KR100724119B1 - 분리장벽을 이용한 단실형 고체 산화물 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단실형 고체 산화물 연료전지에 관한 것으로, 전극을 전해질과 동일 평면상에 배치하고 단위 셀을 집적화하는 과정에서 발생하는 반응 가스의 혼합에 의한 개회로 전압 손실을 막아준다. 즉, 본 발명에서 제공하는 분리장벽을 가진 디자인을 통해 동일 평면상에 전극을 배치하고도 고출력의 단실형 마이크로 고체 산화물 연료전지를 제조할 수 있고, 이러한 단위 셀들의 고집적화를 통해서 고전압, 고전류를 발생시키는 마이크로 연료전지를 구현할 수 있다.
단실형 고체 산화물 연료전지, 마이크로 연료전지, 분리장벽, 가스 혼합 방지

Description

분리장벽을 이용한 단실형 고체 산화물 연료전지{SINGLE CHAMBER SOLID OXIDE FUEL CELL WITH BARRIER RIB}
도 1 및 도 2는 종래의 단실형 고체 산화물 연료전지에서 전극과 전해질의 배치에 따라 구분되어지는 두 가지 타입의 전지 형태 및 그것들의 작동원리를 나타내는 개념도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 분리장벽을 이용한 단실형 고체 산화물 연료전지(Single Chamber Solid Oxide Fuel Cells; SC-SOFC)에서 구성 가능한 다양한 전극 형태를 나타내는 사시도 또는 단면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 분리장벽을 이용한 SC-SOFC에서 분리장벽에 의해 형성되는 미소 채널만으로 구성 가능한 다양한 연료극과 공기극의 배치 단면도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 분리장벽을 이용한 SC-SOFC에서 분리장벽에 의해 형성되는 미소 채널과 분리장벽 윗면을 포괄하여 구성 가능한 다양한 연료극과 공기극의 배치 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 분리장벽을 이용한 SC-SOFC에서 분리장벽을 가진 전해질을 기판 혹은 전해질 바디(body)의 상면과 하면에 동시 형성하여, 전극을 구성한 경우의 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 분리장벽을 이용한 SC-SOFC에서 분리장벽과 기판이 서로 다른 재료를 사용하여 제조되어진 경우에 해당하는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에서 제조한 분리장벽 SC-SOFC와 견주어 분리장벽 존재에 의해 유발되는 여러 실험적 결과를 보여주기 위해 대조군으로 사용되어진 분리장벽이 없는 평면 전해질 형태의 SC-SOFC 이미지이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 도 5의 형태로 제조한 분리장벽을 이용한 SC-SOFC의 이미지이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따라 도 5의 형태로 제조한 분리장벽을 이용한 SC-SOFC 시스템과 분리장벽이 없는 평면 전해질 방식의 SC-SOFC 시스템의 개방 회로 전압(Open Cell Voltage; OCV)값의 차이와 출력 특성 차이를 900oC 운전온도(Operating Temperature)에서 얻은 데이터로 비교하여 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
20: 연료극 22: 공기극
25: 전해질 27: 전해질과 다른 물질
본 발명은 연료가스와 산화가스를 혼합하여 공급하는 단실형 고체산화물 연료전지(Single Chamber Solid Oxide Fuel Cell; SC-SOFC)에 관한 것으로, 상세하게 는 휴대폰이나 노트북과 같은 초소형 정밀 부품 및 휴대용 정보 통신 기기의 전력원으로 사용될 수 있도록 소형으로 집적화시킨 단실형 고체산화물 연료전지의 새로운 구조에 관한 것이다.
SC-SOFC의 기본 구조와 작동 원리는 다음과 같다. 도 1 및 도 2에 나타낸 것처럼 SC-SOFC는 전해질과 전극의 배치에 따른 구조적 차이에 의해 A-타입과 B-타입으로 나뉜다. A-타입 SC-SOFC는 도 1에서와 같이 전해질의 양면에 공기극과 연료극이 분리되어 배치되어 있는 것을 통칭하며, B-타입은 전해질의 한 면에 공기극과 연료극이 모두 배치되어있는 셀로서 도 2에서와 같은 형태를 가진다. 두 가지 형태의 SC-SOFC 모두 연료 가스인 탄화수소(Hydrocarbon)와 산화 가스인 산소가 혼합되어 연료전지 시스템에 주입되는 것은 동일하다. 또한, 이 시스템에는 희토류 원소가 도핑된 이온 및 전자의 복합 전도성 산화물에 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh) 등의 금속 원소가 있어 주입된 탄화수소 연료가스의 내부 개질을 촉진할 수 있다. 이와 같은 원리로 탄화수소에서 개질(Reforming)된 수소와 일산화탄소의 산화반응과 공기극에서 생기는 산소의 환원반응에 의해 포텐셜(Potential)이 발생되고 외부 회로를 통해 전기를 얻는다.
SOFC는 이 기술이 가지는 원천적인 장단점들로 인해 주로 중대형 발전 시스템을 목표로 초기에 개발되기 시작하였으나, 최근 휴대용 전원으로서 관심이 높아지고 있다. 휴대폰, 노트북과 같은 휴대용 전자기기의 필요 전력은 0.5~20W 정도이다. 따라서, 이러한 시스템에 전력공급원으로 사용될 소형 연료전지는 10~250kW 가량의 전력이 발생하는 대형 연료전지와는 차별화된 기술 영역에 속한다. 기존에 많 이 연구되어온 대면적 연료전지 원천 기술은 휴대용 전자기기를 위한 소형 연료전지의 제작에 있어서 충분한 수준의 최적 디자인과 원천 기술들을 제공하지 못한다. 결국, 전 세계적으로 소형 연료전지를 개발하고자 하는 다양한 노력들에도 불구하고 상업적 이용 가능한 성과를 보이는 제품이나 가능성 있는 연구 결과를 아직 제시하지 못하고 있다. 소형 연료전지, 특히 본 특허에서 다루고 있는 SC-SOFC에 대한 기본 원리에 대한 더욱 많은 이해와 이를 통한 창의적인 도전이 많이 필요한 실정이다.
앞서 언급한 B-타입형 SC-SOFC는 단순 구조에 의한 공정 생산성과 셀 집적성과 같은 유리함을 이유로 초기 연구자들의 많은 관심이 있었다. 하지만, 동일 평면상에 위치한 전극 배치에 의한 여러 단점들로 인해 그 실용 가능성은 낮게 평가되어 왔다. 연료극과 공기극을 가깝게 배치하여 전해질에서의 이온 전달 저항 성분을 줄여야 하지만, 이는 곧 연료극과 공기극에서 충분한 산소 분압 차이를 얻어내기 더욱 힘들어진다는 것을 의미한다. 더 높은 출력의 단실형 연료전지를 원활하게 구동하기 위해서 접근해야하는 기본적인 연구방향, 즉 높은 선택적 반응성을 가진 전극 재료들을 선정하고, 저온에서도 충분히 높은 이온 전도도를 가진 전해질 재료를 사용하는 등의 노력들은 물론이거니와, 이와 같은 전극 배치와 가스 혼합 현상이 결국 B-타입형 SC-SOFC의 셀 성능과 집적성을 모두 좌우하는 핵심 요소라 말할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 동일 평면상 전극 시스템을 가진 SC-SOFC에서 분리장벽을 가진 구조적 형태를 제안하는 데 그 목적이 있다. 또한, 본 발명은 이와 같은 구조적 형태를 통해서 기존의 동일 평면상 전극 구조를 가진 SC-SOFC에서 나타나는 반응가스와 생성가스의 혼합에 의한 셀 성능 감소 문제를 해소하여 고출력 SC-SOFC의 제조 및 단전지 집적에 적합한 디자인을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 단실형 고체산화물 연료전지는,
전해질의 일면(一面)에 애노드 전극과 캐쏘드 전극이 함께 배치된 타입(상술한 SC-SOFC의 B-타입)으로서, 상기 전해질의 상기 일면에 형성되고, 동종 또는 이종의 두 전극 사이에 위치하는 분리장벽을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 분리장벽은 다수 개 형성되고, 상기 애노드 전극 또는 캐쏘드 전극은 이웃하는 두 분리장벽 사이에 형성될 수도 있다.
또는, 상기 애노드 전극 또는 캐쏘드 전극은 상기 분리장벽의 측벽에 형성될 수도 있다.
또는, 상기 분리장벽은 다수 개 형성되고, 상기 애노드 전극 또는 상기 캐쏘드 전극은 이웃하는 두 분리장벽 사이 및 상기 분리장벽의 측벽에 형성될 수도 있다.
또한, 상기 분리장벽은 상기 전해질과 일체로 형성될 수도 있다. 이때, 상기 전해질의 일 단면은 요철 구조일 수도 있다.
또는, 상기 분리장벽은 상기 전해질과 별개의 물질로 이루어져 있고, 상기 분리장벽과 상기 전해질은 요철 형상의 단면을 이룰 수도 있다.
또한, 상기 애노드 전극과 캐쏘드 전극은 교대로 배치될 수도 있다. 또는, 상기 애노드 전극과 캐쏘드 전극은 동일 전극 2개를 한 묶음으로 해서 교대로 배치될 수도 있다.
또한, 상기 전해질의 상기 일면(一面)의 반대 면에도 애노드 전극과 캐쏘드 전극이 함께 배치되며, 상기 반대 면에 형성되고 동종 또는 이종의 두 전극 사이에 위치하는 분리장벽을 포함할 수도 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 단실형 고체산화물 연료전지는,
전해질의 일면(一面)에 애노드 전극과 캐쏘드 전극이 함께 배치된 타입으로서, 상기 전해질의 상기 일면에 다수의 분리장벽이 형성되어 요철 구조를 가지며, 상기 요철 구조 중 볼록부위에 해당하는 상기 분리장벽의 상면에 상기 두 전극 중 어느 한 전극이 형성되고, 상기 요철 구조 중 오목부위에 다른 한 전극이 형성된 것을 특징으로 한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 단실형 고체산화물 연료전지에 관한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명에 따라 제안되는 분리장벽과 다양한 형태의 전극 단면 형상 디자인의 예를 도 3 내지 도 5에 도시하여 나타내었다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 분리장벽을 이용한 SC-SOFC은 전해질(25)에 분리장벽 역할을 수행하는 사각형의 요철 구조가 형성되고, 이 요철 구조의 채널 아랫면에 ‘
Figure 112006059008451-pat00001
’형태의 단면을 갖는 전극(20, 22)이 각각 형성되어 있다.
전해질 기판 표면에 소정 간격의 분리장벽을 형성하여 요철 구조를 만드는 방법은 전해질 기판 성형시에 요철형 몰드를 이용해 압축 성형한 후 소결하는 방법과, 평면의 매끈한 기판으로 성형 후 여러 가지 패터닝 기술을 이용해 에칭(Etching) 혹은 밀링(Milling)하는 방법, 그리고 전해질의 스크린 프린팅(Screen Printing) 혹은 임프린팅(Imprinting), 슬러리(Slurry)를 이용한 직접 묘화(Direct Writing)와 같은 방법을 이용해 추후에 분리장벽을 형성하는 방법 등이 있다.
도시하진 않았지만, 상기 전해질(25)을 지지하는 지지체를 더 포함할 수도 있고, 이러한 지지체는 도전체(Electronic conducting materials), 절연체(Electronic non-conducting materials), 산소 이온 전도체(Oxygen ion conducting materials) 또는 프로톤 전도체(Proton conducting materials)를 포함하여 이루어질 수도 있다. 예컨대, 지지체로는 실리콘(Si), 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SixNy), 알루미늄 산화물(AlxOy), 마그네슘 산화물(MgxOy), 티타늄 산화물(TixOy), 지르코늄 산화물(ZrxOy), 세륨 산화물(CexOy), 란타늄 갈레이트(Lanthanum Gallate), 바륨 세레이트(Barium Cerate), 바륨 지르코네이트(Barium Zirconate) 또는 상기 재료들의 여러 도핑(doping)상 등을 포괄하는 범주에서 선택 되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
또한, 상기 지지체로 실리콘(Si) 웨이퍼 등의 반도체성 물질이나 도전성 물질을 사용하는 경우에는, 상기 지지체 위에 절연 및 열팽창 버퍼층을 더 포함할 수도 있는데, 여기서 열팽창 버퍼층은 열팽창에 의한 스트레스를 억제하기 위한 버퍼층을 말한다. 예컨대, 버퍼층으로는 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SixNy), 알루미늄 산화물(AlxOy), 마그네슘 산화물(MgxOy), 티타늄 산화물(TixOy), 지르코늄 산화물(ZrxOy), 세륨 산화물(CexOy), 란타늄 갈레이트(Lanthanum Gallate), 바륨 세레이트(Barium Cerate), 바륨 지르코네이트(Barium Zirconate) 또는 상기 재료들의 여러 도핑상 등을 포괄하는 범주에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
이와 같이 지지체를 사용한 셀 시스템에서는 스퍼터링(Sputtering), 전자빔 증발법(E-Beam Evaporation), 펄스 레이져 부착법(Pulse Laser Deposition), 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition), 원자층부착법(Atomic Layer Deposition), 정전하 스프레이 부착법(Electrostatic Spray Deposition), 스핀 코팅법(Spin-Coating), 스크린 프린팅(Screen-Printing), 자기 조립 단층법(Self-Assembly Monolayer Method), 분자빔 부착법(Molecular Beam Epitaxy), 전기영동 부착법(Electro-Phoretic Deposition), 담금법(Dip-Coating) 등과 같은 박막/후막 제조 공정과 다양한 패터닝 기술을 이용하여 소정 간격으로 사각형, 삼각형 등 모든 기하학적 구조의 분리장벽층을 형성하여 분리장벽을 가진 전해질을 형성할 수 있다.
전해질을 적절한 두께 이상의 기판으로 제조하여 상기 지지체의 역할을 대신 하는 경우에는 전체 전해질을 지지체 및 전해질 층으로 모두 사용할 수 있으며, 이 경우 전해질 기판 표면에 소정 간격으로 삼각형, 사각형과 같은 다양한 기하학적 형태의 홈을 형성함으로써 분리장벽을 가진 전해질 시스템을 형성할 수 있다. 즉, 분리장벽은 전해질과 일체로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 전해질(25)의 분리장벽의 측벽만을 이용하여 ‘
Figure 112006059008451-pat00002
’형태의 단면을 갖는 전극(20, 22)이 형성되어 있다.
도 5를 참조하면, 분리장벽 채널의 3면에 모두 전극을 형성하여 삼상 계면(Triple Phase Boundary; TPB)화하는 방식으로 ‘
Figure 112006059008451-pat00003
’자 형태의 단면을 갖는 전극(20, 22)을 구성할 수도 있다.
한편, 본 발명에 따라 제안되는 분리장벽을 이용한 SC-SOFC의 전극 배치와 관련하여 애노드 전극(연료극)과 캐쏘드 전극(공기극)의 조합 디자인의 예가 도 3 및 도 6 내지 도 9에 도시되어 있다. 도 3 등에서 평면상 스트라이프형의 분리장벽을 도시하고 있지만, 본 발명의 내용을 이에 한정하는 것은 아니다.
도 3을 참조하면, 분리장벽을 가진 전해질(25)을 구성하고, 각 분리장벽 채널의 내부에 각각 캐쏘드 전극(22)과 애노드 전극(20)을 교대로 배치하는 디자인도 가능하다. 즉, 요철 내부에 '연료극-공기극-연료극-공기극-연료극-공기극'과 같이 서로 다른 전극을 교대로 배치할 수도 있다.
이와 달리, 도 6 및 도 7을 참조하면, 분리장벽 채널 내부에 캐쏘드 전극(22)과 애노드 전극(20) 각각 2개를 한 묶음으로 해서 서로 다른 전극 세트를 교대로 배치하여 전극을 구성하는 디자인도 가능하다. 즉, '연료극-공기극-공기극-연 료극-연료극-공기극'과 같이 배치하여 전극을 구성할 수도 있다.
또한, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 분리장벽의 윗면도 전극의 배치에 이용하여 보다 작은 공간에 효율적으로 전극을 집적시킨 형태의 셀 구성도 가능하다. 도 8에서는 애노드 전극(20)을 분리장벽 윗면에, 캐쏘드 전극(22)을 분리장벽 아랫면에 배치하는 경우를 도시하였고, 도 9에서는 캐쏘드 전극(22)을 분리장벽 윗면에, 애노드 전극(20)을 분리장벽 아랫면에 배치하는 경우를 도시하였다.
상술한 바와 같이, 분리장벽의 내부 및 외부의 면에 적절히 배치되어 형성된 전극들은 집전체에 접촉 연결될 수 있는데, 이러한 집전체는 금(Au), 플래티넘(Pt), 은(Ag), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 혹은 루테늄(Ru)과 같은 내산화성 금속 혹은 높은 전기전도도를 가지는 세라믹-금속 복합소재를 이용하여 직렬 혹은 병렬 조합으로 전극들을 연결하여 고전압, 고출력 마이크로 전력 소자로 구성이 가능하다.
한편, 본 발명에 따라 제안되는 분리장벽을 전체 기판의 상면과 하면에 동시에 형성하여 상기 두 면 모두에 애노드 전극과 캐쏘드 전극을 형성하는 디자인을 도 10에 도시하였다. 이에 따라, 두 면 모두를 셀 제작에 이용함으로써 더 많은 셀을 한 기판 위에 집적시킬 수 있다. 도 10을 참조하면, 분리장벽을 가진 전해질(25)을 전체 기판의 양면에 모두 형성하고, 각 분리장벽 채널의 내부에 각각 캐쏘드 전극(22)과 애노드 전극(20)을 상술한 단면 형상과 적절한 배치 조합으로 구성할 수 있다.
도 11은 지지체와 분리장벽이 전해질(25)과 다른 물질(27)인 경우를 도시하 였다. 이 경우, 캐쏘드 전극(22)과 애노드 전극(20)의 배치는 도 3, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 교대로 배치하거나 동종 전극 두 개를 한 묶음으로 하여 교대로 배치하는 것도 가능하다.
전해질과 전극은 신뢰성 있는 기존 공정인 세라믹 분말 공정을 이용할 수도 있고, 반도체 공정 등에서 이용되는 박막 형성 기술을 이용하여 형성할 수도 있다. 이렇게 제조되는 전해질이나 전극의 최소 치수(critical dimension)는 수∼수십 밀리미터에서 마이크로미터 수준 이하의 극소형 시스템까지도 형성 가능하여 시스템 디자인의 선택폭이 굉장히 넓다.
실험예
본 발명의 목적, 특징 및 이점은 아래의 실험예에서 더욱 명확하게 될 것이다.
도 12 및 도 13은 분리장벽이 없는 평면형 B-타입 SC-SOFC와 본 발명에 따라 구성한 분리장벽을 이용한 B-타입 SC-SOFC를 각각 집전체 구성을 통해 병렬로 연결한 것이다. 도 14는 도 12에서 제시한 B-타입 평면 구조 SC-SOFC와 도 13에서 제시한 분리장벽 구조 SC-SOFC의 출력 거동을 실제 실험을 통해 얻어 그 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 12에서 나타낸 평면형 SC-SOFC와 본 발명에 따른 도 13의 분리장벽 구조 SC-SOFC는 전해질 지지체 제조공정을 제외한 모든 셀 제조공정 및 셀의 최소 치수를 동일하게 구성하였다. 결국 이 두 가지 셀을 비교함으로서 분리장벽 효과에 의 한 셀 특성을 손쉽게 비교할 수 있게 하였다.
도 12 및 도 13에 나타낸 SC-SOFC의 제조방법은 다음과 같다.
두 가지 형태의 셀 모두 8 mol% Y2O3-ZrO2(Yittria Stabilized Zirconia; YSZ) 원료 분말을 건식 가압 성형하여 성형체를 제조하고 1500℃에서 10시간 소결하여 치밀한 전해질 지지체를 얻었다.
이렇게 제조한 전해질 지지체 위에 애노드 전극(연료극)용 페이스트를 이용해 로보 디스펜싱 기법(Robo-Dispensing Method)으로 애노드 전극을 형성한 후 휘발성 용매를 제거하기 위하여 충분히 건조시키고, 이후 적절한 소성공정을 통하여 최종적으로 다공성의 애노드 전극을 얻었다. 소성된 애노드 전극 패턴 옆의 적절한 위치에 캐쏘드 전극(공기극)용 페이스트를 이용하여 동일한 디스펜싱 기법으로 캐쏘드 전극을 형성하였다. 도 12의 평면형 SC-SOFC는 전해질 디스크 상면의 적절한 위치에 전극의 치수를 고려하여 전극을 형성하였고, 도 13의 분리장벽 구조의 SC-SOFC는 분리장벽에 의해 형성된 미소 채널 속으로 전극 페이스트를 입혀 전극을 형성하였다.
애노드 전극 재료로는 두 셀 모두 NiO-Gd0 .1Ce0 .9O1 .95(NiO-GDC)에 Pd이 극소량 첨가된 조성을, 캐쏘드 전극 재료로는 La0 .8Sr0 .2MnO3(LSM)와 YSZ의 복합재료를 사용하였으며, 애노드 전극은 1350℃에서 1시간, 캐쏘드 전극은 1200℃에서 1시간 소성하였다.
도 12는 이렇게 완성된 평면형 B-타입 SC-SOFC를, 도 13은 본 발명을 통해 제조한 분리장벽을 가진 SC-SOFC의 전체 셀의 모습을 보여준다. 전체 셀은 2개의 단위 전지들이 병렬로 연결되어 구성된다. 완성된 SC-SOFC를 캐쏘드 전극과 애노드 전극의 말단부(Terminal)에 금 페이스트(Au paste)를 이용하여 집적화하였으며, 금 선(Au wire)를 이용해 측정시스템에 연결하였다. 단전지의 개회로 전압(Open Current Voltage; OCV) 및 운전중의 출력 전압은 전압계를 사용하여 측정하였으며, 이로부터 단전지의 전류-전압 출력 특성을 구하였다. 연료가스로는 메탄(CH4), 산화가스로는 공기(Air), 밸런스 가스는 질소(N2)를 사용하였다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 방법으로 제조한 분리장벽을 이용한 B-타입 SC-SOFC는 900oC에서 약 870mV의 개방회로 전압과 약 3.03mW의 출력 성능을 나타내었다. 반면에, 분리장벽이 없는 평면형 B-타입 SC-SOFC는 약 750mV의 개방회로 전압과 약 1.5mW의 출력 성능을 나타내었다. 이와 같은 결과는 분리장벽에 의해 연료극, 공기극의 반응 및 생성 가스의 대류 전달 부분을 차단함으로써, 앞서 언급했던 B-타입 SC-SOFC의 결정적 단점인 가스 혼합에 의한 성능 및 OCV 감소를 잘 극복할 수 있음을 보여준다. 또한, 분리장벽 구조를 통해 B-타입 SC-SOFC에서 고성능 단위 전지의 제작과 직접화의 가능성을 잘 보여주고 있다.
도 14에서 흰 색의 원형 마크와 삼각형 마크는 도 12와 도 13에서 제안된 전지의 포텐셜과 전류량을 각각 나타내고, 검은색의 삼각형 마크와 사각형 마크는 도 12와 도 13에서 제안된 전지의 전력값을 각각 나타낸다.
따라서, 본 발명에 의하면 고출력의 초소형 SC-SOFC를 효율적인 생산 기법으 로 제조할 수 있는 시스템 디자인 기술을 확보할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 분리장벽을 가진 연료전지의 구조는 기존에 제안되었던 동일 평면상 전극을 가진 SC-SOFC의 치명적 여러 단점들을 손쉽게 해결하여 그 출력밀도 및 생산 효율성이 기존의 디자인보다 월등히 우수하고, 타 기술로의 이식성과 확장성, 범용성 또한 매우 우수하다. 그리고 본 발명에 따라 제조한 소형 연료전지는 이동형 차세대 소형 전력 공급 장치로서 연료전지 단위 셀의 고집적화와 초소형화가 가능하게 되어 큰 경제적 가치를 갖는다.
본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (16)

  1. 전해질의 일면(一面)에 애노드 전극과 캐쏘드 전극이 함께 배치된 타입의 단실형 고체산화물 연료전지에 있어서,
    상기 전해질의 상기 일면에 형성되고, 동종 또는 이종의 두 전극 사이에 위치하는 분리장벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 단실형 고체산화물 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리장벽은 다수 개 형성되고, 상기 애노드 전극 또는 상기 캐쏘드 전극은 이웃하는 두 분리장벽 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 단실형 고체산화물 연료전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 전극 또는 상기 캐쏘드 전극은 상기 분리장벽의 측벽에 형성된 것을 특징으로 하는 단실형 고체산화물 연료전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분리장벽은 다수 개 형성되고, 상기 애노드 전극 또는 상기 캐쏘드 전극은 이웃하는 두 분리장벽 사이 및 상기 분리장벽의 측벽에 형성된 것을 특징으로 하는 단실형 고체산화물 연료전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분리장벽은 상기 전해질과 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 단실형 고체산화물 연료전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전해질의 일 단면은 요철 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 단실형 고체산화물 연료전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분리장벽은 상기 전해질과 별개의 물질로 이루어져 있고, 상기 분리장벽과 상기 전해질은 요철 형상의 단면을 이루는 것을 특징으로 하는 단실형 고체산화물 연료전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분리장벽은 다수 개 형성되고, 상기 분리장벽은 평면상 스트라이프형인 것을 특징으로 하는 단실형 고체산화물 연료전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 애노드 전극과 상기 캐쏘드 전극이 교대로 배치된 것을 특징으로 하는 단실형 고체산화물 연료전지.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 애노드 전극과 상기 캐쏘드 전극은 동일 전극 2개를 한 묶음으로 해서 교대로 배치된 것을 특징으로 하는 단실형 고체산화물 연료전지.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질의 상기 일면(一面)의 반대 면에도 애노드 전극과 캐쏘드 전극이 함께 배치되며, 상기 반대 면에 형성되고 동종 또는 이종의 두 전극 사이에 위치하는 분리장벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 단실형 고체산화물 연료전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전해질을 지지하는 지지체를 더 포함하고, 상기 지지체는 도전체, 절연체, 산소 이온 전도체 또는 프로톤 전도체를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 단실형 고체산화물 연료전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 지지체 위에 절연 및 열팽창 버퍼층을 더 포함하고, 상기 버퍼층은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SixNy), 알루미늄 산화물(AlxOy), 마그네슘 산화 물(MgxOy), 티타늄 산화물(TixOy), 지르코늄 산화물(ZrxOy), 세륨 산화물(CexOy), 란타늄 갈레이트(Lanthanum Gallate), 바륨 세레이트(Barium Cerate), 바륨 지르코네이트(Barium Zirconate) 또는 상기 재료들의 여러 도핑상을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 단실형 고체산화물 연료전지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 분리장벽은 상기 전해질과 동종의 물질로 이루어지거나, 혹은 상기 전해질과 이종의 물질로서 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SixNy), 알루미늄 산화물(AlxOy), 마그네슘 산화물(MgxOy), 티타늄 산화물(TixOy), 지르코늄 산화물(ZrxOy), 세륨 산화물(CexOy), 란타늄 갈레이트(Lanthanum Gallate), 바륨 세레이트(Barium Cerate), 바륨 지르코네이트(Barium Zirconate) 또는 상기 재료들의 여러 도핑상을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 단실형 고체산화물 연료전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전극에 연결되며, 상기 애노드 전극, 캐쏘드 전극 및 전해질을 구비하여 이루어진 단위 셀을 직렬 또는 병렬 연결하는 집전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단실형 고체산화물 연료전지.
  16. 전해질의 일면(一面)에 애노드 전극과 캐쏘드 전극이 함께 배치된 타입의 단 실형 고체산화물 연료전지에 있어서,
    상기 전해질의 상기 일면에 다수의 분리장벽이 형성되어 요철 구조를 가지며, 상기 요철 구조 중 볼록부위에 해당하는 상기 분리장벽의 상면에 상기 두 전극 중 어느 한 전극이 형성되고, 상기 요철 구조 중 오목부위에 다른 한 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 단실형 고체산화물 연료전지.
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KOSEN, 2007

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