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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 백금촉매와 이온 교환 막을 사용하지 않는 저렴한 미생물 연료전지 시스템에서 MB 염색 스펀지에 CNT를 부착한 새로운 형태의 음극전극을 이용하여 MB 염색 스펀지가 미생물 연료전지에 미치는 영향을 평가 하였다. 또한 새로운 형태의 음극 전극을 이용한 미생물 연료전지 시스템에서 음극전극의 표면적 증가가 연료전지의 전력수율에 미치는 영향을 평가하였다.
- 본 실험에서는 음극전극의 MB 염색을 통한 미생물 연료전지의 성능을 평가하기 위하여 실험을 수행하였다. SC와 MC를 각각 음극전극으로 이용하여 미생물 연료전지의 최대전력수율을 측정한 결과 Fig.
- 본 연구에서는 백금 촉매와 이온교환막을 사용하지 않는 저렴한 미생물 연료전지시스템에서 스펀지를 음극전극을 사용하여 MB 염색 음극전극과 음극전극의 표면적 증가로 인한 미생물 연료전지의 성능을 평가하고자 하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 백금촉매와 이온 교환 막을 사용하지 않는 저렴한 미생물 연료전지 시스템에서 MB 염색 스펀지에 CNT를 부착한 새로운 형태의 음극전극을 이용하여 MB 염색 스펀지가 미생물 연료전지에 미치는 영향을 평가 하였다. 또한 새로운 형태의 음극 전극을 이용한 미생물 연료전지 시스템에서 음극전극의 표면적 증가가 연료전지의 전력수율에 미치는 영향을 평가하였다.
- 미생물 연료전지의 성능을 평가하기 위하여 분극실험을 통해 최대전력수율을 측정하였다. 분극실험은 가변저항을 이용하여 저항을 1에서 1,000 Ω까지 변화시켜가며 수행하였으며 전압 자료는 디지털 멀티미터를 이용하여 1분 간격으로 수집하였다.
- 미생물 연료전지의 형상은 Fig. 2에 나타난 것과 같이 4가지 전극을 동일한 운전조건 상태에서 효율을 평가할 수 있는 형태의 반응조를 이용하였다. 미생물 연료전지는 음극전극의 종류 이외의 모든 조건은 동일하게 하였으며 30 ℃의 항온실에서 운전하였다.
- 미생물 연료전지의 식종 미생물로는 S시 하수처리장에서 발생하는 혐기성 소화 슬러지를 사용 하였다. 반응조 유효체적(900 mL) 중 450 mL을 혐기성 소화슬러지로 식종한 후 인공폐수를 첨가 하였다. 인공폐수의 성상은 Table 1과 같다.
- 분극실험은 가변저항을 이용하여 저항을 1에서 1,000 Ω까지 변화시켜가며 수행하였으며 전압 자료는 디지털 멀티미터를 이용하여 1분 간격으로 수집하였다.
- 분극실험은 가변저항을 이용하여 저항을 1에서 1,000 Ω까지 변화시켜가며 수행하였으며 전압 자료는 디지털 멀티미터를 이용하여 1분 간격으로 수집하였다. 음극전극에 따른 내부저항은 저항 변화에 따른 전류-전압곡선에서 전류-전압 곡선의 직선 구간의 기울기를 측정하여 내부저항을 계산하였다.
대상 데이터
- 음극전극은 스펀지를 구조체로 하여 스펀지 표면에 CNT를 부착시킨 전극(sponge and CNT, SC)과 스펀지를 MB로 염색한 후 CNT를 부착시킨 음극전극 (methylene blue sponge and CNT, MC)을 사용하였다. 또한 음극전극의 표면적을 넓히기 위하여 Fig. 1에서 제시된 것과 같이 격자무늬를 가지는 스펀지 CNT 전극(grid shaped spongeand CNT, GSC) 및 MB 염색 전극(grid shaped methylene blue sponge and CNT, GMC)을 사용하였다.
- 미생물 연료전지의 식종 미생물로는 S시 하수처리장에서 발생하는 혐기성 소화 슬러지를 사용 하였다. 반응조 유효체적(900 mL) 중 450 mL을 혐기성 소화슬러지로 식종한 후 인공폐수를 첨가 하였다.
- 본 연구에서 사용된 미생물 연료전지의 양극과 음극전극은 집전체와 일체형 형태의 전극을 사용하였다. 양극전극은 스테인레스망에 CNT 를 부착한 형태이며, 양극전극의 성능 향상을 위한 촉매로는 백금을 제외한 구리, 철과 망간을 혼합한 혼합촉매를 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 미생물 연료전지의 양극과 음극전극은 집전체와 일체형 형태의 전극을 사용하였다. 양극전극은 스테인레스망에 CNT 를 부착한 형태이며, 양극전극의 성능 향상을 위한 촉매로는 백금을 제외한 구리, 철과 망간을 혼합한 혼합촉매를 사용하였다. 음극전극은 스펀지를 구조체로 하여 스펀지 표면에 CNT를 부착시킨 전극(sponge and CNT, SC)과 스펀지를 MB로 염색한 후 CNT를 부착시킨 음극전극 (methylene blue sponge and CNT, MC)을 사용하였다.
- 양극전극은 스테인레스망에 CNT 를 부착한 형태이며, 양극전극의 성능 향상을 위한 촉매로는 백금을 제외한 구리, 철과 망간을 혼합한 혼합촉매를 사용하였다. 음극전극은 스펀지를 구조체로 하여 스펀지 표면에 CNT를 부착시킨 전극(sponge and CNT, SC)과 스펀지를 MB로 염색한 후 CNT를 부착시킨 음극전극 (methylene blue sponge and CNT, MC)을 사용하였다. 또한 음극전극의 표면적을 넓히기 위하여 Fig.
성능/효과
- 1. 스펀지를 음극전극으로 이용한 미생물 연료전지에서 스펀지를 MB로 염색할 경우 최대 전력수율은 143.1 mW/m2으로 염색을 하지 않은 경우 보다 1.9배 높게 나타났다. 격자 모양을 생성한 스펀지 음극전극의 경우도 MB로 염색할 경우 최대 전력수율이 384.
- 2. 미생물 연료전지의 음극전극의 겉보기 표면적을 88(SC, MC)에서 152(GSC, GMC) cm2로 증가시켰을 경우 MB 염색처리를 하지 않은 SC와 GSC 음극전극의 최대전력수율은 74.0과 209.2 mW/m2로 나타나 최대전력수율이 2.8배 증가하는 것으로 나타났다. 또한, MB 염색과 표면적 증가를 동시에 수행한 GMC 음극전극을 사용한 경우 최대전력수율은 384.
- 3. SC, MC, GSC 및 GMC를 음극전극으로 사용한 경우 내부저항은 412, 225, 351 및 187 Ω으로 나타났다. 음극전극의 MB 염색 시 내부저항은 24 % 감소하는 것으로 나타났으며 음극전극의 표면적 증가 시 내부저항은 45 % 감소하는 것으로 나타났다.
- 2 mW/m2로 나타났다. SC 음극전극과 비교한 경우 최대전력이 2.8배 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 음극전극 표면적이 증가함에 따라 미생물 부착량이 많아지고 많은 양의 전자가 생성되면서 전력수율이 증가한 것으로 판단된다.
- 본 실험에서는 음극전극의 MB 염색을 통한 미생물 연료전지의 성능을 평가하기 위하여 실험을 수행하였다. SC와 MC를 각각 음극전극으로 이용하여 미생물 연료전지의 최대전력수율을 측정한 결과 Fig. 3과 같이 74.0 및 143.1 mW/ m2로 나타났다. 분극 곡선 실험을 통해 얻어진 결과와 같이 MC 음극전극을 사용 할 경우 최대 전력수율이 1.
- 음극전극의 MB 염색 시 내부저항은 24 % 감소하는 것으로 나타났으며 음극전극의 표면적 증가 시 내부저항은 45 % 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 음극전극의 MB 염색과 표면전극증가를 동시에 수행할 경우 내부저항을 54 %감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.
- 2배 증가하는 것을 발견하였다. 따라서 외생성 전자 매개체를 지속적으로 주입 없이도 전자 매개체의 부착 등을 통해 미생물 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.
- 8배 증가하는 것으로 나타났다. 또한, MB 염색과 표면적 증가를 동시에 수행한 GMC 음극전극을 사용한 경우 최대전력수율은 384.9 mW/m2로 전력수율이 최대 5.2배 증가하는 것으로 나타났다.
- 이와 같은 결과는 음극전극 표면적이 증가함에 따라 미생물 부착량이 많아지고 많은 양의 전자가 생성되면서 전력수율이 증가한 것으로 판단된다. 또한, MB로 염색한 스펀지의 표면적을 증가시킨 GMC를 음극전극으로 사용한 경우 최대전력수율은 384.9 mW/m2로 나타났다. 음극전극 종류에 따른 최대전력수율은 Fig.
- 따라서 스펀지 전극에 격자 모양 생성으로 음극전극의 표면적을 넓힌 경우 활성화 저항이 감소하는 것으로 판단된다. 또한, 음극전극을 MB로 염색할 경우 MB가 전자 매개체 역할을 함으로써 전자가 전극으로 이동하는데 발생할 수 있는 내부저항을 감소시킨 것으로 판단된다.
- 본 실험에서는 미생물 연료전지의 전력수율을 향상시키기 위하여 스펀지에 격자모양을 생성하여 음극전극의 겉보기 면적을 88에서 152 cm2로1.7배 증가시켰다. 표면적을 증가시킨 음극전극을 사용한 미생물 연료전지의 분극곡선 결과는 Fig.
- 1 mW/ m2로 나타났다. 분극 곡선 실험을 통해 얻어진 결과와 같이 MC 음극전극을 사용 할 경우 최대 전력수율이 1.93배 증가하는 것으로 나타났다. 전자 매개체가 포함되어 있지 않은 미생물 연료전지의 경우 음극 전극의 부착 미생물이 전력 생산에 주요 역할을 담당하며 보통 전자 매개체를 통해 전력수율 향상이 가능한 것으로 알려져 있다(Sharma and Li, 2010; Park and Zeikus, 1999).
- 음극전극에 따른 내부저항 측정 결과는 Fig. 6에 제시된 것과 같이 SC, MC, GSC 및 GMC 음극전극을 사용한 경우 내부저항은 각각 412, 225, 351 및 187 Ω으로 나타났다.
- SC, MC, GSC 및 GMC를 음극전극으로 사용한 경우 내부저항은 412, 225, 351 및 187 Ω으로 나타났다. 음극전극의 MB 염색 시 내부저항은 24 % 감소하는 것으로 나타났으며 음극전극의 표면적 증가 시 내부저항은 45 % 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 음극전극의 MB 염색과 표면전극증가를 동시에 수행할 경우 내부저항을 54 %감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 2배 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과를 통해 음극전극의 MB 염색과 표면적 증가를 통해 고효율의 음극전극 개발이 가능할 것으로 판단된다.
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