【００７６】
粗さ試験
図５は、２４個の電極の粗さ平均を示す。本発明の一実施形態によるグリセロール電極Ｇは、従来技術による標準電極Ｓよりも２５％粗さが少ない。これは、スタック構築中の電極と膜との間の接触を改善し、それは、水を脱イオン化するための装置の品質を改善する。
【００７７】
開示される実施形態は、本発明の単に例示的なものであり、それらは、様々な形で具体化されてもよいことを理解すべきである。従って、本明細書で開示される特定の構造的および機能的詳細は、限定すると解釈されるべきでなく、単にクレームのための基礎としてかつ実質的に任意の適切に詳細な構造において本発明を様々に用いるように当業者に教示するための代表的な基礎として解釈すべきである。さらに、本明細書で使用される用語および語句は、限定することを意図されず、むしろ本発明の理解可能な説明を提供することを意図されている。
【００７８】
用語、「ａ」または「ａｎ」は、本明細書で使用される場合、１つまたは１つよりも多いと定義される。用語、ａｎｏｔｈｅｒまたはｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔは、本明細書で使用される場合、少なくとも第２のまたはそれ以上と定義される。用語、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇおよび／またはｈａｖｉｎｇは、本明細書で使用される場合、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（すなわち、他の要素またはステップを排除しない）と定義される。クレーム内の任意の参照符号は、クレームまたは本発明の範囲を限定すると解釈されるべきでない。ある方策が、互いに異なる従属クレームに列挙されるという単なる事実は、これらの方策の組み合わせが、役立つようには使用できないということを示さない。本発明の範囲は、次のクレームによって限定されるだけである。
【符号の説明】
【００７９】
１  イオン除去のための装置
３  フロースルーキャパシタスタック
４  第１の電極
５  第１の電流コレクタ
６  第２の電極
８  スペーサ
９  第２の電流コレクタ
１０  第２のコネクタ
１１  第１のコネクタ
１２  ゴムリング
１３  トレイ
１５  インサート
１７  ロッド
１８  ロッド
１９  コネクタの中空部分
２１  筐体
２２  筐体の上部
２３  筐体の最上部
２４  筐体の下部
２７  電力端子
２９  チューブ
３０  出口
３３  ネジ付き棒
３５  ナット
Ｃ  コントローラ
Ｇ  グリセロール電極
Ｓ  標準電極
【図１−２ａ】
2017527438.tif 000003
【図２ｂ】
2017527438.tif 000004
【図３ａ】
2017527438.tif 000005
【図３ｂ】
2017527438.tif 000006
【図３ｃ】
2017527438.tif 000007
【図３ｄ】
2017527438.tif 000008
【図３ｅ】
2017527438.tif 000009
【図４】
2017527438.tif 000010
【図５】
2017527438.tif 000011
【国際調査報告】
2017527438.tif 000012
2017527438.tif 000013
2017527438.tif 000014
2017527438.tif 000015
2017527438.tif 000016
2017527438.tif 000017