TWI594954B - A method of producing electrical energy from a metal electrode made from seawater - Google Patents

A method of producing electrical energy from a metal electrode made from seawater Download PDF

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Description

從海水製造金屬電極而產生電能的方法
本發明係關於一種產生電能之方法，尤指一種自海水製造金屬電極而產生電能之方法。
按，近年來，隨著人口之增加及工業化與都市化之演進，人類對於能源之需求有增無減，使得能源短缺之問題已迫在眉睫，而目前許多先進國家所使用之核能發電，將附隨產生大量之熱污染及發電後之核廢料處理問題，鑑於此，能源之日漸耗竭及環保意識之崛起，使各種綠色能源之研發與使用逐漸為世界各國所重視，而竭盡心力地尋找一種得以取代石化燃料之新能量來源。
習知的火力發電係以煤炭、石油或天然氣等石化燃料燃燒產生之熱能使水轉為一水蒸氣，藉由該水蒸氣吹動一氣輪機，進而帶動發電機而產生電能，即係將一熱能轉為機械能以帶動發電機之發電方法。另，目前核能發電係以鈾-235作為核燃料，使其在反應爐內進行裂變並釋放出大量熱能，嗣經高壓的循環冷卻水將熱能帶出，進而在蒸氣發生器內生成水蒸氣，藉由高溫高壓的水蒸氣推動氣輪機，復帶動發電機而產生電能。
惟，緣火力發電技術係以化石原料作為燃料，是以將產生廢熱、二氧化碳、二氧化硫或懸浮微粒等而造成空氣污染，且化石燃料要非取之不盡。此外，核能發電所使用之反應爐內具有大量的放射性物質，發電後將隨之產生核廢料，且其熱污染較嚴重。是以，提供一種新的符合綠能環保之電能製造方法，係屬當今刻不容緩之任務。
本發明之主要目的在於:解決習知火力或核能發電須以化石原料或放射線物質作為燃料而致生空氣污染或核廢料處理之問題。
為達上述目的，本發明提供一種從海水製造金屬電極而產生電能的方法，該方法包括以下步驟:
步驟1: 提供一緊鄰一海洋的電能供應設備，包括一具有一第一太陽光集熱器之海水處理設備、一具有一第二太陽光集熱器之沉澱設備、一具有一第三太陽光集熱器之分離設備以及一發電設備；其中，該發電設備包括一第一電極承載體、一與該第一電極承載體相對應且含有一碳材料的第二電極以及一電解質；
步驟2: 自該海洋取得一海水並將該海水導入該海水處理設備，加熱該海水至一介於100℃至120℃之間的第一溫度，藉此得到一濃縮海水；
步驟3: 將該濃縮海水導入該沉澱設備並加入一沉澱劑，藉此得到一含有氫氧化鎂(Mg(OH)2 )之第一結晶物；
步驟4: 加熱該第一結晶物至一介於600℃至1100℃之間的第二溫度，藉此移除該濃縮海水中之水份且令該第一結晶物轉換為一含有氧化鎂(MgO)的第二結晶物；
步驟5: 將該第二結晶物輸送至該分離設備並加入一還原劑，加熱至一介於1200℃至2400℃之間的第三溫度，令該第二結晶物轉換為一金屬鎂；
步驟6: 將該金屬鎂輸送至該發電設備，其中，該金屬鎂係輸送至該第一電極承載體而形成一第一電極，供該第一電極及該第二電極分別與該電解質得進行一電化學反應，令該第一電極與該第二電極產生一電位差而生一電能。
於一實施例中，於步驟2、4、5之加熱過程，係在一正常大氣壓下進行加熱。
於一實施例中，當執行步驟3時，加入反應之該沉澱劑可為選自於由氫氧化鈣、碳酸鈣以及氧化鈣所組成之群組；於步驟5所加入之該還原劑係選自於由矽、鐵、鉻、碳及碳化鈣所組成之群組。於一實施例中，於步驟6中作為該第二電極之該碳材料係選自於由奈米碳管、石墨、碳纖維及碳黑所組成之群組。
於一實施例中，該發電設備與一蓄電模組相連接，藉由該蓄電模組得以接收並儲存於步驟6所產生之該電能，提高該電能於後續使用上之經濟效益。
據此，本方法之優點包括: 1. 係屬一綠能環保之發電方法，無需使用化石燃料或核燃料，故無空氣汙染或核廢料處理之問題； 2. 其所取用之資源為一海水，相較於其他資源，如:化石燃料或放射線物質，海水的蘊藏量大且供應穩定，亦能連續地補充予該海水發電系統，俾使作為該第一電極之該金屬鎂得以持續地產出，具有發電資源豐富之優點。
有關本發明的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：
請參閱『圖1』所示，為本發明之一實施例的流程示意圖，本發明係關於一種從海水製造金屬電極而產生電能的方法，該方法包括下列步驟:
步驟1:提供一緊鄰一海洋之電能供應設備，其可設置於與該海洋相鄰的海岸，或是受海洋環繞的小島上，該電能供應設備包括一具有一取水裝置(11)以及一提濃裝置(12)之海水處理設備(10)、一沉澱設備(20)、一分離設備(30)以及一發電設備(40)。
步驟2:先利用該海水處理設備(10)之該取水裝置(11)自該海洋取得一海水(1)，在此實施例中，該取水裝置(11)包含一與該海洋接觸的輸入端、一與該輸入端相對的輸出端以及一抽水幫浦，藉由該抽水幫浦的運作，將該海水(1)從該海洋抽出而由該輸入端流入該取水裝置(11)，再由該輸出端流出該取水裝置(11)而流入該提濃裝置(12)，該提濃裝置(12)在此包含一第一太陽光集熱器(121)，藉由該第一太陽光集熱器(121)將該海水(1)於一正常大氣壓下加熱至一介於100℃至120℃之間的第一溫度，俾使該海水(1)之部分水分蒸散而形成一濃縮海水(2)。
步驟3:嗣將該濃縮海水(2)導入該沉澱設備(20)，其中，該沉澱設備(20)與該海水處理設備(10)連接，並包含一具有一第一供料槽之腔室(21)以及一第二太陽光集熱器(22)，該腔室(21)與該提濃裝置(12)連通，俾便接收由該提濃裝置(12)流出的該濃縮海水(2)，接著自該第一供料槽加入一沉澱劑，在此該沉澱劑可為選自於由氫氧化鈣、碳酸鈣以及氧化鈣所組成之群組，進而得到一含有氫氧化鎂(Mg(OH)2 )之第一結晶物。
步驟4:復開啟該第二太陽光集熱器(22)，將該第一結晶物於一正常大氣壓下加熱至一介於600℃至1100℃之間的第二溫度，進而產生一金屬氧化物(3)的沉澱，該金屬氧化物(3)係為一含有氧化鎂之第二結晶物。
步驟5:再將該第二結晶物輸送至該分離設備(30)，其中，該分離設備(30)包含一第二供料槽及一第三太陽光集熱器(31)，接著自該第二供料槽加入一還原劑，該還原劑可為矽、鐵、鉻、碳或碳化鈣，嗣將該第二結晶物於一正常大氣壓下加熱至一介於1200℃~2400℃之間的第三溫度，俾使該第二結晶物與該還原劑作用而產生一氧化還原反應，致該第二結晶物還原成一金屬(4)，在此步驟中，係選用一碳作為該還原劑，而使該氧化鎂與該碳作用而還原成為鎂的該金屬(4)。
步驟6:將該金屬鎂輸送至該發電設備(40)，其中，該發電設備(40)包括一第一電極(41)、一第二電極(42)以及一電解質(43)，該第一電極(41)係由一第一電極承載體與該金屬鎂直接形成，藉由該電解質(43)供該第一電極(41)與該第二電極(42)進行一電化學反應，進而產生一電位差而生電能。在此步驟中，該第二電極(42)的材質可選用奈米碳管、石墨、碳纖維、碳黑或任何以碳型式所形成之陰極，而該電解質(43)則可直接取用自該海水(1)，亦可使用含有陰離子和陽離子之混合溶液。
其中，在本方法發明之步驟6中，當進行發電之際，該電解質(43)將與該第一電極(41)及該第二電極(42)分別進行一電化學反應，該電解質(43)與該第一電極(41)所進行的該電化學反應為：
Mg+2H2 O→Mg(OH)2 +H2
而與該第二電極(42)所進行的電化學反應為：
O2 +2H2 O+4e- →4OH-
如是，由該第一電極(41)之金屬材料與該電解質(43)反應，復藉由該電解質(43)同時與該第二電極(42)處的氣體還原完成發電迴路，據此，令該第一電極(41)與該第二電極(42)持續產生一電位差而生電能。
進一步，於本方法之步驟2、4、5中之該第一太陽光集熱器(121)、該第二太陽光集熱器(22)以及該第三太陽光集熱器(31)，各該太陽光集熱器包括複數個平面反光鏡、一加熱器以及一用以將該平面反光鏡所反射之太陽光會聚於該加熱器之聚光透鏡。此外，本方法所使用之該電能供應設備進一步包括一與該發電設備(40)相連接之蓄電模組，藉由該蓄電模組得以接收並儲存由步驟6所產生之該電能，提高該電能於後續使用上之經濟效益。
綜上所述，緣本發明提供一種新的製造能源之方法，即屬一從海水製造金屬電極而產生電能的方法，得經由本方法之各步驟而自該海水提煉出該金屬，以作為該發電設備的該第一電極，嗣透過該第一電極及該第二電極進行該電化學反應而產生電能，由於該海水得以源源不絕的進行補充，可持續供應該第一電極於該金屬的消耗，據以連續提供發電量，而無須使用化石原料或核燃料作為發電燃料，因此不生空氣汙染或核廢料處理之問題，俾符合綠能環保之訴求，遂本發明極具進步性及符合申請發明專利的要件，爰依法提出申請，祈 鈞局早日賜准專利，實感德便。
以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅爲本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。舉凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。
1‧‧‧海水
2‧‧‧濃縮海水
3‧‧‧金屬氧化物
4‧‧‧金屬
10‧‧‧海水處理設備
11‧‧‧取水裝置
12‧‧‧提濃裝置
121‧‧‧第一太陽光集熱器
20‧‧‧沉澱設備
21‧‧‧腔室
22‧‧‧第二太陽光集熱器
30‧‧‧分離設備
31‧‧‧第三太陽光集熱器
40‧‧‧發電設備
41‧‧‧第一電極
42‧‧‧第二電極
43‧‧‧電解質
圖1，為本發明之一實施例的設備示意圖。
1‧‧‧海水
2‧‧‧濃縮海水
3‧‧‧金屬氧化物
4‧‧‧金屬
10‧‧‧海水處理設備
11‧‧‧取水裝置
12‧‧‧提濃裝置
121‧‧‧第一太陽光集熱器
20‧‧‧沉澱設備
21‧‧‧腔室
22‧‧‧第二太陽光集熱器
30‧‧‧分離設備
31‧‧‧第三太陽光集熱器
40‧‧‧發電設備
41‧‧‧第一電極
42‧‧‧第二電極
43‧‧‧電解質

Claims (6)

  1. 一種從海水製造金屬電極而產生電能的方法，包含以下步驟：         步驟1：提供一緊鄰一海洋的電能供應設備，包括一具有一第一太陽光集熱器之海水處理設備、一具有一第二太陽光集熱器之沉澱設備、一具有一第三太陽光集熱器之分離設備以及一發電設備；其中，該發電設備包括一第一電極承載體、一與該第一電極承載體相對應且含有一碳材料的第二電極以及一電解質；         步驟2：自該海洋取得一海水並將該海水導入該海水處理設備，加熱該海水至一介於100℃至120℃之間的第一溫度，藉此得到一濃縮海水；         步驟3：將該濃縮海水導入該沉澱設備並加入一沉澱劑，藉此得到一含有氫氧化鎂(Mg(OH)2 )之第一結晶物；         步驟4：加熱該第一結晶物至一介於600℃至1100℃之間的第二溫度，藉此移除該濃縮海水中之水份且令該第一結晶物轉換為一含有氧化鎂(MgO)的第二結晶物；         步驟5：將該第二結晶物輸送至該分離設備並加入一還原劑，加熱至一介於1200℃至2400℃之間的第三溫度，令該第二結晶物轉換為一金屬鎂；         步驟6：將該金屬鎂輸送至該發電設備，其中，該金屬鎂係輸送至該第一電極承載體而形成一第一電極，供該第一電極及該第二電極分別與該電解質得進行一電化學反應，令該第一電極與該第二電極產生一電位差而生一電能。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之從海水製造金屬電極而產生電能的方法，其中於步驟2、4、5之中，係在一正常大氣壓下進行加熱。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之從海水製造金屬電極而產生電能的方法，其中該碳材料係選自於由奈米碳管、石墨、碳纖維以及碳黑所組成之群組。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之從海水製造金屬電極而產生電能的方法，其中該沉澱劑係選自於由氫氧化鈣、碳酸鈣以及氧化鈣所組成之群組。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之從海水製造金屬電極而產生電能的方法，其中該還原劑係選自於由矽、鐵、鉻、碳以及碳化鈣所組成之群組。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之從海水製造金屬電極而產生電能的方法，其中該電能供應設備進一步包括一蓄電模組，用以接收並儲存於步驟6所生之該電能。
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