一种单元体结构海底小功率供电系统的制作方法

本发明属于海底供电能源领域，具体地，本发明涉及一种单元体结构海底小功率供电系统。

背景技术：

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是以微生物为催化剂，将有机物中蕴含的化学能直接转化为电能的装置。海底沉积物以有机碳的形式储存着大量的能量，有机碳的含量一般为2％，若将其完全氧化，每升沉积物可产生6.1×10⁴J的能量(17Wh/L)，为MFC的发展提供了物质基础。海底微生物燃料电池利用沉积物作为一个远程电源在海底原位供电，服务于海底作业的监测和检测设备。阳极置于厌氧沉积物中，阴极置于上覆水含有溶解氧的环境中，高盐度的海水提供了良好的导电性，沉积物中不断富集有机质，为海底微生物燃料电池持续提供能量。产电生物膜具有自我复制、更新的能力，电池具备可长期稳定运转的突出优势。随着人们对海洋的进一步开发，海洋环境监测和调查的重要性日益受到重视，这对偏远海域监测和检测装置的电能供应提出了挑战，从有机物富集的沉积物中获取电能作为海底监测和检测装置的替代能源就成为了一种解决方式。

沉积物微生物燃料电池使用底泥中的有机物及微生物菌群作为阳极物质来源，以水中的溶氧或高价态的金属矿物离子为阴极电子受体，从而产生电流。解决了化学电池需定期更换的问题，同时对电池的构造材料性能要求很低，降低海底及河道探测所需要的运行和更换成本。

MFC作为一种新的能源技术，在作为偏远海域供电设备的替代能源方面有着美好的应用前景。但是，功率密度低的挑战依然存在，还需要不断地从电极材料、电极修饰、电池构型、合理利用自然条件等方面进行优化。

技术实现要素：

本发明的目的是构建一种单元体结构海底小功率供电系统，该供电系统具有单元体MFC结构简单集中、隐蔽性强和供电响应快的特点，利用电能管理系统，可以保证供给电能的恒定。

本发明提供的单元结构式海底小功率供电系统，包括若干个微生物燃料电池，其特征在于：

所述微生物燃料电池的阴极和阳极采用整体极板结构，电阻和电线固化在极板内；

所述供电系统包括由所述微生物燃料电池经串联、并联或混联组成的电池组；

所述单元体微生物燃料电池的下部是阳极，上部为阴极，所述阳极置于厌氧沉积物中，所述阴极置于含有溶解氧的液体环境中。

优选的，所述微生物燃料电池包括阴极、阳极、固化在极板内的电阻和电线。

优选的，所述微生物燃料电池或由所述微生物燃料电池经串并联组成电池组的阳极插入海底的沉积物中，阴极暴露于海水中，阳极微生物膜中的微生物分解沉积物并供电。

优选的，所述阴极和阳极采用电极修饰或不采用电极修饰。

优选的，所述阴极和/或阳极为柱状、鼓状或长方体状。

优选的，所述阴极和/或阳极的全部表面或部分表面具备或不具备锯齿状或螺纹状连续突起。

优选的，所述阴极和阳极具有或不具有生物膜，所述生物膜由深海热液硫化物沉积菌液微生物吸附形成，或由海底布放目标区沉积物菌液吸附形成。

优选的，所述装置还包括电能管理系统，所述电能管理系统缓冲MFC电能波动，规避海底复杂环境的影响，实现电能连续恒定的输出。

优选的，所述微生物燃料电池或由所述微生物燃料电池经串并联组成电池组置于与其形状相近的箱式布放器内，所述箱式布放器包括座耳、套筒、锥形底盘；所述套筒下部与锥形底盘采用电磁装置相连，套筒上部由座耳通过销轴与油缸活塞杆相连；

布放供电系统时，箱式布放器吊放在海底，油缸活塞杆将套筒和其中的微生物燃料电池压入沉积物中；在压入预定深度后，套筒与锥形底盘分离，箱式布放器被吊起，阴阳极整体单元式微生物燃料电池的阳极随着锥形底盘插入沉积物中，阴极在海水中，阳极微生物膜中的微生物分解沉积物。

本发明采用阴、阳极整体式单元体MFC，其具有内阻低、结构紧凑、抗冲击能力强的优势；通过串并联组成的单元体结构海底MFC供电系统具有隐蔽性强、移动性好和应用范围广等优点；通过电能管理系统输出恒定，缓冲MFC输出波动，可以规避海底复杂环境的影响，对于单元体结构海底MFC供电系统，本领域技术人员可根据具体情况自由进行串并联组合，灵活性高。

附图说明

图1为阴、阳极整体式深海MFC单元体结构图

图2为保护套筒与单元体结构海底MFC被压入沉积物示意图

图3为单元体海底MFC小功率供电系统布放框架

图4a1-2,4b1-2,4c1-2,4d1-2,为电池组串、并联示意图

附图标识：

1、阴极生物膜；2、石墨烯-Fe³⁺阴极复合修饰；3、石墨阴极；4、导线；5、电阻；6、阳极生物膜；7、石墨烯-聚苯胺阳极复合修饰；8、石墨阴极

图4a1为实施例1中的基础电池组,图4a2为实施例1串并联方式；

图4b1为实施例2中的基础电池组,图4b2为实施例2串并联方式；

图4c1为实施例3中的基础电池组,图4c2为实施例3串并联方式；

图4d1为实施例4中的基础电池组,图4d2为实施例2串并联方式；其中各基础电池组用电池符号表示。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，将阴、阳极整体单元体结构MFC，外径30mm，内径10mm，高100mm，内固装电阻500Ω及连接阴阳极板导线的圆柱体，进行阴极石墨烯-Fe³⁺复合修饰，阳极石墨烯-聚苯胺复合修饰。本领域技术人员可以根据需要选择其他的修饰方式或者不进行修饰。

取我国南海某海域，水深900米的海底沉积物，在上述单元结构MFC阴阳极表面吸附，生成生物膜，输出电压0.58～0.61V，且恒定。该生物膜也可以不预设，而在布置后形成。

将单元体MFC进行串并联组合(见图4a1-2)，电池组输出端与电能管理系统相连接。单元体MFC放入布放器的保护套内。

到达南海某海域，布施器被下放到海底沉积物，油缸活塞杆将保护套和其中的单元体MFC压入沉积物中；压入预定的60mm深度，断电磁力消失，套筒与锥形底盘分离，箱式布放器被吊起，阴阳极整体单元体MFC的阳极插入沉积物中60mm，阴极在海水中，阳极微生物膜中的微生物分解沉积物，输出恒定电压3.6V，为RBRduetT.D微型温深仪供电。

实施例2

将阴、阳极整体单元体结构MFC，如图1所示，外径30mm，内径10mm，高100mm，内固装电阻500Ω及连接阴阳极板导线的圆柱体，电极表面螺纹状连续突起，进行阴极石墨烯-Fe³⁺复合修饰，阳极石墨烯-聚苯胺复合修饰。

取西太平洋国际海底区域中国富钴结壳勘探区附近，水深2850米的海底沉积物，在上述单元结构MFC阴阳极表面吸附，生成生物膜，输出电压0.61～0.64V，且恒定。

将单元体MFC进行串并联组合(见图4b1-2)，电池组输出端与电能管理系统相连接。单元体MFC放入布放器的保护套内。

到达西太平洋国际海底区域中国富钴结壳勘探区附近某海域，布施器被下放到海底沉积物，油缸活塞杆将保护套和其中的单元体MFC压入沉积物中；压入预定的50mm深度，断电磁力消失，套筒与锥形底盘分离，箱式布放器被吊起，阴阳极整体单元体MFC的阳极插入沉积物中50mm，阴极在海水中，阳极微生物膜中的微生物分解沉积物，输出恒定电压15V，为海洋卫士RCM海流、电导率、压力检测仪供电。

实施例3

将阴、阳极整体单元体结构MFC，如图1所示，底面为30mm×30mm，内径10mm×10mm，高150mm，内固装电阻500Ω及连接阴阳极板导线的长方体，进行阴极石墨烯-Fe³⁺复合修饰，阳极石墨烯-聚苯胺复合修饰。

取西南印度洋中国多金属硫化物矿勘探区附近，水深1870米的海底沉积物，在上述单元结构MFC阴阳极表面吸附，生成生物膜，输出电压0.62～0.65V，且恒定。

将单元体MFC进行串并联组合(见图4c1-2)，电池组输出端与电能管理系统相连接。单元体MFC放入布放器的保护套内。

到达西南印度洋中国多金属硫化物矿勘探区附近某海域，布施器被下放到海底沉积物，油缸活塞杆将保护套和其中的单元体MFC压入沉积物中；压入预定的70mm深度，断电磁力消失，套筒与锥形底盘分离，箱式布放器被吊起，阴阳极整体单元体MFC的阳极插入沉积物中70mm，阴极在海水中，阳极微生物膜中的微生物分解沉积物，输出恒定电压15V，为海洋卫士RCM海流、温度、压力检测仪供电。

实施例4

将阴、阳极整体单元体结构MFC，如图1所示，外径50mm，内径20mm，中部外径60mm，高200mm，内固装电阻500Ω及连接阴阳极板导线的鼓状电极，进行阴极石墨烯-Fe³⁺复合修饰，阳极石墨烯-聚苯胺复合修饰。

取太平洋国际海底区域中国大洋多金属结核开辟区，水深5850米的海底沉积物，在上述单元结构MFC阴阳极表面吸附，生成生物膜，输出电压0.67～0.69V，且恒定。

将单元体MFC进行串并联组合(见图4d1-2)，电池组输出端与电能管理系统相连接。单元体MFC放入布放器的保护套内。

到达太平洋国际海底区域中国大洋多金属结核开辟区附近某海域，布施器被下放到海底沉积物，油缸活塞杆将保护套和其中的单元体MFC压入沉积物中；压入预定的90mm深度，断电磁力消失，套筒与锥形底盘分离，箱式布放器被吊起，阴阳极整体单元体MFC的阳极插入沉积物中90mm，阴极在海水中，阳极微生物膜中的微生物分解沉积物，输出恒定电压15V，为Aanderaa海洋卫士海流计供电。

当然，本发明还可以有多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明的公开做出各种相应的改变和变型，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。