KR20080110165A - Microbial fuel cells - Google Patents

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KR20080110165A
KR20080110165A KR1020070058562A KR20070058562A KR20080110165A KR 20080110165 A KR20080110165 A KR 20080110165A KR 1020070058562 A KR1020070058562 A KR 1020070058562A KR 20070058562 A KR20070058562 A KR 20070058562A KR 20080110165 A KR20080110165 A KR 20080110165A
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유주현
오유관
우상국
김미선
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한국에너지기술연구원
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Abstract

A microbial biofuel cell is provided to improve the battery capacity by forming nanowires (or nanorods) having high conductivity to a negative electrode. A microbial biofuel cell comprises a negative electrode(110) formed with a plurality of nanowires(112) delivering the electrons reduced by the reducing power generated by the energy metabolism of microorganism; a positive electrode(120) formed with a transition metal(122) capable of being oxidized with the oxygen; a reaction bath(130) to contact one side of the positive electrode with the air; an electrolyte(140) accommodated inside the reaction bath; and a microbial catalyst(150) accommodated inside the reaction bath.

Description

미생물 연료 전지{Microbial fuel cells}Microbial fuel cells

도 1은 본 발명에 따른 미생물 연료 전지를 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a microbial fuel cell according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 미생물 연료 전지에서 음극에 형성된 나노 와이어 또는 나노 로드를 도시한 SEM(Scanning Electron Micrograph) 사진이다.2 is a SEM (Scanning Electron Micrograph) photograph showing the nanowires or nanorods formed on the negative electrode in the microbial fuel cell according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 미생물 연료 전지에서 나노 와이어에 미생물이 결합된 상태를 도시한 SEM(Scanning Electron Micrograph) 사진이다. 3 is a SEM (Scanning Electron Micrograph) photograph showing a state in which microorganisms are coupled to a nanowire in a microbial fuel cell according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 미생물 연료 전지에서 나노 와이어 형성을 위한 전착의 일례를 도시한 개략도이다.Figure 4 is a schematic diagram showing an example of electrodeposition for forming nanowires in the microbial fuel cell according to the present invention.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

100; 본 발명에 의한 미생물 연료 전지100; Microbial fuel cell according to the present invention

110; 음극 111; 음극 전극110; Cathode 111; Cathode electrode

112; 나노 와이어 120; 양극112; Nanowires 120; anode

121; 양극 전극 122; 전이 원소121; Anode electrode 122; Transition element

130; 반응조 140; 전해질130; Reactor 140; Electrolyte

150; 미생물 촉매150; Microbial catalyst

본 발명은 미생물 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세히는 미생물이 전기를 발전하는데 걸리는 시간을 단축시키고, 전기 전도도의 증가로 전지 성능을 향상시킬 수 있는 미생물 연료 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a microbial fuel cell, and more particularly, to a microbial fuel cell capable of shortening the time taken for microorganisms to generate electricity and improving battery performance by increasing electrical conductivity.

일반적으로 미생물 연료 전지는 미생물 또는 그의 일부를 사용하여 미생물의 에너지 대사에서 발생하는 환원력을 전기 에너지로 전환시키는 장치로, 미생물 연료 전지에서는 촉매로서 작용하는 미생물이 기질을 산화할 때 발생하는 환원력을 전기 에너지로 전환시키기 위해서 에너지 대사에서 발생하는 전자가 미생물로부터 전극으로 전달되어야 한다. 그러나 미생물을 포함하는 모든 생물의 세포는 절연성이 높은 세포 외부 구조를 가지고 있기 때문에 미생물과 전극간에 직접적인 전자 전달은 특정한 미생물 이외에는 불가능하다. 따라서 미생물 균체를 촉매로 사용할 경우 적당한 전자 전달 매체를 사용함으로서 전극과 미생물간에 전자 전달이 쉽게 이루어지도록 해야 한다. In general, a microbial fuel cell is a device that converts the reducing power generated in the energy metabolism of the microorganisms into electrical energy by using the microorganism or a part thereof. In the microbial fuel cell, the reducing power generated when the microorganism acting as a catalyst oxidizes a substrate. To convert into energy, electrons from energy metabolism must be transferred from the microorganism to the electrode. However, since cells of all organisms, including microorganisms, have highly insulating extracellular structures, direct electron transfer between microorganisms and electrodes is impossible except for certain microorganisms. Therefore, when using microbial cells as a catalyst it should be easy to transfer electrons between the electrode and the microorganism by using a suitable electron transfer medium.

지금까지 사용되어온 전자 전달 매체는 티오닌(thionin), 하이드록시나프토퀴논(hydroxynaphthoquinone), 브릴란트 크레실 블루(brilliant cresyl blue), 벤질 바이올로겐(benzyl viologen), 메틸 바이올로겐(methyl viologen) 등이 있는데, 벤질 바이올로겐과 메틸 바이올로겐은 산화-환원 전위가 미생물 대사에 발생하는 환원력(NADH)에 비해 너무 낮기 때문에 전자 전달 효율이 낮고 독성이 크다는 단점이 있고, 다른 종류는 산화-환원 전위가 NADH에 비해 너무 높기 때문에 에너지 효율이 낮다는 단점이 있다. 그러나, 뉴트랄 레드는 미생물의 원형질막에 흡착하여 전기 절연성 높은 미생물막을 통해 전자가 이동할 수 있는 통로로서 작용할 수 있다는 사실이 확인되었다 Electron transfer media that have been used up to now include thionin, hydroxynaphthoquinone, brilliant cresyl blue, benzyl viologen, methyl viologen Benzyl and methyl biogens have the disadvantage of low electron transfer efficiency and high toxicity because the oxidation-reduction potential is too low compared to the reducing power (NADH) that occurs in microbial metabolism. -The reduction potential is too high compared to NADH has the disadvantage of low energy efficiency. However, it has been confirmed that neutral red can be adsorbed on the plasma membrane of microorganisms and act as a path through which electrons can move through highly insulating microbial membranes.

뉴트랄 레드의 이러한 특성을 활용하여 개발된 미생물 연료 전지는 티오닌, 하이드로퀴논 등을 사용한 미생물 연료전지에 비해 10배 이상의 전력을 생산하는 것으로 확인되었다Microbial fuel cells developed using these properties of Neutral Red have been shown to produce more than 10 times the power of microbial fuel cells using thionine, hydroquinone, etc.

이상에서 알 수 있는 바와 같이 미생물 연료 전지에는 전자 전달 매체가 필수적으로 사용되어야 한다는 문제가 있다. 그러나 미생물 연료 전지에 사용되는 전자 전달 매체는 연료의 전지 효율을 증가시키는 반면 독성, 환경오염, 미생물 균체의 활성에 미치는 영향 등으로 인해 사용량이 제한될 뿐만 아니라 사용후 처리에 있어서도 문제가 있다. As can be seen from the above, there is a problem that an electron transfer medium must be used in a microbial fuel cell. However, while the electron transfer medium used in the microbial fuel cell increases the cell efficiency of the fuel, its usage is limited due to toxicity, environmental pollution, the effect on the activity of microbial cells, and there is a problem in post-processing.

또한, 전자 전달 매체를 배양액에 첨가하는 경우 연속적으로 투입해야 하고 밀리몰 단위의 높은 농도를 유지해야하기 때문에 경제성이 없고, 전자 전달 매체에 의한 2차적 수질 오염을 피할 수 없다. 그리고, 인공적인 전자 전달 매체없이 대사 환원력을 전기 에너지로 전환할 수 있는 쉐바넬라 푸트레파시엔스(Shewanella putrefaciens)를 생물 촉매로 사용하는 경우에는 전자 전달 매체에 의해 발생할 수 있는 문제가 해소될 수 있으나 기질 범위가 좁아 젖산 외에는 기질로 사용할 수 없어 연료전지의 적용범위가 제한적인 단점이 있다In addition, when the electron transfer medium is added to the culture solution, it is not economically because it must be continuously added and maintains a high concentration in millimoles, and secondary water contamination by the electron transfer medium cannot be avoided. In addition, when using Shewanella putrefaciens as a biocatalyst capable of converting metabolic reduction power into electrical energy without an artificial electron transfer medium, problems caused by the electron transfer medium may be solved. Because of the narrow substrate range, it cannot be used as a substrate other than lactic acid, which limits the application range of the fuel cell.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 음극(Anode)에 다수의 나노 와이어(또는 나노 로드)를 형성함으로써, 미생물이 자체적으로 발전한 전기(생산한 전자)를 음극에 신속하게 전달할 수 있는 미생물 연료 전지를 제공하는데 있다.The present invention is to overcome the above-mentioned conventional problems, an object of the present invention by forming a plurality of nanowires (or nanorods) in the anode (Anode), the microorganism itself generated electricity (electrons produced) cathode To provide a microbial fuel cell that can be quickly delivered to.

본 발명의 다른 목적은 음극에 전기 전도도가 매우 높은 나노 와이어(또는 나노 로드)를 형성함으로써, 전지 성능을 대폭적으로 향상시킬 수 있는 미생물 연료 전지를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a microbial fuel cell that can significantly improve cell performance by forming nanowires (or nanorods) having a very high electrical conductivity in the cathode.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 미생물 연료 전지는 미생물의 에너지 대사에서 발생하는 환원력에 의해 환원된 전자를 전달하는 다수의 나노 와이어가 형성된 음극과, 산소에 의해 산화될 수 있는 전이원소가 형성된 양극과, 상기 음극을 내부에 구비하며, 한쪽 면이 상기 양극으로 이루어져 양극의 일면이 공기와 접촉하도록 구성된 반응조와, 상기 반응조 내부에 수용된 전해질과, 상기 반응조 내부에 수용된 미생물 촉매를 포함한다.In order to achieve the above object, the microbial fuel cell according to the present invention includes a cathode in which a plurality of nanowires are formed to transfer electrons reduced by reducing power generated from energy metabolism of microorganisms, and a transition element that can be oxidized by oxygen. And a positive electrode formed inside, the negative electrode having an inside thereof, and having one surface formed with the positive electrode so that one surface of the positive electrode contacts air, an electrolyte contained in the reaction tank, and a microbial catalyst contained inside the reaction tank.

상기 나노 와이어는 직경이 1Å~100nm일 수 있다.The nanowires may have a diameter of about 1 μm to about 100 nm.

상기 나노 와이어는 길이가 1nm~100μm일 수 있다.The nanowires may have a length of 1nm to 100μm.

상기 나노 와이어는 산화제이구리, 산화니클 및 산화주석으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The nanowires may be any one selected from the group consisting of cuprous oxide, nickel oxide, and tin oxide.

상기 양극에 형성된 전이 원소는 산화제이철, 산화아연 및 산화알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The transition element formed on the anode may be any one selected from the group consisting of ferric oxide, zinc oxide and aluminum oxide.

상기 음극 및 양극은 흑연 전극일 수 있다.The cathode and the anode may be graphite electrodes.

상기 음극의 나노 와이어는 템플레이트를 이용한 전착(electrodeposition) 또는 전기영동 증착(electrophoretic deposition)에 의해 형성될 수 있다.The nanowires of the cathode may be formed by electrodeposition or electrophoretic deposition using a template.

상기와 같이 하여 본 발명에 의한 미생물 연료 전지는 음극(Anode)에 다수의 나노 와이어(또는 나노 로드)가 형성됨으로써, 미생물이 자체적으로 발전한 전기를 음극에 신속하게 전달할 수 있게 된다.As described above, in the microbial fuel cell according to the present invention, since a plurality of nanowires (or nanorods) are formed on the anode, the microorganisms can quickly transfer electricity generated by themselves to the cathode.

또한, 상기와 같이 하여 본 발명에 의한 미생물 연료 전지는 음극에 전기 전도도가 매우 높은 나노 와이어(또는 나노 로드)가 형성됨으로써, 전지 성능이 대폭적으로 향상된다.In addition, as described above, the microbial fuel cell according to the present invention forms a nanowire (or nanorod) having a very high electrical conductivity at the negative electrode, thereby greatly improving the battery performance.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings such that those skilled in the art may easily implement the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 미생물 연료 전지를 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a microbial fuel cell according to the present invention.

도시된 바와 같이 본 발명에 의한 미생물 연료 전지(100)는 음극(110)(anode), 양극(120)(cathode), 반응조(130), 전해질(140) 및 미생물 촉매(150)를 포함한다.As shown, the microbial fuel cell 100 according to the present invention includes a cathode 110, an anode 120, a reaction vessel 130, an electrolyte 140, and a microbial catalyst 150.

상기 음극(110)은 음극 전극(111) 및 미생물의 에너지 대사에서 발생하는 환원력에 의해 환원된 전자를 전달하는 다수의 나노 와이어(112)를 포함한다.The cathode 110 includes a cathode electrode 111 and a plurality of nanowires 112 for transferring the electrons reduced by the reducing force generated in the energy metabolism of the microorganism.

상기 음극 전극(111)은 일례로 흑연 전극 및 그 등가물중 선택된 어느 하나일 수 있으나 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한 상기 흑연 전극은 흑 연 막대, 흑연판 또는 표면적을 넓게 할 수 있는 흑연 부직포 등일 수 있으며, 여기서 그 형태를 한정하는 것은 아니다.The cathode electrode 111 may be, for example, any one selected from a graphite electrode and an equivalent thereof, but is not limited thereto. In addition, the graphite electrode may be a graphite rod, a graphite plate or a graphite nonwoven fabric having a large surface area, and the like, but is not limited thereto.

또한 상기 나노 와이어(112)는 미생물의 에너지 대사에서 발생하는 환원력에 의해 환원될 수 있는 성질을 갖는 것으로서, 바람직하게는 산화제이구리, 산화니클, 산화주석 및 그 등가물중 선택된 어느 하나일 수 있으나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.In addition, the nanowires 112 have a property that can be reduced by the reducing force generated in the energy metabolism of the microorganism, and preferably may be any one selected from copper oxide, nickel oxide, tin oxide, and equivalents thereof. It does not limit the material.

이러한 나노 와이어(112)는 직경이 1Å~100nm일 수 있다. 상기 나노 와이어(112)의 직경이 1Å 이하인 것은 실질적으로 제조하기 어렵고, 상기 나노 와이어(112)의 직경이 100nm 이상인 것은 전자 전달율이 저하된다. 또한, 상기 나노 와이어(112)는 길이가 1nm~100μm일 수 있다. 상기 나노 와이어(112)의 길이가 1nm 이하인 것은 전자 전달율이 저하되고, 100μm 이상인 것은 실질적으로 제조하기 어렵다.The nanowires 112 may have a diameter of about 1 μm to about 100 nm. It is difficult to manufacture a diameter of the nanowire 112 is less than 1Å substantially, and the electron transfer rate is lowered that the diameter of the nanowire 112 is 100nm or more. In addition, the nanowires 112 may have a length of 1 nm to 100 μm. The length of the nanowire 112 is 1 nm or less, the electron transfer rate is lowered, it is difficult to manufacture substantially 100 μm or more.

상기 양극(120)은 양극 전극(121) 및 산소에 의해 산화될 수 있는 전이원소(122)로 이루어질 수 있다.The anode 120 may be formed of a cathode electrode 121 and a transition element 122 that may be oxidized by oxygen.

상기 음극 전극(111) 및 양극 전극(121)에 사용된 흑연 전극에 있어서, 상기 흑연 전극의 표면적은 전자의 밀도(전류량)와 비례하기 때문에 표면적이 넓은 흑연 부직포 또는 다공성의 탄소판 등을 사용하면 전기의 생산성을 높일 수 있는 미생물 연료 전지(100)의 구성도 가능하다. 전극 물질로 주로 사용되는 흑연은 육각형의 고리형 탄소화합물로 육각형 고리를 구성하는 6개의 탄소원자 중 3개만 고리간의 결합에 이용되고 3개는 결합을 형성하지 않기 때문에 전도성을 갖게 된다.In the graphite electrodes used for the cathode electrode 111 and the anode electrode 121, since the surface area of the graphite electrode is proportional to the density (current amount) of the electrons, the graphite nonwoven fabric or the porous carbon plate having a large surface area is used. It is also possible to configure a microbial fuel cell 100 that can increase the productivity of the. Graphite, which is mainly used as an electrode material, is a hexagonal cyclic carbon compound, and only three of the six carbon atoms constituting the hexagonal ring are used for bonding between the rings, and the three do not form a bond, and thus have conductivity.

상기 전이원소(122)는 산소에 의해 산화되는 성질을 갖는 것으로서, 바람직하게는 산화제이철, 산화아연, 산화알루미늄 및 그 등가물중 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.The transition element 122 has a property of being oxidized by oxygen, preferably made of one selected from ferric oxide, zinc oxide, aluminum oxide, and equivalents thereof.

상기 반응조(130)는 상기 음극(110)을 내부에 구비하며, 한쪽 면이 상기 양극(120)으로 이루어져 양극(120)의 일면이 공기와 접촉하도록 구성되어 있다. 상기 반응조(130)는 종래의 이온교환막이 없고, 반응조(130)의 한쪽 면을 양극(120)으로 하여 양극(120)의 일면이 공기와 접촉하게 하여 음극(110)으로부터 이동한 전자를 공기 중의 산소와 반응시키도록 되어 있다. The reactor 130 includes the cathode 110 therein, and is configured such that one surface of the anode 120 is in contact with air. The reactor 130 does not have a conventional ion exchange membrane, and one side of the reactor 130 is used as the anode 120 so that one surface of the cathode 120 is in contact with the air, thereby moving electrons from the cathode 110 in the air. It is supposed to react with oxygen.

즉, 상기 반응조(130)는 내부에 음극(110)을 구비하고 반응조(130)의 한쪽 면이 양극(120)으로 이루어진 단일 반응조(130)이다. 이와 같은 방식으로 종래의 이온 교환막과 양극 반응조(130)를 제거함으로써 미생물 연료 전지(100)의 구조가 단순해지며, 양극 반응조(130)의 공기 폭기를 할 필요가 없어져 미생물 연료 전지(100)의 가동 비용을 낮출 수 있다. That is, the reactor 130 is a single reactor 130 having a cathode 110 therein and one side of the reactor 130 is an anode 120. By removing the conventional ion exchange membrane and the anode reaction tank 130 in this manner, the structure of the microbial fuel cell 100 is simplified, and the air aeration of the anode reaction tank 130 is not necessary, thereby eliminating the microbial fuel cell 100. Can lower the running cost.

본 발명에 따른 미생물 연료 전지(100)의 단일 반응조(130)는 기본적으로 음극 반응조(130)이기 때문에 무산소 상태를 유지하는 것이 바람직한데, 무산소 상태는 예를 들어, 가스 정제 오븐을 통과시켜 산소를 완전히 제거시킨 질소를 주입함으로써 용존 산소를 제거한 후 밀폐시켜 얻을 수도 있으나, 일반적으로 미생물이 성장하면서 용존 산소를 소비하기 때문에 별도의 질소 또는 이산화탄소 등의 폭기없이 무산소 상태가 저절로 만들어 질 수 있다.Since the single reactor 130 of the microbial fuel cell 100 according to the present invention is basically a cathode reactor 130, it is preferable to maintain an oxygen-free state. The oxygen-free state is, for example, passed through a gas purification oven to obtain oxygen. It can be obtained by removing the dissolved oxygen by injecting nitrogen completely removed, but in general, because the microorganism grows and consumes dissolved oxygen, an oxygen free state can be made by itself without aeration such as nitrogen or carbon dioxide.

상기 전해질(140)은 통상적인 미생물 연료 전지(100)에서 사용되는 전해 질(140)이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있으며, 음극(110)의 전해질(140)로는 미생물의 생장에 적합한 배양액, 유기성 폐수, 축산 폐수, 염색폐수 등을 사용할 수 있다.The electrolyte 140 may be used without particular limitation as long as the electrolyte 140 is used in the conventional microbial fuel cell 100. The electrolyte 140 of the anode 110 may be a medium suitable for the growth of microorganisms, organic wastewater, Livestock wastewater, dyeing wastewater and the like can be used.

상기 미생물 촉매(150)는 유기물 또는 무기물을 연료로 사용하여, 연료 소비에 따른 환원력을 음극(110) 반응에 이용하여 전류를 생성시킬 수 있는 미생물이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 즉, 통상적인 미생물 연료 전지(100)에 사용되는 미생물은 모두 사용할 수 있는 것이다.The microbial catalyst 150 may be used without particular limitation as long as it is a microorganism capable of generating an electric current by using organic or inorganic materials as fuel and reducing power according to fuel consumption in the cathode 110 reaction. That is, all of the microorganisms used in the conventional microbial fuel cell 100 can be used.

도 2는 본 발명에 따른 미생물 연료 전지(100)에서 음극(110)에 형성된 나노 와이어(112) 또는 나노 로드를 도시한 SEM(Scanning Electron Micrograph) 사진이다.2 is a SEM (Scanning Electron Micrograph) photograph showing a nanowire 112 or a nanorod formed on the cathode 110 in the microbial fuel cell 100 according to the present invention.

도시된 바와 같이 나노 와이어 또는 나노 로드는 흑연 전극의 표면에 다수가 형성될 수 있다. 이러한 나노 와이어 또는 나노 로드는 상술한 바와 같이 직경이 1Å~100nm이고, 길이가 1nm~100μm일 수 있다. As shown, a plurality of nanowires or nanorods may be formed on the surface of the graphite electrode. As described above, the nanowire or the nanorod may have a diameter of about 1 μm to about 100 nm and a length of about 1 nm to about 100 μm.

도 3은 본 발명에 따른 미생물 연료 전지(100)에서 나노 와이어(112)에 미생물 촉매(150)가 결합된 상태를 도시한 SEM(Scanning Electron Micrograph) 사진이다. 3 is a SEM (Scanning Electron Micrograph) photograph showing a state in which the microbial catalyst 150 is coupled to the nanowires 112 in the microbial fuel cell 100 according to the present invention.

도시된 바와 같이 나노 와이어 또는 나노 로드에는 다수의 미생물 촉매가 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 미생물 촉매로부터 발생한 전자는 상기 나노 와 이어 또는 나노 로드를 통하여 전자를 신속하게 흘려 보내게 된다.As shown, a plurality of microbial catalysts may be electrically connected to the nanowires or the nanorods. Therefore, electrons generated from the microbial catalyst quickly flow electrons through the nanowires or nanorods.

도 4는 본 발명에 따른 미생물 연료 전지에서 나노 와이어 형성을 위한 전착의 일례를 도시한 개략도이다.Figure 4 is a schematic diagram showing an example of electrodeposition for forming nanowires in the microbial fuel cell according to the present invention.

도시된 바와 같이 음극(210)의 표면에는 나노 와이어 또는 나노 로드가 형성될 수 있도록 다수의 통공이 형성된 멤브레인(220)이 형성된다. 또한, 상기 음극(210) 및 멤브레인(220)의 상부에는 대향 전극(230)이 형성되고, 일측에는 참조 전극(240)이 위치된다. 더불어, 상기 음극(110) 위의 멤브레인(220), 대향 전극(230) 및 참조 전극(240)은 모두 전해액(250) 내부에 위치된다.As shown in the drawing, a membrane 220 having a plurality of holes is formed on the surface of the cathode 210 so that nanowires or nanorods may be formed. In addition, an opposite electrode 230 is formed on the cathode 210 and the membrane 220, and a reference electrode 240 is positioned on one side. In addition, the membrane 220, the counter electrode 230, and the reference electrode 240 on the cathode 110 are all located inside the electrolyte 250.

이와 같은 구조에 의해 상기 음극(110)과 대향 전극(230) 사이에 교류 또는 직류를 흘려주면, 상기 참조 전극(240)으로부터 이탈된 금속이 상기 멤브레인(220)의 통공에 채워져 나노 와이어 또는 나노 로드를 형성하게 된다.When AC or DC is flowed between the cathode 110 and the counter electrode 230 by the structure as described above, the metal separated from the reference electrode 240 is filled in the through hole of the membrane 220 so that the nanowire or the nanorod is filled. Will form.

여기서, 상기 참조 전극(240)은 전이 금속 즉, 산화제이구리, 산화니클, 산화주석 및 그 등가물중 선택된 어느 하나일 수 있으나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 여기서 상기 멤브레인(220)이 나노 와이어 또는 나노 로드를 만들기 위한 템플레이트가 된다.Here, the reference electrode 240 may be any one selected from a transition metal, ie, copper oxide, nickel oxide, tin oxide, and equivalents thereof, but the material is not limited thereto. In addition, the membrane 220 is a template for making nanowires or nanorods.

한편, 도면에 도시되지는 않았지만 상기 나노 와이어 또는 나노 로드는 템플레이트를 이용한 전기영동 증착(electrophoretic deposition)에 의해 형성될 수도 있다.Although not shown in the drawings, the nanowires or nanorods may be formed by electrophoretic deposition using a template.

상기 전기영동 증착에서는 졸 입자 전하(sol particle charge)가 이용되고, 멤브레인에 형성된 통공에서 졸 입자의 전기영동이 일어나도록 전기장이 인가된다. 이러한 전기영동 증착은 멤브레인의 통공 내부에 좀더 긴 나노 와이어를 형성할 수 있고, 생산성이 좀더 우수하다.In the electrophoretic deposition, sol particle charge is used, and an electric field is applied to cause electrophoresis of the sol particles in the through holes formed in the membrane. Such electrophoretic deposition can form longer nanowires inside the pores of the membrane, resulting in greater productivity.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 미생물 연료 전지는 음극(Anode)에 다수의 나노 와이어(또는 나노 로드)가 형성됨으로써, 미생물이 자체적으로 발전한 전기를 음극에 신속하게 전달할 수 있게 된다.As described above, in the microbial fuel cell according to the present invention, a plurality of nanowires (or nanorods) are formed in the anode, and thus, the microorganism can quickly transfer electricity generated by itself to the cathode.

또한, 상기와 같이 하여 본 발명에 의한 미생물 연료 전지는 음극에 전기 전도도가 매우 높은 나노 와이어(또는 나노 로드)가 형성됨으로써, 전지 성능이 대폭적으로 향상된다.In addition, as described above, the microbial fuel cell according to the present invention forms a nanowire (or nanorod) having a very high electrical conductivity at the negative electrode, thereby greatly improving the battery performance.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 미생물 연료 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.What has been described above is only one embodiment for implementing a microbial fuel cell according to the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the subject matter of the present invention as claimed in the following claims. Without departing from the scope of the present invention, any person having ordinary skill in the art will have the technical spirit of the present invention to the extent that various modifications can be made.

Claims (7)

미생물의 에너지 대사에서 발생하는 환원력에 의해 환원된 전자를 전달하는 다수의 나노 와이어가 형성된 음극;A cathode in which a plurality of nanowires are formed to transfer electrons reduced by a reducing force generated in energy metabolism of a microorganism; 산소에 의해 산화될 수 있는 전이원소가 형성된 양극;An anode having a transition element formed thereon which can be oxidized by oxygen; 상기 음극을 내부에 구비하며, 한쪽 면이 상기 양극으로 이루어져 양극의 일면이 공기와 접촉하도록 구성된 반응조;A reaction tank having the cathode inside and configured such that one surface of the anode is in contact with air; 상기 반응조 내부에 수용된 전해질; 및An electrolyte contained in the reactor; And 상기 반응조 내부에 수용된 미생물 촉매를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지.Microbial fuel cell comprising a microbial catalyst contained in the reactor. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 와이어는 직경이 1Å~100nm인 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지.The microbial fuel cell of claim 1, wherein the nanowires have a diameter of about 1 μm to about 100 nm. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 와이어는 길이가 1nm~100μm인 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지.The microbial fuel cell of claim 1, wherein the nanowire has a length of 1 nm to 100 μm. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 와이어는 산화제이구리, 산화니클 및 산화주석으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지.The microbial fuel cell of claim 1, wherein the nanowires are any one selected from the group consisting of cuprous oxide, nickel oxide, and tin oxide. 제 1 항에 있어서, 상기 양극에 형성된 전이 원소는 산화제이철, 산화아연 및 산화알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지The microbial fuel cell according to claim 1, wherein the transition element formed on the anode is any one selected from the group consisting of ferric oxide, zinc oxide and aluminum oxide. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 및 양극은 흑연 전극인 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지.The microbial fuel cell of claim 1, wherein the cathode and the anode are graphite electrodes. 제 1 항에 있어서, 상기 음극의 나노 와이어는 템플레이트를 이용한 전착(electrodeposition) 또는 전기영동 증착(electrophoretic deposition)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지.The microbial fuel cell of claim 1, wherein the nanowire of the cathode is formed by electrodeposition or electrophoretic deposition using a template.
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