바이오인

핵심내용

상세내용

연구결과

< 논문명, 저자정보 >

논문명 : Controlling Voltage Reversal in Microbial Fuel Cell

주저자 : 장인섭 교수(교신저자/광주과학기술원), 김봉규 박사(제1저자/광주과학기술원, 현 Univ of Bath).

< 연구의 주요내용 >

1. 연구의 필요성

ㅇ바이오연료전지는 효소 및 미생물을 기반으로 화학에너지를 전기 에너지로 전환하여 회수하는 차세대 에너지기술이다. 다만 단위 셀의 낮은 에너지 생산능력으로 인해 실용화에 어려움이 있었다.

ㅇ단위 셀의 에너지 생산능력을 개선하기 위해 연료전지 및 2차전지에서 일반적으로 사용되는 직Ÿ병렬연결을 통한 전압과 전류값을 높이는 방법을 도모하고 있다.

* 직병렬연결 : 단위셀들의 전압과 전류를 높일 수 있는 회로 구성방법

ㅇ하지만 바이오연료전지의 직렬연결과정에서 회로를 구성하는 단위셀의 양극과 음극의 전압이 역전되어 전체 시스템의 전력의 향상을 방해하는 전압역전현상이 발생하여 이를 예방하고, 개선하기 위한 방안이 필요한 실정이다.

2. 연구내용

ㅇ바이오연료전지의 전압역전현상에 대해 처음으로 현상적인 의미를 소개했던 논문들을 필두로 최근 직접적인 원인과 그 해결방안을 제시하였던 논문까지, 타 연구그룹들에서 수행한 연구 사례에 대하여 확인하고, 검증되었던 사실들을 체계적으로 분류하였다.

ㅇ또한 본 연구그룹에서 그 동안 여러 국제학술지에 발표하였던 바이오연료전지의 상이한 구성요소들에 의해 발생하는 전압역전현상들에 대응할 수 있는 해결방안들도 소개하였다.

ㅇ이번 연구논문은 전압역전현상에 대한 연구경험들과 자료들을 기반으로, 그 동안 발표되었던 선행 연구들에서 추출된 의미를 상호 비교 분석하여, 단위 셀들 간의 전류생산능 (State of current production)의 불균형을 전압역전현상의 근본적인 발생 원인으로 처음 제시하였다. 제시된 이론은 그 동안 산발적이고 파편적으로 진행되었고 이해되었던 전압역전현상과 그 해결방안에 대해 총 망라한 것이다.

ㅇ바이오연료전지의 전압역전현상을 개선하기 위한 방안으로 전류생산 능력의 균형을 유지할 있는 방안들을 시스템의 규모에 맞게 제시 하였으며, 직렬된 시스템에서 예방할 수 있는 방법들을 논의하였다.

ㅇ향후 전압역전현상을 좀 더 효율적으로 개선할 수 있는 비전과, 추가적으로 검증되어야 하는 연구방향들에 대해서도 함께 제시하였다.

3. 연구성과/기대효과

ㅇ전압역전현상에 대한 전반적인 이해와 현실적인 해결방안을 제시함으로써 바이오연료전지에서 발생하는 전압역전현상의 개선에 도움이 될 것으로 기대된다.

연구이야기

● 연구를 시작한 계기나 배경은?

2000년대 초반부터 미생물연료전지 연구를 시작하였고, 2000년대 후반 들어 효소연료전지 분야로 바이오연료전지 연구를 확장하였습니다. 비슷하지만 명확히 다른 바이오연료전지를 연구하면서 실용화 가능성을 높이기 위해 시스템의 낮은 전기생산 능력을 높이는 방안을 고민하였습니다. 직병렬연결을 통해서 시스템의 에너지를 향상시키는 방법이나 DC-DC 회로를 사용하여 전압을 향상시키는 방법도 시도하였습니다.

직렬연결을 통해 전압을 향상시키는 과정에서 빈번하게 시스템의 성능이 기대에 미치지 못하는 것을 확인하였습니다. 2010년대 초반 이러한 현상을 발견했을 당시에는 정확하게 그 원인을 알지도 못했고, 이를 검증하거나 해석하기 위한 노력을 수행하지 않았습니다. 단순한 해프닝일 수 있다고 생각했습니다. 하지만 10년 정도 바이오연료전지 실용화 연구를 계속하면서 전압역전현상에 대한 이해가 깊어지고 해외 연구자들도 이 현상에 대해 관심을 가지기 시작했습니다.

전압역전현상으로 인한 직렬연결의 실패는 미생물연료전지의 실용화를 저해하는 요인이 될 수 있기에 본격적으로 근본원인과 해결방안을 찾고자 하였습니다. ‘실험실에서만 성공적인 시스템’이 아니라 실제 현장에서 구동하는 시스템을 개발하기 위한 노력이 필요했습니다. 미생물연료전지의 실용화를 위한 스케일업 시스템의 관건이 될 수 있는 전압역전현상에 대한 해결방안을 찾고자 하였습니다.

● 연구 전개 과정에 대한 소개

다년간 미생물연료전지의 전압역전현상에 대해 연구하고 해결방안을 제시하기 위한 논문들도 수차례 투고하였습니다. 실례로, 두개의 시스템의 성능의 차이를 보완하기 위해 보조 배터리 같은 보고 셀을 도입해서 성능의 균형을 이루는 방법, 시스템 내부의 저항을 조작하여 성능을 제어하는 방법, 병렬연결과 직렬연결을 함께 병행하여 사전에 미리 예방하는 방안들을 제시했습니다. 다년간 전압역전현상에 대해 연구한 결과 시스템들 간의 성능적 균형이 무너지는 상황에서 전압역전현상이 발생하는 것을 알게 되었고 전류생산능력이 각 시스템의 성능의 균형을 나타낼 수 있는 지표라는 것을 알게 되었습니다. 그래서 전류 생산 능력 “State of current production”을 핵심으로 그동안 연구해온 연구결과들과 선행 연구 사례들을 제시하였고, 전압역전현상들에 대한 예비책과 해결방안을 같은 맥락에서 각 시스템의 규모에 맞게 정리하여 처음으로 학계에 제시할 수 있었습니다.

● 이번 성과, 무엇이 다른가?

각각의 연구결과들이 하나의 현상에 대한 하나의 해결책을 제시하고, 각 현상에 맞은 방향들을 제시하는 것과 달리, 이번 논문은 전압역전현상이라는 현상에 대해서 전체적인 의미와 발생원인, 그리고 해결방안과 향후 필요한 연구 등, 전반적인 모든 부분에 대해서 다룬 연구로 미생물연료전지 및 바이오연료전지 연구분야에 도움이 될 것으로 기대합니다.

...................(계속)

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