CN1336017A - 酶电池 - Google Patents

Abstract

一种电池,它包括:第一腔室、第二腔室和把第一和第二腔室分离开的一个隔离装置,其中,隔离装置包括一个输运质子的部分。

Description

酶电池

本发明涉及用于对电装置供电的电池，它包括燃料电池和可充电的燃料电池。

电池比如燃料电池用来把化学能直接转换成电能。燃料电池典型地由三个腔室组成，这些腔室被两块多孔的电极分开。一个燃料腔室用来引入燃料，典型的是氢气，其可以通过与蒸气一起转化碳氢化合物比如甲烷就地产生这些氢气，使得氢气在第一电极与H₂O接触，当电极之间形成一个电路时，产生电子和水合氢(H₃O⁺)离子的反应在此第一电极上被催化。

    (1)中心腔室可以包括一个电极。此中心腔室用来把来自第一电极的水合氢离子传输到第二电极。第二电极提供了与在第三腔室中的受体分子典型地为氧分子的交界面。该受体分子接受由电路传输的电子。

           (2)

燃料电池的电解质可以例如为一种导电的聚合物材料比如水合的聚合物，它包含在一种全氟乙烯骨架上的全氟乙烯侧链上的磺酸集团，  全氟乙烯比如为Nafion^TM(du Pont de Nemours，Wilmington，DE)或者类似的聚合物，这些聚合物可以由Dow化学公司，Midland，MI得到。其它的电解质包括碱溶液(比如重量百分比为35％、50％或85％的KOH)、酸溶液(比如浓磷酸)、熔融电解质(比如熔融金属碳酸盐)、以及固体电解质(比如固体氧化物，比如用氧化钇(Y₂O₃)稳定的氧化锆(ZrO₂))。常常把液体的电解质保存在一个多孔的阵列中。例如在“燃料电池”中，Kirk-Othmer化学技术百科全书，第四版，第11卷，1098-1121页，描述了这样的燃料电池。

这些类型的燃料电池典型地在由大约80℃摄氏度到大约1000℃摄氏度的温度下运行。这种技术的缺点包括：由于来自污染物的催化剂中毒而造成的短的运行寿命、高的初始成本，以及对在较高温度到非常高的温度下运行的装置的实际限制。

本发明提供了一种燃料电池技术，它采用在生物过程中使用的分子，以产生燃料电池，这种电池在中等温度下工作，并且，没有保持在高温的腐蚀性化学物存在，这种化学物的存在可能导致对电池部件的腐蚀。尽管在本发明的燃料电池中使用的燃料很复杂，但是，它们容易得到，并且，对于大量的应用比如为移动计算机或移动电话装置供电来说价格适宜。预计，可以把本发明的燃料电池的构形成使得一个300cc的电池的容量可以高达80瓦-小时，因此，可以比用于笔记本电脑的尺寸类似的电池有更高的容量，并且，这样的电池可以有更高的容量。因此，相信可以使用本发明的燃料电池提高容量，和/或减小尺寸和/或重量。还有，可以使用本发明的紧凑的惰性能源提供短时间的电输出。因为保存在该燃料电池中的材料是无腐蚀性的，并且，典型地没有其它的害处，可以实现用燃料对这些燃料电池充电，这种充电可以由消费者或者通过一种服务比如邮购服务进行再充电。

还有，在某些方面，本发明提供了利用质子的活性输运提高可维持的效率的燃料电池。本发明的燃料电池也可以用电重新充电。

                  发明概要

在一方面，本发明提供一种电池，它包括：第一腔室、第二腔室以及把第一和第二腔室分离开的一个隔离装置，其中，隔离装置包括一个输运质子的部分。

在另一方面，本发明提供一种电池，它包括：第一腔室；第二腔室；把第一腔室与和第二腔室分离开的一个隔离装置；第一电极；第二电极；在第一腔室中与第一电极连通的一种氧化还原酶，以由第一电极接收电子，把此氧化还原酶结合到一种类脂组份中；在第一腔室中与氧化还原酶在化学上连通的一种电子携带体；以及在第二腔室中与第二电极在化学上连通的一种接收电子的组份；其中，在运行中，电流沿着在第一电极与第二电极之间形成的一个导电路径流动。

                       附图的简要描述

图1示出了有三个腔室的燃料电池内部的透视图；

图2示出了一种燃料电池，它显示出本发明的某些优选的方面；

图3A、3B和3C示出了一种类似的燃料电池，它有包含清除剂的部段；

图4A和4B示出了一种燃料电池的顶视图，它有两个腔室；

图5A示出了一种燃料电池的顶视图，它有两个腔室，而图5B示出了侧视图；

图6示出了一种燃料电池，其中把浸泡两个电极的流体隔离开；

图7示出了一种燃料电池，它有结合起来的光调节装置和一个传感器。

                            定义

对于本申请的目的，下列的术语分别有如下所述的含义。

电子携带体：电子携带体是一种在酶反应中提供电子的组份。电子携带体包括但不限于还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(记作NADH；氧化形式，记作NAD或NAD⁺)，还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸盐(记作NADPH；氧化形式，记作NADP或NADP⁺)，还原的烟酰胺单核苷酸(记作NMNH；氧化形式，记作NMN)，还原的黄素腺嘌呤二核苷酸(记作FADH₂；氧化形式，记作FAD)，还原的黄素单核苷酸(记作FMNH₂；氧化形式，记作FMN)，还原的辅酶A，以及类似物。电子携带体包括带有结合的供给电子的辅助集团的蛋白质，比如辅酶A、原卟啉IX、维他命B12，以及类似物。另外的电子携带体包括葡萄糖(氧化形式：葡萄糖酸)，酒精(例如，氧化形式：乙醛)，以及类似物。电子携带体最好以1M或更高的浓度存在，更可取的是浓度为1.5M或更高，更可取的是浓度为2M或更高。

接受电子的组份：接受电子的组份接受被燃料电池传输到阴极的电子。

电子传递介体：电子传递介体是使得由电子携带体放出的电子的传递变得容易的一种组份。

氧化还原酶：氧化还原酶是一种对电子由一种电子携带体到另一种组份的传递或者电子由另一种组份到电子携带体的氧化形式的传递进行催化的酶。适当种类的氧化还原酶的例子包括：氧化酶、脱氢酶、还原酶以及氧化还原酶。此外，也可以使用其它酶，这些酶的氧化还原催化作用作为它们的次要性能，例如过氧化物歧化酶。

组份：组份是指一种分子、化合物、带电物质、盐、聚合物，或化学物的其它组合物或混合物。

                           详细描述

图1示出了一种示例性电池比如燃料电池10的特点。该燃料电池10有包含一种电子携带体的第一腔室1，用有结构的基底材料充满该第一腔室1，可以把溶液保存在一种多孔的阵列(包括一种膜)中。第二腔室2类似地在一个空间中包含一种电解质(并且可以与第一腔室中的材料相同)，该空间也可以用一种保存阵列充满，夹在多孔的第一电极4与多孔的第二电极5之间。第二电极5的一个表面与第三腔室3的空间接触，把一种接受电子的分子典型地是一种气体分子比如氧分子引进该空间中。第一电触点6和第二电触点7使得可以在两个电极之间形成一个电路。

可选的多孔的保存阵列可以帮助把溶液保存在例如第二腔室2中，而使溶液溢流进第三腔室3中减到最少，这样，保持在接受电子的分子与第二电极5之间的接触的表面积。在某些实施例中，在第一腔室1和第二腔室2中的含水液体中悬浮着不溶解的还原的电子携带体，从而增加了可以用于把电子供给到第一电极4的还原的电子携带体的储存。在另外的腔室包含一种多孔阵列的示例中，可以引入一种饱和溶液，并且，降低温度，使在阵列的微孔中的还原的电子携带体沉淀出来。在沉淀出来之后，可以用另一种浓缩的溶液替代溶液相，从而提高为固体形式和溶解形式的电子携带体的数量。

将会认识到，第二腔室可以由一种聚合物电解质比如上面描述的那些电解质之一充满。

在第一电极上出现的反应可以以NADN为例写成：

    (3)优选的酶把电子传输到介体，介体把电子传输到阳极。这样，如果酶正常地传输电子，以将一种小分子还原，最好使这种小分子旁路。在第二电极上相应的反应为：

    (2)为了使用反应2，最好减缓浸泡的溶液，导致氢离子的消耗，或者，在燃料电池运行的过程中必须补充供应氢离子的组份。氢离子的这种消耗帮助将pH值维持在使氧化还原酶活性为有用的数量。为了避免这种情况，可以使用一种替代的接受电子的分子，它有适当的氧化/还原电位。例如，可以如下地使用高碘酸：

    (4)在阴极使用这一反应造成水的净产生，如果这种情况明显，可以例如通过提供用于溢流液体的空间解决这一问题。这种替代的接受电子的分子在运行温度下常常是固体，或者是在一种携带液体中的溶质，在这种情况下，第三腔室3应该适宜于容纳这样的非气相材料。在使用高碘酸的情况下，接受电子的分子可能破坏催化释放电子反应的酶，第二腔室2可以有一部段(如在图2的燃料电池10’中用8表示的部段)，包含一种对于这种接受电子的分子的清除剂。

在一个优选实施例中，电极包括在一个不导电的基底的每个侧面上的金属化层。例如，在图3A中，在绝缘基底42的第一侧面上的金属化层是第一电极44，而在第二侧面上的金属化层是第二电极45。孔49的功能是作为燃料电池的阳极与阴极之间的通道，如下面将进一步讨论的那样。将会认识到，图3A对与此实施例有关的几何形状是说明性的。绝缘基底42的厚度例如为由15微米(μm)到50微米，或者由15微米到30微米。孔的宽度例如由20微米到80微米。最好，孔的面积超过在腔室之间进行输运所包括的绝缘基底的面积的50％，比如由面积的50％到75％。在某些优选实施例中，绝缘的基底是玻璃或一种聚合物，比如聚乙酸乙烯酯，或钠钙硅酸盐(soda limesilicate)。

图3B更详细地示出了以有孔的基底为框架的电极。孔49与绝缘的基底42一起提供了对于横跨这些孔的类脂双层(lipid bilayers)(即膜)的支撑。这种类酯双层可以至少与第一种酶或酶的复合体(下面把它们称为“第一种酶”)62有效的结合，(i)将电子携带体的还原形式氧化，且最好(ii)与氧化联系起来把质子由燃料侧41输运到燃料电池50的产物侧43。最好，第一种酶62在有适当取向的类脂双层中是不能移动的，以使对于氧化反应的催化部位可以接近燃料侧，并且不对称地泵送质子。然而，因为燃料基本在燃料侧41上被隔离，插进有相反取向的类脂双层中的酶没有能源。

提供氧化/还原和质子泵送功能中一个功能或两个功能的特别优选的酶的示例包括例如NADH脱氢酶(例如，引自E.coli.Tran等人“Requirement for the proton pumping NADH dehydrogenase I ofEscherichia coli in respiration of NADH to fumarate and itsbioenergetic implication，”Eur.J.Biochem.244：155，1997)，NADPH转氢酶，质子ATPase，以及细胞色素氧化酶和它的多种形式。例如在Braun等人，Biochemistry 37：1861-1867，1998；和Bergsma等人，“由枯草杆菌提纯NADH脱氢酶和NADH脱氢酶的特征，”Eur.J.Biochem.128：151-157，1982中详细地描述了隔离这样的NADH脱氢酶的方法。可以用例如在Niki等人，美国专利4541908(把细胞色素C退火成一个电极)和Persson等人，J.ElectroanalyticalChem.292：115，1990中详细描述的方法横截着孔49和结合在其中的酶形成类脂双层。这样的方法可以包括如下步骤：制作一种适当的类脂和酶的溶液，其中可以把酶供应到用一种洗涤剂稳定的溶液中的混合物中；一旦制备好类脂和酶的溶液，就把有孔的绝缘基底浸泡进该溶液中，形成包含酶的类脂双层。可能需要声处理或稀释洗涤剂，以使酶结合进双层中变得容易。例如参见Singer，BiochemicalPharmacology 31：527-534，1982；Madden，“在膜蛋白质重构中的现代概念，”Chem.Phys.Lipids 40：207-222，1986；Montal等人，“膜蛋白质在平面的类脂双层中的功能重新组装，”Quart.Rev.Biophys.14：1-79，1981；Helenius等人，“通过消除洗涤剂重构不对称的膜和对称的膜，”Eur.J.Biochem.116：27-31，1981；在酶学中的方法丛书中，Academic出版社出版，关于生物膜的那些卷(例如，Fleischer和Packer(eds.))。

在使用既有氧化/还原功能又有质子泵送功能和消耗电子携带体的酶情况下，电子携带体消耗所造成的燃料侧的酸化基本上被质子的输出补偿。与电子携带体的还原相联系的净质子泵送可能超过每次电子传递泵送2个质子(例如高到每次电子传递泵送3到4个质子)。因此，在某些实施例中，必须小心地减缓或适应在燃料侧过度脱酸作用，或者在产物侧的过度酸化。另外，可以通过加入一种氧化还原酶的混合物调节输运速率，这些酶中的某些部分没有表现出协调的质子输运。在某些实施例中，在燃料侧要特别小心地减缓质子输出，为的是与质子的产生匹配。也可以通过选择或混合氧化还原酶减缓在燃料电池的一侧或另一侧的酸化和脱酸作用，提供所要求数量的质子生产量。当然，质子由燃料侧的输出在某种程度上是自我限制的，使得在某些实施例中对于过多地泵送到产物侧的理论上的关注最多只有有限的意义。例如，氧化电子携带体并输运质子的线粒体阵列蛋白质会横过内部的线粒体膜产生一个明显的pH值梯度，把这些线粒体蛋白质设计成在泵送产生相当高的pH值比如pH值为8或更高的条件下工作。(然而，在某些实施例中，要小心地把pH值保持在接近pH值7.4的一个范围内，在这种情况下，许多电子携带体比如NADH更稳定。)不管质子的产生与质子的消耗匹配得怎样理想，本发明的这一实施例所实现的质子泵送都会由于在产物侧缺少质子帮助减小电子传递速率的损失。

在某些实施例中，用光驱动的质子泵比如细菌视紫红质(bacteriorhodopsin)提供了对质子的泵送。例如在Nassal等人，J.Biol.Chem.262：9264-70，1987中描述了细菌视紫红质的重组体的产生。所有转维生素A₂(trans retinal)与细菌视紫红质联合起来提供吸收光的生色团(chromophore)。对这种类型的质子泵提供能源的光可以由加入燃料电池中的电子光源提供，比如LEDs，其能量由下述来源提供：(i)燃料电池产生的能量的一部分，(ii)燃料电池的一个半透明的部分，此部分使得来自房间的光线或阳光可以照射到类脂双层上。例如，在图7中示出的燃料电池400中加入了光控制装置71。这些光控制装置71包含例如LEDs或液晶快门。液晶快门有一种相对不透光的状态和一种相对半透明的状态，且可以用电子学的方法在两种状态之间进行切换。可以通过使用液晶快门或其他的快门装置调节一种持续不断的光源，比如由房间的光线或阳光提供的光。在某些实施例中，个别地调节或成组地调节光控制装置，目的是调节传输到质子泵送蛋白质上的光的数量。最好，光控制装置71有透镜，把光线主要聚焦到绝缘基底42上，特别是聚焦到包含结合质子泵送的类脂双层的那些部分上。可以用一个监测装置72监测燃料电池中的状态，比如pH值或电子携带体的浓度，把信息传给一个控制器73，该控制器可以调节燃料电池运行的一个方面，而所监测的数值支配这一操作。例如，控制器73可以依照燃料侧41的pH值调节被光控制装置71传输的光的程度。要注意到，在一个实施例中，可以使用一个外部光源对质子泵送提供能量，而不使用任何光调节装置。

在另一个实施例中，把氧化还原酶沉积在第一电极上，或设在邻近第一电极的部位，而把一个质子传输装置结合进孔的类脂双层中。

在另一个实施例中，把第二种酶63结合进燃料电池中，比如加进类脂双层中，或者，另外加到第一电极上，或加进第一腔室中，以使在重新充电的过程中在第一腔室中质子的传输或产生变得容易，从而把质子添加到燃料侧。第二种酶可以与在向前的运行过程中输运质子的酶相同，或者与它不同。这样的第二种酶的一个例子包括输运蛋白质，相对于例如与CoQH2-cytc还原酶复合体连接起来的NAD琥珀酸脱氢酶，这些蛋白质有较低的氧化还原电位。乳酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶也是有用的，这两种酶可以由多种来源离析出来，而这些来源可以由Sigma Chemical Co.，St.Louis，MO获得。例如，也可以使用对于重新充电方式中的这种使用有适当取向的细菌视紫红质。

在某些实施例中，重新充电的方式可以重新产生NADH，但是不能反方向泵送质子。

所画出的孔49为开孔。然而，这些孔也可以包括绝缘基底42的多孔的部段。另外，这些可以包括跨接孔49的膜，以支撑类脂双层。最好，这些孔包围绝缘基底的表面积的相当大的一部分，比如50％。最好，在类脂双层中酶的密度很高，比如2×10¹²/平方毫米。

酶在类脂双层中的取向可以是杂乱的，质子泵送的有效性通过基底比如质子和电子携带体的不对称来支配。另外，例如通过使用对酶的抗体确定取向，在形成酶-类脂双层复合体的过程中在膜的一侧有那种酶。

可以例如用在本技术中众所周知的光刻的掩模和蚀刻技术构造出绝缘基底42的孔49和金属化的表面(第一电极44和第二电极45)。另外，可以例如用下列技术形成金属化的表面(电极)：(1)通过一个掩模进行薄膜沉积，(2)通过薄膜成形随后的光成形选择性地把图案刻蚀到金属化层中施加金属化的表面涂层，或者，(3)采用一种金属浸入的保护层直接对金属化图案进行光成形而不用刻蚀(DuPont Fodelprocess，see，Drozdyk等人.“PhotopatternableConductor tapes for PDP applications”Society for InformationDisplay 1999文摘，1044-1047；Nebe等人，美国专利5049480)。在一个实施例中，绝缘基底是薄膜。例如该绝缘基底可以是多孔薄膜，通过金属化使此薄膜在“孔”的外面是不透气的。可以用其它金属例如通过电镀使金属层的表面改性。这样的电镀层可以例如使用铬、金、银、铂、钯、镍、它们的混合物，或者类似物，最好是金和铂。除了金属化表面，电极可以由其它适当的导电材料制成，这些材料可以是表面改性的材料。例如，可以用碳(石墨)制成电极，可以通过电子束蒸发、化学蒸气沉积或者热解把碳施加到绝缘基底上。最好，用溶剂清洗金属化的表面，并且，金属化的表面是用氧等离子体灰化的。

如在图3C中所示，电触点54把第一电极44连接到一个未来的电路上，而电触点55与第二电极45连接。

在一个实施例中，燃料电池的产物侧由含水的液体构成，该液体带有溶解在其中的氧。在一个实施例中，保存这样的含水的液体的壁的至少一部分是氧可以透过的，但是足以防止水蒸气穿透，使得用保存在燃料电池中的含水液体有可用的产物寿命。一种适用的聚合物壁材料的例子是氧可以透过的塑料。相反，燃料侧最好由不让氧进入的材料制成。可以把燃料电池制作成无氧的，这是靠用一种惰性气体比如氮气或氦气冲刷排除氧。在某些可以充电的实施例中，在重新充电的过程中重新产生接受电子的组份，从而不需要或者减少由外面供给这样的接受电子的组份。

最好是通过施加一个适当的电压把电子注入进燃料侧对本发明的燃料电池充电，使得第一种酶可以催化逆反应。在特别优选的实施例中，第一种酶既有氧化/还原功能又有质子泵送功能，并且可以在充电过程中由产物侧到燃料侧反向泵送质子。因此，这样的反方泵送提供了在产生例如NADH的过程中消耗的质子，NADH是由(i)NAD⁺和(ii)注入的电子和质子产生的。要注意到，在反向运行时，注入的电子首先作用，用来还原在燃料侧残存的任何氧，因为这一反应是在能量上优先的。一旦把这样的氧消耗掉以后，电子可以用来重新产生被还原的电子携带体。

上面对采用质子输运的实施例的讨论集中在使用基底的两个表面作为电极，从而使质子立即传输到产物侧变得容易，在产物侧，在使接受电子的组份还原的过程中质子被消耗。然而，将会认识到，在这一实施例中，可以把比如多孔阵列的结构置于燃料侧与产物侧之间。这样的插入结构可以提供温度屏蔽或清除分子，它们可以例如保护酶不受到反应化合物的损害。

燃料电池在适宜于氧化还原酶工作的温度范围内运行。这个温度范围典型地随着酶的稳定性改变，并且随着酶的来源改变。为了增加适用的温度范围，可以由耐高温的有机物中选择适用的氧化还原酶，比如由与突发出口或热泉(volcanic vent or hot spring)隔离的微生物中选择。尽管如此，至少第一电极运行的优选温度是大约80摄氏度或更低，更优选的是40摄氏度或30摄氏度或更低。多孔的阵列可以例如由惰性的纤维比如石棉和烧结的材料构成，烧结的材料比如烧结的玻璃或惰性材料的小珠。

可以用一种电子传输介体比如一种有机金属化合物涂布第一电极(阳极)，此金属化合物的功能是作为对于氧化还原酶的生物基底的一种替代的电子受体。类似地，图3实施例的类脂双层或临近该双层的结构可以结合这种电子传输介体。这样的有机金属化合物可以包括但不限于dicyclopentadienyliron(C₁₀H₁₀Fe，二茂铁)，这种材料以及类似物可以由Aldrich，Milwaukee，WI获得，这些类似物可以由碳上的铂和碳上的钯替代。另外的例子包括有适当的氧化/还原电位的铁氧化还原蛋白分子，比如由铷氧化还原蛋白形成的铁氧化还原蛋白以及其它可以由Sigma Chemical公司获得的铁氧化还原蛋白。其它的电子传输介体包括有机化合物，比如醌和有关的化合物。可以例如通过屏蔽或带掩模的浸泡涂布或升华作用施加这样的电子传输介体。可以用氧化还原酶浸泡第一电极，可以在电子传输介体之前或之后施加这种氧化还原酶。确保氧化还原酶与电极结合的一种方法是简单地把氧化还原酶的一种溶液与电极一起保温足够长的时间，使得电极与酶的结合比如范德瓦尔(Van der Waals)缔合完全。另外，可以把第一粘接部分比如维生素H或它的粘接配件抗生物素蛋白/抗生蛋白链菌素装到电极上，并把酶通过该粘接配件的一种安装上的分子装到此第一粘接部分上。

氧化还原酶可以包括任何数目的酶，它们采用一种电子携带体作为基底，而不管反应的主要的与生物有关的方向是消耗还是产生这样的被还原的电子携带体，这是因为这样的反应可逆向进行。氧化还原酶的例子还包括但不限于葡萄糖氧化酶(采用NADH，可以由多种来源获得，包括许多这种类型的酶可以由Sigma Chemical公司获得)，葡萄糖-6-磷酸盐脱氢酶(NADPH，Boehringer Mannheim，Indianapolis，IN)，6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶(NADPH，BoehringerMannheim)，苹果酸脱氢酶(NADH，Boehringer Mannheim)，甘油醛-3-磷酸盐脱氢酶(NADH，Sigma，Boehringer Mannheim)，异柠檬酸脱氢酶(NADH，Boehringer Mannheim，NADPH，Sigma)，以及α-酮戊二酸脱氢酶复合体(NADH，Sigma)。

氧化还原酶也可以是一种横跨膜的泵，比如一种质子泵，它可以使用一种电子携带体作为能源。在这种情况下，可以把酶与电极在存在洗涤剂和/或类脂携带体分子的条件下结合起来，这些分子使酶的活化形态稳定。如在另外的实施例中那样，可以使用电子传输介体提高电子传输到电极的效率。

被结合的电子携带体很容易由商业供应者比如Sigma和BoehringerMannheim公司获得。这些电子携带体的还原形式的浓度可以尽可能地高，而不会损害氧化还原酶的功能。作为出发点，以对与氧化还原酶的适用条件的丰富的可用知识为基础设计盐和缓冲剂的条件。酶的这些条件典型地可以例如由这样的酶的供应者处获得。

如对于图4A(顶视图)中的燃料电池100所示出的那样，可以设置一个源贮室111，通过管道113、单向阀112和扩散装置114把还原的电子携带体供应到第二腔室102。要注意到，燃料电池100没有第一腔室，因为第一腔室常常用作一个贮室，在燃料电池100中此贮室由源贮室111提供。扩散装置115、管道116和泵117对于把包含电子携带体的用过的液体(对于为燃料电池提供能量来说它们常常仅只有降低了的效率)传输到输出贮室118提供了路径和输送能量。燃料电池100还有第一电极104、第二电极105、第三腔室103、空气泵121、空气入口122和空气出口123。各种泵可以由一个电池供电，可以采用来自燃料电池的能量对该电池充电和调节该电池，或者这些泵可以在燃料电池开始产生电流之后开始工作。如在图4B中所示出的那样，电压或电流监测器M可以监测燃料电池在向包括电阻R的电路提供电压的过程中的性能。监测器M可以对控制器提供信息，该控制器使用这些信息调节泵中的一个或多个的运行。

图5A示出了一个燃料电池200(顶视图)，在该电池中，一个酸/碱贮室231用来提供消除在第一和第二电极上反应方程式中任何材料不平衡所需要的材料。通过管道232、第一致动阀233和扩散装置234把此酸/碱贮室231连接到第二腔室202上。通过单向阀212A和第二致动阀212B输送来自源贮室211的液体。在一种运行的示例中，第二致动阀212B通常是打开的，而第一致动阀233通常是关闭的。当控制器检测到需要来自酸/碱贮室231的流体时(例如，因为接收到来自pH值监测器的一个信号)，将这些阀门状态颠倒过来，把液体送进第二腔室202中。

将会认识到，在图4A到5B中的阀门和泵的设置只是说明性的，对本技术熟悉的技术人员将会认识到可以有大量的另外设置。可以把燃料电池的管道系统设置成使腔室中的压力保持在比大气压力低，例如帮助减少流体通过各种多孔材料的泄漏。可以把在各种多孔材料中的微孔选择成使得需要时可以有这样的扩散，同时使流体横截这些多孔材料的流动为最少，比如把进入一个腔室的大量流体的流动设计成使空气与多孔的电极接触。

与第一和第二电极接触的流体的腔室可以是独立的，如在图6中所示出的那样。在燃料电池300中，通过管道313A送入浸泡第一电极(阳极)的溶液，而通过管道313B送入浸泡第二电极(阴极)的溶液。所示出的是由泵317A和317B调节流动。在所示出的燃料电池中，当需要适应在隔离开的电池中出现的化学物必要的不平衡时，添加这些浸泡溶液。

电池可以是重叠起来的，可以以多种方式设置电极，以增加电极与反应物之间的接触面积。这些重叠和设置的构形可以以传统的燃料电池所采用的众所周知的构形为基础。

将会认识到，在电子携带体相对于电子接受分子有适当的电化学电位的情况下，电池可以运行，使得电子携带体的氧化形式可以通过一种被酶催化的过程接受电子。例如，电子携带体和接受电子的分子都可以是对于电子携带体所列举的种类，但是有不同的电化学电位。这样，燃料侧的反应和产物侧的反应都可以是被酶催化的反应。事实上，即使用传统的接受电子的组份比如氧，产物侧的反应仍然可以是被酶催化的反应。

在本发明的一个实施例中，燃料电池不包括一个质子泵。在这一实施例中，氧化还原酶最好与一种类脂组份结合，比如包含磷脂、甾族化合物(比如甾醇)、糖脂、鞘脂类、甘油三脂的组份，或者是典型地加进细胞内或细胞外的膜中的其它组份，而仍然足够好地与电极结合起来输运电子。最好把酶结合进一种类脂双层中。隔离体可以是分开的组份，比如典型地在燃料电池中使用的组份，该组份最好在第一腔室与第二腔室之间传输质子，但是不要求质子泵送。

下面的示例进一步说明本发明，但是，当然，不应该在任何意义上限制本发明的范围。示例

实验设备包括5毫升的反应容器，该容器装有燃料，铜或其它电极浸泡在该容器中。进而把电极连接到一个高阻抗的电压表上，进行开路电压测量，或者连接到一个低阻抗的电流表上，进行短路电流测量。采用了多种试验构形建立了基本方式，用这些基本方式测量该电池的性能。通过把电极浸泡在燃料溶液中和测量电流和/或电压随时间的变化进行试验。

驱动电池的反应是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸氢化物(NADH)的氧化，这一反应在存在葡萄糖的条件下被葡萄糖氧化酶(GOD)催化。此反应产生NAD⁺，一个质子(H⁺)和两个自由电子

反应在一个电极上发生，该电极是一个金属化的塑料窄条，它涂敷有GOD酶。通过外电路把此一半的反应与在另一个电极上的由质子、溶解的氧和自由电子形成水或过氧化氢联系起来。

所使用的燃料是葡萄糖、NADH或它们的组合的溶液，去离子的蒸馏水，或一种50mM的pH值为7.4的三羟甲基氨基甲烷缓冲液(Tris^TM7.4buffer)。(NADH在pH值7.4的环境中是最稳定的。)电极材料是铜(参照)和涂敷有GOD(一种商业上可以获得的产品)的金属化的塑料窄条。

所采用的试验构形和初步的结果如下：构形1：

电极1：铜

电极2：铜

溶液：50mM的pH值为7.4的三羟甲基氨基甲烷缓冲液(Tris 7.4buffer)

电压：-7.5mV

电流：初始3微安，在3分钟内衰减到-2.2微安，以后基本上保持不变。构形2：

电极1：铜

电极2：涂敷了GOD的窄条

溶液：50mM的pH值为7.4的三羟甲基氨基甲烷缓冲液

电压：+350mV

电流：初始大于20微安(+)，在2分钟内衰减到+4微安，以后基本上保持不变。构形3：

电极1：铜

电极2：铜

溶液：在50mM的pH值为7.4的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中的10mM的葡萄糖溶液

电压：-6.3mV

电流：-1.7微安，在初始的下降之后基本上保持不变。构形4：

电极1：铜

电极2：涂敷了GOD的窄条

溶液：在50mM的pH值为7.4的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中的10mM的葡萄糖溶液

电压：+350mV

电流：初始大于20微安(+)，在2分钟内衰减到大约+2微安，以后基本上保持不变。构形5：

电极1：铜

电极2：铜

溶液：在50mM的pH值为7.4的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中的10mM的葡萄糖+10mM的NADH溶液

电压：-290mV在4分钟后缓慢增加到-320

电流：-25微安，在2分钟后衰减到-21微安构形6：

电极1：铜

电极2：涂敷了GOD的窄条

溶液：在50mM的pH值为7.4的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中的10mM的葡萄糖+10mM的NADH溶液

电压：+500mV在2分钟后衰减到+380

电流：大于+30微安，在1分钟后快速下降到大约+1微安

如果每篇个别的出版物或参考资料如充分地叙述的那样具体地和个别地表明在这里结合进来作为参考，就把所有这些出版物和参考资料，包括但不限于在本文件中提到的专利或专利申请，在这里以它们的整体结合进来作为参考。在这里也把本申请对它提出优先权的任何专利申请以上面对与出版物和参考资料描述的方式把它的整体结合进来作为参考。

尽管已经以优选实施例为重点描述了本发明，对本技术了解的技术人员来说下面一点是明显的：可以使用优选装置和方法的改型，并且，可以另外地不是如在这里具体描述的那样实现本发明。因此，本发明包括在本发明的精神和范围内的所有改型，本发明的精神和范围由下面的权利要求书限定。

Claims (17)

1.一种电池，它包括：第一腔室、第二腔室和把第一和第二腔室分离开的一个隔离装置，其中，隔离装置包括一个输运质子的部分。

2.一种电池，其包括：

第一腔室；

第二腔室；

把第一腔室与和第二腔室分离开的一个隔离装置；所述隔离装置有一个输运质子的部分；

第一电极；

第二电极；

在第一腔室中与第一电极连通的一种氧化还原酶，由第一电极接收电子；

在第一腔室中与氧化还原酶在化学上连通的一种电子携带体；以及

在第二腔室中与第二电极在化学上连通的一种接收电子的组份；

其中，在运行中，电流沿着在第一电极与第二电极之间形成的一个导电路径流动。

3.按照权利要求2所述的电池，其特征在于，第一电极还与一种电子输运介体关联，该介体把电子由氧化还原酶输运到第一电极。

4.按照权利要求2所述的电池，其特征在于，输运质子的蛋白质至少为氧化还原酶的一部分。

5.按照权利要求2所述的电池，其还包括一个贮室，用来把在电池的运行中消耗的一种组份供应到电极中至少一个的附近，且还包括一个泵，用来把那种组份送到所述附近区域。

6.按照权利要求5所述的电池，其还包括一个控制器，它接收关于电池运行的数据，且对这些数据做出响应，控制泵的工作。

7.按照权利要求2所述的电池，其特征在于，一种用光驱动的质子泵送蛋白质包括输运质子的蛋白质的至少一部分，且还包括：

一个光源，用来对光驱动的质子泵送蛋白质提供能量。

8.按照权利要求2所述的电池，其还包括在隔离装置中结合与第一种蛋白质不同的第二种蛋白质，当电池在充电方式工作时，使质子的反向泵送变得容易。

9.一种运行带有第一腔室和第二腔室的电池的方法，它包括如下步骤：

用酶氧化第一种电子携带体，并把电子送到与第一腔室在化学上连通的第一电极上；

对质子由第一腔室到第二腔室的输运进行催化；以及

当通过一个电路把电子由第一电极输运到位于第二腔室中的第二电极时，减少接收电子的分子。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，质子的催化输运的出现是与电子携带体的酶氧化相联系的。

11.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，由一种光驱动的质子泵送蛋白质驱动质子输运的至少一部分，该方法还包括：

把光照到用光驱动的质子泵上。

12.按照权利要求11所述的方法，其还包括：

监测第一腔室的pH值，并控制照到用光驱动的质子泵上的光的数量，使得在pH值较低时照射相对较多的光。

13.按照权利要求9所述的方法，其还包括：

把一个电压施加到极性与电池的正常运行所产生的极性相反的电极上，对电池进行充电。

14.按照权利要求13所述的方法，其还包括：

与施加充电电压相联系用酶把质子由第二腔室输运到第一腔室。

15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，用一种与在产生电的方式中催化主要的质子输运的酶不同的酶实现在充电方式中的酶催化的输运的至少一部分。

16.一种电池，它包括：

第一腔室；

第二腔室；

把第一腔室与第二腔室分离开的一个隔离装置；

第一电极；

第二电极；

在第一腔室中与第一电极连通的一种氧化还原酶，由第一电极接收电子，把此氧化还原酶结合进一种类脂组份中；

在第一腔室中与氧化还原酶在化学上连通的一种电子携带体；以及

在第二腔室中与第二电极在化学上连通的一种接收电子的组份；

其中，在运行中，电流沿着在第一电极与第二电极之间形成的一个导电路径流动。

17.一种运行带有第一腔室和第二腔室的电池的方法，它包括如下步骤：

用结合进一种类脂组份中的酶来酶氧化一种电子携带体，并把电子送到与第一腔室在化学上连通的第一电极；以及

当通过一个电路把电子由第一电极输运到位于第二腔室中的第二电极时，减少接收电子的分子。

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