[發(fā)明專利]一種利于實(shí)海使用的海底沉積層微生物燃料電池裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410054687.7
• 申請(qǐng)日: 2014-02-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104852071A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-08-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 付玉彬;林耀華;于建;英明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)海洋大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M8/16
• 分類號(hào): H01M8/16;H01M8/02;H01M4/96
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及海洋新能源技術(shù)領(lǐng)域的一種微生物燃料電池結(jié)構(gòu)，具體涉及海底沉積層微生物燃料電池，其電池裝置為實(shí)海應(yīng)用或?qū)嶒?yàn)室條件下進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)所使用。

背景技術(shù)

微生物燃料電池(microbial?fuel?cell，MFC)是一種利用微生物催化氧化有機(jī)及無(wú)機(jī)物而產(chǎn)生電流的裝置.微生物催化產(chǎn)生電子，電子傳遞到電池負(fù)極(電化學(xué)中稱為陽(yáng)極)經(jīng)外電路傳遞到正極(電化學(xué)中稱為陰極)構(gòu)成回路。

海底沉積層微生物燃料電池(Benthic?microbial?fuel?cell，簡(jiǎn)稱BMFC)，亦稱為海泥/海水生物燃料電池。它作為一種特殊的微生物燃料電池，在海底環(huán)境下運(yùn)行，電池負(fù)極插入到海底沉積物中，負(fù)極表面附著有大量細(xì)菌，這些細(xì)菌是沉積物內(nèi)本身就存在的，并對(duì)電池的電流輸出過(guò)程起生物催化的作用。在電極負(fù)極表面會(huì)形成一層微生物膜，微生物氧化有機(jī)及無(wú)機(jī)物產(chǎn)生的電子傳遞給負(fù)極，經(jīng)過(guò)外電路電子轉(zhuǎn)移到正極。電池正極安置在海水中，海水中溶解氧在正極表面結(jié)合電子發(fā)生還原反應(yīng)生成H₂0。正負(fù)極通過(guò)外電路構(gòu)成回路即可產(chǎn)生電流，由此構(gòu)成完整回路。

目前實(shí)驗(yàn)室條件下海底沉積層微生物燃料電池的開(kāi)路電位在0.7～0.8V左右，工作輸出電壓偏低(約0.35～0.5V)和輸出功率偏低(一般小于10mW/m²負(fù)極面積)成為限制了BMFC廣泛應(yīng)用的主要因素。通過(guò)電池結(jié)構(gòu)尺寸，并將其結(jié)合到實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用系統(tǒng)中，提高輸出電流輸出功率，優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu)以適應(yīng)實(shí)海條件下電池的布放。

隨著我國(guó)對(duì)海洋保護(hù)力度的加大，對(duì)海洋的探測(cè)也越來(lái)越重視，但是海底儀器的電源供應(yīng)一直是一個(gè)瓶頸，現(xiàn)在海底測(cè)量?jī)x器大多使用高能電池，這種電池最大的缺陷是不能長(zhǎng)時(shí)間無(wú)限次使用，并且在高壓密閉環(huán)境下這類普通電池容易發(fā)生爆炸，漏液等危險(xiǎn)，損壞儀器。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠源源不斷的為海底儀器提供電源的裝置迫在眉睫。海底沉積層微生物燃料電池的出現(xiàn)提供了一個(gè)很好的選擇。這對(duì)人們開(kāi)發(fā)海底能源具有重大的意義。

當(dāng)前的研究中，碳紙、碳布、泡沫碳、碳纖維等碳基材料廣泛的應(yīng)用于海底沉積層微生物燃料電池。這些材料具有較高導(dǎo)電性能的同時(shí)利于微生物的附著生長(zhǎng)。相比之下，碳纖維材料在滿足一定機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)更具有柔軟可加工性，比其他材料擁有更大的比表面積，有利于微生物的附著。考慮到實(shí)海條件下海流的沖刷，碳纖維材料能夠減少有害附著并能充分利用海水中的溶解氧，更適合應(yīng)用到實(shí)海條件。另一方面，電池裝置布放到海底容易受到海流沖擊，容易倒伏；海泥沉積物較軟，受海流沖擊、海浪搖擺導(dǎo)致電池框架下沉；諸多因素對(duì)海底沉積層微生物燃料電池在海底的應(yīng)用提出挑戰(zhàn)。

考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)海洋環(huán)境的復(fù)雜性，我們?cè)O(shè)計(jì)發(fā)明了一種能夠適應(yīng)實(shí)海應(yīng)用并且易于布放的海底沉積層微生物燃料電池裝置，以滿足海底沉積層微生物燃料電池系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種海底沉積層微生物燃料電池裝置，該電池裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，正負(fù)極導(dǎo)電碳纖維刷數(shù)量易于控制，整體結(jié)構(gòu)易于實(shí)海布放，布放后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，耐海流沖刷，防止電池結(jié)構(gòu)自沉。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種海底沉積層微生物燃料電池裝置，其特征包括：此海底沉積層微生物燃料電池采用多層中空的圓柱形金屬框架，此中空?qǐng)A柱形金屬框架結(jié)構(gòu)利于單位體積內(nèi)布放更多的電極材料，并且能夠減少實(shí)際應(yīng)用條件下海流的沖擊力，利于實(shí)海使用時(shí)的布放。電池正負(fù)極電極材料均為導(dǎo)電碳纖維刷，正負(fù)極導(dǎo)電碳纖維刷數(shù)量比例控制在1-3之間，均勻焊接在金屬結(jié)構(gòu)框架周圍，正負(fù)電極之間以絕緣的、高強(qiáng)度的環(huán)氧玻璃鋼纖維棒連接，以防止正負(fù)極之間短路。在環(huán)氧玻璃鋼纖維棒中間部位設(shè)置了襯板，使用時(shí)負(fù)極插入到海底沉積物(海泥)中，正極在海泥/海水界面上方，電池框架下方的環(huán)氧玻璃鋼纖維支撐棒作為腳架插入泥中，起到固定電池結(jié)構(gòu)的作用，襯板起到減少海流對(duì)電池周圍泥沙的沖刷作用，并能作為電池布放深度的指示標(biāo)志。此電池結(jié)構(gòu)得到合理的安排和布局，在正、負(fù)極部位分別設(shè)有電纜密封引出部位及參比電極，以構(gòu)成外部回路和檢測(cè)電極性能。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是海底沉積層微生物燃料電池裝置，具有更大，更穩(wěn)定的電流輸出，方便在實(shí)海及實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行電池模式的測(cè)試及使用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、該電池屬于海底沉積層微生物燃料電池裝置，能夠得到更大、更穩(wěn)定的電流輸出。通過(guò)結(jié)構(gòu)，電極表面積增加，使其輸出功率和抗極化能力得到明顯提高。