(57)【要約】自己洗浄電気化学セル、自己洗浄電気化学セルを含むシステム、および自己洗浄電気化学セルを動作させる方法が開示される。自己洗浄電気化学セルは、ハウジング内に同心配置された複数の電極と、前記同心電極間に画定される流体チャネルと、同心電極の遠位端に設置され且つ同心電極に電気的に接続された電気コネクタとを備える。前記電気コネクタは、同心電極に実質的に均一な電流分布を提供するとともに、前記電気コネクタの下流に生じる速度低下ゾーンを最小限に抑えるように構成することができる。前記電気コネクタは、１００Ｗの電力を送電している間の電解質溶液の温度の上昇が約０．５℃未満になるに構成することができる。
2020516442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己洗浄電気化学セルであって、
ハウジング内に該ハウジングの中心軸の周りに同心配置された複数の電極と、
前記複数の電極の隣接する電極の間に画定され且つ前記中心軸に実質的に平行に延びる流体チャネルと、
前記複数の電極の少なくとも1つの遠位端に設置され且つ前記複数の電極の少なくとも1つに電気的に接続された電気コネクタと、を備え、
前記電気コネクタは、前記流体チャネルを通して流体を流すことができ且つ前記複数の電極の前記少なくとも1つに実質的に均一な電流分布を提供すると同時に、前記電気コネクタの下流の流体チャネル内の速度低下ゾーンを所定の長さ未満に維持するように寸法決めされ、前記速度低下ゾーンは、流体流速が前記流体チャネル内の平均流体流速から２０％以内の偏差である流体チャネル内の領域と定義される、
自己洗浄電気化学セル。
【請求項２】
前記電気コネクタは、約７．８×１０-7オーム・メートル未満の平均抵抗率を有する、請求項１に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項３】
前記電気コネクタは、前記複数の電極の前記少なくとも１つに少なくとも１００Ｗの電力を送電するときに約２５Ｗ未満の熱を発生するように寸法決めされる、請求項２に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項４】
前記電気コネクタは、前記複数の電極の少なくとも１つに少なくとも１ｋＷの電力を送電するときに約２５Ｗ未満の熱を発生するように寸法決めされる、請求項３に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項５】
前記電気コネクタは、ホイールと該ホイールから延びる複数のスポークとを含む、請求項１に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項６】
前記隣接する電極間に配置されたセパレータをさらに備え、前記セパレータは、前記電気コネクタと結合するように構成された機構部を備える、請求項５に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項７】
前記セパレータの特徴部は、前記電気コネクタのスポークと嵌合するように構成されたスロットを含む、請求項６に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項８】
前記複数のスポークの各スポークは、前記電気コネクタの電気抵抗を最小限に抑え、少なくとも１００Ｗの電力を複数の電極の1つ少なくともに送電する際の電気コネクタの発熱を約０．１℃未満に維持するように寸法決めされる、請求項６に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項９】
前記複数のスポークは、前記ホイール上に実質的に均等に分布される、請求項６に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項１０】
前記スポークは、前記ハウジングの中心軸に平行な方向にアクアライン化した形状を有している、請求項６に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項１１】
前記隣接する電極のそれぞれの対の間に同心配置された複数の流体チャネルを備え、前記電気コネクタは、複数のホイールと、前記複数のホイールの隣接するホイール間に延びる複数のスポークとを備える、請求項１に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項１２】
前記隣接するホイールから延びるスポークは互いに角度オフセットされている、請求項１１に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項１３】
前記隣接するホイールから延びるスポークは互いに実質的に均等に角度オフセットされている、請求項１２に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項１４】
自己洗浄電気化学セルであって、
ハウジング内に該ハウジングの中心軸の周りに同心配置された複数の電極と、
前記複数の電極の隣接する電極の間に画定され且つ前記中心軸に実質的に平行に延びる流体チャネルと、
前記複数の電極の少なくとも1つの遠位端に設置され且つ前記複数の電極の少なくとも1つに電気的に接続された電気コネクタと、を備え、
電気コネクタは、前記チャネルを通して流体を流すことができるように寸法決めされ、且つ前記複数の電極の前記少なくとも１つに少なくとも１００Ｗの電力を送電している間に、前記流体チャネルを約２ｍ／ｓで流れる約２０℃の温度を有する電解質の温度が約０．５℃以上増加しないように構成されている、自己洗浄電気化学セル。
【請求項１５】
前記電気コネクタは、外部電源に接続するための電気接続部を含み、前記電気接続部と前記電極との間の電気コネクタの電気抵抗は、約５×１０-5オーム未満である、請求項１４に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項１６】
前記電気コネクタは、前記複数の電極に実質的に均一な電流分布を提供するように寸法決めされている、請求項１４に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項１７】
前記電気コネクタは、前記電気コネクタの下流の前記流体チャネル内の速度低下ゾーンを所定の長さ未満に維持するように寸法決めされている、請求項１４に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項１８】
前記所定の長さにおける平均からの電解質溶液の速度偏差は、前記流体チャネルを通る電解質溶液の平均流速の±５％未満である、請求項１７に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項１９】
前記所定の長さにおける平均からの電解質溶液の速度偏差は、前記流体チャネルを通る電解質溶液の平均流速の±２％未満である、請求項１８に記載の自己洗浄電気化学セル。
【請求項２０】
前記流体チャネルと流体連通する入口および出口を有する請求項１および１４の何れかに記載の自己洗浄電気化学セルと、
前記自己洗浄電気化学セルの入口に流体接続可能な出口を有し、電解質溶液を２ｍ／ｓ以上の平均流速で前記流体チャネルを通して供給するように構成された電解質溶液の供給源と、を備え、
前記自己洗浄電気化学セルは、前記電解質溶液から製品化合物を生成し、前記製品化合物を含む製品溶液を出力するように構成され、
前記自己洗浄電気化学セルは、前記出口を通して使用箇所に流体接続可能である、
システム。
【請求項２１】
前記電解質溶液の供給源は、海水、汽水、およびブラインのうちの少なくとも１つを備える、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記システムは、直列に配置された複数の自己洗浄電気化学セルを含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２３】
電気化学システムを動作させる方法であって、
請求項１および請求項１４の何れかに記載の自己洗浄電気化学セルを準備するステップと、
電解質溶液を約２ｍ／ｓ以上の平均流速で前記流体チャネルを通して前記自己洗浄電気化学セルに導入するステップ、
前記自己洗浄電気化学セル内の前記電解質溶液から製品化合物を生成するのに十分な電圧で前記複数の電極間に電流を供給するステップと、
電気化学システムを所定の期間連続的に動作させるステップと、
を含む、方法。
【請求項２４】
少なくとも６ヶ月の間前記電気化学システムを連続的に動作させるステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
複数の自己洗浄電気化学セルを準備するステップ、および前記複数の自己洗浄電気化学セルを直列に流体接続するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
この出願は、米国特許法３５条１１９項に基づいて、２０１７年４月１４日に提出された、「同心管型電気化学セルの内部電気接続」と題する、米国暫定出願第６２／４８５，５４２号に対して優先権を主張するものであり、その全内容はすべての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
技術分野
本明細書で開示される態様および実施形態は、一般に電気化学装置に関し、より具体的には、電気塩素化セルおよび装置、それを動作させる方法、およびそれを利用するシステムに関する。
【発明の概要】
【０００３】
一態様によれば、自己洗浄電気化学セルが提供される。前記自己洗浄電気化学セルは、ハウジング内にその中心軸の周りに同心配置された複数の電極と、前記複数の電極の隣接する電極間に画定され且つ中心軸に実質的に平行に延びる流体チャネルと、前記複数の電極のうちの少なくとも１つの遠位端に設置され、前記複数の電極のうちの前記少なくとも１つに電気的に接続された電気コネクタとを含む。いくつかの実施形態において、前記電気コネクタは、前記流体チャネルを通して流体を流すことができ且つ前記複数の電極のうちの前記少なくとも1つに実質的に均一な電流分布を提供すると同時に、前記電気コネクタの下流の前記流体チャンネル内に生じる速度低下ゾーンを所定の長さ以下に維持するように寸法決めすることができる。前記速度低下ゾーンは、流体流速がチャネル内の平均流体流速から２０％以内の偏差である流体チャネル内の領域と定義することができる。
【０００４】
いくつかの実施形態では、前記電気コネクタは、約７．８×１０-7オーム・メートル未満の平均抵抗率を有する。前記電気コネクタは、少なくとも１００Ｗの電力を前記複数の電極の前記少なくとも１つに送電するときに、約２５Ｗ未満の熱を生成するように寸法決めすることができる。前記電気コネクタは、少なくとも１ｋＷの電力を前記複数の電極の前記少なくとも１つに送電するときに約２５Ｗ未満の熱を生成するように寸法決めすることができる。
【０００５】
特定の実施形態によれば、前記電気コネクタは、ホイールと該ホイールから延びる複数のスポークとを備えてもよい。前記自己洗浄電気化学セルは、前記隣接する電極間に配置されたセパレータをさらに備えてもよく、前記セパレータは、前記電気コネクタと嵌合するように構成された機構部を備える。いくつかの実施形態では、前記セパレータの機構部は、電気コネクタのスポークと嵌合するように構成されたスロットを含んでよい。
【０００６】
いくつかの実施形態では、前記複数のスポークの各スポークは、前記電気コネクタの電気抵抗を最小限に抑え、少なくとも１００Ｗの電力を複数の電極の1つ少なくともに送電するときの電気コネクタの発熱を約０．１℃に維持するように寸法決めすることができる。
【０００７】
前記複数のスポークは、ホイール上に実質的に均等に分布させることができる。いくつかの実施形態では、前記スポークは、前記ハウジングの中心軸に平行な方向にアクアライン化した形状を有してもよい。
【０００８】
特定の実施形態によれば、前記自己洗浄電気化学セルは、前記隣接する電極のそれぞれの対の間に同心配置された複数の流体チャネルを備えてもよい。前記電気コネクタは、複数のホイールと、該複数のホイールの隣接するホイール間に延びる複数のスポークとを備えてもよい。隣接するホイールから延びるスポークは互いに角度オフセットしてよい。隣接するホイールから伸びるスポークは互いに実質的に均等にオフセットしてよい。
【０００９】
別の実施形態によれば、複数の電極と、流体チャネルと、および電気コネクタとを含む自己洗浄電気化学セルが提供される。複数の電極は、ハウジング内にハウジングの中心軸を中心に同心配置することができる。流体チャネルは、隣接する電極間に規定され、中心軸に実質的に平行に延在してよい。電気コネクタは、複数の電極のうちの１つ電極の遠位端に設置し、その電極に電気的に接続してよい。電気コネクタは、チャネルを通して流体を流すことができるように寸法決めされ且つ流体チャネルを約２ｍ／ｓで流れる約２０℃の温度を有する電解質の温度が、複数の電極の少なくとも１つに少なくとも１００Ｗの電力を送電している間に、約０．５℃以上増加しないように構成することができる。
【００１０】
電気コネクタは、外部電源に接続するための電気接続部を含んでもよい。いくつかの実施形態では、電気接続部と電極との間の電気コネクタの電気抵抗は、約５×１０-5オーム未満としてよい。
【００１１】
電気コネクタは、複数の電極に実質的に均一な電流分布を提供するように寸法決めしてもよい。電気コネクタは、電気コネクタの下流の流体チャネル内の速度低下ゾーンを所定の長さ未満に維持するように寸法決めしてよい。いくつかの実施形態では、所定の長さでの平均からの電解質溶液の速度偏差は、流体チャネルを通る電解質溶液の平均流速の±５％未満としてよい。いくつかの実施形態では、所定の長さでの平均からの速度偏差は、流体チャネルを通る電解質溶液の平均流速の±２％未満としてよい。
【００１２】
別の実施形態によれば、流体チャネルと流体連通する入口および出口を有する自己洗浄電気化学セルと、自己洗浄電気化学セルの入口に流体接続可能な出口を有する電解質溶液の供給源とを備えるシステムが提供される。電解質溶液の供給源は、電解質溶液を流体チャネルを通して２ｍ／ｓ以上の平均流速で供給するように構成してよい。自己洗浄電気化学セルは、電解質溶液から製品化合物を生成し、製品化合物を含む製品溶液を出力するように構成してよい。自己洗浄電気化学セルは、出口を通して使用箇所に流体接続可能とし得る。
【００１３】
いくつかの実施形態において、電解質溶液の供給源は、海水、汽水、およびブラインのうちの少なくとも１つを含み得る。前記システムは、直列に配置された複数の自己洗浄電気化学セルを含んでもよい。
【００１４】
別の態様によれば、電気化学システムを動作させる方法が提供される。この方法は、自己洗浄電気化学セルを準備するステップ、電解質溶液を約２ｍ／ｓ以上の流体チャネルを通して平均流速で自己洗浄電気化学セルに導入するステップ、自己洗浄電気化学セル内の電解質溶液から製品化合物を生成するのに十分な電圧で複数の電極間に電流を供給するステップ、および電気化学システムを所定の期間連続的に作動させるステップを含むことができる。
【００１５】
いくつかの実施形態では、この方法は、少なくとも６ヶ月間電気化学システムを連続的に動作させるステップを含むことができる。この方法は、複数の自己洗浄電気化学セルを準備するステップ、および複数の自己洗浄電気化学セルを直列に流体接続するステップを含むことができる。
【００１６】
本開示は、前述の態様および／または実施形態のいずれか１つまたは複数のすべての組み合わせ、ならびに詳細な説明および例に記載の実施形態のいずれか１つまたは複数との組み合わせを企図している。
【００１７】
添付図面は一定の縮尺で描くことが意図されているのではない。図面において、様々な図に示される同一またはほぼ同一の各構成要素は同等の番号で表されている。明瞭のために、すべての構成要素がすべての図面において番号付けされているわけではない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１Ａは、同心管型電気化学セルの一実施形態の等角投影図である。図１Ｂは、図１Ａの同心管型電気化学セルの断面図である。図１Ｃは、図１Ａの同心管型電気化学セルの立面図および断面図を含む。図１Ｄは、図１Ａの同心管型電気化学セルの別の等角投影図である。
【図２Ａ】同心管型電気化学セルの一実施形態を通る電流フローを示す。
【図２Ｂ】同心管型電気化学セルの別の実施形態を通る電流フローを示す。
【図２Ｃ】同心管型電気化学セルの別の実施形態を通る電流フローを示す。
【図３Ａ】一実施形態による、電気化学セルの断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの電気化学セルの一部の拡大断面図である。
【図３Ｃ】図３Ａの例示的な電気化学セルの断面図である。
【図４】いくつかの実施形態による、電気化学セルの流体チャネルを下る速度プロファイルのコンター図である。
【図５】別の実施形態による、電気化学セルの流体チャネルを下る速度プロファイルのコンター図である。
【図６】図６Ａは、一実施形態による、セパレータの等角投影図である。図６Ｂは、一実施形態による、セパレータの突起の立面図である。図６Ｃは、一実施形態による、セパレータの突起の平面図である。図６Ｄは、一実施形態による、セパレータの突起の等角投影図である。
【図７Ａ】一実施形態による、電極管間に配置されたセパレータの等角投影図である。
【図７Ｂ】図７Ａのセパレータおよび電極の立面図である。
【図７Ｃ】一実施形態によるセパレータの等角投影図である。
【図７Ｄ】図７Ｃのセパレータの立面図を含む。
【図８Ａ】一実施形態による電気化学セルの立面図である。
【図８Ｂ】図８Ａの電気化学セルの断面図である。
【図９Ａ】一実施形態による、エンドキャップの上からの平面図である。
【図９Ｂ】図９Ａのエンドキャップの下からの平面図である。
【図９Ｃ】図９Ａのエンドキャップの立面図である。
【図９Ｄ】図９Ａのエンドキャップの断面図である。
【図１０Ａ】一実施形態による、電気化学セルの一部の断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの電気化学セルの一部の分解図である。
【図１１Ａ】一実施形態による、電気化学セルの一部の断面図である。
【図１１Ｂ】別の実施形態による、電気化学セルの一部の等角投影図である。
【図１２】一実施形態による、電気化学セルの両端間の圧力降下のコンター図である。
【図１３】図１３Ａは、一実施形態による、電気化学セルの入口エンドキャップ内の入口圧力のコンター図である。図１３Ｂは、別の実施形態による、電気化学セルの入口エンドキャップ内の入口圧力の別のコンター図である。図１３Ｃは、別の実施形態による、電気化学セルの入口エンドキャップ内の入口圧力の別のコンター図である。
【図１４】図１４Ａは、様々な入口錐体部の実施形態を有する電気化学セルの入口エンドキャップ内の入口圧力のコンター図のコレクションである。図１４Ｂは、図１４Ａの入口錐体部の実施形態の圧力降下対錐体部角のグラフである。
【図１５】図１５Ａは、一実施形態による、電気化学セルの断面図である。図１５Ｂは、一実施形態による、出口錐台を有する電気化学セルの出口キャップ内の出口圧力のコンター図である。
【図１６】一実施形態による、電気化学セルの一部の等角投影図である。
【図１７Ａ】一実施形態による、電気化学セルの一部の等角投影図である。
【図１７Ｂ】図１７Ａの電気化学セルの別の部分の等角投影図である。
【図１７Ｃ】図１７の電気化学セルの別の部分の等角投影図である。
【図１８Ａ】一実施形態による、電気化学セルの一部の等角投影図である。
【図１８Ｂ】図１８Ａの電気化学セルの一部の平面図である。
【図１９Ａ】一実施形態による、セパレータの分解図である。
【図１９Ｂ】図１９Ａのセパレータの平面図である。
【図１９Ｃ】図１９Ａのセパレータの断面図である。
【図２０Ａ】一実施形態による、セパレータの一部の等角投影図である。
【図２０Ｂ】図２０Ａのセパレータの立面図である。
【図２０Ｃ】図２０Ａのセパレータの断面図である。
【図２１Ａ】一実施形態による、セパレータの等角投影図である。
【図２１Ｂ】図２１Ａのセパレータの立面図である。
【図２１Ｃ】図２１Ａのセパレータの断面図である。
【図２１Ｄ】図２１Ａのセパレータの分解図である。
【図２２】一実施形態による、セパレータより下流の平均からの速度偏差のグラフである。
【図２３Ａ】一実施形態による、電気化学セルの断面図である。
【図２３Ｂ】図２３Ａの電気化学セルの一部の拡大図である。
【図２３Ｃ】一実施形態による、電気化学セルの電気コネクタの立面図である。
【図２３Ｄ】図２３Ｃの電気コネクタの等角投影図である。
【図２４Ａ】一実施形態による電気コネクタの立面図である。
【図２４Ｂ】図２４Ａの電気コネクタの一部の拡大図である。
【図２４Ｃ】図２４Ａの電気コネクタの一部の側面図である。
【図２５】図２５Ａは、一実施形態による、電気化学セルの一部の等角投影図である。図２５Ｂは、図２５Ａの電気化学セルの該部分にわたる電流分布のコンター図を含む。図２５Ｃは、一実施形態による、電気化学セルの電気コネクタ周辺の温度のコンター図である。図２５Ｄは、一実施形態による、電気化学セルの電気コネクタより下流の速度のコンター図である。
【図２６】図２６Ａは、一実施形態による、電気化学セルの電気接続部の立面図である。図２６Ｂは、別の実施形態による、電気化学セルの代替電気接続部の立面図である。図２６Ｃは、図２６Ａ（左）および図２６Ｂ（右）の電気接続部の周りの電流分布の上面コンター図である。図２６Ｄは、図２６Ａ（左）および図２６Ｂ（右）の電気接続部の周りの電流分布の側面コンター図である。
【図２７】図２７Ａは、一実施形態による、電気化学セルの電気接続部の立面図である。図２７Ｂは、別の実施形態による、電気化学セルの代替電気接続部の立面図である。図２７Ｃは、図２７Ａ（左）および図２７Ｂ（右）の電気接続部の周りの電流分布の上面コンター図である。図２７Ｄは、図２７Ａ（左）および図２７Ｂ（右）の電気接続部の周りの電流分布の側面コンター図である。
【図２８】図２８Ａは、図２６Ａの電気コネクタを含む電気化学セルを通る流速のコンター図である。図２８Ｂは、図２６Ｂの電気コネクタを含む電気化学セルを通る流速のコンター図である。図２８Ｃは、図２７Ａの電気コネクタを含む電気化学セルを通る流速のコンター図である。図２８Ｄは、図２７Ｂの電気コネクタを含む電気化学セルを通る流速のコンター図である。
【図２９Ａ】一実施形態による、電気化学セルの電気コネクタおよびセパレータアセンブリの等角投影図である。
【図２９Ｂ】図２９Ａの電気コネクタおよびセパレータアセンブリの平面図である。
【図３０】一実施形態による、電気化学セルを通る流速のコンター図を含む。
【図３１】一実施形態による、電気化学セルを通る流速のコンター図を含む。
【図３２】一実施形態による、電気化学セルを通る流速のコンター図を含む。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本明細書に開示される態様および実施形態は、以下の説明に記載されるかまたは図面に示される構成の詳細および構成要素の配置に限定されない。本明細書に開示される態様および実施形態は、さまざまな方法で実施または実行することができる。本開示は電気塩素化セルおよび電気塩素化装置の様々な実施形態を説明するが、本開示は電気塩素化セルまたは装置に限定されず、本明細書に開示される態様および実施形態は、複数の目的のいずれか1つに使用される電解および電気化学セルに適用可能である。
【００２０】
電極での化学反応に基づく電気化学装置は、産業および自治体の事業で広く使用されている。化学反応の例は次のとおりである。
【００２１】
塩化ナトリウムと水から次亜塩素酸ナトリウムを生成する電気塩素化：
陽極での反応：２Ｃｌ−→Ｃｌ２＋２ｅ−
陰極での反応：２Ｎａ＋＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→２ＮａＯＨ＋Ｈ２
溶液中：Ｃｌ２＋２ＯＨ−→ＣｌＯ−＋Ｃｌ−＋Ｈ２０
全体の反応：ＮａＣｌ＋Ｈ２Ｏ→Ｎａ℃ｌ＋Ｈ２
【００２２】
陽極と陰極を分離する陽イオン交換膜を使用した、塩化ナトリウムと水からの水酸化ナトリウムと塩素の生成：
陽極での反応：２Ｃｌ−→Ｃｌ２＋２ｅ−
陰極での反応：２Ｈ２０＋２ｅ−→２ＯＨ−＋Ｈ２
全体の反応：２ＮａＣｌ＋２Ｈ２０→２ＮａＯＨ＋Ｃｌ２＋Ｈ２
【００２３】
電極を分離するプロトン透過膜を用いたエネルギー貯蔵用のバナジウムレドックス電池：
充電中：
第１電極での反応：Ｖ３＋＋ｅ−→Ｖ２＋
第２電極での反応：Ｖ４＋→Ｖ５＋ｅ−
放電中：
第１電極での反応：Ｖ２＋→Ｖ３＋ｅ−
第２電極での反応：Ｖ５＋＋ｅ−→Ｖ４＋
【００２４】
電気塩素化セルは、海上、沿岸、自治体、産業および商業の事業で使用することができる。電気化学装置の設計パラメータ、例えば、電極間の間隔、電極の厚さとコーティング密度、電極面積、電気接続の方法などは、さまざまな実施に合わせて最適化できる。
【００２５】
陰極で生成されたＨ２ガスの除去は、電気化学装置およびシステム全体の設計における主要な課題である。このガスは、配管内の選択した場所または製品タンクで安全に排気する必要がある。いくつかの実施形態では、Ｈ２ガスの生成を軽減するために、必要に応じ酸化剤を導入してＨ２Ｏ２を発生させてもよい。
【００２６】
本明細書に開示される態様および実施形態は、一般に、次亜塩素酸ナトリウムなどの殺菌剤を生成する電気化学装置に関する。 「電気化学装置」および「電気化学セル」という用語およびそれらの文法的変化は、「電気塩素化装置」および「電気塩素化セル」およびそれらの文法的変形を包含すると理解されたい。
【００２７】
本明細書に開示されるように、態様および実施形態は、同心管型電気化学セル（ＣＴＥ）に関する。図１Ａは、ハウジング１１６内に配置された同心管を有する例示的な電気化学セル１００を示す。外側管の内側表面および内側管の外側表面は、活性電極領域を含む。図１Ｂに示すように、供給電解質溶液は、電気化学セル１００の長さに沿って同心管１０２、１０４間を流れる。図１Ｄに示されるように、フローチャネルが同心管間の隙間により形成される。
【００２８】
この例示的な実施形態における電極間の隙間は約３．５ｍｍである。原料として海水を使用する特定のアプリケーション（海上および沿岸アプリケーションなど）では、流体チャネルを通る液体の速度は２．０ｍ/ｓより大きくすることができ、例えば２．１ｍ/ｓ程度に、最大３ｍ/ｓまで、最大３．５ｍ/ｓまで、最大６ｍ/ｓ、または最大１０ｍ/ｓまでとすることができ、その結果、強い乱流が生じ、電極表面のファウリングとスケーリングの可能性が減少する。
【００２９】
電気化学セル１００は、図１Ｃに示されるように、エンドキャップ１０６、１０８およびセンターキャップ１１０を含むことができる。電気化学セルは、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、錐体部１１２、１１４を含むことができる。錐体部１１２、１１４は内側電極に設けて供給電解質溶液を同心管１０２、１０４間の隙間に向けることができる。入口キャップ、出口キャップ、および中心キャップの１つ以上にセパレータ（位置合わせ機構部）を配置して、同心円管の内部位置を維持するとともに隙間を規定することができる。エンドキャップ、錐体部、およびセパレータは、電気化学セルを通る流速と圧力降下に影響を与る。流速が下がると、ファウリングおよびスケーリングの可能性が高まり、メンテナンスの必要性が高まる。直列に配置された複数の電気化学セルを備えたシステムでは、各電気化学セルにおける圧力降下がシステムに累積的な影響を及ぼす。本明細書に開示される特定の実施形態によれば、１つ以上の機構部は、電気化学セル内の流速および圧力降下への影響を低減するように設計することができる。さらに、１つまたは複数の機構部は、電気化学セルおよびその構成要素の製造が簡単になるように設計することができる。本明細書に開示されるように、機構部は、数学関数によって設計するか、自由に生成することができる。いくつかの実施形態では、機構部は経験的に生成するか、計算流体力学（ＣＦＤ）ソフトウェアを使用して設計することができる。
【００３０】
本明細書に開示される態様および実施形態は、１つ以上の電極を含むものとして説明される。本明細書で使用される「金属電極」という用語またはその文法的変化は、1つまたは複数の金属、例えばチタン、アルミニウムまたはニッケルから形成される、備える、または、からなる電極を含むものと解されるが、「金属電極」という用語は他の金属または合金を含む、またはからなる電極を除外するものではない。いくつかの実施形態では、「金属電極」は、異なる金属の複数の層を含んでよい。本明細書で開示される実施形態のいずれか1つ以上で利用される金属電極は、電解質溶液による化学的攻撃に対して高い耐性を有する金属または金属酸化物、例えば、チタン、プラチナ、混合金属酸化物（ＭＭＯ）、マグネタイト、フェライト、コバルトスピネル、タンタル、パラジウム、イリジウム、銀、金、またはその他のコーティング材料の層で被覆された高導電性金属、例えば銅またはアルミニウムのコアを含んでよい。
【００３１】
「金属電極」は、耐酸化性コーティング、例えば、限定はされないが、白金、混合金属酸化物（ＭＭＯ）、マグネタイト、フェライト、コバルトスピネル、タンタル、パラジウム、イリジウム、銀、金、またはその他のコーティング材料でコーティングしてよい。本明細書に開示される実施形態で利用される混合金属酸化物は、ルテニウム、ロジウム、タンタル（必要に応じアンチモンおよび/またはマンガンと合金化される）、チタン、イリジウム、亜鉛、スズ、アンチモン、チタンニッケル合金、チタン-銅合金、チタン-鉄合金、チタン-コバルト合金、または他の適切な金属または合金の1つまたは複数の酸化物を含み得る。本明細書に開示される実施形態で利用される陽極は、白金および／またはイリジウム、ルテニウム、スズ、ロジウム、またはタンタル（必要に応じアンチモンおよび／またはマンガンと合金化される）の１つ以上の酸化物でコーティングしてもよい。本明細書に開示される実施形態で利用される陰極は、白金および／またはイリジウム、ルテニウム、およびチタンのうちの１つまたは複数の酸化物でコーティングしてもよい。いくつかの実施形態では、電極の周期的な極性反転を可能にするために、陽極と陰極の両方を同じようにコーティングしてもよい。本明細書に開示される実施形態で利用される電極は、チタン、タンタル、ジルコニウム、ニオブ、タングステン、および／またはシリ錐体部のうちの１つまたは複数のベースを含んでもイベント。本明細書に開示される電気化学セルのいずれかの電極は、プレート、シート、箔、押出成形物、および/または焼結物として、またはそれらから形成することができる。
【００３２】
本明細書で使用される「管」という用語は、円筒形の導管を含むが、他の断面形状を有する導管、例えば、正方形、長方形、楕円形、または長円形の形状または正または不規則多角形の断面形状を有する導管を除外するものではない。
【００３３】
本明細書で使用される「同心管」または「同心螺旋」という用語は、実質的に共通の中心軸を共有する管または交互配置螺旋を含むが、必ずしも一組の同心管または交互配置螺旋内の同心管または交互配置螺旋の各々の中心にない共通の軸を囲む同心管または交互配置螺旋囲を除外するものではない。
【００３４】
一態様によれば、電気化学セルは同心管電極を含む。同心管電極の少なくともいくつかは、単極または双極としてよい。内側管電極は、耐酸化性コーティング、例えば白金またはＭＭＯを有する陽極とてよい。外側管電極はコーティングなしで、陰極として機能してよい。あるいは、内側管電極が陰極として機能し、外側管電極が陽極として機能してもよい。いくつかの実施形態では、両方の電極が極性反転を可能にするためにコーティングされる。
【００３５】
例示的な実施形態の電極は、電流が電極ごとに１回電解質を通過するように単極としてよい。電極のそれぞれは、チタン管を含み得る。陽極電気コネクタは、外側管電極と電気的に連通してよい。陰極電気コネクタは、内側管電極と電気的に連通してよい。中間管電極がある場合、中間管電極は内側管電極、外側管電極、またはその両方と電気的に連通してよい。いくつかの実施形態では、中間管電極は、表面を最大限に活用するために、内面と外面の両方に耐酸化性コーティング、例えば白金またはＭＭＯを有する陽極としてよい。中間管陽極は、陰極として機能する２つの電極で囲んでよい。
【００３６】
図２Ａ〜２Ｄは、ＣＴＥ電気化学セルにおける電極のいくつかの可能な例示的な配置を示す。図２Ａは、電流が陽極から陰極へ１つの経路で流れる例示的な構成を示している。両方の電極はチタンで作られ、陽極は白金または混合金属酸化物（ＭＭＯ）でコーティングされている。このような電極は「単極」と呼ばれる。
【００３７】
例示的な実施形態の電極は、電流が電極ごとに２回以上電解質を通過するように双極にすることもできる。例示的な実施形態では、双極管電極の一方の端部（いくつかの実施形態では電極の約半分）が陰極として機能するようにコーティングしないことができ、他方の端部（いくつかの実施形態では電極の約半分）が陽極として機能するように耐酸化性コーティング、例えば、プラチナまたはＭＭＯでコーティングすることができる。双極管電極は、陽極管電極および陰極管電極内に入れ子にし、各管電極が双極電極の一端部を囲むようにしてもよい。共通の直径を有する陽極管電極および陰極管電極は電気化学セルの長さに沿って横方向にずらせて位置させることができる。双極管電極は、電流が双極管電極と陽極管電極および陰極管電極との間を通過する電解質溶液を２つの経路で流れることができるように位置させることができる。
【００３８】
追加の双極電極を挿入し、それぞれの陽極管電極及び陰極管電極とオーバラップさせて、陽極管電極と陰極管電極が電気化学セルを通る軸方向に沿って複数の双極管電極の側部に交互に位置するようにすることによって、マルチ経路平行平板電極（ＰＰＥ）と同様に３つ以上の電流経路を提供するセルを組み立てることができる。
【００３９】
図２Ｂは、電流が２つの外側電極と１つの内側電極を備えた装置を２つの経路で流れる、典型的な配置を示している。２つの外側電極の一方は、例えば陽極として機能するように内面にコーティングがされており、他方はコーティングされていない。内側電極の外面の一部は、例えば陽極として機能するようにコーティングされ、残りの部分はコーティングされていない。電流は、電解質を介して被覆外側電極から内側電極の非被覆部分に流れ、次いで内側電極に沿って被覆部分に流れ、最後に電解質を横切って非被覆外側電極に流れる。内部電極は「双極」電極とも呼ばれる。
【００４０】
図２Ｃは、電流が複数の外側電極と１つの内側電極を備えた装置を複数の経路で流れる配置を示している。陰極部分と陽極部分を交互にし、必要に応じて電極をコーティングすることにより、電流が電解質を通って複数の経路で往復して流れることができる。経路の数はそれに応じて拡大することができる。
【００４１】
一態様によれば、電気化学セルは、複数の同心管電極を含む。複数の陽極または陰極管電極を含む本明細書に開示される実施形態では、複数の陽極管電極はひとまとめに陽極または陽極管と呼ぶこともでき、複数の陰極管電極はひとまとめに陰極または陰極管と呼ぶこともできる。複数の陽極および／または複数の陰極管電極を含む実施形態では、複数の陽極管電極および／または複数の陰極管電極は、本明細書ではひとまとめに陽極陰極対と呼ぶこともできる。
【００４２】
電気化学セルは、例えば、３、４、または５つの同心管を含むことができる。いくつかの実施形態では、電気化学セルは、３つまたは４つの同心管電極を含み、２つの外側管電極と１つまたは２つの内側管電極を含むことができる。４管の電気化学セルは、３管の電気化学セルと同様に機能するが、電解質溶液が２つではなく３つの流体チャネルを流れることができる。追加の電極管は、追加の陰極電極表面、陽極電極表面、および流体チャネルを提供することができる。同様に、５つの管電極を含む電気化学セルは、２つの外側管、３つの内側管、および４つの流体チャネルを含むことができる。第５の電極管は、さらに追加の陰極電極表面、陽極電極表面、および流体チャネルを提供することができる。管の数、経路の数、および電極構成（単極または双極）は変えることができる。管の数、経路の数、および電極の構成は、電気化学セルの望ましい用途に基づいて選択することができ。
【００４３】
本明細書に開示される多管電極配置は、単位体積当たりの活性面積を徐々に増大する。複数の同心管電極を含む電気化学セルまたは電気塩素化セルおよび装置で使用される管の数が増えるにつれて、最も内側の管の直径が次第に小さくなり、管あたりの有効表面積が小さくなる。しかしながら、全体的な結果は、他のＣＴＥ電極装置と比較すると、多管電極の方が大幅に大きい活性表面を有する。
【００４４】
本明細書で使用される、電気化学セルの「活性密度」という用語は、電気化学セル内の流体の処理を受ける流体が流れることができる活性または機能電極表面（電気化学セル内の流体の電気化学的処理に寄与する電流が流れる電極の表面）間の断面積と電気化学セルのハウジング内の総断面積との比として定義される。「活性密度」は、流体が流れることができる中心軸に垂直な平面内の面積を、中心軸に垂直な総断面積で割ったものと定義される。測定単位は無次元、分数またはパーセントである。本明細書で開示される態様および実施形態は、約４６％〜約５２％、約５０％超の活性密度、いくつかの実施形態では約７５％超の活性密度、いくつかの実施形態では８５％超の活性密度、いくつかの実施形態では９０％超の活性密度、およびいくつかの実施形態では約９５％までの活性密度、を有する電気化学セルを含む。
【００４５】
本明細書で使用される、電気化学セルの「全実装密度」という用語は、電気化学セルのハウジング内の全断面積に対する電気化学セルを通る流体の流れに垂直な平面における全機能電極経路長として定義される。「実装密度」は、電気化学装置内の電極の「活性表面積」を装置の総内部体積で割ったものある。測定単位は1/長さある（例：ｍ-1）。電極の「活性表面積」とは、電気化学装置内の電気化学反応に寄与する電流がそこからまたはそれに流れる電極の表面積である。対向表面を有する電極は、片面または両面に活性表面積を有し得る。 「陽極実装密度」は、電気化学装置の陽極の「活性表面積」を装置の総内部体積で割ったものある。 「陰極実装密度」とは、電気化学装置の陰極の「活性表面積」を装置の総内部体積で割ったものある。 「全電極実装密度」または「総電極実装密度」は、電気化学装置の陽極実装密度と陰極実装密度の合計である。本明細書に開示される電気化学セルの態様および実施形態は、陽極実装密度、陰極実装密度、および／または全電極実装密度が２ｍｍ-1以上を有することができる。
【００４６】
特定の実施形態によれば、電気化学セルの陽極および/または陰極管は、電気化学反応で生成された水素がより容易に電極を通って流れて電極表面での水素マスキング効果を低減するための開口を有してもよい。水素マスキング効果は、利用可能な陽極面積を減少させ、次亜塩素酸ナトリウムの出力を低下させる。加えてまたは代りに、陽極および/または陰極は、流体透過性および/または有孔またはメッシュ材料、例えば有孔チタンまたはチタンメッシュとしてもよい。電気化学セルは、セル内で、例えば電気塩素化反応により生成された水素と結合し、水または過酸化水素を生成する酸化剤を供給するためのガス導管を含んでもよい。いくつかの実施形態では、電池内で酸化剤と水素の反応を促進するために、例えば陰極上および／または陰極内に触媒が提供されてもよい。
【００４７】
電極の表面積は波形の使用により増やすことができる。電気化学セルは、陽極または陰極の一方が波形で、陽極または陰極の他方が波形でないものとしてもよい。電気化学セルは、マルチチャネル波形電極形状を含んでもよい。他の実施形態では、陽極および陰極は、電極表面積を増加させるために例示のもと異なる湾曲形状を有してもよい。ただし、波形は乱流を増加させ、それに対応して電気化学セルを通る平均流速を低下させる可能性があることに注意する必要がある。したがって、波形電極セルは補償のために入口流速を上げることを必要とする。
【００４８】
陰極でのまたは陰極における水素低減のための表面積は、陽極ごとに複数のガス拡散陰極を使用することで増加することができる。複数のガス拡散陰極には、軸方向または平行なガス導管を介して、例えば酸素などのガス（酸化剤）を供給することができる。
【００４９】
本明細書に開示される電気化学セルの態様および実施形態は、すべてまたは実質的にすべての流体をハウジングの中心軸に実質的にまたは完全に平行な方向に陽極および陰極間の活性領域または隙間を通過するように導くよう構成および配置された陽極および陰極（または陽極陰極ペア）を含み得る。いくつかの実施形態において、隙間は、流体チャネルと呼ばれることもある。流体チャネルは、０．５ｍから２．０ｍの間、例えば約１．０ｍの長さを有し得る。いくつかの実施形態では、流体チャネルは３．０ｍ以上延在してもよい。活性領域を通る実質的にまたは完全に平行な方向は、陽極および陰極（または陽極陰極ペア）に平行または実質的に平行にすることができる。活性領域を流れる流体は、活性領域を流れる間に流体の流れが乱流および/または渦流を示しても、依然として活性領域を実質的にまたは完全に平行な方向に流れるとみなすことができる。
【００５０】
同心管電極、例えば、本明細書に開示される１つまたは複数の陽極および/または陰極、を含む電気化学セルのいくつかの態様および実施形態では、電極は、電極間の1つまたは複数の隙間を通して電気化学セルの中心軸（図３Ｂに点線として示されている）平行な方向に流体を導くように構成および配置される。いくつかの態様および実施形態では、電極は、電気化学セルに導入されるすべての流体を電極間の1つまたは複数の隙間を通して電気化学セルの中心軸に平行な方向に導くように構成および配置される。
【００５１】
電極間の隙間の幅は一定でも可変でもよい。電極間の隙間の幅は、例えば、直径で約１ｍｍ〜約７ｍｍ、直径で約１ｍｍ〜約５ｍｍ、または直径で約３ｍｍ〜約５ｍｍであってよい。いくつかの実施形態では、電極間の隙間の幅は、約２．０ｍｍ、約２．５ｍｍ、約３．０ｍｍ、約３．５ｍｍ、または約４．０ｍｍであってよい。隙間の幅および電気化学セルの設計は、電気化学セルで処理される電解質のタイプに基づいて選択することができる。
【００５２】
例示的な実施形態では、供給電解質溶液は、３つの管電極の間に形成された２つの環状隙間（すなわち、流体チャネル）を通って流れる。一定または可変のＤＣ電圧、またはいくつかの実施形態ではＡＣ電流を陽極および陰極電気コネクタ間に印加することができる。電流は、陽極の内側と外側の表面（中間の管電極）から内側と外側の陰極（内側管電極と外側管電極）に同時に流れる。電気接続は、電極と同じ材料、例えばチタンで形成することができる1つまたは複数の導電性ブリッジによって管電極間で行うことができる。電気化学反応および化学反応が電極の表面でおよびバルク溶液内で発生し、製品溶液を生成することができる。例えば、電気化学的および化学的反応が電極の表面でおよびバルク溶液内で起こり、管電極間に形成された流体チャネル内に製品溶液を生成することができる。
【００５３】
一般に、電気化学システムにはブライン、汽水、または海水が供給されるが、供給溶液は限定ではない。電気化学セルの設計パラメータは、一般に、供給溶液の組成および/または製品溶液の所望の組成に基づいて選択することができる。海水は一般に、約３．０％〜４．０％の塩分を有し、例えば、海水は約３．５％、３．６％、または３．７％の塩分を有し得る。海水には、ナトリウム、塩化物、マグネシウム、硫酸塩、カルシウムなどの溶解イオンが含まれる。海水は、硫黄、カリウム、臭化物、炭素、およびバナジウムのうちの1つまたは複数をさらに含み得る。海水は、約３５，０００ｍｇ／ｌの総溶解固形分（ＴＤＳ）を含むこともある。一般に、ブラインは約３．５％を超える塩分を有する。例えば、ブラインは、約４．０％、４．５％、５．０％、７．５％、または約１０％の塩分を有し得る。ブラインのＴＤＳ含有量は、約３５，０００ｍｇ／ｌを超えることもある。飽和食塩水は、最大約２５．０％の塩分を有する。汽水は一般に塩分が３．５％未満です。汽水は、約３．０％、２．５％、２．０％、または１．０％の塩分を有する。汽水は、約３５，０００ｍｇ／ｌ未満のＴＤＳ含有量を有することもある。例えば、汽水は、約１，０００ｍｇ／ｌ〜約１０，０００ｍｇ／ｌのＴＤＳ含有量を有し得る。
【００５４】
一般に、電解質溶液の導電率は、塩分に応じて、約０〜２５Ｓ／ｃｍであり得る。約０．５％〜２．０％の塩分を有する汽水は、約０．５Ｓ／ｃｍ〜約４．０Ｓ／ｃｍ、例えば、約０．８Ｓ／ｃｍまたは約３．０Ｓ／ｃｍの導電率を有し得る。約３．５％の塩分を有する海水は、約４．５Ｓ／ｃｍ〜５．５Ｓ／ｃｍ、例えば、約５．０Ｓ／ｃｍまたは約４．８Ｓ／ｃｍの導電率を有し得る。約５．０％〜１０％の塩分を有する塩水は、約７Ｓ／ｃｍ〜１３．０Ｓ／ｃｍ、例えば約１２．６Ｓ／ｃｍの導電率を有し得る。約２５％の塩分を有する飽和ブラインは、約２０．０Ｓ／ｃｍ〜約２３．０Ｓ／ｃｍ、例えば約２２．２Ｓ／ｃｍの導電率を有し得る。塩分と導電率は、線形関係：ｙ＝０．９１３２ｘ＋１．６３３２；に従う可能性があり、ここでyは導電率（Ｓ／ｃｍ）、ｘはパーセント塩分（％ＮａＣｌ）である。
【００５５】
一般に電気化学セル内の低速領域でスケーリングとファウリングが発生し得る。従来、スケーリングを除去するには酸洗浄が必要とされ得る。酸洗浄では、電気化学セルをオフラインにする必要があり、生産と使用が制限される。本明細書で開示されるように、電気化学セルの構成要素は、低速度の領域を縮小し、スケーリングおよびファウリングを低減するように設計することができる。自己洗浄特性を維持するために必要とされる平均流体速度は、電解質溶液の品質に依存し得る。本明細書で使用される場合、自己洗浄流体速度は、スケール形成が実質的に最小限に抑えられる平均バルク流体速度である。自己洗浄流体速度は、電気化学セル内のスケール形成を最小化、制限、または実質的に低減するように選択することができる。自己洗浄流体の速度を維持し、および/または速度が低下したゾーンを最小化すると、装置の酸洗浄の必要性を大幅に低減または排除することができる。したがって、装置は、一般的に電極またはそのコーティングが劣化するまで、はるかに長い期間に亘って連続使用状態に維持することができる。
【００５６】
典型的には、電気化学セル、例えば海水を処理するために使用される電気化学セルの自己洗浄特性を維持するために、バルク流体速度は平均速度２ｍ／ｓより上に維持される。例えば、室温（２０〜２５oＣ）で約１０００〜１４００ｐｐｍのマグネシウム濃度および約３００〜４５０ｐｐｍのカルシウム濃度を有する海水または水では、自己洗浄特性を維持するために、約２ｍ／ｓ以上の平均流速が必要とされ得る。より高い硬度、例えば最大約５００ｐｐｍのＣａおよび１８００ｐｐｍのＭｇを有する海水または水（紅海の水）では、自己洗浄特性を維持するためにより大きな平均流速が必要とされ得る。このような海水は、自己洗浄特性を維持するために約２．５ｍ／ｓまたは３．０ｍ／ｓの平均流速が必要とされ得る。より低い硬度、例えば、約２００ｐｐｍのＣａと約７００ｐｐｍのＭｇを有する海水または水（アラビア湾の水）は、より低い平均流速で自己洗浄特性を維持することができる。例えば、このような海水は、約１．５ｍ／ｓまたは１．８ｍ／ｓの平均流速で自己洗浄特性を維持することができる。
【００５７】
約２０℃または２５℃を超える海水（例えば、約４０℃になり得るアラビア湾の水）または約２０℃または２５℃未満の海水（例えば、約０℃になり得る北海の水）も、それぞれ低い平均流速または大きい平均速度で自己洗浄特性を維持することができる。さらに、汽水およびブラインは、低い平均流速で自己洗浄特性を維持することができる。
【００５８】
平均流速は、電気化学セルの自己洗浄特性を維持するために、必要に応じて維持され得る。例えば、流速は、特定の電解質溶液に対して自己洗浄特性を維持するために、必要に応じ、約１．５ｍ／ｓより大きく、約１．５ｍ／ｓから約２ｍ／ｓの間に、約２ｍ／ｓより大きく、約２ｍ／ｓから約２．５ｍ／ｓの間に、約２．５ｍ／ｓより大きく、約２．５ｍ／ｓから３．０ｍ／ｓの間に、または約３．５ｍ／ｓより大きく維持され得る。特定の供給ストリームに対して、流速は４ｍ／ｓ、５ｍ／ｓ、６ｍ／ｓ、７ｍ／ｓ、８ｍ／ｓ、９ｍ／ｓ、または１０ｍ／ｓに維持され得る。以下でより詳細に説明されるように、自己洗浄速度未満の平均速度は所定の長さ以内で解消することができる。
【００５９】
本明細書に開示されるいくつかの実施形態では、電極、例えば、陰極および陽極は、ハウジング内にハウジングの中心軸を中心として同心配置することができる。電極は非金属製のハウジングに挿入し、防水コネクタでＤＣまたはＡＣ電源に接続して、電気的に通電している構成要素が外部環境にさらされないようにすることができる。この設計は一般にオペレータにとって安全であり、装置と外部接地構成要素または液体との間の短絡の恐れはない。
【００６０】
電極は、電極を外部環境から電気的に絶縁するとともに電気化学セルを通過する電解質溶液の液圧に耐えるように設計された非金属製ハウジング内に配置することができる。ハウジングは、非導電性で、電解質溶液に対して化学的に非反応性であり、且つシステム圧力、システムの高周波振動、および環境の低周波振動（船内など）に耐える十分な強度を有するものとすることができる。ハウジングは、最大１６Ｂａｒの圧力に耐える十分な強度を有することができる。ハウジングは、１０ｍ／ｓまでの電解質溶液流量に耐える十分な強度を有することができる。ハウジングは、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、繊維強化ポリマー（ＦＲＰ）、またはその他の適切な材料のうちの1つ以上を含むことができ、いくつかの実施形態では、例えば、ポリマーマトリックスに埋め込まれたガラス繊維または炭素繊維などの強化要素を含んでもよい。電極コネクタは、ハウジングの端部でハウジングの壁の外まで延在させることができる。いくつかの実施形態では、電極コネクタは、ハウジングの両端でハウジングの壁の外まで延在させてもよい。
【００６１】
図３Ａ〜３Ｃに示されるように、電気化学セル１０００は、電極１０２０と１０４０との間の隙間を維持するように構成された１つ以上のセパレータ１１８０を含むことができる。セパレータ１１８０は、電極１０２０と１０４０との間（図３Ｃに示される）、例えば陰極と陽極との間に存在するように配置することができる。流体チャネル（図３Ｃにおいて電極１０２０と１０４０との間に示される）を維持するために、セパレータ１１８０は、電極１０２０と１０４０との間の隙間の幅を維持する高さを有し、電極１０２０と１０４０を局在させるとともに、管の同心性を維持するように寸法決めしてよい（図３Ｂに示される）。セパレータ１１８０は、流体がチャネルを流れることを許容する寸法にしてよい。
【００６２】
図７Ａ〜７Ｂは、セパレータ１１８０の別の実施形態を示す。図７Ａに示されるように、各セパレータ１１８０は、電極管１０２０、１０４０の端部に付着するように構成し配置することができる。セパレータは、図７Ｂに示すように電極管１０２０、１０４０内に配置することができる。セパレータ１１８０は、電極または電気コネクタと結合する１つ以上の機構部１１８６を含み得る。本明細書で使用される「結合」は、２つ以上の要素間の接続を指す。接続は機械的および/または電気的としてよい。結合機構部は、電極または電気コネクタに対するセパレータの回転を防止し、位置合わせを維持するために使用することができる。図７Ｃ〜７Ｄに示されるようなモールド成形された機構部１１８６は、他の結合要素の必要性を軽減し、電気化学セルの組み立てを容易にすることができる。いくつかの実施形態では、セパレータは、電極管と結合して同心電極管の同心性を維持するように構成されたスロット、クランプ、または一体型接続機構部を備えてもよい。
【００６３】
セパレータは、高圧に耐えることができる化学的に不活性な非導電性材料で構成することができる。いくつかの実施形態では、セパレータは、最大１６バールの圧力、システム高周波振動、および環境低周波振動（例えば、船上）に耐えるように構成することもできる。セパレータは、最大１０ｍ／ｓの電解質溶液流量に耐えるように構成することもできる。セパレータは、プラスチックまたはセラミックで構成することもできる。セパレータは、１つ以上のＰＶＣ、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ＡＢＳ、ＨＤＰＥ、ＦＲＰ、または他の適切な材料で構成することもできる。いくつかの実施形態では、製造および組み立てを容易にするために、セパレータは射出成形することもできる。
【００６４】
セパレータなどのフロー機構部は電解質溶液の流れを妨げる傾向があり、セパレータの下流に速度低下領域（「速度低下ゾーン」とも呼ばれる）を生じる。前述したように、平均流速の低下は電気化学セルの自己洗浄性を損なう可能性がある。したがって、自己洗浄速度未満の平均速度は、セパレータから下流の流体チャネルの所定の長さ以内で解消しなければならない。セパレータのない自己洗浄式電気化学セルは、電気化学セルの入口から例えば２０ｍｍ以内で速度低下ゾーンを解消することができる。いくつかの例示的な実施形態では、図４に示すように、速度低下ゾーンがセパレータから１４０ｍｍ以内で解消されるとき、自己洗浄特性が満たされる。いくつかの実施形態によれば、セパレータは、２０ｍｍ以内で（図４）または６０ｍｍ以内で（図５）速度低下ゾーンを解消するように寸法決めすることができる。
【００６５】
速度低下ゾーンは、電解質溶液の流速がチャネルを通る溶液の平均流速または自己洗浄速度よりも低い領域と定義することができる。セパレータにより生じる速度低下ゾーンは一般にセパレータの下流に位置するが、電気化学セル内には他の速度低下ゾーンが存在し得る。いくつかの実施形態では、速度低下ゾーンは、平均電解質溶液流速が自己洗浄速度または流体チャネルを通る平均速度よりも少なくとも２％、５％、１０％、１５％、２０％、または２５％低い領域と定義される。少なくとも２ｍ／ｓの自己洗浄速度または平均流速を有する例示的な電気化学セルに対して、速度低下ゾーンは、２ｍ／ｓより低い任意の流速と定義することができ、例えば２ｍ／ｓより少なくとも２５％低い流速（たとえば、１．５ｍ／ｓ）未満、２ｍ／ｓより少なくとも２０％低い流速（たとえば、１．６ｍ／ｓ）未満、２ｍ／ｓより少なくとも１５％低い流速（たとえば、１．７ｍ／ｓ）未満、２ｍ／ｓより少なくとも１０％低い流速（たとえば、１．８ｍ／ｓ）未満、２ｍ／ｓより少なくとも５％低い流速（たとえば、１．９ｍ／ｓ）未満、２ｍ／ｓより少なくとも２％低い流速（たとえば、１．９６  ｍ／ｓ）未満とすることができる。
【００６６】
速度低下ゾーン内の任意の平均流速に関して、該ゾーンは、流体速度が自己洗浄流体速度に等しいか電気化学セル内の平均流体速度に等しい平均バルク速度に回復するとき終了する。例えば、速度低下ゾーンは、平均流体速度が２ｍ  ／ｓ（または他の任意の自己洗浄速度）に達するとき解消する、所定の速度プロファイルを有し得る。いくつかの実施形態では、速度低下ゾーンは、その平均流体速度が自己洗浄速度または電気化学セル内の平均速度の１％、２％、５％、または１０％以内の速度に達するとき、終了する。したがって、２ｍ ／秒の自己洗浄速度を有する例示的な電気化学セルの場合、平均流体速度が２ｍ ／秒、１．９８ｍ ／秒（１％以内）、１．９６ｍ/ s（２％以内）、１．９ｍ／ｓ（５％以内）、または１．８ｍ／ｓ（１０％以内）に回復するとき、速度低下ゾーンは終了することができる。いくつかの実施形態では、速度低下ゾーンは、平均流体速度が入口流体速度、例えばセパレータの上流の流体速度に回復するとき終了する。速度低下ゾーンは、平均流体速度が入口流体速度の１％、２％、５％、または１０％以内の流体速度に回復するとき終了することができる。
【００６７】
速度低下ゾーンは、電気化学セルを通るバルク電解質溶液の平均流速からの速度偏差によって特徴付けることもできる。速度低下ゾーン内の速度差は、通常、速度低下ゾーンとセパレータの境界（つまり、セパレーターのすぐ下流）で最大になる。この速度差は、その差が電気化学セルの平均流速からあるパーセンテージ以内になるまで、下流で正規化する傾向がある。例示的な実施形態では、速度差は、図２２のグラフの曲線に従う。いくつかの実施形態では、速度低下ゾーン内の速度偏差は、平均流速の±２０％を超えず、例えば±１８％を超えず、±１５％を超えない。速度低下ゾーンは、速度差が平均流速の±５％以内、±２％以内、±１％以内であるときに終了し得る。平均流速は、定義により、平均速度であるため、速度差は、電気化学セルの長さ全体にわたって自己洗浄速度からわずかなパーセンテージ内にとどまり得ると考えられる。
【００６８】
セパレータは、セパレータの下流の流体チャネルで自然に発生する速度低下ゾーンを最小化するように設計することもできる。電気化学セルの自己洗浄特性を維持するために、速度低下ゾーンは最小化される。セパレータは、速度低下ゾーンを所定の長さ以内に維持するように寸法決めすることができる。一般に、速度低下ゾーンの所定の長さは、流体チャネルを通る平均流速および/または電解質溶液の組成に基づいて、スケーリングを最小限に抑えるまたは排除するように選択することができる。所定の長さは、例えば、流体チャネルの長さの約２％〜５％、例えば約５％未満としてよい。いくつかの実施形態では、所定の長さは、流体チャネルの約５％、４％、３％、２％、または１％未満としてよい。特定の電解質溶液は、他の電界質溶液より大きな所定の長さを許容し得る。電解質溶液の組成、硬度、および温度は、電気化学セルの耐スケーリング性の決定に影響を与え得る。
【００６９】
いくつかの実施形態では、所定の長さは、流体チャネルの幅に関して記述される。例えば、流体チャネルの幅に対する速度低下ゾーンの長さの比は、１２０〜３．５未満とし得る。この比は、３．５ｍｍのチャネル幅に対して１２０ｍｍ未満の長さ、３．０ｍｍのチャネル幅に対して１０２．８ｍｍ未満の長さ、幅２．５ｍｍのャネルに対して８５．７ｍｍ未満の長さ、等を持つ速度低下ゾーンに対応する。速度低下ゾーンの長さ対流体チャネルの幅の比は、１００対３．５、６０対３．５、または２０対３．５未満とし得る。いくつかの実施形態では、所定の長さは、２．０ｍ／秒〜２．５ｍ／秒の平均流速、たとえば、２．０ｍ／ｓ、２．１ｍ／ｓ、２．２ｍ／ｓ、２．３ｍ／ｓ、２．４ｍ／または２．５ｍ／ｓで流体チャネルを流れる電解質溶液に対して１４０ｍｍ、１２０ｍｍ、１００ｍｍ、６０ｍｍ、または２０ｍｍ以内とし得る。
【００７０】
いくつかの実施形態では、セパレータは、所定のフロー領域のみをチャネルに通過可能にすることによって速度低下ゾーンを最小化するように設計される。セパレータは、流体チャネルのフロー領域の所定のパーセンテージを占める断面積を有するように寸法決めしてよい。例えば、セパレータは、流体チャネルのフロー領域の１０％から３５％の間の断面積を有するように寸法決めしてよい。セパレータは、流体チャネルのフロー領域の約１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、または３５％未満の断面積を有するように寸法決めしてよい。一般に、セパレータは、流体チャネルを支持しながら、可能な限り小さい断面積を有するように（すなわち、最大の溶液フローを可能にするように）設計してよい。セパレータの断面積は、電気化学セルの自己洗浄特性を維持するために、セパレータの下流で発生する速度低下ゾーンを最小限に抑えながら、電極管への適切な支持を提供し同心性を維持するように設計することがでる。
【００７１】
セパレータは、電解質溶液の平均速度からの偏差を、流体チャネルを通る電解質溶液の平均流速の±２０％、たとえば±１８％、または±１５％以内に維持するように設計することができる。セパレータは、セパレータの下流の平均からの速度偏差を最小限に抑えるように寸法決めすることができる。たとえば、セパレータは、セパレータのすぐ隣における平均からの速度偏差を最小化することができる。いくつかの実施形態では、平均からの速度偏差を最小限に抑えるために、セパレータはアクアライン化してよい。本明細書で説明されるように、「アクアライン化」とは、溶液の流れに対して流線形化された形状を有する構成要素を意味し得る。アクアライン化は、平均からの下流の速度偏差を最小にする形状を含んでもよい。いくつかの実施形態では、アクアライン化された形状は、下流に渦を全くまたはほとんど形成しない。アクアライン化形状は、層流を提供するものに限定する必要はなく、乱流で囲まれてもよい。いくつかの実施形態では、アクアライン化形状は、電気化学セルを通る電解質溶液の流れの乱流に殆ど寄与しない。
【００７２】
特定の実施形態によれば、図６Ａに示すように、セパレータは、リング１１８２と、リング１１８２から延びる複数の突起１１８４とを備えることができる。セパレータは突起１１８２間で流体の流れを可能にする（例えば、図３Ｃに示す）。セパレータの位置合わせのために設けられた機構部１１８６はリング１１８２上に、例えば、隣接する突起の間に、配置することができる。突起１１８４は、チャネルを通る流体の流れを可能にしつつ、電極管の間の隙間を維持するために設けることができる。したがって、突起は、流体チャネルの幅を維持する高さを有するように寸法決めすることができる。図６Ｂ〜６Ｄに示すように、Ｈは流体チャネルの幅に本質的に等しい突起の高さであり、Ｗは突起の幅であり、Ｌは流体チャネルに沿った突起の長さである。突起１１８４は、一端でリング１１８２に取り付けられ、リングから半径方向外側に、またはリングから半径方向内側に延在してよい。突起がリングから半径方向外側および半径方向内側に延在する実施形態では、図６Ａに示されるように、高さは、流体チャネルの幅の半分に本質的に等しくてよい。
【００７３】
典型的には、突起は、図６Ｃおよび図６Ｄに示されるように、長さＬ（フローチャネルの下り方向に規定される）を有し得る。さらに、突起は、流れる電解質への抵抗を低減するために、流線形化またはアクアライン化してよい。いくつかの実施形態では、突起は、球形、円筒形、卵形、涙滴形、アーモンド形、ダイヤモンド形（細長いまたは対称）、または丸みを帯びた三角形であってもよい。突起は、円形、楕円形、三角形、ダイヤモンド形、または涙滴の断面形状を有してもよい。
【００７４】
セパレータは、一般的に、電極管を支持するのに十分な突起を備えてよい。いくつかの実施形態では、セパレータは、２〜８個の突起、例えば、３〜６個の突起を有してもよい。セパレータは、例えば、３、４、５、または６個の突起を有してもよい。リングと突起の寸法は、速度低下ゾーンを最小化するように設計することができる。例えば、突起の数および配置は、速度低下ゾーンを最小化するか、または速度低下ゾーンを所定の長さ以内に維持するように選択することができる。したがって、セパレータは、流体チャネルの流れ断面積の１０％から３５％の間のセパレータ断面積を生じる数および幅の突起を有することができる。いくつかの実施形態では、突起は、（例えば、図６Ａに示されるように）均等な支持を提供するために、リング上に実質的に等間隔に配置することができる。同様に、突起の長さおよび幅は、速度低下ゾーンを最小化するか、または速度低下ゾーンを所定の長さ以内に維持するように選択することができる。突起は、電極に十分な構造的支持を提供するが、実質的に過度の流れ抵抗をもたさない幅（例えば、突起の数に基づく）有するように寸法決めすることができる。特定の材料に関して、突起は、適切な支持も提供する製造可能な最小幅が存在し得る。いくつかの実施形態では、突起は、高さの０．５〜２倍、例えば、高さの０．５〜１倍、または高さの１〜２倍の幅を有するように寸法決めすることができる。
【００７５】
典型的な電気塩素化セルは１〜５ｍｍのチャネル幅を有し得る。そのような電気化学セルは、０．５〜３ｍｍの幅のリング、１〜５ｍｍの高さ（チャネル幅に対応）を有する突起、１〜１０ｍｍの幅を有する突起、および１〜１０ｍｍの長さを有する突起を有するセパレータを含み得る。例示的な電気化学セルは、３．０ｍｍ〜３．５ｍｍのチャネル幅を有し得る。そのような電気化学セルは、１ｍｍの幅を有するリングと、２．５〜７ｍｍの幅および５〜１０ｍｍの長さを有する突起とを含むことができ、長さは幅より長い。リングは、流体チャネルのほぼ中央に配置され、突起がリングから両方向に延びていてもよい。この例示的なリングの突起の高さは、端から端までの測定値とすることができる。いくつかの実施形態では、リングは電極の一方に対して配置され、突起は反対側の電極に向かって実質的に一方向に延びる。
【００７６】
前述のように、電気化学セルは、複数の同心管電極、例えば、３、４、または５つの同心管電極を含むことができる。同心管電極が追加されるごとに、追加の陰極電極表面、追加の陽極電極表面、および追加の流体チャネルが提供される。各流体チャネルは各隣接する陰極と陽極との間に画定され、各流体チャネルは他の流体チャネルおよびハウジングの中心軸と実質的に平行に延在することができる。さらに、各流体チャネルは、流体チャネルを維持するために電極間に存在するセパレータと関連付けることができる。したがって、電気化学セルは、同心電極間に存在する複数の同心セパレータを備えることができる。
【００７７】
いくつかの実施形態では、例えば、図１６に示されるように、電気化学セル１０００は、複数の連続する電極１０２０、１０２２を備えることができる。連続する電極１０２０、１０２２は、ハウジング（図１６には図示せず）の長さに沿って配置することができる。図１７Ａ〜１７Ｃに示すように、電気化学セル１０００は、連続する電極１０２０、１０２２の間に配置された１つ以上のセパレータ１２００を含むことができる。セパレータ１２００は、（例えば、スロット、クランプ、または電気接続部等の機構部によって）連続する電極１０２０、１０２２と結合するように設置、配置、および構成し、電極を電気化学セル内に位置づけることができる。さらに、例えば、同心電極１０２０、１０４０および連続する電極１０２０、１０２２が存在する場合には、図１８Ａおよび１８Ｂに示されるように、複数の同心セパレータ１２００を連続する電極１０２０、１０２２間に配置し、連続電極の同心性を維持するように構成することができる。
【００７８】
連続する電極の間に配置されるセパレータは、複数の隣接するリング１２２０を備えてよい。隣接するリング１２２０のいくつかの実施形態は、図１９−２１に示されている。例えば、セパレータは、２つ、３つ、または４つの隣接するリングを備えてよい。いくつかの実施形態では、隣接するリングの少なくとも1つは前述したような複数の突起を備える。隣接するリングは、互いにおよび/または隣接する連続電極と結合するように構成してよい。セパレータの下流に存在する速度低下ゾーンを低減するために、隣接するリングの間に生じる隙間を最小限にすることができる。例えば、前述のように、連続するリング間の隙間は、速度低下ゾーンを所定の長さ以内に維持するように寸法決めすることができる。いくつかの実施形態では、実効隙間を低減し、ひいては速度低下ゾーンを低減するために、隣接するリングの間を封止することができる。
【００７９】
隣接するリング間の隙間は、セパレータの幅、例えばセパレータのリングの幅の１．６０倍未満とし得る。例えば、セパレータは、１から３ｍｍの間の幅を有するリングを備えてよい。隣接するリング間の隙間は、４．８０ｍｍ未満、３．２０ｍｍ未満、または１．６０ｍｍ未満とし得る。隙間の幅は、０．５〜４．８０ｍｍ、０．５〜３．２０ｍｍ、または０．５〜１．６０ｍｍとし得る。例示的な実施形態では、セパレータは、１ｍｍの幅を有する複数の隣接するリングを含むことができ、複数のリングの各２つの間の隙間は、０．５〜１．６０ｍｍの幅を有する。一般に、隣接するリング間の隙間の幅は、物理的に可能な限り小さくなるように寸法決めすることができる。製造が可能であれば、隣接するリングの間の隙間は実質的になくすことができる。
【００８０】
特定の実施形態によれば、例えば、図８Ａおよび図８Ｂに示されるように、電気化学セル１０００は、ハウジング１１６０の遠位端にそれぞれ結合される入口および出口エンドキャップ１０６０および１０８０を含み得る。エンドキャップ１０６０、１０８０は、実質的に中心に位置する開口部１０６２を有し得る（エンドキャップの上面図および底面図である図９Ａおよび９Ｂに示される）。図８Ｂの断面図に示されるように、開口部は電気化学セルの内部の陽極と陰極との間の流体チャネルと流体連通し得る。エンドキャップは、開口部と電気化学セルの流体チャネルとの間の流体連通を提供する流体導管１０６４（図９Ｄの断面図に示される）をさらに含み得る。したがって、例えば電解質溶液などの流体は、入口エンドキャップの１つまたは複数の流体導管を通して電気化学セルに導入され、電極間の隙間、すなわち流体チャネルを通って流れ続けることができる。流体は、出口エンドキャップの流体導管を通って電気化学セルから出て、実質的に中心に位置する開口から出ることができる。
【００８１】
エンドキャップ内の流体導管は、電気化学セル全体の圧力降下を最小限に抑えるように設計することができる。円筒導管では、粘性効果による圧力損失は長さに比例し、ダーシー−ワイズバッハの式によって特徴付けられる。
【数１】
2020516442.tif 000003
ここで、
Δpは圧力損失（Ｐａ）、
Ｌは導管の長さ（ｍ）、
Ｄは水力直径（m）、
ｆＤは摩擦係数（レイノルズ数、材料の絶対粗さと相対粗さ、および摩擦係数によって決定される）、
ρは流体の密度（ｋｇ/ｍ３）、および
〈ｖ〉は平均流速（ｍ/ｓ）である。
【００８２】
したがって、圧力降下は、長さ、水力直径、および導管の材料によって異なり得る。いくつかの実施形態において、流体導管の半径および／または長さは、電気化学セル内の圧力降下を最小化するように寸法決めし得る。さらに、流体密度と流速も圧力低下に影響を与え得る。
【００８３】
圧力降下は、電気化学セルの入口圧力と出口圧力の差によって決定される。いくつかの実施形態では、圧力降下の最小化は、入口圧力を最小化することを含む。したがって、いくつかの実施形態では、入口エンドキャップの流体導管の半径および／または長さを所望の入口圧力を維持するように寸法決めすることができる。入口圧力は、例えば、１２５ｋＰａ、１２２ｋＰａ、１２０ｋＰａ、１１８ｋＰａ、１１７ｋＰａ、１１６ｋＰａ、または１１５ｋＰａ未満に維持することができる。ただし、入口圧力は、電気化学セルの適切な使用を促進する範囲内に維持する必要がある。入口圧力は、約１１５ｋＰａ〜１２５ｋＰａ、例えば約１１７ｋＰａ〜１２１ｋＰａに維持することができる。出口圧力は、約１００ｋＰａ〜１０５ｋＰａ、例えば約１０１ｋＰａ〜１０３ｋＰａに維持することができる。最小化圧力降下は、製造および材料の制約により許容される限り、実質的に圧力降下なしに近づけることができ、例えば、２５ｋＰａ、２４ｋＰａ、２３ｋＰａ、２２ｋＰａ、２１ｋＰａ、２０ｋＰａ、１９ｋＰａ未満、１８ｋＰａ未満、１７ｋＰａ未満、１６ｋＰａ未満、１５ｋＰａ未満またはそれ以下にすることができる。最小化圧力降下は、電解液の流体密度と平均流速（たとえば、そのような流体の自己洗浄流速）により決定され得る。
【００８４】
いくつかの実施形態では、流体導管は、第１の半径のゾーンと、第１の半径よりも大きい第２の半径のゾーンとを含む。第１の半径のゾーンは実質的に中心に位置する開口部に隣接させ、第２の半径のゾーンは流体チャネルに隣接させることができる。例示的な実施形態では、入口エンドキャップの流体導管は、第1の直線部分、半径方向拡大部分、および第２の直線部分を有し、第1の直線部分は第1の半径に対応し、第２の直線部分は第２の半径に対応せせることができる。エンドキャップは、ハウジングの端部と結合する機構部を備えることができる。
【００８５】
エンドキャップは、高圧に耐えることができる化学的に不活性な非導電性材料で構成することができる。いくつかの実施形態では、エンドキャップは、最大１６バールの圧力、システムの高周波振動、および環境の低周波振動（例えば、船上）に耐えるように構成することができる。エンドキャップは、最大１０ｍ/ｓの電解質溶液流量に耐えるように構成することができる。エンドキャップは、プラスチックまたはセラミックで構成してよい。エンドキャップは、ＰＶＣ、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ＡＢＳ、ＨＤＰＥ、ＦＲＰ、または他の適切な材料の１つまたは複数で構成してよい。
【００８６】
図１０Ａおよび１０Ｂに示されるように、電気化学セルは、エンドキャップ１０６０の流体導管内に配置され且つ流体チャネルへの溶液の流路を規定するように構成された錐体部１１２０をさらに備えることができる。錐体部１１２０は、流体チャネルへの流路を規定するためにハウジング１１６０に結合することができる。いくつかの実施形態において、錐体部は、電極１０２０（図１１Ａに示される）、電気コネクタ１２４０（図１１Ｂに示される）、または電気化学セルの他の要素に結合され、流体チャンネルへの流体流路を規定することができる。したがって、錐体部は流体チャネルの内径に等しいかまたはほぼ等しい基部直径を有することができる。
【００８７】
前述したように、電気化学セル全体の圧力降下は水力直径によって異なり得る。入口錐体部１１２０、出口錐体部１１４０、またはその両方（図８Ｂに示す）は、例えば流路の水力直径を変えることにより、電気化学セルの両端間の圧力降下が最小化されるように設計することができる。図１２は、例示的な電気化学セルの両端間の圧力降下のコンター図である。図１２に示されるように、流体チャネルの両端間に圧力差がある。入口エンドキャップの流体チャネルの寸法を変えることは、図３Ａ−Ｃに示されるように、入口圧力に影響を及ぼし得る。加えて、入口錐体部の寸法を変えることも、図１４Ａに示され且つ図１４Ｂのグラフにデータで示されるように、圧力降下に影響を及ぼし得る。
【００８８】
圧力降下を最小化することは、例えば、流体導管と錐体部の間に実質的に一定の流れ断面を維持することを含み得る。一般的に、錐体部は、流体チャネルに対応するように寸法決めされた基部を有してよい。環状流体チャネルの場合、基部は、環状流体チャネルの内径と実質的に一致する直径を有してよい。圧力低下を低減するために流体導管の寸法を設計することに加えて、錐体部の高さ、頂角、底角、および斜高の1つ以上を電気化学セル全体の圧力降下を最小限に抑えるように寸法決めすることができる。入口錐体部、出口錐体部、またはその両方は、２０°から９０°の間、たとえば３０°から８０°の間、または４０°から６０°の間の頂点角を個別に有してよい。入口錐体部、出口錐体部、またはその両方は、電気化学セル全体の圧力降下を最小限に抑えるために、必要に応じて１０°、２０°、３０°、４０°、５０°、６０°、７０°、８０°、９０°の頂角を有してよい。
【００８９】
いくつかの実施形態では、例えば、図１５Ａおよび図１５Ｂに示されるように、電気化学セルは、出口錐体部の代わりに出口錐台部１１２２を含んでよい。出口錐台部１１２２は、出口エンドキャップ１０８０の流体導管１０６４内に配置され、電気化学セルから出る溶液の流路を規定するように構成することができる。出口錐台部１１２２は、コンター図に示されるように、電気化学セル全体の圧力降下がさらに減少するように寸法決めすることができる。出口錐体部を出口錐台部に変更することにより、出口エンドキャップの総流路面積が増加し、圧力低下がさらに減少する。
【００９０】
エンドキャップの流体導管は、溶液の十分に成長した流れを可能にするような寸法にすることができる。さらに、流体導管と錐体部の間に規定される流路は、溶液の十分に成長した流れを維持するように寸法決めすることができる。本明細書で使用されるように、十分に成長した流れは、流体導管を通る流れの境界層が膨張して導管全体を満たすとき発生し、流れ特性は導管の残りの長さにわたって実質的に同じままとなる。流入長さは、流体の流れが十分に成長するために必要な導管の長さである。流路の長さは、導管と錐体部の間を移動する流れが十分に発達した流れになるようにおよび/または維持されるように、特定の溶液の流入長さより大きくすることができる。
【００９１】
流路は、錐体部と流体導管の間の空間によって決定される水力直径を有することができる。いくつかの実施形態では、流路は、十分に成長した流れを維持するために、流体導管の大きな直線部分（すなわち、第２の半径のゾーン）の長さの２〜１０倍の水力直径を有することができる。流路は、第２の半径のゾーンの長さの少なくとも２、３、４、５、６、７、８、９、または１０倍の水力直径、または特定の電解質溶液の十分に成長した流れを維持するために必要な水力直径を有することができる。一般に、第２の半径のゾーンの長さは、適切な入口圧力と電気化学セル全体の圧力降下を維持しながら、可能な限り大きくすることができる。
【００９２】
エンドキャップは、電極に電流を供給するための電気コネクタを組み込むことができるとともに、電気化学セルに空気圧シールを提供することができるので、潜在的に２つの目的に役立ち得る。例えば、エンドキャップは、電気化学セルの両端に固定されたとき、空気圧的に密閉されたチャンバーを形成し得る。キャップは、ガス導管の空気圧的および電気的経路の構成を提供し得る。
【００９３】
図２３Ａ〜２３Ｄに示されるように、電気化学セル１０００は、電極の遠位端に配置され且つ電極に電気的に接続された電気コネクタ１２４０を含むことができる。電流は、電気コネクタを介して電気化学セルに供給され、電極およびプロセス流体を通ってセル内を移動し、対応する接地接続を介して電気化学セルから出ることができる。電気化学セルに供給される最大電流は、一般に約３０００Ａ／ｍ２未満の動作電流密度で規定される。動作電流密度は、電極のコーティングと内部電極表面積によって異なり得る。電気化学セルの設計において、抵抗値は電気コネクタの表面積、印加電流、セル材料の抵抗率、およびセルの熱容量率によって変化し得る。
【００９４】
電気コネクタは、任意の導電性で耐腐食性の材料で作ることができる。いくつかの実施形態では、電気コネクタは、１つ以上の電極と同じ材料、例えばチタンで作ることができる。電気コネクタは、例えば、結合機能部または溶接によって電極に固定することができる。電気コネクタは、連続的な導電性シートから製造することまたは溶接さもなければ導電的に接合される機能部を含むことができる。従来、電気コネクタは製造が簡単であるが、流線形に設計されていない。したがって、従来の電気コネクタは、一般に、下流に大きな低流速領域を生じる。
【００９５】
本明細書に開示される多管型電気化学セルの第1の端部に第1の電気コネクタを設けて陽極電極管への電気接触を提供し、第２の電気コネクタを本明細書に開示される多管型電気化学セルの第２の端部に設けて陰極電極管への電気的接触を提供することができる。同心電極管の間の隙間に流体を流すことができるように電気コネクタに開口部を設けることができる。電気コネクタのスポークは、例えば電極管および／またはスペーサと係合させるために、例えばスロット、タブ、ピン、および／または突起などの位置決め要素を間隔を置いて備えることができる。電気コネクタの外縁を単一のコネクタまたは複数のコネクタを用いて電源に接続することができる。
【００９６】
電気コネクタと電源からの電線間の接続は、安全と腐食防止のために、例えばガスケット、ネジ及び／又はボルトなどで密閉し、環境から隔離することができる。防水コネクタ（例えば、ＩＰ５４コネクタ）を使用して、電気コネクタを電源に接続することができる。特定の実施形態は、オペレータを感電の危険から保護するとともに高価な耐候性筐体を不要にする高い防塵房水保護（ＩＰ）等級も提供し得る。例示的な実施形態では、電気コネクタを封止および絶縁するために、例えば、ＡＢＳ、Ｕ?ＰＶＣ、Ｃ?ＰＶＣ、および／またはＰＶＤＦ材料を使用する高密度プラスチック配管部品を使用することができる（これらの材料は、例えば、次亜塩素酸ナトリウムに対して耐薬品性を有するとともに約５〜約１５バールの範囲の高い達成可能な圧力定格を有するため）。市販の高ＩＰ定格ケーブルコネクタを使用して、電極との間で電流をやり取りできる。
【００９７】
電気コネクタは、電気抵抗と発熱を最小限に抑えるように設計することができる。一般に、電気抵抗は装置の形状と材料の抵抗率の関数である。発熱はジュールレンツの法則に従って抵抗の増加とともに増加する。この法則は、電気導体により発生される熱量はその抵抗と電流の２乗の積に比例すると定義している。直列で動作する場合、各電気化学セル内で発生する熱は直列に累積されるため、最小限に抑える必要がある。ただし、目的の製品を生成するには、印加電流を適切な範囲内に維持する必要がある。したがって、いくつかの実施形態では、電気コネクタは、適切な電流を提供しながら、所定の材料の抵抗（したがって、発熱）を最小限に抑えるように寸法決めすることができる。
【００９８】
例示的な実施形態では、電気コネクタはチタンベースであってよい。電気コネクタは、２５Ｗと１．５ｋＷの間、例えば２５Ｗと１００Ｗの間、１００Ｗと１ｋＷの間、または１ｋＷと１．５ｋＷの間、の電力を電極に伝送するように動作してよい。電気コネクタは、約１００Ｗ未満の熱、例えば、約７５Ｗ未満の熱、約５０Ｗ未満の熱、または約２５Ｗ未満の熱を発生するように寸法決めしてよい。いくつかの実施形態では、電気コネクタは、複数の電極のうちの少なくとも１つに少なくとも１００Ｗの電力を伝送するときに約２５Ｗ未満の熱を発生するように寸法決めしてよい。そのような実施形態では、電気コネクタは、少なくとも１００Ｗの電力を伝送するとき、１℃未満、例えば、約０．５℃未満または約０．１℃未満を発生するように寸法決めしてよい。図２５Ｃは、電気コネクタで発生した熱のコンター図である。図２５Ｃの例示的な実施形態に示されるように、流体の温度は、入口における約２０．０５℃から電気コネクタの後で２０．１０℃まで上昇し、電気化学セルの出口で約２０．０７℃になる。他の実施形態では、電気コネクタは、少なくとも１ｋＷの電力を伝送するときに約２５Ｗ未満の熱を発生するように寸法決めされ、少なくとも１ｋＷの電力を伝送するときに約１００Ｗ未満の熱を発生するように寸法設定され、少なくとも１．５ｋＷの電力を伝送するときに、約１００Ｗ未満の熱を発生するように寸法決めされる。送信される電力は、動作要件に応じて決めることができる。
【００９９】
電気コネクタは、電気コネクタの下流で生じる速度低下ゾーンを最小化するように設計することができる。図２５Ｄは、例示的な電気コネクタの下流の速度のコンター図である。セパレータに関して前述したように、電気化学セルの自己洗浄特性を維持するために、速度低下ゾーンは最小化される。電気化学接続部は、前述したように、速度低下ゾーンを所定の長さ以内に維持するように寸法設決定することができる。
【０１００】
電気コネクタはさらに、同心電極の周りに実質的に均一な電流分布を提供するように設計することができる。内側電極１０２０および外側電極１０４０の周りの電流分布が図２５Ｂに示されている。電気コネクタは、実質的に均一な電流分布を提供するために、対称または実質的に対称の形状にしてよい。
【０１０１】
図２４Ａ〜２４Ｃに示されるように、電気コネクタ１２４０は、ホイール１２４２およびスポーク１２４４を含み得る。各ホイール１２４２は、対応する電極管への電気接続を提供するように構成し得る。したがって、複数の同心電極管を備えた実施形態では、電気コネクタは対応する同心ホイールを含んでよい。スポークは、同心ホイール間の電気接続を提供するように構成してよい。いくつかの実施形態では、スポークは、製造を容易にするためおよび抵抗を低減するために直線状にしてよいが、所望の任意の形状にしてもよい。スポークの電気抵抗は、以下の式で定義できる。
Ｒ＝ρＨ／（ＷｘＬ）
ここで、
Ｒは抵抗値、
ρは材料の抵抗率、
Ｈは同心ホイール間の隙間により決まるスポークの高さ、
Ｗはホイールの周囲のスポークの幅、
Ｌは流体チャネルに沿ったスポークの長さ
である。
【０１０２】
スポークの数と寸法は、電気コネクタによって生じる抵抗、発熱、および速度低下ゾーンを最小限に抑えるように選択することができる。個々のスポークの抵抗値は、約５０Ｗ未満、たとえば約２５Ｗ未満または約１０Ｗ未満の抵抗損を生じるものとすべきである。スポークおよび電気コネクタの最大許容抵抗損は、電気化学セルを通って流れる特定の電解質溶液の熱容量率とともに、所望の電気化学反応に基づいて選択することができる。
【０１０３】
一般に、スポークの高さ（図２４ＢにＨで示される）は同心ホイール間の隙間により決定され得る。したがって、高さは、流体チャネルの幅に実質的に対応し得る。いくつかの実施形態では、交互電極が電気的に接続される場合、高さは実質的に２つ以上の同心流体チャネルの幅に対応してよい。高さは、約１ｍｍから約２０ｍｍの間、例えば約２０ｍｍ、約１６ｍｍ、約１４ｍｍ、約１０ｍｍ、約８ｍｍ、約７ｍｍ、約６ｍｍ、約５ｍｍ、約３．５ｍｍ、約３ ｍｍ、または1つ以上の流体チャネルの幅と実質的に同等の高さとしてよい。電気コネクタのホイールの幅が電極よりも小さい実施形態では、スポークの高さは、必要に応じ、同心の隣接または非隣接ホイール間の接続を提供するために１つまたは複数の流体チャネルの幅より大きくてもよい。
【０１０４】
スポークの幅（図２４ＢにＷで示されている）は、同心ホイール間の適切な電気接続を提供しながら（セパレータに関して上述したように）速度低下ゾーンの長さを最小化するように寸法設定することができる。いくつかの実施形態では、スポークの幅は、スポークの高さの０．２５倍から２倍としてよい。例えば、スポークの幅は、約０．５ｍｍから約１０ｍｍの間、約０．５ｍｍから約７ｍｍの間、約０．５ｍｍから約５ｍｍの間、約０．５ｍｍから約３ｍｍの間、約０．５ｍｍから２ｍｍの間または約０．５ｍｍから約１ｍｍの間としてよい。スポークの幅は、約１ｍｍから約２０ｍｍの間、約１ｍｍから約１５ｍｍの間、約１ｍｍから約１２ｍｍの間、または約１ｍｍから約１０ｍｍの間としてもよい。スポークの幅は、流体の抵抗を減らすために必要なだけ小さくし得るが、同心ホイール間の電気的接続を提供するのに十分とし得る。いくつかの実施形態において、材料は小さな体積で適切な抵抗を提供するように選択することができる。従来、製造上の制約により、電気コネクタのサイズの選択が制限されていた。しかし、チタンは小さな体積で大きな抵抗率を提供し、速度低下ゾーンを縮小することができる。さらに、スポークおよび/またはホイールは、速度低下ゾーンをさらに縮小するために流線形にすることができる。
【０１０５】
スポークの長さ（図２４ＣにＬで示される）は、所望の電力消費を維持しながら電気抵抗および発熱を最小化するように寸法設定することができる。所定の高さ（同心ホイール間の隙間）および幅（速度低下ゾーンを最小化するために選択された幅）に対して、長さは上記の式を用いて抵抗のしきい値に基づいて選択することができる。さらに、前述のように、抵抗は発熱を最小限に抑えるように選択することができる。いくつかの実施形態では、長さは、約１ｍｍから約１５ｍｍの間、例えば、約５ｍｍから１５ｍｍの間、または約７．５ｍｍから１５ｍｍの間としてよい。
【０１０６】
電気コネクタの抵抗、発熱、電力消費、および速度低下ゾーンは、設けるスポークの数にも依存し得る。いくつかの実施形態では、スポークの数は、電気抵抗の最小化、発熱の最小化、速度低下ゾーンの最小化、または適切な電力消費を提供するように選択される。電気コネクタは、所望の要件を満たすために、必要に応じ、隣接するホイール間に約１〜８本のスポーク、例えば約２〜６本のスポーク、または約３〜６本のスポークを含むことができる。
【０１０７】
一般に、スポークを流れる電流の量は、供給電流、管状電極の表面積、スポークの数と分布によって決まる。電気コネクタのスポークの配置は、ホイール全体の電流分布に影響を与え得る。いくつかの実施形態では、スポークは、均一な電流分布を提供するために実質的に均等に分布してよい。例示的な実施形態では、電流分布はスポークの数の増加とともに良くなり、スポークはホイール全体に実質的に均等に分布される。したがって、スポークの数と配置は、上述したように、電気化学セルの自己洗浄特性を維持するために速度低下ゾーンを所定の長さ以内に維持しつつ、適切な電流分布を提供するように選択することができる。
【０１０８】
さらに、隣接する同心ホイール上のスポークに対する第1のホイール上のスポークの配置は、電流分布に影響を与える可能性がある。隣接するホイールのスポークは同一線上に配置する（つまり、互いに整列配置する）か、または互いに角度的にずらせることができる。いくつかの実施形態では、隣接する同心ホイール上に設けられたスポークは、均一な電流分布を提供するために互いに実質的に均等にずらせてもよい。例示的な実施形態では、スポークの数の増加とともに電流分布が改善され、隣接する同心ホイールに設けられたスポークは実質的に均等にずらされる。
【０１０９】
電気コネクタの例示的な実施形態が図２６Ａ、２６Ｂ、２７Ａ、および２７Ｂに示されている。図２６Ａおよび図２６Ｂの例示的な実施形態の全域の電流分布は、図２６Ｃおよび図２６Ｄ（それぞれ左および右の画像）に示される。図２７Ａおよび図２７Ｂの例示的な実施形態の全域の電流分布は、図２７Ｃおよび図２７Ｄ（それぞれ左および右の画像）に示される。図２６Ａ、図２６Ｂ、図２７Ａ、および図２７Ｂの例示的な電気コネクタのそれぞれによって生成される速度低下のゾーンは、図２８Ａ−２８Ｄのコンター図に示され、図２８Ａは図２６Ａの例示的な実施形態に対応し、図２８Ｂは図２６Ｂの例示的な実施形態に対応し、図２８Ｃは図２７Ａの例示的な実施形態に対応し、図２８Ｄは図２７Ｂの例示的な実施形態に対応する。図２６および図２８の例示的なコンター図のそれぞれは、平均速度２．０ｍ／ｓで流れる海水のサンプル電解質溶液について計算したものである。
【０１１０】
いくつかの実施形態では、図２９Ａ〜２９Ｂに示すように、電気コネクタ１２４０は、セパレータ１１８０と嵌合する機構部を含むことができる。セパレータおよび電気コネクタの寸法は、要素の組み合わせによって生じ得る速度低下ゾーンへの影響を考慮して設計することができる。いくつかの実施形態では、セパレータの突起は、電気コネクタの１つまたは複数のスポークと同一直線上にあり、速度低下ゾーンを縮小することができる。他の実施形態では、セパレータの突起は、電気コネクタのスポークから角度的にずらせてもよい。
【０１１１】
さらに、電気化学セルの動作中、より高い電流が電気化学セルに注入されるときでも、動作温度を低く保つことが多くの場合望ましい。従来の電気化学セルは、通常、チタンの外殻に溶接されたチタンのみの電気コネクタを含んでいる。チタンの電気コネクタは一般に高度の耐薬品性を備えているが、望ましくない量の熱（および無駄なエネルギー）を発生せずに電気化学セルに電流を供給するのには最適ではない可能性がある。チタン製コネクタは抵抗率が高いため、従来のチタン製コネクタに供給する電流を制限し、空気中のコネクタの温度が過度に上昇しないようにする必要があり得る。しかし、これは、製品生成は電流入力に正比例するため、電気化学セルで生成される製品の産出量が制限されることになる。従来のチタン製コネクタは発熱するため、ＩＰ５４以上の高い防塵防水レベルを有する電気絶縁材料でコネクタを完全に封入することはできない。この構成は、通常、カプセル封止された電気コネクタほど熱を閉じ込めない高価な電気エンクロージャを必要とする結果となる。これらの問題を克服するために、従来のチタン製コネクタは多くの場合大きな断面材料で作られ、電気コネクタと電気化学セルのコストを大幅に増加させている。
【０１１２】
銅の抵抗率は１．７０７ｘ１０−８Ωｍで、チタンの抵抗率は７．８３７ｘ１０−７Ωｍである。銅の電気抵抗率は、チタンの約４６分の１以下の低抵抗率である。したがって、いくつかの実施形態では、電気コネクタは少なくとも部分的に低抵抗率の銅で作るのがよい。ただし、銅はチタンよりも化学腐食を受けやすいため、電気化学セルを流れる電解液と接触しないようにする必要がある。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、プロセス流体または電解質（例えば、塩素などの微量の腐食性物質を含む海水）と接触する電気コネクタ部分はチタンとしてよい。この材料を流れる電流によって発生される熱は、流れるプロセス流体によって効率的に除去される。プロセス流体の自己洗浄流速は２ｍ／ｓを超えるため、電気コネクタのチタン部分の温度上昇は一般に無視できる値に保たれる。空気と接触する電気コネクタ部分は、銅（またはチタンよりも抵抗率が低い別の金属または合金）としてよい。
【０１１４】
異なる金属、たとえばチタンと銅（またはチタンよりも抵抗率が低い別の金属または合金）で形成された部分を含む空気／液体冷却電気コネクタは、従来のチタンコネクタが示す問題を克服することができる。電気抵抗の低い金属（銅など）が、空気にさらされる電気コネクタの部分を形成するか、その部分に含まれてよい。銅は高導電性材料の一例であり、本明細書で開示される電気コネクタは、銅の代わりに別の高導電性材料または合金を使用できることを理解されたい。したがって、本明細書では便宜上「銅部分」および「銅」という用語を使用するが、これらの用語はこれらの要素が銅で形成されることに限定されないことを理解されたい。
【０１１５】
銅の優れた低電気抵抗により、温度上昇は小さい許容値に制限することができる。この外部導体は、処理液（海水など）と接触するコネクタの内部高耐薬品性（チタンなど）部分に結合することができる。プロセス液の水冷効果により、コネクタの内部高耐薬品性部分（チタンなど）の温度上昇は小さい許容値に効果的に制限することができる。
【０１１６】
デュアルメタル電気コネクタ全体は、同等の電流定格の従来のチタンのみのコネクタよりもコスト効率が高くなり得る。デュアル金属電気コネクタの外部導体は低い温度上昇を示し、電気絶縁材料でカプセル封止することができ、高価な電気エンクロージャの必要性がなくなる。また、空気／液体冷却デュアル金属電気コネクタの実施形態は、従来のチタンのみの電気化学セルコネクタの場合よりもはるかに高い電流を、開発した電気化学セルに供給することができる。
【０１１７】
チタン部分および銅部分は、電気化学セルのフランジ内で物理的および電気的に接続され、該フランジはコネクタ部分の周囲に気密シールを提供し、例えばガスケットを用いて外部環境から電気化学セルの内部を封止する。いくつかの実施形態では、チタン部分は、機械的締結具、例えばボルトによって銅部分に結合してよい。ボルト１４２０はチタン部分または銅部分と同じ材料から形成してよい。チタン部分は、電気化学装置の陽極または陰極の一方と電気接触するアームまたはスポークと、電解質などのプロセス流体を電気化学装置に流入または流出させる開口部を含んでよい。アームまたはスポークは、電気化学装置内の電極との係合を容易にする機構部、例えばスロットを含んでよい。チタン部分は、加えてまたは代わりに、締まり嵌めによって銅部分に結合してもよい。銅部分は、チタン部分から延びていても、チタン部分を完全に囲んでいてもよい。
【０１１８】
さらに、チタン部分は、銅部分の開口部の内側リムの相補的なねじ山と係合して銅部分の所定の位置にねじ込むことができるねじ付き外側リムを含んでよい。銅部分は、チタン部分の開口部にねじ込まれる下部円筒ねじ部分を含んでよい。
【０１１９】
さらなる実施形態では、銅部分は、例えば、チタンと銅の合金、または1つ以上の他の高導電性金属等の多金属電気コネクタと置き換えることができる。多金属電気コネクタはチタンよりも抵抗率を低くすることができる。多金属電気コネクタはチタン部分と溶接するか、さもなければ物理的に接続してもよい。
【０１２０】
流体が電気化学セルの中心管を下方に流れて隙間をバイパスするのを防ぐために、固体中心コア要素または流体フローディレクタを設けてもよい。コアは、非導電性材料、例えば、ＰＶＣ、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ＡＢＳ、ＨＤＰＥ、または他の適切な材料のいずれか1つまたは複数で形成してもよい。コアは、陽極および陰極に機械的に接続しなくてもよい。他の実施形態では、コアを所定の位置に固定し、かつ／またはコアをハウジングまたは電気化学セルの別の要素、例えば電極またはエンドキャップに取り付けるために、１つ以上の機械的締付け具を設けてもよい。他の実施形態では、コアは、摩擦嵌合により最も内側の電極内の所定の位置に保持する。いくつかの実施形態では、コアは、陽極および陰極電極のうちの１つのみと接触してよい。陽極および陰極電極の１つはコアと接続しなくてもよく、コアと接触しなくてもよい。
【０１２１】
他の実施形態では、中央コア要素は、陽極電極および陰極電極の一方に電気的に結合され、陽極電極および陰極電極の一方に電流を供給するために使用し得る導電性部材としてよい。さらなる実施形態では、中央コア要素は、第1の軸方向母線および/または第１の軸方向母線と互いに絶縁された他の導電性中心要素および/または陽極および第２の軸方向母線に電気的に結合された他の導電性中心要素および/または第１の軸方向母線から電気的に絶縁され且つ陰極に電気的に接続された他の導電性中心要素を含んでよい。
【０１２２】
電気化学セルは内部バッフルを含んでもよい。バッフルは、電気化学セルを通過する流体の流れ方向および/または混合を制御または修正するために利用でき、バッフルがない場合の電気化学セルと比較して、流体流路に追加の路長を提供することができる。電気化学セルを通る流体の流れは、入口開口部から流体導管まで、または流体導管から出口開口部までとしてよい。
【０１２３】
本明細書に開示される電気化学セルは、より大きなシステムの一部として含まれ得る。システムは、いくつかの実施形態では、例えば船舶または石油掘削装置などの海上システムであり、他の実施形態では、例えば発電所、石油掘削施設またはシステムまたは他の産業施設などの陸上建物であり得る。他の実施形態では、システムは、電気化学装置の1つまたは複数の製品、例えば水を処理または殺菌するための殺菌剤を使用する、スイミングプール、または飲料水、廃水、または工業用水処理プロセスのための処理システムであってよい。
【０１２４】
システムは、本明細書に開示されるような１つ以上の電気化学または電気塩素化セルまたは装置を含み得る１つ以上の電気塩素化システムを含んでよい。システムは、例えば、入口エンドキャップの実質的に中央に位置する開口部を介して電気化学セルに流体接続可能な電解質溶液の供給源を含んでよい。電解質溶液の供給源は、本明細書に開示されているように、電解質溶液を自己洗浄速度以上の平均流速で流体チャネルを通して供給するように構成してよい。いくつかの実施形態において、電解質溶液の供給源は、約２ｍ／秒以上の平均流速で溶液を供給するように構成される。
【０１２５】
電解質溶液の供給源は、いくつかの実施形態では、システムの外部および／または内部の供給源からの海水、ブライン、または汽水であるプロセス液体を含み得る。たとえば、システムが海上システムである場合、外部ソースは海洋であり、内部ソースは、たとえば船内のバラストタンクである。陸上システムでは、外部ソースは海洋であり、内部ソースはシステムで実行される工業プロセスからの汽水廃水であり得る。
【０１２６】
システムは、電解質溶液から製品化合物を生成し、製品化合物を含む製品溶液を出力するように構成することもできる。１つ以上の電気化学システムは、処理水または塩素処理水を例えば次亜塩素酸ナトリウムを含む溶液から生成し、それをユースポイントに分配することができる。システムは、例えば、電気化学セルの出口エンドキャップの実質的に中央に位置する開口部を介して、ユースポイントに流体的に接続可能にしてよい。ユースポイントは、貯蔵容器または分配所であってよい。ユースポイントは、システムの冷却水の供給源、船舶のバラストタンクの殺菌剤の供給源、石油掘削システムのダウンホール、または処理水または塩素処理水が有用である他の任意のシステムであってよい。ユースポイントは、例えば製品のバッチ再循環用濃縮容器を含み得る。さまざまなポンプがシステムを通る流体の流れを制御し得る。１つ以上のセンサが、システムを流れる流体の１つ以上のパラメータ、例えば、イオン濃度、塩素濃度、温度、または他の関心パラメータを監視し得る。
【０１２７】
ポンプおよびセンサはコントローラシステムと通信し、コントローラシステムはセンサおよびポンプと通信し、所望の動作パラメータを達成するためにポンプおよびシステムの他の要素の動作を制御し得る。システムの様々な要素の動作を監視および制御するために使用されるコントローラは、コンピュータ化された制御システムを含んでよい。出力装置はまた、生産水（例えば、汽水または海水）を電気化学システムまたはユースポイントに導入するために、および/またはポンプの速度を制御するために利用できるバルブ、ポンプ、またはスイッチを備えてもよい。
【０１２８】
１つ以上のセンサはまたコンピューターシステムへの入力を提供し得る。これらのセンサは、例えば、流量センサ、圧力センサ、化学濃度センサ、温度センサ、またはシステムに関心のある他のパラメータのためのセンサを含み得る。これらのセンサは、例えば、ユースポイントおよび/または電気化学システムの上流の、または供給源と流体連通するシステムの、これらのセンサが有用である任意の部分に設置できる。
【０１２９】
システムは、直列に配置された複数の電気化学セルを含むことができる。いくつかの実施形態では、システムは、直列に配置された約２〜約１０個の電気化学セルを含むことができる。直列の電気化学セルの数は、必要に応じて選択し、必要な特性を有する製品化合物を生成することができる。直列に配置された電気化学セルは、前述のように、圧力降下を最小限に抑えるように設計された構成要素を備えることができる。連続する順次の電気化学セルの圧力降下の影響は一般に累積的である。
【０１３０】
別の態様によれば、電気化学セルを動作させる方法が提供される。この方法は、本明細書に開示される１つ以上の電気化学セルを動作させるために使用することができる。この方法は、本明細書に開示されるように、電解質溶液を、例えば入口エンドキャップの実質的に中心に位置する開口部を通して電気化学セルに導入するステップを含むことができる。この方法は、複数の電気化学セルを流体接続し、電気化学セルを直列に動作させるステップをさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、この方法は、電解質溶液を約２ｍ／秒以上の平均流速で流体チャネルに導入するステップを含み得る。
【０１３１】
この方法は、自己洗浄型電気化学セル内で電解質溶液から製品化合物を生成するステップを含むことができる。電気化学セルは、製品化合物を生成するために、電極間に電圧、例えば製品化合物を生成するのに十分な電圧を印加することによって作動させることができる。製品化合物を生成するのに十分な電圧は、一般に、電解質溶液の組成、製品溶液中の製品化合物の所望の組成、電気化学セルを通る平均流速、および直列動作する電気化学セルの数に依存し得る。例示的な実施形態では、電極は一定の電流密度で動作し、平均流速が製品化合物の所望の組成を生成するために制御される。例えば、電気化学セルは、所望の組成の製品を生成するために、１０ｍ／ｓ未満、６ｍ /ｓ未満、３．５ｍ／ｓ未満、３ｍ／ｓ未満、または２．５ｍ／ｓ未満の平均流速で運転される。同じ例示的な実施形態では、直列に配置される電気化学セルの数は、所望の製品を生成するために、例えば、１０未満、８未満、６未満、４未満、または少なくとも２つの電気化学セルを選択し、必要に応じて直列に配置することができる。
【０１３２】
この方法は、所定の期間にわたって電気化学セルまたはシステムを連続的に動作させるステップをさらに含むことができる。前述のように、自己洗浄流速で連続的に動作する電気化学セルは、スケーリングを低減し、したがって電気化学セルの酸洗浄の必要性を低減することができる。いくつかの実施形態では、電気化学システムは、スケーリングすることなく少なくとも6ヶ月間連続して動作させることができる。そのような電気化学システムは、スケーリングなしで６、１２、１８、２４、または３６か月間連続して動作させることができる。
【０１３３】
例：
例1：電気化学セル全体の圧力降下
電気化学セルの流体導管と錐体部は、電気化学セル全体の圧力降下を最小限に抑えるように設計できる。例示的な実施形態において、いくつかの寸法の入口流体導管の両端間の電圧降下に関してＣＦＤデータを生成した。このデータは、海水の電解質溶液および平均流速２ｍ／ｓを想定しているが、他の電解質溶液およびそれらに対応する自己洗浄流速を用いて所望の条件を得ることがでる。いくつかの寸法の流体導管のコンター図が１３Ａ−１３Ｃに示されている。図１３Ａの例示的な実施形態は２０ｍｍの直線部分を有する。図１３Ｂの例示的な実施形態は５０ｍｍの直線部分を有し、その結果、平均入口圧力は１１９ｋＰａになる。図１３Ｃの例示的な実施形態は７５ｍｍｍの直線部分を有し、平均入口圧力は１１７ｋＰａになる。図からわかるように、線形遷移領域への増加は圧力降下の同時減少をもたらす。
【０１３４】
さらに、一定の流体導管の直線長さ（４０ｍｍ）において、複数の入口錐体部角度に対してＣＦＤデータを生成した。データは、図１４Ａ，１４Ｂの速度コンター図に示されている。中心線に対する円錐の回転角度（つまり、頂角の半分）を１０度から４５度に増加させ、圧力降下を評価した。最小の圧力降下（約１８．８ｋＰａまたは２．７２５ｐｓｉ）は、頂角が５０oの錐体部で観察された。
【０１３５】
４０ｍｍの直線部分を有する例示的な流体導管では、５０°の頂角の入口錐体部が電気化学セル全体の圧力降下を最小化する。同様の条件が他の流体導管および/または錐体部の寸法についても決定され得る。同様の条件は他の電解質溶液および/または平均流速についても決定され得る。
【０１３６】
例２：セパレータおよび/または電気コネクタから下流の再循環効果
電解質溶液の平均流速がしきい値を下回ると、スケーリングが発生し得る。セパレータは、例えば、アクアライン形状とすることによって、下流の低流速領域を最小化するように設計することができる。図３０−図３１のマグニチュード速度コンター図に示されるように、ストレートエッジセパレーターのすぐ下流の流速は０ｍ／ｓに近づくため、この場所でスケーリングが発生する確率が高くなる。矢印は流れの方向を指し、その長さが流れの速度の大きさを示す。図３０は、流体チャネルの側面図のコンター図を示し、図３１は、同じ流体チャネルの上面図のコンター図を示す。
【０１３７】
図３２は、アクアライン形状のセパレータのマグニチュード速度コンター図である。図３２に示すように、下流の流れはより均一であり、平均からの速度偏差がより小さい。図３２に示される実施形態の平均からの速度偏差は図２２のグラフにプロットされている。海水の電解質溶液および２ｍ/sの平均流速を想定すると、パーセント速度差は、（セパレータから）約１００ｍｍの距離において平均しきい値から±５％を超え得る。
【０１３８】
したがって、セパレータは、スケーリングを低減するために、平均からの速度偏差がより小さいより均一な下流の流れを生成するように設計することができる。このような設計は、速度低下ゾーンの長さを短縮し、より低い平均流速で動作する能力を追加し（より少ないエネルギーを必要とする）、電気化学セルの酸洗浄の必要性を低減または排除することができる。他の電解質溶液および/または平均流速についても同様の条件を決定することができる。
【０１３９】
例３：電気化学セル内のフローパラメーター
パイプ内の流れに対して、レイノルズ数は一般に次のように定義されている。
【数２】
2020516442.tif 000004
ここで、
ＤＨは管の水力直径、
Ｑは体積流量（ｍ３/ｓ）、
Ａは管の断面積（ｍ２）、
ｕは流体の平均速度（ｍ/ｓ）、
μは流体の粘性係数（ｋｇ/ｍ＊ｓ）、
νは流体の動粘性係数（ｍ２/ｓ）、
ρは流体の密度（ｋｇ/ｍ３）、
である。
【０１４０】
複数の流体チャネルを有する例示的な電気化学セルに対して、入口錐体部と流体導管の間のフロー領域を通る流体のレイノルズ数は５７，８４７であると決定された。このような導管を通る近似助走距離は約３８０ｍｍである。完全に発達した流れに対して、約２６００を超えるレイノルズ数で乱流が発生しやすい。したがって、流体導管を通る流れは高度に乱流である。
【０１４１】
同じ電気化学セルに対して、同心円状の各流体チャネルを流れる流体のレイノルズ数は１４，５８１であると決定された。流体チャネルの近似助走距離は約７０ｍｍである。流体チャネルを通るセパレータの下流の流れは層流に類似する。
【０１４２】
これらの値は、２０℃の海水の電解質溶液および２ｍ/ sの平均流速を想定している。他の電解質溶液および/または平均流速についても同様の条件が決定され得る。
【０１４３】
本明細書で使用される表現および用語は、説明を目的とするものであり、限定と見なされるべきではない。本明細書で使用される「複数」という用語は、２つ以上の部品または構成要素を指す。「備える」、「含む」、「携帯する」、「有する」、「含有する」、および「伴う」という用語は、明細書または特許請求の範囲などにかかわらず、オープンエンドの用語であり、すなわち「含むがそれに限定されない」ことを意味する。したがって、そのような用語の使用は、その後に列記される部品、およびその同等物、ならびに追加の部品を包含することを意味する。ただし、移行句「から成る」および「本質的にから成る」だけは、それぞれ請求項に関する限定的または半限定的な移行句である。請求項において請求項の要素を修飾する「第１」、「第２」、「第３」などの順序用語の使用は、それ自体、１つの請求項要素のもう１つの請求項要素に対する優先度、順位若しくは順番、又は、方法のステップが実施される時間的順序を暗示するものではなく、ただ単に、ある名称の請求項要素の１つを同じ名称（順序を示す用語の使用がなければ）のもう１つの要素から区別して、請求項要素の見分けがつくようにするためのラベルとして用いられているだけである。
【０１４４】
このように少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様を説明してきたが、様々な変更、修正、および改善が当業者に容易に想到し得ることは理解されるよう。任意の実施形態で説明される任意の特徴は、任意の他の実施形態に含めること、または他の実施形態の任意の特徴と置換することができる。そのような変更、修正、および改善は、本開示の一部であり、本発明の範囲内にあることが意図されている。したがって、前述の説明および図面は単なる例示である。
【図１−１】
2020516442.tif 000005
【図１−２】
2020516442.tif 000006
【図２Ａ】
2020516442.tif 000007
【図２Ｂ】
2020516442.tif 000008
【図２Ｃ】
2020516442.tif 000009
【図３Ａ−３Ｂ】
2020516442.tif 000010
【図３Ｃ】
2020516442.tif 000011
【図４】
2020516442.tif 000012
【図５】
2020516442.tif 000013
【図６】
2020516442.tif 000014
【図７Ａ】
2020516442.tif 000015
【図７Ｂ】
2020516442.tif 000016
【図７Ｃ】
2020516442.tif 000017
【図７Ｄ】
2020516442.tif 000018
【図８Ａ】
2020516442.tif 000019
【図８Ｂ】
2020516442.tif 000020
【図９Ａ】
2020516442.tif 000021
【図９Ｂ】
2020516442.tif 000022
【図９Ｃ】
2020516442.tif 000023
【図９Ｄ】
2020516442.tif 000024
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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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１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
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【図２２】
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【図２３Ａ−２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２３Ｄ】
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【図２４Ａ−２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２５−１】
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【図２５−２】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【国際調査報告】
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