JP6442366B2 - Oxygen permeable membrane - Google Patents
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Description
本発明は、酸素透過膜および酸素透過膜の製造方法に関するものである。 The present invention relates to an oxygen permeable membrane and a method for producing the oxygen permeable membrane.
従来、酸素を選択的に透過する酸素透過膜として、酸素イオン(酸化物イオン)伝導性を示す酸化物と、電子伝導性を示す酸化物とが混合された酸素透過膜が知られている。このような酸素透過膜の一例として、例えば、酸素イオン伝導性を示す酸化物として安定化ジルコニアを用い、電子伝導性を示す酸化物としてランタンクロマイト系の複合酸化物を用いた酸素透過膜が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, oxygen permeable membranes in which an oxide that exhibits oxygen ion (oxide ion) conductivity and an oxide that exhibits electronic conductivity are mixed are known as oxygen permeable membranes that selectively transmit oxygen. As an example of such an oxygen permeable membrane, for example, an oxygen permeable membrane using stabilized zirconia as an oxide exhibiting oxygen ion conductivity and a lanthanum chromite complex oxide as an oxide exhibiting electron conductivity is proposed. (For example, refer to Patent Document 1).
複合酸化物によって構成される酸素透過膜は、一般に、焼成工程を伴う製造方法により製造されるが、上記のように酸素透過膜がランタンクロマイト系複合酸化物を含有する場合には、酸素存在下で焼成を行なうと、酸素透過膜の緻密性が不十分になり得る。そのため、ランタンクロマイト系複合酸化物を含有する酸素透過膜の緻密性を確保するためには、窒素雰囲気下等で焼成を行なうことが望ましい。しかしながら、窒素雰囲気下等で焼成すると、酸素透過膜の緻密性は確保可能になるものの、酸素透過膜中のランタンクロマイト系複合酸化物の結晶において酸素欠損が生じることにより、酸素透過膜の性能が低下する可能性がある。上記した酸素欠損を回復する方法としては、焼成後の酸素透過膜を酸素存在下(大気中など)で加熱して、ランタンクロマイト系複合酸化物の結晶中に酸素を導入する方法も考えられるが、酸素存在下で酸素透過膜を加熱すると、酸素透過膜の表面において、高抵抗相であるLa2Zr2O7が生成する可能性がある。これは、酸素存在下での加熱により、ランタンクロマイト系複合酸化物中のランタン(La)元素がLa2O3として遊離して、酸化ジルコニウム(ZrO2)と反応するためと考えられる。酸素透過膜の表面に上記した高抵抗相が形成されると、酸素透過膜の酸素透過性能が低下する可能性がある。 An oxygen permeable membrane composed of a complex oxide is generally produced by a production method involving a firing step. However, when the oxygen permeable membrane contains a lanthanum chromite complex oxide as described above, If the firing is carried out, the denseness of the oxygen permeable film may be insufficient. Therefore, in order to ensure the denseness of the oxygen permeable film containing the lanthanum chromite-based composite oxide, it is desirable to perform firing in a nitrogen atmosphere or the like. However, when the firing is performed in a nitrogen atmosphere or the like, the denseness of the oxygen permeable membrane can be secured, but oxygen deficiency occurs in the crystal of the lanthanum chromite complex oxide in the oxygen permeable membrane, so that the performance of the oxygen permeable membrane is improved. May be reduced. As a method for recovering the above-described oxygen deficiency, a method of introducing oxygen into the crystal of the lanthanum chromite complex oxide by heating the oxygen-permeable film after firing in the presence of oxygen (such as in the atmosphere) is also conceivable. When the oxygen permeable film is heated in the presence of oxygen, La 2 Zr 2 O 7 that is a high resistance phase may be generated on the surface of the oxygen permeable film. This is presumably because the lanthanum (La) element in the lanthanum chromite complex oxide is liberated as La 2 O 3 and reacts with zirconium oxide (ZrO 2 ) by heating in the presence of oxygen. When the above-described high resistance phase is formed on the surface of the oxygen permeable membrane, the oxygen permeable performance of the oxygen permeable membrane may be lowered.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態は、安定化ジルコニアから成る酸素イオン伝導体と、ランタンクロマイト系複合酸化物から成る電子伝導体と、を含む混合伝導層を備える酸素透過膜であって;前記ランタンクロマイト系複合酸化物は、組成式La1−xMxCrO3−z(式中、Mは、カルシウム(Ca)またはストロンチウム(Sr)であり、0<x≦0.3であり、z<3である)で表わされる酸化物であり;前記酸素透過膜は、さらに支持体を備え;前記混合伝導層は、前記支持体上に形成されると共に、相対密度が95%以上であり;前記混合伝導層における前記支持体が配置される側の面についてのCuKαを線源とするX線回折パターンにおいて、La2Zr2O7のメインピークの、前記安定化ジルコニアのメインピークに対する積分強度比が、2%以下である酸素透過膜である。
このような形態であれば、酸素透過膜の緻密性を確保することと、La2Zr2O7を含む高抵抗相に起因する酸素透過性能の低下を抑えることとを両立して、酸素透過膜の性能を高めることが可能になる。また、支持体を備えることにより混合伝導層の薄膜化が可能になるため、酸素透過膜の酸素透過性能をさらに向上させることが可能になる。
その他、本発明は、以下のような形態として実現することも可能である。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be realized as the following forms.
One aspect of the present invention is an oxygen permeable membrane comprising a mixed conductive layer comprising an oxygen ion conductor made of stabilized zirconia and an electronic conductor made of a lanthanum chromite complex oxide; The oxide has a composition formula La 1-x M x CrO 3-z (wherein M is calcium (Ca) or strontium (Sr), 0 <x ≦ 0.3, and z <3). There oxide represented by); said oxygen permeable membrane further comprises a support; the mixed conductive layer, the formed on a support Rutotomoni, relative density be 95% or more; the mixed conducting layer In the X-ray diffraction pattern using CuKα as the radiation source for the surface on the side where the support is disposed in FIG. 2 , the integration of the main peak of La 2 Zr 2 O 7 with respect to the main peak of the stabilized zirconia An oxygen permeable membrane having an intensity ratio of 2% or less.
In such a form, the oxygen permeation film can be ensured to be dense and the oxygen permeation performance can be prevented from being lowered due to the high resistance phase containing La 2 Zr 2 O 7. It becomes possible to improve the performance of the membrane. In addition, since the mixed conductive layer can be made thinner by providing the support, the oxygen permeation performance of the oxygen permeable membrane can be further improved.
In addition, the present invention can be realized in the following forms.
(1)本発明の一形態によれば、安定化ジルコニアから成る酸素イオン伝導体と、ランタンクロマイト系複合酸化物から成る電子伝導体と、を含む混合伝導層を備える酸素透過膜が提供される。この酸素透過膜において、前記ランタンクロマイト系複合酸化物は、組成式La1−xMxCrO3−z(式中、Mは、マグネシウム(Mg)を除くアルカリ土類金属から選択される元素であり、0≦x≦0.3であり、zは任意である)および/または組成式LaCr1−xMgxO3−z(式中、0≦x≦0.3であり、zは任意である)で表わされる酸化物である。この酸素透過膜では、前記混合伝導層の少なくとも一方の面についてのCuKαを線源とするX線回折パターンにおいて、La2Zr2O7のメインピークの、前記安定化ジルコニアのメインピークに対する積分強度比が、2%以下である。 (1) According to an aspect of the present invention, there is provided an oxygen permeable membrane including a mixed conductive layer including an oxygen ion conductor made of stabilized zirconia and an electron conductor made of a lanthanum chromite complex oxide. . In the oxygen permeable membrane, the lanthanum chromite complex oxide is an element selected from an alkaline earth metal excluding magnesium (Mg), wherein the composition formula is La 1-x M x CrO 3-z. Yes, 0 ≦ x ≦ 0.3, z is arbitrary) and / or composition formula LaCr 1-x Mg x O 3-z (where 0 ≦ x ≦ 0.3, z is arbitrary) It is an oxide represented by. In this oxygen permeable membrane, the integrated intensity of the main peak of La 2 Zr 2 O 7 with respect to the main peak of stabilized zirconia in an X-ray diffraction pattern using CuKα as a radiation source for at least one surface of the mixed conductive layer The ratio is 2% or less.
この形態の酸素透過膜によれば、酸素透過膜の緻密性を確保することと、La2Zr2O7を含む高抵抗相に起因する酸素透過性能の低下を抑えることとを両立して、酸素透過膜の性能を高めることが可能になる。 According to the oxygen permeable membrane of this form, both the securing of the denseness of the oxygen permeable membrane and the suppression of the decrease in oxygen permeability due to the high resistance phase containing La 2 Zr 2 O 7 are achieved, The performance of the oxygen permeable membrane can be improved.
(2)上記形態の酸素透過膜において、さらに支持体を備え、前記混合伝導層は、前記支持体上に形成されていることとしてもよい。
この形態の酸素透過膜によれば、支持体を備えることにより混合伝導層の薄膜化が可能になるため、酸素透過膜の酸素透過性能をさらに向上させることが可能になる。
(2) The oxygen permeable membrane of the above aspect may further include a support, and the mixed conductive layer may be formed on the support.
According to this form of the oxygen permeable membrane, the mixed conductive layer can be made thinner by providing the support, and therefore the oxygen permeable performance of the oxygen permeable membrane can be further improved.
(3)上記形態の酸素透過膜において、前記支持体は、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、イットリウム(Y)、スカンジウム(Sc)、クロム(Cr)からなる群より選択される1種以上の元素である選択元素の酸化物を含み、前記支持体を構成する酸化物に含まれる金属元素のうちの50質量%以上が、前記選択元素であることとしてもよい。
この形態の酸素透過膜によれば、酸素透過膜が備える支持体が、価数変化をし難い元素を含むことになる。そのため、酸素透過膜を、部分酸化反応を進行する改質器に適用する場合であっても、酸素透過膜が備える支持体の安定性を確保することができる。
(3) In the oxygen permeable membrane of the above aspect, the support is made of magnesium (Mg), calcium (Ca), aluminum (Al), zirconium (Zr), hafnium (Hf), titanium (Ti), yttrium (Y). And an oxide of a selected element that is one or more elements selected from the group consisting of scandium (Sc) and chromium (Cr), and 50 masses of metal elements contained in the oxide constituting the support % Or more may be the selected element.
According to this form of the oxygen permeable membrane, the support provided in the oxygen permeable membrane contains an element that is difficult to change in valence. Therefore, even when the oxygen permeable membrane is applied to a reformer that undergoes a partial oxidation reaction, the stability of the support provided in the oxygen permeable membrane can be ensured.
(4)上記形態の酸素透過膜は、マグネシウム(Mg)元素を実質的に含有しない前記支持体上に形成されていることとしてもよい。
この形態の酸素透過膜によれば、混合伝導層が備えるランタンクロマイト系複合酸化物が支持体の構成材料と反応することに起因する、酸素透過性能の低下を抑えることができる。
(4) The oxygen permeable membrane of the said form is good also as being formed on the said support body which does not contain a magnesium (Mg) element substantially.
According to this form of the oxygen permeable membrane, it is possible to suppress a decrease in oxygen permeation performance caused by the reaction of the lanthanum chromite complex oxide included in the mixed conductive layer with the constituent material of the support.
(5)上記形態の酸素透過膜において、前記支持体は、安定化ジルコニアおよび/または部分安定化ジルコニアを含み、前記支持体が含む前記安定化ジルコニアおよび/または部分安定化ジルコニアが含有する安定化剤は、酸化マグネシウム(MgO)とは異なる安定化剤であることとしてもよい。
この形態の酸素透過膜によれば、支持体が含有する安定化ジルコニアおよび/または部分安定化ジルコニア中のマグネシウム(Mg)に起因する、酸素透過膜の性能低下を抑えることができる。
(5) In the oxygen permeable membrane according to the above aspect, the support includes stabilized zirconia and / or partially stabilized zirconia, and the stabilized zirconia and / or partially stabilized zirconia included in the support includes. The agent may be a stabilizer different from magnesium oxide (MgO).
According to this form of the oxygen permeable membrane, it is possible to suppress degradation of the performance of the oxygen permeable membrane due to the stabilized zirconia and / or magnesium (Mg) in the partially stabilized zirconia contained in the support.
(6)上記形態の酸素透過膜において、前記支持体が含む前記安定化ジルコニアおよび/または部分安定化ジルコニアが含有する安定化剤は、酸化カルシウム(CaO)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化スカンジウム(Sc2O3)から選択される少なくとも1種の安定化剤であることとしてもよい。
この形態の酸素透過膜によれば、混合伝導層と支持体との間の熱膨張係数の差を、容易に近づけることが可能になる。
(6) In the oxygen permeable membrane of the above aspect, the stabilizer contained in the stabilized zirconia and / or partially stabilized zirconia included in the support is calcium oxide (CaO), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), It may be at least one stabilizer selected from scandium oxide (Sc 2 O 3 ).
According to this form of the oxygen permeable membrane, the difference in thermal expansion coefficient between the mixed conductive layer and the support can be easily approximated.
(7)上記形態の酸素透過膜において、さらに、酸素分子をイオン化する反応または酸素イオンから酸素分子を生じる反応を促進する活性を有する触媒層を備え、前記酸素透過膜は、前記触媒層を介して前記支持体上に形成されていることとしてもよい。
この形態の酸素透過膜によれば、酸素透過膜の酸素透過性能をさらに高めることが可能になる。また、混合伝導層の薄膜化も可能になる。
(7) The oxygen permeable membrane of the above aspect further includes a catalyst layer having an activity of promoting a reaction of ionizing oxygen molecules or a reaction of generating oxygen molecules from oxygen ions, and the oxygen permeable membrane is interposed via the catalyst layer. It may be formed on the support.
According to this form of the oxygen permeable membrane, the oxygen permeable performance of the oxygen permeable membrane can be further enhanced. In addition, the mixed conductive layer can be made thin.
(8)上記形態の酸素透過膜において、前記支持体は、酸素分子をイオン化する反応または酸素イオンから酸素分子を生じる反応を促進する活性を有することとしてもよい。
この形態の酸素透過膜によれば、混合伝導層と支持体との間に別途触媒層を設ける場合に比べて、酸素透過膜の構成および酸素透過膜の製造方法を簡素化することができる。
(8) In the oxygen permeable membrane of the above aspect, the support may have an activity of promoting a reaction of ionizing oxygen molecules or a reaction of generating oxygen molecules from oxygen ions.
According to this form of the oxygen permeable membrane, the configuration of the oxygen permeable membrane and the method for producing the oxygen permeable membrane can be simplified as compared with the case where a separate catalyst layer is provided between the mixed conductive layer and the support.
(9)本発明の他の形態によれば、安定化ジルコニアから成る酸素イオン伝導体と、ランタンクロマイト系複合酸化物から成る電子伝導体と、を含む混合伝導層を備える酸素透過膜の製造方法が提供される。この製造方法において、前記ランタンクロマイト系複合酸化物は、組成式La1−xMxCrO3−z(式中、Mは、マグネシウム(Mg)を除くアルカリ土類金属から選択される元素であり、0≦x≦0.3であり、zは任意である)および/または組成式LaCr1−xMgxO3−z(式中、0≦x≦0.3であり、zは任意である)で表わされる酸化物である。この製造方法は、前記酸素イオン伝導体と前記電子伝導体とを混合して前記混合伝導層を形成する第1の工程と;前記混合伝導層を不活性雰囲気下で焼成する第2の工程と;前記第2の工程の後に、前記混合伝導層を、クロム(Cr)元素と酸素の存在下で1000℃以上の温度条件にて加熱処理する第3の工程と;を備える。 (9) According to another aspect of the present invention, a method for producing an oxygen permeable membrane comprising a mixed conductive layer comprising an oxygen ion conductor made of stabilized zirconia and an electron conductor made of a lanthanum chromite complex oxide Is provided. In this production method, the lanthanum chromite-based composite oxide is a composition formula La 1-x M x CrO 3-z (wherein M is an element selected from alkaline earth metals excluding magnesium (Mg)). 0 ≦ x ≦ 0.3, z is arbitrary) and / or composition formula LaCr 1-x Mg x O 3-z (where 0 ≦ x ≦ 0.3, z is optional) It is an oxide represented by The manufacturing method includes: a first step of mixing the oxygen ion conductor and the electron conductor to form the mixed conductive layer; a second step of firing the mixed conductive layer in an inert atmosphere; After the second step, a third step of heat-treating the mixed conductive layer under a temperature condition of 1000 ° C. or higher in the presence of chromium (Cr) element and oxygen.
この形態の酸素透過膜の製造方法によれば、混合伝導層を不活性雰囲気下で焼成することによって混合伝導層の緻密性を確保した後に、クロム(Cr)元素と酸素の存在下で加熱処理を行なっている。そのため、焼成の工程で酸素透過膜中のランタンクロマイト系複合酸化物の結晶に酸素欠損が生じても、上記加熱処理により、La2Zr2O7を含む高抵抗相の生成を抑えつつ酸素欠損を回復して、酸素透過膜の酸素透過性能を向上させることができる。 According to the method for manufacturing an oxygen permeable membrane of this embodiment, after the mixed conductive layer is fired in an inert atmosphere to ensure the denseness of the mixed conductive layer, heat treatment is performed in the presence of chromium (Cr) element and oxygen. Is doing. Therefore, even if oxygen deficiency occurs in the crystal of the lanthanum chromite complex oxide in the oxygen permeable film in the baking process, the above heat treatment suppresses generation of a high resistance phase containing La 2 Zr 2 O 7. Thus, the oxygen permeation performance of the oxygen permeable membrane can be improved.
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、酸素透過膜を備える改質装置、あるいは、酸素透過膜を備える純酸素製造装置などの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of a reformer provided with an oxygen permeable membrane or a pure oxygen production device provided with an oxygen permeable membrane.
A.第1の実施形態の酸素透過膜の構成:
図1は、本発明の第1の実施形態としての酸素透過膜10、および、この酸素透過膜10を備える装置20の概略構成を示す断面模式図である。まず、酸素透過膜10の構成について説明する。酸素透過膜10は、酸素イオン伝導性を示す酸化物(以下、酸素イオン伝導体とも呼ぶ)と、電子伝導性を示す酸化物(以下、電子伝導体とも呼ぶ)と、の混合物により構成されている。これにより、酸素透過膜10は、酸素イオン伝導性および電子伝導性を示す。
A. Configuration of the oxygen permeable membrane of the first embodiment:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of an oxygen
酸素透過膜10が含有する酸素イオン伝導体としては、安定化ジルコニアを用いることができる。安定化ジルコニアは、酸化ジルコニウム(ZrO2)に対して、酸化物である1種以上のドーパントを固溶させることにより安定化したジルコニアである。上記ドーパントとして用い得る酸化物としては、例えば、希土類酸化物である酸化イットリウム(Y2O3)、酸化スカンジウム(Sc2O3)、および酸化イッテルビウム(Yb2O3)を挙げることができる。また、酸化カルシウム(CaO)や酸化マグネシウム(MgO)をドーパントとして用いることもできる。ジルコニアにおいて、4価で安定なジルコニウム(Zr)のサイトを、ドーパントが含有する2価あるいは3価で安定な元素で置換することにより、構造中に酸素空孔が形成されて酸素イオン伝導性が発現されると共に、結晶構造が安定化する。酸素イオン伝導性および安定性の観点から、安定化ジルコニアは、イットリア安定化ジルコニア(以下、YSZとも表わす)およびスカンジア安定化ジルコニア(以下、ScSZとも表わす)から選択することが好ましい。
Stabilized zirconia can be used as the oxygen ion conductor contained in the oxygen
安定化ジルコニアでは、添加するドーパント量を増加させるほど酸素イオン伝導性が向上し、一般に、ドーパントの添加量が、完全安定化ジルコニアを得るために最低限必要な添加量付近であるときに、酸素イオン伝導性は最大値となる。このような値以上に過剰にドーパントを添加すると、酸素イオン伝導性は低下する傾向を示す。そのため、酸素イオン伝導性を確保すると共に、酸素透過膜10全体の安定性を高める効果を得るためには、安定化ジルコニアにおけるドーパントの添加量は、3〜12mol%とすることが望ましい。特に、安定化ジルコニアとしてイットリア安定化ジルコニアを用いる場合には、ドーパントの添加量を3〜8mol%とすることが好ましく、安定化ジルコニアとしてスカンジア安定化ジルコニアを用いる場合には、ドーパントの添加量を7〜11mol%とすることが好ましい。
In stabilized zirconia, oxygen ion conductivity improves as the amount of dopant added increases. Generally, when the amount of dopant added is near the minimum amount necessary to obtain fully stabilized zirconia, The ionic conductivity is maximum. If the dopant is added excessively beyond such a value, the oxygen ion conductivity tends to decrease. Therefore, in order to ensure the oxygen ion conductivity and to obtain the effect of increasing the stability of the entire oxygen
酸素透過膜10が含有する電子伝導体としては、以下の(1)式で表わされる電子伝導体と、以下の(2)式で表わされる電子伝導体とから選択される、少なくとも1種の電子伝導体を用いることができる。
The electron conductor contained in the oxygen
La1−xMxCrO3−z …(1)
(式中、Mは、マグネシウム(Mg)を除くアルカリ土類金属から選択される元素であり、0≦x≦0.3である。また、zは、式中の金属元素の割合や、環境温度および雰囲気に応じて、酸素原子の量が変動することを示す値である。)
La 1-x M x CrO 3 -z ... (1)
(In the formula, M is an element selected from an alkaline earth metal excluding magnesium (Mg), and 0 ≦ x ≦ 0.3. Also, z is the ratio of the metal element in the formula and the environment. (This value indicates that the amount of oxygen atoms varies depending on the temperature and atmosphere.)
LaCr1−xMgxO3−z …(2)
(式中、0≦x≦0.3である。また、zは、式中の金属元素の割合や、環境温度および雰囲気に応じて、酸素原子の量が変動することを示す値である。)
LaCr 1-x Mg x O 3 -z ... (2)
(In the formula, 0 ≦ x ≦ 0.3. Further, z is a value indicating that the amount of oxygen atoms varies depending on the ratio of the metal element in the formula, the environmental temperature, and the atmosphere. )
ランタンクロマイト系の複合酸化物である電子伝導体は、安定化ジルコニアと組み合わせることで酸素透過膜の安定性を向上できる。すなわち、酸素透過膜において酸素イオン伝導体と電子伝導体とが反応することを抑えることができる。そのため、上記(1)式および/または(2)式においてx=0であってもよい。ただし、上記(1)式に示すように、マグネシウム(Mg)を除くアルカリ土類金属から選択される元素をランタン(La)サイトに添加することにより、あるいは、上記(2)式に示すように、マグネシウム(Mg)元素をクロム(Cr)サイトに添加することにより、酸素透過膜10の電子伝導性をさらに高めることができる。なお、(1)式においては、アルカリ土類金属であるMは、ストロンチウム(Sr)またはカルシウム(Ca)とすることが特に好ましい。
An electron conductor, which is a lanthanum chromite complex oxide, can improve the stability of the oxygen permeable membrane when combined with stabilized zirconia. That is, it is possible to suppress the reaction between the oxygen ion conductor and the electron conductor in the oxygen permeable membrane. Therefore, x = 0 may be sufficient in the said Formula (1) and / or (2) Formula. However, as shown in the above formula (1), an element selected from alkaline earth metals excluding magnesium (Mg) is added to the lanthanum (La) site, or as shown in the above formula (2). By adding a magnesium (Mg) element to a chromium (Cr) site, the electron conductivity of the oxygen
上記(1)式および(2)式において、xの値を大きくするほど、本実施形態の電子伝導体の電子伝導度を高めることが可能になる。ただし、xの値を大きくする(置換量を大きくする)ほど、結晶構造が不安定になり、他の元素との反応性が高まる。具体的には、xの値が0.3を超えると、例えば本実施形態の電子伝導体と酸素イオン伝導体とを混合して酸素透過膜10を製造するための焼成工程において、電子伝導体および酸素イオン伝導体とは異なる組成の異種相の生成量が増加する。そのため、本実施形態では、上記組成式(1)中のxの範囲を、0≦x≦0.3としている。上記異種相の生成をさらに抑えるためには、xの範囲をx≦0.2とすることが望ましい。また、酸素透過膜10の酸素透過性能を高めるためには、xの範囲を0.1≦xとすることが望ましい。なお、既述したように、上記組成式(1)および(2)中のzの値は、(1)式および(2)式の電子伝導体を構成する金属元素の割合や、環境温度および雰囲気に応じて酸素原子の量が変動することを示す値であり、例えば、0〜0.2の範囲の数値を取り得る。
In the above formulas (1) and (2), the larger the value of x, the higher the electron conductivity of the electron conductor of this embodiment. However, as the value of x is increased (the amount of substitution is increased), the crystal structure becomes unstable and the reactivity with other elements increases. Specifically, when the value of x exceeds 0.3, for example, in the firing step for manufacturing the oxygen
本実施形態の酸素透過膜10は、上記のような酸素イオン伝導体および電子伝導体を混合して得られる混合伝導層を備える。図1では、酸素透過膜10が、支持体を有することなく混合伝導層のみによって構成される自立膜である様子を示している。本実施形態の酸素透過膜10では、混合伝導層の少なくとも一方の面についてのCuKαを線源とするX線回折パターンにおいて、La2Zr2O7のメインピークの、安定化ジルコニアのメインピークに対する積分強度比が、2%以下となっている。すなわち、酸素イオン伝導体である安定化ジルコニア由来のジルコニウム元素(Zr)と、電子伝導体であるランタンクロマイト系複合酸化物由来のランタン元素(La)とを含む化合物であるLa2Zr2O7の、混合伝導層表面における存在量が、極めて少ないことを特徴としている。La2Zr2O7の混合伝導層表面における存在量が少ないことにより、本実施形態の酸素透過膜10は、良好な酸素透過速度を実現可能になる。
The oxygen
本実施形態では、酸素透過膜10が備える混合伝導層の表面についてのCuKαを線源とするX線回折パターンを得たときに、2θ=28〜29°付近に存在するピークの中で最も強いピークを、La2Zr2O7のメインピークと規定した。したがって、本実施形態では、上記メインピークを示すLa2Zr2O7において、LaサイトやZrサイトに微量のSrやCrが固溶されている場合を含み得る。なお、酸素透過膜10の性能をより充分に確保するためには、酸素透過膜10を構成する混合伝導層の両面において、上記したLa2Zr2O7のメインピークと安定化ジルコニアのメインピークとの間の積分強度比に係る要件が成立することが好ましい。
In this embodiment, when an X-ray diffraction pattern using CuKα as a radiation source for the surface of the mixed conductive layer included in the oxygen
また、酸素透過膜10は、ガス不透過な緻密膜であることが望まれるため、酸素透過膜10の相対密度は90%以上であることが望ましく、93%以上であることがより望ましく、95%以上であることがさらに望ましい。ここで、相対密度とは、試料の理論密度に対する、試料の実測された密度の割合を表わす。理論密度は、試料の単位格子当たりに含まれる元素の原子量と格子定数から求めることができる。試料の格子定数は、X線回折法(XRD測定)により求めることができる。試料の密度の実測は、アルキメデス法により行なうことができる。
Further, since the oxygen
このような相対密度の値は、酸素イオン伝導体および電子伝導体を混合した後に焼成して酸素透過膜を作製する際に、不活性雰囲気下で焼成することにより容易に実現可能となる。酸素透過膜10の製造方法については後述する。なお、酸素透過膜10の相対密度は、酸素透過膜の製造時の焼成工程における焼成温度や、酸素イオン伝導体と電子伝導体の混合比率の影響を受ける。そのため、上記焼成温度および混合比率は、酸素透過膜10の望ましい相対密度等を考慮して、適宜設定すればよい。
Such a relative density value can be easily realized by firing in an inert atmosphere when the oxygen permeable conductor is produced by mixing the oxygen ion conductor and the electron conductor and then firing. A method for manufacturing the oxygen
B.酸素透過膜の製造方法:
図2は、本実施形態の酸素透過膜10の製造方法を示す工程図である。酸素透過膜10を製造する際には、まず、酸素透過膜10の原料となる酸素イオン伝導体および電子伝導体を用意する(ステップS100)。
B. Production method of oxygen permeable membrane:
FIG. 2 is a process diagram showing a method for manufacturing the oxygen
酸素イオン伝導体および電子伝導体の各々は、例えば、固相反応法により形成することができる。固相反応法とは、酸化物や、炭酸塩、あるいは硝酸塩などの粉末原料を、作製すべき酸化物の組成に応じて、上記粉末原料中の金属元素が所定の割合となるように秤量、混合した後、熱処理(焼成)を行って、所望の酸化物を合成する周知の方法である。酸素イオン伝導体および電子伝導体の各々の製造方法は、固相反応法以外の方法であってもよく、例えば、共沈法やpechini法やゾルゲル法など、複合酸化物を製造可能な種々の方法を採用可能である。pechini法とは、金属イオンとクエン酸とのキレート化合物とエチレングリコールなどのポリアルコールとのエステル化反応で前駆体を作製し、熱処理によって酸化物粒子を得る方法である。ステップS100では、酸素イオン伝導体および電子伝導体を、例えば粉末の状態で用意することができる。 Each of the oxygen ion conductor and the electron conductor can be formed by, for example, a solid phase reaction method. The solid phase reaction method is a measurement of a powder raw material such as oxide, carbonate, or nitrate so that the metal element in the powder raw material is in a predetermined ratio according to the composition of the oxide to be produced. This is a well-known method for synthesizing a desired oxide by performing heat treatment (firing) after mixing. Each of the production methods of the oxygen ion conductor and the electron conductor may be a method other than the solid phase reaction method. For example, various methods capable of producing a composite oxide such as a coprecipitation method, a pechini method, or a sol-gel method. The method can be adopted. The pechini method is a method in which a precursor is prepared by an esterification reaction between a chelate compound of a metal ion and citric acid and a polyalcohol such as ethylene glycol, and oxide particles are obtained by heat treatment. In step S100, the oxygen ion conductor and the electron conductor can be prepared in a powder state, for example.
ステップS100の後には、酸素イオン伝導体および電子伝導体を混合して成形し、混合伝導層を形成する(ステップS110)。このステップS110は、課題を解決するための手段に記載した第1の工程に相当する。混合伝導層を形成するには、例えば、酸素イオン伝導体の粉末と電子伝導体の粉末とを用いて、酸素イオン伝導体と電子伝導体の各々の粒径が十分に小さい状態で十分に混合して、成形すれば良い。酸素イオン伝導体と電子伝導体とを、十分に小さい粒径で十分に混合するには、例えば、ボールミルを用いて混合すればよい。酸素イオン伝導体と電子伝導体との混合割合は、各々の酸化物によって実現される酸素イオン伝導性と電子伝導性のバランスの結果として得られる酸素透過膜10の酸素透過性能を考慮して適宜定めればよい。酸素イオン伝導体と電子伝導体との混合物である酸素透過膜10中における電子伝導体の混合割合は、例えば、5mol%以上とすることが好ましい。また、上記混合割合は、例えば、50mol%以下が好ましく、40mol%以下とすることがより好ましく、30mol%以下とすることがさらに好ましい。酸素イオン伝導体と電子伝導体の混合物の成形は、例えば、プレス成形により行なえばよい。
After step S100, the oxygen ion conductor and the electron conductor are mixed and molded to form a mixed conductive layer (step S110). This step S110 corresponds to the first step described in the means for solving the problem. In order to form a mixed conductive layer, for example, an oxygen ion conductor powder and an electron conductor powder are used, and the oxygen ion conductor and the electron conductor are sufficiently mixed in a sufficiently small particle size. Then, it may be molded. In order to sufficiently mix the oxygen ion conductor and the electron conductor with a sufficiently small particle diameter, for example, a ball mill may be used. The mixing ratio of the oxygen ion conductor and the electron conductor is appropriately determined in consideration of the oxygen permeation performance of the oxygen
ステップS110で混合伝導層を形成した後、混合伝導層を、不活性雰囲気下で焼成する(ステップS120)。このステップS120は、課題を解決するための手段に記載した第2の工程に相当する。ここで、不活性雰囲気下とは、酸素を含有しない不活性ガス中、あるいは真空下であることをいう。用いる不活性ガスとしては、例えば、窒素(N2)、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)、およびネオン(Ne)を挙げることができるが、特に、窒素(N2)およびアルゴン(Ar)から選択される少なくとも1種の不活性ガス中にて焼成することが望ましい。混合伝導層を焼成する工程は、混合伝導層を緻密化するための工程である。本実施形態の酸素透過膜10のように、酸素透過膜がランタンクロマイト系複合酸化物を含有する場合には、酸素存在下で焼成を行なうと酸素透過膜の緻密性が不十分になり得る。本実施形態では、不活性雰囲気下で混合伝導層を焼成することにより、混合伝導層の緻密性を確保している。
After forming the mixed conductive layer in step S110, the mixed conductive layer is baked in an inert atmosphere (step S120). This step S120 corresponds to the second step described in the means for solving the problem. Here, under an inert atmosphere means in an inert gas containing no oxygen or under vacuum. Examples of the inert gas to be used include nitrogen (N 2 ), argon (Ar), helium (He), and neon (Ne), and particularly from nitrogen (N 2 ) and argon (Ar). It is desirable to bake in at least one selected inert gas. The step of firing the mixed conductive layer is a step for densifying the mixed conductive layer. When the oxygen permeable film contains a lanthanum chromite complex oxide like the oxygen
ステップS120における焼成温度は、混合伝導層を十分に緻密な焼結体とするために、例えば1200℃以上とすることが好ましく、1300℃以上とすることがさらに好ましい。また、混合伝導層の焼成温度は、焼成工程における酸素イオン伝導体と電子伝導体との間の反応を抑制する観点からは、例えば、1700℃以下が好ましく、1600℃以下がより好ましく、1500℃以下がさらに好ましい。 The firing temperature in step S120 is, for example, preferably 1200 ° C. or higher, and more preferably 1300 ° C. or higher, in order to make the mixed conductive layer a sufficiently dense sintered body. Further, the firing temperature of the mixed conductive layer is preferably 1700 ° C. or lower, more preferably 1600 ° C. or lower, for example, from the viewpoint of suppressing the reaction between the oxygen ion conductor and the electron conductor in the firing step, and 1500 ° C. The following is more preferable.
ステップS120の後、焼成した混合伝導層を、クロム(Cr)元素と酸素の存在下で加熱処理(焼鈍)して(ステップS130)、酸素透過膜10を完成する。このステップS130は、課題を解決するための手段に記載した第3の工程に相当する。既述したステップS120において、不活性雰囲気下で混合伝導層を焼成すると、混合伝導層は緻密化されるものの、混合伝導層中のランタンクロマイト系複合酸化物の結晶において、酸素欠損が生じ得る。このようなランタンクロマイト系複合酸化物における酸素欠損は、酸素透過膜10における酸素透過性能の低下を引き起こす。ステップS130では、酸素存在下で混合伝導層を加熱処理することにより、ランタンクロマイト系複合酸化物の結晶中に酸素を導入して、上記酸素欠損を回復している。
After step S120, the fired mixed conductive layer is heat-treated (annealed) in the presence of chromium (Cr) element and oxygen (step S130) to complete the oxygen
ただし、このように酸素存在下で加熱処理を行なうと、混合伝導層の表面に、高抵抗な化合物、具体的にはLa2Zr2O7が生じ得る。その理由は、混合伝導層が含有するランタンクロマイト系複合酸化物中のランタン(La)元素が、酸素存在下ではLa2O3として遊離して、混合伝導層が含有する酸化ジルコニウム(ZrO2)と反応するためと考えられる。例えば、混合伝導層が含有するランタンクロマイト系複合酸化物がLaCrO3の場合には、以下の(3)式に示す反応が進行する。なお、既述した(1)式および(2)式に示すように、混合伝導層が含有するランタンクロマイト系複合酸化物がさらにアルカリ土類金属を含有する場合であっても、同様に、La2O3および酸化クロムが生じる。
2LaCrO3 → La2O3 + Cr2O3 …(3)
However, when heat treatment is performed in the presence of oxygen in this manner, a high resistance compound, specifically La 2 Zr 2 O 7, may be generated on the surface of the mixed conductive layer. The reason is that the lanthanum (La) element in the lanthanum chromite complex oxide contained in the mixed conductive layer is liberated as La 2 O 3 in the presence of oxygen, and zirconium oxide (ZrO 2 ) contained in the mixed conductive layer. It is thought that it reacts with. For example, when the lanthanum chromite complex oxide contained in the mixed conductive layer is LaCrO 3 , the reaction shown in the following formula (3) proceeds. In addition, as shown in the above-described formulas (1) and (2), even when the lanthanum chromite complex oxide contained in the mixed conductive layer further contains an alkaline earth metal, La 2 O 3 and chromium oxide are produced.
2LaCrO 3 → La 2 O 3 + Cr 2 O 3 (3)
上記のように混合伝導層の表面に高抵抗な化合物La2Zr2O7が生じると、酸素透過膜の酸素透過性能が低下する可能性がある。本実施形態では、酸素と共にクロム(Cr)元素が存在する条件下で加熱処理することにより、混合伝導層の表面に上記した高抵抗な化合物が生成することを抑制している。酸素と共にクロム(Cr)元素が存在する条件下で加熱処理することにより高抵抗な化合物の生成を抑制できる理由は、以下のように考えられる。すなわち、酸素と共にクロム(Cr)元素が存在する条件下で加熱処理することにより、雰囲気中に酸化クロム(主として三酸化クロム:CrO3)が気体として拡散した状態となり、雰囲気中の酸化クロム濃度が高まる。上記した(3)式の反応は平衡反応であるため、雰囲気中の酸化クロム濃度の上昇により(3)式の矢印の逆反応が進行し易くなり、La2O3の生成が抑えられる。その結果、La2O3と酸化ジルコニウム(ZrO2)とが反応することによるLa2Zr2O7の生成が抑えられると考えられる。 As described above, when the compound La 2 Zr 2 O 7 having high resistance is generated on the surface of the mixed conductive layer, the oxygen permeation performance of the oxygen permeable membrane may be deteriorated. In the present embodiment, the above-described high-resistance compound is suppressed from being generated on the surface of the mixed conductive layer by performing heat treatment under the condition where chromium (Cr) element is present together with oxygen. The reason why the formation of a high resistance compound can be suppressed by heat treatment under the condition where chromium (Cr) element is present together with oxygen is considered as follows. That is, by performing heat treatment under the condition where chromium (Cr) element is present together with oxygen, chromium oxide (mainly chromium trioxide: CrO 3 ) is diffused as a gas in the atmosphere, and the chromium oxide concentration in the atmosphere is reduced. Rise. Since the reaction of the above formula (3) is an equilibrium reaction, the reverse reaction of the arrow of the formula (3) easily proceeds due to the increase of the chromium oxide concentration in the atmosphere, and the production of La 2 O 3 is suppressed. As a result, it is considered that the production of La 2 Zr 2 O 7 due to the reaction between La 2 O 3 and zirconium oxide (ZrO 2 ) is suppressed.
なお、ステップS130における「クロム(Cr)元素の存在下」とは、雰囲気中に酸化クロムが存在して(雰囲気中のCrO3の活量が高められて)、(3)式の反応を抑制できる状態であればよい。すなわち、「クロム(Cr)元素の存在下」とは、クロム(Cr)元素を含有する物質の存在下であることを意味する。より具体的には、混合伝導層が含有するクロム化合物以外に、さらにクロム(Cr)元素を含有する物質が存在することを意味する。例えば、クロム(Cr)を含有する酸化物の存在下とする他、金属クロムやクロム含有合金の存在下を含む。クロム(Cr)を含有する物質として三酸化クロム(CrO3)を用いる場合には、微量の三酸化クロム(CrO3)が揮発することにより、雰囲気中のCrO3の活量が高められると考えられる。また、クロム(Cr)を含有する他の物質を用いる場合には、クロム(Cr)元素が酸化されて生じた三酸化クロム(CrO3)が雰囲気中に拡散すると考えられる。加熱処理時の雰囲気中に、三酸化クロム(CrO3)が存在する状態となればよい。これらのクロム(Cr)を含有する物質は、加熱処理時において、例えば粉末の状態で、混合伝導層と共存させればよい。クロム(Cr)を含有する物質としては、特に、Cr2O3および/またはランタンクロマイト系複合酸化物を用いることが望ましい。 Note that “in the presence of chromium (Cr) element” in step S130 means that chromium oxide is present in the atmosphere (the activity of CrO 3 in the atmosphere is increased) and suppresses the reaction of formula (3). Any state that can be used. That is, “in the presence of chromium (Cr) element” means that the substance contains a chromium (Cr) element. More specifically, it means that there is a substance further containing a chromium (Cr) element in addition to the chromium compound contained in the mixed conductive layer. For example, in addition to the presence of an oxide containing chromium (Cr), the presence of metallic chromium or a chromium-containing alloy is included. When chromium trioxide (CrO 3 ) is used as the substance containing chromium (Cr), the activity of CrO 3 in the atmosphere can be increased by volatilizing a small amount of chromium trioxide (CrO 3 ). It is done. Further, in the case of using another substance containing chromium (Cr), it is considered that chromium trioxide (CrO 3 ) generated by oxidizing the chromium (Cr) element diffuses into the atmosphere. It is sufficient that chromium trioxide (CrO 3 ) exists in the atmosphere during the heat treatment. These substances containing chromium (Cr) may be coexisted with the mixed conductive layer in the state of powder, for example, during the heat treatment. As the substance containing chromium (Cr), it is particularly desirable to use Cr 2 O 3 and / or lanthanum chromite complex oxide.
図3〜5は、ステップS130の加熱処理時に「クロム(Cr)元素の存在下」とするための具体的な態様を示す説明図である。図3〜5はいずれも、一例として、蓋体42(例えばアルミナ製)を有するるつぼ40(例えばアルミナ製)から成る容器内で、混合伝導層12を加熱処理する様子を表わしている。
3-5 is explanatory drawing which shows the specific aspect for making it "in presence of chromium (Cr) element" at the time of the heat processing of step S130. As an example, FIGS. 3 to 5 show a state in which the mixed
図3は、るつぼ40内で、クロム(Cr)元素を含有する粉末46内に混合伝導層12を埋没させる様子を示している。図4は、るつぼ40内で、混合伝導層12をメッシュ44上に載置して、クロム(Cr)元素を含有する粉末46から離間した状態で配置する様子を示している。すなわち、混合伝導層12を、クロム(Cr)元素を含有する物質と非接触で共存させる様子を示している。図5は、るつぼ40内に、クロム(Cr)元素を含有する粉末46と、クロム(Cr)元素を含有しない粉末48と、混合伝導層12とを、この順で配置して、クロム(Cr)元素を含有する粉末46から混合伝導層12を離間させた様子を示している。
FIG. 3 shows how the mixed
図3〜5において、粉末46は、既述したように、ランタンクロマイト系複合酸化物やCr2O3などのクロム(Cr)を含有する酸化物の粉末、あるいは、金属クロムやクロム含有合金の粉末とすることができる。また、粉末46は、クロム(Cr)元素を含有する物質から成る粉末に加えて、さらに、クロム(Cr)元素を含有しない物質から成る粉末が混合されていてもよい。
3 to 5, as described above, the
図3のように粉末46内に混合伝導層12を埋没させる場合には、粉末46として、混合伝導層12と実質的に反応しない、あるいは、混合伝導層12と反応することによる影響が許容範囲である物質から成る粉末を用いればよい。例えば、既述した(1)式あるいは(2)式で表わされるランタンクロマイト系複合酸化物を用いることができる。あるいは、ランタンサイトやクロムサイトにアルカリ土類金属がドープされていないLaCrO3を用いてもよい。ランタンクロマイト系複合酸化物を用いる場合には、特に、混合伝導層12が電子伝導体として含有するランタンクロマイト系複合酸化物と同種の化合物から成る粉末を用いることが望ましい。このようにすれば、加熱処理の後に混合伝導層12の表面に粉末46が残留しても、混合伝導層12の性能の変化を抑えることができる。
When the mixed
粉末46は、さらに、安定化ジルコニア、例えば、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)およびスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)から選択する安定化ジルコニアを含有していてもよい。この場合には、混合伝導層12が含有する安定化ジルコニアと同種であることが望ましい。図3において、粉末46として、混合伝導層12が備えるランタンクロマイト系複合酸化物および安定化ジルコニアと同種の物質が混合された粉末を用いるならば、加熱処理の後に混合伝導層12の表面に粉末46が残留しても、混合伝導層12の性能のばらつきを抑えて高い酸素透過性能を実現することが可能になる。
The
粉末46として、ランタンクロマイト系複合酸化物および安定化ジルコニアが混合された粉末を用いる場合には、ランタンクロマイト系複合酸化物の割合が10mol%以上であることが望ましい。なお、加熱処理の後には、混合伝導層12を洗浄し、あるいは混合伝導層12の表面を研磨して、混合伝導層12の表面に付着する粉末46を除去することとしてもよい。Cr2O3のように混合伝導層の構成材料とは異なる物質、特に、酸素透過膜10の性能に影響を与え得る物質を含む粉末46を用いる場合には、加熱処理の後に、混合伝導層12の表面に付着した粉末46を除去することが望ましい。
When using a powder in which lanthanum chromite complex oxide and stabilized zirconia are mixed as the
また、図4および図5のように、混合伝導層12と粉末46とを離間させる場合には、加熱処理の後に混合伝導層12の表面に粉末46が残留することによる影響を考慮する必要がない。図4で用いるメッシュ44は、混合伝導層12との反応性が低い材料により形成することが望ましく、例えば、白金などの貴金属により形成すればよい。図5において粉末46と混合伝導層12との間に配置する粉末48としては、混合伝導層12との反応性が低く、加熱処理の後に混合伝導層12の表面に残留しても、酸素透過性能に対する影響が許容範囲である粉末を選択することが望ましい。粉末48としては、例えば、安定化ジルコニア粉末を用いることができる。
4 and 5, when the mixed
いずれの場合も、酸素存在下で上記容器ごと加熱処理すればよい。酸素存在下とは、例えば大気中とすることができ、粉末46を構成する物質中のクロム(Cr)元素に起因する酸化クロム(CrO3)が雰囲気中に生じればよい。そのため、酸素存在下の条件は、酸素濃度1〜100%の範囲の条件から適宜選択すればよい。なお、蓋体42は、粉末46から揮発した酸化クロム(CrO3)の濃度をるつぼ40内で確保するために用いており、るつぼ40内は密閉されておらず、るつぼ40の内外が連通することで、るつぼ40内に酸素が供給される。
In any case, the container may be heat-treated in the presence of oxygen. The presence of oxygen can be, for example, in the atmosphere, and it is only necessary that chromium oxide (CrO 3 ) derived from the chromium (Cr) element in the substance constituting the
ステップS130の加熱処理の処理温度は、既述した酸素欠損の回復が可能であると共に、上記した高抵抗な化合物の生成を抑制可能な温度であればよい。具体的には、既述したクロム(Cr)元素を含有する物質が共存するときに、雰囲気中に酸化クロム(CrO3)が拡散して存在する状態になり得る温度であればよい。加熱処理は、例えば、1000℃以上の温度条件にて行なえばよい。また、加熱温度は、ステップS120における焼成温度以下とすることが望ましい。焼成温度以下で加熱処理することで、混合伝導層において酸素イオン伝導体と電子伝導体とが反応することを抑制可能となる。 The treatment temperature of the heat treatment in step S130 may be any temperature that can recover the oxygen vacancies described above and can suppress the formation of the high-resistance compound described above. Specifically, the temperature may be any temperature at which chromium oxide (CrO 3 ) can diffuse and exist in the atmosphere when the above-described substances containing chromium (Cr) element coexist. The heat treatment may be performed at a temperature condition of 1000 ° C. or higher, for example. Moreover, it is desirable that the heating temperature be equal to or lower than the firing temperature in step S120. By performing the heat treatment below the firing temperature, it is possible to suppress the reaction between the oxygen ion conductor and the electron conductor in the mixed conductive layer.
C.装置20の構成:
図1に戻り、上記のようにして製造した混合伝導層から成る酸素透過膜10を備える装置20は、例えば改質器とすることができる。以下、改質器としての装置20について説明する。
C. Configuration of device 20:
Returning to FIG. 1, the
装置20は、上記した酸素透過膜10を備えると共に、酸素透過膜10の一方の面側に、改質原料としての流体が流れる改質原料流路16が形成されている。また、酸素透過膜10の他方の面側に、酸素含有ガスとしての空気が流れる空気流路18が形成されている。酸素透過膜10は、酸素イオン透過性を有し、酸素分圧が高い側から低い側へと、酸素を特異的に移動させる性質を有している。そのため、装置20では、空気流路18中の酸素が、酸素透過膜10を介して改質原料流路16側へと透過する。そして、本実施形態の装置20では、酸素透過膜10における改質原料流路16側の面上において、酸素透過膜10を透過した酸素を利用して、改質原料の部分酸化反応が進行する。
The
図1では、空気流路18側の酸素分圧(PO2)の方が、改質原料流路16側の酸素分圧(P’O2)よりも高く、酸素透過膜10の両面間で酸素分圧勾配が生じる様子を、破線により概念的に示している。酸素透過膜10では、このような両面間の酸素分圧差を駆動力として、高酸素分圧側(空気流路18)から低酸素分圧側(改質原料流路16)へと、酸素が透過する。このとき、空気流路18内の酸素分子は、酸素透過膜10の空気流路18側の表面でイオン化し、生じた酸素イオンが、酸素イオン伝導性を有する酸素透過膜10内を改質原料流路16側へと移動する。本実施形態の酸素透過膜10は、酸素イオン伝導性と共に電子伝導性を有するため、上記のように酸素イオンが移動する際には、酸素イオンとは逆向きに電子が膜内を移動する。そのため、酸素透過膜10に対して外部から電圧を印加することなく、酸素の透過を行なわせることができる。なお、酸素透過膜10における電子伝導性は、電子伝導とホール伝導の双方であってもよく、いずれか一方であっても良い。本実施形態では、酸素透過膜10について電子伝導性という場合には、電子伝導とホール伝導の双方、あるいは一方である場合を含むものとする。
In FIG. 1, the oxygen partial pressure (PO 2 ) on the
上記のように改質原料流路16側へと酸素が輸送されると、酸素透過膜10の改質原料流路16側では、部分酸化反応によって改質原料の改質が行なわれ、水素と一酸化炭素とが生成される。改質原料としては、種々の気体燃料あるいは液体燃料を用いることができる。気体燃料としては、例えば、メタンや、メタンを主成分とする天然ガスなどの炭化水素系燃料を用いることができる。また、液体燃料としては、例えば、液体炭化水素や、メタノール等のアルコール、あるいはエーテルを用いることができる。このような装置20は、例えば、燃料電池に燃料ガスとして供給する水素を得るために用いることができる。あるいは、得られた水素と一酸化炭素を用いてさらに炭化水素転換を行なって、液体炭化水素燃料を製造する、すなわち、GTL(Gas To Liquid)技術のために用いても良い。
When oxygen is transported to the reforming
なお、本実施形態の酸素透過膜10を、改質器以外の装置に適用してもよい。例えば、酸素透過膜10を用いて純酸素製造装置を作製し、酸素含有ガスから純度の高い酸素ガスを得るために酸素透過膜10を利用してもよい。
In addition, you may apply the oxygen
また、本実施形態の酸素透過膜10は、混合伝導層のみから成るのではなく、混合伝導層の少なくとも一方の面上に触媒層を設けてもよい。触媒層とは、酸素透過膜10の表面で進行する反応(表面交換反応)、すなわち、一方の面(高酸素分圧側)で酸素分子から酸素イオンが生じる反応(1/2O2+2e−→O2−)、あるいは他方の面(低酸素分圧側)で酸素イオンから酸素分子が生じる反応(O2−→1/2O2+2e−)を促進する層である。また、装置20が改質器である場合には、低酸素分圧側に配置される触媒層は、既述した改質反応を促進する層とすることができる。
Moreover, the oxygen
このような触媒層は、例えば、白金(Pt)などの貴金属、ニッケル(Ni)などの金属、あるいは酸化ニッケル(NiO)などの金属酸化物により形成することができる。また、触媒層を、ランタン−鉄系複合酸化物や、ランタン−クロム系複合酸化物等のペロブスカイト型複合酸化物を用いて形成することもできる。ランタン−クロム系複合酸化物の触媒としては例えば、以下の(4)式の化合物を挙げることができる。なお、式中、xの値は、例えば0.8とすることができる。また、式中、0<y<0.2とすればよい。zは、式中の金属元素の割合や、環境温度および雰囲気に応じて、酸素原子の量が変動することを示す値である。
LaxSr1−xCryNi1−yO3−z …(4)
Such a catalyst layer can be formed of, for example, a noble metal such as platinum (Pt), a metal such as nickel (Ni), or a metal oxide such as nickel oxide (NiO). In addition, the catalyst layer can be formed using a perovskite complex oxide such as a lanthanum-iron complex oxide or a lanthanum-chromium complex oxide. Examples of the lanthanum-chromium composite oxide catalyst include compounds represented by the following formula (4). In the formula, the value of x can be set to 0.8, for example. In the formula, 0 <y <0.2 may be satisfied. z is a value indicating that the amount of oxygen atoms varies depending on the ratio of the metal element in the formula, the environmental temperature, and the atmosphere.
La x Sr 1-x Cr y Ni 1-y O 3-z ... (4)
以上のように構成された本実施形態の酸素透過膜10によれば、(1)式で表わされる酸化物および/または(2)式で表わされる酸化物から成る電子伝導体と、安定化ジルコニアから成る酸素イオン伝導体を含む混合伝導層を備え、混合伝導層の少なくとも一方の面についてのCuKαを線源とするX線回折パターンにおいて、La2Zr2O7のメインピークの、安定化ジルコニアのメインピークに対する積分強度比が、2%以下となっている。そのため、酸素透過膜において、La2Zr2O7を含む高抵抗相に起因する酸素透過性能の低下を抑えることと、酸素透過膜の緻密性を確保することとを両立して、酸素透過膜の性能を高めることが可能になる。
According to the oxygen
特に、本実施形態の酸素透過膜10の製造方法では、混合伝導層を不活性雰囲気下で焼成することによって混合伝導層の緻密性を確保した後に、クロム(Cr)元素と酸素の存在下で加熱処理を行なっている。そのため、焼成の工程で酸素透過膜中のランタンクロマイト系複合酸化物の結晶に酸素欠損が生じても、上記加熱処理により、La2Zr2O7を含む高抵抗相の生成を抑えつつ酸素欠損を回復して、酸素透過膜の酸素透過性能を向上させることができる。その結果、混合伝導層の少なくとも一方の面についてのCuKαを線源とするX線回折パターンにおいて、La2Zr2O7のメインピークの、安定化ジルコニアのメインピークに対する積分強度比が、2%以下となっている酸素透過膜10を、容易に得ることができる。
In particular, in the manufacturing method of the oxygen
なお、不活性雰囲気下での焼成工程の後に、クロム(Cr)元素の非存在下で加熱処理を行なって酸素欠損を回復したときに、混合伝導層の表面にLa2Zr2O7を含む高抵抗相が形成された場合には、加熱処理の後に、研磨などにより上記高抵抗相を除去する方策も考えられる。しかしながら、本実施形態によれば、高抵抗相の除去というさらなる工程を要することなく、簡便な工程により、混合伝導層における酸素欠損を回復しつつ酸素透過性能を確保することができる。 Note that when the oxygen deficiency is recovered by performing heat treatment in the absence of chromium (Cr) element after the firing step in an inert atmosphere, La 2 Zr 2 O 7 is included on the surface of the mixed conductive layer. When a high resistance phase is formed, a measure for removing the high resistance phase by polishing or the like after the heat treatment is also conceivable. However, according to the present embodiment, oxygen permeation performance can be ensured while recovering oxygen vacancies in the mixed conductive layer by a simple process without requiring a further process of removing the high resistance phase.
D.第2の実施形態:
図6は、第2の実施形態の酸素透過膜110の概略構成を示す断面模式図である。酸素透過膜110は、第1の実施形態の酸素透過膜10と同様の装置20に適用可能である。また、酸素透過膜110は、酸素透過膜10を構成する混合伝導層と同様の構成の混合伝導層22を備えている。すなわち、(1)式で表わされる酸化物および/または(2)式で表わされる酸化物から成る電子伝導体と、安定化ジルコニアから成る酸素イオン伝導体を含む混合伝導層22を備え、混合伝導層22の少なくとも一方の面についてのCuKαを線源とするX線回折パターンにおいて、La2Zr2O7のメインピークの、安定化ジルコニアのメインピークに対する積分強度比が、2%以下となっている。酸素透過膜110は、さらに、多孔質体によって構成される支持体24を有しており、支持体24上に混合伝導層22が形成されている。
D. Second embodiment:
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the oxygen
支持体24は、不活性ガス雰囲気下での焼成工程において安定で、還元、融解が生じない物質により形成すればよく、例えば、セラミック材料により形成することができる。セラミック材料により支持体を形成する場合には、セラミックの原料粉末を混合する際に、例えばアクリル樹脂系等の造孔剤およびバインダを加えて混合し、成形の後に焼成することにより、多孔質な支持体24を得ることができる。造孔剤は、焼成工程において容易に除去されることが望ましい。なお、用いる造孔剤の粒径、および、セラミックの原料粉末への混合割合により、作製する支持体における気孔率および細孔径を適宜調節すればよい。
The
支持体24を構成するセラミック材料の例としては、例えば、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、イットリウム(Y)、スカンジウム(Sc)、クロム(Cr)からなる群より選択される1種以上の元素を主成分とする酸化物を挙げることができる。支持体24を構成する酸化物が、上記群より選択される1種以上の元素を主成分とするとは、具体的には、支持体24を構成する酸化物中の、酸素を除いた元素、すなわち金属元素のうち、上記群に含まれる元素の合計の割合が50質量%以上を占めていることをいう。支持体24を構成する酸化物中の、酸素を除いた元素のうち、上記群に含まれる元素の含有量(含有割合)は、蛍光X線分析の半定量分析(ファンダメンタルパラメータ法)により測定することができる。なお、上記群より選択される1種以上の元素は、課題を解決するための手段に記載した選択元素に相当する。
Examples of the ceramic material constituting the
既述した選択元素は、いずれも価数変化をし難い元素である。そのため、支持体24を構成する選択元素の酸化物は、酸素透過膜110の製造工程の環境下、および、使用時の環境下において、安定性が高い。支持体24を構成する上記酸化物の不活性ガス雰囲気下での焼成条件における安定性は、例えば、エリンガム図から判断することができる。エリンガム図とは、横軸に温度、縦軸に標準反応ギブスエネルギー(ΔG0)をとって、様々な酸化物について、各温度における標準反応ギブスエネルギーをプロットしたグラフであり、平衡酸素分圧下での種々の酸化物の安定性を確認することができる。エリンガム図では、図の下方に位置する物質ほど酸化物が安定であることを示しており、エリンガム図に基づけば、上記群に含まれる各元素の酸化物は、ステップS120で用いる不活性ガスにより形成されると考えられる10−5atm程度の酸素分圧では、1700℃の高温においても安定であることが確認できる。上記酸化物によって支持体24を構成することにより、不活性雰囲気下での焼成工程(ステップS120)においても、高温、低酸素分圧による酸化物の還元、融解に起因する酸素透過膜の損傷を抑えることができる。さらに、上記酸化物によって支持体24を構成することにより、酸素透過膜110を、既述した改質器である装置20に適用する場合であっても、支持体24の安定性を確保することができる。
Any of the above-described selected elements is an element that hardly changes its valence. Therefore, the oxide of the selective element constituting the
また、支持体24は、焼成等を含む製造工程において混合伝導層との間で進行する反応の程度が、許容できる程度に小さい物質により形成することが望ましい。支持体24を構成するこのようなセラミック材料の具体的な例としては、例えば、安定化ジルコニアを挙げることができる。支持体24の材料として安定化ジルコニアを用いる場合には、その安定化ジルコニアは、混合伝導層22が酸素イオン伝導体として含有する安定化ジルコニアと同じ(用いる安定化剤の種類および量が同じ)であってもよく、異なっていてもよい。安定化ジルコニアによって支持体24を構成すると、混合伝導層22と支持体24との間の反応(混合伝導層22が備える酸素イオン伝導体あるいは電子伝導体と、支持体24の構成材料と、の間の反応)が進行し難いため望ましい。なお、支持体24と混合伝導層22との間の反応抑制の観点からは、支持体24と混合伝導層22とを、同種の(用いる安定化剤の種類が同じ)安定化ジルコニアを用いて構成することがさらに望ましい。また、安定化ジルコニアによって支持体24を構成する場合には、支持体24と混合伝導層22の間の熱膨張係数の差を小さくすることができるため、熱膨張係数の差に起因する酸素透過膜の損傷を抑え、酸素透過膜の耐久性を向上させることができる。なお、支持体24の強度を向上させる観点から、安定化ジルコニアとして部分安定化ジルコニアを用いる構成も好適である。
In addition, the
支持体24上に混合伝導層22を形成するには、例えば、図2のステップS110において、酸素イオン伝導体の粉末および電子伝導体の粉末に溶剤を加えてペーストを作製し、作製したペーストを、上記支持体上に塗布すればよい。そして、既述した条件にて、ステップS120の焼成工程およびステップS130の加熱処理の工程を行なえばよい。
In order to form the mixed
このような構成としても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第2の実施形態によれば、支持体24を用いることで、混合伝導層22をより薄く形成して、酸素透過膜110の酸素透過性能を向上させることが可能になる。
Even with such a configuration, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. Further, according to the second embodiment, by using the
本実施形態のように、支持体24上に混合伝導層22を設ける場合には、支持体24上に混合伝導層22を形成し、焼成工程(ステップS120)および加熱処理の工程(ステップS130)を行なうことになる。そのため、既述した酸素欠損を回復するための加熱処理を、本実施形態とは異なりクロム(Cr)元素の非存在下で行なうと、支持体24と混合伝導層22との界面に、既述した高抵抗相が形成され得る。このような場合には、支持体24と混合伝導層22との界面に形成された高抵抗相を、研磨などで除去することは不可能である。本実施形態では、ステップS130の加熱処理をクロム(Cr)元素の存在下で行なうため、支持体24と混合伝導層22との界面に高抵抗相が形成されることを抑えることができる。したがって、クロム(Cr)元素の存在下での加熱処理を伴う本実施形態の酸素透過膜10の製造方法は、支持体24上に混合伝導層22が形成された酸素透過膜の製造方法として特に優れている。
When the mixed
第2の実施形態において、混合伝導層22の少なくとも一方の面上に、既述した触媒層を設けることとしてもよい。すなわち、混合伝導層22が支持体24に接する界面に触媒層を設けてもよく、あるいは、混合伝導層22における支持体24から離間した側の面に触媒層を設けてもよい。混合伝導層22が支持体24に接する界面に触媒層を設ける場合には、例えば、触媒層の材料を含むペーストを作製して支持体24上に塗布して焼き付けを行ない、支持体24上に触媒層を形成すればよい。その後、形成した触媒層上に混合伝導層の材料を含むペーストを塗布し、既述した焼成工程(ステップS120)および加熱処理の工程(ステップS130)を行なえばよい。混合伝導層22における支持体24から離間した側の面に触媒層を設ける場合には、触媒層の材料を含むペーストを混合伝導層上に塗布する工程は、上記した焼成工程(ステップS120)の前後のいずれであってもよく、また、加熱処理の工程(ステップS130)の前後のいずれであってもよい。触媒層は、混合伝導層22の一方の面に酸素を供給可能になる程度に、あるいは、混合伝導層22を透過した酸素が通過可能になる程度に、多孔質であればよい。
In the second embodiment, the above-described catalyst layer may be provided on at least one surface of the mixed
なお、酸素透過膜110が備える支持体24は、マグネシウム(Mg)元素を実質的に含有しないことが望ましい。支持体24がマグネシウム(Mg)元素を含有していても、混合伝導層22の表面に高抵抗相(La2Zr2O7)が形成されることを抑える効果は得られるが、支持体24がマグネシウム(Mg)元素を実質的に含有しないことで、酸素透過膜110の酸素透過性能をさらに高めることができる。支持体24がマグネシウム(Mg)元素を含有すると、支持体24中のマグネシウム(Mg)が、混合伝導層22が含有するペロブスカイト型(ABO3)の電子伝導体におけるBサイトにドープされ、Bサイト過剰状態になり得る。そして、Bサイト過剰状態になると、上記電子伝導体における電子伝導性能が低下して(混合伝導層22の抵抗が増大して)、酸素透過膜110における酸素透過速度が低下し得るためである。
It is desirable that the
酸素透過膜110が備える支持体24がマグネシウム(Mg)元素を実質的に含有しないとは、具体的には、支持体24におけるマグネシウム(Mg)元素の含有量が、0.1質量%以下であることが望ましい。支持体24におけるマグネシウム(Mg)元素の含有量は、蛍光X線分析の半定量分析(ファンダメンタルパラメータ法)により測定することができる。
Specifically, the
支持体24を、安定化ジルコニアを用いて構成する場合には、安定化ジルコニアに固溶させる安定化剤は、酸化マグネシウム(MgO)とは異なる安定化剤であることが望ましい。具体的には、安定化ジルコニアに固溶させる安定化剤は、酸化カルシウム(CaO)、酸化イットリウム(Y2O3)、および酸化スカンジウム(Sc2O3)から選択される少なくとも1種の安定化剤であることが望ましい。なお、上記した混合伝導層22が含有するペロブスカイト型電子伝導体のBサイトへのMgのドープを抑制する観点からは、混合伝導層22が含有する安定化ジルコニアにおける安定化剤も、酸化マグネシウム(MgO)とは異なる安定化剤であることが望ましい。
When the
E.第3の実施形態:
図6に示した酸素透過膜110において、支持体24が、さらに触媒活性を有していてもよい。すなわち、支持体24は、酸素分子から酸素イオンが生じる反応(1/2O2+2e−→O2−)を促進する活性、酸素イオンから酸素分子が生じる反応(O2−→1/2O2+2e−)を促進する活性、あるいは、酸素透過膜110を備える装置20が改質器である場合には既述した改質反応を促進する活性を有していてもよい。このような構成を、第3の実施形態として以下に説明する。
E. Third embodiment:
In the oxygen
第3の実施形態の支持体24は、第2の実施形態の支持体24と同様のセラミック材料に、さらに触媒活性を有する物質を混合することにより作製できる。上記セラミック材料としては、安定化ジルコニアを用いることが望ましく、特に、酸化カルシウム(CaO)、酸化イットリウム(Y2O3)、および酸化スカンジウム(Sc2O3)から選択される少なくとも1種を安定化剤として含有する安定化ジルコニアを用いることが望ましい。触媒活性を有する物質としては、既述した触媒層を構成する物質を用いることができ、特に、ランタン−鉄系複合酸化物や、ランタン−クロム系複合酸化物等のペロブスカイト型複合酸化物を用いることが望ましい。
The
第3の実施形態の支持体24は、第2の実施形態の支持体24と同様にして作製することができる。例えば、セラミックの原料粉末と、上記した触媒活性を有する物質の粉末とを混合する際に、アクリル樹脂系等の造孔剤およびバインダを加えて混合し、成形の後に焼成すればよい。なお、セラミックの原料粉末と、触媒活性を有する物質の粉末との混合比は、体積比で1:9〜9:1の間で適宜設定すればよい。
The
このような構成としても、第1の実施形態および第2の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第3の実施形態によれば、混合伝導層22と支持体24との間に別途触媒層を設ける場合に比べて、酸素透過膜の構成および酸素透過膜の製造方法を簡素化することができる。
Even with such a configuration, the same effects as those of the first embodiment and the second embodiment can be obtained. In addition, according to the third embodiment, the configuration of the oxygen permeable membrane and the method for producing the oxygen permeable membrane can be simplified as compared with the case where a separate catalyst layer is provided between the mixed
F.変形例:
上記各実施形態では、酸素透過膜を製造するために、酸素イオン伝導体と電子伝導体とを混合して混合伝導層を形成し(第1の工程)、形成した混合伝導層を焼成し(第2の工程)、その後、クロム(Cr)元素と酸素の存在下で1000℃以上の温度条件にて加熱処理している(第3の工程)。これに対して、焼成の工程を伴わない方法により酸素透過膜を製造しても良い。焼成を伴わない酸素透過膜の製造方法としては、例えば溶射によって、酸素イオン伝導体と電子伝導体とが混合された混合伝導層を形成する方法が挙げられる。混合伝導層を形成する際に、不活性雰囲気下で溶射を行なうこととすれば良い。その後、クロム(Cr)元素と酸素の存在下で1000℃以上の温度条件にて加熱処理すれば、溶射の工程でランタンクロマイト系複合酸化物に生じた酸素欠損を回復して、各実施形態と同様の混合伝導層を得ることができる。すなわち、少なくとも一方の面についてのCuKαを線源とするX線回折パターンにおいて、La2Zr2O7のメインピークの、安定化ジルコニアのメインピークに対する積分強度比が2%以下である、混合伝導層を得ることができる。
F. Variation:
In each of the above embodiments, in order to manufacture an oxygen permeable membrane, an oxygen ion conductor and an electron conductor are mixed to form a mixed conductive layer (first step), and the formed mixed conductive layer is fired ( (2nd process) Then, it heat-processes on the temperature conditions of 1000 degreeC or more in presence of chromium (Cr) element and oxygen (3rd process). On the other hand, you may manufacture an oxygen permeable film by the method which does not accompany a baking process. An example of a method for producing an oxygen permeable film without firing includes a method of forming a mixed conductive layer in which an oxygen ion conductor and an electron conductor are mixed, for example, by thermal spraying. When forming the mixed conductive layer, thermal spraying may be performed in an inert atmosphere. Thereafter, if heat treatment is performed at a temperature of 1000 ° C. or higher in the presence of chromium (Cr) element and oxygen, oxygen deficiency generated in the lanthanum chromite complex oxide in the thermal spraying process is recovered, Similar mixed conductive layers can be obtained. That is, in the X-ray diffraction pattern using CuKα as a radiation source for at least one surface, the integrated intensity ratio of the main peak of La 2 Zr 2 O 7 to the main peak of stabilized zirconia is 2% or less. A layer can be obtained.
図7〜9は、サンプル1〜21という21種類の酸素透過膜を作製し、その性能を調べた結果を表にして示す説明図である。以下に、各サンプルの構成および製造方法と、性能を評価した結果について説明する。なお、図7および8では、すべての評価項目で良好な結果が得られたサンプルについての判定を「○」とした。
FIGS. 7 to 9 are explanatory diagrams showing the results of producing 21 types of oxygen permeable membranes of
<各サンプルの作製>
[サンプル1]
サンプル1は、酸素イオン伝導体として、スカンジウム(Sc)およびセリウム(Ce)を含有するスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)を含有する。また、サンプル1は、電子伝導体として、La0.8Sr0.2CrO3−zを含有する。サンプル1は、図2の製造方法に従って製造した。
<Production of each sample>
[Sample 1]
ScSZは、第一稀元素化学工業製の10Sc1CeSZを用いた。La0.8Sr0.2CrO3−z(LSC)は、以下のように作製した。原料粉末としては、酸化ランタン(La2O3、和光純薬工業製、純度99.9%)、炭酸ストロンチウム(SrCO3、高純度化学研究所製、純度99.9%)、および酸化クロム(Cr2O3、高純度化学研究所製、純度99.99%)の粉末を用いた。これら原料粉末を、金属元素の割合が、既述した組成式の組成比になるように秤量した。そして、ZrO2ボールと樹脂ポットを用いて、エタノールと共に、これらの原料粉末について湿式混合粉砕を15時間行なった。その後、湯煎乾燥してエタノールを除去し、得られた混合粉末を15℃/minの昇温速度で1500℃まで昇温させ、1500℃にて24時間仮焼成して、仮焼粉末であるLSCの粉末を得た。 As the ScSZ, 10Sc1CeSZ manufactured by Daiichi Rare Element Chemical Industry was used. La 0.8 Sr 0.2 CrO 3-z (LSC) was prepared as follows. As the raw material powder, lanthanum oxide (La 2 O 3 , Wako Pure Chemical Industries, purity 99.9%), strontium carbonate (SrCO 3 , high purity chemical research laboratory, purity 99.9%), and chromium oxide ( Cr 2 O 3 , manufactured by High Purity Chemical Laboratory, purity 99.99%) was used. These raw material powders were weighed so that the ratio of the metal element was the composition ratio of the composition formula described above. Then, using a ZrO 2 ball and a resin pot, wet mixing and grinding were performed for 15 hours on these raw material powders together with ethanol. Thereafter, the bath is dried in a hot bath to remove ethanol, and the resulting mixed powder is heated to 1500 ° C. at a temperature rising rate of 15 ° C./min, calcined at 1500 ° C. for 24 hours, and calcined LSC Of powder was obtained.
さらに、この仮焼粉末に分散剤とバインダを加え、エタノールを用いて既述した条件と同様の条件で湿式混合粉砕を行ない、乾燥させて、仮焼粉末を含む粉末を得た。その後、ScSZとLSCとの混合物におけるLSCの混合割合が20mol%となるように、上記仮焼粉末を含む粉末をScSZに混合し、ScSZとLSCの混合粉末を得た。この混合粉末を用いて油圧プレスにて50MPaで圧粉成形し、不活性雰囲気である窒素(N2)中において1500℃にて24時間焼成した(ステップS120)。焼成後、得られた焼結体を厚みが0.6mmになるように研磨し加熱処理に供した。 Further, a dispersant and a binder were added to the calcined powder, and wet mixed pulverization was performed under the same conditions as described above using ethanol, followed by drying to obtain a powder containing the calcined powder. Thereafter, the powder containing the calcined powder was mixed with ScSZ so that the mixing ratio of LSC in the mixture of ScSZ and LSC was 20 mol%, thereby obtaining a mixed powder of ScSZ and LSC. The mixed powder was compacted at 50 MPa with a hydraulic press and fired at 1500 ° C. for 24 hours in nitrogen (N 2 ) as an inert atmosphere (step S120). After firing, the obtained sintered body was polished to a thickness of 0.6 mm and subjected to heat treatment.
加熱処理(ステップS130)は、図3に示す方法を採用した。具体的には、アルミナるつぼを用いて、作製する酸素透過膜の混合伝導層と同じ組成の粉末(ScSzとLSCの混合粉末)に上記焼結体を埋没させ、大気中1500℃にて12時間加熱処理を行ない、サンプル1の酸素透過膜を得た。図7では、加熱処理方法として、酸素透過膜の混合伝導層と同じ組成の粉末に焼結体を埋没させる方法を、「酸素透過膜共素地埋没」と記載している。なお、上記した混合粉末を得る際には、仮焼粉末において100%の効率でLa0.8Sr0.2CrO3−zが形成されているものとして、仮焼粉末を含む粉末の混合量を設定した。また、加熱処理の後には、さらなる研磨は行なっていない。
The heat treatment (step S130) employs the method shown in FIG. Specifically, using an alumina crucible, the above sintered body is embedded in a powder (mixed powder of ScSz and LSC) having the same composition as the mixed conductive layer of the oxygen permeable membrane to be produced, and in the atmosphere at 1500 ° C. for 12 hours. Heat treatment was performed to obtain an oxygen permeable membrane of
[サンプル2〜5]
サンプル2〜5は、酸素イオン伝導体としてサンプル1と同様のScSZを含有し、電子伝導体としてサンプル1と同様のLSCを含有する。サンプル2〜5は、サンプル1と同様に、図3の製造方法に従って製造した。
[
サンプル2〜5の製造方法は、ステップS120の焼成条件、あるいは、ステップS130の加熱処理(焼鈍)の条件が、サンプル1の製造方法と異なっている。サンプル2は、加熱処理の条件が、1400℃にて24時間であった点が異なっている。サンプル3は、加熱処理の条件が、1300℃にて48時間であった点が異なっている。サンプル4は、焼成を、窒素(N2)中ではなくアルゴン(Ar)中で行なった点が異なっている。サンプル5は、加熱処理において、LSC粉末中に焼結体を埋没させた点、および、加熱処理を1400℃にて24時間行なった点が異なっている。これらの方法により、サンプル2〜5の酸素透過膜を得た。
The manufacturing methods of
[サンプル6、7]
サンプル6、7は、酸素イオン伝導体としてサンプル1と同様のScSZを含有し、電子伝導体としてサンプル1と同様のLSCを含有する。サンプル6、7は、加熱処理の方法がサンプル1とは異なる。
[
サンプル6、7の製造方法において、加熱処理に供するための焼結体を作製するまでの工程は、サンプル1と同様とした。サンプル6、7を製造する際には、加熱処理は、図4に示す方法を採用した。具体的には、サンプル6の製造時には、アルミナるつぼの中にクロム(Cr)元素を含有する粉末46として酸化クロム(III)(Cr2O3)の粉末を配置し、その上に白金(Pt)製のメッシュ44を配置し、メッシュ44上に焼結体(混合伝導層12)を載置し、焼結体と粉末46とを離間させた。そして、大気中で1400℃にて24時間加熱処理を行ない、サンプル6の酸素透過膜を得た。サンプル7は、粉末46としてLSC粉末を用いたこと以外は、サンプル6と同様にして製造した。図7では、図4に示す方法を採用して粉末46としてCr2O3粉末を用いる加熱方法を「Cr2O3非接触」と記載し、図4に示す方法を採用して粉末46としてLSC粉末を用いる加熱方法を「LSC非接触」と記載している。
In the manufacturing methods of
[サンプル8]
サンプル8は、酸素イオン伝導体としてサンプル1と同様のScSZを含有し、電子伝導体としてLa0.8Ca0.2CrO3−zを含有する。
[Sample 8]
Sample 8 contains the same ScSZ as
La0.8Ca0.2CrO3−z(LCC)は、原料粉末として炭酸カルシウム(CaCO3、高純度化学研究所製、純度99.9%)、炭酸ストロンチウム(SrCO3、高純度化学研究所製、純度99.9%)、および酸化クロム(Cr2O3、高純度化学研究所製、純度99.99%)の粉末を用い、既述したLSCと同様の条件により、仮焼粉末として作製した。このような仮焼粉末を用い、サンプル1と同様の方法により、加熱処理に供するための焼結体を作製した。加熱処理は、図4に示す方法を採用してサンプル6と同様の条件により行ない、サンプル8の酸素透過膜を得た。
La 0.8 Ca 0.2 CrO 3-z (LCC) is the raw material powder as a calcium carbonate (CaCO 3, manufactured by Kojundo Chemical Laboratory, 99.9% purity), strontium carbonate (SrCO 3, high purity Chemistry The powder was calcined under the same conditions as those of the LSC described above, using a powder of a laboratory product, purity 99.9%), and chromium oxide (Cr 2 O 3 , manufactured by High Purity Chemical Laboratory, purity 99.99%). As produced. Using such a calcined powder, a sintered body to be subjected to heat treatment was produced by the same method as
[サンプル9]
サンプル9は、酸素イオン伝導体としてイットリア安定化ジルコニア(YSZ)を含有し、電子伝導体としてサンプル1と同様のLSCを含有する。
[Sample 9]
Sample 9 contains yttria-stabilized zirconia (YSZ) as an oxygen ion conductor and contains LSC similar to
YSZとして、東ソー株式会社製のTZ−8Y粉末(Y2O3:8mol%)を用い、サンプル1と同様の方法により、加熱処理に供するための焼結体を作製した。なお、サンプル9では、ステップS120の焼成後、得られた焼結体を厚みが、サンプル1の3分の1である0.2mmになるように研磨して加熱処理に供した。これは、YSZのイオン伝導度はScSZのイオン伝導度の約3分の1であるため、構成材料に起因して酸素透過膜の酸素透過性能が低下する影響を抑えることを意図したものである。加熱処理は、図4に示す方法を採用してサンプル6と同様の条件により行ない、サンプル9の酸素透過膜を得た。
As YSZ, a sintered body to be subjected to heat treatment was produced by the same method as
[サンプル10]
サンプル10は、酸素イオン伝導体としてサンプル9と同様のYSZを含有し、電子伝導体としてサンプル8と同様のLCCを含有する。サンプル10は、用いた酸素イオン伝導体および電子伝導体の種類が異なること、および、焼成後の研磨により焼結体の厚みを0.2mmにしたこと以外は、サンプル2と同様にして製造した。これにより、サンプル10の酸素透過膜を得た。
[Sample 10]
[サンプル11]
サンプル11は、酸素イオン伝導体としてサンプル1と同様のScSZを含有し、電子伝導体としてサンプル1と同様のLSCを含有する。サンプル11は、クロム(Cr)元素を含有する物質を共存させることなく大気中で加熱処理を行なったことを除いては、サンプル1と同様の方法により製造した。これにより、サンプル11の酸素透過膜を得た。
[Sample 11]
Sample 11 contains ScSZ similar to
[サンプル12]
サンプル12は、酸素イオン伝導体としてサンプル1と同様のScSZを含有し、電子伝導体としてサンプル1と同様のLSCを含有する。サンプル12の製造方法は、焼成後の加熱処理(ステップS130)を行なわなかった点が、サンプル1の製造方法と異なっている。これにより、サンプル12の酸素透過膜を得た。
[Sample 12]
[サンプル13]
サンプル13は、酸素イオン伝導体としてサンプル1と同様のScSZを含有し、電子伝導体としてサンプル1と同様のLSCを含有する。サンプル13の製造方法は、焼成(ステップS120)を大気中で行なった点、および、焼成後の加熱処理(ステップS130)を行なわなかった点が、サンプル1の製造方法と異なっている。これにより、サンプル13の酸素透過膜を得た。
[Sample 13]
Sample 13 contains ScSZ similar to
[サンプル14]
サンプル14は、酸素イオン伝導体としてサンプル1と同様のScSZを含有し、電子伝導体としてサンプル1と同様のLSCを含有する。サンプル14は、図6に示す構成を有しており、支持体上に混合伝導層を形成している点においてサンプル1と異なっている。サンプル14が備える支持体は、カルシア安定化ジルコニア(CSZ)によって形成した。
[Sample 14]
Sample 14 contains the same ScSZ as
サンプル14が備える支持体は、以下のようにして作製した。CSZとして、第一稀元素化学工業製のCSZ粉末(CaO:8mol%)を用いたこのCSZ粉末に、アクリル系樹脂の造孔剤およびエチルセルロース系のバインダを加えて混合し、50MPaの成形圧でペレット状に圧粉成形した。このペレットを、2℃/minの昇温速度で昇温して400℃で1時間脱脂した。その後、5℃/minの昇温速度で昇温して1300℃で24時間仮焼して、厚み1mm、気孔率が45%の多孔質体を得た。この多孔質体を研磨により0.4mmの厚みに調整して、支持体として用いた。 The support provided in the sample 14 was produced as follows. A CSZ powder (CaO: 8 mol%) manufactured by Daiichi Rare Element Chemical Co., Ltd. is used as the CSZ, and an acrylic resin pore-forming agent and an ethyl cellulose binder are added and mixed, and the molding pressure is 50 MPa. Compacted into pellets. The pellets were heated at a heating rate of 2 ° C./min and degreased at 400 ° C. for 1 hour. Thereafter, the temperature was raised at a rate of 5 ° C./min and calcined at 1300 ° C. for 24 hours to obtain a porous body having a thickness of 1 mm and a porosity of 45%. This porous body was adjusted to a thickness of 0.4 mm by polishing and used as a support.
上記支持体上における混合伝導層の形成は、以下のように行なった。まず、サンプル1で用いたものと同様のScSZ粉末およびLSC粉末に、溶剤(ブチルジグリコールとエチルセルロースの混合物)を加えて、混合伝導層ペーストを作製した。また、上記した支持体上に、スクリーンマスクを用いて白金(Pt)ペーストを100μm塗布し、5℃/minの昇温速度で昇温して1000℃で1時間焼成し、触媒層とした。その後、この触媒層上に、スクリーンマスクを用いて上記した混合伝導層ペーストを100μmの厚みとなるように印刷した。そして、サンプル1と同様にして、窒素(N2)中において1500℃にて24時間焼成した(ステップS120)。焼成後、混合伝導層上に、スクリーンマスクを用いて白金(Pt)ペーストを100μm塗布し、1000℃で1時間焼成して、触媒層とした。このようにして支持体、触媒層、混合伝導層、触媒層の順で設けられた積層体を、サンプル1と同様の方法(酸素透過膜共素地埋没)で加熱処理し(ステップS130)、サンプル14の酸素透過膜を得た。
The mixed conductive layer was formed on the support as follows. First, a solvent (mixture of butyl diglycol and ethyl cellulose) was added to the same ScSZ powder and LSC powder as used in
[サンプル15]
サンプル15は、酸素イオン伝導体としてサンプル1と同様のScSZを含有し、電子伝導体としてサンプル1と同様のLSCを含有する。サンプル15は、サンプル14と同様に図6に示す構成を有しており、支持体の構成が異なること以外は、サンプル14と同様にして作製した。
[Sample 15]
Sample 15 contains ScSZ similar to
サンプル15が備える支持体は、CSZに加えて、触媒活性を有するLa0.8Sr0.2Cr0.85Ni0.15O3を含有している。このような支持体は、CSZ粉末に対してLa0.8Sr0.2Cr0.85Ni0.15O3粉末を体積比で50%の割合で混合すると共に、アクリル系樹脂の造孔剤およびエチルセルロース系のバインダをさらに加えて混合し、サンプル14の支持体と同様にして作製した。そして、サンプル14と同様にして、ステップS130の加熱処理の工程までを行ない、支持体、触媒層、混合伝導層、触媒層の順で設けられた積層体であるサンプル15の酸素透過膜を得た。 The support provided in the sample 15 contains La 0.8 Sr 0.2 Cr 0.85 Ni 0.15 O 3 having catalytic activity in addition to CSZ. Such a support is prepared by mixing La 0.8 Sr 0.2 Cr 0.85 Ni 0.15 O 3 powder in a volume ratio of 50% with respect to CSZ powder, and forming pores of acrylic resin. An agent and an ethyl cellulose binder were further added and mixed, and the same procedure as for the sample 14 support was performed. Then, in the same manner as the sample 14, the process up to the heat treatment step of step S130 is performed, and the oxygen permeable membrane of the sample 15 which is a laminated body provided in the order of the support, the catalyst layer, the mixed conductive layer, and the catalyst layer is obtained. It was.
[サンプル16]
サンプル16は、酸素イオン伝導体としてサンプル1と同様のScSZを含有し、電子伝導体としてサンプル1と同様のLSCを含有する。サンプル16は、ステップS130の加熱処理の工程を、クロム(Cr)元素を含有する物質を共存させることなく大気中で行なった点を除いては、サンプル14と同様にして作製した。
[Sample 16]
[サンプル17]
サンプル17は、酸素イオン伝導体としてサンプル1と同様のScSZを含有し、電子伝導体としてサンプル1と同様のLSCを含有する。サンプル17は、焼成後の研磨により焼結体の厚みを0.1mmにしたこと以外は、サンプル1と同様にして製造した。これにより、サンプル17の酸素透過膜を得た。
[Sample 17]
Sample 17 contains ScSZ similar to
[サンプル18]
サンプル18は、酸素イオン伝導体としてサンプル1と同様のScSZを含有し、電子伝導体としてサンプル1と同様のLSCを含有する。サンプル18は、図6に示す構成を有しており、支持体上に混合伝導層を形成している。サンプル18が備える支持体は、酸化マグネシウム(MgO)によって形成した。
[Sample 18]
サンプル18が備える支持体は、CSZ粉末に代えて酸化マグネシウム(MgO)粉末(タテホ化学工業製の軽焼酸化マグネシウム)を用いることにより、サンプル14の支持体と同様にして作製した。また、支持体と混合伝導層の間に触媒層を設けなかった点以外は、サンプル14の酸素透過膜と同様にして作製した。これにより、支持体、混合伝導層、触媒層の順で設けられた積層体であるサンプル18の酸素透過膜を得た。
The support provided for the
[サンプル19〜21]
サンプル19〜21は、酸素イオン伝導体としてサンプル1と同様のScSZを含有し、電子伝導体としてサンプル1と同様のLSCを含有する。サンプル19〜21は、図6に示す構成を有しており、支持体上に混合伝導層を形成している。サンプル19が備える支持体は、CSZにより形成し、サンプル20が備える支持体は、YSZにより形成し、サンプル21が備える支持体は、ScSZにより形成した。
[Samples 19 to 21]
Samples 19 to 21 contain the same ScSZ as the
サンプル19が備える支持体は、サンプル14が備える支持体と同様にして作製した。サンプル20が備える支持体は、CSZ粉末に代えて、YSZ粉末である東ソー株式会社製のTZ−8Y粉末(Y2O3:8mol%)を用いることにより、サンプル14の支持体と同様にして作製した。また、サンプル21が備える支持体は、CSZ粉末に代えて、ScSZ粉末である第一稀元素化学工業製の10Sc1CeSZを用いることにより、サンプル14の支持体と同様にして作製した。また、サンプル19〜21の酸素透過膜は、支持体と混合伝導層の間に触媒層を設けなかった点以外は、サンプル14の酸素透過膜と同様にして作製した。これにより、支持体、混合伝導層、触媒層の順で設けられた積層体であるサンプル19〜21の酸素透過膜を得た。
The support provided for the sample 19 was produced in the same manner as the support provided for the sample 14. The support provided in the
<酸素透過速度の測定>
図10は、各サンプルの酸素透過特性を測定するために用いた測定装置30の概略構成を表わす説明図である。測定装置30は、2本の透明石英管31、32と、アルミナチューブ33、34と、電気炉35と、熱電対36と、を備える。2本の透明石英管31、32は、上下に配置され、その間に各サンプルを挟んで測定を行なう。透明石英管31とサンプルSとを接合する際には、サンプルS上に内径10mmの金の薄膜リングを載置し、その上に透明石英管31を押し付けて、1050℃に昇温して金を軟化させ、ガスシール性を確保した。透明石英管31、32の内側には、アルミナチューブ33、34を配置した。酸素透過特性の測定の際には、アルミナチューブ33には99.9%水素含有ガスを流し、アルミナチューブ34には空気を流した。透明石英管31、32は、電気炉35内に配置されており、透明石英管31、32に挟まれたサンプルSは、電気炉35内の均熱部分に配置した。また、アルミナチューブ34内には、サンプル温度を測定するために、サンプルSの近傍に達するように熱電対36を配置した。酸素透過特性の測定の際には、サンプル温度が1000℃に維持されるように電気炉35による加熱を行なった。なお、測定装置30内に各サンプルを配置する際には、支持体を備えるサンプルについては、支持体を有しない側の表面に空気が供給され、支持体を有する側の表面に99.9%水素含有ガスが供給されるように、各サンプルを配置した。
<Measurement of oxygen transmission rate>
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the
上記した測定装置30内に配置された各サンプルにおいて、空気側(透明石英管32側)から99.9%水素含有ガス側(透明石英管31側)へと、サンプル内を酸素が透過すると、水素含有ガス側では透過した酸素を用いて水(水蒸気)が生じる。測定装置30から排出される水素含有ガス中の水蒸気は、全て、透過した酸素由来であると考えられるため、排出された水素含有ガス中の水蒸気濃度を鏡面露点計(東洋テクニカ製)を用いて測定し、透過した酸素量を算出した。このようにして算出した透過酸素量と、サンプルの透過面積とに基づいて、酸素透過流速密度j(02)を算出した。このとき、アルミナチューブ33を介して供給する99.9%水素含有ガス量は200mL/min、アルミナチューブ34を介して供給する空気量は、マスフロコントローラを用いて、300mL/minとした。
In each sample arranged in the
なお、サンプル1〜13について酸素透過速度を測定する際には、各サンプルの両面に白金(Pt)ペーストを塗布して大気中1000℃で1時間焼き付けて、触媒層を形成した後に測定を行なった。
When measuring the oxygen permeation rate for
<相対密度の測定>
相対密度とは、既述したように、試料の理論密度に対する、試料の実測された密度の割合を表わす。各サンプルの密度の実測は、アルキメデス法により行なった。具体的には、液体として水を用い、電子天秤(株式会社島津製作所製、AW220)を用いて水中および空気中での各サンプルの重量測定を行ない、測定時の温度における水の比重を用いて各サンプルの密度を算出した。なお、相対密度の測定は、支持体を有しないサンプル1〜13について測定した。また、相対密度の測定に先立って、各サンプルを純水で洗浄し、加熱処理工程において各サンプルの表面に付着した粉末を除去した。
<Measurement of relative density>
As described above, the relative density represents the ratio of the actually measured density of the sample to the theoretical density of the sample. The actual density of each sample was measured by the Archimedes method. Specifically, water is used as the liquid, each sample is weighed in water and in air using an electronic balance (manufactured by Shimadzu Corporation, AW220), and the specific gravity of water at the temperature at the time of measurement is used. The density of each sample was calculated. In addition, the measurement of the relative density was measured about the samples 1-13 which do not have a support body. Prior to the measurement of the relative density, each sample was washed with pure water, and the powder adhering to the surface of each sample was removed in the heat treatment step.
<高抵抗相生成有無の評価>
各サンプルにおける高抵抗相であるLa2Zr2O7の生成の有無の評価は、株式会社リガク社製のMIniFlexを用いて、酸素透過速度評価前のサンプル表面を、X線回折法(CuKα)により分析した。
<Evaluation of presence or absence of high resistance phase generation>
The evaluation of the presence or absence of the production of La 2 Zr 2 O 7 , which is a high resistance phase in each sample, was performed using an X-ray diffraction method (CuKα) on the sample surface before the oxygen transmission rate evaluation using MINIFlex manufactured by Rigaku Corporation. Was analyzed.
図11は、一例としてサンプル11のX線回折パターンを示し、図12は、一例としてサンプル1のX線回折パターンを示す。加熱処理の工程(ステップS130)においてLa2O3が遊離してジルコニア(Zr)と反応すると、X線回折パターンにおいて、酸素イオン伝導体と電子伝導体に対応するピークに加えて、反応により生じた物質La2Zr2O7に対応するピークが生じる。そこで、X線回折パターンに基づいて、酸素イオン伝導体と電子伝導体との反応により生じたLa2Zr2O7のX線回折ピークの積分強度比を求めた。上記反応により生じた物質のX線回折ピークの積分強度比(以下、単に積分強度比とも呼ぶ)は、以下の(5)式で与えられる。
FIG. 11 shows an X-ray diffraction pattern of Sample 11 as an example, and FIG. 12 shows an X-ray diffraction pattern of
積分強度比=b1/a1 …(5) Integral intensity ratio = b1 / a1 (5)
ここで、a1は、安定化ジルコニアに由来するX線回折ピークの積分強度であり、b1は、La2Zr2O7に由来するX線回折ピークの積分強度である。各々の化合物に由来するX線回折ピークは、各化合物の結晶面毎に現われるが、各化合物のX線回折ピークの積分強度は、各々の化合物に由来のピークの内の最も強いピークについて求めた。また、既述したように、X線回折による2θ=28〜29°付近に存在するピークの中で最も強いピークを、La2Zr2O7のメインピークと規定した。 Here, a1 is the integrated intensity of the X-ray diffraction peak derived from stabilized zirconia, and b1 is the integrated intensity of the X-ray diffraction peak derived from La 2 Zr 2 O 7 . The X-ray diffraction peak derived from each compound appears for each crystal plane of each compound, and the integrated intensity of the X-ray diffraction peak of each compound was determined for the strongest peak among the peaks derived from each compound. . As described above, the strongest peak among the peaks existing in the vicinity of 2θ = 28 to 29 ° by X-ray diffraction was defined as the main peak of La 2 Zr 2 O 7 .
なお、サンプル1〜13および17についてのLa2Zr2O7の生成有無の評価は、触媒層の形成を伴う酸素透過速度の測定に先立って行なった。また、支持体および触媒層を備えるサンプル14〜16、および18〜21については、酸素透過速度の測定の後に支持体および触媒層を除去して、混合伝導層の表面を露出させた後に、上記したLa2Zr2O7の生成有無の評価を行なった。図7〜9において、La2Zr2O7の生成が「無し」とは、既述した(5)式で与えられる積分強度比が2%以下であることを意味し、La2Zr2O7の生成が「有り」とは、上記積分強度比が2%を超えていることを意味する。 The evaluation of the product the presence of La 2 Zr 2 O 7 for samples 1-13 and 17, was carried out prior to the measurement of the oxygen transmission rate with formation of the catalyst layer. For samples 14 to 16 and 18 to 21 provided with a support and a catalyst layer, the support and the catalyst layer were removed after the measurement of the oxygen transmission rate to expose the surface of the mixed conductive layer. The presence or absence of production of La 2 Zr 2 O 7 was evaluated. 7 to 9, “None” for the generation of La 2 Zr 2 O 7 means that the integrated intensity ratio given by the above-described equation (5) is 2% or less, and La 2 Zr 2 O “Presence” of the generation of 7 means that the integrated intensity ratio exceeds 2%.
混合伝導層の表面を露出させる方法は、以下の通りである。まず、支持体部分を研磨することで除去した。その後、触媒層については、混合伝導層との界面を除去しないように軽く研磨除去した。そして、混合伝導層の表面に残留する触媒層成分(Pt)は、王水を用いて溶解除去した。 The method for exposing the surface of the mixed conductive layer is as follows. First, the support portion was removed by polishing. Thereafter, the catalyst layer was lightly polished and removed so as not to remove the interface with the mixed conductive layer. The catalyst layer component (Pt) remaining on the surface of the mixed conductive layer was dissolved and removed using aqua regia.
<支持体と混合伝導層との反応性の評価>
サンプル18〜21については、支持体として用いた酸化物と混合伝導層との間の反応性を評価した。具体的な方法は、以下の通りである。支持体と混合伝導層との反応性を評価するために、各サンプルについて、支持体上に混合伝導層が形成された既述した酸素透過膜とは別に、各々の支持体の構成材料から成る粉末と、混合伝導層の構成材料から成る粉末とを50wt%ずつ混合し、圧粉してペレット(混合ペレット)と成した。そして、これらの混合ペレットを、既述した各サンプルについての焼成工程(ステップS120)の条件にて焼成した。得られた焼結体を、メノウ乳鉢を用いて粉砕し、粉末X線回折法(CuKα)による分析を行なった。上記のように混合ペレットを用いて、支持体の構成材料と混合伝導層の構成材料とをより十分に接触させて焼成することで、両者の反応性を検出し易くした。
<Evaluation of reactivity between support and mixed conductive layer>
For
図13は、一例としてサンプル17、18、および21についての分析結果を示す。図13では、上段がサンプル18、中段がサンプル21、下段がサンプル17の分析結果を示す。図13では、サンプル18において混合伝導層が含有するLSCのピークがシフトしている様子を矢印で示している。このようなピークシフト(ピークの低角側へのシフト)は、Crサイトに余剰に元素がドープされて(混合伝導層が含有するランタンクロマイト系複合酸化物が支持体の構成材料と反応して)、格子が大きくなっていることを示す。そこで、支持体と混合伝導層との反応性は、LSCの低角側へのピークシフトの有無により評価した。
FIG. 13 shows the analysis results for
<熱膨張係数の測定>
サンプル17〜21に関連して、混合伝導層の熱膨張係数と、各支持体の熱膨張係数との比較を行なった。すなわち、サンプル17〜21におけるScSzおよびLSCを含有する混合伝導層の熱膨張係数と、支持体として用いたMgO、CSZ、YSZ、およびScSZの熱膨張係数を測定した。図9では、支持体を有しないサンプル17の欄に混合伝導層の熱膨張係数の測定結果を示し、サンプル18〜21の欄には、それぞれ順に、MgO、CSZ、YSZ、ScSZの熱膨張係数の測定結果を示した。
<Measurement of thermal expansion coefficient>
In relation to Samples 17 to 21, a comparison was made between the thermal expansion coefficient of the mixed conductive layer and the thermal expansion coefficient of each support. That is, the thermal expansion coefficient of the mixed conductive layer containing ScSz and LSC in Samples 17 to 21 and the thermal expansion coefficients of MgO, CSZ, YSZ, and ScSZ used as the support were measured. In FIG. 9, the measurement result of the thermal expansion coefficient of the mixed conductive layer is shown in the column of the sample 17 having no support, and the thermal expansion coefficients of MgO, CSZ, YSZ, and ScSZ are sequentially shown in the columns of the
各々の熱膨張係数は、以下のように測定した。サンプル17に対応して、混合伝導層の熱膨張係数を測定するために、サンプル17の混合伝導層と同じ組成(ScSZ+LSC)の混合粉末を用いてプレス成形によりペレットを得た。また、サンプル18〜21の各々に対応して、各サンプルの支持体の構成材料と同じ酸化物(MgO、CSZ、YSZ、ScSZ)の粉末を用いて、プレス成形によりペレットを得た。これらのペレットを1500℃で焼成後、研磨により、5mm×5mm×20mmの直方体に成型した。それぞれの直方体試料を5℃/minの昇温速度で1350℃まで昇温した。その際、昇温しながら直方体サンプルの伸縮を測定することにより、熱膨張係数を算出した。
Each thermal expansion coefficient was measured as follows. In order to measure the thermal expansion coefficient of the mixed conductive layer corresponding to Sample 17, pellets were obtained by press molding using a mixed powder having the same composition (ScSZ + LSC) as the mixed conductive layer of Sample 17. Further, corresponding to each of
線熱膨張係数α(単位は、[1/K])は、以下の(6)式により求められる。
α=ΔL/(L0・ΔT) …(6)
L0:室温(30℃)での試料長さ(測定時に入力した値)
ΔL:求めたい温度間の伸び
(ここでは、30℃基準で、30℃−1000℃のαを求めたため、ΔL=(1000℃でのL)−(30℃でのL))
ΔT:求めたい温度間の温度の差(ΔT=1000℃−30℃)
The linear thermal expansion coefficient α (unit: [1 / K]) is obtained by the following equation (6).
α = ΔL / (L0 · ΔT) (6)
L0: Sample length at room temperature (30 ° C) (value entered during measurement)
ΔL: Elongation between temperatures to be obtained (Here, since α of 30 ° C.-1000 ° C. was obtained on the basis of 30 ° C., ΔL = (L at 1000 ° C.) − (L at 30 ° C.))
ΔT: temperature difference between temperatures to be obtained (ΔT = 1000 ° C.-30 ° C.)
図7より、N2あるいはArなどの不活性雰囲気下で焼成した全てのサンプルで、相対密度が95%以上になり、緻密な混合伝導層が得られた。これは、焼成雰囲気において酸素が共存しないことから、混合伝導層が電子伝導体として含有するランタンクロマイト系複合酸化物由来の揮発CrO3が生成せず、その結果、CrO3による焼結の阻害が起こらなかったためと考えられる。これに対して、大気中1500℃で焼成したサンプル13は、相対密度が90%以下であり、十分に高い相対密度が得られなかった。以上より、高い焼成密度を得るために、不活性雰囲気での焼成が有効であることが確認された。なお、相対密度が不十分であったサンプル13は、クロスリークが認められ、酸素透過膜の両面間の酸素分圧差が低下してしまうことに起因して、酸素透過速度が低い結果となった。 From FIG. 7, it was found that all samples fired in an inert atmosphere such as N 2 or Ar had a relative density of 95% or more, and a dense mixed conductive layer was obtained. This is because the oxygen is not coexist in the firing atmosphere, mixed conducting layer does not generated lanthanum chromite-based composite oxide from volatile CrO 3 which comprises, as an electron conductor, as a result, inhibition of sintering by CrO 3 This is probably because it did not happen. On the other hand, the sample 13 fired at 1500 ° C. in the atmosphere had a relative density of 90% or less, and a sufficiently high relative density was not obtained. From the above, it was confirmed that firing in an inert atmosphere is effective in order to obtain a high firing density. Sample 13 with insufficient relative density had a low oxygen permeation rate due to the fact that cross leak was observed and the oxygen partial pressure difference between both surfaces of the oxygen permeable membrane was reduced. .
また、図7に示すように、ステップS130の加熱処理を大気中で行なったサンプル11は、積分強度比が2%を超えていた(La2Zr2O7が生成していた)。このようなサンプル11では酸素透過速度が検出限界以下であった。これに対して、サンプル1〜10では、いずれも、積分強度比が2%以下であり、高い酸素透過速度を示した。また、不活性雰囲気(N2)での焼成後、加熱処理を行わなかったサンプル12では、酸素透過速度が大幅に低い結果となった。これは、混合伝導層中のランタンクロマイト系複合酸化物において焼成時に生じた酸素欠損に起因すると考えられる。
Further, as shown in FIG. 7, sample 11 was performed in the atmosphere heat treatment step S130, the integrated intensity ratio exceeds the 2% (La 2 Zr 2 O 7 was produced). In such sample 11, the oxygen transmission rate was below the detection limit. On the other hand,
以上より、緻密な混合伝導層を得るためには不活性雰囲気下で焼成することが重要であり、また、不活性雰囲気下での焼成によりランタンクロマイト系複合酸化物で生じた酸素欠損を回復し、さらに高抵抗相の生成を抑えるには、クロム(Cr)元素と酸素の存在下で加熱処理することが重要であることが確認された。 From the above, firing in an inert atmosphere is important to obtain a dense mixed conductive layer, and oxygen deficiency generated in the lanthanum chromite complex oxide is recovered by firing in an inert atmosphere. Further, it was confirmed that heat treatment in the presence of a chromium (Cr) element and oxygen is important for suppressing the formation of a high resistance phase.
図8に示すように、支持体上に混合伝導層を形成した場合にも、同様の結果が得られた。すなわち、大気中で加熱処理を行なったサンプル16では、混合伝導層のいずれの面においても、触媒層との間にLa2Zr2O7が生成していた。その結果、サンプル16では、酸素透過速度が検出限界以下であった。これに対して、クロム(Cr)元素と酸素の存在下で加熱処理したサンプル14および15では、混合伝導層の表面にLa2Zr2O7が生成せず、酸素透過速度として高い数値を示した。サンプル14および15は、支持体上に混合伝導層を形成することにより混合伝導層の薄膜化が可能となったため、図7のサンプル1〜10と比較しても、酸素透過速度が優れていた。
As shown in FIG. 8, the same result was obtained when the mixed conductive layer was formed on the support. That is, in the
図9に示すように、支持体を、CSZ以外の酸化物を用いて形成した場合であっても、同様の結果が得られた。すなわち、クロム(Cr)元素と酸素の存在下で加熱処理することで、加熱処理に起因する高抵抗相La2Zr2O7の生成を抑えることができた。なお、MgOを含有する支持体を用いたサンプル18では、LSCの低角側へのピークシフトが認められたことから、支持体と混合伝導層との反応性の観点からは、支持体がMgを実質的に含有しないことが望ましいことが確認された。また、図9に示すように、CSZ、YSZ、ScSZの熱膨張係数は、MgOの熱膨張係数に比べて、混合伝導層の熱膨張係数により近い結果であった。そのため、安定化ジルコニアによって支持体を構成する場合には、支持体と混合伝導層の間の熱膨張係数の差に起因する不都合を抑制可能であることが確認された。
As shown in FIG. 9, similar results were obtained even when the support was formed using an oxide other than CSZ. That is, by performing the heat treatment in the presence of the chromium (Cr) element and oxygen, the generation of the high resistance phase La 2 Zr 2 O 7 due to the heat treatment could be suppressed. In
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
10、110…酸素透過膜
12…混合伝導層
16…改質原料流路
18…空気流路
20…装置
22…混合伝導層
24…支持体
30…測定装置
31、32…透明石英管
33、34…アルミナチューブ
35…電気炉
36…熱電対
42…蓋体
44…メッシュ
46…粉末
48…粉末
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,110 ... Oxygen
Claims (7)
前記ランタンクロマイト系複合酸化物は、組成式La1−xMxCrO3−z(式中、Mは、カルシウム(Ca)またはストロンチウム(Sr)であり、0<x≦0.3であり、z<3である)で表わされる酸化物であり、
前記酸素透過膜は、さらに支持体を備え、
前記混合伝導層は、前記支持体上に形成されると共に、相対密度が95%以上であり、
前記混合伝導層における前記支持体が配置される側の面についてのCuKαを線源とするX線回折パターンにおいて、La2Zr2O7のメインピークの、前記安定化ジルコニアのメインピークに対する積分強度比が、2%以下であることを特徴とする
酸素透過膜。 An oxygen permeable membrane comprising a mixed conductive layer comprising an oxygen ion conductor composed of stabilized zirconia and an electronic conductor composed of a lanthanum chromite complex oxide,
The lanthanum chromite complex oxide has a composition formula La 1-x M x CrO 3-z (wherein M is calcium (Ca) or strontium (Sr), and 0 <x ≦ 0.3). z <3)),
The oxygen permeable membrane further comprises a support,
The mixed conductive layer Rutotomoni formed on the support, and a relative density of 95% or more,
The integrated intensity of the main peak of La 2 Zr 2 O 7 with respect to the main peak of the stabilized zirconia in the X-ray diffraction pattern using CuKα as the radiation source on the surface of the mixed conductive layer on which the support is disposed An oxygen permeable membrane characterized in that the ratio is 2% or less.
前記支持体は、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、イットリウム(Y)、スカンジウム(Sc)、クロム(Cr)からなる群より選択される1種以上の元素である選択元素の酸化物を含み、
前記支持体を構成する酸化物に含まれる金属元素のうちの50質量%以上が、前記選択元素であることを特徴とする
酸素透過膜。 The oxygen permeable membrane according to claim 1,
The support is made of magnesium (Mg), calcium (Ca), aluminum (Al), zirconium (Zr), hafnium (Hf), titanium (Ti), yttrium (Y), scandium (Sc), and chromium (Cr). An oxide of a selected element that is one or more elements selected from the group consisting of:
50% by mass or more of the metal element contained in the oxide constituting the support is the selective element.
前記酸素透過膜は、マグネシウム(Mg)元素の含有量が0.1質量%以下である前記支持体上に形成されていることを特徴とする酸素透過膜。 The oxygen permeable membrane according to claim 1,
The oxygen permeable membrane is formed on the support having a magnesium (Mg) element content of 0.1% by mass or less.
前記支持体は、安定化ジルコニアおよび/または部分安定化ジルコニアを含み、
前記支持体が含む前記安定化ジルコニアおよび/または部分安定化ジルコニアが含有する安定化剤は、酸化マグネシウム(MgO)とは異なる安定化剤であることを特徴とする酸素透過膜。 The oxygen permeable membrane according to any one of claims 1 to 3,
The support comprises stabilized zirconia and / or partially stabilized zirconia;
The oxygen permeable membrane, wherein the stabilizer contained in the stabilized zirconia and / or partially stabilized zirconia included in the support is a stabilizer different from magnesium oxide (MgO).
前記支持体が含む前記安定化ジルコニアおよび/または部分安定化ジルコニアが含有する安定化剤は、酸化カルシウム(CaO)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化スカンジウム(Sc2O3)から選択される少なくとも1種の安定化剤であることを特徴とする酸素透過膜。 The oxygen permeable membrane according to claim 4,
The stabilizer contained in the stabilized zirconia and / or partially stabilized zirconia included in the support is selected from calcium oxide (CaO), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), and scandium oxide (Sc 2 O 3 ). An oxygen permeable membrane characterized by being at least one stabilizer.
酸素分子をイオン化する反応または酸素イオンから酸素分子を生じる反応を促進する活性を有する触媒層を備え、
前記酸素透過膜は、前記触媒層を介して前記支持体上に形成されていることを特徴とする酸素透過膜。 The oxygen permeable membrane according to any one of claims 1 to 5, further comprising:
A catalyst layer having an activity of promoting a reaction of ionizing oxygen molecules or a reaction of generating oxygen molecules from oxygen ions;
The oxygen permeable membrane is formed on the support through the catalyst layer.
前記支持体は、酸素分子をイオン化する反応または酸素イオンから酸素分子を生じる反応を促進する活性を有することを特徴とする酸素透過膜。 The oxygen permeable membrane according to any one of claims 1 to 6,
The oxygen-permeable membrane, wherein the support has an activity of promoting a reaction of ionizing oxygen molecules or a reaction of generating oxygen molecules from oxygen ions.
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