本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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:02+2H20+e_ — 40H_，在电池正极部位0H_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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术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:(I)，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，因此本专利技术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，本专利技术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，本专利技术专利的有益效果是: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。本专利技术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，装本文档来自技高网...
【技术保护点】
本专利技术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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：付玉彬，柴方刚，英明，于建，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。