CN116487638A - 一种发电技术及装置 - Google Patents

Abstract

本装置利用化学反应中的氧化还原反应来工作，是把化学能转化成电能及氢能的装置，能量的转化效率达到95‑100%。它可以独立发电，所需的原料无需依赖现有的其它任何供电装置就可制备出来。它可以储能，作充电池使用，可充电放电做成一体，也可充电放电分开。它副产氢气，在产生大量电能的时候，也会产生大量的氢气；氢气可以供给氢燃料电池，氢燃料电池再把氢能转化成电能。装置发出的电，可以用来电解稀硫酸的水溶液制取氢气和氧气，供给给以氢气为燃料以氧气为氧化剂的动力装置，如内燃机、火箭发动机。它的工作不受地理位置及气候环境的限制，对环境的污染小，原材料来源丰足。原料的制备工艺成熟。它的体积和功率可以做得极小，也可以做得极大。

Description

一种发电技术及装置

技术领域

涉及发电机、电池、电动机、发动机、燃料等领域。

背景技术

利用电磁感应现象发电，如水电、核电、火电、风电、地热电、潮汐发电等；利用光电效应发电，如太阳能发电；利用氢气与氧气的化学反应来发电，如氢能发电。

利用鋰与有机电解质的电化学反应来储能，如锂电池；利用燃料与氧气的化学反应来储能，如氢燃料电池；利用铅与硫酸的电化学反应来充电储能，如铅蓄电池；利用鎳、鎘与苛性钾溶液的电化学反应来充电储能，如镍镉碱性电池；利用鋅、二氧化锰与苛性钾溶液的化学反应来储能，如锌锰碱性一次性电池；利用电容的充电效应储能，如超级电容电池。

主要以汽油、柴油、煤油、天然气、液化气、甲醇、乙醇、液氢作为动力装置的燃料。

发明内容

以滤膜为隔膜，以各种酸的溶液为正极的电解质溶液，以各种碱的溶液为负极的电解质溶液，以能和碱溶液发生化学反应的导电物质作负极，以负极之外的导电物质作正极，制成的装置可以用来进行各种规模地发电、储电、制氢、制氧。

装置可以发电。如锌为负极，碱溶液为苛性钾溶液的时候，其化学反应方程式是：Zn+2KOH=K2ZnO2+H2↑。装置工作时，正极、酸、溶液中的水均不参与化学反应，只有锌、苛性钾发生化学反应。装置工作时消耗的锌及苛性钾，无论是重新还原，还是从大自然再制备，都可以在脱离电能的时候生产出来。

装置可以充电放电分开。如：铝为负极,碱溶液为苛性钠溶液时，化学反应方程：2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑。装置工作时，正极、酸不参与反应，溶液中的水、负极的铝、苛性钠发生化学反应。装置工作时消耗的铝及苛性钠，必须脱离原装置后，才能够通过电解还原，充电和放电是分开的。

装置可以充电放电一体，如锡用作负极，苛性钾作碱溶液时，化学反应方程式为：Sn+2KOH=K2SnO2+H2↑。装置工作时消耗的锡和苛性钾，可以直接通过原装置电解还原。此时正极材料从铂、铱、釕、铅中选择，硫酸、磷酸等作正极的电解质。

装置可以是一次性电池，如正极为二氧化铅或二氧化锰，硫酸溶液为正极的电解质溶液，锌为负极，苛性钾溶液为负极的碱溶液时，化学反应方程式为：Zn+2KOH+PbO2+H2SO4=K2ZnO2+PbSO4+2H2O或Zn+2KOH+MnO2+H2so4=K2ZnO2+MnSO4+2H2O。装置工作时，除了负极、碱溶液发生化学反应外，二氧化铅或二氧化锰、酸溶液也会发生化学反应。

装置可以是储能设备。装置所用的各种原料，具有稳定的物理化学性能，便于储存和运输。所以各大电厂在用电负荷较小时，可以把电用来生产本装置的原料，用电高峰再转化成电能。

装置会产生氢气。在产生大量电能的同时，也产生大量的氢气。氢气可以供给氢燃料电池，使装置成为双电源发电装置。

装置中的隔膜，选用超滤膜或微滤膜。超滤膜的截留分子量必须在1000-30000之间，包含1000和30000；微滤膜的孔径必须小于0.10微米，含0.10微米。超滤膜或微滤膜的材料，最好是聚醚砜，即PES；其次是聚砜、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、合成纤维等材料，即PS、PVDF、PTFE、PAN、RC等材料。PH应用范围、工作时的耐受温度、机械强度是选取隔膜需要考虑的主要因素。

装置中的酸碱，酸，指强酸，如：硫酸、磷酸、盐酸、草酸等。碱，指强碱，如：苛性钾、苛性钠、氢氧化锂等

装置中的负极，是指锌、铝、锡、钽、铌、钒、鉬、铟、硅铍、鎵、锗、銻等金属及其它们的合金。

装置中的正极，可以是二氧化铅、二氧化锰等活性氧化物，也可以是铂、铱、釕、镍、铁、铬、铅、钴、铜等金属及它们的合金，也可以是石墨。

装置产生的是直流电。酸中的电极是电源的正极，碱中的电极是电源的负极。负极的电子经过外电路流入电源的正极，负极附近的氢离子经过电解质溶液和隔膜到达电源的正极。

装置的功率，与电解质溶液的浓度、溶解度、电极与电解质溶液接触的表面积、电源的串并联等因素有关。

附图说明

图1是单个电池工作原理及结构图，图2是单体电池工作原理及结构图。单个电池是指只有一个正极、一个负极、一个正极电源槽、一个负极电源槽的电池。单体电池是指有很多正极，也有很多负极，但却只有一个正极电源槽和一个负极电源槽，所有的正极在电解质溶液外面连在一起，所有的负极也在电解质溶液外面连在一起的电池。

图1中，1是总电源槽，2是正极电源槽，3是负极电源槽，4是滤膜制成的隔膜，5是酸的溶液，6是碱的溶液，7是电池正极，8是电池负极，9是万用电表，10是小开关。

图2中，1是总电源槽，2是负极电源槽，3是正极电源槽，4是碱的溶液，5是酸的溶液，6是碱液的出料口及进料口，7是酸液的出料口及进料口，8是电源正极，9是电源负极，10是滤膜做成的隔膜。隔膜做成管型，套在各个正极及负极外面。

具体实施方式

图1中，正极电源槽中加入浓度为5%硫酸溶液，负极电源槽中加入浓度为5%的苛性钾溶液，直径4毫米长10厘米的锌棒作负极，宽5厘米长10厘米厚1毫米的镀铂鈦板作正极，正极与负极浸入电解质溶液的长度均为8厘米左右，正极及负极与隔膜的距离大约2厘米左右。把正极与万用电表的+表笔相连接，负极与万用电表的-表笔相连接；在开关合上之前，正极及负极上均无气泡产生，说明在常温常压下，锌与苛性钾溶液近乎不发生化学反应；把万用电表的开关拨到2.5伏的直流电压档，接通小开关；此时电源的电压为1伏左右，这个电压就是电源的开路电压。断开小开关，把万用电表的开关拨到500毫安的电流档，+表笔插到10安培的插孔；再次合上开关后，正极上马上出现大量气泡，负极上无气泡产生；此时的电流值为3.5安培，这个电流就是电源的短路电流。2个小时后，会发现电流的衰减的值不大，同时负极浸入碱溶液中的部分变细，说明负极在慢慢地溶解；两种溶液的颜色，自始至终没有任何变化；正极也无变化发生。如果镀铂鈦板和锌棒一同放入硫酸溶液中，两电极之间也接上万用电表，则气体主要发生在负极周围，正极周围产生的气体很少。如果镀铂鈦板和锌棒一同放入苛性钾溶液中，则万用电表的电流值会迅速下降到几个毫安，正极和负极周围产生的气体量相当少。

把图1中的镀铂鈦板，依次换成镀铱鈦棒、镀釕钛棒、二氧化铅电极棒、石墨棒、镍棒、纯铁棒、不锈钢棒、铅棒、铜棒，重做上述实验，详情见下表：

表1

	铱	釕	铅1	碳	镍	铁	钢	铅2	铜
										直径	1	1	3	8	5	3	3	3	4
长度	10	10	10	10	10	10	10	10	10
										电压	2.9	2.65	2.5	1.1	1.15	0.86	1.45	1	1.3
电流	1100	1100	2500	175	320	310	160	250	115

注：①直径单位：毫米 ②长度单位：厘米 ③电压单位：伏 ④电流单位：毫安 ⑤铅1：指二氧化铅 ⑥铅2：指铅丝 ⑦钢：304不锈钢

由表1可以看出，适合做正极的材料有铂、铱、釕，二氧化铅、镍、铁、铅等。

把图1中的负极依次换成铝棒、锡棒，重做实验；然后把负极的碱溶液换成苛性钠溶液，进行实验；最后把正极的酸溶液依次换成磷酸溶液、盐酸溶液、草酸溶液，做前述实验。会发现产生的电流与酸的种类、碱的种类、负极材料的种类有关系。如把负极换成外径8毫米的铝管，硫酸溶液换成浓度18%的盐酸，苛性钾溶液换成10%的苛性钠溶液，能产生1.5伏的电压和1200毫安的电流。可见产生的电流与酸液的浓度、碱液的浓度、酸碱的溶解度、正负极浸入电解质溶液的表面积也有关。

图2装置中在同一个正极电源槽中有很多小正极，它们离开酸液表面之后连在一 起成为一个总正极；同一个负极电源槽中有很多小负极，它们离开碱液表面后连在一起成 为一个总负极；正极电源槽在负极电源槽的上部；每个正极的外面套有滤管隔膜，隔膜把酸碱两种电解质隔开，同时收集各个正极产生的氢气。每个负极的滤管和下面的电源槽相通，每个负极滤管中的液面高度和正极滤管中的液面高度相差不大，这样两种电解质溶液就不会通过滤膜相互渗透扩散。这种装置和把多个独立的小电源进行并联相似，但结构相对紧凑，效果也好很多。

由于发生化学反应时，负极失去的电子全部由外电路移动到正极，因此装置的能量转化效率很高，近乎100%。由摩尔、摩尔质量、库伦、安培、阿伏伽德罗常数、电压、电流的概念，可以推导出单位质量的负极材料可以获得的电量及功率数值是非常大的。如9克铝、33克鋅就能分别产生100000库伦的电量，如果放电电流为10安培，可以连续放电27个小时。

除去二氧化铅、二氧化锰作正极的装置外，电源在产生电能的同时，会产生大量氢气。溶解9千克铝、32千克锌、51千克锡，就能分别产生1千克氢气。这些氢气如果供给氢燃料电池，就会使电源变成双电源装置，而氢燃料电池的能量转化效率达80%，使电源的功率进一步增大。

装置在工作的整个过程中，正极及正极附近工作的电解质不会消耗，相当于‘催化剂’。工作时负极生成物的结晶及杂质会沉积在负极电池槽底，达到一定量即可取出进行还原。

装置发出的电能，可以用来电解稀硫酸的水溶液，生成氢气和氧气，从而使装置以输出化学能的方式来工作。由于电解池的体积和重量都很小，对装置的质量能量密度和体积能量密度影响不大。此时装置就相当于燃料为氢气、氧化剂为空气的内燃机，或燃料为氢 气、氧化剂为氧气的火箭发动机。

装置与现有的其它发电方式相比，结果如下：

表2

化学能

水能

核能

火电

太阳能

地热能

潮汐

风能

氢能

地理

不限

受限

受限

受限

受限

受限

受限

受限

生态

小

大

大

大

大

安全

小

大

高

小

运转

小

高

小

高

成本

小

高

高

高

高

高

高

高

耗能

一般

大

高

维护

容易

较难

难

前景

好

暗淡

好

稳定

好

波动

波动

波动

波动

占地

少

广

噪声

小

大

效率

高

低

低

低

利用

低

废物

再生

麻烦

能量

大

注：①地理：指电厂对选址的要求②维护：指运行时的维护管理③前景：指将来的发展趋势④生态：指对环境的破坏程度⑤安全：指对人及环境的潜在威胁⑥运转：指运转成本⑦耗能：指发电本身的能量消耗⑧稳定：指运转受环境的影响程度⑨占地：指电厂占用的土地⑩噪声：指运转时的声音对周围的干扰⑪效率：指能量转化效率⑫指产生的不能再次利用但需要处理的废弃物⑬利用：指资源利用率⑭化学能：指本发电技术

由表2可以看出，在列出的十三个指标当中，该发电技术的优势相当明显，特别是在投资成本和对地理条件的要求这两方面，有其它发电方式无法比拟的优势。

装置与现有的其它储能设备比较，结果如下：

表3

酸碱

燃料

锂

铅 蓄

镍铬

碱性

热电

电容

一次

价格

便宜

高

高

高

高

安全

好

差

差

差

寿命

长

一般

短

短

短

短

发热

好

自燃

高

差

低温

好

差

差

充电

好

长

长

差

放电

好

受限

差

差

技术

成熟

难度

重量

小

大

维护

方便

频繁

记忆

无

记忆

负载

好

差

差

效率

高

低

差

低

低

低

工时

长

短

污染

小

大

大

大

大

体积

小

回收

好

差

注：①酸碱：指本装置②燃料：指燃料电池③锂：指锂电池④铅蓄：指铅酸蓄电池⑤镍铬：指镍铬电池⑥碱性：指碱性电池⑦热电：指热电池⑧电容：指超级电容电池⑨一次;指一次电池⑩工时：指工作时长⑪酸碱：指本装置

由表3可以看出，装置作为储能设备时，各方面的性能都要好于现有的每一种电池。

由于具有优质、价廉、便于移动、不受地理条件限制等优点，本发电技术也会对现有的燃料市场进行冲击，汽油、柴油、煤油、天然气、液化气、甲醇、乙醇、液氢等燃料，将会部分甚至全部退出现有的市场而被替代。

Claims (10)

1.以滤膜为隔膜，以各种酸的溶液为正极的电解质溶液，以各种碱的溶液为负极的电解质溶液，以能和碱溶液发生化学反应的导电物质作负极，以负极之外的导电物质作正极，制成的装置可以用来进行各种规模的发电、储能、制氢、制氧。

2.权利要求1中，滤膜的特征是：

滤膜包含超滤膜和微滤膜。

超滤膜的截留分子量要小于30000，含30000；微滤膜的孔径要小于0.10微米，含0.10微米。

超滤膜及微滤膜的材料：以聚醚砜即PES最好，第二是聚砜即PS，第三是聚偏氟乙烯、聚丙烯腈即PVDF、PAN，第四是合成纤维素即RC。

3.权利要求1中，负极的特征是

能和碱或碱溶液发生氧化还原反应。反应条件不限，不管是高温、高压，还是有催化剂参与。

具有导电性。含导体、半导体。

以锌、锡、铝为首选材料，第二是铌、锑、钒、钽、鉬、铟，第三是锗、镓、硅、铍。

也可以是锌、锡、铝、铌、锑、钒、钽、钼、铟、锗、镓硅、铍的合金。

4.权利要求1中，正极的特征是：

不容易与酸发生化学反应。

具有好的导电性。

以镍、铁、铬、铅、钴为首选材料，含表面镀有这些材料的导体，还包含这些材料的合金。第二是铂、铱、釕、石墨、金。第三是二氧化铅、二氧化锰。第四是铜、银及其合金。

5.权利要求1中，碱溶液的特征是：

溶液中的水，含去离子水、蒸馏水、纯净水、反渗透水。

碱，指强碱，首选氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化铷、氢氧化铯。其次是有机强碱。

6.权利要求1中，酸溶液的特征是：

溶液中的水，含去离子水、蒸馏水、纯净水、反渗透水。

酸，强酸，含高锰酸、盐酸、硫酸、草酸、硒酸、氢溴酸、氢碘酸、氟硅酸、磷酸、偏磷酸、氟硼酸、氟磺酸、硫氰酸、三氟乙酸、三氯乙酸、甲磺酸、苯磺酸、氟锑酸、氟锑磺酸、碳硼烷酸。

7.权利要求1中，装置容器的特征是：

容器，包含主容器与副容器，主容器直接盛装电解质溶液，副容器套装在主容器外面起支撑作用。

主容器的材料，首选硅橡胶，其次是聚四氟乙烯。副容器的材料可以是不锈钢、陶瓷、水泥、木料。

8.权利要求1中，装置的发电特征是：

装置是把化学能转化成电能。发生的化学反应是氧化还原反应，能量的转化效率是95-100%。

装置产生的是直流电，电压方向和电流方向始终不变。

装置运行时有电子和质子两种粒子参与导电，电子从电源负极经外电路到达电源正极，质子从电源负极径碱溶液和隔膜及酸溶液到达电源正极。

置于酸溶液中的电极为电源的正极，置于碱溶液的电极为电源的负极。

电源电压的值，由正极材料、负极材料、酸的种类、碱的种类共同决定。当正负极材料和酸碱种类固定后，电压就成为固定值。

电源电流的值，由正极材料、负极材料、酸的种类、碱的种类、酸的浓度、碱的浓度、酸的溶解度、碱的溶解度、正极浸入酸液中的表面积、负极浸入碱液中的表面积、正极和负极间的距离、环境的温度共同决定。温度越高，电流越大；浓度越高，电流越大；表面积越大，电流越大；距离越小，电流越大；溶解度越大，电流越大。

电源容量的值，由参加化学反应的负极材料的量决定。由于物质的量与物质的质量成正比，因此也跟溶解掉的负极的质量成正比。质量越大，容量越大。

电源功率的值，由电压和电流共同决定。可以通过单个小电源的并联来增加电流，通过 单个大电源的串联来升高电压，从而增加电源的功率。

产生的电能，可以直接供直流用电器使用；也可以通过逆变器变成交流电后，提供给交流用电器使用；也可以变成交流电，再通过变压器升压，并网后再使用。

电源的体积和功率，可以做得很小，也可以做得很大。大小由实际需求决定。

电源可以安装在固定场所，也可以随用电设备移动。做到用电设备在哪，电源就在哪，而无需输电线。

电源可以采用自励式发电，也可以独立发电。这里的自励式发电，指电源工作时产生的‘废物’，可以通过电解的方式反复的循环使用，这样既没有资源浪费，而且环保；独立发电是指电源产生的‘废物’，脱离电能后也能还原出来，供电源使用的发电方式。

电源工作的整个过程中，酸及正极的质量不会发生任何变化，只是起着‘催化剂’的作用。

9.权利要求1中，储能的特征是：

电源的各种原料在空气中相当稳定，很难发生物理及化学方面的变化，非常便于储存和运输，适合用来储能。

在晚上用电负荷大幅降低的时候，可以利用供电系统的电，在各地生成锌、锡、氢氧化钠、氢氧化钾、纯净水，然后储存起来。

核电厂、火电厂在用电负荷小的时候，水单厂在水资源丰富而用电量小的时候，太阳能发电在阳光充足的时候，都可以用电来生产该电源的各种原料。

此装置用来储能，具有占地少、体积小、建厂快、投资少、效率高的特点。

对于各种交通运输工具，只要携带的原料足够多，就不必要考虑续航的问题，而且也可以利用现在的加油站更换原料，过程简单快捷。

装置可以做成一次性电池，也可以做成充电池；可以做成充电放电一体的电池，也可以做成充电放电分开的电池。

10.权利要求1中，制氢制氧的特征是：

装置在发电的时候，除二氧化铅或二氧化锰作正极的装置外，还会产生氢气。

装置生成氢气的数量是巨大的，9千克铝、32千克锌、51千克锡，在发电的时候就能分别产出1千克氢气。

除铝负极附近有极少量氢气产生外，其它材料作负极时，氢气全部在正极附近生成。二氧化铅、二氧化锰作正极是，氢气全部与二氧化铅或二氧化锰中的氧结合成了水，所以正极和负极都不会生成氢气。

生成的氢气可以供给氢燃料电池，把氢能转化成电能。此时，装置就成为双电源系统。由于氢燃料电池的转化效率高达80%，就会使装置作为电源时的功率近乎成倍增长。

可以利用装置产生的电，电解稀硫酸的水溶液生成氢气和氧气。产生的氢气和氧气可以供给以氢气为燃料以氧气为氧化剂的发动机使用，现产现用的供氢方式比用液氢好很多；也可以直接作为燃料使用。