專利名稱：金屬腐蝕陰極保護(hù)用海泥/海水生物燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海洋腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及金屬海洋腐蝕陰極防護(hù)用一種外加直流電源及系統(tǒng)連接設(shè)計。
背景技術(shù)：
海洋腐蝕給人們造成了巨大損失，開發(fā)海洋防腐新技術(shù)一直是人類的重大需求。 目前，人們已經(jīng)開發(fā)了諸如犧牲陽極陰極保護(hù)技術(shù)、外加電流陰極保護(hù)等多種金屬防腐蝕 技術(shù)。外加電流法陰極保護(hù)系統(tǒng)有三個重要組成部分直流電源、輔助陽極、被保護(hù)金屬及 結(jié)構(gòu)物，其關(guān)鍵在于利用外部直流電源對被保護(hù)金屬提供陰極保護(hù)電流，外加電源的特點(diǎn) 是低電壓、大電流、能長期持續(xù)供電、且可以按需調(diào)節(jié)輸出電流。因此，外加電流法陰極保護(hù) 系統(tǒng)對直流電源的要求是1)能長期連續(xù)供電，可靠性高；2)輸出電壓和電流可調(diào)；3)輸 出阻抗應(yīng)與陰極保護(hù)系統(tǒng)回路電阻相匹配；4)對工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，操作維護(hù)簡便；5)投 資成本比較低。目前，常用的外加電源裝置之一是整流器，如硅整流器、硒整流器、鍺整流器，它是 一種將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷难b置，需要有外部交流電源的輸入。外加電源裝置之二是恒 電位儀，本質(zhì)上，也是一種整流器，它能自動地保持被保護(hù)金屬上某點(diǎn)的電位，恒電位儀種 類很多，如晶體管恒電位儀、磁飽和恒電位儀、可控硅恒電位儀，其中常用的是可控硅恒電 位儀。外加電流裝置之三是恒電流式整流器，也稱恒電流儀，一般用于有雜散電流干擾情況 下的陰極保護(hù)。以上幾種外加電源均需要人們提供穩(wěn)定可靠的公共電源[1]。許多陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)物處于無公用電源和偏遠(yuǎn)地區(qū)，需要考慮其他形式的電源用于 陰極保護(hù)。目前，人們可以使用的其它電源裝置還包括如下幾種一種是密閉循環(huán)蒸汽發(fā)電 機(jī)，利用外加燃料系統(tǒng)進(jìn)行可靠穩(wěn)定的發(fā)電。一種是風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)能是一種自然資源，可 以就地取用，分布廣泛，不污染環(huán)境、不破壞生態(tài)，是一種經(jīng)濟(jì)有效的措施。一種是太陽能電 池，它是利用半導(dǎo)體材料的光電轉(zhuǎn)換原理，將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種裝置，用于制造太陽能 電池的半導(dǎo)體材料有單晶硅、鍺、砷化鎵、硫化鎘等，其中，單晶硅薄膜電池工藝較為成熟并 已獲得普遍應(yīng)用。還有一種是蓄電池，蓄電池組可在沒有公用電源及需要保護(hù)電流較小的 情況下，用作陰極保護(hù)電源，這種電源較為簡單，但電容量有限，需要準(zhǔn)備較多備份，以便更 換使用[1]。隨著海洋開發(fā)的深入，人們不斷向深遠(yuǎn)海挺進(jìn)，水下設(shè)備平臺、海洋鉆井平臺、水 下長距離輸油輸氣管道、水下錨泊裝置等金屬結(jié)構(gòu)物越來越多，它們的腐蝕給人們造成巨 大的損失?？紤]到這些金屬結(jié)構(gòu)物在深遠(yuǎn)海位置長期工作，需要采取涂層和電化學(xué)防護(hù)措 施。在深遠(yuǎn)海位置，既無市政公用電源穩(wěn)定供應(yīng)，蓄電池因電容量有限，難以長期供電，而長 距離電纜供電又難以實(shí)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)還需要燃料、配套機(jī)械裝置等。2006年國內(nèi)公開了一種太 陽能供電裝置用于金屬陰極保護(hù)的方法[2]，利用太陽能，發(fā)電量可以根據(jù)需求設(shè)計，特點(diǎn) 是綠色、環(huán)保、發(fā)電量也可控，但其不足之處是太陽能供電裝置存在能量不穩(wěn)定，日照充足 時，有電能，日照不足時，沒有電能，難以連續(xù)有效，這將影響陰極保護(hù)效果。海上風(fēng)力發(fā)電裝置也存在類似的問題。同時，在外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電能長期消耗導(dǎo)致陰極保護(hù)系統(tǒng)費(fèi) 用很高，人們也一直在試圖降低這種電能成本。深遠(yuǎn)海位置陰極防護(hù)系統(tǒng)的維護(hù)非常困難， 為了保持防護(hù)系統(tǒng)的正常工作，人們也需要投入大量成本，進(jìn)行外加電源的維護(hù)和檢測。因 此，海洋金屬腐蝕外加電流陰極保護(hù)用電源的長期持續(xù)供給一直是非常困難，特別是對于 深遠(yuǎn)海水下一些金屬構(gòu)件的外加電流陰極防護(hù)，其電源供給是人們面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。 如何尋求一種持續(xù)、長效、穩(wěn)定、廉價、方便、實(shí)用的電源一直是人們努力的方向。海底沉積層是一個巨大的能源寶庫，海泥/海水生物燃料電池(簡稱海泥/海水 電池)是一種新型電源裝置[3-5]。R Alberte et al 2005 年專利(US patent 6913854B1, 2005)公開了一種利用海水/海泥界面電壓差產(chǎn)生電能的裝置和方法[6]，該方法的技術(shù)原 理如

圖1所示海泥細(xì)菌不斷分解沉積物，產(chǎn)生電子，海泥中植入陽極，海水中放置陰極；而 電子通過附著細(xì)菌轉(zhuǎn)移到陽極，再經(jīng)導(dǎo)線流動到陰極，形成電流，產(chǎn)生電能。LM Tender and D Lowy (2009)公開了一種利用金屬錳陽極，構(gòu)成的海泥/海水電池裝置[7]。麻省理工學(xué)院DR Lovely教授研究小組2001年在實(shí)驗(yàn)室測試中，利用石墨電極可 連續(xù)6個月穩(wěn)定輸出電力16mw/m2，這可以驅(qū)動小型電子計算器運(yùn)行[3]。美國賓州大學(xué)環(huán) 境工程學(xué)院BE Logan教授利用毛刷狀陽極，提高了陽極比表面積，可以顯著提高電流密度 和電池輸出功率[8]。美國海軍研究室的LM Tender于2002年研究了陽極表面吸附電子轉(zhuǎn) 移介體(如1，6_ 二磺酸蒽醌等)，燃料電池的電流密度可以提高大約5倍[9-10]。兩個海 域檢測結(jié)果表明該電池可以超過12個月連續(xù)不斷地輸出30mW/m2的電源。中國海洋大學(xué)材料院付玉彬研究小組石墨陽極經(jīng)過簡單的化學(xué)氧化處理(如高 錳酸鉀處理)，表面親水性能明顯提高，電池功率密度可達(dá)到100mW/m2，電極形狀對電池性 能也有顯著的影響[11-12]。通過電池電極表面親水處理，電極大小和形狀設(shè)計，海水/海 泥電池的輸出功率可以達(dá)到瓦級、幾十瓦甚或數(shù)百瓦。在海洋工程實(shí)際應(yīng)用中，金屬結(jié)構(gòu)表面均涂覆不同的防腐涂層，通過涂層保護(hù)和 外加電流陰極保護(hù)，共同提高金屬結(jié)構(gòu)物的防腐蝕性能和使用壽命。當(dāng)鋼表面有防護(hù)涂層 條件下，根據(jù)表面涂覆層電阻率，選取電流密度；例如，當(dāng)電阻率大于50000 Ω /m2時，保護(hù)電 流密度小于10 μ A/m2，當(dāng)電阻率大于10000-50000 Ω/m2時，保護(hù)電流密度小于50 μ A/m2，當(dāng) 電阻率大于5000-10000 Ω/m2時，保護(hù)電流密度小于100_50μ A/m2。相對于飽和甘汞電極， 鋼管道自腐蝕電位一般為-0. 55V，最小保護(hù)電位為-0. 85V，在表面有防護(hù)涂層的情況下， 保護(hù)電流密度一般為0. 01-0. ImA/m2。而海泥/海水電池電流密度可達(dá)到200mA/m2以上， 通過電池電極表面處理，電流密度還可以大幅提高。根據(jù)上述分析，可以看出海泥/海水電池提供的電流密度基本可以滿足鋼結(jié)構(gòu)件在海水中的防腐蝕要求；因此，通過電池裝置設(shè)計，海泥/海水電池可以滿足海洋金屬腐蝕 金屬保護(hù)外加直流電源的要求。在海洋條件下，海水富含鹽分，導(dǎo)電性強(qiáng)，系統(tǒng)內(nèi)阻較小，這 也為該電池系統(tǒng)的應(yīng)用提供條件。結(jié)合海洋金屬腐蝕外加電流陰極保護(hù)的需求，設(shè)計海泥/ 海水電池裝置及與金屬陰極保護(hù)的連接方式，用于海洋水下條件金屬陰極保護(hù)是本發(fā)明的 ^^點(diǎn)O主要參考文獻(xiàn)[1]吳蔭順，電化學(xué)保護(hù)和緩蝕劑應(yīng)用技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社，2006年第一版，141-152.[2]實(shí)用新型專利，200620091671，犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)中使用太陽能供電測試樁(大連理工大學(xué))。張亞彬，方智平，太陽能陰極保護(hù)供電系統(tǒng)，太陽能，2002(1)，14-15， 9.[3]Daniel R. Bond, Dawn E，Holmes，Leonard M. Fender, Derek R. Lovely, Electrode-reducing microorganismsthat harvest energy from marine sediments， Science，2002，295，483-485.[4]Leonard M. Tender，Clare E. Reimers et al. Harnessing microbially generated power on the seafloor，NatureBiotechnology，2002，20 :821_825.[5]L M. Tender，Sam A. Gray,et al. The first demonstration of a microbial fuel cellas a viable power supply :Powering a meterological buoy.Journal of Power Sources，2008，179，571-575.[6]Randall Alberte，Harold J. Bright, Clare Reimers，Leonard M. Tender, Method and apparatus for generatingpower from voltage gradients at sediment-water interfaces，United Sates Patent 6913854，2005.[7]L M Tender and D Lowy, Apparatus equipped with metallic manganese anode for generating power fromvoltage gradient at the sediment-water interface. US patent 7550224 Bi，2009.[8]Bruce E.Logan. Microbial fuel cells. United States of America John Wiley & Sons，2007，13-14.[9]Daniel A. Lowy, Leonard M. Tender. Harvesting energy from the marine sediment-water interface III Kineticactivity of anode materials，Journal of Power Sources，2008，185，70-75.[10]Daniel A. Lowy, Leonard M. Tender, J. Gregory Zeikus，Doo Hyun Park， Derek R. Lovely, Harvesting energyfrom the marine sediment-water interface II Kinetic activity of anode materials， Biosensors and Bioelectronics,2006,21, 2058-2063.[11] Jian-hai Li, Yu-bin Fu，Jia Liu, An-Iong Li and Dong-dong Ma, Effect of Electrode Shape on Power andlnternal Resistance in Benthic Microbial Fuel Cell Material on Marine Sediment, Advanced Materials Research，2009，Vols.79—82， 2195-2198.[12]Jianhai Li， Yubin Fu， Xuerong Zai， Zhongkai Zhao， Kuizhong Li， KMnO2 Modification of Graphite Anodesto Enhance Performance of Benthic Microbial Fuel CelliThe Second International Symposium on Microbial FuelCell in China，Beijing， October,13—14，2009，12—14.發(fā)明的目的本發(fā)明通過設(shè)計海泥/海水電池裝置，以及該裝置與金屬陰極的系統(tǒng)連接方式， 為海洋金屬腐蝕陰極防護(hù)系統(tǒng)提供外加直流電源，解決海洋水下金屬結(jié)構(gòu)件，在陰極保護(hù) 技術(shù)中，存在的電源供給困難、難以持續(xù)長效、高維護(hù)成本等問題。
發(fā)明的內(nèi)容為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明利用海泥/海水生物燃料電池作為外加直流電源，與被保護(hù)金屬相連接方式，形成陰極保護(hù)系統(tǒng)，抑制或減緩金屬腐蝕。被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物在海泥中利用海泥/海水生物燃料電池作為外加直流電源，進(jìn) 行陰極保護(hù)裝置系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。電池正極1 (包括但不限于如下電極材料普通石墨 電極、玻碳電極、碳刷電極、碳布電極、碳?xì)蛛姌O、鉬電極等)放置在海泥中，距離海泥/海水 界面約為I-IOOcm ；電池負(fù)正極2 (包括但不限于如下電極材料普通石墨電極、玻碳電極、 碳刷電極、碳布電極、碳?xì)蛛姌O、鉬電極等)懸置在海水中，距海水/海泥的距離為大于lcm， 正極不可脫離海水懸空放置；正極、負(fù)極通過導(dǎo)線連接，構(gòu)成電池。電池連接一個直流增壓 器3，調(diào)節(jié)電池的輸出電壓。整個電池與一個控制器4相連，可以控制輸出電壓和電流。被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物5 (如涂有防腐涂層的鋼管、鋼樁或海工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)等)、 參比電極6(如飽和甘汞電極、鋅參比電極、氯化銀電極、銅/硫酸銅電極等)和輔助陽極 7(如鍍鉬陽極、石墨等)置于海泥中。輔助陽極與被保護(hù)結(jié)構(gòu)物不可相互接觸，保持隔離狀 態(tài)，它們距海泥/海水界面均為lO-lOOcm。被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物5與控制器的負(fù)極相連接，輔 助陽極7與控制器的正極相連，參比電極連接到控制器上，與被保護(hù)管道、輔助陽極共同構(gòu) 成三電極體系。 在輔助陽極與控制器線路上，可以連接變阻器8和電流儀表9，檢測或控制體系的 電流密度。在被保護(hù)陰極與控制器線路上，可以連接電壓表10，檢測電壓。整個系統(tǒng)連接完成后，電池需要5-10天的穩(wěn)定和啟動時間，10天后，電池可以穩(wěn) 定供電，系統(tǒng)得到穩(wěn)定保護(hù)。所有電連接部位要求與海水絕緣，避免影響電池性能和系統(tǒng) 的陰極保護(hù)效果。測定參比電極與被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)之間的電位，使保護(hù)電位控制在設(shè)計的 保護(hù)電位范圍內(nèi)(-0. 85V…-1. 05V)。被保護(hù)金屬的保護(hù)電流密度取決于測定金屬表面涂 層的電阻率，當(dāng)電阻率大于50000 Ω /m2時，保護(hù)電流密度可小于10 μ A/m2，當(dāng)電阻率大于 10000-50000 Ω /m2時，保護(hù)電流密度可小于50 μ A/m2，當(dāng)電阻率大于5000-10000 Ω/m2時， 保護(hù)電流密度可在100-50 μ A/m2范圍。如果被保護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，綜合考慮鋼筋混凝 土結(jié)構(gòu)的電阻率、氯離子含量、孔隙率、保護(hù)層厚度和氧含量等因素，保護(hù)電流密度可調(diào)范 圍為 10-50mA/m2。如果被保護(hù)結(jié)構(gòu)物面積或體積很大，可以同時設(shè)計較大面積的電池正、負(fù)極，提高 電流密度滿足要求。被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物包括各種金屬及合金結(jié)構(gòu)物，被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物表 面均涂覆防腐涂層。發(fā)明的效果通過該技術(shù)，人們可以利用海泥/海水生物燃料電池提供電能，在海洋條件下，特 別是深遠(yuǎn)海條件下，作為外加直流電源，為金屬結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)提供腐蝕保護(hù)。海泥 /海水電池可以解決海洋條件下，陰極保護(hù)技術(shù)中電源長期供應(yīng)困難、維修成本高等問題。由于海泥/海水電池利用廣闊無垠的海底沉積層作為能量來源，理論上，電池能 量取之不盡，用之不竭，持續(xù)有效，無任何污染。因此，本發(fā)明可應(yīng)用于水下建筑、石油平臺、 港灣碼頭、市政設(shè)施等諸多海洋工程結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)。附圖及附圖的簡單說明圖1海泥/海水生物燃料電池工作原理示意圖
圖解說明1海水層；2海泥；3正極；4負(fù)極；5海洋儀器；6微生物代謝作用。圖2 海泥/海水生物燃料電池裝置用于海泥中金屬結(jié)構(gòu)物的陰極保護(hù)設(shè)計圖解說明1電池正極；2電池負(fù)極；3直流增壓裝置；4控制器；5被保護(hù)金屬結(jié) 構(gòu)；6參比電極；7輔助陽極；8電流表；9電壓表。
實(shí)施例
實(shí)施例1海泥/海水生物燃料電池的圓盤形石墨正極1 (直徑2米，厚度0. 1米)懸置在海 水中，距海水/海洋大氣界面距離為5cm ；電池圓盤形石墨負(fù)極2 (直徑2米，厚度0. 1米) 放置在海泥中，距離海泥/海水界面約為20cm ；通過導(dǎo)線連接，構(gòu)成電池。電池連接一個直 流增壓裝置3和控制器4，可以調(diào)節(jié)電壓、電流輸出。被保護(hù)鋼管結(jié)構(gòu)物5 (長度1米，直徑 30cm，表面有良好的防護(hù)涂層)、參比電極6(如銅/硫酸銅電極、鋅參比電極等)和輔助陽 極7(如鍍鉬陽極、石墨等)均置于海泥中，電池負(fù)極、被保護(hù)結(jié)構(gòu)物、輔助陽極盡量保持水 平位置，即埋置在海泥下面同樣深度；輔助陽極與被保護(hù)結(jié)構(gòu)物不可相互接觸，保持隔離狀 態(tài)，它們距海泥/海水界面均為20cm。被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物5連接電池的負(fù)極，輔助陽極7連 接電池的正極，被保護(hù)金屬作為陰極與輔助陽極構(gòu)成回路，并與參比電極構(gòu)成三電極體系。 所有電連接部位要求用環(huán)氧密封，并與海水絕緣，避免影響電池性能和系統(tǒng)的陰極保護(hù)效^ ο在被保護(hù)金屬、輔助陽極與電池連接的線路中，分別接入電流表8、電壓表9，可以 檢測電池輸出的電壓和電流。整個系統(tǒng)連接完成后，電池需要5-10天的穩(wěn)定和啟動時間， 10天后，電池可以穩(wěn)定供電。系統(tǒng)穩(wěn)定以后，調(diào)節(jié)電流和電壓輸出，使被保護(hù)金屬保護(hù)電位 控制在-0. 85V - -1. 05V范圍；電流密度則根據(jù)金屬表面涂層的電阻率而定，測定金屬表面 涂層的電阻率，當(dāng)電阻率大于50000 Ω /m2時，保護(hù)電流密度可小于10 μ A/m2，當(dāng)電阻率大于 10000-50000 Ω /m2時，保護(hù)電流密度可小于50 μ A/m2，當(dāng)電阻率大于5000-10000 Ω/m2時， 保護(hù)電流密度可在100-50 μ A/m2范圍。實(shí)施例2海泥/海水電池的圓盤形石墨正極1 (直徑4米，厚度0. 1米)懸置在海水中，距 海水/海洋大氣界面距離為20cm ；電池圓盤形石墨負(fù)極2 (直徑4米，厚度0. 2米)放置在 海泥中，距離海泥/海水界面約為20cm;通過導(dǎo)線連接，構(gòu)成電池。電池連接一個直流增壓 裝置3和控制器4。被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物5 (如鋼管長度2米，直徑50cm，表面有防護(hù)涂層)、 參比電極6(如銅/硫酸銅電極、鋅參比電極等)和輔助陽極7(如鍍鉬陽極、石墨等)均置 于海泥中；輔助陽極與被保護(hù)結(jié)構(gòu)物不可相互接觸，保持隔離狀態(tài)，它們距海泥/海水界面 均為40cm。被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物5連接電池的負(fù)極，輔助陽極7均連接電池的正極，被保護(hù)金 屬作為陰極與輔助陽極構(gòu)成回路，并與參比電極構(gòu)成三電極體系。所有電連接部位要求用 環(huán)氧密封，并與海水絕緣，避免影響電池性能和系統(tǒng)的陰極保護(hù)效果。在被保護(hù)金屬、輔助陽極與電池連接的線路中，分別接入電流表8、電壓表9， 可以檢測電池輸出的電壓和電流。整個系統(tǒng)連接完成后，電池需要5-10天的穩(wěn)定和 啟動時間，10天后，電池可以穩(wěn)定供電。系統(tǒng)穩(wěn)定以后，使被保護(hù)金屬保護(hù)電位控制 在-0. 85V - -1. 05V范圍；電流密度則根據(jù)金屬表面涂層的電阻率而定，測定金屬表面涂層的電阻率，當(dāng)電阻率大于50000 Ω /m2時，保護(hù)電流密度可小于10 μ A/m2，當(dāng)電阻率大于10000-50000 Ω /m2時，保護(hù)電流密度可小于50 μ A/m2，當(dāng)電阻率大于5000-10000 Ω/m2時， 保護(hù)電流密度可在100-50 μ A/m2范圍。實(shí)施例3海泥/海水電池的圓盤形石墨正極1 (直徑4米，厚度0. 1米)懸置在海水中，距 海水/海洋大氣界面距離為20cm ；電池圓盤形石墨負(fù)極2 (直徑4米，厚度0. 2米，圓盤表面 均勻分布有直徑為2cm的孔，上下通透)放置在海泥中，距離海泥/海水界面約為20cm ；通 過導(dǎo)線連接，構(gòu)成電池。電池連接一個直流增壓器3和控制器4。被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物5(如 鋼管長度4米，直徑50cm，表面有防護(hù)涂層)、參比電極6 (如銅/硫酸銅電極、鋅參比電極 等)和輔助陽極7(如鍍鉬陽極、石墨等)均置于海泥中，電池負(fù)極、被保護(hù)結(jié)構(gòu)物、輔助陽 極盡量保持水平位置，即埋置在海泥下面同樣深度；輔助陽極與被保護(hù)結(jié)構(gòu)物不可相互接 觸，保持隔離狀態(tài)，它們距海泥/海水界面均為40cm。被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物5連接電池的負(fù) 極，輔助陽極7均連接電池的正極，被保護(hù)金屬作為陰極與輔助陽極構(gòu)成回路，并與參比電 極構(gòu)成三電極體系。所有電連接部位要求用環(huán)氧密封，并與海水絕緣，避免影響電池性能和 系統(tǒng)的陰極保護(hù)效果。在被保護(hù)金屬、輔助陽極與電池連接的線路中，分別接入電流表8、電壓表9， 可以檢測電池輸出的電壓和電流。整個系統(tǒng)連接完成后，電池需要5-10天的穩(wěn)定和 啟動時間，10天后，電池可以穩(wěn)定供電。系統(tǒng)穩(wěn)定以后，使被保護(hù)金屬保護(hù)電位控制 在-0. 85V - -1. 05V范圍；電流密度則根據(jù)金屬表面涂層的電阻率而定，測定金屬表面涂 層的電阻率，當(dāng)電阻率大于50000 Ω /m2時，保護(hù)電流密度可小于10 μ A/m2,當(dāng)電阻率大于 10000-50000 Ω /m2時，保護(hù)電流密度可小于50 μ A/m2，當(dāng)電阻率大于5000-10000 Ω/m2時， 保護(hù)電流密度可在100-50 μ A/m2范圍。實(shí)施例4電池用石墨圓盤狀正極1 (直徑4米，厚度0. 1米)懸置在海水中，距海水/海洋 大氣的距離為IOcm ；電池用石墨圓盤狀負(fù)極2 (直徑4米，厚度0. 1米，圓盤表面均勻分布 有直徑為2cm的孔，上下通透)放置在海泥中，距離海泥/海水界面為30cm ；通過高屏蔽銅 導(dǎo)線連接，構(gòu)成電池。所有電連接部位要求環(huán)氧密封，并與海水絕緣。電池連接一個直流增 壓器3和控制器4。被保護(hù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)5 (如混凝土面積為40平方米)，參比電極6 (如含涂覆層 的鍍鉬鈦，石墨，銀/氯化銀，錳/ 二氧化錳等電極)既可置于海水中，靠近混凝土結(jié)構(gòu)，但 保持隔離狀態(tài)；輔助陽極7(如鍍鉬陽極、石墨等)置于海水中。輔助陽極與被保護(hù)結(jié)構(gòu)物 不可相互接觸，保持隔離狀態(tài)。被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物5連接電池的負(fù)極，輔助陽極6均連接電 池的正極，被保護(hù)金屬與輔助陽極構(gòu)成回路，并與參比電極構(gòu)成三電極體系。海泥/海水生 物燃料電池提供的外加電流進(jìn)入被保護(hù)金屬陰極，提供腐蝕保護(hù)。在被保護(hù)金屬、輔助陽極 與電池連接的線路中，分別接入電流表8、電壓表9，可以檢測系統(tǒng)保護(hù)電壓和電流。整個系 統(tǒng)連接完成后，電池需要5-10天的穩(wěn)定和啟動時間，10天后，電池可以穩(wěn)定供電，系統(tǒng)得到 穩(wěn)定保護(hù)。綜合考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的電阻率、氯離子含量、孔隙率、保護(hù)層厚度和氧含量等 因素，保護(hù)電流密度可調(diào)范圍為10-50mA/m2。
實(shí)施例5海泥/海水生物燃料電池用石墨圓盤狀正極1(直徑2米，厚度0.2米)懸置在海水/大氣界面位置，局部浸在海水中，局部接觸大氣；電池用石墨圓盤狀負(fù)極2 (直徑2米， 厚度0. 1米，圓盤表面均勻分布有直徑為2cm的孔，上下通透)放置在海泥中，距離海泥/ 海水界面約為IOcm;通過高屏蔽銅導(dǎo)線連接，構(gòu)成電池。所有電連接部位要求環(huán)氧密封，并 與海水絕緣。電池連接一個直流增壓器3和控制器4。被保護(hù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)5 (如混凝土面積為20平方米)，參比電極6 (如含涂覆層 的鍍鉬鈦，石墨，銀/氯化銀，錳/ 二氧化錳等電極)既可置于海水中，靠近混凝土結(jié)構(gòu)，但 保持隔離狀態(tài)；輔助陽極7(如鍍鉬陽極、石墨等)置于海水中。輔助陽極與被保護(hù)結(jié)構(gòu)物 不可相互接觸，保持隔離狀態(tài)。被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物5連接電池的負(fù)極，輔助陽極6均連接電 池的正極，被保護(hù)金屬與輔助陽極構(gòu)成回路，并與參比電極構(gòu)成三電極體系。海泥/海水生 物燃料電池提供的外加電流進(jìn)入被保護(hù)金屬陰極，提供腐蝕保護(hù)。在被保護(hù)金屬、輔助陽極 與電池連接的線路中，分別接入電流表8、電壓表9，可以檢測系統(tǒng)保護(hù)電壓和電流。整個系 統(tǒng)連接完成后，電池需要5-10天的穩(wěn)定和啟動時間，10天后，電池可以穩(wěn)定供電，系統(tǒng)得到 穩(wěn)定保護(hù)。綜合考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的電阻率、氯離子含量、孔隙率、保護(hù)層厚度和氧含量等 因素，保護(hù)電流密度可調(diào)范圍為10-50mA/m2。
權(quán)利要求
海泥/海水生物燃料電池(以下簡稱海泥/海水電池)作為一種外加直流電源，設(shè)計連接海水或海泥中涂有保護(hù)涂層的金屬結(jié)構(gòu)物，用于海水或海泥中金屬的陰極保護(hù)，減緩或抑制金屬腐蝕。
2.海泥/海水電池作為一種外加直流電源，設(shè)計連接海水或海泥中混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)， 用于海水或海泥中混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)，減緩或抑制金屬腐蝕。
3.在上述1-2權(quán)利保護(hù)項(xiàng)中，海泥/海水電池正極和負(fù)極連接一個直流變壓器，可調(diào)節(jié) 輸出的電壓。
4.在上述1-2權(quán)利保護(hù)項(xiàng)中，海泥/海水電池連接一個控制器，控制電池性能的輸出。
5.在上述1-2權(quán)利保護(hù)項(xiàng)中，海泥/海水電池的正極輸出端與輔助陽極相連。電池負(fù) 極輸出端與被保護(hù)金屬陰極相連接。
6.在上述1-2權(quán)利保護(hù)項(xiàng)中，被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物在海泥中，電池正極和輔助陽極不可 接觸；參比電極可靠近被保護(hù)金屬，但不能接觸。
7.在上述1-2權(quán)利要求中，海泥/海水電池電極(正、負(fù)極)包括但不限于如下電極材 料普通石墨電極、玻碳電極、碳刷電極、碳布電極、碳?xì)蛛姌O、鉬電極等。
8.上述1-2權(quán)利要求中，用于金屬陰極保護(hù)的海泥/海水電池中的電極形狀不受限制。
9.在上述7-8權(quán)利要求中，電極材料包括但不限于經(jīng)過表面改性處理用于提高性能的 各種電極材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種海洋金屬腐蝕陰極保護(hù)用海泥/海水生物燃料電池供電系統(tǒng)的連接方式。通過該技術(shù)，人們可以利用海泥/海水生物燃料電池提供的電能，在深遠(yuǎn)海條件下，為海水或海泥中的金屬結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)提供腐蝕保護(hù)。海泥/海水電池可以長期、持續(xù)、穩(wěn)定地提供電能，抑制或減緩金屬腐蝕，降低電能成本，提高使用期限，可望解決海洋水下金屬結(jié)構(gòu)件的陰極保護(hù)技術(shù)中，存在電源供給困難、難以持續(xù)長效、高維護(hù)成本等問題。本技術(shù)發(fā)明可應(yīng)用于水下建筑、石油平臺、港灣碼頭、市政設(shè)施等諸多海洋工程結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)。
文檔編號C23F13/06GK101831657SQ20101017755
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月20日
發(fā)明者付玉彬, 李建海 申請人:中國海洋大學(xué)