KR101884512B1 - 세포를 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조류 세포, 전도성 물질 및 물을 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.

Description

세포를 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지{Electrolyte composition comprising cell and redox flow battery comprising the same}

본 발명은 세포를 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지로, 보다 자세하게는 조류 세포, 전도성 물질 및 물을 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.

식물 또는 조류(algae) 세포의 광합성은 태양에너지와 물을 이용하여 세포 생존을 위해 필요한 에너지를 생성하며, 그 양자효율(quantum efficiency)은 100%에 이른다. 따라서, 최근, 이러한 광합성 과정을 직/간접적으로 이용하거나 또는 광합성 과정을 모사하여 필요한 전기 에너지 또는 산소/수소를 생성하려는 다양한 연구가 시도되고 있다.

전기에너지 생산을 위해 식물 또는 조류의 광합성 과정을 이용하는 기술의 일 예로 미생물 기반 광전기화학 전지(microbial photoelectrochemical cell)가 있으며, 미생물 기반 광전기화학 전지는 크게 광합성 세포전지(photosynthetic microbial solar cell)와 광합성 연료전지(photosynthetic microbial fuel cell)로 나눌 수 있다.

미생물 연료전지는 산화 챔버(anodic chamber)와 환원 챔버(cathodic chamber)를 포함하며 연료전지와 유사한 형태로 구성된다. 산화 챔버에서 세포의 신진대사 중 발생한 전자를 전극으로 직접 추출하거나, 외부로부터의 전자 매개체 또는 세포 내부로부터 생성된 매개체를 이용하여 에너지를 생산한다.

그러나, 현재 연구중인 미생물 연료전지는, 낮은 전류 밀도, 외부 전자 매개체의 유해성(toxicity) 및 짧은 에너지 생산 지속시간에 관한 문제점이 있다. 특히 세포로부터 추출된 물질을 기반으로 전지를 제작할 경우, 추출된 물질의 생존성 문제로 에너지 지속시간에 제약이 있는 문제점이 있다.

종래의 미생물 연료전지 중 직접 세포를 이용할 경우에는, 지속적으로 세포를 흘려주거나 세포 배양액을 공급해야 하기 때문에 외부 전원을 필요로 하는 펌프 시스템(solution injection으로 표시)을 필요로 한다. 이러한, 펌프 시스템은 실생활에 사용하기에 번거롭고 복잡한 구조이며, 또한, 에너지원이 공급되지 못할 때 에너지 생산이 중단된다는 문제점이 있다.

따라서, 외부 전원을 사용하지 않기 위해서, 모세관 현상, 물의 증발 또는 화학적 흡착을 이용한 다양한 형태의 무전원 펌프(Autonomous pump)가 보고되었으나, 이는 대부분 마이크로 유체 분석시스템에 적용될 수 있으며 전지 시스템에 사용되기에는 제약이 따르는 문제점이 있다.

본 발명은 화학약품을 사용하지 않는 친환경적인 전해액 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 세포의 광합성과 호흡 과정에서 일어나는 산화·환원 반응을 이용한 레독스 흐름 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 조류 세포, 전도성 물질 및 물을 포함하는 전해액 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 산화 챔버;

환원 챔버;

상기 산화 챔버와 상기 환원 챔버 사이에 위치하는 분리막;

상기 산화 챔버의 일면에 형성된 음극;

상기 환원 챔버의 일면에 형성된 양극; 및

상기 산화 챔버 및 환원 챔버를 연결하는 펌프;를 포함하는 레독스 흐름 전지로,

상기 산화 챔버 및 환원 챔버는 상기 본 발명의 전해액 조성물을 포함하고,

상기 산화 챔버에는 빛이 조사되고,

상기 환원 챔버는 암실 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지를 제공한다.

본 발명의 전해액 조성물은 화학 약품을 사용하지 않아 친환경적이다.

또한, 본 발명의 레독스 흐름 전지는 세포의 광합성과 호흡 과정에서 일어나는 산화·환원 반응을 이용하므로, 충·방전을 할 필요가 없다.

또한, 본 발명의 레독스 흐름 전지는 세척이 용이하다.

도 1은 본 발명의 레독스 흐름 전지를 나타낸 그림이다.
도 2는 종래의 레독스 흐름 전지를 나타낸 그림이다.
도 3은 본 발명의 전해액 조성물의 전기화학적 특성을 측정한 전류 그래프이다.

이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.

본 발명은 조류 세포, 전도성 물질 및 물을 포함하는 전해액 조성물에 관한 것이다.

종래의 전해액 조성물은 화학 물질을 포함하고 있어 친환경적이지 못한 문제가 있었다.

따라서, 본 발명에서는 상기의 문제를 해결하고자 조류 세포, 전도성 물질 및 물을 포함하는 전해액 조성물을 제공하고자 하였다.

상기 조류 세포는 자체적으로 생존이 가능한 세포이며, 보다 자세하게는 광합성을 하면서 자체적으로 생존성도 유지할 수 있는 세포이다. 바람직하게는 구체적으로 예를 들어, 남조류 및 녹조류로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다.

또한, 조류 세포의 먹이인 미네랄을 약 2 내지 5주 주기로 투입하여 준다.

또한, 상기 조류 세포는 본 발명의 전해액 조성물 1mL에 대하여 5X10⁶ 내지 8X10⁸개로 포함되며, 바람직하게는 6X10⁷ 내지 7X10⁷개로 포함된다.

상기 조류 세포가 5X10⁶개 미만으로 포함되면 광합성량이 부족하여 레독스 흐름 전지에 사용할 수 없고, 8X10⁸개를 초과하여 포함되면 전해액 조성물의 탁도가 증가하고, 전해액의 조성이 바뀌어 조류 세포의 생존이 어려워지며, 그에 따라 광합성이 일어나지 않게 된다.

상기 조류 세포가 5X10⁶ 내지 8X10⁸개로 포함되면, 전해액 조성물의 탁도가 낮아 빛의 투과가 용이하여 광합성이 효과적으로 일어날 수 있으며, 조류 세포에 비하여 전해액이 충분히 존재하여 조류 세포의 광합성 및 호흡으로 인한 전해액 조성물의 조성 변화를 염려하지 않아도 된다.

상기 전도성 물질은 산화 챔버에서 조류 세포의 광합성을 통하여 생성되는 전자를 음극으로 이동시켜주며, 환원 챔버의 양극에서 발생하는 전자를 받아 조류 세포를 호흡할 수 있게 하는 중간 매개체 역할을 한다.

상기 전도성 물질은 그 종류를 특별히 한정하는 것은 아니나, 전자 이동이 유리하기 위하여 막대 모양인 것이 바람직하며, 구체적으로 예를 들어, 탄소나노튜브, 그래핀, 메탈나노와이어 및 나노파이버로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다.

상기 전도성 물질은 본 발명의 전해액 조성물 총 중량에 대하여 0.0001 내지 1 중량%로 포함되며, 바람직하게는 0.01 내지 0.1 중량%로 포함된다.

상기 전도성 물질이 0.0001 중량% 미만으로 포함되면, 전해액 조성물 내 함량이 미미하여 전자 이동이 어렵고, 1 중량%를 초과하여 포함되면, 전해액 조성물의 색이 어두워져 산화 챔버에서 세포의 광합성이 일어나기 어려워진다.

또한, 본 발명은

산화 챔버;

환원 챔버;

상기 산화 챔버와 상기 환원 챔버 사이에 위치하는 분리막;

상기 산화 챔버의 일면에 형성된 음극;

상기 환원 챔버의 일면에 형성된 양극; 및

상기 산화 챔버 및 환원 챔버를 연결하는 펌프;를 포함하는 레독스 흐름 전지로,

상기 산화 챔버 및 환원 챔버는 상기 본 발명의 전해액 조성물을 포함하고,

상기 산화 챔버에는 빛이 조사되고,

상기 환원 챔버는 암실 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.

상기 레독스 흐름 전지는 산화 챔버, 환원 챔버 및 상기 산화 챔버 및 환원 챔버 사이에 위치하는 분리막이 구비될 수 있다. 상기 산화 챔버는 상기 산화 챔버의 공간 내부의 일면에 형성된 상기 음극을 포함할 수 있다. 상기 환원 챔버는 상기 환원 챔버의 공간 내부의 일면에 형성된 상기 양극을 포함할 수 있다.

또한, 상기 산화 챔버 및 환원 챔버와 연결된 전해액 조성물을 순환시키기 위한 펌프를 포함하며, 산화 챔버 및 환원 챔버에는 상기 본 발명의 전해액 조성물이 담지되어 있다.

상기 산화 챔버에는 빛이 조사되어 조류 세포의 광합성이 일어나며, 상기 환원 챔버는 암실 내부에 존재하여 조류 세포의 광합성을 억제시키고 호흡이 일어나게 한다.

보다 구체적으로, 빛이 조사되어 전해액 조성물의 조류 세포가 광합성을 함에 따라 전자가 발생하며, 상기 전자는 전해액 조성물의 전도성 물질을 매개체로 하여 산화 챔버의 음극으로 이동한다. 음극으로 이동한 전자는 외부 도선을 따라 환원 챔버의 양극으로 이동하며, 상기 양극에서 전자가 방출되고, 상기 전자는 전도성 물질을 매개체로 하여 전해액 조성물로 이동하여 조류 세포의 호흡이 일어나게 한다. 따라서, 상기 조류 세포의 광합성 및 호흡을 통한 전자의 이동으로 인하여 레독스 흐름 전지의 전류가 흐르게 된다.

즉, 상기 본 발명의 레독스 흐름 전지는 세포의 생체 대사인 광합성 및 호흡과정을 이용하여 전류를 흐르게 하는 것으로, 친환경적이며 전지의 충·방전이 필요 없는 효과를 지니고 있다.

종래의 레독스 흐름 전지는 전해액 조성물로 바나듐 용액 등 화학 물질을 사용하여 양극과 음극의 산화 반응을 통해 바나듐의 산화수 변화에 따른 전자의 이동으로 전류를 흐르게 하였다.

그러나, 바나듐 용액은 강산이며, 전지의 세척이 불편하고, 사용자에게 유해할 뿐만 아니라 산화·환원 반응이 끝나면 재충전을 해야했다.

상기 본 발명의 레독스 흐름 전지는 조류 세포의 광합성 및 호흡을 통한 산화·환원 반응을 이용하여 전류를 흐르게 함으로써, 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하였다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

실시예 1. 전해액 조성물 제조

물 2.2mL에 조류 세포 6X10⁷ 내지 7X10⁷개 및 탄소나노튜브 0.002 내지 0.2g을 첨가하고 혼합하여 전해액 조성물을 제조하였다.

실험예 1.

상기 실시예 1에서 제조한 전해액 조성물을 레독스 흐름 전지의 산화 챔버 및 환원 챔버에 투입하여 2전극 방식으로 실험을 진행하였으며, 조사 광의 세기는 900에서 진행하였다.

상기와 같은 구성을 통하여 전기화학 셀을 구성하고 전류를 측정하였다(도 3).

상기 결과를 통하여, 본 발명의 전해액 조성물, 이를 포함하는 레독스 흐름 전지는 조류 세포의 광합성 및 호흡을 이용하여 전류를 흐르게 할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 산화 챔버;
   환원 챔버;
   상기 산화 챔버와 상기 환원 챔버 사이에 위치하는 분리막;
   상기 산화 챔버의 일면에 형성된 음극;
   상기 환원 챔버의 일면에 형성된 양극; 및
   상기 산화 챔버 및 환원 챔버를 연결하는 펌프;를 포함하는 레독스 흐름 전지로,
   상기 산화 챔버 및 환원 챔버는 조류 세포, 전도성 물질 및 물을 포함하는 전해액 조성물을 포함하고,
   상기 산화 챔버에는 빛이 조사되고,
   상기 환원 챔버는 암실 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 조류 세포는 남조류 및 녹조류로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지.
8. 청구항 6에 있어서, 상기 전도성 물질은 탄소나노튜브, 그래핀, 메탈나노와이어 및 나노파이버로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지.
9. 청구항 6에 있어서, 상기 조류 세포는 물 1mL 당 5X10⁶ 내지 8X10⁸개로 포함되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지.
10. 청구항 6에 있어서, 상기 전도성 물질은 전해액 조성물 총 중량에 대하여 0.0001 내지 1 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지.

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