WO2018194299A1 - 공유된 전해질 내에서 직렬 연결된 미생물 연료전지 및 이의 직렬 연결 방법 - Google Patents

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장인섭
이유석
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a microbial fuel cell connected in series in a shared electrolyte and a method of series connection thereof. More particularly, the present invention relates to a series-connected microbial fuel cell capable of suppressing a short circuit phenomenon during a chemical reaction in a shared electrolyte and a method of connecting the same.
  • Microbial FuelCell is a fuel cell whose main components are electroactive microorganisms (catalysts), electrodes, separators and electrolytes, and uses organic materials as fuel.
  • wastewater, mud, and sediment are used as electrolytes, and the system generates energy such as electric energy and biogas by chemical reaction of organic matter and microbial catalyst in electrolyte.
  • Factors that can consider the performance of the microbial fuel cell include voltage and current.
  • the theoretical value of the formed voltage depends on the reactants at the electrode, but on average is about 1.2V.
  • the change of the voltage according to the current generated when the high current is generated that is, the magnitude of the overvoltage does not meet the required voltage of the device to be driven.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a state in which the sediment-type microbial fuel cell of the microbial fuel cell is usually connected in series.
  • a plurality of unit cells including the anode parts 11 and 21 and the cathode parts 12 and 22 are connected in series with a conductor line 14.
  • the plurality of unit cells is accommodated in a shared electrolyte containing organic substances such as seawater.
  • the short circuit phenomenon is that when the connection between the different cells, the electrons do not flow in the intended direction but flow in a very small amount, but in an unintended direction, the potential of the entire system is reduced, which may reduce the energy production of the microbial fuel cell. This can be
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2008-0017079
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to include a positive charge electrode in the microbial fuel cell, in order to effectively suppress the short-circuit phenomenon occurring in series connection between a plurality of conventional microbial fuel cells, hydrogen generated by the chemical reaction of the microbial fuel cell It is an object of the present invention to provide a microbial fuel cell connected in series in a shared electrolyte capable of suppressing a short circuit caused by ions, and a method of connecting the same in series.
  • an embodiment of the present invention is an empty reaction tank, an anode portion located in the lower portion of the inside of the reactor, a cathode portion located in the center of the reactor, the anode portion and A first unit cell including an electrolyte unit for accommodating the cathode electrode part, the same structure as the structure of the first unit cell, and is spaced apart from the outer surface portion of the first unit cell, the electrolyte of the first unit cell And a first positive charge electrode unit positioned above the second unit cell sharing a portion and controlling the migration of hydrogen ions formed by a chemical reaction of the first unit cell to the second unit cell.
  • the first unit cell and the second unit cell provides a series connected microbial fuel cell, characterized in that electrically connected in series.
  • the second positive cell may further include a second positively charged electrode disposed on the inside of the second unit cell to control the migration of hydrogen ions formed by the chemical reaction of the second unit cell to the first unit cell. It may be a microbial fuel cell connected in series.
  • the apparatus further includes a potentiometer for connecting the first positively charged electrode portion and the second positively charged electrode portion and adjusting the potential of the first positively charged electrode portion and the second positively charged electrode portion. It may be a microbial fuel cell connected in series.
  • the positively charged electrode portion may be a series-connected microbial fuel cell, characterized in that it comprises a metal that can exhibit a positive charge through a spontaneous redox reaction.
  • the electrolyte may be a microbial fuel cell connected in series, characterized in that it comprises a microorganism.
  • a plurality of unit cells including the same structure as that of the second unit cell and positioned apart from the outer surface of the second unit cell and sharing the electrolyte of the second unit cell Further comprising a, it may be a microbial fuel cell connected in series characterized in that the second unit cell and the plurality of unit cells are electrically connected in series.
  • another embodiment of the present invention is an empty reaction tank, an anode portion positioned in the lower portion of the inside of the reactor, a cathode electrode located in the center of the reactor, the anode portion And a structure identical to that of the first unit cell and the first unit cell including an electrolyte unit accommodating the cathode, and spaced apart from an outer surface of the first unit cell.
  • the anion exchange membrane portion may be a series connected microbial fuel cell, characterized in that it comprises a membrane having resistance to cation passage.
  • the anion exchange membrane unit controls the migration of hydrogen ions formed by the chemical reaction of the first unit cell to the second unit cell, hydrogen ions formed by the chemical reaction of the second unit cell It may be a microbial fuel cell connected in series characterized in that the movement to the first unit cell.
  • the electrolyte may be a microbial fuel cell connected in series, characterized in that it comprises a microorganism.
  • a plurality of unit cells including the same structure as that of the second unit cell and positioned apart from the outer surface of the second unit cell and sharing the electrolyte of the second unit cell Further comprising, wherein the plurality of unit cells comprises a plurality of connecting portions formed by being connected to each other between the upper portion of the reaction tank of the plurality of unit cells, the second unit cell and the plurality of unit cells are electrically connected in series It may be a microbial fuel cell connected in series.
  • it may be a microbial fuel cell connected in series characterized in that it comprises an anion exchange membrane portion located in the center of the plurality of connecting portions.
  • another embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a first unit cell and a second unit cell, confirming the stabilization of the open circuit voltage of the first unit cell and the second unit cell And measuring internal resistance between the first unit cell and the second unit cell, and electrically connecting the first unit cell and the second unit cell in series.
  • Silver an empty reaction tank, an anode portion positioned in the lower portion of the inside of the reaction vessel, a reduction electrode portion located in the center of the reaction vessel, a positive charge electrode portion located in the upper portion of the reactor and the anode portion,
  • An electrolyte part accommodating a reduction electrode part and the positively charged electrode part, wherein the series connection is connected to an anode electrode part of the first unit cell and a reduction electrode part of the second unit cell by a conductive line, and the ring of the first unit cell It provides an electrode portion and a series connection method of the microbial fuel cell, characterized in that connected to the anode lead portion of the second unit cell.
  • measuring the internal resistance between the first unit cell and the second unit cell may include determining an internal resistance between the anode electrode part of the first unit cell and the cathode electrode part of the second unit cell. It may be a method of serial connection of the microbial fuel cell comprising the step of measuring.
  • the positively charged electrode portion of the first unit cell controls the migration of hydrogen ions formed by the chemical reaction of the first unit cell to the second unit cell, the positive charge electrode of the second unit cell
  • the unit may be a serial connection method of the microbial fuel cell, characterized in that for controlling the movement of the hydrogen ions formed by the chemical reaction of the second unit cell to the first unit cell.
  • the microbial fuel cell connected in series in a shared electrolyte includes a positive charge electrode unit, and hydrogen ions formed by the chemical reaction of the microbial fuel cell are blocked by the positive charge electrode unit only in a unit cell in which hydrogen ions are formed. It may move, and movement to other unit cells may be restricted.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a conventional series connected sediment type microbial fuel cell.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing a microbial fuel cell connected in series according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a microbial fuel cell connected in series according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a microbial fuel cell connected in series according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a series connection method of a microbial fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • Example 6 is a schematic diagram showing a microbial fuel cell connected in series according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing a change in the open circuit voltage with time when the first unit cell and the second unit cell of Comparative Example 1 according to an embodiment of the present invention are connected in series.
  • FIG. 9 is a graph showing a solution resistance (R s ) and a charge transfer resistance (R ct ) between an anode electrode part and a cathode electrode part of a second unit cell of Example 4 according to an embodiment of the present invention; to be.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a microbial fuel cell connected in series according to an embodiment of the present invention.
  • the microbial fuel cell connected in series of the present invention includes a reactor 100 having an empty inside, an anode portion 101 positioned below the reactor 100, and a central portion inside the reactor 100.
  • the first unit cell including a cathode electrode portion 102, the anode portion 101, and an electrolyte portion 300 accommodating the cathode electrode portion 102 positioned in the same structure as that of the first unit cell.
  • a second unit cell including a structure and spaced apart from an outer surface of the first unit cell, the second unit cell sharing the electrolyte part 300 of the first unit cell and an upper portion of the first unit cell; It may include a first positive electrode electrode 103 for controlling the migration of hydrogen ions formed by the chemical reaction of the first unit cell to the second unit cell.
  • the first unit cell includes an anode 101, a cathode 102, and an electrolyte 300, which are basic structures of a fuel cell, in a reactor 100 in which components of a unit cell are empty. It may include.
  • the second unit cell also includes an anode electrode 201, a cathode electrode 202, and an electrolyte 300, which are basic structures of a fuel cell, in a reactor 200 in which components of a unit cell are empty. ) May be included.
  • the unit cells may have the same structure, and the unit cells may be spaced apart from the outer surface of each unit cell.
  • the unit cells positioned as described above may be electrically connected in series.
  • the anode portions 101 and 201 may be located in a precipitate, which is a lower region of the contaminated water. That is, the precipitate may be located at the bottom of the contaminated water, that is, the anode parts 101 and 201 may be located in the precipitate located at the bottom of the contaminated water.
  • the anode parts 101 and 201 may be formed of an anode and an anode support connected to the anode.
  • the anode support may be connected to a part of the anode to serve to arrange the anode at a desired position inside the sediment in the polluted water.
  • the oxide electrode support may be formed of a material which is an insulator and is not easily corroded and has excellent mechanical properties.
  • the oxide electrode support may be in the form of a fixing device having a thickness, or in a form attached to and connected to a separate fixing device.
  • the oxide electrode support can be formed of a known insulating material, and is not particularly limited.
  • the oxide electrodes of the anode electrodes 101 and 201 may be in the form of plates that are elongated in a direction parallel to the surface of the precipitate.
  • the oxidation electrode may be formed of a material having suitable mechanical strength and toughness for long-term use in the contaminated water.
  • the oxidation electrode is chemically stable, non-toxic to microorganisms, and can be used a substance having a high affinity for microorganisms.
  • the oxidation electrode may be formed of a material containing graphite.
  • the oxide electrode may be any one selected from, for example, a graphite plate made of graphite, a graphite felt, and a graphite rod, or a metal is treated on the surface thereof. It can be used, but is not limited thereto.
  • the metal treatment of the surface of the oxidation electrode may be performed to prevent the electrode from being damaged as it is located in the contaminated water for a long time, and the metal used for the metal treatment may be, for example, platinum (Pt). , Palladium (Pd) or ruthenium (Ru) and the like can be used.
  • the contaminated water may be an electrolyte part 300 of the microbial fuel cell of the present invention, and refers to an artificial water body such as a closed natural water or a sewage treatment plant and a wastewater treatment plant such as a lake, the sea and a pond. It may be, but is not limited thereto.
  • the contaminated water may include a large amount of organic matter (organic contaminants), and the organic material may be contained in precipitates and water constituting the contaminated water.
  • the electrolyte unit 300 including the contaminated water in the microbial fuel cell is a part shared by both the first unit cell and the second unit cell, the first unit cell in the electrolyte unit 300 And a structure in which all of the second unit cells are located.
  • a reaction in which hydrogen ions and carbon dioxide are formed may occur at the oxidation electrodes of the anode portions 101 and 201.
  • the contaminated water may be provided with microorganisms that can easily grow in an anaerobic ecosystem with low oxygen concentration.
  • the microorganisms may generate electrons by oxidizing an organic material in a cell, and may release the generated electrons out of the cell.
  • hydrogen ions and carbon dioxide may be formed while the microorganism oxidizes the organic material.
  • the reduction electrode portions 102 and 202 may be formed of a reduction electrode and a reduction electrode support connected to the reduction electrode.
  • the reduction electrode support may be formed of a material having excellent mechanical properties without being easily corroded while being an insulator.
  • the reduction electrode support may be in the form of a fixing device having a thickness, or in a form attached to and connected to a separate fixing device.
  • the reduction electrode may be formed in a form capable of floating.
  • the reduction electrode support can be formed of a known insulating material, and is not particularly limited.
  • the reduction electrode may be in the form of a plate (long) formed in a direction parallel to the surface of the contaminated water.
  • the reduction electrode may be formed of a material having a suitable mechanical strength and toughness for long-term use in the contaminated water, such as the oxidation electrode described above.
  • the reduction electrode is chemically stable, there is no toxicity to microorganisms, it may be to use a material having a high affinity for microorganisms.
  • the reduction electrode may be formed of a material containing graphite.
  • the reduction electrode may use any one selected from, for example, a graphite plate made of graphite, a graphite felt, and a graphite rod, or a metal is treated on the surface thereof. It can be used, but is not limited thereto.
  • the metal treatment of the surface of the reduction electrode may be to prevent the reduction electrode from being damaged as it is located in the contaminated water for a long time, and the metal used for the metal treatment may be, for example, platinum (Pt). , Palladium (Pd) or ruthenium (Ru) and the like can be used.
  • Reduction of oxygen may occur at the reduction electrodes of the reduction electrode units 102 and 202. Specifically, oxygen in the air is dissolved on the surface of the contaminated water, and oxygen dissolved in the contaminated water is reduced by reacting with hydrogen ions formed in the anode parts 101 and 201, thereby reducing water (H 2 O). ) Can be formed.
  • the hydrogen ions formed in the anode portions 101 and 201 move to the cathode portions 102 and 202, the hydrogen ions formed in the anode portion 101 of the first unit cell are reduced in the second unit cell. It may be moved to the electrode unit 202, the phenomenon that the hydrogen ions formed in the anode portion 201 of the second unit cell is moved to the reduction electrode portion 102 of the first unit cell may occur. This is because the first unit cell and the second unit cell share the electrolyte unit 300 with each other, and the electrolyte unit 300 is a medium for allowing ions to move, if the electrolyte unit 300 is shared between the unit cells. The movement direction of the ions may be free in the electrolyte 300. When the phenomenon occurs, electrons may not flow between the microbial fuel cells in the intended direction during series connection, and a short circuit may occur, and energy may be theoretically obtained due to energy loss during series connection due to the short circuit phenomenon. It can produce less energy than it produces.
  • the first positive charge electrode part 103 may be positioned above the inside of the reaction tank of the first unit cell.
  • the first positive charge electrode part 103 is not moved to the reduction electrode part 202 of the second unit cell when the hydrogen ions formed in the anode part 101 of the first unit cell move along the electrolyte part 300.
  • the first unit cell may be spaced apart from the top of the cathode electrode 102 of the first unit cell.
  • the blocking is based on the charge repulsion principle between the positively charged hydrogen ions and the positively charged electrode, and may increase the ionic resistance between the first unit cell and the second unit cell. Accordingly, the hydrogen ions may not move outside the unit cell, and a short circuit may be prevented.
  • the second positive electrode portion 203 may be further included on the inside of the second unit cell, a schematic diagram thereof is shown in FIG.
  • the second positive electrode portion 203 does not move to the reduction electrode portion 102 of the first unit cell.
  • the second unit cell may be spaced apart from the top of the reduction electrode unit 202 of the second unit cell. The blocking is based on the charge repulsion principle between the positively charged hydrogen ions and the positively charged electrode, and may increase the ionic resistance between the first unit cell and the second unit cell. Accordingly, the hydrogen ions may not move outside the unit cell, and a short circuit may be prevented.
  • the apparatus further includes a potentiometer for connecting the first positively charged electrode portion and the second positively charged electrode portion and adjusting the potential of the first positively charged electrode portion and the second positively charged electrode portion. can do.
  • the first positive electrode portion and the second positive electrode portion can be adjusted to the positive potential so that the hydrogen ions generated in each unit cell of the microbial fuel cell connected in series due to the potential transformer are not moved out of the unit cell. You can prevent it.
  • any one or more of the first positive electrode electrode portion 103 and the second positive electrode electrode portion 104 is used without limitation as long as it includes a metal that can exhibit a positive charge through a spontaneous redox reaction
  • This may be possible, and specifically, may be an electrode using platinum, silver, or manganese as a catalyst, which shows a large reactivity even at a low dissolved oxygen amount and stably shows a positive charge.
  • the microbial fuel cell includes the same structure as that of the second unit cell, and is spaced apart from an outer surface of the second unit cell, and shares the electrolyte of the second unit cell.
  • the apparatus may further include a plurality of unit cells, and may be electrically connected in series between the second unit cell and the plurality of unit cells. Since the microbial fuel cell of the present invention may include unit cells connected in series, the number of the unit cells is not limited to two, and may further include a plurality of unit cells connected in series to the second unit cell. . Since the plurality of unit cells also share the electrolyte part 300, the plurality of unit cells may include a structure including a positive charge electrode part capable of suppressing a short circuit phenomenon.
  • the microbial fuel cell connected in series of the present invention includes a reactor 100 having an empty interior, an anode portion 101 positioned below the reactor 100, and a central portion of the reactor 100.
  • the same structure as that of the first unit cell and the first unit cell including a cathode electrode portion 102, the anode portion 101 and the electrolyte portion 300 for accommodating the cathode electrode portion 102 located in the It may include a second unit cell including a structure, and spaced apart from the outer surface portion of the first unit cell, sharing the electrolyte portion 300 of the first unit cell.
  • the first unit cell includes an anode 101, a cathode 102, and an electrolyte 300, which are basic structures of a fuel cell, in a reactor 100 in which components of a unit cell are empty. It may include.
  • the second unit cell also includes an anode electrode 201, a cathode electrode 202, and an electrolyte 300, which are basic structures of a fuel cell, in a reactor 200 in which components of a unit cell are empty. ) May be included.
  • the unit cells may have the same structure, and the unit cells may be spaced apart from the outer surface of each unit cell.
  • the unit cells positioned as described above may be electrically connected in series.
  • the anode portions 101 and 201 may be located in a precipitate, which is a lower region of the contaminated water. That is, the precipitate may be located at the bottom of the contaminated water, that is, the anode parts 101 and 201 may be located in the precipitate located at the bottom of the contaminated water.
  • the anode parts 101 and 201 may be formed of an anode and an anode support connected to the anode.
  • the anode support may be connected to a part of the anode to serve to arrange the anode at a desired position inside the sediment in the polluted water.
  • the oxide electrode support may be formed of a material which is an insulator and is not easily corroded and has excellent mechanical properties.
  • the oxide electrode support may be in the form of a fixing device having a thickness, or in a form attached to and connected to a separate fixing device.
  • the oxide electrode support can be formed of a known insulating material, and is not particularly limited.
  • the oxide electrodes of the anode electrodes 101 and 201 may be in the form of plates that are elongated in a direction parallel to the surface of the precipitate.
  • the oxidation electrode may be formed of a material having suitable mechanical strength and toughness for long-term use in the contaminated water.
  • the oxidation electrode is chemically stable, non-toxic to microorganisms, and can be used a substance having a high affinity for microorganisms.
  • the oxidation electrode may be formed of a material containing graphite.
  • the oxide electrode may be any one selected from, for example, a graphite plate made of graphite, a graphite felt, and a graphite rod, or a metal is treated on the surface thereof. It can be used, but is not limited thereto.
  • the metal treatment of the surface of the oxidation electrode may be performed to prevent the electrode from being damaged as it is located in the contaminated water for a long time, and the metal used for the metal treatment may be, for example, platinum (Pt). , Palladium (Pd) or ruthenium (Ru) and the like can be used.
  • the contaminated water may be an electrolyte part 300 of the microbial fuel cell of the present invention, and refers to an artificial water body such as a closed natural water or a sewage treatment plant and a wastewater treatment plant such as a lake, the sea and a pond. It may be, but is not limited thereto.
  • the contaminated water may include a large amount of organic matter (organic contaminants), and the organic material may be contained in precipitates and water constituting the contaminated water.
  • the electrolyte unit 300 including the contaminated water in the microbial fuel cell is a part shared by both the first unit cell and the second unit cell, the first unit cell in the electrolyte unit 300 And a structure in which all of the second unit cells are located.
  • a reaction in which hydrogen ions and carbon dioxide are formed may occur at the oxidation electrodes of the anode portions 101 and 201.
  • the contaminated water may be provided with microorganisms that can easily grow in an anaerobic ecosystem with low oxygen concentration.
  • the microorganisms may generate electrons by oxidizing an organic material in a cell, and may release the generated electrons out of the cell.
  • hydrogen ions and carbon dioxide may be formed while the microorganism oxidizes the organic material.
  • the reduction electrode portions 102 and 202 may be formed of a reduction electrode and a reduction electrode support connected to the reduction electrode.
  • the reduction electrode support may be formed of a material having excellent mechanical properties without being easily corroded while being an insulator.
  • the reduction electrode support may be in the form of a fixing device having a thickness, or in a form attached to and connected to a separate fixing device.
  • the reduction electrode may be formed in a form capable of floating.
  • the reduction electrode support can be formed of a known insulating material, and is not particularly limited.
  • the reduction electrode may be in the form of a plate (long) formed in a direction parallel to the surface of the contaminated water.
  • the reduction electrode may be formed of a material having a suitable mechanical strength and toughness for long-term use in the contaminated water, such as the oxidation electrode described above.
  • the reduction electrode is chemically stable, there is no toxicity to microorganisms, it may be to use a material having a high affinity for microorganisms.
  • the reduction electrode may be formed of a material containing graphite.
  • the reduction electrode may use any one selected from, for example, a graphite plate made of graphite, a graphite felt, and a graphite rod, or a metal is treated on the surface thereof. It can be used, but is not limited thereto.
  • the metal treatment of the surface of the reduction electrode may be to prevent the reduction electrode from being damaged as it is located in the contaminated water for a long time, and the metal used for the metal treatment may be, for example, platinum (Pt). , Palladium (Pd) or ruthenium (Ru) and the like can be used.
  • Reduction of oxygen may occur at the reduction electrodes of the reduction electrode units 102 and 202. Specifically, oxygen in the air is dissolved on the surface of the contaminated water, and oxygen dissolved in the contaminated water is reduced by reacting with hydrogen ions formed in the anode parts 101 and 201, thereby reducing water (H 2 O). ) Can be formed.
  • the hydrogen ions formed in the anode portions 101 and 201 move to the cathode portions 102 and 202, the hydrogen ions formed in the anode portion 101 of the first unit cell are reduced in the second unit cell. It may be moved to the electrode unit 202, the phenomenon that the hydrogen ions formed in the anode portion 201 of the second unit cell is moved to the reduction electrode portion 102 of the first unit cell may occur. This is because the first unit cell and the second unit cell share the electrolyte unit 300 with each other, and the electrolyte unit 300 is a medium for allowing ions to move, if the electrolyte unit 300 is shared between the unit cells. The movement direction of the ions may be free in the electrolyte 300. When the phenomenon occurs, electrons may not flow in the intended direction in the microbial fuel cell, which may cause a short circuit, and the short circuit may reduce the energy production of the microbial fuel cell, thereby reducing the total potential. .
  • the upper portion of the reaction vessel of the first unit cell and the upper portion of the reaction vessel of the second unit cell may include a connection portion formed to be connected to each other, the center of the connection portion It may include an anion exchange membrane portion 500.
  • the anion exchange membrane unit 500 moves to the reduction electrode unit 202 of the second unit cell when the hydrogen ions formed in the anode unit 101 of the first unit cell move along the electrolyte unit 300.
  • the hydrogen ions formed in the anode unit 201 of the two unit cells move along the electrolyte unit 300, the phenomenon of moving to the reduction electrode unit 102 of the first unit cell may be suppressed.
  • the cause of the short circuit phenomenon is considered as the total internal resistance between the unit cells has been studied to reduce the internal total resistance.
  • Table 1 and FIG. 8 described above through the microbial fuel cell connected in series including the anion exchange membrane unit, it was confirmed that the cause of a short circuit phenomenon was a charge transfer resistance among internal resistances between unit cells.
  • the anion exchange membrane unit 500 may be used without limitation as long as the cation is present as a fixed ion, specifically, the resistance to the cation is high and includes a durable AM-1 It may be a polymer membrane.
  • the microbial fuel cell includes the same structure as that of the second unit cell, and is spaced apart from an outer surface of the second unit cell, and shares the electrolyte of the second unit cell.
  • the apparatus may further include a plurality of unit cells, and the plurality of unit cells may include a plurality of connection parts formed by being connected to each other between upper portions of the reaction tanks of the plurality of unit cells.
  • Anion exchange membrane unit 500 may be located at the center of the plurality of connection units, and a short circuit between the plurality of unit cells sharing the electrolyte unit 300 may be reduced due to the anion exchange membrane unit 500.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a series connection method of a microbial fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • preparing a first unit cell and a second unit cell S100
  • stabilizing the open circuit voltage of the first unit cell and the second unit cell S200
  • the step of measuring the internal resistance between the first unit cell and the second unit cell S300
  • the step of electrically connecting the first unit cell and the second unit cell S400 It may include.
  • the first unit cell and the second unit cell may include the structure of the above-described embodiment.
  • the first unit cell and the second unit cell is an empty reaction tank, an anode portion positioned in the lower portion of the inside of the reactor, a reduction electrode portion located in the center of the reactor, the anode portion
  • a first unit cell including an electrolyte unit accommodating the reduction electrode unit, the same structure as that of the first unit cell, and spaced apart from an outer surface of the first unit cell.
  • a first positive charge electrode part disposed above the second unit cell sharing the electrolyte and controlling the migration of hydrogen ions formed by the chemical reaction of the first unit cell to the second unit cell. can do.
  • the first unit cell and the second unit cell is an empty reaction tank, an anode portion positioned in the lower portion of the inside of the reactor, a cathode portion located in the center of the reactor, the anode A first unit cell including a part and an electrolyte part accommodating the reduction electrode part, and a structure identical to that of the first unit cell, and spaced apart from an outer surface of the first unit cell, wherein the first unit cell A second unit cell sharing an electrolyte unit of the first unit cell, wherein an upper portion of the reaction tank of the first unit cell and an upper portion of the reaction tank of the second unit cell are connected to each other, and include a positive charge positioned at the center of the connection portion. It may include an electrode unit. Details of each component of the microbial fuel cell are the same as those of the above-described microbial fuel cell connected in series, which will be omitted.
  • the step (S200) is a step for checking the system stabilization of the first unit cell and the second unit cell, the change in the open circuit voltage over time is an error range-2% to + 2 It may be said that the system of the first unit cell and the second unit cell is stabilized at%.
  • the change in the open circuit voltage according to the time can be confirmed by using a multimeter.
  • the step (S300) of the first unit cell and the second unit cell stabilized to check the effect of the ion current (Ionic Current) in the shunt current generated during a short circuit phenomenon.
  • the internal resistance of can be measured. Specifically, the internal resistance is a solution resistance (R s ) and a charge transfer resistance (R ct ) between the anode portion of the first unit cell and the cathode portion of the second unit cell using an electrochemical impedance spectroscopy technique. ) Can be measured.
  • first unit cell and the second unit cell are electrically connected in series (S400).
  • the first unit cell and the second unit cell may be electrically connected by conducting wires, and the series connection may include an anode of the first unit cell and a cathode of the second unit cell. It may be connected by an additional conductive line, the cathode electrode portion of the first unit cell and the anode electrode portion of the second unit cell may be connected by a conductive line.
  • the microorganism generated while oxidizing the organic matter contained in the precipitate and the electrons delivered to the anode portion of the first unit cell is moved to the cathode portion of the second unit cell along the lead while the microbial fuel cell of the present invention operates.
  • the conductive wire may be made of a material which can be easily used in water, or may be provided in a form that can be protected in water by being surrounded by the above material.
  • the conducting wire can be configured using a known underwater electric apparatus, and is not particularly limited.
  • the microbial fuel cell may comprise at least two or more unit cells, and may further include a plurality of unit cells in addition to the first unit cell and the second unit cell.
  • the anode electrode part of the first unit cell and the cathode electrode part of the tenth unit cell are connected by a conductor, and the cathode electrode part and the second unit cell of the first unit cell are connected to each other.
  • the anode portion of the unit cell is connected by a lead
  • the cathode portion of the second unit cell and the anode portion of the third unit cell may be connected by a lead
  • ten unit cells may be connected in series in this order.
  • the microbial fuel cell including a structure connected in series between the unit cells is suppressed from the short circuit due to the positive charge electrode portion, it is possible to increase the resistance to the ion current between the first unit cell and the second unit cell. Accordingly, there is an effect that the energy output of the series-connected microbial fuel cell can be increased.
  • Embodiment 1 is as shown in FIG.
  • samples of deposits and electrolytes containing electroactive microorganisms were taken from a reservoir located in Yeonggwang (35 ° 21 '38.47 N, 126 ° 25' 25.22E), and the electrolyte was maintained in a uniform state. After filtering with a stainless mesh, the mixture was prepared by stirring for 2 hours.
  • 1100 g of the deposit was added to the reactor to make the deposit layer 3 cm, and 900 mL of electrolyte was added thereto to form a water layer of 5 cm, thereby forming an interface between the water layer and the precipitate layer in the reactor and the unit cell. And evenly distributed.
  • the height of the electrolyte in the reactor was set lower than the height of the electrolyte in the unit cell so that the electrolyte in the reactor and the electrolyte in the unit cell are not mixed.
  • a solid graphite plate having a thickness of 0.5 cm, a length of 4 cm, and a width of 4 cm was used as an oxidation electrode of the anode portion of the first unit cell, and an insulating plate having a thickness was used as the anode support.
  • a graphite cloth having a thickness of 0.1 cm, a length of 5 cm, and a width of 5 cm was used as a reduction electrode of the cathode portion of the first unit cell, and a foamed styrofoam that was suspended as a reduction electrode support was used.
  • the second unit cell the same electrolyte, oxide electrode, oxide electrode support, reduction electrode, and reduction electrode support as the first unit cell were used.
  • the anode was positioned at a depth of 2 cm from the surface of the deposit layer stacked to a thickness of 3 cm, and the reduction electrode was positioned 3 cm apart on top of the anode.
  • a copper wire using titanium wire as a current collector was connected to the oxidation electrode of the first unit cell and the reduction electrode of the second unit cell, and the reduction electrode and the second unit cell of the first unit cell were connected.
  • a microbial fuel cell was connected in series by connecting an anode with a copper wire using a titanium wire as a current collector.
  • This embodiment 2 is as shown in Figure 4 attached.
  • Example 1 a 3 cm diameter acrylic cylinder is used instead of a 0.5 cm diameter shrink tube, a 10 cm long graphite cloth is used as a reducing electrode, and an AM is contained in the 3 cm diameter acrylic cylinder.
  • a microbial fuel cell connected in series was manufactured in the same manner except that a -1 polymer membrane was installed.
  • Embodiment 3 is as shown in FIG. 2.
  • this Example 3 prepared the same deposits and electrolyte as Example 1 above.
  • a square acrylic chamber having a size of 20 cm (l) ⁇ 10 cm (w) ⁇ 10 cm (h) was prepared in the reactor, and then the bottom of 4 cm (diameter) ⁇ 8 cm (height) was closed.
  • Two acrylic cylinders having an open top surface were prepared as unit cells, and spaced apart at 10 cm intervals in the center of the reactor to share an electrolyte between the unit cells. 1100 g of the sediment is added to make the sediment layer 3 cm, and 1000 mL of electrolyte is added thereto so that the water layer is formed to 6 cm so that the interface between the sediment layer and the water layer is formed evenly in the reactor and the unit cell. It was configured to mix the electrolyte in the reactor and the electrolyte in the unit cell.
  • a solid graphite plate having a thickness of 0.5 cm, a length of 4 cm, and a width of 4 cm was used as an oxidation electrode of the anode portion of the first unit cell, and an insulating plate having a thickness was used as the anode support.
  • a graphite cloth having a thickness of 0.1 cm, a length of 5 cm, and a width of 5 cm was used as a reduction electrode of the cathode portion of the first unit cell, and a foamed styrofoam that was suspended as a reduction electrode support was used.
  • As a positive charge electrode a graphite cloth coated with a platinum catalyst, 0.1 cm thick, 5 cm long, and 5 cm wide was used.
  • the second unit cell used the same electrolyte, oxide electrode, oxide electrode support, reduction electrode, and reduction electrode support as the first unit cell, but did not use a positive charge electrode.
  • the oxidation electrode was positioned at a depth of 2 cm from the surface of the deposit layer stacked to a thickness of 3 cm, the reduction electrode was positioned 3 cm away from the top of the oxidation electrode, and then the positive charge electrode was positioned on the top of the first unit cell. .
  • a copper wire using titanium wire as a current collector was connected to the oxidation electrode of the first unit cell and the reduction electrode of the second unit cell, and the reduction electrode and the second unit cell of the first unit cell were connected.
  • a microbial fuel cell was connected in series by connecting an oxide electrode with a copper wire using a titanium wire as a current collector.
  • Embodiment 4 is as shown in FIG.
  • Example 3 except that positive charge electrodes are positioned on the first and second unit cells, respectively, by using the same positive electrode as the first unit cell in the second unit cell. In the same manner to prepare a microbial fuel cell connected in series.
  • the fifth embodiment (not shown) is the same as in the fourth embodiment, except that the positive charge electrode of the first unit cell and the positive charge electrode of the second unit cell are connected to a potential potentiostat so that the potential is controlled. It was carried out to prepare a microbial fuel cell connected in series.
  • Comparative Example 1 prepared the same deposits and electrolyte as Example 1 above.
  • a solid graphite plate having a thickness of 0.5 cm, a length of 4 cm, and a width of 4 cm was used as an oxidation electrode of the anode portion of the first unit cell, and an insulating plate having a thickness was used as the anode support.
  • a graphite cloth having a thickness of 0.1 cm, a length of 5 cm, and a width of 5 cm was used as a reducing electrode of the cathode portion of the first unit cell, and a foamed styrofoam that was suspended as a reduction electrode support was used.
  • As the second unit cell an oxide electrode, an oxide electrode support, a reduction electrode, and a reduction electrode support same as the first unit cell were used.
  • the anode was positioned at a depth of 2 cm from the surface of the deposit layer stacked to a thickness of 3 cm, and the reduction electrode was positioned 3 cm apart on top of the anode.
  • a copper wire using titanium wire as a current collector was connected to the oxidation electrode of the first unit cell and the reduction electrode of the second unit cell, and the reduction electrode and the second unit cell of the first unit cell were connected.
  • a microbial fuel cell was connected in series by connecting an anode with a copper wire using a titanium wire as a current collector.
  • FIG. 7 is a graph showing a change in open circuit voltage (OCV) according to time measured using a multimeter when the first unit cell and the second unit cell of Comparative Example 1 are connected in series.
  • 8 is an open circuit voltage according to time measured using a multimeter when the first unit cell and the second unit cell of Comparative Examples 1 and 5 are connected in series. , OCV).
  • Example 3 the electrode potential of the positively charged electrode installed in the first unit cell was maintained at 0.6 ⁇ 0.05 V (vs Ag / AgCl) when measuring the open circuit voltage.
  • the electrode potential of the positively charged electrodes installed in the two unit cells maintained 0.6 ⁇ 0.05 V (vs Ag / AgCl).
  • the electrode potential of the positively charged electrodes installed in the two unit cells maintained 1.0 ⁇ 0.02 V (vs Ag / AgCl).
  • R 9 is a solution resistance (R s ) and a charge transfer resistance between the anode portion of the first unit cell and the cathode portion of the second unit cell of Example 4 measured using an electrochemical impedance spectroscopy technique.
  • R ct is a graph showing the solution resistance (R s ) and charge transfer resistance (R ct ) of Example 4 based on the graph shown in Table 1 below.
  • the solution resistance (R s ) and charge transfer resistance (R ct ) of Example 1, Example 2, Example 3, Example 5, and Comparative Example 1 measured by the same method are shown in Table 1 below.
  • Example Internal resistance between unit cells (1st unit cell oxide electrode-2nd unit cell reduction electrode) Sum ( ⁇ ) R s R ct Comparative Example 1 138 5 143 Example 1 1365 13 1378 Example 2 260 1250 1510 Example 3 970 17235 18205 Example 4 400 28000 28400 Example 5 810 335446 336246
  • Example 1 The main cause of the short circuit phenomenon is the ion current (Ionic Current) between the two unit cells, Example 1 was configured to minimize this. Although the solution resistance (R s ) was increased to 1365 kV and the total internal resistance was 1378 kV due to the configuration of Example 1, the voltage reduction due to the short circuit phenomenon was maintained. Through Example 1, it was confirmed that the solution resistance (R s ) of the internal resistance between the unit cells does not control the voltage reduction phenomenon due to a short circuit phenomenon.
  • Ionic Current ion current
  • Example 2 In order to minimize the ion current between the two unit cells, a fuel cell design capable of increasing the charge transfer resistance (R ct ) was carried out, Example 2 was prepared as a result. In the case of Example 2, it was confirmed that the width of the voltage to be theoretically increased to decrease within 30 seconds than Comparative Example 1, but it was confirmed that as time passes, the voltage reduction phenomenon due to the short circuit phenomenon could not be effectively controlled. .
  • Example 3 Example 4 and Example Configuration 5 to check the short-circuit phenomenon, and the voltage is decreased according to the increase in the charge transfer resistance (R ct) results, the charge transfer resistance (R ct) is 17235 ⁇ , 28000 ⁇ 30 when The voltage reduction in the second section is within 2% of the voltage to be theoretically boosted and has converged to the theoretical value over time.
  • the charge transfer resistance (R ct ) is 335446 ⁇ , it was confirmed that the boosted voltage is maintained in a state that coincides with the sum of two unit cell voltages, that is, the theoretical value.
  • the microbial fuel cell constituting the series connection through the positively charged electrode can reduce the unintentional movement of hydrogen ions between unit cells, thereby increasing the resistance, thereby suppressing the short circuit phenomenon of the microbial fuel cell. Therefore, it can be determined that the boosted voltage can be maintained without decreasing, so that the amount of energy that can be generated using the microbial fuel cell can be improved.
  • first positively charged electrode portion 203 second positively charged electrode portion

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Abstract

본 발명은 공유된 전해질 내에서 직렬 연결된 미생물 연료전지 및 이의 직렬 연결 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 미생물 연료전지에 양전하 전극부를 포함시켜, 상기 미생물 연료전지의 화학 반응으로 발생하는 수소 이온에 의한 단락 현상을 억제할 수 있는 직렬 연결된 미생물 연료전지를 제공한다. 따라서 본 발명의 미생물 연료전지는 상기 단락 현상의 억제에 따라 직렬 연결 시 에너지 손실을 줄일 수 있으며, 이를 통해 에너지 생산량이 증가될 수 있는 효과가 있다.

Description

공유된 전해질 내에서 직렬 연결된 미생물 연료전지 및 이의 직렬 연결 방법
본 발명은 공유된 전해질 내에서 직렬 연결된 미생물 연료전지 및 이의 직렬 연결 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 공유된 전해질 내에서 화학 반응 시 단락 현상이 억제될 수 있는 직렬 연결된 미생물 연료전지 및 이의 직렬 연결 방법에 관한 것이다.
미생물 연료전지(Microbial FuelCell)는 전기활성 미생물(촉매), 전극, 분리막, 전해질을 주요 구성물로 하는 연료전지로써 유기물을 연료로 사용한다. 특히 전해질로 폐수, 머드(Mud), 퇴적물(Sediment) 등을 사용하며 전해질 내 유기물과 미생물 촉매의 화학 반응으로 전기에너지, 바이오가스 등의 에너지를 만들어내는 시스템이다.
미생물 연료전지의 성능을 고려할 수 있는 인자로는 전압 및 전류가 있는데, 형성되는 전압의 이론 값은 전극에서의 반응물질에 따라 다르지만, 평균적으로 1.2 V 내외이다. 하지만, 미생물 연료전지의 경우 고전류 생성 시 생성되는 전류에 따른 전압의 변화, 즉 과전압의 크기가 커 구동하고자 하는 장치의 요구 전압을 충족시키지 못하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 극복하기 위해 단일 미생물 연료전지로는 부족한 에너지 생산량을 복수의 미생물 연료전지 간의 직렬 연결을 통한 승압으로 충족시키고자 하는 기술이 부각되었고, 미생물 연료전지 간의 연결 시 에너지 손실을 최소화할 수 있는 승압 기술이 개발되고 있는 실정이다.
도 1은 미생물 연료전지 중 침전물형 미생물 연료전지가 통상적으로 직렬 연결된 모습을 나타낸 모식도이다. 도 1을 참조하면, 통상적으로 직렬 연결된 침전물형 미생물 연료전지는 산화전극부(11, 21) 및 환원전극부(12, 22)를 포함하는 복수 개의 단위셀이 도선(14)으로 직렬 연결되어 있으며, 상기 복수 개의 단위셀은 바닷물과 같은 유기물이 포함된 공유된 전해질 내에 수용되어 있다.
상기 미생물 연료전지의 산화전극부(11, 21)와 접촉된 퇴적물 내의 미생물 촉매와 전해질 내의 유기물 간의 화학 반응으로 인해, 수소 이온이 발생하게 되며, 수소 이온의 이동에 따라 전기에너지가 생성되게 된다. 이상적인 미생물 연료전지의 경우, 각 단위셀에서 발생된 수소 이온이 단위셀 내에서만 이동하며 전기에너지를 생성하지만, 공유된 전해질로 인해 제1단위셀에서 발생된 수소 이온이 제2단위셀로 이동하면서 단락 현상이 발생하는 문제점이 있었다.
상기 단락 현상은 서로 다른 전지 간의 연결 시 전자가 의도된 방향으로 흐르지 않고 매우 적은 양이지만 의도하지 않은 방향으로 흐름으로써 시스템 전체의 전위가 감소하는 것으로서, 미생물 연료전지의 에너지 생산량을 저하시킬 수 있는 원인이 될 수 있다.
따라서, 미생물 연료전지의 에너지 생산량을 향상시키기 위한 복수의 미생물 연료전지 간의 직렬 연결 시 발생하는 단락 현상을 억제할 수 있는 기술이 개발되고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 대한민국 공게특허 제10-2008-0017079호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 복수의 미생물 연료전지 간의 직렬 연결 시 발생하는 단락 현상을 효과적으로 억제하기 위해, 미생물 연료전지에 양전하 전극부를 포함시켜, 상기 미생물 연료전지의 화학 반응으로 발생하는 수소 이온에 의한 단락 현상을 억제할 수 있는 공유된 전해질 내에서 직렬 연결된 미생물 연료전지 및 이의 직렬 연결 방법을 제공하는 것을 일목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 내부가 비어있는 반응조, 상기 반응조 내부의 하부에 위치된 산화전극부, 상기 반응조 내부의 중심부에 위치된 환원전극부, 상기 산화전극부 및 상기 환원전극부를 수용하는 전해질부를 포함하는 제1단위셀, 상기 제1단위셀의 구조와 동일한 구조를 포함하고, 상기 제1단위셀의 외측면부와 이격되어 위치되되, 상기 제1단위셀의 전해질부를 공유하는 제2단위셀 및 상기 제1단위셀 내부의 상부에 위치하여 상기 제1단위셀의 화학 반응으로 형성된 수소 이온이 상기 제2단위셀로 이동되는 것을 제어하는 제1양전하 전극부를 포함하고, 상기 제1단위셀 및 상기 제2단위셀은 전기적으로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2단위셀 내부의 상부에 위치하여 상기 제2단위셀의 화학 반응으로 형성된 수소 이온이 상기 제1단위셀로 이동되는 것을 제어하는 제2양전하 전극부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1양전하 전극부 및 제2양전하 전극부 사이를 연결하고, 상기 제1양전하 전극부 및 제2양전하 전극부의 전위를 조절하는 전위가변기(Potentiostat)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 양전하 전극부는 자발적 산화환원 반응을 통해 양전하를 나타낼 수 있는 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전해질부는 미생물을 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2단위셀의 구조와 동일한 구조를 포함하고, 상기 제2단위셀의 외측면부와 이격되어 위치되되, 상기 제2단위셀의 전해질부를 공유하는 복수 개의 단위셀을 더 포함하고, 상기 제2단위셀 및 상기 복수 개의 단위셀 간에 전기적으로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 일실시예는 내부가 비어있는 반응조, 상기 반응조 내부의 하부에 위치된 산화전극부, 상기 반응조 내부의 중심부에 위치된 환원전극부, 상기 산화전극부 및 상기 환원전극부를 수용하는 전해질부를 포함하는 제1단위셀 및 상기 제1단위셀의 구조와 동일한 구조를 포함하고, 상기 제1단위셀의 외측면부와 이격되어 위치되되, 상기 제1단위셀의 전해질부를 공유하는 제2단위셀을 포함하고, 상기 제1단위셀의 반응조의 상부 및 상기 제2단위셀의 반응조의 상부가 서로 연결되어 형성된 연결부를 포함하고, 상기 연결부의 중심부에 위치된 음이온 교환막부를 포함하고, 상기 제1단위셀 및 상기 제2단위셀은 전기적으로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음이온 교환막부는 양이온 통과에 저항성을 갖는 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음이온 교환막부는 상기 제1단위셀의 화학 반응으로 형성된 수소 이온이 상기 제2단위셀로 이동되는 것을 제어하고, 상기 제2단위셀의 화학 반응으로 형성된 수소 이온이 상기 제1단위셀로 이동되는 것을 제어하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전해질부는 미생물을 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2단위셀의 구조와 동일한 구조를 포함하고, 상기 제2단위셀의 외측면부와 이격되어 위치되되, 상기 제2단위셀의 전해질부를 공유하는 복수 개의 단위셀을 더 포함하고, 상기 복수 개의 단위셀은 상기 복수 개의 단위셀의 반응조의 상부 간에 서로 연결되어 형성된 복수 개의 연결부를 포함하고, 상기 제2단위셀 및 상기 복수 개의 단위셀 간에 전기적으로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 복수 개의 연결부의 중심부에 위치된 음이온 교환막부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 일실시예는 제1단위셀 및 제2단위셀을 준비하는 단계, 상기 제1단위셀 및 제2단위셀의 개로회로전압의 안정화를 확인하는 단계, 상기 제1단위셀 및 제2단위셀 간의 내부저항을 측정하는 단계 및 상기 제1단위셀 및 제2단위셀을 전기적으로 직렬 연결하는 단계를 포함하고, 상기 제1단위셀 및 제2단위셀은, 내부가 비어있는 반응조, 상기 반응조 내부의 하부에 위치된 산화전극부, 상기 반응조 내부의 중심부에 위치된 환원전극부, 상기 반응조 내부의 상단에 위치된 양전하 전극부 및 상기 산화전극부, 상기 환원전극부 및 상기 양전하 전극부를 수용하는 전해질부를 포함하고, 상기 직렬 연결은 상기 제1단위셀의 산화전극부 및 상기 제2단위셀의 환원전극부가 도선으로 연결되고, 상기 제1단위셀의 환원전극부 및 상기 제2단위셀의 산화전극부가 도선으로 연결되는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지의 직렬 연결 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1단위셀 및 제2단위셀 간의 내부저항을 측정하는 단계는, 상기 제1단위셀의 산화전극부 및 상기 제2단위셀의 환원전극부 간의 내부저항을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지의 직렬 연결 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1단위셀의 양전하 전극부는 상기 제1단위셀의 화학 반응으로 형성된 수소 이온이 상기 제2단위셀로 이동되는 것을 제어하고, 상기 제2단위셀의 양전하 전극부는 상기 제2단위셀의 화학 반응으로 형성된 수소 이온이 상기 제1단위셀로 이동되는 것을 제어하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지의 직렬 연결 방법일 수 있다.
본 발명의 일 효과로서, 공유된 전해질 내에 직렬 연결된 미생물 연료전지에 양전하 전극부를 포함하며, 미생물 연료전지의 화학 반응으로 형성된 수소 이온이 상기 양전하 전극부에 의해 가로막혀 수소 이온이 형성된 단위셀 내에서만 이동할 수 있으며, 다른 단위셀로의 이동이 제한될 수 있다.
이러한 현상으로 인해, 단위셀 간에 이온 전류에 대한 저항이 높아져 직렬 연결된 미생물 연료전지에서 단락 현상의 발생이 억제되며, 이에 따라 상기 직렬 연결로 얻을 수 있는 에너지 생산량의 손실을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래의 직렬 연결된 침전물형 미생물 연료전지를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 직렬 연결된 미생물 연료전지를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 직렬 연결된 미생물 연료전지를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 직렬 연결된 미생물 연료전지를 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 미생물 연료전지의 직렬 연결 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 직렬 연결된 미생물 연료전지를 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 1의 제1단위셀 및 제2단위셀을 직렬 연결하였을 때 시간에 따른 개로전압의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 1 및 실시예 1 내지 실시예 5의 의 제1단위셀 및 제2단위셀을 직렬 연결하였을 때 시간에 따른 개로전압의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 실시예 4의 제1단위셀의 산화전극부 및 제2단위셀의 환원전극부 간의 용액 저항(Rs) 및 전하이동 저항(Rct)을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하, 본 발명의 일실시예로써 직렬 연결된 미생물 연료전지에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 직렬 연결된 미생물 연료전지를 나타낸 모식도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 직렬 연결된 미생물 연료전지는 내부가 비어있는 반응조(100), 상기 반응조(100) 내부의 하부에 위치된 산화전극부(101), 상기 반응조(100) 내부의 중심부에 위치된 환원전극부(102), 상기 산화전극부(101) 및 상기 환원전극부(102)를 수용하는 전해질부(300)를 포함하는 제1단위셀, 상기 제1단위셀의 구조와 동일한 구조를 포함하고, 상기 제1단위셀의 외측면부와 이격되어 위치되되, 상기 제1단위셀의 전해질부(300)를 공유하는 제2단위셀 및 상기 제1단위셀 내부의 상부에 위치하여 상기 제1단위셀의 화학 반응으로 형성된 수소 이온이 상기 제2단위셀로 이동되는 것을 제어하는 제1양전하 전극부(103)를 포함할 수 있다.
상기 제1단위셀은 단위셀의 구성 요소들이 포함될 수 있는 내부가 비어있는 반응조(100) 내에 연료전지의 기본 구조인 산화전극부(101), 환원전극부(102) 및 전해질부(300)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2단위셀도 단위셀의 구성 요소들이 포함될 수 있는 내부가 비어있는 반응조(200) 내에 연료전지의 기본 구조인 산화전극부(201), 환원전극부(202) 및 전해질부(300)를 포함할 수 있다. 상기 단위셀들 간의 구조는 동일할 수 있으며, 단위셀들은 각 단위셀의 외측면부와 이격되어 위치될 수 있다. 상기와 같이 위치된 단위셀들은 전기적으로 직렬 연결되어 있을 수 있다.
상기 산화전극부(101, 201)는 오염수역의 하부 영역인, 침전물 내에 위치할 수 있다. 즉, 상기 침전물은 상기 오염수역 바닥에 위치한 것일 수 있으며, 즉, 상기 산화전극부(101, 201)는 상기 오염수역의 바닥에 위치한 상기 침전물 내에 위치하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 산화전극부(101, 201)는 산화 전극 및 상기 산화 전극과 연결된 산화 전극 지지체로 이루어진 것일 수 있다. 상기 산화 전극 지지체는 상기 산화 전극의 일부와 연결되어, 상기 오염수역의 침전물 내부의 원하는 위치에 상기 산화 전극을 배치시키는 역할을 하는 것일 수 있다. 상기 산화 전극 지지체는 절연체이면서, 쉽게 부식되지 않고, 기계적 특성이 우수한 물질로 형성하는 것일 수 있다. 일 예로, 상기 산화 전극 지지체는 두께를 가진 고정 장치의 형태, 또는 별도의 고정 장치에 부착되어 연결되는 형태일 수 있다. 상기 산화 전극 지지체는 공지된 절연물질로 형성할 수 있어, 특별히 한정하지는 않는다.
상기 산화전극부(101, 201)의 산화 전극은 상기 침전물의 표면과 평행한 방향으로 길게 형성된 판(plate)상의 형태일 수 있다. 상기 산화 전극은 상기 오염수역 내에 장기간 배치되어 사용하기 위하여, 적절한 기계적 강도와 인성을 가진 물질로 형성되는 것일 수 있다. 또한, 상기 산화 전극은 화학적으로 안정적이며, 미생물에게 독성이 없고, 또한, 미생물에게 친화성이 큰 물질을 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 산화 전극은 흑연을 함유하는 물질로 형성되는 것일 수 있다. 상기 산화 전극은, 예를 들어, 흑연으로 이루어진 흑연 플레이트(graphite plate), 흑연 펠트(graphite felt) 및 흑연 막대(graphite rod) 중에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있고, 또는 이들의 표면에 금속을 처리하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 산화 전극의 표면을 금속처리하는 것은, 상기 산화 전극이 상기 오염수역 내에 장기간 위치함에 따라 손상되는 것을 막기 위한 것일 수 있으며, 상기 금속처리를 위해 사용하는 금속은, 예를 들어, 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 루테늄(Ru) 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 오염수역은 본 발명의 미생물 연료전지의 전해질부(300)일 수 있으며, 호수, 바다 및 연못과 같은 폐쇄성 자연 수역이나 하수 처리장 및 폐수 처리장과 같은 인공 수역을 말하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 오염수역은 다량의 유기물(유기오염물)을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 유기물은 상기 오염수역을 이루고 있는 침전물 및 수중 내에 함유되어 있는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 미생물 연료전지에서 상기 오염수역을 포함하는 전해질부(300)는 제1단위셀 및 제2단위셀이 모두 공유하는 부분으로서, 전해질부(300) 내에 제1단위셀 및 제2단위셀이 모두 위치하는 구조일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 산화전극부(101, 201)의 산화 전극에서는 수소 이온과 이산화탄소가 형성되는 반응이 일어날 수 있다. 상기 오염수역 내에는 산소 농도가 낮은 혐기성 생태계에서 용이하게 생장할 수 있는 미생물이 구비되어 있을 수 있다. 상기 미생물은 세포 안에서 유기물을 산화하여 전자를 발생시킬 수 있으며, 상기 발생된 전자를 세포 밖으로 방출할 수 있다. 또한, 상기 미생물이 상기 유기물을 산화하는 과정에서 수소 이온과 이산화탄소가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 환원전극부(102, 202)는 환원 전극 및 상기 환원 전극과 연결된 환원 전극 지지체로 이루어진 것일 수 있다. 상기 환원 전극 지지체는 절연체이면서, 쉽게 부식되지 않고, 기계적 특성이 우수한 물질로 형성하는 것일 수 있다. 일 예로서, 상기 환원 전극 지지체는, 두께를 가진 고정 장치의 형태, 또는 별도의 고정 장치에 부착되어 연결되는 형태일 수 있다. 또는, 상기 환원 전극을 부유시킬 수 있는 형태로 형성할 수도 있다. 상기 환원 전극 지지체는 공지된 절연 물질로 형성할 수 있어, 특별히 한정하지는 않는다.
상기 환원 전극은 상기 오염수역의 표면과 평행한 방향으로 길게 형성된 판(plate)상의 형태를 가진 것일 수 있다. 상기 환원 전극은 앞서 상술한 상기 산화 전극과 같이, 상기 오염수역 내에 장기간 배치되어 사용하기 위해 적절한 기계적 강도와 인성을 가진 물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 환원 전극은 화학적으로 안정적이며, 미생물에게 독성이 없고, 미생물에게 친화성이 큰 물질을 사용하는 것일 수 있다.
상기 환원 전극은 흑연을 함유하는 물질로 형성되는 것일 수 있다. 상기 환원 전극은, 예를 들어, 흑연으로 이루어진 흑연 플레이트(graphite plate), 흑연 펠트(graphite felt) 및 흑연 막대(graphite rod) 중에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있고, 또는 이들의 표면에 금속을 처리하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 환원 전극의 표면을 금속처리하는 것은, 상기 환원 전극이 상기 오염수역 내에 장기간 위치함에 따라 손상되는 것을 막기 위한 것일 수 있으며, 상기 금속처리를 위해 사용하는 금속은, 예를 들어, 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 루테늄(Ru) 등을 사용할 수 있다.
상기 환원전극부(102, 202)의 환원 전극에서는 산소의 환원반응이 일어날 수 있다. 구체적으로, 공기 중의 산소가 상기 오염수역의 수표 면에 용해되고, 이러한 오염수역 내에 용존하는 산소는 상기 산화전극부(101, 201)에서 형성된 수소 이온과 반응하여 환원되며서, 물(H2O)을 형성할 수 있다.
이때, 상기 산화전극부(101, 201)에 형성된 수소 이온이 환원전극부(102, 202)로 이동할 때, 제1단위셀의 산화전극부(101)에서 형성된 수소 이온이 제2단위셀의 환원전극부(202)로 이동될 수 있고, 제2단위셀의 산화전극부(201)에서 형성된 수소 이온이 제1단위셀의 환원전극부(102)로 이동되는 현상이 발생할 수 있다. 이는 제1단위셀 및 제2단위셀이 서로 전해질부(300)를 공유하고 있기 때문이며, 상기 전해질부(300)는 이온이 이동할 수 있도록 하는 매개체로서 상기 전해질부(300)가 단위셀 간에 공유된다면 이온의 이동 방향은 전해질부(300) 내에서 자유로울 수 있다. 상기 현상이 발생하게 되면, 직렬 연결 시 미생물 연료전지 간에 전자가 의도된 방향으로 흐르지 않을 수 있어 단락 현상이 발생할 수 있으며, 상기 단락 현상으로 인해 직렬 연결 시 에너지 손실이 발생하여 이론적으로 얻을 수 있는 에너지 생산량보다 적은 에너지량을 생산할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 단락 현상을 억제하기 위하여 제1단위셀의 반응조 내부의 상부에 제1양전하 전극부(103)를 위치시킬 수 있다. 상기 제1양전하 전극부(103)는 제1단위셀의 산화전극부(101)에서 형성된 수소 이온이 전해질부(300)를 따라 이동할 때, 제2단위셀의 환원전극부(202)로 이동되지 않도록, 제1단위셀의 환원전극부(102) 상단에 이격되어 위치되어 수소 이온이 이동하는 길을 차단할 수 있다. 상기 차단은 양전하를 띄는 수소 이온과 양전하를 띄는 전극 간의 전하 반발 원리를 이용한 것으로서, 상기 제1단위셀 및 상기 제2단위셀 간의 이온 저항을 높일 수 있다. 이에 따라 수소 이온이 단위셀 외부로 이동하지 않을 수 있으며, 단락 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2단위셀 내부의 상부에 위치하는 제2양전하 전극부(203)을 더 포함할 수 있으며, 이에 대한 모식도는 도 3에 도시하였다. 상기 제2양전하 전극부(203)는 제2단위셀의 산화전극부(201)에서 형성된 수소 이온이 전해질부(300)를 따라 이동할 때, 제1단위셀의 환원전극부(102)로 이동되지 않도록, 제2단위셀의 환원전극부(202) 상단에 이격되어 위치되어 수소 이온이 이동하는 길을 차단할 수 있다. 상기 차단은 양전하를 띄는 수소 이온과 양전하를 띄는 전극 간의 전하 반발 원리를 이용한 것으로서, 상기 제1단위셀 및 상기 제2단위셀 간의 이온 저항을 높일 수 있다. 이에 따라 수소 이온이 단위셀 외부로 이동하지 않을 수 있으며, 단락 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1양전하 전극부 및 제2양전하 전극부 사이를 연결하고, 상기 제1양전하 전극부 및 제2양전하 전극부의 전위를 조절하는 전위가변기(Potentiostat)를 더 포함할 수 있다. 상기 전위가변기로 인해 직렬 연결된 미생물 연료전지의 각 단위셀에서 발생한 수소 이온이 단위셀 외부로 이동하지 않도록 상기 제1양전하 전극부 및 제2양전하 전극부를 양전위로 조절할 수 있으며, 이에 따라 단락 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1양전하 전극부(103) 및 제2양전하 전극부(104) 중 어느 하나 이상은 자발적 산화환원 반응을 통해 양전하를 나타낼 수 있는 금속을 포함한다면 제한되지 않고 사용이 가능할 수 있으며, 구체적으로 낮은 용존산소량에도 큰 반응성을 보여 안정적으로 양전하를 띄는 백금, 은 또는 망간을 촉매로 사용한 전극일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 미생물 연료전지는 상기 제2단위셀의 구조와 동일한 구조를 포함하고, 상기 제2단위셀의 외측면부와 이격되어 위치되되, 상기 제2단위셀의 전해질부를 공유하는 복수 개의 단위셀을 더 포함하고, 상기 제2단위셀 및 상기 복수 개의 단위셀 간에 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 본 발명의 미생물 연료전지는 직렬 연결된 단위셀들을 포함할 수 있기 때문에, 상기 단위셀의 개수가 2개로 제한되는 것은 아니며, 상기 제2단위셀에 직렬 연결되는 복수 개의 단위셀을 더 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 단위셀도 전해질부(300)를 공유하기 때문에, 단락 현상을 억제할 수 있는 양전하 전극부를 포함하는 구조를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 또다른 일실시예로서, 직렬 연결된 미생물 연료전지에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 직렬 연결된 미생물 연료전지를 나타낸 모식도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 직렬 연결된 미생물 연료전지는 내부가 비어있는 반응조(100), 상기 반응조(100) 내부의 하부에 위치된 산화전극부(101), 상기 반응조(100) 내부의 중심부에 위치된 환원전극부(102), 상기 산화전극부(101) 및 상기 환원전극부(102)를 수용하는 전해질부(300)를 포함하는 제1단위셀 및 상기 제1단위셀의 구조와 동일한 구조를 포함하고, 상기 제1단위셀의 외측면부와 이격되어 위치되되, 상기 제1단위셀의 전해질부(300)를 공유하는 제2단위셀을 포함할 수 있다.
상기 제1단위셀은 단위셀의 구성 요소들이 포함될 수 있는 내부가 비어있는 반응조(100) 내에 연료전지의 기본 구조인 산화전극부(101), 환원전극부(102) 및 전해질부(300)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2단위셀도 단위셀의 구성 요소들이 포함될 수 있는 내부가 비어있는 반응조(200) 내에 연료전지의 기본 구조인 산화전극부(201), 환원전극부(202) 및 전해질부(300)를 포함할 수 있다. 상기 단위셀들 간의 구조는 동일할 수 있으며, 단위셀들은 각 단위셀의 외측면부와 이격되어 위치될 수 있다. 상기와 같이 위치된 단위셀들은 전기적으로 직렬 연결되어 있을 수 있다.
상기 산화전극부(101, 201)는 오염수역의 하부 영역인, 침전물 내에 위치할 수 있다. 즉, 상기 침전물은 상기 오염수역 바닥에 위치한 것일 수 있으며, 즉, 상기 산화전극부(101, 201)는 상기 오염수역의 바닥에 위치한 상기 침전물 내에 위치하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 산화전극부(101, 201)는 산화 전극 및 상기 산화 전극과 연결된 산화 전극 지지체로 이루어진 것일 수 있다. 상기 산화 전극 지지체는 상기 산화 전극의 일부와 연결되어, 상기 오염수역의 침전물 내부의 원하는 위치에 상기 산화 전극을 배치시키는 역할을 하는 것일 수 있다. 상기 산화 전극 지지체는 절연체이면서, 쉽게 부식되지 않고, 기계적 특성이 우수한 물질로 형성하는 것일 수 있다. 일 예로, 상기 산화 전극 지지체는 두께를 가진 고정 장치의 형태, 또는 별도의 고정 장치에 부착되어 연결되는 형태일 수 있다. 상기 산화 전극 지지체는 공지된 절연물질로 형성할 수 있어, 특별히 한정하지는 않는다.
상기 산화전극부(101, 201)의 산화 전극은 상기 침전물의 표면과 평행한 방향으로 길게 형성된 판(plate)상의 형태일 수 있다. 상기 산화 전극은 상기 오염수역 내에 장기간 배치되어 사용하기 위하여, 적절한 기계적 강도와 인성을 가진 물질로 형성되는 것일 수 있다. 또한, 상기 산화 전극은 화학적으로 안정적이며, 미생물에게 독성이 없고, 또한, 미생물에게 친화성이 큰 물질을 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 산화 전극은 흑연을 함유하는 물질로 형성되는 것일 수 있다. 상기 산화 전극은, 예를 들어, 흑연으로 이루어진 흑연 플레이트(graphite plate), 흑연 펠트(graphite felt) 및 흑연 막대(graphite rod) 중에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있고, 또는 이들의 표면에 금속을 처리하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 산화 전극의 표면을 금속처리하는 것은, 상기 산화 전극이 상기 오염수역 내에 장기간 위치함에 따라 손상되는 것을 막기 위한 것일 수 있으며, 상기 금속처리를 위해 사용하는 금속은, 예를 들어, 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 루테늄(Ru) 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 오염수역은 본 발명의 미생물 연료전지의 전해질부(300)일 수 있으며, 호수, 바다 및 연못과 같은 폐쇄성 자연 수역이나 하수 처리장 및 폐수 처리장과 같은 인공 수역을 말하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 오염수역은 다량의 유기물(유기오염물)을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 유기물은 상기 오염수역을 이루고 있는 침전물 및 수중 내에 함유되어 있는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 미생물 연료전지에서 상기 오염수역을 포함하는 전해질부(300)는 제1단위셀 및 제2단위셀이 모두 공유하는 부분으로서, 전해질부(300) 내에 제1단위셀 및 제2단위셀이 모두 위치하는 구조일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 산화전극부(101, 201)의 산화 전극에서는 수소 이온과 이산화탄소가 형성되는 반응이 일어날 수 있다. 상기 오염수역 내에는 산소 농도가 낮은 혐기성 생태계에서 용이하게 생장할 수 있는 미생물이 구비되어 있을 수 있다. 상기 미생물은 세포 안에서 유기물을 산화하여 전자를 발생시킬 수 있으며, 상기 발생된 전자를 세포 밖으로 방출할 수 있다. 또한, 상기 미생물이 상기 유기물을 산화하는 과정에서 수소 이온과 이산화탄소가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 환원전극부(102, 202)는 환원 전극 및 상기 환원 전극과 연결된 환원 전극 지지체로 이루어진 것일 수 있다. 상기 환원 전극 지지체는 절연체이면서, 쉽게 부식되지 않고, 기계적 특성이 우수한 물질로 형성하는 것일 수 있다. 일 예로서, 상기 환원 전극 지지체는, 두께를 가진 고정 장치의 형태, 또는 별도의 고정 장치에 부착되어 연결되는 형태일 수 있다. 또는, 상기 환원 전극을 부유시킬 수 있는 형태로 형성할 수도 있다. 상기 환원 전극 지지체는 공지된 절연 물질로 형성할 수 있어, 특별히 한정하지는 않는다.
상기 환원 전극은 상기 오염수역의 표면과 평행한 방향으로 길게 형성된 판(plate)상의 형태를 가진 것일 수 있다. 상기 환원 전극은 앞서 상술한 상기 산화 전극과 같이, 상기 오염수역 내에 장기간 배치되어 사용하기 위해 적절한 기계적 강도와 인성을 가진 물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 환원 전극은 화학적으로 안정적이며, 미생물에게 독성이 없고, 미생물에게 친화성이 큰 물질을 사용하는 것일 수 있다.
상기 환원 전극은 흑연을 함유하는 물질로 형성되는 것일 수 있다. 상기 환원 전극은, 예를 들어, 흑연으로 이루어진 흑연 플레이트(graphite plate), 흑연 펠트(graphite felt) 및 흑연 막대(graphite rod) 중에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있고, 또는 이들의 표면에 금속을 처리하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 환원 전극의 표면을 금속처리하는 것은, 상기 환원 전극이 상기 오염수역 내에 장기간 위치함에 따라 손상되는 것을 막기 위한 것일 수 있으며, 상기 금속처리를 위해 사용하는 금속은, 예를 들어, 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 루테늄(Ru) 등을 사용할 수 있다.
상기 환원전극부(102, 202)의 환원 전극에서는 산소의 환원반응이 일어날 수 있다. 구체적으로, 공기 중의 산소가 상기 오염수역의 수표 면에 용해되고, 이러한 오염수역 내에 용존하는 산소는 상기 산화전극부(101, 201)에서 형성된 수소 이온과 반응하여 환원되며서, 물(H2O)을 형성할 수 있다.
이때, 상기 산화전극부(101, 201)에 형성된 수소 이온이 환원전극부(102, 202)로 이동할 때, 제1단위셀의 산화전극부(101)에서 형성된 수소 이온이 제2단위셀의 환원전극부(202)로 이동될 수 있고, 제2단위셀의 산화전극부(201)에서 형성된 수소 이온이 제1단위셀의 환원전극부(102)로 이동되는 현상이 발생할 수 있다. 이는 제1단위셀 및 제2단위셀이 서로 전해질부(300)를 공유하고 있기 때문이며, 상기 전해질부(300)는 이온이 이동할 수 있도록 하는 매개체로서 상기 전해질부(300)가 단위셀 간에 공유된다면 이온의 이동 방향은 전해질부(300) 내에서 자유로울 수 있다. 상기 현상이 발생하게 되면, 미생물 연료전지 내에서 전자가 의도된 방향으로 흐르지 않을 수 있어 단락 현상이 발생할 수 있으며, 상기 단락 현상으로 인해 미생물 연료전지의 에너지 생산량이 감소하여 전체 전위가 감소할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 단락 현상을 억제하기 위하여 상기 제1단위셀의 반응조의 상부 및 상기 제2단위셀의 반응조의 상부가 서로 연결되어 형성된 연결부를 포함할 수 있고, 상기 연결부의 중심에 음이온 교환막부(500)를 포함할 수 있다. 상기 음이온 교환막부(500)는 제1단위셀의 산화전극부(101)에서 형성된 수소 이온이 전해질부(300)를 따라 이동할 때, 제2단위셀의 환원전극부(202)로 이동하거나, 제2단위셀의 산화전극부(201)에서 형성된 수소 이온이 전해질부(300)를 따라 이동할 때, 제1단위셀의 환원전극부(102)로 이동하는 현상을 억제할 수 있다. 이는 상기 양전하를 띄는 수소 이온과 음이온 교환막부(500)에 고정이온으로 존재하는 고분자 양이온 간의 전하 반발 원리를 이용한 것으로서, 상기 제1단위셀 및 상기 제2단위셀 간의 이온 전류(Ionic Current)에대한 저항을 높일 수 있다. 이에 따라 수소 이온이 단위셀 외부로 이동하지 않을 수 있으며, 단락 현상을 방지할 수 있다.
종래에는 상기 단락 현상에 대한 원인에 대해 단위셀 간의 내부 총 저항으로 생각하여 상기 내부 총 저항을 감소시키기 위한 연구를 진행해왔다. 하지만, 추후 전술되는 표 1 및 도 8과 같이, 상기 음이온 교환막부를 포함하는 직렬 연결된 미생물 연료전지를 통해, 단락 현상의 원인이 단위셀 간의 내부 저항 중 전하이동 저항임을 확인할 수 있었다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음이온 교환막부(500)는 고정이온으로 양이온이 존재하는 막이라면 제한되지 않고 사용이 가능할 수 있으며, 구체적으로 양이온에 대한 저항성이 크고 내구성이 좋은 AM-1을 포함하는 고분자 막일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 미생물 연료전지는 상기 제2단위셀의 구조와 동일한 구조를 포함하고, 상기 제2단위셀의 외측면부와 이격되어 위치되되, 상기 제2단위셀의 전해질부를 공유하는 복수 개의 단위셀을 더 포함하고, 상기 복수 개의 단위셀은 상기 복수 개의 단위셀의 반응조의 상부 간에 서로 연결되어 형성된 복수 개의 연결부를 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 연결부의 중심부에는 음이온 교환막부(500)를 위치할 수 있으며, 상기 음이온 교환막부(500)로 인해 전해질부(300)를 공유하는 복수 개의 단위셀 간의 단락 현상이 감소할 수 있다.
이하, 미생물 연료전지의 직렬 연결 방법에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 미생물 연료전지의 직렬 연결 방법을 나타낸 순서도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 미생물 연료전지의 직렬 연결 방법은 제1단위셀 및 제2단위셀을 준비하는 단계(S100), 상기 제1단위셀 및 제2단위셀의 개로회로전압의 안정화를 확인하는 단계(S200), 상기 제1단위셀 및 제2단위셀 간의 내부저항을 측정하는 단계(S300) 및 상기 제1단위셀 및 제2단위셀을 전기적으로 직렬 연결하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.
먼저, 제1단위셀 및 제2단위셀을 준비하는 단계(S100)에서, 상기 제1단위셀 및 제2단위셀은 앞서 검토한 일실시예의 구조를 포함할 수 있다. 일실시예로, 상기 제1단위셀 및 제2단위셀은 내부가 비어있는 반응조, 상기 반응조 내부의 하부에 위치된 산화전극부, 상기 반응조 내부의 중심부에 위치된 환원전극부, 상기 산화전극부 및 상기 환원전극부를 수용하는 전해질부를 포함하는 제1단위셀, 상기 제1단위셀의 구조와 동일한 구조를 포함하고, 상기 제1단위셀의 외측면부와 이격되어 위치되되, 상기 제1단위셀의 전해질부를 공유하는 제2단위셀 및 상기 제1단위셀 내부의 상부에 위치하여 상기 제1단위셀의 화학 반응으로 형성된 수소 이온이 상기 제2단위셀로 이동되는 것을 제어하는 제1양전하 전극부를 포함할 수 있다. 다른 일실시예로, 상기 제1단위셀 및 제2단위셀은 내부가 비어있는 반응조, 상기 반응조 내부의 하부에 위치된 산화전극부, 상기 반응조 내부의 중심부에 위치된 환원전극부, 상기 산화전극부 및 상기 환원전극부를 수용하는 전해질부를 포함하는 제1단위셀 및 상기 제1단위셀의 구조와 동일한 구조를 포함하고, 상기 제1단위셀의 외측면부와 이격되어 위치되되, 상기 제1단위셀의 전해질부를 공유하는 제2단위셀을 포함하고, 상기 제1단위셀의 반응조의 상부 및 상기 제2단위셀의 반응조의 상부가 서로 연결되어 형성된 연결부를 포함하고, 상기 연결부의 중심부에 위치된 양전하 전극부를 포함할 수 있다. 상기 미생물 연료전지의 각 구성 요소에 대한 구체적인 내용은 상기 전술한 일실시예인 직렬 연결된 미생물 연료전지와 동일하므로, 이하 내용을 생략하기로 한다.
그 다음으로, 상기 제1단위셀 및 제2단위셀의 개로회로전압의 안정화를 확인한다(S200).
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 단계(S200)는 제1단위셀 및 제2단위셀의 시스템 안정화를 확인하기 위한 단계로서, 시간에 따른 개로회로전압의 변화가 오차범위 - 2 % 내지 + 2 %여야, 제1단위셀 및 제2단위셀의 시스템이 안정화되었다고 할 수 있다. 상기 시간에 따른 개로회로전압의 변화는 멀티미터(Multimeter)를 이용하여 확인할 수 있다.
그 다음으로, 상기 제1단위셀 및 제2단위셀 간의 내부저항을 측정한다(S300).
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 단계(S300)는 단락 현상 시 발생하는 전류 (Shunt Current)에이온전류(Ionic Current)가주는 영향을 확인하기 위해 안정화된 제1단위셀의 및 제2단위셀의 간의 내부저항을 측정할 수 있다. 구체적으로, 상기 내부저항은 전기화학 임피던스(Electrochemcial Impedance Spectroscopy) 기술을 이용하여 제1단위셀의 산화전극부 및 제2단위셀의 환원전극부 간의 용액 저항(Rs) 및 전하이동 저항(Rct)을 측정할 수 있다.
마지막으로, 상기 제1단위셀 및 제2단위셀을 전기적으로 직렬 연결한다(S400).
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1단위셀 및 제2단위셀은 도선에 의해 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 직렬 연결은 상기 제1단위셀의 산화전극부 및 상기 제2단위셀의 환원전극부가 도선으로 연결되고, 상기 제1단위셀의 환원전극부 및 상기 제2단위셀의 산화전극부가 도선으로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
미생물이 침전물에 함유된 유기물을 산화하면서 발생하여 상기 제1단위셀의 산화전극부로 전달된 전자는, 상기 도선을 따라 상기 제2단위셀의 환원전극부로 이동하게 되면서 본 발명의 미생물 연료전지가 작동될 수 있다. 상기 도선은 수중 내에서도 용이하게 사용할 수 있는 물질로 구성되거나, 또는 상기와 같은 물질로 둘러싸여 수중 내에서도 보호될 수 있는 형태로 구비되는 것일 수 있다. 상기 도선은 공지된 수중 전기장치를 이용하여 구성할 수 있으므로, 특별히 한정하지는 않는다.
본 발명의 실시예에 있어서, 미생물 연료전지를 구성하는 단위셀은 적어도 2개 이상일 수 있으며, 제1단위셀 및 제2단위셀 이외에도 복수 개의 단위셀을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 미생물 연료전지를 구성하는 단위셀이 10개일 경우, 제1단위셀의 산화전극부 및 제10단위셀의 환원전극부가 도선으로 연결되고, 상기 제1단위셀의 환원전극부 및 제2단위셀의 산화전극부가 도선으로 연결되며, 상기 제2단위셀의 환원전극부 및 제3단위셀의 산화전극부가 도선으로 연결될 수 있으며, 이러한 순서로 10개의 단위셀이 직렬 연결될 수 있다.
상기 단위셀 간의 직렬 연결된 구조를 포함하는 미생물 연료전지는 양전하 전극부로 인해 단락 현상이 억제되며, 상기 제1단위셀 및 상기 제2단위셀 간의 이온 전류에 대한 저항을 높일 수 있다. 이에 따라 상기 직렬 연결된 미생물 연료전지의 에너지 생산량이 증가할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 기재한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아님을 명시한다.
[실시예 1]
직렬 연결된 미생물 연료전지 제조
본 실시예 1은 첨부된 도 6에 도시된 바와 같다.
도 6을 참조하면, 전기활성 미생물을 포함하는 퇴적물 및 전해질의 샘플은 영광(35° 21' 38.47N, 126° 25' 25.22E)에 위치한 저수지로부터 채취하였으며, 상기 전해질은 균일한 상태로 유지하기 위하여 스테인레스 매쉬로 여과시킨 후, 2 시간 동안 교반하여 준비하였다.
그 다음, 20 cm (l) × 10 cm (w) × 10 cm (h) 크기를 갖는 사각형의 아크릴 챔버 반응기로 준비한 후, 4 cm (지름) × 8 cm (높이) 크기의 밑면이 닫혀있고 윗면이 열려있는 두 개의 아크릴 원기둥을 두 개의 단위셀로 준비하여 상기 반응기의 중심부에 10 cm 간격으로 이격되게 설치하였다. 이후, 두 단위셀 사이를 연결하는 0.5 cm 지름의 수축튜브를 설치하여 두 단위셀 간에 전해질이 공유되도록 하였다.
상기 반응기 내에 상기 퇴적물 1100 g을 투입하여 퇴적물 층이 3 cm가 되게 하고, 여기에 전해질 900 mL를 첨가하여 물 층이 5 cm로 형성되도록 두어 반응기 및 단위셀 내에 물 층 및 침전물 층 간의 경계면이 형성된 채로 골고루 분포되게 하였다. 상기 반응기 내의 전해질 및 상기 단위셀 내의 전해질이 섞이지 않도록 상기 반응기 내의 전해질의 높이를 상기 단위셀 내의 전해질 높이보다 낮게 설치하였다.
제1단위셀의 산화전극부의 산화 전극으로 두께 0.5 cm, 길이 4 cm, 폭 4 cm의 단단한 흑연판을 사용하며, 산화 전극 지지체로 두께가 있는 절연판을 사용하였다. 또한, 제1단위셀의 환원전극부의 환원 전극으로 두께 0.1 cm, 길이 5 cm, 폭 5 cm의 흑연 천(cloth)을 사용하고, 환원 전극 지지체로 부유가능한 발포스티렌 수지(styrofoam)를 사용하였다. 제2단위셀은 상기 제1단위셀과 동일한 전해질, 산화 전극, 산화 전극 지지체, 환원 전극 및 환원 전극 지지체를 사용하였다.
상기 산화 전극을 3 cm의 두께로 쌓인 퇴적물 층의 표면으로부터 2 cm 떨어진 깊이에 위치시키고, 상기 환원 전극을 상기 산화 전극 상단에 3 cm 이격되게 위치시켰다.
상기 제1단위셀의 산화 전극 및 상기 제2단위셀의 환원 전극에 티타늄 와이어를 집전장치(current collector)로 이용한 구리도선을 연결하였고, 상기 제1단위셀의 환원 전극 및 상기 제2단위셀의 산화전극을 티타늄 와이어를 집전장치(current collector)로 이용한 구리도선으로 연결하여 직렬 연결된 미생물 연료전지를 제조하였다.
[실시예 2]
직렬 연결된 미생물 연료전지 제조
본 실시예 2는 첨부된 도 4에 도시된 바와 같다.
도 4를 참조하면, 상기 실시예 1에서, 0.5 cm 지름의 수축튜브 대신 3 cm 지름의 아크릴 원기둥을 사용하고, 환원 전극으로 10 cm 길이의 흑연 천을 사용하고, 상기 3 cm 지름의 아크릴 원기둥 내에 AM-1 고분자 막을 설치하는 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 직렬 연결된 미생물 연료전지를 제조하였다.
[실시예 3]
직렬 연결된 미생물 연료전지 제조
본 실시예 3은 첨부된 도 2에 도시된 바와 같다.
도 2를 참조하면, 본 실시예 3은 상기 실시예 1과 동일한 퇴적물 및 전해질을 준비하였다.
그 다음, 20 cm (l) × 10 cm (w) × 10 cm (h) 크기를 갖는 사각형의 아크릴 챔버를 반응기로 준비한 후, 4 cm (지름) × 8 cm (높이) 크기의 밑면이 닫혀있고 윗면이 열려있는 두 개의 아크릴 원기둥을 단위셀로 준비하여 상기 반응기 중심부에 10 cm 간격으로 이격되게 설치하여 두 단위셀 간 전해질이 공유되도록 하였다. 상기 퇴적물 1100 g을 투입하여 퇴적물 층이 3 cm 가 되게 하고, 여기에 전해질 1000 mL를 첨가하여 물 층이 6 cm로 형성되도록 두어 반응기 및 단위셀 내에 퇴적물 층 및 물 층의 경계면이 형성된 채로 골고루 분포되게 하였으며 반응기 내의 전해질 및 단위셀 내의 전해질이 섞이도록 구성하였다.
제1단위셀의 산화전극부의 산화 전극으로 두께 0.5 cm, 길이 4 cm, 폭 4 cm의 단단한 흑연판을 사용하며, 산화 전극 지지체로 두께가 있는 절연판을 사용하였다. 또한, 제1단위셀의 환원전극부의 환원 전극으로 두께 0.1 cm, 길이 5 cm, 폭 5 cm의 흑연 천(cloth)을 사용하고, 환원 전극 지지체로 부유가능한 발포스티렌 수지(styrofoam)를 사용하였다. 양전하 전극으로는 백금 촉매가 코팅된 두께 0.1 cm, 길이 5 cm, 폭 5 cm의 흑연 천(cloth)을 사용하였다. 제2단위셀은 제1단위셀과 동일한 전해질, 산화 전극, 산화 전극 지지체, 환원 전극 및 환원 전극 지지체를 사용했으며 양전하 전극을 사용하지 않았다.
상기 산화 전극을 3 cm의 두께로 쌓인 퇴적물 층의 표면으로부터 2 cm 떨어진 깊이에 위치시키고, 상기 환원 전극을 상기 산화 전극 상단에 3 cm 이격되게 위치시킨 후 제 1 단위셀 상단에 양전하 전극을 위치시켰다.
상기 제1단위셀의 산화 전극 및 상기 제2단위셀의 환원 전극에 티타늄 와이어를 집전장치(current collector)로 이용한 구리도선을 연결하였고, 상기 제1단위셀의 환원 전극 및 상기 제2단위셀의 산화 전극을 티타늄 와이어를 집전장치(current collector)로 이용한 구리도선으로 연결하여 직렬 연결된 미생물 연료전지를 제조하였다.
[실시예 4]
직렬 연결된 미생물 연료전지 제조
본 실시예 4는 첨부된 도 3에 도시된 바와 같다.
도 3을 참조하면, 상기 실시예 3에서, 제2단위셀에 제1단위셀과 동일한 양전하 전극을 사용하여, 제1단위셀 및 제2단위셀 상단에 각각 양전하 전극을 위치시키는 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 직렬 연결된 미생물 연료전지를 제조하였다.
[실시예 5]
직렬 연결된 미생물 연료전지 제조
본 실시예 5는(미도시) 상기 실시예 4에서, 제1단위셀의 양전하 전극 및 제2단위셀의 양전하 전극이 전위가변기(Potentiostat)와 연결되어 전위가 조절되는 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 직렬 연결된 미생물 연료전지를 제조하였다.
[비교예 1]
직렬 연결된 미생물 연료전지 제조
본 비교예 1은 첨부된 도 1에 도시된 바와 같다.
도 1을 참조하면, 본 비교예 1은 상기 실시예 1과 동일한 퇴적물 및 전해질을 준비하였다.
그 다음, 20 cm (l) × 10 cm (w) × 10 cm (h) 크기를 갖는 사각형의 아크릴 챔버를 준비한 후, 상기 퇴적물 1100 g을 투입하여 퇴적물 층이 3 cm가 되게 하고, 여기에 전해질 1000 mL를 첨가하여 전해질 층이 6 cm로 형성되도록 두어 반응기내에 전해질 층 및 침전물 층 간의 경계면이 형성된 채로 골고루 분포되게 하였다.
제1단위셀의 산화전극부의 산화 전극으로 두께 0.5 cm, 길이 4 cm, 폭 4 cm의 단단한 흑연판을 사용하며, 산화 전극 지지체로 두께가 있는 절연판을 사용하였다. 또한, 제1단위셀의 환원전극부의 환원 전극으로 두께 0.1 cm, 길이 5 cm, 폭 5 cm의 흑연 천(cloth)을 사용하고, 환원 전극 지지체로 부유 가능한 발포스티렌 수지(styrofoam)를 사용하였다. 제2단위셀은 제1단위셀과 동일한 산화 전극, 산화 전극 지지체, 환원 전극 및 환원 전극 지지체를 사용하였다.
상기 산화 전극을 3 cm의 두께로 쌓인 퇴적물 층의 표면으로부터 2 cm 떨어진 깊이에 위치시키고, 상기 환원 전극을 상기 산화 전극 상단에 3 cm 이격되게 위치시켰다.
상기 제1단위셀의 산화 전극 및 상기 제2단위셀의 환원 전극에 티타늄 와이어를 집전장치(current collector)로 이용한 구리도선을 연결하였고, 상기 제1단위셀의 환원 전극 및 상기 제2단위셀의 산화전극을 티타늄 와이어를 집전장치(current collector)로 이용한 구리도선으로 연결하여 직렬 연결된 미생물 연료전지를 제조하였다.
하기 도 7은 비교예 1의 제1단위셀 및 제2단위셀을 직렬 연결하였을 때 멀티미터(Multimeter)를 이용하여 측정된 시간에 따른 개로전압(Open Circuit Voltage, OCV)의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 8은 비교예 1 및 실시예 1 내지 실시예 5의 의 제1단위셀 및 제2단위셀을 직렬 연결하였을 때 멀티미터(Multimeter)를 이용하여 측정된 시간에 따른 개로전압(Open Circuit Voltage, OCV)의 변화를 나타낸 그래프이다.
실시예 3의 경우, 개로전압(Open Circuit Voltage) 측정 시 제 1단위셀에 설치된 양전하 전극의 전극 전위 (Electrode Potential)는 0.6 ± 0.05 V (vs Ag/AgCl)를 유지하였으며, 실시예 4의 경우, 두 단위셀에 설치된 양전하 전극의 전극 전위 (Electrode Potential)는 0.6 ± 0.05 V (vs Ag/AgCl)를 유지하였다. 또한, 실시예 5의 경우, 두 단위셀에 설치된 양전하 전극의 전극 전위 (Electrode Potential)는 1.0 ± 0.02 V (vs Ag/AgCl)를 유지하였다.
하기 도 9는 전기화학 임피던스(Electrochemcial Impedance Spectroscopy) 기술을 이용하여 측정된 실시예 4의 제1단위셀의 산화전극부 및 제2단위셀의 환원전극부 간의 용액 저항(Rs) 및 전하이동 저항(Rct)을 나타낸 그래프이며, 상기 그래프를 바탕으로 상기 실시예 4의 용액 저항(Rs) 및 전하이동 저항(Rct)을 하기 표 1에 도시하였다. 동일한 방법으로 측정된 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 5 및 비교예 1의 용액 저항(Rs) 및 전하이동 저항(Rct)을 하기 표 1에 도시하였다.
실시예 단위셀 간의 내부 저항 (Ω)(제1단위셀 산화 전극-제2단위셀 환원 전극) Sum (Ω)
Rs Rct
비교예 1 138 5 143
실시예 1 1365 13 1378
실시예 2 260 1250 1510
실시예 3 970 17235 18205
실시예 4 400 28000 28400
실시예 5 810 335446 336246
도 7 내지 도 9 및 표 1을 통해 전해질 공유 조건에서 직렬 연결 시 발생하는 단락 현상에 영향을 주는 인자를 확인하였다. 비교예 1의 경우 제1단위셀 및 제2단위셀 간의 직렬 연결 시 제2단위셀 기준으로 이론적으로 승압되어야 할 전압의 65 %가 30 초 이내에 감소하였다. 이때, 두 단위셀 간의 용액 저항(Rs)은 138 Ω, 전하이동 저항(Rct)은 5 Ω으로 총 내부저항(Internal Resistance)은 143 Ω으로 나타났다.
단락 현상의 주요 원인은 두 단위셀 간의 이온전류(Ionic Current)이며,이를 최소화 하기 위해 실시예 1을 구성하였다. 실시예 1의 구성으로 인해 용액 저항(Rs)을 1365 Ω, 총 내부저항을 1378 Ω으로 증가시켰지만 단락 현상에 의한 전압 감소는 유지되었다. 상기 실시예 1을 통해, 단위셀 간의 내부 저항 중 용액 저항(Rs)은 단락 현상에 의한 전압 감소 현상을 제어하지 못하는 것을 확인하였다.
두 단위셀 간의 이온전류를 최소화 하기 위해, 전하이동 저항(Rct)를 증가시킬 수 있는 연료전지 설계를 수행하였고, 이에 대한 결과로 실시예 2를 제조하였다. 상기 실시예 2의 경우, 비교예 1보다 30 초 이내에 감소하는 이론적으로 승압되어야 할 전압의 폭이 줄어든 것을 확인할 수 있었지만, 시간이 지날수록 단락 현상에 의한 전압 감소 현상을 효과적으로 제어하지 못하는 것을 확인하였다.
실시예 3, 실시예 4 및 실시예 5를 구성하여 전하이동 저항(Rct)의 증가에 따른 단락 현상 및 전압 감소를 확인한 결과, 전하이동 저항(Rct)이 17235 Ω, 28000 Ω일 때 30초 구간에서의 전압 감소는 이론적으로 승압되어야 할 전압의 2% 이내이며 시간에 따라 이론값으로 수렴하였다. 또한, 전하이동 저항(Rct)이 335446 Ω일 때 승압된 전압은 두 단위셀 전압의 합 즉, 이론값과 일치한 상태로 유지되는 것을 확인하였다.
이러한 결과를 바탕으로, 양전하 전극을 통해 직렬 연결을 구성하는 미생물 연료전지는 단위셀 간의 의도하지 않은 수소 이온의 이동이 감소할 수 있어 저항이 증가하고, 이에 따라 상기 미생물 연료전지의 단락 현상이 억제되어 승압된 전압이 감소하지 않고 유지될 수 있어 상기 미생물 연료전지를 이용하여 생성 가능한 에너지량이 향상될 수 있는 것으로 판단될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
[부호의 설명]
100, 200 : 반응조
11, 21, 101, 201 : 산화전극부
12, 22, 102, 202 : 환원전극부
103: 제1양전하 전극부 203 : 제2양전하 전극부
300 : 전해질부
14, 400 : 도선
500 : 음이온 교환막부

Claims (15)

  1. 내부가 비어있는 반응조;
    상기 반응조 내부의 하부에 위치된 산화전극부;
    상기 반응조 내부의 중심부에 위치된 환원전극부;
    상기 산화전극부 및 상기 환원전극부를 수용하는 전해질부를 포함하는 제1단위셀;
    상기 제1단위셀의 구조와 동일한 구조를 포함하고, 상기 제1단위셀의 외측면부와 이격되어 위치되되, 상기 제1단위셀의 전해질부를 공유하는 제2단위셀; 및
    상기 제1단위셀 내부의 상부에 위치하여 상기 제1단위셀의 화학 반응으로 형성된 수소 이온이 상기 제2단위셀로 이동되는 것을 제어하는 제1양전하 전극부; 를 포함하고,
    상기 제1단위셀 및 상기 제2단위셀은 전기적으로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2단위셀 내부의 상부에 위치하여 상기 제2단위셀의 화학 반응으로 형성된 수소 이온이 상기 제1단위셀로 이동되는 것을 제어하는 제2양전하 전극부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1양전하 전극부 및 제2양전하 전극부 사이를 연결하고, 상기 제1양전하 전극부 및 제2양전하 전극부의 전위를 조절하는 전위가변기(Potentiostat)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1양전하 전극부는 자발적 산화환원 반응을 통해 양전하를 나타낼 수 있는 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전해질부는 미생물을 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2단위셀의 구조와 동일한 구조를 포함하고, 상기 제2단위셀의 외측면부와 이격되어 위치되되, 상기 제2단위셀의 전해질부를 공유하는 복수 개의 단위셀을 더 포함하고,
    상기 제2단위셀 및 상기 복수 개의 단위셀 간에 전기적으로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지.
  7. 내부가 비어있는 반응조;
    상기 반응조 내부의 하부에 위치된 산화전극부;
    상기 반응조 내부의 중심부에 위치된 환원전극부;
    상기 산화전극부 및 상기 환원전극부를 수용하는 전해질부를 포함하는 제1단위셀; 및
    상기 제1단위셀의 구조와 동일한 구조를 포함하고, 상기 제1단위셀의 외측면부와 이격되어 위치되되, 상기 제1단위셀의 전해질부를 공유하는 제2단위셀을 포함하고,
    상기 제1단위셀의 반응조의 상부 및 상기 제2단위셀의 반응조의 상부가 서로 연결되어 형성된 연결부를 포함하고,
    상기 연결부의 중심부에 위치된 음이온 교환막부를 포함하고,
    상기 제1단위셀 및 상기 제2단위셀은 전기적으로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 음이온 교환막부는 양이온 통과에 저항성을 갖는 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 음이온 교환막부는 상기 제1단위셀의 화학 반응으로 형성된 수소 이온이 상기 제2단위셀로 이동되는 것을 제어하고, 상기 제2단위셀의 화학 반응으로 형성된 수소 이온이 상기 제1단위셀로 이동되는 것을 제어하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 전해질부는 미생물을 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제2단위셀의 구조와 동일한 구조를 포함하고, 상기 제2단위셀의 외측면부와 이격되어 위치되되, 상기 제2단위셀의 전해질부를 공유하는 복수 개의 단위셀을 더 포함하고,
    상기 복수 개의 단위셀은 상기 복수 개의 단위셀의 반응조의 상부 간에 서로 연결되어 형성된 복수 개의 연결부를 포함하고,
    상기 제2단위셀 및 상기 복수 개의 단위셀 간에 전기적으로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수 개의 연결부의 중심부에 위치된 음이온 교환막부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결된 미생물 연료전지.
  13. 제1단위셀 및 제2단위셀을 준비하는 단계;
    상기 제1단위셀 및 제2단위셀의 개로회로전압의 안정화를 확인하는 단계;
    상기 제1단위셀 및 제2단위셀 간의 내부저항을 측정하는 단계; 및
    상기 제1단위셀 및 제2단위셀을 전기적으로 직렬 연결하는 단계를 포함하고,
    상기 제1단위셀 및 제2단위셀은,
    내부가 비어있는 반응조;
    상기 반응조 내부의 하부에 위치된 산화전극부;
    상기 반응조 내부의 중심부에 위치된 환원전극부;
    상기 반응조 내부의 상단에 위치된 양전하 전극부; 및
    상기 산화전극부, 상기 환원전극부 및 상기 양전하 전극부를 수용하는 전해질부를 포함하고,
    상기 직렬 연결은 상기 제1단위셀의 산화전극부 및 상기 제2단위셀의 환원전극부가 도선으로 연결되고, 상기 제1단위셀의 환원전극부 및 상기 제2단위셀의 산화전극부가 도선으로 연결되는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지의 직렬 연결 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1단위셀 및 제2단위셀 간의 내부저항을 측정하는 단계는,
    상기 제1단위셀의 산화전극부 및 상기 제2단위셀의 환원전극부 간의 내부저항을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지의 직렬 연결 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1단위셀의 양전하 전극부는 상기 제1단위셀의 화학 반응으로 형성된 수소 이온이 상기 제2단위셀로 이동되는 것을 제어하고, 상기 제2단위셀의 양전하 전극부는 상기 제2단위셀의 화학 반응으로 형성된 수소 이온이 상기 제1단위셀로 이동되는 것을 제어하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지의 직렬 연결 방법.
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