KR20190130835A - Solid oxide fuel cell and electrolyte thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고체 산화물 연료 전지에 관한 것으로, 특히 전기화학적 반응성과 차폐 능력이 향상되는 전해질 구성에 관련된 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to solid oxide fuel cells, and more particularly, to electrolyte configurations in which electrochemical reactivity and shielding ability are improved.
연료 전지의 타입 중 하나인 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 고체 세라믹을 전해질로 운전되는 연료 전지로, 일반적으로 높은 출력밀도 및 효율, 시스템 구성의 간단함 등의 장점을 갖는다. 또한, 무엇보다도 상대적으로 높은 구동 온도로 인해 자체적인 내부 개질이 가능하여 천연 가스 등 탄화수소 연료를 직접 사용할 수 있는 이점이 있다.A solid oxide fuel cell (SOFC), which is one type of fuel cell, is a fuel cell operated by using a solid ceramic as an electrolyte, and generally has advantages such as high power density and efficiency, and simple system configuration. In addition, above all, the relatively high driving temperature is possible to internally reform itself, there is an advantage that can be used directly hydrocarbon fuel, such as natural gas.
일반적으로, 고체 산화물 연료 전지는 800 내지 1000℃의 고온에서 동작되는데, 최근에는 작동 온도를 낮추어 저온에서 구동될 수 있는 저온 구동형 고체 산화물 연료 전지에 대한 연구가 수행되어 오고 있다.In general, a solid oxide fuel cell is operated at a high temperature of 800 to 1000 ℃, recently, research has been conducted on a low temperature driven solid oxide fuel cell that can be operated at a low temperature by lowering the operating temperature.
이러한 저온 구동형 고체 산화물 연료 전지에서는, 500℃ 수준 또는 그 이하의 저온 환경에서 전해질에서의 이온 전도도가 낮아지고 저항 손실(ohmic loss)이 크게 증가되는 문제점이 있다. 이를 개선하기 위해 박막형의 전해질을 갖는 고체 산화물 연료 전지가 도입되었고, 이러한 박막 구조는 기계적인 강도 보강 및 충분한 스케일 확보를 위하여 다공성 기판에 지지될 수 있다.In such a low temperature driven solid oxide fuel cell, there is a problem that the ion conductivity in the electrolyte is lowered and the ohmic loss is greatly increased in a low temperature environment of 500 ° C. or lower. To improve this, a solid oxide fuel cell having a thin film electrolyte has been introduced, and this thin film structure can be supported on a porous substrate for mechanical strength reinforcement and sufficient scale.
한편, 박막 구조의 저온 구동형 고체 산화물 연료 전지의 전해질은, 저항 손실을 최소화하기 위하여 높은 이온 전도도 및 표면 반응성이 요구되며, 전자 및 기체의 이동을 차단하여야 한다(전기적 차폐 및 가스 차폐).On the other hand, the electrolyte of the low-temperature driving type solid oxide fuel cell having a thin film structure requires high ion conductivity and surface reactivity in order to minimize resistance loss, and must block the movement of electrons and gases (electric shielding and gas shielding).
이러한 특성을 고려한 전해질 물질로, 도핑된 세리아(doped ceria) 및 이트리아 안정화 지르코니아(yittria stabilized zirconia, YSZ)를 들 수 있다. 도핑된 세리아는 이온 전도도와 전기화학적 반응성이 우수한 특징을 보이나, 500℃ 이하의 저온에서도 전기 전도성이 있어 낮은 OCV(open circuit voltage) 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 이트리아 안정화 지르코니아는 전기적 차폐 능력은 확보될 수 있지만 전하를 전달하는 이온 전도 및 표면 반응 속도가 낮아 전기 저항의 증가 요인이 될 가능성이 있다.Electrolyte materials in consideration of these characteristics include doped ceria and yittria stabilized zirconia (YSZ). The doped ceria is characterized by excellent ion conductivity and electrochemical reactivity, but may exhibit low open circuit voltage (OCV) characteristics due to its electrical conductivity even at a low temperature below 500 ° C. In addition, yttria stabilized zirconia can secure electrical shielding ability, but there is a possibility that the ion resistance and the surface reaction rate of charge transfer are low, thereby increasing the electrical resistance.
이에, 이온 전도 및 전기화학 반응성을 확보하면서 전기 및 기체 이동을 차단할 수 있도록, 저온 구동형 고체 산화물 연료 전지의 전해질에 대한 구조를 구체화 및 최적화하는 것이 필요하다.Therefore, it is necessary to specify and optimize the structure of the electrolyte of the low temperature driven solid oxide fuel cell so as to block the electric and gas movement while ensuring ion conduction and electrochemical reactivity.
본 발명의 목적은 전기화학적 반응성과 차폐 능력이 극대화될 수 있도록 복합적인 구조 및 재질로 이루어지는 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell comprising an electrolyte composed of a complex structure and material to maximize the electrochemical reactivity and shielding ability.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지는, 기판; 상기 기판에 적층되는 제1 전극; 상기 제1 전극에 적층되는 전해질; 및 상기 전해질을 사이에 두고 상기 제1 전극과 이격되도록, 상기 전해질에 적층되는 제2 전극을 포함하며, 상기 전해질은, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 각각 접촉되도록 이루어지는 제1 전해질 층; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 각각 이격되도록 상기 제1 전해질 층 내부에 형성되고, 상기 제1 전해질 층에 두께 방향으로 형성되는 핀홀(pin hole)을 차폐하도록 이루어지는 제2 전해질 층을 구비한다.In order to achieve the object of the present invention, a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a substrate; A first electrode stacked on the substrate; An electrolyte stacked on the first electrode; And a second electrode stacked on the electrolyte so as to be spaced apart from the first electrode with the electrolyte interposed therebetween, wherein the electrolyte comprises: a first electrolyte layer configured to be in contact with the first electrode and the second electrode, respectively; And a second electrolyte layer formed inside the first electrolyte layer so as to be spaced apart from the first electrode and the second electrode, respectively, and shielding a pin hole formed in the thickness direction of the first electrolyte layer. do.
상기 제2 전해질 층은 상기 제1 전해질 층의 표면을 등각(conformal)으로 덮도록 형성될 수 있다.The second electrolyte layer may be formed to conformally cover the surface of the first electrolyte layer.
상기 제2 전해질 층은 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD)에 의해 형성될 수 있다.The second electrolyte layer may be formed by atomic layer deposition (ALD).
상기 제1 전해질 층은 스퍼터링(sputtering)에 의해 형성될 수 있다.The first electrolyte layer may be formed by sputtering.
상기 제1 전해질 층은 도핑된 세리아(doped ceria) 재질로 이루어지고, 상기 제2 전해질 층은 이트리아 안정화 지르코니아(yittria stabilized zirconia, YSZ) 재질로 이루어지고, 적층 방향으로 20 내지 70 nm의 두께를 가질 수 있다.The first electrolyte layer is made of doped ceria, the second electrolyte layer is made of yttria stabilized zirconia (YSZ), and has a thickness of 20 to 70 nm in the stacking direction. Can have
상기 제1 전해질 층은 상기 제2 전해질 층의 양 표면에 적층 방향으로 각각 180 nm의 두께를 갖도록 형성되고, 상기 제2 전해질 층은 25 nm의 두께를 갖도록 이루어질 수 있다.The first electrolyte layer may be formed to have a thickness of 180 nm on both surfaces of the second electrolyte layer in a lamination direction, and the second electrolyte layer may have a thickness of 25 nm.
고체 산화물 연료 전지의 이온 이동 통로를 제공하는 본 발명에 따른 전해질은, 기판에 적층되는 제1 전극과 및 상기 제1 전극과 이격되게 위치되는 제2 전극 사이에 개재되며, 상기 제1 및 제2 전극과 각각 접촉되도록 이루어지는 제1 전해질 층; 및 상기 제1 및 제2 전극과 각각 이격되도록 상기 제1 전해질 층 내부에 형성되고, 상기 제1 전해질 층에 두께 방향으로 형성되는 핀홀(pin hole)을 차폐하도록 이루어지는 제2 전해질 층을 포함한다.An electrolyte according to the present invention, which provides an ion migration passage of a solid oxide fuel cell, is interposed between a first electrode stacked on a substrate and a second electrode spaced apart from the first electrode, wherein the first and second electrodes are disposed. A first electrolyte layer configured to be in contact with each electrode; And a second electrolyte layer formed inside the first electrolyte layer so as to be spaced apart from the first and second electrodes, respectively, and configured to shield pin holes formed in the thickness direction of the first electrolyte layer.
본 발명에 따라 제1 전해질 층 사이에 제1 전해질 층의 핀홀을 차폐할 수 있는 제2 전해질 층이 개재되면, 제1 전해질 층은 전극과의 반응성을 확보하고 제2 전해질 층은 재료 전극 간 기체를 차폐할 수 있는 능력을 확보할 수 있는 등 전해질 특성이 상호 보완됨으로써, 개선된 성능이 달성될 수 있다.According to the present invention, when a second electrolyte layer is provided between the first electrolyte layers to shield the pinhole of the first electrolyte layer, the first electrolyte layer ensures reactivity with the electrode and the second electrolyte layer is a gas between the material electrodes. Improved performance can be achieved by complementing the electrolyte properties such as ensuring the ability to shield the film.
또한, 원자층 증착에 의해 제2 전해질 층이 제1 전해질 층의 표면에 등각으로 덮임으로써, 얇은 두께로도 차폐 능력이 확보되는 전해질 구조가 구현될 수 있다.In addition, since the second electrolyte layer is conformally covered on the surface of the first electrolyte layer by atomic layer deposition, an electrolyte structure in which shielding ability is secured even at a thin thickness may be realized.
나아가, 이트리아 안정화 지르코니아로 이루어지는 제2 전해질 층의 두께가 최적화됨으로써, 전해질 구성요소의 상호 보완에 의해 연료 전지의 제작 비용 및 성능 등이 극대화될 수 있다.Further, by optimizing the thickness of the second electrolyte layer made of yttria stabilized zirconia, the production cost and performance of the fuel cell may be maximized by complementary complement of the electrolyte components.
도 1은 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지의 단면을 보인 도면이다.
도 2는 원자층 증착에 의해 형성되는 이트리아 안정화 지르코니아 층의 핀홀 차폐 효과를 보인 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 고체 산화물 연료 전지의 일 실시예에 대한 적층 구조 및 비교예의 제2 전해질 층 위치를 자세히 보인 도면이다.
도 4는 도 3의 일 실시예 및 비교예의 OCV(open circuit voltage) 값을 보인 도면이다.
도 5는 도 3의 일 실시예 및 비교예의 분극 곡선(polarization curve)을 보인 도면이다.
도 6은 도 3의 일 실시예 및 비교예의 면적-비저항(area-specific resistances, ASRs)을 보인 도면이다.
도 7은 도 1에 도시된 제2 전해질 층의 두께에 따른 저항 및 OCV 값을 나타낸 도면이다.1 is a cross-sectional view of a solid oxide fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 shows the pinhole shielding effect of the yttria stabilized zirconia layer formed by atomic layer deposition.
FIG. 3 is a detailed view illustrating a laminated structure and a second electrolyte layer position of a comparative example of the solid oxide fuel cell illustrated in FIG. 1.
FIG. 4 is a diagram illustrating an open circuit voltage (OCV) value of one embodiment and a comparative example of FIG. 3.
FIG. 5 is a diagram illustrating a polarization curve of one embodiment and a comparative example of FIG. 3.
FIG. 6 is a view showing area-specific resistances (ASRs) of the example and the comparative example of FIG. 3.
FIG. 7 illustrates resistance and OCV values according to the thickness of the second electrolyte layer illustrated in FIG. 1.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is "connected" to another part, this includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another element in between. . In addition, throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it may further include other components, without excluding the other components unless otherwise stated.
도 1은 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지(100)의 단면을 보인 도면이다. 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지(100)는 샌드위치형의 복합적인 전해질 구조를 갖는 것을 특징으로 한다. 도 1을 참조하면 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지(100)는 기판(110), 제1 전극(120), 전해질(130) 및 제2 전극(140)을 포함한다.1 is a cross-sectional view of a solid
구체적으로, 기판(110)은 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지(100)를 지지하여 기계적인 강도를 확보하는 역할을 할 수 있다. 또한, 본 발명에서 기판(110)은 다공성으로 이루어질 수 있으며, 구체적으로 두께 방향으로 상하로 관통되는 다공부(111)를 구비할 수 있다. 다공부(111)는 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지(100)의 구동 시 기체(수소)가 통과되는 통로가 될 수 있다.Specifically, the
제1 전극(120)은 기판(110)의 표면에 적층될 수 있다. 제1 전극(120)은 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지(100)의 음극(anode)이 될 수 있고, 음극에서는 기판(110)의 다공부(111)를 통과하여 공급되는 연료인 수소 기체가 이온화되어 수소 이온과 전자로 분해된다.The
제1 전극(120)과 그에 대응되는 제2 전극(140) 사이에는 전해질(130)이 적층될 수 있다. 전해질(130)은 제1 전극(120)과 제2 전극(140) 사이에서 전자의 이동은 차단하고, 이온이 이동되는 통로를 제공하는 역할을 수행한다. 즉, 제2 전극(140)에서 생성된 산소 이온이 전해질(130)을 통하여 제1 전극(120)으로 이동될 수 있는 반면, 전자는 외부 회로로 흐르게 된다.An
본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지(100)의 전해질(130)에는 고체 세라믹 재질이 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 전해질(130)의 구조 및 특성에 대하여는 후술한다.A solid ceramic material may be used for the
전해질(130)에 의해 제1 전극(120)과 이격되도록 위치되는 제2 전극(140)은 양극(cathode)으로써, 제1 전극(120)에서 생성된 전자가 외부 회로를 통해 제2 전극(140)으로 유입된다. 제2 전극(140)에서는 외부 회로를 통해 들어온 전자와 산소가 만나 산소가 환원되어 산소 이온을 만든다. 산소 이온은 전해질(130)을 통과하여 제1 전극(120)으로 이동하여 수소 이온과 반응하여 물이 생성될 수 있다. 도시된 것과 같이, 제2 전극(140)은 전해질(130)에 적층되는 구조로 이루어질 수 있다.The
앞서 언급한 것과 같이 전해질(130)은, 전자의 이동을 차단하여 외부 회로로 전자가 흐르도록 하여야 전류를 생산할 수 있고, 또한, 내부에서 산소 이온을 빠르게 전달할 수 있고 전극과 만나는 표면에서 화학 반응이 빠르게 일어나는 것이 바람직하다.As mentioned above, the
이와 같은 특성을 만족시키기 위하여, 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지(100)의 전해질(130)은 제1 전해질 층(131) 및 제2 전해질 층(132)을 포함하는 샌드위치 구조로 이루어진다. 여기서, 제1 전해질 층(131)은 이온 전도와 표면 반응에 우수한 특성을 제공하고, 제2 전해질(130)은 전자 및 기체의 이동을 차단하는데 우수한 특성을 제공하는 역할을 할 수 있다.In order to satisfy such characteristics, the
구체적으로, 제1 전해질 층(131)은 제1 및 제2 전극(120, 140)에 각각 접촉되도록 위치될 수 있다. 제2 전해질 층(132)은, 제1 및 제2 전극(120, 140)과 각각 이격되도록 제1 전해질 층(131) 내부에 위치될 수 있다. 그리고 제2 전해질 층(132)은 제1 전해질 층(131)에 두께 방향으로 형성되는 핀홀(pin hole, 131a)을 차폐하도록 이루어질 수 있다.In detail, the
여기서, 핀홀(131a)은 증착된 층에 두께 방향(적층 방향)으로 형성되는 미세한 구멍을 의미한다. 핀홀(131a)은, 기판(110)에 제1 전극(120)과 제1 전해질 층(131)이 차례로 적층될 때, 주로 두께 방향으로 증착이 이루어지는 스퍼터링(sputtering)과 같은 공정에 의해 다공부(111)가 완전히 덮이지 못하는 등의 원인으로 생성될 수 있다. 제1 전해질 층(131)에 핀홀(131a)이 존재하면, 핀홀(131a)을 통하여 전자 및 수소가 통과될 수 있고, 전해질(130)에 요구되는 전기적 차폐 및 가스 차폐 능력이 저하될 수 있다.Here, the
본 발명에 따라 제1 전해질 층(131)의 핀홀(131a)을 차폐할 수 있는 제2 전해질 층(132)이 제1 전해질 층(131) 내부에 개재되면, 제1 전해질 층(131)은 전극과의 반응성을 확보하고 제2 전해질 층(132)은 재료 전극 간 기체를 차폐할 수 있는 능력을 확보할 수 있는 등 상호 보완됨으로써, 복합적인 전해질 특성이 얻어질 수 있다. 즉, 제1 전해질 층(131)은 전극과의 반응 특성이 우수하고, 제2 전해질 층(132)은 전자 및 가스를 효과적으로 차폐할 수 있도록 설계될 수 있어, 전해질(130)의 전체적인 성능이 향상될 수 있다. 아울러, 제1 및 제2 전해질 층(131, 132)의 이온 전도도를 비교하여, 이온 전도도가 낮은 층은 그 두께를 최소화하는 설계도 가능하다.According to the present invention, when the
도 2는 원자층 증착에 의해 형성되는 이트리아 안정화 지르코니아 층의 핀홀(131a) 차폐 효과를 보인 도면이다. 이하에서는 도 1 및 2를 참조하여, 제1 전해질 층(131)과, 제1 전해질 층(131)의 핀홀(131a)을 차폐할 수 있는 제2 전해질 층(132)을 형성하는 방법과 그에 따른 차폐 구조에 대해 설명한다.2 is a view showing the
구체적으로, 도 2에 도시된 이트리아 안정화 지르코니아(yittria stabilized zirconia, YSZ) 층이 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지(100)의 제2 전해질 층(132)에 사용될 수 있다. 도 2의 (a)는 이트리아 안정화 지르코니아 층이 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 방법의 하나인 플라즈마 원자층 증착(plasma enhanced atomic layer deposition, PEALD)에 의해 백금 층 위에 증착된 모습을 보인 것이다. 이와 비교하여, 도 2의 (b)는 이트리아 안정화 지르코니아 층이 스퍼터링(sputtering)에 의해 백금 층 위에 증착된 모습을 보인 것이다. 두 경우 모두 백금 층에는 핀홀이 존재할 수 있다. Specifically, the yittria stabilized zirconia (YSZ) layer shown in FIG. 2 may be used for the
도 2의 (a)와 (b)를 비교하면, 플라즈마 원자층 증착에 의해 형성된 이트리아 지르코니아 층은 백금에 형성될 수 있는 핀홀을 차폐할 수 있는 반면, 스퍼터링에 의해 형성된 이트리아 지르코니아 층은 백금에 형성될 수 있는 핀홀을 차폐하지 못하게 되는 구조를 갖게 된다. 즉, 도 2의 (b) 구조에는 백금 전극, 백금 전극의 하 측에 위치되는 다공성 기판, 그리고, 스퍼터링에 의해 형성되는 전해질 층을 두께 방향으로 관통하는 핀홀이 형성된 것을 확인할 수 있다.Comparing FIGS. 2A and 2B, the yttria zirconia layer formed by plasma atomic layer deposition can shield pinholes that can be formed in platinum, while the yttria zirconia layer formed by sputtering is platinum It will have a structure that does not shield the pinhole that can be formed in. That is, it can be seen that the pinhole penetrating the platinum electrode, the porous substrate positioned below the platinum electrode, and the electrolyte layer formed by sputtering is formed in the structure of FIG. 2 (b).
이와 같이 원자층 증착 방법에 의해 형성되는 층이 핀홀을 차폐할 수 있는 것은, 원자층 증착 방법에 의한 재료의 증착이, 재료가 증착될 표면을 등각(conformal)으로 덮는 구조를 형성하는 것이 기인한다. 즉, 스퍼터링 공법은 재료가 증착될 표면에 대해 주로 수직 방향(두께 방향)으로 증착되는 재료가 쌓이면서 진행되는 반면, 원자층 증착 공법은 재료가 증착될 표면에 대해 두께 방향 및 표면 방향으로 재료가 쌓이면서 진행될 수 있다.The reason why the layer formed by the atomic layer deposition method can shield the pinhole is that the deposition of the material by the atomic layer deposition method forms a structure that conformally covers the surface on which the material is to be deposited. . That is, the sputtering process proceeds by stacking materials deposited mainly in a vertical direction (thickness direction) with respect to the surface on which the material is to be deposited, whereas the atomic layer deposition method stacks materials in the thickness direction and the surface direction with respect to the surface on which the material is to be deposited. Can proceed.
본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지(100)에서, 제1 전해질 층(131)은 스퍼터링에 의해 증착되어도 무방하다. 스퍼터링은 원자층 증착에 비해 진행 속도가 빠르고 제작 비용이 절감될 수 있는 이점이 있다.In the solid
다만, 본 발명에서 제2 전해질 층(132)은 제1 전해질 층(131)의 표면을 등각으로 덮도록 형성되는 구조를 가질 수 있다. 즉, 제2 전해질 층(132)은 제1 전해질 층(131)의 표면에서부터 두께 방향뿐만 아니라 표면 방향으로도 대등하게 성장되어 증착된 구조를 가질 수 있다. 앞서 설명한 것과 같이, 제2 전해질 층(132)은 원자층 증착에 의해 형성될 수 있다.However, in the present invention, the
본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지(100)는 제1 및 제2 전해질 층(131, 132)으로 나뉘는 구조를 가짐으로써, 전자 및 가스 차폐 역할을 수행할 층인 제2 전해질 층(132)만 원자층 증착에 의해 형성될 수 있다. 즉, 일부 층만이 원자층 증착에 의해 형성됨으로써, 차폐 능력이 우수한 전해질(130) 층이 얇게, 저비용으로 형성될 수 있는 이점이 있다.The solid
도 3은 도 1에 도시된 고체 산화물 연료 전지(100)의 일 실시예에 대한 적층 구조 및 비교예의 제2 전해질 층(132) 위치를 자세히 보인 도면이다. 또한, 도 4는 도 3의 일 실시예 및 비교예의 OCV(open circuit voltage) 값을 보인 그래프, 도 5는 도 3의 일 실시예 및 비교예의 분극 곡선(polarization curve)을 보인 그래프, 그리고 도 6은 도 3의 일 실시예 및 비교예의 면적-비저항(area-specific resistances, ASRs)을 보인 그래프이다.FIG. 3 is a detailed view of the laminated structure and the position of the
이하에서는 도 3 내지 6을 참조하여, 제1 및 제2 전해질 층(131, 132)의 배치에 따른 성능의 차이에 대해 설명한다.Hereinafter, the difference in performance according to the arrangement of the first and second electrolyte layers 131 and 132 will be described with reference to FIGS. 3 to 6.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지(100)에서, 기판(110)은 양극산화 알루미늄(anodic aluminum oxide, AAO)으로, 제1 전극(120) 및 제2 전극(140)은 백금(Pt)으로 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 3, in the solid
또한, 전해질(130)을 구성하는 제1 전해질 층(131)은 스퍼터링에 의해 형성되는 사마리아 도핑된 세리아(samaria-doped ceria, SDC)로, 제2 전해질 층(132)은 원자층 증착에 의해 형성되는 이트리아 안정화 지르코니아(yittria stabilized zirconia, YSZ)로 이루어질 수 있다.In addition, the
앞서 설명한 것과 같이, 본 실시예에서 제2 전해질 층(132)은 제1 및 제2 전극(120, 140)과 각각 동일한 거리만큼 이격되도록 제1 전해질(130)의 중심부에 위치될 수 있다(CZC). 아울러, 음극인 제1 전극(120)과 사마리아 도핑된 세리아 층 사이에 원자층 증착된 이트리아 안정화 지르코니아 층(232)이 위치되는 예(ZC)와, 양극인 제2 전극(140)과 사마리아 도핑된 세리아 층 사이에 원자층 증착된 이트리아 안정화 지르코니아 층(332)이 위치되는 예(CZ)가 비교예가 된다. 추가로, 도 4에는 전해질(130)에 사마리아 도핑된 세리아 층만 존재하고 이트리아 안정화 지르코니아 층이 존재하지 않는 예(Ref.)를 나타내었다.As described above, in the present embodiment, the
도 4 내지 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2 전해질 층(131, 132)을 구비하는 전해질(130) 구조가 최적화된 레이어 배치임을 확인할 수 있다. 먼저, 도 4를 참조하면, 위치에는 큰 영향 없이 이트리아 안정화 지르코니아 층이 존재하는 경우(ZC, CZC, CZ)에, 450℃에서 1.1 V인 이론적인 OCV 값에 근접하게 확보되는 결과를 보였다. 즉, 원자층 증착에 의해 형성되는 이트리아 안정화 지르코니아로 이루어지는 제2 전해질 층(132)에 의해 전기적 차폐 역할이 수행됨을 확인할 수 있다.4 to 6, it can be seen that the structure of the
다음으로 도 5 및 6을 참조하면, 비교예들(ZC, CZ)과 비교하여 본 실시예(CZC)의 경우에 성능 곡선이 가장 우수한 결과를 나타냄을 확인할 수 있다. 이러한 결과는, 이트리아 안정화 지르코니아로 이루어지는 제2 전해질 층(132)이 제1 및 제2 전극(120, 140)과 접촉하지 않도록 배치되는 차이에 의한 것으로 볼 수 있다. 특히, 이트리아 안정화 지르코니아 층이 양극에 접촉되는 비교예(CZ)의 경우, 양극에서 화학 반응에 필요한 활성화 에너지에 의한 저항 손실이 크게 나타남을 확인할 수 있다(도 6의 Cathodic Activation Resistance).Next, referring to FIGS. 5 and 6, it can be seen that the performance curve shows the best result in the case of the present embodiment (CZC) compared to the comparative examples (ZC, CZ). This result may be due to the difference in that the
한편, 도 7은 도 1에 도시된 제2 전해질 층(132)의 두께에 따른 저항 및 OCV 값을 나타낸 도면이다. 이하에서는 도 7을 참조하여, 본 발명의 전해질(130)에 포함되는 제1 및 제2 전해질 층(131, 132)이 가질 수 있는 최적의 두께에 대해 설명한다.7 is a diagram illustrating resistance and OCV values according to the thickness of the
도 7의 본 발명의 일 실시예의 샌드위치(Sandwich) 구조에서, 원자층 증착된 이트리아 안정화 지르코니아로 이루어지는 제2 전해질 층(132)의 두께에 대한 OCV 값의 변화를 살펴보면, 제2 전해질 층(132)의 두께가 20 nm 이상이 되는 경우에 이론적인 OCV 값에 가까운 값이 확보되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 제2 전해질 층(132)이 원자층 증착될 때, 그 두께가 20 nm 이상이 되어야 제1 전해질 층(131)에 존재할 수 있는 핀홀(131a)이 충분히 차폐되는 수준이 될 수 있음을 확인할 수 있다.In the sandwich structure of the embodiment of FIG. 7, the change of the OCV value with respect to the thickness of the
도 7에 도시한 것과 같이 제2 전해질 층(132)의 두께의 증가에 따라 저항은 증가된다. 본 실시예에서도, 제1 전해질 층(131)에 비해 이온전도도가 낮은 이트리아 안정화 지르코니아 층(제2 전해질 층(132))의 두께가 증가됨에 따라 전해질(130) 전체의 저항도 크게 증가될 수 있다.As shown in FIG. 7, the resistance increases as the thickness of the
한편, 도 7에는 본 발명의 일 실시예의 구조와 함께, 이트리아 안정화 지르코니아 층으로만 전해질이 이루어지는 단일 층(Single layer) 구조에 대해, 두께에 대한 OCV 값이 도시되어 있다. 이러한 구조의 경우, 이트리아 안정화 지르코니아 층의 두께가 70 nm 이상이 될 때 이론적인 수준에 근접한 OCV 값이 얻어질 수 있음을 확인할 수 있다.Meanwhile, FIG. 7 shows the OCV value for the thickness of the single layer structure in which the electrolyte is composed only of the yttria stabilized zirconia layer together with the structure of one embodiment of the present invention. For this structure, it can be seen that the OCV value close to the theoretical level can be obtained when the thickness of the yttria stabilized zirconia layer is 70 nm or more.
이와 같은 도 7의 전해질의 저항과 단일 층(Single layer) 구조에 대한 OCV 값을 고려하여, 본 실시예의 제2 전해질 층(132)의 두께가 최적화될 수 있다. 본 실시예의 샌드위치(Sandwich) 구조에서는 제2 전해질 층(132)의 두께가 20 nm 이상이 되면 충분한 OCV 값이 확보된다고 볼 수 있다. 즉, 본 실시예의 경우 제2 전해질 층(132)이 전극(제1 및 제2 전극(120, 140) 각각)과 직접 접촉하지 않도록 이루어져 표면 반응 특성이 충분히 개선될 수 있으며, 제1 전해질 층과 제 2 전해질 층이 공동으로 핀홀을 막기 때문에 단일 층(Single layer) 구조에 비해 더 얇은 이트리아 안정화 지르코니아 층 두께를 가져도 OCV 값이 충분히 확보될 수 있다.In consideration of the resistance of the electrolyte of FIG. 7 and the OCV value of the single layer structure, the thickness of the
따라서, 제1 전해질 층(131)이 제2 전해질 층(132)의 양 측 표면에 존재하는 본 실시예에서, 제2 전해질 층(132)의 두께는 20 내지 70 nm의 두께를 가지도록 최적화될 수 있다. 즉, 고비용의 원자층 증착으로 형성되는 제2 전해질 층(132)의 두께가 필요 이상으로 확보되지 않고, 전기적 차폐 역할을 충분히 수행할 수 있는 수준 이상으로 확보될 수 있는 것이다.Thus, in this embodiment where the
이와 같은 최적화에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지(100)의 각 층의 두께가 설계될 수 있다. 즉, 도 3에 보인 것과 같이, 본 실시예는 100 μm의 양극산화 알루미늄 재질의 기판(110), 300 nm의 백금 재질의 제1 전극(120), 80 nm의 백금 재질의 제2 전극(140)을 가질 수 있다. 또한, 본 실시예는 제1 및 제2 전극(120, 140) 접촉하도록 각각 180 nm로 스퍼터링되는 사마리아 도핑된 세리아 재질의 제1 전해질 층(131)을 가질 수 있다. 나아가, 이트리아 안정화 지르코니아 재질의 제2 전해질 층(132)은 25 nm로 원자층 증착되어, 전자와 수소 기체의 차폐 역할을 수행할 수 있고, 비용 및 두께의 불필요한 증가가 억제될 수 있다.According to this optimization, the thickness of each layer of the solid
이상에서 설명한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The description of the present invention described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art can understand that the present invention can be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. There will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.
또한, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.In addition, the scope of the present invention is shown by the following claims rather than the detailed description, it should be construed that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts thereof are included in the scope of the present invention. do.
100: 고체 산화물 연료 전지
110: 기판
111: 다공부
120: 제1 전극
130: 전해질
131: 제1 전해질 층
131a: 핀홀
132: 제2 전해질 층
140: 제2 전극
232, 332: 이트리아 안정화 지르코니아 층100: solid oxide fuel cell
110: substrate
111: Perforation
120: first electrode
130: electrolyte
131: first electrolyte layer
131a: pinhole
132: second electrolyte layer
140: second electrode
232, 332: yttria stabilized zirconia layer
Claims (5)
상기 기판에 적층되는 제1 전극;
상기 제1 전극에 적층되는 전해질; 및
상기 전해질을 사이에 두고 상기 제1 전극과 이격되도록, 상기 전해질에 적층되는 제2 전극을 포함하며,
상기 전해질은,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 각각 접촉되도록 이루어지는 제1 전해질 층; 및
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 각각 이격되도록 상기 제1 전해질 층 내부에 형성되고, 상기 제1 전해질 층에 두께 방향으로 형성되는 핀홀(pin hole)을 차폐하도록 이루어지는 제2 전해질 층을 구비하는 고체 산화물 연료 전지.
Board;
A first electrode stacked on the substrate;
An electrolyte stacked on the first electrode; And
A second electrode stacked on the electrolyte so as to be spaced apart from the first electrode with the electrolyte interposed therebetween,
The electrolyte,
A first electrolyte layer configured to be in contact with the first electrode and the second electrode, respectively; And
And a second electrolyte layer formed inside the first electrolyte layer so as to be spaced apart from the first electrode and the second electrode, respectively, and configured to shield pin holes formed in the thickness direction of the first electrolyte layer. Solid oxide fuel cell.
상기 제2 전해질 층은 상기 제1 전해질 층의 표면을 등각(conformal)으로 덮도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.
The method of claim 1,
And the second electrolyte layer is formed to conformally cover the surface of the first electrolyte layer.
상기 제2 전해질 층은 원자층 증착(atomic layer deposition)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.
The method of claim 1,
And the second electrolyte layer is formed by atomic layer deposition.
상기 제1 전해질 층은 도핑된 세리아(doped ceria) 재질로 이루어지고,
상기 제2 전해질 층은 이트리아 안정화 지르코니아(yittria stabilized zirconia, YSZ) 재질로 이루어지고, 적층 방향으로 20 내지 70 nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.
The method of claim 1,
The first electrolyte layer is made of a doped ceria material,
The second electrolyte layer is made of yttria stabilized zirconia (YSZ) material and has a thickness of 20 to 70 nm in the stacking direction.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 각각 접촉되도록 이루어지는 제1 전해질 층; 및
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 각각 이격되도록 상기 제1 전해질 층 내부에 형성되고, 상기 제1 전해질 층에 두께 방향으로 형성되는 핀홀(pin hole)을 차폐하도록 이루어지는 제2 전해질 층을 포함하는 전해질.An electrolyte interposed between a first electrode stacked on a substrate and a second electrode spaced apart from the first electrode to provide an ion migration path of a solid oxide fuel cell,
A first electrolyte layer configured to be in contact with the first electrode and the second electrode, respectively; And
A second electrolyte layer formed inside the first electrolyte layer so as to be spaced apart from the first electrode and the second electrode, and configured to shield a pin hole formed in the thickness direction of the first electrolyte layer; Electrolyte.
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KR20170003280A (en) | 2015-06-30 | 2017-01-09 | 주식회사 엘지화학 | Method for manufacturing electrolyte membrane for solid oxide fuel cell, electrolyte membrane for solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell comprising the electrolyte membrane and fuel cell module comprising the solid oxide fuel cell |
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