JP2005279439A - Oxygen separation membrane element, oxygen production method, and reactor - Google Patents
Oxygen separation membrane element, oxygen production method, and reactor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005279439A JP2005279439A JP2004097057A JP2004097057A JP2005279439A JP 2005279439 A JP2005279439 A JP 2005279439A JP 2004097057 A JP2004097057 A JP 2004097057A JP 2004097057 A JP2004097057 A JP 2004097057A JP 2005279439 A JP2005279439 A JP 2005279439A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- separation membrane
- oxygen
- oxygen separation
- membrane element
- catalyst layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims abstract description 396
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 396
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 371
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 263
- 238000000926 separation method Methods 0.000 title claims abstract description 259
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 230000006798 recombination Effects 0.000 claims abstract description 64
- 238000005215 recombination Methods 0.000 claims abstract description 64
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 137
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 85
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 claims description 46
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 claims description 46
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 30
- -1 oxygen ion Chemical class 0.000 claims description 23
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 17
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 9
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 claims description 7
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052747 lanthanoid Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000002602 lanthanoids Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011533 mixed conductor Substances 0.000 claims description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 4
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052713 technetium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 3
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims 1
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 abstract description 48
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 36
- 230000001788 irregular Effects 0.000 abstract description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 134
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 32
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 14
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 11
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 11
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 10
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 7
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 6
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 6
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 6
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 6
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 5
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 5
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 3
- 229910002138 La0.6Sr0.4CoO3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 3
- 230000037427 ion transport Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000013001 point bending Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- ORQBXQOJMQIAOY-UHFFFAOYSA-N nobelium Chemical compound [No] ORQBXQOJMQIAOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- LLQHSBBZNDXTIV-UHFFFAOYSA-N 6-[5-[[4-[2-(2,3-dihydro-1H-inden-2-ylamino)pyrimidin-5-yl]piperazin-1-yl]methyl]-4,5-dihydro-1,2-oxazol-3-yl]-3H-1,3-benzoxazol-2-one Chemical compound C1C(CC2=CC=CC=C12)NC1=NC=C(C=N1)N1CCN(CC1)CC1CC(=NO1)C1=CC2=C(NC(O2)=O)C=C1 LLQHSBBZNDXTIV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004438 BET method Methods 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018921 CoO 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020800 La-Sr-Co Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 description 1
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000005469 granulation Methods 0.000 description 1
- 230000003179 granulation Effects 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002603 lanthanum Chemical class 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000002459 porosimetry Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
【課題】 酸素透過速度の一層高い酸素分離膜エレメントおよびこれを利用した効率の良い酸素製造方法や反応器を提供する。
【解決手段】 酸素分離膜12の表面14および裏面16の少なくとも一方には、一様な大きさの多数の突起24が一定の中心間隔で2方向に沿って規則的に並ぶことから、これが設けられた表面14或いは裏面16の表面積は、大きさや配列方向の不規則な突起が設けられる場合に比較して著しく大きくなる。すなわち、突起24が設けられることによって表面14の表面積が増大されている場合にはイオン化速度が高められ、裏面16の表面積が増大されている場合には再結合速度が高められる。そのため、これらが酸素透過速度を低下させることが好適に抑制されるので、酸素分離膜12が0.5(mm)程度と薄くされることによって膜内における輸送速度が高められることと相俟って、高い透過速度が得られる
【選択図】 図3PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen separation membrane element having a higher oxygen transmission rate and an efficient oxygen production method and reactor using the same.
SOLUTION: At least one of a front surface 14 and a back surface 16 of an oxygen separation membrane 12 is provided with a plurality of projections 24 having a uniform size regularly arranged along two directions at a constant center interval. The surface area of the front surface 14 or the back surface 16 is significantly larger than that in the case where irregular protrusions in the size and arrangement direction are provided. That is, when the surface area of the surface 14 is increased by providing the protrusions 24, the ionization rate is increased, and when the surface area of the back surface 16 is increased, the recombination rate is increased. Therefore, since these are suitably suppressed from reducing the oxygen permeation rate, coupled with the fact that the oxygen separation membrane 12 is thinned to about 0.5 (mm), thereby increasing the transport rate in the membrane, High transmission speed can be obtained. [Selection] Fig. 3
Description
本発明は、酸素を選択的に透過させるための酸素分離膜エレメントおよびその利用に関するものである。 The present invention relates to an oxygen separation membrane element for selectively permeating oxygen and use thereof.
酸素イオン伝導性を有する緻密な酸素分離膜を備え、その酸素分離膜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分離するための酸素分離膜エレメントが知られている。上記酸素分離膜の一面側には、解離や再結合を促進する目的で、必要に応じて、例えば、酸素を解離させ且つイオン化するための解離触媒層が形成され、他面側には酸素イオンを再結合させるための再結合触媒層が形成される。これら解離触媒層および再結合触媒層は、例えば、何れも気体流通が容易な多孔質膜である。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、これを利用することにより、例えば、深冷分離法やPSA(圧力変動吸着)法等に代わる安価な酸素製造法を提供し得る。特に、電子−酸素イオン混合伝導体で酸素分離膜を構成したものでは、その酸素分離膜自体が電子伝導性を有することから、一面および他面を短絡させるための外部電極や外部回路が無用になると共に、両面の電位差によって酸素イオンの移動速度が高められて高い酸素透過速度が得られる利点がある(例えば特許文献1,2等参照)。 Provided with a dense oxygen separation membrane having oxygen ion conductivity, oxygen is dissociated from the gas on one side of the oxygen separation membrane, and ionized oxygen ions are recombined on the other side, thereby allowing oxygen to flow from one side to the other. Oxygen separation membrane elements are known for selective permeation to and separation from the gas. For the purpose of promoting dissociation and recombination, for example, a dissociation catalyst layer for dissociating and ionizing oxygen is formed on one side of the oxygen separation membrane, and oxygen ions are formed on the other side. A recombination catalyst layer is formed to recombine. Each of the dissociation catalyst layer and the recombination catalyst layer is, for example, a porous film that allows easy gas flow. According to such an oxygen separation membrane element, oxygen can be easily separated from a gas containing oxygen. Therefore, by using this, for example, a cryogenic separation method or a PSA (pressure fluctuation adsorption) method can be used. An alternative and inexpensive method for producing oxygen can be provided. In particular, in the case where the oxygen separation membrane is composed of an electron-oxygen ion mixed conductor, the oxygen separation membrane itself has electronic conductivity, so that an external electrode and an external circuit for short-circuiting one surface and the other surface are unnecessary. In addition, there is an advantage that a high oxygen transmission rate can be obtained by increasing the moving speed of oxygen ions by the potential difference between both surfaces (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
また、上記のような酸素分離膜エレメントは、炭化水素の部分酸化反応等の酸化用反応装置の反応器として利用し得る。例えば、酸素分離膜の他面側にメタン(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。なお、このような利用形態においても、触媒層を設けたり、電子−酸素イオン混合伝導体を用いて酸素透過速度を高めれば、反応を促進することができる。
ところで、上記のような酸素分離膜エレメントにおける酸素透過速度は、一面側における酸素の解離速度およびイオン化速度(以下、まとめてイオン化速度という)、膜内におけるイオン輸送速度、および他面側における酸素の再結合速度等によって決定される。酸素分離膜および設けられている場合には触媒層の材質が決まっているとき、イオン輸送速度は一定であって、一面から他面に至るために必要な時間(実質的な輸送速度)は酸素分離膜の膜厚に依存し、イオン化速度および再結合速度は酸素分離膜や触媒層と気体との接触面積の大きさに依存する。そのため、従来から、酸素透過速度を高めることを目的として、酸素分離膜の膜厚を可及的に薄くすると共に、その表面積を可及的に大きくすることが行われている。例えば、上記特許文献1,2においては、一面側および他面側の少なくとも一方の表面を凹凸面に構成することにより、その表面積を増大させている。 By the way, the oxygen permeation rate in the oxygen separation membrane element as described above is the dissociation rate and ionization rate of oxygen on one side (hereinafter collectively referred to as ionization rate), the ion transport rate in the membrane, and the oxygen transport rate on the other side. It is determined by the recombination rate and the like. When the material of the oxygen separation membrane and the catalyst layer is determined, the ion transport rate is constant, and the time required to reach from one side to the other (substantial transport rate) is the oxygen transport rate. Depending on the thickness of the separation membrane, the ionization rate and recombination rate depend on the size of the contact area between the oxygen separation membrane and the catalyst layer and the gas. Therefore, conventionally, for the purpose of increasing the oxygen transmission rate, the thickness of the oxygen separation membrane is made as thin as possible and the surface area thereof is made as large as possible. For example, in Patent Documents 1 and 2, the surface area is increased by forming at least one surface on one side and the other side as an uneven surface.
しかしながら、上記特許文献1,2に記載されているような従来技術では、酸素分離膜の一面および他面に凹凸を設けてその表面積を大きくしても、未だ十分な酸素透過速度を得ることができなかった。 However, in the conventional techniques described in Patent Documents 1 and 2, even if the surface of the oxygen separation membrane is uneven and the surface area is increased, a sufficient oxygen transmission rate can still be obtained. could not.
本発明は、以上の知見に基づいて為されたものであって、その目的は、酸素透過速度の一層高い酸素分離膜エレメントおよびこれを利用した効率の良い酸素製造方法や反応器を提供することにある。 The present invention has been made on the basis of the above knowledge, and an object thereof is to provide an oxygen separation membrane element having a higher oxygen transmission rate, and an efficient oxygen production method and reactor using the same. It is in.
斯かる目的を達成するための第1発明の酸素分離膜エレメントの要旨とするところは、酸素イオン伝導性を有する緻密な酸素分離膜を備え、その酸素分離膜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分離するための酸素分離膜エレメントであって、(a)前記酸素分離膜の一面および他面の少なくとも一方に互いに交差する第1方向および第2方向のそれぞれに沿って一定の中心間隔で並ぶ一様な大きさの多数の突起を含むことにある。 The gist of the oxygen separation membrane element of the first invention for achieving such an object includes a dense oxygen separation membrane having oxygen ion conductivity, dissociated from a gas on one surface side of the oxygen separation membrane, and An oxygen separation membrane element for selectively permeating oxygen from one surface to the other surface and separating it from the gas by recombining ionized oxygen ions on the other surface side, comprising: (a) the oxygen It is to include a plurality of protrusions of a uniform size arranged at a constant center distance along each of the first direction and the second direction intersecting each other on at least one of the one surface and the other surface of the separation membrane.
また、第2発明の酸素製造方法の要旨とするところは、前記第1発明の酸素分離膜エレメントを用い、酸素を含む原料気体をその一面側に供給すると共に、その原料気体から分離された酸素をその他面側から回収することにある。 Further, the gist of the oxygen production method of the second invention is that the oxygen separation membrane element of the first invention is used, a source gas containing oxygen is supplied to the one surface side, and oxygen separated from the source gas is supplied. Is to be recovered from the other side.
また、第3発明の反応器の要旨とするところは、(a)前記第1発明の酸素分離膜エレメントと、(b)その酸素分離膜エレメント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、(c)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、(d)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、含むことにある。 The gist of the reactor of the third invention is that (a) the oxygen separation membrane element of the first invention and (b) a gas containing oxygen is supplied to one surface side of the oxygen separation membrane element. A first gas supply path; (c) a second gas supply path for supplying a gas containing a predetermined compound to the other surface side; and (d) a reaction between oxygen and the predetermined compound on the other surface side. And a gas recovery path for recovering the generated gas.
前記第1発明によれば、酸素分離膜の一面および他面の少なくとも一方には、一様な大きさの多数の突起が一定の中心間隔で少なくとも2方向に沿って規則的に並ぶことから、これが設けられた一面或いは他面の表面積は、大きさや配列方向の不規則な突起が設けられる場合に比較して著しく大きくなる。したがって、その表面積の増大量に応じてイオン化速度または再結合速度が高められるので、両者のうち少なくとも律速因子となるものの速度が高められるように突起形成面を一方或いは両方に定めると共に、その大きさや相互間隔等を上記各速度および酸素分離膜内におけるイオン輸送速度等相互のバランスを考慮して定めることにより、酸素透過速度を高めることができる。 According to the first invention, since at least one of the one surface and the other surface of the oxygen separation membrane has a large number of protrusions of uniform size regularly arranged along at least two directions at a constant center interval, The surface area of one surface or the other surface on which this is provided becomes significantly larger than when irregular projections in the size and the arrangement direction are provided. Therefore, since the ionization rate or the recombination rate is increased according to the amount of increase in the surface area, the projection forming surface is set to one or both so that the rate of at least the rate-limiting factor can be increased, The oxygen permeation rate can be increased by determining the mutual interval and the like in consideration of the mutual balance such as the above speeds and the ion transport rate in the oxygen separation membrane.
例えば、多数の突起が前記一面に設けられた場合においては、従来に比較して酸素分離膜表面と酸素を含む気体との接触面積が著しく増大するので、酸素のイオン化速度が著しく高められる。また、多数の突起が前記他面に設けられた場合においては、その他面の面積すなわち酸素の再結合が行われる面積が著しく増大するので、酸素イオンの再結合速度が著しく高められる。すなわち、一面および他面の何れにおいても、一様な大きさの多数の突起が規則的に配列形成されることによって反応が促進されるのである。このような作用は、酸素分離膜の一面或いは他面に触媒層(解離触媒層或いは再結合触媒層)が設けられているか否かに拘わらず得られるものであり、酸素分離膜エレメントは、一面および他面の少なくとも一方に触媒層を備えたものであっても、両面の何れにも触媒層を備えていないものであっても良い。 For example, in the case where a large number of protrusions are provided on the one surface, the contact area between the oxygen separation membrane surface and the gas containing oxygen is significantly increased as compared with the conventional case, so that the ionization rate of oxygen is significantly increased. Further, when a large number of protrusions are provided on the other surface, the area of the other surface, that is, the area where oxygen is recombined is remarkably increased, so that the recombination rate of oxygen ions is significantly increased. That is, the reaction is promoted by regularly arranging a large number of protrusions of uniform size on one side and the other side. Such an action can be obtained regardless of whether a catalyst layer (dissociation catalyst layer or recombination catalyst layer) is provided on one side or the other side of the oxygen separation membrane. The catalyst layer may be provided on at least one of the other surfaces, or the catalyst layer may not be provided on any of both surfaces.
因みに、本発明者等は従来よりも更に透過速度を高めるために前記特許文献1,2に記載されたスパッタリングやエッチング等によって突起を形成する方法について追試を行ったが、その条件を種々変更して表面積を更に増大させても透過速度に顕著な変化が認められなかった。すなわち、酸素分離膜の表面に凹凸を形成すれば凹凸のない場合に比較して酸素透過速度が飛躍的に向上するものの、表面積との相関が無く、それ以上透過速度を向上させることができなかった。そこで、凹凸の形成方法を種々変更して研究を更に重ねたところ、ダイヤモンド砥石を用いて表面に突起を形成した場合に酸素透過速度が著しく向上する結果を得た。このようにして設けられた突起は前述したような規則的な凹凸を酸素分離膜表面に形成しており、従来技術において透過速度が低く留まっていた理由は、突起の大きさや位置等が不規則になっていたためでは無いかと考えるに至った。不規則な凹凸は微細化が困難であること等に起因して規則的な凹凸に比較すると表面積が小さくなる。上記透過速度の向上はこのような表面積の相違だけに起因するものとは考えられないほど顕著であって作用は明らかではないが、規則的な凹凸を形成すると、スパッタリングやエッチング等によって凹凸を形成した場合からは予測できないほど著しい透過速度の向上が認められたのである。本発明はこのような知見に基づいて為されたものである。 Incidentally, in order to further increase the transmission speed compared with the prior art, the present inventors have made additional tests on the method of forming protrusions by sputtering, etching, etc. described in Patent Documents 1 and 2, but variously changed the conditions. Even when the surface area was further increased, no significant change in permeation rate was observed. That is, if unevenness is formed on the surface of the oxygen separation membrane, the oxygen transmission rate is dramatically improved as compared with the case where there is no unevenness, but there is no correlation with the surface area and the transmission rate cannot be improved further. It was. Therefore, further research was conducted by variously changing the method of forming the irregularities, and as a result, when the projections were formed on the surface using a diamond grindstone, the oxygen transmission rate was remarkably improved. The protrusions thus provided have regular irregularities as described above on the surface of the oxygen separation membrane, and the reason why the permeation speed remained low in the prior art is that the size and position of the protrusions are irregular. I came to think that it was because it was. Irregular irregularities have a smaller surface area than regular irregularities due to the difficulty in miniaturization. The improvement in the transmission speed is so remarkable that it cannot be considered that it is caused only by the difference in surface area, and the effect is not clear. However, when regular irregularities are formed, irregularities are formed by sputtering or etching. From this case, a remarkable improvement in the transmission rate was recognized that could not be predicted. The present invention has been made based on such findings.
また、前記第2発明によれば、上記のような酸素分離膜エレメントの一面側に酸素を含む原料気体を供給すると、その中の酸素が選択的にイオン化されて酸素分離膜を透過させられ、他面側で再結合して回収されることから、原料気体中の酸素が効率よく分離されるので、安価で高効率に酸素を製造することができる。 According to the second invention, when a source gas containing oxygen is supplied to the one surface side of the oxygen separation membrane element as described above, oxygen therein is selectively ionized and permeated through the oxygen separation membrane. Since it is recombined and recovered on the other side, oxygen in the raw material gas is efficiently separated, so that oxygen can be produced at low cost and high efficiency.
また、前記第3発明によれば、上記のような酸素分離膜エレメントが備えられると共に、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、酸素のイオン化速度或いは再結合速度が高められることにより、酸素透過速度が高められることから、他面側に供給される気体中の所定の化合物との反応効率が高められるので、高効率の反応器が得られる。 According to the third aspect of the invention, the oxygen separation membrane element as described above is provided, and a gas containing oxygen from the first gas supply path to the one surface side is predetermined from the second gas supply path to the other surface side. Each of the gases containing the compound is supplied, and the gas generated by the reaction between oxygen and the predetermined compound is recovered from the gas recovery path. Therefore, since the oxygen permeation rate is increased by increasing the ionization rate or recombination rate of oxygen, the reaction efficiency with a predetermined compound in the gas supplied to the other surface side is increased, so that high efficiency is achieved. A reactor is obtained.
なお、前記多数の突起は、酸素分離膜の一面または他面の全面に設けられることが好ましいが、例えば、製造上、取扱い上、或いは構造上の都合等に応じて、突起が設けられない部分があっても差し支えない。また、殆どの突起が規則的に設けられていれば、一部に突起が不規則に設けられたところがあっても本発明の効果を享受し得る。 The above-mentioned many protrusions are preferably provided on the entire surface of one surface or the other surface of the oxygen separation membrane. For example, a portion where the protrusions are not provided depending on manufacturing, handling, or structural reasons. There is no problem even if there is. If most of the protrusions are provided regularly, the effects of the present invention can be enjoyed even if the protrusions are provided irregularly in part.
また、本発明において「緻密な酸素分離膜」とは、酸素透過膜エレメントの使用時において、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ものである。すなわち、ここに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。 In the present invention, “dense oxygen separation membrane” means that the oxygen separation membrane has a structure that does not allow gas molecules in the atmosphere to which the oxygen separation membrane is exposed to permeate in the thickness direction as it is when the oxygen permeable membrane element is used. It means that you are doing. That is, the preciseness mentioned here is not uniquely determined, and it is sufficient if it has the above-described characteristics in the intended use mode.
ここで、好適には、前記酸素分離膜エレメントは、その表面に前記多数の突起に基づく規則的な凹凸を備えたものである。このようにすれば、突起が一面側に備えられた場合においては酸素のイオン化速度が高められ、他面側に設けられた場合においても酸素と反応させる目的で何らかの気体が供給される場合にはその反応速度が高められる。このような効果が得られるのは、酸素分離膜の一面側或いは他面側に供給された気体が、その表面上の全面において略同様な流通抵抗を受け、且つ、規則的な凹凸により形成された真っ直ぐな溝に沿って一方向に流れることによって、酸素分離膜の表面近傍において一様な流通速度が得られると共に整流効果が得られるためと考えられる。すなわち、酸素分離膜エレメントの一面或いは他面に向かって供給された気体がその全体に一様に接触させられることからその表面全体が有効に利用されることにより、効率が高められるものと推定される。 Here, preferably, the oxygen separation membrane element has regular irregularities based on the numerous protrusions on the surface thereof. In this way, when the protrusion is provided on one side, the ionization rate of oxygen is increased, and when some gas is supplied for the purpose of reacting with oxygen even when provided on the other side. The reaction rate is increased. Such an effect is obtained because the gas supplied to one side or the other side of the oxygen separation membrane is subjected to substantially the same flow resistance on the entire surface, and is formed by regular irregularities. It is thought that by flowing in one direction along the straight groove, a uniform flow rate is obtained near the surface of the oxygen separation membrane and a rectifying effect is obtained. That is, since the gas supplied toward one surface or the other surface of the oxygen separation membrane element is uniformly brought into contact with the entire surface, it is estimated that the entire surface is effectively used, thereby improving the efficiency. The
また、好適には、前記酸素分離膜において、前記一面および他面のうち前記多数の突起が備えられた突起形成面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、その触媒層はその突起形成面に倣った凹凸を表面に備えたものである。このようにすれば、触媒層が設けられる場合においても、その表面が平坦とされる場合に比較して酸素透過効率が一層高められる。これは、触媒層の表面に備えられた凹溝によって気体に整流効果等が与えられるためであると推測される。このような触媒層は、例えば、酸素分離膜上に形成された突起の高さ寸法よりも触媒層の厚さ寸法を十分に薄くすることによって設けることができる。また、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。 Preferably, in the oxygen separation membrane, a catalyst layer for promoting dissociation or recombination of the oxygen is provided on a projection forming surface provided with the plurality of projections among the one surface and the other surface, The catalyst layer has unevenness on the surface following the projection forming surface. In this way, even when the catalyst layer is provided, the oxygen permeation efficiency is further enhanced as compared with the case where the surface is flat. This is presumed to be because a rectifying effect or the like is given to the gas by the concave groove provided on the surface of the catalyst layer. Such a catalyst layer can be provided by making the thickness dimension of the catalyst layer sufficiently thinner than the height dimension of the protrusion formed on the oxygen separation membrane, for example. Further, the catalyst layer may be dense or porous, and the oxygen separation membrane can also serve as this.
また、好適には、前記多数の突起は、前記第1方向および前記第2方向の少なくとも一方に沿った断面が矩形を成すものである。すなわち、多数の突起間には断面形状が矩形の溝が備えられる。突起の形状は全面で略一様な大きさおよび形状で設けられている限りにおいて任意に定めることができ、例えば、平面視において菱形、三角形、六角形、円形等、種々の形状としてもよく、また、突起間に断面が長半円或いは半円形状の溝が形成されるものであってもよいが、このようにすれば、断面形状が波打ち形状すなわち突起の側面がなだらかに傾斜する形状に構成されている場合に比較して、酸素分離膜エレメントの表面積を一層大きくすることができる。上記多数の突起は、一層好適には平面視において矩形を成すものであり、更に好適には正方形を成すものである。 Preferably, the plurality of protrusions have a rectangular cross section along at least one of the first direction and the second direction. That is, a groove having a rectangular cross-sectional shape is provided between a large number of protrusions. The shape of the protrusion can be arbitrarily determined as long as it is provided with a substantially uniform size and shape on the entire surface, and may be various shapes such as a rhombus, a triangle, a hexagon, and a circle in plan view, Further, a groove having a semi-circular or semi-circular cross section may be formed between the protrusions, but in this way, the cross-sectional shape is a wavy shape, that is, a shape in which the side surface of the protrusion is gently inclined. Compared with the case where it comprises, the surface area of an oxygen separation membrane element can be made still larger. The plurality of protrusions more preferably form a rectangle in plan view, and more preferably form a square.
また、好適には、前記酸素分離膜は、酸素イオン伝導性および電子伝導性を有する混合伝導体である。このようにすれば、その一面と他面とを短絡させるための外部電極や外部回路等を用いること無くそれらの間で連続的に酸素イオンを透過させ得ると共に、酸素イオンの移動速度が高められるので酸素透過速度が一層高められる利点がある。 Preferably, the oxygen separation membrane is a mixed conductor having oxygen ion conductivity and electron conductivity. In this way, oxygen ions can be continuously transmitted between them without using an external electrode or an external circuit for short-circuiting the one surface and the other surface, and the moving speed of the oxygen ions is increased. Therefore, there is an advantage that the oxygen transmission rate can be further increased.
また、好適には、前記酸素分離膜は、一般式Ln1-xAexMO3(但し、Lnはランタノイド、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Fe、Mn、Ga、Ti、Co、Zr、Ce、Mg、Ge、Zn、Cu、Sc、V、Cr、Ni、Y、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sb、Pb、Bi、Po、Al、In、Sn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)で表される複合化合物、ZrO2系酸化物、CeO2系酸化物のうちから選ばれる1種または2種以上の組合せから成るものである。これらの化合物は何れも緻密であると共に、高い酸素透過速度を有するため、本発明の酸素分離膜材料として好適である。 Preferably, the oxygen separation membrane has a general formula Ln 1-x Ae x MO 3 (where Ln is a lanthanoid, Ae is one or a combination of two or more selected from Ba, Sr, and Ca, M is Fe, Mn, Ga, Ti, Co, Zr, Ce, Mg, Ge, Zn, Cu, Sc, V, Cr, Ni, Y, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, One or a combination of two or more selected from Sb, Pb, Bi, Po, Al, In, and Sn, composite compounds represented by 0 ≦ x ≦ 1), ZrO 2 oxides, CeO 2 oxides It consists of one or a combination of two or more selected from among products. Since these compounds are both dense and have a high oxygen transmission rate, they are suitable as the oxygen separation membrane material of the present invention.
また、好適には、前記酸素分離膜は、Ce2-xZrxO4-σ(但し、0<x<2、0≦σ≦4)、CeGd酸化物、CeSm酸化物、Ba(CaNb)2酸化物、BiVCu酸化物、ZrO2系酸化物のうちから選ばれる1種または2種以上の組合せから成るものである。これらの化合物も、緻密であり且つ高い酸素の透過速度を有するため好適である。特に、Ce系材料によれば、還元雰囲気における酸素イオンの動きが大きくなることが予測される。一層好適には、上記酸素分離膜は、MgO、Al2O3、Y2O3のうちから選ばれる1種または2種以上の組合せを含む材料から成るものである。これらの材料から成る膜は、比較的高い強度を有する利点がある。 Preferably, the oxygen separation membrane is Ce 2-x Zr x O 4-σ (where 0 <x <2, 0 ≦ σ ≦ 4), CeGd oxide, CeSm oxide, Ba (CaNb) It consists of one or a combination of two or more selected from two oxides, BiVCu oxides, and ZrO 2 oxides. These compounds are also suitable because they are dense and have a high oxygen transmission rate. In particular, with Ce-based materials, the movement of oxygen ions in a reducing atmosphere is expected to increase. More preferably, the oxygen separation membrane is made of a material containing one or a combination of two or more selected from MgO, Al 2 O 3 and Y 2 O 3 . Films made of these materials have the advantage of having a relatively high strength.
また、好適には、前記酸素分離膜は、電子伝導性を有する金属または金属酸化物を含む材料から成るものである。このようにすれば、それら金属または金属酸化物によって酸素分離膜に電子伝導性が付与され、或いはその電子伝導性が一層高められるので、酸素イオンの透過速度が一層高められ、延いては透過速度が高められる利点がある。 Preferably, the oxygen separation membrane is made of a material containing a metal or metal oxide having electron conductivity. In this case, the metal or metal oxide imparts electron conductivity to the oxygen separation membrane or further enhances the electron conductivity, so that the transmission rate of oxygen ions is further increased, and consequently the transmission rate. Has the advantage of being enhanced.
また、好適には、前記酸素分離膜は、多孔質支持体上にその一面全体を覆って備えられたものである。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。このようにすれば、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、酸素透過速度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速度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速度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、更に解離触媒層または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。 Preferably, the oxygen separation membrane is provided on the porous support so as to cover the entire surface. This porous support may be located on either the one side or the other side of the oxygen separation membrane. In this way, since the gas can easily pass through the inside of the porous support, by configuring the porous support to have an appropriate thickness dimension, the oxygen separation membrane element machine is not affected without affecting the oxygen transmission rate. Can increase the mechanical strength. Moreover, since the mechanical strength of the oxygen separation membrane element is ensured by the porous support, it becomes possible to reduce the thickness dimension of the oxygen separation membrane to such an extent that the oxygen transmission rate is not limited by the film thickness, The effect of improving the permeation speed by increasing the surface area can be obtained more remarkably. In the case where such a porous support is provided, when a dissociation catalyst layer or a recombination catalyst layer is further provided, one is on the surface of the oxygen separation membrane and the other is the oxygen separation membrane and the porous support. The other side may be provided on the surface of the porous support, preferably in a state of being permeated therewith.
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。 In the above embodiment, “covering the entire surface” means that one surface of the porous support is the same as the surface of the oxygen separation membrane on the side opposite to the porous support when the oxygen separation membrane element is used. It means not being exposed to space. For example, even if one surface of a porous support provided with an oxygen separation membrane in a non-use state is partially exposed, such a mode can be used as long as that part is covered by an apparatus or the like during use. It is included in the above “covering the entire surface”.
また、好適には、前記多孔質支持体は、一般式Ln1-xAexMO3(但し、Lnはランタノイド、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Fe、Mn、Ga、Ti、Co、Zr、Ce、Mg、Ge、Zn、Cu、Sc、V、Cr、Ni、Y、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sb、Pb、Bi、Po、Al、In、Sn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)で表される複合化合物、ZrO2系酸化物、CeO2系酸化物、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)、炭化珪素(SiC)のうちから選ばれる1種または2種以上の組合せから成るものである。多孔質支持体の材質は特に限定されないが、このようにすれば、膜材料との熱膨張差が少なくなり、膜剥離等が一層抑制される。 Preferably, the porous support has the general formula Ln 1-x Ae x MO 3 (where Ln is a lanthanoid, Ae is one or a combination of two or more selected from Ba, Sr, and Ca) , M is Fe, Mn, Ga, Ti, Co, Zr, Ce, Mg, Ge, Zn, Cu, Sc, V, Cr, Ni, Y, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd , Sb, Pb, Bi, Po, Al, In, Sn selected from one or a combination of two or more, a composite compound represented by 0 ≦ x ≦ 1), ZrO 2 oxide, CeO 2 It is composed of one or a combination of two or more selected from oxide, magnesium oxide (MgO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), and silicon carbide (SiC). . The material of the porous support is not particularly limited, but by doing so, the difference in thermal expansion from the film material is reduced, and film peeling and the like are further suppressed.
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。 Preferably, the oxygen separation membrane and the porous support are made of the same material. In this way, since the thermal expansion coefficients of the two coincide with each other, even when heated or cooled during the manufacturing process or in use, damage due to the difference in thermal expansion amount is suitably suppressed.
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。また、膜側のみが還元雰囲気となる場合(例えばCH4を流す場合等)では酸素分離膜が還元膨張することがあるので、このような場合には相互に異なる材料で構成して支持体の熱膨張を相対的に大きくすることが好ましい。 Preferably, the oxygen separation membrane and the porous support are made of materials having different compositions. Since the strength of the entire oxygen separation membrane element must be ensured by the support, the required properties of the support and the oxygen separation membrane are different. For example, when the required strength is relatively high, oxygen separation is required. It is desirable that the membrane and the support are made of different materials. In addition, in the case where only the membrane side is in a reducing atmosphere (for example, when CH 4 is flowed), the oxygen separation membrane may be reduced and expanded. It is preferable to relatively increase the thermal expansion.
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<60(%)の範囲内である。酸素透過速度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、酸素透過速度が著しく低下する。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。 Preferably, the porous support has an average pore diameter r in the range of 0.1 <r <20 (μm) and a porosity p in the range of 5 <p <60 (%). This range is preferable in order to suppress the decrease in the oxygen permeation rate and increase the strength of the oxygen separation membrane element as much as possible. If the pore diameter and the pore diameter are too small, the gas permeation resistance of the porous support increases, so even if the oxygen separation membrane is made thin, the porous support becomes a rate-limiting factor, so the oxygen permeation rate is remarkably high. descend. On the other hand, if the pore diameter and the pore diameter are too large, the mechanical strength is lowered and the function as a support is lost.
また、好適には、前記多数の突起は、高さ寸法が5乃至1000(μm)の範囲内、中心間隔が5乃至1000(μm)の範囲内の微細突起である。突起の強度を保ち且つ気体の整流性を妨げないためには、このような大きさとすることが好ましい。一層好適には、高さ寸法は10乃至500(μm)の範囲内、中心間隔は10乃至500(μm)の範囲内である。例えば、高さ寸法は100(μm)程度、中心間隔(ピッチ)は150(μm)程度が好ましい。 Preferably, the plurality of protrusions are fine protrusions having a height dimension in a range of 5 to 1000 (μm) and a center interval in a range of 5 to 1000 (μm). In order to maintain the strength of the protrusion and not to disturb the gas rectifying property, it is preferable to have such a size. More preferably, the height dimension is in the range of 10 to 500 (μm), and the center distance is in the range of 10 to 500 (μm). For example, the height dimension is preferably about 100 (μm), and the center interval (pitch) is preferably about 150 (μm).
また、好適には、前記解離触媒層は、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、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解離触媒層を構成し得る。 Preferably, the dissociation catalyst layer is a La-Sr-Co-based oxide, a La-Sr-Mn-based oxide, or a platinum-based element. More preferably, it is made of La x Sr 1-x CoO 3 (0 <x <1, preferably x = 0.6). According to such a catalyst, oxygen in the gas supplied to the one surface side of the oxygen separation membrane is suitably ionized, permeated through this, and guided to the other surface side. In addition to the above materials, the catalyst layer is composed of Sm x SrCoO 3 (0 <x <1, preferably x = 0.5), La 1-x Sr x MnO 3 (0 <x <1, preferably x = 0.15), La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 (0 <x <1, 0 <y <1, preferably x = 0.9, y = 0.1) are also preferably used. In addition, the dissociation catalyst layer can also be comprised with the same material as an oxygen separation membrane, and in that case, a dissociation catalyst layer can be comprised with a part of the oxygen separation membrane.
また、好適には、前記再結合触媒層は、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、解離触媒層および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を形成し得る。 Preferably, the recombination catalyst layer includes Ni, Co, Ru, Rh, Pt, Pd, Ir, and the like. Preferably, it is made of Ni formed by reducing NiO. According to such a catalyst, oxygen ions guided to the other surface side of the oxygen separation membrane are suitably recombined, and oxygen is recovered from the other surface side. In addition, even when the dissociation catalyst layer and the recombination catalyst layer are made of any of the materials described above, oxygen can permeate through the grain boundaries or the inside of the grains, so that a porous catalyst layer is formed as well as a porous layer. Can do.
また、好適には、前記酸素分離膜は、前記多孔質支持体が備えられていない態様においては、50乃至5000(μm)の範囲内の厚さ寸法を備えたものであり、前記多孔質支持体が備えられた態様においては1000(μm)以下の厚さ寸法を備えたものである。このようにすれば、酸素分離膜エレメントの機械的強度を確保できる範囲で酸素分離膜の膜厚が十分に薄くされていることから、これが酸素透過速度を律速することが好適に抑制され、高い酸素透過速度を得ることが容易になる。多孔質支持体を備えていない場合には、酸素分離膜自体が十分な機械的強度を有することが必要であるので上記厚さ寸法以上であることが必要であるが、多孔質支持体を備えている場合には、酸素分離膜自体の機械的強度は要求されないため、可及的に薄くすることが望ましいのである。なお、酸素分離膜はその緻密性が保たれる範囲であれば厚さ寸法の下限は特にない。 Preferably, the oxygen separation membrane has a thickness dimension in a range of 50 to 5000 (μm) in an aspect in which the porous support is not provided, and the porous support In the embodiment in which the body is provided, the body has a thickness dimension of 1000 (μm) or less. In this way, since the film thickness of the oxygen separation membrane is sufficiently thin as long as the mechanical strength of the oxygen separation membrane element can be ensured, it is suitably suppressed that the rate of oxygen permeation is limited and is high. It becomes easy to obtain the oxygen transmission rate. If the porous support is not provided, it is necessary that the oxygen separation membrane itself has sufficient mechanical strength, so that it is necessary to have a thickness greater than or equal to the above thickness. In this case, since the mechanical strength of the oxygen separation membrane itself is not required, it is desirable to make it as thin as possible. Note that there is no particular lower limit on the thickness dimension of the oxygen separation membrane as long as its denseness is maintained.
また、前記酸素分離膜エレメントは、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。 Further, the oxygen separation membrane element, other such partial oxidation reactions of oxygen production or hydrocarbons as described above, by supplying the NO x on one side, it can also be used for the reduction.
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、その一面に前記解離触媒層が、他面に前記再結合触媒層がそれぞれ備えられたものである。このような形状であれば、その一面および他面に前記微細突起を形成することが容易である。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。 Preferably, the oxygen separation membrane has a flat plate shape as a whole. Further, in the aspect in which the catalyst layer is provided, the dissociation catalyst layer is provided on one surface, and the recombination catalyst layer is provided on the other surface. With such a shape, it is easy to form the fine protrusions on one surface and the other surface. In an aspect in which such a plate-like oxygen separation membrane is provided on a porous support and a catalyst layer is provided, after the catalyst layers are provided on both sides of the separately formed oxygen separation membrane, the porous support is provided. Alternatively, an oxygen separation membrane element is produced by sequentially forming one catalyst layer, an oxygen separation membrane, and the other catalyst layer on a porous support. Examples of the flat plate shape include a disk shape and a rectangular plate shape.
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解離触媒層が備えられた前記一面に相当し、他方が前記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。 Preferably, the oxygen separation membrane has a cylindrical shape with one end closed. In an embodiment in which a catalyst layer is provided, one of the inner peripheral surface and the outer peripheral surface is provided with the dissociation catalyst layer. It corresponds to the one surface, and the other corresponds to the other surface provided with the recombination catalyst layer. The oxygen separation membrane is not limited to a flat one, and may be such a three-dimensional one. In the aspect in which the gas is supplied to the inner peripheral surface side, for example, a gas introduction tube may be inserted inside the cylindrical oxygen separation membrane and the gas may be supplied from the tip.
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。 Preferably, the porous support has a cylindrical shape with one end closed, and the oxygen separation membrane or the two kinds of catalyst layers and the oxygen separation membrane are sequentially laminated on the inner peripheral surface or the outer peripheral surface thereof. Is provided. In this way, the mechanical strength can be ensured by the porous support even in an aspect in which the oxygen separation membrane element has a cylindrical shape.
また、前記多数の突起、好適には微細突起は、種々の方法で形成することができるが、具体的には例えば以下のものが挙げられる。すなわち、突起を設けていない膜を形成した後、ダイヤモンド砥石等を用いた微細研削加工やレーザ加工等の機械加工を施すのが一例である。また、マイクロ・パターニングした成形型を用いて成形時に多数の突起を形成し、そのまま焼成する方法もある。また、表面にマスキングを施してディップ・コーティングやCVD等によって製膜し、或いはパターニング印刷する等のマイクロ・パターニング製膜方法もある。また、突起を設けていない膜を形成した後、その表面にマスキング処理して化学エッチングにより微細突起を形成することもできる。これらは、形成しようとする突起の大きさや分布密度、精度、製造コスト等に応じて適宜選択される。 Further, the above-mentioned many protrusions, preferably fine protrusions, can be formed by various methods. Specific examples include the following. That is, after forming a film without projections, it is an example to perform mechanical processing such as fine grinding or laser processing using a diamond grindstone or the like. There is also a method in which a large number of protrusions are formed at the time of molding using a micro-patterned mold and fired as it is. There are also micro-patterning film forming methods such as masking the surface to form a film by dip coating or CVD, or patterning printing. Further, after forming a film without projections, the surface can be masked and fine projections can be formed by chemical etching. These are appropriately selected according to the size, distribution density, accuracy, manufacturing cost, etc. of the projections to be formed.
また、好適には、前記酸素分離膜或いは前記多孔質支持体が有底筒状を成し、前記多数の突起がその内周面上に形成される場合において、それら多数の突起は、その筒状内周面の軸心に平行且つその軸心とは一致しない回転軸周りに回転させられる砥石を、その内周面に押し付けつつその軸心周りに回転させることにより形成されたものである。 Preferably, when the oxygen separation membrane or the porous support has a bottomed cylindrical shape and the plurality of protrusions are formed on the inner peripheral surface thereof, the plurality of protrusions are A grindstone that is rotated around a rotation axis that is parallel to and does not coincide with the axis of the inner peripheral surface of the shape is formed by rotating around the axis while pressing the grindstone against the inner peripheral surface.
また、好適には、前記酸素分離膜エレメントは、前記酸素分離膜の一面および他面にそれぞれ前記多数の突起を設けると共に、それら一面および他面上に必要に応じて前記解離触媒層および再結合触媒層を形成した後、これを多孔質支持体の表面に固着することによって製造される。このとき、その一面に前記多数の突起が備えられる場合においては、好適には、酸素分離膜はその他面が多孔質支持体側に位置させられる。このようにすれば、解離触媒層の表面にもその突起に基づく凹凸を残存させ得るので、その凹凸が存在する場合の効果を享受し得る。 Preferably, the oxygen separation membrane element is provided with the plurality of protrusions on one surface and the other surface of the oxygen separation membrane, respectively, and the dissociation catalyst layer and the recombination as necessary on the one surface and the other surface. After the catalyst layer is formed, it is manufactured by fixing it to the surface of the porous support. At this time, in the case where the large number of protrusions are provided on one surface thereof, the other surface of the oxygen separation membrane is preferably positioned on the porous support side. In this way, the surface of the dissociation catalyst layer can have unevenness due to the protrusions, so that the effect when the unevenness exists can be enjoyed.
また、好適には、前記酸素分離膜エレメントは、(a)前記酸素分離膜の構成材料を含む泥漿(スラリ)中に別途製造した前記多孔質支持体を浸漬(ディッピング)してその表面に分離膜泥漿層を形成する浸漬工程と、(b)その分離膜泥漿層を所定温度で焼成して前記多孔質支持体上で焼結させることにより前記酸素分離膜を形成する焼成工程と、(c)形成されたその酸素分離膜の表面に前記多数の突起を形成する突起形成工程と、(d)前記解離触媒層および前記再結合触媒層の一方の構成材料を含む第1触媒泥漿を前記多孔質支持体に含浸させる含浸工程と、(f)その第1触媒泥漿を所定温度で焼成することにより前記解離触媒層および前記再結合触媒層の一方を形成する第1触媒層形成工程と、(g)前記解離触媒層および前記再結合触媒層の他方の構成材料を含む第2触媒泥漿を前記酸素分離膜の表面に塗布する塗布工程と、(h)塗布されたその第2触媒泥漿を所定温度で焼成することにより前記解離触媒層および前記再結合触媒層の他方を形成する第2触媒層形成工程とを、含む工程により製造される。 Preferably, the oxygen separation membrane element comprises: (a) dipping the porous support separately manufactured in slurry containing the constituent material of the oxygen separation membrane to separate it on the surface thereof. A dipping process for forming a membrane slurry layer, and (b) a firing process for forming the oxygen separation membrane by firing the separation membrane slurry layer at a predetermined temperature and sintering it on the porous support, and (c) A projection forming step of forming the plurality of projections on the surface of the oxygen separation membrane formed, and (d) a first catalyst slurry containing one constituent material of the dissociation catalyst layer and the recombination catalyst layer. An impregnation step of impregnating the porous support, and (f) a first catalyst layer forming step of forming one of the dissociation catalyst layer and the recombination catalyst layer by calcining the first catalyst slurry at a predetermined temperature; g) The other structure of the dissociation catalyst layer and the recombination catalyst layer An application step of applying a second catalyst slurry containing a material to the surface of the oxygen separation membrane; and (h) calcining the applied second catalyst slurry at a predetermined temperature to thereby dissociate the catalyst layer and the recombination catalyst. And a second catalyst layer forming step for forming the other of the layers.
なお、上記浸漬工程および分離膜泥漿層形成工程は、所定の厚さの泥漿層が形成されるまで適当な回数だけ繰り返し実施することができる。また、上記酸素分離膜、解離触媒層、および再結合触媒層を形成するに際しては、焼成処理を施す前にそれぞれ必要に応じて乾燥処理が施される。この乾燥処理は、例えば浸漬工程が繰り返される場合には交互に或いは随時に繰り返し実施されても良い。 The dipping step and the separation membrane slurry layer forming step can be repeatedly performed an appropriate number of times until a slurry layer having a predetermined thickness is formed. Moreover, when forming the said oxygen separation membrane, a dissociation catalyst layer, and a recombination catalyst layer, a drying process is performed as needed before performing a baking process. This drying process may be performed alternately or repeatedly as needed, for example, when the dipping process is repeated.
また、上記酸素分離膜、解離触媒層、および再結合触媒層をそれぞれ形成するための泥漿は、上記構成材料の他に、水等の溶媒、バインダ(結合剤)、分散剤等を含むものである。 In addition, the slurry for forming the oxygen separation membrane, the dissociation catalyst layer, and the recombination catalyst layer includes a solvent such as water, a binder (binder), a dispersant, and the like in addition to the constituent materials.
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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following embodiments, the drawings are appropriately simplified or modified, and the dimensional ratios, shapes, and the like of the respective parts are not necessarily drawn accurately.
図1(a)は、本発明の一実施例の酸素分離膜エレメント10を示す平面図、(b)はその側面図であり、図2は、その要部を拡大して示す平面図であり、図3は、その断面構造の一例を拡大して模式的に示す図である。これら図1〜図3において、酸素分離膜エレメント10は、20(mm)程度の直径を備えて全体が薄板円板状を成すものであり、その厚み方向の中間部分を構成する酸素分離膜12と、その表面14および裏面16にそれぞれ備えられた酸素解離触媒層18および酸素再結合触媒層20とから構成されている。
FIG. 1A is a plan view showing an oxygen
上記の酸素分離膜12は、例えばLa0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3或いはLa0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3等のランタン系ペロブスカイトから成り、厚さ寸法が0.5(mm)程度の円板状を成すものである。このランタン系ペロブスカイトは、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、その表面14または裏面16に接した酸素をイオン化して例えば表面14から裏面16に向かって透過させることができる。
The
また、この酸素分離膜12の表面14には、互いに直交する二方向に沿って伸びる多数本の溝22が設けられている。溝22は、図2および図3に示されるように矩形断面を備えたものであって、何れの方向に沿って伸びるものも各々が例えば50(μm)程度の幅寸法Wと100(μm)程度の深さ寸法Dとを有し、例えば100(μm)程度の一様な相互間隔Pを以て設けられている。このため、酸素分離膜12の表面14は、溝22の相互間に、平面視において例えば一辺が100(μm)程度の正方形を成し且つ高さ寸法がD=100(μm)程度の多数の突起24が、互いに直交する二方向に沿って例えばW=50(μm)程度の相互間隔を以て、すなわち150(μm)程度の中心間隔を以て設けられ、これら溝22および突起24により形成された凹凸面になっている。
The
上記溝22は、酸素分離膜12の表面14の略全面に形成されているが、その周縁部には溝22の設けられていない平坦な幅1〜2(mm)程度の円環状領域が存在する。この円環状部分の高さ寸法は、突起24と同一である。なお、裏面16には溝22などは何ら設けられておらず、平坦に構成されている。
The
また、前記酸素解離触媒層18は、例えばLa0.6Sr0.4CoO3から成る多孔質層であって、例えば10(μm)程度の一様な厚さ寸法を以て表面14の略全面に形成されている。この解離触媒層18は、表面14における酸素の解離およびイオン化を促進するために、その表面14の凹凸に倣って設けられたものである。
The oxygen
また、前記酸素再結合触媒層20は、例えばNiOから成る多孔質層であって、例えば100(μm)程度の一様な厚さ寸法を以て裏面16の略全面に形成されている。この再結合触媒層24は、裏面16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る。
The oxygen
但し、これら解離触媒層18および再結合触媒層20は、例えば、表面14および裏面16の何れにおいても、溝22の形成された図1に示される円形領域内或いはそれよりも僅かに広い領域に設けられている。そのため、その触媒層形成領域よりも外側の円環状領域では酸素分離膜12が露出させられている。
However, the
図4は、上記の酸素分離膜エレメント10の製造方法を説明するための工程図である。図4において、造粒工程P1では、例えば平均粒径が1(μm)程度の市販のLa0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3或いはLa0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3粉末、水、成形助剤(バインダ)、および分散剤と混合して泥漿(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)程度の圧力でプレス成形して、例えば直径が25(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酸素分離膜12が得られるように焼成収縮を考慮して定めた値である。次いで、焼成工程P3では、そ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1500(℃)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0.5(mm)程度の厚さ寸法の平板状の膜を得る。
FIG. 4 is a process diagram for explaining the manufacturing method of the oxygen
次いで、突起形成工程P5においては、例えばダイヤモンド砥石等を用いた機械加工により、焼結体すなわち研磨を施した膜の表面14に前記格子状の溝22を形成する。これにより、ダイヤモンド砥石の外周断面の形状に従って、例えば、幅寸法が50(μm)程度、深さ寸法が50(μm)程度で150(μm)程度のピッチで並ぶ前記図3に示されるような矩形断面の溝22が形成される。すなわち、格子状に一定の相互間隔で並ぶ多数の突起24が表面14に形成される。なお、この図3では、溝22の底面がその側面から直角に折れ曲がるように描かれているが、これらは実際にはダイヤモンド砥石の外周断面形状に応じた曲率を以て接続されている。また、ここで利用される加工方法は、形成しようとする溝の大きさや形状或いは酸素分離膜12の構成材料等に応じて適宜のものが採用され、レーザ加工等が用いられてもよい。
Next, in the protrusion forming step P5, the lattice-
次いで、第1触媒塗布工程P6においては、例えば平均粒径が2(μm)程度のLa0.6Sr0.4CoO3粉末を有機溶剤と混合してスラリーを調製して、これを溝22を形成した表面14に塗布し、乾燥工程P7において、例えば100(℃)程度の温度で乾燥する。上記La0.6Sr0.4CoO3粉末は市販の適宜のものを用い得る。また、塗布厚みは後述する焼成工程P10における収縮を考慮して焼成後の膜厚が10(μm)程度になるように適宜定められる。次いで、第2触媒塗布工程P8においては、例えば平均粒径が7(μm)程度のNiO粉末を有機溶剤と混合してスラリーを調製して、これを裏面16に塗布し、乾燥工程P9において、例えば100(℃)程度の温度で乾燥する。上記NiO粉末も市販の適宜のものを用い得る。また、塗布厚みは焼成工程P10における収縮を考慮して焼成後厚みが100(μm)程度になるように定められる。そして、焼成工程P10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、表面14および裏面16に触媒層18,20をそれぞれ焼き付けることにより、前記の酸素分離膜エレメント10が得られる。焼成工程における昇温速度は、例えば1(℃/分)程度である。
Next, in the first catalyst coating step P6, for example, La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 powder having an average particle diameter of about 2 (μm) is mixed with an organic solvent to prepare a slurry, and this is the surface on which the
このようにして製造され、前記のように構成された酸素分離膜エレメント10の酸素透過速度を評価した結果を以下に説明する。なお、酸素透過速度の評価は、図5に示される反応器30を用いて行った。図5において、反応器30は、例えばアルミナ等のセラミックスから成り両端を開放された円筒管32、34が、酸素分離膜エレメント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36,38が挿入されたものである。酸素分離膜エレメント10は、酸素解離触媒層18が設けられている表面14が図5における上側すなわち円筒管32側に位置し、酸素再結合触媒層20が設けられている裏面16が円筒管34側に位置する向きで配置される。また、円筒管32,34の外周側にはヒータ40,40が配置されている。また、円筒管32,34と酸素分離膜エレメント10とは、例えばガラス系等の封着材42,42によって気密に封着されている。なお、気体導入管36,38は、それぞれ酸素分離膜エレメント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。
The results of evaluating the oxygen permeation rate of the oxygen
このような反応器30において、ヒータ40,40で装置内を1000(℃)程度の温度に加熱しつつ、気体導入管36から空気すなわち酸素を含む気体を円筒管32内に導入すると共に、燃料側すなわち気体導入管38から純メタンガス等の炭化水素を導入する。空気導入量およびメタンガス導入量は例えば何れも10〜200(cc/min)程度である。なお、測定に先立ち、例えばヒータ40,40によって円筒管34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38から円筒管34内に供給し、還元雰囲気下で加熱する。これにより、下面16に備えられている再結合触媒層24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。
In such a
上記のように気体導入管36から導入された空気は、酸素分離膜エレメント10の表面すなわち解離触媒層18および酸素分離膜12の表面14に接触しつつ、気体導入管36と円筒管32との間に形成された排気路44を通って図5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12およびその表面14に設けられた解離触媒層18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12を通って表面14側から裏面16側に向かって図5に矢印で示されるように輸送される。また、表面14には多数本の互いに直交する溝22が形成されることによって規則的に並ぶ多数の突起24が備えられているので、表面14近傍に到達した気体は、前記の図2に矢印で示されるようにその溝22に沿って流れつつ(すなわち整流されつつ)、その溝22の底面および突起24の側面および頂面から成る広い面積を以て酸素分離膜12に接触させられる。そのため、表面積が増大すると共に乱流が防止されることにより、接触機会が飛躍的に高められるので、空気中の酸素と酸素分離膜12との反応性が著しく高められ、酸素のイオン化速度が著しく高められる。
The air introduced from the
そして、裏面16に到達した酸素イオンは、その酸素分離膜12およびその裏面16に設けられた再結合触媒層20の再結合作用により酸素分子となり、その裏面16から取り出される。これにより、酸素が表面14側から裏面16側に透過することになる。しかしながら、酸素分離膜12は前述したように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。
The oxygen ions that have reached the
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38から導入されたメタンガス等とその裏面16上、再結合触媒層20内、或いはそれらの近傍において反応させられ、下記(1)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38と円筒管34との間に形成された回収路46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、本実施例においては、表面14が一面に、裏面16が他面にそれぞれ対応する。また、上記の説明から明らかなように、気体導入管38からメタンガスを導入しない場合には、回収路46から酸素を回収することができ、反応器30を酸素製造装置として用いることができる。
CH4+1/2O2 → CO+2H2 ・・・(1)
In addition, the oxygen that has permeated in this way is in the form of ions or recombined, and then on methane gas or the like introduced from the
CH 4 + 1 / 2O 2 → CO + 2H 2 (1)
上記の試験を例えば3時間程度の時間で行い、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た評価結果を、酸素分離膜エレメント10とは構成の相違する他の実施例および比較例と併せて下記の表1に示す。なお、酸素透過速度は、合成ガス中の酸素濃度と流量、および酸素分離膜エレメント10の酸素透過部面積から算出した。下記の表1において、実施例1が上述した構成を備えたものである。また、実施例2は、表面14に代えて裏面16に突起24を設け、その突起形成面に前記再結合触媒層20を20(μm)程度の厚さ寸法で形成すると共に、平坦な表面14に前記解離触媒層18を100(μm)程度の厚さ寸法で形成したものである。また、実施例3は、表面14および裏面16の両者に突起24を前記実施例と同様な形態で設け、両面に形成された凹凸に倣って解離触媒層18および再結合触媒層20を20(μm)程度の厚さ寸法で形成したものである。また、比較例1は、表面14および裏面16の何れにも突起24が形成されておらず、それぞれに解離触媒層18および再結合触媒層20を100(μm)程度の厚さ寸法で形成したものである。また、比較例2は、表面14にサンドブラスト処理によって不規則な凹凸を形成したものである。また、比較例3は、裏面16にサンドブラスト処理によって不規則な凹凸を形成したものである。また、比較例4は、表面14および裏面16の何れにもサンドブラスト処理によって不規則な凹凸を形成したものである。なお、実施例2、3、および比較例の何れにおいても、上述した他は実施例1と同様に構成されており、例えば、触媒層18,20の焼付け処理は1000(℃)で1時間加熱するものとした。
The above test is performed for about 3 hours, for example, and the evaluation results obtained by measuring the synthesis gas and the exhaust gas by gas chromatography are shown below together with other examples and comparative examples having different configurations from the oxygen
[表1]
実施例 比較例
酸素分離膜構成材料 1 2 3 1 2 3 4
La0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3 9.8 9.2 15.5 4.2 6.9 6.6 7.8
La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 8.6 7.9 13.2 3.8 6.2 5.8 7.2
酸素透過速度(cc/min/cm2)
[Table 1]
Examples Comparative examples
Oxygen separation membrane constituent material 1 2 3 1 2 3 4
La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3 9.8 9.2 15.5 4.2 6.9 6.6 7.8
La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 8.6 7.9 13.2 3.8 6.2 5.8 7.2
Oxygen transmission rate (cc / min / cm 2 )
上記の表1から示されるように、突起が全く設けられていない比較例1の酸素透過速度が著しく低いのは当然であるとしても、比較例2〜4では、突起を設けたにも拘わらず実施例1〜3ほどには酸素透過速度が向上しない。規則的な突起24を形成した実施例1〜3は、突起が形成されていない或いは不規則な突起が形成された比較例の2倍前後の酸素透過速度を有しており、このことから、規則的な突起24を設けることによって酸素透過速度が著しく向上することが明らかである。これは、規則的な突起24を設けた構造の方が、不規則な突起を設ける場合に比較して表面積が著しく大きくなることが一要因になっているものと推定される。また、実施例1,2と3との対比から、両面に突起24を設ける方が高い効果の得られることが判る。
As shown in Table 1 above, although it is natural that the oxygen transmission rate of Comparative Example 1 in which no protrusion is provided is extremely low, in Comparative Examples 2 to 4, although the protrusion is provided, The oxygen transmission rate is not improved as much as in Examples 1-3. Examples 1 to 3 in which the
また、突起24のピッチおよび幅寸法の両方或いは一方を変えて酸素分離膜12の表面積を0.8倍、1.2倍に変更した場合の酸素透過速度を測定したところ、下記の表2に示す結果が得られた。すなわち、実験した範囲内では、表面積が大きいほど高い透過速度が得られることが確かめられた。なお、表2において、LSGF、LSTFは、それぞれ前記の表1に示される二種の材料であり、面積1.0のものは、表1に示される実施例1と同一のものである。
Further, when the oxygen permeation rate was measured when the surface area of the
[表2]
面積 0.8 1.0 1.2(相対値)
LSGF 8.1 9.8 11.0
LSTF 7.0 8.6 9.9
酸素透過速度(cc/min/cm2)
[Table 2]
Area 0.8 1.0 1.2 (relative value)
LSGF 8.1 9.8 11.0
LSTF 7.0 8.6 9.9
Oxygen transmission rate (cc / min / cm 2 )
要するに、本実施例によれば、酸素分離膜12の表面14および裏面16の少なくとも一方には、一様な大きさの多数の突起24が一定の中心間隔で2方向に沿って規則的に並ぶことから、これが設けられた表面14或いは裏面16の表面積は、大きさや配列方向の不規則な突起が設けられる場合に比較して著しく大きくなる。すなわち、突起24が設けられることによって表面14の表面積が増大されている場合には、前述したように酸素のイオン化速度が高められ、裏面16の表面積が増大されている場合には、その裏面16上に設けられる再結合触媒層20と酸素分離膜12との界面が著しく増大させられることにより、再結合速度が高められる。そのため、これらが酸素透過速度を低下させることが好適に抑制されるので、酸素分離膜12が0.5(mm)程度と薄くされることによって膜内における輸送速度が高められることと相俟って、高い透過速度が得られるのである。
In short, according to the present embodiment, a large number of
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実施例において、前述した実施例と共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。 Next, another embodiment of the present invention will be described. In the following embodiments, portions common to the above-described embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
図6に示される酸素分離膜エレメント50は、酸素分離膜52の表面14および裏面16の何れにも溝22が設けられ、規則的に並ぶ多数の突起24が形成されたものである。すなわち、この酸素分離膜52は、前記の酸素分離膜12において、裏面16にも溝22を設けたものである。このように、両面に規則的な突起24を形成すれば、何れにおいても表面積が著しく増大させられる等の理由により、イオン化速度や再結合速度が高められる。なお、この酸素分離膜エレメント50には、前記の解離触媒層18および再結合触媒層20が設けられておらず、酸素分離膜52のみで構成されている。前記の触媒層18,20は、イオン化速度および再結合速度を高めるためのものであって、構成上必須のものではない。すなわち、要求される酸素透過速度に応じ、触媒層18,20の一方のみを設け、或いは、両方とも設けなくともよい。
The oxygen
なお、図6においては、溝22および突起24が表面14および裏面16の同一位置に同一の大きさおよび相互間隔で設けられているが、これらは同一である必要はない。すなわち、必要な表面積の大きさ等に応じて、異なる位置に異なる大きさや相互間隔で設けられていても差し支えない。また、溝22の向きすなわち突起24の配列方向も、表面14および裏面16が同一である必要はない。
In FIG. 6, the
図7に示される酸素分離膜エレメント54は、上記の酸素分離膜エレメント50に解離触媒層18および再結合触媒層56が設けられたものに相当する。これら2つの触媒層のうち、解離触媒層18は前記酸素分離膜エレメント10の場合と同様に設けられているが、再結合触媒層56は、溝22を完全に埋め尽くし、その裏面16上において比較的厚く、例えば200(μm)程度の厚さ寸法で設けられている。このような酸素分離膜エレメント54も、前記反応器30に取り付けて使用することが可能である。
The oxygen
この酸素分離膜エレメント54によれば、酸素分離膜52の表面14側においては、前述したように表面積の増大と整流効果とによってイオン化速度が高められる。一方、裏面16側においては、整流効果が得られない代わりに触媒層56が厚くされることによって酸素イオンと触媒との接触機会が高められるので、再結合速度が高められ、延いては酸素透過速度が高められる利点がある。すなわち、整流による効果および触媒との接触機会増大による効果の何れの寄与が大きいかの別により、本実施例の表面14側のように溝22による凹凸が触媒層表面に残るようにその厚さを定めてもよく、裏面16側のように溝22が埋まるように厚くすることも可能である。
According to the oxygen
図8に示す酸素分離膜エレメント58は、多孔質支持体60上に酸素分離膜62が設けられたものである。この図8において、(a)は全体を模式的に示したものであり、(b)は、酸素分離膜62側の一部を拡大して示す断面図である。図8(b)において、多孔質支持体60は例えばLa0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3或いはLa0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3等のペロブスカイトから成るものであって、例えば3(mm)程度の厚さ寸法を備えた直径が20(mm)程度の円板である。また、酸素分離膜62は、多孔質支持体60と同様な、例えば同組成のペロブスカイト材料から成るものであるが、緻密質に構成されたものである。
An oxygen
上記の多孔質支持体60の裏面64には例えば再結合触媒層66が100(μm)程度の一様な厚さ寸法で形成されている。この再結合触媒層66は、一部が多孔質支持体60内に入り込んだ状態で、すなわち一部が浸透させられた状態で設けられている。但し、完全に内部(すなわち例えば酸素分離膜62の近傍まで)に浸透させられた状態であっても差し支えない。また、酸素分離膜62は、多孔質支持体60の表面68に、例えば300(μm)程度の厚さ寸法を以て設けられている。この酸素分離膜62も、再結合触媒層66と同様に多孔質支持体60に一部が浸透させられた状態で設けられている。また、酸素分離膜62の表面14には、前記酸素分離膜12,52と同様に多数本の溝22が設けられることにより、規則的に並ぶ多数の突起24が備えられている。また、その表面14には、解離触媒層18が備えられている。このような酸素分離膜エレメント58によれば、全体の機械的強度が多孔質支持体60によって確保されることから、酸素分離膜62を一層薄くして酸素透過速度を一層高めることが容易である。なお、図8(a)においては、図示の都合上酸素分離膜62の表面14および解離触媒層18の表面が平坦に描かれている。
For example, a
上記の酸素分離膜エレメント58は、例えば、多孔質支持体60を用意して、図9に示される製造工程に従って製造されたものである。多孔質支持体60は、例えば以下の製造工程によって製造される。先ず、多孔質材料粉末をバインダおよび分散剤等と混合して混練した後、例えば100(℃)程度の温度で24時間程度乾燥し、凝集体を製造する。この多孔質材料粉末としては、例えば市販の前記組成のペロブスカイト原料を用い得る。次いで、これをボールミル等で解砕し、例えば100(MPa)程度の圧力で加圧成形することにより、例えば直径20(mm)程度、厚さ3(mm)程度の円板を成形する。次いで、成形体を所定の焼成温度、例えば1500(℃)程度の温度で3時間程度加熱する。これにより、多孔質支持体60が得られる。
The oxygen
このようにして多孔質支持体60を製造した後、図9において、浸漬工程R1では、酸素分離膜62の構成材料粉末を溶媒、バインダ、および分散剤と共にボールミル等を用いて混合してスラリーを調製し、このスラリー中に多孔質支持体60の表面68側を浸漬(ディップ)する。これにより、多孔質支持体60の表面68側の表層部に略均等にスラリーを含浸させる。この次いで、乾燥工程R2においては、例えば60(℃)程度の温度で4時間程度乾燥し、更に、焼成工程R3において例えば大気中にて1500(℃)程度の温度で3時間程度加熱することにより、酸素分離膜62が多孔質支持体60上に形成される。上記の浸漬工程R1および乾燥工程R2は、所望の例えば0.3(mm)程度の膜厚が得られるように適宜の回数繰り返される。また、酸素分離膜62の膜厚の調節は、スラリー粘度や浸漬時間等を調節することでも行われる。
After the
次いで、突起形成工程R4においては、例えばダイヤモンド研削機械加工により、溝幅0.05(mm)程度、突起幅(すなわち溝22の相互間隔)0.1(mm)程度、深さ0.1(mm)程度の規則的な微細突起機構を形成する。 Next, in the protrusion forming step R4, for example, by diamond grinding machining, the groove width is about 0.05 (mm), the protrusion width (that is, the mutual interval between the grooves 22) is about 0.1 (mm), and the depth is about 0.1 (mm). A fine protrusion mechanism is formed.
次いで、含浸工程R5においては、例えば、Ni系酸化物に水等の分散媒、バインダ、分散剤等を添加したスラリーを調製し、これに多孔質支持体60の裏面64側を例えば3時間程度の予め定められた時間だけ浸漬する。浸漬後、乾燥工程R6において、例えば100(℃)程度の温度で5時間程度乾燥し、その後、焼成工程R7において、例えば1000(℃)程度の温度で1時間程度加熱することにより焼成する。最高保持温度1000(℃)までの昇温速度は、例えば1(℃/分)程度である。これにより、多孔質支持体60に一部が侵入した状態でその裏面64に再結合触媒層66が形成される。再結合触媒層66の厚さ寸法は、スラリー粘度や浸漬時間等を調節することで制御される。なお、再結合触媒層66は多孔質であることから、このように多孔質支持体60の表層部に含浸形成されてもその多孔質支持体60の通気性は何ら阻害されない。
Next, in the impregnation step R5, for example, a slurry in which a dispersion medium such as water, a binder, a dispersing agent, etc. is added to a Ni-based oxide is prepared, and the
次いで、塗布工程R8においては、前記解離触媒層18の構成材料粉末を水に分散させたスラリーを調製し、これを酸素分離膜62の表面14に塗布し、乾燥工程R9において例えば100(℃)程度の温度で乾燥した後、焼成工程R10において、例えば1000(℃)程度の温度で1時間程度加熱することにより焼成する。この場合も、昇温速度は例えば1(℃/分)程度である。これにより、解離触媒層18が酸素分離膜62の表面14に形成される。この厚さ寸法は、スラリーの粘度や塗布厚みの調整、塗布回数の変更等で適宜調節される。
Next, in the application step R8, a slurry is prepared by dispersing the constituent material powder of the
このようにして製造され、前記のような構造を備えた酸素分離膜エレメント58の多孔質支持体60の構成を種々変更して酸素透過速度等を測定した結果を説明する。評価結果を下記の表3、図10、および図11に示す。酸素分離膜62の厚さ寸法は、突起高さを0.1(mm)、突起が存在する部分の厚さ(総厚み)を0.2(mm)とした。また、下記の表3において、実施例4は、多孔質支持体60および酸素分離膜62をLa0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3(LSGF)で構成したものであり、実施例5は、La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3(LSTF)で構成したものである。また、細孔径、気孔率、曲げ強度は何れも多孔質支持体60の特性値である。なお、細孔径および気孔率は、水銀圧入法或いはBET法(例えば窒素吸着法)によって測定した。また、酸素透過速度は、前記の酸素分離膜エレメント10と同様に、図5に示される反応器を用いて行った。また、曲げ強度は三点曲げ強度であって、JIS R1601に従ってによって測定した値である。
The results of measuring the oxygen permeation rate and the like by variously changing the configuration of the
[表3]
細孔径 気孔率 酸素透過速度 曲げ強度
13(μm) 35(%) 17.0(cc/min/cm2) 20(MPa)
10 28 16.5 25
実施例4 8 17 13.2 40
(LSGF) 5 8 7.8 65
<0.1 <2.5 0.8 170〜200
10 35 16.1 15
8.5 27 15.6 25
実施例5 6 17 12.2 30
(LSTF) 5 10 7.3 55
<0.1 <2.5 0.5 150〜180
[Table 3]
Pore diameter Porosity Oxygen permeation rate Bending strength
13 (μm) 35 (%) 17.0 (cc / min / cm 2 ) 20 (MPa)
10 28 16.5 25
Example 4 8 17 13.2 40
(LSGF) 5 8 7.8 65
<0.1 <2.5 0.8 170-200
10 35 16.1 15
8.5 27 15.6 25
Example 5 6 17 12.2 30
(LSTF) 5 10 7.3 55
<0.1 <2.5 0.5 150-180
上記の表3および図10、図11に示されるように、酸素透過速度は、多孔質支持体60の細孔径および気孔率が大きくなるほど高くなる傾向にある。しかしながら、それに伴って多孔質支持体60の曲げ強度が低下する傾向にあるので、多孔質支持体60は、これらのバランスを考慮してその細孔径および気孔率を決定する必要がある。すなわち、十分に大きい酸素透過速度を得るためには、細孔径を0.1(μm)より大きく、気孔率を5(%)より大きくすることが好ましい。また、多孔質支持体60の曲げ強度を十分に高く保って酸素分離膜エレメント58全体の強度を確保し、延いては酸素分離膜62の膜厚を十分に薄くするためには、細孔径を20(μm)よりも小さくすると共に、気孔率を60(%)よりも小さくすることが望ましい。したがって、この両者の兼ね合いにより、多孔質支持体60を備える態様では、その平均細孔径が0.1〜20(μm)の範囲内(上下限を含まず)、気孔率が5〜60(%)の範囲内(上下限を含まず)であることが望ましいことになる。
As shown in Table 3 and FIGS. 10 and 11, the oxygen transmission rate tends to increase as the pore diameter and porosity of the
図12に示す酸素分離膜エレメント70は、上記のような多孔質支持体60上に再結合触媒層72を介して酸素分離膜62が設けられたものであり、酸素分離膜62側の一部を拡大した断面図を示している。図12において、多孔質支持体60は例えばLSGF、LSTF、安定化ジルコニア等から成るものであって、例えば3(mm)程度の厚さ寸法を備えている。また、その表面64に例えば再結合触媒層66が100(μm)程度の一様な厚さ寸法で形成されており、酸素分離膜62は、例えば300(μm)程度の厚さ寸法を以てその再結合触媒層66の上に設けられている。酸素分離膜62の表面14には、前記酸素分離膜12,52と同様に多数本の溝22が設けられることにより、規則的に並ぶ多数の突起24が備えられている。また、その表面14には、解離触媒層18が備えられている。
An oxygen
すなわち、多孔質支持体60および再結合触媒層72は、何れも多孔質であるから、このように何れが酸素分離膜62側に設けられても差し支えない。何れにしても、空気が導入される表面14側において、溝22による整流効果と表面積増大効果とを得ることができる。
That is, since both the
図13に示す酸素分離膜エレメント74は、上記の酸素分離膜エレメント70の構成を僅かに変更したものであって、酸素分離膜76の表面14および裏面16の何れにも溝22が備えられ且つ多孔質支持体60上に固着された構成例である。この態様においては、酸素分離膜裏面16の凹凸を完全に埋め尽くす再結合触媒層78が備えられており、その再結合触媒層78を介して多孔質支持体60に固着されている。
An oxygen
このような酸素分離膜エレメント74は、例えば、両面に溝22を備えた酸素分離膜76を製造し、その表面14に例えば解離触媒層18を、裏面16に再結合触媒層78をそれぞれ図に示されるように前者は凹凸に沿って、後者は凹凸を埋めるように固着し、その後、多孔質支持体60に固着することによって製造される。このような構成とすれば、前記図12に示される構成に比較して酸素分離膜76と再結合触媒層78がとの界面が増大するので、再結合速度が向上する利点がある。
Such an oxygen
図14は、本発明がチューブ状の酸素分離膜エレメント80に適用された構成例を説明するためのその先端封止部近傍を示す模式図である。酸素分離膜エレメント80は、チューブ状の酸素分離膜82の例えば外周面84に再結合触媒層86が、内周面88に解離触媒層90がそれぞれ設けられたものである。これら各部の構成材料は、例えば前述の実施例と同様なものを用い得る。
FIG. 14 is a schematic diagram showing the vicinity of the tip sealing portion for explaining a configuration example in which the present invention is applied to a tubular oxygen
また、酸素分離膜82の外周面84には、前記溝22と同様な多数本の溝92が、その周方向および長手方向に沿って交差して設けられている。そのため、本実施例においても、規則的に並ぶ多数の突起94が外周面84に備えられている。但し、その突起94によって形成された凹凸は、再結合触媒層86に埋め尽くされており、この結果、酸素分離膜エレメント80の内周面88および外周面84は、何れも巨視的に見て略平滑な面になっている。
A large number of
また、酸素分離膜82の内周部には、気体導入管96が挿入されている。この気体導入管96は、例えば、前記の気体導入管36,38と同様に構成されたものである。
A
この酸素分離膜エレメント80は、図に示されるように、気体導入管96から酸素含有ガスを導入する一方、その外周側に例えばメタンガスを供給して用いられる。これにより、酸素分離膜82を透過した酸素によるメタンの部分酸化反応が生じ、前述した反応器30の場合と同様に、合成ガスを回収することができる。なお、図においては、メタンガスの供給路と合成ガスの回収路とを省略して概念的に示している。このように、酸素分離膜エレメントは、円板状等の平板状に限られず、チューブ状等の種々の形状を取り得るのである。
As shown in the drawing, the oxygen
図15に示される酸素分離膜エレメント98は、上記の酸素分離膜エレメント80と内外が反対になった構成を備えている。このように内周面88に突起100を設けた構成としてもよい。なお、このようなチューブ状の態様においても、もちろん、触媒層を設けない構成とすることも、触媒層を凹凸面に沿って形成する構成とすることも可能である。例えば、酸素分離膜エレメント98において、内周面88に例えば解離触媒層90をその表面に規則的な凹凸が生じるように薄い層厚で設ければ、前述した整流効果を同様に得ることが可能である。
An oxygen
図16に示される酸素分離膜エレメント102は、内周側にチューブ状の多孔質支持体104を備えたものである。この多孔質支持体104の外周面には、例えば再結合触媒層106が備えられ、その外周面に緻密な酸素分離膜108が設けられている。酸素分離膜108の外周面には、多数本の溝110がその周方向および軸方向に沿って格子状に形成されており、この結果、規則的に並ぶ多数の突起112がその外周面には備えられている。そして酸素分離膜108の外周面に備えられた解離触媒層114は、その溝110および突起112によって形成された凹凸面に沿って形成されており、その表面には規則的な突起が生じている。
An oxygen
このように構成された酸素分離膜エレメント102は、例えば、その外周側に空気を供給すると共に、内周側にメタンガスを供給することにより、上記各実施例と同様に酸素を外周面から内周面に向かって透過させ、部分酸化反応に利用することができる。
The oxygen
なお、以上の実施例において、酸素分離膜12,52,62等の凹凸(溝22,突起24)は、必要に応じて、再結合触媒層側にも設けられていてもよく、再結合触媒層側のみに設けられていてもよい。
In the above embodiment, the irregularities (
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。 As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail with reference to drawings, this invention can be implemented also in another aspect, A various change can be added in the range which does not deviate from the main point.
10:酸素分離膜エレメント、12:酸素分離膜、14:表面、16:裏面、18:酸素解離触媒層、20:酸素再結合触媒層、22:溝、24:突起 10: oxygen separation membrane element, 12: oxygen separation membrane, 14: front surface, 16: back surface, 18: oxygen dissociation catalyst layer, 20: oxygen recombination catalyst layer, 22: groove, 24: protrusion
Claims (15)
前記酸素分離膜の一面および他面の少なくとも一方に互いに交差する第1方向および第2方向のそれぞれに沿って一定の中心間隔で並ぶ一様な大きさの多数の突起を含むことを特徴とする酸素分離膜エレメント。 Provided with a dense oxygen separation membrane having oxygen ion conductivity, oxygen is dissociated from the gas on one side of the oxygen separation membrane, and ionized oxygen ions are recombined on the other side, thereby allowing oxygen to flow from one side to the other. An oxygen separation membrane element for selectively permeating into and separating from the gas,
It includes a plurality of protrusions of uniform size arranged at a constant center interval along each of the first direction and the second direction intersecting each other on at least one of the one surface and the other surface of the oxygen separation membrane. Oxygen separation membrane element.
その酸素分離膜エレメント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、含むことを特徴とする反応器。
The oxygen separation membrane element according to any one of claims 1 to 13,
A first gas supply path for supplying a gas containing oxygen to one surface side of the oxygen separation membrane element;
A second gas supply path for supplying a gas containing a predetermined compound to the other surface side;
And a gas recovery path for recovering a gas generated by the reaction between oxygen and the predetermined compound on the other surface side.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004097057A JP2005279439A (en) | 2004-03-29 | 2004-03-29 | Oxygen separation membrane element, oxygen production method, and reactor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004097057A JP2005279439A (en) | 2004-03-29 | 2004-03-29 | Oxygen separation membrane element, oxygen production method, and reactor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005279439A true JP2005279439A (en) | 2005-10-13 |
Family
ID=35178394
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004097057A Pending JP2005279439A (en) | 2004-03-29 | 2004-03-29 | Oxygen separation membrane element, oxygen production method, and reactor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005279439A (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007051032A (en) * | 2005-08-18 | 2007-03-01 | Noritake Co Ltd | Oxide ion conductor and oxygen separation membrane element |
JP2007051034A (en) * | 2005-08-18 | 2007-03-01 | Noritake Co Ltd | Oxide ion conductor and oxygen separation membrane |
US8017062B2 (en) * | 2004-08-24 | 2011-09-13 | Yeshwanth Narendar | Semiconductor processing components and semiconductor processing utilizing same |
WO2013147540A1 (en) * | 2012-03-30 | 2013-10-03 | 한국전기연구원 | Composite separating film formed from metal supporting layer and metal oxide film, using concavo-convex patterned metal, and production method therefor |
KR101537444B1 (en) * | 2013-08-20 | 2015-07-16 | 한국기계연구원 | Water separation system using forward osmosis membrane module thereof |
-
2004
- 2004-03-29 JP JP2004097057A patent/JP2005279439A/en active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8017062B2 (en) * | 2004-08-24 | 2011-09-13 | Yeshwanth Narendar | Semiconductor processing components and semiconductor processing utilizing same |
JP2007051032A (en) * | 2005-08-18 | 2007-03-01 | Noritake Co Ltd | Oxide ion conductor and oxygen separation membrane element |
JP2007051034A (en) * | 2005-08-18 | 2007-03-01 | Noritake Co Ltd | Oxide ion conductor and oxygen separation membrane |
WO2013147540A1 (en) * | 2012-03-30 | 2013-10-03 | 한국전기연구원 | Composite separating film formed from metal supporting layer and metal oxide film, using concavo-convex patterned metal, and production method therefor |
KR101379498B1 (en) * | 2012-03-30 | 2014-04-01 | 한국전기연구원 | composite membranes consisted of metallic supporter and metal oxide membrane using metals patterned as prominent planes and depressed planes and their fabrication method |
KR101537444B1 (en) * | 2013-08-20 | 2015-07-16 | 한국기계연구원 | Water separation system using forward osmosis membrane module thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6641626B2 (en) | Mixed ionic and electronic conducting ceramic membranes for hydrocarbon processing | |
US20110195342A1 (en) | Solid oxide fuel cell reactor | |
JP2001520931A (en) | Catalytic membrane reactor using two-component three-way catalysis | |
JP2009509751A (en) | Mixed ion and electron conducting membranes | |
JP2001520931A5 (en) | ||
EP3165278B1 (en) | Catalytic layer and use thereof in oxygen-permeable membranes | |
EP1452505A1 (en) | PORCELAIN COMPOSITION&comma; COMPOSITE MATERIAL COMPRISING CATALYST AND CERAMIC&comma; FILM REACTOR&comma; METHOD FOR PRODUCING SYNTHETIC GAS&comma; APPARATUS FOR PRODUCING SYNTHETIC GAS AND METHOD FOR ACTIVATING CATALYST | |
JP2009195863A (en) | Oxygen separation membrane element | |
JP4918315B2 (en) | Oxygen separation membrane | |
JP2005279439A (en) | Oxygen separation membrane element, oxygen production method, and reactor | |
JP4293775B2 (en) | Catalyzed ceramic composite, production method thereof, and ceramic membrane reactor | |
JP4855012B2 (en) | Oxygen ion conductor, oxygen separation membrane, and hydrocarbon oxidation reactor | |
JP2005081246A (en) | Oxygen separation membrane element and manufacturing method thereof | |
JP4430291B2 (en) | Syngas production method | |
EP0732306B2 (en) | Novel compositions capable of operating under high carbon dioxide partial pressures for use in solid-state oxygen producing devices | |
JP4652001B2 (en) | Oxide ion conductor and oxygen separation membrane element | |
JP4866122B2 (en) | Ceramic straight tube hole cylindrical support and membrane element for solid oxide fuel cell | |
Yin et al. | Integrating air separation with partial oxidation of methane—A novel configuration of asymmetric tubular ceramic membrane reactor | |
JP2008246451A (en) | Oxygen separation membrane element | |
JP4500762B2 (en) | Oxygen separation membrane having a composition gradient structure | |
JP4855013B2 (en) | Oxygen separation membrane and hydrocarbon oxidation reactor | |
JP4500763B2 (en) | Composition gradient oxygen separation membrane | |
JP4855011B2 (en) | Oxide ion conductor, oxygen separation membrane, and hydrocarbon oxidation reactor | |
JP4812374B2 (en) | Composition gradient oxygen separation membrane | |
JP3806298B2 (en) | Composite material, oxygen separator and chemical reactor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070125 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090305 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090324 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090525 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20091104 |