JP2017501028A - モジュール式膜スタック設計 - Google Patents

Abstract

膜スタックを、例えば電気透析又は他の電気的に駆動される膜分離装置において使用することができる。スタックは、各々が複数の膜及びスペーサを１つに束ねて含んでいる複数のモジュールを有する。モジュールを、例えば診断又は修理のために、好ましくはスタック内の膜又はスペーサの平面に平行な方向にスタックの外へとスライドさせることによって、スタックから取り出すことができる。スタックを圧縮するが、スタックの分解を可能にするために緩めることができる拘束機構が、説明される。好ましくは、拘束機構は、少なくとも上側の端部プレート又は電極をスタックから持ち上げることもできる。ポートが、スタックの一部に連絡し、診断試験を実行するために使用可能である。好ましくは、これらのスタックは、上述の通りの２以上のモジュールを有し、２つのモジュールの各々が、１以上のポートを有する。【選択図】 図３

Description

本明細書は、例えば電気透析又は他の電気的に駆動される膜分離装置に使用される膜スタック、並びにそれらの製作方法に関する。

典型的なプレート及びフレーム形式の電気的に駆動される膜分離装置においては、スタックが、交互のイオン交換膜及びスペーサで作り上げられる。スペーサは、イオン交換膜を互いに電気的に絶縁し、イオン交換膜の間に流路をもたらす。ガスケットが、流路の周囲においてスペーサと膜との間に設けられる。電気透析（ＥＤ）スタック（反転電気透析（ＥＤＲ）及び逆電気透析（ＲＥＤ）などのＥＤの変種を含む）において、イオン交換膜は、交互に陰イオン及び陽イオン交換膜である。他の種類のスタック（ドナン又は拡散透析）においては、陽イオン交換膜だけ又は陰イオン交換膜だけが存在するかもしれない。電気脱塩（ＥＤＩ）又は連続電気透析（ＣＥＤＩ）スタックにおいては、交互の陰イオン及び陽イオン交換膜並びに一部又はすべてのスペーサの流路内のイオン交換樹脂が存在する。さらなる拡張においては、ＥＤスタックにおけるイオン交換膜を、表面積の大きい電極で置き換えて、容量式脱塩スタックを生み出すことができる。

米国特許出願公開第２０１０／０３２６８３３号が、複数の膜を備える膜パッケージを記載しており、この膜パッケージは、プロセス流の流れを有し、フィード流の流れを促進するように構成されており、フィード流の流れの流体力学的抵抗が、プロセス流の流れの流体力学的抵抗と実質的に同じである。

国際公開第２０１４／１４２９４４号パンフレット

以下の概要は、読者を後述される詳細な説明へと案内するように意図されており、特許請求の範囲を限定又は定義しようとするものではない。

本明細書は、例えば電気透析又は他の電気的に駆動される膜分離装置において用いられる膜スタックを説明する。スタックは、複数の膜及びスペーサ（スタック全体における膜及びスペーサの総数よりも少ない）が一つに束ねられてサブアセンブリ（モジュールとも呼ばれる）を形成しているモジュール式の設計を有している。モジュールは、例えば診断又は修理のために、スタックの残りの部分から取り出すことができる。全体としてのスタックは、各々を別々に取り出すことができる複数のモジュールを有することができる。好ましくは、モジュールは、モジュールをスタックにおける膜又はスペーサの平面に平行な方向にスタックの外へとスライドさせることによって、取り出すことができる。

さらに、本明細書は、スタックを圧縮するための可逆な拘束機構を有している膜スタックを説明する。スタックは、膜及びスペーサを好ましくは上述のモジュールの形態にて含んでおり、端部プレート、電極及び任意の他の構成要素が、通常はスタックへと組み合わせられる。拘束機構は、機械式、空気圧式又は電気式の機構によってスタックを圧縮することができる。例えばモジュールを取り除くことによるスタックの分解を可能にするために、圧縮を緩めることが可能である。好ましくは、拘束機構は、少なくとも上側の端部プレート又は電極をスタックから持ち上げることもできる。

さらに、本明細書は、スタックの一部分に連絡したポートを有している膜スタックを説明する。ポートを、染料溶液を用いた漏れ試験などの診断試験、或いはｐＨ又は伝導度プローブなどのプローブを使用した測定を、実行するために使用することができる。好ましくは、スタックは、上述の通りの２以上のモジュールを有し、２つのモジュールの各々が、１以上のポートを有する。

モジュールの概略の斜視図を示している。 図１の通りのモジュールを有するスタックの概略の斜視図を示している。 フレーム及びスライド式トレイの形態のモジュールを有している別のスタックの概略の斜視図である。 スタックにおける２電極の構成の概略の側面図を示している。 スタックにおける３電極の構成の概略の側面図を示している。 図３のフレームの第１の選択肢を示している。 図６Ａの一部分の拡大図である。 図３のフレームの第２の選択肢を示している。 図７Ａの一部分の拡大図である。 図６Ａのフレームとともに使用されるトレイを示している。 図８Ａの一部分の拡大図である。 図７Ａのフレームとともに使用されるトレイを示している。 図９Ａの一部分の拡大図である。 内部フレーム又はハウジングの概念的な設計を示している。 ２電極の構成において用いられる拘束機構の側面図を示している。 ３電極の構成において用いられる拘束機構の側面図を示している。 図３のトレイの一部分の詳細を示している。

図１及び２が、膜モジュール１０及びスタック１２の概念的な設計を示している。図３が、各々のモジュールが内部フレーム又は第１のフレーム１６に対してスライドするトレイ１４の形態であるさらに詳細な例を示している。スタック１２を、例えば電気透析又は他の電気的に駆動される膜分離装置において使用することができる。

スタック１２は、複数の膜１８及びスペーサ２０（スタック全体における膜及びスペーサの総数よりも少ない）が一つに束ねられてサブアセンブリ（モジュール１０とも呼ばれ、図１に概念的に示されている）を形成しているモジュール式の設計を有している。トレイ１４を含むモジュール１０を、例えば診断又は修理のために、スタック１２の残りの部分から取り出すことができる。スタック１２の全体は、図２に示す通り、各々を別々に取り出すことができる複数のモジュール１０を有することができる。好ましくは、モジュール１０は、例えば図３に示すように、スタック１２における膜１８又はスペーサ２０の平面に平行な方向にスタック１２の外へと滑らせることによって、取り出すことが可能である。

図４及び５を参照すると、外フレーム又は第２のフレーム２２が、電極２４を保持している。或いは、外部フレーム２２は、端部プレート或いは電極及び端部プレートの両方を保持することができ、もしくは電極が端部プレートの一部であってよい。図示のように２つ又は３つの電極２４が存在でき、或いはより多くの電極が存在してもよい。外部フレーム２２は、上側の電極２４が所望の横方向の位置を保ちながら上下方向に移動することを可能にする。図示の通り、下側の電極２４（又は、端部プレートなど）は、上側の電極が上げ下げされるときにスタック１２がそれぞれ圧縮され、或いは圧縮から解放されるように、基礎へと固定されている。或いは、外部フレーム２２は、上側及び下側の電極２４の間にまたがることができる。

図６Ａ、６Ｂ、７Ａ及び７Ｂが、内部フレーム１６の代案の構造のさらなる詳細を示している。内部フレームを、システムにさらなる機械的な支持及び安定性を与えるために、外部フレーム２２によって動かぬように保持することができる。端部プレートが、外フレーム又は内部フレームの一部であってよい。

図８Ａ、８Ｂ、９Ａ及び９Ｂが、トレイの形態のモジュール１０を示している。これらの図においては、モジュールフレーム１４とも称される支持構造だけが、図示されている。図１の膜及びスペーサが、支持構造物上に配置され、モジュール１０が完成される。モジュール１０は、好ましくは、厚いスペーサを含む。随意により、厚いスペーサは、図１に示すモジュール構成要素の一部であってよい。モジュール１０は、スタックの電極ギャップにぴったりと収められる。

各々のモジュール１０は、好ましくは複数（例えば、１０又は２０、或いはそれ以上）の膜セルペアを互いに上下に重ねて含む。電気透析スタックにおける各々のセルペアは、陰イオン交換膜及び陽イオン交換膜をスペーサによって隔てて有する。支持構造物１４を、例えば金属又はプラスチックで製作することができる。セルペアは、支持構造物へと装てん又は配置される。内部フレームは、ハウジングとも呼ばれるが、モジュールを支持する。図１０に示す通り、内部フレーム１６及びモジュール１０は、雄−雌のスロットの組み合わせを通じて協働することができる。

モジュール１０の支持構造物１４は、スタック１２を通る流れを可能にするために、適切な位置にマニホールド穴３０を有する。複数のモジュール１０が、スタック１２を構成する。スタック１２は、個々の装置又はプロセスに必要とされる通りの電極及び端部プレートをさらに有することができる。

図１１及び１２が、スタックの拘束機構３２を示している。拘束機構は、電極及び／又は端部プレートのお互いに対する運動を制御する。これは、モジュールの挿入を手助けする。適切な油圧、機械、電気又は他の機構を、使用することができる。機構３２は、内部フレーム１６及びモジュール１０に対する電極及び端部プレートアセンブリ２４の高さ調節及び着座を可能にする。中央電極が、例えば外フレームへと取り付けられた外部ケーブル３４によって所定の場所に保持される。下方の端部プレート２４を、装置が可動のユニットではない場合に、床へと固定することができる。随意により、フレーム、支持構造物又はモジュールを、油圧、機械、電気又は他の機構によって制御することもできる。

電気透析装置は、随意により支持構造物又はフレーム１４を備えるモジュール１０と、端部プレートと、電極とを有する。これらの構成要素は、モジュールを膜及び／又はスペーサの診断分析の目的で独立して取り外すことができるように組み立てられる。

モジュール１０を、例えば溝、ローラ、スロット又は他の手動又は自動の積み重ね機構によって、スタック１２に挿入し、或いはスタック１２から取り出すことができる。スタック１２を分解するために、最初に、電極又は端部プレートが離され、或いは圧縮から解放される。その後に、１つ以上の個別のモジュール１０を、取り出すことができる。スタック１２を組み立てるために、モジュール１０は、内部フレームのスロットに配置され、次いで端部プレート又は電極が組み合わせられ、或いは押し付けられる。

図１３に示すように、モジュール支持構造物は、モジュール１０のセルに連絡した診断又は採取ポートに整列する１つ以上の穴４０を有することができる。例えば、各々のモジュールに、モジュール間のデータ分析又はトラブルシューティングのための水サンプルの収集を可能にするための適切なポート及び穴を設けることができる。図１に示すポート４２を、染料溶液を用いた漏れ試験などの診断試験、或いはｐＨ又は伝導度プローブなどのプローブを使用した測定を、実行するために使用することができる。好ましくは、スタック１２は、上述の通りの２以上のモジュール１０を有し、２つのモジュール１０の各々が、１以上のポート４２を有する。

モジュール１０の間の漏れの回避に役立つように、モジュールベースを、流れを可能にするが、上方及び下方の膜へのシールも形成するスペーサ材料として設計することが可能である。或いは、モジュール間の漏れの回避に役立つように、厚いスペーサにモジュール支持構造物を設けることが可能である。

上述の装置は、有用な選択肢としての膜スタックを少なくとも提供する。さらに、１つ以上の実施形態は、１つ以上の利点を有することができる。例えば、スタックにおける問題を診断するための従来のプロセスは、スタックを手作業で分解して、個々の膜を検査することを必要とする。モジュール式の設計を使用することで、１つ以上の選択されたモジュールを、スタックの残りの部分から独立して診断のために取り外すことができる。従来からのスタックにおいては、個々の膜の診断が、その膜を露出させることができるまでのスタックの分解を必要とする。診断ポートを備えるモジュール式の設計の使用は、スタックのうちの選択されたモジュールを試験して、どの膜、膜ペア又はスペーサが問題を抱えているのかを特定する機会を提供する。特に、従来からのスタックにおいては、スタックの底部に位置する不良の膜の発見及び修正が、スタック全体を上方から分解することを必要とする。これは、長い稼働停止時間及びスタックの再組み立てが適切に行われない恐れにつながる。モジュール式の設計によれば、不良のモジュールを新たなモジュールと交換することができる一方で、不良のモジュールがさらに検査される。これは、モジュールを交換し、不良のモジュールを持ち帰って修理することで、稼働停止時間を短縮し、不良のスタックの現場での修理を容易にする。電極又は端部プレートは多くの場合に重く、現場での修理において持ち上げるためにフォークリフトを必要とする可能性がある。例えば下側の端部プレートを固定し、上側の端部プレートを持ち上げるためにジャッキを使用する拘束機構は、スタックのより迅速な保守を可能にし、現場のフォークリフトの必要性を回避する。上側の端部プレート又は電極を例えばケーブルでフレームへと固定し、上側の端部プレート又は電極をジャッキによって動かすことによって、可動の上側の端部プレート又は電極にもかかわらず、スタックの分解が容易になる。随意により、モジュール式の設計は、診断ツールを任意の膜又はセルペア或いは電極に設置することを可能にする。

本発明の態様は、電解セル又は燃料電池などの電気化学セル、膜ろ過装置、或いは他の平坦なシート膜にもとづくスタックにも適用可能である。

上述及び図面に示した実施形態は、以下の特許請求の範囲に定められる本発明をさらに可能にするように意図されているが、他の実施形態も、特許請求の範囲の技術的範囲において可能である。

Claims (15)

1. 互いに集成してモジュールを形成したときのスタックの膜及びスペーサの総数よりも少ない数の膜及びスペーサを備える膜スタックであって、モジュールをスタックの残りの部分から取り出すことができる、膜スタック。
2. 複数のモジュールを備えており、複数のモジュールの各々を別々に取り出すことができる、請求項１に記載の膜スタック。
3. モジュールのうちの少なくとも１つを、スタック内の膜又はスペーサの平面に平行な方向にスタックの外へとスライドさせることによって、スタックから取り出すことができる、請求項１又は請求項２に記載の膜スタック。
4. スライドするモジュールを支持する第１のフレームをさらに備える、請求項３に記載の膜スタック。
5. スライドするモジュールが、第１のフレームと協働するトレイを備える、請求項４に記載の膜スタック。
6. トレイがスロット又はローラによって第１のフレームと協働する、請求項５に記載の膜スタック。
7. トレイがスペーサを備える、請求項５又は請求項６に記載の膜スタック。
8. 膜とスペーサとを含むスタックと、
   スタックを可逆的に圧縮するように作動し得る機構と
   を備える膜装置。
9. スタックが、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のスタックである、請求項８に記載の膜装置。
10. 機構が、機械式、空気圧式又は電気式ジャッキを備える、請求項８又は請求項９に記載の膜装置。
11. 機構が、スタックの上側の電極又は上部プレートを持ち上げるように構成されている、請求項８乃至請求項１０のいずれか１項に記載の膜装置。
12. 第２のフレームを備えており、上側の電極又は上部プレートが第２のフレームに接続されている、請求項１１に記載の膜装置。
13. 複数の膜及びスペーサと、
    膜又はスペーサのうちの１つ以上に連絡した１つ以上のポートと
    を備える膜スタック。
14. 複数のポートを１つに接続するスリーブを備える、請求項１３に記載の膜スタック。
15. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のモジュールを少なくとも２つ備えており、モジュールの各々が１以上のポートを有している、請求項１３又は請求項１４に記載の膜スタック。