CN102295326B

CN102295326B - 一种水电解装置

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Publication number: CN102295326B
Application number: CN2010102071535A
Authority: CN
Inventors: 刘迅
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2030-06-22
Also published as: CN102295326A

Abstract

本发明公开了一种水电解装置，包括电解单元、水箱、气液混合器、气液分离器、电源，电解单元包括壳体，壳体顶部开设有进水口，其下方设有阳极钛给电孔板、β-PbO₂阳极催化板、固体高分子电解质膜、Pt/C阴极催化板、阴极钛给电孔板，水箱底部设有咬合接口，顶部活动设有顶盖，顶盖上设有臭氧排出管、补水口，水箱上设有臭氧水排出口，气液混合器包括混合器容器，其上设有臭氧入口、进水口、臭氧水出口，气液分离器包括分离器容器，其上设有氢气水入口、氢气排放管、排水口，电源正极与电解单元阳极相连接，电源负极与电解单元阴极相连接。本发明可将水分解为臭氧、臭氧水、氢气和含氢水，结构简单，能耗较小，成本较低，可广泛应用。

Description

一种水电解装置

技术领域

本发明涉及一种水电解装置。

背景技术

臭氧是一种强氧化剂，具有很强的瞬间杀菌、灭菌、消毒、除臭、脱色、保鲜等功能，还可以分解难以分解的有机物。在传染病、病毒大肆流行的公共卫生和医疗领域，治理大气污染、水质污染的环境领域、食品和制药等工业领域、电子工业的洗净领域、自来水饮用水的消毒、工业废水以及核废料等高难度化学物质的分解处理领域，它的应用已经非常重要。

臭氧的应用有两个方面：一是臭氧体的应用，它主要用于空气的消毒和净化、介质气体的分解、工业尾气的分解排放等。超纯净臭氧体在医药工业、食品工业以及医疗等方面得到广泛应用；二是臭氧水的应用，目前的技术大多是将臭氧混入水中获得，混合方法很多，不同的方式获得的臭氧水浓度不同，但要达到应用目的，无论从设备投资成本还是能耗都比较高。

目前，有利用价值的臭氧体制取方法有以下几种方式：

1.以自然空气为原料的紫外线低压水银灯管法：这种方法制取出来的臭氧浓度很低，多用于空气消毒，而制取臭氧水的利用价值不高。

2.以纯氧气为原料的高频放电法：这种方法制取出来的臭氧浓度高于紫外线低压水银灯管法，无论是臭氧的利用还是臭氧水的利用，都是目前比较普及的方法。然而由于这种方法同时产生氮氧化物，而氮氧化物为致癌物质，因此导致这种方法在纯净领域和饮用水领域的应用受到极大的限制。

3.以纯水为原料的电解法：这种方法以水为原料，在以β-PbO₂为阳极催化剂和以白金（Pt/c）为阴极催化剂的电解催化作用下将氢和氧分离，阳极生成O₂和O₃，阴极生成H。这种方法制取出来的臭氧浓度很高很纯净，然而由于能耗大、价格昂贵，而且产品难以掌控，导致很难被普及采用。

据文献记载，水电解式臭氧发生器的研究是从1886年开始，经过长期的研究进步，于1985年SPE式电解臭氧发生器问世。这种形式的臭氧发生器基本结构以β-PbO₂为阳极催化层，以白金（Pt/c）为催化剂的阴极催化层，其中间夹着固体高分子电解质膜（SPE），在阳极和阴极的外侧夹上具有导电体作用并起到透气透水作用的多孔质钛板或泡沫状钛材，再在其各自的外侧夹上接受正负电源给电的阴阳极钛板。工作时，给阳极供以纯水，通以2～3.5V的直流电，水在阴阳电极的催化作用下，氢原子通过固体高分子电解质膜（SPE）向阴极移动生成氢，剩余下来的氧原子在阳极放电生成臭氧，而阴极的白金催化层（Pt 1mg/cm²）起到氧化还原反应生成氢的作用。这种形式的技术仍是当今日本市场电解臭氧发生器的主流。

这种臭氧发生器的基本结构是：固体高分子电解质膜（SPE）立置于中央，阳极（+电极）和阴极（-电极）立置于其两侧，阳极超纯水原料电解槽和阴极积水槽再分别立置于阳极电极和阴极电极的两侧，阳极生成的含氧臭氧体连同含有臭氧的臭氧水由阳极电解槽排入阳极气液分离室（一般称其为阳极水箱），利用臭氧和水的不同比重在此经过分离后，含有氧气的臭氧体由气液分离室的顶部排出；水再通过单向阀进入阳极电解槽；阴极生成的氢气和水由阴极积水槽排入阴极气液分离室（一般称其为阴极水箱），利用氢气和水的不同比重在此经过分离后，氢气由气液分离室的顶部排出并经过空气稀释处理后排放到大气中；水由阴极气液分离室排放。这种立式排列置放的电解结构等于电极与电解用原料水也是立式置放，电极与水为侧面接触，水的重力向下，而侧面接触造成电解过程中电极与水的摩擦接触，生成的臭氧体在摩擦水域中朝上流动，形成流体性乱流和损失。而且，这种结构电解槽容积不易过大，导致了原料水量很小。此外，摩擦和乱流造成的损失导致了液体的升温，因此为了控制温度的上升，又不得不加以外部冷却水循环冷却等手段。这个结构存在的缺陷是：

（1）由于臭氧是强氧化剂，所以所有过流零件都必须采用耐腐蚀性很强的材料，多以钛合金、不锈钢316以上等金属材料或者聚四氟乙烯PTFE、PFA等树脂材料，零部件多，连接环节多，材料之间很难连接，造成成本相当昂贵，复杂的结构会造成供水、液面、温度等控制系统的复杂化，也造成使用者在管理、操作、维护等方面难度增大，这些都造成应用上的局限性；

（2）受其工艺所限，一旦中断供电，阳极催化层的β-PbO₂极易还原劣化，再启动时要到达一定电流效率和浓度所用时间需要时间长，为此一旦通以电流后即不可断电，装置中需要配备蓄电池或紧急备用电源，因此难以使用普及；

（3）臭氧发生器自身的臭氧浓度不可调节，当不需要过高臭氧浓度时需通过气泵充气稀释降低浓度，在耗电高的臭氧发生器之外又增加了气泵的消耗点和易损件隐患点；

（4）其阳极需要10⁶Ωcm以上的超纯水，这个条件限制了臭氧发生器的应用，而无法获得超纯水的环境下就无法应用；

（5）臭氧发生器是消耗品，使用到一定寿命时就需要更换，然而复杂的连接结构使得用户不能进行简单安全的拆卸更换，而必须在一定操作条件和技术下完成更换。这也给应用造成困难。

氢对人体抗氧化衰老和各种疾病的有效性早在上个世纪就已被认识到，近年来，日本的医学专家成功地从理论上解析了它对人体健康作用的机理引起了轰动，从各个角度探讨氢在日常保健、疾病预防和临床治疗的医学效应的研究正在加速展开。人体接受氢的途径主要为呼吸氢气和引用含氢水，也有注射氢水的报道。虽然氢是自然界大量存在的物质，但是人们在日常生活中却无法得到它，目前有很多氢和氢水商品突然纷纷涌向市场，但其可信度和价格使人敬而远之。

发明内容

本发明的目的是提供一种水电解装置，可将水分解为臭氧、臭氧水、氢气和含氢水，结构简单，能耗较小，成本较低，可广泛应用。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种水电解装置，其包括电解单元、水箱、气液混合器、气液分离器、电源；

所述的电解单元包括壳体，所述壳体的顶部开设有进水口，所述进水口的下方设有从上到下依次相连的横向设置的阳极钛给电孔板、β-PbO₂阳极催化板、固体高分子电解质膜、Pt/C阴极催化板、阴极钛给电孔板、阴极集水槽，所述的β-PbO₂阳极催化板、Pt/C阴极催化板分别由β-PbO₂阳极催化电极和多孔钛板、Pt/C阴极催化电极和多孔钛板压制为一体，所述阳极钛给电孔板、β-PbO₂阳极催化板、固体高分子电解质膜、Pt/C阴极催化板、阴极钛给电孔板、阴极集水槽通过紧固螺栓紧固为整体电解模块，所述的阴极集水槽设有氢气水排出管；

所述水箱的底部设有与所述壳体的进水口相配合连接的咬合接口，所述水箱的顶部上设有臭氧排出管、补水口，所述水箱的箱体上设有臭氧水排出口；

所述气液混合器包括用于混合臭氧和水的混合器容器，所述混合器容器上设有臭氧入口、进水口、臭氧水出口，所述臭氧入口与所述水箱的臭氧排出管相连接，所述进水口连接于外部的应用水源；

所述气液分离器包括用于分离氢气和水的分离器容器，所述分离器容器上设有氢气水入口、排水口、氢气排放管，所述氢气水入口与所述电解单元的氢气水排出管相连接；

所述电源的正极与阳极钛给电孔板相连接，所述电源的负极与阴极钛给电孔板相连接。

作为一种优选的结构，本发明所述水箱的顶部还活动设有顶盖，所述的臭氧排出管、补水口设置于顶盖上；所述的臭氧排出管上还设有臭氧利用口、臭氧分解器、臭氧泄漏保护阀，所述臭氧分解器用于将臭氧还原为氧气；所述水箱的顶盖上还设有液位计、温度传感器；所述气液混合器的臭氧入口和进水口分别设有喷嘴；所述氢气排放管上还设有氢气利用口和氢气泄漏保护阀。

作为一种优选的改进结构，本发明所述电源包括用于控制浓度的调节模块、过载保护模块、过热保护模块和异常保护模块。

可选地，本发明所述电解单元与水箱之间通过螺纹连接，所述电解单元的进水口上设有内螺纹，所述水箱底部的咬合接口上对应设有外螺纹；所述电解单元与水箱之间也可以是通过卡口对扣咬合连接。

优选地，本发明所述阳极钛给电孔板、阴极钛给电孔板为分布均匀的直穿孔板，所述孔的面积和为阳极钛给电孔板/阴极钛给电孔板总面积的40％以上，所述阳极钛给电孔板/阴极钛给电孔板的厚度为0.5mm以上。

由上可见，与现有技术相比，本发明有如下有益效果：

（1）本发明电解单元中的各个板横向设置，工作时水箱中的水自然下落直接作用在阳极电极上，经过电解生成的臭氧体直接上升，电解单元内没有因摩擦力和气体逆流而造成的损失，减少了电能的消耗，提高了臭氧浓度上升的速度，此外，水箱的尺寸可以根据需要可大可小，水量充足，可有效带走电极催化过程中产生的热量，起到良好的冷却效果，结构简单，能耗较小，成本较低，可广泛应用；

（2）本发明中电解单元与水箱相互咬合，电解单元可以像换灯泡一样拆卸安装，不需专业的工具，使用非常方便；

（3）本发明可同时生成利用价值极高且难以获得的4种物质，即：臭氧气体、臭氧水、氢气体和含氢气水，制得的高纯净度臭氧气体浓度可高达250mg/L，臭氧水浓度可高达64ppm，每1A电流可获得4ml/min左右的高浓度臭氧体以及8ml/min的饱和氢气。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中电解单元的结构示意图；

图3为本发明实施例中水箱的结构示意图；

图4为本发明实施例中气液混合器的结构示意图；

图5为本发明实施例中气液分离器的结构示意图；

图6为本发明实施例中给电板的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1至图6所示为本发明所述的一种水电解装置的实施例，其包括电解单元1、水箱2、气液混合器3、气液分离器4、电源5，电解单元1包括壳体10，壳体10的顶部开设有进水口，进水口的下方设有从上到下依次相连的横向设置的阳极钛给电孔板11、β-PbO₂阳极催化板12、固体高分子电解质膜13、Pt/C阴极催化板14、阴极钛给电孔板15、阴极集水槽17，β-PbO₂阳极催化板12、Pt/C阴极催化板14分别由β-PbO₂阳极催化电极和多孔钛板、Pt/C阴极催化电极和多孔钛板压制为一体，阳极钛给电孔板11、β-PbO₂阳极催化板12、固体高分子电解质膜13、Pt/C阴极催化板14、阴极钛给电孔板15、阴极集水槽17通过紧固螺栓18紧固为整体电解模块，阴极集水槽17设有氢气水排出管19；水箱2的底部设有与壳体10的进水口相配合连接的咬合接口21，水箱2的顶部上设有臭氧排出管23、补水口24，水箱2的箱体上设有臭氧水排出口25；气液混合器3包括用于混合臭氧和水的混合器容器31，混合器容器31上设有臭氧入口32、进水口33、臭氧水出口34，臭氧入口32与水箱2的臭氧排出管23相连接，进水口33连接于外部的应用水源；气液分离器4包括用于分离氢气和水的分离器容器41，分离器容器41上设有氢气水入口42、排水口44、氢气排放管43，氢气水入口42与电解单元1的氢气水排出管19相连接；电源5的正极51与阳极钛给电孔板11相连接，电源5的负极52与阴极钛给电孔板15的阴极相连接。

工作时，水箱2内的水通过咬合接口21自然下落至电解单元1内，水被电解成臭氧和氢气，其中臭氧上升至水箱2内，水箱2内的水逐渐成为高浓度饱和臭氧水，臭氧溢出水面再通过臭氧排出管23以及臭氧入口32进入气液混合器3内，与应用水进行连续混合，从臭氧水出口34可得到中低浓度的臭氧水；电解产生的氢气在阴极集水槽17内集结为氢气水，并依次通过排出管19以及氢气水入口42流入气液分离器4，氢气和水在其中不断分开，氢气从氢气排放管43中排出，含有未被分离掉的氢气的水从排水口44中排出可被直接利用；β-PbO₂阳极催化板12、Pt/C阴极催化板14分别由β-PbO₂阳极催化电极和多孔钛板、Pt/C阴极催化电极和多孔钛板压制为一体，不会存在接触不良的间隙，减少了导电的阻抗，提高了电流工作效率；β-PbO₂阳极催化板12由化学法制成，不会出现劣化现象，断电后再启动可在较短时间内恢复正常工作，不需要配备蓄电池或紧急备用电源。

在本实施例中，水箱2的顶部还活动设有顶盖22，臭氧排出管23、补水口24设置于顶盖22上，使用时活动设置的顶盖22可拆卸下来，便于安装修理；臭氧排出管23上还设有臭氧利用口26、臭氧分解器27、臭氧泄漏保护阀28，臭氧分解器27用于将臭氧还原为氧气，当臭氧不被利用时臭氧泄漏保护阀28可阻止其泄漏，臭氧进入臭氧分解器27，被彻底还原成氧气后才排放于空气中；水箱2的顶盖22上还设有液位计29、温度传感器20，液位计29可调节控制水箱2内的液面高度；气液混合器3的臭氧入口32和进水口33的汇合处设有喷嘴34；氢气排放管43上还设有氢气利用口45和氢气泄漏保护阀46，当氢气不被利用时，氢气泄漏保护阀46可阻止氢气泄露外流；电源5包括用于控制浓度的调节模块、过载保护模块、过热保护模块和异常保护模块，电源5的工作性能与阴阳电极特性相互吻合，可通过提高或降低其输出工作功率实现臭氧产量的大小调节，进而达到调节应用臭氧水浓度的目的，电源5的过热保护模块的作用是当电解单元工作过热时自动切断电源，过载保护模块的作用是当运行功率超高时电流和电压可自动调节，异常保护模块的作用是当电解单元老化或外界异常时可切断电源，而且电源切断后可以自由再启动，不需要配备蓄电池或紧急备用保护电源。

在本实施例中，电解单元1与水箱2之间采用螺纹连接，电解单元1的进水口上设有内螺纹16，水箱2底部的咬合接口21上对应设有外螺纹，这样电解单元1可以像换灯泡一样拆卸安装，不需专业的工具，使用非常方便；实际工作时，电解单元1与水箱2之间也可以是通过卡口对扣咬合连接。

为了提高整体稳定性，在本实施例中，阳极钛给电孔板11、阴极钛给电孔板15为分布均匀的直穿孔板，孔的面积和为阳极钛给电孔板11/阴极钛给电孔板15总面积的40％以上，阳极钛给电孔板11/阴极钛给电孔板15的厚度为0.5mm以上，这样可提高整个装置的稳定性，也更容易控制温度的上升。

本发明可根据需求的用量和浓度，制作成各种不同大小的装置，可实现只要能够获得单相直流电和饮用等级的纯净水，就可以插电即用，不仅可以广泛应用于工业，还为家庭、事业所、机关、学校、牙科、医疗以及公共场所的广泛普及提供了可能。如利用本发明技术开发用于家庭的小型机器，则其耗电量仅为25W左右，工作消耗原料水量为25cc/h左右。用自来水与浓度高达250mg/L左右的臭氧混合，可源源不断地获得流量为1.5L/min左右、浓度为4ppm左右的臭氧水，除可用于水果蔬菜、水产品、菜板、刀具、餐具、毛巾等的洗净外，也可以浸泡水果蔬菜和水产生肉等以消除表面的附着物以达到保鲜和延长存放期的作用，还可以用于洗手、漱口、洗脚、洗发等。直取少量的高浓度臭氧水喷雾室内、垃圾桶、排污口等，还可以起到净化空气、除臭灭菌等作用。直接利用微量的臭氧体，更可以在细菌病毒流行时家庭、机关、学校以及公共场所等预防传染病蔓延，同时制取的氢气和含氢水也可利用，防止人体老化和日常保健。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种水电解装置，其特征是：

其包括电解单元、水箱、气液混合器、气液分离器、电源；

所述的电解单元包括壳体，所述壳体的顶部开设有进水口，所述进水口的下方设有从上到下依次相连的横向设置的阳极钛给电孔板、β-PbO₂阳极催化板、固体高分子电解质膜、Pt/C阴极催化板、阴极钛给电孔板、阴极集水槽，所述的β-PbO₂阳极催化板、Pt/C阴极催化板分别由β-PbO₂阳极催化电极和多孔钛板、Pt/C阴极催化电极和多孔钛板压制为一体，所述阳极钛给电孔板、β-PbO₂阳极催化板、固体高分子电解质膜、Pt/C阴极催化板、阴极钛给电孔板、阴极集水槽通过紧固螺栓紧固为整体电解模块，所述的阴极集水槽上设有氢气水排出管；

所述水箱的底部设有与所述壳体的进水口相配合连接的咬合接口，所述水箱的顶部上设有臭氧排出管、补水口，所述水箱的箱体上设有臭氧水排出口，

所述气液混合器包括用于混合臭氧和水的混合器容器，所述混合器容器上设有臭氧入口、进水口、臭氧水出口，所述臭氧入口与所述水箱的臭氧排出管相连接，所述进水口连接于外部的应用水源，

所述气液分离器包括用于分离氢气和水的分离器容器，所述分离器容器上设有氢气水入口、排水口、氢气排放管，所述氢气水入口与所述电解单元的氢气水排出管相连接，

2.根据权利要求1所述的水电解装置，其特征是：所述水箱的顶部还活动设有顶盖，所述的臭氧排出管、补水口设置于顶盖上。

3.根据权利要求1所述的水电解装置，其特征是：所述的臭氧排出管上还设有臭氧利用口、臭氧分解器、臭氧泄漏保护阀，所述臭氧分解器用于将臭氧还原为氧气。

4.根据权利要求2所述的水电解装置，其特征是：所述水箱的顶盖上还设有液位计、温度传感器。

5.根据权利要求1所述的水电解装置，其特征是：所述气液混合器的臭氧入口和进水口分别设有喷嘴。

6.根据权利要求1所述的水电解装置，其特征是：所述的氢气排放管上还设有氢气利用口和氢气泄漏保护阀。

7.根据权利要求1所述的水电解装置，其特征是：所述的电源设有用于控制浓度的调节模块、过载保护模块、过热保护模块和异常保护模块。

8.根据权利要求1所述的水电解装置，其特征是：所述电解单元与水箱之间通过螺纹连接，所述电解单元的进水口上设有内螺纹，所述水箱底部的咬合接口上对应设有外螺纹。

9.根据权利要求1所述的水电解装置，其特征是：所述电解单元与水箱之间通过卡口对扣咬合连接。

10.根据权利要求1所述的水电解装置，其特征是：所述阳极钛给电孔板、阴极钛给电孔板为分布均匀的直穿孔板，所述孔的面积和为阳极钛给电孔板/阴极钛给电孔板总面积的40％以上，所述阳极钛给电孔板/阴极钛给电孔板的厚度为0.5mm以上。