一种水下原位生物供电装置

技术领域：

本发明属于海洋新能源技术领域，具体涉及一种底栖型和腔室型阳极复合的水下原位生物供电装置。

背景技术：

底栖微生物燃料电池(Benthic microbial fuel cell,BMFC)是布放在海底、湖底、河底等沉积物/水体界面的生物原位供电装置，为水下低功耗监检测设备提供长期稳定的原位电能。目前，已有大量利用BMFC为水下传感器供电的研究。根据阳极在沉积物/水体界面的埋置方式，电池构型可分为两大类：

一是阳极埋置在沉积物中的底栖型阳极BMFC。例如，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，电池正极位于海泥/海水界面以上，负极位于海泥/海水界面以下，正负极采用单层或多层中空的圆柱体金属框架结构，导电碳纤维刷均匀分布于金属框架周围，正负极电极材料为导电碳纤维刷，根据产电要求调整正负极导电碳纤维刷的比例，电池正负极之间的海泥/海水分界面设置衬板，根据海底沉积物的软硬程度和正负极之间的距离调整衬板的位置、尺寸和材料，正负极金属框架上带有参比电极和电缆密封装置，电池底部设有环氧玻璃钢纤维支撑棒作为脚架，稳定电池结构，根据海底沉积物的厚度调节脚架的材料和长度，在海平面上设有监测设备，对电池性能进行跟踪测量并驱动仪器运行；其正负极材料均为导电碳纤维刷，正负电极之间使用高强度环氧玻璃钢纤维棒连接，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。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主要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；其电源电压经过升压模块或经过储能模块之后，电源电能可以满足仪器长期工作要求。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；其中的电流和电压信号根据电流大小与污染物体系降解率的相关性可以原位监测并评价石油污染降解效果，同时还可以用来进行生物发电，驱动海底小型监测仪器运行。

二是阳极置于内部充满海水的密闭腔室中的腔室型阳极BMFC。例如，Reimers等人开发的腔室型BMFC装置，主体由PVC筒制成，顶部密封，底部敞开，腔体内部由PVC格栅隔开，底部埋置在沉积物中，上部充满天然海水，布放后，沉积物/水体界面的产电微生物进入充满海水的腔室内，通过代谢内部携带的有机底物实现连续产电；其能够布放在深度为580m的海底，输出功率达到2～30mW，结合电源管理系统为两组3.7V的锂电池持续充电近700天，并驱动温度、溶解氧以及盐度等水下传感器运行1045天，弥补了沉积物中有机物底物浓度低、有机物扩散速率慢等缺陷。

底栖型阳极BMFC的优点是可以利用沉积物中原有的有机底物，并且有机底物可再生，缺点是沉积物中的底物浓度较低且扩散速率非常慢，导致底栖型阳极BMFC的输出功率较低；腔室型阳极BMFC的优点是内部为流动海水，反应过程不会受到底物扩散阻碍的限制，输出功率相对较高，缺点是需要携带外源有机底物，一旦内部底物耗尽电池将失去效能，寿命有限。基于此，研发设计一种复合式水下原位生物供电装置，结合底栖型和腔室型阳极两种电池构型的优点，提高电池的产电性能和运行寿命。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种底栖型和腔室型阳极复合的水下原位生物供电装置，结合两种电池构型的优点，提高BMFC的产电性能和运行寿命。

为了实现上述目的，本发明涉及的水下原位生物供电装置的主体结构如图1所示，包括腔室型阳极及其顶部设置的阴极和底部设置的底栖型阳极，其中，阴极与底栖型阳极通过连接件连接，腔室型阳极的主体结构包括主腔室及其顶部从下到上依次设置的格栅、底座和顶盖，阴极的主体结构包括顶部圆盘和底部圆盘及其二者之间设置的碳纤维刷，底栖型阳极的主体结构包括圆盘组及其底部设置的石墨棒。

本发明涉及的顶盖上开设有导线孔和排气孔；顶部圆盘与底部圆盘通过空心管连接，顶部圆盘上开设有若干个阴极固定孔；圆盘组由钛片圆盘及其上下表面设置的PVC圆盘组成。

本发明涉及的水下原位生物供电装置使用时，如图2所示，通过电源管理模块与用电器连接，将腔室型阳极的底部插入沉积物中，使其上部暴露在水体中，内部充满水，此时，底栖型阳极完全掩埋在沉积物中，阴极处于水体中。

本发明与现有技术相比，采用底栖型和腔室型阳极复合的形式，有效提高电池的产电性能和运行寿命，使用时，底栖型阳极和腔室型阳极可以同时接入电源管理模块，提供输入电能，也可以先将腔室型阳极接入电源管理模块，提供输入电能，当腔室型阳极的有机底物耗尽后，将腔室型阳极断开，接入底栖型阳极，继续提供输入电能，以延长系统运行寿命；其结构简单，阳极结构由底栖型和腔室型阳极两部分复合构成，提高了产电性能，延长了运行寿命，解决了底栖微生物燃料电池输出功率低等问题。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明的使用状态简图。

图3为本发明涉及的腔室型阳极的主体结构原理示意图。

图4为本发明涉及的阴极的主体结构原理示意图。

图5为本发明涉及的底栖型阳极的主体结构原理示意图。

图6为本发明涉及的圆盘组的主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施实例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的水下原位生物供电装置的主体结构如图1所示，包括腔室型阳极1、阴极2、底栖型阳极3和固定连接杆4；腔室型阳极1的顶部设置有阴极2，底部设置有底栖型阳极3，阴极2与底栖型阳极3通过固定连接杆4连接；使用时，通过电源管理模块5将其与用电器6连接，将腔室型阳极1的底部插入沉积物7中，上部暴露在水体8中，内部充满水，使底栖型阳极3完全掩埋在沉积物7中，阴极2置于河水、湖水、海水等水体8中，其中，9为水体/沉积物界面；具体地，腔室型阳极1的主体结构如图3所示，包括主腔室11、格栅12、底座13、顶盖14、导线孔15和排气孔16；环形内空式结构的主腔室11的顶部从下到上依次设置有圆形结构的格栅12、底座13和顶盖14，格栅12与底座13之间的距离为50-200mm，用于放置有机底物，顶盖14的中心开设有导线孔15，圆周处开设有排气孔16，导线孔15与排气孔16的距离为200-400mm；阴极2的主体结构如图4所示，包括顶部圆盘21、底部圆盘22、空心管23、阴极固定孔24和碳纤维刷25；圆形结构的顶部圆盘21和底部圆盘22的中心通过具有支撑作用的空心管23连接，顶部圆盘21上开设有20-80个阴极固定孔24，底部圆盘22与阴极固定孔24之间设置有20-80个碳纤维刷25，碳纤维刷25通过钛片焊接固定在阴极固定孔24中；底栖型阳极3的主体结构如图5所示，包括圆盘组31和石墨棒32；环形结构的圆盘组31底部设置有若干个石墨棒32，圆盘组31的主体结构如图6所示，由钛片圆盘301及其上下表面设置的PVC圆盘302组成。

本实施例涉及的主腔室11、格栅12、底座13和顶盖14的材质均为PVC，主腔室11的高度为400-2000mm，直径为400-1000mm，厚度为5-10mm，格栅12的直径为400-800mm，厚度为5-10mm，均匀分布有50-100个孔径为φ10-20小孔，底座13上设置有20-100个孔径为φ20-60mm阳极固定孔和50-100个孔径为10-20mm的透水孔，顶盖14的直径为500-1200mm，壁厚5-10mm，导线孔15的孔径为φ30-60mm，排气孔16的孔径为φ20-60mm。

本实施例涉及的顶部圆盘21、底部圆盘22和空心管23的材质为PVC，顶部圆盘21和底部圆盘22尺寸一致，直径为300-1000mm，厚度为5-10mm，空心管23和碳纤维刷25的尺寸一致，长度为400-1000mm、直径为30-60mm、厚度为3-6mm，阴极固定孔24的孔径为φ4-6mm，间距为30-60mm。

本实施例涉及的圆盘组31为PVC板-钛板-PVC板组成的三层复合圆环结构，钛片圆盘301的外径为500-3000mm，内径为400-2000mm，厚度为3-6mm，均匀分布有50-300个φ5-10mm的小孔，PVC圆盘302的外径为500-3000mm，内径为400-2000mm，厚度为5-10mm，均匀分布有50-300个孔径为φ5-10mm的小孔，将钛螺杆穿过复合圆环结构上的小孔与石墨棒32固定连接，石墨棒32的外径为30-50mm，内径为20-40mm，高度为100-300mm，顶部的30-50mm为实心结构，设置有孔径为φ5-10mm的小孔。

实施例2：

本实施例涉及的水下原位生物供电装置布放后，将腔室型阳极1和底栖型阳极3同时接入电源管理模块5，产生的电能经电源管理模块5后存储在储能元件中，为用电器6提供电能。

实施例3：

本实施例涉及的水下原位生物供电装置布放后，先将腔室型阳极1接入电源管理模块5，提供输入电能；

当腔室型阳极1的有机底物耗尽，产电性能大大降低后，将腔室型阳极1断开，将底栖型阳极3接入电源管理模块5，继续提供输入电能，延长运行寿命。