KR20110115079A - Arraratus for a batch microbial fuel cell with water surface air cathode - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치에 관한 것으로, 특히 양극 및 음극 각각에 접촉하도록 전도성고분자를 코팅한 금속 집전체를 설치하고 양극 상단에 수증기 응축장치를 설치한 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명은 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치에 있어서, 수면공기양극 미생물연료전지 반응조 본체에 음극용액을 채우고, 본체의 바닥면에서 일정거리가 이격된 높이에 설치된 음극지지대 위에 음극을 고정시키고, 음극지지대와 음극 사이 또는 음극의 상부와 분리막 사이에 음극 집전체를 배치하고, 분리막 상부에 양극을 설치하고, 양극이 고정될 수 있도록 양극의 상부에 양극 지지대를 설치하고, 양극과 양극 지지대 사이에는 양극 집전체를 설치하며, 양극 지지대 상부에는 양극 표면을 통하여 증발하는 수증기를 포집하여 본체의 벽면을 따라 음극용액에 재공급될 수 있도록 하는 수증기 응축장치를 포함하되, 상기 양극 집전체와 음극 집전체에는 각각 확장된 도선이 외부로 노출되게 설치되는 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치를 제공한다.The present invention relates to a batch type sleeping air cathode microbial fuel cell device, in particular, a metal current collector coated with a conductive polymer so as to contact each of the positive electrode and the negative electrode and a water vapor condensing device installed at the top of the positive electrode. Relates to a device. In the present invention, in the batch type sleep air cathode microbial fuel cell device, the cathode air is filled in the sleep air cathode microbial fuel cell reactor, and the cathode is fixed on the cathode support installed at a predetermined distance from the bottom of the body. Place a negative electrode current collector between the negative electrode support and the negative electrode or between the upper part of the negative electrode and the separator, install a positive electrode on the separator, install a positive electrode support on the upper part of the positive electrode so that the positive electrode can be fixed, and between the positive electrode and the positive electrode support. It includes a positive electrode current collector, the upper part of the positive electrode support includes a water vapor condensing device for collecting the vapor evaporating through the surface of the positive electrode to be supplied to the negative electrode solution along the wall of the main body, the positive electrode current collector and the negative electrode collector Batch sleeping air anode microbial fuel, in which the extended wires are respectively exposed to the outside. Provided is a battery device.

Description

회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치{ARRARATUS FOR A BATCH MICROBIAL FUEL CELL WITH WATER SURFACE AIR CATHODE}Batch Sleep Air Cathode Microbial Fuel Cell Apparatus {ARRARATUS FOR A BATCH MICROBIAL FUEL CELL WITH WATER SURFACE AIR CATHODE}

본 발명은 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치에 관한 것으로, 특히 양극표면을 방수처리하거나 불투수성 분리막의 사용없이 양극표면을 통한 음극용액의 누수현상과 증발을 방지할 수 있는 구조를 제공하여 유지관리가 용이하며 안정한 전력생산이 가능하도록 하고, 내부저항의 급격한 증가없이 대형전지에 적용가능한 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a batch type sleeping air cathode microbial fuel cell device, and in particular, provides a structure capable of preventing the leakage and evaporation of the negative electrode solution through the positive electrode surface without waterproofing the positive electrode surface or using an impermeable separator. The present invention relates to a batch sleep air cathode microbial fuel cell device that enables easy and stable power production and is applicable to large batteries without a sharp increase in internal resistance.

미생물연료전지는 광합성 등에 의해 유기물에 저장된 화학에너지를 전기적으로 활성을 가진 미생물들의 촉매작용을 이용하여 전기에너지로 직접 변환시키는 에너지 변환장치로서 1980년대 말경부터 본격적으로 연구가 시작되었다. 지금까지 미생물연료전지는 주로 반응조가 1개 이거나 2개로 구성된 형상의 전지들이 고안되어 왔다. 이러한 형상들의 전지들은 원료에 해당하는 유기물을 공급하는 방법에 따라 회분식 또는 연속식으로 운전하여 다양한 종류의 기질, 환경조건, 운전조건 및 설계인자 등의 연구에 폭넓게 활용하여 왔다. Microbial fuel cell is an energy conversion device that directly converts chemical energy stored in organic matter into electrical energy by using catalytic activity of electrically active microorganisms by photosynthesis. Until now, microbial fuel cells have been devised in the form of cells consisting mainly of one or two reactors. These shapes of batteries have been widely used for research on various kinds of substrates, environmental conditions, operating conditions and design factors by operating in batch or continuous mode depending on the method of supplying organic materials corresponding to raw materials.

먼저, 2개의 반응조로 구성된 형상의 미생물연료전지는 음극과 양극을 각각 담지하고 있는 음극반응조와 양극반응조 그리고 이들을 공간적으로 분리하여 구분시키는 분리막, 음극과 양극을 도선으로 연결한 회로로 구성된다. 이러한 형상의 미생물연료전지는 대개 음극반응조와 양극반응조를 다리로 연결한 형태가 많으며, H형 미생물연료전지라 부르기도 한다. 이때 에너지원인 유기물은 미생물연료전지의 음극반응조로 유입하며, 음극의 표면에 생물막 형태로 존재하는 미생물에 의하여 분해되어 전자와 양성자 및 이산화탄소를 생성한다. 포도당이 미생물연료전지의 유기물로 사용되는 경우 음극에서 진행되는 반응을 예시하면 다음과 같다.First, a microbial fuel cell having a shape consisting of two reactors is composed of a cathode reactor and an anode reactor each carrying a cathode and an anode, and a separator connecting the cathodes and the anodes with wires. The microbial fuel cell of such a shape is usually connected with a cathode reaction tank and a cathode reaction tank by a bridge, also called H-type microbial fuel cell. At this time, the organic material as an energy source flows into the cathode reaction tank of the microbial fuel cell and is decomposed by the microorganism present in the form of a biofilm on the surface of the cathode to generate electrons, protons, and carbon dioxide. When glucose is used as an organic material of the microbial fuel cell, the reaction proceeding at the negative electrode is as follows.

음극반응 :

Figure pat00001

Cathode Reaction:
Figure pat00001

이때 전자는 외부 전자수용체 역할을 수행하는 음극으로 전달되어 전위차에 의해 도선을 통하여 양극으로 이동하며, 도선에는 미생물연료전지에서 발생하는 전력을 회수하기 위한 부하가 연결되어 있다. 양성자는 음극용액 그리고 분리막 및 양극용액을 통하여 양극으로 전달된다. 양극에서는 다음 식에서와 같이 전자와 양성자 그리고 산소, 시안화철, 질산염 등의 전자수용체가 결합하여 물을 형성하여 반응이 완결된다.
At this time, the electrons are delivered to the cathode, which serves as an external electron acceptor, and move to the anode through the conductor by the potential difference, and the conductor is connected to a load for recovering power generated from the microbial fuel cell. Protons are delivered to the anode through the catholyte solution and the separator and anode solution. In the anode, as shown in the following equation, electrons and protons and electron acceptors such as oxygen, iron cyanide and nitrate are combined to form water to complete the reaction.

양극반응 :

Figure pat00002
Anode Reaction:
Figure pat00002

양극반응은 Pt 등의 귀금속 촉매에 의해 촉진되는 것으로 알려지고 있으며, Fe 등의 전이금속과 미생물들도 양극반응을 위한 촉매역할을 수행할 수 있는 것으로 알려지고 있다. 지금까지 보고되고 있는 2개 반응조로 구성된 미생물연료전지 형상의 모델들은 주로 액상의 양극반응조를 사용하는 경우에 활용하여 왔다. 양극반응조의 양극용액에 함유된 전자수용체들은 용존산소, 6 시안화철 등으로서 완벽한 재생이 어려운 경우가 많다. It is known that the anodic reaction is promoted by a noble metal catalyst such as Pt, and a transition metal such as Fe and microorganisms are known to be able to perform a catalytic role for the anodic reaction. Models of microbial fuel cell configurations consisting of two reactors reported so far have been utilized mainly when a liquid anode reactor is used. Electron acceptors contained in the anode solution of the anode reactor are often difficult to reproduce completely, such as dissolved oxygen and iron cyanide.

따라서, 양극의 환원율을 유지시키기 위하여 양극용액에 존재하는 전자수용체의 일부 또는 전부를 연속적으로 공급하여야 한다는 단점을 가지고 있다. 반면, 1개의 단일 반응조로 구성된 미생물연료전지는 공기양극을 사용하는 형상으로서 주로 음극반응조의 수직벽면에 분리막과 결합된 양극 또는 공기 확산층을 가진 양극을 설치한 형태를 취한다. 양극의 환원반응을 위한 Pt 등의 촉매는 주로 음극용액과 접한 쪽의 양극에 부착시키며, 기체상과 접한 쪽의 양극에서 음극용액 쪽으로 확산되어오는 산소를 환원시켜 물을 생성시킨다. Therefore, in order to maintain the reduction rate of the positive electrode, there is a disadvantage in that part or all of the electron acceptors present in the positive electrode solution must be continuously supplied. On the other hand, a microbial fuel cell composed of one single reactor has an air anode shape and mainly takes a form in which a cathode having an anode or an air diffusion layer is installed on a vertical wall of a cathode reactor. A catalyst such as Pt for the reduction reaction of the positive electrode is mainly attached to the positive electrode in contact with the negative electrode solution, and water is generated by reducing oxygen diffused from the positive electrode in contact with the gas phase toward the negative electrode solution.

이와 같은 단일 반응조 미생물연료전지의 경우 대기 중의 산소를 전자수용체로 활용하기 때문에 경제적인 면에서 큰 장점을 가진다. Such a single reactor microbial fuel cell has a great economical advantage because it uses oxygen in the atmosphere as an electron acceptor.

그러나, 음극반응조의 벽면에 양극을 설치하였기 때문에 음극용액의 정액압의 영향을 지속적으로 받는 구조이다. However, since the anode is provided on the wall of the cathode reactor, the structure is continuously affected by the semen pressure of the cathode solution.

따라서, 양극을 통한 용액의 누액현상이 발생하기 쉬우며, 양극표면에 각종 침전물들이 형성되어 양극의 효율을 감소시키기도 하는 등의 애로사항 들이 있다. Therefore, leakage of the solution through the anode easily occurs, and various precipitates are formed on the surface of the anode to reduce the efficiency of the anode.

이에, 음극용액의 수면에 양극을 배치시키는 수면공기양극시스템들이 제안되고 있으며, 이 경우 유지관리 측면에서 유리한 것으로 평가되고 있다. Accordingly, sleep air cathode systems are proposed which arrange the anode on the surface of the cathode solution, and in this case, it is evaluated to be advantageous in terms of maintenance.

그러나, 수면공기양극 미생물연료전지의 경우 분리막으로 불투수성의 Nafion 117 등의 양이온교환막을 사용하지 않거나 방수처리가 되지 않은 양극을 사용하는 경우 증발로 인한 음극용액의 손실이 발생한다. 특히, 수면공기양극 미생물연료전지가 회분식으로 운전되는 경우 음극용액의 손실과 관련된 문제들로 미생물연료전지의 성능을 일정하게 유지하기 어려운 문제들이 있다. However, in the case of a sleep air cathode microbial fuel cell, a cathode solution which is not impervious to water or a non-water-resistant cation exchange membrane such as Nafion 117 is used as a separator. In particular, when the sleep air cathode microbial fuel cell is operated in a batch, there are problems in that it is difficult to maintain the performance of the microbial fuel cell constantly due to problems related to loss of the negative electrode solution.

또한, 수면공기양극 미생물연료전지의 규모가 커지는 경우 음극 및 양극의 크기에 비례하여 점차 증가하는 내부저항으로 인하여 전극의 단위면적당 생산하는 전력수율이 감소하는 문제점이 있다.In addition, when the size of the sleeping air cathode microbial fuel cell increases, there is a problem in that the power yield produced per unit area of the electrode decreases due to the internal resistance gradually increasing in proportion to the size of the negative electrode and the positive electrode.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 수면공기양극 미생물연료전지에 있어서 양극표면을 방수처리하거나 불투수성 분리막의 사용없이 양극표면을 통한 음극용액의 누수현상과 증발을 방지할 수 있도록 한 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above problems, and in the air-poid microbial fuel cell, it is possible to prevent the leakage and evaporation of the negative electrode solution through the positive electrode surface without waterproofing the positive electrode surface or using an impermeable separator. Its purpose is to provide a batch sleeping air cathode microbial fuel cell device.

본 발명의 다른 목적은 양극 표면을 통한 음극용액의 누수현상과 증발을 방지하여 안정한 전력생산이 가능하며, 내부 저항의 급격한 증가없이 대형전지에 적용 가능하도록 하는 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치를 제공함에 있다.Another object of the present invention to provide a stable power production by preventing the leakage and evaporation of the negative electrode solution through the surface of the positive electrode, and to provide a batch sleep air cathode microbial fuel cell device that can be applied to large batteries without a rapid increase in internal resistance. Is in.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치는 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치에 있어서, 수면공기양극 미생물연료전지 반응조 본체에 음극용액을 채우고, 본체의 바닥면에서 일정거리가 이격된 높이에 설치된 음극지지대 위에 음극을 고정시키고, 음극지지대와 음극 사이 또는 음극의 상부와 분리막 사이에 음극 집전체를 배치하고, 분리막 상부에 양극을 설치하고,양극이 고정될 수 있도록 양극의 상부에 양극 지지대를 설치하고, 양극과 양극 지지대 사이에는 양극 집전체를 설치하며, 양극 지지대 상부에는 양극 표면을 통하여 증발하는 수증기를 포집하여 본체의 벽면을 따라 음극용액에 재공급될 수 있도록 하는 수증기 응축장치를 포함하되, 상기 양극 집전체와 음극 집전체에는 각각 확장된 도선이 외부로 노출되게 설치되는 것을 특징으로 한다.Batch sleeping air cathode microbial fuel cell device according to one aspect of the present invention for achieving the above object in the batch sleeping air cathode microbial fuel cell device, the negative electrode solution to the sleeping air cathode microbial fuel cell reactor tank body, The negative electrode is fixed on the negative electrode support installed at a height spaced apart from the bottom surface, and the negative electrode current collector is disposed between the negative electrode support and the negative electrode or between the upper part of the negative electrode and the separator, the positive electrode is installed on the separator, and the positive electrode is fixed. A positive electrode support is installed on the upper part of the positive electrode, a positive electrode current collector is installed between the positive electrode and the positive electrode support, and the upper part of the positive electrode support collects water vapor that evaporates through the positive electrode surface and resupply the negative electrode solution along the wall of the main body. And a water vapor condenser to enable the positive and negative current collectors. The wire is characterized in that each expansion installed to be exposed to the outside.

바람직하게, 음극 집전체 표면에 코팅된 전도성 고분자는 음극 집전체와 음극 또는 양극 사이의 계면에서 전자 및 양성자 전달 저항을 감소시키는 것을 특징으로 한다.Preferably, the conductive polymer coated on the surface of the negative electrode current collector is characterized by reducing electron and proton transfer resistance at the interface between the negative electrode current collector and the negative electrode or the positive electrode.

바람직하게, 상기 음극은 탄소재질 또는 표면을 전도성 고분자를 코팅한 재료를 이용하거나, 전도성과 비표면적이 큰 다공성 물질을 이용하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the cathode is characterized by using a carbon material or a material coated with a conductive polymer, or a porous material having a high conductivity and specific surface area.

바람직하게, 상기 음극의 상부에는 음극과 양극을 공간적으로 분리하기 위한 분리층 또는 분리막을 설치하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the upper portion of the cathode is characterized in that the separation layer or separation membrane for separating the cathode and the anode spatially.

바람직하게, 상기 음극 집전체는 음극 집전체와 음극 또는 양극 사이의 계면에서 전자 및 양성자 전달사항을 감소시키기 위해 표면에 전도성 고분자를 코팅하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the negative electrode current collector is characterized by coating a conductive polymer on the surface to reduce electron and proton transfer at the interface between the negative electrode current collector and the negative electrode or positive electrode.

바람직하게, 상기 수증기 응축장치는 열전도성이 우수한 유리, 금속 재질이며, 바닥의 중앙이 볼록한 돔형상의 용기로 구성된 것을 특징으로 한다.Preferably, the water vapor condenser is a glass, a metal material having excellent thermal conductivity, characterized in that the bottom of the convex dome-shaped container is configured.

바람직하게, 상기 음극 용액의 수위는, 본체에 설치된 양극의 높이보다 낮도록 하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the level of the negative electrode solution is characterized in that it is lower than the height of the positive electrode provided in the main body.

바람직하게, 상기 분리막은 부직포인 것을 특징으로 한다.
Preferably, the separator is characterized in that the nonwoven fabric.

전술한 과제해결 수단에 의해 본 발명은 수면공기양극 미생물연료전지에 있어서 양극표면을 방수처리하거나 불투수성 분리막의 사용없이 양극표면을 통한 음극용액의 누수현상과 증발을 방지하는 효과가 있다.The present invention has the effect of preventing the leakage and evaporation of the negative electrode solution through the positive electrode surface without waterproofing the surface of the positive electrode or the use of an impermeable separator in the sleep air cathode microbial fuel cell.

또한 유지관리가 용이하며 안정한 전력생산이 가능하도록 하고, 내부저항의 급격한 증가없이 대형전지에 적용 가능한 효과가 있다. In addition, easy maintenance and stable power production is possible, there is an effect that can be applied to large batteries without a rapid increase in internal resistance.

본 발명에 따른 수면공기양극 미생물연료전지을 이용하면, 누수나 수분증발 등의 유지관리상의 문제없이 유기물로부터 장시간 안정적인 전력생산이 가능하며, 전극의 규모를 크게 한 경우에도 큰 성능 손실없이 전극의 면적에 비례하여 전력을 생산할 수 있다.
When using the sleep air cathode microbial fuel cell according to the present invention, it is possible to produce stable power for a long time from organic matter without leakage and moisture maintenance problems, and even if the size of the electrode is large, Produce power in proportion.

도 1은 본 발명에 따른 회분식 수면공기양극 미생물연료전지의 전체 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치에서 수증기 응축장치 설치 여부에 따른 전압곡선을 보인 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치에서 집전체 사용여부에 따른 전압곡선을 보인 예시도.1 is an overall conceptual diagram of a batch sleeping air cathode microbial fuel cell according to the present invention.
Figure 2 is an exemplary view showing the voltage curve according to whether the steam condensation device installed in the batch sleeping air cathode microbial fuel cell device according to the present invention.
3 is an exemplary view showing a voltage curve according to whether a current collector is used in a batch sleeping air cathode microbial fuel cell device according to the present invention.

본 발명에 따른 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치는 양극표면을 방수처리하거나 불투수성 분리막의 사용없이 양극표면을 통한 음극용액의 누수현상과 증발을 방지할 수 있는 구조를 제공하여 유지관리가 용이하며 안정한 전력생산이 가능하도록 하고, 내부저항의 급격한 증가없이 대형전지에 적용 가능한 미생물 연료전지의 형상을 제공하는 기술적 구성을 제안한다.Batch sleep air cathode microbial fuel cell device according to the present invention provides a structure that can prevent the leakage and evaporation of the negative electrode solution through the positive electrode surface without the waterproofing of the positive electrode surface or the use of an impermeable separator, easy maintenance and stable The present invention proposes a technical configuration that enables the production of power and provides the shape of a microbial fuel cell applicable to a large cell without a sharp increase in internal resistance.

하기의 설명에서 본 발명의 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치의 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있는데, 이들 특정 상세들 없이 또한 이들의 변형에 의해서도 본 발명이 용이하게 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.In the following description, specific details of the batch sleeping air cathode microbial fuel cell device of the present invention are presented to provide a more general understanding of the present invention, and the present invention may be readily implemented without these specific details and by their modifications. It will be apparent to one skilled in the art.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 설명한다.
Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail, focusing on the parts necessary to understand the operation and action according to the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치를 보인 구성도이다. 1 is a block diagram showing a batch sleeping air cathode microbial fuel cell device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치(100)는 수면공기양극 미생물연료전지 반응조 본체(1), 음극(2), 음극 지지대(2-1), 음극 집전체(2-2), 양극(3), 양극 지지대(3-1), 양극 집전체(3-2), 분리막(4), 수증기 응축장치(5), 냉각수(5-1), 도선(6) 등을 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the batch type sleep air cathode microbial fuel cell device 100 according to the present invention includes a sleep air cathode microbial fuel cell reactor 1, a cathode 2, a cathode support 2-1, and a cathode current collector. (2-2), positive electrode (3), positive electrode support (3-1), positive electrode current collector (3-2), separator (4), water vapor condenser (5), cooling water (5-1), lead wire (6) ) And the like.

본 발명에 따른 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치(100)에서 수면공기양극 미생물연료전지 반응조 본체(1)는 원통형, 사각형 등 그 형태에 영향을 받지 않고 다양하게 사용할 수 있다. In the batch type sleeping air cathode microbial fuel cell apparatus 100 according to the present invention, the sleeping air cathode microbial fuel cell reactor 1 may be used in various ways without being affected by its cylindrical or rectangular shape.

음극(2)은 수면공기양극 미생물연료전지 반응조(1)의 음극용액 상단부에 설치된 음극지지대(2-1) 위에 고정하며, 음극용액은 혐기성상태가 유지되도록 한다. The negative electrode 2 is fixed on the negative electrode support 2-1 installed at the upper end of the negative electrode solution of the sleeping air cathode microbial fuel cell reactor 1, and the negative electrode solution is maintained in an anaerobic state.

통상 음극용액은 회분식 실험 시작 전에 1회 주입하지만 음극용액에 함유된 유기물이 고갈될 때 음극용액을 교체하여주는 방법으로 미생물연료전지를 반연속식으로 운전을 하거나, 음극용액을 연속으로 주입하고 연속으로 배출하는 연속식 운전이 가능하다. 음극(2)은 일반적으로 전도성과 비표면적이 큰 다공성 물질을 사용하며, 미생물연료전지에서 통상적으로 사용하는 탄소재질 또는 표면을 폴리아닐린 등의 전도성 고분자를 코팅한 재료를 사용할 수 있다. Normally, the negative electrode solution is injected once before the start of the batch experiment, but when the organic matter contained in the negative electrode solution is depleted, the negative electrode solution is replaced by semi-continuous operation of the microbial fuel cell, or the negative electrode solution is continuously injected. Continuous operation that discharges is possible. The negative electrode 2 generally uses a porous material having high conductivity and specific surface area, and a carbon material or surface commonly used in microbial fuel cells may be coated with a conductive polymer such as polyaniline.

음극(2)의 표면에는 전기적으로 활성을 가진 미생물이 생물막을 형성한다. 이때 음극지지대(2-1)와 음극(2) 사이에는 음극 집전체(2-2)를 배치한다. 음극 집전체(2-2)는 폴리아닐린, 폴리피롤 등의 전도성고분자를 코팅한 고전도성의 금속리본을 사용하는 것이 바람직하다. 집전체 표면에 코팅된 전도성고분자는 음극 집전체(2-2)와 음극(2) 또는 양극(3) 사이의 계면에서 전자 및 양성자 전달저항을 감소시키는 역할을 한다. 음극(2)의 상부에는 음극(2)과 양극(3)을 공간적으로 분리하기 위한 분리층 또는 분리막(4)을 설치한다. 음극 집전체(2-2)는 연구자의 편의에 따라 음극의 상부와 분리막(4) 사이에 설치하여도 효과는 동일하다. On the surface of the cathode 2, electrically active microorganisms form a biofilm. At this time, a negative electrode current collector (2-2) is disposed between the negative electrode support (2-1) and the negative electrode (2). As the negative electrode current collector 2-2, it is preferable to use a highly conductive metal ribbon coated with a conductive polymer such as polyaniline or polypyrrole. The conductive polymer coated on the surface of the current collector serves to reduce electron and proton transfer resistance at the interface between the negative electrode current collector 2-2 and the negative electrode 2 or the positive electrode 3. On the upper part of the negative electrode 2, a separation layer or a separation membrane 4 for spatially separating the negative electrode 2 and the positive electrode 3 is provided. The negative electrode current collector 2-2 has the same effect even if it is installed between the upper part of the negative electrode and the separator 4 for the convenience of the researcher.

음극용액에 함유된 유기물은 음극표면에 부착성장하는 미생물에 의해 분해되고, 이때 생성되는 전자를 음극(2)으로 전달한다. 이때 음극표면에서 진행되는 전기적으로 활성을 가진 미생물에 의한 유기물 분해반응을 일정하게 유지시키기 위하여 음극반응조를 항온수조에 설치하는 등의 방법으로 음극용액의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있으며, 음극용액을 교반할 수도 있다. The organic matter contained in the negative electrode solution is decomposed by the microorganisms adhering to the negative electrode surface, and transfers the generated electrons to the negative electrode 2. At this time, in order to maintain a constant decomposition of organic matter by the electrically active microorganisms that proceeds on the surface of the negative electrode, the temperature of the negative electrode solution can be kept constant by installing a negative electrode reaction tank in a constant temperature water tank. You may also stir.

양극(3)은 미생물연료전지에서 통상적으로 사용하는 양극 재료로 이루어지며, 분리막(4) 상부에 설치한다. The positive electrode 3 is made of a positive electrode material commonly used in microbial fuel cells, and is installed on the separator 4.

또한 양극(3)에서 진행되는 환원의 반응을 촉진하기 위하여 백금, 전이금속 등의 촉매를 담지하거나 생물막 형태로 호기성 미생물이 양극의 다공성 표면에 성장하도록 할 수 있다. 양극(3)의 상부에는 양극 지지대(3-1)를 설치하여 양극(3)이 고정되도록 한다. 양극(3)과 양극 지지대(3-1) 사이에는 양극 집전체(3-2)를 설치한다. 이때 양극 집전체(3-2)는 전도성 고분자를 코팅한 금속리본으로서 음극 집전체(2-2)와 동일한 것을 사용할 수 있다. 양극(3)이 접하고 있는 용액에 전자의 환원반응을 위한 전자수용체가 충분히 존재하는 경우 양극(3)은 그 용액에 잠기도록 설치할 수 있지만 그렇지 않은 경우 양극의 한 면을 음극(2) 및 분리막(4)을 접하게 하고 다른 한 면을 공기에 노출시킨다. 양극(3) 상부에는 수증기 응축장치(5)를 설치함으로써 양극 표면을 통하여 증발하는 수증기를 포집하여 수면공기양극 미생물연료전지 반응조 본체의 벽면을 따라 재공급될 수 있도록 한다. In addition, in order to promote the reaction of the reduction proceeding in the anode (3) may carry a catalyst such as platinum, transition metal, or aerobic microorganisms to grow on the porous surface of the anode in the form of a biofilm. The anode support 3-1 is installed on the upper portion of the anode 3 so that the anode 3 is fixed. The positive electrode current collector 3-2 is provided between the positive electrode 3 and the positive electrode support 3-1. In this case, the cathode current collector 3-2 may be the same as the anode current collector 2-2 as a metal ribbon coated with a conductive polymer. If there is enough electron acceptor for the reduction of electrons in the solution in contact with the positive electrode 3, the positive electrode 3 may be installed so as to be submerged in the solution. 4) and expose the other side to air. By installing a water vapor condenser 5 on the upper part of the anode 3, water vapor that evaporates through the surface of the anode is collected to be resupply along the wall surface of the surface air cathode microbial fuel cell reactor.

수증기 응축장치(5)는 열전도성이 큰 유리, 금속 등의 재질이 바람직하며, 수증기 응축장치의 상부에 냉각수를 충진한 경우에 응축효율이 증가한다. 여기서 수증기 응축장치(5)는 도 1에 도시된 바와 같이 바닥의 중앙이 볼록한 돔형 용기가 바람직하다. 수증기 응축장치(5)의 상부의 냉각수를 수돗물 등을 연속순환시키는 경우 수증가 응축효율을 더욱 향상시킬 수 있다.The water vapor condenser 5 is preferably made of a material such as glass or metal having high thermal conductivity, and condensation efficiency increases when the cooling water is filled in the upper portion of the water vapor condenser. Here, the steam condenser 5 is preferably a domed container with a convex center at the bottom, as shown in FIG. If the cooling water in the upper portion of the water vapor condenser 5 continuously circulates tap water, it is possible to further improve the water condensation efficiency.

1. One. 실시예Example 1 : 수증기 응축장치 여부에 따른 성능과 운전의 안정성 평가 1: Performance and Operational Stability Evaluation by Steam Condenser

직경 7cm이고 수면공기양극 미생물연료전지 반응조의 용량이 210mL인 회분식 수면공기양극 미생물연료전지를 이용하여 본 발명에 따른 효과를 검증하였다. The effect according to the present invention was verified using a batch sleeping air cathode microbial fuel cell having a diameter of 7 cm and a capacity of the sleeping air cathode microbial fuel cell reactor.

실험을 위하여 포도당 1.09g, NH4Cl, 0.31g, KCl 0.13g, NaHCO3 16.8g, 미네랄용액 12.5 mL 및 vitamin 용액 12.5 mL를 비이커에 담고 수돗물로 1L가 되도록 희석하여 음극용액을 준비하였다. 준비된 음극용액 180mL를 먼저 수면공기양극 미생물연료전지 반응조에 주입하고 하수처리장에서 채취한 혐기성소화슬러지 30mL를 체분리한 뒤 수면공기양극 미생물연료전지 반응조에 식종하였다. 폴리아닐린을 코팅한 1/4in 두께 및 20ppi 기공의 다공성유리탄소를 음극으로 사용하기 위하여 음극용액 상단부의 음극 지지대 위에 설치하였다. 폴리아닐린 코팅된 0.5cm 폭의 스텐리스스틸 리본을 음극 집전체로 사용하기 위하여 음극지지대 하부에 설치하였다. 음극 집전체 상부에는 분리막으로서 음극 전체를 덮을 수 있는 부직포를 설치하였으며, 부직포의 상부에 양극을 설치하였다. 양극은 한면에 Pt를 담지한 상용 탄소헝겊(5.0g m-2, GDELT250EW, E-TEK)을 사용하였다. 양극의 상부에는 양극 집전체를 설치한 뒤 양극지지대로 양극을 고정하였다. 양극집전체와 음극집전체를 도선으로 연결하여 회로를 구성하였으며, 회로에는 100옴의 저항을 연결하였다. 저항과 병렬로 컴퓨터에 연결된 DMM을 설치하여 시간에 따른 전압의 변화를 모니터링하였다. For the experiment, 1.09 g of glucose, NH 4 Cl, 0.31 g, KCl 0.13 g, NaHCO 3 16.8 g, 12.5 mL mineral solution and 12.5 mL vitamin solution were placed in a beaker and diluted to 1L with tap water to prepare a negative electrode solution. 180 mL of the prepared catholyte solution was first injected into a sleep air cathode microbial fuel cell reactor, and 30 mL of anaerobic digestion sludge collected from a sewage treatment plant was sieved and planted in a sleep air cathode microbial fuel cell reactor. Polyaniline-coated 1/4 inch thick and 20 ppi porosity porous glass carbon was installed on the negative electrode support of the upper part of the negative electrode solution for use as the negative electrode. A polyaniline coated 0.5 cm wide stainless steel ribbon was installed under the negative electrode support for use as a negative electrode current collector. A nonwoven fabric covering the entire negative electrode was installed on the negative electrode current collector as a separator, and a positive electrode was installed on the nonwoven fabric. As a positive electrode, a commercial carbon cloth (5.0gm −2 , GDELT250EW, E-TEK) carrying Pt on one side was used. On the upper part of the positive electrode, a positive electrode current collector was installed and the positive electrode was fixed with the positive electrode support. A positive electrode current collector and a negative electrode current collector were connected by wires to form a circuit, and a 100 Ohm resistor was connected to the circuit. A DMM connected to the computer in parallel with the resistor was installed to monitor the voltage change over time.

수면공기양극 미생물연료전지의 성능은 양극 지지대 상부에 수증기 응축장치를 설치한 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 비교평가하였다. The performance of the sleep air cathode microbial fuel cell was evaluated in comparison with the case where the steam condenser was installed on the upper part of the anode support.

도 2는 양극 지지대의 상부에 수증기 응축장치 설치여부에 따른 전압의 변화를 보여주는 곡선이다. 수증기 응축장치가 설치된 경우 미생물연료전지에서 모니터링한 전압은 초기운전 시작 후 순응기를 거친 다음 점자 증가하여 34-36시간에 약 0.37mV로서 최대 값을 보인 뒤 잔류 유기물의 고갈로 급격히 감소하였다. Figure 2 is a curve showing the change in voltage depending on whether the steam condenser installed on top of the anode support. When the steam condenser was installed, the voltage monitored by the microbial fuel cell went through acclimatization after the start of the initial operation, and then increased to Braille.

그러나, 수증기 응축장치를 설치하지 않은 경우 시간에 따라 관측된 전압은 초기 순응기 이후에 점차 증가하였으나 전압의 최대 값이 응축기를 설치한 경우에 비해 크게 낮았으며, 28시간 부근에 급격히 감소하였다. However, when the steam condenser was not installed, the observed voltage gradually increased after the initial acclimatizer, but the maximum value of the voltage was significantly lower than that of the condenser and decreased rapidly around 28 hours.

이것은 음극용액이 양극표면을 통하여 증발하여 양극의 하단부가 용액에 접하지 못한 결과로서 음극용액을 통한 양성자의 공급이 단절되었기 때문이었다. 이결과는 수면공기양극 미생물연료전지에서 양극의 상부에 설치한 수증기 응축장치는 양극표면을 통한 수증기의 증발을 막아 미생물연료전지의 장시간 안정적인 운전을 가능하게 하였음을 보여주는 것이다.
This was because the supply of protons through the cathode solution was interrupted as a result of the evaporation of the cathode solution through the anode surface and the lower end of the anode not contacting the solution. This result shows that the water vapor condensation device installed on the upper part of the anode in the surface air cathode microbial fuel cell prevented the evaporation of water vapor through the anode surface to enable stable operation of the microbial fuel cell for a long time.

2. 2. 실시예Example 2 :  2 : 집전체House 사용여부에Whether to use 따른  According 전력수율Power yield

음극 및 양극 그리고 음극용액을 전술한 <실시예 1>에서와 같은 방법으로 준비하고 미생물연료전지를 구성하였다. A negative electrode, a positive electrode and a negative electrode solution were prepared in the same manner as in <Example 1> to construct a microbial fuel cell.

다만, 1개의 미생물연료전지는 음극지지대 상부 및 양극지지대 하부에 집전체를 설치하였으나 다른 1개의 미생물연료전지는 집전체를 사용하지 않고 도선을 음극 및 양극에 접촉하도록 연결한 뒤 시간에 따른 전압의 변화를 모니터링하였다. However, one microbial fuel cell installed a current collector on the upper side of the negative electrode support and the lower side of the positive electrode support, but the other microbial fuel cell connected the conductors to the negative electrode and the positive electrode without using the current collector, Change was monitored.

도 3은 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치에서 집전체 사용여부에 따른 전압곡선인 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 집전체를 사용한 경우 초기 순응기 이후 점차 전압이 증가하여 34-36시간에 최대전압 약 0.37mV까지 증가한 뒤 음극용액의 유기물 고갈로 전압은 급격히 감소하였다. 그러나, 집전체를 사용하지 않은 경우 시간에 따른 전압증감 경향은 집전체를 사용한 경우와 비슷하였으나 초기 순응기가 집전체를 사용한 경우에 비하여 길었으며, 최대전압은 약 0.14V로서 집전체를 사용한 경우에 비하여 크게 작았다. 이결과는 본 발명에서 고안한 전도성고분자를 코팅한 금속리본 집전체를 사용함으로서 전극의 내부저항을 감소시킬 수 있음을 나타내는 것으로 규모가 큰 전극을 사용한 경우에도 내부저항의 큰 증가 없이 높은 전력수율을 달성할 수 있음을 의미한다.3 is a voltage curve according to whether a current collector is used in a batch sleeping air cathode microbial fuel cell device, as shown in FIG. After increasing to the maximum voltage of about 0.37mV, the voltage of the cathode solution depleted rapidly. However, when the current collector was not used, the tendency of voltage increase over time was similar to that of the current collector, but the initial compliance was longer than when the current collector was used, and the maximum voltage was about 0.14V. It was much smaller than that. These results indicate that the internal resistance of the electrode can be reduced by using the metal ribbon current collector coated with the conductive polymer designed in the present invention. Even when a large electrode is used, high power yield can be achieved without a large increase in internal resistance. It can be achieved.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of various modifications within the scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the illustrated embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims and equivalents thereof.

Claims (8)

회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치에 있어서,
수면공기양극 미생물연료전지 반응조 본체에 음극용액을 채우고, 본체의 바닥면에서 일정거리가 이격된 높이에 설치된 음극지지대 위에 음극을 고정시키고, 음극지지대와 음극 사이 또는 음극의 상부와 분리막 사이에 음극 집전체를 배치하고, 분리막 상부에 양극을 설치하고, 양극이 고정될 수 있도록 양극의 상부에 양극 지지대를 설치하고, 양극과 양극 지지대 사이에는 양극 집전체를 설치하며, 양극 지지대 상부에는 양극 표면을 통하여 증발하는 수증기를 포집하여 본체의 벽면을 따라 음극용액에 재공급될 수 있도록 하는 수증기 응축장치를 포함하되,
상기 양극 집전체와 음극 집전체에는 각각 확장된 도선이 외부로 노출되게 설치된 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치.
In a batch sleeping air cathode microbial fuel cell device,
Fill the negative electrode solution in the surface of the sleeping air cathode microbial fuel cell reactor, and fix the negative electrode on the negative electrode support installed at a height spaced from the bottom of the main body, and between the negative electrode support and the negative electrode or between the top of the negative electrode and the separator Place the whole, install the anode on top of the separator, install the anode support on the top of the anode so that the anode can be fixed, install the anode current collector between the anode and the anode support, and the anode surface on the anode support Including a vapor condensing device for collecting the vapor to evaporate to be supplied to the cathode solution along the wall of the main body,
Batch sleeping air cathode microbial fuel cell device is installed in each of the positive electrode collector and the negative electrode collector so that the extended conductor is exposed to the outside.
제1 항에 있어서, 음극 집전체 표면에 코팅된 전도성 고분자는 음극 집전체와 음극 또는 양극 사이의 계면에서 전자 및 양성자 전달 저항을 감소시키는 것을 특징으로 하는 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치.
2. The batch sleeping air cathode microbial fuel cell device according to claim 1, wherein the conductive polymer coated on the surface of the negative electrode current collector reduces electron and proton transfer resistance at an interface between the negative electrode current collector and the negative electrode or the positive electrode.
제1 항에 있어서, 상기 음극은,
탄소재질 또는 표면을 전도성 고분자를 코팅한 재료를 이용하거나, 전도성과 비표면적이 큰 다공성 물질을 이용하는 것을 특징으로 하는 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치.
The method of claim 1, wherein the cathode,
A batch type sleeping air cathode microbial fuel cell device using a carbon material or a surface coated with a conductive polymer, or a porous material having high conductivity and specific surface area.
제1 항에 있어서, 상기 음극의 상부에는,
음극과 양극을 공간적으로 분리하기 위한 분리층 또는 분리막을 설치하는 것을 특징으로 하는 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치.
The method of claim 1, wherein the upper portion of the cathode,
A batch type sleeping air cathode microbial fuel cell device, characterized in that a separation layer or a separator for separating the cathode and the anode spatially.
제1 항에 있어서, 상기 음극 집전체는,
음극 집전체와 음극 또는 양극 사이의 계면에서 전자 및 양성자 전달사항을 감소시키기 위해 표면에 전도성 고분자를 코팅하는 것을 특징으로 하는 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치.
The method of claim 1, wherein the negative electrode current collector,
A batch sleep air cathode microbial fuel cell device, characterized in that a conductive polymer is coated on a surface to reduce electron and proton transfer at an interface between a negative electrode current collector and a negative electrode or positive electrode.
제1 항에 있어서, 상기 수증기 응축장치는,
열전도성이 우수한 유리, 금속 재질이며, 바닥의 중앙이 볼록한 돔형상의 용기로 구성된 것을 특징으로 하는 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치.
The method of claim 1, wherein the steam condenser
A batch type sleeping air cathode microbial fuel cell device, comprising a glass and metal material having excellent thermal conductivity and consisting of a dome-shaped container with a convex center.
제1 항에 있어서, 상기 음극 용액의 수위는,
본체에 설치된 양극의 높이보다 낮도록 하는 것을 특징으로 하는 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치.
The method of claim 1, wherein the level of the negative electrode solution,
A batch type sleeping air anode microbial fuel cell device, characterized in that lower than the height of the anode installed in the body.
제1 항에 있어서, 상기 분리막은,
부직포인 것을 특징으로 하는 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치.

The method of claim 1, wherein the separation membrane,
Batch type sleep air cathode microbial fuel cell device, characterized in that the non-woven fabric.

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