JP2001269555A - Double layer ceramic material and oxygen separation device - Google Patents

Double layer ceramic material and oxygen separation device

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JP2001269555A
JP2001269555A JP2000084837A JP2000084837A JP2001269555A JP 2001269555 A JP2001269555 A JP 2001269555A JP 2000084837 A JP2000084837 A JP 2000084837A JP 2000084837 A JP2000084837 A JP 2000084837A JP 2001269555 A JP2001269555 A JP 2001269555A
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伊藤  渉
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Noriko Yamada
紀子 山田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a double layer ceramic material with improved oxygen permeability in order to put an oxygen separation process or a method for manufacturing an oxygen-rich air to a practical use application. SOLUTION: An oxygen exchange layer made up of a composite oxide of a cubic crystal system having a different composition from the composite oxide having an oxygen ion diffusing capability is formed on both sides or one side of the composite oxide having the oxygen ion diffusing power.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、酸素を含有するガ
スからの純酸素の分離あるいは酸素富化空気の製造等に
用いる酸素透過速度の高い複合セラミックス材料に関
し、高純度酸素ガス、酸素富化空気を必要とする幅広い
産業上の用途等に供することができるものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite ceramic material having a high oxygen permeation rate used for separating pure oxygen from an oxygen-containing gas or producing oxygen-enriched air, etc. It can be used for a wide range of industrial applications that require air.

【0002】[0002]

【従来の技術】酸素を含有するガスから分離した純酸素
や酸素濃度を高めた酸素富化空気は、製鉄・ガラス・セ
メントなどの特に高温高熱を要する工場で熱効率を高め
るために用いられ、その製造は工業的に重要な技術であ
る。また、純酸素や酸素富化空気は医療用としても利用
価値が高い。化学物質製造の様々な段階で役割を果たす
酸化反応においても、純酸素が必要となる。
2. Description of the Related Art Pure oxygen separated from oxygen-containing gas and oxygen-enriched air with an increased oxygen concentration are used to increase thermal efficiency in factories that require particularly high temperature and high heat, such as steelmaking, glass, and cement. Manufacturing is an industrially important technology. Also, pure oxygen and oxygen-enriched air have high utility value for medical use. Pure oxygen is also required for oxidation reactions that play a role in various stages of chemical production.

【0003】酸素分離または酸素富化技術には種々の方
法が知られており、実用化されている方法もあるが、ま
だ課題も残されている。例えば、ゼオライトを用いた吸
脱着法は、酸素の吸着・脱離を繰り返すために装置が複
雑になり経済的に不利である。ポリシロキサン、ポリシ
ロキサン−ポリカーボネート共重合体あるいはオルガノ
シロキサンなどの高分子膜を用いた方法は、選択性が不
十分であるため純度の高い酸素を取り出すことが出来な
い。また、原料空気を数10atm に加圧するため経済性が
劣る。
[0003] Various methods are known for oxygen separation or oxygen enrichment techniques, some of which have been put into practical use, but problems still remain. For example, the adsorption / desorption method using zeolite is economically disadvantageous because the apparatus is complicated because oxygen is adsorbed and desorbed repeatedly. A method using a polymer film such as a polysiloxane, a polysiloxane-polycarbonate copolymer, or an organosiloxane cannot extract high-purity oxygen because of insufficient selectivity. Also, the raw material air is pressurized to several tens of atm, which is inefficient.

【0004】酸化ジルコニウムなどの酸素イオン伝導性
の固体電解質を用いた酸素分離の方法も知られている。
この方法は、酸素イオン伝導性の固体電解質中を酸素イ
オンのみが速い速度で拡散できる性質を利用するもので
ある。この方法では、固体電解質の両側に電極を付与
し、両電極を外部回路で短絡させる。一方の電極面で酸
素ガスが電子を受容し、酸素イオンとなって固体電解質
中を拡散して他面の電極に到達し、この電極面において
電子を放出して酸素ガスとなる回路が成立する。このよ
うな酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた方式では、
固体電解質、電極材料、酸素ガスの3 相が接する点のみ
で電極反応が起こるため、反応が起こりうる有効面積が
小さい。かつ、電極と電解質の固体接触が経時的に劣化
し、安定性が悪いという問題がある。
[0004] A method of oxygen separation using an oxygen ion conductive solid electrolyte such as zirconium oxide is also known.
This method utilizes the property that only oxygen ions can diffuse at a high rate in an oxygen ion conductive solid electrolyte. In this method, electrodes are provided on both sides of the solid electrolyte, and both electrodes are short-circuited by an external circuit. Oxygen gas receives electrons on one electrode surface, becomes oxygen ions, diffuses in the solid electrolyte, reaches the electrode on the other surface, and releases electrons on this electrode surface to form a circuit that becomes oxygen gas. . In the system using such an oxygen ion conductive solid electrolyte,
Since the electrode reaction occurs only at the point where the three phases of the solid electrolyte, the electrode material, and the oxygen gas are in contact, the effective area where the reaction can occur is small. In addition, there is a problem that the solid contact between the electrode and the electrolyte deteriorates with time, resulting in poor stability.

【0005】上記の方法が、電子伝導性を持たない酸素
イオン伝導性の固体電解質を用いているのに対し、酸素
イオン伝導性と電子伝導性を併せ持つ混合伝導性固体電
解質を用いることにより、電極と外部回路を必要としな
いで酸素分離を行う方法が知られている。酸化物セラミ
ックスからなる混合伝導性固体電解質の薄膜または薄板
を500 ℃以上の高温に保持し、その薄膜または薄板の片
側を空気に触れさせもう一方を減圧する、あるいは片側
に圧力を高めた空気を触れさせることで、薄膜または薄
板の両側に生じた酸素分圧の差を駆動力として、薄膜ま
たは薄板中に酸素を透過させ、酸素を取り出すものであ
る。
[0005] Whereas the above method uses an oxygen ion conductive solid electrolyte having no electron conductivity, the use of a mixed conductive solid electrolyte having both oxygen ion conductivity and electron conductivity allows the electrode to be formed. A method of performing oxygen separation without requiring an external circuit is known. A thin film or thin plate of mixed conductive solid electrolyte composed of oxide ceramics is kept at a high temperature of 500 ° C or more, and one side of the thin film or thin plate is brought into contact with air, and the other is depressurized, or air with increased pressure is pressed to one side. By contact, oxygen is permeated into the thin film or the thin plate and oxygen is extracted by using the difference in the partial pressure of oxygen generated on both sides of the thin film or the thin plate as a driving force.

【0006】上記の混合伝導性固体電解質を用いた酸素
分離のプロセスをさらに詳細に解説する。ここで、固体
電解質を隔てて、空気など酸素を含む混合ガス(原料ガ
ス)側を「入り側」、取り出したい純酸素ガスないし酸
素富化空気が得られる側を「出側」と呼ぶことにする。
この方法では出側の酸素分圧は入り側の酸素分圧に対し
小さくされるが、その圧力差が酸素イオン拡散の駆動力
となっている。しかし、酸素ガスは酸素分子のままでは
固体電解質を透過することは出来ない。酸素ガスは酸素
イオンの状態になることで、酸化物である固体電解質の
結晶格子中を酸素欠陥を通じて拡散によって移動する
(その移動速度を酸素イオン拡散速度と呼ぶ)。すなわ
ち、入り側の酸素分子は固体電解質の表面に吸着し、二
つの酸素原子に解離、さらにマイナスの電荷を受け取っ
て酸素イオンとなる。酸素イオンは、固体電解質中を移
動し出側に到達すると、出側の固体電解質表面でマイナ
スの電荷を放出し、再度酸素分子に結合する。これらの
ステップでは、入り側において酸素分子が酸素イオンに
交換される、あるいは出側において酸素イオンが酸素分
子に交換されるので、酸素交換反応と呼ばれ、その反応
速度は酸素交換速度と呼ばれている。
[0006] The process of oxygen separation using the mixed conductive solid electrolyte will be described in more detail. Here, the mixed gas (source gas) containing oxygen, such as air, on the side of the solid electrolyte is referred to as “inlet”, and the side on which pure oxygen gas or oxygen-enriched air to be extracted is obtained is referred to as “outlet”. I do.
In this method, the oxygen partial pressure on the outlet side is made smaller than the oxygen partial pressure on the inlet side, and the pressure difference is the driving force for oxygen ion diffusion. However, oxygen gas cannot pass through the solid electrolyte as it is as oxygen molecules. Oxygen gas is in an oxygen ion state, and moves by diffusion through a crystal lattice of a solid electrolyte, which is an oxide, through oxygen defects (the moving speed is called an oxygen ion diffusion speed). That is, the oxygen molecules on the entry side are adsorbed on the surface of the solid electrolyte, dissociated into two oxygen atoms, and further receive negative charges to become oxygen ions. When the oxygen ions move through the solid electrolyte and reach the output side, the negative ions are released on the surface of the solid electrolyte on the output side, and are bonded again to oxygen molecules. In these steps, oxygen molecules are exchanged for oxygen ions on the entrance side or oxygen ions are exchanged for oxygen molecules on the exit side, so this is called an oxygen exchange reaction, and the reaction rate is called an oxygen exchange rate. ing.

【0007】上記をまとめると、酸素透過速度を決める
のは、固体電解質中での酸素イオン拡散速度と、固
体電解質表面での酸素分子⇔酸素イオンの酸素交換反応
速度、の二つの因子ということになる。したがって高い
酸素透過速度を得るためにはその二つの因子を制御する
ことが重要であることになる。これまで上記の酸素分離
の手法を実用に供するために、酸素透過速度の高い固体
電解質を得るための研究が行われてきた。たとえば、La
x Sra-x CoO3 (ただし、x は0.1 〜0.9 の範囲、特に好
ましくは0.3 〜0.7)(特開昭56-92103号公報)やLax Sr
1-x Coz Fe1-z O3(ただし、z=1 、x=1.0,0.6,0.3 )
(寺岡ら、日本化学会誌1988,(7),p1084-1089 )などで
表される固体電解質の研究が報告されている。それら
は、複合酸化物を焼き固めた緻密な酸化物セラミックス
を0.5 〜1mmの薄板に加工した試料について検討したも
のであった。すなわち、ここではの固体電解質中での
酸素イオン拡散速度の高い材料についての探索研究であ
った。
In summary, the oxygen transmission rate is determined by two factors: the diffusion rate of oxygen ions in the solid electrolyte and the oxygen exchange reaction rate of oxygen molecules / oxygen ions on the surface of the solid electrolyte. Become. Therefore, in order to obtain a high oxygen permeation rate, it is important to control those two factors. Until now, in order to put the above-described oxygen separation technique into practical use, research has been conducted to obtain a solid electrolyte having a high oxygen permeation rate. For example, La
x Sr ax CoO 3 (where x is in the range of 0.1 to 0.9, particularly preferably 0.3 to 0.7) (JP-A-56-92103) and La x Sr
1-x Co z Fe 1-z O 3 (however, z = 1, x = 1.0,0.6,0.3)
(Teraoka et al., Journal of the Chemical Society of Japan 1988, (7), p1084-1089). They examined a sample in which a dense oxide ceramic obtained by hardening a composite oxide was processed into a thin plate of 0.5 to 1 mm. That is, the research here was a search for a material having a high oxygen ion diffusion rate in the solid electrolyte.

【0008】ところが実際に酸素製造装置として応用す
る場合には、十分大きな酸素透過速度を得るために固体
電解質を薄膜化して用いる必要がある。固体電解質の厚
みが薄いほど酸素イオン拡散の距離が短くなり、酸素透
過速度は固体電解質の厚さに反比例して大きくなる。た
だし、その関係が成り立つのは、固体電解質が十分厚い
場合、すなわちの酸素イオン拡散が酸素透過速度を律
速している拡散律速の場合である。固体電解質を薄膜化
してゆくと、固体電解質表面でのの酸素交換反応が酸
素透過速度を律速するようになり(表面律速)、ある厚
さ以下に薄くしても酸素透過速度は増大しないことが予
想される。
However, when actually applied as an oxygen production apparatus, it is necessary to use a thin solid electrolyte in order to obtain a sufficiently high oxygen permeation rate. The thinner the solid electrolyte, the shorter the oxygen ion diffusion distance, and the higher the oxygen permeation rate is in inverse proportion to the thickness of the solid electrolyte. However, the relationship holds when the solid electrolyte is sufficiently thick, that is, when the diffusion of oxygen ions controls the oxygen permeation rate. As the solid electrolyte becomes thinner, the oxygen exchange reaction on the surface of the solid electrolyte controls the oxygen permeation rate (surface-determined). Even if the thickness is reduced to a certain thickness or less, the oxygen permeation rate does not increase. is expected.

【0009】[0009]

【外1】 [Outside 1]

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】上記の様に、混合伝導
性の固体電解質を用いた酸素分離装置の場合、表面律速
を克服することが重要である。前記の様に、従来の技術
では、Ag、Pt、Pd、PrO2などの金属または金属の酸化物
から成る触媒層を固体電解質の中や表面に付加すること
で表面律速を克服しようとしていた。しかしながら本発
明者らが検討した限りにおいては、立方晶系複合酸化物
セラミックスを固体電解質とした場合、その表面にPt、
Ag、Pdなどの金属触媒層や、PrO2などの金属酸化物層を
付加しても酸素透過速度の増加は認められなかった。
As described above, in the case of an oxygen separation apparatus using a mixed conductive solid electrolyte, it is important to overcome the surface rate control. As described above, the prior art has attempted to overcome the surface rate limitation by adding a catalyst layer made of a metal such as Ag, Pt, Pd, and PrO 2 or a metal oxide to the inside or the surface of the solid electrolyte. However, as far as the present inventors have studied, when a cubic composite oxide ceramic is used as a solid electrolyte, Pt,
No increase in oxygen permeation rate was observed even when a metal catalyst layer such as Ag or Pd or a metal oxide layer such as PrO 2 was added.

【0011】本発明では、特に、混合伝導性の固体電解
質材料を酸素分離に用いる場合について、表面の現象を
正しく捉え、酸素分離過程における表面活性の寄与を定
量的に把握することによって、表面活性を向上させる為
の表面改質材料を見出し、工業的に利用価値のあるレベ
ルの十分大きな酸素透過速度を得ること、を課題として
取り組んだものである。
In the present invention, in particular, in the case where a mixed conductive solid electrolyte material is used for oxygen separation, the surface phenomena is correctly grasped, and the contribution of the surface activity in the oxygen separation process is quantitatively grasped. The purpose of the present invention is to find a surface modifying material for improving the oxygen permeability and to obtain a sufficiently high oxygen permeation rate at a level of industrial value.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】前記課題は、(1) 酸素イ
オン拡散能を有する複合酸化物の両側ないし片側の表面
に、前記酸素イオン拡散能を有する複合酸化物とは異な
る組成を持つ立方晶系の複合酸化物から成る酸素交換層
を形成させたことを特徴とする複層セラミックス材料、
(2) (1) で記載した酸素交換層が、平均膜厚30μm 以下
の緻密膜、多孔体、もしくは島状の非連続膜であること
を特徴とする複層セラミックス材料、(3) (1) または
(2) で記載した酸素イオン拡散能を有する複合酸化物が
300 μm以下の厚さから成る薄膜であることを特徴とす
る複層セラミックス材料、(4) (1) 、(2) または(3) で
記載した酸素交換層が、Lau Srb-u Fev Coc-v O3-w(た
だし、0.1 ≦u <0.5 、0.9 <b <1.1 、0 <v <1.1
、0.9 <c <1.1 )で表される立方晶系の複合酸化物
から成ることを特徴とする複層セラミックス材料、(5)
(1) 、(2) 、(3) または(4) で記載した酸素イオン拡散
能を有する複合酸化物が、Lax Sra-x CoO3-y(ただし、
0 ≦x <0.1 、0.9 <a <1.1 )で表される立方晶系の
複合酸化物から成ることを特徴とする複層セラミックス
材料、(6) 複層セラミックス材料が酸素分離用複層セラ
ミックス材料である(1) 〜(5)のいずれかの複層セラミ
ックス材料、(7) (1) から(5) のいずれかの複層セラミ
ックス材料を用いた酸素分離装置、(8) (1) から(5) の
いずれかの複層セラミックス材料を用いた化学反応装
置、によって解決される。
The object of the present invention is to provide (1) a cubic oxide having a composition different from that of the above-mentioned composite oxide having oxygen ion diffusing ability on both or one surface of the composite oxide having oxygen ion diffusing ability. A multi-layer ceramic material, characterized by forming an oxygen-exchange layer composed of a crystalline composite oxide,
(2) A multilayer ceramic material characterized in that the oxygen exchange layer described in (1) is a dense membrane, a porous body, or an island-shaped discontinuous membrane having an average film thickness of 30 μm or less, (3) (1) ) Or
The composite oxide having oxygen ion diffusing ability described in (2)
A multilayer ceramic material characterized by being a thin film having a thickness of 300 μm or less, wherein the oxygen-exchange layer described in (4) (1), (2) or (3) is formed of La u Sr bu Fe v Co cv O 3-w (however, 0.1 ≤ u <0.5, 0.9 <b <1.1, 0 <v <1.1
, 0.9 <c <1.1), a multilayer ceramic material comprising a cubic composite oxide represented by the formula: (5)
The composite oxide having oxygen ion diffusing ability described in (1), (2), (3) or (4) is La x Srax CoO 3-y (however,
A multilayer ceramic material comprising a cubic composite oxide represented by 0 ≦ x <0.1, 0.9 <a <1.1), (6) the multilayer ceramic material is a multilayer ceramic material for oxygen separation (1) to (5), (7) an oxygen separator using any of the multilayer ceramic materials (1) to (5), (8) (1) (5) A chemical reaction device using the multilayer ceramic material according to any of (5).

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】これまで酸素透過速度を決めるの
は、固体電解質中での酸素イオン拡散速度と、固体
電解質表面での酸素分子⇔酸素イオンの酸素交換反応速
度、の二つの因子であるというモデルが提唱されてきた
が、それらの因子と酸素透過速度との定量的な関係は明
らかにされていなかった。発明者らは酸素同位体を用い
た実験装置を自作し、酸素透過速度測定では分離の出来
なかった酸素イオン拡散速度と酸素交換反応速度を分離
して評価することを可能にし、さらにそれらの物性から
酸素透過速度を導き出すモデルを開発した。本発明者ら
は前記の実験装置を用いて、様々な金属や様々な組成の
酸化物材料の酸素イオン拡散速度および酸素交換速度を
調べた。その結果、固体電解質を薄膜化した場合には、
酸素交換速度が酸素透過速度を律速すること、が明らか
になった。すなわち、実用的な材料においては表面反
応、すなわち酸素交換速度の向上が最も重要であるこ
と、が明らかになった。また、立方晶系複合酸化物の酸
素イオン拡散速度および酸素交換速度は総じて非常に大
きいこと、しかしながら酸素イオン拡散速度の大きい材
料が必ずしも酸素交換速度が大きいとは限らないこと、
も明らかになった。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The oxygen transmission rate is determined by two factors, the diffusion rate of oxygen ions in the solid electrolyte and the oxygen exchange reaction rate of oxygen molecules / oxygen ions on the surface of the solid electrolyte. Model has been proposed, but the quantitative relationship between these factors and the oxygen transmission rate has not been clarified. The inventors made an experimental device using oxygen isotopes, and made it possible to separate and evaluate the oxygen ion diffusion rate and oxygen exchange reaction rate that could not be separated by oxygen transmission rate measurement, and furthermore, their physical properties A model was developed to derive the oxygen transmission rate from The present inventors examined the oxygen ion diffusion rate and the oxygen exchange rate of various metals and oxide materials of various compositions using the above-described experimental apparatus. As a result, when the solid electrolyte is thinned,
It was found that the rate of oxygen exchange determines the rate of oxygen transmission. That is, it became clear that the surface reaction, that is, the improvement of the oxygen exchange rate was most important in practical materials. In addition, the oxygen ion diffusion rate and oxygen exchange rate of the cubic composite oxide are generally very large, however, a material having a large oxygen ion diffusion rate does not necessarily have a large oxygen exchange rate,
Also became apparent.

【0014】以上のことから、本発明では、固体電解質
の内部にの酸素イオン拡散の機能を持たせ、固体電解
質の表面にの酸素交換反応の機能を持たせた「酸素交
換層」を形成して機能を分担し、それぞれの機能に適し
た別々の材料を複層にすることで酸素透過速度を各段に
向上させたのである。本発明の実施の形態としては、た
とえば図1に示すように、酸素イオン拡散層(102) の両
側に酸素交換層(101) を形成した3層構造の複層セラミ
ックス材料が挙げられる。酸素イオン拡散層の片側に酸
素交換層を形成した図2のような2層構造の複層セラミ
ックス材料でも、酸素交換層を全く形成しない場合と比
較して大きな酸素透過速度が得られるが、入り側と出側
の双方で酸素交換速度を向上できる図1 のような3層構
造の複層セラミックス材料の方が、酸素透過速度向上の
点からは好ましい。また、3層構造の複層セラミックス
材料の場合、入り側と出側の異なる気相酸素分圧に応じ
て酸素交換層の組成や形態などを別々のものに作りこむ
ことによって、より大きな酸素透過速度が得られる。
As described above, in the present invention, an "oxygen exchange layer" having a function of oxygen ion diffusion inside the solid electrolyte and a function of oxygen exchange reaction on the surface of the solid electrolyte is formed. Thus, the oxygen permeation rate was improved in each stage by dividing the functions into different layers suitable for each function. As an embodiment of the present invention, for example, as shown in FIG. 1, a multilayer ceramic material having a three-layer structure in which an oxygen exchange layer (101) is formed on both sides of an oxygen ion diffusion layer (102) is exemplified. Even with a multilayer ceramic material having a two-layer structure as shown in FIG. 2 in which an oxygen exchange layer is formed on one side of the oxygen ion diffusion layer, a larger oxygen permeation rate can be obtained as compared with a case where no oxygen exchange layer is formed. A multilayer ceramic material having a three-layer structure as shown in FIG. 1 capable of improving the oxygen exchange rate on both the side and the outlet side is preferable from the viewpoint of improving the oxygen permeation rate. In the case of a multilayer ceramic material having a three-layer structure, the composition and form of the oxygen-exchange layer are made different according to the different gas-phase oxygen partial pressures on the entrance side and the exit side, so that a greater oxygen permeation can be achieved. Speed is obtained.

【0015】酸素交換層の形態であるが、緻密膜の形態
をとる場合には、酸素交換層で酸素イオン拡散を妨げな
い様にするために膜厚30μm 以下、好ましくは10μm 以
下、さらに好ましくは5 μm 以下、であることが望まし
い。また、図3 に示すように酸素交換層の複合酸化物を
島状に形成したり、図4に示すように多孔質にすること
は、酸素交換反応が起こる表面の面積を増大させ、酸素
交換反応速度を実質的に増大させる。本発明者らが詳細
に検討した結果、島状に形成したり、多孔質にすること
によって、緻密膜からなる酸素交換層と場合と比較し
て、酸素交換速度を同等から10倍程度に増大させられ
る。
In the case of a dense membrane, the thickness of the oxygen exchange layer is 30 μm or less, preferably 10 μm or less, more preferably, in order to prevent oxygen ion diffusion in the oxygen exchange layer. It is desirable that it be 5 μm or less. Further, forming the composite oxide of the oxygen exchange layer into an island shape as shown in FIG. 3 or making the composite oxide porous as shown in FIG. The reaction rate is substantially increased. As a result of a detailed study by the present inventors, by forming an island or making it porous, the oxygen exchange rate is increased from the same to about 10 times as compared with the case of an oxygen exchange layer composed of a dense membrane. Let me do.

【0016】また、酸素交換層の内部を組成の異なる立
方晶系複合酸化物から成る複層構造や複合構造にするこ
とで、耐磨耗性や耐熱性を向上させる効果を持たせるこ
とが出来る。あるいは、立方晶系複合酸化物以外の酸化
物や金属、窒化物などの他のセラミックスなどとの複層
や複合構造も、同様に耐磨耗性や耐熱性を向上させる効
果を持たせることが出来る。
Further, by forming the inside of the oxygen exchange layer into a multilayer structure or a composite structure composed of cubic composite oxides having different compositions, it is possible to provide an effect of improving abrasion resistance and heat resistance. . Alternatively, a multilayer or a composite structure with other ceramics such as oxides, metals, nitrides, etc. other than the cubic composite oxide can also have the effect of improving abrasion resistance and heat resistance. I can do it.

【0017】酸素交換層による酸素透過速度向上の効果
は、酸素イオン拡散層の厚さが300μm 以下に薄膜化さ
れている場合に特に顕著になる。通常、固体電解質層の
厚みが300 μm を超える場合には、前述の酸素透過のメ
カニズムのうちの酸素イオン拡散がより支配的(拡散律
速)であるが、300 μm 以下になると酸素交換反応がよ
り支配的(表面律速)になって行く。したがって、その
改善の効果は酸素イオン拡散層の厚さが薄ければ薄いほ
ど大きく、実用上大きな意味を持つ。
The effect of improving the oxygen permeation rate by the oxygen exchange layer is particularly remarkable when the thickness of the oxygen ion diffusion layer is reduced to 300 μm or less. Normally, when the thickness of the solid electrolyte layer exceeds 300 μm, oxygen ion diffusion is more dominant (diffusion limited) in the above-described mechanism of oxygen permeation. It becomes dominant (surface limited). Therefore, the effect of the improvement is greater as the thickness of the oxygen ion diffusion layer is smaller, and has a significant meaning in practical use.

【0018】厚さ300 μm 以下の酸素イオン拡散層は、
その組成にもよるがそれだけでは機械的強度が低く、酸
素分離装置に組み込むことが出来ない場合もある。その
ため、機械的強度を保持することができ、かつ酸素ガス
の流動を妨げない多孔性セラミックスを支持体として、
その上に酸素イオン拡散層を形成する。たとえば図5に
示すような、多孔性セラミックス支持体の上に、酸素交
換層、酸素イオン拡散層、酸素交換層の順に(以後、多
孔性セラミックス支持体/酸素交換層/酸素イオン拡散
層/酸素交換層の様に標記する)異なる酸化物セラミッ
クスを形成した4層構造の複層セラミックス材料とすれ
ば良い。この場合の酸素透過を担うのは酸素交換層/酸
素イオン拡散層/酸素交換層の3 層である。
The oxygen ion diffusion layer having a thickness of 300 μm or less is
Depending on its composition, it alone has low mechanical strength and may not be able to be incorporated into an oxygen separator. Therefore, a porous ceramic that can maintain mechanical strength and does not hinder the flow of oxygen gas is used as a support,
An oxygen ion diffusion layer is formed thereon. For example, as shown in FIG. 5, an oxygen exchange layer, an oxygen ion diffusion layer, and an oxygen exchange layer are formed on a porous ceramic support in this order (hereinafter, the porous ceramic support / oxygen exchange layer / oxygen ion diffusion layer / oxygen diffusion layer). It may be a multilayer ceramic material having a four-layer structure in which different oxide ceramics are formed (illustrated as an exchange layer). In this case, three layers of oxygen exchange layer / oxygen ion diffusion layer / oxygen exchange layer are responsible for oxygen permeation.

【0019】また、酸素交換速度の大きな酸化物で多孔
性セラミックス支持体を形成した場合には、それ自体が
酸素交換層として作用するので、図6に示すような多孔
性セラミックス支持体(105) /酸素イオン拡散層(103)
/酸素交換層(101) からなる3層構造の複層セラミック
ス材料も大きな酸素透過速度を示す。酸素交換層の組成
としては、酸素イオン拡散層の複合酸化物より酸素交換
速度の大きな全ての複合酸化物が該当する。その中でも
立方晶系の複合酸化物は、従来報告されているPtやPdな
どの金属やPrO2などの金属酸化物と比較して、数桁大き
な酸素交換速度を持っており酸素交換層として適してい
る。本発明者らは100μm の厚みから成るLa0.05Sr0.95C
oO3-y複合酸化物を酸素イオン拡散層とし、その表面にu
、b 、v 、c を0.1 ≦u <0.5 、0.9 <b <1.1 、0
<v <1.1 、0.9 <c <1.1 の範囲で変化させたLau Sr
b-u Fev Coc-v O3-w複合酸化物を酸素交換層とする一連
の試料を作製し、酸素透過速度を評価した。その結果、
u が0.1から0.5 の範囲のときに酸素透過速度が顕著に
増大した。また、0 <v <1.1 の範囲であれば、v によ
る酸素透過速度の差異は殆ど認められなかった。このと
き、Lau Srb-u Fev Coc-v O3-wにおいてw の値は電気的
な中性で決められるが、このw の値は酸素分離に供され
る前の組成であって、実際に酸素分離に使用するときに
はこの組成より若干異なる場合がある。その多くは酸素
欠損の状態になる。また、その酸素交換速度を損なわな
い範囲において、他の成分を含有していても差し支えな
い。
When the porous ceramics support is formed of an oxide having a high oxygen exchange rate, the porous ceramics support itself acts as an oxygen exchange layer. / Oxygen ion diffusion layer (103)
The multilayer ceramic material having a three-layer structure composed of the oxygen / oxygen exchange layer (101) also shows a large oxygen permeation rate. As the composition of the oxygen exchange layer, all composite oxides having a higher oxygen exchange rate than the composite oxide of the oxygen ion diffusion layer correspond. Composite oxide cubic Among them, as compared with metal oxides such as metal or PrO 2 such as Pt and Pd which are conventionally reported, suitable as several orders of magnitude oxygen exchange layer has a great oxygen exchange rate ing. The present inventors reported that La 0.05 Sr 0.95 C having a thickness of 100 μm
oO 3-y composite oxide is used as an oxygen ion diffusion layer, and u
, B, v, and c are defined as 0.1 ≦ u <0.5, 0.9 <b <1.1, 0
La u Sr changed in the range of <v <1.1, 0.9 <c <1.1
A series of samples using bu Fe v Co cv O 3-w composite oxide as an oxygen exchange layer were prepared, and the oxygen permeation rate was evaluated. as a result,
The oxygen permeation rate increased significantly when u was in the range of 0.1 to 0.5. Further, in the range of 0 <v <1.1, almost no difference in the oxygen transmission rate depending on v was recognized. At this time, the value of w in La u Sr bu Fe v Co cv O 3-w is determined by electrical neutrality, but the value of w is a composition before being subjected to oxygen separation, and is actually When used for oxygen separation, the composition may be slightly different. Most of them become oxygen deficient. Further, other components may be contained as long as the oxygen exchange rate is not impaired.

【0020】本発明における酸素交換層の効果は、酸素
イオン拡散速度の大きな酸素イオン拡散層と組み合わせ
た場合に特に顕著となる。最近本発明者らは前記のLax
Sra- x CoO3-y系の複合酸化物において、厚み0.5mm 程度
の試料を作製し、0 ≦x <0.1 、0.9 <a <1.1 、の組
成領域において従来の材料を凌駕する酸素透過特性を得
たが(特願平11-221740 )、同発明のセラミックス材料
は割れにくく薄膜化が容易である。したがって、前記の
Lax Sra-x CoO3-y系の複合酸化物は本発明の酸素イオン
拡散層用の材料として最も適している。y の値は電気的
な中性で決められるが、このy の値は酸素分離に供され
る前の組成であって、実際に酸素分離に使用するときに
はこの組成より若干異なる場合がある。その多くは酸素
欠損の状態になる。また、その酸素イオン拡散速度を損
なわない範囲において、他の成分を含有していても差し
支えない。
The effect of the oxygen exchange layer in the present invention is as follows.
Combination with oxygen ion diffusion layer with high ion diffusion rate
This is particularly noticeable when Recently, the present inventors have described the Lax
Sra- xCoO3-y0.5mm thick for composite oxides
And a set of 0 ≦ x <0.1, 0.9 <a <1.1
Oxygen permeation characteristics that surpass conventional materials in the growth region
However, the ceramic material of the invention (Japanese Patent Application No. 11-221740)
Is hard to crack and easy to make into a thin film. Therefore,
LaxSraxCoO3-ySystem composite oxide is the oxygen ion of the present invention.
Most suitable as a material for the diffusion layer. The value of y is electrical
The value of y is used for oxygen separation.
Before use in oxygen separation
May differ slightly from this composition. Many are oxygen
It becomes a state of loss. It also impairs the oxygen ion diffusion rate.
It does not matter if other components are contained within the
I don't support it.

【0021】[0021]

【外2】 [Outside 2]

【0022】300 μm以下の酸素イオン拡散層を形成す
るには、多孔性セラミックスを支持体とし、その上に真
空蒸着法、反応性スパッタリング法、化学気相蒸着法、
化学スプレー法、合金メッキの酸化などの方法がある。
あるいは、予め組成を調整した複合酸化物の粉をバイン
ダーで分散させたスラリーを多孔性セラミックス支持体
に塗布し焼成する。
In order to form an oxygen ion diffusion layer of 300 μm or less, a porous ceramic is used as a support, and a vacuum deposition method, a reactive sputtering method, a chemical vapor deposition method,
There are methods such as chemical spraying and oxidation of alloy plating.
Alternatively, a slurry in which a composite oxide powder whose composition has been adjusted in advance is dispersed with a binder is applied to a porous ceramic support and fired.

【0023】多孔性支持体の組成としては、例えば、本
発明の立方晶系の複合酸化物と同様の組成から成る複合
酸化物や、マグネシウムを主成分とする酸化物(特願平
11−281544)などを用いることができる。多孔性支持体
の厚さは、機械的強度を保つ目的では厚い方が良いが、
ガス拡散を妨げないという目的では薄い方が望ましい。
この2 つの目的を両立できる典型的な厚さは、0.5mm 〜
1.0cm である。多孔性支持体の形状は、平板、管状など
用途に応じて、種々の形態を取り得、さらにその上に形
成する酸素イオン拡散層も、平膜、管状膜などの種々の
形態を取り得る。
As the composition of the porous support, for example, a composite oxide having the same composition as that of the cubic composite oxide of the present invention, or an oxide containing magnesium as a main component (Japanese Patent Application No. Hei 10-284,837).
11-281544) can be used. The thickness of the porous support should be thicker for the purpose of maintaining mechanical strength,
For the purpose of not hindering gas diffusion, a thinner one is desirable.
A typical thickness for both purposes is from 0.5mm to
1.0 cm. The shape of the porous support can take various forms, such as a flat plate and a tube, depending on the application, and the oxygen ion diffusion layer formed thereon can also take various forms such as a flat membrane and a tubular membrane.

【0024】酸素交換層についても、酸素イオン拡散層
上に真空蒸着法、反応性スパッタリング法、化学気相蒸
着法、化学スプレー法、合金メッキの酸化などの方法に
よって形成する。あるいは、仮焼した原料粉を溶媒と混
ぜてペースト状にしたスラリーを塗布し、焼成しても良
い。特に、島状や多孔質の酸素交換層を形成する場合に
は、スラリーを用いる方法が好適であり、塗布量や焼成
時間を制御してその形態を制御することができる。
The oxygen exchange layer is also formed on the oxygen ion diffusion layer by a method such as vacuum deposition, reactive sputtering, chemical vapor deposition, chemical spraying, and oxidation of alloy plating. Alternatively, a slurry obtained by mixing the calcined raw material powder with a solvent to form a paste may be applied and fired. In particular, when an island-shaped or porous oxygen exchange layer is formed, a method using a slurry is suitable, and the form can be controlled by controlling the amount of application and the baking time.

【0025】本発明の複層セラミックス材料を用いて混
合気体中の酸素を分離するには、セラミックス材料の両
側に気密室を設け、一方の室に酸素ガスを含有する混合
気体を供給し、その酸素分圧よりも他室の酸素分圧が低
くなるように両室の条件を設定する。例えば、一方の室
を常圧または加圧状態にして、他室を減圧にするか、一
方の室を加圧して他室を常圧にすることにより、低酸素
分圧側に純度の高い酸素を取り出すことができる。本発
明の複層セラミックス材料を酸素分離用として使用する
温度は、通常400 〜1200℃、好ましくは500 〜1000℃で
ある。
In order to separate oxygen in a mixed gas using the multilayer ceramic material of the present invention, an airtight chamber is provided on both sides of the ceramic material, and a mixed gas containing oxygen gas is supplied to one of the chambers. The conditions of both chambers are set so that the oxygen partial pressure of the other chamber is lower than the oxygen partial pressure. For example, one chamber is set to normal pressure or a pressurized state, and the other chamber is depressurized, or one chamber is pressurized to set the other chamber to normal pressure, whereby high-purity oxygen is supplied to the low oxygen partial pressure side. Can be taken out. The temperature at which the multilayer ceramic material of the present invention is used for oxygen separation is usually from 400 to 1200 ° C, preferably from 500 to 1000 ° C.

【0026】また、本発明の複層セラミックス材料は、
酸素分離以外の用途、特に酸化反応が関与する化学反応
装置にも利用できる。たとえば、メタンから一酸化炭素
と水素からなる合成ガスを製造するメタンの部分酸化反
応の反応装置に利用する。従来は、メタンと酸素の混合
ガスを出発原料として触媒反応によって合成ガスを得る
反応装置が用いられてきた。本発明の複層セラミックス
材料を用いる反応装置では、たとえば、空気(ないし酸
素を含む混合ガス)とメタンを複層セラミックス材料で
隔てて別々に流し、メタンを流している側のセラミック
ス表面にRhなど従来の合成ガス製造用触媒を配置する。
複層セラミックスを加熱することで、酸素のみが前記と
同様の原理で透過し、続いてメタン側のセラミックス表
面でメタンと反応して合成ガスを生成する。したがっ
て、従来の方法の様に酸素を前もって製造する必要が無
い、原料ガスが混入しないので効率良く合成ガスが得ら
れる、連続して反応が起こり製造装置が単純になるなど
の大きな効果がある。本発明の複層セラミックス材料は
従来の材料と比較し酸素透過速度が大きいので、高効率
の反応装置を実現することが出来る。またメタンの部分
酸化以外にも、オレフィン形成のための炭化水素の部分
酸化、エタンの部分酸化、芳香族化合物の置換など、酸
化反応が関与するあらゆる反応装置に利用出来る。
Further, the multilayer ceramic material of the present invention comprises:
It can also be used for applications other than oxygen separation, especially for chemical reaction devices involving oxidation reactions. For example, it is used in a reactor for the partial oxidation reaction of methane, which produces a synthesis gas composed of carbon monoxide and hydrogen from methane. Conventionally, a reaction apparatus for obtaining a synthesis gas by a catalytic reaction using a mixed gas of methane and oxygen as a starting material has been used. In the reaction apparatus using the multilayer ceramic material of the present invention, for example, air (or a mixed gas containing oxygen) and methane are separately flowed through the multilayer ceramic material, and Rh or the like is applied to the ceramic surface on the side where methane is flowing. A conventional catalyst for syngas production is arranged.
By heating the multilayer ceramic, only oxygen permeates according to the same principle as described above, and subsequently reacts with methane on the ceramic surface on the methane side to generate synthesis gas. Therefore, there is a great effect that there is no need to produce oxygen in advance as in the conventional method, a synthesis gas can be obtained efficiently because no raw material gas is mixed, and a continuous reaction occurs to simplify the production apparatus. Since the multilayer ceramic material of the present invention has a higher oxygen permeation rate than conventional materials, a highly efficient reactor can be realized. In addition to the partial oxidation of methane, the present invention can be used in all kinds of reactors involving oxidation reactions, such as partial oxidation of hydrocarbons to form olefins, partial oxidation of ethane, and substitution of aromatic compounds.

【0027】[0027]

【実施例】本発明の複層セラミックス材料を特に酸素分
離用として用いる場合について、実施例によって具体的
に説明する。 (実施例1)本実施例では、厚み範囲32μm 〜3.2mm の
酸素イオン拡散層の両側に、緻密膜の形態をとる酸素交
換層を形成した場合の酸素透過速度について具体的に提
示する。その際、酸素イオン拡散層が薄い場合は、多孔
性セラミックス支持体(105)/酸素交換層(101) /酸素
イオン拡散層(102) /酸素交換層(101) の順に形成した
図5 のような4 層構造とした。酸素イオン拡散層が比較
的厚い場合には、図1のように焼結体から切り出した薄
板からなる酸素イオン拡散層(102) の両側に酸素交換層
(101) を配した3 層構造である。
EXAMPLES The case where the multilayer ceramic material of the present invention is used particularly for oxygen separation will be specifically described with reference to Examples. (Example 1) In this example, the oxygen permeation rate in the case where an oxygen exchange layer in the form of a dense membrane is formed on both sides of an oxygen ion diffusion layer having a thickness range of 32 µm to 3.2 mm will be specifically described. At this time, when the oxygen ion diffusion layer is thin, the porous ceramic support (105) / oxygen exchange layer (101) / oxygen ion diffusion layer (102) / oxygen exchange layer (101) are formed in this order as shown in FIG. It has a four-layer structure. When the oxygen ion diffusion layer is relatively thick, an oxygen exchange layer is formed on both sides of the oxygen ion diffusion layer (102) made of a thin plate cut out of the sintered body as shown in Fig. 1.
(101) is a three-layer structure.

【0028】まず、多孔性セラミックス支持体の製造法
を述べる。炭酸ストロンチウム、酸化第二鉄をSrFeO3-w
となるように秤量し、イソプロピルアルコールと共にボ
ールミルにより混合した。混合後、乾燥してイソプロピ
ルアルコールを除き、900 ℃で12時間仮焼した。得られ
た仮焼粉をPVA と混合し直径14mm高さ3mm の円筒ディス
ク状に成型した後に、1200℃で5 時間大気中で焼成し
た。さらに円筒ディスクの両底面をサンドペーパーで研
磨し、厚み1mm の円筒ディスクとした後、エタノール溶
媒中で超音波洗浄した。
First, a method for producing a porous ceramic support will be described. Strontium carbonate, ferric oxide SrFeO 3-w
And weighed together with isopropyl alcohol using a ball mill. After mixing, the mixture was dried to remove isopropyl alcohol, and calcined at 900 ° C. for 12 hours. The obtained calcined powder was mixed with PVA, molded into a cylindrical disk having a diameter of 14 mm and a height of 3 mm, and then calcined at 1200 ° C. for 5 hours in the atmosphere. Further, both bottom surfaces of the cylindrical disk were polished with sandpaper to form a cylindrical disk having a thickness of 1 mm, and then ultrasonically cleaned in an ethanol solvent.

【0029】次に、上記の多孔性セラミックス支持体の
上に薄膜の酸素イオン拡散層を製造する方法を述べる。
まず、酸化ランタン、炭酸ストロンチウム、三酸化四コ
バルトをLa0.05Sr0.95CoO3-wとなるように秤量し、イソ
プロピルアルコールと共にボールミルにより混合した。
混合後、乾燥してイソプロピルアルコールを除き、900
℃で12時間仮焼した。さらに、エチルカルビトールとエ
チルセルロースを混合攪拌した溶媒を作製し、上記の仮
焼紛と混錬したスラリーを作製した。さらに、予め作製
しておいた多孔性セラミックス支持体上に前記のスラリ
ーを塗布し、1200℃で5 時間大気中で焼成した。ただ
し、本実施例では、酸素イオン拡散層の両側に酸素交換
層を形成するので、多孔性セラミックス基板の上にまず
酸素交換層を形成した上に、酸素イオン拡散層を形成す
る。本実施例では、出来あがりの酸素イオン拡散層の厚
みを32、63、100 、200 μm とした。
Next, a method for producing a thin oxygen ion diffusion layer on the above porous ceramic support will be described.
First, lanthanum oxide, strontium carbonate, and tetracobalt trioxide were weighed to be La 0.05 Sr 0.95 CoO 3-w and mixed with isopropyl alcohol by a ball mill.
After mixing, dry to remove isopropyl alcohol, 900
Calcination was performed at ℃ for 12 hours. Further, a solvent was prepared by mixing and stirring ethyl carbitol and ethyl cellulose, and a slurry kneaded with the above calcined powder was prepared. Further, the slurry was applied on a porous ceramics support which had been prepared in advance, and baked at 1200 ° C. for 5 hours in the air. However, in this embodiment, since the oxygen exchange layers are formed on both sides of the oxygen ion diffusion layer, the oxygen exchange layer is first formed on the porous ceramic substrate, and then the oxygen ion diffusion layer is formed. In this embodiment, the thickness of the completed oxygen ion diffusion layer was set to 32, 63, 100, and 200 μm.

【0030】また、焼結体からなる酸素イオン拡散層の
製造法を述べる。まず、酸化ランタン、炭酸ストロンチ
ウム、三酸化四コバルトをLa0.05Sr0.95CoO3-wとなるよ
うに秤量し、イソプロピルアルコールと共にボールミル
により混合した。混合後、乾燥してイソプロピルアルコ
ールを除き、900 ℃で12時間仮焼した。得られた仮焼粉
を直径14mm、高さ3.5mm の円筒ディスク状に成型し、12
00℃で5 時間大気中で焼成した。昇温・降温速度は120
℃/h である。焼成体は所望の厚みにスライスした後、
サンドペーパーで表面を平坦化した。本実施例では、酸
素イオン拡散層の厚みが0.5 、1.0 、3.2mm の3種の円
筒ディスク状試料について酸素透過速度を評価した。
A method for manufacturing an oxygen ion diffusion layer made of a sintered body will be described. First, lanthanum oxide, strontium carbonate, and tetracobalt trioxide were weighed to be La 0.05 Sr 0.95 CoO 3-w and mixed with isopropyl alcohol by a ball mill. After mixing, the mixture was dried to remove isopropyl alcohol, and calcined at 900 ° C. for 12 hours. The obtained calcined powder was formed into a cylindrical disk having a diameter of 14 mm and a height of 3.5 mm.
It was calcined in the atmosphere at 00 ° C. for 5 hours. Heating / cooling rate is 120
° C / h. After slicing the fired body to the desired thickness,
The surface was flattened with sandpaper. In this example, the oxygen permeation rate was evaluated for three types of cylindrical disk-shaped samples having a thickness of the oxygen ion diffusion layer of 0.5, 1.0, and 3.2 mm.

【0031】最後に、La0.3Sr0.7Fe0.8Co0.2O3-wの組成
から成る酸素交換層を形成する方法を示す。酸化ランタ
ン、炭酸ストロンチウム、酸化第一鉄、三酸化四コバル
トをLa0.3Sr0.7Fe0.8Co0.2O3-wとなるように秤量し、イ
ソプロピルアルコールと共にボールミルにより混合し
た。混合後、乾燥してイソプロピルアルコールを除き、
900 ℃で12時間仮焼した。さらに、エチルカルビトール
とエチルセルロースを混合攪拌した溶媒を作製し、上記
の仮焼紛と混錬したスラリーを作製した。ここでは、酸
素イオン拡散層の両側に酸素交換層を形成した。したが
って、まず予め作製しておいた円筒ディスク状の多孔性
セラミックス支持体の上に前記のスラリーを塗布し、12
00℃で5 時間大気中で焼成した。次にその上に酸素イオ
ン拡散層を形成した後、さらに前記のスラリーを塗布
し、1200℃で5 時間大気中で焼成した。この場合の酸素
交換層の厚みは5 μm 、形態は緻密膜であった。
[0031] Finally, a method of forming an oxygen exchange layer having the composition of La 0.3 Sr 0.7 Fe 0.8 Co 0.2 O 3-w. Lanthanum oxide, strontium carbonate, ferrous oxide, weighed trioxide four cobalt such that the La 0.3 Sr 0.7 Fe 0.8 Co 0.2 O 3-w, and mixed by a ball mill together with isopropyl alcohol. After mixing, dry to remove isopropyl alcohol,
Calcination was performed at 900 ° C for 12 hours. Further, a solvent was prepared by mixing and stirring ethyl carbitol and ethyl cellulose, and a slurry kneaded with the above calcined powder was prepared. Here, oxygen exchange layers were formed on both sides of the oxygen ion diffusion layer. Therefore, first, the slurry is applied on a cylindrical ceramic porous ceramic support that has been prepared in advance, and 12
It was calcined in the atmosphere at 00 ° C. for 5 hours. Next, after forming an oxygen ion diffusion layer thereon, the above slurry was further applied and baked at 1200 ° C. for 5 hours in the air. In this case, the thickness of the oxygen exchange layer was 5 μm, and the form was a dense membrane.

【0032】酸素透過速度の評価は図7に示す装置によ
って評価した。高酸素分圧側(入り側)には酸素含有混
合ガス導入口1 より、21%酸素/79%ヘリウム混合ガス
を40cc/minの速度で導入した。低酸素分圧側(出側)に
はアルゴン導入口2 より、高純度アルゴンガスを導入し
た。前記の円筒ディスク状試料6はガラスシール8 およ
びガラスサイドシール9 により、入り側および出側に対
して気密性を保てるようにセットした。試料6 における
酸素イオン拡散層が完全にガスリークのない緻密体であ
ることは、排出されるアルゴンガスを四重極質量分析装
置11を用いてガス分析し、ヘリウムガスが検出されない
ことにより確認した。また、透過する酸素とガスライン
の途中から進入する空気中の酸素を区別するために、入
り側にヘリウム100 %、出側にアルゴンを導入し、測定
されたアルゴン中の酸素濃度をバックグラウンドとして
差し引いた。電気炉5 により加熱し、850 ℃、入り側酸
素分圧0.21atm 、出側酸素分圧0.01atm の条件を標準測
定条件とした。ただし、多孔性セラミックス支持体上に
酸素交換層/酸素イオン拡散層/酸素交換層を形成した
円筒ディスク状試料については、3 層膜部分は図7にお
ける低酸素分圧側に配置されている。
The oxygen permeation rate was evaluated using the apparatus shown in FIG. A 21% oxygen / 79% helium mixed gas was introduced at a rate of 40 cc / min from the oxygen-containing mixed gas inlet 1 to the high oxygen partial pressure side (entrance side). High-purity argon gas was introduced from the argon inlet 2 to the low oxygen partial pressure side (outside). The cylindrical disk-shaped sample 6 was set by a glass seal 8 and a glass side seal 9 so as to maintain airtightness on the entrance side and the exit side. The fact that the oxygen ion diffusion layer in Sample 6 was completely dense with no gas leak was confirmed by gas analysis of the discharged argon gas using the quadrupole mass spectrometer 11, and no helium gas was detected. Also, in order to distinguish between permeated oxygen and oxygen in the air entering from the middle of the gas line, 100% helium is introduced into the inlet and argon is introduced into the outlet, and the measured oxygen concentration in the argon is used as the background. deducted. Heating was performed in an electric furnace 5, and the conditions of 850 ° C., an inlet oxygen partial pressure of 0.21 atm, and an outlet oxygen partial pressure of 0.01 atm were used as standard measurement conditions. However, in the case of a cylindrical disk-shaped sample having an oxygen exchange layer / oxygen ion diffusion layer / oxygen exchange layer formed on a porous ceramic support, the three-layer membrane portion is disposed on the low oxygen partial pressure side in FIG.

【0033】さて、上記の試料(酸素イオン交換層の膜
厚が32、63、100 、200 μm 、0.5、1.0 、3.2mm の7
種類、酸素交換層は全て5 μm の緻密膜)について評価
した酸素交換速度を図8に示す。黒丸が実測値である。
比較例として、酸素交換層を有しない酸素イオン拡散層
のみの試料について評価した酸素透過速度の結果を白丸
で示した。図8から解るように、酸素交換層を有しない
比較例では酸素イオン拡散層の厚さが1mm 以下の試料で
酸素透過速度が飽和し始め、約100 μm 以下の厚さでほ
ぼ完全に飽和してしまい、酸素イオン拡散層を薄くする
効果が無くなっている。一方、酸素交換層を形成した試
料では、酸素イオン拡散層の膜厚1mm 以下でも酸素透過
速度は膜厚に反比例してが増大し、発明の効果による酸
素透過速度増大は顕著である。酸素イオン拡散層の膜厚
32μm の場合には、本発明の試料では比較例と比べ酸素
透過速度は約2倍であった。 (実施例2)本実施例では、厚み100 μm の酸素イオン
拡散層の両側に、緻密膜、島状の非連続膜、および多孔
質の形態をとる酸素交換層を形成した場合のそれぞれの
酸素透過速度について具体的に提示する。本試料は多孔
性セラミックス支持体(105)/酸素交換層(101) /酸素
イオン拡散層(102) /酸素交換層(101) の順に形成した
図5のような4 層構造の複層セラミックス材料であり、
多孔性セラミックス支持体/酸素イオン拡散層の2 層構
造の酸素交換層を有しない材料を比較例とした。
Now, the above sample (the thickness of the oxygen ion exchange layer was 32, 63, 100, 200 μm, 0.5, 1.0, 3.2 mm)
FIG. 8 shows the oxygen exchange rate evaluated for each type and oxygen exchange layer (a dense membrane of 5 μm). The black circles are the measured values.
As a comparative example, the results of the oxygen permeation rate evaluated for the sample having only the oxygen ion diffusion layer without the oxygen exchange layer are shown by white circles. As can be seen from FIG. 8, in the comparative example having no oxygen exchange layer, the oxygen permeation rate began to be saturated in a sample in which the thickness of the oxygen ion diffusion layer was 1 mm or less, and almost completely saturated in a sample having a thickness of about 100 μm or less. As a result, the effect of reducing the thickness of the oxygen ion diffusion layer is lost. On the other hand, in the sample on which the oxygen exchange layer is formed, the oxygen transmission rate increases in inverse proportion to the film thickness even when the thickness of the oxygen ion diffusion layer is 1 mm or less, and the oxygen transmission rate is significantly increased by the effect of the invention. Oxygen ion diffusion layer thickness
In the case of 32 μm, the oxygen transmission rate of the sample of the present invention was about twice that of the comparative example. (Embodiment 2) In this embodiment, a dense membrane, an island-shaped discontinuous membrane, and a porous oxygen exchange layer were formed on both sides of an oxygen ion diffusion layer having a thickness of 100 μm. The transmission speed will be specifically described. This sample is a multilayer ceramic material with a four-layer structure as shown in Fig. 5 formed in the order of porous ceramic support (105) / oxygen exchange layer (101) / oxygen ion diffusion layer (102) / oxygen exchange layer (101). And
A material having no oxygen exchange layer having a two-layer structure of a porous ceramic support / oxygen ion diffusion layer was used as a comparative example.

【0034】本実施例で評価した複層セラミックス材料
の層構造および各材料の酸素透過速度を表1にまとめ
た。比較例を含む全ての試料において、支持体を厚さ2
mm、SrFeO3-w組成の多孔体、酸素イオン拡散層を厚さ
100 μm 、La0.05Sr0.95CoO3-w組成の緻密薄膜としてい
る。酸素交換層の組成は、La0.3Sr0.7Fe0.5Co0.5O3-w
し、その形態を変化させた効果を示した。
Table 1 summarizes the layer structure of the multilayer ceramic material evaluated in this example and the oxygen transmission rate of each material. In all samples including the comparative example, the support was
mm, thickness of porous body of SrFeO 3-w composition, oxygen ion diffusion layer
This is a dense thin film having a composition of 100 μm and La 0.05 Sr 0.95 CoO 3-w . The composition of the oxygen exchange layer, a La 0.3 Sr 0.7 Fe 0.5 Co 0.5 O 3-w, showing the effect of changing its form.

【0035】多孔性セラミックス支持体の製造法、およ
びその上に形成した薄膜状の酸素イオン拡散層の製造法
は実施例1と同様にした。酸素交換層の製造法について
も、実施例1と同様に仮焼粉のスラリーを塗布する方法
で作製したが、塗布量と焼成温度によって、緻密膜、島
状の非連続膜、ないし多孔質膜の形態に制御した。本実
施例における、緻密膜の形態を持つ酸素交換層の厚みは
5 μm となっていた。多孔質の酸素交換層の厚みは30μ
m 、気孔率は30%、孔の平均半径は2 μm となってい
た。また、島状の非連続膜からなる酸素交換層の厚みは
10μm 、島の平均半径は20μm となっていた。
The method for producing the porous ceramic support and the method for producing the thin-film oxygen ion diffusion layer formed thereon were the same as those in Example 1. The oxygen exchange layer was also manufactured by applying a calcined powder slurry in the same manner as in Example 1, but depending on the amount of application and the firing temperature, a dense film, an island-shaped discontinuous film, or a porous film was formed. Was controlled to the form. In this embodiment, the thickness of the oxygen exchange layer having the form of a dense membrane is
It was 5 μm. The thickness of the porous oxygen exchange layer is 30μ
m, the porosity was 30%, and the average radius of the pores was 2 μm. In addition, the thickness of the oxygen exchange layer composed of the island-shaped discontinuous membrane is
The average radius of the island was 10 μm and the average radius of the island was 20 μm.

【0036】本実施例では、表面交換層を形成した全て
の試料において、酸素交換層を有しない比較例と比べ、
酸素透過速度が増大することが確認された。そのうち、
酸素交換層が多孔質膜の場合に酸素透過速度が最も高
く、比較例の6.7 倍の酸素透過速度を示し、酸素交換層
を形成する効果が高かった。
In this example, in all the samples on which the surface exchange layer was formed, compared with the comparative example having no oxygen exchange layer,
It was confirmed that the oxygen permeation rate increased. Of which
When the oxygen exchange layer was a porous membrane, the oxygen permeation rate was the highest, showing 6.7 times the oxygen permeation rate of the comparative example, and the effect of forming the oxygen exchange layer was high.

【0037】[0037]

【表1】 [Table 1]

【0038】(実施例3)本実施例では、厚み120 μm
の酸素イオン拡散層の両側に、様々な組成からなる多孔
質の酸素交換層を形成した場合の、それぞれの酸素透過
速度について具体的に提示する。本試料は多孔性セラミ
ックス支持体/酸素交換層/酸素イオン拡散層/酸素交
換層の順に形成した図5のような4 層構造の複層セラミ
ックス材料であり、多孔性セラミックス支持体/酸素イ
オン拡散層の2 層構造の酸素交換層を有しない材料を比
較例とした。
(Embodiment 3) In this embodiment, the thickness is 120 μm.
The respective oxygen permeation rates when porous oxygen exchange layers having various compositions are formed on both sides of the oxygen ion diffusion layer are specifically described. This sample is a multilayer ceramic material having a four-layer structure as shown in FIG. 5 formed in the order of a porous ceramic support / oxygen exchange layer / oxygen ion diffusion layer / oxygen exchange layer. A material having no oxygen exchange layer having a two-layer structure was used as a comparative example.

【0039】本実施例で評価した複層セラミックス材料
の層構造および各材料の酸素透過速度を表2にまとめ
た。比較例を含む全ての試料において、支持体を厚さ2
mm、SrFeO3-w組成の多孔体、酸素イオン拡散層を厚さ
120 μm 、La0.1Ba0.9Fe0.1Co0 .9O3-w組成の緻密薄膜と
している。酸素交換層の形態は多孔質とし、組成をLa0.
2Sr0.8CoO3-wないしLa0.4Sr0.6CoO3-wとした場合の各組
成の配置を変化させた効果を示した。
The multilayer ceramic material evaluated in this example
Table 2 summarizes the layer structure and the oxygen transmission rate of each material.
Was. In all samples including the comparative example, the support was
mm, SrFeO3-wComposition porous body, thickness of oxygen ion diffusion layer
120 μm, La0.1Ba0.9Fe0.1Co0 .9O3-wWith a dense thin film of composition
are doing. The oxygen exchange layer is porous and the composition is La0.
TwoSr0.8CoO3-wOr La0.4Sr0.6CoO3-wEach set when
The effect of changing the arrangement of the components was shown.

【0040】多孔性セラミックス支持体の製造法、およ
びその上に形成した薄膜状の酸素イオン拡散層の製造
法、多孔質の酸素交換層の製造法は実施例1および2と
同様にした。本実施例では、表面交換層を形成した全て
の試料において、酸素交換層を有しない比較例と比べ、
酸素透過速度が増大することが確認された。そのうち、
高酸素分圧側の酸素交換層にLa0.2Sr0.8CoO3-w、低酸素
分圧側の酸素交換層にLa0.4Sr0.6CoO3-wを配置した場合
に酸素透過速度が最も高く、比較例の6.7 倍の酸素透過
速度を示し、酸素交換層を形成する効果が高かった。酸
素交換層の組成をその逆に配置した場合には、酸素交換
層を形成する効果は、比較例の5.5 倍であった。
The method for producing the porous ceramic support, the method for producing the thin film oxygen ion diffusion layer formed thereon, and the method for producing the porous oxygen exchange layer were the same as in Examples 1 and 2. In this example, in all the samples on which the surface exchange layer was formed, compared with the comparative example having no oxygen exchange layer,
It was confirmed that the oxygen permeation rate increased. Of which
High oxygen partial pressure side La 0.2 to oxygen exchange layer of Sr 0.8 CoO 3-w, the oxygen transmission rate is the highest in the case of arranging the La 0.4 Sr 0.6 CoO 3-w to oxygen exchange layer of low oxygen partial pressure side, in the comparative example The oxygen permeation rate was 6.7 times higher, and the effect of forming an oxygen exchange layer was high. When the composition of the oxygen exchange layer was reversed, the effect of forming the oxygen exchange layer was 5.5 times that of the comparative example.

【0041】[0041]

【表2】 [Table 2]

【0042】(実施例4)本実施例では、多孔性セラミ
ックス支持体の組成を変化させ、支持体に酸素交換層の
効果を併せ持った複層セラミックス材料を検討した。本
実施例で評価した複層セラミックス材料の層構造および
各材料の酸素透過速度を表3にまとめた。実施例4 ‐2
は、実施例4 ‐1 の酸素交換層2と同じ組成の複合酸化
物で多孔性セラミックス支持体を作製した。多孔性セラ
ミックス支持体/酸素イオン拡散層の2 層構造の酸素交
換層を有しない材料を比較例とした。
Example 4 In this example, the composition of the porous ceramic support was changed, and a multilayer ceramic material having the effect of an oxygen exchange layer on the support was studied. Table 3 summarizes the layer structure of the multilayer ceramic material evaluated in this example and the oxygen transmission rate of each material. Example 4-2
Prepared a porous ceramic support using a composite oxide having the same composition as that of the oxygen exchange layer 2 in Example 4-1. A material having no oxygen exchange layer having a two-layer structure of a porous ceramic support / oxygen ion diffusion layer was used as a comparative example.

【0043】多孔性セラミックス支持体の製造法、およ
びその上に形成した薄膜状の酸素イオン拡散層の製造
法、多孔質の酸素交換層の製造法は実施例1および2と
同様にした。実施例4-1 、4-2 共に、酸素交換層を形成
しなかった比較例と比べ、酸素透過速度が8 倍程度増大
することが確認された。しかしながら、実施例4-1 と4-
2 の酸素透過速度はほぼ等しく、多孔性セラミックス支
持体の組成を選べば、多孔性セラミックス支持体に酸素
交換層としての機能を持たせることができると考えられ
る。
The method for producing the porous ceramic support, the method for producing the thin film oxygen ion diffusion layer formed thereon, and the method for producing the porous oxygen exchange layer were the same as in Examples 1 and 2. In each of Examples 4-1 and 4-2, it was confirmed that the oxygen permeation rate was increased about eight times as compared with the comparative example in which the oxygen exchange layer was not formed. However, Examples 4-1 and 4-
It is considered that the oxygen transmission rate of No. 2 is almost equal, and if the composition of the porous ceramic support is selected, the porous ceramic support can have a function as an oxygen exchange layer.

【0044】[0044]

【表3】 [Table 3]

【0045】[0045]

【発明の効果】本発明は、酸素イオン拡散能を有する複
合酸化物の表面に前記の酸素イオン拡散能を有する複合
酸化物とは別の組成から成る酸素交換層を形成すること
で、従来の酸素分離用複層セラミックス材料と比較し
て、酸素透過速度を飛躍的に向上させ、小さな設備で安
価に空気中から酸素ガスを分離することを可能にした。
高純度酸素ガス、酸素富化空気を必要とする幅広い産業
上の用途に供することが可能である。
According to the present invention, a conventional oxide is formed by forming an oxygen exchange layer having a composition different from that of the composite oxide having oxygen ion diffusing ability on the surface of the composite oxide having oxygen ion diffusing ability. Compared with the multi-layer ceramic material for oxygen separation, the oxygen permeation rate has been dramatically improved, and it has become possible to separate oxygen gas from air at low cost with small equipment.
It can be used for a wide range of industrial applications that require high-purity oxygen gas and oxygen-enriched air.

【0046】本発明によれば、酸素透過性セラミックス
層を300 μm以下に薄くした場合でも、50sccm/cm2以上
の大きな酸素透過速度を得ることが出来、酸素分離、酸
素富化空気製造装置等として実用的に供せられるレベル
の性能が得られることが出来る。
According to the present invention, even when the thickness of the oxygen-permeable ceramic layer is reduced to 300 μm or less, a large oxygen transmission rate of 50 sccm / cm 2 or more can be obtained. As a result, a level of performance that can be practically used can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明における複層セラミックス材料の層構造
の概念図1(酸素イオン拡散層の両側に酸素交換層を形
成した場合)
FIG. 1 is a schematic diagram 1 of a layer structure of a multilayer ceramic material according to the present invention (when oxygen exchange layers are formed on both sides of an oxygen ion diffusion layer).

【図2】本発明における複層セラミックス材料の層構造
の概念図2 (酸素イオン拡散層の片側に緻密な酸素交換
層を形成した場合)
FIG. 2 is a conceptual diagram of a layer structure of a multilayer ceramic material according to the present invention 2 (when a dense oxygen exchange layer is formed on one side of an oxygen ion diffusion layer).

【図3】本発明における複層セラミックス材料の層構造
の概念図3 (酸素イオン拡散層の片側に島状の酸素交換
層を形成した場合)
FIG. 3 is a conceptual diagram of a layer structure of a multilayer ceramic material according to the present invention (in a case where an island-shaped oxygen exchange layer is formed on one side of an oxygen ion diffusion layer).

【図4】本発明における複層セラミックス材料の層構造
の概念図4 (酸素イオン拡散層の片側に多孔質の酸素交
換層を形成した場合)
FIG. 4 is a conceptual diagram of a layer structure of a multilayer ceramic material according to the present invention 4 (when a porous oxygen exchange layer is formed on one side of an oxygen ion diffusion layer)

【図5】本発明における複層セラミックス材料の層構造
の概念図5(多孔性セラミックス支持体/酸素交換層/
酸素イオン拡散層/酸素交換層の層構造を持つ場合)
FIG. 5 is a conceptual diagram of a layer structure of a multilayer ceramic material in the present invention (porous ceramic support / oxygen exchange layer /
(When it has a layer structure of oxygen ion diffusion layer / oxygen exchange layer)

【図6】本発明における複層セラミックス材料の層構造
の概念図6(多孔性セラミックス支持体/酸素イオン拡
散層/酸素交換層の層構造を持つ場合)
FIG. 6 is a conceptual diagram of a layer structure of a multilayer ceramic material according to the present invention (in the case of having a layer structure of a porous ceramic support / oxygen ion diffusion layer / oxygen exchange layer).

【図7】固体電解質の酸素透過速度評価に用いられる装
置の概略図
FIG. 7 is a schematic diagram of an apparatus used for evaluating an oxygen permeation rate of a solid electrolyte.

【図8】厚さ10μm の緻密なLa0.3Sr0.7Fe0.8Co0.2O3-w
酸素交換層をLa0.05Sr0.95CoO3 -w酸素イオン拡散層の両
面に形成した複層セラミックス材料の酸素透過速度
FIG. 8: Dense La with a thickness of 10 μm0.3Sr0.7Fe0.8Co0.2O3-w
La for oxygen exchange layer0.05Sr0.95CoOThree -wBoth oxygen ion diffusion layers
Oxygen Permeation Rate of Multi-Layered Ceramic Material Formed on Surface

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 …酸素含有混合ガス導入口 2 …アルゴンガス導入口 3 …外管 4 …内管 5 …電気炉 6 …円筒ディスク状試料 7 …熱電対 8 …ガラスシール 9 …ガラスサイドシール 10…酸素濃度計 11…四重極質量分析計 101 …酸素交換層 102 …酸素イオン拡散層 103 …酸素交換層(島状) 104 …酸素交換層(多孔質) 105 …多孔性セラミックス支持体 1… oxygen-containing mixed gas inlet 2… argon gas inlet 3… outer tube 4… inner tube 5… electric furnace 6… cylindrical disk-shaped sample 7… thermocouple 8… glass seal 9… glass side seal 10… oxygen concentration meter 11 ... quadrupole mass spectrometer 101 ... oxygen exchange layer 102 ... oxygen ion diffusion layer 103 ... oxygen exchange layer (island) 104 ... oxygen exchange layer (porous) 105 ... porous ceramic support

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永井 徹 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 山田 紀子 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 佐近 正 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 Fターム(参考) 4D006 GA41 HA42 MA06 MA31 MC03 NA05 NA64 PB17 PB62 PC41 PC71 4G042 BA28 BA35 BB02 4G048 AA05 AB02 AB05 AC08 AD02 AE05 AE07  ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Toru Nagai 20-1 Shintomi, Futtsu-shi, Chiba Nippon Steel Corporation Technology Development Division (72) Inventor Noriko Yamada 20-1 Shintomi, Futtsu-shi, Chiba New Japan (72) Inventor Tadashi Sajika 20-1 Shintomi, Futtsu-shi, Chiba F-term (reference) in Nippon Steel Corporation Technology Development Headquarters 4D006 GA41 HA42 MA06 MA31 MC03 NA05 NA64 PB17 PB62 PC41 PC71 4G042 BA28 BA35 BB02 4G048 AA05 AB02 AB05 AC08 AD02 AE05 AE07

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 酸素イオン拡散能を有する複合酸化物の
両側ないし片側の表面に、前記酸素イオン拡散能を有す
る複合酸化物とは異なる組成を持つ立方晶系の複合酸化
物から成る酸素交換層を形成させたことを特徴とする複
層セラミックス材料。
1. An oxygen-exchange layer comprising a cubic composite oxide having a composition different from that of said composite oxide having oxygen ion diffusing ability on both or one surface of the composite oxide having oxygen ion diffusing ability. A multilayer ceramic material characterized by having formed thereon.
【請求項2】 酸素交換層が、平均膜厚30μm 以下の緻
密膜、多孔体、もしくは島状の非連続膜である請求項1
記載の酸素分離用複層セラミックス材料。
2. The oxygen-exchange layer is a dense membrane, a porous body, or an island-shaped discontinuous membrane having an average film thickness of 30 μm or less.
The multilayer ceramic material for oxygen separation according to the above.
【請求項3】 酸素イオン拡散能を有する複合酸化物が
300 μm 以下の厚さから成る薄膜である請求項1または
2記載の複層セラミックス材料。
3. A composite oxide having oxygen ion diffusing ability
3. The multilayer ceramic material according to claim 1, which is a thin film having a thickness of 300 μm or less.
【請求項4】 酸素交換層が、Lau Srb-u Fev Coc-v O
3-w(ただし、0.1 ≦u <0.5 、0.9 <b <1.1 、0 <v
<1.1 、0.9 <c <1.1 )で表される立方晶系の複合
酸化物から成る請求項1、2または3記載の複層セラミ
ックス材料。
4. The method according to claim 1, wherein the oxygen exchange layer is La u Sr bu Fe v Co cv O
3-w (however, 0.1 ≤ u <0.5, 0.9 <b <1.1, 0 <v
4. The multilayer ceramic material according to claim 1, comprising a cubic composite oxide represented by <1.1, 0.9 <c <1.1).
【請求項5】 酸素イオン拡散能を有する複合酸化物
が、Lax Sra-x CoO3-y(ただし、0 ≦x <0.1 、0.9 <
a <1.1 )で表される立方晶系の複合酸化物から成る請
求項1、2、3または4記載の複層セラミックス材料。
5. The composite oxide having oxygen ion diffusing ability is La x Srax CoO 3-y (where 0 ≦ x <0.1, 0.9 <
5. The multilayer ceramic material according to claim 1, comprising a cubic composite oxide represented by a <1.1).
【請求項6】 複層セラミックス材料が酸素分離用複層
セラミックス材料である請求項1から5のいずれかに記
載の複層セラミックス材料。
6. The multilayer ceramic material according to claim 1, wherein the multilayer ceramic material is a multilayer ceramic material for oxygen separation.
【請求項7】 請求項1から5のいずれかに記載の複層
セラミックス材料を用いた酸素分離装置。
7. An oxygen separator using the multilayer ceramic material according to any one of claims 1 to 5.
【請求項8】 請求項1から5のいずれかに記載の複層
セラミックス材料を用いた化学反応装置。
8. A chemical reaction apparatus using the multilayer ceramic material according to claim 1.
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WO2009027098A1 (en) * 2007-08-31 2009-03-05 Technical University Of Denmark Robust mixed conducting membrane structure

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