TWI538284B - 尿液發電裝置 - Google Patents

Description

尿液發電裝置

本發明是有關於一種發電裝置，特別是有關於一種使用尿液混合過氧化氫作為電解質溶液之發電裝置。

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，通常只有幾個微安培大小，水果內的電解質及組織狀態也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氫氣的前提下，仍然會影響電池的長期使用效能，且造成潛在的危險。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，找尋適當的替代電池亦為值得探究的議題。

人類和脊椎動物新陳代謝所需，經由泌尿系統及尿路排出體外的液體稱為尿液。

尿液排解功能在於：調節機體內水和電解質的平衡，及清除代謝廢物等，特別是蛋白質和核苷酸退化變性所產生的含氮化合物。

普通一名成年人每天均排尿量約為1500~2500mL。平均為2000mL。人類尿液pH值約為6.5，呈弱酸性。

以全世界70億人口估算，每天約產生140億公升尿液，每年約產生51,100億公升尿液。

台灣專利103118182提出以植株汁液做為發電電池之電解液，以形成長效之電池，並解決水果電池長期使用效能下降的問題。然本發明案提出之方法侷限於農業區並無法適用於世界各地，因此仍需要進一步的改良。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種尿液發電裝置，以解決水果電池長期使用的低電流之問題，並藉由使用人類、 猪、牛、羊、馬及其它脊椎動物等之尿液進行發電，以提供符合環保回收要求之綠能發電技術。

基於上述目的，本發明係提供一種尿液發電裝置，其包含防水容器、電解質溶液以及電極組。防水容器。電解質溶液係放置於防水容器中，電解質溶液包含脊椎動物之尿液以及過氧化氫，過氧化氫之濃度係介於電解質溶液之體積百分比0.1%至10%之間。電極組係提供電位差，電極組之一端係分別浸泡於電解質溶液中，且非浸泡於電解質溶液之一端分別可電性連接於負載，以形成電性通路。其中，過氧化氫係於電解質溶液中產生過氧根離子，並提高流經負載的電流、延長供應電流的時間以及除去尿液產生之臭味。

較佳地，過氧化氫之濃度係介於0.5%~8%。

較佳地，電解質溶液20中可更包含重量百分比濃度介於0.5%至8%的氯化鈉。

較佳地，電極組的材料係選自金、銀、鉑、銅、鐵、石墨、鎂、鋁、鋅、高分子電極之二項。

較佳地，電極組可為複數個，且複數個電極組係相並聯而浸泡於電解質溶液中。

較佳地，複數個電極組之間更包含多孔性絕緣分隔板。

較佳地，脊椎動物可包含人類、豬、牛、羊、馬或其組合。

較佳地，過氧化氫係使尿液發電裝置之供電時間增加1.5倍至2.5倍。

較佳地，本發明之尿液發電裝置更包含整流器電性連接電極組以及負載，以提供穩定電流。

承上所述，依本發明之尿液發電裝置，其可具有一或多個下述優點：

(1)本發明之尿液發電裝置，係使用人類、豬、牛、羊、馬及其它脊椎動物等之尿液做為電解液原料，尿液為廢棄物或低價值農業肥料，因此使用作為發電原料符合生質原料之低汙染或無汙染特性，具有綠能環保的功效。

(2)在台灣人口約有2,300萬人、豬隻養殖頭數約600萬頭、牛隻飼養頭數約11萬頭、羊隻飼養頭數約16萬頭、馬匹飼養匹數約千匹，尿液一年四季都能產生，因此發電原料可一年四季供應不絕。

(3)在尿液加入過氧化氫之後，使用作為本發明之尿液發電裝置之電解液，可產生超過十倍於一般水果電池產生的電流，也倍增於植物汁液發電裝置產生的電流，因此深具資源利用性。

(4)本發明之尿液發電裝置，在發電後產物為金屬氧化物、水、酸鹼性中性或近中性物質，對環境無害。

(5)本發明之尿液發電裝置，在發電後產物水，可作為農業灌溉或人類用水等，對於水資源缺乏國家或地區，可提供水資源。

(6)由於本發明之尿液發電裝置原料為尿液，因此可應用於各種大眾集會場所或畜牧養殖場，例如：學校、車站、工廠、辦公室及各種畜牧場等，可應用於供給照明、通訊、通風、電腦、攝影、監控等所需電力。

為了讓上述目的、技術特徵以及實際實施後之增益性更為明顯易懂，於下文中將係以較佳之實施範例輔佐對應相關之圖式來進行更詳細之說明。

1‧‧‧尿液發電裝置

10‧‧‧防水容器

20‧‧‧電解質溶液

30‧‧‧第一電極

40‧‧‧第二電極

50‧‧‧多孔性絕緣分隔板

60‧‧‧導線

70‧‧‧負載

80‧‧‧記錄器

e-‧‧‧電子

第1圖係為本發明之尿液發電裝置之第一實施例示意圖。

第2圖係為本發明之尿液發電裝置之第二實施例示意圖。

第3圖係為本發明之尿液發電裝置之等效電路圖。

第4圖係為本發明之尿液發電裝置使用鋅或鋁為陰極之供應時間對電流的曲線圖。

第5圖係為本發明之尿液發電裝置使用人類尿液之時間對電流的曲線圖。

第6圖係為本發明之尿液發電裝置使用牛隻尿液之時間對電流的曲線圖。

第7圖係為本發明之尿液發電裝置使用馬匹尿液之時間對電流的曲線圖。

第8圖係為本發明之尿液發電裝置使用豬隻尿液之時間對電流的曲線圖。

第9圖係為本發明之尿液發電裝置使用牛隻尿液中加入氯化鈉及過氧化氫之時間對電流的曲線圖。

第10圖係為不同來源尿液作為電解質溶液發電後之顏色比較圖。

第11圖係為本發明之尿液發電裝置以加入過氧化氫進行第一次發電後的人類尿液，再加入過氧化氫進行第二次發電之時間對電流的曲線圖。

第12圖係為加入過氧化氫的人類尿液進行發電後之顏色比較圖。

為利 貴審查員瞭解本發明之發明特徵、內容與優點及其所能達 成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍。

於此使用，詞彙“與/或”包含一或多個相關條列項目之任何或所有組合。當“至少其一”之敘述前綴於一元件清單前時，係修飾整個清單元件而非修飾清單中之個別元件。

請參閱第1圖，其係為本發明之尿液發電裝置之第一實施例示意圖。圖中，尿液發電裝置1包含防水容器10、電解質溶液20、電極組。

電解質溶液20係放置於防水容器10中，電極組之一端浸泡於電解質溶液20，電極組非浸泡電解質溶液20之另一端，則經由導線60與負載70連接，形成電性通路。e-代表在導線60之中流動的電子，負載70代表所欲供電之對象，例如電燈、燈泡、充電電池或馬達。

本發明中所述之電極組是指具有電位差的第一電極30及第二電極40，由第一電極30作為陽極，第二電極40作為陰極，電極組的材料可選自金、銀、鉑、銅、鐵、石墨、鎂、鋁、鋅之其中二項，分別作為陽極和陰極。

電解質溶液20的主要成份為尿液及過氧化氫，實施上過氧化氫的反應起始濃度介於電解質溶液20的體積百分比0.1%至10%之間，其數值可為0.1%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、5%、6%、7%、8%、9%或10%，主要的目的除了測得加入過氧化氫濃度較佳數值外，亦同時考量加入過量的過氧化氫，會導致反應過快而產生氣阻現象。

尿液之中95%~97%為水，其他成分約佔3%~5%。其他成分為含氮廢物(尿素)、電解質、毒素、色素、激素或體內異常成分。因此，於 尿液中插入具有電位差之電極組，即可利用尿液中的電解質產生自由離子而產生電流。

於尿液中加入過氧化氫時，過氧化氫會在水中解離形成過氧根離子，因而增加了溶液物質分解的機率，其反應式如下：

過氧根離子會增加電解溶液中離子的流動，並有機會增加電極組附近離子的汰換效率，因而有效減少電解質的歐姆損失(Ohmic Loss)或質量傳輸損失(Mass Transport Losses)，進而提升電流強度。

再者，若水分子的還原電位大於陰極電極，會陰極會進行水的還原反應，進而產生氫氧基(OH-)，其反應式如下：2H₂O+2e^-→2H_2(g)+2OH^-

電解質溶液中產生氫氧基，會與過氧化氫分解產生的氫離子反應成水，而消耗氫離子的數量，此反應會使過氧化氫傾向進行分解反應，從而產生更多的過氧根離子進行反應。

過氧化氫可在水溶液中氧化或還原無機離子或有機物，作為還原劑時產物為氧氣，作為氧化劑時產物為水，其優點是氧化性強，不引入雜質且不污染環境。且於尿液中滋生的細菌也會被過氧化氫殺死，進而減少含氮廢物被細菌分解成銨離子(NH₄ ⁺)的機會，因此可減少尿液中刺激的味道。

實施上，電解質溶液中可更包含重量百分比濃度介於0.5%至8%的氯化鈉，以增加其導電程度。實施上，氯化鈉濃度可為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%、6%、7%或8%。

實施上，本發明之尿液發電裝置可使用人類、豬、牛、羊、馬及其它脊椎動物等之尿液做為電解液原料，因此使用作為發電原料符合生質原料之低汙染或無汙染特性，具有綠能環保的功效。

請參閱第1圖及第2圖，其係為本發明之尿液發電裝置之第一實施例示意圖及第二實施例示意圖。圖中，第一電極30與第二電極40可為複數個，而複數個第一電極30及複數個第二電極40係相並聯而浸泡於電解質溶液20中。相並聯的複數個第一電極30及複數個第二電極40可為交叉設置，且任一相鄰之第一電極30及第二電極40之間更設置多孔性絕緣分隔板50，以防止電極互相接觸。

請參閱第1圖及第3圖，係為本發明之尿液發電裝置之第一實施例示意圖及等效電路圖。圖中，複數個尿液發電裝置1分別包含防水容器10、電解質溶液20、第一電極30及第二電極40，複數個尿液發電裝置1並以串聯方式進行電性連接以增加電壓。此外，等效電路更包含導線60、負載70及記錄器80。第一電極30與第二電極40係部分浸泡於防水容器10中的電解質溶液20中，且藉由導線60相互電性連接。其中，記錄器80可記錄尿液電池所產生的電壓或電流，負載70為欲供電之對象。

請參閱第4圖，係為本發明之尿液發電裝置使用鋅或鋁為陰極之供應時間對電流的曲線圖。圖中，係於本發明之尿液發電裝置中以鋅/銅或鋁/銅作為電極組，是將1片銅電極(50mm*100mm)及2片鎂或鋁電極(50mm*100mm)置入電解質溶液之中，並使其相互電性連接，可量測出直流電壓(鋅/銅電極)為1.7伏特(V)、(鋁/銅)為0.8伏特(V)，證實本發明之尿液發電裝置可發電。

於此實施例中，兩者皆以人類尿液作為電解質溶液，其中電解質溶液含有佔電解質溶液體積百分比2%之過氧化氫，由圖中所示，不管是鋅 /銅或鋁/銅作為電極組，加入過氧化氫除了增加供應電流外，亦會穩定提供給與負載的電流強度，且可持續提供約12個小時。

請同時參閱第5~8圖，係為本發明之尿液發電裝置使用不同尿液來源之供應時間對電流的曲線圖。係使用之尿液來自人類、牛隻、馬匹或豬隻的尿液作為電解質來源，以銅/鎂作為電極組，其直流電壓1.7伏特(V)，並比較加入過氧化氫之供應時間對電流之曲線圖。

於圖中，不同的尿液來源在加入過氧化氫後，可穩定供應電流的大小以及供應時間皆上升，因而使供應總電量增加。其中，人類尿液於700分鐘內提供的電流大小，於加入2%過氧化氫後可提高約3至4倍。而牛隻與馬匹尿液，於加入過氧化後，除了提高電流大小外，也同時延遲了提供穩定電流的時間。

於第6圖中，僅以牛隻尿液作為電解質溶液的電流曲線，於約60分鐘之後即逐漸下降，而加入5%過氧化氫之後可將提供高電流的時間延遲到約120分鐘後驟降。於第7圖中，馬匹尿液作為電解質溶液時，原本僅可提供約60分鐘之電流，於加入5%過氧化氫之後亦有此現象，且可延遲至約180分鐘。於第8圖中，豬隻尿液加入或不加入5%過氧化氫之電流供應曲線，沒有出現明顯延遲供電時間的現象，但整體而言亦有增加供應電流之優點。

經統計顯示，在台灣不管是夏日或冬季用電，尖峰用電量約8小時，而本發明之尿液發電裝置最多可長達約12小時，因此，產生之電流可足以應付少量且長時間之電器所需，適合設置於各種大眾集會場所或畜牧養殖場，例如：學校、車站、工廠、辦公室及各種畜牧場等，可應用於供給照明、通訊、通風、電腦、攝影、監控等所需電力。

請參閱第9圖，其係為本發明之尿液發電裝置使用牛隻尿液中加 入氯化鈉及過氧化氫之時間對電流的曲線圖。係顯示於牛隻尿液原液、尿液原液加入體積百分比5%過氧化氫，以及尿液原液加入體積百分比5%過氧化氫和重量百分比5%氯化鈉的時間對電流的曲線圖。圖中顯示，當尿液發電裝置的電解質溶液中再加入5%的氯化鈉之後，可再次的提高電流從50mA提高至1500mA。

請同時參閱表一的數據，表一係表示500分鐘內，包含牛隻尿液之電解質溶液組成物，所提供的平均電流數值。當於牛隻尿液中加入體積百分比5%過氧化氫，與原液相較之下，可增加約2倍的電流，進而，當於牛隻尿液中再加入重量百分比5%氯化鈉時，與原液相較之下可增加約20倍，與僅加入體積百分比5%過氧化氫的牛隻尿液則是增加約10倍。

需要強調的是，僅於牛隻尿液中加入重量百分比5%的氯化鈉，所提供的電流數值僅維持在10mA至25mA之間，且沒有因時間延長而增加的傾向。因此，在加入過氧化氫使尿液中可傳遞電子的組成物增加之後，氯化鈉在水中形成的自由離子，可加速上述組成物傳遞電子的效率，進而大幅度增加供電電流。因此，當本發明之發電裝置使用在不易取得過氧化氫的地區時，可以加入氯化鈉的方式增加供電電量，以減少過氧化氫的使用量。

請同時參閱第4~10圖，第10圖係為不同來源尿液作為電解質溶液發電後之顏色比較圖。於第4~9圖中，不同來源的電解質溶液，在加入之後過氧化氫之後，需待過氧化氫於電解質溶液進行5~10分鐘的分解後，才產生電流攀升的現象。就實用性的觀點來看尿液的原液較不適合做為發電之電解質溶液，但於加入過氧化氫溶液之後，會因自由基與尿液中的組成物反應，使尿液中可傳遞電子的組成物增加，而出現電流上升的現象。

第10圖之(a)、(b)、(c)、(d)各部分，係分別表示人類、牛隻、馬匹以及豬隻的尿液於發電前後之顏色變化圖，各部分圖示的左方為發電前，右方為發電後之尿液。圖中顯示，各種尿液來源於發電後之電解質溶液皆變得較清澈，且發電後之電解質溶液可同時除去尿液的惡臭，變成近乎無味之液體，因此發電後之液體可再次作為二次用水之應用，例如馬桶用水。

請同時參閱第11圖以及第12圖，第11圖係為本發明之尿液發電裝置以加入過氧化氫進行第一次發電後的人類尿液，再加入過氧化氫進行第二次發電之時間對電流的曲線圖，第12圖係為加入過氧化氫的人類尿液進行發電後之顏色比較圖。第12圖之(a)部分，係為加入2%過氧化氫的人類尿液，進行第一次發電前(左)，以及第一次發電後(右)，第12圖之(b)部分，係為人類尿液進行第一次發電前(左)，以及第一次發電後之電解質溶液，再加入2%過氧化氫，進行第二次的發電後之電解質溶液(右)。

由第11圖以及第12圖中所示，進行第一次發電之後的人類尿液，於再次加入過氧化氫之後，可再進行發電，且發電後可使人類尿液的顏色變得更清澈，進一步的說，尿液再次加入過氧化氫之後，便可再次具有進行發電的之應用。因此，實施上，可再蒐集一次進行發電後的尿液再次進行發電，具有重複利用以及綠能環保的功效。

本發明之尿液發電裝置，係利用尿液進行發電，並於發電過程中同時對尿液進行淨化。過氧化氫於電解質溶液中的角色，除了增加可作為電解質的物質外，於發電時的同時可分解產生更多的過氧根離子，進而對水質進行淨化，以達除臭之目的。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

1‧‧‧尿液發電裝置

10‧‧‧防水容器

20‧‧‧電解質溶液

30‧‧‧第一電極

40‧‧‧第二電極

50‧‧‧多孔性絕緣分隔板

60‧‧‧導線

70‧‧‧負載

e^-‧‧‧電子

Claims (9)

1. 一種尿液發電裝置，係包含：一防水容器；一電解質溶液，係放置於該防水容器中，該電解質溶液包含一脊椎動物之一尿液以及一過氧化氫，該過氧化氫之濃度係介於該電解質溶液之體積百分比0.1%至10%之間；以及至少一電極組，係提供電位差，該至少一電極組之一端係分別浸泡於該電解質溶液中，且非浸泡於該電解質溶液之一端分別係電性連接於一負載，以形成電性通路；其中，該過氧化氫係於該電解質溶液中產生過氧根離子，提高流經該負載之一電流以及延長供應該電流的時間，並於發電反應時除去該尿液產生之臭味。
2. 如申請專利範圍第1項所述之尿液發電裝置，其中該過氧化氫之濃度係介於0.5%~8%。
3. 如申請專利範圍第1項所述之尿液發電裝置，其中該電解質溶液中更包含重量百分比濃度介於0.5%至8%的氯化鈉。
4. 如申請專利範圍第1項所述之尿液發電裝置，其中該電極組的材料係選自金、銀、鉑、銅、鐵、石墨、鎂、鋁、鋅、高分子電極之其中二項。
5. 如申請專利範圍第1項所述之尿液發電裝置，其中該至少一電極組係為複數個，且該複數個電極組係相並聯而浸泡於該電解質溶液中。
6. 如申請專利範圍第1項所述之尿液發電裝置，其中該複數個電極組之間更包含一多孔性絕緣分隔板。
7. 如申請專利範圍第1項所述之尿液發電裝置，其中該脊椎動物係包含人類、豬、牛、羊、馬或其組合。
8. 如申請專利範圍第1項所述之尿液發電裝置，其中該過氧化氫係使該尿液發電裝置之供電時間增加1.5倍至2.5倍。
9. 如申請專利範圍第1項所述之尿液發電裝置，更包含一整流器電性連接該至少一電極組以及該負載，以提供穩定電流。