KR102157094B1 - 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 외부로부터 유입된 폐수 내 유기물을 분해하고, 이러한 유기물 분해 과정에서 전기 에너지를 생산하는 미생물연료전지 및 상기 미생물연료전지로 기질과 물을 공급하거나 배출하는데 사용되는 배관 및 상기 미생물연료전지로부터 생산된 전기 에너지를 외부로 전달하는 전력 케이블을 내부에 포함하여, 상기 미생물연료전지와 결합되는 소켓부를 포함한다.
이와 같이, 본 발명에 의한 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템은 미생물연료전지에서 사용되는 각종 배관 및 케이블이 하나의 소켓 내부에 포함됨으로써, 미생물연료전지와 소켓간의 결합만을 통해 상기 미생물연료전지와 다수의 배관 및 케이블간의 연결이 신속하게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템은 하나의 소켓 내부에 미생물연료전지에서 사용되는 각종 배관 및 케이블이 모두 포함됨에 따라, 상기 배관 및 케이블의 전체적인 관리를 효율적으로 수행하여, 관리에 소요되는 시간 및 노력을 크게 줄일 수 있다.

Description

기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템{Microbial Fuel Cell system integrated substrate cycle and electricity interface structure}
본 발명은 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 미생물연료전지에서 사용되는 복수 개의 배선 및 케이블을 쉽게 관리할 수 있는 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 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 제거하여 오수 또는 폐수를 정화하는 미생물연료전지 기술에 대한 많은 관심이 쏠리고 있다.
최근 들어, 친환경 에너지 기술로 각광받고 있는 이러한 미생물연료전지(Microbial Fuel Cell)는 오수 또는 폐수 내 존재하는 유기물을 분해함에 따라 오수 또는 폐수를 정화하는 것과 동시에 유기물 분해 과정으로부터 전기 에너지를 생산하는 특징을 갖는다.
이와 같이 미생물연료전지를 사용하여 오수 또는 폐수를 정화하고, 전기 에너지를 생산하기 위해서는 상기 미생물연료전지의 유기물 분해 과정에서 필요한 기질 및 물을 상기 미생물연료전지 내부로 전달하거나, 생산된 전기 에너지를 외부로 전달하기 위해 다수의 배관 및 케이블이 사용된다. 그러므로, 미생물연료전지를 둘러싸고 주변에 많은 수의 배관 및 케이블이 배치됨에 따라, 미생물연료전지의 외관을 해칠 뿐만 아니라, 많은 수의 배관 및 케이블을 각각 관리하는데 많은 시간과 노력이 소요되는 문제점이 발생했다.
뿐만 아니라, 운용자가 많은 수의 배관 및 케이블을 직접 개별적으로 연결함에 따라 상기 운용자에 의해 연결 오류가 발생할 수도 있고, 또한 이로 인해 미생물연료전지의 생물전기화학적 변화가 발생하여, 미생물연료전지의 기능이 손상되는 등의 문제점 또한 발생했다.
한국 등록특허공보 10-0332932 (2002.04.03.)
따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 미생물연료전지에서 사용되는 각종 배관 및 케이블을 하나의 소켓 내부에 포함시켜, 상기 미생물연료전지와 소켓과의 결합을 통해 오수 또는 폐수에 대한 정화 과정 및 전기 에너지 생산 과정을 효율적으로 처리하면서도 이때 사용되는 다수의 배관 및 케이블에 대한 관리를 용이하게 처리할 수 있는 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템은 외부로부터 유입된 폐수 내 유기물을 분해하여 전기 에너지를 생산하는 미생물연료전지 및 상기 미생물연료전지로 기질과 물을 공급하거나 배출하는데 사용되는 배관 및 상기 미생물연료전지로부터 생산된 전기 에너지를 외부로 전달하는 전력 케이블을 내부에 포함하여, 상기 미생물연료전지와 결합되는 소켓부를 포함한다.
상기 미생물연료전지는 챔버 내 위치하여, 상기 폐수 내 유기물을 분해하여 물과 전기 에너지를 생성하는 미생물연료전지 셀, 상기 챔버의 일측면에 형성되어 상기 소켓부와 결합되고, 상기 미생물연료전지 셀로 공급되거나 배출되는 기질 및 물을 전달하거나 전달받고, 상기 미생물연료전지 셀로부터 생산된 전기 에너지를 외부로 전달하는 입출력 터미널, 일단이 상기 입출력 터미널과 연결되고, 타단이 상기 미생물연료전지 셀 내 산화전극조의 일측 하면과 연결되어, 상기 산화전극조의 내부로 기질을 주입하는 기질 주입튜브, 일단이 상기 입출력 터미널과 연결되고, 타단이 상기 산화전극조의 타측 상면과 연결되어, 상기 산화전극조로부터 기질을 배출하는 기질 배출튜브, 일단이 상기 입출력 터미널과 연결되고, 타단이 상기 미생물연료전지 셀 내 환원전극조의 일측 하면과 연결되어, 상기 환원전극조의 내부로 산소가 포함된 물을 주입하는 물 주입튜브 및 일단이 상기 입출력 터미널과 연결되고, 타단이 상기 환원전극조의 타측 상면과 연결되어, 상기 환원전극조에서 생성된 물을 배출하는 물 배출튜브를 포함할 수 있다.
상기 미생물연료전지 셀은 상기 폐수와 기질이 유입되는 산화전극조의 내부에 위치하고, 전극 표면에 부착된 미생물이 상기 폐수 내 유기물을 분해하여 생성된 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 연결되어, 상기 전자가 상기 산화전극으로부터 상기 도선을 따라 상기 환원전극으로 이동하며 전기 에너지를 생산하는 외부회로 및 외부로부터 산소가 포함된 물이 유입되는 환원전극조의 내부에 위치하고, 상기 분리막을 통과하여 전달된 수소 이온과 상기 물에 포함된 산소를 결합시켜 물을 생성하는 환원전극을 포함할 수 있다.
상기 입출력 터미널은 상기 기질 주입튜브 및 기질 배출튜브와 각각 연결되어, 상기 미생물연료전지 셀로 공급되거나 배출되는 기질을 상기 소켓부 내 기질 입출력 배관으로 각각 전달하는 연료전지용 기질 입출력 단자, 상기 물 주입튜브 및 물 배출튜브와 각각 연결되어, 상기 미생물연료전지 셀로 공급되거나 배출되는 물을 상기 소켓부 내 물 입출력 배관으로 각각 전달하는 연료전지용 물 입출력 단자 및 상기 미생물연료전지 셀로부터 생산된 전기 에너지를 상기 소켓부 내 전력 케이블로 전달하는 연료전지용 전극 단자를 포함할 수 있다.
상기 소켓부는 원통형의 소켓으로 이루어져, 내부에 기질 입출력 배관, 물 입출력 배관 및 전력 케이블을 포함하고, 상기 기질 입출력 배관, 물 입출력 배관 및 전력 케이블과 각각 연결되는 복수 개의 접속 단자가 상기 소켓의 종단에 형성될 수 있다.
상기 접속 단자는 상기 소켓의 종단 내 외곽에 형성되어, 상기 미생물연료전지로 공급되거나 배출되는 기질을 상기 기질 입출력 배관을 통해 전달하거나 배출하는 소켓용 기질 입출력 단자, 상기 소켓의 종단 내 외곽에 상기 소켓용 기질 입출력 단자와 대향하여 형성되고, 상기 미생물연료전지로 공급되거나 배출되는 물을 상기 물 입출력 배관을 통해 주입하거나 배출하는 소켓용 물 입출력 단자 및 상기 소켓의 종단 내 상기 소켓용 기질 입출력 단자와 상기 소켓용 물 입출력 단자 사이에 형성되어, 상기 미생물연료전지에서 생산되는 전기에너지를 상기 전력 케이블을 통해 출력하는 소켓용 전극 단자를 포함할 수 있다.
상기 입출력 터미널 및 소켓부에 각각 형성된 단자는 종류 및 극성에 따라 서로 다른 모양, 크기, 색상으로 형성될 수 있다.
상기 입출력 터미널은 내측면에 형성된 적어도 하나의 걸림홈을 포함하고, 상기 소켓부는 외측면에 형성된 적어도 하나의 걸림돌기를 포함하여, 상기 미생물연료전지의 입출력 터미널에 상기 소켓부가 결합되는 경우, 상기 소켓부에 형성된 걸림돌기가 상기 입출력 터미널에 형성된 걸림홈에 끼워져 상기 미생물연료전지와 상기 소켓부가 고정될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템은 미생물연료전지에서 사용되는 각종 배관 및 케이블이 하나의 소켓 내부에 포함됨으로써, 미생물연료전지와 소켓간의 결합만을 통해 상기 미생물연료전지와 다수의 배관 및 케이블간의 연결이 신속하게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템은 하나의 소켓 내부에 미생물연료전지에서 사용되는 각종 배관 및 케이블이 모두 포함됨에 따라, 상기 배관 및 케이블의 전체적인 관리를 효율적으로 수행하여, 관리에 소요되는 시간 및 노력을 크게 줄일 수 있다.
더불어, 본 발명에 의한 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템은 미생물연료전지에서 사용되는 다수의 배관 및 케이블이 소켓 내부에 포함됨에 따라, 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템의 외관을 해치지 않을 수 있다.
이와 더불어, 본 발명에 의한 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템은 입출력 터미널에 형성된 각각의 단자와 소켓부에 형성된 단자를 접속하는 과정에서 단자의 모양, 크기 및 색상을 고려함으로써, 단자간에 접속 오류가 발생하는 것을 사전에 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1의 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템의 정면도이다.
도 3은 미생물연료전지의 사시도이다.
도 4는 미생물연료전지의 정면도이다.
도 5는 미생물연료전지의 평면도이다.
도 6은 소켓부의 사시도이다.
도 7은 복수 개의 미생물연료전지를 동시에 사용하는 경우를 나타내는 개략도이다.
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 분해하여 오수 또는 폐수를 배출허용기준에 부합하도록 정화함과 동시에 이러한 과정에서 전기를 생산한다.
하지만, 이러한 미생물연료전지를 사용하기 위해서는 유기물 분해 과정에 사용되는 기질 및 물을 전달하는 배관과, 생산된 전기 에너지를 외부로 전달하는 케이블 등이 여러 개 사용되어야 하는데, 그 수가 많고 외부로 노출됨에 따라 배관 및 케이블에 대한 관리 및 운용이 어려웠다.
따라서, 본 발명은 미생물연료전지에 사용되는 많은 수의 배관 및 케이블에 대한 관리를 용이하게 처리할 수 있는 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템에 대하여, 도 1 내지 도 2를 참조하여 자세히 살펴보도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템의 사시도이고, 도 2는 도 1의 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템의 정면도이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템은 미생물연료전지(100) 및 소켓부(200)를 포함한다.
미생물연료전지(100)는 외부로부터 유입된 폐수 내 유기물을 분해하여 전기 에너지를 생산한다.
소켓부(200)는 상기 미생물연료전지(100)로 기질과 물을 공급하거나 배출하는데 사용되는 배관 및 상기 미생물연료전지(100)로부터 생산된 전기 에너지를 외부로 전달하는 전력 케이블을 내부에 포함하여, 상기 미생물연료전지(100)와 결합된다.
즉, 상기 미생물연료전지(100)에 소켓부(200)가 결합됨으로써, 상기 미생물연료전지(100)로 공급되거나 배출되는 기질 및 물, 상기 미생물연료전지(100)에서 생산된 전기 에너지가 상기 소켓부(200)에 포함된 배관 및 전력 케이블을 통해 외부로 전달될 수 있다.
이하에서는 도 3 내지 도 5를 참조하여 미생물연료전지에 대하여 보다 자세히 살펴보도록 한다.
도 3은 미생물연료전지의 사시도이고, 도 4는 미생물연료전지의 정면도이며, 도 5는 미생물연료전지의 평면도이다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 미생물연료전지(100)는 외부로부터 유입된 폐수 내 유기물을 분해하여 상기 폐수를 정화하고, 이러한 과정에서 전기 에너지를 생산한다.
미생물연료전지 셀(111), 입출력 터미널(130), 기질 주입튜브(124), 기질 배출튜브(126), 물 주입튜브(144) 및 물 배출튜브(146)를 포함한다.
미생물연료전지 셀(111)은 챔버(110) 내 위치하여, 폐수 내 유기물을 분해하여 물과 전기 에너지를 생성한다. 이러한 미생물연료전지 셀(111)은 산화전극(122), 분리막(150), 외부회로(미도시) 및 환원전극(142)을 포함한다.
특히, 도 4에 도시된 바와 같이, 산화전극(122)은 폐수와 기질이 유입되는 산화전극조(120)의 내부에 위치하고, 전극 표면에 부착된 미생물이 상기 폐수 내 유기물을 분해하며, 생성된 수소 이온(H+) 및 전자(e-)를 전달받는다. 이때, 상기 미생물이 유기물을 더욱 원활하게 분해하는데 기질이 사용된다. 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)의 표면에 부착되는 미생물은 디설포비브리오 불가리스(Disulfovibrio vulgaris), 지오박터 메탈리리듀슨스(Geobacter metallireducens), 지오박터 설퍼리듀슨스(Geobacter sulfurreducens) 및 스와넬라 오네이덴시스(Shewanella oneidensis)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 어느 하나 이상의 혼합일 수 있거나, 또는 스와넬라 오네이덴시스(Shewanella oneidensis)일 수 있다.
분리막(150)은 산화전극(122)과 환원전극(142)이 서로 분리되도록 상기 산화전극(122)과 환원전극(142) 사이에 위치하고, 상기 산화전극(122)으로부터 이동하는 상기 수소 이온(H+)을 통과시켜 환원전극(142)으로 전달한다. 따라서, 상기 분리막(150)은 고도로 선택적인 투과성을 갖는 수소이온교환막(PEM, Proton Exchange Membrane), 양이온교환막, 음이온교환막, 양극성막, 미세여과막, 한외여과막, 부직포 중 하나가 사용될 수 있다.
외부회로는 산화전극(122)과 환원전극(142) 사이를 도선을 이용해 연결되어, 상기 산화전극(122)으로 전달된 전자(e-)가 상기 도선을 따라 상기 산화전극(122)으로부터 상기 환원전극(142)으로 이동하며 전기 에너지를 생산한다. 이때, 상기 도선은 백금선(platinum wire), 티탄늄(titanium)등 부식성이 없고 전도성이 큰 메탈로 이루어질 수 있다.
환원전극(142)은 외부로부터 산소가 포함된 물이 유입되는 환원전극조(140)의 내부에 위치하고, 상기 분리막(150)을 통과하여 전달된 수소 이온(H+)과 상기 물에 포함된 산소를 결합시켜 물을 생성한다. 이러한 환원전극(142)은 양성자를 쉽게 포획할 수 있도록 높은 산화환원전위를 가져야 하므로, 산화전극(122)의 재질과 동일한 재질이 사용될 수 있다. 이때, 상기 환원전극(142)은 환원반응 시 전위 손실을 최소화하기 위해, 백금과 같은 촉매를 전극 표면에 코팅하거나, 미생물촉매를 활용하여 환원반응의 효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 외부로부터 유입된 오수 또는 폐수가 산화전극조(120)의 내부로 유입되면, 산화전극(122)의 표면에 부착되어 생물막을 이루는 미생물이 상기 오수 또는 폐수 내 존재하는 유기물을 분해한다. 이러한 유기물 분해과정에서, 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생하고, 발생된 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 상기 산화전극(122)으로 이동한다. 이후, 상기 수소 이온(H+)이 상기 산화전극(122) 및 환원전극(142) 사이에 위치한 분리막(150)을 통과하여 상기 산화전극(122)에서 환원전극(142)으로 이동한다. 또한, 상기 전자(e-)는 상기 산화전극(122)과 환원전극(142) 사이를 연결하는 외부 회로를 통해 상기 산화전극(122)으로부터 환원전극(142)으로 이동하면서 전기 에너지를 생산할 수 있다.
또한, 외부로부터 환원전극조(140)의 내부로 산소가 포함된 물이 유입됨에 따라, 상기 환원전극(142)이 상기 분리막(150)을 통과하여 이동한 상기 수소 이온(H+), 외부회로를 통해 이동한 전자(e-) 및 외부로부터 유입된 산소를 결합반응시켜 물을 생성할 수 있다.
결과적으로, 미생물연료전지 셀(111) 내 산화전극(122)의 표면에 도포된 미생물이 미생물연료전지 셀(111)의 내부로 유입된 오수 또는 폐수 내 포함된 유기물을 분해하여 상기 유기물을 제거함으로써, 유입된 오수 또는 폐수를 정화한다. 또한, 이러한 유기물의 분해 과정에서 전기 에너지 또한 생성할 수 있다.
입출력 터미널(130)은 챔버(110)의 일측면에 형성되어 상기 소켓부(200)와 결합되고, 상기 미생물연료전지 셀(111)로 공급되거나 배출되는 기질 및 물을 전달하거나 전달받고, 상기 미생물연료전지 셀(111)로부터 생산된 전기 에너지를 외부로 전달한다. 이때, 상기 입출력 터미널(130)은 소켓부(200)와 원활한 결합을 위해 챔버(110)의 상부면에 형성될 수 있으나, 미생물연료전지(100)의 운영 장비 상황 예를 들면, 펌프의 유무 등에 따라 챔버(110)의 상부면 뿐만 아니라 챔버(110)의 좌우측면 또는 하부면에도 형성될 수 있다.
즉, 상기 입출력 터미널(130)을 통해서만 미생물연료전지(100)와 소켓부(200)가 결합되어 기질 및 물이 공급되거나 배출되고, 전기 에너지가 전달되기 때문에, 상기 미생물연료전지(100)의 입출구는 모두 인접한 위치에서 형성되는 것이 중요하다. 이를 위해, 미생물연료전지 셀(111)과 연결된 복수 개의 튜브가 모두 상기 입출력 터미널(130)과 각각 연결된다.
이와 같이 상기 입출력 터미널(130)과 연결되는 복수 개의 튜브에 대하여 살펴보면, 먼저 기질 주입튜브(124)는 일단이 상기 입출력 터미널(130)과 연결되고, 타단이 상기 미생물연료전지 셀(111) 내 산화전극조(120)의 일측 하면과 연결되어, 상기 산화전극조(120)의 내부로 기질을 주입한다.
기질 배출튜브(126)는 일단이 상기 입출력 터미널(130)과 연결되고, 타단이 상기 산화전극조(120)의 타측 상면과 연결되어, 상기 산화전극조(120)로부터 기질을 배출한다.
물 주입튜브(144)는 일단이 상기 입출력 터미널(130)과 연결되고, 타단이 상기 미생물연료전지 셀(111) 내 환원전극조(140)의 일측 하면과 연결되어, 상기 환원전극조(140)의 내부로 산소가 포함된 물을 주입한다.
물 배출튜브(146)는 일단이 상기 입출력 터미널(130)과 연결되고, 타단이 상기 환원전극조(140)의 타측 상면과 연결되어, 상기 환원전극조(140)에서 생성된 물을 배출한다.
즉, 기질과 물은 상기 기질 주입튜브(124) 및 물 주입튜브(144)를 통해, 미생물연료전지 셀(111)의 하부면으로 공급되고, 순환과정 및 정화과정을 거친 후 외부로 배출되는 기질 및 물은 상기 기질 배출튜브(126) 및 물 배출튜브(146)를 통해, 미생물연료전지 셀(111)의 상부면으로부터 각각 배출되어, 상기 입출력 터미널(130)로 전달된다.
이하에서는 기질과 물을 공급받거나 배출하고, 또한 전기 에너지를 외부로 전달하는 입출력 터미널에 대하여 도 5를 참조하여 보다 자세히 살펴보도록 한다.
입출력 터미널(130)은 연료전지용 기질 입출력 단자(131a, 131b), 연료전지용 물 입출력 단자(132a, 132b) 및 연료전지용 전극 단자(133a, 133b)를 포함한다.
연료전지용 기질 입출력 단자(131a, 131b)는 기질 주입튜브(124) 및 기질 배출튜브(126)와 각각 연결되어, 상기 미생물연료전지 셀(111)로 공급되거나 배출되는 기질을 상기 소켓부(200) 내 기질 입출력 배관(220a, 220b)으로 각각 전달한다.
연료전지용 물 입출력 단자(132a, 132b)는 물 주입튜브(144) 및 물 배출튜브(146)와 각각 연결되어, 상기 미생물연료전지 셀(111)로 공급되거나 배출되는 물을 상기 소켓부(200) 내 물 입출력 배관(240a, 240b)으로 각각 전달한다.
연료전지용 전극 단자(133a, 133b)는 미생물연료전지 셀(111)로부터 생산된 전기 에너지를 상기 소켓부(200) 내 전력 케이블(260a, 260b)로 전달한다.
이하에서는 상술한 구성을 갖는 미생물연료전지의 입출력 터미널과 결합되는 소켓부에 대하여 도 6을 참조하여 보다 자세히 살펴보도록 한다.
도 6은 소켓부의 사시도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 소켓부(200)는 내부가 중공 상태인 원통형의 소켓(210)으로 이루어지고, 내부에 기질 입출력 배관(220a, 220b), 물 입출력 배관(240a, 240b) 및 전력 케이블(260a, 260b)을 포함하고, 상기 기질 입출력 배관(220a, 220b), 물 입출력 배관(240a, 240b) 및 전력 케이블(260a, 260b)과 각각 연결되는 복수 개의 접속 단자가 상기 소켓(210)의 종단에 형성된다.
이러한 접속 단자는 소켓용 기질 입출력 단자(221a 221b), 소켓용 물 입출력 단자(241a, 241b) 및 소켓용 전극 단자(261a, 261b)를 포함한다.
소켓용 기질 입출력 단자(221a 221b)는 상기 소켓(210)의 종단 내 외곽에 형성되어, 상기 미생물연료전지(100)로 공급되거나 배출되는 기질을 상기 기질 입출력 배관(220a, 220b)을 통해 전달하거나 배출한다.
소켓용 물 입출력 단자(241a, 241b)는 상기 소켓(210)의 종단 내 외곽에 상기 소켓용 기질 입출력 단자(221a 221b)와 대향하여 형성되고, 상기 미생물연료전지(100)로 공급되거나 배출되는 물을 상기 물 입출력 배관(240a, 260b)을 통해 주입하거나 배출한다.
소켓용 전극 단자(261a, 261b)는 상기 소켓(210)의 종단 내 상기 소켓용 기질 입출력 단자(221a, 221b)와 상기 소켓용 물 입출력 단자(241a, 241b) 사이에 형성되어, 상기 미생물연료전지(100)에서 생산되는 전기에너지를 상기 전력 케이블(260a, 260b)을 통해 출력한다.
또한, 미생물연료전지(100)의 입출력 터미널(130)과 소켓부(130)가 결합하는 과정을 보다 자세히 살펴보면 다음과 같다.
상기 미생물연료전지(100)의 입출력 터미널(130)의 내측면을 둘러싸며 적어도 하나의 걸림홈이 형성되고, 상기 소켓부(200)의 외측면에 적어도 하나의 걸림돌기가 돌출 형성된다.
따라서, 상기 미생물연료전지(100)의 입출력 터미널(130)과 상기 소켓부(200)를 결합하기 위해, 상기 소켓부(130)가 상기 미생물연료전지(100)의 입출력 터미널(130)의 내부로 삽입된다. 이때, 상기 소켓부(200)의 외측면에 돌출 형성된 걸림돌기가 상기 입출력 터미널(130)의 내부로 삽입됨에 따라 상기 입출력 터미널(130)의 내측면에 형성된 걸림홈에 끼워지고, 이에 따라 상기 미생물연료전지(100)와 상기 소켓부(200)가 결합된 후 고정될 수 있다.
또한, 이때, 상기 입출력 터미널(130)에 형성되는 연료전지용 기질 입출력 단자(131a, 131b), 연료전지용 물 입출력 단자(132a, 132b), 연료전지용 전극 단자(133a, 133b)와, 상기 소켓부(200)에 형성되는 소켓용 기질 입출력 단자(221a, 221b), 소켓용 물 입출력 단자(241a, 241b) 및 소켓용 전극단자(261a, 261b)가 각각 단자의 종류 및 극성에 따라 서로 다른 모양, 크기 및 색상으로 형성된다.
예를 들어, 상기 연료전지용 기질 입출력 단자(131a, 131b)와, 상기 소켓용 기질 입출력 단자(221a, 221b)는 지름이 2cm인 원으로 형성되고, 상기 연료전지용 물 입출력 단자(132a, 132b)와 상기 소켓용 물 입출력 단자(241a, 241b)는 타원형으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 연료전지용 전극 단자(133a, 133b)와 상기 소켓용 전극단자(261a, 261b)는 사각형으로 형성될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 연료전지용 기질 입력 단자(131a)와, 상기 소켓용 기질 입력 단자(221a), 상기 연료전지용 물 입력 단자(132a)와 상기 소켓용 물 입력 단자(241a), 연료전지용 전극 단자(133a, 133b) 중 연료전지용 환원 전극 단자(133a)와 소켓용 환원 전극 단자(261a)는 각각 적색으로 형성될 수 있다. 이와 반대로, 연료전지용 기질 출력 단자(131b)와, 상기 소켓용 기질 출력 단자(221b), 상기 연료전지용 물 출력 단자(132b)와 상기 소켓용 물 출력 단자(241b), 연료전지용 전극 단자(133a, 133b) 중 연료전지용 산화 전극 단자(133b)와 소켓용 산화 전극 단자(261b)는 각각 청색으로 형성될 수 있다.
즉, 단자의 모양, 크기 및 색상을 고려하여, 입출력 터미널에 형성된 각각의 단자와 소켓부에 형성된 단자를 접속함으로써, 단자간에 접속 오류가 발생하는 것을 사전에 방지할 수 있다.
또한, 지금까지 상술한 본 발명의 일 실시 예에 따른 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템은 하나의 미생물연료전지만을 일 예로 들어 설명하였으나, 도 7에 도시된 바와 같이, 복수 개의 미생물연료전지를 사용하는 경우에도 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템을 구현할 수 있다.
도 7은 복수 개의 미생물연료전지를 동시에 사용하는 경우를 나타내는 개략도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 가로 방향으로 길게 형성된 하우징(300)이 위치하고, 이때 상기 하우징(300)의 하단부가 내측 방향으로 일정 길이만큼 파여 상기 하단부와 상단부 간에 세로 방향으로 형성되는 길이가 다를 수 있다.
따라서, 상기 하우징(300)의 하단부 내측에 복수 개의 미생물연료전지(100)가 직렬로 나란히 배치되고, 상기 미생물연료전지(100)가 배치된 곳의 상부 즉, 하우징(300)의 상단부의 하면에 상기 미생물연료전지(100)와 대응하도록 복수 개의 소켓부(200)가 각각 형성된다. 이때, 상기 하우징(300)의 내부에는 상기 미생물연료전지(100)의 구동을 위해 필요한 각종 운용 장비 예를 들어, 펌프, 전력변환부 등이 포함됨으로써, 상기 운용 장비들이 사용자에게 노출되는 것을 방지한다. 따라서, 미생물연료전지(100)를 복수 개 사용하더라도 오직, 미생물연료전지(100)와 소켓부(200)만이 외관으로 노출되므로, 본 발명에 다른 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템의 전체 외관을 해치지 않는다.
이와 같이, 본 발명에 의한 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템은 미생물연료전지에서 사용되는 각종 배관 및 케이블이 하나의 소켓 내부에 포함됨으로써, 미생물연료전지와 소켓간의 결합만을 통해 상기 미생물연료전지와 다수의 배관 및 케이블간의 연결이 신속하게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템은 하나의 소켓 내부에 미생물연료전지에서 사용되는 각종 배관 및 케이블이 모두 포함됨에 따라, 상기 배관 및 케이블의 전체적인 관리를 효율적으로 수행하여, 관리에 소요되는 시간 및 노력을 크게 줄일 수 있다.
더불어, 본 발명에 의한 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템은 미생물연료전지에서 사용되는 다수의 배관 및 케이블이 소켓 내부에 포함됨에 따라, 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템의 외관을 해치지 않을 수 있다.
이와 더불어, 본 발명에 의한 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템은 입출력 터미널에 형성된 각각의 단자와 소켓부에 형성된 단자를 접속하는 과정에서 단자의 모양, 크기 및 색상을 고려함으로써, 단자간에 접속 오류가 발생하는 것을 사전에 방지할 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.
100: 미생물연료전지 110: 챔버
111: 미생물연료전지 셀 112: 음극부 챔버
114: 양극부 챔버 120: 산화전극조
122: 산화전극 124: 기질 주입튜브
126: 기질 배출튜브 130: 입출력 터미널
131a, 131b: 연료전지용 기질 입출력 단자
132a, 132b: 연료전지용 물 입출력 단자
133a: 연료전지용 환원 전극 단자
133b: 연료전지용 산화 전극 단자
140: 환원전극조 142: 환원전극
144: 물 주입튜브 146: 물 배출튜브
150: 분리막 200: 소켓부
210: 소켓 220a, 220b: 기질 입출력 배관
240a, 240b: 물 입출력 배관
260a, 260b: 전력 케이블 221a, 221b: 소켓용 기질 입출력 단자
241a, 241b: 소켓용 물 입출력 단자
261a: 소켓용 환원 전극 단자 261b: 소켓용 산화 전극 단자
300: 하우징

Claims (8)

  1. 기질 주입튜브 및 기질 배출튜브를 포함하여 외부로부터 유입된 폐수 내 유기물을 분해하여 전기 에너지를 생산하는 미생물연료전지; 및
    상기 미생물연료전지로 기질을 공급하거나 배출하는데 사용되는 기질 입출력 배관, 물을 공급하거나 배출하는데 사용되는 배관 및 상기 미생물연료전지로부터 생산된 전기 에너지를 외부로 전달하는 전력 케이블을 내부에 포함하여, 상기 미생물연료전지와 결합되는 소켓부;를 포함하고,
    상기 미생물연료전지는 상기 소켓부와 결합되어 상기 기질 및 상기 물을 전달하거나 전달 받는 입출력 터미널을 포함하며,
    상기 입출력 터미널은 상기 기질 주입튜브 및 상기 기질 배출튜브와 각각 연결되어, 상기 미생물연료전지로 공급되거나 배출되는 기질을 상기 소켓부 내 상기 기질 입출력 배관으로 전달하는 연료전지용 기질 입출력 단자를 포함하는 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미생물연료전지는
    챔버 내 위치하여, 상기 폐수 내 유기물을 분해하여 물과 전기 에너지를 생성하는 미생물연료전지 셀;
    일단이 상기 입출력 터미널과 연결되고, 타단이 상기 미생물연료전지 셀 내 환원전극조의 일측 하면과 연결되어, 상기 환원전극조의 내부로 산소가 포함된 물을 주입하는 물 주입튜브; 및
    일단이 상기 입출력 터미널과 연결되고, 타단이 상기 환원전극조의 타측 상면과 연결되어, 상기 환원전극조에서 생성된 물을 배출하는 물 배출튜브;를 포함하며,
    상기 입출력 터미널은 상기 챔버의 일측면에 형성되어 상기 소켓부와 결합되고, 상기 미생물연료전지 셀로부터 생산된 전기 에너지를 외부로 전달하는 것을 특징으로 하는 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 미생물연료전지 셀은
    상기 폐수와 기질이 유입되는 산화전극조의 내부에 위치하고, 전극 표면에 부착된 미생물이 상기 폐수 내 유기물을 분해하여 생성된 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 연결되어, 상기 전자가 상기 산화전극으로부터 상기 도선을 따라 상기 환원전극으로 이동하며 전기 에너지를 생산하는 외부회로; 및
    외부로부터 산소가 포함된 물이 유입되는 환원전극조의 내부에 위치하고, 상기 분리막을 통과하여 전달된 수소 이온과 상기 물에 포함된 산소를 결합시켜 물을 생성하는 환원전극;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 입출력 터미널은
    상기 물 주입튜브 및 물 배출튜브와 각각 연결되어, 상기 미생물연료전지 셀로 공급되거나 배출되는 물을 상기 소켓부 내 물 입출력 배관으로 각각 전달하는 연료전지용 물 입출력 단자; 및
    상기 미생물연료전지 셀로부터 생산된 전기 에너지를 상기 소켓부 내 전력 케이블로 전달하는 연료전지용 전극 단자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 소켓부는
    원통형의 소켓으로 이루어져, 내부에 상기 기질 입출력 배관, 물 입출력 배관 및 전력 케이블을 포함하고,
    상기 기질 입출력 배관, 물 입출력 배관 및 전력 케이블과 각각 연결되는 복수 개의 접속 단자가 상기 소켓의 종단에 형성되는 것을 특징으로 하는 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 접속 단자는
    상기 소켓의 종단 내 외곽에 형성되어, 상기 미생물연료전지로 공급되거나 배출되는 기질을 상기 기질 입출력 배관을 통해 전달하거나 배출하는 소켓용 기질 입출력 단자;
    상기 소켓의 종단 내 외곽에 상기 소켓용 기질 입출력 단자와 대향하여 형성되고, 상기 미생물연료전지로 공급되거나 배출되는 물을 상기 물 입출력 배관을 통해 주입하거나 배출하는 소켓용 물 입출력 단자; 및
    상기 소켓의 종단 내 상기 소켓용 기질 입출력 단자와 상기 소켓용 물 입출력 단자 사이에 형성되어, 상기 미생물연료전지에서 생산되는 전기에너지를 상기 전력 케이블을 통해 출력하는 소켓용 전극 단자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 입출력 터미널 및 소켓부에 각각 형성된 단자는
    종류 및 극성에 따라 서로 다른 모양, 크기, 색상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 입출력 터미널은 내측면에 형성된 적어도 하나의 걸림홈을 포함하고,
    상기 소켓부는 외측면에 형성된 적어도 하나의 걸림돌기를 포함하여,
    상기 미생물연료전지의 입출력 터미널에 상기 소켓부가 결합되는 경우, 상기 소켓부에 형성된 걸림돌기가 상기 입출력 터미널에 형성된 걸림홈에 끼워져 상기 미생물연료전지와 상기 소켓부가 고정되는 것을 특징으로 하는 기질순환 및 전력 인터페이스 구조가 일체화된 미생물연료전지 시스템.
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