TWI406972B - 臭氧製造裝置 - Google Patents

Description

臭氧製造裝置

本發明係關於一種可達到使各種組成電解電池之組員壽命增長，並可於較高效率下，以及藉由於以水電解製造臭氧時降低水解電池內之溫度，來製造臭氧的臭氧製造系統。

以水電解方式製造臭氧氣體之方法已廣為人之，其中為了於高電流效率下製造高濃度的臭氧氣體，故所應用之電解溫度一般在攝氏30度左右。

然而，用於產生臭氧氣之電解電池，經由電解作用加熱至實際上超過攝氏30度之溫度，而因此必須藉由冷卻電解電池來降低其內部溫度。例如以一種電解電池冷卻方法(此類方法已知如圖4所示)，係藉由從通過電解電池3之陽極區室1與陽極電解液氣－液體隔離塔4間之循環線釋出熱而降低溫度，或藉由在組成該電解電池3之，陽極區室2與陰極區室1的外部提供冷卻覆套(未畫出)來降低電解電池3之溫度。(專利文獻1)

然而，專利文獻1所描述之系統經證明無法充分降低溫度；其能夠壓制陽極區室內的溫度上升，但是由於缺乏陰極冷卻而仍然維持高溫，因此顯示未充分降低電解電池內部溫度，尤其是位於離子交換膜與陽極間，及離子交換膜與陰極間，進行電解反應之界面處的溫度。因為此等原因，遂在電解電池內部發生溫度分布不均，而造成結構組件惡化的現象，導致隨時間流逝而臭氧氣體濃度或電流效率逐漸降低，使得必須時常更換結構組件，以維持令人滿意的效能。

【專利文獻1】日本特開平11－315389號公報

於是，本發明目的係藉由增進冷卻效果，壓制由電解期間產生之熱所造成的電解電池內溫度升高，及進一步在藉由水電解製造臭氧氣時維持電解電池內溫度均勻，來解決該等習知問題，以使能於高效率下獲得臭氧氣，並可增長組成該電解電池之各種組件的壽命。

為解決該等問題，本發明遂架構一種臭氧製造系統，其包含全氟化碳聚合物離子交換膜9，以存在導電性多孔材料上之臭氧產生觸媒支撐的陽極8，與以緊密安裝於該離子交換膜9各面上之鉑觸媒支撐的陰極10，安裝於該陽極8背面上之陽極區室框架6，介於該陽極區室框架6內面與該陽極8背面間所形成之陽極區室1，經由集流器11安裝於該陰極10背面上之陰極區室框架12，介於該陰極區室框架12內面與該集流器11背面間所形成之陰極區室2，及冷卻覆套16，緊密安裝16以使其貼附在該陽極區室框架6，與該陰極區室框架12之外表面上；其特徵為，於用以從供給至該陽極區室1之純水製造臭氧氣的臭氧製造電解電池3中，在該陽極區室框架6與該陰極區室框架12之內表面上形成多數個凹槽13；於該用於臭氧製造之電解電池3外面，安裝一用以將陽極電解液與，從該陽極區室1所產生之含臭氧氣體分開，的陽極電解液氣－液體隔離塔4(其連接至該陽極區室1)，以及一用以將陰極電解液與，從該陰極區室2所產生之氫氧分開，的陰極電解液氣－液體隔離塔5(其連接至該陰極區室2)；達到增進陽極電解液與陰極電解液之冷卻效果，及以高效率製造臭氧氣之目的。

以下說明本發明之實施型態。圖1為本發明所提供之臭氧製造系統的整體圖。圖2－a為從本發明之電解電池3上部觀看之詳圖。圖2－b為從本發明之電解電池3側面觀看之詳圖。圖3為本發明之陽極區室框架6與陰極區室框架12之內表面上所形成多數個凹槽13的詳圖。

如圖1所示，本發明所提供之臭氧製造系統係由，一個將純水電解而產生含臭氧氣體之電解電池3，及兩個裝置於電解電池3上方空間之氣－液體隔離塔4、5所組成。其中一個氣－液體隔離塔為陽極電解液氣－液體隔離塔4，其連接至供給來自電解電池3之陽極區室1的含臭氧氣泡水之氟塑料配管A，及使來自陽極電解液氣－液體隔離塔4之水回到陽極區室1的氟塑料配管B，具有含臭氧氣體排放口14。另一個氣－液體隔離塔為陰極電解液氣－液體隔離塔5，其連接至供給來自電解電池3之陰極區室2的含氫氧氣泡水之配管C，及使來自陰極電解液氣－液體隔離塔5之水回到陰極區室2的配管D，具有氫氣排放口15。

如圖2－a與2－b所示，電解電池3包含全氟化碳聚合物離子交換膜9，以存在導電性多孔材料上之臭氧產生觸媒支撐的陽極8，與以緊密安裝於該離子交換膜9各面上之鉑觸媒支撐的陰極10，安裝於該陽極8背面上之陽極區室框架6，介於該陽極區室框架6內面與該陽極8背面間所形成之陽極區室1，經由集流器11安裝於該陰極10背面上之陰極區室框架12，及介於該陰極區室框架12內面與該集流器11背面間所形成之陰極區室2。組成7為與組成16，組成16為經緊密安裝16以使其貼附在該陽極區室框架6，與該陰極區室框架12之外表面上的冷卻覆套16。

如圖3所示，垂直及平行地形成多數個凹槽13，以增加之熱交換面積達到更高冷卻效率。換言之，此等多數個凹槽13意欲幫助各陽極電解液與陰極電解液溶液之循環，其可形成任何形狀而無需加以限制，包括放射形式或其他。

根據本發明，係將供給至電解電池3之陽極區室1中的已純化氣體電解，而產生含臭氧氣體，其與陽極電解液一起經由配管A送至陽極電解液氣－液體隔離塔4，並於陽極電解液氣－液體隔離塔4中分開成氣體與液體，含臭氧氣體係從其自含臭氧氣體排放口14排出，而陽極電解液係經由配管B循環至陽極區室1。

於另一方面，係將於陰極區室2中產生之氫氣，與陰極電解液一起，經由配管C供給至陰極電解液氣－液體隔離塔5，於陰極電解液氣－液體隔離塔5中分開成氣體與液體，氫氣係從其透過氫氧排放口15排出，而陰極電解液係經由配管D循環至陰極區室2。

根據本發明，陽極電解液與陰極電解液係分別於，陽極電解液氣－液體隔離塔4及陰極電解液氣－液體隔離塔5，與電解電池3之陽極區室1及陰極區室2間進行循環；於是，熱從配管A、B、C與D，及氣－液體隔離塔4與5發散出；而因此促進冷卻，使能達到電解電池3之更高冷卻效率。此外，於陽極區室框架6與陰極區室框架12之內表面上，垂直及平行地或呈放射狀地形成多數個凹槽13，可使供進行熱交換之面積增加，並減少電解電池3中電解液通過之溶液抗性，導致因氣升而進一步促進陽極電解液與陰極電解液循環。

根據本發明，相較於在電解電池3之陰極端未提供循環系統之個案，可於陽極區室1及陰極區室2皆達到較低溫，且於電解電池3中亦達到較小的溫度分布。當電解作用係在伴隨大量熱產生之高電流密度下進行時，此降溫效果會變得更為顯著。

而且，根據本發明，係提供冷卻覆套16，以使其緊密貼附在陽極區室框架6與陰極區室框架12之外表面上。由於電解電池3之電解面積為恆定，故於高電流密度下進行電解操作，以增加臭氧氣體輸出量，但是其會促使電解熱產生增加，造成電池內溫度升高，特別是在離子交換膜與電極間之接觸部位，最終導致電流效率減低。

根據本發明，可藉由壓制電解電池3中之溫度升高，來維持較高的電流效率，同時可延長電解電池3之組成元件的壽命。亦即，根據本發明，電解電池3中之溫度並未升高；尤其，在離子交換膜9附近(該處為電解熱產生部位)之溫度，係低於藉由如圖4所示之習知系統操作的個案。此外，於整個電解電池3中之溫度分布被減至最小。當電解電池3係於，為從較少面積獲得大量臭氧氣，之高電流密度下進行操作時，會產生更多電解熱；而於此類情況下，由本發明產生之降溫效果證明相當有效。

以下實施例係闡釋本發明。然而，本發明並非受限於此等實施例。

實施例

作為本發明之一項實施例，係於電流密度200A/dm2下，使用如圖1所示之臭氧製造系統進行電解作用。於本實驗中，用於臭氧製造之水電解電池(如圖1中所示之3)，係使用如圖2－a與圖2－b所示之電池。於圖2－a及圖2－b中，8為以存在導電性多孔材料上之臭氧產生觸媒支撐的陽極，9為全氟化碳硫酸聚合物離子交換膜，10為以鉑觸媒支撐的陰極。而，6為陽極區室框架，且12為陰極區室框架，於其上形成多數個如圖3中所說明之凹槽13。陽極電解液與陰極電解液係分別於，陽極區室1與陽極電解液氣－液體隔離塔4之間，及陰極區室2與陰極電解液氣－液體隔離塔5之間進行循環。在該陽極區室框架6與該陰極區室框架12之外部，裝備冷卻覆套16，16係供冷卻用。

於另一方面，作為一項比較實施例，係於電流密度200A/dm2下，使用如圖4所示之臭氧製造系統進行電解作用，其中陽極電解液僅在陽極區室1與陽極電解液氣－液體隔離塔4之間循環，於陰極端不具有循環系統。於此比較實施例中，亦裝設冷卻覆套16，16係供冷卻陽極區室1與陰極區室2用。

表1列示該實施例及該比較實施例之結果。此等結果顯示，在其中陽極電解液與陰極電解液係分別於，陽極區室1與陽極電解液氣－液體隔離塔4之間，及陰極區室2與陰極電解液氣－液體隔離塔5之間進行循環的情況下，相較於陽極電解液僅在陽極區室1與陽極電解液氣－液體隔離塔4間循環之個案，可使整個電池之溫度較低，溫度分布範圍較小，且以臭氧製造而論具有較高電流效率。

本發明之臭氧製造系統可使陽極區室及陰極區室可藉由冷卻覆套進行冷卻，且亦藉由透過使電解電池之陽極電解液，與陰極電解液進行循環所產生的熱釋放，來進一步增進此冷卻作用。又，陽極區室及陰極區室具有垂直及平行地或呈放射狀地形成的凹槽，使能藉由氣升效應而促進陰極電解液與陽極電解液之循環，壓制於電解操作期間因熱產生造成的溫度升高，透過保持電解電池內之均勻溫度，而達到於高效率下產生臭氧氣，及延長各種構成電解電池之結構元件的壽命。

本申請案係主張日本專利申請案2006－215500之優先權，申請日為2006年8月8日，其教示內容完整地以引用方式納入本文。

1．．．陽極區室

2．．．陰極區室

3．．．電解電池

4．．．陽極電解液氣－液體隔離塔

5．．．陰極電解液氣－液體隔離塔

6．．．陽極區室框架

7．．．O－環

8．．．陽極

9．．．離子交換膜

10．．．陰極

11．．．集流器

12．．．陰極區室框架

13．．．凹槽

14．．．臭氧氣體排放口

15．．．氫氣排放口

16．．．冷卻覆套

圖1為本發明之臭氧製造系統的整體圖。

圖2－a為從本發明之電解電池3上部觀看之詳細上視圖。

圖2－b為從本發明之電解電池3側面觀看之詳細側視圖。

圖3為本發明之陽極區室框架6與陰極區室框架12之內表面上所形成多數個凹槽13的詳細圖。

圖4為習知系統之臭氧製造系統。

1．．．陽極區室

2．．．陰極區室

3．．．電解電池

6．．．陽極區室框架

7．．．O－環

8．．．陽極

9．．．離子交換膜

10．．．陰極

11．．．集流器

12．．．陰極區室框架

13．．．凹槽

16．．．冷卻覆套

Claims (1)

1. 一種臭氧製造系統，其包含全氟化碳聚合物離子交換膜9，以存在導電性多孔材料上之臭氧產生觸媒支撐的陽極8，與以緊密安裝於該離子交換膜9各面上之鉑觸媒支撐的陰極10，安裝於該陽極8背面上之陽極區室框架6，介於該陽極區室框架6內面與該陽極8背面間所形成之陽極區室1，經由集流器11安裝於該陰極10背面上之陰極區室框架12，介於該陰極區室框架12內面與該集流器11背面間所形成之陰極區室2，及冷卻覆套16，緊密安裝16以使其貼附在該陽極區室框架6，與該陰極區室框架12之外表面上，其特徵為，於用以從供給至該陽極區室1之純水來製造臭氧氣的臭氧製造電解電池3中，在該陽極區室框架6與該陰極區室框架12之內表面上形成多數個凹槽13；於該用於臭氧製造之電解電池3外面，安裝一用以將陽極電解液與，從該陽極區室1所產生之含臭氧氣體分開，的陽極電解液氣-液體隔離塔4(其連接至該陽極區室1)，以及一用以將陰極電解液與，從該陰極區室2所產生之氫氧分開，的陰極電解液氣-液體隔離塔5(其連接至該陰極區室2)；其中陽極電解液與陰極電解液係分別於，陽極區室1與陽極電解液氣-液體隔離塔4之間，及陰極區室2與陰極電解液氣-液體隔離塔5之間進行循環，達到增進陽極電解液與陰極電解液之冷卻效果，及以高效率製造臭氧氣。