GIST 장인섭 교수팀,미생물 연료전지 실용화 난제 ‘전력오버슈트’ 해결

다중전극 미생물 연료전지 시스템의 운전 사진과 작동 원리. 음극부에서 미생물에 의하여 유기물로부터 전자와 수소이온이 생산되고, 생산된 전자와 수소이온이 양극부에서 산소와 반응하여 물이 생성되는 과정에서 두 전극간의 기전력을 통하여 전기에너지를 생산하는 원리.

"음전극 전자양이 양전극 환원력에 못 미칠 때 발생…보조 전력 공급해 해결"
"GIST 장인섭 교수팀, 화학 분야 국제학술지 ChemSusChem 논문 게재"

[아시아경제 노해섭 기자]GIST(광주과학기술원) 지구·환경공학부 장인섭 교수팀이 ‘미생물 연료전지’ 실용화의 난제 중 하나인 ‘전력오버슈트(Power-overshoot)’ 현상을 해결했다. 이번 연구는 미생물을 이용해 전기를 얻는 ‘미생물 연료전지’ 시스템의 실용화 연구에 크게 기여할 것으로 기대된다.

▲ 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell): 전기활성 미생물을 기반으로 유기물로부터 전자를 회수해 전기에너지로 전환할 수 있는 미생물 기반 연료전지 기술

▲전력오버슈트 (Power overshoot): 낮은 전압 영역에서 생산되는 전류가 감소하여 상대적으로 높은 전압 영역에서 생산되는 전류보다 낮아지는 현상. 미생물 연료전지의 성능을 평가하기 위해 일반적으로 수행되는 방전 실험(Discharging test)에서 발생함

화학 연료전지와 달리 미생물을 기반으로 작동되는 미생물 연료전지는 시스템의 실용화를 위해 다양한 요구전압 조건에서 안정적인 전류를 생산할 수 있어야 한다. 하지만 전력오버슈트 현상은 낮은 전압 조건에서 전류를 안정적으로 생산할 수 없게 만들어 미생물 연료전지 실용화의 난제 중 하나로 여겨져 왔다.

연료 역할을 하는 유기물의 고갈, 시스템의 내부저항의 증가, 음극부에서의 바이오필름 형성 등이 전력오버슈트 현상의 이유로 제시되고 있지만, 서로의 상관관계가 파악되지 않아 전력오버슈트가 발생하는 경우 시스템을 다시 셋업해야 하는 경우가 빈번히 발생한다.

미생물 연료전지의 성능을 평가하기 위한 방전실험 과정에서 발생하는 전력오버슈트 현상과 이를 극복할 수 있는 보조전류시스템. 방전실험 과정에서 낮은 전압영역에서 전자의 고갈로 인해 시스템에서 생산되는 전류가 상대적으로 높은 전압 영역에서 생산되는 전류보다 낮아지는 전력오버슈트가 발생하였고, 이를 해소하기 위하여 외부로부터 보조 전류를 공급 받는 시스템이 제안되었음.

연구팀은 앞서 제시된 전력오버슈트의 원인들이 전자의 생산 능력에 영향을 미치는 인자들이라는 것에 착안, 음전극에서 발생하는 전자의 양이 양전극에서의 환원력에 크게 미치지 못할 때 ‘전력오버슈트’ 현상이 발생하는 것을 발견했으며 부족한 전자를 외부로부터 공급하는 방식으로 ‘전력오버슈트’ 현상을 막는 데 성공했다.

연구팀은 다중전극 미생물 연료전지(multiple electrode MFCs) 중 한 쌍의 미생물 연료전지 성능을 측정하기 위해 수행된 방전실험 과정에서 전압이 낮아짐에 따라 증가해야 하는 전류 값이 감소함을 발견했으며, 이를 해결하기 위해 동일 시스템 내에 존재하는 음극부로부터 전자를 공급했다.

▲다중 전극 미생물 연료전지(Multiple elctrode MFC): 하나의 반응기 안의 다수의 MFC가 공존하는 시스템으로 모든 음전극은 동일한 전해질을 공유하고, 양전극은 공기에 노출되어 분리되어 있는 시스템

그 결과 부족한 전자를 공급받는 시스템의 방전실험 과정에서는 전력오버슈트 현상이 발생하지 않았고, 전압이 낮아지더라도 안정적으로 높은 전류를 생산할 수 있었다.

장인섭 교수

장인섭 교수는 “이번 연구는 간단한 방법으로 전력오버슈트를 해결할 수 있는 방안을 제시함으로써 다양한 요구전압 하에서 안정적인 전류를 생산할 수 있는 미생물연료전지 기술의 기틀을 마련한 것”이라고 말했다.

장인섭 교수(교신저자)가 주도하고 김봉규 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업의 지원을 받았으며, 화학 분야의 권위있는 학술지인 켐서스켐(ChemSusChem)에 1월 11일자 온라인에 게재되었다.

노해섭 기자 nogary@