KR20090093323A - 탈이온화 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

탈이온화 장치 및 그 제조방법

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KR20090093323A
KR20090093323A KR1020080018781A KR20080018781A KR20090093323A KR 20090093323 A KR20090093323 A KR 20090093323A KR 1020080018781 A KR1020080018781 A KR 1020080018781A KR 20080018781 A KR20080018781 A KR 20080018781A KR 20090093323 A KR20090093323 A KR 20090093323A
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박대욱
히데오 노지마
장필수
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명의 목적은 셀별 전극 간격을 균일화하고 셀 내부 유동을 최적화하여 탈이온화장치의 효율을 향상시키며, 탄소재료와 집전체사이의 접촉저항을 저감하여 전기전도도를 향상시킬 수 있는 전기용량방식의 탈이온화장치를 제공하는 것이다.
개시된 본 발명은 집전체와 상기 집전체의 상하면에 마련된 전극을 포함하는 복수의 전극모듈을 구비하여 전기 화학적으로 액체내의 이온을 제거하는 전기용량방식의 탈이온화장치에 있어서, 상기 복수의 전극모듈 각각이 소정간격 이격되도록 상기 전극모듈과 교번적으로 적층되는 강성(剛性)재질의 복수의 플레이트를 포함하고, 상기 집전체와 상기 전극은 상기 복수의 플레이트 중 인접하는 한 쌍의 플레이트에 의해 가압되어 접촉을 유지하는 것을 특징으로 한다.

Description

탈이온화 장치 및 그 제조방법{DEIONIZATION APPARATUS AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}
본 발명은 액체내의 이온을 제거할 수 있는 이온제거장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기화학적 방법을 이용하여 액체 내의 이온 성분을 제거할 수 있는 전기용량방식의 탈이온화(CDI:Capacitive Deionization)장치에 관한 것이다.
현재까지 소금 성분 또는 중금속 등을 포함하는 물의 정화를 위해서 여러가지 종류의 방법중, 이온교환수지(Ion exchangeresin)를 이용한 방법이 많이 사용되고 있다. 그러나, 이온교환수지를 사용하는 방법은 수지의 재생시 산이나 염기성 용액을 사용해야 하고, 대용량의 물을 처리하기 위해서 다량의 폴리머수지와 화학약품을 사용해야 하므로 비경제적인 단점이 있다.
최근에는 이러한 단점을 극복하기 위하여 Capacitive Deionization(이하 CDI라 한다)장치에 대한 연구가 이루어지고 있다.
전기용량방식 탈이온(Capacitive deionization, CDI) 기술은 스택(stack) 형태로 구성된 다공성의 두 탄소전극 사이에 전압을 가하여 양극에는 음이온이 음극에는 양이온이 전기적으로 흡착하여 물과 같은 유체 속에 용존하는 이온을 제거하는 간단한 원리에 기초한다. 또 전극에 이온의 흡착이 포화되면 전극의 극성을 반대로 바꾸어 주거나 전원공급을 끊어주는 방법을 통해 전극의 재생을 간편하게 할 수 있다. 전극재생을 위해 이온교환수지법이나 역삼투압법과 같이 산이나 염기 등의 세척용액을 사용하지 않으므로 이차적으로 발생하는 화학적 폐기물이 전혀 없다. 또한 전극의 부식이나 오염이 거의 없어 수명이 반영구적이고 다른 처리방법에 비해 에너지 효율이 높아 에너지를 10 - 20배 절감할 수 있는 것이 큰 장점이다.
이와 같은 CDI장치의 일예가 미국특허공보 US6309532에 개시된다.
상기 공보에 개시된 CDI장치는 상,하단에 마련된 end plate, 중간층을 구성하는 다수의 전극(electrode), 집전체(current collector), 절연체(insulating material)과 이들을 체결하기 위한 볼트, 너트, 실링 등으로 구성된다.
전극은 높은 비표면적의 기공을 가진 탄소 재료가 주로 사용되며 집전체와 전도성 물질로 접착된다. 집전체는 티타늄 시트, 혹은 탄소포일과 같은 전기전도성이 좋은 재료를 사용하며, 특정 부위에 유로형성을 위한 채널을 만들고 양면에 전극을 붙여 하나의 전극체로 구성된다. 단, 최상단과 최하단은 한 쪽 면에만 전극이 부착된다.
상기 공보에 개시된 CDI장치는 전극, 집전체, 절연체, 실링 등을 교대로 적층하여 체결함으로써 CDI 스택을 구성하는데, 이와 같은 CDI스택에서 전극에 (+)극과 (-)극을 교대로 인가하고 상부 혹은 하부의 유입구로 물을 흘리면, 집전체에 형성되어 있는 채널을 통해 물이 지그재그 형태로 이동하며, 물 속에 포함된 이온 성분들이 전극의 탄소 재료에 흡착된다. 일정 수준 흡착 후 기존 (+)극에는 (-)극을, (-)극에는 (+)극을 인가하면 탄소재료에 흡착된 이온 성분이 제거되어 전극의 재생이 간단하게 이루어진다.
그러나 상기 공보에 개시된 CDI장치는 전극 제작시 탄소재료와 집전체를 전도성 에폭시 등을 이용하여 접착시킴으로써 전도성 에폭시에 의해 탄소재료의 기공이 일부 막힐 수 있으며, 접촉저항으로 인해 전기전도도가 나빠질 수 있다.
또한 각 층마다 고무나 테프론 재질의 가스킷을 이용하여 실링함으로써 다수의 셀을 적층한 후 체결시 상부, 중간부, 하부의 셀 별로 균일한 힘으로 체결되지 못한다. 이로 인하여 셀 간의 이격 거리가 다르게 되어 셀 별로 균일한 전압이 걸리지 못하고, 그 결과 이온제거 효율이 떨어지는 셀이 발생하게 된다.
또한 집전체로는 티타늄 또는 기능적으로 동일한 금속을 사용하는데, 이를 사용하는 경우 제조비용이 증가하게 되고, 제조비용을 저감하기 위해 다른 금속류를 사용하는 경우 금속이 부식될 가능성이 있다. 또한, 가격이 저렴한 탄소포일을 이용하는 경우 상기 공보에 개시된 구조에서는 집전체의 테두리측이 외부로 노출되기 때문에 집전체가 파손될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전극 제작시 탄소재료와 집전체사이의 접촉저항을 저감하여 전기전도도를 향상시키며, 탄소재료의 일부 기공이 막히는 것을 방지할 수 있는 전기용량방식 탈이온화장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 적층되는 각 집전체사이의 이격거리를 균일하게 하여 이온제거 효율을 향상시킬 수 있는 전기용량방식 탈이온화장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 제조비용을 저감하고 부식 및 파손을 예방할 수 있는 집전체를 구비한 전기용량방식 탈이온화장치를 제공하는 것이다.
또한, 단위 셀 내부에 구조물을 설치하여 물이 전극표면을 통과하는 총 길이를 변화하거나 난류를 발생시켜 이온제거 효율을 향상시킬 수 있는 전기용량방식 탈이온화장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탈이온화장치는 집전체와 상기 집전체의 상하면에 마련된 전극을 포함하는 복수의 전극모듈을 구비하여 전기 화학적으로 액체내의 이온을 제거하는 전기용량방식의 탈이온화장치에 있어서, 상기 복수의 전극모듈 각각이 소정간격 이격되도록 상기 전극모듈과 교번적으로 적층되는 강성(剛性)재질의 복수의 플레이트를 포함하고, 상기 집전체와 상기 전극은 상기 복수의 플레이트 중 인접하는 한 쌍의 플레이트에 의해 가압되어 접촉을 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수의 플레이트 각각은 내부에 중공부가 형성되고, 상기 전극모듈은 상기 한 쌍의 플레이트의 상기 중공부에 안착되며 상기 중공부의 테두리에 의해 가압되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수의 전극모듈 중 인접하는 전극모듈사이는 이온을 흡착하는 단위 셀을 형성하고, 상기 단위 셀 각각은 소정간격을 유지하도록 간격유지부재가 마련될 수 있다.
또한, 상기 간격유지부재는 액체의 유동을 가이드하는 가이드부를 포함한다.
또한, 상기 가이드부는 상기 단위 셀상을 통과하는 액체의 유동시간이 증가되도록 단위 셀 내부를 구획하는 구조를 구비한다.
또한, 상기 전극모듈은 상기 가이드부에 의해 구획된 유로의 폭에 대응하는 채널을 구비한다.
또한, 상기 간격유지부재는 상기 중공부에 일체로 형성될 수 있다.
또한, 상기 간격유지부재는 상기 전극과 상기 접전체가 상호 접촉을 유지하도록 상기 전극모듈을 가압한다.
또한, 상기 간격유지부재는 상기 단위 셀내에서의 액체 유동시 난류를 발생시키기 위한 난류발생부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 전극모듈과 상기 복수의 플레이트에 의해 적층된 구조의 양단에 마련되어 액체의 유입 또는 유출을 위한 개구가 형성된 한 쌍의 엔드플레이트를 더 포함하고, 상기 한 쌍의 앤드 플레이트중 적어도 어느 하나는 상기 개구로 유입되는 액체의 압력을 완충하는 완충공간을 구비한다.
또한, 상기 전극모듈과 상기 플레이트사이로 액체가 누설되는 것을 방지하기 위한 제1실링재를 더 포함할 수 있다.
또한, 제1실링재의 둘레 외측에 마련되며 인접하는 상기 플레이트사이로 액체가 누설되는 것을 방지하기 위한 제2실링재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 플레이트는 상기 제1,2실링재의 고정을 위한 고정홈을 포함한다.
또한, 상기 플레이트는 수지재로 성형될 수 있다.
또한, 상기 플레이트는 상기 전극모듈의 크기보다 소정 크기 크게 마련되고,상기 전극모듈에 전원을 공급하기 위한 단자를 더 포함하고, 상기 단자는 상기 플레이트상에서 상기 집전체와 결합될 수 있다.
그리고 다른 측면에서 바라본 본 발명은 전기 화학적으로 액체내의 이온을 제거하는 전기용량방식의 탈이온화장치에 있어서, 복수의 전극모듈과 상기 복수의 전극모듈 각각이 소정간격 이격되도록 상기 전극모듈의 테두리를 지지하는 복수의 플레이트를 포함하는 복수의 스페이서 유닛과, 상기 복수의 스페이서 유닛의 양단에 마련되어 액체가 유입 또는 유출되는 개구가 형성된 한 쌍의 엔드플레이트와, 상기 복수의 스페이서 유닛과 상기 한 쌍의 엔드플레이트를 결합하기 위한 결합부재를 포함하고, 상기 복수의 플레이트는 상기 결합부재의 체결력에 관계없이 상기 복수의 전극모듈 각각의 이격 간격이 균일하게 유지되도록 강성(剛性)재질로 마련된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전극모듈은 집전체와, 상기 집전체와 대응하는 크기로 상,하면에 마련된 전극을 포함하고, 상기 전극모듈의 테두리는 상기 복수의 플레이트 중 인접하는 한 쌍의 플레이트에 의해 가압되어 접촉을 유지한다.
또한, 상기 복수의 전극모듈 중 인접하는 전극모듈사이에는 간격유지부재가 마련되고, 상기 전극모듈의 테두리 내측은 상기 간격유지부재에 의해 가압되어 상기 전극과 상기 접전체가 상호 접촉을 유지한다.
또한, 상기 간격유지부재는 상기 플레이트와 일체로 마련되어 액체의 유동을 가이드한다.
또한, 상기 스페이서 유닛은 상기 전극모듈과 상기 플레이트사이에 액체가 누설되는 것을 방지하기 위한 실링재를 더 포함한다.
또한, 상기 스페이서 유닛은 전극모듈에 전원을 인가하기 위한 단자를 더 포함하고, 상기 플레이트는 상기 단자를 장착하기 위한 단자삽입부를 더 포함하여 상기 단자는 상기 플레이트상에서 상기 집전체와 결합된다.
그리고 다른 측면에서 바라본 본 발명은 전기 화학적으로 액체내의 이온을 제거하는 전기용량방식의 탈이온화장치의 제조방법에 있어서, 액체가 유입 또는 유출되는 개구가 형성된 제1엔드플레이트상에 전극모듈과, 상기 전극모듈의 테두리를 지지하며 상기 전극 모듈 각각의 이격 간격이 균일하게 유지되도록 강성재질로 마련된 플레이트를 교번적으로 적층시키고, 액체가 유입 또는 유출되는 개구가 형성된 제2엔드플레이트를 상기 제1엔드플레이트와 대응하도록 장착하고, 상기 제1,2엔드플레이트와 상기 플레이트를 결합하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 본 발명에 의한 탈이온화장치는 집전체와 전극을 접착제없이 고정시킬 수 있으므로, 전극의 기공이 막히는 것을 방지할 수 있으며 접촉저항으로 인한 전기전도도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 강성재질이 플레이트를 이용하여 복수의 전극모듈을 균일한 간격으로 이격시킬수 있으므로, 각 셀별로 일정한 전압을 가할 수 있어 이온 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 각 셀상에 가이드부를 이용하여 다양한 패스의 유로를 형성할 수 있으므로 액체가 흘러가는 패스를 길어지도록 함과 동시에 전극표면에 물이 체류할 수 있는 시간을 늘려 주기 때문에 이온제거 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 플레이트상에서 집전체와 단자를 연결하기 때문에 집전체가 파손되는 것을 예방할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기용량방식 탈이온화장치의 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기용량방식 탈이온화장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기용량방식 탈이온화장치에 포함되는 스페이서 유닛의 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 변형 실시예에 따른 탈이온화장치의 적층구조를 나타내는 요부단면도이다.
도 5,6은 본 발명에 따른 전기용량방식 탈이온화장치의 액체유동을 나타내는 대략도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
10a,10b : 엔드플레이트유닛 11 : 엔드플레이트
11a : 개구 11c : 완충공간
12 : 엔드전극모듈 13 : 지지부재
20 : 스페이서 유닛 30 : 결합부재
40 : 전극모듈 41 : 집전체
42 : 전극 43 : 단자
50 : 플레이트 51 : 중공부
52,53,54,55 : 고정홈 56 : 단자결합부
61,62 : 실링재 70 : 셀
71 : 가이드부 74 : 난류발생부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기용량방식의 탈이온화장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기용량방식 탈이온화장치의 분해사시도이며, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기용량방식 탈이온화장치의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기용량방식 탈이온화장치에 포함되는 스페이서 유닛의 분해사시도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기용량방식 탈이온화장치(Capacitive deionization, 이하 CDI장치라 한다.)는 전기 화학적으로 액체내의 이온을 제거하기 위한 것으로, 도 1,2에 도시된 바와 같이 CDI장치의 상,하단을 형성하며 액체가 유입 또는 유출되는 개구(11a)가 형성된 한 쌍의 엔드플레이트유닛(10a,10b)과, 한 쌍의 엔드플레이트유닛(10a,10b)사이에 마련되며 복수의 전극모듈(40) 각각이 소정간격 이격되도록 전극모듈(40)의 테두리를 지지하는 복수의 플레이트(50)를 포함하는 복수의 스페이서 유닛(20)과, 복수의 스페이서 유닛(20)과 한 쌍의 엔드플레이트유닛(10a,10b)을 결합하기 위한 결합부재(30)를 포함하여 이루어진다.
이와 같은 CDI장치는 어느 하나의 엔드플레이트유닛(10a)상에 복수의 스페이서 유닛(20)을 적층한 후 다른 하나의 엔드플레이트유닛(10b)을 쌓아 스택구조를 형성하고, 인접하는 전극모듈(13,40)사이는 이온을 흡착하는 단위 셀(70)이 플레이트(50)의 개수만큼 형성된다.
한 쌍의 엔드플레이트유닛(10a,10b)은 CDI장치의 하부 외관을 형성하는 제1엔드플레이트유닛(10a)과, 상부 외관을 형성하는 제2엔드플레이트유닛(10b)을 포함한다.
제1,2엔드플레이트유닛(10a,10b)은 상호 동일하게 마련되므로 이하 제1엔드플레이트유닛에 대해 설명하고 제2엔드플레이트유닛에 대한 설명은 제1엔드플레이트유닛의 설명으로 갈음한다.
제1엔드플레이트유닛(10a)은 엔드플레이트(11)와, 엔드플레이트(11)상에 마련되는 엔드전극모듈(12)과, 엔드플레이트(11)와 엔드전극모듈(12)사이에 마련된 지지부재(13)를 포함한다.
엔드플레이트(11)의 일면에는 액체의 유,출입을 위한 개구(11a)가 형성되어 외부의 액체 공급라인과 연결되며 타면에는 CDI장치 내외로 액체를 유출입하기 위한 채널(11b)이 형성된다.
또한, 엔드플레이트(11)는 엔드플레이트유닛(10a)과 스페이서 유닛(20)의 적층 후 결합부재(30)의 체결시 휨이 발생하지 않는 수준 이상의 두께가 필요하고, 엔드플레이트(11)의 재질은 금속, 플라스틱, 고무 등 다양하나, 절연을 위해 플라스틱 재질이 바람직하다.
엔드플레이트(11)의 내부에는 개구(11a)로 유입되는 액체의 압력을 완충하는 완충공간(11c)이 형성된다. 따라서 외부의 액체 공급 라인에서 유입된 액체는 완충공간(11c)을 통해서 CDI장치 내부로 유입되는데, 완충공간(11c)은 유입되는 액체의 압력을 완충하여 유입액체의 압력에 의해 내부 전극모듈(12,40)이 파손되는 것을 방지한다.
또한 엔드플레이트(11)에는 엔드전극모듈(12)에 전원을 인가하기 위한 단자(14)와 집전체(12a)를 결합하기 위한 단자결합부(15)가 마련되고, 엔드플레이트(11)의 측면에는 단자(14)를 단자결합부(15)로 안내하기 위해 단자(14)와 대응하는 폭으로 형성된 단자삽입부(16)가 마련된다.
엔드전극모듈(12)은 집전체(12a)와, 집전체(12a)의 일면에 마련되는 전극(12b)을 포함하여 이루어진다.
이때 엔드전극모듈(12)과 엔드플레이트(11)사이에는 결합부재(30)의 체결시 엔드전극모듈(12)에 압력이 고루 분산될 수 있도록 하며 엔드플레이트(11)와 엔드전극모듈(12)사이에 액체가 누설되는 것을 방지하기 위한 실리콘 또는 고무 등과 같이 탄성력을 가지는 재질로 형성된 지지부재(13)가 엔드전극모듈(12)에 대응하는 크기로 마련된다.
또한, 엔드전극모듈(12)과 지지부재(13)는 엔드플레이트(11)의 채널(11b)에 대응하는 채널(12c)이 형성되어 액체를 CDI장치 내외로 안내한다.
엔드플레이트(11) 및 이와 인접하는 스페이서 유닛(20)사이의 틈으로 액체가 누설되는 것을 방지하기 위한 엔드실링재(17,18)를 구비하는데, 엔드실링재(17,18)는 엔드전극모듈(12)의 상부 테두리에 배치되는 제1엔드실링재(17)와, 제1엔드실링재(17) 외측에 배치되는 제2엔드실링재(18)를 포함한다. 이때, 엔드플레이트(11)에는 제2엔드실링재(18)의 안착을 가이드하기 위한 고정홈(19)이 둘레를 따라 형성된다.
엔드실링재(17,18)는 일반적으로 탄성을 가지는 고무 또는 이와 유사한 성질을 하는 재질로 마련되어 엔드플레이트(11)와 스페이서 유닛(20)사이에 압착되어 액체의 누설을 방지하게 된다.
고정홈(19)의 외측으로는 결합부재(30)의 체결을 위한 체결홀(11d)이 소정간격으로 배치된다.
한 쌍의 엔드플레이트유닛(10a,10b)사이에 마련되는 복수의 스페이서 유닛(20) 각각은 동일하게 형성되는데, 도 3에 도시된 바와 같이 전극모듈(40)과, 전극모듈(40)로 전원을 인가하기 위한 단자(43)와, 인접하는 스페이서 유닛(20)의 전극모듈(40)사이가 소정간격 이격된 상태로 전극모듈(40)을 지지하는 플레이트(50)와, CDI장치의 스택구조내의 액체가 외부로 누설되는 것을 방지하기 위한 실링재(61,62)를 포함한다.
전극모듈(40)은 집전체(41)와, 집전체(41)의 상,하면에 마련된 다공성 전극을 포함한다. 집전체(41)는 전극(42)과 대응하는 크기로 형성된 몸체부(41a)와, 몸체부(41a)에서 연장되어 단자(43)와의 연결을 위한 연장부(41b)를 구비한다.
집전체(41)로는 티타늄 등과 같은 전기전도성이 좋은 금속, 탄소포일 등이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 일 예로 부식성이 없으며 제조비용을 절감하기 위한 집전체(41)의 재질로 탄소포일을 사용한다.
다공성 전극(42)으로는 탄소에어로젤, 탄소나노튜브, 그라파이트 나노섬유, 활성탄소 전극, 활성탄, 금속산화물 등 많은 기공을 가지고 있으면서 흡착성능이 뛰어난 전도성 물질이 사용될 수 있다.
이와 같은 집전체(41)와 전극(42)은 전도성 접착재료를 이용하여 집전체 양면에 접착시킬 수 있는데, 이 때 사용될 수 있는 전도성 접착재료로는 전도성 페이스트, 전도성 테이프, 기타 전도성을 가지는 바인더 물질이 사용된다.
그러나 이와 같이 접착재료를 사용하여 집전체(41)와 전극(42)을 접착시키는 경우 다공성 전극(42)의 기공이 일부 막힐 수 있으며, 접촉저항으로 인해 전기전도도가 나빠질 수 있다.
따라서 본 발명에서는 집전체(41)와 전극(42)은 복수의 플레이트(50) 중 인접하는 한 쌍의 플레이트(50)에 의해 가압되어 접촉을 유지시킴으로써 전극(42)을 집전체(41)에 접착시키지 않고도 집전체(41)에 전극(42)을 부착시킬 수 있다. 이에 대한 구체적 구성은 후술하기로 한다.
이와 같은 전극모듈(40)에는 액체가 다음 셀(70)로 통과할 수 있도록 일측에 채널(40a)을 형성한다. 채널(40a)의 크기 및 형상은 후술할 유로가이드 형상에 따라 다양하게 달라질 수 있다.
플레이트(50)는 대략 소정 두께를 가지는 직사각형의 형태로 마련되는데, 내부에 전극모듈(40)보다 소정크기 작은 중공부(51)가 형성되어 중공부(51)의 테두리에 전극모듈(40)을 올려 놓을 수 있도록 한다. 플레이트(50)의 재질은 강성재질로 형성되는데, 비전도성이며 체결부재에 의해 가압되는 경우 실질적으로 압축되지 아니하는 비압축성 플라스틱, 기타 다양한 폴리머 재질이 사용될 수 있다.
CDI장치의 스택구조내의 액체가 외부로 누설되는 것을 방지하기 위한 실링재(61,62)는 중공부(51)의 테두리 상,하면에 마련되어 전극모듈(40)과 플레이트(50)사이로 액체가 누설되는 것을 방지하기 위한 제1실링재(61)와, 플레이트(50) 상, 하면에 마련되어 인접하는 플레이트(50)사이로 액체가 누설되는 것을 방지하기 위한 제2실링재(62)를 포함한다.
실링재(61,62)는 엔드실링재와 각각 동일한 형상 및 재질로 형성되며 실리콘, 고무, 발포제 등 소정의 탄성을 가지면서 절연이 가능한 재질로 형성된다.
이때 제1실링재(61)는 한 쌍으로 마련되어 전극모듈(40)의 테두리 상하면을 감싸는 형태로 적층된다.
플레이트(50)에는 제1,2실링재(61,62)에 대응하여 제1,2실링재(61,62)의 고정을 위한 고정홈(52,53,54,55)이 마련되는데, 고정홈(52,53,54,55)은 제1실링재(61)의 고정을 위한 제1상부고정홈(52)과, 제2실링재(62)의 고정을 위한 제2상부고정홈(53)과, 하부에 인접하는 하측 스페이서 유닛(20)에 포함되는 제1,2실링재(61,62)의 고정을 위한 제1,2하부고정홈(54,55)을 포함한다.(도2참조)
이와 같은 고정홈(52,53,54,55)은 스페이서 유닛(20)의 적층시 각 스페이서 유닛(20)의 위치를 일정하게 유지시켜 줌으로써 내부 구성품들이 정위치에 설치되도록 해준다.
따라서 제1상부고정홈(52)에 어느 하나의 제1실링재(61)를 고정시키고 전극모듈(40)을 안착시킨 후 다른 하나의 제1실링재(61)를 전극모듈(40)의 테두리에 위치시키고 제2실링재(62)를 제2상부고정홈(53)에 고정시킨다.
이와 같이 구성된 스페이서 유닛(20)상부에 동일 구성의 스페이서 유닛을 적층시키면 상부 스페이서 유닛(20)의 플레이트(50) 하면에 형성된 제1,2하부고정홈(54,55)에 하부 스페이서 유닛(20)의 제1,2실링재(61,62)가 안착되어 액체의 누설이 방지된다.
또한, 결합부재(30)를 이용하여 스택구조의 CDI장치를 가압하여 결합시키게 되면 인접하는 플레이트(50)의 중공부(51)의 테두리가 각 플레이트(50) 사이에 배치된 전극모듈(40)의 테두리를 가압하기 때문에 별도의 전도성 접착재료를 이용하여 집전체(41)에 전극(42)을 부착할 필요없이 전극(42)과 집전체(41)가 접촉을 유지하게 할 수 있다.
제1실링재(61)는 탄성재질의 얇은 시트로 마련되기 때문에 가압력에 의한 변형이 작다. 따라서 결합부재(30)를 이용하여 CDI장치를 결합하는 경우 각 전극모듈(40)의 이격거리는 플레이트(50)의 두께, 보다 정확하게는 플레이트(50)의 테두리의 제1고정홈(52)과 이에 결합하는 제1실링재(61)의 두께만큼 일정거리 이격되게 된다. 따라서 각 전극모듈(40)사이의 이격거리가 CDI장치내의 각 스페이서 유닛(20)의 장착위치에 관계없이 일정하게 유지되어 각 셀(70)간 균일한 전압이 걸리게 되므로 이온제거 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 변형 실시예에 따른 탈이온화장치의 적층구조를 나타내는 요부단면도이다.
한편, 플레이트(50)와 전극모듈(40)과 제1실링재(61)의 적층구조의 변형 예로, 도 4에 도시된 바와 같이 제1실링재(61')가 전극모듈(40)의 측면 외측에 고정될 수 있다. 이때 제1실링재(61')의 고정을 위해 플레이트(50)에는 제1실링재(61')에 대응하여 제1상하고정홈(52',54')이 형성된다. 이와 같은 구조로 역시 본 발명의 일 실시예와 동일한 효과를 발휘할 수 있을 뿐만 아니라, 탄성재질의 제1실링재(61')의 압착에 의한 변형에 의해 각 전극모듈(40)사이에 미세한 간격차이가 발생하는 것은 방지할 수 있으므로 인접하는 전극모듈(40)사이의 간격을 플레이트(50)의 두께로 일정하게 유지할 수 있다.
다시 본 발명의 일 실시예로 돌아와서 플레이트(50)에는 도 3과 같이 전극모듈(40)에 전원을 인가하기 위한 단자(43)와 집전체(41)를 결합하기 위한 단자결합부(56)가 마련되고, 플레이트(50)의 측면에는 단자(43)를 단자결합부(56)로 안내하기 위해 단자(43)와 대응하는 폭으로 형성된 단자삽입부(57)가 마련된다.
단자(43)의 재질은 전도성을 가지며 찢어지거나 깨지지 않는 재질의 시트이다. 단자(43)는 단자결합부(57)상에서 집전체(41)의 연장부(41b)와 연결되며 클램프(58)를 이용하여 고정된다. 본 발명의 실시예에서는 클램프(58)를 단자결합부(57)의 홈에 끼워 단자(43)와 연장부(41b)를 결합하고 있으나, 스크류 등을 이용하여 단자와 연장부를 결합할 수 있음은 물론이다.
단자(43)는 외부에서 전원선과 납땜 등으로 쉽게 연결할 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에서는 집전체(41)가 플레이트(50) 내부에 위치하고 전원인가를 위한 단자(43)만이 외부로 나와 있으므로, 상대적으로 가격이 저렴하고 찢어지기 쉬운 탄소포일과 같은 재질로 집전체(41)를 형성하는 경우에도 집전체(41)가 파손될 우려가 없다.
또한, 제2고정홈(53)의 외측으로는 둘레방향으로 소정간격 이격되어 복수의 스페이서 유닛(20)과 한 쌍의 엔드플레이트유닛(10a,10b)에 의해 형성된 스택구조를 결합시키기 위한 체결홀(59)이 엔드플레이트(11)의 체결홀(11d)에 대응하여 마련된다.
플레이트(50)의 중공부(51)에는 인접하는 전극모듈(40)사이가 소정간격을 유지하도록 하기 위해 간격유지부재(71)가 마련된다.
즉, 전극모듈(40)의 테두리는 플레이트(50)상에 안착되어 각 전극모듈(40)의 테두리사이는 일정한 간격을 유지할 수 있는데, 전극모듈(40)의 크기가 큰 경우 상대적으로 전극모듈(40)의 중앙부사이에는 테두리사이에 비해 일정한 간격을 유지하는 것이 어렵다. 본 발명의 일 예와 같이 전극모듈의 집전체와 전극사이에 접착재료를 사용하지 아니하는 경우 특히 그러하다.
따라서, 플레이트(50)의 중공부(51)에 인접하는 전극모듈(40)이 전 영역에 걸쳐 균일한 간격을 유지하도록 간격유지부재(71)를 마련하는 것이다.
간격유지부재(71)는 별도 부재로 마련되어 인접하는 전극모듈(40)에 의해 구획되는 중공부(51)에 삽입시킬 수 있으나, 바람직하게는 중공부(51)의 테두리에서 연장하여 플레이트(50)와 일체로 형성한다.
간격유지부재(71)를 단위 셀(70)에서 유동하는 액체를 가이드하는 유로가이드역할을 할 수 있다.
도 5,6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기용량방식 탈이온화장치의 액체유동을 나타내는 대략도이다.
이때 간격유지부재는 도 5,6에 도시된 바와 같이 대략 테두리 측면에서 적어도 하나 돌출된 가이드부(71',71'')로 마련되어 한 쌍의 전극모듈(40)에 의해 형성된 단위 셀(70)상에서 다양한 형태의 유로를 형성한다.
가이드부(71',71'')의 위치 몇 개수에 따라 유로의 너비와 총 패스(path)가 달라질 수 있으며 가이드부(71',71'')의 두께는 플레이트(50)의 테두리의 두께와 더불어 인접하는 전극모듈(40)의 간격을 결정하므로 바람직하게는 플레이트(50)의 테두리 두께와 가이드부(71',71'')의 두께를 실질적으로 동일하게 한다. 이때, 용량 및 크기에 따라 다르지만 대략 0.1~20 mm 정도로 할 수 있다.
이때 전극모듈(40,40')의 채널(40a,40a')의 폭은 각 셀(70,70')의 입구(72,72')와 출구(73,73')와 대응하는 크기로 형성된다.
따라서 가이드부(71',71'')를 마련함으로써 각 셀(70)상에서 유동하는 액체의 유동시간을 증가시켜 각 전극모듈(40)의 이온 제거 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 중공부(51)에는 도 5에 도시된 바와 같이 액체의 유동방향에 경사지도록 형성된 난류발생부(74)를 구비한다. 난뷰발생부(74)는 바람직하게는 가이드부(71')에 사다리 형상의 구조로 형성되어 각 셀 내부의 압력을 높이고 난류를 발생시켜 셀상에서 유동하는 액체를 상,하 방향으로 혼합한다.
따라서 유동 내부의 전기력이 미약한 부위에 있는 이온들의 위치를 바꿔주게 되므로, 각 셀(70)을 통과하는 이온들이 전극(42)에 흡착되는 이온제거 성능을 향상시킬 수 있다. 이때 난류발생부(74)는 가이드부(71')에 액체의 유동방향에 수직한 상태로 높이를 달리하여 불규칙적으로 배열함으로써 난류를 효과적으로 발생시킬 수 있다.
결합부재(30)는 적층된 스택구조를 체결할 수 있는 볼트형의 로드(31)와, 너트(32)를 포함한다. 각 결합부재(30)의 체결시 일정한 체결압을 유지한다.
다음은 본 발명의 일 실시예에 따른 CDI장치의 조립에 대해 설명하도록 한다.
액체가 유입 또는 유출되는 개구(11a)가 형성된 제1엔드플레이트(11)상에 지지부재(13)를 배치하고 엔드전극모듈(12)을 쌓고 엔드실링재(17,18)를 고정시킨다.
다음으로 스페이서 유닛(20)을 적층시키는데, 스페이서 유닛(20)의 적층은 강성재질의 플레이트(50)과, 플레이트(50)의 테두리에 마련되는 전극모듈(40)을 교번적으로 적층시킴으로서 이루어진다.
적층되는 스페이서 유닛(20)은 인접하는 하부 스페이서 유닛(20)에 포함되는 플레이트(50)의 제2상부고정홈(53)에 마련된 제2실링재(62)에 의해 상부 스페이서 유닛(20)이 가이드되어 적층되므로, 조립 작업성을 향상시킬 수 있다.
스페이서 유닛(20)의 적층 후 액체가 유입 또는 유출되는 개구(11b)가 형성된 제2엔드플레이트(11)를 제1엔드플레이트(11)와 대응하도록 장착하고 결합부재(30)를 이용하여 스택구조를 고정시킨다.
따라서 강성재질의 플레이트(50)에 전극모듈(40)을 안착시키고 결합부재(30)를 이용하여 플레이트(50)사이를 체결함으로써 셀(70) 별 조립압력을 균일화 할 수 있고, 인접하는 전극모듈(40)간의 간격이 플레이트(50)의 테두리두께에 대응하는 간격으로 일정하게 유지될 수 있다. 따라서 각 셀(70)의 전압을 일정하게 유지할 수 있어 각 셀(70)의 전극의 활용율을 향상시킬 수 있다.
다음은 본 발명의 일 실시예에 따른 CDI장치의 동작에 대해 설명하도록 한다.
단자(43)를 통해 전원을 집전체(41)에 공급하면 적층된 전극에 (+)와 (-)가 교대로 인가되고, 제1,2엔드플레이트(11)중 어느 하나의 개구(11b)로 액체 중 일 예로 물을 유입시키면 유입된 물은 완충공간(11c)을 경유하여 채널(11b)을 통해 스택구조 내부로 유입된다.
액체는 각 셀(70)상에서 유동하는데, 각 전극에 인가된 (+) 혹은 (-) 전기력에 의해 물 속에 포함된 이온들이 전극모듈(40)의 전극(42)의 기공에 흡착된다. 그 결과 유출구를 형성하는 개구(11b) 쪽에서는 이온이 제거된 연수를 얻을 수 있다. 이 후 전극(42)에 흡착된 이온은 전극(42)의 극성을 바꿔 주거나 전원을 끊은 상태로 물을 주입하여 이온을 전극에서 제거할 수 있으며 제거된 이온을 물과 함께 개구를 통해 배출된다.
본 발명의 일 실시예에서는 엔드플레이트가 상하로 형성된 구조를 일 예로 설명하였으나 엔드플레이트가 좌우로 설치된 구성 역시 가능하다.
상부 엔드플레이트(11)의 개구(11b)를 통해 유입된 물은 전극모듈(40)의 채널(40a)의 배치에 따라 하부 엔드플레이트(11)로 지그재그 형상으로 형성된 유로를 따라 유동한다.
또한, 각 셀(70)상의 유동 역시 도 5,6에 도시된 바와 같이 가이드부(71',71'')에 의해 어느 하나의 전극모듈(40,40')의 채널(40a,40a')을 통과하여 셀(70)의 입구(72,72')측에서 유입된 물은 인접하는 다른 전극모듈(40,40')의 채널(40a,40a')과 연통하는 셀(70,70')의 출구(73,73')방향으로 지그재그 형상으로 형성된 유로를 따라 유동한다.
따라서 단위 셀(70)에 형성된 유로는 물이 흘러가는 패스를 길어지도록 함과 동시에 전극(42)표면에 물이 체류할 수 있는 시간을 늘려 주기 때문에 종래기술에 비해 이온제거 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 5와 같이 가이드부(71')에 난류발생부(74)를 형성하여 셀(70)상에서 유동하는 액체를 상,하 방향으로 혼합함으로써 각 셀(70)을 통과하는 이온들이 전극(42)에 흡착되는 이온제거 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (22)

  1. 집전체와 상기 집전체의 상하면에 마련된 전극을 포함하는 복수의 전극모듈을 구비하여 전기 화학적으로 액체내의 이온을 제거하는 전기용량방식의 탈이온화장치에 있어서,
    상기 복수의 전극모듈 각각이 소정간격 이격되도록 상기 전극모듈과 교번적으로 적층되는 강성(剛性)재질의 복수의 플레이트를 포함하고,
    상기 집전체와 상기 전극은 상기 복수의 플레이트 중 인접하는 한 쌍의 플레이트에 의해 가압되어 접촉을 유지하는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 플레이트 각각은 내부에 중공부가 형성되고,
    상기 전극모듈은 상기 한 쌍의 플레이트의 상기 중공부에 안착되며 상기 중공부의 테두리에 의해 가압되는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 복수의 전극모듈 중 인접하는 전극모듈사이는 이온을 흡착하는 단위 셀을 형성하고, 상기 단위 셀 각각은 소정간격을 유지하도록 간격유지부재가 마련되는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 간격유지부재는 액체의 유동을 가이드하는 가이드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 가이드부는 상기 단위 셀상을 통과하는 액체의 유동시간이 증가되도록 단위 셀 내부를 구획하는 구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전극모듈은 상기 가이드부에 의해 구획된 유로의 폭에 대응하는 채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 간격유지부재는 상기 중공부에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 간격유지부재는 상기 전극과 상기 접전체가 상호 접촉을 유지하도록 상기 전극모듈을 가압하는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 간격유지부재는 상기 단위 셀내에서의 액체 유동시 난류를 발생시키기 위한 난류발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 전극모듈과 상기 복수의 플레이트에 의해 적층된 구조의 양단에 마련되어 액체의 유입 또는 유출을 위한 개구가 형성된 한 쌍의 엔드플레이트를 더 포함하고,
    상기 한 쌍의 앤드 플레이트중 적어도 어느 하나는 상기 개구로 유입되는 액체의 압력을 완충하는 완충공간을 구비하는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 전극모듈과 상기 플레이트사이로 액체가 누설되는 것을 방지하기 위한 제1실링재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    제1실링재의 둘레 외측에 마련되며 인접하는 상기 플레이트사이로 액체가 누설되는 것을 방지하기 위한 제2실링재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 제1,2실링재의 고정을 위한 고정홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 플레이트는 수지재로 성형되는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 전극모듈의 크기보다 소정 크기 크게 마련되고,
    상기 전극모듈에 전원을 공급하기 위한 단자를 더 포함하고,
    상기 단자는 상기 플레이트상에서 상기 집전체와 결합되는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  16. 전기 화학적으로 액체내의 이온을 제거하는 전기용량방식의 탈이온화장치에 있어서,
    복수의 전극모듈과 상기 복수의 전극모듈 각각이 소정간격 이격되도록 상기 전극모듈의 테두리를 지지하는 복수의 플레이트를 포함하는 복수의 스페이서 유닛과, 상기 복수의 스페이서 유닛의 양단에 마련되어 액체가 유입 또는 유출되는 개구가 형성된 한 쌍의 엔드플레이트와, 상기 복수의 스페이서 유닛과 상기 한 쌍의 엔드플레이트를 결합하기 위한 결합부재를 포함하고,
    상기 복수의 플레이트는 상기 결합부재의 체결력에 관계없이 상기 복수의 전극모듈 각각의 이격 간격이 균일하게 유지되도록 강성(剛性)재질로 마련된 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 전극모듈은 집전체와, 상기 집전체와 대응하는 크기로 상,하면에 마련된 전극을 포함하고, 상기 전극모듈의 테두리는 상기 복수의 플레이트 중 인접하는 한 쌍의 플레이트에 의해 가압되어 접촉을 유지하는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 복수의 전극모듈 중 인접하는 전극모듈사이에는 간격유지부재가 마련되고,
    상기 전극모듈의 테두리 내측은 상기 간격유지부재에 의해 가압되어 상기 전극과 상기 접전체가 상호 접촉을 유지하는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 간격유지부재는 상기 플레이트와 일체로 마련되어 액체의 유동을 가이드하는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 스페이서 유닛은 상기 전극모듈과 상기 플레이트사이에 액체가 누설되는 것을 방지하기 위한 실링재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  21. 제 16항에 있어서,
    상기 스페이서 유닛은 전극모듈에 전원을 인가하기 위한 단자를 더 포함하고,
    상기 플레이트는 상기 단자를 장착하기 위한 단자삽입부를 더 포함하여 상기 단자는 상기 플레이트상에서 상기 집전체와 결합되는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치.
  22. 전기 화학적으로 액체내의 이온을 제거하는 전기용량방식의 탈이온화장치의 제조방법에 있어서,
    액체가 유입 또는 유출되는 개구가 형성된 제1엔드플레이트상에 전극모듈과, 상기 전극모듈의 테두리를 지지하며 상기 전극 모듈 각각의 이격 간격이 균일하게 유지되도록 강성재질로 마련된 플레이트를 교번적으로 적층시키고,
    액체가 유입 또는 유출되는 개구가 형성된 제2엔드플레이트를 상기 제1엔드플레이트와 대응하도록 장착하고,
    상기 제1,2엔드플레이트와 상기 플레이트를 결합하는 것을 특징으로 하는 탈이온화장치의 제조방법.
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