KR102410881B1

KR102410881B1 - 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102410881B1
Application number: KR1020200084253A
Authority: KR
Inventors: 차석원; 유원종; 이상훈; 조구영; 이윤호
Original assignee: 서울대학교산학협력단; 단국대학교 산학협력단; 울산대학교 산학협력단
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2022-06-21
Also published as: KR20220006373A

Abstract

본 발명은, 단실 구조에서 연료전지 단위체의 적층화를 구현함으로써 제공하는 전압을 증가시킬 수 있는 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지는, 나노 다공성 기판; 상기 나노 다공성 기판 상에 위치한 제1 애노드층; 상기 제1 애노드층 상에 위치한 제1 전해질층; 상기 제1 전해질층 상에 위치한 제1 캐소드층; 상기 제1 캐소드층 상에 위치한 제2 애노드층; 상기 제2 애노드층 상에 위치한 제2 전해질층; 및 상기 제2 전해질층 상에 위치한 제2 캐소드층; 을 포함한다.

Description

단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지 및 그 제조 방법{Single chamber typed stacked thin film solid oxide fuel cell and method of manufacturing the same}

본 발명의 기술적 사상은 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell: SOFC)는 연료 가스의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 발전기술로서, 고효율 및 환경친화적인 특징이 있다. 이러한 고체 산화물 연료전지는 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있으므로, 전해질의 손실이나 부식이 발생하지 않고, 구조가 간단하고, 소재가 저렴하며, 또한 불순물 함량이 높은 연료도 사용할 수 있는 등 많은 장점을 지니고 있다. 또한, 연료를 수소로 개질할 필요 없이 탄화수소계 연료를 직접 사용할 수 있으므로, 연료전지 시스템의 단순화와 제작비용 감소로 이어질 수 있다.

고체 산화물 연료전지는 충분한 전기전도도의 확보를 위하여, 1000℃ 이상의 고온에서 작동되는 것이 일반적이다. 그러나, 이러한 고온의 작동온도로 인하여, 적용범위가 제한되고, 다공성 전극의 열적 열화, 구성 성분간 계면 반응, 열팽창 차이에 따른 응력 발생 등과 같은 성능저하가 발생할 수 있다. 따라서, 작동 온도를 약 500℃ 내지 600℃로 감소시키는 연구가 진행되고 있으나, 전해질에서의 저항 손실이 증가하여 고체 산화물 연료전지의 전압특성이 저하될 수 있다.

따라서, 고체 산화물 연료전지의 작동온도를 낮추고, 동시에 출력저하방지 및 이온전도저항 개선을 위하여 전해질층의 박막화를 시도하고 있다. 적층박막 고체 산화물 연료전지는 넓은 반응면적을 확보할 수 있어 촉매 활성도가 높고, 얇은 전해질을 가지므로 이온전도도를 증가시킬 수 있어, 500℃ 수준의 저온에서 효율적인 작동이 가능하다. 적층박막 고체 산화물 연료전지는 제조가 용이하면서 저온에서 촉매 활성도가 높은 백금과 같은 귀금속을 애노드로 구성하는 것이 일반적이다.

한국특허등록번호 제10-1290577호

종래의 경우, 단실 구조 하에서는 연료전지의 적층화가 매우 어렵고, 연료전지 단위체들의 전극을 연결하는 연결체로 요구하는 등 추가부품이 필요하므로, 연료전지의 크기를 증가시키는 한계가 있다.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 단실 구조에서 연료전지 단위체의 적층화를 구현함으로써 제공하는 전압을 증가시킬 수 있는 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 의하면, 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지는, 나노 다공성 기판; 상기 나노 다공성 기판 상에 위치한 제1 애노드층; 상기 제1 애노드층 상에 위치한 제1 전해질층; 상기 제1 전해질층 상에 위치한 제1 캐소드층; 상기 제1 캐소드층 상에 위치한 제2 애노드층; 상기 제2 애노드층 상에 위치한 제2 전해질층; 및 상기 제2 전해질층 상에 위치한 제2 캐소드층; 을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 애노드층, 상기 제1 전해질층, 및 상기 제1 캐소드층은 제1 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있고, 상기 제2 애노드층, 상기 제2 전해질층, 및 상기 제2 캐소드층은 제2 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있고, 상기 제1 연료전지 단위 구조체와 상기 제2 연료전지 단위 구조체는 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 애노드층은 상기 나노 다공성 기판의 일부 영역 상에 위치할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 전해질층은, 상기 제1 애노드층의 일단부가 노출되도록 상기 제1 애노드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제1 애노드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 캐소드층은, 상기 제1 전해질층의 일단부가 노출되도록 상기 제1 전해질층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제1 전해질층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제2 애노드층은, 상기 제1 캐소드층의 일단부가 노출되도록 상기 제1 캐소드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제1 캐소드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제2 전해질층은, 상기 제2 애노드층의 일단부가 노출되도록 상기 제2 애노드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제2 애노드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제2 캐소드층은, 상기 제2 전해질층의 일단부가 노출되도록 상기 제2 전해질층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제2 전해질층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지는, 나노 다공성 기판; 상기 나노 다공성 기판 상에 위치한 제1 애노드층; 상기 제1 애노드층 상에 위치한 제1 전해질층; 상기 제1 전해질층 상에 위치한 제1 캐소드층; 상기 제1 캐소드층 상에 위치한 제2 애노드층; 상기 제2 애노드층 상에 위치한 제2 전해질층; 상기 제2 전해질층 상에 위치한 제2 캐소드층; 상기 제2 캐소드층 상에 위치한 제3 애노드층; 상기 제3 애노드층 상에 위치한 제3 전해질층; 상기 제3 전해질층 상에 위치한 제3 캐소드층; 상기 제3 캐소드층 상에 위치한 제4 애노드층; 상기 제4 애노드층 상에 위치한 제4 전해질층; 상기 제4 전해질층 상에 위치한 제4 캐소드층; 및 상기 제1 애노드층, 상기 제1 전해질층, 상기 제1 캐소드층, 상기 제2 애노드층, 및 상기 제2 전해질층 상에 위치한 나노 다공성 분리층;을 포함하고, 상기 제3 전해질층, 상기 제3 캐소드층, 상기 제4 애노드층, 상기 제4 전해질층, 및 상기 제4 캐소드층은 상기 나노 다공성 분리층 상에 위치할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 애노드층, 상기 제1 전해질층, 및 상기 제1 캐소드층은 제1 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있고, 상기 제2 애노드층, 상기 제2 전해질층, 및 상기 제2 캐소드층은 제2 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있고, 상기 제3 애노드층, 상기 제3 전해질층, 및 상기 제4 캐소드층은 제3 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있고, 상기 제4 애노드층, 상기 제4 전해질층, 및 상기 제4 캐소드층은 제4 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있다. 상기 제1 연료전지 단위 구조체, 상기 제2 연료전지 단위 구조체, 상기 제3 연료전지 단위 구조체, 및 상기 제4 연료전지 단위 구조체는 상기 순서에 따라 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 적층박막 고체 산화물 연료전지는, 나노 다공성 기판; 상기 나노 다공성 기판 상에 위치하고, 상기 나노 다공성 기판을 제1 영역과 제2 영역으로 분리하는 분리층; 상기 나노 다공성 기판의 상기 제1 영역 상에 위치한 제5 애노드층; 상기 제5 애노드층 상에 위치한 제5 전해질층; 상기 제5 전해질층 상에 위치한 제5 캐소드층; 상기 제5 캐소드층 상에 위치한 제6 애노드층; 상기 제6 애노드층 상에 위치한 제6 전해질층; 상기 제6 전해질층 상에 위치한 제6 캐소드층; 상기 나노 다공성 기판의 상기 제2 영역 상에 위치한 제7 애노드층; 상기 제7 애노드층 상에 위치한 제7 전해질층; 상기 제7 전해질층 상에 위치한 제7 캐소드층; 상기 제7 캐소드층 상에 위치한 제8 애노드층; 상기 제8 애노드층 상에 위치한 제8 전해질층; 및 상기 제8 전해질층 상에 위치한 제8 캐소드층;을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제7 애노드층과 상기 제6 캐소드층을 전기적으로 연결하는 연결부;를 더 포함할 수 있다.

발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제5 애노드층, 상기 제5 전해질층, 및 상기 제5 캐소드층은 제5 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있고, 상기 제6 애노드층, 상기 제6 전해질층, 및 상기 제6 캐소드층은 제6 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있고, 상기 제7 애노드층, 상기 제7 전해질층, 및 상기 제7 캐소드층은 제7 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있고, 상기 제8 애노드층, 상기 제8 전해질층, 및 상기 제8 캐소드층은 제8 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있다. 상기 제5 연료전지 단위 구조체, 상기 제6 연료전지 단위 구조체, 상기 제7 연료전지 단위 구조체, 및 상기 제8 연료전지 단위 구조체는 상기 순서에 따라 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제5 애노드층은 상기 나노 다공성 기판의 일부 영역 상에 위치할 수 있고, 상기 제7 애노드층은 상기 나노 다공성 기판의 일부 영역 상에 위치할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제5 전해질층은, 상기 제5 애노드층의 일단부가 노출되도록 상기 제5 애노드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제5 애노드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장될 수 있고, 상기 제7 전해질층은, 상기 제7 애노드층의 일단부가 노출되도록 상기 제7 애노드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제7 애노드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제5 캐소드층은, 상기 제5 전해질층의 일단부가 노출되도록 상기 제5 전해질층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제5 전해질층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장될 수 있고, 상기 제7 캐소드층은, 상기 제7 전해질층의 일단부가 노출되도록 상기 제7 전해질층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제7 전해질층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제6 애노드층은, 상기 제5 캐소드층의 일단부가 노출되도록 상기 제5 캐소드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제5 캐소드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장될 수 있고, 상기 제8 애노드층은, 상기 제7 캐소드층의 일단부가 노출되도록 상기 제7 캐소드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제7 캐소드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제6 전해질층은, 상기 제6 애노드층의 일단부가 노출되도록 상기 제6 애노드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제6 애노드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장될 수 있고, 상기 제8 전해질층은, 상기 제8 애노드층의 일단부가 노출되도록 상기 제8 애노드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제8 애노드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제6 캐소드층은, 상기 제6 전해질층의 일단부가 노출되도록 상기 제6 전해질층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제6 전해질층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장될 수 있고, 상기 제8 캐소드층은, 상기 제8 전해질층의 일단부가 노출되도록 상기 제8 전해질층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제8 전해질층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장될 수 있다.

본 발명의 일 관점에 의하면, 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지는의 제조 방법은, 나노 다공성 기판의 적어도 일부 영역 상에 제1 애노드층을 형성하는 단계; 상기 제1 애노드층의 적어도 일부 영역 상에 제1 전해질층을 형성하는 단계; 상기 제1 전해질층의 적어도 일부 영역 상에 제1 캐소드층을 형성하는 단계; 상기 제1 캐소드층의 적어도 일부 영역 상에 제2 애노드층을 형성하는 단계; 상기 제2 애노드층의 적어도 일부 영역 상에 제2 전해질층을 형성하는 단계; 및 상기 제2 전해질층의 적어도 일부 영역 상에 제2 캐소드층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 의할 경우, 단실 구조에서 연료전지 단위체의 적층화를 구현함으로써 제공하는 전압을 증가시킬 수 있는 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지를 제공할 수 있다. 종래의 연료전지에서는 적층화를 위하여 전극을 연결하는 연결체를 요구하고, 연료 교차를 방지하기 위하여 전극을 치밀한 전해질로 격리시키는 등 추가적인 장치 및 공정이 요구된다. 그러나, 본 발명의 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지는 다공성 기판을 사용하고, 전극들을 직접적으로 접촉하도록 적층하여 연결체를 제거하고, 전극을 분리하는 격실을 단실로 대체하여, 연료전지의 부피 절감, 부품의 단순화 및 제조비용 절감을 구현할 수 있다.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지의 작동원리를 설명하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지에 사용되는 나노 다공성 기판을 나타내는 전계방사 주사전자현미경 사진들이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지에 대하여 제조공정 단계에 따라 도시하는 개략도들이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지를 도시하는 개략도이다.
도 10 내지 도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지에 대하여 제조공정 단계에 따라 도시하는 개략도들이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(10)의 작동원리를 설명하는 개략도이다.

도 1을 참조하면, 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(10)는 애노드(20), 전해질(30), 및 캐소드(40)을 포함한다.

캐소드(40)은 애노드(20)과 마주보고 배치될 수 있다. 전해질(30)은 애노드(20)과 캐소드(40) 사이에 배치될 수 있다. 전해질(30)은 산소 이온 전도성 고체 산화물로 구성될 수 있다.

단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(10)의 전기화학반응은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이, 캐소드(40)의 산소가스(O₂)가 산소이온(O^2-)으로 변하는 캐소드 반응과 애노드(20)의 연료(H₂ 또는 탄화수소)와 전해질을 통해 이동해 온 산소이온이 반응하는 애노드 반응으로 이루어진다.

<반응식>

애노드 반응: H₂ + O^2- -> H₂O + 2e^-

캐소드 반응: 1/2 O₂ + 2e^- -> O^2-

단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(10)의 캐소드(40)에서는 전극표면에 흡착된 산소가 해리 및 표면 확산을 거쳐, 전해질(30), 캐소드(40), 기공(미도시)이 만나는 삼상계면(triple phase boundary)으로 이동하여 전자를 얻어 산소이온으로 되고, 생성된 산소이온은 전해질(30)을 통해 연료극인 애노드(20)으로 이동하게 된다.

단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(10)의 애노드(20)에서는 이동한 산소이온이 연료 내에 포함된 수소와 결합하여 물을 생성한다. 이때 수소는 전자를 배출하여 수소 이온(H⁺)으로 변화하여 상기 산소이온과 결합한다. 배출된 전자는 배선(점선으로 도시됨)를 통하여 캐소드(40)으로 이동하여 산소를 산소 이온으로 변화시킨다. 이러한 전자 이동을 통하여, 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(10)는 전지 기능을 수행할 수 있다.

단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(10)는 해당 기술 분야에서 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(10)는 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택, 평판형(planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다. 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(10)는 단위 전지의 스택(stack) 형태일 수 있다. 예를 들어, 애노드(20), 전해질(30), 및 캐소드(40)으로 구성되는 단위 전지가 직렬로 적층되고 상기 단위 전지들 사이에 이들을 전기적으로 연결하는 분리판(separator)가 개재되어 단위 전지의 스택(stack)이 얻어질 수 있다.

애노드(20)는 하기에 언급되는 애노드층에 상응할 수 있다. 상기 애노드층은 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 애노드층은, 예를 들어 니켈(Ni), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 알루미늄(Al), Pt-GDC, Pt-YSZ, Pt-SDC, Pd-GDC, Pd-YSZ, Pd-SDC, Ru-GDC, Ru-YSZ, Ru-SDC, Ni-YSZ, Ni-GDC, 및 Ni-SDC 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 물질은 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 애노드층은 약 100 nm 내지 약 10000 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 이러한 수치는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

전해질(30)은 하기에 언급되는 전해질층에 상응할 수 있다. 상기 전해질층은 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 전해질층은, 예를 들어 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 및 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC), LSGM, 및 스트론튬 또는 마그네슘이 도핑된 란타늄 갈레이트 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 물질은 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 전해질층(140)은 약 50 nm 내지 약 10000 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 이러한 수치는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

캐소드(40)는 하기에 언급되는 캐소드층에 상응할 수 있다. 상기 캐소드층은 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 캐소드층은, 예를 들어 팔라듐, 백금, Pt-YSZ, Pt-GDC, 및 LSCF (lanthanum strontium cobalt ferrite), LSC, LSM, LSCF-YSZ, LSCF-GDC, LSC-YSZ, LSC-GDC, BSCF, LaSrFe-YSZ, 및 NBSCF-40GDC 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 물질은 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 캐소드층(150)은 약 50 nm 내지 약 1000 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 이러한 수치는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 애노드층, 상기 전해질층, 및 상기 캐소드층은 다양한 성막 방법에 의해 수행될 수 있고, 예를 들어, 증발법 (evaporation), 졸겔법, 스크린 프린팅, 딥 코팅, 스핀 코팅, 스프레이 파이로리시스(spray pyrolysis), 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법 (pulsed laser deposition, PLD), 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD), 및 원자층증착법 (atomic layer deposition, ALD) 등을 이용하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 성막 방법에서, 포토마스크를 이용한 리소그래피 공정을 이용할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지에 사용되는 나노 다공성 기판을 나타내는 전계방사 주사전자현미경 사진들이다.

도 2를 참조하면, 상기 나노 다공성 기판은 다공성 양극 산화 알루미늄으로 구성된다. 상기 나노 다공성 기판에서, 기공 영역에서는 상기 애노드층이 형성되지 않으며 적색 원으로 표시된 기공테두리영역에서 애노드층이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 애노드층은 서로 이격된 구조를 가질 수 있다.

도 3 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(100)에 대하여 제조공정 단계에 따라 도시하는 개략도들이다.

도 3을 참조하면, 나노 다공성 기판(110)을 제공한다. 나노 다공성 기판(110)은 10 nm 내지 200 nm 범위의 복수의 기공들을 포함할 수 있다. 나노 다공성 기판(110)은 기공을 포함하는 다공성 특성을 가짐으로서, 수소 가스 또는 산소 가스가 나노 다공성 기판(110)을 통과하여 제1 및 제2 애노드층(121, 122) 및 제1 및 제2 캐소드층(141, 142)에 도달할 수 있다.

나노 다공성 기판(110)은 다공성 양극 산화 알루미늄, 다공성 니켈 산화물, Ni-YSZ(Ni-yttria stabilized zirconia), Ni-SDC(Ni-samaria doped ceria), 및 Ni-GDC(Ni-gadolinium doped ceria) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 물질은 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 나노 다공성 기판이 사용되는 경우에는 상기 애노드로의 기체 연료와 같은 반응물의 공급을 용이하게 하며, 삼상계면을 증가시켜 연료전지 성능을 향상시킬 수 있다.

이어서, 나노 다공성 기판(110)의 적어도 일부 영역 상에 제1 애노드층(121)을 형성한다. 제1 애노드층(121)에 의하여 덮이지 않는 나노 다공성 기판(110)의 영역은 노출될 수 있다.

도 4를 참조하면, 제1 애노드층(121)의 적어도 일부 영역 상에 제1 전해질층(131)을 형성한다. 제1 전해질층(131)은, 제1 애노드층(121)의 일단부가 노출되도록 제1 애노드층(121)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 또한, 제1 전해질층(131)은, 노출된 제1 애노드층(121)의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서, 제1 애노드층(121)을 덮어서, 나노 다공성 기판(110)과 접촉하도록 연장될 수 있다.

도 5를 참조하면, 제1 전해질층(131)의 적어도 일부 영역 상에 제1 캐소드층(141)을 형성한다. 제1 캐소드층(141)은, 제1 전해질층(131)의 일단부가 노출되도록 제1 전해질층(131)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 또한, 제1 캐소드층(141)은, 노출된 제1 전해질층(131)의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서, 제1 전해질층(131)을 덮어서, 나노 다공성 기판(110)과 접촉하도록 연장될 수 있다.

도 6을 참조하면, 제1 캐소드층(141)의 적어도 일부 영역 상에 제2 애노드층(122)을 형성한다. 제2 애노드층(122)은, 제1 캐소드층(141)의 일단부가 노출되도록 제1 캐소드층(141)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 또한, 제2 애노드층(122)은, 노출된 제1 캐소드층(141)의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서, 제1 캐소드층(141)을 덮어서, 나노 다공성 기판(110)과 접촉하도록 연장될 수 있다.

도 7을 참조하면, 제2 애노드층(122)의 적어도 일부 영역 상에 제2 전해질층(132)을 형성한다. 제2 전해질층(132)은, 제2 애노드층(122)의 일단부가 노출되도록 제2 애노드층(122)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 또한, 제2 전해질층(132)은, 노출된 제2 애노드층(122)의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서, 제2 애노드층(122)을 덮어서, 나노 다공성 기판(110)과 접촉하도록 연장될 수 있다.

도 8을 참조하면, 제2 전해질층(132)의 적어도 일부 영역 상에 제2 캐소드층(142)을 형성한다. 제2 캐소드층(142)은, 제2 전해질층(132)의 일단부가 노출되도록 제2 전해질층(132)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 또한, 제2 캐소드층(142)은, 노출된 제2 전해질층(132)의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서, 제2 전해질층(132)을 덮어서, 나노 다공성 기판(110)과 접촉하도록 연장될 수 있다. 이에 따라 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(100)를 완성한다.

단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(100)는, 나노 다공성 기판(110); 나노 다공성 기판(110)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제1 애노드층(121); 제1 애노드층(121)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제1 전해질층(131); 제1 전해질층(131)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제1 캐소드층(141); 제1 캐소드층(141)의 적어도 일부 영역 상에 제2 애노드층(122); 제2 애노드층(122)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제2 전해질층(132); 및 제2 전해질층(132)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제2 캐소드층(142)을 포함할 수 있다.

제1 애노드층(121), 제1 전해질층(131), 및 제1 캐소드층(141)은 제1 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있다. 제2 애노드층(122), 제2 전해질층(132), 및 제2 캐소드층(142)은 제2 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있다. 상기 제1 연료전지 단위 구조체와 상기 제2 연료전지 단위 구조체는 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 따라서, 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(100)는 2 개의 연료전지 단위 구조체가 직렬 연결될 수 있고, 이에 따라 2 배의 전압을 제공할 수 있다.

제1 및 제2 애노드층(121, 122), 제1 및 제2 전해질층(131, 132), 및 제1 및 제2 캐소드층(141, 142) 중 적어도 어느 하나는 다공성 구조를 가질 수 있다. 따라서, 수소와 공기를 다공성 기판(110)을 통하여 함께 공급할 수 있고, 각각의 기체들은 제1 및 제2 애노드층(121, 122) 또는 제1 및 제2 캐소드층(141, 142)에서 선택적으로 반응함으로써 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(100)가 작동될 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(200)를 도시하는 개략도이다. 상술한 실시예와 중복되거나 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 9를 참조하면, 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(200)는, 상술한 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(100)가 2층으로 적층된 형태를 가진다. 여기에서, 2층은 예시적이며, 3층 이상의 복수의 층으로 적층되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.

단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(200)는, 나노 다공성 기판(110); 나노 다공성 기판(110) 상에 위치한 제1 애노드층(121); 제1 애노드층(121) 상에 위치한 제1 전해질층(131); 제1 전해질층(131) 상에 위치한 제1 캐소드층(141); 제1 캐소드층(141) 상에 위치한 제2 애노드층(122); 제2 애노드층(122) 상에 위치한 제2 전해질층(132); 제2 전해질층(132) 상에 위치한 제2 캐소드층(142); 제2 캐소드층(142) 상에 위치한 제3 애노드층(123); 제3 애노드층(123) 상에 위치한 제3 전해질층(133); 제3 전해질층(133) 상에 위치한 제3 캐소드층(143); 제3 캐소드층(143) 상에 위치한 제4 애노드층(124); 제4 애노드층(124) 상에 위치한 제4 전해질층(134); 제4 전해질층(134) 상에 위치한 제4 캐소드층(144); 및 제1 애노드층(121), 제1 전해질층(131), 제1 캐소드층(141), 제2 애노드층(122), 및 제2 전해질층(132) 상에 위치한 나노 다공성 분리층(190);을 포함할 수 있다.

또한, 제3 전해질층(133), 제3 캐소드층(143), 제4 애노드층(124), 제4 전해질층(134), 및 제4 캐소드층(144)은 나노 다공성 분리층(190) 상에 위치할 수 있다. 나노 다공성 분리층(190)은 제1 애노드층(121), 제1 전해질층(131), 제1 캐소드층(141), 제2 애노드층(122), 제2 전해질층(132)을 덮도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노 다공성 분리층(190)은 제1 애노드층(121), 제1 전해질층(131), 제1 캐소드층(141), 제2 애노드층(122), 제2 전해질층(132), 및 제2 캐소드층(142)을 덮도록 형성된 후에, 제2 캐소드층(142)이 노출되도록 나노 다공성 분리층(190)이 평탄화된 후에, 노출된 제2 캐소드층(142) 상에 제3 애노드층(123)이 형성될 수 있다. 나노 다공성 분리층(190)은 애노드와 캐소드들의 원하지 않는 단락을 방지하도록 절연체로 형성될 수 있다.

나노 다공성 분리층(190)은 기공을 포함하는 다공성 특성을 가짐으로서, 수소 가스 또는 산소 가스가 나노 다공성 분리층(190)를 통과하여 제1 내지 제4 애노드층(121, 122, 123, 124) 및 제1 내지 제4 캐소드층(141, 142, 143, 144)에 도달할 수 있다. 나노 다공성 분리층(190)은 10 nm 내지 1000 nm 범위의 복수의 기공들을 포함할 수 있다. 나노 다공성 분리층(190)은 다공성 산화 알루미늄(Al₂O₃), 다공성 주석 산화물(SnO₂), 다공성 니켈 산화물, Ni-YSZ(Ni-yttria stabilized zirconia), Ni-SDC(Ni-samaria doped ceria), 및 Ni-GDC(Ni-gadolinium doped ceria) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

제1 애노드층(121), 제1 전해질층(131), 및 제1 캐소드층(141)은 제1 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있다. 제2 애노드층(122), 제2 전해질층(132), 및 제2 캐소드층(142)은 제2 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있다. 제3 애노드층(123), 제3 전해질층(133), 및 제4 캐소드층(143)은 제3 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있다. 제4 애노드층(124), 제4 전해질층(134), 및 제4 캐소드층(144)은 제4 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있다.

상기 제1 연료전지 단위 구조체, 상기 제2 연료전지 단위 구조체, 상기 제3 연료전지 단위 구조체, 및 상기 제4 연료전지 단위 구조체는 상기 순서에 따라 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 따라서, 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(200)는 4 개의 연료전지 단위 구조체가 직렬 연결될 수 있고, 이에 따라 4 배의 전압을 제공할 수 있다.

제1 내지 제4 애노드층(121, 122, 123, 124), 제1 내지 제4 전해질층(131, 132, 133, 134), 및 제1 내지 제4 캐소드층(141, 142, 143, 144) 중 적어도 어느 하나는 다공성 구조를 가질 수 있다. 따라서, 수소와 공기를 다공성 기판(110) 또는 나노 다공성 분리층(190)을 통하여 함께 공급할 수 있고, 각각의 기체들은 제1 내지 제4 애노드층(121, 122, 123, 124) 또는 제1 내지 제4 캐소드층(141, 142, 143, 144)에서 선택적으로 반응함으로써 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(200)가 작동될 수 있다.

도 10 내지 도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(300)에 대하여 제조공정 단계에 따라 도시하는 개략도들이다. 상술한 실시예와 중복되거나 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 10을 참조하면, 나노 다공성 기판(310)을 제공한다. 나노 다공성 기판(310)을 제1 영역(311)과 제2 영역(312)으로 분리하는 분리층(390)을 나노 다공성 기판(310) 상에 형성한다. 이후의 공정에서, 제1 영역(311)에서 층들이 형성되는 방향과 제2 영역(312)에서 층들이 형성되는 방향은 서로 반대일 수 있다. 분리층(390)의 일단부에서 나노 다공성 기판(310)이 노출될 수 있다. 분리층(390)은 이후의 공정에서 형성되는 애노드층과 캐소드층들의 원하지 않는 전기적 연결에 의한 단락을 방지하도록 절연물을 포함할 수 있고 치밀한 구조를 가질 수 있다.

도 11을 참조하면, 나노 다공성 기판(310)의 제1 영역(311)의 적어도 일부 영역 상에 제5 애노드층(325)을 형성한다. 또한, 나노 다공성 기판(310)의 제2 영역(312)의 적어도 일부 영역 상에 제7 애노드층(327)을 형성한다. 제5 애노드층(325)과 제7 애노드층(327)은 나노 다공성 기판(310)의 대각선 방향으로 서로 대향하여 위치할 수 있다.

도 12를 참조하면, 제5 애노드층(325)의 적어도 일부 영역 상에 제5 전해질층(335)을 형성한다. 제5 전해질층(335)은 제1 영역(311)에 배치될 수 있다. 제5 전해질층(335)은, 제5 애노드층(325)의 일단부가 노출되도록 제5 애노드층(325)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 또한, 제5 전해질층(335)은, 노출된 제5 애노드층(325)의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서, 제5 애노드층(325)을 덮어서, 나노 다공성 기판(310)과 접촉하도록 연장될 수 있다.

또한, 제7 애노드층(327)의 적어도 일부 영역 상에 제7 전해질층(337)을 형성한다. 제7 전해질층(337)은 제2 영역(312)에 배치될 수 있다. 제7 전해질층(337)은, 제7 애노드층(327)의 일단부가 노출되도록 제7 애노드층(327)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 또한, 제7 전해질층(337)은, 노출된 제7 애노드층(327)의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서, 제7 애노드층(327)을 덮어서, 나노 다공성 기판(310)과 접촉하도록 연장될 수 있다. 제5 전해질층(335)과 제7 전해질층(337)은 나노 다공성 기판(310)의 대각선 방향으로 서로 대향하여 위치할 수 있다.

도 13을 참조하면, 제5 전해질층(335)의 적어도 일부 영역 상에 제5 캐소드층(345)을 형성한다. 제5 캐소드층(345)은 제1 영역(311)에 배치될 수 있다. 제5 캐소드층(345)은, 제5 전해질층(335)의 일단부가 노출되도록 제5 전해질층(335)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 제5 캐소드층(345)은, 노출된 제5 전해질층(335)의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서, 제5 전해질층(335)을 덮어서, 나노 다공성 기판(310)과 접촉하도록 연장될 수 있다.

또한, 제7 전해질층(337)의 적어도 일부 영역 상에 제7 캐소드층(347)을 형성한다. 제7 캐소드층(347)은 제2 영역(312)에 배치될 수 있다. 제7 캐소드층(347)은, 제7 전해질층(337)의 일단부가 노출되도록 제7 전해질층(337)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 또한, 제7 캐소드층(347)은, 노출된 제7 전해질층(337)의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서, 제7 전해질층(337)을 덮어서, 나노 다공성 기판(310)과 접촉하도록 연장될 수 있다. 제5 캐소드층(345)과 제7 캐소드층(347)은 나노 다공성 기판(310)의 대각선 방향으로 서로 대향하여 위치할 수 있다.

도 14를 참조하면, 제5 캐소드층(345)의 적어도 일부 영역 상에 제6 애노드층(326)을 형성한다. 제6 애노드층(326)은 제1 영역(311)에 배치될 수 있다. 제6 애노드층(326)은, 제5 캐소드층(345)의 일단부가 노출되도록 제5 캐소드층(345)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 제6 애노드층(326)은, 노출된 제5 캐소드층(345)의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서, 제5 캐소드층(345)을 덮어서, 나노 다공성 기판(310)과 접촉하도록 연장될 수 있다.

또한, 제7 캐소드층(347)의 적어도 일부 영역 상에 제8 애노드층(328)을 형성한다. 제8 애노드층(328)은 제2 영역(312)에 배치될 수 있다. 제8 애노드층(328)은, 제7 캐소드층(347)의 일단부가 노출되도록 제7 캐소드층(347)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 또한, 제8 애노드층(328)은, 노출된 제7 캐소드층(347)의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서, 제7 캐소드층(347)을 덮어서, 나노 다공성 기판(310)과 접촉하도록 연장될 수 있다. 제6 애노드층(326)과 제8 애노드층(328)은 나노 다공성 기판(310)의 대각선 방향으로 서로 대향하여 위치할 수 있다.

도 15를 참조하면, 제6 애노드층(326)의 적어도 일부 영역 상에 제6 전해질층(336)을 형성한다. 제6 전해질층(336)은 제1 영역(311)에 배치될 수 있다. 제6 전해질층(336)은, 제6 애노드층(326)의 일단부가 노출되도록 제6 애노드층(326)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 또한, 제6 전해질층(336)은, 노출된 제6 애노드층(326)의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서, 제6 애노드층(326)을 덮어서, 나노 다공성 기판(310)과 접촉하도록 연장될 수 있다.

또한, 제8 애노드층(328)의 적어도 일부 영역 상에 제8 전해질층(338)을 형성한다. 제8 전해질층(338)은 제2 영역(312)에 배치될 수 있다. 제8 전해질층(338)은, 제8 애노드층(328)의 일단부가 노출되도록 제8 애노드층(328)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 또한, 제8 전해질층(338)은, 노출된 제8 애노드층(328)의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서, 제8 애노드층(328)을 덮어서, 나노 다공성 기판(310)과 접촉하도록 연장될 수 있다. 제6 전해질층(336)과 제8 전해질층(338)은 나노 다공성 기판(310)의 대각선 방향으로 서로 대향하여 위치할 수 있다.

도 16을 참조하면, 제6 전해질층(336)의 적어도 일부 영역 상에 제6 캐소드층(346)을 형성한다. 제6 캐소드층(346)은 제1 영역(311)에 배치될 수 있다. 제6 캐소드층(346)은, 제6 전해질층(336)의 일단부가 노출되도록 제6 전해질층(336)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 제6 캐소드층(346)은, 노출된 제6 전해질층(336)의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서, 제6 전해질층(336)을 덮어서, 나노 다공성 기판(310)과 접촉하도록 연장될 수 있다.

또한, 제8 전해질층(338)의 적어도 일부 영역 상에 제8 캐소드층(348)을 형성한다. 제8 캐소드층(348)은 제2 영역(312)에 배치될 수 있다. 제8 캐소드층(348)은, 제8 전해질층(338)의 일단부가 노출되도록 제8 전해질층(338)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 또한, 제8 캐소드층(348)은, 노출된 제8 전해질층(338)의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서, 제8 전해질층(338)을 덮어서, 나노 다공성 기판(310)과 접촉하도록 연장될 수 있다. 제6 캐소드층(346)과 제8 캐소드층(348)은 나노 다공성 기판(310)의 대각선 방향으로 서로 대향하여 위치할 수 있다.

도 17을 참조하면, 제7 애노드층(327)과 제6 캐소드층(346)을 전기적으로 연결하는 연결부(380)를 형성한다. 연결부(380)는 분리층(390)으보부터 노출된 나노 다공성 기판(310)을 덮을 수 있다. 연결부(380)는 도전체를 포함할 수 있다. 이에 따라 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(300)를 완성한다.

단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(300)는, 나노 다공성 기판(310); 나노 다공성 기판(310) 상에 위치하고, 나노 다공성 기판(310)을 제1 영역(311)과 제2 영역(312)으로 분리하는 분리층(390); 나노 다공성 기판(300)의 제1 영역(311)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제5 애노드층(325); 제5 애노드층(325)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제5 전해질층(335); 제5 전해질층(335)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제5 캐소드층(345); 제5 캐소드층(345)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제6 애노드층(326); 제6 애노드층(326)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제6 전해질층(336); 제6 전해질층(336)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제6 캐소드층(346); 나노 다공성 기판(310)의 제2 영역(312)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제7 애노드층(327); 제7 애노드층(327)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제7 전해질층(337); 제7 전해질층(337)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제7 캐소드층(347); 제7 캐소드층(347)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제8 애노드층(328); 제8 애노드층(328)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제8 전해질층(338); 제8 전해질층(338)의 적어도 일부 영역 상에 위치한 제8 캐소드층(348);을 포함할 수 있다.

제5 애노드층(325), 제5 전해질층(335), 및 제5 캐소드층(345)은 제5 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있다. 제6 애노드층(326), 제6 전해질층(336), 및 제6 캐소드층(346)은 제6 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있다. 제7 애노드층(327), 제7 전해질층(337), 및 제7 캐소드층(347)은 제7 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있다. 제8 애노드층(328), 제8 전해질층(338), 및 제8 캐소드층(348)은 제8 연료전지 단위 구조체를 구성할 수 있다.

상기 제5 연료전지 단위 구조체, 상기 제6 연료전지 단위 구조체, 상기 제7 연료전지 단위 구조체, 및 상기 제8 연료전지 단위 구조체는 상기 순서에 따라 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 따라서, 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(300)는 4 개의 연료전지 단위 구조체가 직렬 연결될 수 있고, 이에 따라 4 배의 전압을 제공할 수 있다.

제5 내지 제8 애노드층(325, 326, 327, 328), 제5 내지 제8 전해질층(335, 336, 337, 338), 및 제5 내지 제8 캐소드층(345, 346, 347, 348) 중 적어도 어느 하나는 다공성 구조를 가질 수 있다. 따라서, 수소와 공기를 다공성 기판(310)을 통하여 함께 공급할 수 있고, 각각의 기체들은 제5 내지 제8 애노드층(325, 326, 327, 328) 또는 제5 내지 제8 캐소드층(345, 346, 347, 348)에서 선택적으로 반응함으로써 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(300)가 작동될 수 있다.

상술한 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(300)에서는, 나노 다공성 기판(310)을 2 개의 영역들로 분리하여 형성하였으나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 3 개 이상의 복수의 영역들로 분리하여 형성되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.

또한, 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(300)를 도 9의 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지(200)와 조합하여 2층 이상의 복수의 층으로 적층되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지에서는, 애노드를 상대적으로 저렴한 전자 전도성 물질을 포함하는 구성이 가능하므로, 귀금속의 사용을 감소 또는 최적화할 수 있으므로 제조 비용을 낮출 수 있다. 또한, 구성요소들을 박막으로 형성함으로써, 400 ℃ 내지 600℃의 저온에서 동작가능한 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지를 제공할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

10: 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지,
20: 애노드, 30: 전해질, 40: 캐소드,
100, 200, 300: 단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지,
110: 나노 다공성 기판,
121: 제1 애노드층, 131: 제1 전해질층, 141: 제1 캐소드층,
122: 제2 애노드층, 132: 제2 전해질층, 142: 제2 캐소드층,
123: 제3 애노드층, 133: 제3 전해질층, 143: 제3 캐소드층,
124: 제4 애노드층, 134: 제4 전해질층, 144: 제4 캐소드층,
190: 나노 다공성 분리층,
310: 나노 다공성 기판,
311: 제1 영역, 312: 제2 영역,
325: 제5 애노드층, 335: 제5 전해질층, 345: 제5 캐소드층,
326: 제6 애노드층, 336: 제6 전해질층, 346: 제6 캐소드층,
327: 제7 애노드층, 337: 제7 전해질층, 347: 제7 캐소드층,
328: 제8 애노드층, 338: 제8 전해질층, 348: 제8 캐소드층,
380: 연결부, 390: 분리층

Claims

나노 다공성 기판;
상기 나노 다공성 기판 상에 위치한 제1 애노드층;
상기 제1 애노드층 상에 위치한 제1 전해질층;
상기 제1 전해질층 상에 위치한 제1 캐소드층;
상기 제1 캐소드층 상에 위치한 제2 애노드층;
상기 제2 애노드층 상에 위치한 제2 전해질층; 및
상기 제2 전해질층 상에 위치한 제2 캐소드층; 을 포함하고,
상기 제1 애노드층, 상기 제1 전해질층, 및 상기 제1 캐소드층은 제1 연료전지 단위 구조체를 구성하고,
상기 제2 애노드층, 상기 제2 전해질층, 및 상기 제2 캐소드층은 제2 연료전지 단위 구조체를 구성하고,
상기 제1 연료전지 단위 구조체와 상기 제2 연료전지 단위 구조체는 전기적으로 직렬 연결되되, 연결부없이 연료전지 단위 구조체들이 서로 직접 접촉하여 연결된,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 제1 애노드층은 상기 나노 다공성 기판의 일부 영역 상에 위치하는,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 전해질층은, 상기 제1 애노드층의 일단부가 노출되도록 상기 제1 애노드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제1 애노드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장된,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 캐소드층은, 상기 제1 전해질층의 일단부가 노출되도록 상기 제1 전해질층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제1 전해질층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장된,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 애노드층은, 상기 제1 캐소드층의 일단부가 노출되도록 상기 제1 캐소드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제1 캐소드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장된,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 전해질층은, 상기 제2 애노드층의 일단부가 노출되도록 상기 제2 애노드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제2 애노드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장된,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 캐소드층은, 상기 제2 전해질층의 일단부가 노출되도록 상기 제2 전해질층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제2 전해질층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장된,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
나노 다공성 기판;
상기 나노 다공성 기판 상에 위치한 제1 애노드층;
상기 제1 애노드층 상에 위치한 제1 전해질층;
상기 제1 전해질층 상에 위치한 제1 캐소드층;
상기 제1 캐소드층 상에 위치한 제2 애노드층;
상기 제2 애노드층 상에 위치한 제2 전해질층;
상기 제2 전해질층 상에 위치한 제2 캐소드층;
상기 제2 캐소드층 상에 위치한 제3 애노드층;
상기 제3 애노드층 상에 위치한 제3 전해질층;
상기 제3 전해질층 상에 위치한 제3 캐소드층;
상기 제3 캐소드층 상에 위치한 제4 애노드층;
상기 제4 애노드층 상에 위치한 제4 전해질층;
상기 제4 전해질층 상에 위치한 제4 캐소드층; 및
상기 제1 애노드층, 상기 제1 전해질층, 상기 제1 캐소드층, 상기 제2 애노드층, 및 상기 제2 전해질층 상에 위치한 나노 다공성 분리층;을 포함하고,
상기 제3 전해질층, 상기 제3 캐소드층, 상기 제4 애노드층, 상기 제4 전해질층, 및 상기 제4 캐소드층은 상기 나노 다공성 분리층 상에 위치하며,
상기 제2 캐소드층은 상기 나노 다공성 분리층이 평탄화됨에 따라 상기 나노 다공성 분리층에 의해 덮히지 않고 노출되고,
상기 노출된 상기 제2 캐소드층 상에 상기 제3 애노드층이 형성되는,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
제 9 항에 있어서,
상기 제1 애노드층, 상기 제1 전해질층, 및 상기 제1 캐소드층은 제1 연료전지 단위 구조체를 구성하고,
상기 제2 애노드층, 상기 제2 전해질층, 및 상기 제2 캐소드층은 제2 연료전지 단위 구조체를 구성하고,
상기 제3 애노드층, 상기 제3 전해질층, 및 상기 제3 캐소드층은 제3 연료전지 단위 구조체를 구성하고,
상기 제4 애노드층, 상기 제4 전해질층, 및 상기 제4 캐소드층은 제4 연료전지 단위 구조체를 구성하고,
상기 제1 연료전지 단위 구조체, 상기 제2 연료전지 단위 구조체, 상기 제3 연료전지 단위 구조체, 및 상기 제4 연료전지 단위 구조체는 상기 순서에 따라 전기적으로 직렬 연결된,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
나노 다공성 기판;
상기 나노 다공성 기판 상에 위치하고, 상기 나노 다공성 기판을 제1 영역과 제2 영역으로 분리하는 분리층;
상기 나노 다공성 기판의 상기 제1 영역 상에 위치한 제5 애노드층;
상기 제5 애노드층 상에 위치한 제5 전해질층;
상기 제5 전해질층 상에 위치한 제5 캐소드층;
상기 제5 캐소드층 상에 위치한 제6 애노드층;
상기 제6 애노드층 상에 위치한 제6 전해질층;
상기 제6 전해질층 상에 위치한 제6 캐소드층;
상기 나노 다공성 기판의 상기 제2 영역 상에 위치한 제7 애노드층;
상기 제7 애노드층 상에 위치한 제7 전해질층;
상기 제7 전해질층 상에 위치한 제7 캐소드층;
상기 제7 캐소드층 상에 위치한 제8 애노드층;
상기 제8 애노드층 상에 위치한 제8 전해질층; 및
상기 제8 전해질층 상에 위치한 제8 캐소드층;을 포함하고,
상기 제5 애노드층, 상기 제5 전해질층, 및 상기 제5 캐소드층은 제5 연료전지 단위 구조체를 구성하고,
상기 제6 애노드층, 상기 제6 전해질층, 및 상기 제6 캐소드층은 제6 연료전지 단위 구조체를 구성하고,
상기 제7 애노드층, 상기 제7 전해질층, 및 상기 제7 캐소드층은 제7 연료전지 단위 구조체를 구성하고,
상기 제8 애노드층, 상기 제8 전해질층, 및 상기 제8 캐소드층은 제8 연료전지 단위 구조체를 구성하고,
상기 제5 연료전지 단위 구조체, 상기 제6 연료전지 단위 구조체, 상기 제7 연료전지 단위 구조체, 및 상기 제8 연료전지 단위 구조체는 상기 순서에 따라 전기적으로 직렬 연결되되, 연결부없이 연료전지 단위 구조체들이 서로 직접 접촉하여 연결된,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
제 11 항에 있어서,
상기 제7 애노드층과 상기 제6 캐소드층을 전기적으로 연결하는 연결부;를 더 포함하는,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
삭제
제 11 항에 있어서,
상기 제5 애노드층은 상기 나노 다공성 기판의 일부 영역 상에 위치하고,
상기 제7 애노드층은 상기 나노 다공성 기판의 일부 영역 상에 위치하는,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
제 11 항에 있어서,
상기 제5 전해질층은, 상기 제5 애노드층의 일단부가 노출되도록 상기 제5 애노드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제5 애노드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장되고,
상기 제7 전해질층은, 상기 제7 애노드층의 일단부가 노출되도록 상기 제7 애노드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제7 애노드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장된,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
제 11 항에 있어서,
상기 제5 캐소드층은, 상기 제5 전해질층의 일단부가 노출되도록 상기 제5 전해질층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제5 전해질층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장되고,
상기 제7 캐소드층은, 상기 제7 전해질층의 일단부가 노출되도록 상기 제7 전해질층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제7 전해질층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장된,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
제 11 항에 있어서,
상기 제6 애노드층은, 상기 제5 캐소드층의 일단부가 노출되도록 상기 제5 캐소드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제5 캐소드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장되고,
상기 제8 애노드층은, 상기 제7 캐소드층의 일단부가 노출되도록 상기 제7 캐소드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제7 캐소드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장된,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
제 11 항에 있어서,
상기 제6 전해질층은, 상기 제6 애노드층의 일단부가 노출되도록 상기 제6 애노드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제6 애노드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장되고,
상기 제8 전해질층은, 상기 제8 애노드층의 일단부가 노출되도록 상기 제8 애노드층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제8 애노드층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장된,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
제 11 항에 있어서,
상기 제6 캐소드층은, 상기 제6 전해질층의 일단부가 노출되도록 상기 제6 전해질층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제6 전해질층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장되고,
상기 제8 캐소드층은, 상기 제8 전해질층의 일단부가 노출되도록 상기 제8 전해질층의 일부 영역 상에 위치하고, 노출된 상기 제8 전해질층의 상기 일단부에 대하여 반대쪽에서 상기 나노 다공성 기판과 접촉하도록 연장된,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지.
나노 다공성 기판의 적어도 일부 영역 상에 제1 애노드층을 형성하는 단계;
상기 제1 애노드층의 적어도 일부 영역 상에 제1 전해질층을 형성하는 단계;
상기 제1 전해질층의 적어도 일부 영역 상에 제1 캐소드층을 형성하는 단계;
상기 제1 캐소드층의 적어도 일부 영역 상에 제2 애노드층을 형성하는 단계;
상기 제2 애노드층의 적어도 일부 영역 상에 제2 전해질층을 형성하는 단계; 및
상기 제2 전해질층의 적어도 일부 영역 상에 제2 캐소드층을 형성하는 단계;를 포함하되,
상기 제1 애노드층, 상기 제1 전해질층, 및 상기 제1 캐소드층은 제1 연료전지 단위 구조체를 구성하고,
상기 제2 애노드층, 상기 제2 전해질층, 및 상기 제2 캐소드층은 제2 연료전지 단위 구조체를 구성하고,
상기 제1 연료전지 단위 구조체와 상기 제2 연료전지 단위 구조체는 전기적으로 직렬 연결되되, 연결부없이 연료전지 단위 구조체들이 서로 직접 접촉하여 연결되는,
단실형 적층박막 고체 산화물 연료전지의 제조방법.