(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質セラミックス支持体上に、酸素イオンを伝導する複合酸化物よりなる混合伝導体粉末と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーとを皮膜形成または含浸させた酸素分離膜であって、多孔質セラミックス支持体が、式、
ＢａＣｅ１−ｘＹｙＯ３−α
を有するものであることを特徴とする、酸素分離膜。
上記式中、ｘは、０．６＜ｘ＜１．０の範囲であり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値である。
【請求項２】
混合伝導体粉末が、一般式、
ＡｘＡ'１−ＸＢｙＢ'１−ｙＯ３−α
を有する複合酸化物よりなるものであることを特徴とする、請求項１に記載の酸素分離膜。
上記式中、０＜ｘであり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値であり、Ａは、ランタノイド元素、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの元素であり、Ａ'は、上記Ａで選択された元素を除く、ランタノイド元素、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの元素であり、Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｔａ、およびＧａよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの元素であり、Ｂ'は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、およびＹよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの元素である。
【請求項３】
多孔質セラミックス支持体が、平均細孔径５０μｍ〜３ｎｍ、および気孔率１０〜５０％を有するものであることを特徴とする、請求項１または２に記載の酸素分離膜。
【請求項４】
複合酸化物よりなる混合伝導体粉末と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーとを同一の溶液中に分散させた分散液を用い、式、
ＢａＣｅ１−ｘＹｙＯ３−α
を有する多孔質セラミックス支持体上に、混合伝導体と無機バインダーを皮膜形成または含浸させることを特徴とする、酸素分離膜の製造方法。
上記式中、ｘは、０．６＜ｘ＜１．０の範囲であり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値である。
【請求項５】
多孔質セラミックス支持体上に、複合酸化物よりなる混合伝導体と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーを皮膜形成または含浸させた後、もしくは皮膜形成または含浸させる際に、多孔質セラミックス支持体側から吸引ポンプで２００ｋＰａ〜１０ｋＰａの圧力で吸引し、粒子同士の密度を高めることを特徴とする、請求項４に記載の酸素分離膜の製造方法。
【請求項６】
複合酸化物よりなる混合伝導体粉末を分散させた分散液を用い、式、
ＢａＣｅ１−ｘＹｙＯ３−α
を有する多孔質セラミックス支持体上に、混合伝導体粉末を、皮膜形成または含浸させた後、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーを分散させた分散液を用い、無機バインダーを、皮膜形成または含浸させることを特徴とする、酸素分離膜の製造方法。
上記式中、ｘは、０．６＜ｘ＜１．０の範囲であり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値である。
【請求項７】
複合酸化物よりなる混合伝導体粉末を分散させた分散液を用い、多孔質セラミックス支持体上に、混合伝導体粉末を、皮膜形成または含浸させた後、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーを分散させた分散液を用い、無機バインダーを、皮膜形成または含浸させる際に、多孔質セラミックス支持体側から吸引ポンプで２００ｋＰａ〜１０ｋＰａの圧力で吸引することを特徴とする、請求項６に記載の酸素分離膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素イオン伝導性、酸素イオン・電子伝導性である混合伝導性を有するセラミックス膜を用いて、酸素含有ガス、主に空気から、酸素ガスもしくは酸素富化ガスを製造するための酸素分離膜、およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空気等の酸素混合気体から酸素を分離精製する酸素分離方法としては、ＰＳＡ（圧力変動吸着法：Pressure Swing Adsorption）、深冷分離法、および膜分離法が用いられてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のＰＳＡや、深冷分離法では、装置が大型であるという問題があった。特に、ＰＳＡでは、吸着・脱着工程を繰り返すため、圧力を調節・切り替えるための設備が必要となるため、装置が複雑となるうえに、耐圧容器を必要とするため、酸素製造コストが比較的高価であるという問題があった。また、深冷分離法では、空気を液化温度まで冷却するために大量の電力を必要とし、エネルギーが多くかかるため、やはり酸素製造コストが比較的高価であるという問題があった。
【０００４】
そのため、複雑な装置や設備が必要でなく、比較的低エネルギーで分離することができる、膜分離法による酸素分離方法が、注目されており、従来、下記の特許文献１に示す膜表面に触媒層を有する混合伝導性酸素分離膜、およびそれを用いた酸素製造方法が知られている。
【特許文献１】特開２００３−１４４８６７号公報  この特許文献１には、酸素を含有する原料ガスから酸素を分離する混合伝導性酸素分離膜であって、混合伝導性膜と、前記混合伝導性膜の原料ガス側の膜表面に設けられた酸素解離性触媒含有層および／または酸素再結合性触媒含有層とを備えているものが開示されている。
【０００５】
ここで、酸素分離膜としては、ペロブスカイト型混合伝導体セラミックスが挙げられる。酸素の透過の機構としては、例えば図１に示すようなものになる。
【０００６】
そしてこの場合、下記の式（１）に示す酸素透過速度の式から、酸素透過速度を速めるためには、膜厚を薄くする必要があるが、強度的な問題から、多孔質セラミックを支持体とした構造となっている。
【数１】
0004990044.tif 000002
【０００７】
しかしながら、上記のような酸素分離膜と多孔質セラミック支持体とでは、熱膨張係数の違いによるピンホールやクラックが発生して、充分な酸素分離機能が果たされないという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、上記の従来技術の問題を解決し、混合伝導体粉末（酸素分離膜粉末）と多孔質セラミック支持体との熱膨張率の違いによるピンホールやクラックの発生を抑制し得る酸素分離膜、およびその製造方法を提供しようとすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、請求項１の酸素分離膜の発明は、多孔質セラミックス支持体上に、酸素イオンを伝導する複合酸化物よりなる混合伝導体粉末と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーとを皮膜形成または含浸させた酸素分離膜であって、多孔質セラミックス支持体が、式、
ＢａＣｅ１−ｘＹｙＯ３−α
を有するものであることを特徴としている。
【００１０】
上記式中、ｘは、０．６＜ｘ＜１．０の範囲であり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の酸素分離膜であって、混合伝導体粉末が、一般式、
ＡｘＡ'１−ＸＢｙＢ'１−ｙＯ３−α
を有する複合酸化物よりなるものであることを特徴としている。
【００１１】
上記式中、０＜ｘであり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値であり、Ａは、ランタノイド元素、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの元素であり、Ａ'は、上記Ａで選択された元素を除く、ランタノイド元素、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの元素であり、Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｔａ、およびＧａよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの元素であり、Ｂ'は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、およびＹよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの元素である。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の酸素分離膜であって、多孔質セラミックス支持体が、平均細孔径５０μｍ〜３ｎｍ、および気孔率１０〜５０％を有するものであることを特徴としている。
【００１３】
請求項４の発明は、酸素分離膜の製造方法であって、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーとを同一の溶液中に分散させた分散液を用い、式、
ＢａＣｅ１−ｘＹｙＯ３−α
を有する多孔質セラミックス支持体上に、混合伝導体と無機バインダーを皮膜形成または含浸させることを特徴としている。
【００１４】
上記式中、ｘは、０．６＜ｘ＜１．０の範囲であり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値である。
請求項５の発明は、請求項４に記載の酸素分離膜の製造方法であって、多孔質セラミックス支持体上に、複合酸化物よりなる混合伝導体と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーを皮膜形成または含浸させた後、もしくは皮膜形成または含浸させる際に、多孔質セラミックス支持体側から吸引ポンプで２００ｋＰａ〜１０ｋＰａの圧力で吸引し、粒子同士の密度を高めることを特徴としている。
【００１５】
請求項６の発明は、酸素分離膜の製造方法であって、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末を分散させた分散液を用い、式、
ＢａＣｅ１−ｘＹｙＯ３−α
を有する多孔質セラミックス支持体上に、混合伝導体粉末を、皮膜形成または含浸させた後、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーを分散させた分散液を用い、無機バインダーを、皮膜形成または含浸させることを特徴としている。
【００１６】
上記式中、ｘは、０．６＜ｘ＜１．０の範囲であり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値である。
請求項７の発明は、請求項６に記載の酸素分離膜の製造方法であって、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末を分散させた分散液を用い、多孔質セラミックス支持体上に、混合伝導体粉末を、皮膜形成または含浸させた後、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーを分散させた分散液を用い、無機バインダーを、皮膜形成または含浸させる際に、多孔質セラミックス支持体側から吸引ポンプで２００ｋＰａ〜１０ｋＰａの圧力で吸引することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の酸素分離膜の発明は、多孔質セラミックス支持体上に、酸素イオンを伝導する複合酸化物よりなる混合伝導体粉末と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーとを皮膜形成または含浸させた酸素分離膜であって、多孔質セラミックス支持体が、式、
ＢａＣｅ１−ｘＹｙＯ３−α
を有することを特徴としている。
上記式中、ｘは、０．６＜ｘ＜１．０の範囲であり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値である。
請求項１の発明によれば、上記多孔質セラミックス支持体上に、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）と、上記無機バインダーを組み合せることで、多孔質セラミックス支持体・酸素分離膜全体の緻密性・密着性が向上する。すなわち、上記無機バインダーは、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）や多孔質セラミックス支持体より焼結温度が低くされ、上記無機バインダーが、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）同士および、多孔質セラミックス支持体との緻密性および密着性が向上することで、熱膨張係数の違いおよび、多孔質セラミックス支持体自体の欠陥部や、多孔質セラミックス支持体への混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）の塗りむらに起因するクラックやピンホールを抑制することができる。
【００１８】
また、本発明によれば、酸素分離膜の製造工程における低温化が可能である。すなわち、通常は、多孔質セラミックス支持体上に形成された複合酸化物よりなる混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）を、粉末同士が溶解する前の状態まで加熱することで、粉末同士を溶着（焼結）させているが、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）や多孔質セラミックス支持体より焼結温度が低い上記無機バインダーを介在させることで、焼結するまでの温度を低くすることができるという効果を奏する。
【００１９】
本発明による酸素分離膜において、混合伝導体粉末は、具体的には、一般式、
ＡｘＡ'１−ＸＢｙＢ'１−ｙＯ３−α
を有する複合酸化物よりなるものである。
【００２０】
上記式中、０＜ｘであり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値であり、Ａは、ランタノイド元素、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの元素であり、Ａ'は、上記Ａで選択された元素を除く、ランタノイド元素、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの元素であり、Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｔａ、およびＧａよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの元素であり、Ｂ'は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、およびＹよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの元素である。
【００２１】
本発明において、このような複合酸化物よりなる混合伝導体粉末を具体的に用いることにより、上記の効果を生じるものである。
【００２２】
本発明による酸素分離膜において、多孔質セラミックス支持体は、平均細孔径５０μｍ〜３ｎｍ、および気孔率１０〜５０％を有するものであるのが、好ましい。
【００２３】
請求項４の発明は、酸素分離膜の製造方法であって、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーとを同一の溶液中に分散させた分散液を用い、式、
ＢａＣｅ１−ｘＹｙＯ３−α
を有する多孔質セラミックス支持体上に、混合伝導体と無機バインダーを皮膜形成または含浸させることを特徴としている。
【００２４】
上記式中、ｘは、０．６＜ｘ＜１．０の範囲であり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値である。
請求項４の発明によれば、上記無機バインダーが、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）同士および、上記多孔質セラミックス支持体との緻密性および密着性が向上することで、熱膨張係数の違いおよび、多孔質セラミックス支持体自体の欠陥部や、多孔質セラミックス支持体への混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）の塗りむらに起因するクラックやピンホールを抑制できる。
【００２５】
また、請求項４の方法によれば、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）や上記多孔質セラミックス支持体より焼結温度が低い、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーを介在させることで、焼結するまでの温度を低くすることができ、酸素分離膜の製造工程における低温化が可能であり、酸素分離膜の製造を、容易かつ安価に実施することができるという効果を奏する。
【００２６】
請求項５の発明は、請求項４に記載の酸素分離膜の製造方法であって、多孔質セラミックス支持体上に、複合酸化物よりなる混合伝導体と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーを皮膜形成または含浸させた後、もしくは皮膜形成または含浸させる際に、多孔質セラミックス支持体側から吸引ポンプで２００ｋＰａ〜１０ｋＰａの圧力で吸引し、粒子同士の密度を高めるものである。
【００２７】
請求項５の発明によれば、上記多孔質セラミックス支持体上に、複合酸化物よりなる混合伝導体と、上記無機バインダーの皮膜形成または含浸を確実に行なうことができるという効果を奏する。
【００２８】
請求項６の発明は、酸素分離膜の製造方法であって、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末を分散させた分散液を用い、式、
ＢａＣｅ１−ｘＹｙＯ３−α
を有する多孔質セラミックス支持体上に、混合伝導体粉末を、皮膜形成または含浸させた後、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーを分散させた分散液を用い、無機バインダーを、皮膜形成または含浸させることを特徴としている。
【００２９】
上記式中、ｘは、０．６＜ｘ＜１．０の範囲であり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値である。
請求項６の発明によれば、上記多孔質セラミックス支持体上に、複合酸化物よりなる混合伝導体と、上記無機バインダーの皮膜形成または含浸を、より一層確実に行なうことができるという効果を奏する。
【００３０】
請求項７の発明は、請求項６に記載の酸素分離膜の製造方法であって、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末を分散させた分散液を用い、多孔質セラミックス支持体上に、混合伝導体粉末を、皮膜形成または含浸させた後、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーを分散させた分散液を用い、無機バインダーを、皮膜形成または含浸させる際に、多孔質セラミックス支持体側から吸引ポンプで２００ｋＰａ〜１０ｋＰａの圧力で吸引する。
【００３１】
請求項７の発明によれば、上記多孔質セラミックス支持体上に、複合酸化物よりなる混合伝導体と、上記無機バインダーの皮膜形成または含浸を、より一層確実に、しかも製造時間を短縮して行なうことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
つぎに、本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３３】
本発明による酸素分離膜は、多孔質セラミックス支持体上に、酸素イオンを伝導する複合酸化物よりなる混合伝導体粉末と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーとを皮膜形成または含浸させた酸素分離膜であって、多孔質セラミックス支持体が、式、
ＢａＣｅ１−ｘＹｙＯ３−α
を有するものであることを特徴としている。
【００３４】
上記式中、ｘは、０．６＜ｘ＜１．０の範囲であり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値である。
本発明の酸素分離膜によれば、上記多孔質セラミックス支持体（基材）、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）、および上記無機バインダーを用いて、ピンホール、およびクラックが無いか、もしくは非常に少なく、酸素分離機能を充分に具備するものである。
【００３５】
本発明による酸素分離膜において、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末は、具体的には、一般式、
ＡｘＡ'１−ＸＢｙＢ'１−ｙＯ３−α
を有するものである。
【００３６】
上記式中、０＜ｘであり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値であり、Ａは、ランタノイド元素、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの元素であり、Ａ'は、上記Ａで選択された元素を除く、ランタノイド元素、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの元素であり、Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｔａ、およびＧａよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの元素であり、Ｂ'は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、およびＹよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの元素である。
本発明による酸素分離膜において、上記多孔質セラミックス支持体は、平均細孔径５０μｍ〜３ｎｍ、および気孔率１０〜５０％を有するものであるのが、好ましい。
【００３７】
ここで、多孔質セラミックス支持体の平均細孔径が、５０μｍを超えると、支持体（基材）の細孔内に混合伝導体粒子が進入し、膜厚が厚くなってしまうため、好ましくない。また、多孔質セラミックス支持体の平均細孔径が、３ｎｍ未満であれば、膜厚自体が厚くなってしまうため、好ましくない。また、多孔質セラミックス支持体の気孔率が、１０％未満であれば、支持体の機械的強度の低下を招く恐れがあるので、好ましくない。多孔質セラミックス支持体の気孔率が、５０％を超えると、支持体（基材）中を拡散するガスの抵抗が大きくなり、酸素透過性能が低下するので、好ましくない。
【００３８】
本発明による酸素分離膜の製造方法は、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーとを同一の溶液中に分散させた分散液を用い、式、
ＢａＣｅ１−ｘＹｙＯ３−α
を有する多孔質セラミックス支持体上に、混合伝導体と無機バインダーを皮膜形成または含浸させることを特徴としている。
【００３９】
上記式中、ｘは、０．６＜ｘ＜１．０の範囲であり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値である。
本発明の酸素分離膜の製造方法において、多孔質セラミックス支持体上に、複合酸化物よりなる混合伝導体と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーを皮膜形成または含浸させた後、もしくは皮膜形成または含浸させる際に、多孔質セラミックス支持体側から吸引ポンプで２００ｋＰａ〜１０ｋＰａの圧力で吸引し、粒子同士の密度を高めるのが、好ましい。
【００４０】
これにより、上記多孔質セラミックス支持体上に、複合酸化物よりなる混合伝導体と、上記無機バインダーの皮膜形成または含浸を確実に行なうことができる。
【００４１】
なお、上記多孔質セラミックス支持体側からの吸引ポンプによる吸引圧力が、２００ｋＰａを超えると、基材中を拡散するガスの抵抗が大きくなり、酸素透過性能が低下するので、好ましくない。また、多孔質セラミックス支持体側からの吸引ポンプによる吸引圧力が、１０ｋＰａ未満であれば、支持体の機械的強度が低下する恐れがあるので、好ましくない。
【００４２】
また、本発明による酸素分離膜の製造方法は、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末を分散させた分散液を用い、式、
ＢａＣｅ１−ｘＹｙＯ３−α
を有する多孔質セラミックス支持体上に、混合伝導体粉末を、皮膜形成または含浸させた後、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーを分散させた分散液を用い、無機バインダーを、皮膜形成または含浸させることを特徴としている。
【００４３】
上記式中、ｘは、０．６＜ｘ＜１．０の範囲であり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値である。
これにより、上記多孔質セラミックス支持体上に、複合酸化物よりなる混合伝導体と、上記無機バインダーの皮膜形成または含浸を、より一層確実に行なうことができる。
【００４４】
あるいはまた、本発明による酸素分離膜の製造方法は、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末を分散させた分散液を用い、多孔質セラミックス支持体上に、混合伝導体粉末を、皮膜形成または含浸させた後、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーを分散させた分散液を用い、無機バインダーを、皮膜形成または含浸させる際に、多孔質セラミックス支持体側から吸引ポンプで２００ｋＰａ〜１０ｋＰａの圧力で吸引する。
【００４５】
これにより、上記多孔質セラミックス支持体上に、複合酸化物よりなる混合伝導体と、上記無機バインダーの皮膜形成または含浸を、より一層確実に、しかも製造時間を短縮して行なうことができる。
【００４６】
なお、上記無機バインダーを分散させた分散液を用い、無機バインダーを、皮膜形成または含浸させる際に、上記多孔質セラミックス支持体側からの吸引ポンプによる吸引圧力が、２００ｋＰａを超えると、酸素分離膜として用いるのに十分な粒子同士の密度を超えるため、経済上好ましくない。また、多孔質セラミックス支持体側からの吸引ポンプによる吸引圧力が、１０ｋＰａ未満であれば、酸素分離膜として用いるのに十分な粒子同士の密度が得られないので、好ましくない。
【００４７】
本発明の酸素分離膜は、多孔質セラミックス支持体上に、酸素イオンを伝導する複合酸化物よりなる混合伝導体粉末と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｎｄ、およびＳｂよりなる群の中から選ばれた元素の酸化物の混合体よりなる無機バインダーとを皮膜形成または含浸させた酸素分離膜であって、多孔質セラミックス支持体が、式、
ＢａＣｅ１−ｘＹｙＯ３−α
を有するものであることを特徴としている。
上記式中、ｘは、０．６＜ｘ＜１．０の範囲であり、ｙ＜０．５であり、αは、電気的中性を保つための数値である。
本発明によれば、上記多孔質セラミックス支持体上に、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）と、上記無機バインダーを組み合せることで、多孔質セラミックス支持体・酸素分離膜全体の緻密性・密着性が向上する。すなわち、上記無機バインダーは、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）や多孔質セラミックス支持体より焼結温度が低くされ、上記無機バインダーが、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）同士および、多孔質セラミックス支持体との緻密性および密着性が向上することで、熱膨張係数の違いおよび、多孔質セラミックス支持体自体の欠陥部や、多孔質セラミックス支持体への混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）の塗りむらに起因するクラックやピンホールを抑制することができる。
【００４８】
また、本発明によれば、酸素分離膜の製造工程における低温化が可能である。すなわち、通常は、多孔質セラミックス支持体上に形成された複合酸化物よりなる混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）を、粉末同士が溶解する前の状態まで加熱することで、粉末同士を溶着（焼結）させているが、複合酸化物よりなる混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）や多孔質セラミックス支持体より焼結温度が低い上記無機バインダーを介在させることで、焼結するまでの温度を低くすることができる。
【００４９】
図２は、上記多孔質セラミックス支持体上に、酸素イオンを伝導する複合酸化物よりなる混合伝導体粉末と、上記無機バインダーとからなる緻密層を形成した本発明の酸素分離膜のモデル図（イメージ図）を示すものである。
【００５０】
本発明の酸素分離膜によれば、上記多孔質セラミックス支持体への複合酸化物よりなる混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）の塗りむらに起因するクラックやピンホールが非常に少なく、酸素分離膜の緻密化が向上しており、酸素透過速度が向上して、酸素含有ガス、主に空気から、酸素ガスもしくは酸素富化ガスを効率よく製造することができるものである。
【００５１】
なお、本発明は、酸素イオン伝導性、酸素イオン・電子伝導性である混合伝導性を有するセラミックス膜を用いて、酸素含有ガス、主に空気から、酸素ガスもしくは酸素富化ガスを製造するための酸素分離膜、および酸素分離膜の製造方法だけでなく、酸素分離膜モジュール、および酸素製造装置にも関わるものである。
【実施例】
【００５２】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５３】
実施例１
本発明の方法により、多孔質セラミックス支持体上に、酸素イオンを伝導する複合酸化物よりなる混合伝導体粉末と、無機バインダーとからなる緻密層が形成されている酸素分離膜を製造した。
【００５４】
ここで、多孔質セラミックス支持体としては、ＢａＣｅ０．８Ｙ０．２Ｏ３−αを使用した。多孔質セラミックス支持体（基材）は、ＢａＣＯ３、ＣｅＯ２、及びＹ２Ｏ３を混合し、カーボンブラック２０重量％混合した粉末をペレット状にし、温度１５５０℃で焼成することにより作製したものを使用した。得られた多孔質セラミックス支持体は、平均細孔径１５μｍ、および気孔率３０％を有するものであった。
【００５５】
調製方法１
工程１：複合酸化物よりなる混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）（Ｃａ０．８Ｓｒ０．２Ｔｉ０．７Ｆｅ０．３Ｏ３−α）と、無機バインダー（バインダーＡ：ＢａＯ・７５％、ＳｉＯ・２５％）の所定量を、イソプロパノールに分散させ、混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）と無機バインダーの混合分散液を調製する。
【００５６】
工程２：上記工程１の混合分散液の超音波処理を１時間行なう。
【００５７】
工程３：上記工程２の分散液を、上記の多孔質セラミックス支持体上に塗布する（スピンコート、５００ｒｐｍ）。
【００５８】
工程４：塗布物を９００℃、３時間カ焼を行なう。
【００５９】
工程５：工程４で得られたサンプルを１４５０℃で焼成を行ない、本発明による酸素分離膜を製造した。
【００６０】
実施例２
調製方法２
工程１：上記実施例１と同じ混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）と、上記実施例１と同じ無機バインダーＡを所定の量をイソプロパノールに分散させ、混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）と、無機バインダーＡの混合分散液を調製する。
【００６１】
工程２：上記工程１の混合分散液の超音波処理を１時間行なう。
【００６２】
工程３：上記工程２の分散液を、上記実施例１と同じ多孔質セラミックス支持体上に塗布する（スピンコート、５００ｒｐｍ）際に、多孔質セラミックス支持体側から吸引ポンプで２０ｋＰａまで吸引を行なう。
【００６３】
工程４：塗布物を９００℃、３時間カ焼を行なう。
【００６４】
工程５：工程４で得られたサンプルを１４５０℃で焼成を行ない、本発明による酸素分離膜を製造した。
【００６５】
実施例３
調製方法３
工程１：上記実施例１と同じ混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）の所定の量をイソプロパノールに分散させ、混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）の分散液を調製する。
【００６６】
工程２：上記工程１の分散液の超音波処理を１時間行なう。
【００６７】
工程３：上記工程２の分散液を、上記実施例１と同じ多孔質セラミックス支持体上に塗布する（スピンコート、５００ｒｐｍ）。
【００６８】
工程４：上記工程３の塗布物を室温下で１時間乾燥させる。
【００６９】
工程５：上記実施例１と同じ無機バインダーＡの所定の量をイソプロパノールに分散させ、無機バインダーＡの分散液を調製する。
【００７０】
工程６：上記工程５の分散液の超音波処理を１時間行なう。
【００７１】
工程７：上記工程４のサンプルを、上記実施例１と同じ多孔質セラミックス支持体側から吸引ポンプで２０ｋＰａまで吸引を行ないながら、上記工程６の分散液につける。
【００７２】
工程８：塗布物を９００℃、３時間カ焼を行なう。
【００７３】
工程９：工程８で得られたサンプルを１４５０℃で焼成を行ない、本発明による酸素分離膜を製造した。
【００７４】
実施例４〜６
上記実施例１〜３の場合と同様にして、本発明による酸素分離膜を製造するが、上記実施例１〜３の場合と異なる点は、無機バインダーとして、バインダーＢ：ＳｒＯ・２５％、ＳｉＯ・２５％、ＣａＯ・１５％、ＢａＯ・２０％、Ａｌ２Ｏ３・１５％を使用した点にある。
【００７５】
実施例４〜６では、上記実施例１〜３の調製方法１〜３におけるバインダーＡを、それぞれバインダーＢに代えて、その他の点は、調製方法１〜３の場合と同様にして、本発明による酸素分離膜を製造した。
【００７６】
酸素透過試験
本発明の実施例１〜６による酸素分離膜の性能を評価するために、酸素透過試験を行なった。
【００７７】
酸素透過試験は、図３に示す酸素透過膜試験装置を用いて実施した。
【００７８】
本発明の実施例１〜６による酸素分離膜を、２本の直径（φ）１３ｍｍ×直径（φ）９ｍｍのα―アルミナ管で挾み、ガラスでシールする。つぎに、試験装置を所定温度（９００℃）まで昇温する。
【００７９】
試験装置の下側からＡｉｒを１００ｃｃ／ｍｉｎで流し、上側にＨｅを流す。そして、試験装置の下側から上側に透過してきたガス成分について、ガスクロマトグラフィー、および石鹸膜流量計で測定し、透過速度を算出した。得られた結果を、図４のグラフに示した。
【００８０】
なお、比較のために、無機バインダーを用いていない従来の混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）／多孔質セラミックス支持体よりなる酸素分離膜を用いて、同様に酸素透過試験を行ない、得られた結果を、図４のグラフにあわせて示した。
【００８１】
実験結果
本発明の実施例１〜６による酸素分離膜、および比較例の従来の酸素分離膜によるそれぞれの酸素透過試験の結果を図４に示した。
【００８２】
図４の縦軸は、酸素透過速度（ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ３ ）である。
【００８３】
一方、図４の横軸は、左側から順に、比較例の混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）／多孔質セラミックス支持体よりなる酸素分離膜、実施例１〜３の混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）・無機バインダーＡ／多孔質セラミックス支持体よりなる酸素分離膜、実施例４〜６の混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）・無機バインダーＢ／多孔質セラミックス支持体よりなる酸素分離膜である。
【００８４】
図４の結果から明らかなように、本発明の実施例１〜６において、無機バインダーを用いた場合は、実施例１〜６のいずれの調製方法であっても、酸素分離膜の緻密化が向上している。このことは、無機バインダーがクラック・ピンホールの抑制に効果的であるためである。そして、本発明の実施例１〜６による酸素分離膜によれば、いずれの場合も、酸素透過速度の向上が確認されており、酸素分離膜の膜厚を薄くできることが確認された。また、通常は１５５０℃で焼成を行なうが、１３５０℃までの低温化ができることもわかった。
【００８５】
これに対し、比較例の従来の混合伝導体粉末（酸素分離膜材料）／多孔質セラミックス支持体よりなる従来の酸素分離膜では、無機バインダーを用いていないため、ピンホール・クラックの発生が非常に多く、これらのピンホールやクラックの存在により、結果として窒素も透過してしまっている。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】酸素分離膜としてペロブスカイト型混合伝導体セラミックスを用いた酸素の透過機構を説明する説明図である。
【図２】本発明による酸素分離膜の要部拡大断面図で、酸素分離膜による酸素の透過機構を示している。
【図３】本発明による酸素分離膜の酸素透過試験装置の概略断面図である。
【図４】本発明の実施例および比較例による酸素透過試験の結果を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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