TW201301627A - 以氧化還原反應產生電位的電池裝置 - Google Patents
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Abstract
一種以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其包含：一電池槽裝置、一電性觸媒裝置、一緩衝電池裝置，一整流充電裝置。該電池槽裝置係以各式鹽類水溶液為電解液，其陽極為不會與電解液產生化學反應的金屬，其陰極為具有導電性與呼吸孔隙的碳材料。該碳材料可呼吸空氣並在空氣溶解於電解液中時釋出含有氫氧根的負離子。該電池槽裝置經電性觸媒的電化學阻尼效應催化作用，用予催化發電，再經由整流充電裝置將電能充入緩衝電池裝置中，產生電學共振效應而成的發電電池。本發明能兼顧無毒、無廢熱、無噪音、以及零排放的自體發電的電池裝置。
Description
本發明係有關一種以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其主要透過電性觸媒(Catalyst)技術，將正電化學阻尼效應用來氧化發電，負電化學阻尼效應產生還原反應，構成物理之共振封閉迴路，達到百分之百零污染、零排放的綠色能源。
按，燃料電池是化學生電的裝置，其中，氫及氧直接結合成水，合成反應所釋出的能量即為電能(Cell)。電池可分為酸性(Acid)及鹼性(Alkaline)兩種性質。據Arrhenius的酸鹼離子理論，在水溶液中可以電離(Ionization)出氫氧根離子(OH-)，並不會產生其他陰離子的化合物，亦即是提供氫氧根離子(OH-)或吸收氫離子(H+)的化合物，稱為鹼性。其中電離即是一物理性質，表示在能量作用下，原子、分子形成離子的過程。若溶液中氫離子(H+)大於純水中氫離子的濃度之化合物，亦即溶解於水時釋出的陽離子全部都是氫離子(H+)的化合物，或是電子(e-)的接受者，稱為酸性。故氧離子(O2-)是氫氧根離子(OH-)的共軛鹼
O2-+H2O→2 OH-
請參閱圖二。將氫、氧氣為燃料時，先將純水20電解，此時，陽極放出電子為氧化反應，陰極得到電子為還原反應，稱為電解反應。圖二中，以氧化鋅21作為陽極，以碳棒22作為陰極，箭頭表示電荷流方向23。
陽極：2H2O→O2+4H++4e-
陰極：2H2O+2e- →H2+2OH-
電解全反應：2H2O→2H2+O2
反電解反應，即陽極加入氫氣，陰極加入氧氣，產生純水、電動勢、及熱(即是水蒸氣)，稱為氫氧燃料電堆。
陽極：H2 →2H++2e- Ea：0V
陰極：O2+4H++4e- →2H2O Ec：1.22PV
反電解全反應：2H2+O2 →2H2O+熱 Ec-Ea=1.22PV
其中電解(Electrolysis)是一種化學反應，表示在能量作用於電解質時，在陰極、陽極上引起的氧化還原反應的過程。當電解金屬-空氣燃料電堆時，以不同金屬當電極者為酸性、單一金屬為電極者為鹼性。請參閱圖一。本發明以鹼性的鋅-空氣燃料電堆為例；
陽極：Zn+2OH- →ZnO+H2O+2e- Ea：0V
陰極：O2+2H2O+4e- →4OH- Ec：1.22PV
充電反應：2Zn+O2 →2ZnO Ec-Ea=1.22PV
此化學反應產生電動勢外，還產生純水與熱。其中，電解液10為氫氧化鉀溶液(KOH)；另還會吸收二氧化碳(CO2)，導致燃料電池無法持續運作。圖一中作為陽極的為鋅板11，作為陰極的為碳棒12。圖一中，編號為K的為陰極；編號為A為陽極；標號為13的箭頭係表示電子流的方向。
本發明所提供之以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其包含：一電池槽裝置、一電性觸媒裝置、一緩衝電池裝置，一整流充電裝置。該電池槽裝置鹽類水溶液為電解液，且其陽極為不會與電解液產生化學反應的金屬，其陰極為具有導電性與呼吸孔隙的碳材料；該碳材料可呼吸空氣並在空氣溶解於電解液中時釋出含有氫氧根的負離子。該電性觸媒裝置，其為電化學阻尼效應的催化劑，用以催化電池槽裝置內的氧化反應與還原反應的進行，而使電池槽裝置做氧化充電與還原放電的反應。該整流充電裝置能夠將電池槽裝置所輸出的交流型態的電位轉成直流型態，並對緩衝電池裝置充電。
本發明所提供之以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其中，緩衝電池裝置為具有可重複充、放電能力的二次電池。該緩衝電池裝置可為酸性二次電池、鹼性二次電池其中之一，亦可為酸性二次電池、鹼性二次電池串/並聯使用的共振電池。
本發明所提供之以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其中，該電性觸媒裝置包含設置有脈衝產生器，以及電子釋出迴路與電荷釋出迴路。該脈衝產生器能夠產生正、負脈衝，以分別令電荷釋出迴路釋出電荷，電子釋出迴路釋出電子。該電性觸媒裝置對電池槽裝置釋出電子時，能夠使電池槽裝置內產生反電解的還原反應，而在電池槽裝置的陽極與陰極之間產生電位差。該電性觸媒裝置對電池槽裝置釋出電荷時，能夠使電池槽裝置內產生電解的氧化反應，而在電池槽裝置的陽極與陰極之間產生電位差。
本發明所提供之以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其中，該電性觸媒裝置所產生的電荷與電子的相位相差為180度。負電化學阻尼效應用來產生還原反應，使電池槽裝置的內部構成物理之共振封閉迴路，達到百分之百零污染、零排放的綠色能源。
請參閱圖三、圖四。本發明係有關一種以金屬-空氣燃料電堆為再生能主體之電池裝置，亦為一種以氧化還原反應產生電位的電池裝置。本發明的裝置結構如圖三所示，其包含：電池槽裝置30、電性觸媒裝置40、整流充電裝置50、緩衝電池裝置60。
其中，電池槽裝置30係以鹽類水溶液為電解液31，且其陽極32為不會與電解液31產生化學反應的金屬，其陰極33為具有導電性與呼吸孔隙的碳材料。該碳材料可呼吸空氣並在空氣溶解於電解液31中時釋出含有氫氧根的負離子。
配合圖五。該電性觸媒裝置40，其為電化學阻尼效應的催化劑，用以催化電池槽裝置30內的氧化反應與還原反應的進行。該電性觸媒裝置40係對電池槽裝置30分別釋出電子與電荷，以催化電池槽裝置30內的氧化反應與還原反應的進行。該電性觸媒裝置40對電池槽裝置30釋出電荷時，能夠使電池槽裝置30內產生電解的氧化反應，而在電池槽裝置30的陽極32與陰極33之間產生電位差。該電性觸媒裝置40釋出電子時，產生負電化學阻尼效應，能夠使電池槽裝置30內產生反電解的還原反應，而在電池槽裝置30的陽極32與陰極33之間產生電位差。負電化學阻尼效應產生還原反應，能夠使電池槽裝置30的內部構成物理之共振封閉迴路，達到百分之百零污染、零排放的綠色能源。該電性觸媒裝置40所產生的電荷與電子的相位相差為180度者
該緩衝電池裝置60，其為具有可重複充、放電能力的二次電池。該整流充電裝置50，其能夠將電池槽裝置30所輸出的交流型態的電位轉成直流型態，並對緩衝電池裝置60充電。
以前述昔知的鋅-空氣燃料電堆為例，如圖一表示的反電解的氧化反應為充電反應：
2Zn+O2 →2ZnO Ec-Ea=1.22PV
如圖二表示的電解的還原反應為充電反應：
2H2O→2H2+O2
本發明係將以上兩者結合成再同一電池槽裝置30內作用，如圖四所示。該電解液31改成中性的海水，並將氧化與還原之化學反應(電解)，改為物理反應的電離方式，亦即充電與放電相位相差180度，並且在同一電池槽裝置30作用。茲以鋅-空氣燃料電堆為例，陽極32為鋅金屬，陰極33為可吸入氧氣(O2)的碳材料。當電池槽裝置30獲得電子時，能夠使電池槽裝置30內產生反電解的還原反應，則可再電池槽裝置30的陰、陽極33、32之間產生電位差。其反應方程式為：
陽極：Zn+2OH- →ZnO+H2O+2e- Ea：0V
陰極：O2+2H2O+4e- →4OH- Ec：1.22PV
放電反應：2Zn+O2 →2ZnO Ec-Ea=1.22PV
當電池槽裝置30獲得電荷(正電)時，能夠使電池槽裝置30內產生反電解的氧化反應，則可再電池槽裝置30的陰、陽極33、32產生電位差。其反應方程式為：
陽極：ZnO+H+ →Zn+H2O+2c+ Ea：1.22PV
陰極：O2+H2O+c+ →H+ Ec：0V
充電反應：2ZnO→Zn+O2 Ec-Ea=-1.22PV
前述中，該電性觸媒裝置40可對電池槽裝置30釋出電子或電荷，以觸發電池槽裝置30內的氧化反應或還原反應。故該電性觸媒裝置40所釋出的電子與電荷分別為前述氧化反應與還原反應的催化劑。
前述之放電反應與充電反應的催化過程中，都會放電且極性相反，且充電與放電相位相差180度(由電性觸媒裝置40控制)，即產生交流電堆。在將電堆經該整流充電裝置50轉換成直流後，可對該緩衝電池裝置60充電。
本發明著重於物理反應(電離)，需要以一離子產生裝置來完成反應。該電性觸媒裝置40即為一離子產生器。該電性觸媒裝置40，其可產生電荷(正離子)於電池槽裝置30內，產生充電作用；其可產生電子(負離子)於電池槽裝置30內，產生放電作用。該電性觸媒裝置40可稱之為電化學阻尼器。該電性觸媒裝置40包含一脈衝(Pulse)產生器41，以及電子釋出迴路43與電荷釋出迴路42。脈衝(Pulse)產生器41能夠產生正、負脈衝。其中，正脈衝可啟動電荷釋出迴路而是出電荷，負脈衝可啟動電子釋出迴路而是出電子。該電子釋出迴路43包含設置可將頻率轉成電子的電晶體431、電性阻尼共振艙432、升壓變壓器433。該電荷釋出迴路42包含設置可將頻率轉成電荷的電晶體421、電性阻尼共振艙422、升壓變壓器423。該電子釋出迴路43與該電荷釋出迴路42的變壓器433、423能夠分別於負離子輸出端434輸出電子，於正離子輸出端424輸出電荷，以及於中子電位端44輸出中性電位。由於電化學之充電與放電之氧化還原反應必須達到電荷守恆，等效於物理的共振效應，而其共振艙更需要本發明人的中華民國第098128110號「無窮級共振艙的超級電感器」的無窮級共振艙技術。將電化學阻尼器422、432完成正電化反應與負電化反應，稱之為電性觸媒。電性觸媒裝置40所需的電源可來自於緩衝電池裝置60之P及N處。該電性觸媒裝置40所輸出的電子當強氧化劑，所輸出的電荷當強還原劑。該電性觸媒裝置40的電子與電荷的輸出端係延伸至伸入該電池槽裝置30內，且其電極34係選擇強電子流介電材料的奈米碳管。當正、負升壓變壓器OFF時，會有反電動勢產生，藉由共振艙與正、負脈衝產生器構成共振，並借以控制離子產生量；同時共振艙可以將脈衝產生器所產生的反電動勢吸收，致使電子與電荷輸出迴路的運作更穩定。
前述緩衝電池裝置60可為圖六所示的酸性二次電池61。該酸性二次電池61由等效的電感器611，電容器612所組成，為並聯諧振型態。緩衝電池裝置60可為圖七所示的鹼性二次電池62。該鹼性二次電池62由等效的電感器621，電容器622所組成，為串聯諧振諧振型態。可將圖六所示的酸性二次電池61與圖七鹼性二次電池62作並聯使用的共振電池63，做為緩衝電池裝置60，如圖八所示者。
昔知的鋅-空氣電池充電與放電行為，皆屬化學行為，故電解與反電解無法同時在同一個電池槽裝置內進行。在氧化與還原反應進行過程中，電解水溶液(如KOH)直接參與反應，如吸收CO2，造成電堆本身中毒而無法運作，如將電解水溶液直接換成氯化鈉水溶液，會產生毒氣(氯氣)及NaOH。本發明的氧化充電與還原放電的反應過程中，電解液31只用於物理反應而不參與化學反應。電解液31除了不用純水外，可選擇中性的海水溶液。由於電解液31不做化學反應(即電解)，故不會有害的氣體產生。至於陰極33的電極材料選擇不參與反應的材料，如石墨、碳棒、奈米碳管、碳纖維等。金屬電極32部份，排除容易與海水產生化學反應的鋰金屬(Li)以外的其他金屬。該金屬電極部份亦可為鋰合金。採物理反應時，容量密度由離子決定，因此，只要離子溶度增加，即使體積縮小，容量密度也是提高。
綜合上述，本發明所提供之以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其運用電性觸媒裝置所產生的負電化學阻尼效應所產生還原反應，能夠使電池槽裝置的內部構成物理之共振封閉迴路，以物理反應取代化學變化，達到百分之百零污染、零排放的綠色能源。又，本發明的氧化放電、還原充電所產生的交流型態的電位，能夠通過整流充電裝置，轉換成直流型態而充入緩衝電池裝置內，提高本發明自體發電的效益。
以上說明對本發明而言只是說明性的，而非限制性的，本領域普通技術人員理解，在不脫離所附說明書所限定的精神和範圍的情况下，可做出許多修改、變化或等效，但都將落入本發明的保護範圍内。
10．．．電解液
11．．．陽極
12．．．陰極
13．．．電子流方向
20．．．純水
21．．．氧化鋅
22．．．碳棒
23．．．電荷流方向
30．．．電池槽裝置
31．．．電解液
32．．．陽極
33．．．陰極
34．．．電極
40．．．電性觸媒
41．．．正、負脈衝產生器
42．．．電荷產生迴路
421．．．電晶體
422．．．電化學阻尼器
423．．．變壓器
424．．．電荷輸出端
43．．．電子產生迴路
431．．．電晶體
432．．．電化學阻尼器
423．．．變壓器
434．．．電子輸出端
44．．．中子輸出端
50．．．整流充電裝置
60．．．緩衝電池裝置
61．．．酸性二次電池
611．．．電感器
612．．．電容器
62．．．鹼性二次電池
621．．．電感器
622．．．電容器
63．．．共振電池
P．．．陽極
N．．．陰極
A．．．陽極
K．．．陰極
圖一為鋅-空氣燃料電堆的示意圖。
圖二為昔知氫氧產生器的示意圖。
圖三為本發明的結構圖。
圖四為本發明電池槽裝置的示意圖。
圖五為電性觸媒裝置實施例的電路圖。
圖六為酸性二次電池的等效電路結構圖。
圖七為鹼性二次電池的等效電路結構圖。
圖八為共振電池的等效電路結構圖。
30．．．電池槽裝置
40．．．電性觸媒裝置
50．．．整流充電裝置
60．．．緩衝電池裝置
Claims (13)
- 一種以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其包含：一電池槽裝置，其係以鹽類水溶液為電解液，且其陽極為不會與電解液產生化學反應的金屬，其陰極為具有導電性與呼吸孔隙的碳材料；該碳材料可呼吸空氣並在空氣溶解於電解液中時釋出含有氫氧根的負離子；一電性觸媒裝置，其為電化學阻尼效應的催化劑，用以催化電池槽裝置內的氧化反應與還原反應的進行；該電性觸媒裝置包含設置有脈衝產生器，以及電子釋出迴路與電荷釋出迴路；該脈衝產生器能夠產生的正、負脈衝；該正脈衝可啟動電荷釋出迴路而釋出電荷；負脈衝可啟動電子釋出迴路而釋出電子；該電性觸媒裝置對電池槽裝置釋出電子時，能夠使電池槽裝置內產生反電解的還原反應，而在電池槽裝置的陽極與陰極之間產生電位差；該電性觸媒裝置對電池槽裝置釋出電荷時，能夠使電池槽裝置內產生電解的氧化反應，而在電池槽裝置的陽極與陰極之間產生電位差；一緩衝電池裝置，其為具有可重複充、放電能力的二次電池；以及，一整流充電裝置，其能夠將電池槽裝置所輸出的交流型態的電位轉成直流型態，並對緩衝電池裝置充電者。
- 如申請專利範圍第1項以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其中，該電性觸媒裝置釋出電子的化學阻尼效應是氧化發電，釋出電荷的化學阻尼效應是還原發電者。
- 如申請專利範圍第1項以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其中，該電性觸媒裝置所產生的電荷與電子的相位相差為180度者。
- 如申請專利範圍第1項以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其中，該電性觸媒裝置的電子釋出迴路包含設置可將頻率轉成電子的電晶體、電性阻尼共振艙及升壓變壓器者。
- 如申請專利範圍第1項以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其中，該電性觸媒裝置的電荷釋出迴路包含設置可將頻率轉成電荷的電晶體、電性阻尼共振艙、升壓變壓器者。
- 如申請專利範圍第1項所述之以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其中，電池槽裝置的陽極金屬，為銅、鋁、鋅等其中之一者。
- 如申請專利範圍第1項所述之以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其中，電池槽裝置的陰極碳材料為石墨、碳棒、奈米碳管、碳纖維等其中之一者。
- 如申請專利範圍第1項所述之以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其中，電池槽裝置中的電解液為中性的海水者。
- 如申請專利範圍第1項所述之以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其中，該緩衝電池裝置為酸性二次電池、鹼性二次電池等其中之一者。
- 如申請專利範圍第1項所述之以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其中，該緩衝電池裝置為酸性二次電池、鹼性二次電池串/並聯使用的共振電池者。
- 如申請專利範圍第1項所述之以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其中，該整流充電裝置為快速整流器，該快速整流器可以是快速二極體者。
- 如申請專利範圍第1項所述之以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其中，該整流充電裝置為一種能夠將直流、交流互換的轉換器者。
- 如申請專利範圍第1項所述之以氧化還原反應產生電位的電池裝置，其中，該電性觸媒裝置運作時所需的電源，可由該緩衝電池裝置提供者。
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