다공성 전극기반 마이크로유체 미생물 연료전지

Abstract

최근 세계 1차 에너지 소비 중 석유의 비중(31.1%)이 가장 크고 다음이 석탄(28.9%), 천연가스(21.4%), 재생에너지(13.8%), 원자력(4.8%) 순이다. 1970년대에 비해 석유의 비중은 감소했지만 천연가스, 석탄, 원자력, 재생에너지의 비중은 증가하였다. 석유 파동 이후 발전 및 난방용 석유 수요는 급감하였지만, 수송용 수요는 안정적으로 증가하였다. 석탄은 석유발전을 대체하는 발전용으로의 수요 증가로 비중이 점진적으로 증가했지만 최근 대기오염 개선 및 온실가스 감축 정책이 강화되면서 새로운 상황에 직면해 있다. 천연가스는 대기오염 개선과 온실가스 감축 정책과 관련하여 도시가스용과 발전용 수요가 동시에 증가하였다. 원자력은 에너지 안보 강화와 온실가스 감축의 측면에서 장려되고 있지만 1990년대 이후 증가세는 둔화되었다. 재생에너지는 에너지 안보 강화와 온실가스감축이 고려되면서 2000년대 이후 가장 빠른 증가세를 기록해오고 있다. 이러한 신·재생에너지의 종류는 수소에너지, 연료전지, 태양광, 태양열, 풍력, 수력, 해양, 지열, 바이오, 폐기물 등이 있다. 연료전지 중 하나인 미생물 연료전지는 기존의 발전과는 다르게 출력 크기와 상관없이 일정하며 높은 효율을 보여 주기 때문에 소형 전자기기, 폐수처리시설의 전력 공급원으로 제안 된다. 미생물 연료전지는 기존의 연료전지와는 다르게 연소과정이 없다는 것과 오·폐수를 재활용한다는 장점이 있다. 하지만 다수의 선행연구들은 양성자 교환막을 사용하여 미생물 연료전지를 제작하였다. 양성자 교환막을 사용하여 연료전지를 제작 하면 소형화의 한계, 낮은 강도, 제작비용 증가의 단점이 있다. 또한 아직까지 미생물 연료전지는 실제 전자기기 및 전력 공급원으로 사용하기에는 낮은 최대전력밀도, 전류밀도를 보여 주고 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 양성자 교환막을 사용 하지 않기 위해 마이크로유체 시스템을 이용하였다. 낮은 최대전력밀도와 전류밀도 개선을 위하여 금속전극을 기저전극으로 사용하고 미생물 친화 전극인 탄소기반전극을 사용 하였으며 전극 위를 흐르는 형태의 연료전지가 아닌 다공성 전극의 기공 사이사이를 연료, 산화제가 통과하는 구조의 연료전지인 관통유동 마이크로유체 미생물 연료전지를 제작 하였다. 연료전지 전극의 확산영역 해석을 통해 전극의 위치를 정하기 위해 전산유체해석을 진행 하였다. 관통유동의 마이크로유체 미생물 연료전지는 연료, 산화제가 접촉할 수 있는 표면적을 증가시킨 연료전지를 이용하여 다양한 유량 조건에서 실험을 진행 하였다. 관통유동에 사용된 전극은 카본페이퍼이며 레이저 커터를 이용하여 커터 후 사용 하였다. 전극 폭 1mm에 대해 유량별로 실험을 진행 하였으며, 유량별 중 최적의 효율을 보인 연료전지에 대해 전극 폭을 변화 하며 실험을 진행 하였다. 제작된 연료전지의 성능, 지속시간, 전류를 발생하는데 까지 걸리는 시간을 실험하기 위한 시간대전류법(Chornoamperometry)을 실험을 진행 하였다. 시간대전류법 실험을 진행하는 동안 전류가 정상상태일 때 선형 주사법(Linear-sweep)과 전기화학 임피던스 분광법(EIS)을 측정 하였다.