TWI574454B

TWI574454B - 水致動發電裝置

Info

Publication number: TWI574454B
Application number: TW104103499A
Authority: TW
Inventors: 高松年; 廖國明
Original assignee: 高松年; 廖國明
Priority date: 2015-02-02
Filing date: 2015-02-02
Publication date: 2017-03-11
Also published as: TW201630237A

Description

水致動發電裝置

本發明係關於一種發電裝置。特定言之，本發明係關於一種水致動發電裝置。

市場上消費者可獲得之電池，例如鈕釦電池或鋅碳電池通常被稱為一次電池(primary cell)。此種電池被設計為使用一次後隨即丟棄。當一次電池被使用時，電池中之化學反應消耗化學物質以產生電力。當化學物質被消耗完後，該電池停止產生電力。通常而言，一次電池之製造較為便宜，故具有較低的零售價格。然而，一次電池中含有的重金屬及電解質對環境是有害的，當一次電池被丟棄時將造成環境污染。舉例言之，若一次電池中含有的電解質溢出，可能導致電解質與水的化學反應而產生有毒物質。

近年來，對於傳統一次電池之替代品之研究已經取得顯著的進展。水致動發電裝置(通常稱為水電池)即為替代品之一個例子。水電池係一種不包含任何電解質之電池，因此直到被浸泡在水中或填充水之前並不會產生電壓。因此，與傳統的一次電池相比，水電池較容易儲存，因為當水電池沒有接觸到水之前不會發生化學反應。水電池可以儲存在倉庫中或貨架上多年，而不消耗該水電池中的任何化學物質。此外，用於製造水電池的材料對環境較為友善。也就是說，當水電池被丟棄後，其組成成分可以輕易地回收且不產生有毒物質。

然而，現存之水電池具有某些限制。舉例言之，傳統的水電池難以提供大輸出電壓。傳統之水電池通常具有用於儲水之容器，且用於填充水電池的水及水中含有的雜質都具有傳導性。因此，一傳統的水電池在與另一水致動發電裝置串聯或並聯之前，必須小心的製成獨立的絕緣模組。

傳統水電池陽極所使用的鎂(Mg)亦是造成傳統水電池壽命相對短的原因之一。當水電池產生電力時會消耗Mg。因為Mg的高度活性，用於固定Mg的固定元件會被腐蝕。Mg與固定元件之間的化學反應將產生熱並造成固定元件變形。傳統水電池中Mg的腐蝕亦會產生短路問題，並破壞傳統水電池之功能並減少其壽命。

因此，亟需研發一種可以克服上述問題之水致動發電裝置。

本發明的每個裝置具有若干面貌，其中沒有單一個獨自負責本發明所期望的屬性。在不限制本發明的範圍之前提下，其更突出的特徵現在將簡要討論。在考慮這一討論後，尤其是在閱讀了題為【實施方式】的部分之後，通常知識者將會理解本發明的特徵優於其他水電池之原因。

本揭示之實施例提供一種水致動發電裝置。該水致動發電裝置包含一第一模組。該第一模組包含一第一電極板及一第二電極板，其中該第一電極板及該第二電極板以一第一固定元件固定，且一第一絕緣層配置於該第一電極板及該第二電極板之間。該水致動發電裝置進一步包含用於固持一第三電極板之一第一支撐結構及用於固持一第四電極板之一第二支撐結構。該水致動發電裝置進一步包含一第一儲水層及一第二儲水層，其中該第一儲水層配置於該第三電極板及該第二電極板之間，且該第二儲水層配置於該第一電極板及該第四電極板之間。

在一個實施例中，該第三電極板以一第二固定元件固定在該第一支撐結構上，且該第四電極板以一第三固定元件固定在該第二支撐結構上。

在一個實施例中，一第二絕緣層配置於該第四電極板及該第二支撐結構之間。

在一個實施例中，該水致動發電裝置進一步包含至少一額外模組，其介於該第二儲水層及該第四電極板之間，其中該至少一額外模組與該第一模組具有相同結構。在一個實施例中，該水致動發電裝置進一步包含至少一額外儲水層，其介於該至少一額外模組及該第四電極板之間。

本揭示之實施例提供一種用於製造一水致動發電裝置之方法。該方法包含形成一第一模組，其中形成該第一模組包含提供一第一電極板及一第二電極板；在該第一電極板之一表面上或該第二電極板之一表面上配置一第一絕緣層；及以一第一固定元件固定該第一電極板及該第二電極板，其中該第一絕緣層係介於該第一電極板及該第二電極板之間。

在一個實施例中，該用於製造一水致動發電裝置之方法進一步包含提供用於固持一第三電極板之一第一支撐結構及用於固持一第四電極板之一第二支撐結構；在該第四電極板及該第二支撐結構之間提供一第二絕緣層；以一第二固定元件將該第三電極板固定在該第一支撐結構上；及以一第三固定元件將該第四電極板固定在該第二支撐結構上，其中該第二絕緣層係介於該第二支撐結構及該第四電極板之間。

在一個實施例中，該用於製造一水致動發電裝置之方法進一步包含在該第二電極板及該第三電極板之間提供一第一儲水層；及在該第一電極板及該第四電極板之間提供一第二儲水層。

在一個實施例中，該用於製造一水致動發電裝置之方法進一步包含在該第二儲水層及該第四電極板之間提供至少一額外模組，其中該至少一額外模組與該第一模組具有相同結構；及在該至少一額外模組及該第四電極板之間提供至少一額外儲水層。

1‧‧‧水致動發電裝置

2‧‧‧水致動發電裝置

11‧‧‧第一支撐結構

12‧‧‧第二支撐結構

21‧‧‧第三電極板

22‧‧‧第一電極板

31‧‧‧第二電極板

32‧‧‧第四電極板

41‧‧‧第二固定元件

42‧‧‧第一固定元件

43‧‧‧第三固定元件

51‧‧‧第一絕緣層

52‧‧‧第二絕緣層

61‧‧‧第一儲水層

62‧‧‧第二儲水層

63‧‧‧第三儲水層

64‧‧‧第四儲水層

70‧‧‧電位路徑

100‧‧‧第一模組

120‧‧‧基本結構

200‧‧‧第二模組

300‧‧‧第三模組

圖1A係根據本發明之一個實施例之用於組成一水致動發電裝置之一第一模組100之示意圖。

圖1B係根據本發明之一個實施例之用於組成一水致動發電裝置之一基本結構120之示意圖。

圖2係根據本發明之一個實施例之一水致動發電裝置1之示意圖。

圖3係根據本發明之一個實施例之一水致動發電裝置中一電位路徑70之示意圖。

圖4係根據本發明之一個實施例之一水致動發電裝置2之示意圖。

圖5A至5D分別為根據本發明之一個實施例之一水致動發電裝置之前視圖、側視圖、俯視圖、及一立體圖。

圖6A及6B係根據本發明之一個實施例之一種製造一水致動發電裝置之方法之流程圖。

下面的詳細描述是針對本發明的具體實施方案。然而，本發明可以以多種不同的方式來實現。在此描述中，參考了附圖，其中相應的部分皆指定了編號。

圖1A係根據本發明之一個實施例之用於組成一水致動發電裝置之一第一模組100之示意圖。請注意，圖1A中所示元件並未按照比例繪製而僅係用於說明之目的。如圖1A所示，第一模組100包含一第一電極板22及一第二電極板31。第一電極板22可以為碳(C)電極板22，但不限制於C電極板。第二電極板31可以為鎂(Mg)電極板31，但不限制於Mg電極板。一第一絕緣層51配置在第一電極板22及第二電極板31之間。一第一固定元件42穿透第一電極板22、第一絕緣層51及第二電極板31並將這三個元件固定在一起。

在一個實施例中，第一電極板22包含碳(C)、鎳(Ni)及導電網(未顯示)。在一個實施例中，第一電極板22可包含聚四氟乙烯(PTFE)、超導電碳黑、石墨、及導電網之至少一者。上述材料使得第一電極板22產生較完整之化學反應並增加水致動發電裝置之壽命。在一個實施例中，第一電極板22防酸且防鹼且具有良好導電性。在一個實施例中，第一電極板22之形狀因為第一電極板22內包含之導電網而具有可撓性。第一電極板22之可撓性使得本發明之水致動發電裝置可具有不同之形狀。

在一個實施例中，第一固定元件42係由一種導電金屬製成，且為水致動發電裝置之一電流傳導路徑之一部分。在一個實施例中，第一固定元件42係一鉚釘且經防鏽處理。在一個實施例中，第一固定元件42係一螺絲釘且經防鏽處理。在一個實施例中，第一固定元件42可以省略。換言之，第一電極板22可以「卡扣(snap-in)」的方式附接至第二電極板31。在此實施例中，第一電極板22可以具有一凸出部分，而第二電極板31可以具有一凹入部分，反之亦然。第一電極板22之凸出部分直接地嚙合第二電極板31之凹入部分。第一電極板22之凸出部分匹配第二電極板31之凹入部分使得第一電極板22及第二電極板31固定在一起。

在一個實施例中，第一絕緣層51係一佈置在第一電極板22 之一表面上或第二電極板31之一表面上之絕緣塗層。在一個實施例中，第一絕緣層51可能不覆蓋第一電極板22之整個表面或第二電極板31之整個表面。在一個實施例中，第一絕緣層51可由配置於第一電極板22及第二電極板31之間之至少一間隔件代替。該至少一間隔件係由非導電材料(例如塑膠)所製成，且可以分開第一電極板22及第二電極板31，使得第一電極板22不接觸第二電極板31。

圖1B係根據本發明之一個實施例之用於組成一水致動發電裝置之一基本結構120之示意圖。請注意，圖1B中所示元件並未按照比例繪製而僅係用於說明之目的。基本結構120包含第一支撐結構11、第二支撐結構12、一第三電極板21及一第四電極板32。第三電極板21可以為碳(C)電極板21，但不限制於C電極板。第四電極板32可以為鎂(Mg)電極板32，但不限制於Mg電極板32。第三電極板21以一第二固定元件41固定在第一支撐結構11上。第四電極板32以一第三固定元件43固定在第二支撐結構12上。基本結構120進一步包含一配置在第三電極板21及第四電極板32之間的第二儲水層62。一第二絕緣層52配置在第四電極板32及第二支撐結構12之間。在一個實施例中，第二固定元件41及第三固定元件43係鉚釘且經防鏽處理。

第二絕緣層52及第三固定元件43之組合防止了第四電極板32及第二支撐結構12之間之化學反應，並因此增加了水致動發電裝置的壽命。在傳統的水電池中，Mg電極及周圍金屬結構間之化學反應通常產生熱及氣體。所產生的熱將使Mg電極周圍之金屬結構變形並因此減少了傳統水電池之壽命。此外，傳統水電池中Mg電極之固定元件經常被Mg電極腐蝕，其隨後將產生短路問題。短路問題最終將破壞傳統水電池之功能。

Mg電極及周圍金屬結構或固定元件之間之化學反應亦將消耗Mg電極。因為當一水致動發電裝置中之Mg電極耗盡後化學反應將不再發生，Mg電極之不預期消耗將減少傳統水電池之壽命。

第一支撐結構11及第二支撐結構12係由導電金屬製成。在一個實施例中，第一支撐結構11及第二支撐結構12係由鋼製成。第二儲水層62係由吸水材料製成，且經處理以包含導電離子。第二儲水層62經設計以容納水致動發電裝置發電所必需的水。此外，配置於第三電極板21及第四電極板32之間的第二儲水層62防止了第三電極板21及第四電極板32之間的直接接觸。

在一個實施例中，第二儲水層62係由吸水紙(bibulous paper)製成。此吸水紙可以吸收超過一般紙2.5倍之水量。因為吸水紙薄且具有大的儲水容量，本發明之水致動發電裝置比起傳統水電池能製造的更薄。在一個實施例中，第二儲水層62經處理以包含鈉(Na)離子。包含在第二儲水層62中的Na離子可以促進水致動發電裝置內之化學反應。進一步言之，使用者僅需將水加入水致動發電裝置中便可使水致動發電裝置產生電力，而不需加入額外的電解質。

圖2係根據本發明之一個實施例之一水致動發電裝置1之示意圖。請注意，圖2中所示元件並未按照比例繪製而僅係用於說明之目的。水致動發電裝置1包含各如圖1A及1B中所示之一第一模組100及一基本結構120，並具有一額外的第一儲水層61。如圖2所示，第一模組100配置於第一儲水層61及第二儲水層62之間，且第一儲水層61及第二儲水層62配置於固定在第二支撐結構12上之第四電極板32及固定在第一支撐結構11上之第三電極板21之間。於圖2中，當水致動發電裝置1發電時，第三電極板21作為陰極且第四電極板32作為陽極。

圖3係根據本發明之一個實施例之一水致動發電裝置中一電位路徑70之示意圖。請注意，圖3中所示元件並未按照比例繪製而僅係用於說明之目的。當水致動發電裝置放置於水中之後，或當水填充到水致動發電裝置中之後，第一儲水層61及第二儲水層62開始吸收水且將水保持於其中。第一儲水層61及第二儲水層62中的水作為C電極板及Mg電極板產生化學反應之一適合的媒介。當C電極板之表面及Mg電極板之表面曝露於水中時，Mg電極板釋放陰離子(負電荷離子)且C電極板釋放陽離子(正電荷離子)。陰離子及陽離子間的交互作用產生一電位差。

在發電過程期間，正電荷通過第二固定元件41並從第一支撐結構11輸出；負電荷通過第三固定元件43並從第二支撐結構12輸出。電位路徑70係水致動發電裝置中一整體的電流傳導路徑。在一個實施例中，第三電極板21及第二電極板31之組合形成一1.5伏特之電位差，且第一電極板22及第四電極板32之組合形成一1.5伏特之電位差。因此，圖3中顯示之水致動發電裝置具有一整體3伏特之電位差。

圖4係根據本發明之一個實施例之一水致動發電裝置2之示意圖。請注意，圖4中所示元件並未按照比例繪製而僅係用於說明之目的。圖4中所示水致動發電裝置2包含第一模組100、第二模組200及第三模組300，第二模組200及第三模組300與圖1中所示之第一模組100具有相同之結構。圖4中所示水致動發電裝置2進一步包含第三儲水層63及第四儲水層64。第三儲水層63及第四儲水層64與第一儲水層61及第二儲水層62係由相同材料製成。在圖4中所示之實施例中，共有四對C電極板及Mg電極板。該四對C電極板及Mg電極板中每一者皆提供一1.5伏特之電位差。因此，圖4中顯示之水致動發電裝置具有一整體6伏特之電位差。

請注意，本發明之水致動發電裝置並不限於圖3及圖4中所示之實施例，一設計人員或製造商可以建構具有不同輸出電壓之水致動發電裝置，該設計人員或製造商僅需增加額外的模組及儲水層即可完成。換言之，水致動發電裝置之輸出電壓可以客製化。以模組化的方式建構一水致動發電裝置的概念具有優勢。一般而言，需串聯數個傳統的水電池以提供一大的輸出電壓，但本發明僅需要一個水致動發電裝置便能提供一相似的輸出電壓。因此，本發明之水致動發電裝置將不被限制於使用在例如電子計算機、電子時鐘或手電筒等小的電子裝置上。本發明之水致動發電裝置亦可以用於電動車上。

除了上述論及之水致動發電裝置電壓之客製化以外，水致動發電裝置之輸出電流也可以被客製化。一設計人員或製造商可以藉由調整Mg電極板及C電極板的體積來建構具有不同輸出電流之水致動發電裝置。

除了水致動發電裝置電壓及輸出電流之客製化以外，水致動發電裝置之容量也可以被客製化。一電池的容量係由其在額定電壓所能提供之電荷量來界定。電池中所含有的電極材料越多，電池之容量越大。因此，水致動發電裝置所需之容量可以藉由將額外的模組及儲水層加入水致動發電裝置來獲得。

圖5A至5D分別為根據本發明之一個實施例之一水致動發電裝置之前視圖、側視圖、俯視圖、及一立體圖。請注意，圖5A至5D中所示元件並未按照比例繪製而僅係用於說明之目的。另外需注意的是，C電極板、Mg電極板、支撐結構、儲水層之形狀並不受限於圖5A至5D中所示之實施例。該等元件之形狀可以被客製化以符合不同的設計需求。

圖6A及6B係根據本發明之一個實施例之一種製造一水致動發電裝置之方法之流程圖。如圖6A所示，在步驟601提供一第一電極板(22)及一第二電極板(31)。在步驟602，一第一絕緣層(51)被配置在該第一電極板(22)或該第二電極板(31)之一表面上。在步驟603，該第一電極板(22)及該第二電極板(31)以一第一固定元件(42)固定，其中該第一絕緣層(51)被配置在該第一電極板(22)及該第二電極板(31)之間。在完成步驟601至603之後便獲得一第一模組(100)。該第一模組(100)稍後可用於步驟609。在步驟604，提供用於固持一第三電極板(21)之一第一支撐結構(11)及用於固持一第四電極板(32)之一第二支撐結構(12)。

如圖6B所示，於步驟605，一第二絕緣層(52)被配置在該第四電極板(32)及該第二支撐結構(12)之間。於步驟606，以一第二固定元件(41)將該第三電極板(21)固定於該第一支撐結構(11)上，且以一第三固定元件(43)將該第四電極板(32)固定於該第二支撐結構(12)上。在步驟607，在該第二電極板(31)及該第三電極板(21)之間提供一第一儲水層(61)。在步驟608，在該第一電極板(22)及該第四電極板(32)之間提供一第二儲水層(62)。在步驟609，在該第二儲水層(62)及該第四電極板(32)之間提供至少一額外的模組(200)，且在該至少一額外模組(200)及該第四電極板(32)之間提供至少一額外的儲水層(63)。該至少一額外模組(200)與該第一模組(100)具有相同結構。需注意的是，步驟609係可有可無的。換言之，一設計人員或製造商可以忽略步驟609，或執行步驟609多次，直到達到水致動發電裝置一所需的容量或輸出電壓。

雖然本發明具體的實施例已在此公開，但並不意味著本發明限於所公開的實施例。本領域中熟悉該技術之人員將承認可以在不脫離本發明精神之情況下對這些實施例進行修改和變形。本發明意圖包括落入所附請求項範圍之內所有這樣的修改和變形。