TW201229320A - Electrolytic cell for ozone production - Google Patents

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201229320 六、發明說明： 相關申請案 本專利申請案請求發明人姓名為William J. Yost III， Carl David Lutz，Jeff Booth，Don Boudreau及Nick Lauder， 2010年12月3日申請之名稱為“用於臭氧製造之電解電池” 的暫時美國申請案第61/419,574號[律師之檔案3503/103]之 優先權，且該申請案之揭露在此全部加入作為參考。 I：發明戶斤〶之技術領域3 技術領域 本發明係有關於電解電池，且更特別地有關於具有固 體電解質膜之臭氧製造之電解電池。 背景技術 電解電池可用以製造各種化學物（例如，化合物及元 素）。電解電池之一應用是製造臭氧。臭氧是病原體及細菌 的一有效抑制劑且已知為一有效殺菌劑。美國食品暨藥物 管理局（FDA)准許使用臭氧作為一用於食物接觸表面及用 於直接施加在食品上之消毒劑。因此，電解電池已被用來 產生臭氧及將臭氧直接溶入水源水中，藉此由水移除病原 體及細菌。因此，電解電池已發現在淨化瓶裝水及工業用 水源中之應用。 【明内】 實施例之概要 在一第一實施例中，提供一種用以製造臭氧之電解電 3 201229320 池。該電池包含包括一獨立鑽石材料之一陽極，及與該第 一電極分開之一陰極，及一質子交換膜。該質子交換膜係 在該陽極與該陰極之間且分開該陽極與該陰極。 在某些實施例中，該陰極亦包括一獨立鑽石材料，且 該電池係組配成將極性在該陽極與該陰極之間逆轉。在某 些實施例中，該獨立鑽石材料包括一硼摻雜鑽石材料。 在某些實施例中，該陽極與該陰極係流體性地連通以 便由一共同水源接收水，且在某些實施例中該電池係組配 成將水源水流分成一第一流及一第二流，其中該第一流係 供應至該陽極且該第二流係供應至該第二電極。在某些實 施例中，該電池係組配成使得該第一流及該第二流係在該 第一流及該第二流之至少一流具有臭氧後結合。在其他實 施例中，該結合流係供應至一含水之腔室，其中在該腔室 内之水係藉該臭氧淨化。 在某些實施例中，該電池係組配成安裝在一管路内。 在其他實施例中，該電池沒有一陰極電解質溶液及一 陰極電解質容器。 在某些實施例中，該獨立鑽石材料包括硼摻雜鑽石材 料，且該硼摻雜鑽石材料具有一在大約100微米與大約700 微米之間之厚度。 某些實施例亦包括一圓柱形殼體，一第一半圓形框架 構件，及一第二半圓形框架構件。在某些這種實施例中， 該陽極，陰極及膜被夾在該第一半圓形框架構件與該第二 半圓形框架構件之間，且該陽極，陰極，膜，第一半圓形 201229320 框架構件，及第二半圓形框架構件係在該圓柱形殼體内。 在其他實施例中，該第一半圓形框架構件及該第二半圓形 框架構件之至少一半圓形框架構件是可延伸的以便在該陽 極，陰極及膜上產生一壓力。 在另一實施例中，一種鑽石電極包括一獨立鑽石材 料，該獨立鑽石材料具有一第一側、一與該第一側相對之 第二側、及一至少大約100微米之厚度。該電極亦包括一電 流分散器，且該電流分散器與該獨立鑽石材料之第一側耦 合。該電流分散器具有一電接頭且可具有一網構態或一框 架構態。在這種實施例中，該電極可以在不使該電極之電 傳導容量或臭氧製造容量劣化之情形下，透過該獨立鑽石 材料傳導一每平方公分至少大約1安培之電流密度數小時 (即，一持續電流密度）。在另一實施例中，該獨立鑽石材料 具有一至少大約200微米之厚度。 在另一實施例中，一種操作一電解電池之方法包括提 供一電解電池，且該電解電池包括一鑽石材料之第一電 極，一鑽石材料之第二電極，及一在該第一電極與該第二 電極之間且分開該第一電極與該第二電極之膜。該實施例 更包括在一第一時間，提供一通過該第一電極及該第二電 極之電壓差，其中該電壓差具有一第一極性，且接著，在 該第一時間後之一第二時間，將通過該第一電極及該第二 電極之電壓差的極性逆轉。該電壓差在該第二時間具有一 第二極性。該方法接著，在該第二時間後之一第三時間， 將通過該第一電極及該第二電極之電壓差的極性逆轉，使 201229320 得該電壓差在該第三時間具有該第一極性。 某些實施例包括將該電壓差之極性週期性地逆轉，使 得該電壓差在該第一極性與該第二極性之間週期性地交 替。 在某些實施例中，該電壓差產生一通過該第一鑽石材 料之電流，其中在該第一時間與該第二時間之間的整個間 隔期間，通過該第一鑽石材料之電流具有一每平方公分至 少大約1安培之電流密度。 某些實施例亦供應水至該電解電池，其中所有水係由 一單一水源供應，且使該水分成兩流，其中一第一流接觸 該第一電極且一第二流接觸該第二電極。該第一流及第二 流係藉該膜分開。該方法接著在該第一電極將臭氧導入該 第一流，且接著在導入該臭氧後，使該第一流及該第二流 結合以產生一結合流。某些實施例將該結合流導引至一保 持腔室。其他實施例亦提供另外之水至該保持腔室，其中 該另外之水係藉該臭氧淨化。 圖式簡單說明 實施例之前述特徵將藉由參照以下詳細說明，同時參 閱添附圖式而更輕易地了解，其中： 第1A與1B圖示意地顯示依據一第一實施例之一電解 電池； 第2圖示意地顯示具有一獨立鑽石之一電極； 第3圖示意地顯示一習知積層電極； 第4A-4D圖示意地顯示一電流分散器之各種圖； 201229320 第5圖示意地顯示依據另一實施例之一電解電池； 第6圖示意地顯示依據另一實施例之一電解電池； 第7圖示意地顯示在一殼體内之一電解電池之一實施 例； 第8圖示意地顯示在一殼體内之一電解電池之另一實 施例； 第9圖示意地顯示在一管内之一電解電池之一實施例； 第10圖示意地顯示在一系統内之一電解電池之一實施 例；及 第11圖顯示操作一電解電池之一方法。 L實万包方式J 特定實施例之詳細說明 依據一實施例，一用以在流動水中產生臭氧之電解電 池包括至少一獨立鑽石電極。該獨立鑽石電極可以適當地 處理比先前習知電極高之功率，且其中包括可產生更多臭 氧。 一電解電池100之一實施例係示意地顯示在第1A圖 中，且該電池100之一橫截面係示意地顯示在第1B圖中，且 暴露該電池100之内部組件。 如第1B圖所示，該電解電池100具有兩電極：陽極101 及陰極102。在這實施例中，該陽極101是一硼摻雜獨立鑽 石陽極，而該陰極102是由鈦或另一導電材料形成。該陽極 101及該陰極102可包括多數貫穿孔特徵110以便增加它們 的表面積及讓水可通過它們。 201229320 為了形成臭氧，一水源供應至該電池100且一正電位施 加至該陽極而一不同電位施加至該陰極1〇2，以便增加通過 該陽極101及陰極102之一電壓差（或電位差）。在第丨圖所示 之實施例中，該電位係透過陽極及陰極接頭1〇3、1〇4施加。 在該電解電池100之陽極側，電位之差將水分子切斷成^氧 及2)多數氫陽離子。該氧形成溶解在水中之臭氧。該等氫 陽離子藉施加至陰極102之負電位由該電池之陽極側被拉 至5玄陰極側。一旦在该電池之陰極側上，該等陽離子便形 成氫氣泡。 為了促進質子（例如，氫陽離子）由陽極1〇1移動到該陰 極102 ’使用一固體膜105作為一固體電解質且將該膜1〇5放 在該陽極101與該陰極102之間（例如，一質子交換膜 (PEM) ’例如Nafion®)。此外，在某些情形中，使用該膜1〇5 作為一障壁以分開在該電池100之陰極側上之水源水與在 該電池之陽極側上之水源水。為了對該膜1〇5提供結構完整 性，該膜亦可包括一支持矩陣（未顯示）。 如圖所示，該膜105係在該等電極1〇1與1〇2與該等接頭 103與104之間。事實上，這種構態可說明該膜為“被夾，，在 該等電極之間，且電極101、102與膜1〇5，及/或電極1〇1、 102，膜105，及接頭103與104可以說明為形成一電極夾層 結構。但是，該夾層結構不限於這些組件，且各種實施例 可在該夾層堆疊物中包括多數其他組件或層。 在第1A與1B圖之實施例中，該電池100包括_陽極框 架106及一陰極框架107。該等框架丨〇6、1〇7均定位該陽極

S 201229320 10卜陰極1G2、陽極接頭103、陰極接頭1G4及膜1G5，且對 該總成提供結構完H料框架1()6、1()7亦包括—或多 個開口 1G8，且水源水可流過該等開口 。該等開口⑽之 尺寸及形狀可以藉由利用尺寸、長度或某種其他幾何形態 改變該等開口之流體阻力來改變，以便得到通過該陰極或 陽極區域之不同流迷。在某些所示實施例中，該電解電池 亦包括一圍繞其外周緣之〇_環1〇9。當該電解電池1〇〇被插 入一管路(可以是一管或其他殼體）時，該〇_環1〇9可協助鎖 固及密封該電解電池1〇〇在該管路之内周邊上。或者，或另 外地，該0-環109亦可提供一推抵該等框架1〇6、1〇7之壓 力，以便協助將該等框架106、1〇7互相“夾持，，在一起。 一獨立鑽石電極2 00之一實施例係示意地顯示在第2圖 中，且包括一電流分散器201及一獨立鑽石202。 該獨立鑽石202具有一第一側202Α，及一與該第一側相 對之第二側202Β。該鑽石亦具有一厚度2〇2C，且該厚度 202C係定義為在該第一側202Α與該第二側202Β之間的距 離。在第2圖中之實施例中，該例如，具有一實質一致之厚 度，亦即其厚度在所有點上均實質相同。 在此及在任何附加申請專利範圍中所使用之一 “獨立 鑽石”是具有一大於大約1〇〇微米之厚度的一非積層摻雜鑽 石材料。例如，該獨立鑽石可具有一 100微米、200微米、 3〇〇微米、400微米或400微米以上之厚度。事實上，某些實 施例可具有一 500微米、600微米、700微米或700微米以上 之厚度。 201229320 這些厚鑽石在不明顯劣化效能之情形下，且在不產生 實質破壞之情形下，可以高電流密度有利地承載電流持續 之時間。例如，在某些實施例中，該獨立鑽石可傳導每平 方公分至少大約1安培（或“amp”)之持續電流密度，而其他 實施例，例如，可傳導每平方公分至少大約2安培（或“amp”) 之持續電流密度。在測試時’本發明人已在未破壞該電極 或使其電流承載或臭氧製造效能劣化之情形下，以每平方 公分至少大約2安培之持續電流密度操作一獨立鑽石電極 至少大約500連續小時之時間。這些電極可比先前習知電極 產生更多每平方公分表面積之臭氧，且可因此被作成比一 組配成產生相同單位時間臭氧量之習知電極更緊密。依據 各種實施例之電極亦可具有比先前習知電極更長之使用及 生產壽命。 相反地，習知電極包括積層薄膜鑽石層，例如在一基 材上之一薄膜鑽石塗層。請參見，例如，Alexander Kraft 等人之名稱為“使用鑽石陽極及一固體聚合物電解質之電 化學臭氧製造（Electrochemical Ozone Production Using Diamond Anodes And A Solid Polymer Electrolyte)” 之論 文，Electrochemistry Communications 8 (2006)，883-886。 一示範習知電極300示意地顯示在第3圖中，且包括一基材 301及一薄膜鑽石層302。該薄膜鑽石層302可成長在該基材 302上；與可與一電流分散器無關地存在之一獨立鑽石相 反，這鑽石層在它成長之前不存在。 該電極300之結構及電氣完整性係取決於在該鑽石層

S 10 201229320 302與該基材301之間的實體接觸。如果該鑽石層搬開始由 該基材301剝離，則該接觸，及因此該電極3〇〇之完整性會 夂扣。這種剝離可由，例如，在該電極3〇〇内之熱應力造成， 且特別是在這熱應力顯現在該鑽石層3〇2與該基材3〇1之界 面時。熱應力本身又可由該鑽石層3〇2與該基材3〇1之熱膨 脹係數的差造成。此外，該熱應力隨著該鑽石層之厚度3〇3 增加而增加。 因此，在先前習知電極中使用之鑽石層具有受限之厚 度及丈限之電流密度額定值。限制一積層電極之鑽石層之 厚度將限制由於鑽石材料及該基材之各個熱膨脹係數的差 所產生之熱應力。通常，該鑽石層之厚度已限制在等於或 小於大約10微米之範圍内。 但是，藉限制一鑽石層之厚度保護一電極之結構完整 性要付出代價。這些電極具有受限之電流密度容量。例如， 在上述名稱為“使用鑽石陽極及一固體聚合物電解質之電 化學臭氧製造”之論文中發表每平方公分小於大約400毫安 培之電流密度。事實上，某些積層鑽石電極之製造商建議 保持每平方公分小於G.5安培之電流密度。更大之電流密 度’特別是如果保持數分鐘或數小時，齡例如因造成該 鑽石層及基材__而破壞這些電極及/或造成效能劣 化。這受限電流容量限制該電極之臭氧產生容量。 請再參閱第2圖’該電流分散器2_固定在，且電氣 麵合在，觸立鐵石斯上。在操作時，—電壓源可與該電 流分散器輕合以連接該獨立鑽石2〇2與一主系統。例如，該 201229320 獨立鑽石202包括一延伸部份203，且該延伸部份可作為如 一接合部之一電接頭使用，且，例如，一電線可焊接在該 接合部上。因此該電流分散器2〇1是可導電的。在某些實施 例中，該電流分散器可包括例如鈦之金屬。 電流分散器之各種實施例可採用各種形式。例如，一 電流分散器可以是一網或晶格構態。例如，一晶格狀電流 分散器703示意地顯示在第7圖中。 一電流分散器之另一實施例具有一所謂“框架”形狀， 因為該框架之一部份具有一矩形或正方形狀，且因此類似 一晝框之形狀。例如，一框架構態之一電流分散器400的一 實施例示意地顯示在第4A-4D圖中。詳而言之，第4A圖顯 示該電流分散器400之一立體圖，而第4B圖顯示一側視圖， 第4C圖顯示一俯視圖，且第4D圖顯示一仰視圖。該電流分 散器400是可導電的，且可包括，例如，鈦。在第4D圖中之 尺寸是說明性的且不是要限制各種實施例。 該電流分散器之框架部份401包括一孔402。當與一獨 立鑽石耦合（未顯示在第4圖中）時’該孔402提供該獨立鑽石 對水之一大區域’因此有助於製造臭氧。如果該框架部份 401之周邊界定一區域，則該孔402佔據該區域之大部份。 例如’該孔402可佔據該框架部份401之大約百分之8〇、百 分之90或百分之90以上。 一電解電池500之另一實施例示意地顯示在第5圖中， 且具有類似於上述電解電池1〇〇之數個特徵，例如，接頭 503、504，膜505 ’及〇_環5〇9。這些特徵在此將不再說明。

S 12 201229320 但是，至少因為該電解電池500具有兩獨立鑽石電極 501、502 ,所以該電解電池5〇〇與該電解電池1〇〇不同。因 此，不必5忍疋一電極為該陽極且另一電極為該陰極。該等 電極501、502之任-電極可作為該陽極’作為該陰極，或 事實上甚至在陽極與陰極之角色之間來回交替。在某些實 施例中，該電解電池5〇〇,或一附載該電解電池5〇〇之系統， 可包括用以將輸入至該等電極之電壓極性逆轉之電路。這 電路可包括，例如，一開關網路，且該開關網路具有多數 耦合在該等輸入電壓及該等電極5〇1、5〇2之間的開關以選 擇性地導引一第一輸入電壓至該第一電極5〇1及導引一第 二電壓至該第二電極5〇2,且可控制地逆轉該等輸入電壓之 極性以便將該第一輸入電壓導引至該第二電極5 〇 2，且將該 第二輸入電壓導引至該第一電極501。因此，當該輸入電壓 具有一第一極性時，一電極501作為該陽極且另一電極502 作為該陰極。但是，當該輸入電壓極性逆轉（即，成為一第 二極性）時，該第一電極501則作為該陰極，且該第二電極 作為該陽極。 第6圖示意地顯示一兩鑽石電解電池之另一實施例 600。在第6圖中，該電池600包括一串聯構態之硼摻雜鑽石 電極6(Π、602，且該等電極6〇1、6〇2設置在該膜6〇3之相同 側上且分別與該電極接頭6〇4、605連接。如第6圖所示，該 膜603與該等鑽石電極6〇1與6〇2均接觸。在這構態中，陽離 子在該等電極601與602之間水平地移動通過該膜603。 一電解電池總成700之另一實施例示意地顯示在第7圖 13 201229320 中。在這實施例中’該電池總成700包括具有一圓柱形内部 容積700B之一殼體700A(不論其外形為何，該殼體均可被稱 為一圓柱形殼體），且該等電極7(H、702，電流分散器7〇3、 704，膜705，及半圓形框架706與707位在該圓柱形内部容 積700B内。 在這實施例中，水透過一水通道71〇供應至該等電極 7(H、702，且該水通道710為該殼體7〇〇A之一部份。當水到 達該等電極701、702時，它遭遇一在該水通道71〇内之分隔 板711。該分隔板有效地形成將水分成一第一流（可被稱為 一第一水流)及一第二流（可被稱為一第二水流）的通道。這 些通道接著將該第一流導引至該第一電極7〇卜且該第二流 導引至該第二電極702。該等第一及第二流接著分別地流 動，且在通過該陽極（可以是電極7〇1或7〇2 ,取決於供應至 該等電極之電壓的極性）之流中的某些水分子將使它們的 氫原子及氧原子解離，且某些氧原子將接著形成臭氧。因 此，臭氧被導入其中一流中。在某些實施例中，該等流可 以在該等流通過該等電極7〇1與7〇2之後在一點再結合。 在某些實施例中，框架7〇6與7〇7中之至少框架可以延 伸以便在該電極夾層上產生—壓力。例如，一框架7〇6及/ 或707可包括被彈簧負載之兩部份，使得該彈簧推抵這兩部 份以將它們推開，因此伸展該框架。因此，該框架之—部 伤推抵該殼體之圓柱形内部，而該框架之另一部份推抵該 電極夾層。 一電解電池8 00總成之另—實施例示意地顯示在第8圖

S 14 201229320 中。這實施例包括一不同殼體80〇A，但亦具有一圓柱形内 部容積800B。這實施例800包括一在該圓柱形内部容積 800B内之電解電池801。詳而言之，電解電池801包括至少 一框形電流分散器802，且該框形電流分散器802類似於上 述電流分散器400。 第9圖示意地顯示附載一電解電池901之系統900的一 實施例。該系統900包括安裝在一管902之内周邊内的一電 解電池901。在這實施例中’該電解電池可以是如上所述之 電池100，或例如，可以是在此所述之一電解電池之另一實 施例。在第9圖之實施例中，該〇-環109防止水由該電池900 與該管901之内周邊之間流動。 第10圖示意地顯示附載一電解電池1〇〇之系統1000的 另一實施例。第1〇圖顯示依據本發明之一實施例之在一殼 體1001内之一電解電池1〇0 °該電解電池100在這實施例中 是上述電池100，但可選自在此所述之其他實施例，例如電 解電池500以便就舉出一個例子，或一完全不同電池。 該殼體包括一入口 1〇02，一出口 1003，及一連接該入 口 1002與該出口 1〇〇3之水通道（或“管路”)1004。在所示實施 例中，該入口 1002及/或該出口 1003包括用以輕易連接該殼 體1001與一水源水源連接之一推鎖式管連接件。申請案第 12/769,133號中提供可使用之連接件的例子，且該申請案在 此全部加入作為參考。 依據本發明之各種實施例，水源水流入該入口 1002且 以第10圖中箭號1〇〇5所示之方向通過該水通道1〇〇4，該電 15 201229320 解電池100，及該出口 1003。該水源水之一部份流過該電池 100之陽極側而該水源水之另一部份流過該電池1〇〇之陰極 側。 當水流過該電解電池100時，一正電位施加至該陽極 101而一負電位施加至該陰極1〇2。該電位係透過該等陽極 及陰極接頭103、104施加，且該等陽極及陰極接頭1〇3、1〇4 再透過電導線1006與一電源連接。在所示實施例中，該等 陽極及陰極接頭103、104係由鈦網或一鈦框架電流分散器 形成’且該鈦網或一鈦框架電流分散器係點焊在該等陽極 框架106上。依此方式，該等陽極及陰極接頭1〇3、ι〇4讓水 源水可與該陽極101及該陰極102之表面接觸。該等電導線 1006通過該水通道1004之壁且，在示範實施例中，使用多 數套管螺絲100 7及Ο -環10 0 8以防止水源水在該等導線與該 水通道之壁之間洩漏。 如上所述，在該電池100之陽極侧上之水形成丨）氧及2) 氫陽離子。該氧形成溶解在水中之臭氧，而該等氫陽離子 被拉向該電池之陰極側且形成多數氫氣泡。使用系統1 〇〇〇 作為一例，在該電池100之陰極側之水（包括氫)及在該電池 100之陽極側之水（包括臭氧及其他物質）係結合且接著流出 該出口 1003。 本發明人認識到混合來自該電池100之陽極側及該電 池之陰極側之水具有多種缺點。當該電解反應之產物混合 時，它們會反應及再結合。例如，在該電池之陰極側上之 氫與來自該陽極之該臭氧、氫氧基及其他衍生物再結合以

S 16 201229320 形成其他種類之化學物。在某些情形中，大約30¾那麼多 之臭氧可在該電解電池100之下游再結合且，因此，減少該 電池100之淨臭氧製造。 此外，本發明人認識到，在本發明之所示實施例中， 藉該電解電池100之簡單及經濟之設計勝過這缺點。如第9 與10圖之設計中所示，只需要單一水源來供應該電池100之 陽極及陰極側。相反地，在許多習知系統中，該陽極係由 一水源供應且該陰極係由來自一容器之一陰極電解質溶液 供應。這習知配置使該電解電池增加複雜性及成本。 另外，本發明人了解到藉由減少該等產物互相暴露之 時間可以限制與混合例如氫及臭氧之產物相關之缺點。更 詳而言之，本發明人發現藉由使該水及該等產物流入一大 腔室或容器1020可以減少暴露時間。在該腔室中，浮起之 氫氣泡上升到頂部且移動遠離該臭氧並且，因此，不再反 應及再結合。在本發明之-示範實施例巾，料產物緊接 在它們形成後流入一大腔室中。通常，該等產物（臭氧及氫） 在該等水通道之渦流内度過的時間越少，它們再結合而使 該電池之臭氧製造無效之情形愈少。 本發明亦認識到有某些與沒有由一容器供應之陰極電 解質溶液之一電解電池相關的缺點。在該電解反應中，來 自水源水之水垢（例如，碳酸鈣）累積或沈積在該膜1〇5或該 電池100之其他組件上。最後，如果它真的如上所述地累 積，則水垢會阻礙在該電池100内之電化學反庳。這此在1 電解電池100内之沈積物會縮短有用的電池壽命’或需要^ 17 201229320 解及清潔内部組件以恢復電池效能及有效地製造例如臭氧 之目標化學物。為了協助避免這問題，習知系統使用一池 陰極電解質溶液(例如具有氣化鈉及/或檸檬酸之水)及將該 溶液施加型該膜之表面及該等習知裝置之陰極上。該陰極 電解質溶液有助於防止水垢累積在該膜及該陰極上且，因 此，改善電池效率。 然而，本發明人已認識到，雖然該陰極電解質溶液有 助於防止水垢之累積，但是它亦必須使用另外之部件且使 得使用它們之電解電池及系統之設計更複雜及增加成本。 本發明人更認識到，在本發明之所示實施例中，藉由該電 解電池100之簡單及經濟設計勝過與水垢累積相關之缺 點。如第9與10圖之設計所示，例如，本發明之所示實施例 不包括一容器或一陰極電解質溶液。該電池100之這經濟及 簡單設計使它可在它不再有效時被替換。 本發明之所示實施例作為用於水淨化之可拋棄及低成 本溶液是特別有用的。雖然較昂貴及複雜之習知系統需要 更換陰極電解質溶液及/或分解該電池以恢復效率，但是該 電解電池之所不實施例只要移除、拋棄且及一新電池總成 替換即可。雖然該電池之所示實施例可具有有限壽命（即使 先前習知電池壽命較長）’但是只更換可拋棄電池而不是維 修較複雜習知電解電池更具有成本效益。這種可拋棄電解 電池在該水源水源具有低雜質量時特別有用。在這種情形 下’水垢累積少且進-步減少—陰極電解質溶液之需求。 亦可提供減少一陰極電解質溶液之需求的其他因素。

S 18 201229320 操作一電解電池之一方法1100顯示在第11圖中。如上 所述，在具有兩獨立鑽石電極之一電解電池中，不必認定 一電極為該陽極且另一電極為該陰極。該等電極之任一電 極可作為該陽極，作為該陰極，或事實上甚至在陽極與陰 極之角色之間來回交替。這特性讓一電解電池可以一使水 垢之累積減少之方式操作。 因此，該方法係藉提供一電解電池開始，且該電解電 池包括具有一鑽石材料之一第一電極及具有一鑽石材料之 一第二電極（步驟1101)。該電解電池可類似於上述電池，或 可以具有另外之設計。在某些實施例中，該等鑽石電極是 獨立鑽石，但是在其他實施例中該等鑽石電極可甚至包括 如在所屬技術領域中習知之積層鑽石層。該電解電池亦包 括一膜，該膜在該第一電極與該第二電極之間且將該第一 電極與該第二電極分開。 在操作時，將水供應至該電解電池(步驟1102)。如上所 述，某些實施例將進入之水分成第一與第二流，且導引該 第一流至一陽極，並且導引該第二流至一陰極。因此，在 步驟1102某些實施例將水分成這些流。如上所述，某些實 施例不需要或使用一電解質溶液。因此，所有水可由一共 同水源供應，而不是使某些水由一水源供應，且一電解質 溶液由一不同來源供應。因此，某些實施例，將水由一單 一或共用水源供應至該電解電池。 如上所述，當該電池操作時，供應一電位差通過該等 電極。因此該方法亦提供，在步驟1103中在一第一時間， 19 201229320 一通過該第一電極與該第二電極之電壓差，且該電壓差具 有一第一極性。 當在這構態時，水垢會開始或繼續在該等電極上累 積。為了對抗水垢累積，下一步驟逆轉至該第一電極及該 第二電極之電壓的極性(步驟1104)。這步驟1104係在一在該 第一時間後之第二時間實行，且該電壓差因此在該第二時 間具有一第二(相反，或顛倒)極性。藉逆轉該電壓之極性， 在該等電極及該水垢之間的吸引力亦逆轉，使得一在該第 一極性下吸引該水垢之電極此時在該第二極性下排斥水 垢。反覆逆轉該極性一段時間（例如，第一極性；第二極性； 第一極性；第二極性等）可有助於減少水垢累積，且可甚至 逆轉先前累積之水垢。 因此，該程序包括在一在該第二時間後之第三時間另 一次逆轉該電壓差（步驟1105)。這新電壓差在該第三時間具 有該第一極性。 這程序或極性逆轉之循環可以週期性地重覆。該循環 之時間可以由系統操作者決定，且選定之時間可取決於例 如該電解電池之尺寸，通過該等電極之水流速度，及水之 含量（例如，雜質含量）等因素。例如，該極性可每分鐘一次， 每小時一次，每天一次，或週期性地，以各種間隔週期性 地或甚至任意地逆轉。 該施加之電壓差產生一通過該第一鑽石材料之電流。 在所示實施例中，通過該第一鑽石材料之這電流在該第一 時間與該第二時間之間的整個間隔期間具有一每平方公分

S 20 201229320 至少大約1安培之電流密度。例如，在這時間期間，該電流 可具有一每平方公分大約1.5安培，每平方公分大約2安 培，每平方公分大約3安培，或由所屬技術領域中具有通常 知識者決定之大量的電流密度。 接著，該方法在步驟1106在該第一電極將臭氧導入該 第一流。最後，在導入該臭氧後，該方法在步驟1107將該 第一流與該第二流結合以產生一結合流。 某些實施例亦將該結合流導引至一固持腔室（步驟 1108)。此外，某些實施例提供另外之水至該固持腔室，且 該另外之水在該固持腔室中藉該臭氧淨化（步驟1109)。該另 外之水可以在該富含臭氧之水之組合流到達之前、之後或 當時提供至該固持腔室。 上述本發明之實施例只是用來示範；所屬技術領域中 具有通常知識者將了解多數變化及修改。例如，但非限制 地，某些實施例說明具有一特定電解電池之一系統，但通 常任何這種系統可組配來使用任一上述電池。就另一例子 而言，第11圖之方法包括分開該水流，及將通過該等電極 之電壓之極性逆轉。但是，一分開該水流之方法可以在不 將該電壓之極性逆轉之情形下實施，且一將該電壓之極性 逆轉之方法可以在不分開該水流之情形下實施。所有這些 變化及修改確定是在如在任一附加申請專利範圍中界定之 本發明的範_内。 【圖式簡單說明】 第1A與1B圖示意地顯示依據一第一實施例之一電解 21 201229320 電池； 第2圖示意地顯示具有一獨立鑽石之一電極； 第3圖示意地顯示一習知積層電極； 第4A-4D圖示意地顯示一電流分散器之各種圖； 第5圖示意地顯示依據另一實施例之一電解電池； 第6圖示意地顯示依據另一實施例之一電解電池； 第7圖示意地顯示在一殼體内之一電解電池之一實施 例； 第8圖示意地顯示在一殼體内之一電解電池之另一實 施例； 第9圖示意地顯示在一管内之一電解電池之一實施例； 第10圖示意地顯示在一系統内之一電解電池之一實施 例；及 第11圖顯示操作一電解電池之一方法。 【主要元件符號說明】

S 100...電解電池 109...O-環 101...陽極 110...貫穿孔特徵 102...陰極 200...獨立鑽石電極 103...陽極接頭 201...電流分散器 104...陰極接頭 202...獨立鑽石 105…膜 202A...第一側 106...陽極框架 202B....第二側 107...陰極框架 202C...厚度 108…開口 203...延伸部份 22 201229320 300.. .電極 301.. .基材 302.. .鑽石層 303.. .鑽石層厚度 400.. .電流分散器 401.. .框架部份 402.. .孔 500.. .電解電池 501.502.. .電極 503.504.. .接頭 505.. .膜 509.. .Ο-環 600.. .電池 601.602.. .電極 603…膜 604.605.. .電極接頭 700.. .電解電池總成 700A...殼體 700B...圓柱形内部容積 701.702.. .電極 703,704…電流分散器 705.. .膜 706.707.. .框架 710.. .水通道 711.. .分隔板 800.. .電解電池 800A...殼體 800B...圓柱形内部容積 801.. .電解電池 802.. .框形電流分散器 900.. .系統 901.. .電解電池 902.. .管 1000.. .系統 1001.. .殼體 1002.. .入口 1003.. .出口 1004.. .水通道 1005.. .箭號 1006.. .電導線 1007.. .套管螺絲 1008.. .0.環 1020.. .腔室或容器 1100.. .方法 1101-1109…步驟 23

Claims (1)

1. 201229320 七、申請專利範圍： L —種用α製造臭氧之電解電池，該電池包含： 第一電極，其包括一獨立鑽石材料； —第二電極，其與該第一電極分開；及 -質子交換膜，其分開該第—電極及該第 且該質子交換膜係在該第-電極與該第二電極之間。 2. 如申請專利範圍第1項之電池，其中該陰極包括—獨立 鑽石材料’且該電池餘配成將極性在該第—電極與該 第二電極之間逆轉。 3. 如申請專利範圍第旧之電池，其中該獨立鑽石材料包 括爛摻雜鑽石材料。 4. 如申請專利範圍第1項之電池，其中該第-電極及該第 二電極係流體性地連通錢由—共同水源接收水。 5. 如申請專利範圍第4項之電池，其中該電池係組配成將 水源水流分成-第—水流及m該電池更包含 -第一通道以將該第-水流供應至該第-電極，該電池 亦包3第一通道以將該第二水流供應至該第二電極。 6. ^申請專利範圍第5項之電池，其中該電池係組配成使 '人專水7爪及送第二水流係在該第一水流及該第二 水流之至少—水流具有臭氧後結合。 7. 如申請專利範圍第6項之電池，其中該結合水流係供應 S艮之腔至，藉此在該腔室内之水係藉該臭氧淨 化。 8·如申請專利範圍第1項之電池，其中該電池係組配成安 S 24 201229320 裝在一管路内。 9. 如申請專利範圍第1項之電池，其中該電池沒有一陰極 電解質溶液及一陰極電解質容器。 10. 如申請專利範圍第3項之電池，其中該獨立鑽石材料包 括硼摻雜鑽石材料，且該硼摻雜鑽石材料具有一在大約 100微米與大約700微米之間之厚度。 11. 如申請專利範圍第1項之電池，更包含： 一圓柱形殼體； 一第一半圓形框架構件；及 一第二半圓形框架構件， 其中該陽極，陰極及膜被夾在該第一半圓形框架構 件與該第二半圓形框架構件之間；且該陽極，陰極，膜， 第一半圓形框架構件，及第二半圓形框架構件係在該圓 柱形殼體内。 12. 如申請專利範圍第11項之電池，其中該第一半圓形框架 構件及該第二半圓形框架構件之至少一半圓形框架構 件是可延伸的以便在該陽極，陰極及膜上產生一壓力。 13. —種鑽石電極，包含： 一獨立鑽石材料，該獨立鑽石材料具有一第一側、 一與該第一側相對之第二側、及一至少大約100微米之 厚度；及 一電流分散器，其與該獨立鑽石材料之第一側耦 合，且該電流分散器具有一電接頭及一網構態或一框架 構態中之一構態， 25 201229320 劣化極之電傳導容量或臭氧製造容量 導-每平方公分至少大約〗安二:立鑽石材料傳 。 文。之持續電流密度數小 時 14·如申請專利範圍第項之鑽石電極 具有一框架構態。 其十該電流分散器 15.如申請專利範圍第13項之鑽石電極，其中該獨 料具有—至少大約200微米之厚度。 M·-種#作_電解電池之方法，該方法包括： 立鑽石材 —提供-電解電池，且該電池包含具有—鑽石材料之 「第一電極及具有-鑽石材料之—第二電極，並且該電 池亦包含-在該第-電極與該第二電極之間且分開該 第一電極與該第二電極之膜； 在一第一時間，提供一通過該第一電極及該第二電 極之電壓差，且該電壓差具有一第一極性； 在該第一時間後之一第二時間，將通過該第一電極 及該第二電極之電壓差的極性逆轉，藉此該電壓差在該 第二時間具有一第二極性； 在該第二時間後之一第三時間，將通過該第一電極 及該第二電極之電壓差的極性逆轉，使得該電壓差在該 第二時間具有該第一極性。 Π.如申請專利範圍第16項之操作一電解電池之方法，其中 該方法更包括將該電壓差之極性週期性地逆轉，使得該 電壓差在該第一極性與該第二極性之間週期性地交替。 S 26 201229320 18. 如申請專利範圍第16項之操作一電解電池之方法，其中 該電壓差產生一通過該第一鑽石材料之電流，且在該第 一時間與該第二時間之間的整個間隔期間，通過該第一 鑽石材料之電流具有一每平方公分至少大約1安培之電 流密度。 19. 如申請專利範圍第16項之操作一電解電池之方法，該方 法更包括： 供應水至該電解電池，且所有水係由一單一水源供 應； 使該水分成兩流，且一第一流接觸該第一電極並且 該第二流接觸該第二電極，且該第一流及第二流係藉該 膜分開； 在該第一電極將臭氧導入該第一流；及 在導入該臭氧後，使該第一流及該第二流結合以產 生一結合流。 20·如申請專利範圍第19項之操作一電解電池之方法，其中 該方法更包括將該結合流導引至一保持腔室。 21.如申請專利範圍第20項之操作一電解電池之方法，其中 該方法更包括提供另外之水至該保持腔室，藉此該另外 之水係藉該臭氧淨化。 27 ，产