JP2019513081A - 触媒含有酸素輸送膜 - Google Patents

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porous
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ズーグイ・ルー
ユンシャン・ルー
ガーバス・マクスウェル・クリスティ
ジョナサン・レーン
パウエル・ジェイ・プロンザック
ジョセフ・エム・コーパス
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プラクスエア・テクノロジー・インコーポレイテッド
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Abstract

触媒含有複合酸素イオン膜の生成方法、並びに多孔質燃料酸化層、緻密分離層、及び任意に多孔質表面交換層が、(Ln1−xAx)wCr1−yByO3−δ及びドープジルコニアの混合物からの多孔質支持体上に形成される、触媒含有複合酸素イオン膜が記載される。ある一定の触媒金属を燃料酸化層に添加することは、初期酸素フラックスを強化するだけではなく、長期的な動作にわたって酸素フラックスの分解速度の低減もする。改善されたフラックス及び安定性の考えられる理由のうちの1つは、触媒金属の添加が、X線回折結果によって示されるように、膜製造及び動作中に、(Ln1−xAx)wCr1−yByO3−δ相とジルコニア相との間の化学反応を低減することである。【選択図】図1

Description

政府支援
本発明は、United States Department of Energyによって認められたCooperative Agreement No.DE−FC26−07NT43088下に政府支援を得てなされた。政府は、本発明について一定の権利を有する。
本発明は、酸素フラックス及び酸素フラックス安定性を長期的な動作にわたって強化するために選択された触媒粒子が、多孔質支持層と緻密分離層との間に位置する多孔質燃料酸化層内に位置する、複合酸素輸送膜及びそのような膜の形成方法に関する。
酸素輸送膜は、酸素イオン及び電子を高温で伝導することが可能である材料を通して、酸素イオンを輸送することによって機能する。酸素分圧差がそのような膜の両側の間に存在するとき、酸素分子は、膜の一方の表面上で酸素イオンに還元され、緻密膜を通して輸送され、膜の反対側に現れ、再結合して元素酸素になり、電子を放出する。この組み合わせに起因する自由電子は、膜を通って輸送して戻され、酸素をイオン化する。高圧で酸素含有供給物を膜に提供することによって、又は膜の反対側に分離酸素の存在下で可燃燃料若しくは他の還元種を提供することによって、又はこれらの2つの方法の組み合わせによって、酸素分圧差がもたらされ得る。燃焼は、膜の温度を酸素イオン輸送が生じ得る動作温度まで上昇させ、かつ加熱を必要とする工業プロセスに熱を供給するために使用される、熱を生成することに留意されたい。更に、プロセスのために熱が必要とされるかどうかにかかわらず、燃焼自体が、燃焼の結果としてもたらされる燃料又は他の可燃物質の部分酸化によって、合成ガスなどの生成物を生成することができる。
酸素輸送膜は、電子を伝導し、酸素イオンを輸送するために、ペロブスカイトなどの単相混合伝導材料を利用することができる。La1−xSrCo1−yFe3−δ又はBa1−xSrCo1−yFe3−δなどの混合電子及びイオン伝導性を有するペロブスカイト材料が、有意な酸素フラックスを呈することができる一方で、そのような材料は、分圧差を提供するために燃料又は他の可燃物質が使用される動作条件下で、非常に脆弱である傾向がある。これは、ペロブスカイトが酸素化学ポテンシャルに対して可変化学量論を呈するか、又は還元雰囲気中で分解し、それが、その材料を還元種が導入されるプロセスに適さないものにするためである。この問題を克服するために、一次イオン伝導体が酸素イオンを伝導するために提供され、一次電子伝導体が電子を伝導するために使用される、より安定した材料の二相混合物が使用され得る。一次イオン伝導体は、安定化ジルコニアなどの蛍石型構造酸化物であってもよく、一次電子伝導体は、Crを含有し、そのためCo含有混合伝導材料よりも安定したペロブスカイト型構造酸化物であってもよい。
典型的には、酸素輸送膜が2つの別々の相の混合物からなる場合、複合材料の両極伝導性が比較的低いため、膜は、酸素フラックスを提供するために必要とされる酸素化学ポテンシャル差を最小限にするために薄くされる必要があり、したがって多孔質基板上で支持される必要がある。支持された薄膜は、通常、緻密分離層と、緻密分離層と多孔質支持層との間に位置する多孔質燃料酸化層と、多孔質燃料酸化層の反対側、かつ緻密分離層のもう一方の側に位置する多孔質表面活性化層とを含む。これらの層の全てが、多孔質支持体又は多孔質支持基板上で支持される。酸素イオン輸送は、主に緻密分離層内で生じる。緻密分離層内にそのような層を通るガスの通過を可能にする欠陥が存在する可能性があるが、それは、気密性であることを目的とし、したがって多孔質ではない。多孔質表面活性化層及び多孔質燃料酸化層の両方が「活性」であり、即ち、それらは、酸素イオンの輸送及び電子の伝導を可能にする材料から形成される。多孔質燃料酸化層は、燃料が酸素イオンと反応することができる高表面積を提供することによって、燃料酸化速度を高める。酸素イオンは、この多孔質層の混合伝導性マトリクスを通って多孔質支持体に向かって拡散し、多孔質支持体から多孔質燃料酸化層へと内向きに拡散する燃料と反応する。多孔質表面活性化層は、緻密分離層の表面積を高めると同時に、得られた酸素イオンが酸素イオン伝導相を通って緻密分離層へと拡散するための、かつ酸素分子が開放細孔空間を通って緻密分離層へと拡散するための経路を提供することによって、酸素混入速度を高める。したがって、表面活性化層は、酸素混入プロセスにおける駆動力の損失を低減し、それにより達成可能な酸素フラックスを増加させる。好ましくは、多孔質燃料酸化層及び多孔質表面交換層は、緻密分離層と同様の電子相及びイオン相から形成されて、層間の熱膨張を厳密に一致させる。
米国特許第7,556,676号は、複合酸素イオン輸送膜を記載する。これらの材料から緻密なガス不透過性二相膜の相を形成するために、膜は、バナジウムを含有し、水素及び窒素の混合物を含有する炉雰囲気中で焼結される必要がある。大量生産のためのコストの観点から、水素を含有しない雰囲気中で焼結することが好ましい。環境的観点からは、バナジウムを排除することが有益である。この特許に記載の多孔質中間燃料酸化層及び多孔質空気側面交換層の両方の材料は、高温での長期間の使用中に緻密化する傾向を示している。これらの層の緻密化は、表面積、したがって活性反応部位の損失により、膜を通る酸素フラックスの低下をもたらす。
米国特許第8,795,417(B2)号及びその一部継続出願、米国出願第14/322,981号は、(Ln1−xCr1−y3−δ及びドープジルコニアの混合物からの多孔質燃料酸化層、及び緻密分離層、及び任意に多孔質表面交換層からなる複合酸素イオン膜を生成する方法を提供し、式中、Lnは、La、Y、Pr、Ce、又はSmであり、Aは、Ca又はSrであり、Bは、Fe、Mn、Co、Al、Ti、又はこれらの組み合わせであり、wは、約0.9〜約1.0であり、xは、約0.1〜約0.3であり、yは、約0.1〜約0.6である。代表的な材料は、多孔質燃料酸化層に対して(La0.8Sr0.20.95Cr0.7Fe0.33−δ(LSCrF73)、緻密分離層に対して(La0.8Sr0.20.95Cr0.5Fe0.53−δ(LSCrF55)、及び任意の多孔質表面交換層に対して(La0.8Sr0.20.95Cr0.3Fe0.73−δ(LSCrF37)である。膜は、焼結助剤又は焼結雰囲気中の水素を必要とすることなく、窒素雰囲気中で完全密度まで焼結される。非水素雰囲気中の焼結は、製造コストを低減するだけでなく、そうでなければ水素含有雰囲気が使用される場合に形成されるペロブスカイトとジルコニア材料との間の絶縁相の形成も排除する。そのような絶縁相の形成は、達成可能な酸素フラックスを低減する。
そのようなアプローチで製造された酸素膜は、高い初期酸素フラックスを呈する。しかしながら、酸素フラックスは、動作の最初の数時間にわたって急速に減少する。フラックスの初期低下の理由は不明である。動作温度での燃料雰囲気への曝露後のLSCrF55及びドープジルコニアの粉末混合物に関するX線回折結果は、新しい絶縁相であるジルコン酸ランタン(LaZr)が形成され、それがフラックスの低下の一因となり得ることを示す。更に、酸素膜が合成ガスを生成するための二次改質剤として使用される場合、その酸素輸送能力に加えて、酸素膜は、メタン改質のための何らかの触媒活性も有して、残留メタンを合成ガスに変換するべきであることが望ましい。
考察されるように、本発明は、より高い初期酸素フラックス、及び長時間の動作にわたるより低い低下速度を呈する、触媒含有複合酸素イオン輸送膜の製造方法を提供する。
本発明は、触媒含有酸素イオン複合膜の製造方法を提供する。そのような方法に従って、(Ln1−xCr1−y3−δ、ドープジルコニア、任意の金属M、及び細孔形成剤の第1の粒子混合物を含有する第1の層が、多孔質支持体上に形成される。Lnは、La、Y、Pr、Ce、又はSmであり、Aは、Ca又はSrであり、Bは、Fe、Mn、Co、Ni、Al、Ti、又はこれらの組み合わせであり、wは、約0.9〜約1.0であり、xは、約0.1〜約0.3であり、yは、約0.1〜約0.6であり、Mは、Ru、Rh、Pd、Pt、Co、若しくはNi、又はこれらの組み合わせである。焼結されたときに、第1の層が、総固体質量の体積百分率に基づき、約20体積%〜約70体積%の(Ln1−xCr1−y3−δと、約30体積%〜約80体積%のドープジルコニアと、任意に約0.1体積%〜約20体積%の金属Mとを含有するように、第1の混合物は、(Ln1−xCr1−y3−δと、ドープジルコニアと、任意の金属Mとを含有する。(Ln1−xCr1−y3−δ及びドープジルコニアの第2の粒子混合物を含有する第2の層が、第1の層上に形成される。一実施形態では、この第2の粒子混合物は、細孔形成剤を実質的に含まない。別の実施形態では、第2の粒子混合物は、細孔形成剤を含有しない。そのような混合物中、Lnは、La、Y、Pr、Ce、又はSmであり、Aは、Ca又はSrであり、Bは、Fe、Mn、Co、Ni、Al、Ti、又はこれらの組み合わせであり、wは、約0.9〜約1.0であり、xは、約0.1〜約0.3であり、yは、約0.1〜約0.7である。焼結されたときに、第2の層が、総固体質量の約20体積%〜約70体積%の(Ln1−xCr1−y3−δの体積百分率で、(Ln1−xCr1−y3−δとドープジルコニアとを含有するように、第2の混合物は、(Ln1−xCr1−y3−δとドープジルコニアとを含有する。前述の第1の層が、第1の粒子混合物を含有する多孔質塊に部分的に焼結して、それにより多孔質燃料酸化層を提供し、第2の層が、第2の粒子混合物を含有する緻密化された塊に完全に焼結して、それにより緻密分離層を提供するように、第1の層、第2の層、及び多孔質支持体が加熱される。前述の加熱は、窒素若しくは主に窒素の雰囲気、例えば、空気(79% N/21% O)雰囲気若しくは形成ガス(95% N/5% H)雰囲気、又はCO、アルゴン、若しくはこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない、加熱及び/若しくは焼結工程で便利に用いられる任意の他の不活性雰囲気中で行われ得る。完全に緻密化された分離層を維持する一方で、第1の層の多孔率は、細孔形成剤の量、ペロブスカイト材料中のCr含有量、又は任意に第1の層中の金属Mの量のいずれかを調節することによって制御され得る。
上記に加えて、(Ln1−xCr1−y3−δ、及びドープジルコニア、及び細孔形成剤の第3の粒子混合物を含有する第3の層が、第2の層上に形成され得る。この場合も同様に、そのような混合物に対して、Lnは、La、Y、Pr、Ce、又はSmであり、Aは、Ca又はSrであり、Bは、Fe、Mn、Co、Ni、Al、Ti、又はこれらの組み合わせであり、wは、約0.9〜約1.0であり、xは、約0.1〜約0.3であり、yは、約0.1〜約0.7である。焼結されたときに、第3の層が、総固体質量の約20体積%〜約70体積%の(Ln1−xCr1−y3−δの体積百分率で、(Ln1−xCr1−y3−δとドープジルコニアとを含有するように、第3の混合物は、(Ln1−xCr1−y3−δ及びドープジルコニアの第3の体積百分率を有する。第3の層は、第3の層が多孔質であるような温度において空気中で焼結される。一実施形態では、ドープジルコニアは、10モル%のスカンジア及び1モル%のイットリアドープジルコニア(10Sc1YSZ)、又は10モル%のスカンジア及び1モル%のセリアドープジルコニア(10Sc1CeSZ)、又は10モル%のスカンジア及び1モル%のセリア及び1モル%のイットリアドープジルコニア(10Sc1Ce1YSZ)である。
第1及び第2の粒子混合物内の(Ln1−xCr1−y3−δは、(La1−xSrCr1−yFe3−δであってもよく、式中、wは、0.95であり、xは、0.2であり、yは、0.3である。第3の粒子混合物内の(Ln1−xCr1−y3−δは、(La1−xSrCr1−yFe3−δであってもよく、式中、wは、0.95であり、xは、0.2であり、yは、0.3である。
一実施形態では、全て総固体質量の体積百分率で、第1の層は、約28〜30体積%の(La1−xSrCr1−yFe3−δと、約67〜70体積%のドープジルコニアと、任意に約5体積%の金属Mとを含有し、第2の層は、約30体積%の(La1−xSrCr1−yFe3−δと、約70体積%のドープジルコニアとを含有し、第3の層は、約30体積%の(La1−xSrCr1−yFe3−δと、約70体積%のドープジルコニアとを含有する。多孔質支持体は、管状又は平面状の構成を有することができる。特定の一実施形態では、多孔質支持体は、4モル%のイットリア安定化ジルコニア(4YSZ)から形成され、約1050℃の温度で焼成され、これにより、多孔質支持体は、多孔質支持体上に第1の層を形成する前に完全に焼結されない。代替的に、第1、第2、及び任意の第3の層は、未焼成グリーン多孔質支持体上に形成され得、構造全体が一緒に加熱され得る。そのような実施形態では、第1の層は、多孔質支持体上に形成され、周囲温度で乾燥される。次いで、第2の層が第1の層上に形成される。次いで、第1の層、第2の層、及び多孔質支持体は、主に窒素の雰囲気中で約1350℃〜約1450℃の温度において焼結される。加えて、第3の層が第2の層上に形成され、空気中で約1250℃〜約1350℃の温度において焼結され得る。代替的に、第1の層、第2の層、及び第3の層は、主に窒素の雰囲気中で約1350℃〜1450℃の温度において一緒に焼結され得る。本発明のいずれの実施形態においても、第1の層、第2の層、及び/又は第3の層は、任意の従来のコーティング方法によって形成され得る。一実施形態では、第1の層、第2の層、及び/又は第3の層は、スラリーコーティングによって形成される。
本発明はまた、多孔質燃料酸化層及び緻密分離層をそれぞれ提供する第1の層と第2の層とを多孔質支持体上に含む、酸素イオン複合膜を提供する。第1の層は、多孔質支持体上に形成される、(Ln1−xCr1−y3−δ、ドープジルコニア、金属M、及び細孔形成剤の第1の粒子混合物を含有する。Lnは、La、Y、Pr、Ce、又はSmであり、Aは、Ca又はSrであり、Bは、Fe、Mn、Co、Ni、Al、Ti、又はこれらの組み合わせであり、wは、約0.9〜約1.0であり、xは、約0.1〜約0.3であり、yは、約0.1〜約0.7であり、Mは、Ru、Rh、Pd、Pt、Co、若しくはNi、又はこれらの組み合わせである。第1の層上に形成される第2の層は、(Ln1−xCr1−y3−δ及びドープジルコニアの第2の粒子混合物を含有し、式中、Lnは、La、Y、Pr、Ce、又はSmであり、Aは、Ca又はSrであり、Bは、Fe、Mn、Co、Ni、Al、Ti、又はこれらの組み合わせであり、wは、約0.9〜約1.0であり、xは、約0.1〜約0.3であり、yは、約0.1〜約0.7である。第1の層は、全て総固体質量の体積百分率で、約20体積%〜約70体積%の(Ln1−xCr1−y3−δと、約30体積%〜約80体積%のドープジルコニアと、任意に約0.1体積%〜約20体積%の金属Mとを含有する。第2の層は、全て総固体質量の体積百分率で、約20体積%〜約70体積%の(Ln1−xCr1−y3−δと、約30体積%〜約80体積%のドープジルコニアとを含有する。
第3の層は、第2の層上に位置して、多孔質表面交換層を形成することができ、それもまた、(Ln1−xCr1−y3−δ及びドープジルコニアの混合物を含有する。そのような層において、Lnは、La、Y、Pr、Ce、又はSmであり、Aは、Ca又はSrであり、Bは、Fe、Mn、Co、Ni、Al、Ti、又はこれらの組み合わせであり、wは、約0.9〜約1.0であり、xは、約0.1〜約0.3であり、yは、約0.1〜約0.7である。第3の層は、総固体質量の約20体積%〜約70体積%の(Ln1−xCr1−y3−δの体積百分率で、(Ln1−xCr1−y3−δとドープジルコニアとを含有する。
更に、ドープジルコニアは、10Sc1YSZ又は10Sc1CeSZ又は10Sc1Ce1YSZであってもよい。好ましくは、第1及び第2の層内の(Ln1−xCr1−y3−δは、(La0.8Sr0.20.95Cr0.7Fe0.33−δであり、第3の層内の(La1−xCr1−y3−δは、好ましくは、(La0.8Sr0.20.95Cr0.7Fe0.33−δである。加えて、好ましくは、第1の層は、約28〜30体積%の(Ln1−xCr1−y3−δと、約67〜70体積%のドープジルコニアと、任意に約体積5%の金属Mとを含有し、第2の層は、約30体積%の(Ln1−xCr1−y3−δと、約70体積%のドープジルコニアとを含有し、第3の層は、約30体積%の(Ln1−xCr1−y3−δと、約70体積%のドープジルコニアとを含有する。上記の百分率の全てが、総固体質量の体積百分率である。本発明の1つの非限定的な実施形態では、多孔質支持体は、管状構成を有する。
本明細書が、本発明者らが彼らの発明と見なす主題を明確に指摘する特許請求の範囲で締めくくっているが、本発明が添付の図面に関連して解釈されるとき、よりよく理解されるであろうと考えられる。
複合酸素イオン輸送膜の断面SEM顕微鏡写真画像である。 燃料酸化層中にRuを有する膜と有さない膜との間の酸素フラックスの比較である。 100時間、1200℃における還元雰囲気中での曝露後の、Ruを有する、及び有さない(La0.8Sr0.20.95Cr0.5Fe0.53−δ及び10Sc1YSZの粉末混合物のX線回折パターンの比較である。
図1は、本発明の複合酸素輸送膜1の断面顕微鏡写真を示す。複合酸素輸送膜1は、多孔質支持層10を有する。第1の層12、第2の層14、及び第3の層16が、多孔質支持層10に適用される。複合酸素輸送膜は、燃料及び他の可燃物質が第1、第2、及び第3の層12、14、及び16の反対側で多孔質支持層10に導入され、透過酸素によって支持される燃焼に供されて、酸素イオン輸送を駆動するのに必要な分圧差を提供することと、酸素イオン輸送が生じる動作温度に膜を加熱することの両方を行う環境において機能するように特に設計されている。この点で、本明細書及び特許請求の範囲の両方においてこの層に関連して使用される場合、「燃料」という用語は、制限するよう意図されないが、むしろ、膜を通る酸素の透過によって酸化され得る任意の物質を示し、かつそれを含むよう意図される。第2の層14は、酸素イオン輸送が主に生じる活性層であり、したがって、ガスを通さないが、酸素イオン輸送を可能にする緻密分離層として機能する。第3の層16は、初期に酸素を還元する働きをし、したがって、多孔質表面活性化層として機能する。加熱及び焼結後の第1の層12、第2の層14、及び第3の層16の各々は、好ましくは、それぞれが約10ミクロン〜約50ミクロンの厚さを有する。
多孔質支持層10は、好ましくは、部分安定化ジルコニア酸化物、例えば約3モル%〜約7モル%のイットリア安定化ジルコニアから形成され得る。イットリア含有量が4モル%未満の部分的にドープされたジルコニアは、周囲温度で、特に応力下又は水蒸気の存在下で、正方晶−単斜晶相変態を経験する傾向がある。正方晶−単斜晶相変態は、約5%の体積増加を伴い、多孔質支持体の亀裂又は多孔質支持体からのコーティング層の層間剥離をもたらす。本発明の一部ではないが、当業者によって理解されるように、多孔質支持層10は、可能な限り広い面積を提供する一方で、それでもなおその支持機能において構造的に堅固であることが可能でなければならない。
安定化ジルコニア、即ち、Zr1−x−y2−δは、3つ全ての「活性」膜層、即ち、第1の層12、第2の層14、及び第3の層16において共通の材料である。上記のように、これらの層の全てにおいて、酸素イオン輸送が生じ、したがって「活性」である。工業的関連レベルの酸素イオン伝導性をもたらすために、A及びBは、典型的にはSc、Y、Ce、Al、Yb、又はCaである。好ましくは、そのような安定化ジルコニアは、式:Zr0.802Sc0.1800.0182−δ又はZr0.809Sc0.182Ce0.0092−δによって示される組成物を有し、多くの場合、この種類の膜と関連する文献において、それぞれ10Sc1YSZ又は10Sc1CeSZとして示される。しかしながら、Sc、Y、Ce、Al、Yb、Ca、又は他の元素の多くの異なる組み合わせが、同じ目的を達成するために置換され得ることに留意されたい。
最初に第1の層12を参照すると、この層は、(Ln1−xCr1−y3−δ,10Sc1YSZ、金属M、及び細孔形成剤の第1の粒子混合物から形成される。この層において、Lnは、La、Y、Pr、Ce、又はSmであり、Aは、Ca又はSrであり、Bは、Mn、Fe、Co、Ni、Al、Ti、又はこれらの組み合わせであってもよく、wは、約0.9〜約1.0であり、xは、約0.1〜約0.3であり、yは、約0.1〜約0.6である。金属Mは、酸化物、炭酸塩、又は硝酸塩が挙げられるが、これらに限定されない、元素状態又は化合物の形態で添加され得る。この層に対するペロブスカイト材料の好ましい組成物は、(La0.8Sr0.20.95Cr0.7Fe0.33−δである。第1の層は、全て総焼結質量の体積百分率で、約20体積%〜約70体積%の(La1−xCr1−y3−δと、30体積%〜80体積%のドープジルコニアと、任意に0.1体積%〜20体積%の金属Mとを含有する。一実施形態では、第1の層は、全て焼結質量の体積百分率で、28〜30体積%の(La1−xCr1−y3−δと、67〜70体積%のドープジルコニアと、任意に5体積%の金属Mとを含有する。別の実施形態では、第1の層は、全て焼結質量の体積百分率で、28〜30体積%の(La0.8Sr0.20.95Cr0.5Fe0.53−δと、67〜70体積%の10Sc1YSZと、任意に5体積%のRuとを含有する。
第2の層14は、(Ln1−xCr1−y3−δ及びドープジルコニアの第2の粒子混合物から形成される。第2の層14の機能は、ガス分子を通さないが、酸素イオン及び電子に対して伝導性であるべきである、ガス分離層であることである。この層において、Lnは、La、Y、Pr、Ce、又はSmであり、Aは、Ca又はSrであり、Bは、Mn、Fe、Co、Ni、Al、Ti、又はこれらの組み合わせであり、xは、約0.1〜約0.3であり、yは、約0.1〜約0.7であり、wは、約0.9〜約1.0である。一実施形態では、この層に対する材料の好ましい組成物は、(La0.8Sr0.20.95Cr0.7Fe0.33−δ及び10Sc1YSZである。第2の粒子混合物内で、(Ln1−xCr1−y3−δ及びドープジルコニアは、総焼結質量の約20体積%〜約70体積%の(Ln1−xCr1−y3−δの第2の体積百分率内で存在するべきである。一実施形態では、第2の体積百分率は、約30体積%の(Ln1−xCr1−y3−δ及び70体積%のドープジルコニアである。
多孔質表面交換層として機能する第3の層16は、(Ln1−xCr1−y3−δ及びドープジルコニアの第3の粒子混合物から形成される。この層において、Lnは、La、Y、Pr、Ce、又はSmであり、Aは、Ca又はSrであり、Bは、Mn、Fe、Co、Ni、Al、Ti、又はこれらの組み合わせであってもよく、wは、約0.9〜約1.0であり、xは、約0.1〜約0.3であり、yは、約0.1〜約0.7である。一実施形態では、この層に対する材料の組成物は、(La0.8Sr0.20.95Cr0.7Fe0.33−δ及び10Sc1YSZである。(Ln1−xCr1−y3−δ及びドープジルコニアは、総焼結質量の約20体積%〜約70体積%の(Ln1−xCr1−y3−δの第3の体積百分率内で存在するべきである。一実施形態では、(Ln1−xCr1−y3−δの第3の体積百分率は、約30体積%である。
実施例1.複合酸素イオン輸送膜1を形成する第1の実施例において、ガス分離層である第2の層14に対するペロブスカイト材料(La0.8Sr0.2)0.95Cr0.Fe0.5O3−δ(LSCrF55)は、NexTech Materials,Ltd.(Lewis Center,Ohio)から得ることができ、Zr0.802Sc0.180Y0.018O2−δ(10Sc1YSZ)は、Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co,.Ltd(Osaka,Japan)から、そのUS agent Sojitz,Ltd(米国New York)を通じて得ることができる。ペロブスカイト相LSCrF55は、約0.3〜約0.5ミクロンの範囲内の粒径d50を有することができ、10Sc1YSZは、0.6ミクロン未満のd50を有するべきである。70グラムバッチのガス分離層スラリーを製造するために、36.75グラムのLSCrF55を、500ミリリットルのテフロン(登録商標)瓶中で、33.25グラムの10Sc1YSZ、36グラムのFerro B73210結合剤、170グラムのトルエン、及び1200グラムの直径1.5ミリメートルのYSZ粉砕媒体と混合する。混合物の粒径が約0.3〜0.5ミクロンの範囲内になるまで、混合物を粉砕する。燃料酸化層である第1の層12に対するペロブスカイト材料(La0.8Sr0.2)0.95Cr0.5Fe0.5O3−δ(LSCrF55)もまた、NexTech Materials,Ltd.(Lewis Center,Ohio)から得られ、10Sc1YSZもまた、Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co.Ltd(Osaka,Japan)から、そのUS agent Sojitz,Ltd(New York)を通じて得ることができる。Ruは、Johnson Matthey(West Deptford,New Jersey)から調達されるRuO2の形態で添加され、1.3ミクロンの粒径d50を有する。ペロブスカイト相LSCrF55は、約0.3〜約0.5ミクロンの範囲内の粒径d50を有するものとして指定され、10Sc1YSZは、受け取ったときに0.6μm未満の粒径d50を有する。60グラムバッチの燃料酸化層スラリーを調製するために、30グラムのLSCrF55、18.09グラムの10Sc1YSZ、2.91グラムのRuO2、100グラムのトルエン、20グラムのFerro B73210結合剤、及び500グラムの直径1.5ミリメートルのYSZ研削媒体を、250ミリリットルのテフロン(登録商標)瓶に添加する。次いで、混合物を約6時間粉砕して、約0.3〜約0.5ミクロンの粒径d50を有するスラリーを形成する。約0.8ミクロンのd50の粒径を有する約9グラムのカーボンブラック、及び1.2グラムの界面活性剤KD−1を、スラリーに添加し、更に2時間粉砕する。表面交換層スラリーを調製するために、(La0.8Sr0.2)0.95Cr0.3Fe0.7O3−δ(LSCrF37)と10Sc1YSZとを有する、80グラムの電子及びイオン混合物を調製し、これにより、混合物は、約60体積%のLSCrF37と、約40体積%の10Sc1YSZとを含有する。混合物に、28.8グラムのトルエン、19.2グラムのエチルアルコール、16グラムの上述した同じFerro結合剤、1.6グラムの界面活性剤KD−1、及び約500グラムの直径1.5ミリメートルのYSZ研削媒体を添加し、得られた混合物を約2時間粉砕して、約0.3〜約0.5ミクロンの粒径d50を有するスラリーを形成する。約12グラムのカーボンブラックをスラリーに添加し、それを更に2時間粉砕する。
これらのスラリーから複合酸素輸送膜1を形成するために、スラリーコーティングし、続いて窒素中で焼成することによって、多孔質支持体10上にスラリーを堆積させる。多孔質支持体10は、管状であり、押出プロセスによって製造され得る。多孔質支持体10は十分に焼結され得るが、それは最初に、グリーン形成後に低温、例えば、約1050℃で焼成され得、これにより、コーティングされた基板がより高温で再び焼成されるときに、ある程度の残留収縮が残る。次いで、第1の層12を多孔質支持層10の表面上に堆積させ、支持基板がスラリー中に浸漬される速度によって、適切な厚さを制御する。第1の層12を周囲温度で乾燥させる。次いで、構成要素をガス分離スラリー中に浸漬することによって、第2の層14を第1の層12の頂部に適用し、乾燥させる。コーティングプロセスを2〜3回繰り返して、所望の厚さを達成する。コーティングされた管を、流動窒素中で約1350℃〜約1450℃の温度にゆっくりと加熱し、膜が完全に焼結するために約6時間同じ温度で保持する。焼結中、炉内の雰囲気の酸素分圧を20Pa未満に制御する。次いで、管を窒素中で冷却して、焼結プロセスを完了する。焼結管を、以下に定義されるように、流量係数、Cνに関してチェックする。
Figure 2019513081
式中、qは、流速であり、Nは、定数であり、pは、入口圧力であり、Gは、ガス比重であり、Tは、絶対上流温度である。焼結した長さ2フィートの管のCνは、1.5×10−5を超えるべきではない。分離層14の緻密化後、焼結した三層膜構造体をスラリーコーティングし、空気中で約1250℃〜約1350℃の温度において焼成することによって、第3の層16を適用する。第3の層16はまた、緻密層14の乾燥後に適用され得、次いで、3つ全ての活性層12、14、16が、窒素雰囲気中で約1430℃の温度において、1回の高温焼結工程で一緒に共焼成される。これら3つの層に対する高温焼結工程を組み合わせることによって、3つの層の各々に対する別々の高温焼結工程を使用するときに達成され得る製造コストを低減する。表面交換層の焼結後に管のCνを再びチェックして、有意な変化が生じていないことを確認する。
得られた管は、範囲内の好ましい厚さ、細径、及び多孔率を有し、即ち、燃料酸化層12は、約10ミクロン〜約50ミクロンの厚さ、約0.1ミクロン〜約1ミクロンの平均細孔径、及び約25パーセント〜約50パーセントの多孔率を有する。多孔質支持層10は、約1.3ミリメートルの厚さ、約0.5ミクロン〜約3ミクロンの平均細孔径、及び約25〜45パーセントの多孔率を有する。表面交換層16は、約10ミクロン〜約50ミクロンの厚さ、約0.1ミクロン〜約1ミクロンの平均細孔径、及び約25パーセント〜約50パーセントの多孔率を有する。分離層14は、約10ミクロン〜約50ミクロンの厚さを有し、関連した多孔率は実質的になく、別の実施形態では、関連した多孔率はない。
3つ全ての活性層と燃料酸化層中のRu触媒とを有する管の酸素フラックスを、単管反応器内で、1000時間にわたって高温で試験する。同じ活性層を有するが、燃料酸化層中の触媒添加がない管も、比較のために試験する。図2は、燃料酸化層中にRu触媒を有する、及び有しない2つの管の正規化された酸素フラックスを示す。燃料酸化層中のRuが5%の管は、Ru触媒を有しない管よりも高い初期酸素フラックスを呈し、試験期間全体にわたってフラックスのいかなる顕著な低下も示さないことが理解できる。燃料酸化層中にRu触媒を有しない管は、より低い初期酸素フラックスを示し、それが安定した状態になる前、最初の100時間に急速に劣化する。より高い初期フラックスは、燃料酸化層中のRu金属の触媒活性に起因する可能性がある。しかしながら、Ru触媒の添加が劣化速度も同様に低下させることは予想外である。
その理由を更に理解するために、Ru触媒の添加あり及びなしの燃料酸化層の粉末混合粉をX線回折によって検査して、2つの相が酸素膜動作条件下で化学的に適合するかをチェックする。この実験では、Ru添加あり及びなしのいずれかのLSCrF55及び10Sc1YSZを、ボールミル粉砕によって一緒に密接に混合する。混合粉末をペレットに圧縮し、次いで、1200℃の還元雰囲気中に100時間曝露する。曝露後の粉末をX線回折によって検査し、その結果を図3に示す。図3から、X線回折パターンにおける更なるピークの出現によって明らかなように、還元雰囲気中の高温曝露後、混合物中にRuを有しないと、LSCrF55は、10Sc1YSZ相と反応し、LaZr相及び正方晶ZrO相を形成することが容易に理解され得る。LaZr相及び正方晶ZrO相の形成は、酸素輸送膜の性能にとって有害であり、それは、固体酸化物燃料電池の業界の文献において十分に裏付けられ、燃料酸化層中にRuを有しない管に対する酸素フラックスの初期低下を説明している。しかしながら、Ruを添加した粉末混合物は、還元雰囲気中の高温曝露後にいかなる追加のピークも示さず、それは、新しい相が形成されないことを意味する。燃料酸化層中にRuを有する管のフラックスのより低い低下は、LSCrF55相と10Sc1YSZ相との間の改善された化学的適合性によって説明され得る。
実施例2.複合酸素イオン輸送膜1を形成する第2の実施例では、3つ全ての活性層12、14、及び16に対するペロブスカイト材料(La0.8Sr0.2)0.95Cr0.7Fe0.3O3−δ(LSCrF73)は、NexTech Materials,Ltd.(Lewis Center,OH)から得られ、Zr0.802Sc0.180Y0.018O2−δ(10Sc1YSZ)は、Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co,.Ltd(Osaka,Japan)から、そのUS agent Sojitz,Ltd(New York,NY,USA)を通じて得られる。ペロブスカイト粉末LSCrF73は、約0.3〜約0.5ミクロンの範囲内の粒径d50を有することができ、10Sc1YSZは、0.6ミクロン未満のd50を有するべきである。70グラムバッチのガス分離層スラリーを製造するために、22.50グラムのLSCrF73を、500ミリリットルのテフロン(登録商標)瓶中で、47.50グラムの10Sc1YSZ、36グラムのFerro B73210結合剤、170グラムのトルエン、及び1200グラムの直径1.5ミリメートルのYSZ粉砕媒体と混合する。混合物の粒径が約0.3〜0.5ミクロンの範囲内になるまで、混合物を粉砕する。スラリーを粉砕媒体から分離し、テフロン(登録商標)瓶中に保存する。燃料酸化層12及び表面活性化層16を、同じスラリーからコーティングする。60グラムバッチの燃料酸化及び表面活性化スラリーを調製するために、16.39グラムのLSCrF73、34.61グラムの10Sc1YSZ、100グラムのトルエン、20グラムのFerro B73210結合剤、及び600グラムの直径1.5ミリメートルのYSZ研削媒体を、250ミリリットルのテフロン(登録商標)瓶に添加する。次いで、混合物を約6時間粉砕して、約0.3〜約0.5ミクロンの粒径d50を有するスラリーを形成する。約0.8ミクロンのd50の粒径を有する約9グラムのカーボンブラック、及び1.2グラムの界面活性剤KD−1を、スラリーに添加し、更に2時間粉砕する。
これらのスラリーから複合酸素輸送膜1を形成するために、スラリーコーティングし、続いて窒素中で焼成することによって、多孔質支持体10上にスラリーを堆積させる。多孔質支持体10は、管状であり、押出プロセスによって製造され得る。多孔質支持体10は十分に焼結され得るが、それは最初に、グリーン形成後に低温、例えば、約1050℃で焼成され得、これにより、コーティングされた基板がより高温で再び焼成されるときに、ある程度の残留収縮が残る。次いで、第1の層12を多孔質支持層10の表面上に堆積させ、支持基板がスラリー中に浸漬される速度によって厚さを制御する。第1の層12を周囲温度で乾燥させる。次いで、構成要素をガス分離スラリー中に浸漬することによって、第2の層14を第1の層12の頂部に適用し、乾燥させる。所望の厚さを達成するために、コーティングプロセスは、2回以上繰り返され得る。次いで、構成要素を表面活性化スラリー中に浸漬することによって、第3の層16を第2の層14の頂部に適用し、乾燥させる。3つ全ての活性層でコーティングされた管を、流動窒素中で約1350℃〜約1450℃の温度にゆっくりと加熱し、膜を完全に焼結させるために約6時間同じ温度で保持する。焼結中、炉の雰囲気中の酸素の分圧を20Pa未満に維持する。次いで、管を窒素中で冷却して、焼結プロセスを完了する。
本発明が好ましい実施形態を参照して記載されているが、当業者が想到するように、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、多くの変更、追加、及び省略が行われ得る。

Claims (19)

  1. 酸素イオン複合膜を生成する方法であって、
    (Ln1−xCr1−y3−δ、ドープジルコニア、触媒金属M、及び細孔形成剤の第1の粒子混合物を含有する第1の層を、多孔質支持体上に形成することであって、式中、Lnが、La、Y、Pr、Ce、又はSmであり、Aが、Ca又はSrであり、Bが、Fe、Mn、Co、Ni、Al、Ti、又はこれらの組み合わせであり、wが、約0.9〜約1.0であり、xが、約0.1〜約0.3であり、yが、約0.1〜約0.7であり、δが、前記組成物を電荷中性の状態にする値であり、触媒金属Mが、触媒金属又は触媒金属の酸化物、炭酸塩、又は硝酸塩であり、前記触媒金属が、Ru、Pd、Pt、Rh、Ni、Co、又はこれらの組み合わせから選択され、
    焼結されたときに、前記第1の層が、総固体質量の体積百分率に基づき、約20体積%〜約70体積%の前記(Ln1−xCr1−y3−δと、約30体積%〜約80体積%の前記ドープジルコニアと、任意に約0.1体積%〜約20体積%の前記触媒金属Mとを含有するように、前記第1の混合物が、前記(Ln1−xCr1−y3−δと、前記ドープジルコニアと、前記触媒金属Mとを含有する、形成することと、
    (Ln1−xCr1−y3−δ及び前記ドープジルコニアの第2の粒子混合物を含有するが、細孔形成剤を含有しない第2の層を、前記第1の層上に形成することであって、式中、Lnが、La、Y、Pr、Ce、又はSmであり、Aが、Ca又はSrであり、Bが、Fe、Mn、Co、Ni、Al、Ti、又はこれらの組み合わせであり、wが、約0.9〜約1.0であり、xが、約0.1〜約0.3であり、yが、約0.1〜約0.7であり、δが、前記組成物を電荷中性の状態にする値であり、
    焼結されたときに、前記第2の層が、総固体質量の体積百分率に基づき、約20体積%〜約70体積%の前記(Ln1−xCr1−y3−δと、約30体積%〜約80体積%の前記ドープジルコニアとを含有するように、前記第2の混合物が、前記(Ln1−xCr1−y3−δと前記ドープジルコニアとを含有する、形成することと、
    前記第1の層が、前記第1の粒子混合物を含有する多孔質塊に部分的に焼結して、それにより多孔質燃料酸化層を提供し、前記第2の層が、前記第2の粒子混合物を含有する緻密化された塊に完全に焼結して、それにより緻密分離層を提供するように、前記第1の層、前記第2の層、及び前記多孔質支持体を加熱することと、を含む、方法。
  2. 窒素雰囲気において前記第1の層、前記第2の層、及び前記多孔質支持体を加熱する前に、(Ln1−xCr1−y3−δ、前記ドープジルコニア、及び細孔形成剤の第3の粒子混合物を含有する第3の層が、前記第2の層上に形成され、式中、Lnが、La、Y、Pr、Ce、又はSmであり、Aが、Ca又はSrであり、Bが、Fe、Mn、Co、Ni、Al、Ti、又はこれらの組み合わせであり、wが、約0.9〜約1.0であり、xが、約0.1〜約0.3であり、yが、約0.1〜約0.7であり、δが、前記組成物を電荷中性の状態にする値であり、
    焼結されたときに、前記第3の層が、総固体質量の体積百分率に基づき、約20体積%〜約70体積%の前記(Ln1−xCr1−y3−δと、約30体積%〜約80体積%の前記ドープジルコニアとを含有するように、前記第3の混合物が、前記(Ln1−xCr1−y3−δ及び前記ドープジルコニアの第3の体積比を有し、続いて、前記第1の層、前記第2の層、前記第3の層、及び前記多孔質支持体を加熱し、前記第1の層が、前記第1の粒子混合物を含有する多孔質塊に部分的に焼結して、それにより多孔質燃料酸化層を提供し、前記第2の層が、前記第2の粒子混合物を含有する緻密化された塊に完全に焼結して、それにより緻密分離層を提供し、前記第3の層が加熱され、これにより前記第3の層が、前記第3の粒子混合物を含有する多孔質塊に部分的に焼結して、それにより多孔質表面交換層を提供する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記ドープジルコニアが、10Sc1YSZ又は10Sc1CeSZ又は10Sc1Ce1YSZである、請求項2に記載の方法。
  4. 前記第1の粒子混合物中の前記(Ln1−xCr1−y3−δが、(La1−xSrCr1−yFe3−δであり、式中、wが、0.95であり、xが、0.2であり、yが、0.3であり、前記第2の粒子混合物中の前記(Ln1−xCr1−y3−δが、(La1−xSrCr1−yFe3−δであり、式中、wが、0.95であり、xが、0.2であり、yが、0.3であり、前記第3の粒子混合物中の前記(Ln1−xCr1−y3−δが、(La1−xSrCr1−yFe3−δであり、式中、wが、0.95であり、xが、0.2であり、yが、0.3であり、
    前記焼結した多孔質支持体が、ドープ酸化ジルコニウム、又はMgO及びMgAlの混合物から形成される、請求項3に記載の方法。
  5. 総固体質量の体積百分率に基づき、前記第1の層が、20〜60体積%の(Ln1−xCr1−y3−δと、40〜80体積%の前記ドープジルコニアと、任意に1〜15体積%の前記触媒金属Mとを含有し、前記第2の層が、20〜60体積%の(Ln1−xCr1−y3−δと、40〜80体積%の前記ドープジルコニアとを含有し、前記第3の層が、20〜60体積%の(Ln1−xCr1−y3−δと、40〜80体積%の前記ドープジルコニアとを含有する、請求項4に記載の方法。
  6. 前記多孔質支持体が、管状又は平面状の構成を有する、請求項5に記載の方法。
  7. 前記多孔質支持体が、4YSZから形成され、任意に約950〜約1200℃の範囲の温度で加熱され、これにより、前記多孔質支持体が、前記多孔質支持体上に前記第1の層を形成する前に完全には焼結されず、前記多孔質支持体上に形成された後の前記第1の層が、前記第1の層上に前記第2の層をコーティングする前に周囲温度で乾燥され、
    前記第1の層、前記第2の層、及び前記多孔質支持体が、約1350℃〜約1450℃の温度で加熱される、請求項1に記載の方法。
  8. 前記第3の層が、約1250℃〜約1350℃の温度で加熱される、請求項7に記載の方法。
  9. 前記多孔質支持体が、4YSZから形成され、任意に約950〜約1200℃の範囲の温度で加熱され、これにより、前記多孔質支持体が、前記多孔質支持体上に前記第1の層を形成する前に完全には焼結されず、前記第1の層、前記第2の層、前記第3の層、及び前記多孔質支持体が、不活性雰囲気において約1350℃〜約1450℃の温度で加熱され、前記第1の層、前記第2の層、及び/又は前記第3の層が、任意にスラリーコーティングによって形成される、請求項2に記載の方法。
  10. 前記ドープジルコニアが、10Sc1YSZ又は10Sc1CeSZ又は10Sc1Ce1YSZである、請求項9に記載の方法。
  11. 前記多孔質支持体が、4YSZである、請求項10に記載の方法。
  12. 酸素イオン複合膜であって、
    前記酸素イオン複合膜に対して、多孔質燃料酸化層及び緻密分離層をそれぞれ提供する第1の層と第2の層とを多孔質支持体上に含み、
    前記層のうちの前記第1の層が、(Ln1−xCr1−y3−δ、ドープジルコニア、及び任意に触媒金属Mの混合物を含有し、式中、Lnが、La、Y、Pr、Ce、又はSmであり、Aが、Ca又はSrであり、Bが、Fe、Mn、Co、Ni、Al、Ti、又はこれらの組み合わせであり、wが、約0.9〜約1.0であり、xが、約0.1〜約0.3であり、yが、約0.1〜約0.6であり、Mが、Ru、Pd、Pt、Rh、Ni、又はこれらの組み合わせであり、前記層のうちの前記第2の層が、(Ln1−xCr1−y3−δ及びドープジルコニアの混合物を含有し、式中、Aが、Ca又はSrであり、Bが、Fe、Mn、Co、Ni、Al、Ti、又はこれらの組み合わせであり、wが、約0.9〜約1.0であり、xが、約0.1〜約0.3であり、yが、約0.1〜約0.7であり、
    総固体質量の体積百分率に基づき、前記層のうちの前記第1の層が、約30体積%〜約70体積%の前記(Ln1−xCr1−y3−δと、約30体積%〜約70体積%の前記ドープジルコニアと、任意に約0.1体積%〜約20体積%の前記触媒金属Mとを含有し、前記層のうちの前記第2の層が、約30体積%〜約70体積%の前記(Ln1−xCr1−y3−δと、約30体積%〜約70体積%の前記ドープジルコニアとを含有する、酸素イオン複合膜。
  13. 第3の層が、前記第2の層上に位置して、多孔質表面交換層を形成し、第3の層もまた、(Ln1−xCr1−y3−δ及び前記ドープジルコニアの前記混合物を含有し、式中、Lnが、La、Y、Pr、Ce、又はSmであり、Aが、Ca又はSrであり、Bが、Fe、Mn、Co、Ni、Al、Ti、又はこれらの組み合わせであり、wが、約0.9〜約1.0であり、xが、約0.1〜約0.3であり、yが、約0.1〜約0.7であり、
    前記第3の層が、総固体質量の約20体積%〜約70体積%の(Ln1−xCr1−y3−δの第3の体積百分率で、前記(Ln1−xCr1−y3−δと前記ドープジルコニアとを含有する、請求項12に記載の酸素イオン複合膜。
  14. 前記ドープジルコニアが、10Sc1YSZ又は10Sc1CeSZ又は10Sc1Ce1YSZである、請求項13に記載の酸素イオン複合膜。
  15. 前記第1の層内の前記(Ln1−xCr1−y3−δが、(La1−xSrCr1−yFe3−δであり、式中、wが、0.95であり、xが、0.2であり、yが、0.3であり、
    前記第2の層内の前記(Ln1−xCr1−y3−δが、(La1−xSrCr1−yFe3−δであり、式中、wが、0.95であり、xが、0.2であり、yが、0.3であり、
    前記第3の層内の前記(Ln1−xCr1−y3−δが、(La1−xSrCr1−yFe3−δであり、式中、wが、0.95であり、xが、0.2であり、yが、0.3であり、
    前記焼結した多孔質支持体が、安定化した酸化ジルコニア、又はMgO及びMgAlの混合物から形成される、請求項14に記載の酸素イオン複合膜。
  16. 総固体質量の体積百分率に基づき、前記層のうちの前記第1の層が、約30体積%の(Ln1−xCr1−y3−δと、約70体積%のドープジルコニアとを含有し、前記層のうちの前記第2の層が、約30体積%の(Ln1−xCr1−y3−δと、約70体積%のドープジルコニアとを含有し、前記層のうちの前記第3の層が、約30体積%の(Ln1−xCr1−y3−δと、約70体積%のドープジルコニアとを含有する、請求項15に記載の酸素イオン複合膜。
  17. 前記多孔質支持体が、管状又は平面状の構成を有する、請求項16に記載の酸素イオン複合膜。
  18. 前記焼結した多孔質支持体が、4YSZから形成される、請求項17に記載の酸素複合膜。
  19. 前記加熱工程が、窒素雰囲気、空気、形成ガス雰囲気、CO、アルゴン、又はこれらの混合物中で行われる、請求項1に記載の方法。
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