KR101207408B1 - 개미산을 전기에너지로 전환시키는 개미산 개질 연료전지 - Google Patents

개미산을 전기에너지로 전환시키는 개미산 개질 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개미산을 전기에너지로 전환시키는 미생물을 이용한 새로운 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료공급부, 공기공급부, 개미산을 수소로 전환시키는 미생물이 장착된 개질장치, 이산화탄소 제거부 및 연료전지 스택부로 구성된 개미산 개질 연료전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 개미산 개질 연료전지는 일산화탄소를 생성하지 않으면서 저온에서 구동이 가능하고, 높은 전력밀도를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

개미산을 전기에너지로 전환시키는 개미산 개질 연료전지 {Bio-reformed Formic Acid Fuel Cell Converting Formic Acid to Electric Power}
본 발명은 개미산을 수소로 전환시키는 미생물을 이용하여 연료로 공급된 개미산을 분해하여 전기에너지로 전환하는 연료전지에 관한 것으로, 연료공급부, 공기공급부, 개미산을 수소로 전환시키는 미생물이 장착된 개질장치, 이산화탄소 제거부 및 연료전지 스택부로 구성된 개미산 개질 연료전지에 관한 것이다.
최근에 메탄올이나 에탄올에 비해 인체에 무해하고 연료의 안전성이 높은 개미산을 이용한 직접 개미산 연료전지 연구가 활발히 진행되고 있지만, 직접 개미산 연료전지의 경우 저전력 밀도를 나타내며, 고가의 촉매가 다량 사용되기 때문에 고분자 전해질 연료전지에 비해 치명적인 약점을 가진다(대한민국 등록특허 제10-0671427호, 대한민국 공개특허 제10-2005-0047913호, 미국 공개특허 제2003-0215682호). 또한, 연료개질을 사용하는 연료전지의 경우 연료개질 과정에서 일산화탄소가 촉매를 피독시키는 문제점이 있으며, 연료개질 후 전환되는 수소가스의 저장문제가 하나의 주된 문제점으로 부각되고 있다.
통상적인 연료전지용 개질장치는 연료를 개질하여 스택의 전기생성에 필요한 수소가스로의 전환시키는 개질부와 연료전지를 피독시켜 수명을 단축시키는 일산화탄소와 같은 유해물질을 제거하는 일산화탄소 정화부를 포함하고, 이러한 개질장치를 통과한 순수한 수소는 필요시에 연료전지에 공급되어 전기에너지로 전환될 수 있도록 수소저장을 위한 외부 장치에 저장되게 된다. 이러한 장치는 매우 복잡하고 큰 단점이 있다.
이에, 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 개선하고자 예의 노력한 결과, 개미산을 수소로 전환할 수 있는 미생물을 함유하는 개질장치와 복수개의 전극-막 접합체(membrane electrode assembly:MEA)로 구성된 연료전지 스택부 및 이산화탄소 제거부를 일체화한 개미산 개질 연료전지 (Bio-reformed formic acid fuel cell, BrFAFC)시스템을 개발하였으며, 상기 개미산 개질 연료전지에 개미산을 공급할 경우, 고가의 촉매를 다량 사용할 필요가 없을 뿐만 아니라 연료전지를 피독시키는 일산화탄소의 생성없이, 높은 전력밀도를 얻을 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 개미산을 전기에너지로 전환시키는 미생물이 장착된 개질장치, 이산화탄소 제거부 및 연료전지 스택부를 일체화한 개미산 개질 연료전지를 이용하여, 일산화탄소가 생성되지 않으며 저온에서 구동이 가능하고, 고가의 촉매 사용량을 줄일 수 있고 높은 전력밀도를 얻을 수 있는 연료전지를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
(a) 개미산을 연료로 공급하는 연료공급부;
(b) 상기 연료공급부에 연결되고, 개미산으로부터 수소를 생산할 수 있는 미생물을 포함하며, 연료공급부로부터 개미산을 공급받아 상기 미생물을 이용하여 상기 개미산을 수소로 전환시키는 개질장치;
(c) 상기 개질장치에 연결되어, 미생물의 개미산 분해에 의해 발생한 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 제거부;
(d) 외부의 공기를 흡입하여 연료전지 스택부로 공기를 공급하는 공기공급부; 및
(e) 상기 이산화탄소 제거부 및 공기공급부에 연결되어, 개미산 분해에 의해 발생한 이산화탄소가 제거된 순수 수소와 상기 공기공급부로부터 공급된 공기의 산화/환원반응으로 전기를 생성하는 연료전지 스택부를 포함하는 개미산 개질 연료전지를 제공한다.
본 발명은 개미산을 전기에너지로 전환시키는 미생물을 이용한 개미산 개질 연료전지를 제공함으로써, 연료전지의 성능을 감소시키는 일산화탄소를 생성하지 않으면서 저온에서 구동이 가능하고, 높은 전력밀도를 얻을 수 있는 효과가 있다. 또한, 고가의 촉매를 사용량을 현저히 줄일 수 있어서 개미산 개질 연료전지의 상용화에도 매우 효과적이다.
도 1(a) 및 (b)는 본 발명에 따라 제조된 개미산 개질 연료전지의 견본을 찍은 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 개미산 개질 연료전지를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3는 본 발명에 따른 개미산 분해용 미생물(생촉매)을 이용하여 개질된 수소의 생산량을 측정한 그래프로 (a)는 개미산으로부터 개질된 수소생산량을 나타낸 그래프이고, (b)는 주입된 개미산 농도에 기초한 수소생산 수율을 측정한 그래프이다.
도 4은 본 발명에 따른 개미산 분해용 미생물(생촉매) 농도에 따른 수소생산속도를 측정한 결과 그래프로, (a)는 세포 당 수소생산속도를 나타낸 그래프이며, (b)는 부피 당 수소생산속도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 개미산 개질 연료전지에서 이산화탄소 제거에 따른 전압-전류(V-I curve) 그래프이다.
도 6는 본 발명에 따른 개미산 개질 연료전지에서 미생물(생촉매)의 농도에 따른 거동을 나타내는 그래프로, (a)는 미생물(생촉매) 농도에 따른 전압-전류 그래프이며, (b)는 미생물(생촉매) 농도에 따른 전력-전류 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 개미산 개질 연료전지와 다른 연료전지와의 성능을 비교한 그래프이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명은 일 관점에서,
(a) 개미산을 연료로 공급하는 연료공급부;
(b) 상기 연료공급부에 연결되고, 개미산으로부터 수소를 생산할 수 있는 미생물을 포함하며, 연료공급부로부터 개미산을 공급받아 상기 미생물을 이용하여 상기 개미산을 수소로 전환시키는 개질장치;
(c) 상기 개질장치에 연결되어, 미생물의 개미산 분해에 의해 발생한 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 제거부;
(d) 외부의 공기를 흡입하여 연료전지 스택부로 공기를 공급하는 공기공급부; 및
(e) 상기 이산화탄소 제거부 및 공기공급부에 연결되어, 개미산 분해에 의해 발생한 이산화탄소가 제거된 순수 수소와 상기 공기공급부로부터 공급된 공기의 산화/환원반응으로 전기를 생성하는 연료전지 스택부를 포함하는 개미산 개질 연료전지에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 미생물은 엔테로박터 아스뷰리에 SNU-1(Enterobacter asburiae SNU-1)인 것이 바람직하나, 개미산을 분해하여 수소를 생산할 수 있는 미생물이면 이에 국한되는 것은 아니며, 상기 엔테로박터 아스뷰리에 SNU-1(Enterobacter asburiae SNU-1)는 2005년 2월 3일자로 한국미생물보존센터에 기탁번호 KCCM 10647P로 기탁되었다.
본 발명에 있어서, 상기 연료공급부는 pH 제어센서가 추가로 장착된 것을 특징으로 할 수 있고, pH 제어센서는 바람직하게는 pH 6-7을 유지하는 것을 특징으로 할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 pH 6을 유지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 개질장치는 혼합장치 또는 온도조절부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있고, 온도조절부는 바람직하게는 25--47℃를 유지하는 것을 특징으로 할 수 있고, 더욱 바람직하게는 40℃를 유지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 개미산 개질 연료전지는 미생물 대사과정을 통해 개미산을 분해시켜서 수소를 생성하는 특징을 이용하는 것으로, 미생물이 생존할 수 있고 개미산을 분해하기 위한 적절한 조건에서 본 발명에 따른 연료전지가 성능을 발휘할 수 있다. 연료전지가 pH 6 미만 또는 7 이상의 조건에서 운전되면, 개미산을 분해하는 미생물의 활성이 떨어지거나 생육 장애를 일으켜서 공급되는 개미산을 수소로 전환시키지 못하게되고, 따라서 pH 6-7 범위를 유지하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 pH 6을 유지하는 것이 좋다. 또한, 연료전지가 30℃ 이하 또는 42℃ 이상의 조건에서 운전되면, 미생물이 활성이 떨어지게 되어 공급되는 개미산을 수소로 전환시키는 효율이 떨어지게 되며, 따라서 온도를 30--42℃ 범위로 유지하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 40℃를 유지하는 것이 좋다.
pH, 온도 및 개미산 농도에 따라 미생물이 개미산을 분해하여 수소를 생산하는 속도, 미생물이 개미산을 수소로 전환시키는 효율 및 수소의 생산량을 표 1에 나타내었다. pH 6-7 범위, 30-42℃ 범위 내에서 미생물이 개미산으로부터 수소를 효율적으로 전환시킬 수 있다.
H2 생산속도
(ml/hr)		 개미산 전환률d
(%)		 H2 생산량
(mol H2/mol formic acid)


pHa

5.8 111 100.0 0.92
6.1 263 99.5 1.06
6.4 179 97.3 0.97
6.7 153 95.2 0.83
7.0 82 86.1 0.73

온도b (℃)


 25 18 29.1 0.43
30 141 90.0 0.99
37 263 99.5 1.06
42 244 100.0 0.95
47 208 88.5 0.75


개미산 농도c(mM)


 30 45 90.3 0.64
50 91 87.8 0.94
100 197 99.5 0.88
270 415 85.0 1.07
350 491 82.1 1.06
530 252 14.4 1.10
a: 37℃에서 배양
b: pH 6.1에서 배양
c: 37℃, pH 6.1에서 배양
d: formic acid conversion ratio(개미산 전환률) = formic acid consumed/initial formic acid
본 발명에 따른 개미산 개질 연료전지는, 생촉매로써 미생물을 이용하여 개미산을 바이오수소로 전환시키고 이를 직접 전극-막 접합체(membrane electrode assembly:MEA)에 주입하여 전기에너지로 전환하는 것으로, 개미산 개질 연료전지에 개미산이 연료로 공급된 다음, 개질장치에 장착된 미생물이 공급된 개미산을 생촉매의 대사과정을 통하여 분해하여 수소와 이산화탄소를 생성시키고, 생성된 가스 중 이산화탄소는 이산화탄소 제거부에서 제거되고 순수한 개질 수소가 연료전지 스택부의 MEA로 직접 주입되어 전기에너지로 전환된다(도 1).
또한, 개미산을 수소로 전환시키는 미생물을 생촉매로 활용한 본 발명에 따른 개미산 개질 연료전지는, 반응식 1에 나타난 바와 같이 수소와 이산화탄소만을 발생시키고 일산화탄소를 발생시키지 않으므로 통상의 연료전지와 달리, 다단계의 복잡한 일산화탄소 정화부가 별도로 구비되지 않으며, 발생한 이산화탄소는 단순히 NaOH 용액 등이 담긴 용기를 통과함으로써 쉽게 제거될 수 있으며, 많은 에너지가 소비되는 고온(200℃ 이상)의 개질 과정 없이 저온(40℃)에서 작동이 가능하며, 개미산을 직접 연료로 사용하는 연료전지에 비해 전력밀도가 높고, 이에 따라 연료전지에 사용되는 고가의 촉매 양도 줄일 수 있다.
[반응식 1]
HCOOH → H2 + CO2
본 발명에 따른 연료공급부(50)는 액체연료(개미산용액)를 저장하는 연료저장부(51)와 연료를 개질장치로 배출시킬 수 있는 연료펌프(73)를 구비하여 개미산 수용액을 연료로 공급하거나, 또는 필요시에 물을 저장하는 물 저장부를 추가로 구비하여 개미산과 물이 각각 공급될 수도 있다.
본 발명에 따른 개미산을 수소로 전환시키는 미생물은 수소를 생산하기 위해 수용액 중 개미산(formic acid, HCOOH)을 분해하기 때문에 개질장치의 pH가 증가한다. 이때 일정 pH 이상 증가하게 되면 개질장치의 pH를 개미산을 수소로 전환하기 위해 적합한 범위로 유지하기 위하여, 개미산이 개질장치에 자동으로 첨가되도록 하는 pH-stat 방법이 활용된다.
본 발명에 따른 공기공급부(70)는 외부 공기를 흡입하여 연료전지 스택부(11)로 공급하기 위하여 펌프(71)를 구비한다. 상기 공기공급부(70)는 필요에 따라 공기뿐만 아니라, 산소도 공급할 수 있으며 공기 또는 산소를 펌프(71)를 통해 MEA의 캐소드(cathod)에 공급하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 개질장치(20)는 일종의 반응기로써, 미생물이 장착된 부분을 의미한다. 개미산으로부터 수소를 생산할 수 있는 미생물은 사전에 배양을 통해 얻어지며, 필요에 따라 고정화하여 장착되어 질 수 있다. 이러한 개질장치(20)는 용도에 따라 크기와 모양은 적절하게 결정될 수 있으며, 반응의 속도를 향상시키기 위해 mixing을 위한 magnetic bar와 stirrer를 포함 할 수 있고, 개미산을 분해하여 연료전지 MEA의 애노드(anode)에 수소를 공급하는 곳으로 미생물의 농도와 개미산의 농도 조절을 통해 필요한 속도의 수소를 생산할 수 있다. 이러한 특징은 다양한 전원을 요하는 분야에 이용할 수 있는 장점을 제공한다.
본 발명에 있어서, 개질장치는 연료전지를 미생물의 생존 및 개미산 분해에 적합한 온도로 유지시키기 위하여 온도조절부를 추가로 구비할 수 있고, 필요시에 미생물을 혼합할 수 있도록 혼합장치를 추가적으로 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 연료전지 스택부(11)는 개질장치(20)를 통해 개질된 수소 가스와 공기 공급부(70)로부터 공급되는 외부 공기의 산화/환원반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀을 구비하는 것으로, 일반적으로 사용되는 연료전지용 스택을 사용할 수 있으며, 연료전지 스택부는 애노드, 캐소드 및 이들 사이에 개재된 수소이온교환막으로 이루어진 MEA가 복수개가 구비될 수 있다.
본 발명에 있어서, 이산화탄소 제거부(21)는 이산화탄소를 제거하기 위하여 이산화탄소를 잘 흡수하는 NaOH나 KOH와 같은 강염기를 활용할 수 있으며, NaOH나 KOH 용액을 담은 용기를 이산화탄소 제거부로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 개미산 개질 연료전지는, 개미산을 수소로 전환시키는 미생물과 개미산 분해에 의해 발생한 이산화탄소를 제거하기 위한 이산화탄소 제거부 및 연료전지 스택부가 일체화된 것으로써, 메탄올, 에탄올 등을 개질하기 위해 복잡하고 큰 개질기를 구비한 수소연료전지와 달리 상기 구성요소들이 일체화되어 있는 소형화된 개질기를 제공하며, 필요시에 미생물의 대사과정을 통해 수소를 생산할 수 있으므로 별도로 수소 저장부를 구비할 필요가 없다.
본 발명에 있어서, 엔테로박터 아스뷰리에 SNU-1(Enterobacter asburiae SNU-1)은 개미산을 혐기발효하여 다른 부산물 없이 수소와 이산화탄소만을 생산한다. 이러한 엔테로박터 아스뷰리에 SNU-1(Enterobacter asburiae SNU-1)은 수소생산에 최적화된 PYG(peptone yeast extract glucose)배지에서 배양하는 것으로, 종자배양(seed culture)시 글루코스가 포함된 PYG 배지(글루코스 10g/ℓ; 펩톤 15g/ℓ; 효모추출물 3g/ℓ ; MgSO47H2O 0.5g/ℓ; KH2PO4 2g/ℓ)가 들어있는 120ml 시럼 바틀(serum bottle)을 혐기조건으로 유지가 가능한 혐기챔버(anaerobic chamber)에서 혐기 조건을 만들어 준 다음, 고무마개(butyl rubber septum)와 알루미늄 캡(aluminum cap)으로 밀봉하여 혐기적 조건을 만들어 준다. 이렇게 혐기적 조건으로 처리한 배지에 세포를 주입한 후에, 12시간에서 15시간 동안 37℃에서 220rpm으로 배양한다. 위와 같은 방법에 의한 혐기적 조건에서 종자배양(seed culture)된 미생물을 동일한 방법으로 혐기적 조건이 만들어진 배지에 옮겨 본배양(main culture)하고, 원심분리기를 이용하여 미생물을 수거하여 본 발명에서 사용된 개미산 개질 연료전지에 사용한다.
본 발명에서 이용한 엔테로박터 아스뷰리에 SNU-1(Enterobacter asburiae SNU-1)은 균체농도를 높게 유지할수록 수소의 생산속도가 비례적으로 증가하게 되는데(도4), 균체농도를 높게 하기 위하여 유가식 배양(fed-batch cultivation), 고정화 등의 방법을 사용하여 고농도 배양을 수행하면 더 좋은 효과를 가진다.
전술한 바와 같은 방법으로 생촉매를 수거하고, 에너지 필요시에 수거된 엔테로박터 아스뷰리에 SNU-1(Enterobacter asburiae SNU-1)은 개미산 개질 연료전지의 구성요소 중 연료공급부로부터 개미산 용액이 유입되는 개질장치 내에 주입된 다음, 적절한 운전조건에서 개미산 용액을 분해하여 수소와 이산화탄소를 발생시키고, 발생한 수소는 전극-막 접합체(MEA)의 애노드로 공급된 후 공기공급부로부터 공급되는 외부의 공기와 산화 환원 반응을 유도하여 전기에너지를 발생시킨다. 이때 개미산 개질 연료전지의 조건은 온도 40℃를 유지하며, pH 6으로써 유지하여 주어 개미산을 분해하기 위한 최적조건을 충족시킨다.
이하, 하기 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 결론적으로 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
1-1: 엔테로박터 아스뷰리에 SNU -1( Enterobacter asburiae SNU -1)의 배양
국내 쓰레기 매립지 토양으로부터 분리한 엔테로박터 아스뷰리에 SNU-1 (Enterobacter asburiae SNU-1)를 수소생산에 최적화된 PYG(peptone yeast extract glucose)배지에서 혐기적 조건을 유지하며, 37℃, pH 7에서 6시간 동안 배양하였다(J. H. Shin, et al ., "Fermentative hydrogen production by the newly isolated Enterobacter asburiae SNU-1", International Journal of Hydrogen Energy, 32:192, 2007). 이렇게 배양된 미생물은 원심분리기를 통해 채취하였다.
1-2: 엔테로박터 아스뷰리에 SNU -1( Enterobacter asburiae SNU -1)의 동정
상기 1-1에서 사용된 균주의 동정을 위해 16S rDNA 풀시퀀싱(full sequencing) 및 DNA-DNA hybridization 실험을 수행하였다. 균주의 동정을 위해 16S rDNA를 PCR로 증폭한 다음, 클로닝(cloning)하였다. 클로닝된 상기 16S rDNA는 DNA sequencer((a BigDyeTM Terminator Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Applied Biosystems)과 a model 310 automatic sequencer(Applied Biosystems))로 풀시퀀싱(full sequencing)하였다. 상기와 같이, 풀시퀀싱한 결과를 Ribosomal Database Project(RDP)와 비교하여 이차구조를 참고하고, 시퀀스(sequence)를 정렬한 후에 다른 균주와 유사도(similarity)를 조사하였다.
그 결과, 16S rDNA 풀시퀀싱(full sequencing)을 통해 약 1400개의 염기가 결정되었으며, 이를 바탕으로 유사도를 측정한 결과, Enterobacter asburiae(JCM 6051T), Pantoea agglomerans(JCM 1236T), Enterobacter cancerogenus(LMG 2693T)와 99% 이상의 유사도를 나타내었으며, 2차 구조를 참고하여 만든 phylogenetic tree를 통한 계통수 분석에서도 같은 결과를 나타내었다.
또한, 보다 정확한 동정을 위해 상기 16S rDNA 염기서열의 계통분석 결과에서 본 발명의 strain SNU-1과 가장 가까운 유연관계에 있는 균주인 Enterobacter asburiae(JCM 6051T), Pantoea agglomerans(JCM 1236T), Enterobacter cancerogenus(LMG 2693T)을 대상으로 DNA-DNA 혼성화(DNA-DNA hybridization) 실험을 수행하였다(www.roche-applied-science.com).
그 결과, 본 발명의 균주는 엔테로박터 아스뷰리에(Enterobacter asburiae)와 76.7%의 유사도를 나타내었으며, 70% 이상의 유사도를 보이면 같은 종으로 판별하는 동정 기준에 따라 본 발명의 균주는 엔테로박터 아스뷰리에 SNU-1(Enterobacter asburiae SNU-1)로 명명하고, 2005년 2월 7일 한국종균협회에 기탁하였다.
1-3: 개미산 분해용 미생물에 의한 수소 생산량 측정
상기 1-2에서 동정된 엔테로박터 아스뷰리에 SNU-1(Enterobacter asburiae SNU-1) 1g/ℓ를 개미산(formic acid, 300 mM) 수용액 0.5ℓ가 함유된 1ℓ반응기에 주입시키고, 상기 반응기의 혐기적 환경에서 37℃을 유지시켰으며, 연속적인 수소생산을 위해 개미산을 pH-stat방법을 이용하여 지속적으로 주입하여 pH 6을 일정하게 유지시켰다.
그 결과, 도 3a에 나타난 바와 같이, 반응기에 미생물이 공급됨과 동시에 수소 가스가 생성되는 것으로 나타났고, pH와 개미산의 농도가 잘 유지되어 장시간 동안 수소가 생성되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 4b에 나타난 바와 같이, 기질이 되는 개미산으로부터 이론적으로 얻을 수 있는 최대 수율에 도달하는 값인 1.0(mol H2/mol formate)로 측정되었다.
개미산 개질 연료전지( BrFAFC )의 제작
도 1에 나타난 바와 같이, 개미산 개질 연료전지는 연료공급부(50), 개질장치(20), 이산화탄소 제거부, 연료전지 스택부(11) 및 공기 또는 산소 공급부(70)를 구비하였다. 상기 연료공급부(50)는 연속적인 수소 생산을 위해 연료를 공급하는 곳으로, 연료인 개미산을 저장하는 저장부(51)와 개미산을 개질장치로 배출시킬 수 있는 연료 펌프(73)로 구성된다. 상기 연료 펌프(73)는 pH제어가 가능한 센서가 장착된 펌프를 사용하여 개질장치(20)가 되는 생물반응기에 연결하여 사용하였다. 개미산 개질 연료전지에서 개질기 부분은 개미산(formic acid) 수용액을 주입하고, 실시예 1-1에서 채취된 생촉매를 넣어주었으며 개미산의 연속공급을 위해 연료공급부에 구비된 펌프와 pH 센서를 이용하여 지속적으로 공급하였으며 아울러 pH도 6으로 일정하게 유지하였다. 또한, 개미산 개질 연료전지의 온도는 센서를 통해 개질기 부분과 스택부분을 40℃로 유지하였다. 연료인 개미산은 수용액 상태로 개질장치로 공급되는데, 미생물이 개미산을 분해하여 수소를 생산하면 pH가 올라가므로, pH 6 이상으로 올라간 경우에 pH 유지를 위해 분해된 만큼 개미산을 펌프로 공급되는 pH-stat 방법을 이용하였다. 연료전지 스택은 통상적인 고분자 전해질형 MEA 5cm2의 단위 셀을 제조하여 일체화하였다.
개미산 개질 연료전지에서 이산화탄소 제거 효과 및 생촉매 농도에 따른 전력밀도 측정
상기 실시예 2에서 설명한 개미산 개질 연료전지에서 350mM의 개미산용액 700ml을 개질기 부분에 주입하고, 다양한 농도의 생촉매를 개질기에 주입하여 전력밀도를 측정하였다. 또한, 연료전지의 거동은 들어가는 수소의 순도에 영향을 받는데 이를 위해 이산화탄소 제거 효과를 측정하였다. 이산화탄소 제거부는 1M의 NaOH 용액을 담은 작은 병으로써 개질기에서 생성된 가스가 이 병을 통과하여 이산화탄소는 제거되고 순수한 수소가 MEA의 애노드로 공급된다. 도 5에서와 같이 이산화탄소 제거부를 거친 수소를 공급한 경우 0.33W/cm2의 전력밀도를 얻을 수 있으나 이산화탄소를 제거하지 않고 공급하는 경우 0.16W/cm2의 낮은 전력밀도를 얻을 수 있었다. 따라서, 이산화탄소 제거부는 매우 중요한 것을 알 수 있으며 본 발명에서 개미산 개질 연료전지에서는 NaOH를 이용하여 이산화탄소를 제거하였다.
도 6는 생촉매의 양에 따라 얻을 수 있는 전압-전류 곡선(도 5a)과 전력-전류 곡선(도 6b)을 나타낸다. 이는 생촉매의 양이 증가할수록 더 높은 전력밀도를 얻을 수 있으며 필요한 전력에 따라 생촉매의 양으로 조절할 수 있음을 보여준다.
개미산 개질 연료전지와 다른 연료전지와 성능 비교
도 7은 본 발명에서 개발한 개미산 개질 연료전지의 성능을 기존 개발되어 있는 수소이온교환막 연료전지(PEMFC) 및 개미산 연료전지(DFAFC)와 비교한 그래프이다. 생촉매 22.7g을 개미산 350mM이 들어 있는 개질기에 넣고 실시예 2에서 설명한 방식으로 전기에너지로 전환하였다. 개미산을 직접 연료로 사용하는 DFAFC의 경우 낮은 전력밀도를 나타내며 많은 양의 촉매(보통 8mg/cm2)를 사용하지만 BrFAFC의 경우는 PEMFC와 같은 양의 적은 촉매(0.2mg/cm2)를 사용하며 높은 전력밀도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이는 BrFAFC가 개미산을 직접 사용하는 연료전지인 DFAFC에 비해 적은 양의 촉매를 사용하여 높은 전력밀도를 얻을 수 있다는 것을 의미하며, 기존 연료전지 시스템의 단점을 극복할 수 있음을 확인하였다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
11: 연료전지 스택부 20: 개질장치
21: 이산화탄소 제거부 50: 연료공급부
51: 연료저장부 70: 공기공급부
71: 펌프 73: 연료펌프

Claims (8)

  1. 다음을 포함하는 개미산 개질 연료전지:
    개미산을 연료로 공급하고, pH를 6 ~ 7로 제어하는 pH제어 센서가 장착된 연료공급부;
    상기 연료공급부에 연결되며, 온도를 30 ~ 42℃로 조절하는 온도조절부 및 혼합장치가 장착되고, 개미산으로부터 수소를 생산할 수 있는 미생물을 포함하고, 연료공급부로부터 개미산을 공급받아 상기 미생물을 이용하여 상기 개미산을 수소로 전환시키는 개질장치;
    상기 개질장치에 연결되어, 미생물의 개미산 분해에 의해 발생한 이산화탄소를 수산화나트륨 또는 수산화칼륨을 이용하여 흡수 제거하는 이산화탄소 제거부;
    외부의 공기를 흡입하여 연료전지 스택부로 공기를 공급하는 공기공급부; 및
    상기 이산화탄소 제거부 및 공기공급부에 연결되고, 애노드 전극, 캐소드 전극 및 이들 사이에 개재된 수소이온교환막으로 이루어져 개미산 분해에 의해 발생한 이산화탄소가 제거된 순수 수소와 상기 공기공급부로부터 공급된 공기의 산화/환원반응으로 전기를 생성하는 연료전지 스택부를 포함하되, 상기 개질장치, 이산화탄소 제거부 및 연료전지 스택부를 일체화하고, 수소저장부를 구비하지 않는 것을 특징으로 하는 개미산 개질 연료전지.
  2. 제1항에 있어서, 개미산으로부터 수소를 생산할 수 있는 상기 미생물은 엔테로박터 아스뷰리에 SNU-1(KCCM 10647P)인 것을 특징으로 하는 개미산 개질 연료전지.
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