KR101370476B1 - 다중 격막형 미생물연료전지 - Google Patents

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KR101370476B1
KR101370476B1 KR1020120124713A KR20120124713A KR101370476B1 KR 101370476 B1 KR101370476 B1 KR 101370476B1 KR 1020120124713 A KR1020120124713 A KR 1020120124713A KR 20120124713 A KR20120124713 A KR 20120124713A KR 101370476 B1 KR101370476 B1 KR 101370476B1
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Abstract

본 발명은 산화전극부 몸체 내부에 복수의 격막을 상호 대향되게 형성하여서, 간단한 구조개선만으로도 산화전극부 내 사공간을 최소화하여 전기 발생량을 극대화할 수 있는 다중 격막형 미생물연료전지에 관한 것으로서, 내부가 중공된 몸체를 포함하여 구성되며, 몸체 내부에 원수를 유입받아 미생물에 의한 유기물 분해가 이루어지는 산화전극부와; 상기 산화전극부의 외측에 밀착되게 구비되어 미생물의 유기물 분해 과정에서 발생되는 전자를 환원전극으로 이동시키는 산화전극과; 상기 산화전극의 외측에 구비되어서 상기 산화전극과 상기 환원전극을 전기적으로 절연시키는 분리막; 및 상기 분리막의 외측에 구비되어서 상기 산화전극으로부터 이동된 전자를 외부공기와 반응시켜 전자의 흐름을 유지시키는 환원전극;을 포함하여 구성되되, 상기 산화전극부는, 상기 미생물의 유기물 분해 과정에서 발생되는 전자가 이동되는 표면적이 증대되도록 상기 몸체 내부 측면으로부터 연장 형성되는 격막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

다중 격막형 미생물연료전지{Microbial fuel cell with a multiple layer baffle}
본 발명은 다중 격막형 미생물연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화전극부 몸체 내부에 복수의 격막을 상호 대향되게 형성하여서, 간단한 구조개선만으로도 산화전극부 내 사공간을 최소화하여 전기 발생량을 극대화할 수 있는 다중 격막형 미생물연료전지에 관한 것이다.
일반적으로 미생물연료전지는 하폐수 처리시설의 호기조 또는 혐기조에 설치되어 하폐수 내 유기물을 제거하는 동시에 전기를 생산하는 생물 전기화 장치의 주 구성부로서, 유기물 분해 과정에서 생성되는 전자 및 수소이온을 이용하여 전기를 생성한다.
종래의 미생물연료전지는 이온 교환막을 기준으로 산화전극을 포함하는 음극반응조와 환원전극을 포함하는 양극반응조로 나누어지며, 혐기성 조건의 음극반응조에서 미생물에 의해 유기물이 산화되어 전자와 수소이온을 생산하고, 전자는 외부도선을 통해 환원전극으로 이동된다. 그리고 수소이온은 이온 교환막을 통하여 환원전극으로 이동하고, 이동된 전자는 산소공급장치에서 공급되는 산소와 반응하여 환원수를 생성하게 되며, 이러한 전자의 이동에 의해 전류가 생산되게 된다.
원수를 유입받아 미생물과 반응시키는 과정에서 발생된 전자는 그 접촉 면적이 넓을 수록 전기 생산 효율이 높아지게 되는데, 종래에는 이러한 문제를 해결하기 위하여 산화전극부 내부에 전극 접촉부를 복수개 배치하여 접촉 면적이 증대되도록 하였다.
그러나, 원수가 유입되어 유출되는 동안 산화전극부 내부의 원수는 계속적으로 흐르게 되는데, 종래의 내부 표면적의 증대를 위한 구조물을 투입은 이러한 흐름을 방해하는 요소로 작용하게 되고, 이러한 방해 요소에 의해 발생되는 사공간(유체의 흐름이 정체된 구간)에 의해 미생물의 분해 특성이 떨어지게 되고, 효율적인 전기적 접촉이 이루어지지 않는 문제가 있었다.
한국등록특허 KR 10-0950595(등록번호) 2010.03.24
따라서, 본 발명은, 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 산화전극부 몸체 내부에 복수의 격막을 상호 대향되게 형성하여서, 간단한 구조개선만으로도 산화전극부 내 사공간을 최소화함으로써 유효공간을 최대화하여 전기발생량을 극대화할 수 있는 다중 격막형 미생물연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 내부가 중공된 몸체를 포함하여 구성되며, 몸체 내부에 원수를 유입받아 미생물에 의한 유기물 분해가 이루어지는 산화전극부와; 상기 산화전극부의 외측에 밀착되게 구비되어 미생물의 유기물 분해 과정에서 발생되는 전자를 환원전극으로 이동시키는 산화전극과; 상기 산화전극의 외측에 구비되어서 상기 산화전극과 상기 환원전극을 전기적으로 절연시키는 분리막; 및 상기 분리막의 외측에 구비되어서 상기 산화전극으로부터 이동된 전자를 외부공기와 반응시켜 전자의 흐름을 유지시키는 환원전극;을 포함하여 구성되되, 상기 산화전극부는, 상기 미생물의 유기물 분해 과정에서 발생되는 전자가 이동되는 표면적이 증대되도록 상기 몸체 내부 측면으로부터 연장 형성되는 격막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 격막은 일단이 몸체의 일측면으로부터 연장 형성되고, 타단이 대향되는 측면과 이격되도록 형성되되, 상기 격막의 양 측면은 상기 몸체의 다른 두 측면과 각각 밀착되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 격막은 상기 몸체의 내부에 복수개가 형성되되, 후속되는 격막의 일단은 전(前)단의 격막의 타단과 마주보는 몸체의 측면으로부터 연장 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 격막은 상기 일단에서 상기 타단으로 갈수록 형성 두께가 얇아지며, 상기 몸체 내벽의 법선으로부터 하향되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 산화전극부 몸체 내부에 복수의 격막을 상호 대향되게 형성하여서, 간단한 구조개선만으로도 산화전극부 내 사공간을 최소화함으로써 유효공간을 최대화하여 전기발생량을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 다중 격막형 미생물연료전지의 MFC 모듈의 사시도.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 다중 격막형 미생물연료전지의 사시도.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 다중 격막형 미생물연료전지의 분리사시도.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 다중 격막형 미생물연료전지의 투영도.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 다중 격막형 미생물연료전지의 단면도.
이하에서 본 발명의 실시예에 따른 다중 격막형 미생물연료전지에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 다중 격막형 미생물연료전지의 MFC 모듈의 사시도이고, 도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 다중 격막형 미생물연료전지의 사시도이고, 도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 다중 격막형 미생물연료전지의 분리사시도이고, 도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 다중 격막형 미생물연료전지의 투영도이고, 도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 다중 격막형 미생물연료전지의 단면도이다.
본 발명의 다중 격막형 미생물연료전지(10)는 MFC(Microbial fuel cell) 모듈에 복수개가 병렬로 삽입되며, 각각의 미생물연료전지에는 유입수 배관(12)으로부터 분기되는 유입수 분기관(11)이 일측에 결합되어 원수를 유입받고, 다른 일측에는 유출수 배관(14)으로부터 분기되는 유출수 분기관(13)이 결합되어 처리수를 유출하게 된다.
도 1 내지 도 5 에 따르면, 본 발명의 다중 격막형 미생물연료전지는, 직육면체 형상의 산화전극부(100)와, 산화전극부(100)의 양측면에 각각 구비되는 산화전극(200)과, 각 산화전극(200)의 외측으로 구비되는 분리막(300)과, 각 분리막(300)의 외측으로 구비되는 환원전극(400)과, 각 환원전극(400)의 외측으로 구비되는 환원전극 덮개를 포함하여 구성된다.
산화전극부(100)는 내부가 중공된 직육면체 형상의 몸체(105)를 포함하여 구성되어서, 원수를 유입받아 내부에 서식하는 미생물에 의해 원수의 유기물이 분해되도록 하며, 몸체(105) 양 측면에 산화전극(200)이 구비되어서 유기물의 분해 과정에서 발생되는 전기에너지를 외부로 전달할 수 있도록 한다.
이러한 산화전극부(100)는 몸체(105) 하부 일측면에 유입구(120)가 형성되어서 원수를 유입받고, 몸체(105) 상부 일측면에 유출구(130)가 형성되어 유기물 분해 과정을 거친 처리수를 배출할 수 있도록 하는데, 이때, 유입된 원수가 산화전극부(100) 내부에 체류되는 시간을 적정 수준으로 조절하고, 유기물의 산화 과정에서 발생되는 전자가 이동되는 전극 표면적이 증대되도록 몸체(105) 내부에 복수의 격막(110)을 구비한다.
격막(110)은 산화전극부(100) 몸체(105) 내부에 복수개가 상호 대향되는 측면으로부터 연장 형성되어서 유입구(120)로 유입된 원수가 'S'자 형태를 그리며 이동되어 유출구(130)로 유출되도록 한다.
이를 좀 더 상세히 설명하면, 격막(110)은 직육면체 형상을 띠고 있는 산화전극부(100)의 몸체(105)를 상면, 하면, 넓은 두 측면, 좁은 두 측면으로 구분했을 때, 일단이 몸체(105)의 좁은 두 측면 중 한 측면으로부터 연장 형성되고, 타단이 좁은 두 측면 중 다른 한 측면과 이격되도록 형성되되, 격막(110)의 양 측면은 몸체(105)의 넓은 두 측면의 내주연과 밀착되도록 형성된다. 따라서, 격막(110)의 일단 방향에서 공급된 원수는 격막(110)과 몸체(105)의 측면에 가로막혀 격막(110)의 타단 방향으로 흐르게 되고, 격막(110)의 타단에 도달된 원수는 격막(110)의 타단과 몸체(105)의 이격된 틈을 통해 상부로 이동하게 된다.
이때, 후속되는 격막(110)의 일단은 전(前)단의 격막(110)의 타단과 마주보는 몸체(105)의 측면으로부터 연장 형성되도록 함으로써, 전단의 격막(110)의 타단으로부터 상승된 원수가 선회하여 반대측 방향으로 이동될 수 있도록 한다. 따라서, 유입구(120)를 통해 유입된 원수는 격막(110)을 따라 'S'자 형태를 그리며 유출구(130) 방향으로 이동되게 된다.
산화전극(200)은 산화전극부(100)의 넓은 두 측면의 외측에 밀착되게 구비되며, 산화전극부(100)와 반응하여 수소이온과 전자를 생성하고, 발생된 수소이온과 전자가 환원전극(400)으로 이동될 수 있도록 한다. 이러한 산화전극(200)은 본 발명의 실시예에서는 산화전극부(100)의 양 측면에 샌드위치형으로 구비되는 것을 도시하고 설명하였으나, 산화전극부(100)의 일측면에만 구비될 수도 있음은 물론이다.
산화전극(200)의 측면 중 산화전극부(100)와 접촉하고 있는 반대측 측면에는 분리막(300)이 구비되어서 후속되는 환원전극(400)과 전기적 절연이 되도록 한다.
분리막(300)은 산화전극(200)의 외측에 밀착되게 구비되어서 산화전극(200)과 환원전극(400)을 전기적으로 절연되도록 한다. 이러한 분리막(300)은 통상 부직포 형태로 제작될 수 있으며, 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 부직포, 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET) 부직포 또는 이 둘의 조합으로 이루어지거나, 이와 등가한 다른 재질 역시 당업자에 의해 선택이 가능함은 물론이다. 또한, 분리막(300)은 부직포 형태로 제작되지 아니하고 통상의 고형 판상으로 제작될 수 있으며, 산화전극(200)과 환원전극(400)을 절연하는 기능을 하는 것이면 어느 것이든 가능함은 물론이다.
환원전극(400)은 산화전극(200)으로부터 이동된 수소이온(H+)과 전자(e-)를 외부공기(O2)와 반응시켜 물(H2O)을 생성하며, 이 과정에서 전자의 흐름을 지속적으로 유지시킴으로써 전기를 생성하는 역할을 한다.
이를 위하여 환원전극(400)은 분리막(300)의 외측에 각각 구비되며, 반응효율 등을 고려하여 탄소천을 사용하는 것이 바람직하나 이에 한정하는 것은 아니다.
환원전극 덮개(500)는 환원전극(400)의 외측에 구비되어서 내측의 환원전극(400), 분리막(300), 산화전극(200) 및 산화전극부(100)을 가압하여 밀착시키고 고정하는 역할을 한다.
이러한 환원전극 덮개(500)는 볼트와 너트 등의 결합수단을 가지고 내측으로 조여 결합함으로써 견고하게 고정되며, 이때 환원전극(400)이 공기와 용이하게 접촉되도록 통공(510)이 관통 형성된다.
상술한 바와 같이 이루어진 본 발명의 다중 격막형 미생물연료전지는, 산화전극부(100)에서 유입구(120)로 유입된 원수가 유출구(130)로 유출되기까지 몸체(105) 내부 표면과 가능한 넓은 면적에서 흐르며 접촉되어야 전기 생산량이 증가한다.
이러한 유동 해석을 위하여 본 발명에서는 전산유체역학(Computational fluid dynamics, CFD)를 이용하여 산화전극부(100) 내 수치해석을 수행하였다.
CFD 분석을 위하여, 실험실 규모의 다중 격막형 미생물연료전지 100개를 설치하였다고 가정하여 초기 모델을 선정하였다. 이후, 가로 및 세로의 길이를 5배 확장하여, pilot 규모의 다중 격막형 미생물연료전지에서 CFD 분석을 진행하였다. 난류모델은 K-ε모델(유량이 적은 경우에는 난류모델을 적용하지 않음)을 사용하였으며, 스칼라 변수(age)를 도입하고, 변수에 대한 도메인 소스를 적용하여 체류시간을 추적하였다. 격막(110)은 2차원 삼각형 격막(110)을 두께 방향으로 생성하였으며, 벽 근접 영역에 대한 해상도를 높이기 위해 격막(110)을 몰아서 생성하였다.
다중 격막형 미생물연료전지 산화전극부(100) 내 유동을 해석하고, 최적구조를 도출하기 위하여, 실험실 규모(높이 210mm, 두께 5mm)의 4가지 형태(type 1, 2, 3, 4)에서 수치해석을 실시하였다.
먼저, 도 6 내지 도 10 은 41.6ml/min의 유동 조건에서의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 6 은 산화전극부(100)내 유체의 압력분포를 나타내고 있고, 도 7 은 산화전극부(100)내 유체의 속도분포, 도 8 은 산화전극부(100)내 유체의 속도벡터를 나타내고 있다. 도 9 는 산화전극부(100)내 유체의 이동경로를 보여주는 스트림라인(Streamline)을 나타내고 있고, 도 10 은 산화전극부(100)내 유체의 체류시간을 각 위치별로 나타내고 있다.
다음으로, 도 11 내지 도 15는 124.8ml/min의 유동 조건에서의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 11 은 산화전극부(100)내 유체의 압력분포를 나타내고 있고, 도 12 는 산화전극부(100)내 유체의 속도분포, 도 13 은 산화전극부(100)내 유체의 속도벡터를 나타내고 있다. 도 14 는 산화전극부(100)내 유체의 이동경로를 보여주는 스트림라인(Streamline)을 나타내고 있고, 도 15 는 산화전극부(100)내 유체의 체류시간을 각 위치별로 나타내고 있다.
위의 두 조건(41.6ml/min, 124.8ml/min)에서 측정된 체류시간 출구 평균값을 표로 정리해보면, 다음과 같다.
구분 1 FTT
(Flow Through Time)		 체류시간 출구 평균 [s]
41.6ml/min 124.8ml/min 41.6ml/min 124.8ml/min
Type01 248.1 82.7 255.3 86.2
Type02 237.3 79.1 241.5 80.2
Type03 226.4 75.5 229.4 76.3
Type04 232.3 77.4 236.4 78.4
위 자료들을 토대로, 전체 산화전극부(100) 체적 중 유체의 체류시간이 1FTT 이상인 공간의 유체 체적을 도출해 본 결과는 다음과 같다. 이때, 유체의 흐름이 정체되어 전기 발생 효율이 떨어지는 공간을 사공간이라 칭하기로 한다.
아래 표는 각각 41.6ml/min, 124.8ml/min 의 유동 조건에서의 사공간 체적 및 사공간 비율을 나타낸 도표이다.
구분
(41.6ml/min)		 1 FTT
(Flow Through Time)		 전체 체적
[ m3 ]		 사공간 체적
[ m3 ]		 사공간 비율
[ % ]
Type01 248.1 0.00017200 3.27336e-5 19.0
Type02 237.3 0.00016450 2.98475e-5 18.1
Type03 226.4 0.00015700 2.59910e-5 16.6
Type04 232.3 0.00016106 2.71167e-5 16.8
구분
(124.8ml/min)		 1 FTT
(Flow Through Time)		 전체 체적
[ m3 ]		 사공간 체적
[ m3 ]		 사공간 비율
[ % ]
Type01 82.7 0.00017200 4.46895e-5 26.0
Type02 79.1 0.00016450 4.83556e-5 29.4
Type03 75.5 0.00015700 3.20596e-5 20.4
Type04 77.4 0.00016106 2.71760e-5 16.9
위와 같은 분석 결과, Type03과 Type04가 Type01 및 Type02보다 사공간 비율이 적으므로, 효율적인 공간활용이 가능한 구조임이 확인되었다.
따라서, Type03과 Type04에 대하여 산화전극부(100)의 크기를 약 5 배 확장한 확장규모(높이 1,000mm, 두께 26.315mm)에서 수치해석을 실시하였다.
먼저, 도 16 내지 도 20 은 6064.5ml/min의 유동 조건에서의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 16 은 산화전극부(100)내 유체의 압력분포를 나타내고 있고, 도 17 은 산화전극부(100)내 유체의 속도분포, 도 18 은 산화전극부(100)내 유체의 속도벡터를 나타내고 있다. 도 19 는 산화전극부(100)내 유체의 이동경로를 보여주는 스트림라인(Streamline)을 나타내고 있고, 도 20 은 산화전극부(100)내 유체의 체류시간을 각 위치별로 나타내고 있다.
다음으로, 도 21 내지 도 25는 18193.4ml/min의 유동 조건에서의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 21 은 산화전극부(100)내 유체의 압력분포를 나타내고 있고, 도 22 는 산화전극부(100)내 유체의 속도분포, 도 23 은 산화전극부(100)내 유체의 속도벡터를 나타내고 있다. 도 24 는 산화전극부(100)내 유체의 이동경로를 보여주는 스트림라인(Streamline)을 나타내고 있고, 도 25 는 산화전극부(100)내 유체의 체류시간을 각 위치별로 나타내고 있다.
위의 두 조건(6064.5ml/min, 18193.4ml/min)에서 측정된 체류시간 출구 평균값을 표로 정리해보면, 다음과 같다.
구분 1 FTT
(Flow Through Time)		 체류시간 출구 평균 [s]
6064.5ml/min 18193.4ml/min 6064.5ml/min 18193.4ml/min
Type03 226.4 75.5 228.9 75.5
Type04 232.3 77.4 232.6 77.6
위 자료들을 토대로, 전체 산화전극부(100) 체적 중 유체의 체류시간이 1FTT 이상인 공간의 유체 체적을 도출해 본 결과는 다음과 같다.
아래 표는 각각 6064.5ml/min, 18193.4ml/min 의 유동 조건에서의 사공간 체적 및 사공간 비율을 나타낸 도표이다.
구분
(6064.5
ml/min)		 1 FTT
(Flow Through Time)		 전체 체적
[ m3 ]		 사공간 체적
[ m3 ]		 사공간 비율
[ % ]		 유효공간분포비
[ % ]
Type03 226.4 0.0228876 0.00802 35.0 65.0
Type04 232.3 0.0234791 0.01189 50.6 49.4
구분
(18193.4
ml/min)		 1 FTT
(Flow Through Time)		 전체 체적
[ m3 ]		 사공간 체적
[ m3 ]		 사공간 비율
[ % ]		 유효공간분포비
[ % ]
Type03 75.5 0.0228876 0.00892 39.0 61.0
Type04 77.4 0.0234791 0.01247 53.1 46.9
위와 같은 분석 결과, 실제 현장에 적용되는 확장구조에서 Type03가 Type04 보다 사공간 비율이 적으므로, 효율적인 공간활용이 가능한 구조임이 확인되었다.
따라서, Type03에 대하여 격막(110)의 형성 두께를 하나는 도면에 도시된 바와 같이 산화전극부(100)의 내측면에서 연장 형성되는 일단측이 산화전극부(100)의 내측면과 이격되어 유로를 형성하는 타단측보다 더 두껍게 형성된 형상으로 설정하고(Model 1), 다른 하나는 격막(110)의 일단측과 타단측의 두께가 동일한 형상으로 설정한(Model 2) 두가지 형태로 구분하여 수치해석을 실시하였다.
먼저, 도 26 내지 도 30 은 원수의 산화전극부(100) 내 체류시간을 226.4초로 설정한 조건에서의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 26 은 산화전극부(100)내 유체의 압력분포를 나타내고 있고, 도 27 은 산화전극부(100)내 유체의 속도분포, 도 28 은 산화전극부(100)내 유체의 속도벡터를 나타내고 있다. 도 29 는 산화전극부(100)내 유체의 이동경로를 보여주는 스트림라인(Streamline)을 나타내고 있고, 도 30 은 산화전극부(100)내 유체의 체류시간을 각 위치별로 나타내고 있다.
다음으로, 도 31 내지 도 35는 원수의 산화전극부(100) 내 체류시간을 75.5초로 설정한 조건에서의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 31 은 산화전극부(100)내 유체의 압력분포를 나타내고 있고, 도 32 는 산화전극부(100)내 유체의 속도분포, 도 33 은 산화전극부(100)내 유체의 속도벡터를 나타내고 있다. 도 34 는 산화전극부(100)내 유체의 이동경로를 보여주는 스트림라인(Streamline)을 나타내고 있고, 도 35 는 산화전극부(100)내 유체의 체류시간을 각 위치별로 나타내고 있다.
위의 두 조건(Model 1, Model 2)에서 측정된 체류시간 출구 평균값을 표로 정리해보면, 다음과 같다.
구분 체류시간 출구 평균 [ s ]
체류시간 : 226.4초 체류시간 : 75.5초
Model 1 226.7 75.5
Model 2 228.4 75.6
위 자료들을 토대로, 전체 산화전극부(100) 체적 중 유체의 체류시간이 1FTT 이상인 공간의 유체 체적을 도출해 본 결과는 다음과 같다.
아래 표는 각각 체류시간 226.4초, 75.5초의 유동 조건에서의 사공간 체적 및 사공간 비율을 나타낸 도표이다.
구분
(226.4초)		 모듈 체적
[㎥]		 사공간 체적
[㎥]		 사공간 비율
[ % ]		 유효공간분포비
[ % ]
Model 1 0.0217335 0.00721 33.2 66.8
Model 2 0.0231605 0.01030 44.5 55.5
구분
(75.5초)		 모듈 체적
[㎥]		 사공간 체적
[㎥]		 사공간 비율
[ % ]		 유효공간분포비
[ % ]
Model 1 0.0217335 0.00834 38.4 61.6
Model 2 0.0231605 0.01115 48.1 51.9
위와 같은 분석 결과, Model 1이 Model 2 보다 사공간 비율이 적으므로, 효율적인 공간활용이 가능한 구조임이 확인되었다.
따라서, 격막(110)의 형상은 유입구(120)측에서 유출구(130)측으로 갈수록 좁아지는 형태를 띠는 것이 더 많은 공간을 전자 교환에 활용할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 격막(110)이 몸체(105)의 측면으로부터 연장 형성되는 일단 방향이 몸체(105)의 대향되는 측면과 이격되도록 형성된 타단 방향보다 두껍게 형성되는 것이 전자 교환에 용이하게 된다.
따라서 격막(110)의 형상을 일단에서 타단으로 갈수록 얇아지는 형상으로 설정한 채, 산화전극부(100) 내부 중공부의 두께를 25mm, 65mm의 두 단계로 구분하고, 격막(110)의 길이를 125mm와 140mm의 두 단계로 구분하며, 또한, 격막(110)의 산화전극부(100) 몸체(105) 내벽의 법선에 대한 형성 각도를 -6.58도, 0도, 6.58도의 3단계로 조절하면서 시뮬레이션 결과를 측정하였다.
먼저, 도 36 내지 도 40 은 산화전극부(100) 내부 중공부의 두께가 25mm인 조건에서 격막(110)의 길이 및 격막(110)의 형성각도를 변화한 조건의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 36 은 산화전극부(100)내 유체의 압력분포를 나타내고 있고, 도 37 은 산화전극부(100)내 유체의 속도분포, 도 38 은 산화전극부(100)내 유체의 속도벡터를 나타내고 있다. 도 39 는 산화전극부(100)내 유체의 이동경로를 보여주는 스트림라인(Streamline)을 나타내고 있고, 도 40 은 산화전극부(100)내 유체의 체류시간을 각 위치별로 나타내고 있다.
다음으로, 도 41 내지 도 45는 산화전극부(100)의 두께가 65mm인 조건에서 격막(110)의 길이 및 격막(110)의 형성각도를 변화한 조건에서의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 41 은 산화전극부(100)내 유체의 압력분포를 나타내고 있고, 도 42 는 산화전극부(100)내 유체의 속도분포, 도 43 은 산화전극부(100)내 유체의 속도벡터를 나타내고 있다. 도 44 는 산화전극부(100)내 유체의 이동경로를 보여주는 스트림라인(Streamline)을 나타내고 있고, 도 45 는 산화전극부(100)내 유체의 체류시간을 각 위치별로 나타내고 있다.
위의 두 조건(산화전극부(100)의 두께 25mm, 65mm)에서 측정된 체류시간 출구 평균값을 표로 정리해보면 다음과 같다.
산화전극부(100) 두께
[mm]		 격막(110)의 길이
[mm]		 격막(110)의 형성각도
[deg]		 체류시간 출구 평균
[s]
25 125 -6.58 75.5
0 75.6
6.58 75.5
140 -6.58 75.5
0 75.5
6.58 75.5
65 125 -6.58 75.6
0 75.5
6.58 75.3
140 -6.58 75.5
0 75.5
6.58 75.5
위 자료들을 토대로, 전체 산화전극부(100) 체적 중 유체의 체류시간이 1FTT 이상인 공간의 유체 체적을 도출해 본 결과는 다음과 같다.
산화전극부(100)
두께
[mm]		 격막(110)의 길이
[mm]		 격막(110)의
형성각도
[deg]		 모듈 체적
[㎥]		 사공간체적
[㎥]		 사공간비율
[%]		 유효공간
분포비
[%]
25 125 -6.58 0.02173 0.00834 38.4 61.6
0 0.02174 0.01019 46.9 53.1
6.58 0.02174 0.01125 51.7 48.3
140 -6.58 0.02168 0.00883 40.7 59.3
0 0.02168 0.01040 48.0 52.0
6.58 0.02168 0.01249 57.6 42.4
65 125 -6.58 0.05651 0.01435 25.4 74.6
0 0.05653 0.01426 25.2 74.8
6.58 0.05653 0.01756 31.1 68.9
140 -6.58 0.05637 0.01000 17.7 82.3
0 0.05637 0.01115 19.8 80.2
6.58 0.05637 0.01264 22.4 77.6
위와 같은 분석 결과, 산화전극부(100)의 두께가 두꺼워질수록 유속이 빨라지고, 압력 분포 특성이 향상됨으로써 사공간이 줄어들고 유효공간이 증가하는 결과를 보였으며, 대부분의 경우에 산화전극부(100) 몸체(105) 내벽의 법선과 격막(110)이 이루는 각도가 -6.58도인 경우에 유효공간 분포비가 높게 나타남을 알 수 있다.
따라서, 산화전극부(100) 내부 중공부를 두껍게 설정하고, 격막(110)을 하향되게 형성하는 것이 사공간을 줄이는데 바람직한 형상이라 할 수 있으나, MFC 모듈(1) 내 일정 공간에 다수개의 다중 격막형 미생물연료전지를 적층함을 고려할 때, 25mm의 산화전극부(100) 폭을 가지고 격막(110)을 산화전극부(100) 몸체(105) 내벽의 법선으로부터 6.58도 하향되게 형성하는 것이 원수와 전극과의 용이한 접촉을 유도하는 최적의 구조인 것을 알 수 있다.
그러나, 산화전극부(100)의 폭 또는 격막(110)의 길이 등은 유속, 유량 및 체류시간 등의 실험 조건에 따라 유동적인 특성을 띨 수 있고, 산화전극부(100) 몸체(105) 내벽의 법선으로부터 격막(110)의 형성 각도가 하향되게 형성된 것이면 당업자에 의해 소량의 수치 변경을 통해 최적의 조건을 찾아내는 것 역시 가능함은 물론이며, 격막(110)을 몸체(105) 내벽의 법선에 대하여 상향 또는 수평하게 형성하는 것을 배제하는 것 역시 아님은 물론이다.
또한, 본 발명에서는 산화전극부(100) 내부에 격막(110)이 4개 형성된 것을 도시하고 설명하였으나, 격막(110)의 형성 갯수는 원수의 탁도, 온도 또는 미생물의 농도 등 여러 조건에 의해 유기물의 분해가 효율적으로 이루어지도록 가감할 수 있으며, 본 발명에서 그 갯수를 한정하는 것은 아니다.
100 : 산화전극부 105 : 몸체
110 : 격막 200 : 산화전극
300 : 분리막 400 : 환원전극
500 : 환원전극 덮개

Claims (5)

  1. 내부가 중공된 몸체를 포함하여 구성되며, 몸체 내부에 원수를 유입받아 미생물에 의한 유기물 분해가 이루어지는 산화전극부와;
    상기 산화전극부의 외측에 밀착되게 구비되어 미생물의 유기물 분해 과정에서 발생되는 전자를 환원전극으로 이동시키는 산화전극과;
    상기 산화전극의 외측에 구비되어서 상기 산화전극과 상기 환원전극을 전기적으로 절연시키는 분리막; 및
    상기 분리막의 외측에 구비되어서 상기 산화전극으로부터 이동된 전자를 외부공기와 반응시켜 전자의 흐름을 유지시키는 환원전극;
    을 포함하여 구성되되,
    상기 산화전극부는, 상기 미생물의 유기물 분해 과정에서 발생되는 전자가 이동되는 표면적이 증대되도록 상기 몸체 내부 측면으로부터 연장 형성되는 격막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 격막형 미생물연료전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 격막은 일단이 몸체의 일측면으로부터 연장 형성되고, 타단이 대향되는 측면과 이격되도록 형성되되, 상기 격막의 양 측면은 상기 몸체의 다른 두 측면과 각각 밀착되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 격막형 미생물연료전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 격막은 상기 몸체의 내부에 복수개가 형성되되, 후속되는 격막의 일단은 전(前)단의 격막의 타단과 마주보는 몸체의 측면으로부터 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 격막형 미생물연료전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 격막은 상기 일단에서 상기 타단으로 갈수록 형성 두께가 얇아지는 것을 특징으로 하는 다중 격막형 미생물연료전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 격막은 상기 몸체의 좁은 두 측면 중 한 측면으로부터 연장 형성되고, 형성 각도가 상기 격막이 연장 형성되는 상기 몸체의 측면의 법선으로부터 하향되게 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 격막형 미생물연료전지.
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KR20200070636A (ko) * 2018-12-10 2020-06-18 대한민국(농촌진흥청장) 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템

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