(57)【要約】      （修正有）【課題】複合伝導性金属酸化物膜システムの加熱及び冷却の間の寸法変化、特に温度、圧力及びガス組成の膜反応器システムの操作時の寸法変化に起因する機械的損傷の可能性を低下させる方法を提供する。【解決手段】触媒化していないＩＴＭを、（ａ）陰イオン移動度を有するＩＴＭを与えるのに十分な時間及び温度まで加熱しながら、非還元性ガス状流れと接触させて；（ｂ）陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有するＩＴＭを与えるのに十分な時間で、還元性ガス状流れと接触させて；（ｃ）ＩＴＭを還元性ガス状流れと接触させながら冷却して、本質的に一定の酸素化学量論量及び陰イオン移動度を有するＩＴＭを与えて；そして（ｄ）（１）複合伝導性多成分金属酸化物（ＭＣＭＯ）の緻密層の第一面と隣接した多孔性ＭＣＭＯ、及び（２）緻密なＭＣＭＯ層の第二面のいずれか少なくとも１つに触媒を適用することによって処理する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
次のステップを含む、触媒化イオン輸送膜の製造方法：
（ａ）第一の面、及び第二の面を有する緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層、並びに前記第一の面と隣接している多孔性複合伝導性多成分金属酸化物層を含む、イオン輸送膜を与えるステップ； 
（ｂ）陰イオン移動度を有するイオン輸送膜を与えるのに十分な時間及び温度まで前記イオン輸送膜を加熱しながら、前記イオン輸送膜を、第一の酸素分圧を有する非還元性ガス状流れと、接触させるステップ；
（ｃ）陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有するイオン輸送膜を与えるのに十分な時間で、前記陰イオン移動度を有するイオン輸送膜を、前記第一の酸素分圧より低い第二の酸素分圧を有する第一の還元性ガス状流れと、接触させるステップ；
（ｄ）前記膜を前記第一の還元性ガス状流れと接触させながら、前記陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有するイオン輸送膜を冷却して、本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を持たないイオン輸送膜を与えるステップ；及び
（ｅ）触媒を、前記本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を持たないイオン輸送膜の、前記緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層の前記第二面、及び前記多孔性複合伝導性多成分金属酸化物層の少なくとも１つに適用し、それにより前記触媒化イオン輸送膜を与えるステップ。
【請求項２】
前記第一の非還元性ガス状流れが、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素及びこれらの混合物からなる群より選択される成分を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第一の非還元性ガス状流れが、空気である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第一の還元性ガス状流れが、水素、一酸化炭素、メタン、エタン及びこれらの混合物からなる群より選択される還元性成分を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記触媒が、元素周期律表の第二族、第三族、第四族、第五族、第六族、第七族、第八族、第九族、第十族、第十一族、第十五族、及びＦブロックのランタニドから選択される金属又は金属の酸化物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記金属又は前記金属の酸化物が、ビスマス、バリウム、セリウム、イットリウム、ジルコニウム、バナジウム、モリブデン、セリウム、マンガン、プラセオジウム、プラチナ、パラジウム、ロジウム、鉄、ルテニウム、イリジウム、金、ニッケル、コバルト、銅、銀及びこれらの混合物からなる群より選択される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記触媒が、溶解性金属塩、有機金属化合物、金属酸化物及びこれらの混合物から選択される成分を含む溶液として適用される、請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
さらに次のステップを含む、請求項１に記載の方法：
（ｆ）前記本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を持たない触媒化イオン輸送膜と、第二の還元性ガス状流れを接触させ、そして２００℃〜５００℃の範囲の温度で前記触媒化イオン輸送膜をか焼して、か焼した触媒化イオン輸送膜を与えるステップ。
【請求項９】
前記第二の還元性ガス流れが、水素、一酸化炭素、メタン、エタン及びこれらの混合物からなる群より選択される還元性成分を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層及び前記多孔性複合伝導性多成分金属酸化物層の少なくとも１つが、次の式で表される少なくとも１種の複合伝導性多成分金属酸化物を含む、請求項１に記載の方法：
（ＬａｘＣａ１−ｘ）ｙＦｅＯ３−δ
式中、０．５＜ｘ＜１．０、１．０≦ｙ≦１．１、且つδは物質の組成物の電荷を中性にする数である。
【請求項１１】
次のステップを含む、本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を有さない触媒化イオン輸送膜の製造方法：
（ａ）第一の面、及び第二の面を有する緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層、並びに前記第一の面と隣接している多孔性複合伝導性多成分金属酸化物層を含む、イオン輸送膜を与えるステップ；
（ｂ）触媒を、前記緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層の前記第二面、及び前記多孔性複合伝導性多成分金属酸化物層の少なくとも１つに適用して、前記触媒化イオン輸送膜を与えるステップ；
（ｃ）陰イオン移動度を有する触媒化イオン輸送膜を与えるのに十分な時間及び温度まで、前記触媒化イオン輸送膜を加熱しながら、前記触媒化イオン輸送膜を、第一の酸素分圧を有する非還元性ガス状流れと、接触させるステップ；
（ｄ）陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有する触媒化イオン輸送膜を与えるのに十分な時間で、前記陰イオン移動度を有する触媒化イオン輸送膜を、前記第一の酸素分圧より低い第二の酸素分圧を有する第一の還元性ガス状流れと、接触させるステップ；及び
（ｅ）前記膜を前記第一の還元性ガス状流れと接触させながら、前記陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有する触媒化イオン輸送膜を冷却して、本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を持たない触媒化イオン輸送膜を与えるステップ。
【請求項１２】
前記第一の非還元性ガス状流れが、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素及びこれらの混合物からなる群より選択される成分を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第一の非還元性ガス状流れが、空気である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第一の還元性ガス状流れが、水素、一酸化炭素、メタン、エタン及びこれらの混合物からなる群より選択される還元性成分を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記触媒が、元素周期律表の第二族、第三族、第四族、第五族、第六族、第七族、第八族、第九族、第十族、第十一族、第十五族、及びＦブロックのランタニドから選択される金属又は金属の酸化物を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記金属又は前記金属の酸化物が、ビスマス、バリウム、セリウム、イットリウム、ジルコニウム、バナジウム、モリブデン、セリウム、マンガン、プラセオジウム、プラチナ、パラジウム、ロジウム、鉄、ルテニウム、イリジウム、金、ニッケル、コバルト、銅、銀及びこれらの混合物からなる群より選択される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記触媒が、溶解性金属塩、有機金属化合物、金属酸化物及びこれらの混合物から選択される成分を含む溶液として適用される、請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項１８】
さらに次のステップを含む、請求項１１に記載の方法：
（ｆ）前記本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を持たない触媒化イオン輸送膜と、第二の還元性ガス状流れを接触させ、そして２００℃〜５００℃の範囲の温度で前記触媒化イオン輸送膜をか焼して、か焼した触媒化イオン輸送膜を与えるステップ。
【請求項１９】
前記第二の還元性ガス流れが、水素、一酸化炭素、メタン、エタン及びこれらの混合物からなる群より選択される還元性成分を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層及び前記多孔性複合伝導性多成分金属酸化物層の少なくとも１つが、次の式で表される少なくとも１種の複合伝導性多成分金属酸化物を含む、請求項１１に記載の方法：
（ＬａｘＣａ１−ｘ）ｙＦｅＯ３−δ
式中、０．５＜ｘ＜１．０、１．０≦ｙ≦１．１、且つδは物質の組成物の電荷を中性にする数である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ある種の混合金属酸化物組成物を含有するセラミック材料は、高温で、酸素イオン伝導性及び電気伝導性の両方を有する。これらの材料は、本分野で複合伝導性金属酸化物（ｍｉｘｅｄ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）として知られており、ガス分離膜及び膜酸化反応器等の用途で用いることができる。セラミック膜は、選択された混合金属酸化物組成物で作られ、イオン輸送膜（ＩＴＭ：ｉｏｎ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）と表される。触媒を用いて、例えば、膜酸化反応器で起こる酸化反応及び／又は改質反応を促進させることができる。
【背景技術】
【０００２】
これらの材料の特有の特性は、それらの酸素の化学量論量が、温度と酸素分圧の熱力学的な関数となることであり、平衡の酸素化学量論量は、温度の上昇と共に減少し、且つ酸素分圧の低下と共に減少する。熱膨張及び熱収縮に起因して、全ての材料の寸法が、温度の変化によって変化することが知られている。これらの熱的な寸法変化に加えて、複合伝導性金属酸化物材料は、化学的な寸法変化を受けるが、これは金属酸化物の酸素化学量論量の関数となる。等温条件で、酸素の化学量論量が減少すると、複合伝導性金属酸化物材料で作られた物品は寸法が拡大するであろう。等温条件で、酸素分圧が低下すると、酸素の化学量論量は減少する。温度が低下すると、平衡の酸素化学量論量は増加するので、複合伝導性金属酸化物で作られた物品は、熱的な寸法変化及び化学的な寸法変化の両方に起因して、一定の酸素分圧で温度が低下するにつれて、収縮するであろう。反対に、複合伝導性金属酸化物で作られた物品は、熱的な寸法変化及び化学的な寸法変化の両方によって、一定の酸素分圧で温度が上昇するにつれて、膨張するであろう。これは、非特許文献１に記載されている。
【０００３】
それゆえ、寸法変化は、複合伝導性金属酸化物材料中の平衡の酸素化学量論量の変化に起因する。一定の酸素分圧で温度を変化させること、又は一定の温度で酸素分圧を変化させることは、複合伝導性金属酸化物材料の平衡の酸素化学量論量を変化させるであろう。複合伝導性金属酸化物をイオン輸送膜として用いる場合、膜を隔てた酸素分圧の差が、膜の２つの表面のそれぞれで、平衡の酸素化学量論量に差を生み出す。これは、次に酸素イオンに熱力学的な駆動力を与えて、膜を通じて拡散させる。
【０００４】
複合伝導性金属酸化物セラミック構造中の温度勾配が、熱膨張差及び熱収縮差に起因して、歪み差を生み出す場合があることが知られている。同様に、セラミック構造中の酸素化学量論量の勾配は、化学的膨張差及び化学的収縮差に起因して、歪み差を生み出す場合がある。この酸素化学量論量における勾配が、十分に大きくなって、対応して大きな化学的膨張差、そしてそれゆえ大きな機械的応力を生み出し、これがセラミック構造の崩壊をもたらす場合がある。それゆえ、化学的膨張差を避けること、又は少なくとも化学的膨張差を、最大許容値未満に制御することが望ましい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｘｐａｎｓｉｖｉｔｙ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ”  ｂｙ  Ｓ．  Ｂ．  Ａｄｌｅｒ  ｉｎ  Ｊ．  Ａｍ．  Ｃｅｒａｍ．ｓｏｃ．  ８４  （９）  ２１１７−１９（２００１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
膜の製造時、モジュールの製造時、及びその後の膜システムの起動と停止の間に発生する場合がある、複合伝導性金属酸化物膜システムの加熱及び冷却の間の寸法変化、特に温度、圧力及びガス組成の変わりやすい条件の下での膜反応器システムの操作時の寸法変化に起因する機械的損傷の可能性を低下させるための、改良された方法に関する必要性が、本分野に存在する。これらの必要性を、以下に開示し、且つ特許請求の範囲により定義される本発明の実施態様により、対処する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの実施態様は、次のステップを含む、触媒化イオン輸送膜の製造方法に関する：
（ａ）第一の面、及び第二の面を有する緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層、並びに該第一の面と隣接している多孔性複合伝導性多成分金属酸化物層を含む、イオン輸送膜を与えるステップ； 
（ｂ）陰イオン移動度を有するイオン輸送膜を与えるのに十分な時間及び温度まで該イオン輸送膜を加熱しながら、該イオン輸送膜を、第一の酸素分圧を有する非還元性ガス状流れと、接触させるステップ；
（ｃ）陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有するイオン輸送膜を与えるのに十分な時間で、該陰イオン移動度を有するイオン輸送膜を、該第一の酸素分圧より低い第二の酸素分圧を有する第一の還元性ガス状流れと、接触させるステップ；
（ｄ）該膜を該第一の還元性ガス状流れと接触させながら、該陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有するイオン輸送膜を冷却して、本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を持たないイオン輸送膜を与えるステップ；及び
（ｅ）触媒を、該本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を持たないイオン輸送膜の、該緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層の第二面、及び該多孔性複合伝導性多成分金属酸化物層の少なくとも１つに適用し、それにより該触媒化イオン輸送膜を与えるステップ。
【０００８】
別の実施態様では、本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を有さない触媒化イオン輸送膜の製造方法は、次のステップを含む：
（ａ）第一の面、及び第二の面を有する緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層、並びに該第一の面と隣接している多孔性複合伝導性多成分金属酸化物層を含む、イオン輸送膜を与えるステップ；
（ｂ）触媒を、該緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層の第二面、及び該多孔性複合伝導性多成分金属酸化物層の少なくとも１つに適用して、該触媒化イオン輸送膜を与えるステップ；
（ｃ）陰イオン移動度を有する触媒化イオン輸送膜を与えるのに十分な時間及び温度まで、該触媒化イオン輸送膜を加熱しながら、該触媒化イオン輸送膜を、第一の酸素分圧を有する非還元性ガス状流れと、接触させるステップ；
（ｄ）陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有する触媒化イオン輸送膜を与えるのに十分な時間で、該陰イオン移動度を有する触媒化イオン輸送膜を、該第一の酸素分圧より低い第二の酸素分圧を有する第一の還元性ガス状流れと、接触させるステップ；及び
（ｅ）該膜を該第一の還元性ガス状流れと接触させながら、該陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有する触媒化イオン輸送膜を冷却して、本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を持たない触媒化イオン輸送膜を与えるステップ。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
複合伝導性金属酸化物膜を用いた酸化反応器システムの起動又は停止の間に、温度が上昇又は低下し、膜の酸化剤側での酸素分圧が変化する場合があり、また膜の反応物面での反応性ガスの組成が変化する場合がある。膜材料の平衡の酸素化学量論量は、温度、酸素分圧、及び反応物ガスの組成の変化に応じて変わるであろう。酸素陰イオンは、膜材料に拡散し、又は膜材料から拡散し、そして膜材料は、その平衡の酸素化学量論量値に近づくであろう。
【００１０】
酸素化学量論量及び温度が変化すると、膜の寸法が変化するであろう。膜が、膜の表面で酸素分圧と化学平衡に達するのに必要な時間は、酸素陰イオンの、膜への又は膜からの拡散速度に依存するであろう。平衡状態を発生させるのに必要な時間は、膜モジュールの寸法、材料組成、及び温度の関数である。
【００１１】
異なる膜組成は、異なる酸素陰イオン拡散性を有し、比較的高い拡散性を有する組成は、他の因子が等しいならば、ガス相と比較的早く平衡になるであろう。所定の膜組成に関して、酸素陰イオンの拡散性は、温度に対して指数関数的に増大する。それゆえ、平衡までの時間は、温度の上昇に対して短くなる。最終的に、平衡までの時間は、膜モジュールの部品の特性寸法（例えば長さ又は厚み）の二乗と共に、おおよそ増加する。それゆえ、比較的薄い部品は、他の因子が等しいならば、比較的厚い部品よりも、より早く平衡となるであろう。部品の厚みが増加し、且つ温度が低下すると、部品への又は部品からの酸素陰イオンの不活発な拡散に起因して、部品の内部を、ガス相との平衡状態に保つことが次第に難しくなる。
【００１２】
触媒を用いて、合成ガスの製造用のイオン輸送膜の酸化反応器で起こる、酸化反応及び／又は改質反応を促進することができる。これらの反応器では、触媒を、緻密な酸素イオン透過性膜の反応物側と接触させて、且つ／又は緻密層の反応物側に隣接している多孔質層と接触させて、適用することができる。択一的に又は追加的に、触媒を、緻密な膜の酸化物側に適用して、表面反応速度を促進することができ、ここで酸素陰イオンは、気相の物質種、例えば分子の酸素からの膜の表面の酸素から生成される。酸化剤側の触媒を、緻密な酸素イオン透過性膜の酸化剤側と接触させて、且つ／又は緻密層の酸化剤側に隣接した多孔質層と接触させて、適用することができる。
【００１３】
触媒イオン輸送膜は、起動時に機能しない場合があることが分かっている。これは、膜触媒が、操作温度への加熱の間に、膜と接触するガス中の少量の被酸化性不純物又は燃料によって、膜材料中でのある種の化合物の還元に触媒作用をする場合があるからである。これらの被酸化性不純物又は燃料は、例えば、操作温度への加熱の間に、膜反応器中の残留汚染物質の分解によって生じる場合がある。これらの残留汚染物質は、典型的には、製造後の膜モジュールに残留する材料であり、例えば、オイル、グリース、洗浄化合物、及び他の有機材料が挙げられる。択一的に又は追加的に、被酸化性不純物は、加熱中にモジュールに導入されたガス中に存在している場合がある。
【００１４】
膜材料の非制御の還元は、膜構造中の過度に大きな酸素化学量論量の勾配に起因して、触媒膜の機能不能を招く場合がある。これは、触媒化され還元された多孔質層と、触媒化されず還元されていない緻密層及び他の還元されていない要素との間に、過度の化学的膨張差を引き起こし、それにより膜構造に破壊を招く場合がある。
【００１５】
これらの残留汚染物及び被酸化性不純物を製造の間に除去することは、膜酸化反応器の大きさが、商業規模のシステムに拡大するにつれて、ますます困難になる。これらの汚染物質及び不純物は、最初の製造後には、全ての大規模の膜反応器システムに存在している可能性が高く、且つ後の変更後又は保全処置後にも、システム中に存在している場合がある。
【００１６】
被酸化性不純物による破壊的な非制御の触媒の還元の問題は、本発明の実施態様を用いることで回避することができ、ここでは膜構造中の材料を、制御した条件の下で還元した後に、操業条件の下で反応容器中の膜を使用する。この還元をする前処理処置又は前調整処置は、膜要素を通じて均一に酸素化学量論量を減少させ、そうして後の触媒化膜モジュールの被酸化性不純物への露出では、膜材料の過度のさらなる還元を生じさせないであろう。以下に詳細に述べられるように、膜の製造の間に、膜構造への触媒の導入の前か後かで、事前還元処理を行うことができる。
【００１７】
次の定義は、本明細書に提示された本発明の具体化のために、明細書及び特許請求の範囲で用いられる用語に適用する。
【００１８】
イオン輸送膜は、高温で酸素陰イオンを輸送又は透過できる混合金属酸化物を含有するセラミック膜材料の活性のある緻密層として定義される。イオン輸送膜は、酸素イオンに加えて電子も輸送することができ、このタイプのイオン輸送膜は、典型的には複合伝導体膜と表現される。イオン輸送膜は、緻密な活性膜材料の層、及び多孔質の一以上の層、並びに／又は流路を形成した支持体層を含む複合材料の膜とすることもできる。
【００１９】
触媒化イオン輸送膜は、触媒を有するイオン輸送膜として定義され、その触媒は、活性のある緻密層の反応物側と接触し、且つ／又は緻密層の反応物側と隣接している多孔質層と接触し、且つ／又は活性のある緻密層の酸化物側と接触して配置される。触媒は、（１）物質種の酸化、例えば水素、一酸化炭素及び炭化水素の酸化等の、緻密層の反応物側で起こる反応、及び／若しくは緻密層の反応物側と隣接している多孔質層で起こる反応、並びに／又は（２）緻密層の酸化物側への、ガス状酸素からの酸素陰イオンの形成、を促進する１種以上の元素及び／又は化合物として定義される。触媒材料は、触媒を含む材料として定義され、触媒を担持する非触媒性の担持材料を包含する場合がある。
【００２０】
「緻密」という用語は、大部分のガス流れを通さない焼結又は焼成したセラミック材料を言及している。ガスは、複合伝導性多成分金属酸化物材料で作られた緻密なセラミック膜を、その膜が傷ついておらず、且つガスを漏出させる亀裂、穴又は欠陥がない限りにおいて、通ることができない。酸素イオンは、複合伝導性多成分金属酸化物材料で作られた緻密なセラミック膜を透過することができる。反応物領域から酸化物領域を分離している１以上のイオン輸送膜は、膜への酸素イオンの透過を可能とし、且つ膜は、その段の酸化物領域と反応物領域との間で、ガスの大部分を流れさせない。
【００２１】
「陰イオン移動度」という用語は、酸素の活性の勾配の下で、典型的には酸素イオン伝導率が少なくとも０．００１Ｓ／ｃｍの場合に、酸素陰イオンが、容易に拡散することができる緻密なセラミック膜材料における条件と定義される。ここで、ＳはΩ−１として表されるジーメンスでの伝導率である。「陰イオン移動度を与えるのに十分な温度」という用語は、酸素イオン伝導率が、約０．００１Ｓ／ｃｍ超、さらに詳しくは約０．０１Ｓ／ｃｍ超となる温度として定義される。陰イオン移動度を与えるのに十分な時間は、少なくとも１つの拡散時間定数、そして典型的には２つ超の拡散時間定数として定義される。ここで、拡散時間定数は、Ｌ２／Ｄｖとして定義され、Ｌは、固体状態の拡散距離であり、且つＤｖは、酸素の空格子点拡散率（ｖａｃａｎｃｙ  ｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙ）である。
【００２２】
「本質的に一定の酸素化学量論量」という用語は、平均値の３％より大きく変化せず、典型的には平均値の０．５％より大きく変化しない酸素の空格子の割合により定義される。
【００２３】
本明細書で用いられる場合、「酸素」という一般的な用語は、原子番号８を有する元素又は部分を含む、全ての形態の酸素を含む。それゆえ、一般的な用語の酸素は、酸素イオン、ガス状の酸素（二酸素（ｄｉｏｘｙｇｅｎ）又はＯ２）、及び気相状態、液相状態又は固体状態の化合物に存在している酸素を含む。本明細書で用いられる場合の「酸素分圧」という用語は、Ｏ２を含むガス混合物及び／又は酸素を含む他のガス状の化合物中の、二酸素又はＯ２の分圧の通常の熱力学的定義である。
【００２４】
触媒化イオン輸送膜の反応物側は、反応物ガスと接触する側と定義される。反応物ガスは、膜の反応物側で、又は反応物側と隣接したところで起こるあらゆる反応に関わる一種以上の反応性成分を含むガスとして定義される。反応物領域での反応は、（１）膜を透過した酸素と、あらゆる反応物成分との間で、また（２）あらゆる反応成分の間で、又は反応中間体の間で、起こる場合がある。これらの反応は、反応器システムからの生成ガスとして抜き出すことができる反応生成物を形成する。本発明の１つの実施態様では、例えば、触媒化膜は、膜の反応物側に触媒を有することができ、酸化反応器システムで、炭化水素含有供給ガスから水素、及び一酸化炭素を含む合成ガス生成物の生成のために用いることができる。
【００２５】
還元性ガス又は還元性ガス状流れは、複合伝導性金属酸化物材料中の成分と反応して、複合伝導性金属酸化物材料の酸素の化学量論量又は組成を低下させうる、１種以上の被酸化性成分を含むガスとして定義される。還元性ガスの例は、水素、一酸化炭素、メタン、エタン及びこれらの混合物からなる群より選択される１種以上の還元性成分を含むガスである。これらのあらゆる成分は、複合伝導性金属酸化物材料と反応して、酸素化学量論量を低下させることができる。非還元性ガス又は非還元性ガス状流れは、本質的に還元性成分を含まないガスである。
【００２６】
「接触」という用語は、ガス流れ及びイオン輸送膜に適用する場合、ガス入口及びガス出口を有するあらゆる適切な反応容器内で、イオン輸送膜の表面にわたってガス流れが通過又は流れることを意味する。反応容器は、容器及び容器の内容物を制御された条件下で加熱するように構成された加熱システムを有する場合がある。制御された条件とは、例えば、一以上の温度ランプ速度（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｒａｍｐ  ｒａｔｅ）で加熱すること、所望の水準に温度を維持すること、及び一以上の温度ランプ速度で冷却することである。化学反応は、ガス流れ中の成分と、膜材料中の成分との間で起こる；あるいは、ガス流れを不活性とすることができ、加熱又は冷却の間に膜材料を保護するために用いることができる。
【００２７】
「か焼」及び「か焼する」という用語は、化学変化を生じさせる、例えば前駆体金属塩又は金属化合物の、金属又は金属酸化物への分解を生じさせる加熱ステップとして定義される。形容詞「か焼した」は、触媒化イオン輸送膜を、か焼ステップにさらしたことを述べている。
【００２８】
原語書類中で用いた冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、本明細書及び特許請求の範囲に記載の本発明の実施態様のいずれかの特徴に適用する場合、１以上を意味する。「ａ」及び「ａｎ」の使用は、限定を特に述べていない限り、単一の特徴の意味に限定するものではない。原語書類中において単数若しくは複数の名詞又は名詞句の前の定冠詞「ｔｈｅ」は、１つ又は複数の特定の特徴を表し、それが用いられる文脈に応じて単数又は複数の意味合いを有することができる。「ａｎｙ」という形容詞は、どんな量であっても無差別に１つ、いくつか又はすべてを意味する。第一の対象と第二の対象の間に配置される「ａｎｄ／ｏｒ」という用語は、（１）第一の対象、（２）第二の対象、並びに（３）第一の対象及び第二の対象のうちの１つを意味する。
【００２９】
本明細書に記載した触媒化イオン輸送膜を、本分野で知られているあらゆるタイプの複合伝導性多成分金属酸化物のイオン輸送膜モジュール又はシステムで用いることができる。典型的なタイプの知られたイオン輸送膜モジュールとしては、限定されないが、米国特許第７，１７９，３２３号に記載されたイオン輸送膜モジュール及び容器システム、並びに米国特許第７，２７９，０２７号に記載された平面セラミック膜組立及び酸化反応器システムが挙げられる。本発明の実施態様による触媒化イオン輸送膜と共に用いることができるイオン輸送膜モジュールとしては、限定されないが、米国特許第６，４９２，２９０号に記載された複合伝導性膜が挙げられる。米国特許第６，４９２，２９０号、米国特許第７，１７９，３２３号、及び米国特許第７，２７９，０２７号の完全な開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００３０】
本発明の実施態様を、例えば先に引用した米国特許第７，２７９，０２７号に記載された平面セラミック膜モジュールに適用することができる。これらの各モジュールは、積重体に又はモジュールに組み立てられた複数の膜ウェハーを具備する。また、酸化剤ガス及び反応物ガスをモジュールに導入し、且つ酸素を消費した酸化剤ガス及び反応生成物をモジュールから抜き出すのに適切なマニホールドを備えた反応器圧力容器に、複数のモジュールを取り付けることができる。
【００３１】
各ウェハーは、複合伝導性多成分金属酸化物材料の緻密層を有し、これは第一面及び第二面、緻密層の第一面と接触している複合伝導性多成分金属酸化物材料の多孔質層、並びに緻密層の第二面と接触しているセラミックの流路を形成した支持体層を備えている。複合材料の層は、個々のイオン輸送膜を形成する。２つの層をつなげて、そしてその端の周りを封止し、そうしてその２つの層の第二面同士の間に空洞を形成し、併せてその空洞内に配置された流路を形成した支持体層を形成する。緻密層の第一面は、それぞれ、多孔質複合伝導性多成分金属酸化物材料の隣接する層を有する。内部の空洞は、２つのそれぞれの複合材料層の特定の構造によって形成された、適切な入口部及び出口部を有する。これにより、この層の組立は、層の第一面と近接している内部空洞又は内部領域、及び隣接している多孔質層で覆われた外部領域を有するウェハーを形成する。ウェハーの内部空洞又は内部領域は、２つのそれぞれの複合材料層の特定の構造によって形成された、適切な入口部及び出口部を有する。
【００３２】
酸化剤ガスをウェハーの内部領域に導入するのに適合し、且つ酸素を消費した酸化剤ガスを内部領域から抜き出すのに適合して形成された内部マニホールドを有して、複数のウェハーを、積重体に又はモジュールに組み立てる。以下に記載したように、ウェハー及び積重体の製造工程の選択されたステップで、外部領域で起こる反応を促進する触媒を、緻密層の第一面及び／又は近接した多孔質層に適用することができる。炭化水素供給ガスから水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを製造するための反応システムで用いる場合、例えば、空気をモジュールのウェハーの内部領域に導入し、且つ炭化水素反応物ガスを、モジュールのウェハーの外部領域（すなわち、膜の反応物側又はプロセス側）にわたって通す。酸素は、緻密層を通って選択的に拡散し、そしてウェハーの反応物側で炭化水素供給ガスと反応して合成ガス成分を生じ、触媒は、ウェハーの反応物側で起こる反応を促進し、酸素を消費した空気は、モジュールのウェハーの内部領域から抜き出され、且つ合成ガス及び場合によって未反応の炭化水素は、モジュールのウェハーの反応物側から抜き出される。
【００３３】
上述のモジュールを、本発明の複数の異なる実施態様によって作製することができる。これらを以下に要約する：
（１）ウェハーを作製し、ウェハーの外部領域に触媒を適用し、複数の触媒化ウェハーを有する積重体又はモジュールを組み立て、そしてモジュールを還元性ガスで処理して本質的に一定な酸素化学量論量の複合伝導性多成分金属酸化物材料を、モジュールに生じさせる。
（２）ウェハーを作製し、複数のウェハーを有する積重体又はモジュールを組み立て、ウェハーの外部領域に触媒を適用し、そしてモジュールを還元性ガスで処理して本質的に一定な酸素化学量論量の複合伝導性多成分金属酸化物材料を、モジュールに生じさせる。
（３）ウェハーを作製し、複数のウェハーを有する積重体又はモジュールを組み立て、モジュールを還元性ガスで処理して本質的に一定な酸素化学量論量の複合伝導性多成分金属酸化物材料をモジュールに生じさせ、そしてモジュールのウェハーの外部領域に触媒を適用する。
【００３４】
上述の製造における選択肢では、本質的に一定な酸素化学量論量を得るための各膜への触媒の適用及び還元処理を、次の手順のいずれかにより実行することができる。
（Ａ）触媒適用前の還元
（１）陰イオン移動度を有するイオン輸送膜を与えるのに十分な時間及び温度までイオン輸送膜を加熱しながら、各イオン輸送膜と、第一の酸素分圧を有する非還元性ガス状流れとを接触させる；
（２）陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有するイオン輸送膜を与えるのに十分な時間で、陰イオン移動度を有するイオン輸送膜と、第一の酸素分圧より低い第二の酸素分圧を有する第一の還元性ガス状流れとを接触させる；
（３）膜と、第一の還元性ガス状流れとを接触させながら、陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有する各イオン輸送膜を冷却して、本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を有さないイオン輸送膜を与える；及び
（４）本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を有さない各イオン輸送膜の緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層の第二面、及び多孔質の複合伝導性多成分金属酸化物層の少なくとも１つに触媒を適用し、それにより触媒化イオン輸送膜を与える。
（Ｂ）触媒適用後の還元
（１）各膜の緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層の第二面、及び多孔質の複合伝導性多成分金属酸化物層の少なくとも１つに触媒を適用して、触媒化イオン輸送膜を与える；
（２）陰イオン移動度を有する触媒化イオン輸送膜を与えるのに十分な時間及び温度まで触媒化イオン輸送膜を加熱しながら、各触媒化イオン輸送膜と、第一の酸素分圧を有する非還元性ガス状流れとを接触させる；
（３）陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有する触媒化イオン輸送膜を与えるのに十分な時間で、陰イオン移動度を有する触媒化イオン輸送膜と、第一の酸素分圧より低い第二の酸素分圧を有する第一の還元性ガス状流れとを接触させる；及び
（４）膜と、第一の還元性ガス状流れとを接触させながら、陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有する各触媒化イオン輸送膜を冷却して、本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を有さない触媒化イオン輸送膜を与える。
【００３５】
（Ａ）又は（Ｂ）を完了した後、本質的に一定の酸素化学量論量を有し且つ陰イオン移動度を有さない各触媒化イオン輸送膜と、第二の還元性ガス状流れとを接触させ、そして２００℃〜５００℃の範囲の温度で触媒化イオン輸送膜をか焼することにより、最終のステップを行って、か焼した触媒化イオン輸送膜を与えることができる。
【００３６】
上記の実施態様では、第一の非還元性ガス状流れは、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、及びこれらの混合物からなる群より選択される成分を含む場合がある。第一の非還元性ガス状流れは、例えば、空気とすることができる。第一の還元性ガス状流れ、及び／又は第二の還元性ガス状流れは、水素、一酸化炭素、メタン、エタン及びこれらの混合物からなる群より選択される還元性成分を含む場合がある。
【００３７】
膜に適用される触媒は、元素周期律表の第二族、第三族、第四族、第五族、第六族、第七族、第八族、第九族、第十族、第十一族、第十五族、及びＦブロックのランタニドから選択される金属又は金属の酸化物を含むことができる。特に、その金属又は金属の酸化物を、ビスマス、バリウム、セリウム、イットリウム、ジルコニウム、バナジウム、モリブデン、セリウム、マンガン、プラセオジウム、プラチナ、パラジウム、ロジウム、鉄、ルテニウム、イリジウム、金、ニッケル、コバルト、銅、銀及びこれらの混合物からなる群より選択することができる。
【００３８】
触媒を、本分野で知られているあらゆる触媒含浸法によって、膜又はウェハーに適用することができる。例えば、触媒を、溶解性金属塩、有機金属化合物、金属酸化物及びこれらの混合物の溶液として適用した後、膜又はウェハーをか焼することができる。１つの実施態様では、これは、本質的に一定な酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を有さない触媒化イオン輸送膜と、第二の還元性ガス流れとを接触させること、及び２００℃〜５００℃の範囲の温度で触媒化イオン輸送膜をか焼して、か焼した触媒化イオン輸送膜を与えることを含めることができる。第二の還元性ガス状流れは、水素、一酸化炭素、メタン、エタン及びこれらの混合物からなる群より選択される還元性成分を含むことができる。
【００３９】
緻密層と多孔質層のいずれか又は両方での複合伝導性多成分金属酸化物は、式（ＬａｘＣａ１−ｘ）ｙＦｅＯ３−δで表される、少なくとも１種の複合伝導性多成分金属酸化物を含むことができ、ここで０．５＜ｘ＜１．０、１．０≦ｙ≦１．１、且つδは物質の組成物の電荷を中性にする数である。
【００４０】
上述の本発明の実施態様を、次の実施例で例証するが、これに限定されない。
【実施例】
【００４１】
例１
Ｌａ０．９Ｃａ０．１ＦｅＯ３−δで作製されたＩＴＭモジュール及び試験棒の製造及び還元
イオン輸送膜（ＩＴＭ）モジュールを、先に引用した米国特許第７２７９０２７号に記載された方法に従って構築した。モジュールの全ての要素を、Ｌａ０．９Ｃａ０．１ＦｅＯ３−δ（ここで、δは化合物の電荷を中性にする数字である）の組成を有する材料で形成した。モジュールは、幅３．５インチ、長さ５インチ、厚み２インチであった。また、モジュールに、モジュールの内部領域に空気を導入するように構成された入口ライン、及び内部領域から酸素を消費した空気を抜き出すための出口ラインを取り付けた。
【００４２】
モジュールの多孔質層を、ＣｅＯ２−ＺｒＯ２のナノ粒子の水中の懸濁液（Ｎａｎｏｐｈａｓｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）で含浸させ、Ｎ２中で３００℃で乾燥させた；その後、層を、硝酸Ｒｈ及び硝酸テトラアミンＰｄで含浸させ、Ｎ２中で５００℃で、０．５℃／分でか焼し、０．５℃／分で室温まで冷却した。残りの２４本の棒には、触媒を適用しなかった。全モジュールの触媒含量は、ＣｅＯ２が２５９ｍｇ、ＺｒＯ２が１３９ｍｇ、Ｒｈが４７．６ｍｇ、Ｐｄが４７．６ｍｇであった。
【００４３】
５０ｍｍ×３ｍｍ×４ｍｍの寸法を有するＬａ０．９Ｃａ０．１ＦｅＯ３−δの３９本の緻密な棒を、同組成の粉体を加圧して棒形状にし、５時間空気中で１４００℃でか焼し、続いて１℃／分で室温まで冷却することにより作製した。１５本の棒を、ＣｅＯ２−ＺｒＯ２のナノ粒子の水中の懸濁液（Ｎａｎｏｐｈａｓｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）でコーティングし、Ｎ２中で３００℃で乾燥させた。コーティングした棒を、次に水中の硝酸Ｒｈ及び硝酸テトラアミンＰｄの溶液に漬けて、Ｎ２中で５００℃で、０．５℃／分でか焼し、０．５℃／分で室温まで冷却した。残りの２４本の棒には、触媒を適用しなかった。
【００４４】
膜モジュール、触媒化した５本の棒、及び触媒化していない３本の棒を、炉内の気密性容器に入れて、下記のように処理した。触媒化した１０本の棒は、処理しなかった。モジュール及び試験棒を、乾燥した空気中で９００℃まで０．５℃／分で加熱し、９００℃で５時間、５００ｓｃｃｍの空気中で保持した。
【００４５】
窒素平衡
容器への空気の流れを、５００ｓｃｃｍから０ｓｃｃｍへと、一定比率で変え又は直線的に減少させた。そして、窒素流れを、０ｓｃｃｍから１０００ｓｃｃｍへと、７時間の時間にわたって一定比率で変え又は直線的に増加させた。この時間の間に、空気及び窒素のガス流れを、室温で水に通過して泡立てて、ガスを加湿した後、容器に導入した。棒及びモジュールを、その後、窒素雰囲気に９００℃で１８時間、保持した。
【００４６】
１００ｐｐｍの水素平衡
窒素流れを、１０００ｓｃｃｍから０ｓｃｃｍへと、一定比率で変え又は直線的に減少させた。そして、１００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２の還元性ガス混合物の流れを、０ｓｃｃｍから５００ｓｃｃｍへと、５時間の時間にわたって一定比率で変え又は直線的に増加させた。窒素及びＨ２／Ｎ２ガス混合物を、室温で水に通過して泡立てて、ガスを加湿した後、容器に導入した。棒及びモジュールを、１００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２のガス混合物中で、９００℃で１９時間、保持した。本明細書の全ての例で用いる場合に用語「ｐｐｍ」は、体積による１００万分の１を意味する。
【００４７】
１０００ｐｐｍの水素平衡
１００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２のガス流れを、５００ｓｃｃｍから０ｓｃｃｍへと、一定比率で変え又は直線的に減少させた。そして、１０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２の還元性ガス混合物の流れを、０ｓｃｃｍから５００ｓｃｃｍへと、５時間の時間にわたって直線的に増加させた。Ｈ２／Ｎ２ガスを、室温で水に通過して泡立てて、ガスを加湿した後、容器に導入した。５時間後に、棒及びモジュールを、１０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２のガス混合物中で、９００℃で１９時間、保持した。
【００４８】
５０００ｐｐｍの水素平衡
１０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２のガス流れを、５００ｓｃｃｍから０ｓｃｃｍへと、一定比率で変え又は直線的に減少させた。そして、５０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２の還元性ガス混合物の流れを、０ｓｃｃｍから５０００ｓｃｃｍへと、５時間の時間にわたって直線的に増加させた。Ｈ２／Ｎ２ガスを、室温で水に通過して泡立てて、ガスを加湿した後、容器に導入した。５時間後に、棒及びモジュールを、５０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２のガス混合物中で、９００℃で１９時間、保持した。その後、棒及びモジュールを、加湿した５０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２のガス中で、０．５℃／分で室温まで、一定比率で変え又は直線的に冷却し、そして容器から取り出した。
【００４９】
この方法で作製された棒及びモジュールを、前調整した物品、前還元した物品、又は前処理した物品と記載する場合がある。
【００５０】
例２
合成ガス製造用の前調整した触媒化ＩＴＭモジュールの起動
例１に記載した前調整の還元プロセスの完了後に、モジュールを、モジュールの酸化剤入口及び酸化剤出口に連結したガス入口配管及びガス出口配管を有するＩＴＭ合成ガス反応器として使用するために、実験室の反応容器に取り付けた。ＩＴＭ合成反応器では、空気は、典型的には酸化剤なので、膜モジュールの酸化剤側を、空気側と記載する。この反応器に、モジュールの外部領域へのガス流れ、すなわち反応物側又はプロセス側へのガス流れのための入口ライン及び出口ラインを取り付けた。その後、反応器の反応物側及び空気側を、両方の流れのパージ出口での酸素濃度を５０ｐｐｍ未満に低下させるのに十分に長く、窒素でパージした。水起泡器を、空気供給側及び反応物側の入口配管に取り付け、そして窒素でパージして、溶存酸素及びヘッドスペースにトラップされている全ての空気を除去した。
【００５１】
５００ｓｃｃｍの１０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２の流れを、水に通して泡立てて、モジュールの反応物側又はプロセス側に通した。プロセス側の圧力を、６０ｐｓｉｇに上昇させた。５００ｓｃｃｍの５０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２の流れを、水に通して泡立てて、モジュールの空気側に通した。モジュールを、０．５℃／分で９００℃まで加熱し、９００℃で保持した。
【００５２】
空気側のガス組成の変更１
モジュールの空気側のガス組成を、５時間にわたって、水を通して泡立てた５０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２の混合から、水を通して泡立てた１０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２への混合に変えた。モジュールの空気側の合計流量は、引き続き５００ｓｃｃｍであった。ガスの変更又は変化の終わりで、モジュールを、これらの条件で９００℃で１９時間保持した。
【００５３】
空気側のガス組成の変更２
空気側のガス組成を、５時間にわたって、水を通して泡立てた１０００ｐｐｍのＨ２の混合から、水を通して泡立てた１００ｐｐｍのＨ２への混合に変えた。モジュールの空気側の合計流量は、引き続き５００ｓｃｃｍであった。ガスの変更又は変化の終わりで、モジュールを、これらの条件で９００℃で１９時間保持した。
【００５４】
空気側のガス組成の変更３
モジュールの空気側のガス組成を、５時間にわたって、水を通して泡立てた１００ｐｐｍのＨ２の混合から、水を通して泡立てた窒素への混合するに変えた。モジュールの酸化剤供給側の合計流量は、引き続き５００ｓｃｃｍであった。ガスの変更又は変化の終わりで、ガス供給を、起泡器を迂回させることによって、乾燥窒素に切り替えた。モジュールを、空気側に乾燥窒素を流通させながら９００℃で１９時間保持した。
【００５５】
空気側のガス組成の変更４
モジュールの空気側のガス組成を、１５時間にわたって、窒素の混合から、１０００ｐｐｍのＯ２／残部Ｎ２への混合に変えた。モジュールの空気側の合計流量は、引き続き５００ｓｃｃｍであった。ガスの変更の終わりで、モジュールを、それらの条件で９００℃で１９時間保持した。
【００５６】
空気側のガス組成の変更５
一時間にわたって、空気を、１０００ｐｐｍのＯ２／残部Ｎ２流れに混合して、４０００ｐｐｍのＯ２混合体を得た。モジュールの空気側の合計流量は、引き続き５００ｓｃｃｍであった。
【００５７】
空気側のガス組成の変更６
モジュールの空気側のガス組成を、５時間にわたって、１０００ｐｐｍのＯ２／残部Ｎ２ガス混合体の混合から、空気への混合に変えた。モジュールの空気側の合計流量は、引き続き５００ｓｃｃｍであった。ガスの変更又は変化の終わりで、モジュールを、それらの条件で９００℃で１９時間保持した。
【００５８】
上記の全てのプロセスの間、モジュールは、ずっと漏れがなく、且つあらゆる機械的破壊又は損傷を受けることはなかった。
【００５９】
例３
合成ガス製造用の前調整していない触媒化ＩＴＭモジュールの起動
例１で前調整し、例２で用いたモジュールと同一のモジュールを、製造し、そして空気中で連結温度１２００℃から、０．５℃／分で冷却した。その後、ＩＴＭの合成ガスモジュールを、例１のモジュールと同じ様式で、触媒で含浸させたが、還元性ガスとの接触による前調整はしなかった。触媒を適用した後、モジュールを、モジュールの空気入口及び空気出口に連結したガス入口配管及びガス出口配管を備えたＩＴＭ合成ガス反応器に、取り付けた。
【００６０】
モジュールのプロセス側及び空気側を、両方の流れの出口での酸素濃度を５０ｐｐｍ未満に低下させるのに十分に長く、窒素でパージした。水起泡器を、酸化剤側及び反応物側の入口配管に取り付け、そして窒素でパージして、溶存酸素及びヘッドスペースにトラップされている全ての空気を除去した。５００ｓｃｃｍの１０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２の流れを、水に通して泡立てて、モジュールのプロセス側に通した。そして、そのプロセス側の圧力を、６０ｐｓｉｇまで上昇させた。５００ｓｃｃｍの５０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２の流れを、水に通して泡立てて、モジュールの空気側に通した。
【００６１】
モジュールを、その後、連続的なガス流れの下で、室温から０．５℃／分で加熱した。温度が約９０℃に到達したときに、モジュールは、多くの破片に壊れて機能しなくなった。
【００６２】
例４
棒の強度試験
例１の次の試験棒に対して、強度試験を行った：触媒化したが前処理していない１０本の棒、触媒化し前処理した５本の棒、前処理したが触媒化していない３本の棒、触媒化も前処理も行っていない２１本の棒。棒の強度を、ＡＳＴＭ  Ｃ１１６１−９４及びＡＳＴＭ  Ｃ１２１１−９２の手順を用いた標準４点たわみ構造を用いて、測定した。外側の荷重点間隔は４０ｍｍであり、内側の荷重点間隔は２０ｍｍであった。触媒化したが前処理していない１０本の棒、触媒化し前処理した５本の棒、及び前処理したが触媒化していない３本の棒を、２．５％のＨ２Ｏ、５％のＨ２、残部の空気の雰囲気中で、４５０℃に加熱した。この雰囲気中の水素は、気相の酸化可能な不純物を表していた。各棒の強度を、この雰囲気中で棒を１８時間保持した後で、４５０℃で測定した。触媒化も前処理も行っていない２１本の棒の強度を、室温で測定した。
【００６３】
強度試験の結果を、以下の表３に与える。触媒化したが前処理していない棒は、約２０ＭＰａの測定装置の測定限界未満の強度を有しており、したがって試験できなかった。触媒化し前処理した棒は、触媒化も前処理も行っていない棒の室温の強度の１標準偏差以内であった。これらの結果は、材料を気相の希薄な酸化可能な不純物と接触させる場合に、Ｌａ０．９Ｃａ０．１ＦｅＯ３−δの触媒化した棒の前処理が、測定されたように材料の強度を保つということを示す。
【００６４】
【表１】
2011251282.tif 000002
【００６５】
例５
前調整後の触媒含浸
ＩＴＭ合成ガスモジュールを、先に引用した米国特許第７２７９０２７号に記載された方法に従って構築した。モジュールの全ての要素を、Ｌａ０．９Ｃａ０．１ＦｅＯ３−δ（ここで、δは化合物の電荷を中性にする数字である）の組成を有する材料で形成した。モジュールは、幅３．５インチ、長さ５インチ、厚み２インチであった。また、モジュールの内部領域に空気を導入するために構成された入口ライン、及び内部領域から酸素を消費した空気を抜き出すための出口ラインを取り付けた。モジュールを、炉内の気密性容器に入れて、乾燥した空気中で９００℃まで０．５℃／分で加熱し、９００℃で５時間空気中で保持した。
【００６６】
窒素平衡
容器への空気の流れを、５００ｓｃｃｍから０ｓｃｃｍへと、一定比率で変えた。そして、窒素流れを、０ｓｃｃｍから１０００ｓｃｃｍへと、７時間の時間にわたって一定比率で変えた。この時の間に、空気及び窒素の混合したガス流れを、水に通過して泡立てた。７時間後にモジュールを、窒素雰囲気に９００℃で１８時間、保持した。
【００６７】
１００ｐｐｍのＨ２平衡
窒素流れを、１０００ｓｃｃｍから０ｓｃｃｍへと、一定比率で変えた。そして、１００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２のガス混合物を、０ｓｃｃｍから５００ｓｃｃｍへと、５時間にわたって一定比率で変えた。混合した窒素及びＨ２／Ｎ２ガス混合物を、室温の水に通過して泡立てた。５時間後に、モジュールを、１００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２のガス混合物中で、１９時間、保持させた。
【００６８】
１０００ｐｐｍのＨ２平衡
１００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２の流れを、次に、５００ｓｃｃｍから０ｓｃｃｍへと、一定比率で変えた。そして、１０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２のガス混合物を、０ｓｃｃｍから５００ｓｃｃｍへと、５時間にわたって一定比率で変えた。混合したＨ２／Ｎ２ガス混合体を、室温の水に通過して泡立てた。５時間後に、棒及びモジュールを、１０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２のガス混合物中で、１９時間保持した。
【００６９】
５０００ｐｐｍのＨ２平衡
１０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２の流れを、次に、５００ｓｃｃｍから０ｓｃｃｍへと、一定比率で変えた。そして、５０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２のガス混合物を、０ｓｃｃｍから５００ｓｃｃｍへと、５時間にわたって一定比率で変えた。混合したＨ２／Ｎ２ガス混合体を、室温の水に通過して泡立てた。５時間後に、モジュールを、５０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２のガス混合物中で、１９時間保持した。
【００７０】
その後、モジュールを、加湿した５０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２のガス中で、０．５℃／分で室温まで、一定比率で変えた。還元した前調整したモジュールを、容器から取り出した。
【００７１】
前調整したモジュールの多孔質層を、ＣｅＯ２−ＺｒＯ２のナノ粒子の水中の懸濁液（Ｎａｎｏｐｈａｓｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）で含浸させ、５０００ｐｐｍのＨ２が残部のＮ２中にある雰囲気の気密性容器で、３００℃で乾燥させた。その後、このモジュールの多孔質層を、硝酸Ｒｈ及び硝酸テトラアミンＰｄの溶液で含浸させ、５０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２の雰囲気の気密性容器で、０．５ｃｃ／分で５００℃でか焼し、０．５℃／分で室温まで冷却した。モジュールに含浸した触媒成分の重量は、ＣｅＯ２が２５９ｍｇ、ＺｒＯ２が１３９ｍｇ、Ｒｈが４７．６ｍｇ、Ｐｄが４７．６ｍｇであった。
【００７２】
例６  触媒化した前調整したＩＴＭ合成ガスモジュールの起動
例５で前調整したＩＴＭ合成ガスモジュールを、ＩＴＭ合成ガス反応器に取り付けた。ＩＴＭ合成ガス反応器では空気は、典型的には酸化剤なので、膜モジュールの酸化剤側を、ここでは空気側と記載する。モジュールに、モジュールの内部領域に空気を導入するように構成された入口ライン、及び内部領域から酸素を消費した空気を抜き出すための出口ラインを取り付けた。反応器のガス入口配管及びガス出口配管を、モジュールの空気入口及び空気出口と連結した。その後、反応器の反応物側又はプロセス側、及び空気供給側を共に、両方の流れの出口における酸素濃度を５０ｐｐｍ未満まで下げるのに十分に長く、窒素でパージした。
【００７３】
空気供給側及びプロセス側の入口配管の水起泡器を、窒素でパージして、溶存酸素及びヘッドスペースにトラップされている全ての空気を除去した。
【００７４】
水に通して泡立てた５００ｓｃｃｍの１０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２の流れを、プロセス側に流した。プロセス側の圧力を、６０ｐｓｉｇまで上昇させた。水に通して泡立てた５００ｓｃｃｍの５０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２の流れを、モジュールの空気供給側に通した。その後、モジュールを、０．５℃／分で９００℃まで加熱し、そして９００℃で保持した。
【００７５】
空気側の変更１
モジュールの空気供給側のガス組成を、５時間にわたって、水を通して泡立てた５０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２の混合から、水を通して泡立てた１０００ｐｐｍのＨ２／残部Ｎ２への混合に変えた。モジュールの空気供給側の合計流量は、引き続き５００ｓｃｃｍであった。
【００７６】
ガスの変化の終わりで、モジュールを１９時間保持した。
【００７７】
空気側の変更２
モジュールの空気供給側のガス組成を、５時間にわたって、水を通して泡立てた１０００ｐｐｍのＨ２の混合から、水を通して泡立てた１００ｐｐｍのＨ２への混合に変えた。モジュールの空気供給側の合計流量は、引き続き５００ｓｃｃｍであった。
【００７８】
ガスの変化の終わりで、モジュールを１９時間保持した。
【００７９】
空気側の変更３
モジュールの空気供給側のガス組成を、５時間にわたって、水を通して泡立てた１００ｐｐｍのＨ２の混合から、水を通して泡立てた窒素への混合に変えた。モジュールの空気供給側の合計流量は、引き続き５００ｓｃｃｍであった。
【００８０】
ガスの変化の終わりで、ガス供給を、バイパス起泡器を迂回させることによって、乾燥窒素に切り替えた。このモジュールを１９時間保持した。
【００８１】
空気側の変更４
モジュールの空気供給側のガス組成を、１５時間にわたって、窒素の混合から、１０００ｐｐｍのＯ２／残部Ｎ２への混合に変えた。モジュールの空気供給側の合計流量は、引き続き５００ｓｃｃｍであった。
【００８２】
ガスの変化の終わりで、モジュールを１９時間保持した。
【００８３】
空気側の変更５
１時間にわたって、空気を、１０００ｐｐｍのＯ２／残部Ｎ２流れに混合して、４０００ｐｐｍのＯ２混合体を得た。モジュールの空気供給側の合計流量は、引き続き５００ｓｃｃｍであった。
【００８４】
空気側の変更６
モジュールの空気供給側のガス組成を、５時間にわたって、１０００ｐｐｍのＯ２／残部Ｎ２ガス混合体の混合から、空気への混合に変えた。モジュールの空気供給側の合計流量は、引き続き５００ｓｃｃｍであった。ガスの変化の終わりで、モジュールを１９時間保持した。
【００８５】
この例で行われた全てのプロセスの間に、モジュールはずっと漏れがなく、且つあらゆる機械的破壊又は損傷を受けることはなかった。
【００８６】
上記の例は、イオン輸送膜モジュールにおける酸化可能な不純物による、破壊的な非制御の触媒還元の問題を、本発明の実施態様を用いることにより回避できることを示す。ここでは、膜モジュールの材料を、操作条件の下で反応容器を使用する前に、制御した条件で還元する。
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月8日(2011.8.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
次のステップを含む、触媒化イオン輸送膜の製造方法：
（ａ）第一の面、及び第二の面を有する緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層、並びに前記第一の面と隣接している多孔性複合伝導性多成分金属酸化物層を含む、イオン輸送膜を与えるステップ； 
（ｂ）陰イオン移動度を有するイオン輸送膜を与えるのに十分な時間及び温度まで前記イオン輸送膜を加熱しながら、前記イオン輸送膜を、第一の酸素分圧を有する非還元性ガス状流れと、接触させるステップ；
（ｃ）陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有するイオン輸送膜を与えるのに十分な時間で、前記陰イオン移動度を有するイオン輸送膜を、前記第一の酸素分圧より低い第二の酸素分圧を有する第一の還元性ガス状流れと、接触させるステップ；
（ｄ）前記膜を前記第一の還元性ガス状流れと接触させながら、前記陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有するイオン輸送膜を冷却して、本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を持たないイオン輸送膜を与えるステップ；及び
（ｅ）触媒を、前記本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を持たないイオン輸送膜の、前記緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層の前記第二面、及び前記多孔性複合伝導性多成分金属酸化物層の少なくとも１つに適用し、それにより前記触媒化イオン輸送膜を与えるステップ。
【請求項２】
次のステップを含む、本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を有さない触媒化イオン輸送膜の製造方法：
（ａ）第一の面、及び第二の面を有する緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層、並びに前記第一の面と隣接している多孔性複合伝導性多成分金属酸化物層を含む、イオン輸送膜を与えるステップ；
（ｂ）触媒を、前記緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層の前記第二面、及び前記多孔性複合伝導性多成分金属酸化物層の少なくとも１つに適用して、前記触媒化イオン輸送膜を与えるステップ；
（ｃ）陰イオン移動度を有する触媒化イオン輸送膜を与えるのに十分な時間及び温度まで、前記触媒化イオン輸送膜を加熱しながら、前記触媒化イオン輸送膜を、第一の酸素分圧を有する非還元性ガス状流れと、接触させるステップ；
（ｄ）陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有する触媒化イオン輸送膜を与えるのに十分な時間で、前記陰イオン移動度を有する触媒化イオン輸送膜を、前記第一の酸素分圧より低い第二の酸素分圧を有する第一の還元性ガス状流れと、接触させるステップ；及び
（ｅ）前記膜を前記第一の還元性ガス状流れと接触させながら、前記陰イオン移動度及び本質的に一定の酸素化学量論量を有する触媒化イオン輸送膜を冷却して、本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を持たない触媒化イオン輸送膜を与えるステップ。
【請求項３】
前記第一の非還元性ガス状流れが、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素及びこれらの混合物からなる群より選択される成分を含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記第一の非還元性ガス状流れが、空気である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
前記第一の還元性ガス状流れが、水素、一酸化炭素、メタン、エタン及びこれらの混合物からなる群より選択される還元性成分を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記触媒が、元素周期律表の第二族、第三族、第四族、第五族、第六族、第七族、第八族、第九族、第十族、第十一族、第十五族、及びＦブロックのランタニドから選択される金属又は金属の酸化物を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記金属又は前記金属の酸化物が、ビスマス、バリウム、セリウム、イットリウム、ジルコニウム、バナジウム、モリブデン、セリウム、マンガン、プラセオジウム、プラチナ、パラジウム、ロジウム、鉄、ルテニウム、イリジウム、金、ニッケル、コバルト、銅、銀及びこれらの混合物からなる群より選択される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記触媒が、溶解性金属塩、有機金属化合物、金属酸化物及びこれらの混合物から選択される成分を含む溶液として適用される、請求項６又は７に記載の方法。
【請求項９】
さらに次のステップを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法：
（ｆ）前記本質的に一定の酸素化学量論量を有し、且つ陰イオン移動度を持たない触媒化イオン輸送膜と、第二の還元性ガス状流れを接触させ、そして２００℃〜５００℃の範囲の温度で前記触媒化イオン輸送膜をか焼して、か焼した触媒化イオン輸送膜を与えるステップ。
【請求項１０】
前記第二の還元性ガス流れが、水素、一酸化炭素、メタン、エタン及びこれらの混合物からなる群より選択される還元性成分を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記緻密な複合伝導性多成分金属酸化物層及び前記多孔性複合伝導性多成分金属酸化物層の少なくとも１つが、次の式で表される少なくとも１種の複合伝導性多成分金属酸化物を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法：
（ＬａｘＣａ１−ｘ）ｙＦｅＯ３−δ
式中、０．５＜ｘ＜１．０、１．０≦ｙ≦１．１、且つδは物質の組成物の電荷を中性にする数である。
【外国語明細書】
2011251282000001.pdf