연료극 지지체식 원통형 고체산화물 연료전지를 개방하기 위해 연료극 지지체와 전해질이 코팅된 연료극 원통관의 제조 및 그것의 특성에 대해 연구하였다- 연료극 지지체는 20-50vol.%의 탄소함량에 따라 만들어졌으며, 탄소량이 증가함에 따라 연 료극 지지체의 기공율도 점차 증가하였으며, 적절한 기공율을 가지기 위한 최적 탄소량은 30vol.%임을 확인하였다. 연료극 지지체 관은 압출법으로 제작하였으며, 전해질은 슬러리 코팅법으로 원통판의 바깥쪽에 코팅하였고, 1400˚C에서 공소결을 성공적으로 실시하였다. 소결후 물리척특성과 미세구조를 조사하였으며, 연료극 지지체관의 기공율은 35%이었고 연료전지의 요구조건을 만족하였다. 기체투과율 시험을 통하여, 연료극 지지체관 자체는 충분히 다공성을 나타내었으나, 전해질층을 코팅한 경우에는 매우 낮은 기체부과율을 나타냄을 확인하였다. 이것은 코팅된 전해질층이 매우 치밀하다는 것을 의미하며, 본 연구를 통해서 연료극 지지체식 원통형 고체산화물 연료전지가 제조될 수 있음을 확인하였다.

50/50 vol% LSM-YSZ의 복합공기극(LSM=La1-xSrxMnO3(0≤x≤0.5))이 콜로이드 증착법에 의해 준비으며 주사전자현미경과 임피던스 분석기에 의해 연구되어졌다. 재현성있는 임피던스 스펙트럼들이 LSM-YSZ/YSZ/LSM-YSZ로 구성된 향상된 셀을 사용함으로써 얻어졌다. 이러한 셀들의 임피던스 스펙트럼들은 작동온도에 강하게 영향을 받았으며, 가장 안정된 조건은 900˚C에서 도달되어졌다. 900˚C에서 공기//공기 셀에 대해 측정된 전형적인 임피던스 스펙트럼들은 2개의 불완전한 호(depressed arc)로 구성되었다. LSM전극에 대한 YSZ의 첨가는 LSM-YSZ 공기극의 저항 감소를 가져왔으며, 전해질 표면의 불순물의 영향을 제거하기 위한 연마는 공기극 저항을 더욱 감소시켰다. 또한 촉매층(Ni 혹은 Sr)을 가진 LSM-YSZ 전극은 촉매층이 없는 경우에 비해 공기극 저항의 감소를 가져왔다. LSM-YSZ 공기극 저항은 전극조성, 전해질의 형태, 인가 전류에 의해 영향을 받았다.

고체 산화물 연료전지의 전해질로 주로 사용되는 8mol.%Y2O3-ZrO2는 전기 전도성은 우수하나 기계적 특성이 좋지 못하므로, 전기적 특성과 기계적 특성이 동시에 우수한 고체산화물 연료전지의 전해질의 개발이 요구되고 있다. 본 연구는 이러한 두 가지 요구조건을 충족시키기 위해서 수행되어졌다. 단위전지의 공기극 재료인 LSM(La(sub)0.75Sr(sub)0.25MnO3) 기판과 Si wafer를 기판으로 기계적 성질이 우수한 3mol.%의 YSZ(3-YSZ)와 전기 전도성이 우수한 8mol.%의 YSZ(8-YSZ)를 각각 단층 및 다층 박막의 네 가지 형태로 전자빔 코팅에 의해 전해질 막을 제작하였다. 박막층의 분석결과, 결정조직은 증착된 3-YSZ 박막의 정방정 및 일부 단사정 구조, 8-YSZ 박막은 입방정 구조의 결정성이 나타났다. 단층막 보다 다층막이 낮은 내부 응력을 보였으며, 다층막이 기존의 8-YSZ 단층막의 열처리 전, 후와 비슷한 미세 경도 값을 보였다.

본 연구에서는 용융탄산염 연료전지용 분리판으로서 오스테나이트계 스테인레스강 중, 310S를 사용하여 용융염 전해질 및 양극측 분위기에서 부식거동, 부식생성물의 형성과정 및 기구에 관한 고찰을 실시하였다. 분리판의 부식 진행과정은 부식반응 이후 안정 부식생성물이 형성되기까지 빠른 부식이 진행되는 부식생성물 형성단계와 안정 부식생성물 형성 후 보호파괴가 일어나기 까지의 부식 억제단계, 그리고 보호파괴 이후 부식이 다시 증가되는 부식 진행단계의 3단계 과정을 경유하며 진행하였다. 분리판 내 원소들의 농도분포는 부식생성물 형성영역에서는 Fe가, 부식 방어영역에서는 Cr이, 그리고 Ni은 Cr 고갈영역과 기지 안쪽에서 높게 형성되었다. 또한 양극측에서 분리판은 전해질의 이온화에 의한 부식이 주된 부식기구였으며, 최종 부식생성물은 LiFeO2와 LiCrO2였다.

Electrolyte matrix fabrication process can be classifed as hot pressing, tape casting, callendering, electrophoretic deposition. however, these have limits in practice. Hot pressing is cumbersome method, because of careful heating and cooling. Furthermore, the perfected tile is so fragile that it is difficult to fit in a cell. Therefore this method is not adequate for mass production of the electrolyte matrix. Using electrophoretic deposition method, a very thin matrix can be made, but many attempts of the electrolyte embeding were found to be failure. Tape casting and callendering methods are employed in most of the matrix fabrication for the present. But these methods require lots of water as a solvent, so that coating of the LiAlO sub(2) with electrolyte is difficult. Recently, hot roll milling method has been developed and the perfected matrix was proved to be free from crack. The method, however, needs a roller to make a matrix and a perfected matrix is carefully striped off from the cooled roller. Therefore, this method requires a long time due to the cooling process. The author proposes a cold rolling process. On this method, heated slurry of the LiAlO sub(2) mixed with binder, is rolled with a cold roller. The heated slurry dose not adhere to the roller, since contacted hot slurry is rapidly solidified. Therefore fabrication speed is increased, without getting rid of merits of the hot rolling process.

미생물연료전지(MFC)는 폐기물 속에 포함된 유기물을 전기로 전환하는 시스템으로 스케일업(scale-up)과 전압 및 전류 향상을 위해서는 미생물연료전지의 스택(stack)이 필요하다. 미생물연료전지의 전압을 향상시키기 위해서는 직렬연결, 전류를 증가시키기 위해서는 병렬연결이 필요하며 각 연결방법에 따른 유기물 제거와 전력생산의 관계는 폐기물 처리와 에너지 전환 효율적인 측면에서 중요한 인자이며 이에 대한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구는 2개의 미생물연료전지(MFC 1, 2) 셀을 미연결, 직렬 연결, 병렬 연결하였을 때 유기물 변화와 전류 발생량을 모니터링한 후 이에 따른 쿨롱효율을 분석하여 각 연결에 따른 유기물 변화와 에너지 전환 효율에 따른 효과적인 스택 방법을 제시하고자 한다. 미연결된 미생물연료전지(MFC unit 1, 2), 직렬 연결된 미생물 연료전지(MFC 1-2), 병렬연결된 미생물연료전지(MFC 1//2)의 하루 동안 변화된 화학적 산소 요구량(COD)는 각각 163mg, 213mg, 194mg으로 직렬 연결된 미생물연료전지에서 가장 높은 유기물 제거율을 보였다. 이 때 발생된 평균 전류는 각각 2.13mA, 2.83mA, 4.14mA로 병렬 연결된 미생물연료전지에서 가장 높은 전류 값을 보였으나 유기물 제거량과 전류 발생량으로부터 계산된 쿨롱효율은 각각 19.8%, 10.5%, 15.2%로 미연결된 미생물연료전지에서 가장 높은 쿨롱효율 값을 나타났다. 비록 각기 다른 유기물 변화, 전류 생산, 쿨롱효율 값을 보였지만 각 연결에 따른 미생물연료전지의 성능을 측정하였을 때 비슷한 전력 값이 생산된 것을 확인할 수 있었으며 이는 각 연결 방법에 따른 에너지 손실이 다르다는 것으로 추측할 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 미생물연료전지 스택시 병렬연결 방법이 폐기물 내에 유기물 처리와 에너지 전환 효율 적인 측면에서는 가장 효과적인 방법이라고 판단된다.

용해성 무기전자수용체를 이용하여 호흡하는 황산염환원박테리아는 지반환경에서 다양한 물질의 생화학적 순환에 중요한 역할을 담당한다. 하지만 용해되지 않는 고형전자수용체를 이용하여 전자를 전달하는 황산염환원균은 현재까지 보고된 바 없다. 따라서 본 연구에서는 혐기성미생물로서 대표적인 황산염환원균주 Desulfovibrio desulfuricans 가 고형전자수용체로의 직접적인 전자전달을 위해 나노크기의 필라멘트를 생성하는 것을 확인하였다. 이러한 나노필라멘트는 전기전도도가 높게 나타나(5.81 S·m-1) 이를 이용하여 황산염환원균이 고형전자수용체로 전자를 전달할 수 있음이 입증되었다. 이 같은 기작을 이용하여 황산염환원균은 미생물연료전지(Microbial fuel cell)에서 전기생산을 위한 고체전극으로의 직접적 전자전달을 수행함을 확인하였다. 이러한 결과는 황산염환원균에 의해 용해성 전자수용체의 유효성이 제한될 때, D. desulfuricans 와 같은 황산염환원균이 용해되지 않는 고형전자수용체로의 전자전달을 위한 대체방안으로 전도성 나노규모의 박테리아 부속물생산을 개시함을 의미한다. 따라서 황산염환원균 중 일부는 전자 매개체없이 직접적으로 고형전자수용체로의 전자전달을 수행할 수 있으며, 황산염환원균주에 의한 효과적인 전기생산을 증진시키는 기법으로 MFC 연구에 유용할 것으로 판단된다.

화석에너지 자원 고갈 및 경제발전에 따른 산업화가 가속화되면서 폐기물의 발생량이 지속적으로 증가하여 폐기물 에너지화 기술에 대한 관심이 급증하고 있다. 공정상에 발생하는 폐기물 중에서 특히, 메탄올의 경우에는 분리가 쉬우며 저장성이 용이하고 연료전지 사용 및 수소에너지로의 변환이 용이하므로 많은 전원장치에서 응용이 가능하다. 공정상에서 비상전원의 경우에는 배터리 또는 연료전지를 이용하게 된다. 이때 PEM 연료전지를 이용할 경우 배터리에 비해 에너지 밀도가 현저히 높기 때문에 장시간 비상전원 공급이 가능하다. 메탄올의 경우에는 다른 폐기물에 비해서 높은 수소 : 탄소 비를 가지며 낮은 끓는점을 가지면서 공정 폐기물에서 쉽게 추출할 수 있으며 저장하는데 별도의 장치가 필요 없고 또한 낮은 온도에서 간단한 조건에서 쉽게 개질이 가능하므로 연료전지 시스템에 적용이 용이하다. 본 연구에서는 공정상 추출한 메탄올을 비상전원장치의 연료로 사용한 PEM 연료전지에 적용이 가능한 메탄올 개질 반응에 대한 연구를 수행하였다. 수소를 생산하는 개질반응에는 열분해 반응, 수증기 개질 반응, 부분 산화 반응 및 수증기 개질 반응 및 부분 산화 반응의 조합으로 이루어진 자열 개질 반응이 존재한다. 4가지의 개질반응에 대한 각각의 실험을 수행하여 비상전원시스템으로의 적합성에 대한 연구를 수행하였다. 비상전원시스템의 경우에는 구조가 간단하고 부가 장치가 적을수록 가공, 제작 및 장치 구동 면에서 유리하고 또한 성공적인 비상 PEM 연료전지 구동을 위한 수소 생산을 위해서는 연료 개질 시스템은 복잡하게 구성되며 연료전지의 구동 온도가 낮을수록 더 많은 과정을 거치게 된다. 비상전원시스템에서 동적 부하 변동에 빠른 응답성을 가지며 동시에 메탄올에 대해서 비교적 안정적인 운전이 가능하며 외부 열원의 사용을 최소화 할 수 있는 개질 반응 연구를 수행하였다. 다양한 개질 반응에 대한 수소 발생률 및 BOP(Balance of Plant)의 비교 검증을 통하여 비상전원시스템에 가장 적합한 개질 반응에 대한 선택을 하였으며 선택된 개질 반응을 이용하여 비상 PEM 연료전지 전원장치 시스템에 적용시켰다. 이는 비상 PEM 연료전지 전원장치 뿐만 아니라 다양한 연료 처리 장치에 적용 가능할 것으로 판단된다.

미생물연료전지(Microbial fuel cells, MFCs)의 성능은 미생물이 부착 성장하는 산화전극의 활성에 의해 크게 영향을 받는다. 미생물연료전지의 산화전극 활성은 전극표면의 높은 생물친화도, 미생물이 부착성장 할 수 있는 넓은 표면적, 전기전도도 등에 의해서 결정된다. 지금까지 연구되어 온 미생물연료전지의 산화전극 재료들은 주로 다공성유리탄소, 탄소천, 탄소섬유 브러쉬, 흑연펠트, 흑연섬유 등의 탄소계열의 전도성 물질들이었다. 그러나, 이러한 탄소계열 물질들은 그 종류에 따라 비표면적이 작거나, 표면이 소수성이며, 금속과 비교할 때 전도성이 좋지 않은 특성을 가진 것들이 많다. 그러나, 서로 다른 특성을 가지는 탄소계열 물질들을 동시에 사용함으로서 각각의 재료들이 가지는 단점들을 보완함으로서 높은 활성을 가지는 미생물연료전지 산화전극을 제작하고자 하는 시도들이 이루어지고 있다. 그러나, 탄소계열 물질들을 동시에 사용하기 위해서는 이러한 재료들을 서로 혼합하고 내부적으로 결합시키기 위한 결합제가 반드시 필요한데 완성된 산화전극의 활성은 결합제의 종류에 의해서 크게 영향을 받는다. 지금까지는 주로 Nafion 용액, 에폭시 등의 고분자 물질들을 결합제로 사용하여 왔는데, Nafion 용액은 전도성 높고 친수성 물질이라는 장점이 있지만 부착력이 낮고 가격이 비싼 고가의 물질이라는 한계점을 가지고 있다. 또한, Epoxy는 부착력이 강한 반면 전도성이 없는 소수성 물질이라는 단점이 있다. 본 연구에서는 콜타르 피치(Coal tar pitch, CTP)에 니켈(Nickel, Ni)을 다양한 비율로 혼합하여 결합제를 제조하고, 이를 이용하여 제작한 팽창흑연과 탄소나노튜브 산화전극의 성능을 회분식 미생물연료 전지를 이용하여 평가하였다. 산화전극 제작에 사용된 결합제의 CTP 양이 적을수록, 전기적 활성은 증가하였으나 부착력이 크게 감소하였다. 또한, CTP에 Ni 함량이 증가할수록 산화전극 표면에 부착 성장한 미생물 생체량이 증가하였으며, 내부저항이 점차 감소하였다. CTP 4g과 Ni 5.9mmol을 혼합하여 제조한 결합제로 제작한 산화전극의 경우 미생물연료전지의 최대전력밀도는 738.11 mW/m²로서 가장 큰 값을 보였으며, 내부저항은 146.19 Ω로서 가장 낮았다. 이 값은 Nafion 용액을 결합제로 사용하여 제작한 대조구 산화전극과 비교할 때 최대전력밀도는 23.68% 높았으며, 내부저항은 33.82% 낮았다. CTP와 Ni을 혼합한 물질은 미생물연료전지의 산화전극제작에 사용할 수 있는 우수한 결합제이다.

Development and performance evaluation of the hydrogen generator by autothermal reforming process for emergency PEM fuel cell using methanol from process waste were carried out. Supply of gaseous hydrogen has been a technical barrier for its wide application. As a result, conventional reformer has either a separate heat source such as a catalytic combustor or a parallel process in the same reactor to generate heat. The later device is called ATR (Autothermal reforming). Typical product gas of ATR still contains a large amount of carbon monoxide that poisons electro-catalyst of the MEA. In the present study, we used the decomposition of hydrogen peroxide as a parallel exothermic reaction in the same reactor as the reformer. The decomposition of hydrogen peroxide releases water vapor and gaseous oxygen with enormous heat. The heat sustains the reforming reaction and the oxygen is used to recombine the carbon monoxide by oxidation. By parametric study, at the condition of 200oC and the rate of methanol to 40% of hydrogen peroxide is 4 to 1, the Carbon monoxide contents are reduced by less than 800 ppm. Using the present concept we could reduce the concentration of carbon monoxide in the product gas of the reformer by more than 80%. At that carbon monoxide contents, we can be possible to load the methanol-hydrogen peroxide ATR system without any devices.

2013년 폐기물 해양배출 금지로 인하여 음폐수 육상처리가 의무화되었으며, 그로 인하여 음폐수 육상처리방안에 대한 새로운 방안들이 제시되고 있다. 음폐수와 같은 고농도의 폐수는 많은 유기물을 함유하고 있기 때문에, 이러한 유기물로부터 에너지를 회수하는 방안들이 연구되고 있으며, 그중 하나가 미생물 에너지 전환기술이다. 미생물연료전지는 혐기성 조건에서 미생물을 이용하여 유기물질을 에너지발생원으로 이용하여 전기를 생산한다. 따라서, 화학에너지를 전기에너지로 변화시키므로 별도의 오염물질을 발생시키지 않아 친환경 에너지 전환기술로 주목 받고 있다. 본 연구에서는 Single Chamber인 미생물연료전지를 이용하여 음폐수 초기 pH 및 기질교체율에 따른 미생물 연료전지의 성능에 대해 알아보기 위하여 실험을 진행하였다. 대상폐수는 수도권매립지관리공사 내 음폐수처리장 혐기성소화조 처리수(pH 7.56, SCODcr 956 mg/L)를 사용하였다. 산화전극과 환원적극으로 각각 Graphite felt, Carbon cloth를 사용하였으며, 분리막은 Ceramic막을 사용하였고, 외부저항 1,000Ω, 운전온도 35℃이었다. 실험은 초기 pH를 5~9로 설정하여 batch로 진행하였으며, 그 결과 중성 조건 즉, pH 6, 7에서 전력발생량이 가장 안정적으로 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 기질교체율을 1%, 2%, 4%, 6%, 8%, 10%의 경우로했을 경우, 10%일 때 기질교체시 충격부하에 의해 미생물연료전지의 성능이 저하되는 것을 알 수 있었다. 이를 바탕으로, 기질교체율을 충격부하의 영향을 받지 않는 1%, 2%, 4%, 6%, 8%로 설정하였고 초기 pH를 6~7로 조절하여 각 pH 별 기질교체율에 따른 미생물연료전지의 전력발생량을 비교하였다. 실험은 매일 같은 시간 기질을 교체하는 Fed-batch로 진행하였다. 음폐수 초기 pH 및 기질교체율에 따른 미생물연료전지의 성능을 비교한 결과, pH 6일 경우 기질교체율 1%, 2%, 4%, 6%, 8%에서 평균 0.552 V ~ 0.605 V의 범위를 보였으며, 최대값은 기질교체율 6%에서 나타났다. 또한 pH 7, 기질교체율 1%, 2%, 4%, 6%, 8%에서 전력발생량은 평균 0.486 V ~ 0.569 V의 범위이었으며 pH 6의 경우와 마찬가지로 기질교체율 6%에서 최대값을 나타내었다.

산업화 이후 지속적으로 사용된 화석연료의 고갈에 따라 에너지 수급 등의 문제가 발생하고 있으며, 이에 고효율성을 갖는 새로운 방식의 에너지 기술들이 각광 받는 추세이다. 이 중 직접탄소 연료전지(DCFC)는 탄소연료를 이용하여 전기 에너지로 전환하는 과정 중 가장 효율이 뛰어나고, 오염물질의 발생이 적은 발전 방법으로 기대를 모으고 있으며, 또한 DCFC에 활용할 수 있는 탄소연료는 고등급부터 저등급까지 매우 다양하게 취급할 수 있을 것으로 전망되어진다. 본 연구에서는 직접탄소 연료전지의 연료로 적용 가능한 탄소원을 설정함에 있어 공업분석, CO₂ 반응성, 열적특성, 황화합물 분포 등의 여러가지 판단 기준 중 전기저항성을 이용한 직접탄소 연료전지(DCFC) 탄소연료 선택의 적용 가능성을 평가하였다. 원료물질의 온도 변화에 따른 전기저항성을 측정하기 위하여 ASTM C 611를 참고하였으며, 이 실험장치는 1300℃까지 승온이 가능한 전기로, 탄소시료 전류측정 홀더, DC Power Supply, Current Meter, Variable Resistor, Volt Meter 등으로 구성되었다. 시료의 전기적 특성 파악을 위하여 설계한 장치에 적합하도록 펠렛 형태로 가공하였다. 스테인레스 재질의 몰드에 압력을 가하여 성형을 하였으며, 성형이 안 될 경우에는 물 혹은 석유계 바인더를 사용하여 성형을 하였다. 펠렛 형태로 성형된 시료는 실험장치의 불활성 분위기내에서 상온에서 900℃까지 승온하며 시료에 대한 전기저항성 변화를 파악하였고, 고유저항의 계산은 일정한 저항과 전원상태에서 온도를 600 ~ 900℃까지의 승온하는 동안 탄소연료의 전압강하를 측정한 후, 성형한 펠렛의 길이와 단면적을 이용하여 각 탄소연료의 전기저항성을 계산하였다. 전기저항 측정을 위한 적정 전원은 일반적 탄소원인 흑연을 사용하여 5V, 7.5V, 10V로 측정하였다. 5V에서는 온도에 따른 변화를 파악하기 어려웠고, 7.5V와 10V는 유사한 경향성을 보였다. 이러한 결과를 바탕으로 다른 두 시료 카본블랙과 역청탄 촤에 대해서도 5V와 10V로 각각 측정하였고, 카본블랙의 경우 두 전원에 대해 유사한 경향을 보였으나 역청탄 촤의 경우는 5V 보다 10V에서 더 전기저항성이 변화하는 경향을 더 잘 파악할 수 있었다. 탄소연료의 온도 변화에 따른 시료간의 전기저항성을 비교하기 위하여 전원을 10V로 유지하고 실험을 수행하였다. 그 결과 고등급의 탄소연료인 역청탄 촤의 고유저항이 시작 단계에서 고품위의 흑연, 카본블랙 보다 상당히 높았으나, 900℃ 상태에서 역청탄 촤의 고유저항이 흑연, 카본블랙의 수준까지 내려감을 확인하였고, 이는 직접탄소 연료전지 장치에서 설정하는 반응온도가 900℃ 이상이 되면 탄소연료간의 전기저항성 차이가 작아져서 다양한 탄소연료원을 선택하는데 용이할 것으로 사료된다.

지금까지 연구된 여러 가지 형상의 미생물연료전지들의 특징들을 조합하여 운전이 용이하고 규모확대가 가능하며 전력생산 성능이 대단히 우수한 3차원 공기환원전극 미생물연료전지를 고안하였으며, 합성폐수를 이용한 성능시험을 수행하였다. 본 연구에 사용된 3차원 공기환원전극 미생물연료전지는 1개의 산화전극부, 4개의 배수구, 그리고 산환전극부 상부에 설치된 1개의 환원전극부로 구성하였다. 미생물연료전지 하단에는 다공판으로 된 유입부를 설치하여 폐수가 산화전극부로 유입되도록 하였으며, 폐수는 산화전극부를 통과한 뒤 환원전극부의 배수구로 이동하도록 설계되었다. 산화전극부에는 EG(Expended Graphite)와 MWCNT(Multi-Wall Carbon Nano Tube)를 스테인리스망에 스크린 프린팅하여 제작된 산화전극을 설치하였고, 환원전극부에는 EG(Expended Graphite)와 MWCNT(Multi-Wall Carbon Nano Tube)에 FePc 및 CuPc를 고정한 촉매를 스테인리스망에 스크린 프린팅하여 제작된 환원전극을 설치하였다. 배수로는 환원전극의 높이의 1cm, 2cm, 3cm, 5cm에 배수구를 각각 설치하여 환원전극 침지깊이에 대한 영향을 평가하였다. 준비된 미생물연료전지는 초기운전을 위하여 혐기성 소화조에서 채취한 슬러지를 식종하였으며, acetate, phosphate buffer solution, minerals, vitamins로 구성된 합성폐수를 연속 주입하였다. 미생물연료전지를 운전하는 동안 DMM(digital multimeter, Keithley 2700)과 컴퓨터를 이용하여 전지에서 발생하는 전압을 관측하였다. 환원전극부의 침지깊이를 변화시킨 뒤 전압이 안정화 되었을 때 외부회로를 개방하여 OCV 값을 측정하였으며, 외부저항을 단계적으로 감소시키는 방법으로 분극실험을 수행하였다. 이때 미생물연료전지에서 얻어진 최대전력수율은 환원전극의 침지깊이에 따라서 1cm < 5cm ≦ 2cm < 3cm 순으로 측정되었다.

미생물연료전지의 전극재료 중 결합제는 전극의 성능, 내구성 및 비용 등을 결정짓는 핵심 물질 중 하나이다. 전극의 결합제는 기본적으로 전극을 구성하는 기본물질들과 결합력이 좋아야 하고, 전극물질들과 집전체간의 전자전달이 가능한 물질이여야 한다. 따라서, 전극 결합제는 미생물연료전지의 성능향상을 위해 필수적인 역할을 담당한다. 좋은 결합제는 전극의 성능을 향상시킬 수 있어야 하고, 전극물질과의 접착력과 전극물질의 본성 등을 유지시킬 수 있어야 한다. 지난 수년 동안 미생물연료전지의 성능향상을 위해 다양한 결합제에 대한 연구가 이루어 졌으며, 결합제를 활용하기 위한 다양한 기술들이 연구되어 왔다. 현재, 많은 연구자들이 여러 장점들을 가지고 있는 탄소나노튜브를 미생물연료전지의 산화 및 환원전극 제조를 위한 기초물질로 이용하고 있는데, 탄소나노튜브는 가공성이 나쁘고, 용해성이 낮은 등 전극제작에 있어서 몇몇 결점들을 가지고 있다. 이러한 탄소나노튜브의 결점을 보완하면서 친수성이고, 전도성이 높은 결합제로 종종 Nafion 용액을 사용해오고 있는데 이는 고가이며, 결합력이 약하여 미생물연료전지의 실용화에 걸림돌이 되고 있다. 실리카겔은 친수성물질로 알려져 있으며, 물을 따라 이동하는 양이온의 전도성이 좋은 물질로 평가된다. 또한, 헤테로 다중산은 양이온 전도성을 향상시킨다는 많은 연구결과들이 보고된 바 있다. 따라서, 본 연구에서는 헤테로 다중산과 실리카겔을 미생물연료전지의 전극 결합제로 사용하여 고가의 전극결합제인 Nafion 용액을 대체하고자 하였다. 헤테로 다중산을 실리카겔에 도핑하여 결합제를 제조하고 이를 환원전극제작에 사용하였다. 제작된 환원전극의 성능은 3차원 공기환원전극 미생물연료전지를 이용하여 평가한 결과 전력밀도 및 내구성이 헤테로 다중산을 실리카겔에 도핑한 결합제를 이용한 환원전극의 성능이 Nafion 용액을 결합제로 사용한 환원전극보다 우수한 것으로 평가되었다. 헤테로 다중산을 실리카겔에 도핑하여 제조한 결합제는 큰 고가의 Nafion 용액을 대체할 수 있을 것으로 평가되었다.

과거에는 폐수를 단지 처리의 개념으로만 인식하였기 때문에 현재의 유기성 폐수에 많은 양의 에너지가 포함되어 있음에도 불구하고 효율적으로 재이용되지 못하였다. 하지만 현재 미생물연료전지라는 분야가 부각됨에 따라 폐수처리를 자원화의 한 방법으로 인식하여 이를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되어 지고 있다. 미생물 연료전지는 미생물의 촉매반응을 통해 유기물의 화학적 에너지를 전기에너지로 전환하는 장치로 최근 하･폐수 처리기술 및 대체에너지기술로 주목받고 있으며, 특히 폐수처리시 에너지를 회수할 수 있다는 점에서 큰 장점이 있는 기술이다. 그러나 현재 사용되는 이온교환막은 고가이며 biofouling에 의한 막힘 현상으로 인하여 이온 전달이 원활하지 않아 성능 저하를 유발 하며 교체하지 않는 이상 세척 등에 의한 방법으로는 성능이 회복되지 않아 미생물 연료전지 분리막으로써의 효율성이 떨어지는 실정이다. 반면, 세라믹막은 세척에 대한 부담 없이 재이용이 가능하며 가격이 저렴하고 고온에서 사용이 가능하며 구입이 용이하다. 본 연구에서는 일반적으로 사용되는 고가의 양이온 교환막을 대체하여 세라믹막을 이용한 미생물연료전지의 가능성을 연구하였다. 산화 전극과 환원 전극은 높은 전기전도성을 가지는 흑연펠트와 탄소천을 사용하여 실험실 규모 단일반응기를 제작하였다. 혐기성슬러지는 합성페수에 식종하여 순응시킨 후 유기물(글루코오스와 아세테이트)을 주입하여 안정화시킨 후 폐수를 주입하였다. 세라믹막을 이용한 미생물연료전지의 폐수처리 및 전기발생 실험 결과는 유기물 제거량(CODcr)은 약 70%, 전기발생은 약 371 mV, 2.5 mA, 최대전력밀도는 약 348 mW/㎡로 나타났으며 기존 이온교환막을 이용한 미생물연료전지와 유사한 것으로 나타났다.

This study was attempted to evaluate the change of microbial community in inoculums, lag, and stationary phase using the community level physiological profiles (CLPP) base on C-substrate utilization. It was to ascertain the characterizing microbial community over time in the enrichment step of microbial fuel cells. Microbial fuel cell is a device that converts chemical energy to electricity with aid of the catalytic reaction of microorganisms using C-substrate included wastewater. Microbial fuel cells enriched by a mixture of anaerobic digestive sludge of the sewage treatment plant and livestock wastewater were used. The current after enrichment was generated about 0.84 ± 0.06 mA. Microbial community in inoculums, lag and stationary phase used amine group, phosphorylated chemical group, and carboxylic acid group (some exclusion). However, phenolic compound did not use by microorganisms in lag and stationary phase. It means that there are not the microorganisms capable of decompose the phenol in microbial fuel cell enriched by livestock wastewater. In case of substrates of amino acid and carbohydrates group, these C-substrates were only used by microorganisms in the stationary phase. It may be that electrochemically active microorganisms (EAM) which we want to know should utilize the better these C-substrates than that of lag phase. This study showed that the electrochemically active bacteria that can be distinguished by electron changes of C-substrate utilization over time could be separated.

해양구조물 전력시스템은 독립형 전력체계를 구축하기 어렵다. 그러므로 해상용 전력시스템을 효과적으로 운영하기 위하여 연료전지 및 하이브리드 전력체계를 연동한 전력시스템을 구축하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 연료전지 기반의 해양구조물용 전력체계 설계에 필요한 수소 발생 메카니즘, 사용 전력량 계산과정 등을 기초로 해상용 연료전지 기반의 전력체계를 설계하고, 설계된 전력 시스템을 LabVIEW 프로그램을 활용하여 시뮬레이션 및 분석하였으며, 이를 기반으로 해양구조물용 전력시스템 설계 방안을 제안하고자 한다.