MCFC (용융탄산염 연료전지, Molten Carbonate Fuel Cell)
MCFC는 고온 연료전지 중 하나로, 주로 고정형 발전용으로 사용된다. 열병합, 폐열 회수, 산업용 전원 등에 적합하며, 고온에서도 높은 전기·열 복합 효율을 발휘한다. 특히 이산화탄소의 순환 사용이 가능하여 탄소 포집과 통합된 발전 시스템으로도 주목받는다.
MCFC는 탄산염(주로 Li₂CO₃, K₂CO₃의 혼합물)을 전해질로 사용하는 고온형 연료전지다. 작동 온도는 약 600~700℃이며, 산소 대신 이산화탄소를 포함한 공기가 음극에서 반응에 참여하는 특이한 구조를 가진다.
작동 원리
- 양극 반응:
H₂ + CO₃²⁻ → H₂O + CO₂ + 2e⁻ - 음극 반응:
½O₂ + CO₂ + 2e⁻ → CO₃²⁻ - 전체 반응:
H₂ + ½O₂ → H₂O + 전기 + 열
MCFC는 작동 과정에서 생성된 CO₂ 일부를 다시 음극으로 재순환시켜야 하는 시스템적 특징이 있다.
구성 요소
- 전해질:
용융 탄산염 (리튬, 나트륨, 칼륨 등 탄산염 혼합물) - 양극:
니켈-크롬 합금 계열 - 음극:
니켈-산화물(NiO) 계열 - 분리판:
고온 내열성 금속 재료
MCFC의 장점
1 .고효율 발전
기본 전기 효율이 45~50%, 열병합 시 최대 85%까지 도달할 수 있다.
2 .연료 다양성
수소뿐 아니라 천연가스, 바이오가스, 석탄가스, 재생 가스를 직접 사용 가능하다.
3 .이산화탄소 활용
음극 반응에 CO₂가 필요하기 때문에, 발전과정에서 발생한 CO₂를 재활용할 수 있어 **탄소 포집 기술(CCS)**과의 통합이 유리하다.
4 .대형 시스템에 적합
MW급 발전 시스템 설계에 유리하며, 병원, 공장, 산업단지 등에 적합한 전력원이다.
단점 및 기술 과제
1 .전해질 누출
용융된 탄산염은 부식성이 높아 전지 밀봉이 어렵고, 누출 시 치명적일 수 있다.
2 .내구성 및 안정성
600℃ 이상에서 장시간 운전 시 전극, 분리판 등의 열화 및 내식성 문제 발생 가능성.
3 .CO₂ 재순환 시스템 필요
CO₂ 순환이 필요해 시스템 설계가 복잡하고 비용이 증가한다.
4 .긴 예열 시간
기동 시간이 길고, 자주 껐다 켜는 용도에는 부적합하다.
응용 분야
- 대형 산업용 열병합 발전
- 이산화탄소 포집 연계 발전소
- 병원·데이터센터의 고정 전원
- 군수/우주발전 연구 분야
MCFC는 두산퓨얼셀을 비롯한 일부 기업이 적극 개발 중이며, 미국, 일본, 독일에서 실증 프로젝트가 활발히 진행 중이다. 특히 탄소중립 기술과 결합한 연료전지 시스템으로서의 가능성이 주목된다.
MCFC는 고효율, 고온 열 활용, CO₂ 포집 통합이라는 장점을 통해 산업 발전 부문에서 경쟁력이 있다. 고온 내구성, 전해질 안정화 기술 등이 상용화 확대의 핵심 과제다.
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