TW200840120A - Electrochemical cell and method for operating the same - Google Patents

Description

200840120 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 、、也本發明係關於電化電池之領域，尤指水處理用之電解電 【先前技術】 恭斗技知有f種電化電池’以電解方核理水，例如 公用ίί,ΐίί:水消毒用之電池，或釋出氧供殺菌處 理用之電池。此#電池主要議題之—是形成污垢生成物，呈 塩結垢、_或其他微生物生長等，尤其是在電池内 陰極表面。此類污垢生成物典型上為料紐，對電化 致命影響，而且妨礙電解質進出活性反應處， 則上，安裝已污垢電極的電μ拆解j 了保養程序駐要成本外’還淨損生產力。此外，電化應 含有非導電性基材，塗佈催化活性成份之薄層了在 段々ηυϋϊ昂的貴ί屬及其氧化物。利用機械式手 性奮1 it ’ f極表面除核結垢或義，有損及該精緻活 f生塗膜之虞，表示更加沉重的經濟損失。 示之一項措施’是避免此等昂貴而危機之保 it，i電極的極性定期反逆限定時間，導致建立過 =暫“ ii於結職落或溶解（例如局部提高污垢陰極表 =時故，極_近讀性），或對抗藻類之殺8作用（例 如在/可垢陰極表面暫時釋出氯氣）。 如、、森術稱為電流逆轉’已知有不同具體例，使用於諸 電制途、發生次氯酸塩、游泳池水用氯化器内之電 電解法中碳酸舰垢之去除。凡此等實施例 離接=昧周期定期做為陽極一段時間：以電流逆轉模 悲刼作時間^長，電極清理愈有效率。 離極逆轉狀況之發揮功能太費時，當電池以清理模 —、不I造所需生成物時，可能造成淨電流效率降低之 200840120 外，也會發生損壞電極。在大多情況下，陰極的陽極 作，對特別為陰極操作而設計的材料完整性有損，包含二: 較佳陰極基材，諸如不銹鋼、鎳和鎳合金。在大多情1二 為操作間㈣流逆轉崎計的電池，利林_鈦^極，必 須以適當的貴金屬塗層加以保護。另方面，電流 ，對被逼做為陰極操作而特別設計之陽極材 膜mi i轉模態中，典型上會遇到釋放輕，為對所有 蕾、σ土材”，、〇之反應。因此，降低以定期電流逆轉操 用構造材料之自由度，典型上需要妥協簡合所有不 i上述限制影響到重大程度的典型卫業應用例， ίϋΐ 祕，尤其是待處理水的硬度高，以肿 物因…垢現象和生物上之陰極污垢所致。 不間提Γ—ΐ電化電池’以達成除去污垢生成物，而 池，、南於不而讀電極之極性，亦需提供一種電化電 游泳>ΐ水和/或次氯酸堪’以供壓艙水之殺菌處理和 【發明内容】 二陽具種電化電池’包括第-和第 加以分開之陰極和===用料電性媒體 第二陽極/_搞料、έΜ 夕乍動機構，把该弟一和 流饋送直流^電源，該作動機構和該電源適於輪 極，和該對極/陰極對之該陰 開放電路，而 、極’其餘陰極和陽極係在 極，和該送至該第二陽極/陰極對之該陰 開放電路。 * η對之该陽極，其餘陰極和陽極係在 6 200840120 陽極、非導電性構 么月另-具體例，針對—種電極總成 (a)至少二陽極/陰極對，各對包括 件、陰極；以及 至陽極，把陰 (b)連接至作動機構，能夠把陽極 極電流導至陰極。 ”& 本發明又一具體例，針對一種雷搞她. 極/陰極組群，包括位於陰極對之間的;數陽 第二終端陽極/陰極對，在總成末端的-和 陽極電流導觸極，把陰極魏_陰極。、冓’此夠把 電流導至陽極和:二===機=把陽極 :御频極輪流以第-操作狀態 【實施方式】 下 。本發明上述目的以及其他特點和優點，參照附圖說明如 本發明-種或以上之實施方式參照附圖加 ^相同參照數字指姻元件，而圖示結構不必錄比二尺 為說明本發明所用術語意義如下。 心1一」實體指該實體之—或以上，例如「陽極」或「陽 °「一，=指二陽極之「一或以上’或至少-陽極。因而， :包含」和「具有」可相互交換d「又「包一括」以 =:::=合物之-或以上，包含二或以上化 連接至電源’適於輪流把直流電在第一:;狀態 7 200840120 ίίΓ Ϊ t對之陽極，再在第二㈣雜舰至第一對之 和险ίϋί陰極’其中在各操作狀態不供應電流之陽極 和陰極，保持在開放電路。 πμΪ動^包含繼電器或技術上已知其他電化或電子固態 上配置:或二極體之配置，能夠將陽極電流 °把陰極電流導至陰極。在任一情況下，開關或- r

、择電二Ϊ電化或電子（固態）開關時，電源包括連續電 ，置成以相互合作之雙開關偶對，-雙開關輪流 二陰極對的陽極或陰極接至電源，另一雙開關把相鄰 =上相反極性之電極接至電源。此等電化或固態 繼電可為通吊已知之形式，諸如「雙極雙投」。 =二極體時，電源包括反逆直流電源，*二極體是配 置今相反極性偶對，各偶對二極體接至一陽極/陰極對，故 ,巴陽極連接至電源之所有二極體有一極性，而把陰極連接至 電源之所有二極體有相反極性。超過二陽極/陰極對性，亦

Iff四個二極體之單—集合，使—對二極體控制電流至並 對ί集合’而第二對二極體控制電流至也是並聯電極 對之第—集合。 為i本發明電池之適當發揮功用，在一具體例中，陰極 和/或陽極為多孔性，以防阻礙電解質和電流。陰極可由技 術上已知的任何典型陰極材料製成，包含不銹鋼、鎳或鎳合 $之-種以上，而陽極包括鈦基材，具有貴金屬或其氧化物 氣成之催化性塗膜。此等配置避免以電流逆轉模態操作，得 以增加陽極塗膜之使用壽命，亦可容許另類陰極材料。鈦陰 極經氫化，是對電池使用壽命添加限制因素。由於本發明g 池之陰極不需當做陽極操作，可用另㈣料，諸如不^鋼和 鎳合金，例如Inconell Hastelloy®或族類合金，而不需加以 催化。Hastelloy®是 Haynes Ltd·的商標，Inconel®是陳力 ud 8 200840120 膜包含鉑族金屬或氧化物，單獨或组合。且 塗 =用高表面積材料，諸如R㈣鎳或其^料 上，，Ni/A1，Ni/A顧〇)，於某些應用，諸、=枓 料合成，適用摻硼金剛石(bdd) ‘為ί極材 ί·Τ、同理:亦可使用Ti低氧化物，稱為M_li 為陽極或陰極，舰塗膜或整體結構。 丢極可為編織線材料、拉孔金屬、沖孔板， 。陰極可由長條或薄桿形成，中間有間隙，容；電 ^壞。陰極亦可較陽極驗，祕離 ^或以上之同心圓筒，其中孔隙性陰極（例如網）形成 ’’再在安裝在片狀（或網狀）陽極 δ 較少同樣形成_鱗，再與第—對同心安裝。Ί祕觸 巧1圖表示本發明電池（100)具體例。電 、）匕括板狀陽極（201)和網狀陰極（301)，利用一

ίΐί nt〇T^ (4〇la)'(401b) J 哈極對（12G)包括板狀陽極（2G2)和網狀陰極（ 非導電性構件（搬a)、（4G2b)分開。陽極和 =亟間之間隔或_ ’是由機械性考量決定，以免陽極/陰 ^丑路’以及陽極遮蔽。在一具體例中，難約_晒^ 、1勺〇 mm。在另一具體例中，間隙約0.5 mm至約1.5 mm。 $鄰陽極/陰極對中間之正確間隔亦重要，得以前後 f有效清理。在具體例中，陽極/陰極制之間隔，以二 對的陰極和相鄰對的面向陰極間之距離表示，約3 ()咖至約 9 200840120 (402ab)^i>f =具體例中，非導電性構件（伽山） 對⑽）、（12〇Τΐί導Ϊ性不連續隔體，位於陽極/陰極 括-或以上侔狀在另—具體例中，非導電性構件包 件，諸如槽式端_ ’不_電性構 杠打體例中，非導電性構件（401a，b)、（4〇2a，b)包括 Ϊ =氟乙材 =諸如聚合物材料，包含但不限於聚Ϊ TectfZL (ΡΤ/Ε);乙烯/氯三氟乙烯聚合物 聚乙嫌.取德歹一 Η^Γ ’是AUSim〇nt化學公司註冊商標； ^乙~ ’ ♦偏二氟乙烯（PVDF)，例如以咖⑧，是 ^註冊商標；聚氯乙稀；氯化聚氯乙烯（CPVC);或新平橡 (2〇Γ)極ί2(〇3ϋΐ3〇2)彼此面對’外面配置實體陽極 i罢ϋ )公’惟f於此道之士容易衍導出其他等效之電極 -，例如孔隙性陽極彼此面對，外面配置實體陰極。在一 具體例中，陽極和陰極均呈孔隙性。 電池（100)接至連續性電源（5〇1)之正負極，透過 動機構，包括二相互合作之雙開關，第一開關（701)接至 源（501)的正極（601)，而第二開關（7〇2)接至 (501)之負極（602)，計時器（510)或技術上已知之苴他 等效機構，控制開關（701)和（7〇2)同時操作，如彎^箭 頭所示。開關位置即在實直線箭頭所示組態（陽極（2〇1)接 至正極（601)，而陰極（302)接至負極（6〇2))，和虛線箭 頭所示組悲（1%極（202)接至正極（601)，而陰極（3〇1) 接至負極（602))之間定期輪替。在前一組態中，電極 (201)和（302)在第一操作狀態施能，使電極具活性，電 極（301)和（202)在第二操作狀態，使電極呈非活性，或 呈開放電路。反之，在後一組態中，電極（2〇1)和（3〇2) 200840120 呈，放電路，而電極（301)和（2〇2)受到施能。例如，以 =到碳酸齡鎂結輯影響的雜池氯化^狀次氣酸垣電 能陽極發生氯和氧導致的酸性電解質，流 /陰極，造成結垢溶解。其他陽極/陰極對的 &極^呈開放電路，因而不會經歷做為陰極的有害操作。 结第2圖表不本發明另一具體例，其中電池（101)實質上 ^iL圖Λ同’惟饋送直流電用的作動機構包括二極體 iL夫去^^财⑴配置哨第⑶電池共同的元件’以 在此具體例中’電源包括反逆直流電源 丨逆轉也是利用計時器（511)或技術上已知的等 1 ΐ構控f。各陽極/陰極對的各電極透過至少一個二極 二f,反逆直流電源（5。2)之正負極（6。3)和⑽，）。 巴：極（301)和（302)連接至各極⑽）和（6之二 =0:)和⑽)，具有相同極性，而把陽極(丄； 2=)連接至各極⑽）和⑽，）之二極體⑽）和 二1 反極性，如第2圖所示。電池（101)之功用 i施:Ϊϋ〇(Κ))相等；而—對之陽極和另—對之陰極 路，二ri陰極和陽極由於二極體配置，縣上呈開放電 二雷搞刻’有二電極進行所需電化過程（作業模態）， ί ΐ放電路（清理模態）。在二者情況下，調節二 即數，凡精於此道之士按照特殊製法之要求， 二二匕列如，二組態輪替期間從數分鐘至數小時。 疊易絲到電池（励）和⑽）適於堆 且成杈組配置，導致所需尺寸的單極電解池。 最，rt og())可以模組方式容易與其他等效電池堆 ^式摆形成r池，雖綠許多情況下，單 偶選擇，以倍增電池容量，對其他用途，以 以偏;池為宜。軸前此所述本發明電池並未顯示適合 °式連接，惟藉介置總成可得擬似偶極式電解池。第 11 200840120 u"電池，基本上專同習用二電池偶極堆疊 介人總成而得，各在前賴所示電; ，領外陽極/陰極對。凡精於此道之士容易觀 ，目的該介人總成’可得第3圖之擬似偶極配置，!直 寸。第3圖之擬似偶極電池⑽）是在 池？〇1)内介置-總成含二額外陽極/陰極對而得，： 易明瞭如何修飾第1圖之電池〇〇〇)，達成基本 上μ樣結果。

如第3圖所示，電池（1〇2)額外陽極/陰極對之總成， b括額外第-對（13G)，有陽極（21G)和陰極（31())，以一 或以上之非導電性構件（4〇3a)、（4〇3b)分開；以及額外 二對（140)，亦有陽極（211)和陰極（311)，以一或以上之 非導電性構件（404a)、（404b)。總成之額外二對（13〇)、 (140 )，以背對背關係設置，並以不透性非導電性構件 (410)分開。圖示實體陽極和網狀陰極，在二陽極（21〇) 和（211)間介置不透性非導電性構件（41〇)，得背對背關 係，惟精於此道之士容易識別以不同方式配置和定興的實體 和孔隙性之不同組合。如圖所示，額外第一對（13〇)的陽極 (210)透過二極體（82〇)接至額外第二對（14〇)的陰極 (311)，而額外弟二對的陽極（211)透過極性與二極體 (820)相反的另一個二極體（821)，接至額外第一對之陰極 (310) ’視電源（502)之極性，可施能於二陰極，例如 (301)和（311)，和二陽極，例如（210)和（2〇2)(作業 模態）’而其餘陽極和陰極基本上呈開放電路（清理模態）。 第4圖中顯示本發明又一具體例。電極總成（9〇〇)包括 複數陽極/陰極組（901a)、（901b)、（901c)，其中心陽極 (902a)、（902b)、（902c)位於陰極對（903a)、（903b)、 (903c)之間，在中心陽極（9〇2a)、（902b)、（902c)各 12 200840120 側，利用非導電性構件（909)分開。在總成（900)的末端 (904a)、（ 904b )，有第一和第二終端陽極/陰極對 (905a )、（ 905b )。陽極 / 陰極組（9〇la )、（ 9〇lb )、 (901c)，以及終端陽極/陰極對（9〇5a)、（9〇5b)各透過二 極體（906a)、（906b)、（9〇6c)、（906d)、（906e)連接。終 端對（ 905a)、（ 905b)和組（9〇ib)經二極體（9〇6a)、 (906c)和（906e)連接至電源（910)之極（907)，而組 (901a)、（901c)係經二極體（906b)和（906e)連接至電 源（910)之極（908)。

第5圖表示第4圖之另類具體例。與第4圖總成共同之 元件，以同樣參考數字標示。總成（95〇)包括第一和第二陽 極/陰極組（901a)、（901b)，有中心板狀陽極（902a)、 (902b)位於陰極對（9〇3a)、（9〇3b)之間，利用非導電性 構件（909，）分開。圖示具體例實質上等同於第5圖之具體 例，惟適當電極先並聯，再經作動機構（9〇6a)、（9〇6b)連 ，，把所利用二極體數減到最少，而非各陽極/陰極組 (901a)、（901b)和成對（9〇5a)、（905b)各有一集合之二 極體，如第5圖所示。 ”口一 實施Μ 本案包含下列實施例，證實本發明之特殊具體例。凡牆 =之=知，以下實施例内揭示之技術代表本丄^ 施本發明可充分發揮功能，因而可視為構成實 =的ί料態。惟凡精於此道之士由展示之内容，均知由 t之if體例可進行許多改變，健可得同樣或類似之 、、、口果，而不悖本發明範圍。 實施仞丨_[ 鈦陽極（厚〇·89 mm)塗佈商業級Ru0 /Ti〇塗料f 俄^州_市測CH，、、_)。陰“』

0.89 mm) ’在9(rc的18% Ηα内餘刻。電極裁成$ $咖X 13 200840120 15.25 cm。一 3.2 mm鈦桿附設於陽極，另一附設於 各角落置放小橡膠墊圈(〇.55:)， 再用錄餅把離陰極夾持於陽極。把 (Radio Shack 276-1661)附於各電極，其定向使 極2陰，流至陰極。二極體娜相反端i接 2对⑽cm)螺紋接頭，形成電化電池。 對。製成二電池。二電池均附設在循環泵（3〇咖 ，150加侖（568公升）槽，内含4的恤^和3 (，酸⑹。電池在室溫（大約2〇_25。〇幻1〇 j作Ca 士生，。=池之作業，不進行電流逆轉。另—電池g =母二小時即電流逆轉’使用電子計時器/繼電界。一^ 期後，打開電池’檢查結垢。不逆轉的陰 ，網狀結構，估計厚約5mm。逆轉的電池結垢不。 ίίΪ清理i重新啟動，使用6小時逆轉職。—星期後， 4 双查陰極顯不沉積物絕無僅有。 實施例2 和實施例1同樣的二對電極，於4 g/丨NaC1和7 =2S〇4内’在室溫，於麵編2作業，每i分 g 1 直至電壓快速上升，表示鈍化。二分開測試 = iiii 17501950° 4ai^T ^ 樣材料作業時，即不附設罐陰極，所得使料命门 =時和2?3小時。因此’本發明塗佈鈦基材的使 均延長七倍以上。 1卩十 f施例3 含實施例1所示電極二對之電池，按實施例i所 業’電流逆轉時間為10分鐘、丨小時、3小時和6小時 業5-8天後，累積結垢較以無電流逆轉作業的電池大為^ 200840120 少。 實施例彡 氯化器罩殼内。dst二1mm) ’安裝於游泳池 氯化器。電解質為4 yi 解貝’循環通過游泳池 PH 7.6-8.0，5 ί 3〇0 mg/1 Ca ( ^ CaC〇3) ^ 同樣集合之電極弟二個游泳池氯化器罩殼套f 電解質流(2以;j，r聯設置，有第-電2 時器’每3小時把電=。)第第;==和繼電計 電池的電流不㈣¥一電t接至相同電源，但此 拆除和拆f ^ 操歧3.5天。 (左側集合）的網狀 二^'片所不’未逆轉電池 作業)陽極亦有結垢沉積物鄰(未 ，後啟“二圖=二有(=積物者而 結垢均車父對照陰極大為減車繁、 丢β ) —者的 由未作業電極構成=較第6圖中心的陽極/陰極對’ 降等Ξϊί見而未3電池，結垢隨時間累積至電池效能 期去除。X 轉電池可繼續無關作業，因其結垢經定 不述ίίί限制本發明，按照不同具體例實施時， 以二本發日細w_咖為準。 機式^配圖置表示本發明具體例之電池，包括作動機構，含電 極體ϋ;圖表示本發明具體例之電池，包括伽機構，含二 第3圖表示本發明具體例之電池，包括二額外陽極/陰 200840120 極對之總成，呈擬似偶極配置； 第4圖表示本發明又一具體例之總成，包括複數陽極/ 陰極組，配置形成電池内之複數室； 第5圖表示本發明具體例之總成，包括第4圖之另類具 體例； 第6圖為照片，表示逆轉和未逆轉電極在游泳池氯化器 内操作後之外觀。 【主要元件符號說明】 100，101，102電化電池 110，120，130，140陽極/陰極對 201，202,210,211 板式陽極 301,302,310,311 網式陰極 401a，401b，402a，402b，403a，403b，404a，404b，909 非導電性構件 410 不透性非導電性構件 501 電源 502,910反逆直流電源 510,511 計時器 601 正極 602 負極 701 第一開關 702 第二開關 900,950電極總成 801，802,810,811，820,821 二極體 901a，901b，901c 複數陽極/陰極組 902a，902b，902c 中心陽極 903a，903b，903c 陰極對 904a，904b 總成的末端 905a，905b 終端陽極/陰極對 906a，906b，906c，906d，906e 二極體 907,908 電源之極 16

Claims (1)

1. 200840120 十、申請專利範園·· 第-和第二陽極件刀開之陰極和陽極，以及把該 動機構和該，原適於輪流饋送之至少一作動機構’該作 極，和該第:陽^;乍5二’达至該第-陽極/陰極對之該陰 放電路；而/陰極對之該陽極 ’其餘陰極和陽極係呈開 極，和該第1陽达至該第二陽極/陰極對之該陰 放電路者 /陰極對之該陽極，其餘陰極和陽極係呈開 2·如申請專利範圍第1項 包括二極體或電機式或電子式開關之配置^ 7作動機構 和陰極或2項之電池’其中各對内的陽極 ^位間之距離，約_ mm至約10麵者。 細陽極和陰 鄰對5的如:向==第離::巧二其:二中的陰極和相 者。 啡隹約3.0 mm至約4.5 mm之範圍 專圍第2項之電池’其中該電源包括反逆直 ς電源’而該二極體配置包括第—和第二偶對之二極體，各偶 ^一極體有相反，性’該第一偶對二極體係連接至該第一陽 董/，極對，而該第二偶對二極體係連接至該第二陽極/陰極 =，接該陰極，該電源之該二極體，具有同樣極性，連接該 電源之=二極體，具有與連接該陰 二 極體相反之極性者。 7.如申請專利範圍第2項之電池，其中該電源為連續性電 源’而该電機式或電子式開關包括第一和第二互相合作之雙開 17 200840120 之該陰極或該陽極連接亥弟二陽極/陰極對 成，第3項之電池，其中又包括至少-總 陰極對之間，各額外’介置於該第—和該第二陽極/ 開，該額外陽極/陰極;^由非導電性媒體分 :額外陽極/陰極對之陽極，透過至少 f' -链冰陪i _接至5亥第二額外陽極/陰極對之陰極，哕第 一稱陽極/陰極對之陽極，透過至少―第二個j f苐 3弋額2陽，/陰極對之陰極，該額外陽。之g t申1第二個二極趙具有相反極ϊί 者。 J耗圍弟1項之電池，其中該陰極係具孔隙性 料包：申二專二圍第及=電'=中該陰極之構造材 蝴金剛石、石墨或玻璃狀破鋼、錄和錄合金 '摻 申請專利範圍第1項之電池，其中陰極材料具有電催 1料’包括倾金屬或氧化物和/或摻氮金剛石者。 材：責申金請屬 分1 目3ίΓ請專利範圍第1項之電池’其中該陽極包括a ’八有^綱石塗料，或使關立摻硼金剛石陽。土 |4·如中請專利範圍第丨項之電池，其中該陽極和 性3^gneh相低氧化鈦，可為金屬性基材上之塗料或整5 模組極式電解池’包括申請細_ W項之電池 16·—種電極總成，包括·· 18 200840120 件、陰(ift陽極/陰極對’各對包括陽極、非導電性構 流至陰ϊΐ接至飾機構，能細丨鶴極電流至陽極，陰極電 極體ϊίΐ請專職圍第16項之總成，其中作動機構包括二 機專利範圍第16項之總成，其中作動機構包括電 機式或電子式（固態）繼電器者。 靖專使1 電極發生氧或:缝_之方法，包括提供申 忒ΪΪΪ弟項之電化電池；ii在該電池内發生氧和/或 靖專電極供殺祕理壓艙水之方法，包括提供申 ^專利1_9項之電化電池；並崎財式處理壓驗水 專刺朗電極供游泳池樣化之方法，包括提供申請 專和乾圍幻-9項之電化電池；並將游泳池水加以氯化者。

   引種陽極/陰極對，組合侧機構’能夠把陽極電流 導至％極，陰極電流至陰極，其中該成對之該陽極或該陰 極，以第一操作狀態和第二操作狀態輪流作業者。 操作請專纖圍第22項之陽極/陰極對，其中該第一 電路^恶為活性㈣’而該第二操作狀態為非活性狀態或開放 24·—種電極總成，包括： ⑻複數％極/陰極對，包括中心陽極，位於陰極對之 間； 一 (b) 在總成末端之第一和第二終端陽極/陰極對；和 (c) 作動機構，能夠引導陽極電流至陽極，陰極 至 陰極者。 25·如申請專利範圍第24項之總成，其中各陽極/陰極對 19 200840120 之各電極，透過至少一作動機構，接至反逆電源之正負極者。 26. 如申請專利範圍第24項之總成，其中各陽極/陰極對 之各電極，先並聯再接至作動機構者。 27. —種電化電池，實質上參照附圖說明如上者。

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