JP2003225567A - Ceramic composite material converted into catalyst, production method therefor, and ceramic film type reactor - Google Patents

Ceramic composite material converted into catalyst, production method therefor, and ceramic film type reactor

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JP2003225567A JP2002299228A JP2002299228A JP2003225567A JP 2003225567 A JP2003225567 A JP 2003225567A JP 2002299228 A JP2002299228 A JP 2002299228A JP 2002299228 A JP2002299228 A JP 2002299228A JP 2003225567 A JP2003225567 A JP 2003225567A
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洋平 鈴木
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孝 伊藤
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正 佐近
Wataru Ito
伊藤  渉
Hitoshi Donomae
等 堂野前
Toru Nagai
徹 永井
Kenji Hirano
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a ceramic composite material converted into a catalyst which is applicable to a film type reactor for producing synthesis gas using an oxygen-containing gas and hydrocarbons as raw materials and can stably obtain a high oxygen transmission velocity. <P>SOLUTION: The ceramic composite material converted into the catalyst has a multi-layer structure in which a porous catalyst layer comprising a mixed conductive oxide adjoins the first surface of a selectively oxygen-permeable compact continuous layer comprising the mixed conductive oxide, a porous intermediate catalyst layer comprising the mixed conductive oxide and/or a catalytic oxide having a combustion catalyst function adjoins the second surface of the continuous layer, and a porous reaction catalyst layer comprising a metal catalyst and a carrier adjoins the porous intermediate catalyst layer. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

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、酸素含有混合ガス
中の酸素成分の分離と炭化水素(メタン、天然ガス、エ
タン、ガソリン、灯油等)ガス或いは炭化水素含有混合
ガス中の炭化水素ガス分子の酸化や部分酸化反応を単一
装置内で行うことのできるセラミックス膜式反応器に使
用される触媒化されたセラミックス複合材およびその製
造方法、ならびに前記触媒化されたセラミックス複合材
を備えてなる膜式反応器に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to separation of oxygen components in an oxygen-containing mixed gas and hydrocarbon gas molecules in a hydrocarbon (methane, natural gas, ethane, gasoline, kerosene, etc.) gas or a hydrocarbon-containing mixed gas. And a method for producing the same, and a method for producing the same, which is used in a ceramic membrane reactor capable of performing the oxidation or partial oxidation reaction of a single device in a single apparatus. It relates to a membrane reactor.

【0002】[0002]

【従来の技術】酸素含有ガスからの酸素の分離は、従来
から工業的に重要なプロセスであるが、現行の深冷蒸留
方式に代表される酸素製造技術は、資本集約型且つエネ
ルギー多消費型であり、プロセス形態等技術改良の進展
はあるものの、本質的に沸点の極めて小さい酸素と窒素
との沸点差に基づく分離技術である為、大幅なコスト削
減は困難である。
2. Description of the Related Art Separation of oxygen from oxygen-containing gas has conventionally been an industrially important process, but the oxygen production technology represented by the current cryogenic distillation system is a capital-intensive and energy-consuming type. However, although technological improvements such as the process form have progressed, it is difficult to significantly reduce the cost because it is a separation technique based on the boiling point difference between oxygen and nitrogen, which have an extremely small boiling point.

【0003】該状況下、酸素製造技術の新機軸として、
近年、特に欧米にて研究開発が急速に活発化している緻
密混合導電性セラミックス膜を利用した高温(〜900
℃)酸素分離技術が、コンパクトな設備で且つ省エネル
ギーに繋がる可能性を有する為、大きく注目を集めてい
る。
Under such circumstances, as a new innovation in oxygen production technology,
In recent years, especially in Europe and the United States, research and development is rapidly becoming active, and high temperature (~ 900
(° C) Oxygen separation technology has attracted a great deal of attention because it has the potential to lead to energy savings with compact equipment.

【0004】緻密混合導電性セラミックス膜では、酸素
イオン及び電子は、その他の種(窒素、水、二酸化炭素
等)が不透質である緻密セラミックス膜材料を通して選
択的に輸送される。酸素分子は、緻密セラミックス膜表
面(カソード側)で、膜の反対(アノード側)から移動
してきた電子と結合して酸素イオンを生成する。酸素イ
オンは、緻密膜内を酸素イオンの化学ポテンシャルの差
に従い拡散移動し、アノード側で電子を放出し、再び酸
素分子となる。この時、電子は、酸素イオンと逆方向に
移動することにより電気的中性を保つ。
In the dense mixed conductive ceramics film, oxygen ions and electrons are selectively transported through the dense ceramics film material in which other species (nitrogen, water, carbon dioxide, etc.) are impermeable. On the surface of the dense ceramic film (cathode side), oxygen molecules combine with the electrons that have moved from the opposite side of the film (anode side) to generate oxygen ions. Oxygen ions diffuse and move in the dense film according to the difference in chemical potential of oxygen ions, emit electrons on the anode side, and become oxygen molecules again. At this time, the electrons maintain electrical neutrality by moving in the opposite direction to the oxygen ions.

【0005】炭化水素を含むガスを原料として、水素や
合成ガス(一酸化炭素と水素の混合ガス)に改質する技
術は、石油・化学プロセスにおいて重要な位置を占めて
おり、メタン等の炭化水素を含有するガスを原料として
合成液体燃料を製造する技術(Gas−To−Liqu
ids:GTL)や燃料電池の技術の進歩と相まって、
前者は「未利用天然ガス資源等の有効活用」や「地球環
境に優しいクリーンエネルギー源の供給」に、後者は
「クリーン自動車への搭載」、「分散型電源の普及」、
および「クリーンエネルギーの利用」に繋がるとして、
国内外での研究活動が近年著しく活発化してきている。
The technology for reforming hydrogen or a synthetic gas (a mixed gas of carbon monoxide and hydrogen) from a gas containing a hydrocarbon as a raw material occupies an important position in petroleum and chemical processes. Technology for producing a synthetic liquid fuel using a gas containing hydrogen as a raw material (Gas-To-Liqu)
ids: GTL) and advances in fuel cell technology,
The former is "effective utilization of unused natural gas resources" and "supply of clean energy sources that are kind to the global environment", the latter is "installation in clean vehicles", "spreading of distributed power sources",
And "use of clean energy",
Research activities at home and abroad have been remarkably increasing in recent years.

【0006】該状況下、緻密混合導電性セラミックス膜
を、空気等酸素含有ガスからの酸素分離のみならず、改
質反応器として用いるための研究が最近加速されてい
る。この膜式改質反応器は、膜の片側(カソード側)に
空気を流し、その反対側(アノード側)に触媒を配置し
てメタン等の炭化水素ガスを流して部分酸化反応を起こ
させる(酸素が消費される)ものであり、メタン側の酸
素分圧が最小限となるため、結果的に酸素分圧差、即
ち、酸素選択的透過の駆動力を最大限とすることができ
るという特徴を有する。又、メタン等の部分酸化反応を
空気分離と同時に行う、即ち、シングルユニットにて酸
素分離と酸化反応の両方を同時に行うことができること
から、コンパクト且つ安価な反応器となる可能性を有す
る。
Under the circumstances, researches for using the dense mixed conductive ceramics film as a reforming reactor as well as separating oxygen from oxygen-containing gas such as air have recently been accelerated. In this membrane reforming reactor, air is caused to flow on one side (cathode side) of the membrane and a catalyst is arranged on the opposite side (anode side) thereof to cause a hydrocarbon gas such as methane to flow to cause a partial oxidation reaction ( Oxygen is consumed), and the oxygen partial pressure on the methane side is minimized, and as a result, the oxygen partial pressure difference, that is, the driving force for oxygen selective permeation can be maximized. Have. Further, the partial oxidation reaction of methane or the like can be carried out at the same time as the air separation, that is, both the oxygen separation and the oxidation reaction can be carried out at the same time in a single unit.

【0007】該反応器の工業化には、その基本構成材料
である緻密混合導電性セラミックス膜および炭化水素部
分酸化触媒の組合せにより、十分な酸素透過速度を得る
ことが大前提となる。セラミックス膜を酸素が透過する
過程は、酸素分子が酸素イオンに分解する反応(カソー
ド側反応)、酸素イオンの化学ポテンシャル差に依存す
る拡散移動、酸素イオンが酸素原子/酸素分子となりさ
らに炭化水素を酸化する反応(アノード側反応)の三つ
の過程に分割して評価することができる。単位面積当た
りの酸素透過速度の向上には、これら三つの過程の速度
をバランス良く上げる必要があり、さもなければ、前記
過程のいずれかが律速し、全体として高酸素透過速度が
得られなくなる。例えば、膜内における酸素イオンの拡
散移動速度を上げる為に、緻密混合導電性セラミックス
材料を薄膜化することは有効な方策となるが、その一方
で、ある厚み以下でカソード側反応および/またはアノ
ード側反応の速度が全体の酸素透過過程を支配する様に
なり、膜厚の減少による酸素透過速度増大効果が得られ
なくなる。したがって、高酸素透過速度を得るには、緻
密部分の薄膜化のみならずカソード側およびアノード側
反応速度の向上が重要な課題となる。
In order to industrialize the reactor, it is a major premise that a sufficient oxygen permeation rate can be obtained by the combination of the dense mixed conductive ceramics membrane and the hydrocarbon partial oxidation catalyst, which are the basic constituent materials. In the process of oxygen permeation through the ceramic film, the reaction in which oxygen molecules are decomposed into oxygen ions (cathode side reaction), the diffusion transfer depending on the chemical potential difference of oxygen ions, the oxygen ions become oxygen atoms / oxygen molecules, and further hydrocarbons It can be evaluated by dividing it into three processes of oxidation reaction (reaction on the anode side). In order to improve the oxygen permeation rate per unit area, it is necessary to increase the rate of these three processes in a well-balanced manner, otherwise, one of the processes will be rate-determining, and a high oxygen permeation rate cannot be obtained as a whole. For example, thinning a dense mixed conductive ceramics material is an effective measure in order to increase the diffusion and migration rate of oxygen ions in the film, but on the other hand, the reaction on the cathode side and / or the anode is performed at a certain thickness or less. The rate of side reaction becomes to control the whole oxygen permeation process, and the effect of increasing the oxygen permeation rate due to the decrease in film thickness cannot be obtained. Therefore, in order to obtain a high oxygen permeation rate, not only thinning the dense portion but also improving the reaction rates on the cathode side and the anode side are important issues.

【0008】緻密混合導電性セラミックス膜および炭化
水素部分酸化触媒の組合せにより、空気等酸素含有ガス
および炭化水素ガスを原料として合成ガスを得る反応器
の場合、セラミックス膜の炭化水素ガス側では、アノー
ド反応である酸素イオンの酸素原子/分子化反応および
それらと炭化水素との部分酸化反応が生じる。このよう
な場合、セラミックス膜の炭化水素ガス側は、高レベル
の還元雰囲気に曝されることになり、アノード反応を促
進しつつ、還元雰囲気に耐える機能を有することを課題
とする。
In the case of a reactor which obtains a synthesis gas from an oxygen-containing gas such as air and a hydrocarbon gas as a raw material by a combination of a dense mixed conductive ceramics film and a hydrocarbon partial oxidation catalyst, the anode on the hydrocarbon gas side of the ceramic film is used. The reactions occur, the oxygen atom / molecularization reaction of oxygen ions and the partial oxidation reaction of them with hydrocarbons. In such a case, the hydrocarbon gas side of the ceramic film is exposed to a high-level reducing atmosphere, and it is an object to have a function of withstanding the reducing atmosphere while promoting the anode reaction.

【0009】これらの課題に対し、WO98/4139
4には、メタン等炭化水素ガスの部分酸化反応により合
成ガスを製造する為に用いる緻密混合導電性セラミック
ス膜に対して、該膜の空気等酸素含有ガス側に、表面積
増大によるカソード反応促進を企図した多孔質層を、緻
密セラミックス材料と類似材料を用いて形成し、さら
に、その反対側表面には、部分酸化触媒を隣接させた3
層構造の触媒化されたセラミックス複合材に関する技術
が開示されているが、部分酸化触媒をなす層の構造及び
材料組成に関する具体的な記載はない。
For these problems, WO98 / 4139
In Fig. 4, a dense mixed conductive ceramics film used for producing a synthetic gas by a partial oxidation reaction of a hydrocarbon gas such as methane is used to promote the cathode reaction by increasing the surface area on the oxygen-containing gas side of the film such as air. The intended porous layer was formed using a material similar to the dense ceramic material, and a partial oxidation catalyst was adjacent to the surface on the opposite side.
Although a technique related to a layer-structured catalyzed ceramics composite material is disclosed, there is no specific description regarding the structure and material composition of the layer forming the partial oxidation catalyst.

【0010】本発明者は、試みに、部分酸化触媒層とし
て、酸化物担体に金属触媒を担持させた触媒層(本明細
書の請求項5に記載されている多孔質反応触媒層に同
じ)、緻密膜及び多孔質層として、混合導電性酸化物
(本明細書の請求項4に記載されている組成の混合導電
性酸化物)を用い、触媒層側にメタンガスを、多孔質層
側に空気を流して、WO98/41394に記載された
3層構造材料の酸素透過速度(部分酸化反応速度より算
出)を測定したが、酸素透過速度は大きくなく、材料構
造において、高酸素透過速度を得るための更なる改善余
地があることを見出した。
The present inventor has tried, as a partial oxidation catalyst layer, a catalyst layer in which a metal catalyst is supported on an oxide carrier (same as the porous reaction catalyst layer described in claim 5 of the present specification). , A mixed conductive oxide (mixed conductive oxide having a composition described in claim 4 of the present specification) is used as the dense film and the porous layer, and methane gas is added to the catalyst layer side and the mixed conductive oxide is added to the porous layer side. The oxygen permeation rate (calculated from the partial oxidation reaction rate) of the three-layer structure material described in WO98 / 41394 was measured by flowing air, but the oxygen permeation rate was not large, and a high oxygen permeation rate was obtained in the material structure. We found that there is room for further improvement.

【0011】特開平7−240115号公報には、稠密
(緻密)な多成分金属酸化物層からなる膜の第1表面
に、カソード反応を促進する単層の酸素解離触媒をコー
トし、第2表面には、アノード反応促進および稠密な膜
に対する機械的強度付与を目的として、混合導電性多成
分金属酸化物または工程の作動条件では混合導電性を示
さない物質からなる単層または複層の多孔質層を隣接さ
せた3層または4層構造のイオン輸送膜が開示されてい
る。特開平7−240115号公報には、空気等の酸素
含有ガスから酸素を分離する技術を主眼になされた発明
であるが、同明細書の段落0015及び請求項46に、
「炭化水素を含む有機化合物の酸化」が、前記イオン輸
送膜の用途として記載されている。
In Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-240115, a first surface of a film composed of a dense (dense) multi-component metal oxide layer is coated with a single-layer oxygen dissociation catalyst for promoting a cathode reaction, and a second layer is formed. The surface has a single-layer or multi-layered porous structure made of a mixed conductive multi-component metal oxide or a substance that does not show mixed conductivity under the operating conditions of the process for the purpose of accelerating the anodic reaction and imparting mechanical strength to the dense film. An ion transport membrane having a three-layer or four-layer structure in which a quality layer is adjacent is disclosed. Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-240115 is an invention mainly aimed at a technique of separating oxygen from an oxygen-containing gas such as air. However, in paragraph 0015 and claim 46 of the specification,
"Oxidation of organic compounds containing hydrocarbons" is described as a use for the ion transport membrane.

【0012】前記イオン輸送膜においては、多孔質層ま
たはMC多孔質層(混合導電性多成分金属酸化物の多孔
質層)に金属触媒及び担体を有してなる反応触媒は全く
含まれていない。より具体的に言えば、前記多孔質層を
なすものとして請求項に列記されている材料は、多成分
金属酸化物、高温で酸素と適合する金属合金、金属酸化
物安定化ジルコニア、セリア、電子または酸素を伝導し
ないアルミナ、マグネシア等の物質であって、金属触媒
及び担体を有してなる反応触媒は含まれない。また、M
C多孔質層をなす材料は多成分系金属酸化物であって、
金属触媒及び担体を有してなる反応触媒はやはり含まれ
ない。特開平7−240115号公報の発明は、基本的
に、カソード側および/またはアノード側反応を促進さ
せるイオン輸送膜の構造を規定した発明と考えられるべ
きものであって、イオン輸送膜を構成する材料について
非常に広い範囲が請求されているが、その理由に関する
説明が不十分であるために、本技術に詳しい同業者をも
ってしても、同明細書や簡単な試験に基づき具体的に材
料を選定することは、実施例に記載されたケースを除い
て事実上不可能である。
The ion transport membrane contains no reaction catalyst comprising a metal catalyst and a carrier in the porous layer or MC porous layer (porous layer of mixed conductive multi-component metal oxide). . More specifically, the materials listed in the claims as forming the porous layer are multi-component metal oxides, metal alloys compatible with oxygen at high temperatures, metal oxide stabilized zirconia, ceria, electrons. Alternatively, it is a substance that does not conduct oxygen, such as alumina or magnesia, and does not include a reaction catalyst having a metal catalyst and a carrier. Also, M
The material forming the C porous layer is a multi-component metal oxide,
A reaction catalyst comprising a metal catalyst and a carrier is also not included. The invention of Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-240115 should be considered as an invention that basically defines the structure of the ion transport film that promotes the reaction on the cathode side and / or the anode side, and constitutes the ion transport film. Although a very wide range of materials are claimed, the explanation of the reason is insufficient, and therefore, even a person skilled in the art will be able to request a specific material based on the same specification and a simple test. The choice is virtually impossible except in the cases described in the examples.

【0013】本発明者は、試みに、緻密膜及び膜の第2
表面に隣接する多孔質層として、混合伝導性多成分金属
酸化物(本明細書の請求項4に記載されている組成の混
合導電性酸化物に同じ)を用い、膜の第1表面に隣接す
る触媒層として、酸化物担体担持金属触媒層(本明細書
の請求項5に記載されている多孔質反応触媒層に同じ)
を用い、段落0015に記載されている如く、イオン輸
送膜が「酸素含有供給ガスが膜の触媒化表面と接触す
る」ように、第2表面側にメタンガスを流し、第1表面
側に空気を流して、酸素透過速度(酸化反応速度より算
出)を測定した。その結果、酸素透過速度は大きくな
く、材料構造に大幅な改善余地があることを見出した。
尚、ガス流を入れ替えて、第1表面側にメタンガス、第
2表面側に空気を流した場合は、前述したWO98/4
1394に関して本発明者が行った測定と同一であっ
て、この場合にも材料構造に改善余地があることは、既
に説明した通りである。
The present inventor has tried to make a dense film and a second film.
Adjacent to the first surface of the membrane is a mixed conductive multi-component metal oxide (same as the mixed conductive oxide of the composition set forth in claim 4 herein) as the porous layer adjacent to the surface. As the catalyst layer to be used, an oxide carrier-supported metal catalyst layer (the same as the porous reaction catalyst layer described in claim 5 of the present specification)
As described in paragraph 0015, methane gas is flowed on the second surface side and air is flowed on the first surface side so that the ion transport membrane "contacts the oxygenated feed gas with the catalyzed surface of the membrane". After flowing, the oxygen permeation rate (calculated from the oxidation reaction rate) was measured. As a result, they found that the oxygen permeation rate was not large and there was room for significant improvement in the material structure.
In addition, when the methane gas is flown on the first surface side and the air is flown on the second surface side by changing the gas flow, the above-mentioned WO98 / 4
It is the same as the measurement performed by the present inventor regarding 1394, and there is room for improvement in the material structure in this case as described above.

【0014】以上述べた如く、触媒化されたセラミック
ス複合材を用いて、炭化水素ガス及び酸素含有ガスから
合成ガス等を製造する膜式合成ガス製造技術に関して、
カソード側および/またはアノード側反応を促進させる
一般的な膜構造については開示されているが、それらに
は、両反応を促進しつつ、炭化水素部分酸化反応を安定
的に生じせしめ、実機化へ向け十分に高い酸素透過速度
を安定的に得る為の触媒化されたセラミックス複合材に
関する具体的な技術は開示されておらず、改善余地が残
されている。
As described above, the membrane-type synthetic gas production technique for producing a synthetic gas or the like from a hydrocarbon gas and an oxygen-containing gas using a catalyzed ceramics composite material,
Although a general membrane structure that promotes the reaction on the cathode side and / or the anode side has been disclosed, they have been proposed for practical application by promoting both reactions and stably causing a partial hydrocarbon oxidation reaction. However, no specific technique regarding a catalyzed ceramic composite material for stably obtaining a sufficiently high oxygen permeation rate has been disclosed, and there is room for improvement.

【0015】[0015]

【特許文献1】国際公開 WO98/41394号パン
フレット
[Patent Document 1] International Publication WO98 / 41394 Pamphlet

【特許文献2】特開平7−240115号公報[Patent Document 2] Japanese Patent Laid-Open No. 7-240115

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、酸素含有ガ
スおよび炭化水素ガスを原料として、合成ガスを製造す
る膜式反応器に用いられ、カソードおよびアノード反応
を促進しつつ、炭化水素部分酸化反応を安定的に生じせ
しめ、従来技術よりも高い酸素透過速度を得ることがで
きる触媒化されたセラミックス複合材の構造および構成
材料の具体的組成を提供することをその課題とする。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention is used in a membrane reactor for producing a synthesis gas using an oxygen-containing gas and a hydrocarbon gas as raw materials, and accelerates the cathode and anode reactions while partially oxidizing the hydrocarbon. It is an object of the present invention to provide a specific composition of a structure and a constituent material of a catalyzed ceramic composite material which can stably generate a reaction and can obtain a higher oxygen permeation rate than in the prior art.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決すべく、多孔質触媒層、緻密質連続層、多孔質中間触
媒層、および多孔質反応触媒層を複合化し、多層構造と
することによりなされたもので、その要旨とするところ
は、以下のとおりである。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention forms a multilayer structure by combining a porous catalyst layer, a dense continuous layer, a porous intermediate catalyst layer, and a porous reaction catalyst layer. The following is the summary of this work.

【0018】(1) 混合導電性酸化物を有してなる選
択的酸素透過性緻密質連続層の第一表面に、混合導電性
酸化物を有してなる多孔質触媒層が隣接し、前記緻密質
連続層の第二表面に、混合導電性酸化物、および/また
は燃焼触媒機能を有する触媒酸化物を有してなる多孔質
中間触媒層が隣接し、さらに、該多孔質中間触媒層に、
金属触媒及び担体を有してなる多孔質反応触媒層が隣接
する多層構造体を有することを特徴とする触媒化された
セラミックス複合材。
(1) A porous catalyst layer containing a mixed conductive oxide is adjacent to a first surface of a selective oxygen-permeable dense continuous layer containing a mixed conductive oxide, A porous intermediate catalyst layer comprising a mixed conductive oxide and / or a catalyst oxide having a combustion catalyst function is adjacent to the second surface of the dense continuous layer, and the porous intermediate catalyst layer further comprises ,
A catalyzed ceramics composite material having a multi-layer structure in which porous reaction catalyst layers comprising a metal catalyst and a carrier are adjacent to each other.

【0019】(2) 前記多層構造体が、多孔質支持体
上に被覆層として形成されていることを特徴とする前記
(1)に記載の触媒化されたセラミックス複合材。
(2) The catalyzed ceramic composite material according to the above (1), wherein the multilayer structure is formed as a coating layer on a porous support.

【0020】(3) 前記緻密質連続層、多孔質触媒
層、および多孔質中間触媒層のいずれか1つ以上が組成
式(1)で表される混合導電性酸化物を有してなること
を特徴とする前記(1)または(2)に記載の触媒化さ
れたセラミックス複合材。 [Ln1-a-baBab][BxB’yB”z]O3-δ 組成式(1) (ここで、Lnは、ランタノイド元素から選ばれる1種
または2種以上の元素の組み合わせ、Aは、Sr、C
a、またはこれらの元素の組み合わせ、Bは、Co、F
e、Cr、及びGaから選ばれる1種または2種以上の
元素の組み合わせで、CrとGaのモル数の和が全B元
素のモル数に対し0%以上20%以下、B’は、Nb、
Ta、Ti、Zr、In、及びYから選ばれる1種また
は2種以上の元素の組み合わせで、Nb、Ta、In、
Yの少なくとも1種を含む、B”は、Zn、Li、Mg
から選ばれる1種または2種以上の元素の組み合わせ、
0.8≦a+b≦1、bは、B’がInのみで構成され
る場合には0.4≦b≦1.0、B’がYのみで構成さ
れる場合には0.5≦b≦1.0、B’がInおよびY
のみで構成される場合には0.2≦b≦1.0、B’が
In、Y以外の元素を含む場合には0≦b≦1.0、0
<x、0<y≦0.5、0≦z≦0.2、0.98≦x
+y+z≦1.02、δは、電荷中性条件を満たすよう
に決まる値である。)
(3) At least one of the dense continuous layer, the porous catalyst layer and the porous intermediate catalyst layer has a mixed conductive oxide represented by the composition formula (1). 5. The catalyzed ceramics composite material according to the above (1) or (2). [Ln 1-ab A a Ba b ] [B x B'y B " z ] O 3-δ Composition formula (1) (where Ln is one or more elements selected from lanthanoid elements) Combination, A is Sr, C
a, or a combination of these elements, B is Co, F
e, Cr, and a combination of two or more elements selected from Ga, the sum of the number of moles of Cr and Ga is 0% or more and 20% or less with respect to the number of moles of all B elements, and B ′ is Nb. ,
Nb, Ta, In, a combination of one or more elements selected from Ta, Ti, Zr, In, and Y.
B ″ containing at least one of Y is Zn, Li, Mg
A combination of one or more elements selected from
0.8 ≦ a + b ≦ 1, b is 0.4 ≦ b ≦ 1.0 when B ′ is composed only of In, and 0.5 ≦ b when B ′ is composed of only Y. ≦ 1.0, B ′ is In and Y
0.2 ≦ b ≦ 1.0 when it is composed only, and 0 ≦ b ≦ 1.0, 0 when B ′ contains an element other than In and Y
<X, 0 <y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.2, 0.98 ≦ x
+ Y + z ≦ 1.02, δ is a value determined so as to satisfy the charge neutral condition. )

【0021】(4) 前記燃焼触媒機能を有する触媒酸
化物が、Co、Fe、Mn、Pdから選ばれる1種また
は2種以上を含むことを特徴とする前記(1)〜(3)
に記載の触媒化されたセラミックス複合材。
(4) The catalyst oxide having a combustion catalyst function contains one or more selected from Co, Fe, Mn, and Pd. (1) to (3)
The catalyzed ceramics composite material according to item 1.

【0022】(5) 前記多孔質反応触媒層の担体の主
成分がMgOで、かつ、前記多孔質反応触媒層の金属触
媒がNi、Co、Ru、Rh、Pt、Pd、Ir、Re
から選ばれる1種または2種以上を活性金属種とする担
持金属触媒であることを特徴とする前記(1)〜(4)
のいずれかに記載の触媒化されたセラミックス複合材。
(5) The main component of the carrier of the porous reaction catalyst layer is MgO, and the metal catalyst of the porous reaction catalyst layer is Ni, Co, Ru, Rh, Pt, Pd, Ir, Re.
(1) to (4), which is a supported metal catalyst containing one or more active metal species selected from
2. The catalyzed ceramic composite material according to any one of 1.

【0023】(6) 前記金属触媒の単位膜面積当たり
の質量が、20〜50mg/cm2であることを特徴と
する前記(5)に記載の触媒化されたセラミックス複合
材。
(6) The catalyzed ceramics composite material according to (5) above, wherein the mass per unit membrane area of the metal catalyst is 20 to 50 mg / cm 2 .

【0024】(7) 組成式(1)で表される混合導電
性酸化物を有してなる緻密質連続層の第一表面および第
二表面に、粒径10μm以下で組成式(1)で表される
混合導電性酸化物の微粉体を有機溶剤と混合してスラリ
ー化したものを塗布・乾燥し、950℃以上1500℃
以下で焼き付けを行い、それぞれ多孔質触媒層および多
孔質中間触媒層とし、さらに、該多孔質中間触媒層上
に、MgOを主成分とする担体にNi、Co、Ru、R
h、Pt、Pd、Ir、Reから選ばれる1種または2
種以上の活性金属種を担持した金属担持触媒の微粉末
に、前記多孔質中間触媒層の材料微粉末を加え、有機溶
剤を混合してスラリー化したものを塗布・乾燥し、95
0℃以上1500℃以下で焼き付けを行うことを特徴と
する触媒化されたセラミックス複合材の製造方法。
(7) On the first surface and the second surface of the dense continuous layer having the mixed conductive oxide represented by the composition formula (1), the composition formula (1) is used with a particle size of 10 μm or less. Fine powder of the mixed conductive oxide represented is mixed with an organic solvent to form a slurry, which is applied and dried to 950 ° C or higher and 1500 ° C.
Baking is performed below to form a porous catalyst layer and a porous intermediate catalyst layer, respectively, and Ni, Co, Ru and R are further formed on the support containing MgO as a main component on the porous intermediate catalyst layer.
1 or 2 selected from h, Pt, Pd, Ir and Re
The fine powder of the metal-supported catalyst supporting at least one active metal species is added with the fine powder of the material of the porous intermediate catalyst layer, mixed with an organic solvent to form a slurry, which is applied and dried.
A method for producing a catalyzed ceramic composite material, which comprises performing baking at 0 ° C or higher and 1500 ° C or lower.

【0025】(8) 前記(1)〜(6)のいずれかに
記載の触媒化されたセラミックス複合材を備えてなるこ
とを特徴とするセラミックス膜式反応器。
(8) A ceramic membrane reactor comprising the catalyzed ceramic composite material according to any one of (1) to (6).

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】以下、本発明の触媒化されたセラ
ミックス複合材について説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The catalyzed ceramic composite material of the present invention will be described below.

【0027】前述したように、単位面積当たりの酸素透
過速度(合成ガス製造速度)の向上には、カソード側反
応、酸素イオンの拡散移動、アノード側反応の三つの過
程をバランス良く向上する必要がある。
As described above, in order to improve the oxygen permeation rate (synthesis gas production rate) per unit area, it is necessary to improve the three steps of the reaction on the cathode side, the diffusion transfer of oxygen ions, and the reaction on the anode side in a well-balanced manner. is there.

【0028】本発明者はまず、酸素含有ガス中の酸素分
子を酸素イオンにするカソード側反応促進方法として、
一般的に知られている、反応場の増大、即ち、多孔質触
媒層付加により得られる表面積の増大に着目した。混合
導電性酸化物を有して成る多孔質触媒層を緻密質連続層
の第1表面に隣接させることにより、カソード反応の顕
著な促進が達成される。本発明の多孔質触媒層の材料と
しては、高酸素透過性を有する混合導電性のペロブスカ
イト型酸化物が適する。本発明者は、多孔質触媒層の材
料について、高酸素透過性を有するものを鋭意探索した
結果、組成が、下式(1) [Ln1-a-baBab][BxB’yB”z]O3-δ (1) (ただし、Lnは、ランタノイド元素から選ばれる1種
または2種以上の元素の組み合わせである。Aは、S
r、Ca、またはこれらの元素の組み合わせである。B
は、Co、Fe、Cr、及びGaの中から選ばれる1種
または2種以上の元素の組み合わせで、CrとGaのモ
ル数の和が、全B元素のモル数に対し、0%以上20%
以下である。B’は、Nb、Ta、Ti、Zr、In、
及びYから選ばれる1種または2種以上の元素の組み合
わせで、Nb、Ta、In、Yの少なくとも1種を含
む。B”は、Zn、Li、Mgから選ばれる1種または
2種以上の元素の組み合わせである。0.8≦a+b≦
1である。bは、B’がInのみで構成される場合には
0.4≦b≦1.0、B’がYのみで構成される場合に
は0.5≦b≦1.0、B’がInおよびYのみで構成
される場合には0.2≦b≦1.0である。0.98≦
x+y+z≦1.02で、0<x、0<y≦0.5、0
≦z≦0.2である。δは、電荷中性条件を満たすよう
に決まる値である。)で表されるペロブスカイト型酸化
物よりなる材料を見出した。
The inventor of the present invention firstly proposes, as a cathode side reaction promoting method for converting oxygen molecules in an oxygen-containing gas into oxygen ions,
Attention was paid to the generally known increase in the reaction field, that is, the increase in the surface area obtained by adding the porous catalyst layer. By adjoining the porous catalyst layer comprising the mixed conductive oxide to the first surface of the dense continuous layer, a significant promotion of the cathode reaction is achieved. As a material for the porous catalyst layer of the present invention, a mixed conductive perovskite oxide having high oxygen permeability is suitable. The present inventors have, for the material of the porous catalyst layer, eagerly searched result those having a high oxygen permeability, composition, the following formula (1) [Ln 1-ab A a Ba b] [B x B 'y B ″ z ] O 3-δ (1) (where Ln is one or a combination of two or more elements selected from lanthanoid elements. A is S
r, Ca, or a combination of these elements. B
Is a combination of one or more elements selected from Co, Fe, Cr, and Ga, and the sum of the number of moles of Cr and Ga is 0% or more and 20% or more with respect to the number of moles of all B elements. %
It is the following. B'is Nb, Ta, Ti, Zr, In,
And a combination of two or more elements selected from Y and at least one of Nb, Ta, In and Y. B ″ is one or a combination of two or more elements selected from Zn, Li and Mg. 0.8 ≦ a + b ≦
It is 1. b is 0.4 ≦ b ≦ 1.0 when B ′ is composed only of In, and 0.5 ≦ b ≦ 1.0 when B ′ is composed of only Y, and B ′ is When it is composed only of In and Y, 0.2 ≦ b ≦ 1.0. 0.98 ≦
When x + y + z ≦ 1.02, 0 <x, 0 <y ≦ 0.5, 0
≦ z ≦ 0.2. δ is a value determined so as to satisfy the charge neutral condition. ), A material composed of a perovskite type oxide is found.

【0029】緻密質連続層における酸素イオン拡散速度
の増大には、一般的に知られているように、高イオン導
電性のペロブスカイト型酸化物を材料として用いること
が適当である。本発明者は、具体的材料として、高イオ
ン導電性であって、かつ多孔質触媒層材料および多孔質
中間触媒層材料との適合性(多孔層焼き付け時に剥離が
生じないこと等)を有するものを鋭意探索した結果、前
記多孔質触媒層と同様の材料、すなわち、前式(1)で
表されるペロブスカイト型酸化物よりなる材料が適当で
あることを見出した。
To increase the oxygen ion diffusion rate in the dense continuous layer, it is appropriate to use a perovskite type oxide having high ion conductivity as a material, as is generally known. The present inventor, as a specific material, has high ionic conductivity and has compatibility with the porous catalyst layer material and the porous intermediate catalyst layer material (eg, peeling does not occur during baking of the porous layer). As a result of an intensive search, it was found that a material similar to the porous catalyst layer, that is, a material made of the perovskite type oxide represented by the above formula (1) is suitable.

【0030】一方、メタン等炭化水素ガスが酸化される
アノード側反応の促進方法に関し、本発明者は、従来知
られている多孔質反応触媒層を緻密質連続層に隣接させ
るのではなく、混合導電性酸化物および/または燃焼触
媒機能を有する触媒酸化物からなる多孔質中間触媒層を
緻密質連続層に隣接させ、この多孔質中間触媒層を介し
て多孔質反応触媒層を隣接させる構造が、アノード側反
応促進に極めて有効であることを新たに見出した。
On the other hand, regarding the method of accelerating the anode side reaction in which hydrocarbon gas such as methane is oxidized, the present inventor has not mixed the conventionally known porous reaction catalyst layer with the dense continuous layer but mixed it. A structure in which a porous intermediate catalyst layer made of a conductive oxide and / or a catalyst oxide having a combustion catalyst function is adjacent to a dense continuous layer, and the porous reaction catalyst layer is adjacent to the porous intermediate catalyst layer via the porous intermediate catalyst layer , Was newly found to be extremely effective in promoting the reaction on the anode side.

【0031】本発明の多孔質中間触媒層の材料には、炭
化水素等による還元雰囲気に於いても安定的にアノード
側反応を促進することができるよう、耐還元性が高く、
高酸素透過性の混合導電性酸化物が適する。本発明者
は、多孔質中間触媒層に用いるべく、混合導電性、高酸
素透過性で、かつ耐還元性を有するペロブスカイト型酸
化物について鋭意探索した結果、前記多孔質触媒層、あ
るいは緻密質連続層と同様の組成材料、すなわち、前式
(1)で表されるペロブスカイト型酸化物が、これらの
条件を満足することを見出した。さらに、本発明の多孔
質中間触媒層には、混合導電性は有しないが燃焼触媒機
能を有する触媒酸化物、即ち、Co、Fe、Mn、Pd
の内の1種または2種以上を含む酸化物も有効である。
本発明の多孔質中間触媒層には、これらの混合伝導性酸
化物と触媒酸化物の両方を同時に用いても良いし、片方
のみを用いても良い。
The material of the porous intermediate catalyst layer of the present invention has high reduction resistance so that the anode side reaction can be stably promoted even in a reducing atmosphere due to hydrocarbon or the like.
Highly oxygen permeable mixed conductive oxides are suitable. The present inventor, as a result of diligent search for a mixed conductivity, high oxygen permeability, and reduction-resistant perovskite-type oxide for use in a porous intermediate catalyst layer, the porous catalyst layer, or a dense continuous It was found that a composition material similar to that of the layer, that is, a perovskite type oxide represented by the above formula (1) satisfies these conditions. Furthermore, in the porous intermediate catalyst layer of the present invention, a catalyst oxide that does not have mixed conductivity but has a combustion catalyst function, that is, Co, Fe, Mn, Pd.
Oxides containing one or more of the above are also effective.
In the porous intermediate catalyst layer of the present invention, both of these mixed conductive oxides and catalyst oxides may be used at the same time, or only one of them may be used.

【0032】また、多孔質反応触媒層をなす材料につい
て、本発明者は、高温操業を考慮して、多孔質中間触媒
層を構成するペロブスカイト型酸化物と反応せず、かつ
多孔質中間触媒層材料との適合性(焼き付け時に剥離が
生じないこと等)を有するものを鋭意探索した結果、多
孔質反応触媒層に用いる触媒担体として、反応性が極め
て低いMgOが好適であり、さらに反応触媒としてN
i、Co、Ru、Rh、Pt、Pd、Ir、Reから選
ばれる1種または2種以上の活性金属種を担体に担持さ
せることが好適であることを見出した。
Regarding the material forming the porous reaction catalyst layer, the present inventor has taken into consideration the high temperature operation and does not react with the perovskite type oxide forming the porous intermediate catalyst layer, and the porous intermediate catalyst layer. As a result of diligent search for a material having compatibility with the material (no peeling during baking, etc.), MgO having extremely low reactivity is suitable as a catalyst carrier used for the porous reaction catalyst layer, and further, as a reaction catalyst. N
It has been found that it is preferable to support one or more active metal species selected from i, Co, Ru, Rh, Pt, Pd, Ir and Re on a carrier.

【0033】尚、多孔質反応触媒層がなく、混合導電性
酸化物を有してなる多孔質中間触媒層のみの場合には、
アノード側反応として炭化水素の完全酸化反応が促進さ
れるため、合成ガス製造の目的にはそぐわなくなる。し
たがって、この場合は本発明の範囲に含まれない。
In the case where there is no porous reaction catalyst layer but only a porous intermediate catalyst layer containing a mixed conductive oxide,
Since the complete oxidation reaction of hydrocarbon is promoted as the reaction on the anode side, it is not suitable for the purpose of producing synthesis gas. Therefore, this case is not included in the scope of the present invention.

【0034】本発明において、本発明者が企図したこと
と従来の技術との関係について述べる。
In the present invention, the relationship between what the present inventor intends and the prior art will be described.

【0035】カソード側の多孔質触媒層及び緻密質連続
層(緻密膜部)については、構造的には従来技術と大き
く変わる点はないが、本発明では、この部位に適する材
料を具体的に提示している。次に、アノード側の構成で
あるが、この部分は従来の技術に比較して大きく異な
る。本発明者は、アノード側の反応を炭化水素の完全酸
化反応、及び完全酸化反応生成物の改質反応に分割し、
これらの反応を隣接した2つの層で逐次的に進行させる
方法により、合成ガスを生成させるという新たな方策を
発明した。アノード側の反応を2段階化することによっ
て、安定的に、高酸素透過速度を得つつ、炭化水素部分
酸化反応を行わせることが初めて可能になる。炭化水素
の完全酸化反応は、混合導電性多孔質中間触媒層によっ
て行われる。
The structure of the porous catalyst layer and the dense continuous layer (dense film portion) on the cathode side is not much different from the prior art, but in the present invention, a material suitable for this portion will be specifically described. Presenting. Next, regarding the configuration on the anode side, this portion is greatly different from the conventional technique. The present inventor divides the reaction on the anode side into a complete oxidation reaction of hydrocarbons and a reforming reaction of complete oxidation reaction products,
We have invented a new strategy to generate synthesis gas by a method of sequentially advancing these reactions in two adjacent layers. By making the reaction on the anode side into two stages, it becomes possible for the first time to stably carry out the partial oxidation reaction of hydrocarbons while obtaining a high oxygen permeation rate. The complete oxidation reaction of hydrocarbons is performed by the mixed conductive porous intermediate catalyst layer.

【0036】この完全酸化反応を迅速に進行させる触媒
としては、混合導電性酸化物が適している。これは、同
材料が、緻密質連続層を拡散してきた酸素イオンを同材
料表面で酸素原子とするアノード反応を進行させ、さら
にその酸素原子が、触媒表面に吸着している炭化水素分
子を直ちに酸化分解するという特性を有するためであ
る。
A mixed conductive oxide is suitable as a catalyst for rapidly advancing this complete oxidation reaction. This is because the material promotes an anodic reaction in which oxygen ions that have diffused through the dense continuous layer are converted to oxygen atoms on the surface of the material, and the oxygen atoms immediately transfer the hydrocarbon molecules adsorbed on the catalyst surface. This is because it has a characteristic of being oxidatively decomposed.

【0037】多孔質中間触媒層の多孔質化は、反応表面
積を大きくして完全酸化反応速度を増大させるととも
に、炭化水素等の原料ガス、及び反応生成物としての水
蒸気及び二酸化炭素の交換が、迅速に行われるために必
須である。
The porosity of the porous intermediate catalyst layer increases the reaction surface area to increase the rate of complete oxidation reaction, and at the same time, the source gas such as hydrocarbon and the exchange of steam and carbon dioxide as reaction products are It is essential to be done quickly.

【0038】水蒸気及び二酸化炭素ガスによる炭化水素
等の改質反応(合成ガス生成反応)には、改質反応触媒
として知られているNi、Co、Ru、Rh、Pt、P
d、Ir、Reから選ばれる1種または2種以上の活性
金属種を利用すれば良いが、反応表面積を大きくして反
応速度を増大させるとともに、炭化水素等の原料ガス、
水蒸気、二酸化炭素、合成ガス等、種々のガス種の交換
が迅速に行われるよう、担体に担持させて、多孔質反応
触媒層とすることが必要である。本発明者は、アノード
側反応に対して、上記の新しい構造を発明しただけでな
く、この部位に適する材料を具体的に提示している。
For reforming reaction of hydrocarbons and the like with steam and carbon dioxide gas (synthesis gas generating reaction), Ni, Co, Ru, Rh, Pt and P known as reforming reaction catalysts are used.
One or more active metal species selected from d, Ir, and Re may be used, but the reaction surface area is increased to increase the reaction rate, and a source gas such as hydrocarbon,
In order to quickly exchange various gas species such as steam, carbon dioxide, and syngas, it is necessary to support them on a carrier to form a porous reaction catalyst layer. The present inventor not only invented the above new structure for the reaction on the anode side, but also specifically presents a material suitable for this site.

【0039】本発明の触媒化されたセラミックス複合材
に好適に使用されるペロブスカイト型酸化物について、
さらに詳しく説明する。
Regarding the perovskite type oxides preferably used in the catalyzed ceramic composite material of the present invention,
This will be described in more detail.

【0040】ペロブスカイト型酸化物は、一般式ABO
3(A及びBは金属イオン)の密に充填された格子を持
つ構造体からなり、これまで、ペロブスカイト酸化物構
造を有する多数の化合物が報告されている。金属イオン
A及びBの、物理化学的及び結晶学的因子に関する条件
が満たされれば、ABO3の形で結晶化する。
The perovskite type oxide has the general formula ABO
A large number of compounds having a perovskite oxide structure have been reported, which are composed of a structure having a closely packed lattice of 3 (A and B are metal ions). If the conditions for the physicochemical and crystallographic factors of the metal ions A and B are fulfilled, they crystallize in the form of ABO 3 .

【0041】ここで、金属イオンの価数の合計が酸素イ
オンの価数の合計、即ち−(マイナス)6価を相殺する
+(プラス)6価であれば酸素空孔を生じないが、金属
イオンの価数の合計が6価よりも小さい場合には、電気
的平衡を保つために酸素イオンが除去され、酸素空孔が
生じ、これが酸素イオン導電性を与えると考えられてい
る。一方、電子導電性は、一般的に遷移元素と酸素との
結合間で、遷移元素の価数の変化によるホッピング伝導
によるものと考えられている。したがって、混合導電性
を有するペロブスカイト酸化物には、Bサイトに遷移元
素が配置され、Aサイトには酸素空孔を生じせしめるラ
ンタノイド元素とアルカリ土類元素との組合せ、または
アルカリ土類金属単独が配置され、これらにより電子お
よびイオン導電性が付与される。これらAサイト元素お
よびBサイト元素の組み合わせにより、異なる混合導電
性あるいは耐還元性が発現する。
Here, if the sum of the valences of the metal ions is the sum of the valences of the oxygen ions, that is, if the sum of the valences of − (minus) is + (plus) hexavalent, oxygen vacancies do not occur, but the metal When the total valence of ions is less than hexavalent, oxygen ions are removed to maintain electrical equilibrium and oxygen vacancies are formed, which are considered to give oxygen ion conductivity. On the other hand, electronic conductivity is generally considered to be due to hopping conduction due to a change in the valence of the transition element between the bonds between the transition element and oxygen. Therefore, in the perovskite oxide having mixed conductivity, a transition element is arranged at the B site, and a combination of a lanthanoid element and an alkaline earth element that causes oxygen vacancies at the A site, or an alkaline earth metal alone is used. Are arranged, which impart electronic and ionic conductivity. Due to the combination of these A-site element and B-site element, different mixed conductivity or reduction resistance is exhibited.

【0042】本発明は、多孔質中間触媒層材料について
は、Bサイトに配置された場合に高酸素イオン導電性を
発現しつつ比較的高い耐還元性を有するFeに着目し、
また、緻密質連続層及び多孔質触媒層材料についてはB
サイトに配置された場合に非常に大きな酸素イオン導電
性を発現するCoに着目し、Aサイト元素、およびFe
またはCoを含むBサイト元素の種々の組合せにつき、
精力的に検討した結果なされたものである。
Regarding the porous intermediate catalyst layer material, the present invention pays attention to Fe having high oxygen ion conductivity and relatively high resistance to reduction when it is arranged at the B site,
Further, regarding the dense continuous layer and porous catalyst layer materials, B
Focusing on Co, which has a very large oxygen ion conductivity when it is arranged on the site,
Or for various combinations of B-site elements including Co,
It was made as a result of vigorous examination.

【0043】前式(1)のBの構成元素において、Cr
とGaのモル数の和を全B元素のモル数に対し、20%
以下に限定するのは、CrとGaの含有量が20%を超
えると、酸素イオン導電性が低下するからである。B’
がInのみ、Yのみ、InおよびYのみの場合につい
て、bの範囲を限定するのは、bがこれらの範囲外では
ペロブスカイト型構造の安定性が低下するからである。
B’がIn、Y以外の元素を含む場合には、0≦b≦
1.0の範囲でペロブスカイト型構造は安定である。a
+bの範囲を限定するのは、a+bがこの範囲を外れる
と、酸素イオン導電性が低下するからである。yの範囲
を0.5以下に限定するのは、この範囲を超えてNb、
Ta、Ti、Zr、In、Yを含有すると、酸素イオン
導電性が低下するからである。zの範囲を0.2以下に
限定するのは、この範囲を超えてZn、Li、Mgを含
有すると、酸素イオン導電性が低下したり、ペロブスカ
イト型構造の安定性が低下する問題を生じるからであ
る。さらに、x+y+zの範囲を限定するのは、x+y
+zがこの範囲を外れると、酸素イオン導電性が低下す
る問題を生じるからである。尚、緻密質連続層材料、多
孔質触媒材料、および多孔質中間触媒層の混合伝導性酸
化物は、同一組成でなくとも構わない。
In the constituent elements of B in the above formula (1), Cr is
And the total number of moles of Ga are 20% with respect to the total number of moles of B element
The reason for limiting to the following is that, when the content of Cr and Ga exceeds 20%, the oxygen ion conductivity decreases. B '
The reason for limiting the range of b in the case where is only In, only Y, and only In and Y is that the stability of the perovskite structure is deteriorated when b is outside these ranges.
When B ′ contains an element other than In and Y, 0 ≦ b ≦
The perovskite structure is stable in the range of 1.0. a
The range of + b is limited because if a + b is out of this range, the oxygen ion conductivity is lowered. Limiting the range of y to 0.5 or less is that Nb exceeding this range,
If Ta, Ti, Zr, In, and Y are contained, the oxygen ion conductivity will decrease. The range of z is limited to 0.2 or less, because if Zn, Li, or Mg is contained in excess of this range, the oxygen ion conductivity will be reduced, and the stability of the perovskite structure will be reduced. Is. Further, limiting the range of x + y + z is x + y
This is because if + z is out of this range, there is a problem that the oxygen ion conductivity is lowered. The dense continuous layer material, the porous catalyst material, and the mixed conductive oxide of the porous intermediate catalyst layer do not have to have the same composition.

【0044】本発明において、多孔質触媒層、緻密質連
続層、多孔質中間触媒層、多孔質反応触媒層からなる多
層構造は多孔質支持体上に被覆層として形成されても良
い。この構造であれば、機械的強度を高くすることがで
きるため、カソード側とアノード側の原料ガスの圧力が
異なり、緻密質連続層を介して全圧の差がある場合の耐
性が増す。多孔質支持体材料は、機械的強度があり、前
記多層構造との適合性があるものであれば何でも良く、
例えば混合導電性酸化物であっても良い。また、多孔質
触媒層を厚くして、多孔質支持体としての機能をあわせ
持つようにしても良い。
In the present invention, a multilayer structure comprising a porous catalyst layer, a dense continuous layer, a porous intermediate catalyst layer and a porous reaction catalyst layer may be formed as a coating layer on the porous support. With this structure, the mechanical strength can be increased, so that the resistance is increased when the pressures of the raw material gases on the cathode side and the anode side are different and there is a difference in the total pressure through the dense continuous layer. The porous support material may be any as long as it has mechanical strength and is compatible with the multilayer structure,
For example, it may be a mixed conductive oxide. Further, the porous catalyst layer may be thickened so that it also has a function as a porous support.

【0045】本発明に係る緻密質連続層の厚さは1μm
以上2mm以下であり、好ましくは10μm以上1.5
mm以下、さらに好ましくは30μm以上1mm以下で
ある。緻密質連続層があまりに厚いと酸素透過速度を大
きくできず、逆に、あまりに薄いと機械的信頼性に乏し
くなることから、厚さには前述した如く適正な範囲があ
る。
The thickness of the dense continuous layer according to the present invention is 1 μm.
2 mm or less, preferably 10 μm or more and 1.5
mm or less, and more preferably 30 μm or more and 1 mm or less. If the dense continuous layer is too thick, the oxygen permeation rate cannot be increased, and conversely, if it is too thin, the mechanical reliability becomes poor, so the thickness has an appropriate range as described above.

【0046】本発明に係る多孔質中間触媒層および多孔
質触媒層の厚さは、それぞれ1μm以上1mm以下およ
び1μm以上5mm以下の範囲である。また、多孔質中
間触媒層及び多孔質触媒層の気孔率は、20%以上80
%以下の範囲であり、好ましくは30%以上60%以下
の範囲である。気孔率が20%未満では原料ガス及び反
応生成物の移動が阻害されて酸素透過速度(合成ガス製
造速度)が上がらず、逆に、80%超では機械的信頼性
に乏しくなる。
The thicknesses of the porous intermediate catalyst layer and the porous catalyst layer according to the present invention are in the range of 1 μm or more and 1 mm or less and 1 μm or more and 5 mm or less, respectively. The porosity of the porous intermediate catalyst layer and the porous catalyst layer is 20% or more and 80% or more.
% Or less, preferably 30% or more and 60% or less. If the porosity is less than 20%, the movement of the raw material gas and the reaction product is hindered, and the oxygen permeation rate (synthesis gas production rate) does not increase. On the contrary, if it exceeds 80%, the mechanical reliability becomes poor.

【0047】本発明に係る多孔質反応触媒層材料につい
ては、前記の如く、MgOを主成分とする担体に、水蒸
気および二酸化炭素による炭化水素の改質に活性を有す
るNi、Co、Ru、Rh、Pt、Pd、Ir、Reの
中から選ばれる1種または2種以上の活性金属種を担持
したものが、活性、多孔質中間触媒層との適合性の観点
から望ましい。尚、多孔質反応触媒層は、炭化水素改質
のみならず、炭化水素等の完全酸化反応が起こる多孔質
中間触媒層において発生する熱を、多孔質反応触媒層
(吸熱反応が起こる)へ移動させることにより、材料劣
化に繋がるホットスポット形成の回避という重要な役割
を果たす。
Regarding the porous reaction catalyst layer material according to the present invention, as described above, Ni, Co, Ru, Rh having the activity of reforming hydrocarbons by steam and carbon dioxide is used on the carrier containing MgO as the main component. , Pt, Pd, Ir, and Re carrying one or more active metal species selected from Re are preferable from the viewpoint of activity and compatibility with the porous intermediate catalyst layer. The porous reaction catalyst layer transfers heat generated in the porous intermediate catalyst layer where not only hydrocarbon reforming but also complete oxidation reaction of hydrocarbons etc. occurs to the porous reaction catalyst layer (endothermic reaction occurs). By doing so, it plays an important role of avoiding hot spot formation which leads to material deterioration.

【0048】次に、本発明材料の製造方法について説明
する。
Next, a method for producing the material of the present invention will be described.

【0049】本発明に係る多孔質触媒層、緻密質連続
層、多孔質中間触媒層、多孔質反応触媒層を構成するセ
ラミックス材料の原料は、金属酸化物や炭酸塩を初めと
する金属塩を用い、それらを混合、焼成することにより
調製する。粉体原料の調製には、共沈法や金属アルコキ
シド法(ゾルゲル法)、或いはそれらと同等の調製法を
用いても構わない。混合された原料粉体は800℃以上
1500℃以下で仮焼する。
The raw materials of the ceramic material constituting the porous catalyst layer, the dense continuous layer, the porous intermediate catalyst layer and the porous reaction catalyst layer according to the present invention are metal salts such as metal oxides and carbonates. It is prepared by mixing and firing them. The powder raw material may be prepared by a coprecipitation method, a metal alkoxide method (sol-gel method), or a preparation method equivalent thereto. The mixed raw material powder is calcined at 800 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower.

【0050】緻密質連続層を構成する材料は、仮焼後の
試料を微細に粉砕し、均一に混合した後に成形する。成
形はCIP(冷間静水圧プレス)、HIP(熱間静水圧
プレス)、金型プレス、射出成形法、スリップキャスト
法、押し出し成型法等の任意の好適なセラミックス製造
技術を適用し、成形した試料は1050℃以上1500
℃以下で本焼成する。
The material constituting the dense continuous layer is formed by finely crushing the sample after calcination and mixing it uniformly. Molding was carried out by applying any suitable ceramics manufacturing technique such as CIP (cold isostatic press), HIP (hot isostatic press), die press, injection molding method, slip casting method, extrusion molding method and the like. Sample is 1050 ℃ or more 1500
The main firing is performed at a temperature of ℃ or below.

【0051】多孔質触媒層および多孔質中間触媒層材料
は、原料の調製、混合、仮焼、粉砕を行った後、緻密質
連続層の製造とは異なり、成形を行うことなく1050
℃以上1500℃以下で本焼成する。ここで、原料が均
一に混合されていれば、中間の仮焼を省いて本焼成して
も構わない。本焼成の温度範囲は、混合導電性を発現す
るペロブスカイト型構造となる1050℃以上1500
℃以下とする。本焼成した試料は、ボールミル等好適な
方法にて微粉砕する。粉砕粉の粒径は、後述する理由に
より10μm以下とすることが望ましい。
Unlike the production of the dense continuous layer, the porous catalyst layer material and the porous intermediate catalyst layer material are prepared without mixing, after the raw material is prepared, mixed, calcined, and crushed, and 1050 without forming.
The main firing is performed at a temperature of not less than ℃ and not more than 1500 ℃. Here, if the raw materials are uniformly mixed, the intermediate calcination may be omitted and the main calcination may be performed. The temperature range of the main calcination is 1050 ° C. or higher and 1500 at which a perovskite structure that exhibits mixed conductivity is obtained.
℃ or less. The main-baked sample is finely pulverized by a suitable method such as a ball mill. The particle size of the crushed powder is preferably 10 μm or less for the reason described below.

【0052】多孔質触媒層および多孔質中間触媒層の形
成は、前記粉砕粉を有機溶剤等と混合してスラリーと
し、緻密質連続層表面を覆うようにコート、乾燥した
後、焼き付け(焼成)することにより行う。一般に、塗
布する粉体の粒子径は、小さく揃っている程、あるいは
薄く塗布する程、均一に膜表面に付着することができ
る。具体的には、粉体の粒径を10μm以下とすること
が望ましい。上記以外にも、多孔質中間触媒層の形成手
段としては、CVD(化学蒸着)法、電気泳動法、ゾル
−ゲル法、或いは、これ以外の任意の好適な方法を用い
ることができる。
The porous catalyst layer and the porous intermediate catalyst layer are formed by mixing the pulverized powder with an organic solvent or the like to form a slurry, coating and drying the slurry so as to cover the surface of the dense continuous layer, and then baking (baking). By doing. In general, the smaller the particle size of the powder to be applied, or the thinner the particle size, the more uniform the adhesion to the film surface. Specifically, it is desirable that the particle size of the powder be 10 μm or less. In addition to the above, as a means for forming the porous intermediate catalyst layer, a CVD (chemical vapor deposition) method, an electrophoresis method, a sol-gel method, or any other suitable method can be used.

【0053】これらの方法により形成された多孔質層
は、緻密質連続層との界面において混合導電性に関する
連続性を確保するために、多孔質層および緻密質連続層
が強固に接合する様、焼成される。焼成温度は、多孔質
層、緻密質連続層を形成する材料の内、低い材料の融点
未満で、強固な接合が得られる好適な温度を選定する。
本発明において具体的に提示された材料の場合、焼き付
け温度950℃以上1500℃以下で強固な接合が得ら
れるため好ましい。
The porous layer formed by these methods is such that the porous layer and the dense continuous layer are firmly bonded to each other in order to ensure continuity regarding mixed conductivity at the interface with the dense continuous layer. To be fired. The firing temperature is selected to be a suitable temperature that is less than the melting point of a low material of the materials forming the porous layer and the dense continuous layer and can obtain a strong bond.
The materials specifically proposed in the present invention are preferable because a strong bond can be obtained at a baking temperature of 950 ° C or higher and 1500 ° C or lower.

【0054】多孔質反応触媒層を構成する触媒材料は、
マグネシアを主成分とする担体に、Ni、Co、Ru、
Rh、Pt、Pd、Ir、Reの中から選ばれる1種ま
たは2種以上の活性金属種を担持したものが望ましい。
触媒調製方法は、含浸担持法、平衡吸着法、共沈法等、
任意のものを選択できる。活性金属種の担持量は、担体
に対し、NiおよびCoの場合は3〜30mol%、R
uの場合は0.1〜10質量%、Rh、Pt、Pd、I
r、Reの場合は0.01〜3質量%が望ましく、これ
らを組み合わせても良い。また、活性金属種を高分散さ
せる為に、NiまたはCoをマグネシアに固溶させても
良く、この場合は共沈法、あるいはセラミックス法を用
いる。
The catalyst material constituting the porous reaction catalyst layer is
Ni, Co, Ru,
It is desirable to carry one or more active metal species selected from Rh, Pt, Pd, Ir and Re.
The catalyst preparation method includes an impregnation supporting method, an equilibrium adsorption method, a coprecipitation method, and the like.
You can choose anything. The supported amount of the active metal species is 3 to 30 mol% for Ni and Co, and R
In the case of u, 0.1 to 10% by mass, Rh, Pt, Pd, I
In the case of r and Re, 0.01 to 3 mass% is desirable, and these may be combined. Further, Ni or Co may be solid-dissolved in magnesia in order to highly disperse the active metal species. In this case, a coprecipitation method or a ceramics method is used.

【0055】多孔質反応触媒層は、前記調製触媒の微粉
砕粉に多孔質中間触媒層の材料微粉末を0.1質量%以
上30質量%以下加え、十分に混合した後、該混合粉を
有機溶剤等と混合してスラリーとして、多孔質中間触媒
層にコート、乾燥した後、焼き付けること(焼成)によ
り形成される。一般に、塗布される粉体の粒子径が小さ
く揃っている程、あるいは薄く塗布する程、均一に膜表
面に付着させることができる。具体的には粉体の粒径を
0.5μm以上10μm以下とすることが望ましい。焼
成温度は、実際の膜式反応器の運転温度より少なくとも
50℃以上高く、かつ、セラミックス複合材料の融点よ
り低い温度範囲で、強固な接合が得られる好適温度を選
択し、空気中で焼き付けることが望ましい。本発明にお
いて具体的に提示された材料の場合、焼き付け温度が9
50℃以上1500℃以下で強固な接合が得られる。ま
た、単位膜面積当たりの触媒質量は、20〜50mg/
cm2とするのが好適である。また、膜式反応器の運転
条件によっては、反応触媒を整粒し、多孔質中間触媒層
上に焼き付けることなく配置する方法もある。さらに
は、上記スラリーコートと整粒触媒配置との組合せとす
る方法もある。
The porous reaction catalyst layer is prepared by adding 0.1% by mass or more and 30% by mass or less of the material fine powder of the porous intermediate catalyst layer to the finely pulverized powder of the prepared catalyst, and thoroughly mixing the mixed powder. It is formed by coating the porous intermediate catalyst layer as a slurry by mixing with an organic solvent or the like, drying, and then baking (baking). Generally, the smaller the particle size of the powder to be applied and the smaller the particle size applied, or the thinner the applied powder, the more uniform the adhesion to the film surface. Specifically, it is desirable that the particle size of the powder be 0.5 μm or more and 10 μm or less. The firing temperature should be at least 50 ° C. higher than the actual operating temperature of the membrane reactor and lower than the melting point of the ceramic composite material. Is desirable. In the case of the materials specifically proposed in the present invention, the baking temperature is 9
A strong bond can be obtained at a temperature of 50 ° C or higher and 1500 ° C or lower. Further, the catalyst mass per unit membrane area is 20 to 50 mg /
It is preferable that it is cm 2 . Further, depending on the operating conditions of the membrane reactor, there is also a method of sizing the reaction catalyst and arranging it on the porous intermediate catalyst layer without baking. Furthermore, there is also a method of combining the slurry coating and the sizing catalyst arrangement.

【0056】[0056]

【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。な
お、本発明は、実施例に限定されるものではない。
EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples. The present invention is not limited to the embodiments.

【0057】(実施例1)純度99%以上のSrC
3、Fe23、およびNb25の市販パウダーを、モ
ル比でSr:Fe:Nb=1:0.9:0.1となるよ
うに秤量し、遊星ボールミルを用いて2時間湿式混合し
た。得られた原料粉末をアルミナ製のるつぼに入れ、空
気中1350℃に於いて5時間焼成し、複合酸化物を得
た。この複合酸化物の室温粉末X線回折測定結果は、主
成分が立方晶系ペロブスカイト型構造であることを示
し、組成がSrFe0.9Nb0.13-δで表される複合酸
化物であることを確認した。この複合酸化物を自動乳鉢
により粒径10μm以下の粉末状にし、多孔質中間触媒
層材料を得た。
(Example 1) SrC having a purity of 99% or more
Commercially available powders of O 3 , Fe 2 O 3 , and Nb 2 O 5 were weighed so that the molar ratio was Sr: Fe: Nb = 1: 0.9: 0.1, and the planetary ball mill was used for 2 hours. Wet mixed. The obtained raw material powder was put into a crucible made of alumina and baked in air at 1350 ° C. for 5 hours to obtain a composite oxide. The room temperature powder X-ray diffraction measurement result of this composite oxide shows that the main component is a cubic perovskite structure, and that the composition is a composite oxide represented by SrFe 0.9 Nb 0.1 O 3 -δ. confirmed. This composite oxide was powdered with an automatic mortar and having a particle size of 10 μm or less to obtain a porous intermediate catalyst layer material.

【0058】次に、純度99%以上のBaCO3、Sr
CO3、CoO、およびFe23の市販パウダーを、モ
ル比でBa:Sr:Co:Fe=0.5:0.5:0.
8:0.2となるように秤量し、遊星ボールミルを用い
て2時間湿式混合した。得られた原料粉末をアルミナの
るつぼに入れて、大気中で温度950℃において20時
間仮焼し、複合酸化物を得た。この複合酸化物を遊星ボ
ールミルで2時間湿式粉砕した後、この粉末3gを直径
20mmの金型にて、25MPaでディスク状に成形し
た。この成形体を気密性の袋に入れて脱気し、真空にし
た後、これを200MPaに加圧しながらCIPを15
分間施し、空気中、温度1130℃で5時間本焼成し、
相対密度95%以上の緻密化した焼結体を得た。この焼
結体の室温粉末X線回折測定結果は、主成分が立方晶系
ペロブスカイト型構造であることを示し、組成がBa
0.5Sr0.5Co0.8Fe0.23-δで表される複合酸化物
であることを確認した。この焼結体の両面を研削、研磨
して、直径12mm、厚さ0.7mmのディスク形状と
し、これを緻密質連続層として用いた。
Next, BaCO 3 and Sr with a purity of 99% or more are used.
Commercially available powders of CO 3 , CoO, and Fe 2 O 3 were used in a molar ratio of Ba: Sr: Co: Fe = 0.5: 0.5: 0.
It was weighed to be 8: 0.2 and wet-mixed for 2 hours using a planetary ball mill. The obtained raw material powder was put into an alumina crucible and calcined in the air at a temperature of 950 ° C. for 20 hours to obtain a composite oxide. This composite oxide was wet-milled for 2 hours with a planetary ball mill, and 3 g of this powder was shaped into a disk at 25 MPa with a mold having a diameter of 20 mm. This molded body was placed in an airtight bag, deaerated, and evacuated. Then, while applying a pressure of 200 MPa, the CIP was adjusted to 15
For 1 minute, and main calcination in air at a temperature of 1130 ° C. for 5 hours,
A densified sintered body having a relative density of 95% or more was obtained. The room temperature powder X-ray diffraction measurement result of this sintered body showed that the main component was a cubic perovskite structure, and the composition was Ba.
It was confirmed to be a composite oxide represented by 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-δ. Both surfaces of this sintered body were ground and polished to form a disk shape having a diameter of 12 mm and a thickness of 0.7 mm, which was used as a dense continuous layer.

【0059】続いて同様の手法により得られた組成がB
0.5Sr0.5Co0.8Fe0.23-δで表される焼結体を
粒径10μm以下に粉砕し、多孔質触媒層材料を得た。
これを有機溶剤に懸濁させスラリー状とし、前記ディス
ク形状の緻密質連続層の第1表面に塗布した。さらに、
前記多孔質中間層材料を同様にスラリー状にし、同緻密
質連続層の第2表面に塗布した。これを120℃で5分
間乾燥後、空気中1050℃で5時間焼成することによ
り、緻密質連続層に強固に接合した多孔質触媒層および
多孔質中間触媒層を得た。この時、多孔質触媒層および
多孔質中間触媒層の厚さは、それぞれ、0.3および
0.2mmであった。
Subsequently, the composition obtained by the same method is B
The sintered body represented by a 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-δ was pulverized to have a particle size of 10 μm or less to obtain a porous catalyst layer material.
This was suspended in an organic solvent to form a slurry, which was applied to the first surface of the disk-shaped dense continuous layer. further,
The porous intermediate layer material was similarly slurried and applied to the second surface of the dense continuous layer. This was dried at 120 ° C. for 5 minutes and then calcined in air at 1050 ° C. for 5 hours to obtain a porous catalyst layer and a porous intermediate catalyst layer firmly bonded to the dense continuous layer. At this time, the thicknesses of the porous catalyst layer and the porous intermediate catalyst layer were 0.3 and 0.2 mm, respectively.

【0060】この多孔質中間触媒層上に、マグネシアに
NiをMgに対し10mol%固溶させた炭化水素改質
触媒の粒径10μm以下とした粉末28mgに、前記多
孔質中間触媒層の材料微粉末5mgを加え、十分に混合
したものを有機溶剤に懸濁させスラリーコートした。こ
れを120℃で5分間乾燥後、空気中1050℃で5時
間焼成することにより、多孔質中間触媒層に炭化水素改
質触媒層(多孔質反応触媒層)を接合して、本発明の触
媒化されたセラミック複合材を得て、酸素透過(合成ガ
ス製造)実験に供した。
On this porous intermediate catalyst layer, 28 mg of a powder of a hydrocarbon reforming catalyst in which Ni was dissolved in magnesia in an amount of 10 mol% with respect to Mg and having a particle size of 10 μm or less was added to the powder of the porous intermediate catalyst layer. 5 mg of powder was added, and the mixture was thoroughly mixed and suspended in an organic solvent for slurry coating. This is dried at 120 ° C. for 5 minutes, and then calcined in air at 1050 ° C. for 5 hours to bond the hydrocarbon reforming catalyst layer (porous reaction catalyst layer) to the porous intermediate catalyst layer to form the catalyst of the present invention. The obtained ceramic composite material was obtained and subjected to an oxygen permeation (synthesis gas production) experiment.

【0061】実験は、前記触媒化されたセラミックス複
合材を、銀リングを介して2本のムライト管で挟みこ
み、カソード側とアノード側の気密性を保ちつつ、温度
900℃、圧力10気圧にて行った。原料ガスについて
は、カソード側に空気を200cc/min供給し、ア
ノード側にはメタンを40cc/min供給した。アノ
ード側出口ガスをガスクロマトグラフで測定し、元素バ
ランスにより、空気側からメタン側への安定した状態に
おける酸素透過速度を計算した結果、21cc/min
/cm2であった。また、この時、メタン反応転化率は
58%、CO選択率(COおよびCO2中のCO比率)
は80%、H2/CO比は1.8であった。
In the experiment, the catalyzed ceramics composite material was sandwiched between two mullite tubes via a silver ring, and the temperature was kept at 900 ° C. and the pressure was 10 atm while maintaining the airtightness on the cathode side and the anode side. I went. Regarding the source gas, 200 cc / min of air was supplied to the cathode side and 40 cc / min of methane was supplied to the anode side. The outlet gas at the anode side was measured by a gas chromatograph, and the oxygen permeation rate in a stable state from the air side to the methane side was calculated by element balance. The result was 21 cc / min.
Was / cm 2 . At this time, the methane reaction conversion rate was 58%, CO selectivity (CO ratio in CO and CO 2 )
80%, H 2 / CO ratio was 1.8.

【0062】実験中、本発明の触媒化されたセラミック
ス複合材の緻密連続層にクラック等の発生はなく、経時
的破壊の兆候は全く認められなかった。また、本発明の
触媒化されたセラミックス複合材は、実験開始直後の期
間を除き、安定した酸素透過(合成ガス生成)速度を示
し、劣化の兆候は認められなかった。
During the experiment, the dense continuous layer of the catalyzed ceramics composite material of the present invention did not show any cracks, and no sign of breakage with time was observed. Further, the catalyzed ceramics composite material of the present invention showed a stable oxygen permeation (synthesis gas generation) rate except for the period immediately after the start of the experiment, and no sign of deterioration was observed.

【0063】(実施例2)実施例1と同様の方法及び条
件により作製した多孔質触媒層、緻密質連続層、多孔質
中間触媒層からなるディスク状複合体を用い、マグネシ
アにNiをMgに対して5mol%含浸担持した炭化水
素改質触媒の粒径10μm以下とした粉末30mgに、
前記多孔質中間触媒層の材料微粉末5mgを加えて十分
に混合したものを有機溶剤に懸濁させ、これを前記多孔
質中間触媒層上にスラリーコートした。これを120℃
で5分間乾燥後、空気中1050℃で5時間焼成するこ
とにより、多孔質中間触媒層に炭化水素改質触媒層(多
孔質反応触媒層)を接合して、本発明の触媒化されたセ
ラミックス複合材を得た。
Example 2 A disk-shaped composite comprising a porous catalyst layer, a dense continuous layer, and a porous intermediate catalyst layer prepared by the same method and conditions as in Example 1 was used, and Ni was replaced by Mg as magnesia. On the other hand, to 30 mg of a powder of a hydrocarbon reforming catalyst impregnated and supported with 5 mol% and having a particle size of 10 μm or less,
5 mg of the material fine powder for the porous intermediate catalyst layer was added and thoroughly mixed, and the mixture was suspended in an organic solvent, and this was slurry-coated on the porous intermediate catalyst layer. 120 ° C
After drying for 5 minutes at 1050 ° C. in air, the hydrocarbon reforming catalyst layer (porous reaction catalyst layer) is joined to the porous intermediate catalyst layer by firing at 1050 ° C. for 5 hours to form the catalyzed ceramic of the present invention. A composite material was obtained.

【0064】酸素透過実験は、この複合材の多孔質反応
触媒層上に、20/40メッシュに整粒したマグネシア
に2質量%のRuを含浸担持させた炭化水素改質触媒を
900mg配置すること、及び、圧力が1気圧である以
外は、実施例1に示したものと同様の方法及び条件で行
った。安定した状態における酸素透過速度を計算した結
果、25cc/min/cm2であった。また、この
時、メタン反応転化率は83%、CO選択率(COおよ
びCO2中のCO比率)は86%、H2/CO比は1.9
であった。
For the oxygen permeation experiment, 900 mg of a hydrocarbon reforming catalyst in which 2% by mass of Ru was impregnated and supported on magnesia sized to 20/40 mesh was placed on the porous reaction catalyst layer of this composite material. And the same method and conditions as those shown in Example 1 except that the pressure was 1 atm. The calculated oxygen permeation rate in a stable state was 25 cc / min / cm 2 . At this time, the methane reaction conversion rate was 83%, the CO selectivity (CO ratio in CO and CO 2 ) was 86%, and the H 2 / CO ratio was 1.9.
Met.

【0065】実験中、本発明の触媒化されたセラミック
ス複合材の緻密連続層にクラック等の発生はなく、経時
的破壊の兆候は全く認められなかった。また、本発明の
触媒化されたセラミックス複合材は、実験開始直後の期
間を除き、安定した酸素透過(合成ガス生成)速度を示
し、劣化の兆候は認められなかった。
During the experiment, the dense continuous layer of the catalyzed ceramic composite material of the present invention did not show any cracks, and no sign of breakage with time was observed. Further, the catalyzed ceramics composite material of the present invention showed a stable oxygen permeation (synthesis gas generation) rate except for the period immediately after the start of the experiment, and no sign of deterioration was observed.

【0066】(実施例3)実施例1と同様の方法及び条
件で、表1に示した本発明の触媒及びセラミックス複合
材料を製造し、実施例1と同じ方法及び条件で酸素透過
(合成ガス製造)特性を評価したところ、全てのものに
ついて20cc/min/cm2以上の酸素透過速度が
得られた。また、実施例1の結果と同じく、安定した酸
素透過(合成ガス生成)速度を示し、劣化及び経時的破
壊の兆候は全く認められなかった。
Example 3 The catalyst and ceramic composite materials of the present invention shown in Table 1 were produced by the same method and conditions as in Example 1, and the oxygen permeation (synthesis gas) was performed by the same method and condition as in Example 1. When the production characteristics were evaluated, an oxygen permeation rate of 20 cc / min / cm 2 or more was obtained for all of them. Further, similar to the results of Example 1, a stable oxygen permeation (synthesis gas generation) rate was shown, and no signs of deterioration and destruction with time were observed.

【表1】 [Table 1]

【0067】(比較例1)実施例1と同様の方法及び条
件で、多孔質触媒層および緻密質連続層から成る触媒化
されたセラミックス複合材を作製した後、該緻密質連続
層上に20/40メッシュに整粒したマグネシアに2質
量%のRuを含浸担持させた炭化水素改質触媒900m
gを配置し、酸素透過実験に供した。
(Comparative Example 1) By the same method and conditions as in Example 1, a catalyzed ceramics composite comprising a porous catalyst layer and a dense continuous layer was prepared, and then 20 was formed on the dense continuous layer. Reforming catalyst 900m in which 2% by mass of Ru is impregnated and supported on magnesia sized to 40/40 mesh
g was placed and subjected to an oxygen permeation experiment.

【0068】実験は、実施例1と同様の方法及び条件で
行い、安定した状態における酸素透過速度を計算した結
果、18cc/min/cm2であった。また、この
時、メタン反応転化率は76%、CO選択率(COおよ
びCO2中のCO比率)は96%、H2/CO比は2.0
であった。
The experiment was conducted under the same method and conditions as in Example 1, and the oxygen permeation rate in a stable state was calculated. As a result, it was 18 cc / min / cm 2 . At this time, the methane reaction conversion rate was 76%, the CO selectivity (CO ratio in CO and CO 2 ) was 96%, and the H 2 / CO ratio was 2.0.
Met.

【0069】(比較例2)中間多孔質触媒層材料とし
て、Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.23-δで表される複
合酸化物を用いる以外は、実施例1と同様の方法及び条
件で、多孔質触媒層、緻密質連続層および多孔質中間触
媒層から成る触媒化されたセラミックス複合材を作製し
た後、多孔質中間触媒層上にマグネシア担体に2質量%
のRuを含浸担持させ、20/40メッシュに整粒した
炭化水素改質触媒900mgを配置し、酸素透過実験に
供した。
(Comparative Example 2) The same method and conditions as in Example 1 were used except that a composite oxide represented by Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 -δ was used as the material for the intermediate porous catalyst layer. 2% by mass of a magnesia carrier on the porous intermediate catalyst layer after producing a catalyzed ceramics composite material comprising a porous catalyst layer, a dense continuous layer and a porous intermediate catalyst layer.
Was impregnated and supported on Ru, and 900 mg of a hydrocarbon reforming catalyst that had been sized to 20/40 mesh was placed, and subjected to an oxygen permeation experiment.

【0070】実験は、実施例1と同様の方法及び条件で
行い、実験開始数時間後には約23cc/min/cm
2の酸素透過速度を得たが、経時的に酸素透過速度が減
少し、安定した酸素透過速度は得られなかった。
The experiment was performed under the same method and conditions as in Example 1, and after several hours from the start of the experiment, about 23 cc / min / cm.
Although the oxygen permeation rate of 2 was obtained, the oxygen permeation rate decreased with time and a stable oxygen permeation rate was not obtained.

【0071】(比較例3)実施例1と同様の方法及び条
件で作製した多孔質触媒層、緻密質連続層、多孔質中間
触媒層からなるディスク状複合体の多孔質中間触媒層上
に、アルミナ(α型)担体に2質量%のRuを含浸担持
した炭化水素改質触媒の粒径10μm以下とした粉末3
0mgを有機溶剤に懸濁させたものをスラリーコートし
た。これを120℃で5分間乾燥後、空気中1050℃
で5時間焼成することにより、多孔質中間触媒層に接合
した炭化水素改質触媒層を得、酸素透過実験に供した。
実験は、圧力が10気圧である以外は、実施例1と同様
の方法及び条件で行い、実験開始数時間後には約20c
c/min/cm2の酸素透過速度を得たが、経時的に
酸素透過速度が減少し、安定した酸素透過速度は得られ
なかった。
(Comparative Example 3) On a porous intermediate catalyst layer of a disk-shaped composite comprising a porous catalyst layer, a dense continuous layer and a porous intermediate catalyst layer prepared by the same method and conditions as in Example 1, Powder 3 of a hydrocarbon reforming catalyst having an alumina (α type) carrier impregnated with 2% by mass of Ru and having a particle size of 10 μm or less
A suspension of 0 mg suspended in an organic solvent was slurry-coated. After drying this for 5 minutes at 120 ℃, in air 1050 ℃
By firing for 5 hours, a hydrocarbon reforming catalyst layer joined to the porous intermediate catalyst layer was obtained and subjected to an oxygen permeation experiment.
The experiment was carried out by the same method and conditions as in Example 1 except that the pressure was 10 atm, and about 20 c after several hours from the start of the experiment.
Although an oxygen permeation rate of c / min / cm 2 was obtained, the oxygen permeation rate decreased with time, and a stable oxygen permeation rate was not obtained.

【0072】[0072]

【発明の効果】本発明によれば、酸素含有ガス中の酸素
成分を選択的に輸送するのに際し、安定して高酸素透過
速度を得る高性能隔膜部材が得られるため、炭化水素の
部分酸化による合成ガス製造用膜式反応器等に好適に使
用でき、これら装置の高性能化、低コスト化に繋がるコ
ンパクト化に資する。
EFFECTS OF THE INVENTION According to the present invention, a high-performance diaphragm member that stably obtains a high oxygen permeation rate when selectively transporting an oxygen component in an oxygen-containing gas is obtained, and therefore, partial oxidation of hydrocarbons is achieved. Can be suitably used for a membrane reactor for the production of synthetic gas, etc., and contributes to high performance and cost reduction of these devices.

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

【図1】 本発明の多孔質触媒層、緻密質連続層、多孔
質中間触媒層、反応触媒層からなる多層構造の触媒およ
びセラミックス複合材料の構造概念図である。
FIG. 1 is a structural conceptual diagram of a catalyst and ceramics composite material having a multilayer structure including a porous catalyst layer, a dense continuous layer, a porous intermediate catalyst layer, and a reaction catalyst layer of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B01J 23/89 C01G 49/00 C 4G069 37/02 301 D 4G140 C01B 3/40 51/00 A C01G 49/00 B32B 18/00 A B01J 23/74 321M 51/00 23/84 301M C04B 35/00 23/64 104M // B32B 18/00 C04B 35/00 H (72)発明者 加賀野井 彰一 東京都渋谷区幡ヶ谷1−31−10 帝国石油 株式会社内 (72)発明者 鈴木 洋平 東京都渋谷区幡ヶ谷1−31−10 帝国石油 株式会社内 (72)発明者 伊藤 孝 東京都渋谷区幡ヶ谷1−31−10 帝国石油 株式会社内 (72)発明者 佐近 正 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 伊藤 渉 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 堂野前 等 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 永井 徹 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 平野 兼次 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 KA72 KB30 MA03 MA31 MC03X NA39 NA51 NA61 NA62 PA05 PB17 PB62 PC69 4F100 AA17A AA17B AA17C AA18D AB00D AB02C AB02D AB14C AB14D AB15C AB15D AB16D AB24C AB24D AD00A AD00B AD00C BA04 BA05 BA07 BA10B BA10D BA10E DE01B DE01C DJ00B DJ00D DJ00E EH46B EH46C EJ42B EJ42C EJ86B EJ86C GB90 JD03 JD03A JG01A JG01B JG01C JL08B JL08C JL08D YY00A YY00B YY00C 4G002 AA08 AA09 AB01 AE05 4G030 AA02 AA07 AA08 AA09 AA11 AA12 AA15 AA16 AA17 AA20 AA21 AA22 AA25 AA26 AA27 AA28 AA29 AA32 AA34 BA02 BA03 BA34 CA03 CA08 CA09 GA03 GA04 GA08 GA20 GA22 GA25 GA27 GA35 4G048 AA05 AB01 AC08 AD08 AE05 4G069 AA01 AA03 AA08 BA06A BA06B BC62A BC64A BC66A BC67A BC67B BC68A BC68B BC70A BC70B BC71B BC72A BC74A BC74B BC75A BC75B CB07 CC17 CC40 DA05 EA08 EC23 EC27 EC28 FA01 FA03 FB15 FB30 FC07 FC08 4G140 EA03 EA07 EB19 EC02 EC03 EC05 EC08 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (51) Int.Cl. 7 Identification Code FI Theme Coat (Reference) B01J 23/89 C01G 49/00 C 4G069 37/02 301 D 4G140 C01B 3/40 51/00 A C01G 49 / 00 B32B 18/00 A B01J 23/74 321M 51/00 23/84 301M C04B 35/00 23/64 104M // B32B 18/00 C04B 35/00 H (72) Inventor Shoichi Kaganoi Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo 1-31-10 Inside Teikoku Oil Co., Ltd. (72) Inventor Yohei Suzuki 1-31-10 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo Inside Teikoku Oil Co., Ltd. (72) Takashi Ito 1-31-10 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo Empire Petroleum Co., Ltd. (72) Inventor Tadashi Saki, 20-1 Shintomi, Futtsu City Technology Development Division, Nippon Steel Corporation (72) Inventor Wataru Ito 20-1 Shintomi, Futtsu City Nippon Steel Co., Ltd. Technology Development Division (72) Inventor Dono Mae 20-1 Shintomi, Futtsu City Shin Nippon Steel Co., Ltd. Technology Development Headquarters (72) Inventor Toru Nagai 20-1 Shintomi Futtsu City New Japan Steel Technology Co., Ltd. Technology Development Headquarters (72) Inventor Kenji Hirano 20-1 Shintomi, Futtsu City Shin-Nippon Steel Corporation Technology Development Headquarters F term (reference) 4D006 GA41 KA72 KB30 MA03 MA31 MC03X NA39 NA51 NA61 NA62 PA05 PB17 PB62 PC69 4F100 AA17A AA17B AA17C AA18D AB00D AB02C AB02D AB14C AB14D AB15C AB15D AB16D AB24C AB24D AD00A AD00B AD00C BA04 BA05 BA07 BA10B BA10D BA10E DE01B DE01C DJ00B DJ00D DJ00E EH46B EH46C EJ42B EJ42C EJ86B EJ86C GB90 JD03 JD03A JG01A JG01B JG01C JL08B JL08C JL08D YY00A YY00B YY00C 4G002 AA08 AA09 AB01 AE05 4G030 AA02 AA07 AA08 AA09 AA11 AA12 AA15 AA16 AA17 AA20 AA21 AA22 AA22 A03 A08 A08 A05 A08 A05 A08 A05 A08 A05 A08 A05 A08 A05 A08 A05 A08 A05 A08 A05 A08 A05 A08 A05 A08 A05 A08 A05 A08 A0 A0 A0 A5 AGA4 GA0 GA22 GA22 GA02 GA22 GA22 GA22 GA04 GA02 GA22 GA04 GA08 GA22 GA22 GA02 GA22 GA22 GA02 GA22 GA02 GA22 GA22 GA02 GA22 GA22 GA22 GA22 GA22 GA22 GA22 GA22 GA02 GA22 GA22 GA02 GA22 GA22 GA22 GA02 GA22 GA02 GA22 GA22 GA02 GA22 GA22 GA0 BA06A BA06B BC62A BC64A BC66A BC67A BC67B BC68A BC68B BC70A BC70B BC71B BC72A BC74A BC74B BC75A BC75B CB07 CC17 CC40 DA05 EA08 EC23 EC27 EC28 FA01 FA03 FB15 FB30 FC07 FC08 4G140 EA03 EA07 EB19 EC02 EC03 EC05 EC08

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 混合導電性酸化物を有してなる選択的酸
素透過性緻密質連続層の第一表面に、混合導電性酸化物
を有してなる多孔質触媒層が隣接し、前記緻密質連続層
の第二表面に、混合導電性酸化物、および/または燃焼
触媒機能を有する触媒酸化物を有してなる多孔質中間触
媒層が隣接し、さらに、該多孔質中間触媒層に、金属触
媒及び担体を有してなる多孔質反応触媒層が隣接する多
層構造体を有することを特徴とする触媒化されたセラミ
ックス複合材。
1. A porous catalyst layer containing a mixed conductive oxide is adjacent to a first surface of a selective oxygen-permeable dense continuous layer containing a mixed conductive oxide, A porous intermediate catalyst layer comprising a mixed conductive oxide, and / or a catalyst oxide having a combustion catalyst function is adjacent to the second surface of the continuous porous layer, and further, the porous intermediate catalyst layer, A catalyzed ceramics composite material having a multi-layer structure in which porous reaction catalyst layers comprising a metal catalyst and a carrier are adjacent to each other.
【請求項2】 前記多層構造体が、多孔質支持体上に被
覆層として形成されていることを特徴とする請求項1に
記載の触媒化されたセラミックス複合材。
2. The catalyzed ceramic composite material according to claim 1, wherein the multilayer structure is formed as a coating layer on a porous support.
【請求項3】 前記緻密質連続層、多孔質触媒層、およ
び多孔質中間触媒層のいずれか1つ以上が組成式(1)
で表される混合導電性酸化物を有してなることを特徴と
する請求項1または2に記載の触媒化されたセラミック
ス複合材。 [Ln1-a-baBab][BxB’yB”z]O3-δ 組成式(1) (ここで、Lnは、ランタノイド元素から選ばれる1種
または2種以上の元素の組み合わせ、Aは、Sr、C
a、またはこれらの元素の組み合わせ、Bは、Co、F
e、Cr、及びGaから選ばれる1種または2種以上の
元素の組み合わせで、CrとGaのモル数の和が全B元
素のモル数に対し0%以上20%以下、B’は、Nb、
Ta、Ti、Zr、In、及びYから選ばれる1種また
は2種以上の元素の組み合わせで、Nb、Ta、In、
Yの少なくとも1種を含む、B”は、Zn、Li、Mg
から選ばれる1種または2種以上の元素の組み合わせ、 0.8≦a+b≦1、 bは、B’がInのみで構成される場合には0.4≦b
≦1.0、B’がYのみで構成される場合には0.5≦
b≦1.0、B’がInおよびYのみで構成される場合
には0.2≦b≦1.0、B’がIn、Y以外の元素を
含む場合には0≦b≦1.0、 0<x、 0<y≦0.5、 0≦z≦0.2、 0.98≦x+y+z≦1.02、 δは、電荷中性条件を満たすように決まる値である。)
3. At least one of the dense continuous layer, the porous catalyst layer, and the porous intermediate catalyst layer has a composition formula (1).
3. The catalyzed ceramics composite material according to claim 1 or 2, which comprises a mixed conductive oxide represented by: [Ln 1-ab A a Ba b ] [B x B'y B " z ] O 3-δ Composition formula (1) (where Ln is one or more elements selected from lanthanoid elements) Combination, A is Sr, C
a, or a combination of these elements, B is Co, F
e, Cr, and a combination of two or more elements selected from Ga, the sum of the number of moles of Cr and Ga is 0% or more and 20% or less with respect to the number of moles of all B elements, and B ′ is Nb. ,
Nb, Ta, In, a combination of one or more elements selected from Ta, Ti, Zr, In, and Y.
B ″ containing at least one of Y is Zn, Li, Mg
One or a combination of two or more elements selected from the following: 0.8 ≦ a + b ≦ 1, b is 0.4 ≦ b when B ′ is composed only of In
≦ 1.0, and if B ′ is composed of Y only, 0.5 ≦
b ≦ 1.0, when B ′ is composed only of In and Y, 0.2 ≦ b ≦ 1.0, and when B ′ includes an element other than In and Y, 0 ≦ b ≦ 1. 0, 0 <x, 0 <y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.2, 0.98 ≦ x + y + z ≦ 1.02, and δ are values determined so as to satisfy the charge neutral condition. )
【請求項4】 前記燃焼触媒機能を有する触媒酸化物
が、Co、Fe、Mn、Pdから選ばれる1種または2
種以上を含むことを特徴とする請求項1〜3に記載の触
媒化されたセラミックス複合材。
4. The catalyst oxide having the combustion catalyst function is one or two selected from Co, Fe, Mn and Pd.
The catalyzed ceramics composite material according to any one of claims 1 to 3, which comprises one or more kinds.
【請求項5】 前記多孔質反応触媒層の担体の主成分が
MgOで、かつ、前記多孔質反応触媒層の金属触媒がN
i、Co、Ru、Rh、Pt、Pd、Ir、Reから選
ばれる1種または2種以上を活性金属種とする担持金属
触媒であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに
記載の触媒化されたセラミックス複合材。
5. The main component of the carrier of the porous reaction catalyst layer is MgO, and the metal catalyst of the porous reaction catalyst layer is N.
5. A supported metal catalyst having one or more selected from i, Co, Ru, Rh, Pt, Pd, Ir and Re as an active metal species. Of catalyzed ceramic composites.
【請求項6】 前記金属触媒の単位膜面積当たりの質量
が、20〜50mg/cm2であることを特徴とする請
求項5に記載の触媒化されたセラミックス複合材。
6. The catalyzed ceramic composite material according to claim 5, wherein the mass per unit area of the metal catalyst is 20 to 50 mg / cm 2 .
【請求項7】 組成式(1)で表される混合導電性酸化
物を有してなる緻密質連続層の第一表面および第二表面
に、粒径10μm以下で組成式(1)で表される混合導
電性酸化物の微粉体を有機溶剤と混合してスラリー化し
たものを塗布・乾燥し、950℃以上1500℃以下で
焼き付けを行い、それぞれ多孔質触媒層および多孔質中
間触媒層とし、さらに、該多孔質中間触媒層上に、Mg
Oを主成分とする担体にNi、Co、Ru、Rh、P
t、Pd、Ir、Reから選ばれる1種または2種以上
の活性金属種を担持した金属担持触媒の微粉末に、前記
多孔質中間触媒層の材料微粉末を加え、有機溶剤を混合
してスラリー化したものを塗布・乾燥し、950℃以上
1500℃以下で焼き付けを行うことを特徴とする触媒
化されたセラミックス複合材の製造方法。
7. A composition represented by the composition formula (1) having a particle size of 10 μm or less on the first surface and the second surface of the dense continuous layer having the mixed conductive oxide represented by the composition formula (1). Fine powder of mixed conductive oxide is mixed with an organic solvent to form a slurry, which is applied, dried, and baked at 950 ° C or higher and 1500 ° C or lower to form a porous catalyst layer and a porous intermediate catalyst layer, respectively. Further, on the porous intermediate catalyst layer, Mg
Ni, Co, Ru, Rh, P on O-based carrier
To the fine powder of the metal-supported catalyst supporting one or more active metal species selected from t, Pd, Ir and Re, the fine powder of the material of the porous intermediate catalyst layer is added and mixed with an organic solvent. A method for producing a catalyzed ceramics composite material, which comprises coating and drying a slurry, and baking at 950 ° C or more and 1500 ° C or less.
【請求項8】 請求項1〜6のいずれかに記載の触媒化
されたセラミックス複合材を備えてなることを特徴とす
るセラミックス膜式反応器。
8. A ceramics membrane reactor comprising the catalyzed ceramics composite material according to claim 1.
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