탄소 기반 전극의 마이크로유체 미생물 연료전지

Abstract

현대에는 고성능 스마트폰, 웨어러블 디바이스 등과 더불어 다양한 분야에서 사물 인터넷이 급속한 발전을 이루며 휴대용 전자기기와 소형기기의 전력 소모가 급증하고 있다. 다가오는 4차 산업혁명에서는 기존 전통산업과 인프라에서 이용할 센서에 대한 수요로 인해 전력 수요가 더욱더 확대될 전망이다. 급증하는 전력의 수요와 기존 발전시설이 갖는 환경문제를 해결하기 위해서 선진국들은 신재생 에너지 공급원의 연구에 박차를 가하고 있으며, 이에 친환경적이고 자립 가능한(self-sustaining) 신재생 에너지원이 주목받고 있다. 이에 미생물 연료전지는 폐수처리시설 및 소형 전자기기의 유망한 전력 공급원으로 제안되었다. 미생물 연료전지는 다양한 유기물을 분해하여 얻는 과정에서 전자 이동을 통해 전기를 생산하며, 특히 오·폐수에서 정화와 발전을 같이 할 수 있는 점에서 주목받고 있는 생물 전기화학 시스템이다. 미생물 연료전지는 다른 전력 공급원보다 훨씬 낮은 전력밀도를 보여주지만, 기존 발전기술이 활용하지 못한 오폐수와 같은 에너지 함량이 높은 유기성 폐수를 활용하는 에너지 하베스팅 기술로써 주목받는다. 이에 미생물 연료전지는 저전력으로 사용 가능한 진단 기기류와 환경 감지 센서의 전력 공급원으로써 활발히 연구되고 있다. 그러나 현재까지 개발된 미생물 연료전지들은 대부분은 양성자 교환막으로인해 소형화 설계에 문제가 있다. 양성자 교환막은 대체로 비싸며, 탈수 상태에서 작동 시 손상되는 낮은 기계적 강도를 가지는 문제가 있다. 대부분의 선행 연구에서는 미생물 연료전지의 전극에 사용하는 재료에 변화를 주어 전류밀도와 전력밀도를 개선하려고 하는 시도가 대부분이다. 본 연구에서는 선행연구에서 수행된 양성자 교환막 없이 작동하는 마이크로유체 미생물 연료전지의 전극과 반응유로 높이에 대한 변화를 주었다. 금 전극 대신 생물친화성이 뛰어난 탄소재료를 활용한 전극을 구현하고, 반응유로의 높이에 따라 동일한 전단 응력을 전극 표면에 가하는 주입 유량을 주어 전력밀도, 전류밀도와 더불어 연료 주입 대비 효율이 개선된 마이크로유체 미생물 연료전지를 목표로 한다. 적정 주입 유량을 찾아내기 위해 전극 표면에 가해지는 전단 응력을 전산유체해석 소프트웨어를 활용하여 계산하였으며, 미세 탄소 전극을 상온에서 제작하기 위하여 전기영동법(electrophoresis)을 이용하였다. 제작된 연료전지는 미생물 접종 후 시간대전류법(chronoamperometry)을 통해 작동하며 각각 다른 반응유로 높이에서 적정 주입 유량에 따른 전기적 성능을 측정하였다. 이후 전기적 신호가 안정화 되는 구간에서 선형주사법(linear sweep)으로 측정한 후 성능을 비교 및 검증하였다.; In this study, we designed and fabricated microfluidic microbial fuel cells(MMFC) with carbon based electrodes to enhance current density and power density as bio-affinitive materials. Flow analysis program was used to calculate flow rates which give similar shear stress on electrode surface in each microchannel which has different heights. Also it was used to locate electrodes avoiding diffusion zone. Electrophoresis was used to make carbon electrodes on nickel basis electrodes, deposited on glass wafers by micromachining, with single walled carbon nanotube powder. Microchannel was intagliated on polydimethylsiloxane (PDMS) and coated by Parlyene C to block oxygen. The shape of MMFC is triangular to expand the gap between inlets and increase the number of cell per wafer simultaneously. Experiments upon each MMFC of which the channel height was 35μm, 55μm, 95μm, and 175μm were operated with each flow rate calculated from flow analysis program. MMFCs were tested by cyclic voltammetry, chronoamperometry, and linear sweep on steady state. As a result, MFC in this study shows better electrical performance at 35μm, 55μm than 95μm and 175μm.