초록 ▼

연구개요
선진국 기준으로 생산하는 전기의 5% 가량을 폐수처리에 소모하고 있으며, 버려지는 폐수에는 처리에 필요한 에너지의 약 9배의 에너지가 함유되어있다. 또한 해수와 담수의 염도차로부터 얻을 수 있는 에너지는 약 1.7 TW로 추정되고 있다. 역전기투석 미생물 연료전지(MRC)는 폐수의 유기성 물질을 분해와 동시에, 해수와 담수의 염도차로부터 에너지 생산을 수함으로써, 폐수처리 속도를 증진시킴과 동시에 높은 전력을 생산 할 수 있다. 하지만 시스템의 크기가 증가함에 따라 전력밀도가 낮아지는 현상이 지속적으로 관찰 되었고,

연구개요
선진국 기준으로 생산하는 전기의 5% 가량을 폐수처리에 소모하고 있으며, 버려지는 폐수에는 처리에 필요한 에너지의 약 9배의 에너지가 함유되어있다. 또한 해수와 담수의 염도차로부터 얻을 수 있는 에너지는 약 1.7 TW로 추정되고 있다. 역전기투석 미생물 연료전지(MRC)는 폐수의 유기성 물질을 분해와 동시에, 해수와 담수의 염도차로부터 에너지 생산을 수함으로써, 폐수처리 속도를 증진시킴과 동시에 높은 전력을 생산 할 수 있다. 하지만 시스템의 크기가 증가함에 따라 전력밀도가 낮아지는 현상이 지속적으로 관찰 되었고, 전극에 사용되는 고가의 재료들로 인해 시스템 실증화에 큰 방해요소가 되고 있다. 따라서 미생물 전기화학시스템 기술의 실증화를 위해 본 연구과제를 통해 다음과 같은 3가지 문제를 해결하고자 한다.
1. 미생물 전기화학 셀의 크기가 증가할 때 생산되는 전력밀도의 급격한 저하
2. 미생물전기화학 시스템에 적용되는 고가의 전극재료
3. 미생물 전기화학 시스템의 정확한 전기화학적 분석 방법 부재

연구 목표대비 연구결과
1. 경제적이고 지속적인 전극구조의 개발
환원전극 구조 개선 연구를 통하여 환원전극의 전류 포집체 구조 개선을 통한 전기화학적 특징을 분석하였고, 환원전극의 전류 포집체 면적이 증가할수록 시스템의 성능이 향상됨을 규명하였다. 환원전극 촉매층 개선 연구는 가장 대표적인 백금 촉매를 대체하기 위한 활성탄을 이용한 환원전극 개발을 하였고 활성탄을 이용하여 개발한 환원전극이 기존 백금 촉매 환원전극보다 약 56%가량 향상된 성능을 보였다. 마지막으로 RED스텍을 이용하여 MRC 시스템을 구축하였고 최적유량 정립을 하였다.

2. 시스템 크기 증가에 따라 전력이 증가하지 않는 현상 규명
기존에 사용하던 전기화학 분석방법을 새롭게 정립하여 임피던스 측정을 통한 미생물 전기화학 시스템 내부의 저항을 더 정밀하게 분석하였다. 또한 MFC 전극 구조 개선을 통한 성능 향상을 하였으며, 이는 향후 미생물 전기화학 시스템의 실증화에서 유용하게 사용될 시스템 최적화의 기반을 마련하였다. 또한 MRC에서 이온교환막의 유효면적과 거리에 따른 최대 전력밀도가 영향을 받는 것을 알아내었다. 이러한 결과를 취합하여 MRC 시스템의 최적화를 하였다.

3. 산화전극 구조 최적화
탄소섬유 산화전극은 표면적이 넓고, 다공성이 높아 미생물 부착성이 좋기 때문에, 미생물전기화학시스템에서 가장 많이 사용되는 전극이지만 전류 포집의 문제점이 있기 때문에 스케일업 진행시 크기와 성능의 비례하지 못하였다. 이러한 산화전극의 전류 포집체 구조를 개선하여 전극을 개발하였다. 전류포집체의 면적이 넓어질수록, 전극의 성능이 향상됨을 확인하였다.

연구개발결과의 중요성
금속-유기질소 구조를 활성탄에 부착시켜 환원전극 촉매로 사용한 결과, 기존의 백금촉매보다 56% 향상된 성능을 보였다. 이러한 결과는 높은 가격으로 인해 환원전극 스케일업의 문제점인 경제성 측면의 문제를 해결할 수 있다. 시스템의 정밀한 성능평가를 위해 임피던스 측정을 통한 시스템 내부 성능평가 방법을 정립하고, 시스템 성능에 대해 정확하고 정밀한 분석을 하였다. 시스템의 크기가 커질수록 전극의 크기도 증가하지만, 성능이 함께 증가하지 못하는 이유를 전류포집체의 면적 문제로 확인하였고, 전류포집체의 면적이 증가할수록 성능이 향상됨을 확인하였다. MFC에 RED stack을 결합시킨 MRC 시스템을 구축 및 최적화하였다. MRC의 최적 운전조건을 찾기 위해 최적 유량, 최적 이온교환막 내부 거리, 최적 이온교환막 유효면적 등을 정립하였다. 최적화 시킨 MRC는 최대전력밀도 4,591 mW/m²으로 MRC 연구에 있어서 세계최대 성능이다. 실험실 규모의 실험에서 적립된 시스템 최적화를 이용해 시스템 스케일업을 시도할 때에 큰 기틀을 마련하였다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• (1) 1차년도 (2015 – 2016) ... 4
• (2) 2차년도 (2016 – 2017) ... 6
• (3) 3차년도 (2017 – 2018) ... 10
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 11
• 4. 참고문헌 ... 12
• 5. 연구성과 ... 13
• 대표적 연구실적 ... 14
• 끝페이지 ... 31