本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生過氧化氫的用于家用器具的電解系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及一種包括這種電解系統(tǒng)的家用器具。

背景技術(shù)：

1、在家用器具領(lǐng)域，出于清潔和衛(wèi)生原因，通常期望在現(xiàn)場產(chǎn)生漂白劑和消毒劑。因此，主要的應(yīng)用領(lǐng)域是洗碗和洗衣物護(hù)理，但這種能力在諸如真空吸塵器、清潔機(jī)器人等其他家用器具中也是可期望的。

2、過氧化氫(h2o2)因其抗菌和清潔特性而具有多種優(yōu)點(diǎn)。過氧化氫可以殺死多種微生物，包括細(xì)菌、病毒和真菌。這使其成為一種有價(jià)值的滅菌工具。過氧化氫分解成水和氧氣，使其對環(huán)境友好。它不會(huì)留下有害殘留物或有毒煙霧，使其成為一些化學(xué)清潔劑的更安全替代品。過氧化氫還可以被用作用于衣物的護(hù)色漂白劑。它可以幫助去除衣物上的污漬并增白，而不會(huì)像傳統(tǒng)的氯漂白劑那樣損壞有色織物。過氧化氫還可以幫助消除由細(xì)菌和有機(jī)物引起的惡臭。因此，它可以被用于清潔和消毒有持久或刺鼻氣味的區(qū)域。過氧化氫還可以有效地殺死各種表面上的霉菌和霉變。因此，它可以被用于清潔和防止浴室、廚房和其他潮濕區(qū)域中的霉菌生長。在用于食品加工的家用器具中，過氧化氫也能夠有效地殺死細(xì)菌和病原體。

3、近年來，許多科學(xué)出版物都集中在開發(fā)一種可行且高效的過氧化氫電解形式上。電解產(chǎn)生過氧化氫的主要限制是隨著濃度增加會(huì)發(fā)生不良反應(yīng)。這些反應(yīng)(歧化反應(yīng)、陰極還原反應(yīng)、陽極氧化反應(yīng))導(dǎo)致其分解而再次形成水。鑒于此原因，人們致力于尋找對期望反應(yīng)具有選擇性的催化劑，研究最多的是過渡金屬和碳基催化劑。

4、目前，優(yōu)選的電解系統(tǒng)是在具有聚合物膜的堿性介質(zhì)中的雙電子還原電池，反應(yīng)由貴金屬催化。這些電解系統(tǒng)的高性能的主要原因是電解室的物理分離，使得陽極處的破壞反應(yīng)被最小化。這些電解系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是膜(pem)在存在電解質(zhì)離子的情況下容易被堵塞，因此產(chǎn)生h2o2需要超純水。此外，pem膜也暗示了每個(gè)電池的高成本。

5、其他方法包括使用如硫酸等化學(xué)品來增加電解質(zhì)電導(dǎo)率或創(chuàng)造更具反應(yīng)性的介質(zhì)以生成h2o2。然而，由于這些系統(tǒng)的復(fù)雜性和危險(xiǎn)化學(xué)品的使用，它們本身不能被用于家用器具。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于產(chǎn)生過氧化氫的電解系統(tǒng)，其可以被用于家用器具，能夠以低成本被制造，并且不需要危險(xiǎn)化學(xué)品。本發(fā)明的另外的目的是提供一種具有這種電解系統(tǒng)的家用器具。

2、這些目的根據(jù)本發(fā)明通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解系統(tǒng)和根據(jù)權(quán)利要求16所述的家用器具來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有利實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中詳述。

3、本發(fā)明的第一方面涉及用于從水和氧氣產(chǎn)生過氧化氫(h2o2)的用于家用器具的電解系統(tǒng)。該電解系統(tǒng)具有至少一個(gè)電解模塊，其中，該模塊包括至少部分地限定用于水性電解質(zhì)的流體路徑的水殼體構(gòu)件、能夠可操作地與水性電解質(zhì)接觸以用于h2o的氧化的陽極以及密封構(gòu)件。進(jìn)一步地，該模塊包括：能夠可操作地與空氣接觸以用于氧氣的還原和h2o2的形成的陰極，其中，所述陰極是具有親水側(cè)和疏水側(cè)的雙性型電極，該親水側(cè)能夠可操作地與水性電解質(zhì)連接，該疏水側(cè)能夠可操作地與空氣連接；以及具有至少一個(gè)空氣通道的空氣殼體構(gòu)件，空氣可通過該空氣通道進(jìn)入空氣殼體并被引導(dǎo)至陰極。換句話說，設(shè)想的是電解系統(tǒng)包括一個(gè)或多于一個(gè)模塊。在本公開的上下文中，模塊或模塊化組件是獨(dú)立的、標(biāo)準(zhǔn)化的單元或部件，其被設(shè)計(jì)成能夠在家用器具內(nèi)從水和氧氣產(chǎn)生過氧化氫(h2o2)。該模塊被設(shè)計(jì)為易于集成到家用器具中，使其更靈活、可擴(kuò)展且高效。模塊或模塊化組件的關(guān)鍵特性包括標(biāo)準(zhǔn)化，其確保了模塊可以容易地互換并集成到各種家用器具中。這種標(biāo)準(zhǔn)化簡化了設(shè)計(jì)和制造過程。在本公開意義上的模塊也是獨(dú)立的，并且除了電源和所需的反應(yīng)物(水和空氣)之外，能夠自足地執(zhí)行預(yù)期功能。這種模塊化設(shè)計(jì)帶來了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，特別是可互換性、可擴(kuò)展性、易于維護(hù)以及易于集成到各種類型的家用器具中。

4、所述至少一個(gè)電解模塊包括水殼體構(gòu)件、陽極、密封構(gòu)件、陰極以及空氣殼體構(gòu)件，或者由它們組成，其中陽極、密封構(gòu)件和陰極優(yōu)選地被設(shè)置在水殼體構(gòu)件和空氣殼體構(gòu)件之間，使得水殼體構(gòu)件和空氣殼體構(gòu)件一起形成模塊的殼體。水殼體構(gòu)件和空氣殼體構(gòu)件至少部分地由密封層隔開，該密封層有助于模塊的組裝并使模塊防水。在一些實(shí)施例中，密封層還可以限定用于電解質(zhì)的流體路徑的至少一部分。作為電解質(zhì)，可以使用水，特別是常規(guī)自來水。這意味著不需要超純水，因此電解系統(tǒng)不僅可以有利地與來自環(huán)境的空氣一起使用，還可以與任何家庭用水連接或常規(guī)水箱等一起使用。不需要額外的化學(xué)品。根據(jù)本發(fā)明，陰極是所謂的“雙性型”(“janus”)陰極，它以雙面羅馬神janus命名，因?yàn)樗哂袔в胁煌奶匦缘膬蓚€(gè)不同的側(cè)或面。這兩個(gè)面在電化學(xué)反應(yīng)中發(fā)揮不同的作用。在本發(fā)明中，雙性型陰極在不同側(cè)具有相反的潤濕特性，即相鄰的親水側(cè)和疏水側(cè)。對于雙性型陰極，親水側(cè)可以容易地被電解質(zhì)潤濕以提供有效的離子傳輸，而疏水側(cè)用作空氣收集器和傳輸器，其提供了良好的氣體和離子傳輸。這意味著電解模塊僅包含液體室來限定用于水的流體路徑和通過空氣殼體構(gòu)件到陰極(空氣-液體電池)的主動(dòng)或被動(dòng)空氣流。在此過程中發(fā)生的總反應(yīng)為：

5、2h2o+o2→2h2o2

6、并且在模塊內(nèi)陰極和陽極之間的區(qū)域中發(fā)生。在該反應(yīng)中，水(h2o)在有來自陰極的電子(e-)存在的情況下與來自空氣的氧氣(o2)正式反應(yīng)以產(chǎn)生過氧化氫(h2o2)。因此，根據(jù)本發(fā)明的電解系統(tǒng)允許以成本效益高且緊湊的方式在現(xiàn)場產(chǎn)生h2o2，并且不需要有問題的或超純的化學(xué)品。與例如包括pem膜等的傳統(tǒng)系統(tǒng)不同，本發(fā)明的電解系統(tǒng)因此完全與自來水的使用兼容，并且不包含可能被水中含有的可能的雜質(zhì)阻塞的元件。因此，根據(jù)本發(fā)明的電解系統(tǒng)也可以被用作各種家用器具中的改裝方案。

7、在本發(fā)明的一個(gè)有利的實(shí)施例中，使水殼體構(gòu)件具有通孔，陽極連接器通過該通孔伸出；和/或空氣殼體構(gòu)件具有通孔，陰極連接器通過該通孔伸出。這使得與相應(yīng)電極進(jìn)行電流接觸并將其連接到外部電源特別容易，優(yōu)選地不損害模塊殼體的密封性。

8、在本發(fā)明的另外的有利實(shí)施例中，使陰極具有層系統(tǒng)，該層系統(tǒng)包括網(wǎng)狀集流體、被設(shè)置在網(wǎng)狀集流體內(nèi)的炭黑催化劑糊劑、和透氧氣體擴(kuò)散層，氣體擴(kuò)散層優(yōu)選地設(shè)置在網(wǎng)狀集流體的一側(cè)。氣體擴(kuò)散層的存在有助于改善通過陰極的氧氣擴(kuò)散。這確保了對電化學(xué)反應(yīng)的高效氧氣供應(yīng)，這對h2o2生產(chǎn)的性能是有利的。網(wǎng)狀集流體內(nèi)的炭黑催化劑糊劑為催化反應(yīng)提供了高表面積，提高了催化劑材料的利用率并增強(qiáng)了整體電化學(xué)效率。網(wǎng)狀集流體用作有效的電導(dǎo)體，有效地收集和分配生成的電流，這導(dǎo)致電解系統(tǒng)的更好的整體性能和可靠性。陰極的這種特定實(shí)施例還有助于均勻地分布電流和氣體，這有助于提高功率輸出以及陰極和整個(gè)電解系統(tǒng)的耐久性和壽命。陰極還降低了過電位，這意味著電化學(xué)反應(yīng)更有效地進(jìn)行，能量損失更少，最終使設(shè)備更節(jié)能。

9、在有利的實(shí)施例中，由于陽極和陰極之間的距離在0.2mm至5mm之間，特別是在0.4mm至4mm之間，從而實(shí)現(xiàn)了特別高的過氧化氫產(chǎn)率。陽極和陰極之間的小距離總體上改善了它們之間的電流分布，這與過氧化氫的生成產(chǎn)率直接相關(guān)，同時(shí)它也降低了用于電解工作所需的安培數(shù)，導(dǎo)致與其他設(shè)備相比能量使用量減少，并且與其集成到家用器具中直接兼容。在一些實(shí)施例中，操作電參數(shù)在2-24v和0.1-1.5a之間。

10、在本發(fā)明的另外的有利的實(shí)施例中，使水殼體構(gòu)件和空氣殼體構(gòu)件沿著其邊緣具有相對凹陷和相對凸起，其中，僅在水殼體構(gòu)件和空氣殼體構(gòu)件彼此正確安裝布置中，一個(gè)殼體構(gòu)件的相對凹陷才與另一個(gè)殼體構(gòu)件的相應(yīng)的相對凸起對準(zhǔn)。換句話說，兩個(gè)殼體構(gòu)件具有相應(yīng)的凹陷(凹槽)和凸起(突起)，使得僅當(dāng)兩者都被正確布置且彼此對準(zhǔn)時(shí)，殼體構(gòu)件才能被組裝。這提供了一種簡單的方法來確保防錯(cuò)或防故障安裝原則，以可靠地排除殼體構(gòu)件的不正確組裝。

11、在本發(fā)明的另外的有利的實(shí)施例中，使密封構(gòu)件在其邊緣上具有凹口，僅在密封構(gòu)件相對于水殼體構(gòu)件和/或空氣殼體構(gòu)件的正確安裝布置中，所述凹口才與水殼體構(gòu)件和/或空氣殼體構(gòu)件的凸起相對應(yīng)。這也實(shí)現(xiàn)了一種防錯(cuò)或防故障組裝系統(tǒng)，以可靠地排除密封元件相對于相應(yīng)的(一個(gè)或多個(gè))殼體構(gòu)件的不正確定位。

12、在本發(fā)明的另外的有利的實(shí)施例中，使水殼體構(gòu)件具有用于水性電解質(zhì)的入口和/或出口。這允許精確控制水性電解質(zhì)流入和/或流出模塊。這種控制對于維持一致且優(yōu)化的電化學(xué)過程至關(guān)重要。通過入口引入新鮮電解質(zhì)和/或通過出口移除電解質(zhì)的能力確保了電解質(zhì)的組成保持在期望的水平。入口和/或出口也便于電解質(zhì)的更換和沖洗。這使得模塊的維護(hù)和清潔更直接，這對于長期運(yùn)行和防止雜質(zhì)或副產(chǎn)物的堆積是必不可少的。在一些實(shí)施例中，通過入口和/或出口調(diào)整諸如電解質(zhì)的流速和/或溫度的參數(shù)的能力允許根據(jù)相關(guān)聯(lián)的家用器具的特定要求定制和優(yōu)化電化學(xué)過程。

13、在本發(fā)明的另一個(gè)有益的實(shí)施例中，規(guī)定了入口和/或出口被形成為通孔。這允許以特別靈活和緊湊的方式限定用于電解質(zhì)的流體路徑，特別是在包括多個(gè)模塊的系統(tǒng)中，特別是如果電解質(zhì)要串行地被供給通過模塊。附加地和/或可替代地，使入口和出口被設(shè)置在水殼體構(gòu)件的相反側(cè)，特別是彼此對角相對。特別優(yōu)選的是，如果在家用器具中的模塊的安裝狀態(tài)下，入口被設(shè)置在水殼體構(gòu)件的底部處，并且出口被與入口對角相對地設(shè)置在水殼體構(gòu)件的頂部處。入口和出口的空間布置便于去除反應(yīng)期間在模塊內(nèi)生成的氣泡，從而消除了對任何額外的排氣機(jī)構(gòu)的需要。附加地和/或可替代地，使空氣殼體構(gòu)件包括用于將水性電解質(zhì)引導(dǎo)至水殼體構(gòu)件的入口和/或從水殼體構(gòu)件的出口引出的導(dǎo)管。這也代表了一種以特別靈活和緊湊的方式限定流體路徑的簡單構(gòu)造方案，特別是在具有兩個(gè)或更多個(gè)電解模塊的電解系統(tǒng)中。

14、在本發(fā)明的另外的有利的實(shí)施例中，使水殼體構(gòu)件和空氣殼體構(gòu)件通過緊固裝置優(yōu)選周向地彼此連接。這提供了堅(jiān)固且防水和氣密的連接，因?yàn)閮蓚€(gè)殼體構(gòu)件的合力被分布在它們的共用連接上。這也增加了系統(tǒng)的整體強(qiáng)度和耐久性。附加地和/或可替代地，使水殼體構(gòu)件和/或空氣殼體構(gòu)件具有用于組裝裝置、特別是用于螺紋件和/或六角螺母的凹陷接收部。凹陷接收部保護(hù)組裝裝置免受外部元件的影響，從而減少隨時(shí)間腐蝕和損壞的風(fēng)險(xiǎn)。使用凹陷接收部也便利組裝過程，使得更容易安裝或拆卸系統(tǒng)的部件。通過保護(hù)組裝裝置免于直接暴露于水、濕度或腐蝕性物質(zhì)，凹陷接收部可以進(jìn)一步延長組裝裝置的壽命，從而延長電解模塊的殼體的壽命。

15、在本發(fā)明的另外的有利的實(shí)施例中，使陽極被材料結(jié)合、特別是被膠合到水殼體構(gòu)件，和/或使陽極由銥-鉭-錫-鈦合金組成，和/或使陰極材料結(jié)合，特別是被膠合到空氣殼體構(gòu)件。在本發(fā)明所提及的實(shí)施例的背景下，使陽極和/或陰極被材料結(jié)合，特別是通過膠合使陽極和/或陰極被材料結(jié)合，具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)殛枠O被膠合到“水側(cè)”外殼，只有面向陰極的一側(cè)與電解質(zhì)接觸，同時(shí)確保水殼體構(gòu)件是防水的。因?yàn)殛帢O被材料結(jié)合到“空氣側(cè)”，沒有電解質(zhì)可以通過空氣殼體構(gòu)件逸出用于電解質(zhì)的流體路徑或電池。牢固結(jié)合或膠合的陽極和/或陰極因此可以防止電解質(zhì)泄漏，這對于維持電解系統(tǒng)的效率和安全性是必不可少的。陽極和/或陰極的材料結(jié)合進(jìn)一步確保了牢固和穩(wěn)定的連接，從而減少這些關(guān)鍵構(gòu)件脫離或移位的風(fēng)險(xiǎn)。使用銥-鉭-錫-鈦合金確保了特別高的h2o2產(chǎn)率，并且顯示出優(yōu)異的耐腐蝕性和耐化學(xué)反應(yīng)性。

16、在本發(fā)明的另外的有利的實(shí)施例中，使隔膜被設(shè)置在陽極和陰極之間，其中，隔膜由對h2o2和水性電解質(zhì)具有化學(xué)抗性的材料制成，特別是由選自聚苯乙烯(ps)、聚乙烯(pe)、聚碳酸酯(pc)和聚丙烯(pp)的塑料材料制成。隔膜用作內(nèi)部間隔件或分離件，并且可以由對過氧化氫和電解質(zhì)(如常規(guī)自來水)具有化學(xué)抗性的塑料制成，以確保其在電池的壽命期間不會(huì)降解。隔膜對所采用的化學(xué)化合物的化學(xué)抗性有助于其壽命，從而降低頻繁更換和維護(hù)的需要。隔膜用作陽極和陰極之間的屏障，防止了陽極和陰極之間的直接接觸，這可以幫助避免兩個(gè)部件之間的不期望的反應(yīng)或交叉污染。通過將陽極和陰極分開，隔膜還通過維持各個(gè)部件及其各自反應(yīng)的完整性來提高電化學(xué)過程的效率。使用被指名的塑料材料允許基于特定的應(yīng)用要求進(jìn)行定制，從而確保與不同的化學(xué)品、溫度和操作條件兼容。

17、在一些實(shí)施例中，由于密封構(gòu)件由對h2o2和水性電解質(zhì)具有化學(xué)抗性的彈性可變形聚合物、特別是硅樹脂構(gòu)成，因此產(chǎn)生了進(jìn)一步的優(yōu)勢。換言之，密封構(gòu)件或?qū)佑蓪^氧化氫和電解質(zhì)具有化學(xué)抗性的柔性聚合物制成，以確保密封構(gòu)件在系統(tǒng)的壽命期間不會(huì)降解，同時(shí)允許密封構(gòu)件被可逆地壓縮以賦予殼體所需的水密性。硅樹脂和類似的彈性可變形聚合物對諸如過氧化氫和水性電解質(zhì)之類的物質(zhì)展現(xiàn)出強(qiáng)化學(xué)抗性，從而確保密封構(gòu)件的耐久性和完整性。密封構(gòu)件的彈性和可變形的性質(zhì)有助于形成緊密且可靠的密封，從而防止h2o2或電解質(zhì)泄漏。聚合物的可變形的性質(zhì)允許其即使在涉及溫度變化或機(jī)械應(yīng)力的條件下也能保持其密封能力。

18、在本發(fā)明的另外的有利的實(shí)施例中，使水殼體構(gòu)件和空氣殼體構(gòu)件被形成為一件式部件。換言之，水殼體構(gòu)件和空氣殼體構(gòu)件被一件式地形成或者被形成為單件，即作為一體部件。水殼體構(gòu)件可以在該一件式殼體構(gòu)造元件的一側(cè)上實(shí)現(xiàn)，并且空氣殼體構(gòu)件在該一件式殼體構(gòu)造元件的另一側(cè)上實(shí)現(xiàn)。這使得通過堆疊各個(gè)一件式殼體構(gòu)造元件特別容易實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊，所述一件式殼體構(gòu)造元件具有執(zhí)行水殼體的任務(wù)的一側(cè)以及執(zhí)行空氣殼體的任務(wù)的另一側(cè)。

19、在另外的實(shí)施例中，已經(jīng)表明如果電解系統(tǒng)包括被串聯(lián)和/或并聯(lián)布置和/或連接的兩個(gè)或更多個(gè)電解模塊，則是有利的。使用多個(gè)電解模塊允許期望的過氧化氫的更高生產(chǎn)能力。將模塊串聯(lián)或并聯(lián)布置的能力使系統(tǒng)可擴(kuò)展，允許調(diào)整以滿足不同的生產(chǎn)需求。具有多個(gè)模塊還提供了冗余，確保了即使一個(gè)模塊發(fā)生故障或需要維護(hù)也能連續(xù)運(yùn)行。串聯(lián)布置模塊可以提高電解過程的整體效率，因?yàn)橐粋€(gè)模塊的輸出可以作為用于下一個(gè)的輸入。并聯(lián)和串聯(lián)配置在系統(tǒng)如何適應(yīng)不同的運(yùn)行要求和條件方面提供了靈活性。調(diào)整模塊的數(shù)量和布置的能力允許更好地控制系統(tǒng)的操作和輸出。在一些實(shí)施例中，使用多個(gè)較小的模塊可能比使用單個(gè)大模塊成本效益更高，特別是當(dāng)需要冗余和可擴(kuò)展性時(shí)。

20、在本發(fā)明的另外的有利的實(shí)施例中，使模塊被配置成使得水性電解質(zhì)可以串行通過所有模塊，特別是沿著之字形路徑；和/或其中，所有陽極被連接到公共金屬接觸部；和/或其中，所有陰極連接到公共金屬接觸部。水性電解質(zhì)沿著之字形路徑通過所有模塊的串行通道確保了對電解過程的高效暴露，提高了整體反應(yīng)速率。用于電解質(zhì)流的公共路徑進(jìn)一步簡化了水性電解質(zhì)的管理，減少了對復(fù)雜分配系統(tǒng)的需要。將所有陽極連接到公共金屬接觸部和/或?qū)⑺嘘帢O連接到公共金屬接觸部簡化了電氣連接，從而降低了布線復(fù)雜性。公共金屬接觸部配置還提高了系統(tǒng)的電氣效率，最小化了與布線和連接相關(guān)聯(lián)的電壓損失。這種簡化的電氣連接使得電解模塊的維護(hù)和維修更直接和容易。這種配置還減少了電解系統(tǒng)的空間要求，使其空間利用率更高，這在各種家用器具中可能是有利的。

21、本發(fā)明的第二方面涉及一種家用器具，其包括至少一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的第一方面的電解系統(tǒng)。因此，根據(jù)本發(fā)明的家用器具提供了一種用于產(chǎn)生過氧化氫的電解系統(tǒng)，該電解系統(tǒng)可以被用于不同類型的家用器具，能夠以低成本被制造，并且不需要危險(xiǎn)化學(xué)品。因此其另外的特征和優(yōu)點(diǎn)從本發(fā)明的第一方面的描述中顯而易見，其中本發(fā)明第一方面的有利實(shí)施例應(yīng)被視為本發(fā)明第二方面的有利實(shí)施例，反之亦然。家用器具優(yōu)選地是與食物、水或其他可能藏有細(xì)菌或病菌的材料接觸的器具并且可能需要消毒。家用器具還可以具有漂白特性以保持衛(wèi)生或處理衣物。非限制性示例是洗碗機(jī)、洗衣機(jī)、烘干機(jī)、冰箱、微波爐、攪拌機(jī)和食品加工機(jī)、烹飪器具、咖啡機(jī)、烤面包機(jī)、加濕器、空氣干燥器和垃圾處理器具。