미생물에 의한 생물학적 수소에너지의 생산과 그 이용

소개글

미생물에 의한 생물학적 수소에너지의 생산과 그 이용에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 서론
2. 혐기발효에 의한 수소생산 - Clostridium
3. hydrogenase
4. Clostridium butirycum에 의한 수소생산
5. 생물학적 수소생산 환경 및 음식물 쓰레기의 전처리
6. 수소의 전력에너지로의 전환
7. 유기성 폐기물을 이용한 생물학적 수소에너지 이용의 모델 제시

본문내용

장 방법으로는 대개 액체수소 저장방법, 기체수소 저장방법, 수소저장합금을 이용한 저장방법 등을 사용하고 있다. 기체액체수소 저장방법은 상온에서 폭발의 위험성이 있으며 저장비용 또한 높다는 단점이 있다. 그리고 수소저장합금은 상온에서 20-40 atm이하의 압력에서 수소를 안전하게 저장할 수 있다는 장점이 있지만 무게가 무겁고 가격 또한 비싸며, 수소저장능력에서도 가솔린이나 디젤의 경우가 17.4 wt%인 반면에 이보다 훨씬 낮은 4 wt% 밖에 저장할 수 없다는 단점이 있다. 이러한 문제점에서 가볍고 자원양이 풍부한 탄소재료가 수소 저장의 신 재료로 부각되고 있다. 탄소재료는 단일 원소이면서 화학적으로 안정하며, 전기 및 열전도성, 고강도, 고탄성, 생체친화성 등의 뛰어난 특성을 가진다. 탄소나노튜브를 이용해 수소를 저장할 경우 나노튜브의 직경에 따라 수십 wt% 이상의 수소를 저장할 수 있다.
(2)탄소나노튜브
탄소나노튜브는 하나의 탄소원자가 다른 탄소원자 3개와 결합하면서 육각형의 벌집모양을 이룬다. 나노튜브는 속이 빈 튜브의 모양을 가지고 있고, 그 튜브의 직경은 보통 나노미터 (nm) 이하로 길이는 수 마이크로미터(μm)에서 수백 마이크로미터(μm) 정도이다. 그리고 탄소나노튜브가 금속과 같은 전기적 도체나 반도체가 될 수도 있는데 이는 탄소나노튜브가 어느 각도로 말릴 것인가에 따른다. 이런 말린 형태에 따라서 single-wall nanotube와 multi-wall nanotube, rope nanotube로 구분한다. 이런 나노튜브의 다른 구조는 다양한 특성을 나타낸다.[그림 14]
● 고분자 연료전지
(1)기본원리
고분자 전해질 연료전지의 기본구조는 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 다공질의 anode와 cathode가 부착되어 있는 형태로 되어있다. [그림 15]
산화전극(연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가 일어나고 Anode(산화전극 또는 연료극) , cathode(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나 이때 발생되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다. 각 전극에서의 반쪽 반응식과 전체 반응식은 다음과 같다.
고분자 전해질 연료전지 운전 시 반응온도는 전해질로 사용되는 고분자 막의 열적 안정성과 이온 전도도에 의해 결정되는데 보통에서 작동된다. 반응 기체의 압력은 상압에 50-100℃ 서 기압까지 가능하며 일반적으로 고분자막 양쪽 모두 같도록 유지하는데 이것은 고분자 막을 통한 반응기체의 crossover를 최소화하기 위한 것이다 반응기체의 crossover는 전지 의 전압을 강하시킬 뿐만 아니라 수소와 산소가 섞여 폭발 위험성을 증가시키게 된다.
(2)용도
고분자전해질 연료전지는 높은 출력 밀도 100℃이하의 낮은 작동 온도와 전해질의 높은 부식저항성 등의 장점을 비롯하여, 설치장소의 제약이 적고, 설비 구조의 단순화 및 소형 설비가능 (수 kW 설비), 높은 반복작동 안전성 (편리한 운전 안전성), 상온 작동 및 짧은 시동 시간(비상용 및 군사용 전원) 등의 장점을 지니고 있어 산업용으로 사용하는 250kW급 모듈에서부터 수십 kW급의 상업용, 수 kW급의 주거용, 80kW급의 승용차용, 150kW전후의 버스용에서부터 1kW 미만의 소형 연료전지뿐 아니라 subwatt급의 IT용까지 넓은 범위의 제품에 적용할 수 있다.
(3)연료전지효율
이론상 연료전지효율 (Ef)은 거의 100%에 가깝다. 하지만 실제로 일본에서 만든 연료 전지에서 열효율은 87%이고 발전효율은 40% 정도이다. 상온(298K)에서 수소 1g 이 가지는 전력량을 구해볼 수 있다. 수소가 가지고 있는 엔탈피 △H 는 약 -240KJ/mol, 이 중에서 40%가 발전효율로 전기에너지로 변환될 수 있다. 240KJ/mol × 0.4 = 96KJ/mol 즉, 전기에너지로 바뀔 수 있는 에너지양은 96KJ/mol이다.
H2 1mol은 2g이므로 수소 1g당 얻을 수 있는 전력에너지는 48KJ이다. Wh = 3600J 이고 W = 1J/s, Wh = 1W를 1시간 사용한 양이므로 이고 48K J= 13.33Wh 가 된다. 즉, 수소 1g당 얻을 수 있는 전력량은 13.33Wh가 된다.
유기성 폐기물을 이용한 생물학적 수소에너지 이용의 모델 제시
앞서 실험을 통해 Clostridium butyricum의 H2ase 활성과 혐기적 환경에서의 수소 생산에 대해 확인할 수 있었다. pH6.5의 조건에서 Cl. butyricum의 배양 24시간 동안 배양액 1L당 약 940-1,000ml H2/day의 수소가 발생한 것을 확인할 수 있었다. 보통 22L 당 1mol의 수소(1g)가 존재하고 수소 1g을 생산하기 위해서는 배양액 22L 정도가 필요하다는 계산이 나온다. 그리고 수소 1g당 전력량이 13.33Wh 인 것을 감안하면, 4W짜리 꼬마전구를 1시간 켤 수 있는 전력을 생산한다고 가정하면 약 300mg의 수소가 필요하고 이는 배양액으로서의 유기성 폐기물이 약 7L정도 필요하다는 것을 알 수 있다. 이는 가정 내에서도 충분히 설치 할 수 있는 실현 가능한 부피이다.
물론 유기성 폐기물이 세균의 탄소원으로서 이용되기 위해서는 세척을 통한 염소이온의 제거, 파쇄, 열처리의 전처리 과정을 거쳐야 한다. 다음 수소 생성 혐기성 세균인 Cl. butyricum의 첨가와 완충용액을 통한 pH6-7의 적정pH(초기pH8-9) 조절을 통한 혐기적 배양으로 수소를 생산할 수 있다. 생산된 수소는 탄소나노튜브에 저장해 에너지로서 수소를 이용할 수 있도록 준비시킨다. 준비된 수소는 고분자 연료전지를 통해 전력에너지로 변화하고, 꼬마전구엔 불이 들어오게 되는 것이다.
일반 가정집에서 약 7L의 음식물쓰레기를 이용하여 24시간동안 생성된 수소가 4Wh의 전력밖에 생산하지 못하는 반면, 그 이전 전처리 과정에서의 전력 소모량은 전체 전력생성량을 마이너스 값으로 가져간다. 하지만 유기성 폐기물 처리의 비용감축과 여러 가지 처리문제 해결에서 오는 이득은 이를 보완하고도 남는다. 또한 수소생산비용 면에서 큰 감축을 가져와 비싼 수소자원의 보급 방법으로 주목 할 수 있다.

키워드

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