WO2014081178A1 - 삼상계면길이가 증가된 박막형 ｓｏｆｃ 및 그 제조방법 - Google Patents

삼상계면길이가 증가된 박막형 ｓｏｆｃ 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2014081178A1
WO2014081178A1 PCT/KR2013/010541 KR2013010541W WO2014081178A1 WO 2014081178 A1 WO2014081178 A1 WO 2014081178A1 KR 2013010541 W KR2013010541 W KR 2013010541W WO 2014081178 A1 WO2014081178 A1 WO 2014081178A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
electrolyte layer
phase
electrolyte
current collector
Prior art date
Application number
PCT/KR2013/010541
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
권오웅
Original Assignee
지브이퓨얼셀
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 지브이퓨얼셀 filed Critical 지브이퓨얼셀
Publication of WO2014081178A1 publication Critical patent/WO2014081178A1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H01M8/1253—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides the electrolyte containing zirconium oxide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a thin film type SOFC having an increased three-phase interface length and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a thin film type SOFC having an increased three phase interface length for improving the electrocatalyst reactivity of a solid oxide fuel cell and a method of manufacturing the same. .
  • Solid Oxide Fuel Cells operate at the highest temperatures (700-1000 ° C) of fuel cells using solid oxides that conduct oxygen or hydrogen ions as electrolyte.
  • the solid oxide fuel cell has a simple structure because all components are solid, there is no problem of electrolyte loss and corrosion, no need for precious metal catalyst, and can supply fuel through internal reforming directly.
  • it has the advantage that thermal combined cycle power generation using waste heat is possible because the high-temperature gas is discharged.
  • a general solid oxide fuel cell is composed of a dense electrolyte layer of oxygen ion conductivity and a porous cathode and a porous anode positioned on both sides thereof.
  • the operating principle is that oxygen supplied to the porous cathode reaches the electrolyte surface, and oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen at the electrode-electrolyte interface move to the anode through the dense electrolyte and react with hydrogen supplied to the porous anode again.
  • By generating water at this time, electrons are generated at the anode and electrons are consumed at the cathode, so that electricity is generated when the two electrodes are connected to each other.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional electron micrograph of a proton conductive low temperature solid oxide fuel cell using a sputtered platinum cathode according to the prior art.
  • the solid oxide fuel cell described in the prior art has a problem in that the performance of the electrode catalyst is limited because the interface between the electrolyte and the cathode and the anode, that is, the reaction area is limited to the sputtered porous platinum electrode and the electrolyte having a dense surface structure. .
  • An object of the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, by inserting a TPB increasing layer for increasing the interface between the electrolyte and the electrode, that is, three phase boundary (TPB) efficiency of the fuel cell
  • TPB three phase boundary
  • the present invention provides a thin film SOFC having an increased three-phase interface length and a method of manufacturing the same.
  • the present invention for achieving the above object, the present invention, the first electrolyte layer; A fuel electrode current collector layer formed on one surface of the first electrolyte layer; An air electrode current collector layer formed on the other surface of the first electrolyte layer; And first and second TPB increasing layers interposed at both sides of the first electrolyte layer and at interfaces between the anode current collector layer and the cathode current collector layer to increase a three-phase interface.
  • first, second TPB increase layer in the present invention, the second electrolyte layer which is in close contact with both surfaces of the first electrolyte layer; And a plurality of three-phase interface electrode catalysts interposed between both surfaces of the second electrolyte layer and interfaces between the anode current collector layer and the cathode current collector layer.
  • the second electrolyte layer in the present invention may be arranged in a continuous cross-sectional shape.
  • the three-phase electrode catalyst according to the present invention may be composed of particles of 20 nm or less.
  • the present invention comprises the steps of forming each of the second electrolyte layer on both surfaces of the first electrolyte layer; Disposing a plurality of three-phase interface electrode catalysts on each surface of the second electrolyte layer; Forming an anode current collector layer on a surface of the one-side three-phase electrode catalyst; And forming a cathode current collector layer on a surface of the other three-phase interface electrode catalyst, wherein the second electrolyte layer and the first electrolyte layer and the current collector layer are formed through a high-density gas permeable three-phase interface electrode catalyst. It is achieved through a thin film SOC manufacturing method that increases the three-phase interface at the interface.
  • anode current collector layer and the cathode current collector layer may be synthesized by a thin film deposition technique.
  • the efficiency of the fuel cell can be improved by inserting an TPB increasing layer for increasing the interface between the electrolyte and the electrode (or three-phase interface), that is, the reaction area of the electrode catalyst.
  • FIG. 1 is an electron micrograph showing a cross section of a low temperature solid oxide fuel cell according to the prior art.
  • FIG. 2 is a side view showing the structure of a thin-film SOFC having an increased three-phase interface length according to the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of a method for manufacturing a thin film SOFC having increased three-phase interface length according to the present invention.
  • 4 and 5 are electron micrographs showing a porous electrolyte layer and an electrode catalyst for a three-phase interface in a thin film SOFC having increased three-phase interface length according to the present invention.
  • first TPB increasing layer 130 second TPB increasing layer
  • ... unit means a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software.
  • Figure 2 is a side view of the structure of the thin-film SOFC with increased three-phase interface length in accordance with the present invention.
  • the thin-film SOFC 100 having an increased three-phase interface length includes a first electrolyte layer 110, a first TPB increasing layer 120, and a second TPB increasing layer 130.
  • the anode current collector layer 140 and the cathode current collector layer 150 are provided.
  • the first electrolyte layer 110 provides a movement path of the ions between the electrodes but blocks the movement of electrons and separates fuel and air
  • the anode current collecting layer 140 and the cathode current collecting layer 150 servess to provide a movement path for electrons generated in the first TPB increasing layer 120 and the second TPB increasing layer 130.
  • the first electrolyte layer 110 includes zirconium oxide (Zr x O y ), cerium oxide (Ce x O y ), lanthanum galate, barium cerate, and barium zirconate. , Ionic conductors such as bismuth-based oxides or oxygen ion conducting materials such as various doping phases of these materials, or proton conducting materials. have.
  • the first electrolyte layer 110 is exemplified as yttrium-doped barium zirconate (BZY) doped with one of the proton conductor oxides.
  • BZY yttrium-doped barium zirconate
  • the structure of the electrolyte is dense.
  • the first TPB increasing layer 120 is inserted at an interface between the bottom surface of the first electrolyte layer 110 and the anode current collector layer 140 to increase the three-phase interface, which is an electrochemical reaction region of the anode, and the second electrolyte.
  • the second electrolyte layer 122 is an electrolyte layer having a porous surface deposited on the bottom of the first electrolyte layer 110, respectively.
  • the second electrolyte layer 122 in the present embodiment is illustrated as having a cylindrical shape in which the cross-sectional shape is continuously arranged.
  • the second electrolyte layer 122 is a porous electrolyte layer deposited on the upper surface of the first electrolyte layer 110, and the shape thereof is the same as that of the second electrolyte layer 122, and thus a detailed description thereof will be omitted. Meanwhile, the second electrolyte layers 122 and 132 are illustrated as having a cylindrical cross section, but may be changed to a semi-polygon.
  • a plurality of three-phase electrode catalysts 124 are disposed at an interface between the surface of the second electrolyte layer 122 and the anode current collector layer 140 to secure a reaction area of the electrode catalyst.
  • the second TPB increasing layer 130 is inserted into an interface between the upper surface of the first electrolyte layer 110 and the cathode current collector layer 150 to increase the three-phase interface, and the second electrolyte layer 132 and the three-phase electrode catalyst 134.
  • a plurality of three-phase electrode catalysts 134 are disposed so as to be in point or line contact with each other at an interface between the upper surface of the second electrolyte layer 132 and the anode current collector layer 140, and the shape of the three-phase electrode catalysts is described above. Since it is the same as 124, detailed description is abbreviate
  • the anode current collector layer 140 is formed on the bottom surface of the first electrolyte layer 110 and is made of a material having a high hydrogen catalytic reaction degree (platinum (Pt), palladium (Pd), etc.).
  • the cathode current collecting layer 150 is formed on the upper surface of the first electrolyte layer 110 and is formed of platinum (Pt) having a high oxygen catalyst reactivity.
  • the cathode three-phase electrode catalyst 134 and the anode three-phase electrode catalyst 124 are formed by atomic layer deposition (ALD), which is one of chemical vapor deposition (CVD) techniques. It is a precious metal electrode.
  • ALD atomic layer deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • the cathode three-phase electrode catalyst 134 and the anode three-phase electrode catalyst 124 according to the present embodiment are exemplified as having a spherical shape in which cross-sectional shapes are continuously arranged.
  • FIG 3 is a block diagram illustrating a method for manufacturing a thin film SOFC having increased three-phase interface length according to the present invention
  • FIGS. 4 and 5 illustrate the surface and three-phase interface of a porous electrolyte in the thin film type SOFC having increased three-phase interface length according to the present invention. The photograph which enlarged the surface of the electrocatalyst for solvent is described.
  • the thin-film SOFC manufacturing method with increased three-phase interface length according to an embodiment of the present invention, the first electrolyte layer preparation step (S200), the second electrolyte layer forming step (S210), the three-phase interface electrode catalyst arrangement A step S220 and a current collector layer forming step S230 are included.
  • the preparation step S200 of the first electrolyte layer 110 includes zirconium oxide (Zr x O y ), cerium oxide (Ce x O y ), lanthanum galate, barium cerate, and barium zirco Category covering ionic conductors such as barium zirconate, bismuth-based oxides, or oxygen ion conducting materials such as various doping phases of these materials, or proton conducting materials It can be selected and proceeded from.
  • the first electrolyte layer 110 is exemplified as yttrium-doped barium zirconate (BZY) doped with one of the proton conductor oxides.
  • BZY yttrium-doped barium zirconate
  • the structure of the electrolyte is dense.
  • the second electrolyte layer forming step (S210) consists of depositing a second electrolyte layer 122 having a porous surface on the bottom of the first electrolyte layer 110.
  • the second electrolyte layer 122 in the present embodiment is illustrated as having a cylindrical shape in which the cross-sectional shape is continuously arranged.
  • the second electrolyte layer 132 is a porous electrolyte layer deposited on the upper surface of the first electrolyte layer 110, and the shape thereof is the same as the second electrolyte layer 122, and thus, a detailed description thereof will be omitted. Meanwhile, the second electrolyte layers 122 and 132 are illustrated as having a cylindrical cross section, but may be changed to a semi-polygon.
  • the TPB increase electrode placing step S220 is performed by deposition of the TPB increase electrodes 134 and 124 formed on the second electrolyte layers 122 and 132.
  • a plurality of TPB increasing electrodes 124 are disposed at an interface between the surface of the three-phase interface electrode catalyst 122 and the anode current collector layer 140 to secure a reaction area of the electrode catalyst.
  • the second TPB increasing layer 130 is inserted into an interface between the upper surface of the first electrolyte layer 110 and the cathode current collector layer 150 to increase the three-phase interface, and the second electrolyte layer 132 and the three-phase electrode catalyst 134.
  • the current collector layer forming step (S230) is a current collector layer 140, 150 made of a high-performance conductor (platinum (Pt), palladium (Pt), silver (Ag), etc.) formed on the three-phase interface electrode catalysts 124 and 134. It is made by the deposition of.
  • a high-performance conductor platinum (Pt), palladium (Pt), silver (Ag), etc.
  • FIG. 5 shows porous second electrolyte layers 122 and 132 made of y-doped barium zirconate (BZY) material
  • FIG. 6 shows a TPB increasing electrode (platinum, Pt).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

본 발명은 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은, 제1 전해질층; 상기 제1 전해질층의 일면에 형성되는 연료극 집전층; 상기 제1 전해질층의 타면에 형성되는 공기극 집전층; 및 상기 제1 전해질층의 양면 그리고 상기 연료극 집전층 및 상기 공기극 집전층과의 계면에 각각 개재되어 삼상계면(Three Phase Boundary: TPB)을 증가시키는 제1, 2 TPB 증가층을 포함한다. 본 발명에 의하면, 전해질과 전극과의 계면 즉, 삼상계면(Three Phase Boundary: TPB)을 증가시키기 위한 TPB 증가층을 삽입하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

삼상계면길이가 증가된 박막형 ＳＯＦＣ 및 그 제조방법
본 발명은 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고체 산화물 연료전지의 전극촉매 반응성을 향상시키기 위한 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 전도하는 고체 산화물을 전해질로 사용하여 연료 전지 중 가장 높은 온도(700∼1000 ℃)에서 작동한다.
특히, 고체 산화물 연료전지는 구성 요소들이 모두 고체로 이루어져 있기 때문에 구조가 간단하고, 전해질의 손실과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 가능하다. 또한, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다.
일반적인 고체 산화물 연료전지는 산소 이온전도성의 치밀한 전해질층과 그 양면에 위치한 다공성의 공기극 및 다공성의 연료극으로 이루어져 있다. 작동원리는 다공성의 공기극에 공급된 산소가 전해질 면에 이르고 전극-전해질 계면에서의 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 치밀한 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 다시 다공성의 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 이때, 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 발생하는 것이다.
이러한 연료 전지와 관련된 기술이 논문 "Low intermediate temperature ceramic fuel cell with Y-doped BaZrO3 electrolyte and thin film Pd anode on porous substrate", Electrochemistry Communications Volume 13, Issue 4, Pages 374~377 (공개일 2011.04)(이하 종래기술이라 함)"에 기술된 바 있다.
도 1에는 종래기술에 의한 스퍼터 처리한 백금 공기극을 사용하는 양성자 전도성 저온 고체 산화물 연료 전지의 단면 전자현미경 사진이 기재되어 있다.
그러나, 종래기술에 기재된 고체 산화물 연료전지는 전해질 그리고 공기극 및 연료극과의 계면 즉, 반응 면적이 스퍼터 처리한 다공성 백금 전극과 치밀한 표면 구조를 갖는 전해질에 한정되어 전극촉매 성능이 제한되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전해질과 전극과의 계면 즉, 삼상계면(Three Phase Boundary: TPB)을 증가시키기 위한 TPB 증가층을 삽입하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있게 한 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은, 제1 전해질층; 상기 제1 전해질층의 일면에 형성되는 연료극 집전층; 상기 제1 전해질층의 타면에 형성되는 공기극 집전층; 및 상기 제1 전해질층의 양면 그리고 상기 연료극 집전층 및 상기 공기극 집전층과의 계면에 각각 개재되어 삼상계면을 증가시키는 제1, 2 TPB 증가층을 포함하는 박막형 ＳＯＦＣ를 통해 달성된다.
또한, 본 발명에서의 상기 제1, 2 TPB 증가층은, 상기 제1 전해질층의 양면에 각각 밀착되는 제2 전해질층; 및 상기 제2 전해질층의 양 표면 그리고 상기 연료극 집전층 및 상기 공기극 집전층과의 계면에 각각 개입되는 다수의 삼상계면용 전극촉매를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 제2 전해질층은 단면형상이 연속 배열될 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 삼상계면용 전극촉매는 20 nm 이하의 입자들로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 제1 전해질층의 양단 표면에 제2 전해질층을 각각 형성하는 단계; 상기 제2 전해질층의 표면마다 다수의 삼상계면용 전극촉매를 배치하는 단계; 상기 일측 삼상계면용 전극촉매의 표면에 연료극 집전층을 형성하는 단계; 및 상기 타측 삼상계면용 전극촉매의 표면에 공기극 집전층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제2 전해질층과 고밀도의 기체 투과성 삼상계면용 전극촉매를 통해 상기 제1 전해질층과 상기 집전층과의 계면에서 삼상계면을 증가시키는 박막형 ＳＯＦＣ 제조방법을 통해 달성된다.
또한, 본 발명에서 상기 연료극 집전층과 상기 공기극 집전층은 박막 증착 기법에 의해 합성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 전해질과 전극과의 계면 (또는 삼상계면) 즉, 전극촉매의 반응 면적을 증가시키기 위한 TPB 증가층을 삽입하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 의한 저온 고체 산화물 연료 전지의 단면을 나타낸 전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명에 의한 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC의 구조를 나타낸 측면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC 제조방법의 블록도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 의한 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC에서 다공성 전해질층과 삼상계면용 전극촉매를 나타내는 전자현미경 사진이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100: 박막형 SOFC 110: 제1 전해질층
120: 제1 TPB 증가층 130: 제2 TPB 증가층
140: 연료극 집전층 150: 공기극 집전층
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
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. 또한, 명세서에 기재된 "...부"라는 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수도 있다.
이하 도면을 참고하여 본 발명에 의한 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC 및 그 제조방법에 대한 실시 예의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2에는 본 발명에 따른 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC의 구조가 측면도로 도시되어 있다.
이 도면에 의하면, 본 발명의 일실시 예에 의한 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC(100)는 제1 전해질층(110), 제1 TPB 증가층(120), 제2 TPB 증가층(130), 연료극 집전층(140) 및 공기극 집전층(150)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 전해질층(110)은 전극 사이에서 이온의 이동통로는 제공하지만 전자의 이동은 차단하고 연료와 공기를 분리하는 기능을 하며, 상기 연료극 집전층(140) 및 공기극 집전층(150)은 상기 제1 TPB 증가층(120)과, 상기 제2 TPB 증가층(130)에서 발생하는 전자의 이동통로를 제공하는 기능을 한다.
제1 전해질층(110)은 지르코늄 산화물(ZrxOy), 세륨 산화물(CexOy), 란타늄 갈레이트(Lanthanum Gallate), 바륨 세레이트(Barium Cerate), 바륨 지르코네이트(Barium Zirconate), 비스무스(Bismuth) 계열 산화물 또는 상기 재료들의 여러 도핑 (doping)상과 같은 산소 이온 전도체(Oxygen ion conducting materials), 혹은 양성자 전도체(Proton conducting materials) 등의 이온 전도체를 포괄하는 범주에서 선택하여 사용할 수 있다. 여기서, 제1 전해질층(110)은 양성자 전도체 산화물 중 하나인 이트륨이 도핑된 바륨 지르코네이트(Yttrium-doped Barium Zirconate, BZY)인 것으로 예시한다. 여기서, 전해질의 구조는 치밀하다.
제1 TPB 증가층(120)은 제1 전해질층(110)의 저면과 연료극 집전층(140)과의 계면에 삽입되어 연료극의 전기화학적 반응 영역인 삼상계면을 증가시키는 기능을 하며, 제2 전해질층(122) 및 삼상계면용 전극촉매(124)를 포함한다.
제2 전해질층(122)은 제1 전해질층(110)의 저면에 각각 증착착되는 다공성 표면을 갖는 전해질층이다. 여기서, 본 실시 예에서의 제2 전해질층(122)은 단면형상이 연속 배열되는 원기둥 형태인 것으로 예시한다.
제2 전해질층(122)은 제1 전해질층(110)의 상면에 각각 증착되는 다공성 전해질층으로, 형상은 앞선 제2 전해질층(122)과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. 한편, 제2 전해질층(122, 132)은 단면 형상이 원기둥 형태인 것으로 예시하였으나, 반다각형 등으로 변경 실시가 가능하다.
삼상계면용 전극촉매(124)는 제2 전해질층(122)의 표면과 연료극 집전층(140)과의 계면에서 다수개 배치되어 전극촉매의 반응 면적을 확보한다.
제2 TPB 증가층(130)은 제1 전해질층(110)의 상면과 공기극 집전층(150)과의 계면에 삽입되어 삼상계면을 증가시키며, 제2 전해질층(132) 및 삼상계면용 전극촉매(134)를 포함한다.
그리고 삼상계면용 전극촉매(134)는 제2 전해질층(132)의 상측 표면과 연료극 집전층(140)과의 계면에서 상호 점 또는 선 접촉되도록 다수 개가 배치되며, 형상은 앞선 삼상계면용 전극촉매(124)와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
연료극 집전층(140)은 제1 전해질층(110)의 저면에 형성되며, 수소 촉매 반응도가 높은 전도체[백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등]의 재질로 형성된다.
공기극 집전층(150)은 제1 전해질층(110)의 상면에 형성되며, 산소 촉매 반응도가 높은 백금(Pt)으로 형성된다.
여기서, 공기극 삼상계면용 전극촉매(134)와 연료극 삼상계면용 전극촉매(124)는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 기법 중 하나인 원자층 증착(Atomic layer deposition, ALD) 기법에 의해 형성되는 귀금속 전극이다. 본 실시 예에서의 공기극 삼상계면용 전극촉매(134)와 연료극 삼상계면용 전극촉매(124)는 단면형상이 연속 배열되는 구 형태인 것으로 예시한다.
도 3에는 본 발명에 의한 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC 제조방법이 블록도로 도시되어 있고, 도 4 및 도 5에는 본 발명에 의한 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC에서 다공성 전해질의 표면과 삼상계면용 전극촉매의 표면을 확대한 사진이 기재되어 있다.
이 도면에 의하면, 본 발명의 일실시 예에 의한 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC 제조방법은 제1 전해질층 준비 단계(S200), 제2 전해질층 형성 단계(S210), 삼상계면용 전극촉매 배치 단계(S220) 및 집전층 형성 단계(S230)를 포함한다.
제1 전해질층(110) 준비 단계(S200)는 지르코늄 산화물(ZrxOy), 세륨 산화물(CexOy), 란타늄 갈레이트(Lanthanum Gallate), 바륨 세레이트(Barium Cerate), 바륨 지르코네이트(Barium Zirconate), 비스무스(Bismuth) 계열 산화물 또는 상기 재료들의 여러 도핑 (doping)상과 같은 산소 이온 전도체(Oxygen ion conducting materials), 혹은 양성자 전도체(Proton conducting materials) 등의 이온 전도체를 포괄하는 범주에서 선택하여 진행될 수 있다. 여기서, 제1 전해질층(110)은 양성자 전도체 산화물 중 하나인 이트륨이 도핑된 바륨 지르코네이트(Yttrium-doped Barium Zirconate, BZY)인 것으로 예시한다. 여기서, 전해질의 구조는 치밀하다.
제2 전해질층 형성 단계(S210)는 제1 전해질층(110)의 저면에 다공성 표면을 갖는 제2 전해질층(122)의 증착으로 이루어진다. 여기서, 본 실시 예에서의 제2 전해질층(122)은 단면형상이 연속 배열되는 원기둥 형태인 것으로 예시한다.
제2 전해질층(132)은 제1 전해질층(110)의 상면에 각각 증착되는 다공성 전해질층으로, 형상은 앞선 제2 전해질층(122)과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. 한편, 제2 전해질층(122, 132)은 단면 형상이 원기둥 형태인 것으로 예시하였으나, 반다각형 등으로 변경 실시가 가능하다.
TPB 증가 전극 배치 단계(S220)는 제2 전해질층(122, 132)에 형성되는 TPB 증가 전극(134, 124)의 증착으로 이루어진다. TPB 증가 전극(124)은 삼상계면용 전극촉매(122)의 표면과 연료극 집전층(140)과의 계면에서 다수개 배치되어 전극촉매의 반응 면적을 확보한다.
제2 TPB 증가층(130)은 제1 전해질층(110)의 상면과 공기극 집전층(150)과의 계면에 삽입되어 삼상계면을 증가시키며, 제2 전해질층(132) 및 삼상계면용 전극촉매(134)를 포함한다.
집전층 형성 단계(S230)는 삼상 계면용 전극촉매(124, 134)의에 형성되는 고성능 전도체[백금(Pt), 팔라듐(Pt), 은(Ag) 등] 재질의 집전층(140, 150)의 증착으로 이루어진다.
도 5는 이트륨이 도핑된 바륨 지르코네이트(Y-doped Barium Zirconate, BZY) 물질로 이루어진 다공성 제2 전해질층(122, 132)이고, 도 6은 백금(platinum, Pt)으로 이루어진 TPB 증가 전극(124, 134)을 확대한 확대사진으로, 상기 TPB 증가 전극(124, 134)의 입자 크기가 매우 작은 것을 알 수 있으며, 이에 삼상 계면이 증가됨을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (6)

  1. 제1 전해질층;
    상기 제1 전해질층의 일면에 형성되는 연료극 집전층;
    상기 제1 전해질층의 타면에 형성되는 공기극 집전층; 및
    상기 제1 전해질층의 양면 그리고 상기 연료극 집전층 및 상기 공기극 집전층과의 계면에 각각 개재되어 삼상계면(Three Phase Boundary: TPB)을 증가시키는 제1, 2 TPB 증가층을 포함하는 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1, 2 TPB 증가층은,
    상기 제1 전해질층의 양면에 각각 밀착되는 제2 전해질층; 및
    상기 제2 전해질층의 양 표면 그리고 상기 연료극 집전층 및 상기 공기극 집전층과의 계면에 각각 개입되는 다수의 삼상계면용 전극촉매를 포함하는 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 전해질층은 단면형상이 연속 배열되는 원기둥 형태인 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 삼상계면용 전극촉매는 20 nm 이하의 입자들로 이루어진 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC.
  5. 제1 전해질층의 양단 표면에 제2 전해질층을 각각 형성하는 단계;
    상기 제2 전해질층의 표면마다 다수의 삼상계면용 전극촉매를 배치하는 단계;
    상기 일측 삼상계면용 전극촉매의 표면에 연료극 집전층을 형성하는 단계; 및
    상기 타측 삼상계면용 전극촉매의 표면에 공기극 집전층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 제2 전해질층과 고밀도의 기체 투과성 삼상계면용 전극촉매를 통해 상기 제1 전해질층과 상기 집전층과의 계면에서 삼상계면을 증가시키는 삼상계면길이가 증가된 박막형 ＳＯＦＣ 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 삼상계면용 전극촉매는 원자층 증착(Atomic layer deposition, ALD)에 의해 형성되는 삼상계면길이가 증가된 박막형 SOFC 제조방법.
PCT/KR2013/010541 2012-11-20 2013-11-20 삼상계면길이가 증가된 박막형 ｓｏｆｃ 및 그 제조방법 WO2014081178A1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20120131743 2012-11-20
KR10-2012-0131743 2012-11-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014081178A1 true WO2014081178A1 (ko) 2014-05-30

Family

ID=50776299

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2013/010541 WO2014081178A1 (ko) 2012-11-20 2013-11-20 삼상계면길이가 증가된 박막형 ｓｏｆｃ 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2014081178A1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040081878A1 (en) * 2002-10-29 2004-04-29 Peter Mardilovich Fuel cell with embedded current collector
US20050181285A1 (en) * 2002-12-02 2005-08-18 Sanyo Electric Co., Ltd. Solid polymer electrolyte membrane, solid polymer electrolyte fuel cell using the membrane and method of fabricating the same
US20080286625A1 (en) * 2007-03-26 2008-11-20 Alberta Research Council Inc. Solid state electrochemical cell having reticulated electrode matrix and method of manufacturing same
US20090068533A1 (en) * 2007-09-05 2009-03-12 Kabushiki Kaisha Toshiba Fuel electrodes for solid oxide electrochemical cell, processes for producing the same, and solid oxide electrochemical cells
US20120171595A1 (en) * 2005-02-18 2012-07-05 Takashi Yamada Power generation cell for solid electrolyte fuel cell and structure of fuel electrode thereof

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040081878A1 (en) * 2002-10-29 2004-04-29 Peter Mardilovich Fuel cell with embedded current collector
US20050181285A1 (en) * 2002-12-02 2005-08-18 Sanyo Electric Co., Ltd. Solid polymer electrolyte membrane, solid polymer electrolyte fuel cell using the membrane and method of fabricating the same
US20120171595A1 (en) * 2005-02-18 2012-07-05 Takashi Yamada Power generation cell for solid electrolyte fuel cell and structure of fuel electrode thereof
US20080286625A1 (en) * 2007-03-26 2008-11-20 Alberta Research Council Inc. Solid state electrochemical cell having reticulated electrode matrix and method of manufacturing same
US20090068533A1 (en) * 2007-09-05 2009-03-12 Kabushiki Kaisha Toshiba Fuel electrodes for solid oxide electrochemical cell, processes for producing the same, and solid oxide electrochemical cells

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Park et al. Direct oxidation of hydrocarbons in a solid oxide fuel cell: I. Methane oxidation
EP0055016A1 (en) High temperature solid electrolyte fuel cell configurations
US20110195334A1 (en) Fuel cell stack including interconnected fuel cell tubes
JP2001273914A (ja) 電気化学装置および集積電気化学装置
CN102651480A (zh) 一种阳极支撑的固体氧化物燃料电池、电池堆及其制备方法
WO2013093044A1 (en) Electrochemical energy storage device
Men et al. Improved performance of a lanthanum strontium manganite–based oxygen electrode for an intermediate-temperature solid oxide electrolysis cell realized via ionic conduction enhancement
JP2010529591A (ja) 原子層堆積によってチューンされた固体酸化物形燃料電池構成要素
US20110195333A1 (en) Fuel cell stack including internal reforming and electrochemically active segements connected in series
US7691770B2 (en) Electrode structure and methods of making same
CN109378488B (zh) 一种管型固体氧化物燃料电池及其制备方法
WO2014119931A1 (ko) 나노파우더를 이용한 박막형 고체 산화물 연료전지의 스택 제조방법
JP4512911B2 (ja) 固体電解質型燃料電池
WO2014081178A1 (ko) 삼상계면길이가 증가된 박막형 ｓｏｆｃ 및 그 제조방법
CA2621418A1 (en) Fuel cell and method for manufacturing same
WO2014198513A1 (en) Electrochemical cell
WO2014109600A1 (ko) 연료전지용 스택 및 그 제조방법
JP4341259B2 (ja) 固体電解質型燃料電池およびセパレータ
WO2014119925A1 (ko) 리포머 통합형 박막 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법
WO2014119926A1 (ko) 연료전지용 셀 제조방법
WO2024117420A1 (en) Solid oxide cell
WO2014081177A1 (ko) 응집현상 감소를 위한 박막형 ｓｏｆｃ 스택
JPH1021930A (ja) 固体電解質型燃料電池の燃料極
WO2014109586A1 (ko) 응집현상 감소를 위한 박막형 ｓｏｆｃ 스택
WO2024117450A1 (en) Solid oxide cell

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13856665

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205N DATED 28/07/2015)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13856665

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1