[논문]돼지 분뇨와 sPAES 막을 이용한 미생물 연료전지의 특성

이세훈; 문지윤; 김영숙; 추천호; 나일채; 이정훈; 이무석; 이동훈; 박권필

doi:10.9713/kcer.2016.54.4.453

돼지 분뇨와 sPAES 막을 이용한 미생물 연료전지의 특성
Characteristics of Microbial Fuel Cells Using Pig Waste and sPAES Membrane 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.54 no.4, 2016년, pp.453 - 458

이세훈 (순천대학교 화학공학과) , 문지윤 (순천대학교 화학공학과) , 김영숙 ((주)ETIS) , 추천호 ((주)ETIS) , 나일채 ((주)CNL Energy) , 이정훈 ((주)CNL Energy) , 이무석 (코오롱인더스트리(주) Eco 연구소 중앙기술원) , 이동훈 (코오롱인더스트리(주) Eco 연구소 중앙기술원) , 박권필 (순천대학교 화학공학과)

초록
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고분자전해질 연료전지용 MEA (Membrane and Electrode Assembly)와 돼지분뇨를 이용해 미생물연료전지(MFC)를 구동하였다. 미생물 연료전지에서 과불소계막과 탄화수소막의 성능을 비교하였다. 탄화수소막으로 sPAES 막을 사용하였고 과불소계막은 Gore 막을 사용했다. sPAES MEA가 Gore MEA보다 OCV는 50mV 높았고 출력 밀도는 비슷했다. sPAES 막을 강화시킴으로써 성능을 안정시킬 수 있었다. 미생물 연료전지의 셀 온도 $45^{\circ}C$에서 최고의 성능을 얻었고 배양액 순환속도 50 ml/min에서 최고의 성능을 얻었다. 최적 조건에서 돼지 분뇨를 이용한 미생물연료전지에서 최고 $1,100mW/m^2$의 출력 밀도가 발생하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Microbial fuel cells (MFC) were operated with pig wastes and PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) MEA (Membrane and Electrode Assembly). Performance of hydrocarbon membrane was compared with that of perfluoro membrane at MFC condition. Sulfonated-Poly(Arylene Ether Sulfone) was used as hydrocarbon membrane and Gore membrane was used as perfluoro membrane. OCV of sPAES MEA was 50mV higher than that of Gore MEA and power density of sPAES MEA was similar that of Gore MEA. Reinforcement of sPAES membrane stabilized the performance of MEA in MFC. The highest performance was obtained at temperature of $45^{\circ}C$ and with culture solution circulation rate of 50 ml/min. The highest power density was $1,100mW/m^2$ at optimum condition in MFC using pig waste.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 미생물연료전지에서도 탄화수소계막으로 sulfonated Poly(arylene ether sulfone)(sPAES)막을 사용해 미생물 연료전지의 경제성을 향상시키고자 하였다. 그리고 미생물 연료전지의 해결해야할 또 하나의 문제는 낮은 성능인데 본 연구에서 돼지 분뇨를 사용한 미생물 연료전지에서 구동조건에 따른 성능 변화를 연구해 미생물 연료전지의 성능을 향상시키고자 하였다.
Grzebyke등[3]은 polyethylene/poly(styrene-co-divinylbenzene)을 슬폰화하여 Nafion막 대신 사용하였는데 성능은 Nafion막에 비해 낮은 결과를 얻었다. 본 연구의 미생물연료전지에서도 탄화수소계막으로 sulfonated Poly(arylene ether sulfone)(sPAES)막을 사용해 미생물 연료전지의 경제성을 향상시키고자 하였다. 그리고 미생물 연료전지의 해결해야할 또 하나의 문제는 낮은 성능인데 본 연구에서 돼지 분뇨를 사용한 미생물 연료전지에서 구동조건에 따른 성능 변화를 연구해 미생물 연료전지의 성능을 향상시키고자 하였다.

제안 방법

저장탱크는 35~50 ^oC 항 온조에서, cell은 hot plate에서 25~50 ^oC 온도로 제어하였다. Electronic Loader (ESL-300Z)로 OCV를 측정하였고, Potentiostat (Solatron, SI 1287)로 일정 전압에서 전류가 정상상태에 도달했을 때 전류 값을 읽어 I-V 분극곡선과 전류-전력 곡선을 구했다.
Cathode에는 GDL를 사용해 공기 공급이 원활하게 하였고 anode쪽에는 GDL대신 카본펠트를 MEA와 접촉시켰다. MEA, GDL, 카본 펠트, 가스켓을 그래파이트 분리판 사이에 넣고 분리판 밖에는 집전판과 엔드플레이트를 차례로 조립해 80토크 압력으로 셀을 체결 하였다. 펌프에 의해 배양액은 저장탱크에서 셀로 20~60 ml/min으로 순환되고, 저장탱크에 질소를 유입해 혐기조건을 만들었다.
C에서 2일 동안 진탕배양한 후, 12,000 rpm에서 20분 동안 원심분리하여 침전된 세포를 사용하였다. 미생물의 SEM 분석은 FE-SEM (Hitachi S-4800, KBSI Suncheon center)을 이용하였으며 beam voltage는 10 kV였다. 미생물의 SEM 분석에 대한 상세한 내용은 전 논문에 있다[4].
배양액 순환속도를 20 ml/min에서 60 ml/min까지 증가시키면서 미생물연료전지를 구동해 그 성능을 비교하였다(Fig. 8). 20 ml/min 에서 50 ml/min까지 순환속도가 증가하면 성능이 증가해 최고 1,100 mW/m² 를 달성하였으나 50 ml/min에서는 더 이상 증가하지 않고 감소하였다.
석유를 기질로 하는 연료전지의 촉매로 사용되어 석유를 분해하고 전기를 생산하였다고 보고된 Stenotrophomonas acidaminiphila[5], 단백질성 물질을 많이 함유한 폐수의 친환경적인 처리와 함께 전기를 생산할 수 있는 가능성을 보인 Lysinibacillus sphaericus[6], 미생물 연료전지에 적용한 예가 아직 보고되지 않은 Bacillus aryabhattai B8W2288 (Genbank Accession No. EF114313)(Fig. 2)와 Ochrobactrum psudintermedium ADV31(T)(Genbank Accession No. DQ365921)를 분리 동정하였다.
펌프에 의해 배양액은 저장탱크에서 셀로 20~60 ml/min으로 순환되고, 저장탱크에 질소를 유입해 혐기조건을 만들었다. 전기 생산이 가능한 균의 대량증식을 위해 멸균한 NB (nutrient broth)에 가축 분뇨를 접종하여 shaking incubator에서 30 ^oC로 2일 동안 증식시킨 후 미생물 연료전지를 구동하였다. 저장탱크는 35~50 ^oC 항 온조에서, cell은 hot plate에서 25~50 ^oC 온도로 제어하였다.

대상 데이터

사의 MEA(전극 면적 25 cm²)제품과 코오롱사의 sPAES 탄화수소막을 이용한 MEA를 제조해 사용했다. MEA 제조는 데칼 방법을 이용하였고, 백금계 촉매로, 입자 크기가 2~4 nm인 백금 카본 블랙에 40중량% 담지된 Pt/C(Alfa Aesar, 42204)촉매를 사용하였으며 나피온 이오노머가 5중량%로 에탄올에 용해된 나피온 이오노머 용액을 사용하였다.
1). MFC 구성 요소는 PEMFC에 사용되는 요소들을 이용하였다. 즉 전극과 고분자막의 합체인 MEA, GDL (Gas Diffusion Layer), 분리판, 가스켓, 엔드플레이트 등이 모두 PEMFC에 사용되는 것들이다.
미생물 연료전지는 1실(one chamber) 구조로 구성하였다(Fig. 1). MFC 구성 요소는 PEMFC에 사용되는 요소들을 이용하였다.
MEA는 Gore Fuel Cell Tech.사의 MEA(전극 면적 25 cm²)제품과 코오롱사의 sPAES 탄화수소막을 이용한 MEA를 제조해 사용했다. MEA 제조는 데칼 방법을 이용하였고, 백금계 촉매로, 입자 크기가 2~4 nm인 백금 카본 블랙에 40중량% 담지된 Pt/C(Alfa Aesar, 42204)촉매를 사용하였으며 나피온 이오노머가 5중량%로 에탄올에 용해된 나피온 이오노머 용액을 사용하였다.

성능/효과

sPAES 막 MEA는 구동 시작 후 15시간에 출력 밀도가 991mW/m²이었으나 시간이지나면서 계속 감소해 85시간에는 400mW/m²으로 초기 성능의 40%로 감소했다(Fig. 5(b)).
3에 Gore MEA와 sPAES막 MEA로 구동한 미생물 연료전지의 초기 OCV 변화를 그래프로 나타냈다. sPAES막 MEA가 GoreMEA보다 빠르게 OCV가 상승해 일정한 값에 도달하였고 sPAES 막 MEA의 OCV가 약 50 mV 높았다. PEMFC에서 탄화수소막이 불소계막보다 가스투과도가 낮아 OCV가 높은 것과 같은 이유라고 본다[8].
C에서는 감소하였으며, 배양액 순환속도 50 ml/min에서 최고의 출력 밀도를 나타냈다. 돼지 분뇨와 sPAES 막을 이용한 MFC를 최적 조건에서 구동했을 때 1,100 mW/m² 의 최고 성능을 얻었다.
미생물 연료전지 셀의 온도가 30 ^oC에서 45^oC까지 상승하면서 성능이 증가하다 50 ^oC에서는 감소하였으며, 배양액 순환속도 50 ml/min에서 최고의 출력 밀도를 나타냈다. 돼지 분뇨와 sPAES 막을 이용한 MFC를 최적 조건에서 구동했을 때 1,100 mW/m² 의 최고 성능을 얻었다.
4에 Gore MEA와 sPAES막 MEA로 구동한 미생물 연료전지의 성능을 비교하였다. 배양액 온도 35 ^oC, 셀 온도 42^oC로 구동해서 성능이 일정 수준에 도달했을 때의 값으로 OCV처럼 성능도 sPAES MEA가 Gore MEA보다 빠르게 정상 값에 도달하였다. 돼지 분뇨를 영양원으로 미생물 연료전지를 구동한 Min 등[9]은 최고 261 mW/m²출력 밀도를 보고하였는데 본 연구의 Gore MEA에서 1,035 mW/m²의 출력밀도가 발생해 Min등의 결과보다 높은 성능을 보였다.
불소계막의 Gore MEA와 탄화수소 계 sPAES막 MEA로 구동한 미생물 연료전지에서 sPAES막 MEA가 Gore MEA보다 빠르게 OCV가 상승해 일정한 값에 도달하였고 OCV도 약 50 mV 높았으며, 출력밀도는 약 1,000 mW/m²으로 두 MEA가 거의 비슷하였다.
72시간 성능 측정 후 MEA는 그대로 두고 배양액을 교체하였다. 비강화 MEA는 70시간 경과하는 동안 성능이 60% 감소하였으나, 강화막 MEA는 72시간 경과하는 동안 1,012 mW/m²에서 913 mW/m²로 성능이 10% 감소하였고 174시간에 896 mW/m²로 11.5%감소해 강화막 MEA가 성능 감소가 작음을 나타냈다. 강화막과 비강화막을 비교했을 때 두 막이 모두 불순물에 의해 오염된 것은 같으므로 막오염에 의해 성능이 감소하는 정도는 크지 않다고 본다.
Gore MEA가 약간 높은 성능 값을 보이나 실험 오차 범위 (<5%)안에 들어 거의 같다고 할 수 있다. 저가의 탄화수소막으로 제조한 sPAES MEA가 성능으로 봤을 때 미생물 연료전지에 적용하여도 됨을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전해질막이 고가이며 PEMFC 가격에서 큰 비중을 차지하는 이유는 무엇인가?	고분자전해질 연료전지에서 전극과 전해질막의 가격이 전체 PEMFC 가격에서 많은 부분을 차지하는데, 전해질막이 고가인 이유는 불소계막을 사용하기 때문이므로 불소계막 대신 탄화수소계 막을 사용해 가격을 낮추고자 하는 연구개발이 활발히 진행되고 있다. Grzebyke등[3]은 polyethylene/poly(styrene-co-divinylbenzene)을 슬폰화하여 Nafion 막 대신 사용하였는데 성능은 Nafion막에 비해 낮은 결과를 얻었다.
	미생물연료전지와 PEMFC의 차이점은 무엇인가?	미생물연료전지(MFC)는고분자전해질연료전지(PEMFC)와모두 동일한 데, 다른 점 하나는 anode에 수소를 공급하는 대신 미생물과 유기물을 공급하여 전기를 발생하는 에너지 변환장치이다. MFC는 미생물이 유기물을 분해하면서 전자와 프로톤을 생성해 PEMFC의 백금 촉매 역할을 하는 것이다.
	MFC에서 촉매로 사용되는 전자방출균은 어떤 특징을 지니는가?	미생물이 유기물을 산화시킬 때 발생하는 전자는 미생물세포막에 존재하는 일련의 전자전달계를 경 유하면서 ATP형태의 에너지를 생산하게 되고, 전자전달계를 빠져 나온 전자는 최종전자수용체를(terminal electron accepter, TEA)를 환원시키면서 대사 작용이 완성된다[1]. 일부 미생물은 전자를 체 외에존재하는금속산화물같은최종전자수용체로이동시킬수있다. 이런 미생물은 전자방출균(exoelectrogen)이라하며, 이 미생물이 MFC에서 촉매로 사용된다.

참고문헌 (11)

Nester, E. W., Anderson, D. G., Roberts, C. E. and Nerster, M. T., Microbiology: A Human Perspective, 7th ed., McGraw-Hill, New York(2011).
Environmental Statistics Yearbook Vol. 25, the Ministry of Environment(2012).
Grzebyk, M., Pozniak, G., "Microbial Fuel Cells (MFCs) with Interpolymer Cation Exchange Membranes," Separation and Purification Technology, 41, 321-328(2005).

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Kim, Y. S., Chu, C. H., Jeong, J. J., Ahn, M. W., Na, I. C., Lee, J. H. and Park, K. P., "Characteristics of Microbial Fuel Cells Using Livestock Waste and Degradation of MEA," Korean Chem. Eng. Res., 52(2), 175-181(2014).

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Nandy, A., et al., "Utilization of Proteinaceous Materials for Power Generation in a Mediatorless Microbial Fuel Cell by a New Electrogenix Bacteria Lysinibacillus sphaericus VA5," Enzyme and Microbial Technology, 53, 339-344(2013).

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Jeong, J. J., Shin, Y. C., Lee, M. S., Lee, D. H., Na, I. C., Lee, H. and Park, K. P., "Characteristics of Poly(arylene ether sulfone) Membrane for Proton Exchange Membrane Fuel Cells," Korean Chem. Eng. Res., 51(5), 556-560(2013).

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Song, J. H., Kim, S. H., Ahn, B. K., Ko, J. J. and Park, K. P., "Effect of Electrode Degradation on the Membrane Degradation in PEMFC," Korean Chem. Eng. Res., 51(1), 68-72(2013).

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Lee, H., Kim, T. H., Sim, W. J., Kim, S. H., Ahn, B. K., Lim, T. W. and Park, K. P., "Pinhole Formation in PEMFC Membrane After Electrochemical Degradation and Wet/dry Cycling Test," Korean J. Chem. Eng., 28, 487-491(2011).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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