KR100879113B1 - 자석을 이용한 미생물연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자석 또는 자성 물질을 포함하는 생물 연료전지 및 이를 이용한 전력 생산과 동시에 폐수를 처리하는 방법에 관한 발명으로 더욱 상세하게는 양극과 음극 사이에 자석 또는 자성 물질을 포함하는 통기 장치가 필요없는 생물 연료 전지 및 이를 이용한 전력 생산과 동시에 폐수를 처리하는 방법에 관한 발명이다.
미생물 연료 전지, 자석.

Description

자석을 이용한 미생물연료전지{Microbial fuel cell with magnet}
본 발명은 자석 또는 자성 물질을 사용하여 미생물연료전지의 성능을 개선한 장치에 대한 발명이다.
일반적으로 미생물연료전지는 미생물을 이용하여 유기물을 전기에너지로 전환하는 장치이다. 미생물연료전지가 전기를 발생하는 원리는 다음과 같다.
미생물연료전지는 양이온 교환 막 혹은 그 대체품을 기준으로 음극부와 양극부로 크게 두 곳으로 나누어진다. 음극부에 미생물과 전극이 존재하며 연료라고 할 수 있는 유기물이 공급되어 미생물은 유기물을 산화시켜 전자와 수소 이온이 발생하게 된다. 전자의 경우 전기화학적 메디에이터를 사용하는 미생물연료전지에서는 메디에이터가 산화환원을 하며 전극으로 전자를 이동시키고 메디에이터가 없는 구조의 미생물연료전지에서는 전기화학적 활성미생물이 직접 전극으로 전자를 전달하게 된다. 수소이온은 양이온 교환막 혹은 그 대체품을 통과하여 음극부로 전달된다. 음극부에서는 양극부에서 발생하여 외부회로를 거쳐 양극으로 전달된 전자가 양이온 교환 막 혹은 그 대체품을 통과하여 전달된 수소 이온, 외부에서 공급된 산소와 만나 물로 환원되면서 전류가 발생하게 된다.
양극에 전달되는 산소의 양과 양이온 교환 막 혹은 그 대체품을 통과하여 음극부로 전달되는 산소는 미생물연료전지의 성능을 제한하는 중요한 인자들이다. 양극에 전달되는 산소의 양이 부족할 경우 음극부에서 발생한 전자가 충분해도 양극에서 충분히 환원이 일어나지 않기 때문에 산소의 양에 의하여 발생되는 전기의 양도 제한된다. 양극부에서 음극부로 넘어가는 산소의 경우는 양극부에서 환원되어야 할 전자와 수소이온을 음극부에서 환원시켜 외부회로로 전자의 이동이 줄어들고 혐기적인 상황에서 농화 배양되는 전기화학적 활성 미생물의 생장 및 활성에 저해가 된다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고, 상기의 필요성에 의하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 미생물연료전지에 양극에 전달되는 산소의 양을 증가시키고, 음극부로 전달되는 산소의 속도를 저해하는 개량된 미생물 연료 전지를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
양극과 음극, 이들 두 극 사이의 이온 교환막 또는 그 대체품으로 이루어지며, 음극 부위에 활성 슬러지 및/또는 폐수가 함유되어 있는 생물 연료 전지에 있어서, 상기 두 극 사이에 자석 또는 자성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 통기 장치가 필요없는 생물 연료전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자석 또는 자성물질은 양극에 부착되는 것이 바람직하며,
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 상기 자석 또는 자성물질은 이온 교환막 또는 그 대체품에 부착되는 것이 바람직하며,
본 발명의 또 다른 일 실시예에 있어서, 상기 자석 또는 자성물질은 양극과 이온 교환막 또는 그 대체품에 동시에 부착되는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이온 교환막은 유리입자 소결 이 온 교환막, 세라믹 이온 교환막 및 합성수지 이온 교환막으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니하며,
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이온 교환막 대체품은 폴리프로필렌 펠트, 글래스 비드 또는 글래스 울인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서 상기 폐수는 전분폐수, 축산폐수 및 정화조폐수로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 생물 연료전지는 통기장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물연료전지를 포함한다.
또한 본 발명은 본 발명에 따른 생물 연료전지를 이용하여 통기 장치 필요없이, 공기 중의 산소를 이용하여 양극에 전달되는 산소의 양을 증가시키고 음극부로 전달되는 산소의 속도를 저해하여 양극 주위에 산소 포화상태를 만들어 폐수 또는 활성 슬러지에 존재하는 전기화학적 활성 세균을 배양하고, 배양된 활성 세균을 미생물 촉매로 사용하고, 연료로서 폐수 중의 유기물을 이용함으로써 전력을 생산함과 동시에 폐수를 처리하는 방법을 제공한다.
이하 본 발명을 설명한다.
산소는 상자성을 가진 물질로서 철과 같은 강자성체만큼은 아니지만 자석에 이끌린다. 미생물연료전지에서는 산소가 가스가 아닌 물에 녹아있는 상태로도 전극에서 반응하게 되는데 이러한 상태에서도 자력에 의해 끌어당겨진다는 것을 논문 에서 보였다(The effect of magnetic field on the oxygen reduction reaction and its application in polymer electrolyte fuel cell, Tatsuhiro Okada, Nobuko I. Wakayama, Liangbi Wang, Hiroshi Shingu, Jun-ich Okano, Takeo Ozawa, Electrochemica Acta 48 (2003) 531-539).
본 발명은 이러한 산소의 성질을 이용하여 앞에서 언급한 미생물연료전지의 문제점을 개선하기 위한 장치로서 기존의 미생물연료전지에 양극에 전달되는 산소의 양을 증가시키는 부분과 음극부로 전달되는 산소의 속도를 저해하는 부분이 추가되어 이루어졌다. 위의 각 개선된 부분은 서로 독립적으로 적용이 가능하다.
본 발명의 구성에서 알 수 있듯이 자석을 사용할 경우에는 기존의 공기공급방식에서의 들어가는 에너지보다 소모하는 에너지가 더 많은 문제점을 해결한 특별한 에너지의 소모 없이 미생물연료전지의 성능을 20% 이상 개선할 수 있다.
또한 연료전지에 자석을 적용하는 경우 연료전지는 일반적으로 고온에서 작동하게 되어있는데 자석은 고온에서는 자력이 감소하거나 사라지게 되며 상자성의 경우 curies’법칙(χ= C/T 여기서 χ: 산소의 자화율, C: 큐리 상수, T: 절대온도)에 따라서 온도가 올라갈수록 자성이 약해져서 일반적인 연료전지에서는 큰 효과를 발휘할 수 없다. 그러나 실제 적용에 있어서 운전온도가 실온에 가까운 미생물연료전지에 자석을 사용하는 경우에 이러한 상자성의 효과를 크게 발휘할 수 있어서 자석을 미생물 연료전지에 적용한 장치는 매우 효과적인 기술이라 할 수 있다.
이하, 비한정적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에서 양극에 전달되는 산소의 양을 증가시키기 위해서 전극 뒤에 자석을 위치시키거나 자석가루를 전극에 부착함으로써 전극에 더 많은 양의 산소가 공급되도록 하였고 그 구조를 도 1에 나타내었다. 자석에 의하여 전류 발생이 증가함을 확인하기 위하여 실험을 실시하였다. 자석이 있는 경우 더 많은 전류가 발생하였고 전극의 두께에 두꺼워질수록 효과가 약해졌다. 본 발명은 이러한 형태에 한정되지는 않는다.
미생물연료전지는 내부 기준 가로 100mm, 세로 100mm, 높이 200mm의 아크릴로 제작되었으며 높이 100mm부분에 양이온교환막 대체품으로 pp felt를 삽입하였다. 음극은 넓이 80mm, 길이 200mm, 두께 10mm의 graphite felt를 사용하였으며 양극은 넓이 80mm, 길이 80mm, 두께 10mm의 graphite felt를 사용하였다. 양극부에 산소공급은 에어펌프를 사용하여 공기를 분당 500ml의 속도로 공급하였다. 전극은 서로 외부 저항 10ohm으로 연결되었으며 keithley 2700 모델을 사용하여 전류를 측정하였다. 미생물은 중랑하수처리장의 활성슬러지를 사용하여 접종하였고 연료는 COD 기준 300ppm농도의 분유를 사용하여 분당 1ml의 속도로 공급해주었다. 발생하는 전류값이 일정해진 후에 실험을 실시하였다.
도 2에서 일정한 전류가 발생하는 상황에서 자석을 양극부에 접근시켰을 경우 전류의 발생량이 증가하고 자석을 제거 시에는 전류발생이 감소함을 확인할 수 있었다.
본 발명의 일 실시예에서 음극부에 전달되는 산소의 이동 속도를 저해하기 위해서는 양이온교환막 혹은 그 대체품에 자석을 위치시키거나 혹은 자석 가루 등을 부착함으로써 확산되던 산소가 자력에 의해 머무는 시간이 길어짐으로써 이동 속도를 늦추게 하였고 그 구조를 도 3에 나타내었다. 확인을 위하여 2가지 실험을 실시하였는데 본 발명은 이러한 형태에 한정되지는 않는다.
산소가 전달되는 속도를 측정하기 위하여 지름 50mm, 높이 400mm의 원통의 하단에 DO전극을 위치시키고 높이 150mm에 외경 40mm, 내경 30mm, 두께 10mm의 자석이나 자석과 동일한 형태의 아크릴조각을 위치시켰다. 물을 높이 300mm까지 채운 후 상부에 에어펌프를 사용하여 공기를 분당 2500ml의 속도로 공급하였다. 측정을 실시하기 전에 질소를 사용하여 물속에 녹아있는 산소를 0.01mg/L까지 제거한 후 5분마다 산소농도를 측정하였고 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4에서 자석이 있는 경우 산소의 이동속도가 줄어듦을 확인할 수 있었다. 이를 이용하여 도 1에서 보인 미생물연료전지의 양이온교환막 대체품 사이에 자석을 삽입한 경우와 같은 크기의 아크릴을 삽입한 경우, 공급되는 산소의 양을 늘렸 을 때의 전류생산의 변화를 비교하였고 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에서 확인할 수 있듯이 전류의 발생량은 자석이 있는 경우가 더 높았고 공기의 공급속도를 늘려주었을 때 자석이 있는 경우는 성능에 이상이 없었으나 자석이 없는 경우 성능의 저하가 일어남을 확인할 수 있었다. 이는 음극부로 전달되는 산소의 이동을 저해함으로써 미생물연료전지의 성능저하를 방지한 것으로 보인다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 양극부에 통기(aeration)를 하지 않고 물에 녹아드는 산소를 이용하는 미생물연료전지를 구성하였고 이를 도 6에 나타내었다. 자력을 이용하여 산소를 끌어당겨서 양극부의 물에 녹임으로서 산소의 공급을 위한 에너지의 소모없이 전력을 발생시킬 수 있다.
이것을 확인하기 위하여 도 6과 같은 구조에 자력을 가지고 있는 자석과 자력을 부여하지 않은 자석을 양극 아래에 위치시키고 전류의 생산량 및 전지의 성능을 테스트하였다.
도 7에서 알 수 있듯이 자석이 있는 미생물연료전지에서 자석을 제거하였을 때 전류의 생산이 감소함을 확인하였고, 다시 자석을 적용하였을 때 전류의 생산이 증가함을 확인하였다.
동일한 구조의 미생물연료전지를 사용하여 자석이 있는 경우와 없는 경우의 전류 생산량을 비교한 결과를 도 8에 나타내었다. 자석이 있는 경우가 없는 것에 비하여 40%이상의 전류 생산의 향상이 관찰되었다.
이는 자력에 의해 산소가 양극부에 있는 물에 녹아 들고 전극으로 전달되어 전류의 생산이 이루어진 것이 이유라고 생각된다.
자석이 있는 경우와 없는 경우의 미생물연료전지의 성능을 도 9에 나타내었다. 전지의 성능검사 결과 자석이 있는 경우 없는 경우에 비하여 최대 전력량이 약 4배인 것으로 나타내었다.
도 1은 미생물 연료전지의 양극에 자석을 적용한 구조도 를 나타냄.
도 2는 양극에 자석을 부착시켰을 경우의 전류발생을 나타냄.
도 3은 음극 부와 양극 부사이에 자석을 사용한 구조. 자석을 기준으로 위쪽을 양극부, 아래를 음극부로 놓았고 산소의 확산속도 측정에서는 전극을 제거하고 미생물의 배양이 이루어지지 않은 상태에서 실시하는 그림.
도 4는 양극 부부터 음극 부까지 산소의 확산에 자석이 미치는 영향을 나타냄.
도 5는 양극 부와 음극 부사이에 자석을 설치한 미생물연료전지와 설치하지 않은 미생물연료전지의 전류밀도를 나타냄.
도 6은 펌프를 이용하여 공기를 공급하지 않고 자석을 이용하여 양극부에 산소를 공급하는 미생물연료전지를 나타냄.
도 7은 양극부에 공기의 공급을 해주지 않은 미생물연료전지에서 자석의 유무에 의한 전류생산의 변화를 나타냄.
도 8은 자석이 유무에 따른 미생물연료전지의 전류생산을 나타냄.
도 9는 미생물연료전지의 IV-curve (a) 자석이 없는 경우, (b) 자석이 있는 경우를 나타냄.

Claims (10)

  1. 양극과 음극, 이들 두 극 사이의 이온 교환막 또는 그 대체품으로 이루어지며, 음극 부위에 활성 슬러지 및/또는 폐수가 함유되어 있는 생물 연료 전지에 있어서, 상기 두 극 사이에 자석 또는 자성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 통기 장치가 필요없는 생물 연료전지.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 자석 또는 자성물질은 양극에 부착되는 것을 특징으로 하는 통기 장치가 필요없는 생물 연료전지.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 자석 또는 자성물질은 이온 교환막 또는 그 대체품에 부착되는 것을 특징으로 하는 통기 장치가 필요없는 생물 연료전지.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 자석 또는 자성물질은 양극과 이온 교환막 또는 그 대체품에 동시에 부착되는 것을 특징으로 하는 통기 장치가 필요없는 생물 연료전지.
  5. 제 1항, 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 이온 교환막은 유리입자 소결 이온 교환막, 세라믹 이온 교환막 및 합성수지 이온 교환막으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 통기 장치가 필요없는 생물 연료전지.
  6. 제 1항, 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 이온 교환막 대체품은 폴리프로필렌 펠트, 글래스 비드 또는 글래스 울인 것을 특징으로 하는 통기 장치가 필요없는 생물 연료전지.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 폐수는 전분폐수, 축산폐수 및 정화조폐수로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 통기 장치가 필요없는 생물연료전지.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 생물 연료전지는 통기장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물연료전지.
  9. 제1항에 따른 생물 연료전지를 이용하여 통기 장치 필요없이, 공기 중의 산소를 이용하여 양극에 전달되는 산소의 양을 증가시키고 음극부로 전달되는 산소의 속도를 저해하여 양극 주위에 산소 포화상태를 만들어 폐수 또는 활성 슬러지에 존재하는 전기화학적 활성 세균을 배양하고, 배양된 활성 세균을 미생물 촉매로 사용하고, 연료로서 폐수 중의 유기물을 이용함으로써 전력을 생산함과 동시에 폐수를 처리하는 방법.
  10. 제8항에 따른 생물 연료전지를 이용하여 공기 중의 산소를 이용하여 양극에 전달되는 산소의 양을 증가시키고 음극부로 전달되는 산소의 속도를 저해하여 양극 주위에 산소 포화상태를 만들어 폐수 또는 활성 슬러지에 존재하는 전기화학적 활성 세균을 배양하고, 배양된 활성 세균을 미생물 촉매로 사용하고, 연료로서 폐수 중의 유기물을 이용함으로써 전력을 생산함과 동시에 폐수를 처리하는 방법.
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