CN111446476B - 一种沉积物型微生物燃料电池长期供电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微生物燃料电池技术领域，具体涉及一种阵列型排布的水下沉积物型微生物燃料电池长期供电装置，主体结构包括供电单元和储能元件，若干个供电单元以并联的方式连接在储能元件的两端，等效电路为各供电单元以并联的方式连接在储能元件的两端，采用阵列型结构，将单个供电单元直接与储能元件连接，通过多级串并联的方式，提高沉积物型微生物燃料电池长期供电装置的输出电压或输出电流，进而有效提高沉积物型微生物燃料电池的运行稳定性，单个供电单元出现故障后，仍能保证整个沉积物型微生物燃料电池长期供电装置正常运行；其结构简单，能够实现高功率的能量输出，为大功耗用电器提供长期稳定的水下能源供给。

Description

一种沉积物型微生物燃料电池长期供电装置
技术领域：
本发明属于微生物燃料电池技术领域，具体涉及一种阵列型排布的水下沉积物型微生物燃料电池长期供电装置。
背景技术：
沉积物型微生物燃料电池(SMFCs)是一种布放在海底、湖底或河底等天然水体中的生物电化学装置。沉积物中蕴藏着丰富的有机物和产电微生物，为SMFCs的连续产电提供了充足的物质基础和生物基础。
沉积物型微生物燃料电池(SMFCs)能够为水下低功耗监检测设备提供长期稳定的原位电能，例如：中国专利201010177557.4公开的海泥/海水生物燃料电池系统，利用海泥电池产生的电流，在深远海条件下，为海水或海泥中的金属结构物、钢筋混凝土结构提供外加阴极电流，起到减缓或抑制腐蚀的作用；中国专利201410054687.7公开的一种利于实海使用的海底沉积层微生物燃料电池装置，电池的正负极材料均为导电碳纤维刷，阴阳极碳纤维刷；当布放在海底后，阴极放置在天然海水中，阳极放置在海底沉积物中，装置可实现稳定的电流输出，并驱动仪器运行；中国专利201510126394.X公开的一种有机污染物降解原位监测用海底沉积层生物燃料电池传感器系统，依据海底沉积层生物燃料电池电催化降解原理，电池负极插入海底沉积层(简称海泥)中，正极放置在海水中，沉积层细菌代谢分解污染物产生电子，转移到负极表面，进入电路和正极，构成回路；电池连接数据采集仪、控制器和远程监控系统，测试传感器系统的电流和电压，通过电流监测评价有机污染物降解速率，利用产电微生物能够自发的在海泥电池阳极表面富集的特点，加速降解海底沉积物中有机物的同时产生电能，能够实现海泥中有机污染物的快速去除并驱动海底低功耗用电设备，此外，可根据电池系统产生的电信号的变化，监测污染物的降解率，实现污染物降解的原位监测；中国专利201510125385.9公开的一种海洋监测仪器用海底沉积层燃料电池电源长期供电系统，采用模块化设计，分别包括海底沉积层燃料电池正极模块、负极模块、升压模块、储能模块、海洋监测仪器模块、信息转化与传输模块、控制模块；其中海底沉积层燃料电池利用海底沉积层作为电池负极的导电电解质，电池负极模块置于海底沉积层中，电池正极模块置于海水中，以海水作为导电电解质，正极模块和负极模块通过外部电路相连接构成电池电源；其中，电池电源产生的电能通过电容器储存，满足仪器启动和采样所需的电能后，电池不断为电容器充电，从而满足仪器对电能的长期需求或满足仪器工作所需较大的峰值功率需求；系统通过控制模块调节电能需求，当信息转化与传输模块工作时，控制监测仪器暂停采样，前者工作结束，恢复监测仪器工作状态，将海泥电池布放在海水/海泥界面后，电池的正负极与升压转换器相连接，实现低电压向高电压的转换，然后将电能储存在超级电容中，储存在电容器内的电能可直接供给用电器。
上述专利产品及现有技术中的SMFCs仍然存在输出功率低，运行稳定性差等问题，并且驱动用电器后往往需要较长的休眠时间以积累电能，这就限制了SMFCs的实际应用。研究学者们采用电极改性、预植产电微生物、设计电池构型以及添加电源管理系统等方式，极大地改善了SMFCs的产电性能。但是，SMFCs的性能仍比较差，无法满足长期功能的需求。此外，由于电极材料在海底处于同一电解质中，无法通过串联或并联的方式实现电流的增大或电压的升高。因此，为了提高SMFCs的实用性，研发设计一种阵列型排布的SMFCs系统，以实现电池性能的极大改善。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种沉积物型微生物燃料电池长期供电装置，采用阵列型排布结构，提高SMFCs的输出电压和运行稳定性，为水下警戒设备提供长期稳定的原位电能。
为了实现上述目的，本发明涉及的沉积物型微生物燃料电池长期供电装置的主体结构如图1所示，包括供电单元和储能元件；若干个供电单元以并联的方式连接在储能元件的两端。
本发明涉及的供电单元的主体结构如图2所示，包括阴极、阳极和电源管理系统；阴极和阳极分别与电源管理系统连接。
本发明涉及的阴极为导电性能好、比表面积较大且材质较轻的碳纤维刷或碳纤维织物；阳极为碳纤维刷、碳纤维织物或碳板。
本发明涉及的沉积物型微生物燃料电池长期供电装置使用时，将阴极置于水体中，阳极埋置于沉积物中，阴极和阳极通过导线分别与电源管理系统的正负极连接，经过电源管理系统后，电压升高，产生的电能储存在储能元件中。
本发明涉及的沉积物型微生物燃料电池长期供电装置的等效电路图如图3所示，各供电单元以并联的方式连接在储能元件的两端。
本发明涉及的沉积物型微生物燃料电池长期供电装置的集成化连接方式如图4所示，将碳纤维丝或碳纤维织物固定在防水导线上作为阳极，阴极和阳极分别与电源管理系统的正极和负极连接，防水导线的一端与储能元件连接，另一端延伸并与下一个供电单元连接，到达末端后，用环氧树脂密封。
本发明与现有技术相比，采用阵列型结构，将单个供电单元直接与储能元件连接，通过多级串并联的方式，提高沉积物型微生物燃料电池长期供电装置的输出电压或输出电流，进而有效提高沉积物型微生物燃料电池的运行稳定性，单个供电单元出现故障后，仍能保证整个沉积物型微生物燃料电池长期供电装置正常运行；其结构简单，能够实现高功率的能量输出，为大功耗用电器提供长期稳定的水下能源供给。
附图说明：
图1为本发明的主体结构原理示意图。
图2为本发明涉及的供电单元的主体结构原理示意图。
图3为本发明的等效电路示意图。
图4为本发明的集成化连接方式示意图。
图5为本发明涉及的集成化沉积物微生物燃料电池供电装置的主体结构原理示意图。
图6为本发明涉及的沉积物微生物燃料电池供电网络的主体结构原理示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1：
本实施例涉及的沉积物型微生物燃料电池长期供电装置的主体结构包括供电单元1和储能元件2；若干个供电单元1以并联的方式连接在储能元件2的两端；供电单元1的主体结构包括阴极11、阳极12和电源管理系统13；阴极11和阳极12分别与电源管理系统13连接；阳极11和阴极12为尺寸相同的碳纤维刷，长度为50cm-100cm，直径为10cm-20cm，阴极11的个数是阳极12的个数的2-3倍，以保障阴极11的氧还原反应不受阻碍。
实施例2：
本实施例涉及的沉积物型微生物燃料电池长期供电装置的主体结构与实施例1相同；阳极11和阴极12为尺寸相同的碳纤维织物，长度为30cm-50cm，宽度为20cm-30cm，阴极11的个数是阳极12的个数的3-4倍，以保障阴极11的氧还原反应不受阻碍。
实施例3：
本实施例涉及的沉积物型微生物燃料电池长期供电装置阵列排布时，形成集成化沉积物型微生物燃料电池长期供电装置，如图5所示，若干个供电单元1以并联的方式连接在储能元件2的两端，每个供电单元1的后面又串联若干个供电单元1，构成线状阵列型结构，防水导线10将所有电源管理系统13与储能元件2连接后，形成集成化结构；阴极11为碳纤维刷或碳布，阳极材料(碳纤维丝)以耐蚀金属(钛丝)为电子集流体，紧密缠绕在防水导线10上形成阳极12，阴极11和阳极12分别与电源管理系统13连接。
实施例4：
本实施例涉及的沉积物型微生物燃料电池长期供电装置扩大化阵列排布时，形成沉积物型微生物燃料电池长期供电网络，如图6所示，由若干个集成化沉积物型微生物燃料电池长期供电装置并联/串联组成，能够提高输出电压和输出电流，用于驱动大功耗用电器。

Claims (5)

1.一种集成化沉积物型微生物燃料电池长期供电装置，主体结构包括供电单元和储能元件；其特征在于，供电单元的主体结构包括阴极、阳极和电源管理系统；阴极和阳极分别与电源管理系统连接；经过电源管理系统后，电压升高，产生的电能储存在储能元件中；若干个供电单元以并联的方式连接在储能元件的两端，每个供电单元的后面又串联若干个供电单元，构成线状阵列型结构，防水导线将所有电源管理系统与储能元件连接后，形成集成化结构；阴极为碳纤维刷或碳布，阳极材料以耐蚀金属为电子集流体，缠绕在防水导线上形成阳极，阴极和阳极分别与电源管理系统连接；
集成化连接方式为：将碳纤维丝或碳纤维织物固定在防水导线上作为阳极，阴极和阳极分别与电源管理系统的正极和负极连接，防水导线的一端与储能元件连接，另一端延伸并与下一个供电单元连接，到达末端后，用环氧树脂密封；
扩大化阵列排布时，形成沉积物型微生物燃料电池长期供电网络，由若干个集成化集成化沉积物型微生物燃料电池长期供电装置并联/串联组成，能够提高输出电压和输出电流，用于驱动大功耗用电器。
2.根据权利要求1所述的集成化沉积物型微生物燃料电池长期供电装置，其特征在于，阴极为碳纤维刷或碳纤维织物；阳极为碳纤维刷、碳纤维织物或碳板。
3.根据权利要求1或2所述的集成化沉积物型微生物燃料电池长期供电装置，其特征在于，使用时，将阴极置于水体中，阳极埋置于沉积物中，阴极和阳极通过导线分别与电源管理系统的正负极连接，经过电源管理系统后，电压升高，产生的电能储存在储能元件中；阴极的个数是阳极的个数的2-4倍。
4.根据权利要求2所述的集成化沉积物型微生物燃料电池长期供电装置，其特征在于，阳极和阴极的尺寸相同，长度为50cm-100cm，直径为10cm-20cm。
5.根据权利要求2所述的集成化沉积物型微生物燃料电池长期供电装置，其特征在于，阳极和阴极的尺寸相同，长度为30cm-50cm，宽度为20cm-30cm。
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