[发明专利]一种海底沉积物层镁阳极燃料电池实海装置

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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：O₂+2H₂O+e^-→4OH^-，在电池正极部位OH^-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。

发明内容

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，本发明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。

本发明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：(1)，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。