| 초록 |
□ 연구의 목적 및 내용 ○ 미생물연료전지의 전류 생산에 영향을 미치는 파라미터들을 분석하여 미생물연료전지의 출력 특성 분석 평가하고, MFC 미세 전력의 추출, 가공, 통합 효율을 극대화하는 에너지 하베스트 회로 기술을 결합함으로써, MFC만으로 에너지 효율을 높이려는 한계를 극복하여 실용화를 위한 독립형 전원 기술 개발 ○ 미생물연료전지 전류 생산에 영향을 미치는 변수에 따른 영향 - 인공폐수 및 가축분뇨의 폐수처리 속도에 따른 전류 생산에 미치는 영향 - 폐수의 농도에 따라 전류 생산에 미치는 영향 - 미생물연료전지 전류발생의 제한 인자의 영향 특성 분석 - 에너지 하베스팅 설계를 위한 셀 단위 미생물연료전지 설계 기준 설정 - 유기오염물질 감소량과 전류값으로부터 쿨롱효율 측정 ○ 음극부/양극부의 분극 곡선을 작성하고 출력 손실 분석 - 음극부 전위와 미생물연료전지 셀 전압 측정 - MFC system 설계에서 산화/환원 전극의 활성화 손실 분석 - 산화/환원 전극의 저항 손실 분석 - 농도 손실 분석 추정 및 최소화 방안 도출 ○ 전기화학적임피던스분광법에의한내부저항등미생물연료전지특성분석 - 음극부/양극부의 전기화학적 임피던스 스펙트럼 분석 - 여러 음극액(anolyte) 조건에 따라 음극부와 양극부의 임피던스 스펙트럼 테스트 ○ 순환전압전류법을 이용한 전극 반응 특성 분석 - 순환전압전류법(CV) 이용 전극 반응 특성 분석 - 미생물연료전지의OCV(open circuit voltage), 단락전류(Short circuit current)를측정 ○ MFC & 에너지 하베스트 단일 모듈화 - 셀 단위 MFC에서 생산된 에너지의 외부 추출 최적화 - MFC설계방안 확립 및 성능 향상 방안 도출 ○ 셀 단위 미생물연료전지의 에너지 최적화 기술 - 단위시간 당 최대 에너지 생산 가능한 조건 확립 - 전압-전류와 전력-전압 상관 관계 - 에너지 하베스팅 기술 적용 가용 에너지 최적 조건 도출 ○ MFC 전력 추출 기술 개발 - MFC 특성에 적합한 전력 추출 회로 기술 개발 - 활용 전력을 위한 DC-DC 변환 및 파워컨디셔닝 기술 개발 - 효율적인 전력 중합 기술 개발 ○ MFC & 에너지 하베스트 단일 모듈화 - 셀 단위 MFC에서 생산된 에너지의 외부 추출 최적화 - MFC 설계 방안 확립 및 성능 향상 방안 도출 ○ 중합 인터페이스 전력 관리 기술 - ICT 기반 전원 공급을 위한 전력 관리 기술 개발 □ 연구 개발 성과 ○ 미생물연료전지 전류 생산에 영향을 미치는 변수에 따른 영향 - 환원조 유속증가로부터 최대전류 1.6배, 최대전력 1.5배 향상 - 폐수 유입 유속 변화에 따라 최대전류 값 10% 향상 - pH조절 및 환원조 키네틱의 중요성 확인 - MFC 최대 전류생산 중간 지점에서 최대전력추출 가능 확인 - 유기물제거속도 1.4-1.9 kg COD/day/m 3 , 약 20%의 쿨롱효율 확인 ○ 음극부/양극부의 분극 곡선을 작성하고 출력 손실 분석 - 분극 곡선에서 활성화 손실(7.8~12.2%), 옴저항 손실(50~84%), 물질전달 손실(산소전달제한시) 확인 - 출력 손실 최소화 방안: 산화·환원조 물질전달계수 향상 필요(유속 증가) ○ 전기화학적 임피던스 분광법에 의한 내부저항 등 미생물연료전지 특성 분석 - 스테인리스 전극과 탄소 전극의 임피던스 분석을 통한 음극부/양극부의 옴 저항(Rs), 전하 이동 저항(Rct) 파악 - 가축분뇨와 인공폐수 모두 유사한 옴 저항 확인(0.2~1.7Ω) ○ 순환전압전류법(CV)을 이용한 전극 반응 특성 분석 - CV 분석을 통해탄소전극에비해 높은스테인리스전극의 산화및환원 반응확인 - MFC에서 스테인리스 전극은 탄소전극 대비 낮은 전위 손실과 백금촉매와 유사한 전위 손실로 값비싼 탄소전극 및 촉매 대체 가능성 확인 ○ MFC & 에너지 하베스트 단일 모듈화 - 수동 방식 MPPT 기술이 적용 된 하베스트회로를 이용 MFC 전력 추출 최적화 및 최종 출력 증대 - 3.7 V의 정격 전압 출력이 가능한 MFC-EH 회로 모듈 구현 ○ 셀 단위 미생물연료전지의 에너지 최적화 조건 확립 - 3.7 V의 정격 전압 출력이 가능한 에너지 하베스팅 기술 적용 가용 에너지 최적 조건 도출 ○ MFC 전력 추출 기술 개발 - MFC 최대 전력 추출 기술(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 개발 - 저전력 DC-DC 변환 IC를 활용한 저전압 MFC 출력 승압 (3V 이상) - MFC 셀 중합 시의 voltage reversal 극복을 위한 power Oring 회로 연구 ○ MFC & 에너지 하베스트 단일 모듈화 - passive MPPT 기술이 적용된 에너지 하베스팅 회로 제작 및 전력 추출증대 효과 확인 (2배 이상의 최종 출력) - MFC-EH 회로 모듈화 설계 및 효과적인 전력 중합 구현 ○ 중합 인터페이스 전력 관리 기술 - ICT 응용을 위한 MFC-EH 자립형 전원 기술 및 생산 전력을 활용한 농업 애플리케이션 구현 - MFC 전기 생산 특성에 최적화 된 에너지 하베스팅 기술 개발 □ 연국개발성과의 활용계획(기대효과) ○ 미생물연료전지 전압역전 현상 방지와 미세전력 이용 기술 개발 ○ 친환경적 에너지 자립형(energy self-sustainable) MFC-EH 기술 개발 ○ ICT를 기반으로 한 농축산 지능형 현대화 시스템 전원 공급 ○ 유기오염물 처리 관련 신산업 창출 ○ 스마트팜의 저전력 ICT 기기, 센서 네트워크 운용 및 다양한 농업환경에서의 마이크로그리드 기반 기술로 확대 적용 ○ 개발도상국에 대한 공적 원조 사업 (ODA)와 연계하여 폐기물의 친환경 처리와 전력 인프라의 부족을 동시에 해결할 수 있는 적정 기술로 보급 (출처 : 국문요약문 4p) |
