커피를 마신다, 전기를 만든다.

  -  폐 커피분말로 電力 생산성공…탄소연료전지 에너지원으로 기존 탄소연료보다 우수
  -  친환경 방식으로 일반가정 및 커피숍 등 지역별 분산전력 활용 가능성 제시
  -  GIST 환경공학부 이재영 교수팀, Journal of Power Sources 논문 게재

 

환경공학부 이재영 교수(오른쪽)와 장한샘 박사과정생

 

 

□ 국내 연구진이 폐 커피분말(waste coffee ground)을 활용해 차세대 고온형 연료전지로 주목받고 있는 탄소연료전지를 구동시키는 데 성공했다. 이번 성과는 폐 커피분말의 재활용을 통해 환경보호에 기여함은 물론 안정적 전력 공급을 위한 지역별 분산발전(distributed generation)의 에너지원으로서 새로운 가능성을 제공할 것으로 기대된다.

 

  ∘ GIST(광주과학기술원) 환경공학부 이재영 교수(교신저자·에틀(Ertl) 촉매 연구센터)가 주도하고 장한샘 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원(KETEP)이 지원하는 신재생에너지기술개발사업(직접탄소 연료전지 원천 기술개발)의 지원으로 수행되었고, 에너지‧연료 분야의 세계적인 학술지인 Journal of Power Sources 8월 1일자 온라인판에 게재되었다.

  * 논문명 : Direct power generation from waste coffee grounds in a biomass fuel cell

 

□ 현재 세계 연간 커피 소비량(미국 농무부‧2014)은 880만 톤을 넘어섰지만, 이에 따라 발생하는 엄청난 양의 폐 커피분말의 활용도는 매우 낮다. 재활용된 경우에도 최종적으로 생성되는 폐기물 처리에 대해 어려움을 겪고 있다.

 

  ∘ 최근 폐 커피분말을 첨가제로 이용하거나 바이오연료로 개질(改質)하는 많은 연구가 진행 중이지만, 일회적 사용 이후 생성되는 새로운 폐기물*의 처리 문제, 개질 과정에서 손실되는 에너지 문제는 아직 극복 과제로 남아 있다.

  * 새로운 폐기물 : 물성의 증진 혹은 강화를 위해 폐 커피분말을 활용하지만, 사용 이후에는 폐기물이 발생하고 이는 최종적으로 매립 또는 소각의 방법으로 처리해야 한다.

 

 

 

(a) 단전극(왼쪽)과 자연 건조시킨 폐 커피분말. (b) 폐 커피분말과 에틸렌 글라이콜을 섞어 만든 젤(gel)을 단전지에 올려놓은 모습. (c) 폐 커피분말 젤을 올려놓은 단전지를 알루미나 반응기와 연결한 모습.

 

 

□ 연구팀은 친환경적이고 경제적인 방식으로 폐 커피분말을 연료로 직접 사용해 우수한 성능으로 탄소연료전지의 전력 생산에 성공하였고, 커피분말과 같은 바이오매스의 에너지원 활용 가능성을 제시했다.

 

  ∘ 기존 바이오매스 물질을 이용한 탄소연료전지 연구에서는 흔히 탄화 혹은 가스화 과정을 통해 개질된 연료를 사용하지만, 연구팀은 특별한 처리 없이 실험실에서 사용하고 남은 폐 커피분말을 3일간 자연 건조한 뒤 이를 연료로 사용했다.

 

  ∘ 연구팀은 자연 건조한 폐 커피분말을 에틸렌 글라이콜(ethylene glycol)과 섞어 젤(gel) 상태로 만들고, 이를 단전지에 올린 후 알루미나 반응기에 넣어 실험을 수행하였다. (그림 설명 참조)

 

  ∘ 그 결과 일반적으로 연료로 사용되는 카본블랙* 등의 고품위 탄소원에 비해 성능이 88% 향상된 전력을 얻었으며, 이는 탄소연료전지의 구동 중 폐 커피분말의 내부 개질에 기인한 것임을 규명하였다. (연구결과개요 참조)

  * 카본블랙: 흑색의 미세한 가루 형태의 순수한 탄소입자로, 탄소연료전지의 성능을 파악하는 데 일반적으로 사용되고 있는 연료이다.

 

  ∘ 아울러 폐 커피분말을 전력 생산에 사용한 후에는 소량의 회분 밖에 남지 않았으며, 생성물은 주로 수증기와 고(高)순도 이산화탄소이기 때문에 탄소연료전지 기술이 폐 커피분말 활용에 우수한 것으로 나타났다.

 

 

(그림1) 폐 커피분말을 활용한 탄소연료전지 기술 개념도. 폐 커피분말(좌측 갈색 부분)의 내부 개질에 따라 연료극(anode) 표면(중앙 녹색 부분)에서 가스상 연료(H2, CxHy, CO)가 생성되었고, 공기극(cathode·우측 어두운 부분)으로 공급된 산소(O2)가 산소이온(O2-)상태로 전해질(electrolyte)을 통과해 연료극에 도달하여 가스상 연료와 반응하여 전자를 발생시켰다. 이에 따라 접촉 저항이 감소되었으며, 아울러 향상된 성능이 관찰되었다. 최종적으로는 폐 커피분말 사용에 따라 수증기와 고(高)순도 이산화탄소로 배출되었다.

 

 

 

(그림3) 폐 커피분말(좌)과 카본블랙(우)의 탄소연료전지 성능 비교 그래프. 채워진 도형(예: ■, ●, ▲, ▼)은 전력밀도(power density)를 의미한다. 실험 결과, 폐 커피분말로 구동한 경우 카본블랙의 경우보다 2배가량 높은 성능을 나타냈다.

 

 

□ 이재영 교수는 “이번 성과는 폐 커피분말을 친환경 에너지원으로 활용한 지역별 소규모 분산전원 보급에 기여할 것으로 기대한다”며 “국내 연간 커피 소비량(12만 톤·2014년)과 전기 소비량(4800kWh·2013년)을 고려할 때 폐 커피분말을 활용한 탄소연료전지 기술을 발전시키면 연간 약 3만5000여 가구 또는 연간 6000여 곳의 중소 규모 커피숍에 전력을 공급할 수 있을 것으로 전망된다”고 말했다.       <끝>

 

 

 

대외협력팀