Microbial Fuel Cell (MFC), a fuel cell using microbes as catalysts, can produce electricity directly from organic compounds even wastewater and thus consider a promising option for renewable energy and wastewater treatment. However, the technology is still at an early stage, requiring serious further research for its field implementation.
The primary goal of this thesis was to improve the efficiency of MFC technology, for which two different topics were explored. The first one was to isolate new efficient electrogen (microbial catalysts) from various sources. One electrogen isolated from ostrich and giraffe dung, named $\It{Aeromonas caviae}$, was found to be sufficiently efficient. This microbial species generated higher electricity than electrogens from sludge samples, which are typical inocula for the MFC operation ($388mW/m^{-2}$ versus less than $200mW/m^{-2}$of power density).
The second topic was to construct a novel MFC reactor to improve efficiency and sustainability of the MFC. For that, a cathode part was newly designed, so that the new system consists of ferric based MFC and ferrous based fuel cell (FC). Through the circulation of iron ion between MFC cathode part and FC anode part, iron ion could be regenerated with additional power generation. When the ferric based MFC was separately operated, the power was maintained only for 4 days due to the depletion of the cathodic terminal electron acceptor (catholyte). However, when being connected to the ferrous based FC, the whole system was maintained stably for the entire experimental period (200 hours), producing $3 \sim 20 times$ more power than a similar system, i.e., a dissolved air cathode MFC.
미생물 연료 전지(Microbial Fuel Cell)란 미생물을 음극의 촉매로 사용하여 유기성 물질로부터 전기 에너지를 직접적으로 얻는 연료 전지의 일종이다. 본 연구의 목적은 미생물 연료 전지의 효율을 향상시키는데 있다.
미생물 연료 전지의 효율이 높다는 뜻은 음극과 양극 사이에 더 많은 전자가 흘러간다는 것이며 이를 위해선 우선 음극 반응조에서 전기 활성 미생물에 의한 활발한 전자 생산 및 음극으로의 빠른 전자 전달이 되어야 하며 양극 반응조에서는 전자들이 최종 전자 수용체에 의해 원활히 그리고 지속적으로 소모되어야 한다. 본 연구에서는 미생물 연료 전지의 효율 향상을 위한 방안으로 2가지 연구를 진행하였다.
그 첫 번째 방안은 새로운 효율 높은 전기 활성 미생물을 발견하여 음극 반응조의 효율을 향상시키는 것이다. 지금까지 발견된 전기 활성 미생물은 주로 폐수 처리장의 슬러지에서 분리 획득되었으며 순수균으로 실험할 경우 전기 발생 효율이 극히 낮았다. 본 연구에서는 새로운 전기 활성 미생물을 발견하기 위한 방법으로 슬러지를 대조군으로 상정하고 슬러지가 아닌 다양한 샘플 즉, 초식 동물의 변, 곤충의 내장, 토양 샘플들을 이용하여 전기 발생량 실험을 하였다. 그 결과 슬러지는 $608mW/m^{-2}$인 반면 타조는 $1060mW/m^{-2}$, 기린은 $814m/Wm^{-2}$의 전력 밀도를 나타냈다. 또한 전기 발생 속도 실험에서도 타조와 기린은 슬러지보다 더 이른 시간에 미생물 연료 전지를 안정화 시켰다. 이를 통해 타조와 기린이 좀더 효율 높은 전기 활성 미생물을 포함하고 있다는 판단 아래 타조, 기린 샘플의 음극에 붙어 있는 미생물들을 분리하여 고체 배지에 배양한 후 균체를 전통적인 분자 생물학적 방법을 통해 동정한 결과 $\It{Aeromonas caviae}$로 확인되었다. 그리고 이 순수균에 의한 전기 발생량은 약 $388mW/m^{-2}$ 였으며 이 값은 기존 순수균들이 발생시키는 전기 발생량들보다 높았다.
두 번째 연구는 양극 부분의 효율성과 지속성의 향상에 관한 연구이다. 일반적으로 양극의 최종 전자 수용체는 산소 또는 페르시안 화합물, 철 이온, 과망가니즈산염과 같은 강한 산화제를 사용하였으나 이것들 모두는 효율성과 지속성을 동시에 달성하진 못했다. 따라서 이런 한계점을 개선하기 위한 목적으로 두 번째 연구에서는 미생물 연료 전지 양극부에 일반적인 연료 전지를 결합한 M2FC라 이름 붙인 새로운 형태의 반응조를 개발하여 효율과 지속성을 동시에 향상시켰다. $Fe^{3+}$ 이온은 미생물 연료 전지의 양극부에서 최종 전자 수용체 역할을 하며 $ Fe^{2+}$ 이온으로 환원되고 이 $Fe^{2+}$ 이온은 펌프를 통해 일반적 연료 전지 음극부에 연료로서 주입돼 추가적인 에너지를 생성시키며 $Fe^{3+}$ 이온으로 산화된다. 산화된 $Fe^{3+}$ 이온은 다시 미생물 연료 전지의 양극부로 이동해 전자 수용체의 역할을 수행한다. 실험 결과 대조군으로 사용된 $Fe^{3+}$ 이온 전해질 미생물 연료 전지의 효율은 4일 동안밖에 유지 못하였지만 새로운 반응조 시스템은 200 시간이 넘는 실험 기간 동안 지속적으로 효율을 유지하였으며 효율성 측면에서도 철 이온의 순환 뒤 약 3시간 동안 아주 높은 $2000mW/m^{-2}$ 을 생성시켰다. 이는 새로운 M2FC 반응조 시스템을 통해 미생물 연료 전지 양극부의 지속성을 유지시킬 수 있으며 그 효율도 증강시킬 수 있다는 것을 의미한다.
이번 연구에서는 총 2가지 연구, 즉 새로운 전기 발생 미생물을 발견하고 M2FC 반응조를 개발함으로써 미생물 연료 전지 음극부와 양극부의 효율을 성공적 향상시켰다. 하지만 미생물 연료 전지의 실 현장 적용을 위해선 비용 절감과 대규모화에 관한 연구가 더욱더 진전되어야 할 것이다.
