[논문]저생 미생물 연료전지(BMFC)의 구동조건에 따른 성능 변화

오소형; 곽하원; 이예진; 김영숙; 추천호; 박권필

doi:10.9713/kcer.2019.57.2.172

저생 미생물 연료전지(BMFC)의 구동조건에 따른 성능 변화
Variation of Performance with Operation Condition of Benthic Microbial Fuel Cells 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.57 no.2, 2019년, pp.172 - 176

오소형 (순천대학교 화학공학과) , 곽하원 (순천대학교 화학공학과) , 이예진 (순천대학교 화학공학과) , 김영숙 ((주)ETIS) , 추천호 ((주)ETIS) , 박권필 (순천대학교 화학공학과)

초록
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저생 미생물 연료전지(BMFC)는 바다나 호수의 뻘 속에서 저생미생물이 유기물을 분해하면서 발생시키는 전기를 이용한 연료전지다. 본 연구에서는 BMFC 전극으로 카본 소재를 발수 처리한 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 가스확산층(GDL)을 사용해서 성능이 높게 나오는 구동조건을 찾고자 하였다. 높은 저항 값을 갖는 외부저항을 사용했을 때 성능이 높았으며 바닷물에서 리드선의 부식에 의한 전극과 접촉저항 증가를 피해야 성능을 유지할 수 있었다. 기포 발생기를 사용해 최고출력밀도를 2배 이상 높일 수 있었고 최적 구동 온도는 $40^{\circ}C$였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A benthic microbial fuel cells(BMFC) is fuel cell using electricity produced by decomposing organic matter in a sea or a lake. In this study, we used a gas diffusion layer (GDL) of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) as a BMFC electrode to find out the operation conditions with high performance. The performance of BMFC was increased as resistance of external resistor increased. It was possible to maintain the performance by avoiding the increase of the contact resistance with the electrode due to corrosion of the lead wire in seawater. The bubble generator was able to increase the maximum power density by more than 2 times and the optimum operating temperature was $40^{\circ}C$.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of BMFC apparatus.
그림 Fig. 2. Effect of external resistor on (a) I-V performance (b) I-P performance.
그림 Fig. 3. Comparison of I-P curve after 12 day operation according to material of lead wire.
그림 Fig. 4. Effect of air bubbling on I-P curve.
그림 Fig. 5. Effect of temperature on the I-P performance.
그림 Fig. 6. Effect of temperature on the maximum power density.
그림 Fig. 7. Performance of sea water mud and plain water mud BMFC (a) OCV (b) maximum power density.
그림 Fig. 8. Variation of total organic carbon (TOC) during BMFC operation.

AI 본문요약
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문제 정의

PEMFC GDL은 연료인 수소와 공기 그리고 부산물은 수분의 물질전달이 잘 되게 기공 분포와 소수성이 설계되어 있어서[14], BMFC의 전극으로 적합할 것으로 판단되어 본 연구에서 GDL을 전극으로 사용했다. BMFC는 50 mW/m² 이하의 낮은 출력 밀도가 문제여서 본 연구에서는 구동 조건을 변화시키며 BMFC의 성능을 향상시키는 조건을 찾고자 하였다.
성능을 향상시키기 위해 백금 담지 cathode 전극[10], fouling을 방지하기 위한 bio film cathode[11,12] 등이 많이 연구되었다. 본 연구에서는 anode와 cathode에 PEMFC의 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)을 사용해 BMFC를 구동하여 그 성능을 비교하고자 하였다. PEMFC의 GDL은 카본 파이버에 소수성인 PTFE를 처리한 GDBL(Gas Diffusion Backing Layer)층과 카본 블랙에 바인더로 구성된 MPL(Micro Porous Layer) 층으로 구성되어 있다[13].
연구자에 따라 10 Ω [15], 100 Ω [16], 1,000 Ω [17] 등 다른 외부 저항(external resistor)을 사용하였는데, 본 연구에서는 외부 저항을 변화시키면서 성능을 측정해 외부저항 변화 영향을 파악하고자 한 것이다.

제안 방법

BMFC셀의 온도를 변화시키며 BMFC 성능을 측정하였다(Fig. 5). 한 온도에서 24시간 구동한 후 성능을 측정하였다.
PEMFC의 GDL은 카본 파이버에 소수성인 PTFE를 처리한 GDBL(Gas Diffusion Backing Layer)층과 카본 블랙에 바인더로 구성된 MPL(Micro Porous Layer) 층으로 구성되어 있다[13]. PEMFC GDL은 연료인 수소와 공기 그리고 부산물은 수분의 물질전달이 잘 되게 기공 분포와 소수성이 설계되어 있어서[14], BMFC의 전극으로 적합할 것으로 판단되어 본 연구에서 GDL을 전극으로 사용했다. BMFC는 50 mW/m² 이하의 낮은 출력 밀도가 문제여서 본 연구에서는 구동 조건을 변화시키며 BMFC의 성능을 향상시키는 조건을 찾고자 하였다.
Cathode 전극을 수면 위에 놓고 그 위에 버블러를 위치시킨 후 air pump를 이용하여 충분한 양의 공기를 공급하였다. 색띠 저항을 이용하여 시간별로 저항의 변화에 따른 전압을 측정하여 전류와 출력밀도를 계산하였다. 유기물 처리 농도를 측정하기 위해 anode 전극과 접하고 있는 시료를 채취하여 60 ℃ dry oven에서 건조한 후 총유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 농도를 TOC 분석기(Shimadzu, TOC-L)로 분석하였다.
색띠 저항을 이용하여 시간별로 저항의 변화에 따른 전압을 측정하여 전류와 출력밀도를 계산하였다. 유기물 처리 농도를 측정하기 위해 anode 전극과 접하고 있는 시료를 채취하여 60 ℃ dry oven에서 건조한 후 총유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 농도를 TOC 분석기(Shimadzu, TOC-L)로 분석하였다.
5). 한 온도에서 24시간 구동한 후 성능을 측정하였다. 28 ℃에서 최고 출력밀도가 35.

대상 데이터

Anode와 cathode 전극은 모두 PEMFC GDL (JNT-20-A1, JNTG, Korea)를 사용했다. 전극은 두께 270 μm (at 25 kPa)이고 GDBL에서 PTFE 함량 10%, 전기저항 20 mΩcm² 이하였다.
전극은 두께 270 μm (at 25 kPa)이고 GDBL에서 PTFE 함량 10%, 전기저항 20 mΩcm² 이하였다. 뻘(sediment) 시료는 순천만 해변과 순천시 별량면 학산리에서 채취하여 냉장상태로 운반하고냉장보관하면서실험을진행하였다. 시료는 체에 걸러서흙을 제외한 고형 물질은 걸러내고 실험했다.
전극은 두께 270 μm (at 25 kPa)이고 GDBL에서 PTFE 함량 10%, 전기저항 20 mΩcm2 이하였다.

성능/효과

(1) 외부저항의 저항값이 증가할수록 BMFC 성능이 증가하였다.
(2) 바닷물에서 리드선의 부식에 의한 전극과 접촉저항 증가가 BMFC 성능을 감소시켰다.
(3) 기포발생기를 사용해 최고출력밀도를 2배이상 높일 수 있었다.
(4) 40 ℃까지 온도가 상승할 때 성능이 상승하다 감소해 BMFC 구동 최적 온도는 40 ℃ 였고 40 ℃에서 52 mW/m² 출력밀도가 발생했다.
(5) 갯벌 BMFC 최고출력밀도가 호수침전물 최고출력보다 2.3~3.5배 높았다.
(6) 갯벌 BMFC 구동 6일간 총유기탄소를 처음의 64%로 감소시켰다.
4에 나타냈다. Fig. 4의 I-V 곡선에 나타냈듯이 기포를 발생시킴으로서 OCV가 0.49 V에서 0.51 V로 증가하였고 성능이 전체적으로 향상되었다. PEMFC에서 cathode의 산소환원반응이 율속단계로 전체반응 속도 즉 전류를 결정하듯이[18], BMFC에서도 cathode의 반응 속도가 중요함을 보이고 있다.
호수 침전물 BMFC는 OCV나 최고출력밀도가 갯벌의 OCV와 최고출력 밀도에 비해 안정적이었다. 갯벌 BMFC는 최고출력밀도가 10일까지 증가하다 감소하는 경향을 보였고, 갯벌 BMFC 최고출력밀도가 호수침전물 최고출력보다 전반적으로 2.3~3.5배 높았다. 호수침전물의 겉보기 비중이 갯벌보다 32% 낮아서, 혐기성 조건이어야 하는 anode가 호수침전물의 경우 기공이 많아 용존 산소의 공급이 많기 때문에 성능이 낮을 수도 있다.
PEMFC에서 cathode의 산소환원반응이 율속단계로 전체반응 속도 즉 전류를 결정하듯이[18], BMFC에서도 cathode의 반응 속도가 중요함을 보이고 있다. 그래서 용존 산소 농도를 증가시킴으로써 cathode의 반응속도가 증가해서 최고 출력밀도는 25 mW/m² 에서 62 mW/m² 로 2배 이상 상승하였다. 바다에서 BMFC를 구동한다면 파도가 기포발생기 역할을 한다고 할 수 있으므로 파도가 있는 날 BMFC성능이 향상될 수 있음을 보인 것이다.
호수침전물의 겉보기 비중이 갯벌보다 32% 낮아서, 혐기성 조건이어야 하는 anode가 호수침전물의 경우 기공이 많아 용존 산소의 공급이 많기 때문에 성능이 낮을 수도 있다. 그리고 TOC 분석 결과 갯벌 TOC가 호수침전물 TOC보다 약 2.2배 높기 때문에 유기물이 많은 갯벌 BMFC 성능이 2.3배 이상 높은데 기여했다고 본다.
6일간 구동하는 과정에서 TOC가 계속 감소함을 보였다. 미생물이 유기물을 분해하면서, 즉 anode에서 유기물을 산화시켜 전자와 이온을 생산하여 전기에너지를 발생하고 동시에 유기물을 처리하여 환경오염을 방지함을 확인하였다. 처음 TOC 1.
뻘에 활동하는 미생물들은 Bacteroidetes/Chlorobi group, Chloroflexi, Alfa-, Delta-, Gammasubclasses Proteobac teria, Cyanobacteria, 그리고 Gemmatimonadetes phyla 등 많은 미생물 종류가 있고[19] 이들 중 40 ℃에서 증식과 효소 활성이 활발한 미생물들이 있다고 본다. 본 연구 결과에 의해 겨울보다는 여름에 BMFC의 성능이 향상될 수 있음을 확인하였다.
실험 초기에 전극을 연결하는 리드선(lead wire)으로 구리선을 사용했을 때 성능이 상승하는 경향을 보였으나 10일 이후 구리 리드선이 부식되는 것이 보이면서 성능 감소가 급속히 발생했다. 바닷물과 갯벌의 이온들에 의해 구리 부식이 발생하면서 전극과 리드 선의 접촉 저항이 커지고 성능 감소가 발생한 것이라고 보고 구리선을 백금선으로 교체하였다.
4, 5에 나타냈다. 호수 침전물 BMFC는 OCV나 최고출력밀도가 갯벌의 OCV와 최고출력 밀도에 비해 안정적이었다. 갯벌 BMFC는 최고출력밀도가 10일까지 증가하다 감소하는 경향을 보였고, 갯벌 BMFC 최고출력밀도가 호수침전물 최고출력보다 전반적으로 2.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저생 미생물 연료전지(BMFC)는 무엇인가?	저생 미생물 연료전지(BMFC)는 바다나 호수의 뻘 속에서 저생미생물이 유기물을 분해하면서 발생시키는 전기를 이용한 연료전지다. 본 연구에서는 BMFC 전극으로 카본 소재를 발수 처리한 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 가스확산층(GDL)을 사용해서 성능이 높게 나오는 구동조건을 찾고자 하였다.
	수중 퇴적물의 정화가 수질 환경개선에 핵심적인 이유는 무엇인가?	지속 가능한 자원으로서 중요성이 더해가는 수자원의 오염은 전 세계적으로 심각한 문제로 부각되고 있다[1]. 수중의 침전물은 오염물의 흡수원(sink)이자 잠재적으로 장기간에 걸쳐 오염물을 배출하는 배출원(source)이 된다. 따라서 수중 퇴적물의 정화는 수질 환경개선의 핵심적인 연결 고리라고 할 수 있다.
	수중 퇴적물 처리 방법으로 물리화학적 방법의 종류는 무엇이 있는가?	수중 퇴적물 처리 방법으로 물리화학적 방법은 준설(dredging), 오존화(ozonation) 및 전기 화학적 분해법 등이 있는데 고비용과 고에너지 소비 때문에 광범위하게 적용하기 어려운 점이 문제이다[2,3]. 물리화학적 방법에 비하여, 미생물의 대사 활성에 기초한 생물학적 정화방법이 저비용 및 높은 효율성 때문에 많이 연구 개발되고 있고[4,5], 생물학적 정화 방법 중 하나로서 수중의 퇴적물을 이용하는 BMFC(Benthic Microbial Fuel Cell)가 최근에 많은 관심을 끌고 있다.

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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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