KR102427681B1 - Thin film solid oxide fuel cell having hydrogen oxidation reaction catalyst layer and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 수소산화반응 촉매층을 포함하는 박막형 고체 산화물 연료전지를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 박막형 고체 산화물 연료전지는, 서로 이격된 복수의 주상 구조체들로 구성된 애노드층; 상기 애노드층을 덮는 수소산화반응 촉매층; 상기 수소산화반응 촉매층 상에 위치하는 전해질층; 및 상기 애노드층을 마주보고 배치되고, 상기 전해질층 상에 위치하는 캐소드층;을 포함할 수 있다.The present invention provides a thin film type solid oxide fuel cell including a hydrogen oxidation reaction catalyst layer. According to an embodiment of the present invention, the thin-film solid oxide fuel cell includes: an anode layer composed of a plurality of columnar structures spaced apart from each other; a hydrogen oxidation catalyst layer covering the anode layer; an electrolyte layer positioned on the hydrogen oxidation catalyst layer; and a cathode layer disposed to face the anode layer and positioned on the electrolyte layer.

Description

수소산화반응 촉매층을 포함하는 박막형 고체 산화물 연료전지 및 그 제조 방법{Thin film solid oxide fuel cell having hydrogen oxidation reaction catalyst layer and method of manufacturing the same}Thin film solid oxide fuel cell having hydrogen oxidation reaction catalyst layer and method of manufacturing the same

본 발명의 기술적 사상은 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소산화반응 촉매층을 포함하는 박막형 고체 산화물 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The technical idea of the present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a thin film type solid oxide fuel cell including a hydrogen oxidation catalyst layer and a method for manufacturing the same.

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.A solid oxide fuel cell (SOFC) is a power generation technology that directly converts chemical energy of fuel gas into electrical energy, and has high efficiency and environment-friendly characteristics. Since all components of the solid oxide fuel cell are made of solid, electrolyte loss or corrosion does not occur, the structure is simple, the material is inexpensive, and fuel with high impurity content can be used. have. In addition, since hydrocarbon-based fuel can be directly used without reforming the fuel into hydrogen, it can lead to simplification of the fuel cell system and reduction of manufacturing cost.

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.The solid oxide fuel cell is generally operated at a high temperature of 1000° C. or higher in order to secure sufficient electrical conductivity. However, due to such a high operating temperature, the application range is limited, and performance degradation such as thermal deterioration of the porous electrode, interfacial reaction between components, and stress generation due to difference in thermal expansion may occur. Accordingly, although research has been conducted to reduce the operating temperature to about 500° C. to 600° C., the voltage characteristic of the solid oxide fuel cell may be deteriorated due to an increase in resistance loss in the electrolyte.

따라서, 고체 산화물 연료전지의 작동온도를 낮추고, 동시에 출력저하방지 및 손실저항감소를 위하여 전해질층의 박막화를 시도하고 있다. 박막형 고체 산화물 연료전지는 넓은 반응면적을 확보할 수 있어 촉매 활성도가 높고, 얇은 전해질을 가지므로 이온전도도를 증가시킬 수 있어, 500℃ 수준의 저온에서 효율적인 작동이 가능하다. 박막형 고체 산화물 연료전지는 제조가 용이하면서 저온에서 촉매 활성도가 높은 백금과 같은 귀금속을 애노드로 구성하는 것이 일반적이다.Accordingly, attempts are being made to thin the electrolyte layer in order to lower the operating temperature of the solid oxide fuel cell and at the same time to prevent output reduction and reduce loss resistance. The thin-film solid oxide fuel cell has a high catalytic activity because it can secure a large reaction area, and it has a thin electrolyte, so it can increase ionic conductivity, so that it can be operated efficiently at a low temperature of 500°C. A thin film solid oxide fuel cell is generally composed of a noble metal such as platinum, which is easy to manufacture and has high catalytic activity at a low temperature, as an anode.

한국특허등록번호 제10-1290577호Korean Patent Registration No. 10-1290577

그러나, 상기 애노드에서 수소산화반응에 참여하는 영역은 애노드와 전해질의 계면의 수십 nm에 불과하여, 애노드 전체를 백금과 같은 귀금속을 이용하여 구성하는 경우 제조 비용이 많이 소비되는 문제점이 있다.However, since the region participating in the hydrogen oxidation reaction in the anode is only several tens of nm of the interface between the anode and the electrolyte, there is a problem in that manufacturing costs are consumed when the entire anode is formed using a noble metal such as platinum.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 수소산화반응 촉매층을 포함하는 박막형 고체 산화물 연료전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a thin film type solid oxide fuel cell including a hydrogen oxidation catalyst layer and a method for manufacturing the same.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these tasks are exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

본 발명의 일 관점에 의하면, 수소산화반응 촉매층을 포함하는 박막형 고체 산화물 연료전지 및 그 제조 방법을 제공한다.According to one aspect of the present invention, there is provided a thin film type solid oxide fuel cell including a hydrogen oxidation catalyst layer and a method for manufacturing the same.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 박막형 고체 산화물 연료전지는, 서로 이격된 복수의 주상 구조체들로 구성된 애노드층; 상기 애노드층을 덮는 수소산화반응 촉매층; 상기 수소산화반응 촉매층 상에 위치하는 전해질층; 및 상기 애노드층을 마주보고 배치되고, 상기 전해질층 상에 위치하는 캐소드층;을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the thin-film solid oxide fuel cell includes: an anode layer composed of a plurality of columnar structures spaced apart from each other; a hydrogen oxidation catalyst layer covering the anode layer; an electrolyte layer positioned on the hydrogen oxidation catalyst layer; and a cathode layer disposed to face the anode layer and positioned on the electrolyte layer.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 박막형 고체 산화물 연료전지는, 상기 애노드층이 배치된 나노 다공성 기판을 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the thin-film solid oxide fuel cell may further include a nano-porous substrate on which the anode layer is disposed.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 애노드층이 상기 나노 다공성 기판의 기공 상에는 위치하지 않고 상기 기공테두리영역 상에 위치함으로써, 상기 주상 구조체들이 서로 이격되어 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, since the anode layer is not located on the pores of the nano-porous substrate but on the pore border region, the columnar structures may be formed to be spaced apart from each other.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 나노 다공성 기판은, 10 nm 내지 200 nm 범위의 복수의 기공들을 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the nano-porous substrate may have a plurality of pores in the range of 10 nm to 200 nm.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 나노 다공성 기판은 다공성 양극 산화 알루미늄, 다공성 니켈 산화물, Ni-YSZ, Ni-SDC, 및 Ni-GDC 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the nano-porous substrate may include at least one of porous anodized aluminum oxide, porous nickel oxide, Ni-YSZ, Ni-SDC, and Ni-GDC.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 애노드층은, 100 nm 내지 10000 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the anode layer may have a thickness in the range of 100 nm to 10000 nm.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 애노드층은, 수소산화반응이 억제되고, 전자전도성을 가지는 물질을 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the anode layer, hydrogen oxidation reaction is suppressed, may include a material having electron conductivity.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 애노드층은, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), Ni-YSZ, Ni-GDC, 및 Ni-SDC 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the anode layer may include at least one of copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), Ni-YSZ, Ni-GDC, and Ni-SDC. .

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 수소산화반응 촉매층은 상기 애노드층의 상기 주상 구조체들 각각의 상면을 덮고, 상기 주상 구조체들 각각의 측면의 적어도 일부를 덮을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hydrogen oxidation catalyst layer may cover the upper surface of each of the columnar structures of the anode layer, and may cover at least a portion of the side surface of each of the columnar structures.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 수소산화반응 촉매층은 상기 애노드층의 상기 주상 구조체들 각각을 개별적으로 덮음으로써, 서로 이격되도록 이격 공간을 구비하는 구조를 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hydrogen oxidation catalyst layer may have a structure having a spaced apart space so as to be spaced apart from each other by individually covering each of the columnar structures of the anode layer.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 수소산화반응 촉매층은, 10 nm 내지 1000 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hydrogen oxidation catalyst layer may have a thickness in the range of 10 nm to 1000 nm.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 수소산화반응 촉매층은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 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.According to an embodiment of the present invention, the hydrogen oxidation catalyst layer is platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), nickel (Ni), Pt-GDC, Pt-YSZ, Pt-SDC, Pd-GDC , Pd-YSZ, Pd-SDC, Ru-GDC, Ru-YSZ, Ru-SDC, Ni-YSZ, Ni-GDC, and may include at least one of Ni-SDC.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전해질층은, 상기 수소산화반응 촉매층의 상면 및 측면을 덮을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the electrolyte layer may cover the upper surface and the side surface of the hydrogen oxidation reaction catalyst layer.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전해질층은, 상기 수소산화반응 촉매층 사이에 구비된 이격 공간의 상측을 덮을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the electrolyte layer may cover the upper side of the separation space provided between the hydrogen oxidation reaction catalyst layers.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전해질층은, 50 nm 내지 약 10000 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the electrolyte layer may have a thickness in the range of 50 nm to about 10000 nm.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전해질층은, 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.According to an embodiment of the present invention, the electrolyte layer, yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), and Samaria doped ceria (SDC), gadolinia doped ceria (GDC), LSGM, and lanthanum gallate doped with strontium or magnesium.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 캐소드층은, 50 nm 내지 300 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cathode layer may have a thickness in the range of 50 nm to 300 nm.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 캐소드층은, 팔라듐, 백금, Pt-YSZ, Pt-GDC, 및 LSCF, LSC, LSM, LSCF-YSZ, LSCF-GDC, LSC-YSZ, LSC-GDC, BSCF, LaSrFe-YSZ, 및 NBSCF-40GDC 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cathode layer is palladium, platinum, Pt-YSZ, Pt-GDC, and LSCF, LSC, LSM, LSCF-YSZ, LSCF-GDC, LSC-YSZ, LSC-GDC, BSCF. , LaSrFe-YSZ, and may include at least one of NBSCF-40GDC.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 박막형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법은, 나노 다공성 기판을 제공하는 단계; 상기 나노 다공성 기판 상에 서로 이격된 복수의 주상 구조체들로 구성된 애노드층을 형성하는 단계; 상기 애노드 상에 수소산화반응 촉매층을 형성하는 단계; 상기 수소산화반응 촉매층 상에 전해질층을 형성하는 단계; 및 상기 전해질층 상에 캐소드층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the method for manufacturing the thin-film solid oxide fuel cell includes: providing a nano-porous substrate; forming an anode layer composed of a plurality of columnar structures spaced apart from each other on the nanoporous substrate; forming a hydrogen oxidation catalyst layer on the anode; forming an electrolyte layer on the hydrogen oxidation catalyst layer; and forming a cathode layer on the electrolyte layer.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 애노드층을 형성하는 단계에서, 상기 애노드층은 상기 나노 다공성 기판의 기공 상에는 형성되지 않고 상기 기공테두리영역 상에 형성되어, 이에 따라 서로 이격된 상기 주상 구조체들을 형성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the step of forming the anode layer, the anode layer is not formed on the pores of the nano-porous substrate, but is formed on the pore border region, thus forming the columnar structures spaced apart from each other can be formed

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 애노드층을 형성하는 단계는 스퍼터링을 이용하여 수행하고, 상기 수소산화반응 촉매층을 형성하는 단계는 화학기상증착법 또는 물리기상증착법을 이용하여 수행할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of forming the anode layer is performed using sputtering, and the step of forming the hydrogen oxidation reaction catalyst layer can be performed using a chemical vapor deposition method or a physical vapor deposition method.

본 발명의 기술적 사상에 의할 경우, 박막형 고체 산화물 연료전지는 애노드층 상에 위치하는 수소산화반응 촉매층을 포함한다. 연료전지의 애노드에서의 수소산화반응은 애노드와 전해질 사이에 위치하고 수십 nm 내지 수백 nm 범위의 두께를 가지는 계면에서 대부분 이루어진다. 상기 애노드의 다른 영역은 전자의 전도를 위하여 사용된다. 따라서, 종래의 박막형 고체 산화물 연료전지에서는, 애노드 전체를 백금과 같은 값비싼 귀금속을 이용하여 제작하여 제조 비용이 높은 한계가 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상에 따른 박막형 고체 산화물 연료전지에서는, 애노드를 상대적으로 저렴한 전자 전도성 물질로 구성하고, 상기 애노드 상에 수소산화반응이 발생되는 수소산화반응 촉매층을 별개로 형성함으로써, 귀금속의 사용을 감소시킬 수 있으므로 제조 비용을 낮출 수 있다. 또한, 구성요소들을 박막으로 형성함으로써, 400 ℃ 내지 600℃의 저온에서 동작가능한 박막형 고체 산화물 연료전지를 제공할 수 있다.According to the technical concept of the present invention, the thin film type solid oxide fuel cell includes a hydrogen oxidation reaction catalyst layer positioned on the anode layer. The hydrogen oxidation reaction at the anode of the fuel cell is mostly performed at the interface between the anode and the electrolyte and having a thickness in the range of several tens of nm to several hundreds of nm. Another area of the anode is used for conduction of electrons. Therefore, in the conventional thin film solid oxide fuel cell, the entire anode is manufactured using an expensive noble metal such as platinum, and thus there is a limitation in that the manufacturing cost is high. However, in the thin film solid oxide fuel cell according to the technical idea of the present invention, the anode is made of a relatively inexpensive electron conductive material, and a hydrogen oxidation catalyst layer in which a hydrogen oxidation reaction occurs is separately formed on the anode. It is possible to reduce the use, thereby lowering the manufacturing cost. In addition, by forming the components into a thin film, it is possible to provide a thin film type solid oxide fuel cell operable at a low temperature of 400°C to 600°C.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The above-described effects of the present invention have been described by way of example, and the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막형 고체 산화물 연료전지를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 박막형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 박막형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법에 사용되는 나노 다공성 기판을 나타내는 전계방사 주사전자현미경 사진들이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 도 2의 박막형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법을 공정 단계에 따라 도시하는 개략도들이다.1 is a schematic diagram illustrating a thin film type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a thin film type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a field emission scanning electron microscope photograph showing a nano-porous substrate used in a method for manufacturing a thin film-type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
4 to 8 are schematic views illustrating a method of manufacturing the thin film type solid oxide fuel cell of FIG. 2 according to process steps according to an embodiment of the present invention.

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. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the technical idea of the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, The scope of the technical idea is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so as to more fully and complete the present disclosure, and to fully convey the technical spirit of the present invention to those skilled in the art. In the present specification, the same reference numerals refer to the same elements throughout. Furthermore, various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Accordingly, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막형 고체 산화물 연료전지(100)를 도시하는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a thin film type solid oxide fuel cell 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 박막형 고체 산화물 연료전지(100)는 애노드층(120), 수소산화반응 촉매층(130), 전해질층(140), 및 캐소드층(150)을 포함한다.Referring to FIG. 1 , the thin film type solid oxide fuel cell 100 includes an anode layer 120 , a hydrogen oxidation reaction catalyst layer 130 , an electrolyte layer 140 , and a cathode layer 150 .

캐소드층(150)은 애노드층(120)과 마주보고 배치될 수 있다. 전해질층(140)은 애노드층(120)과 캐소드층(150) 사이에 배치될 수 있다. 전해질층(140)은 산소 이온 전도성 고체 산화물로 구성될 수 있다. 수소산화반응 촉매층(130)은 애노드층(120)과 전해질층(140) 사이에 배치될 수 있다.The cathode layer 150 may be disposed to face the anode layer 120 . The electrolyte layer 140 may be disposed between the anode layer 120 and the cathode layer 150 . The electrolyte layer 140 may be formed of an oxygen ion conductive solid oxide. The hydrogen oxidation catalyst layer 130 may be disposed between the anode layer 120 and the electrolyte layer 140 .

박막형 고체 산화물 연료전지(100)의 전기화학반응은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이, 캐소드층(150)의 산소가스(O2)가 산소이온(O2-)으로 변하는 캐소드 반응과 애노드층(120)의 연료(H2 또는 탄화수소)와 전해질을 통해 이동해 온 산소이온이 반응하는 애노드 반응으로 이루어진다.The electrochemical reaction of the thin film type solid oxide fuel cell 100 is a cathode reaction in which oxygen gas (O 2 ) of the cathode layer 150 changes into oxygen ions (O 2 - ) and the anode layer 120, as shown in the following reaction formula. It consists of an anode reaction between the fuel (H 2 or hydrocarbon) of the and oxygen ions that have moved through the electrolyte.

<반응식><reaction formula>

애노드 반응: H2 + O2- -> H2O + 2e- Anode reaction: H 2 + O 2- -> H 2 O + 2e -

캐소드 반응: 1/2 O2 + 2e- -> O2- Cathodic reaction: 1/2 O 2 + 2e - -> O 2 -

박막형 고체 산화물 연료전지(100)의 캐소드층(150)에서는 전극표면에 흡착된 산소가 해리 및 표면 확산을 거쳐, 전해질층(140), 캐소드층(150), 기공(미도시)이 만나는 삼상계면(triple phase boundary)으로 이동하여 전자를 얻어 산소이온으로 되고, 생성된 산소이온은 전해질층(140)을 통해 연료극인 애노드층(120)으로 이동하게 된다.In the cathode layer 150 of the thin film solid oxide fuel cell 100, oxygen adsorbed on the electrode surface undergoes dissociation and surface diffusion, and a three-phase interface where the electrolyte layer 140, the cathode layer 150, and pores (not shown) meet. (triple phase boundary) to obtain electrons and become oxygen ions, and the generated oxygen ions move through the electrolyte layer 140 to the anode layer 120 that is the anode.

박막형 고체 산화물 연료전지(100)의 애노드층(120)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)을 통하여 캐소드층(150)으로 이동하여 산소를 산소 이온으로 변화시킨다. 이러한 전자 이동을 통하여, 박막형 고체 산화물 연료전지(100)는 전지 기능을 수행할 수 있다. In the anode layer 120 of the thin film solid oxide fuel cell 100 , the moved oxygen ions combine with hydrogen contained in the fuel to generate water. At this time, hydrogen emits electrons to change into hydrogen ions (H + ) and combine with the oxygen ions. The emitted electrons move to the cathode layer 150 through wiring (shown by a dotted line) to change oxygen into oxygen ions. Through such electron movement, the thin film solid oxide fuel cell 100 may perform a cell function.

박막형 고체 산화물 연료전지(100)는 해당 기술 분야에서 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 박막형 고체 산화물 연료전지(100)는 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택, 평판형(planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다. 박막형 고체 산화물 연료전지(100)는 단위 전지의 스택(stack) 형태일 수 있다. 예를 들어, 애노드층(120), 수소산화반응 촉매층(130), 전해질층(140), 및 캐소드층(150)으로 구성되는 단위 전지가 직렬로 적층되고 상기 단위 전지들 사이에 이들을 전기적으로 연결하는 분리판(separator)이 개재되어 단위 전지의 스택(stack)이 얻어질 수 있다. Since the thin film type solid oxide fuel cell 100 can be manufactured using a conventional method known in various documents in the art, a detailed description thereof will be omitted herein. In addition, the thin film type solid oxide fuel cell 100 may be applied to various structures such as a cylindrical stack, a flat tubular stack, and a planar type stack. The thin film type solid oxide fuel cell 100 may be in the form of a stack of unit cells. For example, unit cells including the anode layer 120 , the hydrogen oxidation reaction catalyst layer 130 , the electrolyte layer 140 , and the cathode layer 150 are stacked in series and electrically connected between the unit cells. A separator may be interposed to obtain a stack of unit cells.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 박막형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a method ( S100 ) of manufacturing a thin film type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 박막형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법(S100)은, 나노 다공성 기판을 제공하는 단계(S110); 상기 나노 다공성 기판 상에 복수의 주상 구조체들로 구성된 애노드층을 형성하는 단계(S120); 상기 애노드층 상에 수소산화반응 촉매층을 형성하는 단계(S130); 상기 수소산화반응 촉매층 상에 전해질층을 형성하는 단계(S140); 및 상기 전해질층 상에 캐소드층을 형성하는 단계(S150);를 포함한다.Referring to FIG. 2 , a method for manufacturing a thin film type solid oxide fuel cell ( S100 ) includes providing a nanoporous substrate ( S110 ); forming an anode layer composed of a plurality of columnar structures on the nanoporous substrate (S120); forming a hydrogen oxidation catalyst layer on the anode layer (S130); forming an electrolyte layer on the hydrogen oxidation catalyst layer (S140); and forming a cathode layer on the electrolyte layer (S150).

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 박막형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법(S100)에 사용되는 나노 다공성 기판을 나타내는 전계방사 주사전자현미경 사진들이다.3 is a field emission scanning electron micrograph showing a nano-porous substrate used in the manufacturing method (S100) of a thin film-type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 상기 나노 다공성 기판은 다공성 양극 산화 알루미늄(anodic aluminum oxide 로 구성된다. 상기 나노 다공성 기판에서, 기공 영역에서는 상기 애노드층이 형성되지 않으며 적색 원으로 표시된 기공테두리영역에서 애노드층이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 애노드층은 서로 이격된 주상구조를 가질 수 있다.3, the nano-porous substrate is composed of porous anodic aluminum oxide. In the nano-porous substrate, the anode layer is not formed in the pore region, and the anode layer is formed in the pore border region indicated by the red circle. Accordingly, the anode layer may have a columnar structure spaced apart from each other.

도 4 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 도 2의 박막형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법(S100)을 공정 단계에 따라 도시하는 개략도들이다.4 to 8 are schematic views showing the manufacturing method ( S100 ) of the thin film type solid oxide fuel cell of FIG. 2 according to process steps according to an embodiment of the present invention.

도 4를 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 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.Referring to FIG. 4 , a nanoporous substrate 110 is provided. The nanoporous substrate 110 may include a plurality of pores in a range of 10 nm to 200 nm. The nano-porous substrate 110 is made of porous aluminum oxide, porous nickel oxide, Ni-yttria stabilized zirconia (Ni-YSZ), Ni-samaria doped ceria (Ni-SDC), and Ni-gadolinium doped ceria (Ni-GDC). It may include at least one. However, these materials are exemplary and the technical spirit of the present invention is not limited thereto. When such a nanoporous substrate is used, it is possible to easily supply a reactant such as gaseous fuel to the anode, and to increase the three-phase interface, thereby improving fuel cell performance.

도 5를 참조하면, 나노 다공성 기판(110) 상에 애노드층(120)을 형성한다. 나노 다공성 기판(110)은 애노드층(120)을 지지할 수 있다. 나노 다공성 기판(110)의 기공 상에는 애노드층(120)이 형성되지 않으므로, 애노드층(120)은 서로 이격된 복수의 주상 구조체들로 구성될 수 있다. 즉, 애노드층(120)은 서로 이격되어 형성된 이격 공간을 구비할 수 있다. 따라서, 애노드층(120)은 상기 주상 구조체들이 서로 이격됨에 따라, 삼상계면을 형성하기 위하여 가스가 용이하게 침투되는 다공성 미세구조를 가질 수 있다. 애노드층(120)은 나노 다공성 기판(110)의 기공테두리영역 상에 위치할 수 있다. 애노드층(120)은 나노 다공성 기판(110)의 기공 상에는 형성되지 않고 상기 기공테두리영역 상에 형성되어, 이에 따라 서로 이격된 상기 주상 구조체들을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5 , the anode layer 120 is formed on the nanoporous substrate 110 . The nanoporous substrate 110 may support the anode layer 120 . Since the anode layer 120 is not formed on the pores of the nanoporous substrate 110 , the anode layer 120 may be composed of a plurality of columnar structures spaced apart from each other. That is, the anode layer 120 may have a spaced space formed to be spaced apart from each other. Accordingly, as the columnar structures are spaced apart from each other, the anode layer 120 may have a porous microstructure through which gas easily penetrates to form a three-phase interface. The anode layer 120 may be positioned on the pore border region of the nanoporous substrate 110 . The anode layer 120 is not formed on the pores of the nanoporous substrate 110 but is formed on the pore border region, thereby forming the columnar structures spaced apart from each other.

애노드층(120)은 약 100 nm 내지 약 10000 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 애노드층(120)의 두께가 약 100 nm 미만인 경우에는, 삼상계면을 형성하기가 어려워 연료전지의 성능 저하가 발생할 수 있다. 애노드층(120)의 두께가 약 10000 nm (= 10 μm) 를 초과하는 경우에는, 연료 투과도가 낮아져 전기화학적 반응속도가 저하되어 연료전지의 성능 저하가 발생할 수 있다. 그러나, 이러한 수치는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.The anode layer 120 may have a thickness ranging from about 100 nm to about 10000 nm. When the thickness of the anode layer 120 is less than about 100 nm, it is difficult to form a three-phase interface, and thus performance of the fuel cell may be deteriorated. When the thickness of the anode layer 120 exceeds about 10000 nm (= 10 μm), the fuel permeability is lowered, the electrochemical reaction rate is lowered, and thus the performance of the fuel cell may be deteriorated. However, these figures are exemplary and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

애노드층(120)은 수소산화반응(hydrogen oxidation reaction)이 수행되지 않거나, 억제되어 낮은 수준으로 수행되는 물질이면서, 우수한 전자전도성을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 애노드층(120)은, 예를 들어 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 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.The anode layer 120 may include a material in which a hydrogen oxidation reaction is not performed or is suppressed and is performed at a low level, and has excellent electronic conductivity. The anode layer 120 may include, for example, at least one of copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), Ni-YSZ, Ni-GDC, and Ni-SDC. However, these materials are exemplary and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

도 6을 참조하면, 애노드층(120) 상에 수소산화반응 촉매층(130)을 형성한다. 수소산화반응 촉매층(130)은 애노드층(120)을 덮도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 수소산화반응 촉매층(130)은 애노드층(120)의 상기 주상 구조체들의 상면을 덮고, 상기 주상 구조체들의 측면의 적어도 일부를 덮도록 형성될 수 있다. 수소산화반응 촉매층(130)은 애노드층(120)의 상기 주상 구조체들 각각을 개별적으로 덮음으로써, 서로 이격되는 구조를 가지고, 이에 따라 이격 공간을 구비할 수 있다. 이러한 수소산화반응 촉매층(130)의 구조는 표면적을 증가시켜 수소산화반응을 활성화할 수 있다. 수소산화반응 촉매층(130)은 약 10 nm 내지 약 1000 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 이러한 수치는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.Referring to FIG. 6 , the hydrogen oxidation catalyst layer 130 is formed on the anode layer 120 . The hydrogen oxidation catalyst layer 130 may be formed to cover the anode layer 120 . For example, the hydrogen oxidation catalyst layer 130 may be formed to cover the upper surfaces of the columnar structures of the anode layer 120 and to cover at least a portion of the side surfaces of the columnar structures. The hydrogen oxidation catalyst layer 130 individually covers each of the columnar structures of the anode layer 120 , and thus has a structure spaced apart from each other, and thus may have a spaced apart space. The structure of the hydrogen oxidation catalyst layer 130 can activate the hydrogen oxidation reaction by increasing the surface area. The hydrogen oxidation catalyst layer 130 may have a thickness in the range of about 10 nm to about 1000 nm. However, these figures are exemplary and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

수소산화반응 촉매층(130)은 수소산화반응이 수행되는 물질을 포함할 수 있다. 수소산화반응 촉매층(130)은, 예를 들어 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 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.The hydrogen oxidation reaction catalyst layer 130 may include a material on which the hydrogen oxidation reaction is performed. The hydrogen oxidation reaction catalyst layer 130 is, for example, platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), nickel (Ni), Pt-GDC, Pt-YSZ, Pt-SDC, Pd-GDC, Pd- It may include at least one of YSZ, Pd-SDC, Ru-GDC, Ru-YSZ, Ru-SDC, Ni-YSZ, Ni-GDC, and Ni-SDC. However, these materials are exemplary and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

도 7을 참조하면, 수소산화반응 촉매층(130)상에 전해질층(140)을 형성한다. 전해질층(140)은 수소산화반응 촉매층(130)을 덮도록 형성될 수 있다. 전해질층(140)은 수소산화반응 촉매층(130)의 상면 및 측면을 덮을 수 있고, 또한 수소산화반응 촉매층(130) 사이에 구비된 상기 이격 공간의 상측을 덮을 수 있다. 이러한 전해질층(140)의 구조는 수소산화반응 촉매층(130)과 접촉하는 표면적을 증가시켜 수소산화반응을 활성화할 수 있다. 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.Referring to FIG. 7 , the electrolyte layer 140 is formed on the hydrogen oxidation catalyst layer 130 . The electrolyte layer 140 may be formed to cover the hydrogen oxidation reaction catalyst layer 130 . The electrolyte layer 140 may cover the upper surface and side surfaces of the hydrogen oxidation reaction catalyst layer 130 , and may also cover the upper side of the separation space provided between the hydrogen oxidation reaction catalyst layers 130 . The structure of the electrolyte layer 140 may activate the hydrogen oxidation reaction by increasing the surface area in contact with the hydrogen oxidation reaction catalyst layer 130 . The electrolyte layer 140 may have a thickness in the range of about 50 nm to about 10000 nm. However, these figures are exemplary and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

전해질층(140)은 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 전해질층(140)은, 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.The electrolyte layer 140 is not particularly limited as long as it can be generally used in the art. The electrolyte layer 140 may be, for example, yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), and Samaria doped ceria (SDC), gadolinia doped ceria (GDC), LSGM, and strontium or magnesium. At least one of the doped lanthanum gallate may be included. However, these materials are exemplary and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

도 8을 참조하면, 전해질층(140) 상에 캐소드층(150)을 형성한다. 캐소드층(150)은 전해질층(140)의 전체에 형성되거나 또는 일부에 형성될 수 있다. 이에 따라, 박막형 고체 산화물 연료전지(100)를 완성한다.Referring to FIG. 8 , the cathode layer 150 is formed on the electrolyte layer 140 . The cathode layer 150 may be formed on the whole or a part of the electrolyte layer 140 . Accordingly, the thin film type solid oxide fuel cell 100 is completed.

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.The cathode layer 150 may have a thickness ranging from about 50 nm to about 1000 nm. However, these figures are exemplary and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

캐소드층(150)은 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 캐소드층(150)은, 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.The cathode layer 150 is not particularly limited as long as it can be generally used in the art. The cathode layer 150 is, for example, palladium, platinum, Pt-YSZ, Pt-GDC, and lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), LSC, LSM, LSCF-YSZ, LSCF-GDC, LSC-YSZ, LSC-GDC. , BSCF, LaSrFe-YSZ, and may include at least one of NBSCF-40GDC. However, these materials are exemplary and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

상기 박막형 고체 산화물 연료전지(100)는, 나노 다공성 기판(110); 상기 나노 다공성 기판(110) 상에 배치되고, 서로 이격된 복수의 주상 구조체들로 구성된 애노드층(120); 상기 애노드층(120)을 덮는 수소산화반응 촉매층(130); 상기 수소산화반응 촉매층(130) 상에 위치하는 전해질층(140); 및 상기 애노드층(120)을 마주보고 배치되고, 상기 전해질층(140) 상에 위치하는 캐소드층(150)을 포함한다. The thin-film solid oxide fuel cell 100 includes a nano-porous substrate 110; an anode layer 120 disposed on the nano-porous substrate 110 and composed of a plurality of columnar structures spaced apart from each other; a hydrogen oxidation catalyst layer 130 covering the anode layer 120; an electrolyte layer 140 positioned on the hydrogen oxidation catalyst layer 130; and a cathode layer 150 disposed to face the anode layer 120 and positioned on the electrolyte layer 140 .

애노드층(120), 수소산화반응 촉매층(130), 전해질층(140), 및 캐소드층(150)은 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.The anode layer 120, the hydrogen oxidation reaction catalyst layer 130, the electrolyte layer 140, and the cathode layer 150 may be performed by various film formation methods, for example, evaporation, sol-gel method, Screen printing, dip coating, spin coating, spray pyrolysis, sputtering, pulsed laser deposition (PLD), chemical vapor deposition (CVD), and atomic layer deposition , ALD) and the like.

예를 들어, 양극산화 알루미늄(Anodic aluminum oxide, AAO)과 같은 나노 다공성 기판에 스퍼터링과 같은 물리기상증착법을 이용하여 연료극 집전층인 애노드층(120)을 수백 nm 내지 수 μm 범위로 형성할 수 있다. 상기 물리기상증착법의 특성상 애노드층(120)은 주상(Columnar) 구조로 형성될 수 있다. 여기에서, 상기 주상구조의 말단부가 이어지지 않도록 하여 기공을 막지 않고 다공도를 확보할 필요가 있다. 이어서, 애노드층(120) 상에 스퍼터링과 같은 물리기상증착법 또는 상술한 바와 같은 화학기상증착법을 이용하여 수소산화반응 촉매층(130)을 수 nm 내지 수백 nm 범위로 매우 얇게 형성한다. 수소산화반응은 삼상계면에서 발생하므로, 기체가 투과할 수 있도록 기공을 막지 않도록 한다. 이후에 수소산화반응 촉매층(130) 상에 다양한 증착 방법을 이용하여 전해질층(140) 및 캐소드층(150)을 순차적으로 형성한다.For example, using a physical vapor deposition method such as sputtering on a nano-porous substrate such as anodic aluminum oxide (AAO), the anode layer 120, which is the anode current collecting layer, can be formed in the range of several hundred nm to several μm. . Due to the characteristics of the physical vapor deposition method, the anode layer 120 may be formed in a columnar structure. Here, it is necessary to ensure porosity without blocking the pores by preventing the distal end of the columnar structure from being connected. Then, the hydrogen oxidation catalyst layer 130 is formed very thinly in the range of several nm to several hundreds of nm by using a physical vapor deposition method such as sputtering or a chemical vapor deposition method as described above on the anode layer 120 . Since the hydrogen oxidation reaction occurs at the three-phase interface, do not block the pores to allow gas to permeate. Thereafter, the electrolyte layer 140 and the cathode layer 150 are sequentially formed on the hydrogen oxidation reaction catalyst layer 130 using various deposition methods.

연료전지의 애노드에서의 수소산화반응은 애노드와 전해질 사이에 위치하고 수십 nm 내지 수백 nm 범위의 두께를 가지는 계면에서 대부분 이루어진다. 상기 애노드의 다른 영역은 전자의 전도를 위하여 사용된다. 따라서, 종래의 박막형 고체 산화물 연료전지에서는, 애노드 전체를 백금과 같은 값비싼 귀금속을 이용하여 제작하여 제조 비용이 높은 한계가 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상에 따른 박막형 고체 산화물 연료전지에서는, 애노드를 상대적으로 저렴한 전자 전도성 물질로 구성하고, 상기 애노드 상에 수소산화반응이 발생되는 수소산화반응 촉매층을 별개로 형성함으로써, 귀금속의 사용을 감소시킬 수 있으므로 제조 비용을 낮출 수 있다. 또한, 구성요소들을 박막으로 형성함으로써, 400 ℃ 내지 600℃의 저온에서 동작가능한 박막형 고체 산화물 연료전지를 제공할 수 있다.The hydrogen oxidation reaction at the anode of the fuel cell is mostly performed at the interface between the anode and the electrolyte and having a thickness in the range of several tens of nm to several hundreds of nm. Another area of the anode is used for conduction of electrons. Therefore, in the conventional thin film solid oxide fuel cell, the entire anode is manufactured using an expensive noble metal such as platinum, and thus there is a limitation in that the manufacturing cost is high. However, in the thin film solid oxide fuel cell according to the technical idea of the present invention, the anode is made of a relatively inexpensive electron conductive material, and a hydrogen oxidation catalyst layer in which a hydrogen oxidation reaction occurs is separately formed on the anode. It is possible to reduce the use, thereby lowering the manufacturing cost. In addition, by forming the components into a thin film, it is possible to provide a thin film type solid oxide fuel cell operable at a low temperature of 400°C to 600°C.

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.The technical spirit of the present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is the technical spirit of the present invention that various substitutions, modifications and changes are possible without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which this belongs.

100 : 박막형 고체 산화물 연료전지, 110: 나노 다공성 기판,
120: 애노드층, 130: 수소산화반응 촉매층,
140: 전해질층, 150: 캐소드층,100: thin film solid oxide fuel cell, 110: nano-porous substrate,
120: anode layer, 130: hydrogen oxidation reaction catalyst layer,
140: electrolyte layer, 150: cathode layer,

Claims (21)

서로 이격된 복수의 주상 구조체들로 구성된 애노드층;
상기 애노드층을 덮는 수소산화반응 촉매층;
상기 수소산화반응 촉매층 상에 위치하는 전해질층; 및
상기 애노드층을 마주보고 배치되고, 상기 전해질층 상에 위치하는 캐소드층;을 포함하고,
상기 수소산화반응 촉매층은 상기 애노드층의 상기 주상 구조체들 각각의 상면과 측면의 적어도 일부를 덮고,
상기 주상 구조체들이 서로 이격되도록 이격 공간을 구비하는 구조를 가지며,
상기 수소산화반응은 상기 촉매층과 상기 전해질층 사이의 계면에서 발생하는,
박막형 고체 산화물 연료전지.an anode layer composed of a plurality of columnar structures spaced apart from each other;
a hydrogen oxidation catalyst layer covering the anode layer;
an electrolyte layer positioned on the hydrogen oxidation catalyst layer; and
and a cathode layer disposed to face the anode layer and positioned on the electrolyte layer;
The hydrogen oxidation catalyst layer covers at least a portion of the upper surface and the side surface of each of the columnar structures of the anode layer,
It has a structure having a spaced apart space so that the columnar structures are spaced apart from each other,
The hydrogen oxidation reaction occurs at the interface between the catalyst layer and the electrolyte layer,
Thin-film solid oxide fuel cell. 제 1 항에 있어서,
상기 애노드층이 배치된 나노 다공성 기판을 더 포함하는,
박막형 고체 산화물 연료전지.The method of claim 1,
Further comprising a nano-porous substrate on which the anode layer is disposed,
Thin-film solid oxide fuel cell. 제 2 항에 있어서,
상기 애노드층이 상기 나노 다공성 기판의 기공 상에는 위치하지 않고 상기 기공테두리영역 상에 위치함으로써, 상기 주상 구조체들이 서로 이격되어 형성되는,
박막형 고체 산화물 연료전지.3. The method of claim 2,
By positioning the anode layer on the pore border region rather than on the pores of the nano-porous substrate, the columnar structures are formed to be spaced apart from each other,
Thin-film solid oxide fuel cell. 제 2 항에 있어서,
상기 나노 다공성 기판은, 10 nm 내지 200 nm 범위의 복수의 기공들을 가지는,
박막형 고체 산화물 연료전지.3. The method of claim 2,
The nanoporous substrate has a plurality of pores in the range of 10 nm to 200 nm,
Thin-film solid oxide fuel cell. 제 2 항에 있어서,
상기 나노 다공성 기판은 다공성 양극 산화 알루미늄, 다공성 니켈 산화물, Ni-YSZ, Ni-SDC, 및 Ni-GDC 중 적어도 어느 하나를 포함하는,
박막형 고체 산화물 연료전지.3. The method of claim 2,
The nano-porous substrate comprises at least one of porous anodized aluminum oxide, porous nickel oxide, Ni-YSZ, Ni-SDC, and Ni-GDC,
Thin-film solid oxide fuel cell. 제 1 항에 있어서,
상기 애노드층은, 100 nm 내지 10000 nm 범위의 두께를 가지는,
박막형 고체 산화물 연료전지.The method of claim 1,
The anode layer has a thickness in the range of 100 nm to 10000 nm,
Thin-film solid oxide fuel cell. 제 1 항에 있어서,
상기 애노드층은, 수소산화반응이 억제되고, 전자전도성을 가지는 물질을 포함하는,
박막형 고체 산화물 연료전지.The method of claim 1,
The anode layer, the hydrogen oxidation reaction is suppressed, comprising a material having electron conductivity,
Thin-film solid oxide fuel cell. 제 1 항에 있어서,
상기 애노드층은, 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나를 포함하는,
박막형 고체 산화물 연료전지.The method of claim 1,
The anode layer comprises at least one of copper (Cu) and aluminum (Al),
Thin-film solid oxide fuel cell. 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 수소산화반응 촉매층은, 10 nm 내지 1000 nm 범위의 두께를 가지는,
박막형 고체 산화물 연료전지.The method of claim 1,
The hydrogen oxidation catalyst layer has a thickness in the range of 10 nm to 1000 nm,
Thin-film solid oxide fuel cell. 제 1 항에 있어서,
상기 수소산화반응 촉매층은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 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 포함하는,
박막형 고체 산화물 연료전지.The method of claim 1,
The hydrogen oxidation catalyst layer is platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), nickel (Ni), Pt-GDC, Pt-YSZ, Pt-SDC, Pd-GDC, Pd-YSZ, Pd-SDC, comprising at least one of Ru-GDC, Ru-YSZ, Ru-SDC, Ni-YSZ, Ni-GDC, and Ni-SDC,
Thin-film solid oxide fuel cell. 제 1 항에 있어서,
상기 전해질층은, 상기 수소산화반응 촉매층의 상면 및 측면을 덮는,
박막형 고체 산화물 연료전지.The method of claim 1,
The electrolyte layer covers the upper surface and the side surface of the hydrogen oxidation reaction catalyst layer,
Thin-film solid oxide fuel cell. 제 1 항에 있어서,
상기 전해질층은, 상기 수소산화반응 촉매층 사이에 구비된 이격 공간의 상측을 덮는,
박막형 고체 산화물 연료전지.The method of claim 1,
The electrolyte layer covers the upper side of the separation space provided between the hydrogen oxidation reaction catalyst layers,
Thin-film solid oxide fuel cell. 제 1 항에 있어서,
상기 전해질층은, 50 nm 내지 10000 nm 범위의 두께를 가지는,
박막형 고체 산화물 연료전지.The method of claim 1,
The electrolyte layer has a thickness in the range of 50 nm to 10000 nm,
Thin-film solid oxide fuel cell. 제 1 항에 있어서,
상기 전해질층은, 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 포함하는,
박막형 고체 산화물 연료전지.The method of claim 1,
The electrolyte layer includes yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), and Samaria doped ceria (SDC), gadolinia doped ceria (GDC), LSGM, and strontium or magnesium doped lanthanum gall. at least one of the rates,
Thin-film solid oxide fuel cell. 제 1 항에 있어서,
상기 캐소드층은, 50 nm 내지 1000 nm 범위의 두께를 가지는,
박막형 고체 산화물 연료전지.The method of claim 1,
The cathode layer has a thickness in the range of 50 nm to 1000 nm,
Thin-film solid oxide fuel cell. 제 1 항에 있어서,
상기 캐소드층은, 팔라듐, 백금, Pt-YSZ, Pt-GDC, 및 LSCF, LSC, LSM, LSCF-YSZ, LSCF-GDC, LSC-YSZ, LSC-GDC, BSCF, LaSrFe-YSZ, 및 NBSCF-40GDC 중 적어도 어느 하나를 포함하는,
박막형 고체 산화물 연료전지.The method of claim 1,
The cathode layer is palladium, platinum, Pt-YSZ, Pt-GDC, and LSCF, LSC, LSM, LSCF-YSZ, LSCF-GDC, LSC-YSZ, LSC-GDC, BSCF, LaSrFe-YSZ, and NBSCF-40GDC. comprising at least one of
Thin-film solid oxide fuel cell. 나노 다공성 기판을 제공하는 단계;
상기 나노 다공성 기판 상에 서로 이격된 복수의 주상 구조체들로 구성된 애노드층을 형성하는 단계;
상기 애노드 상에 수소산화반응 촉매층을 형성하는 단계;
상기 수소산화반응 촉매층 상에 전해질층을 형성하는 단계; 및
상기 전해질층 상에 캐소드층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 수소산화반응 촉매층은 상기 애노드층의 상기 주상 구조체들 각각의 상면과 측면의 적어도 일부를 덮고,
상기 주상 구조체들이 서로 이격되도록 이격 공간을 구비하는 구조를 가지며,
상기 수소산화반응은 상기 촉매층과 상기 전해질층 사이의 계면에서 발생하는,
박막형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.providing a nanoporous substrate;
forming an anode layer composed of a plurality of columnar structures spaced apart from each other on the nanoporous substrate;
forming a hydrogen oxidation catalyst layer on the anode;
forming an electrolyte layer on the hydrogen oxidation catalyst layer; and
Including; forming a cathode layer on the electrolyte layer;
The hydrogen oxidation catalyst layer covers at least a portion of the upper surface and the side surface of each of the columnar structures of the anode layer,
It has a structure having a spaced apart space so that the columnar structures are spaced apart from each other,
The hydrogen oxidation reaction occurs at the interface between the catalyst layer and the electrolyte layer,
A method for manufacturing a thin film solid oxide fuel cell. 제 19 항에 있어서,
상기 애노드층을 형성하는 단계에서, 상기 애노드층은 상기 나노 다공성 기판의 기공 상에는 형성되지 않고 상기 기공테두리영역 상에 형성되어, 이에 따라 서로 이격된 상기 주상 구조체들을 형성하는,
박막형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.20. The method of claim 19,
In the step of forming the anode layer, the anode layer is not formed on the pores of the nano-porous substrate, but is formed on the pore border region, thereby forming the columnar structures spaced apart from each other,
A method for manufacturing a thin-film solid oxide fuel cell. 제 19 항에 있어서,
상기 애노드층을 형성하는 단계는 스퍼터링을 이용하여 수행하고,
상기 수소산화반응 촉매층을 형성하는 단계는 화학기상증착법 또는 물리기상증착법을 이용하여 수행하는,
박막형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.20. The method of claim 19,
Forming the anode layer is performed using sputtering,
Forming the hydrogen oxidation reaction catalyst layer is performed using a chemical vapor deposition method or a physical vapor deposition method,
A method for manufacturing a thin-film solid oxide fuel cell.
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