(57)【要約】  本開示は、導電性溶液の処理に使用できる電気透析スタックを提供する。スタックは、２つの電極（少なくとも１つは後退させた電極）と、複数のイオン輸送膜と、スタックスペーサとを含む。膜とスペーサとは電極間に配置され、電気透析セル対を規定する。スタックは、実質的に分配マニホールドから電極の後退させた縁部を越えて、および、電極間の合計距離の約８％から１００％の距離にわたって、実質的に後退させた電極から反対の電極まで延びる電気的絶縁ゾーンを含む。電気的絶縁ゾーンが電極の後退させた縁部を越えて延びるオーバーラップ距離は：ｃｍでの距離＝（０．０６２ｃｍ−１）＊（ｅｘｐ（−６０／総ｃｐ）＊（後退させた縁部における濃縮流のマニホールドダクトのｃｍ２での面積）＋/−１０％、のように計算される。
2020518450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性溶液の処理のための電気透析スタックであって、
２つの電極、イオン交換膜、および電気透析スタックスペーサであって、膜およびスペーサは電極間に配置されて、少なくとも１０および最大２０００までの電解セル対の総数（総ｃｐ）を規定し、セルは電気透析中における電極間の導電性流体接続を提供し、
膜およびスペーサは、膜およびスタックスペーサが電気透析セルを形成するように配置されているとき、組み合わせて導電性溶液の分配マニホールドを規定する開口部をその中に規定し、２つの電極のうちの少なくとも一方は、分配マニホールドから後退させた縁部を有し、分配マニホールドは、濃縮流のダクト領域を規定する、２つの電極、イオン交換膜、および電気透析スタックスペーサと、
２つの電極間の導電性流体接続とオーバーラップする電気的絶縁ゾーンであって、
（ｉ）（０．０６２ｃｍ−１）＊（ｅｘｐ（−６０／総ｃｐ）＊（後退させた縁部における濃縮流のマニホールドダクトのｃｍ２での面積）にほぼ等しい、ｃｍでのオーバーラップ距離にわたって、実質的に分配マニホールドから電極の後退させた縁部を越えて延び、および
（ｉｉ）２つの電極間の合計距離の約８％から１００％の距離にわたって、実質的に後退させた電極から他の電極まで延びる、電気的絶縁ゾーンと
を備える、電気透析スタック。
【請求項２】
電気的絶縁ゾーンが、後退させた電極と他の電極との間の距離の１００％延びる、請求項１に記載の電気透析スタック。
【請求項３】
電気的絶縁ゾーンが、電気的絶縁マスクによって規定される、請求項１に記載の電気透析スタック。
【請求項４】
電気的絶縁マスクのうちの１つ以上が、
（ａ）電気透析セル内のプラスチックシート、
（ｂ）２つの隣接する電気透析セル間のプラスチックシート、
（ｃ）陽イオン交換膜のイオン輸送抵抗部分、
（ｄ）陰イオン交換膜のイオン輸送抵抗部分、
（ｅ）導電性流体接続に利用可能な隣接膜の領域を減少させるスペーサの一部分、または
（ｆ）それらの任意の組み合わせ
を備える、請求項３に記載の電気透析スタック。
【請求項５】
電気透析セル内のプラスチックシートが、膜とスペーサとの間、または膜、隣接セルの間に位置付けられる、請求項４に記載の電気透析スタック。
【請求項６】
電気的絶縁ゾーンが、陽イオン交換膜と隣接するスペーサとの間、陰イオン交換膜と隣接するスペーサとの間、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜との間、またはそれらの任意の組み合わせ、に位置付けられた複数のプラスチックシートによって規定される、請求項４に記載の電気透析スタック。
【請求項７】
プラスチックシートが、１００オーム・ｃｍ２より大きい面抵抗と０．０５ｍｍ未満の厚さとを有する、請求項４に記載の電気透析スタック。
【請求項８】
電気的絶縁ゾーンが、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜、またはその両方の、複数のイオン輸送抵抗部分によって規定される、請求項４に記載の電気透析スタック。
【請求項９】
陽イオン交換膜のイオン輸送抵抗部分が、実質的に等しいモル量の固定陽イオンおよび固定陰イオン電荷の両方を備えるか、または実質的に固定電荷を含まない、請求項８に記載の電気透析スタック。
【請求項１０】
陰イオン交換膜のイオン輸送抵抗部分が、実質的に等しいモル量の固定陽イオンおよび固定陰イオン電荷の両方を備えるか、、または実質的に固定電荷を含まない、請求項８に記載の電気透析スタック。
【請求項１１】
スペーサは、導電性流体接続に利用可能な隣接膜の領域を減少させるために、スペーサに広がって隣接膜と接触する電気抵抗構造を備える、請求項４に記載の電気透析スタック。
【請求項１２】
部材が、実質的に流体の流れの方向に沿って延びる、請求項１１に記載の電気透析スタック。
【請求項１３】
他の電極が、分配マニホールドから後退させた縁部を有し、電気的絶縁ゾーンが、
（ｉ）（０．０６２ｃｍ−１）＊（ｅｘｐ（−６０／総ｃｐ）＊（後退させた縁部における濃縮流のマニホールドダクトのｃｍ２での面積）にほぼ等しい、ｃｍでのオーバーラップ距離にわたって、実質的に分配マニホールドから他の電極の後退させた縁部を越えて延び、および
（ｉｉ）２つの電極間の合計距離の約８％から１００％の距離にわたって、実質的に他の後退させた電極から第１の後退させた電極まで延びる、請求項１に記載の電気透析スタック。
【請求項１４】
膜およびスペーサが第２の分配マニホールドを規定し、電極が第２の分配マニホールドから後退させた第２の縁部を有し、電気透析スタックが、
（ｉ）（０．０６２ｃｍ−１）＊（ｅｘｐ（−６０／総ｃｐ）＊（第２の後退させた縁部における濃縮流のマニホールドダクトのｃｍ２での面積）にほぼ等しい、ｃｍでのオーバーラップ距離にわたって、実質的に第２の分配マニホールドから後退させた電極の第２の後退させた縁部を越えて延び、および
（ｉｉ）２つの電極間の合計距離の約８％から１００％の距離にわたって、実質的に後退させた電極から他の電極まで延びる、第２の電気的絶縁ゾーンを含む、請求項１に記載の電気透析スタック。
【請求項１５】
両方の電極が２つの反対側の後退させた縁部を有し、スタックが（ｉ）それぞれの電極の後退させた縁部とオーバーラップし、（ｉｉ）電極間の合計距離の約８％から１００％までの距離にわたって、実質的にそれらのそれぞれの電極から反対側の電極まで延びる４つの電気的絶縁ゾーンを含み、ｃｍでの各オーバーラップ距離は、式
（０．０６２ｃｍ−１）＊（ｅｘｐ（−６０／総ｃｐ）＊（後退させた縁部における濃縮流のマニホールドダクトのｃｍ２での面積）、
に基づいて独立して計算される、請求項１に記載の電解スタック。
【請求項１６】
電気的絶縁ゾーンが、後退させた電極と他の電極との間の距離の１００％未満延び、電気透析スタックが、後退させた電極の後退させた縁部を越えて延びていない追加の電気的絶縁ゾーンをさらに備える、請求項１に記載の電解スタック。
【請求項１７】
後退させた縁部を伴う電極と、少なくとも１０および最大２０００の電解セル対の総数（総ｃｐ）とを有する電気透析スタック用のイオン交換膜であって、膜が電気透析スタックの一部であるとき、膜は濃縮流のマニホールドダクトを含む分配マニホールドを形成するために開口部をその中に規定し、
膜は、
イオン交換部分と、
（０．０６２ｃｍ−１）＊（ｅｘｐ（−６０／総ｃｐ）＊（後退させた縁部における濃縮流のマニホールドダクトのｃｍ２での面積）にほぼ等しい、ｃｍでのオーバーラップ距離にわたって、実質的に開口部から電極の後退させた縁部に対応する線を越えて延びるイオン輸送抵抗部分と
を備える、イオン交換膜。
【請求項１８】
イオン輸送抵抗部分が、実質的に等しいモル量の固定陽イオンおよび固定陰イオン電荷の両方を備えるか、または実質的に固定電荷を備えない、請求項１７に記載のイオン交換膜。
【請求項１９】
イオン輸送抵抗部分が、イオン交換膜の縁部から延びる、請求項１７に記載のイオン交換膜。
【請求項２０】
後退させた縁部を伴う電極と、電気透析セル対の総数（総ｃｐ）とを有する電気透析スタック内の隣接膜用のスペーサであって、スペーサは、電気透析スタックの一部であるとき、濃縮流のマニホールドダクトを含む分配マニホールドを形成するために開口部をその中に規定し、スペーサは、
入口ポートと出口ポートとを流体的に連結する流れ場を囲む膜支持領域と、
導電性流体接続に利用可能な隣接膜の領域を減少させるために、膜支持領域の厚さを通して延びる電気抵抗構造と
を備え、
電気抵抗構造は、入口および出口ポートから電極の後退させた縁部に対応する線を越えて、
（０．０６２ｃｍ−１）＊（ｅｘｐ（−６０／総ｃｐ）＊（後退させた縁部における濃縮流のマニホールドダクトのｃｍ２での面積）にほぼ等しいオーバーラップ距離にわたって流れ場の表面積の約５０％から約７５％を占める、スペーサ。
【請求項２１】
電気抵抗部材は、実質的に流れ場の流路に沿って延びる、請求項２０に記載のスペーサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、少なくとも１つの後退させた電極を有する電気透析スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
以下の段落は、それらで議論されたいかなるものも、先行技術であるか、または当業者の知識の一部であることを認めるものではない。
【０００３】
完全な電極を備えた電気透析スタックでは、イオン電流は、一対の電極（アノードとカソード）によってスタックを通って駆動される。電流の大部分はイオン輸送膜を通過し、脱塩と塩の濃縮とを作り出す。電流の一部分は、短絡メカニズムを通じて分配マニホールドを通って流れ、装置の効率を減少させる。この短絡電流は、マニホールドから分離されるように電極の縁部を後退させることにより減少され得る。電極の両縁部が後退させられてもよい。両方の電極の両縁部が後退させられてもよい。
【０００４】
導入
以下の概要は、読者に本明細書を紹介することが意図されており、発明を定義するものではない。１つ以上の発明が、以下で、またはこの文書の他の部分で説明される装置要素または方法ステップの組み合わせもしくはサブコンビネーションに存在し得る。本発明者らは、単に特許請求の範囲にそのような他の発明を記載しないことによって、本明細書に開示された発明に対する彼らの権利を断念または放棄しない。
【０００５】
後退させた電極は、電極上に均一ではない電流分布を作り出し得、そこでは、電極の（マニホールドに最も近い）前縁部上またはその近くに高い電流密度がある。このような高電流密度は、その領域の電極と膜の両方への損傷を加速させ得る。したがって、電極および／または電極の前縁部の周りの膜への損傷を減少させる、または排除するために、電流を再分配する修正された電気透析スタックの必要性が残っている。改良された電解スタックが電流を再分配して、前縁部電流が電極のバルク電流密度の１５０％以内になるならば望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
説明された１つ以上の例は、後退させた電極を有する電気透析スタックに伴う１つ以上の欠点に対処または改善しようと試みている。
【０００７】
いくつかの実施形態では、本開示は、導電性溶液の処理のための電気透析スタックを提供する。スタックは、２つの電極と、イオン輸送膜と、電気透析スタックスペーサとを有する。膜およびスペーサは電極間に配置されて電気透析セルを規定し、電気透析中に電極間に導電性の流体接続を提供する。膜およびスペーサは、膜およびスペーサが電気透析セルを形成するように配置されるときに、組み合わせて、導電性溶液のための分配マニホールドを規定する開口部をその中に規定する。２つの電極のうちの少なくとも一方は、分配マニホールドから後退させた縁部を有する。スタックは、電極間の導電性流体接続とオーバーラップする電気的絶縁ゾーンをさらに含み、電気的絶縁ゾーンは、実質的に分配マニホールドから後退させた電極の後退させた縁部を越えて延び、および、実質的に後退させた電極から他の電極まで、２つの電極間の合計距離の約８％から１００％の距離にわたって延びる。電気的絶縁ゾーンは、後退させた電極の後退させた縁部を越えて延び、式：
ｃｍでの距離＝（０．０６２ｃｍ−１）＊（ｅｘｐ（−６０／総ｃｐ）＊（後退させた縁部における濃縮流のマニホールドダクトのｃｍ２での面積）、  総ｃｐはスタック内のセル対の総数を指す、
により決定される距離にわたって電極とオーバーラップする。
【０００８】
本開示の文脈において、「約」の距離にわたって延びる電気的絶縁ゾーンへの言及は、オーバーラップ距離が式により決定される距離の＋/−１０％であってもよいことを意味すると理解されるべきである。例えば、６００セル対と４０ｃｍ２のマニホールドダクト面積とを備えたスタックの場合、式によって決定されるオーバーラップ距離は２．２４ｃｍであり、本開示によるスタックは、後退させた電極の後退させた縁部を越えて２．２４＋/−０．２２ｃｍ延びる電気的絶縁ゾーンを有する。
【０００９】
電気的絶縁ゾーンは、スタックに複数の電気的絶縁マスクを含めることにより形成されてもよい。電気的絶縁マスクは、（ａ）電気透析セル内のプラスチックシート；（ｂ）２つの隣接する電気透析セル間のプラスチックシート；（ｃ）陽イオン輸送膜のイオン輸送抵抗部分；（ｄ）陰イオン輸送膜のイオン輸送抵抗部分；（ｅ）導電性流体接続に利用可能な隣接膜の領域を減少させるスペーサの一部分；または（ｆ）それらの任意の組み合わせ、を含んでもよい。
【００１０】
ここで、添付の図面を参照して、本開示の実施形態を単に例としてのみ説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】電気透析スタックで使用できる完全な電極、後退させた電極、およびスペーサの図である。
【図２】本開示による例示的な電気透析スタックの上面図である。
【図３】図２に示される例示的な電気透析スタックの側面図である。
【図４】図２および図３に示される例示的な電気透析スタックの斜め前から見た図である。
【図５】本開示による第２の例示的な電気透析スタックの斜め前から見た図である。
【図６】本開示による第３の例示的な電気透析スタックの斜め前から見た図である。
【図７】本開示による例示的なスペーサと並んだ後退させた電極（左側）の図である。
【図８】図７に示される２つの積み重ねられているが反転された例示的なスペーサの上面図であり、斜線部分は、それらの間に挟まれた膜の利用可能なイオン輸送領域を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
一般に、本開示は、導電性溶液の処理に使用され得る電気透析スタックを提供する。スタックは、２つの電極と、複数のイオン輸送膜と、スタックスペーサとを含む。膜およびスペーサは電極間に配置され、電解中に電極間に導電性流体接続を提供する電気透析セル対（ｃｅｌｌ  ｐａｉｒｓ）を規定する。電気透析スタックでは、電極のうちの少なくとも１つは後退させた電極である。スタックは、（ｉ）実質的に分配マニホールドから電極の後退させた縁部を越えて、および、（ｉｉ）２つの電極間の合計距離の約８％から１００％の距離にわたって、実質的に後退させた電極から反対の電極まで延びる、電気的絶縁ゾーンを含む。電気的絶縁ゾーンが電極の後退させた縁部を越えて延びる距離は、オーバーラップ距離と呼ばれることもあり、電気透析スタックに関連する物理的パラメータに基づいている。オーバーラップ距離は：
ｃｍでの距離＝（０．０６２ｃｍ−１）＊（ｅｘｐ（−６０／総ｃｐ）＊（後退させた縁部における濃縮流のマニホールドダクトのｃｍ２での面積）＋/−１０％、  総ｃｐはスタック内のセル対の総数、
のように計算される。
【００１３】
電気的絶縁ゾーンは、電気抵抗がスタックのバルク抵抗よりも大きい、スタック内の区域である。この増加された電気抵抗は、絶縁ゾーンを通って移動しようとする電流の少なくともいくらかを電気的に絶縁されていないスタックの部分に方向転換させる。電気的絶縁ゾーンは、電流を後退させた電極の縁部から離れるように方向転換させて、電極および／または電極の前縁部周辺の膜への損傷を減少させる、または排除する。いくつかの例では、修正された電解スタックは、前縁部の電流密度が電極のバルク電流密度の１５０％以内になるように十分な電流を方向転換させ得る。
【００１４】
本開示の文脈において、「完全な電極」とは、分配マニホールドの少なくとも１つの形成に関与する開口部を含む電極を指すと理解されるべきである。「後退させた電極」とは、その前縁部が開口部から離間している導電性部分を有する電極を指すと理解されるべきである。後退させた電極は、主要な脱塩および濃縮分配マニホールドの形成に関与する開口部を欠く導電性部分を有するが、電極の入口および／または出口流に特有の１つ以上のマニホールドを含んでもよい。
【００１５】
電極は、貴金属（たとえば：白金、酸化イリジウム、タンタル、ルテニウム、または銀）でコーティングされたチタン板を含むか、または金属集電体にコーティングもしくは結合された容量性炭素電極（たとえば：Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、またはそれらの混合物または合金）を含み得る。
【００１６】
図１は、スペーサの文脈における例示的な「完全な」電極および例示的な「後退させた」電極を示しており、スペーサの影付き領域は流体の流れ領域を示している。スペーサは、２つの膜を分離し、膜の表面を横切って流体を分配することを可能にするので、「フロースペーサ（ｆｌｏｗ  ｓｐａｃｅｒ）」とも呼ばれる。
【００１７】
電気透析スタックの両方の電極は、スタックの同じ側から後退させられ得、その場合、２つの異なる電気的絶縁ゾーンがあり、各ゾーンは、２つの電極間の合計距離の少なくとも約８％の距離にわたって反対側の電極に向かって独立して延びる。電気的絶縁ゾーンは、後退させた電極の１つから他の後退させた電極まで延びる単一の電気的絶縁ゾーンを形成して出会い得る。
【００１８】
電気的絶縁ゾーンは、実質的に分配マニホールドから後退させた電極の前縁部を越えて延びている。「実質的に分配マニホールドから」という表現は、電気的絶縁ゾーンが、分配マニホールドの面に垂直に流れる電流から分配マニホールドを十分に絶縁して、マニホールドの流れチャネルを通る短絡電流を減少させる、または回避するサイズおよび形状とされることを意味すると理解されるべきである。いくつかの例では、電気的絶縁ゾーンは、電解スタックのマニホールド側の面から電極の後退させた縁部を越えて延びている。
【００１９】
電気的絶縁ゾーンは、２つの電極間の合計距離の約８％から１００％の距離にわたって、実質的に後退させた電極から反対側の電極まで延びている。電気的絶縁ゾーンが電気的絶縁マスクによって規定される例では、絶縁マスクは電極に直接隣接する必要がないことを理解されたい。絶縁ゾーンは、電極から離れた距離にある電気透析セル対の一部である、またはそれに隣接するマスクによって規定されてもよい。「実質的に後退させた電極から延びる」という表現は、絶縁マスクが電極の十分に近く、電極の前縁部で電流を再分配することを意味すると理解されるべきである。いくつかの例では、第１の絶縁マスクは、後退させた電極に隣接する最初の３つの電解セル対内に置かれるか、その一部である。いくつかの特定の例では、第１の絶縁マスクは、後退させた電極に隣接する第１の電解セル対の一部であるか、それに隣接している。
【００２０】
スタックは、１つ以上の追加の電気的絶縁ゾーンを含み得る。２つの後退させた電極を含むスタックでは、２つの電極から延びる２つの絶縁ゾーンの間に追加の絶縁ゾーンが置かれてもよい。追加の電気的絶縁ゾーンは、電極の後退させた縁部とオーバーラップする必要はない。例えば、スタックは、（１）第１の電極の後退させた縁部とオーバーラップし、２つの電極間の合計距離の１０％延びる第１の電気的絶縁ゾーンと、（２）第１の電極の後退させた縁部と、２つの電極間の合計距離の２０％の距離にわたって第１の絶縁ゾーンから延びる第２の電気的絶縁ゾーンと、（３）第１の電極の後退させた縁部を越えて延びず、２つの電極間の合計距離の２０％の距離にわたって第２の絶縁ゾーンから延びている第３電気的絶縁ゾーンとを含み得る。そのような例示的なスタックでは、２つの電極間の距離の半分は電気的絶縁ゾーンを含むであろう。
【００２１】
膜およびスペーサは、膜およびスペーサが一緒に設置されてスタックを形成するときに、組み合わせてマニホールドチャネルが形成されるように整列された開口部をその中に規定する。マニホールドチャネルは、濃縮フィード（代替でブライン流と呼ばれる）と希釈フィード（代替でフィードまたは脱塩流と呼ばれる）とを適切なセルに分配し、希釈生成物と濃縮ブライン生成物とを除去する。
【００２２】
図１に示すスペーサは、２対のポートを有する。スタックでは、１対のポートがフロー流（ｆｌｏｗ  ｓｔｒｅａｍ）の入口および出口を提供し、一方、もう１対のポートが、隣接するスペーサからの流体を支持または除去するために使われる内部導管を完成させる。図示されたスペーサに隣接するスペーサは、図示されたスペーサに対して反転される。
【００２３】
複数のマニホールドチャネルが使用されて、濃縮フィードまたは希釈フィードが分配されてよい。複数のマニホールドチャネルが使用されて、希釈生成物または濃縮生成物が除去されてよい。「濃縮流のマニホールドダクトの面積」という表現は、濃縮流の入口および出口の１つ以上の分配マニホールドチャネルの合計断面積を指すと理解されるべきである。
【００２４】
セル対は、陽イオン交換膜、希釈流スペーサ、陰イオン交換膜、および濃縮流スペーサを含んでもよい。いくつかの例示的な電気透析スタックでは、陽イオン交換膜は陰イオン交換膜と交互になり、交互の希釈流と濃縮流とが作り出される。電気透析または他のスタックの他の例では、同じ膜タイプの２つが連続して使用される場所があるか、スタック全体が１つのタイプの膜を持つことがある。
【００２５】
フロースペーサは、約０．０１ｃｍから約０．１ｃｍの厚さを有してもよい。スタックの最大スタック高さは、スタックに印加され得る最大安全ＤＣ電圧に基づいていてもよい。約０．０８ｃｍの厚さを有するスペーサは、約７５０セル対の最大スタック高さを可能にし得る。本開示によるスタックは、２５から１０００個のセル対など、１０から２０００個のセル対を有してもよい。特定の例では、本開示によるスタックは、１００から１０００個のセル対を有し得る。
【００２６】
図２は、前縁部（１４）を有する後退させた電極（１２）と、（ｉ）濃縮フィード用の分配マニホールド、（ｉｉ）希薄フィード用の分配マニホールド、および（ｉｉｉ）希釈生成物流および濃縮ブライン用の生成物マニホールドの形成に関与する開口部（１６、１８、２０、２２）とを示す、例示的な電気透析スタック（１０）の図の上面図である。この図は、電気的絶縁ゾーン（２６）と後退させた電極（１２）とのオーバーラップ（２４）を示している。この例示的なスタックでは、開口部（１６）は、濃縮フィード用の分配マニホールドの形成に関与する開口部に対応する。したがって、濃縮フィード流のマニホールドダクトの面積に対応するのは、その開口部の面積（２８）である。オーバーラップ距離（３０）は、上記のように計算される。この例示的なスタックでは、電気的絶縁ゾーン（２６）は、スタックのマニホールド側面（３２）から延びている。
【００２７】
図３は、図２の例示的な電気透析スタックの側面図であり、複数の電解セルを水平線として、電気的絶縁ゾーン（２６）を、後退させた電極（１２）から反対側の電極（３４）まで、合計距離の約５０％の距離にわたって延びているとして示す。反対側の電極（３４）は完全な電極である。電気的絶縁ゾーン（２６）は、スタックのマニホールド側の面（３２）から延びており、前縁部（１４）で後退させた電極（１２）とオーバーラップしている。明確にするために、オーバーラップ（２４）とは、後退させた電極を見下ろしたときに後退させた電極とオーバーラップする電気的絶縁ゾーンの部分を指す。電気的絶縁ゾーンとは、電解スタックを作るセルの電気的に絶縁された区域を指すことを理解されたい。
【００２８】
図４は、図１から図３の例示的な電気透析スタックの等角図であるが、電解セルは示していない。斜線で示された領域は、電気的絶縁ゾーン（２６）に対応する。
【００２９】
本開示による電解スタックの特定の一例を図５に示す。スタック（４０）は、スタックの片側に後退させた２つの電極（４２および４４）を含み、両方の後退させた電極の電気的絶縁ゾーンが延びて、電極間の全距離延びる単一の電気的絶縁ゾーン（４６）を形成する。２つの後退させた電極の電気的絶縁ゾーンは、単一の絶縁ゾーンを形成する必要はない。１つ以上の電気的絶縁ゾーンが、他の電極とより以上に、１つの電極とオーバーラップしてもよい。
【００３０】
本開示による電解スタックの別の特定の例を図６に示す。スタック（５０）は、スタックの両側にマニホールドを形成する開口部を規定するセル対を含む。一方の側のマニホールド（５２、５４、５６、５８）は入口マニホールドで、もう一方の側のマニホールド（６０、６２、６４、６６）は廃棄マニホールドである。両方の電極（６８と７０）がスタックの両側で後退しており、両方の後退させた電極の電気的絶縁ゾーンが延びて、電極間の全距離延びる２つの絶縁ゾーン（７２、７４）を形成する。上部の後退させた電極（６８）の一端との絶縁ゾーンの１つのオーバーラップ距離（７６）が示されている。電極のもう一方の端と他の３つの絶縁ゾーンの平行オーバーラップ距離は示されていない。各絶縁ゾーンのオーバーラップ距離は、上記の式に基づいて独立して計算され、各側に固有の濃縮ダクト面積が計算で使用され、その側のオーバーラップが決定される。
【００３１】
電気的絶縁ゾーンは、複数のセル対の部分の抵抗を増加させるなど、スタックの一部分の電気抵抗を増加させることにより形成され得る。増加された電気抵抗は、絶縁ゾーンの一部ではないセル対の電気抵抗など、スタックの残りの部分の電気抵抗に対する比較においてである。図２および図３に示される例示的なスタックの文脈において、スタックの上部５０％のセル対は、マニホールドの周りで増加された電気抵抗を有し、上部電極の後退させた縁部とオーバーラップする。スタックの上位５０％にあるセル対の残りの部分では、電気抵抗は増加しない。
【００３２】
電気的絶縁ゾーンは、スタックに複数の電気的絶縁マスクを含めることにより形成されてもよい。絶縁マスクは、セル対に追加されるか、または、セル対の１つ以上の構成要素から形成され得る。
【００３３】
電気的絶縁マスクは、例えば：（ａ）電気透析セル内のプラスチックシート；（ｂ）２つの隣接する電気透析セル間のプラスチックシート；（ｃ）陽イオン交換膜のイオン輸送抵抗部分；（ｄ）陰イオン交換膜のイオン輸送抵抗部分；または（ｅ）導電性流体接続に利用可能な隣接膜の領域を減少させるスペーサの一部分、であってもよい。絶縁ゾーンは、複数のプラスチックシートを使用するなど、複数の同様のタイプの絶縁マスクを使用して；または、プラスチックシートとイオン交換膜のイオン輸送抵抗部分の両方の組み合わせなど、異なるタイプの絶縁マスクの組み合わせを使用して形成されてもよい。
【００３４】
電気的絶縁ゾーンは、少なくとも部分的に、それぞれが、イオン交換膜と隣接するスペーサとの間に位置付けられた複数のプラスチックシートによって規定されてもよい。セル対は陽イオン交換膜、希釈流スペーサ、陰イオン交換膜、濃縮流スペーサを含むので、および、スタックは複数のセル対を含むので、各プラスチックシートは：
・陽イオン交換膜と希釈流スペーサとの間；
・希釈流スペーサと陰イオン交換膜との間；
・陰イオン交換膜と濃縮流スペーサとの間；または、
・濃縮流スペーサと隣接セル対の陽イオン交換膜との間に位置付けられ得る。
【００３５】
スタック内のプラスチックシートをすべて、各セル対の同じ部分に設置する必要はない。例示的なスタックでは、複数のプラスチックシートは、膜ごとに１枚のシートを有する複数の陽イオン交換膜の上部に位置付けられてもよい。別の例示的なスタックでは、いくつかのプラスチックシートが陽イオン交換膜と希釈流スペーサとの間に位置付けられ、一方、他のプラスチックシートが陰イオン交換膜と濃縮流スペーサとの間に位置付けられもてよい。別の例示的なスタックでは、各セル対は、各膜の両側にプラスチックシートを含むだろう。
【００３６】
電気的絶縁ゾーンの形成に使用するのに適したプラスチックシートは、１００オーム・ｃｍ２より大きい面抵抗を有する、０．０５ｍｍ未満の厚さを有する、酸安定性である、塩基安定性である、またはそれらの任意の組み合わせでよい。使用できるプラスチックシートは、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のシートである。プラスチックシートは、膜およびスペーサの開口部と整列される開口部を規定してもよい。プラスチックシートは長方形であり、シートの縁部が開口部の縁部と整列するようなサイズでもよい。プラスチックシートは、熱的に結合されるなど、スペーサに結合されてもよい。
【００３７】
電気的絶縁ゾーンは、少なくとも部分的に、複数の（ａ）陽イオン交換膜のイオン輸送抵抗部分、（ｂ）陰イオン交換膜のイオン輸送抵抗部分、または（ｃ）両方によって規定される。
【００３８】
イオン交換膜のイオン輸送抵抗部分は、固定イオンに対して平均して実質的にゼロの正味バルク電荷を有する膜の一部分であってもよい。例えば、陽イオン交換膜は、溶解した陽イオンを、膜を横切って輸送する固定陰イオン電荷を含んでもよい。陽イオン交換膜のイオン輸送抵抗部分は、実質的に等しいモル量の固定陽イオンおよび固定陰イオン電荷の両方を含み得る。膜のイオン輸送抵抗部分の固定陽イオン電荷は、溶解した陽イオンと相互作用し、膜を横切るその輸送を静電的に拒否する。同様に、陰イオン交換膜のイオン輸送抵抗部分は、実質的に等しいモル量の固定陽イオンおよび固定陰イオン電荷の両方を含み得、一方、陰イオン交換膜の残りは固定陽イオン電荷を含む。
【００３９】
陰イオン交換膜の例は：バッキングシート上のＮ−ビニルカプロラクタム（Ｖ−Ｃａｐ）、ジメチルアミノプロピルメタクリルアミド（ＤＭＡＰＭＡ）、シクロヘキサンジメタノールジグリシジルエーテル（ＣＨＤＭＤＧＥ）、およびＨＣｌの重合により形成された膜である。その膜のイオン輸送抵抗部分は、実質的に同量の固定陽イオンおよび陰イオン電荷を有するポリマーをもたらすモル量の２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸（ＡＭＰＳ）と一緒にその重合から形成され得る。得られるイオン輸送抵抗部分は、膜の陰イオン交換部分の抵抗率よりも約１０から約５０倍大きい抵抗率を有し得る。
【００４０】
陰イオン交換膜の別の例は：トリメチルアミノエチルメタクリレートクロライド（ＴＭＡＥＭＣ）とエチレングリコールジメタクリレート（ＥＧＤＭ）との重合から形成された膜である。その膜のイオン輸送抵抗部分は、実質的に同量の固定陽イオンおよび陰イオン電荷を有するポリマーをもたらすモル量の２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸（ＡＭＰＳ）と一緒にその重合から形成され得る。得られるイオン輸送抵抗部分は、膜の陰イオン交換部分の抵抗率よりも約１００から約５００倍大きい抵抗率を有し得る。
【００４１】
陽イオン交換膜の例は：２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸（ＡＭＰＳ）とＥＧＤＭの重合から形成された膜である。その膜のイオン輸送抵抗部分は、実質的に等しい量の固定陽イオンおよび陰イオン電荷を有するポリマーをもたらすモル量のトリメチルアミノエチルメタクリレートクロライド（ＴＭＡＥＭＣ）とともに、その重合から形成され得る。
【００４２】
あるいは、イオン輸送抵抗部分は、固定電荷を欠く膜の一部分であってもよい。例えば、陰イオン交換膜は、溶解した陰イオンを、膜を横切って輸送する固定陽イオン電荷を含み得、一方、陰イオン交換膜のイオン輸送抵抗部分は、非荷電モノマーと架橋剤との重合生成物のみを含み得る。同様に、陽イオン交換膜は、溶解した陽イオンを、膜を横切って輸送する固定陰イオン電荷を含み得るが、一方、陽イオン交換膜のイオン輸送抵抗部分は、非荷電モノマーと架橋剤との重合生成物のみを含み得る。
【００４３】
このような陰イオン交換膜の例は、トリメチルアミノエチルメタクリレートクロライド（ＴＭＡＥＭＣ）とエチレングリコールジメタクリレート（ＥＧＤＭ）との重合から形成された膜であり、その膜のイオン輸送抵抗部分はＥＤＧＭを架橋剤として含むＮ−ビニルカプロラクタムの重合から形成される。
【００４４】
フロースペーサは、２つの膜の間の入口から出口までの流路を規定するために、流れ領域内に構造を提供する。フロースペーサは、（ａ）スペーサの物理的一体性を与える、（ｂ）隣接する膜を支持する、（ｃ）組み立て中のスタックの整列を支援する、（ｄ）コロイドの堆積を減少させることを助ける乱流を促進する、または（ｅ）それらの組み合わせの、交差ストラップを含み得る。電気的絶縁ゾーンは、少なくとも部分的に、導電性流体接続に利用可能な隣接膜上の領域を減少させるスペーサの部分を有する複数のスペーサによって規定されてもよい。スペーサは、導電性流体接続に利用可能な領域を約５０％から約７５％減少させ得る。
【００４５】
例えば、本開示によるフロースペーサは、スペーサに広がって両方の膜に接触する構造を含み、接触領域内の膜を横切るイオン輸送を減少させる、または防止することができる。フロースペーサは、上述のように、電極と後退させた電極の後退させた縁部とを越えて延び、電極と一定の距離にわたってオーバーラップする領域に上記の構造を含む。
【００４６】
図７は、そのようなフロースペーサの特定の例を示している。スペーサ（８０）は、マニホールド領域から流体の流れの方向に延びる細長い構造（８２）を含む。オーバーラップ距離（８４）は、フロースペーサ（８０）に隣接して示される、後退させた電極（８６）に関して示されている。細長い構造（８２）は、上および下側の膜に接触できるように、スペーサの深さに広がっている。図７に示されているフロースペーサは、圧力降下を減少させることができる。
【００４７】
図示されたスペーサに隣接する、同様であるが反転されたスペーサは、その間の膜に部分的にオーバーラップする細長い構造をもたらす。図８は、２つの同一の、しかし反転されたスペーサの間に挟まれた膜の、減少されたイオン輸送領域（８８）を示している。減少されたイオン輸送領域（８８）は、スペーサの一方または両方の細長い構造に接触する膜の領域である。
【００４８】
図７および図８は細長い構造を示しているが、イオン輸送に利用可能な隣接膜の領域を減少させるために任意の形状を使用することができる。「領域を減少させる」という表現は、本開示によるスペーサ内のイオン輸送に利用可能な領域が、構造を欠く、そうでなければ同一のスペーサ内の対応する領域よりも小さいことを意味すると理解されるべきである。
【００４９】
例
例１．全面および後退させた電極の電流密度の比較
電解スタック内の全面セグメント化された電極の電流密度が、異なるセグメントで測定された。スタックは、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜との６００セル対を含んでいた。スタックは、３００Ｖ、１５から２３Ａ、２２℃、約３，０００μＳ／ｃｍＮａＣｌのフィードの導電率および約１７から２５ｍＳ／ｃｍの濃縮の導電率で動作された。
【００５０】
電流密度は、露出した表面積を使用して計算され、マニホールドに隣接していない電極のセグメントで６．４から９．７ｍＡ／ｃｍ２の範囲であった。同じスタック内の後退させた電極の電流密度は、後退させた縁部から間隔を空けたセグメントで６．８から９．９ｍＡ／ｃｍ２の範囲であった。電極の後退させた縁部の近くのセグメントでは、電流密度は１０．８から１５．４ｍＡ／ｃｍ２の範囲であった。この例の後退させた電極では、電極の後退させた縁部を規定するセグメントは、他のセグメントの長さの半分であった。
【００５１】
前述の説明では、説明の目的で、例の完全な理解を提供するために多数の詳細が記載されている。しかしながら、これらの特定の詳細が必要ではないことは当業者には明らかであろう。したがって、説明されたものは、説明された例の適用の単なる例示であり、上記の教示に照らして多くの修正および変形が可能である。
【００５２】
上記の説明は例を提供するので、当業者は特定の例に対して修正および変形を行うことができることを理解されたい。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に記載された特定の例によって限定されるべきではなく、全体として明細書と一致する方法で解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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