KR20160067235A

KR20160067235A - 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지

Info

Publication number: KR20160067235A
Application number: KR1020140171839A
Authority: KR
Inventors: 김병군; 서인석; 김홍석; 김연권; 김지연; 김대현; 신정훈; 최한나; 장훈; 차재환; 신경숙; 박승국; 송영채
Original assignee: 한국수자원공사; 한국해양대학교 산학협력단; 주식회사 태영건설; 주식회사 한화건설
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2016-06-14
Also published as: KR101692064B1

Abstract

본 발명은 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지에 관한 것으로서, 산화전극이 충진된 산화전극부와, 상기 산화전극부의 상부에 설치되는 환원전극부와, 상기 산화전극부와 환원전극부 사이에 설치되는 분리막을 포함하며, 슬러지 배출부를 구비하여 슬러지가 유입수의 흐름을 막아 발생하는 편흐름을 방지할 수 있는 장점이 있으며, 다수의 환원전극들을 스페이서를 이용하여 각각 구분하고, 상기 스페이서의 재질을 금속으로 하며, 상기 스페이서의 상부에 전기인출수단을 연결함으로 인해, 종래와 같이 환원전극 하나 하나에 전기인출수단을 연결하지 않아도 되므로, 전기 추출구조가 간단한 장점이 있다.

Description

분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지{Microbial Fuel Cell with air cathode perpendicular to separator}

본 발명은 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미생물연료전지의 전력 또는 에너지물질의 수율을 극대화하고 누수 등의 운전상의 문제와 규모 확대시에도 성능 감소가 작은, 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지에 관한 것이다.

생활하수, 유기성산업폐수, 축산폐수 등의 유기성 하폐수는 활성슬러지공정에 기반을 둔 다양한 호기성생물학적 처리공법들을 활용하여 처리하고 있다. 그러나, 대부분의 호기성생물학적 처리법들은 생물반응조를 교반하고 호기성미생물이 유기오염물을 분해하는데 필요한 전자수용체인 산소를 공급하기 위하여 많은 양의 에너지가 소용되는 폭기과정이 필요하다. 또한, 하폐수를 호기성생물학적 처리법으로 처리하는 과정에서는 최종처분에 어려움을 겪고 있는 폐활성슬러지가 다량 발생한다. 따라서, 지구온난화와 에너지고갈에 대한 위기감이 점차 고조되고 있는 최근에는 폭기과정을 필요로 하지 않고 폐슬러지 발생량이 상대적으로 작으며, 메탄이나 수소와 같은 에너지 물질을 부산물로 생산할 수 있는 혐기성미생물을 이용한 처리기술들에 대한 관심이 점차 높아지고 있다.

미생물연료전지는 전기적으로 활성을 가진 미생물을 이용하여 혐기성 상태에서 유기물질에 함유된 화학에너지를 전기에너지 또는 바이오가스 등으로 직접 전환시키는 하폐수의 혐기성 처리 장치 중의 한가지이다.

미생물연료전지는 전해질에 침지된 산화전극과 환원전극 그리고 산화전극과 환원전극 사이의 분리막, 산화전극과 환원전극을 연결한 외부회로로 구성된다. 산화전극의 표면에서는 전기적으로 활성을 가진 혐기성 미생물이 부착성장하며 유기물을 분해시켜 전자와 양성자를 생성하며, 산화전극은 생산된 전자를 수용한다. 산화전극에 수용된 전자는 외부회로를 통하여 환원전극으로 이동하며, 양성자는 전해질 및 분리막을 통하여 환원전극으로 이동한다. 환원전극에서는 산화전극에서 전달된 전자와 양성자 그리고 최종전자수용체인 산소가 결합하여 물을 생성하며, 반응이 완결된다. 이때 외부회로에 축전지 등을 설치하여 전지에서 생산한 전기에너지를 회수하는 경우 미생물연료전지라 한다.

지금까지 미생물연료전지에 대한 연구는 주로 전지의 형상 및 구조, 저렴한 고효율의 전극 및 재료개발 등을 중심으로 진행되어 왔다. 그러나, 아직까지 미생물연료전지를 구성하는 전극, 분리막 등의 전지부품 소재가 고가이며, 전력생산 성능이 높지 않았다. 또한, 지금까지 연구된 미생물연료전지들의 형상은 규모확대가 어려운 형태였으며, 규모확대시 미생물연료전지의 성능이 크게 감소하거나 누수 등의 운전상의 문제가 많았다.

지금까지 연구보고된 미생물연료전지의 형상으로는 2실형과 1실형 공기환원전극 미생물연료전지로 구분된다. 2실형 미생물연료전지는 실험실에서 연구용으로 많이 사용하였던 형상으로서 산화전극과 환원전극을 각각 분리막으로 구분된 2개의 액상 전해질 반응조에 설치한 형태이다. 그러나, 2실형 전지는 액상의 환원전극부를 사용하기 때문에 환원전극부에 전자수용체로서 산화제를 함유한 전해질을 사용하거나, 산소를 환원전극이 설치된 전해질 액상에 별도로 공급하여야 하는 단점이 있었다.

1실형 공기환원전극 전지로는 액상의 환원전극 반응조를 사용하는 대신 환원전극을 공기에 직접 노출시킴으로써 산소의 함량이 액상에 비해 높은 공기를 환원전극반응에 직접 이용함으로써 전지의 성능을 크게 향상시킨 공기환원전극 미생물연료전지에 대한 연구보고가 많다.

하폐수를 연속으로 처리할 수 있는 1실형 공기환원전극 미생물연료전지로는 산화전극을 수평으로 설치된 산화전극부의 바닥에 설치하고 산화전극 상부에 분리막과 공기와 접하는 환원전극을 각각 설치하고, 하폐수를 산화전극 반응조의 한쪽 끝단에 공급하여 수평으로 흐르게 한 수평 흐름을 가진 공기환원전극 반응조[대한민국등록특허공보 제10-1020788호(2011.03.09.)], 다공성 원통의 내부에 산화전극을 설치하고 원통의 외면에 분리막과 공기에 접하는 환원전극을 각각 설치한 수직원통형 공기환원전극, 카세트 형의 수직 구조체의 양면에 각각 분리막과 환원전극을 결합하여 밀폐하고 수직구조체 상부를 개방하여 공기펌프 등을 이용하여 인위적으로 공기의 주입이 가능하도록 하며, 산화전극은 수직구조체 사이의 수중에 설치한 카세트형 미생물연료전지 등으로 발전하여 왔다.

그러나, 수평흐름을 가진 공기환원전극 반응조는 동일한 공간에 다수의 전극을 적층하는데 불리하며, 산화전극부에서 발생한 가스가 분리막 하부면에 축적되어 기막을 형성함으로서 환원전극으로의 양성자의 이동을 방해하는 단점이 있다. 원통형 미생물연료전지는 작은 공간에 많은 수의 전지를 적층하기 위하여 산화전극부의 원통 직경을 작게하는 경우 제작에 많은 비용과 노동력이 소요된다는 단점을 가지고 있다. 밀폐형 수직구조체 상부를 개방하고 안쪽 양벽에 환원전극을 외부 양벽에 분리막과 산화전극을 각각 설치한 카세트형 미생물연료전지는 고밀도 적층을 위하여 내부의 공기층의 두께를 작게 할 경우 자연 통기가 어렵게 되어 전자수용체인 산소의 공급이 원활하지 않다는 문제가 있다.

또한, 대면적의 전극을 사용하는 경우 환원전극은 큰 정수압을 받게 되어 누수로 인한 운전상의 문제가 빈번히 발생할 수 있다는 단점이 있다.

한편, 미생물전해전지의 경우는 미생물연료전지의 경우와 같은 측면에서 연구되고 있는데, 미생물연료전지와 동일한 문제들을 가지고 있다.

본 발명자는 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극 생물전기화학전지를 개발한 바 있다.

도 1은 본 발명자가 기 개발한 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극 미생물연료전지의 종단면도이고, 도 2는 본 발명자가 기 개발한 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극 미생물연료전지의 산화전극 상부 환원전극부이고, 도 3은 본 발명자자 기 개발한 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극 미생물연료전지의 산화전극 측벽 환원전극부이다.

본 발명자가 기 개발한 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극 미생물연료전지는 산화전극이 충진된 산화전극부의 상부 및 측벽 각각에 분리막을 설치하고, 분리막에 수직으로 다수의 독립된 소형 환원전극들을 모듈 형식으로 설치하며, 도선을 이용하여 산화전극에 다수의 환원전극들을 연결함으로서 환원전극과 같은 수의 독립적인 미생물연료전지를 구성하는 방식이다.

또한, 미생물연료전지의 원료가 되는 유입수는 유입부를 이용하여 산화전극부로 고르게 주입하며, 산화전극부를 통과한 유출수는 산화전극의 측벽을 월류하거나 측벽 분리막을 투과하여 측벽에 설치된 환원전극부의 하부로 수집되어 외부로 배출되도록 하였다.

본 발명자가 기 개발한 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극 미생물연료전지를 실제적으로 운전해 본 결과, 하부에서 상부로 올라가는 유입수에 포함되어 있는 슬러지가 아래로 떨어져서 유입부의 일부를 막음에 따라 유입수의 편흐름이 발생하는 문제가 있었다.

KR 10-1020788 B1 2011.03.09.

본 발명은 유입수에 포함되어 있는 슬러지에 의해 편흐름이 발생하는 것을 방지할 수 있는 미생물연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 유입수의 편흐름이 없이 산화전극과 환원전극 전체를 지속적으로 이용할 수 있는 미생물연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 전기의 추출 구조가 간단한 미생물연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 수단을 제공한다.

본 발명은 산화전극이 충진된 산화전극부와, 상기 산화전극부의 상부에 설치되는 환원전극부와, 상기 산화전극부와 환원전극부 사이에 설치되는 분리막을 포함하며, 상기 환원전극부는 분리막에 직각으로 설치된 다수의 소형 환원전극들로 구성되는, 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지를 제공한다.

상기 환원전극들은 스페이서를 이용하여 분리하되, 상기 스페이서는 상부가 일체로 긴 형상으로 이루어지며, 상부로부터 다수개의 구분막이 아래로 일정 간격을 두고 구비된다.

상기 스페이서의 재질은 금속 또는 황동이며, 상기 스페이서의 상부에 전기인출수단이 연결된다.

상기 환원전극들은 황동인 볼트에 의해 관통되며 너트와 링 형상의 와셔에 의해 인접한 환원전극과 일정 간격을 유지하며 지지되되, 상기 볼트에 전기인출수단을 연결한다.

상기 산화전극부 하부에 유입부가 설치되며, 상기 유입부는 다수의 유입구가 형성된 유입파이프를 복수개 구비하되, 상기 유입구는 처음 절반까지는 유입수가 적게 공급되며, 절반 이후부터 유입수가 많이 공급된다.

상기 산화전극부, 분리막 및 환원전극부가 설치되는 반응조 및 상기 반응조에서 유출되는 유출수를 배출시키는 수로를 더 포함할 수 있다.

상기 반응조는 유출수가 용이하게 월류할 수 있도록 상기 반응조의 상단에 일정 간격으로 V자 홈을 다수개 형성하며, 상기 반응조 하부에 상기 유입수에 포함되어 있는 슬러지를 수거하는 역할을 담당하는 슬러지 배출부가 구비되되, 상기 슬러지 배출부는 사각뿔 또는 원뿔 형태이며, 상기 슬러지 배출부 하단에 체크밸브가 설치될 수 있다.

상기 반응조는 내부에 1개 이상의 격벽이 구비되며, 상기 격벽으로 인해 상기 환원전극이 분리되어 설치될 수 있다.

상기 산화전극부, 분리막 및 환원전극부가 설치되는 반응조 및 유입수에 포함되어 있는 슬러지를 제거하는 침전조를 추가적으로 포함하되, 상기 반응조의 내부에 1개 이상의 격벽이 구비되며, 상기 침전조를 거쳐서 상기 반응조로 유입된 유입수는 지그재그로 이동할 수 있다.

또한, 본 발명은, 산화전극이 충진된 산화전극부와, 상기 산화전극부의 상부에 설치되는 환원전극부와, 상기 산화전극부와 환원전극부 사이에 설치된 분리막과, 상기 산화전극부, 분리막 및 환원전극부가 설치되는 반응조 및 상기 반응조에서 유출되는 유출수를 배출시키는 수로를 포함하며, 상기 환원전극부는 분리막에 직각으로 설치된 다수의 소형 환원전극들로 구성되는 미생물연료전지에 있어서, 상기 산화전극부 하부에 다수의 유입구가 형성된 유입파이프가 복수개 구비된 유입부를 설치하고, 상기 수로의 측면에 유출구를 설치하며, 상기 유입구를 통하여 하폐수를 연속 유입시키고, 산화전극부를 통과한 뒤, 상기 반응조를 월류하여 상기 유출구로 연속 유출시키되, 상기 유입 하폐수 체류 시간은 0.25 시간 내지 240 시간인, 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지의 운전방법을 제공한다.

본 발명에 의한 미생물연료전지는 분리막에 대하여 직각으로 설치된 다수의 환원전극들은 금속 재질인 스페이서를 이용하여 각각 구분하거나, 황동으로 된 볼트, 너트, 와셔를 사용하여 일정 묶음의 전극을 구분하고, 상기 스페이서의 상부나 황동 볼트에 전기인출수단을 직접 연결함으로 인해, 종래와 같이 환원전극 하나 하나에 전기인출수단을 연결하지 않아도 되므로, 전기 추출구조가 간단한 장점이 있다. 소형의 환원전극들의 일부분이 분리막 또는 액상에 직접 접촉함으로서 양성자 공급이 원활하며, 나머지 부분이 기체상에 노출되도록 함으로서 환원전극의 반응성을 크게 향상시켜 미생물연료전지의 전력생산량을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 환원전극부의 하부를 통과한 유출수가 용이하게 월류할 수 있도록 반응조의 상단에 일정 간격으로 V자 홈을 다수개 형성함으로, 필요 공간이 종래보다 작아도 되므로 공간활용도를 높인 장점이 있다.

또한, 본 발명은 슬러지 배출부를 구비하여 슬러지가 유입구를 막음으로 인해 발생하는 편흐름을 방지할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 산화전극부의 상부에 설치된 분리막에 대하여 직각으로 다수의 소형 환원전극을 적층시킴으로서 산화전극의 부피에 대한 환원전극의 면적비를 극대화함으로서 미생물연료전지의 성능을 향상시키는 효과를 가진다.

본 발명은 2차원인 면 형상의 환원전극들이 분리막과 직각으로 설치됨으로써 일부 액상에 침지되지만 소형 환원전극을 다수 배치함으로써 공기와 접합면적을 극대화가 가능하여 환원전극 표면으로의 충분한 공기공급으로 환원전극의 성능이 최대화된다.

도 1은 본 발명자가 기 개발한 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극 미생물연료전지의 종단면도.
도 2는 본 발명자가 기 개발한 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극 미생물연료전지의 산화전극 상부 환원전극부.
도 3은 본 발명자가 기 개발한 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극 미생물연료전지의 산화전극 측벽 환원전극부.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 미생물연료전지 수로 및 반응조의 사시도.
도 5는 본 발명의 미생물연료전지의 유입부를 나타내는 평면도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 가진 미생물연료전지의 사시도.
도 7은 본 발명의 미생물연료전지의 환원전극부를 나타내는 사시도.
도 8은 본 발명의 미생물연료전지의 다른 형태의 환원전극부를 나타내는 단면도.
도 9는 본 발명의 미생물연료전지의 다른 형태의 환원전극부를 나타내는 사시도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미생물연료전지 수로 및 반응조의 사시도.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 가진 미생물연료전지의 사시도.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미생물연료전지 침전조 및 반응조의 사시도.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 가진 미생물연료전지의 사시도.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명자가 기개발한 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극을 가진 미생물연료전지에 대해 설명한다.

[실험예 1]

본 발명자가 기 개발한 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극을 가진 미생물연료전지는 47㎝ × 50㎝ × 38㎝ 크기의 아크릴수지로 제작하였다. 전지의 하부 5㎝ 높이 까지는 유입부로 사용하였으며, 유입부 상부에는 유입수분배장치로 다공판을 설치하였다. 유입수분배장치 상부는 15㎝ × 50㎝ × 15㎝ 크기의 산화전극부를 설치하였다. 산화전극부의 긴 측벽 양쪽에는 15㎝ × 50㎝ 크기의 한외여과막(ultrafilter membrane)을 설치하여 분리막으로 사용하였다.

산화전극부에는 총 넓이가 15,876 ㎠인 산화전극을 13.5㎝ × 49㎝ 크기로 접어 설치하였다. 본 전지에 사용된 산화전극은 질산처리한 흑연섬유직물을 30메쉬 스텐망에 재봉틀을 이용하여 물리적으로 결합하는 방법으로 제작하였다. 산화전극부의 산화전극 상부에는 폴리프로필렌 부직포를 설치하여 분리막으로 사용하였다.

산화전극 상부 분리막의 상단에는 분리막과 직각으로 5㎝ × 15㎝ 크기의 환원전극을 160개 설치하였다. 산화전극부의 장측벽에도 분리막과 직각으로 5㎝ × 15㎝ 크기의 환원전극을 160개 (160개 × 2개) 설치하였다. 모든 환원전극들 사이에는 부직포를 설치하여 절연하였으며, 환원전극들 각각의 평균간격은 약 3㎜ 이었다. 환원전극은 질산처리한 다중벽탄소나노튜브 표면에 금속환원촉매(CuPC, FePc)를 고정시킨 뒤 팽창흑연과 혼합하고 나피온용액을 결합제로 활용하여 30메쉬 스텐망에 스크린프린팅하여 제조하였다. 모든 환원전극들은 1개의 산화전극과 도선으로 연결하여 독립적인 회로를 구성하였으며, 회로에는 외부저항을 설치하였다.

초기운전을 위하여 생물전기화학전지에 혐기성슬러지를 식종하고 초산을 이용하여 제조한 인공폐수(acetate 1,000㎎ COD/ℓ, phosphate buffer solution 50mM, mineral 12.5㎖/ℓ, vitamin 12.5㎖/ℓ)를 수리학적체류시간 30분 연속 주입하였으며, 수온은 30℃를 유지하였다. 초기운전기간 동안 외부저항은 30Ω으로 고정하였으며, 인공폐수의 COD는 약 1,000㎎/ℓ였으며, pH는 7.01이었다. 생물전기화학전지를 운전하는 동안 DMM(digital multimeter, Keithley 2700)이 연결된 컴퓨터를 이용하여 미생물연료전지에서 발생하는 전압을 30분 간격으로 모니터링 하였다.

상기 전지를 운전하는 동안 누수 등의 운전상의 문제는 전혀 발생하지 않았으며, 미생물연료전지의 내부저항은 표 1에서 보는 바와 같이 산화전극부 좌우 측벽 환원전극전지 들의 경우 약 10.16Ω, 10.52Ω이었으나, 산화전극부 상부 환원전극전지 들의 경우 약 2.09Ω이었다. 또한, 상기 미생물연료전지의 최대전력밀도는 산화전극부 좌우 측벽 환원전극전지 들의 경우 약 105.88W/㎥, 116.39W/㎥ 이었으나, 산화전극부 상부 환원전극전지 들의 경우 약 426.14W/㎥ 이었다.

Cathod	Internal resistance(Ω)	Power Density(W/㎥)
Left	10.16	105.88
Center	2.09	426.14
Right	10.52	116.39

표 1에서 알 수 있듯이, 산화전극부 좌우 측벽 환원전극 전지들은 공간을 많이 차지하는데 비해 비용 대비 효율이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명에서는, 산화전극 좌우 측벽 환원전극 전지들을 구비하지 않으며, 산화전극부 상부에만 환원전극 전지를 구비하는 것에 특징이 있다.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 미생물연료전지의 구조 및 특징을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 미생물연료전지 수로 및 반응조의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 미생물연료전지의 유입부를 나타내는 평면도이고, 도 6은 본 발명의 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 가진 미생물연료전지의 사시도이며, 도 7은 본 발명의 미생물연료전지의 환원전극부를 나타내는 사시도이다.

도시된 바에 따르면, 본 발명의 미생물연료전지는 하단에 원료인 유입수가 유입되는 공간인 유입부(30)가 있고, 상기 유입부(30) 상부에는 산화전극부(40), 분리막(50) 그리고 환원전극부(60)가 각각 수직적으로 배치되어 있다. 또한, 상기 산화전극부(40), 분리막(50) 및 환원전극부(60)가 설치되는 반응조(70), 상기 반응조(70)에서 유출되는 유출수를 배출시키는 수로(80)가 상기 반응조(70)와 일정 간격을 두고 구비된다.

상기 유입부(30)는 원료인 유입수를 산화전극부(40)에 공급하기 위한 것으로 바람직하게는 산화전극부(40)의 하단에 설치하는 것이다. 상기 유입부(30)는 다수의 유입구(34)가 형성된 유입파이프(32)를 2개 이상 구비할 수 있다. 상기 유입파이프(32)의 하나는 수로(80) 일측면 하단에서 시작해서 타 측면까지 관통하지 않고 타측면으로부터 일정 간격을 남겨둔 지점까지 형성된다. 상기 유입파이프(32)의 다른 하나는 수로(80) 타 측면 하단에서 시작해서 일측면까지 관통하지 않고 일측면으로부터 일정 간격을 남겨둔 지점까지 형성된다. 상기 유입파이프(32)는 같은 높이에 구비되는 것이 바람직하다. 상기 유입파이프(32)에는 다수의 유입구(34)가 형성되어 있으며, 상기 유입구(34)의 크기가 동일하여도, 유속에 의해 처음 절반보다는 절반 이후에서 더 많은 유입수가 공급된다. 도 5에서는 유입구(34)의 크기가 처음 절반에 비해 절반 이후에 더 큰 경우를 도시하였으며, 2개의 유입파이프(32)가 각각 서로 다른 위치에서 더 많은 유입수를 공급하게 되므로 유입수가 골고루 공급되는 장점이 있다.

상기 산화전극부(40)에는 산화전극이 충진되어 있으며, 바람직한 형상은 직육면체 또는 원통형이다. 상기 산화전극은 전기저항이 작고 전기화학적인 산화에 강하여야 하고, 생물 친화성이 높아 미생물이 잘 붙어 살 수 있는 구조여야 한다. 또한, 유기물의 분해에 의해 생성된 전자전달이 효율적으로 이루어지도록 넓은 비표면적을 제공할 수 있어야 한다. 통상, 흑연펠트, 탄소섬유, 탄소천, 팽창흑연, 탄소나노투브 등 넓은 비표면적을 가진 전도성 탄소물질이나 이들의 복합체를 사용할 수 있다.

상기 산화전극부(40) 상부의 분리막(50)은 산화전극과 환원전극을 공간적으로 분리하여 단락을 방지하기 위한 것으로서 산화전극부(40)로부터 환원전극부(60)로 양성자를 효율적으로 전달시킬 수 있어야 하며, 환원전극부(60)에서 산화전극부(40)로의 산소확산을 최소화할 수 있어야 한다. 따라서, 분리막(50)으로는 고가의 양이온교환막을 사용할 수 있으나 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리비닐알콜 등의 다공성 고분자물질로 이루어진 다공판이나 부직포를 사용하는 것이 비용 면에서 바람직하다.

상기 환원전극부(60)는 도 6에서와 같이 다수의 소형 환원전극 모듈(63)들로 이루어지며, 상기 분리막(50)에 직각으로 산화전극부(40) 상단에 설치한다. 환원전극부(60)를 구성하는 각각의 소형 환원전극(62)들은 부직포 등과 같은 다공성 절연물질에 의해 구분되는 대신에, 공기 접촉면적을 높이기 위하여 스페이서(64)를 이용하여 분리하는 것이 본 발명의 특징이다. 상기 스페이서(64)는 도 7에 도시된 바와 같이, 상부가 일체로 긴 형상으로 이루어지며, 상부로부터 다수개의 구분막이 아래로 일정 간격을 두고 구비되며, 상기 구분막 사이 사이에 상기 환원전극(62)이 위치하게 된다. 상기 스페이서(64)의 재질을 금속, 바람직하게는 황동으로 하며, 상기 스페이서(64)의 상부에 전기인출수단(66)을 연결함으로 인해, 종래와 같이 환원전극(62) 하나 하나에 전기인출수단을 연결하지 않아도 되므로, 전기의 추출구조가 간단한 장점이 있다.

한편, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 환원전극(62)들은 공기 접촉면적을 높이기 위한 다른 방법으로, 볼트(67)에 의해 관통되며 너트(68)와 링 형상의 와셔(69)에 의해 인접한 환원전극(62)과 일정 간격을 유지하며 지지될 수 있다. 상기 볼트(67)의 재질은 황동으로 하며, 상기 볼트(67)에 전기인출수단(66)을 연결할 수 있다. 일례로 볼트(67) 1개, 와셔(69) 2개, 환원전극(62) 다수개, 와셔(69) 2개, 너트(68) 2개, 와셔(69) 2개, 환원전극(62) 다수개, 와셔(69) 2개, 너트(68) 2개, 와셔(69) 2개, 환원전극(62) 다수개, 와셔(69) 2개, 너트(68) 1개 순으로 구성될 수 있다.

상기 환원전극(62)들은 활성탄, 흑연직물, 흑연종이, 흑연펠트, 팽창흑연, 탄소나노튜브 등과 같은 비표면적이 넓고 전도성이 우수한 탄소물질이나 이들 물질의 복합체로서 수분을 흡수할 수 있는 친수성이 좋으며, 산소환원촉매를 담지하고 있는 것이 더욱 바람직하다. 산소환원촉매로는 백금이 가장 우수하지만 고가의 귀금속이므로 백금과 유사한 정도의 촉매효율을 보이는 철, 코발트, 산화망간 등의 전이금속화합물을 사용하는 것이 바람직하다. 1개의 환원전극(62) 형상은 4개의 변을 가진 2차원 면의 형태로서 소형으로 하는 것이 전력생산에 유리하다.

상기 반응조(70)는 분리막(50)보다 높게 하여 산화전극부(40)를 통과한 유출수에 의해 환원전극부(60)의 하부가 항상 잠길 수 있어야 한다. 또한 상기 환원전극부(60)의 하부를 통과한 유출수가 용이하게 월류할 수 있도록 상기 반응조(70)의 상단에 일정 간격으로 V자 홈(72)을 다수개 형성하는 것에 특징이 있다.

또한, 상기 반응조(70)의 하부에는 슬러지 배출부(76)가 구비되어 있다. 상기 슬러지 배출부(76)는 사각뿔 또는 원뿔 형상으로 이루어지며, 상기 유입수에 포함되어 있는 슬러지를 수거하는 역할을 담당하며, 상기 슬러지 배출부(76)의 하단에는 코크밸브(78)가 설치되어, 일정량의 슬러지가 적층되면 외부에 배출하는 기능을 담당한다.

상기 수로(80)의 측면에는 상기 유출수가 배출될 수 있도록 유출구(82)가 구비될 수 있다.

다음은 도 10 및 도 11를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 미생물연료전지의 구조 및 특징을 설명한다.

도 10에서 보는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 미생물연료전지는 반응조(70)의 내부에 1개 이상의 격벽(74)이 구비될 수 있으며, 상기 격벽(74)이 2개 구비되는 경우에는 상기 산화전극부(40) 및 환원전극 모듈(63)이 3개의 전지로 구성하게 된다. 반응조(70) 내에 최대한 많은 전지가 구성될 수 있도록 격벽을 많이 구분하는 것이 전기를 회수하는 측면에서 유리하다. 본 발명의 다른 실시예에서는 상기 반응조(70) 내부에 격벽(74)을 구비하고 상기 환원전극 모듈(63)을 분리하여 설치함으로 인해, 산화전극과 연료인 하수와의 접촉을 극대화하여 전력생산량을 더 높게 얻을 수 있다.

다음은 도 12 및 도 13을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미생물연료전지의 구조 및 특징을 설명한다.

도 12에서 보는 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미생물연료전지는 유입수에 포함되어 있는 슬러지를 효과적으로 제거하기 위해 침전조(36)를 추가적으로 구비할 수 있고, 상기 침전조(36)의 하부에는 사각뿔 또는 원뿔 형상의 슬러지 배출부(37)가 구비되며, 상기 유입수에 포함되어 있는 슬러지를 수거하는 역할을 담당하며, 상기 슬러지 배출부(37)의 하단에는 코크밸브(38)가 설치되어, 일정량의 슬러지가 적층되면 외부에 배출하는 기능을 담당한다. 반응조(70)의 내부에 1개 이상의 격벽(74)이 구비될 수 있으며, 유입수의 농도가 고농도일수록 격벽(74)의 수가 증가될 수 있다. 상기 격벽(74)은 타단으로부터 일정거리를 두고 이격되도록 구성되어 유입수가 지그재그로 이동할 수 있게 된다. 상기 침전조(36)를 거쳐서 상기 반응조(70)로 유입된 유입수는 지그재그로 이동하여 유입수의 편흐름을 방지할 수 있는 장점이 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극 미생물연료전지의 작동 내지 운전 방법을 도 4 내지 도 7을 활용하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 미생물연료전지의 원료로는 생활하수, 축산폐수, 매립지 침출수 등과 같이 유기물을 함유한 유기성폐수를 사용할 수 있다.

전지의 원료가 되는 유입수를 유입부(30)로 연속주입하면, 유입파이프(32)의 유입구(34)를 통해 혐기성상태로 유지되는 산화전극부(40)로 이동한다.

산화전극부(40)에서 유기성폐수에 함유된 유기물은 산화전극에 부착된 전기적으로 활성을 가진 미생물에 의해 산화되어 전자 및와 양성자를 생성한다. 이때 유기물의 산화로부터 생성된 전자는 산화전극으로 전달되어 외부회로를 거쳐 산화전극부 상단에 설치된 환원전극부(60)의 환원전극으로 이동한다. 이때 미생물연료전지에서 발생하는 전력은 전기인출수단(66)을 통해 회수한다.

산화전극부(40)에서 생성되는 양성자는 산화전극 상단 분리막(50)을 거쳐 산화전극부(40) 상단에 설치된 환원전극부(60)로 이동한다. 이산화탄소는 산화전극부(40)의 상부로 이동한 뒤 분리막(50)을 통과하여 산화전극부 상단 환원전극부(60)를 통하여 외부로 배출된다.

본 발명의 미생물연료전지의 원료인 유입수가 산화전극부(40)를 통과하면 산화전극부 상단의 환원전극부(60) 하단을 침지시켜 산화전극부(40)로부터 환원전극부(60)로의 양성자 이동매체역할을 하며, 반응조(70) 측벽을 월류하여 하부로 이동한다. 또한, 수로(80) 측면에 설치된 유출구(82)를 통하여 배출된다. 2차원인 면 형상의 환원전극들이 분리막과 직각으로 설치됨으로서 일부 액상에 침지되지만 소형 환원전극을 다수 배치함으로써 공기와 접합면적을 극대화가 가능하여 환원전극 표면으로의 충분한 공기공급으로 환원전극의 성능이 극대화된다.

미생물연료전지의 체류시간은 유입 하폐수에 함유된 유기물의 종류 및 농도에 따라 달라질 수 있으며, 통상 0.25 시간 내지 240시간이 바람직하다.

1 : 유입부 2 : 유입밸브
3 : 유입수 분배장치 4 : 산화전극부
5 : 산화전극 상단 분리막 6 : 산화전극 상단 환원전극부
6-1 : 산화전극 상단 환원전극 6-2 : 산화전극 상단 절연체
6-3 : 산화전극 상단 환원전극부 침지선
7 : 산화전극부 장측벽 분리막
8 : 산화전극부 장측벽 환원전극부
8-1 : 산화전극 장측벽 환원전극 8-2 : 산화전극 장측벽 절연체
8-3 : 산화전극 장측벽 환원전극부의 하부 침지선
8-4 : 산화전극 장측벽 환원전극부의 측면 침지선
9 : 유출밸브 10 : 외부회로
11 : 외부저항
30 : 유입부
32 : 유입파이프 34 : 유입구
36 : 침전부 37 : 슬러지 배출부
38 : 코크밸브
40 : 산화전극부 50 : 분리막
60 : 환원전극부 62 : 환원전극
63 : 환원전극 모듈 64 : 스페이서
66 : 전기인출수단 67 : 볼트
68 : 너트 69 : 와셔
70 : 반응조 72 : v자 홈
74 : 격벽
76 : 슬러지 배출부 78 : 코크밸브
80 : 수로 82 : 유출구

Claims

산화전극이 충진된 산화전극부와,
상기 산화전극부의 상부에 설치되는 환원전극부와,
상기 산화전극부와 환원전극부 사이에 설치되는 분리막을 포함하며,
상기 환원전극부는 분리막에 직각으로 설치된 다수의 소형 환원전극들로 구성되는 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지.
제 1항에 있어서,
상기 환원전극들은 스페이서를 이용하여 분리하되,
상기 스페이서는 상부가 일체로 긴 형상으로 이루어지며, 상부로부터 다수개의 구분막이 아래로 일정 간격을 두고 구비되는 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지.
제 2항에 있어서,
상기 스페이서의 재질은 금속 또는 황동이며, 상기 스페이서의 상부에 전기인출수단이 연결되는 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지.
제 1항에 있어서,
상기 환원전극들은 황동인 볼트에 의해 관통되며 너트와 링 형상의 와셔에 의해 인접한 환원전극과 일정 간격을 유지하며 지지되되,
상기 볼트에 전기인출수단을 연결하는 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지.
제 1항에 있어서,
상기 산화전극부 하부에 유입부가 설치되며,
상기 유입부는 다수의 유입구가 형성된 유입파이프를 복수개 구비하되,
상기 유입구는 처음 절반까지는 유입수가 적게 공급되고, 절반 이후부터 유입수가 많이 공급되는 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지.
제 1항에 있어서,
상기 산화전극부, 분리막 및 환원전극부가 설치되는 반응조 및 상기 반응조에서 유출되는 유출수를 배출시키는 수로를 더 포함하는 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지.
제 6항에 있어서,
상기 반응조는 유출수가 용이하게 월류할 수 있도록 상기 반응조의 상단에 일정 간격으로 V자 홈을 다수개 형성하며,
상기 반응조 하부에 상기 유입수에 포함되어 있는 슬러지를 수거하는 역할을 담당하는 슬러지 배출부가 구비되되,
상기 슬러지 배출부는 사각뿔 또는 원뿔 형태이며, 상기 슬러지 배출부 하단에 체크밸브가 설치되는 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지.
제 7항에 있어서,
상기 반응조는 내부에 1개 이상의 격벽이 구비되며, 상기 격벽으로 인해 상기 환원전극이 분리되어 설치되는, 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지.
제 1항에 있어서,
상기 산화전극부, 분리막 및 환원전극부가 설치되는 반응조 및 유입수에 포함되어 있는 슬러지를 제거하는 침전조를 추가적으로 포함하되,
상기 반응조의 내부에 1개 이상의 격벽이 구비되며, 상기 침전조를 거쳐서 상기 반응조로 유입된 유입수는 지그재그로 이동하는 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지.
산화전극이 충진된 산화전극부와, 상기 산화전극부의 상부에 설치되는 환원전극부와, 상기 산화전극부와 환원전극부 사이에 설치된 분리막과, 상기 산화전극부, 분리막 및 환원전극부가 설치되는 반응조 및 상기 반응조에서 유출되는 유출수를 배출시키는 수로를 포함하며, 상기 환원전극부는 분리막에 직각으로 설치된 다수의 소형 환원전극들로 구성되는 미생물연료전지에 있어서,
상기 산화전극부 하부에 다수의 유입구가 형성된 유입파이프가 복수개 구비된 유입부를 설치하고, 상기 수로의 측면에 유출구를 설치하며,
상기 유입구를 통하여 하폐수를 연속 유입시키고, 산화전극부를 통과한 뒤, 상기 반응조를 월류하여 상기 유출구로 연속 유출시키되,
상기 유입 하폐수 체류 시간은 0.25 시간 내지 240 시간인, 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지의 운전방법.