KR20200123077A - 원격-배치 해저 미생물 연료 전지 - Google Patents

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KR20200123077A
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제프리 더블유 북
레오나드 엠 텐더
조엘 피 골든
앤드류 제이 퀘이드
이안 마틴
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더 거버먼트 오브 더 유나이트 스테이츠 오브 아메리카 애즈 레프리젠티드 바이 더 씨크리터리 오브 더 네이비
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Abstract

원격-배치 해저 미생물 연료 전지가 제공되며, 뿐만 아니라 해저 미생물 연료 전지의 배치 방법이 제공된다. 원격-배치 해저 미생물 연료 전지는 계류장을 가지며, 계류장은 베이스 유닛 및 베이스 유닛의 바닥부의 둘레에 장착된 복수의 닻혀를 포함하며, 복수의 닻혀는 보관 위치에서 배치 위치로 자동적으로 이동하도록 미리구성된다. 해서 미생물 연료 전지는, 베이스 유닛의 바닥부에 장착되어 있으며 배치 위치에 있을 때 복수의 닻혀에 의하여 무산소 챔버에서 산소 함유된 물로부터 격리되어 있는 애노드를 포함한다. 해저 미생물 연료 전지는 무산소 챔버 외부의 베이스 유닛에 부착되어 있으며, 원격-배치 바닥 계류장이 배치될 때 산소 함유된 물에 있는 캐소드를 더 포함한다.

Description

원격-배치 해저 미생물 연료 전지
본 출원은, 35 U.S.C.§119(e)에 따라서, 2017년 9월 26일자로 출원된 미국 가출원 제 62/563,267호에 기초하여 우선권 주장하는 그의 정규출원이다.
향후 수십 년 동안 기대되는 해양 연구의 주요 초점은, 현장 및 원격 감지 기술을 통하여 관찰되는 물리적 및 생체-광학적 프로세서의 공간/시간 변동성에 있으며, 이들 물리적 및 생체-광학적 프로세서를 모델링하는 것에 있다. 실시간으로, 장기간 동안, 다량의 해양 파라미터를 측정하고, 알고리즘 개발을 용이하게 하고, 생체-광학적 및 물리적 현상을 연관시키고, 현상을 해양 모델로 통합하기 위하여 도구가 필요하게 될 것이다. 연속적인 장기간의 기록은, 선반모양지층(shelf)의 변이 지대 및 해안 지대에 작용하는 작고 미세한 규모의 공간적 및 시간적 프로세스를 해결할 필요가 있을 수 있는데, 예를 들어, 이것으로 제한되지는 않지만, 바람 현상, 침전물의 재현탁 및 이송, 조수의 영향, 연안류(long shore current), 및 이안류(offshore current) 침입을 해결할 필요가 있을 수 있다.
대양저(seafloor)에 장착된 전자 장치의 장기간의 배치(수 개월에서 수년)는 해양학적, 지질학적 그리고 생물학적 프로세스에 대한 데이터를 얻고, 천연자원 채취를 감시하고, 해군 방위 감시 및 통신을 위한 일반적인 일이다. 이들 시스템은 해안선 또는 케이블 관측소 근처의 지역과 같이, 관심 영역에 접근하는 것이 가능한 비교적 드문 상황을 제외하면, 모든 경우에 자가-전력공급을 해야 한다. 일반적으로, 이 전력은, 종래의 저장된 화학 전지로부터 생성한다. 운동하는 장치 및 회전형 발전기를 통한 해양 에너지의 기계적 전이를 수반하여 자가-전력을 발생시키는 안은 운동하는 부품들의 생물-부착에 의한 실패의 위험이 크다. 해저 미생물 연료 전지(BMFC; Benthic microbial fuels cells)는, 해저 침전물 및 자유 유동 해수 각각에 있는 전극 간을 가로지르는 전압전위를 계발하기 위하여 생-화학 프로세스를 사용하는 전력을 생성하는 비-기계적 방법이다. BMFC의 일 예가 미국 특허번호 제 8,012,616호에 개시되어 있다. 이들 시스템은, 장기간의 일정한 전력 생성 계발에서의 전망을 보여준다. 성공적인 해저 미생물 연료 전기의 개발은 지금까지는 다이버 및 수중 원격 조정 장비(ROV; remotely operated underwater vehicle)가 설치된 시스템 및 어레이(array)에 한정되어 있다.
다양한 형태 및/또는 그의 실시형태를 포함하여 여기서 설명된 본 발명은, 원격-배치된 해저 미생물 연료 전지와 그 해저 미생물 연료 전지를 배치하는 방법을 제공함으로써, 당업계와 다른 업계의 충족되지 않은 요구를 충족시킨다.
본 발명의 일 형태에 있어서, 원격-배치 바닥 계류장(mooring)은, 베이스 유닛(base unit)과, 베이스 유닛의 바닥부의 둘레에 장착된 복수의 닻혀(fluke)를 구비하며, 복수의 닻혀는 보관 위치에서 배치 위치로 자동적으로 이동하도록 미리구성되어 있으며, 복수의 닻혀 중 각 닻혀는 보관 위치에 있을 때 베이스 유닛의 측부에 인접해 있으며, 복수의 닻혀 중 각 닻혀는 배치 위치에 있을 때 수역의 바닥에서 인접하는 닻혀와 겹쳐져 있으며; 해저 미생물 연료 전지로서, 베이스 유닛의 바닥부에 장착된 애노드로서, 자체-매립되는 바닥 계류장이 배치될 때 수역의 바닥에 매립되며, 배치 위치에 있을 때 복수의 닻혀에 의하여 무산소 챔버에서 산소 함유된 물로부터 격리되는 애노드와, 무산소 챔버 외부의 베이스 유닛에 부착되어 있으며, 원격-배치 바닥 계류장이 배치될 때 산소 함유된 물에서 부유하는 캐소드와, 애노드와 캐소드 사이의 회로 상에 있는 하나 이상의 센서 장치를 더 구비한다.
본 발명의 다른 형태에 있어서, 해저 미생물 연료 전지의 배치 방법은, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지의 복수의 닻혀를 보관 위치로 위치결정하는 것으로, 보관 위치에 있을 때 복수의 닻혀의 각 닻혀는 원격-배치 해저 미생물 연료 전지의 베이스 유닛에 인접하고 있으며; 수역의 바닥으로 원격-배치 해저 미생물 연료 전지를 아래로 내리고, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지로 릴리즈(release) 신호를 송신하는 것으로, 여기서 릴리즈 신호에 응하여, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지는 보관 위치에서 배치 위치로 이동하며 복수의 닻혀의 각 닻혀는 배치 위치에 있을 때 수역의 바닥에서 인접하는 닻혀와 겹쳐져 있으며; 해저 미생물 연료 전지에 의하여 생성된 전류로 수중 작업을 행하는 것으로, 여기서 해저 미생물 연료 전지의 애노드는 배치 위치에 있을 때 복수의 닻혀에 의하여 산소 함유된 물로부터 격리되어 있는 것을 구비한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 본 발명을 따르는 연구 또는 본 발명의 실행에 의한 학습시에 당업자에게 뚜렷하게 될 것이다.
도 1은 일 예의 원격-배치 해저 미생물 연료 전지의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 일 예의 원격-배치 미생물 연료 전지의 바닥부의 측면도이다.
도 3은 일 예의 원격-배치 해저 미생물 연료 전지의 저면도이다.
도 4는 원격-배치 해저 미생물 연료 전지의 제1 예이다.
도 5a는 원격-배치 해저 미생물 연료 전지의 제2 예이다. 도 5b는 도 5a에 도시된 빌레잉핀(belaying pin)을 나타낸다. 도 5c는 해저 미생물 연료 전지의 배치 전에 라인과 빌레잉핀의 배열을 나타낸다.
도 6은 원격-배치 해저 미생물 연료 전지의 시험 배치 중에 생성된 전력을 보여주는 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 원격-배치 해저 미생물 연료 전지의 작업 방법의 일 예의 흐름도이다.
해저 미생물 연료 전지의 사용이 비용 효율적이기 위하여는, 저가로 용이하게 배치되는 설계가 요구된다. 또한, 해저 미생물 연료 전지는, 애노드의 산소가 해저 미생물 연료 전지의 완전고장을 일으키기 때문에, 계류장 밑에 있는 애노드로 산소가 도달하는 것을 방지해야 한다. 일반적으로, 계류장은 산소가 애노드에 도달하는 많은 경로를 제공하는, 불규칙하고 예측할 수 없는 방식으로 바닥에 놓인다. 따라서, (1) 해양 바닥의 불균일성을 극복할 수 있고, (2) 해양류에 의하여 쉽게 변위 되지 않는 계류장의 주변에 가요성의 밀봉(flexible seal)을 만드는 혁신적인 기술이 요구된다.
대양저 계면에서 불침투성 산소 장벽을 실현하는 신뢰할 수 있는, 자체-배치 기술은, 심해 해저 미생물 연료 전지-전력공급된 전자 시스템에서의 다이버와 ROV 지원의 필요성을 없앨 수 있다. 여기서 설명되는 원격-배치 해저 미생물 연료 전지는, 꽃잎형 배향으로 서로 맞물려 있는 방사상으로 장착된 다수의 비대칭 고무 "닻혀"의 아래에 장착되어 있는 흑연 애노드의 조합으로, 그 닻혀의 무리를 "스커트(skirt)"라고 한다. 이웃하는 닻혀에 대하여, 닻혀들은 앞의 닻혀와는 위로 겹쳐져 있고, 뒤의 닻혀와는 아래로 겹쳐져 있다. 길쭉한 등지느러미처럼 형성되어서, 닻혀들은 여러 개의 비평행 주름선에서 접힐 수 있고, 다른 면에서 보면, 하나의 비탄성 닻혀가 복잡한 곡선인 것처럼 보이게 한다. 스커트 둘레의 복잡한 곡선 무리는 균일하지 않은 땅에 그것이 형성할 수 있게 하고, 그 겹침은 닻혀 사이의 밀봉을 강화한다.
본 발명의 어떤 형태에 있어서는, 닻혀는, 천연 고무 또는 합성 고무 등, 해양의 환경에서 사용하기에 적합한 가요성 재료로 형성된다. 실리콘 고무, 스틸렌-부타디엔 고무(SBR; styrene-butadiene rubber), 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무(EPDM; ethylene propylene diene monomer rubber), 네오프렌 고무, 범용 고무, 및 니트릴(nitrile) 고무가 닻혀를 형성하기 위하여 사용될 수 있는 재료의 예이다. 다른 합성 재료 또는 플라스틱은 산소가 침투되지 않고 계류장의 수명기간 동안 생분해되지 않거나 부식되지 않기만 하면 사용될 수 있다. 닻혀 재료의 가용성은, 그들의 배치 위치를 유지하지 못하게 하는 해류에 의하여 닻혀가 밀려 올려져서 산소 함유된 물이 애노드에 도달하게 되는 것을 방지하기에 충분한 강성의 요구와 균형을 이룬다. 애노드 주변에서 무산소성 환경을 유지할 수 없는 닻혀는 해저 미생물 연료 전지의 실패를 가져온다.
닻혀는, 수역의 바닥에 배치될 때 그들의 가요성 및 강건성을 유지할 수 있는 임의의 두께로 제공될 수 있다. 이 두께는 닻혀를 형성하기 위하여 사용되는 특정 재료에 의존하여 달라질 수 있다. 본 발명에 따라서 사용될 수 있는 일 예의 닻혀 두께는, 약 0.3cm(약 0.125"), 약 0.6cm(약 0.25"), 약 0.9 cm(약 0.375") 및 약 1.3cm(약 0.5")이지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
닻혀는, 보관 구성일 때에는 쉘(shell)에 기대어 안전하게 접힐 수 있으며, 배치 구성일 때에는, 인접한 닻혀와 충분히 겹치게 하여 애노드 주변에 무산소 환경을 생성하고, 애노드가 산소 포함된 물과 접촉하는 것을 방지할 수 있기만 하면, 그 형태에 관하여는 특별히 제한되지 않는다. 일 형태에 있어서, 닻혀는, 외측 가장자리는 거의 반원호를 따르며, 내측 가장자리는 외측 가장자리보다 덜 만곡되어 있는, 꽃잎처럼 구성되어 있다. 닻혀의 내측 가장자리는 인접하는 닻혀의 외측 가장자리와 겹쳐져 있다.
즉, 멀티-소자 "닻혀 스커트"와 개별 고무 닻혀의 방사상 비대칭은 기복이 있는 바닥(contoured bottom)으로 형성하는 스커트의 능력을 증가시킨다. 내측 가장자리보다 큰 호를 따라서 닻혀의 외측 가장자리를 연장함으로써, 이 비-탄성 고무는, 단일 스커트 혹은 방사적으로 완전한 대칭인 플랩(flap)을 구성하는 스커트에서는 가능하지 않을 수 있는 유사-합성 곡선을 형성한다. 닻혀의 겹침은 모양이 이쁘지 않은 닻혀가 두 개의 인접하는 닻혀로 밀봉을 형성하게 한다. 또한, 범용 고무를 사용하는 것은 닻혀 기능을 위한 필수 가용성 및 강건성을 제공한다.
도 1을 참조하면, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지(100)는, 이것으로 한정되는 것은 아니지만, 닻혀(102), 쉘(104) 및 바닥-장착된 애노드(106)를 포함하는 것을 보여준다. 닻혀(102)는, 배치 상태에서 미생물 연료 전지(100)가 수역의 바닥에 앉아 있을 때에 대하여 도시되어 있다. 닻혀(102)는 쉘(104)의 바닥에 장착되어 있으며, 배치될 때에는 겹쳐져 있어서, 무산소 챔버가 바닥-장착된 애노드(106) 주변에 생성된다. 쉘(104)은, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지(100)에 의하여 전력공급되는, 센서 장치, 통신 장치, 배터리 등 다양한 장치들(미도시)을 보관할 수 있다.
바닥-장착된 애노드(106)는 쉘(104)의 바닥에 장착되어서, 연료 전지(100)가 수역의 바닥으로 떨어질 때, 스스로를 깊숙이 파묻을 수 있다. 애노드(106)에서의 침전물 내의 유기 물질의 산화 및 캐소드(미도시)에서의 산소의 환원으로부터 전기전위가 발생한다. 전력-소비 장치(예를 들어 쉘(104) 내에 보관된 다양한 장치들)가 이 회로로 삽입되면, 전기 전류가 애노드(106)에서 캐소드로 흐를 것이다. 닻혀(106)에 의하여 생성된 무산소 챔버는, 산소 함유된 물이 애노드(102)에 도달하는 것을 방지하고, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지 회로(예를 들어 단락 회로)를 포함하지 않는, 유기 물질의 산화를 위한 다른 전자 경로를 생성한다.
도 2a는 일 예의 보관 구성의 원격-배치 해저 미생물 연료 전지(200)의 바닥부의 측면도이다. 닻혀(202)는 "닫힌 꽃" 형상으로 들어올려져 있어서 쉘(204)의 측부에 인접해 있다. 바닥-장착된 애노드(206)는, 연료 전지(200)가 보관 구성일 경우에는 노출되어 있다. 연료 전지(200)의 보관 구성은 연료 전지(200)의 보관, 이송 및 배치에 이용된다. 닻혀(202)는, 릴리즈 될 때, 도 2b에 도시된 배치 구성으로 되도록 되어 있다.
도 2b는 일 예의 배치 구성의 원격-배치 해저 미생물 연료 전지(200)의 바닥부의 측면도이다. 연료 전지(200)가 배치된 후에, 닻혀(202)가 릴리즈 되어, 도시된 배치 위치로 내려간다. 배치 위치에서, 각 닻혀(202)는 그의 인접하는 닻혀(202)와 겹쳐져 있어서, 밀봉 공간이 수역의 바닥에 생성된다. 배치 구성에 있어서, 바닥 장착된 애노드(206)는 닻혀(202)에 의하여 산소 함유된 물로부터 보호된다. 닻혀는, 바닥(즉, 대양저)과 접촉할 때, 예측할 수 없는 방식으로 서로 엉키고 겹쳐져서, 닻혀 사이에서 필요한 밀봉 형성을 방해할 수 있기 때문에, 연료 전지는, 이미 배치 위치에 있는 닻혀를 가지고는 배치되지 않는다.
도 3은 일 예의 배치 구성의 원격-배치 해저 미생물 연료 전지(300)의 저면도이다. 각 닻혀(309)는 외측 가장자리(307)와 내측 가장자리(309)를 갖는다. 각 닻혀(302)의 내측 가장자리(309)는 인접하는 닻혀(302)의 외측 가장자리(307)에 의하여 겹쳐져 있어서, 밀봉된 무산소 챔버를 수역의 바닥에 생성한다. 도 3은 8개의 닻혀(302)가 도시되어 있으나, 임의의 수의 닻혀(302)가 유사한 결과를 얻기 위하여 사용될 수 있다. 각 닻혀(302)의 외측 가장자리(307)는 반원호를 거의 따르고 있으며, 내측 가장자리(309)는 그 반원호의 직경의 약 반 정도를 거의 따르고 있다. 다시 말하면, 각 닻혀(302)는 돌고래의 등지느러미와 다소 유사하게 형성되어 있다.
닻혀(302)는 쉘(미도시)의 바닥에 장착되어 있으며, 바닥-장착된 애노드(306)의 둘레는 닻혀 장착대와 포개져 있다. 따라서, 닻혀(302)가 배치될 때, 무산소 챔버가 바닥-장착된 애노드(306) 주변에 생성된다. 바닥-장착된 애노드(306)는 애노드(306)의 성능을 개선하기 위하여 탄소 섬유 병솔(미도시)을 또한 포함할 수 있는 그레이팅(grating)이다. 이 경우에, 탄소 섬유 병솔은 링으로 형성되어 애노드(306)에 장착될 수 있다. 연료 전지(300)가 배치될 때, 탄소 섬유 병솔은 수역의 바닥의 침전물에 매립된다.
본 발명의 원격-배치 해저 미생물 연료 전지의 배치는 특정한 릴리즈 메카니즘으로 한정되어 고려되지 않는다. 수역의 바닥으로 계류장을 내리고 그것을 배치하기 위하여 사용되는 베셀(vessel)로부터 그것을 분리하는 임의의 릴리즈 방법 및 장치는, 본 발명에 따라서, 그것이 닻혀를 보관 위치에서 배치 위치로 릴리즈하기만 하면 사용할 수 있다.
도 4는 보관 구성에 있는 원격-배치 해저 미생물 연료 전지(400)의 일 예를 보여준다. 닻혀(402)는 배치 케이지(412)에 의하여 쉘(404)에 인접하게 보유지지되어 있다. 이 예에서, 배치 케이지(412)의 하부 후프(hoop)는 베이스 유닛의 측부에 기대어 롤러(410)를 단단히 고정하고 있으며, 장력하에서 부착 라인들을 보유지지하여, 결과적으로 복수의 닻혀(402)를 보관 위치로 보유지지한다. 일부의 형태에 있어서는, 배치 케이지(cage)는, 음향 신호 등의, 신호를 수신하는 수신기를 포함하여, 배치 케이지를 릴리즈시킨다. 배치 케이지(412)가 릴리즈될 때, 복수의 롤러(410)는 더 이상 베이스 유닛에 기대어 있는 위치를 유지하지 않고, 복수의 롤러(410)는 베이스 유닛의 측부를 따라서 굴러서, 닻혀(402)를 보유지지하고 있는 케이블의 장력을 릴리즈한다. 이것은 복수의 닻혀가 보관 위치에서 배치 위치로 이동하는 것을 허용하게 한다.
도 5a는 롤러를 포함하지 않는 배치 케이지(512)를 사용하는 원격-배치 해저 미생물 연료 전지(500)의 다른 실시형태를 보여준다. 이 실시형태에 있어서, 로프(rope; 506) 또는 다른 고정부들(예를 들어, 라인들, 체인들)은 닻혀(502)에 절개된 홀(507)을 관통하여 중앙 빌레잉핀(514)의 상단 주위에 고리모양으로 매달려 있다. 로프의 장력에 의한 찢어짐을 막기 위하여, 닻혀(502)의 홀(507)을 강화하기 위한, 선택적인 뒷받침층(503)이 제공될 수 있다. 로프(506)는, 배치 케이지(512)가 릴리즈될 때까지 계류장의 측면에 기대어 닻혀(502)를 보유지지하고 있다. 배치 케이지(512)의 릴리즈는, 로프, 라인, 체인 또는 다른 형태의 부착물일 수 있는 당김줄(516; pull)을 사용하여 계류장으로부터 빌레잉핀(514)을 당긴다. 그러면, 닻혀(502)는 대양저의 바닥에 놓이고 배치 케이지(512)와 빌레잉핀(514)은 표면으로 다시 올라오게 된다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 빌레잉핀(514)은, 바람직하게는 그 핀(514)의 대략적으로 위에 배향되어 있는 케이지의 단단한 부재에 묶거나 부착함으로써, 빌레잉핀(514)을 케이지(512)에 연결하는 당김줄(516; 미도시)을 단단히 고정하기 위한 홀(518)을 그 상부에 갖는다. 또한, 빌레잉핀(514)은, 쉘(504)에 제공된 빌레잉핀(514)용 수용홀(미도시)로 빌레잉핀(514)이 밀려 들어가는 것을 방지하기 위한 숄더(520)를 갖는다. 빌레잉핀(514)의, 숄더(520)와 비교하여 작은 직경을 갖는 부분(522)은, 해저 미생물 연료 전지(500)가 보관 구성에 있을 때 수용홀로 들어가 있다. 빌레잉핀(514)은 바다속 환경에서 사용하기에 적합한 임의의 재료로 구성될 수 있지만, 바람직한 재료는 알루미늄 또는 티타늄과 같은 내식성 금속이다.
도 5c는 라인(506)이 부착된 빌레잉핀(514) 및 홀(518)을 통하여 부착된 당김줄(516)의 구성을 보여준다. 쉘(504)의 몸체에 의하여 지지되어 있으며 빌레잉핀(514)으로부터 미끄러져 떨어지는 것이 방지되어 있는, 닻혀(502)으로부터의 라인(506)을, 빌레잉핀(514) 주변에 부착함으로써, 닻혀가, 보관 구성으로, 쉘에 기대어 단단히 고정될 수 있다. 라인(506)은 바람직하게는 연속 순서로 배향되어서 한 닻혀의 고리(loop)의 일 측면은 인접하는 고리의 위에 포개져 있고 다른 측면은 인접하는 고리의 아래에 포개져 있다. 빌레잉핀(514)은 쉘(504) 내의 수용홀(미도시)의 지지에 의존하여, 옆으로 회전력(torque)을 받지 않게 하여 해저 미생물 연료 전지의 배치 전에 고리가 미끄러져 떨어지지 않게 한다. 가동시에는, 해저 미생물 연료 전지(500)가 배치될 때, 배치 케이지(512)는 부착된 당김줄(516)을 올려서 빌레잉핀(514)이 위로 당겨져서 수용홀(미도시)로부터 벗어난다. 빌레잉핀(514)이 수용홀로부터 벗어날 때, 로프(506)는 더 이상 빌레잉핀 둘레에 단단히 고정되어 있지 않으며, 따라서 닻혀(502)가 배치 위치로 이동하도록 한다.
도 4 및 도 5a에 대하여, 연료 전지(400/500)는, 링으로 형성되어 그레이팅(도 2에 도시된 그레이팅(206) 등)에 장착되어 있는 복수의 탄소 섬유 병솔(bottlebrush) 전극을 구비하는 바닥 애노드(미도시)를 포함한다. 그 그레이팅은 섬유유리 디스크를 구비한다. 일 예에서, 섬유유리 디스크는 직경이 거의 1.2 미터이다. 연료 전지(400/500)는 쉘(404/504)의 상부에 부착되어 있는 제2의 복수의 탄소 섬유 병솔 전극을 구비하는 캐소드(408/508)를 더 포함한다. 배치 케이지(412/512)는, 연료 전지(400/500)가 보관 구성으로 있을 때에는, 닻혀(403/502)와 캐소드(408/508)를 구속하고 있다. 일 형태에 있어서, 탄소 섬유는 선형 배열, 예를 들어 병솔 구성으로 배열된 선형 배열로 제공된다. 일부 형태에서는, 캐소드(408/508)의 일 측만이 쉘(404/405)에 부착되어서, 연료 전지(400/500)가 배치될 때, 캐소드(408/508)는 산소 포함된 물에서 부유하게 된다. 다른 형태에서는, 캐소드(408/508)은 계류장 쉘(404/504)의 외측에 묶여져 있을 수도 있다.
도 6은 원격-배치 해저 미생물 연료 전지의 시험 배치 중에 생성된 전력(606)을 보여주는 그래프(600)이다. y-축(602)은 밀리와트의 전력을 나타내며 x-축(604)은 시간을 나타낸다. 여기에서 설명된 바와 같은 해저 미생물 연료 전지의 시험 배치는 메인주의 다마리스코타 강 하구에서 수행되었다. 이 시험 중에, 계류장은 7미터 깊이의 바닥에 내려졌으며 배치 케이지가 음향 명령(acoustic command)에 의하여 분리되어 고무 닻혀와 부유 캐소드를 릴리즈하였다. 다이버들이 자동 배치 시스템의 연속 작동을 기록하고 확인했다. 스크라이브너(Scribner) 모델 871 전자 부하 테스터가 애노드와 캐소드 사이의 가변 저항체를 제어하고 매시간 이 회로를 통과하는 전류를 기록하기 위하여 사용되었다. 이 871 제어 시스템은 애노드와 캐소드 사이에서 0.35 볼트 전위를 유지하도록 하기 위하여 부하 레지스턴스를 자동적으로 가변시키며 이 해저 미생물 연료 전지에 의하여 생성될 수 있는 지속적인 전력(606)의 양을 측정한다.
배치 이후 약 7일, 주목할만한 전류가 해저 미생물 연료 전지를 통하여 흐르기 시작했으며 전력 생성(606)은 다음 4일 동안 급격하게 증가했다. 그런 후, 전력 생성(606)은 더 점진적으로 증가 되어서, 배치 후 38일에는 최대 24-시간 평균 전력 레벨이 30 밀리와트에 도달했다. 871 시스템에 전력공급하는 독립 배터리가 38일에 작동하지 않아서, 그 실험을 85일 먼저 조기에 중지했다.
해저 미생물 연료 전지는 871 시스템이 고장날 때까지 충분히 기능을 하고 있었다. 옵토드 산소 센서(optode oxygen sensor)에 의하여 애노드에서의 중간 산소 레벨이 0.09mg/l로 측정되고, 동시에 부유 캐소드에서 측정된, 대응하는 중간 산소 레벨이 9.74mg/l 이었으므로, 산소가 애노드에 도달하는 것이 방지되고 있었다. 이 해저 미생물 연료 전지는 근처에 배치된 검정판(calibration plate) 해저 미생물 연료 전지 애노드 시스템(17mW/m<2>)보다 높은 애노드 풋프린트 표면적당 전력(26 mW/m<2>)을 생성했다.
도 7a는 수상 베셀(water vessel)의 관점에서 원격-배치 해저 미생물 연료 전지의 일 예의 배치 방법의 흐름도이다. 여기서 설명되는 다른 프로세스에서의 경우와 같이, 각각의 실시형태는 이하에서 설명되는 모든 단계를 포함하지 않을 수 있으며, 부가 단계를 포함할 수도 있고, 단계를 다르게 배열할 수도 있다. 따라서, 도 7a에 도시된 특정한 단계의 배열이, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지를 배치하는 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
작업 흐름(700)은 블록 702에서 시작한 후 원격-배치 해저 미생물 연료 전지가 보관 구성으로 준비되는 블록 704로 진행한다. 예를 들어, 보관 구성은, 도 2a, 도 4 및 도 5a에 대하여 위에서 설명된 바와 같다. 보관 구성에 있어서, 닻혀의 스커트는, 예를 들어 계류장 밑에서 이어지는 합성 재료로 형성된 팽팽한 4개의 라인으로 각 끝부분을, 릴리즈 케이지에 매달아놓음으로써 "닫힌 꽃" 배열로 접혀져 있다. 이 릴리즈 케이지는 금속 프레임을 구성하며, 원뿔형상으로 되게, 직경이 작아지는 후프들을 수평으로 배향시킨 것을 포함할 수 있는 장치로서, 음향적으로 작동되는 심해 등급 릴리즈 메카니즘이 그 꼭대기에 설치되어 있다.
일 실시형태에 있어서, 릴리즈 시스템은 복수의 라인(예를 들어 적어도 3개의 라인)을 릴리즈 케이지의 상부로부터 포함하고 있으며, 이 라인들은 아래로 그리고 해저 미생물 연료 전지 시스템의 베이스에 매립되어 있는 금속 바 또는 다른 부착 지점 주변으로 움직이고, 그런 후 릴리즈 바닥을 향하여 움직여서 그 릴리즈 케이지의 아래에 가동 준비가 되어 있는 해저 미생물 연료 전지 시스템을 보유지지한다. 롤러 튜브는 릴리즈 케이지의 가장 아래 후프에 의하여 트랩(trap) 되어서, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지의 상부에 대하여 가압되고, 장력하에서 합성 라인을 보유지지하여, 결국 원격-배치 해저 미생물 연료 전지의 측부에 기대어 닻혀를 보유지지한다. 다른 실시형태에서는, 릴리즈 시스템은 롤러 튜브를 포함하지 않으며, 대신에 케이지의 음향 릴리즈가, 닻혀의 절개된 홀을 통과하는 라인을 단단히 고정하고 있는 빌레잉핀의 제거를 기계적으로 작동시킨다.
블록 706에서, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지가 수역의 바닥으로 내려간다. 원격-배치 해저 미생물 연료 전지가 바닥으로 내려간 후, 블록 708에서 릴리즈 신호(예를 들어 음향 신호)가 원격-배치 해저 미생물 연료 전지로 전송된다. 원격-배치 해저 미생물 연료 전지가 릴리즈 된 후, 그 릴리즈된 케이지와 호이스트(hoisting) 라인들이 표면으로 올려진다. 블록 710에서, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지에 의한 해저 작업의 완료를 대기한다. 예를 들어, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지는 설정기간의 시간 동안 데이터를 수집하도록 구성될 수 있다.
해저 작업이 완료된 후, 블록 712에서, 회수 신호를 원격-배치 해저 미생물 연료 전지로 전송하여, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지를 가동시켜서, 부양 장치에 부착된 라인들을 릴리즈한다. 블록 714에서, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지가 릴리즈된 라인을 사용하여 회수된다.
도 7b는 원격-배치 해저 미생물 연료 전지의 관점으로부터의 배치 방법의 일 예의 흐름도이다. 여기서 설명되는 다른 프로세스의 경우와 같이, 각 실시형태는 아래에서 설명되는 모든 단계를 포함하지 않을 수 있으며, 부가 단계를 포함할 수도 있고, 단계를 다르게 배열할 수도 있다. 따라서, 도 7b에 도시된 단계의 특정한 배열이 원격-배치 해저 미생물 연료 전지를 배치하는 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
작업흐름도 720은 블록 722에서 시작하며, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지가 릴리즈 신호를 수신하는 블록 724로 진행된다. 블록 726에서, 릴리즈 신호에 응하여, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지는 호이스트 라인으로부터 분리되고, 롤러가 릴리즈 되어 대양저로 떨어져서 닻혀가 대양저 상에 놓인다. 대양저 상의 닻혀의 배치 구성은, 예를 들어, 도 2b 및 3에 대하여 설명된 바와 같을 수 있으며, 이것은 닻혀에 의하여 생성된 무산소 챔버가 산소 함유된 물로부터 애노드를 보호하는 것을 보여준다.
블록 728에서, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지는, 센서 데이터 수집, 바닥 샘플링, 해수 샘플링 등과 같은 해저 작업을 실행한다. 초기에, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지에 의하여 생성된 전류는 해저 작업용으로 사용되는 장치들로 전력공급하는 것이 불충분할 수 있다. 이 경우에는, 원격-배치 해저 미생물 연료 전지에 의하여 충분한 전류가 생성될 때까지 배터리가 사용될 수 있다. 해저 작업이 완료된 후, 블록 732에서 원격-배치 해저 미생물 연료 전지는 회수 신호를 수신한다. 이 회수 신호의 수신에 응하여, 블록 734에서 원격-배치 해저 미생물 연료 전지는 부양 장치들을 배치하여 회수 장치를 배치한다. 수상 베셀이 회수 장치를 사용하여 수역의 바닥으로부터 원격-배치 해저 미생물 연료 전지를 회수한다.
본 학술의 실시형태는, 여기 명세서에서 설명된 방법의 부분을 이루기 위한 컴퓨터 시스템 및 이들 방법을 이루기 위한 프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독가능 매체를 포함할 수 있다. 원시 데이터(raw data) 및 결과는 미래의 검색을 위하여 저장되고, 처리되고, 인쇄되고, 표시되고, 다른 컴퓨터로 전송되고 및/또는 그 밖의 다른 곳으로 전송된다. 통신 링크는, 예를 들어, 이동 통신 시스템, 군사 통신 시스템 및 위성 통신 시스템을 사용하는 무선 또는 유선일 수도 있다. 전형적인 실시형태에 있어서, 시스템용 소프트웨어는 포트란(FORTRAN) 또는 C로 기록된다. 이 시스템은 가변 수의 CPU를 갖는 컴퓨터 상에서 작동할 수 있다. 다른 대안의 컴퓨터 플랫폼이 사용될 수 있다. 작동 시스템은, 예를 들어 WINDOWS® 또는 LINUX® 일 수 있으나, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
본 실시형태는 또한 여기서 설명되는 방법 부분을 이루기 위한 소프트웨어 및 이 방법을 이루기 위한 소프트웨어를 저장하는 컴퓨터 판독가능 매체를 포함할 수 있다. 여기서 설명되는 각 모듈은 동일한 CPU에서 얻을 수 있거나 또는 다른 컴퓨터에서 얻을 수 있다. 규칙에 따라서, 본 실시형태는 구조적 및 방법적 특징에 대하여 거의 특정한 표현으로 기재되어 있다. 그러나, 여기서 설명된 수단은 본 실시형태를 실행하는 바람직한 형태를 구비하는 것이므로, 본 실시형태는, 도시되고 설명된 특정한 특징으로 한정되지 않는다.
하나 이상의 컴퓨터-판독가능 매체의 일반적인 형태는, 예를 들어, 플로피 디스크, 플렉시블 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프 또는 임의의 다른 자기 매체, CD-ROM(compact disk read only memory) 또는 임의의 다른 광학 매체, 펀치 카드, 페이퍼 테이프 또는 홀 패턴을 갖는 다른 물리적 매체, RAM(random access memory), PROM(programmable read only memory), EPROM(erasable programmable read only memory), 플래쉬 EPROM, 또는 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 또는 컴퓨터로부터 판독가능한 임의의 다른 매체를 포함할 수 있으나, 이것으로 한정되지는 않는다. 또한, 하나 이상의 컴퓨터 판독가능 매체는 임의의 형태의 그래픽을 포함할 수 있는데, 예를 들어, GIF(Graphic Interchange Format), JPEG(Joint Photographic Experts Group), PNG(Portable Network Graphics), SVG(Scalable Vector Graphics), and TIFF(Tagged Image File Format)을 포함하지만 이것으로 한정되지는 않는다.
본 발명은 임의의 현재-바람직한 실시형태에 대하여 설명되고 있지만, 본 개시의 이점을 가지고, 당업자는, 여기서 설명된 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 다른 실시형태를 고안할 수 있다는 것을 인지할 것이다.

Claims (11)

  1. 원격-배치 바닥 계류장에 있어서,
    베이스 유닛과,
    상기 베이스 유닛의 바닥부의 둘레에 장착된 복수의 닻혀(fluke)로서,
    상기 복수의 닻혀는 보관 위치에서 배치 위치로 자동적으로 이동하도록 미리구성되어 있으며,
    상기 복수의 닻혀 중 각 닻혀는 상기 보관 위치에 있을 때 상기 베이스 유닛의 측부에 인접해 있으며,
    상기 복수의 닻혀 중 각 닻혀는 상기 배치 위치에 있을 때 수역의 바닥에서 인접하는 닻혀와 겹쳐져 있는, 복수의 닻혀와
    해저 미생물 연료 전지로서,
    상기 베이스 유닛의 바닥부에 장착된 애노드로서, 상기 애노드는 상기 자체-매립되는 바닥 계류장이 배치될 때 수역의 바닥에 매립되며,
    상기 배치 위치에 있을 때 상기 복수의 닻혀에 의하여 무산소 챔버에서 산소 함유된 물로부터 격리되는 애노드와,
    상기 무산소 챔버 외부의 베이스 유닛에 부착되어 있으며, 상기 원격-배치 바닥 계류장이 배치될 때 상기 산소 함유된 물에서 부유하는 캐소드를 구비하는, 해저 미생물 연료 전지와,
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 회로 상에 있는 하나 이상의 센서 장치를 더 구비하는 원격-배치 바닥 계류장.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 애노드는 링으로 형성되고 그레이팅(grating)에 장착되어 있는 제1 복수의 탄소 섬유 병솔(bottlebrush) 전극을 구비하는 원격-배치 바닥 계류장.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 그레이팅은 섬유유리 디스크인 원격-배치 바닥 계류장.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 캐소드는 선형으로 배열된 제2 복수의 탄소 섬유 병솔 전극을 구비하는 원격-배치 바닥 계류장.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 닻혀의 각각은 고무인 원격-배치 바닥 계류장.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 닻혀의 각 닻혀는, 반원호를 거의 따르는 외측 가장자리와, 상기 외측 가장자리보다 덜 만곡되어 있는 내측 가장자리를 구비하며,
    상기 닻혀의 내측 가장자리는 상기 인접하는 닻혀의 상기 외측 가장자리와 겹쳐져 있는 원격-배치 바닥 계류장.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보관 위치에서 상기 복수의 닻혀를 보유지지하는 배치 시스템을 더 구비하며, 상기 배치 시스템은 상기 배치 시스템을 음향적으로(acoustically) 릴리즈(release)하는 수신기를 구비하여 상기 복수의 닻혀를 상기 보관 위치에서 상기 배치 위치로 이동시키는 원격-배치 바닥 계류장.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배치 시스템은 상기 복수의 닻혀가 보관 위치에 있을 때 상기 베이스 유닛의 측부에 기대어 고정되어 있는 복수의 롤러를 구비하며, 상기 복수의 롤러는, 상기 복수의 닻혀가 상기 보관 위치에서 배치 위치로 이동될 때 상기 측부를 따라서 구르는 원격-배치 바닥 계류장.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 배치 시스템은 닻혀 내의 홀(hole)을 통과하여 중앙 빌레잉핀(belaying pin) 주위에 고리모양으로 매달려 있어서, 상기 보관 위치에 있을 때 상기 베이스 유닛의 상기 측부에 기대어 상기 복수의 닻혀를 보유지지하는 로프(rope)를 구비하며, 상기 중앙 빌레잉핀은 복수의 닻혀가 상기 보관 위치에서 상기 배치 위치로 이동할 때 상기 로프를 릴리즈하는 원격-배치 바닥 계류장.
  10. 해저 미생물 연료 전지의 배치 방법으로서,
    원격-배치 해저 미생물 연료 전지의 복수의 닻혀를 보관 위치로 위치시키는 단계로서, 상기 보관 위치에 있을 때 상기 복수의 닻혀의 각 닻혀는 상기 원격-배치 해저 미생물 연료 전지의 베이스 유닛에 인접해 있는 단계와,
    수역의 바닥으로 상기 원격-배치 해저 미생물 연료 전지를 하강시키는 단계와,
    상기 원격-배치 해저 미생물 연료 전지로 릴리즈 신호를 송신하는 단계로서, 상기 릴리즈 신호에 응하여, 상기 원격-배치 해저 미생물 연료 전지는 상기 보관 위치에서 배치 위치로 이동하며 상기 복수의 닻혀의 각 닻혀는 상기 배치 위치에 있을 때 상기 수역의 바닥에서 인접하는 닻혀와 겹쳐져 있는 단계와,
    상기 해저 미생물 연료 전지에 의하여 생성된 전류로 수중 작업을 행하는 단계로서, 상기 해저 미생물 연료 전지의 애노드는 상기 배치 위치에 있을 때 상기 복수의 닻혀에 의하여 산소 함유된 물로부터 격리되어 있는 단계를 구비하는 해저 미생물 연료 전지의 배치 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 원격-배치 해저 미생물 연료 전지로 회수 신호를 송신하는 단계로서, 상기 회수 신호에 응하여, 상기 원격-배치 해저 미생물 연료 전지는 수역의 표면으로 회수 장치를 올리기 위한 부양 장치를 배치하는 단계와,
    상기 회수 장치를 사용하여 상기 수역의 바닥으로부터 상기 원격-배치 해저 미생물 연료 전지를 회수하는 단계를 더 구비하는 해저 미생물 연료 전지의 배치 방법.
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