[發明專利]一種海底沉積物層活性金屬燃料電池結構和裝置

有效

• 申請號: 201410298739.5
• 申請日: 2014-06-30
• 公開（公告）號: CN105304922B
• 公開（公告）日: 2019-10-25
• 發明（設計）人: 付玉彬;英明;于建
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;H01M4/96
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明專利公開了一種海底沉積物層活性金屬燃料電池結構和裝置，其結構特征是：以活性金屬作為電池負極材料，置于一定深度的海底沉積物層中，導電碳材料作為正極置于海水層中，海底沉積物層/海水層界面作為天然的離子交換膜，用于電池內部離子導電；正、負極分別通過導線引出，和一定負載的儀器相連，構成電池回路和開放式結構。其中活性金屬作為供體，提供電子，碳材料得到電子和海水中溶解氧發生還原反應。該電池結構利用海底沉積物層的缺氧、厭氧和封閉特征，既減緩負極金屬的自腐蝕反應，避免表面金屬生成鈍化膜引起鈍化，又減緩正極表面無機物沉積引起的鈍化，整體保持電池正、負極性能的穩定性和長壽命，是一種良好的水下電源。

技術領域

本發明專利涉及一種水下化學燃料電池電源，特別是涉及一種以海底沉積物層為電解質環境的活性金屬燃料電池結構和裝置。

背景技術

燃料電池是21世紀重要的潔凈高效發電技術，燃料電池種類很多，包括固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池、直接甲醇燃料電池、質子交換膜燃料電池等。其中以金屬為燃料的燃料電池又稱為金屬燃料電池，鋁、鎂、鋅、鋰幾種輕金屬因其具有的很高的化學活性，被視為理想的負極材料。但由于放電時，有氫氣析出，一般很難用于水體系密閉結構，而多采用開放式電池結構設計。這種開放式電池結構不但可以將反應產物和廢熱排出電池外，還可以直接引入海水充當電解質溶液，而且在海底工作時，無需抗壓殼體，便于結構設計。因此，以上述活性金屬或合金作為負極材料的海水金屬燃料電池（簡稱海水電池）一直是水下電源的研究熱點。海水電池是在第二次世界戰爭期間由美國貝爾實驗室設計、通用電氣公司研制的，它依靠陽極（負極）金屬材料在海水中的腐蝕溶解提供放電電流，而陰極（正極）則主要依靠海水中的溶解氧在惰性的電極上進行還原反應提供陰極電流（在原電池領域，人們常稱電極為正、負極，而電化學和電解池領域，人們稱電極為陰、陽極）。海水電池最突出的特點是不需要攜帶電解質，可以在需要的時候利用天然海水形成電解液。

海水電池的結構特點是：金屬負極與導電碳材料正極均置于海水電解質中，保持一個相對固定的距離，海水電池的負極主要提供電子，發生金屬氧化反應，正極主要發生溶解氧還原反應，以鎂為例，正、負極反應分別如下：

負極：Mg－2e^- →Mg²⁺，正極：O₂+2H₂O+e^-→4OH^-，

海水電池在工程應用中一直存在大量的問題。例如：正極的無機沉積物鈍化，根據上述正、負極反應產物，在電池長期運行過程中，鎂離子容易和氫氧根離子生成氫氧化鎂沉淀，正極表面生成大量無機沉積物，氫氧化鎂不導電，導致正極失效；同樣，鋁離子也可以生成氫氧化鋁絮狀沉積，嚴重影響正極性能。又例如：金屬鋁、鎂負極材料表面在有氧條件下，表面很容易生成鈍化膜（氧化鋁膜、氧化鎂膜），氧化鋁膜很穩定，導致負極嚴重鈍化，影響金屬放出電子和電池性能。又例如金屬鎂、鋁、鋅很活潑，在海水中容易發生析氫反應，引起嚴重的自腐蝕，在海流沖刷作用下，也容易引起嚴重的化學腐蝕和電化學腐蝕，這些均影響海水電池使用壽命和電池的穩定性。

隨著人類海洋開發范圍的不斷擴大和深海探測的發展，水下傳感器、水下機器人等儀器是人們進行海洋研究的重要設備，而這些儀器的工作則需要連續的電源驅動，并且，需要分布在深遠海位置用于監測環境物理、化學因子變化。許多電子儀器需要連續長期工作(可達數年或更長)，在要求的工作期間內，一旦使用自帶電源消耗完畢，它們將失去相應的使用功能。目前，人們常用的幾種供給電源方式（如，鉛酸蓄電池，太陽能電池，高能鋰電池，岸上電源的電纜輸送等）均受到海底低溫、高壓、天氣、傳輸距離遠等影響因素不能長期穩定提供電源，難以滿足遠距離長期探測的要求。故我們迫切需要研究新型水下電源以滿足海洋開發和探測的需求。

發明內容