KR102095999B1 - 전력관리가 가능한 미생물연료전지 시스템 - Google Patents

전력관리가 가능한 미생물연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력관리가 가능한 미생물연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 오수 또는 폐수가 유입되면, 상기 오수 또는 폐수 내 유기물을 산화시켜 전압을 출력하는 복수 개의 미생물연료전지 셀 및 상기 복수 개의 미생물연료전지 셀과 각각 개별적으로 연결되고, 상기 복수 개의 미생물연료전지 셀로부터 각각 출력된 전압을 입력받아, 승압한 후 출력하는 복수 개의 전원관리부를 포함한다.
이와 같이, 본 발명에 의한 전력관리가 가능한 미생물연료전지 시스템은 출력 전압의 향상을 위해 구비되는 복수 개의 미생물연료전지 셀에 대하여 각각의 미생물연료전지 셀마다 개별적으로 전원관리부가 연결되고, 이와 같이 연결된 복수 개의 전원관리부를 상호 직렬 연결함으로써, 출력전압을 승압시키면서 인접한 미생물연료전지 셀 간에 전압 역전 현상이 발생하는 것을 방지하여 미생물연료전지의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

전력관리가 가능한 미생물연료전지 시스템{Microbial Fuel Cell system for power management}
본 발명은 전력관리가 가능한 미생물연료전지 시스템에 관한 것으로, 미생물연료전지의 단위 셀로부터 출력되는 전압을 규격화함으로써 복수 개의 미생물연료전지의 단위 셀을 직렬연결 시 인접한 셀 간에 전압역전현상이 발생하는 것을 방지하여 미생물연료전지의 출력 성능을 향상시킬 수 있는 전력관리가 가능한 미생물연료전지 시스템에 관한 것이다.
농업 및 축산분야에서는 가축분뇨와 같이 각종 유기물이 포함된 다양한 형태의 오수 또는 폐수가 발생한다. 이러한 유기물에 대해 별도의 처리 없이 오수 또는 폐수를 그대로 방류하면, 방류된 오수 또는 폐수에 포함된 유기물에 의해 방류된 곳 주변의 지하수 등이 오염되어, 주변 환경을 오염시키는 것은 물론이고, 주변에 살고 있는 주민들에게 많은 피해를 준다.
따라서, 이러한 문제를 해결하고자 오수 또는 폐수 처리 기술에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 그 중에서도 미생물을 이용하여 오수 또는 폐수 내 포함된 유기물을 제거하는 미생물연료전지 기술에 대한 많은 관심이 쏠리고 있다.
최근 들어, 친환경 에너지로 각광받고 있는 이러한 미생물연료전지(Microbial Fuel Cell)는 오수 또는 폐수 내 유기물을 산화시켜 제거함과 동시에 이로부터 전기 에너지를 생산함으로써, 이와 같이 생산된 전기 에너지를 실생활에서 사용하기 위한 노력이 진행되고 있다.
하지만, 이처럼 미생물연료전지로부터 출력되는 전기 에너지는 소규모의 전자기기조차 작동시키기 어려울 정도로 그 크기가 작게 출력됨에 따라, 출력전압을 승압시켜 1.5V, 3.7V, 5V 와 같은 규격화된 전압을 출력시키기 위해, 복수 개의 미생물연료전지의 단위 셀을 직렬로 연결한다. 하지만, 이와 같이 복수 개의 미생물연료전지의 단위 셀을 직렬 상태로 연결하는 구성에서는 서로 인접한 미생물연료전지의 단위 셀 간에 전압 역전 현상이 발생하여, 미생물연료전지의 전체적인 출력 성능이 저하된다는 문제점이 발생했다.
한국 등록특허공보 10-1718494 (2017.03.15.) 한국 등록특허공보 10-1352551 (2014.01.10.)
따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 복수 개의 미생물연료전지 셀이 직렬연결 시, 인접한 셀 간에 전압 역전 현상이 발생하는 것을 방지함으로써, 미생물연료전지의 출력 성능을 향상시킬 수 있는 전력관리가 가능한 미생물연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 전력관리가 가능한 미생물연료전지 시스템은 오수 또는 폐수가 유입되고, 상기 오수 또는 폐수 내 유기물을 산화시켜 전압을 출력하는 복수 개의 미생물연료전지 셀 및 상기 복수 개의 미생물연료전지 셀과 각각 개별적으로 연결되고, 상기 복수 개의 미생물연료전지 셀로부터 각각 출력된 전압을 입력받아, 승압한 후 출력하는 복수 개의 전원관리부를 포함한다.
상기 미생물연료전지 셀은 오수 또는 폐수가 유입되는 산화조의 내부에 위치하고, 전극 표면에 부착된 미생물이 상기 오수 또는 폐수 내 유기물을 생분해하여 발생된 수소 이온 및 전자를 전달받는 산화전극, 상기 산화전극과 환원전극이 서로 분리되도록 상기 산화전극과 환원전극 사이에 위치하고, 상기 산화전극으로부터 이동하는 상기 수소 이온을 통과시켜 환원전극으로 전달하는 분리막, 상기 산화전극과 환원전극 사이를 도선을 이용해 연결하여, 상기 전자가 상기 산화전극으로부터 상기 도선을 따라 상기 환원전극으로 이동하며 전기를 생산하는 외부회로 및 외부로부터 산소가 유입되는 환원조의 내부에 위치하고, 상기 분리막을 통과하여 전달된 수소 이온과 상기 외부 회로를 통해 이동한 전자 및 외부로부터 유입된 상기 산소를 결합시켜 물을 발생하는 환원전극을 포함할 수 있다.
상기 전원관리부는 DC-DC 컨버터의 PWM 듀티비(duty ratio)를 조절하여 상기 DC-DC 컨버터가 최대 전력을 출력하도록 PWM 제어신호를 생성하는 최대 전력점 추적(MPPT, Maximum Power Point Tracking)모듈, 상기 최대 전력점 추적 모듈에 의해 생성된 PWM 제어신호에 응답하여 상기 미생물연료전지 셀로부터 출력된 전압을 입력받아 승압하고, 직류 전류로 변환하여 출력하는 DC-DC 컨버터 및 상기 DC-DC 컨버터로부터 출력된 직류 전류를 입력받아 전력을 저장하는 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 전원관리부는 상호 직렬 연결될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 전력관리가 가능한 미생물연료전지 시스템은 출력 전압의 향상을 위해 구비되는 복수 개의 미생물연료전지 셀에 대하여 각각의 미생물연료전지 셀 마다 개별적으로 전원관리부가 연결되고, 이와 같이 연결된 복수 개의 전원관리부를 상호 직렬 연결함으로써, 출력전압을 승압 시키면서 인접한 미생물연료전지 셀 간에 전압 역전 현상이 발생하는 것을 방지하여 미생물연료전지의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력관리가 가능한 미생물연료전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 미생물연료전지 셀의 내부 구성을 나타낸 개략도이다.
도 3은 전원관리부의 내부 구성을 나타낸 개략도이다.
도 4는 복수 개의 전원관리부가 상호 직렬 연결되는 구성을 나타낸 개략도이다.
도 5는 전원관리부의 직렬 연결 시의 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 미생물연료전지 셀 내 기질 공급에 따른 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시 예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명 시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
특별히 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
최근 들어, 친환경 에너지로 각광받고 있는 미생물연료전지(MFC, Microbial Fuel Cell)는 오수 또는 폐수 내 존재하는 유기물을 산화시켜 제거하여 오수 또는 폐수를 배출허용기준에 부합하도록 정화함과 동시에 이러한 과정에서 전기를 생산하는데, 이와 같이 생산된 전기를 실생활에서 사용하기 위한 연구가 진행되고 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 미생물연료전지를 실생활에서도 안정적인 전력원으로 사용할 수 있도록 전력관리가 가능한 미생물연료전지 시스템에 관한 것으로, 이하에서 도 1을 참조하여 보다 자세히 살펴보도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력관리가 가능한 미생물연료전지 시스템의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전력관리가 가능한 미생물연료전지 시스템(100)은 복수 개의 미생물연료전지 셀(120) 및 복수 개의 전원관리부(140)를 포함한다.
미생물연료전지 셀((120) MFC1, MFC2)은 외부로부터 유기물이 포함된 오수 또는 폐수가 유입되면, 상기 오수 또는 폐수 내 유기물을 산화시켜 유기물을 제거하고, 이러한 과정에서 발생된 전압을 출력한다.
전원관리부((140) PMS 1, PMS 2)는 상기 미생물연료전지 셀((120) MFC 1, MFC 2)과 각각 개별적으로 연결되고, 상기 미생물연료전지 셀(MFC 1, MFC 2)로부터 출력된 전압을 각각 입력받아, 승압한 후 출력한다. 이때, 상기 복수 개의 전원관리부(PMS 1, PMS 2)는 상호 직렬상태로 연결될 수 있다. 즉, 부스트 차지(Boost charge) 방식의 dc-dc 컨버터를 이용하여 80 mV의 입력 전압을 3.0 V 이상으로 승압하여 변환하고, 기설정된 전압으로 정전압을 조정함으로써, 규격화된 전압을 출력할 수 있다.
예를 들어, 높은 전압을 출력하기 위해, 본 발명인 전력관리가 가능한 미생물연료 시스템(100)의 내부에 총 두 개의 미생물연료전지 셀((120) MFC 1, MFC 2)이 구성되면, 제1 미생물연료전지 셀(120, MFC 1)을 구성하는 산화전극(A)과 환원전극(C)의 양 단 사이에 제1 전원관리부(140, PMS 1)가 연결되고, 제2 미생물연료전지 셀(120, MFC2)의 산화전극(A)과 환원전극(C)의 양 단 사이에 제2 전원관리부(140, PMS2)가 각각 연결된다. 이때, 상기 제1 전원관리부(PMS 1)와 제2 전원관리부(PMS 2)가 서로 직렬 상태로 연결되어, 직렬 연결된 제1 및 제2 전원관리부(PMS 1, PMS 2)로부터 최종적인 전압이 출력된다.
이하에서는 도 2를 참조하여 상술한 미생물연료전지 셀의 내부 구성에 대하여 보다 자세히 살펴보도록 한다.
도 2는 미생물연료전지 셀의 내부 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 미생물연료전지 셀(120)은 산화전극(122), 분리막(125), 외부회로(126) 및 환원전극(124)을 포함한다.
산화전극(122)은 외부로부터 오수 또는 폐수가 유입되는 산화조(121)의 내부에 위치하고, 전극의 표면에 부착되어 생물막(biofilm)을 이루는 미생물이 상기 오수 또는 폐수 내 유기물을 생분해하여 발생된 수소 이온(H+) 및 전자(e-)를 전달받는다. 이러한 산화전극(122)은 전기 전도도가 높고, 저항이 낮아야 하며, 부식되지 않아야 하는 특성으로 인해, 구리선, 탄소종이, 흑연, 흑연섬유, 흑연브러시, 탄소천, 전도성 고분자 박막 중 하나 또는 하나 이상의 혼합물질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 산화전극(122) 표면에는 디설포비브리오 불가리스(Disulfovibrio vulgaris), 지오박터 메탈리리듀슨스(Geobacter metallireducens), 지오박터 설퍼리듀슨스(Geobacter sulfurreducens), 스와넬라 오네이덴시스(Shewanella oneidensis), 및 스와넬라 오네이덴시스(Shewanella oneidensis)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 어느 하나 이상이 혼합된 다양한 미생물 군집이 형성되어 있을 수 있다.
분리막(125)은 산화전극(122)과 환원전극(124)이 서로 분리되도록 상기 산화전극(122)과 환원전극(124) 사이에 위치하고, 상기 산화전극(122)으로부터 이동하는 상기 수소 이온(H+)을 통과시켜 환원전극(124)으로 전달한다. 따라서, 고도로 선택적인 투과성을 갖는 수소이온교환막(PEM, Proton Exchange Membrane), 양이온교환막, 양극성막, 미세여과막, 한외여과막, 부직포 중 하나가 상기 분리막(125)으로 사용될 수 있다.
외부회로(126)는 상기 산화전극(122)과 환원전극(124) 사이를 도선을 통해 연결하여, 상기 산화전극(122)으로 전달된 전자(e-)가 상기 도선을 따라 상기 산화전극(122)로부터 상기 환원전극(124)으로 이동하면서 전기 에너지를 생산한다. 이때, 상기 도선은 백금선(platinum wire), 티탄늄(titanium) 등으로 이루어질 수 있다.
환원전극(124)은 외부로부터 산소가 유입되는 환원조(123)의 내부에 위치하고, 상기 분리막(125)을 통과하여 전달된 수소 이온(H+)과 상기 외부 회로(126)를 통해 이동한 전자(e-) 및 최종전자수용체로서 외부로부터 유입된 산소를 결합 반응시켜 물을 생성한다. 이러한 환원전극(124)은 양성자를 쉽게 포획할 수 있도록 높은 산화환원전위를 가져야 하므로, 산화전극의 재질과 동일한 재질이 사용될 수 있다. 이때, 상기 환원전극(124)은 환원반응 시 전위 손실을 최소화하기 위해, 백금과 같은 촉매를 전극 표면에 코팅하거나, 생촉매를 활용하여 환원반응의 효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 외부로부터 유입된 오수 또는 폐수가 산화조(121)의 내부로 유입되면, 산화전극(122)의 표면에 부착되어 생물막을 이루는 미생물이 상기 오수 또는 폐수 내 존재하는 유기물을 생분해하는데, 이때, 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생하여 발생한 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 상기 산화전극(122)으로 이동한다. 이후, 상기 수소 이온(H+)이 상기 산화전극(122) 및 환원전극(124) 사이에 위치한 분리막(125)을 통과하여 상기 산화전극(122)에서 환원전극(124)으로 이동한다. 또한, 상기 전자(e-)는 상기 산화전극(122)과 환원전극(124) 사이를 연결하는 외부 회로(126)를 통해 상기 산화전극(122)으로부터 환원전극(124)으로 이동하면서 전기 에너지를 생산한다.
더불어, 외부로부터 환원조(123)의 내부로 산소가 유입된다.
따라서, 상기 환원전극(124)이 상기 분리막(125)을 통과하여 이동한 상기 수소 이온(H+), 외부회로(126)를 통해 이동한 전자(e-) 및 외부로부터 유입된 산소를 결합 반응시켜 물을 생성한다.
결과적으로, 미생물연료전지 셀(120)이 내부로 유입된 오수 또는 폐수 내 유기물에 대하여 미생물연료전지 셀(120) 내 산화전극(122)의 표면에 도포된 미생물이 생분해하여 상기 유기물을 제거하고, 뿐만 아니라 이러한 유기물 제거 과정에서 전기 에너지 또한 생성할 수 있다.
하지만, 이처럼 생성된 전기 에너지의 크기는 소규모의 전자기기를 작동시키기에도 부족할 정도로 작기 때문에 상기 미생물연료전지 셀(120)에서 규격화된 수준의 전압이 안정적으로 출력되어야 한다.
따라서, 미생물연료전지 시스템이 복수 개의 미생물연료전지 셀(120)을 함께 구비함에 따라, 보다 높은 출력전압을 기대할 수 있지만, 이러한 과정에서 인접한 곳에 위치하는 미생물연료전지 셀(120)간에 전압 역전 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 이와 같이 인접한 미생물연료전지 셀(120)간에 전압 역전 현상이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 각각의 미생물연료전지 셀(120)마다 전원관리부(140)를 개별적으로 연결함으로써, 상기 미생물연료전지 셀(120)로부터 출력된 전압을 보다 안정적으로 출력할 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 각각의 미생물연료전지 셀(120)마다 개별적으로 연결되는 전원관리부(140)에 대하여 보다 자세히 살펴보도록 한다.
도 3은 전원관리부의 내부 구성을 나타낸 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전원관리부(140)는 최대 전력점 추적 모듈(142), DC-DC 컨버터(144) 및 커패시터(146)를 포함한다.
최대 전력점 추적 모듈(142)은 DC-DC 컨버터(144)의 PWM 듀티비(duty ratio)를 조절하여 상기 DC-DC 컨버터(144)가 최대 전력을 출력하도록 PWM 제어신호를 생성한다. 이러한 최대 전력점 추적 모듈(142)은 최대전력 생산전압별 개방전압에 따른 전압비 설정을 통해 내부저항을 조절하여 DC-DC 컨버터(144)가 출력하는 전력이 최대화가 되도록 최대 전력점을 추종함으로써, 전력 생산을 극대화할 수 있다. 즉, 상기 최대 전력점 추적 모듈(142)은 일정 주기 이상의 MPPT 제어 주기별로 미생물연료전지 셀(120)로부터 출력되는 전압과 전류를 측정하여 전력을 산출하고, 산출한 전력 및 MPPT 제어를 위한 가변 전압을 저장하고, 저장된 가변 전압과 전력이 일정 주기 이상 지속적으로 상승 또는 하강하는지를 판단한다.
그 판단결과, 지속적으로 상승 또는 하강하는 경우에는 MPPT 동작지점의 전압변동을 역방향으로 이동시킨다. 미생물연료전지 셀(120)의 출력 전압 및 전력이 지속적으로 상승 또는 하강하지 않거나, 또는 역방향으로 동작점이 이동된 후에는 가변 전압 출력에 의해 최대전력지점을 추종할 수 있다. 이때, 상기 최대전력지점 추종은 일정 주기 동안 저장된 MPPT 제어 정보 중, 일정 주기 동안의 전압 변화에 대한 전력 변화 기울기 정보에 따라 다수의 가변 전압을 출력하는 것으로부터 최대전력지점(MPPT)이 추종될 수 있다.
DC-DC 컨버터(144)는 상기 최대 전력점 추적 모듈(142)에 의해 생성된 제어신호에 응답하여 상기 미생물연료전지 셀(120)로부터 출력된 전압을 입력받아 승압하고, 직류 전류로 변환하여 출력한다.
커패시터(146)는 상기 DC-DC 컨버터(144)로부터 출력된 직류 전류를 입력받아 전력을 저장한다.
또한, 이러한 전원관리부((140) PMS 1, PMS 2)는 내부에 포함된 반도체 소자 및 스위칭 소자에 의해 미생물연료전지(120, MFC 1, MFC 2) 셀 사이에서 전류의 흐름을 한 방향으로 통제하여 다이오드의 효과를 나타낼 수 있다.
이러한 구성을 갖는 전원관리부(140)는 각각의 미생물연료전지 셀(120)마다 개별적으로 연결되고, 각각의 전원관리부(140)는 도 4에 도시된 바와 같이, 서로 직렬 상태로 연결되어 부하(160)로 출력전압을 전달한다. 특히, 전원관리부(140)의 상술한 다이오드 효과로 인하여, 복수 개의 전원관리부(140)가 상호 직렬 상태로 연결되는 경우에, 각각의 미생물연료전지 셀(120)간의 전기적 연결을 차단시킬 수 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여 상술한 전원관리부를 상호 직렬 연결할 경우에 따른 전압 변화를 살펴보도록 한다. 이를 위해, 앞서 설명한 도 1에서, 제1 미생물연료전지 셀(120, MFC 1)의 산화전극(A)과 환원전극(C) 사이의 전압을 측정하고, 상기 제1 미생물연료전지 셀(120, MFC 1)과 개별 연결된 제1 전원관리부(140, PMS 1)의 출력전압을 측정한다. 이와 마찬가지로, 제2 미생물연료전지 셀(120, MFC 2)의 산화전극(A)과 환원전극(C) 사이의 전압을 측정하고, 상기 제2 미생물연료전지 셀(120, MFC 2)과 개별 연결된 제2 전원관리부(140, MFC 2)의 출력전압을 측정한다. 이어서, 상기 제1 전원관리부(140, PMS 1)와 제2 전원관리부(140, PMS 2)를 직렬 연결한 후 전압을 측정한다.
도 5는 전원관리부의 직렬연결 시의 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, (1) 구간은 제1 및 제2 미생물연료전지 셀(MFC 1, MFC 2)을 제1 및 제2 전원관리부에 연결하지 않는 상태에서 전압변화를 나타낸 구간이고, (2) 구간은 제1 및 제2 미생물연료전지 셀(MFC 1, MFC 2)에 각각 제1 및 제2 전원관리부(PMS 1, PMS 2)를 연결한 상태에서 전압변화를 나타낸 구간이며, (3) 구간은 제1 전원관리부(PMS 1) 및 제2 전원관리부(PMS 2)를 상호 직렬 연결한 상태에서의 전압변화를 나타낸 구간이다.
먼저, (1) 구간에서의 전압변화를 살펴보면, (1) 구간에서는 제1 및 제2 미생물연료전지 셀(120, MFC 1, MFC 2)이 제1 및 제2 전원관리부에 연결되지 않는 상태이므로, 상기 제1 및 제2 미생물연료전지 셀(120, MFC 1, MFC 2)로부터 출력되는 전압은 0.6 V 정도에 불과한 것을 알 수 있다.
하지만 (2) 구간에서는 약 3.0 V의 전압이 측정되는 것을 알 수 있는데, 미생물연료전지 셀(120)에 전원관리부(140)가 각각 연결되는 구성으로 인해 앞서 (1) 구간에서 측정된 전압인 0.6 V에 비하여 높은 전압이 출력된다고 유추할 수 있다.
또한, (3) 구간에서는 제1 미생물연료전지 셀(MFC 1)에 연결된 제1 전원관리부(PMS 1)와, 제2 미생물연료전지 셀(MFC 2)에 연결된 제2 전원관리부(PMS 2)가 상호 직렬 연결된 상태에서의 출력전압을 측정해보면 6.6 V가 측정되는 것을 알 수 있다.
즉, 미생물연료전지 셀에서만 순수하게 출력되는 전압은 0.6 V 정도로 매우 작지만 미생물연료전지 셀(120)에 전원관리부(140)를 연결하면 약 3.0 V가 출력되어, 전원관리부(140) 연결 전보다 더 높은 전압이 출력되고, 최종적으로 복수 개의 전원관리부(140)를 직렬 연결한 상태 출력되는 전압을 측정해보면 6.6 V로 가장 높은 전압이 출력되므로, 결과적으로 전체적인 출력전압이 매우 상승한 것을 알 수 있다.
하지만, 종래의 경우에는 이와 같이 출력전압을 증가시키기 위해, 복수 개의 미생물연료전지 셀을 상호 직렬 연결하면, 전압 역전 현상이 발생한다.
그러나 이와 달리, 본 발명에서는 상술한 바와 같이, 소형 전자기기를 구동시킬 수 있을 정도의 높은 전압이 출력되고 있음에도 불구하고, 미생물연료전지 셀(120)과 전원관리부(140)가 개별적으로 연결되는 (2) 구간에서도 제1 및 제2 미생물연료전지 셀(MFC 1, MFC 2)에서는 전압 역전 현상이 발생하지 않는 것을 그래프를 통해 확인할 수 있어, 미생물연료전지 시스템의 전체적인 출력 성능이 저하되는 것을 우려하지 않아도 된다.
더불어, 이하에서는 도 6을 참조하여 미생물연료전지 셀 내부에 미생물 공급 여부에 따른 출력전압의 상태를 살펴보도록 한다.
도 6은 미생물연료전지 셀 내 기질 공급에 따른 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, (1) 구간은 미생물연료전지 셀(120)의 내부로 미생물 공급이 5시간 이상 동안 지속되는 경우에, 제1 및 제2 미생물연료전지 셀(MFC 1, MFC 2)은 0.02 V 이상의 전압을 출력하고 있고, 상호 직렬 연결된 제1 전원관리부(PMS 1)와 제2 전원관리부(PMS 2)간에 출력전압은 6.6 V를 유지하고 있는 것을 알 수 있다.
하지만 이때, 미생물연료전지 셀(120)에서의 전압 역전 현상을 유도하기 위해, 미생물연료전지 셀의 내부로 기질을 공급한지 5시간 이후에 기질의 공급을 중단하고, 이후의 전압 변화를 측정한 구간이 (2) 구간이다. 이러한 (2) 구간에서는 제1 미생물 연료전지 셀(MFC 1)에서 출력되는 전압값과, 제1 전원관리부(PMS 1)에서 출력되는 전압값이 점차 감소하다, 미생물 공급 중단 2시간 이후 즉, 총 7시간 이후부터는 제1 전원관리부(PMS 1)에서 전압 역전 현상이 발생하였고, 제1 미생물연료전지 셀(MFC 1)에서는 전압 역전 현상이 발생하지 않은 것을 알 수 있다. 결국, 상기 제1 미생물연료전지 셀(MFC 1)에 제1 전원관리부(PMS 1)를 연결하는 구성을 통해, 기질 공급을 중단함에 따라 제1 미생물연료전지 셀(MFC 1)에서 발생할 수 있는 전압 역전 현상의 발생을 미연에 방지할 수 있다.
또한, (3) 구간에서는 공급을 중단했던 기질을 다시 미생물연료전지 셀(120)의 내부로 공급하기 시작한 구간으로서, 이 구간에서는 미생물연료전지 셀(120)의 출력전압이 상승하여 약 0.02 V 정도의 전압값이 측정되고, 상호 직렬 연결된 제1 전원관리부(PMS 1)와 제2 전원관리부(PMS 2)간의 출력전압은 6.6 V가 측정됨으로써, 기질 재공급 이후에 미생물연료전지 셀(120)과, 상호 직렬 연결된 제1 전원관리부(PMS 1)와 제2 전원관리부(PMS 2)간의 출력전압이 다시 상승하는 것을 알 수 있다.
다만, 전원관리부(140)에서 전압 역전 현상이 발생함에 따라, 상기 제1 전원관리부(PMS 1)의 전압 생산효율이 떨어질 수 있으나, 그럼에도 불구하고 3.0 V 이상의 높은 전압을 생산하는 것을 알 수 있다.
만약, 생물 반응기인 미생물연료전지 셀(120)에서 전압 역전 현상이 발생하면, 전압 역전 현상이 전기 활성 미생물의 대사를 저해시켜 장기적으로 미생물연료전지 셀(120)의 성능 감소를 유발할 수 있으나, 상술한 경우에는 전원관리부(140)에서 전압 역전 현상이 발생하고, 미생물연료전지 셀(120)에서는 발생하지 않으므로, 장기간 동안 전원관리부(140)에서 전압 역전 현상이 발생하여 유지되더라도 본 발명의 미생물연료전지 시스템에서 성능에 큰 영향을 끼치지 않는다.
이와 같이, 본 발명에 의한 전력관리가 가능한 미생물연료전지 시스템은 출력 전압의 향상을 위해 구비되는 복수 개의 미생물연료전지 셀에 대하여 각각의 미생물연료전지 셀마다 개별적으로 전원관리부가 연결되고, 이와 같이 연결된 복수 개의 전원관리부를 상호 직렬 연결함으로써, 출력전압을 승압시키면서 인접한 미생물연료전지 셀 간에 전압 역전 현상이 발생하는 것을 방지하여 미생물연료전지의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시 예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
120: 미생물연료전지 셀 121: 산화조
122: 산화전극 123: 환원조
124: 환원전극 125: 분리막
126: 외부회로 140: 전원관리부
142: 최대 전력점 추적 모듈 144: DC-DC 컨버터
146: 커패시터 160: 부하

Claims (4)

  1. 오수 또는 폐수가 유입되면, 상기 오수 또는 폐수 내 유기물을 산화시켜 전압을 출력하는 복수 개의 미생물연료전지 셀; 및
    상기 복수 개의 미생물연료전지 셀과 각각 개별적으로 연결되고, 상기 복수 개의 미생물연료전지 셀로부터 각각 출력된 전압을 입력받아, 승압한 후 출력하는 복수 개의 전원관리부;
    를 포함하고,
    상기 전원관리부는 복수 개가 상호 직렬 연결되어, 상기 복수 개의 미생물연료전지 셀간에 전기적 연결을 차단시키고,
    DC-DC 컨버터의 PWM 듀티비(duty ratio)를 조절하여 상기 DC-DC 컨버터가 최대 전력을 출력하도록 PWM 제어신호를 생성하는 최대 전력점 추적(MPPT, Maximum Power Point Tracking)모듈;
    상기 최대 전력점 추적 모듈에 의해 생성된 PWM 제어신호에 응답하여 상기 미생물연료전지 셀로부터 출력된 전압을 입력받아 승압하고, 직류 전류로 변환하여 출력하는 DC-DC 컨버터; 및
    상기 DC-DC 컨버터로부터 출력된 직류 전류를 입력받아 전력을 저장하는 커패시터;를 포함하며,
    상기 최대 전력점 추적 모듈은
    상기 미생물연료전지 셀로부터 출력되는 전압과 전류를 측정하여 전력을 산출하고, 산출한 전력 및 MPPT 제어용 가변 전압을 저장하며, 저장된 전력 및 가변 전압이 일정 주기 이상 지속적으로 상승 또는 하강하는지 판단하고, 그 판단 결과에 따라 MPPT 동작지점의 전압변동을 역방향으로 이동시킨 후, 가변 전압 출력에 의해 최대 전력 지점을 추종하고,
    상기 미생물연료전지 셀은
    오수 또는 폐수가 유입되는 산화조의 내부에 위치하고, 전극 표면에 부착된 미생물이 상기 오수 또는 폐수 내 유기물을 생분해하여 발생된 수소 이온 및 전자를 전달받는 산화전극;
    상기 산화전극과 환원전극이 서로 분리되도록 상기 산화전극과 환원전극 사이에 위치하고, 상기 산화전극으로부터 이동하는 상기 수소 이온을 통과시켜 환원전극으로 전달하는 분리막;
    상기 산화전극과 환원전극 사이를 도선을 이용해 연결하여, 상기 전자가 상기 산화전극으로부터 상기 도선을 따라 상기 환원전극으로 이동하며 전기를 생산하는 외부회로; 및
    외부로부터 산소가 유입되는 환원조의 내부에 위치하고, 상기 분리막을 통과하여 전달된 수소 이온과 상기 외부 회로를 통해 이동한 전자 및 외부로부터 유입된 상기 산소를 결합시켜 물을 발생하는 환원전극;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력관리가 가능한 미생물연료전지 시스템.
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