KR101560425B1

KR101560425B1 - 미생물 발전 장치

Info

Publication number: KR101560425B1
Application number: KR1020107012178A
Authority: KR
Inventors: 테츠로 후카세; 노부히로 오리타
Original assignee: 쿠리타 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2015-10-26
Also published as: CN101897069A; US8828567B2; JP5458489B2; JP2009152091A; KR20100095553A; WO2009081730A1; US20100330397A1; CN101897069B

Abstract

미생물을 보유하는 제 1 도전성 충진재(21)를, 통수성을 갖는 블록상의 다공체(예를 들면 두께 3∼20mm정도의 그라파이트 시트)로 구성한다. 제 1 도전성 충진재(21)는 애노드 챔버(11)안에서 그 내부 형상과 거의 동일 형상이 되도록 함에 따라 애노드 챔버(11)안 전체에 존재시킨다. 이에 의해, 전자 공여체를 포함하여 애노드 챔버(11)에 공급되는 원액의 쇼트 패스를 방지하고, 원액이 다공성의 제 1 도전성 충진재(21)를 지나 미생물에 공급되도록 함에 따라, 애노드 챔버(11) 전체에 미생물이 증식할 수 있게 된다. 또한, 바람직하게는 스페이서(18)와 같은 부재를 이용하여, 애노드 챔버(11)와 캐소드 챔버(12)의 사이를 이격시키는 비도전막(15)과 캐소드 챔버(12)에 배치되는 제 2 도전성 충진재(22)를 서로 밀착시킨다. 마찬가지로 제 1 도전성 충진재(21)도 비도전막(15)과 밀착시키는 것이 바람직하다.

Description

미생물 발전 장치{MICROBIOELECTRIC GENERATING DEVICE}

본 발명은, 미생물의 대사 반응을 이용하는 발전 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 유기물을 미생물로 산화 분해시킬 때에 얻어지는 환원력을 전기 에너지로서 도출하는 미생물 발전 장치에 관한 것이다.

최근, 지구환경을 배려한 발전 방법으로의 요구가 높아지고, 미생물 발전의 기술 개발도 진행되고 있다. 미생물 발전은, 미생물이 유기물을 자화(資化)할 때에 얻어지는 환원력을 전기 에너지로서 도출하는 것에 의해 발전하는 방법이다.

일반적으로, 미생물 발전에서는 음극이 배치된 애노드 챔버 내에, 미생물, 미생물로 자화되는 유기물을 공존시킨다. 또, 경우에 따라서는, 전자 전달 매체(전자 미디에이터)는 미생물체 내에 들어가, 미생물이 유기물을 산화해서 발생하는 전자를 받아서 음극으로 전달한다. 음극은 양극과 전기적으로 도통되고 있고, 음극에 전해진 전자는 양극으로 이동하여, 양극과 접하는 전자 수용체로 전달된다. 이러한 전자의 이동에 의해 양극과 음극과의 사이에 전류가 생겨, 전기 에너지가 얻어진다.

미생물 발전에서는, 전자 미디에이터가 미생물체로부터 직접, 전자를 도출하기 때문에, 이론상의 에너지 변환 효율은 높다. 그러나, 실제의 에너지 변환 효율은 낮고, 발전 효율의 향상이 요구되고 있다. 거기에서, 발전 효율을 높이기 위해서, 전극의 재료나 구조, 전자 미디에이터의 종류, 및 미생물종의 선택 등에 대해서 여러 가지 검토 및 개발이 행하여지고 있다.

일본특허공개 2007-95470호 공보

P. Aelterman er al., 2006 ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY vol.40, No.10 3388-3394

일본특허공개 2007-95470호 공보에서는, 미생물이 전자 공여체(유기물)를 산화할 때에 생성되는 전자는, 전자 미디에이터를 통하여 애노드로 도출된다. 이 때문에, 애노드 챔버에는, 전자 공여체뿐만 아니라 전자 미디에이터를 포함하는 원액을 공급할 필요가 있다. 또, 애노드에 관능기를 도입하는 가공이 필요하기 때문에, 애노드의 제조 비용이 높아진다. 따라서, 비용 증가를 초래하지 않고 발전 효율을 향상시키는 새로운 기술이 요구되고 있다. 또, 미디에이터의 종류에 따라서는, 미생물 독성을 가져서, 미생물 반응에 악영향을 끼칠 우려도 있다.

본 발명자들은, 미생물을 보유하는 도전성 충진재를 애노드 챔버 내에 전체적으로 존재시키고, 애노드 챔버 내에서 원액이 쇼트 패스 하는 것을 방지하는 것이, 미생물 발전의 효율향상에 기여하는 것을 발견하였다. 또, 애노드 챔버와 캐소드 챔버를 이격시키는 비전도막을, 애노드 챔버와 캐소드 챔버에 각각 배치되는 전극과 밀착시킴으로서 미생물 반응에 의해 생기는 전자 및 프로톤(H⁺)의 이동을 촉진하고, 발전 효율을 향상시킬 수 있음을 알아냈다. 구체적으로는, 본 발명은 이하를 제공한다.

(1) 미생물을 보유하고 전자 공여체를 포함하는 원액이 공급되는 애노드 챔버와,

전자 수용체가 공급되는 캐소드 챔버와,

대향하는 제 1 면 및 제 2 면을 가지며, 상기 애노드 챔버와 상기 캐소드 챔버와의 사이에 배치되는 비도전막과,

상기 비도전막의 상기 제 1 면에 밀착하여 퍼지는 요철을 갖는 거친면(粗面)을 가지며, 상기 애노드 챔버의 내부와 거의 동일한 형상으로 이루어진 다공체로 구성되어 상기 애노드 챔버 내에 배치된 제 1 도전성 충진재,

상기 비전도막의 상기 제 2 면과 밀착하여 퍼지는 요철을 갖는 거친면을 갖는 제 2 도전성 충진재를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.

(2) 상기 제 1 도전성 충진재의 상기 거친면과 상기 비전도막의 상기 제 1 면의 사이에 미생물층이 형성되고,

상기 원액은 전기 다공체 내부를 통해서 이동하여 상기 미생물층에 공급되는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 미생물 발전 장치.

(3) 상기 제 1 전도성 충진재 및 상기 제 2 전도성 충진재는, 각각의 상기 거친면의 요철이 유지된 상태로, 상기 비도전막에 눌려 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 미생물 발전 장치.

(4) 상기 제 1 전도성 충진재는, 0.01g/㎠ 이상 100g/㎠이하로 가압되어서 상기 비도전막에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 (3)에 기재된 미생물 발전 장치.

(5) 상기 제 1 도전성 충진재는 탄성을 가지고, 상기 애노드 챔버 내부 형상보다 크게 형성되고, 압축되어서 상기 애노드 챔버에 충진되는 것을 특징으로 하는 (4)에 기재된 미생물 발전 장치.

(6) 상기 비도전막과 상기 제 1 도전성 충진재는, 조임 부재에 의해 압접되거나, 또는 상기 애노드 챔버 내에 스페이서를 개재하여 압접되는 것을 특징으로 하는 (4)에 기재된 미생물 발전 장치.

(7) 상기 제 1 도전성 충진재는, 펠트, 그라파이트, 티타늄, 또는 스텐레스 중 적어도 어느 하나를 재료로 하는 다공성 시트, 발포체 또는 동일한 다각형을 나열한 다공체의 어느 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 미생물 발생 장치.

(8) 상기 제 1 도전성 충진재는, 두께가 3mm 이상 40mm이하의 판상으로 형성된 입체인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 미생물 발전 장치.

(9) 상기 입체는, 다공성 그라파이트의 일체형성체, 또는 복수의 다공성 그라파이트 펠트 시트를 맞붙여서 구성된 적층체인 것을 특징으로 하는 (8)에 기재된 미생물 발전 장치.

(10) 상기 적층체는, 도전성 접착제로 접착되어서 맞붙여지는 것을 특징으로 하는 (9)에 기재된 미생물 발전 장치.

(11) 상기 제 2 도전성 충진재는, 판상으로 형성된 입체인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 미생물 발전 장치.

(12) 상기 입체는, 다공성 그라파이트의 일체형성체, 또는 복수의 다공성 그라파이트 시트를 맞붙여서 구성된 적층체인 것을 특징으로 하는 (11)에 기재된 미생물 발전 장치.

(13) 상기 입체는, 다공성 그라파이트의 일체형성체, 또는 복수의 다공성 그라파이트 시트를 맞붙여서 구성된 적층체에 백금, 망간 또는 코발트를 담지시킨 입체인 것을 특징으로 하는 (11)에 기재된 미생물 발전 장치.

(14) 상기 원액은, 질소원 및 인(P)원을 포함하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 미생물 발전 장치.

(15) 상기 원액은, 전자 미디에이터를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 (14)에 기재된 미생물 발전 장치.

(16) 상기 원액은, 유기물 농도 100mg/L 이상 10,000mg/L 이하인 것을 특징으로 하는 (15)에 기재된 미생물 발전 장치.

(17) 상기 애노드 챔버는, 관능기를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 미생물 발전 장치.

(18) 상기 애노드 챔버는, 미생물 농도 1g/L이상의 미생물을 보유하는 것을 특징으로 하는 (17)에 기재된 미생물 발전 장치.

(19) 상기 애노드 챔버는, 상기 원액이 유입되는 유입구 및 상기 원액이 유출되는 유출구를 구비하는 한 쌍의 벽면을 가지고,

복수의 다공성 그라파이트 시트를 맞붙여서 구성된 적층체로 이루어지는 상기 제 1 도전성 충진재가, 적층면을 상기 벽면에 대해서 수직하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 미생물 발전 장치.

(20) 상기 비도전막은 양이온 투과막 또는 음이온 투과막인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 미생물 발전 장치.

본 발명에 따르면, 미생물 발전의 발전 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 미생물 발전 장치의 전체 모식도이다.
도 2는 상기 미생물 발전 장치의 X-X선에서의 단면도이다.
도 3은 상기 미생물 발전 장치의 일부 확대도이다.
도 4는 시험에 이용한 미생물 발전 장치의 구성도이다.

이하, 도면을 참조해서 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다. 이하의 도에 있어서, 동일부품에는 동일부호를 첨부하고, 설명을 생략 또는 간략화한다. 도면은 발명의 구성을 모식적으로 내보이는 것이며, 구성의 일부를 생략 또는 간략화하고 있어, 치수도 실제의 장치와는 반드시 동일하지 않다.

도 1은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 미생물 발전 장치(1)의 개요를 나타내는 사시도이다. 도 2는, 발전 장치(1)의 X-X선에서의 절단면 모식도, 도 3은, 도 2의 일부 확대도이다. 발전 장치(1)는, 2개의 애노드 챔버(11)의 사이에 1개의 캐소드 챔버(12)를 배치한 구성으로 되어 있다. 애노드 챔버(11)와 캐소드 챔버(12)의 사이에는, 비도전막(15)이 배치되어 있다.

비도전막(15)으로서는, 프로톤 선택성이 높은 양이온(cation) 투과막을 적절하게 사용할 수 있고, 예를 들면 듀폰 주식회사제 나피온(등록상표) 등을 사용할 수 있다. 비도전막(15)은, 얇고 튼튼한 것이 바람직하다. 또, 음이온 선택성의 음이온 투과막도 사용할 수 있다.

각 애노드 챔버(11)는 거의 직방체 형상이며, 제 1 도전성 충진재(21)가 내부에 배치되어 있다. 제 1 도전성 충진재(21)는, 도전성 재료(그라파이트, 티타늄, 및 스텐레스 등)로 구성된 입체이고, 애노드 챔버(11) 내에서는, 그 전체 형상이 애노드 챔버(11)의 내부와 거의 동일하도록 되어 있다. 제 1 도전성 충진재(21)는, 두께가 3mm 이상 40mm이하, 특히 5∼20mm 정도인 것이 바람직하고, 다공질이며, 전체에 형성된 공극의 크기는 지름이 0.01∼1mm정도인 것이 바람직하다.

이러한 제1 도전성 충진재(21)로서는, 도전성 재료로 구성된 다공성 시트(예를 들면, 그라파이트 펠트), 도전성 재료로 구성된 발포체, 도전성 재료로 구성되어 동일한 다각형(예를 들면, 4각형, 6각형, 8각형 등)을 나열한 형상의 다공성 입체(예를 들면, 격자나 벌집)를 들 수 있다. 다공성 시트는, 복수매를 도전성 접착제 등으로 접착하여 제 1 도전성 충진재(21)로 하여도 무방하다.

각 애노드 챔버(11)에는, 이러한 제 1 도전성 충진재(21)가 배치되고, 그 내부 전체에 제 1 도전성 충진재(21)를 존재시킨다. 제 1 도전성 충진재(11)는, 애노드 챔버(11) 내부 형상과 실질적으로 동일한 크기로 하는 것으로 애노드 챔버(11) 전체에 제 1 도전성 충진재(11)가 존재하도록 해도 무방하다. 또, 그라파이트 펠트와 같은 탄성을 가지는 도전성 충진재를 애노드 챔버(11) 내부 형상보다 약간 크게 하여 애노드 챔버(11)에 밀어 넣어지도록 하여도 무방하다. 또한, 애노드 챔버(11)보다 약간 작은 도전성 충진재를 애노드 챔버(11)에 배치하고, 스페이서를 극간에 개재하는 것으로 애노드 챔버(11)의 내부를 좁히는 것으로 애노드 챔버(11) 전체에 제 1 도전성 충진재(21)가 존재하도록 하여도 무방하다.

제 1 도전성 충진재(21)는, 그 표면 및 내부에 미생물을 보유한다. 애노드 챔버(11)에 공급된 원액은, 다공성의 제 1 도전성 충진재(21)를 통하여 애노드 챔버(11) 안을 이동하고, 제 1 도전성 충진재(21)에 보유된 미생물에 전자 공여체(유기물)를 공급하게 된다. 다시 말하면, 본 발명에서는 도전성 충진재(21)가 존재하지 않는 공간을 원액이 통과하는 현상(쇼트 패스)이 실질적으로 일어나지 않도록 구성되어 있다.

애노드 챔버(11) 내에서는, 미생물은 주로 제 1 도전성 충진재(21)에 보유된 상태로 전자 공여체로부터 전자를 도출하는 미생물 반응을 수행한다. 이와 같이 쇼트 패스를 방지하면 원액이 미생물에 이용당하지 않고 유출하는 것이 방지되고, 원액은 다공성의 제 1 도전성 충진재(21)의 내부를 통해서 확산하여 미생물에 공급되므로, 미생물 발전의 효율을 올릴 수 있다.

본 실시형태에서는, 4매의 그라파이트 펠트(21A∼21D)를 맞붙여, 전체로서 애노드 챔버(11) 안과 거의 같은 형상의 1장의 판상 다공체가 되도록 한 것을 제 1 도전성 충진재(21)로 하고 있다. 제 1 도전성 충진재(21)는, 비도전막(15)과 마주 보는 면(이하,「접촉면」)(21F)이 비도전막(15)의 제 1 면(15A)과 전면(全面)에 걸쳐 밀착되어 있다. 제 1 도전성 충진재(21)의 접촉면(21F)과 비도전막(15)의 제 1 면(15A)을 전면적으로 서로 밀착시키기 위해, 제 1 도전성 충진재(21)는 접촉면이 굽지 않는 곧은 평면을 이루는 평판 형상인 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 가장 바깥층에 있는 그라파이트 펠트의 하나인 그라파이트 펠트(21D)의 한 쪽 면이 접촉면(21F)으로 되어 있고, 그 면은 굽지 않은 평면이며 거칠다.

제 1 도전성 충진재(21)의 접촉면(21F)과 비도전막(15)의 제 1 면(15A)과는, 가벼운 압력(0.01∼100g/㎠정도, 특히 0.1∼10g/㎠정도)이 걸린 상태로 제 1 도전성 충진재가 비도전막(15)에 압착될 수 있도록 하여 서로 밀착되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제 1 도전성 충진재(21)와 비도전막(15)은, 나사나 클립과 같은 조임 부재를 이용하여 압접해도 무방하다. 또는, 애노드 챔버(11) 안에 스페이서를 개재하거나 제 1 도전성 충진재(21)를 애노드 챔버 내에서 약간 크게 하여 애노드 챔버(11)에 밀려 들어가도록 해도 무방하다. 이 정도의 압착이라면, 전자 공여체의 존재 하에, 제 1 도전성 충진재(21)와 비도전막(15)과의 사이에는 충분한 양의 미생물을 부착할 수 있다. 다공질로 표면이 거친 도전성 충진재의 표면이 미소한 요철이 유지된 상태로 둘이 밀착되도록 하면 더욱 좋다. 즉, 제 1 도전성 충진재(21)와 비도전막(15)을, 접착제와 같은 유동성 재료를 이용해서 일체화해서(즉, 접착하여) 도전성 충진재의 표면의 요철을 메우는 것은 바람직하지 못하다.

또한, 애노드 챔버 내에 도전성 충진재로서 입자 형상의 그라파이트 등을 충진하면, 애노드 챔버 내의 도전성 충진재와 비도전막과의 밀착성을 확보할 수 없고, 애노드 챔버 내에서 원액이 쇼트 패스하기 쉬워진다. 따라서, 제 1 도전성 충진재로서는, 상술한 바와 같이 애노드 챔버 내에 있어서 그 내부 형상과 거의 동일 형상으로 할 수 있는 형성물을 이용한다. 여기서, 형성물로는, 도전성 재료를 발포 등 시켜서 소정의 형상으로 성형한 일체 형성물 뿐만 아니라, 복수의 시트를 적층한 것과 같은 적층물도 포함되게 한다.

상기 제 1 도전성 충진재(21)가 배치된 애노드 챔버(11)에는, 전자 공여체로서 미생물에 의해 산화 분해되어 전자가 도출되는 유기물(예를 들면, 초산)을 포함하는 원액이 공급된다. 원액은, 애노드 챔버(11)에 형성된 유입구로부터 공급되어, 유입구의 반대면에 형성된 유출구에서 배출된다.

전자 공여체를 포함하는 원액으로서는, 전자 공여체가 되는 유기물 외에, 미생물의 영양원인 질소원 및 인(燐)원을 포함하는 것이 바람직하다. 원액으로서는, 여러가지 유기성 폐기물이나 유기성 폐수(하수나 식품배수 등)를 이용할 수 있다. 본 발명에서는, 비표면적이 큰 도전성 다공체를 비도전막(15)과 밀착시켜 미생물층을 둘 사이에 형성시키고, 원액이 다공체를 통과하는 과정에서 미생물에 유기물(전자 공여체)이 공급되도록 구성하고 있다. 이러한 구성으로 하면, 미생물은 전자를 직접, 음극으로 전달한다고 추정되어, 전자 미디에이터를 필요로 하지 않을 수 있다.

미생물 및 유기물은 특히 한정되지 않는다. 애노드 챔버(11)내에서의 미생물반응은 혐기적 조건에서 이루어지나, 애노드 챔버(11)에 보유되는 미생물종은 특히 한정되지 않는다. 애노드 챔버(11)에는, 하수 등의 유기물 함유수를 처리하는 생물처리조로부터 얻어지는 활성 진흙, 하수의 최초 침전지로부터의 유출수에 포함되는 미생물, 혐기성 소화 진흙 등을 식종으로서 공급하여, 미생물을 보유시킬 수 있다. 또, 발전 효율을 높이기 위해서는, 애노드 챔버(11) 안에 보유되는 미생물량은 고농도인 것이 바람직하고, 예를 들면 미생물 농도는 1g/L이상인 것이 바람직하다. 또한, 애노드 챔버(11)에서의 미생물 반응에 의해 산화 분해되는 전자 공여체(유기물)도 어느 정도, 농도가 높은 쪽이 발전 효율을 높일 수 있기 때문에, 애노드 챔버(11)에 공급하는 유입액의 유기물 농도는 100∼10,000mg/L정도가 바람직하다.

유기물은, 미생물에 의해 산화되고, 그 때 발생하는 전자는 제 1 도전성 충진재(21)를 음극으로 하여 애노드 챔버(11) 밖으로 도출된다. 제 1 도전성 충진재(21)는, 상술한 바와 같이, 도전성 재료로 구성된 다공체로, 음극으로서 기능한다. 제 1 도전성 충진재(21)의 두께가 3mm미만이면 미생물의 보유량이 적어진다. 한편, 제 1 도전성 충진재(21)의 두께가 40mm를 넘으면 미생물반응으로 생긴 프로톤의 이동이 율속(rate controlling)된다. 이 결과, 미생물 발전에는 기여하지 않는 미생물(황산 환원균이나 메탄 발효균)이 애노드 챔버(11)를 지배하기 쉬워지기 때문에 바람직하지 못하다.

본 실시 형태에서는, 하나의 제 1 도전성 충진재(21)를 구성하는 4매의 그라파이트 펠트(21A∼D)는, 애노드 챔버의 유입구와 유출구가 설치된 한 쌍의 벽면에 대하여 병렬로 나열되어 벽면과 직교하도록 배치되어 있다. 따라서, 유입구로부터 공급된 액은, 각 그라파이트 펠트의 표면을 전하도록 마주 보는 그라파이트 펠트끼리의 사이를 흐르고, 동시에 그라파이트 펠트 내부를 통해서 확산하여 미생물에 공급된다. 미생물은, 애노드 챔버(11)에 있어서, 유입구로부터 공급되어 유출구에서 유출하는 액중에 포함되는 유기물을 전자 공여체로 하는 미생물 반응을 수행한다.

미생물에 의한 유기물의 산화 분해에 의해 얻어진 전자를 도출하기 위하여, 각 그라파이트 펠트(21A∼21D)에는, 애노드 인출선(23)이 접속되어 있다. 애노드 인출선(23)은, 금속선 등의 도전성 재료로 구성된다. 애노드 인출선(23)은, 도통선(17)을 개재하여 후술하는 캐소드 인출선(24)과 전기적으로 접속되어 있다. 이 구성에 의해, 애노드 챔버(11)에서 생성된 전자는, 제 1 도전성 충진재(21), 애노드 인출선(23), 도통선(17), 및 캐소드 인출선(24)을 거쳐 캐소드 챔버(12)로 보내진다.

캐소드 챔버(12)에는, 양극으로서 기능하는 제 2 도전성 충진재(22)가 배치되어 있다. 제 2 도전성 충진재(22)를 구성하는 소재는, 전자 수용체의 종류에 따라 적절히 선택하면 된다. 예를 들면, 산소를 전자 수용체로 할 경우는 백금을 이용하는 것이 바람직하고, 예를 들면 그라파이트 펠트를 기재로 하여 백금, 망간, 또는 코발트를 담지시키면 좋다. 전자 수용체로 하는 물질의 종류에 따라서는 저렴한 그라파이트 전극을 그대로(즉, 백금 등의 촉매 금속을 담지시키지 않고) 양극으로서 사용해도 좋다.

제 2 도전성 충진재(22)에는 캐소드 인출선(24)이 접속되어 있다. 또, 제 2 도전성 충진재(22)는, 비도전막(15)의 제 2 면(15B)과 전면(全面)에 걸쳐 밀착되어 있다. 제 2 도전성 충진재(22)는, 비도전막(15)을 향하는 면이 거칠고, 제 2 면(15B)에 밀착하도록, 제 1 도전성 충진재(21)와 마찬가지로 굽지 않은 곧은 평면을 갖는 평판 형상인 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 제 2 도전성 충진재(22)는, 1매의 그라파이트 펠트로 구성되어, 그 두께는 2∼5mm, 특히 3mm정도이며, 제 2 도전성 충진재(22)를 향하는 면은, 미소한 요철을 갖는 거친 면으로, 굽지 않은 평면이다.

제 2 도전성 충진재(22)는, 비도전막(15)과 될 수 있는 한 밀착하여 접하고 있는 것이 바람직하다. 제 2 도전성 충진재(22)와 비도전막(15)을 밀착시킴으로서, 비도전막(15)을 개재하여 애노드 챔버(11)로부터 H⁺를 이동시켜서 캐소드 챔버(12)에서 환원하는 반응을 촉진할 수 있다. 제 2 도전성 충진재(22)와 비도전막(15)을 밀착시키기 위해, 둘을 조임 부재를 개재하여 밀착시켜도 무방하고, 용착이나 접착제의 도포 등에 의해 접착해도 무방하다. 또, 캐소드 챔버(12)안에 스페이서를 개재하거나, 제 2 도전성 충진재(22)를 캐소드 챔버 내 보다 약간 크게 해서 캐소드 챔버(12)에 밀어 넣어지도록 해도 무방하다. 캐소드 챔버(12)에서의 환원 반응은 미생물 반응을 이용하여 수행해도 무방하나, 미생물을 이용하지 않는 경우는, 캐소드 챔버(12)에 미생물을 보유할 필요가 없다. 이 때문에, 제 2 도전성 충진재(22)는 접착제 등을 이용해서 비도전막(15)과 접착해도 무방하다.

제 2 도전성 충진재(22)는, 적어도 비도전막(15)과 접하는 면이 미소한 요철이 형성된 거친 면인 것이 바람직하다. 도전성 재료로 구성된 다공체(예를 들면, 그라파이트 펠트)는, 전체에 공극이 형성되어 표면은 공극 유래의 미소한 요철이 있는 거친 면으로 되며, 양극 용액이 다공체 내부를 지나 확산하기 때문에, 제 1 도전성 충진재(21)로서 뿐만 아니라 제 2 도전성 충진재(22)로서도 적절히 사용할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 캐소드 챔버(12)에는 전자 수용체로서 헥사시아노 산철(II)칼륨(페리시안화 칼륨)을 포함하는 액(양극 용액)을 공급하는 것으로 하고, 양극으로서 기능하는 제 2 도전성 충진재(22)로서는, 그라파이트 펠트를 사용하고 있다. 전자 수용체로서는 이외에 망간, 철, 및 초산 등을 이용해도 무방하고, 이 경우도 캐소드로서는 그라파이트 펠트와 같은 다공성의 그라파이트를 사용하면 좋다.

애노드 챔버(11)에서는, 전자 공여체가 되는 유기물과, 바람직하게는 미생물의 영양원을 포함하는 원액을 공급하고, 애노드 챔버(11) 안의 액의 pH를 7이상 9이하로 유지하여 미생물 반응에 의해 전자와 프로톤을 생성시킨다. 애노드 챔버(11)의 온도 조건은 상온으로부터 중고온, 구체적으로는 10℃∼70℃정도로 하는 것이 바람직하다. 전자 공여체로서 초산이 이용되는 경우라면, 하기 화학식에 나타낸 반응에 의해 이산화탄소, H⁺, 및 전자가 생성된다.

[화학식 1]

CH₃COOH+2H₂O→2CO₂+8H⁺+8e^-

생성된 H⁺는, 양이온(cation)을 투과시키는 비도전막(15)을 지나 캐소드 챔버(12)로 이동시킨다. 한편, 캐소드 챔버(12)에는, 양극용액으로서 전자 수용체 (예를 들면 페리시안화 칼륨)를 10∼200mM 정도 포함하고, 인산 버퍼를 포함하는 액을 공급하고, 전자와 프로톤(proton)과 전자 수용체를 반응시킨다. 캐소드 챔버 (12)에는 양극 용액 대신하여 산소를 포함하는 가스를 통기하여도 무방하고, 인산 버퍼를 충진해서 산소를 불어 넣어 산소를 전자 수용체로서 전자 및 프로톤과 반응시켜도 무방하다.

전자 수용체로서 페리시안화 칼륨을 이용하는 경우는, 캐소드 챔버(12)에서는 하기 화학식에 의한 환원 반응에 의해 전자와 프로톤이 소비된다.

[화학식 2]

8Fe(CN)₆ ^3-+8e^-+8H⁺→8FeH(CN)₆ ^3-

양극으로서 예를 들면 백금을 사용하는 등으로 하여 산소를 전자 수용체로 하는 경우라면, 하기 화학식에 의한 환원 반응을 시켜도 무방하다.

[화학식 3]

2O₂+8H⁺+8e^-→4H₂O

이러한 반응에 의해 애노드 챔버(11)에서 생성된 전자는 음극으로서 기능하는 제 1 도전성 충진재(21)로부터 도출되고, 애노드 인출선(23)과 캐소드 인출선 (24)을 통해서 제 2 도전성 충진재(22) 측에 보내진다. 이 과정에서 제 1 도전성 충진재(21)(음극)와 제 2 도전성 충진재(22)(양극)와의 사이에 전류가 흐르고, 발전할 수 있다.

[실시예 1]

실시예 1로서 도 4에 나타낸 미생물 발전 장치(2)를 작성했다. 발전 장치(2)는, 2개의 양극용 제2 도전성 충진재(22)로 1개의 음극용의 제 1 도전성 충진재(21)를 끼우는 구성으로 하고, 전체로 용적 1050mL, 애노드 챔버(11)의 용적은 700mL, 각 캐소드 챔버(12)의 용적은 175mL로 하였다. 발전 장치(2)에는, 애노드 챔버(11)로부터의 배출액을 순환시키는 순환조를 구비하는 순환로(30)를 설치하고, 순환로를 흐르는 액의 pH를 조정하는 pH조정 수단(31)을 설치하고, 애노드 챔버(11)안의 액의 pH가 7이상 9이하로 유지되도록 하였다. pH조정 수단(31)으로서는, 알칼리 주입 장치를 이용하였다.

제 1 도전성 충진재(21)는, 발전 장치(1)와 마찬가지로 두께 1cm의 그라파이트 펠트(도요 카본 주식회사제) 4매를 도전성 접착제로 맞붙여서 구성하였다. 접착제는, 그라파이트 펠트의 면에 부분적으로(면전체의 10%정도) 도포하는 것(소위 「바탕 칠」을 피하는 것)으로, 서로 마주 보는 그라파이트 펠트의 면이 미소한 요철이 접착제로 메워지지 않도록 하였다.

각 그라파이트 펠트는 크기가 250mm× 70mm의 장방 형상이며, 양쪽 표면은 거친면이다. 제 1 도전성 충진재(21)는 전체의 체적이 700cm³이고, 애노드 챔버(11) 안과 거의 동일 형상으로 이루어지고, 애노드 챔버(11) 안에는 공간이 실질적으로 존재하지 않는다. 따라서, 애노드 챔버(11)에 공급된 액은 제 1 도전성 충진재(21)를 지나 흐르고, 쇼트 패스는 실질적으로 일어나지 않는다. 애노드 챔버(11)에는 종균으로서 하수처리장의 생물 처리조로부터 채취한 활성 진흙을 첨가해서 배양하고 각 그라파이트 펠트 표면에 미생물을 부착시켰다. 이에 의해, 애노드 챔버(11)안에는 4층의 그라파이트 펠트층과 5층의 미생물층(16)이 형성되어, 애노드 챔버(11)내의 미생물 농도는 약 2,200mg/L이었다.

한편, 양극용 제 2 도전성 충진재(22)는 각각, 두께 3mm의 그라파이트 펠트 1매로 구성했다. 제 2 도전성 충진재(22)는, 두께가 다른 이외에는 음극용의 그라파이트 펠트와 같은 구성이며, 양쪽 표면은 거친면이다.

음극용 제 1 도전성 충진재(21)와 양극용 제 2 도전성 충진재(22)와의 사이에는 비도전막(15)로서 양이온(cation) 투과막(듀폰 주식회사제 상품명「나피온」)을 배치했다. 애노드 챔버(11)에는 두께 5mm의 벌집 스페이서(도면에서는 생략)를 넣고, 제 1 도전성 충진재(21)를 비도전막(15)에 누르도록 해서 비도전막과 밀착시켰다. 제 2 도전성 충진재(22)도, 두께 5mm의 벌집 스페이서(18)를 이용해서 제 2 도전성 충진재(22)를 비도전막(15)에 누르도록 해서 비도전막(15)과 밀착시켰다.

캐소드 챔버(12)에는, 제 2 도전성 충진재(22)의 표면 중, 비도전막(15)과 접하는 측과 반대측에, 양극 용액이 통액되는 액실(26)을 설치했다. 액실에는, 전자 수용체로서 50mM의 페리시안화 칼륨과 인산 버퍼를 포함하는 양극 용액을 70mL/min의 유입량이 되도록 공급했다. 한편, 애노드 챔버(11)에는, 1,000mg/L의 농도의 초산과, 50mM의 농도의 인산 버퍼, 및 염화 암모니아를 포함하는 원액을 70mL/min의 유입량으로 공급했다.

제 1 도전성 충진재(21)에는 애노드 인출선(23)을 접속하고, 제 2 도전성 충진재(22)에는 캐소드 인출선(24)을 접속하고, 애노드 인출선(23)과 캐소드 인출선 (24)을 전기적으로 도통시켰다. 애노드 인출선(23)과 캐소드 인출선(24)과는 스텐레스제 와이어로 구성했다.

상기 조건으로 미생물 발전을 수행했더니, 발생한 전압은 310mV, 전류는 1120mA이었다. 즉, 애노드 단위용적당 발전량은, 496W/m³이었다. 이 때, 회로의 저항은, 0.5Ω이었다.

[실시예 2]

실시예 2에서는, 실시예 1에서 채용한 제 1 도전성 충진재 대신, 1매의 그라파이트 펠트(두께 3mm)를 단독으로 제 1 도전성 충진재로서 이용했다. 이에 맞추어, 애노드 챔버(11)의 크기를 52.5mL로 해서 제 1 도전성 충진재로서 이용하는 그라파이트 펠트가 애노드 챔버 전체에 충진되도록 했다. 기타의 조건은 실시예 1과 동일하게 해서 미생물 발전을 했더니, 발생한 전압은 305mV, 전류는 610mA이었다. 이 때, 회로의 저항은, 0.5Ω이었다.

[비교예 1]

비교예 1로서, 실시예 2에서 이용한 두께 3mm의 그라파이트 펠트 1매를 용적 700mL의 애노드 챔버(실시예 1의 애노드 챔버와 같은 크기의 애노드 챔버)에 배치했다. 또, 제 2 도전성 충진재와 비도전막 사이에 개재한 스페이서를 떼어내었다. 그 외의 조건은 실시예 1과 동일하게 하여 미생물 발전을 했더니, 발생한 전압은 310mV, 전류는 15.5mA이었다. 이 때, 회로의 저항은, 20Ω이었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 미생물을 이용해서 높은 발전 효율로 발전할 수 있는 것으로 나타났다.

11 : 애노드 챔버 12 : 캐소드 챔버
15 : 비도전막 21 : 제1 도전성 충진재
22 : 제2 도전성 충진재

Claims

미생물을 보유하고 전자 공여체를 포함하는 원액이 공급되는 애노드 챔버;
전자 수용체가 공급되는 캐소드 챔버;
대향하는 제 1 면 및 제 2 면을 가지며, 상기 애노드 챔버와 상기 캐소드 챔버와의 사이에 배치되는 비도전막;
상기 비도전막의 상기 제 1 면에 밀착하여 퍼지는 요철을 갖는 거친면을 가지며, 상기 애노드 챔버의 내부와 동일한 형상으로 이루어진 다공체로 구성되어 상기 애노드 챔버 내에 배치된 제 1 도전성 충진재; 및
상기 비도전막의 상기 제 2 면과 밀착하여 퍼지는 요철을 갖는 거친면을 갖는 제 2 도전성 충진재를 포함하는 미생물 발전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 도전성 충진재의 상기 거친면과 상기 비도전막의 상기 제 1 면의 사이에 미생물층이 형성되고,
상기 원액은 상기 다공체 내부를 통해서 이동하여 상기 미생물층에 공급되는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 도전성 충진재 및 상기 제 2 도전성 충진재는, 각각의 상기 거친면의 요철이 유지된 상태로, 상기 비도전막에 눌려 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 도전성 충진재는, 0.01g/㎠ 이상 100g/㎠ 이하로 가압되어서 상기 비도전막에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 도전성 충진재는 탄성을 가지며, 상기 애노드 챔버 내부 형상보다 크게 형성되어, 압축되어서 상기 애노드 챔버에 충진되는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 비도전막과 상기 제 1 도전성 충진재는, 조임 부재에 의해 압접되거나, 또는 상기 애노드 챔버 내에 스페이서를 개재하여 압접되는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 도전성 충진재는, 펠트, 그라파이트, 티탄, 또는 스텐레스 중 적어도 어느 하나를 재료로 하는 다공성 시트, 발포체 또는 동일한 다각형을 나열한 다공체의 어느 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 도전성 충진재는, 두께가 3mm 이상 40mm 이하의 판상으로 형성된 입체인 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 입체는, 다공성 그라파이트의 일체형성체, 또는 복수의 다공성 그라파이트 펠트 시트를 맞붙여서 구성된 적층체인 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 적층체는, 도전성 접착제로 접착되어서 맞붙여지는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 도전성 충진재는, 판상으로 형성된 입체인 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 입체는, 다공성 그라파이트의 일체형성체, 또는 복수의 다공성 그라파이트 시트를 맞붙여서 구성된 적층체인 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 입체는, 다공성 그라파이트의 일체형성체, 또는 복수의 다공성 그라파이트 시트를 맞붙여서 구성된 적층체에 백금, 망간 또는 코발트를 담지시킨 입체인 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 원액은, 질소원 및 인(P)원을 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 14 항에 있어서,
상기 원액은, 전자 미디에이터를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 원액은, 유기물 농도가 100mg/L 이상 10,000mg/L 이하인 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 애노드 챔버는, 관능기를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 17 항에 있어서,
상기 애노드 챔버는, 미생물 농도 1g/L 이상의 미생물을 보유하는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 애노드 챔버는, 상기 원액이 유입되는 유입구 및 상기 원액이 유출되는 유출구를 구비하는 한 쌍의 벽면을 가지고,
복수의 다공성 그라파이트 시트를 맞붙여서 구성된 적층체로 이루어지는 상기 제 1 도전성 충진재가, 적층면을 상기 벽면에 대해서 직교하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 비도전막은 양이온 투과막 또는 음이온 투과막인 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.