매립가스의 에너지 회수 및 표면발산을 고려한 매립장 온실가스 배출 평가

이용현(Yonghyun Lee),권용재(Yongchai Kwon),천승규(Seung-Kyu Chun) 한국신재생에너지학회 2020 신재생에너지 Vol.16 No.3

This study involved a total budget analysis on the greenhouse gas (GHGs) emissions of landfills, focusing on surface emissions and the effect on emissions reductions of generating landfill gas (LFG) electricity from March 7, 2007 to December 31, 2018. The GHGs reduction effect from the electricity generation using 536.6 × 10³ tCO₂ of CH₄ was only 5.8% of the GHGs from surface emissions of 9,191×10³ tCO₂. In the total budget, the collection ratio should be over 95% if the reduction effect is greater than the surface emissions. The correlation coefficient for the relationship between the LFG collection ratio and GHGs reduction was -0.89. An additional effect of lowering CH₄ content may occur if the surface emitting flux of LFG decreased with an increase in the collection ratio. The unit reduction effect of GHGs by suppressing surface emissions was 4174 tCO₂/TJ. This was far greater than that of LFG power generated (54.3 tCO₂/TJ), demonstrating that surface emission control is the most important measure by which to mitigate GHGs emission.

대북 바이오가스플랜트 지원의 제재 가능성에 대한 기술적 평가

정용진(Yongjin Chung),권용재(Yongchai Kwon) 한국에너지학회 2015 에너지공학 Vol.24 No.4

수정된 폴리올법으로 합성된 Pt/C를 이용한 산소환원반응성 및 고분자전해질 연료전지 성능 연구

양종원(Jongwon Yang),추천호(Cheonho Chu),권용재(Yongchai Kwon) 한국에너지학회 2014 에너지공학 Vol.23 No.3

Anthracene dicarboxyl acid 가교제를 활용한 효소연료전지의 산화극의 포도당 산화반응 향상

현규환 ( Kyuhwan Hyun ),지정연 ( Jungyeon Ji ),권용재 ( Yongchai Kwon ) 한국화학공학회 2019 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.57 No.1

본 연구에서는 효소연료전지의 율속 반응인 산화극의 효소반응 강화 및 효소 담지량을 증가시키기 위하여 안트라센가교제를 도입하였다. CNT/PEI 담지체에 가교 처리된 글루코오스 산화효소(GOx)를 전기적인 극성을 이용하여 결합시켰다(AC[CNT/PEI/GOx]). 본 촉매의 성능을 확인하기 위하여 전기화학 평가가 수행되었으며, 성능 비교를 위해 가교제처리를 하지 않은 CNT/PEI/GOx 촉매도 같이 전기화학 테스트를 진행하였다. 전기화학적 특성 평가들을 통해 글루코오스 산화효소 담지량이 증가한 것을 확인하였으며, 라인위버-버크 방정식 통해 AC[CNT/PEI/GOx] (Km : 0.73 mM)가 가교제 처리를 하지 않은 CNT/PEI/GOx (Km : 1.71 mM) 보다 우수한 성능을 지닌 것을 확인했다. 또한, 완전지 성능 평가 결과 최대 전력 밀도(Maximum power density, MPD)도 상승(21.2 μW/cm²에서 72.6 μW/cm²로)한 것을 볼 수 있었는데 이를 통해 글루코오스 산화효소 담지량 및 전자전달능력이 향상되었다는 것을 재확인 하였다. In this study, an anthracene cross-linker is introduced to enhance the catalytic activity of glucose oxidase (GOx) based catalysts and to increase the amount of enzyme loading. The crosslinked GOx is bonded with the CNT/PEI support using the electrostatic interaction (AC[CNT/PEI/GOx]). Electrochemical evaluations are done to evaluate the performance of this catalyst and the performance of CNT/PEI/GOx catalyst is also measured as a control. According to the measurements, it is confirmed that the amount of loaded GOx increases, while K_m value calculated by Lineweaver-Burk plot shows that AC[CNT/PEI/GOx] (K_m : 0.73 mM) is superior to CNT/PEI/GOx (K_m : 1.71 mM) without cross-linking reaction. Based on these effects, it is demonstrated that the maximum power density of the enzymatic biofuel cell using AC[CNT/PEI/GOx] increases from 21.2 μW/ ㎠ to 57.4 μW/ ㎠.

글루코스 기반 바이오연료전지를 위한 다양한 분자량의 폴리에틸렌이민을 이용한 글루코스 산화효소 고정화

안연주 ( Yeonjooahn ),정용진 ( Yongjin Chung ),권용재 ( Yongchai Kwon ) 한국화학공학회 2016 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.54 No.5

본 연구에서는 탄소나노튜브(CNT), 글루코스 산화효소(Glucose oxidase, GOx) 및 다양한 분자량의 가지달린 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine, branched, bPEI)을 물리적으로 결합하여 GOx/PEI/CNT 구조를 제조한 뒤, 가교제인 테레프타랄데하이드(Terephthalaldehyde, TPA)와 알돌축합반응을 통해 TPA/[GOx/bPEI/CNT] 구조의 촉매를 합성하였으며, 각각의 전기화학적 특성 및 장기안정성 등을 평가하였다. GOx/PEI/CNT의 경우, PEI의 분자량의 증가에 따라 유의한 차이를 확인할 수 없었으나, TPA 도입한 TPA/[GOx/bPEI/CNT]는 PEI 분자의 증가에 따라 전자전달 및 장기안 정성은 향상되며 글루코스의 물질전달은 감소함을 확인하였다. 또한 효소연료전지 음극 촉매로서의 최적 bPEI 분자량을 확인한 결과, 750 k PEI를 이용한 촉매(TPA/[GOx/bPEI-750k/CNT]에서 최고의 최대전력밀도(0.995 mW·cm-2)를 얻을수 있음을 확인하였다. In this study, we fabricated the catalysts for enzymatic biofuel cell anode with carbon nanotube (CNT), glucose oxidase (GOx) and various molecular weights branched poly(ethyleneimine)(bPEI) and terephthalaldehyde (TPA) as cross-linker. In case of GOx/bPEI/CNT using only physical entrapments for immobilization, the molecular weights of bPEI didn’t affect to electrochemical performances and long term stability. but that of the catalysts cross linked via TPA (TPA[GOx/bPEI/CNT]) improved and the mass transfer of glucose to FAD was interrupted as increasing of the bPEI’s molecular weights. Furthermore, it was confirmed that the optimum molecular weight of PEI for TPA [GOx/bPEI/ CNT]) structure is 750k that showed marvelous high performance (maximum power density of 0.995 mW·cm-2)

벤조퀴논 포집 폴리에틸렌이민-탄소나노튜브 지지체 기반 효소촉매의 바이오연료전지로서의 성능평가

안연주 ( Yeonjoo Ahn ),정용진 ( Yongjin Chung ),권용재 ( Yongchai Kwon ) 한국화학공학회 2017 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.55 No.2

본 연구에서는 글루코스 산화효소(glucose oxidase, GOx), 고분자인 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine, PEI), 카본 나노튜브(carbon nanotube, CNT)와 벤조퀴논(benzoquinone, BQ)을 이용하여 글루코스 바이오연료전지를 위한 바이오 촉매를 합성하였다. 이를 위해, 지지체인 PEI/CNT 복합체에 BQ를 정전기적 인력을 통해 물리적으로 포집한 뒤, GOx를 담지시켜 합성하였다. 이는 기존에 전자 매개체로서 전해질에 풀어서 사용했던 BQ를 전해질이 아닌 촉매 내에 포집하여 촉매를 구성하였다는 개선점이 크며, 그 결과, BQ가 포집되지 않은 촉매 대비, 1.9배 상승한 34.16 μA/㎠의 최대전류밀도를 얻음을 통해 촉매활성이 개선되었음을 증명하였고, 바이오연료전지의 산화극 촉매로 이용 시, BQ가 포집되지 않은 촉매를 이용한 바이오연료전지에 비해 1.2배 상승한 0.91 mW/㎠의 최대출력밀도를 얻었다. 이를 통해 바이오연료전지의 산화극을 위한 촉매로서 GOx와 함께 담지된 매개체 BQ를 포함한 촉매 제조 가능성을 확인하였다. In this study, we synthesized biocatalyst consisting of glucose oxidase (GOx), polyethyleneimine (PEI) and carbon nanotube (CNT) with addition of p-benzoquinone (BQ) that was considered anodic catalysts of enzymatic biofuel cell (EBC). For doing this, PEI/CNT supporter was bonded with BQ by physical entrapping method stemmed from electrostatic attractive force ([BQ/PEI]/CNT). In turn, GOx moiety was further immobilized on the [BQ/PEI]/CNT to form GOx/[BQ/PEI]/CNT catalyst. This catalyst has a special advantage in that the BQ that has been usually dissolved into electrolyte was immobilized on supporter. According to the electrochemical analysis, maximum current density of the GOx/[BQ/PEI]/CNT catalyst was 1.9 fold better than that of the catalyst that did not entrap BQ with the value of 34.16 μA/㎠, verifying that catalytic activity of the catalyst was enhanced by adoption of BQ. Also, when it was used as anodic catalyst of the EBC, its maximum power density was 1.2 fold better than that of EBC using the catalyst that did not entrap BQ with the value of 0.91 mW/㎠. Based on such results, it turned out that the GOx/[BQ/PEI]/CNT catalyst was promising and viable as anodic catalyst of EBC.

에너지 순환을 위한 폐자원 에너지에서 생성되는 전기에너지 저장장치의 촉매를 이용한 성능향상

이규빈 ( Kyubin Lee ),안연주 ( Yeonjoo Ahn ),이원미 ( Wonmi Lee ),권용재 ( Yongchai Kwon ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2016 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2016 No.-

지구온난화의 영향으로 전 세계적으로 기후변화가 일어나고 있다. 각국에는 기존의 연료인 석탄 및 석유의 에너지를 줄이고 온실가스 저감 및 저탄소 생활문화에 대한 관심이 높다. 특히 매립되는 폐기물을 재사용하기 위해 폐기물에 저장된 많은 양의 에너지를 활용하여 전기를 생산하는 가스발전소를 가동하고 있다. 이렇게 생산된 전기에너지중 일부는 자체적으로 소모가 되고 일부는 한국전력에 판매하고 있다. 그러나 일부의 가스는 전기에너지로 전환하지 못하여 버려지게 된다. 그 이유는 매립지에서 발생된 가스의 양을 조절하기 어렵고 전기에너지의 다양한를 따라가기 힘들기 때문이다. 그렇기 때문에 일정한 에너지 공급과 잉여전력의 저장을 위해 재생에너지 산업에 꼭 필요한 장치가 에너지저장장치(ESS)이다. 그 중 친환경 적이며 높은 내구성 및 안전성을 갖는 장치가 VRFB이다. VRFB의 경우 바나듐을 활물질로 사용한 2차 전지로서 산화환원 반응을 통해 전기에너지를 화학적에너지로 전환하여 저장하였다가 필요한 순간에 발전하여 전력을 공급할 수 있다. ESS를 사용하면 에너지 공급안전성을 높일 수 있으며 버려지는 에너지를 저장하여 언제든 공급할 수 있게 된다. 많은 장점을 가진 VRFB 이지만 아직 기술적으로 완전하게 정립되어있지 않기 때문에 성능향상에 대한 연구와 관심이 많다. 우리는 VRFB 의 성능을 높이기 위해 촉매에 대한 연구를 중점적으로 진행해 왔다. B과 N은 일반적으로 전기 전도성을 향상시킨다고 알려진 촉매로서 이를 다공성 carbon 인 MSU-FC에 첨가하여 사용하였다. 이 촉매를 사용함으로서 에너지 밀도와 에너지효율에 성능향상을 보였고 또한 Capacity 또한 유지되는 것을 보였다.

바이오가스의 에너지 저장을 위한 레독스 흐름전지

이규빈 ( Kyubin Lee ),안연주 ( Yeonjoo Ahn ),양종원 ( Jongwon Yang ),크리스트와르다나마셀리너스 ( Marcelinus Christwardana ),권용재 ( Yongchai Kwon ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2016 한국폐기물자원순환학회 심포지움 Vol.2016 No.2

폐기물에서 고 순도의 에너지를 재활용하는 시대가 열였다. 2013년 유기성 폐기물의 해양배출 금지로 인해 한국에서 많은 양의 폐기물을 매립하도록 제도 변경되었다. 또한 온실가스 저감의 목표를 위해 우리나라에서는 2020년까지 기존의 CO2 발생의 37%를 감축하도록 법이 재정되었다. 이러한 배경으로 인해 재생에너지의 정책이 확대되고 신재생 에너지의 공급의무화 제도도 신설되었다. 이러한 이유로 매립된 폐기물에서의 에너지 재사용이 어느 EO보다 높은 관심을 가지고 있으며 매립지에서는 폐기물에서 나오는 메탄가스를 활용한 발전을 통해 매년 큰 수익을 얻고 있는 실정이다. 바이오가스와 같은 신재생에너지에서의 에너지 저장은 매우 중요한 역할을 한다. 신재생에너지의 단점중 하나는 에너지의 생산량이 시간, 외부 환경등에 영향을 받아 일정하지 못하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해서는 ESS 가 필수적으로 필요하다. 현재 국가 신재생에너지 확대정책으로 ESS 시스템에 대한 지원을 늘려가고 있다. ESS는 여부의 남는 전기에너지를 화학에너지로 전환하여 저장한 다음 필요한 시기와 양에 따라 저장된 에너지를 다시 전기에너지로 전환하는 장치이다. 그 중 레독스 흐름전지는 리튬배터리가 가지는 짧은 수명과 안전성을 보완한 제품으로 차세대 ESS로 각광받고 있다. 레독스 흐름전지를 통한 바이오가스의 에너지 저장이 차세대 재생에너지 사업에 기여하게 될 전망이며, 우리는 이를 위해 레독스 흐름전지에 중요 구성요소인 전극 및 반응 개선을 위한 카본촉매에 대한 실험을 진행하였다. 이를 통해 기존에 비해 더 높은 에너지 밀도와 고 효율의 에너지를 달성할수 있었다.

바나듐 레독스 흐름전지의 양극반응 활성화를 위한 다공성 탄소 촉매의 적용

정상현(Sanghyun Jeong),천승규(Seung-Kyu Chun),이진우(Jinwoo Lee),권용재(Yongchai Kwon) 한국에너지학회 2014 에너지공학 Vol.23 No.3

유기성 폐자원 에너지 저장을 위한 새로운 ESS 인 Vanadium reodx flowbattery에 사용되는 고성능막 개발

양종원 ( Jongwon Yang ),크리스트와르다나마셀리너스 ( Marcelinus Christwardana ),노찬호 ( Chanho Noh ),정미나 ( Mina Chung ),( Dirk Henkensmeier ),권용재 ( Yongchai Kwon ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2016 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2016 No.-

최근 폐자원에너지를 이용한 신재생에너지의 활용에 대한 관심이 늘고 있는 추세이다. 유기성 폐자원의 경우 생성되는 메탄가스 및 가연성 가스를 이용한 가스발전이 가장 대표적인 활용 예이다. 그러나 폐자원으로부터 생성되는 가스는 생산량 조절이 어려움이 있다. 또한 가스 발전은 계속적으로 가동되어야 하기 때문에 전기사용량이 적은 심야에는 버려지는 가스가 존재한다. Energy Storage System (ESS)은 낭비되는 전기를 저장하였다가 필요한 요구가 있을 때 사용하는 장치로서 폐자원 에너지와 같은 신재생에너지 산업에 없어서는 안될 부분이다. 또한 에너지를 저장하는데 있어 어떠한 환경오염이나 CO₂가 발생되지 않는 청정의 에너지 저가 요구된다. 이러한 ESS 중의 하나로, 바나듐 레독스 흐름 전지(Vanadium Redox Flow Batter)는 차세대 에너지 저장장치로서 기존의 리튬전지를 이용한 저장보다 에너지 수명이 10배 이상 길고, 환경에 무해한 물질을 사용하는 친환경적이 물질이다. 그러나 VRFB의 경우 낮은 에너지 밀도와 값비싼 분리막등 보완해야할 점들이 있다. 현재 사용되고 있는 Nafion 계열의 분리막의 경우 값비싼 가격과 활물질의 Crossover 현상을 막아주지 못하는 단점을 가지고 있는데 이를 polybenzimidazole로 구성된 분리막을 사용함으로서 분리막의 표면에 positively charged functional groups을 달아주어 Crossover를 막아주어 에너지효율과 밀도 모두 향상시킬 수 있었다.