一种驱动监测仪器用海底微生物燃料电池框架结构系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种驱动监测仪器用海底微生物燃料电池框架结构系统。该电池框架包括金属框架及连接金属框架的绝缘材料和连接与金属框架上的电极材料。电池系统包括，升压模块和储能模块以及外接监测仪器。该电池框架结构为：由一定尺寸的金属带材料卷成直径大小不等的圆环，并连接成金属同心圆环组，将此圆环组按一定尺寸由金属材料上下连接构成三维空间金属架状结构，两个金属架状结构通过绝缘材料连接成整体电池结构，电极材料连接在金属框架上。该电池框架可以利用海泥和海水产生电能而驱动监测仪器运行，而且其强度和稳定性较高，可以方便布放和实海应用。
【专利说明】一种驱动监测仪器用海底微生物燃料电池框架结构系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种微生物燃料电池框架结构系统，具体涉及一种驱动监测仪器用海底微生物燃料电池框架结构系统，该实用新型为海底微生物燃料电池的实海布放及作为电源驱动监测仪器运行提供一种切实可行的电池框架结构系统。
【背景技术】
[0002]微生物燃料电池是一种利用厌氧微生物将储存在有机物中的化学能转化成电能的技术。海底微生物燃料电池(以下简称电池)是利用海泥作为底物，负极材料埋入海泥中，正极材料浸在海水中，将正极10和负极11通过导线连接负载，构成回路并输出电能。海泥中的微生物依附在负极并代谢底物发生氧化反应，产生电子和质子，电子通过细菌直接或通过电子介体间接传递给负极，质子扩散到正极并在正极得到电子发生还原反应产生电流。该电池可驱动一些低功率小型监测仪器长期工作，且具有底物来源广泛、供电持久、绿色环保等优点。但是，由于海底微生物燃料电池需要在海底长期工作，且实海下样操作困难,结构强度要求高,水密性和结构稳定性要求高,耐海水冲刷等特殊要求,为此设计一套新型框架是非常重要的。同时，为满足驱动仪器的能量要求，设计升压储能器件，经过升压器件升压后的输出电压可达到3V、5V、6V、9V、12V、24V，且升压器件的功率转化率范围可达到30% -95%，从而扩大海底微生物燃料电池的应用范围。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的在于提供一种既能保证强度、稳定性和便于实海操作，还可满足一定的输出功率要求的电池框架系统。
[0004]为实现上述目的，本实用新型的技术方案是设计一种电池框架，其特征在于，所述的电池框架包括金属框架及连接金属框架的绝缘材料和连接与金属框架上的电极材料。其结构为:由一定尺寸的金属带材料卷成直径大小不等的圆环，并连接成同心圆环组，将此圆环组按一定尺寸由金属材料上下连接构成三维空间金属架状结构，两个金属架状结构通过绝缘材料连接成整体电池框架，电极材料连接在金属框架上。
[0005]其中优选的技术方案是，为防止电池框架在海中被腐蚀，金属材料选用金属纯钛；绝缘材料是为了将正极10和负极11分开，避免短路，由于正极在海水中受到海流的连续作用力，绝缘材料必须有一定的强度，所以绝缘材料选用环氧玻璃纤维棒；电极材料应具有比表面积高、导电性好、成本低和具有一定的强度，故选用黏胶基碳纤维刷；支撑杆需要满足一定的强度和绝缘性能，因此选择环氧玻璃纤维棒。
[0006]其中优选的技术方案是，在满足正极10和负极11尺寸比例的前提下，为增加输出功率，正极框架设有多层多种直径的钛圆环组成的钛同心圆环组；负极框架设有多层多种直径的钛圆环组成的钛同心圆环组。
[0007]化设计，可方便地将正极10和负极11分开并组装。
[0008]进一步优选的技术方案还有，为保证电池框架在海水中保持直立状态及防止框架持续下陷，特增设竖支撑和横支撑。
[0009]进一步优选的技术方案还有，框架在坠入海泥中时需要施加一定的力量且布放完成后为防止海流冲刷导致框架倾斜，特在框架的四周布设一定重量的坠块。
[0010]进一步优选的技术方案还有，从正负极引出的电缆在接头处为防止海水和海泥的腐蚀而采用密封接线柱连接。
[0011]进一步优选的技术方案还有，为满足驱动仪器的电压要求，扩大海底微生物燃料电池应用范围，从而设计并添加升压储能器件，且升压储能器件和仪器在海水中采用仪器器件密封舱密封，防止海水渗入而影响仪器器件功能。
[0012]进一步优选的技术方案还有，由于微生物代谢底物和传递电子的能力限制，使得海底微生物燃料电池持续供电的能力受限，因此海底微生物燃料电池供电的优选方式为长期间歇性供电。
[0013]进一步优选的技术方案还有，金属材料在满足防腐蚀和一定输出功率的前提下，可选择不锈钢。
[0014]进一步优选的技术方案还有，金属材料在满足防腐蚀和一定输出功率的前提下，可选择铜材料。
[0015]本实用新型的优点和有益结果在于，该实用新型具有结构简单，易于加工，实海稳定性强等优点，并且在提高输出功率的情况下，便于实海操作，可在实海应用中广泛推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图一、海底微生物燃料电池框架结构示意图
[0017]1、钛圆环2、横向钛带3、竖向钛带4、连接钛管
[0018]5、环氧玻璃纤维棒6、黏胶级碳纤维刷7、升压器件
[0019]8、储能器件9、负载10、正极11、负极
[0020]图二、海底微生物燃料电池框架结构俯视示意图
[0021]图三、海底微生物燃料电池框架结构正视示意图
[0022]图四、导线引出密封接线柱示意图
[0023]12、导线出口 13、导线14、环氧树脂15、绝缘壳材料16、金属底座
[0024]图五、仪器器件密封舱
[0025]17、密封舱体18、监测仪器探头19、监测仪器
[0026]20、升压储能器件输出端电缆21、升压储能器件
[0027]22、升压储能器件输入端电缆23、密封舱上盖
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和实施例，对本实用新型的【具体实施方式】进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
[0029]如图所示，本应用新型所述的海底微生物燃料电池框架的制作过程如下:
[0030]由公式L= π D计算得到需要的钛带长度，下料并焊接成不同直径的钛圆环1，通过一定尺寸的横向钛带2将其连接成钛同心圆环组，正极10圆环组由多个直径不同的钛同心圆环组成，负极11圆环组由单种直径钛圆环或多个直径不同的钛同心圆环组成。将钛同心圆环组通过一定尺寸的竖向钛带3连接成三维空间钛架状结构。正极10和负极11通过环氧玻璃纤维棒5连接。为保证下海时架状结构的稳定性，采用环氧玻璃纤维棒5竖支撑和横支撑。环氧玻璃纤维棒5与钛框架通过连接钛管4连接，并使用钛材料双头螺栓将4和5连接，避免发生转动。碳刷电极6分别沿着正极10和负极11钛圆环焊接在架状结构上。为保证实海下样时，负极能埋入海泥中，在连接钛管4处连接负重块。
[0031]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本实用新型的保护范围。
[0032]实施例:
[0033]例1、正极为单层碳纤维刷且由两种不同直径钛圆环组成，分别为Φ400πιπι，Φ800ι?πι,负极为单层碳纤维刷且由一种直径钛圆环组成,其尺寸为Φ400ι?πι。正极10和负极11通过环氧玻璃纤维棒5连接。为保证下海时架状结构的稳定性，采用环氧玻璃纤维棒5竖支撑和横支撑。环氧玻璃纤维棒5与钛框架通过连接钛管4连接，并使用钛材料双头螺栓将4和5连接，避免发生转动。碳刷电极分别沿着正极10和负极11钛圆环焊接在架状结构上。为保证实海下样时，负极能埋入海泥中，在连接钛管4处连接负重块。
[0034]例2、正极为两层碳纤维刷且由两种不同直径钛圆环组成，分别为Φ400πιπι，Φ800ι?πι,负极为单层碳纤维刷且由一种直径钛圆环组成,其尺寸为Φ400ι?πι。正极10和负极11通过环氧玻璃纤维棒5连接。为保证下海时架状结构的稳定性，采用环氧玻璃纤维棒5竖支撑和横支撑。环氧玻璃纤维棒5与钛框架通过连接钛管4连接，并使用钛材料双头螺栓将4和5连接，避免发生转动。碳刷电极分别沿着正极10和负极11钛圆环焊接在架状结构上。为保证实海下样时，负极能埋入海泥中，在连接钛管4处连接负重块。
[0035]例3、正极为单层碳纤维刷且由三种不同直径钛圆环组成，分别为Φ400πιπι，Φ 800mm, Φ 1200mm,负极为单层碳纤维刷且由两种不同直径钛圆环组成，其尺寸为Φ400mm, C>800mm。正极10和负极11通过环氧玻璃纤维棒5连接。为保证下海时架状结构的稳定性，采用环氧玻璃纤维棒5竖支撑和横支撑。环氧玻璃纤维棒5与钛框架通过连接钛管4连接，并使用钛材料双头螺栓将4和5连接，避免发生转动。碳刷电极分别沿着正极10和负极11钛圆环焊接在架状结构上。为保证实海下样时，负极能埋入海泥中，在连接钛管4处连接负重块。
[0036]例4、正极为两层碳纤维刷且由三种不同直径钛圆环组成，分别为Φ400πιπι，Φ 800mm, Φ 1200mm,负极为单层碳纤维刷且由两种不同直径钛圆环组成，其尺寸为Φ400mm, C>800mm。正极10和负极11通过环氧玻璃纤维棒5连接。为保证下海时架状结构的稳定性，采用环氧玻璃纤维棒5竖支撑和横支撑。环氧玻璃纤维棒5与钛框架通过连接钛管4连接，并使用钛材料双头螺栓将4和5连接，避免发生转动。碳刷电极分别沿着正极10和负极11钛圆环焊接在架状结构上。为保证实海下样时，负极能埋入海泥中，在连接钛管4处连接负重块。
[0037]例5、正极为单层碳纤维刷且由四种不同直径钛圆环组成，分别为Φ400πιπι，Φ800mm, Φ 1200mm, Φ 1600mm,负极为单层碳纤维刷且由三种不同直径钛圆环组成,其尺寸为Φ400mm，Φ800mm, Φ 1200mm。正极10和负极11通过环氧玻璃纤维棒5连接。为保证下海时架状结构的稳定性，采用环氧玻璃纤维棒5竖支撑和横支撑。环氧玻璃纤维棒5与钛框架通过连接钛管4连接，并使用钛材料双头螺栓将4和5连接，避免发生转动。碳刷电极分别沿着正极10和负极11钛圆环焊接在架状结构上。为保证实海下样时，负极能埋入海泥中，在连接钛管4处连接负重块。
[0038]例6、正极为两层碳纤维刷且由四种不同直径钛圆环组成，分别为Φ400πιπι，Φ800mm, Φ 1200mm, Φ 1600mm,负极为单层碳纤维刷且由三种不同直径钛圆环组成,其尺寸为Φ400mm，Φ800mm, Φ 1200mm。正极10和负极11通过环氧玻璃纤维棒5连接。为保证下海时架状结构的稳定性，采用环氧玻璃纤维棒5竖支撑和横支撑。环氧玻璃纤维棒5与钛框架通过连接钛管4连接，并使用钛材料双头螺栓将4和5连接，避免发生转动。碳刷电极分别沿着正极10和负极11钛圆环焊接在架状结构上。为保证实海下样时，负极能埋入海泥中，在连接钛管4处连接负重块。
[0039]例7、正极为单层碳纤维刷且由两种不同直径316不锈钢圆环组成，分别为Φ400mm, Φ800mm,负极为单层碳纤维刷且由一种直径316不锈钢圆环组成，其尺寸为Φ400ι?πι。正极10和负极11通过环氧玻璃纤维棒5连接。为保证下海时架状结构的稳定性，采用环氧玻璃纤维棒5竖支撑和横支撑。环氧玻璃纤维棒5与316不锈钢框架通过316不锈钢管4连接，并使用316不锈钢材料双头螺栓将4和5连接，避免发生转动。碳刷电极分别沿着正极10和负极11圆环焊接在架状结构上。为保证实海下样时，负极能埋入海泥中，在316不锈钢管4处连接负重块。
[0040]例8、正极为单层碳纤维刷且由两种不同直径316L不锈钢圆环组成，分别为Φ400mm, Φ800mm,负极为单层碳纤维刷且由一种直径316L不锈钢圆环组成，其尺寸为Φ400mm。正极10和负极11通过环氧玻璃纤维棒5连接。为保证下海时架状结构的稳定性，采用环氧玻璃纤维棒5竖支撑和横支撑。环氧玻璃纤维棒5与316L不锈钢框架通过316L不锈钢管4连接，并使用316L不锈钢材料双头螺栓将4和5连接，避免发生转动。碳刷电极分别沿着正极10和负极11圆环焊接在架状结构上。为保证实海下样时，负极能埋入海泥中，在316L不锈钢管4处连接负重块。
[0041]例9、正极为单层碳纤维刷且由两种不同直径BlO白铜圆环组成，分别为Φ400πιπι，Φ800ι?πι,负极为单层碳纤维刷且由一种直径BlO白铜圆环组成,其尺寸为Φ400ι?πι。正极10和负极11通过环氧玻璃纤维棒5连按。为保证下海时架状结构的稳定性，采用环氧玻璃纤维棒5竖支撑和横支撑。环氧玻璃纤维棒5与BlO白铜框架通过BlO白铜管4连接，并使用BlO白铜材料双头螺栓将4和5连接，避免发生转动。碳刷电极分别沿着正极10和负极11圆环焊接在架状结构上。为保证实海下样时，负极能埋入海泥中，在BlO白铜管4处连接负重块。
[0042]例10、正极为单层碳纤维刷且由两种不同直径Β30白铜圆环组成，分别为Φ400mm, Φ800mm,负极为单层碳纤维刷且由一种直径B30白铜圆环组成，其尺寸为Φ400ι?πι。正极10和负极11通过环氧玻璃纤维棒5连接。为保证下海时架状结构的稳定性，采用环氧玻璃纤维棒5竖支撑和横支撑。环氧玻璃纤维棒5与Β30白铜框架通过Β30白铜管4连接，并使用Β30白铜材料双头螺栓将4和5连接，避免发生转动。碳刷电极分别沿着正极10和负极11圆环焊接在架状结构上。为保证实海下样时，负极能埋入海泥中，在Β30白铜管4处连接负重块。[0043]例11、如图1所示，依次从电池连接6V升压器件7、储能器件8和温深仪TD (RBR，Canada)构成回路。TD连接到电脑并打开应用软件，在微生物燃料电池的驱动下，TD可成功设置参数和采集数据，并且与普通电源驱动下获得的数据相一致。
[0044]例12、如图1所示，依次从电池连接12V升压器件7、储能器件8和温盐深仪CTD(RBR, Canada)构成回路。CTD连接到电脑并打开应用软件，在微生物燃料电池的驱动下，CTD可成功设置参数和采集数据，并且与普通电源驱动下获得的数据相一致。
[0045]例13、如图1所示，依次从电池连接5V升压器件7、储能器件8和WTR-2M高精度数字水温记录仪(青岛新天地科技有限公司)构成回路。在水温记录仪数显表盘上显示正常工作，连接到电脑并打开应用软件，可获得与普通电源驱动下一致的数据。
[0046]例14、如图1所示，依次从电池连接5V升压器件7、储能器件8和温深仪TD(RBR，Canada)构成回路，并在所述电池的驱动下进行不间断长期工作，通过观察电流表和电压表数据表明TD正常运行，充分证明电池可驱动TD长期正常运行。
[0047]例15、如图1所示，依次从电池连接12V升压器件7、储能器件8和温盐深仪CTD(RBR，Canada)构成回路，并在所述电池的驱动下进行不间断长期工作，通过观察电流表和电压表数据表明CTD正常运行，充分证明电池可驱动CTD长期正常运行。
【权利要求】
1.一种驱动监测仪器用海底微生物燃料电池框架结构系统，其特征在于，所述电池框架包括金属框架及连接金属框架的绝缘材料和连接与金属框架上的电极材料，所述的金属框架及连接金属框架的绝缘材料具体结构为:由一定尺寸的金属带材料卷成直径大小不等的圆环，并连接成金属同心圆环组，将此圆环组按一定尺寸由金属材料上下连接构成三维空间金属架状结构，两个金属架状结构通过绝缘材料连接成整体电池框架。
2.如权利要求1所述的海底微生物燃料电池框架结构系统，其特征在于，金属材料选用金属纯钛，绝缘材料选用环氧玻璃纤维棒，电极材料选用黏胶基碳纤维刷。
3.如权利要求1或2所述的海底微生物燃料电池框架结构系统，其特征在于，正极框架设有多层多种直径的钛圆环组成的钛同心圆环组；负极框架设有多层多种直径的钛圆环组成的钛同心圆环组。
4.如权利要求3所述的海底微生物燃料电池框架结构系统，其特征在于，增设立支撑和横支撑。
5.如权利要求3所述的海底微生物燃料电池框架结构系统，其特征在于，在框架的四周布设一定重量的坠块。
6.如权利要求3所述的海底微生物燃料电池框架结构系统，其特征在于，正负极电缆采用密封接线柱引出。
7.如权利要求3所述的海底微生物燃料电池框架结构系统，其特征在于，设计并添加升压储能器件，并采用仪器器件密封舱密封。
8.如权利要求3所述的海底微生物燃料电池框架结构系统，其特征在于，海底微生物燃料电池的优选长期供电方式为长期间歇性供电。
9.如权利要求1所述的海底微生物燃料电池框架结构系统，其特征在于，金属材料选用不锈钢，绝缘材料选用环氧玻璃纤维棒，电极材料选用黏胶基碳纤维刷。
10.如权利要求1所述的海底微生物燃料电池框架结构系统，其特征在于，金属材料选用铜材料，绝缘材料选用环氧玻璃纤维棒，电极材料选用黏胶基碳纤维刷。
【文档编号】H01M8/02GK203503741SQ201320587433
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月23日 优先权日:2013年9月23日
【发明者】付玉彬, 英明, 于建, 庄晓培, 王健, 柴方刚 申请人:中国海洋大学