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▒ 배경
- 화석 연료의 고갈과 대체 에너지 개발의 필요성에 대응하여, 바이오 물질을 이용하여
연료전지와 같은 전력생산 기술의 개발이 활발함
· 바이오 물질은 자연계에서 분해되는 친환경 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라,
인체와의 친화성을 바탕으로 체내 삽입형 의료 기기의 전원으로도 사용될 수 있음
· 日 동북대학은 2005년 5월 혈액 중의 글루코오스와 효소를 이용하여 발전하는 바이오 연료전지 개발에
성공(발전 능력은 약 0.2mW 정도)
· 포도당 등 탄수화물을 에너지원으로 하는 전지는 대학이나 연구기관에서 활발한 개발이 진행 중
· 日 소니도 2001년부터 교토대 팀과 제휴
▒ 日 소니 23일, 포도당을 에너지원으로서 발전하는 새로운 방식의「바이오 전지」를 개발했다고 발표
- 발전 시에 이산화탄소(CO2) 등 온실 효과 가스를 배출하지 않는 데다가, 자원의 안정 조달에도 대응
· 동일한 원리로서 에탄올 등을 사용하는 연료전지가 있지만, 원료 자원의 안정 확보가 과제임
· 포도당은 식물이 광합성으로 생성하는 등, 자연계에 풍부하게 존재해, 용이한 조달이 장점
- 연구 개발 레벨에서는 세계 최고
· 시험제작한 바이오 전지의포도당 용액과 산소 등의 반응 물질을 자연 확산을 통해 전극에 공급하는
패시브형 바이오 전지로서는 세계 최고 출력(하나의 셀 당 50mW)을 실현
· 전지 셀 4개를 연결하여, 휴대 음악 플레이어 "워크맨" 음악 재생 시연
- 주요 사양
· 최대 출력 50mW, 외형 크기가 폭 39mm, 높이 39mm, 길이 39mm
· 몸체를 뺀 전지 부분의 실제 용량은 약 40cc
▒ 상세기술 내용
- 일련의 전기화학 반응에 통해, 전자가 외부 회로를 이동할 때의 전기 에너지를 추출하는 방식으로 발전
· 음극에 포도당을 분해하는 효소와 전자 전달 물질을 고정화시킨 것을, 그리고 양극에는 산소를 환원하는
효소와 전자 전달 물질을 고정화시킨 것을 사용
· 이들 두 개의 전극을 세퍼레이터 사이에 배치하여 포도당 바이오 전지를 구성
- 발전의 메커니즘
· 음극 쪽에 외부로부터 포도당 수용액을 공급, 이 포도당을 효소로 산화 분해하여 전자와 수소 이온을 발생
· 여기서 추출된 산소 이온은 세퍼레이터(절연 Sheet)를 통해 양극 쪽으로 이동하고,
전자도 외부 회로를 경유하여 양극 쪽으로 이동
· 양극 쪽에서는 공기 중의 산소를 이용하여 음극 쪽에서 이동해 온 수소이온이나 전자와 촉매 하에서
반응시킴으로써 물을 생성
· 물은 미량으로 공기 중에 증발되는 것 외에 다공질 카본으로 되어 있는 양극으로 흡수
▒ 출력 향상을 목표로 주안점을 둔 기술
(1) 효소와 전자 전달 물질을 활성을 유지한 상태에서 음극에 고밀도로 고정화시킬 수 있는 기술의 개발
· 산소와 전자 전달 물질을 고정화하는 접착체와 같은 역할의 물질로서
서로 다른 부호의 이온 성질을 가지는 두 종류의 폴리머를 활용
· 두 개의 폴리머의 정전 상호 작용을 이용하여 효소와 전자 전달 물질을 전극 상에 고밀도로 고정화시키고,
이 작업을 최적화 함으로써 포도당을 분해하여 전자를 추출하는 효율을 높임
(2) 반응에 필요한 산소를 효율적으로 공급할 수 있도록 양극의 수분량을 적정량으로 유지하는 기술의 개발
· 산소와 전자 전달 물질을 고정화한 다공질 카본을 양극 재료로 사용하고
세퍼레이터에는 셀로판을 사용해, 구조와 공정의 최적화를 통해 양극을 적당한 정도의 습한 상태로 유지
(3) 전해질의 최적화 기술
· 전해질에 포함된 인산나트륨 완충액의 농도를 보통의 0.1M에서 1M 정도로 변경함에 따라
전극 표면에 고정화한 산소의 활성을 효율적으로 이끌어 낼 수 있었음
▒ 향후 계획
- 향후, 발전 성능이나 내구성의 향상을 진행시켜 나갈 방침
<출처> 일경산업신문(日), 2007/08/24
Nikkei Monotsukuri(日), |
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