용융탄산염 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)

자동차 학습/수소(연료전지)자동차 2020. 10. 13. 00:02 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

용융탄산염 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)

용융탄산형 연료전지 장점

 보통 제2세대 연료전지로 불리는 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 다른 형태의 연료전지와 마찬가지로 높은 열효율, 높은 친환경성, 모듈화 특성 및 작은 설치공간이라는 장점을 갖는다. 한편, 650의 고온에서 운전되기 때문에 인산형 연료전지(PAFC) 또는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 같은 저온형 연료전지에서 기대할 수 없는 추가적인 장점들을 가지고 있다.

용융탄산 연료전지 전해질

 전해질은 용융탄산염이 사용되고, 고온에서 운전되기 때문에 백금 대신 저렴한 니켈촉매가 사용되며 백금 전극에서 피독물질로 사용되는 CO를 수성가스 전환반응을 통해 연료로 이용한다. 니켈촉매의 사용으로 비용절감의 장점이 있지만 고온에서의 부식성이 높은 용융탄산염을 사용하기 때문에 내식성 재료의 개발이 필요하며 장기 운전시에는 성능이 저하되기 때문에 단기 운전에 적합하다.

 고온에서의 빠른 전기화학반응은 전극 재료에 쓰이는 촉매로써 백금 대신 저렴한 니켈의 사용을 가능케 하여 경제적인 운영이 가능해 진다. 그리고 백금 전극을 이용할 경우 백금 성분에 독성 물질로 작용하는 일산화탄소마저도, 니켈 전극을 이용할 경우 수성가스 전환반응을 통하여 연료로 이용할 수 있게 된다.

 따라서 일산화탄소를 발생시킬 우려가 있어 백금을 사용하는 저온형 연료전지에는 사용하기 힘든 석탄가스, 천연가스, 메탄올, 바이오매스 등 다양한 연료를 용융탄산염 연료전지에는 이용할 수 있다. 또한 용융탄산염 연료전지의 높은 작동 온도는 연료전지 스택 내부에서 전기화학 반응과 연료개발 반응이 동시에 진행될 수 있게 하는 내부개질 형태를 허용한다. 이러한 내부개질형 용융탄산염 연료전지는 전기화학반응의 발열량을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하므로 외부개질형 용융탄산염 연료전지보다 전체 시스탬의 열효율이 추가로 증가하며, 시스템 구성이 간단해진다.

용융탄산염 연료전지 원리

용융탄산염 연료전지 전해질

 용융탄산염 연료전지의 전해질은 낮은 용융점을 가지는 탄화리튬과 탄화포타슘의 혼합물이다. 전극은 다공성 니켈로 만든다. 전극의 부식성과 내구성은 아직 개발에 중요한 문제점이다.

 용융탄산염형 기술의 산 또는 알카리 연료전지 기술 보다 뚜렷한 장점은 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소에 대하여 내성이 있는 점이다. 이것은 일산화탄소와 이산화탄소를 분리하는 공정을 필요로 하는 다른 것들보다 초기 투자비가 낮고 시스템 설계가 매우 단순해지는 결과를 가져온다. 용융탄산형 연료전지의 운전온도는 약 650이고, 전지 스택의 열로 전지내부의 탄화수소 기체의 개질을 허용한다. 내부 개질의 장점은 30% 또는 그 이상의 비용을 감소시킨다.

용융탄산염 과제

 용융탄산염 연료전지를 상업화하기 전에 내구성과 신뢰도를 증진 시킬 필요가 있다. 운전온도가 높은 정상운전 되는 동안 용융탄산염 전해질의 결핍과 증발로 인하여 양이 줄어들기 때문이다. 이것은 운전의 안정성과 현재 용융탄산염형 연료전지의 유효 수명의 제약점이다.

 그러나 MCFC는 고온에서 부식성이 높은 용융탄산염을 사용하기 위한 내식성 재료의 개발에 따르는 경제성 문제 및 수명, 신뢰성 확보 등 기술적 검증이 아직 끝나지 않아 본격적인 상업화는 2020년 이후에 가능할 것으로 예상된다.

 미국, 일본 등을 비롯한 선진 외국에서는 기초연구는 물론 시스템 데모에 이르는 개발연구에까지 적극적으로 투자하여 최근 급속도로 많은 발전이 이루어지고 있다. 국내에서도 한국 전력연구원을 중심으로 KIST, 한국중공업 및 여러 대학이 참여하여 용융탄산염 연료전지의 자체 기술을 확보하기 위한 개발 연구를 대체에너지 사업의 하나로 진행하고 있다.

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