JP2011041900A - Oxygen separation membrane module, method for producing the same and sealing material for oxygen separation membrane module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸素分離膜エレメントと接続部材とを備えた酸素分離膜モジュール(酸素分離装置)に関する。詳しくは、酸素イオン伝導性の酸化物セラミックスからなる酸素分離膜を備えた酸素分離膜エレメントと、接続部材(例えば該エレメントにガスを供給するガス管)とを基本構成要素とするモジュール、および上記酸素分離膜エレメントと接続部材とを接合して該モジュールを製造する方法、ならびに上記エレメントと接続部材とを気密性を有してシール部(接合部)を形成するためのシール材(接合材)に関する。 The present invention relates to an oxygen separation membrane module (oxygen separation device) including an oxygen separation membrane element and a connection member. Specifically, a module having an oxygen separation membrane element including an oxygen separation membrane made of oxygen ion conductive oxide ceramics and a connecting member (for example, a gas pipe for supplying gas to the element) as basic components, and the above A method of manufacturing the module by joining an oxygen separation membrane element and a connecting member, and a sealing material (joining material) for forming a seal part (joining part) having airtightness between the element and the connecting member About.
酸素イオン(典型的にはO2−;酸化物イオンとも呼ばれる。)伝導性を有する酸素イオン伝導体として、いわゆるペロブスカイト型構造の酸化物セラミックスが知られている。特に、酸素イオン伝導体であることに加え、電子伝導性を兼ね備えた酸素イオン−電子混合伝導体(以下、単に「混合伝導体」という。)であるペロブスカイト型酸化物から成る緻密なセラミック材、典型的には膜状に形成されたセラミック材は、その両面を短絡させるための外部電極や外部回路を用いることなく一方の面から他方の面に連続して酸素イオンを透過させることができる。このため、特許文献1〜3に記載されるように、一方の面に供給された酸素含有ガス(例えば空気)から酸素を他方の面に選択的に透過させる酸素分離膜材として、特に使用温度が800℃以上1000℃未満というような高温域で好適に利用することができる。 As an oxygen ion conductor having oxygen ions (typically also called O 2− ; oxide ions), oxide ceramics having a so-called perovskite structure are known. In particular, in addition to being an oxygen ion conductor, a dense ceramic material made of a perovskite oxide that is an oxygen ion-electron mixed conductor (hereinafter simply referred to as “mixed conductor”) having both electron conductivity, Typically, a ceramic material formed in a film shape can continuously transmit oxygen ions from one surface to the other surface without using an external electrode or an external circuit for short-circuiting both surfaces thereof. For this reason, as described in Patent Documents 1 to 3, particularly as an oxygen separation membrane material that selectively permeates oxygen from an oxygen-containing gas (for example, air) supplied to one surface to the other surface, the operating temperature Can be suitably used in a high temperature range of 800 ° C. or higher and lower than 1000 ° C.
例えば、ペロブスカイト型酸化物等の混合伝導体から構成される酸素分離膜は、多孔質基材(多孔質支持体)上に形成されて酸素分離膜エレメントとして用いられ、深冷分離法やPSA(Pressure Swing Adsorption)法に代わる有効な酸素精製手段として好適に使用することができる。また、かかる構成の酸素分離膜エレメントは、酸素含有ガス(空気)と炭化水素ガスとを隔絶し、酸素を選択的に透過させて炭化水素の部分酸化反応を行うための酸化反応装置、いわゆる隔膜リアクタの構成要素として好適に利用することができる。すなわち、酸素分離膜の一方側の表面に酸素含有ガス、他方側の表面に炭化水素ガス(例えばメタン)をそれぞれ接触させると、一方の表面から酸素分離膜内を透過して供給される酸素イオンによって、他方の面において炭化水素が部分酸化される。このように酸素分離膜を利用して炭化水素を部分酸化する技術は、合成液体燃料(メタノール等)を製造するGTL(Gas To Liquid)技術、あるいは燃料電池分野で好適に使用される。
この種の従来技術として、特許文献1〜4には、混合伝導体であるいくつかのペロブスカイト型酸化物が記載されている。また、特許文献5〜9には、ペロブスカイト型酸化物から構成された酸素分離膜を備える酸素分離材(膜エレメント)の例が開示されている。また、特許文献10〜11には、円筒状の酸素分離材(エレメント)と該酸素分離材を備える装置(モジュール)が記載されている。
For example, an oxygen separation membrane composed of a mixed conductor such as a perovskite oxide is formed on a porous substrate (porous support) and used as an oxygen separation membrane element. It can be suitably used as an effective oxygen purification means to replace the Pressure Swing Adsorption) method. In addition, the oxygen separation membrane element having such a structure is an oxidation reaction device for separating oxygen-containing gas (air) and hydrocarbon gas and selectively permeating oxygen to perform partial oxidation reaction of hydrocarbon, so-called diaphragm. It can be suitably used as a component of the reactor. That is, when an oxygen-containing gas is brought into contact with the surface on one side of the oxygen separation membrane and a hydrocarbon gas (for example, methane) is brought into contact with the surface on the other side, oxygen ions that are supplied through the oxygen separation membrane from one surface are supplied. The hydrocarbon is partially oxidized on the other side. Thus, the technique of partially oxidizing hydrocarbons using an oxygen separation membrane is suitably used in the GTL (Gas To Liquid) technique for producing a synthetic liquid fuel (such as methanol) or the fuel cell field.
As this type of prior art, Patent Documents 1 to 4 describe some perovskite oxides that are mixed conductors. Patent Documents 5 to 9 disclose examples of an oxygen separator (membrane element) including an oxygen separation membrane composed of a perovskite oxide.
ところで、円筒形状あるいはその他の形状の酸素分離材(膜エレメント)を基本構成要素として酸素分離装置(モジュール)を構築する場合、種々の部材が相互に接合される結果、酸素分離材は気密性を保持するシール部(接合部)を伴う形態で構築される。
従来、使用温度が800℃以上1000℃未満となるような高温域で使用する酸素分離装置(モジュール)においては、かかるシール部のシール性(気密性)を確保するべく、シール部(接合部)を構成するシール材としてガラス材料や金属材料が検討されている。例えば、特許文献12〜13には、従来のシール材料の例が記載されている。なお、本願発明とは直接的な関係はないが、例えば特許文献14〜18には、固体酸化物形燃料電池用シール材について記載されており、かかるシール材として、例えば固体電解質構成材料とセパレータ構成材料とを混合してなる接合材料、または、ガラスマトリックス中にMgO−MgAl2O4や安定化ジルコニア等のフィラー材料が分散されて含まれているシーリング材、あるいは構成元素にケイ素を含むガラス粉と酸化マグネシウム粉とマグネシウムのケイ酸塩粉とを混合した混合粉からなるシール材等が提案されている。
By the way, when constructing an oxygen separation device (module) using a cylindrical or other shape oxygen separation material (membrane element) as a basic component, various members are joined together. It is constructed in a form with a sealing part (joining part) to be held.
Conventionally, in an oxygen separation device (module) used in a high temperature range where the operating temperature is 800 ° C. or higher and lower than 1000 ° C., the sealing portion (joining portion) is required to ensure the sealing property (air tightness) of the sealing portion. A glass material or a metal material has been studied as a sealing material constituting the glass. For example,
上記特許文献に記載されるシール材は、上記高温域において溶融状態となり得る材料(例えば特許文献13参照)であり、当該高温域(例えば800℃以上1000℃未満)で使用する場合には溶融して所定の接合部位から流出する虞がある。このため、かかるシール材が流出しないような構造上の対策(例えば溶融したシール材を囲い込むバリア構造の追加、あるいはシール材の流出を防止する荷重をかける構造)を施す必要があった。
また、比較的熱膨張し易いペロブスカイト型酸化物(例えば熱膨張係数が10×10−6K−1〜15×10−6K−1)に対し、熱膨張し難い従来のガラス材料(例えば熱膨張係数が1×10−6K−1〜5×10−6K−1である一般的なホウケイ酸ガラス)をシール材として適用した場合、低温固化の際の熱膨張差によって当該シール材が破損する虞がある。さらに、熱膨張差の大きい従来のシール材を採用して得られた酸素分離材を上記高温域で繰り返し使用する場合、使用前の昇温時ならびに使用後の降温時においてシール部のシール性が徐々に低下する虞もあり、耐久性の観点から改善する余地がある。
The sealing material described in the above patent document is a material that can be in a molten state in the high temperature range (for example, see Patent Document 13), and melts when used in the high temperature range (for example, 800 ° C. or higher and lower than 1000 ° C.). There is a risk that it will flow out of a predetermined joining site. For this reason, it has been necessary to take structural measures to prevent the sealing material from flowing out (for example, adding a barrier structure that surrounds the molten sealing material or a structure that applies a load that prevents the sealing material from flowing out).
Further, a conventional glass material (for example, heat) that is difficult to thermally expand relative to a perovskite oxide (for example, a thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 K −1 to 15 × 10 −6 K −1 ) that is relatively easily thermally expanded. When a general borosilicate glass having an expansion coefficient of 1 × 10 −6 K −1 to 5 × 10 −6 K −1 ) is applied as a sealing material, the sealing material is caused by a difference in thermal expansion at the time of low-temperature solidification. There is a risk of damage. Furthermore, when the oxygen separation material obtained by adopting a conventional sealing material having a large difference in thermal expansion is repeatedly used in the above high temperature range, the sealing performance of the seal part is increased at the time of temperature increase before use and at the time of temperature decrease after use. There is also a possibility of a gradual decrease, and there is room for improvement from the viewpoint of durability.
また、近年、酸素分離膜モジュールの製造にあたり、製造プロセスの効率化およびコスト削減を目的として、例えば、酸素分離膜エレメントの酸素分離膜の形成、ならびに、該エレメントと該エレメントに接続される部材(接続部材、例えばガス配管)との接合(スタッキング)を一回の焼成工程で同時に行う(すなわち同時に焼成する。)ことが検討されている。かかる同時焼成を実現するためには、酸素分離膜の焼成温度(例えば1200〜1300℃、より好ましくは1200〜1400℃)に曝されても溶出の虞のない高耐熱性の接合材が必要である。
したがって、酸素分離膜モジュールの使用高温域(例えば800℃以上1000℃未満)よりもさらに高温条件下(例えば酸素分離膜の焼成温度である1200〜1400℃)において接合対象の酸素分離膜エレメントおよび接続部材と同程度の熱膨張係数を有し得るシール部(接合部)であって上記高温雰囲気に十分に耐え得る強度(耐熱性)と気密性(シール性)とを高い次元で実現し得るシール部の形成を実現可能なシール材(接合材)が望まれていた。
しかし、上記特許文献に記載されるような従来のシール材(接合材)は、高耐熱性と高気密性とをともに両立させるという点で未だ十分ではない。
In recent years, for the production of oxygen separation membrane modules, for the purpose of improving the efficiency of manufacturing processes and reducing costs, for example, formation of oxygen separation membranes of oxygen separation membrane elements, and members connected to the elements and the elements ( It has been studied to perform joint (stacking) with a connecting member, such as a gas pipe, at the same time (that is, fire simultaneously) in a single firing step. In order to realize such simultaneous firing, a highly heat-resistant bonding material that does not cause elution even when exposed to the firing temperature of the oxygen separation membrane (for example, 1200 to 1300 ° C., more preferably 1200 to 1400 ° C.) is necessary. is there.
Therefore, the oxygen separation membrane element and the connection object to be joined under a higher temperature condition (for example, 1200 to 1400 ° C. which is the firing temperature of the oxygen separation membrane) than the high temperature range (for example, 800 ° C. or more and less than 1000 ° C.) A seal part (joint part) that can have a coefficient of thermal expansion similar to that of a member, and can realize a high level of strength (heat resistance) and airtightness (sealability) that can sufficiently withstand the high temperature atmosphere. There has been a demand for a sealing material (bonding material) capable of forming the portion.
However, conventional sealing materials (joining materials) as described in the above-mentioned patent documents are still not sufficient in terms of achieving both high heat resistance and high airtightness.
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、酸素分離膜モジュールの使用温度域(例えば800℃以上1000℃未満)およびそれ以上(典型的には1000℃以上、特に1200℃以上、例えば1200〜1300℃)の高温下においても、高い耐熱性を有して気密に接合されたシール部(接合部)が形成されてなる酸素分離膜モジュールを提供することである。また、そのような高い耐熱性と高い気密性とを有するシール部(接合部)であって接合対象と同程度の熱膨張係数を有するシール部(接合部)を形成するために用いるシール材を提供することを他の目的とする。さらに、そのようなシール材を用いて酸素分離膜モジュールを製造する方法を提供することを他の目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and its main purpose is to use the oxygen separation membrane module in a temperature range (for example, 800 ° C. or higher and lower than 1000 ° C.) or higher (typically 1000 ° C. or higher, particularly To provide an oxygen separation membrane module in which a seal part (joint part) having high heat resistance and hermetically joined is formed even at a high temperature of 1200 ° C. or higher, for example, 1200 to 1300 ° C. Further, a sealing material used for forming a seal portion (joint portion) having such a high heat resistance and high airtightness and having a thermal expansion coefficient comparable to that of the object to be joined is provided. The other purpose is to provide. Furthermore, it is another object to provide a method for producing an oxygen separation membrane module using such a sealing material.
上記目的を実現するべく、本発明により提供される一つの態様の酸素分離膜モジュールは、多孔質基材上に酸素イオン伝導体であるペロブスカイト構造の酸化物セラミックスからなる酸素分離膜を備える酸素分離膜エレメントと、該酸素分離膜エレメントに接合されたセラミックス製の接続部材とを(主要構成要素として)備える。上記酸素分離膜エレメントと上記接続部材との接合部分には、該接合部分におけるガス流通を遮断する(すなわち該接合部分における気密性を保持する)シール部が形成されており、該シール部は、ガラスマトリックス中に少なくともフォーステライト結晶が析出しているガラスによって形成されている。そして、上記ガラスは、以下の6つの構成元素(必須構成元素であるSi、Al、Na、Kと、任意的構成元素であるCa、B)を、酸化物換算で該6つの構成元素全体を100質量%として以下の質量組成:
SiO2 60〜78質量%;
Al2O3 10〜22質量%;
Na2O 3〜16質量%;
K2O 5〜16質量%;
CaO 0〜 4質量%;
B2O3 0〜 4質量%;
で有している。ここで上記ガラスは、さらに構成元素としてMgを有しており、酸化物換算(MgO換算)で上記ガラス全体を100質量%としてMgOの質量組成が1質量%以上13質量%未満であるとともに、このうちの少なくとも半分の量は上記ガラスマトリックス中に析出している結晶の構成成分として存在している。
なお、本発明の技術的範囲の説明において「〜」を使用した数値範囲は、当該「〜」の左右の数値を包含する範囲である(すなわち数値範囲「A〜B」は、A以上B以下をいう。)。
In order to achieve the above object, an oxygen separation membrane module according to one aspect provided by the present invention comprises an oxygen separation membrane comprising an oxygen separation membrane made of an oxide ceramic having a perovskite structure, which is an oxygen ion conductor, on a porous substrate. A membrane element and a ceramic connecting member joined to the oxygen separation membrane element are provided (as main components). A seal portion that blocks gas flow in the joint portion (that is, maintains airtightness in the joint portion) is formed at a joint portion between the oxygen separation membrane element and the connection member. It is formed of glass in which at least forsterite crystals are precipitated in the glass matrix. The glass comprises the following six constituent elements (essential constituent elements Si, Al, Na, K and optional constituent elements Ca, B), and the entire six constituent elements in terms of oxides. The following mass composition as 100% by mass:
SiO 2 60 to 78 wt%;
Al 2 O 3 10~22% by weight;
Na 2 O 3-16% by mass;
K 2 O 5-16% by mass;
CaO 0 to 4% by mass;
B 2 O 30 to 4% by mass;
Have. Here, the glass further has Mg as a constituent element, and the mass composition of MgO is 1% by mass or more and less than 13% by mass with respect to 100% by mass of the whole glass in terms of oxide (MgO conversion), At least half of this amount is present as a constituent of crystals precipitated in the glass matrix.
In the description of the technical scope of the present invention, the numerical range using “to” is a range including the left and right numerical values of “to” (that is, the numerical range “A to B” is not less than A and not more than B). ).
本態様に係る酸素分離膜モジュールでは、酸素分離膜エレメント(典型的には該膜エレメントにおける多孔質基材および/または酸素分離膜)と接続部材(例えば該酸素分離膜にガスを供給するためのガス管)との接合部分が、ガラスマトリックス中に少なくともフォーステライト(Mg2SiO4)結晶が析出しているガラス(例えばガラスマトリックス中に上記フォーステライトの微細結晶が分散状態で析出されるガラス組成物、以下、「結晶含有ガラス」ということもある。)によってシールされている。かかるシール部を構成する結晶含有ガラスが上記のような結晶成分を含有することにより、当該酸素分離膜モジュールの使用温度域(例えば800℃以上1000℃未満)およびそれ以上(典型的には1000℃以上、特に1200℃以上、例えば1200〜1300℃、より好ましくは1200〜1400℃)の高温域下に曝されても、該結晶含有ガラス中に析出している結晶の溶解が好ましく防止されて、流動し難い。したがって、本態様に係る酸素分離膜モジュールによると、上記のような高温域に到達しても、上記結晶含有ガラスにより形成された酸素分離膜エレメントと接続部材とのシール部が溶出する虞がなく、かかるシール部の耐熱性の向上を実現することができる。
また、上記結晶含有ガラスは、上記温度域においても柔軟性を有する。このことにより、上記結晶含有ガラスにより形成されたシール部に応力が生じた場合であっても、該応力を緩和してクラックや剥離等の発生が抑制されて、かかるシール部の機械的強度の向上を実現することができる。したがって、本態様に係る酸素分離膜モジュールによると、高い耐熱性と耐久性(機械的強度)を備えた高性能の酸素分離膜モジュールが提供される。
In the oxygen separation membrane module according to this aspect, an oxygen separation membrane element (typically a porous substrate and / or an oxygen separation membrane in the membrane element) and a connecting member (for example, for supplying gas to the oxygen separation membrane) Glass composition in which at least a forsterite (Mg 2 SiO 4 ) crystal is precipitated in a glass matrix (for example, a fine crystal of the forsterite is precipitated in a dispersed state in the glass matrix). , Hereinafter referred to as “crystal-containing glass”). When the crystal-containing glass constituting the seal portion contains the crystal component as described above, the oxygen separation membrane module is used in a temperature range (for example, 800 ° C. or higher and lower than 1000 ° C.) or higher (typically 1000 ° C.). In particular, even when exposed to a high temperature range of 1200 ° C. or higher, for example, 1200 to 1300 ° C., more preferably 1200 to 1400 ° C., dissolution of crystals precipitated in the crystal-containing glass is preferably prevented, It is difficult to flow. Therefore, according to the oxygen separation membrane module according to the present aspect, there is no possibility that the seal portion between the oxygen separation membrane element and the connection member formed of the crystal-containing glass is eluted even when reaching the high temperature range as described above. Thus, the heat resistance of the seal part can be improved.
The crystal-containing glass has flexibility even in the temperature range. As a result, even when a stress is generated in the seal portion formed of the crystal-containing glass, the stress is relaxed to prevent the occurrence of cracks and peeling, and the mechanical strength of the seal portion is reduced. Improvements can be realized. Therefore, according to the oxygen separation membrane module according to this aspect, a high-performance oxygen separation membrane module having high heat resistance and durability (mechanical strength) is provided.
また、上記のような質量組成の結晶含有ガラスが形成するシール部は、該シール部によってシール(接合)されている酸素分離膜エレメントおよび接続部材(あるいは該酸素分離膜エレメントおよび接続部材の接合体全体)の熱膨張係数(熱膨張率)に近似した熱膨張係数を有し得る。このため、かかるシール部を備える酸素分離膜モジュールでは、上記使用温度域(例えば800℃以上1000℃未満、さらに高温域、例えば1000〜1200℃を包含し得る。)と非使用時の温度(常温)との間で昇温と降温とを繰り返して使用したり、あるいは上記使用温度域以上の高温下に曝す処理を施した場合(例えば酸素分離膜の焼成)であっても、上記シール部からのガスのリークが防止され、長期にわたり高い気密性と機械的強度を保持することができる。また、ガスリークの防止により上記酸素分離膜モジュールの性能も向上させることができる。
さらに、上記ガラスマトリックス中に析出するフォーステライト結晶、あるいは該フォーステライト結晶とともに上記ガラスマトリックス中に析出し得る結晶、例えばクリストバライト(SiO2)結晶、リューサイト(KAlSi2O6)結晶等は、いずれもイオン伝導性も導電性も有さない絶縁体であることから、上記結晶含有ガラスとして好適な態様のものは、完全な絶縁性を有し得る。このことにより、かかる態様の酸素分離膜モジュールによると、絶縁性を有するシール部の形成を実現でき、該シール部を通じたイオン伝導や電子伝導を回避することができる。
なお、本明細書中で「膜」とは特定の厚みに限定されず、上記酸素分離膜エレメントにおいて、少なくとも「酸素イオン伝導体(好ましくは混合伝導体)」として機能する膜状若しくは層状の部分をいう。
In addition, the seal portion formed by the crystal-containing glass having the mass composition as described above includes an oxygen separation membrane element and a connection member (or a joined body of the oxygen separation membrane element and the connection member) sealed (joined) by the seal portion. It may have a thermal expansion coefficient that approximates the thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) of the whole. For this reason, in the oxygen separation membrane module provided with such a seal portion, the above operating temperature range (for example, 800 ° C. or higher and lower than 1000 ° C., and further includes a high temperature range, for example, 1000 to 1200 ° C.) and the temperature when not in use (normal temperature) ) And repeatedly using the temperature rise and fall, or when subjected to a treatment exposed to a high temperature above the use temperature range (for example, baking of an oxygen separation membrane), Gas leakage is prevented, and high airtightness and mechanical strength can be maintained over a long period of time. Further, the performance of the oxygen separation membrane module can be improved by preventing gas leakage.
Further, forsterite crystals precipitated in the glass matrix, or crystals that can be precipitated in the glass matrix together with the forsterite crystals, for example, cristobalite (SiO 2 ) crystals, leucite (KAlSi 2 O 6 ) crystals, etc. In addition, since it is an insulator having neither ionic conductivity nor conductivity, a glass having a suitable aspect as the crystal-containing glass can have complete insulation. Thus, according to the oxygen separation membrane module of this aspect, formation of an insulating seal part can be realized, and ion conduction and electron conduction through the seal part can be avoided.
In the present specification, the “membrane” is not limited to a specific thickness, and in the oxygen separation membrane element, at least a membrane-like or layer-like portion that functions as an “oxygen ion conductor (preferably a mixed conductor)” Say.
本発明により提供される別の一態様の酸素分離膜モジュールは、多孔質基材上に酸素イオン伝導体であるペロブスカイト構造の酸化物セラミックスからなる酸素分離膜を備える酸素分離膜エレメントと、該酸素分離膜エレメントに接合されたセラミックス製の接続部材とを備える。上記酸素分離膜エレメントと上記接続部材との接合部分には、該接合部分におけるガス流通を遮断するシール部が形成されている。該シール部は、ガラスマトリックス中に酸化マグネシウム(MgO)からなる結晶と、クリストバライト結晶、リューサイト結晶およびフォーステライト結晶から選択される少なくとも1種の結晶とが析出しているガラスによって形成されている。上記ガラスは、以下の6つの構成元素(必須構成元素であるSi、Al、Na、Kと、任意的構成元素であるCa、B)を、酸化物換算で該6つの構成元素全体を100質量%として以下の質量組成:
SiO2 60〜78質量%;
Al2O3 10〜22質量%;
Na2O 3〜16質量%;
K2O 5〜16質量%;
CaO 0〜 4質量%;
B2O3 0〜 4質量%;
で有している。ここで上記ガラスは、さらに構成元素としてMgを有しており、酸化物換算で上記ガラス全体を100質量%としてMgOの質量組成が13質量%以上30質量%以下であるとともに、このうちの少なくとも半分の量は上記ガラスマトリックス中に析出している結晶の構成成分として存在している。
本態様に係る酸素分離膜モジュールでは、酸素分離膜エレメント(典型的には該膜エレメントにおける多孔質基材および/または酸素分離膜)と接続部材(例えば該酸素分離膜エレメントにガスを供給するためのガス管)との接合部分が、ガラスマトリックス中にMgOからなる結晶に加え、クリストバライト結晶、リューサイト結晶、フォーステライト結晶のうちの少なくとも1種が析出しているガラス(例えばガラスマトリックス中に上記各種の微細結晶が分散状態で析出されるガラス組成物、以下、「結晶含有ガラス」ということもある。)からなるシール材によってシールされている。かかるシール材を構成する結晶含有ガラスが上記のような結晶成分を含有することにより、当該酸素分離膜モジュールの使用温度域(例えば800℃以上1000℃未満)およびそれ以上(典型的には1000℃以上、例えば1200〜1300℃、より好ましくは1200〜1400℃)の高温域下に上記モジュールのシール部が曝されても、該接合材に析出している結晶の溶解が好ましく防止されて、流動し難い。また、MgO結晶を始めとする上記結晶はイオン伝導性も導電性も有さない絶縁体であることから、上記結晶含有ガラスは、完全な絶縁性を有する。さらに、上記のような質量組成の結晶含有ガラスが形成するシール部は、該シール部によってシールされている酸素分離膜エレメントおよびガス管の熱膨張係数(熱膨張率)に近似した熱膨張係数を有し得る。
したがって、本態様に係る酸素分離膜モジュールによると、上記のような高温域に到達しても、上記結晶含有ガラスからなるシール材を用いて形成されたシール部が溶出する虞がない一方、該シール部におけるクラックや剥離等の発生が抑制されてガスリークが防止され、耐熱性の向上と機械的強度の向上を実現するとともに絶縁性を有するシール部を備えた高性能の酸素分離膜モジュールが提供される。
According to another aspect of the oxygen separation membrane module provided by the present invention, an oxygen separation membrane element including an oxygen separation membrane made of an oxide ceramic having a perovskite structure, which is an oxygen ion conductor, on a porous substrate; And a ceramic connection member joined to the separation membrane element. A seal portion that blocks gas flow at the joint portion is formed at the joint portion between the oxygen separation membrane element and the connection member. The seal portion is formed of glass in which a crystal made of magnesium oxide (MgO) and at least one crystal selected from a cristobalite crystal, a leucite crystal, and a forsterite crystal are precipitated in a glass matrix. . The glass contains the following six constituent elements (essential constituent elements Si, Al, Na, K and optional constituent elements Ca, B), and 100 masses of the total of the six constituent elements in terms of oxides. The following mass composition as%:
SiO 2 60 to 78 wt%;
Al 2 O 3 10~22% by weight;
Na 2 O 3-16% by mass;
K 2 O 5-16% by mass;
CaO 0 to 4% by mass;
B 2 O 30 to 4% by mass;
Have. Here, the glass further has Mg as a constituent element, and the total composition of the glass is 100% by mass in terms of oxide, and the mass composition of MgO is 13% by mass to 30% by mass. Half of the amount is present as a constituent of the crystals precipitated in the glass matrix.
In the oxygen separation membrane module according to this aspect, an oxygen separation membrane element (typically a porous substrate and / or an oxygen separation membrane in the membrane element) and a connecting member (for example, supplying gas to the oxygen separation membrane element). In addition to crystals made of MgO in the glass matrix, at least one of cristobalite crystals, leucite crystals, and forsterite crystals is precipitated (for example, the above in the glass matrix) It is sealed with a sealing material comprising a glass composition in which various fine crystals are precipitated in a dispersed state (hereinafter sometimes referred to as “crystal-containing glass”). When the crystal-containing glass constituting the sealing material contains the crystal component as described above, the oxygen separation membrane module can be used in a temperature range (for example, 800 ° C. or higher and lower than 1000 ° C.) or higher (typically 1000 ° C.). As described above, even if the sealing part of the module is exposed to a high temperature range of, for example, 1200 to 1300 ° C., more preferably 1200 to 1400 ° C., dissolution of crystals precipitated in the bonding material is preferably prevented, and It is hard to do. Moreover, since the said crystal | crystallization including MgO crystal | crystallization is an insulator which has neither ionic conductivity nor electroconductivity, the said crystal | crystallization containing glass has perfect insulation. Furthermore, the seal part formed by the crystal-containing glass having the mass composition as described above has a thermal expansion coefficient approximate to the thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) of the oxygen separation membrane element and the gas pipe sealed by the seal part. Can have.
Therefore, according to the oxygen separation membrane module according to the present aspect, there is no possibility that the seal portion formed using the sealing material made of the crystal-containing glass elutes even when reaching the high temperature range as described above. Providing a high-performance oxygen separation membrane module with a seal part that has insulating properties while preventing cracks and peeling in the seal part and preventing gas leaks, improving heat resistance and mechanical strength Is done.
ここで開示される酸素分離膜モジュールのより好ましい一態様では、上記シール部を構成するガラスは、少なくとも1200℃の温度下に曝された後も10×10−6K−1〜14×10−6K−1の熱膨張係数を維持する。
かかる熱膨張係数(典型的には、一般的な示差膨張方式(TMA)に基づく室温(25℃)〜500℃の間の平均値)は、例えば接続部材(例えばガス管)用材料として好適に用いられ得るYSZ等のジルコニア系酸化物(ジルコニア系材料)や酸素分離膜材料として好適に用いられ得るペロブスカイト型酸化物、または多孔質基材として用いられ得る酸化マグネシウム(MgO)等の熱膨張係数と近似する。また、かかる熱膨張係数は、酸素分離膜エレメント全体、もしくは酸素分離膜エレメントと接続部材とからなる酸素分離膜モジュール全体としての熱膨張係数とも近似し得る。したがって、かかる構成の酸素分離膜モジュールによると、少なくとも1200℃(典型的にはそれ以上)の高温域に曝された後においても上記熱膨張係数を有して気密性と機械的強度とを高い次元で保持し得るシール(接合)部の形成を実現することができるとともに、高い耐熱性と耐久性を備えた高性能の酸素分離膜モジュールを実現することができる。
In a more preferable aspect of the oxygen separation membrane module disclosed herein, the glass constituting the seal portion is 10 × 10 −6
Such a coefficient of thermal expansion (typically, an average value between room temperature (25 ° C.) and 500 ° C. based on a general differential expansion method (TMA)) is suitable as a material for connecting members (for example, gas pipes), for example. Thermal expansion coefficient of zirconia-based oxides (zirconia-based materials) such as YSZ that can be used, perovskite-type oxides that can be suitably used as oxygen separation membrane materials, or magnesium oxide (MgO) that can be used as a porous substrate And approximate. The thermal expansion coefficient can be approximated to the thermal expansion coefficient of the entire oxygen separation membrane element or the entire oxygen separation membrane module including the oxygen separation membrane element and the connecting member. Therefore, according to the oxygen separation membrane module having such a configuration, even after being exposed to a high temperature range of at least 1200 ° C. (typically higher), it has the above thermal expansion coefficient and has high airtightness and mechanical strength. Formation of a seal (joining) portion that can be maintained in a dimension can be realized, and a high-performance oxygen separation membrane module having high heat resistance and durability can be realized.
ここで開示される酸素分離膜モジュールの別の好ましい一態様では、上記酸素分離膜は、一般式(1):Ln1−xAxMO3−δで表される組成のペロブスカイト構造を有する酸化物セラミックスにより構成されている。ただし、式中のLnはランタノイドから選択される少なくとも1種であり、AはSr、CaおよびBaからなる群から選択される少なくとも1種であり、Mは、ペロブスカイト型構造を構成し得る1種または2種以上の金属元素であり、0≦x<1であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。また、上記ガス管は、安定化ジルコニアにより構成されている。
かかる構成の酸素分離膜モジュールでは、接合(シール)対象となり得る上記酸素分離膜と接合部材の熱膨張係数と、該酸素分離膜と接続部材との間の接合部分に存在するシール部の熱膨張係数とが、特によく近似する。したがって、かかる構成の酸素分離膜モジュールによると、例えば1200℃程度の高温域での繰り返し使用に耐え、長期にわたって気密性を保持し得る高い耐熱性と耐久性を備えた酸素分離膜モジュールを実現することができる。
In another preferable aspect of the oxygen separation membrane module disclosed herein, the oxygen separation membrane is an oxide having a perovskite structure having a composition represented by the general formula (1): Ln 1-x A x MO 3-δ It is composed of ceramics. However, Ln in a formula is at least 1 sort (s) selected from a lanthanoid, A is at least 1 sort (s) selected from the group which consists of Sr, Ca, and Ba, M is 1 type which can comprise a perovskite type structure. Alternatively, two or more metal elements, 0 ≦ x <1, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition. The gas pipe is made of stabilized zirconia.
In the oxygen separation membrane module having such a configuration, the thermal expansion coefficient of the oxygen separation membrane and the joining member that can be joined (sealed), and the thermal expansion of the seal portion existing at the joined portion between the oxygen separation membrane and the connecting member. The coefficients are particularly well approximate. Therefore, according to the oxygen separation membrane module having such a configuration, an oxygen separation membrane module having high heat resistance and durability that can withstand repeated use in a high temperature range of, for example, about 1200 ° C. and can maintain hermeticity for a long period of time is realized. be able to.
本発明は、他の側面として、上記のような酸素分離膜モジュールのシール部を形成するために用いられるシール材を提供する。すなわち、本発明により提供される一つの態様のシール材は、多孔質基材上に酸素イオン伝導体であるペロブスカイト構造の酸化物セラミックスからなる酸素分離膜を備える酸素分離膜エレメントと該酸素分離膜エレメントに接合されたセラミックス製の接続部材(例えばガス管)とを備える酸素分離膜モジュールにおいて上記酸素分離膜エレメントと上記接続部材とをシールして接合するためのシール材(接合材)である。このシール材は、以下の6つの構成元素を、酸化物換算で該6つの構成元素全体を100質量%として以下の質量組成:
SiO2 60〜78質量%;
Al2O3 10〜22質量%;
Na2O 3〜16質量%;
K2O 5〜16質量%;
CaO 0〜 4質量%;
B2O3 0〜 4質量%;
で有するガラスであってガラスマトリックス中に少なくともフォーステライト結晶が析出しているガラスを主体としている。ここで該ガラスは、さらに構成元素としてMgを有しており、酸化物換算で前記ガラス全体を100質量%としてMgOの質量組成が1質量%以上13質量%未満であるとともに、このうちの少なくとも半分の量は前記ガラスマトリックス中に析出している結晶の構成成分として存在している。
本態様に係るシール材を使用することによって、上述したような耐熱性および耐久性に優れるシール部(接合部)が形成された酸素分離膜モジュールを提供することができる。
As another aspect, the present invention provides a sealing material used for forming the sealing portion of the oxygen separation membrane module as described above. That is, the sealing material according to one aspect provided by the present invention includes an oxygen separation membrane element including an oxygen separation membrane made of an oxide ceramic having a perovskite structure which is an oxygen ion conductor on a porous substrate, and the oxygen separation membrane. A sealing material (joining material) for sealing and joining the oxygen separation membrane element and the connecting member in an oxygen separation membrane module comprising a ceramic connecting member (for example, a gas pipe) joined to the element. This sealing material has the following six constituent elements, the following six mass elements being 100% by mass as a whole in terms of oxides:
SiO 2 60 to 78 wt%;
Al 2 O 3 10~22% by weight;
Na 2 O 3-16% by mass;
K 2 O 5-16% by mass;
CaO 0 to 4% by mass;
B 2 O 30 to 4% by mass;
The glass mainly comprises glass having at least forsterite crystals precipitated in the glass matrix. Here, the glass further contains Mg as a constituent element, and the mass composition of MgO is 1% by mass or more and less than 13% by mass with respect to 100% by mass of the whole glass in terms of oxide, and at least of these Half of the amount is present as a constituent of crystals precipitated in the glass matrix.
By using the sealing material which concerns on this aspect, the oxygen separation membrane module in which the sealing part (joining part) excellent in heat resistance and durability as mentioned above was formed can be provided.
また、本発明により提供される別の一態様のシール材は、多孔質基材上に酸素イオン伝導体であるペロブスカイト構造の酸化物セラミックスからなる酸素分離膜を備える酸素分離膜エレメントと該酸素分離膜エレメントに接合されたセラミックス製の接続部材とを備える酸素分離膜モジュールにおいて上記酸素分離膜エレメントと上記接続部材とをシールして接合するためのシール材である。このシール材は、以下の6つの構成元素を、酸化物換算で該6つの構成元素全体を100質量%として以下の質量組成:
SiO2 60〜78質量%;
Al2O3 10〜22質量%;
Na2O 3〜16質量%;
K2O 5〜16質量%;
CaO 0〜 4質量%;
B2O3 0〜 4質量%;
で有するガラスであってガラスマトリックス中に酸化マグネシウム(MgO)からなる結晶と、クリストバライト結晶、リューサイト結晶およびフォーステライト結晶から選択される少なくとも1種の結晶とが析出しているガラスを主体としている。ここで上記ガラスは、さらに構成元素としてMgを有しており、酸化物換算で上記ガラス全体を100質量%としてMgOの質量組成が13質量%以上30質量%以下であるとともに、このうちの少なくとも半分の量は上記ガラスマトリックス中に析出している結晶の構成成分として存在している。
本態様に係るシール材を使用することによって、上述したような耐熱性および耐久性に優れるシール部(接合部)が形成された酸素分離膜モジュールを提供することができる。
Another aspect of the sealing material provided by the present invention is an oxygen separation membrane element including an oxygen separation membrane made of an oxide ceramic having a perovskite structure, which is an oxygen ion conductor, on a porous substrate, and the oxygen separation A sealing material for sealing and joining the oxygen separation membrane element and the connection member in an oxygen separation membrane module comprising a ceramic connection member joined to the membrane element. This sealing material has the following six constituent elements, the following six mass elements being 100% by mass as a whole in terms of oxides:
SiO 2 60 to 78 wt%;
Al 2 O 3 10~22% by weight;
Na 2 O 3-16% by mass;
K 2 O 5-16% by mass;
CaO 0 to 4% by mass;
B 2 O 30 to 4% by mass;
The glass mainly comprises glass in which a crystal made of magnesium oxide (MgO) and at least one crystal selected from cristobalite crystal, leucite crystal and forsterite crystal are precipitated in a glass matrix. . Here, the glass further has Mg as a constituent element, and the total composition of the glass is 100% by mass in terms of oxide, and the mass composition of MgO is 13% by mass to 30% by mass. Half of the amount is present as a constituent of the crystals precipitated in the glass matrix.
By using the sealing material which concerns on this aspect, the oxygen separation membrane module in which the sealing part (joining part) excellent in heat resistance and durability as mentioned above was formed can be provided.
ここで開示される酸素分離膜モジュール用シール材の好ましい一態様では、少なくとも1200℃の温度下に曝された後も熱膨張係数が10×10−6K−1〜14×10−6K−1を維持するように調製されている。
かかる熱膨張係数は、酸素分離膜モジュールの構成部材(例えば酸素分離膜やガス管等)の熱膨張係数に近似する。これにより、上記のような温度下に曝されても高い耐熱性および耐久性を有するシール部(接合部)を備えた酸素分離膜モジュールを提供することができる。
In a preferable aspect of the oxygen separation membrane module sealing material disclosed herein, the coefficient of thermal expansion is 10 × 10 −6
Such a thermal expansion coefficient approximates the thermal expansion coefficient of the constituent members of the oxygen separation membrane module (for example, an oxygen separation membrane or a gas pipe). Thereby, the oxygen separation membrane module provided with the seal part (joint part) which has high heat resistance and durability even if exposed to the above temperature can be provided.
また、本発明は、上記のような酸素分離膜モジュール用シール材の製造方法を提供する。すなわち、本発明により提供される製造方法の一つの態様は、以下の工程を包含する。すなわち、酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO2 60〜75質量%;
Al2O3 10〜20質量%;
Na2O 3〜15質量%;
K2O 5〜15質量%;
CaO 0〜 3質量%;
B2O3 0〜 3質量%;
MgO 0〜 3質量%;
から実質的に構成されるように調製されたガラス原料粉末を用意し、該原料粉末を溶融してガラス(ガラス質中間体)を調製すること、上記調製したガラス(ガラス質中間体)を粉砕後、MgO粉末を上記ガラス原料粉末全体の1質量%以上10質量%未満に相当する量で添加して上記ガラス(ガラス質中間体)と上記MgOとの混合粉末を調製すること、および、上記混合粉末を結晶化処理することにより、上記ガラスのマトリックス中に結晶成分として少なくともフォーステライト結晶を析出させること、を包含する。
Moreover, this invention provides the manufacturing method of the sealing material for oxygen separation membrane modules as mentioned above. That is, one embodiment of the production method provided by the present invention includes the following steps. That is, the following composition in mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 60 to 75 wt%;
Al 2 O 3 10-20% by mass;
Na 2 O 3-15% by mass;
K 2 O 5-15% by mass;
CaO 0 to 3% by mass;
B 2 O 30 to 3% by mass;
MgO 0 to 3% by mass;
Glass raw material powder prepared so as to be substantially constituted from the above, preparing the glass (glassy intermediate) by melting the raw material powder, and crushing the prepared glass (glassy intermediate) Thereafter, a mixed powder of the glass (glassy intermediate) and the MgO is prepared by adding MgO powder in an amount corresponding to 1% by mass or more and less than 10% by mass of the whole glass raw material powder, and the above The method includes crystallizing the mixed powder to precipitate at least forsterite crystals as crystal components in the glass matrix.
かかる構成のシール材の製造方法では、ガラスマトリックス中に結晶成分を析出させる結晶化処理を実施する前に、ガラスマトリックスを構成し得るMgOとは別に、(主として結晶を構成し得るMgとして)MgO粉末をガラス(ガラス質中間体)に添加しておくことにより、上記混合粉末から少なくともフォーステライト結晶を析出させることができる。
また、かかる方法によって得られるシール材は、上記結晶化処理後にMgO粉末を添加することにより得られるシール材に比べて、1200℃以上(例えば1200℃)の高温域においてもその熱膨張係数を10×10−6K−1〜14×10−6K−1の範囲内に維持し得るため、酸素分離膜モジュールの各構成材料等の熱膨張係数により近似させることができ、酸素分離膜モジュール用シール材として好ましく用いることができる。したがって、かかる製造方法によると、上記高温域下でも高い気密性と機械的強度を備えるとともに絶縁性を有するシール部を形成可能なシール材であって酸素分離膜モジュールに好適なシール材を提供することができる。
In the manufacturing method of the sealing material having such a configuration, before carrying out the crystallization treatment for precipitating a crystal component in the glass matrix, MgO (mainly as Mg capable of constituting a crystal) separate from MgO that can constitute the glass matrix. By adding the powder to glass (glassy intermediate), at least forsterite crystals can be precipitated from the mixed powder.
Further, the sealing material obtained by such a method has a coefficient of thermal expansion of 10 even in a high temperature region of 1200 ° C. or higher (eg, 1200 ° C.) as compared with the sealing material obtained by adding MgO powder after the crystallization treatment. Since it can be maintained within the range of × 10 −6
また、本発明により提供される別の一態様の酸素分離膜モジュール用シール材の製造方法は、以下の工程を包含する。すなわち、酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO2 60〜75質量%;
Al2O3 10〜20質量%;
Na2O 3〜15質量%;
K2O 5〜15質量%;
CaO 0〜 3質量%;
B2O3 0〜 3質量%;
MgO 0〜 3質量%;
から実質的に構成されるように調製されたガラス原料粉末を用意し、該原料粉末を溶融してガラス(ガラス質中間体)を調製すること、上記調製したガラス(ガラス質中間体)を粉砕後、MgO粉末を上記ガラス原料粉末全体の10質量%以上30質量%以下に相当する量で添加して上記ガラス(ガラス質中間体)と上記MgOとの混合粉末を調製すること、および、上記混合粉末を結晶化処理することにより、上記ガラスのマトリックス中に結晶成分として酸化マグネシウム(MgO)からなる結晶と、クリストバライト結晶、リューサイト結晶およびフォーステライト結晶から選択される少なくとも1種の結晶とを析出させること、を包含する。
かかる構成のシール材の製造方法では、ガラスマトリックス中に結晶成分を析出させる結晶化処理を実施する前に、ガラスマトリックスを構成し得るMgOとは別に、(主として結晶を構成し得るMgとして)MgO粉末をガラス(ガラス質中間体)に添加しておくことにより、上記混合粉末からMgOからなる結晶と、クリストバライト結晶、リューサイト結晶およびフォーステライト結晶から選択される少なくとも1種の結晶とを析出させることができる。
また、かかる方法によって得られるシール材は、上記結晶化処理後にMgO粉末を添加することにより得られるシール材に比べて、1200℃以上(例えば1200℃)の高温域においてもその熱膨張係数を10×10−6K−1〜14×10−6K−1の範囲内に維持し得るため、酸素分離膜モジュールの各構成材料等の熱膨張係数により近似させることができ、酸素分離膜モジュール用シール材として好ましく用いることができる。したがって、かかる製造方法によると、高温域下でも高い気密性と機械的強度を備えるとともに絶縁性を有するシール部を形成可能なシール材であって酸素分離膜モジュールに好適なシール材を提供することができる。
Moreover, the manufacturing method of the sealing material for oxygen separation membrane modules of another one aspect | mode provided by this invention includes the following processes. That is, the following composition in mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 60 to 75 wt%;
Al 2 O 3 10-20% by mass;
Na 2 O 3-15% by mass;
K 2 O 5-15% by mass;
CaO 0 to 3% by mass;
B 2 O 30 to 3% by mass;
MgO 0 to 3% by mass;
Glass raw material powder prepared so as to be substantially constituted from the above, preparing the glass (glassy intermediate) by melting the raw material powder, and crushing the prepared glass (glassy intermediate) Thereafter, MgO powder is added in an amount corresponding to 10% by mass or more and 30% by mass or less of the entire glass raw material powder to prepare a mixed powder of the glass (glassy intermediate) and MgO, and By crystallizing the mixed powder, a crystal composed of magnesium oxide (MgO) as a crystal component in the glass matrix and at least one crystal selected from cristobalite crystal, leucite crystal and forsterite crystal are obtained. Precipitating.
In the manufacturing method of the sealing material having such a configuration, before carrying out the crystallization treatment for precipitating a crystal component in the glass matrix, MgO (mainly as Mg capable of forming a crystal) separate from MgO capable of forming the glass matrix By adding the powder to the glass (glassy intermediate), a crystal composed of MgO and at least one crystal selected from cristobalite crystal, leucite crystal and forsterite crystal are precipitated from the mixed powder. be able to.
Further, the sealing material obtained by such a method has a coefficient of thermal expansion of 10 even in a high temperature region of 1200 ° C. or higher (eg, 1200 ° C.) as compared with the sealing material obtained by adding MgO powder after the crystallization treatment. Since it can be maintained within the range of × 10 −6
また、ここで開示される酸素分離膜モジュール用シール材の製造方法の好ましい一態様では、上記結晶化処理として、上記混合粉末を、結晶化を誘起し得る温度域(典型的には1000℃以下、例えば800〜1000℃)で適当な所定時間(例えば800〜1000℃の温度域では30分間〜60分間)加熱する処理が挙げられる。
かかる構成の製造方法によると、上記のような加熱条件で結晶化処理を行うことにより、ガラスマトリックス中に各種結晶が析出した結晶含有ガラスからなるシール材であって酸素分離膜モジュール用シール材として好適なシール材を提供することができる。
In a preferred embodiment of the method for producing a sealing material for an oxygen separation membrane module disclosed herein, as the crystallization treatment, the mixed powder is used in a temperature range (typically 1000 ° C. or lower) at which crystallization can be induced. For example, the process which heats for the appropriate predetermined time (for example, 30 minutes-60 minutes in the temperature range of 800-1000 degreeC) is mentioned at 800-1000 degreeC, for example.
According to the manufacturing method having such a configuration, by performing crystallization treatment under the heating conditions as described above, the sealing material is made of crystal-containing glass in which various crystals are precipitated in a glass matrix, and is used as a sealing material for an oxygen separation membrane module. A suitable sealing material can be provided.
また、本発明は、他の側面として、上記のようなシール材を用いて酸素分離膜エレメントと接続部材(例えばガス管)とを接合(シール)することにより酸素分離膜モジュールを製造する方法を提供する。すなわち、本発明に係る酸素分離膜モジュールの製造方法は、多孔質基材上に酸素イオン伝導体であるペロブスカイト構造の酸化物セラミックスからなる酸素分離膜を備える酸素分離膜エレメントと該膜エレメントに接合されたセラミックス製の接続部材とを備える酸素分離膜モジュールを製造する方法である。この方法は、以下の工程(1)〜(4)を包含する。すなわち、(1)上記ペロブスカイト構造の酸化物セラミックスからなる酸素分離膜用材料を前記多孔質基材上に塗布されてなる塗布膜が形成されている膜エレメントを用意すること、(2)上記接続部材を用意すること、(3)ここで開示されるいずれかのシール材であってガラスマトリックス中に少なくともMgを構成元素として含む結晶とが析出しているガラスからなるシール材を、上記塗布膜が形成された多孔質基材と接続部材とを接続した部分に付与すること、および(4)上記シール材が付与されて互いに接続している上記膜エレメントと上記接続部材とを、上記塗布膜の焼成温度域で焼成することによって、上記塗布膜が焼成されてなる酸素分離膜を上記多孔質基材上に形成すること、および上記膜エレメントと上記接続部材との接続部分に該シール材からなるガス流通を遮断するシール部を形成して互いに接合することを同時に行うこと、を包含する。 In another aspect, the present invention provides a method for producing an oxygen separation membrane module by joining (sealing) an oxygen separation membrane element and a connecting member (for example, a gas pipe) using the sealing material as described above. provide. That is, the method for producing an oxygen separation membrane module according to the present invention includes an oxygen separation membrane element including an oxygen separation membrane made of an oxide ceramic having a perovskite structure, which is an oxygen ion conductor, on a porous substrate, and the membrane element. It is a method of manufacturing an oxygen separation membrane module provided with the made ceramic connection member. This method includes the following steps (1) to (4). That is, (1) preparing a membrane element in which a coating film is formed by coating the porous substrate with an oxygen separation membrane material made of oxide ceramics having a perovskite structure; (2) connecting Providing a member; (3) a sealing material comprising any of the sealing materials disclosed herein, wherein the sealing material is made of glass in which a crystal containing at least Mg as a constituent element is precipitated in a glass matrix; A porous base material formed with a connecting member and a connecting member; and (4) the coating element that is provided with the sealing material and connected to each other, and the connecting member. Forming an oxygen separation film formed by baking the coating film on the porous base material by baking in the baking temperature range, and the membrane element and the connection member Encompassing simultaneously be performed, the to be joined together to form a seal that blocks gas flow consisting of the sealing material in the connecting portion.
本発明に係る酸素分離膜モジュールの製造方法では、該モジュールを構成する酸素分離膜エレメント(例えば該酸素分離膜エレメントにおける多孔質基材および/または酸素分離膜)と接続部材との接続部分を接合してシール部を形成するのにここで開示されるシール材を用いる。このことにより、上記未焼成状態の塗布膜を焼成して酸素分離膜を形成する際に、上記塗布膜の焼成温度域(例えば1200〜1400℃)でも上記シール材が溶出することなく、上記シール部を好ましく形成することができる。これによって、上記酸素分離膜の形成と上記シール材によるシール部の形成(上記酸素分離膜エレメントと接続部材との接合)とを一度の焼成で同時に行うことができる。したがって、かかる製造方法によると、酸素分離膜の形成と製造プロセスの効率化とコスト削減を実現できるとともに、耐熱性と耐久性に優れる高性能の酸素分離膜モジュールの提供を実現することができる。 In the method for producing an oxygen separation membrane module according to the present invention, the oxygen separation membrane element (for example, the porous substrate and / or oxygen separation membrane in the oxygen separation membrane element) constituting the module is joined to the connection portion of the connection member. Thus, the sealing material disclosed herein is used to form the seal portion. Thus, when forming the oxygen separation film by baking the unfired coating film, the sealing material does not elute even in the baking temperature range of the coating film (for example, 1200 to 1400 ° C.). The part can be preferably formed. Thereby, the formation of the oxygen separation membrane and the formation of the seal portion by the sealing material (joining of the oxygen separation membrane element and the connecting member) can be simultaneously performed by one firing. Therefore, according to this manufacturing method, the formation of an oxygen separation membrane, the efficiency of the manufacturing process and the cost reduction can be realized, and the provision of a high-performance oxygen separation membrane module excellent in heat resistance and durability can be realized.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項(例えば、シール材を構成する結晶含有ガラスの調製方法)以外の事項であって本発明の実施に必要な事柄(原料粉末の混合方法や酸素分離膜エレメントの構築方法)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. In addition, matters other than matters specifically mentioned in the present specification (for example, a method for preparing crystal-containing glass constituting the sealing material) and matters necessary for carrying out the present invention (mixing method of raw material powder and oxygen separation) The construction method of the membrane element) can be grasped as a design matter of a person skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
ここで開示される一態様の酸素分離膜モジュール(以下、「第1の酸素分離膜モジュール」という場合がある。)は、その主要構成要素(部材)である酸素分離膜エレメントとガス管等の接続部材との接合部分が、ガラスマトリックス中に少なくともフォーステライト(Mg2SiO4)結晶が析出しているガラス(以下、「結晶含有ガラス1」という場合がある。)によってシールされていることにより特徴づけられるものである。また、かかるシール部における結晶含有ガラス1は、Si、Al、Na、K、Ca、Bの6つの構成元素を、酸化物換算で該6つの構成元素全体を100質量%としてSiO2が60〜78質量%、Al2O3が10〜22質量%、Na2Oが3〜16質量%、K2Oが5〜16質量%、CaOが0〜4質量%、B2O3が0〜4質量%となる質量組成で有しており、上記ガラスはさらに構成元素としてMgを有しており酸化物換算でMgOの質量組成が上記ガラス全体を100質量%として1質量%以上13質量%未満であるとともに、このうちの半分の量は上記ガラスマトリックス中に析出している結晶の構成成分として存在していることを特徴としている。 An oxygen separation membrane module according to one aspect disclosed herein (hereinafter sometimes referred to as “first oxygen separation membrane module”) includes an oxygen separation membrane element, a gas pipe, and the like, which are main components (members) thereof. By joining the connecting portion with the connecting member by a glass in which at least forsterite (Mg 2 SiO 4 ) crystals are precipitated in the glass matrix (hereinafter sometimes referred to as “crystal-containing glass 1”). It can be characterized. In addition, the crystal-containing glass 1 in such a seal portion has six constituent elements of Si, Al, Na, K, Ca, and B, the total of the six constituent elements being 100% by mass in terms of oxide, and SiO 2 is 60 to 60%. 78 wt%, Al 2 O 3 is 10 to 22 wt%, Na 2 O is 3 to 16 wt%, K 2 O is 5 to 16 wt%, CaO 0 to 4 wt%, B 2 O 3 is 0 It has a mass composition of 4% by mass, and the glass further has Mg as a constituent element, and the mass composition of MgO in terms of oxide is 1% by mass to 13% by mass with the whole glass being 100% by mass. It is characterized by the fact that half of the amount is present as a constituent of crystals precipitated in the glass matrix.
ここで開示される他の一態様の酸素分離膜モジュール(以下、「第2の酸素分離膜モジュール」という場合がある。)は、その主要構成要素(部材)である酸素分離膜エレメントとガス管等の接続部材との接合部分がガラスマトリックス中に酸化マグネシウム(MgO)からなる結晶と、クリストバライト(SiO2)結晶、リューサイト(KAlSi2O6あるいは4SiO2・Al2O3・K2O)結晶およびフォーステライト(Mg2SiO4)結晶から選択される少なくとも1種の結晶とが析出しているガラス(以下、「結晶含有ガラス2」という場合がある。)によってシールされていることにより特徴づけられるものである。また、かかるシール部における結晶含有ガラス2は、Si、Al、Na、K、Ca、Bの6つの構成元素を、酸化物換算で該6つの構成元素全体を100質量%としてSiO2が60〜78質量%、Al2O3が10〜22質量%、Na2Oが3〜16質量%、K2Oが5〜16質量%、CaOが0〜4質量%、B2O3が0〜4質量%となる質量組成で有しており、上記ガラスはさらに構成元素としてMgを有しており酸化物換算でMgOの質量組成が上記ガラス全体を100質量%として13質量%以上30質量%以下であるとともに、このうちの少なくとも半分の量は、上記ガラスマトリックス中に析出している結晶の構成成分として存在していることを特徴としている。
したがって、その他の構成成分の内容や組成については、種々の基準に照らして任意に決定することができる。
An oxygen separation membrane module according to another aspect disclosed herein (hereinafter also referred to as “second oxygen separation membrane module”) includes an oxygen separation membrane element and a gas pipe as main components (members). Crystals made of magnesium oxide (MgO) in the glass matrix, cristobalite (SiO 2 ) crystal, leucite (KAlSi 2 O 6 or 4SiO 2 · Al 2 O 3 · K 2 O) It is characterized by being sealed by a glass in which at least one crystal selected from crystals and forsterite (Mg 2 SiO 4 ) crystals is deposited (hereinafter sometimes referred to as “crystal-containing glass 2”). It can be attached. In addition, the crystal-containing glass 2 in such a seal portion has six constituent elements of Si, Al, Na, K, Ca, and B, the total of the six constituent elements being 100% by mass in terms of oxide, and SiO 2 is 60 to 60%. 78 wt%, Al 2 O 3 is 10 to 22 wt%, Na 2 O is 3 to 16 wt%, K 2 O is 5 to 16 wt%, CaO 0 to 4 wt%, B 2 O 3 is 0 It has a mass composition of 4% by mass, and the glass further has Mg as a constituent element, and the mass composition of MgO in terms of oxide is 13% by mass to 30% by mass with 100% by mass as the whole glass. In addition to the following, at least half of the amount is present as a constituent component of crystals precipitated in the glass matrix.
Therefore, the content and composition of other components can be arbitrarily determined in light of various standards.
ここで開示される上記第1および第2の酸素分離膜モジュールについて説明する。なお、以下の説明において上記第1の酸素分離膜モジュールか第2の酸素分離膜モジュールかを特定していない記載は、これら酸素分離膜モジュールに共通する説明である。
ここで開示される酸素分離膜モジュールを構成する酸素分離膜エレメントは、その主たる構成要素として多孔質基材と該基材上に形成されている酸素分離膜とを備えている。
酸素分離膜の支持体として機能する多孔質基材としては、従来のこの種の膜エレメント(例えば酸素分離膜エレメント)で採用されている種々の性状のセラミック多孔質体を使用することができる。上記酸素分離膜モジュールの使用温度域(例えば800℃以上1000℃未満)において安定な耐熱性を有する材質からなるものが好ましく用いられる。例えば、酸素分離膜と同様の組成を有するセラミック多孔質体、あるいはマグネシア(酸化マグネシウム)、ジルコニア(酸化ジルコニウム)、窒化ケイ素、炭化ケイ素等を主体とするセラミック多孔質体を用いることができる。あるいは、金属材料を主体とする金属質多孔体を用いてもよい。本実施形態では、安価で入手し易く、機械的強度に優れるとともに、ここで開示されるシール材の構成成分としても含まれるMgOを用いる。
かかる多孔質支持体の形状は特に限定されず、例えば、板状(平面状、球面状等を含む。)や、管状(両端が開口した開管状、一端が開口し他端が閉じている閉管状等を含む。)等が挙げられ、その所定部分の一部または全面に酸素分離膜を形成させることができる。また、かかる多孔質基材の気孔率(水銀圧入法に基づく)についても特に限定されないが、例えば凡そ80体積%以下(典型的には凡そ5〜80体積%)が適当であり、好ましくは60体積%以下(典型的には50〜60体積%)である。また、かかる多孔質基材の平均細孔径(水銀圧入法に基づく)としては、例えば20μm以下(典型的には0.1μm〜20μm)が好ましい。このような気孔率および平均細孔径を有する多孔質基材は、酸素含有ガス等の気体の透過を妨げることがなく、またその表面により薄い酸素分離膜を好適に形成することができる。
The first and second oxygen separation membrane modules disclosed here will be described. In the following description, the description that does not specify the first oxygen separation membrane module or the second oxygen separation membrane module is an explanation common to these oxygen separation membrane modules.
The oxygen separation membrane element constituting the oxygen separation membrane module disclosed herein includes a porous base material and an oxygen separation membrane formed on the base material as main components.
As the porous substrate that functions as a support for the oxygen separation membrane, ceramic porous bodies having various properties that are employed in this type of conventional membrane element (for example, an oxygen separation membrane element) can be used. A material made of a material having stable heat resistance in the use temperature range (for example, 800 ° C. or higher and lower than 1000 ° C.) of the oxygen separation membrane module is preferably used. For example, a ceramic porous body having the same composition as the oxygen separation membrane, or a ceramic porous body mainly composed of magnesia (magnesium oxide), zirconia (zirconium oxide), silicon nitride, silicon carbide, or the like can be used. Alternatively, a metallic porous body mainly composed of a metal material may be used. In this embodiment, MgO, which is inexpensive and easily available, has excellent mechanical strength, and is also included as a constituent of the sealing material disclosed herein, is used.
The shape of such a porous support is not particularly limited. For example, it is a plate shape (including a flat shape, a spherical shape, etc.), a tubular shape (open tube with both ends open, closed with one end opened and the other closed). And the like, and an oxygen separation membrane can be formed on a part or the entire surface of the predetermined portion. Further, the porosity (based on the mercury intrusion method) of the porous substrate is not particularly limited. For example, about 80% by volume or less (typically about 5 to 80% by volume) is appropriate, and preferably 60%. The volume% or less (typically 50-60 volume%). Moreover, as an average pore diameter (based on a mercury intrusion method) of this porous base material, for example, 20 μm or less (typically 0.1 μm to 20 μm) is preferable. The porous substrate having such a porosity and average pore diameter does not hinder the permeation of gas such as oxygen-containing gas, and a thin oxygen separation membrane can be suitably formed on the surface thereof.
酸素分離膜を構成する酸化物セラミックスは、酸素イオン伝導体であるペロブスカイト構造をとるものであればよく、特定の構成元素のものに限られないが、酸素イオン伝導性と電子伝導性の両方を有する優れた混合伝導体となるような元素で構成されることが好ましい。ここで開示される酸素分離膜材が混合伝導性を有する場合には、酸素分離膜の一方の側(酸素含有ガスが供給される側)と他方の側(酸素分離膜材を透過した酸素イオンが酸素ガスとして酸化される側、あるいは供給された炭化水素ガスと反応する側)とを短絡させるための外部電極や外部回路を用いることなく、一方から他方へと連続的に酸素イオンを透過させることができるとともに、酸素イオンの透過速度を上げることができるため好ましい。 The oxide ceramic constituting the oxygen separation membrane is not limited to a specific constituent element as long as it has a perovskite structure that is an oxygen ion conductor, but has both oxygen ion conductivity and electron conductivity. It is preferably composed of an element that provides an excellent mixed conductor. When the oxygen separation membrane material disclosed herein has mixed conductivity, one side of the oxygen separation membrane (the side to which the oxygen-containing gas is supplied) and the other side (oxygen ions that have permeated the oxygen separation membrane material) Oxygen ions are continuously permeated from one to the other without using an external electrode or an external circuit for short-circuiting the side that is oxidized as oxygen gas or the side that reacts with the supplied hydrocarbon gas) In addition, the oxygen ion permeation rate can be increased.
この種の酸化物セラミックスとしては、一般式(1):Ln1−xAxMO3−δで表わされる組成のペロブスカイト型酸化物が好ましい。ここで、式中のLnは、ランタノイドから選択される少なくとも1種(典型的にはランタン(La))である。Aは、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)およびカルシウム(Ca)のうちの1種または2種以上の元素であり、特に好ましくはSrである。また、Mは、ペロブスカイト型構造を構成し得る金属元素であり、例えばマグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)、ガリウム(Ga)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、鉄(Fe、銅(Cu)、インジウム(In)、錫(Sn)、ジルコニウム(Zr)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、亜鉛(Zn)、ゲルマニウム(Ge)、スカンジウム(Sc)およびイットリウム(Y)のうちの1種または2種以上である。
また、上記一般式(1)における「x」は、このペロブスカイト型構造においてLn(典型的にはLa)がAによって置き換えられた割合を示す値である。このxの取り得る範囲は、ペロブスカイト型構造を崩すことなく該構造を維持し得る限りにおいて特に限定されないが、0≦x<1が適当であり、好ましくは0.4≦x≦0.6である。
なお、上記δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。上記一般式(1)における酸素原子数は、ペロブスカイト型構造の一部を置換する原子の種類および置換割合その他の条件により変動するため正確に表示することが困難である。このため、電荷中性条件を満たすように定まる値として、1を超えない正の数δ(0<δ<1)を採用し、酸素原子数を3−δと表示するのが妥当であるが、以下では便宜的に3と表示することもある。ただし、該酸素原子の数を便宜的に3として表示しても、異なる化合物を表しているわけではない。
The oxide ceramics of this type, the general formula (1): perovskite oxide having a composition represented by Ln 1-x A x MO 3 -δ is preferred. Here, Ln in the formula is at least one selected from lanthanoids (typically lanthanum (La)). A is one or more elements of strontium (Sr), barium (Ba), and calcium (Ca), and particularly preferably Sr. M is a metal element that can form a perovskite structure. For example, magnesium (Mg), manganese (Mn), gallium (Ga), titanium (Ti), cobalt (Co), nickel (Ni), aluminum ( Al), iron (Fe, copper (Cu), indium (In), tin (Sn), zirconium (Zr), vanadium (V), chromium (Cr), zinc (Zn), germanium (Ge), scandium (Sc) ) And yttrium (Y).
Further, “x” in the general formula (1) is a value indicating the ratio of Ln (typically La) replaced by A in this perovskite structure. The range that x can take is not particularly limited as long as the structure can be maintained without destroying the perovskite structure, but 0 ≦ x <1 is appropriate, and preferably 0.4 ≦ x ≦ 0.6. is there.
Note that δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition. The number of oxygen atoms in the general formula (1) varies depending on the type of atom that substitutes a part of the perovskite structure, the substitution ratio, and other conditions, so that it is difficult to display accurately. Therefore, it is appropriate to adopt a positive number δ (0 <δ <1) that does not exceed 1 as a value that is determined to satisfy the charge neutrality condition, and to display the number of oxygen atoms as 3-δ. Hereinafter, 3 may be displayed for convenience. However, even if the number of oxygen atoms is represented as 3 for convenience, it does not represent a different compound.
また、上記のようなペロブスカイト型酸化物としては、上記一般式(1)のM(すなわちペロブスカイト型酸化物のBサイトを構成する金属元素)としてCo、Ti、Ni、Feのうちのいずれかが含まれているものがより好ましい。特に好ましくは、触媒金属としても用いられ得る程度に反応性の高いCoが含まれているペロブスカイト型酸化物である。このようなペロブスカイト型酸化物としては、例えば、La1−xSrxCo1−yTiyO3(LSCT酸化物)、La1−xSrxCo1−yNiyO3(LSCN酸化物)、La1−xSrxCo1−yFeyO3(LSCF酸化物)で示される複合酸化物が挙げられる。ここで、上記「x」は、0≦x<1(例えば0.4≦x≦0.6)である。また、上記「y」は、かかるペロブスカイト型構造においてCoがTiやFe等の他の金属元素によって置き換えられた割合を示す値であり、上記のようなペロブスカイト型コバルト酸化物の「y」の取り得る範囲は、0≦y<1が適当であり、好ましくは0.1≦y≦0.5である。 In addition, as the perovskite oxide as described above, any one of Co, Ti, Ni, and Fe may be used as M in the general formula (1) (that is, a metal element constituting the B site of the perovskite oxide). What is contained is more preferable. Particularly preferred is a perovskite oxide containing Co that is reactive enough to be used as a catalyst metal. Examples of such perovskite oxides include La 1-x Sr x Co 1-y Ti y O 3 (LSCT oxide), La 1-x Sr x Co 1-y Ni y O 3 (LSCN oxide). ), La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 (LSCF oxide). Here, “x” is 0 ≦ x <1 (for example, 0.4 ≦ x ≦ 0.6). In addition, the above “y” is a value indicating the ratio of Co in the perovskite type structure replaced by other metal elements such as Ti and Fe, and the “y” value of the perovskite type cobalt oxide as described above. The range to be obtained is suitably 0 ≦ y <1, and preferably 0.1 ≦ y ≦ 0.5.
上記のような材質からなる多孔質基材と酸素分離膜を備えてなる酸素分離膜エレメントに接合されて連結されるセラミックス製の接続部材の一つの好適例として、上記酸素分離膜エレメントにガス(例えば酸素含有ガス、典型的には空気)を供給するためのガス管が挙げられる。かかるガス管については、酸素分離膜エレメントにガスを供給するために一般的に用いられるガス管と同様でよく、特に制限されない。例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)等のジルコニア系酸化物、酸化セリウム、酸化マグネシウム(マグネシア)、ムライト等の緻密体が挙げられる。特にYSZの緻密体からなるガス管は、ここで開示されるシール材や酸素分離膜エレメント(例えばその酸素分離膜)の熱膨張係数と近似させることができるので該シール材を用いて上記酸素分離膜エレメントに接合させ易く、好適に用いることができる。ガス管の形状、サイズについては、連結される酸素分離膜エレメントのサイズや接合部分の大きさに合わせて適宜設定される。以下、酸素分離膜エレメントに接合されたセラミックス製の接続部材がガス管である場合を例として、本発明を説明する。 As one preferred example of a ceramic connecting member joined and connected to an oxygen separation membrane element comprising a porous base material made of the material as described above and an oxygen separation membrane, a gas ( For example, a gas pipe for supplying an oxygen-containing gas (typically air) may be mentioned. Such a gas pipe may be the same as a gas pipe generally used for supplying gas to the oxygen separation membrane element, and is not particularly limited. Examples thereof include zirconia-based oxides such as yttria-stabilized zirconia (YSZ), and dense bodies such as cerium oxide, magnesium oxide (magnesia), and mullite. In particular, a gas pipe made of a dense body of YSZ can be approximated to the thermal expansion coefficient of the sealing material and oxygen separation membrane element (for example, the oxygen separation membrane) disclosed herein. It is easy to join to a membrane element and can be used suitably. The shape and size of the gas pipe are appropriately set according to the size of the oxygen separation membrane element to be connected and the size of the joined portion. Hereinafter, the present invention will be described by taking as an example the case where the ceramic connecting member joined to the oxygen separation membrane element is a gas pipe.
セラミックス製の多孔質基材、およびガス管等の接続部材を製造する方法は、従来のこの種の膜エレメント(例えば酸素分離膜エレメント)で採用されている種々の性状のセラミック多孔質体、あるいは酸素分離膜エレメントにガスを供給するための一般的なガス管を製造する方法と同様でよく、特に限定されない。例えば一軸圧縮成形、静水圧プレス、押出成形等の従来公知の成形法を採用することができる。具体例としては、所定の材料(例えば平均粒径0.1μm〜10μm程度のMgO粉末やYSZ粉末等の粉末材料、バインダー、分散剤、溶媒)からなるスラリー状の成形材料を調製する。次いで、かかる成形材料を用いて所定形状(典型的には多孔質基材およびガス管のいずれも管状または円筒状)およびサイズに押出成形する。得られた成形体を酸化性雰囲気(例えば大気中)または不活性ガス雰囲気で適当な温度域(例えば1300〜1600℃)で焼成することにより、多孔質基材およびガス管を製造することができる。なお、多孔質基材および接続部材については市販品(既製品)を用いてもよい。 A ceramic porous substrate and a method for producing a connecting member such as a gas pipe are made of ceramic porous bodies having various properties that are employed in conventional membrane elements of this type (for example, oxygen separation membrane elements), or The method may be the same as the method of manufacturing a general gas pipe for supplying gas to the oxygen separation membrane element, and is not particularly limited. For example, conventionally known molding methods such as uniaxial compression molding, isostatic pressing, and extrusion molding can be employed. As a specific example, a slurry-like molding material made of a predetermined material (for example, a powder material such as MgO powder or YSZ powder having an average particle diameter of about 0.1 μm to 10 μm, a binder, a dispersant, and a solvent) is prepared. Subsequently, the molding material is used to extrude into a predetermined shape (typically both a porous base material and a gas pipe are tubular or cylindrical) and a size. A porous substrate and a gas pipe can be produced by firing the obtained molded body in an oxidizing atmosphere (for example, in the air) or an inert gas atmosphere at an appropriate temperature range (for example, 1300 to 1600 ° C.). . In addition, about a porous base material and a connection member, you may use a commercial item (off-the-shelf product).
また、多孔質基材上にペロブスカイト構造の酸化物セラミックスからなる酸素分離膜を形成する手法は特に限定されず、従来公知の種々の手法を採用することができる。一好適例としては、まず、製造しようとするペロブスカイト型酸化物(例えばLSCN酸化物)からなる酸素分離膜用材料粉末を用意する。次に、適当なバインダー、分散剤、可塑剤、溶媒等と混合してスラリーを調製し、一般的なディップコーティング等の手法によって該スラリーを多孔質基材表面(例えば管状の多孔質基材の外周面)に付与(塗布)することができる。多孔質基材表面に付与された塗布物(塗布膜)の厚さ寸法については、該塗布膜を焼成して得られる酸素分離膜の所望する膜厚に応じて適宜設定される。かかる酸素分離膜の膜厚としては、1000μm以下の範囲内が適当であり、好ましくは200μm以下(典型的には、凡そ5μm〜200μm)の範囲であり、より好ましい態様では凡そ100μm以下(典型的には、凡そ5μm〜100μm)の範囲であり、薄いものほど好ましい。このため、上記塗布膜の膜厚は該塗布膜の焼成後に上記範囲の厚さ寸法となるように設定される。本実施形態では酸素分離膜が多孔質基材に支持されているので、該酸素分離膜自体に機械的強度は要求されず、該酸素分離膜の緻密性が維持される範囲にあれば上記塗布膜の厚さ寸法の下限は特に限定されない。
以上により多孔質基材(支持体)の表面にペロブスカイト構造の酸化物セラミックス(例えばLSCN酸化物またはLSCT酸化物)からなる塗布膜(未焼成状態の酸素分離膜)を形成することができる。なお、多孔質基材上に形成された塗布物(塗布膜)を適当な温度(典型的には60〜100℃)で乾燥させてもよい。あるいは、後述のように、ガス管との接合部分にシール材を付与した後に、上記塗布膜とシール材とを両方まとめて乾燥させてもよい。
In addition, a method for forming an oxygen separation membrane made of oxide ceramics having a perovskite structure on a porous substrate is not particularly limited, and various conventionally known methods can be employed. As a preferred example, first, an oxygen separation membrane material powder made of a perovskite oxide (for example, LSCN oxide) to be manufactured is prepared. Next, a slurry is prepared by mixing with an appropriate binder, dispersant, plasticizer, solvent, etc., and the slurry is coated on the surface of the porous substrate (for example, a tubular porous substrate) by a general method such as dip coating. (Outer peripheral surface) can be applied (applied). About the thickness dimension of the coating material (coating film | membrane) provided to the porous base material surface, it sets suitably according to the film thickness which the oxygen separation film obtained by baking this coating film | membrane obtains. The thickness of the oxygen separation membrane is suitably in the range of 1000 μm or less, preferably 200 μm or less (typically about 5 μm to 200 μm), and more preferably about 100 μm or less (typical). Is in the range of about 5 μm to 100 μm), and the thinner is preferable. For this reason, the film thickness of the coating film is set so that the thickness dimension is in the above range after the coating film is baked. In this embodiment, since the oxygen separation membrane is supported by the porous substrate, the oxygen separation membrane itself is not required to have mechanical strength, and the above-described application is performed as long as the denseness of the oxygen separation membrane is maintained. The lower limit of the thickness dimension of the film is not particularly limited.
Thus, a coating film (non-fired oxygen separation film) made of oxide ceramics (for example, LSCN oxide or LSCT oxide) having a perovskite structure can be formed on the surface of the porous substrate (support). In addition, you may dry the coating material (coating film) formed on the porous base material at suitable temperature (typically 60-100 degreeC). Or after giving a sealing material to the joined part with a gas pipe like the after-mentioned, you may dry both the said coating film and a sealing material collectively.
上記酸素分離膜用材料粉末としては、予め所定の組成に調製されている市販のペロブスカイト型酸化物粉末(例えばLSCN酸化物)を用いてもよい。あるいはまた、製造しようとするペロブスカイト型酸化物を構成する金属元素(例えばLa、Sr、Co、Ni)を含む酸化物あるいは加熱により酸化物となり得る化合物(当該金属原子の炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、ハロゲン化物、水酸化物、オキシハロゲン化物等)がそれぞれ該ペロブスカイト型酸化物の組成比に対応するような配合比で配合されたものを出発原料(粉末)とし、これを焼成(仮焼)することにより得られたものを上記酸素分離膜用材料粉末として用いることもできる。かかる出発原料は、上記ペロブスカイト型酸化物を構成する金属元素のうち2種以上の金属元素を含む化合物(複合金属酸化物、複合金属炭酸塩等)を含有してもよい。また、上記酸素分離膜用材料粉末に、水、有機バインダー等の成形助剤、および分散剤を添加・混合してスラリーを調製し、スプレードライヤー等の造粒機を用いることにより、所望する粒径(例えば平均粒径が10μm〜100μm)に造粒してもよい。
以上のようにして、ペロブスカイト構造の酸化物セラミックスからなる塗布膜(未焼成状態の酸素分離膜)が多孔質基材上に形成されている膜エレメントを得ることができるとともに、かかる膜エレメントに接合されるガス管を得ることができる。
As the oxygen separation membrane material powder, a commercially available perovskite oxide powder (for example, LSCN oxide) prepared in advance to a predetermined composition may be used. Alternatively, an oxide containing a metal element (for example, La, Sr, Co, Ni) constituting the perovskite oxide to be produced, or a compound that can be converted into an oxide by heating (a carbonate, nitrate, sulfate of the metal atom) , Phosphates, acetates, oxalates, halides, hydroxides, oxyhalides, etc.), each of which is blended at a blending ratio corresponding to the composition ratio of the perovskite oxide. A powder obtained by firing (calcining) the powder can also be used as the material powder for the oxygen separation membrane. Such a starting material may contain a compound (a composite metal oxide, a composite metal carbonate, or the like) containing two or more metal elements among the metal elements constituting the perovskite oxide. In addition, a slurry is prepared by adding and mixing a molding aid such as water and an organic binder, and a dispersant to the oxygen separation membrane material powder, and using a granulator such as a spray dryer, the desired particles are obtained. You may granulate to a diameter (for example, an average particle diameter of 10 micrometers-100 micrometers).
As described above, it is possible to obtain a membrane element in which a coating film (non-fired oxygen separation membrane) made of oxide ceramics having a perovskite structure is formed on a porous substrate, and bonded to the membrane element. Gas pipes can be obtained.
次に、酸素分離膜モジュール用シール材について説明する。
ここで開示される一態様のシール材(以下、「シール材1」という場合がある。)は、該シール材を構成するガラスが上述の結晶含有ガラス1、すなわちガラスマトリックス中に少なくともフォーステライト(Mg2SiO4)結晶が析出しているガラスであることによって特徴づけられるものである。また、ここで開示される他の一態様のシール材(以下、「シール材2」という場合がある。)は、該該シール材を構成するガラスが上述の結晶含有ガラス2、すなわちガラスマトリックス中に酸化マグネシウム(MgO)結晶からなる結晶と、クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶とが析出しているガラスであることによって特徴づけられるものである。
ここで開示される上記シール材1および2は、上記のような構成の酸素分離膜エレメントと接続部材(本実施形態ではガス管)とを互いにシールして接合するためのシール材(接合材)である。
Next, the sealing material for an oxygen separation membrane module will be described.
The sealing material of one aspect disclosed herein (hereinafter sometimes referred to as “sealing material 1”) is such that the glass constituting the sealing material contains at least forsterite in the crystal-containing glass 1, that is, the glass matrix. It is characterized by being a glass on which Mg 2 SiO 4 ) crystals are precipitated. Further, the sealing material according to another embodiment disclosed herein (hereinafter sometimes referred to as “sealing material 2”) is such that the glass constituting the sealing material is the above-described crystal-containing glass 2, that is, in the glass matrix. Further, it is characterized by being a glass in which crystals composed of magnesium oxide (MgO) crystals, cristobalite crystals and / or leucite crystals are precipitated.
The sealing materials 1 and 2 disclosed herein are sealing materials (joining materials) for sealing and joining the oxygen separation membrane element and the connecting member (in this embodiment, gas pipes) configured as described above. It is.
上記シール材1および2をそれぞれ構成する結晶含有ガラス1および2について説明する。なお、以下の説明において結晶含有ガラス1か結晶含有ガラス2かを特定していない記載は、これら結晶含有ガラスに共通する説明である。シール材の第1か第2かを特定していない場合についても同様である。
ここで開示される結晶含有ガラスは、酸素分離膜モジュールの使用温度域(典型的には800℃以上1000℃未満、例えば900℃以上1000℃未満)およびそれ以上(典型的には1000℃以上、特に1200℃以上、例えば1200〜1300℃、より好ましくは1200〜1400℃、あるいはそれ以上)の高温域で溶融し難い組成のガラスが好ましい。この場合、ガラスの融点(軟化点)を上昇させる成分の添加または増加により、所望する高融点(高軟化点)を実現することができる。
このような結晶含有ガラスは、その必須構成元素としてSi、Al、Na、Kを含んでおり、また、任意的(付加的)な構成元素としてCa、およびBを含み得る。これらの6つの構成元素を該元素の酸化物状態(すなわち酸化ケイ素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ナトリウム(Na2O)、酸化カリウム(K2O)ならびに所望により酸化カルシウム(CaO)、酸化ホウ素(B2O3))として含んでいる酸化物ガラスであることが好ましい。本発明の実施に適する結晶の析出を妨げない範囲においてこれら成分のほか目的に応じて種々の成分(典型的には種々の酸化物成分)をさらに付加的に含むことができる。
また、結晶含有ガラスの結晶成分のうちクリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶について、かかる結晶の析出量は、結晶含有ガラスにおける上記構成元素(必須構成元素)の酸化物換算での含有率(配合比)によって適宜調整することができる。
このような結晶が析出し得る結晶含有ガラスの質量組成としては、酸化物換算で上記6つの構成元素全体(すなわち、SiO2、Al2O3、Na2O、K2O、CaOおよびB2O3)を100質量%として、SiO2が60〜78質量%、Al2O3が10〜22質量%、Na2Oが3〜16質量%、K2Oが5〜16質量%、CaOが0〜4質量%、およびB2O3が0〜4質量%であることが好ましい。
The crystal-containing glasses 1 and 2 constituting the sealing materials 1 and 2 will be described. In the following description, the description that does not specify the crystal-containing glass 1 or the crystal-containing glass 2 is an explanation common to these crystal-containing glasses. The same applies to the case where the first or second sealing material is not specified.
The crystal-containing glass disclosed here is used in an oxygen separation membrane module operating temperature range (typically 800 ° C. or higher and lower than 1000 ° C., for example, 900 ° C. or higher and lower than 1000 ° C.) and higher (typically 1000 ° C. or higher, In particular, a glass having a composition that hardly melts in a high temperature range of 1200 ° C. or higher, for example, 1200 to 1300 ° C., more preferably 1200 to 1400 ° C. or higher) is preferable. In this case, a desired high melting point (high softening point) can be realized by adding or increasing a component that increases the melting point (softening point) of the glass.
Such crystal-containing glass contains Si, Al, Na, and K as its essential constituent elements, and may contain Ca and B as optional (additional) constituent elements. These six constituent elements are converted into their oxide state (ie, silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), sodium oxide (Na 2 O), potassium oxide (K 2 O) and optionally oxidized. Oxide glass contained as calcium (CaO) or boron oxide (B 2 O 3 )) is preferable. In addition to these components, various components (typically, various oxide components) can be further included in addition to these components as long as they do not prevent the precipitation of crystals suitable for the practice of the present invention.
In addition, for cristobalite crystals and / or leucite crystals among the crystal components of the crystal-containing glass, the amount of such crystals precipitated is the content of the above constituent elements (essential constituent elements) in the crystal-containing glass in terms of oxide (mixing ratio) ) Can be adjusted as appropriate.
The mass composition of the crystal-containing glass on which such crystals can be precipitated is the total of the above six constituent elements (that is, SiO 2 , Al 2 O 3 , Na 2 O, K 2 O, CaO and B 2 in terms of oxide). O 3) as 100 mass%, SiO 2 is 60 to 78 wt%, Al 2 O 3 is 10 to 22 wt%, Na 2 O is 3 to 16 wt%, K 2 O is 5 to 16 wt%, CaO Is preferably 0 to 4% by mass, and B 2 O 3 is preferably 0 to 4% by mass.
SiO2はクリストバライト結晶およびリューサイト結晶、ならびにフォーステライト結晶を構成する成分であり、接合部のガラス層(ガラスマトリックス)の骨格を構成する主成分である。SiO2含有率が高すぎると融点(軟化点)が高くなりすぎてしまい好ましくない。一方、SiO2含有率が低すぎると、クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶析出量が減少し得る。また、耐水性や耐化学性が低下する。SiO2含有率が結晶含有ガラス全体の60〜75質量%であることが好ましい。 SiO 2 is a component constituting a cristobalite crystal, a leucite crystal, and a forsterite crystal, and is a main component constituting a skeleton of a glass layer (glass matrix) at a joint portion. If the SiO 2 content is too high, the melting point (softening point) becomes too high, which is not preferable. On the other hand, if the SiO 2 content is too low, the amount of cristobalite crystals and / or leucite crystals deposited can be reduced. In addition, water resistance and chemical resistance are reduced. It is preferred SiO 2 content of from 60 to 75 wt% of the total crystal-containing glass.
Al2O3はリューサイト結晶を構成する成分であり、ガラスの流動性を制御して付着安定性に関与する成分である。Al2O3含有率が低すぎると付着安定性が低下して均一な厚みのガラス層(ガラスマトリックス)の形成を損なう虞があるとともにリューサイト結晶析出量が減少し得る。一方、Al2O3含有率が高すぎると、接合部の耐化学性を低下させる虞がある。Al2O3含有率が結晶含有ガラス全体の10〜20質量%であることが好ましい。 Al 2 O 3 is a component constituting a leucite crystal, and is a component involved in adhesion stability by controlling the fluidity of glass. If the Al 2 O 3 content is too low, the adhesion stability may be reduced, and the formation of a glass layer (glass matrix) having a uniform thickness may be impaired, and the amount of leucite crystal precipitation may be reduced. On the other hand, if the Al 2 O 3 content is too high, the chemical resistance of the joint may be lowered. It is preferable al 2 O 3 content is 10 to 20 wt% of the total crystal-containing glass.
K2Oはリューサイト結晶を構成する成分であり、Na2Oとともに熱膨張係数(熱膨張率)を高める成分である。K2O含有率が低すぎるとリューサイト結晶析出量が減少し得る。また、K2O含有率およびNa2O含有率が低すぎると熱膨張係数が低くなりすぎる虞がある。一方、K2O含有率およびNa2O含有率が高すぎると熱膨張係数が過剰に高くなるため好ましくない。K2O含有率が結晶含有ガラス全体の5〜15質量%であることが好ましい。また、Na2Oの含有率が結晶含有ガラス全体の3〜15質量%であることが好ましい。K2OとNa2Oの合計が結晶含有ガラス全体の10〜20質量%であることが特に好ましい。 K 2 O is a component constituting the leucite crystal, and is a component that increases the thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) together with Na 2 O. If the K 2 O content is too low, the amount of leucite crystal precipitation can be reduced. Further, if the K 2 O content and the Na 2 O content are too low, the thermal expansion coefficient may be too low. On the other hand, if the K 2 O content and the Na 2 O content are too high, the thermal expansion coefficient becomes excessively high, which is not preferable. It is preferred K 2 O content is 5 to 15 wt% of the total crystal-containing glass. Further, it is preferable that Na 2 O content is 3 to 15 wt% of the total crystal-containing glass. It is particularly preferable that the total of K 2 O and Na 2 O is 10 to 20% by mass of the entire crystal-containing glass.
アルカリ土類金属酸化物であるCaOは、熱膨張係数の調整を行うことができる任意添加成分である。CaOはガラスマトリックスの硬度を上げて耐摩耗性を向上させ得る成分であり、CaOの結晶含有ガラス全体における含有率は、ゼロ(無添加)かあるいは3質量%以下が好ましい。 CaO, which is an alkaline earth metal oxide, is an optional additive component that can adjust the thermal expansion coefficient. CaO is a component that can increase the hardness of the glass matrix and improve the wear resistance. The content of CaO in the entire crystal-containing glass is preferably zero (no addition) or 3% by mass or less.
B2O3もまた任意添加成分である。B2O3はガラス中でAl2O3と同様の作用を示すと考えられ、ガラスマトリックスの多成分化に貢献し得る。また、シール材調製時の溶融性の向上に寄与する成分である。一方、この成分が多すぎると耐酸性の低下を招くため好ましくない。B2O3の結晶含有ガラス全体における含有率は、ゼロ(無添加)か、あるいは3質量%以下程度が好ましい。
また、上述した酸化物成分以外の、本発明の実施において本質的ではない成分(例えばZnO、Li2O、Bi2O3、SrO、SnO、SnO2、CuO、Cu2O、TiO2、ZrO2、La2O3)を種々の目的に応じて添加することができる。
B 2 O 3 is also an optional additive component. B 2 O 3 is considered to exhibit the same action as Al 2 O 3 in glass, and can contribute to the multi-componentization of the glass matrix. Moreover, it is a component which contributes to the improvement of the meltability at the time of sealing material preparation. On the other hand, too much of this component is not preferable because it causes a decrease in acid resistance. The content of B 2 O 3 in the entire crystal-containing glass is preferably zero (no addition) or about 3% by mass or less.
In addition to the oxide components described above, components that are not essential in the practice of the present invention (for example, ZnO, Li 2 O, Bi 2 O 3 , SrO, SnO, SnO 2 , CuO, Cu 2 O, TiO 2 , ZrO) 2 , La 2 O 3 ) can be added according to various purposes.
また、ここで開示される結晶含有ガラスは、結晶含有ガラス1と結晶含有ガラス2のいずれにおいても上記構成元素以外にMgを必須構成元素として含むことを特徴とする。また、かかる結晶含有ガラスでは、少なくともMgの半分(半量)以上を結晶成分の構成成分として含有すればよく、ガラスマトリックスの構成成分としてMgを含むか含まないかは任意である。例えば、ガラスマトリックスの構成成分としてMg(典型的にはMgO)を含有させる場合には、上記アルカリ土類金属酸化物のCaOとともに、熱膨張係数の調整を行うことができる成分となり、特にMgOの場合にはガラス溶融時の粘度調整により熱膨張係数を調整することができる。 Moreover, the crystal-containing glass disclosed here includes Mg as an essential constituent element in addition to the constituent elements in both the crystal-containing glass 1 and the crystal-containing glass 2. In addition, such crystal-containing glass may contain at least half (half amount) of Mg as a constituent component of the crystal component, and it is arbitrary whether Mg is included or not included as a constituent component of the glass matrix. For example, when Mg (typically MgO) is contained as a constituent component of the glass matrix, it becomes a component capable of adjusting the coefficient of thermal expansion together with CaO of the alkaline earth metal oxide. In this case, the coefficient of thermal expansion can be adjusted by adjusting the viscosity at the time of melting the glass.
また、ここで開示される結晶含有ガラスでは、該ガラスに含まれるMgの含有率(質量組成)によって、ガラスマトリックス中に析出し得る結晶成分の種類が異なり得る。すなわち、かかる結晶含有ガラスにおいて、上記Mgの質量組成が、酸化物換算(MgO換算)で該結晶含有ガラス全体(Mgを含む上記構成元素全て、例えば、上述したSi、Al、Na、K、Ca、BおよびMgが構成元素である場合は、これら元素の酸化物換算における総量)を100質量%としたときの1質量%以上13質量%未満である場合には、ガラスマトリックス中に少なくともフォーステライト結晶が析出する組成を有する結晶含有ガラス1となる。また、上記のような質量組成(含有率)で結晶含有ガラス1に含まれるMgOのうち少なくとも半分の量は、該結晶含有ガラス1中に析出し得る結晶(主としてフォーステライト結晶)の構成成分として含まれ、残りのMgは結晶含有ガラス1のガラス成分(ガラスマトリックスの構成成分)として含まれ得ることが好ましい。より好ましくは、上記結晶含有ガラス1中に含まれるMgの50〜75質量%程度が上記析出結晶の構成元素(成分)として寄与し得る。なお、上記結晶含有ガラス1は、フォーステライト結晶以外の結晶として、例えばクリストバライト結晶、リューサイト結晶等を含み得る。 Moreover, in the crystal-containing glass disclosed here, the types of crystal components that can be precipitated in the glass matrix may differ depending on the content (mass composition) of Mg contained in the glass. That is, in the crystal-containing glass, the mass composition of Mg is the oxide-based (MgO-converted) whole crystal-containing glass (all the above-described constituent elements including Mg, for example, Si, Al, Na, K, and Ca described above). When B, Mg are constituent elements, the total amount of these elements in terms of oxide) is 100% by mass or more and less than 13% by mass, and at least forsterite in the glass matrix. The crystal-containing glass 1 has a composition in which crystals are precipitated. In addition, at least half of the MgO contained in the crystal-containing glass 1 with the mass composition (content) as described above is a constituent component of crystals (mainly forsterite crystals) that can be precipitated in the crystal-containing glass 1. It is preferable that the remaining Mg can be included as a glass component of the crystal-containing glass 1 (a constituent component of the glass matrix). More preferably, about 50 to 75% by mass of Mg contained in the crystal-containing glass 1 can contribute as a constituent element (component) of the precipitated crystal. The crystal-containing glass 1 may include, for example, a cristobalite crystal, a leucite crystal, etc. as a crystal other than the forsterite crystal.
一方、上記Mgの質量組成が、酸化物換算で上記結晶含有ガラス全体を100質量%としたときの13質量%以上30質量%以下である場合には、上記結晶含有ガラスは、ガラスマトリックス中にMgOからなる結晶と、クリストバライト結晶、リューサイト結晶、およびフォーステライト結晶のうちの少なくとも1種の結晶とが析出し得る組成の結晶含有ガラス2となる。また、上記のような質量組成(含有率)で結晶含有ガラス2に含まれるMgOのうち少なくとも半分の量は、該結晶含有ガラス2中に析出し得る結晶(主としてMgO結晶)の構成成分として含まれることが好ましい。より好ましくは、上記結晶含有ガラス2中のMgの75〜90質量%程度が上記結晶の構成元素(成分)として寄与し得る。さらに、上記Mgの質量組成(含有率)の範囲内においては、該含有率が増加するに連れて上記析出結晶のうちMgO結晶の占める割合が高まり得る。 On the other hand, when the mass composition of Mg is 13% by mass or more and 30% by mass or less when the total crystal-containing glass is 100% by mass in terms of oxide, the crystal-containing glass is contained in the glass matrix. The crystal-containing glass 2 has a composition in which a crystal made of MgO and at least one of a cristobalite crystal, a leucite crystal, and a forsterite crystal can be precipitated. In addition, at least half of the MgO contained in the crystal-containing glass 2 with the mass composition (content) as described above is included as a constituent component of crystals (mainly MgO crystals) that can be precipitated in the crystal-containing glass 2. It is preferable that More preferably, about 75 to 90% by mass of Mg in the crystal-containing glass 2 can contribute as a constituent element (component) of the crystal. Furthermore, within the range of the mass composition (content rate) of Mg, as the content rate increases, the proportion of the MgO crystals in the precipitated crystals can be increased.
上記のように、上記結晶含有ガラスのガラスマトリックス中に析出し得る複数の結晶のうち、フォーステライト結晶またはMgO結晶がその他の結晶とともに存在し得ることにより、このような結晶含有ガラスからなる上記シール材を用いて形成されたシール部は、例えば1200℃以上の高温に曝されても、ガラスマトリックス中に析出している各結晶(例えばクリストバライト結晶やリューサイト結晶)の再溶解が防止され、かかるシール部の熱膨張係数の低下が抑制され得る。したがって、耐熱性と気密性とを高いレベルで両立する酸素分離膜モジュール用シール材として好適な結晶含有ガラスが得られる。ここで、上記結晶含有ガラスにおけるMgの質量組成は、上述のように、酸化物換算(MgO換算)で該結晶含有ガラス全体の1質量%以上13質量%未満であるか、13質量%以上30質量%以下であることが好ましい。かかる質量組成が1質量%よりも少なすぎると、上記結晶含有ガラスからなるシール材において、該結晶含有ガラス中の各種結晶が再溶解し得る虞がある。かかる観点からはMgの質量組成は、酸化物換算で結晶含有ガラス全体の3質量%以上がより好ましい。
また、少なくとも1200℃の温度下に曝された後の上記シール材の熱膨張係数(一般的な示差膨張方式(TMA)に基づく室温(25℃)〜500℃の間の平均値)が大幅に低下して接合対象部分の熱膨張係数との差が広がり、シール部に剥離やクラック等が生じてシール部の機械的強度が低下する虞がある。一方、上記質量組成が30質量%よりも大きすぎると、結晶含有ガラス中の結晶成分(主にはMgO結晶)の含有量が多すぎてガラス成分が減少するとともに、MgOが焼結しきれないことから、シール部の緻密性が確保できず、高い気密性を有するシール部を形成できない虞がある。かかる観点からはMgの質量組成は、酸化物換算で結晶含有ガラス全体の20質量%以下がより好ましい。例えば、Mgの質量組成は、酸化物換算で結晶含有ガラス全体の3質量%以上20質量%以下がさらに好ましい。
As described above, among the plurality of crystals that can be precipitated in the glass matrix of the crystal-containing glass, a forsterite crystal or an MgO crystal can be present together with other crystals, whereby the seal made of such a crystal-containing glass. Even if the seal portion formed using the material is exposed to a high temperature of, for example, 1200 ° C. or higher, re-dissolution of each crystal (for example, cristobalite crystal or leucite crystal) precipitated in the glass matrix is prevented. A decrease in the thermal expansion coefficient of the seal portion can be suppressed. Therefore, a crystal-containing glass suitable as a sealing material for an oxygen separation membrane module that achieves both heat resistance and airtightness at a high level can be obtained. Here, as described above, the mass composition of Mg in the crystal-containing glass is 1% by mass or more and less than 13% by mass or 13% by mass or more and 30% by mass in terms of oxide (MgO conversion). It is preferable that it is below mass%. When the mass composition is less than 1% by mass, there is a possibility that various crystals in the crystal-containing glass may be redissolved in the sealing material made of the crystal-containing glass. From this viewpoint, the mass composition of Mg is more preferably 3% by mass or more of the entire crystal-containing glass in terms of oxide.
In addition, the thermal expansion coefficient of the sealing material after being exposed to a temperature of at least 1200 ° C. (average value between room temperature (25 ° C.) and 500 ° C. based on a general differential expansion method (TMA)) is greatly increased. There is a risk that the difference between the thermal expansion coefficient of the parts to be joined widens and the seal part peels off, cracks, etc., and the mechanical strength of the seal part decreases. On the other hand, if the mass composition is more than 30% by mass, the content of the crystal component (mainly MgO crystal) in the crystal-containing glass is too large, and the glass component is reduced, and MgO cannot be completely sintered. For this reason, the denseness of the seal portion cannot be ensured, and there is a possibility that a seal portion having high airtightness cannot be formed. From this viewpoint, the mass composition of Mg is more preferably 20% by mass or less of the entire crystal-containing glass in terms of oxide. For example, the mass composition of Mg is more preferably 3% by mass or more and 20% by mass or less of the entire crystal-containing glass in terms of oxide.
上記のような組成の結晶含有ガラスからなるシール材の調製は、好ましくは、該シール材の熱膨張係数が接合対象(酸素分離膜エレメントとガス管等の接続部材)の熱膨張係数に近似するように該結晶含有ガラスの各構成(組成)成分を調合することにより行う。一例として、YSZ等のジルコニア系酸化物の緻密体から形成されているガス管とペロブスカイト型酸化物のLSCT酸化物からなる緻密な酸素分離膜との間を塞ぐ(シールする)ようにして、酸素分離膜エレメント(におけるMgOからなる多孔質基材)とガス管とを接合する場合には、上記ジルコニア系酸化物やペロブスカイト型酸化物、またはMgOの熱膨張係数(あるいは上記接合部分全体、もしくは上記酸素分離膜エレメントとガス管との接合体全体としての熱膨張係数)に近似させて、熱膨張係数が10×10−6K−1〜14×10−6K−1となるように組成を調整して上記結晶含有ガラス(からなるシール材)を調製すればよい。
In the preparation of the sealing material comprising the crystal-containing glass having the above composition, preferably, the thermal expansion coefficient of the sealing material approximates the thermal expansion coefficient of the object to be joined (a connecting member such as an oxygen separation membrane element and a gas pipe). Thus, it carries out by preparing each component (composition) component of this crystal-containing glass. As an example, oxygen gas is sealed (sealed) between a gas tube formed of a dense body of zirconia-based oxide such as YSZ and a dense oxygen separation membrane made of LSCT oxide of a perovskite oxide. When joining a separation membrane element (a porous substrate made of MgO in the above) and a gas pipe, the thermal expansion coefficient of the zirconia-based oxide, perovskite oxide, or MgO (or the entire joined portion, or the above) The composition is adjusted so that the thermal expansion coefficient is 10 × 10 −6
ここで、上記のような組成のガラス成分と上記クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶とを含むガラス組成物(すなわちフォーステライト結晶またはMgO結晶を含まないガラス組成物)からなるシール材では、酸素分離膜モジュールの典型的な使用温度域(例えば800℃以上1000℃未満)に曝される場合には、上記結晶成分は再溶解せず、また、熱膨張係数についても、酸素分離膜モジュールの各構成部材またはモジュール全体(酸素分離膜エレメントと接続部材の接合体全体)としての熱膨張係数(例えば10×10−6K−1〜14×10−6K−1)と同程度になり得る。しかし、上記使用温度域以上、例えば1000℃以上、特に1200℃以上(例えば1200〜1300℃、より好ましくは1200〜1400℃)の高温域に曝される場合には、上記結晶成分が再溶解し得るとともに、熱膨張係数が大幅に低下(例えば6×10−6K−1〜9×10−6K−1)し得るので、かかるシール材を用いて形成されるシール部(接合部)は、1200℃以上のような高温域での優れた耐熱性を実現することが難しかった。
Here, in a sealing material comprising a glass composition containing the glass component having the above composition and the cristobalite crystal and / or the leucite crystal (that is, a glass composition not containing forsterite crystal or MgO crystal), oxygen separation is performed. When exposed to a typical use temperature range of the membrane module (for example, 800 ° C. or more and less than 1000 ° C.), the above-mentioned crystal component does not re-dissolve, and the thermal expansion coefficient is not limited to each component of the oxygen separation membrane module. The thermal expansion coefficient (for example, 10 × 10 −6
このようなフォーステライト結晶やMgO結晶を含まないシール材に対して、ここで開示される結晶含有ガラス(すなわちフォーステライト結晶またはMgO結晶を含む結晶含有ガラス)から構成されるシール材は、例えば酸素分離膜の焼成時に1200℃以上(例えば1200〜1300℃、好ましくは1200〜1400℃、あるいはそれ以上)の高温域に曝されても、上記結晶成分が再溶解して接合部分から溶出することなく、また熱膨張係数も10×10−6K−1〜14×10−6K−1を保持することができるので、優れた耐熱性を備えたシール部の形成が実現される。したがって、ここで開示される結晶含有ガラスからなるシール材を用いることにより、1200℃以上の高温域に曝されても高い気密性と機械的強度を有するシール部が形成されて、長期にわたりガスリークが高い次元で防止され得る高性能の酸素分離膜モジュールの製造を実現することができる。
In contrast to such a forsterite crystal or MgO crystal-free sealing material, a sealing material composed of the crystal-containing glass disclosed herein (that is, a crystal-containing glass containing forsterite crystal or MgO crystal) is, for example, oxygen Even when exposed to a high temperature range of 1200 ° C. or higher (for example, 1200 to 1300 ° C., preferably 1200 to 1400 ° C. or higher) during firing of the separation membrane, the crystalline component does not re-dissolve and does not elute from the bonded portion. Moreover, since the thermal expansion coefficient can be maintained at 10 × 10 −6
次に、このようなシール材を製造する方法について説明する。
ここで開示される一態様のシール材の製造方法は、結晶含有ガラス1から構成されるシール材1を製造する方法であって、以下の工程を包含することが好ましい。すなわち、かかる製造方法は、まず、(1)酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO2 60〜75質量%;
Al2O3 10〜20質量%;
Na2O 3〜15質量%;
K2O 5〜15質量%;
CaO 0〜 3質量%;
B2O3 0〜 3質量%;
MgO 0〜 3質量%;
から実質的に構成されるように調製されたガラス原料粉末を用意し、該原料粉末を溶融してガラス(ガラス質中間体)を調製すること、(2)上記調製したガラス(ガラス質中間体)を粉砕後、MgO粉末を上記ガラス原料粉末全体の1質量%以上10質量%未満(好ましくは3質量%以上10質量%未満)に相当する量で添加して上記ガラス(ガラス質中間体)と上記MgOとの混合粉末を調製すること、および(3)上記混合粉末を結晶化処理することにより、上記ガラスのマトリックス中に結晶成分として少なくともフォーステライト結晶を析出させること、を包含する。
Next, a method for manufacturing such a sealing material will be described.
The manufacturing method of the sealing material of 1 aspect disclosed here is a method of manufacturing the sealing material 1 comprised from the crystal-containing glass 1, Comprising: It is preferable that the following processes are included. That is, the manufacturing method first comprises (1) the following composition in terms of mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 60 to 75 wt%;
Al 2 O 3 10-20% by mass;
Na 2 O 3-15% by mass;
K 2 O 5-15% by mass;
CaO 0 to 3% by mass;
B 2 O 30 to 3% by mass;
MgO 0 to 3% by mass;
A glass raw material powder prepared so as to be substantially constituted from the above, and melting the raw material powder to prepare glass (glassy intermediate); (2) the glass prepared above (glassy intermediate) ), The MgO powder is added in an amount corresponding to 1% by mass or more and less than 10% by mass (preferably 3% by mass or more and less than 10% by mass) of the entire glass raw material powder, and the glass (glassy intermediate) And (3) precipitating at least forsterite crystals as crystal components in the glass matrix by crystallizing the mixed powder.
また、ここで開示される他の態様のシール材の製造方法は、結晶含有ガラス2から構成されるシール材2を製造する方法であって、以下の工程を包含することが好ましい。すなわち、かかる製造方法は、まず、(1)酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO2 60〜75質量%;
Al2O3 10〜20質量%;
Na2O 3〜15質量%;
K2O 5〜15質量%;
CaO 0〜 3質量%;
B2O3 0〜 3質量%;
MgO 0〜 3質量%;
から実質的に構成されるように調製されたガラス原料粉末を用意し、該原料粉末を溶融してガラス(ガラス質中間体)を調製すること、(2)上記調製したガラス(ガラス質中間体)を粉砕後、MgO粉末を上記ガラス原料粉末全体の10質量%以上30質量%以下(好ましくは10質量%以上20質量%以下)に相当する量で添加して上記ガラス(ガラス質中間体)と上記MgOとの混合粉末を調製すること、および(3)上記混合粉末を結晶化処理することにより、上記ガラスのマトリックス中に結晶成分としてMgOからなる結晶と、クリストバライト結晶、リューサイト結晶およびフォーステライト結晶から選択される少なくとも1種の結晶とを析出させること、を包含する。
Moreover, the manufacturing method of the sealing material of the other aspect disclosed here is a method of manufacturing the sealing material 2 comprised from the crystal containing glass 2, Comprising: It is preferable that the following processes are included. That is, the manufacturing method first comprises (1) the following composition in terms of mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 60 to 75 wt%;
Al 2 O 3 10-20% by mass;
Na 2 O 3-15% by mass;
K 2 O 5-15% by mass;
CaO 0 to 3% by mass;
B 2 O 30 to 3% by mass;
MgO 0 to 3% by mass;
A glass raw material powder prepared so as to be substantially constituted from the above, and melting the raw material powder to prepare glass (glassy intermediate); (2) the glass prepared above (glassy intermediate) ) Is added, and MgO powder is added in an amount corresponding to 10% by mass or more and 30% by mass or less (preferably 10% by mass or more and 20% by mass or less) of the entire glass raw material powder, and the glass (glassy intermediate) is added. And (3) by crystallizing the mixed powder, a crystal composed of MgO as a crystal component in the glass matrix, cristobalite crystal, leucite crystal and Depositing at least one crystal selected from stellite crystals.
さらに、上記の製造方法において、上記MgO粉末を添加する工程において、結晶化処理を実施する前のガラス(ガラス質中間体)粉末にMgO粉末を添加し、該MgO粉末の添加後の混合粉末に対して結晶化処理を行うことが好ましい。MgO添加後の混合粉末を結晶化処理して結晶成分を析出(典型的には複数の結晶成分を同時に析出)させてなるシール材では、予め上記ガラス(ガラス質中間体)を結晶化処理により結晶成分を析出させたガラスにMgOを添加(典型的には添加後に熱処理を実施)して得られるシール材に比べて、1200℃以上のような高温域下での熱膨張係数の低下を抑制する効果が向上し得る。 Further, in the manufacturing method, in the step of adding the MgO powder, the MgO powder is added to the glass (glassy intermediate) powder before the crystallization treatment, and the mixed powder after the addition of the MgO powder is added. It is preferable to perform a crystallization treatment. In a sealing material in which the mixed powder after the addition of MgO is crystallized to precipitate crystal components (typically, a plurality of crystal components are simultaneously precipitated), the glass (glassy intermediate) is previously crystallized by crystallization treatment. Compared to sealing materials obtained by adding MgO to glass on which crystal components have been deposited (typically heat treatment after the addition), it suppresses a decrease in thermal expansion coefficient at high temperatures such as 1200 ° C or higher. Effect can be improved.
以下、ここで開示されるシール材の製造方法の一好適例について説明する。
まず、かかるシール材(結晶含有ガラス)の各構成元素の酸化物成分を得るための化合物(例えば各成分を含有する酸化物、炭酸塩、硝酸塩、複合酸化物等を含む工業製品、試薬、または各種の鉱物原料)および必要に応じてそれ以外の添加物を(典型的にはこれらを混合してなる混和物を)ガラス原料粉末として用意する。かかるガラス原料粉末は、酸化物換算の質量比でSiO2が60〜75質量%、Al2O3が10〜20質量%、Na2Oが3〜15質量%、K2Oが5〜15質量%、CaOが0〜3質量%、B2O3が0〜3質量%、およびMgOが0〜3質量%となるような組成から実質的に構成されるように調製されることが好ましい。上記各酸化物成分を得るための化合物(典型的には粉末状)の平均粒径としては、凡そ1μm〜10μm程度が好ましい。このような各化合物および添加物を上記組成比となるように乾式または湿式のボールミル等の混合機に投入し、数時間〜数十時間混合する。このようにして得られた混和物(ガラス原料粉末)を、乾燥後、耐火性の坩堝に入れ、適当な高温(典型的には1000〜1500℃)条件下で加熱・溶融させる。このようにして上述のような組成からなるガラス(ガラス質中間体)を調製する。
Hereinafter, a preferable example of the manufacturing method of the sealing material disclosed herein will be described.
First, a compound for obtaining an oxide component of each constituent element of such a sealing material (crystal-containing glass) (for example, an industrial product, a reagent containing each component, an oxide, a carbonate, a nitrate, a composite oxide, or the like, or Various mineral raw materials) and other additives as necessary (typically, an admixture obtained by mixing them) are prepared as glass raw material powders. Such glass material powder, SiO 2 is 60 to 75 wt% in mass ratio of oxide equivalent, Al 2 O 3 is 10 to 20 wt%, Na 2 O 3 to 15 wt%, K 2 O 5-15 It is preferably prepared so as to be substantially composed of such a composition that the mass%, CaO is 0 to 3 mass%, B 2 O 3 is 0 to 3 mass%, and MgO is 0 to 3 mass%. . The average particle size of the compound (typically powder) for obtaining each of the oxide components is preferably about 1 μm to 10 μm. Each of these compounds and additives are put into a mixer such as a dry or wet ball mill so as to have the above composition ratio, and mixed for several hours to several tens of hours. The admixture (glass raw material powder) thus obtained is dried, placed in a refractory crucible, and heated and melted under suitable high temperature (typically 1000 to 1500 ° C.) conditions. In this way, glass (glassy intermediate) having the above composition is prepared.
次に、得られたガラス(ガラス質中間体)を適当な大きさ(粒径)となるまで粉砕し、ガラス(ガラス質中間体)粉末を作製する。このガラス粉砕処理後に分級処理も実施することが好ましい。ガラス粉末の粒径(平均粒径)としては、後に添加されるMgO粉末と均一に混和し易く、また扱い易い粒径である限りにおいて特に制限されないが、例えば0.5μm〜50μmの範囲が適当であり、好ましくは1μm〜10μmである。
この粉砕により得られたガラス(ガラス質中間体)粉末に対して、MgO粉末を上述の配合比で添加する。ここで添加するMgO粉末は、最終的に得られる結晶含有ガラス1または結晶含有ガラス2におけるガラスマトリックスの構成成分としても寄与し得るが、主としてガラスマトリックス中に析出し得るMgを構成元素として含む結晶(結晶含有ガラス1であれば少なくともフォーステライト結晶、結晶含有ガラス2であればMgO結晶および/またはフォーステライト結晶)の形成に寄与し得るものである。上記MgO粉末の平均粒径としては、上記ガラス質中間体粉末と均一に混合された混合粉末を形成し易く、また後の結晶化処理において、上記Mgを構成元素として含む結晶が他の結晶とともに好ましく析出し得るような大きさが好ましい。このような平均粒径としては、0.1μm〜10μmが好ましく、より好ましくは0.5μm〜5μmである。
MgO粉末の添加量としては、酸化物換算で上記ガラス原料粉末全体の質量に対して1質量%以上30質量%以下(好ましくは3質量%以上20質量%以下)の割合で添加することが適当である。ここで、かかる添加量が1質量%以上10質量%未満である場合には、最終的に得られる結晶含有ガラス(結晶含有ガラス1)には結晶成分として少なくともフォーステライト結晶を析出し得る(その他の結晶、例えばクリストバライト結晶やリューサイト結晶なども析出し得る)。また、上記MgO粉末の添加量が上記ガラス原料粉末全体の10質量%〜30質量%である場合には、得られる結晶含有ガラス(結晶含有ガラス2)には結晶成分としてMgO結晶と、該結晶に加えて、クリストバライト結晶、リューサイト結晶およびフォーステライト結晶のうちの少なくとも1種の結晶が析出し得る。
Next, the obtained glass (glassy intermediate) is pulverized to an appropriate size (particle size) to produce glass (glassy intermediate) powder. It is preferable to carry out a classification treatment after the glass pulverization treatment. The particle size (average particle size) of the glass powder is not particularly limited as long as it is easy to uniformly mix with MgO powder added later and is easy to handle. For example, a range of 0.5 μm to 50 μm is appropriate. And preferably 1 μm to 10 μm.
The MgO powder is added to the glass (glassy intermediate) powder obtained by this pulverization at the above blending ratio. The MgO powder added here can also contribute as a constituent component of the glass matrix in the crystal-containing glass 1 or the crystal-containing glass 2 finally obtained, but is a crystal mainly containing Mg that can be precipitated in the glass matrix as a constituent element. It can contribute to the formation of at least forsterite crystals in the case of the crystal-containing glass 1 and MgO crystals and / or forsterite crystals in the case of the crystal-containing glass 2. As the average particle diameter of the MgO powder, it is easy to form a mixed powder uniformly mixed with the glassy intermediate powder, and in the subsequent crystallization treatment, the crystal containing Mg as a constituent element together with other crystals A size capable of being preferably deposited is preferred. Such an average particle size is preferably 0.1 μm to 10 μm, more preferably 0.5 μm to 5 μm.
The addition amount of the MgO powder is suitably 1 to 30% by mass (preferably 3 to 20% by mass) with respect to the total mass of the glass raw material powder in terms of oxide. It is. Here, when the added amount is 1% by mass or more and less than 10% by mass, at least forsterite crystals can be precipitated as a crystal component in the finally obtained crystal-containing glass (crystal-containing glass 1) (others) Crystal such as cristobalite crystal or leucite crystal may also be precipitated). Moreover, when the addition amount of the MgO powder is 10% by mass to 30% by mass of the whole glass raw material powder, the crystal-containing glass (crystal-containing glass 2) to be obtained contains MgO crystals as crystal components and the crystals. In addition, at least one of a cristobalite crystal, a leucite crystal, and a forsterite crystal may be precipitated.
次に、上記添加されたMgO粉末と上記ガラス(ガラス質中間体)粉末とを、上記と同様にして乾式または湿式のボールミル等の混合機を用いて数時間〜数十時間混合する。このようにしてMgOとガラスとが満遍なく均一に混合された混合粉末を得る。かかる混合粉末としての平均粒径は、0.5μm〜10μmが好ましく、より好ましくは1μm〜5μmである。
次いで、上記のようにして得られた混合粉末に対して結晶化処理を行う。この結晶化処理としては、該混合粉末を、結晶化を誘起し得る温度域、例えば1000℃以下の温度域であって比較的高温域(例えば600〜1000℃、より好ましくは800〜1000℃)であって所定時間(典型的には30分間以上、例えば30分間〜60分間)加熱するとよい。一好適例としては、上記混合粉末を室温から約100℃まで約1〜5℃/分の昇温速度で加熱し、約100℃からは1〜10℃/分の昇温速度で加熱し、800℃以上1000℃以下の温度域で30分〜60分程度保持した後に、凡そ1〜5℃/分の降温速度で室温まで冷却する。このことにより、ガラスマトリックス中に上記各種結晶を同時に析出させることができる。このようにして、結晶含有ガラス1または2を製造することができる。
こうして得られた結晶含有ガラス1または2は、種々の方法で所望する形態に成形することができる。例えば、ボールミルで粉砕したり、適宜篩いがけ(分級)したりすることによって、所望する平均粒径(例えば0.1μm〜10μm)の粉末状の結晶含有ガラス1または2を得ることができる。
また、得られた粉末状結晶含有ガラス1または2に対して、水を適量加えて上記と同様のボールミルを用いて混合する。その後、所定時間の乾燥処理を実施することにより、ここで開示される態様の粉末状のシール材(シール材1または2)を得ることができる。
Next, the added MgO powder and the glass (glassy intermediate) powder are mixed for several hours to several tens of hours using a mixer such as a dry or wet ball mill in the same manner as described above. In this way, a mixed powder in which MgO and glass are uniformly mixed is obtained. The average particle size of the mixed powder is preferably 0.5 μm to 10 μm, more preferably 1 μm to 5 μm.
Next, a crystallization process is performed on the mixed powder obtained as described above. In this crystallization treatment, the mixed powder is subjected to a temperature range in which crystallization can be induced, for example, a temperature range of 1000 ° C. or less and a relatively high temperature range (eg, 600 to 1000 ° C., more preferably 800 to 1000 ° C.). And it is good to heat for predetermined time (Typically 30 minutes or more, for example, 30 minutes-60 minutes). As a preferred example, the mixed powder is heated from room temperature to about 100 ° C. at a temperature rising rate of about 1 to 5 ° C./min, from about 100 ° C. at a temperature rising rate of 1 to 10 ° C./min, After maintaining at a temperature range of 800 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower for about 30 minutes to 60 minutes, it is cooled to room temperature at a temperature drop rate of about 1 to 5 ° C./min. Thus, the various crystals can be simultaneously precipitated in the glass matrix. In this way, the crystal-containing glass 1 or 2 can be produced.
The crystal-containing glass 1 or 2 thus obtained can be formed into a desired form by various methods. For example, the powder-containing crystal-containing glass 1 or 2 having a desired average particle diameter (for example, 0.1 μm to 10 μm) can be obtained by pulverizing with a ball mill or appropriately sieving (classifying).
Further, an appropriate amount of water is added to the obtained powdery crystal-containing glass 1 or 2 and mixed using a ball mill similar to the above. Then, the powder-form sealing material (sealing material 1 or 2) of the aspect disclosed here can be obtained by implementing the drying process for predetermined time.
このようにして得られた粉末状のシール材は、従来のシール材(接合材)と同様に、典型的にはペースト状(スラリー状)に調製されて、接合対象の接続部分(被接合部分)に塗布することができる。例えば、得られた上記シール材に適当なバインダーや溶媒を混合してペーストを調製することができる。なお、ペーストに用いられるバインダー、溶媒および他の成分(例えば分散剤)は、特に限定されるものではなく、ペースト製造において従来公知のものから適宜選択して用いることができる。
例えば、バインダーの好適例としてセルロースまたはその誘導体が挙げられる。具体的には、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシエチルメチルセルロース、セルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、およびこれらの塩が挙げられる。バインダーは、ペースト全体の5〜20質量%の範囲で含まれることが好ましい。
The powdery sealing material thus obtained is typically prepared in the form of a paste (slurry) in the same manner as a conventional sealing material (joining material), and a connection portion (joined portion) to be joined. ) Can be applied. For example, a paste can be prepared by mixing an appropriate binder or solvent with the obtained sealing material. In addition, the binder, solvent, and other components (for example, dispersant) used in the paste are not particularly limited, and can be appropriately selected from conventionally known ones in paste production.
For example, a suitable example of the binder includes cellulose or a derivative thereof. Specific examples include hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, carboxyethyl cellulose, carboxyethyl methyl cellulose, cellulose, ethyl cellulose, methyl cellulose, ethyl hydroxyethyl cellulose, and salts thereof. It is preferable that a binder is contained in 5-20 mass% of the whole paste.
また、ペースト中に含まれ得る溶媒としては、例えば、エーテル系溶剤、エステル系溶剤、ケトン系溶剤、または他の有機溶剤が挙げられる。好適例としてエチレングリコールおよびジエチレングリコール誘導体、トルエン、キシレン、ターピネオール等の高沸点有機溶媒またはこれらの2種以上の組み合わせが挙げられる。ペーストにおける溶媒の含有率は、特に限定されないが、ペースト全体の1〜40質量%程度が好ましい。 Examples of the solvent that can be contained in the paste include ether solvents, ester solvents, ketone solvents, and other organic solvents. Preferable examples include ethylene glycol and diethylene glycol derivatives, high-boiling organic solvents such as toluene, xylene and terpineol, or combinations of two or more thereof. Although the content rate of the solvent in a paste is not specifically limited, About 1-40 mass% of the whole paste is preferable.
上記のようにしてペースト状に調製されたシール材は、従来のこの種のペースト状シール材と同様に用いることができる。すなわち、本実施形態では、接合対象である膜エレメント(上記未焼成状態の塗布膜が多孔質基材上に形成された膜エレメント)における塗布膜および/または多孔質基材と接続部材(ガス管)との被接合部分を相互に接触・接続し、当該接続した部分にペースト状に調製されたシール材を付与(塗布)する。そして、かかる塗布物を適当な温度(典型的には60〜100℃、例えば80℃±10℃)で例えば1時間〜12時間程度乾燥させる。
次いで、上記多孔質基材上に塗布膜が形成されている膜エレメントとガス管との間にシール材が付与されてなるモジュールを所定の焼成温度で焼成する。この焼成温度としては、上記ペロブスカイト構造の酸化物セラミックスからなる塗布膜(未焼成の酸素分離膜)を焼成して酸素分離膜を形成するのに適する温度であるとともに、上記シール材が溶出しない温度であることが好ましい。このような温度としては、1200℃以上が適当であり、好ましくは1200〜1300℃が好ましく、より好ましくは1200〜1400℃である。また、このような温度域で3時間〜10時間(好ましくは4時間〜8時間、より好ましくは5時間〜7時間)程度酸化性雰囲気または不活性ガス雰囲気下で焼成することが好ましい。このことにより、酸素分離膜エレメントとガス管との接続(連結)部分においてガス流通を遮断する(すなわちガスリークが無い)接合部(シール部)が形成される。そして、上記塗布膜が焼成されて酸素分離膜が多孔質基材上に形成される。
以上より、酸素分離膜エレメントと接続部材(ガス管)との接合部が上記シール材(シール材1またはシール材2)によりシールされてなる接合体であって該接合体を基本(主要)構成要素として備える酸素分離膜モジュール(第1または第2の酸素分離膜モジュール)が製造される。
The sealing material prepared in a paste form as described above can be used in the same manner as this type of pasty sealing material. That is, in this embodiment, the coating film and / or the porous substrate and the connecting member (gas pipe) in the membrane element to be bonded (the film element in which the unfired coating film is formed on the porous substrate) The parts to be joined are contacted and connected to each other, and a paste prepared in the form of a paste is applied (applied) to the connected parts. Then, the coated material is dried at an appropriate temperature (typically 60 to 100 ° C., for example, 80 ° C. ± 10 ° C.) for about 1 to 12 hours, for example.
Next, a module in which a sealing material is provided between the membrane element in which the coating film is formed on the porous substrate and the gas pipe is fired at a predetermined firing temperature. The firing temperature is a temperature suitable for firing the coating film (unfired oxygen separation film) made of oxide ceramics having the perovskite structure to form an oxygen separation film, and a temperature at which the sealing material does not elute. It is preferable that As such temperature, 1200 degreeC or more is suitable, Preferably it is 1200-1300 degreeC, More preferably, it is 1200-1400 degreeC. Moreover, it is preferable to calcinate in such temperature range for about 3 hours to 10 hours (preferably 4 hours to 8 hours, more preferably 5 hours to 7 hours) in an oxidizing atmosphere or an inert gas atmosphere. As a result, a joint portion (seal portion) that shuts off gas flow (that is, has no gas leak) is formed at the connection (connection) portion between the oxygen separation membrane element and the gas pipe. And the said coating film is baked and an oxygen separation film is formed on a porous base material.
From the above, a joined body in which the joint between the oxygen separation membrane element and the connecting member (gas pipe) is sealed by the sealing material (sealing material 1 or sealing material 2), and the joined body is a basic (main) structure. An oxygen separation membrane module (first or second oxygen separation membrane module) provided as an element is manufactured.
上記のような酸素分離膜モジュールの製造方法は、酸素分離膜エレメントと接続部材(ガス管)との接合(シール)に用いられるシール材の特性、すなわち1200℃以上(例えば1200〜1300℃、好ましくは1200〜1400℃、あるいはそれ以上)でも溶出しない高耐熱性を利用しており、かかる特性のシール材を用いることにより、上記接合によるシール部の形成と酸素分離膜の形成とを、上記塗布膜の焼成工程で同時に行うことを可能としている。これにより、酸素分離膜モジュールの製造プロセスの効率化およびこれに伴うコスト削減を実現することができる。また、シール材の別の特性、すなわち、上記のような高温下でも上記酸素分離膜エレメントと接続部材との接合部分の熱膨張係数に近似する熱膨張係数を有し得る特性により、酸素分離膜モジュールの使用温度域に曝されても該シール材を用いて形成されたシール部は高い気密性と耐久性を維持し、ガス管内を流通するガス(例えば酸素含有ガス、典型的には空気)は該シール部においてリークすることなく酸素分離膜エレメントに供給される。したがって、本発明に係る製造方法によると、優れた耐熱性と耐久性を備えた高性能の酸素分離膜モジュールが提供される。 The method for producing the oxygen separation membrane module as described above is characterized by the characteristics of the sealing material used for joining (sealing) between the oxygen separation membrane element and the connecting member (gas pipe), that is, 1200 ° C. or higher (eg, 1200 to 1300 ° C., preferably Is used at a temperature of 1200 to 1400 ° C. or higher), and by using a sealing material having such characteristics, the formation of the seal portion and the formation of the oxygen separation membrane by the above-mentioned bonding are performed. It is possible to carry out simultaneously in the baking process of the film. Thereby, the efficiency of the manufacturing process of an oxygen separation membrane module and the cost reduction accompanying this can be realized. In addition, due to another characteristic of the sealing material, that is, a characteristic that can have a thermal expansion coefficient that approximates the thermal expansion coefficient of the joint portion between the oxygen separation membrane element and the connection member even at a high temperature as described above, the oxygen separation membrane Even when exposed to the operating temperature range of the module, the sealing portion formed using the sealing material maintains high airtightness and durability, and gas (for example, oxygen-containing gas, typically air) flowing through the gas pipe Is supplied to the oxygen separation membrane element without leaking at the seal portion. Therefore, according to the manufacturing method according to the present invention, a high-performance oxygen separation membrane module having excellent heat resistance and durability is provided.
ここで、上記酸素分離膜エレメントと接続部材(ガス管)との好適な接合部分であって上記シール材が好ましく用いられる接合部分としては、緻密膜である酸素分離膜と、緻密体のガス管との間がシールされてガス管内を流通するガス(例えば酸素含有ガス)がリークすることなく酸素分離膜エレメントに供給される限りにおいて特に制限されない。
ガスリークすることなく酸素分離膜エレメントへのガス供給を実現する酸素分離膜モジュールの構成の一好適例としては、図1に示されるような構成の酸素分離膜モジュール100が挙げられる。かかる酸素分離膜モジュール100は、管状(円筒状)の多孔質基材12の外周表面13に酸素分離膜14が形成されている酸素分離膜エレメント10の軸方向の両端部15a,15bが、それぞれ管状(例えば該エレメントと同径)のガス管20,30に連結している構成を有する。また、各ガス管20,30の軸方向の端面と上記酸素分離膜エレメント10における多孔質基材12の軸方向の端面とが互いに当接して連結面25,35が形成されている。また、該連結面25,35を介して両者が接合するように上記シール材40が付与されてシール部(40)が形成されるとともに、かかるシール材40は上記連結面25,35を越えて酸素分離膜14の一部を覆うように付与されており、緻密なガス管20,30と緻密な酸素分離膜14との間(に生じ得る隙間)を該シール材40によって塞ぐようにしてシール部(40)が形成されている。
ここで、酸素分離膜エレメント10(における両端部15a,15b、厳密には多孔質基材12の軸方向の端面)とガス管20,30との接続部分(連結面25,35)を接合(シール)するにあたり、酸素分離膜エレメント10とガス管20,30とを直接連結させず、両者の間に図示しないガス管とは別の接続部材(例えばガス管20,30と同質のセラミック製のリング部材等)を挟み、酸素分離膜エレメント10と該接続部材とガス管との間をそれぞれ相互に上記シール材を用いてシールさせることもできる。あるいはまた、別の接続部材を使用する例として、一方のガス管(例えばガス管20)から供給されたガスが上記酸素分離膜エレメント10内(すなわち管状の多孔質基材の内径から形成される空洞部分17)を通って他方のガス管(例えばガス管30)から排出される構成ではなく、ガス管20,30のうちどちらか一方(例えばガス管30)が図示しない蓋状の接続部材(キャップ部材)に取り替えられて上記酸素分離膜エレメント10の一端が封じられており、かかる蓋状部材(キャップ部材)により供給されたガスの流通が止められて酸素分離膜エレメント10から排出されない構成の酸素分離膜モジュールが挙げられる。
以上のように、ガス管以外の種々の接続部材を備えた構成の酸素分離膜モジュールにおいても、上記シール材を用いることにより接続部材と酸素分離膜エレメント10との間を接合(シール)することができる。
また、かかる酸素分離膜モジュール100は、主要構成要素としての酸素分離膜エレメント10およびガス管20,30に加えて、例えば図1に示されるような上記酸素分離膜エレメント10を収容するチャンバー50を構成要素として備えることが好ましい。かかるチャンバー50を備えることにより、該チャンバー50内に他のガス(例えば炭化水素ガス)を供給することができ、かかる他のガスとガス管20から供給された空気から酸素分離膜14により分離された酸素とを上記チャンバー50内で反応(例えば部分酸化反応)させることができる。
Here, as a suitable joining portion between the oxygen separation membrane element and the connecting member (gas pipe) and the sealing material preferably used, an oxygen separation membrane which is a dense membrane and a dense gas pipe are used. As long as the gas (for example, oxygen-containing gas) flowing through the gas pipe is supplied to the oxygen separation membrane element without leaking, there is no particular limitation.
As a preferred example of the configuration of the oxygen separation membrane module that realizes the gas supply to the oxygen separation membrane element without causing gas leakage, there is an oxygen
Here, the oxygen separation membrane element 10 (both
As described above, in the oxygen separation membrane module having various connection members other than the gas pipe, the connection member and the oxygen
In addition to the oxygen
なお、上記製造方法では、酸素分離膜の形成とシール部の形成を同時に行ったが、ここで開示されるシール材は、多孔質基材上の塗布膜を焼成して酸素分離膜を形成して酸素分離膜エレメントを製造し終えた後に、該酸素分離膜エレメントと接続部材(ガス管)とを接合する際にも好ましく用いることができる。すなわち、すでに形成されている酸素分離膜を備えた酸素分離膜エレメントとガス管との接続(連結)部分に上記シール材を付与し、上記と同様の条件で乾燥させた後、所定の焼成温度で焼成してシール部を形成することにより、酸素分離膜エレメントとガス管とが接合されてなる酸素分離膜モジュールを製造することができる。かかる場合において、上記塗布膜を焼成して酸素分離膜を形成する際の焼成温度としては、上記シール材を使用可能な温度域に特に制限されず、ペロブスカイト構造の酸化物セラミックスを焼成できる典型的な温度、例えば1000〜1800℃(好ましくは1200〜1600℃)でよい。また、酸素分離膜形成の後に行われる焼成であって上記シール部を形成するための焼成では、酸素分離膜モジュールの使用温度域(例えば800℃以上1000℃未満、あるいはそれよりも高い温度域、例えば1000〜1200℃)と同等、またはそれよりも高い温度域であってガラスが流出しない温度域(例えば使用温度域が800℃以上1000℃未満の場合、典型的には1000〜1200℃、使用温度域が1000℃を超えて概ね1200℃までの場合、典型的には1200〜1300℃、または1400℃以下)で焼成すればよい。 In the above manufacturing method, the formation of the oxygen separation membrane and the formation of the seal portion were performed at the same time. However, the sealing material disclosed here forms the oxygen separation membrane by baking the coating film on the porous substrate. After the oxygen separation membrane element has been manufactured, the oxygen separation membrane element and the connecting member (gas pipe) can be preferably used. That is, after applying the sealing material to the connecting portion of the oxygen separation membrane element having the oxygen separation membrane that has already been formed and the gas pipe and drying it under the same conditions as described above, a predetermined firing temperature is obtained. The oxygen separation membrane module in which the oxygen separation membrane element and the gas pipe are joined can be manufactured by firing the material to form a seal portion. In such a case, the firing temperature when forming the oxygen separation membrane by firing the coating film is not particularly limited to a temperature range in which the seal material can be used, and a typical oxide ceramic having a perovskite structure can be fired. The temperature may be 1000 to 1800 ° C. (preferably 1200 to 1600 ° C.). In the firing performed after the formation of the oxygen separation membrane and the firing for forming the seal portion, the operating temperature range of the oxygen separation membrane module (for example, a temperature range of 800 ° C. or more and less than 1000 ° C. or higher, For example, when the operating temperature range is 800 ° C. or higher and lower than 1000 ° C., it is typically 1000 to 1200 ° C. In the case where the temperature range exceeds 1000 ° C. and is generally up to 1200 ° C., it is typically fired at 1200 to 1300 ° C. or 1400 ° C. or less.
以下、図1を参照しつつ本発明に関する実施例を説明するが、本発明を以下の実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, examples related to the present invention will be described with reference to FIG. 1, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the following examples.
<MgOから成る多孔質基材の作製>
市販のマグネシア(MgO)粉末にバインダー等の成形助剤を混合し、ボールミル等で混練した。その後、100MPaの圧力下でプレス成形して外径20mm、厚さ(壁厚)約3mm程度の円筒状の成形体を得た。次に、当該成形体を大気中にて350℃で2時間程度の仮焼成を行って脱バインダーをした後、さらに大気中1400℃で6時間程度の本焼成を行って、焼結体(多孔質基材)を得た。
<Preparation of porous substrate made of MgO>
A molding aid such as a binder was mixed with commercially available magnesia (MgO) powder and kneaded with a ball mill or the like. Thereafter, it was press-molded under a pressure of 100 MPa to obtain a cylindrical molded body having an outer diameter of 20 mm and a thickness (wall thickness) of about 3 mm. Next, the molded body was pre-baked at 350 ° C. for about 2 hours in the air to remove the binder, and further subjected to main baking at 1400 ° C. for about 6 hours in the air to obtain a sintered body (porous Quality substrate).
<ペロブスカイト構造の酸化物セラミックスからなる酸素分離膜の作製>
酸素分離膜材料粉末として、平均粒径約1μmのLa0.5Sr0.5Co0.9Ni0.1O3(LSCN酸化物)粉末を用意した。この粉末に、適当量の一般的なバインダーと溶剤(水)をそれぞれ添加し、混合してスラリー状の酸素分離膜材料を調製した。
次いで、上記得られたMgOの多孔質基材の外周表面に、上記スラリー状酸素分離膜材料をディップコーティングにより付与した。そして、これを80℃で乾燥した。このようにしてLSCN酸化物からなる塗布膜が形成された膜エレメントを得た。
次に、酸素分離膜材料粉末として、平均粒径約1μmのLa0.6Sr0.4Co0.6Ti0.4O3(LSCT酸化物)粉末を用意した。この粉末を用いて、上記と同様にしてLSCT酸化物からなる塗布膜が形成された膜エレメントを作製した。
<Preparation of oxygen separation membrane made of oxide ceramics with perovskite structure>
As an oxygen separation membrane material powder, La 0.5 Sr 0.5 Co 0.9 Ni 0.1 O 3 (LSCN oxide) powder having an average particle diameter of about 1 μm was prepared. An appropriate amount of a general binder and a solvent (water) were added to the powder and mixed to prepare a slurry-like oxygen separation membrane material.
Next, the slurry-like oxygen separation membrane material was applied to the outer peripheral surface of the obtained MgO porous substrate by dip coating. And this was dried at 80 degreeC. In this way, a membrane element having a coating film made of LSCN oxide was obtained.
Next, as the oxygen separation membrane material powder, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.6 Ti 0.4 O 3 (LSCT oxide) powder having an average particle size of about 1 μm was prepared. Using this powder, a membrane element having a coating film made of LSCT oxide was produced in the same manner as described above.
<ガス管の作製>
上記膜エレメントに接合される接続部材としてのガス管を以下のようにして作製した。すなわち、MgO粉末(平均粒径:約1μm)に上記と同様のバインダー、分散剤、および溶媒を添加して混練し、スラリーまたはペースト状のガス管用成形材料を調製した。次いで、かかる成形材料を押出成形等によって外径20mm、壁厚約3mm、長さ100mmの管状に成形した。得られた成形体を大気中で1300〜1600℃で焼成し、2本の管状のガス管(図1におけるガス管20,30)を作製した。
<Production of gas pipe>
A gas pipe as a connecting member joined to the membrane element was produced as follows. That is, the same binder, dispersant and solvent as described above were added to an MgO powder (average particle size: about 1 μm) and kneaded to prepare a slurry or paste-like molding material for a gas pipe. Next, the molding material was molded into a tube having an outer diameter of 20 mm, a wall thickness of about 3 mm, and a length of 100 mm by extrusion molding or the like. The obtained molded body was fired at 1300 to 1600 ° C. in the atmosphere to produce two tubular gas tubes (
<ペースト状シール材の作製>
MgOの添加量の異なる8種類のペースト状シール材を以下のようにして作製した。
まず、平均粒径が約1μm〜10μmであるSiO2粉末、Al2O3粉末、Na2CO3粉末、K2CO3粉末、MgCO3粉末、CaCO3粉末およびB2O3粉末を、それぞれ以下の配合比、すなわち酸化物換算でSiO2が67.0質量%、Al2O3が13.9質量%、Na2Oが8.5質量%、K2Oが9.1質量%、MgOが0.6質量%、CaOが0.8質量%、B2O3が0.1質量%となるような配合比で混合し、ガラス原料粉末を得た。
次いで、このガラス原料粉末を1000〜1500℃の温度域(ここでは1450℃)で溶融してガラス(ガラス質中間体)を形成した。
得られたガラス(ガラス質中間体)を平均粒径として2μm程度になるまで粉砕してガラス(ガラス質中間体)粉末を作製した。
MgO粉末(平均粒径:約1μm)を用意し、上記ガラス原料粉末の酸化物換算での全質量に対して0〜40質量%の範囲内で添加量を変え、MgO粉末を各添加量(すなわち、0、1、3、5、10、20、30、および40質量%の計8種類)で上記ガラス(ガラス質中間体)粉末に添加し、十分に混合した。このときの混合粉末の平均粒径は1.5μm程度であった。このようにして、(後から添加した)上記MgO粉末の添加量が異なる組成の混合粉末を8種類調製した。
上記8種類の混合粉末に対して、結晶化処理として以下の処理を実施した。まず、上記混合粉末を室温から凡そ100℃まで約1〜5℃/分の昇温速度で加熱し、凡そ100℃からは1〜10℃/分の昇温速度で加熱して、800〜1000℃の温度域(ここでは850℃±50℃)で30分〜60分間程度保持した後に、1〜5℃/分の降温速度で室温まで冷却した。このようにしてMgOの含有率が互いに異なる計8種類の結晶含有ガラスを調製した。
<Preparation of paste-like sealing material>
Eight types of paste-like sealing materials having different MgO addition amounts were produced as follows.
First, SiO 2 powder, Al 2 O 3 powder, Na 2 CO 3 powder, K 2 CO 3 powder, MgCO 3 powder, CaCO 3 powder and B 2 O 3 powder having an average particle diameter of about 1 μm to 10 μm, respectively, The following compounding ratio, that is, in terms of oxide, SiO 2 is 67.0% by mass, Al 2 O 3 is 13.9% by mass, Na 2 O is 8.5% by mass, K 2 O is 9.1% by mass, MgO 0.6 wt%, CaO 0.8 wt%, B 2 O 3 were mixed at the mixing ratio such that 0.1 wt%, to obtain a glass raw material powder.
Next, the glass raw material powder was melted in a temperature range of 1000 to 1500 ° C. (here, 1450 ° C.) to form glass (glassy intermediate).
The obtained glass (glassy intermediate) was pulverized to an average particle size of about 2 μm to produce a glass (glassy intermediate) powder.
MgO powder (average particle size: about 1 μm) is prepared, and the addition amount is changed within the range of 0 to 40% by mass with respect to the total mass of the glass raw material powder in terms of oxides. That is, 0, 1, 3, 5, 10, 20, 30, and 40% by mass (total 8 types) were added to the glass (glassy intermediate) powder and mixed well. The average particle diameter of the mixed powder at this time was about 1.5 μm. In this way, 8 types of mixed powders having different compositions with different amounts of the MgO powder (added later) were prepared.
The following treatment was performed as a crystallization treatment on the above eight kinds of mixed powders. First, the mixed powder is heated from room temperature to about 100 ° C. at a rate of temperature increase of about 1 to 5 ° C./min, and from about 100 ° C. at a rate of temperature increase of 1 to 10 ° C./min. After maintaining for about 30 to 60 minutes in a temperature range of ℃ (here, 850 ° C. ± 50 ° C.), it was cooled to room temperature at a rate of 1 to 5 ° C./min. In this way, a total of eight types of crystal-containing glasses having different MgO contents were prepared.
ここで、MgOを添加していない結晶含有ガラスでは、クリストバライト結晶および/またはリューサイトの結晶が析出していた。また、MgOを添加した残りの結晶含有ガラスのうち、後から添加したMgOの添加量が1〜5質量%であったものでは、ガラスマトリックス中に分散するようにフォーステライト結晶が析出していた。その他の結晶としてクリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶が析出していた。上記MgOの添加量が10質量%の結晶含有ガラスでは、上記フォーステライト結晶およびその結晶以外にMgO結晶も認められた。上記MgO添加量が20〜40質量%の結晶含有ガラスでは、ガラスマトリックス中に分散するようにMgO結晶が析出しているとともに、クリストバライト結晶、リューサイト結晶、フォーステライト結晶のうちの少なくとも1種が析出していた。また、上記MgOの添加量が増加するとともにMgO結晶の析出量が増加していることが認められた。
次いで、得られた8種類の結晶含有ガラスを粉砕し、分級を行って、平均粒径約2μmの粉末状の結晶含有ガラス(すなわちシール材)を得た。
上記粉末状の各結晶含有ガラス(シール材)40質量部に、一般的なバインダー(ここではエチルセルロースを使用した。)3質量部と、溶剤(ここではターピネオールを使用した。)47質量部とを混合し、計8種類のペースト状シール材を作製した。
Here, in the crystal-containing glass to which MgO was not added, cristobalite crystals and / or leucite crystals were precipitated. In addition, among the remaining crystal-containing glasses to which MgO was added, forsterite crystals were precipitated so as to be dispersed in the glass matrix when the amount of MgO added later was 1 to 5% by mass. . As other crystals, cristobalite crystals and / or leucite crystals were precipitated. In the crystal-containing glass in which the amount of MgO added was 10% by mass, MgO crystals were also observed in addition to the forsterite crystals and the crystals. In the crystal-containing glass having an MgO addition amount of 20 to 40% by mass, MgO crystals are precipitated so as to be dispersed in the glass matrix, and at least one of cristobalite crystals, leucite crystals, and forsterite crystals is present. It was precipitated. It was also observed that the amount of MgO crystals increased as the amount of MgO added increased.
Next, the obtained eight types of crystal-containing glass were pulverized and classified to obtain powdery crystal-containing glass (that is, a sealing material) having an average particle size of about 2 μm.
40 parts by mass of each powdery crystal-containing glass (sealing material), 3 parts by mass of a general binder (here, ethyl cellulose was used) and 47 parts by mass of a solvent (here, terpineol was used). A total of 8 types of paste-like sealing materials were prepared by mixing.
<接合処理>
上記8種類のペースト状シール材を用いて接合処理を行った。具体的には、図1に示されるように、上記未焼成の塗布膜を備えた膜エレメント(図1では酸素分離膜エレメント10に相当)の両側に上記得られた2本のガス管20,30を配置した。該ガス管20を上記膜エレメントの一方の端部(図中の酸素分離膜エレメント10の端部15a)に配置するとともに該ガス管30を膜エレメントの他方の端部(図中の酸素分離膜エレメント10の端部15b)に配置し、上記膜エレメント(酸素分離膜エレメント10)における多孔質基材12の一方の端面にガス管20とを当接させて接続部分(連結面25)を形成した。同様に、上記膜エレメントにおける多孔質基材12の他方の端面にガス管30とを当接させて接続部分(連結面35)を形成した。
次に、ガス管20,30に挟まれた膜エレメント(酸素分離膜エレメント10)における塗布膜(図1では酸素分離膜14に相当)とガス管20,30との各間の隙間を塞ぐようにして上記連結面25,35に上記ペースト状シール材(図中のシール材40)を塗布した。これを80℃で乾燥した後、大気中1200℃で2時間焼成した。これにより、膜厚約50μmの酸素分離膜12を多孔質基材14の外周表面13上に形成するとともに、ガス管20,30と酸素分離膜エレメント10とを接合させてシール部40を形成した。このようにして、ガス管20,30と酸素分離膜エレメント10とが接合されてなる接合体(酸素分離膜モジュール100)を構築した。
以上のようにして、酸素分離膜の材質(LSCN酸化物またはLSCT酸化物)と、ガラス質中間体粉末に添加するMgOの添加量の異なる8種類のシール材とを互いに組み合わせて、合計10種類の接合体(酸素分離膜モジュール)を構築した。これらの接合体をサンプル1〜10とした。各サンプル1〜10と酸素分離膜の材質およびシール材のMgO添加量との相関を表1に示した。
<Joint treatment>
Joining processing was performed using the above-mentioned eight types of paste-like sealing materials. Specifically, as shown in FIG. 1, the two
Next, the gap between each of the coating pipe (corresponding to the
As described above, the oxygen separation membrane material (LSCN oxide or LSCT oxide) and the eight kinds of sealing materials having different addition amounts of MgO added to the vitreous intermediate powder are combined with each other for a total of ten types. The assembly (oxygen separation membrane module) was constructed. These joined bodies were designated as Samples 1 to 10. Table 1 shows the correlation between the samples 1 to 10, the material of the oxygen separation membrane, and the amount of MgO added to the sealing material.
<ガスリーク試験>
次に、上記構築した酸素分離膜モジュール100(酸素分離膜エレメント10とガス管20,30とが接合されてなるサンプル1〜10)について、シール部40からのガスリークの有無を確認するリーク試験を行った。具体的には、図1に示されるように、酸素分離膜エレメント10がチャンバー50の内部空間に配置されるとともに、ガス管20,30については該チャンバー50を貫通し、酸素分離膜エレメント10と接合している側の端部は該チャンバー50の内部空間、他方の端部は該チャンバー50の外側にそれぞれ配置されるように、上記酸素分離膜モジュール100を収容した。チャンバー50とガス管20,30との境界部分は密閉されている。
まず、チャンバー50内の温度を1200℃に設定し該チャンバー50内に収容された酸素分離膜エレメント10を1200℃に加熱した。かかる温度条件下でチャンバー50内にヘリウム(He)ガスを0.2Paの圧力下100mL/分の流量で供給した。また、上記ガス管20から空気を0.2Paの圧力下で100mL/分の流量で上記酸素分離膜エレメント10に2時間供給し続けた。かかる空気は、酸素分離膜エレメント10の内径の空洞部分17を流通して、ガス管30を通って排出された。ガスクロマトグラフィによりチャンバー50の図示しない排出口から排出されるHe排ガスの組成を測定し、該He排ガスに含まれるN2ガスの量から、シール部40から空気中のN2がリークしているか否かを評価した。かかる評価試験をサンプル1〜10に対して実施した。
ガスリークの評価結果を表1に示す。表1において、N2ガスのリーク率(He排ガス中に含まれるN2ガスの体積含有率)が1%以下のものを「無」と表示し、実用的な気密性を有しているものとした。表1に示されるように、ガラス質中間体粉末に添加されるMgOが無添加であるシール材が用いられてなるサンプル1では、シール部40にクラックが生じ、ガスリークが認められた。したがって、上記MgO粉末が無添加であるシール材は1200℃のような高温域での使用には不適であることが確認された。また、サンプル8では上記MgO粉末の添加量が多すぎてシール部40の緻密性が不十分であったためにガスリークが認められた。上記サンプル1および8以外のサンプルでは、酸素分離膜の材質に依らず、シール部40でのガスリークは好ましく防止されており、上記高温下でも優れた気密性および機械的強度を有することがわかった。
<Gas leak test>
Next, for the oxygen
First, the temperature in the
The evaluation results of gas leak are shown in Table 1. In Table 1, those having a leak rate of N 2 gas (volume content of N 2 gas contained in He exhaust gas) of 1% or less are indicated as “none” and have practical airtightness It was. As shown in Table 1, in sample 1 in which the sealing material to which no MgO added to the vitreous intermediate powder was added was used, cracks were generated in the
<高温処理後の熱膨張係数評価>
次に、上記構築した計10種類の酸素分離膜モジュール(サンプル1〜10)について、上記1200℃の温度下で2時間の空気およびHeガスの供給を実施した後、各サンプルにおけるシール部40の熱膨張係数(ただし、示差膨張方式(TMA)に基づく室温(25℃)〜500℃の間の平均値)を測定した。この結果を表1に示す。
表1に示されるように、サンプル1では、その熱膨張係数が10×10−6K−1を下回った。一方、サンプル2〜10については、いずれも10×10−6K−1〜14×10−6K−1の範囲内であった。なお、ここで使用したLSCN酸化物およびLSCT酸化物からなる酸素分離膜14の熱膨張係数は、それぞれ15×10−6K−1、13×10−6K−1であり、MgO製多孔質基材12、およびYSZ製ガス管20,30の同条件での熱膨張係数は、それぞれ13.5×10−6K−1、10.2×10−6K−1であった。
<Evaluation of thermal expansion coefficient after high temperature treatment>
Next, for the 10 types of oxygen separation membrane modules (samples 1 to 10) constructed as described above, after supplying air and He gas at a temperature of 1200 ° C. for 2 hours, The thermal expansion coefficient (however, an average value between room temperature (25 ° C.) and 500 ° C. based on the differential expansion method (TMA)) was measured. The results are shown in Table 1.
As shown in Table 1, Sample 1 had a thermal expansion coefficient lower than 10 × 10 −6 K −1 . On the other hand, Samples 2 to 10 were all in the range of 10 × 10 −6
また、上記サンプル1〜10の各シール部40における電気伝導度を測定した。すなわち、各サンプルのシール部40に電極となる白金ペーストを塗布した後、電流端子および電圧端子を上記電極部分に接続するための白金線を取り付けて850〜1100℃で10分間〜60分間焼き付け、任意の温度に調整可能な装置内で、直流四端子法を用いて1200℃下における電気伝導度(導電率)を測定した。この結果、上記全てのサンプルにおいて、その導電率は、10−7S/cm以下の検知できないレベルであった。これにより、上記各サンプル1〜10(すなわち酸素分離膜モジュール)のシール部における絶縁性が確認された。
Moreover, the electrical conductivity in each seal |
以上の結果から、本実施例によると、ガラスマトリックス中にフォーステライト結晶を含むとともに、クリストバライト結晶および/またはリューサイト結晶を含み得る結晶含有ガラスからなるシール材あるいは、上記フォーステライト、クリストバライト、リューサイト結晶のうちの少なくとも1種に加えてMgO結晶を含む結晶含有ガラスからなるシール材を用いて、MgO多孔質基材上に形成されたペロブスカイト型酸化物からなる緻密な酸素分離膜とジルコニア系酸化物(YSZ)からなる緻密なガス管との間を塞ぐようにして酸素分離膜エレメントとガス管とを接合、連結することにより、少なくとも1200℃の高温条件に曝してもガスリークを生じさせることなく十分な気密性と機械的強度を確保しつつ接合する(すなわちシール部を形成する)ことができた。このため、耐熱性に優れた高性能の酸素分離膜モジュールを実現することができる。 From the above results, according to the present example, the glass matrix contains a forsterite crystal and a sealing material comprising a crystal-containing glass that can contain a cristobalite crystal and / or a leucite crystal, or the forsterite, cristobalite, leucite. A dense oxygen separation membrane made of a perovskite oxide and a zirconia-based oxide formed on a porous MgO substrate using a sealing material made of crystal-containing glass containing MgO crystals in addition to at least one of the crystals By joining and connecting the oxygen separation membrane element and the gas pipe so as to block the dense gas pipe made of the material (YSZ), even if exposed to a high temperature condition of at least 1200 ° C., no gas leakage occurs. Joining while ensuring sufficient airtightness and mechanical strength (i.e. Forming a pole tip) it was. For this reason, a high-performance oxygen separation membrane module excellent in heat resistance can be realized.
10 酸素分離膜エレメント
12 多孔質基材
13 外周表面
14 酸素分離膜
15a,15b 酸素分離膜エレメントの軸方向の端部
20 ガス管
25 連結面
30 ガス管
35 連結面
40 シール部(シール材)
50 チャンバー
100 酸素分離膜モジュール
DESCRIPTION OF
50
Claims (11)
前記酸素分離膜エレメントに接合されたセラミックス製の接続部材と
を備える酸素分離膜モジュールであって、
前記酸素分離膜エレメントと前記接続部材との接合部分には、該接合部分におけるガス流通を遮断するシール部が形成されており、
前記シール部は、ガラスマトリックス中に少なくともフォーステライト結晶が析出しているガラスによって形成されており、
前記ガラスは、以下の6つの構成元素を、酸化物換算で該6つの構成元素全体を100質量%として以下の質量組成:
SiO2 60〜78質量%;
Al2O3 10〜22質量%;
Na2O 3〜16質量%;
K2O 5〜16質量%;
CaO 0〜 4質量%;
B2O3 0〜 4質量%;
で有しており、
ここで前記ガラスは、さらに構成元素としてMgを有しており、酸化物換算で前記ガラス全体を100質量%としてMgOの質量組成が1質量%以上13質量%未満であるとともに、このうちの少なくとも半分の量は前記ガラスマトリックス中に析出している結晶の構成成分として存在している、酸素分離膜モジュール。 An oxygen separation membrane element comprising an oxygen separation membrane made of an oxide ceramic of a perovskite structure which is an oxygen ion conductor on a porous substrate;
An oxygen separation membrane module comprising a ceramic connecting member joined to the oxygen separation membrane element,
A seal portion that blocks gas flow at the joint portion is formed at the joint portion between the oxygen separation membrane element and the connection member,
The seal portion is formed of glass in which at least forsterite crystals are precipitated in a glass matrix,
The glass has the following six constituent elements, and the following six mass elements in terms of oxides are defined as 100% by mass as a whole.
SiO 2 60 to 78 wt%;
Al 2 O 3 10~22% by weight;
Na 2 O 3-16% by mass;
K 2 O 5-16% by mass;
CaO 0 to 4% by mass;
B 2 O 30 to 4% by mass;
And have
Here, the glass further contains Mg as a constituent element, and the mass composition of MgO is 1% by mass or more and less than 13% by mass with respect to 100% by mass of the whole glass in terms of oxide, and at least of these An oxygen separation membrane module, in which half of the amount is present as a constituent of crystals precipitated in the glass matrix.
前記酸素分離膜エレメントに接合されたセラミックス製の接続部材と
を備える酸素分離膜モジュールであって、
前記酸素分離膜エレメントと前記接続部材との接合部分には、該接合部分におけるガス流通を遮断するシール部が形成されており、
前記シール部は、ガラスマトリックス中に酸化マグネシウム(MgO)からなる結晶と、クリストバライト結晶、リューサイト結晶およびフォーステライト結晶から選択される少なくとも1種の結晶とが析出しているガラスによって形成されており、
前記ガラスは、以下の6つの構成元素を、酸化物換算で該6つの構成元素全体を100質量%として以下の質量組成:
SiO2 60〜78質量%;
Al2O3 10〜22質量%;
Na2O 3〜16質量%;
K2O 5〜16質量%;
CaO 0〜 4質量%;
B2O3 0〜 4質量%;
で有しており、
ここで前記ガラスは、さらに構成元素としてMgを有しており、酸化物換算で前記ガラス全体を100質量%としてMgOの質量組成が13質量%以上30質量%以下であるとともに、このうちの少なくとも半分の量は前記ガラスマトリックス中に析出している結晶の構成成分として存在している、酸素分離膜モジュール。 An oxygen separation membrane element comprising an oxygen separation membrane made of an oxide ceramic of a perovskite structure which is an oxygen ion conductor on a porous substrate;
An oxygen separation membrane module comprising a ceramic connecting member joined to the oxygen separation membrane element,
A seal portion that blocks gas flow at the joint portion is formed at the joint portion between the oxygen separation membrane element and the connection member,
The seal portion is formed of glass in which a crystal made of magnesium oxide (MgO) and at least one crystal selected from cristobalite crystal, leucite crystal and forsterite crystal are precipitated in a glass matrix. ,
The glass has the following six constituent elements, and the following six mass elements in terms of oxides are defined as 100% by mass as a whole.
SiO 2 60 to 78 wt%;
Al 2 O 3 10~22% by weight;
Na 2 O 3-16% by mass;
K 2 O 5-16% by mass;
CaO 0 to 4% by mass;
B 2 O 30 to 4% by mass;
And have
Here, the glass further contains Mg as a constituent element, and the mass composition of MgO is 13% by mass or more and 30% by mass or less with respect to 100% by mass of the whole glass in terms of oxide, and at least of these An oxygen separation membrane module in which half of the amount is present as a constituent component of crystals precipitated in the glass matrix.
Ln1−xAxMO3−δ (1)
(ただし、式中のLnはランタノイドから選択される少なくとも1種であり、AはSr、CaおよびBaからなる群から選択される少なくとも1種であり、Mは、ペロブスカイト型構造を構成し得る1種または2種以上の金属元素であり、0≦x<1であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で表される組成のペロブスカイト構造を有する酸化物セラミックスにより構成されており、
前記接続部材は、安定化ジルコニアにより構成されている、請求項1〜3のいずれかに記載の酸素分離膜モジュール。 The oxygen separation membrane has the general formula:
Ln 1-x A x MO 3-δ (1)
(However, Ln in the formula is at least one selected from lanthanoids, A is at least one selected from the group consisting of Sr, Ca and Ba, and M may constitute a perovskite structure. 2 or more kinds of metal elements, 0 ≦ x <1, and δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition.) Constructed by oxide ceramics having a perovskite structure Has been
The oxygen separation membrane module according to claim 1, wherein the connection member is made of stabilized zirconia.
以下の6つの構成元素を、酸化物換算で該6つの構成元素全体を100質量%として以下の質量組成:
SiO2 60〜78質量%;
Al2O3 10〜22質量%;
Na2O 3〜16質量%;
K2O 5〜16質量%;
CaO 0〜 4質量%;
B2O3 0〜 4質量%;
で有するガラスであってガラスマトリックス中に少なくともフォーステライト結晶が析出しているガラスを主体としており、
ここで前記ガラスは、さらに構成元素としてMgを有しており、酸化物換算で前記ガラス全体を100質量%としてMgOの質量組成が1質量%以上13質量%未満であるとともに、このうちの少なくとも半分の量は前記ガラスマトリックス中に析出している結晶の構成成分として存在している、酸素分離膜モジュール用シール材。 An oxygen separation membrane comprising an oxygen separation membrane element comprising an oxygen separation membrane made of an oxide ceramic having a perovskite structure as an oxygen ion conductor on a porous substrate, and a ceramic connecting member joined to the oxygen separation membrane element A sealing material for sealing and joining the oxygen separation membrane element and the connecting member in a module,
The following six constituent elements are represented by the following mass composition with the total of the six constituent elements being 100% by mass in terms of oxides:
SiO 2 60 to 78 wt%;
Al 2 O 3 10~22% by weight;
Na 2 O 3-16% by mass;
K 2 O 5-16% by mass;
CaO 0 to 4% by mass;
B 2 O 30 to 4% by mass;
It is mainly a glass having at least forsterite crystals precipitated in a glass matrix,
Here, the glass further contains Mg as a constituent element, and the mass composition of MgO is 1% by mass or more and less than 13% by mass with respect to 100% by mass of the whole glass in terms of oxide, and at least of these Half of the amount is a sealing material for an oxygen separation membrane module, which is present as a constituent component of crystals precipitated in the glass matrix.
以下の6つの構成元素を、酸化物換算で該6つの構成元素全体を100質量%として以下の質量組成:
SiO2 60〜78質量%;
Al2O3 10〜22質量%;
Na2O 3〜16質量%;
K2O 5〜16質量%;
CaO 0〜 4質量%;
B2O3 0〜 4質量%;
で有するガラスであってガラスマトリックス中に酸化マグネシウム(MgO)からなる結晶と、クリストバライト結晶、リューサイト結晶およびフォーステライト結晶から選択される少なくとも1種の結晶とが析出しているガラスを主体としており、
ここで前記ガラスは、さらに構成元素としてMgを有しており、酸化物換算で前記ガラス全体を100質量%としてMgOの質量組成が13質量%以上30質量%以下であるとともに、このうちの少なくとも半分の量は前記ガラスマトリックス中に析出している結晶の構成成分として存在している、酸素分離膜モジュール用シール材。 In an oxygen separation membrane module comprising an oxygen separation membrane element comprising an oxygen separation membrane made of an oxide ceramic having a perovskite structure as an oxygen ion conductor on a porous substrate, and a ceramic connecting member joined to the membrane element A sealing material for sealing and joining the oxygen separation membrane element and the connecting member,
The following six constituent elements are represented by the following mass composition with the total of the six constituent elements being 100% by mass in terms of oxides:
SiO 2 60 to 78 wt%;
Al 2 O 3 10~22% by weight;
Na 2 O 3-16% by mass;
K 2 O 5-16% by mass;
CaO 0 to 4% by mass;
B 2 O 30 to 4% by mass;
The glass mainly comprises a glass in which a crystal made of magnesium oxide (MgO) and at least one crystal selected from a cristobalite crystal, a leucite crystal and a forsterite crystal are precipitated in a glass matrix. ,
Here, the glass further contains Mg as a constituent element, and the mass composition of MgO is 13% by mass or more and 30% by mass or less with respect to 100% by mass of the whole glass in terms of oxide, and at least of these Half of the amount is a sealing material for an oxygen separation membrane module, which is present as a constituent component of crystals precipitated in the glass matrix.
酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO2 60〜75質量%;
Al2O3 10〜20質量%;
Na2O 3〜15質量%;
K2O 5〜15質量%;
CaO 0〜 3質量%;
B2O3 0〜 3質量%;
MgO 0〜 3質量%;
から実質的に構成されるように調製されたガラス原料粉末を用意し、該原料粉末を溶融してガラスを調製すること、
前記調製したガラスを粉砕後、MgO粉末を前記ガラス原料粉末全体の1質量%以上10質量%未満に相当する量で添加して前記ガラスと前記MgOとの混合粉末を調製すること、および、
前記混合粉末を結晶化処理することにより、前記ガラスのマトリックス中に結晶成分として少なくともフォーステライト結晶を析出させること、
を包含する、製造方法。 A method for producing a sealing material for an oxygen separation membrane module,
The following composition in mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 60 to 75 wt%;
Al 2 O 3 10-20% by mass;
Na 2 O 3-15% by mass;
K 2 O 5-15% by mass;
CaO 0 to 3% by mass;
B 2 O 30 to 3% by mass;
MgO 0 to 3% by mass;
A glass raw material powder prepared so as to be substantially constituted from the above, and melting the raw material powder to prepare a glass;
After pulverizing the prepared glass, adding MgO powder in an amount corresponding to 1% by mass or more and less than 10% by mass of the entire glass raw material powder to prepare a mixed powder of the glass and the MgO; and
Crystallizing the mixed powder to precipitate at least forsterite crystals as crystal components in the glass matrix;
Manufacturing method.
酸化物換算の質量比で以下の組成:
SiO2 60〜75質量%;
Al2O3 10〜20質量%;
Na2O 3〜15質量%;
K2O 5〜15質量%;
CaO 0〜 3質量%;
B2O3 0〜 3質量%;
MgO 0〜 3質量%;
から実質的に構成されるように調製されたガラス原料粉末を用意し、該原料粉末を溶融してガラスを調製すること、
前記調製したガラスを粉砕後、MgO粉末を前記ガラス原料粉末全体の10質量%以上30質量%以下に相当する量で添加して前記ガラスと前記MgOとの混合粉末を調製すること、および、
前記混合粉末を結晶化処理することにより、前記ガラスのマトリックス中に結晶成分として酸化マグネシウム(MgO)からなる結晶と、クリストバライト結晶、リューサイト結晶およびフォーステライト結晶から選択される少なくとも1種の結晶とを析出させること、
を包含する、製造方法。 A method for producing a sealing material for an oxygen separation membrane module,
The following composition in mass ratio in terms of oxide:
SiO 2 60 to 75 wt%;
Al 2 O 3 10-20% by mass;
Na 2 O 3-15% by mass;
K 2 O 5-15% by mass;
CaO 0 to 3% by mass;
B 2 O 30 to 3% by mass;
MgO 0 to 3% by mass;
A glass raw material powder prepared so as to be substantially constituted from the above, and melting the raw material powder to prepare a glass;
After pulverizing the prepared glass, MgO powder is added in an amount corresponding to 10% by mass or more and 30% by mass or less of the entire glass raw material powder to prepare a mixed powder of the glass and the MgO; and
By crystallizing the mixed powder, a crystal composed of magnesium oxide (MgO) as a crystal component in the glass matrix, and at least one crystal selected from a cristobalite crystal, a leucite crystal, and a forsterite crystal, Precipitating,
Manufacturing method.
前記ペロブスカイト構造の酸化物セラミックスからなる酸素分離膜用材料を前記多孔質基材上に塗布されてなる塗布膜が形成されている膜エレメントを用意すること、
前記セラミックス製の接続部材を用意すること、
請求項5〜7のいずれかに記載のシール材であってガラスマトリックス中に少なくともMgを構成元素として含む結晶が析出しているガラスからなるシール材を、前記塗布膜が形成された多孔質基材と接続部材とを接続した部分に付与すること、および
前記シール材が付与されて互いに接続している前記膜エレメントと前記接続部材とを、前記塗布膜の焼成温度域で焼成することによって、前記塗布膜が焼成されてなる酸素分離膜を前記多孔質基材上に形成すること、および前記膜エレメントと前記接続部材との接続部分に該シール材からなるガス流通を遮断するシール部を形成して互いに接合することを同時に行うこと、
を包含する、酸素分離膜モジュールの製造方法。
An oxygen separation membrane module comprising an oxygen separation membrane element comprising an oxygen separation membrane made of an oxide ceramic having a perovskite structure as an oxygen ion conductor on a porous substrate, and a ceramic connecting member joined to the membrane element A method of manufacturing comprising:
Providing a membrane element in which a coating film is formed by coating an oxygen separation membrane material made of oxide ceramics of the perovskite structure on the porous substrate;
Preparing the ceramic connection member;
A sealing material according to any one of claims 5 to 7, wherein the sealing material is made of glass in which crystals containing at least Mg as a constituent element are precipitated in a glass matrix. By applying the material and the connecting member to the connected part, and by firing the membrane element and the connecting member, which are connected to each other by being provided with the sealing material, in the firing temperature range of the coating film, An oxygen separation membrane formed by firing the coating film is formed on the porous base material, and a seal portion that blocks gas flow made of the sealing material is formed at a connection portion between the membrane element and the connection member. To join each other at the same time,
The manufacturing method of the oxygen separation membrane module including this.
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