13조- 에너지자립해조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 미생물연료전지를 활용한 에너지 자립형 아파트 모델 설계

영문 : Energy-independent apartment model design using microbial fuel cells

과제 팀명

에너지자립해조

지도교수

김주식 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 이**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 조**

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 최**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 4차 산업혁명 시대에 들어섬에 따라 스마트시티가 대두되고 있다. 스마트시티를 성공적으로 구축하 기 위해서는 도시의 건축물에서 사용하는 에너지가 50% 이상을 차지하는 현 상황에서 스마트시티 추진 과 함께 신재생에너지를 활용한 스마트시티의 에너지 자립이 필요하다. 
◇ 화석연료 사용으로 인해 환경문제가 심화됨에 따라 전 세계적으로 화석연료의 사용을 중단하려는 움직임을 보이고 있다. 현 정부에서 추진하고 있는 탄소중립 시나리오에는 신재생에너지 비율을 70%로 급증시킨다는 계획이 포함되어 있고 이에 국내 신재생에너지 개발에 관심이 모이고 있다. 
◇ 스마트시티 내 주거단지에서 배출되는 음식폐기물을 대상으로 하는 본 설계는 유기물 제거로 음식폐기물 처리장의 처리 비용 부담을 완화함과 동시에 전력 생산으로 스마트 에너지 시티의 에너지 자립률이 개선될 것이다.
◇ 본 설계는 스마트시티 주거단지의 음식폐기물 배출지를 일원화하고 음식폐기물 처리장으로 수거되기 전의 음식폐기물을 이용하여 미생물 연료전지를 구동하는 시스템을 구축하고, 미생물연료전지에서 생산된 전력은 ESS(에너지 저장 시스템)에 저장하여 단지 내 공용시설에 공급하는 것을 목적으로 한다.

개발 과제의 배경

◇ 화석연료 사용으로 인해 환경문제가 심화됨에 따라 전 세계적으로 화석연료의 사용을 중단하려는 움직임을 보이고 있다. 우리나라 또한 2020년 탄소중립을 선언하며 2050 탄소중립 추진전략을 확정하고 발표했다. 2019년 기준 한국의 재생에너지 발전 비중은 약 6.5%로 석탄 발전 비중인 약 40.4%에 비하 여 매우 낮은데1), 탄소중립 시나리오에는 신재생에너지 비율을 70%로 급증시킨다는 계획이 포함되어 있고 이에 국내 신재생에너지 개발에 관심이 모이고 있다.
◇ 한국은 국토의 특성상 다른 나라들의 재생에너지 비율 중 가장 많은 부분을 차지하는 수력발전에 불리하다2),3). 태양열과 풍력 또한 마찬가지이며 이에 중장기적으로 재생에너지가 화석연료를 서서히 대 체하는 과정에서 미생물연료전지가 부각될 것으로 예상된다.
◇ 스마트시티 건설에 있어서 가장 중요한 것은 단순히 차세대 도시를 건설한다는 것 이전에 신재생에 너지를 통해 에너지를 자급자족할 수 있게 하는 것이다.
◇ 1960년대 연구되기 시작한 미생물연료전지는 폐수 처리와 전력 생산이 동시에 가능한 기술임이 부각되며 최근 연구가 급증하고 차세대 신재생에너지로서 주목을 받고 있다.
◇ 본 프로젝트는 스마트시티 내 주거단지에서 배출되는 음식폐기물을 대상으로 하였다. 음식폐기물의 유기물 제거로 음식폐기물 처리장의 처리 부담을 완화함과 동시에 유기물을 이용한 전력 생산으로 에너지 자립률이 개선될 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 스마트시티 주거단지의 음식폐기물 배출지를 일원화하고 음식폐기물 처리장으로 수거되기 전의 음식폐기물을 이용하여 미생물연료전지를 구동하는 시스템을 구축. 
◇ 미생물연료전지에서 생산된 전력은 ESS에 저장하여 지하주차장 LED등, 엘리베이터, 가로등 등 단지 내 공용시설에 공급. 
◇ 미생물연료전지 시스템을 구축함에 따라 에너지 자립률이 개선되었는지를 평가.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

1) 해외

◇ 중국의 하얼빈공대에서는 수직형 층류흐름을 가지는 파일럿 규모의 미생물연료전지를 통해서 하수를 처리하는 연구를 진행하였다. 1개의 셀이 1 m×1 m×0.25 m이며, 4개의 cell이 1개의 모듈을 구성한다. HRT 6일이라는 장시간의 수리학적 체류시간을 주어 최대한 많은 유기물이 미생물연료전지 반응조에서 처리될 수 있도록 유도하여 약 80% 정도의 유기물 제거효율을 달성할 수 있었으며, 유입 COD는 300 mg/L 방류수는 약 50~70 mg/L 수준이었다. 1개 단위 cell의 scale-up으로 인하여 내부저항이 커짐으로 인해 전력밀도는 높지 않은 수준인 0.47 W/㎥를 달성하였다.
◇ 영국의 브리스톨 대학 등에서는 미생물연료전지 반응조를 수직으로 복수 개의 단으로 조합하고 수류흐름을 폭포처럼 위에서 아래로 하수가 흐를 수 있도록 하고 전기적으로 한 개의 셀이 다른 셀과는 전기적으로 연결이 되지 않도록 아래 그림과 같이 고안하여 COD 제거효율을 극대화 시키고자 하였다. 전기적인 연결은 기존에 많은 연구자들이 주장하는 바와 같이 병렬연결이 직렬연결보다 전력밀도 및 시스템의 안정성에서도 유리하였으며, 단기적인 운전보다 장기운전에서 더 병렬연결 시 전력밀도가 상승함을 확인하였으며, COD 제거효율은 96%를 달성하였다. 전력밀도는 단위 셀 및 병렬 연결 시 약 7 W/㎥ 그리고 직렬 연결 시 9.5 W/㎥로 보고되었다.
◇ 미국의 Arizona 대학의 Bruce Rittmann 교수 연구팀에서는 센서의 구동을 위한 원격지원용 미생물연료전지(MFC, Microbial Fuel Cells)로 크기를 초소형화한 micro-scale MFC를 연구하고 있다. 바이오센서 분야에서는 미생물연료전지의 크기를 키우기 보다는 down scale로 초소용화 하여 그 성능을 향상시키고자 하는 연구가 진행 중이다. 이러한 초소형화는 전지장치들이 가지고 있는 태생적인 약점인 큰 규모로 확대 시 내부저항의 증가를 줄일 수 있어 안정적이고 높은 전력 밀도의 달성이 용이하다. 따라서 Bruce Rittmann 교수 연구팀에서는 초소형 용량인 100㎕규모로 약 4 ㎠의 전극크기를 사용하였다. 이러한 초소형 규모에서 발생되는 전력밀도는 일반적인 mL 및 L급 용량을 가진 미생물연료전지에 비해 매우 크게 나타나서 2,000~3,000 W/㎥의 전력밀도를 달성하였다.
◇ 미생물연료전지의 상용화를 위하여 많은 연구자들이 저가의 촉매 개발, 내부구조의 최적화 및 실험실 규모의 반응조에서 큰 규모의 pilot 규모의 셀을 구성하여 운전하고 이를 통해 운전 및 설계인자를 확보하고자 연구를 진행하고 있다.
◇ 해외에서 저술된 논문을 바탕으로 조사한 결과, 연료전지의 기질로써 작용하는 유기물을 다양화, 세분화하여 그에 따른 전력 밀도를 결과로써 도출하였다. 폐수를 유기물로써 진행된 연구가 다수인 반면, 음식폐기물을 적용한 미생물 연료 전지에 대한 연구는 아직 접근 단계에 머무른 것으로 보인다.

2) 국내

◇ 환경부의 수처리 시설의 에너지 자립율을 높이기 위하여 하수처리시설 에너지 자립화 기본계획에 따라 K-water연구원 상하수도연구소에서 미생물연료전지 기반의 에너지 자립형 수처리기술 개발을 수행했다. 1차 년도 (2011년)에 Proto type MFC 설계 및 제작과 미생물연료전지 운전 및 안정화에 대해 연구했고, 2차 년도 (2012년)에 최적전극, 막소재 선정 및 미생물연료전지 규모 확대기술 개발과 Bio-cathode MFC 설계 및 제작을 했다. 또한 3차 년도 (2013년)에는 최적운잔 인자 도출 및 규모 확대 기술 정립과 Bio-cathode MFC 최적화 및 질소제거형 MEC(미생물 전기분해 전지, Microbial electrolysis cell) 공정평가 및 최적조건 도출에 대한 연구, 4차 년도 (2014년)에 Pilot 규모 미생물연료전지 (1 ㎥/d) 운전과 Test-bed 설계 (30 ㎥/d) 및 설치/시운전에 대한 연구를 진행했다.
◇ 경남과기대 정재우 교수 연구팀에서는 하폐수처리의 효율 및 미생물연료전지의 성능 향상을 위하여 한 개의 셀 (산화전극-분리막-환원전극)을 배플로 하여 최대한 유입 하폐수가 산화전극과 접촉을 많이 할 수 있도록 반응조를 구성하였으며, 한 개의 셀은 아래 그림과 같이 중앙이 비어있는 형태의 구조를 가지는 단셀을 여러개 설치하였다. 이러한 배플의 설치로 인하여 수리학적 체류시간이 증가하고 이로 인하여 COD 제거 효율 및 쿨룽 효율도 상승함을 보고 하였다 (Chung et al., 2013).
◇ 건국대학교 김성현 교수 연구팀에서는 환원전극의 촉매로 비귀금속 계열인 코발트를 활용하여 기존의 고가 소재인 백금을 대체하려는 연구를 진행하고 있다. 이러한 연구는 다양한 연구자에 의해서 진행되고 있고 지금까지는 Cu 및 Fe를 혼합하는 혼합촉매의 효율이 상대적으로 우수하고 범용적으로 많이 연구에 활용되고 있다. 탄소(C)에 산화코발트(CoOx)와 철(Fe) 혹은 Co(코발트)를 PC(phthalocyaine)에 결합하여 환원촉매를 제조하였으며, 이러한 혼합촉매가 철(Fe) 보다 우수한 환원효율을 보였다고 보고하였다 (Ahmed et al., 2014).
◇ GIST의 장인섭 교수 연구팀은 기존의 미생물연료전지에 대해 scale up이 가지고 오는 다양한 문제를 제시하며 나노-마이크로-매크로 융합바이오일렉트로닉스 플랫폼을 제안하였다. 이 플랫폼은 기존의 무조건적인 미생물연료전지의 용량증가 보다는 적은 규모의 미생물연료전지 반응조를 최적화 시키고 여러 개의 적은 용량의 미생물연료전지를 묶어서 모듈화시켜서 시스템의 규모를 확장하는 방식이다. 이러한 모듈을 이용할 때에는 직병렬의 전기적 연결이 중요하며, 복수의 전극이 동일 전해질에 발생할 수 있는 과전압 현상을 방지하기 위하여 전해질을 공유하지 않은 전극간의 연결을 통해 이러한 문제를 해결한다. 이러한 모듈을 stack하면서 전기 생산량을 증가시키는 것이 유리할 것이라 보고하였다 (김봉규 등, 2014).
◇ MEC(미생물 전기분해 전지, Microbial electrolysis cell)를 이용한 수소생산에 대한 연구와 MEC를 활용한 메탄생성 등 전기 이외의 금속 및 금 등의 고가의 귀금속을 폐수에서 회수하는 자원회수를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

특허조사 및 특허 전략 분석

◇ (10-1530527) 미생물연료전지
본 발명의 미생물연료전지는 2실(two chamber) 구조로 구성되고, 가축분뇨에 미생물의 대량증식을 위한 단백질 원으로서 두부 폐수를, 탄수화물 원으로서 음료 폐수를 혼합한 배양액을 미생물 연료전지에 공급하여, 분뇨를 혐기적으로 처리하며 높은 출력의 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 가축분뇨 접종부에서 미생물의 증식은 질소가 존재하는 혐기성 조건의 10~60 ℃에서 0.5~10일 동안 이루어지며, 혼합물의 가축분뇨 : 두부 폐수 : 음료 폐수 중량비는 1 : 20~25 : 5~15로 사용한다. 접종부에서 증식한 미생물과 혼합물은 가축분뇨 공급부로 공급된 후, 미생물연료전지의 애노드(Anode)부로 공급된다. 전극의 애노드부에 카본펠트를 전해질막과 접촉시키고, 캐소드(Cathode)부에는 가스확산층을 구비하며, 전해질막, 가스확산층, 카본펠트 및 가스켓을 그래파이트 분리판 사이에 넣고 분리판 밖에는 집전판과 엔드플레이트를 차례로 결합시키는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 미생물연료전지는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)에 사용되는 요소들을 그대로 사용할 수 있다.

◇ (10-1370476) 다중 격막형 미생물연료전지
산화전극부 몸체 내부에 복수의 격막을 상호 대향되게 형성하여서, 간단한 구조 개선만으로도 산화전극부 내 사공간을 최소화하여 전기 발생량을 극대화할 수 있는 다중 격막형 미생물연료전지이다. 내부가 중공된 몸체를 포함하여 구성되며, 몸체 내부에 원수를 유입 받아 미생물에 의한 유기물 분해가 이루어지는 산화전극부와 상기 산화전극부의 외측에 밀착되게 구비되어 미생물의 유기물 분해 과정에서 발생되는 전자를 환원전극으로 이동시키는 산화전극, 상기 산화전극의 외측에 구비되어서 상기 산화전극과 상기 환원전극을 전기적으로 절연시키는 분리막 및 상기 분리막의 외측에 구비되어서 상기 산화전극으로부터 이동된 전자를 외부공기와 반응시켜 전자의 흐름을 유지시키는 환원전극으로 구성된다. 상기 산화전극부는 상기 미생물의 유기물 분해 과정에서 발생되는 전자가 이동되는 표면적이 증대되도록 상기 몸체 내부 측면으로부터 연장 형성되는 격막을 포함하여 구성되는 것을 특징이다. 원수를 유입 받아 미생물과 반응시키는 과정에서 발생된 전자는 그 접촉 면적이 넓을수록 전기 생산 효율이 높아진다. 본 발명은 산화전극부 내 사공간을 최소화함으로써 유효공간을 최대화하여 전기발생량을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

◇ (10-1692064) 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물 연료전지
본 발명은 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지에 관한 것으로서, 산화전극이 충진된 산화전극부, 상기 산화전극부의 상부에 설치되는 환원전극부, 상기 산화전극부와 환원전극부 사이에 설치되는 분리막으로 구성된다. 슬러지 배출부를 구비하여 슬러지가 유입수의 흐름을 막아 발생하는 편흐름을 방지할 수 있는 장점이 있으며, 다수의 환원전극들을 스페이서를 이용하여 각각 구분하고, 상기 스페이서의 재질을 금속으로 하여 상기 스페이서의 상부에 전기인출 수단을 연결함으로 인해 종래와 같이 환원전극 각각에 전기인출 수단을 연결하지 않아도 되므로, 전기 추출구조가 간단한 장점이 있다. 본 발명은 산화전극부의 상부에 설치된 분리막에 대하여 직각으로 다수의 소형 환원전극을 적층시킴으로써 산화전극의 부피에 대한 환원전극의 면적비를 극대화해 미생물연료전지의 성능을 향상시키는 효과를 가진다. 본 발명은 2차원인 면 형상의 환원전극들이 분리막과 직각으로 설치됨으로써 일부 액상에 침지되지만 소형 환원전극을 다수 배치함으로써 공기와 접합면적의 극대화가 가능하여 환원전극 표면으로의 충분한 공기공급으로 환원전극의 성능이 최대화된다.

◇ (10-1352551) 미생물 연료전지 모듈 시스템
본 발명은 미생물 연료전지 분야에 관한 것으로, 전기적으로 직렬연결 된 복수 개의 단위 셀들이 산화전극부 용액을 공유하지 않도록 구성된 미생물 연료전지 모듈 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 미생물 연료전지 모듈 시스템은 복수 개의 단위 셀들이 전기적으로 직렬 연결되어 상업적 규모의 전력생산이 가능하다. 각각의 개별 단위 셀마다 산화전극부가 부여되어 전압 강하 현상을 예방할 수 있고, 복수 개의 단위 셀들이 산화전극부 용액을 공유하므로 본 발명을 참고했을 때 미생물 연료전지 모듈 시스템의 설계를 단순하게 조직할 수 있다. 특히, 미생물 연료전지 모듈 시스템은 상업적 규모의 전력을 효율적으로 생산하는데 유용하게 이용될 것으로 기대된다.

특허전략

◇ 원수가 유입되어 미생물과 반응하는 과정 중 발생한 전자는 그 접촉 면적이 넓을수록 전기 생산 효율이 높아진다. 그러므로 산화전극부 내 사공간을 최소화함으로써 전체 공간 대 유효 공간의 비를 최대로 하여 전기발생량을 극대화시킬 수 있다.

◇ 전력 생산의 척도인 전력 밀도는 산화전극의 부피에 대한 환원전극의 면적비에 비례한다는 사실을 알 수 있다. 양극실 미생물연료전지를 사용할 경우, 환원전극 대신 전해질을 사용할 수 있어 환원전극에 대한 선택의 폭이 넓다. 그리고 효율이 뛰어나지만 많은 비용을 요구하는 신소재 전극을 사용하는 대신 구조적으로 부피가 큰 산화전극을 사용하여 미생물연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

◇ 수직으로 설치된 전극도 활용 가능하다는 점으로 미루어 보았을 때, 전극 및 분리막은 개별 셀 내에서 자유롭게 위치할 수 있다. 수평, 수직뿐만 아니라 사면으로 설치하거나 입체적으로 디자인하여 설치할 수 있다.

◇ cell stack을 활용한 모듈을 적용한 사례를 확인하여 보면 실제 사용된 셀의 크기는 상당히 작은 것을 알 수 있다. 상업적 규모의 전력을 생산할 수 있다는 점을 입증하기 위해서는 더욱 큰 규모의 셀을 계획하여 성능을 보여주는 것으로 독자적인 특허를 확보할 수 있도록 노력해야 한다.

◇ 미생물 연료 전지가 해외에서는 많이 개발된 실정에 비해 국내 특허는 서서히 발전하는 단계이다. 본 설계가 특허로써 발명되기 위해서는 획기적인 기능을 지닌 셀의 디자인, 상업적 규모의 성능이 입증된 셀, 미생물 연료전지가 도입된 전력 시스템이라는 세 가지 특성을 만족할 필요가 있다.

기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

전체 시연물
미생물연료전지 셀 한 개 시연물

포스터

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

◇ 발명의 명칭: 미생물연료전지를 활용한 에너지 자립형 아파트 모델 설계

◇ 출원일자: 2021.12.09

◇ 출원번호: 10-2021-0175799

◇ 출원인: 최민선 (대표)

개인금융정보를 공유할 수 없으므로 대표자 한 명을 지정하여 출원하였다.

◇ 발명자: 최민선, 조창범, 김현진, 이현지