[发明专利]一种利于实海使用的海底沉积层微生物燃料电池装置

说明书

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。