JP2005169344A - Manufacturing method of oxygen permeable membrane, oxygen permeable membrane and electrochemical cell for oxygen enriching instrument - Google Patents
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本発明は、ランタンガレート系材料からなる酸素透過膜の製造方法、酸素透過膜およびこれを用いた酸素富化器用電気化学セルに関するものである。 The present invention relates to a method for producing an oxygen permeable membrane made of a lanthanum gallate material, an oxygen permeable membrane, and an electrochemical cell for an oxygen enricher using the same.
従来より、ペロブスカイト型結晶構造のランタンガレート系(LaGaO3系)材料は、高い酸化物イオン伝導性および電子伝導性を有する材料として一般に知られている。
このランタンガレート系材料からなる固体電解質においては、薄膜状に成形して、その両面に電極をそれぞれ設け、それら電極間に電圧を印加する外部回路を接続することによって、一方の面から他方の面に酸素を透過させる酸素透過膜として用いることが可能となっている。すなわち、固体電解質の一方の面に接したO2が、負極から電子を受け取って酸化物イオン(O2-)にイオン化されるとともに、この酸化物イオンが、固体電解質中を移動して他方の面に到達した後、この部分で、正極に電子を放出してO2となることにより、固体電解質の一方の面から他方の面に酸素が透過するようになっている。
Conventionally, lanthanum gallate (LaGaO 3 ) materials having a perovskite crystal structure are generally known as materials having high oxide ion conductivity and electron conductivity.
In the solid electrolyte made of this lanthanum gallate-based material, it is formed into a thin film, and electrodes are provided on both sides thereof, and an external circuit for applying a voltage is connected between the electrodes, so that one surface is connected to the other surface. It can be used as an oxygen permeable membrane that allows oxygen to pass through. That is, O 2 in contact with one surface of the solid electrolyte receives electrons from the negative electrode and is ionized into oxide ions (O 2− ), and the oxide ions move in the solid electrolyte and move to the other side. After reaching the surface, oxygen is permeated from one surface of the solid electrolyte to the other surface by emitting electrons to the positive electrode to become O 2 at this portion.
近年における健康志向の高まりから、一般の電気機器類においても、上記固体電解質の性質を利用して室内に簡易な酸素富化雰囲気を作る試みがなされている。
一方、上記酸素透過膜の酸素透過量は、温度が低くなるほど低下する傾向がある。このため、大掛かりな加熱装置を使用することなく、機器を構成するために400℃以下の温度で、上記要求を満足しうる程度の酸素透過量を得ようとすると、ランタンガレート系材料として、(La0.8・Sr0.2)(Ga0.8・Mg0.1・Co0.1)O3或いは(La0.8・Sr0.2)(Ga0.8・Mg0.1・Ni0.1)O3を用いた場合に、理論上は、当該酸素透過膜の厚さ寸法を50μm以下にする必要がある。
しかしながら、ランタンガレート系材料は、一般に機械的強度が低く、比較的割れ易い材料であることから、薄膜化するにしても限界があり、また仮に上記50μm以下の厚さ寸法の膜を得ることが可能であったとしても、これを周辺機器に取り付けることが困難であるという課題を有していた。
Due to the recent increase in health consciousness, attempts have been made to create a simple oxygen-enriched atmosphere in a general electric device using the properties of the solid electrolyte.
On the other hand, the oxygen permeation amount of the oxygen permeable membrane tends to decrease as the temperature decreases. For this reason, if an attempt is made to obtain an oxygen permeation amount that can satisfy the above requirements at a temperature of 400 ° C. or lower in order to constitute an apparatus without using a large heating device, as a lanthanum gallate-based material, ( Theoretically, when La 0.8 · Sr 0.2 ) (Ga 0.8 · Mg 0.1 · Co 0.1 ) O 3 or (La 0.8 · Sr 0.2 ) (Ga 0.8 · Mg 0.1 · Ni 0.1 ) O 3 is used, the oxygen The thickness dimension of the permeable membrane needs to be 50 μm or less.
However, since lanthanum gallate materials generally have low mechanical strength and are relatively easily cracked, there is a limit to reducing the thickness of the lanthanum gallate material, and it is possible to obtain a film with a thickness of 50 μm or less. Even if it was possible, it had the subject that it was difficult to attach this to a peripheral device.
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、常温雰囲気下において所望の酸素透過量を確保しつつも、割れが生じ難く、取り扱いが容易で、耐久性および信頼性に優れた酸素透過膜およびその製造方法、並びに当該酸素透過膜を用いた酸素富化器用電気化学セルを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and while ensuring a desired oxygen permeation amount in a normal temperature atmosphere, it is difficult to crack, is easy to handle, and has excellent durability and reliability. Another object of the present invention is to provide an oxygen enrichment electrochemical cell using the oxygen permeable membrane.
請求項1に記載の本発明に係る酸素透過膜の製造方法は、ランタンガレート系材料を使用して薄膜成形体を成形するとともに、ランタンガレート系材料を使用して上記薄膜成形体よりも厚く所定位置に貫通孔が形成された厚膜成形体を成形し、その後、一対の上記厚膜成形体の間に上記薄膜成形体を挟むように積層体を形成して、当該積層体を焼成することにより酸素透過膜を製造することを特徴とするものである。
ここで、ランタンガレート系材料としては、例えば、(La0.8・Sr0.2)(Ga0.8・Mg0.1・Co0.1)O3、(La0.8・Sr0.2)(Ga0.8・Mg0.1・Ni0.1)O3などを好適に用いることが可能である。
The method for producing an oxygen permeable membrane according to the first aspect of the present invention is to form a thin film molded body using a lanthanum gallate-based material and to be thicker than the thin film molded body using a lanthanum gallate-based material. Forming a thick film molded body having a through-hole formed at a position, then forming the laminated body so as to sandwich the thin film molded body between a pair of the thick film molded bodies, and firing the laminated body Thus, an oxygen permeable membrane is manufactured.
Here, as the lanthanum gallate material, for example, (La 0.8 · Sr 0.2 ) (Ga 0.8 · Mg 0.1 · Co 0.1 ) O 3 , (La 0.8 · Sr 0.2 ) (Ga 0.8 · Mg 0.1 · Ni 0.1 ) O 3 or the like can be suitably used.
請求項2に記載の本発明に係る酸素透過膜は、ランタンガレート系材料からなる薄膜の両面に、当該薄膜よりも厚くランタンガレート系材料からなる厚膜を積層し、それら厚膜の各々に、上記薄膜に達する深さの穴部を、上記薄膜を介して互いに隣接する位置にそれぞれ設けたことを特徴とするものである。 The oxygen permeable membrane according to the present invention described in claim 2 is formed by laminating a thick film made of a lanthanum gallate material thicker than the thin film on both surfaces of a thin film made of a lanthanum gallate material, Holes having a depth reaching the thin film are provided at positions adjacent to each other through the thin film.
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の酸素透過膜において、上記厚膜の各々に、上記穴部をそれぞれ複数設けたことを特徴とするものである。 According to a third aspect of the present invention, in the oxygen permeable membrane according to the second aspect, a plurality of the hole portions are provided in each of the thick films.
請求項4に記載の発明は、請求項2または3に記載の酸素透過膜を用いた酸素富化器用電気化学セルであって、上記酸素透過膜の穴部内に、電極材料を充填して、多孔質体からなる電極を設けたことを特徴とするものである。 The invention described in claim 4 is an electrochemical cell for an oxygen enricher using the oxygen permeable membrane according to claim 2 or 3, wherein an electrode material is filled in the hole of the oxygen permeable membrane, An electrode made of a porous body is provided.
本発明によれば、ランタンガレート系材料からなる薄膜の両面に、当該薄膜よりも厚くランタンガレート系材料からなる厚膜を積層し、それら厚膜の各々に、薄膜に達する深さの穴部を、薄膜を介して互いに隣接する位置にそれぞれ設けるようにしたので、厚膜が薄膜の支持体として機能することとなって、これにより、酸素透過膜自体の強度を向上させることができ、常温雰囲気下において所望の酸素透過量を確保できる厚さに薄膜を形成した場合においても、酸素透過膜として十分な機械的強度が得られるようになる。また、薄膜と厚膜とが同質材料で形成されているため、薄膜と厚膜との間で収縮率に差異が生じる心配がなく、収縮率差に起因する剥離や亀裂等の発生を防止することができる。また、薄膜と厚膜との間で反応が生じる懸念もなく、反応生成物により酸素透過膜の性能が低下するといった不具合の発生を回避することもできる。さらに、酸素透過膜の穴部内に、電極材料を充填して、多孔質体からなる電極を設けるようにしたので、穴部底面の薄膜が電極により補強されることとなって、穴部底面の薄膜においても割れが生じ難くなる。
したがって、本発明によれば、常温雰囲気下において所望の酸素透過量を確保しつつも、割れが生じ難く、取り扱いが容易で、耐久性および信頼性に優れた酸素透過膜および酸素富化器用電気化学セルを提供することが可能となる。
According to the present invention, a thick film made of a lanthanum gallate material thicker than the thin film is laminated on both surfaces of a thin film made of a lanthanum gallate material, and a hole having a depth reaching the thin film is formed in each of the thick films. Since the thick film functions as a support for the thin film, the strength of the oxygen permeable film itself can be improved. Even when a thin film is formed to a thickness that can secure a desired oxygen permeation amount below, sufficient mechanical strength as an oxygen permeable membrane can be obtained. In addition, since the thin film and the thick film are made of the same material, there is no concern about the difference in shrinkage between the thin film and the thick film, preventing the occurrence of peeling or cracking due to the difference in shrinkage. be able to. Further, there is no concern that a reaction occurs between the thin film and the thick film, and it is possible to avoid the occurrence of a problem that the performance of the oxygen permeable membrane is deteriorated by the reaction product. Further, since the electrode material is filled in the hole portion of the oxygen permeable membrane and the porous electrode is provided, the thin film on the bottom surface of the hole portion is reinforced by the electrode, Cracks are less likely to occur in thin films.
Therefore, according to the present invention, an oxygen permeable membrane and an oxygen enrichment device that are easy to handle, easy to handle, excellent in durability and reliability, while ensuring a desired oxygen permeation amount in a normal temperature atmosphere. It becomes possible to provide a chemical cell.
図1および図2は、本発明に係る酸素透過膜の一実施形態を示す図である。この酸素透過膜10は、ペロブスカイト型結晶構造のランタンガレート系材料からなる薄膜11の両面に、当該薄膜11よりも厚くランタンガレート系材料からなる厚膜12を積層し、それら厚膜12の各々に、薄膜11に達する深さの穴部(薄膜11を底面とする穴部)13を、薄膜11を介して互いに隣接する位置(本実施形態では、積層面内における同一位置)にそれぞれ設けた構成となっている。すなわち、酸素透過膜10には、薄膜11の両面に厚膜12が配置されて厚くなっている部分と、穴部13が形成されて薄膜11のみとなっている薄い部分とが設けられ、この薄い部分が酸素を透過させる酸素透過部として機能するようになっている。
1 and 2 are diagrams showing an embodiment of an oxygen permeable membrane according to the present invention. The oxygen
具体的に、ペロブスカイト型結晶構造のランタンガレート系材料としては、例えば、(La0.8・Sr0.2)(Ga0.8・Mg0.1・Co0.1)O3或いは(La0.8・Sr0.2)(Ga0.8・Mg0.1・Ni0.1)O3を用いることが可能である。本実施形態では、薄膜11と厚膜12とで全く同じ材料を用いるようにしているが、薄膜11と厚膜12の収縮率がほぼ同じで、両者間で反応が生じる懸念がなければ、薄膜11と厚膜12とで組成比率の異なるランタンガレート系材料を使用することも可能である。
薄膜11の厚さは、酸素透過膜10を使用する際の温度条件と、その際に要求される酸素透過量に応じて決定されるものである。ここでは、300〜400℃において、0.2〜1ml/(cm2・min)の酸素透過量を確保すべく、薄膜11の厚さ寸法が、10〜60μmの範囲に設定されている。一方、厚膜12の厚さは、薄膜11の支持体として十分な機械的強度を発揮し得る厚さであればよく、ここでは、200〜600μmの範囲に設定されている。
Specifically, as the lanthanum gallate material having a perovskite crystal structure, for example, (La 0.8 · Sr 0.2 ) (Ga 0.8 · Mg 0.1 · Co 0.1 ) O 3 or (La 0.8 · Sr 0.2 ) (Ga 0.8 · Mg It is possible to use 0.1 · Ni 0.1 ) O 3 . In this embodiment, the same material is used for the
The thickness of the
また、穴部13の大きさおよび数量は、酸素透過膜10の面積や厚さ、形状等に応じて適宜に設定可能であり、例えば、図1に示すように、酸素透過膜10の各面の中央部に大径の穴部13aを一つずつ設けるようにしても、或いは図3に示すように、酸素透過膜10の全体に亘って小径の穴部13bを各面それぞれ複数設けるようにしてもよい。
Further, the size and quantity of the
上記構成からなる酸素透過膜10を製造するには、先ず、その原料粉末(上記ランタンガレート系材料の粉末)に溶媒やバインダ等を混練してスラリーを調製した後、これを公知のドクターブレード法等によりシート状に成形することにより、薄膜11に対応するグリーンシート(薄膜成形体)と厚膜12に対応するグリーンシート(厚膜成形体)とをそれぞれ成形する。この際に、厚膜成形体には、上記穴部13と対応する位置(所定位置)に、厚み方向に貫通する貫通孔を形成する。
In order to manufacture the oxygen
次いで、薄膜成形体の両面に厚膜成形体をそれぞれ貼り合わせて、図2に示すように、一対の厚膜成形体の間に一枚の薄膜成形体を挟むように積層体を形成する。成形体どうしを貼り合わせる方法としては、例えば、接合面にエタノール等を塗布して貼り合わせる方法や、接合方向に加圧して圧着する方法などが挙げられる。
このように上記積層体を形成した後、これを焼結することにより、薄膜11と厚膜12とを一体化してなる酸素透過膜10を得ることができる。
Next, the thick film molded body is bonded to both surfaces of the thin film molded body, and as shown in FIG. 2, a laminate is formed so that one thin film molded body is sandwiched between the pair of thick film molded bodies. Examples of the method of bonding the molded bodies together include a method of applying and bonding ethanol or the like to the bonding surfaces, and a method of pressure bonding in the bonding direction.
Thus, after forming the said laminated body, the oxygen
図4は、上記酸素透過膜10を用いた酸素富化器用電気化学セルの一実施形態を示す断面図である。この酸素富化器用の電気化学セルは、図4に示すように、上記酸素透過膜10の穴部13内に、多孔質焼結体からなる電極14を設けたもので、当該電極14により、穴部底面の薄膜11が覆われた状態となっている。
多孔質焼結体としては、例えば、(Sm0.5・Sr0.5)CoO3、(La0.5・Sr0.5)CoO3などを用いることが可能である。上記酸素透過膜10の穴部13内に電極14を形成するには、上記多孔質焼結体の粉末に溶剤やバインダ等を加えて混合することによりスラリーを調整し、これを各穴部13内に充填して焼結させることによって、穴部13内に電極14を形成することができる。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing one embodiment of an electrochemical cell for an oxygen enricher using the oxygen
As the porous sintered body, for example, (Sm 0.5 · Sr 0.5 ) CoO 3 , (La 0.5 · Sr 0.5 ) CoO 3 can be used. In order to form the
なお、図3に示すように、酸素透過膜10に複数の穴部13bを設けた場合には、例えば、図5に示すように、穴部13bの内部だけでなく厚膜12の表面全体を覆うように、上記多孔質焼結体からなる電極層14aを形成するようにしたり、或いは図6に示すように、穴部13bの底部に上記多孔質焼結体からなる電極層14bを形成して当該電極層14bの表面および厚膜12の表面全体を覆うように、銀、白金、銀合金等からなる導電性の多孔質層15を形成するようにしてもよい。
As shown in FIG. 3, when a plurality of
上記構成からなる酸素富化器用電気化学セルにおいては、外部回路から延びるリード線16を各電極14または上記多孔質層15に接続して、電極14間に電圧を印加することにより、穴部底面の薄膜11の一方の面から他方の面に酸素のみを選択的に透過させることができ、これにより、上記他方の面側の空間における酸素濃度を高めることができる。
In the oxygen enrichment electrochemical cell having the above-described configuration, the
以上のように、本実施形態によれば、ランタンガレート系材料からなる薄膜11の両面に、当該薄膜11よりも厚くランタンガレート系材料からなる厚膜12を積層し、それら厚膜12の各々に、薄膜11に達する深さの穴部13を、薄膜11を介して互いに隣接する位置にそれぞれ設けるようにしたので、厚膜12が薄膜11の支持体として機能することとなって、これにより、酸素透過膜10自体の強度を向上させることができ、常温雰囲気下において所望の酸素透過量を確保できる厚さに薄膜11を形成した場合においても、酸素透過膜10として十分な機械的強度が得られるようになる。
As described above, according to the present embodiment, the
また、薄膜11と厚膜12とが同質材料で形成されているため、薄膜11と厚膜12との間で収縮率に差異が生じる心配がなく、収縮率差に起因する剥離や亀裂等の発生を防止することができる。また、薄膜11と厚膜12との間で反応が生じる懸念もなく、反応生成物により酸素透過膜10の性能が低下するといった不具合の発生を回避することもできる。さらに、酸素透過膜10の穴部13内に、電極材料を充填して、多孔質体からなる電極14を設けるようにしたので、穴部底面の薄膜11が電極14により補強されることとなって、穴部底面の薄膜11において割れが生じ難くなる。
したがって、本実施形態によれば、常温雰囲気下において所望の酸素透過量を確保しながらも、割れが生じ難く、取り扱いが容易で、耐久性および信頼性に優れた酸素透過膜および酸素富化器用電気化学セルを提供することができる。
In addition, since the
Therefore, according to the present embodiment, while ensuring a desired oxygen permeation amount in a normal temperature atmosphere, it is difficult to crack, is easy to handle, and has excellent durability and reliability. An electrochemical cell can be provided.
10 酸素透過膜
11 薄膜
12 厚膜
13 穴部
14 電極
10 Oxygen-
Claims (4)
上記酸素透過膜の穴部内に、電極材料を充填して、多孔質体からなる電極を設けたことを特徴とする酸素富化器用電気化学セル。 An electrochemical cell for an oxygen enricher using the oxygen permeable membrane according to claim 2 or 3,
An electrochemical cell for an oxygen enricher, wherein an electrode made of a porous material is provided by filling an electrode material in the hole of the oxygen permeable membrane.
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JP2010094655A (en) * | 2008-10-20 | 2010-04-30 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Hydrogen separation apparatus |
CN105188893A (en) * | 2013-04-26 | 2015-12-23 | 科廷科技大学 | Channeled articles and methods for their manufacture |
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