[發(fā)明專利]陶瓷材料的制造方法、電容器、固體氧化物型燃料電池、水電解裝置和氫泵

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201580077006.1
• 申請日: 2015-12-24
• 公開（公告）號: CN107250085A
• 公開（公告）日: 2017-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 真島正利;俵山博匡;平巖千尋;東野孝浩;野田陽平;水原奈保;宇田哲也;韓東麟
• 申請（專利權(quán)）人: 住友電氣工業(yè)株式會社;國立大學(xué)法人京都大學(xué)
• 主分類號: C04B41/80
• 分類號: C04B41/80;C25B9/00;C25B13/04;H01M8/12;H01M8/02;H01M8/1016
• 代理公司: 北京天昊聯(lián)合知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11112
• 代理人: 王靜,高釗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及陶瓷材料的制造方法，以及使用了如此獲得的陶瓷材料的電容器、固體氧化物型燃料電池、水電解裝置和氫泵。

背景技術(shù)

由于固體氧化物型燃料電池(SOFC，以下也稱為“SOFC”)具有(例如)發(fā)電效率高、不需要諸如鉑之類的貴金屬催化劑、以及可以使用廢熱等優(yōu)點，因此人們對其進(jìn)行了積極的研發(fā)。

燃料電池的基本部分中包括膜電極組件或膜電極復(fù)合體(MEA)，其包括燃料電極(陽極)、固體氧化物電解質(zhì)和空氣電極(陰極)。此外，燃料電池還包括：與MEA的燃料電極接觸的燃料電極集電體；以及燃料電極通道，其中氣體燃料(例如氫氣)通過該燃料電極通道被供應(yīng)到燃料電極上，并且還包括位于與燃料電極側(cè)配對的空氣電極側(cè)并且與空氣電極接觸的空氣電極集電體，以及空氣通道，其中空氣通過空氣通道被供應(yīng)到空氣電極。一般而言，燃料電極集電體和空氣電極集電體是導(dǎo)電性多孔體，并且使氣體燃料或氫氣和氧化性氣體或空氣流過多孔體。也就是說，每個電極集電體用作集電體的同時還用作氣體通道。

為了使燃料電池運行，氫、氧和氧化物離子必須在固體電解質(zhì)中傳導(dǎo)。為了實現(xiàn)實用水平上的離子傳導(dǎo)率，需要加熱MEA或氣體燃料中的一者或兩者。離子傳導(dǎo)率來自固體電解質(zhì)材料，氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)主要用于目前市售的固體氧化物型燃料電池。該材料在800℃至1000℃的高溫下表現(xiàn)出實用水平上的離子傳導(dǎo)性，因此需要使用昂貴的高耐熱材料(例如，Inconel等)作為連接體(interconnector)等的結(jié)構(gòu)材料，這導(dǎo)致了高成本。此外，結(jié)構(gòu)材料容易形成氧化膜，因此存在形成電阻層并縮短燃料電池本身的壽命的問題。

為了解決上述問題，期望獲得工作溫度降低到600℃以下的中溫運行的SOFC。然而，當(dāng)運行溫度低時，存在離子傳導(dǎo)率降低的問題，使得不能確保期望的發(fā)電性能。因此，要求這樣的固體電解質(zhì)，該固體電解質(zhì)即使在低的運行溫度下也具有高離子傳導(dǎo)率，并且可確保所期望的發(fā)電性能。

此外，作為固體電解質(zhì)，采用具有氧離子傳導(dǎo)性或質(zhì)子傳導(dǎo)性的固體電解質(zhì)。在采用具有氧離子傳導(dǎo)性的固體電解質(zhì)的情況下，存在氧離子在燃料電極處與氫鍵合生成水的問題，并且所述水會稀釋燃料，使得燃料利用率降低。

同時，具有質(zhì)子傳導(dǎo)性質(zhì)的固體電解質(zhì)如釔摻雜鋯酸鋇(以下也稱為“BZY”)也可以在600℃以下的中溫范圍內(nèi)實現(xiàn)高質(zhì)子傳導(dǎo)率，因此預(yù)期作為固體電解質(zhì)材料替代上述具有氧離子傳導(dǎo)性能的固體電解質(zhì)。此外，在使用質(zhì)子傳導(dǎo)性固體電解質(zhì)的情況下，不會存在如上述氧離子傳導(dǎo)性固體電解質(zhì)中的稀釋燃料的問題。

然而，BZY作為多晶材料，其燒結(jié)性差，并且還存在因晶粒而導(dǎo)致晶界比例變大的問題，從而抑制質(zhì)子傳導(dǎo)，導(dǎo)致導(dǎo)電率降低。

例如，當(dāng)釔的摻雜量為10摩爾％以下時，晶粒在燒結(jié)期間不易于生長。因此，晶面密度增加使得電阻增加。當(dāng)該材料用于燃料電池時，發(fā)電性能降低。此外，當(dāng)釔的摻雜量為15摩爾％以上時，難以均勻地分散和溶解釔。因此，存在這樣的問題，即：在200℃至400℃的溫度范圍內(nèi)，會發(fā)生晶格常數(shù)產(chǎn)生特殊變化的現(xiàn)象，從而在作為固體電解質(zhì)的BZY中產(chǎn)生裂紋，電極剝離。

對于上述問題，本發(fā)明人通過增加第三熱處理，成功地研制了BZY，即使當(dāng)釔的摻雜量增加至15摩爾％至20摩爾％時，相對于溫度變化，晶格常數(shù)的變化率也是恒定的，并且成功地抑制了電極的剝離(參見日本專利文獻(xiàn)No.2013-206702：專利文獻(xiàn)1)。

參考文獻(xiàn)

[專利文獻(xiàn)]

專利文獻(xiàn)1：日本特開專利公開No.2013-206702

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題

然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將上述BZY用作陽極支撐型SOFC的固體電解質(zhì)時，與電解質(zhì)(BZY)支撐型SOFC相比，固體電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)率降低，因此在這方面存在改善的余地。

在制造SOFC的方法中，通常在燒結(jié)陶瓷材料時控制氣氛和溫度。據(jù)認(rèn)為，此時，諸如鎳之類的金屬元素從陽極等的電極材料擴(kuò)散到陶瓷材料中，由此，離子傳導(dǎo)率降低。此外，在另一種陶瓷材料的情況下，據(jù)認(rèn)為，雜質(zhì)擴(kuò)散到晶粒或晶界中，由此，電特性、壓電特性、導(dǎo)傳導(dǎo)率、機(jī)械/熱強(qiáng)度和與之相關(guān)的耐久性劣化。

通常，關(guān)于陶瓷材料，由于燒結(jié)助劑或燒結(jié)氣氛，過剩組分等析出在燒結(jié)體的表面部分上。然而，迄今尚未報道用于清除作為雜質(zhì)溶解在陶瓷材料中的金屬元素的方法。