WO2014119924A1 - 싱글 챔버 방식의 박막형 ｓｏｆｃ 및 그 제조방법 - Google Patents

싱글 챔버 방식의 박막형 ｓｏｆｃ 및 그 제조방법 Download PDF

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WO2014119924A1
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electrode layer
porous electrode
thin film
layer
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권오웅
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지브이퓨얼셀 주식회사
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a single chamber thin film type SOFC and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a single chamber thin film type SOFC and a method for manufacturing the same which can increase the output voltage by increasing the thickness of the membrane-electrode assembly.
  • Solid Oxide Fuel Cells operate at the highest temperatures (700-1000 ° C) of fuel cells using solid oxides with oxygen or hydrogen ion conductivity as electrolytes.
  • solid oxide fuel cells have a simpler structure than other fuel cells because all components are solid, there is no problem of electrolyte loss, replenishment and corrosion, no precious metal catalyst, and fuel supply through direct internal reforming. This is easy.
  • it has the advantage that thermal combined cycle power generation using waste heat is possible because the high-temperature gas is discharged.
  • Such a fuel cell generates electric power using an oxidation reaction at an anode and a reduction reaction at a cathode.
  • a membrane-electrode assembly composed of a catalyst layer and a polymer electrolyte membrane including platinum or platinum-ruthenium metal is used to promote the oxidation and reduction reaction, and a conductive material is provided at both ends of the membrane-electrode assembly.
  • the separator plate is fastened to form a cell structure.
  • Single Chamber SOFC is a method of mixing fuel and oxygen and supplying the whole cell. Since the anode and the cathode use selective catalysts that react only with fuel and oxygen, respectively, proper electrochemical reactions occur even when the fuels are mixed and supplied.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of various types of single solid oxide fuel cells using the isolated electrolyte according to the related art 1.
  • an isolated electrolyte system is formed by patterning a plurality of electrolytes 25 in an isolated form on a support 10, and electrodes 20 and 22 are formed on the sidewalls and tops of the respective electrolytes. Can be formed.
  • the isolated electrolyte system according to the prior art 1 can obtain a high voltage by subdividing an area, but has a problem in that the maximum output is limited.
  • FIG. 2 is a sectional view of an essential part of a fuel cell according to the prior art 2.
  • the coupling structure between the unit cell 45 and the separator plates 10 and 11 of the solid oxide fuel cell of the related art 2 is the cathode side flow path 13 and the cathode current collector of the separator 11. 43 abuts, and the unit cell 45 is located below.
  • the unit cell 45 includes an electrolyte 41, an air electrode 42, and a fuel electrode 40, and is coupled to the lower metal foam support 20 through the bonding material 30.
  • the metal foam support 20 is coupled to the separator 10.
  • the separator 10 has a fuel electrode side flow path 12 so that fuel gas is supplied.
  • the bonding material 30 should be porous, and in addition to the present function of electrically connecting the anode 40 and the separator plate 20 to uniformly disperse the supplied fuel to the anode 40 and to easily discharge the generated water. Function to help The sealing material 50 is usually filled between the electrolyte 41 and the separator 11 and between the upper and lower separators 10 and 11.
  • the solid oxide fuel cell according to the prior art 2 has a problem in that the output voltage to volume ratio is limited by using a separator.
  • An object of the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, and it is possible to omit a separator in a single chamber SOFC through a porous membrane-electrode assembly (MEA), thereby simplifying the structure.
  • MEA porous membrane-electrode assembly
  • another object of the present invention is to provide a single-chamber thin film SOFC and a method for manufacturing the same, which are capable of outputting a high voltage in a thin film type by providing a film-electrode assembly as a thin film and in series multilayers.
  • the present invention comprises the steps of forming a first porous electrode layer on the surface of the porous support in the form of a thin film; Forming a porous electrolyte layer on a surface of the first porous electrode layer in a thin film form; Forming a second porous electrode layer on a surface of the porous electrolyte layer in a thin film form; And a step of sequentially stacking the first porous electrode layer, the porous electrolyte layer, and the second porous electrode layer on the second porous electrode layer in a multi-layered thin film type SOF manufacturing method.
  • the first porous electrode layer in the first porous electrode layer forming step to react only the fuel of the supplied fuel and oxygen, the second porous electrode layer in the second porous electrode layer forming step is supplied It can be made to react only to the oxygen of the fuel and oxygen to be.
  • the first and second porous electrode layers in the first and second porous electrode layer forming step may be formed by depositing by physical vapor deposition (PVD).
  • PVD physical vapor deposition
  • a porous support A first porous electrode layer in the form of a thin film formed on the surface of the porous support; A porous electrolyte layer in the form of a thin film formed on the surface of the first porous electrode layer; And a second porous electrode layer in the form of a thin film formed on the surface of the porous electrolyte layer, and the first porous electrode layer, the porous electrolyte layer, and the second porous electrode layer are achieved through a single chamber thin film type SOF in which a multilayer is sequentially stacked.
  • the first porous electrode layer in the present invention may be formed of a nickel oxide (NiO) -based material
  • the second porous electrode layer may be formed of a perovskite oxide.
  • first porous electrode layer in the present invention may be made to react only to the fuel of the fuel and oxygen supplied
  • second porous electrode layer may be made to react only to the oxygen of the fuel and oxygen supplied
  • the fuel in the present invention may be used hydrocarbon series.
  • the structure can be simplified by omitting a separator in a single chamber SOFC through a porous membrane-electrode assembly (MEA), and the membrane-electrode assembly is provided in a thin film and in series multilayers to form a thin film. It has the effect of leading to high voltage, power and volume minimization.
  • MEA porous membrane-electrode assembly
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of various types of single solid oxide fuel cells using the isolated electrolyte according to the related art 1.
  • FIG. 2 is a sectional view of an essential part of a fuel cell according to the prior art 2.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a method of manufacturing a single chamber thin film type SOFC according to the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a single chamber thin film type SOFC according to the present invention.
  • the present invention comprises the steps of forming a first porous electrode layer on the surface of the porous support in the form of a thin film; Forming a porous electrolyte layer on a surface of the first porous electrode layer in a thin film form; Forming a second porous electrode layer on a surface of the porous electrolyte layer in a thin film form; And a step of sequentially stacking the first porous electrode layer, the porous electrolyte layer, and the second porous electrode layer on the second porous electrode layer in a multi-layered thin film type SOF manufacturing method.
  • the first porous electrode layer in the first porous electrode layer forming step to react only the fuel of the supplied fuel and oxygen, the second porous electrode layer in the second porous electrode layer forming step is supplied It can be made to react only to the oxygen of the fuel and oxygen to be.
  • the first and second porous electrode layers in the first and second porous electrode layer forming step may be formed by depositing by physical vapor deposition (PVD).
  • PVD physical vapor deposition
  • a porous support A first porous electrode layer in the form of a thin film formed on the surface of the porous support; A porous electrolyte layer in the form of a thin film formed on the surface of the first porous electrode layer; And a second porous electrode layer in the form of a thin film formed on the surface of the porous electrolyte layer, and the first porous electrode layer, the porous electrolyte layer, and the second porous electrode layer are achieved through a single chamber thin film type SOF in which a multilayer is sequentially stacked.
  • the first porous electrode layer in the present invention may be formed of a nickel oxide (NiO) -based material
  • the second porous electrode layer may be formed of a perovskite oxide.
  • first porous electrode layer in the present invention may be made to react only to the fuel of the fuel and oxygen supplied
  • second porous electrode layer may be made to react only to the oxygen of the fuel and oxygen supplied
  • the fuel in the present invention may be used hydrocarbon series.
  • ... 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.
  • FIG. 3 is a block diagram of a method for manufacturing a single chamber thin film SOFC according to the present invention
  • FIG. 4 is a cross sectional view of a single chamber thin film SOFC according to the present invention.
  • a single chamber thin film type SOFC manufacturing method is a porous support preparing step (S100), the first porous electrode layer forming step (S110), the porous electrolyte layer forming step (S120), the first It includes two porous electrode layer forming step (S130) and multi-layer stacking step (S140).
  • the porous support preparation step (S100) is a step of preparing an anodized aluminum oxide (AAO) substrate, which is a porous support 202 having nano pores 202a. This is a step of preparing a porous support 202 for supporting the porous electrolyte layer because the electrolyte structure should be thin when implementing a low operating temperature of a solid oxide fuel cell (SOFC).
  • AAO anodized aluminum oxide
  • the first porous electrode layer 210 which is an anode, is an oxide-based material so as to react only with fuel on the upper surface of the porous support 202 by sputtering or the like.
  • the first porous electrode layer 210 is formed of a nickel (Ni) -based material or the like.
  • the fuel may be a hydrocarbon series such as methane, butane, ethane, propane, etc. (operating temperature varies from 200 °C to 800 °C) and the like.
  • the porous electrolyte layer 220 is formed in a thin film form on the upper surface of the first porous electrode layer 210.
  • the porous electrolyte layer 220 is zirconium oxide (Zr x O y ), cerium oxide (Ce x O y ), lanthanum gallate (Lanthanum Gallate), barium cerate, barium zirconate (Barium Preparing and selecting from a range of ionic conductors, such as oxygen ion conducting materials, such as zirconate, bismuth-based oxides, or various doping phases of the materials, or proton conducting materials to be.
  • the porous electrolyte layer 220 is exemplified as Gd-doped CeO 2 (GDC).
  • the second porous electrode layer forming step (S130) may be performed by sputtering the second porous electrode layer 230, which is a cathode, using a perovskite oxide, etc. to react with oxygen only on the upper surface of the porous electrolyte layer 220. By depositing to form a thin film form.
  • the multilayer stacking step (S140) is a step of sequentially stacking the first porous electrode layer 210, the porous electrolyte layer 220, and the second porous electrode layer 230 on an upper surface of the second porous electrode layer 230. .
  • the multi-layer stacking step (S140) is the first porous electrode layer forming step (S110), the porous electrolyte layer forming step (S120) and the second porous electrode layer forming step (S100) after performing the porous support preparing step (S100). S130) is repeated in sequence as desired to form a multilayer.
  • the first porous electrode layer 210, the porous electrolyte layer 220, and the second porous electrode layer 210, the porous electrolyte layer 220, and the second porous electrode layer 230 are formed in a thin film form. Interconnector required to supply hydrogen and air to the anode electrode and the cathode electrode separately as in the case of the existing SOFC through the porous membrane-electrode assembly (MEA) in which the porous electrode layer 230 is laminated in multiple layers. In other words, the separator can be omitted.
  • the first porous electrode layer 210, the porous electrolyte layer 220, and the second porous electrode layer 230 constituting the membrane-electrode assembly may be sequentially stacked in multiple layers to generate a high voltage and output per volume.
  • Single chamber thin film type SOFC 200 is a porous support 202, a first porous electrode layer 210, a porous electrolyte layer 220 and a second porous electrode layer as shown in FIG. 230.
  • porous electrolyte layer 220 Provides a passage of ions between the electrodes but blocks the movement of electrons and separates fuel and oxygen and is formed by the catalyst.
  • the porous support 202 is a porous substrate on which pores 202a are formed, and refers to an anodized aluminum oxide (AOA) substrate. This is to provide a porous support for this, since the electrolyte structure should be thin when implementing a low operating temperature of a solid oxide fuel cell (SOFC).
  • the porous support 202 is an insulator which is aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
  • the first porous electrode layer 210 is an anode, which is an anode electrode formed in a thin film form on the upper surface of the porous support 202, and reacts only with fuel supplied through the pores 202a of the porous support 202.
  • a physical vapor deposition PVD
  • PVD physical vapor deposition
  • PLD pulsed laser deposition
  • the first porous electrode layer 210 is formed of a nickel oxide (NiO) -based material or the like.
  • the fuel may be a hydrocarbon series such as methane, butane, ethane, propane, etc. (operating temperature varies from 200 °C to 800 °C) and the like.
  • the porous electrolyte layer 220 is formed in the form of a thin film on the surface of the first porous electrode layer 210.
  • the porous electrolyte layer 220 is zirconium oxide (Zr x O y ), cerium oxide (Ce x O y ), lanthanum gallate (Lanthanum Gallate), barium cerate (barium Cerate), barium zirconate (Barium Select from a wide range of ionic conductors such as oxygen ion conducting materials, such as Zirconate, bismuth-based oxides, or various doping phases of these materials, or proton conducting materials Can be used.
  • the porous electrolyte layer 220 is exemplified as a GDC (Gd-doped CeO 2) oxide.
  • the second porous electrode layer 230 is a cathode, which is a cathode electrode formed in the form of a thin film on the surface of the porous electrolyte layer 220, and among the fuels supplied through the pores 202a of the porous support 202.
  • a thin film is formed by depositing with a perovskite-based oxide by physical vapor deposition (PVD), such as sputtering or pulsed laser deposition (PLD).
  • PVD physical vapor deposition
  • PLD pulsed laser deposition
  • first porous electrode layer 210, the porous electrolyte layer 220, and the second porous electrode layer 230 constituting the membrane-electrode assembly may be sequentially stacked in multiple layers to generate a high voltage and output per volume.
  • the present invention relates to a single-chamber thin-film SOFC and a method for manufacturing the same, the present invention comprises the steps of forming a first porous electrode layer on the surface of the porous support in a thin film form; Forming a porous electrolyte layer on a surface of the first porous electrode layer in a thin film form; Forming a second porous electrode layer on a surface of the porous electrolyte layer in a thin film form; And sequentially stacking the first porous electrode layer, the porous electrolyte layer, and the second porous electrode layer on the second porous electrode layer sequentially.
  • the structure can be simplified by omitting a separator in a single chamber SOFC through a porous membrane-electrode assembly (MEA), and the membrane-electrode assembly is provided in a thin film and in series multilayers to form a thin film. It has the effect of leading to high voltage, power and volume minimization.
  • MEA porous membrane-electrode assembly

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Abstract

본 발명은 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은, 다공성 지지체의 표면에 제1 다공성 전극층을 박막 형태로 형성하는 단계; 상기 제1 다공성 전극층의 표면에 다공성 전해질층을 박막 형태로 형성하는 단계; 상기 다공성 전해질층의 표면에 제2 다공성 전극층을 박막 형태로 형성하는 단계; 및 상기 제2 다공성 전극층 상에, 상기 제1 다공성 전극층과 다공성 전해질층 및 제2 다공성 전극층을 순차적으로 다층 적층하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 다공성 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 통해 싱글 챔버 SOFC에서 분리막을 생략 가능하여 구조를 단순화할 수 있으며, 막-전극 접합체를 박막형이면서 직렬의 다층으로 구비하여 박막형으로 높은 전압 및 출력, 부피 최소화를 이끌어내는 효과가 있다.

Description

싱글 챔버 방식의 박막형 ＳＯＦＣ 및 그 제조방법
본 발명은 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 막-전극 접합체의 두께를 높여 출력 전압을 향상시킬 수 있는 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)는 산소 또는 수소 이온전도성을 띄는 고체 산화물을 전해질로 사용하여 연료 전지 중 가장 높은 온도(700∼1000 ℃)에서 작동한다.
특히, 고체 산화물 연료전지는 모든 구성 요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료 전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 또한, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다.
이러한 연료전지는, 산화전극(anode)에서의 산화반응 및 환원전극(cathode)에서의 환원반응을 이용하여 전력(electric power)을 생성하게 된다. 이때, 산화 및 환원 반응을 촉진시키기 위해 백금 또는 백금-루테늄 금속 등을 포함하는 촉매층과 고분자 전해질막으로 구성된 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)가 사용되며, 막-전극 접합체 양단으로 전도성 물질의 분리판이 체결되어 셀(Cell) 구조를 이루게 된다.
한편, 수소와 공기를 각각 산화전극과 환원전극에 따로 공급하는 일반 SOFC 와는 달리 Single Chamber SOFC는 연료와 산소를 섞어 셀 전체에 공급하는 방식이다. 산화전극과 환원전극은 각각 연료와 산소에만 반응하는 선택적 촉매를 이용하기 때문에 연료들을 섞어서 공급하여도 제대로 된 전기 화학 반응이 일어난다.
이러한 고체 산화물 연료전지와 관련된 기술이 특허등록 제0707113호와, 공개특허 제2011-0126786호에 제안된 바 있다.
이하에서 종래기술로서 특허등록 제0707113호와, 공개특허 제2011-0126786호에 개시된 고체 산화물 연료전지를 간략히 설명한다.
도 1에는 종래기술 1에 의한 고립 전해질을 이용한 다양한 형태의 단실형 고체 산화물 연료전지의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 고립형 전해질 시스템은 지지체(substrate)(10) 위에 여러 개의 전해질(25)을 고립된 형태로 패터닝하여 형성하고 전극(20, 22)을 각각의 전해질의 측벽과 상단에 걸쳐서 형성할 수 있다.
그러나 종래기술 1에 의한 고립형 전해질 시스템은 면적을 세분하여 높은 전압을 얻을 수 있지만 최대 출력이 한정되는 문제점이 있었다.
도 2에는 종래기술 2에 의한 연료전지의 주요부의 단면도가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 종래 기술 2의 고체산화물 연료전지의 단전지(45)와 분리판(10, 11) 간 결합구조는, 분리판(11)의 공기극측 유로(13)와 공기극측 집전체(43)가 맞닿아 있고, 그 하부에 단전지(45)가 위치한다. 단전지(45)는 전해질(41), 공기극(42), 연료극(40)으로 구성되어 있으며, 접합재(30)를 통해 하부의 금속폼 지지체(20)와 결합되어 있다. 금속폼 지지체(20)는 분리판(10)과 결합되어 있다. 분리판(10)에는 연료극측 유로(12)가 있어 연료가스가 공급된다. 접합재(30)는 다공질이어야 하며, 연료극(40)과 분리판(20)을 전기적으로 연결하는 본 기능 외에 공급된 연료를 연료극(40)으로 균일하게 분산시켜주는 기능과 생성된 물을 쉽게 배출되도록 돕는 기능을 한다. 밀봉재(50)는 보통 전해질(41)과 분리판(11) 사이, 그리고 상하부 분리판(10, 11) 사이에 채워지게 된다.
그러나 종래기술 2에 의한 고체산화물 연료전지는 분리판을 사용하여 부피 대비 출력 전압이 한정되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다공성 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 통해 싱글 챔버 SOFC에서 분리막을 생략 가능하여 구조를 단순화할 수 있게 한 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 막-전극 접합체를 박막형이면서 직렬의 다층으로 구비하여 박막형으로 높은 전압을 출력할 수 있게 한 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은, 다공성 지지체의 표면에 제1 다공성 전극층을 박막 형태로 형성하는 단계; 상기 제1 다공성 전극층의 표면에 다공성 전해질층을 박막 형태로 형성하는 단계; 상기 다공성 전해질층의 표면에 제2 다공성 전극층을 박막 형태로 형성하는 단계; 및 상기 제2 다공성 전극층 상에, 상기 제1 다공성 전극층과 다공성 전해질층 및 제2 다공성 전극층을 순차적으로 다층 적층하는 단계를 포함하는 싱글 챔버 방식의 박막형 ＳＯＦＣ 제조방법을 통해 달성된다.
또한, 본 발명은, 상기 제1 다공성 전극층 형성 단계에서의 상기 제1 다공성 전극층은 공급되는 연료와 산소 중 상기 연료에만 반응하게 하고, 상기 제2 다공성 전극층 형성 단계에서의 상기 제2 다공성 전극층은 공급되는 연료와 산소 중 상기 산소에만 반응하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제1, 2 다공성 전극층 형성 단계에서의 상기 제1, 2 다공성 전극층은 물리적 기상증착법(Physical vapor deposition, PVD)에 의해 증착하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은, 다공성 지지체; 다공성 지지체의 표면에 형성된 박막 형태의 제1 다공성 전극층; 상기 제1 다공성 전극층의 표면에 형성된 박막 형태의 다공성 전해질층; 및 상기 다공성 전해질층의 표면에 형성된 박막 형태의 제2 다공성 전극층을 포함하며, 상기 제1 다공성 전극층과 다공성 전해질층 및 제2 다공성 전극층이 순차적으로 다층 적층되는 싱글 챔버 방식의 박막형 ＳＯＦＣ를 통해 달성된다.
또한, 본 발명에서의 상기 제1 다공성 전극층은 니켈 산화물(NiO) 계열의 재질로 형성되고, 상기 제2 다공성 전극층은 페롭스카이트계 산화물로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 제1 다공성 전극층은 공급되는 연료와 산소 중 상기 연료에만 반응하게 하고, 상기 제2 다공성 전극층은 공급되는 연료와 산소 중 상기 산소에만 반응하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 연료는 탄화수소계열이 사용될 수 있다.
본 발명에 의하면, 다공성 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 통해 싱글 챔버 SOFC에서 분리막을 생략 가능하여 구조를 단순화할 수 있으며, 막-전극 접합체를 박막형이면서 직렬의 다층으로 구비하여 박막형으로 높은 전압 및 출력, 부피 최소화를 이끌어내는 효과가 있다.
도 1은 종래기술 1에 의한 고립 전해질을 이용한 다양한 형태의 단실형 고체 산화물 연료전지의 단면도이다.
도 2는 종래기술 2에 의한 연료전지의 주요부의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC 제조방법을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명에 의한 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC를 도시한 단면도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
200: 박막형 SOFC
210: 제1 다공성 전극층
220: 다공성 전해질층
230: 제2 다공성 전극층
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은, 다공성 지지체의 표면에 제1 다공성 전극층을 박막 형태로 형성하는 단계; 상기 제1 다공성 전극층의 표면에 다공성 전해질층을 박막 형태로 형성하는 단계; 상기 다공성 전해질층의 표면에 제2 다공성 전극층을 박막 형태로 형성하는 단계; 및 상기 제2 다공성 전극층 상에, 상기 제1 다공성 전극층과 다공성 전해질층 및 제2 다공성 전극층을 순차적으로 다층 적층하는 단계를 포함하는 싱글 챔버 방식의 박막형 ＳＯＦＣ 제조방법을 통해 달성된다.
또한, 본 발명은, 상기 제1 다공성 전극층 형성 단계에서의 상기 제1 다공성 전극층은 공급되는 연료와 산소 중 상기 연료에만 반응하게 하고, 상기 제2 다공성 전극층 형성 단계에서의 상기 제2 다공성 전극층은 공급되는 연료와 산소 중 상기 산소에만 반응하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제1, 2 다공성 전극층 형성 단계에서의 상기 제1, 2 다공성 전극층은 물리적 기상증착법(Physical vapor deposition, PVD)에 의해 증착하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은, 다공성 지지체; 다공성 지지체의 표면에 형성된 박막 형태의 제1 다공성 전극층; 상기 제1 다공성 전극층의 표면에 형성된 박막 형태의 다공성 전해질층; 및 상기 다공성 전해질층의 표면에 형성된 박막 형태의 제2 다공성 전극층을 포함하며, 상기 제1 다공성 전극층과 다공성 전해질층 및 제2 다공성 전극층이 순차적으로 다층 적층되는 싱글 챔버 방식의 박막형 ＳＯＦＣ를 통해 달성된다.
또한, 본 발명에서의 상기 제1 다공성 전극층은 니켈 산화물(NiO) 계열의 재질로 형성되고, 상기 제2 다공성 전극층은 페롭스카이트계 산화물로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 제1 다공성 전극층은 공급되는 연료와 산소 중 상기 연료에만 반응하게 하고, 상기 제2 다공성 전극층은 공급되는 연료와 산소 중 상기 산소에만 반응하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 연료는 탄화수소계열이 사용될 수 있다.
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 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC 및 그 제조방법에 대한 실시 예의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.
도 3에는 본 발명에 의한 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC 제조방법이 블록도로 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명에 의한 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC가 단면도로 도시되어 있다.
이 도면에 의하면, 본 발명의 일실시예에 의한 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC 제조방법은 다공성 지지체 준비 단계(S100), 제1 다공성 전극층 형성 단계(S110), 다공성 전해질층 형성 단계(S120), 제2 다공성 전극층 형성 단계(S130) 및 다층 적층 단계(S140)를 포함한다.
다공성 지지체 준비 단계(S100)는 나노 기공(202a)을 가진 다공성 지지체(202)인 AAO(Anodized Aluminum Oxide) 기판을 예시로 하여 준비하는 단계이다. 이는 고체산화물연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)의 동작온도 저온화를 구현하고자 할 때 전해질 구조가 얇아야 하므로 다공성 전해질층을 지지하기 위한 다공성 지지체(202)를 준비하는 단계이다.
제1 다공성 전극층 형성 단계(S110)는 다공성 지지체(202)의 상면에 연료에만 반응할 수 있도록 산화물 계열의 재질로 애노드 전극(Anode)인 제1 다공성 전극층(210)을 스퍼터링(sputtering) 등에 의해 증착하여 박막 형태로 얇게 형성하는 단계이다. 이때, 상기 제1 다공성 전극층(210)은 니켈(Ni) 계열 재질 등으로 형성된다. 여기서, 상기 연료는 메탄, 부탄, 에탄, 프로판 등과 같은 탄화수소계열(작동 온도는 200℃에서부터 800℃까지 다양함) 등이 사용될 수 있다.
다공성 전해질층 형성 단계(S120)는 제1 다공성 전극층(210)의 상면에 다공성 전해질층(220)을 박막 형태로 얇게 형성하는 단계이다.
여기서, 상기 다공성 전해질층(220)은 지르코늄 산화물(ZrxOy), 세륨 산화물(CexOy), 란타늄 갈레이트(Lanthanum Gallate), 바륨 세레이트(Barium Cerate), 바륨 지르코네이트(Barium Zirconate), 비스무스 계열 산화물 또는 상기 재료들의 여러 도핑(doping)상과 같은 산소 이온 전도체(Oxygen ion conducting materials), 혹은 프로톤 전도체(Proton conducting materials) 등의 이온 전도체를 포괄하는 범주에서 선택하여 준비하는 단계이다. 여기서, 상기 다공성 전해질층(220)은 GDC(Gd-doped CeO2)인 것으로 예시한다.
제2 다공성 전극층 형성 단계(S130)는 다공성 전해질층(220)의 상면에 산소에만 반응할 수 있도록 페롭스카이트계 산화물 등으로 캐소드 전극(Cathode)인 제2 다공성 전극층(230)을 스퍼터링(sputtering) 등에 의해 증착하여 박막 형태로 얇게 형성하는 단계이다.
다층 적층 단계(S140)는 제2 다공성 전극층(230)의 상면에 상기 제1 다공성 전극층(210)과 상기 다공성 전해질층(220) 및 상기 제2 다공성 전극층(230)을 순차적으로 다층 적층하는 단계이다.
즉, 상기 다층 적층 단계(S140)는 다공성 지지체 준비 단계(S100) 수행 후에, 상기 제1 다공성 전극층 형성 단계(S110)와, 상기 다공성 전해질층 형성 단계(S120) 및 상기 제2 다공성 전극층 형성 단계(S130)를 원하는 층만큼 순차적으로 반복하여 다층을 형성하는 것이다.
이렇게, 상기 제1 다공성 전극층(210)과 다공성 전해질층(220) 및 제2 다공성 전극층(230)을 박막 형태로 얇게 형성하면서 상기 제1 다공성 전극층(210)과 다공성 전해질층(220) 및 제2 다공성 전극층(230)을 다층 적층한 다공성 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 통해 기존 SOFC의 경우에서와 같이 수소와 공기를 각각 애노드 전극과 캐소드 전극에 따로 공급하기 위해 필요한 인터커넥터(interconnector) 즉, 분리막(Separator)의 생략이 가능해진다. 또한, 막-전극 접합체를 구성하는 상기 제1 다공성 전극층(210), 다공성 전해질층(220) 및 제2 다공성 전극층(230)을 순차적으로 다층 적층하여 높은 전압 및 부피당 출력을 낼 수 있게 된다.
본 발명의 일실시 예에 의한 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC(200)는 도 4에 도시된 바와 같이 다공성 지지체(202), 제1 다공성 전극층(210), 다공성 전해질층(220) 및 제2 다공성 전극층(230)을 포함한다.
여기서, 제1 다공성 전극층(210) 및 제2 다공성 전극층(230)은 전기화학반응이 일어날 수 있도록 넓은 표면적을 제공하되, 이때 발생하는 전자의 이동통로를 제공하는 기능을 하며, 다공성 전해질층(220)은 전극 사이에서 이온의 이동통로를 제공하지만 전자의 이동은 차단하고 연료와 산소를 분리하는 기능을 하고, 상기 촉매에 의해 형성된다.
다공성 지지체(202)는 기공(202a)이 형성된 다공성 기판으로, AAO(Anodized Aluminum Oxide) 기판을 말한다. 이는 고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)의 동작온도 저온화를 구현하고자 할 때 전해질 구조가 얇아야하므로 이를 위한 다공성 지지체를 구비하는 것이다. 이때, 다공성 지지체(202)는 산화 알루미늄(Al2O3)인 절연체이다.
제1 다공성 전극층(210)은 다공성 지지체(202)의 상면에 박막 형태로 형성되는 애노드 전극(Anode electrode)인 연료극으로, 다공성 지지체(202)의 기공(202a) 등을 통해 공급되는 연료에만 반응할 수 있도록 페롭스카이트계 산화물 등으로 스퍼터링(sputtering), 펄스 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD)과 같은 물리적 기상증착법(Physical vapor deposition, PVD) 등에 의해 증착하여 박막 형태로 얇게 형성된다. 이때, 상기 제1 다공성 전극층(210)은 니켈산화물(NiO) 계열의 재질 등으로 형성된다. 여기서, 상기 연료는 메탄, 부탄, 에탄, 프로판 등과 같은 탄화수소계열(작동 온도는 200℃에서부터 800℃까지 다양함) 등이 사용될 수 있다.
다공성 전해질층(220)은 제1 다공성 전극층(210)의 표면에 박막 형태로 형성된다. 이때, 상기 다공성 전해질층(220)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 프로톤 전도체(Proton conducting materials) 등의 이온 전도체를 포괄하는 범주에서 선택하여 사용할 수 있다. 여기서, 상기 다공성 전해질층(220)은 GDC(Gd-doped CeO2) 산화물인 것으로 예시한다.
제2 다공성 전극층(230)은 다공성 전해질층(220)의 표면에 박막 형태로 형성되는 캐소드 전극(Cathode electrode)인 공기극으로, 다공성 지지체(202)의 기공(202a) 등을 통해 공급되는 연료들 중 산소에만 반응할 수 있도록 페롭스카이트계 산화물 등으로 스퍼터링(sputtering), 펄스 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD)과 같은 물리적 기상증착법(Physical vapor deposition, PVD) 등에 의해 증착하여 박막 형태로 얇게 형성된다.
한편, 막-전극 접합체를 구성하는 상기 제1 다공성 전극층(210), 다공성 전해질층(220) 및 제2 다공성 전극층(230)을 순차적으로 다층 적층하여 높은 전압 및 부피당 출력을 낼 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.
본 발명은 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은, 다공성 지지체의 표면에 제1 다공성 전극층을 박막 형태로 형성하는 단계; 상기 제1 다공성 전극층의 표면에 다공성 전해질층을 박막 형태로 형성하는 단계; 상기 다공성 전해질층의 표면에 제2 다공성 전극층을 박막 형태로 형성하는 단계; 및 상기 제2 다공성 전극층 상에, 상기 제1 다공성 전극층과 다공성 전해질층 및 제2 다공성 전극층을 순차적으로 다층 적층하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 다공성 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 통해 싱글 챔버 SOFC에서 분리막을 생략 가능하여 구조를 단순화할 수 있으며, 막-전극 접합체를 박막형이면서 직렬의 다층으로 구비하여 박막형으로 높은 전압 및 출력, 부피 최소화를 이끌어내는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 다공성 지지체의 표면에 제1 다공성 전극층을 박막 형태로 형성하는 단계;
    상기 제1 다공성 전극층의 표면에 다공성 전해질층을 박막 형태로 형성하는 단계;
    상기 다공성 전해질층의 표면에 제2 다공성 전극층을 박막 형태로 형성하는 단계; 및
    상기 제2 다공성 전극층 상에, 상기 제1 다공성 전극층과 다공성 전해질층 및 제2 다공성 전극층을 순차적으로 다층 적층하는 단계를 포함하는 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다공성 전극층 형성 단계에서의 상기 제1 다공성 전극층은 공급되는 연료와 산소 중 상기 연료에만 반응하게 하고,
    상기 제2 다공성 전극층 형성 단계에서의 상기 제2 다공성 전극층은 공급되는 연료와 산소 중 상기 산소에만 반응하게 하는 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1, 2 다공성 전극층 형성 단계에서의 상기 제1, 2 다공성 전극층은 물리적 기상증착법(Physical vapor deposition, PVD)에 의해 증착하여 형성되는 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC 제조방법.
  4. 다공성 지지체;
    다공성 지지체의 표면에 형성된 박막 형태의 제1 다공성 전극층;
    상기 제1 다공성 전극층의 표면에 형성된 박막 형태의 다공성 전해질층; 및
    상기 다공성 전해질층의 표면에 형성된 박막 형태의 제2 다공성 전극층을 포함하며,
    상기 제1 다공성 전극층과 다공성 전해질층 및 제2 다공성 전극층이 순차적으로 다층 적층되는 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 다공성 전극층은 니켈 산화물(NiO) 계열의 재질로 형성되고, 상기 제2 다공성 전극층은 페롭스카이트계 산화물로 형성되는 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 다공성 전극층은 공급되는 연료와 산소 중 상기 연료에만 반응하게 하고,
    상기 제2 다공성 전극층은 공급되는 연료와 산소 중 상기 산소에만 반응하게 하는 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연료는 탄화수소계열이 사용되는 싱글 챔버 방식의 박막형 SOFC.
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