CN110366608A - 用于在电化学次氯酸盐生成期间氢减少的可持续氧化还原剂供应的脉冲电源 - Google Patents

Abstract

公开了一种操作电化学电池的方法，该方法包括将水溶液引入到电化学电池中，跨过阳极和阴极施加电流以产生产物，监测电压、溶解氢或水溶液的条件，以及响应于测量的参数中的一个以脉冲波形施加电流。公开了一种电化学系统，该电化学系统包括：电化学电池，该电化学电池包括阳极和阴极；水溶液源，该水溶液源具有流体地可连接至电化学电池的出口；用于测量参数的传感器；以及控制器，该控制器被配置成响应于参数测量值而使阳极和阴极以脉冲波形施加电流。还公开了抑制电化学电池内氢气积累的方法。还公开了有助于电化学电池的操作的方法。

Description

用于在电化学次氯酸盐生成期间氢减少的可持续氧化还原剂 供应的脉冲电源

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(E)要求于2017年3月8日提交的标题为“Implementation of Feedback Control for Improved Electrochemical SystemDesign”的美国临时申请序列号62/468,544、于2017年3月6日提交的标题为“Half-CellElectrochemical Configurations for Self-Cleaning Electrochlorination Devices”的美国临时申请序列号62/467,518和于2017年3月9日提交的标题为“Pulsed PowerSupply for Sustainable Redox Agent Supply for Hydrogen Abatement DuringElectrochemical Hypochlorite Generation”的美国临时申请序列号62/469,224的优先权，这些申请中的每一个通过引用以其整体并入本文用于所有目的。

技术领域

本文公开的方面和实施方案总体上涉及电化学装置，并且更具体地涉及电氯化电池和电氯化装置、操作它们的方法以及使用它们的系统。

概述

根据一个方面，提供了操作电化学电池的方法。所述方法可以包括将水溶液引入到电化学电池中在电化学电池的阳极和阴极之间；在足以从电化学电池中的水溶液生成产物化合物的电压跨过阳极和阴极施加电流；监测选自由电压、在电化学电池中产生的产物溶液中溶解氢的浓度以及与氢气产生相关的水溶液的条件组成的组的至少一个参数；以及响应于所述至少一个参数在预定范围之外，以脉冲波形跨过阳极和阴极施加电流。

在一些实施方案中，所述方法可以包括从由被引入到电化学电池中的水溶液的流量、溶解氧浓度、溶解氢浓度、pH、ORP和温度组成的组中选择水溶液的条件。所述方法还可以包括基于水溶液的条件来控制电流的脉冲的持续时间、脉冲电流的发生率和跨过阳极和阴极施加的电流的大小中的一个或更多个。所述方法还可以包括基于水溶液的条件来控制水溶液的引入速率。

在一些实施方案中，所述方法包括选择足以防止在电化学电池中产生氢气的预定范围。

所述方法可以包括基于水溶液的流量、电压和产物溶液中溶解氢的浓度中的至少一个来控制电流的脉冲的持续时间、脉冲电流的发生率以及跨过阳极和阴极施加的电流的大小中的一个或更多个。

所述方法可以包括至少基于所述产物溶液流出电化学电池的流量、产物溶液中产物化合物的浓度以及水溶液中氯化物的浓度中的一个或更多个来控制水溶液引入到电化学电池中的速率。

在一些实施方案中，所述方法可以包括将氧化剂引入到电化学电池上游的水溶液中。引入氧化剂可以包括将气态氧、臭氧、空气、富含氧的空气和过氧化氢中的一种或更多种引入到水溶液中。

所述方法可以包括响应于电压在约0.5V和4.0V的范围之外，以脉冲波形跨过阳极和阴极施加电流。

根据另一个方面，提供了抑制电氯化电池中氢气积累的方法。所述方法可以包括将液体电解质引入到电氯化电池中在电氯化电池的阳极和阴极之间；监测选自由跨过阳极和阴极施加的电压、在电氯化电池中生成的产物溶液中溶解氢的浓度以及液体电解质的条件组成的组的至少一个参数，所述液体电解质的条件选自由被引入到电氯化电池中的液体电解质的流量、溶解氧浓度、溶解氢浓度、pH、ORP和温度组成的组；以及响应于该参数在足以防止在电氯化电池内产生氢气的范围之外，以脉冲波形跨过阳极和阴极施加电流。

根据另一个方面，提供了电化学系统，所述电化学系统包括电化学电池，该电化学电池包括壳体，所述壳体具有入口、出口、设置在所述壳体内的阳极和阴极；水溶液源，该水溶液源具有流体地可连接至电化学电池的入口的出口；第一传感器，该第一传感器被构造和布置成测量电压和在电化学电池中生成的产物溶液中溶解氢的浓度中的至少一个；以及控制器，该控制器是可电连接至第一传感器的，并且被配置为响应于电压和溶解氢浓度中的至少一个超过预定阈值，使电流以脉冲波形跨过阳极和阴极被施加。

所述系统还可以包括第二传感器，所述第二传感器被构造和布置成测量水溶液的条件，所述水溶液的条件选自由水溶液的流量、溶解氧浓度、溶解氢浓度、pH、ORP和温度组成的组。在一些实施方案中，所述系统可以包括控制器，该控制器是可电连接至第二传感器的，并且被配置为响应于水溶液的条件在预定范围之外，使电流以脉冲波形跨过阳极和阴极被施加。

在一些实施方案中，所述系统可以包括控制器，该控制器是可电连接至第二传感器的并且被配置成基于水溶液的条件来调节水溶液引入到电化学电池中的速率。

控制器可以被配置成响应于产物溶液中溶解氢浓度在足以在电化学电池的操作期间在阴极处引起氢积累的预定范围之外，使电流以脉冲波形跨过阳极和阴极被施加。控制器可以被配置成基于水溶液的流量、电压、溶解在水溶液中的氧的浓度和溶解在水溶液中的氢的浓度中的至少一个，在电流的脉冲的持续时间、脉冲电流的发生率以及跨过阳极和阴极施加的电流大小中的一个或更多个中来调节阳极和阴极。

在一些实施方案中，所述系统还可以包括氧化剂源，所述氧化剂源流体地可连接至电化学电池的上游的水溶液源。氧化剂源可以被构造和布置成将过氧化氢从电化学电池的出口输送到水溶液源。所述系统还可以包括控制器，所述控制器被配置成至少基于电化学电池中存在的氢气的量、溶解在水溶液中的氢的浓度、溶解在水溶液中的氧的浓度和溶解在电化学电池中生成的产物溶液中的氧的浓度中的一个来调节氧化剂引入到水溶液中的速率。

所述系统还可以包括第三传感器，所述第三传感器被构造和布置成测量电化学电池中产生的产物溶液的条件，所述产物溶液的条件选自由产物溶液中产物化合物的流量、pH、ORP、温度和浓度组成的组。

在一些实施方案中，所述系统可以包括控制器，所述控制器是可电连接至第三传感器的并且被配置成基于产物溶液的条件来调节水溶液引入到电化学电池中的速率。

水溶液源可以包括海水、微咸水和盐水中的至少一种。

根据又一方面，提供了有助于电化学电池的操作的方法。所述方法可以包括提供电化学系统，提供用于将液体电解质连接至电化学电池的入口的指令，以及提供用于将电化学电池的出口连接至使用点的指令。所述电化学系统可以包括电化学电池，该电化学电池包括壳体，所述壳体具有入口、出口、设置在所述壳体内的阳极和阴极；第一传感器，所述第一传感器被构造和布置成测量电压和在电化学电池中生成的产物溶液中溶解氢的浓度中的至少一个；第二传感器，所述第二传感器被构造和布置成测量流体地可连接至电化学电池的入口的液体电解质的条件，所述条件选自由液体电解质的流量、溶解氧浓度、溶解氢浓度、pH、ORP和温度组成的组；以及控制器，所述控制器是可电连接至第一传感器和第二传感器中的一个或更多个的，所述控制器被配置成响应于电压、产物溶液中溶解氢的浓度和液体电解质的条件中的至少一个在预定范围之外，使电流以脉冲波形跨过阳极和阴极被施加。

在一些实施方案中，提供包括电化学电池的电化学系统包括提供包括电氯化电池的电化学系统，并且提供用于将液体电解质连接至电化学电池的入口的指令包括提供用于将含氯化物的水溶液连接至电化学电池的入口的指令。

本公开内容预期前述方面和/或实施方案的任何一个或更多个的所有组合，以及与详细描述和任何实例中阐述的实施方案中的任何一个或更多个的组合。

附图简述

附图并不意图是按比例绘制。在附图中，在各个图中图示出的每个相同的或近似相同的部件由相同的数字表示。为了清楚起见，并非每个部件都可以在每个图中标记。在附图中：

图1是当运行电化学电池时所经历的施加电压随时间的变化的图；

图2是电化学电池的一个实施方案的等距视图；

图3是电化学系统的实施方案的一部分的示意图；

图4是电化学系统的另一个实施方案的一部分的示意图；

图5是电化学系统的另一个实施方案的一部分的示意图；

图6是电化学系统的实施方案的示意图；

图7是电化学系统的另一个实施方案的示意图；

图8是每盐度的溶液电导率的图；

图9是用于获得测试数据的实验电化学电池的示意图；

图10A是根据示例性电化学电池的一次实验运行的施加电流随时间的图；

图10B是如在图10A的实验运行期间所测量的检测电压随时间的图；

图11A是根据示例性电化学电池的另一次实验运行的施加电流随时间的图；

图11B是如在图11A的实验运行期间所测量的检测电压随时间的图；

图12是如在示例性电化学电池的另一次实验运行期间所测量的检测电压随时间的图；

图13A是根据一个实施方案的电化学电池的示意图；

图13B是根据一个实施方案的电化学电池的示意图；

图14A是根据一个实施方案的在某一组参数下操作的系统的IV-曲线；

图14B是根据另一个实施方案的在某一组参数下操作的系统的IV-曲线；

图14C是根据另一个实施方案的在某一组参数下操作的系统的IV-曲线；

图14D是根据又一实施方案的在某一组参数下操作的系统的IV-曲线；

图15A是电化学电池的一个实施方案的一部分的示意图；

图15B是电化学电池的另一个实施方案的一部分的示意图；

图15C是电化学电池的另一个实施方案的一部分的示意图；

图15D是电化学电池的又一个实施方案的一部分的示意图；以及

图16A是在运行不同盐度的溶液的电化学电池中每面积的通道电阻的图；和

图16B是在运行不同盐度的溶液的电化学电池中每直径的通道电阻的图。

详述

本文公开的方面和实施方案总体上涉及产生消毒剂例如次氯酸钠的电化学装置以及减少在这样的装置中产生的氢的方法。术语“电化学装置”和“电化学电池”及其语法变型被理解为涵盖“电氯化装置”和“电氯化电池”及其语法变型。

本文公开的方面和实施方案被描述为包括一个或更多个电极。如本文所使用的术语“金属电极”或其语法变型被理解为涵盖由以下形成、包含以下或由以下组成的电极：一种或更多种金属例如钛、铝或镍，尽管术语“金属电极”不排除包括其他金属或合金或由其他金属或合金组成的电极。在一些实施方案中，“金属电极”可以包括多种不同金属的层。在本文公开的实施方案中的任一个或更多个中使用的金属电极可以包括高导电性金属例如铜或铝的芯，所述芯涂覆有对通过电解质溶液的化学侵蚀具有高的抗性的金属或金属氧化物，例如钛、铂、混合的金属氧化物(MMO)、磁铁矿、铁氧体、钴尖晶石、钽、钯、铱、银、金或其他涂覆材料的层。“金属电极”可以涂覆有耐氧化涂层，例如但不限于铂、混合的金属氧化物(MMO)、磁铁矿、铁氧体、钴尖晶石、钽、钯、铱、银、金或其他涂层材料。在本文公开的实施方案中使用的混合的金属氧化物可以包括以下中的一种或更多种的一种或更多种氧化物：钌、铑、钽(任选地与锑和/或锰合金化)、钛、铱、锌、锡、锑、钛-镍合金、钛-铜合金、钛-铁合金、钛-钴合金或其他适合的金属或合金。在本文公开的实施方案中使用的阳极可以涂覆有铂和/或铱、钌、锡、铑或钽(任选地与锑和/或锰合金化)中的一种或更多种的一种或更多种氧化物。在本文公开的实施方案中使用的阴极可以涂覆有铂和/或铱、钌和钛中的一种或更多种的一种或更多种氧化物。在本文公开的实施方案中使用的电极可以包括以下中的一种或更多种的基底(base)：钛、钽、锆、铌、钨和/或硅。用于本文公开的任何电化学电池的电极可以被形成为板、片材、箔、挤出物和/或烧结物或者由板、片材、箔、挤出物和/或烧结物形成。

如本文所使用的术语“管”包括圆柱形导管，然而，不排除具有其他横截面几何形状的导管，例如具有正方形、矩形、椭圆形或长圆形几何形状或被成形为任何规则的或不规则的多边形的横截面几何形状的导管。

如本文所使用的术语“同心管”或“同心螺旋”包括共享公共的中心轴线的管或交错螺旋，但不排除围绕公共轴线的管或交错螺旋或者具有彼此偏移的轴线的管或交错螺旋，所述公共轴线不一定在一组同心管或交错螺旋中的每个同心管或交错螺旋的中心。

本公开内容描述了电氯化电池和电氯化装置的各种实施方案，然而，本公开内容不限于电氯化电池或电氯化装置，并且本文公开的方面和实施方案可应用于被用于多种目的中的任何一种的电解电池和电化学电池。

电氯化电池典型地用于海洋应用、离岸应用、市政应用、工业应用以及商业应用。电氯化电池的设计参数，例如电极间间距、电极的厚度以及涂层密度、电极面积、电连接的方法等可以针对不同的应用来选择。本文公开的方面和实施方案不限于电极的数目、电极之间的空间、电极材料、电极之间的任何间隔物的材料、电氯化电池内的通道的数目、或电极涂层材料。

在电极处产生化学反应的电化学装置被广泛地用于工业设施和市政设施。当前电氯化模块的设计和控制在相当长的一段时间内保持静止。在这些系统中电化学电池功能的两个工业问题是阴极结垢和氢生成。减轻这些问题的常规方法限制了可以产生的次氯酸盐的总强度。对在有效地产生次氯酸盐的同时解决这两个问题的系统存在需要。

电氯化系统通常可以进料盐水、微咸水或海水，尽管进料溶液没有限制。海水通常具有在约3.0％和4.0％之间的盐度，例如，海水可以具有约3.5％、3.6％或3.7％的盐度。海水包含溶解的离子，所述溶解的离子包括钠、氯、镁、硫酸盐和钙。海水还可以包括硫、钾、溴、碳和钒中的一种或更多种。海水可以具有约35,000mg/l的总溶解固体(TDS)含量。盐水通常具有大于约3.5％的盐度。例如，盐水可以具有约4.0％、4.5％、5.0％、7.5％或约10％的盐度。盐水可以具有大于约35,000mg/l的TDS含量。饱和盐水可以具有高达约25.0％的盐度。微咸水通常具有小于3.5％的盐度。微咸水可以具有约3.0％、2.5％、2.0％或1.0％的盐度。微咸水可以具有小于约35,000mg/l的TDS含量。例如，微咸水可以具有在约1,000mg/l至约10,000mg/l之间的TDS含量。

进料溶液可以具有如图8的图中所示的电导率。通常，进料流的电导率可以在约0和25S/cm之间，这取决于盐度。具有约0.5％和2.0％之间的盐度的微咸水可以具有在约0.5S/cm和约4.0S/cm之间的电导率，例如，约0.8S/cm或约3.0S/cm。具有约3.5％的盐度的海水可以具有在约4.5S/cm和5.5S/cm之间的电导率，例如，约5.0S/cm或约4.8S/cm。具有在约5.0％和10％之间的盐度的盐水可以具有在约7S/cm和13.0S/cm之间的电导率，例如，约12.6S/cm。具有约25％的盐度的饱和盐水可以具有在约20.0S/cm和约23.0S/cm之间的电导率，例如，约22.2S/cm。通常，盐度和电导率可以遵循图8的图的线性关系：y＝0.9132x+1.6332，其中y为电导率(S/cm)并且x为盐度百分比(％NaCl)。

对于基于盐水的系统，随着在操作期间pH的变化，电氯化系统的操作可能导致在阳极处Cl₂和酸(例如，HCl)产生和在阴极处氢氧化物和H₂气体产生。用于由氯化钠和水生成次氯酸钠的电化学反应(电氯化)包括以下：

在阳极处的反应：2Cl^-→C1₂+2e^-(E⁰ _氧化＝-1.358V)

在阴极处的反应：2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-(E⁰ _还原＝-0.8277V)

在溶液中：C1₂+2OH^-→ClO^-+Cl^-+H₂O

整体反应：NaCl+H₂O→NaOCl+H₂

在这些反应中，列出的电位是在反应物和产物的1M浓度(活性)以及标准条件(25℃和1大气压)的条件下。

从上述反应可以看出，由氯化钠和水电化学生产次氯酸钠的副产物是氢。在电氯化电池中产生氢是不期望的。如果产生足够的氢，使得氢的浓度超过水中氢的溶解度限值，则氢可能作为氢气释放，这造成爆炸危险。存在于电氯化电池中的氢气还可以保护电氯化电池的电极的部分不与电池中的电解质接触，减少有效电极面积并降低次氯酸钠的生成效率。此外，氢向经常形成电氯化电池中的电极的材料诸如钛中的扩散可能导致电极的脆化并增加电极的机械故障的可能性。

H₂气体的生成需要使用一种设备和方法来去除或稀释低于爆炸限值的氢。因此，用于由氯化钠和水生成次氯酸钠的电氯化系统典型地被配备有气-液分离器和/或鼓风机以从溶液中和/或从大气中去除氢或者至少保持氢气的浓度低于它可以点燃的浓度。然而，这些气-液分离器和/或鼓风机增加了电氯化系统的资金和操作成本。

限制氢气产生的一种方法是向系统中引入氧化剂，如在国际申请公布号WO 2017/049052中一般地描述的，该申请通过引用以其整体并入本文用于所有目的。氧的还原反应具有比氢形成的还原反应更低的电位。反应如下：

2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-(E⁰＝-0.8277V)

O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-(E⁰＝0.401V)

第二反应是水还原机制。因此，向含氯化物的水溶液中添加氧可能导致在阳极和阴极处的氯和氢氧根产生反应从：

A1：在阳极处的反应：2Cl^-→C1₂+2e^-(E⁰ _氧化＝-1.358V)

Cl：在阴极处的反应：2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-(E⁰ _还原＝-0.8277V)

E⁰ _电池＝2.19V

改变成：

A1：在阳极处的反应：2Cl^-→C1₂+2e^-(E⁰ _氧化＝-1.358V)

C2：在阴极处的反应：O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-(E⁰ _还原＝0.401V)

E⁰ _电池＝0.96V

向含氯化物的水溶液中添加氧可以消除这些反应中氢的生成和/或积累，并且还可以将产生氯和氢氧根所需的电压降低多于一半。因此，向含氯化物的水溶液中添加氧不仅可以减少或抑制作为在电氯化电池中由氯化钠和水生成次氯酸钠的副产物的氢的形成和/或积累，而且还可以使次氯酸钠生成过程更节能。

氧供应可以是一个挑战，因为在环境温度和压力下纯水中的最大氧溶解度仅为约5-10ppm。克服氧的低溶解度的一种方法是在高于大气压的压力下注入氧，以与在大气压下氧化剂在水溶液中的溶解度相比，增加氧化剂在水溶液中的溶解度。然而，某些系统可能对压力具有物理限制。

本文公开的方面和实施方案包括用于通过引入电能形成化学化合物的电化学电池，以及用于构建和操作这样的电化学电池的方法。将具体提及被配置成从含氯化物(例如，含氯化钠)的水溶液，例如海水、微咸水或盐水中产生次氯酸钠的电氯化电池，尽管所公开的特征和方法也预期用于其他形式的电化学电池以及用于生产其他化学化合物。

通常，在影响所产生的次氯酸盐的总强度的多个参数之间存在相互作用。这样的参数包括，例如，进料组成、电极设计、施加的电流/电压、pH、流量、氧化剂浓度和温度。可以控制这些参数中的一个或更多个以产生合适的产物。此外，可以控制这些参数中的一个或更多个以限制不期望的影响，例如氢生成。

电化学电池系统的性能可以取决于进料流的组成。通过控制进料组成，可以增加次氯酸盐产生的浓度并减少不想要的影响，例如氢生成。虽然不希望受任何特定理论的束缚，但据信阳极电流和溶液中NaCl的浓度可能对产生Cl₂的速率具有影响，而这进而可能对在溶液中形成的NaOCl的量具有影响。因此，可以通过控制阳极电流和进料组成来增加相对于系统的体积流量形成的NaOCl的量。在阴极处，电流和电流密度可能对产生H₂和OH^-的速率具有影响。这些产生速率进而可能对系统内的pH和沉淀物的形成具有影响。

进料流可以包括盐水溶液，例如海水、微咸水或盐水。在一些实施方案中，控制进料流中的NaCl浓度可以控制所形成的NaOCl的量。在具有在约10,000和16,000ppm之间的Na⁺浓度和在约18,000和约23,000ppm之间的Cl^-浓度的标准进料组成的情况下，可以通过增加Na⁺和Cl^-的浓度来增加NaOCl产生。在这样的标准进料组成的情况下，可以实现高达约2,000ppm的NaOCl输出浓度。

在一些实施方案中，进料组成可以通过酸剂量来控制。酸注入可以降低pH，从而限制不想要的副产物的形成。在一些实施方案中，进料流的pH可以通过传感器来测量。测量值可以被传送至酸注入系统，该酸注入系统被配置成响应于pH测量值而使进料流定量给料有酸。进料组成可以通过如本文公开的任何其他控制pH的方法来控制。

在某些实施方案中，产物溶液的一部分可以被再循环到进料流中。产物溶液可以包括例如H₂O₂，其可以作为氧化剂被再循环。可以例如用控制阀来控制再循环与进料流的比率。通过将产物溶液的一部分再循环到进料流中，可以提高所产生的次氯酸盐的总强度。采用产物的再循环可以减少产生稳定的次氯酸盐产物所需的电化学电池的所需数目，减少系统的总占地面积，并且增加最终用途的选择。

本文公开的系统和方法可以包括电化学电池，该电化学电池具有用于减少、减轻、最小化、防止或消除电极的结垢的特征。在一些实施方案中，pH控制可以限制不想要的副产物在阴极处的沉淀。在常规电化学电池的操作期间，阴极处的局部pH可以达到或超过11。如此高的局部pH可以导致Mg和Ca离子的沉淀，在电极上产生结垢。在一些实施方案中，阴极处的局部pH被控制在约8和9之间。电化学电池内的平均pH可以被控制在约6和9之间，例如在约7和8之间。

可以实施pH的前馈控制。在一些实施方案中，用传感器测量进料的pH。系统的一个或更多个参数可以响应于pH测量值来调节。例如，可以调节进料组成、流量、施加的电流/电压、或一个或更多个电极处的氧化剂浓度，以将pH控制在期望的范围内。在一些实施方案中，可以通过添加pH调节剂来控制pH，所述pH调节剂例如无机酸或苛性碱诸如NaOH。测量值可以被传送至注入系统，该注入系统可以调节一个或更多个操作参数以控制pH。注入系统可以控制进料溶液的pH或电化学电池内的溶液的pH。另外地或可选择地，可以实施pH的反馈控制。例如，可以用传感器测量产物的pH。一个或更多个参数可以如所描述的调节，或者可以将测量值传送至注入系统，该注入系统可以如所描述的调节一个或更多个操作参数。

本文公开的系统和方法可以采用阳极和阴极的周期性极性反转以减轻、最小化、防止或消除氢气在阴极处的生成或积累，例如通过控制电极处的局部pH。在一些电化学电池中，极性在长时间操作之后被反转，以减少结垢，例如每12小时或每隔一天操作。如本文所公开的，极性可以被更频繁地反转，以限制氢气形成。例如，取决于系统条件，极性可以每隔几分钟被反转，以限制氢气的形成。

反转极性以限制氢气的形成也可以限制结垢的形成。在电化学电池的操作期间，局部酸生成典型地发生在阳极处，而氢和副产物在阴极处积累。通过反转极性，可以在前一阴极(现在为阳极)处生成酸，限制氢气的局部产生并在阴极处沉淀。在现在为阳极处的酸生成也可以控制局部pH，使电极处副产物的进一步沉淀最小化，并且防止结垢。

极性反转序列可以对称地或不对称发生。在一些实施方案中，极性每隔几分钟被反转，例如每隔2分钟、5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、30分钟、40分钟、50分钟或60分钟。在一些实施方案中，极性每隔几小时被反转，例如每隔1小时、2小时、3小时、4小时、5小时、6小时、7小时、8小时、9小时、10小时、11小时、12小时、18小时或24小时。每次极性反转可能持续在几分钟至几小时之间。极性反转周期的类型和长度不受限制。通常，极性反转周期的类型和长度可能取决于电化学电池的进料组成和条件。极性反转的类型和长度可能取决于电化学电池内的平均pH或者阳极或阴极处的局部pH。在一些实施方案中，极性反转可以响应于期望范围之外的pH测量值来实现。

温度可以对产物形成和反应速率具有影响。在一些实施方案中，温度被控制在约-2℃至45℃之间。在该温度范围之外，进料溶液可以与电极催化剂反应，以形成不稳定的副产物。可以实施温度的反馈控制或前馈控制。在一些实施方案中，进料或产物溶液的温度用温度计来测量。系统的一个或更多个参数可以响应于温度测量值来调节。例如，流量、pH、温度或溶解氧浓度可以响应于测量值来调节。例如，可以用热交换器来调节温度。

本文公开的系统和方法包括电化学电池，该电化学电池具有用于减少、减轻、最小化、防止或消除电化学电池中氢气和/或溶解在电化学电池中的电解质中的氢的形成的特征。氢减少的实施可以是电流密度、流量、溶解氢浓度和/或溶解氧浓度的函数(任选地，作为压力的函数)。此外，氢气生成可以是电化学电池中阴极附近的溶液的温度、pH、组成和氧化还原电位的函数。这些参数之间的关系可以通过扫描电流和电压并绘制IV-曲线来量化。可以从IV-曲线中鉴别出从水生成到H₂产生的转变点。当电压超过指示氢气的产生的阈值时，IV-曲线显示拐点。可以通过调节上述参数来校准整体系统性能。

本文公开的方法可以包括在足以产生产物化合物的电压跨过阳极和阴极施加电流。可以以恒定模式施加电流，直到需要改变。例如，可以持续地施加电流，直到极性反转或阳极和阴极被施加，或者电流以脉冲波形被施加。例如，当一个或更多个参数指示在阴极处可能产生氢气时，这样的变化可以发生。

一般来说，作为安全措施，可以监测和控制H₂气体排放。H₂气体可以用传感器测量。本文公开的一种或更多种方法可以响应于产物中或系统内的H₂气体的高测量值来实施。

可以测量跨过阳极和阴极的电压，以确定在电化学电池中何时开始产生氢气。诸如温度、pH和流体的组成的参数可以影响氢气开始产生的电压。压力可以增加流体中氧的扩散率，因此增加的压力、流量和湍流也可以对氢气开始产生的电压具有影响。如图14A-14D的图所示，IV-曲线中的拐点表示生成氢气的电压。

图14A中呈现的数据显示了针对在不同压力下3.1m/s的流速的拐点的变化(在约1.0V和约1.5V之间)。图14B中呈现的数据显示了针对在约1.4巴的压力在不同的流速下注入的氧的拐点的变化(在约0.8V和约1.1V之间)。在约6.9巴引入的空气可以产生与在1.4巴注入的氧相似的溶解氧含量。图14C中呈现的数据显示了针对在约3.1巴在不同的流速下注入的氧的拐点的变化(在约1.0V和约1.3V之间)。图14D中呈现的数据显示了针对在约6.9巴在不同的流速下注入的氧的拐点的变化(在约1.0V和约1.5V之间)。

在一些实施方案中，电压可以维持在任何上述确定的范围内或低于任何上述确定的范围，以限制电化学电池中的氢气生成。对于在1.4巴引入氧或在6.9巴引入空气的系统，电压可以维持低于约0.8V、0.9V、1.0V或1.1V，这取决于流速。对于在约3.1巴引入氧的系统，电压可以维持低于约1.0V、1.2V或1.3V，这取决于流速。对于在约6.9巴引入氧的系统，电压可以维持低于约1.0V、1.1V、1.2V、1.3V、1.4V或1.5V，这取决于流速。对于以约3.1m/s的流速运行的系统，电压可以维持低于约1.0V、1.1V、1.2V、1.3V、1.4V或1.5V，这取决于电压。可以从图14A-14D所示的图中确定另外的参数。

在一些实施方案中，控制条件以将系统维持在与没有氢气的形成相关联的预定参数内。响应于可能导致氢气生成的参数指示条件，可以改变或反转跨过阳极-阴极对施加的电流。取决于系统参数，可以控制条件以维持电压低于约4.0V、3.0V、2.0V、1.5V、1.0V或0.5V。可以控制这些参数以将电压维持在约1.5V和约0.5V之间。可以控制这些参数以将电压维持在约1.5V和约4.0V之间。可以控制这些参数以将电压维持在约0.5V和约4.0V之间。

在一些实施方案中，向工艺溶液中添加氧化剂(例如，氧)可以消除这些反应中氢的生成和/或积累。氧化剂的添加也可以将产生氯和氢氧化物所需的电压降低多于一半。因此，在一些实施方案中，氧化剂的添加不仅可以减少或抑制作为在电氯化电池中由氯化钠和水生成次氯酸钠的副产物的氢的形成和/或积累，而且还可以使次氯酸钠生成过程更节能。

除了空气或氧之外，或者作为空气或氧的替代物，氧化剂可以包括富氧空气、臭氧、二氧化碳、过氧化氢、氟、氯、溴、碘、硝酸、一氧化二氮、硝酸盐、硫酸、过氧硫酸、过氧单硫酸、六价铬化合物、高锰酸盐化合物、过硼酸钠、硝酸钾或已知的任何其他已知的氧化化合物中的任何一种或更多种。氧化剂可以是气体、固体或液相剂。氧化剂可以包括电化学电池的产物。例如，氧化剂可以是由电化学电池产生的H₂O₂。氧化剂可以包括任何具有足够低的还原电位的化合物，以拦截电子进入水分子中以产生游离氢。氧化剂可以包括相对于标准氢电极具有比-0.8277伏更负的还原电位的任何化学化合物。氧化剂的还原电位可以基于动力学因素诸如浓度、温度和催化剂的作用而变化。

将氧化剂引入到工艺溶液中可以包括使溶液与氧化剂气体接触或者向溶液中注入含氧化剂的液体。可以将氧化剂引入到进料流或另一种工艺溶液中。在一些实施方案中，氧化剂气体是含氧气体。含氧化剂的液体可以是含氧液体。

可以实施溶解氧浓度的控制。在一些实施方案中，溶解氧浓度可以在进料中或在具有传感器的系统中测量。可以将测量值传送至注入系统，该注入系统可以在溶液中引入氧气或溶解氧，以控制系统内溶解氧的浓度。在一些实施方案中，溶解氧浓度被控制在约1-100ppm内。溶解氧浓度可以被控制为至少约1ppm、5ppm、10ppm、20ppm、30ppm、40ppm、50ppm、60ppm、70ppm、80ppm、90ppm、95ppm或100ppm。可以通过在压力下注入氧化剂或在压力下引入水溶液来增加溶解氧浓度。

在一些实施方案中，可以用传感器在进料中、在系统内或在产物中测量氧化还原电位(ORP)。系统的任何一个或更多个参数可以响应于ORP测量值来调节。例如，溶解氧浓度、流量、pH、温度或进料组成可以响应于ORP测量值来调节。

可以通过改变进料流的流量或流速来改变系统内溶液的组成。通常，增加流量或流速可以增加系统内溶液的湍流和混合。由于反应典型地在电化学电池的阳极或阴极处局部地发生，因此增加湍流可能对系统内溶液组成和pH的归一化具有影响。具体而言，增加湍流或流速可以增加产物(例如，H₂O₂或NaOCl)的产生的速率，并且降低不想要的氢气的生成速率。

可以实施流量或流速的反馈控制或前馈控制。在一些实施方案中，进料的流量或流速用流量计来测量。系统的一个或更多个参数可以响应于流量或流速测量值来调节。例如，流量或流速、pH、温度或溶解氧浓度可以响应于测量值来调节。可以将测量值传送至循环泵以根据需要控制流量或流速。流量可以被控制在约0.1-10m³/hr之间。流量可以被控制为0.1m³/hr、0.5m³/hr、1.0m³/hr、2.0m³/hr、3.0m³/hr、4.0m³/hr、5.0m³/hr、6.0m³/hr、7.0m³/hr、8.0m³/hr、9.0m³/hr、9.5m³/hr或10m³/hr。

流速可以被控制在约1.0m/s和4.0m/s之间。流速可以被控制为约1.0m/s、2.0m/s、3.0m/s或4.0m/s。在一些实施方案中，流速可以被控制在约2.0和2.5m/s之间。流速可以被控制在约2.5m/s和3.0m/s之间。流速可以被控制在约3.0m/s和3.5m/s之间。在一些实施方案中，流速可以被控制为约2.0m/s、2.1m/s、2.2m/s、2.3m/s、2.4m/s、2.5m/s、2.6m/s、2.7m/s、2.8m/s、2.9m/s、3.0m/s、3.1m/s、3.2m/s、3.3m/s、3.4m/s或3.5m/s。流量或流速可以根据需要增加或减少，以增加或减少湍流和混合。例如，同心管电氯化电池可以用于以海水作为进料的海洋应用和离岸应用。通过电池的液体速度可以是约2.1m/s，导致高度湍流，该高度湍流可以降低电极表面上的污染和结垢的可能性。

此外，可以测量产物或系统内的一个或更多个参数，以确定流量或流速的所需调节。例如，流量或流速可以基于系统内局部pH或产物的组成的测量值而增加或减少。在系统内的局部pH很大地变化以中和pH的情况下，或者在产品的测量值表明可能存在电极的结垢的情况下，可以增加流量或流速。

在一些实施方案中，可以通过调节流量或流速来控制系统的pH和阴极处的局部pH。进料水的本体pH通常在中性范围内。例如，海水的pH典型地在约7.5和8.4之间。然而，在电化学电池内发生的反应的动力学可能会提高系统内的pH。如前面描述的，阴极周围的局部pH可以超过10或11。阴极处的局部OH^-浓度可以通过增加流速(即，湍流和混合)来增加。在一些实施方案中，增加流量以增加阴极处的局部OH^-浓度。因此，在一些实施方案中，增加流量或流速以降低阴极处的局部pH。

在浓度超过其溶解度时，H₂可能在其产生时除气，置换流体体积并使阴极堵塞。在一些实施方案中，可以控制流量和流速以减少阴极处的局部流体体积。通过降低局部流体体积同时保持相同的OH^-生成速率，阴极处的局部pH可以增加。可以控制流量和流速，以确保电极处的足够的体积用于反应。

系统和方法可以在受控的电流密度下操作。在一些实施方案中，控制电流密度以产生产物溶液，同时抑制氢生成。对应于诱导的氢生成的电流密度可以随着其他参数而变化。在一个实例中，对于暴露于大气压力下的空气的示例性进料流(盐水)，可以在约-200A/m²的电流密度下开始氢生成。相比之下，对于暴露于6.9巴的空气的相同进料流，直到约-2,250A/m²可能才开始氢生成。因此，进料中溶解氧的升高的压力可以提供电流密度的显著变化，并且导致在氢生成开始之前可以产生的次氯酸钠的量的增加。类似地，增加进料流的流量或氧合(oxygenation)可以允许电化学装置在更高的电流密度下操作，并且因此在氢生成开始之前产生更多的产物溶液。在一些实施方案中，优化(即，增加)电流密度以产生产物溶液，同时抑制氢生成。取决于参数，电流密度可以在约-200A/m²和-3,000A/m²之间的范围内。

可以通过以高线性流速操作来增加电流。不受特定理论的束缚，据信随着进料流的流量的增加，通过与氢反应消耗的氧可以更快地由新鲜进料补充。因此，增加进料流的流量可以使电极在更高的电流密度下操作，并且在氢生成开始之前产生更多的产物溶液。在一些实施方案中，增加的氧合可以类似地增加电流，例如，通过增加流速或增加进料流中氧化剂的可用性。

跨过阳极-阴极对的电流可以以足以产生产物溶液的电压施加。通常，电化学电池可以被设计成在施加的电流/电压操作，该电流/电压使得所有的或基本上所有的氢能够与由进料流供应的氧反应。在一些实施方案中，可以控制跨过阳极-阴极对施加的电流/电压，以限制游离氢的生成。在一些实施方案中，可以用电传感器测量跨过电极对的电流和电压。例如，稳压器可以用于测量电参数并产生电流-电压曲线。系统的任何一个或更多个参数可以响应于电测量值来调节。例如，可以相应地调节施加的电流和电压。在一些实施方案中，流量或进料组成(例如，氧化剂浓度)可以响应于电参数测量值来调节。

此外，进料流的总溶解固体(TDS)的变化可能影响其电导率。电池电压和电导率成反比关系。因此，在一些实施方案中，电化学电池的总功率消耗可以通过控制进料流中的TDS浓度来控制。进料流TDS浓度可以通过选择性引入海水、微咸水或盐水来控制。进料流或产物流的电导率可以用传感器测量。系统的任何一个或更多个参数可以响应于电导率测量值来调节。在一些实施方案中，流量、进料组成或pH可以响应于电导率测量值来调节。在一些实施方案中，氧化剂可能被过量给料以达到进料流中氧化剂的饱和限值。如前面所描述的，氧的溶解度限值可以是消除电化学电池内氢的生成和/或积累的挑战。在一些实施方案中，溶解氧浓度可以通过增加进料流压力或增加注入的氧化剂(例如，氧或空气)的压力来增加。氧过量给料的量可以取决于例如电化学电池内的流动条件或湍流、电化学电池内氧的扩散率、操作电流、阴极面积等。

氧化剂可以在大于大气压的压力下注入，以与在大气压下氧化剂在溶液中的溶解度相比，增加氧化剂在进料流或工艺溶液中的溶解度。例如，氧、空气和/或另一种氧化剂可以在从约1巴表压至约7巴表压、约3巴表压至约5巴表压的升高的压力下，或在将所需量的氧化剂引入到溶液中所需的任何其他压力下被引入到进料流中。在一些实施方案中，当含氧的进料进入电化学电池时，氧化剂可以在电化学电池中形成微泡。相对于在引入或暴露于氧化剂期间施加给进料流的压力，施加给含氧的水溶液的压力可以降低。

根据某些实施方案，电极可以以脉冲波形施加功率，以限制或消除抑制电化学反应的因素，例如极化和表面吸附。以脉冲波形施加功率可以使电极表面上的极化最小化，并且减轻由于吸附引起的电极表面的阻塞。通常，当阴极用于减少溶解氧时，其表面可能变得被离子物质堵塞。需要相应的电压的增加来维持恒定电流。减少的表面催化位点可能导致电极处电流密度或电位的增加。

电极上的临时表面吸附块可以是可逆的。虽然不希望受任何特定理论的束缚，但据信施加脉冲波形可以克服损耗，这可能是由临时表面吸附块引起的。脉冲波形可以输送电子用于电解反应，以避免由极化、表面吸附以及导致在主动模式和被动模式之间振荡的其他过程引起的电极表面失活。在一些实施方案中，可以通过将非电化学脉冲与电化学脉冲耦合来施加脉冲波形，以改进反应效率。

脉冲DC波形可以用于为电化学反应提供间歇反应和弛豫模式。例如，脉冲波形可以被应用于在稳态DC操作期间在“激活”和“去激活”状态之间可逆地交替电极。脉冲波形可以被应用于任何电化学反应。脉冲波形可以被应用于任何电极、涂覆的催化剂或其他方面。当使用电化学来产生化学物质例如次氯酸盐时，脉冲波形可能是特别有益的，该化学物质倾向于产生不期望的副产物，例如氢。当催化电极与溶液中的氧化还原分子反应时，可以施加脉冲波形，以防止H₂气体的形成。

在一些实施方案中，激活和去激活状态可以分别包括所施加的电流的大小的增加/减少。激活和去激活状态可以包括开/关模式操作。激活和去激活状态可以包括电流的反转，使得阳极电极和阴极电极周期性地反向运行。通过以脉冲波形操作，电解槽(electrolysis cell)可以以较小的电位运行。脉冲波形的形状是非限制性的。该形状可以包括方波、正弦波、三角波或其他形状。脉冲可以是对称的或不对称的。例如，脉冲形状可以是随机波形产生的结果。脉冲之间的定时可以是规则的或不规则的。

脉冲波形可以被设计成优化溶解氧的减少，同时限制氢的生成。例如，脉冲可以被设计成尽可能长地运行，直到计算出氢将生成或者直到检测到氢。在一些实施方案中，以小于500秒、小于200秒或小于100秒的脉冲施加功率。例如，电流可以以脉冲模式运行，每个脉冲具有约90秒、80秒、70秒、60秒、50秒、40秒、30秒、20秒或10秒的持续时间。此外，这样的脉冲电源可以导致低于1.6伏、1.5伏、1.3伏或1.0伏的阴极电位。脉冲定时和阴极电位的其他实施方案可以从图1中呈现的数据外推。例如，可以在持续0和500秒之间的脉冲中施加功率，以将电压限制于相应的阴极电位，如图1所示。

电极设计可以影响本文描述的一个或更多个参数。在一些实施方案中，溶解氧浓度可以通过采用多孔碳基电极来增加。碳基电极可以具有小于约10m²/g的比表面积。通过这样的电极的电流密度通常较低，而相应的总电流密度通常小于5,000A/m²。在一些实施方案中，总电流密度小于4,000A/m²、小于3,000A/m²、小于2,000A/m²、小于1,500A/m²或小于1，000A/m²。

在一些实施方案中，催化剂可以并入在电极的表面上，以减轻氢的生成和/或积累。催化剂可以用于促进由溶解氧和生成的氢形成水。典型地，催化剂可以并入在阴极的表面上，在该阴极的表面上产生氢气。催化剂可以包括铂系金属、贵金属、稀土金属、氧化物或它们的组合。示例性的催化剂包括稀土金属氧化物，例如铱氧化物和钌氧化物，以及其他混合金属氧化物(MMO)。催化剂可以包括锡、钛、钽或锑。MMO可以包括铂。在一些实施方案中，涂层可以通过电沉积或热沉积来沉积。

当与铂催化剂结合时，多孔碳基电极可能遭受差的机械强度、催化剂不稳定性和电极堵塞。在一些实施方案中，电极可以是无孔的。例如，电极可以是镀铂的钛电极。具有几何表面积的镀铂的钛电极可以与上面讨论的任何方法相结合，也就是，增加进料流或氧化剂压力、以高线性流速操作或施加脉冲波形电源。

电极表面积与体积的比率可以通过选择诸如电极厚度、电极间间距以及总电池尺寸的因素来操纵。可以选择电极组成和表面积以允许极性反转。在一些实施方案中，阳极和阴极具有基本上相等的面积。在一些实施方案中，阳极和阴极均涂覆有催化剂。两个电极的基本上相等的面积和催化剂组成促进了阳极和阴极的互换性，允许电极的极性反转以减轻结垢。

系统也可以被设计成促进有效的脉冲电源。脉冲期间的去激活电极可以在不操作时或在处于相反电位时恢复。在一些实施方案中，本文公开的系统可以在每个阳极和阴极处包含多个电极。在操作期间，一个电极可以被激活，而另一个电极被去激活，即，恢复以用于操作。每个电极的激活和去激活状态可以是可逆的。在脉冲之间，可以激活先前去激活的电极，同时可以去激活先前激活的电极以用于恢复。

示例性的电化学电池100在图2中示出。电化学电池100包括设置在壳体内的阳极102和阴极103。电极可以串联布置，如图2中所示。在一些电化学电池中，电极可以平行布置，如图15A-图15D的实施方案中所示。电极可以通过串联的直接流、分流、合并流或这些的组合来流体连通。在一些实施方案中，电极可以是流体地分离的并且通过一个或更多个离子连接部例如盐桥或离子渗透膜连接。离子渗透膜对单价离子可以是选择性的。

用于本文描述的系统和方法中的电化学电池可以包括同心管电极(CTE)、平坦电极(flat electrode)(例如，被设置在平行板电氯化(PPE)电池中)、螺旋卷绕电极、径向布置电极或交错电极。电化学电池可以是单程装置或多程装置(single pass or a multiplepass device)。电极可以包括阀金属基底，例如钛、钽或铌。电极可以是刚性金属电极。电极可以通过挤出形成。电极可以通过金属板的弯曲形成，例如通过将金属板折叠到自身上来形成。电极可以是气体扩散电极，例如多孔气体扩散电极。示例性的电化学电池在国际申请公布号WO 2017/049052中进一步详细地描述，该国际申请通过引用以其整体并入本文用于所有目的。

电极可以是单极的或双极的。电极可以被布置成使得电流在电极之间一程(inone pass)流动。电流可以从阳极流向阴极。可选择地，电极可以被布置成使得电流不止一程流过装置。这样的装置可以包含外电极和内电极。在一些实施方案中，外电极中的一个被涂覆在内表面上以用作阳极。另一个电极可以是未涂覆的或涂覆的(例如，以允许极性反转)。在一些实施方案中，内电极可以是双极电极，使得内电极的外表面的一部分可以被涂覆，并且其余部分可以未被涂覆。在示例性的实施方案中，电流可以通过电解质从涂覆的外电极流动到内电极的未涂覆部分，沿着内电极流动到涂覆部分，然后最终跨过电解质回到未涂覆的外电极。

在一些实施方案中，电极可以被布置成使得电流多程(in multiple passes)流过具有多个外电极和一个内电极的装置。通过使涂覆的外电极和未涂覆的外电极交替并且以匹配的间隔涂覆内电极，电流可以多程来回地流过电解质。在一些实施方案中，外电极和内电极被涂覆以允许极性反转。通过允许多程，消毒剂(例如，次氯酸钠)的总生产率可以增加，而没有施加的电流的成比例增加。增加电流将需要从DC电源到电氯化电池的较长的线或汇流条、在电池上的较大的电连接器以及用于电极的较厚的钛。

对于相同的电流，多程装置(multiple pass device)可以实现比单程电池(single pass cell)更高的生产率。然而，对于多程装置，总电压降可能更高，并且与程数目大致成比例。对于相同的生产率，多程电池可能需要较低的电流，与程数目大致成反比。此外，对于相同的功率输出(kW)，电源成本可能对输出电流比输出电压更敏感，从而有利于多程电池。

在一些实施方案中，系统可以包括平行布置的电极组。电极组可以平行地电连接，其中一组被连接至来自DC电源的正输出，并且另一组被连接至负输出。在一些实施方案中，其间的电极可以是双极的。当布置成使得每个电极的两侧被暴露于电解质溶液并且因此参与电极反应时，平坦电极组可以允许装置的每单位体积的有效电极面积的更高的填装密度(packing density)。更紧密的填装和多程可能导致更高的压降。

电极可以被容纳在壳体内，该壳体被设计成将电极与外部环境电隔离并且承受穿过电化学电池的电解质的流体压力。壳体可以是圆柱形的或基本上圆柱形的容器。壳体可以是对于电解质溶液非导电的、在化学上非反应性的，并且可以具有足够的强度以承受系统压力。例如，壳体可以被设计成承受高达10巴表压或高达16巴表压，以与在压力下氧化剂的注入兼容，这可能是需要的。在一些实施方案中，可以提供防止流体沿中心向下流动并绕过电极之间的间隙的固体芯(solid core)、中央芯元件或流体流动引导器。可以在阳极和阴极之间提供间隔物(spacer)，以保持固定的间隔。可以提供中心气体导管用于氧气递送，使得氧气可以与通过例如电池中的电氯化反应产生的氢结合以产生水。流体，例如，在电池中经历处理的电解质，可以流过壳体中的流体通道。例如，流体可以在平行于或至少基本上平行于电化学电池的中心纵向轴线的方向上被引导。

在本文公开的包括多个阳极电极或阴极电极的实施方案中，多个阳极电极可以被统称为阳极或阳极管，并且多个阴极电极可以被统称为阴极或阴极管。在包括多个阳极电极和/或多个阴极电极的实施方案中，多个阳极电极和/或多个阴极电极在本文中可以被统称为阳极-阴极对。

可以通过一个或更多个导电桥在电极对之间进行电连接，该导电桥可以由与电极相同的材料例如钛形成。电化学电池可以包括通过流体通道与阴极隔开的多个阳极。电化学反应和化学反应在电极的表面和在本体溶液中发生以产生产物溶液，例如用于消毒的次氯酸钠。

包括螺旋卷绕电极、同心电极、径向布置电极和交错电极的电化学电池在国际申请公布号WO 2016/133985中进一步详细地描述，该国际申请通过引用以其整体并入本文用于所有目的。

根据某些方面，提供了电化学系统。该电化学系统可以是电氯化系统或能够从化学反应产生电能或通过引入电能促进化学反应的任何其他电化学系统。电化学系统可以包括电化学电池、水溶液源、一个或更多个传感器和控制器。

电化学系统的一个示例性实施方案在图3中示出，一般以800表示。在图3中，元件1000表示用于由水溶液生产产物化合物的电化学电池。在一些实施方案中，产物化合物包括基于氯的化合物，例如消毒剂。产物化合物可以包括过氧化氢。在一些实施方案中，水溶液包括含氯化物的水溶液。水溶液可以包括待处理的水，例如盐水溶液，诸如海水、盐水或微咸水。

电化学电池1000可以与上文公开的电化学电池的任何实施方案类似。电化学电池1000的壳体1005包括入口1010和出口1015。如上文参考各种公开的电化学电池所描述的阳极-阴极对被设置在壳体1005内。水溶液源900包括出口905，该出口905流体地可连接(并且在操作中，被流体地连接)至电化学电池1000的入口1010。

氧化剂源805流体地可连接(并且在操作中，被流体地连接)至电化学电池1000的入口1010上游的水溶液源900。氧化剂源805可以直接地流体地可连接至或被流体地连接至水溶液源900，或者可以流体地可连接至或被流体地连接至导管815中的注入点810，该导管815流体地可连接在或被流体地连接在水溶液源900和电化学电池1000的入口1010之间。电化学电池1000的出口1015例如经由导管820流体地可连接(并且在操作中，被流体地连接)至储罐或使用点1100。

在系统800的部分中可以包括各种泵以引起所涉及的各种水溶液的流动，但是为了清楚起见没有示出。也可以存在各种传感器，所述传感器可以测量系统800的部分的各种操作参数以及所涉及的各种水溶液，但是为清楚起见从图3中省略。

在操作中，水溶液可以从水溶液源900通过导管815流动并且流入电化学电池1000的入口1010。可以将来自氧化剂源805的氧化剂引入到水溶液中。来自氧化剂源805的氧化剂可以被直接地引入到水溶液源900中和/或电化学电池1000的上游的导管815中，其中氧化剂与流动至电化学电池1000的水溶液混合。在电化学电池1000中，产物溶液由水溶液产生。产物溶液通过出口1015流出电化学电池1000，并通过导管820流到储罐或使用点1100。

氧化剂源805可以包括一种系统，该系统用于将气态氧化剂例如空气或纯氧气混合到水溶液例如水或水溶液中。氧化剂源805可以从水溶液源900接收待被添加氧化剂的水溶液，例如，经由导管910或经由来自导管815的分支。氧化剂源805可以包括例如溶气浮选泵、细泡管状扩散器、曝气容器、混合容器、文丘里管或另一种形式的氧合系统，该氧合系统被配置成将氧化剂与电化学电池的上游的水溶液混合。在一些实施方案中，如图4所示，氧化剂源805可以内联在导管815中。在一些实施方案中，氧化剂源可以包括导管835，该导管835被布置成再循环电化学电池1000的产物作为氧化剂。

在另一个实施方案中，电化学电池1000还包括在壳体1005中在入口1010和出口1015之间的一个或更多个氧化剂注入点825，如图5中所示。氧化剂注入点825可以沿着壳体1005的长度基本上均匀地间隔开。可以提供这些另外的氧化剂注入点825用于仅在期望的程度和在期望的地方将另外的氧化剂引入到电化学电池1000中。例如，如果氧化剂包括诸如空气或氧气的气体，则可能不期望将太多的氧化剂引入到电化学电池1000的入口1010中，因为它可能以气泡的形式从溶液中出来并且屏蔽电化学电池1000中的阳极或阴极的部分，减少可用于产生产物的电极面积。

包括多个氧化剂注入点825可以提供用于在入口1010处引入比在整个长度的电化学电池中与氢气反应所需的量更少的氧化剂。另外的氧化剂可以在另外的氧化剂注入点825处引入，以弥补经由与电化学电池1000中氢的反应通过入口1010引入的氧化剂的损失。在壳体1005中使用多个氧化剂注入点825可以有助于沿着电化学电池1000的长度保持基本上均匀的氧化剂浓度。在壳体1005中使用多个氧化剂注入点825可以有助于将氧化剂输送至电化学电池1000中的期望区域，通过入口1010引入的氧化剂由于例如在电化学电池1000内流体流动的低湍流和少量混合或低雷诺数可能不到达该期望区域。

使用点1100可以包括船上系统、钻井平台系统、水上系统(例如，游泳池或喷泉)、饮用水系统或石油钻井系统的井底。使用点1100可以包括船舶或海基平台的冷却水系统或船舶的压载舱。

示例性的电化学系统的另一个实施方案在图6中示出，一般用1200表示。系统1200包括电化学电池1000，该电化学电池1000可以类似于上面公开的电化学电池的任何实施方案。氧化剂源或氧化系统805可以设置在电化学电池1000的上游的导管815中。水溶液源900被图示为罐。使用点1100可以设置在电化学电池1000的下游。保持罐或储罐1105可以设置在电化学电池1000和使用点1100之间，并且可以通过阀门(未标记的)连接至使用点1100，该阀门可以打开、关闭或调节以向使用点1100定量给料所需量的在电化学电池1000中产生的产物。

各个泵可以控制通过系统的流体的流动。一个或更多个传感器可以监测流过系统的流体的一个或更多个参数，例如待被引入至一个或更多个电化学系统中的电化学电池的水溶液、电化学电池内部的流体、使用点处的液体或者在电化学电池中产生的或生成的产物溶液的参数。这些参数可以包括例如流量、离子浓度、氯浓度、氧浓度、氢浓度、pH、电参数、温度、氧还原电位(ORP)或任何其他感兴趣的参数。另外的传感器可以监测电化学电池本身的参数，例如，电化学电池中跨过阳极-阴极对的电流和/或电压、电化学电池的温度或电化学电池内的温度或电解质通过电化学电池的流量。

泵和传感器可以与控制系统或控制器连通，该控制系统或控制器与传感器和泵连通并且控制泵和系统的其他元件的操作以实现期望的操作参数。

本文公开的电化学系统的各种操作参数可以通过相关联的控制系统或控制器基于由位于电化学系统的不同部分的各种传感器测量的各种参数来控制或调节。控制器可以被编程或配置成至少基于水溶液的流量、氯化物在水溶液中的浓度或在电化学电池中生成的产物溶液的使用点中的液体的氧化还原电位中的一个或更多个来调节氧化剂向水溶液中的引入，该水溶液将被引入至系统的电化学电池中。控制器可以被编程或配置成至少基于电化学电池中生成的产物化合物的浓度来调节氧化剂向水溶液中的引入。控制器还可以被配置成至少基于流体地可连接至电化学电池的壳体的出口的使用点中的液体的氧化还原电位来调节电化学电池中生成的产物化合物的浓度。在一些实施方案中，控制器可以被配置成将氧化剂以足以防止在电化学电池的操作期间形成氢气的量引入到水溶液中。

控制器可以被编程或配置成至少基于电化学电池中的温度、水溶液的pH、电化学电池中生成的产物溶液的pH、水溶液或产物溶液的流量、水溶液或产物溶液的ORP或跨过阳极和阴极施加的电流或电压中的一个或更多个来调节氧化剂向水溶液中的引入或水溶液向电化学电池中的引入。控制器可以被编程或配置成至少基于电化学电池中存在的气态氢的量、溶解在水溶液中的氢的浓度、溶解在水溶液中的氧的浓度或溶解在电化学电池中生成的产物溶液中的氧的浓度中的一个或更多个来调节氧化剂向水溶液中的引入或水溶液向电化学电池中的引入。

控制器可以被编程或配置成基于水溶液的流量或氧化剂向水溶液中的引入速率来调节跨过阳极-阴极对的电流。控制器可以被编程或配置成反转阳极和阴极的极性，以减少、防止或抑制电化学电池中的氢气生成。例如，控制器可以被编程或配置成响应于跨过阳极-阴极对测量的电压或溶解的氢浓度超过预定阈值来反转电极的极性。在一些实施方案中，控制器可以被编程或配置成反转阳极和阴极的极性，以防止电化学电池中氢气的生成。

控制器可以被编程或配置成致使电流以如本文公开的脉冲波形施加。控制器可以被配置成改变、更改或调节由电极施加的电流。在一些实施方案中，控制器被配置成调节电流脉冲的持续时间。控制器可以另外地或可选择地调节脉冲电流的发生率。脉冲的持续时间和/或发生率可以以规则的间隔或不规则的间隔出现(例如，根据需要或根据由传感器确定的需要)。控制器可以调节跨过阳极和阴极施加的电压。控制器可以被编程或配置成响应于水溶液进入电化学电池的流量、跨过阳极和阴极测量的电压或产物溶液中的氢气浓度来调节施加的电流、施加的电压或脉冲波形。控制器可以被编程或配置成响应于至少一种工艺溶液的流量、pH测量值、温度测量值或氧化还原电位来调节施加的电流、施加的电压、电极的极性或脉冲波形。控制器可以被编程或配置成响应于至少一种工艺溶液的溶解氧浓度或溶解氢浓度来调节施加的电流、施加的电压、电极的极性或脉冲波形。

在一些实施方案中，控制器可以被编程或配置成以脉冲波形施加电流，以减少、防止或抑制氢气的生成或积累。例如，控制器可以被编程或配置成响应于氢气浓度超过预定阈值而以脉冲波形施加电流，该预定阈值足以引起在电化学电池的操作期间氢气的生成。在一些实施方案中，控制器可以被编程或配置成以脉冲波形施加电流，以抑制电化学电池内基本上所有氢气的积累。

控制器可以被编程或配置成调节所施加的电流、施加的电压、电极的极性或足以防止在电化学电池内氢气的生成的脉冲波形。施加的电流、施加的电压、电极的极性或脉冲波形可以取决于例如电化学电池内的流动条件或湍流、电化学电池内的氧的扩散率、操作电流、阴极面积等。

在一些实施方案中，控制器可以被编程或配置成以足以防止在电化学电池内生成氢气的量来调节水溶液的一个或更多个条件。控制器可以被编程或配置成调节水溶液的流量或组成，使得可用的氧化剂以与电化学电池中产生的一定量的产物化合物近似化学计量的量提供。水溶液的调节可以取决于例如电化学电池内的流动条件或湍流、电化学电池内的氧的扩散率、操作电流、阴极面积等。水溶液的组成可以通过供定量给料有一种或更多种化合物例如pH平衡剂或氧化剂来调节。

在一些实施方案中，控制器可以另外地被编程或配置成将氧化剂以足以防止在电化学电池内生成氢气的量引入到水溶液中。控制器可以被编程或配置成以与在电化学电池中产生的一定量的产物化合物近似化学计量的量将氧化剂引入到水溶液中，并且可能过量给料超过化学计量的量的氧化剂，例如，以在电化学电池的一个或更多个阴极处提供足够的氧化剂可用性，使得在操作期间在一个或更多个阴极处不产生氢。过量给料的氧的量可以取决于例如电化学电池内的流动条件或湍流、电化学电池内的氧的扩散率、操作电流、阴极面积等。控制器可以被编程或配置成将氧化剂以一定的量引入到水溶液中，所述量足以提供电化学电池中待被氧化的基本上所有的游离氢。

通常，控制器可以被编程为进行任何改变以限制或防止氢气的生成。在IV-曲线中，电压的变化可以指示氢气的生成。因此，可以使得控制器能够控制将指示氢气产生的电压(或预定的阈值电压)保持低于可以指示氢气的生成的限值的条件。因为氢气生成通常取决于诸如温度、pH、ORP、溶解氧浓度和溶解氢气浓度的条件，所以这些参数中的任何一个或更多个可以被控制为保持在预定的范围内，该预定的范围指示系统内氢气的有限的产生或者指示没有氢气的产生。

用于监测和控制系统的各种元件的操作的控制器可以包括计算机控制系统。被配置为响应于来自控制器的指令而动作的输出装置可以包括阀、泵或开关，这些阀、泵或开关可以用于将来自源的水溶液(例如，盐水、微咸水或海水)引入到电化学系统中和/或用于控制泵的速度。一个或更多个传感器还可以向控制器提供输入。这些传感器可以包括例如传感器，所述传感器可以是例如压力传感器、化学浓度传感器、温度传感器或用于系统的感兴趣的任何其他参数的传感器。这些传感器可以位于系统的任何部分中，在这些部分中它们将是有用的，例如，与产物溶液流体连通的使用点的上游、在电化学电池内或与阳极或阴极附近的溶液流体连通、和/或与水溶液源流体连通的电化学电池的入口的上游。另外，控制器可以包含一个或更多个接口(未示出)，该一个或更多个接口将控制器连接至除所公开的互连机构以外的或作为所公开的互连机构的替代物的通信网络。

再次参考图6中所示的示例性系统，系统1200可以包括多个传感器S1-S6，所述多个传感器S1-S6可以将数据馈送至控制系统或控制器2000，该控制系统或控制器2000可以基于来自传感器的数据来调节系统1200的部件的操作参数。

传感器可以包括用于测量氢气浓度的传感器。用于测量氢气的传感器可以与产物溶液流体连通。例如，传感器可以在阴极的下游，在该阴极的下游中倾向于生成氢气。可以提供传感器以确定氢气何时已经积累到危险的阈值浓度。用于测量氢气浓度的传感器可以用于向控制器提供数据，该数据可以用于反转电极的极性，修改所施加的电流或电压(例如，施加脉冲波形)，或者响应于二价硬度浓度超过预定阈值修改水溶液或氧化剂的引入速率。

传感器可以包括热交换器1210下游的温度传感器S1，该温度传感器S1可以提供用于控制热交换器的反馈；在电化学电池1000中或在电化学电池1000上的温度传感器S1，该温度传感器S1可以用于提供数据，控制器可以使用该数据来反转阳极和阴极的极性、以脉冲波形修改或施加电流、调节水溶液引入到电化学电池中的速率、调节氧化剂进入水溶液中的剂量或者响应于温度测量值可以采取的任何其他动作。所述系统可以另外地或可选地包括在使用点1100中或在使用点1100上的温度传感器S1，该温度传感器S1可以向控制器提供反馈，该反馈可以用于确定何时以及多少产物应该被定量给料到使用点1100中。

在一些实施方案中，pH传感器S2可以设置在电化学电池1000的上游和/或下游，并且可以向控制器提供反馈，该反馈可以用于调节pH调节系统1205的操作以使进入电化学电池1000的水溶液的pH和/或离开电化学电池1000的产物溶液的pH保持在期望的范围内。例如，可以操作pH调节系统1205，以使进入电化学电池1000的水溶液的pH保持在约4和约10之间。pH传感器S2可以用于提供数据，控制器可以使用该数据来反转阳极和阴极的极性、以脉冲波形修改或施加电流、调节水溶液引入到电化学电池中的速率、调节氧化剂进入水溶液中的剂量或者响应于pH测量值可以采取的任何其他动作。

系统1200可以包括pH调节系统1205和热交换器1210，该pH调节系统1205包括pH调节剂源，例如，无机酸或苛性碱例如NaOH。pH调节系统1205可以将水溶液的pH调节到使得用于在电化学电池1000中生成期望种类的产物的反应有利的pH，调节到足够高的使得在电化学电池1000中氢气的形成被抑制的pH，和/或调节到足够低的使得在电化学电池1000中的来自水溶液的镁的沉淀被抑制的pH。pH调节系统1205可以将水溶液的pH调节到例如在约2和约14之间或在约7和约10之间的pH。热交换器可以用于将水溶液的温度调节到导致电化学电池1000中期望的反应动力学的温度和/或用于调节氧或氢在水溶液中的溶解度。

溶解氧传感器S3可以用于测量水溶液中的溶解氧水平。溶解氢传感器S3可以用于测量水溶液中的溶解氢水平。溶解氧传感器或溶解氢传感器可以测量系统的电极处或产物溶液中的氧或氢。控制器可以利用水溶液中溶解氧水平或溶解氢水平的指示来控制氧化剂源或氧化系统805，以将待被引入到电化学电池中的水溶液中的溶解氧水平保持在期望的范围内。控制器可以利用产物溶液中溶解氧水平或溶解氢水平的指示来控制氧化剂源或氧化系统805，以将待被引入到电化学电池中的水溶液中的溶解氧水平保持在期望的范围内。

流量传感器S4可以向控制器提供产物溶液流量数据，该控制器可以使用该数据来控制泵P、氧化剂源或氧化系统805和/或跨过电化学电池1000的阳极-阴极对施加的电流或电压的操作。在一些实施方案中，流量传感器可以向控制器提供水溶液流量数据。

电表S5，例如恒电位仪可以用于测量电参数和/或生成水溶液或产物溶液的电流-电压曲线，该电流-电压曲线可以用于获取电化学电池是否在期望的范围内操作的信息。在一些实施方案中，期望的范围是其中二价硬度浓度降低低于预定阈值的范围，使得在电化学电池内不生成氢气。在一些实施方案中，期望的范围是其中电化学电池中的基本上所有的氢都与水溶液中供应的氧反应的范围。来自电表S5的数据可以由控制器用来控制泵P(即水溶液引入到电化学电池中的速率)、氧化剂源或氧化系统805和/或跨过电化学电池1000的阳极-阴极对施加的电流或电压的操作。来自电表S5的数据可以由控制器用来反转阳极和阴极的极性，或者以脉冲波形修改或施加电流。

可以提供氧化还原电位(ORP)计S6以获得使用点1100中的液体的ORP读数，该读数可以由控制器用来确定何时以及多少产物溶液应被定量给料到使用点1100中。在一些实施方案中，可以提供氧化还原电位(ORP)计以获得产物溶液的ORP读数，该读数可以由控制器用来调节水溶液引入到电化学电池中的速率。

系统1200还可以包括气体分离柱1215，该气体分离柱1215可以用于从产物溶液中去除残留的氢。可以提供分支环路(breakout loop)1220以允许产物溶液的取样和/或另外的或可选的传感器的添加，例如用于测量产物溶液中的氯、氧或氢水平的传感器。

系统1200的各种部件可以彼此一致地连续重复。例如，系统1200可以具有多个重复的子系统，所述子系统包括彼此一致地串联布置的热交换器1210、pH调节系统1205、氧化剂源或氧化系统805、电化学电池1000以及可能的泵P。

电化学系统的另一个实施方案在图7中一般用1300表示。系统1300包括与图6的系统1200类似的部件，这些部件标记有相同的标志(indicator)。系统1300与系统1200的不同之处在于系统1300是“进料和排出”系统，而系统1200是“一次通过”类型的系统。在系统1300中，由电化学电池1000生成的产物溶液在环路L周围循环，直到期望将一些产物溶液输出到储罐1105和/或使用点1100。当产物溶液从环路L中去除时或在产物溶液从环路L中去除之后，可以将另外的水溶液从水溶液源900引入至环路L。

如本文公开的电化学电池和装置或电氯化电池和装置可以作为较大系统的一部分被包括。在一些实施方案中，系统是基于海的系统，例如船舶或石油钻机，并且在其他实施方案中是基于陆地的建筑物，例如发电厂、石油钻井设施或系统或者其他工业设施。在其他实施方案中，系统是或可以包括游泳池或用于饮用水、废水或工业水处理工艺的处理系统，这些系统使用系统中的电化学装置的一种或更多种产品，例如消毒剂，以处理水或将水消毒。

这样的系统可以从系统外部和/或内部的源抽吸工艺液体或电解质，所述工艺液体或电解质在一些实施方案中是海水、微咸水或盐水。例如，如果系统是基于海的系统，那么外部源可以是海洋，并且内部源可以是例如船舶中的压载舱。在基于陆地的系统中，外部源可以是海洋，并且内部源可以是来自在系统中进行的工业工艺的微咸废水。

一个或更多个电化学系统可以从水溶液中产生产物溶液，例如氯化的水和/或包含次氯酸钠的溶液，并且将其分配到使用点。使用点可以是用于系统的冷却水源、用于船舶的压载舱的消毒剂源、石油钻井系统的井底或其中基于氯的消毒溶液可以是有用的任何其他系统。

实施例

上面讨论的实施方案和本发明的其他实施方案的功能和优点可以从以下实施例中进一步理解，这些实施例进一步说明了本发明的一个或更多个系统和技术的益处和/或优点，但是没有举例说明本发明的全部范围。

实施例1：施加的电压随时间的变化

电化学电池如本文所公开的运行。具体地，将DC电流施加至在100psi用氧气饱和的3.5％NaCl溶液。如图1中所示，电压在500秒内增加至1.6伏。氢气当从溶液中生成时被检测到。

如图1中所示，如果DC电流作为具有200秒或更短的持续时间的脉冲被施加，则阴极电位被限制在-1.5伏以内。在100秒或更短的时间内，电压被限制在低于-1.3伏。在50秒或更短的时间内，电压被限制在低于-1.0伏。

因此，电流可以以有限的脉冲施加，使得可以以更小的电位运行电化学电池。脉冲波形使得能够生成产物化合物，同时限制氢气生成。

实施例2：氢生成

电化学电池如本文所公开的运行。在图9中示出了示例性的实验电化学电池的示意图。电化学电池包括由镀Pt的Ti网状物制成的阳极-阴极对。在流动线(flow line)中提供由Ag/AgCl制成的参比电极，以收集电位数据。将在95psi氧气下加压的3.5％w/w NaCl和水溶液以约2m/s的线速度泵送通过电化学电池。

在约500秒后，在排出线中检测到氢气。氢生成的开始发生在跨过阳极-阴极对的约-1.6伏电位下。在类似的条件下，可以施加电流持续小于500秒以限制电化学电池内的氢生成。

实施例3：在±1A(±1,000A/m²)的反向脉冲电源

电化学电池如实施例2中所公开的运行。电极通过反向脉冲电源操作。在负脉冲时，指定的阳极生成次氯酸盐和氧的副产物。阳极反应如下：

Cl^-+2e^-→Cl₂ 1.358V

4H₂O+4e^-→O₂+4H⁺ 1.229V

脉冲模式下的1A电流(1,000A/m²)以具有50秒的持续时间的脉冲运行。跨过电化学电池的电极的电压在图10A中示出。在18,000秒内没有检测到氢。当在17升的储器中测量总共160ppm次氯酸钠时，次氯酸盐生成电流效率为约59％。

脉冲波形允许在电化学电池内以恒定的电压绝对值和稳定的电位随时间操作电化学电池，如图10B中所示。通过以脉冲波形施加电流，电化学电池可以运行持续延长的时间段，而不会导致压降和氢气产生。

实施例4：在±1.3A(±1,300A/m²)的反向脉冲电源

电化学电池如实施例3中所公开的运行。如图11A中所示，脉冲电流以±1.3A(±1,300A/m²)施加。在13,000秒内没有检测到氢。在17升储器中检测到总的次氯酸钠为220ppm。电极或电化学电池之间的电压绝对值保持恒定，如图11B所示。

实施例5：在±1.75A(±1,750A/m²)的反向脉冲电源

电化学电池如实施例3中所公开的运行。氧在100psi下加压。脉冲电流在±1.75A(±1,750A/m²)以脉冲施加，持续50秒。在约10-15％爆炸下限(LEL)下，在排出线中检测到氢。

随着进行的进行，溶液变得被氧饱和。氢减少，直到其在约1,500秒时达到0％LEL。如图12中所示，电压稳定。只要系统用氧气加压，氢就保持在0％LEL。

在约2,200秒时，系统压力释放，并且溶解氧浓度显著降低。此时电压增加，对应于氢生成的检测。

氧被重新引入到系统中。随着溶解氧浓度达到饱和，氢检测减少。

因此，在±1.75A(±1750A/m²)的电流下，可以通过将饱和的溶解氧引入到NaCl的水溶液中来抑制氢生成，该NaCl的水溶液被引入到如本文所描述的电化学电池中。

实施例6：过氧化氢生成

H₂O₂生成反应(+0.682V)比H₂O生成反应(+0.4V)更积极有利。通过改变所施加的电位，可以改变所公开的电化学电池的反应化学以产生H₂O₂。

电极面积取决于所施加的电流密度。对于每1kg 1.57kA/h的反应(假设100％法拉第效率)和1kg/h的生成速率，可以预期0.71m²面积的电极面积(1.57kA/(2.2kA/m²))。

在图13A所示的示例性实施方案中，水和溶解氧以高速度(>2m/s)运行穿过电化学电池。每个电极处的反应化学如下:

阳极：2H₂O→O₂+4H⁺+4e^- E⁰ _氧化＝-1.23V(氧生成)

阴极：O₂+2H⁺+2e^-→H₂O₂ E⁰ _还原＝+0.682V(氧消耗)

E⁰ _电池＝-0.548V

在图13B所示的示例性实施方案中，海水和溶解氧以高速度(>2m/s)运行穿过电化学电池。每个电极处的反应化学如下：

阳极：2Cl^-→Cl₂+2e^- E⁰ _氧化＝-1.236V(氯生成)

阴极：O₂+2H₂O+4e^-→4OH^- E⁰ _还原＝+0.40V(氧消耗)

E⁰ _电池＝-0.96V

过氧化氢可以由水和溶解氧生成，以减轻电化学电池中的氢气形成。

实施例7：每单位长度的电阻

在标准温度和压力(1大气压，20℃)下运行各种水溶液，计算具有不同通道面积的电化学电池中每单位长度的通道电阻。结果在图16A和图16B的图中示出。每面积电阻(Ω/mm²)的海水(3.7％盐度)趋势线如图16A中的中心系列所示。每通道直径电阻(Ω/mm²)的海水(3.7％盐度)趋势线如图16B中的中心系列所示。在海水系列之上，为了增加通道面积(mm²)或直径(mm)，绘制了盐度(0.5％-2.0％)小于海水的水溶液的电阻(Ω)。在海水系列之下，为了增加通道面积(mm²)或直径(mm)，绘制了具有大于海水的盐度(5.0％-25％)的水溶液的电阻(Ω)。

如图中所示，随着盐度的增加和通道面积的增加，每单位长度的电阻趋于降低。本文公开的被设计成用于高盐度水溶液的电氯化电池可以设置有增加的通道面积，而不用担心妨碍其功能的衰弱电阻。因此，具有彼此远离定位的第一腔室和第二腔室的电氯化电池可能有利于从海水中生成NaOCl。

本文公开的方面和实施方案不限于在随附的描述中阐述的或在附图中图示的部件的构造和布置的细节。本文公开的方面和实施方案能够以各种方式实践或实施。此外，本文中使用的措辞和术语是为了描述的目的，并且不应当被视为限制性的。本文中“包括(including)”、“包括(comprising)”、“具有”、“包含”、“涉及”及其变型的使用意指涵盖其后列出的项目及其等同物以及另外的项目。

Claims (25)

1.一种操作电化学电池的方法，所述方法包括以下步骤：

将水溶液引入到电化学电池中在所述电化学电池的阳极和阴极之间；

在足以从所述电化学电池中的所述水溶液生成产物化合物的电压跨过所述阳极和所述阴极施加电流；

监测选自由所述电压、在所述电化学电池中产生的产物溶液中溶解氢的浓度以及与氢气产生相关的所述水溶液的条件组成的组的至少一个参数；以及

响应于所述至少一个参数在预定范围之外，以脉冲波形跨过所述阳极和所述阴极施加所述电流。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述水溶液的所述条件选自由被引入到所述电化学电池中的所述水溶液的流量、溶解氧浓度、溶解氢浓度、pH、ORP和温度组成的组。

3.如权利要求2所述的方法，还包括基于所述水溶液的所述条件来控制所述电流的脉冲的持续时间、脉冲电流的发生率和跨过所述阳极和所述阴极施加的所述电流的大小中的一个或更多个。

4.如权利要求2所述的方法，还包括基于所述水溶液的所述条件来控制所述水溶液的引入速率。

5.如权利要求1所述的方法，还包括选择足以防止在所述电化学电池中产生氢气的所述预定范围。

6.如权利要求1所述的方法，还包括基于所述水溶液的流量、所述电压和所述产物溶液中溶解氢的浓度中的至少一个来控制所述电流的脉冲的持续时间、脉冲电流的发生率以及跨过所述阳极和所述阴极施加的所述电流的大小中的一个或更多个。

7.如权利要求1所述的方法，还包括至少基于所述产物溶液流出所述电化学电池的流量、所述产物溶液中所述产物化合物的浓度以及所述水溶液中氯化物的浓度中的一个或更多个来控制所述水溶液的引入速率。

8.如权利要求1所述的方法，还包括将氧化剂引入到所述电化学电池的上游的所述水溶液中。

9.如权利要求8所述的方法，其中将所述氧化剂引入到所述水溶液中包括将气态氧、臭氧、空气、富含氧的空气和过氧化氢中的一种或更多种引入到所述水溶液中。

10.如权利要求1所述的方法，包括响应于所述电压在约0.5V和4.0V的范围之外，以脉冲波形跨过所述阳极和所述阴极施加电流。

11.一种抑制电氯化电池中氢气积累的方法，所述方法包括以下步骤：

将液体电解质引入到电氯化电池中在所述电氯化电池的阳极和阴极之间；

监测选自由跨过所述阳极和所述阴极施加的电压、在所述电氯化电池中生成的产物溶液中溶解氢的浓度以及所述液体电解质的条件组成的组的至少一个参数，所述液体电解质的所述条件选自由被引入到所述电氯化电池中的所述液体电解质的流量、溶解氧浓度、溶解氢浓度、pH、ORP和温度组成的组；以及

响应于所述参数在足以防止在所述电氯化电池内产生氢气的范围之外，以脉冲波形跨过所述阳极和所述阴极施加电流。

12.一种电化学系统，包括：

电化学电池，所述电化学电池包括壳体，所述壳体具有入口、出口、设置在所述壳体内的阳极和阴极；

水溶液源，所述水溶液源具有流体地可连接至所述电化学电池的所述入口的出口；

第一传感器，所述第一传感器被构造和布置成测量电压和在所述电化学电池中生成的产物溶液中溶解氢的浓度中的至少一个；以及

控制器，所述控制器是可电连接至所述第一传感器的并且被配置成响应于所述电压和溶解氢浓度中的至少一个超过预定阈值，使电流以脉冲波形跨过所述阳极和所述阴极被施加。

13.如权利要求12所述的电化学系统，还包括第二传感器，所述第二传感器被构造和布置成测量所述水溶液的条件，所述水溶液的所述条件选自由所述水溶液的流量、溶解氧浓度、溶解氢浓度、pH、ORP和温度组成的组。

14.如权利要求13所述的电化学系统，还包括控制器，所述控制器是可电连接至所述第二传感器的并且被配置成响应于所述水溶液的所述条件在预定范围之外，使电流以脉冲波形跨过所述阳极和所述阴极被施加。

15.如权利要求13所述的电化学系统，还包括控制器，所述控制器是可电连接至所述第二传感器的并且被配置成基于所述水溶液的所述条件来调节所述水溶液引入到所述电化学电池中的速率。

16.如权利要求12所述的电化学系统，其中所述控制器被配置成响应于所述产物溶液中溶解氢浓度在足以在所述电化学电池的操作期间在所述阴极处引起氢积累的预定范围之外，使所述电流以脉冲波形跨过所述阳极和所述阴极被施加。

17.如权利要求12所述的系统，其中所述控制器被配置成基于所述水溶液的流量、所述电压、溶解在所述水溶液中的氧的浓度和溶解在所述水溶液中的氢的浓度中的至少一个，在所述电流的脉冲的持续时间、脉冲电流的发生率和跨过所述阳极和所述阴极施加的所述电流的大小中的一个或更多个中来调节所述阳极和所述阴极。

18.如权利要求12所述的电化学系统，还包括氧化剂源，所述氧化剂源流体地可连接至所述电化学电池的上游的所述水溶液源。

19.如权利要求18所述的电化学系统，其中所述氧化剂源被构造和布置成将过氧化氢从所述电化学电池的所述出口输送至所述水溶液源。

20.如权利要求18所述的电化学系统，还包括控制器，所述控制器被配置成至少基于所述电化学电池中存在的氢气的量、溶解在所述水溶液中的氢的浓度、溶解在所述水溶液中的氧的浓度和溶解在所述产物溶液中的氧的浓度中的一个来调节所述氧化剂引入到所述水溶液中的速率。

21.如权利要求12所述的电化学系统，还包括第三传感器，所述第三传感器被构造和布置成测量所述产物溶液的条件，所述产物溶液的所述条件选自由所述产物溶液中产物化合物的流量、pH、ORP、温度和浓度组成的组。

22.如权利要求21所述的电化学系统，还包括控制器，所述控制器是可电连接至所述第三传感器的并且被配置成基于所述产物溶液的所述条件来调节所述水溶液引入到所述电化学电池中的速率。

23.如权利要求12所述的电氯化系统，其中所述水溶液源包括海水、微咸水和盐水中的至少一种。

24.一种有助于电化学电池的操作的方法，所述方法包括：

提供电化学系统，所述电化学系统包括：

电化学电池，所述电化学电池包括壳体，所述壳体具有入口、出口、设置在所述壳体内的阳极和阴极；

第一传感器，所述第一传感器被构造和布置成测量电压和在所述电化学电池中生成的产物溶液中溶解氢的浓度中的至少一个；

第二传感器，所述第二传感器被构造和布置成测量流体地可连接至所述电化学电池的所述入口的液体电解质的条件，所述条件选自由所述液体电解质的流量、溶解氧浓度、溶解氢浓度、pH、ORP和温度组成的组；以及

控制器，所述控制器是可电连接至所述第一传感器和所述第二传感器中的一个或更多个的，所述控制器被配置成响应于所述电压、所述产物溶液中所述溶解氢的浓度和所述液体电解质的所述条件中的至少一个在预定范围之外，使电流以脉冲波形跨过所述阳极和所述阴极被施加；提供用于将所述液体电解质连接至所述电化学电池的所述入口的指令；以及

提供用于将所述电化学电池的所述出口连接至使用点的指令。

25.如权利要求24所述的方法，其中提供包括所述电化学电池的所述电化学系统包括提供包括电氯化电池的电化学系统，并且提供用于将所述液体电解质连接至所述电化学电池的所述入口的指令包括提供用于将含氯化物的水溶液连接至所述电化学电池的所述入口的指令。