小型电子元件的实用性

作者：付玉彬 李建海 赵仲凯 徐谦 单位：中国海洋大学材料科学与工程研究院

随着人类海洋开发范围的不断扩大和深海探测的发展，水下小型传感器、水下小型机器人等仪器是人们进行海洋研究的重要手段，它们需要连续的电源驱动仪器工作，一旦电源消耗完毕，它们将失去相应的使用功能。因此，电源持续可靠的补给是仪器工作的前提和瓶颈。分布在深远海位置用于监测环境物理、化学因子变化的许多小型电子仪器的特点是使用功率低（如待机功率只有毫瓦级），持续时间长（可达数年或更长），使用自带电源无法连续长期工作。目前，人们常用的几种供给电源方式均难以满足远距离长期探测的需要。故人类迫切需要研究新型能源材料技术以满足海洋开发和探测的需求。海底生物燃料电池是1种使用新型能源材料技术的电池，其工作原理是利用沉积物（如海泥）作为燃料，海泥细菌代谢沉积物产生电子，在海泥中放置石墨阳极（也可称为负极），海水中放置阴极（也可称为正极），海泥细菌附着到阳极表面形成生物膜；这些电子通过生物膜转移到阳极上，接通阴极，形成电流，可驱动仪器工作。阴极反应是利用阳极产生的电子，氧与氢离子反应生成水。该电池具有成本低、来源广、持续、长效、绿色等特点，考虑到一些低功率小型监测仪器的需求，可望作为供电电源满足监测仪器的长期需要。目前，大多数微生物燃料电池研究集中在环境污水处理方面［3－6］，开展海底生物燃料电池与利用该电源驱动监测仪器的相关应用研究较少。国外麻省理工学院微生物系的DRLovely主要开展阳极表面附着产电菌的基因工程研究，美国海军研究实验室LMTen－der博士主要开展海底生物燃料电池的海洋应用研究，Tender曾经利用该电池实际海况成功驱动了1个小型海洋监测浮标，初步验证了该电池应用可行性。FeiZhang等曾利用美国密歇根湖的沉积物和湖水，组装电池，在实验室尝试驱动1个无线温度传感器［9］。本项目组结合海洋设备需求，开展了海底生物燃料电池石墨阳极改性技术研究以提高其输出功率，其技术思路是通过化学氧化和其他改性方法，改变石墨阳极表面的生物惰性，提高其亲水性和生物亲和性，促进细菌附着，提高电池输出功率，结果表明化学氧化改性处理的阳极能够显著提高电池输出电流，提高电池稳定性］。本实验利用化学氧化改性石墨阳极，构建海底生物燃料电池，利用其作为电源，驱动小型电子装置和海洋监测仪器。结果表明尽管海底生物燃料电池输出功率不高，但通过合理的电路设计和升压装置设计，可以连续驱动小型电子装置和监测仪器（如计算器、钟表、海洋温度计、温深仪等）的运行。这既为水下仪器的电源补给提供了新方法，也为开发海洋广阔无垠的沉积层资源奠定了重要基础。

1实验材料、方法和电池装置

1．1实验室条件下，实验电极材料、方法和电池装置从胶州湾李村河入海口附近取海水和海底沉积物（如海泥），作为电池实验材料。所用的电极为普通碳棒，为了增强碳棒表面亲水性能和生物亲和性，使用浓硝酸氧化溶液处理碳棒，结果表明混合氧化酸处理后，碳棒表面的亲水性增加，附着细菌数量增多，电池输出功率提高，具体处理方法和结果见参考文献［16］。实验室构建的电池装置如图略。电池的阴极悬置在海水中，阳极埋置在海底沉积物中，各自导线引出，连接在一起，形成通路。电池可放置在玻璃烧杯中，也可放置在塑料桶中。为防止电极的极化，可以串接一定的电阻。

1．2实际海况条件下，实验材料、方法和电池装置海底生物燃料电池试验地点选在青岛胶州湾李村河入海口附近位置（36°05′N，120°19′E）。试验时间从2010年6月16日～12月23日。电池正极材料采用导电性碳纤维编织布（英国SGL公司，KWC600，50K丝束，0／90双轴向编织），没有进行任何处理，购买直接使用，负极材料采用普通碳棒（直径1．6cm，长17．5cm），表面经过化学氧化处理（浓硝酸氧化），具体处理方法见文献［16］。负极经过氧化处理后，电池性能可以明显提高。电池正极和负极结构照片如图2所示。图2a是经过氧化处理的碳棒，每10根捆绑成一排，5排（50根）作为1个电池的负极，平行插入到海底沉积层中，导线埋置于海泥之下引出到堤坝上。图2b是正极碳纤维布被固定到上边的大塑料框架上，大塑料框4个角被沙袋和锚块固定在电池负极所处的海泥位置上，防止风浪、潮汐影响装置的稳定性；下边的小塑料框被压进海泥，经过精确放置，小塑料框可以保护海泥中的碳棒；正极导线埋置于海泥之下引出到堤坝。在同1个区域相近位置，同时放置3个同样的电池装置，在海底呈现品字形排列，引出导线，平行进行测试。

2试验结果

2．1实验室实验结果测试结果表明：在实验室条件下，电池装置的最大输出功率密度可达到45mW／m2。对应的输出电压为0．35～0．5V。实验室长期测试（6月以上）具有较好的稳定性。改性阳极组装电池的输出功率、稳定性和抗极化能力均优于未改性阳极，作用机理可能是由于化学氧化在石墨阳极生成含氧的醌式结构，该结构可作为电子转移介体，加速细菌产生的电子向阳极传递，提高电极反应动力学活性，进而提高电池性能［16］。单个电池的开路电压为0．75V，通路时，在一定的外接电阻条件下，电池输出电压为0．35～0．50V（达到最高输出功率）。这远低于小型电子器件（如钟表、收音机和计算器等）的启动电压（1．5～3．0V）。为此，本研究采用串联升压设计，把几个海底生物燃料电池串联起来，升高电压，满足仪器运行的需要。如图3a，3b所示，串联3～4个电池，就可以成功驱动小型电子装置的运行（如钟表、计算器），它们的驱动电压为1．5V。一般收音机是2节电池驱动，驱动电压需要3V，驱动电流更大些，为此，设计串联7～8个电池装置，就可连续驱动收音机运行（见图3c）。驱动这些小型电子装置的试验过程和试验结果参看视频录象（见附件1）。

2．2实验室条件海底生物燃料电池驱动小型海洋监测仪器运行许多海底监测仪器需要长期在水下运行，其电源供给十分重要，决定着科研任务的成败。为了验证海底生物燃料电池作为电源应用于海洋监测仪器的可行性，本研究对电池装置进行了放大设计，采用1种石墨化电极板（加工成型尺寸为400mm×200mm×10mm，青岛钰兴石墨制品有限公司生产）作为阳极，阳极同样进行硝酸氧化处理。阴极采用1种活性粘胶基高强碳纤维（青岛远辉复合材料有限公司生产），具有较高的比表面积（300～400m2／g），有利于阴极性能的提高。电池槽采用玻璃钢水槽设计，玻璃钢电池槽宽度为650mm，高度为850mm，长度可以根据需要设计。本研究设计槽子的长度为4．8m，采用隔板设计，将槽子分隔成12个小槽子，每个槽子的宽度为400mm，这相当于设计12个电池，组成电池组。每个小电池槽底部是海泥，放置8块石墨阳极（见图4a左）；槽子上部为海水，水中浮置碳纤维（见图4a），海泥和海水均直接取自胶州湾。组装的海底生物燃料电池放大装置如图4a（右）所示。整个装置稳定7～10d，性能趋于稳定，而且每个电池槽性能比较一致，可以开展电池电路设计驱动小型监测仪器研究。本研究选了2款仪器用于验证研究，1个仪器是温深仪（加拿大RBR公司产品），该仪器需要2节高能锂电池驱动，在水下连续采集数据。通过电脑预置采集数据程序，仪器按照程序设计要求，定期采集数据，然后通过接口，传输到电脑，处理或保存海水的温度和深度等环境数据，形成压力和温度曲线。温深仪照片如图4b所示。另1个仪器是海水温度计（中国海洋大学科学仪器厂生产），该仪器需要4节高能1号电池驱动工作。本研究设计将10个电池小槽子串联，电池输出电压达到6～6．5V，电流为15～30mA，能够满足海洋温深仪和海洋温度计用电需求，驱动其连续运行（附件2视频录音录像）。图4c是温深仪运行后，得到的温度（黄色）和压力曲线（红色），数小时运行结果良好。

2．3实际海况条件下，海底生物燃料电池驱动小型电子装置运行

2．3．1实际海况试验现场和长期测试结果当海洋潮位处于最低潮时，在水面下部安装电池，保证在最低潮位置时，电池阴极总是浸没在海水水面以下5～10cm，因为电池阴极一旦露出水面，电池将不能正常产电。图5a是最低潮位置附近阴极装置，图5b所示远处红色浮标附近是电池装置，近处可以看到从海底引出的导线延伸到堤坝上面，用于测试电池性能。长期测试结果表明（6月）：单个海底生物燃料电池的平均输出功率（负载为50Ω）为15～25mW／m2。实际海况测试功率低于实验室测试的输出功率，这可能与阴极生物污损，阴极表面大量海泥沉积等因素有关，具体原因正在分析之中。

2．3．2电池升压装置研制在实际海况条件下，由于海水导电性强，海底生物燃料电池无法串联升压使用。该类电池开路电压只有0．75V，通路状态使用电压更低。而小型电子装置的驱动电压一般是1．5、3、6V等，因此，需要设计升压装置。目前市场上常见的升压装置主要针对高输入电压设计的工作条件（如大于1．5V及以上），没有针对低输入电压条件下的升压装置或器件。因此，本研究特殊设计了电池升压装置（见图6a，6b，6c），并测试了其升压曲线，如图6d所示。该升压装置（见图6a，6b）在低输入电压条件下（0．5V），可以升压到1．15V，但是升压装置的功率转化率比较低，只有不到5％。升压装置6c采用了特殊的升压和电路设计，在更低输入电压条件下（如0．35V），仍具有升压效果，而且系统的功率转化率略高，达到10％～20％。

2．3．3电路连接和实际海况驱动电子装置运行利用特殊设计升压装置提高输出电压，同时，设计3个电池组并联提高输出电流。因此，本研究在胶州湾现场实现了海底生物燃料电池成功驱动计算器、钟表等小型电子装置的长期连续运行。如图7所示，图7a是试验现场图，图7b是计算器背面木棍支撑固定电源线，也表示没有任何其它电源，图7c是海底沉积层生物燃料电池驱动计算器运行。驱动该小型电子装置的试验过程和试验结果参看视频录象（见附件3）。本装置在实际海况连续测试运行8月以上，仍然正常；从理论上分析，该装置长期运行没有问题。目前，尽管该电池输出功率和升压装置功率转化率还较低，无法满足大型监测仪器的电源需求，但该研究结果初步验证了海底生物燃料电池作为电源供给方式应用的可行性。该研究成果受到国内重要媒体的报道，科学时报（2010年10月21日A1头版）和中国海洋报（2010年8月13日3版），北京科技报、城市信报、青岛晚报等多家媒体在头版或重要版面都进行了报道［17］。

3存在的问题和进一步研究内容

目前，海底生物燃料电池输出功率、升压装置功率转化率均较低，不利于该电池能源的开发利用。因此，未来的研究重点集中在探索电极表面改性新方法，海底生物燃料电池结构的优化设计，高功率转化率升压装置设计等方面，既要提高电池输出功率，又要提高功率转化率。同时，还要开展储能装置设计，将海底沉积层产生的电能源源不断的储存起来，满足监测仪器的连续使用或峰值功率使用要求。4结语海底生物燃料电池阳极改性可以显著提高输出功率，经过串联设计，在实验室条件下，该电池可驱动钟表、收音机、海洋温深仪和温度计等电子装置连续运行。在实际海况条件下，电池经过并联设计和升压装置设计，可驱动小型电子装置（如计算器、钟表等）的连续运行。本研究初步验证了海底生物燃料电池应用的可行性，有望成为一种海底仪器能源供给的新方法。同时也为人们开发广阔无垠的海底沉积层能源提供了一把钥匙。