KR100657868B1 - Biofuel cell using photosynthetic microorganisms and sediment sludge - Google Patents

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KR100657868B1
KR100657868B1 KR1020050121833A KR20050121833A KR100657868B1 KR 100657868 B1 KR100657868 B1 KR 100657868B1 KR 1020050121833 A KR1020050121833 A KR 1020050121833A KR 20050121833 A KR20050121833 A KR 20050121833A KR 100657868 B1 KR100657868 B1 KR 100657868B1
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biofuel cell
photosynthetic microorganisms
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김형주
최창호
윤석민
김광태
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건국대학교 산학협력단
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Abstract

Provided is a biological fuel cell which is reduced in cost by not supplying oxygen additionally, purifies the organic material present in the precipitate of a lake and is improved in the efficiency of fuel cell. The biological fuel cell comprises a negative electrode which is located at the precipitate inside the polluted lake; and a positive electrode which is located at the water surface containing seaweeds and photosynthetic microorganism, wherein the organic material remaining in the precipitate is oxidized by the microorganism to generate electrons in anaerobic state and to transfer the electrons through an oxidation electrode, and the electron is transferred into the reduction electrode where the concentration of dissolved oxygen is maintained to be oversaturated on the water surface and is combined with oxygen to be reduced into water, there generating electricity.

Description

광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지 {Biofuel cell using photosynthetic microorganisms and sediment sludge}Biofuel cell using photosynthetic microorganisms and sediment sludge

도 1a 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지의 구조를 나타내는 도면.1A is a view showing the structure of a biofuel cell using photosynthetic microorganisms and sediment according to the first embodiment of the present invention.

도 1b 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 2개월 동안 전력 생산량 변화에 대한 결과를 나타내는 그래프.Figure 1b is a graph showing the results of the change in power production for two months according to the first embodiment of the present invention.

도 1c 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 일주일 동안 전력 생산량 변화에 대한 결과를 나타내는 그래프.1C is a graph showing the results of changes in power output during a week according to the first embodiment of the present invention.

도 2a 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수소 생산 및 포집을 하는 생물연료전지의 구조를 나타내는 도면.Figure 2a is a view showing the structure of a biofuel cell for hydrogen production and collection according to a second embodiment of the present invention.

도 2b 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광합성 작용에 의해서 생성되는 산소의 농도를 나타내는 도면.2B is a diagram showing the concentration of oxygen produced by the photosynthesis action according to the second embodiment of the present invention.

도 2c 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유기물을 미생물이 산화될 때 생성되는 수소 이온의 농도를 나타내는 도면.Figure 2c is a view showing the concentration of hydrogen ions generated when the microorganism is oxidized organic material according to a second embodiment of the present invention.

도 3 은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 높이 조절용 쟈바라를 나타내는 도면. 3 is a view showing jabara for height adjustment according to a third embodiment of the present invention.

도 4 는 종래의 발명에 따른 양이온 교환막을 사용하지 않는 무매개체 미생물 연료전지와 이를 운전하고 전류를 기록하기 위한 전체 시스템을 나타내는 도면.4 shows a medium free microbial fuel cell without a cation exchange membrane according to the prior art and the overall system for operating it and recording current.

본 발명은 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양이온 교환막없이 미생물이 분포하는 오염된 호소(湖沼, lake) 등의 수표면에 양극 및 침전물에 음극을 위치시키고, 조류(algae)를 이용하여 양극부에 산소공급을 원활히 하고, 침전물에 존재하는 유기물을 미생물이 산화시켜 정화 기능을 갖는 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지에 관한 것이다. The present invention relates to a biofuel cell using photosynthetic microorganisms and sediments, and more particularly, to place an anode and a cathode on a water surface such as a contaminated lake where microorganisms are distributed without a cation exchange membrane. The present invention relates to a biofuel cell using photosynthetic microorganisms and sediments having a purification function by smoothly supplying oxygen to the anode part using algae and oxidizing organic matter present in the precipitate.

또한, 공기가 투과되지 않는 투명 용기를 사용하여 오염된 호소 내부를 혐기 상태로 유지함으로써, 주간에 빛이 공급되고 야간에 빛이 차단되는 현상을 이용하여 조류(algae) 및 광합성 미생물에 의해 수소 가스를 생산 및 포집할 수 있는 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지에 관한 것이다.In addition, by keeping the inside of the contaminated appeal in an anaerobic state using a transparent container through which air is not permeated, hydrogen gas is released by algae and photosynthetic microorganisms by using light that is supplied during the day and light is blocked at night. It relates to a biofuel cell using photosynthetic microorganisms and sediments that can produce and collect

종래, 생물연료전지와 관련해서는 대한민국 등록특허(제10-0224381호, 양이온 교환막이 없는 무매개체 미생물 연료전지)(이하, "선행특허"라 한다.) 이외에 다수 출원 및 등록된 상태이다.Conventionally, in relation to a biofuel cell, a number of applications and registrations have been made in addition to the Republic of Korea Patent No. 10-0224381, a mediator-free microbial fuel cell without a cation exchange membrane (hereinafter referred to as "prior patent").

상기 선행특허는 도 4 에 도시된 바와 같이, 양극부와 음극부, 이들 양극부와 음극부 사이에 배치된 글라스울(glass wool)과 글라스비드(glass bead), 및 상 기 양극부에 공기를 공급하는 장치를 포함하고 음극부에서 폐수가 공급되어 양극부에서 배출되며, 양이온 교환막이 없는 것을 특징으로 한다.As shown in FIG. 4, the prior patent discloses an anode portion and a cathode portion, glass wool and glass beads disposed between the anode portion and the cathode portion, and air in the anode portion. It comprises a device for supplying and the waste water is supplied from the cathode portion is discharged from the anode portion, characterized in that there is no cation exchange membrane.

그러나, 상기 선행특허는 양이온 교환막이 존재하지 않는 것에 관하여 특징을 가지지만, 양극부와 음극부 사이에 글라스울, 글라스비드 및 공기를 공급하는 장치 등을 추가적으로 구비해야하는 문제점이 있었다. However, although the prior patent has a feature regarding the absence of a cation exchange membrane, there is a problem in that a device for supplying glass wool, glass beads, and air is provided between the anode portion and the cathode portion.

그리고, 공기를 공급하는 장치를 이용하여 물속에 산소를 증가시킴으로써, 전기에너지를 생산하는데 별도의 에너지를 필요로 하여 대규모 제작 또는 실제로 활용하는데 어려움이 있었다. In addition, by increasing the oxygen in the water by using a device for supplying air, there is a difficulty in producing or actually using a large-scale, requiring extra energy to produce electrical energy.

본 발명은, 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 양이온 교환막없이 미생물이 분포하는 오염된 호소(湖沼, lake) 등의 수표면에 양극 및 침전물에 음극을 위치시키고, 조류(algae)에 의해서 생성되는 산소의 과생산 및 광선의 투과 제한으로 발생되는 혐기 상태를 이용하여 양극부에 산소공급을 원활히 하고, 침전물에 존재하는 유기물을 미생물이 산화시켜 정화 기능을 갖는데 그 목적이 있다. The present invention, which was devised to solve the above problems, by placing the cathode on the anode and the precipitate on the surface of the water, such as a contaminated lake (microbial) distribution without a cation exchange membrane, the cathode and the algae (algae) The purpose of the present invention is to facilitate oxygen supply to the anode portion by using an anaerobic state generated due to the overproduction of oxygen and the restriction of light transmission, and to purify the organic matter present in the precipitate by oxidizing microorganisms.

또한, 공기가 투과되지 않는 투명 용기를 사용하여 오염된 호소 내부를 혐기 상태로 유지함으로써, 주간에 빛이 공급되고 야간에 빛이 차단되는 현상을 이용하여 조류(algae) 및 광합성 미생물에 의해 수소 가스를 생산 및 포집할 수 있는데 그 목적이 있다. In addition, by keeping the inside of the contaminated appeal in an anaerobic state using a transparent container through which air is not permeated, hydrogen gas is released by algae and photosynthetic microorganisms by using light that is supplied during the day and light is blocked at night. Can be produced and collected for this purpose.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 오염된 호소 내부의 침전물에 위치한 음극 및 조류 및 광합성 미생물이 존재하는 수표면에 위치한 양극을 포함하는 생물연료전지에 있어서, 상기 침전물에 잔존하는 유기물을 미생물이 산화시키며 혐기 상태에서 생성되는 전자가 산화전극을 통해 전달하고, 상기 전자는 주간 수표면의 광합성 미생물에 용존산소의 농도가 과포화 상태를 유지하는 환원전극에 전달되면 상기 산소와 결합해 물로 환원되면서 전류를 발생시키는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object, in the biofuel cell comprising a cathode located on the sediment inside the contaminated appeal and the anode located on the water surface in which algae and photosynthetic microorganisms are present, the organic matter remaining in the precipitate microorganisms The oxidized electrons generated in the anaerobic state are transferred through the anode, and when the electrons are delivered to the cathode which maintains the concentration of dissolved oxygen in the photosynthetic microorganisms on the surface of the day, the oxygen is combined with the oxygen and reduced to water. It is characterized by generating a current.

바람직하게 상기 생물연료전지는, 바다, 강, 호수 및 폐수 처리장에 직접 설치하여 사용 가능한 것을 특징으로 한다. Preferably, the biofuel cell is characterized in that it can be used directly installed in the ocean, river, lake and wastewater treatment plant.

또한 바람직하게 상기 양극은, 전극이 세로방향으로 긴 형태를 유지하며 다공성 탄소판인 것을 특징으로 한다. Also preferably, the anode is characterized in that the electrode is a porous carbon plate while maintaining a long shape in the longitudinal direction.

그리고 바람직하게 상기 음극은, 전극이 세로방향으로 그 일단이 첨단형태를 유지하며 다공성 탄소판인 것을 특징으로 한다.And preferably, the cathode is characterized in that the electrode is a porous carbon plate, one end of which maintains the tip shape in the longitudinal direction.

한편, 본 발명은 오염된 호소 내부의 침전물에 위치한 음극 및 조류 및 광합성 미생물이 존재하는 수표면에 위치한 양극을 포함하는 생물연료전지에 있어서, 공기가 투과되지 않는 투명 용기를 양극 상부에서 음극이 위치하는 침전물까지 삽입한 후, 혐기 상태를 유지하여 수소 가스가 생산되는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the present invention is a biofuel cell comprising a cathode located on the sediment inside the contaminated appeal and the anode located on the water surface in which algae and photosynthetic microorganisms are present, the transparent container which does not permeate air is located on the anode above the anode After inserting the sediment to, characterized in that the hydrogen gas is produced by maintaining the anaerobic state.

바람직하게 상기 투명 용기 상측에는, 가스이송관을 더 구비하며, 상기 가스이송관은 주간에 수소 가스를 방출하여 밸브를 이용하여 수면의 기압을 조절하며 야간에 생산된 수소 가스를 포집하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the upper side of the transparent container, further comprising a gas transfer pipe, the gas transfer pipe is characterized in that to discharge the hydrogen gas during the day to adjust the atmospheric pressure of the water surface using a valve and to collect the hydrogen gas produced at night.

한편, 오염된 호소 내부의 침전물에 위치한 음극 및 조류 및 광합성 미생물이 존재하는 수표면에 위치한 양극을 포함하는 생물연료전지에 있어서, 일측에 수위 조절용 수로를 구비하며, 양극부와 음극부 사이에 연결된 높이 조절용 쟈바라를 포함한다.On the other hand, in the biofuel cell comprising a cathode located on the sediment inside the contaminated appeal and a cathode located on the water surface in which algae and photosynthetic microorganisms are present, a water level control channel is provided at one side, and is connected between the anode part and the cathode part. Includes height adjustable jabara.

바람직하게 상기 높이 조절용 자뱌라는, 상기 수위 조절용 수로를 통해 다리 길이를 조절하여 수표면의 수위를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다. Preferably, the height adjustment jar is characterized in that the level of the water surface is kept constant by adjusting the length of the leg through the water level adjusting channel.

그리고 바람직하게 상기 높이 조절용 쟈바라는, 접이식 방식으로 수축 및 이완 작용을 원활한 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.And preferably the height adjustment jabara, characterized in that made in a smooth shape shrinkage and relaxation action in a foldable manner.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.The features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in the present specification and claims are defined in the technical spirit of the present invention on the basis of the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain his invention in the best way. It should be interpreted to mean meanings and concepts. In addition, when it is determined that the detailed description of the known function and its configuration related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, it should be noted that the detailed description is omitted.

먼저, 부영양화 등으로 호소 표면에 발생되는 조류(algae)의 이상증식은 태양광의 투과를 방해하는 수생식물(submerged aquatic vegetable)의 증식을 방해하 기 때문에 수소 이온 호소는 수중의 산소를 공급하는 역할을 하는 수생식물이 사멸하고 호소의 내부는 저산소 혹은 무산소 상태가 된다. 반면 조류 및 광합성 미생물이 존재하는 수표면에 한정하여 일광이 충분한 주간은 조류의 광합성에 의하여 산소가 과포화 상태로 물속에 존재하며, 야간의 경우는 일광이 충분하지 않기 때문에 광합성이 중단되어 외부와 차단시 저산소 혹은 무산소 상태가 된다.First, since the abnormal growth of algae, which occurs on the surface of the lake due to eutrophication, prevents the growth of submerged aquatic vegetables that impede the transmission of sunlight, the hydrogen ion appeal serves to supply oxygen in the water. The aquatic vegetation dies and the interior of the appeal becomes hypoxic or anaerobic. On the other hand, during daytime with sufficient daylight, limited to the surface of algae and photosynthetic microorganisms, oxygen is supersaturated due to algae photosynthesis, and at night, photosynthesis ceases due to lack of daylight. The city becomes hypoxic or anaerobic.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지의 구조 및 특징에 관해 도 1a 내지 도 1c 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.The structure and characteristics of the biofuel cell using the photosynthetic microorganism and the precipitate according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A to 1C.

도 1a 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지의 구조를 나타내는 도면이고, 도 1b 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 2개월 동안 전력 생산량 변화에 대한 결과를 나타내는 그래프이며, 도 1c 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 일주일 동안 전력 생산량 변화에 대한 결과를 나타내는 그래프이다.1A is a view showing the structure of a biofuel cell using photosynthetic microorganisms and sediment according to the first embodiment of the present invention, Figure 1b is a result of the change in power production for two months according to the first embodiment of the present invention 1C is a graph showing a result of a change in power output for one week according to the first embodiment of the present invention.

우선, 도 1a 를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지는 조류가 존재하는 호소(A)에 있어서, 종래의 침전물을 이용한 연료전지의 음극위치와 동일하게 호소(A) 내부의 침전물에 음극부 및 조류 및 광합성 미생물이 존재하는 수표면에 양극 부를 위치시킨다.First, referring to FIG. 1A, a biofuel cell using photosynthetic microorganisms and sediments according to the first embodiment of the present invention has a negative electrode position of a fuel cell using a conventional sediment in an appeal (A) where algae are present. Similarly, the anode portion is placed on the surface of the cathode and the water surface in which algae and photosynthetic microorganisms are present in the precipitate inside the appeal (A).

더욱 상세하게, 깊이 20cm의 호소(A)의 수표면에는 환원 전극(cathode)을 위치시키고 침전물 표면상에서 20cm 아래에 산화전극(anode)을 위치시킨다. More specifically, a cathode is placed on the water surface of a 20 cm depth A and an anode is positioned 20 cm below the surface of the precipitate.

이때, 전극은 탄소전극을 사용하고, 전선연결시 은 에폭시를 사용한 후 방수 에폭시를 도포하여 사용한다.In this case, a carbon electrode is used as the electrode, and silver epoxy is used after the wire connection is applied by applying a waterproof epoxy.

또한, 양극(cathode)은 다공성 탄소 판을 사용하여 표면 적을 넓히고 빛의 공급을 방해하지 않으면서 물속에 쉽게 들어갈 수 있도록 세로방향으로 긴 형태를 유지하고, 음극(anode) 역시 전극에 표면 적을 넓히고 침전물에 삽입되기 쉽도록 세로방향으로 그 일단이 첨단(尖端) 형태를 유지하는 다공성 탄소 판을 사용한다.In addition, the cathode uses a porous carbon plate to increase the surface area and maintain a lengthwise shape so that it can easily enter the water without disturbing the light supply, and the anode also increases the surface area on the electrode and deposits. Porous carbon plates are used, one end of which keeps its tip shape in the longitudinal direction so as to be easily inserted into the sheet.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 생물연료전지에 있어서, 양극 및 음극은 통상적인 생물연료전지에서 사용하는 전극이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있는데, 그 예로는 흑연 막대, 흑연 판 또는 표면 적을 넓게 할 수 있는 흑연 부직포 등의 흑연전극을 들 수 있는바, 본 발명이 이에 한정되지 않으며, 전극의 표면적은 전자의 밀도(전류량)와 비례하기 때문에 표면적이 넓은 흑연 부직포 또는 다공성의 탄소 판 등을 사용하면 전기의 생산성을 높일 수 있는 생물연료전지의 구성도 가능하다. In the biofuel cell according to the first embodiment of the present invention, the positive electrode and the negative electrode can be used without particular limitation as long as they are electrodes used in conventional biofuel cells, and examples thereof include graphite bars, graphite plates, or surface areas. Graphite electrodes such as graphite non-woven fabrics, and the like, but the present invention is not limited thereto. When the surface area of the electrodes is proportional to the density of electrons (amount of current), a graphite non-woven fabric or a porous carbon plate having a large surface area may be used. It is also possible to configure a biofuel cell that can increase productivity.

여기서, 호소(A)의 수표면에 조류 및 광합성 미생물이 다량 존재하게 되면 빛의 투과를 막아 호소(A) 내부에 광합성 작용이 원활하게 일어나지 못하게 됨으로써 혐기 상태를 유발하게 되는데, 이 호소(A) 내부의 혐기 상태는 연료전지의 음극 부에 산소 공급을 차단해 줌으로써, 전자의 손실을 막아 연료전지의 효율을 높게 한다. Here, when a large amount of algae and photosynthetic microorganisms are present on the surface of the appeal (A), it prevents light transmission and prevents photosynthetic action from occurring smoothly inside the appeal (A), causing an anaerobic condition. The internal anaerobic state cuts off the oxygen supply to the cathode portion of the fuel cell, thereby preventing the loss of electrons and increasing the fuel cell efficiency.

그리고 빛이 공급되는 주간 수표면은 호소(A) 내부와 달리 다량의 빛을 흡수할 때 조류에 의한 광합성 작용이 활발하게 일어남으로써, 용존산소의 농도가 과포 화 상태로 유지된다. In addition, unlike the inside of the appeal (A), the surface of the day water supplied with light actively absorbs a large amount of light, causing photosynthetic action of algae to actively occur, thereby maintaining the dissolved oxygen concentration in a supersaturated state.

참고로, 용존산소의 일반적인 농도가 8ppm 이고, 과포화 상태일 때의 농도가 12~15ppm 을 나타낸다.For reference, the general concentration of dissolved oxygen is 8 ppm, and the concentration at the time of supersaturation is 12-15 ppm.

이에 따라, 양극이 설치되어 있는 수표면에 산소가 포화농도 이상으로 녹아 있음으로써, 양극으로 전달된 전자의 환원이 원활하게 이루어져 연료전지의 효율을 높게 만들 수 있다. Accordingly, by dissolving oxygen at a saturation concentration or higher on the water surface on which the anode is installed, the reduction of electrons transferred to the anode can be smoothly made, thereby increasing the efficiency of the fuel cell.

이는, 전기 에너지를 생산하기 위해 폭기(曝氣) 작용 등을 이용하여 양극부에 산소를 부가적으로 공급하지 않아도 되기 때문에 추가적인 설비 구비, 추가적인 비용 및 추가적인 에너지를 소모하지 않아도 된다. This does not require additional equipment, additional costs, and additional energy consumption because oxygen does not need to be additionally supplied to the anode using aeration to produce electrical energy.

또한, 수표면의 자가영양생물인 광합성 미생물의 사체와 대사산물이 침전물에 유기물을 공급함으로써, 외부의 유기물 공급 없이 장시간 전력생산이 가능하며, 침전물에 존재하는 유기물을 미생물이 산화시킴으로써 정화 기능을 갖는다. In addition, the bodies and metabolites of photosynthetic microorganisms, which are autotrophic organisms on the surface of the water, supply organic matter to the sediment, enabling long-term power generation without supplying external organic matter, and having a purifying function by oxidizing the organic matter present in the sediment. .

부언하여, 본 발명은 추가적인 설비를 구비하지 않아도 되기 때문에 바다, 호수 혹은 강에서 직접 설치하여 사용가능한 것으로 설정하였으나, 본 발명이 이에 국한되지 않고 폐수 처리장에서도 사용가능하다. In addition, since the present invention does not need to be provided with additional equipment, the present invention may be directly installed in the sea, a lake, or a river, but the present invention is not limited thereto, and may be used in a wastewater treatment plant.

도 1b 및 도 1c 에 도시된 바와 같이, 오염된 호소에 직접 상술한 구조의 생물연료전지를 설치하여 2개월(7월 1일부터 8월 30일까지) 및 일주일(8월 15일부터 8월 21일까지) 동안 주간(12시) 또는 야간(24시)에 지속적으로 전력 생산량을 측정하였을 때, 다량의 빛이 공급되는 주간에 광합성 미생물에 의해 광합성 작용이 활발히 일어나 전력 생산량이 증가하고, 빛이 공급되지 않는 야간에 혐기 상태를 유 발하여 전력 생산량이 감소하는 것을 알 수 있다. 1B and 1C, two months (July 1 to August 30) and one week (August 15 to August) by installing a biofuel cell of the above-described structure directly on the contaminated appeal When the power output is measured continuously during the day (12 o'clock) or at night (24 o'clock) for 21 days), photosynthetic action is actively induced by photosynthetic microorganisms during the day when a large amount of light is supplied, resulting in an increase in power output. It can be seen that during the night when this supply is not performed, the anaerobic state is reduced, thereby reducing the power output.

여기서, 실험일 중 8월 10일, 8월 24일 및 8월 25일은 기상변동에 따라 주간에도 빛이 공급되지 못한 관계로 광합성 반응이 활발히 일어나지 않아 전력 생산량이 감소하는 것으로 나타났다.Here, August 10, August 24, and August 25 of the experimental days, because the light is not supplied even during the day due to weather fluctuations, the photosynthetic reaction did not occur actively, the power production was found to decrease.

본 실시예에서 기상변동에 따라 수표면의 수위가 변동되는 경우, 수위조절용 수로를 이용하여 수표면에 위치한 조류 및 양극부가 일정한 수위를 유지할 수 있도록 그 높이를 조절하는 것으로 설정하였으나, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. In the present embodiment, when the water level of the water surface is changed according to the weather fluctuation, it is set to adjust the height so that the algae and the anode portion located on the water surface to maintain a constant water level by using the water level adjustment channel, but the present invention is It is not limited.

본 발명의 제 2 실시예에 따른 수소 생산 및 포집을 하는 생물연료전지의 구조 및 특징에 관해 도 2a 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.The structure and features of the biofuel cell for producing and capturing hydrogen according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2A.

도 2a 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수소 생산 및 포집을 하는 생물연료전지의 구조를 나타내는 도면이다. Figure 2a is a view showing the structure of a biofuel cell for hydrogen production and collection according to a second embodiment of the present invention.

도 2a 에 도시된 바와 같이 조류가 존재하는 호소(A)에 있어서, 전술한 생물연료전지의 구조에 공기가 투과되지 않는 투명 용기를 양극 상부에서 음극이 위치하는 침전물까지 삽입하고, 용기 상부에 가스이송관을 연결함으로써, 주간에 광합성 작용을 통해 생산된 전력을 이용하여 야간에 생성되는 가스를 포집한다. In the appeal A in which algae exist as shown in FIG. 2A, a transparent container through which air is not permeated into the structure of the biofuel cell described above is inserted from the upper part of the anode to the precipitate in which the negative electrode is positioned. By connecting the pipelines, the gas produced during the night is captured using the power produced through photosynthesis during the day.

이때, 포집되는 가스는 기체크로마토그래피(gas chromatography)를 이용하여 열전도도 검출기( Thermal Conductivity Detector, TCD) 및 Nitrogen Carrier Gas의 조건으로 설정하여 측정하면 수소가 검출되는 것으로 설정한 바, 본 발명이 이에 국한되지 않는다.In this case, the collected gas is set to be detected by setting the conditions of the thermal conductivity detector (TCD) and Nitrogen Carrier Gas using gas chromatography, the present invention is set to this It is not limited.

부언하면, 수소생산균은 광합성 박테리아가 빛이 공급되는 주간에 다량의 빛을 흡수하여 광합성 작용에 의해 생성된 산소를 이용해 영양분(탄수화물)을 축적한 후, 빛이 공급되지 않는 야간이 되어 산소를 모두 소모하여 혐기 상태가 되면 수소화효소(hydrogenase)의 활성화로 조류 및 미생물이 수소 가스를 생산하는데, 빛이 공급되어 광합성 작용에 의해 산소가 생산되기 전까지 조류가 수소 가스를 대량 생산한다.In other words, the hydrogen-producing bacteria absorb a large amount of light during the day when the photosynthetic bacteria are supplied with light, accumulate nutrients (carbohydrates) using oxygen generated by the photosynthetic action, and then become oxygen at night when no light is supplied. When all are consumed and become anaerobic, algae and microorganisms produce hydrogen gas by activation of hydrogenase, and algae produce large amounts of hydrogen gas until light is supplied and oxygen is produced by photosynthesis.

다시 말하면, 생물연료전지에 밀폐된 투명한 용기를 상측에 구비하면 대량 증식한 조류가 주간에 빛을 받아 광합성 작용을 통해 산소를 생산함으로써 전기생산을 효율적으로 만들고, 야간에 수표면과 수표면 상부의 산소를 미생물들이 호흡을 통하여 소모하여 빛이 없는 무산소 상태 즉, 혐기 상태가 되어 암반응으로 가스를 소량 생산하게 된다. 다시 주간이 되면 조류가 암반응 후 빛을 공급받게 되어 산소를 생산하기 전까지 일정시간 동안 가스를 대량 생산하게 된다.In other words, if a transparent container sealed in the biofuel cell is provided on the upper side, the algae which have been mass-proliferated receive light during the day to produce oxygen through photosynthesis to efficiently produce electricity, and at night, the water surface and the upper surface of the water surface Oxygen is consumed by the microorganisms through the breath to become anoxic in the absence of light, that is, anaerobic, and produce a small amount of gas through a cancer reaction. In the daytime, the algae receive light after a dark reaction, producing a large amount of gas for a period of time before producing oxygen.

또한, 상측에 연결된 가스이송관은 주간에 가스가 방출되면 밸브를 이용하여 수면의 기압을 조절하고, 야간에 생산된 수소 가스를 포집하는 것으로 설정하였으나, 메탄 등의 가스도 생산 및 포집할 수 있는 바, 본 발명이 이에 국한되지 않는다. In addition, the gas transfer pipe connected to the upper side is set to control the air pressure of the water surface by using a valve when gas is discharged during the day and to collect hydrogen gas produced at night, but it can also produce and collect gas such as methane. However, the present invention is not limited thereto.

이때, 혐기적 발효를 통해 가스를 생산하는 미생물은 클로스트리듐속의 세균(Clostridium sp.) 및 장내세균(Enterobacteria sp.) 등이 속하는 것으로 설정하였으나, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. At this time, the microorganism producing gas through anaerobic fermentation is set to belong to Clostridium sp. And Enterobacteria sp., But the present invention is not limited thereto.

이하, 상술한 바와 같은 구성과 특징적인 기능을 갖는 장치를 통해 수소를 생산 및 포집하는 방법에 관한 전체적인 흐름에 관해 도 2b 및 도 2c 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the overall flow of the method for producing and collecting hydrogen through the apparatus having the above-described configuration and characteristic functions will be described with reference to FIGS. 2B and 2C.

도 2b 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광합성 작용에 의해서 생성되는 산소의 농도를 나타내는 도면이고, 도 2c 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유기물을 미생물이 산화될 때 생성되는 수소 이온의 농도를 나타내는 도면이다. Figure 2b is a view showing the concentration of oxygen generated by photosynthesis according to a second embodiment of the present invention, Figure 2c is a view of the hydrogen ions generated when the microorganism oxidized the organic material according to the second embodiment of the present invention It is a figure which shows concentration.

먼저, 빛이 공급되는 주간에 광합성 박테리아가 다량의 빛을 흡수하여 광합성 작용을 통해 산소를 생산한다. First, photosynthetic bacteria absorb large amounts of light during the day when light is supplied, producing oxygen through photosynthesis.

도 2b 및 도 2c 에 도시된 바와 같이, 생산된 산소를 이용하여 탄수화물을 축적한 후 과포화된 산소가 수표면에 존재하는 경우, 빛이 공급되지 않는 야간에 수표면 하부에서 광합성 작용이 이루어지지 못해 혐기 상태가 유지되면, 수소화효소의 활성화로 인해 조류 및 미생물이 소량의 수소 가스를 생산한다.As shown in FIGS. 2B and 2C, when supersaturated oxygen is present on the water surface after accumulating carbohydrates using the produced oxygen, photosynthesis may not be performed under the water surface at night when no light is supplied. When anaerobic is maintained, algae and microorganisms produce small amounts of hydrogen gas due to the activation of hydrogenases.

다음, 다시 주간이 되어 빛이 공급되면 광합성 미생물에 의한 광합성 작용이 발생되기 전까지 조류가 일시적으로 다량의 수소 가스를 생산하여 가스 이송관을 통해 수소 가스를 포집한다. Next, when the light is supplied again during the day, algae temporarily produce a large amount of hydrogen gas until the photosynthesis action by the photosynthetic microorganism occurs and collects the hydrogen gas through the gas transfer pipe.

본 발명의 제 3 실시예에 따른 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지의 구조 및 특징에 관해 도 3 을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.The structure and characteristics of the biofuel cell using the photosynthetic microorganism and the precipitate according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3.

도 3 은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 높이 조절용 쟈바라를 나타내는 도면이다. 3 is a view showing jabara for height adjustment according to a third embodiment of the present invention.

도 3 에 도시된 바와 같이, 기상변동에 따라 수표면의 수위가 변동되는 경 우, 조류 및 양극부가 호소(A) 안에 잠기지 않도록 양극부와 음극부 사이에 연결된 높이 조절용 쟈바라의 길이를 조절하여 조류 및 양극부가 일정한 수위를 유지할 수 있도록 한다. As shown in Figure 3, when the water level of the water surface fluctuates due to meteorological fluctuations, by adjusting the length of the height adjustment jabara connected between the anode and the cathode so that the algae and the anode is not submerged in the appeal (A) Ensure that algae and anodes are at a constant level.

본 실시예에 있어서, 높이 조절용 쟈바라(蛇腹)는 쟈바라 형상으로 설정하였으나 본 발명이 이에 한정되지 않고, 접이식 방식으로 수축 및 이완 작용이 원활한 모든 형상을 포함하며, 높이 조절용 쟈바라 일측에 별도의 수위 조절용 수로를 구비한다. In the present embodiment, jabara (바) for height adjustment is set to a jabara shape, but the present invention is not limited to this, and includes all shapes that are smooth in shrinkage and relaxation action in a foldable manner, separately on one side of height adjustment jabara It is provided with a water level adjusting channel.

즉, 수위 조절용 수로를 이용하여 조류 및 양극부의 수위를 일정하게 유지함으로써, 양극부 상측의 헤드스페이스 부분에 존재하는 공기를 원활하게 순환하여 산소의 공급이 지속적으로 이루어져 전류 및 수소 가스를 원활하게 생산할 수 있고, 높이 조절용 쟈바라 안측에 존재하는 수소 이온 및 산소 이온이 외부로 유출되는 것을 방지하는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. That is, by maintaining a constant level of the algae and the anode portion by using a water level adjusting channel, it is possible to smoothly circulate the air present in the headspace portion of the upper portion of the anode portion to continuously supply oxygen to produce a current and hydrogen gas smoothly. It is possible to prevent the outflow of the hydrogen ions and oxygen ions present on the inside of the height adjustment jabara to the outside, the present invention is not limited thereto.

이때, 높이 조절용 쟈바라는 수위 조절용 수로에 의해서 물의 수위가 높아지면 헤드스페이스 부분에 존재하는 공기의 압력에 의해서 양극부와 음극부 사이에 연결된 쟈바라의 길이가 상측으로 연장됨으로써, 연장된 길이만큼 양극부가 수표면 위로 상승하고, 물의 수위가 낮아지면 헤드스페이스 부분에 존재하는 공기의 압력에 의해서 양극부와 음극부 사이에 연결된 쟈바라의 길이가 하측으로 단축됨으로써, 단축된 길이만큼 양극부가 수표면 아래로 하강한다. At this time, if the height of the water is increased by the water level adjusting channel, the length of the jabara connected between the anode part and the cathode part is extended to the upper side by the air pressure present in the headspace. When the additional water rises above the water surface and the water level is lowered, the length of the jabara connected between the positive and negative parts is shortened to the lower side by the pressure of air present in the headspace. Descend to.

즉, 이처럼 수위 조절용 수로가 변동하는 물의 수위에 따라 높이 조절용 쟈바라의 다리 길이를 상·하로 조절하여 일정한 수표면 수위를 유지한다.That is, according to the level of the water fluctuating channel for adjusting the water level, the leg length of the jabara for height adjustment is adjusted up and down to maintain a constant water surface level.

참고적으로, 헤드스페이스에 있어서 공기와 접촉하는 수표면은 산소 포화도가 가장 높다.For reference, the water surface in contact with air in the headspace has the highest oxygen saturation.

지금까지 상술한 바와 같은, 본 발명에 따른 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지는, 양이온 교환막없이 미생물이 분포하는 오염된 호소(A) 등의 수표면에 양극 및 침전물에 음극을 위치시키고, 조류(algae)를 이용하여 양극부에 산소공급을 원활히 하여 추가적인 산소 공급을 하지 않아 비용 절감 효과가 있고, 침전물에 존재하는 유기물을 미생물이 산화시켜 정화 기능을 갖는 특징적인 장점이 있다. As described above, the biofuel cell using the photosynthetic microorganism and the precipitate according to the present invention includes placing a cathode on the anode and the precipitate on the surface of water such as a contaminated appeal (A) where the microorganism is distributed without a cation exchange membrane, and the algae. (Algae) using the oxygen supply to the anode portion smoothly does not provide additional oxygen supply cost reduction effect, there is a characteristic advantage that the microorganism oxidizes the organic matter present in the precipitate has a purification function.

부언하면, 본 발명은 공기가 투과되지 않는 투명 용기를 생물연료전지에 구비함으로써, 수소 가스 생산에 적합한 혐기 조건을 형성하여 다량의 수소 가스를 생산할 수 있는 특징이 있다.In other words, the present invention has a feature that can produce a large amount of hydrogen gas by forming an anaerobic condition suitable for hydrogen gas production by providing a transparent container through which air does not permeate the biofuel cell.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다. As described above and described with reference to a preferred embodiment for illustrating the technical idea of the present invention, the present invention is not limited to the configuration and operation as shown and described as described above, it is a deviation from the scope of the technical idea It will be understood by those skilled in the art that many modifications and variations can be made to the invention without departing from the scope of the invention. Accordingly, all such suitable changes and modifications and equivalents should be considered to be within the scope of the present invention.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 조류가 존재하는 호소에 직접 설치하여, 호소 수표면은 일사량이 높을 때 용존산소의 농도가 과포화 상태를 유지함으로써, 양극으로 전달된 전자의 환원이 원활하게 이루어져 연료전지의 효율을 높게 만들 수 있고, 산소를 부가적으로 공급하지 않아도 되기 때문에 비용을 절감할 수 있으며, 침전물에 존재하는 유기물을 미생물이 산화시켜 정화 기능을 갖는 효과가 있다.According to the present invention as described above, by directly installing in the lake where the algae are present, the surface of the lake water is dissolved in the concentration of dissolved oxygen when the amount of insolation is high, thereby smoothly reducing the electrons transferred to the anode fuel cell It can make the efficiency of the high, and because it does not need to supply additional oxygen can reduce the cost, there is an effect that the microorganism oxidizes the organic matter present in the precipitate to have a purification function.

또한, 본 발명은 공기가 투과되지 않는 투명 용기를 생물연료전지에 구비함으로써, 수소 가스 생산에 적합한 혐기 조건을 형성하여 다량의 수소 가스를 생산할 수 있으며, 호소의 수위가 변함에 따라 양극부와 음극부를 연결하는 높이 조절용 쟈바라의 길이를 수위 조절용 수로로 조절하여 일정한 헤드스페이스를 유지함으로써, 공기가 원활하게 순환하여 산소 공급이 지속적으로 이루어져 전류 및 수소 가스의 생산량을 높일 수 있는 효과도 있다.In addition, the present invention by providing a transparent container through which air does not permeate the biofuel cell, it is possible to produce a large amount of hydrogen gas by forming the anaerobic conditions suitable for hydrogen gas production, the anode portion and the cathode as the water level of the appeal changes By controlling the length of the height-adjusting jabara connecting the part to the water level control channel to maintain a constant headspace, the air is smoothly circulated to continuously supply oxygen, thereby increasing the current and the production of hydrogen gas.

Claims (9)

오염된 호소 내부의 침전물에 위치한 음극 및 조류 및 광합성 미생물이 존재하는 수표면에 위치한 양극을 포함하는 생물연료전지에 있어서,In the biofuel cell comprising a cathode located on the sediment inside the contaminated appeal and a cathode located on the water surface in which algae and photosynthetic microorganisms are present, 상기 침전물에 잔존하는 유기물을 미생물이 산화시키며 혐기 상태에서 생성되는 전자가 산화전극을 통해 전달하고, 상기 전자는 주간 수표면의 광합성 미생물에 용존산소의 농도가 과포화 상태를 유지하는 환원전극에 전달되면 상기 산소와 결합해 물로 환원되면서 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지.When microorganisms oxidize the organic matter remaining in the precipitate and electrons generated in the anaerobic state are transferred through the anode, and the electrons are transferred to the cathode which maintains the concentration of dissolved oxygen in the photosynthetic microorganisms on the day's water surface. A biofuel cell using photosynthetic microorganisms and sediments, characterized in that to generate an electric current while being combined with the oxygen to reduce the water. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 생물연료전지는,The biofuel cell, 바다, 강, 호수 및 폐수 처리장에 직접 설치하여 사용 가능한 것을 특징으로 하는 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지.Biofuel cells using photosynthetic microorganisms and sediments, characterized in that can be installed directly in the ocean, river, lake and wastewater treatment plant. 제 1 항 있어서,The method of claim 1, 상기 양극은,The anode, 전극이 세로방향으로 긴 형태를 유지하며 다공성 탄소판인 것을 특징으로 하 는 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지.Biofuel cell using photosynthetic microorganisms and precipitates, characterized in that the electrode is a porous carbon plate to maintain a long shape in the longitudinal direction. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 음극은,The negative electrode, 전극이 세로방향으로 그 일단이 첨단형태를 유지하며 다공성 탄소판인 것을 특징으로 하는 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지.A biofuel cell using photosynthetic microorganisms and precipitates, characterized in that the electrode is a porous carbon plate, one end of which is vertical in shape. 오염된 호소 내부의 침전물에 위치한 음극 및 조류 및 광합성 미생물이 존재하는 수표면에 위치한 양극을 포함하는 생물연료전지에 있어서,In the biofuel cell comprising a cathode located on the sediment inside the contaminated appeal and a cathode located on the water surface in which algae and photosynthetic microorganisms are present, 공기가 투과되지 않는 투명 용기를 양극 상부에서 음극이 위치하는 침전물까지 삽입한 후, 혐기 상태를 유지하여 수소 가스가 생산되는 것을 특징으로 하는 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지.A biofuel cell using photosynthetic microorganisms and sediments, wherein a transparent vessel through which air does not permeate is inserted from the upper part of the anode to the sediment in which the negative electrode is positioned, and then hydrogen gas is produced by maintaining an anaerobic state. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 투명 용기 상측에는,Above the transparent container, 가스이송관을 더 구비하며, 상기 가스이송관은 주간에 수소 가스를 방출하여 밸브를 이용하여 수면의 기압을 조절하며 야간에 생산된 수소 가스를 포집하는 것 을 특징으로 하는 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지.Further comprising a gas transport pipe, the gas transport pipe discharges hydrogen gas during the day to control the atmospheric pressure of the water by using a valve and captures the hydrogen gas produced at night, biofuels using photosynthetic microorganisms and sediment battery. 오염된 호소 내부의 침전물에 위치한 음극 및 조류 및 광합성 미생물이 존재하는 수표면에 위치한 양극을 포함하는 생물연료전지에 있어서,In the biofuel cell comprising a cathode located on the sediment inside the contaminated appeal and a cathode located on the water surface in which algae and photosynthetic microorganisms are present, 일측에 수위 조절용 수로를 구비하며, 양극부와 음극부 사이에 연결된 높이 조절용 쟈바라를 포함하는 것을 특징으로 하는 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지.A biofuel cell using a photosynthetic microorganism and a sediment having a water level control channel on one side and a height adjusting jabara connected between the anode part and the cathode part. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 높이 조절용 자뱌라는,The height adjustment jar, 상기 수위 조절용 수로를 통해 다리 길이를 조절하여 수표면의 수위를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지.A biofuel cell using photosynthetic microorganisms and sediments, characterized in that to maintain a constant level of water surface by adjusting the length of the bridge through the water level control channel. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, The method according to claim 7 or 8, 상기 높이 조절용 쟈바라는,The height adjustment jabara, 접이식 방식으로 수축 및 이완 작용을 원활한 형상으로 이루어지는 것을 특 징으로 하는 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지.Biofuel cell using photosynthetic microorganisms and sediments characterized in that the folding and contracting action is made in a smooth shape.
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