TW201401637A

TW201401637A - 海水電池

Info

Publication number: TW201401637A
Application number: TW102113577A
Authority: TW
Inventors: Kuang-Che Lee; Yin-Tien Yeh; Ting-Chuan Lee; Chun-Jung Tsai; Chun-Hsien Tsai
Original assignee: Taiwan Carbon Nanotube Technology Corp
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2014-01-01
Also published as: TWI469435B; JP5805258B2; CN104112844A; JP2014212111A

Abstract

一種海水電池，包含有一電解液、一陰極以及一陽極。該電解液為一海水，該陰極與該陽極彼此相隔而分別與該電解液接觸，令該電解液與該陰極及該陽極分別進行一電化學反應，而於該陰極及該陽極產生一電位差。其中，該陽極包含一第一材料，且該陽極與該陰極至少擇一含有複數個奈米碳管，據此，本發明利用該奈米碳管製成該海水電池的電極，提高因該電位差所形成的一電流之電流密度，有效提升該海水電池的供電效能。

Description

海水電池

本發明為有關一種海水電池，尤指一種陽極包含奈米碳管材料的海水電池。

電池的結構隨著時代的進步而不斷的推陳出新，例如常見的乾電池、蓄電池、水銀電池、空氣電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、太陽能電池、燃料電池、海水電池等，其中海水電池由於使用時才需與海水進行接觸發電，於平常貯存時電極不接觸電解液(海水)，不僅與一般電極需和電解質共同存放的蓄電池相比，其具有較佳的安全性，並且特別適合應用於與海洋相關又需要提供電力的產品。
於中國實用新型專利公告第CN2331087號中，即揭示一種海水電池，該海水電池主要由耐蝕的鋼陰極、海水電解液和多孔賤金屬陽極構成。其中，該多孔賤金屬陽極採用50至80微米的鋅-鋁合金粉和小於60微米的氧化鋁粉按3：1比例充分混合，由粉末冶金技術鑄造。製成的海水電池不但增加了陽極表面面積，而且保持了陽極活性物質參與化學反應的真實表面積。是一種能較穩定供應較大電流的海水電池。
然而，上述的多孔賤金屬陽極，在構成的該海水電池中產生約為400mA‧cm^-2的電流密度，與該鋼陰極的有效電位差約為0.2V，而於電流密度方面偏小，故仍有改善的空間。

本發明的主要目的，在於解決習知的海水電池，其電流密度偏低的問題。
為達上述目的，本發明提供一種海水電池，包含有一電解液、一陽極以及一陰極，該陽極包含有複數個奈米碳管及一與該奈米碳管混合的第一材料，該陰極包含有一第二材料，且該陰極與該陽極彼此相隔而分別與該電解液接觸；其中，該電解液為一海水，該電解液與該陰極及該陽極分別進行一電化學反應，而於該陰極及該陽極產生一電位差。
本發明亦提供另一種海水電池，包含有一電解液、一陽極以及一陰極，該陽極包含有一第一材料，該陰極包含複數個奈米碳管，且該陰極與該陽極彼此相隔而分別與該電解液接觸；其中，該電解液為一海水，該電解液與該陰極及該陽極分別進行一電化學反應，而於該陰極及該陽極產生一電位差。
本發明尚提供一種海水電池，包含有一電解液、一陽極以及一陰極，該陽極包含有複數個奈米碳管以及一與該奈米碳管混合的第一材料，該陰極包含有複數個奈米碳管，且該陰極與該陽極彼此相隔而分別與該電解液接觸；其中，該電解液為一海水，該電解液與該陰極及該陽極分別進行一電化學反應，而於該陰極及該陽極產生一電位差。
如此一來，本發明藉由於海水電池的電極包含該奈米碳管，利用奈米碳管的高活性與高比表面積，提高因該電位差所形成的一電流之電流密度，有效提升該海水電池的供電效能。

10．．．電解液

20．．．陽極

30．．．陰極

40．．．容器

41．．．反應空間

42．．．輸入口

43．．．輸出口

V．．．電位差

圖1，為本發明第一實施例的結構示意圖。
圖2，為本發明另一實施例的結構示意圖。

有關本發明的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：
請參閱『圖1』所示，為本發明第一實施例的結構示意圖，如圖所示：本發明為一種海水電池，在第一實施例中，該海水電池包含有一電解液10、一陽極20以及一陰極30，該電解液10在此為使用一海水，該海水中主要包含有帶正電的鈉離子與帶負電的氯離子，該陽極20為使用一第一材料製成，該第一材料可選用金屬、金屬氧化物、超導體、石墨、導電高分子等導電材質，例如為聚乙炔，聚噻吩類和聚苯胺類等。
該陰極30的材質包含有複數個奈米碳管，本發明中，該陰極30可為一大部分地由該奈米碳管組成的材料，或為一由該奈米碳管與一第二材料結合而成的複合材料。倘該陰極30完全由該奈米碳管組成，該陰極30的製造方式可如下述：先將該奈米碳管與一高分子材料混合，該高分子材料可為酚醛樹脂(Phenolic Resin)、環氧樹脂(Epoxy)、聚丙烯腈(Polyacrylonitrile，簡稱PAN )或呋喃樹脂(Furan Resin)，接著依序進行一熱壓製程以及一碳化製程，該熱壓製程為使該奈米碳管與該高分子材料處於一介於110℃至220℃之間的受熱溫度，以及一介於5Kgf/cm²至200Kgf/cm²之間的成形壓力，使該奈米碳管與該高分子材料形成一具剛性立體結構的塊材；該碳化製程為將該奈米碳管與該高分子材料置於一還原氣氛之中，該還原氣氛可為氬氣或氮氣，並加熱至一介於500℃至3,000℃之間的碳化溫度，以去除該高分子材料，於該塊材形成一介於5%至50%之間的孔隙率。此外，藉由該碳化製程的參數控制，可在該塊材進一步產生一附著於該奈米碳管之間的碳材料，而可以增加該陰極30的導電與導熱性質。
請繼續參閱『圖1』所示，本發明於使用時，該陽極20與陰極30為彼此相隔而分別浸泡於該電解液10，但不以此為限制，該陽極20與該陰極30各與該電解液10形成接觸即可，該電解液10與該陽極20及該陰極30分別進行一電化學反應，其中，該電解液10於該陽極20進行為氧化的該電化學反應，其反應式如下所示：
M → M²⁺+ 2e^-
而於該陰極30則進行為還原的該電化學反應，其反應式如下所示：
O₂+ 2H₂O + 4e^-→ 4OH^-
在上述電化學反應中，M代表於該陽極20參與反應的金屬，在此可為鎂(Mg)、鋁(Al)所形成的合金，而該陰極20的該奈米碳管則提供電子傳遞平台，其本身不參與反應。
據此，該電解液10與該陽極20及該陰極30之間產生一電位差V，而可形成一電通路產生一電流，於此實施例中，該電位差V為1.4至2V時，該電流最高具有650mA‧cm^-2的電流密度。
另外，在本發明的第二實施例中，該海水電池的結構配置與第一實施例類似，如『圖1』所示，包含有一電解液10、一陽極20以及一陰極30，該陽極20與該陰極30彼此相隔而分別與該電解液10接觸，同第一實施例，該電解液10為一海水，該電解液10與該陽極20及該陰極30分別進行一電化學反應，而於該陰極及該陽極產生一電位差。在第二實施例中，該陽極20包含有複數個奈米碳管以及與該奈米碳管混合的該第一材料，該第一材料可選用金屬、金屬氧化物、超導體、導電高分子或碳等材質，碳可為石墨、碳黑或其它由碳構成材料等，且在結構上可為多層結構、球狀或棒狀的結構。具體而言，該陽極20可為一由該第一材料與該奈米碳管混合形成的複合材料，並且該奈米碳管之間具有一介於5%至50%的孔隙率，而該陰極30則由該第二材料製成，該第二材料為選用金屬、金屬氧化物、超導體、石墨、導電高分子之導電材質。如此，當該陽極20與該陰極30各與該電解液10接觸時，該電解液10與該陽極20將進行如下式的電化學氧化反應：
M → M²⁺+ 2e^-
而於該陰極30則進行如下式的電化學還原反應：
O₂+ 2H₂O + 4e^-→ 4OH^-
該電解液10亦能於該陽極20及該陰極30之間產生一電位差，而可形成一電通路產生一電流。
除上述第一實施例與第二實施例外，本發明的第三實施例，該海水電池的結構配置亦可與第一實施例類似，如『圖1』所示，包含有一電解液10、一陽極20以及一陰極30，該陽極20與該陰極30分別包括複數個奈米碳管，且該陽極20進一步包含與該奈米碳管混合的該第一材料，而於該陰極30中，該奈米碳管之間具有一介於5%至50%的孔隙率，並可附著有一碳材料，再者，該陰極30則還可選擇包含與該奈米碳管混合的該第二材料，該陽極20與該陰極30彼此相隔而分別與該電解液接觸，該電解液為一海水，該電解液與該陽極20及該陰極30分別進行一電化學反應，而於該陽極20及該陰極30產生一電位差。
請參閱『圖2』所示，為本發明另一實施例的結構示意圖，在此實施例中，該海水電池更包含一容器40，該容器40包含一反應空間41、一與該反應空間41連通的輸入口42以及一與該反應空間41連通而與該輸入口42對應的輸出口43，如圖所示，該電解液10為由該輸入口42流入該反應空間41，並於該反應空間41中與該陽極20及該陰極30接觸而進行該電化學反應，再從該輸出口43流出該反應空間41，該電解液10經由該容器40的該輸入口42以及該輸出口43持續的流入以及流出，而可維持該電解液10於該反應空間41中的離子濃度，穩定所產生的該電流。
綜上所述，由於本發明利用奈米碳管製造海水電池的電極(該陽極以及該陰極)，藉由奈米碳管的高活性與高比表面積，而提供離子移動的通道，提高因該電位差所形成的該電流之電流密度，於電位差為1.4至2V時，該電流的電流密度最高可達到650mA‧cm^-2，有效提升該海水電池的供電效能。再者，本發明利用該奈米碳管做為海水電池的電極，可降低該電極於該電化學反應中的消耗，進一步延長該海水電池的使用壽命。
本發明尤其適合應用於航行於海中之船舶或建構於海上之設施，提供其所需之電力，但本發明並不限於此，原則上可廣泛適用在任何含有海水之環境。與傳統的火力發電相較，本發明海水電池的運作過程，並不會產生有危環境的物質；而與水力發電相比，又不會因建築的關係影響生態環境，故屬於環保的發電方式。此外，相對於太陽能電池，本發明海水電池毋須受限於日照時間或天候條件，僅需利用海水做為電解液，即可發電，故可提供較穩定的發電量。因此本發明極具進步性及符合申請發明專利的要件，爰依法提出申請，祈鈞局早日賜准專利，實感德便。
以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅爲本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。

10．．．電解液

20．．．陽極

30．．．陰極

Claims

一種海水電池，包含有：
　一電解液；
　一包含有複數個奈米碳管及一與該奈米碳管混合的第一材料的陽極以及一包含有一第二材料的陰極，該陰極與該陽極彼此相隔而分別與該電解液接觸；
　其中，該電解液為一海水，該電解液與該陰極及該陽極分別進行一電化學反應，而於該陰極及該陽極產生一電位差。
如申請專利範圍第1項所述的海水電池，其中該第一材料為選自金屬、金屬氧化物、超導體、石墨、導電高分子所組成的群組。
如申請專利範圍第1項所述的海水電池，其中更包含一容器，該容器包含一供該電解液與該陰極及該陽極接觸的反應空間、一與該反應空間連通並供該電解液流入該反應空間的輸入口以及一與該反應空間連通並供該電解液流出該反應空間的輸出口。
如申請專利範圍第1項所述的海水電池，其中該第二材料為選自金屬、金屬氧化物、超導體、石墨、導電高分子所組成的群組。
如申請專利範圍第1項所述的海水電池，其中於該陽極中，該奈米碳管之間具有一介於5%至50%的孔隙率。
如申請專利範圍第1項所述的海水電池，其中於該陽極中，該奈米碳管附著有一碳材料。
一種海水電池，包含有：
　一電解液；
　一包含有一第一材料的陽極以及一包含有複數個奈米碳管的陰極，該陰極與該陽極彼此相隔而分別與該電解液接觸；
　其中，該電解液為一海水，該電解液與該陰極及該陽極分別進行一電化學反應，而於該陰極及該陽極產生一電位差。　
如申請專利範圍第7項所述的海水電池，其中更包含一容器，該容器包含一供該電解液與該陰極及該陽極接觸的反應空間、一與該反應空間連通並供該電解液流入該反應空間的輸入口以及一與該反應空間連通並供該電解液流出該反應空間的輸出口。　
如申請專利範圍第7項所述的海水電池，其中該陰極還包含一與該奈米碳管混合的第二材料，該第二材料為選自金屬、金屬氧化物、超導體、石墨、導電高分子所組成的群組。　　
如申請專利範圍第7項所述的海水電池，其中該第一材料為選自金屬、金屬氧化物、超導體、石墨與導電高分子所組成的群組。
如申請專利範圍第7項所述的海水電池，其中於該陰極中，該奈米碳管之間具有一介於5%至50%的孔隙率。　　
一種海水電池，包含有：
　一電解液；
　一包含有複數個奈米碳管及一與該奈米碳管混合的第一材料的陽極以及一包含有複數個奈米碳管的陰極，且該陰極與該陽極彼此相隔而分別與該電解液接觸；
其中，該電解液為一海水，該電解液與該陰極及該陽極分別進行一電化學反應，而於該陰極及該陽極產生一電位差。
如申請專利範圍第12項所述的海水電池，其中更包含一容器，該容器包含一供該電解液與該陰極及該陽極接觸的反應空間、一與該反應空間連通並供該電解液流入該反應空間的輸入口以及一與該反應空間連通並供該電解液流出該反應空間的輸出口。　　
如申請專利範圍第12項所述的海水電池，其中於該陰極中，該奈米碳管之間具有一介於5%至50%的孔隙率。
如申請專利範圍第12項所述的海水電池，其中於該陰極中，該奈米碳管附著有一碳材料。
如申請專利範圍第12項所述的海水電池，其中該陰極還包含一與該奈米碳管混合的第二材料，該第二材料為選自金屬、金屬氧化物、超導體、碳、導電高分子所組成的群組。