KR20220006372A - 수소산화반응 촉매층을 포함하는 박막형 고체 산화물 연료전지 및 그 제조 방법 - 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.

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}
본 발명의 기술적 사상은 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소산화반응 촉매층을 포함하는 박막형 고체 산화물 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell: SOFC)는 연료 가스의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 발전기술로서, 고효율 및 환경친화적인 특징이 있다. 이러한 고체 산화물 연료전지는 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있으므로, 전해질의 손실이나 부식이 발생하지 않고, 구조가 간단하고, 소재가 저렴하며, 또한 불순물 함량이 높은 연료도 사용할 수 있는 등 많은 장점을 지니고 있다. 또한, 연료를 수소로 개질할 필요 없이 탄화수소계 연료를 직접 사용할 수 있으므로, 연료전지 시스템의 단순화와 제작비용 감소로 이어질 수 있다.
고체 산화물 연료전지는 충분한 전기전도도의 확보를 위하여, 1000℃ 이상의 고온에서 작동되는 것이 일반적이다. 그러나, 이러한 고온의 작동온도로 인하여, 적용범위가 제한되고, 다공성 전극의 열적 열화, 구성 성분간 계면 반응, 열팽창 차이에 따른 응력 발생 등과 같은 성능저하가 발생할 수 있다. 따라서, 작동 온도를 약 500℃ 내지 600℃로 감소시키는 연구가 진행되고 있으나, 전해질에서의 저항 손실이 증가하여 고체 산화물 연료전지의 전압특성이 저하될 수 있다.
따라서, 고체 산화물 연료전지의 작동온도를 낮추고, 동시에 출력저하방지 및 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.
한국특허등록번호 제10-1290577호
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.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 수소산화반응 촉매층을 포함하는 박막형 고체 산화물 연료전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 수소산화반응 촉매층을 포함하는 박막형 고체 산화물 연료전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
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.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 박막형 고체 산화물 연료전지는, 상기 애노드층이 배치된 나노 다공성 기판을 더 포함할 수 있다.
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.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 나노 다공성 기판은, 10 nm 내지 200 nm 범위의 복수의 기공들을 가질 수 있다.
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.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 애노드층은, 100 nm 내지 10000 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 애노드층은, 수소산화반응이 억제되고, 전자전도성을 가지는 물질을 포함할 수 있다.
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.
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.
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.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 수소산화반응 촉매층은, 10 nm 내지 1000 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
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.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전해질층은, 상기 수소산화반응 촉매층의 상면 및 측면을 덮을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전해질층은, 상기 수소산화반응 촉매층 사이에 구비된 이격 공간의 상측을 덮을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전해질층은, 50 nm 내지 약 10000 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
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.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 캐소드층은, 50 nm 내지 300 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
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.
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.
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.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 애노드층을 형성하는 단계는 스퍼터링을 이용하여 수행하고, 상기 수소산화반응 촉매층을 형성하는 단계는 화학기상증착법 또는 물리기상증착법을 이용하여 수행할 수 있다.
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.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막형 고체 산화물 연료전지(100)를 도시하는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 박막형 고체 산화물 연료전지(100)는 애노드층(120), 수소산화반응 촉매층(130), 전해질층(140), 및 캐소드층(150)을 포함한다.
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.
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.
<반응식>
애노드 반응: H2 + O2- -> H2O + 2e-
캐소드 반응: 1/2 O2 + 2e- -> O2-
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.
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.
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.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 박막형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.
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.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 박막형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법(S100)에 사용되는 나노 다공성 기판을 나타내는 전계방사 주사전자현미경 사진들이다.
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.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 도 2의 박막형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법(S100)을 공정 단계에 따라 도시하는 개략도들이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
100 : 박막형 고체 산화물 연료전지, 110: 나노 다공성 기판,
120: 애노드층, 130: 수소산화반응 촉매층,
140: 전해질층, 150: 캐소드층,

Claims (21)

  1. 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 포함하는,
    박막형 고체 산화물 연료전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드층이 배치된 나노 다공성 기판을 더 포함하는,
    박막형 고체 산화물 연료전지.
  3. 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.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 나노 다공성 기판은, 10 nm 내지 200 nm 범위의 복수의 기공들을 가지는,
    박막형 고체 산화물 연료전지.
  5. 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.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드층은, 100 nm 내지 10000 nm 범위의 두께를 가지는,
    박막형 고체 산화물 연료전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드층은, 수소산화반응이 억제되고, 전자전도성을 가지는 물질을 포함하는,
    박막형 고체 산화물 연료전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드층은, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), Ni-YSZ, Ni-GDC, 및 Ni-SDC 중 적어도 어느 하나를 포함하는,
    박막형 고체 산화물 연료전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소산화반응 촉매층은 상기 애노드층의 상기 주상 구조체들 각각의 상면을 덮고, 상기 주상 구조체들 각각의 측면의 적어도 일부를 덮는,
    박막형 고체 산화물 연료전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소산화반응 촉매층은 상기 애노드층의 상기 주상 구조체들 각각을 개별적으로 덮음으로써, 서로 이격되도록 이격 공간을 구비하는 구조를 가지는,
    박막형 고체 산화물 연료전지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소산화반응 촉매층은, 10 nm 내지 1000 nm 범위의 두께를 가지는,
    박막형 고체 산화물 연료전지.
  12. 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.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질층은, 상기 수소산화반응 촉매층의 상면 및 측면을 덮는,
    박막형 고체 산화물 연료전지.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질층은, 상기 수소산화반응 촉매층 사이에 구비된 이격 공간의 상측을 덮는,
    박막형 고체 산화물 연료전지.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질층은, 50 nm 내지 약 10000 nm 범위의 두께를 가지는,
    박막형 고체 산화물 연료전지.
  16. 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.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드층은, 50 nm 내지 1000 nm 범위의 두께를 가지는,
    박막형 고체 산화물 연료전지.
  18. 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.
  19. 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 포함하는,
    박막형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.
  20. 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.
  21. 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.
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