CN105914387A - 体外生物燃料电池嵌入式供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种体外生物燃料电池嵌入式供电系统，其利用生物体进行发电，所述体外生物燃料电池嵌入式供电系统包括：固定于生物体上的底腔，该底腔下部连通该生物体的体表，且该底腔上部开有通孔；连接于该底腔上方的发电腔，该发电腔下部通过通孔连通该底腔；将该发电腔和该底腔隔离开的隔膜；设于该发电腔内的阳极板和阴极板，该阴极板和阳极板相互独立，且该阴极板和该阳极板分别通过导线连接至一外部电路；同时：该阳极板上通过酶固定的方法固定有糖氧化酶、辅酶与电子介质；该阴极板上固定有氧气还原酶与电子介质；以及：该生物体体表戳有用于该生物体的体液流至该底腔内的小孔。本发明的优点是：能够获得较高的功率。

Description

体外生物燃料电池嵌入式供电系统
技术领域
本发明涉及生物燃料电池技术领域，尤其是涉及一种体外生物燃料电池嵌入式供电系统。
背景技术
生物燃料电池是一种新型的生物电子技术，能够将底物燃料中的化学能，通过生物酶的催化反应，转化为电能。底物燃料在阳极被酶氧化，生成产物留在阳极，质子转移到阴极，电子通过电子介质或直接传递至阳极，再经外置电路产生电能。氧气在阴极和电子及质子发生还原反应，生成水。
生物燃料电池能量密度高，可利用生物质作为燃料，绿色环保且安全。近年来，生物燃料电池得到广泛关注，被应用于医学、电子、检测等领域。例如将生物燃料电池置于活体动物体内，利用血糖产生电量，为心脏起搏器、细胞信号感受器等电子装置供电。此外，更有关于生物机器人、生物探测器、生物计算机等高精尖领域的研究，其核心便是用生物燃料电池，将活体动物中的底物(如糖类)和电池电极上的酶进行氧化反应，使生物体自我产生电能，为其他微电子计算机装置供电。许多无脊椎动物(如昆虫、虾蟹、蜗牛等)被用于生物燃料电池自发电的研究，因为它们相对较为低等且体积很小，可在今后用于军事侦查、秘密武器、环境检测、灾区搜救等众多方面。具体的做法是，研究者将电极直接插入这些动物体内，与用电装置分开，或者将整个电池植入动物体内，再与体内或者体外的用电装置连接。
然而，前述利用植入式无脊椎动物自发电的生物燃料电池系统有许多缺点。比如：一、它们的功率和电压都不高，无法满足用电装置如微型计算机的需求；二、它们的寿命不长，通常只能维持几小时；三、其体积和重量受到限制，会影响动物的行动和生理，且更换时需要做手术，很不方便。前述缺点的形成，大多是由于电池设置在动物体内。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种体外生物燃料电池嵌入式供电系统，它具有能够获得较高功率，且更加稳定的特点。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：体外生物燃料电池嵌入式供电系统，其利用生物体进行发电，所述体外生物燃料电池嵌入式供电系统包括：
固定于生物体上的底腔，该底腔下部连通该生物体的体表，且该底腔上部开有通孔；
连接于该底腔上方的发电腔，该发电腔下部通过通孔连通该底腔；
将该发电腔和该底腔隔离开的隔膜；
设于该发电腔内的阳极板和阴极板，该阴极板和阳极板相互独立，且该阴极板和该阳极板分别通过导线连接至一外部电路；
同时：
该阳极板上通过酶固定的方法固定有糖氧化酶、辅酶与电子介质；
该阴极板上固定有氧气还原酶与电子介质；
以及：
该生物体体表戳有用于该生物体的体液流至该底腔内的小孔。
所述外部电路包括有升压电荷泵。
所述阳极板和阴极板均包括采用碳基材料制备的基板，且该基板的表面设有修饰材料层。
所述修饰材料层为碳黑、碳纳米管、石墨烯中的一种。
所述糖氧化酶为葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶、葡萄糖6磷酸脱氢酶、心肌黄酶中的一种。
所述氧气还原酶为漆酶或胆红素氧化酶。
所述辅酶为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸或NAD(P)。
所述底腔通过胶水固定于生物体上。
所述发电腔卡接于该底腔上。
所述隔膜为萘酚膜等离子交换膜或纤维素膜。
本发明和现有技术相比所具有的优点是：能够获得较高的功率，且更加稳定。本发明的体外生物燃料电池嵌入式供电系统将生物燃料电池置于动物身上，通过获取渗出体表的体液中的糖类作为电池的底物，产生电能。因为在体外，它可将电极表面积做的相对较大，且氧气接触更多，因此可以获得相对较高的功率。同时，电池更换容易，对动物本身的危害较小，可以使其存活的时间大幅度提高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明的实施例的体外生物燃料电池嵌入式供电系统的立体分解示意图；
图2是本发明的阳极板或阴极板的局部主视剖视图。
图中：
10、底腔，11、通孔；
20、发电腔；
30、隔膜；
401、基板，402、修饰材料层，41、阳极板，42、阴极板；
100、生物体。
具体实施方式
实施例，见图1所示：体外生物燃料电池嵌入式供电系统，其利用生物体100进行发电。
具体的讲：
该体外生物燃料电池嵌入式供电系统包括：底腔10、发电腔20、隔膜30、阳极板41、阴极板42等部件。
该底腔10固定于生物体100上。比如，该底腔10固定于该生物体100的背上。该底腔10下部连通该生物体100的体表，且该底腔10上部开有通孔11。比如，该底腔10的下部为开口。
该发电腔20连接于该底腔10的上方，且该发电腔20下部通过通孔11连通该底腔10。比如，该发电腔20卡接于该底腔10上，且该发电腔20下部开口，从而通过该通孔11使该底腔10和该发电腔20连通。
该隔膜30将该发电腔20和该底腔10隔离开。该隔膜30采用常见的隔膜，只需能够让水分子和糖类底物等自由通过即可。比如，该隔膜30为萘酚膜等离子交换膜或纤维素膜。
该阳极板41和阴极板42设于该发电腔20内。同于现有技术，该阳极板41和该阴极板42的一侧接触空气。比如，该发电腔20的上部为开口状，而该阳极板41和该阴极板42密封的盖在该发电腔20的上部开口处。该阴极板42和阳极板41相互独立。即，该阳极板41和阴极板42分开有一定的距离从而二者不可接触。该阴极板42和该阳极板41分别通过导线连接至一外部电路(图上未示出)，该外部电路用于输出电流，其中设置用电元件。比如，该用电元件为一LED灯。
进一步的讲：
该阳极板41上通过酶固定的方法固定有糖氧化酶、辅酶与电子介质；该阴极板42上固定有氧气还原酶与电子介质。较优的，该糖氧化酶为葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶、葡萄糖6磷酸脱氢酶、心肌黄酶中的一种；氧气还原酶为漆酶或胆红素氧化酶；辅酶为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸或NAD(P)。
在使用时，该生物体100体表戳有用于该生物体100的体液流至该底腔10内的小孔(图上未示出)。
这样，该生物燃料电池置于生物体身上而非体内，通过获取渗出体表的体液中的糖类作为电池的底物，产生电能。因为在体外，可将电极表面积做的相对较大，且氧气接触更多，可以提高一定的功率。并且，电池更换容易，对动物本身的危害较小，可以使动物存活的时间提高。
优化的：
该外部电路包括有升压电荷泵(图上未示出)。当然，该外部电路必然还具有其他微电子设备。该升压电荷泵可将生物燃料电池的电压输出提高数倍，从而满足微电子设备的电压要求。比如，将电压从0.6伏提高到2伏。
具体见图2所示，该阳极板41和阴极板42均包括采用碳基材料制备的基板401，且该基板401的表面设有修饰材料层402。该修饰材料层402为碳黑、碳纳米管、石墨烯中的一种。这样，有助于增大极板的表面积。此时，前述糖氧化酶、氧气还原酶、辅酶等固定于该修饰材料层402上。
该底腔10通过胶水固定于生物体100上。这样，使该底腔10的固定较为方便，亦使该底腔10和该生物体100的连接处密封较好。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.体外生物燃料电池嵌入式供电系统，其利用生物体(100)进行发电，其特征在于：所述体外生物燃料电池嵌入式供电系统包括：
固定于生物体(100)上的底腔(10)，该底腔(10)下部连通该生物体(100)的体表，且该底腔(10)上部开有通孔(11)；
连接于该底腔(10)上方的发电腔(20)，该发电腔(20)下部通过通孔(11)连通该底腔(10)；
将该发电腔(20)和该底腔(10)隔离开的隔膜(30)；
设于该发电腔(20)内的阳极板(41)和阴极板(42)，该阴极板(42)和阳极板(41)相互独立，且该阴极板(42)和该阳极板(41)分别通过导线连接至一外部电路；
同时：
该阳极板(41)上通过酶固定的方法固定有糖氧化酶、辅酶与电子介质；
该阴极板(42)上固定有氧气还原酶与电子介质；
以及：
该生物体(100)体表戳有用于该生物体(100)的体液流至该底腔(10)内的小孔。
2.根据权利要求1所述的体外生物燃料电池嵌入式供电系统，其特征在于：所述外部电路包括有升压电荷泵。
3.根据权利要求1所述的体外生物燃料电池嵌入式供电系统，其特征在于：所述阳极板(41)和阴极板(42)均包括采用碳基材料制备的基板(401)，且该基板(401)的表面设有修饰材料层(402)。
4.根据权利要求3所述的体外生物燃料电池嵌入式供电系统，其特征在于：所述修饰材料层(402)为碳黑、碳纳米管、石墨烯中的一种。
5.根据权利要求1所述的体外生物燃料电池嵌入式供电系统，其特征在于：所述糖氧化酶为葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶、葡萄糖6磷酸脱氢酶、心肌黄酶中的一种。
6.根据权利要求1所述的体外生物燃料电池嵌入式供电系统，其特征在于：所述氧气还原酶为漆酶或胆红素氧化酶。
7.根据权利要求1所述的体外生物燃料电池嵌入式供电系统，其特征在于：所述辅酶为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸或NAD(P)。
8.根据权利要求1所述的体外生物燃料电池嵌入式供电系统，其特征在于：所述底腔(10)通过胶水固定于生物体(100)上。
9.根据权利要求1所述的体外生物燃料电池嵌入式供电系统，其特征在于：所述发电腔(20)卡接于该底腔(10)上。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的体外生物燃料电池嵌入式供电系统，其特征在于：所述隔膜(30)为萘酚膜等离子交换膜或纤维素膜。
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