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

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.

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