용융탄산염 연료전지는 주로 분산 발전용, 대형 발 전용 그리고 선박용으로 사용될 수 있는 연료전지이 다. 650℃의 고온에서 운전되는 고온형 연료전지이기 때문에 높은 열효율, 높은 환경친화성, 모듈화 특성 및 작은 설치 공간 등의 장점뿐만 아니라 저가의 니켈계 열의 촉매를 사용할 수 있고 내부개질형 형태로 개발 될 수 있다. 1950년대부터 개발되기 시작한 용융탄산 염 연료전지는 50년 이상의 기술 축적에 힘입어 최근 초기 상용화 단계에 진입한 것으로 평가되고 있으며, 이에 따라 전 세계적으로 실증 및 보급이 활발히 진행 되고 있다. 우리나라에서도 용융탄산염 연료전지의 개발, 실증, 보급 그리고 양산이 활발하게 진행되고 있 어 전문가뿐만 아니라 일반인들도 많은 관심을 많이 보이고 있다. 본고에서는 최근 뜨거운 관심을 받고 있 는 용융탄산염 연료전지의 기본 원리 및 특성과 상용 화를 위한 개발 동향에 대해 정리하였다.
용융탄산염 연료전지란?
용융탄산염 연료전지의 원리는 다음과 같다. 아래 반응식에 나타낸 바와 같이 수소가 주성분인 연료가
스와 산소와 이산화탄소로 구성된 산화제가 각각 연 료극과 공기극으로 공급되면 공기극에서 산소 및 이 산화탄소가 외부회로로부터 전달된 전자와 결합하여 탄산이온을 형성한 후 이 탄산이온이 용융탄산염으로 구성된 전해질을 통해 연료극으로 전달된다. 연료극 에 전달된 탄산이온은 연료전지의 연료인 수소와 결 합하면서 물과 이산화탄소가 되고, 이 때 유리된 전자 가 외부 회로를 통해 흐르면서 전기를 생산하게 된다.
Anode reaction : H2+ CO3-2= H2O + CO2+ 2e- Cathode reaction : ½O2+ CO2+ 2e-= CO3-2
Overall reaction : H2+ ½O2= H2O
용융탄산염 연료전지의 연료극으로는 다공성의 Ni 을 사용하며 공기극으로는 다공성의 NiO를 사용한다.
두 전극 사이에는 Li2CO3와 K2CO3의 혼합 용융탄산염 전해질을 함유하는 다공성의 LiAlO2매트릭스가 위치 하게 된다. Li2CO3와 K2CO3의 혼합 전해질은 용융상 태에서만 탄산이온 전도도를 갖기 때문에 용융탄산 염 연료전지는 전해질이 용융 상태로 유지되는 600℃
이상에서 운전하게 된다.
전지 실용화 추진 협의회(FCCJ)는 이미 2008년 7월 자동차 업체와 수소 생산 업체들의 의견을 모아 2015 년 연료전지 자동차와 수소충전소를 상용화하는 계획 을 발표하였다. FCCJ에서 세운 계획대로 연료전지 자동차 및 수소 충전소의 상용화가 이루어질 것인지 는 더 두고 보아야겠으나 지금부터 단계적으로 앞날 을 준비하는 일본의 계획성은 배울만 하다고 하겠다.
2015년은 많은 예측들이 실재로 적용될 가능성이 많
은 중요한 전환의 시점이다. 석유 에너지가 생산 정점 을 지나는 소위 peak oil이 예측되는 시점이기도 하고 많은 자동차 업체들이 연료전지 자동차의 양산 시기 로 발표한 시점이기도 하다. 수 년 정도의 오차는 있 겠지만 위의 두 사건이 우리에게 다가올 때까지 시간 이 많이 남지 않았다. 다가올 미래에 대비하기 위해 정부, 학계, 산업계가 보다 철저한 계획을 세우고 그 어느 때보다도 긴밀히 협조해야 할 시점이다.
정기석, 한종희*
포스코파워, *KIST
[email protected], *[email protected]
용융탄산염 연료전지를 실제로 이용하기 위해서는 연료전지 스택뿐만 아니라 연료처리 장치, 직교류 변 환 장치 및 폐열 회수 이용 장치 등을 연계하여 발전 시스템을 구성하여야 한다. 연료전지 스택은 용량이 작은 단전지를 여러 장 직렬로 연결하여 대용량화한 단전지들의 연결체이며 연료처리장치는 연료전지 스 택에 사용되는 수소를 생산, 처리, 공급하는 장치이다.
직교류 변환 장치는 연료전지에서 생성되는 직류 전 기를 실제 사용가능한 교류로 변환시키는 역할을 하 며 폐열 회수 이용 장치는 스택에서 발생되는 고온, 양질의 폐열을 회수하여 이용하는 장치로 용융탄산염 연료전지와 같은 고온 연료전지에서 열병합 발전을 가능하게 하며, bottoming cycle을 이용하여 추가로 열효율을 높일 수 있다.
용융탄산염 연료전지 발전시스템은 개질 방식에 따 라 외부개질형과 내부개질형 그리고 가스 공급 방식 에 따라 외부 manifold와 내부 manifold 방식으로 구 분된다. 외부개질형은 연료 처리장치를 연료전지 스 택 외부에 독립적으로 설치하여 스택에 수소를 생산, 공급하는 방식으로 다양한 연료를 사용할 수 있는 장 점을 가지고 있으며 내부개질형은 스택 내부에 개질 실을 설치하거나 연료극에서 직접 개질을 하는 방식 으로 흡열 반응인 개질반응이 발열반응인 전극 반응 에서 나온 반응열을 흡수하여 스택 냉각에 매우 유리 한 방식이다. 연료 처리장치에서 적절히 조절된 연료 와 공기는 연료전지 스택으로 공급되어 전류와 열을 생성하게 된다.
분리판 외부에서 가스켓을 사용하여 가스를 공급하 는 외부 manifold 방식은 분리판의 구조가 간단하여 제작 및 조립이 간편한 이점이 있으나 cross-flow만 가능한 가스흐름 형식이 제한된다. 또한 고온에서 가 스 밀봉과 전기적 절연 역할을 하는 가스켓 제작의 어 려움과 운전 중 스택 양단간의 전압차에 의해 전해질 이 이송되어 전해질 조성이 변하는 단점이 있다. 반면 에 내부 manifold 형태는 분리판의 wet seal 부분을 통하여 가스가 공급되므로 설계 및 제작이 어려우며,
넓어진 wet seal 면적과 함께 증가한 부식에 의해 전 해질 손실이 증가하는 단점이 있지만, 가스흐름 형식 선택 및 운전 중 스택 높이 변화에 자유로우며, 전해 질 이송 현상이 없는 장점을 가지고 있다.
상기한 특성을 지닌 용융탄산염 연료전지는 병원, 호텔, 아파트 단지 등에 직접 설치하는 수백 kW부터 수십 MW급 이하의 현장설치형 및 분산배치형 발전 에서부터 기존 대형 화력 발전이나 원자력 발전을 대 체하는 수백 MW급 이상의 중앙집중형 발전에 이르 기까지 다양하게 적용될 수 있으며 석탄가스화와 연 계가 가능한 외부개질형 용융탄산염 연료전지는 주로 대형 발전용으로 이용될 수 있다. 반면, 천연가스가 주 연료로 예상되는 내부개질형 용융탄산염 연료전지는 소규모의 열병합 발전에 이용된다.
용융탄산염 연료전지의 개발 동향
현재 전세계에서 용융탄산염 연료전지의 상용화를 목적으로 본격적으로 연구개발에 참여하고 있는 나라 는 1996년에 2MW급 실증 공장을 건설 운전한 바 있 는 미국을 필두로 하여 범국가적인 사업으로 추진하 고 있는 일본, 이 두 나라와의 격차를 줄이기 위하여 EC 및 정부 프로그램으로 추진하고 있는 독일, 이태 리를 중심으로 한 유럽 2개국, 그리고 역시 대체에너 지 중점과제 사업으로 상용화를 추진하고 있는 한국 의 5개국이며, 이외에 유럽의 덴마크, 스페인, 영국, 스 웨덴 등이 부분적으로 참여하고 있는 실정이다. 이중 에서 kW급 이상 스택의 독자 제작 능력을 가진 나라 는 미국, 일본, 이태리, 독일, 한국의 5개국이며, 대부 분의 유럽 개발국들은 미국에서 제공받은 스택을 활 용하는 시스템 개발에 중점을 두고 있다. 이들 MCFC 개발국들의 기술 개발 동향을 정리하면 다음과 같다.
◇ 미국
1976년 DOE(Department of Energy) 주도로 여 러 회사가 참여하여 용융탄산염 연료전지 개발을 본 격화한 이래 1979년에 스택 개발에 착수하였고 1986
년에 IFC(International Fuel Cells)가 25kW급 스택 을 개발하여 운전시험에 성공하였다. 또한 미국공영 전력연합(American Public Power Association:
APPA)이 Energy Research Corporation(ERC)가 개발한 100kW급 스택의 pilot plant를 전력회사인 PG&E(Pacific Gas & Electric Company)에 설치, 운전시험을 수행하여 용융탄산염 연료전지 발전시스 템의 최초 실증 시험을 완료하였다. 또한 EPRI(Electric Power Research Institute)와 Gas Research Institute도 DOE와 함께 연구비 지급 및 프 로그램 운영 등으로 용융탄산염 연료전지 개발 계획 을 지원하였다. 이와 같은 계획의 결과로 1996년 초반 기부터 ERC에서 개발한 내부개질형 2MW급의 전시 용 공장이 Santa Clara에서 운전되었으며, 외부개질 형을 개발하는 M-C Power 사에서는 1997년도에 San Diego의 Miramar 해군기지에서 250kW급 스택 운전 실험을 완료하였다.
이와 같은 일련의 개발을 통하여 미국 DOE는 그 동안 MCFC 개발의 두 축을 담당하였던 ERC(현재 는 Fuel Cell Energy로 개명: FCE)와 M-C Power
의 기술 개발 수준을 정밀히 평가하여 향후 상용화를 위한 시범사업 지원은 FCE로 일원화하기로 결정하 였고, 이후 FCE사가 상용화를 목표로 MCFC 발전시 스템의 시범 사업을 진행하고 있다.
그림 1. Fuel Cell Energy사의 300kW급 시스템.
그림 2. Fuel Cell Enfery사의 1.2MW급 시스템.
그림 3. Fuel Cell Energy사의 시범 운전 현황.
용융탄산염 연료전지 분야에 있어 가장 앞선 기술 을 보유하고 있는 FCE사는 1969년에 설립된 Energy Research Corporation(ERC)가 모태로 2차 전지와 연료전지에 관한 연구를 시작였고 1999년부터 2차 전 지 부분이 독립하면서 회사 이름을 Fuel Cell Energy 로 바꾸었다. 1992년 120kW급 그리고 1996년에는 2MW급 MCFC 실증을 성공하였다. FCE사의 MCFC 시스템은 메탄을 주연료로 사용하는 직접 내 부개질형 시스템이며 가스 공급을 외부 manifold를 통하여 분배하는 외부 manifold형을 채택하여 시스템 이 간단하고 열관리가 쉬우나 연료의 다양성이 작다 는 단점을 가지고 있다. FCE사에서는 300kW급, 1.2MW급 그리고 2.4MW급 MCFC 모듈을 기본으 로 하여 50MW까지 scaleup 할 수 있는 시스템을 상 용화하는 노력을 하고 있으며 미국, 일본, 유럽 등 전 세계적으로 약 50기 이상의 시스템을 보급하여 시범 운전을 하고 있다. 전 세계적으로 시범 운전되고 있는 MCFC 시스템은 주로 300kW급 모델이 대부분이며 미국 일부에서 1.2MW급도 운전되고 있고 병원, 대 학, 하수 종말 처리장 등 다양한 용도로 설치 이용되 고 있다. FCE 사의 많은 시범 운전 결과 스택의 수명 은 약 40,000시간 정도로 발표되고 있으며 전기 효율 은 약 47% 정도로 알려져 있다[그림 1, 2, 3]. FCE사 의 MCFC 전 세계의 연료전지 업계를 통틀어 상용화 에 가장 근접했다고 평가되고 있으며 이러한 이유로 현 재 실증 및 실험 운전이 급격하게 확장되어 생산 설비 를 연간 약 50MW로 증설하고자 하고 있다. 현재 FCE 사는 스택 및 시스템의 수명 향상 및 가격 절감에 집중 하여 상용화 모델을 개발 중에 있고 현재 시스템 가격 을 약 $ 4,000/kW에서 1~2년 내에 $ 3,000 /kW로 낮추는 것을 목표로 하고 있다.
◇ 일본
통산성 공업기술원 산하 신에너지개발기구(New Energy Development Organization : NEDO) 주도로 1981년에 시작된 Moonlight Project의 일부로 용융탄
산염 연료전지의 요소기술 개발을 시작하여 1986년 10kW급 스택을 개발하였고 1994년에는 내부개질형 및 외부개질형 100kW급 연료전지 스택을 Agaki 시 험소에서 운전 평가하였다. 이러한 결과를 바탕으로 새로이 시작된 New Sunshine Project에서는 외부개 질형 개발사업으로 Kawagoe에 1MW급 MCFC 플랜 트 건설을, 내부개질형 개발사업으로는 200kW 발전 시스템 건설을 추진하여 1999년 말부터 운전을 실시하 여 각기 약 5,000시간의 발전 실적을 기록하였고 이 운 전 기간 동안에 개질기 운전 및 가압운전에 따르는 문 제점을 파악하여 새로운 설계 모델을 파악하였다.
2000년부터 새로이 시작된 MCFC 개발사업으로 300kW급 모듈 개발 및 소형 가스터빈과 연계된 700kW급 고성능 모듈 플랜트 개발을 추진하였으며 2005년 일본 Aichi Expo에 300kW급 시스템 2기를 설치하여 운전하였다[그림 4]. 현재 MCFC 시스템이 상용화 단계에 있다고 판단하여 대부분의 정부
그림 4. Expo에 전시된 IHI사와 Chubu Electric Power사의
MCFC 시스템.
그림 5. Expo에 전시된 IHI사와 Toyota사의 MGT-MCFC
시스템.
program은 종료되었으며 MCFC의 상용화는 사기업 인 IHI(Ishikawajima-Harima Heavy Industry) 사 가 독자적으로 진행하고 있다.
IHI사는 NEDO project인 Moonlight Project과 Sunshine Project의 일환으로 1983년부터 MCFC 시 스템을 개발하기 시작하였으며 2000년부터 2004년까 지 300kW급 가압형 모듈을 개발하여 micro gas
turbine과 연계된 700kW급 고성능 모듈 플랜트 개발을 하였다. 이 시스템은 gas turbine과의 연계에 따라 가 압형으로 개발되었으며 연료 의 다양성을 갖는 외부 개질 형, 내부 manifold형으로 채 택되었다. 하지만 고적층 스 택의 가스분배 문제로 700kW 급 고성능 모듈 플랜트의 운 전이 중단된 것으로 알려져 있다. 여기서 개발된 기술을 사용하여 Chubu Electroic Power사와 함께 개발한 300kW급 폐기물 가스화와 연계한 시스템과 Toyota사와 함께 개발한 micro gas turbine 과 연계한 300kW급 MGT- MCFC 시스템을 2005년 Aichi Expo에 설치 운전한 바 있으 며[그림 5] 현재 MCFC 상용 화를 위해 micro gas turbine 과 연계한 가압형 MCFC의 수명 향상 및 가격 저감에 관 한 연구를 자체적으로 진행하 고 있다고 알려져 있다.
◇ 이태리
1970년대 후반부터 MCFC 를 개발하기 시작한 이태리의 Ansaldo사는 유럽 연합 프로그램인 Molecare project의 일환으로 외부개질형 발전 시스템을 개발하였다. 미국 IFC의 스택 기술을 도입하여 1998년 5월부터 스페인 마드리드에 조립된 100kw급 스택을 약 1,000시간 정도 운전하였다고 알 려져 있으나 자세한 결과는 발표되지 않고 있다. 이러 한 결과를 바탕으로 Ansaldo사는 2001년에 Ansaldo
그림 6. Ansal사의 500kW급 Series 2TW.
그림 7. MTU의 Hot Module 시스템.
시제품 2TW NG Guadalix-Madrid 운전중 EU
해군용 2TW DO Marmara 운전중 WEAO
Biomass 1ST Biomass gas Trisaia 부분 완료 EU/대학교
Hybrid Cycle 1ST NG Milano 운전중 EU
TechnoDemo 1ST NG Bosco Marengo 운전중 환경청
Landfill 1ST LFG Giugliano Napoli 각서작성 Campania Region
H
2/CO
22TW 수소 Milano Bicocca 협상중 대학연구청
추가연구 1ST/2TW 석탄가스 수개소 협의중 -
표 1. 이태리의 실증시험 프로그램
기종 연료 위치 상태 지원
Fuel Cell(AFCo)이라는 독립된 회사를 설립하고 현 재 Series 2TW라는 500kW급 발전 시스템을 개발 중 에 있다. Ansaldo의 500kW급 발전 시스템은 [그림 6]
에 나타낸 바와 같이 250kW급의 두 개의 substack으 로 구성되어 있으며 외부 개질형 및 외부 manifold형 을 채택하고 있다. 현재 실증 실험이 진행되고 있으며 아직 그 결과를 자세히 발표하지 않고 있다.
◇ 독일
독일의 MTU사는 Ruhrgas와 덴마크의 Haldo- Topsoe, Elcraft 등은 1989년부터 콘소시움을 형성하 여 전체 시스템이 하나의 모듈로 구성되는 직접내부 개질형 280kw 시스템을 개발하였다. 이후, 독일의 MTU사는 미국의 FCE에서 제공한 스택을 사용하여 Hot Module 시스템을 개발하였다[그림 7]. Hot Module 시스템은 내부개질형 시스템으로 전기 및 프 로세스용 스팀의 동시 생산이 목적인 열병합 발전이며, 제조원가 감소를 위해 연료 입구 이외의 manifold는 생략되고, 전체 시스템이 하나의 용기에 수납되어 파 이핑 등이 매우 간단해지는 특징을 갖고 있다. MTU 는 2002년부터 Hot Module을 상용화하기 위하여 MTU CFC Solution이라는 venture회사를 설립하고 Hot Module 시스템을 시범 운전하였는데 2008년부 터는 회사명을 MTU Onsite Power로 바꾸었다. 현 재 FCE의 스택을 사용한 Hot Module 시스템이 독일 전역에 10기 이상 운전되고 있으며 MTU Onsite Power사는 EuroCell이라고 불리는 F자사 제품의 스 택을 개발하고 있으나 아직 신뢰성 있는 스택을 개발 하지는 못했다고 알려 있다.
◇ 한국
국내에서의 용융탄산염 연료전지 개발 사업은 용융 탄산염 연료전지의 개발 잠재성 및 효용성을 인식한 정부 및 한전의 주도로 시작되었다. 1989년 대체에너 지 사업의 하나로 시작된 이 사업은 국내에서 처음으 로 KIST에 의해 전지구성요소 제작 기술개발, 소형
단위전지 운전 같은 기본기술 확보에 성공하여 1993 년 G7 사업의 하나로 채택되면서 본격적인 개발이 추 진되었다. 이후, 한전, KIST, 삼성중공업 및 6개의 대 학이 산학연 형태로 참여하여, 1996년에는 1000cm2 단위전지 20장을 적층한 외부개질형 2kW 스택의 제 작 및 운전이 순수 국내 기술로 성공적으로 이루어졌 고, 내부개질형 스택도 같은 기간동안 삼성전자(후에 삼성중공업으로 이전) 주관으로 진행되어 내부개질형 2kW 스택이 개발되었다.
이어 1998년에는 3000cm2단위전지 20장을 적층한 외부개질형 5kW급 스택이 5,800 시간 이상 연속 운전 되었고, 1999년에는 6000cm2단위전지 40장을 적층한 25kW 시스템의 제작 운전에 성공하여 상용화에 필요 한 기반기술을 확립하였으며 이들 기술을 바탕으로 2005년 현재 보령 화력발전소 내에 외부개질형, 내부 manifold형 100kW급 시스템이 운전하였다[그림 8].
현재 전력산업연구개발 사업의 일환으로 상용 250kW급 compact 시스템의 개발이 2004년부터 전 력연구원 주관으로 진행되고 있다.
내부개질형 용융탄산염 연료전지의 개발은 지식경 제부산하 신재생에너지 사업으로 진행되고 있다. 이 사업에서는 2007년부터 산자부 신재생에너지 사업의 일환으로 300kW급 내부개질형 MCFC 개발 사업이 그리고 2008년부터 MW급 플랜트 연계형 용융탄산
그림 8. 보령 화력발전소의 100kW급 MCFC 시스템.
고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cells, 이하 SOFC)는 모든 구성요소가 고체 재료인 에너지 변환 장치로 전기화학반응을 이용함으로써 기존 열기관보 다 발전 효율이 높고, 환경 보전성이 우수하여 미래의 친환경 및 고효율 전원 장치로 각광받고 있다. 현재 SOFC는 [그림 1]에서와 같이 연료 혹은 산화제로 사용하는 가스의 특정 이온, 예를 들어 산소이온 혹은 프로톤을 전달할 수 있는 이온 전도성 산화물을 전해
질 재료로 사용하여 다공성의 공기극(cathode)과 연 료극(anode)에서 전기화학 반응을 일으킴으로써 전 기를 생산할 수 있게 된다. 특히 작동온도가 600~1000℃인 고온 연료전지에 속하는 SOFC는 수 소, 석탄가스, 천연가스, 매립지가스, 메탄올, 휘발유 등 다양한 연료를 사용할 수 있으며 폐열을 이용한 열 병합 발전이 가능하다는 장점이 있다. 더욱이 고온 작 동으로 인해 비싼 귀금속 촉매가 필요 없다는 점과 열 염 연료전지 시스템 개발 사업이 두산중공업 주관으
로 진행 중에 있다.
한편, POSCO는 2005년 미국 FCE사와 계약을 맺 고 내부개질형 MCFC 시스템을 개발하고 있다. 스택 은 미국 FCE사의 제품을 수입하여 사용하고 BOP 및 시스템을 개발하여 상용화 제품을 제작 판매한다 는 전략으로 2007년에 POSCO Power사를 설립하여 현재 연간 50MW 시스템을 제작할 수 있는 MCFC 생산공장을 2008년 완공하고 내부개질형 MCFC 시
스템을 생산 중에 있으며 현재까지 16기, 25MW 규 모의 계약을 체결하였다. 또한 발전용 연료전지 시범 사업으로 미국 FCE사의 250kW급 시스템을 3기 수 입하여 포항산업기술연구원, 탄천하수종말처리장 그 리고 조선대학교에 설치하여 운전을 하고 있으며 이 중 포항산업기술연구원에 있는 MCFC시스템은 약 1,500시간 이상 운전되었으며 탄천하수종말처리장에 설치된 MCFC 시스템은 하수처리 소화가스로 운전 하였다[그림 9].
맺음말
앞에서 정리한 바와 같이 용융탄산염 연료전지는 오랜 기간 동안의 관심과 투자로 상용화 초기 단계에 들어섰다. 하지만 진정한 상용화를 이루기 위해서, 또 한 우리나라가 용융탄산염 연료전지 분야에서 기술적 경쟁력을 갖기 위해서는 많은 기술 개발이 이루어져 야한다. 이를 위해서는 지금까지 용융탄산염 연료전 지 관련 분야에서 받아온 관심과 투자가 계속 유지되 어야 할 것이며, 이러한 인내력 있는 투자만이 미래에 큰 결실로 보답 받을 것이다.
윤 성 필
