KR101714399B1 - Regenerative electrochemical bio fuel cell - Google Patents

Regenerative electrochemical bio fuel cell Download PDF

Info

Publication number
KR101714399B1
KR101714399B1 KR1020140187792A KR20140187792A KR101714399B1 KR 101714399 B1 KR101714399 B1 KR 101714399B1 KR 1020140187792 A KR1020140187792 A KR 1020140187792A KR 20140187792 A KR20140187792 A KR 20140187792A KR 101714399 B1 KR101714399 B1 KR 101714399B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
storage unit
hydrogen
photovoltaic cell
oxygen
electricity
Prior art date
Application number
KR1020140187792A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20160077646A (en
Inventor
김미선
김민진
곽지혜
구기영
김희연
송희은
황혜미
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020140187792A priority Critical patent/KR101714399B1/en
Publication of KR20160077646A publication Critical patent/KR20160077646A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101714399B1 publication Critical patent/KR101714399B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M14/00Electrochemical current or voltage generators not provided for in groups H01M6/00 - H01M12/00; Manufacture thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02B90/10Applications of fuel cells in buildings
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

본 발명은 재생형 바이오 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광 발전이 가능할 때는 태양광을 이용하여 전기를 생산하고, 태양광을 이용하여 전기를 생산함과 동시에 생산된 수소와 산소를 저장하며, 태양광이 충분하지 못하거나 야간에는 저장된 수소/산소를 연료전지에 공급하여 전기를 생산할 수 있는재생형 바이오 연료전지를 제공한다.The present invention relates to a regeneration type biofuel cell, and more particularly, to a regeneration type biofuel cell that generates electricity using solar light when solar power generation is possible, generates electricity using solar light, And provides a regenerative biofuel cell capable of producing electricity by supplying hydrogen / oxygen stored in nighttime to the fuel cell in the absence of sufficient sunlight.

Description

재생형 바이오 연료전지 {REGENERATIVE ELECTROCHEMICAL BIO FUEL CELL}[0001] REGENERATIVE ELECTROCHEMICAL BIO FUEL CELL [0002]

본 발명은 재생형 바이오 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광 발전이 가능할 때는 태양광을 이용하여 전기를 생산하고, 태양광을 이용하여 전기를 생산함과 동시에 생산된 수소와 산소를 저장하며, 태양광이 충분하지 못하거나 야간에는 저장된 수소/산소를 연료전지에 공급하여 전기를 생산할 수 있는 재생형 바이오 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a regeneration type biofuel cell, and more particularly, to a regeneration type biofuel cell that generates electricity using solar light when solar power generation is possible, generates electricity using solar light, The present invention relates to a regenerative biofuel cell capable of producing electricity by supplying hydrogen / oxygen stored in nighttime to a fuel cell.

산업 혁명 이후 에너지로 쓰인 화석연료는 매장량에 한계가 있으며 재생이 되지 않고, 또한 화석연료의 과도한 사용은 이산화탄소의 발생으로 지구 온난화를 초래하게 됨으로써 각종 환경 문제를 유발하고 있을 뿐만 아니라, 제한적인 매장량으로 인해 새로운 대체 에너지원의 개발이 시급한 실정이다.Since the Industrial Revolution, fossil fuels used as energy have limited reserves and are not regenerated. Excessive use of fossil fuels causes global warming due to the generation of carbon dioxide, thereby causing various environmental problems. Therefore, it is urgent to develop new alternative energy sources.

이러한 대체 에너지원으로서 , 특히 태양 에너지는 지구상 모든 생명체의 에너지원이며, 대체 에너지로 활용하기 위해서 집중적으로 연구되고 있다. 또한, 수소는 종래의 화석연료와 같이 저장이 용이하고, 물이나 유기물질로부터 제조될 수 있으며, 공해 발생이 거의 없기 때문에, 세계 각국은 수소를 효율적으로 제조하는 동시에 간편하게 저장할 수 있는 방법을 개발하기 위해 각축을 벌이고 있다.As an alternative energy source, especially solar energy, it is an energy source of all life on earth and is being intensively studied for use as alternative energy. In addition, since hydrogen can be easily stored like a conventional fossil fuel, can be produced from water or an organic material, and has little pollution, countries around the world can develop a method for efficiently producing hydrogen and simultaneously storing hydrogen It is making a concerted effort.

수소를 제조함에 있어서, 향후 수소경제가 도래하는 시기에 궁극적인 원료는 물이 될 것으로 예상되고 있으며, 전기분해 또는 광화학적 수소제조공정이 필요하게 될 것이다. 그런데, 물 분해를 통한 수소제조공정에는 대량의 수자원의 투입이 이루어져야 하기 때문에 전세계적인 물 부족 사태를 야기할 수도 있다는 예측이 나오고있다.In the production of hydrogen, it is expected that the ultimate raw material will be water at the time when the hydrogen economy comes, and electrolytic or photochemical hydrogen production processes will be required. However, there is a prediction that the hydrogen production process through water decomposition may cause a global water shortage because a large amount of water resources must be input.

현재 지구 전체의 물 사용량은 음용수와 농업용수 및 공업용수를 포함하여 약 272조 리터로 추산되며, 수소경제가 도래할 2030년대의 물 소비량은 이보다 최대 두 배에 이를 것으로 예상된다. 따라서, 지구의 전체 수자원 중 약 2 ~ 3%에 해당하는 담수 자원만을 수소제조용 원료로 사용하게 되면 물부족 현상은 분명히 현실화될 것이기 때문에, 자연에 존재하는 가장 풍부한 자원인 해수(海水)를 원료로 하는 수소제조공정이 필요하다.Currently, the global water use is estimated to be about 272 trillion liters, including drinking water, agricultural water and industrial water, and water consumption in the 2030s is expected to double by the time the hydrogen economy will arrive. Therefore, if only 2 ~ 3% of the total water resources of the Earth are used as raw materials for hydrogen production, water shortage phenomenon will surely come true. Therefore, the most abundant resource in nature is seawater A hydrogen production process is required.

현재도 일부 전기분해 공정에서 해수로부터 수소를 제조하거나 부산물을 얻는 공정이 이용되고는 있으나, 효율이 낮고, 전기를 별도의 에너지원으로 필요로 한다는 단점이 있다. 또한, 자연에너지원인 태양광을 이용한 광화학적 수소제조방법도 있는데, 이는 순수 물분해에 의한 효율이 떨어지므로 다양한 첨가물을 통해 그 효율을 높이고 있다. 한편, 해수 중에는 다양한 이온성분이 존재하므로, 이를 광화학적 수소제조용 전해질로 이용한다면 향후 수소제조에 필요한 수자원의 효과적인 활용에 크게 기여하게 될 것으로 예상된다.
Currently, in some electrolysis processes, the process of producing hydrogen from seawater or obtaining byproducts is used, but the efficiency is low and electricity is required as a separate energy source. In addition, there is a photochemical hydrogen production method using sunlight which is a natural energy source. Since efficiency of pure water decomposition is low, efficiency is improved through various additives. On the other hand, if there are various ion components in seawater, if it is used as an electrolyte for photochemical hydrogen production, it is expected to contribute to effective utilization of water resources required for hydrogen production in the future.

한국공개특허 [10-2012-0119270]에서는 백금이 담지된 나노튜브구조의 티타니아 캐소드, 자연해수 및 멤브레인으로부터 제조된 농축 해수전해질을 이용한 광전기화학적 수소제조장치 및 그 제조방법이 개시되어 있다.
Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2012-0119270 discloses a photoelectrochemical hydrogen production apparatus using a concentrated sea water electrolyte prepared from a titania cathode having a nanotube structure carrying platinum, natural sea water, and a membrane, and a method for manufacturing the same.

한국공개특허 [10-2012-0119270](공개일자: 2012. 10. 31)Korean Published Patent [10-2012-0119270] (Open date: October 31, 2012)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 태양광 발전이 가능할 때는 태양광을 이용하여 전기를 생산하고, 태양광을 이용하여 전기를 생산함과 동시에 생산된 수소와 산소를 저장하며, 태양광이 충분하지 못하거나 야간에는 저장된 수소/산소를 연료전지에 공급하여 전기를 생산할 수 있는 재생형 바이오 연료전지를 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a solar power generation system, a solar power generation system, The present invention provides a regenerative biofuel cell capable of storing hydrogen and oxygen produced therein, producing insufficient sunlight, or supplying hydrogen / oxygen stored at night to a fuel cell to produce electricity.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 재생형 바이오 연료전지는, 태양광을 받아 전기, 수소 및 산소를 생산하는 광바이오 전지(PBEC, Photo-Bioelectrochemical cell)(100); 상기 광바이오 전지(100)와 연결되어, 상기 광바이오 전지(100)로부터 생산된 수소가 저장되는 수소저장부(200); 상기 광바이오 전지(100)와 연결되며, 상기 광바이오 전지(100)로부터 생산된 산소가 저장되는 산소저장부(300); 상기 수소저장부(200) 및 산소저장부(300)와 연결되며, 상기 수소저장부(200) 및 산소저장부(300)에 저장된 수소 및 산소를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지부(400); 상기 연료전지부(400)와 연결되며, 상기 연료전지부(400)로부터 생성된 물이 저장되는 물저장부(500); 및 상기 광바이오 전지(100), 수소저장부(200), 산소저장부(300), 연료전지부(400) 및 물저장부(500)와 연결되며, 상기 광바이오 전지(100), 수소저장부(200), 산소저장부(300), 연료전지부(400) 및 물저장부(500)를 제어하는 제어부(600);를 포함하되, 상기 물저장부(500)에 저장된 물이 상기 광바이오 전지(100)에 공급되는 것을 특징으로 한다.To achieve the above object, a regenerative biofuel cell according to an embodiment of the present invention includes a photo-bioelectrochemical cell (PBEC) 100 for generating electricity, hydrogen and oxygen by receiving sunlight, ; A hydrogen storage unit 200 connected to the photovoltaic cell 100 to store hydrogen produced from the photovoltaic cell 100; An oxygen storage unit 300 connected to the photovoltaic cell 100 and storing oxygen produced from the photovoltaic cell 100; A fuel cell unit 400 connected to the hydrogen storage unit 200 and the oxygen storage unit 300 and generating electricity using hydrogen and oxygen stored in the hydrogen storage unit 200 and the oxygen storage unit 300, ; A water storage part 500 connected to the fuel cell part 400 and storing water generated from the fuel cell part 400; And a water storage unit 500 connected to the photovoltaic cell 100, the hydrogen storage unit 200, the oxygen storage unit 300, the fuel cell unit 400, and the water storage unit 500, And a control unit 600 controlling the fuel cell unit 200, the oxygen storage unit 300, the fuel cell unit 400, and the water storage unit 500, Is supplied to the bio-cell (100).

또한, 상기 광바이오 전지(100)는 광 감응제(111)가 도포된 음극부(110); 수소생산 효소(121)가 도포된 양극부(120); 및 프로톤(proton)만 음극에서 양극으로 넘어갈 수 있도록 상기 음극부(110)와 양극부(120) 사이에 구비된 전해질레이어(130);를 포함하는 것을 특징으로 한다.The photovoltaic cell 100 includes a cathode 110 coated with a photosensitive material 111; An anode part 120 to which hydrogen producing enzyme 121 is applied; And an electrolyte layer 130 provided between the cathode 110 and the anode 120 so that only the protons can pass from the cathode to the anode.

또, 상기 광 감응제(111)는 식물 또는 광합성 미생물로부터 추출한 엽록소, 광합성 미생물, n-type metal oxide 광촉매, dye-sensitized TiO2, Zn porphyrins 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.The photosensitizer 111 may be any one selected from chlorophyll, photosynthetic microorganism, n-type metal oxide photocatalyst, dye-sensitized TiO2, and Zn porphyrins extracted from plants or photosynthetic microorganisms.

또한, 상기 전해질레이어(130)는 프로톤만을 선택적으로 통과시키는 막인 것을 특징으로 한다.In addition, the electrolyte layer 130 is a membrane that selectively passes only protons.

아울러, 상기 제어부(600)는 상기 광바이오 전지(100)로부터 생산되는 전기가 외부에서 요구하는 기설정된 전기출력의 기준치 이상 생산되면, 상기 광바이오 전지(100)만 이용하여 전기를 생산하며, 상기 광바이오 전지(100)로부터 생산되는 전기가 외부에서 요구하는 기설정된 전기출력의 기준치 미만 생산되면, 상기 연료전지부(400)로부터 전기를 생산하는 것을 특징으로 한다.
In addition, when the electricity generated from the photovoltaic cell 100 is produced by a predetermined amount or more of a predetermined electrical output required by the outside, the control unit 600 generates electricity using only the photovoltaic cell 100, When the electricity generated from the photovoltaic cell 100 is produced to be less than a predetermined value of the predetermined electric power required from the outside, electricity is generated from the fuel cell unit 400.

본 발명의 일 실시예에 따른 재생형 바이오 연료전지에 의하면, 태양광 발전 및 수소/산소를 생산하는 수전해를 하나의 광바이오 전지로 통합함으로써, 시스템의 부피 및 무게를 감소시킬 수 있고, 태양광 사용 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.According to the regenerative biofuel cell according to an embodiment of the present invention, the volume and weight of the system can be reduced by integrating the photovoltaic power generating sunlight and hydrogen / oxygen into a single photovoltaic cell, There is an effect that the light use efficiency can be increased.

또한, 발전 측면에서는 태양광 발전 및 연료전지를 이용한 발전을 병행함으로써, 태양광을 이용한 발전이 가능할 경우에는 태양광을 이용한 발전을 하고, 그렇지 못할 경우에는 연료전지를 이용한 발전을 함으로써, 지속적인 전기 생산이 가능한 효과가 있다.In addition, from the viewpoint of power generation, by using solar power generation and fuel cell power generation in parallel, power generation using sunlight is possible when solar power generation is possible, and power generation using fuel cells when not possible, There is a possible effect.

또한, 기존 수전해 시스템에 사용되는 귀금속 촉매 대신 저가의 광 감응제를 적용함으로써, 시스템 가격을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the cost of the system can be reduced by applying a low-priced photosensitizer instead of the noble metal catalyst used in the existing water electrolysis system.

여기서, 광 감응제는 식물 또는 미생물에서 유래하며, 그 자체이거나 또는 추출 제조한 엽록소를 적용할 수 있다. 또는 이와 유사한 작용을 하는 염료 감응제의 예를 들자면, TiO2와 결합한 N719 색소를 사용할 수 있다.Here, the photosensitizer is derived from plants or microorganisms, and chlorophyll itself or extracted chloroplast can be applied. As an example of a dye sensitizer having a similar function to that of the dye sensitizer, N719 dye combined with TiO2 can be used.

아울러, 이산화탄소 배출이 없는 전기 생산으로 온실가스 저감 효과가 있다.
In addition, there is an effect of reducing greenhouse gases by producing electricity without carbon dioxide emissions.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생형 바이오 연료전지의 개념도.
도 2는 광바이오 전지(PBEC)(100)의 개념도.
1 is a conceptual view of a regenerative biofuel cell according to an embodiment of the present invention;
2 is a conceptual diagram of a photovoltaic cell (PBEC) 100;

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concept of the term appropriately in order to describe its own invention in the best way. The present invention should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Further, it is to be understood that, unless otherwise defined, technical terms and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted. The following drawings are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the following drawings, but may be embodied in other forms. In addition, like reference numerals designate like elements throughout the specification. It is to be noted that the same elements among the drawings are denoted by the same reference numerals whenever possible.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생형 바이오 연료전지의 개념도이고, 도 2는 광바이오 전지(PBEC, Photo-Bioelectrochemical cell)(100)의 개념도이다.FIG. 1 is a conceptual diagram of a regenerative biofuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a conceptual diagram of a photo-bioelectrochemical cell (PBEC) 100.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생형 바이오 연료전지는 광바이오 전지(100), 수소저장부(200), 산소저장부(300), 연료전지부(400), 물저장부(500) 및 제어부(600)를 포함하되, 상기 물저장부(500)에 저장된 물이 상기 광바이오 전지(100)에 공급되는 것을 특징으로 한다.1, a regenerative biofuel cell according to an embodiment of the present invention includes a photovoltaic cell 100, a hydrogen storage unit 200, an oxygen storage unit 300, a fuel cell unit 400, A water storage unit 500 and a control unit 600. The water stored in the water storage unit 500 is supplied to the photovoltaic cell 100. [

광바이오 전지(100)는 태양광을 받아 전기, 수소 및 산소를 생산한다.The photovoltaic cell 100 receives electricity from the sunlight to produce electricity, hydrogen and oxygen.

PBEC는 미생물의 광합성 작용중의 전자 이동을 외부로 유도하기 위하여 발명한 것으로, PBEC는 이전에 광 전기화학전지(photosynthetic electrochemical cell, PEC)라는 명칭으로 초기 개발 되었다. PBEC 시스템은 양이온 교환 막(proton exchange membrane, PEM)에 의해 음극부와 양극부로 나뉘어져 있고 외부회로를 통해 전자가 이동된다. 음극부에는 광합성기구가 포함 되어있는 시료를 적용 시킨다. PBEC was invented to induce the electron transfer during the photosynthetic action of microorganisms to the outside, and PBEC was previously developed with the name of photosynthetic electrochemical cell (PEC). The PBEC system is divided into a cathode part and a cathode part by a proton exchange membrane (PEM), and electrons are transferred through an external circuit. A sample containing photosynthesis mechanism is applied to the cathode part.

보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.This will be described in more detail as follows.

PBEC는 빛이 존재하면 엽록소의 틸라코이드 막 안에 있는 광합성 기구를 통해 H2O로부터 유래된 전자가 이동되며 동시에 O2와 수소이온이 발생 한다. 산화·환원 매개체가 전자와 수소 이온을 틸라코이드 막 으로부터 음극으로 이동 시킨다. 음극의 전자는 외부 회로를 통해 양극으로 전달되고 수소이온은 양이온 교환 막을 통과 하여 양극부로 이동한다. 양극부에서는 전자 수용체인 Fe(Ⅲ)가 Fe(Ⅱ)로 환원되고 물이 생성 된다.In the presence of light, PBECs move photosynthetic mechanisms inside the thylakoid membrane of the chlorophyll, resulting in the transfer of electrons derived from H 2 O, as well as O 2 and hydrogen ions. Oxidation and reduction media transfer electrons and hydrogen ions from the thylakoid membrane to the cathode. The electrons of the cathode are transferred to the anode through the external circuit, and the hydrogen ions pass through the cation exchange membrane and move to the anode. In the anode part, Fe (III), an electron acceptor, is reduced to Fe (II) and water is produced.

기존의 Synechocystis PCC 6803을 이용한 전기 생산 연구는 CO2, N2 가스 종류 변화, glucose의 농도 변화에 따른 전기 생성, gas flow rate 변화와 같은 외부적 요인 변화를 적용하거나 Synechocystis PCC 6803의 광시스템(photosystem)Ⅰ, Ⅱ의 유전자가 연구 되어왔으나, 본 발명에서는 광합성 기작에 관련된 광시스템을 본 균주로부터 추출하여 음극에 적용 하여 외부적 요인 변화를 제공한 것이 아닌 미생물 유기체, 전자 전달체, 전자 수용체의 최소한 조건만을 사용하여 전기 생산의 변화를 연구 하였다. Existing Synechocystis PCC 6803 electric production studies were performed by applying external factor changes such as CO 2 , N 2 gas type change, electricity generation according to glucose concentration change, gas flow rate change, or by using Synechocystis PCC 6803 optical system ) I and II genes have been studied in the present invention. However, in the present invention, the optical system related to the photosynthetic mechanism is extracted from the present strain and applied to the cathode to provide at least the minimum conditions of the microorganism organism, And the changes in electricity production were studied.

이때, 상기 광바이오 전지(100)은 음극부(110), 양극부(120) 및 전해질레이어(130)를 포함할 수 있다.The photovoltaic cell 100 may include a cathode 110, an anode 120, and an electrolyte layer 130.

음극부(110)는 광 감응제(111)가 도포되어 있다.The cathode 110 is coated with a photo-sensitizer 111.

여기서, 상기 광 감응제(111)는 엽록소, 미생물, 식물추출물, n-type metal oxide 광촉매, dye-sensitized TiO2, Zn porphyrins 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다. Here, the light-sensitive agent 111 may be any one selected from chlorophyll, microorganism, plant extract, n-type metal oxide photocatalyst, dye-sensitized TiO2, and Zn porphyrins.

녹색식물, 녹조류, 남조류 등이 태양 에너지, 물, 이산화탄소를 이용하여 광합성작용을 한다. 이중에서도 빛 전환 효율이 식물과 유사한 남조류는 빛 에너지를 받아서 물로부터 발생한 전자가 광합성 기작을 따라서 이동하기 때문에 Anabaena variabilis, synechococcus sp, Synechocystis sp 와 같은 남조류의 연구가 활발하게 이루어지고 있다.Green plants, green algae, and blue algae use photosynthesis using solar energy, water, and carbon dioxide. Cyanobacteria such as Anabaena variabilis, synechococcus sp, and Synechocystis sp have been actively studied because of the light energy and the electrons generated from the water move along the photosynthetic mechanism.

상기 '광촉매'라는 용어는 '광반응을 가속시키는 촉매'를 지칭할 때 사용되는데, '광촉매'가 되기 위해서는 일반적인 '촉매'로서의 조건을 만족시켜야 함은 물론 반응에 직접 참여하여 소모되지 않아야 하고, 기존의 광반응과 다른 메카니즘 경로를 제공하여 반응속도를 가속시켜야 한다. 후자의 경우, 액티브 사이트(active site)당 생성물비(turn-over 비)가 1.0을 넘어야 한다는 것을 의미한다.The term 'photocatalyst' is used to refer to 'a catalyst for accelerating a photochemical reaction'. In order to become a 'photocatalyst', the photocatalyst must not only satisfy the conditions as a general 'catalyst' It is necessary to accelerate the reaction rate by providing the existing photoreaction and other mechanism path. In the latter case, it means that the turn-over ratio per active site must exceed 1.0.

이와 같이 광촉매가 광화학적 활성을 나타내기 위해서는 띠에너지 또는 띠간격에너지(Eg) 이상의 빛에너지가 필요한데, 이 에너지는 전자에 의해 점유된 가장 높은 에너지의 띠인 공유띠(valence band : VB)와, 전자에의해 점유되지 않은 가장 낮은 에너지의 띠인 전도띠(conduction band : CB)의 차이로서, 전자가 점유할 수 없는 금지된 간격이며, 공유띠의 전자를 여기시켜 반응에 참여하는 전자/정공 쌍을 생성시킬 수 있는 최소의 에너지이다.In order for the photocatalyst to exhibit its photochemical activity, light energy greater than the band energy or band gap energy (Eg) is required. This energy is divided into a valence band (VB), which is the highest energy band occupied by electrons, (CB), which is the lowest energy band not occupied by electrons, is a forbidden gap that the electrons can not occupy and excites the electrons of the common band to generate an electron / hole pair that participates in the reaction It is the minimum energy that can be made.

상기 띠간격에너지와 함께 중요한 것이 공유띠와 전도띠의 상대적 위치(세부적으로 이 띠들의 위치에 의하여 만들어지는 페르미 에너지(Ef))인데, 이 위치가 광촉매로부터 수용액 내 산화환원쌍(redox couple)으로의 전자 이동 및 전자 전달 여부를 결정하는 데에 중요한 역할을 담당하기 때문이다.What is important along with the band gap energy is the relative position of the common band and the conduction band (the Fermi energy (Ef) created by the location of these bands in detail), which is the redox couple from the photocatalyst And it plays an important role in determining whether or not the electron is transported and electron-transported.

상기와 같은 특성을 갖는 광촉매 물질로는 반도체 성질의 금속산화물들이 주로 사용되며, 그 예로는 삼산화텅스텐(WO3), 산화아연(ZnO), 탄화규소(SiC), 황화카드뮴(CdS), 갈륨비소(GaAs) 등이 있으나, 대개는 아나타제(anatase) 구조의 티타니아(TiO2)가 사용되고 있다. 이는 효율이 우수하고 비교적 저가이며, 공급이 원활하고 부식성이 없는 등의 안정성이 확인되었기 때문이다.
As the photocatalyst material having the above-mentioned characteristics, metal oxides of semiconductor nature are mainly used. Examples thereof include tungsten trioxide (WO3), zinc oxide (ZnO), silicon carbide (SiC), cadmium sulfide (CdS), gallium arsenide GaAs), but titania (TiO2) having an anatase structure is generally used. This is because it has excellent stability, such as excellent efficiency, relatively low cost, smooth supply and no corrosion.

양극부(120)는 수소생산 효소(121)가 도포되어 있다.The anode part 120 is coated with a hydrogen-producing enzyme 121.

이때, 물은 반응물이 되며, 수소생산 효소는 생체 촉매 물질로 음극부에서 유래한 전자와 프로톤을 결합하여 양극부에서 수소를 발생한다.At this time, water becomes a reactant, and the hydrogen-producing enzyme is a biocatalyst material, which combines electrons and protons derived from the cathode portion to generate hydrogen at the anode portion.

전해질레이어(130)는 프로톤(proton)만 음극에서 양극으로 넘어갈 수 있도록 상기 음극부(110)와 양극부(120) 사이에 구비된다.The electrolyte layer 130 is provided between the cathode 110 and the anode 120 so that only protons can pass from the cathode to the anode.

여기서, 상기 전해질레이어(130)는 프로톤을 선택적으로 통과시키는 막인 나피온 막이나 틸라코이드 막 인 것을 특징으로 한다.
Here, the electrolyte layer 130 is a Nafion membrane or a thylakoid membrane that selectively passes a proton.

틸라코이드 막을 제조한 예를 설명하면 다음과 같다.An example of producing a thylakoid membrane will be described below.

먼저 균주 및 배양방법에 대한 실시예를 설명하도록 한다.First, an example of a strain and a culture method will be described.

한국기초과학기술연구원에서 분양 받은 광합성 세균인 남조류 Synechocystis PCC 6803을 사용하였다. Synechocystis PCC 6803, a photosynthetic bacterium from Korea Basic Science Research Institute, was used.

BG-11((/L) NaNO3 1.5 g, K2HPO4 15.26 g, MgSO4·7H2O 30 g, CaCl2·2H2O 18 g, Citric acid 6 g, ferric ammonium citriate 6 g, Na2CO3 20 g, H3BO 2.86 g, MnCl2 1.81 g, ZnSO4·7H2O 0.222 g, Na2MoO4·2H2O 0.39 g, CuSO4·5H2O 0.079 g, Co(NO3)2 0.494 g)이고 10 mM 포도당을 탄소원으로 첨가하였다. 고체 배양은 앞에 언급한 배지에 1.5 % agar(bactoTMagar, Difco)를 첨가하여 평판배지를 만든 후 접종하였다. 액체 배양은 100 ml 배지에 초기 균체농도가 730 nm에서 흡광도 0.5∼0.6 되게 한 후 100 rpm으로 28 ℃에서 진탕배양 하였다. 광원으로는 형광등 600∼700 lux를 조사하였다.BG-11 ((/ L) NaNO 3 1.5 g, K 2 HPO 4 15.26 g, MgSO 4 · 7H 2 O 30 g, CaCl 2 · 2H 2 O 18 g, Citric acid 6 g, ferric ammonium citriate 6 g, Na 2 CO 3 20 g, H 3 BO 2.86 g, MnCl 2 1.81 g, ZnSO 4 · 7H 2 O 0.222 g, Na 2 MoO 4 · 2H 2 O 0.39 g, CuSO 4 · 5H 2 O 0.079 g, Co (NO 3 ) 2 0.494 g) and 10 mM glucose was added as a carbon source. The solid culture was inoculated with the above-mentioned medium prepared by adding 1.5% agar (bacto TM agar, Difco) to the plate medium. Liquid culture was carried out by shaking culture at 100 rpm at 100 rpm at 28 [deg.] C after allowing the initial cell concentration to reach an absorbance of 0.5-0.6 at 730 nm. Fluorescent lamps were irradiated 600 ~ 700 lux as a light source.

다음으로, 클로로필 측정에 대한 실시예를 설명하도록 한다.Next, an example of chlorophyll measurement will be described.

Synechocystis PCC 6803 배양액 1.5 ml을 10 분 동안 13,000 rpm에서 원심분리 (eppendorf. contrifuge 5415D)한 후 남은 균체에 95 % 알코올 1.5 ml 을 넣고 1 분간 13,000 rpm에서 원심분리하였다. 클로로필 양은 상등액을 UV-VIS spectrophotometer (Shimadzu UV-1601)로 파장 649 nm와 665 nm에서 각각 측정하여 클로로필 양으로 다음 계산식1.5 ml of Synechocystis PCC 6803 culture medium was centrifuged at 13,000 rpm for 10 minutes, and then 1.5 ml of 95% alcohol was added to the remaining cells, followed by centrifugation at 13,000 rpm for 1 minute. The amount of chlorophyll was determined by measuring the supernatant with a UV-VIS spectrophotometer (Shimadzu UV-1601) at wavelengths of 649 nm and 665 nm, respectively,

Figure 112014125428012-pat00001
Figure 112014125428012-pat00001

을 사용하여 환산 하였다..

다음으로, 틸라코이드 막 추출에 대한 실시예를 설명하도록 한다.Next, an embodiment of thylakoid membrane extraction will be described.

배양한 Synechocystis PCC 6803을 4,000 rpm에서 20분간 원심분리 (Supra 22K, Hanil Co., Korea)한 후 1 mM aminocaproic acid가 포함 되어있는 25 mM Tris/HCl buffer(pH 7.5)에 현탁 하였다. 세포막에 있는 틸라코이드 막을 추출하기 위해서 균체 양과 glass beads양은 동일하게 BEAD BEATER(Bio Products P.O. Box 772)에 첨가 후 glass beads(0.1mm in diameter)를 넣고 4 ℃에서 2 분간 세포를 파쇄 하였다. 5,300 rpm 에서 1 분간 원심분리를 하여 glass beads 및 파쇄 되지 않은 균체는 모아서 다시 위 과정을 3번 반복 했다. 상등액을 다시 13,600 rpm 에서 10 분간 원심분리를 한 후에 상등액을 실험에 적용 했다. 실험에 사용된 모든 시약은 sigma - aldrich에서 구입했다.The cultured Synechocystis PCC 6803 was centrifuged at 4,000 rpm for 20 minutes (Supra 22K, Hanil Co., Korea) and suspended in 25 mM Tris / HCl buffer (pH 7.5) containing 1 mM aminocaproic acid. In order to extract the thylakoid membrane in the cell membrane, the amount of the cells and the glass beads were added to the BEAD BEATER (Bio Products PO Box 772), and then the glass beads (0.1 mm in diameter) was added and the cells were disrupted at 4 ° C for 2 minutes. After centrifugation at 5,300 rpm for 1 min, the glass beads and undamaged cells were collected and the above procedure was repeated three times. The supernatant was centrifuged again at 13,600 rpm for 10 min and the supernatant was applied to the experiment. All reagents used in the experiments were purchased from Sigma-Aldrich.

다음으로, SDS-PAGE 에 대한 실시예를 설명하도록 한다.Next, an example of SDS-PAGE will be described.

50% acrylamide stock solution, 1.5M Tris/HCl buffer(pH 8.8), 10% ammonium persulfate, TEMED를 이용하여 50% acrylamide 분리 젤을 제조 하였다. 1 시간 이상 분리 젤을 굳힌 후 그 위에 준비 젤을 만들었다. 준비 젤은 분리 젤과 동일 하지만 acrylamide 함량이 적고, 0.5M Tris/HCl buffer(pH6.8)를 사용하였다. 젤이 굳으면 4 ℃에서 2 시간 이상 둔 후에 0.5M Tris/HCl buffer(pH6.8), 글리세롤, 10% SDS(w/v), 0.5% Bromophenol blue를 섞어 sample buffer를 만들고 β-mercaptoethanol를 첨가하였다. sample buffer와 틸라코이드 막 추출액을 섞어서 100 ℃에서 3 분 끓인 후 젤에 주입 하였다. 준비 젤은 10분 동안 36 mA에서 분리 젤은 70분 동안 40 mA에서 power supply(power pac 1000, bio-rad)로 양극과 음극을 젤 고정판에 연결한 후 단백질을 분리 하였다. 이후 단백질 확인을 위한 염색 시약은 Coomassie Brilliant Blue R-250 Staining solution (bio-rad, #161-0436)을 이용 하였다.50% acrylamide stock solution, 1.5M Tris / HCl buffer (pH 8.8), 10% ammonium persulfate and TEMED were used to prepare 50% acrylamide separation gel. After separating the gel for more than 1 hour, the preparation gel was prepared. The preparation gel was the same as the separation gel, but the content of acrylamide was small and 0.5M Tris / HCl buffer (pH 6.8) was used. After the gel has solidified, the sample is allowed to stand at 4 ° C for at least 2 hours. A sample buffer is prepared by adding 0.5 M Tris / HCl buffer (pH 6.8), glycerol, 10% SDS (w / v) and 0.5% Bromophenol blue, Respectively. Sample buffer and thylakoid membrane extract were mixed and boiled at 100 ° C for 3 minutes and then injected into the gel. Separation of the prepared gel at 36 mA for 10 min. The gel was separated from the gel after 70 min of power supply (power pac 1000, bio-rad) at 40 mA for connecting the positive electrode and the negative electrode to the gel fixed plate. The staining reagent for protein identification was Coomassie Brilliant Blue R-250 Staining solution (bio-rad, # 161-0436).

다음으로, 광바이오 전지(100)의 구성 및 운전 조건에 대한 실시예를 설명하도록 한다.Next, embodiments of the configuration and operation conditions of the photo-bio-cell 100 will be described.

PBEC 시스템은 아크릴 반응기로 제작되었으며 반응기는 두께가 각기 다른 외부 아크릴판 2개와 내부 아크릴판 4개로 이루어져 있다. 음극(anode)의 외부 아크릴판은 6.5×8×0.5 (가로×세로, 두께, ㎝)이고 양극(cathode)의 외부 아크릴판은 6.5×8×1 (가로×세로, 두께, ㎝)이다. 그 사이에 4개의 5×6×1 (가로×세로, 두께, ㎝) 내부 아크릴판을 넣었다. The PBEC system is made of an acrylic reactor, which consists of two outer acrylic plates with different thicknesses and four inner acrylic plates. The outer acrylic plate of the anode is 6.5 x 8 x 0.5 (width x length, thickness, cm) and the outer acrylic plate of the cathode is 6.5 x 8 x 1 (width x length, thickness, cm). Between them, four 5 × 6 × 1 (width × length, thickness, cm) inner acrylic plates were inserted.

내부 아크릴판은 직경 0.5 cm로 윗부분만 구멍이 뚫려 있으며 이곳에 septum (injection rubber plug, Shimadzu)을 끼워 가스라인과 전극을 고정하였다. 각각 따로 되어 있는 아크릴 판과 양이온 교환 막 사이에는 viton gasket을 끼우고 외부 아크릴의 모서리에 너트와 볼트를 끼워 고정하였다.  The inner acrylic plate was 0.5 cm in diameter, and only the upper part had a hole, and the gas line and the electrode were fixed by inserting a septum (injection rubber plug, Shimadzu). A viton gasket was sandwiched between the acrylic plate and the cation exchange membrane, which were separated from each other, and the nuts and bolts were fixed to the corners of the outer acrylic.

전극은 carbon paper(TGPH-090, E-Tek, USA)를 이용 하였고 전극 크기는 2.5×2.3 (가로×세로, ㎝)로 하였다. 양극부와 음극부 사이에 수소 이온 전달을 할 수 있게 하는 양이온 교환 막(PEM)으로 Nafion 117(DuPont Co., USA)을 사용하였다. 실험 전 전극과 nafion 모두 전처리를 하였다. 반응기에 조립하지 않은 전극만의 전압 값은 0.5∼0.6 ㎷이었다. 실험에 사용된 저항 값은 1 ㏀ 이다.The electrode was made of carbon paper (TGPH-090, E-Tek, USA) and the electrode size was 2.5 × 2.3 (width × length, cm). Nafion 117 (DuPont Co., USA) was used as a cation exchange membrane (PEM) to allow hydrogen ion transfer between the anode and the cathode. Pretreatment of both electrode and nafion was performed. The voltage value of the electrode not assembled in the reactor was 0.5-0.6 ㎷. The resistance value used in the experiment is 1 k ?.

시스템 운전 시 시료가 음극부와 양극부에 각각 들어간 양은 총 15 ml 이다. 할로겐 등(50w, phlips)을 사용하여 48 Klux를 음극부에 비춰주었고 반응기내 내부 순환은 magnetic bar를 이용하였다. 한편 양극부는 불투명 테입을 부착하여 빛 차단을 하고 magnetic bar를 넣지 않았다. 운전 시에 음극부는 50 mM tricine, 50 mM NaCl, 4 mM MgCl2를 모두 넣은 50 mM tricine buffer(pH 8.0)와 300 ㅅM phenazine methosulfate(PMS) 그리고 틸라코이드 막 또는 Synechocystis PCC 6803을 넣었다. 양극부는 20 mM potassium ferricyanide를 넣었다5). 양극과 음극 모두 알곤 가스를 flow rate 20∼25 ml/min로 유지 하였다. 음극에 들어간 whole cell과 틸라코이드 막 추출액은 완충액이 반응기에 들어가 있는 상태에서 주입 하였다. 이후, 소포제 실험에서는 tween 80과 triton X-100을 사용하였고 50mM tricine buffer(pH 8.0)에 1% (v/v)가 되도록 넣어 사용하였다.The total amount of sample contained in the cathode and the anode when operating the system is 15 ml. Halogen (50w, phlips) was used to illuminate the 48 Klux on the cathode, and a magnetic bar was used for internal circulation in the reactor. On the other hand, the anode part was provided with opaque tape to block the light and did not insert a magnetic bar. At the time of operation, the cathode was loaded with 50 mM tricine buffer (pH 8.0) containing 50 mM tricine, 50 mM NaCl and 4 mM MgCl 2 , 300 μM phenazine methosulfate (PMS) and a thylakoid membrane or Synechocystis PCC 6803. The anolyte was loaded with 20 mM potassium ferricyanide [ 5] . Both argon and argon gas were maintained at a flow rate of 20 to 25 ml / min. The whole cell and thylakoid membrane extracts in the negative electrode were injected with the buffer solution in the reactor. Tween 80 and triton X-100 were used in the antifoaming agent and were added to a volume of 1% (v / v) in 50 mM tricine buffer (pH 8.0).

위와 같은 조건에서의 실험결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.As a result of the experiment under the above conditions, the following conclusions can be obtained.

1) 균체의 대수성장기는 배양 7일까지 지속 되었다. 8일 부터는 사멸기가 진행 되었다. 클로로필 양은 3일째까지 증가 하는 양상을 보였으나 5일 이후 양이 감소하였다.1) The logarithmic growth period of the cells lasted up to 7 days. From 8th the death period was ongoing. The amount of chlorophyll increased until day 3, but decreased after 5 days.

2) 틸라코이드 막 역할 확인 실험에서 물, tricine buffer(pH 8.0), PMS는 각각 4.4×10-5 ㎃/㎠, 1.4×10-4 ㎃/㎠, 2.4×10-4 ㎃/㎠로 거의 전류가 흐르지 않았으나 배양액 10 ml 로부터 추출된 클로로필 양 3.8 ㎍/ml인 틸라코이드 막을 첨가하면 전류가 약 9배가 증가 하여 1.3×10-3 ㎃/㎠ 의 전류를 생성 하였다.2) The water, tricine buffer (pH 8.0) and PMS were almost the same at 4.4 × 10 -5 ㎃ / ㎠, 1.4 × 10 -4 ㎃ / ㎠ and 2.4 × 10 -4 ㎃ / ㎠, The addition of a tilacoid membrane with a chlorophyll amount of 3.8 ㎍ / ml extracted from 10 ml of the culture solution resulted in a current of about 9 times that of 1.3 × 10 -3 mA / cm 2.

3) 클로로필 양 3.8 ㎍/ml인 틸라코이드 막을 시스템에 적용 하였을 때 1.1×10-3 ㎃/㎠의 전류가 생성이 되었고 초기양의 약 2배 틸라코이드 막을 넣으면 2.6×10-3 ㎃/㎠의 전류가 생성되었다.3) A current of 1.1 × 10 -3 ㎃ / ㎠ was generated when applying a tilacoid membrane with a chlorophyll amount of 3.8 ㎍ / ml to the system and a current of 2.6 × 10 -3 ㎃ / ㎠ when a tilacoid membrane of about twice the initial amount was put .

4) 약 6배의 틸라코이드 막을 시스템에 적용하면 많은 양의 거품이 생성되었다. 이때 소포제를 사용 하면 거품을 방지하고 안정적인 전기를 생산 할 수 있었다. 사용된 두 종류의 소포제는 triton X-100과 tween 80이며 각각 8.4×10-4 ㎃/㎠과 2.3×10-3 ㎃/㎠의 전류를 생성하였다. 그러나 소포제를 첨가하지 않았을 때 보다 전류의 양이 감소하였다. 4) Applying about 6 times of thylakoid membrane to the system produced a large amount of bubbles. At this time, antifoaming agents were used to prevent bubbles and produce stable electricity. The two antifoaming agents used were triton X-100 and tween 80 and produced currents of 8.4 × 10 -4 ㎃ / ㎠ and 2.3 × 10 -3 ㎃ / ㎠, respectively. However, the amount of current decreased when the defoamer was not added.

5) Whole cell을 이용 한 실험은 클로로필 양과 배양일 모두 전류 생성에 영향을 준다는 사실을 확인하였다. 실험 결과 1.3×10-3 ㎃/㎠ 의 전류 생성을 보인 클로로필 양 20.5 ㎍/ml, 배양 4일이 가장 높은 전류가 생성 되었다.
5) Whole cell experiments confirmed that both the amount of chlorophyll and the days of culture affect current generation. The experimental results showed that the highest current was generated at 20.5 ㎍ / ml of chlorophyll, which showed current generation of 1.3 × 10 -3 ㎃ / ㎠, and 4 days of cultivation.

수소저장부(200)는 상기 광바이오 전지(100)와 연결되어, 상기 광바이오 전지(100)로부터 생산된 수소가 저장된다.The hydrogen storage unit 200 is connected to the photovoltaic cell 100, and hydrogen produced from the photovoltaic cell 100 is stored.

상기 광바이오 전지(100)와 수소저장부(200)는 수소가 이동될 수 있는 배관으로 연결될 수 있으며, 상기 광바이오 전지(100)로부터 생성된 수소는 이 배관을 통해 상기 수소저장부(200)에 저장될 수 있다.The photovoltaic cell 100 and the hydrogen storage unit 200 may be connected to each other by a pipe through which hydrogen can be moved. The hydrogen generated from the photovoltaic cell 100 is connected to the hydrogen storage unit 200 through the pipe, Lt; / RTI >

이때, 수소의 이동이 한쪽 방향(광바이오 전지(100)에서 수소저장부(200) 측의 방향)으로만 이동되도록 구성(체크밸브 등)하는 것이 바람직하다.
At this time, it is preferable to make the configuration (check valve or the like) such that the movement of hydrogen moves only in one direction (direction of the hydrogen storage part 200 side in the photovoltaic cell 100).

산소저장부(300)는 상기 광바이오 전지(100)와 연결되며, 상기 광바이오 전지(100)로부터 생산된 산소가 저장된다.The oxygen storage unit 300 is connected to the photovoltaic cell 100, and oxygen produced from the photovoltaic cell 100 is stored.

상기 광바이오 전지(100)와 산소저장부(300)는 산소가 이동될 수 있는 배관으로 연결될 수 있으며, 상기 광바이오 전지(100)로부터 생성된 산소는 이 배관을 통해 상기 산소저장부(300)에 저장될 수 있다.The photovoltaic cell 100 and the oxygen storage unit 300 may be connected to each other by a pipe through which oxygen can be moved. The oxygen generated from the photovoltaic cell 100 may be connected to the oxygen storage unit 300 through the pipe, Lt; / RTI >

이때, 산소의 이동이 한쪽 방향(광바이오 전지(100)에서 산소저장부(300) 측의 방향)으로만 이동되도록 구성(체크밸브 등)하는 것이 바람직하다.
At this time, it is preferable to make the configuration (check valve, etc.) such that the movement of oxygen moves only in one direction (the direction of the oxygen storage part 300 side in the photovoltaic cell 100).

연료전지부(400)는 상기 수소저장부(200) 및 산소저장부(300)와 연결되며, 상기 수소저장부(200) 및 산소저장부(300)에 저장된 수소 및 산소를 이용하여 전기를 생산한다.The fuel cell unit 400 is connected to the hydrogen storage unit 200 and the oxygen storage unit 300 and generates electricity using hydrogen and oxygen stored in the hydrogen storage unit 200 and the oxygen storage unit 300 do.

다시 말해, 연료전지는 수소 및 산소를 에너지원으로 전기를 생산하며, 이때, 공급받는 수소는 상기 수소저장부(200)로부터 공급받고, 공급받는 산소는 상기 산소저장부(300)로부터 공급받는다.
In other words, the fuel cell generates electricity using hydrogen and oxygen as an energy source. At this time, supplied hydrogen is supplied from the hydrogen storage unit 200, and supplied oxygen is supplied from the oxygen storage unit 300.

물저장부(500)는 상기 연료전지부(400)와 연결되며, 상기 연료전지부(400)로부터 생성된 물이 저장된다.The water storage unit 500 is connected to the fuel cell unit 400, and water generated from the fuel cell unit 400 is stored.

다시 말해, 상기 연료전지부(400)로부터 전기가 생산되면서 발생되는 물을 상기 물저장부(500)에 저장한다.
In other words, water generated as electricity is produced from the fuel cell unit 400 is stored in the water storage unit 500.

제어부(600)는 상기 광바이오 전지(100), 수소저장부(200), 산소저장부(300), 연료전지부(400) 및 물저장부(500)와 연결되며, 상기 광바이오 전지(100), 수소저장부(200), 산소저장부(300), 연료전지부(400) 및 물저장부(500)를 제어한다.The control unit 600 is connected to the photovoltaic cell 100, the hydrogen storage unit 200, the oxygen storage unit 300, the fuel cell unit 400, and the water storage unit 500, The hydrogen storage unit 200, the oxygen storage unit 300, the fuel cell unit 400, and the water storage unit 500, respectively.

상기 제어부(600)가 기본적으로 제어하는 것의 예를 들면, 상기 광바이오 전지(100)로부터 생산되는 전기의 양(전류량 등)을 모니터링 가능하고, 상기 수소저장부(200)에 저장된 수소를 상기 연료전지에 공급하기 위해 상기 수소저장부(200)와 연료전지부(400) 사이에 구비된 밸브를 조절할 수 있으며, 상기 산소저장부(300)에 저장된 산소를 상기 연료전지에 공급하기 위해 상기 산소저장부(300)와 연료전지부(400) 사이에 구비된 밸브를 조절할 수 있고, 상기 연료전지부(400)로부터 생산되는 전기의 양(전류량 등)을 모니터링 가능하고, 상기 물저장부(500)에 저장된 물을 상기 광바이오 전지(100)의 반응물로 공급하기 위해 상기 물저장부(500)와 광바이오 전지(100) 사이에 구비된 밸브를 조절할 수 있다.
The amount of electricity generated by the photovoltaic cell 100 can be monitored by the control unit 600 and the hydrogen stored in the hydrogen storage unit 200 can be monitored by the fuel The oxygen stored in the oxygen storage unit 300 may be regulated so as to supply the oxygen stored in the oxygen storage unit 300 to the fuel storage unit 200, The amount of electricity generated from the fuel cell unit 400 can be monitored and the water stored in the water storage unit 500 can be monitored by controlling the valve provided between the fuel cell unit 300 and the fuel cell unit 400, The water stored in the water storage part 500 and the photo-bio-cell 100 may be adjusted to supply the water stored in the water storage part 500 to the reaction product of the photo-bio-cell 100.

이때, 상기 제어부(600)는 상기 광바이오 전지(100)로부터 생산되는 전기가 외부에서 요구하는 기설정된 전기출력의 기준치 이상 생산되면, 상기 광바이오 전지(100)만 이용하여 전기를 생산하며, 상기 광바이오 전지(100)로부터 생산되는 전기가 외부에서 요구하는 기설정된 전기출력의 기준치 미만 생산되면, 상기 연료전지부(400)로부터 전기를 생산하는 것을 특징으로 할 수 있다.At this time, when the electricity generated from the photovoltaic cell 100 is produced at a predetermined value or more of a predetermined electrical output required from the outside, the control unit 600 generates electricity using only the photovoltaic cell 100, When the electricity produced from the photovoltaic cell 100 is produced to a level lower than a predetermined reference value of the electric power required from the outside, electricity is generated from the fuel cell unit 400.

다시 말해, 상기 제어부(600)는 기본적인 발전은 태양광을 이용하되, 태양광으로 충분한 발전이 어려울 경우, 연료전지를 이용한 발전을 하기 위한 제어를 한다.In other words, the controller 600 uses solar light for basic power generation, and controls power generation using the fuel cell when sufficient power generation is difficult due to sunlight.

즉, 본 발명은 무한동력에 관련된 발명이 아니며, 태양광을 이용한 발전 효율을 최대화 시키기 위해, 태양을 이용해 전기 뿐 아니라 산소와 수소도 생산하여 저장해 두었다가, 태양광이 부족할 경우 그 동안 축적해둔 수소와 산소를 연료전지에 공급하여 발전을 하기 위한 발명이다.
In other words, the present invention is not an invention related to infinite power, and in order to maximize power generation efficiency using sunlight, not only electricity but also oxygen and hydrogen are produced and stored using the sun, and when the sunlight is insufficient, Is an invention for supplying power to a fuel cell to generate electricity.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

100: 광바이오 전지
110: 음극부
111: 광 감응제
120: 양극부
121: 수소생산 효소
200: 수소저장부
300: 산소저장부
400: 연료전지부
500: 물저장부
600: 제어부
100: Photobio cell
110: cathode part
111: Photosensitizer
120: anode part
121: Hydrogen production enzyme
200: hydrogen storage part
300: oxygen storage part
400: fuel cell unit
500: water storage part
600:

Claims (5)

태양광을 받아 전기, 수소 및 산소를 생산하는 광바이오 전지(PBEC, Photo-Bioelectrochemical cell)(100);
상기 광바이오 전지(100)와 연결되어, 상기 광바이오 전지(100)로부터 생산된 수소가 저장되는 수소저장부(200);
상기 광바이오 전지(100)와 연결되며, 상기 광바이오 전지(100)로부터 생산된 산소가 저장되는 산소저장부(300);
상기 수소저장부(200) 및 산소저장부(300)와 연결되며, 상기 수소저장부(200) 및 산소저장부(300)에 저장된 수소 및 산소를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지부(400);
상기 연료전지부(400)와 연결되며, 상기 연료전지부(400)에서 전기 생산을 통해 생성된 물이 저장되는 물저장부(500); 및
상기 광바이오 전지(100), 수소저장부(200), 산소저장부(300), 연료전지부(400) 및 물저장부(500)와 연결되며, 상기 광바이오 전지(100), 수소저장부(200), 산소저장부(300), 연료전지부(400) 및 물저장부(500)를 제어하는 제어부(600);
를 포함하되,
상기 제어부(600)의 제어에 따라, 상기 물저장부(500)에 저장된 물이 상기 광바이오 전지(100)에 공급되어, 전기, 수소 및 산소를 생산되는 반응물로 공급하는 것을 특징으로 하며,
상기 제어부(600)의 제어에 따라, 태양광이 존재할 경우,
상기 광바이오 전지(100)에 의해 전기, 수소 및 산소를 생산하며,
태양광이 존재하지 않거나, 상기 제어부(600)에 의해 모니터링한 상기 광바이오 전지(100)로부터 생산되는 전기가 기설정된 전기출력의 기준치 미만으로 생산될 경우, 상기 연료전지부(400)에서 상기 광바이오 전지(100)에 의해 생산한 수소 및 산소를 이용하여, 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 재생형 바이오 연료전지.
Photo-bioelectrochemical cell (PBEC) 100 that generates electricity, hydrogen, and oxygen by receiving sunlight;
A hydrogen storage unit 200 connected to the photovoltaic cell 100 to store hydrogen produced from the photovoltaic cell 100;
An oxygen storage unit 300 connected to the photovoltaic cell 100 and storing oxygen produced from the photovoltaic cell 100;
A fuel cell unit 400 connected to the hydrogen storage unit 200 and the oxygen storage unit 300 and generating electricity using hydrogen and oxygen stored in the hydrogen storage unit 200 and the oxygen storage unit 300, ;
A water storage unit 500 connected to the fuel cell unit 400 and storing water generated through electricity generation in the fuel cell unit 400; And
The photovoltaic cell 100 is connected to the photovoltaic cell 100, the hydrogen storage unit 200, the oxygen storage unit 300, the fuel cell unit 400, and the water storage unit 500, A control unit 600 for controlling the fuel cell 200, the oxygen storage unit 300, the fuel cell unit 400, and the water storage unit 500;
, ≪ / RTI &
According to the control of the control unit 600, water stored in the water storage unit 500 is supplied to the photovoltaic cell 100 to supply electricity, hydrogen, and oxygen as reactants to be produced.
According to the control of the controller 600, when sunlight exists,
The photovoltaic cell 100 produces electricity, hydrogen and oxygen,
When the sunlight is not present or electricity generated from the photovoltaic cell 100 monitored by the controller 600 is produced below a predetermined reference value of the electric power output, A regenerative biofuel cell characterized in that electricity is produced using hydrogen and oxygen produced by the bio-cell (100).
제1항에 있어서,
상기 광바이오 전지(100)은
광 감응제(111)가 도포된 음극부(110);
수소생산 효소(121)가 도포된 양극부(120); 및
프로톤(proton)만 음극에서 양극으로 넘어갈 수 있도록 상기 음극부(110)와 양극부(120) 사이에 구비된 전해질레이어(130);
를 포함하는 재생형 바이오 연료전지.
The method according to claim 1,
The photovoltaic cell (100)
A cathode 110 coated with a photosensitive agent 111;
An anode part 120 to which hydrogen producing enzyme 121 is applied; And
An electrolyte layer 130 provided between the cathode part 110 and the anode part 120 so that only the protons can pass from the cathode to the anode;
And a fuel cell.
제2항에 있어서,
상기 광 감응제(111)는
식물 또는 광합성 미생물로부터 추출한 엽록소, 광합성 미생물, n-type metal oxide 광촉매, dye-sensitized TiO2 및 Zn porphyrins 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 재생형 바이오 연료전지.
3. The method of claim 2,
The light-sensitive material 111 is
Wherein the photocatalyst is any one selected from chlorophyll, photosynthetic microorganism, n-type metal oxide photocatalyst, dye-sensitized TiO2 and Zn porphyrins extracted from plants or photosynthetic microorganisms.
제2항에 있어서,
상기 전해질레이어(130)는
프로톤만을 선택적으로 통과시키는 막인 것을 특징으로 하는 재생형 바이오 연료전지.
3. The method of claim 2,
The electrolyte layer (130)
Wherein the membrane is a membrane that selectively passes only protons.
제1항에 있어서,
상기 제어부(600)는
상기 광바이오 전지(100)로부터 생산되는 전기가 외부에서 요구하는 기설정된 전기출력의 기준치 이상 생산되면, 상기 광바이오 전지(100)만 이용하여 전기를 생산하며,
상기 광바이오 전지(100)로부터 생산되는 전기가 외부에서 요구하는 기설정된 전기출력의 기준치 미만 생산되면, 상기 연료전지부(400)로부터 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 재생형 바이오 연료전지.
The method according to claim 1,
The control unit 600
When the electricity generated from the photovoltaic cell 100 is produced at a predetermined value or more of a predetermined electrical output required by the outside, the photovoltaic cell 100 is used to produce electricity using only the photovoltaic cell 100,
Wherein the electricity generated from the fuel cell unit (100) is produced from the fuel cell unit (400) when the electricity produced from the photovoltaic cell (100) is produced to less than a predetermined reference value of the electric power required from the outside.
KR1020140187792A 2014-12-24 2014-12-24 Regenerative electrochemical bio fuel cell KR101714399B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140187792A KR101714399B1 (en) 2014-12-24 2014-12-24 Regenerative electrochemical bio fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140187792A KR101714399B1 (en) 2014-12-24 2014-12-24 Regenerative electrochemical bio fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160077646A KR20160077646A (en) 2016-07-04
KR101714399B1 true KR101714399B1 (en) 2017-03-22

Family

ID=56501068

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140187792A KR101714399B1 (en) 2014-12-24 2014-12-24 Regenerative electrochemical bio fuel cell

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101714399B1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006085911A (en) * 2004-09-14 2006-03-30 Matsushita Electric Ind Co Ltd Biological fuel cell
KR100923448B1 (en) 2009-05-27 2009-10-27 한국기계연구원 A closed loop type fuel cell system

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101198215B1 (en) 2011-04-21 2012-11-07 한국에너지기술연구원 Apparatus and method for photoelectrochemical hydrogen production using by preparation of electrodeposited Pt on TiO2 natubular electrode as cathode, natural seawater and concentrated seawater electrolytes obtained from membrane process
KR101551848B1 (en) * 2014-06-30 2015-09-10 강원대학교산학협력단 Regenerative energy system
KR20140140526A (en) * 2014-10-24 2014-12-09 전남대학교산학협력단 Regenerative energy system for providing oxygen and electric power for an oxygen-free or low oxygen environment

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006085911A (en) * 2004-09-14 2006-03-30 Matsushita Electric Ind Co Ltd Biological fuel cell
KR100923448B1 (en) 2009-05-27 2009-10-27 한국기계연구원 A closed loop type fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160077646A (en) 2016-07-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fischer Photoelectrode, photovoltaic and photosynthetic microbial fuel cells
Fu et al. Hybrid solar-to-methane conversion system with a Faradaic efficiency of up to 96%
Kadier et al. Recent advances and emerging challenges in microbial electrolysis cells (MECs) for microbial production of hydrogen and value-added chemicals
US10683218B2 (en) Z-scheme microbial photoelectrochemical system (MPS) for wastewater-to-chemical fuel conversion
Tributsch Photovoltaic hydrogen generation
Yan Handbook of clean energy systems, 6 volume set
Kumaravel et al. A short review on hydrogen, biofuel, and electricity production using seawater as a medium
Xiao et al. Hybrid microbial photoelectrochemical system reduces CO2 to CH4 with 1.28% solar energy conversion efficiency
Hamelers et al. New applications and performance of bioelectrochemical systems
Wang et al. Solar-assisted microbial fuel cells for bioelectricity and chemical fuel generation
McCormick et al. Hydrogen production through oxygenic photosynthesis using the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 in a bio-photoelectrolysis cell (BPE) system
Xie et al. Advancement of renewable energy technologies via artificial and microalgae photosynthesis
EP2137782B1 (en) Device and method for converting light energy into electrical energy
Gupta et al. An insight into the bioelectrochemical photoreduction of CO2 to value-added chemicals
Weliwatte et al. Photo-bioelectrocatalytic CO2 reduction for a circular energy landscape
Lu et al. Microbial photoelectrosynthesis for self-sustaining hydrogen generation
CN101299463A (en) Light fuel cell
Zhao et al. Artificial bioconversion of carbon dioxide
Liu et al. Solar-powered CO2 reduction by a hybrid biological| inorganic system
Shlosberg et al. Harnessing photosynthesis to produce electricity using cyanobacteria, green algae, seaweeds and plants
Kareya et al. CO2 sequestration by hybrid integrative photosynthesis (CO2-SHIP): a green initiative for multi-product biorefineries
Xiao et al. Solar-driven biological inorganic hybrid systems for the production of solar fuels and chemicals from carbon dioxide
Queiroz et al. Photocatalytic fuel cells: From batch to microfluidics
Yildiz et al. Nanotechnology for biological photovoltaics; industrial applications of nanomaterials
CN108118358B (en) Method for producing hydrogen by decomposing water in separated mode through photosynthesis and (photoelectrocatalysis) combined system

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191210

Year of fee payment: 4