CN104852071A - 一种利于实海使用的海底沉积层微生物燃料电池装置 - Google Patents

Abstract

一种海底沉积层微生物燃料电池装置，其特征是电池框架为单层或多层中空的圆柱体金属框架结构。电池正负极材料均为导电碳纤维刷，正负电极导电碳纤维刷数量比控制在1～3之间，正负电极之间使用高强度环氧玻璃钢纤维棒连接。在环氧玻璃钢纤维棒中间部位设置衬板，使用时负极插入到海底沉积物(海泥)中，正极在海泥/海水界面上方。在正负极部位分别设有电缆密封装置及参比电极，以检测电极性能。电池下方有四根环氧玻璃钢纤维支撑棒作为脚架，插入海泥中固定电极结构，防止由于海流的作用来回摆动。将电缆引到海平面设置的浮动观察站，方便实时跟踪监测。本发明具有稳定的电流输出，利于在实海条件下进行电池的性能测试并驱动仪器运行。

Description

一种利于实海使用的海底沉积层微生物燃料电池装置

技术领域

本发明涉及海洋新能源技术领域的一种微生物燃料电池结构，具体涉及海底沉积层微生物燃料电池，其电池装置为实海应用或实验室条件下进行模拟实验所使用。

背景技术

微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)是一种利用微生物催化氧化有机及无机物而产生电流的装置.微生物催化产生电子，电子传递到电池负极(电化学中称为阳极)经外电路传递到正极(电化学中称为阴极)构成回路。

海底沉积层微生物燃料电池(Benthic microbial fuel cell，简称BMFC)，亦称为海泥/海水生物燃料电池。它作为一种特殊的微生物燃料电池，在海底环境下运行，电池负极插入到海底沉积物中，负极表面附着有大量细菌，这些细菌是沉积物内本身就存在的，并对电池的电流输出过程起生物催化的作用。在电极负极表面会形成一层微生物膜，微生物氧化有机及无机物产生的电子传递给负极，经过外电路电子转移到正极。电池正极安置在海水中，海水中溶解氧在正极表面结合电子发生还原反应生成H₂0。正负极通过外电路构成回路即可产生电流，由此构成完整回路。

目前实验室条件下海底沉积层微生物燃料电池的开路电位在0.7～0.8V左右，工作输出电压偏低(约0.35～0.5V)和输出功率偏低(一般小于10mW/m²负极面积)成为限制了BMFC广泛应用的主要因素。通过电池结构尺寸，并将其结合到实际生产和应用系统中，提高输出电流输出功率，优化电池的结构以适应实海条件下电池的布放。

随着我国对海洋保护力度的加大，对海洋的探测也越来越重视，但是海底仪器的电源供应一直是一个瓶颈，现在海底测量仪器大多使用高能电池，这种电池最大的缺陷是不能长时间无限次使用，并且在高压密闭环境下这类普通电池容易发生爆炸，漏液等危险，损坏仪器。因此，开发一种能够源源不断的为海底仪器提供电源的装置迫在眉睫。海底沉积层微生物燃料电池的出现提供了一个很好的选择。这对人们开发海底能源具有重大的意义。

当前的研究中，碳纸、碳布、泡沫碳、碳纤维等碳基材料广泛的应用于海底沉积层微生物燃料电池。这些材料具有较高导电性能的同时利于微生物的附着生长。相比之下，碳纤维材料在满足一定机械强度的同时更具有柔软可加工性，比其他材料拥有更大的比表面积，有利于微生物的附着。考虑到实海条件下海流的冲刷，碳纤维材料能够减少有害附着并能充分利用海水中的溶解氧，更适合应用到实海条件。另一方面，电池装置布放到海底容易受到海流冲击，容易倒伏；海泥沉积物较软，受海流冲击、海浪摇摆导致电池框架下沉；诸多因素对海底沉积层微生物燃料电池在海底的应用提出挑战。

考虑到实际应用时海洋环境的复杂性，我们设计发明了一种能够适应实海应用并且易于布放的海底沉积层微生物燃料电池装置，以满足海底沉积层微生物燃料电池系统在实际中的应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种海底沉积层微生物燃料电池装置，该电池装置结构简单，易于安装，正负极导电碳纤维刷数量易于控制，整体结构易于实海布放，布放后结构稳定，耐海流冲刷，防止电池结构自沉。

本发明的技术方案是：

一种海底沉积层微生物燃料电池装置，其特征包括：此海底沉积层微生物燃料电池采用多层中空的圆柱形金属框架，此中空圆柱形金属框架结构利于单位体积内布放更多的电极材料，并且能够减少实际应用条件下海流的冲击力，利于实海使用时的布放。电池正负极电极材料均为导电碳纤维刷，正负极导电碳纤维刷数量比例控制在1-3之间，均匀焊接在金属结构框架周围，正负电极之间以绝缘的、高强度的环氧玻璃钢纤维棒连接，以防止正负极之间短路。在环氧玻璃钢纤维棒中间部位设置了衬板，使用时负极插入到海底沉积物(海泥)中，正极在海泥/海水界面上方，电池框架下方的环氧玻璃钢纤维支撑棒作为脚架插入泥中，起到固定电池结构的作用，衬板起到减少海流对电池周围泥沙的冲刷作用，并能作为电池布放深度的指示标志。此电池结构得到合理的安排和布局，在正、负极部位分别设有电缆密封引出部位及参比电极，以构成外部回路和检测电极性能。本发明结构简单，是海底沉积层微生物燃料电池装置，具有更大，更稳定的电流输出，方便在实海及实验室条件下进行电池模式的测试及使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、该电池属于海底沉积层微生物燃料电池装置，能够得到更大、更稳定的电流输出。通过结构，电极表面积增加，使其输出功率和抗极化能力得到明显提高。

2、进一步优化的方案还有，此结构利于单位体积内布放更多的电极材料，圆环形结构设计能够减少实际应用条件下的海流冲击力，提高电池结构在海水中的稳定性，利于使用时的布放。

3、进一步的优化方案还有，为了电池框架结构实海布放的过程中，保持正极在海水中，负极在海泥中，海泥/海水界面保持稳定，在正负极之间设计了一种衬板结构，这种衬板结构呈裙子状安装于正负极之间，固定海泥/海水界面的位置，防止电池框架下沉，或者由于海流的冲刷导致电池框架的倾斜。

4、进一步的优化方案还有，正负极之间用来确定海泥/海水界面的衬板结构，为裙子状，中间高，四周低，根据海底沉积物的深度和硬度，对这种的衬板结构的尺寸材料进行调整，如金属板材料，不锈钢材料等。

5、进一步的优化方案还有，本结构是一种利于实海使用的海底沉积层微生物燃料电池装置，此装置布放到海底之后，要对其电池的电势差，正负极电势等性能参数进行跟踪测量。因此，在圆柱形金属框架的正负极分别设计了参比电极和传输电缆的装配结构。在分别测量正负极电极电势的同时，测量整个电池框架的输出功率。

6、进一步的优化方案还有，本电池结构是一种利于实海使用的海底沉积层微生物燃料电池装置，此装置布放到海底之后，要保证电池框架的方向为竖直向下，并能保持长期稳定。所以，在负极的底部设计了实海布放时插入海底沉积物中的脚架装置，此装置为环氧玻璃钢纤维支撑棒作为脚架，下端为尖头设计，上端通过金属螺栓固定于金属框架之上。这种结构设计，提高电池在海底中长期工作的结构稳定性，同时便于插入到海底沉积物中。

7、进一步的优化方案还有，此装置适用于在浅海中使用，为了实时测量电池的正负极电势和整个电池框架的输出功率，在海平面设计了浮动监测仪器，在海平面上直接进行测量，提高了测量数据的准确性和可靠性。

8、进一步的优化方案还有，用于固定电池框架的环氧玻璃钢纤维支撑棒脚架的长度根据实际海况的海底沉积物深度进行适当调整。

总之，本发明为海底沉积层微生物燃料电池装置，能够获得稳定的电流输出，并有利于实海条件下海底沉积层微生物燃料电池的布放及应用。

附图说明

图1为本发明的海底沉积层微生物燃料电池装置示意图。

(1)金属框架支撑结构(2)导电碳纤维刷(3)环氧玻璃钢纤维棒(4)海泥/海水界面(5)电缆密封装置(6)衬板(7)金属螺栓(8)参比电极(9)金属框架(10)电缆(11)坠石

图2为本发明正极结构示意图。

(1)金属框架支撑结构(2)导电碳纤维刷(3)环氧玻璃钢纤维棒(4)电缆密封装置(5)金属框架(6)参比电极(7)电缆(8)金属螺栓

图3为本发明负极结构示意图。

(1)导电碳纤维刷(2)金属螺栓(3)金属框架(4)参比电极(5)电缆密封装置(6)环氧玻璃钢纤维支撑棒

图4为本发明正负极链接结构示意图。

(1)坠石(2)海泥/海水界面(3)金属螺栓(4)环氧玻璃钢纤维棒(5)衬板

图5为本发明海平面浮子结构示意图。

(1)电缆舱(2)测量平台(3)浮球(4)电池电缆

图6为本发明的导电碳纤维碳刷架构

(1)金属丝(2)导电碳纤维

具体实施方式

由于海流、水压、潮汐、海水腐蚀、海洋生物附着引起的污损、海底沉积层不同等因素的影响，海洋结构装置在海底的布放存在巨大的困难，如海流冲击引起结构倒伏，泥质较软引起框架沉陷丢失等。本次发明结构设计的是一种海底沉积层微生物燃料电池装置。此装置的负极要插入海底的沉积物中，电池装置的正极在海水中，不能进到海底沉积物中，因此电池结构的设计需要考虑诸多因素。下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步的解释。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例：

例1、如图1所示，本发明所述的一种利于实海布放的海底沉积层微生物燃料电池框架，图2为电池框架的正极结构，材料选用厚度为6mm、宽为25mm的纯钛板条和直径φ30mm的钛管。钛框架结构的外圈直径为φ600mm，内直径φ300mm，内外框架通过直径为φ6mm的钛棒相连接。图3为电池框架的负极结构，材料选用厚度为6mm、宽为25mm的纯钛板条。正负极的电极材料均为导电碳纤维刷。内外框架之间起连接作用的钛棒，一方面起到电子传递的作用，另一方面起到加固电池框架的作用，避免在起吊电池框架的过程中因扭切力导致电池框架结构变形而降低电池的产电性能。

例2、如图1所示，本发明所述的一种利于实海布放的海底沉积层微生物燃料电池框架，图2为电池框架的正极结构，材料选用厚度为6mm、宽为25mm的316不锈钢板条和直径φ30mm的316不锈钢管。316不锈钢框架结构的外圈直径为φ600mm，内直径φ300mm，内外框架通过直径为φ6mm的316不锈钢棒相连接。图3为电池框架的负极结构，材料选用厚度为6mm、宽为25mm的316不锈钢板条。正负极的电极材料均为导电碳纤维刷。内外框架之间起连接作用的316不锈钢棒，一方面起到电子传递的作用，另一方面起到加固电池框架的作用，避免在起吊电池框架的过程中因扭切力导致电池框架结构变形而降低电池的产电性能。

例3、图2中(1)为直径为30mm的金属管(其材料必须与框架的金属材料相同)，此处的两根十字交叉型的金属管主要起对整个框架的支撑作用，以及在起重机起吊过程中钢丝绳的受力点，避免在起吊过程中因扭切力导致电池框架结构变形而降低电池的产电性能。

例4、图2中(1)为直径为φ50mm的环氧玻璃钢纤维棒，此处的两根十字交叉型的环氧玻璃钢纤维棒主要起对整个框架的支撑作用，以及在起重机起吊电池框架过程中钢丝绳的受力点，避免在起吊过程中因扭切力导致电池框架结构变形而降低电池的产电性能。

例5、图6为导电碳纤维刷结构，将长度为60mm的碳纤维用钛丝拧捆成圆形导电碳纤维刷结构，这种导电碳纤维刷结构有极高的比表面积，有利于碳纤维在海泥中的微生物沉积，且能预防正极微生物附着。导电碳纤维刷与钛框架结构(9)之间采用焊接的方式。

例6、图6为导电碳纤维刷结构，将长度为60mm的碳纤维用316不锈钢丝拧捆成圆形导电碳纤维刷结构，这种导电碳纤维刷结构有极高的比表面积，有利于碳纤维在海泥中的微生物沉积，且能预防正极微生物附着。导电碳纤维刷与316不锈钢框架结构之间采用焊接的方式。

例7、图1中(2)为导电碳纤维刷结构，将长度为60mm的碳纤维用金属丝拧捆成圆形导电碳纤维刷结构，这种导电碳纤维刷结构有极高的比表面积，有利于碳纤维在海泥中的微生物沉积，且能预防正极微生物附着。正极的导电碳纤维刷结构有两层，内层直径φ300mm，外层直径为φ600mm，导电碳纤维刷与金属框架结构之间采用焊接的方式。负极结构为单层直径为φ600mm的导电碳纤维刷，负极实际实海布放时要插入海底沉积物质中。采用单层结构是为了实海布放时正极顺利的进入到海底沉积物中。

例8、图1中(2)为导电碳纤维刷结构，将长度为60mm的碳纤维用金属丝拧捆成圆形导电碳纤维刷结构，这种导电碳纤维刷结构有极高的比表面积，有利于碳纤维在海泥中的微生物沉积，且能预防正极微生物附着。正极的导电碳纤维刷结构有三层，内层直径φ300mm，中间层为φ450mm，外层直径为φ600mm，导电碳纤维刷与金属框架结构之间采用焊接的方式。负极结构为单层导电碳纤维刷，负极实际实海布放时要插入海底沉积物质中。采用单层结构是为了实海布放时正极顺利的进入到海底沉积物中。

例9、图1中(2)为导电碳纤维刷结构，将长度为60mm的碳纤维用金属丝拧捆成圆形导电碳纤维刷结构，这种导电碳纤维刷结构有极高的比表面积，有利于碳纤维在海泥中的微生物沉积，且能预防正极微生物附着。正极的导电碳纤维刷结构有两层，内层直径φ300mm，外层直径为φ600mm，导电碳纤维刷与金属框架结构(9)之间采用螺栓的固定的方式增加结构稳定性，减少在实际操作中用于拧捆导电碳纤维的金属丝与框架之间焊点的开裂。负极结构为单层导电碳纤维刷，负极实际实海布放时要插入海底沉积物质中。采用单层结构是为了实海布放时正极顺利的进入到海底沉积物中。

例10、此种海底沉积层微生物燃料电池实海布放后，电池的正极要放入海水中，负极要插入海泥中，存在一个海水与海泥的分界面。并且这种状态需要长期保持。在海底，由于海流的冲刷作用，电极周围的海泥易流失，导致电池框架的倾斜，或者由于重力原因将整个电池框架沉没到海泥之中，在正负极之间设计了一种纯钛衬板结构，衬板内直径为φ600mm，外直径为φ1000mm，呈裙子状通过钛螺栓固定于正负极之间的环氧玻璃钢纤维棒上(如图4所示)。此种结构有利于电池的实海布放工作，增加该电池在海底中长期工作时的稳定性。

例11、此种海底沉积层微生物燃料电池实海布放后，电池的正极要放入海水中，负极要插入海泥中，存在一个海水与海泥的分界面。并且这种状态需要长期保持。在海底，由于海流的冲刷作用，电极周围的海泥易流失，导致电池框架的倾斜，或者由于重力原因将整个电池框架沉没到海泥之中，在正负极之间设计了一种316不锈钢衬板结构，衬板内直径为φ600mm，外直径为φ1000mm，呈裙子状通过316不锈钢螺栓固定于正负极之间的环氧玻璃钢纤维棒上面(如图4所示)。此种结构有利于电池的实海布放工作，增加该电池在海底中长期工作时的稳定性。

例12、此种海底沉积层微生物燃料电池实海布放后，电池的正极要放入海水中，负极要插入海泥中，存在一个海水与海泥的分界面。并且这种状态需要长期保持。在海底，由于海流的冲刷作用，电极周围的海泥易流失，导致电池框架的倾斜，或者由于重力原因将整个电池框架沉没到海泥之中，在正负极之间设计了一种有机玻璃衬板结构，衬板内直径为φ600mm，外直径为φ1000mm，呈裙子状通过不锈钢螺栓固定于正负极之间的环氧玻璃钢纤维棒上面(如图4所示)。此种结构有利于电池的实海布放工作，增加该电池在海底中长期工作时的稳定性。

例13、此种海底沉积层微生物燃料电池实海布放后，电池的正极要放入海水中，负极要插入海泥中，存在一个海水与海泥的分界面。并且这种状态需要长期保持。在海底，由于海流的冲刷作用，电极周围的海泥易流失，导致电池框架的倾斜，或者由于重力原因将整个电池框架沉没到海泥之中，在正负极之间设计了一种衬板结构，泥质较松的海域，衬板内直径为φ600mm，外直径为φ1500mm，呈裙子状通过不锈钢螺栓固定于正负极之间的环氧玻璃钢纤维棒上面(如图4所示)。此种结构有利于电池的实海布放工作，增加该电池在海底中长期工作时的稳定性。

例14、电池框架结构，正极的导电碳纤维刷结构有两层，内层直径φ300mm，外层直径为φ600mm，负极的导电碳纤维刷结构有一层，直径为φ600mm。正负极之间不能有导电金属连接，又要保证正负极之间的连接有足够的强度，避免在起吊过程中因扭切力导致电池框架结构变形而降低电池的产电性能。因此选择长度为500mm直径为φ50mm的环氧玻璃钢纤维棒作为正负极之间的连接结构。

例15、电池框架结构，正极的导电碳纤维刷结构有两层，内层直径φ300mm，外层直径为φ600mm，负极的导电碳纤维刷结构有一层，直径为φ600mm。正负极之间不能有导电金属连接，又要保证正负极之间的连接有足够的强度，避免在起吊过程中因扭切力导致电池框架结构变形而降低电池的产电性能。同时，如果海底沉积物表面起伏较大，应提高正负极之间的距离，因此选择长度为800mm直径为φ50mm的环氧玻璃钢纤维棒作为正负极之间的连接结构。

例16、此种海底沉积层微生物燃料电池实海布放后，电池的正极要放入海水中，负极要插入海泥中，存在一个海水与海泥的分界面。并且这种状态需要长期保持。在海底，由于海流的冲刷作用，电极周围的海泥易流失，导致电池框架的倾斜，或者由于重力原因将整个电池框架沉没到海泥之中。另外由于潮起潮落的过程中海流的方向交替变换，会引起电池框架的来回摆动，不同海区海底沉积物的深度不同，如果海底沉积物层厚度超过1500mm，则在电池的底部安装4根长度为1000mm直径为φ50mm的环氧玻璃钢纤维棒(如图4所示)，让其插入海底沉积物中。此种结构有利于燃料电池的实海布放工作，增加该电池在海底中长期工作时的稳定性。

例17、此种海底沉积层微生物燃料电池实海布放后，电池的正极要放入海水中，负极要插入海泥中，存在一个海水与海泥的分界面(4)。并且这种状态需要长期保持。在海底，由于海流的冲刷作用，电极周围的海泥易流失，导致电池框架的倾斜，或者由于重力原因将整个电池框架沉没到海泥之中。另外由于潮起潮落的过程中海流的方向交替变换，会引起电池框架的来回摆动，不同海区海底沉积物的深度不同，如果海底沉积物层较薄为800mm左右，则电池的底部安装4根长度为500mm的环氧玻璃钢纤维支撑棒作为脚架(如图4所示)，让其插入海底沉积物中。此种结构有利于电池的实海布放工作，增加该电池在海底中长期工作时的稳定性。

例18、此次设计的海底沉积层微生物燃料电池的实海布放之后，为了检测电极的电量输出性能除了要得到正负极之间的电压，还需要分别得到正负极的电极电势，测量单电极的电势必须使用参比电极和电缆引出的密封装置，因此在电池框架的正负极上设计了参比电极，电缆密封装置。将参比电极固定在正负极金属框架上，随时得到电池框架的正负极的电极电势值。

例19、此次设计的海底沉积层微生物燃料电池的实海布放之后，需要得到此电池结构的供电性能，需要得到电池的电势差，但是电池在海底，不能每次测量都到海底中进行测量，因此在海平面设计了浮子装置(如图5所示)，一方面能与正负极上的参比电极测量出正负极的电势差，另一方面能够直接得到电池的输出电压值，对电池性能给出直观的表示。

例20、此次设计的海底沉积层微生物燃料电池的实海布放之后，需要得到此电池结构的供电性能，需要得到电池的电势差，并且需要长期观察测量，在水面浮动观察站的电缆舱内设置数据采集站，长期自动记录电池的电压变化。

例21、此次设计的海底沉积层微生物燃料电池的实海布放之后，需要得到此电池结构的供电性能，需要得到电池的电势差，并且需要长期观察测量，每次可用高精度万用电表测量其电压值，并且记录。

例22、若整个电池框架采用的是钛金属材料，则电池框架的连接采用定制的8mm钛螺栓进行连接。在保证足够的强度条件下，保证在长期使用时不会产生腐蚀断裂的情况，以致最终导致电池的输出电压出现浮动，甚至无电压输出。

例23、若整个电池框架采用的是316不锈钢材料，则电池框架的连接采用定制的8mm316不锈钢螺栓进行连接。在保证足够的强度条件下，保证在长期使用时不会产生腐蚀断裂的情况，以致最终导致电池的输出电压出现浮动，甚至无电压输出。

例24、此种海底沉积层微生物燃料电池实海布放后，电池的正极要放入海水中，负极要插入海泥中，存在一个海水与海泥的分界面。并且这种状态需要长期保持。在海底，由于海流的冲刷作用，电极周围的海泥易流失，导致电池框架的倾斜，或者由于重力原因将整个电池框架沉没到海泥之中。另外由于潮起潮落的过程中海流的方向交替变换，会引起电池框架的来回摆动，在潮水流动较慢，沉积层硬度较低的海域，在水/界面的衬板周围加四个25kg的水泥坠块。此种结构有利于电池的实海布放工作，增加该电池在海底中长期工作时的稳定性。

例25、此种海底沉积层微生物燃料电池实海布放后，电池的正极要放入海水中，负极要插入海泥中，存在一个海水与海泥的分界面。并且这种状态需要长期保持。在海底，由于海流的冲刷作用，电极周围的海泥易流失，导致电池框架的倾斜，或者由于重力原因将整个电池框架沉没到海泥之中。另外由于潮起潮落的过程中海流的方向交替变换，会引起电池框架的来回摆动，在潮水流动较快，沉积层硬度较高的海域，在水/界面的衬板周围加四个50kg的水泥坠块。此种结构有利于电池的实海布放工作，增加该电池在海底中长期工作时的稳定性。

例26、此种海底沉积层微生物燃料电池实海布放结束后，稳定15～30天，有稳定的电流输出。将TD(温深仪)接入电缆舱，除去TD自身电池，由此海底沉积层微生物燃料电池供电，TD成功运行。

Claims (6)

1.一种利于实海使用的海底沉积层微生物燃料电池装置，其特征在于，电池正极位于海泥/海水界面以上，负极位于海泥/海水界面以下，正负极采用单层或多层中空的圆柱体金属框架结构，导电碳纤维刷均匀分布于金属框架周围。

2.如权利要求1所述的一种利于实海使用的海底沉积层微生物燃料电池装置，其特征在于，正负极电极材料为导电碳纤维刷，根据产电要求调整正负极导电碳纤维刷的比例。

3.如权利要求1所述的一种利于实海使用的海底沉积层微生物燃料电池装置，其特征在于，电池正负极之间的海泥/海水分界面设置衬板，根据海底沉积物的软硬程度和正负极之间的距离调整衬板的位置、尺寸和材料。

4.如权利要求1所述的一种利于实海使用的海底沉积层微生物燃料电池装置，其特征在于，正负极金属框架上带有参比电极和电缆密封装置。

5.如权利要求1所述的一种利于实海使用的海底沉积层微生物燃料电池装置，其特征在于，电池底部设有环氧玻璃钢纤维支撑棒作为脚架，稳定电池结构，根据海底沉积物的厚度调节脚架的材料和长度。

6.如权利要求1所述的一种利于实海使用的海底沉积层微生物燃料电池装置，其特征在于，在海平面上设有检测仪器，对电池性能进行跟踪测量并驱动仪器运行。