CN102439200A - 用于电解电池的可丢弃式外盒 - Google Patents

Abstract

本发明的说明性实施例涉及一种用于具有接口的电解电池的外盒。该外盒包括储液器，该储液器用于容纳阴极电解液溶液。该储液器能够以可拆卸方式与所述电池联接。该储液器还包括至少一个外盒端口，该至少一个外盒端口能够以可拆卸方式联接到该电解电池上的接口。该外盒的所述端口还构造成使得：当所述外盒端口联接到电解电池的所述接口时，阴极电解液溶液在所述储液器和电解电池之间循环。

Description

用于电解电池的可丢弃式外盒

优先权

本申请要求2009年4月28日提交的美国申请No.61/173,411的权益，该美国申请的全部内容在此通过引用的方式并入。

技术领域

本发明涉及电解电池，更具体地，涉及具有阴极电解液储液器的电解电池。

背景技术

电解电池可用于生产各种化学品(例如，化合物和元素)。电解电池的一种应用是生产臭氧。臭氧是病原体和细菌的有效杀手，并且已知它是一种有效的消毒剂。食品和药物管理局(FDA)批准了使用臭氧作为用于食物接触表面的防腐剂并且直接应用于食品。因此，已经使用电解电池来产生臭氧并将臭氧直接溶解到源水中，由此从该水中除去病原体和细菌。结果，电解电池已经在瓶装水产品的净化和工业用水供应方面得到了应用。

发明内容

本发明的说明性实施例涉及一种用于具有接口的电解电池的外盒。该外盒包括用于容纳阴极电解液溶液的储液器。该储液器能够以可拆卸方式与所述电池联接。所述外盒还包括至少一个外盒端口，该至少一个外盒端口能够以可拆卸方式联接到所述电解电池上的接口。该外盒端口还构造成：当该外盒端口联接到所述电解电池的接口时，使阴极电解液溶液在所述储液器和所述电解电池之间循环。

在所述外盒的另一个说明性实施例中，所述外盒用于具有阳极和壳体的电解电池。所述外盒包括阴极和用于容纳阴极电解液溶液的储液器。该储液器被构造成：当所述电池在使用中并且该储液器容纳有阴极电解液溶液时，该储液器向阴极提供阴极电解液溶液。所述外盒也具有端口，该端口能够以可拆卸方式联接到电解电池的所述壳体的接口。此外，当所述端口联接到所述壳体的接口时，该电解电池的阴极与电解电池的阳极隔开。

所述外盒的各个实施例也可以包括：外盒出流端口，该外盒出流端口允许来自所述储液器的阴极电解液溶液通过；以及外盒入流端口，该外盒入流端口允许阴极电解液溶液通过该外盒入流端口流到所述储液器。一些实施例也可以包括至少一个阀，当所述外盒端口与所述电解电池的接口分离时，该至少一个阀防止阴极电解液溶液泄露。

本发明的说明性实施例也涉及一种用于产生臭氧并将臭氧溶解到源水内的设备。所述设备包括形成有内部空间的壳体和位于所述内部空间中的电解电池。所述电池具有阴极、金刚石阳极、以及位于该阴极和金刚石阳极之间的膜。所述设备还包括外盒，该外盒具有用于容纳阴极电解液溶液的储液器。所述储液器能够以可拆卸方式联接到所述电解电池。所述外盒还包括与所述储液器处于流体连通的至少一个外盒端口。所述壳体具有接口，该接口用于以可拆卸方式与所述至少一个外盒端口联接。所述外盒端口和接口还构造成使得阴极电解液溶液在所述储液器和所述阴极之间循环。

在所述设备的示例性实施例中，所述外盒端口包括：外盒出流端口，该外盒出流端口允许来自所述储液器的阴极电解液溶液通过；以及外盒入流端口，该外盒入流端口允许述阴极电解液溶液通过该外盒入流端口流到所述储液器。所述设备还可以包括所述接口上的对应结构。例如，所述接口可以包括阴极入流端口，该阴极入流端口与所述外盒出流端口处于流体连通，并且该阴极入流端口允许阴极电解液溶液从所述储液器通过该阴极入流端口流到所述阴极。而且，所述接口还可以包括阴极出流端口，该阴极出流端口与所述外盒入流端口处于流体连通，并且该阴极出流端口允许阴极电解液溶液从所述阴极通过该阴极出流端口流到所述储液器。在一些实施例中，所述接口还包括至少一个阀，当所述接口与外盒端口分离时，该至少一个阀防止阴极电解液溶液泄露。另外或替代地，所述外盒端口也包括至少一个阀，当外盒端口与所述接口分离时，该至少一个阀防止阴极电解液溶液泄露。

在所述设备的另一个说明性实施例中，所述设备包括外盒和具有阳极的壳体。该外盒包括阴极和储液器，该储液器用于容纳阴极电解液溶液并向所述阴极提供阴极电解液溶液。所述外盒具有端口，该端口能够以可拆卸方式联接到所述壳体的接口。当所述端口联接到所述壳体的接口时，所述阴极与所述电解电池的阳极隔开。

在其它示例性实施例中，所述设备的壳体包括阳极入流端口和阳极出流端口，从而源水流经所述阳极入流端口而接触所述阳极，然后流经所述阳极出流端口。在本发明的各个实施例中，所述阳极从与所述阳极接触的源水中产生臭氧，并将臭氧溶解在该源水中。另外或替代地，所述设备包括至少一个阀，当所述外盒与所述壳体的接口分离时，该至少一个阀防止所述源水泄露。

在上述外盒和设备的示例性实施例中，所述外盒或设备包括将所述阴极和所述阳极隔开的膜。在一些实施例中，所述电解电池包括所述膜。在其它实施例中，所述外盒包括所述膜。此外，在示例性实施例中，所述膜是固体质子交换膜，所述膜在阴极和阳极之间提供质子交换。

在所述外盒和设备的其它示例性实施例中，阴极电解液溶液容纳在储液器中。在一些实施例中，所述阴极电解液溶液为固体的形式。例如，所述阴极电解液溶液可以为预混合粉末的形式。

在上述外盒和设备的各个实施例中，所述储液器包括疏水膜，所述疏水膜阻挡阴极电解液溶液，同时允许来自所述储液器的氢气通过。

在上述外盒和设备的其它示例性实施例中，所述外盒或设备可以包括传感器，该传感器被构造成用于监控所述电解电池的性能。例如，该传感器感测所述阴极电解液溶液的pH值、所述阴极电解液溶液的导电率、所述阴极电解液溶液的体积、以及所述电解电池的电力供应中的电压消耗(voltage draw)。另外或替代地，本发明的实施例也可以包括指示器，该指示器用于指示何时需要更换所述外盒。

附图说明

参照附图，通过以下详细描述将能更容易地理解本发明的前述特征，在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的电解电池和外盒的示意性图示；

图2是根据本发明一个实施例的电解电池的示意性分解视图；

图3是根据本发明一个实施例的外盒的示意性组装视图；

图4是根据本发明一个实施例的外盒的示意性分解视图；

图5包括根据本发明一个实施例的电解电池和外盒的两个示意图；

图6是根据本发明一个实施例的外盒和电解电池的一个示意性组装视图；

图7是根据本发明一个实施例的外盒和电解电池的另一个示意性组装视图；

图8A至8E示意性地示出了根据本发明的说明性实施例的、能够以可拆卸方式联接的连接件的几个实施例；

图9示意性地示出了根据本发明一个实施例的外盒和电解电池；

图10示意性地示出了图9的外盒的另一个视图；

图11示意性地示出了图9的电解电池的另一个视图；

图12示意性地示出了根据本发明一个实施例的外盒和电解电池；

图13示意性地示出了图12的外盒的另一个视图；

图14示意性地示出了图12的电解电池的另一个视图；

图15示意性地示出了根据本发明一个实施例的外盒和基座部分；

图16示意性地示出了图15的外盒的另一个视图；并且

图17示意性地示出了图15的基座部分的另一个视图。

具体实施方式

在这些说明性实施例中，电解电池从以可拆卸方式联接的外盒中接收其阴极电解液溶液。该外盒可以具有：用于容纳阴极电解液溶液的储液器；电池的部分，例如阴极；或者，该外盒可以具有储液器和电池的部分这二者。下面将讨论各个实施例的细节。

图1是根据本发明一个实施例的电解电池100的示意性图示。电解电池100具有两个电极：阳极120和阴极122，该阴极122与所述阳极间隔开。为了形成臭氧，源水被提供给阳极120，并且，在向阴极122提供负电势的同时，向该阳极提供正电势。在电池100的阳极侧，电势差使水分子分解为1)氧气和2)氢阳离子。该氧气形成臭氧，该臭氧溶解到该源水内。由于向阴极122提供的负电势，所述氢阳离子被从电池100的阳极侧拉到阴极侧。一旦到达电池100的阴极侧，所述阳离子就形成氢气泡123。

在这个反应期间，来自源水的水垢(例如，碳酸钙)可能逐步堆积或沉积在阳极120、阴极122或电池100的其它部件上。最后，如果如上文所述地确实堆积有水垢，则水垢会阻碍电池100内的电化学反应。此外，电解电池100内的这种沉积可能会缩短电池的使用寿命，或者需要拆解并清洁其内部部件，以恢复电池性能并有效产生诸如臭氧等的目标化学品。

因此，在本发明的说明性实施例中，阴极电解液溶液110沿着阴极122的表面流动，以防止水垢堆积在阴极上，由此提高了电池效率。如果没有该阴极电解液溶液110，则电解电池100的效率预计会降低。

可以使用各种阴极电解液溶液中的任一种。在本发明的说明性实施例中，含有氯化钠和柠檬酸的阴极电解液溶液110促进了阳离子从阳极120向阴极122的移动。氯化钠和柠檬酸用于在不“阻塞”电解电池100的部件的情况下、“拉动”阳离子经过阳极120、阴极122和离子交换材料(例如，质子交换膜)，从而有效减少了该电池内的水垢沉积。此外，柠檬酸有助于通过与金属离子发生反应而形成柠檬酸盐复合物来使软水剂中使用的离子交换材料再生。这样，柠檬酸使电池100的离子交换材料上积聚的金属离子剥落。

本发明的说明性实施例包括储液器104(例如，储箱或容器)，该储液器104向阴极122供应阴极电解液溶液110。为了向电解电池100大量供应阴极电解液溶液110，在本发明人已知的现有技术的电解电池中，电解电池被内嵌为较大系统或处理设施的部分。当阴极电解液溶液110耗尽时，旧的阴极电解液溶液被替换为新的溶液。更换阴极电解液溶液110的操作通常既脏又不方便。经常需要专业人员来服务于这种系统，以确保正确的更换并减少麻烦。通常，并行地部署有备用组件(例如，电解质储箱和/或管道)，从而当对第一供应进行维护时，阴极电解液溶液110的供应可以切换到另一种供应。在其它情况下，可以通过将源水的一部分通过管道提供给阴极来向阴极122供应。不利的是，现有技术的这种策略会降低电池100的效率，因为源水可能含有杂质而导致沉积和/或堆积在阴极的表面上。本发明人发现，通过使用容纳有阴极电解液溶液110的、容易更换的外盒102，可以避免许多这类问题。本发明人意识到，使用这样的外盒102的说明性实施例能够：1)减少电解电池100的复杂度；2)通常维持该电解电池的使用寿命；并且3)使得阴极电解液溶液110的更换更人性化。

因此，本发明的说明性实施例显着延长了电解电池100的使用寿命，并且避免了需要专业人员干预的维修请求、电池更换和/或其它行为。本发明的说明性实施例使用简单而容易更换的外盒102，该外盒102通过下述方式而有助于防止水垢和其它杂质的沉积：即，从阴极122收集并去除了这些杂质中的大部分。

如上所述，电解电池100的说明性实施例包括阳极120和阴极122，以促进臭氧的形成。此电解电池100容纳在具有接口119(参见图5)的壳体118(参见图2)的内部，该接口119用于以可拆卸方式与外盒102联接。外盒102包括储液器104，该储液器104具有限定内部空间108(例如凹部)的壁106，以容纳阴极电解液溶液100。为了与电池100交换流体，外盒102包括入流端口112和出流端口114，该入流端口112、出流端口114与储液器104的内部空间108流体连通。因此，壳体118上的接口119以可拆卸方式与外盒端口112、114联接，从而这些端口和接口使得阴极122与储液器104流体连通(参见图5)。

在电解电池100中，阳极120与阴极122隔开。为了便于质子(例如，氢阳离子)从阳极120移动到阴极122，在一些实施例中，使用固体膜来作为电解质，并且该固体膜置于阳极120和阴极122之间(例如，质子交换膜(PEM)，诸如Nafion

)。另外，在某些情况下，膜136用作阻挡件，以将阴极122中的阴极电解液溶液110与阳极120中流动的源水隔离开。为了使膜136具有结构完整性，该膜也可以包括支撑基体(未示出)。

在一些实施例中，阳极120包括例如通过化学气相沉积工艺沉积出的金刚石或金刚石层。该金刚石层使得能够在源水供应中形成臭氧。在一些情况下，该金刚石掺杂有硼，硼进一步增强了该金刚石的臭氧形成性。对应地，阴极122包括诸如钛的导电材料。应用于导电的钛阴极122的负电势将氢阳离子从电解电池100的阳极侧向阴极侧拉动。在一些实施例中，该导电材料可以是镀铂的，以提高其耐腐蚀性。阴极122也可以由延展的金属网形成，该金属网产生小的通道和/或孔，阴极电解液溶液110和反应副产物可以穿过这些通道和/或孔。该延展的金属网允许阴极122、阴极电解液溶液110和膜136之间的紧密接触。

壳体118或阳极120本身包括阳极入流端口124和阳极出流端口126。管道128向阳极120提供源水，使得该水流经阳极入流端口124而接触阳极120(例如，金刚石层)，然后流经阳极出流端口126。随着源水流过阳极120，水分子被分解并且氢阳离子被拉向阳极120，同时从余下的氧气中产生臭氧。该臭氧直接溶解到所述水内，并且开始杀灭细菌和病原体，由此对该水进行净化。然后，处理后的水从阳极120经过阳极出流端口126流入管道128内，以例如用作饮用水。

壳体118和/或阴极122本身包括阴极入流端口130和阴极出流端口132。外盒入流端口112通过管道134而与阴极出流端口132流体连通。以类似的方式，外盒出流端口114通过管道134而与阴极入流端口130流体连通。在这种布置结构中，阴极电解液溶液110从储液器104经过外盒出流端口114流入管道134内。然后，阴极电解液溶液110流经阴极入流端口130而接触阴极122。以这种方式，把新鲜的阴极电解液溶液110供应到阴极122。

随着阴极电解液溶液110流过阴极122，阴极电解液溶液110收集了通过电解质反应而产生的氢气泡123。如上所述，本发明人相信，阴极电解液溶液110也有助于将阳离子“拉动”通过膜136，并且可以防止水垢堆积在阴极122上。受到消耗(或部分消耗)的阴极电解液溶液110然后通过阴极出流端口132退出阴极122，流经管道132和外盒入流端口112，并流入阴极电解液储液器104内。以这种方式，这些端口112、130、122、132被构造成使得：新鲜的阴极电解液溶液110从储液器104循环到阴极122，而且，受到消耗的阴极电解液110从阴极循环回所述储液器中。

在一些实施例中，如图3所示，外盒出流端口114位于外盒入流端口112下方，从而重力可以有助于将阴极电解液溶液110从储液器104循环到阴极122内，并然后循环回所述储液器中。此外，阴极出流端口132可以沿竖直方向置于阴极入流端口130上方，并且，外盒入流端口112可以位于所述阴极出流端口上方，从而，通过电解质反应而产生的有浮力的氢气泡123自然会上升，穿过阴极出流端口132并进入储液器104内。以这种方式，所产生的有浮力的氢气泡123驱使受到消耗的阴极电解液溶液110流入储液器104内，进而，新鲜的阴极电解液溶液在重力的作用下从储液器104流入所述阴极中。然而，如果阴极122水平地而不是竖直地部署，则气泡123将从两个端口130、132退出，并且新鲜的阴极电解液溶液将不能有效到达阴极122，从而妨碍臭氧的产生。另外或替代地，可以使用泵来使受到消耗的阴极电解液溶液从阴极122流到储液器104中，并帮助新鲜的阴极电解液溶液从所述储液器流向阴极。

随着阴极电解液溶液110和气泡123流入储液器104内，这些气泡聚集在所述储液器的顶部。为了从储液器104中排出这些气泡123，一些实施例在外盒中包括排气口116。排气口116可以采用疏水材料作为排气口介质，但也可以使用其它材料。本发明人已经发现在选择排气口介质时应考虑的几个因素：

●排气口介质的孔尺寸；

●排气口介质的表面积；

●排气口介质的可湿性；

●通过排气口介质的氢气的气体流速；

●最大流体压力(例如，阴极电解液溶液110施加给排气口介质的力)。

例如，为了防止阴极电解液溶液110从排气口116泄漏，减小排气口介质的孔尺寸是有益的。然而，这种手段可能降低通过排气口116的气体流速。如果气体未能从储液器104中正确排出，则储液器和/或阴极122将充满气体，由此妨碍臭氧的产生。不过，本发明人已经发现，通过使用具有较大表面积的排气口116，仍然能够提供可接受的气体流速，因此，避免了妨碍臭氧的产生。

此外，本发明的示例性实施例通过在储液器104中收集杂质(例如，碳酸钙)来防止这些杂质沉积在阴极122上。为此，在一些实施例中，储液器104具有集液池构造，其中，凸脊或突出部高于外盒出流端口114，从而，受到消耗的阴极电解液溶液110中的杂质在重力的作用下沉淀在该端口周围，而不会被扫向阴极122。替代地或另外，外盒出流端口114可以包括滤网或过滤器，使得杂质不能从其流过而返回到阴极122。

阴极电解液溶液110的循环流动持续进行，直到阴极电解液溶液110被耗光(即，其溶质的一些或全部被耗尽)。一旦耗尽，则阴极电解液溶液110被更换为新供应的阴极电解液溶液。本发明的说明性实施例通过简单地将外盒102与新的外盒102互换来便于更换阴极电解液溶液110。为此，在本发明的说明性实施例中，接口119提供了能够以可拆卸方式联接的连接件，以迅速而容易地更换外盒102。本发明人已经发现了在选择接口119时应考虑的几个因素：

●通过接口119的流体阻力；

●通过接口119的气泡123的移动；

●更换外盒102时的容易性；

●防止外盒102更换期间的溢出；

●接口119和外盒102的成本(例如，使用一次性材料)；

●接口119的可靠性(例如，该外盒应当在其使用寿命期间保持正确安装)；

●在接口119、外盒102和/或电池100中的各个部分之间的材料兼容性。

如果通过接口119的流体阻力太大，则阴极电解液溶液110向阴极122的流动可能不足。不利的是，这种不足的流动可能减少电解电池100中的臭氧的产量。而且，如果接口119限制了氢气从阴极122流出并限制其流入外盒102中(例如，接口119具有阻碍物或尺寸太小)，则氢气可能堆积在电池100的阴极并通过阴极端口130、132退出。这将防止新鲜的阴极电解液溶液110向阴极122内的循环流动，因此妨碍了臭氧的产生。本发明的说明性实施例避免了这样的问题。在作为解决此问题的多种方式之一的、图5、6和图7所示的实施例中，接口119包括两个直角的弯头121，流体通过这两个弯头121在外盒102和电池100之间流动。阴极入流端口130和阴极出流端口132位于这些弯头的端部，并且分别与外盒出流端口114和外盒入流端口112流体连通。接口119允许阴极电解液溶液110从阴极122流到外盒102。图5、6和图7所示的示例性实施例液允许氢气泡123利用重力而升起并流出阴极122。

此外，如上所述，图5所示的外盒102的示例性实施例易于安装到电解电池100上。为此，可以通过下述方式来安装外盒102：将阴极端口130、132与外盒端口112、114对准，然后在外盒102上施加小的向下的力。而且，外盒102的示例性实施例能够以可拆卸方式联接到电解电池100，因此，该外盒102易于装卸且易于更换为另一个外盒。

应当在臭氧生成领域的语境中来理解上述术语“能够以可拆卸方式联接”。例如，如果外盒通常必须被切断、被迫与壳体分离或如果它需要比在此描述的外盒所需的最低“外行人员”培训更多的特殊培训，则本领域内的技术人员将不认为该外盒“能够以可拆卸方式联接”到壳体。因此，与本发明人已知的现有技术的臭氧外盒作相比，需要少得多的时间和复杂度来更换的外盒应当认为是“能够以可拆卸方式联接”。下面是应能提供所期望的结果的、一些可能的可拆卸连接的汇总。

图8A示出一种能够以可拆卸方式联接的连接件的说明性实施例。在这样的实施例中，接口119包括阳连接器802，该阳连接器的外径表面上具有O形环凹槽804。布置在凹槽804内的O形环806形成了凸升表面，来自外盒端口112和114之一的阴连接器808强制压配合在该O形环806上(例如过盈配合)。阴连接器808可以包括相匹配的内径侧O形环凹槽810。因此，随着阴连接器808强制压配合在O形环806上，一旦O形环凹槽810在阳连接器的O形环806上滑动，则它就“咬合”到位。这样的“推压锁定”式连接器组件可以提供关于“外盒是否已正确安装”的触觉指示。换句话说，用户施加一个力，当外盒102正确咬合到位时，用户会“感觉到”和/或“听到”。

图8B示出了能够以可拆卸方式联接的连接件的另一个说明性实施例。在此实施例中，没有使用O形环806。而是，利用从阳连接器802的外径表面延伸的一体式轮廓的突起812(例如，外凸肋)来代替所述O形环。阴连接器中的凹槽810在一体式轮廓的突起812上锁定到位。该一体式突起812可以位于阳连接器802的外径表面上，或者位于阴连接器808的内径表面上(例如是内凸肋)。

在图8C所示的示例性实施例中，阴连接器808不包括凹槽。而是，阴连接器808是置于阳连接器802的外凸肋812上的柔性管。在一个替代实施例中，阳连接器802构造成柔性管并强制压配合在阴连接器808的内凸肋上。凸肋812和所述柔性管之间的过盈配合将外盒102保持到位，并且密封了外盒102和电池100之间的流体连接。在电池100和外盒102之间施加足够大的分离力将使阴极端口130、132与外盒端口112、114分离。

图8D示出了能够以可拆卸方式联接的连接件的另一个实施例。在所示的此实施例中，电池100的接口119可以包括至少一个倒钩814，来自外盒端口112和114之一的柔性管816(例如，软管)强制压配合在倒钩814上。或者反过来，外盒端口112和114可以包括倒钩，来自接口119的柔性管可以强制压配合在该倒钩上。

在图8E所示的另一个示例性实施例中，电池100的接口119可以包括外螺纹连接件818，而来自外盒端口112和114的连接件可以包括对应的内螺纹820，反之亦然。而且，在图8E所示的实施例中，阴连接器808包括转环822，从而用户能够更容易地将内螺纹820紧固在外螺纹818上。

应强调的是，图8A至图8E所示的示例并非意图涵盖所有的可拆卸连接件。因此，本领域的技术人员可以使用任何数量的其它能够以可拆卸方式联接的连接件。

本发明的说明性实施例还旨在提供阴极电解液溶液110的迅速而容易的更换，而不使阴极电解液溶液从外盒102和/或阴极122中溢出。为了在更换期间将阴极电解液溶液110容纳在储液器104中，外盒102包括阀138(例如，止回阀和/或常闭阀)，以封闭该外盒入流端口112和外盒出流端口114(参见图3和图4)。另外或替代地，壳体118上的接口119可以包括一个或多个阀139，以封闭该电解电池100的阴极入流端口130和/或阴极出流端口132(参见图6和图7)。当更换或重新填充外盒102时，位于阴极入流端口130和/或阴极出流端口132中的阀防止了阴极122中的残余流体泄露并随后从电池100中溢出。阀138可以是常闭阀。换句话说，当连接或接合时，诸如弹簧等的机构打开该阀并允许流体通过。然而，当未连接或未接合时，所述弹簧推动该阀以使其关闭，从而防止流体流动。另外或替代地，阀138可以是止回阀，其仅允许流体沿一个方向流动。当流体开始沿错误方向流动时，该阀关闭并防止流体流动。这样的止回阀可以布置成允许阴极电解液溶液110在外盒102和电解电池100之间循环流动，但防止该阴极电解液溶液的逆向流动。

在图5中，阀138位于外盒102的外盒端口112和114处。阀138是常闭阀，因此包括若干个弹簧，当端口112、114与电池100断开时，这些弹簧强制封闭该端口112、114。当连接到电池100时，这些弹簧被推回以允许外盒102和电池100之间的流体流动。当更换外盒102时，阀138有助于防止流体和流出物从外盒102中溢出。对于阴极122侧来说，当更换外盒102时，一部分阴极电解液溶液110保留在阴极122中。在一些实施例中，在阴极端口130、132上未设置有阀，从而阴极电解液溶液110在重力的作用下从阴极入流端口130中排出。但是，在其它实施例中，在阴极端口130、132上设置有阀139(参见图6和图7)，以防止或减少阴极电解液溶液110从阴极122的溢出。此外，接口119、外盒102和电池100可以设计成允许不同数量的流出物。例如，在工业场所中，从电解电池100流出几盎司的流体是可以接受的，而对于针对消费者的应用来说，仅流出几滴可能就无法接受。

在更具体的示例性实施例中，阀138与接口119及外盒端口112、114的能够以可拆卸方式联接的连接件一体形成。在这一点上，本发明的说明书实施例可以例如使用由Colder Products Company^TM公司提供的HFC系列的快速接头，它们便于外盒的容易更换，同时也防止了溢出。

上述的电池和外盒装置100、102仅是本发明的一个说明性实施例。其它的电池和外盒装置100、102也在本发明的范围内。例如，可以通过下述方式来省去管道134：将外盒入流端口112与阴极出流端口132直接对接，并将外盒出流端口114与阴极入流端口130直接对接。因此，阴极电解液溶液110从储液器104直接流入阴极122内，反之亦然。在其它实施例中，在阴极122和储液器104之间可以仅有一个端口。在这样的实施例中，该端口的第一部分可专用于阴极电解液溶液110从储液器104中流出，而该端口的第二部分可专用于阴极电解液溶液流入所述储液器。在另外或替代的实施例中，阴极122可以布置或部分布置在储液器104内。

在这一点上，图9示出了本发明的替代说明性实施例。在此实施例中，不存在用于使阴极电解液溶液110在外盒102和电解电池100之间循环的管道134。而是，外盒出流端口114直接连接到阴极入流端口130，并且外盒入流端口112直接连接到阴极出流端口132。此外，外盒102相对于电解电池100水平地设置，而不是如图3、4、5、6和图7所示的那样竖直地设置。在该水平地设置的实施例中，氢气泡123的浮力使阴极电解液溶液110在阴极122和储液器104之间循环。

图9还更详细地示出了电解电池100的阳极120、阴极122和膜136的构造。电解电池100包括阳极入流端口124和阳极出流端口126，从而，源水可以流经并接触阳极120。虽然膜136通常可以充分防止阴极电解液向电池100的阳极侧流动并充分防止水向电池100的阴极侧流动，但一些实施例还使用了密封垫片900(图9)，以防止流体围绕膜136的周界流动。图10示出了具有密封垫片900的电解电池100的横截面视图，该密封垫片900针对围绕膜136的周界的流体提供了阻挡件。

图9的电解电池100还包括与电引线904附接的电流扩展器902。电流扩展器902是由与阳极120电接触的导电材料(例如，钛、铜或铝)形成的片材或网。某些阳极122(例如掺杂有硼的金刚石)具有高的电阻。因此，当来自单个电连接件的电流越过该金刚石的整个区域时，存在着功率损失(和效率损失)。电流扩展器902限制了这样的功率损失，因为它允许来自电引线904的电流在进入所述金刚石之前先通过低电阻导电材料。图11示出了阳极120和电流扩展器902的横截面视图。阳极120包括两个掺杂有硼的金刚石，它们的表面与电流扩展器902电接触。以这种方式，使电流分布于每个金刚石的整个表面。

在图3、4和图9所示的实施例中，外盒102包括储液器104并且以可拆卸方式联接到电解电池100。然而，外盒102的一些实施例不只是具有能够以可拆卸方式联接的储液器。例如，图12示出了既包括储液器104又包括阴极122的外盒102的实施例。本发明人发现，既具有阴极122又具有阴极电解液储液器104的外盒102具有几个优点。首先，该构造是有益的，因为大部分水垢(如果有的话)形成在阴极122上，而阳极120较少受到水垢的影响，因此，更换阴极120能够提高电池100的效率。因此，当耗光的储液器104和受到腐蚀的阴极122被去除时，该储液器104和阴极122被更换为无水垢的阴极122和新鲜的阴极电解液储液器104。其次，阳极120通常比阴极122具有更长的使用寿命。因此，在保留阳极122的同时更换阴极122更好地利用了阳极的使用寿命。第三，某些阳极120由诸如金刚石等的昂贵材料形成。结果，保留电解电池100内的阳极120可进一步提供成本降低。

在图12所示的实施例中，阴极122限定了储液器104的一部分，由此，总是能够接收到源自所述储液器的新鲜的阴极电解液溶液110。外盒102也包括与阴极122相邻的膜136。图13提供了阴极122和膜136的横截面视图。包括该膜136(例如，固体质子交换膜)是有益的，因为：在外盒更换期间，膜136能够防止阴极电解液溶液110从阴极122流出。在一些情况下，这种布置避免了需要用于防止阴极电解液溶液110外流的另外的阀。然而，在其它实施例中，外盒102并不包括膜136。在这样的实施例中，膜136可以保持附着于电解电池100，并且/或者，使用阀和/或诸如粘结片等的临时阻挡件来将阴极电解液溶液110阻挡在储液器104和阴极122内。

外盒102也包括端口1200，该端口1200能够以可拆卸方式联接到电解电池100的壳体118上的接口1202。在图12的实施例中，为了将外盒102紧固到电池100，该端口1200包括两个凸缘1204、1206，每个凸缘1204、1206各具有凹槽1205、1207，并且接口1202包括两个闩锁1208、1210。这两个闩锁1208、1210分别与端口1200的两个凹槽1205、1207接合。以这种方式，端口1200和接口1202能够以可拆卸方式联接。为了防止水和阴极电解液溶液110在接口1202和端口1200之间泄漏，电解电池100也可包括密封垫片1212，当外盒102联接到电解电池100时，该密封垫片1212压靠在外盒102的端口1200上。

各种其它能够以可拆卸方式联接的连接件也在本发明的范围内。例如，在一个特定的示例性实施例中，外盒102的端口1200和电解电池100的接口1202是圆形的。端口1200包括围绕该端口的周界的凸缘。该凸缘的内径表面包括内螺纹，而接口1202的外径表面包括外螺纹。使用这样的布置结构，用户可以将外盒102“旋拧”到电解电池100的接口1202上。

在各个其它示例性实施例中，所述能够以可拆卸方式联接的连接件可使用引导件或引导指状部，以在外盒102安装到电解电池100时正确地对准并且/或支撑外盒102。一旦正确地对准，则锁定机构将外盒102牢牢地紧固并以可拆卸方式联接到电解电池100。例如，在一些情况下，该锁定机构是端口1200与电解电池100的接口1202之间的过盈配合(例如压配合)。在其它示例中，该锁定机构包括闩锁、粘结剂、螺钉、搭钩装置和/或螺栓组件，其中的每一个均可用于将外盒102牢牢地紧固并以可拆卸方式联接到电池100。

在图12的实施例中，为了在阴极122处建立必要的电势，闩锁1210之一向外盒102提供电流。外盒102包括与阴极122联接的电引线1214和位于凹槽1207上的电触点1216。当外盒102联接到电解电池100并且该电池工作时，电流被施加到闩锁1210，并且该闩锁与凹槽1207中的电触点1216接触。然后，电流可以流经电引线1214而到达阴极122。以此方式，可以向外盒102的阴极122和其它电子相关功能件(例如，指示器、泵、显示器或传感器)提供电流。在阳极侧，电流扩展器902和电引线904向阳极120提供电流。这种构造在阳极120和阴极122之间形成了电池100产生臭氧所需的电势。

本发明的说明性实施例包括阀1216、1218，用于当外盒102与电解电池100分离时，该阀1216、1218防止源水溢出。电解电池100包括阳极入流端口124和阳极出流端口126，从而源水能够流经并接触阳极120。在图12的实施例中，电解电池100包括阀1216、1218，当外盒102分离时，该阀1216、1218防止源水从阳极120流出和流向阳极120。在一些实施例中，阀1216、1218是常闭阀，它们使用阀杆1220、1222而与外盒102接合。当外盒102分离时，弹簧1224、1226迫使阀1216、1218闭合并防止源水流动。然而，当外盒102联接到电解电池100时，该外盒推压所述阀杆1220、1222，并由此打开阀1216、1218，从而源水能够流向阳极120。当外盒102分离时，这种构造防止源水溢出，但当外盒102联接到电池100时，这种构造又允许源水流动。图14提供了阀1216、1218及它们在电解电池100内的布置结构的另一个视图。

图15示出了本发明的另一个实施例，其中，外盒102包括储液器104并且包括电解电池100的更多个关键部件(例如，阳极120、阴极122和膜136)。在这样的实施例中，外盒102构造成能够以可拆卸方式联接到基座部分1500。基座部分1500包括源水供应。另外，基座部分1500可以包括其它部件(例如，电源、显示器、传感器和指示器)。在一些实施例中，该基座部分1500可以是使用地应用的一部分，例如家用电器和/或清洁设备(例如，洗衣机或强力洗涤设备)中的水管。

图15所示的实施例类似于图12所示的实施例。因此，图12所示的实施例的许多描述同样适用于图15所示的实施例，因此，在此将不再重复其描述。

图12的实施例与图15的实施例之间的差别之一是：在图15的实施例中，阳极120被包括在外盒102内。外盒102也包括电流扩展器1502，用于使电流分布于阳极120。为了向阳极提供电势，当基座部分1500上的第二闩锁1208与外盒102接合时，该闩锁向凹槽1207上的电触点1504提供电流。第二电引线1506把来自第二电触点1504的电流提供给电流扩展器1502。以这种方式，从基座部分1500向阳极120提供电流。如上文参考图12所述的，另一个闩锁1210向阴极122提供电流。这种构造在阳极120和阴极122之间产生了必要的电势。图16提供了阳极120、阴极122、电流扩展器1502、膜136以及它们在外盒102内的布置结构。

另外，在本发明的一些实施例中，基座部分1500包括突起1508或一系列突起(例如凸肋)，当外盒102联接到基座部分1500时，所述突起支撑阳极120。这些突起1508允许源水流经它们并接触阳极120。图17提供了突起1508以及它们在基座部分1500中的布置结构的另一个视图。

外盒102的说明性实施例使用与阴极电解液溶液110、臭氧和电解质反应的副产物相容的材料。例如，臭氧或其它腐蚀性化学品的一小部分可能越过膜136并流入外盒102的储液器104内。因此，在一些实施例中，外盒102应当由能够耐受这些化学品的腐蚀效应的材料(例如，金属和陶瓷)构成。另一方面，外盒102的使用寿命和可丢弃性也可能是一种因素。利用廉价材料的低成本和/或在腐蚀成为问题之前就更换外盒，可以减少当暴露于腐蚀性化学品时就受到腐蚀的外盒材料(例如，塑料和聚合物)的使用。换句话说，当选择材料时，应当考虑外盒102的期望使用期限。

在一些实施例中，储液器104容纳有液体形式的阴极电解液溶液110。换句话说，阴极电解液溶液110包括溶解在水中的化学溶质，例如氯化钠、氯化钾、柠檬酸、醋酸和/或其它弱酸(例如，按照重量计，溶质占溶液的8.3％)。然而，由于水的重量过大，包含液体形式的阴极电解液溶液110的外盒102的运输和安装可能既昂贵又困难。因此，在本发明的其它实施例中，溶质以干态(dry)的形式存在于储液器104中。在储液器104中存在有预定量的溶质，以在与水混合时产生具有预定浓度的溶液。一旦安装了外盒102，则用户可以简单地加水以溶解该溶质并产生适当的阴极电解液溶液110。用户可以手动加水，或在其它实施例中，可以通过补充供应阀144(例如，电磁阀，参见图1)来自动加水。该补充供应阀144也可以用于释放电解电池100中的压力和/或使储液器104中的阴极电解液溶液110的量趋于稳定。在一些实施例中，外盒102可以不提供有溶质。在这种情况下，用户向储液器104加入阴极电解液溶液110，或者向该储液器加入预混合的粉末状溶质并然后加入预定量的水。该水可以手动加入或自动注入储液器104内(例如，经由电磁阀)。在其它实施例中，可以加入固体形式的溶质(例如，块状或片状)。可以使用预定剂量的溶质作为单一固体来预制该固体。用户可以将该固体加入储液器104内，以避免需要处理粉末形式的溶质或液体形式的阴极电解液溶液110。

在本发明的其它说明性实施例中，可以有用于支撑(并且能够以可拆卸方式联接到)单个电解电池100的多个上述的外盒102。具有多个外盒102的布置结构可以提供备份，这允许在电池100不停止工作的情况下更换一个或多个外盒。在其它实施例中，可以有用于支撑(并且能够以可拆卸方式联接到)多个电解电池100的单个外盒102。该单个外盒102可以对产生各种臭氧输出水平并且/或被投入到不同水循环网络中的多个电池100进行支撑。在又一个实施例中，单个电解电池100包括多个不同的能够以可拆卸方式联接的外盒102。例如，具有储液器104的第一外盒能够以可拆卸方式联接到具有阴极122的第二外盒。该第二外盒继又能够以可拆卸方式联接到电解电池100。这种构造允许在不同的时间区段更换储液器104和阴极122。

本发明的说明性实施例还可以包括指示器，该指示器用于在阴极电解液溶液110耗尽和/或接近于耗尽时进行指示。该指示器可以是灯或诸如LCD的显示装置。在一些情况下，该指示器可以在阴极电解液溶液110耗尽时自动切断该电池100的供电。该指示器可以由一个传感器140(或多个传感器)(参见图1)触发，该传感器140通过测量特定的变量来监控电解电池100的性能，这些变量例如是：储液器104中的阴极电解液溶液110的pH值、阴极电解液溶液110的导电率、以及该阴极电解液溶液的体积(例如，储液器中的阴极电解液溶液的液位高度)。该PH值、体积和导电率传感器140可以置于外盒102的储液器104中，或者在其它实施例中，所述pH和导电率传感器可以位于阴极122处。另外或替代地，在一些实施例中，传感器140可以是电压计，它测量该电解电池100的电压消耗。在恒流时，随着水垢堆积在阴极122上，电解电池100的电压消耗增大。当电压达到特定值时，所述指示器可以指示已经到了更换阴极电解液溶液110、阴极122和/或阳极120的时候。在其它实施例中，传感器140测量由电池100产生的臭氧的量，并且在已经产生了特定的量之后，传感器140指示需要更换外盒102或快要更换外盒102了。可以结合使用这些变量中的一部分或全部，以确定何时需要更换阴极电解液溶液110。

本发明的说明性实施例可以包括微处理器142，以控制电池的各种行为和变量(参见图1)。例如，微处理器142可用于监控来自传感器140的测量值，并监控电池性能的其它参数，例如源水流速、源水温度、源水水压、以及阴极电解液溶液110的流速、阴极电解液溶液的压力和阴极电解液溶液的温度。微处理器142可基于这些测量值来执行特定行为。例如，微处理器142可以打开或关闭电磁阀144，以便减轻压力或加水以进一步稀释阴极电解液溶液110。微处理器142也可以跟踪总的通电时间，并且在可变输出系统的情况下，跟踪总的加电时间的历史记录和工作周期(例如，以全功率每周接通一个小时、以1/2功率每周接通2个小时等)。在一些实施例中，可以利用算法来对微处理器142进行编程，以基于电池100先前的特性、运行状况和/或汇总的总通电时间来预测何时需要更换外盒。

虽然已经公开了本发明的多个示例性实施例，但对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不偏离本发明的真实范围的情况下，可以进行能够实现本发明的某些优点的各种改变和修改。

Claims (39)

1.一种用于具有接口的电解电池的外盒，所述外盒包括：

储液器，所述储液器被构造成用于容纳阴极电解液溶液，并且所述储液器能够以可拆卸方式与所述电池联接；以及

至少一个外盒端口，所述至少一个外盒端口以可拆卸方式与所述电解电池的接口联接，所述端口被构造成使得：当所述外盒端口联接到所述电解电池的接口时，阴极电解液溶液在所述储液器和所述电解电池之间循环。

2.根据权利要求1所述的外盒，还包括：

容纳在所述储液器内的阴极电解液溶液。

3.根据权利要求1所述的外盒，其中，所述至少一个外盒端口包括：

外盒出流端口，所述外盒出流端口被构造成允许来自所述储液器的所述阴极电解液溶液通过；以及

外盒入流端口，所述外盒入流端口被构造成允许所述阴极电解液溶液通过所述外盒入流端口流到所述储液器。

4.根据权利要求1所述的外盒，其中，所述外盒端口还包括：

至少一个阀，当所述外盒端口与所述接口分离时，所述至少一个阀防止所述阴极电解液溶液泄露。

5.根据权利要求1所述的外盒，其中，所述储液器包括疏水膜，所述疏水膜阻挡所述阴极电解液溶液，同时允许来自所述储液器的氢气通过。

6.根据权利要求2所述的外盒，其中，所述阴极电解液溶液为固体的形式。

7.根据权利要求6所述的外盒，其中，所述阴极电解液溶液为预混合粉末的形式。

8.根据权利要求1所述的外盒，还包括：

指示器，所述指示器用于指示何时需要更换所述外盒。

9.一种用于产生臭氧并将臭氧溶解到源水内的设备，所述设备包括：

壳体，所述壳体形成有内部空间；

电解电池，所述电解电池位于所述内部空间中，所述电池具有阴极、金刚石阳极、以及位于所述阴极和所述金刚石阳极之间的膜；以及

外盒，所述外盒包括：

储液器，所述储液器用于容纳阴极电解液溶液，并且所述储液器能够以可拆卸方式与所述电池联接；以及

至少一个外盒端口，所述至少一个外盒端口与所述储液器处于流体连通；

所述壳体具有接口，所述接口用于以可拆卸方式与所述至少一个外盒端口联接，所述至少一个外盒端口和所述接口被构造成使得阴极电解液溶液在所述储液器和所述阴极之间循环。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述至少一个外盒端口包括：

外盒出流端口，所述外盒出流端口被构造成允许来自所述储液器的所述阴极电解液溶液通过；以及

外盒入流端口，所述外盒入流端口被构造成允许所述阴极电解液溶液通过所述外盒入流端口流到所述储液器。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述接口包括：

阴极入流端口，所述阴极入流端口被构造成与所述外盒出流端口处于流体连通，并且允许所述阴极电解液溶液从所述储液器通过所述阴极入流端口流到所述阴极；以及

阴极出流端口，所述阴极出流端口被构造成与所述外盒入流端口处于流体连通，并且允许所述阴极电解液溶液从所述阴极通过所述阴极出流端口流到所述储液器。

12.根据权利要求9所述的设备，其中，所述接口还包括：

至少一个阀，当所述接口与所述外盒端口分离时，所述至少一个阀防止所述阴极电解液溶液泄露。

13.根据权利要求9所述的设备，其中，所述外盒端口还包括：

至少一个阀，当所述外盒端口与所述接口分离时，所述至少一个阀防止所述阴极电解液溶液泄露。

14.根据权利要求9所述的设备，其中，所述储液器包括疏水膜，所述疏水膜将所述阴极电解液溶液阻挡在所述储液器中，同时允许来自所述储液器的氢气通过。

15.根据权利要求9所述的设备，其中，所述阴极电解液溶液容纳在所述储液器中并且为固体的形式。

16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述阴极电解液溶液为预混合粉末的形式。

17.根据权利要求9所述的设备，其中，所述壳体包括阳极入流端口和阳极出流端口，从而所述源水流经所述阳极入流端口而接触所述金刚石阳极，然后流经所述阳极出流端口。

18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述金刚石阳极从与所述金刚石阳极接触的所述源水中产生臭氧，并将所述臭氧溶解在所述源水中。

19.根据权利要求9所述的设备，其中，所述膜是固体质子交换膜，所述膜在所述阴极和所述阳极之间提供质子交换。

20.根据权利要求9所述的设备，还包括：

传感器，所述传感器被构造成用于监控所述电解电池的性能。

21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述传感器感测如下项中的至少一个：所述阴极电解液溶液的pH值、所述阴极电解液溶液的导电率、所述阴极电解液溶液的体积、以及所述电解电池的电力供应中的电压消耗。

22.根据权利要求9所述的设备，还包括：

指示器，所述指示器用于指示何时需要更换所述外盒。

23.一种用于具有阳极的电解电池的外盒，所述外盒与壳体一起使用，所述外盒包括：

阴极；以及

储液器，所述储液器用于容纳阴极电解液溶液并且构造成：当所述储液器容纳有所述阴极电解液溶液时，所述储液器在使用期间向所述阴极提供所述阴极电解液溶液；

所述外盒具有端口，所述端口能够以可拆卸方式联接到所述壳体的接口，当所述端口联接到所述壳体的接口时，所述阴极与所述电解电池的阳极隔开。

24.根据权利要求23所述的外盒，其中，所述储液器包括疏水膜，所述疏水膜阻挡所述阴极电解液溶液，同时允许来自所述储液器的氢气通过。

25.根据权利要求23所述的外盒，其中，所述阴极电解液溶液容纳在所述储液器内并且为固体的形式。

26.根据权利要求25所述的外盒，其中，所述阴极电解液溶液为预混合粉末的形式。

27.根据权利要求23所述的外盒，还包括：

指示器，所述指示器用于指示何时需要更换所述外盒。

28.根据权利要求23所述的外盒，还包括：

膜，当所述外盒联接到所述壳体的接口时，所述膜将所述外盒的阴极与所述电解电池的阳极隔开。

29.根据权利要求28所述的外盒，其中，所述膜是固体质子交换膜，所述膜在所述阴极和所述阳极之间提供质子交换。

30.一种用于产生臭氧并将臭氧溶解到源水内的设备，所述设备包括：

壳体，所述壳体具有阳极；以及

外盒，所述外盒包括：

阴极；

储液器，所述储液器用于容纳阴极电解液溶液，并且构造成向所述阴极提供所述阴极电解液溶液；

所述外盒具有端口，所述端口能够以可拆卸方式联接到所述壳体的接口，当所述端口联接到所述壳体的接口时，所述阴极与所述电解电池的阳极隔开。

31.根据权利要求30所述的设备，其中，所述外盒包括：

膜，当所述外盒联接到所述壳体的接口时，所述膜将所述外盒的阴极与所述电解电池的阳极隔开。

32.根据权利要求31所述的设备，其中，所述膜是固体质子交换膜，所述膜在所述阴极和所述阳极之间提供质子交换。

33.根据权利要求30所述的设备，其中，所述储液器包括疏水膜，所述疏水膜将所述阴极电解液溶液阻挡在所述储液器中，同时允许来自所述储液器的氢气通过。

34.根据权利要求30所述的设备，其中，所述阴极电解液溶液容纳在所述储液器中并且为固体的形式。

35.根据权利要求34所述的设备，其中，所述阴极电解液溶液为预混合粉末的形式。

36.根据权利要求30所述的设备，其中，所述壳体包括阳极入流端口和阳极出流端口，从而所述源水流经所述阳极入流端口而接触所述阳极，然后流经所述阳极出流端口。

37.根据权利要求36所述的设备，其中，所述阳极从与所述阳极接触的所述源水中产生臭氧，并将所述臭氧溶解在所述源水中。

38.根据权利要求36所述的设备，其中，所述壳体包括：

至少一个阀，当所述外盒与所述壳体上的接口分离时，所述至少一个阀防止所述源水泄露。

39.根据权利要求30所述的设备，还包括：

指示器，所述指示器用于指示何时需要更换所述外盒。

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