CN101777660B - 一种能与人体结合的微生物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明属于再生能源技术领域，具体公开了一种微生物燃料电池。该微生物燃料电池包括一个腔体以及包含在所述腔体内依次排列的阴极、质子交换膜、阳极和多孔膜。该微生物燃料电池利用微生物对血糖的催化进行分解，在分解过程中产生二氧化碳和水，并且通过微生物转移氧化还原反应中的电子，从而实现化学能向电能的转变，同时，该微生物燃料电池可以制作微型电池，使其能够安置在人体体内，利用人体自身产生的化学物质进行发电。本发明具有成本低、寿命长、结构简单和作为体内电子装置供电设备无需更换供电电池的优点。

Description

一种能与人体结合的微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及一种微生物燃料电池，特别涉及一种能与人体结合的微生物燃料电池，属于可再生新能源技术领域。
背景技术
微生物燃料电池是利用电化学技术通过微生物代谢将化学能转化为电能的一种装置，是在酶燃料电池的基础上，伴随微生物、电化学以及材料等学科的发展而发展起来的。传统的微生物燃料电池的结构如图1所示，单个电池由需氧的阴极室102和厌氧的阳极室101所构成，阳极室101内装有阳极电极104，阴极室102内装有阴极电极105，同时，阴极室102和阳极室101由质子交换膜103相隔开。在阳极室101内，燃料(通常为废水或化学物质，如葡萄糖，乙酸盐等)在微生物106的催化作用下被氧化分解，产生的电子通过电子载体(例如，细胞色素)传递到阳极104，再经过外电路107到达阴极105，质子则通过质子交换膜到达阴极。氧化剂(一般为氧气)在阴极室102内得到了电子被还原。
以葡萄糖(C6H12O6)为例，如图1，在阳极室101内，葡萄糖(C6H12O6)在微生物106的催化作用下被分解成为二氧化碳(CO2)、氢离子(H+)和电子(e-)，反应式为：
C6H12O6+6H2O→6CO2+24e-+24H+
氢离子通过质子交换膜103扩散到阴极室102内，电子通过电子载体传递到阳极104上并通过外接电路107到达阴极105，从而转移到阴极室102内。此时电子在催化剂的作用下被还原，与氢离子和氧气发生反应，生成水，反应式为：
6O2+24e-+24H+→12H2O
其总反应式为：
C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O
微生物燃料电池是一种将解决环境污染问题与生产新能源有机结合起来的新技术，传统的微生物燃料电池主要应用在产电与污水处理两个方面。
随着科学技术的不断发展，人体体内将会有各种形式的电子元器件，或者代替老旧病变的器官，或者增强现有能力，或者监测体内生物化学环境以便于及时发现疾病，如心脏起搏器，电子眼等。但是目前只有通过电池对人体内的电子元件进行供电，一旦电量用完则需要通过手术更换电池，寿命较短，而传统的微生物燃料电池体积较大，无法应用在人体体内作为电子元器件的供电设备。
发明内容
本发明的目的在于提出一种微生物燃料电池，该微生物燃料电池能够安置在人体体内，并利用人体自身产生的化学物质进行发电，从而使安置在人体体内的电子元器件可以不需要频繁的更换电池。
为了达到上述目的，本发明提出了一种微生物燃料电池，该微生物燃料电池包括一个腔体以及包含在所述腔体内依次排列的阴极、质子交换膜、阳极和多孔膜。所述微生物燃料电池的阴极和阳极由生长了高密度的多壁纳米碳管的碳纤维布制作而成，并且，在所述阴极的碳纤维布上生长了充当阴极氧化反应的催化剂的金属铂的纳米粒子，在所述阳极的碳纤维布上培养了用于对血糖进行催化分解的微生物生物膜。所述的质子交换膜用以保证所述阳极上的微生物不会直接将电子传递到阴极上。所述的多孔膜用以保证化学燃料可以进入微生物燃料电池的腔体，并有效阻止所述阳极上的微生物的外泄。
本发明的微生物燃料电池的工作原理为，电池内阳极附近的燃料比如葡萄糖，在微生物的催化作用下葡萄糖分解为二氧化碳、氢离子和电子。氢离子会穿过质子交换膜达到微生物燃料电池的阴极。将微生物燃料电池的阴极和阳极用外电路相连接，则电子会通过外电路由阳极转移到阴极上，此时，氢离子、电子会在阴极上金属铂的纳米粒子的催化作用下会与氧气发生反应生成水。在整个过过程中，实现了电子的转移，并且可以被外接负载所利用。
本发明还提供组合的微生物燃料电池，由多个上述微生物燃料电池通过串联或并联方式构成。
本发明的微生物燃料电池可以安置在人体体内，利用人体自身产生的化学物质进行发电，并且具有成本低、寿命长、结构简单和作为体内电子装置供电设备无需更换供电电池的优点。
附图说明
图1为传统的微生物燃料电池的结构示意图。
图2a至图2d为本发明提供的微生物燃料电池的结构示意图。
图3为本发明提供的微生物燃料电池与人体结合的工作原理图。
图4为由多个本发明提供的微生物燃料电池串联组成的微生物燃料电池结构。
图5为由多个本发明提供的微生物燃料电池并联组成的微生物燃料电池结构。
具体实施方式
下面将参照附图对本实施新型的微生物燃料电池作详细说明。在图中，为了方便说明，放大了或缩小了微生物燃料电池各个结构之间的厚度，所示的大小并不代表实际的尺寸。参考图是本实施新型的理想化实施例的示意图，本实施新型所示的微生物燃料电池不应该被认为仅限于图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。图中的表示是示意性的，但这不应该被认为是限制本实施新型的范围。
图2a为本实施新型提供的微型微生物燃料电池200的结构示意图。如图2a，自上往下分别为微生物燃料电池的阴极201、质子交换膜202、电池的阳极203和多孔膜204，所示205a、205b和205c为微生物燃料电池的腔体。为了增加微生物燃料电池阴极201和阳极203的表面积，阴极201和阳极203都由已经生长了高密度的多壁纳米碳管的碳纤维布制作而成，如图2b为生长了多壁纳米碳管的碳纤维布中一小部分的放大图，所示201a为碳布，所示21至31为在碳纤维布上生长的多壁纳米碳管。阴极201的碳纤维布上生长了金属铂的纳米粒子以充当阴极201上氧化反应的催化剂，如图2c为阴极201的碳纤维布上生长金属铂的纳米粒子的结构放大图，所示31a为一个多壁碳纳米管，所示a至n为生长的金属铂的纳米粒子。阳极203的碳纤维布上培养了微生物生物膜，用于进行对血糖的催化分解，如图2d为培养了微生物生物膜的碳纤维布的结构放大图，所示203a为碳纤维布，所示203b和203c为微生物生物膜。质子交换膜202用以保证阳极203上的微生物不会直接将电子传递到阴极201上。多孔膜204用以保证外界化学燃料可以进入微生物燃料电池200的腔体205c内，并有效阻止阳极203上的微生物的外泄。
图3为本实施新型的微生物燃料电池在人体体内的工作结构图，如图3所示，在人体体内，一个微生物燃料电池300利用小管304连接肺泡305与微生物燃料电池的阴极300a，并用小管303连接动脉血管301与微生物燃料电池的多孔膜300d。当动脉血管301中有血液302流过的时候，由于毛细作用，血液302的一部分会透过多孔膜300d扩散到微生物燃料电池的腔体300g内，在阳极300c上培养的微生物的催化作用下，血液中的葡萄糖会分解成为二氧化碳、氢离子和电子。氢离子会穿过质子交换膜300b达到微生物燃料电池的阴极300a。如果将微生物燃料电池的阴极300a和阳极300c用外电路306相连接的话，电子会通过外电路306由阳极300c转移到阴极300a上，此时，氢离子、电子会在阴极300a上金属铂的纳米粒子的催化作用下与肺泡内的氧气发生反应生成水。在整个过程中，实现了电子的转移，并且可以被外接负载所利用，将人体体内的代谢能转化为了电能。
本发明的微生物燃料电池可以通过串联或者并联的方法以提高输出的电流或者电压。如图4，所示401a、402a和403a为微生物燃料电池的阴极，401b、402b和403b为微生物燃料电池阳极端的多孔膜，依次将多个该微生物燃料电池的阳极端和阴极端相连即可构成该微生物燃料电池的串联方式。如图5，所示501a、502a和503a为微生物燃料电池的阴极，501b、502b和503b为微生物燃料电池阳极端的多孔膜，将多个该微生物燃料电池的阳极端与阳极端相连，阴极端与阴极端相连，即构成了该微生物燃料电池的并联方式。
本发明可用于人体体内的各种电子元件，如心脏起搏器等，或者是电子器官，以及体内的传感器，如血压传感器、血糖监测器等。

Claims (2)

1.一种能与人体结合的微生物燃料电池，其特征在于，该微生物燃料电池包括一个腔体以及包含在所述腔体内依次排列的阴极、质子交换膜、阳极和多孔膜，且阴极与质子交换膜之间，质子交换膜与阳极之间，阳极与多孔膜之间有间隙，为腔体的一部分；
所述微生物燃料电池的阴极和阳极由碳纤维布制作而成；
在所述的碳纤维布上生长有高密度的多壁纳米碳管；
在所述阴极的碳纤维布上生长有金属铂的纳米粒子，以充当阴极氧化反应的催化剂；
在所述阳极的碳纤维布上培养了微生物生物膜，用于对血糖的催化进行分解。
2.一种能与人体结合的组合微生物燃料电池，其特征在于由多个权利要求1所述的微生物燃料电池通过串联或并联的方式构成。
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