Energy-용융탄산염 연료전지(MCFC,Molten Carbonate Fuel Cell)

환경과 에너지의 두 마리 토끼를 잡아줄 사냥꾼,

용융탄산염 연료전지(MCFC)

  화학식까지 설명하지는 못하더라도 「물을 전기분해 하면 수소와 산소가 발생한다」라는 사실은 우리가 익히 알고 있는 사실이다. 그럼 거꾸로 수소와 산소를 결합시키면 물과 전기를 얻을 수 있을까? 용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell) 기술은 전기분해의 원리를 반대로 적용하여 수소와 산소를 결합시켜 전기와 물을 구하는 첨단 기술이다.

  수소와 산소를 결합시키기 위해서는 이 두 가지를 연결해야 하는데 우리나라의 경우, 두산중공업은 이를 위한 매개체로 이산화탄소를 사용한다. 화력발전소에서 발생하는 이산화탄소를 농축시켜 주입, 연료전지의  원료로 사용해 전기와 물을 구하는 것이다.

  MCFC 발전시스템 개발은 소재, 화공, 기계, 전기, 전자, 화학, 엔지니어링 등 다분야가 망라된 복합기술개발이므로 개발 단계에서부터 광범위한 산업 연관성을 갖고, 특히 천연가스 및 전력 수급 체제의 계절별 부조화 현상 해결이 가능하다. 또한 현재 기술수입에 대한 의존도가 높은 중전기기 사업 분야의 기술 자립은 물론 기술 수출, 신규 사업에 따른 고용의 증가 등도 기대된다.

연료전지의 종류는 아래 표와 같은데,

	PAFC	MCFC	SOFC	PEMFC	DMFC	AFC
전해질	인산	탄산리튬/ 탄산칼륨	지르코니아	수소이온 교환막	수소이온 교환막	수산화칼륨
이온전도체	수소이온	탄산이온	산소이온	수소이온	수소이온	수소이온
작동온도 (℃)	200	650	1000	< 100	< 100	< 100
연료	수소	수소  일산화탄소	수소 일산화탄소	수소	메탄올	수소
연료원료	도시가스 LPG	도시가스 LPG 석탄	도시가스 LPG	메탄올, 메탄 휘발유, 수소	메탄올	수소
효율 (%)	40	45	45	45	30	40
출력범위 (kW)	100 - 5,000	1,000 - 10,000	1,000 - 10,000	1 - 1,000	1 - 100	1 - 100
주요용도	분산발전형	대규모발전	대규모발전	수송용 동력원	휴대용전원	우주선용 전원
개발단계	실증-실용화	시험-실증	시험-실증	시험-실증	시험-실증	우주선적용

 

이러한 연료전지의 기대효과는 통상 다음과 같다.

(1) 고분자전해질 연료전지 및 이를 이용한 무공해 연료전지 자동차 개발을 통해 원천기술을 확보하고 관련기술을 산업체에 이전함으로서 산업경쟁력 강화에 기여.

(2) 선진국에서 무공해 자동차의 사용이 곧 의무화될 것이 예상됨에 따라 기술자립을 통해 자동차 수출증대에 이바지.

(3) 고효율, 무공해 연료전지 자동차의 개발로 환경오염 방지 및 수송용 에너지 절약에 기여.

(4) 고분자전해질 연료전지는 자동차용 동력원외에 발전용 (분산용 발전, 가정용 전원) 이나 이동용 (정보통신 장비용), 군수용 (잠수함 동력원) 등으로 활용 가능

  하지만 우리나라 두산중공업의 용융탄산염 연료전지 기술은 연료전지 개발에서 한 걸음 더 나아가 화력발전소나 해수 담수화 공정과 연계, 효용성을 극대화 한다는 의미가 있다. 전기 생산에 주안점을 뒀던 기존의 발전용 연료전지와 달리, 용융탄산염 연료전지는 화력발전소에서 발생하는 이산화탄소를 농축해 원료로 사용하거나 연료전지에서 발생하는 폐열을 다시 담수화 공정에 사용한다. 이산화탄소 발생량을 줄이고, 플랜트 효율을 높이는 1석2조의 효과를 거두는 첨단 기술인 것이다. 또한 용융탄산염 연료전지는 환경에 도움이 되는 친환경 기술일 뿐만 아니라 연료전지 발전 과정에서 생기는 물을 식수나 공업용수로 활용할 수 있는 방안도 모색해볼 수 있다.

  물론 이 기술은 아직 상용화되지 않았다. 하지만 지식경제부는 2008년 12월 ‘신재생에너지 분야 전략과제’의 하나로 발전용 연료전지 기술을 선정, 두산중공업을 주관 기업으로 선정했고 이에 따라 지식경제부는 수출산업으로 육성이 가능한 메가와트급 용융탄산염 연료전지 국산화 기술 개발을 향후 5년간 지원하게 된다.

용융탄산염 연료전지는 기존 화력발전과 비교할 때 발전효율이 높고, 오염 물질 배출이 거의 없을 뿐 아니라, 이산화탄소 배출을 약 22% 정도 감소시키는 효과가 있기 때문에 미래형 발전기술로 각광을 받고 있다. 기후변화협약에 따라, 향후 이산화탄소 배출 규제가 강화되면 기존 화력발전 또는 복합화력발전과 연계할 수 있는 이 기술의 상품성은 매우 클 것으로 전망된다. 업계에선 2015년 관련 세계시장 규모가 최소 30억달러(3조원)에서 최대 312억달러(38조원)에 달할 것으로 전망하고 있다. 상용화까진 아직 먼 편이지만, 수익성 측면에서 볼 때 2015년 세계시장에 수십조원이 예상된다.

  중요한 점은 용융탄산염 연료전지 기술은 전기분해의 원리를 거꾸로 이용한 것이며 두산중공업은 전기분해의 역반응이 일어나는 부위인 스택(stack)에 관한 원천 기술을 갖고 있다는 사실이다. 미국 FC사에 이어, 연료전지의 핵심 부품인 스택을 지난 2007년 독자적으로 개발한 것이다. 하지만 앞서 말한 것처럼 아직 상용화의 길은 멀다. 두산의 스택은 25㎾급(1㎾=사람 한 명이 하루에 사용할 수 있는 전력의 양)으로, 연료전지 제품의 기본 규모인 300㎾급에 못 미친다. 두산은 2010년까지 300㎾급 스택기술 개발을 완료, 100% 순우리 기술로 만든 용융탄산염 연료전지 초기 제품의 실증을 끝낼 예정이다. 국내 업계는 2015년 용융탄산염 연료전지를 통해 약 500억~800억원가량의 매출을 올릴 수 있을 것으로 예상된다.