KR101723921B1 - 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 낮은 전력생산량을 나타내는 종래의 미생물 연료전지의 단점을 보완하기 위하여 태양광 활성을 효과를 가지는 티타늄 나노튜브 구조의 전극을 미생물 연료전지에 융합하여 제조함으로써 전력생산량이 우수한 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지에 관한 것이다.

Description

광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지{photo-bio hybrid microbial fuel cell}
본 발명은 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 낮은 전력생산량을 나타내는 종래의 미생물 연료전지의 단점을 보완하기 위하여 태양광 활성을 효과를 가지는 아나타제 구조의 이산화티타늄 나노튜브 구조의 전극을 미생물 연료전지에 융합하여 제조함으로써 전력생산량이 우수한 미생물 연료전지에 관한 것이다.
우리나라의 국민생활수준 향상으로 축산가공식품의 소비량이 증가하고, 축산진흥정책으로 인하여 돼지, 소, 닭 등의 사육두수가 증가하고 있다. 농가의 새로운 소득원으로 축산업이 활성화되고 있고, 이로 인해 축산농가의 사육형태는 전통적인 재래식 가축사육 형태에서 전업식 사육형태로 규모가 커지고 있다. 따라서 축산배설물이 특정지역에 집중적으로 증가하고 있지만 축산농가의 경제성 및 처리기술의 미비로 인하여 이에 대한 적절한 처리가 이뤄지지 않고 있는 실정이다. 특히 축산폐수는 고농도의 유기성 폐수로써 질소와 인 등의 양염류를 다량 함유하고 있기 때문에 미처리 상태로 수계에 방류하면 하천, 호수 등의 부영양화를 가속화시켜 상수원수로서 가치를 떨어뜨릴 뿐만 아니라 결국 수중 생태계를 파괴하게 된다. 또한, 고농도의 난분해성 물질, 악취물질, 질소 및 인 등을 함유하고 있기 때문에, 이것을 일반적인 생물학적 처리방법에 의하여 방류수 수질기준에 적합한 처리수를 얻기는 매우 어려운 실정이다.
유기성 폐기물 및 유기성폐수 등 폐자원으로부터 직접 사용가능한 청정에너지를 획득하고자 하는 세계적 관심 및 개발 욕구가 증대되고 있다. 환경에너지산업 및 바이오매스 자원이용의 동향은 녹색성장 산업의 주요 핵으로 급성장하고 있는 상황에서 폐자원으로부터 직접적인 전기에너지 생산 등과 같은 혁신적 기술개발에 의한 폐자원의 에너지자원화 기술은 바이오매스자원을 기반으로 하는 환경에너지산업의 성장에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나, 기존의 축산폐수 처리기술들은 축산폐수의 처리에만 초점을 두어 개발된 기술들로 고농도의 유기물 등과 같은 에너지원을 직접적으로 에너지화하는 기술의 개발은 전무한 실정이다. 일부 막을 사용하는 처리기술에서는 처리공정의 부산물로 얻어지는 고농도의 농축액을 퇴비화 또는 액비화하여 사용하는 정도의 에너지화 기술들은 확보되어 있는 실정이나 처리공정 내에서 직접적인 에너지를 생산하는 기술개발은 이루어져 있지 않는 상황이다.
미생물 연료전지 시스템은 다양한 유기물 혹은 하폐수로부터 전기에너지를 생산할 수 있는 지속가능한 기술로, 많은 연구자들로부터 높은 관심을 받고 있다. 일반적인 미생물 연료전지는 양이온 교환막 혹은 수소이온 교환막을 사이에 두고 양극반응조와 음극반응조로 구성되어 있다. 양극반응조에서 전기화학적 활성 미생물이 유기물을 산화하여 전자와 수소이온을 생성한다. 이렇게 얻어진 전자는 미생물의 전자이동 메카니즘(1. 전자이동 매개체, 2. 미생물의 나노와이어, 3. 전기화학적 활성을 가진 미생물막)에 의해 양극 표면으로 이동하게 된다. 양극표면에서 외부도선을 따라 음극표면으로 이동한 전자는 양극에서 생성되어 양이온 교환막 혹은 수소이온 교환막을 통해 이동된 수소이온 및 용존산소와 반응하여 물을 생성한다. 그러나, 상기 방식에 따르면 상기 교환막의 계면에서 에너지 손실이 발생하므로 전력 생산 효율이 감소할 수 있는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0104470호(공개일: 2009.10.06)
본 발명은 이를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 단일 반응조를 사용함으로써 분리막에서의 전력 생산효율이 저하되는 것을 방지하고, 산화아나타제 구조의 이산화티타늄 나노튜브를 포함하는 산화전극을 미생물 연료전지의 양극에 추가적으로 융합함으로써 전력 생산량을 향상시킬 수 있는 미생물 연료전지를 제공하는 데 있다.
이를 위하여 본 발명은 탄소전극 및 광활성 산화전극을 포함하는 양극(anode) 및 공기 환원 전극(air-cathode)을 포함하는 전극 시스템; 및 상기 전극 시스템을 내부에 포함하고, 미생물을 함유하는 단일 반응조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지를 제공한다.
본 발명에 따른 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 탄소 전극은 흑연그래뉼, 흑연펠트, 흑연막대, 흑연천 및 흑연입상체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 광활성 산화 전극은 산화티타늄 나노튜브를 포함하는 티타늄 포일을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 산화티타늄 나노튜브는 티타늄 포일을 전처리하는 제1단계; 전처리된 티타늄 포일을 양극산화법으로 산화하는 제2단계; 산화된 티타늄 포일을 세척, 건조하는 제3단계; 및 건조된 티타늄 포일을 나노튜브로 제조하는 제4단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 공기 환원 전극은 확산층 및 촉매층으로 코팅된 전극을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 확산층은 탄소 분말 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 촉매층은 백금이 코팅된 탄소 분말을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 미생물은 클렙시엘라 옥시토카(Klebsiella oxytoca), 슈도모나스 애루기노사(Pseudomonas aeruginosa) 및 슈도모나스(Pseudomonas sp .)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 양극 및 음극은 저항기가 장착된 전선으로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 미생물 연료전지는 전류밀도가 3000 ~ 4000 mA/m2 일 때 전력 생산량이 800 ~ 1000 mW/m2 일 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 상기의 미생물 연료전지의 탄소전극 및 광활성 산화전극을 포함하는 양극에서 전자가 발생하는 1단계; 및 상기 양극과 연결된 음극으로 전자가 이동하여 전력이 생성되는 2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지를 이용한 전기생산방법을 제공한다.
종래의 미생물 연료전지가 낮은 전력생산량을 나타내는 것과 달리, 태양광 활성을 효과를 가지는 산화티타늄 나노튜브를 포함하는 전극을 탄소 전극을 포함하는 미생물 연료전지의 양극에 융합하고, 단일 반응조를 사용함으로써 분리막에서의 전력 생산효율이 저하되는 것을 방지하고, 전력 생산량을 향상시킬 수 있는 미생물 연료전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지를 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1 ~ 2의 전력생산량을 나타낸 그래프이다.
상술한 바와 같이 종래의 미생물 연료전지에서는 반응조를 혐기조와 호기조로 분리시키기 위한 멤브레인을 필요로 하여, 이로 인해 전력 생산 효율이 저하될 수 있는 문제점이 있었고, 또한 미생물만을 이용하여 전력을 생산하는 경우 생산되는 전력량이 미비한 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 탄소전극 및 광활성 산화전극을 포함하는 양극(anode) 및 공기 환원 전극(air-cathode)을 포함하는 전극 시스템; 및 상기 전극 시스템을 내부에 포함하고, 미생물을 함유하는 단일 반응조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지을 제공함으로써 종래의 미생물 연료전지보다 우수한 전력 발생량을 가지는 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지를 제공한다. 이하, 본 발명을 도 1을 참조하여 구성요소별로 더욱 상세하게 설명한다.
이때, 상기 '하이브리드'란 특정 목표를 달성하기 위하여 두 개 이상의 요소가 합쳐진 것을 의미하며, 본 발명에서는 탄소전극 및 광활성 산화전극을 포함하는 양극을 제조함으로써, 미생물의 유기물 분해에 따른 전기생산시스템과 광활성에 따른 전기생산시스템이 결합된 된 것을 의미한다.
하기 도 1은 본 발명에 따른 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 미생물 연료전지는 탄소전극(10) 및 광활성 산화전극(20)을 포함하는 양극(anode)을 포함한다. 상기 양극은 단일 반응조(50) 내에서 유기물을 분해시켜 발생하는 전자를 발생시키는 탄소 전극(10) 및 태양광 활성을 나타내는 산화전극(20)의 2종의 전극을 포함함으로써 전기 생산량을 향상시킬 수 있고, 상기 2종의 전극을 포함하는 양극은 공기 환원 전극(30)과 외부 회로(40)를 통해 저항기에 연결되어 전기적 소통이 가능하다.
이때, 상기 탄소 전극은 흑연을 주원료로 하여 흑연그래뉼, 흑연펠트, 흑연막대, 흑연천 및 흑연입상체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함할 수 있다.
또한, 상기 광활성 산화 전극은 이산화티타늄 나노튜브를 포함하는 티타늄 포일을 포함할 수 있다. 상기 이산화 티타늄 나노튜브는 보다 상세하게는, 티타늄 포일을 전처리하는 제1단계; 전처리된 티타늄 포일을 양극산화법으로 산화하여 이산화티타늄 나노튜브를 형성하는 제2단계; 상기 이산화티타늄 나노튜브가 형성된 티타늄 포일을 세척 및 건조하는 제3단계; 및 건조된 티타늄 포일을 아나타제 구조의 이산화 티타늄 나노튜브로 제조하는 제4단계를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 제1단계는 이산화티타늄 나노튜브로 제조하기 위한 양극산화를 수행하기 전에, 유기물 오염 방지를 위하여 티타늄 포일을 전처리하기 위한 단계이다.
구체적으로, 제1단계는 티타늄 포일을 증류수에서 5 내지 10분 동안 초음파분해(sonication) 처리하는 1-1단계; 처리된 티타늄 포일을 아세톤에서 5 내지 10분 동안 초음파분해 처리하는 1-2단계; 처리된 티타늄 포일을 증류수에서 5 내지 10분 동안 초음파분해 처리하는 1-3단계; 및 처리된 티타늄 포일을 질소 가스로 건조하는 1-4단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
제2단계는 제1단계에서 전처리된 티타늄 포일을 양극산화법으로 산화하여 이산화티타늄 나노튜브를 형성하는 단계이다.
상기 양극산화에 사용되는 전해질은 플루오린화 암모늄(Ammonium Fluoride, NH4F4) 0.5 중량%, 정제수 2 부피% 및 에틸렌 글라이콜(Ethylene Glycol, C2H4(OH)2) 98 부피%의 혼합액을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 양극산화에 사용되는 상대전극은 흑연 및 탄소종이로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 제2단계는 전해질에 제1단계에서 전처리된 티타늄 포일과 상대전극을 각각 (+)극과 (-)극에 연결하여 직류전압 공급장치(direct current power supply)로 일정전압 30 내지 40 V에서 30 분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 양극산화 전압이 30 V 미만인 경우에는 이산화티타늄 나노튜브가 충분한 길이로 형성되지 못하는 문제점이 있으며, 40 V를 초과하는 경우에는 이산화티타늄 나노튜브가 티타늄 포일의 표면에서 떨어져나가는 경향이 있다.
제3단계는 제2단계에서 제조된 산화된 티타늄 포일을 세척, 건조하는 단계로서, 증류수에서 세척한 후, 에탄올에서 약 2분간 초음파분해하고 질소 가스로 건조할 수 있다.
제4단계는 상기 제3단계에서 건조된 티타늄 포일을 아나타제 구조의 이산화 티타늄 나노튜브로 제조하는 단계이다. 구체적으로, 제4단계는 건조된 티타늄 포일을 가열로에 넣고 산소 분위기 하에서 열처리 온도로 승온하는 4-1단계; 열처리 온도에서 열처리하는 4-2단계; 및 열처리된 티타늄 포일을 냉각하는 4-3단계를 포함하여 이루어진다. 4-1단계는 1 내지 5 ℃/min, 바람직하게는 2 ℃/min의 승온속도로 열처리 온도인 450 내지 450 ℃까지 승온하는 것이 바람직하다. 4-2단계는 열처리 온도에서 4 내지 8 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 4-3단계는 열처리가 완료된 후 가열로의 자연적인 냉각속도로 냉각하여 수행할 수 있다.
상기의 방법으로 제조되는 이산화티타늄 나노튜브는 평균공경이 100 내지 120 ㎚, 바람직하게는 110 내지 120 ㎚이며, 깊이는 1.1 내지 1.5 ㎛ 바람직하게는 1.3 내지 1.5 ㎛ 일 수 있다.
본 발명에 따른 미생물 연료전지에 있어서, 상기 공기 환원 전극은 확산층 및 촉매층으로 코팅된 전극을 포함할 수 있고, 상기 전극은 탄소천, 스테인레스 스틸 메쉬 및 니켈 메쉬로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 탄소천일 수 있다.
이때, 상기 확산층은 적정량의 산소를 반응조 내부로 확산시켜주는 역할을 하며, 카본블랙 분말 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene)을 포함할 수 있다. 보다 상세하게는 1겹의 카본 베이스 층(carbon base layer)과 4겹의 폴리테트라플루오로에틸렌 층(PTFE layer)을 포함할 수 있는데, 상기 카본 베이스 층은 50 mg의 vulcan 및 40 중량%의 PTFE를 포함할 수 있고, 상기 4겹의 PTFE 층은 60 중량%의 PTFE를 포함할 수 있다.
또한, 상기 촉매층은 산소 환원 반응의 활성화 에너지를 낮춰주는 역할을 하고, 백금 및 탄소분말을 포함할 수 있으며, 보다 상세하게는 약 10% 플래티늄이 코팅된 카본블랙 분말 60 mg, 400 μL의 5 중량% 네피온퍼플루오린 레진(nafionperfluorinated resin, Aldrich사) 및 200 μL의 2-프로판올을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 미생물 연료전지는 상기 전극 시스템을 내부에 포함하고, 미생물을 함유하는 단일 반응조(50)를 포함한다. 본 발명에 따르면 상기 전극 시스템을 단일 반응조에 포함함으로써 전력 손실이 감소하여 에너지 효율이 증가할 수 있는 효과가 있다. 보다 상세하게는 종래의 분리막을 포함하는 반응조를 사용하는 경우 분리막으로 인하여 전력 생산 효율이 일부 저하될 수 있는 문제점이 있었으나, 본 발명에 따르면 단일 반응조에서 산화환원 반응이 수행되므로, 종래의 방식에 비해 전력생산량이 증가할 수 있는 장점이 있다.
이때, 상기 미생물은 전자방출균(exoelectrogen)으로서 클렙시엘라 옥시토카(Klebsiella oxytoca), 슈도모나스 애루기노사(Pseudomonas aeruginosa) 및 슈도모나스(Pseudomonas sp.)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 슈도모나스 애루기노사(Pseudomonas aeruginosa)를 포함하는 것이 좋다.
본 발명에 따른 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지는 전류밀도가 3000 ~ 4000 mA/m2 일 때 전력 생산량이 800 ~ 1000 mW/m2 일 수 있고, 바람직하게는 전류밀도가 3000 ~ 3500 mA/m2 일 때 전력 생산량이 900 ~ 1000 mW/m2 일 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기의 미생물 연료전지의 탄소전극 및 광활성 산화전극을 포함하는 양극에서 전자가 발생하는 1단계; 및 상기 양극과 연결된 음극으로 전자가 이동하여 전력이 생성되는 2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지의 전기생산방법을 제공한다. 이하, 본 발명을 단계별로 보다 상세하게 설명한다.
상기 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지의 전기생산방법에 있어서, 상기 1단계에서는 탄소전극 및 광활성 산화전극에서 각각 독립적으로 전자가 발생할 수 있는데, 상기 탄소전극에서는 단일 반응조 내에 포함되는 미생물이 유기물을 분해함으로써 이산화탄소 및 수소이온과 전자가 발생할 수 있고, 광활성 산화전극에서는 500 nm 이하 파장의 광원을 통해 전자가 여기되어 전자가 발생할 수 있다.
상기 2단계에서는 상기 양극 전극과 연결된 전극 시스템으로 전자가 전달되고, 이와 연결된 음극으로 전자가 이동하고, 상기 공기 환원 전극에서는 산소, 전자 및 수소 이온이 물분자로 전환됨으로써 전력이 생성될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
실시예 1. 미생물 연료전지의 제조
티타늄 포일(Nilaco coorporation사 제조)을 6 cm×4 cm의 크기로 잘라 아세톤, 에탄올 및 정제수에서 각각 10 분씩 초음파조사하여 세척하였다. 상기 세척된 티타늄 포일의 일면에 5.5 cm의 테이프를 붙인 후 양극산화시켜 일면만 양극산화되도록 한다. 보다 상세하게는, 상기 테이프를 붙인 티타늄 포일을 양극에 연결하고, 상대전극으로서 탄소전극을 음극에 연결한 후 직류전압 공급장치(direct current power supply)로 40V의 직류를 30분간 흘려주어 티타늄 포일의 일면만 산화시킨다. 이때, 전해질로는 플루오린화 암모늄(Ammonium Fluoride, NH4F4) 0.5 중량%, 정제수 2 부피% 및 에틸렌 글라이콜(Ethylene Glycol, C2H4(OH)2 ) 98 부피%의 혼합액 100 ml를 사용하였다. 이후, 이를 증류수에서 세척한 후, 에탄올에서 약 2분간 초음파분해하고 질소 가스로 건조하였다. 건조된 티타늄 포일을 2 ℃/min의 승온속도로 승온하여 450 ℃에서 2 시간 동안 열처리한 후, 가열로의 자연적인 냉각속도로 냉각하여 수행하여 표면에 이산화 티타늄 나노튜브가 형성된 티타늄 포일을 제조하였다.
22 mL의 단일 반응조에 양극으로서 상기 티타늄 포일과 연결된 카본 펠트 전극(2 cm×2.1 cm×1.0 cm)을 양극으로 사용하였고, 공기 환원 전극은 확산층 및 촉매층이 코팅된 흑연천(carbon cloth, 11.34 cm2, 지름 38 mm)을 사용하였다. 이때, 상기 확산층은 1겹의 카본 베이스 층(carbon base layer)과 4겹의 폴리테트라플루오로에틸렌 층(PTFE layer)을 포함하고, 보다 상세하게는 상기 카본 베이스 층은 50 mg의 vulcan 및 40 중량%의 PTFE를 포함하고, 상기 4겹의 PTFE 층은 60 중량% 농도의 PTFE를 포함하였다. 또한, 상기 촉매층은 10 중량%의 백금이 코팅된 카본블랙 분말 60 mg을 포함하였다.
이때, 상기 양극에서 티타늄 포일의 산화된 면이 상기 단일 반응조의 바깥쪽으로 위치시켜 양극을 적용하였다(도 1 참조).
비교예 1. 미생물 연료전지의 제조
카본 펠트(carbon felt)와 티타늄 메쉬가 집전장치(current collector)로 연결된 양극(anode)을 사용하고, 10 %의 플래티늄이 코팅된 카본 블랙 분말(carbon black powder)를 촉매층으로 코팅하고 1겹의 카본 블랙 층(carbon black layer)과 4겹의 PTFE을 공기 환원 전극(air-cathode)으로 사용한 미생물 연료전지를 사용하였다.
비교예 2. 미생물 연료전지의 제조
상기 비교예 1의 미생물 연료전지에 실시예1과 마찬가지로 광활성 산화전극을 추가적으로 적용시키되 추가적인 빛을 공급하지 않은 연료전지를 사용하였다.
실험예 1. 미생물 연료전지의 전력생산 평가
본 발명에 따른 미생물 연료전지의 전력생산량을 평가하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다. 상기 실시예 1에서 제조된 미생물 연료전지에 클렙시엘라 옥시토카(Klebsiella oxytoca), 슈도모나스 애루기노사(Pseudomonas aeruginosa) 및 슈도모나스(Pseudomonas sp .) 등의 미생물을 포함하는 글루코즈(glucose medium 1g/L)를 22 mL 공급하였고, 1 SUN(지표면에 도달하는 태양광의 세기)의 태양광에 상기 연료전지를 노출하였다. 전류밀도가 0 ~ 7500 mA/m2일 때의 전압 및 전력밀도를 측정하였다. 그 결과를 하기 도 2에 나타내었다.
하기 도 2에 따르면, 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1 ~ 2의 미생물 연료전지의 최대 출력 파워를 통해 미생물 연료전지의 효율을 비교할 수 있다. 이때, 본 발명의 실시예 1의 경우 최고 출력 파워 값이 약 930~940 mW/m2 으로 비교예 1(약 550~580 mW/m2) 및 비교예 2(약 610~650 mW/m2)에 비해 효율이 월등히 증가된 것이 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지는 2가지의 독립된 양극을 동시에 사용함으로써 전력 생산 효율이 월등히 향상될 수 있다.
10: 카본 펠트 전극
11: 전자방출균
20: 광활성 산화전극
30: 공기 환원 전극
40: 외부 회로
50: 단일 반응조

Claims (11)

  1. 탄소전극 및 광활성 산화전극을 포함하는 양극(anode) 및 공기 환원 전극(air-cathode)을 포함하는 전극 시스템; 및
    상기 전극 시스템을 내부에 포함하고, 미생물을 함유하는 단일 반응조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소 전극은 흑연그래뉼, 흑연펠트, 흑연막대, 흑연천 및 흑연입상체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광활성 산화 전극은 산화티타늄 나노튜브를 포함하는 티타늄 포일인 것을 특징으로 하는 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지.
  4. 제3항에 있어서, 상기 산화티타늄 나노튜브는 티타늄 포일을 전처리하는 제1단계; 전처리된 티타늄 포일을 양극산화법으로 산화하는 제2단계; 산화된 티타늄 포일을 세척, 건조하는 제3단계; 및 건조된 티타늄 포일을 아나타제 구조의 이산화 티타늄 나노튜브로 제조하는 제4단계를 포함하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 공기 환원 전극은 확산층 및 촉매층으로 코팅된 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 확산층은 탄소 분말 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지.
  7. 제5항에 있어서, 상기 촉매층은 백금이 코팅된 탄소 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 미생물은 클렙시엘라 옥시토카(Klebsiella oxytoca), 슈도모나스 애루기노사(Pseudomonas aeruginosa) 및 슈도모나스(Pseudomonas sp .)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지.
  9. 제1항에 있어서, 상기 양극 및 음극은 저항기가 장착된 전선으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 미생물 연료전지는 전류밀도가 3000 ~ 4000 mA/m2 일 때 전력 생산량이 800 ~ 1000 mW/m2인 것을 특징으로 하는 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 미생물 연료전지의 탄소전극 및 광활성 산화전극을 포함하는 양극에서 전자가 발생하는 1단계; 및
    상기 양극과 연결된 음극으로 전자가 이동하여 전력이 생성되는 2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광-바이오 하이브리드 미생물 연료전지를 이용한 전기생산방법.

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