TWI449237B - 香蕉植株電池 - Google Patents

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TWI449237B TW099104033A TW99104033A TWI449237B TW I449237 B TWI449237 B TW I449237B TW 099104033 A TW099104033 A TW 099104033A TW 99104033 A TW99104033 A TW 99104033A TW I449237 B TWI449237 B TW I449237B
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

香蕉植株電池
本發明是有關於一種電池，特別是有關於一種可長效供電的香蕉植株電池。
世界上第一個電池的發明可以追溯到西元1800年伏特(Alessandro Volta)所發明的電池堆，主要是將鋅板及銀板間隔排放，中間以硫酸浸泡過的布隔開，再將這堆疊了30塊金屬板的兩端用金屬線連接，就可以產生穩定的電壓與電流。當變更為不同的金屬板組合，或是堆疊不同個數的金屬板，都會造成電壓與電流的改變。由於鋅電極在氧化電位表中較氫氣及銀電極擁有較高的氧化特性，在電路導通後產生氧化反應，二價鋅離子便與硫酸根結合，電子則傳遞到銀電極，配合銀電極附近的氫離子進行還原反應，產生氫氣，而此時的銀電極並不參與反應，僅做為電子傳導極板。
然而，上述伏特電池(銀/鋅)有嚴重的缺點，包括以硫酸作為電解質的高危險性、氫氣在電極表面累積及氫離子的消耗等因素，都會影響電池的長期使用效能及其進一步應用。
另外，以各種水果作為「水果電池」也在近二、三十年來被廣泛用來做為教學研究題材，如：檸檬、柳橙、葡萄及香瓜...等，主要施作方式是在水果中插入二種電離傾向不同之金屬(或稱為在電解質中，金屬離子化之強弱，如下表1所示)，分別作為陰、陽極，即可藉由自發的電化學反應發展為簡易的電池系統。若以銅與鋅材質的兩電極為例，銅的電離序上電位約為 +0.34V、鋅的電離序上電位約為-0.76V，在以柳橙水果汁液作為電解質的情形下，約可得1V左右之電壓。
一般來說，水果內富含水分及各種電解質，以常見的檸檬為例，其檸檬酸的含量遠高於其他水果，因此配合銅、鋅電極作為陰、陽極材料，就可以發展出電壓約為0.9V的檸檬電池，其電池反應如下所示：鋅電極半反應：3Zn+2C6H8O7 → Zn3(C6H5O7)2+6H++6e-
銅電極半反應：2H++2e- → H2(g)
全電池反應：3Zn+2C6H8O7 → Zn3(C6H5O7)2+3H2(g)
而檸檬電池的電位容易受到電極材料的改變而產生變化，其變化幅度可從1.4V(銅/鎂)變化到0.2V(銅/鎳)。若將檸檬變更為其他水果，因內含水分與電解質的差異，使得電池電位一樣會產生變化，但其變化幅度只介於0.95V(蕃茄)到0.45V(香瓜)之間，顯示出水果電池的電位與水果酸度有極為重大的關連性，讓陰極半電池的電位產生變化，進而影響電池電位的表現。
然而，有別於市售的一次電池，水果電池並不能用來作為手電筒燈泡的電源，主要原因在於其電流太小，水果內的電解質及組織狀態無法提供高電流運作下，離子與電子的傳輸工作。此外，安全性較高的水果電池，其主要的缺點除了電流小之外，因陰極產生的氫氣仍然會累積在電極表面，在 水果組織無法有效排除的前提下，仍然會影響電池的長期使用效能。再者，以水果作為電池有著因電解質會漸漸地減少，而無法長時間發電之問題。因此，找尋適當的水果電池亦為值得探究的議題。
香蕉為一多年生草本單子葉植物，學名為Musa sapientum L.，屬於芭蕉科(Musaceae)，芭蕉屬(Eumusa)，別名金蕉、弓蕉、甘蕉、芭蕉，種類繁多，可供食用及藥用，生長極快速，主要生產地區包括中南美洲、非洲、東南亞及亞太地區，而中南美洲地區的人稱香蕉為綠黃金(Green gold)，足見其經濟重要性。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之其中一目的就是在提供一種香蕉植株電池，以解決水果電池長期使用的效能問題。
根據本發明之目的，提出一種香蕉植株電池，其包括至少一香蕉植株、至少一第一電極及至少一第二電極。每一香蕉植株係為活體植株，且包括作為電解質之至少一有機酸。第一電極係作為陽極，嵌置於香蕉植株上；以及第二電極係作為陰極，亦嵌置於香蕉植株上，且與第一電極電性連接。
承上所述，依本發明之香蕉植株電池，其可具有一或多個下述優點：
(1)本發明之香蕉植株電池是建構在持續生長的香蕉植株上，因此香蕉植株的正常生理代謝功能仍持續當中，所以在電池運作過程中，陽極所產生的有機鹽將隨著水分的運輸管道帶離電極，陰極所產生的氫氣也會藉由植物組織的氣孔排放，不會產生電極表面鹽類及氣體累積的現象。因此，本發明之香蕉植株電池能長期性穩定工作，達到長期使用的功能性。
(2)本發明是利用整株香蕉植株取代水果，因其用於發電的香蕉植株為活體植株，所以可以持續製造所需作為電解質的有機酸，不會面臨如水果內有 限的有機酸電解質、水果無法長期保存且易於腐爛損壞等問題，因此可長效供電。
(3)在節能減碳的時代需求中，以電能產生的角度思考下，如何不產生二氧化碳的前提下，進行發電成為一項非常重要的革新。由於在地球上，植物是吸收二氧化碳的最大群體。因此，本發明即運用植物產生電能並加以減少地球二氧化碳之總量，將獲得一舉二得之成效。
(4)由於本發明之香蕉植株電池為活體植株可長效供電，因此可應用於各種供電困難的偏遠地方，例如：可應用於供給偵測土石流的感測器、位於山上的通訊基地台等所需電力。
1、2‧‧‧香蕉植株電池
10‧‧‧香蕉植株
11‧‧‧假莖
20‧‧‧第一電極
30‧‧‧第二電極
40‧‧‧導線
50‧‧‧記錄器
60‧‧‧負載
第1圖係為本發明之香蕉植株電池之一實施例之示意圖；第2A及2B圖係分別為本發明之香蕉植株電池之另一實施例之示意圖及其等效電路圖；第3圖係為本發明之實驗例4之連續監測香蕉植株電池一週的平均電壓變化曲線圖；第4圖係為本發明之實驗例4之連續監測香蕉植株電池一週的平均電流變化曲線圖；以及第5圖係為本發明之實驗例4之連續監測香蕉植株電池一週的平均功率變化曲線圖。
請參閱第1圖，其係為本發明之香蕉植株電池之一實施例之示意圖。本發明之香蕉植株電池學名為Musa sapientum L.，屬於芭蕉科(Musaceae)、芭蕉屬(Eumusa)，為單子葉之大型草本植物。圖中，香蕉植株電池1包括為活體植株之香蕉植株10、作為陽極之第一電極20、以及作為陰極之第二電 極30。第一電極20與第二電極30係嵌置於香蕉植株10的假莖11上，且藉由導線40相互電性連接。其中，第一電極20與第二電極30是以並聯方式嵌置於同一棵香蕉植株10上，而以串聯方式嵌置於不同棵的香蕉植株10上。
其中，所選用的第一電極20的材料可包括屬於活性金屬且不傷害環境或植物本身的鎂、鋅或鋁，而第二電極30的材料可包括石墨或屬於鈍性金屬的銅、銀、鉑或金。
請參閱第2A及2B圖，其係分別為本發明之香蕉植株電池之另一實施例之示意圖及其等效電路圖。圖中，香蕉植株電池2包括為活體植株之香蕉植株10、作為陽極(負極)之第一電極20、作為陰極(正極)之第二電極30、記錄器50及負載60。第一電極20與第二電極30係嵌置於香蕉植株10的假莖11上，且藉由導線40相互電性連接。其中，記錄器50可記錄香蕉植株電池所產生的電壓或電流，負載60為欲供電之對象，例如電燈、燈泡、可充電電池(亦稱為二次電池)或馬達。
實驗例1：銅/鋅電極
本實施例係選用鋅作為第一電極，而銅作為第二電極。將1支銅電極(2.0mm*60mm)及1支鋅電極(2.0mm*60mm)嵌置(即插入)於同一株香蕉植株的假莖中，並使其相互電性連接，可量測出直流電壓為1.001伏特(V)，證實本發明之香蕉植株可發電。
實驗例2：金/鋅電極
本實施例係選用鋅作為第一電極，而金作為第二電極。將1枚金幣(直徑14mm)及2支鋅電極(1.6mm*51mm)，以與香蕉植株縱向之方式插入香蕉植株(樹齡約6~8個月)的假莖中，插入深度約12mm，並使其相互電性連接，且2支鋅電極係為並聯。將電壓、電流記錄器連接導線架設好，並連結負載， 負載電組為2.3歐姆。因金與鋅之電離傾向差異大(相較銅與鋅之電離傾向差異)，應可得更高之電壓輸出，經實際量測出直流電壓為1.234伏特，電流為0.12毫安培，證實香蕉可發電，並可作為電池或發電電源。
實驗例3：銀/鋅電極
此實施例係選用鋅作為第一電極，而銀作為第二電極。將1枚銀幣(直徑41mm)及4支鋅電極1.6mm*51mm)，以與香蕉植株縱向之方式插入香蕉植株(樹齡約6~8個月)的假莖中，插入深度約40mm，並使其相互電性連接，且4支鋅電極係為並聯。將電壓、電流記錄器連接導線架設好，並連結負載，負載電組為2.3歐姆。因銀與鋅之電離傾向差異大(相較銅與鋅之電離傾向差異)，應可得更高之電壓輸出，經實際量測出直流電壓為1.259伏特，電流為1.17毫安培，證實香蕉可發電，並可作為電池或發電電源。
實驗例4：銅/鋅電極
本實施例與實驗例1相同，亦選用鋅作為第一電極，而銅作為第二電極。將每組包括4支銅電極(2.0mm*60mm)及4支鋅電極(2.0mm*60mm)，以與香蕉植株縱向之方式插入同一香蕉植株(樹齡約6~8個月)的假莖中。共計三組電極，分別插入3株不同株之香蕉植株的假莖中，插入深度約50mm。將同株之4支銅電極、4支鋅電極各自並聯，並量測電壓；將位於異株之銅、鋅電極串聯，並量測電壓。將電壓、電流記錄器連接導線架設好，並連結負載(如可充電電池，鎳/氫電池，1.2V 1200mA/H)，其架構示意圖及等效電路圖係如第2A及2B圖所示。開啟記錄器連續記錄其電壓與電流值一週，且記錄方式為每10秒測量一次電壓與電流值。此連續一週所測得之平均電壓變化曲線、平均電流變化曲線及平均功率變化曲線，係分別如第3、4及5圖所示，其中負載未充電前電壓為0.883伏特。因此，由圖中之曲線可明顯得知本案之香蕉植株電池可達到長效發電的功效。
本發明之香蕉植株電池可以發電的原因之一，是因香蕉植株內包括可作為電解質的有機酸，此有機酸包括屬於三萜類(triterpenoid)的科羅索酸(corosolic acid)。若再配合如鋅、銅電極，便能發展出香蕉植株電池，推測其電池反應如下所示：鋅電極半反應：mZn+nR(H)o → ZnmRn+(n×o)H++(n×o)e-
銅電極半反應：2H++2e- → H2(g)
全電池反應：mZn+nR(H)o → ZnmRn+1/2(n×o)H2(g)
其中，R(H)o代表香蕉植株內的有機酸成分(例如科羅索酸)，o代表的是該有機酸可解離的氫離子數。
理論上，隨著有機酸的種類不同，草本植物電池的電位會隨著變化，適量的水含量及適當的電解質可以提供最大的電壓及電流表現。然而，並非植物內包括可作為電解質的有機酸(如科羅索酸)，即可有效用於作為可供電的電池。例如，本案發明人針對幾種含有較大量科羅索酸的枇杷樹、石蓮花、蘆薈、仙人掌等植物，或金桔樹上之金桔果實進行試驗，發現電極周圍的此些植物/果實之植物組織均會發生腐爛現象，甚至落果而無法繼續發電。然而，直接將各種電極插入香蕉植株的假莖中，進行超過二個月之發電實驗觀察，發現香蕉植株的電極周圍沒有植物組織腐爛問題，可以使得電池連續發電。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1‧‧‧香蕉植株電池
10‧‧‧香蕉植株
11‧‧‧假莖
20‧‧‧第一電極
30‧‧‧第二電極
40‧‧‧導線

Claims (12)

  1. 一種香蕉植株電池，其包含：至少一香蕉植株，係為一活體植株，每一該香蕉植株包括作為一電解質之至少一有機酸，該有機酸包括科羅索酸(corosolic acid)；至少一第一電極，作為一陽極，嵌置於該至少一香蕉植株上；以及至少一第二電極，作為一陰極，嵌置於該至少一香蕉植株上，與該至少一第一電極電性連接；其中，在香蕉植株電池運作過程中，該陽極所產生的有機鹽將隨著水分的運輸管道帶離電極，該陰極所產生的氫氣也會藉由植物組織的氣孔排放。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之香蕉植株電池，其中該香蕉植株為芭蕉科與芭蕉屬。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之香蕉植株電池，其中該第一電極的材料包括鎂、鋅或鋁。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之香蕉植株電池，其中該第二電極的材料包括石墨、銅、銀、鉑或金。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之香蕉植株電池，其包括複數個該第一電極及複數個該第二電極，其中該複數個第一電極及該複數個第二電極係以一並聯方式嵌置於同一該香蕉植株上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之香蕉植株電池，其包括複數個該香蕉植株、複數個該第一電極及複數個該第二電極，其中該複數個第一電極及該複數個第二電極係以一串聯方式嵌置於不同之該香蕉植株上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之香蕉植株電池，其中該第一電極及該第二電 極係嵌置於該香蕉植株之一假莖上。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之香蕉植株電池，其中該第一電極係藉由一導線與該第二電極電性連接。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之香蕉植株電池，其更包括一記錄器，以記錄其電壓或電流。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之香蕉植株電池，其更包括一負載。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之香蕉植株電池，其中該負載為一欲供電之對象。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之香蕉植株電池，其中該負載包括電燈、燈泡、可充電電池或馬達。
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