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  • 기사등록 2020-02-12 12:00:01
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[기계신문] 우주비행사의 배설물을 지구로 되가져오지 않기 위해 본격적인 연구가 시작됐다는 미생물 연료전지는 폐기물 처리와 동시에 전기도 생산할 수 있는 미래 에너지이지만 효율이 낮아 실용화가 어려웠다.


미생물 연료전지(Microbial Fuel Cel)는 미생물이 땀, 오폐수 등 여러 유기물을 분해하는 과정에서 만들어지는 전자, 수소이온 등이 전극을 오가며 전기를 생산하는데, 안정성과 지속성이 뛰어나고 친환경적이라는 장점이 있다.


최근 광주과학기술원 지구·환경공학부 장인섭 교수 연구팀이 미생물 연료전지 실용화의 걸림돌 가운데 하나인 전압역전현상을 극복할 방안을 제시했다.


해당 성과는 국제적 학술출판사 Cell Press가 발행하는 국제학술지로부터 의뢰받아 관련 분야의 연구동향을 망라하면서 직접 도출한 연구성과를 더한 리뷰(Review) 논문으로 소개되어 더욱 주목받고 있다.


바이오연료전지는 효소 및 미생물을 기반으로 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하여 회수하는 차세대 에너지기술이지만, 단위 셀의 낮은 에너지 생산능력으로 인해 실용화에 어려움이 있었다.


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


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


연구팀은 바이오연료전지의 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.



▲ 미생물연료전지에서의 직렬연결과정에서 발생하는 전압역전현상. 미생물연료전지의 직렬연결과정에서 발생하는 전압역전현상을 나타내는 것으로, 좌측상단의 건전지형태의 셀은 단위 셀 1을 나타내며, 우측상단과 하단의 셀은 단위 셀 2를 나타낸다.



연구팀은 전압역전현상에 대한 연구경험들과 자료들을 기반으로, 그 동안 발표되었던 선행 연구들에서 추출된 의미를 상호 비교 분석한 결과, 전압역전의 근본적인 원인이 시스템을 구성하는 단위셀들 간의 성능 차이 때문임을 알아냈다.


단위셀 내 양극과 음극의 반응속도 차이 또는 단위셀간 성능의 불균형(imbalance)을 최소화하는 것이 해결책임을 알게 되었다. 이에 각 셀들의 전류생산 능력(State of Current Production)이라는 용어를 제안하고, 이들간 균형을 유지할 수 있는 방안을 제시했다.


제시된 이론은 그 동안 산발적이고 파편적으로 진행되었고 이해되었던 전압역전현상과 그 해결방안에 대해 총망라한 것이다. 바이오연료전지의 전압역전현상을 개선하기 위한 방안으로 전류생산 능력의 균형을 유지할 있는 방안들을 시스템의 규모에 맞게 제시하였으며, 직렬된 시스템에서 예방할 수 있는 방법들을 논의하였다.


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


장인섭 교수는 “전압역전현상에 대한 전반적인 이해와 현실적인 해결방안을 제시함으로써 바이오연료전지에서 발생하는 전압역전현상의 개선에 도움이 될 것으로 기대된다”면서 “산화환원효소를 사용하는 극소형 효소연료전지 시스템 집적화에 제안한 방식을 우선 적용할 계획이며 미생물연료전지 매크로시스템의 효율화에 대한 연구를 지속할 계획”이라고 밝혔다.


한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구지원사업(중견연구)의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘트렌드 인 바이오테크놀로지(Trends in Biotechnology)’에 1월 21일 게재되었다.


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권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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