KR20230141314A - Thinfilm Solid Oxide Fuel Cell Package Having Stack Structure - Google Patents
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Abstract
박막형 고체 산화물 연료 전지 유닛 셀의 스택 구조는, 각각 실리콘 기판에 Free Standing 방식으로 전해질 막과 전극이 형성된 멤브레인 구조로 이루어진 복수의 유닛 셀의 적층체, 상기 유닛 셀의 산소극으로 산소를 공급하기 위한 산소 공급 라인, 상기 유닛 셀의 연료극으로 기체 또는 액체 상태의 연료를 공급하기 위한 연료 공급 라인, 및 상기 산소 공급 라인을 통해 공급되는 산소와 상기 연료 공급 라인을 통해 공급되는 연료가 상기 적층체 내에서 서로 접하지 않도록 상기 적층체 내부를 밀봉하기 위한 세라믹 바인더를 구비한다.The stack structure of a thin-film solid oxide fuel cell unit cell is a stack of a plurality of unit cells, each consisting of a membrane structure in which an electrolyte film and electrodes are formed in a free standing manner on a silicon substrate, and a device for supplying oxygen to the oxygen electrode of the unit cell. An oxygen supply line, a fuel supply line for supplying gaseous or liquid fuel to the anode of the unit cell, and oxygen supplied through the oxygen supply line and fuel supplied through the fuel supply line are supplied within the laminate. A ceramic binder is provided to seal the inside of the laminate to prevent contact with each other.
Description
본 발명은 스택 구조를 갖는 박막형 고체 산화물 연료 전지 패키지에 관한 것이다.The present invention relates to a thin-film solid oxide fuel cell package having a stack structure.
고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 고효율의 에너지 변환 장치의 일종으로, 전해질로 고체 산화물 막을 사용하는 연료 전지이다.A solid oxide fuel cell (SOFC) is a type of highly efficient energy conversion device that converts chemical energy into electrical energy. It is a fuel cell that uses a solid oxide membrane as an electrolyte.
SOFC의 전해질 막에 사용되는 전해질로는 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)가 주로 사용되며, Micro-electro-mechanical System(MEMS) 공정을 통해 제작하는 박막형(Thinfilm) SOFC는 실리콘 기판에 Free Standing 방식으로 전해질 막과 전극을 형성하는 후면 에칭 멤브레인 구조로 이루어진다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).The electrolyte used in the electrolyte membrane of SOFC is mainly YSZ (Yttria Stabilized Zirconia), and thin film SOFC manufactured through the Micro-electro-mechanical System (MEMS) process is a free standing electrolyte membrane on a silicon substrate. It consists of a back-etched membrane structure that forms an electrode (for example, see Patent Document 1).
여기서, 효과적인 미세구조를 위해 전해질은 두께를 감소시켜 저항을 감소시킴으로써 저온에서 이온전도도 저하를 상쇄시키고, 전극은 나노 구조화하여 비표면적을 증가시켜 저온의 낮은 활성을 반응점 밀도 증가로 상쇄시킬 수 있다.Here, for an effective microstructure, the thickness of the electrolyte is reduced to reduce resistance to offset the decrease in ionic conductivity at low temperatures, and the electrode is nano-structured to increase the specific surface area to offset the low activity at low temperature by increasing the density of reaction sites.
유닛 셀의 스택으로 이루어져 소정의 패키지 내에 수납된 상태에서 연료 전지로 동작하기 위해서는 연료가 산소(공기)와 분리되도록 스택 내부를 밀봉해야 할 필요가 있다.In order to operate as a fuel cell in a state in which a stack of unit cells is stored in a predetermined package, the inside of the stack needs to be sealed so that the fuel is separated from oxygen (air).
고분자 연료 전지의 경우 볼트와 개스킷을 사용하여 연료의 유로를 밀봉할 수 있으나, 소형 경량의 박막형 고체 산화물 연료 전지의 경우에는 실리콘 기판에 Free Standing 방식으로 전해질 막과 전극을 형성하는 멤브레인 구조의 한계로 인해 스택 내부의 밀봉이 용이하지 않은 문제가 있다.In the case of polymer fuel cells, the fuel flow path can be sealed using bolts and gaskets, but in the case of small and lightweight thin-film solid oxide fuel cells, this is due to the limitations of the membrane structure, which forms the electrolyte membrane and electrodes in a free standing method on a silicon substrate. Due to this, there is a problem that it is not easy to seal the inside of the stack.
본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 하나의 기술적 과제는, 스택 구조를 갖는 박막형 고체 산화물 연료 전지 패키지를 제공하는 데 있다.The present invention was designed to solve the above problems, and one technical problem to be achieved by the present invention is to provide a thin-film solid oxide fuel cell package having a stack structure.
본 발명이 이루고자 하는 또 하나의 기술적 과제는, 스택 구조를 갖는 박막형 고체 산화물 연료 전지 패키지를 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 제공하는 데 있다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a solid oxide fuel cell including a thin film solid oxide fuel cell package having a stack structure.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 의하면, 각각 실리콘 기판에 Free Standing 방식으로 전해질 막과 전극이 형성된 멤브레인 구조로 이루어진 복수의 유닛 셀의 적층체, 상기 유닛 셀의 산소극으로 산소를 공급하기 위한 산소 공급 라인, 상기 유닛 셀의 연료극으로 기체 또는 액체 상태의 연료를 공급하기 위한 연료 공급 라인, 및 상기 산소 공급 라인을 통해 공급되는 산소와 상기 연료 공급 라인을 통해 공급되는 연료가 상기 적층체 내에서 서로 접하지 않도록 상기 적층체 내부를 밀봉하기 위한 세라믹 바인더를 구비하는, 박막형 고체 산화물 연료 전지 유닛 셀의 스택 구조를 제공한다.According to at least one embodiment of the present invention, a stack of a plurality of unit cells each composed of a membrane structure in which an electrolyte membrane and an electrode are formed in a free standing manner on a silicon substrate, and oxygen for supplying oxygen to the oxygen electrode of the unit cell. A supply line, a fuel supply line for supplying gaseous or liquid fuel to the anode of the unit cell, and oxygen supplied through the oxygen supply line and fuel supplied through the fuel supply line are connected to each other within the laminate. A stack structure of a thin-film solid oxide fuel cell unit cell is provided, including a ceramic binder for sealing the inside of the stack to prevent contact.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 복수의 유닛 셀의 적층체를 구성하는 각각의 유닛 셀은, 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판의 제1 면에 형성된 전해질 막, 상기 전해질 막의 제 1면의 적어도 일부에 형성된 제1 전극, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면의 반대 면인 제2 면으로부터 상기 전해질 막의 상기 제1 면의 반대 면인 제2 면의 상기 제1 전극에 대향하는 일부가 노출되도록 형성된 리세스부, 및 적어도 상기 전해질 막의 노출된 상기 제2 면에 형성된 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극, 상기 전해질 막, 및 상기 제2 전극으로 형성된 다층 구조는 소정의 깊이로 형성된 트렌치 형태의 복수의 서브 셀을 포함하고, 상기 실리콘 기판은 적어도 상기 리세스부의 가장자리 부근에 다공성으로 형성된 다공질부를 포함한다.In at least one embodiment of the present invention, each unit cell constituting the stack of the plurality of unit cells includes a silicon substrate, an electrolyte membrane formed on the first side of the silicon substrate, and a first side of the electrolyte membrane. A first electrode formed on at least a portion of the silicon substrate, and a portion of the second side of the electrolyte membrane opposite to the first side is exposed from the second side of the silicon substrate, which is opposite to the first side of the silicon substrate. It includes a cess portion and a second electrode formed on at least the exposed second surface of the electrolyte membrane, and the multilayer structure formed by the first electrode, the electrolyte membrane, and the second electrode is in the form of a trench formed at a predetermined depth. It includes a plurality of subcells, and the silicon substrate includes a porous portion formed to be porous at least near an edge of the recess portion.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 복수의 유닛 셀의 적층체를 구성하는 각각의 유닛 셀은, 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판의 제1 면에 형성된 전해질 막, 상기 전해질 막의 제 1면의 적어도 일부에 형성된 제1 전극, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면의 반대 면인 제2 면으로부터 상기 전해질 막의 상기 제1 면의 반대 면인 제2 면의 상기 제1 전극에 대향하는 일부가 노출되도록 형성된 리세스부, 및 적어도 상기 전해질 막의 노출된 상기 제2 면에 형성된 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극, 상기 전해질 막, 및 상기 제2 전극으로 형성된 다층 구조는 소정의 깊이로 형성된 트렌치 형태의 복수의 서브 셀을 포함하고, 상기 실리콘 기판은 다공성 실리콘 기판을 포함한다.In at least one embodiment of the present invention, each unit cell constituting the stack of the plurality of unit cells includes a silicon substrate, an electrolyte membrane formed on the first side of the silicon substrate, and a first side of the electrolyte membrane. A first electrode formed on at least a portion of the silicon substrate, and a portion of the second side of the electrolyte membrane opposite to the first side is exposed from the second side of the silicon substrate, which is opposite to the first side of the silicon substrate. It includes a cess portion and a second electrode formed on at least the exposed second surface of the electrolyte membrane, and the multilayer structure formed by the first electrode, the electrolyte membrane, and the second electrode is in the form of a trench formed at a predetermined depth. It includes a plurality of subcells, and the silicon substrate includes a porous silicon substrate.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 의하면, 상기 박막형 고체 산화물 연료 전지 유닛 셀의 스택 구조를 구비하는, 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.According to at least one embodiment of the present invention, a solid oxide fuel cell is provided, having a stack structure of the thin film type solid oxide fuel cell unit cells.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 의하면, 상기 박막형 고체 산화물 연료 전지 유닛 셀의 스택 구조 및 상기 박막형 고체 산화물 연료 전지 유닛 셀의 스택 구조를 수용하기 위한 하우징을 구비하는, 고체 산화물 연료 전지 패키지를 제공한다.According to at least one embodiment of the present invention, a solid oxide fuel cell package is provided, including a stack structure of the thin film solid oxide fuel cell unit cells and a housing for accommodating the stack structure of the thin film solid oxide fuel cell unit cells. do.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 고체 산화물 연료 전지 패키지는 상기 박막형 고체 산화물 연료 전지 유닛 셀의 스택 구조와 상기 하우징 사이에 배치된 단열 구조를 더 구비하고, 상기 단열 구조는 상기 하우징 내측면에 형성된 엠보싱을 포함한다.In at least one embodiment of the present invention, the solid oxide fuel cell package further includes an insulating structure disposed between the stack structure of the thin-film solid oxide fuel cell unit cell and the housing, and the insulating structure is located within the housing. Includes embossing formed on the side.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 엠보싱은 선단이 돔형, 콘형, 피라미드형, 다중돌기형, 및 테이퍼형 중 적어도 어느 하나로 형성된다.In at least one embodiment of the present invention, the embossing has a tip formed in at least one of a dome shape, a cone shape, a pyramid shape, a multi-protrusion shape, and a tapered shape.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 단열 구조는 상기 엠보싱과 상기 박막형 고체 산화물 연료 전지 유닛 셀의 스택 구조 사이에 배치된 제1 단열층 및 제2 단열층을 더 포함한다.In at least one embodiment of the present invention, the insulating structure further includes a first insulating layer and a second insulating layer disposed between the embossing and the stack structure of the thin film solid oxide fuel cell unit cell.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 제1 단열층은 알루미늄을 포함하고, 상기 제2 단열층은 사파이어를 포함한다.In at least one embodiment of the present invention, the first insulating layer includes aluminum and the second insulating layer includes sapphire.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 복수의 유닛 셀의 적층체를 구성하는 각각의 유닛 셀은, 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판의 제1 면에 형성된 전해질 막, 상기 전해질 막의 제 1면의 적어도 일부에 형성된 제1 전극, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면의 반대 면인 제2 면으로부터 상기 전해질 막의 상기 제1 면의 반대 면인 제2 면의 상기 제1 전극에 대향하는 일부가 노출되도록 형성된 리세스부, 및 적어도 상기 전해질 막의 노출된 상기 제2 면에 형성된 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극, 상기 전해질 막, 및 상기 제2 전극으로 형성된 다층 구조는 소정의 깊이로 형성된 트렌치 형태의 복수의 서브 셀을 포함하고, 상기 실리콘 기판은 적어도 상기 리세스부의 가장자리 부근에 다공성으로 형성된 다공질부를 포함한다.In at least one embodiment of the present invention, each unit cell constituting the stack of the plurality of unit cells includes a silicon substrate, an electrolyte membrane formed on the first side of the silicon substrate, and a first side of the electrolyte membrane. A first electrode formed on at least a portion of the silicon substrate, and a portion of the second side of the electrolyte membrane opposite to the first side is exposed from the second side of the silicon substrate, which is opposite to the first side of the silicon substrate. It includes a cess portion and a second electrode formed on at least the exposed second surface of the electrolyte membrane, and the multilayer structure formed by the first electrode, the electrolyte membrane, and the second electrode is in the form of a trench formed at a predetermined depth. It includes a plurality of subcells, and the silicon substrate includes a porous portion formed to be porous at least near an edge of the recess portion.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 상기 유닛 셀 스택을 구성하는 각각의 유닛 셀은, 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판의 제1 면에 형성된 전해질 막, 상기 전해질 막의 제 1면의 적어도 일부에 형성된 제1 전극, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면의 반대 면인 제2 면으로부터 상기 전해질 막의 상기 제1 면의 반대 면인 제2 면의 상기 제1 전극에 대향하는 일부가 노출되도록 형성된 리세스부, 및 적어도 상기 전해질 막의 노출된 상기 제2 면에 형성된 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극, 상기 전해질 막, 및 상기 제2 전극으로 형성된 다층 구조는 소정의 깊이로 형성된 트렌치 형태의 복수의 서브 셀을 포함하고, 상기 실리콘 기판은 다공성 실리콘 기판을 포함한다.In at least one embodiment of the present invention, each unit cell constituting the unit cell stack includes a silicon substrate, an electrolyte membrane formed on a first side of the silicon substrate, and an electrolyte membrane formed on at least a portion of the first side of the electrolyte membrane. A first electrode, a recess formed to expose a portion of the second surface of the electrolyte membrane opposite to the first surface from the second surface of the silicon substrate, which is opposite to the first surface, and which is opposed to the first electrode, and It includes at least a second electrode formed on the exposed second surface of the electrolyte membrane, and the multilayer structure formed by the first electrode, the electrolyte membrane, and the second electrode includes a plurality of sub cells in the form of a trench formed at a predetermined depth. It includes, and the silicon substrate includes a porous silicon substrate.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 상기 박막형 고체 산화물 연료 전지 패키지를 구비하는, 고체 산화물 연료 전지 를 제공한다.According to at least one embodiment of the present invention, a solid oxide fuel cell is provided, including the thin film type solid oxide fuel cell package.
본 명세서에서 각각의 실시예는 독립적으로 기재되어 있으나 각각의 실시예는 상호 조합이 가능하며 조합된 실시예도 본 발명의 권리 범위에 포함된다.In this specification, each embodiment is described independently, but each embodiment can be combined with each other, and the combined embodiments are also included in the scope of the present invention.
상술한 요약은 단지 설명을 위한 것이며 어떠한 방식으로도 제한을 의도하는 것은 아니다. 상술한 설명적 양태, 실시예 및 특징에 덧붙여 추가의 양태, 실시예 및 특징이 도면 및 아래의 상세한 설명을 참조함으로써 명백해질 것이다.The foregoing summary is for illustrative purposes only and is not intended to be limiting in any way. In addition to the illustrative aspects, embodiments and features described above, additional aspects, embodiments and features will become apparent by reference to the drawings and the detailed description below.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 스택 구조를 갖는 박막형 고체 산화물 연료 전지 패키지를 제공할 수 있는 효과가 있다.According to at least one embodiment of the present invention, it is possible to provide a thin-film solid oxide fuel cell package having a stack structure.
또한, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 스택 구조를 갖는 박막형 고체 산화물 연료 전지 패키지를 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.Additionally, according to at least one embodiment of the present invention, it is possible to provide a solid oxide fuel cell including a thin film-type solid oxide fuel cell package having a stack structure.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
도 1은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 스택 구조의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 스택 구조를 갖는 연료 전지 패키지의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 스택 구조를 갖는 연료 전지 패키지의 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 스택 구조를 갖는 연료 전지 패키지의 단열 구조의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 유닛 셀의 측단면도이다.
도 6A 내지 도 6G는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 유닛 셀의 제조 과정을 설명하기 위한 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a stack structure according to at least one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a perspective view of a fuel cell package having a stack structure according to at least one embodiment of the present invention.
3 is a side cross-sectional view of a fuel cell package having a stack structure according to at least one embodiment of the present invention.
4 is a conceptual diagram of an insulation structure of a fuel cell package having a stack structure according to at least one embodiment of the present invention.
Figure 5 is a side cross-sectional view of a unit cell according to at least one embodiment of the present invention.
Figures 6A to 6G are conceptual diagrams for explaining the manufacturing process of a unit cell according to at least one embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 박막형 고체 산화물 연료 전지 유닛 셀의 스택 구조(100)의 개념도이다. 도 2는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 스택 구조(100)를 갖는 연료 전지 패키지의 사시도이다.1 is a conceptual diagram of a stack structure 100 of a thin-film solid oxide fuel cell unit cell according to at least one embodiment of the present invention. Figure 2 is a perspective view of a fuel cell package having a stack structure 100 according to at least one embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 스택 구조(100)은, 각각 실리콘 기판에 Free Standing 방식으로 전해질 막과 전극이 형성된 멤브레인 구조로 이루어진 복수의 유닛 셀(110)의 적층체, 각각의 유닛 셀(110)의 산소극으로 산소를 공급하기 위한 산소 공급 라인(120), 각각의 유닛 셀(110)의 연료극으로 기체 또는 액체 상태의 연료를 공급하기 위한 연료 공급 라인(130), 및 산소 공급 라인(120)을 통해 공급되는 산소와 연료 공급 라인(130)을 통해 공급되는 연료가 적층체 내에서 서로 접하지 않도록 적층체 내부를 밀봉하기 위한 세라믹 바인더(140)로 구성된다.As shown in Figures 1 and 2, the stack structure 100 according to at least one embodiment of the present invention is a plurality of unit cells each composed of a membrane structure in which an electrolyte membrane and electrodes are formed in a free standing manner on a silicon substrate. A stack of (110), an oxygen supply line 120 for supplying oxygen to the oxygen electrode of each unit cell 110, and an oxygen supply line 120 for supplying gaseous or liquid fuel to the anode of each unit cell 110. A ceramic binder ( 140).
도 1 및 도 2에 도시된 예에서는 연료와 산소가 각 층을 따라 지그재그 형태로 공급되는 라인을 도시하고 있으나 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 연료와 산소를 공급하기 위한 라인은 각 층에 대해 평행한 복수의 라인으로 형성될 수도 있다.In the example shown in FIGS. 1 and 2, lines for supplying fuel and oxygen are shown in a zigzag pattern along each layer. However, this is for convenience of explanation, and the lines for supplying fuel and oxygen are parallel to each layer. It may be formed of multiple lines.
MEMS 공정을 통해 제작하는 박막형 고체 산화물 연료 전지는 실리콘 기판에 Free Standing 방식으로 전해질 막과 전극을 형성하는 후면 에칭 멤브레인 구조로 이루어진다.Thin-film solid oxide fuel cells manufactured through the MEMS process have a back-etched membrane structure that forms an electrolyte film and electrodes in a free standing manner on a silicon substrate.
이러한 미세구조로 얻어진 전해질은 두께를 감소시켜 저항을 감소시킴으로써 저온에서 이온전도도 저하를 상쇄시키고, 전극의 나노 구조화는 비표면적을 증가시켜 저온의 낮은 활성을 반응점 밀도 증가로 상쇄시킨다.The electrolyte obtained with this microstructure offsets the decline in ionic conductivity at low temperatures by reducing resistance by reducing the thickness, and the nano-structuring of the electrode increases the specific surface area, offsetting the low activity at low temperatures by increasing the density of reaction sites.
유닛 셀의 스택으로 이루어져 소정의 패키지 내에 수납된 상태에서 연료 전지로 동작하기 위해서는 연료가 산소와 접촉하지 않도록 스택 내부를 밀봉해야 하는데, 고분자 연료 전지의 경우 볼트와 개스킷을 사용하여 연료의 유로를 밀봉할 수 있으나, 소형 경량의 박막형 고체 산화물 연료 전지의 경우에는 멤브레인 구조의 한계로 인해 스택 내부의 밀봉에 볼트와 개스킷 등을 사용한 물리적인 힘을 가할 수 없다.In order to operate as a fuel cell in a state that consists of a stack of unit cells and stored in a predetermined package, the inside of the stack must be sealed to prevent the fuel from coming into contact with oxygen. In the case of a polymer fuel cell, bolts and gaskets are used to seal the fuel flow path. However, in the case of small and lightweight thin film solid oxide fuel cells, physical force using bolts and gaskets cannot be applied to the seal inside the stack due to limitations in the membrane structure.
이에, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 볼트 등의 체결 부재나 개스킷 등의 밀봉 부재를 사용하지 않고 세라믹 바인더(140)를 사용하여 적층체의 각 층을 접합 및 밀봉한다.Accordingly, in at least one embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 1 and 2, the laminate is formed using the ceramic binder 140 without using fastening members such as bolts or sealing members such as gaskets. Each layer is bonded and sealed.
세라믹 바인더는 뛰어난 내열성, 내수성, 및 접착성을 갖고 있으며, 예를 들어 일반적인 일액형 세라믹 바인더를 사용할 수 있다.Ceramic binders have excellent heat resistance, water resistance, and adhesive properties, and for example, a general one-component ceramic binder can be used.
도 3은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 스택 구조(100)를 갖는 연료 전지 패키지의 측단면도이다. 도 4는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 스택 구조(100)를 갖는 연료 전지 패키지의 단열 구조의 개념도이다.3 is a side cross-sectional view of a fuel cell package having a stack structure 100 according to at least one embodiment of the present invention. FIG. 4 is a conceptual diagram of an insulation structure of a fuel cell package having a stack structure 100 according to at least one embodiment of the present invention.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 단열 구조를 갖는 연료 전지 패키지는, 하우징(200), 하우징(200) 내에 수용된 유닛 셀 스택(100), 및 하우징(200)과 유닛 셀 스택(100) 사이에 배치된 단열 구조로 구성된다.As shown in FIGS. 3 and 4, a fuel cell package having an insulating structure according to at least one embodiment of the present invention includes a housing 200, a unit cell stack 100 accommodated in the housing 200, and the housing. It consists of an insulating structure disposed between (200) and the unit cell stack (100).
MEMS (Micro-electro-mechanical System) 기반의 박막형 고체 산화물 연료 전지에서, 복수 개의 유닛 셀이 적층 구조로 구성된 유닛 셀 스택(100)은 약 500°C의 적정 동작 온도를 가지며, 이를 위해 별도의 박막 히터(미 도시)가 구비된다.In a thin-film solid oxide fuel cell based on a MEMS (Micro-electro-mechanical System), the unit cell stack 100, which consists of a plurality of unit cells in a stacked structure, has an appropriate operating temperature of about 500°C, and for this purpose, a separate thin film is used. A heater (not shown) is provided.
이와 같은 고체 산화물 연료 전지의 안정된 동작을 위해서는, 내부의 온도를 적정 동작 온도로 안정되게 유지하고, 외부로의 열전도를 낮춰서 패키지의 표면 온도를 안정화하기 위한 단열 구조가 필요하다.For stable operation of such a solid oxide fuel cell, an insulation structure is required to stably maintain the internal temperature at an appropriate operating temperature and stabilize the surface temperature of the package by lowering heat conduction to the outside.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 하우징(200)과 유닛 셀 스택(100) 사이에 배치된 단열 구조는 하우징(200)의 내측면에 형성된 엠보싱(201)을 포함한다.In at least one embodiment of the present invention, the insulating structure disposed between the housing 200 and the unit cell stack 100 includes an embossing 201 formed on the inner surface of the housing 200.
하우징(200)의 내측면에 형성된 엠보싱(201)은 돌기 간의 공간을 통한 단열 및 유닛 셀 스택(100)과의 접촉 단면적의 최소화를 통해 유닛 셀 스택(100)으로부터 하우징(200)을 통해 외부로 열이 전도되는 것을 최소화할 수 있다.The embossing 201 formed on the inner surface of the housing 200 flows from the unit cell stack 100 to the outside through the housing 200 by insulating the space between the protrusions and minimizing the cross-sectional area of contact with the unit cell stack 100. Heat conduction can be minimized.
도 3에서는 엠보싱(201)의 선단이 원형인 돔형의 형상을 예로 도시하고 있으나, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 엠보싱(201)은 선단이 돔형, 콘형, 피라미드형, 다중돌기형, 및 테이퍼형 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.In Figure 3, the tip of the embossing 201 is shown as an example of a dome shape with a circular tip. However, in at least one embodiment of the present invention, the embossing 201 has a tip of a dome shape, a cone shape, a pyramid shape, a multi-protrusion shape, and may be formed in at least one of a tapered shape.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 하우징(200)과 유닛 셀 스택(100) 사이에 배치된 단열 구조는 엠보싱(201)과 유닛 셀 스택(100) 사이에 배치된 제1 단열층(202) 및 제2 단열층(203)을 더 포함할 수 있다.In at least one embodiment of the present invention, the insulating structure disposed between the housing 200 and the unit cell stack 100 includes the first insulating layer 202 disposed between the embossing 201 and the unit cell stack 100. And it may further include a second heat insulating layer 203.
보다 확실하고 효율적인 단열을 위해, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 제1 단열층(202)은 알루미늄을 포함하고, 제2 단열층(203)은 사파이어를 포함할 수 있다.For more reliable and efficient insulation, in at least one embodiment of the present invention, the first insulation layer 202 may include aluminum and the second insulation layer 203 may include sapphire.
유닛 셀 스택(100)의 각 유닛 셀은 전해질, 연료극, 및 분리막 등의 구조를 가지며, 각 유닛 셀 간에는 공기와 연료를 통과시키기 위한 공기 통로 및 연료 통로가 형성되지만, 이와 같은 구조는 다양한 공지 기술을 적용할 수 있기에 본 명세서에서는 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.Each unit cell of the unit cell stack 100 has a structure such as an electrolyte, an anode, and a separator, and an air passage and a fuel passage for passing air and fuel are formed between each unit cell. However, such a structure is known in various known technologies. Since is applicable, detailed description thereof is omitted in this specification.
도 5는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 유닛 셀(500)의 측단면도이다.Figure 5 is a side cross-sectional view of a unit cell 500 according to at least one embodiment of the present invention.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 유닛 셀(500)은 실리콘 기판에 Free Standing 방식으로 전해질 막과 전극을 형성하는 나노 멤브레인 구조로, 트렌치 형태로 형성된 복수의 서브 셀(미 도시)을 포함할 수 있다.In at least one embodiment of the present invention, the unit cell 500 is a nanomembrane structure that forms an electrolyte film and electrodes in a free standing manner on a silicon substrate, and includes a plurality of subcells (not shown) formed in the form of a trench. can do.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 유닛 셀(500)은 실리콘 기판(510)의 적어도 리세스부(540)의 가장자리 부근에 다공성으로 형성된 다공질부(560)를 포함한다.As shown in FIG. 5, the unit cell 500 according to at least one embodiment of the present invention has a porous portion 560 formed to be porous at least near the edge of the recess portion 540 of the silicon substrate 510. Includes.
도 5에서는 리세스부(540)의 가장자리 부근에 다공질부(560)를 형성한 예를 도시하고 있으나 실리콘 기판(510) 전체를 다공성으로 형성할 수도 있다.Although FIG. 5 shows an example in which the porous portion 560 is formed near the edge of the recess portion 540, the entire silicon substrate 510 may be formed to be porous.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 박막형 고체 산화물 연료 전지는 유닛 셀(500)의 적층체(스택)을 구비할 수 있다.A thin-film solid oxide fuel cell according to at least one embodiment of the present invention may include a stack of unit cells 500.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 유닛 셀(500)은, 실리콘 기판(510), 실리콘 기판(510)의 제1 면(도 4에 도시된 예에서는 상면)에 형성된 전해질 막(520), 전해질 막(520)의 제 1면의 적어도 일부에 형성된 제1 전극(530), 실리콘 기판(510)의 제1 면의 반대 면인 제2 면(도 4에 도시된 예에서는 하면)으로부터 전해질 막(520)의 제1 면의 반대 면인 제2 면의 제1 전극(530)에 대향하는 일부가 노출되도록 형성된 리세스부(540), 및 적어도 리세스부(540)를 통해 노출된 전해질 막(520)의 제2 면에 형성된 제2 전극(550)으로 구성된다.As shown in FIG. 5, a unit cell 500 according to at least one embodiment of the present invention includes a silicon substrate 510 and a first surface (top surface in the example shown in FIG. 4) of the silicon substrate 510. an electrolyte membrane 520 formed on the electrolyte membrane 520, a first electrode 530 formed on at least a portion of the first side of the electrolyte membrane 520, and a second side opposite the first side of the silicon substrate 510 (shown in FIG. 4). A recess portion 540 formed to expose a portion facing the first electrode 530 on the second side, which is the opposite side of the first side of the electrolyte membrane 520, from the lower surface in the example), and at least the recess portion 540. It consists of a second electrode 550 formed on the second surface of the electrolyte membrane 520 exposed through.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 유닛 셀(500)은 MEMS 기반의 박막형 SOFC로, 멤브레인과 전극을 박막으로 형성함으로써 전해질 내의 이온 전도로 인한 오믹 손실을 최소화하여 저온에서의 동작 성능을 향상시키는 구조를 갖는다.The unit cell 500 according to at least one embodiment of the present invention is a MEMS-based thin-film SOFC, which improves operating performance at low temperatures by minimizing ohmic loss due to ion conduction in the electrolyte by forming the membrane and electrode into a thin film. It has a structure.
동작 시에 멤브레인의 가장자리 부근(멤브레인에 있어서 리세스부(540)의 가장자리 부근)에 응력이 집중되어 이 부근에 위치하는 셀들이 손상되는 단점을 극복하기 위해, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 유닛 셀(500)은 실리콘 기판(510)의 적어도 리세스부(540)의 가장자리 부근에 다공성으로 형성된 다공질부(560)를 포함한다.In order to overcome the disadvantage that the stress is concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane) during operation and the cells located in this vicinity are damaged, at least one embodiment of the present invention The unit cell 500 includes a porous portion 560 formed to be porous at least near the edge of the recessed portion 540 of the silicon substrate 510.
이와 같이 실리콘 기판(510)의 적어도 리세스부(540)의 가장자리 부근에 다공성으로 형성된 다공질부(560)를 형성함으로써, 멤브레인의 가장자리 부근(멤브레인에 있어서 리세스부(540)의 가장자리 부근)에 집중되는 응력을 분산시킬 수 있다.In this way, by forming the porous portion 560 at least near the edge of the recessed portion 540 of the silicon substrate 510, the porous portion 560 is formed near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane). Concentrated stress can be dispersed.
도 5에서는 실리콘 기판(510)의 리세스부(540)의 가장자리 부근에 다공성으로 형성된 다공질부(560)를 형성하여 멤브레인의 가장자리 부근(멤브레인에 있어서 리세스부(540)의 가장자리 부근)에 집중되는 응력을 분산시키는 예를 보이고 있으나, 실리콘 기판(510) 전체를 다공성으로 해서 멤브레인의 가장자리 부근(멤브레인에 있어서 리세스부(540)의 가장자리 부근)에 집중되는 응력을 분산시킬 수도 있다.In Figure 5, a porous portion 560 is formed near the edge of the recessed portion 540 of the silicon substrate 510 and concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane). An example of dispersing the stress is shown, but the entire silicon substrate 510 can be made porous to disperse the stress concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane).
이를 위해, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 유닛 셀(500)은, 다공성 실리콘 기판(510), 다공성 실리콘 기판(510)의 제1 면에 형성된 전해질 막(520), 전해질 막(520)의 제 1면의 적어도 일부에 형성된 제1 전극(530), 다공성 실리콘 기판(510)의 제2 면으로부터 전해질 막(520)의 제2 면의 제1 전극(530)에 대향하는 일부가 노출되도록 형성된 리세스부(540), 및 적어도 리세스부(540)를 통해 노출된 전해질 막(520)의 제2 면에 형성된 제2 전극(550)으로 구성된다.To this end, the unit cell 500 according to at least one embodiment of the present invention includes a porous silicon substrate 510, an electrolyte membrane 520 formed on the first side of the porous silicon substrate 510, and an electrolyte membrane 520. The first electrode 530 formed on at least a portion of the first side of the porous silicon substrate 510, such that the portion opposite to the first electrode 530 on the second side of the electrolyte membrane 520 is exposed from the second side of the porous silicon substrate 510. It consists of a recessed portion 540 formed, and a second electrode 550 formed on at least the second surface of the electrolyte membrane 520 exposed through the recessed portion 540.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 전해질 막(520)은 MEMS 공정을 활용한 이온 전도성 세라믹 전해질 막으로 형성할 수 있으며, 제1 전극(530) 및 제2 전극(550)은 다공성 백금 재질을 사용하여 형성할 수 있다.In at least one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane 520 may be formed of an ion conductive ceramic electrolyte membrane using a MEMS process, and the first electrode 530 and the second electrode 550 may be made of a porous platinum material. It can be formed using .
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 전해질 막(520)은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 같은 고체 산소 이온 전도체 또는 이트륨 도핑된 BaZrO3(BYZ)와 같은 양성자 전도체로 형성할 수 있다.In at least one embodiment of the invention, electrolyte membrane 520 may be formed from a solid oxygen ion conductor such as yttria stabilized zirconia (YSZ) or a proton conductor such as yttrium doped BaZrO 3 (BYZ).
도 6A 내지 도 6G는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 유닛 셀(500)의 제조 과정을 설명하기 위한 개념도이다.Figures 6A to 6G are conceptual diagrams for explaining the manufacturing process of the unit cell 500 according to at least one embodiment of the present invention.
도 6A에 도시된 바와 같이, 양면이 폴리싱된 실리콘 기판(510)의 제1 면(도 5A에 도시된 예에서는 상면) 및 제1 면의 반대 면인 제2 면(도 5A에 도시된 예에서는 하면)에 각각 유전체 막(511) 및 유전체 막(512)을 증착한다. 여기서, 유전체 막(511) 및 유전체 막(512)에는 SiN을 사용할 수 있다.As shown in FIG. 6A, a silicon substrate 510 of which both sides are polished has a first side (the top side in the example shown in FIG. 5A) and a second side opposite the first side (the bottom side in the example shown in FIG. 5A). ) and deposit a dielectric film 511 and a dielectric film 512, respectively. Here, SiN can be used for the dielectric films 511 and 512.
이후, 도 6B에 도시된 바와 같이, 제2 면에 증착된 유전체 막(512)을 소정의 패턴에 따라 제거한다. 즉, 제2 면에 증착된 유전체 막에 소정의 패턴을 가진 마스크를 사용하여 포토리소그래피를 통해 SiN 유전체 막(512)에 패터닝을 한 다음에 적절한 에천트를 사용한 에칭을 통해 패턴에 따른 유전체 막(512)을 제거한다.Thereafter, as shown in FIG. 6B, the dielectric film 512 deposited on the second surface is removed according to a predetermined pattern. That is, the SiN dielectric film 512 is patterned through photolithography using a mask with a predetermined pattern on the dielectric film deposited on the second side, and then etched using an appropriate etchant to form a dielectric film (512) according to the pattern. 512) is removed.
이후, 도 6C에 도시된 바와 같이, 제1 면에 증착된 유전체 막(511)의 제1 면에 전해질 막(520)을 형성한다. 제2 면에 증착된 유전체 막(512)을 소정의 패턴에 따라 제거하는 단계와 제1 면에 증착된 유전체 막(511)의 제1 면에 전해질 막(520)을 형성하는 단계는 서로 순서를 달리 할 수도 있다.Thereafter, as shown in FIG. 6C, an electrolyte film 520 is formed on the first side of the dielectric film 511 deposited on the first side. The steps of removing the dielectric film 512 deposited on the second side according to a predetermined pattern and forming the electrolyte film 520 on the first side of the dielectric film 511 deposited on the first side are sequentially performed. You could do it differently.
이후, 도 6D에 도시된 바와 같이, 제2 면의 유전체 막(512)이 제거된 부분을 에칭하여 제1 면에 증착된 유전체 막(511)이 노출되도록 리세스부(540)를 형성한다. 이 때, 하부로부터 실리콘 기판(510)을 에칭하기 위해 KOH 용액을 사용하여 습식 에칭을 수행할 수 있다.Thereafter, as shown in FIG. 6D, the portion from which the dielectric film 512 on the second side was removed is etched to form a recess portion 540 to expose the dielectric film 511 deposited on the first side. At this time, wet etching may be performed using a KOH solution to etch the silicon substrate 510 from the bottom.
이후, 도 6E에 도시된 바와 같이, 리세스부(540)를 통해 노출된 제1 면에 증착된 유전체 막(511) 및 제2 면에 남아있는 유전체 막(512)을 제거한다.Thereafter, as shown in FIG. 6E, the dielectric film 511 deposited on the first side exposed through the recess portion 540 and the dielectric film 512 remaining on the second side are removed.
이후, 도 6F에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(510)의 적어도 리세스부(540)의 가장자리 부근을 다공성으로 형성한다. 이 때, 예를 들어 단결정 실리콘을 소정 농도의 불산 용액에 침지시킨 다음에 양극 처리하여 다공성 실리콘을 형성하는 방법을 사용할 수 있다.Thereafter, as shown in FIG. 6F, at least the edge of the recessed portion 540 of the silicon substrate 510 is made porous. At this time, for example, a method may be used to form porous silicon by immersing single crystal silicon in a hydrofluoric acid solution of a predetermined concentration and then anodizing it.
이후, 도 6G에 도시된 바와 같이, 전해질 막(520)의 제 1면의 적어도 일부에 제1 전극(530)을 형성하고, 리세스부(540)를 통해 노출된 제1 면에 증착된 유전체 막(511)을 제거함으로써 노출된 전해질 막(520)의 제2 면에 제2 전극(550)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 6G, a first electrode 530 is formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane 520, and a dielectric deposited on the first surface exposed through the recess portion 540 A second electrode 550 is formed on the second surface of the electrolyte membrane 520 exposed by removing the membrane 511.
이와 같이 제작된 유닛 셀(500)은 MEMS 기반의 박막형 SOFC로, 멤브레인과 전극을 박막으로 형성함으로써 전해질 내의 이온 전도로 인한 오믹 손실을 최소화하여 저온에서의 동작 성능을 향상시킬 수 있다.The unit cell 500 manufactured in this way is a MEMS-based thin-film SOFC, and by forming the membrane and electrodes into a thin film, ohmic loss due to ion conduction in the electrolyte can be minimized and operating performance at low temperatures can be improved.
동작 시에 멤브레인의 가장자리 부근(멤브레인에 있어서 리세스부(540)의 가장자리 부근)에 응력이 집중되어 이 부근에 위치하는 셀들이 손상되는 것을 방지하기 위해 실리콘 기판(510)의 적어도 리세스부(540)의 가장자리 부근에 다공성으로 형성된 다공질부(560)를 형성함으로써, 멤브레인의 가장자리 부근(멤브레인에 있어서 리세스부(540)의 가장자리 부근)에 집중되는 응력을 분산시킬 수 있다.In order to prevent stress from being concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane) during operation and damaging the cells located in this vicinity, at least the recessed portion ( By forming the porous portion 560 near the edge of the membrane 540, stress concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane) can be dispersed.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 전해질 막(520)은 MEMS 공정을 활용한 이온 전도성 세라믹 전해질 막으로 형성할 수 있으며, 제1 전극(530) 및 제2 전극(550)은 다공성 백금 재질을 사용하여 형성할 수 있다.In at least one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane 520 may be formed of an ion conductive ceramic electrolyte membrane using a MEMS process, and the first electrode 530 and the second electrode 550 may be made of a porous platinum material. It can be formed using .
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 전해질 막(520)은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 같은 고체 산소 이온 전도체 또는 이트륨 도핑된 BaZrO3(BYZ)와 같은 양성자 전도체로 형성할 수 있다.In at least one embodiment of the invention, electrolyte membrane 520 may be formed from a solid oxygen ion conductor such as yttria stabilized zirconia (YSZ) or a proton conductor such as yttrium doped BaZrO 3 (BYZ).
도 6A 내지 도 6G에서는 실리콘 기판(510)의 리세스부(540)의 가장자리 부근에 다공성으로 형성된 다공질부(560)를 형성하여 멤브레인의 가장자리 부근(멤브레인에 있어서 리세스부(540)의 가장자리 부근)에 집중되는 응력을 분산시키는 예를 보이고 있으나, 실리콘 기판(510) 전체를 다공성으로 해서 멤브레인의 가장자리 부근(멤브레인에 있어서 리세스부(540)의 가장자리 부근)에 집중되는 응력을 분산시킬 수도 있다.6A to 6G, a porous portion 560 is formed near the edge of the recessed portion 540 of the silicon substrate 510, and is formed near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane). ) is shown as an example of dispersing the stress concentrated in the silicon substrate 510, but the entire silicon substrate 510 can be made porous to disperse the stress concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane). .
예를 들어, 양면이 폴리싱된 단결정 실리콘 기판(510)의 제1 면 및 제2 면에 각각 유전체 막(511) 및 유전체 막(512)을 증착한다. 여기서, 유전체 막(511) 및 유전체 막(512)에는 SiN을 사용할 수 있다.For example, a dielectric film 511 and a dielectric film 512 are deposited on the first and second surfaces of a single crystal silicon substrate 510 of which both sides are polished, respectively. Here, SiN can be used for the dielectric films 511 and 512.
이후, 제2 면에 증착된 유전체 막(512)을 소정의 패턴에 따라 제거한다. 즉, 제2 면에 증착된 유전체 막에 소정의 패턴을 가진 마스크를 사용하여 포토리소그래피를 통해 SiN 유전체 막(512)에 패터닝을 한 다음에 적절한 에천트를 사용한 에칭을 통해 패턴에 따른 유전체 막(512)을 제거한다.Thereafter, the dielectric film 512 deposited on the second surface is removed according to a predetermined pattern. That is, the SiN dielectric film 512 is patterned through photolithography using a mask with a predetermined pattern on the dielectric film deposited on the second side, and then etched using an appropriate etchant to form a dielectric film (512) according to the pattern. 512) is removed.
이후, 제1 면에 증착된 유전체 막(511)의 제1 면에 전해질 막(520)을 형성한다. 제2 면에 증착된 유전체 막(512)을 소정의 패턴에 따라 제거하는 단계와 제1 면에 증착된 유전체 막(511)의 제1 면에 전해질 막(520)을 형성하는 단계는 서로 순서를 달리 할 수도 있다.Afterwards, an electrolyte film 520 is formed on the first side of the dielectric film 511 deposited on the first side. The steps of removing the dielectric film 512 deposited on the second side according to a predetermined pattern and forming the electrolyte film 520 on the first side of the dielectric film 511 deposited on the first side are sequentially performed. You could do it differently.
이후, 제2 면의 유전체 막(512)이 제거된 부분을 에칭하여 제1 면에 증착된 유전체 막(511)이 노출되도록 리세스부(540)를 형성한다. 이 때, 하부로부터 실리콘 기판(510)을 에칭하기 위해 KOH 용액을 사용하여 습식 에칭을 수행할 수 있다.Thereafter, the portion from which the dielectric film 512 on the second side was removed is etched to form a recess 540 to expose the dielectric film 511 deposited on the first side. At this time, wet etching may be performed using a KOH solution to etch the silicon substrate 510 from the bottom.
이후, 리세스부(540)를 통해 노출된 제1 면에 증착된 유전체 막(511) 및 제2 면에 남아있는 유전체 막(512)을 제거한다.Thereafter, the dielectric film 511 deposited on the first side exposed through the recess 540 and the dielectric film 512 remaining on the second side are removed.
이후, 실리콘 기판(510)을 다공성으로 형성한다. 이 때, 예를 들어 단결정 실리콘을 소정 농도의 불산 용액에 침지시킨 다음에 양극 처리하여 다공성 실리콘을 형성하는 방법을 사용할 수 있다.Afterwards, the silicon substrate 510 is formed to be porous. At this time, for example, a method may be used to form porous silicon by immersing single crystal silicon in a hydrofluoric acid solution of a predetermined concentration and then anodizing it.
이후, 전해질 막(520)의 제 1면의 적어도 일부에 제1 전극(530)을 형성하고, 리세스부(540)를 통해 노출된 제1 면에 증착된 유전체 막(511)을 제거함으로써 노출된 전해질 막(520)의 제2 면에 제2 전극(550)을 형성한다.Thereafter, the first electrode 530 is formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte film 520, and the dielectric film 511 deposited on the first surface exposed through the recess portion 540 is removed to expose the electrolyte film 520. A second electrode 550 is formed on the second side of the electrolyte membrane 520.
이와 같이 제작된 박막형 고체 산화물 연료 전지(100)는 MEMS 기반의 박막형 SOFC로, 멤브레인과 전극을 박막으로 형성함으로써 전해질 내의 이온 전도로 인한 오믹 손실을 최소화하여 저온에서의 동작 성능을 향상시킬 수 있다.The thin-film solid oxide fuel cell 100 manufactured in this way is a MEMS-based thin-film SOFC. By forming the membrane and electrodes into thin films, ohmic loss due to ion conduction in the electrolyte can be minimized and operating performance at low temperatures can be improved.
동작 시에 멤브레인의 가장자리 부근(멤브레인에 있어서 리세스부(540)의 가장자리 부근)에 응력이 집중되어 이 부근에 위치하는 셀들이 손상되는 것을 방지하기 위해 실리콘 기판(510)을 다공성으로 형성함으로써, 멤브레인의 가장자리 부근(멤브레인에 있어서 리세스부(540)의 가장자리 부근)에 집중되는 응력을 분산시킬 수 있다.In order to prevent stress from being concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane) during operation and damaging the cells located in this vicinity, the silicon substrate 510 is made porous, Stress concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane) can be distributed.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 전해질 막(520)은 MEMS 공정을 활용한 이온 전도성 세라믹 전해질 막으로 형성할 수 있으며, 제1 전극(530) 및 제2 전극(550)은 다공성 백금 재질을 사용하여 형성할 수 있다.In at least one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane 520 may be formed of an ion conductive ceramic electrolyte membrane using a MEMS process, and the first electrode 530 and the second electrode 550 may be made of a porous platinum material. It can be formed using .
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 있어서, 전해질 막(520)은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 같은 고체 산소 이온 전도체 또는 이트륨 도핑된 BaZrO3(BYZ)와 같은 양성자 전도체로 형성할 수 있다.In at least one embodiment of the invention, electrolyte membrane 520 may be formed from a solid oxygen ion conductor such as yttria stabilized zirconia (YSZ) or a proton conductor such as yttrium doped BaZrO 3 (BYZ).
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 스택 구조를 갖는 박막형 고체 산화물 연료 전지 패키지를 제공할 수 있다.As described above, according to at least one embodiment of the present invention, a thin film-type solid oxide fuel cell package having a stack structure can be provided.
또한, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 위와 같은 연료 전지 패키지를 구비하는 고체 산화물 연료 전지를 제공할 수 있다.Additionally, according to at least one embodiment of the present invention, a solid oxide fuel cell including the above fuel cell package can be provided.
이상 본 발명을 몇 가지 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.Although the present invention has been described above using several examples, these examples are illustrative and not limiting. As such, those of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains will understand that various changes and modifications can be made according to the theory of equivalents without departing from the spirit of the present invention and the scope of rights set forth in the appended claims.
100: 유닛 셀 스택
110: 유닛 셀
120: 산소 공급 라인
130: 연료 공급 라인
140: 세라믹 바인더
200: 하우징
201: 엠보싱
202: 제1 단열층
203: 제2 단열층
500: 유닛 셀
510: 실리콘 기판
511, 512: 유전체 막
520: 전해질 막
530: 제1 전극
540: 리세스부
550: 제2 전극
560: 다공질부100: unit cell stack
110: unit cell
120: Oxygen supply line
130: Fuel supply line
140: Ceramic binder
200: housing
201: embossing
202: first insulation layer
203: second insulation layer
500: unit cell
510: silicon substrate
511, 512: dielectric film
520: electrolyte membrane
530: first electrode
540: Recess portion
550: second electrode
560: porous portion
Claims (12)
상기 유닛 셀의 산소극으로 산소를 공급하기 위한 산소 공급 라인;
상기 유닛 셀의 연료극으로 기체 또는 액체 상태의 연료를 공급하기 위한 연료 공급 라인; 및
상기 산소 공급 라인을 통해 공급되는 산소와 상기 연료 공급 라인을 통해 공급되는 연료가 상기 적층체 내에서 서로 접하지 않도록 상기 적층체 내부를 밀봉하기 위한 세라믹 바인더
를 구비하는,
박막형 고체 산화물 연료 전지 유닛 셀의 스택 구조.A stack of a plurality of unit cells each composed of a membrane structure in which an electrolyte membrane and electrodes are formed in a free standing manner on a silicon substrate;
An oxygen supply line for supplying oxygen to the oxygen electrode of the unit cell;
a fuel supply line for supplying gaseous or liquid fuel to the anode of the unit cell; and
A ceramic binder for sealing the inside of the laminate so that the oxygen supplied through the oxygen supply line and the fuel supplied through the fuel supply line do not come into contact with each other within the laminate.
Equipped with,
Stack structure of a thin-film solid oxide fuel cell unit cell.
상기 복수의 유닛 셀의 적층체를 구성하는 각각의 유닛 셀은, 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판의 제1 면에 형성된 전해질 막, 상기 전해질 막의 제 1면의 적어도 일부에 형성된 제1 전극, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면의 반대 면인 제2 면으로부터 상기 전해질 막의 상기 제1 면의 반대 면인 제2 면의 상기 제1 전극에 대향하는 일부가 노출되도록 형성된 리세스부, 및 적어도 상기 전해질 막의 노출된 상기 제2 면에 형성된 제2 전극을 포함하고,
상기 제1 전극, 상기 전해질 막, 및 상기 제2 전극으로 형성된 다층 구조는 소정의 깊이로 형성된 트렌치 형태의 복수의 서브 셀을 포함하고,
상기 실리콘 기판은 적어도 상기 리세스부의 가장자리 부근에 다공성으로 형성된 다공질부를 포함하는,
박막형 고체 산화물 연료 전지 유닛 셀의 스택 구조.According to paragraph 1,
Each unit cell constituting the stack of the plurality of unit cells includes a silicon substrate, an electrolyte membrane formed on a first surface of the silicon substrate, a first electrode formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane, and the silicon substrate. A recess formed to expose a portion of the second surface of the electrolyte membrane opposite to the first electrode from the second surface of the electrolyte membrane, and at least the exposed portion of the electrolyte membrane. It includes a second electrode formed on the second side,
The multilayer structure formed by the first electrode, the electrolyte membrane, and the second electrode includes a plurality of subcells in the form of a trench formed at a predetermined depth,
The silicon substrate includes a porous portion formed to be porous at least near the edge of the recess portion,
Stack structure of a thin-film solid oxide fuel cell unit cell.
상기 복수의 유닛 셀의 적층체를 구성하는 각각의 유닛 셀은, 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판의 제1 면에 형성된 전해질 막, 상기 전해질 막의 제 1면의 적어도 일부에 형성된 제1 전극, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면의 반대 면인 제2 면으로부터 상기 전해질 막의 상기 제1 면의 반대 면인 제2 면의 상기 제1 전극에 대향하는 일부가 노출되도록 형성된 리세스부, 및 적어도 상기 전해질 막의 노출된 상기 제2 면에 형성된 제2 전극을 포함하고,
상기 제1 전극, 상기 전해질 막, 및 상기 제2 전극으로 형성된 다층 구조는 소정의 깊이로 형성된 트렌치 형태의 복수의 서브 셀을 포함하고,
상기 실리콘 기판은 다공성 실리콘 기판을 포함하는,
박막형 고체 산화물 연료 전지 유닛 셀의 스택 구조.According to paragraph 1,
Each unit cell constituting the stack of the plurality of unit cells includes a silicon substrate, an electrolyte membrane formed on a first surface of the silicon substrate, a first electrode formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane, and the silicon substrate. A recess formed to expose a portion of the second surface of the electrolyte membrane opposite to the first electrode from the second surface of the electrolyte membrane, and at least the exposed portion of the electrolyte membrane. It includes a second electrode formed on the second side,
The multilayer structure formed by the first electrode, the electrolyte membrane, and the second electrode includes a plurality of subcells in the form of a trench formed at a predetermined depth,
The silicon substrate includes a porous silicon substrate,
Stack structure of thin-film solid oxide fuel cell unit cells.
고체 산화물 연료 전지.Equipped with a stack structure of the thin film solid oxide fuel cell unit cell according to any one of claims 1 to 3,
Solid oxide fuel cell.
상기 박막형 고체 산화물 연료 전지 유닛 셀의 스택 구조를 수용하기 위한 하우징
을 구비하는,
고체 산화물 연료 전지 패키지.A stack structure of the thin film solid oxide fuel cell unit cell according to claim 1; and
A housing for accommodating a stack structure of the thin-film solid oxide fuel cell unit cell.
Equipped with,
Solid oxide fuel cell package.
상기 박막형 고체 산화물 연료 전지 유닛 셀의 스택 구조와 상기 하우징 사이에 배치된 단열 구조
를 더 구비하고,
상기 단열 구조는 상기 하우징 내측면에 형성된 엠보싱을 포함하는,
고체 산화물 연료 전지 패키지.According to clause 5,
An insulating structure disposed between the stack structure of the thin-film solid oxide fuel cell unit cell and the housing.
It is further provided with,
The insulation structure includes embossing formed on the inner side of the housing,
Solid oxide fuel cell package.
상기 엠보싱은 선단이 돔형, 콘형, 피라미드형, 다중돌기형, 및 테이퍼형 중 적어도 어느 하나로 형성된,
고체 산화물 연료 전지 패키지.According to clause 6,
The embossing has a tip formed in at least one of a dome shape, a cone shape, a pyramid shape, a multi-protrusion shape, and a tapered shape,
Solid oxide fuel cell package.
상기 단열 구조는 상기 엠보싱과 상기 박막형 고체 산화물 연료 전지 유닛 셀의 스택 구조 사이에 배치된 제1 단열층 및 제2 단열층을 더 포함하는,
고체 산화물 연료 전지 패키지.According to clause 6,
The insulating structure further includes a first insulating layer and a second insulating layer disposed between the embossing and the stack structure of the thin film solid oxide fuel cell unit cell.
Solid oxide fuel cell package.
상기 제1 단열층은 알루미늄을 포함하고,
상기 제2 단열층은 사파이어를 포함하는,
고체 산화물 연료 전지 패키지.According to clause 8,
The first heat insulating layer includes aluminum,
The second heat insulating layer includes sapphire,
Solid oxide fuel cell package.
상기 복수의 유닛 셀의 적층체를 구성하는 각각의 유닛 셀은, 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판의 제1 면에 형성된 전해질 막, 상기 전해질 막의 제 1면의 적어도 일부에 형성된 제1 전극, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면의 반대 면인 제2 면으로부터 상기 전해질 막의 상기 제1 면의 반대 면인 제2 면의 상기 제1 전극에 대향하는 일부가 노출되도록 형성된 리세스부, 및 적어도 상기 전해질 막의 노출된 상기 제2 면에 형성된 제2 전극을 포함하고,
상기 제1 전극, 상기 전해질 막, 및 상기 제2 전극으로 형성된 다층 구조는 소정의 깊이로 형성된 트렌치 형태의 복수의 서브 셀을 포함하고,
상기 실리콘 기판은 적어도 상기 리세스부의 가장자리 부근에 다공성으로 형성된 다공질부를 포함하는,
고체 산화물 연료 전지 패키지.According to clause 5,
Each unit cell constituting the stack of the plurality of unit cells includes a silicon substrate, an electrolyte membrane formed on a first surface of the silicon substrate, a first electrode formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane, and the silicon substrate. A recess formed to expose a portion of the second surface of the electrolyte membrane opposite to the first electrode from the second surface of the electrolyte membrane, and at least the exposed portion of the electrolyte membrane. It includes a second electrode formed on the second side,
The multilayer structure formed by the first electrode, the electrolyte membrane, and the second electrode includes a plurality of subcells in the form of a trench formed at a predetermined depth,
The silicon substrate includes a porous portion formed to be porous at least near the edge of the recess portion,
Solid oxide fuel cell package.
상기 유닛 셀 스택을 구성하는 각각의 유닛 셀은, 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판의 제1 면에 형성된 전해질 막, 상기 전해질 막의 제 1면의 적어도 일부에 형성된 제1 전극, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면의 반대 면인 제2 면으로부터 상기 전해질 막의 상기 제1 면의 반대 면인 제2 면의 상기 제1 전극에 대향하는 일부가 노출되도록 형성된 리세스부, 및 적어도 상기 전해질 막의 노출된 상기 제2 면에 형성된 제2 전극을 포함하고,
상기 제1 전극, 상기 전해질 막, 및 상기 제2 전극으로 형성된 다층 구조는 소정의 깊이로 형성된 트렌치 형태의 복수의 서브 셀을 포함하고,
상기 실리콘 기판은 다공성 실리콘 기판을 포함하는,
고체 산화물 연료 전지 패키지.According to clause 5,
Each unit cell constituting the unit cell stack includes a silicon substrate, an electrolyte membrane formed on a first side of the silicon substrate, a first electrode formed on at least a portion of the first side of the electrolyte membrane, and the first electrode of the silicon substrate. A recess formed to expose a portion of the second surface opposite to the first surface of the electrolyte membrane from the second surface, which is the opposite surface of the electrolyte membrane, to the first electrode, and at least to the exposed second surface of the electrolyte membrane. Comprising a formed second electrode,
The multilayer structure formed by the first electrode, the electrolyte membrane, and the second electrode includes a plurality of subcells in the form of a trench formed at a predetermined depth,
The silicon substrate includes a porous silicon substrate,
Solid oxide fuel cell package.
고체 산화물 연료 전지.Equipped with a thin film solid oxide fuel cell package according to any one of claims 5 to 11,
Solid oxide fuel cell.
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