JP2006082039A - Oxygen separation membrane element, its manufacturing method, oxygen manufacturing method, and reactor - Google Patents

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洋祐 高橋
Akihiro Kawahara
彰広 川原
Shigeo Nagaya
重夫 長屋
Hirotoshi Yamada
浩俊 山田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen separation membrane element more enhanced in oxygen permeation velocity, its manufacturing method, an efficient oxygen manufacturing method using oxygen separation membrane element or a reactor. <P>SOLUTION: Since catalyst layers 18 and 20 are formed in uniform film thickness by transfer and a crack or peeling is hard to occur even if the catalyst layers 18 and 20 are made thick, the oxygen separation membrane element 10 more increased in oxygen permeation velocity is obtained by increasing the supporting thickness of the catalyst layers 18 and 20. Moreover, since catalyst particles 21 are uniformly and densely arranged in the catalyst layers 18 and 20 formed by transfer, the catalyst layers 18 and 20 become large in support quantity even in the same film thickness as compared with catalyst layers 50 and 52 formed by the direct coating of a slurry or the like and there is an advantage capable of obtaining a high oxygen permeation speed. Further, there is no trouble that the number of supporting processes are increased like a CVD method or the like and there is an advantage of having no necessity for altering printing conditions such as a predetermined machine, a printing plate, the preparation of paste and the like corresponding to the shape or size of an oxygen separation membrane ready to form the catalyst layers 18 and 20 like direct predetermined. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、酸素を選択的に透過させるための酸素分離膜エレメント、その製造方法、およびその利用に関するものである。   The present invention relates to an oxygen separation membrane element for selectively permeating oxygen, a manufacturing method thereof, and use thereof.

酸素イオン伝導性を有する緻密な酸素分離膜を備え、その一面側において気体から解離させ且つイオン化させた酸素イオンをその他面側において再結合させることにより、酸素をその一面から他面に選択的に透過させてその気体から分離するための酸素分離膜エレメントが知られている。このような酸素分離膜エレメントによれば、酸素を含む気体から容易に酸素を分離することができるため、これを利用することにより、例えば、深冷分離法やPSA(圧力変動吸着)法等に代わる安価な酸素製造法を提供し得る。特に、電子−酸素イオン混合伝導体で酸素分離膜を構成したものでは、その酸素分離膜自体が電子伝導性を有することから、一面および他面を短絡させるための外部電極や外部回路が無用となると共に、両面の電位差によって酸素イオンの移動速度が高められて高い酸素透過速度が得られる利点がある(例えば特許文献1,2等参照)。   Provided with a dense oxygen separation membrane having oxygen ion conductivity, oxygen is dissociated from the gas on one surface side and ionized oxygen ions are recombined on the other surface side, so that oxygen is selectively transferred from the one surface to the other surface. Oxygen separation membrane elements are known for permeation and separation from the gas. According to such an oxygen separation membrane element, oxygen can be easily separated from a gas containing oxygen. Therefore, by using this, for example, a cryogenic separation method, a PSA (pressure fluctuation adsorption) method, or the like can be used. An alternative and inexpensive method for producing oxygen can be provided. In particular, in the case where the oxygen separation membrane is composed of an electron-oxygen ion mixed conductor, the oxygen separation membrane itself has electron conductivity, so that an external electrode and an external circuit for short-circuiting one surface and the other surface are unnecessary. In addition, there is an advantage that a high oxygen transmission rate can be obtained by increasing the moving speed of oxygen ions by the potential difference between both surfaces (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

上記酸素分離膜エレメントにおいて、酸素分離膜の酸素解離側の一面および酸素再結合側の他面の少なくとも一方、望ましくは両方には触媒層が形成されることにより、酸素分離速度を高めることが行われている。酸素解離側には酸素の解離およびイオン化を促進するための解離触媒層が設けられ、酸素再結合側には再結合を促進するための再結合触媒層が設けられる。これにより、酸素の解離速度およびイオン化速度(以下、まとめてイオン化速度という)或いは再結合速度が高められ、延いては酸素分離速度が高められるのである。   In the above oxygen separation membrane element, a catalyst layer is formed on at least one of the oxygen dissociation side and the other surface of the oxygen recombination side of the oxygen separation membrane, preferably both, thereby increasing the oxygen separation rate. It has been broken. A dissociation catalyst layer for promoting oxygen dissociation and ionization is provided on the oxygen dissociation side, and a recombination catalyst layer for promoting recombination is provided on the oxygen recombination side. This increases the oxygen dissociation rate and ionization rate (hereinafter collectively referred to as ionization rate) or the recombination rate, thereby increasing the oxygen separation rate.

また、上記のような酸素分離膜エレメントは、炭化水素の部分酸化反応等の酸化用反応装置の反応器として利用し得る。例えば、酸素分離膜の他面側にメタン(CH4)等の炭化水素を含む気体を供給すれば、透過した酸素イオンによってその炭化水素を酸化させることができる。そのため、GTL(Gas to Liquid:天然ガスから化学反応により液体燃料を合成する技術)や、燃料電池用水素ガスの製造等に利用できるのである。なお、このような利用形態においても、触媒層を設けたり、電子−酸素イオン混合伝導体を用いて酸素透過速度を高めれば、反応が促進される。
特開2003−190792号公報 特開2003−225567号公報 特開2003−092113号公報 特開2003−151878号公報
The oxygen separation membrane element as described above can be used as a reactor for an oxidation reaction apparatus such as a partial oxidation reaction of hydrocarbons. For example, if a gas containing hydrocarbon such as methane (CH 4 ) is supplied to the other side of the oxygen separation membrane, the hydrocarbon can be oxidized by the permeated oxygen ions. Therefore, it can be used for GTL (Gas to Liquid: a technology for synthesizing liquid fuel from natural gas by chemical reaction), production of hydrogen gas for fuel cells, and the like. Even in such a utilization mode, the reaction is promoted by providing a catalyst layer or increasing the oxygen transmission rate using an electron-oxygen ion mixed conductor.
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-190792 JP 2003-225567 A Japanese Patent Laid-Open No. 2003-092113 JP 2003-151878 A

ところで、上記のような触媒層は、従来、触媒粉末を溶剤等と混合したスラリーやペーストを調製し、酸素分離膜上にディップコート或いは印刷することによって形成されていた。しかしながら、気体や酸素イオンとの接触機会を多くして酸素透過速度を高めるためには、触媒層を可及的に厚くすることが望まれるにも拘わらず、これらの形成方法では十分に厚くすることが困難であった。   By the way, the catalyst layer as described above has been conventionally formed by preparing a slurry or paste in which catalyst powder is mixed with a solvent or the like, and dip-coating or printing on the oxygen separation membrane. However, in order to increase the oxygen permeation rate by increasing the chance of contact with gas and oxygen ions, it is desired to make the catalyst layer sufficiently thick even though it is desired to make the catalyst layer as thick as possible. It was difficult.

例えば、ディップコートによる場合では、厚くなるほど厚みがばらつき易くなるため、乾燥および焼成過程で溶剤やバインダーが揮発し或いは除去される際の収縮ばらつきが生じ得る。また、一般に、酸素分離膜の触媒粒子は、平均粒径が数(μm)すなわち1〜10(好適には2〜5)(μm)程度の範囲内の微粒子が用いられることから粒子の比表面積が大きくなるため、触媒層密度が低くなり延いては層内に粒界部が多くなる。そのため、例えば30(μm)以上の膜厚になると乾燥・焼成時にクラックや剥離が生じ易くなるのである。そこで、一回に形成する膜厚を薄くして多層化することも行われているが、触媒層は焼成しても完全な緻密体とはならないため、層間に不均一な界面が生じ易く、界面における剥離が生じ易い不都合がある。すなわち、ディップコートによって前記特許文献1,2に記載されているような0.1(mm)以上の厚い触媒層を得ることは困難である。また、酸素分離膜が長尺円筒状等に構成される場合には、塗布後の乾燥状態が不均一になり易く、部位による膜厚差が生じてクラックや剥離が一層生じ易くなる問題もある。   For example, in the case of dip coating, the thicker the thickness is, the more easily the variation occurs. Therefore, the shrinkage variation may occur when the solvent and the binder are volatilized or removed during the drying and firing processes. Further, in general, the catalyst particle of the oxygen separation membrane has a specific surface area of particles because the average particle size is a number (μm), that is, fine particles within a range of 1 to 10 (preferably 2 to 5) (μm). Therefore, the density of the catalyst layer is lowered and the grain boundary portion is increased in the layer. Therefore, for example, when the film thickness is 30 (μm) or more, cracks and peeling are likely to occur during drying and firing. Therefore, although the film thickness to be formed at one time is thinned and multilayered, the catalyst layer does not become a perfect dense body even when fired, so an uneven interface tends to occur between the layers, There is an inconvenience that peeling at the interface tends to occur. That is, it is difficult to obtain a thick catalyst layer of 0.1 (mm) or more as described in Patent Documents 1 and 2 by dip coating. In addition, when the oxygen separation membrane is configured in a long cylindrical shape or the like, there is a problem that the dried state after application is likely to be non-uniform, and a difference in film thickness due to the site occurs, so that cracks and peeling are more likely to occur. .

一方、印刷による場合には、平坦面への印刷であれば、ディップコートに比較すると膜厚の均一性を得やすい。しかしながら、適切な印刷を行うためには、触媒層を形成しようとする酸素分離膜の形状や大きさに応じて印刷機、印刷版やペースト調合等の印刷条件を変更する必要があって、膜厚が厚くなるほど印刷条件の適切な範囲も狭くなる。そのため、製造工程の管理が著しく煩雑になり、延いては多品種に亘る最適化すなわち膜厚の均一性を確保することが困難である。また、例えば、酸素分離膜が円筒状等に構成される場合のように触媒層の形成面が曲面である場合には、印刷法を用いて均一膜厚でペーストを塗布することは困難である。したがって、何れにしても、ディップコートの場合と同様にクラックや剥離が生じ易い問題があった。なお、触媒層の形成方法としては、CVD(化学蒸着)法、電気泳動法、イオンプレーティング法、真空蒸着法等も提案されているが、組成制御が困難であると共に酸素分離膜形状が限定され、しかも、工程が多くなる等の問題があるため実用化は成されていない。   On the other hand, in the case of printing, if the printing is performed on a flat surface, it is easy to obtain the uniformity of the film thickness as compared with the dip coating. However, in order to perform appropriate printing, it is necessary to change printing conditions such as a printing press, a printing plate, and paste preparation according to the shape and size of the oxygen separation membrane on which the catalyst layer is to be formed. As the thickness increases, the appropriate range of printing conditions also decreases. For this reason, the management of the manufacturing process becomes extremely complicated, and it is difficult to ensure optimization across a variety of products, that is, to ensure film thickness uniformity. For example, when the formation surface of the catalyst layer is a curved surface as in the case where the oxygen separation membrane is formed in a cylindrical shape or the like, it is difficult to apply the paste with a uniform film thickness using a printing method. . Therefore, in any case, there is a problem that cracks and peeling are likely to occur as in the case of dip coating. As a method for forming the catalyst layer, a CVD (chemical vapor deposition) method, an electrophoresis method, an ion plating method, a vacuum vapor deposition method, etc. have been proposed, but the composition control is difficult and the shape of the oxygen separation membrane is limited. Moreover, since there are problems such as an increase in the number of processes, practical use has not been achieved.

そこで、本発明者等は、一層高い酸素透過速度を得ることを目的として、上記従来方法に代わる触媒層形成方法を開発すべく鋭意研究を重ねたところ、意外にも転写によって形成した触媒層が著しく高い特性を有することを見出した。因みに、前記特許文献3,4には、固体電解質型燃料電池において燃料極膜やその中の電子導電層を転写によって設けることが記載されている。これらは固体電解質と燃料極膜との密着性を高めることを目的とするものに過ぎず、酸素分離膜への適用可能性を示唆するものでは無く、まして、適用した場合にどのような酸素透過特性が得られるかについての知見を与えるものではない。   Therefore, the present inventors conducted extensive research to develop a catalyst layer forming method that replaces the conventional method for the purpose of obtaining a higher oxygen transmission rate. It has been found that it has significantly higher properties. Incidentally, Patent Documents 3 and 4 describe that in a solid oxide fuel cell, a fuel electrode film and an electronic conductive layer therein are provided by transfer. These are only intended to increase the adhesion between the solid electrolyte and the fuel electrode membrane, and do not suggest applicability to oxygen separation membranes. It does not give any knowledge about whether the characteristics can be obtained.

本発明は、以上の知見に基づいて為されたものであって、その目的は、酸素透過速度が一層高い酸素分離膜エレメント、その製造方法、およびこれを利用した効率の良い酸素製造方法や反応器を提供することにある。   The present invention has been made on the basis of the above knowledge, and its purpose is to provide an oxygen separation membrane element having a higher oxygen permeation rate, a production method thereof, and an efficient oxygen production method and reaction using the same. Is to provide a vessel.

斯かる目的を達成するための第1発明の酸素分離膜エレメントの製造方法の要旨とするところは、酸素イオン伝導性を有する緻密な酸素分離膜を備えると共に、その酸素解離側の一面および酸素再結合側の他面の少なくとも一方に触媒層を備え、その一面側において気体から解離させ且つイオン化させた酸素イオンをその他面側において再結合させることにより、酸素をその一面から他面に選択的に透過させてその気体から分離するための酸素分離膜エレメントを製造する方法であって、(a)所定の台紙上に設けられた触媒粒子層を前記酸素分離膜に転写することにより前記触媒層を形成することにある。   The gist of the method for producing an oxygen separation membrane element of the first invention for achieving such an object is to provide a dense oxygen separation membrane having oxygen ion conductivity, an oxygen dissociation side surface, and an oxygen regenerating side. A catalyst layer is provided on at least one of the other surfaces of the bonding side, and oxygen is dissociated from the gas on one surface side and ionized oxygen ions are recombined on the other surface side, whereby oxygen is selectively transferred from the one surface to the other surface. A method for producing an oxygen separation membrane element for permeation and separation from the gas, wherein (a) a catalyst particle layer provided on a predetermined mount is transferred to the oxygen separation membrane to thereby form the catalyst layer. It is to form.

また、前記目的を達成するための第2発明の酸素分離膜エレメントの要旨とするところは、酸素イオン伝導性を有する緻密な酸素分離膜を備えると共に、その酸素解離側の一面および酸素再結合側の他面の少なくとも一方に触媒層を備え、その一面側において気体から解離させ且つイオン化させた酸素イオンをその他面側において再結合させることにより、酸素をその一面から他面に選択的に透過させてその気体から分離するための酸素分離膜エレメントであって、(a)前記触媒層が転写により形成されたことにある。   Further, the gist of the oxygen separation membrane element of the second invention for achieving the above object is to provide a dense oxygen separation membrane having oxygen ion conductivity, one side of the oxygen dissociation side and the oxygen recombination side A catalyst layer is provided on at least one of the other surfaces, and oxygen ions dissociated from the gas on one surface side and ionized oxygen ions are recombined on the other surface side, thereby allowing oxygen to selectively permeate from one surface to the other surface. And (a) the catalyst layer is formed by transfer.

また、第3発明の酸素製造方法の要旨とするところは、前記第2発明の酸素分離膜エレメントを用い、酸素を含む原料気体をその一面側に供給すると共に、その原料気体から分離された酸素をその他面側から回収することにある。   Further, the gist of the oxygen production method of the third invention is that the oxygen separation membrane element of the second invention is used, and a source gas containing oxygen is supplied to the one surface side and oxygen separated from the source gas is supplied. Is to be recovered from the other side.

また、第4発明の反応器の要旨とするところは、(a)前記第2発明の酸素分離膜エレメントと、(b)その酸素分離膜エレメントの一面側に酸素を含む気体を供給するための第1気体供給路と、(c)その他面側に所定の化合物を含む気体を供給するための第2気体供給路と、(d)その他面側において酸素と前記所定の化合物との反応により生成された気体を回収するための気体回収路とを、含むことにある。   The gist of the reactor of the fourth invention is that (a) the oxygen separation membrane element of the second invention and (b) a gas containing oxygen is supplied to one surface side of the oxygen separation membrane element. A first gas supply path; (c) a second gas supply path for supplying a gas containing a predetermined compound to the other surface side; and (d) a reaction between oxygen and the predetermined compound on the other surface side. And a gas recovery path for recovering the generated gas.

前記第1発明および第2発明によれば、触媒層が転写によって均一膜厚で形成されるため、膜厚を厚くしてもクラックや剥離等が生じ難い。そのため、所望とする特性に応じて触媒層の膜厚を増大させることにより、酸素透過速度の一層高い酸素分離膜エレメントが得られる。しかも、転写により形成された触媒層は、スラリー等の直接塗布により形成されたものに比較して、同じ膜厚でも高い酸素透過速度が得られると共に、大面積化が容易、被担持面の形状すなわち酸素分離膜の形状が自由、触媒層のパターニングが容易等の種々の利点があり、また、CVD(化学蒸着)法等のように担持工程が多くなる不都合もない。また、直接印刷の場合のように、触媒層を形成しようとする酸素分離膜の形状や大きさに応じて印刷機、印刷版やペースト調合等の印刷条件を変更する必要もなく、例えば、十分に大きい一定の面積の転写紙を製造して、これから適宜の大きさに切って使用することもできる。上記のように直接塗布に比較して酸素透過速度が高められるのは、転写による場合の方が触媒粒子が均一に配列されることに基づく。配列の均一性が高いほど、粒子相互間の空隙が少なくなることから、同一の膜厚であっても担持量が多くなるので、延いては酸素分離膜表面との接触面積が大きくなって酸素透過速度が高められるのである。なお、前記「所定の台紙」は、離型層や触媒粒子層等の転写紙の構成材料を塗着して一時的に固定できるものであれば足り、本願においては、紙の他、PETフィルム等の樹脂材料等も含まれる。   According to the first and second inventions, since the catalyst layer is formed with a uniform film thickness by transfer, cracks, peeling, and the like hardly occur even when the film thickness is increased. Therefore, an oxygen separation membrane element having a higher oxygen transmission rate can be obtained by increasing the thickness of the catalyst layer in accordance with desired characteristics. In addition, the catalyst layer formed by transfer provides a high oxygen transmission rate even at the same film thickness as compared to that formed by direct application of slurry or the like, and it is easy to increase the area and shape of the supported surface. That is, there are various advantages such as the shape of the oxygen separation membrane being free and the patterning of the catalyst layer being easy, and there is no inconvenience of increasing the number of supporting steps as in the CVD (chemical vapor deposition) method. In addition, as in the case of direct printing, there is no need to change printing conditions such as a printing press, a printing plate, and a paste preparation according to the shape and size of the oxygen separation membrane on which the catalyst layer is to be formed. It is also possible to manufacture a transfer paper having a large constant area and cut it into an appropriate size. The reason why the oxygen permeation rate is increased as compared with direct coating as described above is based on the fact that the catalyst particles are uniformly arranged in the case of transfer. The higher the homogeneity of the arrangement, the smaller the voids between the particles, so that the amount of support increases even with the same film thickness. As a result, the contact area with the oxygen separation membrane surface increases and oxygen The transmission speed is increased. The “predetermined mount” is sufficient if it can be temporarily fixed by applying a constituent material of a transfer paper such as a release layer or a catalyst particle layer. In this application, in addition to paper, a PET film Such a resin material is also included.

因みに、酸素分離膜エレメントでは、緻密な酸素分離膜上に触媒層が形成されることから、ディップコートによる膜形成では、スラリー中の溶剤成分がその酸素分離膜に殆ど吸い込まれない。そのため、コートされたスラリーは、流動性を保ったままその粘性によって酸素分離膜表面に付着した状態になることから、スラリー自体が重力に従って流動すると共に、触媒粒子もスラリー中で重力に従って流動する。したがって、ディップコートでは膜厚が不均一になるだけでなく、触媒粒子の配列も不均一になるのである。これに対して、転写による触媒担持では、触媒層や触媒粒子の流動が生じ得ないため、膜厚や触媒粒子の配列が均一になる。   Incidentally, in the oxygen separation membrane element, since the catalyst layer is formed on the dense oxygen separation membrane, the solvent component in the slurry is hardly sucked into the oxygen separation membrane in the membrane formation by dip coating. Therefore, the coated slurry is in a state of adhering to the surface of the oxygen separation membrane due to its viscosity while maintaining fluidity, so that the slurry itself flows according to gravity and the catalyst particles also flow according to gravity in the slurry. Therefore, not only the film thickness becomes nonuniform in the dip coating, but also the arrangement of the catalyst particles becomes nonuniform. On the other hand, when the catalyst is supported by transfer, the catalyst layer and the catalyst particles cannot flow, so that the film thickness and the arrangement of the catalyst particles become uniform.

また、前記第2発明によれば、上記のような酸素分離膜エレメントの一面側に酸素を含む原料気体を供給すると、その中の酸素が選択的にイオン化されて酸素分離膜を透過させられ、他面側で再結合して回収されることから、原料気体中の酸素が効率よく分離されるので、安価で高効率に酸素を製造することができる。   According to the second invention, when a source gas containing oxygen is supplied to the one surface side of the oxygen separation membrane element as described above, oxygen therein is selectively ionized and permeated through the oxygen separation membrane. Since it is recombined and recovered on the other side, oxygen in the raw material gas is efficiently separated, so that oxygen can be produced at low cost and high efficiency.

また、前記第3発明によれば、上記のような酸素分離膜エレメントが備えられると共に、第1気体供給路からその一面側に酸素を含む気体が、第2気体供給路からその他面側に所定の化合物を含む気体がそれぞれ供給され、酸素とその所定の化合物との反応により生成された気体が気体回収路から回収される。そのため、酸素のイオン化速度或いは再結合速度が高められることにより、酸素透過速度が高められることから、他面側に供給される気体中の所定の化合物との反応効率が高められるので、高効率の反応器が得られる。   According to the third aspect of the invention, the oxygen separation membrane element as described above is provided, and a gas containing oxygen from the first gas supply path to the one surface side is predetermined from the second gas supply path to the other surface side. Each of the gases containing the compound is supplied, and the gas generated by the reaction between oxygen and the predetermined compound is recovered from the gas recovery path. Therefore, since the oxygen permeation rate is increased by increasing the ionization rate or recombination rate of oxygen, the reaction efficiency with a predetermined compound in the gas supplied to the other surface side is increased, so that high efficiency is achieved. A reactor is obtained.

なお、本発明において「緻密な酸素分離膜」とは、酸素透過膜エレメントの使用時において、酸素分離膜が曝される雰囲気中の気体分子をそのまま厚み方向に透過させない組織を酸素分離膜が有していることを意味するものである。すなわち、ここにいう緻密性は一義的に定められるものではなく、予定されている使用態様において上述した特性を有していれば足りる。   In the present invention, the term “dense oxygen separation membrane” means that the oxygen separation membrane has a structure that does not allow gas molecules in the atmosphere to which the oxygen separation membrane is exposed to permeate in the thickness direction as it is when the oxygen permeable membrane element is used. It means that you are doing. That is, the preciseness mentioned here is not uniquely determined, and it is sufficient if it has the above-described characteristics in the intended use mode.

ここで、好適には、前記触媒層は、一方向に沿って一定の中心間隔で並ぶ多数の突起を表面に有するものである。このようにすれば、その突起により規則的な凹凸が触媒層の表面に備えられることから、その表面積すなわちその触媒層が設けられている一面或いは他面における気体と触媒層との接触面積が増大させられるが、特に、規則的な凹凸であることから、その表面積は、大きさや配列方向の不規則な突起が設けられる場合に比較して著しく大きくなる。したがって、触媒層の膜厚が増大させられていることに加えて、その表面積の増大量に応じてイオン化速度または再結合速度が高められるので、両者のうち少なくとも律速因子となるものの速度が高められるように突起形成面を一方或いは両方に定めると共に、その大きさや相互間隔等を上記各速度および酸素分離膜内におけるイオン輸送速度等相互のバランスを考慮して定めることにより、酸素透過速度を高めることができる。なお、上記のような突起が設けられている場合には、酸素分離膜上における触媒層の厚さ寸法が不均一になる。しかしながら、転写により形成される膜は、転写紙上で既に溶剤が揮発させられていることから乾燥時および焼成時における収縮が抑制されるため、クラック等を生じさせること無く凹凸を設けることが容易である。   Here, preferably, the catalyst layer has a large number of protrusions arranged on the surface thereof at a constant center interval along one direction. In this way, regular protrusions and depressions are provided on the surface of the catalyst layer by the protrusions, so that the surface area, that is, the contact area between the gas and the catalyst layer on one surface or the other surface on which the catalyst layer is provided increases. However, since it is a regular unevenness, its surface area is remarkably increased as compared with the case where irregular protrusions in size and arrangement direction are provided. Therefore, in addition to the increase in the thickness of the catalyst layer, the ionization rate or the recombination rate is increased according to the amount of increase in the surface area, so that the rate of at least the rate-limiting factor can be increased. As described above, the projection formation surface is set to one or both, and the size and the mutual interval are determined in consideration of the balance between the above speeds and the ion transport speed in the oxygen separation membrane, thereby increasing the oxygen transmission rate. Can do. In addition, when the above protrusions are provided, the thickness dimension of the catalyst layer on the oxygen separation membrane is not uniform. However, since the film formed by transfer has already been volatilized on the transfer paper, the shrinkage during drying and firing is suppressed, so that it is easy to provide unevenness without causing cracks and the like. is there.

例えば、多数の突起が前記一面側に設けられた場合においては、従来に比較して解離触媒層表面と酸素を含む気体との接触面積が著しく増大するので、酸素のイオン化速度が著しく高められる。また、多数の突起が前記他面側に設けられた場合においては、再結合触媒層の面積すなわち酸素の再結合が行われる面積が著しく増大するので、酸素イオンの再結合速度が著しく高められる。すなわち、一面および他面の何れにおいても、一様な大きさの多数の突起が規則的に配列形成されることによって反応が促進される。また、酸素透過速度等の向上効果は、規則的な突起が設けられることによりその触媒層表面に向かって供給される気体はその全面において一様な流通抵抗を受け、且つ、規則的な凹凸により形成された真っ直ぐな溝に沿って一方向に流れることによって、酸素分離膜の表面近傍において一様な流通速度が得られると共に整流効果が得られるためでもあると考えられる。すなわち、酸素分離膜エレメントの一面或いは他面に向かって供給された気体がその全体に一様に接触させられることからその表面全体が有効に利用されることにより、効率が高められるものと推定される。   For example, in the case where a large number of protrusions are provided on the one surface side, the contact area between the dissociation catalyst layer surface and the gas containing oxygen is significantly increased as compared with the conventional case, so that the ionization rate of oxygen is significantly increased. In the case where a large number of protrusions are provided on the other surface side, the area of the recombination catalyst layer, that is, the area where oxygen recombination is performed is remarkably increased, so that the recombination rate of oxygen ions is remarkably increased. That is, the reaction is promoted by regularly arranging a large number of protrusions of uniform size on one side and the other side. In addition, the oxygen permeation rate and the like can be improved by providing regular projections so that the gas supplied toward the catalyst layer surface is subjected to uniform flow resistance over the entire surface, and the regular unevenness. It is considered that this is because, by flowing in one direction along the formed straight groove, a uniform flow rate is obtained near the surface of the oxygen separation membrane and a rectifying effect is obtained. That is, since the gas supplied toward one surface or the other surface of the oxygen separation membrane element is uniformly brought into contact with the entire surface, it is estimated that the entire surface is effectively used, thereby improving the efficiency. The

また、好適には、前記多数の突起は、前記第1方向および前記第2方向の少なくとも一方に沿った断面が矩形を成すものである。すなわち、多数の突起間には断面形状が矩形の溝が備えられる。突起の形状は全面で略一様な大きさおよび形状で設けられている限りにおいて任意に定めることができ、例えば、平面視において菱形、三角形、六角形、円形等、種々の形状としてもよく、また、突起間に断面が長半円或いは半円形状の溝が形成されるものであってもよいが、このようにすれば、断面形状が波打ち形状すなわち突起の側面がなだらかに傾斜する形状に構成されている場合に比較して、酸素分離膜エレメントの表面積を一層大きくすることができる。上記多数の突起は、一層好適には平面視において矩形を成すものであり、更に好適には正方形を成すものである。   Preferably, the plurality of protrusions have a rectangular cross section along at least one of the first direction and the second direction. That is, a groove having a rectangular cross-sectional shape is provided between a large number of protrusions. The shape of the protrusion can be arbitrarily determined as long as it is provided with a substantially uniform size and shape on the entire surface, and may be various shapes such as a rhombus, a triangle, a hexagon, and a circle in plan view, Further, a groove having a semi-circular or semi-circular cross section may be formed between the protrusions, but in this way, the cross-sectional shape is a wavy shape, that is, a shape in which the side surface of the protrusion is gently inclined. Compared with the case where it comprises, the surface area of an oxygen separation membrane element can be made still larger. The plurality of protrusions more preferably form a rectangle in plan view, and more preferably form a square.

また、好適には、前記触媒層は、100(μm)以上の厚さ寸法を備えたものである。このようにすれば、触媒層が十分に厚くされているので、一層高い酸素透過速度が得られる。因みに、本発明者等が転写により形成した触媒層の厚さ寸法と酸素透過速度との関係を評価したところ、比較的薄い触媒層厚みでは、厚さ寸法が増加するに従って透過速度が著しく高められる傾向が認められたが、この傾向は100(μm)程度で略飽和し、少なくとも300(μm)程度までの範囲では、100(μm)の場合と同程度の透過速度が維持されることが確かめられた。   Preferably, the catalyst layer has a thickness dimension of 100 (μm) or more. In this way, since the catalyst layer is sufficiently thick, a higher oxygen transmission rate can be obtained. Incidentally, when the present inventors evaluated the relationship between the thickness dimension of the catalyst layer formed by transfer and the oxygen permeation rate, the permeation rate is remarkably increased as the thickness dimension increases with a relatively thin catalyst layer thickness. Although a tendency was observed, this tendency was almost saturated at about 100 (μm), and it was confirmed that a transmission rate comparable to that at 100 (μm) was maintained in the range up to at least about 300 (μm). It was.

また、好適には、前記酸素分離膜は、酸素イオン伝導性および電子伝導性を有する混合伝導体である。このようにすれば、その一面と他面とを短絡させるための外部電極や外部回路等を用いること無くそれらの間で連続的に酸素イオンを透過させ得ると共に、酸素イオンの移動速度が高められるので酸素透過速度が一層高められる利点がある。   Preferably, the oxygen separation membrane is a mixed conductor having oxygen ion conductivity and electron conductivity. In this way, oxygen ions can be continuously transmitted between them without using an external electrode or an external circuit for short-circuiting the one surface and the other surface, and the moving speed of the oxygen ions is increased. Therefore, there is an advantage that the oxygen transmission rate can be further increased.

また、好適には、前記酸素分離膜は、一般式Ln1-xAexMO3(但し、Lnはランタノイド、AeはBa、Sr、Caのうちから選ばれる1種または2種以上の組合せ、MはFe、Mn、Ga、Ti、Co、Zr、Ce、Mg、Ge、Zn、Cu、Sc、V、Cr、Ni、Y、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sb、Pb、Bi、Po、Al、In、Snのうちから選ばれる1種または2種以上の組合せ、0≦x≦1)で表される複合化合物、ZrO2系酸化物、CeO2系酸化物のうちから選ばれる1種または2種以上の組合せから成るものである。これらの化合物は何れも緻密であると共に、高い酸素の透過速度を有するため、本発明の酸素分離膜材料として好適である。 Preferably, the oxygen separation membrane has a general formula Ln 1-x Ae x MO 3 (where Ln is a lanthanoid, Ae is one or a combination of two or more selected from Ba, Sr, and Ca, M is Fe, Mn, Ga, Ti, Co, Zr, Ce, Mg, Ge, Zn, Cu, Sc, V, Cr, Ni, Y, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, One or a combination of two or more selected from Sb, Pb, Bi, Po, Al, In, and Sn, composite compounds represented by 0 ≦ x ≦ 1), ZrO 2 oxides, CeO 2 oxides It consists of one or a combination of two or more selected from among products. Since these compounds are both dense and have a high oxygen transmission rate, they are suitable as the oxygen separation membrane material of the present invention.

また、好適には、前記酸素分離膜は、Ce2-xZrxO4-σ(但し、0<x<2、0≦σ≦4)、CeGd酸化物、CeSm酸化物、Ba(CaNb)2酸化物、BiVCu酸化物、ZrO2系酸化物のうちから選ばれる1種または2種以上の組合せから成るものである。これらの化合物も、緻密であり且つ高い酸素の透過速度を有するため好適である。特に、Ce系材料によれば、還元雰囲気における酸素イオンの動きが大きくなることが予測される。一層好適には、上記酸素分離膜は、MgO、Al2O3、Y2O3のうちから選ばれる1種または2種以上の組合せを含む材料から成るものである。これらの材料から成る膜は、比較的高い強度を有する利点がある。 Preferably, the oxygen separation membrane is Ce 2-x Zr x O 4-σ (where 0 <x <2, 0 ≦ σ ≦ 4), CeGd oxide, CeSm oxide, Ba (CaNb) It consists of one or a combination of two or more selected from two oxides, BiVCu oxides, and ZrO 2 oxides. These compounds are also preferable because they are dense and have a high oxygen transmission rate. In particular, with Ce-based materials, the movement of oxygen ions in a reducing atmosphere is expected to increase. More preferably, the oxygen separation membrane is made of a material containing one or a combination of two or more selected from MgO, Al 2 O 3 and Y 2 O 3 . Films made of these materials have the advantage of having a relatively high strength.

また、好適には、前記酸素分離膜は、電子伝導性を有する金属または金属酸化物を含む材料から成るものである。このようにすれば、それら金属または金属酸化物によって酸素分離膜に電子伝導性が付与され、或いはその電子伝導性が一層高められるので、酸素イオンの透過速度が一層高められ、延いては透過速度が高められる利点がある。   Preferably, the oxygen separation membrane is made of a material containing a metal or metal oxide having electron conductivity. In this case, the metal or metal oxide imparts electron conductivity to the oxygen separation membrane or further enhances the electron conductivity, so that the transmission rate of oxygen ions is further increased, and consequently the transmission rate. There is an advantage that can be increased.

また、好適には、前記酸素分離膜は、多孔質支持体上にその一面全体を覆って備えられたものである。この多孔質支持体は、酸素分離膜の一面側および他面側の何れに位置させられても良い。このようにすれば、多孔質支持体は、その内部を気体が容易に通過させられるので、適当な厚さ寸法に構成することにより、酸素透過速度に影響を与えることなく酸素分離膜エレメントの機械的強度を高め得る。しかも、酸素分離膜エレメントの機械的強度が多孔質支持体で確保されることから、酸素分離膜の厚さ寸法を酸素透過速度が膜厚で律速されない程度まで薄くすることが可能となるため、その表面積を増大させることによる透過速度向上効果が一層顕著に得られる。なお、このような多孔質支持体が備えられる場合において、更に解離触媒層または再結合触媒層が設けられる場合には、一方が酸素分離膜の表面に、他方が酸素分離膜と多孔質支持体との間にそれぞれ設けられてもよいが、その他方は、多孔質支持体の表面に、好適にはこれに浸透させられた状態で設けられても良い。   Preferably, the oxygen separation membrane is provided on the porous support so as to cover the entire surface. This porous support may be located on either the one side or the other side of the oxygen separation membrane. In this way, since the gas can easily pass through the inside of the porous support, by configuring the porous support to have an appropriate thickness dimension, the oxygen separation membrane element machine is not affected without affecting the oxygen transmission rate. Can increase the mechanical strength. Moreover, since the mechanical strength of the oxygen separation membrane element is ensured by the porous support, it becomes possible to reduce the thickness dimension of the oxygen separation membrane to such an extent that the oxygen transmission rate is not limited by the film thickness, The effect of improving the permeation speed by increasing the surface area can be obtained more remarkably. In the case where such a porous support is provided, when a dissociation catalyst layer or a recombination catalyst layer is further provided, one is on the surface of the oxygen separation membrane and the other is the oxygen separation membrane and the porous support. The other side may be provided on the surface of the porous support, preferably in a state of being permeated therewith.

なお、上記態様において「一面全体を覆って」とは、酸素分離膜エレメントの使用時において、多孔質支持体の一面が酸素分離膜のその多孔質支持体とは反対側に位置する面と同一空間内に曝されないことを意味するものである。例えば、非使用状態において酸素分離膜が設けられた多孔質支持体の一面が部分的に露出させられていても、その部分が使用時に装置等によって覆われるものであれば、そのような態様も上記「一面全体を覆って」に含まれる。   In the above embodiment, “covering the entire surface” means that one surface of the porous support is the same as the surface of the oxygen separation membrane on the side opposite to the porous support when the oxygen separation membrane element is used. It means not being exposed to space. For example, even if one surface of a porous support provided with an oxygen separation membrane in a non-use state is partially exposed, such a mode can be used as long as that part is covered by an apparatus or the like during use. It is included in the above “covering the entire surface”.

また、好適には、前記多孔質支持体は、一般式Ln1-xAexMO3(但し、Lnはランタノイド、AeはBa、Sr、Caのうちから選ばれる1種または2種以上の組合せ、MはFe、Mn、Ga、Ti、Co、Zr、Ce、Mg、Ge、Zn、Cu、Sc、V、Cr、Ni、Y、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sb、Pb、Bi、Po、Al、In、Snのうちから選ばれる1種または2種以上の組合せ、0≦x≦1)で表される複合化合物、ZrO2系酸化物、CeO2系酸化物、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)、炭化珪素(SiC)のうちから選ばれる1種または2種以上の組合せから成るものである。多孔質支持体の材質は特に限定されないが、このようにすれば、膜材料との熱膨張差が少なくなり、膜剥離等が一層抑制される。 Preferably, the porous support has the general formula Ln 1-x Ae x MO 3 (where Ln is a lanthanoid, Ae is one or a combination of two or more selected from Ba, Sr, and Ca) , M is Fe, Mn, Ga, Ti, Co, Zr, Ce, Mg, Ge, Zn, Cu, Sc, V, Cr, Ni, Y, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd , Sb, Pb, Bi, Po, Al, In, Sn selected from one or a combination of two or more, a composite compound represented by 0 ≦ x ≦ 1), ZrO 2 oxide, CeO 2 It is composed of one or a combination of two or more selected from oxide, magnesium oxide (MgO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), and silicon carbide (SiC). . The material of the porous support is not particularly limited, but by doing so, the difference in thermal expansion from the film material is reduced, and film peeling and the like are further suppressed.

また、好適には、前記酸素分離膜および前記多孔質支持体は、同材料から成るものである。このようにすれば、両者の熱膨張係数が一致することから、製造工程や使用時に加熱或いは冷却された場合にも、熱膨張量の相違に起因して破損することが好適に抑制される。   Preferably, the oxygen separation membrane and the porous support are made of the same material. In this way, since the thermal expansion coefficients of the two coincide with each other, even when heated or cooled during the manufacturing process or in use, damage due to the difference in thermal expansion amount is suitably suppressed.

また、好適には、前記酸素分離膜および前記多孔質支持体は、相互に異なる組成の材料から成るものである。酸素分離膜エレメント全体の強度は支持体によって確保する必要があることから、支持体と酸素分離膜とは求められる特性が相違するため、例えば要求される強度が比較的高い場合には、酸素分離膜と支持体とを相互に異なる材料で構成することが望ましい。また、膜側のみが還元雰囲気となる場合(例えばCH4を流す場合等)では酸素分離膜が還元膨張することがあるので、このような場合には相互に異なる材料で構成して支持体の熱膨張を相対的に大きくすることが好ましい。 Preferably, the oxygen separation membrane and the porous support are made of materials having different compositions. Since the strength of the entire oxygen separation membrane element must be ensured by the support, the required properties of the support and the oxygen separation membrane are different. For example, when the required strength is relatively high, oxygen separation is required. It is desirable that the membrane and the support are made of different materials. In addition, in the case where only the membrane side is in a reducing atmosphere (for example, when CH 4 is flowed), the oxygen separation membrane may be reduced and expanded. It is preferable to relatively increase the thermal expansion.

また、好適には、前記多孔質支持体は、平均細孔径rが0.1<r<20(μm)の範囲内、気孔率pが5<p<60(%)の範囲内である。酸素透過速度の低下を抑制し且つ酸素分離膜エレメントの強度を可及的に高めるためには、この範囲内が好ましい。細孔径および気孔径が小さくなり過ぎると、多孔質支持体のガス透過抵抗が大きくなることから、酸素分離膜を薄くしてもこの多孔質支持体が律速因子になるため、酸素透過速度が著しく低下する。一方、細孔径および気孔径が大きくなり過ぎると、機械的強度が低下して支持体としての機能が失われる。   Preferably, the porous support has an average pore diameter r in the range of 0.1 <r <20 (μm) and a porosity p in the range of 5 <p <60 (%). This range is preferable in order to suppress the decrease in the oxygen permeation rate and increase the strength of the oxygen separation membrane element as much as possible. If the pore diameter and the pore diameter are too small, the gas permeation resistance of the porous support increases, so even if the oxygen separation membrane is made thin, the porous support becomes a rate-limiting factor, so the oxygen permeation rate is remarkably high. descend. On the other hand, if the pore diameter and the pore diameter are too large, the mechanical strength is lowered and the function as a support is lost.

また、好適には、前記多数の突起は、高さ寸法が5乃至1000(μm)の範囲内、中心間隔が5乃至1000(μm)の範囲内の微細突起である。突起の強度を保ち且つ気体の整流性を妨げないためには、このような大きさとすることが好ましい。一層好適には、高さ寸法は10乃至500(μm)の範囲内、中心間隔は10乃至500(μm)の範囲内である。例えば、高さ寸法は100(μm)程度、中心間隔(ピッチ)は150(μm)程度が好ましい。   Preferably, the plurality of protrusions are fine protrusions having a height dimension in a range of 5 to 1000 (μm) and a center interval in a range of 5 to 1000 (μm). In order to maintain the strength of the protrusion and not to disturb the gas rectifying property, it is preferable to have such a size. More preferably, the height dimension is in the range of 10 to 500 (μm), and the center distance is in the range of 10 to 500 (μm). For example, the height dimension is preferably about 100 (μm), and the center interval (pitch) is preferably about 150 (μm).

また、好適には、前記解離触媒層は、La-Sr-Co系酸化物、La-Sr-Mn系酸化物、白金系元素である。一層好適には、LaxSr1-xCoO3(0<x<1、好適にはx=0.6)から成るものである。このような触媒によれば、酸素分離膜の一面側に供給された気体中の酸素が好適にイオン化され、これを透過して他面側に導かれる。なお、触媒層は、上記材料の他、SmxSrCoO3(0<x<1、好適にはx=0.5)、La1-xSrxMnO3(0<x<1、好適にはx=0.15)、La1-xSrxCo1-yFeyO3(0<x<1、0<y<1、好適にはx=0.9、y=0.1)等も好適に用いられる。なお、解離触媒層は、酸素分離膜と同じ材料で構成することもでき、その場合には、その酸素分離膜の一部で解離触媒層を構成し得る。 Preferably, the dissociation catalyst layer is a La-Sr-Co-based oxide, a La-Sr-Mn-based oxide, or a platinum-based element. More preferably, it is made of La x Sr 1-x CoO 3 (0 <x <1, preferably x = 0.6). According to such a catalyst, oxygen in the gas supplied to the one surface side of the oxygen separation membrane is suitably ionized, permeated through this, and guided to the other surface side. In addition to the above materials, the catalyst layer is composed of Sm x SrCoO 3 (0 <x <1, preferably x = 0.5), La 1-x Sr x MnO 3 (0 <x <1, preferably x = 0.15), La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 (0 <x <1, 0 <y <1, preferably x = 0.9, y = 0.1) are also preferably used. In addition, the dissociation catalyst layer can also be comprised with the same material as an oxygen separation membrane, and in that case, a dissociation catalyst layer can be comprised with a part of the oxygen separation membrane.

また、好適には、前記再結合触媒層は、Ni、Co、Ru、Rh、Pt、Pd、Ir等を含むものである。好適には、NiOが還元されることにより形成されたNiから成るものである。このような触媒によれば、酸素分離膜の他面側に導かれた酸素イオンが好適に再結合させられ、その他面側から酸素が回収される。また、解離触媒層および再結合触媒層が上述したような何れの材料で構成される場合にも、酸素は粒界または粒内を透過し得るため、多孔質はもちろん緻密質の触媒層を形成し得る。   Preferably, the recombination catalyst layer includes Ni, Co, Ru, Rh, Pt, Pd, Ir, and the like. Preferably, it is made of Ni formed by reducing NiO. According to such a catalyst, oxygen ions guided to the other surface side of the oxygen separation membrane are suitably recombined, and oxygen is recovered from the other surface side. In addition, even when the dissociation catalyst layer and the recombination catalyst layer are made of any of the materials described above, oxygen can permeate through the grain boundaries or the inside of the grains, so that a porous catalyst layer is formed as well as a porous layer. Can do.

また、好適には、前記酸素分離膜は、前記多孔質支持体が備えられていない態様においては、50乃至5000(μm)の範囲内の厚さ寸法を備えたものであり、前記多孔質支持体が備えられた態様においては1000(μm)以下の厚さ寸法を備えたものである。このようにすれば、酸素分離膜エレメントの機械的強度を確保できる範囲で酸素分離膜の膜厚が十分に薄くされていることから、これが酸素透過速度を律速することが好適に抑制され、高い酸素透過速度を得ることが容易になる。多孔質支持体を備えていない場合には、酸素分離膜自体が十分な機械的強度を有することが必要であるので上記厚さ寸法以上であることが必要であるが、多孔質支持体を備えている場合には、酸素分離膜自体の機械的強度は要求されないため、可及的に薄くすることが望ましいのである。なお、酸素分離膜はその緻密性が保たれる範囲であれば厚さ寸法の下限は特にない。   Preferably, the oxygen separation membrane has a thickness dimension in a range of 50 to 5000 (μm) in an aspect in which the porous support is not provided, and the porous support In the embodiment in which the body is provided, the body has a thickness dimension of 1000 (μm) or less. In this way, since the film thickness of the oxygen separation membrane is sufficiently thin as long as the mechanical strength of the oxygen separation membrane element can be ensured, it is suitably suppressed that the rate of oxygen permeation is limited and is high. It becomes easy to obtain the oxygen transmission rate. If the porous support is not provided, it is necessary that the oxygen separation membrane itself has sufficient mechanical strength, so that it is necessary to have a thickness greater than or equal to the above thickness. In this case, since the mechanical strength of the oxygen separation membrane itself is not required, it is desirable to make it as thin as possible. Note that there is no particular lower limit on the thickness dimension of the oxygen separation membrane as long as its denseness is maintained.

また、前記酸素分離膜エレメントは、前述した酸素製造や炭化水素の部分酸化反応等の他、一面側にNOxを供給することにより、その還元にも用いることができる。 Further, the oxygen separation membrane element, other such partial oxidation reactions of oxygen production or hydrocarbons as described above, by supplying the NO x on one side, it can also be used for the reduction.

また、好適には、前記酸素分離膜は全体が平坦な板状を成すものである。また、触媒層が備えられた態様においては、その一面に前記解離触媒層が、他面に前記再結合触媒層がそれぞれ備えられたものである。このような形状であれば、その一面および他面に前記微細突起を形成することが容易である。このような板状の酸素分離膜が多孔質支持体上に備えられ且つ触媒層が備えられた態様では、別途形成された酸素分離膜の両面に触媒層が設けられた後、多孔質支持体に固着され、或いは、多孔質支持体上に一方の触媒層、酸素分離膜、および他方の触媒層が順次に形成されることによって酸素分離膜エレメントが製造される。上記平坦な板状としては、円板状、矩形板状等が挙げられる。   Preferably, the oxygen separation membrane is a flat plate as a whole. Further, in the aspect in which the catalyst layer is provided, the dissociation catalyst layer is provided on one surface, and the recombination catalyst layer is provided on the other surface. With such a shape, it is easy to form the fine protrusions on one surface and the other surface. In an aspect in which such a plate-like oxygen separation membrane is provided on a porous support and a catalyst layer is provided, after the catalyst layers are provided on both sides of the separately formed oxygen separation membrane, the porous support is provided. Alternatively, an oxygen separation membrane element is produced by sequentially forming one catalyst layer, an oxygen separation membrane, and the other catalyst layer on a porous support. Examples of the flat plate shape include a disk shape and a rectangular plate shape.

また、好適には、前記酸素分離膜は一端が閉じた筒状を成すものであり、触媒層が備えられる態様においては、その内周面および外周面の一方が前記解離触媒層が備えられた前記一面に相当し、他方が前記再結合触媒層が備えられた前記他面に相当するものである。酸素分離膜は、平坦なものに限られず、このような立体的なものであっても良い。なお、内周面側に気体の供給される態様では、例えば、筒状の酸素分離膜の内側に気体導入管を挿入し、その先端から気体を供給すればよい。   Preferably, the oxygen separation membrane has a cylindrical shape with one end closed. In an embodiment in which a catalyst layer is provided, one of the inner peripheral surface and the outer peripheral surface is provided with the dissociation catalyst layer. It corresponds to the one surface, and the other corresponds to the other surface provided with the recombination catalyst layer. The oxygen separation membrane is not limited to a flat one, and may be such a three-dimensional one. In the aspect in which the gas is supplied to the inner peripheral surface side, for example, a gas introduction tube may be inserted inside the cylindrical oxygen separation membrane and the gas may be supplied from the tip.

また、好適には、前記多孔質支持体は一端が閉じた筒状を成し、前記酸素分離膜、または前記二種の触媒層および酸素分離膜はその内周面または外周面に順次に積層されることによって設けられたものである。このようにすれば、酸素分離膜エレメントが筒状を成す態様においても多孔質支持体によってその機械的強度を確保することができる。   Preferably, the porous support has a cylindrical shape with one end closed, and the oxygen separation membrane or the two kinds of catalyst layers and the oxygen separation membrane are sequentially laminated on the inner peripheral surface or the outer peripheral surface thereof. Is provided. In this way, the mechanical strength can be ensured by the porous support even in an aspect in which the oxygen separation membrane element has a cylindrical shape.

また、好適には、前記酸素分離膜エレメントは、(a)前記酸素分離膜の構成材料を含むスラリー中に別途製造した前記多孔質支持体を浸漬(ディップ)してその表面に分離膜泥漿層を形成する浸漬工程と、(b)その分離膜泥漿層を所定温度で焼成して前記多孔質支持体上で焼結させることにより前記酸素分離膜を形成する焼成工程と、(c)その酸素分離膜の表面に触媒層の構成材料が塗着された転写紙を貼り付けて焼成処理を施すことにより触媒層をその酸素分離膜の表面に形成する転写工程とを、含む工程により製造される。このようにすれば、転写紙を酸素分離膜に貼り付けて焼成することによって触媒層が形成されることから、一様な所望の厚さ寸法の触媒層を容易に形成することができる。上記酸素分離膜を形成するためのスラリーは、上記構成材料の他に、水等の溶媒、バインダー、分散剤等を含むものである。   Preferably, the oxygen separation membrane element comprises: (a) a porous membrane prepared separately in a slurry containing the constituent material of the oxygen separation membrane (dip); (B) a baking step for forming the oxygen separation membrane by baking the separation membrane slurry layer at a predetermined temperature and sintering it on the porous support; and (c) the oxygen A transfer step in which a transfer paper coated with a constituent material of the catalyst layer is attached to the surface of the separation membrane and subjected to a firing treatment to form a catalyst layer on the surface of the oxygen separation membrane. . In this way, since the catalyst layer is formed by attaching the transfer paper to the oxygen separation membrane and firing, the catalyst layer having a uniform desired thickness can be easily formed. The slurry for forming the oxygen separation membrane contains a solvent such as water, a binder, a dispersant and the like in addition to the constituent materials.

なお、上記浸漬工程は、所定の厚さの泥漿層が形成されるまで適当な回数だけ繰り返し実施することができる。また、上記酸素分離膜を形成するに際しては、焼成処理を施す前に必要に応じて乾燥処理が施される。この乾燥処理は、例えば浸漬工程と交互に或いは随時に繰り返し実施されても良い。   The dipping process can be repeated an appropriate number of times until a slurry layer having a predetermined thickness is formed. Moreover, when forming the said oxygen separation membrane, a drying process is performed as needed before performing a baking process. This drying treatment may be repeated, for example, alternately with the dipping step or at any time.

また、好適には、前記転写紙は、(a)所定の台紙上に離型層を形成する工程と、(b)乾燥後、その離型層上に触媒粒子層を形成する工程と、(c)乾燥後、その触媒粒子層上に被覆層を形成する工程とを、含む工程により製造され、その転写紙から台紙を剥離して前記酸素分離膜に貼り付けられる。各層の形成には、好適には、スクリーン印刷法が用いられるが、ドクターブレード法やオフセット印刷法等で形成することもできる。   Preferably, the transfer paper comprises (a) a step of forming a release layer on a predetermined mount, (b) a step of forming a catalyst particle layer on the release layer after drying, c) After drying, the step of forming a coating layer on the catalyst particle layer is manufactured, and the mount is peeled off from the transfer paper and attached to the oxygen separation membrane. For the formation of each layer, a screen printing method is preferably used, but it can also be formed by a doctor blade method, an offset printing method, or the like.

上記離型層は、水等に容易に溶解し得る適宜の有機化合物で構成し得るが、例えば、デキストリンを水に溶解した溶液を前記台紙上に引き伸ばし乾燥させて形成される。この場合、溶液の濃度は例えば5〜40(wt%)である。   The release layer can be composed of an appropriate organic compound that can be easily dissolved in water or the like. For example, the release layer is formed by stretching a solution of dextrin in water on the mount and drying it. In this case, the concentration of the solution is, for example, 5 to 40 (wt%).

上記触媒粒子層は、好適には、前記触媒層を構成する触媒粒子、バインダー、可塑剤、分散剤、および溶剤を混合したペーストを前記離型層上に塗布し、乾燥することにより形成される。ペーストは、好適には、触媒粒子を100重量部に対し、バインダーを1〜30重量部、可塑剤を1〜10重量部、分散剤を0.01〜5重量部、溶剤を10〜60重量部の割合で混合することにより調製される。また、混合には、好適には、ローラー式混練機が用いられる。   The catalyst particle layer is preferably formed by applying and drying a paste in which the catalyst particles constituting the catalyst layer, a binder, a plasticizer, a dispersant, and a solvent are mixed on the release layer. . The paste preferably comprises 1 to 30 parts by weight of binder, 1 to 10 parts by weight of plasticizer, 0.01 to 5 parts by weight of dispersant, and 10 to 60 parts by weight of solvent with respect to 100 parts by weight of catalyst particles. Prepared by mixing in proportions. For mixing, a roller kneader is preferably used.

また、上記溶剤は、一般的な転写紙に用いられる種々のものから適宜のものを用いることができるが、例えば、トルエン、アルコール、キシレン等の有機溶剤や、水系の溶剤が好適に用いられる。   The solvent may be selected from various solvents used for general transfer paper. For example, organic solvents such as toluene, alcohol and xylene, and aqueous solvents are preferably used.

また、上記バインダーは、溶剤の種類等に応じ、一般的な転写紙に用いられる種々のものから適宜のものを用いることができるが、溶剤が上記のような有機溶剤である場合には、例えば、ポリビニルブチラール、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、メタクリル酸エステル重合体、ポリアクリル酸エステル、レジン系バインダー、セルロース系バインダー等が好適に用いられる。また、水系溶剤の場合には、アクリル系ポリマー、水性ウレタン、メチルセルロース、ポリビニルアルコール、ワックスエマルジョン等が好適に用いられる。   In addition, the binder can be appropriately selected from various materials used for general transfer paper according to the type of solvent, etc., but when the solvent is an organic solvent as described above, for example, Polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, polyethylene, methacrylic acid ester polymer, polyacrylic acid ester, resin binder, cellulose binder and the like are preferably used. In the case of an aqueous solvent, acrylic polymer, aqueous urethane, methylcellulose, polyvinyl alcohol, wax emulsion and the like are preferably used.

また、上記可塑剤は、溶剤の種類等に応じ、一般的な転写紙に用いられる種々のものから適宜のものを用いることができるが、溶剤が上記のような有機溶剤である場合には、例えば、ジブチルフタレート、ジメチルフタレート、ブチルステアレート、フタル酸エステル、ポリエチレングリコール等が好適に用いられる。また、水系溶剤の場合には、グリセリン、ジブチルフタレート、ポリアルキルグリコール、トリエチレングリコール、ポリオール等が好適に用いられる。   In addition, the plasticizer can be appropriately selected from various materials used for general transfer paper depending on the type of the solvent, but when the solvent is an organic solvent as described above, For example, dibutyl phthalate, dimethyl phthalate, butyl stearate, phthalic acid ester, polyethylene glycol and the like are preferably used. In the case of an aqueous solvent, glycerin, dibutyl phthalate, polyalkyl glycol, triethylene glycol, polyol and the like are preferably used.

また、上記分散剤は、溶剤の種類等に応じ、一般的な転写紙に用いられる種々のものから適宜のものを用いることができるが、溶剤が上記のような有機溶剤である場合には、例えば、脂肪酸、合成界面活性剤等が好適に用いられる。また、水系溶剤の場合には、リン酸塩、アリルスルホン酸等が好適に用いられる。   Further, the dispersant can be appropriately selected from various materials used for general transfer paper according to the type of the solvent, etc., but when the solvent is an organic solvent as described above, For example, fatty acids and synthetic surfactants are preferably used. In the case of an aqueous solvent, phosphate, allyl sulfonic acid and the like are preferably used.

また、前記被覆層は、好適には、アクリル樹脂やメタクリル酸等の樹脂を適当な有機溶剤に溶解した溶液若しくはペーストを前記触媒粒子層上に塗布し、乾燥することにより形成される。樹脂の濃度は、好適には、5〜40(wt%)程度である。   The coating layer is preferably formed by applying a solution or paste obtained by dissolving a resin such as acrylic resin or methacrylic acid in a suitable organic solvent on the catalyst particle layer and drying it. The concentration of the resin is preferably about 5 to 40 (wt%).

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following embodiments, the drawings are appropriately simplified or modified, and the dimensional ratios, shapes, and the like of the respective parts are not necessarily drawn accurately.

図1は、本発明の一実施例の酸素分離膜エレメント10を示す斜視図であり、図2は、その断面構造の要部を拡大して示す図である。これら図1、図2において、酸素分離膜エレメント10は、20(mm)程度の直径を備えて全体が薄板円板状を成すものであり、その厚み方向の中間部分を構成する酸素分離膜12と、その表面14および裏面16にそれぞれ備えられた酸素解離触媒層18および酸素再結合触媒層20とから構成されている。   FIG. 1 is a perspective view showing an oxygen separation membrane element 10 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view showing a main part of the cross-sectional structure. 1 and 2, the oxygen separation membrane element 10 has a diameter of about 20 (mm) and has a thin disk shape as a whole, and an oxygen separation membrane 12 constituting an intermediate portion in the thickness direction. And an oxygen dissociation catalyst layer 18 and an oxygen recombination catalyst layer 20 provided on the front surface 14 and the back surface 16 respectively.

上記の酸素分離膜12は、例えばLa0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3或いはLa0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3等のランタン系ペロブスカイトから成り、厚さ寸法が0.5(mm)程度の円板状を成すものである。このランタン系ペロブスカイトは、酸素イオン伝導性および電子伝導性を共に有する混合伝導性セラミックスである。そのため、緻密質でありながら、その表面14または裏面16に接した酸素をイオン化して例えば表面14から裏面16に向かって透過させることができる。 The oxygen separation membrane 12 is made of a lanthanum perovskite such as La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3 or La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3, and has a thickness of about 0.5 (mm). The shape. This lanthanum perovskite is a mixed conductive ceramic having both oxygen ion conductivity and electronic conductivity. Therefore, while being dense, oxygen in contact with the front surface 14 or the back surface 16 can be ionized and transmitted, for example, from the front surface 14 toward the back surface 16.

また、前記酸素解離触媒層18は、例えばLa0.6Sr0.4CoO3から成る多孔質層であって、例えば100(μm)程度の一様な厚さ寸法を以て表面14の略全面に形成されている。この解離触媒層18は、表面14における酸素の解離およびイオン化を促進するために設けられたものである。 The oxygen dissociation catalyst layer 18 is a porous layer made of, for example, La 0.6 Sr 0.4 CoO 3, and is formed on substantially the entire surface 14 with a uniform thickness dimension of, for example, about 100 (μm). . The dissociation catalyst layer 18 is provided to promote oxygen dissociation and ionization on the surface 14.

また、前記酸素再結合触媒層20は、例えばNiOから成る多孔質層であって、例えば100(μm)程度の一様な厚さ寸法を以て裏面16の略全面に形成されている。この再結合触媒層24は、裏面16における酸素イオンの再結合を促進するために設けられたものである。これら解離触媒層18および再結合触媒層20は、例えば、表面14および裏面16の何れにおいても、酸素分離膜12の外周縁部の例えば1(mm)程度の幅寸法の円環状領域よりも内周側に設けられており、その円環状領域では酸素分離膜12が露出させられている。また、触媒層18,20は、前者について図3に拡大して模式的に示すように、触媒粒子21が高い均一性を以て配列されたものである。そのため、触媒層18,20内では触媒粒子21相互間の空隙が極めて少なく且つ比較的密に存在しており、厚さ寸法の割に多い担持量となっていると共に、触媒粒子21と酸素分離膜12表面との接触面積が大きくなっている。   The oxygen recombination catalyst layer 20 is a porous layer made of, for example, NiO, and is formed on substantially the entire back surface 16 with a uniform thickness of, for example, about 100 (μm). The recombination catalyst layer 24 is provided to promote recombination of oxygen ions on the back surface 16. The dissociation catalyst layer 18 and the recombination catalyst layer 20 are, for example, on the inner surface of the outer peripheral edge of the oxygen separation membrane 12 on the front surface 14 and the rear surface 16, for example, in the inner side of the annular region having a width of about 1 (mm). The oxygen separation membrane 12 is exposed in the annular region. The catalyst layers 18 and 20 are formed by arranging the catalyst particles 21 with high uniformity as schematically shown in FIG. Therefore, there are very few voids between the catalyst particles 21 in the catalyst layers 18 and 20 and they are relatively dense, and the supported amount is large relative to the thickness dimension, and the catalyst particles 21 are separated from the oxygen. The contact area with the surface of the film 12 is increased.

図4は、上記の酸素分離膜エレメント10の製造方法を説明するための工程図である。図4において、造粒工程P1では、例えば平均粒径が1(μm)程度の市販のLa0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3或いはLa0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3粉末、水、バインダー、および分散剤と混合してスラリーを作成し、例えばスプレー・ドライヤーを用いて60(μm)程度の平均粒径の原料粉末を噴霧造粒する。次いで、加圧成形工程P2では、造粒した原料粉末を例えば100(MPa)程度の圧力でプレス成形して、例えば直径が25(mm)程度で、厚さ寸法が3(mm)程度の円板状の成形体を得る。なお、上記成形体寸法は前記寸法の酸素分離膜12が得られるように焼成収縮や研磨代を考慮して定めた値である。次いで、焼成工程P3では、その成形体を例えば大気中において200〜500(℃)程度の温度で10時間程度保持して有機物を分解除去した後、更に大気中において1500(℃)程度の温度で3時間程度保持することにより、この成形体を焼成する。厚み研磨工程P4においては、このようにして得られた緻密な焼結体に平面研削盤等を用いて機械研磨加工を施し、例えば0.5(mm)程度の厚さ寸法の平板状の膜すなわち前記酸素分離膜12が得られる。 FIG. 4 is a process diagram for explaining the manufacturing method of the oxygen separation membrane element 10 described above. In FIG. 4, in the granulation step P1, for example, a commercially available La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3 or La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 powder having an average particle diameter of about 1 (μm), water, a binder, Then, a slurry is prepared by mixing with a dispersant, and a raw material powder having an average particle diameter of about 60 (μm) is sprayed and granulated using, for example, a spray drier. Next, in the pressure forming step P2, the granulated raw material powder is press-molded at a pressure of about 100 (MPa), for example, and a circle having a diameter of about 25 (mm) and a thickness of about 3 (mm) is obtained. A plate-like molded body is obtained. The size of the molded body is a value determined in consideration of firing shrinkage and polishing allowance so as to obtain the oxygen separation membrane 12 having the above dimensions. Next, in the firing step P3, the molded body is held at a temperature of about 200 to 500 (° C.) for about 10 hours in the atmosphere for about 10 hours to decompose and remove organic substances, and further at a temperature of about 1500 (° C.) in the air. The molded body is fired by holding for about 3 hours. In the thickness polishing step P4, the dense sintered body obtained in this way is subjected to mechanical polishing using a surface grinder or the like, for example, a flat film having a thickness of about 0.5 (mm), that is, the aforementioned film An oxygen separation membrane 12 is obtained.

一方、ペースト調製工程PP1では、後述する離型層28、触媒粒子層26、および被覆層24を形成するための溶液或いはペーストをそれぞれ調製する。離型層用溶液は、例えば市販のデキストリンを水に溶解させて、例えば5〜40(wt%)程度の濃度の溶液とすることにより調製される。   On the other hand, in the paste preparation step PP1, a solution or paste for forming a release layer 28, a catalyst particle layer 26, and a coating layer 24 described later is prepared. The release layer solution is prepared, for example, by dissolving a commercially available dextrin in water to obtain a solution having a concentration of, for example, about 5 to 40 (wt%).

また、触媒粒子層用ペーストは、100重量部の触媒粒子、1〜30重量部のバインダー、1〜10重量部の可塑剤、0.01〜5重量部の分散剤、および10〜60重量部の溶剤を、例えばローラー式混練機等を用いて混合してペースト状とすることにより調製される。触媒粒子層用ペーストは、前記酸素解離触媒層18を形成するためのものおよび前記酸素再結合触媒層20を形成するためのものをそれぞれ用意する。酸素解離触媒層18を構成するための触媒粒子は、例えば平均粒径が2(μm)程度のLa0.6Sr0.4CoO3粉末が用いられ、また、酸素再結合触媒層20を構成するための触媒粒子は、例えば平均粒径が7(μm)程度のNiO粉末が用いられる。これらは何れも市販の適宜のものを用い得る。 Also, the catalyst particle layer paste comprises 100 parts by weight catalyst particles, 1 to 30 parts by weight binder, 1 to 10 parts by weight plasticizer, 0.01 to 5 parts by weight dispersant, and 10 to 60 parts by weight solvent. For example, using a roller kneader or the like to prepare a paste. As the catalyst particle layer paste, a paste for forming the oxygen dissociation catalyst layer 18 and a paste for forming the oxygen recombination catalyst layer 20 are prepared. As the catalyst particles for constituting the oxygen dissociation catalyst layer 18, for example, La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 powder having an average particle diameter of about 2 (μm) is used, and the catalyst for constituting the oxygen recombination catalyst layer 20. As the particles, for example, NiO powder having an average particle diameter of about 7 (μm) is used. Any of these commercially available products can be used.

また、上記溶剤は、例えばトルエン、アルコール、キシレン等の有機溶剤や水等を用い得る。有機溶剤が用いられる場合には、バインダーとして、例えばポリビニルブチラール、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、メタクリル酸エステル重合体、ポリアクリル酸エステル、レジン系バインダー、セルロース系バインダー等が用いられ、可塑剤として、例えばジブチルフタレート、ジメチルフタレート、ブチルステアレート、フタル酸エステル、ポリエチレングリコール等が用いられ、分散剤として、例えば脂肪酸、合成界面活性剤等が用いられる。   Moreover, the said solvent can use organic solvents, such as toluene, alcohol, and xylene, water, etc., for example. When an organic solvent is used, for example, polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, polyethylene, methacrylic acid ester polymer, polyacrylic acid ester, resin-based binder, cellulose-based binder and the like are used as the binder, and as the plasticizer, for example, dibutyl Phthalate, dimethyl phthalate, butyl stearate, phthalate ester, polyethylene glycol and the like are used, and as the dispersant, for example, fatty acid, synthetic surfactant and the like are used.

また、溶剤として水が用いられる場合には、バインダーとして、例えばアクリル系ポリマー、水性ウレタン、メチルセルロース、ポリビニルアルコール、ワックスエマルジョン等が用いられ、可塑剤として、例えばグリセリン、ジブチルフタレート、ポリアルキルグリコール、トリエチレングリコール、ポリオール等が用いられ、分散剤としては、例えばリン酸塩、アリルスルホン酸等が用いられる。   When water is used as a solvent, for example, an acrylic polymer, aqueous urethane, methyl cellulose, polyvinyl alcohol, wax emulsion or the like is used as a binder, and as a plasticizer, for example, glycerin, dibutyl phthalate, polyalkyl glycol, trialkyl. Ethylene glycol, polyol and the like are used, and as the dispersant, for example, phosphate, allyl sulfonic acid and the like are used.

また、被覆層用ペースト(或いは溶液)は、例えばアクリル樹脂やメタクリル酸等を有機溶剤に例えば5〜40(wt%)の濃度で溶解してペースト或いは溶液とすることにより調製される。   The coating layer paste (or solution) is prepared by, for example, dissolving an acrylic resin, methacrylic acid, or the like in an organic solvent at a concentration of, for example, 5 to 40 (wt%) to obtain a paste or solution.

次いで、塗布工程PP2では、紙やPETフィルム等から成る台紙上に、上記離型層用溶液、触媒粒子層用ペースト、および被覆層用ペーストを順次に塗布する。これにより、台紙上に離型層28、触媒粒子層26、および被覆層24が積層された酸素解離触媒層18用および酸素再結合触媒層20用の転写紙22(後述する図5参照)がそれぞれ得られる。離型層28は、例えば台紙上に離型層用溶液を塗布して引き伸ばし、乾燥することにより形成される。また、触媒粒子層26は、その離型層28上に触媒粒子層用ペーストを例えばスクリーン印刷機で塗布し、乾燥することにより形成される。また、被覆層24は、その触媒粒子層26上に被覆層用ペーストを例えばスクリーン印刷で塗布し、乾燥することにより形成される。なお、触媒粒子層26の厚さ寸法は、前述した触媒層18,20の厚さ寸法が得られるように、それぞれの焼成収縮を考慮して定められる。また、塗布方法は上記のものに限られず、例えば、ドクターブレード法やオフセット印刷法等を用いてもよい。本実施例においては、これらペースト調製工程PP1および塗布工程PP2が転写紙製造工程に対応する。   Next, in the application step PP2, the release layer solution, the catalyst particle layer paste, and the coating layer paste are sequentially applied onto a mount made of paper, PET film, or the like. Thereby, the transfer paper 22 (see FIG. 5 described later) for the oxygen dissociation catalyst layer 18 and the oxygen recombination catalyst layer 20 in which the release layer 28, the catalyst particle layer 26, and the coating layer 24 are laminated on the mount. Each is obtained. The release layer 28 is formed, for example, by applying a release layer solution on a mount and stretching and drying it. The catalyst particle layer 26 is formed by applying a catalyst particle layer paste on the release layer 28 by, for example, a screen printing machine and drying. The coating layer 24 is formed by applying a coating layer paste on the catalyst particle layer 26 by, for example, screen printing and drying. The thickness dimension of the catalyst particle layer 26 is determined in consideration of the respective firing shrinkage so that the thickness dimension of the catalyst layers 18 and 20 described above can be obtained. Further, the coating method is not limited to the above, and for example, a doctor blade method or an offset printing method may be used. In this embodiment, the paste preparation process PP1 and the coating process PP2 correspond to the transfer paper manufacturing process.

次いで、剥離工程PP3では、上記のようにして製造した転写紙22に例えば水を滴下して台紙を剥離し、次いで、触媒層転写工程P5において、図5に示されるように、その台紙が剥離された転写紙22すなわち層状体を前記の酸素分離膜12の表面14および裏面16に貼り付ける。図5(a)は酸素分離膜12を、(b)は表面14に転写紙22を貼付け途中の状態を、(c)は両面14,16に転写紙22を貼付け完了した状態をそれぞれ表したものである。この貼付け完了状態において、一点鎖線で円形に囲んだ範囲をその右上に拡大して示すように、転写紙22は、酸素分離膜12側から順に被覆層24,触媒粒子層26,離型層28となる向きで貼り付けられている。図示しない裏面16側においても同様である。すなわち、触媒粒子層26は、被覆層24を介して貼り付けられる。   Next, in the peeling step PP3, for example, water is dropped on the transfer paper 22 manufactured as described above to peel off the mount, and then in the catalyst layer transfer step P5, the mount is peeled off as shown in FIG. The transferred transfer paper 22, that is, the layered body is attached to the front surface 14 and the back surface 16 of the oxygen separation membrane 12. 5A shows the oxygen separation membrane 12, FIG. 5B shows the state in the middle of attaching the transfer paper 22 to the surface 14, and FIG. 5C shows the state in which the transfer paper 22 has been attached to the both surfaces 14 and 16. Is. In this pasting completed state, the transfer paper 22 has a coating layer 24, a catalyst particle layer 26, and a release layer 28 in this order from the oxygen separation membrane 12 side, as shown in the upper right side of the circled area surrounded by the alternate long and short dash line. It is pasted in the direction. The same applies to the back surface 16 (not shown). That is, the catalyst particle layer 26 is attached via the coating layer 24.

次いで、乾燥工程P6において、例えば100(℃)程度の温度で乾燥した後、焼成工程P7において、例えば1000(℃)程度の温度で1時間程度の時間保持して焼成処理を施す。これにより、表面14および裏面16に触媒層18,20をそれぞれ焼き付けることにより、前記の酸素分離膜エレメント10が得られる。焼成工程における昇温速度は、例えば1(℃/分)程度である。このように転写によって触媒層18,20が設けられることから、前述したように触媒粒子21が均一且つ密に配列された構造が得られるのである。   Next, after drying at a temperature of, for example, about 100 (° C.) in the drying step P6, a baking treatment is performed in the baking step P7 by holding at a temperature of, for example, about 1000 (° C.) for about one hour. Thus, the oxygen separation membrane element 10 is obtained by baking the catalyst layers 18 and 20 on the front surface 14 and the back surface 16, respectively. The rate of temperature increase in the firing step is, for example, about 1 (° C./min). Since the catalyst layers 18 and 20 are thus provided by transfer, a structure in which the catalyst particles 21 are uniformly and densely arranged as described above can be obtained.

このようにして製造され、前記のように構成された酸素分離膜エレメント10の酸素透過速度を評価した結果を以下に説明する。なお、酸素透過速度の評価は、図6に示される反応器30を用いて行った。図6において、反応器30は、例えばアルミナ等のセラミックスから成り両端を開放された円筒管32、34が、酸素分離膜エレメント10を挟んで上下に配置され、且つ、それらの内周側に例えばアルミナ等のセラミックスから成る気体導入管36,38が挿入されたものである。酸素分離膜エレメント10は、酸素解離触媒層18が設けられている表面14が図6における上側すなわち円筒管32側に位置し、酸素再結合触媒層20が設けられている裏面16が円筒管34側に位置する向きで配置される。また、円筒管32,34の外周側にはヒータ40,40が配置されている。また、円筒管32,34と酸素分離膜エレメント10とは、例えばガラス系等の封着材42,42によって気密に封着されている。なお、気体導入管36,38は、それぞれ酸素分離膜エレメント10の表面から気体供給に必要な距離だけ離隔して配置されている。   The results of evaluating the oxygen permeation rate of the oxygen separation membrane element 10 manufactured as described above and configured as described above will be described below. The oxygen transmission rate was evaluated using the reactor 30 shown in FIG. In FIG. 6, a reactor 30 includes cylindrical tubes 32 and 34 made of ceramics such as alumina and open at both ends, arranged vertically with the oxygen separation membrane element 10 interposed therebetween, and on the inner peripheral side thereof, for example, Gas introduction pipes 36 and 38 made of ceramics such as alumina are inserted. In the oxygen separation membrane element 10, the surface 14 on which the oxygen dissociation catalyst layer 18 is provided is located on the upper side in FIG. 6, that is, on the cylindrical tube 32 side, and the back surface 16 on which the oxygen recombination catalyst layer 20 is provided is the cylindrical tube 34. It is arranged in the direction located on the side. In addition, heaters 40 and 40 are disposed on the outer peripheral side of the cylindrical tubes 32 and 34. The cylindrical tubes 32 and 34 and the oxygen separation membrane element 10 are hermetically sealed with sealing materials 42 and 42 such as glass. The gas introduction pipes 36 and 38 are arranged at a distance from the surface of the oxygen separation membrane element 10 by a distance necessary for gas supply.

このような反応器30において、ヒータ40,40で装置内を1000(℃)程度の温度に加熱しつつ、気体導入管36から空気すなわち酸素を含む気体を円筒管32内に導入すると共に、燃料側すなわち気体導入管38から純メタンガス等の炭化水素を導入する。空気導入量およびメタンガス導入量は例えば何れも10〜200(cc/min)程度である。なお、測定に先立ち、例えばヒータ40,40によって円筒管34内を1000(℃)程度の温度に加熱しつつ、例えば水素10(%)とアルゴン90(%)との混合ガスを気体導入管38から円筒管34内に供給し、還元雰囲気下で加熱する。これにより、下面16に備えられている再結合触媒層24すなわちニッケル酸化物が部分的に或いは完全に還元され、酸素再結合触媒としての機能が発揮されるようになる。   In such a reactor 30, while the inside of the apparatus is heated to a temperature of about 1000 (° C.) by the heaters 40, 40, air, that is, a gas containing oxygen is introduced into the cylindrical tube 32 from the gas introduction tube 36, and fuel A hydrocarbon such as pure methane gas is introduced from the side, that is, the gas introduction pipe 38. Both the air introduction amount and the methane gas introduction amount are, for example, about 10 to 200 (cc / min). Prior to the measurement, for example, while the inside of the cylindrical tube 34 is heated to a temperature of about 1000 (° C.) by the heaters 40, 40, for example, a mixed gas of hydrogen 10 (%) and argon 90 (%) is introduced into the gas introduction tube 38. To the inside of the cylindrical tube 34 and heated in a reducing atmosphere. Thereby, the recombination catalyst layer 24 provided on the lower surface 16, that is, the nickel oxide is partially or completely reduced, and the function as an oxygen recombination catalyst is exhibited.

上記のように気体導入管36から導入された空気は、酸素分離膜エレメント10の表面すなわち解離触媒層18および酸素分離膜12の表面14に接触しつつ、気体導入管36と円筒管32との間に形成された排気路44を通って図6に矢印で示されるように排気される。このとき、酸素分離膜12およびその表面14に設けられた解離触媒層18の酸素解離作用およびイオン化作用により、空気中の酸素が解離されてイオン化させられるので、その酸素イオンは、酸素イオン伝導性を有する酸素分離膜12を通って表面14側から裏面16側に向かって図6に矢印で示されるように輸送される。   The air introduced from the gas introduction pipe 36 as described above is in contact with the surface of the oxygen separation membrane element 10, that is, the dissociation catalyst layer 18 and the surface 14 of the oxygen separation membrane 12, while the gas introduction pipe 36 and the cylindrical pipe 32 are in contact with each other. Exhaust is performed as shown by the arrow in FIG. 6 through an exhaust passage 44 formed therebetween. At this time, oxygen in the air is dissociated and ionized by the oxygen dissociation action and ionization action of the oxygen separation membrane 12 and the dissociation catalyst layer 18 provided on the surface 14 thereof, so that the oxygen ions have oxygen ion conductivity. 6 is transported from the front surface 14 side to the back surface 16 side through the oxygen separation membrane 12 having the structure shown in FIG.

そして、裏面16に到達した酸素イオンは、その酸素分離膜12およびその裏面16に設けられた再結合触媒層20の再結合作用により酸素分子となり、その裏面16から取り出される。これにより、酸素が表面14側から裏面16側に透過することになる。しかしながら、酸素分離膜12は前述したように緻密質であると共に他の気体はイオン化させられないので、酸素以外の気体は全く透過しない。すなわち、空気から純度の極めて高い酸素が製造される。   The oxygen ions that have reached the back surface 16 become oxygen molecules due to the recombination action of the oxygen separation membrane 12 and the recombination catalyst layer 20 provided on the back surface 16, and are extracted from the back surface 16. Thereby, oxygen permeate | transmits from the surface 14 side to the back surface 16 side. However, since the oxygen separation membrane 12 is dense as described above and other gases cannot be ionized, no gas other than oxygen is transmitted. That is, oxygen with extremely high purity is produced from air.

また、このようにして透過した酸素は、イオンのまま或いは再結合させられた後、気体導入管38から導入されたメタンガス等とその裏面16上、再結合触媒層20内、或いはそれらの近傍において反応させられ、下記(1)式に示されるようなメタンの部分酸化反応が生じる。生成された一酸化炭素と水素との合成ガスは、気体導入管38と円筒管34との間に形成された回収路46から回収される。回収された合成ガスは、例えば、液体燃料合成等に用いられる。なお、以上の説明から明らかなように、本実施例においては、表面14が一面に、裏面16が他面にそれぞれ対応する。また、上記の説明から明らかなように、気体導入管38からメタンガスを導入しない場合には、回収路46から酸素を回収することができ、反応器30を酸素製造装置として用いることができる。
CH4+1/2O2 → CO+2H2 ・・・(1)
In addition, the oxygen that has permeated in this way is in the form of ions or recombined, and then on methane gas or the like introduced from the gas introduction pipe 38 and its back surface 16, in the recombination catalyst layer 20, or in the vicinity thereof. The reaction causes a partial oxidation reaction of methane as shown in the following formula (1). The generated synthesis gas of carbon monoxide and hydrogen is recovered from a recovery path 46 formed between the gas introduction pipe 38 and the cylindrical pipe 34. The recovered synthesis gas is used, for example, for liquid fuel synthesis. As is clear from the above description, in this embodiment, the front surface 14 corresponds to one surface and the back surface 16 corresponds to the other surface. Further, as is clear from the above description, when no methane gas is introduced from the gas introduction pipe 38, oxygen can be recovered from the recovery path 46, and the reactor 30 can be used as an oxygen production apparatus.
CH 4 + 1 / 2O 2 → CO + 2H 2 (1)

上記の試験を例えば3時間程度の時間で行い、合成ガスおよび排気ガスをガスクロマトグラフィで測定した評価結果を、触媒層18,20と同一組成の触媒層50,52をディップコートによって設けた従来(すなわち比較例)の酸素分離膜エレメント54(図7参照)の評価結果と併せて下記の表1に示す。比較例の酸素分離膜エレメント54は、前記触媒材料に有機溶剤を混合してスラリーを調製し、酸素分離膜12を浸漬することによりそのスラリーをコートした後、例えば100(℃)で3時間程度乾燥し、更に、1000(℃)で1時間の焼付け処理を施すことにより製造した。なお、酸素透過速度は、合成ガス中の酸素濃度と流量、および酸素分離膜エレメント10の酸素透過部面積から算出した。また、この評価は、製造方法の相違による効果を確かめる目的で触媒層18,20,50,52の膜厚を20(μm)に統一して行った。すなわち、触媒層の形成方法が相違する他は、実施例および比較例の構造および製造方法は同一である。   The above test was performed for about 3 hours, for example, and the evaluation results obtained by measuring the synthesis gas and the exhaust gas by gas chromatography were compared with the conventional method in which the catalyst layers 50 and 52 having the same composition as the catalyst layers 18 and 20 were provided by dip coating ( That is, it is shown in Table 1 below together with the evaluation results of the oxygen separation membrane element 54 (see FIG. 7) of Comparative Example. The oxygen separation membrane element 54 of the comparative example is prepared by mixing an organic solvent with the catalyst material to prepare a slurry, and immersing the oxygen separation membrane 12 to coat the slurry, and then, for example, at 100 (° C.) for about 3 hours. It was dried and further manufactured by baking at 1000 (° C.) for 1 hour. The oxygen transmission rate was calculated from the oxygen concentration and flow rate in the synthesis gas, and the oxygen transmission area of the oxygen separation membrane element 10. Further, this evaluation was performed by unifying the thicknesses of the catalyst layers 18, 20, 50, and 52 to 20 (μm) for the purpose of confirming the effect due to the difference in the manufacturing method. That is, the structure and manufacturing method of the examples and comparative examples are the same except that the method for forming the catalyst layer is different.

Figure 2006082039
Figure 2006082039

上記表1に示されるように、触媒層18,20を転写で設けた実施例の酸素分離膜10によれば、触媒層50,52をディップコートで設けた従来の酸素分離膜54に比較して、触媒層18等が同一厚みであるにも拘わらず、1.7倍以上の酸素透過速度が得られる。すなわち、転写により触媒層18,20を形成することにより、ディップコートによって形成した場合よりも高い特性を得ることができる。転写により形成した触媒層18,20は、前記図3に示されるように触媒粒子21が均一且つ密に配列されているのに対し、ディップコートにより形成した触媒層50,52は、図7に示されるように触媒粒子21が不均一に配列され且つ疎であることから、同じ厚さ寸法であっても後者の方の触媒担持量が少なくなり且つ触媒粒子21と酸素分離膜12表面との接触面積が小さくなっている。そのため、同じ触媒厚みであっても実施例の酸素分離膜エレメント10の促進作用が大きくなるので、高い酸素透過速度が得られるのである。   As shown in Table 1 above, according to the oxygen separation membrane 10 of the example in which the catalyst layers 18 and 20 are provided by transfer, compared with the conventional oxygen separation membrane 54 in which the catalyst layers 50 and 52 are provided by dip coating. Thus, although the catalyst layer 18 and the like have the same thickness, an oxygen transmission rate of 1.7 times or more can be obtained. That is, by forming the catalyst layers 18 and 20 by transfer, it is possible to obtain higher characteristics than when formed by dip coating. In the catalyst layers 18 and 20 formed by the transfer, the catalyst particles 21 are uniformly and densely arranged as shown in FIG. 3, whereas the catalyst layers 50 and 52 formed by dip coating are shown in FIG. As shown, since the catalyst particles 21 are unevenly arranged and sparse, the amount of catalyst supported by the latter is reduced even if the thickness is the same, and the catalyst particles 21 and the surface of the oxygen separation membrane 12 are not. The contact area is small. Therefore, even if the catalyst thickness is the same, the promoting action of the oxygen separation membrane element 10 of the embodiment is increased, so that a high oxygen transmission rate can be obtained.

図8は、酸素分離膜12をLa0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3で構成した場合における触媒層18,20の厚さ寸法と酸素透過速度との関係を評価した結果を、ディップコートで触媒層50,52を設けた比較例と共に示したものである。何れの膜厚においても、触媒層18,20の厚さ寸法は相互に同じ値とした。実施例によれば、触媒層の担持厚を増加させるに従って酸素透過速度が高められる傾向が明らかである。すなわち、酸素透過速度は、10(μm)程度の担持厚では5.3(cc/min/cm2)程度に過ぎないが、20(μm)程度までは担持厚が増大するに従って酸素透過速度が急激に高くなり、6.6(cc/min/cm2)程度になる。これを超えると変化は緩くなるものの、50(μm)程度の担持厚では7.1(cc/min/cm2)程度、100(μm)程度の担持厚では7.9(cc/min/cm2)程度、200(μm)程度の担持厚では8.3(cc/min/cm2)程度と、膜厚が厚くなるほど酸素透過速度が高くなる。図8から明らかな通り、100(μm)程度で酸素透過速度は略飽和している。すなわち、100(μm)程度の担持厚とすることが最も好ましいことが判る。なお、上記評価では、形成しようとする厚さの触媒粒子層26を設けた転写紙22を用意し、それぞれ一回の転写で所望の担持厚を得るようにしたが、適当な厚さ寸法の触媒粒子層26を設けた転写紙を用意して積層することにより担持厚を厚くすることもできる。 FIG. 8 shows the result of evaluating the relationship between the thickness dimension of the catalyst layers 18 and 20 and the oxygen permeation rate when the oxygen separation membrane 12 is made of La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3. This is shown together with a comparative example in which layers 50 and 52 are provided. In any film thickness, the thickness dimensions of the catalyst layers 18 and 20 were set to the same value. According to the examples, it is clear that the oxygen permeation rate tends to increase as the supported thickness of the catalyst layer increases. That is, the oxygen transmission rate is only about 5.3 (cc / min / cm 2 ) at a supporting thickness of about 10 (μm), but the oxygen transmission rate rapidly increases as the supporting thickness increases up to about 20 (μm). It becomes high and becomes about 6.6 (cc / min / cm 2 ). Although the change becomes loose when exceeding this, about 7.1 (cc / min / cm 2 ) with a supporting thickness of about 50 (μm), about 7.9 (cc / min / cm 2 ) with a supporting thickness of about 100 (μm), With a support thickness of about 200 (μm), the oxygen permeation rate increases as the film thickness increases, ie, about 8.3 (cc / min / cm 2 ). As is apparent from FIG. 8, the oxygen transmission rate is substantially saturated at about 100 (μm). That is, it is understood that it is most preferable to set the supporting thickness to about 100 (μm). In the above evaluation, the transfer paper 22 provided with the catalyst particle layer 26 having the thickness to be formed was prepared, and each desired transfer thickness was obtained by one transfer. The carrying thickness can be increased by preparing and laminating transfer paper provided with the catalyst particle layer 26.

これに対して、ディップコートで触媒層50,52を設けた比較例では、10(μm)程度の担持厚では3.4(cc/min/cm2)程度に過ぎず、20(μm)程度の担持厚でも3.8(cc/min/cm2)程度に留まる。すなわち、担持厚の増大に伴って酸素透過速度が高められる傾向は認められるものの、実施例に比較して著しく低い値に留まった。しかも、担持厚を30(μm)以上にしたところ、焼成時に酸素分離膜12から剥離して使用不能であった。また、ディップコートによる限界を確かめる目的で一回の担持厚を20(μm)程度とし、積層して担持厚を厚くする評価も実施したが、60(μm)(すなわち3層)まで厚くしても、5(cc/min/cm2)程度の酸素透過速度に留まった。しかも、担持厚はこれが限界で、それ以上厚くすると単層の場合と同様に剥離が生じた。 On the other hand, in the comparative example in which the catalyst layers 50 and 52 are provided by dip coating, the support thickness of about 10 (μm) is only about 3.4 (cc / min / cm 2 ), and the support is about 20 (μm). Even the thickness remains at about 3.8 (cc / min / cm 2 ). That is, although the tendency for the oxygen permeation rate to increase with the increase in the carrying thickness was recognized, it remained at a significantly lower value than in the examples. Moreover, when the carrying thickness was set to 30 (μm) or more, it was unusable due to peeling from the oxygen separation membrane 12 during firing. In addition, for the purpose of confirming the limit due to dip coating, the thickness of a single support was set to about 20 (μm), and evaluation was carried out to increase the support thickness by stacking, but the thickness was increased to 60 (μm) (ie 3 layers). However, the oxygen transmission rate was about 5 (cc / min / cm 2 ). In addition, this is the limit of the carrying thickness, and if it is thicker than that, peeling occurred as in the case of a single layer.

要するに、本実施例によれば、触媒層18,20が転写によって均一膜厚で形成されるため、膜厚を厚くしてもクラックや剥離等が生じ難いため、担持厚を増大させることにより、酸素透過速度の一層高い酸素分離膜エレメント10が得られる。しかも、転写により形成された触媒層18,20は、触媒粒子21が均一に配列され且つ密に並ぶことから、スラリー等の直接塗布により形成された触媒層50,52に比較して、同じ膜厚でも担持量が多くなるので高い酸素透過速度が得られる利点がある。また、CVD(化学蒸着)法等のように担持工程が多くなる不都合がなく、直接印刷のように、触媒層18,20を形成しようとする酸素分離膜の形状や大きさに応じて印刷機、印刷版やペースト調合等の印刷条件を変更する必要もない利点がある。   In short, according to the present embodiment, since the catalyst layers 18 and 20 are formed with a uniform film thickness by transfer, cracks and peeling are hardly caused even if the film thickness is increased. An oxygen separation membrane element 10 having a higher oxygen transmission rate is obtained. Moreover, the catalyst layers 18 and 20 formed by the transfer have the same film compared to the catalyst layers 50 and 52 formed by direct application of slurry or the like because the catalyst particles 21 are uniformly arranged and closely arranged. Even if the thickness is increased, the amount of support increases, so that there is an advantage that a high oxygen transmission rate can be obtained. Further, there is no inconvenience of increasing the number of supporting steps as in the CVD (chemical vapor deposition) method, etc., and a printing machine according to the shape and size of the oxygen separation membrane on which the catalyst layers 18 and 20 are to be formed as in direct printing. There is an advantage that it is not necessary to change the printing conditions such as the printing plate and paste preparation.

また、本実施例によれば、前記図6に示されるように、酸素分離膜エレメント10の一面側に気体導入管36からO2含有ガスを供給すると、その中の酸素が選択的にイオン化されて酸素分離膜12を透過させられ、他面側すなわち円筒管34側で再結合して回収されることから、O2含有ガス中の酸素が効率よく分離されるので、安価で高効率に酸素を製造することができる。また、その他面側に気体導入管38からCH4含有ガスが供給されることにより、酸素とそのCH4が化合させられ、生成された合成ガス(CO+2H2)が回収される。そのため、酸素透過速度が高く効率よく酸素が他面側に透過させられることから、高効率の反応器30が得られる利点がある。 Further, according to the present embodiment, as shown in FIG. 6, when an O 2 -containing gas is supplied from the gas introduction pipe 36 to the one surface side of the oxygen separation membrane element 10, oxygen therein is selectively ionized. Thus, the oxygen in the O 2 -containing gas is efficiently separated because it is permeated through the oxygen separation membrane 12 and is recombined and recovered on the other side, that is, on the cylindrical tube 34 side. Can be manufactured. Further, by supplying the CH 4 -containing gas from the gas introduction pipe 38 to the other surface side, oxygen and its CH 4 are combined, and the generated synthesis gas (CO + 2H 2 ) is recovered. Therefore, the oxygen permeation rate is high and oxygen can be efficiently permeated to the other surface side, so that there is an advantage that a highly efficient reactor 30 can be obtained.

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実施例において、前述した実施例と共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。   Next, another embodiment of the present invention will be described. In the following embodiments, portions common to the above-described embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

図9に示される酸素分離膜エレメント56は、全体が一端を封止されたチューブ状を成すものである。酸素分離膜エレメント56は、チューブ状の酸素分離膜58の例えば外周面60に再結合触媒層62が、内周面64に解離触媒層66がそれぞれ設けられることにより構成されている。これら各部の構成材料は、例えば前述の実施例と同様なものを用い得る。また、酸素分離膜58の内周側には、気体導入管68が挿入されている。この気体導入管68は、例えば、前記の気体導入管36,38と同様に構成されたものである。   The oxygen separation membrane element 56 shown in FIG. 9 has a tube shape in which one end is sealed. The oxygen separation membrane element 56 is configured by providing, for example, a recombination catalyst layer 62 on the outer peripheral surface 60 and a dissociation catalyst layer 66 on the inner peripheral surface 64 of a tubular oxygen separation membrane 58, respectively. As the constituent materials of these parts, for example, the same materials as those in the above-described embodiments can be used. A gas introduction pipe 68 is inserted on the inner peripheral side of the oxygen separation membrane 58. The gas introduction pipe 68 is configured in the same manner as the gas introduction pipes 36 and 38, for example.

上記の酸素分離膜エレメント56は、図9に示されるように、気体導入管68から酸素含有ガスを導入する一方、その外周側に例えばメタンガスを供給して用いられる。これにより、酸素分離膜58を透過した酸素によるメタンの部分酸化反応が生じ、前述した反応器30の場合と同様に、合成ガスを回収することができる。なお、図9においては、メタンガスの供給路と合成ガスの回収路とを省略して概念的に示している。このように、酸素分離膜エレメントは、円板状等の平板状に限られず、チューブ状等の適宜の形状を取り得るのである。   As shown in FIG. 9, the oxygen separation membrane element 56 is used by introducing an oxygen-containing gas from a gas introduction pipe 68 while supplying, for example, methane gas to the outer peripheral side thereof. As a result, a partial oxidation reaction of methane with oxygen that has passed through the oxygen separation membrane 58 occurs, and the synthesis gas can be recovered, as in the case of the reactor 30 described above. In FIG. 9, the methane gas supply path and the synthesis gas recovery path are conceptually omitted. Thus, the oxygen separation membrane element is not limited to a flat plate shape such as a disc shape, and can take an appropriate shape such as a tube shape.

図10は、上記の酸素分離膜エレメント56の製造過程の再結合触媒層62の形成工程を説明する図である。酸素分離膜エレメント56の酸素分離膜58は、その外周面60が円筒面形状を成すことから、その外周面60にペーストを直接印刷し或いはディップコートにより均一な担持厚を得ることが困難である。しかしながら、本実施例によれば、平坦な状態で台紙に溶液やペーストを塗布して触媒粒子層等を形成して転写紙70を製造した後、図10に示すようにその転写紙70を酸素分離膜58に巻き付けることにより、容易に再結合触媒層62を設けることができる。すなわち、転写紙70が高い可撓性を有することから、平坦面に限られず、このような曲面にも容易に触媒層を形成できるのである。なお、酸素分離膜封止端は、貼付け時に半球面が得られるように適宜の形状、例えば3/4円形状等に切り取った転写紙70を貼り付けることにより再結合触媒層62を設けた。また、内周面64上の解離触媒層66は、例えば従来と同様なディップコートによって設ければよい。   FIG. 10 is a diagram for explaining a process of forming the recombination catalyst layer 62 in the manufacturing process of the oxygen separation membrane element 56 described above. Since the outer circumferential surface 60 of the oxygen separation membrane 58 of the oxygen separation membrane element 56 has a cylindrical shape, it is difficult to obtain a uniform carrying thickness by directly printing the paste on the outer circumferential surface 60 or by dip coating. . However, according to the present embodiment, after the transfer paper 70 is manufactured by applying a solution or paste to the mount in a flat state to form a catalyst particle layer or the like, the transfer paper 70 is made of oxygen as shown in FIG. The recombination catalyst layer 62 can be easily provided by being wound around the separation membrane 58. That is, since the transfer paper 70 has high flexibility, the catalyst layer can be easily formed on such a curved surface as well as a flat surface. The oxygen separation membrane sealing end was provided with a recombination catalyst layer 62 by pasting a transfer paper 70 cut into an appropriate shape, for example, a 3/4 circular shape, so that a hemispherical surface was obtained at the time of pasting. Further, the dissociation catalyst layer 66 on the inner peripheral surface 64 may be provided, for example, by dip coating similar to the conventional one.

図11は、更に他の実施例の酸素分離膜エレメント72の全体を示す平面図であり、図12は、その酸素分離膜12の表面14に設けられた解離触媒層74の一部を拡大して示す図、図13は、酸素分離膜エレメント72の断面の要部を拡大して示す図である。なお、酸素分離膜エレメント72の裏面16すなわち再結合触媒層76も図11、図12に示されるものと同様な形状を備えている。これら図11〜図13において、酸素分離膜12の表面14および裏面16にそれぞれ設けられた解離触媒層74および再結合触媒層76には、互いに直交する二方向に沿って伸びる多数本の溝78が設けられている。溝78は、図12および図13に示されるように矩形断面を備えたものであって、何れの方向に沿って伸びるものも各々が例えば50(μm)程度の幅寸法Wと100(μm)程度の深さ寸法Dとを有し、例えば100(μm)程度の一様な相互間隔Pを以て設けられている。このため、触媒層74,76には、溝78の相互間に、平面視において例えば一辺が100(μm)程度の正方形を成し且つ高さ寸法がD=100(μm)程度の多数の突起80が、互いに直交する二方向に沿って例えばW=50(μm)程度の相互間隔を以て、すなわち150(μm)程度の中心間隔を以て設けられ、それらの表面は、これら溝78および突起80により形成された凹凸面になっている。   FIG. 11 is a plan view showing the entire oxygen separation membrane element 72 of still another embodiment, and FIG. 12 is an enlarged view of a part of the dissociation catalyst layer 74 provided on the surface 14 of the oxygen separation membrane 12. FIG. 13 is an enlarged view showing the main part of the cross section of the oxygen separation membrane element 72. In addition, the back surface 16 of the oxygen separation membrane element 72, that is, the recombination catalyst layer 76 also has the same shape as that shown in FIGS. 11 to 13, the dissociation catalyst layer 74 and the recombination catalyst layer 76 provided on the front surface 14 and the back surface 16 of the oxygen separation membrane 12 have a large number of grooves 78 extending along two directions orthogonal to each other. Is provided. The groove 78 has a rectangular cross section as shown in FIG. 12 and FIG. 13, and each of the grooves 78 extending along any direction has a width dimension W of about 50 (μm), for example, and 100 (μm). It has a depth dimension D of about, and is provided with a uniform mutual interval P of about 100 (μm), for example. For this reason, in the catalyst layers 74 and 76, a large number of protrusions having a square shape with, for example, a side of about 100 (μm) and a height dimension of about D = 100 (μm) between the grooves 78. 80 are provided along two directions orthogonal to each other, for example, with a mutual interval of about W = 50 (μm), that is, with a central interval of about 150 (μm), and their surfaces are formed by these grooves 78 and projections 80. It has a rough surface.

上記の溝78および突起80は、触媒層74,76を前述したように転写によって設けるに際して、このような溝78および突起80を有する平面形状で台紙に触媒粒子層用ペーストを塗布することにより設けられたものである。本実施例によれば、触媒層74,76が転写により設けられることから、このようなパターニングもスクリーン印刷製版の開口パターンを適宜設定することによって容易に形成できる。   When the catalyst layers 74 and 76 are provided by transfer as described above, the grooves 78 and the projections 80 are provided by applying a catalyst particle layer paste on the mount in a planar shape having the grooves 78 and the projections 80. It is what was done. According to this embodiment, since the catalyst layers 74 and 76 are provided by transfer, such patterning can be easily formed by appropriately setting the opening pattern of the screen printing plate making.

本実施例によれば、酸素分離膜エレメント72の表面および裏面に格子状すなわち互いに直交するように配列された規則的な凹凸が形成されていることから、
表面近傍に到達した気体は、上記の図12に矢印で示されるように溝78に沿って流れつつ(すなわち整流されつつ)、その溝78の底面、突起80の側面、およびその頂面から成る広い面積を以て酸素分離膜12に接触させられる。そのため、解離触媒層74側においては、表面積が増大すると共に乱流が防止されることにより、酸素と酸素分離膜12との接触機会が飛躍的に高められるので、空気中の酸素と酸素分離膜12との反応性が著しく高められ、酸素のイオン化速度が著しく高められる。また、再結合触媒層76側においては、表面積が増大されることによって酸素の再結合が行われる面積が著しく増大するので、酸素イオンの再結合速度が著しく高められる。したがって、何れにおいても反応速度が高められるので、酸素透過速度が一層高められることになる。
According to the present embodiment, regular irregularities arranged in a lattice pattern, that is, orthogonal to each other, are formed on the front and back surfaces of the oxygen separation membrane element 72.
The gas that has reached the vicinity of the surface flows along the groove 78 (that is, is rectified) as shown by the arrow in FIG. 12, and consists of the bottom surface of the groove 78, the side surface of the protrusion 80, and the top surface thereof. The oxygen separation membrane 12 is brought into contact with a wide area. Therefore, on the dissociation catalyst layer 74 side, the surface area is increased and turbulence is prevented, so that the contact opportunity between oxygen and the oxygen separation membrane 12 is dramatically increased. The reactivity with 12 is remarkably enhanced, and the ionization rate of oxygen is remarkably enhanced. In addition, on the recombination catalyst layer 76 side, the area where oxygen is recombined is significantly increased by increasing the surface area, so that the recombination rate of oxygen ions is significantly increased. Therefore, since the reaction rate is increased in any case, the oxygen transmission rate is further increased.

図14に示される酸素分離膜エレメント82は、多孔質支持体84上に酸素分離膜86等が設けられたものである。この図14において、多孔質支持体84は例えばLa0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3或いはLa0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3等のペロブスカイトから成るものであって、例えば3(mm)程度の厚さ寸法を備えた直径が20(mm)程度の円板である。また、酸素分離膜86は、多孔質支持体84と同様な、例えば同組成のペロブスカイト材料から成るものであるが、緻密質に構成されたものである。 An oxygen separation membrane element 82 shown in FIG. 14 has an oxygen separation membrane 86 and the like provided on a porous support 84. In FIG. 14, the porous support 84 is made of perovskite such as La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3 or La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3, and has a thickness of about 3 (mm), for example. It is a disk with a thickness of about 20 (mm) in diameter. The oxygen separation membrane 86 is made of, for example, a perovskite material having the same composition as the porous support 84, but is densely configured.

上記の多孔質支持体84の裏面88には例えば再結合触媒層90が100(μm)程度の一様な厚さ寸法で形成されている。また、酸素分離膜86は、多孔質支持体84の表面92に、例えば300(μm)程度の厚さ寸法を以て設けられている。この酸素分離膜86は、例えば多孔質支持体84に一部が浸透させられた状態で設けられたものである。また、酸素分離膜86の表面94には、解離触媒層96が備えられている。上記再結合触媒層90および解離触媒層96は、前記触媒層18,20と同様に構成され、例えば、何れも転写法によって設けられたものである。   For example, the recombination catalyst layer 90 is formed on the back surface 88 of the porous support 84 with a uniform thickness of about 100 (μm). The oxygen separation membrane 86 is provided on the surface 92 of the porous support 84 with a thickness of about 300 (μm), for example. The oxygen separation membrane 86 is provided, for example, in a state where a part thereof is permeated into the porous support 84. A dissociation catalyst layer 96 is provided on the surface 94 of the oxygen separation membrane 86. The recombination catalyst layer 90 and the dissociation catalyst layer 96 are configured in the same manner as the catalyst layers 18 and 20, for example, both are provided by a transfer method.

このような酸素分離膜エレメント82によれば、全体の機械的強度が多孔質支持体84によって確保されることから、酸素分離膜86を一層薄くして酸素透過速度を一層高めることが容易である。   According to such an oxygen separation membrane element 82, the overall mechanical strength is ensured by the porous support 84, so that it is easy to further increase the oxygen permeation rate by making the oxygen separation membrane 86 thinner. .

なお、上記の多孔質支持体84は、例えば以下の製造工程によって製造される。先ず、多孔質材料粉末をバインダーおよび分散剤等と混合して混練した後、例えば100(℃)程度の温度で24時間程度乾燥し、凝集体を製造する。この多孔質材料粉末としては、例えば市販の前記組成のペロブスカイト原料を用い得る。次いで、これをボールミル等で解砕し、例えば100(MPa)程度の圧力で加圧成形することにより、例えば直径20(mm)程度、厚さ3(mm)程度の円板を成形する。次いで、成形体を所定の焼成温度、例えば1500(℃)程度の温度で3時間程度加熱する。これにより、多孔質支持体84が得られる。   In addition, said porous support body 84 is manufactured by the following manufacturing processes, for example. First, the porous material powder is mixed and kneaded with a binder, a dispersant and the like, and then dried at a temperature of about 100 (° C.) for about 24 hours to produce an aggregate. As the porous material powder, for example, a commercially available perovskite raw material having the above composition can be used. Next, this is crushed by a ball mill or the like, and is subjected to pressure molding at a pressure of about 100 (MPa), for example, to form a disk having a diameter of about 20 (mm) and a thickness of about 3 (mm). Next, the molded body is heated at a predetermined firing temperature, for example, about 1500 (° C.) for about 3 hours. Thereby, the porous support body 84 is obtained.

このようにして多孔質支持体84を製造した後、酸素分離膜86の構成材料粉末を溶媒、バインダー、および分散剤と共にボールミル等を用いて混合してスラリーを調製し、浸漬工程において、このスラリー中に多孔質支持体84の表面92側を浸漬(ディップ)する。これにより、多孔質支持体84の表面92側の表層部に略均等にスラリーを含浸させる。次いで、乾燥工程において、例えば60(℃)程度の温度で4時間程度乾燥し、更に、焼成工程において、例えば大気中にて1500(℃)程度の温度で3時間程度加熱することにより、酸素分離膜86が多孔質支持体84上に形成される。上記の浸漬工程および乾燥工程は、所望の例えば0.3(mm)程度の膜厚が得られるように適宜の回数繰り返される。また、酸素分離膜86の膜厚の調節は、スラリー粘度や浸漬時間等を調節することでも行われる。酸素分離膜86は、このようにして設けられることから、多孔質支持体84の表面92に一部が浸透した状態で設けられているのである。なお、再結合触媒層90も酸素分離膜86と同様なディップコートによって裏面88に設けることができる。   After producing the porous support 84 in this manner, the constituent material powder of the oxygen separation membrane 86 is mixed with a solvent, a binder, and a dispersant using a ball mill or the like to prepare a slurry. The surface 92 side of the porous support 84 is immersed (dip) inside. Thereby, the surface layer portion on the surface 92 side of the porous support 84 is substantially uniformly impregnated with the slurry. Next, in the drying process, for example, drying is performed at a temperature of about 60 (° C.) for about 4 hours, and in the baking process, for example, heating in the atmosphere at a temperature of about 1500 (° C.) for about 3 hours to separate oxygen. A membrane 86 is formed on the porous support 84. The dipping process and the drying process are repeated an appropriate number of times so as to obtain a desired film thickness of, for example, about 0.3 (mm). The film thickness of the oxygen separation membrane 86 can also be adjusted by adjusting the slurry viscosity, the immersion time, and the like. Since the oxygen separation membrane 86 is provided in this manner, the oxygen separation membrane 86 is provided in a state where a part of the oxygen separation membrane 86 permeates the surface 92 of the porous support 84. The recombination catalyst layer 90 can also be provided on the back surface 88 by dip coating similar to the oxygen separation membrane 86.

下記の表2、図15、および図16は、多孔質支持体84の構成を種々変更して、上記の酸素分離膜エレメント82の酸素透過速度等を測定した結果を示したものである。この評価においては、酸素分離膜86の厚さ寸法を0.2(mm)とした。また、下記の表2において、実施例Aは、多孔質支持体84および酸素分離膜62をLa0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3(LSGF)で構成したものであり、実施例Bは、La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3(LSTF)で構成したものである。また、細孔径、気孔率、曲げ強度は何れも多孔質支持体84の特性値である。なお、細孔径および気孔率は、水銀圧入法或いはBET法(例えば窒素吸着法)によって測定した。また、酸素透過速度は、前記の酸素分離膜エレメント10と同様に、図6に示される反応器を用いて行った。また、曲げ強度は三点曲げ強度であって、JIS R1601に従ってによって測定した値である。 Table 2, FIG. 15, and FIG. 16 below show the results of measuring the oxygen permeation rate and the like of the oxygen separation membrane element 82 by changing the configuration of the porous support 84 in various ways. In this evaluation, the thickness dimension of the oxygen separation membrane 86 was set to 0.2 (mm). Further, in Table 2 below, Example A is one in which the porous support 84 and the oxygen separation membrane 62 are composed of La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3 (LSGF), and Example B is La It is composed of 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 (LSTF). The pore diameter, porosity, and bending strength are all characteristic values of the porous support 84. The pore diameter and porosity were measured by mercury porosimetry or BET method (for example, nitrogen adsorption method). Further, the oxygen permeation rate was performed using the reactor shown in FIG. 6 in the same manner as the oxygen separation membrane element 10 described above. The bending strength is a three-point bending strength, which is a value measured according to JIS R1601.

Figure 2006082039
Figure 2006082039

上記の表2および図15、図16に示されるように、酸素透過速度は、多孔質支持体84の細孔径および気孔率が大きくなるほど高くなる傾向にある。しかしながら、それに伴って多孔質支持体84の曲げ強度が低下する傾向にあるので、多孔質支持体84は、これらのバランスを考慮してその細孔径および気孔率を決定する必要がある。すなわち、十分に大きい酸素透過速度を得るためには、細孔径を0.1(μm)より大きく、気孔率を5(%)より大きくすることが好ましい。また、多孔質支持体84の曲げ強度を十分に高く保って酸素分離膜エレメント82全体の強度を確保し、延いては酸素分離膜86の膜厚を十分に薄くするためには、細孔径を20(μm)よりも小さくすると共に、気孔率を60(%)よりも小さくすることが望ましい。したがって、この両者の兼ね合いにより、多孔質支持体84を備える態様では、その平均細孔径が0.1〜20(μm)の範囲内(上下限を含まず)、気孔率が5〜60(%)の範囲内(上下限を含まず)であることが望ましいことになる。   As shown in Table 2 and FIGS. 15 and 16, the oxygen transmission rate tends to increase as the pore diameter and porosity of the porous support 84 increase. However, since the bending strength of the porous support 84 tends to be reduced accordingly, it is necessary to determine the pore diameter and the porosity of the porous support 84 in consideration of these balances. That is, in order to obtain a sufficiently high oxygen transmission rate, it is preferable that the pore diameter is larger than 0.1 (μm) and the porosity is larger than 5 (%). In order to maintain the bending strength of the porous support 84 sufficiently high to ensure the strength of the oxygen separation membrane element 82 as a whole, and to reduce the thickness of the oxygen separation membrane 86 sufficiently, the pore diameter should be reduced. It is desirable that the porosity is smaller than 20 (μm) and the porosity is smaller than 60 (%). Therefore, due to the balance between the two, in the embodiment including the porous support 84, the average pore diameter is in the range of 0.1 to 20 (μm) (not including the upper and lower limits), and the porosity is 5 to 60 (%). It is desirable to be within the range (not including the upper and lower limits).

以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。   As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail with reference to drawings, this invention can be implemented also in another aspect, A various change can be added in the range which does not deviate from the main point.

本発明の一実施例の円板状の酸素分離膜エレメントの全体を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the whole disk-shaped oxygen separation membrane element of one Example of this invention. 図1の酸素分離膜エレメントの断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of the oxygen separation membrane element of FIG. 図2を更に拡大して模式的に示す図である。It is a figure which expands and further shows FIG. 2 typically. 図1の酸素分離膜エレメントの製造方法を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating the manufacturing method of the oxygen separation membrane element of FIG. (a)〜(c)は図4の転写工程の実施状態を説明する図である。(a)-(c) is a figure explaining the implementation state of the transcription | transfer process of FIG. 図1の酸素分離膜エレメントが用いられた反応器の構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the reactor using the oxygen separation membrane element of FIG. 触媒層をディップコートで設けた従来の酸素分離膜エレメントの断面構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-section of the conventional oxygen separation membrane element which provided the catalyst layer by the dip coating. 図1の酸素分離膜エレメントの触媒層厚みと酸素透過速度との関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the catalyst layer thickness of the oxygen separation membrane element of FIG. 1, and oxygen transmission rate. 本発明の他の実施例の酸素分離膜エレメントの断面構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-sectional structure of the oxygen separation membrane element of the other Example of this invention. 図9の酸素分離膜エレメントを製造する際の触媒層の形成工程を説明する図である。It is a figure explaining the formation process of the catalyst layer at the time of manufacturing the oxygen separation membrane element of FIG. 本発明の更に他の実施例の酸素分離膜エレメントの全体を示す平面図である。It is a top view which shows the whole oxygen separation membrane element of other Example of this invention. 図11の酸素分離膜エレメントの表面の一部を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows a part of surface of the oxygen separation membrane element of FIG. 図11の酸素分離膜エレメントの断面構造の要部を説明する図である。It is a figure explaining the principal part of the cross-section of the oxygen separation membrane element of FIG. 本発明の更に他の実施例の酸素分離膜エレメントの全体を示す側面図である。It is a side view which shows the whole oxygen separation membrane element of other Example of this invention. 図14の酸素分離膜エレメントを構成する多孔質支持体の平均細孔径と酸素透過速度および三点曲げ強度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the average pore diameter of the porous support body which comprises the oxygen separation membrane element of FIG. 14, an oxygen permeation | transmission speed | rate, and a three-point bending strength. 図14の酸素分離膜エレメントを構成する多孔質支持体の気孔率と酸素透過速度および三点曲げ強度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the porosity of the porous support body which comprises the oxygen separation membrane element of FIG. 14, oxygen permeation | transmission speed | rate, and three-point bending strength.

符号の説明Explanation of symbols

10:酸素分離膜エレメント、12:酸素分離膜、14:表面、16:裏面、18:酸素解離触媒層、20:酸素再結合触媒層 10: oxygen separation membrane element, 12: oxygen separation membrane, 14: front surface, 16: back surface, 18: oxygen dissociation catalyst layer, 20: oxygen recombination catalyst layer

Claims (15)

酸素イオン伝導性を有する緻密な酸素分離膜を備えると共に、その酸素解離側の一面および酸素再結合側の他面の少なくとも一方に触媒層を備え、その一面側において気体から解離させ且つイオン化させた酸素イオンをその他面側において再結合させることにより、酸素をその一面から他面に選択的に透過させてその気体から分離するための酸素分離膜エレメントを製造する方法であって、
所定の台紙上に設けられた触媒粒子層を前記酸素分離膜に転写することにより前記触媒層を形成することを特徴とする酸素分離膜エレメントの製造方法。
In addition to a dense oxygen separation membrane having oxygen ion conductivity, a catalyst layer is provided on at least one of the oxygen dissociation side and the oxygen recombination side, and is dissociated from the gas and ionized on the one side. A method of manufacturing an oxygen separation membrane element for selectively permeating oxygen from one surface to the other surface and separating it from the gas by recombining oxygen ions on the other surface side,
A method for producing an oxygen separation membrane element, wherein the catalyst layer is formed by transferring a catalyst particle layer provided on a predetermined mount to the oxygen separation membrane.
酸素イオン伝導性を有する緻密な酸素分離膜を備えると共に、その酸素解離側の一面および酸素再結合側の他面の少なくとも一方に触媒層を備え、その一面側において気体から解離させ且つイオン化させた酸素イオンをその他面側において再結合させることにより、酸素をその一面から他面に選択的に透過させてその気体から分離するための酸素分離膜エレメントであって、
前記触媒層が転写により形成されたことを特徴とする酸素分離膜エレメント。
In addition to a dense oxygen separation membrane having oxygen ion conductivity, a catalyst layer is provided on at least one of the oxygen dissociation side and the oxygen recombination side, and is dissociated from the gas and ionized on the one side. An oxygen separation membrane element for selectively permeating oxygen from one surface to the other surface and separating it from the gas by recombining oxygen ions on the other surface side,
An oxygen separation membrane element, wherein the catalyst layer is formed by transfer.
前記触媒層は、一方向に沿って一定の中心間隔で並ぶ多数の突起を表面に有するものである請求項2の酸素分離膜エレメント。 3. The oxygen separation membrane element according to claim 2, wherein the catalyst layer has a plurality of protrusions arranged on the surface thereof at a constant center interval along one direction. 前記酸素分離膜は、酸素イオン伝導性および電子伝導性を有する混合伝導体である請求項2の酸素分離膜エレメント。 The oxygen separation membrane element according to claim 2, wherein the oxygen separation membrane is a mixed conductor having oxygen ion conductivity and electron conductivity. 前記酸素分離膜は、一般式Ln1-xAexMO3(但し、Lnはランタノイド、AeはBa、Sr、Caのうちから選ばれる1種または2種以上の組合せ、MはFe、Mn、Ga、Ti、Co、Zr、Ce、Mg、Ge、Zn、Cu、Sc、V、Cr、Ni、Y、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sb、Pb、Bi、Po、Al、In、Snのうちから選ばれる1種または2種以上の組合せ、0≦x≦1)で表される複合化合物、ZrO2系酸化物、CeO2系酸化物のうちから選ばれる1種または2種以上の組合せから成るものである請求項2の酸素分離膜エレメント。 The oxygen separation membrane has a general formula Ln 1-x Ae x MO 3 (where Ln is a lanthanoid, Ae is one or a combination of two or more selected from Ba, Sr, and Ca, M is Fe, Mn, Ga, Ti, Co, Zr, Ce, Mg, Ge, Zn, Cu, Sc, V, Cr, Ni, Y, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Sb, Pb, Bi, One or a combination of two or more selected from Po, Al, In, and Sn, selected from complex compounds represented by 0 ≦ x ≦ 1), ZrO 2 oxides, and CeO 2 oxides 3. The oxygen separation membrane element according to claim 2, comprising one or a combination of two or more. 前記酸素分離膜は、Ce2-xZrxO4-σ(但し、0<x<2、0≦σ≦4)、CeGd酸化物、CeSm酸化物、Ba(CaNb)2酸化物、BiVCu酸化物、ZrO2系酸化物のうちから選ばれる1種または2種以上の組合せから成るものである請求項2の酸素分離膜エレメント。 The oxygen separation membrane is Ce 2-x Zr x O 4-σ (where 0 <x <2, 0 ≦ σ ≦ 4), CeGd oxide, CeSm oxide, Ba (CaNb) 2 oxide, BiVCu oxide 3. The oxygen separation membrane element according to claim 2, wherein the oxygen separation membrane element is composed of one or a combination of two or more selected from the group consisting of ZrO 2 -based oxides. 前記酸素分離膜は、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)のうちから選ばれる1種または2種以上の組合せを含む材料から成るものである請求項5または請求項6の酸素分離膜エレメント。 The oxygen separation membrane is made of a material containing one or a combination of two or more selected from magnesium oxide (MgO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and yttrium oxide (Y 2 O 3 ). The oxygen separation membrane element according to claim 5 or 6. 前記酸素分離膜は、電子伝導性を有する金属または金属酸化物を含む材料から成るものである請求項5乃至請求項7の何れかの酸素分離膜エレメント。 The oxygen separation membrane element according to any one of claims 5 to 7, wherein the oxygen separation membrane is made of a material containing a metal or metal oxide having electron conductivity. 前記酸素分離膜は、多孔質支持体上にその一面全体を覆って備えられたものである請求項2の酸素分離膜エレメント。 The oxygen separation membrane element according to claim 2, wherein the oxygen separation membrane is provided on the porous support so as to cover the entire surface thereof. 前記多孔質支持体は、一般式Ln1-xAexMO3(但し、Lnはランタノイド、AeはBa、Sr、Caのうちから選ばれる1種または2種以上の組合せ、MはFe、Mn、Ga、Ti、Co、Zr、Ce、Mg、Ge、Zn、Cu、Sc、V、Cr、Ni、Y、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sb、Pb、Bi、Po、Al、In、Snのうちから選ばれる1種または2種以上の組合せ、0≦x≦1)で表される複合化合物、ZrO2系酸化物、CeO2系酸化物、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)、炭化珪素(SiC)のうちから選ばれる1種または2種以上の組合せから成るものである請求項9の酸素分離膜エレメント。 The porous support has the general formula Ln 1-x Ae x MO 3 (where Ln is a lanthanoid, Ae is one or a combination of two or more selected from Ba, Sr, and Ca, and M is Fe, Mn) , Ga, Ti, Co, Zr, Ce, Mg, Ge, Zn, Cu, Sc, V, Cr, Ni, Y, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Sb, Pb, Bi , Po, Al, In, Sn selected from one or a combination of two or more, a composite compound represented by 0 ≦ x ≦ 1), a ZrO 2 oxide, a CeO 2 oxide, magnesium oxide ( 10. The oxygen separation according to claim 9, comprising one or a combination of two or more selected from MgO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), and silicon carbide (SiC). Membrane element. 前記酸素分離膜および前記多孔質支持体は、同材料から成るものである請求項9の酸素分離膜エレメント。 The oxygen separation membrane element according to claim 9, wherein the oxygen separation membrane and the porous support are made of the same material. 前記酸素分離膜および前記多孔質支持体は、相互に異なる組成の材料から成るものである請求項9の酸素分離膜エレメント。 The oxygen separation membrane element according to claim 9, wherein the oxygen separation membrane and the porous support are made of materials having different compositions. 前記多孔質支持体は、平均細孔径rが0.1<r<20(μm)の範囲内、気孔率pが5<p<60(%)の範囲内である請求項9の酸素分離膜エレメント。 10. The oxygen separation membrane element according to claim 9, wherein the porous support has an average pore diameter r in a range of 0.1 <r <20 (μm) and a porosity p in a range of 5 <p <60 (%). 前記請求項2乃至請求項13の何れかに記載の酸素分離膜エレメントを用い、酸素を含む原料気体をその一面側に供給すると共に、その原料気体から分離された酸素をその他面側から回収することを特徴とする酸素製造方法。 Using the oxygen separation membrane element according to any one of claims 2 to 13, a raw material gas containing oxygen is supplied to one surface side, and oxygen separated from the raw material gas is recovered from the other surface side. An oxygen production method. 前記請求項2乃至請求項13の何れかに記載の酸素分離膜エレメントと、
その酸素分離膜エレメントの一面側に酸素を含む気体を供給するための第1気体供給路と、
その他面側に所定の化合物を含む気体を供給するための第2気体供給路と、
その他面側において酸素と前記所定の化合物との反応により生成された気体を回収するための気体回収路と
を、含むことを特徴とする反応器。
The oxygen separation membrane element according to any one of claims 2 to 13,
A first gas supply path for supplying a gas containing oxygen to one surface side of the oxygen separation membrane element;
A second gas supply path for supplying a gas containing a predetermined compound to the other surface side;
And a gas recovery path for recovering a gas generated by a reaction between oxygen and the predetermined compound on the other surface side.
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