陶瓷材料的制造方法、电容器、固体氧化物型燃料电池、水电解装置和氢泵制造方法及图纸

根据本发明专利技术的制造陶瓷材料的方法包括在还原性气氛中对晶粒中扩散有金属氧化物的陶瓷材料进行热处理，从而还原金属氧化物，并且使金属元素在陶瓷材料的晶界处析出的步骤。

Ceramic material manufacturing method, capacitor, solid oxide fuel cell, water electrolysis device and hydrogen pump

According to the manufacturing method of the invention comprises a ceramic material in a reducing atmosphere on the grain diffusion of metal oxide ceramic materials for heat treatment, thereby reducing the metal oxide and metal elements precipitate at the grain boundaries of ceramic material steps.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】陶瓷材料的制造方法、电容器、固体氧化物型燃料电池、水电解装置和氢泵
本专利技术涉及陶瓷材料的制造方法，以及使用了如此获得的陶瓷材料的电容器、固体氧化物型燃料电池、水电解装置和氢泵。
技术介绍
由于固体氧化物型燃料电池(SOFC，以下也称为“SOFC”)具有(例如)发电效率高、不需要诸如铂之类的贵金属催化剂、以及可以使用废热等优点，因此人们对其进行了积极的研发。燃料电池的基本部分中包括膜电极组件或膜电极复合体(MEA)，其包括燃料电极(阳极)、固体氧化物电解质和空气电极(阴极)。此外，燃料电池还包括：与MEA的燃料电极接触的燃料电极集电体；以及燃料电极通道，其中气体燃料(例如氢气)通过该燃料电极通道被供应到燃料电极上，并且还包括位于与燃料电极侧配对的空气电极侧并且与空气电极接触的空气电极集电体，以及空气通道，其中空气通过空气通道被供应到空气电极。一般而言，燃料电极集电体和空气电极集电体是导电性多孔体，并且使气体燃料或氢气和氧化性气体或空气流过多孔体。也就是说，每个电极集电体用作集电体的同时还用作气体通道。为了使燃料电池运行，氢、氧和氧化物离子必须在固体电解质中传导。为了实现实用水平上的离子传导率，需要加热MEA或气体燃料中的一者或两者。离子传导率来自固体电解质材料，氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)主要用于目前市售的固体氧化物型燃料电池。该材料在800℃至1000℃的高温下表现出实用水平上的离子传导性，因此需要使用昂贵的高耐热材料(例如，Inconel等)作为连接体(interconnector)等的结构材料，这导致了高成本。此外，结构材料容易形成氧化膜，因此存在形成电阻层并缩短燃料电池本身的寿命的问题。为了解决上述问题，期望获得工作温度降低到600℃以下的中温运行的SOFC。然而，当运行温度低时，存在离子传导率降低的问题，使得不能确保期望的发电性能。因此，要求这样的固体电解质，该固体电解质即使在低的运行温度下也具有高离子传导率，并且可确保所期望的发电性能。此外，作为固体电解质，采用具有氧离子传导性或质子传导性的固体电解质。在采用具有氧离子传导性的固体电解质的情况下，存在氧离子在燃料电极处与氢键合生成水的问题，并且所述水会稀释燃料，使得燃料利用率降低。同时，具有质子传导性质的固体电解质如钇掺杂锆酸钡(以下也称为“BZY”)也可以在600℃以下的中温范围内实现高质子传导率，因此预期作为固体电解质材料替代上述具有氧离子传导性能的固体电解质。此外，在使用质子传导性固体电解质的情况下，不会存在如上述氧离子传导性固体电解质中的稀释燃料的问题。然而，BZY作为多晶材料，其烧结性差，并且还存在因晶粒而导致晶界比例变大的问题，从而抑制质子传导，导致导电率降低。例如，当钇的掺杂量为10摩尔％以下时，晶粒在烧结期间不易于生长。因此，晶面密度增加使得电阻增加。当该材料用于燃料电池时，发电性能降低。此外，当钇的掺杂量为15摩尔％以上时，难以均匀地分散和溶解钇。因此，存在这样的问题，即：在200℃至400℃的温度范围内，会发生晶格常数产生特殊变化的现象，从而在作为固体电解质的BZY中产生裂纹，电极剥离。对于上述问题，本专利技术人通过增加第三热处理，成功地研制了BZY，即使当钇的掺杂量增加至15摩尔％至20摩尔％时，相对于温度变化，晶格常数的变化率也是恒定的，并且成功地抑制了电极的剥离(参见日本专利文献No.2013-206702：专利文献1)。参考文献[专利文献]专利文献1：日本特开专利公开No.2013-206702
技术实现思路
技术问题然而，已经发现，当将上述BZY用作阳极支撑型SOFC的固体电解质时，与电解质(BZY)支撑型SOFC相比，固体电解质的离子传导率降低，因此在这方面存在改善的余地。在制造SOFC的方法中，通常在烧结陶瓷材料时控制气氛和温度。据认为，此时，诸如镍之类的金属元素从阳极等的电极材料扩散到陶瓷材料中，由此，离子传导率降低。此外，在另一种陶瓷材料的情况下，据认为，杂质扩散到晶粒或晶界中，由此，电特性、压电特性、导传导率、机械/热强度和与之相关的耐久性劣化。通常，关于陶瓷材料，由于烧结助剂或烧结气氛，过剩组分等析出在烧结体的表面部分上。然而，迄今尚未报道用于清除作为杂质溶解在陶瓷材料中的金属元素的方法。此外，关于将被用于SOFC等的固体电解质，这样使用固体电解质，使得阳极材料和阴极材料被放置在固体电解质的表面上。使用不扩散到固体电解质中的钯或铂作为这些材料是已知的。然而，在这种情况下，使用昂贵的钯或铂作为阳极电极基板，并且使用气相法(例如PLD(脉冲激光析出)法)，这样便存在以下问题：SOFC的制造成本上涨，这是将SOFC投入实际应用的重大障碍。如上所述，在需要功能性的陶瓷材料中，由于杂质混入其中，在某些情况下不能实现包括离子传导率、压电性能、机械强度和耐久性在内的所期望的性能。因此，如果在陶瓷材料的最终使用构造中可以清除杂质，则可以预期将会表现出有益效果，其中陶瓷材料的各种性能特性提高，从而使得(例如)燃料电池的输出和耐久性得以提高。因此，鉴于上述问题，本专利技术的目的是提供：通过清洁含有杂质金属的陶瓷材料从而制造能够具有所期望性能特性的陶瓷材料的方法；和利用该方法制造的陶瓷材料。问题的解决方案根据本专利技术的一个方面的制造陶瓷材料的方法：(1)一种制造陶瓷材料的方法，所述方法包括在还原气氛中对晶粒中扩散有金属氧化物的陶瓷材料进行热处理，从而还原金属氧化物，由此在陶瓷材料的晶界处使金属元素析出的步骤。本专利技术的有益效果根据上述专利技术，可以提供通过清洗含有杂质金属的陶瓷材料来制造具有所期望性能的陶瓷材料的方法。附图说明图1示出了本专利技术实施方案的陶瓷材料的制造方法的各步骤中陶瓷材料的状态的示意图。图2示出了实施例1中制造的陶瓷材料2的晶粒内传导率的测定结果图。图3示出了实施例1中制造的陶瓷材料2的晶界传导率的测定结果图。图4示出了实施例1中制造的陶瓷材料中的镍的氧化态的评价结果图。图5示出了实施例1中制备的陶瓷材料1的STEM-EDS光谱图。图6示出了实施例1中制造的陶瓷材料2的STEM-EDS光谱图。图7为示出了实施例1中制造的陶瓷材料2的STEM观察结果的照片。图8示出了实施例1中制造的陶瓷材料3的STEM-EDS光谱图。图9为示出了实施例1中制造的陶瓷材料3的STEM观察结果的照片。图10为示出了实施例1中制造的陶瓷材料3的高倍率STEM观察结果的照片。图11示出了实施例1中制造的陶瓷材料1、2和4的总传导率的测定结果图。图12示出了实施例1中制造的陶瓷材料1、2和4在600℃下的总传导率的测定结果图。具体实施方案[本专利技术实施方案的说明]首先，下面将列举并说明本专利技术实施方案。(1)根据本专利技术的实施方案的陶瓷材料的制造方法为这样一种陶瓷材料制造方法，所述方法包括在还原气氛中对晶粒中扩散有金属氧化物的陶瓷材料进行热处理，从而还原金属氧化物，由此在陶瓷材料的晶界处使金属元素析出的步骤。根据上述(1)所述的本专利技术实施方案，可以提供通过清洁含有杂质金属的陶瓷材料来制造具有所期望性能的陶瓷材料的方法。(2)上述(1)所述的陶瓷材料的制造方法优选进一步包括：使已析出于晶界处的金属元素氧化的步骤；以及在惰性气氛中，对在晶界处具有金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造陶瓷材料的方法，所述方法包括在还原性气氛中对晶粒中扩散有金属氧化物的陶瓷材料进行热处理，从而还原所述金属氧化物，由此使金属元素在所述陶瓷材料的晶界处析出的步骤。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.27 JP 2015-0377261.一种制造陶瓷材料的方法，所述方法包括在还原性气氛中对晶粒中扩散有金属氧化物的陶瓷材料进行热处理，从而还原所述金属氧化物，由此使金属元素在所述陶瓷材料的晶界处析出的步骤。2.根据权利要求1所述的制造陶瓷材料的方法，进一步包括：氧化在所述晶界处析出的所述金属元素的步骤；以及在惰性气氛中，对在所述晶界处具有所述金属氧化物的所述陶瓷材料进行热处理的步骤。3.根据权利要求1或2所述的制造陶瓷材料的方法，其中所述陶瓷材料为钇掺杂锆酸钡(BZY)、镱掺杂锆酸钡(BZYb)、钇掺杂锆酸锶(SZY)、钇掺杂铈酸钡(BCY)或钛酸钡(BT)。4.根据权利要求1至3中任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：真岛正利，俵山博匡，平岩千寻，东野孝浩，野田阳平，水原奈保，宇田哲也，韩东麟，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，国立大学法人京都大学，
类型：发明
国别省市：日本,JP