미생물 연료전지 실용화 앞당겨지나
미생물 연료전지 실용화 앞당겨지나
광주과학기술원 장인섭 교수팀, 전압역전현상 극복 방안 제시
  • 박정식
  • 승인 2020.02.12 12:00
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[헬스코리아뉴스 / 박정식] 땀으로 충전되는 웨어러블 기기, 처리장 하수를 활용한 전력생산 등 미래에너지로 주목 받고 있는 미생물 연료전지의 실용화를 앞당길 수 있는 연구결과가 나왔다.

미생물이 땀, 오폐수 등 여러 유기물을 분해해 전기에너지로 변환하는 미생물 연료전지는 안정성과 지속성이 뛰어나고 친환경적이라는 장점이 있지만, 효율이 낮아 실용화가 어려웠다.

12일 한국연구재단에 따르면 광주과학기술원 장인섭 교수 연구팀은 미생물 연료전지 실용화의 걸림돌 중 하나인 전압역전현상(voltage reversal)을 극복할 수 있는 방안을 제시했다.

미생물 연료전지는 이론적으로 발생전압이 낮아 단위셀(Unit Cell)을 길이방향, 즉 직렬로 연결하는 방식으로 출력을 높인다. 이 과정에서 단위셀의 전압이 역전되는 전압역전 현상이 빈번하게 발생해 성능이 저하되는 문제가 있었다.

그동안 전압역전 현상에 대한 특징과 추정 원인들에 대한 논문은 발표됐지만, 해결에 대한 실마리는 찾지 못한 상태였다.

장인섭 교수팀 역시 전압역전현상의 발생원인에 대한 심층연구를 수행해 역전현상에 기여하는 요인들을 음극부, 양극부 등 각 부분별로 확인한 연구결과를 여러 국제학술지에 발표한 바 있다.

 

미생물연료전지에서의 직렬연결과정에서 발생하는 전압역전현상. (자료=광주과학기술원)
미생물 연료전지에서 직렬연결과정 중 발생하는 전압역전현상. (자료=광주과학기술원)

이 같은 연구를 지속한 결과 연구팀은 전압역전의 근본적인 원인이 시스템을 구성하는 단위셀들 간의 성능 차이 때문임을 알아냈다. 단위셀 내 양극과 음극의 반응속도 차이 또는 단위셀간 성능의 불균형(imbalance)을 최소화 하는 것이 해결책임을 알게 된 것이다.

연구팀은 각 셀들의 전류생산 능력(State of Current Production)이라는 용어를 제안하고, 이들간 균형을 유지할 수 있는 방안을 제시했다.

장인섭 교수는 “산화환원효소를 사용하는 극소형 효소연료전지 시스템 집적화에 제안한 방식을 우선 적용하고, 미생물연료전지 매크로시스템의 효율화에 대한 연구를 지속할 계획”이라며 “전압역전현상에 대한 전반적인 이해와 현실적인 해결방안을 제시함으로써 미생물 연료전지 및 바이오 연료전지 분야의 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구지원사업(중견연구)의 지원으로 수행됐다. 연구성과는 국제학술지 트렌드인 바이오테크놀로지(Trends in Biotechnology) 1월21일자에 게재됐다.

 

아래는 장인섭 교수와의 미니 인터뷰.

 

왼쪽부터 교신저자인 광주과학기술원 장인섭 교수와 제1저자인 김봉규 박사. (사진=광주과학기술원)
왼쪽부터 교신저자인 광주과학기술원 장인섭 교수와 제1저자인 김봉규 박사. (사진=광주과학기술원)

◇ 연구를 시작한 계기나 배경은?

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

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

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

◇ 연구 전개 과정에 대한 소개

다년간 미생물연료전지의 전압역전현상에 대해 연구하고 해결방안을 제시하기 위한 논문들도 수차례 투고했다. 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 병행해 사전에 미리 예방하는 방안들을 제시했다.

다년간 전압역전현상에 대해 연구한 결과 시스템들 간의 성능적 균형이 무너지는 상황에서 전압역전현상이 발생하는 것을 알게 됐고 전류생산능력이 각 시스템의 성능의 균형을 나타낼 수 있는 지표라는 것을 알게 되됐다. 그래서 전류 생산 능력 ‘State of current production’을 핵심으로 그동안 연구해온 연구결과들과 선행 연구 사례들을 제시했고, 전압역전현상들에 대한 예비책과 해결방안을 같은 맥락에서 각 시스템의 규모에 맞게 정리하여 처음으로 학계에 제시할 수 있었다.

◇ 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 다뤘다. 미생물연료전지 및 바이오연료전지 연구분야에 도움이 될 것으로 기대한다.


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