CN102891346A - 以氧化还原反应产生电位的电池装置 - Google Patents

Abstract

一种以氧化还原反应产生电位的电池装置，其包含：一电池槽装置、一电性触媒装置、一缓冲电池装置，一整流充电装置。该电池槽装置以各式盐类水溶液为电解液，其阳极为不会与电解液产生化学反应的金属，其阴极为具有导电性与呼吸孔隙的碳材料。该碳材料可呼吸空气并在空气溶解于电解液中时释出含有氢氧根的负离子。该电池槽装置经电性触媒的电化学阻尼效应催化作用，用予催化发电，再经由整流充电装置将电能充入缓冲电池装置中，产生电学共振效应而成的发电电池。本发明能兼顾无毒、无废热、无噪音、以及零排放的自体发电的电池装置。

Description

以氧化还原反应产生电位的电池装置

技术领域

本发明涉及一种以氧化还原反应产生电位的电池装置，其主要通过电性触媒(Catalyst)技术，将正电化学阻尼效应用来氧化发电，负电化学阻尼效应产生还原反应，构成物理的共振封闭回路，达到百分之百零污染、零排放的绿色能源。

背景技术

燃料电池是化学生电的装置，其中，氢及氧直接结合成水，合成反应所释出的能量即为电能(Cell)。电池可分为酸性(Acid)及碱性(Alkaline)两种性质。据Arrhenius的酸碱离子理论，在水溶液中可以电离(Ionization)出氢氧根离子(OH^-)，并不会产生其他阴离子的化合物，亦即是提供氢氧根离子(OH^-)或吸收氢离子(H⁺)的化合物，称为碱性。其中电离即是一物理性质，表示在能量作用下，原子、分子形成离子的过程。若溶液中氢离子(H⁺)大于纯水中氢离子的浓度的化合物，亦即溶解于水时释出的阳离子全部都是氢离子(H⁺)的化合物，或是电子(e^-)的接受者，称为酸性。故氧离子(O^2-)是氢氧根离子(OH^-)的共轭碱。

O^2-+H₂O→2OH^-

请参阅图2，将氢、氧气为燃料时，先将纯水20电解，此时，阳极放出电子为氧化反应，阴极得到电子为还原反应，称为电解反应。图2中，以氧化锌21作为阳极，以碳棒22作为阴极，箭头表示电荷流方向23。

阳极：2H₂O→O₂+4H⁺+4e^-

阴极：2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-

电解全反应：2H₂O→2H₂+O₂

反电解反应，即阳极加入氢气，阴极加入氧气，产生纯水、电动势、及热(即是水蒸气)，称为氢氧燃料电堆。

阳极：H₂→2H⁺+2e^-                            Ea：0V

阴极：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O                       Ec：1.22PV

反电解全反应：2H₂+O₂→2H₂O+热                Ec-Ea＝1.22PV

其中电解(Electrolysis)是一种化学反应，表示在能量作用于电解质时，在阴极、阳极上引起的氧化还原反应的过程。当电解金属-空气燃料电堆时，以不同金属当电极为酸性、单一金属为电极为碱性。请参阅图1。本发明以碱性的锌-空气燃料电堆为例；

阳极：Zn+2OH^-→ZnO+H₂O+2e^-            Ea：0V

阴极：O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-               Ec：1.22PV

充电反应：2Zn+O₂→2ZnO                Ec-Ea＝1.22PV

此化学反应产生电动势外，还产生纯水与热。其中，电解液10为氢氧化钾溶液(KOH)；另还会吸收二氧化碳(CO₂)，导致燃料电池无法持续运作。图1中作为阳极的为锌板11，作为阴极的为碳棒12。图1中，编号为K的为阴极；编号为A为阳极；标号为13的箭头表示电子流的方向。

发明内容

本发明所提供的以氧化还原反应产生电位的电池装置，其包含：一电池槽装置，其以盐类水溶液为电解液，其阳极为不会与电解液产生化学反应的金属，其阴极为具有导电性与呼吸孔隙的碳材料；该碳材料呼吸空气并在空气溶解于电解液中时释出含有氢氧根的负离子；

一电性触媒装置，其为电化学阻尼效应的催化剂，用以催化电池槽装置内的氧化反应与还原反应的进行；该电性触媒装置包含设置有脉冲产生器，以及电子释出回路与电荷释出回路；该脉冲产生器能够产生的正、负脉冲；该正脉冲启动电荷释出回路而释出电荷；负脉冲启动电子释出回路而释出电子；该电性触媒装置对电池槽装置释出电子时，能够使电池槽装置内产生反电解的还原反应，而在电池槽装置的阳极与阴极之间产生电位差；该电性触媒装置对电池槽装置释出电荷时，能够使电池槽装置内产生电解的氧化反应，而在电池槽装置的阳极与阴极之间产生电位差；

一缓冲电池装置，其为具有重复充、放电能力的二次电池；

以及，

一整流充电装置，其能够将电池槽装置所输出的交流型态的电位转成直流型态，并对缓冲电池装置充电。

实施时，该电性触媒装置释出电子的化学阻尼效应是氧化发电，释出电荷的化学阻尼效应是还原发电。

实施时，该电性触媒装置所产生的电荷与电子的相位相差为180度。

实施时，该电性触媒装置的电子释出回路包含设置将频率转成电子的电晶体、电性阻尼共振舱及升压变压器。

实施时，该电性触媒装置的电荷释出回路包含设置将频率转成电荷的电晶体、电性阻尼共振舱、升压变压器。

实施时，电池槽装置的阳极金属，为锌、锂、锂合金其中之一。

实施时，电池槽装置的阴极碳材料为石墨、碳棒、纳米碳管、碳纤维其中之一。

实施时，电池槽装置中的电解液为中性的海水。

实施时，该缓冲电池装置为酸性二次电池、碱性二次电池其中之一。

实施时，该缓冲电池装置为酸性二次电池、碱性二次电池或酸性二次电池、碱性二次电池并联使用的共振电池。

实施时，该整流充电装置为一种能够将交流转换成直流的的转换器。

实施时，该电性触媒装置运作时所需的电源，由该缓冲电池装置提供。

本发明所提供的以氧化还原反应产生电位的电池装置，其运用电性触媒装置所产生的负电化学阻尼效应所产生还原反应，能够使电池槽装置的内部构成物理的共振封闭回路，以物理反应取代化学变化，达到百分之百零污染、零排放的绿色能源。本发明的氧化放电、还原充电所产生的交流型态的电位，能够通过整流充电装置，转换成直流型态而充入缓冲电池装置内，提高本发明自体发电的效益。

附图说明

图1为锌-空气燃料电堆的示意图；

图2为现有氢氧产生器的示意图；

图3为本发明的结构图；

图4为本发明电池槽装置的示意图；

图5为电性触媒装置实施例的电路图；

图6为酸性二次电池的等效电路结构图；

图7为碱性二次电池的等效电路结构图；

图8为共振电池的等效电路结构图。

附图标记说明：10-电解液；11-阳极；12-阴极；13-电子流方向；20-纯水；21-氧化锌；22-碳棒；23-电荷流方向；30-电池槽装置；31-电解液；32-阳极；33-阴极；34-电极；40-电性触媒；41-正、负脉冲产生器；42-电荷产生回路；421-电晶体；422-电化学阻尼器；423-变压器；424-电荷输出端；43-电子产生回路；431-电晶体；432-电化学阻尼器；423-变压器；434-电子输出端；44-中子输出端；50-整流充电装置；60-缓冲电池装置；61-酸性二次电池；611-电感器；612-电容器；62-碱性二次电池；621-电感器；622-电容器；63-共振电池；P-阳极；N-阴极；A-阳极；K-阴极。

具体实施方式

请参阅图3、图4，本发明有关一种以金属-空气燃料电堆为再生能主体的电池装置，亦为一种以氧化还原反应产生电位的电池装置。本发明的装置结构如图3所示，其包含：电池槽装置30、电性触媒装置40、整流充电装置50、缓冲电池装置60。

其中，电池槽装置30以盐类水溶液为电解液31，且其阳极32为不会与电解液31产生化学反应的金属，其阴极33为具有导电性与呼吸孔隙的碳材料。该碳材料可呼吸空气并在空气溶解于电解液31中时释出含有氢氧根的负离子。

配合图5，该电性触媒装置40，其为电化学阻尼效应的催化剂，用以催化电池槽装置30内的氧化反应与还原反应的进行。该电性触媒装置40对电池槽装置30分别释出电子与电荷，以催化电池槽装置30内的氧化反应与还原反应的进行。该电性触媒装置40对电池槽装置30释出电荷时，能够使电池槽装置30内产生电解的氧化反应，而在电池槽装置30的阳极32与阴极33之间产生电位差。该电性触媒装置40释出电子时，产生负电化学阻尼效应，能够使电池槽装置30内产生反电解的还原反应，而在电池槽装置30的阳极32与阴极33之间产生电位差。负电化学阻尼效应产生还原反应，能够使电池槽装置30的内部构成物理的共振封闭回路，达到百分之百零污染、零排放的绿色能源。该电性触媒装置40所产生的电荷与电子的相位相差为180度。

该缓冲电池装置60，其为具有可重复充、放电能力的二次电池。该整流充电装置50，其能够将电池槽装置30所输出的交流型态的电位转成直流型态，并对缓冲电池装置60充电。

以前述现有的锌-空气燃料电堆为例，如图1表示的反电解的氧化反应为充电反应：

2Zn+O₂→2ZnO             Ec-Ea＝1.22PV

如图2表示的电解的还原反应为充电反应：

2H₂O→2H₂+O₂

本发明将以上两者结合成再同一电池槽装置30内作用，如图4所示。该电解液31改成中性的海水，并将氧化与还原的化学反应(电解)，改为物理反应的电离方式，亦即充电与放电相位相差180度，并且在同一电池槽装置30作用。兹以锌-空气燃料电堆为例，阳极32为锌金属，阴极33为可吸入氧气(O2)的碳材料。当电池槽装置30获得电子时，能够使电池槽装置30内产生反电解的还原反应，则可再电池槽装置30的阴、阳极33、32之间产生电位差。其反应方程式为：

阳极：Zn+2OH^-→ZnO+H₂O+2e^-           Ea：0V

阴极：O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-              Ec：1.22PV

放电反应：2Zn+O₂→2ZnO               Ec-Ea＝1.22PV

当电池槽装置30获得电荷(正电)时，能够使电池槽装置30内产生反电解的氧化反应，则可再电池槽装置30的阴、阳极33、32产生电位差。其反应方程式为：

阳极：ZnO+H⁺→Zn+H₂O+2c⁺             Ea：1.22PV

阴极：O₂+H₂O+c⁺→H⁺                  Ec：0V

充电反应：2ZnO→Zn+O₂                Ec-Ea＝-1.22PV

前述中，该电性触媒装置40可对电池槽装置30释出电子或电荷，以触发电池槽装置30内的氧化反应或还原反应。故该电性触媒装置40所释出的电子与电荷分别为前述氧化反应与还原反应的催化剂。

前述的放电反应与充电反应的催化过程中，都会放电且极性相反，且充电与放电相位相差180度(由电性触媒装置40控制)，即产生交流电堆。在将电堆经该整流充电装置50转换成直流后，可对该缓冲电池装置60充电。

本发明着重于物理反应(电离)，需要以一离子产生装置来完成反应。该电性触媒装置40即为一离子产生器。该电性触媒装置40，其可产生电荷(正离子)在电池槽装置30内，产生充电作用；其可产生电子(负离子)在电池槽装置30内，产生放电作用。该电性触媒装置40可称之为电化学阻尼器。该电性触媒装置40包含一脉冲(Pulse)产生器41，以及电子释出回路43与电荷释出回路42。脉冲(Pulse)产生器41能够产生正、负脉冲。其中，正脉冲可启动电荷释出回路而是出电荷，负脉冲可启动电子释出回路而是出电子。该电子释出回路43包含设置可将频率转成电子的电晶体431、电性阻尼共振舱432、升压变压器433。该电荷释出回路42包含设置可将频率转成电荷的电晶体421、电性阻尼共振舱422、升压变压器423。该电子释出回路43与该电荷释出回路42的变压器433、423能够分别在负离子输出端434输出电子，在正离子输出端424输出电荷，以及在中子电位端44输出中性电位。由于电化学的充电与放电的氧化还原反应必须达到电荷守恒，等效于物理的共振效应，而其共振舱更需要本发明人的中国台湾省第098128110号“无穷级共振舱的超级电感器”的无穷级共振舱技术。将电化学阻尼器422、432完成正电化反应与负电化反应，称之为电性触媒。电性触媒装置40所需的电源可来自于缓冲电池装置60的P及N处。该电性触媒装置40所输出的电子当强氧化剂，所输出的电荷当强还原剂。该电性触媒装置40的电子与电荷的输出端延伸至伸入该电池槽装置30内，且其电极34选择强电子流电介质的纳米碳管。当正、负升压变压器OFF时，会有反电动势产生，通过共振舱与正、负脉冲产生器构成共振，并借以控制离子产生量；同时共振舱可以将脉冲产生器所产生的反电动势吸收，致使电子与电荷输出回路的运作更稳定。

前述缓冲电池装置60可为图6所示的酸性二次电池61。该酸性二次电池61由等效的电感器611，电容器612所组成，为并联谐振型态。缓冲电池装置60可为图7所示的碱性二次电池62。该碱性二次电池62由等效的电感器621，电容器622所组成，为串联谐振型态。可将图6所示的酸性二次电池61与图7碱性二次电池62作并联使用的共振电池63，作为缓冲电池装置60，如图8所示。

现有的锌-空气电池充电与放电行为，皆属化学行为，故电解与反电解无法同时在同一个电池槽装置内进行。在氧化与还原反应进行过程中，电解水溶液(如KOH)直接参与反应，如吸收CO2，造成电堆本身中毒而无法运作，如将电解水溶液直接换成氯化钠水溶液，会产生毒气(氯气)及NaOH。本发明的氧化充电与还原放电的反应过程中，电解液31只用于物理反应而不参与化学反应。电解液31除了不用纯水外，可选择中性的海水溶液。由于电解液31不做化学反应(即电解)，故不会有害的气体产生。至于阴极33的电极材料选择不参与反应的材料，如石墨、碳棒、纳米碳管、碳纤维等。金属电极32部分，排除容易与海水产生化学反应的锂金属(Li)以外的其他金属。该金属电极部分亦可为锂合金。采物理反应时，容量密度由离子决定，因此，只要离子溶度增加，即使体积缩小，容量密度也是提高。

综合上述，本发明所提供的以氧化还原反应产生电位的电池装置，其运用电性触媒装置所产生的负电化学阻尼效应所产生还原反应，能够使电池槽装置的内部构成物理的共振封闭回路，以物理反应取代化学变化，达到百分之百零污染、零排放的绿色能源。又，本发明的氧化放电、还原充电所产生的交流型态的电位，能够通过整流充电装置，转换成直流型态而充入缓冲电池装置内，提高本发明自体发电的效益。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附说明书所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种以氧化还原反应产生电位的电池装置，其特征在于，包含：

一电池槽装置，其以盐类水溶液为电解液，其阳极为不会与电解液产生化学反应的金属，其阴极为具有导电性与呼吸孔隙的碳材料；该碳材料呼吸空气并在空气溶解于电解液中时释出含有氢氧根的负离子；

一电性触媒装置，其为电化学阻尼效应的催化剂，用以催化电池槽装置内的氧化反应与还原反应的进行；该电性触媒装置包含设置有脉冲产生器，以及电子释出回路与电荷释出回路；该脉冲产生器能够产生的正、负脉冲；该正脉冲启动电荷释出回路而释出电荷；负脉冲启动电子释出回路而释出电子；该电性触媒装置对电池槽装置释出电子时，能够使电池槽装置内产生反电解的还原反应，而在电池槽装置的阳极与阴极之间产生电位差；该电性触媒装置对电池槽装置释出电荷时，能够使电池槽装置内产生电解的氧化反应，而在电池槽装置的阳极与阴极之间产生电位差；

一缓冲电池装置，其为具有重复充、放电能力的二次电池；

以及，

一整流充电装置，其能够将电池槽装置所输出的交流型态的电位转成直流型态，并对缓冲电池装置充电。

2.如权利要求1以氧化还原反应产生电位的电池装置，其特征在于，该电性触媒装置释出电子的化学阻尼效应是氧化发电，释出电荷的化学阻尼效应是还原发电。

3.如权利要求1以氧化还原反应产生电位的电池装置，其特征在于，该电性触媒装置所产生的电荷与电子的相位相差为180度。

4.如权利要求1以氧化还原反应产生电位的电池装置，其特征在于，该电性触媒装置的电子释出回路包含设置将频率转成电子的电晶体、电性阻尼共振舱及升压变压器。

5.如权利要求1以氧化还原反应产生电位的电池装置，其特征在于，该电性触媒装置的电荷释出回路包含设置将频率转成电荷的电晶体、电性阻尼共振舱、升压变压器。

6.如权利要求1所述之以氧化还原反应产生电位的电池装置，其特征在于，电池槽装置的阳极金属，为锌、锂、锂合金其中之一。

7.如权利要求1所述之以氧化还原反应产生电位的电池装置，其特征在于，电池槽装置的阴极碳材料为石墨、碳棒、纳米碳管、碳纤维其中之一。

8.如权利要求1所述之以氧化还原反应产生电位的电池装置，其特征在于，电池槽装置中的电解液为中性的海水。

9.如权利要求1所述之以氧化还原反应产生电位的电池装置，其特征在于，该缓冲电池装置为酸性二次电池、碱性二次电池其中之一。

10.如权利要求1所述之以氧化还原反应产生电位的电池装置，其特征在于，该缓冲电池装置为酸性二次电池、碱性二次电池或酸性二次电池、碱性二次电池并联使用的共振电池。

11.如权利要求1所述之以氧化还原反应产生电位的电池装置，其特征在于，该整流充电装置为一种能够将交流转换成直流的转换器。

12.如权利要求1所述之以氧化还原反应产生电位的电池装置，其特征在于，该电性触媒装置运作时所需的电源，由该缓冲电池装置提供。

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