專利名稱：一種能與人體結(jié)合的微生物燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微生物燃料電池，特別涉及一種能與人體結(jié)合的微生物燃料電
池，屬于可再生新能源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微生物燃料電池是利用電化學技術(shù)通過微生物代謝將化學能轉(zhuǎn)化為電能的一種 裝置，是在酶燃料電池的基礎(chǔ)上，伴隨微生物、電化學以及材料等學科的發(fā)展而發(fā)展起來 的。傳統(tǒng)的微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示，單個電池由需氧的陰極室102和厭氧的陽 極室101所構(gòu)成，陽極室101內(nèi)裝有陽極電極104，陰極室102內(nèi)裝有陰極電極105，同時， 陰極室102和陽極室101由質(zhì)子交換膜103相隔開。在陽極室101內(nèi)，燃料(通常為廢水 或化學物質(zhì)，如葡萄糖，乙酸鹽等)在微生物106的催化作用下被氧化分解，產(chǎn)生的電子通 過電子載體(例如，細胞色素)傳遞到陽極104，再經(jīng)過外電路107到達陰極105，質(zhì)子則通 過質(zhì)子交換膜到達陰極。氧化劑( 一般為氧氣)在陰極室102內(nèi)得到了電子被還原。
以葡萄糖(C6H1206)為例，如圖l，在陽極室101內(nèi)，葡萄糖(C6H1206)在微生物106 的催化作用下被分解成為二氧化碳(CO》、氫離子(H+)和電子(e—)，反應(yīng)式為
C6H1206+6H20 — 6C02+24e—+24H+ 氫離子通過質(zhì)子交換膜103擴散到陰極室102內(nèi)，電子通過電子載體傳遞到陽極
104上并通過外接電路107到達陰極105，從而轉(zhuǎn)移到陰極室102內(nèi)。此時電子在催化劑的
作用下被還原，與氫離子和氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成水，反應(yīng)式為 602+24e—+24H+ — 12H20 其總反應(yīng)式為 C6H1206+602 — 6C02+6H20 微生物燃料電池是一種將解決環(huán)境污染問題與生產(chǎn)新能源有機結(jié)合起來的新技 術(shù)，傳統(tǒng)的微生物燃料電池主要應(yīng)用在產(chǎn)電與污水處理兩個方面。 隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人體體內(nèi)將會有各種形式的電子元器件，或者代替老 舊病變的器官，或者增強現(xiàn)有能力，或者監(jiān)測體內(nèi)生物化學環(huán)境以便于及時發(fā)現(xiàn)疾病，如心 臟起搏器，電子眼等。但是目前只有通過電池對人體內(nèi)的電子元件進行供電，一旦電量用完 則需要通過手術(shù)更換電池，壽命較短，而傳統(tǒng)的微生物燃料電池體積較大，無法應(yīng)用在人體 體內(nèi)作為電子元器件的供電設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種微生物燃料電池，該微生物燃料電池能夠安置在人體
體內(nèi)，并利用人體自身產(chǎn)生的化學物質(zhì)進行發(fā)電，從而使安置在人體體內(nèi)的電子元器件可 以不需要頻繁的更換電池。 為了達到上述目的，本發(fā)明提出了一種微生物燃料電池，該微生物燃料電池包括 一個腔體以及包含在所述腔體內(nèi)依次排列的陰極、質(zhì)子交換膜、陽極和多孔膜。所述微生物
3燃料電池的陰極和陽極由生長了高密度的多壁納米碳管的碳纖維布制作而成，并且，在所
述陰極的碳纖維布上生長了充當陰極氧化反應(yīng)的催化劑的金屬鉑的納米粒子，在所述陽極
的碳纖維布上培養(yǎng)了用于對血糖進行催化分解的微生物生物膜。所述的質(zhì)子交換膜用以保
證所述陽極上的微生物不會直接將電子傳遞到陰極上。所述的多孔膜用以保證化學燃料可
以進入微生物燃料電池的腔體，并有效阻止所述陽極上的微生物的外泄。 本發(fā)明的微生物燃料電池的工作原理為，電池內(nèi)陽極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為二氧化碳、氫離子和電子。氫離子會穿過質(zhì)子交換膜達
到微生物燃料電池的陰極。將微生物燃料電池的陰極和陽極用外電路相連接，則電子會通
過外電路由陽極轉(zhuǎn)移到陰極上，此時，氫離子、電子會在陰極上金屬鉑的納米粒子的催化作
用下會與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成水。在整個過過程中，實現(xiàn)了電子的轉(zhuǎn)移，并且可以被外接負載
所利用。 本發(fā)明還提供組合的微生物燃料電池，由多個上述微生物燃料電池通過串聯(lián)或并 聯(lián)方式構(gòu)成。 本發(fā)明的微生物燃料電池可以安置在人體體內(nèi)，利用人體自身產(chǎn)生的化學物質(zhì)進 行發(fā)電，并且具有成本低、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單和作為體內(nèi)電子裝置供電設(shè)備無需更換供電電 池的優(yōu)點。


圖1為傳統(tǒng)的微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2a至圖2d為本發(fā)明提供的微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本發(fā)明提供的微生物燃料電池與人體結(jié)合的工作原理圖。 圖4為由多個本發(fā)明提供的微生物燃料電池串聯(lián)組成的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)。 圖5為由多個本發(fā)明提供的微生物燃料電池并聯(lián)組成的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
下面將參照附圖對本實施新型的微生物燃料電池作詳細說明。在圖中，為了方便 說明，放大了或縮小了微生物燃料電池各個結(jié)構(gòu)之間的厚度，所示的大小并不代表實際的 尺寸。參考圖是本實施新型的理想化實施例的示意圖，本實施新型所示的微生物燃料電池 不應(yīng)該被認為僅限于圖中所示區(qū)域的特定形狀，而是包括所得到的形狀，比如制造引起的 偏差。圖中的表示是示意性的，但這不應(yīng)該被認為是限制本實施新型的范圍。
圖2a為本實施新型提供的微型微生物燃料電池200的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2a，自上 往下分別為微生物燃料電池的陰極201、質(zhì)子交換膜202、電池的陽極203和多孔膜204，所 示205a、205b和205c為微生物燃料電池的腔體。為了增加微生物燃料電池陰極201和陽 極203的表面積，陰極201和陽極203都由已經(jīng)生長了高密度的多壁納米碳管的碳纖維布 制作而成，如圖2b為生長了多壁納米碳管的碳纖維布中一小部分的放大圖，所示201a為碳 布，所示21至31為在碳纖維布上生長的多壁納米碳管。陰極201的碳纖維布上生長了金 屬鉑的納米粒子以充當陰極201上氧化反應(yīng)的催化劑，如圖2c為陰極201的碳纖維布上生 長金屬鉑的納米粒子的結(jié)構(gòu)放大圖，所示31a為一個多壁碳納米管，所示a至n為生長的金 屬鉑的納米粒子。陽極2Q3的碳纖維布上培養(yǎng)了微生物生物膜，用于進行對血糖的催化分解，如圖2d為培養(yǎng)了微生物生物膜的碳纖維布的結(jié)構(gòu)放大圖，所示203a為碳纖維布，所示 203b和203c為微生物生物膜。質(zhì)子交換膜202用以保證陽極203上的微生物不會直接將 電子傳遞到陰極201上。多孔膜204用以保證外界化學燃料可以進入微生物燃料電池200 的腔體205c內(nèi)，并有效阻止陽極203上的微生物的外泄。 圖3為本實施新型的微生物燃料電池在人體體內(nèi)的工作結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示，在 人體體內(nèi)，一個微生物燃料電池300利用小管304連接肺泡305與微生物燃料電池的陰極 300a，并用小管303連接動脈血管301與微生物燃料電池的多孔膜300d。當動脈血管301 中有血液302流過的時候，由于毛細作用，血液302的一部分會透過多孔膜300d擴散到微 生物燃料電池的腔體300g內(nèi)，在陽極300c上培養(yǎng)的微生物的催化作用下，血液中的葡萄糖 會分解成為二氧化碳、氫離子和電子。氫離子會穿過質(zhì)子交換膜300b達到微生物燃料電池 的陰極300a。如果將微生物燃料電池的陰極300a和陽極300c用外電路306相連接的話， 電子會通過外電路306由陽極300c轉(zhuǎn)移到陰極300a上，此時，氫離子、電子會在陰極300a 上金屬鉑的納米粒子的催化作用下與肺泡內(nèi)的氧氣發(fā)生反應(yīng)生成水。在整個過程中，實現(xiàn) 了電子的轉(zhuǎn)移，并且可以被外接負載所利用，將人體體內(nèi)的代謝能轉(zhuǎn)化為了電能。
本發(fā)明的微生物燃料電池可以通過串聯(lián)或者并聯(lián)的方法以提高輸出的電流或者 電壓。如圖4，所示401a、402a和403a為微生物燃料電池的陰極，401b、402b和403b為微 生物燃料電池陽極端的多孔膜，依次將多個該微生物燃料電池的陽極端和陰極端相連即可 構(gòu)成該微生物燃料電池的串聯(lián)方式。如圖5，所示501a、502a和503a為微生物燃料電池的 陰極，501b、502b和503b為微生物燃料電池陽極端的多孔膜，將多個該微生物燃料電池的 陽極端與陽極端相連，陰極端與陰極端相連，即構(gòu)成了該微生物燃料電池的并聯(lián)方式。
本發(fā)明可用于人體體內(nèi)的各種電子元件，如心臟起搏器等，或者是電子器官，以及 體內(nèi)的傳感器，如血壓傳感器、血糖監(jiān)測器等。
權(quán)利要求
一種能與人體結(jié)合的微生物燃料電池，其特征在于，該微生物燃料電池包括一個腔體以及包含在所述腔體內(nèi)依次排列的陰極、質(zhì)子交換膜、陽極和多孔膜，且陰極與質(zhì)子交換膜之間，質(zhì)子交換膜與陽極之間，陽極與多孔膜之間有間隙，為腔體的一部分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物燃料電池，其特征在于，所述微生物燃料電池的陰極 和陽極由碳纖維布制作而成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微生物燃料電池，其特征在于，在所述的碳纖維布上生長有 高密度的多壁納米碳管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微生物燃料電池，其特征在于，在所述陰極的碳纖維布上生 長有金屬鉑的納米粒子，以充當陰極氧化反應(yīng)的催化劑。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微生物燃料電池，其特征在于，在所述陽極的碳纖維布上培 養(yǎng)了微生物生物膜，用于對血糖的催化進行分解。
6. —種能與人體結(jié)合的組合微生物燃料電池，其特征在于由多個權(quán)利要求1所述的微 生物燃料電池通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明屬于再生能源技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種微生物燃料電池。該微生物燃料電池包括一個腔體以及包含在所述腔體內(nèi)依次排列的陰極、質(zhì)子交換膜、陽極和多孔膜。該微生物燃料電池利用微生物對血糖的催化進行分解，在分解過程中產(chǎn)生二氧化碳和水，并且通過微生物轉(zhuǎn)移氧化還原反應(yīng)中的電子，從而實現(xiàn)化學能向電能的轉(zhuǎn)變，同時，該微生物燃料電池可以制作微型電池，使其能夠安置在人體體內(nèi)，利用人體自身產(chǎn)生的化學物質(zhì)進行發(fā)電。本發(fā)明具有成本低、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單和作為體內(nèi)電子裝置供電設(shè)備無需更換供電電池的優(yōu)點。
文檔編號H01M8/24GK101777660SQ201010105579
公開日2010年7月14日 申請日期2010年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月4日
發(fā)明者劉晗, 周立人, 張衛(wèi), 王鵬飛 申請人:復旦大學