WO2014178499A1 - Microbial fuel cell and method for manufacture thereof - Google Patents

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WO2014178499A1
WO2014178499A1 PCT/KR2013/009921 KR2013009921W WO2014178499A1 WO 2014178499 A1 WO2014178499 A1 WO 2014178499A1 KR 2013009921 W KR2013009921 W KR 2013009921W WO 2014178499 A1 WO2014178499 A1 WO 2014178499A1
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reduction
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fuel cell
microbial fuel
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박재형
이승기
정성환
배성재
송영석
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단국대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention provides a microbial fuel cell with maximized power by having a multilayer electrode chamber.
  • Each of the first and second reduction electrode portions is in close contact with an outer surface of the first membrane member and an outer surface of the second membrane member of the anode electrode portion.
  • a microbial fuel cell of a multilayer chamber concept using a simple process is provided to maximize the power of a microbial fuel cell.
  • This multi-layered structure reduces the complexity of process and assembly during lamination by patterning the PEM film itself as a chamber, and easily adjusts the distance between the cathode and the anode by the patterned height to reduce the voltage drop due to resistance loss. It can be minimized.
  • the present invention is capable of mass production of a microbial fuel cell using a semiconductor process.
  • the structure of the microbial fuel cell may be applied to a configuration in which a plurality of anode and cathode electrodes are alternately arranged.
  • grooves for the reduction chamber space 211 are formed in the glass substrate 20 as shown in FIG. 10.
  • the glass substrate 20 may use a 4 inch wafer made of borosilicate glass.
  • An etching mask layer 41 is formed on the surface of the glass substrate 20.
  • the etching mask layer 41 may be formed by, for example, forming amorphous silicon on the surface of the glass substrate 20 using a low pressure chemical vapor deposition method, and then, using a photo / etch process, a portion of a portion where a groove is to be formed. Remove amorphous silicon.
  • 21 (a) to 21 (f) are photographs showing the surface measurement results for each portion (see FIG. 21 (a)) transferred from the nickel mold.
  • (b) is (a) 1
  • (c) is (a) 2
  • (d) is (a) 3
  • (e) is (a) 4
  • (f) is (a) 5
  • (g) correspond to 6 of (a)
  • (h) correspond to 7 of (a), respectively.

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Abstract

Provided is a multi-layered microbial fuel cell and a method for the manufacture thereof. The microbial fuel cell comprises: an anode part having an anode chamber space and an anode disposed within the anode chamber space; and one or more cathode parts each having a cathode chamber space capable of ion exchanging with the anode chamber space, and a cathode disposed within the cathode chamber space, wherein the anode part comprises a first membrane member which is ion permeable and has a groove for providing the anode chamber space, and wherein the anode part further comprises a second membrane member which forms the anode part with the first membrane member.

Description

미생물 연료전지 및 그 제조 방법Microbial fuel cell and manufacturing method thereof
본 발명은 미생물 연료전지 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중 챔버를 가지는 미생물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to the field of microbial fuel cells, and more particularly, to a microbial fuel cell having a multi-chamber and a method of manufacturing the same.
일반적인 미생물 연료전지는 환원전극챔버, 산화전극챔버 및 두 챔버 사이에 배치되는 이온 교환막(proton exchange membrane, PEM)으로 구성된다. 이러한 기본적인 미생물 연료전지의 설계에서 단일 전지의 전력 효율과 관련하여 고려해야 할 점은 이온 교환막의 이온 전달 계수, 전극의 넓이, 촉매 물질의 종류, 매개체(mediator)의 효율 등이 있다.A general microbial fuel cell is composed of a cathode chamber, an anode chamber and an ion exchange membrane (PEM) disposed between two chambers. In designing such a basic microbial fuel cell, considerations related to power efficiency of a single cell include ion transfer coefficients of ion exchange membranes, electrode widths, types of catalyst materials, and mediator efficiency.
도 1은 종래의 미생물 연료전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a conventional microbial fuel cell.
상술한 바와 같이 기존의 일반적인 미생물 연료전지의 경우, 도 1에서와 같이, 이온교환막(1)을 사이에 두고 양측에 산화전극부(2)와 환원전극부(3)가 배치된다. 산화전극부(2)에는 산화챔버가 환원전극부(3)에는 환원챔버가 구비된다. 이들 챔버에는 세포와 버퍼액을 포함하는 반응액이 수용되며, 각 챔버 내부에는 반응액과 접하도록 산화전극(4)과 환원전극(5)이 배치된다.As described above, in the conventional general microbial fuel cell, as illustrated in FIG. 1, the anode electrode part 2 and the cathode electrode part 3 are disposed on both sides with an ion exchange membrane 1 interposed therebetween. An oxidation chamber is provided in the anode portion 2 and a reduction chamber is provided in the reduction electrode portion 3. In these chambers, a reaction solution containing cells and a buffer solution is accommodated, and an oxidation electrode 4 and a reduction electrode 5 are disposed in each chamber so as to contact the reaction solution.
위와 같은 미생물 연료전지의 구조는 기본 구조에 해당하기 때문에, 전체 전력을 높이기 위해서 개선된 구조가 필요하다. 이를 위해 다양한 시도가 이루어지고 있지만, 그들은 구조, 공정 및 조립과정이 복잡하다는 문제점이 있었다.Since the structure of the microbial fuel cell as described above corresponds to the basic structure, an improved structure is needed to increase the overall power. Various attempts have been made to this end, but they have a problem in that the structure, process and assembly process are complicated.
또한 연료전지의 구조에서 전력에 영향을 미치는 요인은 전력 생산 회로 내에서의 전압의 강하로 인한 손실이다. 이 손실은 크게 활성도 손실(activation losses), 저항 손실(ohmic losses), 물질 전달 손실(mass transfer losses)로 나눌 수 있다. 이 중 저항 손실은 전체 손실 중 가장 영향이 크며 전극 사이의 거리의 조절, 저항이 낮은 물질의 사용, 용액의 전도성 증가 등으로 그 크기를 최소화 할 수 있다. 구조적인 면에서 손실을 최소화하기 위해서는 각 전극 사이의 거리를 조절하여 전력을 극대화하는 것이 필요한데 기존의 미생물 연료전지의 경우 이온 교환막(PEM) 사이에 기둥 역할을 하는 층을 삽입하여 전극 사이의 거리를 조절한다.In addition, a factor influencing power in the structure of a fuel cell is a loss due to a voltage drop in a power generation circuit. This loss can be broadly divided into activation losses, ohmic losses, and mass transfer losses. Among them, the resistance loss is the most influential among the total losses, and its size can be minimized by controlling the distance between electrodes, using a material with low resistance, and increasing the conductivity of the solution. In order to minimize the loss in structure, it is necessary to maximize the power by adjusting the distance between the electrodes. In the case of the conventional microbial fuel cell, the distance between the electrodes is inserted by inserting a layer acting as a pillar between the ion exchange membranes (PEM). Adjust
본 발명은 다중층 전극챔버를 구비함으로써 전력이 극대화된 미생물 연료전지를 제공한다.The present invention provides a microbial fuel cell with maximized power by having a multilayer electrode chamber.
본 발명은 제조 공정이 복잡하지 않은 다중층 전극챔버를 가지는 미생물 연료전지를 제공한다.The present invention provides a microbial fuel cell having a multilayer electrode chamber in which the manufacturing process is not complicated.
본 발명은 환원전극과 산화전극 간 거리의 조절이 용이하여 저항 손실에 의한 전압 강하가 최소화된 미생물 연료전지를 제공한다.The present invention provides a microbial fuel cell in which the voltage drop due to the resistance loss is minimized by easily controlling the distance between the cathode and the anode.
본 발명은 대량 생산 공정을 통해 제조될 수 있는 미생물 연료전지를 제공한다.The present invention provides a microbial fuel cell that can be manufactured through a mass production process.
본 발명은 상술한 개선된 미생물 연료전지를 제조하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method of manufacturing the improved microbial fuel cell described above.
본 발명은 미생물 연료전지를 제공하며, 이는: 산화챔버 공간과 상기 산화챔버 공간 내부에 배치되는 산화전극을 구비하는 산화전극부; 및 상기 산화챔버 공간과 이온교환이 가능한 환원챔버 공간과 상기 환원챔버 공간 내부에 배치되는 환원전극을 구비하는 하나 이상의 환원전극부;를 포함하고, 상기 산화전극부는 이온투과가 가능하고 상기 산화챔버 공간을 제공하기 위한 홈이 형성된 제1막부재를 포함한다.The present invention provides a microbial fuel cell, comprising: an anode electrode having an oxidation chamber space and an anode disposed inside the oxidation chamber space; And at least one reducing electrode part having a reducing chamber space capable of ion exchange with the oxidation chamber space, and a reducing electrode disposed inside the reducing chamber space, wherein the anode part is capable of ion permeation and the oxidation chamber space. It includes a first membrane member is formed with a groove for providing.
상기 하나 이상의 환원전극부는 제1환원전극부와 제2환원전극부를 포함하고, 상기 산화전극부는 상기 제1 및 제2환원전극부 사이에 개재된다.The one or more reduction electrode portions include a first reduction electrode portion and a second reduction electrode portion, and the anode portion is interposed between the first and second reduction electrode portions.
상기 산화전극부는 상기 제1막부재에 형성된 상기 산화챔버 공간을 위한 홈의 개구부위를 덮도록 배치되는 제2막부재를 더 포함하고, 상기 제2막부재는 이온투과가 가능하다.The anode portion further includes a second membrane member disposed to cover the opening of the groove for the oxidation chamber space formed in the first membrane member, wherein the second membrane member is ion permeable.
상기 제1 및 제2환원전극부 각각은 상기 산화전극부의 상기 제1막부재의 외면과 상기 제2막부재의 외면에 밀착된다.Each of the first and second reduction electrode portions is in close contact with an outer surface of the first membrane member and an outer surface of the second membrane member of the anode electrode portion.
상기 제1 및 제2환원전극부 각각은 상기 환원챔버 공간을 제공하기 위한 홈을 가지는 환원챔버몸체를 포함하며, 각각의 환원챔버 공간의 홈의 개구부위가 밀폐되도록 상기 산화전극부의 상기 제1막부재의 외면과 상기 제2막부재의 외면에 각각 밀착된다.Each of the first and second reduction electrode portions includes a reduction chamber body having a groove for providing the reduction chamber space, and the first film of the anode portion to seal the opening of the groove of each reduction chamber space. It is in close contact with the outer surface of the member and the outer surface of the second membrane member, respectively.
상기 제1 및 제2환원전극부는 광투과성 재질이다.The first and second reduction electrode portions are light transmissive materials.
상기 산화전극부는 상기 제1막부재 또는 상기 제2막부재에 형성되어 상기 산화챔버 공간 내에 배치되는 다수개의 제1기둥을 포함한다.The anode portion includes a plurality of first pillars formed in the first membrane member or the second membrane member and disposed in the oxidation chamber space.
상기 제1 및 제2환원전극부 각각은 상기 챔버몸체에 형성되고 상기 환원챔버 공간 내에 배치되는 다수개의 제2기둥을 포함한다.Each of the first and second reduction electrode portions includes a plurality of second pillars formed in the chamber body and disposed in the reduction chamber space.
상기 제1기둥과 상기 제2기둥은 상기 산화전극부와 상기 제1 및 제2환원전극부가 이온교환이 가능하도록 배치될 때 대응하는 위치에 있는 것끼리 중첩된다.The first pillar and the second pillar overlap with each other at a corresponding position when the anode portion and the first and second reduction electrode portions are arranged to allow ion exchange.
상기 산화전극부는 상기 제1막부재 또는 상기 제2막부재에 형성된 상기 산화챔버 공간과 연결되는 유입/유출구와 상기 산화전극의 외부 노출을 위한 배선노출홀을 더 포함한다.The anode portion further includes an inlet / outlet opening connected to the oxidation chamber space formed in the first membrane member or the second membrane member and a wiring exposure hole for external exposure of the anode.
상기 제1 및 제2 환원전극부는 상기 챔버몸체에 형성된 상기 환원챔버 공간과 연결되는 유입/유출구와 상기 환원전극의 외부 노출을 위한 배선노출홀을 더 포함한다.The first and second reduction electrode parts may further include an inlet / outlet port connected to the reduction chamber space formed in the chamber body and a wiring exposure hole for external exposure of the reduction electrode.
상기 산화전극부와 상기 제1 및 제2환원전극부는 조립지그의 제1플레이트와 제2플레이트 사이에서 압착 결합된다.The anode electrode portion and the first and second reduction electrode portions are press-bonded between the first plate and the second plate of the assembly jig.
본 발명은 또한 미생물 연료전지를 제공하며, 산화챔버 공간과 상기 산화챔버 공간 내부에 배치되는 산화전극을 구비하는 다수개의 산화전극부; 및 상기 산화챔버 공간과 이온교환이 가능한 환원챔버 공간과 상기 환원챔버 공간 내부에 배치되는 환원전극을 구비하는 다수개의 환원전극부;를 포함하고, 상기 다수개의 산화전극부와 상기 다수개의 환원전극부는 교번적으로 밀착 배치되며, 상기 다수개의 산화전극부의 적어도 일부와 상기 다수개의 환원전극부의 적어도 일부는 이온교환이 가능한 막부재로 상기 산화챔버 공간과 상기 환원챔버 공간을 형성한다.The present invention also provides a microbial fuel cell, comprising: a plurality of anode portions having an oxidation chamber space and an anode disposed inside the oxidation chamber space; And a plurality of reduction electrode parts including a reduction chamber space capable of ion exchange with the oxidation chamber space, and a reduction electrode disposed in the reduction chamber space. The plurality of oxidation electrode parts and the plurality of reduction electrode parts include: Alternately and closely arranged, at least a portion of the plurality of anode portions and at least a portion of the plurality of cathode portions are membrane members capable of ion exchange to form the oxidation chamber space and the reduction chamber space.
상기 이온교환이 가능한 막부재 각각은 상기 산화챔버 공간 또는 상기 환원챔버 공간을 제공하기 위한 홈을 구비하고, 상기 산화전극부와 상기 환원전극부는 인접한 다른 전극부에 의해 상기 홈이 밀폐된다.Each of the membrane members capable of ion exchange has a groove for providing the oxidation chamber space or the reduction chamber space, and the groove is closed by another electrode portion adjacent to the anode portion and the reduction electrode portion.
본 발명은 또한 미생물 연료전지의 제조방법을 제공하며, 이 방법은: 산화전극부를 위한 부재와 제1 및 제2환원전극부를 각각 형성하는 단계; 및 상기 산화전극부를 위한 부재를 상기 제1환원전극와 상기 제2환원전극부 사이에 개배한 후 결합하는 단계;를 포함하고, 상기 산화전극부를 위한 부재는, 산화챔버 공간을 위한 홈을 가지는 제1막부재와, 상기 제1막부재의 홈의 개구부위를 밀폐하고 산화전극이 형성된 제2막부재를 포함하며, 상기 제1막부재와 상기 제2막부재는 이온교환이 가능한 막이다.The present invention also provides a method of manufacturing a microbial fuel cell, the method comprising: forming a member for an anode portion and a first and second reduction electrode portion, respectively; And coupling a member for the anode portion between the first reduction electrode and the second reduction electrode portion, and then coupling the member, wherein the member for the anode portion includes a first groove having a groove for an oxidation chamber space. And a membrane member and a second membrane member sealing the opening of the groove of the first membrane member and having an anode formed thereon, wherein the first membrane member and the second membrane member are membranes capable of ion exchange.
상기 산화전극부의 상기 제1막부재의 형성은: 몰드를 이용한 핫프레싱으로 상기 산화챔버 공간을 위한 홈을 형성하는 것이다.The first film member of the anode portion is formed by: forming a groove for the oxide chamber space by hot pressing using a mold.
상기 산화챔버 공간을 위한 홈을 형성할 때 바닥면에는 상기 몰드에 의해 전사되는 다수개의 제1기둥이 함께 형성된다.When forming a groove for the oxidation chamber space, a plurality of first pillars to be transferred by the mold is formed on the bottom surface.
상기 환원전극의 형성은, 식각을 통해 유리기판에 환원챔버 공간을 위한 홈을 형성하는 단계; 상기 환원챔버 공간을 위한 홈의 반대면에 마스크를 배치한 후 샌드블라스팅으로 유입/유출구 및 배선노출을 위한 구멍을 형성하는 단계; 및 상기 환원챔버 공간을 위한 홈 내부에 환원전극을 증착 형성하는 단계;를 포함한다.The formation of the reduction electrode may include forming a groove for the reduction chamber space in the glass substrate through etching; Arranging a mask on an opposite surface of the groove for the reduction chamber space and forming a hole for inlet / outlet and wiring exposure by sandblasting; And depositing and forming a cathode in the groove for the reduction chamber space.
상기 환원챔버 공간을 위한 홈을 형성하는 식각에서 바닥면에 배치되는 다수개의 제2기둥이 같이 형성된다.A plurality of second pillars disposed on the bottom surface are formed together in the etching forming the groove for the reduction chamber space.
상기 결합 단계는 조립지그의 제1플레이트와 제2플레이트를 상하에 배치하여 결합한다.In the coupling step, the first plate and the second plate of the assembly jig are arranged up and down to combine.
본 발명에 따르면 미생물 연료전지의 전력을 극대화시키기 위해 간단한 방식의 공정을 사용한 다층 챔버 개념의 미생물 연료전기가 제공된다. 이러한 다층 구조는 PEM 막 자체를 패터닝하여 챔버로 사용함으로써 적층 시 공정 및 조립의 복잡도를 줄일 수 있고, 환원전극과 산화전극 사이의 거리를 패터닝된 높이에 의해 쉽게 조절하여 저항 손실에 의한 전압 강하를 최소화할 수 있다. 특히, 본 발명은 미생물 연료전지는 반도체 공정을 이용하여 대량 생산이 가능하다. 또한 본 발명은 미생물 연료전지의 구조는 다수개의 산화전극부와 환원전극부를 교번적으로 배치하는 구성에도 적용될 수 있다.According to the present invention, a microbial fuel cell of a multilayer chamber concept using a simple process is provided to maximize the power of a microbial fuel cell. This multi-layered structure reduces the complexity of process and assembly during lamination by patterning the PEM film itself as a chamber, and easily adjusts the distance between the cathode and the anode by the patterned height to reduce the voltage drop due to resistance loss. It can be minimized. In particular, the present invention is capable of mass production of a microbial fuel cell using a semiconductor process. In addition, the structure of the microbial fuel cell may be applied to a configuration in which a plurality of anode and cathode electrodes are alternately arranged.
도 1은 종래의 미생물 연료전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a conventional microbial fuel cell.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view schematically showing a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지의 분해사시도이다.3 is an exploded perspective view of a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지를 제조하는데 이용된 마스크 레이아웃이다.4 is a mask layout used to manufacture a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지에 대한 개략적인 단면도이다.5 is a schematic cross-sectional view of a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지를 제조하는데 이용된 레이아웃이다.6 is a layout used to manufacture a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지의 일부분과 조립품을 보여주는 사진으로서, 좌측은 환원전극부의 챔버를 나타내고, 우측은 연료전지 조립품을 나타낸다.Figure 7 is a photograph showing a part and an assembly of a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention, the left side shows the chamber of the cathode portion, the right side shows the fuel cell assembly.
도 8은 본 발명의 다른 예에 따른 미생물 연료전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.8 is a cross-sectional view schematically showing a microbial fuel cell according to another example of the present invention.
도 9는 본 발명의 미생물 연료전지의 제조과정을 나타낸 블록도이다.9 is a block diagram showing a manufacturing process of the microbial fuel cell of the present invention.
도 10은 본 발명의 미생물 연료전지에 채용되는 환원전극부를 제조하는 과정을 나타낸 단면도이다.10 is a cross-sectional view showing a process of manufacturing a reduction electrode unit employed in the microbial fuel cell of the present invention.
도 11은 본 발명의 미생물 연료전지에 채용되는 환원전극부를 제조하는 과정에서 유리기판의 불산 식각 후 얻은 SEM 사진이다.FIG. 11 is an SEM photograph obtained after hydrofluoric acid etching of a glass substrate in a process of manufacturing a cathode electrode used in a microbial fuel cell of the present invention.
도 12는 본 발명의 미생물 연료전지에 채용되는 환원전극부를 제조하는 과정에서 유리기판의 추가 식각 후 얻은 SEM 사진이다.12 is a SEM photograph obtained after the additional etching of the glass substrate in the process of manufacturing the cathode electrode employed in the microbial fuel cell of the present invention.
도 13은 본 발명의 미생물 연료전지에 채용되는 환원전극부를 제조하는 과정에서 유리기판의 추가 식각 시간에 따른 유리 기둥의 형상 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 13 is a graph showing a shape change of a glass column according to an additional etching time of a glass substrate in the process of manufacturing the cathode electrode employed in the microbial fuel cell of the present invention.
도 14는 본 발명의 미생물 연료전지에 채용되는 환원전극부에서 환원전극을 패터닝한 후 얻는 사진 및 레이아웃이다.14 is a photograph and a layout obtained after patterning a reduction electrode in a reduction electrode unit employed in a microbial fuel cell of the present invention.
도 15는 본 발명의 미생물 연료전지에 채용되는 환원전극부의 환원전극부를 패터닝한 후의 사진이다.15 is a photograph after patterning the reduction electrode portion of the reduction electrode portion employed in the microbial fuel cell of the present invention.
도 16은 본 발명의 미생물 연료전지의 제조방법에 채용되는 섀도우마스크를 제조하는 과정을 보여주는 단면도이다.16 is a cross-sectional view showing a process of manufacturing a shadow mask employed in the method for manufacturing a microbial fuel cell of the present invention.
도 17은 본 발명의 미생물 연료전지의 제조방법에 채용되는 니켈 몰드를 제조하는 과정을 보여주는 단면도이다.17 is a cross-sectional view showing a process of manufacturing a nickel mold employed in the method for manufacturing a microbial fuel cell of the present invention.
도 18은 본 발명의 제조방법에 채용된 니켈 몰드의 제조에서 노광 시간에 따른 감광막의 사진 공정 후의 SEM 사진이다.18 is an SEM photograph after a photographic process of a photosensitive film with exposure time in the production of a nickel mold employed in the production method of the present invention.
도 19는 본 발명의 제조방법에 채용된 니켈 몰드의 SEM 사진이다.19 is a SEM photograph of the nickel mold employed in the production method of the present invention.
도 20은 본 발명의 제조방법에 채용된 니켈 몰드의 두께를 보여주는 SEM 사진이다.20 is a SEM photograph showing the thickness of the nickel mold employed in the manufacturing method of the present invention.
도 21는 니켈 몰드로부터 전사된 산화전극부의 각 부위에 대한 표면측정 결과를 보여주는 사진이다.21 is a photograph showing the surface measurement results for each part of the anode portion transferred from the nickel mold.
도 22는 본 발명의 미생물 연료전지의 산화전극부 제조에서 패턴이 전사된 나피온막을 건조시킨 후 표면 프로파일을 측정한 결과를 보여주는 도면이다.FIG. 22 is a view showing a result of measuring a surface profile after drying a pattern-transferred Nafion membrane in the manufacture of an anode of a microbial fuel cell of the present invention.
도 23은 본 발명의 미생물 연료전지의 산화전극부의 산화전극 제조와 비교를 하기 위해 도시한 사진이다.FIG. 23 is a photograph for comparison with the manufacture of the anode of the anode portion of the microbial fuel cell of the present invention.
도 24는 본 발명의 미생물 연료전지의 산화전극부의 산화전극 제조 과정을 보여주는 도면이다.24 is a view illustrating a process of manufacturing an anode of an anode portion of a microbial fuel cell of the present invention.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 참고적으로 이해의 편의를 위해 도면에서 산화전극은 어노드(anode), 환원전극은 캐소드(cathode)로 표시되기도 하였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the preferred embodiment of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. For reference, for convenience of understanding, the anode is represented as an anode and the cathode is represented as a cathode.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지 대한 개략적인 단면도를 나타낸다.Figure 2 shows a schematic cross-sectional view of a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지는 산화전극부(11)와, 산화전극부(11)의 상하면에 배치되는 제1환원전극부(21)와 제2환원전극부(22)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the microbial fuel cell according to the preferred embodiment of the present invention includes an anode electrode 11 and a first reduction electrode 21 and a second reduction electrode disposed on upper and lower surfaces of the anode electrode 11. And a portion 22.
산화전극부(11)는 산화챔버 공간(111)과 산화챔버 공간(111) 내부에 배치되는 산화전극(112)을 구비한다. 이러한 산화전극부(11)는 바람직하게는 나피온과 같은 이온교환막인 제1막부재(113)와 제2막부재(114)로 이루어진다.The anode electrode 11 includes an oxide chamber space 111 and an anode 112 disposed inside the oxide chamber space 111. The anode portion 11 preferably includes a first membrane member 113 and a second membrane member 114 which are ion exchange membranes such as Nafion.
따라서 본 발명의 산화전극부(11)를 형성하는 제1막부재(113)와 제2막부재(114)가 제1 및 제2환원전극부(21, 22)와의 분리막 역할을 하게 된다.Therefore, the first membrane member 113 and the second membrane member 114 forming the anode portion 11 of the present invention serve as a separator between the first and second reduction electrode portions 21 and 22.
제1 및 제2환원전극부(21, 22)는 산화챔버 공간(111)과 이온교환이 가능한 환원챔버 공간(211)을 가진다. 환원챔버 공간(211) 내부에는 환원전극(212)이 배치된다. 제1 및 제2환원전극부(21, 22)는 유리와 같은 광투광성 재질로 챔버몸체(210)가 형성된다.The first and second reduction electrode portions 21 and 22 have a reduction chamber space 211 capable of ion exchange with the oxidation chamber space 111. The reduction electrode 212 is disposed in the reduction chamber space 211. The first and second reduction electrode parts 21 and 22 are formed of a chamber body 210 made of a light transmissive material such as glass.
이상과 같이 본 발명의 미생물 연료전지는 다중층으로 이루어진 구조이며, 산화챔버 공간(111)과 환원챔버 공간(211)은 부재들이 결합될 때 실질적으로 완성된다. 다시 말해서, 산화챔버 공간(111)은 제1막부재(113)와 제2막부재(114)가 결합되어 형성된다. 제1환원전극부(21)와 제2환원전극부(22)의 환원챔버 공간(211)은 그들이 제1막부재(113)의 외면과 제2막부재의 외면에 각각 결합되면서 형성된다.As described above, the microbial fuel cell of the present invention has a multilayer structure, and the oxidation chamber space 111 and the reduction chamber space 211 are substantially completed when the members are combined. In other words, the oxidation chamber space 111 is formed by combining the first film member 113 and the second film member 114. The reduction chamber space 211 of the first reduction electrode portion 21 and the second reduction electrode portion 22 is formed while being coupled to the outer surface of the first membrane member 113 and the outer surface of the second membrane member, respectively.
따라서, 결합되어 각 챔버 공간(111, 211)을 형성하기 전에 산환전극부의 제1막부재(113)와 제1 및 제2환원전극부(21, 22)의 챔버몸체(210)에 형성되는 홈은 각각 산화챔버 공간을 위한 홈과 환원챔버 공간을 위한 홈이라고 부를 수 있다.Therefore, the first membrane member 113 and the chamber body 210 of the first and second reduction electrode portions 21 and 22 of the acid exchange electrode portion are formed before being combined to form the respective chamber spaces 111 and 211. The grooves may be referred to as grooves for the oxidation chamber space and grooves for the reduction chamber space, respectively.
즉, 산화챔버 공간(111)은 제1막부재(113)에 형성된 산화챔버 공간을 위한 홈의 개구부위를 덮도록 배치되는 제2막부재(114)가 결합될 때 완성된다.That is, the oxidation chamber space 111 is completed when the second film member 114 is disposed to cover the opening of the groove for the oxidation chamber space formed in the first film member 113.
산화전극부(11)는 제1막부재(113) 또는 제2막부재(114)에 형성되어 산화챔버 공간(111) 내에 배치되는 다수개의 제1기둥(115)을 포함한다.The anode electrode 11 includes a plurality of first pillars 115 formed in the first film member 113 or the second film member 114 and disposed in the oxidation chamber space 111.
제1 및 제2환원전극부(22) 각각은 챔버몸체(210)에 형성되고 환원챔버 공간(211) 내에 배치되는 다수개의 제2기둥(215)을 포함한다.Each of the first and second reduction electrode portions 22 includes a plurality of second pillars 215 formed in the chamber body 210 and disposed in the reduction chamber space 211.
도 5 및 도 6에서 알 수 있는 바와 같이 제1기둥(115)과 제2기둥(215)은 산화전극부(11)와 제1 및 제2환원전극부(22)가 이온교환이 가능하도록 배치될 때, 즉 결합될 때 대응하는 위치에 있는 것끼리 중첩된다. 도 5에서는 기둥(115, 215)들이 정확한 위치에 도시되지 않았지만 이해의 편의를 위해서 도시되었다. 실제의 기둥(115, 215)들은 도 6의 레이아웃과 같이 분포될 수 있다.As can be seen in FIGS. 5 and 6, the first pillar 115 and the second pillar 215 are disposed such that the anode portion 11 and the first and second reduction electrode portions 22 are capable of ion exchange. When they are combined, that is, when they are combined, they overlap each other. In FIG. 5, the pillars 115 and 215 are not shown in the correct position, but are shown for convenience of understanding. The actual pillars 115 and 215 may be distributed as shown in the layout of FIG. 6.
산화전극부(11)는 도 4에서 알 수 있는 바와 같이 제1막부재(113) 또는 제2막부재(114)에 형성되어 산화챔버 공간(111)과 연결되는 유입/유출구(116)와, 산화전극(112)의 외부 노출을 위한 배선(117)이 노출되는 배선노출홀(118)을 더 포함한다.As shown in FIG. 4, the anode portion 11 is formed in the first membrane member 113 or the second membrane member 114 and is connected to the oxidation chamber space 111 and the inlet / outlet 116. The wiring exposure hole 118 further exposes the wiring 117 for external exposure of the anode 112.
마찬가지로, 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 및 제2 환원전극부(21, 22)는 챔버몸체(210)에 형성되어 환원챔버 공간(211)과 연결되는 유입/유출구(216)와 환원전극(212)의 외부 노출을 위한 배선(217)이 노출되는 배선노출홀(218)을 더 포함한다.Similarly, as can be seen in FIG. 4, the first and second reduction electrode parts 21 and 22 are formed in the chamber body 210 to reduce the inflow / outlet 216 connected to the reduction chamber space 211. The wire exposing hole 218 is further exposed to expose the wire 217 for external exposure of the electrode 212.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이 산화전극부(11)와 제1 및 제2환원전극부(21, 22)는 조립지그(30)의 제1플레이트(31)와 제2플레이트(32) 사이에서 압착 결합된다. 결합을 위해 커넥터와 같은 결합구가 이용될 수 있다.As can be seen in FIG. 3, the anode portion 11 and the first and second reduction electrode portions 21 and 22 are disposed between the first plate 31 and the second plate 32 of the assembly jig 30. It is crimped together. A fastener such as a connector can be used for the fastening.
도 7은 조립이 완성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지를 보여주는 사진이다.Figure 7 is a picture showing a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention the assembly is completed.
도 8은 본 발명의 미생물 연료전지의 다른 예를 도시한 도면이다. 본 발명의 다른 예는 상술한 바람직한 실시예에서 설명한 산화전극부(11)의 부재로 이용되는 제1막부재(113)와 유사한 형태를 가지는 이온교환막을 중간부에 복수층으로 적층하여 산화전극부와 환원전극부를 교번적으로 적층한 구조이다. 이 경우에는 산화전극부와 환원전극부가 교변적으로 적층되는 방식으로 형성된다. 그 외 나머지 부재 및 요소들은 위의 바람직한 실시예에서 설명한 대응 요소들과 동일하거나 유사할 수 있다. 이러한 교번적인 다층 구조에서도 바람직하게는 최상 및 최하층에는 유리와 같은 상대적으로 견고한 재질로 형성될 수 있다.8 is a view showing another example of a microbial fuel cell of the present invention. Another example of the present invention is to laminate an ion exchange membrane having a form similar to that of the first membrane member 113 used as the member of the anode portion 11 described in the above-described preferred embodiment in multiple layers in the middle of the anode portion. And a structure in which alternating electrode portions are alternately stacked. In this case, the anode and the cathode are formed in such a manner that they are stacked alternately. The remaining members and elements may be the same as or similar to the corresponding elements described in the preferred embodiment above. Even in such alternating multilayer structures, the uppermost and lowermost layers may preferably be formed of a relatively rigid material such as glass.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 미생물 연료전지의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a microbial fuel cell of the present invention will be described with reference to the drawings.
제조 실시예Manufacturing Example
바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지를 아래와 같이 제작하였다.A microbial fuel cell according to a preferred embodiment was produced as follows.
도 9에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 미생물 연료전지의 제조과정은 크게 유리 챔버 제작, 섀도 마스크 제작, 니켈 몰드 제작, 나피온 패터닝의 네 가지로 나누어진다. 유리 기판, 섀도 마스크, 니켈 몰드는 각각 별도로 제작되며 산화전극부(11)의 제1막부재(113)로서 나피온막이 미리 제작된 니켈 몰드를 이용해 열 압착(hot pressing) 방식으로 패터닝된다. 산화전극(112)과 환원전극(212)은 제2막부재(114)와 환원전극부의 챔버몸체(210)에 실리콘을 섀도마스크로 이용하여 각각 증착된다. 그 후 제작된 산화전극부(11)와 제1 및 제2환원전극부(21, 22)는 조립지그(30)를 이용해 조립되어 다층 구조의 연료전지가 완성된다. 환원전극부(21, 22)의 챔버몸체(210)는 유리기판을 적용하고, 산화전극부(11)의 제1막부재(113)와 제2막부재(114)는 나피온을 적용하였다.As can be seen in Figure 9, the manufacturing process of the microbial fuel cell of the present invention is largely divided into four types: glass chamber fabrication, shadow mask fabrication, nickel mold fabrication, Nafion patterning. The glass substrate, the shadow mask, and the nickel mold are separately manufactured, and the Nafion film is patterned by hot pressing using a nickel mold prepared in advance as the first film member 113 of the anode portion 11. The anode 112 and the cathode 212 are deposited on the second film member 114 and the chamber body 210 of the cathode using silicon as a shadow mask. After that, the fabricated anode portion 11 and the first and second reduction electrode portions 21 and 22 are assembled using the assembly jig 30 to complete a fuel cell having a multilayer structure. The chamber body 210 of the reduction electrode parts 21 and 22 applies a glass substrate, and the Nafion is applied to the first membrane member 113 and the second membrane member 114 of the anode part 11.
<다중 챔버를 갖는 간접 추출 방식 광합성 세포전지의 설계>Design of Indirect Extraction Type Photosynthetic Cell Cell with Multiple Chambers
산화전극부(11)를 나피온막으로 제조하고, 그 상하면에 각각 제1환원전극부(21)와 제2환원전극부(22)를 배치하는 구조를 제조하였다.The anode portion 11 was made of a Nafion film, and a structure in which the first reduction electrode portion 21 and the second reduction electrode portion 22 were disposed on the upper and lower surfaces thereof, respectively.
산화전극부(11)는 예로서 나피온막과 같은 2개의 이온교환막을 이용하여 제조할 수 있다. 도시한 예와 같이, 2개의 막중 제1막부재(113)에 산화챔버 공간(111)을 위한 홈을 형성하고, 또한 제2막부재(114)에 산화전극(112)을 형성한 후, 최종적으로 이들을 부착하는 방식으로 제조될 수 있다.The anode portion 11 can be manufactured using, for example, two ion exchange membranes such as a Nafion membrane. As shown in the illustrated example, after the groove for the oxidation chamber space 111 is formed in the first film member 113 of the two films, and the anode 112 is formed in the second film member 114, the final electrode is finally formed. Can be prepared by attaching them.
도시한 실시예에서는 산화챔버 공간(111)이 패터닝된 제1막부재(113)와 평평한 제2막부재(114)를 이용하였고, 제2막부재(114)에는 산화전극(112)이 형성된다. 제1막부재와 제2막부재의 부착은 예를 들어 조립단계에서 압착으로 구현될 수 있다. 산화챔버 공간(111)의 높이 설계에 따라 환원전극부(21, 22)들과의 거리 조절이 가능하다.In the illustrated embodiment, the first film member 113 in which the oxidation chamber space 111 is patterned and the second film member 114 flat are used, and the anode 112 is formed in the second film member 114. . Attachment of the first membrane member and the second membrane member may be implemented by compression, for example, in the assembly step. According to the height design of the oxidation chamber space 111, it is possible to adjust the distance with the cathode portions 21, 22.
일반적으로 미생물 연료전지의 효율은 환원전극의 넓이에 의해 결정되는데, 위 아래에 두 개의 환원전극을 배치하여 전력 생산의 효율을 높이는 것이 가능하다.In general, the efficiency of the microbial fuel cell is determined by the width of the cathode, and it is possible to increase the efficiency of power production by arranging two cathodes above and below.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지는 상술한 바와 같이 산화챔버 공간(111)의 상하면 각각에 제1환원전극부(21)와 제2 환원전극부(22)가 배치된다. 제1환원전극부(21)와 제2 환원전극부(21)는 예를 들어 유리기판에 각각 환원챔버 공간을 위한 홈을 형성한 후 산화전극부(11)의 상하면에 각각 부착하는 방식으로 최종적으로 제조되었다. 따라서, 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지는 2개의 환원전극부(21, 22)를 구비하며, 전체 구조는 총 4개의 층으로 제작되었다. 이는 도면에서 알 수 있는 바와 같이 제2환원전극부(22), 제1 환원전극부(21), 그리고 산화전극부(11)를 위한 나머지 2개의 층으로 이루어진다.In the microbial fuel cell according to the preferred embodiment of the present invention, the first reduction electrode part 21 and the second reduction electrode part 22 are disposed on the upper and lower surfaces of the oxidation chamber space 111 as described above. The first reduction electrode portion 21 and the second reduction electrode portion 21 are formed in the glass substrate for the reduction chamber space, respectively, for example, and finally attached to the upper and lower surfaces of the anode portion 11, respectively. Was prepared. Therefore, the microbial fuel cell according to the preferred embodiment includes two cathode electrodes 21 and 22, and the entire structure is made of a total of four layers. As can be seen in the figure, it consists of the remaining two layers for the second reduction electrode portion 22, the first reduction electrode portion 21, and the anode portion 11.
나피온 재질의 산화전극부(11)와 유리재질의 제1 및 제2환원전극부(21, 22)들은 각각 유입/유출구(116, 216)를 따로 구비하며 이들은 분리된 주입이 가능하다(도 4 참조)The anode portion 11 of Nafion and the first and second reduction electrode portions 21, 22 of glass material are provided with inlet / outlet ports 116, 216, respectively, which can be separately injected (FIG. 4)
즉, 도 4의 레이아웃 상에서 보이는 바와 같이 세로방향으로 배치된 환원전극부(21, 22)의 환원챔버 공간(211)을 위한 유입/유출구(216)가 있고, 가로방향으로 배치된 산화전극부(11)의 산화챔버 공간(111)를 위한 유입/유출구(116)가 있다. 그리고 도 5에서 개략적으로 나타낸 바와 같이 아래, 위, 두 개의 환원챔버 공간(211)들은 유입구와 유출구(216)를 공유하여 향후 다층 챔버 구조로 확장하였을 때도 유입/유출구의 개수를 늘리지 않아도 되도록 간단한 구조로 설계되었다.That is, as shown in the layout of FIG. 4, there is an inflow / outflow port 216 for the reduction chamber space 211 of the reduction electrode portions 21 and 22 arranged in the vertical direction, and the anode portion disposed in the horizontal direction ( 11 is an inlet / outlet 116 for the oxidation chamber space 111. And as shown schematically in FIG. 5, the lower, upper and lower reduction chamber spaces 211 share the inlet and outlet 216 so that a simple structure does not have to increase the number of inlet / outlet outlets even when expanded to a multilayer chamber structure in the future. Was designed as.
산화전극부(11)의 챔버와 환원전극부(21, 22)의 챔버가 서로 겹쳐 반응이 일어나는 챔버의 유효 면적은 1cm×1cm의 정사각형이며, 유입/유출구(116, 216)와 산화전극(112) 및 환원전극(212)을 외부로 연결시키기 위한 배선(117, 217)의 노출을 위한 구멍(118, 218)은 3mm의 원으로 설계하였다.The effective area of the chamber in which the chamber of the anode portion 11 and the chambers of the reducing electrode portions 21 and 22 overlap each other is a square of 1 cm × 1 cm, and the inflow / outflow ports 116 and 216 and the anode 112 ) And the holes 118 and 218 for exposing the wirings 117 and 217 for connecting the cathode 212 to the outside are designed as a circle of 3 mm.
이상과 같이 설계된 각 요소들은 도 3에 도시한 바와 같이 제1플레이트(31)와 제2플레이트(32)로 이루어진 조립지그(30)를 이용하여 압착시킨다. 압착 후 전극 연결을 위해 전도성 에폭시와 같은 전도성 물질(119)을 배선(117, 217)이 노출된 구멍(118, 218)들에 채워 넣게 된다.Each element designed as described above is pressed using an assembly jig 30 composed of the first plate 31 and the second plate 32 as shown in FIG. 3. After pressing, a conductive material 119 such as a conductive epoxy is filled in the holes 118 and 218 exposed to the wiring 117 and 217 for the electrode connection.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지의 설계에서 중요하게 고려한 부분은 중간층 부위에 위치한 PEM의 성질을 가진 2장의 나피온막(제1막부재 및 제2막부재)으로 이루어진 산화전극부(11)의 산화챔버 공간(111) 내에서 미세유로를 신뢰성있게 확보하는 것이다. 이를 위해, 본 발명에서는 산화챔버 공간(111) 및 환원챔버 공간(211)들 중 적어도 어느 하나의 내부, 바람직하게는 모두의 내부에 적어도 하나 이상의 기둥(115, 215)을 형성함으로써 나피온과 같이 유연한 막이 변형되는 것을 방지한다.In addition, an important consideration in the design of a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention is an anode portion consisting of two Nafion membranes (first membrane member and second membrane member) having the properties of PEM located in an intermediate layer region. The micro channel is reliably secured in the oxidation chamber space 111 of (11). To this end, in the present invention, by forming at least one or more pillars 115 and 215 inside at least one of the oxidation chamber space 111 and the reduction chamber space 211, preferably all of them, such as Nafion. Prevents deformation of the flexible membrane.
이러한 다수개 형성되는 기둥(115, 215)은 각 챔버 공간을 위해 형성되는 홈의 바닥면에 형성하는 방식으로 구현될 수 있다.The plurality of pillars 115 and 215 may be formed in the bottom surface of the groove formed for each chamber space.
또한, 바람직하게는 기둥(115, 215)이 적어도 2개의 챔버 공간 이상에 형성될 경우에는 기둥들은 조립될 때 서로 부분적으로 중첩되도록 배치함으로써 서로 지지할 수 있도록 하였다.In addition, preferably, when the pillars 115 and 215 are formed in at least two chamber spaces, the pillars may be partially overlapped with each other when assembled so as to be able to support each other.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지의 산화전극부(11)와 환원전극부(21, 22)에 대한 레이아웃을 보여주는 도면이다. 좌측은 산화전극부(11)에 대한 레이아웃을 나타내고, 중앙은 환원전극부(21)에 대한 레이아웃을 나타내며, 우측은 두 전극부를 겹친 레이아웃을 나타낸다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 각 챔버 공간 내에 형성되는 기둥(115, 215)들은 인접하는 층의 챔버 공간 내에 형성된 대응하는 위치에 형성된 기둥(115, 215)들이 서로 부분적으로 겹쳐지도록 형성된다.6 is a view showing the layout of the anode portion 11 and the cathode electrode portion 21, 22 of the microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention. The left side shows the layout for the anode portion 11, the center side shows the layout for the reduction electrode portion 21, and the right side shows the layout in which the two electrode portions overlap. As can be seen in the figure, the pillars 115 and 215 formed in each chamber space are formed so that the pillars 115 and 215 formed at corresponding positions formed in the chamber space of the adjacent layer partially overlap each other.
제조 실시예에서는 중앙층 부위에 배치되는 산화전극부(11) 내에 있는 기둥(115)은 폭 50㎛, 길이 400㎛, 간격 100㎛로 설계되었고 환원전극부(21, 22) 내에 있는 기둥(215)은 폭 100㎛, 길이 400㎛, 간격 100㎛로 설계되었다. 그러나 이러한 수치에 한정되는 것이 아님은 자명하다.In the embodiment, the pillar 115 in the anode portion 11 disposed at the center layer portion is designed to have a width of 50 μm, a length of 400 μm, and an interval of 100 μm, and the pillar 215 in the reduction electrode portions 21 and 22. ) Is designed to be 100 μm wide, 400 μm long, and 100 μm apart. However, it is obvious that these numbers are not limited.
공정 후 각 층을 조립했을 때 도 6의 우측도면에서와 같이 인접하는 층의 대응하는 위치의 기둥(115, 215)들은 서로 겹쳐져서 압착 조립 시의 압력에 대해 서로 지지할 수 있게 된다.When the respective layers are assembled after the process, as shown in the right view of FIG. 6, the pillars 115 and 215 at the corresponding positions of the adjacent layers may overlap each other to support each other against the pressure during the crimping assembly.
도 9는 본 발명의 미생물 연료전지의 제조과정을 나타낸 블록도이다.9 is a block diagram showing a manufacturing process of the microbial fuel cell of the present invention.
본 발명의 미생물 연료전지의 제조 과정은 유리기판과 나피온막에 각각의 챔버 공간을 위한 홈을 형성하는 과정과, 전극을 형성하는 과정, 및 조립과정을 포함한다.The manufacturing process of the microbial fuel cell of the present invention includes forming a groove for each chamber space on the glass substrate and the Nafion membrane, forming an electrode, and assembling.
유리와 나피온막에 형성되는 챔버 공간을 위한 홈과 각 챔버 내부에 배치되는 전극은 각각 별도의 공정을 통해 제조된다. 이를테면, 유리기판에 챔버 공간을 위한 홈을 형성할 경우에는 습식각 및 샌드블라스팅을 이용한다. 나피온막에 챔버공간을 위한 홈을 형성할 경우에는 니켈 몰드를 이용하여 열압착하여 형성할 수 있다. 유리 챔버와 나피온막 챔버 내에 형성되는 전극은 섀도우마스크를 이용하여 증착 형성할 수 있다.The grooves for the chamber spaces formed in the glass and the Nafion membrane and the electrodes disposed in the respective chambers are manufactured through separate processes. For example, wet etching and sand blasting are used to form grooves for the chamber space on the glass substrate. When the groove for the chamber space is formed in the Nafion film, it may be formed by thermocompression bonding using a nickel mold. Electrodes formed in the glass chamber and the Nafion film chamber may be deposited by using a shadow mask.
<유리 재질 챔버의 제조>Manufacture of Glass Chambers
유리 재질로 제조된 전극부는 바람직하게는 산화전극부(11)의 상하면에 배치되는 제1 및 제2환원전극부(21, 22)일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지에서는 환원전극부(21, 22)가 유리 재질로 제조된다.The electrode part made of a glass material may be the first and second reduction electrode parts 21 and 22 disposed on the upper and lower surfaces of the anode part 11. In the microbial fuel cell according to the preferred embodiment of the present invention, the reducing electrode parts 21 and 22 are made of a glass material.
먼저, 도 10에서와 같이 유리기판(20)에 환원챔버 공간(211)을 위한 홈을 형성한다. 이를테면, 본 실시예에서는 유리기판(20)은 붕규산염 유리(borosilicate glass) 재질의 4 인치 웨이퍼를 이용할 수 있다. 유리기판(20)의 표면에 식각마스크층(41)을 형성한다. 식각마스크층(41)의 형성은 예를 들어 저기압 화학기상증착 방법을 이용하여 무정형 실리콘(amorphous silicon)을 유리기판(20) 표면에 형성한 후 사진/식각 공정을 이용하여 홈이 형성될 부위의 무정형 실리콘을 제거한다. 무정형 실리콘은 불산 공정에 일반적으로 쓰이는 금 박막에 비해 식각 과정에서 일어나는 기계적인 변형이 작아 유리의 식각 깊이가 깊은 경우 일정한 각도의 식각 면 형성에 적합하다. 이어, 드러난 유리기판 부위를 49%의 불산 용액을 이용하여 일정 시간 동안 습식각함으로써 환원챔버 공간을 위한 홈을 형성한다.First, grooves for the reduction chamber space 211 are formed in the glass substrate 20 as shown in FIG. 10. For example, in the present embodiment, the glass substrate 20 may use a 4 inch wafer made of borosilicate glass. An etching mask layer 41 is formed on the surface of the glass substrate 20. The etching mask layer 41 may be formed by, for example, forming amorphous silicon on the surface of the glass substrate 20 using a low pressure chemical vapor deposition method, and then, using a photo / etch process, a portion of a portion where a groove is to be formed. Remove amorphous silicon. Amorphous silicon has less mechanical deformation during the etching process than the gold thin film commonly used in the hydrofluoric acid process, making it suitable for the formation of an angled etching surface when the glass has a deep etching depth. Subsequently, the exposed glass substrate portion is wet-etched for a predetermined time using 49% hydrofluoric acid solution to form a groove for the reduction chamber space.
이어, 식각마스크층(41)인 무정형 실리콘을 제거한 후, 유입/유출구(216) 및 배선노출홀(217)을 형성한다. 이는 샌드블라스트(sand blasting) 공정을 이용할 수 있다. 이를테면, 유리기판(20)의 뒷면에 마스크(42)로서 감광성 필름(dry film photoresist: DFR)을 형성한 후 샌드블라스팅으로 관통하는 홀들을 형성한다. Subsequently, after removing the amorphous silicon, which is the etching mask layer 41, the inlet / outlet 216 and the wiring exposure hole 217 are formed. This may use a sand blasting process. For example, after forming a dry film photoresist (DFR) as a mask 42 on the back surface of the glass substrate 20 to form holes through the sandblasting.
마스크(42)를 제거한 후 챔버 공간을 위한 홈 저면에 환원전극(212)을 위한 전극층을 형성한다. 여기서의 전극층은 배선노출홀(217)까지 연장되는 배선부위를 포함하는 것일 수 있다. 이러한 환원전극(212)은 예로서 대표적인 투명전극 물질인 ITO(5000Å)를 스퍼터링을 이용하여 증착할 수 있다. 바람직하게는 식각으로 인해 단차를 가지는 챔버 공간을 위한 홈에 ITO를 패터닝하기 위해 후술하는 바와 같은 실리콘 섀도우마스크를 이용하였다.After removing the mask 42, an electrode layer for the reduction electrode 212 is formed on the bottom of the groove for the chamber space. The electrode layer may include a wiring portion extending to the wiring exposure hole 217. For example, the cathode 212 may be deposited by sputtering ITO (5000 μs), which is a typical transparent electrode material. Preferably, a silicon shadow mask as described below was used to pattern ITO in the groove for the chamber space having a step due to etching.
유리 재질로 된 환원전극부(21, 22)는 불산 습식 식각 시간에 따라 챔버의 높이가 다르게 제작되었다. 초당 수직 방향 식각 깊이는 1.06~1.08㎛/s으로 측정되었고 목적으로 하는 20㎛ 높이의 챔버를 제작할 수 있었다.The cathodes 21 and 22 made of glass were made of different chamber heights according to hydrofluoric acid wet etching time. Vertical etch depth per second was measured to be 1.06 ~ 1.08µm / s and the desired 20µm chamber could be fabricated.
아래 표 1은 불산 습식 시간에 따른 유리 식각 깊이와 너비를 나타낸다.Table 1 below shows the glass etching depth and width according to the hydrofluoric acid wet time.
식각 시간Etching time 수평 방향 식각 너비Horizontal etch width 수직 방향 식각 깊이Vertical etch depth
100s100 s 12.6㎛12.6 ㎛ 11.2㎛11.2㎛
200s200 s 23.5㎛23.5 ㎛ 21.6㎛21.6 ㎛

도 11은 유리기판(20)의 불산 식각 후 얻은 SEM 사진이다.11 is a SEM photograph obtained after hydrofluoric acid etching of the glass substrate 20.
SEM 사진에서 알 수 있는 바와 같이 불산 용액이 식각마스크층(41)인 실리콘마스크 이외의 부분을 등방성 식각한 것을 알 수 있다. 본 발명의 실시예에서 이용한 불산에 의한 등방성 식각은 마스크 아래면과 식각면 사이의 각이 날카롭게 형성할 수 있다. 이 경우, 전극의 증착 시 날카로운 가장자리 부분에서 저항이 크게 증가하여 전지로 활용 시 손실이 증가할 가능성이 크다.As can be seen from the SEM photograph, it can be seen that the hydrofluoric acid solution isotropically etched portions other than the silicon mask which is the etching mask layer 41. In the isotropic etching by hydrofluoric acid used in the embodiment of the present invention, an angle between the bottom surface of the mask and the etching surface may be sharply formed. In this case, the resistance is greatly increased at the sharp edges during the deposition of the electrode, which is likely to increase the loss when used as a battery.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 식각마스크층(41)을 제거한 후 유리기판(20)에 대해 불산 용액을 이용한 추가 식각 공정을 진행하였다. 이 경우 식각마스크층(41)으로 가려져 있던 면도 식각이 진행되므로 날카로운 가장자리 부분이 다소 무뎌지게 된다. 실제 제작에서 챔버 공간을 위한 홈의 형성을 위해 불산 용액에 200 초간 식각했던 유리기판(20)을 식각마스크층(41) 제거 후 최대 164 초까지 추가 식각하였고, 그 결과 가장자리 부분의 각도가 96˚에서 118˚까지 증가하였다. 도 12는 식각마스크층(41) 제거후 추가 식각 시간에 따른 식각면 각도의 변화를 보여주는 사진이다. 도 13은 추가 식각 시간에 따른 유리 기둥 형상의 변화를 나타내는 그래프이다.Therefore, in order to solve this problem, after the etching mask layer 41 is removed, an additional etching process using a hydrofluoric acid solution is performed on the glass substrate 20. In this case, since the shaving etching covered by the etching mask layer 41 proceeds, the sharp edge portion becomes slightly blunt. In the actual fabrication, the glass substrate 20, which was etched for 200 seconds in the hydrofluoric acid solution, was further etched up to 164 seconds after the etching mask layer 41 was removed to form a groove for the chamber space. As a result, the angle of the edge portion was 96˚. Increased to 118˚. 12 is a photograph showing the change of the etching surface angle with the additional etching time after the etching mask layer 41 is removed. 13 is a graph showing a change in the shape of the glass column with the additional etching time.
전극층을 형성하기 위해, 환원 전극 물질인 ITO를 환원챔버 공간(211)을 위한 홈 전면에 스퍼터링 공정으로 5000Å증착되었다. 이때 상술한 바와 같이 배선노출홀(217)을 통해 노출되기 위한 배선 부위도 함께 증착할 수 있다. 스퍼터링 증착공정은 여타 다른 금속 박막 증착 방식에 비해 스텝커버리지가 좋아 챔버 가장자리의 저저항 연결을 위해 적합한 방식이다. 전극 패터닝을 위해 쓰이는 실리콘 섀도우마스크와 유리 기판의 정렬 허용 오차는 x축 방향으로 145.6㎛, y 축 방향으로 105.6㎛ 로 챔버 너비 대비 2% 이내의 오차를 보였다.In order to form an electrode layer, ITO, which is a reducing electrode material, was deposited at 5000 kPa by a sputtering process on the entire surface of the groove for the reduction chamber space 211. In this case, as described above, the wiring portion to be exposed through the wiring exposure hole 217 may also be deposited. The sputtering deposition process has better step coverage than other metal thin film deposition methods and is suitable for low resistance connection of chamber edges. The alignment tolerance of the glass substrate and the silicon shadow mask used for electrode patterning was 145.6 µm in the x-axis direction and 105.6 µm in the y-axis direction, showing an error within 2% of the chamber width.
도 14는 환원전극부의 패터닝이 완료된 유리기판의 챔버 공간을 위한 홈에 대한 확대 사진이다. 도면에서는 레이아웃에 대응되는 부위를 확대하여 보여준다. 또한 도 15는 환원전극부 패터닝이 완료된 사진이다.14 is an enlarged photograph of a groove for a chamber space of a glass substrate on which a reduction electrode part is patterned. In the drawings, a portion corresponding to the layout is enlarged. 15 is a photograph of the patterning of the cathode portion.
<섀도우마스크의 제조>Manufacture of Shadow Masks
환원전극(212) 및 산화전극(112)을 상술한 환원챔버 공간(211)과 후술되는 산화챔버 공간(111)에 증착 형성하기 위해 실리콘 재질의 섀도우마스크를 이용하였다. 이러한 섀도우마스크의 제조에 대해서는 도 16에 도시되었다.A shadow mask made of silicon was used to deposit and form the cathode 212 and the anode 112 in the above-described reduction chamber space 211 and the oxidation chamber space 111 described later. The manufacture of such shadow masks is shown in FIG. 16.
실리콘은 DRIE(deep reactive silicon etching) 공정을 이용한 이방성 식각이 가능하고 기타 금속에 비해 기계적인 강도가 우수해 공정 시 아래 기판과 잘 분리되지 않기 때문에 섀도우마스크로써 적합한 재질이다. 두께 525㎛의 4 인치 단결정 실리콘 웨이퍼를 기판(50)으로 이용하였다. 기판(50) 위에 식각마스크(43)를 사진 식각 공정을 통해 형성하였다(도 16(a)). DRIE를 위한 식각마스크(43)는 4㎛ 두께의 SiO2 박막이 사용되었다. DRIE 공정은 실리콘이 관통될 때까지 진행되며(도 16(b)) 관통을 확인한 후 식각마스크(43)를 제거한다.Silicon is an appropriate material for shadow mask because it can be anisotropically etched using deep reactive silicon etching (DRIE) process and mechanical strength is superior to other metals. A 4 inch single crystal silicon wafer having a thickness of 525 μm was used as the substrate 50. An etching mask 43 was formed on the substrate 50 through a photolithography process (FIG. 16 (a)). As the etching mask 43 for the DRIE, a SiO 2 thin film having a thickness of 4 μm was used. The DRIE process proceeds until the silicon penetrates (FIG. 16 (b)) and removes the etching mask 43 after confirming the penetration.
<니켈 몰드 제조>Nickel Mold Manufacturing
나피온과 같은 이온교환막을 이용하여 산화전극부(11)를 제조하는 데에는 니켈 몰드(60)를 이용한 핫프레싱(hot pressing)을 이용하였다. 따라서 산화전극부(11)의 제조에 앞서 니켈 몰드(60)를 아래와 같이 제조한다.In order to manufacture the anode portion 11 using an ion exchange membrane such as Nafion, hot pressing using a nickel mold 60 was used. Therefore, prior to manufacturing the anode portion 11, the nickel mold 60 is manufactured as follows.
도 17(a)내지 17(d)는 본 발명에 이용되는 니켈 몰드(60)를 제조하는 과정을 설명하기 위해 도시한 단면도이다.17 (a) to 17 (d) are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing the nickel mold 60 used in the present invention.
본 발명에서 니켈 몰드(60)는 예를 들어 전해 도금 공정을 이용해 제조된다. 먼저, 4cm×4cm 크기의 스테인레스 스틸 플레이트(stainless steel plate) 기판(61) 상에 도금 씨앗층(62)으로써 Cr/Ni 박막을 200/1000Å의 두께로 열증착(thermal evaporation)한다. 이어 도금 몰드층(63)으로서 SR-151N 감광막을 니켈 박막 위에 패터닝한다.In the present invention, the nickel mold 60 is manufactured using, for example, an electroplating process. First, a Cr / Ni thin film is thermally evaporated to a thickness of 200/1000 mm 3 as a plating seed layer 62 on a stainless steel plate substrate 61 having a size of 4 cm × 4 cm. Subsequently, the SR-151N photosensitive film is patterned on the nickel thin film as the plating mold layer 63.
도 18은 노광 시간에 따른 도금 몰드층으로서의 감광막의 SEM 사진이다. 니켈 도금을 위한 도금 몰드층(63)으로 사용되는 JSR 151N 감광막은 20~80㎛ 두께의 도포가 가능한 음성 감광막으로써 노광량에 따라 몰드의 각도가 결정된다. 도 18의 사진과 같이 노광량을 40초와 50초(14mW)로 각각 진행한 사진 공정에서 두 경우 모두 노광 및 현상 조건이 적합한 것을 알 수 있으며 높이는 노광 시간 40초의 경우 58.4㎛, 50초의 경우 60.4㎛로서 목표로 하는 도금 높이 20㎛보다 높게 형성되었다.18 is an SEM photograph of the photosensitive film as the plating mold layer with respect to the exposure time. The JSR 151N photosensitive film used as the plating mold layer 63 for nickel plating is a negative photosensitive film that can be coated with a thickness of 20 to 80 µm, and the angle of the mold is determined according to the exposure amount. As shown in the photograph of FIG. 18, it can be seen that the exposure and development conditions are suitable in both the photolithography processes in which the exposure amount is 40 seconds and 50 seconds (14 mW), respectively. The height is 58.4 μm for the exposure time of 40 seconds and 60.4 μm for the 50 seconds. As a target, the plating height was higher than 20 µm.
감광막으로 도금 몰드층(63)를 형성한 후 니켈 도금(64)은 설파민산욕 도금액을 이용해 진행한다(도 17(c)). 와트욕 도금액의 경우 넓은 크기의 니켈 패턴이 도 19의 오른쪽 2 개의 사진에서 보이는 바와 같이 위로 들리는 현상이 발생하였다. 이는 도금액 조성 종류에 따른 니켈 응력 차이와 씨앗층과 기판의 접착력 저하에 의한 것으로 보인다. 그러나 도 19의 왼쪽 2개의 사진에서 보이는 바와 같이 설파민산욕 도금액의 경우 낮은 전류 밀도, 니켈을 씨앗층으로 사용한 조건에서 문제가 발생하지 않았다.After the plating mold layer 63 is formed of the photosensitive film, the nickel plating 64 proceeds using a sulfamic acid bath plating solution (Fig. 17 (c)). In the case of the watt bath plating solution, a phenomenon in which a wide nickel pattern is lifted up as shown in the right two photographs of FIG. 19 has occurred. This may be due to the difference in nickel stress and the adhesion between the seed layer and the substrate according to the plating liquid composition. However, as shown in the left two photographs of FIG. 19, in the sulfamic acid bath plating solution, a problem did not occur under the condition of using a low current density and nickel as the seed layer.
아래 표 2는 본 발명의 실시예에서 적용한 니켈 도금 조건을 나타내며, 도 20은 얻어진 니켈 도금 두께를 보여주는 SEM 사진이다.Table 2 below shows nickel plating conditions applied in Examples of the present invention, and FIG. 20 is an SEM photograph showing the obtained nickel plating thickness.
실험 조건Experimental conditions
도금액 조성 종류Plating solution composition type 설파민산욕Sulfamic acid bath
Seed layerSeed layer Cr/Ni : 200/1000ÅCr / Ni: 200 / 1000Å
온도Temperature 55˚C55˚C
전류 밀도Current density 10mA/cm2 10 mA / cm 2
시간time 180min180 min

<임프린팅을 이용한 이온교환막에 산화챔버 공간 제조><Production of Oxidation Chamber Space in Ion Exchange Membrane Using Imprinting>
나피온 117 멤브레인 막에 미세유체채널(microfluidic channel) 구조를 형성하기 위하여 마이크로 사이즈 패턴을 가진 상술한 니켈 몰드(60)를 이용하여 핫프레싱 방식으로 전사한다.In order to form a microfluidic channel structure on the Nafion 117 membrane membrane, the above-described nickel mold 60 having a micro size pattern is transferred by hot pressing.
일반적으로 핫플레싱의 조건은 고분자가 가지는 전이온도(Tg)보다 50~90℃ 높은 온도에서 압착을 통행 성형하지만 나피온의 경우 고온에서 노출 시 수분흡수(water uptake) 양이 감소하여 이온전도도(proton conductivity)가 감소하므로 Tg 부근에서 실험을 진행하였다.In general, hot flashing is formed by compression molding at a temperature of 50-90 ° C higher than the transition temperature (Tg) of the polymer, but in the case of Nafion, the amount of water uptake is reduced when exposed to high temperature, thus the ion conductivity As the proton conductivity was decreased, the experiment was conducted near Tg.
압착을 위하여 80℃, 5wt%의 과산화수소에서 1시간 동안 처리한다. 이것을 증류수 80℃에서 1시간 정도 헹구어 낸 다음 0.5M 황산에서 1시간 동안 처리하고 다시 80℃ 증류수에서 1시간 정도 처리한 나피온을 수화시킨 상태에서 표면의 물기만 제거 한 후 압착하여 패턴의 형상을 표면측정기(surface profiler)를 이용하여 측정하였으며 수분 흡수 양에 따른 패턴 높이를 측정하였다.For compression, the mixture was treated at 80 ° C. and 5 wt% hydrogen peroxide for 1 hour. After rinsing this for 1 hour in distilled water at 80 ° C for 1 hour in 0.5M sulfuric acid and again for 1 hour at 80 ° C in distilled water, only the water on the surface was removed and then compressed to form a pattern. The surface height was measured using a surface profiler and the pattern height was measured according to the amount of water absorption.
도 21의 (a) 내지 도 21의 (f)는 니켈 몰드로부터 전사된 각 부위(도 21(a) 참조)에 대한 표면측정 결과를 보여주는 사진이다. 도면에서 (b)는 (a)의 ①, (c)는 (a)의 ②, (d)는 (a)의 ③, (e)는 (a)의 ④, (f)는 (a)의 ⑤, (g)는 (a)의 ⑥, 그리고 (h)는 (a)의 ⑦에 각각 대응한다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 전사된 나피온막의 표면측정 결과를 통해 전체적으로 균일한 높이의 패턴이 성공적으로 전사되었음을 확인할 수 있었다.21 (a) to 21 (f) are photographs showing the surface measurement results for each portion (see FIG. 21 (a)) transferred from the nickel mold. In the figure, (b) is (a) ①, (c) is (a) ②, (d) is (a) ③, (e) is (a) ④, and (f) is (a) ⑤, (g) correspond to ⑥ of (a), and (h) correspond to ⑦ of (a), respectively. As can be seen from the surface measurement results of the transferred Nafion membrane, it was confirmed that the overall uniform height pattern was successfully transferred.
도 22의 (a) 및 (b)는 건조 후 표면 측정 결과를 보여준다. 건조후 수화시킨 다음 프로파일을 측정해 본 결과 프레싱 직후의 상태보다 높이가 다소 낮아 졌음을 확인 할 수 있었다. 이는 나피온이 가지는 점탄성특성으로 기인한 것으로 추정된다.(A) and (b) of FIG. 22 show the result of surface measurement after drying. After drying, after hydration and measuring the profile, the height was slightly lower than the state immediately after pressing. This is presumably due to the viscoelastic properties of Nafion.
<나피온 박막상의 산화(anode)전극 패터닝 공정> <Anode electrode patterning process on Nafion thin film>
일반적으로 PEM 막은 건조 상태와 수화 상태에서 기계적 성질이 달라지고 부피 변화가 일어나는 특성을 지닌다. 그래서 그 위에 박막 형태의 전극을 증착하는 것은 도전적인 과제 중 하나이다. 나피온 117 막 역시 이러한 성질을 띠고 있기 때문에 일반적인 금속 박막 증착 방법을 이용할 경우 나피온 막과 금속 박막 사이의 접착력이 좋지 않고, 수화 상태에서 나피온의 변형이 일어나면 박막의 전기적 연결이 끊어지는 문제가 있다.In general, PEM membranes are characterized by different mechanical properties and volume changes in the dry and hydrated states. Therefore, depositing a thin film electrode thereon is one of the challenges. The Nafion 117 film also has this property, so that the adhesion between the Nafion film and the metal thin film is poor when the general metal thin film deposition method is used. have.
도 23은 스퍼터링 공정을 이용해 나피온막 위에 증착한 ITO(좌측)와 Cr/Au 박막(우측)에 대한 사진이다. 수화 시의 기계적인 변형으로 크랙이 전면에 생긴 것을 볼 수 있고 심한 경우 박막이 부분적으로 분리되었다.FIG. 23 is a photograph of ITO (left) and Cr / Au thin film (right) deposited on a Nafion film using a sputtering process. Mechanical deformation during hydration shows cracks on the front and, in severe cases, the film was partially separated.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 나피온과 금속 박막의 접착력을 높일 수 있는 방법을 채용하였다. 도 24는 본 발명의 실시예에 따라 나피온막 상에 전극층을 형성하는 과정들과 각 과정에 해당하는 전극층에 대한 사진이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 나피온막 상의 금속은 핫플레싱에 의해 열과 압력을 받을 경우 계면간의 접착력이 좋아지며 전기 저항이 낮은 모습을 보였다. 그 후 금속을 재증착할 경우 저항이 더욱 작아지고 수화 후 나피온막에 변형이 일어났을 때에도 작은 저항을 유지하는 것을 관찰할 수 있었다.In order to solve such a problem, the present invention employs a method of increasing the adhesion between Nafion and the metal thin film. 24 is a photograph of processes of forming an electrode layer on a Nafion film and an electrode layer corresponding to each process according to an embodiment of the present invention. As can be seen in the figure, the metal on the Nafion film showed a good adhesion between the interfaces and low electrical resistance when subjected to heat and pressure by hot flashing. Then, when the metal was redeposited, the resistance became smaller and it was observed that the resistance was maintained even when the Nafion membrane was deformed after hydration.
<조립 공정>Assembly process
완성된 각 부재들은 도 3과 같이 아크릴로 된 조립지그(30)와 함께 조립된다. 우선 위에서부터 순서대로 유리 재질의 제2 환원전극부(22), 산화전극부(11)의 제2막부재(114), 산화전극부(11)의 제1막부재(113), 및 유리 재질의 제1환원전극부(21)의 순서대로 배열된다. 그 다음 조립지그(30)의 제1플레이트(31)와 제2플레이트(32)를 볼트, 너트를 이용해 아래위에서 압착해줌으로써 각 부재 간의 틈새를 막는다. 산화전극(112), 환원전극(212)의 전기적 연결은 각 부재에 설계해놓은 구멍(118, 218)에 실버 에폭시와 같은 전도성 물질을 채워 넣어 완성한다.Each completed member is assembled with an assembly jig 30 made of acrylic as shown in FIG. First, in order from the top, the second cathode electrode 22 made of glass, the second membrane member 114 of the anode 11, the first membrane member 113 of the anode 11, and the glass material Are arranged in the order of the first reduction electrode portions 21 of. Then, by pressing the first plate 31 and the second plate 32 of the assembly jig 30 from above and below with bolts and nuts to prevent the gap between the members. The electrical connection between the anode 112 and the cathode 212 is completed by filling a conductive material such as silver epoxy in the holes 118 and 218 designed in each member.
도 7은 본 발명의 미생물 연료전지에 사진이다. 유체 주입을 위해서는 왼쪽 사진과 같이 금속 커넥터를 연결하여 가능하다. 조립 작업이 완료된 미생물 연료전지는 오른쪽 사진과 같다. 전력 측정 실험은 커넥터를 통해 세포 및 버퍼액(mediator)을 주입 후 전류 밀도에 따른 산화, 환원 전극간의 전압 측정을 통해 진행된다.7 is a photograph of a microbial fuel cell of the present invention. For fluid injection, it is possible to connect the metal connector as shown in the left picture. The assembled microbial fuel cell is shown on the right. The power measurement experiment is performed by measuring the voltage between the oxidation and reduction electrodes according to the current density after injecting cells and media through the connector.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.In the foregoing detailed description of the present invention, specific embodiments have been described. However, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

Claims (20)

  1. 미생물 연료전지로서:
    산화챔버 공간과 상기 산화챔버 공간 내부에 배치되는 산화전극을 구비하는 산화전극부; 및
    상기 산화챔버 공간과 이온교환이 가능한 환원챔버 공간과 상기 환원챔버 공간 내부에 배치되는 환원전극을 구비하는 하나 이상의 환원전극부;를 포함하고,
    상기 산화전극부는 이온투과가 가능하고 상기 산화챔버 공간을 제공하기 위한 홈이 형성된 제1막부재를 포함하는 것인, 미생물 연료전지.
    As a microbial fuel cell:
    An anode portion having an oxidation chamber space and an anode disposed in the oxidation chamber space; And
    And at least one reduction electrode part including a reduction chamber space capable of ion exchange with the oxidation chamber space, and a reduction electrode disposed in the reduction chamber space.
    The anode electrode is microbial fuel cell that is ion-permeable and comprises a first membrane member is provided with a groove for providing the oxidation chamber space.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 환원전극부는 제1환원전극부와 제2환원전극부를 포함하고,
    상기 산화전극부는 상기 제1 및 제2환원전극부 사이에 개재되는 것인, 미생물 연료전지.
    The method according to claim 1,
    The one or more reduction electrode portions include a first reduction electrode portion and a second reduction electrode portion,
    The anode electrode is interposed between the first and second reduction electrode, microbial fuel cell.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 산화전극부는 상기 제1막부재에 형성된 상기 산화챔버 공간을 위한 홈의 개구부위를 덮도록 배치되는 제2막부재를 더 포함하고,
    상기 제2막부재는 이온투과가 가능한 것인, 미생물 연료전지.
    The method according to claim 2,
    The anode portion further includes a second film member disposed to cover the opening of the groove for the oxidation chamber space formed in the first film member,
    The second membrane member is capable of ion permeation, microbial fuel cell.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 및 제2환원전극부 각각은 상기 산화전극부의 상기 제1막부재의 외면과 상기 제2막부재의 외면에 밀착되는 것인, 미생물 연료전지.
    The method according to claim 3,
    Each of the first and second reduction electrode portions is in close contact with an outer surface of the first membrane member and the outer surface of the second membrane member of the anode electrode.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 및 제2환원전극부 각각은 상기 환원챔버 공간을 제공하기 위한 홈을 가지는 환원챔버몸체를 포함하며, 각각의 환원챔버 공간의 홈의 개구부위가 밀폐되도록 상기 산화전극부의 상기 제1막부재의 외면과 상기 제2막부재의 외면에 각각 밀착되는 것인, 미생물 연료전지.
    The method according to claim 4,
    Each of the first and second reduction electrode portions includes a reduction chamber body having a groove for providing the reduction chamber space, and the first film of the anode portion to seal the opening of the groove of each reduction chamber space. The microbial fuel cell is in close contact with the outer surface of the member and the outer surface of the second membrane member, respectively.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 및 제2환원전극부는 광투과성 재질인, 미생물 연료전지.
    The method according to claim 5,
    The first and second reduction electrode unit is a light transmitting material, microbial fuel cell.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 산화전극부는 상기 제1막부재 또는 상기 제2막부재에 형성되어 상기 산화챔버 공간 내에 배치되는 다수개의 제1기둥을 포함하는 것인, 미생물 연료전지.
    The method according to claim 2,
    And the anode portion includes a plurality of first pillars formed in the first membrane member or the second membrane member and disposed in the oxidation chamber space.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 및 제2환원전극부 각각은 상기 챔버몸체에 형성되고 상기 환원챔버 공간 내에 배치되는 다수개의 제2기둥을 포함하는 것인, 미생물 연료전지.
    The method according to claim 2,
    Each of the first and second reduction electrode parts includes a plurality of second pillars formed in the chamber body and disposed in the reduction chamber space.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 제1기둥과 상기 제2기둥은 상기 산화전극부와 상기 제1 및 제2환원전극부가 이온교환이 가능하도록 배치될 때 대응하는 위치에 있는 것끼리 중첩되는 것인, 미생물 연료전지.
    The method according to claim 7 or 8,
    Wherein the first column and the second column is a microbial fuel cell that overlaps at the corresponding position when the anode electrode portion and the first and second reduction electrode portion is arranged to enable ion exchange.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 산화전극부는 상기 제1막부재 또는 상기 제2막부재에 형성된 상기 산화챔버 공간과 연결되는 유입/유출구와 상기 산화전극의 외부 노출을 위한 배선노출홀을 더 포함하는 것인, 미생물 연료전지.
    The method according to claim 9,
    The anode electrode further comprises an inlet / outlet opening connected to the oxidation chamber space formed in the first membrane member or the second membrane member and a wiring exposure hole for external exposure of the anode.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 및 제2 환원전극부는 상기 챔버몸체에 형성된 상기 환원챔버 공간과 연결되는 유입/유출구와 상기 환원전극의 외부 노출을 위한 배선노출홀을 더 포함하는 것인, 미생물 연료전지.
    The method according to claim 9,
    The first and second reduction electrode unit further comprises an inlet / outlet opening connected to the reduction chamber space formed in the chamber body and a wiring exposure hole for external exposure of the reduction electrode.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 산화전극부와 상기 제1 및 제2환원전극부는 조립지그의 제1플레이트와 제2플레이트 사이에서 압착 결합되는 것인, 미생물 연료전지.
    The method according to claim 9,
    The oxidation electrode unit and the first and second reduction electrode unit is a microbial fuel cell that is compression-bonded between the first plate and the second plate of the assembly jig.
  13. 미생물 연료전지로서:
    산화챔버 공간과 상기 산화챔버 공간 내부에 배치되는 산화전극을 구비하는 다수개의 산화전극부; 및
    상기 산화챔버 공간과 이온교환이 가능한 환원챔버 공간과 상기 환원챔버 공간 내부에 배치되는 환원전극을 구비하는 다수개의 환원전극부;를 포함하고,
    상기 다수개의 산화전극부와 상기 다수개의 환원전극부는 교번적으로 밀착 배치되며,
    상기 다수개의 산화전극부의 적어도 일부와 상기 다수개의 환원전극부의 적어도 일부는 이온교환이 가능한 막부재로 상기 산화챔버 공간과 상기 환원챔버 공간을 형성하는 것인, 미생물 연료전지.
    As a microbial fuel cell:
    A plurality of anode portions having an oxidation chamber space and an anode disposed in the oxidation chamber space; And
    And a plurality of reduction electrode parts including a reduction chamber space capable of ion exchange with the oxidation chamber space, and a reduction electrode disposed in the reduction chamber space.
    The plurality of anode parts and the plurality of cathode parts are alternately arranged in close contact,
    At least a portion of the plurality of anode portions and at least a portion of the plurality of cathode portions to form the oxidation chamber space and the reduction chamber space of the membrane member capable of ion exchange, microbial fuel cell.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 이온교환이 가능한 막부재 각각은 상기 산화챔버 공간 또는 상기 환원챔버 공간을 제공하기 위한 홈을 구비하고,
    상기 산화전극부와 상기 환원전극부는 인접한 다른 전극부에 의해 상기 홈이 밀폐되는 것인, 미생물 연료전지.
    The method according to claim 13,
    Each of the ion exchangeable membrane members has a groove for providing the oxidation chamber space or the reduction chamber space,
    The oxide electrode unit and the reduction electrode unit is a microbial fuel cell, the groove is sealed by another adjacent electrode unit.
  15. 미생물 연료전지의 제조방법으로서:
    산화전극부를 위한 부재와 제1 및 제2환원전극부를 각각 형성하는 단계; 및
    상기 산화전극부를 위한 부재를 상기 제1환원전극와 상기 제2환원전극부 사이에 개배한 후 결합하는 단계;를 포함하고,
    상기 산화전극부를 위한 부재는, 산화챔버 공간을 위한 홈을 가지는 제1막부재와, 상기 제1막부재의 홈의 개구부위를 밀폐하고 산화전극이 형성된 제2막부재를 포함하며,
    상기 제1막부재와 상기 제2막부재는 이온교환이 가능한 막인 것인, 미생물 연료전지 제조방법.
    As a method for producing a microbial fuel cell:
    Forming a member for the anode portion and the first and second reduction electrode portions, respectively; And
    And coupling a member for the anode part between the first reduction electrode and the second reduction electrode part and then coupling the member.
    The member for the anode portion includes a first film member having a groove for the oxidation chamber space, a second film member sealing the opening of the groove of the first film member and the anode is formed,
    The first membrane member and the second membrane member is a microbial fuel cell manufacturing method, which is a membrane capable of ion exchange.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 산화전극부의 상기 제1막부재의 형성은:
    몰드를 이용한 핫프레싱으로 상기 산화챔버 공간을 위한 홈을 형성하는 것인, 미생물 연료전지 제조방법.
    The method of claim 15, wherein the formation of the first film member of the anode portion:
    Forming a groove for the oxidation chamber space by hot pressing using a mold, microbial fuel cell manufacturing method.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 산화챔버 공간을 위한 홈을 형성할 때 바닥면에는 상기 몰드에 의해 전사되는 다수개의 제1기둥이 함께 형성되는 것인, 미생물 연료전지 제조방법.
    The method according to claim 16,
    When forming the groove for the oxidation chamber space is a bottom surface is formed with a plurality of first pillars to be transferred by the mold, microbial fuel cell manufacturing method.
  18. 청구항 15에 있어서, 상기 환원전극의 형성은,
    식각을 통해 유리기판에 환원챔버 공간을 위한 홈을 형성하는 단계;
    상기 환원챔버 공간을 위한 홈의 반대면에 마스크를 배치한 후 샌드블라스팅으로 유입/유출구 및 배선노출을 위한 구멍을 형성하는 단계; 및
    상기 환원챔버 공간을 위한 홈 내부에 환원전극을 증착 형성하는 단계;를 포함하는, 미생물 연료전지 제조방법.
    The method of claim 15, wherein the formation of the cathode,
    Forming a groove for the reduction chamber space in the glass substrate through etching;
    Arranging a mask on an opposite surface of the groove for the reduction chamber space and forming a hole for inlet / outlet and wiring exposure by sandblasting; And
    And depositing a cathode in the groove for the reduction chamber space.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 환원챔버 공간을 위한 홈을 형성하는 식각에서 바닥면에 배치되는 다수개의 제2기둥이 같이 형성되는 것인, 미생물 연료전지 제조방법.
    The method according to claim 18,
    A method of manufacturing a microbial fuel cell, wherein the plurality of second pillars disposed on the bottom surface are formed in an etching to form a groove for the reduction chamber space.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 결합 단계는 조립지그의 제1플레이트와 제2플레이트를 상하에 배치하여 결합하는 것인, 미생물 연료전지 제조방법.
    The method according to claim 18,
    The coupling step is to combine the first plate and the second plate of the assembly jig up and down, microbial fuel cell manufacturing method.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105668969A (en) * 2016-03-25 2016-06-15 南通大学 Urban fecal treatment system
US20210104767A1 (en) * 2019-10-02 2021-04-08 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Microfluidic microbacterial fuel cell chips and related optimization methods

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101863651B1 (en) 2015-12-17 2018-06-05 한국기계연구원 Microbial fuel cell, and the in-situ analyzing method of microorganism using it
KR102150991B1 (en) * 2017-04-21 2020-09-02 광주과학기술원 Serial connected microbial fuel cell in shared electrolyte and method of manufacturing serial connection
KR102103364B1 (en) 2018-08-01 2020-04-22 단국대학교 산학협력단 Photosynthetic microbial fuel cell containing TiO2/rGO nanoparticles and manufacturing method thereof
KR102074177B1 (en) 2018-08-01 2020-02-06 단국대학교 산학협력단 Photosynthetic microbial fuel cell containing nanostructure composite and manufacturing method thereof
KR102154151B1 (en) 2019-01-29 2020-09-09 단국대학교 산학협력단 Photosynthetic microbial fuel cell containing nanoparticles dispersed and manufacturing method thereof
KR20230108957A (en) * 2022-01-12 2023-07-19 전북대학교산학협력단 Zinc finger domains and methods of harvesting cobalt ions selectively by using the same

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001004626A1 (en) * 1999-07-07 2001-01-18 Korea Institute Of Science And Technology An electrochemical method for enrichment of microorganism, a biosensor for analyzing organic substance and bod
JP2008270206A (en) * 2007-03-29 2008-11-06 Tohoku Univ Bio battery
US20080286624A1 (en) * 2007-05-18 2008-11-20 Toyota Engineering & Manufacturing North America, Inc. Microbial fuel cells
US20090092882A1 (en) * 2007-10-09 2009-04-09 University Of Victoria Innovation And Development Corporation Fuel cell with flow-through porous electrodes
US20110300455A1 (en) * 2010-06-03 2011-12-08 Arizona Board of Regents, a body corporate of the State Arizona acting for and on behalf of Arizona Micro-Sized Microbial Fuel Cell

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070048577A1 (en) * 2005-08-30 2007-03-01 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Naval Re Scalable microbial fuel cell with fluidic and stacking capabilities
KR20080084548A (en) 2007-03-14 2008-09-19 한국전자통신연구원 Apparatus and method for transmitting sensor status of rfid tag

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001004626A1 (en) * 1999-07-07 2001-01-18 Korea Institute Of Science And Technology An electrochemical method for enrichment of microorganism, a biosensor for analyzing organic substance and bod
JP2008270206A (en) * 2007-03-29 2008-11-06 Tohoku Univ Bio battery
US20080286624A1 (en) * 2007-05-18 2008-11-20 Toyota Engineering & Manufacturing North America, Inc. Microbial fuel cells
US20090092882A1 (en) * 2007-10-09 2009-04-09 University Of Victoria Innovation And Development Corporation Fuel cell with flow-through porous electrodes
US20110300455A1 (en) * 2010-06-03 2011-12-08 Arizona Board of Regents, a body corporate of the State Arizona acting for and on behalf of Arizona Micro-Sized Microbial Fuel Cell

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105668969A (en) * 2016-03-25 2016-06-15 南通大学 Urban fecal treatment system
US20210104767A1 (en) * 2019-10-02 2021-04-08 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Microfluidic microbacterial fuel cell chips and related optimization methods
US11563227B2 (en) * 2019-10-02 2023-01-24 United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Microfluidic microbacterial fuel cell chips and related optimization methods

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