KR102087278B1 - 바이오 연료 전지 및 바이오 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

바이오 연료 전지는 산화 전극인 제 1 전극, 환원 전극인 제 2 전극, 제 1 전극과 제 2 전극을 모두 감싸 외부로부터 제 1 전극 및 제 2 전극으로의 음이온의 이동을 방지하는 양이온 교환막, 및 제 1 전극과 제 2 전극을 모두 감싸 외부로부터 제 1 전극 및 제 2 전극으로의 양이온의 이동을 방지하는 음이온 교환막을 포함하되, 양이온 교환막과 음이온 교환막은 교번적으로 배치되어 음이온과 양이온 모두의 이동이 방지될 수 있다.

Description

바이오 연료 전지 및 바이오 연료 전지 시스템{Biofuel cells and biofuel cell systems}
실시예들은 바이오 연료 전지 및 바이오 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 산화 전극과 환원 전극을 모두 감싸는 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교번적으로 배치되어 외부로부터 양이온과 음이온의 산화 전극 및 환원 전극으로의 이동이 방지되는 바이오 연료 전지 및 복수 개의 바이오 연료 전지들이 서로 직렬 연결된 바이오 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
바이오 연료 전지(Biofuel cell; BFC)는 효소 또는 미생물 등이 갖고 있는 생물의 기능을 이용하여 기질이 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 전지를 뜻한다. 구체적으로, 효소 반응 또는 미생물의 대사에 의하여 기질이 분해되는 과정에서 발생되는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 수단과 상기 변환된 전기에너지를 회수하는 수단을 포함하는데, 바이오 연료 전지의 산화 전극에서는 산화 효소를 통해 유기물을 산화시키고, 환원 전극에서는 환원 효소를 통해 산소를 환원시켜 전력을 얻는다.
　바이오 연료 전지는 산화 효소 또는 이를 발현시키는 미생물이 배치되는 산화 전극, 환원 효소 또는 이를 발현시키는 미생물이 배치되는 환원 전극, 산화 전극과 환원 전극을 연결하는 전선, 및 산화 전극과 환원 전극이 배치되는 저장조를 포함할 수 있다.
저장조에 각각의 기질(예를 들어 글루코스, 산소 등)이 충진되면, 산화 전극에 배치된 산화 효소 또는 미생물이 기질을 산화시켜서 수소 이온과 전자를 생성하고, 이후 생성된 전자는 산화 전극으로부터 환원 전극으로 이동할 수 있다. 환원 전극은 환원 전극에 배치된 환원 효소 또는 미생물을 통하여 기질을 환원시키면서 산화 전극으로부터 이동된 전자를 통하여 산소를 물로 전환시켜 전력을 생산할 수 있다.
상술한 바와 같이 바이오 연료 전지의 산화 전극에서는 산화 효소를 통해 주로 유기물을 산화시키고, 환원 전극에서는 환원 효소를 통해 산소를 환원시켜 전력을 얻는데, 바이오 연료 전지에서 이론적으로 얻을 수 있는 전지의 전압과 전류는 산화 전극과 환원 전극 각각의 효소의 활성 부위의 전위, 산화와 환원이 되는 물질의 농도, 산화와 환원을 도와주는 전자 전달체의 전위 등의 요소들로 인하여 전류 및 전압의 최대치에 한계가 있다.
예를 들어 바이오 연료 전지를 생체로 삽입할 경우, 생체 내의 평균 글루코스 농도와 산소 농도로 고려하였을 때, 바이오 전지로부터 얻을 수 있는 이론적인 최대 전압 값은 대략 0.962 V로 이는 실제 다른 전자 장치에 바이오 연료 전지를 연결하여 활용하는 데 있어 제한 조건이 될 수 있다.
바이오 연료 전지가 에너지 공급 수단으로 사용되어 충분한 전력을 다른 장치에 공급해 다른 장치가 원활하게 구동되기 위해서는 얻어지는 바이오 연료 전지를 통하여 얻을 수 있는 최대 전압 값의 개선이 필요하다.
실시예들은 산화 전극과 환원 전극을 모두 감싸는 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교번적으로 배치된 바이오 연료 전지를 제공한다.
실시예들은 또한 복수 개의 바이오 연료 전지들이 직렬 연결되어 보다 높은 전압을 생성할 수 있는 바이오 연료 전지 시스템을 제공한다.
실시예들은 또한 바이오 연료 전지 및 바이오 연료 전지 시스템의 제조 방법을 제공한다.
본 실시예들이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
실시예에 관한 바이오 연료 전지는 산화 전극인 제 1 전극; 환원 전극인 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 모두 감싸 외부로부터 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극으로의 음이온의 이동을 방지하는 양이온 교환막; 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 모두 감싸 외부로부터 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극으로의 양이온의 이동을 방지하는 음이온 교환막;을 포함하되, 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막은 교번적으로 배치되어 음이온과 양이온 모두의 이동이 방지된다.
상기 제 1 전극은 효소를 통해 유기물을 산화시킬 수 있다.
상기 제 2 전극은 효소를 통해 산소를 환원시킬 수 있다.
상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막에 산소(O2)와 글루코스(glucose)의 직경보다 큰 직경의 통공이 형성됨으로써 산소와 글루코스가 상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막을 통과하여 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극으로 이동 가능할 수 있다.
상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막이 결합된 양쪽성 막(bipolar membrane)을 포함하되, 상기 양쪽성 막은 복수 개일 수 있다.
다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지 시스템은 실시예에 관한 바이오 연료 전지를 복수 개 포함하되, 복수 개의 상기 바이오 연료 전지들은 서로 직렬 연결된다.
복수 개의 상기 바이오 연료 전지들 중 하나인 제 1 바이오 연료 전지는 복수 개의 상기 바이오 연료 전지들 중 다른 하나인 제 2 바이오 연료 전지와 직렬 연결되되, 상기 제 1 바이오 연료 전지의 환원 전극은 상기 제 2 바이오 연료 전지의 산화 전극과 직렬 연결될 수 있다.
또 다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지의 제조 방법은 산화 전극인 제 1 전극을 배치하는 단계; 환원 전극인 제 2 전극을 배치하는 단계; 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극으로의 음이온의 이동을 방지하도록 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 모두 감싸는 양이온 교환막을 배치하는 단계; 및 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극으로의 양이온의 이동을 방지하도록 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 모두 감싸는 음이온 교환막을 배치하는 단계;를 포함하되, 양이온과 음이온 모두의 이동을 방지하도록 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막은 교번적으로 배치된다.
또 다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지 시스템의 제조 방법은 또 다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지의 제조 방법에 따라 제조된 바이오 연료 전지를 복수 개 배치하는 단계; 및 상기 복수 개의 바이오 연료 전지들을 서로 직렬 연결하는 단계;를 포함한다.
본 실시예들은 산화 전극과 환원 전극을 모두 감싸는 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교번적으로 배치된 바이오 연료 전지들을 직렬로 연결함으로써 단일의 바이오 연료 전지가 발생하는 전압보다 큰 전압을 획득할 수 있다.
이때, 양이온 교환막에서는 양이온만 막을 통과할 수 있으며 음이온의 이동을 제한하고, 음이온 교환막에서는 음이온만 막을 통과할 수 있으며 양이온의 이동을 제한한다.
따라서 두 종류의 막을 교대로 배치하면 산화 전극과 환원 전극 내로의 양이온과 음이온의 이동을 막을 수 있다. 이때 전하를 띠지 않는 글루코스와 산소는 산화 전극과 환원 전극 내로 이동 가능하다. 양이온과 음이온의 이동이 제한됨에 따라 바이오 연료 전지의 전해질이 분리된 효과를 얻을 수 있다.
전해질이 분리됨으로써 전지를 직렬로 연결한 것과 같은 효과를 얻을 수 있으며, 연료로 쓰이는 글루코스와 산소의 산화 전극과 환원 전극 내로의 이동은 자유로우므로 연료 부족으로 인한 전압과 전류의 감소를 막을 수 있다.
도 1은 실시예에 관한 바이오 연료 전지를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에 관한 바이오 연료 전지에서 전해질의 이동을 모식화한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 바이오 연료 전지가 복수 개 연결된 다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지 시스템의 일 예시로서 2 개의 바이오 연료 전지를 포함하는 바이오 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 또 다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지의 제조 방법을 도시한 블록도이다.
실시예들에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
실시예들에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 실시예에 관한 바이오 연료 전지(1000)를 개략적으로 도시한 도면이다.
실시예에 관한 바이오 연료 전지(1000)는 산화 전극(100)인 제 1 전극, 환원 전극(200)인 제 2 전극, 제 1 전극과 제 2 전극을 모두 감싸 외부로부터 제 1 전극 및 제 2 전극으로의 음이온의 이동을 방지하는 양이온 교환막(300), 및 제 1 전극과 제 2 전극을 모두 감싸 외부로부터 제 1 전극 및 제 2 전극으로의 양이온의 이동을 방지하는 음이온 교환막(400)을 포함하되, 양이온 교환막(300)과 음이온 교환막(400)은 교번적으로 배치되어 음이온과 양이온 모두의 이동이 방지될 수 있다.
실시예에 관한 바이오 연료 전지(1000)는 산화 전극(100)인 제 1 전극 및 환원 전극(200)인 제 2 전극을 포함하는데, 산화 전극(100)인 제 1 전극은 효소를 통해 유기물을 산화시키고, 환원 전극(200)인 제 2 전극은 효소를 통해 산소를 환원시킬 수 있다.
산화 전극(100)인 제 1 전극은 제 1 전극에 배치된 미생물이 기질(예를 들어 유기물)을 산화시켜서 수소 이온과 전자를 생성할 수 있다. 이후 산화 전극(100)인 제 1 전극에서 생성된 전자는 제 1 전극으로부터 환원 전극(200)인 제 2 전극으로 이동할 수 있다.
실시예에 관한 연료 전지 시스템의 제 1 전극 상에는 페로센 또는 오스뮴 복합체 중 적어도 하나를 포함하는 전자 전달체가 도포될 수 있다. 이때 전자 전달체는 산화 전극(100)인 제 1 전극에 도포되어 제 1 전극에서 산화되어 생성된 전자들이 원활하게 전달될 수 있도록 할 수 있다.
환원 전극(200)인 제 2 전극은 제 2 전극에 배치된 미생물을 통하여 제 1 전극으로부터 제 2 전극으로 이동한 전자를 이용하여 산소를 환원시키면서 전력을 생산할 수 있다.
실시예에 관한 바이오 연료 전지(1000)는 제 1 전극과 제 2 전극을 모두 감싸 외부로부터 제 1 전극과 제 2 전극으로의 음이온의 이동을 방지하는 양이온 교환막(300) 및 제 1 전극과 제 2 전극을 모두 감싸 외부로부터 제 1 전극과 제 2 전극으로의 양이온의 이동을 방지하는 음이온 교환막(400)을 포함할 수 있다.
양이온 교환막(300)은 양이온을 투과시키되 음이온은 투과시키지 않는 역할을 할 수 있다. 양이온 교환막(300)에서 양이온은 양이온 교환막(300)을 통과할 수 있으나 음이온은 양이온 교환막(300)을 통과할 수 없다. 따라서, 바이오 연료 전지(1000)가 배치되는 장소(예를 들어 체내 용액)에서 양이온은 양이온 교환막(300)을 통과하여 바이오 연료 전지(1000) 내로 유입될 수 있으나 음이온은 양이온 교환막(300)을 통과하지 못해 바이오 연료 전지(1000) 내로 유입될 수 없다.
음이온 교환막(400)은 음이온을 투과시키되 양이온은 투과시키지 않는 역할을 할 수 있다. 음이온 교환막(400)에서 음이온은 음이온 교환막(400)을 통과할 수 있으나 양이온은 음이온 교환막(400)을 통과할 수 없다. 따라서, 바이오 연료 전지(1000)가 배치되는 장소(예를 들어 체내 용액)에서 음이온은 음이온 교환막(400)을 통과하여 바이오 연료 전지(1000) 내로 유입될 수 있으나 양이온은 음이온 교환막을 통과하지 못해 바이오 연료 전지(1000) 내로 유입될 수 없다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에 관한 바이오 연료 전지(1000)에서 전해질의 이동을 모식화한 도면이다. 도 2를 참조하여 바이오 연료 전지(1000) 내로의 전해질의 이동에 관하여 보다 상세히 살펴보도록 한다.
실시예에 관한 바이오 연료 전지(1000)에서 양이온 교환막(300)과 음이온 교환막(400)은 교번적으로 배치되어 바이오 연료 전지(1000) 내로의 음이온과 양이온 모두의 이동이 방지될 수 있다.
양이온 교환막(300)은 양이온을 투과시키되 음이온은 투과시키지 않는 역할을 할 수 있고, 음이온 교환막(400)은 음이온을 투과시키되 양이온은 투과시키지 않는 역할을 할 수 있다. 양이온 교환막(300)과 음이온 교환막(400)이 서로 교번적으로 배치되며 산화 전극(100)인 제 1 전극과 환원 전극(200)인 제 2 전극을 수용하면 양이온 교환막(300)에서는 음이온의 유입이 음이온 교환막(400)에서는 양이온의 유입이 방지될 수 있다.
따라서, 실시예에 관한 바이오 연료 전지(1000)는 교번적으로 배치된 양이온 교환막(300) 및 음이온 교환막(400)을 통하여 바이오 연료 전지(1000) 내로의 음이온과 양이온 모두의 이동을 방지할 수 있다
실시예에 관한 바이오 연료 전지(1000)의 양이온 교환막(300) 및 음이온 교환막(400)에 산소(O2)와 글루코스(glucose)의 직경보다 큰 직경의 통공이 형성됨으로써 산소와 글루코스가 양이온 교환막(300) 및 음이온 교환막(400)을 통과하여 제 1 전극 및 제 2 전극으로 이동 가능할 수 있다.
전하를 띠지 않는 산소(O2)와 글루코스(glucose) 는 양이온 교환막(300)과 음이온 교환막(400)을 통과하여 바이오 연료 전지(1000) 내로 이동할 수 있는데, 양이온 교환막(300)과 음이온 교환막(400)에는 산소(O2)와 글루코스(glucose)의 직경보다 큰 직경의 통공이 형성될 수 있다. 따라서 산소(O2)와 글루코스(glucose)는 양이온 교환막(300)과 음이온 교환막(400)에 형성된 통공을 통하여 바이오 연료 전지(1000) 내의 제 1 전극 및 제 2 전극으로 유입될 수 있다.
글루코스와 산소는 바이오 연료 전지(1000) 내의 제 1 전극 및 제 2 전극에서 산화, 환원되어 바이오 연료 전지(1000)가 전력을 생산하는 연료로 사용될 수 있다. 따라서, 바이오 연료 전지(1000)가 전력을 생산하는 연료인 글루코스와 산소의 바이오 연료 전지(1000) 내로의 유입은 제한되지 않고 자유로우므로 바이오 연료 전지(1000)의 연료 부족으로 인한 전압과 전류의 감소를 막을 수 있다.
양이온과 음이온의 바이오 연료 전지(1000) 내로의 이동이 제한됨에 따라 바이오 연료 전지(1000)가 수용된 장소(예를 들어 체내 용액)가 각각 분리된 효과를 얻을 수 있다. 바이오 연료 전지(1000)가 수용된 장소가 각각 분리된 효과를 얻을 수 있음에 따라 바이오 연료 전지(1000) 또한 개별적으로 분리되어 구성된 효과를 얻을 수 있다.
실시예에 관한 바이오 연료 전지(1000)는 양이온 교환막(300) 및 음이온 교환막(400)이 결합된 양쪽성 막(bipolar membrane)을 포함하되, 양쪽성 막은 복수 개일 수 있다.
양이온 교환막(300) 및 음이온 교환막(400)은 서로 결합하여 양쪽성 막(bipolar membrane)을 형성할 수 있다. 양이온 교환막(300)과 음이온 교환막(400)이 합쳐진 형태인 양쪽성 막은 양이온과 음이온의 이동을 모두 차단하는 역할을 할 수 있다.
이때 양쪽성 막은 복수 개로 형성될 수 있으며, 복수 개의 양쪽성 막이 산화 전극(100)인 제 1 전극 및 환원 전극(200)인 제 2 전극을 모두 감싸 바이오 연료 전지(1000) 내의 제 1 전극 및 제 2 전극으로의 양이온 및 음이온의 이동이 방지될 수 있다.
제 1 전극 및 제 2 전극 모두를 감싸는 양쪽성 막이 복수 개로 형성됨에 따라 바이오 연료 전지(1000)가 수용된 장소가 각각 분리된 효과가 더욱 향상될 수 있다. 복수 개의 양쪽성 막으로 인하여 향상된 분리 효과로 인하여 바이오 연료 전지(1000)가 개별적으로 분리되어 구성된 효과 또한 향상될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 바이오 연료 전지(1000)가 복수 개 연결된 다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지 시스템(1000S)을 개략적으로 도시한 도면이다.
다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지 시스템(1000S)은 바이오 연료 전지(1000)를 복수 개 포함하되, 복수 개의 바이오 연료 전지(1000)들은 서로 직렬 연결된다.
도 3을 참조하면, 다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에 관하여 보다 상세히 알 수 있다. 다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지 시스템(1000S)은 실시예에 관한 바이오 연료 전지(1000)를 복수 개 포함한다.
실시예에 관한 바이오 연료 전지(1000)는 산화 전극(100)인 제 1 전극, 환원 전극(200)인 제 2 전극, 제 1 전극과 제 2 전극을 모두 감싸 외부로부터 제 1 전극 및 제 2 전극으로의 음이온의 이동을 방지하는 양이온 교환막(300), 및 제 1 전극과 제 2 전극을 모두 감싸 외부로부터 제 1 전극 및 제 2 전극으로의 양이온의 이동을 방지하는 음이온 교환막(400)을 포함하되, 양이온 교환막(300)과 음이온 교환막(400)은 교번적으로 배치되어 음이온과 양이온 모두의 이동이 방지될 수 있다.
양이온과 음이온의 바이오 연료 전지(1000) 내로의 이동이 제한됨에 따라 바이오 연료 전지(1000)를 포함하는 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 각각의 바이오 연료 전지(1000)의 수용된 장소(예를 들어 체내 용액)가 서로 분리된 효과를 얻을 수 있다.
각각의 바이오 연료 전지(1000)가 수용된 장소가 분리된 효과를 얻을 수 있음에 따라 복수 개의 바이오 연료 전지(1000)들 또한 개별적으로 분리되어 구성된 효과를 얻을 수 있고 바이오 연료 전지 시스템(1000S)은 각각 분리된 바이오 연료 전지(1000)가 직렬로 연결된 효과를 얻을 수 있다.
복수의 n개의 바이오 연료 전지(1000)를 포함하는 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 제 1 바이오 연료 전지(1000)의 환원 전극(200-1)은 제 2 바이오 연료 전지(1000)의 산화 전극(100-2)에, 제 2 바이오 연료 전지(1000)의 환원 전극(200-2)은 제 3 바이오 연료 전지(1000)의 산화 전극(미도시)에, 제 n-1 바이오 연료 전지(1000)의 환원 전극(미도시)은 제 n 바이오 연료 전지(1000)의 산화 전극(100-n)에 연결될 수 있다. 이때 바이오 연료 전지(1000)의 개수는 이에 제한되지 않고 필요에 따라 변경될 수 있다.
바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 제 1 바이오 연료 전지(1000)의 산화 전극(100-1)과 제 n 바이오 연료 전지(1000)의 환원 전극(200-n)은 전압을 제공받을 다른 기기와 연결될 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지 시스템(1000S)의 일 예시로서 2 개의 바이오 연료 전지(1001, 1002)를 포함하는 바이오 연료 전지 시스템(1000S)을 개략적으로 도시한 도면이다.
바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 2 개의 바이오 연료 전지(1001, 1002)를 포함할 때 복수 개의 바이오 연료 전지(1000)들 중 하나인 제 1 바이오 연료 전지(1001)는 복수 개의 바이오 연료 전지(1000)들 중 다른 하나인 제 2 바이오 연료 전지(1002)와 직렬 연결되되, 제 1 바이오 연료 전지(1001)의 환원 전극(200-1)인 제 1 전극은 제 2 바이오 연료 전지(1000)의 환원 전극(200-2)인 제 2 전극과 직렬 연결될 수 있다.
이때 제 1 바이오 연료 전지(1001)의 산화 전극과 제 2 바이오 연료 전지(1002)의 환원 전극은 전압을 제공받을 다른 기기와 연결될 수 있다.
Figure 112019008744670-pat00001
표 1의 세로 축은 2개의 바이오 연료 전지(1001, 1002)를 포함하는 바이오 연료 전지 시스템(1000S)이 수용된 반응기 내에서 양이온 교환막과 음이온 교환막이 합쳐진 형태의 이온 교환막인 양쪽성 막(Bipolar membrane)을 사용하여 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)를 분리한 상태에서 개별 단위 셀(각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002))에서 측정되는 개로 전압(Open circuit voltage)의 합과 직렬 연결 후의 전체 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 측정되는 개로 전압을 퍼센트로 나타내고, 가로 축은 반응기 내의 양쪽성 막의 개수에 따른 퍼센트 변화를 나타낸 그래프이다.
표 1을 참조하면, 양쪽성 막의 개수가 증가할수록, 즉 양이온 교환막과 음이온 교환막이 합쳐진 형태의 이온 교환막인 양쪽성 막(Bipolar membrane)이 각각의 단위 셀(바이오 연료 전지)을 더 기밀하게 감쌀수록 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)를 분리한 상태에서 개별 단위 셀(각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002))들에서 측정되는 개로 전압(Open circuit voltage)의 합과 직렬 연결 후의 전체 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 측정되는 개로 전압의 퍼센트가 증가하는 것을 알 수 있다.
이는 각각의 단위 셀(바이오 연료 전지(1001, 1002))이 양쪽성 막으로 감싸져 양이온과 음이온의 바이오 연료 전지(1001, 1002) 내로의 이동이 제한됨에 따라 바이오 연료 전지(1001, 1002)를 포함하는 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)의 수용된 장소(반응기)가 각각 분리되는 효과를 얻을 수 있다.
또한 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)가 수용된 장소(반응기)가 각각 분리됨에 따라 복수 개의 바이오 연료 전지(1001, 1002)들 또한 개별적으로 분리되어 구성된 효과를 얻을 수 있어 바이오 연료 전지 시스템(1000S)은 각각 분리된 바이오 연료 전지(1001, 1002)가 직렬로 연결된 효과를 얻을 수 있다. 이때 양쪽성 막의 개수가 증가할수록 상술한 분리 효과는 커질 수 있다.
표 1을 참조하면, 양쪽성 막의 개수가 증가할수록 개별 단위 셀(각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002))들에서 측정되는 개로 전압(Open circuit voltage)의 합에 가까워지는 것을 알 수 있다.
바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 전해질 용액에서 단위 셀(각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002))의 직렬 연결이 개로 전압에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 두 개의 단위 셀로 구성된 바이오 연료 전지 시스템(1000S)을 구성하였다. 테플론으로 한 개의 반응기를 제작하였고, 산화 전극 및 환원 전극은 탄소 천(carbon felt, 1cm × 1cm, Fuel Cell Store, TX, USA)을 사용하고 반응기 중간에는 양이온 교환막과 음이온 교환막이 합쳐진 형태인 양쪽성 막(bipolar membrane, Fumasep FBM)을 사용한다. 외부 도선은 제작한 폴리이미드(polyimide)로 절연된 케이블을 이용하여 바이오 연료 전지 시스템(1000S)을 구성하였다.
제 1 전극과 제 2 전극으로 구성된 상기와 같은 바이오 연료 전지(1001, 1002)를 각각의 반응기에 넣고 한 개의 반응기 사이에는 양쪽성 막을 넣어서 단위 셀(각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002))으로 분리를 시켰다. 이후, 각각의 반응기에 50 mM의 글루코스가 포함된 100 mM의 인산 완충액 (pH 7.0)을 충진하고, 개로 전압을 측정한다.
직렬 연결 전 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002) 각각의 개로 전압을 측정한 뒤 두 개의 단위 셀(바이오 연료 전지(1001, 1002))을 직렬 연결하여 개로 전압 변화를 관찰한다. 이 때 사용하는 양쪽성 막의 개수에 따른 개로 전압 변화를 관찰해 양쪽성 막의 개수가 바이오 연료 전지 시스템(1000S)의 전압에 미치는 영향을 알아본다.
Figure 112019008744670-pat00002
표 2는 바이오 연료 전지 시스템(1000S)이 수용된 장소(반응기) 한 개 내에 양쪽성 막 두 개를 사용하여 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)를 감싸 용액과 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)가 분리된 상태에서 개별 단위 셀(각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002))에서 측정되는 개로 전압과 개별 단위 셀들을 직렬 연결한 후의 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 측정되는 개로 전압을 나타내는 그래프이다.
이때 표 2를 참조하면, 양쪽성 막 두 개를 사용하여 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)를 감싸 용액과 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)가 분리된 상태에서 개별 단위 셀(각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002))에서 측정되는 개로 전압의 합이 개별 단위 셀들을 직렬 연결한 후의 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 측정되는 개로 전압보다 더 높은 것을 알 수 있다.
Figure 112019008744670-pat00003
표 3은 바이오 연료 전지 시스템(1000S)이 수용된 장소(반응기) 한 개 내에 양쪽성 막 네 개를 사용하여 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)를 감싸 용액과 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)가 분리된 상태에서 개별 단위 셀(각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002))에서 측정되는 개로 전압과 개별 단위 셀들을 직렬 연결한 후의 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 측정되는 개로 전압을 나타내는 그래프이다.
이때 표 3을 참조하면, 양쪽성 막 네 개를 사용하여 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)를 감싸 용액과 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)가 분리된 상태에서 개별 단위 셀(각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002))에서 측정되는 개로 전압의 합이 개별 단위 셀들을 직렬 연결한 후의 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 측정되는 개로 전압보다 더 높은 것을 알 수 있다.
다만, 표 2와 표 3을 비교하면 알 수 있듯이, 양쪽성 막의 개수가 두 개에서 네 개로 증가함에 따라 개별 단위 셀들을 직렬 연결한 후의 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 측정되는 개로 전압 또한 증가하여 개별 단위 셀에서 측정하는 개로 전압의 합에 약 60% 에 근접한 것을 알 수 있다.
Figure 112019008744670-pat00004
표 4는 바이오 연료 전지 시스템(1000S)이 수용된 장소(반응기) 한 개 내에 양쪽성 막 여섯 개를 사용하여 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)를 감싸 용액과 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)가 분리된 상태에서 개별 단위 셀(각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002))에서 측정되는 개로 전압과 개별 단위 셀들을 직렬 연결한 후의 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 측정되는 개로 전압을 나타내는 그래프이다.
이때 표 4를 참조하면, 양쪽성 막 여섯 개를 사용하여 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)를 감싸 용액과 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)가 분리된 상태에서 개별 단위 셀(각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002))에서 측정되는 개로 전압의 합이 개별 단위 셀들을 직렬 연결한 후의 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 측정되는 개로 전압보다 더 높은 것을 알 수 있다.
다만, 표 2와 표 4를 비교하면 알 수 있듯이, 양쪽성 막의 개수가 두 개에서 여섯 개로 증가함에 따라 개별 단위 셀들을 직렬 연결한 후의 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 측정되는 개로 전압 또한 증가하여 개별 단위 셀에서 측정하는 개로 전압의 합에 근접하여, 약 90%의 수치를 나타냄을 알 수 있다.
Figure 112019008744670-pat00005
표 5는 바이오 연료 전지 시스템(1000S)이 수용된 장소(반응기) 한 개 내에 양쪽성 막 여덟 개를 사용하여 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)를 감싸 용액과 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)가 분리된 상태에서 개별 단위 셀(각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002))에서 측정되는 개로 전압과 개별 단위 셀들을 직렬 연결한 후의 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 측정되는 개로 전압을 나타내는 그래프이다.
이때 표 5를 참조하면, 양쪽성 막 여덟 개를 사용하여 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)를 감싸 용액과 각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002)가 분리된 상태에서 개별 단위 셀(각각의 바이오 연료 전지(1001, 1002))에서 측정되는 개로 전압의 합이 개별 단위 셀들을 직렬 연결한 후의 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 측정되는 개로 전압보다 더 높은 것을 알 수 있다.
다만, 표 2와 표 5를 비교하면 알 수 있듯이, 양쪽성 막의 개수가 두 개에서 여덟 개로 증가함에 따라 개별 단위 셀들을 직렬 연결한 후의 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 측정되는 개로 전압 또한 증가하여 개별 단위 셀에서 측정하는 개로 전압의 합에 근접하여, 약 90%의 수치를 나타냄을 알 수 있다.
Figure 112019008744670-pat00006
양쪽성 막의 개수에 따른 표 2 내지 표 5에 도시된 결과를 종합하면 표 6과 같다. 이때, 양쪽성 막의 개수가 6개 이상일 때 개별 단위 셀들을 직렬 연결한 후의 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 측정되는 개로 전압이 개별 단위 셀에서 측정하는 개로 전압의 합에 약 90%에 도달할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 결과로부터, 한 개의 반응기에서 양쪽성 막으로 용액을 분리하는 경우 바이오 연료 전지(1001, 1002)들을 직렬 연결하면 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 측정되는 개로 전압은 양쪽성 막의 개수가 늘어남에 따라 점점 단위 셀들의 개로 전압의 합과 유사해짐을 알 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지(1000)의 제조 방법을 도시한 블록도이다.
또 다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지(1000)의 제조 방법은 산화 전극인 제 1 전극을 배치하는 단계, 환원 전극인 제 2 전극을 배치하는 단계, 외부로부터 제 1 전극 및 제 2 전극으로의 음이온의 이동을 방지하도록 제 1 전극과 제 2 전극을 모두 감싸는 양이온 교환막을 배치하는 단계, 및 외부로부터 제 1 전극 및 제 2 전극으로의 양이온의 이동을 방지하도록 제 1 전극과 제 2 전극을 모두 감싸는 음이온 교환막을 배치하는 단계를 포함하되, 양이온과 음이온 모두의 이동을 방지하도록 양이온 교환막과 음이온 교환막은 교번적으로 배치된다.
또 다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지 시스템(1000S)의 제조 방법은 실시예에 관한 바이오 연료 전지(1000)를 복수 개 배치하는 단계 및 복수 개의 바이오 연료 전지(1000)들을 서로 직렬 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
이때 또 다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지(1000)의 제조 방법 및 또 다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지 시스템(1000S)의 제조 방법은 실시예에 관한 바이오 연료 전지(1000) 및 다른 실시예에 관한 바이오 연료 전지 시스템(1000S)의 구성 및 효과와 중복되는 바, 이와 중복되는 범위에서의 상세한 설명은 생략하도록 한다.
종래에 바이오 연료 전지(1000)를 생체로 삽입할 경우, 생체 내의 평균 글루코스 농도와 산소 농도로 고려하였을 때, 바이오 전지로부터 얻을 수 있는 이론적인 최대 전압 값은 대략 0.962 V로 이는 실제 다른 전자 장치에 바이오 연료 전지(1000)를 연결하여 활용하는 데 있어 제한 조건이 될 수 있다.
본 실시예들은 바이오 연료 전지 시스템(1000S)의 각각의 바이오 연료 전지(1000)의 산화 전극과 환원 전극을 모두 감싸는 양이온 교환막과 음이온 교환막을 교번적으로 배치함으로써 각각의 바이오 연료 전지(1000)가 수용된 장소(반응기) 개별적으로 분리된 효과를 얻을 수 있다. 이후 각각의 상술한 바이오 연료 전지(1000)들을 직렬로 연결함으로써 구성된 바이오 연료 전지 시스템(1000S)은 단일의 바이오 연료 전지(1000) 또는 단순 직렬 연결된 바이오 연료 전지 시스템(1000S)이 생성하는 전압보다 큰 전압을 생성할 수 있다.
또한 양이온 교환막과 음이온 교환막이 결합한 양쪽성 막의 개수를 증가시킴에 따라 개별 단위 셀들을 직렬 연결한 후의 바이오 연료 전지 시스템(1000S)에서 측정되는 개로 전압이 개별 단위 셀에서 측정하는 개로 전압의 합에 약 90%에 도달할 수 있다. 이를 이용하여 복수 개의 바이오 연료 전지(1000)가 직렬로 연결되어 구성된 바이오 연료 전지 시스템(1000S)은 높은 전압을 생성할 수 있다. 이에 따라 기존의 바이오 연료 전지 시스템(1000S)의 사용 시 낮은 전압에 의한 제한 사항들이 해소될 수 있어 본 실시예들에 관한 바이오 연료 전지 시스템(1000S)은 다양한 전자 장치에 적용되어 에너지 공급 역할을 할 수 있다.
실시예들과 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 산화 전극인 제 1 전극;
    환원 전극인 제 2 전극;
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 모두 감싸 외부로부터 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극으로의 음이온의 이동을 방지하는 양이온 교환막; 및
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 모두 감싸 외부로부터 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극으로의 양이온의 이동을 방지하는 음이온 교환막;을 포함하되,
    상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막은 교번적으로 배치되어 음이온과 양이온 모두의 이동이 방지되는, 바이오 연료 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 효소를 통해 유기물을 산화시키는, 바이오 연료 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 효소를 통해 산소를 환원시키는, 바이오 연료 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막에 산소(O2)와 글루코스(glucose)의 직경보다 큰 직경의 통공이 형성됨으로써 산소와 글루코스가 상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막을 통과하여 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극으로 이동 가능한, 바이오 연료 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막이 결합된 양쪽성 막(bipolar membrane)을 포함하되, 상기 양쪽성 막은 복수 개인, 바이오 연료 전지.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 바이오 연료 전지를 복수 개 포함하되,
    복수 개의 상기 바이오 연료 전지들은 서로 직렬 연결된, 바이오 연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    복수 개의 상기 바이오 연료 전지들 중 하나인 제 1 바이오 연료 전지는 복수 개의 상기 바이오 연료 전지들 중 다른 하나인 제 2 바이오 연료 전지와 직렬 연결되되,
    상기 제 1 바이오 연료 전지의 환원 전극은 상기 제 2 바이오 연료 전지의 산화 전극과 직렬 연결되는, 바이오 연료 전지 시스템.
  8. 산화 전극인 제 1 전극을 배치하는 단계;
    환원 전극인 제 2 전극을 배치하는 단계;
    외부로부터 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극으로의 음이온의 이동을 방지하도록 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 모두 감싸는 양이온 교환막을 배치하는 단계; 및
    외부로부터 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극으로의 양이온의 이동을 방지하도록 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 모두 감싸는 음이온 교환막을 배치하는 단계;를 포함하되,
    양이온과 음이온 모두의 이동을 방지하도록 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막은 교번적으로 배치되는, 바이오 연료 전지의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 따라 제조된 바이오 연료 전지를 복수 개 배치하는 단계; 및
    상기 복수 개의 바이오 연료 전지들을 서로 직렬 연결하는 단계;를 포함하는,
    바이오 연료 전지 시스템의 제조 방법.
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