本发明专利技术公开了一种海底沉积物层活性金属燃料电池结构和装置，其结构特征是：以活性金属作为电池负极材料，置于一定深度的海底沉积物层中，导电碳材料作为正极置于海水层中，海底沉积物层/海水层界面作为天然的离子交换膜，用于电池内部离子导电；正、负极分别通过导线引出，和一定负载的仪器相连，构成电池回路和开放式结构。其中活性金属作为供体，提供电子，碳材料得到电子和海水中溶解氧发生还原反应。该电池结构利用海底沉积物层的缺氧、厌氧和封闭特征，既减缓负极金属的自腐蚀反应，避免表面金属生成钝化膜引起钝化，又减缓正极表面无机物沉积引起的钝化，整体保持电池正、负极性能的稳定性和长寿命，是一种良好的水下电源。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术专利涉及一种水下化学燃料电池电源，特别是涉及一种以海底沉积物层为电解质环境的活性金属燃料电池结构和装置。
技术介绍
燃料电池是21世纪重要的洁净高效发电技术，燃料电池种类很多，包括固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、直接甲醇燃料电池、质子交换膜燃料电池等。其中以金属为燃料的燃料电池又称为金属燃料电池，铝、镁、锌、锂几种轻金属因其具有的很高的化学活性，被视为理想的负极材料。但由于放电时，有氢气析出，一般很难用于水体系密闭结构，而多采用开放式电池结构设计。这种开放式电池结构不但可以将反应产物和废热排出电池外，还可以直接引入海水充当电解质溶液，而且在海底工作时，无需抗压壳体，便于结构设计。因此，以上述活性金属或合金作为负极材料的海水金属燃料电池(简称海水电池)一直是水下电源的研究热点。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(在原电池领域，人们常称电极为正、负极，而电化学和电解池领域，人们称电极为阴、阳极)。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。海水电池的结构特点是:金属负极与导电碳材料正极均置于海水电解质中，保持一个相对固定的距离，海水电池的负极主要提供电子，发生金属氧化反应，正极主要发生溶解氧还原反应，以镁为例，正、负极反应分别如下: 负极:Mg — 2e — Mg2+,正极:02+2H20+e — 40H， 海水电池在工程应用中一直存在大量的问题。例如:正极的无机沉积物钝化，根据上述正、负极反应产物，在电池长期运行过程中，镁离子容易和氢氧根离子生成氢氧化镁沉淀，正极表面生成大量无机沉积物，氢氧化镁不导电，导致正极失效；同样，铝离子也可以生成氢氧化铝絮状沉积，严重影响正极性能。又例如:金属铝、镁负极材料表面在有氧条件下，表面很容易生成钝化膜(氧化铝膜、氧化镁膜)，氧化铝膜很稳定，导致负极严重钝化，影响金属放出电子和电池性能。又例如金属镁、铝、锌很活泼，在海水中容易发生析氢反应，引起严重的自腐蚀，在海流冲刷作用下，也容易引起严重的化学腐蚀和电化学腐蚀，这些均影响海水电池使用寿命和电池的稳定性。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重要设备，而这些仪器的工作则需要连续的电源驱动，并且，需要分布在深远海位置用于监测环境物理、化学因子变化。许多电子仪器需要连续长期工作(可达数年或更长)，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，岸上电源的电缆输送等)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要求。故我们迫切需要研究新型水下电源以满足海洋开发和探测的需求。
技术实现思路
海底沉积物层是一种特殊的电解质环境，可用于海底沉积层活性金属燃料电池的设计。海底沉积物层(简称海泥)与海水层相接，富含天然电解质，导电性好电阻小；同时，海泥/海水天然界面是一种天然的离子交换膜，能够实现海底沉积层和海水的离子交换，实现电池内部离子导电；活性金属置于海底沉积物层内，可以避免海流的冲刷腐蚀作用；海底沉积物层内部由于细菌代谢作用，内部保持缺氧和厌氧环境，这种特殊的封闭环境有利于避免或减缓活泼金属表面钝化膜的生成；海底沉积层的封闭作用，可以抑制金属离子的扩散，减少电池正极无机沉积物，有利于电池性能稳定；细菌代谢沉积层中有机物产生酸，酸性环境也可以避免金属表面生成沉积物。鉴于上述海底沉积层的特殊性和技术优势，为了克服海水电池现有技术的不足，本专利技术专利提供了一种海底沉积物层活性金属燃料电池结构，把活性金属置于海底沉积物层中，正极碳材料工作在海水中，结构简单，成本低廉，易于布放和固定，既减少负极材料的自腐蚀，也减少正极材料的无机沉积物钝化，保持电池性能稳定，延长电池使用寿命，这对于对海洋仪器电源长期的供给具有重大的意义。本专利技术专利所采用的技术方案是: 一种海底沉积物层活性金属燃料电池结构和装置，其结构特征是:以活性金属作为电池的负极材料，置于一定深度的海底沉积物层中，导电碳材料作为正极置于海水中，海底沉积物层/海水层界面作为天然的离子交换膜，用于电池内部离子导电；正、负极分别通过导线引出，和一定负载的仪器相连，构成电池回路和开放式电池装置。如图1所示，该电池结构主要包括:活性金属负极7(如铝、镁、锌、铁及其合金)、导电碳材料正极2 (如碳板、碳纤维、碳毡、碳布等)、海底沉积物层6、海水层3、海底沉积物层/海水层界面5、外电路2和负载1。其中主要的结构特征是金属负极置入到海底沉积物层中，以海底沉积物为导电电解质，正极置于海水中，以海水为导电介质。该电池结构和装置在整体上保持正、负极性能的稳定性和长寿命，是一种良好的水下电源，用于驱动水下监测仪器长期运行。与现有技术相比，本专利技术专利的有益效果和技术优势如下: 1、该电池装置有利于减少或避免电池正极的无机物沉积，减少正极钝化，保持正极的导电性和使用稳定性，这是因为海底沉积层可以阻挡负极金属离子扩散到海水中。2、该电池装置有利于避免活性金属受海流的冲刷，减缓活性金属的电化学腐蚀和化学腐蚀，延长金属电极和整个电池的使用寿命。3、由于细菌代谢作用，海底沉积层内部保持厌氧环境和酸性环境，这种环境有利于减少或避免金属表面氧化膜的形成，减少金属的钝化，保持电极的稳定性和持续放电能力，有利于延长使用电池寿命。4、由于海底沉积层内厌氧环境，其电位明显低于海水电位(含有溶解氧)，活性金属插入到沉积层中，电池负极电位是金属电位和沉积层厌氧降低的电位相加，该电池结构具有较高的输出电压。5、活性金属置入海底沉积层中，有利于电池装置在海底的稳定存在，避免在海流长期作用下，电池装置发生倒伏。6、本电池装置既利用海底沉积层和海水作为导电电解质，又利用沉积层/海水层界面作为离子交换膜，实现内部导电，这种开放式结构避免了海底耐压密闭设计，电池结构简单，成本较低。7、整个电池装置和重量可以作为水下监测仪器的配重设计，有利于海底工作和布放。【附图说明】 图1、海底沉积物层活性金属燃料电池结构和装置图 1.负载；2.外电路导线；3.海水层；4.导电碳材料正极； 5.海底沉积物层/海水层界面；6.海底沉积物层；7.负极活性金属。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术专利进一步说明。实施例1: 如图1所示，活性金属负极7选择直径当前第1页1 2 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活性金属燃料电池结构和装置，其特征是：以活性金属作为电池负极材料，置于一定深度的海底沉积物层中，导电碳材料作为正极置于海水层中，海底沉积物层/海水层的界面作为天然离子交换膜，实现电池内部离子导电，正、负极分别通过导线引出，和一定负载的仪器相连，构成电池回路和开放式电池结构。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：付玉彬，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
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