(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式(Ln1-xAex)MO3(但し、Lnはランタノイドのうちの１種または２種以上の組合せ、AeはBa、Sr、Caのうちから選ばれる１種または２種以上の組合せ、MはTi,Zr,Al,Ga,Nb,Ta,Fe,Co,Ni,Cu,Cr,Mn,Rh,Pd,Pt,およびAuのうちから選ばれる１種または２種以上の組合せ、0≦ｘ≦1)で表される第１の混合伝導体から成る緻密質の第１層と、
前記一般式で表され且つ前記第１の混合伝導体よりも還元膨張率が大きい第２の混合伝導体から成りその一面側に前記第１層が積層された緻密質の第２層と、
前記一般式で表され且つ前記第２の混合伝導体よりも還元膨張率が小さい第３の混合伝導体から成り前記第２層の他面側に積層された緻密質の第３層と
を、含むことを特徴とする組成傾斜構造を有する酸素分離膜。
【請求項２】
前記第２層は0.14(％)以上の還元膨張率を有し、且つ前記第１層および前記第３層は0.14(％)未満の還元膨張率を有することを特徴とする請求項１に記載の組成傾斜構造を有する酸素分離膜。
【請求項３】
前記第１層の厚さ寸法は前記第３層の厚さ寸法の1/3倍より大きく且つ３倍未満であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の組成傾斜構造を有する酸素分離膜。
【請求項４】
前記第１層および前記第３層は同一材料から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の組成傾斜構造を有する酸素分離膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合伝導体が用いられた酸素分離膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、酸素イオン伝導性を有する緻密なセラミック膜は、その一面側において気体から解離させ且つイオン化させた酸素イオンをその他面側において再結合させることにより、酸素をその一面から他面に選択的に透過させてその気体から連続的に酸素を分離する酸素分離膜エレメントに利用される。特に、酸素イオン伝導性に加えて電子伝導性を有する混合伝導体では、酸素分離膜内を酸素イオンの移動方向とは反対方向に電子が移動するため、解離面と再結合面とを電気的に接続して電子を再結合面から解離面に戻すための外部電極や外部回路等を設ける必要がない利点がある。このような酸素分離膜エレメントによれば、酸素を含む気体から容易に酸素を分離することができるため、例えば、深冷分離法(混合ガスを冷却し、不純物を固化して取り除く方法)やＰＳＡ(圧力変動吸着)法等に代わる酸素製造法として利用できる。
【０００３】
また、上記のような酸素イオン伝導体は、炭化水素の部分酸化反応等の酸化用反応装置にも利用し得る。例えば、この酸素イオン伝導体を膜状に形成し、その一方の表面に空気等の酸素含有ガスを供給し、他方の表面すなわち酸素再結合側の表面にメタン(CH4)等の炭化水素を含む気体を供給すれば、透過した酸素イオンによってその炭化水素を酸化させることができる。そのため、ＧＴＬ(Gas to Liquid：天然ガスから化学反応により液体燃料を合成する技術)や、燃料電池用水素ガスの製造等に利用できるのである。
【０００４】
ところで、酸素分離に用いる混合伝導体として、LaSrCoFe系やLaGaO3系酸化物等のペロブスカイト化合物が優れていることが知られている(特許文献１〜８参照)。しかしながら、LaSrCoFe系酸化物は還元膨張率が大きいことから、解離面側が還元雰囲気になる酸素分離膜用途では、割れが生じ易く耐久性が低いので、実用上問題がある。なお、還元膨張率(%)は、還元雰囲気下における熱膨張率をＥred(%)、空気雰囲気下における熱膨張率をＥair(%)としたとき、下記(１)式で与えられる。
[{(1＋Ｅred/100)-(1＋Ｅair/100)}/(1＋Ｅair/100)]×100  ・・・(１)
【０００５】
一方、LaGaO3系酸化物は、LaSrCoFe系酸化物に比較して還元耐久性が優るものの原料が高価であり、しかも、酸素イオン伝導性がやや劣り、機械的強度も低い問題がある。また、LaGaO3系酸化物は、水蒸気接触部でGa成分が分解することから、耐水蒸気性にも問題がある。因みに、炭化水素の部分酸化反応等においては、コーキング(すなわち炭素の析出)延いてはガス透過性能の低下を防止するために膜の一方側に水蒸気を流すシステム設計が望まれる。また、水蒸気を流さない場合にも、膜を透過した酸素と水素との反応により水蒸気が生成する。そのため、前述したような用途においては、酸素イオン伝導体に耐水蒸気性も要求されるのである。
【０００６】
なお、LaGaO3系酸化物の強度を向上させるために、アルミナ粉末をLaSrGaMg系酸化物結晶の粒界に分散させた焼結体、LaGaO3系結晶の構造の一部をアルミニウム等で置換した焼結体、LaGaO3系結晶のGaの一部をアルミニウムやマグネシウム等で置換した(すなわちアルミニウムやマグネシウム等が固溶した)焼結体、LaGaO3系酸化物にチタンまたはバナジウムを含有させた焼結体等が提案されている(例えば特許文献９〜１２を参照)。しかしながら、これらは何れもGaを含むペロブスカイト化合物の機械的強度を向上させて還元安定性を高めることを図るものであって、Gaを含む場合における耐水蒸気性を何ら改善するものではない。
【特許文献１】特開平０８−１７３７７６号公報
【特許文献２】特開平０９−１６１８２４号公報
【特許文献３】特開平１１−２２８１３６号公報
【特許文献４】特開平１１−３３５１６４号公報
【特許文献５】特開２０００−２５１５３４号公報
【特許文献６】特開２０００−２５１５３５号公報
【特許文献７】特表２０００−５１１５０７号公報
【特許文献８】特開２００１−０９３３２５号公報
【特許文献９】特開２０００−０４４３４０号公報
【特許文献１０】特開２０００−２２６２６０号公報
【特許文献１１】特開２００１−３３２１２２号公報
【特許文献１２】特開２００３−１１２９７３号公報
【特許文献１３】国際公開第０３／０４００５８号パンフレット
【特許文献１４】特開平０５−１５１９１８号公報
【特許文献１５】特開平０７−２９６８３８号公報
【特許文献１６】特開平０９−２６６０００号公報
【特許文献１７】特開２００１−０５２７２２号公報
【特許文献１８】特開２００２−０１５７５６号公報
【非特許文献１】高村  仁他「家庭用燃料電池実現のための新たな高効率天然ガス改質システムの構築−酸素透過膜を利用した接触部分酸化型メタン改質装置の開発−」(科学技術振興機構  戦略的創造研究推進事業  第５回公開シンポジウム予稿集、２００４年７月５日、４９〜５３頁)
【特許文献１９】特開平０７−２４０２１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本願出願人は、LaGaO3系酸化物に比較して原料が安価で酸素イオン伝導性が高く、且つLaGaO3系酸化物に比較して還元耐久性や耐水蒸気性の高い混合伝導体として、LaSrTiFeOx系酸化物(ｘは3またはそれよりも僅かに小さい値)等を提案した(特許文献１３を参照)。
【０００８】
上記のLaSrTiFeOx系酸化物は、ＡサイトおよびＢサイトの組成比に応じて酸素透過性能や還元耐久性が変化する。例えば、La0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.9Oxは、0.5(mm)厚としたときの酸素透過速度が10(cc/min/cm2)以上と高い酸素透過性能を有するが、還元膨張率が0.4〜0.7(％)と大きいため還元耐久性が低い。これに対して、La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7Oxは、酸素透過速度が3(cc/min/cm2)に過ぎないが、還元膨張率が0.1(％)と小さく還元耐久性が高い。すなわち、LaSrTiFeOx系酸化物では、酸素透過性能と還元耐久性とがトレードオフの関係にあり、これらを共に高めることは不可能である。そのため、還元耐久性が要求される現在の一般的な工業用途では、0.5(mm)厚で2〜4(cc/min/cm2)以上の酸素透過性能が必要とされることから、これを満足する後者の組成が用いられることになる。
【０００９】
しかしながら、混合伝導体膜の酸素透過性能が高いほど、同量の酸素量を得るために必要な酸素分離膜エレメントの寸法を小さくでき、延いては装置の低コスト化および小型化が容易になる。例えば、La0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.9Ox並の10(cc/min/cm2)程度の酸素透過速度を有していれば、La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7Oxを用いる場合と比較して、エレメント寸法を半分以下にできる。そのため、高い還元耐久性を有すると共に、単位膜面積当たりの酸素透過速度が可及的に高い混合伝導体膜が望まれていた。
【００１０】
また、実際に工業用途上必要な酸素透過性能は例えば10(cc/min/cm2)以上であり、前述した「0.5(mm)厚で2〜4(cc/min/cm2)」との値は、酸素透過性能が膜厚に略反比例することに基づき、0.1(mm)程度まで膜厚を薄くして必要な酸素透過性能を確保することを前提としている。しかしながら、このような薄い膜は自立不能であるため、多孔質支持体上に混合伝導体の緻密質膜を形成する非対称膜構造を採る必要がある。これに対して、0.5(mm)厚で10(cc/min/cm2)以上の酸素透過性能が得られるのであれば、非対称膜構造として酸素透過性能の極めて高い酸素分離膜を構成することが可能であるだけでなく、膜厚を自立可能な0.5(mm)として多孔質支持体を無用とすることも可能である。後者によれば工程が簡単になるので大幅な低コスト化が可能になる。
【００１１】
なお、還元膨張率が同程度であれば、機械的強度が高いほど、還元膨張によって発生する応力に対する抵抗力が高くなり、延いては割れが生じ難くなる。そのため、還元膨張率を低くすることに代えて機械的強度を例えば２〜３倍程度に高めることも考えられるが、現実的には困難である。
【００１２】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、酸素透過性能が高く且つ還元耐久性の優れた酸素分離膜を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
斯かる目的を達成するための本発明の組成傾斜構造を有する酸素分離膜の要旨とするところは、(ａ)一般式(Ln1-xAex)MO3(但し、Lnはランタノイドのうちの１種または２種以上の組合せ、AeはBa、Sr、Caのうちから選ばれる１種または２種以上の組合せ、MはTi,Zr,Al,Ga,Nb,Ta,Fe,Co,Ni,Cu,Cr,Mn,Rh,Pd,Pt,およびAuのうちから選ばれる１種または２種以上の組合せ、0≦ｘ≦1。以下、一般式Ｃという。)で表される第１の混合伝導体から成る緻密質の第１層と、(ｂ)前記一般式で表され且つ前記第１の混合伝導体よりも還元膨張率が大きい第２の混合伝導体から成りその一面側に前記第１層が積層された緻密質の第２層と、(ｃ)前記一般式で表され且つ前記第２の混合伝導体よりも還元膨張率が小さい第３の混合伝導体から成り前記第２層の他面側に積層された緻密質の第３層とを、含むことにある。
【００１４】
また、前記目的を達成するための第２発明の要旨とするところは、前記第１発明において、前記第２層は0.14(％)以上の還元膨張率を有し、且つ前記第１層および前記第３層は0.14(％)未満の還元膨張率を有することにある。
【００１５】
また、前記目的を達成するための第３発明の要旨とするところは、前記第１発明または前記第２発明において、前記第１層の厚さ寸法は前記第３層の厚さ寸法の1/3倍より大きく且つ３倍未満であることにある。
【００１６】
また、前記目的を達成するための第４発明の要旨とするところは、前記第１発明乃至第３発明の何れかにおいて、前記第１層および前記第３層は同一材料から成ることにある。
【発明の効果】
【００１７】
前記第１発明によれば、酸素分離膜は、第２の混合伝導体から成る第２層の一面に第１の混合伝導体から成る第１層が、他面に第３の混合伝導体から成る第３層がそれぞれ積層された積層構造に構成される。この積層構造において、第２層を構成する第２の混合伝導体は、第１層を構成する第１の混合伝導体および第３層を構成する第３の混合伝導体よりも還元膨張率が大きい特性を有するが、上記一般式Ｃで表されるペロブスカイト化合物は酸素透過性能と還元耐久性とがトレードオフの関係にある。そのため、上記酸素分離膜は、相対的に還元膨張率が大きく且つ酸素透過性能の高い第２層の一面および他面に、相対的に還元膨張率が小さく且つ酸素透過性能の低い第１層および第３層が積層された積層体、すなわち、組成の異なる複数の混合伝導体を酸素イオンの透過方向に積層した組成傾斜型の酸素分離膜になる。
【００１８】
したがって、酸素分離膜を使用する際には、相対的に還元膨張率が小さい第１層或いは第３層によって、相対的に酸素透過性能の高い第２層が還元雰囲気から保護される。このとき、第１層および第３層のうち、還元雰囲気側に位置するもの(以下、還元側層という)には、その膜厚やこれを構成する混合伝導体の組成に応じて、還元雰囲気側から第２層に向かうに従って高くなるように酸素分圧の傾斜が形成されるため、第２層と還元側層の界面における酸素分圧はその傾斜の程度に応じて高くなり、延いては、その第２層に負荷される還元力がその傾斜の程度に応じて低くなる。そこで、それら膜厚や組成を、還元側層自体の還元膨張が十分に抑制され且つ前記界面における酸素分圧が十分に低くなるように定めることによって、還元膨張率の大きい第２層の還元膨張を抑制し、延いては酸素分離膜全体の還元耐久性を十分に高めることができる。しかも、前記第１層、前記第２層、および前記第３層は緻密質であることから、酸素分離膜を気体が分子のまま透過し得ないため、分離性能の高い酸素分離膜が得られる。なお、本発明において「緻密質」とは、酸素透過膜の使用時において、その酸素分離膜が曝される雰囲気中の気体分子をそのまま厚み方向に透過させない組織を、酸素分離膜が有していることを意味する。すなわち、ここでいう緻密性は一義的に定められるものではなく、予定されている使用態様において上述した特性を有していれば足りる。
【００１９】
ところで、第１層および第３層は酸素透過速度が低い第１の混合伝導体および第３の混合伝導体でそれぞれ構成されているが、混合伝導体の酸素透過性能は膜厚に略反比例する。すなわち、混合伝導体の組成が同一であれば、膜厚を薄くするほど酸素透過性能が高められる。そのため、膜厚を適宜定めることにより、第１の混合伝導体および第３の混合伝導体の酸素透過速度が低くとも、酸素分離膜全体を第２の混合伝導体で構成した場合に対する酸素透過性能の低下を抑制し、延いては十分に高い酸素透過性能を得ることができる。例えば、酸素分離膜全体を第２の混合伝導体で構成した場合における酸素透過性能よりも、第１層および第３層の各々における酸素透過性能が高くなるようにそれら第１層および第３層の膜厚を設定すれば、それら第１層および第３層を積層することによる酸素透過性能の低下が殆ど無視できるので、第２層のみで構成する場合と同程度の酸素透過性能を得ることができる。
【００２０】
上記により、要求される還元耐久性と所望する酸素透過性能とを比較考量して、第１層、第２層、および第３層の膜厚や、第１の混合伝導体、第２の混合伝導体、および第３の混合伝導体の組成を定めることによって、酸素透過性能が高く且つ還元耐久性に優れた酸素分離膜が得られる。
【００２１】
しかも、第２層の両面の各々には、それよりも還元膨張率の小さい第１層または第３層が積層されることによって厚み方向において対称的に構成されているため、第２層の一面のみにそれよりも還元膨張率の小さい層を設けた場合に比較して、酸素分離膜の両面における熱膨張係数の相違が小さくなる。そのため、酸素分離膜の製造過程における焼成時や、装置に組み付けてシールする際などに、その熱膨張係数の相違に起因して反りや割れの生ずることが抑制される利点もある。
【００２２】
因みに、前記のように還元膨張率の大きい第２層の還元膨張を抑制するためには、それよりも還元膨張率の小さい層を還元雰囲気側のみに設ければ足りる。しかしながら、相互に還元膨張率の異なる材料は同時に熱膨張係数も相違し、例えば、還元膨張率が大きい材料ほど熱膨張係数が大きくなる。そのため、第２層の一方の面のみに還元膨張率の小さい層を設けると、その一方の面側の熱膨張係数が小さく、且つ他方の面側の熱膨張係数が大きい積層構造、すなわち両面で熱膨張係数の著しく相違する構造となるので、焼成時やシール時に加熱したときに両面で熱膨張量が相違する問題が生じるのである。
【００２３】
また、本願において、前記一般式Ｃで表されるペロブスカイト化合物には、その一般式Ｃの表示に拘らず、酸素数が３のものの他にそれよりも僅かに小さいものも含まれる。本発明において有効な酸素数は、酸素分圧によっても異なるので一義的に定めることはできないが、例えば、2.4〜3の範囲が好適である。
【００２４】
因みに、前記特許文献１４〜１６には、固体電解質膜と電極層(空気極または燃料極)間を組成傾斜させる技術が記載されている。これらは熱膨張差を緩和し或いは三相界面を増大することを目的とするものであって、固体電解質膜自体を組成傾斜させる本発明とは構成および目的が何れも相違する。
【００２５】
また、前記特許文献１７には、固体電解質部に中間層(固体電解質)を形成して、空気極における電圧降下を低下させる技術が、前記特許文献１８には、固体電解質部を積層してイオン輸率を１に近づける技術が、それぞれ記載されているが、何れも還元耐久性を考慮したものではなく、本発明とは構成自体も相違する。
【００２６】
また、前記非特許文献１には、CeO2酸化物イオン伝導体にフェライト化合物を混合した疑似混合伝導体、フェライト添加量の異なる２組成の膜を積層した酸素透過膜が記載されているが、膜表面における酸素交換反応を改善することを目的とするものであり、還元耐久性を考慮したものではない。
【００２７】
また、前記特許文献１９には、グリーンシート製造時に生じる膜厚方向における充填状態等の違いによる収縮異方性すなわち両面における収縮率の相違に起因する反りや割れを抑制する目的で、偶数枚のグリーンシートを上下対称となるように貼り合わせる技術が記載されているが、固体電解質を組成傾斜させると共に、それに伴う熱膨張係数の相違を緩和しようとする本発明とは目的や構成が相違する。
【００２８】
また、前記第２発明によれば、第２層の酸素透過性能が十分に高く、且つ第１層および第３層の還元膨張率が十分に小さいことから、酸素製造やＧＴＬおよび燃料電池用の水素製造等に一層好適である。一層好適には、第２層の還元膨張率は0.20(％)以上であり、更に好適には、0.30(％)以上である。また、一層好適には、第１層および第３層の還元膨張率は0.13(％)以下であり、更に好適には、0.10(％)以下である。第２層と第１層および第３層の還元膨張率の相違は、0.10(％)以上であることが好ましく、0.20(％)以上相違することが更に好ましい。
【００２９】
また、前記第３発明によれば、酸素分離膜の両面に備えられた第１層の厚さ寸法Ｘおよび第３層の厚さ寸法Ｙの相違が３倍未満(すなわち、1/3Ｘ＜Ｙ＜3Ｘ)に留められることから、厚さ寸法の相違に起因する熱膨張量の相違が十分に小さく留められ、延いては反りや割れの生ずる可能性が一層減じられる。すなわち、第１層および第３層の厚さ寸法は、両面における熱膨張量の相違が十分に小さくなるように定められることが好ましく、同一であることが最も好ましいが、これらの熱膨張量は材料組成すなわち材料の熱膨張係数と厚さ寸法とによって略決定される。そのため、好ましい厚さ寸法の範囲は必ずしも一義的に定め得るものではないが、熱容量等も考慮すると両層の厚さ寸法が著しく異なることは避けることが好ましい。したがって、熱膨張係数が同一或いは近似する材料を選択し、且つ厚さ寸法の相違を３倍以下に留めることが好ましいのである。
【００３０】
また、前記第４発明によれば、第２層の両面に設けられる第１層および第３層が同一材料で構成されることから、その両面における熱膨張係数が一致する。そのため、両面における熱膨張量が相違し、延いては反りや割れなどの生ずることが一層抑制される。すなわち、第１層および第３層の構成材料は、還元膨張率が第２層の構成材料よりも小さく且つ両面における熱膨張量の相違を十分に小さくできるのであれば特に限定されないが、両面における厚さ寸法の相違が小さいことが好ましいことから、熱膨張係数が同一或いは近似する材料で構成することが好ましく、同系材料、特に同一材料で構成することが最も好ましいのである。また、酸素分離膜全体における各層相互の熱膨張係数の相違を可及的に小さくするためには、第１層および第３層は、第２層と同系材料で構成することが好ましい。
【００３１】
なお、本願において「同系材料」とは、原則として構成元素が同一で各元素の割合のみが相違する材料を意味するものであるが、特性に著しい影響を与えない限りにおいて、一方のみに１乃至複数の元素が更に含まれていても差し支えない。また、「厚み方向において対称的」とは、材料および厚さ寸法が同一である場合に限られず、上記説明から明らかなように、第２層の両面の何れにもそれよりも低還元膨張率の層(すなわち第１層または第３層)が設けられていることを意味するものである。
【００３２】
ここで、好適には、前記酸素分離膜は、厚み方向の中間部から前記一面および他面にそれぞれ向かうに従って還元膨張率が低下する傾斜組成を備えたものである。還元膨張に起因する不都合を抑制するためには、第２層よりも還元膨張率が十分に小さい限りにおいて、第１層および第３層よりも還元膨張率が大きい層が一面および他面に更に設けられていてもよい。しかしながら、そのような層を設ける利点が特になければ、層構成が簡単になり延いては製造工程が簡単になるように、上記のような傾斜組成とする方が好ましいのである。
【００３３】
すなわち、酸素分離膜は、前記第１層、第２層、および第３層が積層された３層構造に限られず、これらの何れとも組成が相違することにより還元膨張率が異なるものとされた他の層が、一面側または他面側に積層された４層以上の構成であっても良い。この場合、上記のような傾斜組成とすることが好ましいが、必須ではない。なお、積層数が多くなるほど工程的には不利であるが、接している層相互の熱膨張率の差を小さくできるため、製造過程や使用中に温度変化に曝された場合にも破損し難くなる利点がある。
【００３４】
また、好適には、前記第１層および前記第３層は、それぞれ50(μm)以上の厚さ寸法を備えたものである。第２層の還元膨張を抑制するための保護層としての機能を確保するためには、引掻き等による破損が生じないだけの機械的強度や、水蒸気雰囲気における長期間に亘る耐久性等が得られるように50(μm)以上の厚さ寸法を有することが好ましい。
【００３５】
因みに、第２層の一面のみに低還元膨張率の層を積層する場合に、その厚さ寸法が30(μm)を超えると、還元膨張率の大きい側すなわち熱膨張係数の大きい側に凹となる反りが無視できない程度まで顕著になる。すなわち、厚さ寸法が30(μm)以下であれば、両面における熱膨張量の相違によって発生する応力が極めて小さくなるため、特に高い形状精度が要求される場合を除いて反りや割れなどは殆ど問題にならないが、低還元膨張率の層を30(μm)を超える厚さ寸法で設ける場合には、本発明を適用する効果が顕著に得られる。なお、30(μm)以下の厚さ寸法で低還元膨張率の層を設けようとすると、形成方法がディップコーティング、スパッタリング、ＣＶＤ等の薄い層を形成し得るものに限定されるため、製造し得る大きさが比較的小さいものに限定されると共に、製造コストが高くなる不都合もある。本発明によれば、低還元膨張率の層の厚さ寸法が30(μm)を超えても差し支えないため、グリーンシートや焼結体を貼り合わせて焼成処理を施す等の安価で大型品(例えば、一辺が1(m)程度の矩形平板型や長さ寸法が1(m)程度の筒状等)の製造が可能な製造方法を採用し得る利点もある。
【００３６】
また、好適には、前記第１層および第３層は、それぞれ150(μm)未満の厚さ寸法を備えたものである。これら第１層および第３層は、第１層に比較すると酸素透過速度の低い材料で構成されることから、厚さ寸法が厚くなるほど酸素分離膜全体の酸素透過性能が低下する。そのため、酸素透過性能の十分に高い酸素分離膜を得るためには、上記厚さ寸法以下に留められることが好ましいのである。なお、第１層および第３層は、第２層を覆うことによってこれを還元雰囲気から保護するものであれば足り、例えば完全に覆うものであることが好ましいが、厚さ寸法の下限値は特になく、工業的には例えば1(μm)程度が下限値である。第１層および第３層がこの程度の厚さ寸法であっても、十分な還元耐久性を得ることができる。但し、前述したように、本発明は低還元膨張率の層の厚さ寸法が30(μm)を超えるときに特に有用性が高く、耐久性や機械的強度を考慮すると第１層および第３層が50(μm)以上であることが好ましい。
【００３７】
また、好適には、前記第２層は厚さ寸法を0.5(mm)としたときに8(cc/min/cm2)以上の酸素透過速度を有し、且つ前記第１層および前記第３層は厚さ寸法を0.5(mm)としたときに3(cc/min/cm2)以上の酸素透過速度を有するものである。このようにすれば、第２層の酸素透過速度が十分に高く且つ第１層および第３層の酸素透過速度が比較的高いことから、酸素透過性能が一層高く且つ還元耐久性に一層優れた酸素分離膜が得られる。一層好適には、第２層の酸素透過速度は10(cc/min/cm2)以上であり、第１層および第３層の酸素透過速度は5(cc/min/cm2)以上である。
【００３９】
また、好適には、前記第２層の厚さ寸法は、0.4(mm)以下である。このようにすれば、第１層の厚さ寸法が十分に薄いことから、第１層および第３層の厚さ寸法を50(μm)以上にしても酸素分離膜全体の厚さ寸法が0.5(mm)以下に留められる。そのため、酸素透過性能の一層高い酸素分離膜が得られる。
【００４０】
なお、第２層の膜厚は、高い酸素透過性能を得るためには可及的に薄いことが好ましく、後述するように多孔質支持体上に酸素分離膜を形成する場合には、膜厚寸法の下限値は特にないが、緻密な膜を形成できる程度の厚さ寸法とすることが好ましい。一方、多孔質支持体を用いない自立膜の場合には、酸素分離膜全体が自立可能な厚さ寸法、例えば0.5(mm)程度以上の厚さ寸法になるように第２層の厚さ寸法を定めればよい。
【００４１】
なお、本発明の混合伝導体を構成するペロブスカイト化合物は、前記一般式Ｃに明示した元素の他に、Zn,In,V,Sn,Ge,Ce,Mg,Sc,Y等の他の元素が特性に実質的に影響を与えない程度の範囲で含まれていても差し支えない。また、第１層、第２層、および第３層は、上記ペロブスカイト化合物の他に、製造上排除することが困難な微量のAl2O3、SiO2、MgO、ZrO2等を含み得る。これらは微量が含まれていても特性に著しい影響を与えることはないが、何れもイオン伝導の抵抗になることから含有量は可及的に少ないことが望ましい。
【００４２】
また、好適には、前記第１の混合伝導体および前記第３の混合伝導体は、前記元素MがFe,Ti,Zr,Al,Co,Mn,Niの何れかである。このようにすれば、これらをＢサイトに含む(Ln1-xAex)MO3化合物は、還元耐久性が比較的高く且つ酸素透過速度も比較的高く、これらのバランスが良いことから、特に好ましい。また、Ｂサイトに、FeまたはCoを含むものは、電子伝導性が高くなることから一層好ましい。
【００４３】
また、好適には、本発明の酸素分離膜は、多孔質支持体上にその一面全体を覆って備えられる。この多孔質支持体は、酸素分離膜の一面側および他面側の何れに位置させられても良い。このように多孔質支持体上に酸素分離膜が固定された酸素分離膜エレメントに構成すれば、ガス拡散係数の十分に高い多孔質支持体は、その内部を気体が容易に通過させられるので、適当な厚さ寸法に構成することにより、酸素透過性能に影響を与えることなく酸素分離膜エレメントの機械的強度を高め得る。しかも、酸素分離膜エレメントの機械的強度が多孔質支持体で確保されることから、酸素分離膜の厚さ寸法を酸素透過性能が膜厚で律速されない程度まで薄くすることが可能となるため、その表面積を増大させることによる透過性能向上効果が一層顕著に得られる。なお、このような多孔質支持体が備えられる場合において、更に酸素解離触媒層または酸素再結合触媒層が設けられる場合には、一方が酸素分離膜の表面に、他方が酸素分離膜と多孔質支持体との間にそれぞれ設けられてもよいが、その他方は、多孔質支持体の表面に、好適にはこれに浸透させられた状態で設けられても良い。
【００４４】
なお、上記態様において「一面全体を覆って」とは、酸素分離膜エレメントの使用時において、多孔質支持体の一面が酸素分離膜のその多孔質支持体とは反対側に位置する面と同一空間内に曝されないことを意味するものである。例えば、非使用状態において酸素分離膜が設けられた多孔質支持体の一面が部分的に露出させられていても、その部分が使用時に装置等によって覆われるものであれば、そのような態様も上記「一面全体を覆って」に含まれる。
【００４５】
また、好適には、前記酸素分離膜および前記多孔質支持体は、同材料から成るものである。このようにすれば、両者の熱膨張係数が一致することから、製造工程や使用時に加熱或いは冷却された場合にも、熱膨張量の相違に起因して破損することが好適に抑制される。
【００４６】
また、好適には、前記酸素分離膜および前記多孔質支持体は、相互に異なる組成の材料から成るものである。酸素分離膜エレメント全体の強度は支持体によって確保する必要があることから、支持体と酸素分離膜とは求められる特性が相違するため、例えば要求される強度が比較的高い場合には、酸素分離膜と支持体とを相互に異なる材料で構成することが望ましい。このような支持体構成材料としては、例えば、ジルコニア、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素等が好適である。
【００４７】
また、好適には、前記多孔質支持体は、平均細孔径ｒが0.1＜ｒ＜20(μm)の範囲内、気孔率ｐが5＜ｐ＜80(％)の範囲内である。酸素透過性能の低下を抑制し且つ酸素分離膜エレメントの強度を可及的に高めるためには、この範囲内が好ましい。細孔径および気孔径が小さくなり過ぎると、多孔質支持体のガス透過抵抗が大きくなることから、酸素分離膜を薄くしてもこの多孔質支持体が律速因子になるため、酸素透過性能が著しく低下する。一方、細孔径および気孔径が大きくなり過ぎると、機械的強度が低下して支持体としての機能が失われる。
【００４８】
また、好適には、前記酸素分離膜の一面および他面の少なくとも一方には、前記酸素の解離または再結合を促進するための触媒層が備えられる。このようにすれば、触媒層によって酸素の解離或いは再結合が促進されることから、一層効率の高い酸素分離膜エレメントが得られる。一層好適には、一面および他面の一方に酸素解離触媒層および酸素再結合触媒層の一方が、一面および他面の他方に酸素解離触媒層および酸素再結合触媒層の他方が、それぞれ設けられる。なお、触媒層は、緻密質に構成されていても、多孔質に構成されていてもよく、酸素分離膜でこれを兼ねることもできる。
【００４９】
また、好適には、前記酸素解離触媒層は、La-Sr-Co系酸化物、La-Sr-Mn系酸化物、白金系元素である。一層好適には、LaxSr1-xCoO3(0≦x≦1、好適にはx＝0.6)から成るものである。このような触媒によれば、酸素分離膜の一面側に供給された気体中の酸素が好適にイオン化され、これを透過して他面側に導かれる。なお、触媒層は、上記材料の他、SmxSrCoO3(0≦x≦1、好適にはx＝0.5)、La1-xSrxMnO3(0≦x≦1、好適にはx＝0.15)、La1-xSrxCo1-yFeyO3(0≦x≦1、0＜y＜1、好適にはx＝0.9、y＝0.1)等も好適に用いられる。なお、酸素解離触媒層は、酸素分離膜と同じ材料で構成することもでき、その場合には、その酸素分離膜の一部で酸素解離触媒層を構成し得る。
【００５０】
また、好適には、前記酸素再結合触媒層は、Ni、Co、Ru、Rh、Pt、Pd、Ir等を含むものである。好適には、NiOが還元されることにより形成されたNiから成るものである。このような触媒によれば、酸素分離膜の他面側に導かれた酸素イオンが好適に再結合させられ、その他面側から酸素が回収される。また、酸素解離触媒層および酸素再結合触媒層が上述したような何れの材料で構成される場合にも、酸素は粒界または粒内を透過し得るため、多孔質はもちろん緻密質の触媒層も形成し得る。
【００５１】
また、本発明の酸素分離膜は、その一面側に酸素を含む気体を供給するための第１気体供給路と、その他面側に所定の化合物を含む気体を供給するための第２気体供給路と、その他面側において酸素と前記所定の化合物との反応により生成された気体を回収するための気体回収路とを、含む反応器にも好適に用いられる。このようにすれば、第１気体供給路からその一面側に酸素を含む気体が、第２気体供給路からその他面側に所定の化合物を含む気体がそれぞれ供給され、酸素とその所定の化合物との反応により生成された気体が気体回収路から回収される。そのため、安価且つ高効率で耐久性の高い反応器が得られる。
【００５２】
また、本発明の酸素分離膜は、前述した酸素製造や炭化水素の部分酸化反応等の他、一面側にNOxを供給することにより、その還元にも用いることができる。
【００５３】
また、好適には、前記酸素分離膜は全体が平坦な板状を成すものである。また、触媒層が備えられた態様においては、その一面に前記酸素解離触媒層が、他面に前記酸素再結合触媒層がそれぞれ備えられたものである。このような板状の酸素分離膜が多孔質支持体上に備えられ且つ触媒層が備えられた態様では、別途形成された酸素分離膜の両面に触媒層が設けられた後、多孔質支持体に固着され、或いは、多孔質支持体上に一方の触媒層、酸素分離膜、および他方の触媒層が順次に形成されることによって酸素分離膜エレメントが製造される。上記平坦な板状としては、円板状、矩形板状等が挙げられる。
【００５４】
また、好適には、前記酸素分離膜は一端が閉じた筒状を成すものであり、触媒層が備えられる態様においては、その内周面および外周面の一方が前記酸素解離触媒層が備えられた前記一面に相当し、他方が前記酸素再結合触媒層が備えられた前記他面に相当するものである。酸素分離膜は、平坦なものに限られず、このような立体的なものであっても良い。なお、内周面側に気体の供給される態様では、例えば、筒状の酸素分離膜の内側に気体導入管を挿入し、その先端から気体を供給すればよい。
【００５５】
また、好適には、前記多孔質支持体は一端が閉じた筒状を成し、前記酸素分離膜、または前記二種の触媒層および酸素分離膜はその内周面または外周面に順次に積層されることによって設けられたものである。このようにすれば、酸素分離膜エレメントが筒状を成す態様においても多孔質支持体によってその機械的強度を確保することができる。
【００５６】
また、本発明の酸素分離膜は、例えば、前記第１の混合伝導体材料粉末、前記第２の混合伝導体材料粉末、および前記第３の混合伝導体材料粉末にそれぞれ所定のバインダーを混合して所定粒径に造粒する工程と、造粒粉を所定形状にそれぞれ成形する工程と、成形体に所定温度の焼成処理を施して第１の混合伝導体から成る膜、第２の混合伝導体から成る膜、および第３の混合伝導体から成る膜をそれぞれ得る工程と、それら３つの膜を重ね合わせて所定の焼成処理を施すことによって相互に接合する工程とを、含む工程によって製造される。上記成形工程と焼成工程との間には、必要に応じて、成形体を等方圧で加圧(例えば湿式静水圧加圧)する工程と、成形体を大気中で焼成温度よりも十分に低温で加熱することによって有機物を分解除去する工程とが実施される。また、焼成後には必要に応じて機械研磨工程が施される。
【００５７】
また、上記所定の成形工程は、例えば、前記第１の混合伝導体材料粉末を含む第１のスラリー、前記第２の混合伝導体材料粉末を含む第２のスラリー、および前記第３の混合伝導体材料粉末を含む第３のスラリー中にセラミック焼結体から成る所定の多孔質支持体を順次に浸漬して、その多孔質支持体の表面にそれら第１のスラリー乃至第３のスラリーを塗布するものである。このようにすれば、その多孔質支持体に塗布されたスラリーを焼成することにより、多孔質支持体上にその塗布厚みに応じた膜厚で形成された第１層乃至第３層から成る組成傾斜型酸素分離膜が固着された酸素分離膜エレメントが得られる。
【００５８】
また、本発明の酸素分離膜は、例えば、第１の混合伝導体材料粉末、第２の混合伝導体材料粉末、および第３の混合伝導体材料粉末を含むスラリーを用いてグリーンシートを成形する工程と、それらグリーンシートを重ね合わせて同時に焼成処理を施す工程とを、含む工程によって製造することもできる。
【００５９】
また、多孔質支持体上に酸素分離膜を製膜する場合には、上記のようなスラリーをディップコートする工程と、これに焼成処理を施す工程とを、含む工程によって製造することもできる。更に、その多孔質支持体上にスパッタリングや溶射等によって第１層〜第３層すなわち酸素分離膜を形成してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６０】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。
【００６１】
図１は、本発明の一実施例の酸素分離膜１０の構成を説明するための断面構造を模式的に示す図である。酸素分離膜１０は、20(mm)程度の直径を備えて全体が0.5(mm)程度の厚さ寸法の薄板円板状を成すものであり、厚み方向において、図１における上側から、第１層１２，第２層１４，および第３層１６が積層された３層構造の積層体に構成されている。これら３層の外周端面はガラス等から成るシール部材１８で気密にシールされている。
【００６２】
上記の第１層１２〜第３層１６は、何れも、例えば一般式(Ln1-xAex)MO3で表されるランタン系ペロブスカイト化合物で構成された緻密な膜である。このペロブスカイト化合物は、酸素イオン伝導性および電子伝導性を共に有する混合伝導性セラミックスである。そのため、緻密質でありながら、その一面２０または他面２２に接した酸素をイオン化して例えばその他面２２から一面２０に向かって透過させることができる。
【００６３】
上記の第１層１２および第３層１６は、La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7OxやLa0.6Sr0.4Zr0.3Fe0.7Ox等(但し、ｘ＝2.4〜3程度。以下、各ペロブスカイト化合物において同じ。)から成るもので、例えば、0.05〜0.1(mm)程度の厚さ寸法を備えている。また、第２層１４は、La0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.9OxやLa0.6Sr0.4Zr0.1Fe0.9Ox等から成るもので、例えば、0.3〜0.4(mm)程度の厚さ寸法を備えている。すなわち、第２層１４と、第１層１２および第３層１６とは、互いに組成が相違し、酸素分離膜１０は、厚み方向において組成の異なる膜が積層された組成傾斜膜に構成されている。
【００６４】
また、上記の第２層１４を構成する混合伝導体(すなわち第２の混合伝導体)は、例えば0.28〜0.7(％)程度の大きい還元膨張率と、11.0(cc/min/cm2)以上の高い酸素透過速度(厚さ寸法が0.5(mm)のときの値。以下、特に断らない限り同じ。)とを有している。また、第１層１２および第３層１６を構成する混合伝導体(すなわち、第１の混合伝導体および第３の混合伝導体)は、0.06〜0.32(％)程度の比較的低い還元膨張率と、3.3〜6.1(cc/min/cm2)程度の比較的低い酸素透過速度とを有している。また、第２の混合伝導体の熱膨張係数は13.1〜14.0(×10-6/℃)程度であり、第１の混合伝導体および第３の混合伝導体の熱膨張係数は11.4〜12.9(×10-6/℃)程度である。なお、本実施例においては、第１の混合伝導体と第３の混合伝導体が同一材料で構成されており、厚さ寸法も同一である。
【００６５】
そのため、酸素分離膜１０は、第２層１４から第１層１２および第３層１６のそれぞれに向かうに従って還元膨張率が小さくなると共に、酸素透過速度が低くなる層構造を備えている。しかしながら、酸素透過速度の低い混合伝導体から成る第１層１２および第３層１６は、0.1(mm)以下の薄い膜であり、酸素透過性能は膜厚に反比例するため、酸素透過速度が低い混合伝導体から成る第１層１２および第３層１６における酸素透過性能は比較的高い値になる。したがって、第１層１２および第３層１６における酸素透過性能が酸素分離膜１０全体の酸素透過性能の律速にならないことから、酸素分離膜１０の酸素透過性能は、第２層１４を構成する混合伝導体で全体を構成した場合と同等の高い値になる。
【００６６】
以上のように構成される酸素分離膜１０は、一面２０および他面２２上に触媒層２４，２６をそれぞれ設けて、例えば第１層１２を還元側、例えばメタン等の燃料供給側に位置させ、その反対側に位置する第３層１６を酸化側、例えば空気等の酸素含有ガス供給側に位置させて用いられる。そのため、還元膨張率の大きい第２層１４が、その第１層１２によって還元雰囲気から保護されるため、酸素分離膜１０の還元耐久性が高められる。
【００６７】
なお、酸化側に設けられる酸素解離触媒層２６は、他面２２における酸素の解離およびイオン化を促進するために設けられたものであり、例えばLa0.6Sr0.4CoO3から成る多孔質層が10(μm)程度の一様な厚さ寸法を以て他面２２の略全面に形成される。
【００６８】
また、還元側に設けられる酸素再結合触媒層２６は、一面２０における酸素イオンの再結合を促進するために設けられたものであり、例えばNiOから成る多孔質層が100(μm)程度の一様な厚さ寸法を以てその一面２０の略全面に形成される。
【００６９】
図２は、上記酸素分離膜１０における使用時の酸素分圧を説明する模式図である。図２に示す太線は、雰囲気中および膜内における酸素分圧P1〜P4(すなわち酸素分圧勾配)を、白抜きの矢印は、酸素分離膜１０内における酸素イオンおよび電子の動きを、それぞれ表している。酸素がイオン化して空気側から還元側に向かって移動すると、酸素分離膜１０内には、その移動速度に応じた酸素分圧の勾配が形成される。酸素イオン伝導率が低い第１層１２内では、その勾配が著しく大きくなる。そのため、図２に示されるように、酸素分圧は第１層１２内を還元側雰囲気から第２層１４に向かうに従って急激に高められるので、界面３６における酸素分圧P2は、例えば還元側の酸素分圧P1の1010倍以上に大きくなる。そのため、第２層１４が還元膨張率の大きい混合伝導体で構成されていても、これに負荷される還元力は還元側の1/1010以下になるため、その還元膨張延いては破損が好適に抑制されるのである。
【００７０】
上述したように、本実施例の酸素分離膜１０によれば、La0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.9Ox等の混合伝導体から成る第２層１４の両面にLa0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7Ox等の混合伝導体から成る第１層１２，第３層１６が積層された積層構造に構成される。そのため、酸素分離膜１０は、還元膨張率が大きく且つ酸素透過性能の高い第２層１４に、還元膨張率が小さく且つ酸素透過性能の低い第１層１２，第３層１６が積層された組成傾斜型になる。したがって、第２層１４が第１層１２によって(前記説明とは反対に第３層１６が還元雰囲気側に配置される場合には、第３層１６によって)還元雰囲気から保護され、延いては酸素分離膜全体の還元耐久性を十分に高めることができる。また、第１層１２，第３層１６は十分に薄いので、これを構成する混合伝導体の酸素透過性能が低くとも、酸素分離膜全体の高い酸素透過性能を得ることができる。上記により、要求される還元耐久性と所望する酸素透過性能とを比較考慮して、第１層１２、第２層１４、および第３層１６の膜厚や、それらを構成する混合伝導体の組成を定めることによって、酸素透過性能が高く且つ還元耐久性に優れた酸素分離膜１０が得られる。
【００７１】
しかも、本実施例においては、還元側に設けられた第１層１２と同一の混合伝導体から成る第３層１６が酸化側にも同一の厚さ寸法で設けられていることから、使用時等において酸素分離膜１０が高温に曝された場合にも、その両面における熱膨張量の相違が生じない。そのため、受けた熱履歴に起因する酸素分離膜１０の反りや割れが好適に抑制される利点もある。
【００７２】
図３は、上記の酸素分離膜１０の製造方法を説明するための工程図である。造粒工程Ｐ１では、例えば市販の平均粒径が1(μm)程度のLaSrTiFeOx系粉末やLaSrZrFeOx系粉末に、水、有機バインダー等の成形助剤、および分散剤を混合してスラリーを作成し、例えばスプレー・ドライヤーを用いて60(μm)程度の平均粒径の原料粉末を噴霧造粒する。次いで、加圧成形工程Ｐ２では、造粒した原料粉末を例えば100(MPa)程度の適当な圧力でプレス成形して、例えば直径が30(mm)程度で、厚さ寸法が3(mm)程度の円板状の成形体を得る。なお、上記成形体寸法は前記寸法の第１層１２等が得られるように焼成収縮や研磨代を考慮して定めた値である。また、必要に応じ、静水圧加圧成形(すなわちＣＩＰ)により150(MPa)程度の加圧処理を施すことができる。
【００７３】
次いで、焼成工程Ｐ３では、上記の成形体を例えば大気中において200〜500(℃)程度の温度で10時間程度保持して有機物を分解除去した後、更に大気中において1300〜1600(℃)程度の温度で3時間程度保持することにより、この成形体を焼成する。厚み研磨工程Ｐ４においては、このようにして得られた緻密な焼結体に平面研削盤等を用いて機械研磨加工を施し、例えば0.05〜0.5(mm)程度の予め定められた厚さ寸法の薄膜体に加工する。
【００７４】
次いで、積層・接合工程Ｐ５では、作成した薄膜体を高還元膨張率のものが低還元膨張率のもので挟まれるように３枚重ね合わせ、大気中において1300〜1600(℃)で焼成処理を施す。これにより、それら重ね合わせた３枚の薄膜体が相互に接合され、組成の相互に異なる３層(但し、外側の２層は例えば同一組成)が厚み方向に積層された組成傾斜膜すなわち酸素分離膜１０が得られる。
【００７５】
このような酸素分離膜１０は、その両面２０，２２に前記のように触媒層を設けて用いられる。触媒担持工程Ｐ６では、例えば平均粒径が2(μm)程度の市販のLa0.6Sr0.4CoO3粉末を有機溶剤と混合してスラリーを調製し、これを一面２０に塗布して触媒を印刷担持すると共に、例えば平均粒径が7(μm)程度の市販のNiO粉末を有機溶剤と混合してスラリーを調製し、これを他面２２に塗布して触媒を印刷担持する。そして、焼き付け工程Ｐ７において、例えば1000(℃)程度の温度で１時間程度の時間保持して、一面２０および他面２２に触媒層をそれぞれ焼き付けることにより、前記の酸素分離膜１０が得られる。
【実施例】
【００７６】
以下、本発明の更に具体的な実施例を説明する。下記の表１は、前記の酸素分離膜１０を構成する第１層１２〜第３層１６の組成例と、それぞれの還元膨張率、酸素透過速度、還元耐久性、および熱膨張係数をまとめたものである。なお、表１の「組成名」欄には、各組成の混合伝導体を意味するものとして後述する表２、３において用いた略称を示した。まず、各層を構成するこれら６種類の混合伝導体の特性について説明する。
【００７７】
【表１】
0004500762.tif 000002
【００７８】
上記の表１において、還元膨張率は、大気中とH2５％＋N2９５％雰囲気中とで熱膨張率をそれぞれ測定し、前記(１)式に従って算出した。
【００７９】
また、酸素透過速度は、上記の各組成から成る0.5(mm)厚の混合伝導体薄板を前記図３に示される工程に従って製造し、その薄板の両面に前記触媒を焼き付けたものを試料として、図４に示される反応器４０において、酸素分離膜１０に代えて試料を配設することによって測定した。
【００８０】
なお、上記の反応器４０は、例えば両端を開放されたアルミナ等のセラミックスから成る円筒管４２、４４が、酸素分離膜１０を挟んで上下に配置され、且つ、それらの内周側に例えばアルミナ等のセラミックスから成る気体導入管４８，５０が挿入されたものである。酸素分離膜１０は、酸素再結合触媒層が設けられている一面２０が円筒管４４側に位置し、酸素解離触媒層が設けられている他面２２が図４における上側すなわち円筒管４２側に位置する向きで配置される。また、円筒管４２，４４の外周側にはヒータ５６，５６が配置されている。また、円筒管４２，４４と酸素分離膜１０とは、例えばガラス系等の封着材５８，５８によって気密に封着されている。なお、気体導入管４８，５０は、酸素分離膜１０の表面から気体供給に必要な距離だけ離隔して配置されている。
【００８１】
このような反応器４０において、ヒータ５６で装置内を1000(℃)程度の温度に加熱しつつ、気体導入管４８から空気すなわち酸素を含む気体を円筒管４２内に導入すると共に、燃料側すなわち気体導入管５０から純メタンガス等の炭化水素を導入する。空気導入量は例えば10〜500(cc/min)程度であり、メタンガス導入量は例えば10〜200(cc/min)程度である。なお、測定に先立ち、例えばヒータ５６によって円筒管４４内を1000(℃)程度の温度に加熱しつつ、例えば水素10(％)とアルゴン90(％)との混合ガスを気体導入管５０から円筒管４４内に供給し、還元雰囲気下で加熱する。これにより、一面２０に備えられている酸素再結合触媒層すなわちニッケル酸化物が部分的に或いは完全に還元され、酸素再結合触媒としての機能が発揮されるようになる。
【００８２】
上記のように気体導入管４８から導入された空気は、酸素分離膜１０の表面および酸素解離触媒層に接触しつつ、気体導入管４８と円筒管４２との間に形成された排気路６０を通って図４に矢印で示されるように排気される。このとき、酸素分離膜１０およびその他面２２に設けられた酸素解離触媒層の酸素解離作用およびイオン化作用により、空気中の酸素が解離されてイオン化させられるので、その酸素イオンは、酸素イオン伝導性を有する酸素分離膜１０を通って他面２２側から一面２０側に向かって図４に矢印で示されるように輸送される。
【００８３】
そして、一面２０に到達した酸素イオンは、混合伝導体から成る酸素分離膜１０およびその一面２０に設けられた酸素再結合触媒層の再結合作用により酸素分子となり、その一面２０から取り出される。これにより、酸素が他面２２側から一面２０側に透過することになる。しかしながら、混合伝導体から成る酸素分離膜１０は緻密質であると共に他の気体はイオン化させられないので、酸素以外の気体は全く透過しない。すなわち、空気から純度の極めて高い酸素が製造される。
【００８４】
また、このようにして透過した酸素は、イオンのまま或いは再結合させられた後、気体導入管５０から導入されたメタンガス等とその一面２０上、酸素再結合触媒層内、或いはそれらの近傍において反応させられ、下記(２)式に示されるようなメタンの部分酸化反応が生じる。生成された一酸化炭素と水素との合成ガスは、気体導入管５０と円筒管４４との間に形成された回収路６２から回収される。回収された合成ガスは、例えば、液体燃料合成等に用いられる。なお、以上の説明から明らかなように、気体導入管５０からメタンガスを導入しない場合には、回収路６２から酸素を回収することができ、反応器４０を酸素製造装置として用いることができる。
CH4＋1/2O2 → CO＋2H2  ・・・(２)
【００８５】
また、前記表１に示す還元耐久性は、上記の試験を連続して実施して、還元側で回収された合成ガス中の窒素量を測定し、その変化から窒素リーク率ＬNを下記(３)式に従って求めて判断した。◎は３〜１０時間で窒素リーク率の増大が無かったもの、○は３時間以内に窒素リーク率が１(％)以下の範囲で増大したもの、△は３時間以内に窒素リーク率が１〜３(％)の範囲で増大したもの、×は３時間以内に窒素リーク率が３(％)以上増大したものである。１０時間で窒素リーク率の増大がなければ、長時間に亘る十分な還元耐久性があるものと考えられる。
ＬN ＝［N2量(cc/min)／全ガス量(cc/min)］×100  ・・・(３)
【００８６】
また、酸素透過速度は、上記の試験を２４時間連続して行って、合成ガスおよび排気ガスをガスクロマトグラフィで測定し、合成ガス中の酸素濃度と流量、および酸素分離膜１０の酸素透過部面積から算出した。
【００８７】
前記の表１に示されるように、酸素分離膜１０の各層を構成する混合伝導体は、何れも、還元耐久性と酸素透過速度とがトレードオフの関係にあり、還元膨張率を小さくして還元耐久性を高めようとすると、酸素透過速度が低くなる特性を有している。酸素分離膜１０の一般的な用途では、還元割れを発生させないためには、還元膨張率が0.14(％)未満であることが望ましいが、そうすると、何れの材料系でも6(cc/min/cm2)以下の材料に限定される。そのため、従来のように酸素分離膜１０を単層で構成し、単に組成を変更するだけでは、還元耐久性および酸素透過速度を共に高くすることは不可能である。
【００８８】
表２に示す実施例１〜１０は、上記の表１に掲げた混合伝導体で前記第１層１２等を構成した３層の積層構造(すなわち組成傾斜膜)の層構成例である。また、表３に示す比較例１〜１０は、表１に掲げた混合伝導体を用いた２層または本発明の範囲外の積層構造とした層構成例である。
【００８９】
【表２】
0004500762.tif 000003
【００９０】
【表３】
0004500762.tif 000004
【００９１】
実施例１〜４、９は、還元膨張率が0.4(％)以上と大きいＬＳＴＦ１で第２層１４を構成すると共に、還元膨張率が0.10(％)と小さいＬＳＴＦ３(すなわち還元耐久性が◎のもの)で第１層１２および第３層１６を構成した３層構造とすることによって、第２層１４から第１層１２および第３層１６のそれぞれに向かうに従って、すなわち、厚み方向の中央側から両面に向かうに従って、還元膨張率が小さくなる傾斜組成としたものである。また、上記のうち実施例１〜３、９は、第１層１２および第３層１６の構成材料および厚さ寸法を同一にすると共に、各層の厚さ寸法を種々変更したものである。また、実施例４は、第１層１２と第３層１６を異なる厚さ寸法で設けたものである。これらの構成例では、還元側に位置させる第１層１２が還元割れの抑制に十分な0.14(％)未満の還元膨張率を有する一方、中間部に設けられた第２層１４が11.5(cc/min/cm2)もの極めて高い酸素透過速度を有する。また、第２層１４を挟む第１層１２および第３層１６は、同一材料で構成されることから同一の熱膨張係数を有する。
【００９２】
また、実施例５〜８、１０は、還元膨張率が0.28(％)程度とやや大きいＬＳＺＦ１で第２層１４を構成すると共に、還元膨張率が0.08(％)程度と小さいＬＳＺＦ２で第１層１２および第３層１６を構成した３層構造とすることによって、第２層１４から第１層１２および第３層１６に向かうに従って還元膨張率が小さくなる傾斜組成としたものである。また、上記のうち実施例５〜７、１０は、第１層１２および第３層１６の構成材料および厚さ寸法を同一にすると共に、各層の厚さ寸法を種々変更したものである。また、実施例８は、第１層１２と第３層１６を異なる厚さ寸法で設けたものである。これらの構成例でも、還元側に位置させる第１層１２が還元割れの抑制に十分な0.14(％)未満の還元膨張率にされる一方、中間部に設けられた第２層１４が11.0(cc/min/cm2)もの極めて高い酸素透過速度とされている。また、第２層１４を挟む第１層１２および第３層１６は、同一材料で構成されることから同一の熱膨張係数を有する。
【００９３】
これに対して、比較例１〜８は、還元膨張率が0.28〜0.7(％)程度と大きいＬＳＴＦ１またはＬＳＺＦ１の一面のみに還元膨張率が0.08〜0.10(％)のＬＳＴＦ３またはＬＳＺＦ２を積層した２層構造としたもの、すなわち、各実施例において第３層１６を備えていないものに相当するものである。また、比較例９，１０は、実施例と同様な３層構造であるが、第３層１６の厚さ寸法が第１層１２の３倍とされたものである。
【００９４】
上記の実施例１〜１０の特性を評価した結果を、比較例１〜１０の評価結果と併せて表４に示す。
【００９５】
【表４】
0004500762.tif 000005
【００９６】
上記の表４に示すように、第２層１４の両面に第１層１２および第３層１６を設けた実施例１〜１０では、全て0.1(mm)以下の極めて小さな反りに留まった。また、これらのうち実施例１〜８では、13.2(cc/min/cm2)以上の特に高い酸素透過性能が得られた。なお、還元耐久性については特に表４には示さないが、実施例および比較例の全てにおいて、割れが生じることなどが無く、十分な耐久性を示した。
【００９７】
これに対して、比較例１〜８では、高還元膨張率の第２層の一方の側のみに低還元膨張率の第１層を設けた非対称構造であるため、製造過程において加熱した際に両面における熱膨張係数の相違に起因して1.4〜2.4(mm)もの大きな反りが生じた。また、比較例９，１０では第２層の両面に第１層および第３層が設けられているが、第１層に比較して第３層が著しく厚いため、非対称構造の場合ほどではないが、比較的大きな反りが生じる結果となった。
【００９８】
上記の結果によれば、対称構造とした実施例１〜１０では、第１層１２および第３層１６の厚さ寸法が0.05(mm)または0.1(mm)程度、すなわち30(μm)以上であっても、第２層１４の特性に基づく高い酸素透過性能を保ったまま、反りが極めて小さい酸素分離膜１０が得られることが判る。
【００９９】
また、対称構造に構成しても、第１層と第３層の厚さ寸法の相違が著しい場合、すなわち３倍以上の相違とされている場合には、一応の効果は得られるものの、反りを十分に抑制することができないことが判る。実用上求められる反りの大きさの上限は、シール方式、材料強度、膜面積等によって異なるため、一義的に定めることはできない。しかしながら、前述したような実験条件では、経験的に反りが0.2(mm)以下に留まることが必要であることが判っている。実施例１〜１０は全てこの条件を満たすが、比較例１〜１０は何れも反りが大きく、使用困難である。但し、反りがやや大きくとも許容される場合には、例えば、比較例９，１０は使用できる可能性がある。
【０１００】
なお、実施例９，１０は、反りを十分に小さくできる点では他の実施例と同等の効果が得られるが、酸素透過性能は他の実施例に比較してやや劣る。これらは対称構造ではあるが、第１層１２および第３層１６がそれぞれ0.2(mm)と厚くされているため、酸素透過性能が低くなったものと考えられる。但し、これら低還元膨張率の層が厚いことから、耐久性は他の実施例に比べて高くなるため、要求される酸素透過性能や耐久性に適合する場合には、このような構成も有効である。
【０１０１】
以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の一実施例の酸素分離膜の要部断面構造を模式的に示す図である。
【図２】２層の傾斜構造の場合における膜内の酸素分圧勾配を説明する図である。
【図３】図１の酸素分離膜エレメントの製造方法を説明するための工程図である。
【図４】図１の酸素分離膜エレメントが用いられた反応器の構成を説明する図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１０：酸素分離膜、１２：第１層、１４：第２層、１６：第３層、１８：シール部材、２０：一面、２２：他面、２４：酸素再結合触媒層、２６：酸素解離触媒層、３６：界面、４０：反応器、４２、４４：円筒管、４８、５０：気体導入管、５６：ヒータ、５８：封着材、６０：排気路、６２：回収路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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