KR101123961B1 - 태양전지와 축전기가 연계된 외부전압장치를 이용한 생물전기화학적 수소발생 장치 및 이의 동작방법 - Google Patents

태양전지와 축전기가 연계된 외부전압장치를 이용한 생물전기화학적 수소발생 장치 및 이의 동작방법 Download PDF

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Abstract

태양전지와 축전기가 연계된 외부전압장치를 이용한 생물전기화학적 수소발생 장치 및 이의 동작방법이 제공한다. 상기 생물전기화학적 수소발생 장치는 내부에 빈 공간을 구비하는 반응조, 상기 반응조 내부에 배치되되, 제1 지지대, 및 상기 제1 지지대 표면에 배치된 전기화학 활성 미생물을 구비하는 아노드 전극, 및 상기 반응조 내부에 배치되되, 제2 지지대, 상기 제2 지지대의 표면에 코팅된 나노카본 분말, 및 상기 제2 지지대와 상기 나노카본 분말을 접착시키는 설폰기(SO3 -)를 함유하는 바인더를 구비하는 캐소드 전극을 포함한다.
생물전기화학적 수소발생 장치, 외부전압장치, 태양전지, 축전기

Description

태양전지와 축전기가 연계된 외부전압장치를 이용한 생물전기화학적 수소발생 장치 및 이의 동작방법{Bioelectrochemical hydrogen generating apparatus using a photovoltaic cell-storage battery assemble as an external voltage apparatus and method for operating the same}
본 발명은 생물전기화학적 수소발생 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양전지와 축전기가 연계된 외부전압장치를 이용한 생물전기화학적 수소발생 장치 및 이의 동작방법에 관한 것이다.
수소생산기술은 천연가스의 열적 개질 방식, 전기 물분해 방식, 혐기성 수소 발효 방식 또는 미생물 전기분해 방식 등이 있다. 그 중에서도 미생물 전기분해 방식은 미생물을 이용하여 수소를 발생시키기 때문에 화석연료 또는 광물과 같은 별도의 재료가 필요하지 않고, 미생물의 전기분해를 통해 간단하게 수소를 생산해낼 수 있다.
그러나, 이러한 미생물 전기분해 방식을 이용하여 수소를 생산하기 위해서는 아노드 전극 및 캐소드 전극과 같은 동작전극들이 사용된다. 이 중에서도 캐소드 전극들은 수소생산 효율을 향상시키기 위해 귀금속의 촉매가 코팅되어 있다. 이러 한 촉매를 사용하는 경우, 상기 고가의 촉매로 인해 생산비용이 함께 증가되는 문제점이 발생될 수 있다.
또한, 종래의 수소발생 장치는 아노드 전극과 및 캐소드 전극 사이에 양이온 교환막이 배치된다. 이러한 경우, 양이온 교환막에 의해 내부저항과 수소이온 전달저항이 높아지므로, 수소생산효율은 떨어질 수 있다.
이에 더하여, 미생물 전기분해 방식을 이용하여 수소를 생산하기에는 열역학적 한계를 극복하기 위해 별도의 직류전원이 공급된다. 그러나, 지속적으로 수소를 발생시키기 위해서는 지속적인 직류전원이 공급되어야 하기 때문에, 생산비용 증가와 더불어, 장소에 제약을 받는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 수소의 발생량을 향상시킴과 동시에 지속적인 수소의 생산이 가능한 태양전지와 축전기가 연계된 외부전압장치를 이용한 생물전기화학적 수소발생 장치 및 이의 동작방법을 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 생물전기화학적 수소발생 장치를 제공한다. 상기 생물전기화학적 수소발생 장치는 내부에 빈 공간을 구비하는 반응조, 상기 반응조 내부에 배치되되, 제1 지지대, 및 상기 제1 지지대 표면에 배치된 전기화학 활성 미생물을 구비하는 아노드 전극, 및 상기 반응조 내부에 배치되되, 제2 지지대, 상기 제2 지지대의 표면에 코팅된 나노카본 분말, 및 상기 제2 지지대와 상기 나노카본 분말을 접착시키는 설폰기(SO3 -)를 함유하는 바인더를 구비하는 캐소드 전극을 포함한다.
상기 생물전기화학적 수소발생 장치는 상기 아노드 전극 및 상기 캐소드 전극 사이에 전기적으로 접속되어 배치되고, 상기 캐소드 전극에 기전력을 공급하되, 태양전지 및 축전기를 구비하는 외부전압장치, 및 상기 태양전지 및 상기 축전기 각각의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 생물전기화학적 수소발생 장치는 상기 아노드 전극 및 상기 캐소드 전극 사이에 전기적으로 접속되어 배치되되, 상기 캐소드 전극에 기전력을 공급하는 태양전지, 상기 태양전지를 가동시키기 위한 조명기기 및 상기 조명기기를 동작시키기 위한 수소연료전지를 구비하는 외부전압장치, 및 상기 태양전지 및 상기 수소연료전지 각각을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 반응조는 내부에 양이온 교환막이 생략되어 상기 아노드 전극 및 캐소드 전극의 반응들이 동일 반응조 내에서 수행될 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 생물전기화학적 수소발생 장치 동작방법을 제공한다. 상기 생물전기화학적 수소발생 장치 동작방법은 내부에 빈 공간을 구비하는 반응조, 상기 반응조 내부에 배치되되, 제1 지지대, 및 상기 제1 지지대의 표면에 배치된 전기화학 활성 미생물을 구비하는 아노드 전극, 상기 반응조 내부에 배치되되, 제2 지지대, 상기 제2 지지대의 표면에 코팅된 나노카본 분말, 및 상기 제2 지지대와 상기 나노카본 분말을 접착시키는 설폰기를 함유하는 바인더를 구비하는 캐소드 전극, 및 상기 아노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 전기적으로 접속된 회로를 구비하는 생물전기화학적 수소발생 장치가 제공되는 단계, 상기 반응조 내에 유기물을 주입하여 상기 아노드 전극으로부터 수소이온 및 전자를 발생시키는 단계, 상기 캐소드 전극에 구비된 상기 바인더에 의해 상기 아노드 전극에서 발생된 상기 수소이온이 상기 캐소드 전극으로 이동되는 단계, 상기 회로를 통해 상기 아노드 전극에서 발생된 전자가 상기 캐소드 전극으로 이동되 는 단계, 및 상기 발생된 수소이온 및 상기 전자를 전달받아 상기 캐소드 전극에서 수소를 발생시키는 단계를 포함한다.
상기 수소발생 장치는 상기 아노드 전극 및 상기 캐소드 전극 사이에 전기적으로 접속되어 배치되고, 상기 캐소드 전극에 기전력을 공급하되, 태양전지 및 축전기를 구비하는 외부전압장치, 및 상기 태양전지 및 상기 축전기 각각의 동작을 제어하는 제어부를 구비하되, 상기 생물전기화학적 수소발생 장치 동작방법은 상기 수소이온 및 상기 전자를 발생시키는 단계와 상기 발생된 수소이온 및 상기 전자를 상기 캐소드 전극에 전달하는 단계 사이에 상기 외부전압장치를 이용하여 상기 발생된 전자를 증폭시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 수소발생 장치는 상기 아노드 전극 및 상기 캐소드 전극 사이에 전기적으로 접속되어 배치되되, 상기 캐소드 전극에 기전력을 공급하는 태양전지, 상기 태양전지를 가동시키기 위한 조명기기 및 상기 조명기기를 동작시키기 위한 수소연료전지를 구비하는 외부전압장치, 및 상기 외부전압장치의 동작을 제어하는 제어부를 더 구비하되, 상기 생물전기화학적 수소발생 장치는 상기 수소이온 및 상기 전자를 발생시키는 단계와 상기 수소이온 및 상기 전자를 상기 캐소드 전극에 전달하는 단계 사이에 상기 외부전압장치를 이용하여 상기 발생된 전자를 증폭시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 생물전기화학적 수소발생장치는 지지대에 구형의 나노카본 분말을 고정시켜 캐소드 전극을 구성함으로써 전극유효면적을 향 상시킬 수 있으므로, 수소발생량을 향상시킬 수 있다. 더불어, 상기 나노카본 분말을 고정시키는 바인더로서 설폰기를 함유하는 바인더를 이용함으로써 아노드 전극에서 발생된 수소이온을 빠르게 끌어당길 수 있으므로, 캐소드 전극으로의 수소이온 이동속도가 증가되고, 수소발생률이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 생물전기화학적 수소발생장치는 상기 아노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 배치된 양이온 교환막을 제거하여 단일의 반응조 내에 상기 전극들을 배치시킬 수 있으므로, 내부저항 및 수소전달저항을 현저하게 낮출 수 있다. 이에 따라, 상기 캐소드 전극에서의 수소발생률은 더욱 향상될 수 있다.
이에 더하여, 태양전지를 포함하는 외부전압장치를 구비함으로써 기전력을 발생시키고, 이의 기전력을 축전기를 통해 축적 및 방출시킬 수 있으므로, 외부의 광의 존재 여부와 상관없이 지속적인 기전력 생성이 가능하다. 이를 이용함으로써 수소발생을 위해 쓰여지는 전력소모가 적어질 수 있고, 장소에 제약을 받지 않을 수 있으며, 지속적인 수소생성을 가능하게 할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동 일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물전기화학적 수소 발생 장치를 도시한 모식도이다.
도 1을 참조하면, 생물전기화학적 수소 발생 장치는 내부에 빈 공간을 구비하는 단일의 반응조(10)를 구비한다. 이때, 상기 반응조(10) 내에는 전해질로 채워져 있을 수 있으며, 상기 전해질은 물을 함유할 수 있다. 구체적으로 상기 전해질은 Nutrient/Mineral/Buffer 용액 또는 Phosphate buffer 용액일 수 있다.
상기 반응조(10) 내부에는 수소발생을 위한 반응을 수행하는 동작전극들이 배치될 수 있다. 구체적으로 상기 동작전극은 제1 지지대(12)의 표면에 전기화학 활성 미생물(13)이 부착되어 형성되되, 상기 전기화학 활성 미생물(13)에 의한 기질의 분해에 의해 수소이온 및 전자를 발생시키는 아노드 전극(14)과 제2 지지대(15)의 표면에 나노카본 분말(16)이 코팅되어 형성되되, 상기 아노드 전극(14)으로부터 발생된 수소이온 및 전자를 전달받아 수소를 발생시키는 캐소드 전극(18)을 포함한다.
이때, 상기 수소이온은 상기 전해질을 통해 상기 캐소드 전극(18)에 전달될 수 있으며, 상기 전자는 아노드 전극(14)과 캐소드 전극(18)을 전기적으로 접속하는 회로(19)를 통해 전달될 수 있다.
상기 제1 지지대(12) 및 제2 지지대(18)는 카본펠트일 수 있으며, 상기 아노드 전극(14)에 구비된 상기 전기화학 활성 미생물(13)은 박테리아를 포함할 수 있 다. 또한, 상기 기질은 폐수나 폐바이오매스로부터 생성되는 유기물을 함유할 수 있다. 일 예로서, 상기 기질은 셀룰로오스, 글루코즈 또는 아세트산일 수 있다. 상기 반응조(10) 내부에 주입되는 유기물 내에 아세트산이 함유된 경우, 상기 아노드 전극(14)과 캐소드 전극(18) 각각에서 발생되는 반응은 하기 반응식들 1 및 2와 같이 표시될 수 있다.
<반응식 1>
CH3COOH + 2H2O → 2CO2 + 8H+ + 8e-
<반응식 2>
8H+ + 8e- → 4H2
구체적으로, 상기 반응조(10) 내부에 아세트산이 함유된 유기물이 주입되는 경우, 상기 아노드 전극(14)에서는 상기 반응식 1에 의해 수소이온 및 전자를 발생시킬 수 있다. 이러한 수소이온은 상기 반응조(10) 내에 채워진 전해질에 의해 상기 캐소드 전극(18)에 전달될 수 있으며, 상기 전자는 상기 아노드 전극(14)과 캐소드 전극(18)을 연결하는 회로(19)에 의해 전달받을 수 있다.
이에 따라 상기 캐소드 전극(14)은 상기 반응식 2와 같이 상기 아노드 전극(14)으로부터 전달받은 수소이온과 상기 회로(19)를 따라 이동된 전자와의 반응 에 의해 수소가스를 발생시킬 수 있다.
한편, 상기 단일의 반응조(10)는 상기 아노드 전극(14) 및 캐소드 전극(18)사이의 양이온 교환막이 생략되어 상기 아노드 전극 (14) 및 캐소드 전극(18)의 반응이 수행되는 각각의 챔버들이 구비되지 않은 상태를 나타낸다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 생물전기화학적 수소발생 장치는 상기 아노드 전극(14) 및 캐소드 전극(18)에서 진행되는 반응들이 동일 반응조 내에서 수행될 수 있다. 그 결과, 상기 반응조(10) 내에서의 내부저항 및 수소이온 전달 저항이 감소될 수 있어, 상기 캐소드 전극(18)에서의 수소발생량이 증가될 수 있으며, 제조비용이 절감될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드 전극의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 나노카본 분말(16)은 상기 제2 지지대(15)의 표면에 구형의 형상으로 고정될 수 있다. 상기 나노카본 분말(16)이 구형의 형상을 가지는 경우, 전극유효면적을 향상시켜, 전류밀도를 감소시킬 수 있으므로, 상기 캐소드 전극(18)에서 수소를 발생시키기 위해 필요한 수소환원 과전위는 낮아질 수 있다.
일 예로서, 반응조 내의 pH가 7일 때, 표준수소전극을 기준으로 상기 아노드 전극(14)에서 요구되는 산화 전위 값이 -0.28V이고, 캐소드 전극(18)에서 요구되는 환원 전위 값이 -0.42V인 경우, 수소를 발생시키기 위해 필요한 수소환원 과전위 값은 하기 수학식 1에 의해 0.14V를 가질 수 있다. 그러나, 상기 아노드 전극(14)의 산화반응에 의해 생성된 전자들은 수소 발생시 필요한 전위 값에 도달되기 어려우므로, 인위적인 외부의 기전력이 필요하다.
<수학식 1>
수소환원 과전위 = │환원 전위 - 산화 전위│
그러나, 본원 발명의 일 실시예와 같이 제2 지지대(15)의 표면에 구형의 나노카본 분말(16)을 고정시켜 캐소드 전극(18)을 구성하는 경우, 전극유효면적이 향상되어 전류밀도가 감소될 수 있으므로, 수소환원 과전위는 낮아질 수 있다.
한편, 상기 나노카본 분말(16)의 표면에는 촉매들(C)이 위치할 수 있다. 이러한 경우, 상기 구형의 나노카본 분말(16)을 단독으로 사용하는 것에 비해 수소환원 과전위는 더욱 낮아질 수 있으며, 종래와 같이 캐소드 전극(18) 전체에 촉매를 도포하는 것에 비해 촉매의 사용량이 감소될 수 있으므로, 비용의 절감에 따른 효과는 더욱 클 수 있다. 상기 촉매는 백금일 수 있다.
상기 나노카본 분말(16)은 설폰기(SO3 -)를 함유하는 바인더(17)에 의해 상기 제2 지지대(15)에 접착될 수 있다. 상기 바인더(17)가 설폰기를 함유하는 경우, 상기 아노드 전극(14)에서 발생되는 양이온의 수소이온을 빠르게 끌어당길 수 있으므로, 상기 캐소드 전극(18) 내에서의 환원 반응 속도가 증가될 수 있다. 상기 바인더(17)는 상기 나노카본 분말(16) 100 중량부에 대해 2 내지 8 중량부로 첨가되 어, 상기 캐소드 전극(18)의 반응을 방해하지 않는 범위 내에서 수소발생률을 향상시킬 수 있다. 상기 바인더(17)는 나피온 폴리머(Nafion polymer)일 수 있다.
한편, 상기 아노드 전극(14)과 캐소드 전극(18)을 연결하는 회로(19)들 사이에는 상기 아노드 전극(14) 및 캐소드 전극(18)과 전기적으로 접속하는 외부전압장치(20)가 구비될 수 있다.
상기 외부전압장치(20)는 상기 캐소드 전극(18)에 수소환원전위 이상의 기전력을 공급하는 태양전지(22) 및 상기 태양전지(22)로부터 발생된 전기에너지를 축적시키는 축전기(24)를 구비할 수 있다. 이때, 상기 외부전압장치(20)의 양극부 및 음극부는 각각 상기 동작전극의 아노드 전극(14) 및 캐소드 전극(18)과 전기적으로 접속될 수 있다.
일 예로서, 상기 태양전지(22)는 실리콘 태양전지, 염료감응형 태양전지 또는 유기 태양전지를 포함할 수 있다. 상기 태양전지(22)는 외부의 광에 노출됨에 따라 광에너지를 전기에너지로 변환시켜, 상기 동작전극에서 반응이 진행되기 위한 전원을 공급함에 더불어, 상기 아노드 전극(14)으로부터 상기 캐소드 전극(18)으로 이동되는 전자들의 전위를 증폭시켜, 상기 캐소드 전극(18)에서의 수소 발생 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 수소발생 장치는 상기 태양전지(22) 및 상기 축전지(24) 각각의 동작을 제어하기 위한 제어부(30)를 더 구비할 수 있다. 만약 외부에 광이 존재하는 경우, 상기 제어부(30)는 상기 태양전지(22)를 동작시켜 전기에너지를 발생시키고, 이와 동시에 상기 태양전지(22)로부터 발생되는 전기에너지를 상기 축전지(24)에 축적시킬 수 있다.
한편, 외부에 광이 존재하지 않아 상기 캐소드 전극(18)에 전기에너지 공급이 어려운 경우, 상기 제어부(30)는 상기 축전지(24)가 상기 태양전지(22) 대신 전기에너지를 공급하는 대체 전원공급원 역할을 수행할 수 있도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 광량이 많은 낮에는 상기 태양전지(22)로부터 전원을 공급받을 수 있으며, 광량이 적은 밤에는 상기 축전지(24)에 축적된 전기에너지를 이용하여 전원을 공급받을 수 있다. 그 결과, 상기 수소발생장치는 광의 광량에 상관없이 지속적으로 수소를 발생시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생 장치는 효과적으로수소를 생성하여 청정 대체에너지로 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 수소발생 장치에 초점을 두었으나, 이러한 수소 발생을 위해 폐수 또는 폐바이오매스를 사용하므로, 폐수처리 효율면에서도 효과적일 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소발생 장치를 도시한 모식도이다. 후술하는 내용을 제외하고는 도 1을 참조하여 설명한 수소발생 장치와 동일할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소발생 장치는 상기 외부전압장치(20)에 상기 아노드 전극(14) 및 상기 캐소드 전극(18) 사이에 전기적으로 접속되어 배치되되, 상기 캐소드 전극(18)에 수소환원전위 이상의 기전력을 공급하는 태양전지(22), 상기 태양전지(22)를 가동시키기 위한 조명기기(26) 및 상기 조 명기기(26)를 동작시키기 위한 수소연료전지(28)가 구비될 수 있다.
또한, 상기 수소발생 장치는 상기 태양전지(22)와 상기 수소연료전지(28) 각각의 동작을 제어하는 제어부(30)와 상기 수소발생 장치로부터 생산된 수소가스를 저장하는 수소저장부(40)를 구비할 수 있다.
만약, 외부에 광이 존재하는 경우, 상기 제어부(30)는 상기 태양전지(22)를 동작시켜, 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 이와 같은 전기에너지는 상기 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 전자를 증폭시켜, 상기 캐소드전극(18)으로부터 수소가스를 발생시킬 수 있다. 이렇게 생산된 수소가스는 상기 수소저장부(40) 내에 저장될 수 있다.
한편, 외부에 광이 존재하지 않는 경우, 상기 제어부(30)는 상기 수소저장부(40) 내에 저장된 수소가스의 일부를 사용하여, 상기 수소연료전지(28)를 동작시킬 수 있으며, 상기 수소연료전지(28)의 동작에 의해 상기 조명기기(26)는 광을 방출할 수 있다.
그 결과, 외부에 광이 존재하지 않아도, 상기 조명기기(26)를 이용하여 상기 태양전지(22)에 지속적으로 광을 공급할 수 있으므로, 광의 존재 유무와 상관없이 지속적으로 수소를 발생시킬 수 있다.
이때, 상기 수소발생장치는 상기 수소저장부(40) 내에 저장된 수소가스의 일부를 사용하여, 더 많은 양의 수소가스를 발생시킬 수 있으므로, 최종적으로 생산되는 수소가스의 양은 더욱 증가될 수 있으며, 자체 생산된 수소가스를 이용하여 수소발생 장치를 동작시킬 수 있으므로, 별도의 전원장치가 요구되지 않는다. 따 라서, 경제적인 면에서도 효율적일 수 있다.
이에 더하여, 자연광이 존재하지 않는 곳에서도 지속적인 수소생산이 가능하므로, 장소에 제약을 받지 않을 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예들(examples)을 제시한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예들에 의해 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1>
반응조 내에 아노드 전극 및 캐소드 전극을 배치시키고, 상기 아노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 양이온 교환막을 배치시켜, 200mL의 아노드 챔버 및 200mL의 캐소드 챔버가 각각 구성된 생물전기화학적 수소발생 장치를 제조하였다. 이때, 상기 아노드 전극 및 캐소드 전극 사이에는 상기 전극들과 전기적으로 접속된 태양전지를 더 배치시켰다.
상기 아노드 전극은 아노드 챔버 내에 20v/v%의 혐기성 슬러지를 식종시키고, 이에 의해 형성된 전기화학 미생물을 카폰 펠트의 표면에 부착 및 성장시켜 제조하였으며, 상기 캐소드 전극은 설폰기를 함유하는 바인더를 제조하고, 상기 바인더를 이용하여 카본 펠트의 표면에 나노카본 분말을 접착시켜 제조하였다.
<제조예 2>
제조예 1과 동일하되, 내부에 양이온 교환막이 생략된 400mL의 단일의 반응조를 준비하고, 상기 반응조 내에 아노드 전극 및 캐소드 전극을 배치시켜 생물전기화학적 수소발생 장치를 제조하였다. 이때, 상기 아노드 전극 및 캐소드 전극 사이에는 상기 전극들과 전기적으로 접속된 태양전지를 더 배치시켰다.
<비교예 1>
제조예 1과 동일하되, 상기 카본펠트의 표면에 백금촉매(0.5mg Pt/cm2)를 코팅시켜 캐소드 전극을 제조하였다.
<실험예 1>
상기 제조예 1에 의해 제조된 생물전기화학적 수소발생 장치의 아노드 챔버 내에는 전해질로서 Nutrient/Mineral/Buffer 용액(pH 7)을 주입하고, 캐소드 챔버 내에는 전해질로서 Phosphate buffer(50 mM, pH 7)용액을 주입하였으며, 상기 제조예 2에 의해 제조된 생물전기화학적 수소발생 장치는 단일의 반응조 내에 전해질로서 Nutrient/Mineral/Buffer 용액(pH 7)을 주입하였다. 그런 후, 상기 각각의 챔버들 내에 질소를 퍼징시켜 산소를 제거함으로서 절대 혐기성 조건을 유지시켰다.
이어, 상기 생물전기화학적 수소발생 장치의 아노드 챔버 내에 기질로서 2mM의 아세테이트를 주입하고, 상기 태양전지로부터 0.7V의 외부전위를 공급하여 수소를 발생시켰다.
도 4는 제조예 1 및 비교예 2에 따른 수소발생 효율을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 단일의 반응조를 구비하는 수소발생 장치(제조예 2)는 각각의 챔버들을 구비하는 수소발생 장치(제조예 1)에 비해 시간별 수소발생량이 현저하게 높은 것을 알 수 있다. 이는 양이온 교환막을 제거하여 단일 반응조를 구성함으로써 반응조 내부에서의 저항이 현저하게 감소되고, 수소이온의 이동성을 향상시켰기 때문인 것으로 판단된다.
<실험예 2>
상기 제조예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 생물전기화학적 수소발생 장치들에 동일한 조건으로 실험을 진행하였으며, 아노드 챔버들 내에 전해질로서 Nutrient/Mineral/Buffer 용액(pH 7)을 주입하고, 캐소드 챔버들 내에 전해질로서 Phosphate buffer(50 mM, pH 7)용액을 주입한 후, 질소를 퍼징시켜 챔버들 내부를 절대 혐기성 조건으로 유지시켰다.
그런 후, 상기 아노드 챔버들 내에 기질로서 2mM의 아세테이트를 주입하고, 상기 태양전지로부터 0.7V의 외부전위를 공급하여 수소를 발생시켰다.
도 5는 제조예 1 및 비교예 1에 따른 수소발생 효율을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 발명과 같이 귀금속 촉매가 코팅되지 않은 캐소드 전극이 구비된 수소발생장치(제조예 1)는 귀금속 촉매로 코팅된 캐소드 전극이 구비된 수소발생장치(비교예 1)와 유사한 정도의 수소발생률을 나타냈다. 이는 나노카본 분말이 구형의 형상을 가짐으로서 전극유효면적을 넓히고, 상기 나노카본 분말을 고정시키기 위한 바인더에 설폰기를 구비시킴으로써 양이온의 이동속도를 향상시킨 것으로 판단된다.
이와 같은 결과를 통해 상기 제2 지지대의 표면에 나노카본 분말이 코팅된 캐소드 전극은 고가의 촉매를 대체할 수 있을 것으로 판단된다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생 장치를 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드 전극의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소발생 장치를 도시한 모식도이다.
도 4는 제조예 1 및 제조예 2에 따른 수소발생 효율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 제조예 1 및 비교예 1에 따른 수소발생 효율을 나타내는 그래프이다.

Claims (7)

  1. 내부에 빈 공간을 구비하는 반응조;
    상기 반응조 내부에 배치되되, 제1 지지대, 및 상기 제1 지지대 표면에 배치된 전기화학 활성 미생물을 구비하는 아노드 전극; 및
    상기 반응조 내부에 배치되되, 제2 지지대, 상기 제2 지지대의 표면에 코팅된 구형 나노카본 분말, 및 상기 제2 지지대와 상기 구형 나노카본 분말을 접착시키는 설폰기(SO3 -)를 함유하는 바인더를 구비하는 캐소드 전극을 포함하고,
    상기 바인더는 상기 구형 나노카본 분말 100 중량부에 대해 2 내지 8 중량부인 생물전기화학적 수소발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아노드 전극 및 상기 캐소드 전극 사이에 전기적으로 접속되어 배치되고, 상기 캐소드 전극에 기전력을 공급하되, 태양전지 및 축전기를 구비하는 외부전압장치; 및
    상기 태양전지 및 상기 축전기 각각의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하는 생물전기화학적 수소발생 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아노드 전극 및 상기 캐소드 전극 사이에 전기적으로 접속되어 배치되 되, 상기 캐소드 전극에 기전력을 공급하는 태양전지, 상기 태양전지를 가동시키기 위한 조명기기 및 상기 조명기기를 동작시키기 위한 수소연료전지를 구비하는 외부전압장치; 및
    상기 태양전지 및 상기 수소연료전지 각각을 제어하는 제어부를 더 포함하는 생물전기화학적 수소발생 장치.
  4. 삭제
  5. 내부에 빈 공간을 구비하는 반응조, 상기 반응조 내부에 배치되되, 제1 지지대, 및 상기 제1 지지대의 표면에 배치된 전기화학 활성 미생물을 구비하는 아노드 전극, 상기 반응조 내부에 배치되되, 제2 지지대, 상기 제2 지지대의 표면에 코팅된 구형 나노카본 분말, 및 상기 제2 지지대와 상기 구형 나노카본 분말을 접착시키는 설폰기를 함유하는 바인더를 구비하는 캐소드 전극, 및 상기 아노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 전기적으로 접속된 회로를 구비하는 생물전기화학적 수소발생 장치가 제공되는 단계;
    상기 반응조 내에 유기물을 주입하여 상기 아노드 전극으로부터 수소이온 및 전자를 발생시키는 단계;
    상기 캐소드 전극에 구비된 상기 바인더에 의해 상기 아노드 전극에서 발생된 상기 수소이온이 상기 캐소드 전극으로 이동되는 단계;
    상기 회로를 통해 상기 아노드 전극에서 발생된 전자가 상기 캐소드 전극으로 이동되는 단계; 및
    상기 발생된 수소이온 및 상기 전자를 전달받아 상기 캐소드 전극에서 수소를 발생시키는 단계를 포함하고,
    상기 바인더는 상기 구형 나노카본 분말 100 중량부에 대해 2 내지 8 중량부인 수소발생 장치 동작방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수소발생 장치는 상기 아노드 전극 및 상기 캐소드 전극 사이에 전기적으로 접속되어 배치되고, 상기 캐소드 전극에 기전력을 공급하되, 태양전지 및 축전기를 구비하는 외부전압장치, 및 상기 태양전지 및 상기 축전기 각각의 동작을 제어하는 제어부를 구비하되,
    상기 수소이온 및 상기 전자를 발생시키는 단계와 상기 발생된 수소이온 및 상기 전자를 상기 캐소드 전극에 전달하는 단계 사이에 상기 외부전압장치를 이용하여 상기 발생된 전자를 증폭시키는 단계를 더 포함하는 수소발생 장치 동작방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 수소발생 장치는 상기 아노드 전극 및 상기 캐소드 전극 사이에 전기적으로 접속되어 배치되되, 상기 캐소드 전극에 기전력을 공급하는 태양전지, 상기 태양전지를 가동시키기 위한 조명기기 및 상기 조명기기를 동작시키기 위한 수소연료전지를 구비하는 외부전압장치, 및 상기 외부전압장치의 동작을 제어하는 제어부 를 더 구비하되,
    상기 수소이온 및 상기 전자를 발생시키는 단계와 상기 수소이온 및 상기 전자를 상기 캐소드 전극에 전달하는 단계 사이에 상기 외부전압장치를 이용하여 상기 발생된 전자를 증폭시키는 단계를 더 포함하는 수소발생 장치 동작방법.
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