[석유공학설계] Bio Fuel Cell의 원리와 개발 동향

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2010.07.28 / 2019.12.24
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목차: 1. 서 론

2. 본 론

(1) 연료전지와 바이오연료전지의 차이

(2) 바이오연료전지의 정의, 종류

(3) 기술 개발 동향

(4) 응용분야

(5) 기술개발 최신 아이디어

3. 결 론

4. 출 처

본문내용: 2) 바이오 연료 전지의 원리
당과 공기의 산화과정을 이용하는 바이오 연료 전지의 기본적인 원리는 공기 중의 산소와 반응하게 되어 생기는 과정에서 전자가 이동을 하게 되고, 전류가 생기게 된다. 전류가 흐르게 되므로 전기가 흐르게 되는 것이다.

그림2. 반응과정 개략도

전체적인 반응식은 다음과 같다.

그림3. 음극에서의 반응

그림4. 양극에서의 반응

그림5. Redox PolymerⅠ

그림6. BOD(Bilirubin oxidase, 촉매)

3) 바이오연료전지의 2가지 종류
Ⅰ. Enzymatic Fuel cell
전자전달 매개물질(mediator)로서 효소(enzyme)을 이용하여 전자가 음극에서 양극으로 흐르게 하는 cell이다. 다음과 같이 구성되어 있다.

그림7. 전체과정

그림8. 양극의 구성
◎Electrode : 전극- 전자의 이동통로
◎Cross Linker : 매개체를 고정화시키는 역할
◎Ferritin : 전자 전달 매개체로서 단백질이며, 철이온을 저장할 수 있다.
◎Polyele ctrolyte membrane : 고분자 전해질 막은 효소와 전극 사이를 전기적으로 연결
◎Glucose oxidase : 글루코스 산화효소
(Glucose Oxidase)가 글루코스로부터 전자들을 빼았는다.

a. Enzymes for the anodic reaction
- 음극(Anode)가 enzyme을 통해 유기연료(fuel)로부터 산화반응을 통해 전자를 받는다.
- 음극에서의 전자 전달 체계는 매개물질 PQQ(Pyrroloquinoline quinone)과 두 전자전달체 NADH와 FAD를 기반으로 한다.
① NAD+/ FAD는 유기연료로부터 전자를 받아 NADH / FADH2로 환원된다.
② NADH / FADH2는 PQQ에게 전자를 전달하고 PQQ는 PQQH2로 환원된다.
③ PQQH2는 음극에서 산화되면서 전자를 내놓는다.

b. anodes based on the bioelectrocatal yst of NADH

c. Enzymes for the cathodic reaction
- 효소가 양극에서 전자를 얻어서 환원 한다.
- 그러면 양극은 전자가 부족한 상태가 되고 음극의 전자가 양극으로 온다.
- 양극에서의 전자 전달 체계는 매개물질 MP-Ⅱ(Microperoxidase-Ⅱ)이다.
- 백금 전극과 공유결합한 매개물질 MP-Ⅱ는 Heme-Fe(Ⅲ)를 통해 양극의 전자를 가져온다.

* 문제점 및 개선 방향
1) 전원용량(power density, 전극의 면적당 전원 발생 효율)이 작다. 이론적으로 최대 1.24V의 기전력이 얻어진다. 따라서 바이오 연료전지의 전원용량은 0.2mW/cm2 정도에 불과하다, 전기용량의 증가를 위해 대표적으로 시도되어지고 있는 방법으로는 나노입자, 나노구조체 혹은 다공성 물질을 이용하는 경우이다. 이들 방법은 많은 양의 효소를 전극에 고정시킴으로써 용량을 증폭시킬 수 있다.
2) 효소의 안정성과 관련된 수명시간(lifetime)이 짧다. 여러 가지 요인이 수명시간을 결정하게 되겠지만, 대부분의 경우에는 촉매제 등으로 이용되는 물질이 주변 환경에 의해 변질되어지는 자체의 문제이다. 이로 인해 보통의 바이오 연료전지는 수 일 정도의 수명시간을 유지할 뿐이다. 수명시간을 늘리기 위해 단백질공학기술을 활용하여 효소의 안정성을 높인다. http://news.dongascience.com/HTML/News/2009/01/07/20090107200000010043/200901072000000100430121030000.html

(단백질 공학은 효소나 단백질의 주요기능 아미노산을 다른 아미노산으로 바꾸는 기술이

참고문헌: 1) A Miniature Membrane-less Biofuel Cell Operating under Physiological Conditions at 0.5 V, Hyug-Han Kim, Nicolas Mano,* Yongchao Zhang, and Adam Heller**,z
2) Kinetic Limitations of a Bioelectrochemical lectrode Using Carbon Nanotube-
Attached Glucose Oxidase for Biofuel Cells, Xueyan Zhao,1 Hongfei Jia,2 Jungbae Kim,3 Ping Wang1,2
3) Biofuel cells and their development, R.A. Bullen a, T.C. Arnot b, J.B. Lakemanc, F.C. Walsh
4) A miniature biofuel cell operating at 0.78 V, Nicolas Mano,*a Fei Mao,b Woonsup Shin,ac Ting Chena and Adam Heller
5) Characteristics of a Miniature Compartment-less Glucose-O2, Biofuel Cell and Its Operation in a Living Plant, Nicolas Mano,*,†† Fei Mao,‡‡ and Adam Heller*,††
6) http://blog.naver.com/avazqade/10072207453
7) Williams K. R., In An Introduction to Fuel Cells, Elsevier, Amsterdam, 1966, p. 248
8) http://blog.naver.com/jjylhw/80074511159
9) http://blog.joins.com/media/index.asp?uid=choi_1000&folder=100
10) http://blog.naver.com/avazqade/10072207453
11) http://news.dongascience.com/HTML/News/2009/01/07/20090107200000010043
/200901072000000100430121030000.html
12) http://nbt.hanyang.ac.kr/01_research/research00.htm

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바이오연료전지에 대해 궁금했는데 잘 봤습니다
llolln***
(2015.06.07 02:59:24)

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