KR20210098092A - Microbial fuel cell - Google Patents

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KR20210098092A KR1020200011862A KR20200011862A KR20210098092A KR 20210098092 A KR20210098092 A KR 20210098092A KR 1020200011862 A KR1020200011862 A KR 1020200011862A KR 20200011862 A KR20200011862 A KR 20200011862A KR 20210098092 A KR20210098092 A KR 20210098092A
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Abstract

The present invention relates to a microbial fuel cell which comprises a first case, a second case, a positive ion exchanging film, and a circuit. More specifically, the present invention relates to a microbial fuel cell which generates electrons and hydrogen ions in the first case of the fuel cell, and receives the same in the second case of the fuel cell to continuously generate water and electric currents.

Description

미생물 연료전지{Microbial fuel cell}Microbial fuel cell

본 발명은 미생물 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지의 제1케이스에서는 전자와 수소이온을 생성하고, 이를 연료전지의 제2케이스가 전달받아 물과 전류를 지속적으로 생성하는 미생물 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a microbial fuel cell, and more particularly, a microbial fuel cell that generates electrons and hydrogen ions in a first case of the fuel cell, and receives these to a second case of the fuel cell to continuously generate water and current is about

미생물 연료전지(microbial fuel cell, MFC)는 미생물 균체를 촉매로 사용해 유기물을 분해하고 이때 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환하는 기술로서, 차세대 그린 에너지 기술로 주목받고 있다.Microbial fuel cell (MFC) is a technology that uses microbial cells as a catalyst to decompose organic matter and directly converts chemical energy generated at this time into electrical energy, and is attracting attention as a next-generation green energy technology.

미생물 연료전지는 미생물 반응으로 유기성 연료를 소모하여 화학적 분해를 통해 연료로서 사용하며, 이때 발생된 수소 이온의 전달을 통해 전지로서 사용한다. 음극반응은 대사물질의 산화반응이고, 양극반응은 효소의 환원반응인 경우가 대부분이다. 그러나 미생물의 특수한 생체기작(biomechanism)은 연료전지의 효율을 감소시키는 농도 분극(concentration polarization), 내부저항증가, 바이오 필름의 증가 등 다양한 형태의 화학적 반응을 야기함으로써, 미생물 연료전지의 개발에 있어 지속적 에너지 생성에 어려움이 있다.The microbial fuel cell consumes organic fuel through a microbial reaction and uses it as a fuel through chemical decomposition, and is used as a cell through the transfer of generated hydrogen ions. Cathodic reaction is an oxidation reaction of metabolites, and anode reaction is a reduction reaction of enzymes in most cases. However, the special biomechanism of microorganisms causes various types of chemical reactions such as concentration polarization that reduces the efficiency of the fuel cell, increase of internal resistance, increase of biofilm, etc. Difficulty in generating energy.

등록특허 10-1725870, 등록일자 2017년 04월 05일, '미생물 연료전지용 양이온 교환막, 그 제조방법 및 이를 구비한 미생물 연료전지'Registered patent 10-1725870, registration date April 05, 2017, 'Cation exchange membrane for microbial fuel cell, manufacturing method thereof, and microbial fuel cell having the same' 등록특허 10-1040185, 등록일자 2011년 06월 02일, '기능성 전극을 장착한 미생물 연료 전지 단위체 및 이를 이용한 미생물 연료전지'Registered patent 10-1040185, registration date June 02, 2011, 'Bacterial fuel cell unit equipped with functional electrode and microbial fuel cell using the same'

본 발명은 이와 같은 어려움을 해소하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지의 제1케이스에서는 전자와 수소이온을 생성하고, 이를 연료전지의 제2케이스가 전달받아 물과 전류를 지속적으로 생성하는 미생물 연료전지를 제공하는데 있다.The present invention was created to solve such difficulties, and an object of the present invention is to generate electrons and hydrogen ions in the first case of the fuel cell, and receive them to the second case of the fuel cell to continuously receive water and current. An object of the present invention is to provide a microbial fuel cell that produces

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미생물 연료전지는 내부에 기질과 음극(111)이 채워지는 제1케이스(110); 내부에 양극(121)이 채워지며 공기가 주입되어 있는 제2케이스(120); 상기 제1케이스(110)와 제2케이스(120) 사이에 구비되어 상기 제1케이스(110)에서 생성되는 수소이온을 제2케이스(120)로 이동시키는 양이온교환막(130); 및 상기 음극(111)에서 상기 양극(121)으로 전자가 이동하는 서킷(140)을 포함하는 것을 특징으로 한다.The microbial fuel cell according to the present invention for achieving the above object includes a first case 110 filled with a substrate and a negative electrode 111 therein; a second case 120 in which the anode 121 is filled and air is injected; a cation exchange membrane 130 provided between the first case 110 and the second case 120 to move hydrogen ions generated in the first case 110 to the second case 120; and a circuit 140 through which electrons move from the cathode 111 to the anode 121 .

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 음극(111)과 양극(121)은, 철수세미 또는 graphite felt 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the negative electrode 111 and the positive electrode 121 are characterized in that any one of iron wool or graphite felt.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1케이스(110)는, 기질을 분해하여 전자와 수소이온을 생성하는 혐기성 박테리아를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the first case 110 is characterized in that it further comprises anaerobic bacteria that decompose the substrate to generate electrons and hydrogen ions.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제2케이스(120)는, 주입된 공기와 상기 제1케이스(110)로부터 생성되어 이동된 전자와 수소이온이 결합되어 물을 생성하는 것을 특징으로 한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the second case 120 is characterized in that the injected air and the electrons and hydrogen ions generated and moved from the first case 110 are combined to generate water.

본 발명에 따른 미생물 연료전지는 연료전지의 제1케이스에서는 전자와 수소이온을 생성하고, 이를 연료전지의 제2케이스가 전달받아 물과 전류를 지속적으로 생성할 수 있는 효과가 있다.The microbial fuel cell according to the present invention has the effect of generating electrons and hydrogen ions in the first case of the fuel cell, and receiving these to the second case of the fuel cell to continuously generate water and current.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미생물 연료전지의 구성도1 is a block diagram of a microbial fuel cell according to an embodiment of the present invention;

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구성될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement them. However, the present invention may be configured in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우만이 아니라, 다른 부분을 통해 “간접적으로 연결”되는 경우도 포함하여 어떤 부분이 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is “connected” with another part, it is not only “directly connected” but also “indirectly connected” through another part. When "included", it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미생물 연료전지의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 미생물 연료전지(100)는 내부에 기질과 음극(111)이 채워지는 제1케이스(110)와 내부에 양극(121)이 채워지며 공기가 주입되어 있는 제2케이스(120)와 상기 제1케이스(110)와 제2케이스(120) 사이에 구비되어 상기 제1케이스(110)에서 생성되는 수소이온을 제2케이스(120)로 이동시키는 양이온교환막(130) 및 상기 음극(111)에서 상기 양극(121)으로 전자가 이동하는 서킷(140)으로 구성된다. 상기 기질은 가축 분뇨, 지렁이 분변액, 폐수처리장의 폐수 중 어느 하나가 될 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.1 is a block diagram of a microbial fuel cell according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the microbial fuel cell 100 according to the present invention is filled with a first case 110 in which a substrate and a negative electrode 111 are filled, and an anode 121 is filled therein, and air is injected. A cation exchange membrane provided between the second case 120 and the first case 110 and the second case 120 to move hydrogen ions generated in the first case 110 to the second case 120 . 130 and a circuit 140 through which electrons move from the cathode 111 to the anode 121 . The substrate may be any one of livestock manure, earthworm feces, and wastewater from a wastewater treatment plant, but is not limited thereto.

상기 제1케이스(110)는 상기 기질과 음극(111) 외에 상기 기질을 분해하여 전자와 수소이온을 생성하는 혐기성 박테리아를 더 포함하는데, 상기 혐기성 박테리아가 생성한 전자는 상기 음극(111)에서 상기 서킷(140)을 통해 상기 제2케이스(120)의 양극(121)으로 이동하여 전류를 생성하고, 상기 수소이온은 상기 양이온교환막(130)을 통해 제2케이스(120)로 이동하여 상기 제2케이스(120)에 주입되어 있는 공기와 결합하여 물을 생성한다.The first case 110 further includes anaerobic bacteria that decompose the substrate to generate electrons and hydrogen ions in addition to the substrate and the negative electrode 111 , and the electrons generated by the anaerobic bacteria are transferred to the negative electrode 111 . The electric current is generated by moving to the anode 121 of the second case 120 through the circuit 140 , and the hydrogen ions move to the second case 120 through the cation exchange membrane 130 and move to the second case 120 . Combined with the air injected into the case 120 to generate water.

본 발명에 따른 미생물 연료전지(100)의 음극(111)과 양극(121)은 철수세미 또는 graphite felt 중 어느 하나로 구성될 수 있는데, 상기 음극(111)과 양극(121) 모두 graphite felt 로 구성하고 기질로 축산 폐수를 사용할 경우 0.654V의 전압을 생산한다. 또한 아울러, 상기 음극(111)과 양극(121) 모두 철수세미로 구성하고 기질로 하수를 사용할 경우에는 0.415V의 전압을 생산한다. 또한 아울러, 상기 음극(111)은 graphite felt, 상기 양극(121)은 철수세미로 구성하고 기질로 축산 폐수 액비를 사용할 경우 0.405V의 전압을 생산한다. 또한 아울러, 상기 음극(111)은 graphite felt, 상기 양극(121)은 철수세미로 구성하고 기질로 지렁이 분변액을 사용할 경우 0.498V의 전압을 생산한다.The negative electrode 111 and the positive electrode 121 of the microbial fuel cell 100 according to the present invention may be made of any one of iron wool or graphite felt, and both the negative electrode 111 and the positive electrode 121 are made of graphite felt, When livestock wastewater is used as a substrate, a voltage of 0.654V is produced. In addition, when both the negative electrode 111 and the positive electrode 121 are made of iron wool and sewage is used as a substrate, a voltage of 0.415V is produced. In addition, when the negative electrode 111 is made of graphite felt, the positive electrode 121 is made of iron wool, and a livestock wastewater liquid fertilizer is used as a substrate, a voltage of 0.405V is produced. In addition, when the negative electrode 111 is made of graphite felt, the positive electrode 121 is made of iron wool, and earthworm feces are used as a substrate, a voltage of 0.498V is produced.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 미생물 연료전지(100)는 상기 음극(111)과 양극(121)을 구성하는 종류와 기질의 종류에 따라 전압의 생산량이 달라질 수 있으나, 제1케이스(110)에 기질과 제2케이스(120)에 공기를 지속적으로 주입할 경우 지속적으로 전류와 물을 생성할 수 있어, 종래의 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.As described above, in the microbial fuel cell 100 according to the present invention, the amount of voltage output may vary depending on the type and the type of substrate constituting the negative electrode 111 and the positive electrode 121, but the first case 110 In the case of continuously injecting air into the substrate and the second case 120, current and water can be continuously generated, thereby solving the conventional problems.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예(들)를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시 예(들)의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment(s) shown in the drawings, this is only exemplary, and various modifications may be made therefrom by those skilled in the art, and the above-described embodiment ( It will be understood that all or part of ) may be selectively combined and configured. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

100 : 미생물 연료전지
110 : 제1케이스
111 : 음극
120 : 제2케이스
121 : 양극
130 : 양이온교환막
140 : 서킷100: microbial fuel cell
110: first case
111: cathode
120: second case
121: positive electrode
130: cation exchange membrane
140: circuit

Claims (4)

내부에 기질과 음극(111)이 채워지는 제1케이스(110);
내부에 양극(121)이 채워지며 공기가 주입되어 있는 제2케이스(120);
상기 제1케이스(110)와 제2케이스(120) 사이에 구비되어 상기 제1케이스(110)에서 생성되는 수소이온을 제2케이스(120)로 이동시키는 양이온교환막(130); 및
상기 음극(111)에서 상기 양극(121)으로 전자가 이동하는 서킷(140);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
a first case 110 in which the substrate and the negative electrode 111 are filled therein;
a second case 120 in which the anode 121 is filled and air is injected;
a cation exchange membrane 130 provided between the first case 110 and the second case 120 to move hydrogen ions generated in the first case 110 to the second case 120 ; and
a circuit 140 through which electrons move from the cathode 111 to the anode 121;
Microbial fuel cell comprising a.
 제1항에 있어서,
상기 음극(111)과 양극(121)은,
철수세미 또는 graphite felt 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
According to claim 1,
The cathode 111 and the anode 121 are
Microbial fuel cell, characterized in that any one of iron wool or graphite felt.
 제1항에 있어서,
상기 제1케이스(110)는,
기질을 분해하여 전자와 수소이온을 생성하는 혐기성 박테리아를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
According to claim 1,
The first case 110,
Microbial fuel cell, characterized in that it further comprises anaerobic bacteria that decompose the substrate to generate electrons and hydrogen ions.
 제1항에 있어서,
상기 제2케이스(120)는,
주입된 공기와 상기 제1케이스(110)로부터 생성되어 이동된 전자와 수소이온이 결합되어 물을 생성하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지. According to claim 1,
The second case 120,
Microbial fuel cell, characterized in that the injected air and the electrons and hydrogen ions generated and moved from the first case 110 are combined to generate water.
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