TWM487532U - 植物汁液發電裝置 - Google Patents

Description

植物汁液發電裝置 【0001】

本創作是有關於一種發電裝置，特別是有關於一種使用植物汁液混合過氧化氫作為電解質溶液之發電裝置。

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

過氧化氫酶(Catalase)是一種高分子酵素，其含有數百個以上之胺基酸，普遍存在於生物體中，此種酵素為生物體內抗氧化劑，作用在於轉化對生物體有害之過氧化氫(Hydrogen peroxide)，並將過氧化氫分解為氧氣(O₂ )與水(H₂ O₂ )，過氧化氫酵素具有高轉換效率，一個過氧化氫酵素分子可以在一秒鐘將百萬個以上之過氧化氫分解為氧氣及水，植物體中也普遍含有此種酵素，其中，植物細胞內過氧化氫酵素參與光呼吸與共生性氮的固定。

【0005】

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。

表1 金屬元素電離序表
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【0006】

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 + 2C₆ H₈ O₇ → Zn₃ (C₆ H₅ O₇ )₂ + 6H⁺ + 6e-
　　銅電極半反應：2H⁺ + 2e- → H₂ (g)
　　全電池反應：3Zn + 2C₆ H₈ O₇ → Zn3(C₆ H₅ O₇ )₂ + 3H₂ (g)

【0007】

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。

【0008】

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，找尋適當的水果電池亦為值得探究的議題。

【0009】

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、芭蕉等，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。

【0010】

一般而言，香蕉具有經濟價值的部分為其果實，香蕉假莖在果時採收之後多半被視為無用之廢物加以砍除，以便種植新的香蕉植株，砍除後之香蕉假莖須要另外清運處理，形成資源的浪費。

【0011】

仙人掌為一多年生植物，學名為Cactacea，屬石竹目(Caryophyllales)，仙人掌科(Cactaceae)的植物總稱，別名仙巴掌、仙人扇、霸王樹等，種類繁多，部份品種可供食用及藥用，大多具有刺及肉質莖外型，起源於中、北美洲，約有122屬和1,600種，常生長於沙漠與半沙漠等乾燥少雨環境中，其分佈可自南北緯50 度之間，包括山脈、沙漠區、熱帶草原氣候區、溫帶海洋及地中海型氣候區，適應氣候廣泛。

【0012】

在農業方面，仙人掌具有經濟價值的部分為其果實、花與莖，台灣廣泛種植之仙人掌紅龍果，係為仙人掌科(Cactaceae)三角柱屬(Hylocereus)植物，在種植時常需摘除多餘莖幹，以利果實生長，摘除之莖幹多半被視為無用之廢物加以廢棄，形成資源的浪費。

【0013】

台灣專利TW201128834提出以香蕉植株做為發電電池之本體，以形成長效之草本電池，並解決水果電池長期使用效能下降的問題。然本創作案提出之方法並無法突破水果電池電流過小的問題，因此仍需要進一步的改良。

【0014】

有鑑於上述習知技藝之問題，本創作之其中一目的就是在提供一種植物汁液發電裝置，以解決水果電池長期使用的低電流及氫氣累積造成的效能問題，並藉由使用植物果實、塊莖、莖、花苞及葉進行榨汁提供之電解液進行發電，以提供符合環保回收要求之綠能發電技術。

【0015】

基於上述目的，本創作係提供一種植物汁液發電裝置，包含防水容器、電解質溶液、至少一第一電極及至少一第二電極。電解質溶液放置於防水容器中，電解質溶液包含一植物汁液及0.01%~10%之一過氧化氫。至少一第一電極作為陽極，至少一第一電極之一端浸泡於電解質溶液中。至少一第二電極作為陰極，至少一第二電極之一端係浸泡於電解質溶液中，且另一端與至少一第一電極非浸泡電解液之另一端電性連接。

【0016】

較佳地，第一電極的材料包含鎂、鋅或鋁。

【0017】

較佳地，第二電極的材料包含石墨、銅、銀、鉑或金。

【0018】

較佳地，至少一第一電極為複數個，且至少一第二電極為複數個，而複數個第一電極及複數個第二電極係相並聯而浸泡於電解質溶液中。

【0019】

較佳地，相並聯的複數個第一電極及複數個第二電極可為交叉設置，且任一相鄰之第一電極及第二電極之間更設置多孔性絕緣分隔板。

【0020】

較佳地，第一電極與第二電極之非浸泡電解液之端之間可藉由導線進行電性連接。

【0021】

較佳地，植物果實、塊莖、莖、花苞及葉之汁液包含至少一有機酶。

【0022】

較佳地，有機酶至少包含過氧化氫酶(catalase)。

【0023】

較佳地，植物果實、塊莖、莖、花苞及葉之汁液包含至少一有機酸。

【0024】

較佳地，有機酸至少包含科羅索酸(corosolic acid)。

【0025】

較佳地，第一電極與第二電極之非浸泡電解液之端之間更包含負載，負載為一欲供電之對象。

【0026】

承上所述，依本創作之植物汁液發電裝置，其可具有一或多個下述優點：

【0027】

(1) 本創作之植物汁液發電裝置，係使用植物果實、塊莖、莖、花苞及葉進行榨汁做為電解液原料，植物果實、塊莖、莖、花苞及葉本身富含汁液，且為多數為農業廢棄物或低價值作物，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。

【0028】

(2) 在台灣的自然氣候條件下，植物近乎一年四季都能生產，僅冬季嚴寒侵襲時方停止生長，因此發電原料可一年四季供應不絕。再者，各式植物為台灣本土原生植物，產生之植物無須由外國進口。

【0029】

(3) 在植物汁液調入過氧化氫之後，植物汁液之過氣化氫酵素在分解過氧化氫時，會解離出自由電子，使用作為本創作之植物汁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，因此深具產業利用性。

【0030】

(4) 本創作之植物汁液發電裝置，在發電後產物為氧化鋅、水、酸鹼性中性或近中性物質，不但對人體無害，更可以埋入土壤中進行分解或是進行二次加工成為有機肥料。

【0031】

(5) 由於本創作之植物汁液發電裝置原料為植物果實、塊莖、莖、花苞及葉，因此可應用於各種種植植物的偏遠地方，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。

【0032】

茲為使 貴審查委員對本創作之技術特徵及所達到之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明如後。

1‧‧‧植物汁液發電裝置
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

【0033】

本創作之上述及其他特徵及優勢將藉由參照附圖詳細說明其例示性實施例而變得更顯而易知，其中：
第1圖係為根據本創作之植物汁液發電裝置之較佳實施例之結構示意圖。
第2圖係為根據本創作之植物汁液發電裝置較佳實施例之複數個第一電極、複數個第二電極及複數個多孔性絕緣分隔板之分解示意圖。
第3圖係為根據本創作之植物汁液發電裝置之較佳實施例之等效電路圖。
第4圖係為本創作第一實驗例之連續監測香蕉假莖液發電裝置添加及未添加過氧化氫之平均電流變化曲線圖。
第5圖係為本創作第二實驗例之連續監測未稀釋及稀釋仙人掌汁液發電裝置之平均電流變化曲線圖。
第6圖係為本創作第二實驗例之連續監測未稀釋仙人掌汁液發電裝置添加及未添加過氧化氫之平均電流變化曲線圖。
第7圖係為本創作第二實驗例之連續監測稀釋仙人掌汁液發電裝置添加及未添加過氧化氫之平均電流變化曲線圖。
第8圖係為本創作第二實驗例之連續監測未稀釋及稀釋仙人掌汁液發電裝置添加過氧化氫之平均電流變化曲線圖。

【0034】

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。

【0035】

請參閱第1圖，第1圖係為根據本創作之植物汁液發電裝置之較佳實施例之結構示意圖。圖中，植物汁液發電裝置1包含防水容器10、電解質溶液20、至少一第一電極30及至少一第二電極40。電解質溶液20放置於防水容器10中，電解質溶液20包含植物汁液及0.01%~10%之過氧化氫。至少一第一電極30作為一陽極，其一端浸泡於電解質溶液20中。至少一第二電極40作為一陰極，其一端浸泡於電解質溶液20中，且另一端經由導線60與至少一第一電極30非浸泡電解液之另一端電性連接，e-代表在導線60之中流動的電子，負載70代表本創作所欲供電之對象，例如電燈、燈泡、可充電電池(亦稱為二次電池)或馬達。

【0036】

實施上，所選中的第一電極30的材料可包含屬於活性金屬且不傷害環境的鎂、鋅或鋁，而第二電極40的材料可包含石墨或屬於鈍性金屬的銅、銀、鉑或金。

【0037】

請一併參考第1圖及第2圖，第2圖係為根據本創作之植物汁液發電裝置較佳實施例之複數個第一電極、複數個第二電極及複數個多孔性絕緣分隔板之分解示意圖。第2圖中至少一第一電極30為複數個，且至少一第二電極40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之間更設置一多孔性絕緣分隔板50。

【0038】

請一併參少第1圖及第3圖，第3圖係為根據本創作之植物汁液發電裝置之較佳實施例之等效電路圖。圖中，複數個植物汁液發電裝置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，複數個植物汁液發電裝置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可記錄植物汁液電池所產生的電壓或電流，負載70為欲供電之對象。

【0039】

請參閱第4圖，第4圖係為本創作第一實驗例之連續監測香蕉假莖液發電裝置添加及未添加過氧化氫之平均電流變化曲線圖。本創作使用之香蕉品種學名為Musa sapientum L.，屬於芭蕉科(Musaceae)、芭蕉屬(Eumusa)，為單子葉之大型草本植物，普遍可見於台灣中低海拔地帶。本創作係選用鋅作為第一電極30而銅作為第二電極40。將一支銅電極(2.0 mm*60 mm)及1支鋅電極(2.0 mm*60 mm)置入裝有純粹由香蕉假莖液構成之電解液之中，並使其相互電性連接，可量測出直流電壓為1.001 伏特(V)，證實本創作之香蕉假莖液發電裝置可發電，由第4圖可知在十四小時的發電時間中平均電流為2.47 mA。在使用2%之H₂ O₂ 後，直流電壓仍然為1.001 伏特(V)，但十四小時的發電時間中平均電流為35.85 mA，發電量平均放大為14.5倍。

【0040】

請一併參閱第5圖至第8圖，第5圖係為本創作第二實驗例之連續監測未稀釋及稀釋仙人掌汁液發電裝置之平均電流變化曲線圖，第6圖係為本創作第二實驗例之連續監測未稀釋仙人掌汁液發電裝置添加及未添加過氧化氫之平均電流變化曲線圖，第7圖係為本創作第二實驗例之連續監測稀釋仙人掌汁液發電裝置添加及未添加過氧化氫之平均電流變化曲線圖，第8圖係為本創作第二實驗例之連續監測未稀釋及稀釋仙人掌汁液發電裝置添加過氧化氫之平均電流變化曲線圖。本創作使用之仙人掌品種學名為學名為Cactacea，屬石竹目(Caryophyllales)，仙人掌科(Cactaceae)的植物總稱，為大型草本植物，普遍可見於台灣高地等較乾燥地帶。本實驗例之實驗設備配置與上述之本創作第一實驗例相同，故不再贅述，唯使用之植物汁液為純仙人掌汁液及加入蒸餾水稀釋至50%之仙人掌汁液。由第5圖可看出，本試驗例使用純仙人掌汁液或稀釋至50%仙人掌汁液進行發電亦可產生類似香蕉汁液進行發電的效果，其電流較小，但持續發電時間較長。在第6圖中純仙人掌汁液加入H₂ O₂ 後用以發電，產生的電流與未添加H₂ O₂ 時無論是最大電流或是長時間的平均電流都增加超過一倍。在第7圖中，使用稀釋至50%仙人掌汁液加入H₂ O₂ 後用以發電，產生的電流與未添加H₂ O₂ 時最大電流或是長時間的平均電流亦都增加超過一倍。最後，在第7圖中分別使用純仙人掌汁液加入H₂ O₂ 及稀釋至50%仙人掌汁液加入H₂ O₂ 進行發電，由其結果可得知稀釋至50%仙人掌汁液加入H₂ O₂ 後其發電能力與未稀釋前相差有限，故在本創作之植物汁液發電裝置可使用稀釋之仙人掌汁液進行發電，以節省仙人掌之使用量。

【0041】

本創作之植物汁液發電裝置可以發電的原因之一，是因植物果實、塊莖、莖、花苞及葉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) 、及可分解過氧化氫之過氧化氫酶。若再配合如鋅、銅電極，便能發展出植物汁液發電裝置，推測其電池反應如下所示：
陽極電極(鋅)電極半反應：Zn + n R(H)_o + H₂ O_(aq) + H₂ O_2(aq) + Fe(III)-E →ZnO + n R^{o -} + (2+n×o) H⁺ + (3+n×o) e^- + H₂ O_(aq) + O=Fe(IV)-E(.+)
陰極電極(銅)電極半反應： H₂ O_2(aq) + O=Fe(IV)-E(.+) + (2+n×o) H⁺ + (3+n×o) e^- →H₂ O_(aq) + Fe(III)-E + O_2(g) + (1+1/2(n×o)) H_2(g)
電池總反應： Zn + n R(H)_o + H₂ O_2(aq) →ZnO + n R^{o -} + H₂ O_(aq) + O_2(g) + (1+1/2(n×o)) H_2(g)
其中，R(H)o 表示植物內的有機營養成分，o 是有機化合物中離解的氫離子數量。此外，n是的半反應中涉及的分子係數。另外，Fe()-E 表示結合在過氧化氫酶上的血紅素基團（E）的中心鐵原子(Fe)、Fe(IV)-E(.+)為Fe(V)-E 的一種共振形式，即鐵原子並沒有完全氧化到+V價，而是從血紅素上接受了一些「支持電子」，所以，反應式中的血紅素也就表示為自由基陽離子(.+)。

【0042】

雖然本創作已參照其例示性實施例而特別地顯示及描述，將為所屬技術領域具通常知識者所理解的是，於不脫離以下申請專利範圍及其等效物所定義之本創作之精神與範疇下可對其進行形式與細節上之各種變更。

1‧‧‧植物汁液發電裝置

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 (10)

1. 【第1項】

   一種植物汁液發電裝置，其包含：
   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植物果實、塊莖、莖、花苞及葉之汁液及0.01%~50%之一過氧化氫；
   至少一第一電極，作為一陽極，該至少一第一電極之一端係浸泡於該電解質溶液中；以及
   至少一第二電極，作為一陰極，該至少一第二電極之一端係浸泡於該電解質溶液中，且另一端與該至少一第一電極非浸泡電解液之另一端電性連接。
   
2. 【第2項】

   如申請專利範圍第1項所述之植物汁液發電裝置，其中該過氧化氫之濃度係介於0.01%~10%。
   
3. 【第3項】

   如申請專利範圍第1項所述之植物汁液發電裝置，其中該第一電極的材料包含鎂、鋅或鋁。
   
4. 【第4項】

   如申請專利範圍第1項所述之植物汁液發電裝置，其中該第二電極的材料包含石墨、銅、銀、鉑或金。
   
5. 【第5項】

   如申請專利範圍第1項所述之植物汁液發電裝置，其中該至少一第一電極為複數個，且該至少一第二電極為複數個，而該複數個第一電極及該複數個第二電極係相並聯而浸泡於該電解質溶液中。
   
6. 【第6項】

   如申請專利範圍第4項所述之植物汁液發電裝置，其中相並聯的該複數個第一電極及該複數個第二電極係為交叉設置，且任一相鄰之該第一電極及該第二電極之間更設置一多孔性絕緣分隔板。
   
7. 【第7項】

   如申請專利範圍第1項所述之植物汁液發電裝置，其中該第一電極與該第二電極之非浸泡電解液之該端之間係藉由一導線進行電性連接。
   
8. 【第8項】

   如申請專利範圍第1項所述之植物汁液發電裝置，其中該植物果實、塊莖、莖、花苞及葉之汁液包含至少一有機酶，該至少一有機酶至少包含過氧化氫酶(catalase)。
   
9. 【第9項】

   如申請專利範圍第1項所述之植物汁液發電裝置，其中該植物果實、塊莖、莖、花苞及葉之汁液包含至少一有機酸，該至少一有機酸至少包含柯羅索酸(corosolic acid)。
   
10. 【第10項】

    如申請專利範圍第1項所述之植物汁液發電裝置，其中該第一電極與該第二電極之非浸泡電解液之該端之間更包含一負載，該負載為一欲供電之對象。