CN104852106A

CN104852106A - 一种海底沉积物层镁阳极燃料电池实海装置

Info

Publication number: CN104852106A
Application number: CN201410054688.1A
Authority: CN
Inventors: 付玉彬; 柴方刚; 英明; 于建
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2014-02-18
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2015-08-19

Abstract

本发明公开了一种海底沉积物层镁阳极燃料电池实海装置，其装置特征是：分别以导电碳纤维刷阴极、镁合金阳极作为电池正、负极材料，海底沉积物层作为电解质环境，在使用过程中直接把镁阳极及支撑架插入到海底沉积物层，阴极碳纤维刷工作在海水中，其中，负极的镁阳极作为电子供体提供电子，正极碳纤维刷以海水中的溶解氧作为正极氧化剂。该电池装置正、负极分开，把镁阳极应用到海底沉积物环境中，能够减少正极碳纤维表面镁盐沉积和污损，保证正极的优异性；同时，能减少镁阳极的自腐蚀，延长镁阳极和电池的使用寿命，供电平稳，是海洋监测仪器长久持续驱动的理想电源。在实海条件下，该装置经过升压设计驱动海洋监测仪器长期运行。

Description

一种海底沉积物层镁阳极燃料电池实海装置

技术领域

本发明专利涉及一种化学电源，特别是涉及一种以海底沉积物层为导电介质环境的电池实海装置及仪器驱动设计。

背景技术

海水电池是在第二次世界战争期间由美国贝尔实验室设计、通用电气公司研制的，它依靠阳极(负极)金属材料在海水中的腐蚀溶解提供放电电流，而阴极(正极)则主要依靠海水中的溶解氧在惰性的电极上进行还原反应提供阴极电流。海水电池最突出的特点是不需要携带电解质，可以在需要的时候利用天然海水形成电解液。

镁的资源丰富、价格低廉、环境友好、安全性高，尤其是镁在所有金属中具有较负的标准电位-2.375V(vs.SCE)，较好的电负性及较高的能量密度(达2.22A·h/g)，使其作为大功率海水电池阳极被广泛应用。然而，一般的商用镁合金用作海水电池负极材料时，自腐蚀速度大，阳极利用率低。另外，海水电池在工作时负极镁合金发生溶解：Mg-2e^-→Mg²⁺，正极发生氧气还原：O₂+2H₂O+e^-→4OH^-，在电池正极部位OH^-容易与海水中Mg²⁺结合生成难溶物资，包覆在正极表面，严重影响正极性能，影响电池使用寿命。

随着人类海洋开发范围的不断扩大和深海探测的发展，水下传感器、水下机器人等仪器是人们进行海洋研究的必需助手，而这些仪器分布在深远海位置用于监测环境物理、化学因子变化的工作连续长期工作(可达数年或更长)则需要连续的电源驱动，在要求的工作期间内一旦使用自带电源消耗完毕，它们将失去相应的使用功能。目前，人们常用的几种供给电源方式(如，铅酸蓄电池，太阳能电池，高能锂电池，岸上电源等)均受到海底低温高压、天气、传输距离远等影响因素不能长期稳定提供电源，难以满足远距离长期探测的，故我们迫切需要研究新型电源技术以满足海洋开发和探测的需求。

发明内容

海底沉积物层(海泥)与海水相接，富含天然电解质，而其成分和组成较海水更为复杂和独特，研究表明镁合金在海底沉积物中能够大大减少自腐蚀，产电性能稳定。为了克服上述现有技术的不足，本发明专利提供了一种海底沉积物层镁阳极燃料电池实海装置设计，把镁阳极应用到海底沉积物中，正极碳纤维刷工作在海水中，开路电压在180V-1.95V之间，装置结构简单，成本低廉，易于布放和固定，能够减少镁阳极电极材料的自腐蚀，提高镁阳极产电的利用率，减少电池正极污损，延长电池使用寿命，这对于对海洋中电源长期的应用具有重大的意义。

本发明专利所采用的技术方案是：

1，一种海底沉积物层镁阳极燃料电池装置设计，装置主要由正极，负极，正负极连接环氧玻璃钢棒，集线密封盒，电缆，坠石及支撑七部分组成，整体采用焊接、螺栓、螺纹等连接方式固定。

2，电池装置采用金属框架，如不锈钢、钛等金属，分为上下单层或两层、内外多层分布。正极电极材料为导电碳纤维刷，为了防止发生电偶腐蚀影响使用效果，刷子骨架材料要和装置材料一致，紧密排列焊接到框架上。另外，碳纤维刷分为上下单层或两层，内外多层焊接到框架上，如此能有效提高电池正极材料的表面积，充分利用海水中的溶解氧，还能有效降低正极高度，减少海流潮汐对电池装置的影响，避免倒伏。

3，装置负极采用商业镁合金或镁牺牲阳极棒，以高强厚塑料板为基本框架。高强厚塑料板为方形或圆形，镁棒在塑料板上圆周均布，二者螺纹连接并加防水密封圈密封，在使用时需要把镁棒插入海底沉积物中，因此，在满足塑料板强度的条件下，在塑料板中心处挖空，以减少电池装置在实际放样时的海水阻力，便于负极顺利插入海底沉积物中，同时也能够防止装置下样时由于海水阻力造成的严重倾斜。

4，正负极装置之间通过环氧玻璃钢棒连接，环氧玻璃钢棒长度为40cm-100cm，强度通过环氧玻璃钢棒的粗细体现，要能够满足支撑正负极框架的拉压需求。环氧玻璃钢棒的主要作用为：(1)，连接正负极装置；(2)，起到绝缘作用，防止电池正负极发生短路；(3)，控制电池正负极之间距离，防止装置多年使用过程中在海底沉积物层下沉，保证电池正极工作在海水中，在满足以上条件的基础上尽量减少正负极之间距离，防止正极框架受到海流潮汐的冲刷而引起整个框架倒伏。

5，本电池装置电缆引出总线采用两芯或多芯单股电缆(其中多芯电缆合并为两芯使用)通过集线盒分别与电池正负极相连。采用单股电缆可以防止海底潮汐和暗流造成的电缆之间相互缠绕甚至扭断。

6，由于负极每根镁棒都需引出导线，这将导致引线数量较多，为了保证导线之间的密封，因此本发明专利需要设计集线盒，电池正负极导线分别引入到集线盒中用环氧树脂密封接线头，与引出总线连接。

7，为了保证镁阳极在海底沉积物中的位置，本发明专利装置设计了配重坠石。考虑到更好的固定电池装置在海底位置，防止装置整体在海流及潮汐的作用下发生倾斜移动，降低装置重心，坠石设计为圆环形，位于电池负极上方，以套入整个电池装置为宜。为此，高强厚塑料板四角处配套设计8个外伸环氧玻璃钢棒，坠石固定在8根承重棒上，最终所处位置为泥水界面处，可以作为电池装置在海底沉积物下样深度之标记。选用环氧玻璃钢棒承重大大简化了电池结构，降低电池下样时海水阻力，外伸环氧玻璃钢棒长度和尺寸以能够支撑固定坠石为宜，与高强厚塑料板通过连接块连接，连接块与环氧玻璃钢棒采用螺纹固定连接。在实际应用中，为了方便制作运输，也可以把坠石做成两半或4半，使用时现场拼接即可。

8，装置负极部位设计多根支撑架(如8～10根)，分别位于，正极装置等圆处多根(4～6根)，高强塑料板4角内侧处各一根。此支撑架在装置运输存放期间能够防止镁棒坐地受力，在使用时，可以根据实海情况选定支撑架长度，将支撑架插入到海底沉积物接近硬质层部位，能有效起到固定电池装置的位置，防止装置严重倾斜或下陷。

9，海底沉积物层镁阳极燃料电池开路电压在1.80V-1.95V之间，镁阳极易活化，能够经过升压板分别升压到5V，6V，9V，12V，24V，以适应水温仪、温深仪、温盐深仪、单通道水听器，海洋浮标等不同的海洋监测仪器使用。

与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：电池负极材料工作在海底沉积物层，能够减少镁阳极的自腐蚀速率，提高阳极利用率，减少正极碳纤维的污损，保证电池整体性能，正极能够优化碳纤维刷电极材料的分布，充分利用海水中的溶解氧。本发明专利解决了镁阳极在海底沉积物层应用的需求，装置整体结构紧凑稳定，易于实海布放并保持在海底状态及位置的稳定，电缆引线密封性良好，安全可靠。

附图说明

图1为海底沉积物镁阳极电池实海装置整体结构图；

其中：1，正极装置；2，正极装置支撑骨架；3，正负极组装连接块；4，正负极连接环氧玻璃钢棒；5，负极组装连接块；6，承重环氧玻璃钢棒；7，坠石；8，海底沉积物/海水分界面；9，装置支撑架；10，导电碳纤维刷；11，正极电缆引出接头；12，正极电缆线；13，负极电缆线；14，集线密封盒；15，坠石固定用孔；；16，高强厚塑料板；17，电缆引出总线；18，镁棒；19，仪器密封舱；20，电缆/镁棒密封接头。

图2为海底沉积物镁阳极电池实海装置正极结构示意图；

其中：1，正极装置支撑骨架；2，导电碳纤维刷；3，正负极连接环氧玻璃钢棒连接块；4，正极电缆引出接头。

图3为海底沉积物镁阳极电池实海装置负极结构示意图；

其中：1，负极电缆线引出接头；2，正负极连接用环氧玻璃钢棒连接孔；3，集线密封盒；4，负极组装连接块；5，电缆引出总线；6，装置支撑架；7，镁棒；8，承重环氧玻璃钢棒。

图4为海底沉积物镁阳极电池实海装置负极组装示意图；

其中：1，坠石；2，正负极框架连接环氧玻璃钢棒；3，坠石固定用孔。

图5为导电碳纤维刷示意图。

其中：1，碳刷金属骨架；2，导电碳纤维。

图6为海底沉积物层镁阳极燃料电池仪器海面浮标驱动示意图；

其中：1，浮标；2，平板；3，浮筏；4，电缆总线。

图7为图6为海底沉积物层镁阳极燃料电池仪器海底检测仪器驱动示意图；

其中：1电缆总线；2，仪器舱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

实施例1：

如图1所示，正极装置为钛金属结构，呈中空的圆柱体状上下两层，内外3层分布，直径分别为1.6m，1.2m，0.8m，装置添加4根粗细不同的金属骨架加强，保证其强度和稳定性。电池正极材料选用导电碳纤维刷(10)，碳刷直径为60mm，长度为30cm，分为上下两层、内外多层两两紧挨焊接到金属装置上。负极装置由高强厚塑料板(16)、承重环氧玻璃钢棒(6)，镁棒(18)，支撑架(9)组成。镁棒(18)共8根，为商用AZ31B镁合金，尺寸为650mm×Φ50mm，镁棒与塑料板之间通过螺纹连接，连接部位加密封垫圈，负极引出导线通过螺钉与镁棒固定接触，导线引出部位通过密封接头(20)加环氧树脂密封。正负极之间采用环氧玻璃钢棒连接，环氧玻璃钢棒长度为50cm。承重环氧玻璃钢棒(6)加连接块(5)与塑料板(16)通过螺栓紧固连接，分布在塑料板的四角处，共8根，长度为1m，起到支撑坠石(7)的作用。支撑架(9)共8根，其中4根位于与装置正极最大外圈等圆周位置，通过连接块(5)螺纹连接，保证装置的结构稳定性，另外4根分布在塑料板底面四角内侧，通过连接块(图4中2)螺纹连接，保护镁棒，防止在运输过程中镁棒着地受力。

考虑到镁棒和电缆连接的安全性，负极每根镁棒独立引出电缆，电缆在集线密封盒中汇总密封。集线密封盒(14)坐落在塑料板(16)上，为了方便线路分布，正极电缆引出部分(11)为正极装置的底部，正负极电缆通过电缆引出接头(11，20)接入集线密封盒(14)，由单股电缆总线(17)引出连接仪器。其中单股电缆总线选用两芯电缆，考虑到两芯电缆较细，强度不足，可以选用多芯单股电缆，其中多芯电缆合并为两芯电缆使用。圆环形坠石(7)外径为3m，高度为20cm，位置如图1所示，通过固定孔(15)与承重环氧玻璃钢棒固定，布放起重时起重坠石，通过重力作用，坠石将镁阳极和塑料板压入海底沉积物中，坠石底部位于海底沉积物/海水分界面(8)处，正极工作在海水中，从而实现海底沉积物层镁阳极燃料电池装置实海布放。

实施例2：

如图1所示，正极装置为钛金属结构，呈中空的圆柱体状上下两层，内外3层分布，直径分别为1.2m，0.8m，0.4m，装置添加4根粗细不同的金属骨架加强，保证其强度和稳定性。电池正极材料选用导电碳纤维刷(10)，碳刷直径为60mm，长度为30cm，分为上下两层、内外多层两两紧挨焊接到金属装置上。负极装置由高强厚塑料板(16)、承重环氧玻璃钢棒(6)，镁棒(18)，支撑架(9)组成。镁棒(18)共6根，为商用AZ31B镁合金，尺寸为650mm×Φ50mm，镁棒与塑料板之间通过螺纹连接，连接部位加密封垫圈，负极引出导线通过螺钉与镁棒固定接触，导线引出部位通过密封接头(20)加环氧树脂密封。正负极之间采用环氧玻璃钢棒连接，环氧玻璃钢棒长度为30cm。承重环氧玻璃钢棒(6)加连接块(5)与塑料板(16)通过螺栓紧固连接，分布在塑料板的四角处，共8根，长度为0.5m，起到支撑坠石(7)的作用。支撑架(9)共8根，其中4根位于与装置正极最大外圈等圆周位置，通过连接块(5)螺纹连接，保证装置的结构稳定性，另外4根分布在塑料板底面四角内侧，通过连接块(图4中2)螺纹连接，保护镁棒，防止在运输过程中镁棒着地受力。

考虑到镁棒和电缆连接的安全性，负极每根镁棒独立引出电缆，电缆在集线密封盒中汇总密封。集线密封盒(14)坐落在塑料板(16)上，为了方便线路分布，正极电缆引出部分(11)为正极装置的底部，正负极电缆通过电缆引出接头(11，20)接入集线密封盒(14)，由单股电缆总线(17)引出连接仪器。其中单股电缆总线选用两芯电缆，考虑到两芯电缆较细，强度不足，可以选用多芯单股电缆，其中多芯电缆合并为两芯电缆使用。圆环形坠石(7)外径为2m，高度为15cm，位置如图1所示，通过固定孔(15)与承重环氧玻璃钢棒固定，布放起重时起重坠石，通过重力作用，坠石将镁阳极和塑料板压入海底沉积物中，坠石底部位于海底沉积物/海水分界面(8)处，正极工作在海水中，从而实现海底沉积物层镁阳极燃料电池装置实海布放。

实施例3：

如图1所示，正极装置为不锈钢金属结构，呈中空的圆柱体状上下两层，内外3层分布，直径分别为1.6m，1.2m，0.8m，装置添加4根粗细不同的金属骨架加强，保证其强度和稳定性。电池正极材料选用导电碳纤维刷(10)，碳刷直径为60mm，长度为30cm，分为上下两层、内外多层两两紧挨焊接到金属装置上。负极装置由高强厚塑料板(16)、承重环氧玻璃钢棒(6)，镁棒(18)，支撑架(9)组成。镁棒(18)共8根，为商用AZ31B镁合金，尺寸为650mm×Φ50mm，镁棒与塑料板之间通过螺纹连接，连接部位加密封垫圈，负极引出导线通过螺钉与镁棒固定接触，导线引出部位通过密封接头(20)加环氧树脂密封。正负极之间采用环氧玻璃钢棒连接，环氧玻璃钢棒长度为50cm。承重环氧玻璃钢棒(6)加连接块(5)与塑料板(16)通过螺栓紧固连接，分布在塑料板的四角处，共8根，长度为1m，起到支撑坠石(7)的作用。支撑架(9)共8根，其中4根位于与装置正极最大外圈等圆周位置，通过连接块(5)螺纹连接，保证装置的结构稳定性，另外4根分布在塑料板底面四角内侧，通过连接块(图4中2)螺纹连接，保护镁棒，防止在运输过程中镁棒着地受力。

实施例4：

如图1所示，正极装置为不锈钢金属结构，呈中空的圆柱体状上下两层，内外3层分布，直径分别为1.2m，0.8m，0.4m，装置添加4根粗细不同的金属骨架加强，保证其强度和稳定性。电池正极材料选用导电碳纤维刷(10)，碳刷直径为60mm，长度为30cm，分为上下两层、内外多层两两紧挨焊接到金属装置上。负极装置由高强厚塑料板(16)、承重环氧玻璃钢棒(6)，镁棒(18)，支撑架(9)组成。镁棒(18)共6根，为商用AZ31B镁合金，尺寸为650mm×Φ50mm，镁棒与塑料板之间通过螺纹连接，连接部位加密封垫圈，负极引出导线通过螺钉与镁棒固定接触，导线引出部位通过密封接头(20)加环氧树脂密封。正负极之间采用环氧玻璃钢棒连接，环氧玻璃钢棒长度为30cm。承重环氧玻璃钢棒(6)加连接块(5)与塑料板(16)通过螺栓紧固连接，分布在塑料板的四角处，共8根，长度为0.5m，起到支撑坠石(7)的作用。支撑架(9)共8根，其中4根位于与装置正极最大外圈等圆周位置，通过连接块(5)螺纹连接，保证装置的结构稳定性，另外4根分布在塑料板底面四角内侧，通过连接块(图4中2)螺纹连接，保护镁棒，防止在运输过程中镁棒着地受力。

实施例5：

如图6所示，本发明装置组装的电池开路电压为1.80V-1.95V之间，通过升压板可以升压到5V、6V、12V、24V等，电缆由海底引出，驱动工作在海面上的海洋浮标等工作设备长期持续平稳工作，是固定位置海洋监测仪器长久持续驱动的理想电源。

实施例6：

本发明专利装置组装的电池开路电压为1.80V-1.95V之间，通过升压板可以升压到5V、6V、12V、24V等，用于驱动工作在海底的水温仪、温深仪、温盐深测试仪，单通道水听器等海洋检测仪器长期持续平稳工作，是固定位置海洋监测仪器长久持续驱动的理想电源。

Claims

1.本发明专利公开了一种海底沉积物层镁阳极燃料电池实海装置，其装置特征是：分别以导电碳纤维刷阴极、镁合金阳极作为电池正、负极材料，海底沉积物层作为电解质环境，直接把镁阳极及支撑架插入到海底沉积物层，阴极碳纤维刷工作在海水中，其中，负极的镁阳极作为电子供体提供电子，正极碳纤维刷以海水中的溶解氧作为正极氧化剂，构成电池装置。

2.根据权利要求1所述的一种海底沉积物层镁阳极燃料电池实海装置，其特征在于：本发明专利设计并优化了装置的正负极电池结构构架，正负极连接方式，电缆连接方式，坠石及支撑设计。

3.根据权利要求2所述的一种海底沉积物层镁阳极燃料电池实海装置，其特征在于：装置正极框架为不锈钢或钛金属结构，呈多层中空的圆形结构，电极材料为导电碳纤维刷，分为上下单层或双层、内外多层分布焊接到金属框架上，正极工作在海水中。

4.根据权利要求2所述的一种海底沉积物层镁阳极燃料电池实海装置，其特征在于：装置负极结构为镁棒均匀圆周分布在高强厚塑料板上，镁棒与高强塑料板以螺纹连接，连接部位采用防水垫圈及环氧树脂密封。

5.根据权利要求2所述的一种海底沉积物层镁阳极燃料电池实海装置，其特征在于：装置正负极之间以高强绝缘材料连接(如，环氧玻璃钢棒，工程塑料等)。

6.根据权利要求2所述的一种海底沉积物层镁阳极燃料电池实海装置，其特征在于：装置负极部位设计多根支撑架，分别位于正极装置等圆处及高强塑料板4角内侧处均布。

7.根据权利要求2所述的一种海底沉积物层镁阳极燃料电池实海装置，其特征在于：在保证塑料板强度的基础上，装置负极的高强塑料板中间挖空处理。

8.根据权利要求2所述的一种海底沉积物层镁阳极燃料电池实海装置，其特征在于：坠石为一个整体圆环形，用于固定电池装置在海底位置，在实际应用中所处位置为海水/海底沉积物层界面处，亦为电池装置在海底沉积物下样深度之标记物。

9.根据权利要求2所述的一种海底沉积物层镁阳极燃料电池实海装置，其特征在于：坠石由8根足够长的环氧玻璃钢棒承重，8根承重棒通过连接块与高强环氧板固定连接。

10.根据权利要求1所述的一种海底沉积物层镁阳极燃料电池实海装置及驱动海洋监测仪器运行，其特征在于：该装置开路电压为1.80V-1.95V之间，经过升压板分别升压到5V，6V，9V，12V，24V，驱动不同海洋监测仪器(水温仪、温深仪、温盐深仪、单通道水听器、小型浮标)长期运行。