一体化臭氧发生系统的制作方法

专利名称：一体化臭氧发生系统的制作方法
发明的背景发明的领域本发明涉及用于例如水净化等各方面的臭氧生产。更具体地，本发明涉及一种电化学池和在该电化学池中发生臭氧的方法。
相关技术背景臭氧长期被认为是一种有用的化学物品，尤以其突出的氧化活性独具价值。因此活性，臭氧在消毒、去除氰胺、苯酚、铁、锰及洗涤剂方面有广泛用途。因此，臭氧在各方面有广泛应用，而且如果生产成本下降，应用范围无疑还会扩大。另外，由于不论气态、液态的臭氧，在浓缩时或溶于溶剂中、或吸收在池中时，都易爆，其运输有潜在的危险。因此臭氧在一般情况下都在使用处就地生产。然而，臭氧发生设备成本和生产的能效低下妨碍了臭氧在许多方面和许多场合的应用。
臭氧可以通过电解生产，生产中，电流(一般为直流)跨接浸在电解液中，也就是导电液体中的电极上。电解液中含有水，水在电解时分解为其组成的元素O2和H2。在适宜的条件下，氧元素还可以O3形态出现。O3的出现可表达为∶ΔH°298＝207.5Kcal然而迄今在现有实用的电解系统中还没有能实现高产出。
而且，因为臭氧气体寿命很短，最好在很接近要消费臭氧处产生，并以基本上与消耗速率相等的速率产生。由于目前的许多臭氧应用涉及用于氧化水、气流和土壤中的污染物。一般地，把污染物运到中枢臭氧处理厂是不现实的。相反，必须在污染的现场产生臭氧。这些场所可为工作着的，可为废弃的厂矿，或者是几乎无用或无用的偏远地区。而且臭氧的消耗率也要随净化过程的类型和现场本身的自然条件而变。
可惜的是，人们很少注意发展臭氧生产电化学池的配套的和自动操纵的支持系统及用具。为使此类系统有商业价值，系统必须可靠，不需经常保养，运转效率高，并能以标准市电运转。在满足这些目标的同时还应提供能以成本效益好的方式在净化现场使用的简单系统。
因此需要一种有效地用标准交流电和水运转的臭氧发生系统，以产生稳定可靠的臭氧气流，该系统如果是配套的、自动操纵的，并且很少需要保养，应是很理想的。如果能将连续地按需求的速率供应臭氧应是更理想的。
还需要一种臭氧发生系统，它有效地用标准交流或直流电及水运转，以发送在直接使用的压力产生的可靠的臭氧气流，另外，其它的应用将受益于一种已溶于水的高浓度臭氧流，它可以直接使用，也可以稀释进过程水流以达到目标臭氧浓度。如果该臭氧发生系统是配套的，自动操纵的，并且很少需要保养，将是理想的。如果该系统有最少数量的运动或者说磨损部件，并与目光电池、车辆发电系统、或电池电源等低压电源兼容将是更理想的。
本发明概述本发明提供一种臭氧发生系统，它包括一个或多个含有一个阳极流场或室，和一个阴极流场或室的电解池。该系统还包括一个与阳极流场流体连通的阳极蓄池，该阳极蓄池含有一个排气阀；和一个与阴极流场流体连通的阴极蓄池，该阴极蓄池含有一个排气阀。阳极和阴极蓄池可含有一个入水口。阳极蓄池优选地含有一个与阳极蓄池热连通的水冷构件和一个水循环构件。阳极蓄池可含有一个竖管，竖管有一个小孔以平衡竖管和阳极蓄池中的水位。阳极蓄池可经一个控制阀与阴极蓄池流体连通。该系统还含有一个有与阳极蓄池流体连通的一个入口和与阴极蓄池流体连通的一个出口的泵。阳极蓄池优选地高于阳极流场并且阳极蓄池的入口优选地与阳极流场的顶部连通。系统中可包括一个系统控制器，它编程为按阳极蓄池的水位操纵阳极蓄池排气阀。该系统控制器还可编程为按阴极蓄池的水位操纵阴极蓄池排气阀。
在本发明的另一方面，提供有发生臭氧的方法，包括下列步骤在一个或多个含有一个阳极流场和一个阴极流场的电解池中电解水，把氢与臭氧和氧分离；在阳极流场和阴极蓄池间循环水；在阳极蓄池中从水中分离臭氧和氧；从阳极蓄池中排出氧和臭氧；把水从阴极流场接收入一个阴极蓄池；从阴极蓄池的水中分离氢；从阴极蓄池排出氢；并在需要时向各蓄池添水以保持连续生产臭氧。该过程还可包括在阳极蓄池中冷却水。优选地，来自阴极流场的水可经一根阳极蓄池中的竖管循环至阳极蓄池。优选的竖管在其基部有一个小孔以平衡水位。可把水从阴极蓄池加往阳极蓄池。阳极蓄池和阴极蓄池可在相同或不同的压力下工作并保持分别设定的压力点和基本上恒定的水位。最好，阳极蓄池工作在低于阴极蓄池的压力下，例如分别为约30psig(206.8kN/m2)和约40psig(275.7kN/m2)。从阳极蓄池排出的气流含约10％至10％重量之间的臭氧。
该臭氧发生器可含有一或多个有一个阳极和一个阴极的电解池；一条连接电解池的供电电路；一个与阳极流体连通的阳极蓄池，阳极蓄池含有放气构件；一个在阳极蓄池和阳极之间流体连通的循环构件；一个与阴极流体连通的阴极蓄池；一个与电源电路、循环构件和阳极放气构件电气连通的系统控制器；和一个连接系统控制器上的记忆装置，记忆装置包括一个可读程序编码，用以选择包括有下述步骤的过程在电解池中电解水，在阳极池和阳极蓄池之间循环水，从阳极蓄池的水中分离臭氧和氧，从阳极蓄池中排出氧和臭氧，从阴极池向阴极蓄池中接收水，以及在需要时从阴极蓄池向阳极蓄池加水以保证连续生产臭氧。该臭氧发生器还可包含一个与阳极蓄池中的水热连通的冷却构件和/或一个与电解池电气连通的备用电池。
本发明提供一种臭氧发生和发送系统，它包括一或多个含有一个阳极和一个阴极的电解池。该系统还包括一个与阳极流体连通的阳极蓄池。阳极蓄池可含有一个入水口和出水口以充灌新鲜水和排出臭氧泡和水。阳极蓄池可在其顶部含有一个疏水构件，使臭氧和氧气能逸出阳极蓄池，而水保留在蓄池中。阳极蓄池可以与一个热电装置、机械致冷单元或散热器之类的冷却构件热连通，来从系统消除废热。阳极优选地直接与阳极蓄池中的水接触，使水能在蓄池自由交换，并使气体能从阳极传输到阳极蓄池。一个提供去离子水、反渗水、蒸馏水或其它合适供水的水源可设置得与阳极蓄池流体连通，优选地经过一个防倒流装置。变通地，阳极可工作在自加压方式，这样在阳极压力瞬间下降时，水源压力能够克服阳极压力，而用水灌充阳极蓄池，此后阳极压力下降结束，阳极重新经产生气体自行加压。阳极蓄池压力可通过水源与阳极蓄池之间的防倒流装置或者阀门保持得高于水源压力。以此方式，阳极蓄池中的压力可升高到任何要求的压力，至硬件的设计压力。
该臭氧发生系统可含有一或多个含有一个阳极和一个阴极的电解池；一个连接该电解池的电源电路；一个电解池的备用电池，以延长阳极电催化的寿命，并对臭氧的需求提供快速响应；一个与阳极连通液体的阳极蓄池和一个由多孔疏水膜构成的气体释放装置；一个与多孔疏水膜构成的阴极气体释放装置连通液体的阴极；一个用于把阴极的水返回阳极的循环管线；和一个从系统消除废热的冷却构件。
本发明的又一个方面提供一个废气摧毁系统，它利用催化剂把氢与空气中的氧化合以消耗氢而不产生火焰和余热。除了其它可利用此高度数、无污染废热的过程之外，该氢摧毁系统可以与一个含有适于把臭氧转变为双原子氧的臭氧摧毁系统热连通。
在本发明的再一个方面中，提供一种产生和发送臭氧的过程，含有下列步骤在一个或多个电解池中电解水，以在阳极产生氧和臭氧的混合物，在阴极产生氢；利用气体上升，气体强迫和热力等自然循环手段在蓄池和电解池之间循环水，用多孔疏水膜从阳极水中分离臭氧/氧气，从阴极接收氢气和水；从阴极水中相态分离氢；经过电渗透把原先从阳极转移到阴极的水返回到阳极；使用多孔疏水膜分离和排出氢，这消除了对机械阀或控制系统的需要；连续或者周期性地向阳极加水以保持水供应，自加压该系统使得能够发送增压的氧/臭氧、氢，以及氧/臭氧饱和的水。可以采取其它有益的步骤，包括在升高的压力下操作系统，把高浓度的臭氧溶于溶液，并在压力下发送臭氧气体和臭氧水以消除进一步泵压；从系统中消除余热和降低系统的温度，以把更多的臭氧溶于水中并增加臭氧的寿命；摧毁多余的臭氧和氢，使系统能运转在封闭的环境中而不需要通风；利用摧毁氢的废热来强化臭氧的催化摧毁；及/或利用整个气体摧毁单元的高度数废热为其它过程供热。
本发明提供一种臭氧发生和发送系统，包含一个有一个阳极和一个阴极的电解池，一个与阴极连通的阴极蓄池，和一个置于与阴极蓄池热连通的冷却构件。阴极可以形成阴极蓄池的一部分。在阴极蓄池的阴极相分离器室处，可包括一个置于阴极相分离器室顶部的气体出口，而阴极置于阴极相分离器室的底部。而且，阴极相分离器室应提供与阴极的流体连通，使水和气泡在阴极和阴极相分离器室之间能够自由交换。该臭氧发生和发送系统还可包括一个与阳极流体连通的阳极蓄池，一个与阴极蓄池连通液体的水源，一个经过一防倒流装置与阳极蓄池连通液体的水源，及/或一个气体出口处的压力控制装置。可选择地，阳极蓄池可含有一个储液器，一个位于蓄池顶部的气体出口和一个置于气体出口上方的多孔疏水膜，其中阳极蓄池的多孔疏水膜使气体能从水中分离而压住水。该系统还可以含有一个提供从阴极相分离器到阳极蓄池的流体连通的循环管线，可在循环管线中带有一个防止倒流的装置。优选地，循环管线有足够小的直径，以防止溶解的臭氧从阳极蓄池向阴极相分离器的扩散。更优选的是，阴极和阳极由一个质子交换膜分开。该系统可含有一个置于气体出口中的压力调节构件。此外，阳极蓄池可进一步包含一个阳极蓄池基底附近的出水口。
本发明还提供一种臭氧发生和发送系统，含有多个电解池，每个有一个阳极和一个阴极，并进一步含有与阳极连通的阳极蓄池，阳极蓄池优选地含有一个气体出口和一个置于该气体出口之上的多孔疏水膜。多个电解池优选地处于过滤器紧迫设置(filter press arrangement)下，但也可以设置得与形成阳极蓄池一部分的阳极在一起。
另外，本发明提供一种产生和发送臭氧的电化学方法，包括下列步骤(a)在一或多个电解池中电解水以在水中于阳极处产生臭氧，并在水中于阴极发生阴极产物；(b)在阴极和阴极蓄池之间循环水；及(c)冷却在阴极蓄池中的水。氢气可用一个置于阴极相分离器中的多孔疏水膜从水中分离。该方法还可包含经一个质子交换膜从阴极向阳极的反扩散水，其中，质子交换膜置于阴极和阳极之间。进一步，该方法还包括在压力下从阳极发送臭氧气体及/或在压力下从阳极蓄池发送阳极水。
本发明的进一个方面提供一种电化学池，含有一个可压缩电极，一个刚性电极和一个挤压在可压缩电极和刚性电极之间的质子交换膜。优选地，可压缩电极和刚性电极内含一种流体，其中在压缩电极中流体受的压力可大于刚性电极中流体所受的压力。该电化学池可进一步包含一个在可压缩电极之后的刚性支持构件，以减小对可压缩电极的压力。
最后，本发明提供一种运转电化学的方法，包括(a)以基本上等于反应剂消耗的流速向一个电极提供一种反应剂，和(b)以远大于该反应物消耗的流速周期性地用该反应物冲刷电极，以去除积累在电极上的成份。可选地，该方法还包括(c)监视反应物进入电极的流速。
附图简述参照附图所示的实施例，对本发明作更具体的说明，可理解以上概述的本发明的上述特征和优点。应当注意，附图仅示本发明的典型实施例，因此不应认为限制其范围，因为本发明可用于其它等效实施例。


图1所示为自动操纵的臭氧发生器示意图，它仅用电力和蒸馏水运转；图2为另一臭氧发生器的示意图，它不用控制器、阀及水位传感器；图3为生产臭氧的电解池的分解透视图；图4为适用于图2电解池的池架正视图；图5为完全被动臭氧发生和发送系统的示意图，它仅以水和电源工作；图6是一个阳极形成阳极蓄池底板的电化学池示意图；图7为有多个并排安置的但电气串联的阳极和阴极的另一个电化学池的剖视图；图8为图3所示电极和支板的正面视图；图9为图3所示电解池的剖视图；图10为完全被动臭氧发生系统的示意图，带有设计成过滤器迫紧型构造的又一种电化学池120；图11为设计成过滤器迫紧型构造的又一种电化学池120的剖视图；图12为自动充压臭氧发生和发送系统的示意图；图13A和图13B为适用的恒流电源，具有三个向电解器供电的输出电平；
图14为自动操纵的臭氧发生和发送系统的示意图；具有一个置于阴极蓄池中的冷却构件；图15为被动臭氧发生器的示意图，它不用电磁阀控制器、电磁阀及水位传感器；图16为适用于生产臭氧的电化学电解池组的分解图；图17为图16所示池架的正面视图；图17a为围绕几个池元件形成的池架的剖视图；图17b为围绕几个池元件形成的另一池架的剖视图；图18为一种被动臭氧发生器的示意图，它不用阳极蓄池；图19为一种被动臭氧发生器的示意图，它不用阳极蓄池，但依赖于水从阴极到阳极的反扩散；图20为一种被动臭氧发生器的示意图，它不用阳极蓄池，但向一个管形质子交换膜供水；图21为一种臭氧接合系统的剖视图，它带有向水中提供臭氧反流的导流板；图22为再一种臭氧接合系统的剖视图，带有内疏水膜和外水流膜；图23为一种臭氧发生器的局部示意图，具有一个置于阴极蓄池和阳极之间的小孔和一个阳极冲刷系统；图24为一个整体的臭氧释放和重新接合系统230。
本发明详细说明本发明提供一种臭氧发生器，用于向许多工业过程提供臭氧，例如用于光催化氧化在地下水之类无机溶剂中的有机成份。该臭氧发生器包括一个或多个电解池，后者含有一个阳极、一个阴极和一个置于阳极和阴极之间的质子交换膜(PEM)。该PEM不仅传导质子，而且还隔绝电子并不透气，以保持阳极产生的臭氧和氧气与在阴极产生的氢气或其它气体相分离。该臭氧发生器还含有一个阳极蓄池，蓄池具有排出氧和臭氧的排气阀，发生器还有一个用于循环在阳极蓄池和阳极流场间水的循环构件，并且，可选地，有一个冷却阳极蓄池中水的冷却构件。该臭氧发生器还含有一个具有一排出阴极产生气体的排气阀的阴极蓄池。尽管两个蓄池可有分开的注水口，最好蓄池经过一个隔离阀连通，使阳极蓄池可以从阴极蓄池充水，而同时连续生产臭氧。该臭氧发生器易于设计为自动操纵的结构，使用一个系统控制器，它编程为使阳极蓄池和阴极蓄池以恒压工作产生臭氧。
臭氧源最好产生一个臭氧在氧中含约10％至18％重量的气流。这种电解池，包括去极化电解池，述于美国专利No.5,460,705，其说明在此引作参考。一种生产臭氧的全自控操纵电解池更优选地用于遥远地点，如地下水处理设施中。
本发明的一个方面，阳极蓄池含有一个冷却蓄池中水的冷却构件。因为冷却过的水再循环到阳极间，电解池保持在30℃温度以下，在此温度下池的运转最为高效。没有冷却构件，电解池中的电阻产热来增加电解池的温度，影响电解池的运转。
在本发明的另一个方面，臭氧发生器设有臭氧摧毁单元，或称“臭氧摧毁”。臭氧摧毁与阳极蓄池的臭氧排放连通。生产并分离出的、但是在某些臭氧消耗过程中没有使用的臭氧量，在接触时催化摧毁。臭氧摧毁含有Fe2O3、MnO2或者贵金属(如铂、钯)之类的催化剂，更优选MnO2或者铂。
本发明的又一个方面提供一种简化的阳极蓄池，其中取消了臭氧控制阀和水位传感器。简化的阳极蓄池含有一个选择性通过臭氧和氧气而滞留水的膜。该膜优选地为多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜，可从W.L.Gore & Associates Inc.(位于Elkton，Maryland)购得，商品名为GORETEX。简化的阳极蓄池还能取消连接阳极和阴极蓄池的管路中的关断阀。没有关断阀，水自由地从阴极蓄池流向阳极蓄池以保持阳极蓄池充满水。
本发明的再一个方面提供一种高效地生产臭氧的电解池。该电解池使用一个质子交换膜(PEM)，例如全氟化磺酸聚酯片，紧密夹在阳极和阴极催化剂之间。阳极和阴极催化剂也分别与阳极流场和阴极流场紧密接触。流场要么与置于各池之间的双极板、要么与电解池组两端的电流收集器板电接触。阳极流场优选地用钛之类的阀用金属制造。然而，由于阀用金属在氢气作用下会脆化，阴极流场优选地用非阀用金属的制造，例如不锈钢、镍、铜或其组合。
本发明的进一个方面提供一个阳极和阴极流场，各有一个邻近PEM的、平坦光滑且多孔的第一区，和一个更开放并提供一个低阻流路的第二区。第一区提供膜和电催化剂基本上连续并且均匀地支撑，使压挤电解池组时不破坏膜和电催化剂。优选的阳极流场有一个由多孔的粉末冶金钛制成的第一区，和一个由辊轧延展的钛制成的第二区，每一片从前一片旋转90°角。可把二氧化铅(PbO2)之类的催化剂沉积在多孔的粉末冶金制成的阳极流场表面，也可沉积在PEM的表面。优选的阴极流场有一个不锈钢毡或绒和多孔不锈钢制的第一区，和一个辊轧延展的不锈钢制的第二区。如果第二区由延展的金属制造，优选地至少使用两个延展的金属片，且每个金属片相对于前一个金属片偏转，最好为约90°。采用多个延展金属片基本上消除了流场阻塞，在用单个延展金属片时可能会发生此类阻塞。
因为不锈钢毡如此易于压缩，一种最优选的阴极流场含有不锈钢毡，至少两个辊轧延展的不锈钢，和一个置于毡和延展不锈钢之间的刚性穿孔的不锈钢片。优选的穿孔不锈钢片有大于毡中通道和小于延展不锈钢中开孔的透孔。刚性穿孔不锈钢片为不锈钢毡提供支持并防止辊轧延展不锈钢片损坏不锈钢毡。
采用不锈钢或钛之类的毡提供了具有物理支持的膜，而刚性低于烧结料并且可以与膜或者膜对侧的烧结料相符合。毡的可压缩性防止对膜的总形变或者其它损伤，同时保持良好的接触和支承。尽管毡可以用于电解池的双侧，但一般优选地，毡仅用于一侧，不论是阳极还是阴极。但是，由于毡的刚性低于烧结料，优选地把毡用在电解池的高压侧，以防止毡被压塌。
本发明提供一种适于小规模应用的臭氧发生和发送系统。尽管本发明的臭氧发生器可以制得相当大，但发生器也可制得相当小而紧凑，以按应用来生产臭氧。该臭氧发生器易于操作，并要求很少的保养。
在本发明的一个方面，一个阳极蓄池带有一个疏水膜，来相分离在阳极从水中生产的氧和臭氧。疏水膜取消了对复杂的阀及水位指示器的需要，从而减少了潜在的损坏和维护。在阳极蓄池中采用疏水膜的另一个好处是蓄池可以充满水，从而最有效地利用蓄池的空间。本发明使用的疏水膜包括任何抗臭氧、透气而抗水的膜。可用的疏水膜例子包括多孔的聚四氟乙烯(PTFE)和渗有氟化聚合物的多孔金属或陶瓷。
在本发明的另一个方面，一个阴极相分离器带有一个疏水膜，来从电渗转移到阴极的水中产生的氢分离出来。该疏水膜置于阴极相分离器中，在从阴极形成的含氢水的上方。阴极相分离器可以独立于电解池或阳极蓄池安放，从而提供了总系统结构和尺寸的灵活性。
在本发明的又一个方面，阳极蓄池可连接到阳极，使阳极正面与阴极蓄池直接连通液体，即水和气体可以自由流动其间。直接地连通液体使阳极处生产的臭氧能不经过管路及歧管系统而通入阳极蓄池，那些管路系统从本质上会造成臭氧泡聚结。在阳极处形成和分离微泡加强了臭氧溶入阳极水中并增加了阳极蓄池的臭氧储存能力。把阳极直接连接到阳极蓄池的另一个优点是，高效地从阳极带走余热。由于上升气泡使阳极靠自然循环冷却，因此该系统比利用泵强制循环方法对臭氧破坏得更少。
本发明的再一个方面中，阳极蓄池可提供一种含臭氧气体、一种含高浓度臭氧的水流、或兼备二者。如果打算让阳极蓄池两者都发送，含臭氧气体从阳极蓄池顶部附近的疏水膜上方得到，而含臭氧水流则从邻接阳极的阳极蓄池底部附近抽出，即此处臭氧浓度最大。如果只需要臭氧气体，阳极蓄池的尺寸可以按照臭氧需水起伏而设计为最小。
本发明的另一个方面，可不用泵而在压力下发送氢气、臭氧气及/或含臭氧水。在一种完全被动的系统中，一个水源自由地与阳极蓄池和阴极相分离器连通，使氢气、臭氧气和含臭氧水可以水源同样的压力发送。被动系统全无运动部件，极少需要保养。如果需要较高压力，可以使用一种自加压系统，其中用一个防倒流装置保护低压的水源，而从阳极蓄池出来的臭氧气出口包括一个压力控制装置。臭氧气体和氢气的输出压力互不相关，直到达到共同的最大压力。
本发明的又一个方面提供一种有效地从阳极气体中洗涤臭氧的阳极蓄池。优选地把热补给水源导入阳极蓄池的顶部，由此建立一个温度梯度(高温在顶部，低温在底部)和一个臭氧饱和梯度(高臭氧浓度在底部，低臭氧浓度在顶部)。紧邻阳极并位于蓄池底部最冷的水保持臭氧的最高浓度，并提供第一个捕捉来自气泡流的臭氧的机会。加进阳极蓄池顶部的水仅能捕获不能为其下方的水利用的臭氧，该下方的水就是向臭氧消耗过程发送臭氧的第一种水。
本发明的又一个方面提供一种独一无二的气体摧毁系统，它可摧毁废氢及/或臭氧。氢气与氧(或空气)混合并通过摧氢催化剂而产热。热气，包括多余的氧然后可与多余的臭氧结合，向下游经过一个臭氧摧毁催化剂。由于臭氧发生器不停地产生氢。氢摧毁产生的热把臭氧催化剂保持在较高的温度使之更具活跃性，并不停地干燥臭氧摧毁催化材料。以此方式，臭氧摧毁催化剂保持在随时可摧毁臭氧的状态。变通地，氢摧毁可提供高度数的热，可用于其它无关的过程，例如加热家用热水。
本发明提供一种用于现场产生和发送臭氧的臭氧发生器，它可以按适合的恒定的或可变的需求以相应的速率提供臭氧。该臭氧发生器可以工作为批量方式，此时对臭氧的短期需求显著高于电化学池和最高臭氧发生速率，而此需求又是周期性的。在此情况下，如果日平均需求相当于日平均产量，该系统可在水中溶解足够量的臭氧，从而如果相关过程需要臭氧时，可以以高浓度形式提供，并在注入过程水流时稀释之。本发明的臭氧发生器可以为该过程提供含高浓度溶解臭氧的水流、高百分比重量臭氧的气流，或二者兼有的臭氧。
该臭氧发生器包括一个或多个电解池，后者含一个阳极、一个阴极和一个置于阳极和阴极之间的质子交换膜(PEM)。PEM不仅传导质子，而且隔离电子且不透气，来把在阳极产生的臭氧和氧气与在阴极产生的氢和其它气体分开。优选的PEM为全氟化磺酸聚合体，商品名为NAFION，可从Du Pont de Nemours公司(位于Wilmington，Delaware)购得。
该臭氧发生器还含有一个阳极蓄池，它与阳极连通液体，并且具有一个从液态水中分离臭氧和氧的装置。该阳极蓄池优选地安放成可使从阳极蓄池到阴极自由流动，并可使水、氧气、臭氧气从阳极到阴极蓄池自由流动。还优选地，适当地设计和定向阳极及阴极蓄池，使得水的自由流动还受一种正常运转的结果产生的过程所驱动，例如由热梯度和阳极产生气体泡的上升形成的自然循环。如果要求使用的是产生臭氧饱和水，阳极与阴极蓄池之间的流体连通就设计成尽可能减少臭氧气泡聚结，保持小臭氧气泡尺寸使气泡的表面面积最大，从而加强了与阳极蓄池中水的接触。
该阳极蓄池还有一个多孔疏水膜，其安放的方式为氧和某些在阳极产生并混在阳极蓄池内的水中的臭氧之间提供相分离。采用疏水膜，使阳极蓄池能够直接接触水源，来不断地充灌阳极蓄池并在与馈水相同压力下发送臭氧气、氧气和溶解在阳极水中的臭氧。水源优选地经小直径管路与阳极蓄池连通，以减少或消除由于扩散出该系统而损失的臭氧量。优选的多孔疏水膜由聚四氟乙烯(PTFE)制成，如W.L.Gore & Associates公司(位于Elkon，Maryland)出售的GORETEX。
该臭氧发生系统还含有一个与自己的相分离器直接连通的阴极，使阴极产生的氢能排出用于一个从属过程，用于通气、或摧毁。阴极相分离器也可置于与阳极蓄池流体连通，从而使通过电渗透从阳极转移到阴极的水最终返回阳极。该相分离器利用一种多孔疏水膜，使氢气能向任何低于阴极压力的压力处自由释放，同时保持系统中的水处于等于或高于氢气排放压力。
尽管阳极和阳极蓄池可以经过管路与有大的池有效面积的过滤器迫紧型电解池组等连通液体，但一般优选阳极置于与阳极蓄池直接连通液体，使阳极正面沿着阳极底板或壁可实现直接流体连通，同样地，阴极可以与阴极相分离器连通氢和水，不论是经过管路，还是把阴极相分离器置于与阴极直接连通液体。两种阴极相分离器的结构都是适用的。远离的阴极相分离器可以独立地安放，但一体化的相分离器可能需要的零部件更少。
因此，本发明可以设计为，阳极蓄池和阴极相分离器的两者之一，两者都或者都不与电解池直接连通液体。在阳极蓄池和阴极相分离器都直接连通液体时，该系统可取L形或U形构形，使阴极能放置成面对或者侧对，使臭氧气泡能够分离，而阳极蓄池和阴极相分离器的疏水膜要放在其各自腔室顶部附近。
电解池优选地产生氧气中含有约10％至18％重量臭氧的气体。这种电解池，包括去极化电解池，述于美国专利No.5,460,705，其说明在此引作参考。全被动生产臭氧的电解池，最优选地用于小的定向应用场合，例如定向用于水处理，或者装入需要臭氧进行消毒、洁净、洗涤等的设备中。没有运动部件降低了装置的原始成本，还减少了潜在的装置故障及保养。
该阳极蓄池进一步优选地含有一个冷却阴极蓄池中的水的冷却装置。由于冷却的水与阳极、PEM直接连通，并且与阴极紧密地热连通，电解池可以保持一个设定的温度，优选地在约35℃以下，这样，电解池工作最高效，溶解在水中的臭氧量比高温下多，而且溶解的臭氧的寿命延长。如果没有某种形式冷却构件，电解池中电阻产生的热会提高电解池的温度，影响电解池的工作和净臭氧输出。作为冷却系统的另一个方面，发生器系统设计适于用固态冷却器，如热电装置。
一种优选的电解池使用质子交换膜(PEM)，如全氟化磺酸聚合体片，紧密接触在阳极和阴极催化剂之间。阳极和阴极催化剂也与多孔基底紧密接触，后者分别与阳极及阴极流场形成电接触，流场典型地为多孔金属，例如金属网栅或者粉末冶金金属颗粒或纤维，并提供电化学池工作所必需的导电性。阳极流场优选地由阀门用金属，如钛制造。然而，由于阀门用金属与氢接触会变脆，阴极流场优选地用非阀门用金属制造，如不锈钢、镍、铜、或者其结合物。
优选地，该系统包括备用电池，在停电或不操作时保持跨电解池的电势。优选的备用电池系统包括一个连接电解器电源的电池，或者，如果有适当保护，可直接连接市电。保持跨电解池的电势证明可以延长二氧化铅电催化剂的寿命，后者在完全没有电势时会降低产臭氧能力。而且，保持流经电解池的电流还改善了接通响应，使系统能快速进入全输出。
一个氢摧毁单元可以置于与氢相分离器的排氢口连通。氢摧毁具有一个贵金属(如铂或钯)之类的催化剂，其中氢可以与氧结合，优选地与自由的环境空气或强流空气中的氧结合，而没有会产生热及水蒸汽的火焰。类似地，一个臭氧摧毁单元或称“臭氧摧毁”可以置于与阳极蓄池相分离器的排臭氧口连通，产生并分离但臭氧消耗过程没有用完的臭氧在接触时被催化摧毁。臭氧摧毁含有Fe2O3、MnO2或贵金属(如铂或钯)之类的催化剂。该臭氧摧毁系统的工作由于与氢摧毁单元热连通而得以加强。以此方式，氢气与环境空气的催化结合产生的废热以及臭氧降解为氧气产生的热可以用作高度数余热。利用此余热的一个例子是蒸馏臭氧发生系统的馈水来改善水质。其它应用为加热无关过程的用水，如中央供暖、洗衣或家用热水。
本发明的电解器能够有效地产生高压力的阳极和阴极气体。此高压能力使阳极蓄池能建立并保持高于用于充灌阳极供水压力的压力。这通过在通向阳极蓄池的馈水入口设置一个防倒流装置和释放阳极压力的装置来完成。当阳极压力释放并保持低于水源压力时，馈水自由地流入阳极蓄池。如果阳极蓄池的压力建立并不让排泄的话，蓄池内的压力就会升高。类似地，阴极系统也在高压力或低压力下发送氢气。
优选地提供一个释压构件，使之不超过最高设计压力。这可仅为液体，或为液体和气体提供，但是不应单独为气体提供，因为疏水膜会不允许水离逸阳极蓄池。因此本发明的一个附加方面包括一个气室，后者提供一个捕气空间起一个容量缓冲器作用。在整个阳极蓄池灌满水而没有设使过量水能排出阳极蓄池的装置时，容限在气室的捕捉气体的体积随电解器产生气泡而受压缩，并随气泡经过相分离器而发生膨胀。理想地，该气室如此安置并设计，使其气体不可能被液体置换，因为这些置换进来的液体会减少该捕捉气体室的容积。一种优选的气室为一个置于阴极及/或阳极蓄池内的倒U形管。另一个特别优选的气室可以通过在任何与蓄池连通的液体管线中放置一个竖直短管形成，最优选的是该短管位于阴极和阳极相分离器间的液体管线上，这样就能连续地保持捕捉空间。
本发明的一个方面中，阳极及/或阴极蓄池设有分离气相和液相的装置，包括疏水膜或机械阀，它们能够相分离电极处从水中产生的气体，并用于保持水位。优选的相分离器是一个疏水膜，这样可省去阀和水位指示器的复杂系统，从而省却了耐臭氧的密封及材料，减少了潜在的损坏，并减少了保养工作。在阳极蓄池中采用疏水膜的另一个好处是蓄池可以充满水，能最充分地利用蓄池的空间。本发明使用的疏水膜可以是任何耐化学作用的膜，也就是说阳极相分离器要耐臭氧、透气并拒水。可用的疏水膜的例子包括多孔聚四氟乙烯(PEFE)和渗有氟化聚合体的多孔金属或陶瓷。
本发明的另一个方面，阴极相分离器设有一个相分离装置，如保持水位的机械阀，或多孔疏水膜，使在阴极处从电渗透转移到阴极的水中产生的氢气能气相分离。优选的相分离装置是一个置于阴极蓄池中的疏水膜，它位于来自阴极的含氢水的上方。阴极相分离器可以独立于电解池或阳极蓄池放置，从而为整个系统的构形和尺寸提供了灵活性。当使用多孔疏水膜时，阴极可直接与水源接触，这时，系统输出(臭氧/氧气或氢气)的最高压力受限于供水压力。因此，可望包括一个置于水的预处理和引入之前的水压提升装置，例如泵。再有，此泵不必耐化学作用，只需适应于去离子水就行。
本发明的另一个方面为氢气、臭氧气及/或含臭氧水提供不用泵也能在压力下发送。在完全被动系统中，水源与阳极蓄池和阴极蓄池连通，从而，氢气、臭氧气和含臭氧的水可以在水源同样的压力下发送。被动系统无运动部件并要求极少量保养。如果要求压力更高，可采用一个自加压系统，其中低压水源由一个防倒流装置来保护，并且阳极蓄池的臭氧气输出口包括一个压力控制装置。臭氧气和氢气的输出压力互不关联，直到达到共同的最高压力。
本发明的又一个方面，提供一个直立水柱类的阳极蓄池，它有效地从阳极气体洗涤臭氧。阳极蓄池中的水可冷却或者加压以增加驱入溶液中的臭氧，并且，优选地，使阳极水的混合最小。首先，本溶解、储存和发送含高浓度臭氧水的系统可装备内水平隔板，用于在向阳极蓄池供新鲜水取代饱和水时使水的混合最小。内隔板防止气体上升混合，也就是由于上升的臭氧/氧气泡造成的阳极蓄池中的水从底部到顶部搅动。可在隔板中设一个小孔而使气泡从中通过。第二，新鲜水可先用热交换器之类的东西加热，然后再输入到阳极蓄池中，以把新鲜水的温度升高到或者稍高于环境温度。热补给水源优选地引入到阳极蓄池的顶部，从而建立一个温度梯度(顶部高温、低部低温)和一个臭氧饱和梯度(底部高浓度、顶部低浓度)。邻近阳极的蓄池底部的最冷的水保持着臭氧的最高浓度，并且有从气泡流中捕获臭氧的第一机会。加到阳极蓄池顶部的水仅能捕获不为其下方的水利用的臭氧，下部的水是要送到臭氧消耗过程的第一种水。因此，水的热分离为混合造成了一个自然屏障。最后，可在阳极蓄池内置多层疏水膜，使气体直接沿水柱向上转移，同时防止水的混合。在疏水膜之间的隔离区域或者说“微蓄池”内的水流可以用直径足够小的外管路提供，以防止臭氧的反向扩散。
本发明的另一个方面提供一个水洁净系统，优选地设在阴极蓄池循环回路中，由活性碳之类的催化剂床组成，以摧毁任何因膜或密封泄露、电渗透等在阴极水中存的臭氧，并且在该系统上串连管接一个去离子柱。阴极循环水全部或部分可经该洁净系统循环以连续地纯化和为水去离子。除洁净循环水外，同样的或者不同的洁净系统可以在补给水进入阴极回路之前对其处理。
本发明的另一个方面，通过减少阳极蓄池的尺寸或者完全取消阳极蓄池而仅为阳极提供最少量的水，极大地减少阳极系统中的水量。把该系统设计成可以保持阳极的水位，使来自阳极的多余的水被臭氧气流带出阴极。然而，即使去掉了阳极蓄池，还是应向阳极供水。水既可以用机械控制和反馈系统，也可以以预定的输水速率供应，诸如采用一个按电解器电流、时间及其它相关参数设计的小孔。另外，固定的输水速率可以设计得稍微多提供一点儿水，多余的水会被臭氧气卷走。
本发明的又一个方面提供间接地向阳极输送电解用水及/或间接地向用于氢化的膜输水。间接输水可以利用适当的膜或者利用管道连通着水源的管形膜装置从阴极反向扩散水来提供。
本发明的再一个方面可用去极化方式运转阴极，例如通过把氢与氧，可能是来自空气中和氧相结合，以形成蒸汽而非氢气。氧及其它去极化剂可用于改进电解器的工作效率。
本发明的系统优选地进一步含有一个水冷却构件，它与阳极回路中的过程水热连通，或者，优选地与阴极回路中的过程水相连通。更优选地，冷却构件设计得把电解池保持在约35℃以下的温度，在此温度下，延长已存在的溶解臭氧的寿命。若没有某类冷却构件，电解池中电阻产生的热会升高电解池的温度，影响电解池工作和净臭氧输出量。
移位水冷却构件而使阴极回路进行热管理对全系统提供了三个基本好处。第一优点涉及材料兼容性要求。阳极回路中的所有部件都必须适应与臭氧饱和水一起运转，许多部件必须在材料上耐受更具腐蚀性的臭氧气。因此用于阳极回路中湿元件的结构材料优选地选自钛，316号不锈钢、玻璃、聚四氟乙烯(可从Du Pont de Nemay，E.I & Co公司购卖Teflon产品，该公司位于Wilmington，Delaware)，和聚偏氟乙烯(如Elf Atochem出售的Kunar)等。相反，阴极是相对稳定的系统，任何适应高质去离子水系统的材料都适合。大部分常见材料均适用于阴极回路中，包括与适用阳极回路的材料相比非常便宜的热塑性塑料。此外，这些构件用材多可从商界现货购得，不用定制。例如阴极蓄池可以用聚乙烯制造而不必用阳极蓄池所要求的玻璃或者不锈钢。
把热管理移位到阴极回路的另一个好处是，增加臭氧的输出，因为阳极回路中所含的水量这样就可以降到最少。事实上，此处可仅有不到1升水，不然就要含有数十升水来覆盖冷却构件的阳极回路。由于臭氧在水中的寿命远低于气体形式的寿命，减少阳极回路中的水量，会减少为补充臭氧对水的损失对电解器的不断的需求。另外限制阳极回路中的水量，可使相分离部分或全部在电解器组本身的阳极部分中进行，而不是在外部的蓄器中进行。这也增加了臭氧输出，因为臭氧气泡与水接触的时间少了，从而降解少了。
把热管理移到阴极回路的另一个好处是，冷却水循环泵从阳极回路改装到阴极回路中。循环泵对溶解臭氧水所做的机械功使水中溶解的臭氧造成破坏，或者说降解。因为水被臭氧饱和，任何被去除或者摧毁的臭氧，此处是由于机械功造成的，都必须被置换。由于把循环泵移至阴极回路而避免了如此毁掉臭氧。
图1为一个自操作臭氧发生器10的示意图，它只靠电和蒸馏水运转。该臭氧发生器10的心脏是一组12的电解池(图示为2个)14，被双极板(图示为1个)16分开并夹在一个正端板18和一个负端板20之间。两个电解池各有一个阳极间22和一个阴极间24，它们被一个质子交换膜26分开。电解池以美国专利No.5,460,705所述电解池相似的方式构成，该专利说明在此引作参考，基本区别在于优选的本发明阳极间和阳极间包括辊轧延展的金属流场，而阴极间充水而不是气体。出入阳极和阴极间的流向示意于图1中，为了简化仅画出流经框构件28的。然而，应当了解，流体实际上流经相邻框构件28、双极板16、质子交换膜等形成的歧管，它们把流体连通到端板18、20。
阳极间22供有来自阳极蓄池30的水。阳极蓄池30还起液/气分离器的作用，其中，在阳极间22产生的氧和臭氧从去离子水中扩散过来并收集在蓄池30的顶部。蓄池30优选地包括一个竖管32来加强液/气分离。优选的竖管22在其侧壁低于水线下包括一个小孔34，更优选地是该小孔靠近阳极蓄池30的底部，它当臭氧发生器在小流量闲置状态时使竖管32中的水位下降，如循环泵关闭时，从而气体能够通过自然手段从阳极间22继续上升。小孔34在正常运转时不干扰气体沿竖管32上升。
阳极蓄池30中的水通过泵32循环回阳极间22。随着水被生产氧和臭氧的电化学反应消耗，水可以从去离子水源38或者从阴极蓄池40向阳极蓄池添加，这在后面还要详述。在阳极蓄池30的上部聚集的气体，基本上包括氧和臭氧，经过一个臭氧控制阀42释放。臭氧控制阀42控制气体从蓄池30流出，要么以机械的方式控制，要么按系统控制器44的指令控制，后者可编程为各种方式。然而，控制阀32优选地打开以保持水位高于水位传感器46。
阴极蓄池40保持住从阴极间24上升的去离子水，阴极蓄池40还起液/气分离器的作用，其中，在阴极间24产生的氢从去离子水中扩散出来并收集在蓄池40的顶部。氢控制阀48与各种系统传感器，优选地与高/低液位指示器50、52协同控制气体从蓄池40顶部流出。
阳极蓄池30和阴极蓄池40优选地彼此连通并与去离子(DI)水源38连通。尽管这些部件可以用各种途径连通，优选为，系统保持简单并包括最少量的阀门和连接口。一个优选的构形示于图1，具有包括一个在蓄池30、40之间的第一关闭54和一个在DI水源38与阴极蓄池之间的第二关闭阀56的管路。还优选地具有提供排水回路的管路，它有一个在阳极蓄池30和排水62之间的第三关闭阀58和一个在DI水源38和排水62之间的第四关闭阀60，以旁路第一和第二关闭阀用于冲洗或排空系统。
一个冷却构件64设置与阳极蓄池30中水的热连接。优选地，冷却构件64为一个放在阳极蓄池30内的冷却螺管，它经过一个冷却循环来循环一种冷却流体，此冷却循环包括一个冷凝器60和一个压缩机68。尽管只示出了约三圈冷却螺管64，但可以采用任意圈数。
臭氧发生器10还包括一个主电源单元70和一个从交流至直流转换的整流器72用于运转电解池阵列12。主电源单元70优选地经合适的导线向发生器10中全部用电装置供电。发生器10优选地包括一个支持主电源单元70的备用电池74，它在断电时向系统控制器44提供平稳的直流电。电池74优选地由充电器连续充电以保持电池74充满电。主电源单元74和充电器76直接经电线78连接到某外电源，如普通家用电网，或者汽油发电机用于边远地区。
臭氧发生器10优选地用一个系统控制器44自动控制，后者从传感器接收各种信号并且切换和发送控制信号至图1中所示的阀门、泵、开关及其它装置。系统控制器44执行存储在记忆装置中的系统控制软件。该软件编程以监视指示系统运转状况的各种信号并按这些状况控制各种装置。应当认识到系统控制器的编程可以进行本发明范围内任意多数量的程式，并且包括附加的，非必需的程序，如系统诊断、通信、数据储存等等。再有，该系统可包括此处未示或未说明的附加装置和监视器，如电源开关等。
在臭氧发生器10的工作中，去离子水源38优选地以高于阳极蓄池30和阴极蓄池40正常工作范围的压力供水，从而可在正常运转中添加去离子水。蓄池30、40优选地设计工作在约0至30psig(206.8kN/m2)间的压力范围，而去离子水通常以约50psig(344.7kN/m2)向系统供应。在发生器开始起动时，连接蓄池30、40和去离子水源38的阀54、56开启。但通向一个系统排水62的阀58、60保持关闭。去离子水充灌阳极间22和阴极间24。在充灌阳极蓄池30和阴极蓄池40之前，气阀42、48关闭，使系统中的压力能上升至约30psig(206.8kN/m2)。向系统中提供附加的去离子水升高蓄池30、40的水位到达高水位传感器46、50，通过把捕馅的空气分别经蓄池30、40中的气阀42和48放走，以保持系统压力低于约30psig(206.8kN/m2)。当蓄池充灌满时，去离子水流由第二关闭阀56终止。在向电解池12阵列供电时，开始用泵36循环阳极蓄池中的水和用冷却构件64冷却蓄池30中的水。第一关闭阀54一般保持开启，使从阳极间22经质子交换膜26带向阴极间24的水能上升至阴极蓄池40并最终返回阳极蓄池30。
臭氧发生器起动时气体阀关闭，使氧气、臭氧和水蒸汽聚集在阳极蓄池30，而氢气和水蒸汽聚集在阴极蓄池40，直至系统压力达到要求的约30psig(206.8kN/m2)。气阀42、48由系统控制器44操作以保持所要求的系统压力，并在同时经管线80向臭氧消耗过程，如前述氧化过程输送氧/臭氧。湿氢可以收集使用或者烧掉。该臭氧发生器可以连续工作，同时可以通过暂时经气阀42、48增加气流来补偿向系统添加的水而不增高系统压力。变通地，可在添加去离子水之前降低系统压力。
图2所示为另一种臭氧发生器140的示意图，它可以不用控制器、阀门及水位传感器工作。臭氧发生器140以与图1所示臭氧发生器10相同的方式工作，但被改成以完全被动的方式工作，即不需要控制系统、阀及水位传感器。发生器140取消了构成图1发生器10的全部电磁阀54、56、58、60、42、48、全部水位传感器46、50、52和控制系统44。
被动发生器140提供了所有水处理要求并保持阳极蓄池142和阴极蓄池144中的满水位。这些蓄池142、144都置于与去离子水源146直接连通。在阴极蓄池144和阳极蓄池142之间的流体管线直径小到使从阴极蓄池144向阳极蓄池142提供足够快速的液流，从而使溶解在阳极水中的臭氧不能扩散到阴极蓄池144中。一个防倒流装置150防止水或气流从阳极蓄池142流到阴极蓄池144。
图1所示的放气控制阀42和48为疏水膜或者相分离器152、154取代，后者防止水液逸出蓄池142、144的顶部。这些疏水相分离器152、154对液态水提供了屏障，但是允许水蒸汽、氢气、氧气及臭氧气之类的气体自由转移。分离器152、154在起动充灌时使来自去离子水源的水能够取代蓄池142、144中排除了全部气体，并且在水与疏水膜152、154直接接触之后，随着蓄池142、144中的压力等于水源46的压力，输水停止。在全部工作过程中，在每个蓄池142、144中的水持续保持在这个水位。
在臭氧发生器系统140的正常运转中，在电解器156中产生的气泡转移到蓄水池中。在电解器156的阳极间158中产生的氧和臭氧气泡转移到阳极蓄池142，而在阴极间160中产生的氢气泡转移到阴极蓄池144，此处气泡上升到各自蓄池的顶部表面与疏水膜152、154接触。疏水膜152、154对来自蓄池内部的、处于高压下的气体和水蒸汽向通气管线162、164转移几乎没有或者根本没有限制。分离器152、154由支持结构166、168适当地支撑，后者不仅对气体和凝结液体提供自由流动，还对膜提供充分的支承，从而使蓄池之间的水和通气管线的气之间压差可超过约100psig，膜152和支架166依次由容器顶170提供机械支承和液、气密封。臭氧/氧的放气口与膜152的干燥侧连通，使原先保留在气泡中的气体能够离开阳极蓄池。类似地，氢放气管164与其膜154的干燥侧直接连通，使原先保留在气泡中的氢气能离开阴极蓄池144。
可增加一个压力调节器172，使膜152干燥侧的氧和臭氧压力可以达到任意值，直至容器142内的液体压力。以类似的方式，可以对氢放气管164加一个压力调节器174以控制氢的发送压力。压力调节器172、174可以相互独立地工作，能够把来自阳极蓄池142和阴极蓄池144气体压力从亚环境压力单独调节至水的压力，水压力对阳极蓄池142和阴极蓄池144是共同的。可以加过压调节器176、178，万一排气管162、164阻塞或产生过多气体时来防止系统过压。由释压阀176出来的臭氧可以在气体经放气管180放至大气之前用催化摧毁单元178摧毁。多余的氢或过压气体中的氢可以在一个催化摧毁单元182中摧毁，它用一个气泵184提供的空气中的氧与氢气反应。产生的水蒸汽和多余空气经过一个放气管186放到大气中。两个摧毁单元178、182可置于相互连通，这样，氢/氧化合反应产生的废热可帮助摧毁臭氧。
可选择在去离子水源146和蓄水池142、144之间加一个增压泵188。可在供水管线上增加一个树脂床以进一步调节水。优选地进一步包括一个含有流速调节装置192的回水回路，以连续地洁净进水，可用一个防倒流装置194防止水倒流回水源146。
一个在阴极蓄池144中的辅助放气系统，在供水中断时防止氢气从阴极蓄池144转移到阳极蓄池142中。这是利用一个浸管196完成的，它在阴极蓄池144中向下伸到一个位于蓄池底部上方的、界定最低可接受水位的点198。浸管196向上伸出蓄池并连通一个带有适当支架和壳202的疏氢膜200。当水位高于点198并且蓄池在压力下时，水迫使管196中的所有气体经过疏氢膜200并且从处于大气压或低于大气压的放气管203放出去。如果阴极蓄池中的水降至低于点198，现在在该管中的水从该管196中排进蓄池144，使阴极蓄池144中的气体能沿浸管向上逸出放气管203。以此方式，蓄池144内的压力降低至环境压力，防止液体进一步从阴极蓄池转移到阳极蓄池。
阳极蓄池142优选地包括一个类似的辅助通气系统，它有一个浸管204、疏氢相分离器206、壳208、及放气管210。通过某个事件，如入水的压力起伏，如果阳极蓄池142中的压力大于阴极蓄池144中的压力，从阴极蓄池到阳极蓄池的压力驱动水转移就会停止。如果阳极蓄池中的水位降到低于浸管204的下口212时，阳极系统中的压力降低，重新建立从阴极蓄池到阳极蓄池的压力驱动水转移。
系统140的其余部分可保持与图1中的发生器的其余部分不变。因此，系统140可包括一个阳极循环泵36、一个电源70、一个冷却系统66，以及一个带有水位平衡孔34的竖管32，它用于在阳极泵36关闭而水位降到低于竖管32顶部之下时自然循环水。冷却系统64、66、68可用一个电子或者机械温度控制器106和一个温度传感器35来操作，后两者与冷凝系统和受温度控制体直接连通，在图1和图2中受控体是阳极蓄池水，但也可以是阳极端板，或者其它任何代表电解器温度的位置。电源单元70也以自动方式工作，具有电源输出的自控以匹配臭氧需求。电解池臭氧优选地用一种电解法产生，它提供工艺流程和成本两方面的好处。用电解法，使用一个专门的电解池电解水发生臭氧。电源和水源是电化学生产O3的唯一需求。与通过电晕过程产生臭氧不同，电解发生的臭氧不含毒性副产品。电解反应通过在阳极和阴极之间加直流电而发生，阳极和阴极分置在一个质子交换膜(PEM)的两侧，后者优选地为全氟化磺酸树脂膜(如DU PON de Nemours公司(位于Wilminton，Delaware)出售的NAFION 117)。水馈往发生水氧化的阳极催化剂处，产生吸热的O2演生反应以及O3形成反应。
利用过高电位和一定的电极材料选择性地以牺牲O2演生来加强O3形成。水氧化反应产生的质子和电子在阴极重新结合。电子经过外电路传导到阴极。电子和质子在水的存在下在阴极重新结合形成氢气。
用PEM替代液体电解质提供了几个优点。第一简化了液体管理并消除了腐蚀性液体漏出的可能性。其次，PEM/阳极界面提供了一个很好适于电化学O3反应的化学环境。以氟聚合体为基础的PEM，如全氟化磺酸聚合体，具有很高的抗化学侵蚀能力。
图3为生产臭氧的电解池组12的分解透视图。电解池组12可以包括任何数量的单电解池，但此处所示为两个结构和运转相似的池90。每个池90含有一个延展的钛流场107、一个在其面对PEM110的表面沉积有二氧化铅催化剂的多孔钛构件108，和一个围绕流场107和构件108的池架109。PEM 110可覆盖有阴极催化剂，诸如面对多孔不锈钢片111的铂，也可与其上形成阴极催化剂的碳纤维纸接触(未示)。多孔不锈钢片111对着阴极催化剂表面安放，后接一个辊轧延展的不锈钢流场112，后者可包括多个片。另一个池架109围绕片111和流场112放置。一个双极板113放置在两个池90之间，使相邻不锈钢流场112和相邻钛流场107之间能够导电。
电解池组12的正端子(示于图3顶部)包括一个电流收集器面板106和一个电流收集器105，后者耦连一个接到电源整流器72(示于图1)正端子的电缆92上。一个隔离器板102对着电流收集器105安放来隔离端板101、水循环套管104、和氢/水套管103，水循环套管经管路94从阳极蓄池30向阳极间送水，氢/水套管把水和氢从阴极经管线96连通到阴极蓄池40。
电解池组12的阴端子(示于图3的底部)包括一电流收集器面板114和一个电流收集器115，后者连接到一个接到电源整流器72(示于图1)的负端子的电缆98上。一个隔离器板102对着电流收集器115安放，以隔离端板116和水/氧/臭氧套管99，后者从阳极间经过管路110向阳极蓄池30输送水、氧和臭氧。为此，电流收集器115由通过电解池组112的阳极水冷却。电源的主散热部件优选地与被冷却的电流收集器115热接触。
两个端板101、116被拉在一起，把电解池组12的全部部件压缩成一个过滤器紧迫型构造，其中，相邻的部件紧密接触。池架109、膜110、双极板113、电流收集器面板106被充分压缩，以提供密封结构并共同形成入、出电解池组12液体的岐管。
图4为适用于图3的电解池的池架109的正视图。池架109有多个栓孔120围绕其周边边缘，用于与邻接的膜110、双极板113或者电流收集器面板106对准并固定在位，池架109有一个开口的中心区112，用于容纳一个流场和电极，如延展的钛流场107、多孔钛片108以及在片108上形成的电催化剂。一个第一岐管设有孔排124，孔124可例如经过槽隙126向中心区122供水。这样，流经中心区122的水优选地收集在对面的岐管中，然后从水电解池组中抽出去，对面岐管含有孔128和槽隙130。应当认识到，两个岐管中的孔124、128与穿过相邻电解池组12部件上的类似孔对准并连通(见图3)。在此例中，水经孔124和槽隙126输送并通过钛流场107和多孔钛片108到达产生氧和臭氧的电催化剂。含臭氧的水经槽隙130和孔128抽出电解池组而到达阳极蓄池。相反，孔132形成的岐管和孔134形成的岐管使液体能够通过它们到达另一个池架(未示)，诸如围绕不锈钢流场112和多孔不锈钢片111的池架。
图5为全被动臭氧发生系统810的示意图，它仅靠电和水工作，优选地或为去离子水、蒸馏水、或为反渗(RO)水。系统810包括一个臭氧发生器812、一个电源814、一个后备电池816、一个阳极蓄池818、一个阴极相分离器820和一个气体摧毁单元828。臭氧发生器812优选地为一个电解池，后者含有一个质子交换膜822、一个有基底和流场的阴极824和一个有基底和流场的阳极826。阳极蓄池818含有一个阳极气相分离器膜830和多孔的支持构件832。阳极826由阳极蓄池818供水。阳极催化剂使阳极826能用水产生氧和臭氧，而其中一部分溶入阳极蓄池中的水中。阳极蓄池818还起液/气分离器的作用，其中，在阳极826生成的氧和臭氧形成气泡，或从去离子水中扩散并升到蓄池818的顶部。这些气体通过阳极相态分离器膜830，优选地为多孔疏水膜，它设有适当的支架832和槽路834，以在阳极蓄池818工作在所需系统压力时保持膜830的完整性。
阴极824与一个阴极相分离器820连通液体，后者具有一个设有适当多孔支持构件838的多孔疏水膜836。来自膜836干燥侧的氢气经支持构件838并经管线840排出到气体摧毁单元828、或经管线841排到无关的过程。优选的是，从阳极826经电渗透传输到阴极824的水连续地从阴极相分离器820经过一个流体管线842回送到阳极蓄池818，液体管线优选地为小孔径。液体管线842的直径小到足以提供从阴极相分离器820至阳极蓄池818充分快速的液流，从而溶于阳极水中的臭氧不会扩散进阴极相分离器820。
疏水的相分离器830、836对液态的水提供一个障碍，但允许水蒸汽、氢气、氧气和臭氧气等气体自由转移。分离器830、836使水源846能够置于与阳极蓄池818直接连通液体，从而在开始灌充阳极蓄池和重灌阳极蓄池时水会替代存在于阳极蓄池818或阴极相分离器820中的所有气体。在所有气体从阳极蓄池818和阴极蓄池820的顶部空间848和850排出后，水会与疏水膜830、836直接发生接触，而且在阳极蓄池818和阴极蓄池820中的压力与水源846的压力平衡时，水的传输终止。假如水源846中的压力高于阳极蓄池中的压力，在工作的各个阶段，阳极蓄池818和阴极相分离器820会保持充满水。供水管线852优选为小直径的，从而溶于阳极蓄池水中的臭氧不能扩散进水源846。
优选地设一个冷却构件876，以从系统中带走废热，并进一步冷却阳极蓄池的水以减少溶解臭氧的降解并提高臭氧饱和极限。一个优选的冷却构件876示于图5，含有一或多个与阳极蓄池818热连通的热电装置878，例如经过热传播器880。热电装置878的储热器优选地连接到一个散热构件上，例如由环境空气冷却的散热器882。热传播器880用于为经阳极蓄池818的壁传热提供更多表面积，尤其是在该蓄池是用塑料或者传热性能差的金属制造时。
阴极824产生并由疏水膜836分离的氢可由一个无关的过程消耗、存于压力容器中，或者如图5所示导入一个气体摧毁系统828中。气体摧毁系统828包括一个燃气源828、一个氢气-空气混合区884、一个具有氢气-空气化合催化剂的氢摧毁区886、一个空气-臭氧混合区888，以及一个具有臭氧催化剂890的臭氧摧毁区组成。气体摧毁系统828还包括一个接口892，它可以开放到房间或大气，或者导入放气管894。优选的气体混合区884、888会含有一个曲径，诸如不锈钢绒或其它类似材料置于催化剂上游提供的曲径，使气体在整个催化剂表面上均匀地分布并充分混合气体和空气。氢摧毁催化剂可为任何适当的氢-氧化合摧化剂，例如贵金属(铂或钯)，它可以支承在陶瓷结构、铝铢或丸上，或镀在金属基底上等。类似地，臭氧摧毁催化剂可以是任何适于把臭氧分解成氧的催化剂。适当的催化剂包括但不限于MnO2、Fe2O3铂等，或其组合。优选是氢摧毁区886置于上游及/或与臭氧摧毁区890热接触，使氢氧化产生的热能帮助摧毁多余的臭氧。的确，如果气态臭氧及/或氢可用于其它用途，如提供到其它过程，就不需要摧毁其中之一或两者，而摧毁氢所提供的热可由其它热源提供，例如电阻加热器，或者也可在室温摧毁臭氧等。
图6为一个优选的阳极蓄池818和电化学池812的详细示意图，该系统具有一个阳极826和阴极824，后两者带有数十平方厘米或更小面积的活性催化剂区。阳极蓄池818的下端配备一个框架构件896，后者具有一个大孔的金属网898，从而允许水和气泡自由通过。该金属网对阳极多孔流场876提供机械支承和电接触。阳极流场826有一个催化剂表面900，优选地为二氧化铅催化剂，沉积在接触膜822的流场826的正面。催化剂表面900与质子交换膜822直接接触，后者再与阴极催化剂824直接接触。阴极催化剂824具有多孔烧结料902形式的机械支持和电接触，后者进而得到端帽904的支承，端帽内有一个流场906并有一个流体连接管908。在阴极824形成的氢和水经此流体连接管908离开电解池812。电接线910和912分别向阳极和阴极提供电流。
图7为一个变通的多池电解器950，它能利用较大的活性表面积，同时保持简单总体结构和低系统电流。这个电解器取消了大多数液体岐管及多个液气密封，同时使部件数最少。电解器总成950包括一个电绝缘阳极支架952，它向多个阳极954提供流槽953，多个阳极954置于条带中或其他类似的几何图形中，从而它们设有平行的流体连接管，或者说所有的阳极都暴露于同一阳极蓄池818，同时保持电绝缘。单个质子交换膜956夹在多个阳极954和配对的阴极958之间。多个阴极958也由电绝缘阴极板960支承，绝缘阴极板提供液流槽962和机械支承，同时电绝缘各阴极958。一个第一阳极954设有电连线964，而其相应的阴极用一个导电构件966连接另一阳极，例如相邻的阳极。各阳极和阴极连续地用其它的导体968，970和导体972电连接，直到最末阴极的电接触。
图8所示为代表阳极954和板952的正面视图，这里电绝缘支板952对电分开的阳极954提供机械支持和液流槽路。图8还表示位于膜956对面并对着阳极954的阴极958和板960。
图9为图8所示的电解器950剖视图。阳极支架952优选地由热塑料模制，它适用于臭氧并提供适应的机械支持，诸如聚偏氟乙烯(PVDF)，商品名为KYNAR，可从北美ELf Atochem公司(位于Philadelphia，Pennsylvania)购得。各阳极总成由无孔的导电阳极带974组成，它随着模注进板952的流场图形并通过板952的边缘延伸以便于电接触。在此无孔的波纹带上安放一个多孔的烧结材料954，例如钛，履盖着阳极催化剂976。质子交换膜956放在整个阳极总成上，并且此过程用一个由多孔烧结料958焙烧的阴极催化剂978，和一个无孔、导电的阴极带980重复，此阴极带的流场与模注进阴极端板960的流场匹配，后者由有适当的化学和机械特性的不导电材料模制。
把阴极连接到阴极相分离器的液体连接未示于图7和图9中。这种连接管可含有一个提供一种小室的构件，该小室用流体管线把每个槽路962连通到阴极相分离器820。使用池950时，端板952可形成阳极蓄池底或者壁的一部分，而无孔的导体带974可用打孔金属制成，它可以使水和气体经槽路953自由交换，但同时在带974伸过板952边缘时紧紧地对液体密封，并且形成对电源的电连接。
图10为本发明的一种臭氧发生器系统的示意图，它类似于图5的系统，例外的是，用经过管道与阳极蓄池818和阴极相分离器820连通液体的电解池920取代了有直接与阳极蓄池818直接连通液体的阳极826的单个电解池812。注意该系统的其余部分可以不变并可以还以完全被动的方式运转。
图11是电解池920的示意图，它优选用于提供更大的活性面积。此种系统中，为简化电源，最好使系统电流保持相对地小，然而允许施加的电压提高。电化学电解池组920可以通过滤器迫紧形的结构提供，使得能够采用电串联的多个阳极和阴极。电解池组920设有水入流槽路928和水出流槽路934，它们输送液体往、离各个阳极流场922、多孔阳极基底924以及阳极催化剂926。优选地沿电解池相对的顶缘设置一个附加的水出流槽路935，使槽路935能够与各阴极流场936、阴极基底938和阴极催化剂940以类似的方式连通。一对举例的电解池组中的电解池示于图中，此处液体连接管928和934向电解器组的阳极供水，以及从阳极取走水和气泡。端板930向第一阳极流场922提供流体和电气连接。阴极场936用另一端板942提供电接触和机械支承，后者提供对第二阴极的电气和流体连接。变通地，在阴极流场936和端板942之间可以放置另外的电解池，只要用导电双极板分开就可，类似于双极板945，它也可以提供合适的液体槽路。
整个组件的电源经电连接供给。这个串联组合式多个电化学池的方法，具有明显的优点，增加施加的电压同时使系统电流保持为每个池的活性面积的函数，而不是总活性面积的函数。此电解池组结构的其它说明详见美国专利No.5,460,705，该专利在此引作参考。
图12是一个自加压臭氧发生器系统的示意图。如果所希望的从臭氧发生系统得到的发送压力高于水源压力，添加防倒流装置854、一个反压调节装置856和释压电磁阀858，系统810可运转在自加压方式。变通地，这两个部件856、858可以合并成一个单个电磁阀，它设计有适当的小孔和关闭力，这样，当达到要求的气体压力时可以用气体压力迫开单个电磁阀。这个替换性阀然后会把系统压力保持在或者接近阀的迫开压力。
为在该自加压系统中向阳极蓄池818充水，阳极818中的压力通过开启释压电磁阀858放出。阳极蓄池压力降得低于水源压力时，水就能自由地从水源846流入阳极蓄池818。允许水在一段适当的时间内进入阳极蓄池818，直到显示出足量的水。然后关闭释压阀858，随着气体在阳极形成和被禁闭在阳极蓄池818内，阳极蓄池内的压力上升。前述的反压调节器856或高压迫开电磁阀工作，以保持所要求的工作压力。该系统既足以把经管线860发送到臭氧气消耗过程的臭氧气压力进行调节，也足以调节通过管线862送到臭氧化水消耗过程的臭氧化水的压力，还足以把经管线841输送的氢气压力进行调节。变通地，如果臭氧消耗过程提供适当的控制(未示)，该压力控制系统856、858也可以取消。应认识到，领域内一般技术人员也可以构思任何数目的保持和释放系统压力的适当方法。
阳极蓄池818或阴极相分离器820还可以设置一种装置，后者在所有气体从阳极蓄池818和阴极相分离器820中排除的期间，防止静水压力增加到事故值。在这段时间，在阳极和阴极形成的气泡会取代一部分已经充满阳极蓄池818和阴极相分离器820的水。气泡所需要的附加系统容量可以一个由捕捉气体系统866提供，例如倒U形管870，其末端868，872的位于，使得在最开始充灌阳极蓄池818时提供一个气室866。可以构想出任何数目的等效方法去释放膜的液侧压力，包括常规的释压阀。但以简单气室866为优，因为它不可能失灵，不经机加工及焊接，并且在制造安装时可以置于阳极蓄池中也可以置于阴极相分离器中。U形管可以通过让长腿868的底部安放在阳极蓄池818底部附近得到支承。短腿870使在每次阳极蓄池818中的水位降低到开孔872高度之下时，能够重建气室866。更优选地，捕捉气体系统可以含有一个防气阀837，放在液体管线839或者任何连通阳极蓄池818的液体管线中。另外，可以包括一个过压安全装置，例如裂盘874，这应是一个破坏性释压的普通方法。此外还可以利用疏水膜的自身穿透压力防止系统中过压造成的灾变。
图14为一种自控臭氧发生器510的示意图，它只靠电和水运转，水可以优选地用蒸馏水、去离子水或者反渗(RO)水。该臭氧发生器510的心脏是一组512的电解池(图中示两个)514，由双极板(图示一个)516隔开，并夹在一个正端板518和一个负端板520之间。两个电解池514的每一个有一个阳极间522和一个阴极间524，两者由一个质子交换膜526隔开。这些电解池以一般地类似于美国专利No.5,460,705所述的方式构造，该专利在此引作参考，其主要区别已如前述。入、出阳极和阴极间的液流示意于图14，为了简化，仅画出流过框架构件528。但是应该认识到，液体实际上流经由相邻的框架构件528、双极板516、质子交换膜528等形成的岐管，它们与端板518、520中的开孔连通液体。
所示阳极间522从一个阳极蓄池530接收液体。阳极蓄池530还起液/气分离器的作用，其中在阳极间522发生的氧和臭氧从水中扩散出并收集在该蓄池530的顶部。蓄池530优选地包括一极竖管532来加强液/气分离。
阳极蓄池530中的水重力馈回阳极间522。随着水被产生氧和臭氧的电化学反应消耗，水可从去离子水源538或从阴极蓄池540向阳极蓄池添加，可见下文详述。
阴极蓄池540保持住从阴极间524升上来的去离子水。阴极蓄池540还起液/气分离器的作用，其中在阴极间524中产生的氢从去离子水中扩散出来，并收集在蓄池540的顶部。经阴极蓄池通过的湿氢气可以收集利用或者烧掉。
阳极蓄池530和阴极蓄池540优选地互相连通并与去离子(DI)水源连通。尽管这些部件可以各种方式连通，优选的是系统保持简单并包括最少数目的阀和连接器。图14示出一个优选的构形，其管路包括一个在蓄池530、540之间的第一关闭阀554和一个在去离子水源538和阴极蓄池540之间的第二关闭阀556。还优选的是，具有提供排水回路的管路，该回路具有一个在阳极蓄池530和下水562之间的第三关闭阀和一个在去离子水源538和排水562之间的第四关闭阀，用于在冲刷或者排空系统时旁路第一和第二关闭阀。此三个电磁阀556、558、560和四个水位传感器535、546、550和552用于保持两个蓄池530、540中的水位。
一个冷却构件564处于与阴极蓄池的水有热连系。冷却流体经一个致冷循环进行循环，致冷循环包括一个冷凝器566和一个压缩机568。尽管在示意图中仅画出致冷螺圈的约三个圈，但可以用任何数量的圈数，以进行足够的致冷来保持要求的水温。优选的热交换器是螺旋形盘绕的平行板状氟里昂/水交换器，如Elamco公司(位于Newark，Delaware)出售的那些热交换器。
该臭氧发生器510还包括一个主电源单元570和一个把交流转换成直电流以运转电解池阵列512的电源整流器572。主电源单元570优选地经适当的电线向发生器510中的所有用电装置供电。发生器510优选地包括一个备用电池574，用于对主电源单元570提供断电时的后备供电，为系统控制器544提供平稳的直流电流。优选地用一个充电器576给电池574连续充电，以保持电池574充足电。主电源单元570和充电器576通过电线578直接连接到某种外交流电源，诸如家用电源线或者野外用的汽油发电机。备用电池的输出电流显著低于主电源。此小电流量可在1安至1毫安，甚至更低。
臭氧发生器510优选地通过一个系统控制器544自控，后者从传感器接收各种信号，并切换信号以及把控制信号送达阀、泵、开关以及其它图14所示的装置。系统控制器544执行存在一个记忆装置中的系统控制软件。软件编程为监视指示系统运转状况的各种信号，并按这些状况控制各种装置。应当认识到，系统控制器可以在本发明的范围内采取任何大量的方案，并包括附加的，非必需的编程，如系统诊断、通信、数据储存等等。另外，此系统可包括此文未示或未述的附加装置和监视器，诸如电源开关等。
在臭氧发生器510的运转期间，去离子水源538优选地以高于阳极蓄池530和阴极蓄池540正常工作范围的压力供水，从而可在正常运转中向系统添加去离子水。蓄池530、540优选地工作在约0至约30psig的压力范围，去离子水通常在50psip左右的压力向系统供给。在发生器开始起动时，连接到蓄池530、540和去离子水源538的阀554、556开启，而通向系统排水562的阀558、560保持关闭。去离子水充灌阳极间522和阴极间524。向系统加去离子水，通过让陷入的气体分别从蓄池530、540逸出，使蓄池530、540中的水位达到高水位传感器546、550从而将系统的压力保持在30psig以下。当蓄池灌满时，用第二关闭阀550停止去离子水流。用泵536循环阴极蓄池540中的水和用冷却构件564冷却蓄池540中的水，优选地发生在向电解池512阵列加电流时，传输泵554a将转动，从而经过质子交换膜526从阳极间522带往阴极间524的水可以升入阴极蓄池540并最终返回阳极蓄池530。
去离子水源538可包括任何补给水水源，诸如饮用水和净水系统。一种适于用饮用水的优选净水系统包括，一个碳过滤床，后接一个离子交换树脂床。还优选的是，至少阴极水回路的一部分经过一个净水系统循环，以保持阴极回路中循环水的水质。适用于阴极回路的一种优选的净水系统包括一个碳纤维床571后接一个离子交换树脂床573。
图14的系统表示一个主阴极水回路，包括一个阴极蓄池540、一个循环泵536、一个热交换器564和电解器512。该系统还包括一个与主阴极水回路连通的侧回路，其中侧回路经过一个净水系统导引循环水的一部分，净水系统优选地含有碳纤维床571(主要用于摧毁可能存在水中的臭氧)和离子交换床573。
热交换器，或者称冷却构件564示为一种螺管，它从一个包括一个压缩机568和一个冷凝器566的制冷系统循环致冷液。应当注意，冷却构件可为任何数目的业内公知的不同设计，并可包括各种支持元件或者说设备(未示)。冷却构件，或者说冷却系统可以用各种方式控制阴极水回路中的水温，诸如按一个热电偶循环开启和关闭一个冷凝器，而热电偶与阴极水、或者系统其它任何部分热连接，包括产生大部分热的阳极。
图15为一个变通的臭氧发生器640的示意图，它的工作不用控制器、阀及水位传感器。臭氧发生器640进行图14的生器610相似的过程，但是修改为工作在完全被动的方式，不需要控制系统、阀、或者水位传感器。发生器640取消作为图14发生器510组成部分的所有电磁阀(或浮子开关)556、558、560、泵544a，所有水位传感器535、546、550、552以及控制系统544。
被动发生器系统640提供所有的水处理要求，保持在阳极蓄池642和阴极蓄池644中灌满水。蓄池624、644都置于与去离子水源646直接连通。在阴极蓄池644和阳极蓄池642之间的流体管线648直径小，以从阴极蓄池644向阳极蓄池642提供足够快速的液流，使溶于阳极中的臭氧不能扩散进入阴极蓄池644。一个防倒流装置650防止水或气从阳极蓄池642流入阴极蓄池644。
水可以用疏水膜或相分离器652、654保持在蓄池中，它们防止液态水从蓄池642、644的顶部逸出。这此疏水的相分离器652、654对液态水提供障碍，但能让水蒸汽、氢气、氧气、臭氧气之类的气体自由传输。在起始充灌时，分离器652、654使来自去离子水源646的水能够取代蓄池642、644的所有气体。在气体从蓄池642、644中排净而直接接触疏水膜652、654时，随着蓄池642、644中的压力平衡了水源646的压力，水的输送停止。只要保持供水，在工作的各个阶段，在各蓄池642、644中的水持续保持在这个水位。优选地设释压阀672a和674a，用于在损坏疏水膜之前释放高水压。
在臭氧发生系统640正常工作时，在电解器656中产生气泡，并转移到蓄水池中。在电解器656的阳极间658中产生的氧和臭氧气泡转移到阳极蓄池642，而在阴极间660中产生的氢气泡转移到阴极蓄池644，此后气泡上升到其各自蓄池的顶部，与疏水膜652、654发生接触。疏水膜对来自蓄池内部的气体和水蒸汽的转移很少有或没有限制，它们在高压抵达出气管线662、664。分离器652、654由支承结构666、668适当地支承，支承结构提供气体和所有凝结液体自由流动，但为膜提供足够的支承，从而蓄池中的水和出气管线中的气体之间的压差可能超过100psi。膜652和支架666反过来由容器顶670提供机械支持和液、气密封。臭氧/氧放气管662与膜652的干侧直接连通，使原先含在汽泡中的气体能够离开阳极蓄池。同样，氢出气管664也与膜654的干侧直接连通，使原含于气泡中的氢气能离开阴极蓄池644。
可加一个压力调节器672，使膜652干侧氧气和臭氧气的压力能达到容器642中液压以下的任何压力值。以类似的方式，可向氢出气管644加一个压力调节器674，以控制氢的发送压力。压力调节器672、674可以互相独立的工作，使得来自阴极蓄池642和来自阴极蓄池644的压力能分别地调节到从亚环境压力到水压的气体压力，水压对阳极蓄池642和阴极蓄池644是共同的。可增加过压控制器676、678以防止主放气管662、664阻塞或产生过剩气体时系统过压。附加的释压阀672a、674a防止蓄池中的水压超过设计极限。出释压阀676的臭氧可以用一个催化催毁单元678在气体经放气管680释入大气之前摧毁。过剩氢气或者由过压气体产生的氢气可以在一个催化摧毁单元682中摧毁，它由空气泵684提供的空气中的氧与氢气反应化合。产生的水蒸气和剩余空气经一个放气管686释入大气。两摧毁单元678、682可置于相互热连通，从而氢/氧化合产生的废热可以用于帮助摧毁臭氧气。
在去离子水源646和蓄水池642、644之间可以加一个供选用的增压泵688。为进一步调节水，可在水源管线中加一个树脂床690。优选的是，进一步包括一个包括流速调节装置692的回返回路，以不断洁净进水。一个防倒流装置694用于防止水返回水源646。
一个在阴极蓄池644中的辅助放气系统防止万一供水中断时氢气从阴极蓄池644转移到阳极蓄池642。这是用一个向下伸入阴极蓄池644至蓄池底上方的一点698的浸管696完成的，该点698界定最低可接受的水位，浸管696向上伸出蓄池与一个有适当支承和壳702的疏水膜700连通。当水位高于点698而蓄池在压力下时，水迫使管696中的所有气体经疏水膜700后而出放气管703，该通气管处于大气压，或在大气压力之下。万一阴极蓄池中的水降低到点698以下，现在管中的水会反排出管696进入蓄池644，使阳极蓄池644内的气体能沿浸管向上从放气管703逸出。以此方式，蓄池644中的压力下降到大气压力，以防止液体进一步从阴极蓄池转移到阳极蓄池。
阳极蓄池642优选地包括一个类似的辅助放气管系统，它有浸管704、疏水相分离器706、壳708、和放气管710。通过某个事件，例如入水的压力起伏，如果在阳极蓄池642中的压力高于阴极蓄池644中的压力，从阴极蓄池到阳极蓄池的压力驱动水转移就会停止。阳极蓄池中的水位降到浸管704的下开孔712之下时，阳极系统中的压力减少，从阴极蓄池到阳极蓄池的压力驱动水转移就会重新建立。
系统640的其余部分可保持与图14的发生器510的其余部分不变。因此，系统640可包括一个阴极循环泵536、一个电源570、一个冷却构件566，和一个竖管532。冷却系统564、566、568可用一个电子或机械温度控制器606，以及一个与凝结系统和被调温体直接连通的温度传感器运转，被调温体在图14和图15中示为阳极蓄池水，但是可以是阳极端板，或者其它任何代表电解器温度的位置。电源570也可以工作于自立的方式，自控输出功率以匹配臭氧需求。一个热切断开关可以用于在一旦超过阈值温度时切断电解器的电源。
臭氧气优选地用一种电解法产生，它提供工艺和成本两方面的好处。电解法中，用一个专门的电解池通过电解水产生臭氧。电源和水源是电化学生产O3的唯一需要。与电晕法产生的臭氧气不同的是，电解发生的臭氧不含有毒副产品。电解反应通过在阳极和阴极之间施直流电发生，阳极和阴极置于一个质子交换膜(PEM)各一边，此膜优选地为一个氟化磺酸聚合体膜(诸如位于Wilmingron，Delaware的Dupont deNemours公司出售的NAFION 117)。水馈向阳极催化剂，此处发生水的氧化，产生吸热和O2演生反应和O3形成反应。
利用高的过电位和一定的电极材料选择性地以牺牲O2演生来加强O3形成，水氧化产生质子和电子，它们在阴极重亲结合。电子经外电路导向阴极。在水的存在下，质子和电子重新结合而形成氢气。
采用PEM取代液体电解质提供了几个优点。首先，液体管理得以简化并排除了渗露腐蚀性液体的可能性。其次，PEM/阳极界面提供了一个很适于电化学O3反应的化学环境。基干氟聚合物，例如全氟化磺酸聚合物的PEM显示很高的耐化学侵蚀力。
图16是生产臭氧的电解池组512的分解透视图。电解池组512可包括任何数目单个电解池，但此处所示为两个结构和工作相似的电解池590。每个电解池590含有一个延展的钛流场607，一个有沉积在其面对PEM610的表面上的二氧化铅催化剂的多孔钛构件108，和一个围绕流场607和构件608放置的池架609。PEM610可以覆以铂之类阴极催化剂，面向多孔不锈钢片611，也可以放置得与一个碳纤维纸(未示)接触，后者之上覆有阴极催化剂。一个多孔不锈钢片611对着阴极催化剂表面放置，后接一个辊轧延展不锈钢流场612，后者可包括多个片。另一个池架609围绕片611和流场612放置。一个双极板613置于两个电解池590之间，允许在邻接的不锈钢流场612和邻接的钛流场607之间传导电子。该系统可包括一个附加双极板和一个在阳极流场607和电解器的端板601之间的流场602，以排除端板601与臭氧的接触。尽管没有图示，板605和流场602或某些其它中间构件，可以用于两个端板，以排除端板接触电解池内同样的或不同的流体。
两个端板601、616被拉在一起，把电解池组512的全部部件压成一个过滤器迫紧式结构，其中邻接的部件紧密接触。池架609、膜610、双极板613、电流收集面板616等被充分压缩，以提供一个密封的连接结构，并共同形成发送和抽出电解池组512中流体的岐管。
图17为适用于图16的电解池中池架609的前视图。池架609有多个栓孔620和对准孔621围绕其周缘，以对准并把池架与邻接的膜610、双极板613或电流收集器面板606固定在位。池架609有一个中央区622，它开口容纳一个流场和电极，诸如延展的钛流场607、多孔钛片608和在该片608上形成的电催化剂。第一岐管由一排孔624提供，它们例如经过槽隙626对中央区622供水。流经中央区622的水然后优选地收集在对面的岐管并从池架组中抽出，该后面的岐管含有孔628和槽隙630。应当认识到，在两个岐管中的孔624，628都对齐并与穿过邻接的电解池组512部件上的同类孔相连通(见图16)。此例中，水经孔629和槽隙630发送并且通过钛流场607和多孔钛片608后进入阳极蓄池电解池产生氧和臭氧。含臭氧水从槽隙626和孔624中抽出电解池组而进入阳极蓄池。相反地，由孔632形成的岐管和由孔634形成的岐管可使流体从中流过而进入另一个池架(未示)，诸如围绕一个不锈钢流场612和一个多孔不锈钢片611的池架。
图17a是围绕几个池部件形成的一个框架的剖视图。框架609可用于把一个钛烧结件或者钛毡构件608和一个流场或多个流场607固定在一起成为一个共同的组件。以此方式，保持构件608和流场607之间的紧密接触，同时避免其间打滑和磨擦。烧结件608的运动可产生一个作用在顶着烧结件608放置的膜(见图16)上的剪刀。优选地，该烧结件插入一个注塑的框架以提供绝对齐平而平坦表面对着此膜。变通地此框架可用一个架状突起提供以保持该烧结件不动。
图17b为围绕几个电解池部件形成的另一框架609的剖视图。此处所示框架609固定一个钛毡608a(阴极侧)、一个打孔的金属片608b以支承此毡、一个皱纹双极板613和一个多孔钛片611(阳极侧)。变通地，钛毡608a和钛片608b可以用钛烧结件取代。为减少部件成本并减少部件数量，双极板优选为编织或起皱纹后模塑进框架中。编织或起皱纹的板613在构件608a/b和611之间提供刚性支承，同时还在板613的双侧分别提供一个流场。此框架模制有与板613双侧流场都连通的流槽。此板因而对阳极和阴极都起双极板和流场两个作用。
图18为被动臭氧发生器640的示意图，除其运转无阳极蓄池642和相关连管线及设备之外与图15所示相同。取代阳极蓄池，该发生器640从阴极蓄池644向阳极658供水。在管道594中放置一个限流器或者说阻尼孔645以限制发送到阳极658的水量。优选地，阻尼孔654以很特定的流速从阴极回路向阳极回路输水，该特定流速足以保持阳极在所有工作条件下都充满水，尤其要考虑由生产臭氧消耗的水、电渗透转到阴极的水和蒸发进臭氧气流中的水。而且，最好不要向阳极提供过多的水，那会使水进入出口管600并与臭氧气体一起从阀672出去。
图23为一个臭氧发生器730的局部示意图，具有一个置于阴极蓄池644和阳极658之间的阻尼孔645和一个阳极冲刷系统。如同图18，阻尼孔645在阳极用水时向阳极供水。因为几乎没有或根本没有水流出阳极间658，时间长了会积累污物并减少电解池的产量。阳极冲刷系统通过旁路阻尼孔645或另外提供一个液流，使阳极间658能周期性地受到冲刷。
图19为被动臭氧发生器640示意图，与图18所示相同，只是它不直接向阳极658供水，而是依靠水从阴极660向阳极658反扩散供水。在此实施例中，取消了管路594和阻尼孔，从而减少了部件数并进一步简化发生器的运转。因为，含有入水管594、阴极660和出水管596的阴极回路保持满水，对阴极660的供水应总可用于向阳极658反扩散水。优选的是，阴极回路中的水是循环的，最好是连续不断循环。
图20为被动臭氧发生器640的示意图，与图19所示相同，只是它还直接向设有小管的质子交换膜514供水。有小管的膜有利于向阳极催化剂供更多的水，比仅从阴极660反扩散水为优。重要的是，向阳极提供足够的水用于臭氧生产反应、补偿从阳极到阴极电渗透造成的水损失和防止膜干燥丢失的水，膜干燥会使膜内电阻增大。
如前所述，在许多应用中，含臭氧水流是有用的。在某些这种应用中，含臭氧水流必须是高质水及/或去除某种污染的水。例如，臭氧可引入一个饮用水流，或者半导体生产的漂洗水流中，以氧化其中的污染物。尽管可使用臭氧化阳极水，阳极水源可能纯度不够高，或者臭氧化阳极水可能从电解器本身沾上污染物，例如铅。因此，根据本发明，臭氧必须先脱离阳极水，然后再重新接合上一个有合适水质的第一水源。脱离提供了没有任何非挥发污染物的臭氧气流，非挥发污染物例如有铅、颗粒物及其它有机或无机物。重接合第二水源提供所要求的过程水流。
可以用一个蒸汽间隙或一个疏水膜使阳极水物理地与过程水分开来完成脱离和重新接合。从而消除了铅之类的污染物分散到过程水，或者说使用该水的过程中。
图21为一个臭氧接合或称重接合系统710的剖视图，具有设计用于在臭氧与其中所含过程水提供接触的内挡板712和内孔或槽隙714。优选地，臭氧和水流是反向流的，水向下流，而臭氧气泡有上升的趋势。挡板712可以业内公知的各种方式设计，但是优选地将减少或者说防止经管线716引入系统710的水循环，以便建立一个臭氧浓度梯度，含有最高臭氧浓度的水在系统的下部，在此处臭氧化水经出水管718抽出。挡板712阻抗可由温度梯度、上升的臭氧气泡和水流等造成的自然循环流动的相当大部分。但是允许臭氧气泡经槽路714缓慢上升到系统710的顶部。过量的臭氧通过水上升到膜625，该膜允许臭氧通过并经管线719出去，用于处理或再利用。
图22是另一个臭氧接合或称重接合系统720的剖视图，具有多个内疏水膜652和外水流构件722。最好各由孔板666支承的疏水膜652界定一个充满水的中间室724。水经过管线716从一水源进入上室724。允许臭氧气通过膜625进入下一个更高的室724。以此方式，臭氧气连续地向上通过每个膜652，并且，如果臭氧没有最终接合入过程水中，就从管线719出去。相反地，过程水向下流经室724，并且只能经外水流构件722在室724之间上升或下降。以此方式，减少或者消除水在全系统720中循环，同时允许臭氧通过蓄池。而且，可以建立一个臭氧浓度梯度，最高的臭氧浓度保持在低室724的水中，此处的水经管路718抽出供使用。应认识到，可以使用其它构形和方法达到臭氧在水中重新接合，例如使用一个组合柱。
图24是一个整体的臭氧脱离和重新接合系统730。系统730与图23的系统720工作方式相同，只是它与一个阳极蓄池732直接液体连通，优选地与一个电化学池740的一个阳极734直接液体连通。电化学池740是一个PEM电解池，具有一个阳极734，一个质子交换膜736和一个阴极738，阳极和阴极与电源742的正和负极电连接。以这个或其它类似的结构，水自由地提供给阳极，而水、臭氧和氧自由地从阳极流开进入阳极蓄池。此结构使水在热梯度的自然力和阳极发生的气泡浮力帮助下的自由流动。水源优选地经一个小直径管道与阳极蓄池732连通，以减少或者消除通过扩散逸出系统造成的臭氧损失量。
在阳极蓄池732中的臭氧允许通过疏水膜625，沿蓄池的顶部进入邻室724中的过程水。但是，因为该膜是疏水的，阳极水和所有非挥发性污染物会保留在蓄池732中。系统730中的臭氧化过程水经管线718出去。应认识到池740可与任何其它形式的臭氧接合系统直接液体连通，包括挡板、组件等，只要阳极水保持与过程水分开就行。例1一种按图1、3和4设计的臭氧发生器，每天用约5加仑(18.9升)去离子水，每天生产5磅(2.26公斤)臭氧。用一组10个电解池连续产生约每分钟7升有15％重量臭氧的湿氧流。每个池有约100平方厘米的活性面积。阳极流场由三个辊轧延展的钛片和一层与该延展钛片电接触的烧结钛提供。烧结钛层在其表面沉积有一薄层二层化铅催化剂，而且二氧化铅与一个质子交换膜(PEM)面对面接触。PEM是一层氟化磺酸聚合物NAFION 117。阴极电催化剂由一个渗有铂催化剂的碳纤维纸提供。该纤维纸对着PEM的第二侧放置，阴极流场然后邻接碳纤维纸组装，并包括一片可压缩的不锈钢毡、一个打孔的不锈钢片和三片辊轧延展不锈钢，此处三个片的宝石状开孔与每个邻接的片呈90°角。
阳极蓄池和阴极蓄池由硼-硅玻璃筒制成(在Corning，New York的Corning Glass Works公司出售的PYREX玻璃)，用螺栓固定在两个不锈钢端板之间，此两板加工成可容纳此玻璃筒并可连接各种管道和装置。清澈的玻璃筒使人们能够看到其中进行的液/气分离过程。每个蓄池竖直取向，容积约2加仑。阳极水用约70英尺长1/2英寸直径的管子置于阳极蓄池中冷却。该管连接到一个冷凝器单元，它在100°F(37.7℃)的环境温度和35°F(1.66℃)的吸入温度下额定为26,900英制热量单位(28.37MJ)，(诸如F3AD-A325型，由位于Sidney，Ohio的Copeland公司出售)。电源接受70安培208伏三相电为各部件供电。电源整流器为六脉冲、中点整流器，由六个可控硅组成(110RK 180型，由加拿大的International Rectifier of El Segundo公司出售)。系统控制器可为可控硅提供相角控制，使电源输出得以升降。例2按照图5和6设计的一种臭氧发生器，以每分钟约5毫克臭氧，并以受压力的臭氧饱和水发送之，每升水至少含100mg臭氧，使用了单电解器池，活性面积约5cm2，它储存并发送750ml含75mg溶解臭氧的水。阳极蓄池用两英寸直径约16英寸长的钛管制造，并且机制钛端帽焊接在位。顶端帽具有用于用螺栓固定在一膜支承组件的构造，而且一个合适多孔疏水膜置于钛端帽和一个不锈钢膜支架以及流场组件之间。使用的相分离膜是多孔聚四氟乙烯材料，可从W.L.Gore andAssociates公司购买。焊接到阳极蓄池下端的端帽被加工成一个开口区，它为一个连接到一个电源正极的烧结钛提供支持。该端帽的侧或缘包括一个套管和一个流槽，使阳极蓄池和一个排出此蓄池的排水管之间能够流体连通。套筒和流槽放置得稍高于阳极，从而阳极蓄池不能完全排空，从而减少阳极变干的可能性。PEM是一片全氟化磺酸聚合物，具体地，是从位于Wilmton，Delaware的Du Pont de Nemours公司购得的NAFION。阳极电催化剂由一种碳纤维纸提供，它渗有约0.1到1mg/cm2之间的铂催化剂。碳纤维纸对着PEM的第二侧放置，由烧结不锈钢料制成的阴极流场置于与碳纤维纸的另一侧接触，从而向阴极催化剂提供机械支承和电连接。然后用螺栓把不锈钢帽固定在组件底上。该端帽对阴极提供密封、流槽、流体连接和电连接。
阴极的排放管连接到一个与阳极蓄池和电解器组件分开的第二相分离器上。该第二相分离器由市场出售的相分离器组成，47mm的过滤器支架由聚四氟乙烯(PTFE)模制，但其它适当的市上出售的或定做的系统也可采用。在阴极相分离器中采用与阳极相分离器相同的多孔Gore膜。阴极相分离器用几英尺长1/8英寸Teflon管连接到阳极蓄池上形成液体连接。阴极相分离器的氢连接用1/4英寸的乙烯管连接到氢摧毁器上，此管为美国Akron，Ohio的Stoneware公司出售，商品名为TYGON。
气体摧毁单元用一根1/2英寸直径约9英寸长并有两个管子接头的不锈钢管制成，一个接头在底部，一个在其长度的中间。它用一个约2英寸的不锈钢绒包裹，外包3英寸镀铂铝铢从侧入口以下约1英寸到侧入口以上约2英寸的区域用不锈钢绒包裹，以提供臭氧与从下方的氢摧毁器出来的热空气混合。该管顶部的其余空间装满MnO2-FeO3小丸，它们可从位于Needham，Masschusetts处的Protech公司购买。空气由每分钟1升的隔膜泵提供，例如从California的ApolloEterprises of Ontario公司买到的隔膜泵。该摧毁器的顶端向大气通气。
热管理由两个热电装置提供，例如由New Jersey的Melcor ofTrenton公司出售PT6-12-40型。为增加热接触面积，用两个铝筒紧紧地夹在钛管的外侧，每个筒磨出一个平面，在每个平面上安装一个热电元件。在热电元件的热节上安装一个翅片状铝散热器，使废热能传送到环境空气。一个冰冻保护开关与热电元件电源串联。一旦阳极蓄池的温度下降到接近结冰时，该双金属片开关断开，关闭热电元件，直到温度上升到此开关的滞后范围。
图13A和13B所示为一个适用的恒流电源，有三个输出电平向电解器供电。该电源提供一个最低的200mA电解池保持电流，一个5安培电流的正常输出，和一个10安培的高电流输出。一个位于阳极的过温双金属片开关在阳极温度升到约40℃以上时把电源置于最低电流工作方式。一个第二外开关或者说继电器，在需要更多的臭氧产量时使电源能置于高输出工作方式。电源还包括电池充电和备用电源运转的电路。
尽管以上说明针对本发明的优选实施例，可以不偏离其基本范围的前提下构思其它的和进一步的本发明实施例，其范围由以下的权利要求书确定。
权利要求
1.一种臭氧发生系统，含有，一或多个电解池，各含有一个阳极室和一个阴极室；一个与阳极室液体连通的阳极蓄池，该阳极蓄池含有一个第一气体释放构件；以及一个与阴极室液体连通的阴极蓄池，该阴极蓄池含有一个第二气体释放构件。
2.权利要求1所述的系统，其特征是，阳极和阴极蓄池各有一个入水口。
3.权利要求2所述的系统，其特征是，进一步含有与入水口液体连通的水源。
4.权利要求3所述的系统，其特征是，进一步含有与水源液体连通的增压泵。
5.权利要求1所述的系统，其特征是，进一步含有与阴极蓄池液体连通的水源。
6.权利要求5所述的系统，其特征是，对液体从水源流到阴极蓄池无限制。
7.权利要求6所述的系统，其特征是，阴极蓄池与阳极蓄池液体连通。
8.权利要求7所述的系统，其特征是，对阴极蓄池到阳极蓄池的流动没有限制。
9.权利要求1所述的系统，其特征是，进一步含有一个与阳极蓄池热连通的水冷却构件。
10.权利要求1所述的系统，其特征是，进一步含有一个置于阳极蓄池和阳极室之间的水循环构件。
11.权利要求1所述的系统，其特征是，阳极蓄池有一个用于从阳极蓄池返水的竖管。
12.权利要求11所述的系统，其特征是，竖管有一个用于以低循环速率平衡竖管和阳极蓄池水位的小孔。
13.权利要求1所述的系统，其特征是，阳极蓄池与阴极蓄池的液体连通。
14.权利要求1所述的系统，其特征是，进一步含有一个连通阳极蓄池和阴极蓄池的水流管线。
15.权利要求14所述的系统，其特征是，在水流管线进一步含有一个阀。
16.权利要求14所述的系统，其特征是，水流管线直径足够小，从而基本上消除溶于阳极水中的臭氧和氧扩散进阴极。
17.权利要求14所述的系统，其特征是，水流管线有一个防倒流装置，以防止水或气体从阳极蓄池流通到阴极蓄池。
18.权利要求1所述的系统，其特征是，进一步含有一个位于阳极蓄池和阳极室之间的水流管线，并在水流管线中放置一个泵。
19.权利要求1所述的系统，其特征是，阳极蓄池高于阳极室之上，而且阳极蓄池入口与阳极室顶部连通。
20.权利要求19所述的系统，其特征是，阳极处产生的气体上升进入阳极蓄池。
21.权利要求1所述的系统，其特征是，第一气体释放构件是一个第一阀。
22.权利要求21所述的系统，其特征是，进一步含有一个系统控制器，编程为根据阳极蓄池中的水位操纵第一阀。
23.权利要求1所述的系统，其特征是，第二气体释放构件是一个第二阀。
24.权利要求23所述的系统，其特征是，进一步含有一个系统控制器，编程为根据阴极蓄池中的水位操纵第二阀。
25.权利要求1所述的系统，其特征是，一或多个气体释放构件含有一个疏水透气构件。
26.权利要求25所述的系统，其特征是，一或多个疏水透气构件含有多孔聚四氟乙烯。
27.权利要求1所述的系统，其特征是，第一气体释放构件是一个疏水透气膜。
28.权利要求1所述的系统，其特征是，第二气体释放构件是一个疏水透气膜。
29.权利要求1所述的系统，其特征是，进一步含有一个置于与一或多个气体释放构件液体连通的压力调节器。
30.权利要求1所述的系统，其特征是，进一步含有一个浸管，它有一个置于阴极蓄池中的第一端，一个处在大致环境压力下的第二端，和一个置于第一端和第二端之间的疏水透气膜。
31.权利要求1所述的系统，其特征是，进一步含有一个浸管，它有一个置于阴极蓄池中的第一端，一个处在大致环境压力下的第二端，和一个置于第一端和第二端之间的疏水透气膜。
32.权利要求1所述的系统，其特征是，进一步含有一个与电解池电连通的后备电池。
33.权利要求32所述的系统，其特征是，后备电池用并联电路与一个电源连接。
34.一种发生臭氧的方法，含有下列步骤(a)在一个或多个含有一阴极和一阳极的电解池中电解水；(b)在阳极形成氧和臭氧；(c)在阳极和一个阳极蓄池之间循环水；(d)从阳极蓄池水中分离臭氧和氧；(e)从阳极蓄池排出氧和臭氧。(e)在阴极形成氢；(f)一个阴极蓄池从阴极接收水和氢；(g)从阴极蓄池中的水分离氢；并从阴极蓄池排出氢。
35.权利要求34所述的方法，其特征是，进一步含有在阳极蓄池冷却水的步骤。
36.权利要求34所述的方法，其特征是，来自阳极室的水经一个阳极蓄池中的竖管循环到阳极蓄池。
37.权利要求36所述的方法，其特征是，竖管有一个用于平衡水位的小孔。
38.权利要求34所述的方法，其特征是，进一步含有需要连续生产臭氧时向每个蓄池加水的步骤。
39.权利要求38所述的方法，其特征是，水从阴极蓄池加往阳极蓄池。
40.权利要求34所述的方法，其特征是，阳极蓄池工作在一个定点压力，并有一个基本上恒定的水位。
41.权利要求34所述的方法，其特征是，阴极蓄池工作在一个定点压力。
42.权利要求34所述的方法，其特征是，阳极蓄池工作在约30psig(206.8kN/m2)，而阴极蓄池工作在约40psig(275.7kN/m2)。
43.权利要求34所述的方法，其特征是，含有10％至18％左右重量臭氧的氧气流从阳极蓄池排出。
44.权利要求38所述的方法，其特征是，进一步含有用高于环境的压力连续向每个蓄池供水的步骤。
45.权利要求34所述的方法，其特征是，进一步包括增加气体排放压力的步骤。
46.权利要求34所述的方法，其特征是，进一步含有分别地调节来自阳极蓄池的气体排放压力和来自阴极蓄池的气体排放压力的步骤。
47.权利要求34所述的方法，其特征是，进一步含有把从阴极回收的水输向阳极的步骤。
48.权利要求1所述的臭氧发生系统，其特征是，提供一个用于在阳极和阳极蓄池之间循环水的装置。
49.权利要求48所述的系统，其特征是，循环装置含有一个从阳极抽水并把水泵过阳极的泵，来自阳极的水再引入阴极蓄池。
50.权利要求49所述的系统，其特征是，该泵还把水从阳极蓄池泵到阴极，阴极与阳极蓄池连通。
51.权利要求9所述的臭氧发生系统，其特征是，水冷构件含有一个冷却螺管，该螺管经一个冷却回路循环致冷流体，冷却回路包括一个冷凝器和一个压缩机。
52.权利要求1所述的臭氧发生系统，其特征是，设有一个系统控制器，用于从传感器接收信号，然后向该系统的活动部件发送控制信号。
53.权利要求52所述的系统，其特征是，与控制器相连的传感器包含用于传感阳极蓄池中的当前液位的水位传感器。
54.权利要求52或53所述的系统，其特征是，与控制器相连的传感器装置含有传感阴极蓄池中的当前液体的传感器。
55.一种臭氧产生和发送系统，含有，一个具有一个阳极和一个阴极的电化学池和一个与阳极连通的阳极蓄池，该阳极蓄池有一个气体出口，和一个放置在气体出口上方的多孔疏水膜。
56.权利要求55所述的系统，其特征是，阳极形成阳极蓄池的一部分。
57.权利要求56所述的系统，其特征是，气体出口置于阳极蓄池的顶部，而阳极置于阳极蓄池的底部。
58.权利要求55所述的系统，其特征是，阳极蓄池直接接到阳极。
59.权利要求55所述的系统，其特征是，阳极蓄池直接接到阴极，使水和气泡在阳极和阳极蓄池之间能够自由交换。
60.权利要求55所述的系统，其特征是，阴极蓄池进一步含有一个释压构件。
61.权利要求55所述的系统，其特征是，阳极蓄池进一步含有一个与阳极蓄池液体连通的捕气室。
62.权利要求61所述的系统，其特征是，捕气室为一个置于阳极蓄池中的倒U形管。
63.权利要求61所述的系统，其特征是，捕气室为一个置于一个与阳极蓄池连通的液体管线中的气体陷阱。
64.权利要求55所述的系统，其特征是，进一步包括与阳极蓄池液体连通的水源。
65.权利要求64所述的系统，其特征是，水源把水输送到阳极的顶部。
66.权利要求55所述的系统，其特征是，进一步包括一个经一个防倒流装置液体连通阳极蓄池的水源。
67.权利要求66所述的系统，其特征是，在气体出口中进一步含有一个压力控制装置。
68.权利要求55所述的系统，其特征是，进一步含有一个与阴极蓄池热连通的冷却构件。
69.权利要求68所述的系统，其特征是，冷却构件含有一个与散热器热连通的热电装置。
70.权利要求55所述的系统，其特征是，进一步含有一个与阴极液体连通的阴极相分离器。
71.权利要求70所述的系统，其特征是，阴极相分离器含有一个储液器，一个在此储液器顶部的出气口和一个置于出气口上方的多孔疏水膜。
72.权利要求71所述的系统，其特征是，阴极相分离器的多孔疏水膜使气体能与水分离，而水保持在压力下。
73.权利要求70所述的系统，其特征是，进一步含有一个提供从阴极相分离器到阳极蓄池的液体连通的循环管线。
74.权利要求73所述的系统，其特征是，循环管线含有一个防倒流装置。
75.权利要求73所述的系统，其特征是，循环管线的直径足够小，以防止溶解的臭氧从阳极蓄池扩散到阴极相分离器。
76.权利要求55所述的系统，其特征是，阴极和阳极用一个质子交换膜分开。
77.权利要求55所述的系统，其特征是，在气体出口进一步含有一个压力调节构件。
78.权利要求55所述的系统，其特征是，多孔疏水膜使气体从水中分离，同时水保持在压力下。
79.权利要求55所述的系统，其特征是，阳极蓄池进一步含有一个在阳极蓄池底部附近的出水口。
80.一种臭氧发生和发送的系统，含有多个电化学池，每个有一个阳极和一个阴极；和一个与阳极连通的阳极蓄池，该阳极蓄池含有一个出气口，和一个置于出气口之上的多孔疏水膜。
81.权利要求80所述的系统，其特征是，多个电化学池置于一个过滤器迫紧型结构中。
82.权利要求80所述的系统，其特征是，阳极形成阳极蓄池的一部分。
83.权利要求80所述的系统，其特征是，通过阳极面对阳极蓄池而并排放置多个电化学池。
84.权利要求83所述的系统，其特征是，电化学池用电线串联。
85.权利要求83所述的系统，其特征是，电化学池使用一个公共的质子交换膜。
86.一种用于一个提供含有气液流的电化学池的相分离器，含有(a)一个蓄池，有一个接收含气液的入流通道，一个出气口，一个置于出气口上的疏水膜，和一个用于把液体返回电化学池的出流通道。
87.权利要求86所述的相分离器，其特征是，入流通道是一个第一管道，而出流通道是一个第二管道。
88.权利要求86所述的相分离器，其特征是，入流通道和出流通道是同一个通道。
89.权利要求88所述的相分离器，其特征是，蓄池沿一个界定该通道的界面直接连接着电化学系统。
90.一种用于产生臭氧和氢气的电化学系统的废气摧毁系统，含有(a)一个有一个氢入口，一个氧源入口和一个曲折包间的第一区；(b)一个在第一区下游的第二区，第二区有一个氢气摧毁催化剂；(c)一个在第二区下游的第三区，第三区含有一个臭氧入口和一个曲折的包间；(d)一个在第三区下游的第四区，第四区含有一个臭氧摧毁催化剂和一个放气管。
91.权利要求90所述的废气摧毁单元，其特征是，氢摧毁催化剂与臭氧摧毁催化剂连通。
92.权利要求90所述的废气摧毁单元，其特征是，氢摧毁催化剂与一个无关过程热连通。
93.一种发生和发送臭氧的电化学方法，包含下列步骤(a)在一或多的电解池中电解水，在阳极的水中产生氧和臭氧，在阴极的水中产生氢气。(b)从阳极向一个阳极蓄池接收含溶解氧和臭氧气体的阳极水，并且(c)用一个置于阳极蓄池中的多孔疏水膜从阳极水中分离臭氧/氧气体；
94.权利要求93所述的方法，其特征是，进一步含有下列步骤(d)从阴极向阴极蓄池接收氢气和水；(e)用一个多孔疏水膜从阴极水中分离氢气。
95.权利要求94所述的方法，其特征是，进一步含有下列步骤(f)从阴极蓄池向阳极蓄池回收水。
96.权利要求93所述的方法，其特征是，进一步含有下列步骤(d)向阳极蓄池添水；
97.权利要求93所述的方法，其特征是，进一步含有下列步骤(d)向阳极蓄池的顶部加水；和(e)从阳极蓄池的底部抽取含有溶解臭氧的阳极水。
98.权利要求93所述的方法，其特征是，进一步含有下列步骤(d)把阳极蓄池减压至水源压力以下；(e)使水能从水源流入阳极蓄池；及(f)重新加压阳极蓄池；
99.权利要求93所述的方法，其特征是，进一步含有下列步骤(d)通过限制流出阳极蓄池的气流控制阳极蓄池的压力。
100.权利要求93所述的方法，其特征是，进一步含有下列步骤(d)在压力下从阳极蓄池中发送臭氧气。
101.权利要求93所述的方法，其特征是，进一步含有下列步骤(d)在压力下从阳极蓄池中发送阳极水。
102.权利要求94所述的方法，其特征是，进一步含有下列步骤(f)摧毁多余的臭氧和氢。
103.一种臭氧发生和发送系统，含有(a)一个具有一个阳极和一个阴极的电化学池；(b)一个与阴极连通的阴极蓄池；和(c)一个与阴极蓄池热连通的冷却构件。
104.权利要求103所述的系统，其特征是，阴极形成阴极蓄池的一部分。
105.权利要求103所述的系统，其特征是，阴极蓄池是一个阴极相分离室。
106.权利要求105所述的系统，其特征是，阴极相分离室包括一个置于阴极相分离室顶部的气体出口，并且阴极置于阴极相分离室的底部。
107.权利要求105所述的系统，其特征是，阴极相分离室与阴极液体连通，使水和气泡能在阴极和阴极相分离室之间自由交换。
108.权利要求103所述的系统，其特征是，进一步含有一个与阳极液体连通的阳极蓄池。
109.权利要求103所述的系统，其特征是，进一步含有一个与阴极蓄池液体连通的水源。
110.权利要求103所述的系统，其特征是，进一步含有一个经一防倒流装置与阳极蓄池液体连通的水源。
111.权利要求110所述的系统，其特征是，进一步含有一个位于气体出口中的压力控制装置。
112.权利要求103所述的系统，其特征是，进一步含有一个与阳极液体连通的阳极蓄池。
113.权利要求112所述的系统，其特征是，阳极蓄池含有一个蓄液池，一个位于蓄液池顶部的出气口和一个在出气口上方的多孔疏水膜。
114.权利要求113所述的系统，其特征是，阳极蓄池的多孔疏水膜使气体能从水中分离，而水处在压力下。
115.权利要求112所述的系统，其特征是，进一步包含一个提供从阴极相分离器到阳极蓄池液体连通的循环管线。
116.权利要求115所述的系统，其特征是，循环管线包含一个防倒流装置。
117.权利要求115所述的系统，其特征是，循环管线直径足够小，以防止溶解的臭氧从阳极蓄池扩散到阴极相分离器。
118.权利要求103所述的系统，其特征是，阴极和阳极由一个质子交换膜分开。
119.权利要求114所述的系统，其特征是，进一步包含一个置于出气管中的压力调节构件。
120.权利要求103所述的系统，其特征是，阳极蓄池进一步含有一个靠近阳极蓄池底部的出水口。
121.一种发生和发送臭氧的系统，含有(a)多个电化学池，每个有一个阴极和一个阳极；(b)一个与阳极连通的阳极蓄池，该阳极蓄池有一个出气口和一个置于出气口之上的多孔疏水膜。
122.权利要求121所述的系统，其特征是，多个电化学池处于过滤器迫紧结构。
123.权利要求121所述的系统，其特征是，阳极形成阳极蓄池的一部分。
124.一种发生和发送臭氧的电化学方法，含有下列步骤(a)在一或多个电解池中电解水，在阳极的水中发生臭氧，和在阴极的水中发生阴极产物；(b)在阴极的阴极蓄池之间循环水；并(c)冷却阴极蓄池中的水。
125.权利要求124所述的方法，其特征是，用一个放置在阴极相分离器中的多孔疏水膜从阴极水中分离氢气。
126.权利要求124所述的方法，其特征是，进一步含有下列步骤(d)经质子交换膜从阴极向阳极反扩散水，其中，质子交换膜置于阴极和阳极之间。
127.权利要求124所述的方法，其特征是，进一步含有下列步骤(d)在压力下从阳极发送臭氧气。
128.权利要求124所述的方法，其特征是，进一步含有下列步骤(d)在压力下从阳极发送阳极水。
129.权利要求125所述的方法，其特征是，进一步含有下列步骤(f)摧毁多余的臭氧和氢；
130.一种电化学池，含有(a)一个可压缩电极；(b)一个刚性电极；和(c)一个压在可压缩电极和刚性电极之间的质子交换膜。
131.权利要求130所述的电化学池，其特征是，可压缩电极和刚性电极含有一种流体，而且在可压缩电极中的流体压力大于刚性电极中的流体压力。
132.权利要求130所述的方法，其特征是，进一步含有一个处于可压缩电极后面的刚性构件，减少对可压缩电极的压力。
133.一种运作电化学池的方法，含有(a)以基本上等于反应剂消耗量的流量向电极提供反应剂。(b)以明显大于反应剂消耗量的流量周期性地冲刷电极以去除积累在电极上的成分。
134.权利要求133的方法，其特征是，进一步包括(c)监测进入电极的反应剂流速。
全文摘要
本发明提供一种臭氧发生和发送系统,它可以进行小规模应用,并要求很少的保养维护。该系统包括一个阳极蓄池和一个阴极相分离器,各有一个疏水膜,使产生的气体能从水中进行相态分离。该系统可构造得被动工作,不带有运动部件,或者说以自施压的方式工作,包括一个在阳极蓄池的出气管处的压力控制装置或阀。还公开了一种以恒压工作的臭氧发生器,用以产生连续的氧气流中的臭氧气流,含有10%至18%重量的臭氧。臭氧发生器包括一或多个电解池,后者含有一个阳极/阳极流场,一个阴极/阴极流场,一个用于保持臭氧和氧与氢分开的质子交换媒介。该臭氧发生器还有一个放出氧和臭氧的阳极蓄池和一个放出氢气的阴极蓄池。阳极蓄池可以从阴极蓄池充水,同时连续产生臭氧。臭氧发生器易于用一个编程来常压运转阳极蓄地的系统控制器进行自控。
文档编号C25B1/13GK1264433SQ98805331
公开日2000年8月23日 申请日期1998年3月23日 优先权日1997年3月21日
发明者克雷格·C·安德鲁斯, 奥利弗·J·墨菲, 托马斯·D·罗杰斯 申请人:林恩技术公司