TWI385848B - 鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法 - Google Patents

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Description

鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法
本發明係關於一種氧化鋅的還原方法，特別是關於一種鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法。
金屬燃料電池是以空氣中的氧氣作為電池中的氧化物，並且使用金屬物質作為負極，這樣的結構在各種電池中是屬於具有高能量密度、長期保存性及低成本特性的高性能電池，因此金屬燃料電池之研究及發展已受到各界之重視。其中又以鋅空氣燃料電池最具有代表性。
請參照第1圖所示，其係為鋅空氣燃料電池之結構示意圖，通常鋅空氣燃料電池之主要結構係包含有：一空氣極板91作為陰極、一鋅極板92作為陽極及一電解液93。電解液93係介於該空氣極板91及鋅極板92之間，以於空氣極板91及鋅極板92之間傳導離子。
該空氣極板91所進行之陰極反應如式(1)所示：
該鋅極板92所進行之陽極反應如式(2)所示：
Zn (s )+2OH - →ZnO +H 2 O +2e - E 0 =1.25V……..(2)
其淨反應如式(3)所示：
鋅空氣燃料電池實際之開路電壓為1.35~1.45伏特(Volt)之間，而一般實際操作之電壓為0.9~1.2伏特之間。
如前述，經完全放電後之鋅空氣燃料電池內之鋅將形成氧化鋅沈澱。目前通常係收集鋅空氣燃料電池內之氧化鋅，並以固態碳(C)來將氧化鋅還原為鋅，還原獲得之鋅便可做進一步之應用。於1200K之溫度下，以固態碳還原氧化鋅的還原反應如式(4)所示：
ZnO(s) +C(s) →Zn(g) +CO(g) ,△H1200K =367.4kJ/mol........(4)
然而，以固態碳作為還原劑還原氧化鋅之吸熱量△H1200K 較高，因此需要提供較多之能量方可產生反應，造成進行還原反應之熱耗能增加；再且，以該固態碳作為還原劑，相較於其他液態及氣態之還原劑，該固態碳與該氧化鋅之接觸及混合均勻度較低，造成容易有固態碳未完全反應之缺點；再且，由於進行上述還原反應之溫度需達1200K以上，目前係以各種燃料或燃氣加熱至該1200K之高溫，造成熱源成本相對提高許多；再且，目前並未建立將鋅空氣燃料電池內的氧化鋅循環回收再利用於鋅空氣燃料電池之方法，因此，有必要對鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法進行進一步之規劃。
本發明目的乃改良上述缺點，以提供一種鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法，以將氧化鋅還原獲得之鋅應用於鋅空氣燃料電池之製造為目的。
本發明次一目的係提供一種鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法，以降低還原反應所需之熱耗能。
本發明再一目的係提供一種鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法，以降低整體製程之熱源成本。
根據本發明的鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法，係包含：一回收步驟，係由放電後之鋅空氣燃料電池中回收氧化鋅；一還原步驟，將回收之氧化鋅設置於一太陽能反應裝置內，並以一氧化碳作為還原劑將該氧化鋅還原為氣態鋅；一冷卻步驟，以將該氣態鋅冷卻形成固態鋅；及一電極製作步驟，將該固態鋅用以製作鋅空氣燃料電池中的鋅電極。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明所提供之鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法，係將回收的氧化鋅還原成固態鋅，再將該固態鋅用於製作鋅空氣燃料電池之鋅電極，以使鋅空氣燃料電池之氧化鋅可重複循環利用於鋅空氣燃料電池中。
請參照第2圖所示，本發明之鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法係包含一回收步驟S1、一還原步驟S2、一冷卻步驟S3及一電極製作步驟S4。
請參照第2圖所示，本發明之回收步驟S1係由放電後之鋅空氣燃料電池中回收氧化鋅。更詳言之，由於鋅空氣燃料電池於放電過程中，鋅電極將進行化學反應而形成氧化鋅(ZnO)並沈積於電極中，其所進行之化學反應式如式(2)至(4)所示。因此，本實施例該氧化鋅之來源較佳於鋅空氣燃料電池完全放電後，由該鋅空氣燃料電池內回收氧化鋅，以降低製作成本。
請參照第2及3圖所示，本發明之還原步驟S2係將該回收之氧化鋅設置於一太陽能反應裝置1內，並以一氧化碳作為還原劑將該氧化鋅還原為氣態鋅。更詳言之，本實施例回收之氧化鋅係設置於該太陽能反應裝置1內，並將一氧化碳通入該太陽能反應裝置1內，以透過該太陽能反應裝置1提供太陽能作為反應能量，使該一氧化碳將該氧化鋅還原為氣態鋅。
其中，請參照4圖所示，該太陽能反應裝置1係設有一反應腔室11、一進料口12、一出料口13、一光輸入口14及一氧化鋅流體化床15。該反應腔室11係設置於該太陽能反應裝置1內；該進料口12及出料口13分別連通該反應腔室11；該光輸入口14開設於該太陽能反應裝置1，以供太陽能輸入該太陽能反應裝置1對該反應腔體11進行加熱；前述該回收之氧化鋅便以流體化床之形式設置為該氧化鋅流體化床15，該氧化鋅流體化床15係設置於該反應腔室11內。其中，太陽能較佳係透過一聚光鏡16聚光後經過該光輸入口14輸入，而供應反應所需熱量。
本實施例之一氧化碳較佳係於973~1373K溫度環境下以式(5)之反應製得，亦可混以金屬觸媒有助於反應進行：
C(s) +H2 O(g) =CO(g) +H2(g) 　........(5)
如此，所產生的氫氣與一氧化碳可經由觸媒塗佈多孔性不銹鋼薄膜(catalyst-coated porous stainless steel membrane)進行分離。分離後之氫氣，可進一步作為氫燃料電池之燃料，或者作為作為燃氣供應後續其他製程所需之熱源。而所獲得之一氧化碳則導入該太陽能反應裝置1中，以使一氧化碳將回收之氧化鋅氧化為氣態鋅。
請再參照第3及4圖所示，承上述，該回收之氧化鋅係以該氧化鋅流體化床15之形式設置於該太陽能反應裝置1內，該一氧化碳係由該進料口12通入該反應腔室11，並流經該氧化鋅流體化床15，與氧化鋅均勻混合接觸，以於1200~1600K之溫度環境下將氧化鋅還原成氣態鋅，反應如式(6)所示：
ZnO(s) +CO(g) =Zn(g) +CO2(g) 　△H1200K =185.6kJ/mol.....(6)
反應所產生之產物氣態鋅Zn(g) 及二氧化碳CO2 便可由該出料口13輸出。
如此，由於本發明係透過該太陽能反應裝置1供應太陽能作為反應能量，因此可大幅降低因高溫而造成之熱源成本；再且，將欲還原之氧化鋅以該氧化鋅流體化床15之形式設置於該太陽能反應裝置1內，可增加一氧化碳之氣體擴散速率，因此由該出料口13輸出之氣體中僅有少量未反應之一氧化碳；再且，以一氧化碳進行反應所需之吸熱量△H1200K 較低，亦可降低進行反應所需之熱耗能；再且，以該氣態之一氧化碳作為還原劑，可增加該一氧化碳與該氧化鋅之混合效率，進而增進反應率。
請參照第2及3圖所示，本發明之冷卻步驟S3係將該氣態鋅進行冷卻形成固態鋅。更詳言之，本實施例中，由式(6)反應還原獲得之氣態鋅由該出料口13排出後便通入一冷卻器2中，以進行冷卻成顆粒狀之固態鋅，便可進行進一步之應用。此外，由該進料口13導出之二氧化碳經冷卻後便可進一步與氧化鈣(CaO)反應形成碳酸鈣，反應如式(7)所示：
CaO(s) +CO2(g) →CaCO3(s) 　...............(7)
而該二氧化碳及氣態鋅因冷卻而放出的熱便可作為熱源對其他製程進行預熱。
其中，由於該固態鋅之顆粒大小較不均勻，因此如第3圖所示，該固態鋅較佳係再進行一篩選程序，以獲得顆粒較小且分佈均勻之固態鋅，較適合應用於鋅空氣燃料電池中鋅電極之製作。本實施例之篩選程序係將該冷卻後之固態鋅導入一氣旋機3中，透過該氣旋機3將顆粒較大之固態鋅由底部導出，而顆粒較小之固態鋅由頂部導出；由頂部導出之固態鋅進一步再導入一集塵器4中，以獲得最佳粒徑的鋅粉之固態鋅之微細顆粒，再以該篩選後之固態鋅做為材料進行該電極製作步驟S4。
請參照第2圖所示，本發明之電極製作步驟S4係將該固態鋅用以製作鋅空氣燃料電池中的鋅電極。更詳言之，本實施例係將該冷卻步驟S3所獲得之固態鋅透過粉末冶金或鑄造等加工方式製作為預定形狀之鋅電極，例如，該固態鋅若為粉末狀則可以粉末冶金之方式經燒結製為鋅電極，再進一步設置於鋅空氣燃料電池進行應用。如此，本發明便可由鋅空氣燃料電池中回收氧化鋅，再利用於鋅空氣燃料電池中作為鋅電極使用，以建立完整的鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法。
本發明係提供一種鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法，以將氧化鋅還原成固態鋅，用以製造鋅電極，使得氧化鋅可重複循環回收應用於鋅空氣燃料電池中。
本發明係提供一種鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法，以一氧化碳還原該氧化鋅，以降低熱吸收量。
本發明係提供一種鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法，利用太陽能提供反應所需之熱耗能，以降低整體製程之熱源成本。
本發明係提供一種鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法，利用將氧化鋅以流體化床方式設置於該太陽能反應裝置中，以提升一氧化碳之擴散效率及整體反應率。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
 [本發明]
1．．．太陽能反應裝置
11．．．反應腔室
12．．．進料口
13．．．出料口
14．．．光輸入口
15．．．氧化鋅流體化床
16．．．聚光鏡
2．．．冷卻器
3．．．氣旋機
4．．．集塵器
[習知]
91．．．空氣極板
92．．．鋅極板
93．．．電解液
第1圖：習用鋅空氣燃料電池之示意圖。
第2圖：本發明之鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法的流程圖。
第3圖：本發明之鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法的製程示意圖。
第4圖：本發明之太陽能反應裝置的示意圖。

Claims (7)

  1. 一種鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法，包含：一回收步驟，係由放電後之鋅空氣燃料電池中回收氧化鋅；一還原步驟，將回收之氧化鋅設置於一太陽能反應裝置內，並以一氧化碳作為還原劑將該氧化鋅還原為氣態鋅；一冷卻步驟，以將該氣態鋅冷卻形成固態鋅，並以一篩選程序篩選該固態鋅；及一電極製作步驟，將該固態鋅用以製作鋅空氣燃料電池中的鋅電極。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法，其中該還原步驟中，該氧化鋅係以流體化床之形式設置於該太陽能反應裝置內，供該一氧化碳流經該氧化鋅流體化床還原該氧化鋅。
  3. 依申請專利範圍第1或2項所述之鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法，其中該篩選程序係將該固態鋅通入一氣旋機，再將由該氣旋機頂部獲得之固態鋅通入一集塵器，以獲得篩選後之固態鋅。
  4. 依申請專利範圍第1或2項所述之鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法，其中該電極製作步驟中，該固態鋅係以粉末冶金或鑄造之方式製作為該鋅電極。
  5. 依申請專利範圍第1或2項所述之鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法，其中該還原步驟中，該一氧化碳係於 1200~1600K之環境溫度下還原該氧化鋅。
  6. 依申請專利範圍第1或2項所述之鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法，其中該還原步驟中，係先以式(5)之反應形成一氧化碳後，再以該一氧化碳還原該氧化鋅，式(5)如下所示：C(s) +H2 O(g) =CO(g) +H2(g) ………(5)。
  7. 依申請專利範圍第1或2項所述之鋅空氣燃料電池之氧化鋅的還原方法，其中該太陽能反應裝置所提供之太陽能係先經一聚光鏡聚光後再輸入該太陽能反應裝置內。
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