KR102283280B1 - 연료 전지 및 이의 제조 방법과 촉매 전극 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지는 전해질층, 상기 전해질층의 일 측에 형성되는 베이스 전극 및 상기 전해질층을 사이에 두고 상기 베이스 전극과 이격되도록, 상기 전해질층의 타 측에 형성되는 촉매 전극을 포함하며, 상기 촉매 전극은, 상기 전해질층의 일부를 덮도록 형성되는 제1 전극부 및 상기 제1 전극부와 서로 맞닿는 전극부 계면을 형성하도록, 상기 제1 전극부의 표면의 일부를 덮는 제2 전극부를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 및 이의 제조 방법과 촉매 전극{FUEL CELL, FUEL CELL MANUFACTURING METHOD, AND CATALYST ELECTRODE}
본 발명은 연료 전지 및 이의 제조 방법과 촉매 전극에 관한 것이다.
연료 전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 기반하여 전기 에너지를 생산하는 발전형 전지로서, 외부에서 수소와 산소(또는 공기)가 공급되는 한 따로 충전할 필요 없이 연속적으로 전기를 생산할 수 있는 특징을 가진다.
이러한 연료 전지는, 에너지 변환 효율이 높고, 온실 가스의 발생이 없어 현재에는 차세대 에너지원으로서 주목받고 있다.
한편, 연료 전지의 성능을 향상시키기 위해서는 전극에서의 전기화학적인 반응 속도를 촉진시켜줄 수 있는 촉매가 필요하다. 특히, 공기극에서의 전기화학적 반응이 느리므로, 낮은 온도에서도 이를 활성화해 줄 수 있는 고성능 촉매 전극을 사용해야 한다.
최근에는, 백금-탄소(Pt-C) 중합체가 백금의 높은 촉매 활성으로 인하여 많이 사용되고 있으며, 주로 습식 공정 또는 E-beam 공정 등을 이용하여 제작되고 있다. 또한, 특허문헌 1에서와 같이, 촉매 층을 구성하는 물질의 조성에 관한 종래 기술이 개시된 바 있다.
그러나, 전술한 공정은 성능 대비 백금의 높은 가격으로 인하여 많은 비용이 소요된다는 문제점이 있으며, 이로 인해, 연료 전지 시스템의 전반적인 가격이 상승되고, 연료 전지를 양산하는 것이 어려워진다는 문제점을 야기시키고 있었다.
또한, 장시간 상온보다 높은 온도가 유지되는 경우, 촉매 구조가 변형 및 탈락되어 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 특허문헌 1과 같이 촉매 층을 구성하는 물질의 조성을 변화시키는 방식의 경우, 촉매 층을 형성하는 공정 자체를 새롭게 설계하고 장비를 교체하여야 하는 등의 어려움이 있었다.
KR 10-2013-0130776 A (2013.12.02. 공개)
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 양측에 서로 다른 전극이 형성되는 전해질층의 일부를 백금으로 덮고, 백금과 맞닿은 상태로 백금 표면의 일부를 세륨 산화물로 덮음으로써, 세륨 산화물에 의해 산소 분자의 흡착을 촉진시킬 뿐만 아니라, 산소 분자가 해리된 산소 흡착 원자의 확산을 촉진시켜, 적은 양의 백금으로 높은 활성을 보일 수 있는 연료 전지 및 이의 제조 방법과 촉매 전극을 제공하기 위한 것이다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예는, 연료 전지에 관한 것으로서, 전해질층, 상기 전해질층의 일 측에 형성되는 베이스 전극 및 상기 전해질층을 사이에 두고 상기 베이스 전극과 이격되도록, 상기 전해질층의 타 측에 형성되는 촉매 전극을 포함하며, 상기 촉매 전극은, 상기 전해질층의 일부를 덮도록 형성되는 제1 전극부 및 상기 제1 전극부와 서로 맞닿는 전극부 계면을 형성하도록, 상기 제1 전극부의 표면의 일부를 덮는 제2 전극부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예는, 연료 전지의 제조 방법에 관한 것으로서, 베이스 전극 및 전해질층을 형성하는 단계 및 상기 전해질층을 사이에 두고 상기 베이스 전극과 이격되도록 상기 전해질층에 촉매 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 촉매 전극을 형성하는 단계는, 상기 전해질층의 일부를 덮도록 제1 전극부를 형성하는 단계 및 상기 제1 전극부와 서로 맞닿는 전극부 계면을 형성하도록, 상기 제1 전극부의 표면의 일부를 덮는 제2 전극부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는, 지지 부재 상에 위치되어 전기화학 반응을 촉진하도록 형성되는 촉매 전극에 관한 것으로서, 상기 지지 부재의 일부를 덮도록 형성되는 제1 전극부 및 상기 제1 전극부와 서로 맞닿는 전극부 계면을 형성하도록, 상기 제1 전극부의 표면의 일부를 덮는 제2 전극부를 포함할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본 발명을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명은 양측에 서로 다른 전극이 형성되는 전해질층의 일부를 백금으로 덮고, 백금과 맞닿은 상태로 백금 표면의 일부를 세륨 산화물로 덮어 전극부 계면을 형성함으로써, 세륨 산화물에 의해 산소 분자의 흡착을 촉진시킬 뿐만 아니라, 산소 분자가 해리된 산소 흡착 원자의 확산을 촉진시켜, 적은 양의 백금으로 높은 활성을 보일 수 있는 연료 전지 및 이의 제조 방법과 촉매 전극을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 원자층 증착법을 통해 백금의 표면에 세륨 산화물을 증착시킴으로써, 백금과 세륨 산화물의 부착력을 높여, 고온에서의 촉매 반응의 안정성을 향상시킬 수 있는 연료 전지 및 이의 제조 방법과 촉매 전극을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 촉매 전극을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지를 구성하는 촉매 전극을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 및 제2 전극부를 형성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극부의 두께에 따른 전기화학적 성능을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 촉매 전극 및 제2 전극부의 작용효과에 관한 메커니즘을 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 중간에 다른 부분을 개재하여 연결되어 있는 경우도 포함한다. 나아가, 본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
이하, 첨부된 구성도 또는 처리 흐름도를 참고하여, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
먼저, 도 1을 참조하여 종래의 연료 전지에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 종래의 촉매 전극을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 촉매 전극(10)은 백금의 높은 촉매 활성을 이용하기 위해, 백금-탄소(Pt-C) 중합체를 포함한다. 즉, 종래의 촉매 전극은 도 1에 나타낸 바와 같이, 지지 부재(11)의 일 측에 백금-탄소 중합체(13)가 형성되는 형태로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 2 및 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 및 촉매 전극에 대해 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지를 구성하는 촉매 전극을 나타낸 도면이다. 또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 및 제2 전극부를 형성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지(100)는 전해질층(110)과, 전해질층(110)의 일 측에 형성되는 베이스 전극(120)과, 전해질층(110)을 사이에 두고 상기 베이스 전극(120)과 이격되도록 전해질층(110)의 타 측에 형성되는 촉매 전극(130)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지(100)에서, 베이스 전극(120)은 연료인 수소와 반응하는 산화 전극(anode)으로 기능할 수 있고, 촉매 전극(130)은 공기(산소)와 반응하는 환원 전극(cathode)으로 기능할 수 있다.
전해질층(110)은 베이스 전극(120) 및 촉매 전극(130)에 각각 접하도록 형성되어, 이온의 이동 경로로 제공될 수 있다. 구체적으로, 전해질층(110)은, 사마리아 도핑된 세리아(samaria-doped ceria, SDC)를 포함하는 제1 전해질(113)과, 베이스 전극(120) 및 촉매 전극(130)과 각각 이격되도록 제1 전해질(113) 내부에 위치되고, 이트리아 안정화 지르코니아(yittria stabilized zirconia, YSZ)를 포함하는 제2 전해질(115)을 포함할 수 있다.
도 3의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지(100)는, 베이스 전극(120)을 반대편에서 지지하도록 형성되는 지지층(140)을 더 포함할 수 있다. 그리고, 제1 전해질(113)은 한 쌍의 사마리아 도핑된 세리아(samaria-doped ceria, SDC) 적층체로 이루어져 베이스 전극(120) 및 촉매 전극(130)에 각각 접하도록 배치될 수 있다. 또한, 제2 전해질(115)은 이트리아 안정화 지르코니아(yittria stabilized zirconia, YSZ) 재질로 이루어져 한 쌍의 제1 전해질(113) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 전해질층(110)은 제1 전해질(113) 사이에 제2 전해질(115)이 배치되는 샌드위치 구조를 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 전극(130)은, 전해질층(110)의 일부를 덮도록 형성되는 제1 전극부(131)와, 제1 전극부(131)와 서로 맞닿는 전극부 계면(interface)을 형성하도록 제1 전극부(131)의 표면의 일부를 덮는 제2 전극부(133)를 포함할 수 있다.
여기서, 촉매 전극(130)은 지지 부재 상에 위치되어 전기화학 반응을 촉진하도록 형성되는 것일 수 있고, 이때, 지지 부재는 전해질층(110) 또는 지지층(140)일 수 있다.
예를 들어, 제1 전극부(131)는 전해질층(110)의 표면으로부터 돌출되는 형상을 갖는 복수 개의 전극 기둥을 포함할 수 있고, 제2 전극부(133)는 전극 기둥의 상부면 및 측면의 일부를 덮도록 형성될 수 있다.
여기서, 제1 전극부(131)는 백금(Pt)을 포함할 수 있고, 제2 전극부(133)는 세륨(Ce) 산화물(예를 들면, CeO2)을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지(100)는 습식 공정 및 E-beam 공정 등을 통해 전해질층(110)의 일 측에 백금(Pt) 소재의 제1 전극부(131)가 적층되는 방식으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지(100)는 백금(Pt)을 포함하는 제1 전극부(131)와, 세륨(Ce) 산화물을 포함하는 제2 전극부(133)가 서로 맞닿아 전극부 계면(예를 들면, 백금-세리아 계면)을 형성함으로써, 백금(Pt)의 촉매 반응성을 향상시키고, 공기극 반응(산소 환원 반응, oxygen reduction reaction(ORR)) 중에 백금 표면에 형성되는 반응 중간 산물(Reaction intermediate)의 양을 조절함으로써, 제1 전극부(131)의 단위 면적당 촉매 반응성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극부(133)는 원자층 증착법(Atomic layer deposiotion; ALD)에 의해 제1 전극부(131)의 표면을 덮을 수 있다.
여기서, 증착되는 제2 전극부(133)의 두께는 약 2 nm 내외로 제어될 수 있으며, 이에 의해, 제1 전극부(131)의 노출된 표면이 모두 덮이지 않고 백금과 세륨 산화물 간의 백금-세리아 계면인 전극부 계면을 형성할 수 있게 된다.
한편, 제2 전극부(133)는 제1 전극부(131)를 덮으며, 제1 전극부(131)를 전해질층(110)에 고정시킬 수 있다. 이때, 원자층 증착법은 전해질층(110) 및 제1 전극부(131) 간의 화학적인 반응에 기반하므로 전해질층(110) 및 제1 전극부(131) 간의 결합력을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 제2 전극부(133)는 제1 전극부(131)를 덮되, 제1 전극부(131)의 표면 중 상대적으로 열역학적으로 불안정한 영역의 적어도 일부를 덮을 수 있으며, 이로 인해, 백금(Pt)을 포함하는 제1 전극부(131)의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 이러한 제2 전극부(133)는 산소 분자의 흡착을 촉진하거나, 산소 분자가 해리된 산소 흡착 원자의 확산을 촉진하거나, 제1 전극부(131)의 전자 구조를 변형시키거나, 산소 흡착 원자가 환원된 산소 이온의 전해질층(110)으로의 결합을 촉진할 수 있다.
한편, 제2 전극부(133)는 제1 전극부(131)의 표면 상에 약 2 내지 5 nm의 두께를 갖도록 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 3의 (b)를 참조하면, 제2 전극부(133)의 두께는 사이클당 증착률(Growth rate per cycle, GPC)에 의해 조절될 수 있으며, 사이클당 증착률은 전구체의 종류 및 증착 온도 등에 따라 가변될 수 있다.
즉, 제2 전극부(133)의 두께 및 전극부 계면의 면적은, 원자층 증착법에 의한 증착을 반복하는 횟수에 의해 제어될 수 있다. 이러한 제2 전극부(133)는 두께에 따라 전기화학적 성능이 변화될 수 있다. 이에 대한 설명은 아래에서 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
아래에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 제조 방법에 대해 설명하도록 한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 단계 S410에서 베이스 전극(120) 및 전해질층(110)을 형성할 수 있다.
단계 S430에서 E-beam 공정을 포함하는 물리적 증착에 의해 전해질층(110)의 일부를 덮는 제1 전극부(131)를 형성할 수 있다.
단계 S450에서 제1 전극부(131)의 표면에 원자층 증착법(ALD)을 통해 세륨(Ce) 산화물을 포함하는 제2 전극부(133)를 증착시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지(100)는 전해질층(110)이 형성되고, 전해질층(110)의 일부에 제1 전극부(131)가 형성되며, 제1 전극부(131)의 표면에 제2 전극부(133)가 증착됨으로써 형성될 수 있다.
상술한 설명에서, 단계 S410 내지 S450은 본 발명의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.
다음으로, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극부(133)의 두께에 따른 전기화학적 성능을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 제2 전극부(133)는 형성되는 두께에 따라, 전기화학적 성능이 가변될 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 전극부(133)는 제1 두께(510), 제2 두께(530), 제3 두께(550), 제4 두께(570)에서 서로 다른 전기화학적 성능을 발휘할 수 있다. 제1 두께(510)에서 제4 두께(570)로 점차 두께가 증가됨에 따라, 제1 전극부(131)의 표면 중 더 넓은 면적이 제2 전극부(133)에 의해 덮일 수 있고, 즉, 전극부 계면의 면적이 넓어질 수 있다. 도시된 것과 같이, 제2 전극부(133)가 제1 전극부(131)의 표면 상에 약 2 nm의 두께를 갖는 경우 본 발명에 따른 연료 전지(100)의 전기화학적 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 제2 전극부(133)가 제1 전극부(131)의 표면의 일부를 덮는 형상이 되도록, 바람직하게는 제2 전극부(133)는 제1 전극부의 표면 상에서 약 2 내지 5 nm, 또는 2 내지 3 nm의 두께를 가질 수 있다.
이러한 제2 전극부(133)의 두께는 사이클당 증착률(Growth rate per cycle, GPC)에 의해 조절됨에 따라, 제2 전극부(133)의 전기화학적 성능은 가변될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 전극 및 제2 전극부의 작용효과에 관한 메커니즘을 나타낸 도면이다.
보다 구체적으로, 도 6의 (a)는 종래의 연료 전지의 촉매 전극을 나타낸 도면이고, (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 촉매 전극을 나타낸 도면이다. 예를 들어, 도 6의 (a)의 연료 전지의 촉매 전극은 백금-탄소(Pt-c) 중합체이며, (b)의 촉매 전극은 백금(Pt) 소재의 제1 전극부(131)를 세륨(Ce) 산화물 소재의 제2 전극부(133)가 덮은 형태로 형성되어 있다.
도 6의 (a)와 (b)를 비교하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지(100)에 포함되는 촉매 전극은 제2 전극부(133)에 의해 전극부 계면이 형성됨으로써, 산소 분자가 촉매 전극(130)에 흡착(adsorption)되는 것을 촉진하고, 산소 분자가 해리(dissociation)된 산소 흡착 원자(O adatoms)가 제1 전극부(131)와 전해질층(110)의 계면으로 확산되는 것을 촉진할 수 있다. 또한, 제1 전극부(131)의 전자 구조(구제척으로, 원자가전자(5d))를 변형시킴으로써 산소 흡착 원자가 산소 이온(O2-)이 되는 환원이 촉진될 수 있고, 나아가, 산소 이온이 상기 전해질층(110)으로 흡수 또는 결합(incorporation)되는 것이 촉진될 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 연료 전지(100)는 적은 양의 백금으로 높은 활성을 보일 수 있어, 연료 전지의 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 6에 나타낸 것과 같이, 제2 전극부(133)는 제1 전극부(131) 입자를 전해질층(110)에 고정시키는(anchoring) 작용을 함으로써, 전해질층(110)과 제1 전극부(131) 간의 결합력을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 원자층 증착법 반응은 촉매 입자와 전해질층(110) 사이의 계면 부근에서 우선적으로 발생되어, 더 많은 결합이 수용될 수 있고 자유 에너지가 최소화될 수 있다. 이에 의해, 제1 전극부(131)를 구성하는 입자의 물리적인 이동이나 뭉침이 억제될 수 있다.
아울러, 원자층 증착법에 의하면, 제2 전극부(133)는 제1 전극부(131) 표면 중 열역학적으로 불안정한 표면(예를 들면, 모서리 부분)에 선택적으로 결합됨으로써, 제1 전극부(131) 입자의 오스트발드 숙성(Ostwald ripening)을 방해할 수 있다. 이에 따라, 제1 전극부(131)의 열화가 억제되고, 열적 안정성이 향상될 수 있고, 장시간 경과 후 및 고온에서 촉매 전극 구조의 안정성이 향상될 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 연료 전지(100)는, 촉매 전극(130)의 제1 전극부(131)와 제2 전극부(133)가 각각 형성될 수 있으므로, 종래 제1 전극부(131)를 형성하는 공정을 그대로 활용할 수 있다. 즉, 새로운 물질 조성을 슬러리(slurry) 형태로 제조하여 적층하는 종래 방식은 새로운 제조 장비 및 공정의 교체가 요구되는 반면, 본 발명은 종래 백금-탄소(제1 전극부(131)) 제조 공정을 그대로 활용한 이후에(S410 및 S430), 제2 전극부(133)를 제조하는 공정을 부가하는 방식으로 구현될 수 있다(S450). 따라서, 새로운 물질을 부가함에 따른 양산성의 하락이나 비용 증가가 최소화될 수 있는 이점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
또한, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 연료 전지
110: 전해질층
120: 베이스 전극
130: 촉매 전극
131: 제1 전극부
133: 제2 전극부
140: 지지층

Claims (15)

  1. 연료 전지에 있어서,
    전해질층;
    상기 전해질층의 일 측에 형성되는 베이스 전극; 및
    상기 전해질층을 사이에 두고 상기 베이스 전극과 이격되도록, 상기 전해질층의 타 측에 형성되는 촉매 전극을 포함하며,
    상기 촉매 전극은,
    상기 전해질층의 일부를 덮도록 형성되는 제1 전극부; 및
    상기 제1 전극부와 서로 맞닿는 전극부 계면을 형성하도록, 상기 제1 전극부의 표면 중 상대적으로 열역학적으로 불안정한 영역의 적어도 일부에 결합되어 상기 제1 전극부의 표면의 일부를 덮는 제2 전극부를 포함하고,
    상기 제2 전극부는 산소 분자의 흡착을 촉진하고, 상기 산소 분자가 해리된 산소 흡착 원자의 확산을 촉진하고, 상기 제1 전극부의 전자 구조를 변형시켜 상기 산소 흡착 원자가 산소 이온이 되는 것을 촉진하고, 상기 산소 흡착 원자가 환원된 산소 이온의 상기 전해질층으로의 흡수 또는 결합을 촉진하고, 상기 제1 전극부를 상기 전해질층에 고정시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극부는 백금(Pt)을 포함하고,
    상기 제2 전극부는 세륨(Ce) 산화물을 포함하고,
    상기 전극부 계면은 백금과 세륨 산화물 간의 백금-세리아 계면인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극부는 상기 전해질층의 표면으로부터 돌출되는 형상을 갖는 복수 개의 전극 기둥을 포함하고,
    상기 제2 전극부는 상기 전극 기둥의 상부면 및 측면의 일부를 덮도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극부는 상기 제1 전극부의 표면 상에 2 내지 5 nm의 두께를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전해질층은 이트리아 안정화 지르코니아(yittria stabilized zirconia, YSZ)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 전극을 상기 전해질층의 반대편에서 지지하도록 형성되는 지지층을 더 포함하고,
    상기 전해질층은,
    상기 베이스 전극 및 촉매 전극에 각각 접하도록 형성되고, 사마리아 도핑된 세리아(samaria-doped ceria, SDC)를 포함하는 제1 전해질; 및
    상기 베이스 전극 및 촉매 전극과 각각 이격되도록 상기 제1 전해질 내부에 위치되고, 이트리아 안정화 지르코니아(yittria stabilized zirconia, YSZ)를 포함하는 제2 전해질을 포함하는 연료 전지.
  9. 연료 전지의 제조 방법에 있어서,
    베이스 전극 및 전해질층을 형성하는 단계; 및
    상기 전해질층을 사이에 두고 상기 베이스 전극과 이격되도록 상기 전해질층에 촉매 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 촉매 전극을 형성하는 단계는,
    상기 전해질층의 일부를 덮도록 제1 전극부를 형성하는 단계; 및
    상기 제1 전극부와 서로 맞닿는 전극부 계면을 형성하도록, 상기 제1 전극부의 표면 중 상대적으로 열역학적으로 불안정한 영역의 적어도 일부에 결합되어 상기 제1 전극부의 표면의 일부를 덮는 제2 전극부를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 전극부는 산소 분자의 흡착을 촉진하고, 상기 산소 분자가 해리된 산소 흡착 원자의 확산을 촉진하고, 상기 제1 전극부의 전자 구조를 변형시켜 상기 산소 흡착 원자가 산소 이온이 되는 것을 촉진하고, 상기 산소 흡착 원자가 환원된 산소 이온의 상기 전해질층으로의 흡수 또는 결합을 촉진하고, 상기 제1 전극부를 상기 전해질층에 고정시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 전극부를 형성하는 단계는,
    원자층 증착법에 의해 상기 제1 전극부의 표면에 상기 제2 전극부를 구성하는 재료를 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 전극부의 두께 및 상기 전극부 계면의 면적은, 상기 원자층 증착법에 의한 증착을 반복하는 횟수에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
  12. 전해질층을 포함하는 지지 부재 상에 위치되어 전기화학 반응을 촉진하도록 형성되는 촉매 전극에 있어서,
    상기 지지 부재의 일부를 덮도록 형성되는 제1 전극부; 및
    상기 제1 전극부와 서로 맞닿는 전극부 계면을 형성하도록, 상기 제1 전극부의 표면 중 상대적으로 열역학적으로 불안정한 영역의 적어도 일부에 결합되어 상기 제1 전극부의 표면의 일부를 덮는 제2 전극부를 포함하고,
    상기 제2 전극부는 산소 분자의 흡착을 촉진하고, 상기 산소 분자가 해리된 산소 흡착 원자의 확산을 촉진하고, 상기 제1 전극부의 전자 구조를 변형시켜 상기 산소 흡착 원자가 산소 이온이 되는 것을 촉진하고, 상기 산소 흡착 원자가 환원된 산소 이온의 상기 전해질층으로의 흡수 또는 결합을 촉진하고, 상기 제1 전극부를 상기 전해질층에 고정시키는 것을 특징으로 하는 촉매 전극.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 전극부는 백금(Pt)을 포함하고,
    상기 제2 전극부는 세륨(Ce) 산화물을 포함하고,
    상기 전극부 계면은 백금과 세륨 산화물 간의 백금-세리아 계면인 것을 특징으로 하는 촉매 전극.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 전극부는 전해질층의 표면으로부터 돌출되는 형상을 갖는 복수 개의 전극 기둥을 포함하고,
    상기 제2 전극부는 상기 전극 기둥의 상부면 및 측면의 일부를 덮도록 형성되는 것을 특징으로 하는 촉매 전극.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제2 전극부는 원자층 증착법에 의해 상기 제2 전극부를 구성하는 재료가 상기 제1 전극부의 표면에 증착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 촉매 전극.
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