專利名稱：臭氧發(fā)生電解池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種臭氧發(fā)生電解池，其包括一負(fù)電極、 一包含鉛(IV) 氧化物(稱為二氧化鉛)與聚四氟乙烯(PTFE)的混合物的臭氧發(fā)生正電 極、 一設(shè)置在負(fù)電極和正電極之間的膜、以及一液體和氣體可透過的導(dǎo)電 的第一電極支承部，該第一電極支承部與正電極的一側(cè)接觸，定位成與所 述膜相對(duì)，電極支承部的所述側(cè)具有一覆蓋有含鉑層的表面。
背景技術(shù)：
已知利用電解池來從水制造臭氧的多種工業(yè)過程。在這些過程中，使 用具有用于實(shí)現(xiàn)電解和因此用于產(chǎn)生臭氧的中央部分的電解池，所述中央 部分包括一通常具有平面板形式的陽極(正電極)、具有相同構(gòu)造的陰極 (負(fù)電極)和一設(shè)置在陽極和陰極之間的質(zhì)子交換膜(例如NafionTM)， 該質(zhì)子交換膜由具有平面板形式的固體電解質(zhì)組成，如同在例如U.S.專利 No. 6，328，862中所述的。
根據(jù)引證文件，陽極本身是通常由鈥制成且具有可透過液體和氣體的 能力的多孔構(gòu)件。在陽極的面向質(zhì)子交換膜的(內(nèi))表面上，通常通過一 電鍍過程施加有一薄的鉑層。在該鉑層和質(zhì)子交換膜之間，設(shè)置有一電極 層，所述電極層包括金屬或半金屬的導(dǎo)體和/或其氧化物(例如二氧化鉛)， 其特征在于高的相對(duì)于氧的析出電勢(shì)的過電壓?？拷枠O的外表面、即在
其與質(zhì)子交換膜相對(duì)的表面處設(shè)有一與陽極接觸的陽極側(cè)收集板(也稱為 電極支承部)，其一方面提供了陽極和電源之間的電連接，另一方面提供 了用于所產(chǎn)生的氧/臭氧氣體的出口。另外，陽極側(cè)收集板也可使電解所需 的水能夠被導(dǎo)向陽極側(cè)本身。陰極也包括一 由多孔材料或其中具有適宜的通道的材料一 一 通常為不 銹鋼或鈦并也具有可透過液體和氣體的能力一一制成的構(gòu)件。在陰極的面 向質(zhì)子交換膜的(內(nèi))表面上施加有含金屬的電極層以用于產(chǎn)生氫。該含 金屬的電極層通常是薄的鉑層?？拷帢O的外表面，設(shè)有一與陰極接觸的 陰極側(cè)收集板(也稱為電極支承部)，所述陰極側(cè)收集板一方面提供了陰 極與電源之間的電連接，另一方面將電解所需的水導(dǎo)向質(zhì)子交換膜和通過 該質(zhì)子交換膜導(dǎo)向陽極并在必要時(shí)提供用于所產(chǎn)生的氬氣的出口 。
上述多層電極結(jié)構(gòu)容納在一適當(dāng)?shù)匦纬傻碾娊獬厥抑?。為使容易安裝， 電解池室通常由兩個(gè)半體形成，它們,皮對(duì)齊并以密封的方式借助于例如貫 穿螺栓固定在一起。用于相鄰的電極結(jié)構(gòu)層之間的完好接觸所需的壓力也 通過電解池室的兩個(gè)半體相互之間的旋擰固定進(jìn)行提供。
在具有上述結(jié)構(gòu)的臭氧發(fā)生電解池的工作過程中，水被供入電解池的 陰極側(cè)，并經(jīng)由多孔的陰極側(cè)收集板和多孔的陰極側(cè)自身(或形成在其中 的通道)到達(dá)質(zhì)子交換膜和通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陽極。當(dāng)同時(shí)施加用于電 解池的電壓時(shí)，水的電解開始，帶正電荷的氫離子從陽極通過質(zhì)子交換膜 運(yùn)動(dòng)到陰極。同時(shí)，由于電解而在陽極處產(chǎn)生氧和臭氧。臭氧轉(zhuǎn)化效率系 數(shù)、即在產(chǎn)生的氧氣中的臭氧的量由陽極電極層的質(zhì)量和工作參數(shù)決定， 因此，可通過陽極電極層的適當(dāng)?shù)闹圃旒夹g(shù)來顯著地影響電解池的臭氧產(chǎn) 生能力。
根據(jù)包含二氧化鉛的電極層的一種常見的制造過程，二氧化鉛膜通過 電鍍形成在陽極上。由此得到的電極層非常不平整/不均勻，這意味著電極 層的表面導(dǎo)電性/電導(dǎo)率(電阻)的變化。另外，通過電鍍制成的電極層可 能難以形成，它非常剛硬且容易破裂，因此不適宜用于包含固體電解質(zhì)的 臭氧發(fā)生電解池的批量生產(chǎn)。
在制造具有獨(dú)立板形式的包含二氧化鉛的電極層的替換方法中，薄的
多孔PTFE板的微孔被填充以二氧化鉛和質(zhì)子交換膜的材料的混合物，如 在日本專利No， 3，504，021和U.S.專利No. 6,054,230中所述。將質(zhì)子交換膜 放在由此得到的構(gòu)件上，然后，其表面被覆以含鉑材料。隨后，將該多層 結(jié)構(gòu)置于溫度為120 "C -140 °C的熱壓下。經(jīng)壓制的層壓構(gòu)件被插入在陽極和 陰極之間，并然后被容納在電解池殼體中以得到電解池。該方法的最大的 缺點(diǎn)在于，二氧化鉛是一種很不穩(wěn)定的化合物，容易由于熱而分解。因此， 當(dāng)在較高的溫度下時(shí)，由于二氧化鉛的分解，在通過熱壓制成的陽極電極 層表面的某些部分逐漸形成具有不同的導(dǎo)電性的區(qū)域，具有這種電極層的 電解池的操作變得不穩(wěn)定。
U.S.專利No. 6，328，862公開了一種用于制造包含二氧化鉛的陽極電極 層的方法，其中，將PTFE分散物、二氧化鉛粉末和揮發(fā)性M劑(優(yōu)選 為乙醇或異丙醇)混合，并優(yōu)選地通過砑光將由此得到的混合物成形為一 極薄的板和例如通過加熱使分散劑蒸發(fā)。制造電極層的每一步驟都在最大 為100。C的溫度下進(jìn)行，以避免二氧化鉛的可能的熱分解。通過該方法得 到的混合物的PTFE含量為約5%以重量計(jì)，膜自身是剛性的、容易破裂 和具有較小的g性。另外，用作臭氧發(fā)生電極/電極層的這種電解池的成 本一 一 其中，電解池包含由液相原材料制成的二氧化鉛/ PTFE膜 一 一 由于相應(yīng)的溶劑和分散劑的使用和由于在其從所述層蒸發(fā)之生進(jìn)行的處理而增加<

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種臭氧發(fā)生電解池，使得能夠用固相 原材料、在環(huán)境溫度下和不使用分散劑來制造臭氧發(fā)生電極。本發(fā)明的另 一目的在于提供一種二氧化鉛和PTFE的混合材料，以例如用于臭氧發(fā)生 電解池的陽極，所述混合材料由于其PTFE含量相對(duì)較高而是具有彈性和 易延展的，可在環(huán)境溫度下制備并可用較少的技術(shù)步驟和以比如今常用的 二氧化鉛/PTFE膜更低的成本進(jìn)行生產(chǎn)。本發(fā)明的又一 目的在于提供一種 負(fù)電極側(cè)(陰極側(cè))電極結(jié)構(gòu)，該電極結(jié)構(gòu)除了其導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度以夕卜， 還由于其結(jié)構(gòu)而固有地具有液體和氣體可透過的能力。
本發(fā)明的所述和其它目的通過提供一種臭氧發(fā)生電解池實(shí)現(xiàn)，其中， 正電極(即陽極)由一種混合物制成，所述混合物通過高壓成型具有膠體
尺寸的二氧化鉛微粒和尺寸最大為lmm的PTFE絲進(jìn)行制備；負(fù)電極(即 陰極)通過給定的壓力接合到所述膜的一側(cè)，定位成與正電極相對(duì)，并形 成在一多孔的第二電極支承部的表面上。
根據(jù)本發(fā)明的臭氧發(fā)生電解池的優(yōu)選的其它實(shí)施方式由從屬權(quán)利要求 2-10進(jìn)行說明。


下面將參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，其中
圖1A是用于根據(jù)本發(fā)明的臭氧發(fā)生電解池的電極結(jié)構(gòu)的一優(yōu)選實(shí)施 例的剖視圖1B是用于支承形成圖1A所示的電極結(jié)構(gòu)的一部分的負(fù)電極的第二 電極支承部的一優(yōu)選實(shí)施例的材料結(jié)構(gòu)的放大的示意圖；以及
圖2是組裝好的臭氧發(fā)生電解池的縱剖視圖，其中包括在圖1A中概 略示出的電極結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
用在根據(jù)本發(fā)明的臭氧發(fā)生電解池中的圖1A的電極結(jié)構(gòu)10主要包括 負(fù)電極(或陰極)13、臭氧發(fā)生正電極(或陽極)16、設(shè)置在所述電極13、 16之間的質(zhì)子交換膜15、和設(shè)置在正電極16的與所述膜15相對(duì)的一側(cè)的 第一 (正電極或陽極側(cè))電極支承部17。所述電極支承部17設(shè)置在一 (陽 極側(cè))支承件18上，該支承件設(shè)有用于電接觸的通孔19。電極13形成在 笫二 (陰極側(cè))電極支承部12上，該電極支承部12設(shè)置在(陰極側(cè))支 承件11上。
電極支承部12 —方面用于提供外部DC電源(未示出)與負(fù)電極13 之間的電接觸，另一方面用于在電解池工作期間將電解所需的水導(dǎo)向電極 13和使產(chǎn)生的氫氣從電極13轉(zhuǎn)移。因此，電極支承部12的形式是具有高 導(dǎo)電性和多孔結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，且具有高的機(jī)械強(qiáng)度，以承受電解池中可能形 成的高達(dá)20巴的高壓。特別地，電極支承部12是設(shè)置在支承件11中的薄
而多孔的鈦熔塊，其通過對(duì)鈦顆粒高壓冷成型制成。這里以及此后，術(shù)語 "熔塊"是指由粉末微粒通過冷成型制成的材料。成型過程的技術(shù)參數(shù)調(diào) 整成使得得到的鈦熔塊具有希望的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)達(dá)到充足的孔隙度。在
一優(yōu)選的實(shí)施例中，如圖IB所示，鈦顆粒優(yōu)選包括位于分層結(jié)構(gòu)中的三 種不同大小的鈦的微粒，其中，所述層按微粒大小的順序設(shè)置，從而使得 在成型之前，將相對(duì)較粗大的鈦粉12a (優(yōu)選包括尺寸為600-1200 hi m的 微粒)放入支承件ll中，然后，在其上施加具有中等大小微粒的鈦粉12b (優(yōu)選包括尺寸為350-600 jum的微粒)，最后，在其上施加纖細(xì)的鈥粉 12c (優(yōu)選包括尺寸為150-350 M m的孩i粒)。因此，通過成型制成的鈦熔 塊和由此制成的陰極側(cè)電極支承部12將沿深度方向具有微粒大小梯度。
陰極側(cè)支承件11由特殊的、具有化學(xué)抗性的塑性材料制成，其定形成 例如一環(huán)形構(gòu)件。但是很顯然，支承件ll可由任何其它材料制成，也可具 有任何其它形狀。
電解池有效操作的一重要條件是電極13、 16及膜15之間的良好的電 接觸。因此，電極13在由鈦熔塊制成的電極支承部12上的形成具有關(guān)鍵 的重要性。在根據(jù)本發(fā)明的電極結(jié)構(gòu)10中，對(duì)于負(fù)電極13使用非常纖細(xì) 的鉑粉(所謂的鉑黑)是優(yōu)選的。
在環(huán)境溫度和壓力下不使用保護(hù)氣體(即，在環(huán)境空氣下)和以懸浮 物的形式將鉑黑施加到電極支承部12上。所述懸浮物由40mg鉑黑和lml 濃度為O.OOlmol/1的十二烷基磺酸鈉(SDS)的水溶液制成。為使懸浮物 均勻化，使用超聲波浴5分鐘。懸浮物保持穩(wěn)定直到其應(yīng)用，也就是說， 不會(huì)檢測(cè)到任何沉淀。將電極支承部12放在一吸(水)紙上，然后利用自 動(dòng)吸液管將少量懸浮物施加到包括最細(xì)微粒的電極支承部12的表面上。當(dāng) 溶液通過由多孔鈦熔塊制成的電極支承部12滲透時(shí)，在電極支承部12的 表面形成具有連續(xù)鉑層形式的電極13。如果需要，可例如通過施加壓力來 改善由此得到的表面的光滑度。在施加電極13的替換方法中，可用水代替 SDS溶液來制造懸浮物，這會(huì)減少制造成本。
質(zhì)子交換(或質(zhì)子傳輸)膜15優(yōu)選具有磺化、含氟聚合物樹脂膜的形式，最優(yōu)選是DuPont de Nemours公司的聚合物膜Nafion⑧。膜15組成根 據(jù)本發(fā)明的臭氧發(fā)生電解池的固體電解質(zhì)。另外，膜15還使得在陰極側(cè)和 陽極側(cè)產(chǎn)生的氣體分離。電解所需的水通過設(shè)有電極13的第二電極支承部 12在膜15的一側(cè)引入，而將要處理的氧和臭氧的氣態(tài)混和物在膜15的另 一側(cè)、即在臭氧發(fā)生電極16處產(chǎn)生。應(yīng)注意，通過在以上述方式制成的電 極13上(由膜15形成)提供非常光滑的表面，由于通過電極結(jié)構(gòu)10作用 的壓力造成的膜15的有害的形變/變形可被減至最小的可能的程度。這有 助于延長(zhǎng)根據(jù)本發(fā)明的臭氧發(fā)生電解池的壽命。
正電極16用于支持陽極側(cè)電化學(xué)反應(yīng)。對(duì)于正電極16,通常使用導(dǎo) 電金屬、半金屬和/或其氧化物。使用過渡金屬的氧化物是有利的，因?yàn)樗?們通常即可獲得且不昂貴。但是，這些氧化物的機(jī)械強(qiáng)度低，因此必須被 置于機(jī)械強(qiáng)度高和對(duì)于高腐蝕性的氧和臭氧的氣態(tài)混合物具有化學(xué)抗性的 基材上，從而使得所述氧化物能夠承受工作期間在電解池中產(chǎn)生的高壓而 不會(huì)被機(jī)械地?fù)p壞。
對(duì)于用于支承正電極16的電極支承部17,使用具有良好的導(dǎo)電性的 貴金屬(如鉑)或合金和/或它們的混合物。在根據(jù)本發(fā)明的電解池中，被 適當(dāng)穿孔的鉑板用作電極支承部17,所述鉑板設(shè)有優(yōu)選地直徑為至少 0.8mm的通孑L。
陽極側(cè)支承件18用于將電解池工作期間在電極16處產(chǎn)生的氧和臭氧 的氣態(tài)混合物從電極16處除去。支承件18另外用于將電極支承部17固定 到電極16和將后者固定到膜15,以提供它們之間的理想的電接觸以及提 供均勻的過渡表面。在圖1A所示的電極結(jié)構(gòu)10的一優(yōu)選實(shí)施例中，支承 件18由彈性、多孔、具化學(xué)抗性的材料制成，優(yōu)選由通過高壓成型PTFE 微粒得到的PTFE熔塊制成。支承件18設(shè)有通孔19。在組裝成的根據(jù)本 發(fā)明的臭氧發(fā)生電解池中，通孔19適配成用于接納一陽極側(cè)傳導(dǎo)構(gòu)件，該 傳導(dǎo)構(gòu)件用于將陽極側(cè)支承部17電連接到外部DC電源(見圖2)。
在根據(jù)本發(fā)明的電解池中，臭氧發(fā)生電極16由具有良好的導(dǎo)電性、可 塑性、高的相對(duì)于析出電勢(shì)的過電壓和對(duì)于高腐蝕性的氧和臭氧的氣態(tài)混
合物的化學(xué)抗性的材料制成，優(yōu)選是包含以重量計(jì)為至少10%的PTFE的 二氧化鉛和PTFE的混合物。二氧化鉛和PTFE的混合物由固相原材料在 環(huán)境溫度下不使用其它添加物通過下述過程制得。
在組成二氧化鉛和PTFE的混合物的一種組分的二氧化鉛上，氧的析 出電勢(shì)非常高，因此可在其上以高的轉(zhuǎn)化效率制得希望的臭氧。所述組分 是有利的，因?yàn)樗话嘿F、通常即可得到、具有化學(xué)惰性(由于不具有更 高價(jià)的氧化態(tài))和可溶于大多數(shù)溶劑中，且比某些金屬具有更好的導(dǎo)電性。 眾所周知，在臭氧發(fā)生期間，二氧化鉛的兩種可能的晶型ot和P中的晶型 P可用于進(jìn)行希望的氧-臭氧轉(zhuǎn)化，其中，在轉(zhuǎn)化期間，如X-射線衍射測(cè) 量所證實(shí)的，發(fā)生P型界面再結(jié)晶(interfacial recrystallization )。這意味 著，需要改變所施加的二氧化鉛(即，在反應(yīng)過程中的再結(jié)晶)，這在2-12 天周期之后顯示出一恒定值。在制造正電極16之前，對(duì)二氧化鉛進(jìn)行持續(xù) 的碾壓，由此得到膠體尺寸、即平均微粒尺寸為0.5-100 jum的二氧化鉛微 粒，它們從最初的宏觀尺寸的二氧化鉛碎片制得。
對(duì)于電極16材料的其它組分，使用具有纖維(棉毛型)結(jié)構(gòu)、厚50-100 p m以及長(zhǎng)度最大為lmm的PTFE單絲。具有所迷尺寸的PTFE絲可通 過PTFE塊件的研磨機(jī)加工或磨擦制得。最初的PTFE單絲的尺寸對(duì)于最 終的二氧化鉛和PTFE的混合物的可塑性和彈性具有確定的作用。
為了制造正電極16的材料，將一定量、例如約為1600mg的被碾壓成 膠體大小的細(xì)粒的二氧化鉛和一定量、例如約為300mg的纖細(xì)單絲形式的 PTFE放入一混合罐中。所述無極的(apolar)材料可容易地相互混合。在 9^#攪拌、優(yōu)選10分鐘后，將由此得到的混合物倒入特別為此準(zhǔn)備的熔塊 成型工具中，并然后通過施加至少為50MPa、優(yōu)選為250MPa的壓力來向 里壓入，以定形一厚度為0.25mm的板。在成型過程中，PTFE絲發(fā)生纏 結(jié)和融合，同時(shí)4吏二氧化鉛微粒被結(jié)合。根據(jù)顯微鏡檢查得到的二氧化鉛 /PTFE板，證明由此得到的材料具有緊湊的尺寸和連續(xù)的表面，可容易地 通過機(jī)械方法形成并具有彈性和g性。最后，通過將由此得到的二氧化 鉛/PTFE板切斷成希望的尺寸和將其定形來制造電極16。
10
這里應(yīng)注意，在上述二氧化鉛和PTFE的混合物中，以重量計(jì)為約16% 的一定量的PTFE在可塑性/彈性和導(dǎo)電性方面是有利的。在利用大量 PTFE的情況下，混合物將更具有可塑性，但具有較少的導(dǎo)電性。但是， 在加入少量PTFE的情況下，混合物將具有較少的可塑性，但具有較多的 導(dǎo)電性。
利用碾壓或其它處理施加大的剪力來使PTFE經(jīng)受結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化一一才艮據(jù) 我們的經(jīng)驗(yàn)，這造成對(duì)二氧化鉛的P型晶型的穩(wěn)定作用一一是重要的。由 于與現(xiàn)有技術(shù)的方法不同，根據(jù)本發(fā)明的方法不包括熱處理的步驟，因此， 不會(huì)由于此而發(fā)生有害的晶型變化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，纖維電極的傳導(dǎo)性顯著高 于具有孩支粒結(jié)構(gòu)的材料的傳導(dǎo)性。
在上述電極結(jié)構(gòu)10的實(shí)施例中，正電極16和陽極側(cè)電極支承部17 形成為分離的構(gòu)件。但是，應(yīng)注意，臭氧發(fā)生電極16和第一電極支承部 17可形成為相結(jié)合的電極，使得薄的鉑層施加在由二氧化鉛和PTFE的混 合物制成的電極16的(外)表面上。
當(dāng)設(shè)計(jì)由電極結(jié)構(gòu)IO制成的電解池IOO的構(gòu)造時(shí)，如圖2所示，在其 組裝狀態(tài)中和當(dāng)選擇用于電解池100的材料時(shí)，考慮到對(duì)于氧和臭氧的氣
池100在其組裝狀態(tài)下由陰極側(cè)半體110和陽極側(cè)半體115組成，它們以 形狀配合和因此密封的方式固定在一起。電極結(jié)構(gòu)10設(shè)置在座140中，該 座形成在半體110中，并由底壁和側(cè)壁限定，其中，所述電極結(jié)構(gòu)10的支 承件11抵靠在座140的底壁上(見圖1A)。形狀配合抵接形成在半體115 的壓力凸緣145的外表面與座140的側(cè)壁之間。半體115設(shè)有用于接納電 極結(jié)構(gòu)10的陽極側(cè)的凹部148，其中，所述凹部148沿側(cè)向由壓力凸緣145 限定。在組裝好的電解池IOO中，電極結(jié)構(gòu)10的支承件18(如圖1A所示) 在凹部148中與半體115密切接觸，而壓力凸緣145將電極結(jié)構(gòu)IO推向座 140的底壁，從而將其牢牢地固定。
陰極側(cè)半體110設(shè)有用于以密封的方式接納給水連接器160、氫和水 排出連接器162以及陰極側(cè)電連接器箱130的通孔(未在附圖中標(biāo)記)。
陽極側(cè)半體115設(shè)有用于以密封的方式接納臭氧/氧氣體排出連接器165和 陽極側(cè)電連接器箱135的通孔(未在附圖中標(biāo)記)。半體110、 115由具有 化學(xué)抗性、不透氣的材料制成，優(yōu)選是某種塑性材料，并優(yōu)選通過注射成 型或其它成形方法形成。
在電連接器箱130中存在至少一個(gè)導(dǎo)電構(gòu)件150 (見圖1A)，其設(shè)置 成用于提供外部電源和負(fù)電極13之間的電連接。導(dǎo)電構(gòu)件150是一種能夠 沿其縱向軸線可逆變形和由此作用壓力的構(gòu)件；所述構(gòu)件150優(yōu)選具有柱 狀彈簧的形式。導(dǎo)電構(gòu)件150由鈦制成也是優(yōu)選的。
在電連接器箱135中存在至少一個(gè)導(dǎo)電構(gòu)件155 (見圖1A)，其設(shè)置 成用于提供外部電源和電極支承部17之間的電連接。導(dǎo)電構(gòu)件155是一種 能夠沿其縱向軸線可逆變形和由此作用壓力的構(gòu)件；所述構(gòu)件155優(yōu)選具 有柱狀彈簧的形式。導(dǎo)電構(gòu)件155由鉑制成也是優(yōu)選的。^使用具有彈性部 件形式的導(dǎo)電構(gòu)件150、155使得能夠消除由于尺寸偏差和溫度波動(dòng)造成的 尺度變化。
半體IIO、 115的外壁、即不與電極結(jié)構(gòu)IO接觸的壁分別設(shè)有陰極側(cè) 界板120和陽極側(cè)界板125。界板120、 125用于保護(hù)半體110、 125免受 外部的機(jī)械作用。因此，界板120、 125由具有高機(jī)械強(qiáng)度的材料制成、優(yōu) 選由不銹鋼制成。給水連接器160、氫和水排出連接器162以及陰極側(cè)電 連接器箱130牢牢地(但可釋放地)固定在形成于界板120中的通孔(未 圖示)中。類似地，臭氧/氧氣體排出連接器165和陽極側(cè)電連接器箱135 牢牢地(但可釋放地)固定在形成于界板125中的通孔(未在附圖中標(biāo)記) 中。最后，為了將電解池100保持成一體件、密封構(gòu)成電解池100的中央 部分的電極結(jié)構(gòu)10和提供電解池IOO (在圖1A中詳細(xì)示出)在半體IIO、 115內(nèi)的部分之間的所需的電接觸和機(jī)械接觸，在形成于半體IIO、 115中 和在界板120、 125中的通孔中設(shè)置貫穿螺栓185,所述貫穿螺栓185通過 螺母190緊固。
在制得上述結(jié)構(gòu)元件后，按下述步驟組裝根據(jù)本發(fā)明的電解池100。 首先，將貫通螺栓185插入形成在陰極側(cè)界板120中的通孔中，然后，將
陰極側(cè)半體110設(shè)置在界板120上，使其座140朝上。接下來，將容納在 支承件11中的陰極側(cè)電極支承部12和負(fù)電極13設(shè)置在座140中與半體 110接觸的位置處。然后，將電極支承部弄濕，并將已按尺寸切斷和定形 的質(zhì)子傳輸膜15放置在其上，此后也將所述膜弄濕。隨后，將已按尺寸切 斷和定形的電極16和陽極側(cè)電極支承部17設(shè)置在膜15上。然后，將陽極 側(cè)支承件18放置在電極支承部17上，并將陽極側(cè)半體115推置在由此得 到的組件上，從而使電極結(jié)構(gòu)IO的不同部分牢牢地固定。接下來，將支承 件18弄濕，將界板125放置在半體115上，并通過將螺母l卯向貫通螺栓 185旋獰來迫使電解池100的結(jié)構(gòu)元件相互靠近，從而提供結(jié)構(gòu)元件之間 的電接觸和機(jī)械接觸以及密封接合。最后，將連接器160、 162、 165和帶 導(dǎo)電構(gòu)件150、 155的連接器箱130、 135安裝到電解池100中。
在根據(jù)本發(fā)明的臭氧發(fā)生電解池IOO工作期間，水被供入電解池IOO 的靠近負(fù)電極13的一側(cè)，通過多孔的陰極側(cè)電極支承部12和多孔的陰極， 水流向質(zhì)子傳輸膜15，并進(jìn)一步通過膜15流向正電極16。當(dāng)同時(shí)施加具 有用于電解池IOO的適當(dāng)極性的DC電壓時(shí)，水的電解在電極13、 16處開 始，帶正電荷的氫離子從正電極16通過質(zhì)子傳輸膜15運(yùn)動(dòng)到負(fù)電極13。 所述氫離子通過接受來自負(fù)電極13的電子而轉(zhuǎn)變成中性電荷的氫。同時(shí)， 由于電解而在正電極16處產(chǎn)生氧和臭氧。臭氧轉(zhuǎn)化效率、即在制得氧和臭 氧的氣態(tài)混合物中的臭氧的量由電極16的質(zhì)量和工作參數(shù)決定?？赏ㄟ^改 變電解電流來調(diào)節(jié)在特定條件下產(chǎn)生的氧和臭氧的氣態(tài)混合物的量以及因 此其壓力。在通過根據(jù)本發(fā)明的電解池100產(chǎn)生的氧和臭氧的氣態(tài)混合物 中的臭氧的量?jī)?yōu)選為以體積計(jì)最多12%。
利用通過連接器160引入和部分地通過連接器162轉(zhuǎn)移的水流來實(shí)現(xiàn) 冷卻電解池。應(yīng)注意，在根據(jù)本發(fā)明的電解池100的陽極側(cè)上，無須使水 轉(zhuǎn)移，因?yàn)椴粎⑴c電解的水與來自電解池100通過連接器165的排出物以 及氧和臭氧的氣態(tài)混合物以蒸汽的形式從陽極側(cè)離開。
權(quán)利要求
1.一種臭氧發(fā)生電解池(10)，包括-負(fù)電極(13)；-包含鉛(IV)氧化物和聚四氟乙烯(PTFE)的混合物的臭氧發(fā)生正電極(16)；-設(shè)置在所述負(fù)和正電極(13，16)之間的膜(15)；以及-液體和氣體可透過的導(dǎo)電的第一電極支承部(17)，該第一電極支承部與正電極(16)的一側(cè)接觸，定位成與所述膜(15)相對(duì)，所述電極支承部(17)的所述側(cè)具有一覆蓋有含鉑層的表面，其特征在于，-所述正電極(16)由一種混合物制成，通過高壓成型具有膠體尺寸的二氧化鉛微粒和尺寸最大為1mm的PTFE絲制備所述混合物；-所述負(fù)電極(13)通過一給定壓力接合在所述膜(15)的一側(cè)，定位成與正電極(16)相對(duì)，并形成在一多孔的第二電極支承部(12)的表面上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電解池，其特征在于，在所述混合物中， 所述PTFE絲具有最大為100 y m的厚度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電解池，其特征在于，所述正電極(16) 包含以重量計(jì)至少為10%的一定量的PTFE。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解池，其特征在于，所述正電極(16 ) 是在環(huán)境溫度下成型的混合物。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電解池，其特征在于，所述第二電極支承 部(12)是用導(dǎo)電材料的微粒在環(huán)境溫度下和在開敞空氣中成型的熔塊。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電解池，其特征在于，所述第二電極支承 部(12)具有沿深度方向的微粒大小梯度，其中，尺寸最小的微粒設(shè)置在 負(fù)電極(13)處。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電解池，其特征在于，所述第二電極支承 部(12)的導(dǎo)電材料是鈥。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電解池，其特征在于，所述負(fù)電極(13) 包括在環(huán)境溫度下和在開敞空氣中以懸浮物施加在該負(fù)電極上的鉑黑。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解池，其特征在于，所述膜(15 )是具 有質(zhì)子傳輸性能的固體電解質(zhì)膜。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電解池，其特征在于，所述正電極(16) 和第一電極支承部(17)共同形成一整體單元。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的臭氧發(fā)生電解池(10)具有一負(fù)電極(13)和一包括二氧化鉛和聚四氟乙烯(PTFE)的混合物的臭氧發(fā)生正電極(16)。在負(fù)和正電極(13，16)之間設(shè)置有一質(zhì)子傳輸固體電解質(zhì)膜(15)。臭氧發(fā)生電解池(10)還包括一液體和氣體可透過的導(dǎo)電的第一電極支承部(17)，該第一電極支承部與正電極(16)的一側(cè)接觸，定位成與所述膜(15)相對(duì)，其中，所述電極支承部(17)的所述側(cè)具有一覆蓋有含鉑層的表面。正電極(16)由一種混合物制成，通過高壓壓制具有膠體尺寸的二氧化鉛微粒和具有最大為1mm的PTFE絲制備所述混合物。另外，負(fù)電極(13)通過一給定的壓力接合在所述膜(15)一側(cè)，定位成與正電極(16)相對(duì)，并形成在一多孔的第二電極支承部(12)的表面上。
文檔編號(hào)C25B1/13GK101360848SQ200680051679
公開日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2006年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月23日
發(fā)明者D·紹洛伊, F·達(dá)爾瓦, F·邦茨, L·格德爾哈敘, N·沃爾高, T·卡拉納茨奇 申請(qǐng)人:泰利斯納諾納米技術(shù)有限公司