KR101549324B1 - Soil fuel cell and electricity producing method using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 토양의 산화층에 설치된 제1전극; 토양의 산화층 하부에 형성된 환원층에 설치된 제2전극을 포함하되, 상기 환원층에 설치된 제2전극은 유기물을 환원시키는 혐기성 미생물을 담지할 수 있는 다공성 탄소전극인 것을 특징으로 하는 토양 연료전지를 제공한다.The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, And a second electrode provided on a reducing layer formed on the lower part of the oxidation layer of the soil, wherein the second electrode provided on the reducing layer is a porous carbon electrode capable of supporting an anaerobic microorganism for reducing organic matter. do.
Description
본 발명은 토양 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 토양 내 존재하는 토양 미생물을 이용하여 혐기성 토양내 축적된 유기물을 분해하여 자연발생적으로 저렴하게 전기를 생산할 수 있으며, 상기와 같이 생산된 전기를 토양에 설치된 다양한 전기장치에 공급하여 추가적인 전원공급 없이 자가 발전할 수 있도록 하여 전기절감효과가 탁월한 효과를 제공하는 토양 연료전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a soil fuel cell, and more particularly, to a method for decomposing organic matter accumulated in anaerobic soil using soil microorganisms present in the soil to produce electricity naturally and inexpensively, The present invention relates to a soil fuel cell which is provided with various electric devices installed in the soil, and is capable of generating electricity without additional power supply, thereby providing an excellent effect of saving electric power.
일반적으로 토양 1g에는 약 1억 이상의 미생물(박테리아, 효모, 사상균), 원생 동물, 선충 등이 서식하고 있어 균 밀도에서 생각하면 토양은 미생물 국에 가깝다. 또 산 토양 생물 군만 아니라 부식 물질이나 사균 등도 많고 그것들이 분해돼 생긴 당류, 단백질, 유기산 등도 많이 존재하고 있는 복합계의 바이오매스 자원(토양 바이오매스)인 것으로 알려져 있다.In general 1 g of soil contains more than 100 million microorganisms (bacteria, yeast, fungi), protozoa, nematodes, etc. Soil is close to microbial kingdom in terms of bacterial density. It is also known that it is a complex biomass resource (soil biomass) in which not only acid soil biomass, but also many substances such as corrosive substances and dead bacteria, and sugars, proteins and organic acids which are decomposed there are many.
미생물 연료 전지는 미생물 또는 그의 일부를 사용하여 미생물의 에너지 대사에서 발생하는 환원력을 전기 에너지로 전환시키는 장치로, 미생물 연료 전지에서는 촉매로서 작용하는 미생물이 기질을 산화할 때 발생하는 환원력을 전기 에너지로 전환시키기 위해서 에너지 대사에서 발생하는 전자가 미생물로부터 전극으로 전달되어진다.A microbial fuel cell is a device for converting the reducing power generated from the energy metabolism of a microorganism into electric energy by using a microorganism or a part thereof. In a microbial fuel cell, a reducing power generated when a microorganism serving as a catalyst oxidizes a substrate is converted into electric energy To convert, electrons from the energy metabolism are transferred from the microorganism to the electrode.
기존 미생물 연료 전지의 경우 하수나 슬러지 등에 적용하여 전기를 생산하는 기술이 보고된 바는 있지만, 설치장소가 제한적이고, 사용할 수 있는 미생물의 범주도 극히 제한적이며 생산되어지는 전력 또한 크지 않아 실용성이 문제시되어 왔다.
Although existing microbial fuel cells have been reported to produce electricity by applying to sewage or sludge, there are limited installation sites, limited range of microorganisms that can be used, and the power to be produced is not so large. Has come.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술이 가지는 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 토양 내 존재하는 토양 미생물을 이용하여 혐기성 토양내 축적된 유기물을 분해하여 자연발생적으로 저렴하게 전기를 생산할 수 있으며, 상기와 같이 생산된 전기를 토양에 설치된 다양한 전기장치에 공급하여 추가적인 전원공급 없이 자가 발전할 수 있도록 하여 전기절감효과가 탁월한 효과를 제공하는 토양 연료전지 및 이를 이용한 전기의 생산방법을 제공함에 있다.
The object of the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to decompose organic matter accumulated in anaerobic soil using soil microorganisms existing in the soil to produce electricity naturally and inexpensively The present invention provides a soil fuel cell and a method of producing electricity using the same, wherein the electric power is supplied to various electrical apparatuses installed in the soil so that the electric power can be generated without additional power supply. have.
상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제는 다음과 같은 수단에 의해 달성되어진다.The technical problem of the present invention as described above is achieved by the following means.
(1) 토양의 산화층에 설치된 제1전극; 토양의 산화층 하부에 형성된 환원층에 설치된 제2전극을 포함하되, 상기 환원층에 설치된 제2전극은 유기물을 환원시키는 혐기성 미생물을 담지할 수 있는 다공성 탄소전극인 것을 특징으로 하는 토양 연료전지.
(1) a first electrode disposed on an oxidation layer of the soil; And a second electrode provided on a reducing layer formed under the oxide layer of the soil, wherein the second electrode provided on the reducing layer is a porous carbon electrode capable of supporting an anaerobic microorganism for reducing organic matter.
(2) 상기 (1)에 있어서, 상기 산화층에 존재하는 유기물을 산화시켜 상기 제1전극에 전자를 공급하는 호기성 미생물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양 연료전지.
(2) The soil fuel cell according to the above (1), further comprising an aerobic microorganism that oxidizes the organic matter present in the oxidation layer to supply electrons to the first electrode.
(3) 상기 (1)에 있어서,(3) In the above (1)
상기 제1전극 및 제2전극의 표면에 요철이 형성되어 있으며 상기 제2전극에는 혐기성 미생물이 표면에 코팅처리된 것을 특징으로 하는 토양 연료전지.
Wherein a surface of the first electrode and a surface of the second electrode are uneven, and the surface of the second electrode is coated with an anaerobic microorganism.
(4) 상기 (3)에 있어서,(4) In the above (3)
상기 제1전극 및 제2전극의 표면에 형성된 요부에 유기물 기질이 충전된 것을 특징으로 하는 토양 연료전지.
And a recess formed in a surface of the first electrode and the second electrode is filled with an organic substance.
(5) 상기 (1)에 있어서, (5) In the above (1)
상기 토양의 산화층에 식물이 식재된 것을 특징으로 하는 토양 연료전지.
A soil fuel cell characterized in that plants are planted in the oxidation layer of the soil.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 토양 내 존재하는 토양 미생물을 이용하여 혐기성 토양내 축적된 유기물을 분해하여 자연발생적으로 저렴하게 전기를 생산할 수 있으며, 상기와 같이 생산된 전기를 토양에 설치된 다양한 전기장치에 공급하여 추가적인 전원공급 없이 자가 발전할 수 있도록 하여 전기절감효과가 탁월한 효과를 제공한다.
According to the present invention, it is possible to produce electricity naturally and inexpensively by decomposing organic matter accumulated in the anaerobic soil by using the soil microorganisms present in the soil. The electricity produced as described above can be used for various electric devices To provide self-power generation without additional power supply, thereby providing an excellent effect of saving electric power.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 토양 연료전지의 설치 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 전극의 제2실시예의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 전극의 제3실시예의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 전극의 제4실시예의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 토양 연료전지를 이용하여 논토양, 밭토양, 및 늪지에서의 전력생산량을 측정한 결과 그래프.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an installation schematic view of a soil fuel cell according to a first embodiment of the present invention; FIG.
2 is a configuration diagram of a second embodiment of the electrode according to the present invention.
3 is a configuration diagram of a third embodiment of the electrode according to the present invention.
4 is a configuration diagram of a fourth embodiment of the electrode according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the results of measurement of electric power production in paddy soil, field soil, and marsh using a soil fuel cell according to the present invention.
본 발명에 따른 토양 연료전지는 토양의 산화층에 설치된 제1전극; 토양의 산화층 하부에 형성된 환원층에 설치된 제2전극을 포함하되, 상기 제2전극은 상기 환원층에 설치된 상기 제2전극으로부터 전자를 공급받아 산화물을 환원시키는 혐기성 미생물이 담지된 다공성 탄소전극을 포함한다.
A soil fuel cell according to the present invention comprises: a first electrode disposed on an oxidation layer of a soil; The second electrode includes a porous carbon electrode carrying an anaerobic microorganism that receives electrons from the second electrode provided on the reducing layer and reduces the oxide, the second electrode being provided on a reducing layer formed on the lower part of the oxidation layer of the soil do.
이하, 본 발명의 내용을 도 1에 도시한 바와 같은 실시예를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the contents of the present invention will be described in more detail with reference to embodiments as shown in Fig.
본 발명에 따른 토양 연료전지는 토양내 층구조가 산화층(10)과 환원층(20)으로 이루어진 것을 이용한다. The soil fuel cell according to the present invention uses a layer structure in the soil composed of the
따라서, 본 발명에 사용될 수 있는 토양은 논토양, 밭토양, 및 늪지와 같이 산화층과 환원층의 구분이 비교적 뚜렷한 지층을 갖는 구조의 것이라면 특별히 한정되지는 않는다.Therefore, the soil that can be used in the present invention is not particularly limited as long as it has a structure in which the separation of the oxidized layer and the reduced layer is comparatively clear, such as paddy soil, field soil, and swamp.
본 발명에 따른 토양 연료전지에서 상기 환원층(20)에서는 산소의 결핍으로 인해 혐기성 세균에 의한 유기물 분해로 인해 전자가 토양내로 방출되고, 이때 방출된 전자가 제2전극(200)에 전달되어지고, 제2전극에 전달된 전자는 산화층(10)에 설치된 제1전극(100)으로 이동되고 수소이온과 함께 산소와 반응하여 물을 생성하는 과정이 진행되어진다.In the soil fuel cell according to the present invention, in the reducing
이러한 과정에 의해 캐소드(cathode)인 제1전극(100)과 어노드(anode)인 제2전극(200) 사이에 전기적 포텐셜(electric potential)이 형성되어 전력을 생산할 수 있게 된다.In this way, an electric potential is formed between the
본 발명의 제1실시예에 따른 토양 연료전지에 있어서, 제1전극(100)인 캐소드(산화전극)와 제2전극(200)인 어노드(환원전극)는 통상적인 생물연료전지에서 사용하는 전극이 사용될 수 있는데, 예를 들어 흑연 막대, 흑연 판 또는 표면적을 넓게 할 수 있는 흑연 부직포 등의 흑연전극을 들 수 있으며, 이때 전극의 표면적은 전자의 밀도(전류량)와 비례하기 때문에 표면적이 넓은 다공성의 탄소판(전극)을 사용하면 전기의 생산성을 높일 수 있는 점에서 바람직하다.In the soil fuel cell according to the first embodiment of the present invention, the cathode (oxidation electrode) as the
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예로써 상기 제1전극 및 제2전극의 표면에 토양과의 접촉면적을 극대화하기 위해 요철부를 형성한다. 상기 요철부를 형성할 경우 정해진 토양내 면적 대비 전극 표면적을 증대시켜 발전효율을 크게 증대시킬 수 있다.As shown in FIG. 2, as a second embodiment of the present invention, irregularities are formed on the surfaces of the first and second electrodes in order to maximize the contact area with the soil. When the irregular portion is formed, the surface area of the electrode is increased compared to the area of the soil so that the power generation efficiency can be greatly increased.
아울러, 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3실시예로써 상기 전극의 표면에 요철부가 형성될 경우, 요부에는 미생물의 기질이 될 수 있는 유기물을 충전한다. 이 경우 초기 전극에 미생물의 증식이 활발히 이루어져 발전을 위한 충분한 개체수의 미생물을 손쉽게 확보할 수 있다.
In addition, as shown in FIG. 3, in the third embodiment of the present invention, when the concavo-convex portion is formed on the surface of the electrode, the concave portion is filled with an organic substance which can be a substrate of the microorganism. In this case, the microbe is proliferated actively on the initial electrode, so that a sufficient number of microorganisms for power generation can be easily obtained.
본 발명에서 제1전극(100)에는 별도로 호기성 미생물을 필요로 하는 것은 아니지만, 전극의 산화반응을 촉진하기 위해 호기성 미생물을 제1전극의 표면에 도포하여 주는 것도 가능하다.
In the present invention, the
또, 본 발명의 제3실시예로써, 도 4에 도시한 바와 같이 바람직하게는 상기 제2전극(200)에 혐기성 미생물(예로, 탈질균, 황산환원균 등을 포함)을 생분해가 가능한 전분 등의 결합제를 이용하여 양면에 코팅층(30)을 형성한 것을 사용한다. 이는 혐기성 미생물이 발전을 하기에 부족할 정도로 결핍한 토양에 대하여 미생물 개체수의 확보를 위해 요구되어질 수 있다.As a third embodiment of the present invention, as shown in Fig. 4, it is preferable that the
비록 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 제1실시예 내지 제2실시예의 전극의 표면상에 제3실시예에 따른 미생물 코팅층을 형성하는 것도 당연히 본 발명의 실시예를 구성한다.
Although not shown in the drawing, the formation of the microbial coating layer according to the third embodiment on the surface of the electrodes of the first and second embodiments also naturally constitutes an embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 토양 연료전지의 경우 전력을 생산하기 위해 폭기작용 등을 이용하여 어노드에 산소를 부가적으로 공급하지 않아도 되기 때문에 추가적인 설비 구비, 추가적인 비용 및 추가적인 에너지를 소모하지 않아도 되고, 또한, 지표면에 존재하는 각종 유기물의 자연적인 공급을 통해, 외부의 유기물 공급 없이도 장시간 전력생산이 가능하다.In the case of the soil fuel cell according to the present invention, it is not necessary to additionally supply oxygen to the anode using the aeration operation or the like in order to produce electric power, so that additional facilities, additional cost and additional energy are not consumed, Through the natural supply of various organic substances present on the surface, it is possible to produce electric power for a long time without supplying external organic matter.
상기 본 발명에 따른 토양 연료전지를 통해 생산된 전기는 직류 전류를 승압시키는 DC-DC 컨버터부(300) 및 DC-DC 컨버터부를 통해 승압된 전기를 공급받아 충전시키는 축전지(400)를 설치하여 전기를 충전시킨다.The electricity produced through the soil fuel cell according to the present invention includes a DC-
상기와 같은 본 발명은 토양 연료전지에서 생산된 전기를 승압시켜 실생활에 사용할 수 있는 전력으로 변환시키거나 바람직하게는 순천만의 생태공원과 같은 갈대밭 등에 설치하여 생태공원에 사용될 각종 시설(예로, LED 등기구 등) 등에 공급할 수 있다.
As described above, the present invention can be applied to a variety of facilities (for example, a power plant, a power plant, etc.) to be used in an ecological park by boosting electricity generated from a soil fuel cell and converting it into electric power for use in real life, LED lamps, etc.).
이하, 본 발명의 내용을 실시예 및 실험예를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예 및 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이에 의해 제한되어서는 아니된다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Experimental Examples. It is to be understood, however, that these examples and experiments are illustrative only for the understanding of the present invention, and the scope of the present invention should not be limited thereby.
[실시예 1][Example 1]
논토양을 이루는 환원층에 제2전극으로 10mㅧ10m 크기의 다공성 탄소전극을 설치하고, 환원층 상에 적층되어 있는 산화층에 제1전극으로써 마찬가지로 10mㅧ10m 크기의 다공성 탄소전극을 설치하고 해당 논의 표토를 덮어주었다. A porous carbon electrode having a size of 10 m ㅧ 10 m was provided as a second electrode on the reduction layer constituting the paddy soil and a porous carbon electrode having a size of 10 m ㅧ 10 m was installed on the oxidation layer stacked on the reduction layer as the first electrode, Covered the topsoil.
상기 제1전극과 제2전극은 도선으로 연결되며, 그 사이에 DC-DC 컨버터(DC-DC Converter)를 연결하여 승압된 출력을 통해 전하가 말단에 연결된 축전기에 충전되어질 수 있도록 구성하였다.The first electrode and the second electrode are connected to each other by a wire, and a DC-DC converter is connected between the first electrode and the second electrode so that the charge can be charged in the capacitor connected to the terminal through the boosted output.
상기와 같은 실험결과 도 3에서와 같이 논토양에서 2 W/㎡의 전력이 지속적으로 생산될 수 있음을 확인하였다.
As shown in FIG. 3, it was confirmed that the power of 2 W /
[실시예 2][Example 2]
밭토양을 이루는 환원층에 제2전극으로 10mㅧ10m 크기의 다공성 탄소전극을 설치하고, 환원층 상에 적층되어 있는 산화층에 제1전극으로써 마찬가지로 10mㅧ10m 크기의 다공성 탄소전극을 설치하고 해당 밭의 표토를 덮어주었다. A porous carbon electrode having a size of 10 m ㅧ 10 m was provided as a second electrode on the reduction layer constituting the field soil and a porous carbon electrode having a size of 10 m ㅧ 10 m was installed on the oxidized layer stacked on the reduction layer in the same manner as the first electrode, Of the topsoil.
상기 제1전극과 제2전극은 도선으로 연결되며, 그 사이에 DC-DC 컨버터(DC-DC Converter)를 연결하여 승압된 출력을 통해 전하가 말단에 연결된 축전기에 충전되어질 수 있도록 구성하였다.The first electrode and the second electrode are connected to each other by a wire, and a DC-DC converter is connected between the first electrode and the second electrode so that the charge can be charged in the capacitor connected to the terminal through the boosted output.
상기와 같은 실험결과 도 3에서와 같이 밭토양에서 1.5 W/㎡의 전력이 지속적으로 생산될 수 있음을 확인하였다.
As a result of the above experiment, it was confirmed that electric power of 1.5 W / m < 2 > could be continuously produced in the field soil as shown in Fig.
[실시예 3][Example 3]
늪지를 이루는 환원층에 제2전극으로 10mㅧ10m 크기의 다공성 탄소전극을 설치하고, 환원층 상에 적층되어 있는 산화층에 제1전극으로써 마찬가지로 10mㅧ10m 크기의 다공성 탄소전극을 설치하고 해당 늪지의 표토를 덮어주었다. A porous carbon electrode having a size of 10 m 10 m was provided as a second electrode on the reduction layer forming a swamp and a porous carbon electrode having a size of 10 m 10 m was installed on the oxidation layer stacked on the reduction layer as the first electrode, Covered the topsoil.
상기 제1전극과 제2전극은 도선으로 연결되며, 그 사이에 DC-DC 컨버터(DC-DC Converter)를 연결하여 승압된 출력을 통해 전하가 말단에 연결된 축전기에 충전되어질 수 있도록 구성하였다.The first electrode and the second electrode are connected to each other by a wire, and a DC-DC converter is connected between the first electrode and the second electrode so that the charge can be charged in the capacitor connected to the terminal through the boosted output.
상기와 같은 실험결과 도 3에서와 같이 늪지에서 3 W/㎡의 전력이 지속적으로 생산될 수 있음을 확인하였다.
As a result of the above experiment, it was confirmed that the electric power of 3 W /
[실시예 4][Example 4]
제1전극 및 제2전극의 표면에 요철이 형성된 다공성 탄소전극을 사용한 것을 제외하고 실시예 3과 동일한 과정에 의해 실시하였다. 상기와 같은 실험결과 늪지에서 3.3 W/㎡의 전력이 지속적으로 생산될 수 있음을 확인하였다.
A porous carbon electrode having irregularities formed on the surfaces of the first electrode and the second electrode was used in the same manner as in Example 3. As a result of the above experiment, it was confirmed that the electric power of 3.3 W /
[실시예 5][Example 5]
제1전극 및 제2전극의 표면에 요철이 형성된 다공성 탄소전극을 사용하고, 요부에 유기물 기질로 포도당을 충전한 것을 제외하고 실시예 3과 동일한 과정에 의해 실시하였다. 상기와 같은 실험결과 늪지에서 3.5 W/㎡의 전력이 지속적으로 생산될 수 있음을 확인하였다.
The same procedure as in Example 3 was performed except that porous carbon electrodes having irregularities formed on the surfaces of the first electrode and the second electrode were used and the recess was filled with glucose as an organic substance substrate. As a result of the above experiment, it was confirmed that the electric power of 3.5 W /
[실시예 6][Example 6]
제1전극 및 제2전극의 표면에 각각 호기성 미생물(방선균) 및 혐기성 미생물(탈질균) 코팅층 박막을 형성한 것을 제외하고 실시예 5과 동일한 과정에 의해 실시하였다. 상기와 같은 실험결과 늪지에서 3.7 W/㎡의 전력이 지속적으로 생산될 수 있음을 확인하였다.(Actinomycetes) and an anaerobic microorganism (denitrifying bacteria) coating layer were formed on the surfaces of the first electrode and the second electrode, respectively. As a result of the above experiment, it was confirmed that the electric power of 3.7 W /
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It can be understood that
10: 산화층
20: 환원층
100: 제1전극
101: 요철부
102: 유기물 기질
200: 제2전극10: oxide layer
20: reduction layer
100: first electrode
101:
102: organic substrate
200: second electrode
Claims (5)
상기 제1전극 및 제2전극의 표면에 요철이 형성되어 있으며 상기 제2전극에는 혐기성 미생물이 표면에 코팅처리된 것을 특징으로 하는 토양 연료전지.The method according to claim 1,
Wherein a surface of the first electrode and a surface of the second electrode are uneven, and the surface of the second electrode is coated with an anaerobic microorganism.
상기 제1전극 및 제2전극의 표면에 형성된 요부에 유기물 기질이 충전된 것을 특징으로 하는 토양 연료전지.The method of claim 3,
And a recess formed in a surface of the first electrode and the second electrode is filled with an organic substance.
상기 토양의 산화층에 식물이 식재된 것을 특징으로 하는 토양 연료전지.
The method according to claim 1,
A soil fuel cell characterized in that plants are planted in the oxidation layer of the soil.
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