광합성 미생물연료전지는 미생물의 광합성 과정에서 나타나는 화학 에너지 변화를 전기화학적 반응을 통해 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 미생물의 광합성을 이용한 전기 에너지 생산은 청정에너지뿐만 아니라 산소 생산과 이산화탄소 저감 이라는 부수적 성과도 가질 수 있다. 하지만 전기 ...
광합성 미생물연료전지는 미생물의 광합성 과정에서 나타나는 화학 에너지 변화를 전기화학적 반응을 통해 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 미생물의 광합성을 이용한 전기 에너지 생산은 청정에너지뿐만 아니라 산소 생산과 이산화탄소 저감 이라는 부수적 성과도 가질 수 있다. 하지만 전기 에너지 효율이 낮고 전지의 부피가 크며 제작 난이도가 높다는 단점이 존재한다. 이러한 기존의 광합성 미생물 연료전지의 단점을 보완하기 위해 제작이 간단하고 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 막-전극 접합체를 제안하고 이를 이용해 광합성 미생물 연료전지를 제작하였다. 막-전극 접합체는 두 가지 방법으로 제작하였는데, 첫째, 금속 메쉬 전극과 이온교환막을 열압착 공정을 통하여 제작하는 방법과 둘째, 전극이 패터닝 된 유리기판에 구멍을 만들고 구멍에 캐스팅 방법을 이용하여 이온교환막을 생성하는 방법이다. 열압착 공정을 이용한 막-전극 접합체는 유연한 금속 메쉬 전극과 이온교환막 필름을 이용했기 때문에 광 투과성 유연전극으로써 사용이 가능하며 제작이 간단한 장점이 있다. 이를 이용하여 제작한 광합성 미생물 연료전지는 최대 전력 570.3 mW/m2, 개방 회로 전압 569.6mV가 측정되었다. 캐스팅 공정을 이용한 막-전극 접합체는 웨이퍼 단위의 공정이 가능하여 배치 프로세스를 통해 제작이 용이하고 막-전극 접합체를 소자화 할 수 있다는 장점이 있다. 캐스팅을 통해 전극에 최적화된 이온교환막 구조는 상용화된 필름 형태의 이온교환막을 적용하였을 때 보다 최대 전력은 31.9%, 개방 회로 전압은 27.7%개선된 결과가 측정되었다. 생산한 전력을 저장하고 사용하기 위하여 전력 저장모듈을 설계하고 제작하였다. 부스트 컨버터 회로를 적용한 전력 저장 모듈은 광합성 미생물 연료전지에서 나오는 전압보다 높은 전압으로 커패시터에 전력을 저장 가능하게 하며, 출력 전압이 낮은 미생물 연료 전지의 단점을 보완해 준다. 실내 및 실외에서 광합성 미생물 연료전지로 전력을 생산하고 전력 저장 모듈에 전력을 저장한 뒤 LED 소자를 구동하는 실험을 성공적으로 실행하였다.
광합성 미생물 연료전지는 미생물의 광합성 과정에서 나타나는 화학 에너지 변화를 전기화학적 반응을 통해 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 미생물의 광합성을 이용한 전기 에너지 생산은 청정에너지뿐만 아니라 산소 생산과 이산화탄소 저감 이라는 부수적 성과도 가질 수 있다. 하지만 전기 에너지 효율이 낮고 전지의 부피가 크며 제작 난이도가 높다는 단점이 존재한다. 이러한 기존의 광합성 미생물 연료전지의 단점을 보완하기 위해 제작이 간단하고 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 막-전극 접합체를 제안하고 이를 이용해 광합성 미생물 연료전지를 제작하였다. 막-전극 접합체는 두 가지 방법으로 제작하였는데, 첫째, 금속 메쉬 전극과 이온교환막을 열압착 공정을 통하여 제작하는 방법과 둘째, 전극이 패터닝 된 유리기판에 구멍을 만들고 구멍에 캐스팅 방법을 이용하여 이온교환막을 생성하는 방법이다. 열압착 공정을 이용한 막-전극 접합체는 유연한 금속 메쉬 전극과 이온교환막 필름을 이용했기 때문에 광 투과성 유연전극으로써 사용이 가능하며 제작이 간단한 장점이 있다. 이를 이용하여 제작한 광합성 미생물 연료전지는 최대 전력 570.3 mW/m2, 개방 회로 전압 569.6mV가 측정되었다. 캐스팅 공정을 이용한 막-전극 접합체는 웨이퍼 단위의 공정이 가능하여 배치 프로세스를 통해 제작이 용이하고 막-전극 접합체를 소자화 할 수 있다는 장점이 있다. 캐스팅을 통해 전극에 최적화된 이온교환막 구조는 상용화된 필름 형태의 이온교환막을 적용하였을 때 보다 최대 전력은 31.9%, 개방 회로 전압은 27.7%개선된 결과가 측정되었다. 생산한 전력을 저장하고 사용하기 위하여 전력 저장 모듈을 설계하고 제작하였다. 부스트 컨버터 회로를 적용한 전력 저장 모듈은 광합성 미생물 연료전지에서 나오는 전압보다 높은 전압으로 커패시터에 전력을 저장 가능하게 하며, 출력 전압이 낮은 미생물 연료 전지의 단점을 보완해 준다. 실내 및 실외에서 광합성 미생물 연료전지로 전력을 생산하고 전력 저장 모듈에 전력을 저장한 뒤 LED 소자를 구동하는 실험을 성공적으로 실행하였다.
Microbial fuel cell converts chemical energy to electrical energy by the electrochemical reaction. As one of different type of microbial fuel cell, photosynthetic microbial fuel cell uses light as a source of energy generation. Energy generation is dependent on several factors such as electrode mate...
Microbial fuel cell converts chemical energy to electrical energy by the electrochemical reaction. As one of different type of microbial fuel cell, photosynthetic microbial fuel cell uses light as a source of energy generation. Energy generation is dependent on several factors such as electrode material, internal resistance, electrolyte used. To reduce the internal resistance between anode electrode and proton exchange membrane (PEM) for the increase of energy generation, we introduce photosynthetic microbial fuel cell using membrane electrode assembly (MEA) fabricated by hot-pressing method and Nafion casting method. The proposed MEA by hot-pressing method was fabricated using stainless steel mesh and Nafion® 117 proton exchange membrane. And MEA by casting method was fabricated using a glass substrate with a patterned anode electrode and Nafion proton exchange membrane casted in through-glass holes formed by sand blasting. As a cathode material, Pt thin film deposited on glass wafer has been selected for high efficiency to reduction. Anode and cathode chambers are separated by the MEA and chamber wall is formed with PDMS spacer. Power density and open circuit voltage have been measured by chronoamperometric method. Because of power density varies depending on the load resistance, power density curve is calculated with measured current and variable load resistor in the range from 106.8 Ω to 1.004 MΩ. Maximum power density of the microbial fuel cell with hot pressed MEA is 570.3 mW/m2. Open circuit voltage 569.6mV is obtained. The maximum power density and open circuit voltage of the microbial fuel cell with casted MEA were improved 31.9% and 27.7% than using Nafion film. Experiment measurement results show that hot-pressed MEA is effective for energy generation by microbial fuel cell.
Microbial fuel cell converts chemical energy to electrical energy by the electrochemical reaction. As one of different type of microbial fuel cell, photosynthetic microbial fuel cell uses light as a source of energy generation. Energy generation is dependent on several factors such as electrode material, internal resistance, electrolyte used. To reduce the internal resistance between anode electrode and proton exchange membrane (PEM) for the increase of energy generation, we introduce photosynthetic microbial fuel cell using membrane electrode assembly (MEA) fabricated by hot-pressing method and Nafion casting method. The proposed MEA by hot-pressing method was fabricated using stainless steel mesh and Nafion® 117 proton exchange membrane. And MEA by casting method was fabricated using a glass substrate with a patterned anode electrode and Nafion proton exchange membrane casted in through-glass holes formed by sand blasting. As a cathode material, Pt thin film deposited on glass wafer has been selected for high efficiency to reduction. Anode and cathode chambers are separated by the MEA and chamber wall is formed with PDMS spacer. Power density and open circuit voltage have been measured by chronoamperometric method. Because of power density varies depending on the load resistance, power density curve is calculated with measured current and variable load resistor in the range from 106.8 Ω to 1.004 MΩ. Maximum power density of the microbial fuel cell with hot pressed MEA is 570.3 mW/m2. Open circuit voltage 569.6mV is obtained. The maximum power density and open circuit voltage of the microbial fuel cell with casted MEA were improved 31.9% and 27.7% than using Nafion film. Experiment measurement results show that hot-pressed MEA is effective for energy generation by microbial fuel cell.
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