미생물 연료전지 실용화 난제 ‘전력오버슈트’ 해결

- 음전극 전자 양이 양전극 환원력에 못 미칠 때 발생…보조 전력 공급해 해결

- GIST 장인섭 교수팀, 화학 분야 국제학술지 ChemSusChem 논문 게재 

□ 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.

□ 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 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.     <끝>