KR20190096912A - Fuel cell and method of fabricating of the same - Google Patents

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양휘철
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Abstract

A fuel cell and a method for manufacturing the same are provided. The fuel cell includes an oxidizing electrode, an electrolyte on the oxidizing electrode, and a reducing electrode disposed on the electrolyte, wherein the electrolyte includes a first portion and a second portion having different densities of grain boundaries. The method for manufacturing the fuel cell comprises the steps of: forming an electrolyte; and forming a reducing electrode on the electrolyte, wherein the electrolyte includes a first portion and a second portion having different densities of grain boundaries. Accordingly, a fuel cell with increased performance can be provided.

Description

연료전지 및 그 제조 방법{Fuel cell and method of fabricating of the same}FUEL CELL AND METHOD OF FABRICATION OF THE SAME

본 발명은 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전해질 결정립계(grain boundary)의 밀도를 조절하여 성능이 향상된 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a fuel cell and a method of manufacturing the improved performance by adjusting the density of the electrolyte grain boundary (grain boundary).

대체 에너지원으로 주목받고 있는 연료전지는, 연료 자원이 무한하고, 환경 보존성이 우수하며, 발전 효율이 높다. 연료전지는 전해질에 따라 구분되어 고체고분자형, 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물로 분류되고, 이 중에서도 고체산화물 연료전지(Solid-Oxide Fuel Cell, SOFC)는 발전 효율이 가장 높고, 내구성이 뛰어나며, 귀금속을 사용하지 않아 제조 비용이 낮다. 그러나, 기존의 고체산화물 연료전지는, 일반적으로 고온(800-1000℃)에서 작동하여 환원극의 열화 및 열적 안정성을 저해하는 단점을 갖는다.The fuel cell, which is attracting attention as an alternative energy source, has infinite fuel resources, excellent environmental preservation, and high power generation efficiency. Fuel cells are classified according to electrolyte and classified into solid polymer type, phosphate type, molten carbonate type, and solid oxide. Among them, solid-oxide fuel cell (SOFC) has the highest generation efficiency, high durability, It does not use precious metals, so the manufacturing cost is low. However, conventional solid oxide fuel cells generally have a disadvantage of operating at high temperatures (800-1000 ° C.) to inhibit deterioration and thermal stability of the cathode.

이에 따라, 상대적으로 저온 영역에서 구동하며, 높은 발전 효율을 갖는 고체산화물 연료전지에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다.Accordingly, active researches are being conducted on solid oxide fuel cells which operate in a relatively low temperature region and have high power generation efficiency.

예를 들어, 대한민국 특허 공개 번호 제10-2012-0037839호 (출원인: 삼성전자주식회사, 서울대학교산학협력단, 출원번호: 제10-2010-0099543호)는 고체산화물 연료전지에 관한 것으로, 다공성 지지체 상의 수소 투과성 금속 박막을 포함하는 산화극을 형성하여, 고체산화물 전해질막의 두께를 감소시키고, 이에 따라, 저항이 감소하고 수소의 확산속도가 증가되어, 작동온도가 감소된 연료전지를 개시한다.For example, Korean Patent Publication No. 10-2012-0037839 (Applicant: Samsung Electronics Co., Ltd., Seoul National University Industry Cooperation Group, Application No .: 10-2010-0099543) relates to a solid oxide fuel cell, An anode comprising a hydrogen permeable metal thin film is formed, thereby reducing the thickness of the solid oxide electrolyte membrane, thereby reducing the resistance and increasing the diffusion rate of hydrogen, thereby reducing the operating temperature.

대한민국 특허 공개 번호 제10-2012-0037839호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2012-0037839

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 산소 이온 전달 능력이 향상된 연료전지를 제공하는 데 있다.One technical problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell with improved oxygen ion transfer capability.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 출력 특성이 향상된 연료전지를 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell with improved output characteristics.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전해질 표면의 결정 크기가 감소된 연료전지를 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell having a reduced crystal size of the electrolyte surface.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전해질 표면의 결정립계 밀도가 증가된 연료전지를 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell having an increased grain boundary density on an electrolyte surface.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 박막을 구성하는 결정의 크기 조절이 가능한 연료전지 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell manufacturing method capable of controlling the size of the crystal constituting the thin film.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 박막을 구성하는 결정립계의 밀도 조절이 가능한 연료전지 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell manufacturing method capable of controlling the density of the grain boundaries constituting the thin film.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.The technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 연료전지를 제공한다.In order to solve the above technical problem, the present invention provides a fuel cell.

일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지는 산화극, 상기 산화극 상의 전해질 및 상기 전해질 상에 배치되는 환원극을 포함하되, 상기 전해질은, 결정립계(grain boundary)의 밀도가 상이한 제1 부분 및 제2 부분을 포함한다.According to an embodiment, the fuel cell includes an anode, an electrolyte on the anode, and a cathode disposed on the electrolyte, wherein the electrolyte includes: first and second portions having different densities of grain boundaries; Include the part.

일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지는 상기 제1 부분 상에 상기 제2 부분이 배치되고, 상기 제1 부분보다 상기 제2 부분의 결정립계 밀도가 높은 것을 포함할 수 있다.In example embodiments, the fuel cell may include a second portion disposed on the first portion, and a grain boundary density of the second portion higher than the first portion.

일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지는 상기 제1 부분보다 상기 제2 부분의 두께가 얇은 것을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the fuel cell may include a thickness of the second portion is thinner than the first portion.

일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지는 상기 제1 부분보다 상기 제2 부분의 결정(grain) 크기가 작은 것을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the fuel cell may include a smaller grain size of the second portion than the first portion.

일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지는 상기 제1 부분보다 상기 제2 부분의 막의 밀도(density)가 낮은 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, the fuel cell may include a lower density of the membrane of the second portion than the first portion.

일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지는 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 사이의 경계면이 존재하는 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, the fuel cell may include an interface between the first portion and the second portion.

일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지는 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 사이의 경계면이 존재하지 않으며, 일체(one body)를 이루는 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, the fuel cell may include an interface between the first portion and the second portion, and forming one body.

일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지는 상기 산화극이 지지체 상에 배치되는 것을 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the fuel cell may further include the anode is disposed on a support.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 연료전지의 제조 방법을 제공한다.In order to solve the above technical problem, the present invention provides a fuel cell manufacturing method.

일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지의 제조 방법은 전해질을 형성하는 단계 및 상기 전해질 상에 환원극을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 전해질은 결정립계의 밀도가 상이한 제1 부분 및 제2 부분을 포함한다.According to an embodiment, the method of manufacturing the fuel cell includes forming an electrolyte and forming a cathode on the electrolyte, wherein the electrolyte includes a first portion and a second portion having different grain boundary densities. do.

일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지의 제조 방법은 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분이 서로 다른 제조공정으로 형성되거나, 또는 서로 다른 공정 조건에서 동일한 제조공정으로 형성되는 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, the method of manufacturing the fuel cell may include forming the first portion and the second portion in different manufacturing processes or in the same manufacturing process under different processing conditions.

일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지의 제조 방법은 상기 전해질을 형성하는 단계 전에, 지지체를 준비하는 단계 및 상기 지지체 상에 산화극을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 산화극 상에 상기 전해질이 형성되는 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the method of manufacturing the fuel cell further includes preparing a support and forming an anode on the support before forming the electrolyte, wherein the electrolyte is formed on the anode. It may include what is formed.

일 실시 예에 따르면, 상기 전해질의 상기 제1 부분은 스퍼터링, 테이프 캐스팅, 또는 용액 증착법 중에서 어느 하나로 형성되고, 상기 전해질의 상기 제2 부분은 스퍼터링으로 형성되는 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, the first portion of the electrolyte may be formed by any one of sputtering, tape casting, or solution deposition, and the second portion of the electrolyte may be formed by sputtering.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 부분이 스퍼터링으로 형성되는 경우, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 사이에 경계면이 존재하지 않고, 상기 제1 부분이 테이프 캐스팅 또는 용액 증착법으로 형성되는 경우, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 사이에 경계면이 존재하는 것을 포함할 수 있다.According to one embodiment, when the first portion is formed by sputtering, there is no interface between the first portion and the second portion, and when the first portion is formed by tape casting or solution deposition, the It may include the presence of an interface between the first portion and the second portion.

일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지의 제조 방법은, 상기 전해질을 형성하는 단계로, 상기 제1 부분을 포함하는 베이스 구조물(base structure)을 준비하는 단계 및 상기 베이스 구조물 상에 상기 제2 부분을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 부분 상에 상기 환원극이 형성되고, 상기 전해질을 사이에 두고 상기 환원극과 이격되도록 상기 베이스 구조물 상에 산화극이 형성되는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, the method of manufacturing the fuel cell may include forming the electrolyte, preparing a base structure including the first portion, and forming the second portion on the base structure. And forming an anode on the base structure such that the cathode is formed on the second portion, and the cathode is spaced apart from the cathode with the electrolyte therebetween.

일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지의 제조 방법은 상기 제1 부분을 포함하는 상기 베이스 구조물 및 상기 제2 부분 사이에 경계면이 존재하는 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, the method of manufacturing the fuel cell may include an interface between the base structure including the first portion and the second portion.

일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지의 제조 방법은 상기 전해질이 스퍼터링으로 형성되는 것을 포함하되, 스퍼터링 공정에서 소스에 인가되는 전류, 캐리어(carrier) 가스의 비율, 또는 온도 중에서 적어도 어느 하나를 조절하여, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 결정립계의 밀도를 조절하는 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the method of manufacturing the fuel cell may include forming the electrolyte by sputtering, by adjusting at least one of a current applied to a source, a ratio of a carrier gas, or a temperature applied to a source in a sputtering process. The method may include adjusting density of grain boundaries of the first portion and the second portion.

일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지의 제조 방법은 상기 제1 부분의 스퍼터링 공정 조건이 상기 제2 부분의 스퍼터링 공정 조건과 비교하여, 소스에 인가되는 전류가 높거나, 캐리어 가스의 비율이 높거나, 온도가 낮은 것 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 제1 부분보다 상기 제2 부분의 결정립계 밀도가 높은 것을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the method of manufacturing the fuel cell has a sputtering process condition of the first portion compared to the sputtering process conditions of the second portion, the current applied to the source is high, or the ratio of the carrier gas is high It may include at least one of the temperature is low, and the grain boundary density of the second portion is higher than the first portion.

일 실시 예에 따르면, 상기 전해질은 YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia), GDC(Gadolinia-Doped Ceria), SDC(Samarium-Doped Ceria) 또는 ScSZ(Scandia-Stabilized Zirconia) 중에서 어느 하나로 형성되는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present disclosure, the electrolyte may include one formed of YSZ (Yttria-Stabilized Zirconia), GDC (Gadolinia-Doped Ceria), SDC (Samarium-Doped Ceria), or ScSZ (Scandia-Stabilized Zirconia). .

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 제조 방법은, 전해질이 스퍼터링으로 형성되는 것을 포함하되, 스퍼터링 공정에서 소스에 인가되는 전류, 캐리어 가스의 비율, 또는 온도 중에서 적어도 어느 하나를 조절하여, 전해질의 결정립계 밀도를 조절할 수 있다. 이에 따라, 전해질 결정립계의 밀도를 용이하게 조절할 수 있는 연료전지 제조 방법이 제공될 수 있다.A fuel cell manufacturing method according to an exemplary embodiment of the present invention includes forming an electrolyte by sputtering, and controlling at least one of a current, a ratio of a carrier gas, and a temperature applied to a source in a sputtering process, thereby determining a grain boundary of the electrolyte. The density can be adjusted. Accordingly, a fuel cell manufacturing method capable of easily adjusting the density of the electrolyte grain boundary may be provided.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지는, 전해질 제1 부분 상에, 환원극과 인접하고, 제1 부분 보다 결정의 크기가 작고, 결정립계의 밀도가 높은 전해질 제2 부분을 포함할 수 있다. 이로 인해, 전해질 표면에서 산소 이온이 흡착되어 이온화되는 현상을 증가시킬 수 있고, 이에 따라, 성능이 향상된 연료전지가 제공될 수 있다. In addition, the fuel cell according to the embodiment of the present invention may include an electrolyte second portion adjacent to the reduction electrode on the electrolyte first portion, having a smaller crystal size and a higher density of grain boundaries than the first portion. . As a result, the phenomenon that oxygen ions are adsorbed and ionized on the surface of the electrolyte may be increased, thereby providing a fuel cell having improved performance.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 사시도이다.
도 3 및 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 전해질 결정립계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 전해질의 SEM 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 전해질의 TEM 사진 및 SAED 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 전해질의 X-선 회절 분석법(X-ray diffraction, XRD) 분석 결과이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 성능 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 전기화학 특성 평가 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 성능 그래프이다.
도 13 및 14는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 전기화학 특성 평가 그래프이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
2 is a perspective view of a fuel cell manufactured according to a first embodiment of the present invention.
3 and 4 are diagrams for describing an electrolyte grain boundary of a fuel cell manufactured according to a first embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
6 is a perspective view of a fuel cell manufactured according to a second embodiment of the present invention.
7 is a SEM photograph of an electrolyte of a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
8 is a TEM picture and SAED picture of an electrolyte of a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
9 is an X-ray diffraction (XRD) analysis result of an electrolyte of a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
10 is a performance graph of a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph illustrating an electrochemical characteristic evaluation of a fuel cell manufactured according to an exemplary embodiment of the present invention.
12 is a performance graph of a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
13 and 14 are graphs for evaluating electrochemical characteristics of fuel cells manufactured according to embodiments of the present disclosure.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical idea of the present invention is not limited to the exemplary embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed contents are thorough and complete, and that the spirit of the present invention can be sufficiently delivered to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In the present specification, when a component is mentioned to be on another component, it means that it may be formed directly on the other component or a third component may be interposed therebetween. In addition, in the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical contents.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.In addition, in various embodiments of the present specification, terms such as first, second, and third are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Thus, what is referred to as a first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment. In addition, the term 'and / or' is used herein to include at least one of the components listed before and after.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. In the specification, the singular encompasses the plural unless the context clearly indicates otherwise. In addition, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, element, or combination thereof described in the specification, and one or more other features or numbers, steps, configurations It should not be understood to exclude the possibility of the presence or the addition of elements or combinations thereof.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 사시도이고, 도 3 및 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 전해질 결정립계를 설명하기 위한 도면이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a fuel cell according to a first embodiment of the present invention, Figure 2 is a perspective view of a fuel cell manufactured according to the first embodiment of the present invention, Figures 3 and 4 A diagram for describing an electrolyte grain boundary of a fuel cell manufactured according to the first embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 지지체(110)가 준비된다(S110). 일 실시 예에 따르면, 상기 지지체(110)는 다공성 박막 지지체일 수 있다. 예를 들어, 상기 지지체(110)는 AAO(Anodized Aluminum Oxide)일 수 있다.1 and 2, the support 110 is prepared (S110). According to one embodiment, the support 110 may be a porous thin film support. For example, the support 110 may be an anodized aluminum oxide (AOA).

상기 지지체(110) 상에 산화극(120)이 형성된다(S120). 상기 산화극(120)은 스퍼터링, 테이프 캐스팅, 또는 용액 증착법 중에서 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 산화극(120)은 Pd, V, Pt, Ni, Ag, Au, 또는 상기 물질들의 합금 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 산화극(120)이 Pt를 포함하는 경우, 상기 산화극(120)은, 스퍼터링 공정을 이용해, 출력 100W, 타겟과 기판의 간격 100mm, 아르곤 압력 75mTorr, 및 증착 시간 200초의 조건 하에서, 150nm의 두께로 형성될 수 있다.An anode 120 is formed on the support 110 (S120). The anode 120 may be formed by any one of sputtering, tape casting, and solution deposition. For example, the anode 120 may include at least one of Pd, V, Pt, Ni, Ag, Au, or an alloy of the above materials. For example, when the anode 120 includes Pt, the anode 120 has a sputtering process, and has an output of 100 W, a distance of 100 mm between a target and a substrate, an argon pressure of 75 mTorr, and a deposition time of 200 seconds. Under the thickness of 150 nm.

상기 산화극(120) 상에 전해질의 제1 부분(130)이 형성된다(S130). 상기 제1 부분(130)은 스퍼터링, 테이프 캐스팅, 또는 용액 증착법 중에서 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 부분(130)은, YSZ(Yttria-stabilized Zirconia), GDC(Gadolinia-doped Ceria), ScSZ(Scandia-stabilized Zirconia), 또는 SDC(Samarium-doped Ceria) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 부분(130)이, YSZ를 포함하는 경우, 상기 제1 부분(130)은, 스퍼터링 공정을 이용해, 출력 90W, 전압 -220V 및 아르곤 및 산소 혼합 기체의 압력 5mTorr의 조건 하에서, 500nm의 두께로 형성될 수 있다.The first portion 130 of the electrolyte is formed on the anode 120 (S130). The first portion 130 may be formed by any one of sputtering, tape casting, and solution deposition. For example, the first portion 130 may include at least one of Yttria-stabilized Zirconia (YSZ), Gadolinia-doped Ceria (GDC), Scandia-stabilized Zirconia (SCS), or Samarium-doped Ceria (SDC). It may include. For example, when the first portion 130 includes YSZ, the first portion 130 may be sputtered to produce an output of 90 W, a voltage of -220 V, and a pressure of 5 mTorr of an argon and oxygen mixed gas. Under the thickness of 500 nm.

상기 제1 부분(130) 상에 상기 전해질의 제2 부분(140)이 형성된다(S140). 상기 제2 부분(140)은 스퍼터링으로 형성될 수 있고, 상기 제2 부분(140)을 구성하는 결정의 크기는 100nm 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 부분(140)은 YSZ(Yttria-stabilized Zirconia), GDC(Gadolinia-doped Ceria), ScSZ(Scandia-stabilized Zirconia), 또는 SDC(Samarium-doped Ceria) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 부분(140)이, YSZ를 포함하는 경우, 상기 제2 부분(140)은, 스퍼터링 공정을 이용해, 출력 90W, 전압 -120~-220V, 아르곤 및 산소 혼합 기체의 압력 5mTorr 및 증착 두께에 적합한 시간 조건 하에서 형성될 수 있다.The second part 140 of the electrolyte is formed on the first part 130 (S140). The second portion 140 may be formed by sputtering, and the size of the crystal constituting the second portion 140 may be 100 nm or less. For example, the second portion 140 includes at least one of Yttria-stabilized Zirconia (YSZ), Gadolinia-doped Ceria (GDC), Scandia-stabilized Zirconia (SCS), or Samarium-doped Ceria (SDC). can do. For example, when the second portion 140 includes YSZ, the second portion 140 may be sputtered to output 90 W, a voltage of -120 to -220 V, and a pressure of argon and oxygen mixed gas. It can be formed under time conditions suitable for 5 mTorr and deposition thickness.

상기 제1 부분(130) 및 상기 제2 부분(140)은 막의 두께, 결정립계(grain boundary)의 밀도 및 결정의 크기가 상이하되, 상기 제2 부분(140)의 두께가 상기 제1 부분(130)보다 얇고, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제2 부분(140)의 결정립계 밀도가 상기 제1 부분(130)보다 높고, 상기 제2 부분(140)의 결정의 크기가 상기 제1 부분(130)보다 작다. 상기 제2 부분(140)의 두께를 얇게 증착하여, 막의 증착 과정에서 결정의 발달이 억제되고, 이에 따라 결정의 크기가 작아지고 결정립계의 밀도가 높아질 수 있다.The first portion 130 and the second portion 140 have different thicknesses of the film, the density of grain boundaries, and the size of crystals, but the thickness of the second portion 140 is greater than the first portion 130. 3 and 4, the grain boundary density of the second portion 140 is higher than that of the first portion 130, and the size of the crystal of the second portion 140 is greater than that of the first portion 130. Is smaller than one portion 130. By thinly depositing the thickness of the second portion 140, the development of crystals is suppressed in the deposition process of the film, thereby reducing the size of the crystals and increasing the density of grain boundaries.

상기 제1 부분(130) 및 상기 제2 부분(140)을 포함하는 상기 전해질이 스퍼터링 공정으로 형성되는 경우, 스퍼터링 공정의 전류, 캐리어(carrier) 가스의 비율, 또는 온도를 조절하여, 결정립계의 밀도, 결정의 크기, 및 막의 밀도가 조절될 수 있다. 다시 말하면, 스퍼터링 공정의 전류를 증가시키거나, 캐리어 가스의 비율을 증가시키거나 또는 온도를 감소시켜, 결정립계의 밀도를 증가시키거나 결정의 크기 및 막의 밀도를 감소시킬 수 있다. 또는, 스퍼터링 공정의 전류를 감소시키거나, 캐리어 가스의 비율을 감소시키거나 또는 온도를 증가시켜, 결정립계의 밀도를 감소시키거나 결정의 크기 및 막의 밀도를 증가시킬 수 있다.When the electrolyte including the first portion 130 and the second portion 140 is formed by a sputtering process, the current of the sputtering process, the ratio of the carrier gas, or temperature is adjusted to adjust the density of grain boundaries. , Crystal size, and film density can be controlled. In other words, it is possible to increase the current of the sputtering process, increase the proportion of carrier gas, or decrease the temperature, thereby increasing the density of grain boundaries or reducing the size of crystals and the density of the film. Alternatively, the current of the sputtering process may be reduced, the proportion of carrier gas may be reduced, or the temperature may be increased, thereby reducing the density of grain boundaries or increasing the size of the crystal and the density of the film.

따라서, 상기 제1 부분(130) 및 상기 제2 부분(140)이 스퍼터링으로 형성되는 경우, 상기 제2 부분(140)의 스퍼터링 공정 조건은 상기 제1 부분(130)의 스퍼터링 공정 조건과 비교하여, 소스에 인가되는 전류가 높거나, 캐리어 가스의 비율이 높거나, 온도가 낮은 것 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 이에 따라, 상기 제1 부분(130)보다 상기 제2 부분(140)의 결정립계 밀도가 높을 수 있다.Accordingly, when the first portion 130 and the second portion 140 are formed by sputtering, the sputtering process conditions of the second portion 140 are compared with the sputtering process conditions of the first portion 130. And at least one of a high current applied to the source, a high proportion of the carrier gas, and a low temperature. Accordingly, the grain boundary of the second portion 140 is greater than that of the first portion 130. The density can be high.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 부분(130) 및 상기 제2 부분(140)이 동일한 제조공정으로 형성되는 경우, 상기 제1 부분(130) 및 상기 제2 부분(140) 사이에 경계면이 존재하지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 부분(130) 및 상기 제2 부분(140)이 스퍼터링 공정으로 형성될 시, 상기 제1 부분(130)과 상기 제2 부분(140)의 사이에 경계면이 존재하지 않고, 상기 제1 부분(130) 및 상기 제2 부분(140)은 일체(one body) 일 수 있다. According to an embodiment, when the first portion 130 and the second portion 140 are formed by the same manufacturing process, an interface exists between the first portion 130 and the second portion 140. You can't. For example, when the first portion 130 and the second portion 140 are formed by a sputtering process, there is no interface between the first portion 130 and the second portion 140. The first portion 130 and the second portion 140 may be one body.

상술된 바와 달리, 상기 제1 부분(130) 및 상기 제2 부분(140)이 다른 제조공정으로 형성되는 경우, 상기 제1 부분(130) 및 상기 제2 부분(140) 사이에 경계면이 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 부분(130)이 테이프 캐스팅, 또는 용액 증착법으로 형성되고, 상기 제2 부분(140)이 스퍼터링으로 형성될 시, 상기 제1 부분(130)과 상기 제2 부분(140)의 사이에 경계면이 존재할 수 있다.Unlike the above, when the first portion 130 and the second portion 140 are formed by different manufacturing processes, an interface may exist between the first portion 130 and the second portion 140. have. For example, when the first portion 130 is formed by tape casting or solution deposition, and the second portion 140 is formed by sputtering, the first portion 130 and the second portion 140 are formed. There may be an interface between).

상기 제2 부분(140) 상에 환원극(150)이 형성된다(S150). 상기 환원극(150)은 스퍼터링, 테이프 캐스팅, 또는 용액 증착법 중에서 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 환원극(150)은 Pd, V, Pt, Ni, Ag, Au, 또는 상기 물질들의 합금 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 환원극(150)이 Pt를 포함하는 경우, 스퍼터링 공정을 이용해, 출력 100W, 타겟과 기판의 간격 100mm, 아르곤 압력 75mTorr, 및 증착 시간 200초의 조건 하에서, 150nm의 두께로 형성될 수 있다.The cathode 150 is formed on the second portion 140 (S150). The cathode 150 may be formed by any one of sputtering, tape casting, and solution deposition. For example, the reduction electrode 150 may include at least one of Pd, V, Pt, Ni, Ag, Au, or an alloy of the materials. For example, when the cathode 150 includes Pt, a thickness of 150 nm may be formed using a sputtering process under a condition of 100 W of output, 100 mm of target and substrate, 75 mTorr of argon pressure, and 200 sec of deposition time. Can be.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 제조 방법은, 상기 전해질이 스퍼터링으로 형성되는 것을 포함하되, 스퍼터링 공정에서 소스에 인가되는 전류, 캐리어 가스의 비율, 또는 온도 중에서 적어도 어느 하나를 조절하여, 상기 전해질의 결정립계 밀도를 조절할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 제조 방법은 상기 전해질의 결정립계의 밀도를 용이하게 조절할 수 있다.The fuel cell manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the electrolyte is formed by sputtering, by adjusting at least one of the current, the ratio of the carrier gas, or the temperature applied to the source in the sputtering process, The grain boundary density of the electrolyte can be controlled. For this reason, the fuel cell manufacturing method according to the embodiment of the present invention can easily adjust the density of the grain boundary of the electrolyte.

본 발명의 실시 예와 달리, 스퍼터링 공정에서 소스에 인가되는 전류, 캐리어 가스의 비율, 또는 온도와 같은 공정 조건을 조절하여 상기 전해질의 결정립계 밀도를 조절하지 않고, 고온 소결과 같은 공정을 이용하여 상기 전해질의 결정립계 밀도를 조절하는 경우, 상기 전해질 결정립계의 밀도 조절이 용이하지 않으며, 고온 소결로 인한 연료전지의 내구성이 약화될 수 있다. Unlike the embodiment of the present invention, the process conditions such as the current applied to the source, the ratio of the carrier gas, or the temperature in the sputtering process is not adjusted to control the grain boundary density of the electrolyte, When adjusting the grain boundary density of the electrolyte, it is not easy to adjust the density of the electrolyte grain boundary, and durability of the fuel cell due to high temperature sintering may be weakened.

하지만, 본 발명의 실시 예와 같이, 스퍼터링 공정의 공정 조건을 조절하여 상기 전해질의 결정립계 밀도를 조절하는 경우, 결정립계의 밀도 조절이 용이하며, 내구성이 강화된 연료전지 제조 방법이 제공될 수 있다.However, as in the embodiment of the present invention, when controlling the grain boundary density of the electrolyte by adjusting the process conditions of the sputtering process, it is easy to control the density of the grain boundary, it can be provided with a fuel cell manufacturing method with enhanced durability.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지는, 결정의 크기와 결정립계의 밀도가 상이한 상기 제1 부분(130)과 상기 제1 부분(130) 상의 상기 제2 부분(140)으로 구성되는 상기 전해질을 포함하되, 상기 제2 부분(140)이 상기 제1 부분(130)보다 결정의 크기가 작고, 결정립계의 밀도가 높은 것을 포함할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지는 성능이 향상될 수 있다.In addition, the fuel cell according to the embodiment of the present invention, the electrolyte consisting of the first portion 130 and the second portion 140 on the first portion 130, the crystal size and the density of the grain boundary is different. It may include, but the second portion 140 may include a smaller crystal size than the first portion 130, the density of the grain boundary is high. For this reason, the fuel cell according to the embodiment of the present invention may improve performance.

다시 말하면, 연료전지의 상기 전해질의 표면에 존재하는 결정립계는 산소 이온이 흡착되어 이온화되는 현상이, 다른 부분에 비해 현저히 높은 빈도로 발생한다. 따라서, 본 발명의 실시 예와 같이, 상기 환원극(150)에 인접한 상기 전해질의 표면의 결정립계 밀도를 증가시켜 연료전지의 성능이 향상될 수 있다. In other words, in the grain boundary present on the surface of the electrolyte of the fuel cell, the phenomenon that oxygen ions are adsorbed and ionized occurs at a significantly higher frequency than other parts. Thus, as in the embodiment of the present invention, the performance of the fuel cell may be improved by increasing the grain boundary density of the surface of the electrolyte adjacent to the cathode 150.

본 발명의 실시 예와 달리, 상기 환원극(150)에 인접한 상기 전해질의 표면의 결정립계 밀도가 낮은 경우, 산소 이온이 흡착되어 이온화되는 현상의 발생 빈도가 현저히 낮아진다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예와 같이, 연료전지의 상기 전해질의 상기 제1 부분(130) 상에, 상기 제1 부분(130)보다 결정의 크기가 작고 결정립계의 밀도가 높은 상기 제2 부분(140)을 포함하지 못하는 경우, 연료전지의 성능이 저하될 수 있다.Unlike the embodiment of the present invention, when the grain boundary density of the surface of the electrolyte adjacent to the cathode 150 is low, the occurrence frequency of oxygen ions adsorbed and ionized is significantly lowered. Accordingly, as in the embodiment of the present invention, on the first portion 130 of the electrolyte of the fuel cell, the second portion having a smaller crystal size and a higher density of grain boundaries than the first portion 130 ( If it does not include 140, the performance of the fuel cell may be degraded.

하지만, 본 발명의 실시 예와 같이, 상기 전해질의 상기 제1 부분(130) 상에, 상기 제1 부분(130) 보다 결정의 크기가 작고, 결정립계의 밀도가 높은 상기 제2 부분(140)이 배치되어, 상기 환원극(150)과 접촉하는 경우, 상기 전해질의 표면에 산소 이온이 흡착되어 이온화되는 현상이 현저히 높은 빈도로 발생하고, 이에 따라, 성능이 향상된 연료전지가 제공될 수 있다.However, as in the embodiment of the present invention, the second portion 140 having a smaller crystal size and a higher density of grain boundaries than the first portion 130 is formed on the first portion 130 of the electrolyte. When disposed and in contact with the cathode 150, the phenomenon in which oxygen ions are adsorbed and ionized on the surface of the electrolyte occurs at a high frequency, and thus, a fuel cell having improved performance may be provided.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지는, 상기 제2 부분(140)의 두께가 상기 제1 부분(130)의 두께보다 얇고, 이에 따라, 상기 환원극(150)에 인접한 상기 전해질에서 산소 이온을 용이하게 흡착하는 동시에, 전기 전도도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.In addition, in the fuel cell according to the embodiment of the present invention, the thickness of the second portion 140 is thinner than the thickness of the first portion 130, and thus, oxygen in the electrolyte adjacent to the cathode 150 is reduced. The ion can be easily adsorbed and the electrical conductivity can be prevented from decreasing.

본 발명의 실시 예와 달리, 상기 제2 부분(140)의 두께가 상기 제1 부분(130)의 두께보다 얇지 않은 경우, 상기 환원극(150)에 인접한 상기 전해질의 산소 이온의 흡착도가 낮아지는 동시에, 전기 전도도가 저하되어, 연료전지의 성능이 저하될 수 있다.Unlike the embodiment of the present invention, when the thickness of the second portion 140 is not thinner than the thickness of the first portion 130, the adsorption degree of oxygen ions of the electrolyte adjacent to the cathode 150 is low. At the same time, the electrical conductivity is lowered, which may lower the performance of the fuel cell.

하지만 본 발명의 실시 예와 같이, 상기 제2 부분(140)의 두께가 상기 제1 부분(130)의 두께보다 얇은 경우, 상기 환원극(150)에 인접한 상기 전해질의 산소 이온 흡착도가 높아지는 동시에, 상기 전해질의 전기 전도도가 향상되어, 성능이 향상된 연료전지가 제공될 수 있다.However, as in the embodiment of the present invention, when the thickness of the second portion 140 is thinner than the thickness of the first portion 130, the oxygen ion adsorption degree of the electrolyte adjacent to the cathode 150 is increased at the same time. The improved electrical conductivity of the electrolyte may provide a fuel cell having improved performance.

상술된 본 발명의 제1 실시 예와 달리, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상기 지지체(110)를 대체하여 전해질이 지지체로써 사용될 수 있다. 이하, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지의 제조 방법이 설명된다.Unlike the first embodiment of the present invention described above, according to the second embodiment of the present invention, an electrolyte may be used as a support in place of the support 110. Hereinafter, a method of manufacturing a fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 6.

도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 사시도이다.5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a fuel cell according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a perspective view of a fuel cell manufactured according to the second embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 상기 전해질의 제1 부분(230)을 포함하는 베이스 구조물(base structure)이 준비된다(S230). 상기 베이스 구조물은 지지체로써 이용될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 구조물의 두께는 300μm일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 부분(230)은 YSZ(Yttria-stabilized Zirconia), GDC(Gadolinia-doped Ceria), ScSZ(Scandia-stabilized Zirconia), 또는 SDC(Samarium-doped Ceria) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, a base structure including the first portion 230 of the electrolyte is prepared (S230). The base structure can be used as a support. According to one embodiment, the thickness of the base structure may be 300μm. For example, the first portion 230 includes at least one of Yttria-stabilized Zirconia (YSZ), Gadolinia-doped Ceria (GDC), Scandia-stabilized Zirconia (SCS), or Samarium-doped Ceria (SDC). can do.

상기 베이스 구조물 상에 상기 전해질의 제2 부분(240)이 형성된다(S240). 상기 제2 부분(240)은 스퍼터링으로 형성될 수 있다. 상기 제2 부분(240)의 두께는 스퍼터링 공정의 시간 조건에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 부분(240)은 YSZ(Yttria-stabilized Zirconia), GDC(Gadolinia-doped Ceria), ScSZ(Scandia-stabilized Zirconia), 또는 SDC(Samarium-doped Ceria) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 부분(240)이 YSZ를 포함하는 경우, 스퍼터링 공정을 이용해, 출력 90W, 전압 -120~-220V, 아르곤 및 산소 혼합 기체의 압력 5mTorr의 조건 하에서 형성될 수 있다. The second portion 240 of the electrolyte is formed on the base structure (S240). The second portion 240 may be formed by sputtering. The thickness of the second portion 240 may be determined according to the time condition of the sputtering process. For example, the second portion 240 includes at least one of Yttria-stabilized Zirconia (YSZ), Gadolinia-doped Ceria (GDC), Scandia-stabilized Zirconia (SCS), or Samriumrium-doped Ceria (SDC). can do. For example, when the second portion 240 includes YSZ, the sputtering process may be formed under a condition of an output 90 W, a voltage of −120 to −220 V, and a pressure of 5 mTorr of an argon and oxygen mixed gas.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 부분(230) 및 상기 제2 부분(240)은 막의 두께, 결정립계(grain boundary)의 밀도 및 결정의 크기가 상이할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 부분(230) 및 상기 제2 부분(240) 사이에 경계면이 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 부분(240)의 두께가 상기 제1 부분(230)보다 얇고, 상기 제2 부분(240)의 결정립계 밀도가 상기 제1 부분(230)보다 높고, 상기 제2 부분(240)의 결정의 크기가 상기 제1 부분(230)보다 작을 수 있다.According to an embodiment, the first portion 230 and the second portion 240 may have different thicknesses, thicknesses of grain boundaries, and crystal sizes. Accordingly, an interface may exist between the first portion 230 and the second portion 240. For example, the thickness of the second portion 240 is thinner than the first portion 230, the grain boundary density of the second portion 240 is higher than the first portion 230, and the second portion ( The size of the crystal of 240 may be smaller than the first portion 230.

일 실시 예에 따르면, 상기 전해질의 상기 제2 부분(240)이 스퍼터링 공정으로 형성되는 경우, 도 1 내지 4에서 설명된 바와 같이, 스퍼터링 공정의 전류, 캐리어 가스의 비율, 또는 온도를 조절하여, 결정립계의 밀도, 결정의 크기, 및 막의 밀도가 조절될 수 있다.According to one embodiment, when the second portion 240 of the electrolyte is formed by a sputtering process, as described in Figures 1 to 4, by adjusting the current, the ratio of the carrier gas, or the temperature of the sputtering process, The density of grain boundaries, the size of crystals, and the film density can be controlled.

상기 제2 부분(240) 상에 환원극(250)이 형성된다(S250). 상기 환원극(250)은 스퍼터링, 테이프 캐스팅, 또는 용액 증착법 중에서 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 환원극(150)은 Pd, V, Pt, Ni, Ag, Au, 또는 상기 물질들의 합금 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 환원극(250), Pt를 포함하는 경우, 스퍼터링 공정을 이용해, 출력 100W, 타겟과 기판의 간격 100mm, 아르곤 압력 75mTorr, 및 증착 시간 200초의 조건 하에서, 150nm의 두께로 형성될 수 있다.A cathode 250 is formed on the second portion 240 (S250). The cathode 250 may be formed by any one of sputtering, tape casting, and solution deposition. For example, the reduction electrode 150 may include at least one of Pd, V, Pt, Ni, Ag, Au, or an alloy of the materials. For example, when the cathode 250 and Pt are included, a thickness of 150 nm may be formed using a sputtering process under a condition of 100 W of output, 100 mm of target and substrate, 75 mTorr of argon pressure, and 200 sec of deposition time. Can be.

상기 전해질을 사이에 두고 상기 환원극(250)과 이격되도록 상기 베이스 구조물 상에 산화극(260)이 형성된다(S260). 상기 산화극(260)은 상기 환원극(250)과 동일하게 제공될 수 있다.An anode 260 is formed on the base structure to be spaced apart from the cathode 250 with the electrolyte therebetween (S260). The anode 260 may be provided in the same manner as the cathode 250.

상술된 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 특성 평가 결과가 설명된다. The characteristic evaluation result of the fuel cell according to the embodiment of the present invention described above is described.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 전해질의 SEM 사진이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 전해질의 TEM 사진 및 SAED(Selected area electron diffraction) 사진이고, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 전해질의 X-선 회절 분석법(X-ray diffraction, XRD) 분석 결과이다.7 is a SEM photograph of an electrolyte of a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a TEM photograph and a selected area electron diffraction (SAED) photograph of an electrolyte of a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention. 9 is an X-ray diffraction (XRD) analysis result of an electrolyte of a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention.

<표 1>과 같이, 스퍼터링 공정을 이용해, 전압 220V에서 100nm 두께의 YSZ가 증착된 전해질을 포함하는 실시 예 1에 따른 연료전지를 제조했고, 전압 120V에서 100nm 두께의 YSZ가 증착된 전해질을 포함하는 실시 예 2에 따른 연료전지를 제조했고, 전압 220V에서 300nm 두께의 YSZ가 증착된 전해질을 포함하는 실시 예 3에 따른 연료전지를 제조했고, 전압 120V에서 300nm 두께의 YSZ가 증착된 전해질을 포함하는 실시 예 4에 따른 연료전지를 제조했다.As shown in Table 1, a fuel cell according to Example 1 including an electrolyte in which YSZ having a thickness of 100 nm was deposited at a voltage of 220 V using a sputtering process was fabricated, and an electrolyte in which YSZ having a thickness of 100 nm was deposited at a voltage of 120 V. A fuel cell according to Example 2 was prepared, and a fuel cell according to Example 3 was prepared including an electrolyte in which YSZ having a thickness of 300 nm was deposited at a voltage of 220V, and an electrolyte in which YSZ having a thickness of 300 nm was deposited at a voltage of 120V. A fuel cell according to Example 4 was prepared.

구분division 전압Voltage 두께thickness 실시 예 1Example 1 220V220 V 100nm100 nm 실시 예 2Example 2 120V120 V 100nm100 nm 실시 예 3Example 3 220V220 V 300nm300 nm 실시 예 4Example 4 120V120 V 300nm300 nm

도 7을 참조하면, (a)는 실시 예 1에 따라 제조된 연료전지의 전해질의 SEM 사진이고, (b)는 실시 예 2에 따라 제조된 연료전지의 전해질의 SEM 사진이고, (c)는 실시 예 3에 따라 제조된 연료전지의 전해질의 SEM 사진이고, (d)는 실시 예 4에 따라 제조된 연료전지의 전해질의 SEM 사진이다.Referring to FIG. 7, (a) is a SEM photograph of an electrolyte of a fuel cell prepared in Example 1, (b) is a SEM photograph of an electrolyte of a fuel cell prepared in Example 2, and (c) is SEM picture of the electrolyte of the fuel cell prepared according to Example 3, (d) is SEM picture of the electrolyte of the fuel cell prepared according to Example 4.

실시 예 1 및 2에 따른 연료전지들을 비교하고, 실시 예 3 및 4에 따른 연료전지들을 비교하면, 전해질의 두께가 동일한 경우, 스퍼터링 공정에서 소스에 인가되는 전압이 높을수록 전해질을 구성하는 결정 크기가 작고, 결정립계의 밀도가 가장 높은 것을 확인할 수 있다. 실시 예 1 및 3에 따른 연료전지들을 비교하고, 실시 예 2 및 4에 따른 연료전지들을 비교하면, 스퍼터링 공정에서 소스에 인가되는 전압이 동일한 경우, 전해질의 두께가 얇을수록 전해질을 구성하는 결정 크기가 작고, 결정립계의 밀도가 가장 높은 것을 확인할 수 있다.Comparing the fuel cells according to Examples 1 and 2 and comparing the fuel cells according to Examples 3 and 4, when the thickness of the electrolyte is the same, the higher the voltage applied to the source in the sputtering process, the crystal size constituting the electrolyte It can be seen that is small and the density of the grain boundaries is the highest. Comparing the fuel cells according to Examples 1 and 3, and comparing the fuel cells according to Examples 2 and 4, when the voltage applied to the source is the same in the sputtering process, the thinner the thickness of the electrolyte, the crystal size constituting the electrolyte It can be seen that is small and the density of the grain boundaries is the highest.

이에 따라, 연료전지의 전해질을 형성하는 스퍼터링 공정에서 소스에 인가되는 전압 또는 전해질의 두께를 조절하여, 전해질을 구성하는 결정의 크기 또는 결정립계의 밀도를 조절할 수 있는 것을 확인할 수 있다.Accordingly, it can be seen that by adjusting the voltage or the thickness of the electrolyte applied to the source in the sputtering process of forming the electrolyte of the fuel cell, it is possible to control the size of the crystal constituting the electrolyte or the density of the grain boundary.

도 8을 참조하면, (a)는 실시 예 1에 따라 제조된 연료전지의 전해질의 TEM 사진이고, (b)는 실시 예 1에 따라 제조된 연료전지의 전해질의 SEAD 사진이고, (c)는 실시 예 2에 따라 제조된 연료전지의 전해질의 SEM 사진이고, (d)는 실시 예 2에 따라 제조된 연료전지의 전해질의 SEAD 사진이다.Referring to FIG. 8, (a) is a TEM photograph of an electrolyte of a fuel cell manufactured according to Example 1, (b) is a SEAD photograph of an electrolyte of a fuel cell prepared according to Example 1, and (c) is SEM picture of the electrolyte of the fuel cell prepared according to Example 2, (d) is a SEAD picture of the electrolyte of the fuel cell prepared according to Example 2.

실시 예 1 및 2에 따른 연료전지들을 비교하면, 전해질의 두께가 동일한 경우, 스퍼터링 공정에서 소스에 인가되는 전압이 높을수록 결정의 크기가 작고, 결정립계의 밀도가 높은 것을 확인할 수 있다.Comparing the fuel cells according to Examples 1 and 2, it can be seen that when the thickness of the electrolyte is the same, the higher the voltage applied to the source in the sputtering process, the smaller the crystal size and the higher the grain boundary density.

이에 따라, 연료전지의 전해질을 형성하는 스퍼터링 공정에서 소스에 인가되는 전압 및 전류를 조절하여 전해질을 구성하는 결정의 크기 또는 결정립계의 밀도를 조절할 수 있는 것을 확인할 수 있다.Accordingly, it can be seen that by controlling the voltage and current applied to the source in the sputtering process of forming the electrolyte of the fuel cell, it is possible to control the size of the crystal constituting the electrolyte or the density of the grain boundary.

도 9를 참조하면, 실시 예 3 및 4에 따른 연료전지들의 전해질의 XRD 분석 결과를 확인할 수 있다. 실시 예 3 및 4에 따른 연료전지들을 비교하면, 전해질의 두께가 동일한 경우, 스퍼터링 공정에서 소스에 인가되는 전압이 높을수록 peak의 intensity가 낮은 것을 확인할 수 있다. XRD의 peak intensity는 시료의 결정성과 비례하고, 실시 예 3에 따른 연료전지의 전해질은 실시 예 4에 따른 연료전지의 전해질보다 peak intensity가 낮고, 따라서, 결정의 크기가 작은 것을 알 수 있다.9, XRD analysis results of electrolytes of fuel cells according to Examples 3 and 4 may be confirmed. Comparing the fuel cells according to Examples 3 and 4, when the thickness of the electrolyte is the same, it can be seen that the higher the voltage applied to the source in the sputtering process, the lower the intensity of the peak. The peak intensity of the XRD is proportional to the crystallinity of the sample, and the electrolyte of the fuel cell according to Example 3 has a lower peak intensity than the electrolyte of the fuel cell according to Example 4, and thus, the crystal size is smaller.

이에 따라, 연료전지의 전해질을 형성하는 스퍼터링 공정에서 소스에 인가되는 전압 및 전류를 조절하여 전해질을 구성하는 결정의 크기 또는 결정립계의 밀도를 조절할 수 있는 것을 확인할 수 있다. Accordingly, it can be seen that by controlling the voltage and current applied to the source in the sputtering process of forming the electrolyte of the fuel cell, it is possible to control the size of the crystal constituting the electrolyte or the density of the grain boundary.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 성능 그래프이고, 도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 전기화학 특성 평가 그래프이다.10 is a performance graph of a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention, Figure 11 is an electrochemical characteristic evaluation graph of a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention.

<표 2>와 같이, AAO 지지체 상에 산화극을 형성하고, 산화극 상에 스퍼터링 공정을 이용해, 500nm 두께로 YSZ를 박막 증착하여 전해질 제1 부분을 형성하고, 제1 부분 상에 전압 120V에서 100nm 두께로 YSZ를 박막 증착하여 전해질 제2 부분을 형성하고, 제2 부분 상에 환원극을 형성하여, 실시 예 5에 따른 연료전지를 제조했다.As shown in Table 2, an anode was formed on the AAO support, and a thin film of YSZ was deposited to a thickness of 500 nm using a sputtering process on the anode to form an electrolyte first portion, and at a voltage of 120 V on the first portion. A thin film of YSZ was deposited at a thickness of 100 nm to form an electrolyte second portion, and a cathode was formed on the second portion to manufacture a fuel cell according to Example 5.

AAO 지지체 상에 산화극을 형성하고, 산화극 상에 스퍼터링 공정을 이용해, 500nm 두께로 YSZ를 박막 증착하여 전해질을 형성하고, 전해질 상에 환원극을 형성하여 비교 예 1에 따른 연료전지를 제조했다.An anode was formed on an AAO support, a thin film of YSZ was deposited to form an electrolyte using a sputtering process on the anode, and a cathode was formed on the electrolyte. A fuel cell according to Comparative Example 1 was prepared. .

구분division 전압Voltage 두께thickness 실시 예 5Example 5 120V120 V 100nm100 nm 비교 예 1Comparative Example 1 -- --

도 10을 참조하면, 실시 예 5 및 비교 예 1에 따라 제조된 연료전지의 성능을 450℃에서 측정한 결과를 확인할 수 있다. 동일한 전류 밀도(current density)에서 비교 예 1에 따른 연료전지보다 실시 예 5에 따른 연료전지의 전압 및 출력 밀도(power density)가 높은 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10, the results of measuring the performance of the fuel cell manufactured according to Example 5 and Comparative Example 1 at 450 ° C. may be confirmed. It can be seen that the voltage and power density of the fuel cell according to Example 5 are higher than the fuel cell according to Comparative Example 1 at the same current density.

도 11을 참조하면, 실시 예 5 및 비교 예 1에 따라 제조된 연료전지의 전기화학 특성을 임피던스 분석법으로 450에서 측정한 결과를 확인할 수 있다. 비교 예 1에 따른 연료전지보다 실시 예 5에 따른 연료전지의 저항이 낮은 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 11, electrochemical properties of fuel cells manufactured according to Example 5 and Comparative Example 1 may be confirmed at 450 by impedance analysis. It can be seen that the resistance of the fuel cell according to Example 5 is lower than that of the fuel cell according to Comparative Example 1.

이에 따라, 본 발명의 실시 예와 같이, 연료전지의 전해질 제1 부분 상에, 결정의 크기가 작고, 결정립계의 밀도가 높은 전해질 제2 부분을 추가로 포함하는 경우, 연료전지의 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다.Accordingly, as in the embodiment of the present invention, when the electrolyte first portion of the fuel cell further includes an electrolyte second portion having a small crystal size and a high grain boundary density, the performance of the fuel cell is improved. You can see that.

도 12는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 성능 그래프이고, 도 13 및 14는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료전지의 전기화학 특성 평가 그래프이다.FIG. 12 is a performance graph of a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 13 and 14 are graphs of an electrochemical characteristic evaluation of a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention.

<표 3>과 같이, 전해질 제1 부분으로써 YSZ를 포함하는 베이스 구조물 상에, 스퍼터링 공정을 이용해, 전압 220V에서 100nm 두께로 YSZ를 박막 증착하여 전해질 제2 부분을 형성하고, 제2 부분 상에 환원극을 형성하고, 상기 전해질을 사이에 두고 상기 환원극과 이격되도록 상기 베이스 구조물 상에 산화극을 형성하여, 실시 예 6에 따른 연료전지를 제조했다.As shown in Table 3, on the base structure including YSZ as the electrolyte first portion, a thin film of YSZ is deposited to a thickness of 100 nm at a voltage of 220 V using a sputtering process to form an electrolyte second portion, and on the second portion. A fuel cell according to Example 6 was manufactured by forming a cathode and forming an anode on the base structure to be spaced apart from the cathode with the electrolyte therebetween.

전해질 제1 부분으로써 YSZ를 포함하는 베이스 구조물 상에, 스퍼터링 공정을 이용해, 전압 120V에서 100nm 두께로 YSZ를 박막 증착하여 전해질 제2 부분을 형성하고, 제2 부분 상에 환원극을 형성하고, 상기 전해질을 사이에 두고 상기 환원극과 이격되도록 상기 베이스 구조물 상에 산화극을 형성하여, 실시 예 7에 따른 연료전지를 제조했다.On the base structure including YSZ as the first electrolyte, a thin film of YSZ is deposited to a thickness of 100 nm at a voltage of 120 V using a sputtering process to form a second electrolyte, and a cathode is formed on the second portion. An anode was formed on the base structure so as to be spaced apart from the reducing electrode with an electrolyte interposed therebetween, thereby preparing a fuel cell according to Example 7.

전해질 제1 부분으로써 YSZ를 포함하는 베이스 구조물 상에, 스퍼터링 공정을 이용해, 전압 220V에서 300nm 두께로 YSZ를 박막 증착하여 전해질 제2 부분을 형성하고, 제2 부분 상에 환원극을 형성하고, 상기 전해질을 사이에 두고 상기 환원극과 이격되도록 상기 베이스 구조물 상에 산화극을 형성하여, 실시 예 8에 따른 연료전지를 제조했다.On the base structure including YSZ as the first electrolyte, a thin film of YSZ was deposited to a thickness of 300 nm at a voltage of 220 V using a sputtering process to form a second electrolyte, and a cathode was formed on the second. An anode was formed on the base structure to be spaced apart from the reduction electrode with an electrolyte interposed therebetween to manufacture a fuel cell according to Example 8.

전해질 제1 부분으로써 YSZ를 포함하는 베이스 구조물 상에, 스퍼터링 공정을 이용해, 전압 120V에서 300nm 두께로 YSZ를 박막 증착하여 전해질 제2 부분을 형성하고, 제2 부분 상에 환원극을 형성하고, 상기 전해질을 사이에 두고 상기 환원극과 이격되도록 상기 베이스 구조물 상에 산화극을 형성하여, 실시 예 9에 따른 연료전지를 제조했다.On the base structure including YSZ as the first electrolyte, a thin film of YSZ was deposited to a thickness of 300 nm at a voltage of 120 V using a sputtering process to form a second electrolyte, and a cathode was formed on the second portion. An anode was formed on the base structure so as to be spaced apart from the reducing electrode with an electrolyte interposed therebetween to manufacture a fuel cell according to Example 9.

전해질로써 YSZ를 포함하는 베이스 구조물 상에, 환원극을 형성하고, 상기 전해질을 사이에 두고 상기 환원극과 이격되도록 상기 베이스 구조물 상에 산화극을 형성하여, 비교 예 2에 따른 연료전지를 제조했다.A fuel cell according to Comparative Example 2 was prepared by forming a cathode on a base structure including YSZ as an electrolyte, and forming an anode on the base structure to be spaced apart from the cathode with the electrolyte therebetween. .

구분division 전압Voltage 두께thickness 실시 예 6Example 6 220V220 V 100nm100 nm 실시 예 7Example 7 120V120 V 100nm100 nm 실시 예 8Example 8 220V220 V 300nm300 nm 실시 예 9Example 9 120V120 V 300nm300 nm 비교 예 2Comparative Example 2 -- --

도 12를 참조하면, 실시 예 6 내지 9 및 비교 예 2에 따라 제조된 연료전지의 성능을 450에서 측정한 결과를 확인할 수 있다. 동일한 전류 밀도(current density)에서 비교 예 2에 따른 연료전지보다 실시 예 6 내지 9에 따른 연료전지들의 전압 및 출력 밀도(power density)가 높은 것을 확인할 수 있다.12, the results of measuring the performance of the fuel cells manufactured according to Examples 6 to 9 and Comparative Example 2 at 450 can be confirmed. It can be seen that the voltage and power density of the fuel cells according to Examples 6 to 9 are higher than those of Comparative Example 2 at the same current density.

이에 따라, 본 발명의 실시 예와 같이, 연료전지의 전해질 제1 부분 상에, 결정의 크기가 작고, 결정립계의 밀도가 높은 전해질 제2 부분을 추가로 포함하는 경우, 연료전지의 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다.Accordingly, as in the embodiment of the present invention, when the electrolyte first portion of the fuel cell further includes an electrolyte second portion having a small crystal size and a high grain boundary density, the performance of the fuel cell is improved. You can see that.

도 13을 참조하면, 실시 예 8 및 9에 따라 제조된 연료전지 및 비교 예 2에 따라 제조된 연료전지의 전기화학 특성을 임피던스 분석법으로 450에서 측정한 결과를 확인할 수 있다. 비교 예 2에 따른 연료전지보다 실시 예 8 및 9에 따른 연료전지들의 저항이 낮은 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시 예 8에 따른 연료전지보다 실시 예 9에 따른 연료전지의 저항이 낮은 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 13, electrochemical characteristics of fuel cells manufactured according to Examples 8 and 9 and fuel cells prepared according to Comparative Example 2 may be confirmed at 450 by impedance analysis. It can be seen that the resistance of the fuel cells according to Examples 8 and 9 is lower than that of the fuel cell according to Comparative Example 2. In addition, it can be seen that the fuel cell according to the ninth embodiment is lower than the fuel cell according to the eighth embodiment.

도 14를 참조하면, 실시 예 8 및 9에 따라 제조된 연료전지 및 비교 예 2에 따라 제조된 연료전지의 산소 이온 환원 관련 전기화학적 저항을 임피던스 분석법으로 450에서 측정한 결과를 확인할 수 있다. 비교 예 2에 따른 연료전지보다 실시 예 8 및 9에 따른 연료전지들의 분극 저항(polarization resistance)이 낮은 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시 예 8에 따른 연료전지보다 실시 예 9에 따른 연료전지의 분극 저항이 낮은 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 14, the results of measuring the oxygen ion reduction-related electrochemical resistance of the fuel cells manufactured according to Examples 8 and 9 and the fuel cells prepared according to Comparative Example 2 by using an impedance analysis method at 450. It can be seen that the polarization resistance of the fuel cells according to Examples 8 and 9 is lower than that of the fuel cell according to Comparative Example 2. In addition, it can be seen that the polarization resistance of the fuel cell according to the ninth embodiment is lower than the fuel cell according to the eighth embodiment.

이에 따라, 본 발명의 실시 예와 같이, 연료전지의 전해질 제1 부분 상에, 결정의 크기가 작고, 결정립계의 밀도가 높은 전해질 제2 부분을 추가로 포함하는 경우, 연료전지의 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다.Accordingly, as in the embodiment of the present invention, when the electrolyte first portion of the fuel cell further includes an electrolyte second portion having a small crystal size and a high grain boundary density, the performance of the fuel cell is improved. You can see that.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail using the preferable embodiment, the scope of the present invention is not limited to a specific embodiment, Comprising: It should be interpreted by the attached Claim. In addition, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.

110 지지체
120: 산화극
130: 전해질 제1 부분
140: 전해질 제2 부분
150: 환원극
230: 전해질 제1 부분
240: 전해질 제2 부분
250: 환원극
260: 산화극110 support
120: anode
130: electrolyte first portion
140: electrolyte second portion
150: reduction electrode
230: electrolyte first portion
240: electrolyte second portion
250: reduction electrode
260: anode

Claims (5)

산화극을 갖는 지지체를 준비하는 단계;
스퍼터링 공정으로 상기 산화극 상에 전해질의 제1 부분을 형성하는 단계;
스퍼터링 공정으로 상기 전해질의 상기 제1 부분 상에 상기 전해질의 제2 부분을 형성하되, 스퍼터링 공정에서 소스에 인가되는 전류, 캐리어 가스의 비율, 또는 온도를 제어하여 상기 제2 부분의 결정립계 밀도를 증가시키는 단계;
상기 전해질의 상기 제2 부분과 접촉하는 환원극을 형성하는 단계를 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
Preparing a support having an anode;
Forming a first portion of an electrolyte on the anode by a sputtering process;
A second portion of the electrolyte is formed on the first portion of the electrolyte by a sputtering process, and the grain density of the second portion is increased by controlling a current, a ratio of a carrier gas, or a temperature applied to a source in the sputtering process. Making a step;
Forming a cathode in contact with said second portion of said electrolyte.
제1 항에 있어서,
상기 제1 부분을 형성하는 단계의 스퍼터링 공정과 비교하여, 상기 제2 부분을 형성하는 단계의 스퍼터링 공정에서, 상기 소스에 인가되는 전류가 높거나, 상기 캐리어 가스의 비율이 높거나, 또는 상기 온도가 낮은 것을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
According to claim 1,
Compared to the sputtering process of forming the first portion, in the sputtering process of forming the second portion, the current applied to the source is high, the ratio of the carrier gas is high, or the temperature A method of manufacturing a fuel cell comprising a low value.
제1 항에 있어서,
상기 제2 부분의 두께는, 상기 제1 부분의 두께보다 얇은 것을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
According to claim 1,
And the thickness of the second portion is thinner than the thickness of the first portion.
제1 항에 있어서,
상기 전해질은 YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia), GDC(Gadolinia-Doped Ceria), SDC(Samarium-Doped Ceria) 또는 ScSZ(Scandia-Stabilized Zirconia) 중에서 어느 하나로 형성되는 것을 포함하는 연료전지의 제조 방법.
According to claim 1,
The electrolyte is a method of manufacturing a fuel cell comprising any one of YSZ (Yttria-Stabilized Zirconia), GDC (Gadolinia-Doped Ceria), SDC (Samarium-Doped Ceria) or ScSZ (Scandia-Stabilized Zirconia).
제1 항에 있어서,
상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 사이에 경계면 없이, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분은 일체를 이루는 것을 포하함하는 연료전지의 제조 방법.
According to claim 1,
And the first portion and the second portion are integral without an interface between the first portion and the second portion.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005251550A (en) * 2004-03-04 2005-09-15 Toyota Motor Corp Fuel cell
KR20120037839A (en) 2010-10-12 2012-04-20 삼성전자주식회사 Membrane electrode assembly, solid oxide fuel cell comprising the assembly and preparation method thereof
KR20130064359A (en) * 2011-12-08 2013-06-18 주식회사 엑스에프씨 Solid oxide electrolyte membrane, manufacturing method thereof, and fuel cell employing the same
KR20160087516A (en) * 2015-01-14 2016-07-22 창원대학교 산학협력단 Low and intermediate-temperature type proton-conducting ceramic fuel cells containing bi-layer electrolyte structure for preventing performance degradation and method for manufacturing the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005251550A (en) * 2004-03-04 2005-09-15 Toyota Motor Corp Fuel cell
KR20120037839A (en) 2010-10-12 2012-04-20 삼성전자주식회사 Membrane electrode assembly, solid oxide fuel cell comprising the assembly and preparation method thereof
KR20130064359A (en) * 2011-12-08 2013-06-18 주식회사 엑스에프씨 Solid oxide electrolyte membrane, manufacturing method thereof, and fuel cell employing the same
KR20160087516A (en) * 2015-01-14 2016-07-22 창원대학교 산학협력단 Low and intermediate-temperature type proton-conducting ceramic fuel cells containing bi-layer electrolyte structure for preventing performance degradation and method for manufacturing the same

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