JP2021010909A - Oxygen permeation membrane, method for manufacturing same, and reformer - Google Patents

Oxygen permeation membrane, method for manufacturing same, and reformer Download PDF

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Abstract

To enhance durability and oxygen permeation performance of an oxygen permeation membrane.SOLUTION: An oxygen permeation membrane (10) comprises a first layer (12) which contains a complex oxide, and has oxygen ion conductivity and electron conductivity and through which oxygen is permeated from a high oxygen partial pressure side to a low oxygen partial pressure side due to an oxygen partial pressure difference between both faces of the first layer; and a second layer (13) which is formed on a first face of the first layer, has a porosity larger than that of the first layer and comprises a porous body of which a porosity is 30% or more, and which comprises a catalyst porous body (15) made of a ceramic having catalytic activity on an area of at least a part of the second layer which includes a boundary face between itself and the first layer. A catalytic metal (16) is carried on at least a part of a surface of the porous body which constitutes the second layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、酸素透過膜、その製造方法、および改質器に関するものである。 The present invention relates to an oxygen permeable membrane, a method for producing the same, and a reformer.

従来、酸素を選択的に透過する酸素透過膜として、酸素イオン(酸化物イオン)伝導性を示す酸化物(例えば、ガドリニウム固溶セリア)と、電子伝導性を示す酸化物(例えば、鉄を含有するスピネル型複合酸化物)と、を混合した酸素透過膜が知られている。このような酸素透過膜の用途の一つとして、改質原料から水素を生成する改質反応に必要な酸素を生成する、という用途が知られている(例えば、特許文献1参照)。この従来技術には、酸素透過膜を用いて空気から酸素を抽出し、得られた酸素を用いて、炭化水素系燃料等の改質原料を部分酸化反応によって改質し、燃料電池等に供給するための水素を得る方法が開示されている。 Conventionally, as an oxygen permeable film that selectively permeates oxygen, an oxide exhibiting oxygen ion (oxide ion) conductivity (for example, gadolinium solid-soluble ceria) and an oxide exhibiting electron conductivity (for example, iron) are contained. An oxygen permeable membrane mixed with a spinel-type composite oxide is known. As one of the uses of such an oxygen permeable membrane, there is known a use of generating oxygen necessary for a reforming reaction to generate hydrogen from a reforming raw material (see, for example, Patent Document 1). In this conventional technique, oxygen is extracted from air using an oxygen permeable film, and the obtained oxygen is used to reform a reforming raw material such as a hydrocarbon fuel by a partial oxidation reaction and supply it to a fuel cell or the like. A method of obtaining hydrogen for this purpose is disclosed.

特開2005−281086号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-281806 特許第5233202号Patent No. 5233202

酸素透過膜の性能を向上させる方法の一つとして、酸素透過膜の薄膜化が検討されている。酸素イオン伝導性と電子伝導性とを有する酸素透過膜を薄膜化すると、酸素透過膜内の抵抗が減少するため、酸素透過速度は向上する。しかしながら、酸素透過膜の膜厚をある一定値以下にすると、酸素透過膜内部の酸素拡散速度(酸素透過膜内を酸素イオンが透過する速度)よりも、酸素透過膜表面における表面交換反応速度の方が遅くなり、膜厚を薄くしても、酸素透過速度が増加しなくなる。そのため、酸素透過膜の薄型化による酸素透過膜の性能向上には限界があった。なお、上記表面交換反応速度とは、酸素透過膜
の一方の面で、下記の(1)式に示すように酸素分子から酸素イオンが生じる反応が進行し、他方の面で、下記の(2)式に示すように酸素イオンから酸素分子が生じる反応が進行する速度である。
Thinning of the oxygen permeable membrane is being studied as one of the methods for improving the performance of the oxygen permeable membrane. When the oxygen permeable membrane having oxygen ion conductivity and electron conductivity is thinned, the resistance in the oxygen permeable membrane is reduced, so that the oxygen permeable rate is improved. However, when the thickness of the oxygen permeable membrane is set to a certain value or less, the surface exchange reaction rate on the surface of the oxygen permeable membrane is higher than the oxygen diffusion rate inside the oxygen permeable membrane (the rate at which oxygen ions permeate the oxygen permeable membrane). The oxygen permeation rate does not increase even if the film thickness is reduced. Therefore, there is a limit to improving the performance of the oxygen permeable membrane by making the oxygen permeable membrane thinner. The surface exchange reaction rate is defined as the reaction in which oxygen ions are generated from oxygen molecules on one surface of the oxygen permeable membrane as shown in the following equation (1), and the following (2) on the other surface. ) Is the rate at which the reaction in which oxygen molecules are generated from oxygen ions proceeds as shown in the equation.

(1/2)O+ 2e→ O2− … (1)
2− → (1/2)O+ 2e … (2)
(1/2) O 2 + 2e → O 2- … (1)
O 2- → (1/2) O 2 + 2e … (2)

酸素透過速度をさらに向上させる方法の一つとして、酸素透過膜の表面に、上記表面交換反応を促進するための触媒を設ける方法が知られている。従来、このような触媒としては、白金(Pt)などの貴金属や、ニッケル(Ni)などの金属が使用されてきた(例えば、特許文献2参照)。しかしながら、貴金属は高価であるため採用し難い場合がある。 As one of the methods for further improving the oxygen permeation rate, a method of providing a catalyst for promoting the surface exchange reaction on the surface of the oxygen permeation membrane is known. Conventionally, as such a catalyst, a noble metal such as platinum (Pt) and a metal such as nickel (Ni) have been used (see, for example, Patent Document 2). However, precious metals are expensive and may be difficult to adopt.

また、Niのような貴金属以外の金属を触媒として用いる場合には、酸素透過膜の使用環境によっては、触媒が酸化と還元を繰り返すことにより、酸素透過膜の性能が低下する場合があった。触媒の酸化・還元が問題になる使用環境としては、具体的には、既述したように水素を生成する改質反応のために酸素透過膜を用いる際の使用環境が挙げられる。ここでは、酸素透過膜の一方の面側(高酸素分圧側)には、酸素含有ガスが供給される。また、他方の面側(低酸素分圧側)には、炭化水素系燃料等の改質原料が供給され、他方の面上において、酸素透過膜を透過した酸素を利用して、改質原料の部分酸化反応が進行する。従って、改質反応が進行している間は、酸素透過膜の上記他方の面上の触媒は還元雰囲気に晒されることによりNiの状態で存在するが、改質原料の供給が停止されて酸素に晒されると、Niは酸化されて酸化ニッケル(NiO)となって膨張する。そのため、酸素透過膜を用いた改質反応の進行と停止を繰り返すと、低酸素分圧側の触媒が酸化・還元による膨張・収縮を繰り返すことにより触媒が損傷し、酸素透過膜の耐久性が不十分となる可能性があった。 Further, when a metal other than a noble metal such as Ni is used as a catalyst, the performance of the oxygen permeable membrane may deteriorate due to repeated oxidation and reduction of the catalyst depending on the usage environment of the oxygen permeable membrane. Specific examples of the usage environment in which oxidation / reduction of the catalyst becomes a problem include the usage environment when an oxygen permeable membrane is used for the reforming reaction to generate hydrogen as described above. Here, the oxygen-containing gas is supplied to one surface side (high oxygen partial pressure side) of the oxygen permeable membrane. Further, a reforming raw material such as a hydrocarbon fuel is supplied to the other surface side (low oxygen partial pressure side), and on the other surface, oxygen permeated through the oxygen permeable membrane is used to prepare the reforming raw material. The partial oxidation reaction proceeds. Therefore, while the reforming reaction is in progress, the catalyst on the other surface of the oxygen permeable membrane exists in the state of Ni by being exposed to the reducing atmosphere, but the supply of the reforming raw material is stopped and oxygen is generated. When exposed to, Ni is oxidized to nickel oxide (NiO) and expands. Therefore, if the reforming reaction using the oxygen permeable membrane is repeatedly progressed and stopped, the catalyst on the low oxygen partial pressure side repeats expansion and contraction due to oxidation and reduction, and the catalyst is damaged, resulting in poor durability of the oxygen permeable membrane. It could be enough.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and can be realized as the following forms.

(1)本発明の一形態によれば、酸素透過膜が提供される。この酸素透過膜は、複合酸化物を含み、酸素イオン伝導性および電子伝導性を有する第1の層であって、該第1の層の両面間の酸素分圧差によって高酸素分圧側から低酸素分圧側へと酸素を透過させる第1の層と;前記第1の層の第1の面上に形成されて、前記第1の層よりも気孔率が大きく、気孔率が30%以上である多孔質体から成る第2の層であって、該第2の層の少なくとも一部の、前記第1の層との界面を含む領域において、触媒活性を有するセラミックから成る触媒多孔質体を備える第2の層と;を備え、前記第2の層を構成する前記多孔質体の表面の少なくとも一部には、触媒金属が担持されている。
この形態の酸素透過膜によれば、触媒多孔質体を備える第2の層の少なくとも一部の表面に触媒金属を担持することにより、貴金属等の触媒金属の使用量を抑えつつ、酸素透過膜における酸素透過性能を向上させることができる。また、還元雰囲気と酸化雰囲気とが繰り返し切り替わる環境下で酸素透過膜を用いても、酸素透過性能の低下を抑え、酸素透過の動作を安定して継続することが可能になる。なお、ここで「触媒活性を有するセラミック」とは、第2の層のうちの上記したセラミック部分そのものが、触媒活性を示すことを表わす。また、第2層の気孔率を30%以上とすることにより、酸素透過膜の表面で進行する反応に供されるガスや酸素透過膜の表面で進行した反応で生じたガス(例えば、酸素透過膜を透過した酸素や、改質原料となる炭化水素や、酸素透過膜を透過した酸素と炭化水素との反応により生成する水素含有ガス等)の、第2層での拡散が容易となり、酸素透過膜の性能を向上させることができる。
(1) According to one embodiment of the present invention, an oxygen permeable membrane is provided. This oxygen permeable film is a first layer containing a composite oxide and having oxygen ion conductivity and electron conductivity, and low oxygen from the high oxygen partial pressure side due to the oxygen partial pressure difference between both sides of the first layer. A first layer that allows oxygen to permeate to the pressure dividing side; formed on the first surface of the first layer, has a higher porosity than the first layer, and has a porosity of 30% or more. A second layer made of a porous body, which comprises a catalytic porous body made of a ceramic having catalytic activity in a region including an interface with the first layer in at least a part of the second layer. A catalyst metal is supported on at least a part of the surface of the porous body which is provided with a second layer; and constitutes the second layer.
According to this form of oxygen permeable film, by supporting the catalyst metal on the surface of at least a part of the second layer including the catalyst porous body, the amount of the catalyst metal such as a noble metal used can be suppressed, and the oxygen permeable film can be used. Oxygen permeation performance can be improved. Further, even if the oxygen permeable membrane is used in an environment where the reducing atmosphere and the oxidizing atmosphere are repeatedly switched, the deterioration of the oxygen permeable performance can be suppressed and the oxygen permeable operation can be stably continued. Here, the term "ceramic having catalytic activity" means that the ceramic portion itself in the second layer exhibits catalytic activity. Further, by setting the pore ratio of the second layer to 30% or more, the gas used for the reaction proceeding on the surface of the oxygen permeable membrane and the gas generated by the reaction proceeding on the surface of the oxygen permeable membrane (for example, oxygen permeation). Oxygen that has permeated the membrane, hydrocarbons that are used as reforming raw materials, hydrogen-containing gas that is generated by the reaction of oxygen that has permeated the oxygen permeation membrane and hydrocarbons, etc.) can be easily diffused in the second layer, and oxygen The performance of the permeable membrane can be improved.

(2)上記形態の酸素透過膜において、前記触媒多孔質体は、酸素イオン伝導体と電子伝導体とを含むこととしてもよい。この形態の酸素透過膜によれば、触媒多孔質体上で進行する反応(例えば、酸素イオンが酸素分子となる反応や、酸素透過膜が改質器に用いられる場合には酸素イオンと改質原料ガスとの間で進行する反応等)の過程における電子の授受が容易となり、酸素透過膜における酸素透過性能を高めることができる。 (2) In the oxygen permeable membrane of the above form, the catalytic porous body may include an oxygen ion conductor and an electron conductor. According to this form of oxygen permeable membrane, a reaction that proceeds on the catalytic porous body (for example, a reaction in which oxygen ions become oxygen molecules, or when an oxygen permeable membrane is used in a reformer, it is modified with oxygen ions. It facilitates the transfer of electrons in the process of (reaction etc. progressing with the raw material gas), and can improve the oxygen permeation performance of the oxygen permeation membrane.

(3)上記形態の酸素透過膜において、前記第2の層は、前記触媒多孔質体に加えてさらに、前記第1の層との界面から離間して設けられたセラミックによって構成される支持層を備えることとしてもよい。この形態の酸素透過膜によれば、酸素透過膜の強度を高め、第1の層をさらに薄型化して、酸素透過膜の性能を向上させることが可能になる。 (3) In the oxygen permeable membrane of the above embodiment, the second layer is a support layer composed of a ceramic provided apart from the interface with the first layer in addition to the catalyst porous body. May be provided. According to this form of the oxygen permeable membrane, the strength of the oxygen permeable membrane can be increased, the first layer can be further thinned, and the performance of the oxygen permeable membrane can be improved.

(4)上記形態の酸素透過膜において、前記触媒多孔質体に含まれる前記電子伝導体は、基本構造がABOであるペロブスカイト型複合酸化物であって、Aに該当する元素は、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)、およびバリウム(Ba)から選択される少なくとも1種の元素であり、Bに該当する元素はクロム(Cr)およびニッケル(Ni)であることとしてもよい。この形態の酸素透過膜によれば、酸素透過膜の性能が向上する効果を高めることができる。 (4) In the oxygen permeable film of the above form, the electron conductor contained in the catalytic porous body is a perovskite type composite oxide having a basic structure of ABO 3 , and the element corresponding to A is lanthanum ( It is at least one element selected from La), strontium (Sr), calcium (Ca), and barium (Ba), and the element corresponding to B may be chromium (Cr) and nickel (Ni). Good. According to this form of oxygen permeable membrane, the effect of improving the performance of the oxygen permeable membrane can be enhanced.

(5)上記形態の酸素透過膜において、前記触媒多孔質体に含まれる前記電子伝導体は、La1−xSrCr1−yNi3−z(0<x<0.4、0<y<0.20、zは任意)で表わされるペロブスカイト型複合酸化物であることとしてもよい。この形態の酸素透過膜によれば、酸素透過膜の性能が向上する効果を高めると共に、触媒多孔質体が酸化・還元を繰り返しても、触媒多孔質体の膨張・収縮に起因する触媒多孔質体の損傷を抑える効果を高めることができる。電子伝導体において、xが0.4以上の場合、高温に曝される酸素透過膜の製造工程および使用中に、触媒多孔質体に含まれる酸素イオン伝導体との反応により高抵抗な異種相が生成し、酸素透過膜の性能が低下し易くなる。また、xが0であると、触媒多孔質体の電子伝導性が低下し、酸素透過膜の酸素透過性能が低下する。また、yが0の場合には、電子伝導体の触媒活性が低下することにより、酸素透過膜の性能が低下する。また、yが0.2以上の場合、電子伝導体にNiが固溶しきれなくなり、製造原料中に含まれるNi原子の一部が、ペロブスカイト構造を構成せずに、酸化・還元に伴う膨張収縮率がより大きなNiOの粒子を形成することになる。その結果、触媒多孔質体が酸化・還元を繰り返すと、触媒多孔質体の膨張・収縮に起因して触媒多孔質体が損傷する可能性がある。また、yが0.2以上の場合には、製造原料中のNi原子の一部がNiOを形成することにより、ペロブスカイト型複合酸化物は、Bサイトが一部欠損した状態となり、触媒活性が低下し、酸素透過性能が低下し得る。 (5) in an oxygen permeable membrane of the embodiment, the electron conductor contained in the catalyst porous body, La 1-x Sr x Cr 1-y Ni y O 3-z (0 <x <0.4, It may be a perovskite-type composite oxide represented by 0 <y <0.20, z is arbitrary). According to this form of oxygen permeable membrane, the effect of improving the performance of the oxygen permeable membrane is enhanced, and even if the catalyst porous body is repeatedly oxidized and reduced, the catalyst porous body is caused by expansion and contraction of the catalytic porous body. The effect of suppressing damage to the body can be enhanced. In the electron conductor, when x is 0.4 or more, a heterogeneous phase having high resistance due to reaction with the oxygen ion conductor contained in the catalytic porous body during the manufacturing process and use of the oxygen permeable membrane exposed to high temperature. Is generated, and the performance of the oxygen permeable membrane tends to deteriorate. Further, when x is 0, the electron conductivity of the catalyst porous body is lowered, and the oxygen permeation performance of the oxygen permeable membrane is lowered. Further, when y is 0, the catalytic activity of the electron conductor is lowered, so that the performance of the oxygen permeable membrane is lowered. Further, when y is 0.2 or more, Ni cannot be completely dissolved in the electron conductor, and some of the Ni atoms contained in the manufacturing raw material do not form a perovskite structure and expand due to oxidation / reduction. It will form NiO particles with a higher shrinkage rate. As a result, when the catalyst porous body is repeatedly oxidized and reduced, the catalyst porous body may be damaged due to expansion and contraction of the catalyst porous body. When y is 0.2 or more, some of the Ni atoms in the raw material form NiO, so that the perovskite-type composite oxide is in a state in which B sites are partially deleted, and the catalytic activity is increased. It may decrease and the oxygen permeation performance may decrease.

(6)上記形態の酸素透過膜において、前記触媒金属を構成する元素は、前記触媒多孔質体に含まれる前記電子伝導体を構成する金属元素と同種であることとしてもよい。この形態の酸素透過膜によれば、触媒多孔質体に含まれる電子伝導体を構成する金属元素と、触媒金属を構成する元素との相互作用により、酸素透過膜の酸素透過性能をさらに高め、酸素透過を安定して継続することができる。 (6) In the oxygen permeable membrane of the above embodiment, the element constituting the catalyst metal may be the same as the metal element constituting the electron conductor contained in the catalyst porous body. According to this form of oxygen permeable film, the oxygen permeation performance of the oxygen permeable film is further enhanced by the interaction between the metal element constituting the electron conductor contained in the catalytic porous body and the element constituting the catalyst metal. Oxygen permeation can be stably continued.

(7)上記形態の酸素透過膜において、前記触媒多孔質体に含まれる前記電子伝導体は、基本構造がABOであるペロブスカイト型複合酸化物であって、Aに該当する元素はランタン(La)およびストロンチウム(Sr)であり、Bに該当する元素はクロム(Cr)およびニッケル(Ni)であり、前記触媒金属はニッケル(Ni)であることとしてもよい。この形態の酸素透過膜によれば、Niの触媒活性により、例えば酸素透過膜を改質器に用いる場合には酸素透過膜を透過した酸素と改質原料となる炭化水素との反応を促進し、酸素透過膜の酸素透過性能をさらに高め、酸素透過の動作を安定して継続することができる。 (7) In the oxygen permeable film of the above form, the electron conductor contained in the catalytic porous body is a perovskite-type composite oxide having a basic structure of ABO 3 , and the element corresponding to A is lanthanum (La). ) And strontium (Sr), and the elements corresponding to B may be chromium (Cr) and nickel (Ni), and the catalyst metal may be nickel (Ni). According to this form of oxygen permeable membrane, the catalytic activity of Ni promotes the reaction between oxygen that has permeated the oxygen permeable membrane and the hydrocarbon that is the reforming raw material, for example, when the oxygen permeable membrane is used in the reformer. , The oxygen permeation performance of the oxygen permeation membrane can be further enhanced, and the oxygen permeation operation can be stably continued.

(8)上記形態の酸素透過膜において、前記支持層の気孔率は、前記触媒多孔質体の気孔率よりも大きいこととしてもよい。この形態の酸素透過膜によれば、支持体中をガス(例えば、酸素や炭化水素や水素を含有するガス)が拡散することを妨げることによる酸素透過性能の低下を抑えることができる。 (8) In the oxygen permeable membrane of the above form, the porosity of the support layer may be larger than the porosity of the catalytic porous body. According to this form of oxygen permeation membrane, it is possible to suppress a decrease in oxygen permeation performance due to preventing gas (for example, a gas containing oxygen, hydrocarbons or hydrogen) from diffusing in the support.

(9)本発明の他の形態によれば、(1)から(8)のうちのいずれか1項に記載の酸素透過膜の製造方法が提供される。この酸素透過膜の製造方法は、前記第1の層を形成するための第1の前駆層または前記第1の層と、前記第2の層を形成するための第2の前駆層と、が積層された前駆積層体を形成する工程と;前記前駆積層体を焼成して、前記第1の層および前記第2の層を備える焼成積層体を得る工程と;前記焼成積層体を構成する前記第2の層の少なくとも一部を、前記触媒金属を含有する溶液に含浸させて、前記第2の層の少なくとも一部の表面に前記触媒金属を担持させる工程と;を備える。
この形態の酸素透過膜の製造方法によれば、第2の層の少なくとも一部を、触媒金属を含有する溶液に含浸させるという簡便な動作により、第2の層の少なくとも一部に触媒金属を担持させることができる。また、触媒金属の担持を焼成の工程の後に行なうことができるため、焼成に起因する触媒金属の性能低下を抑えることができる。
(9) According to another embodiment of the present invention, the method for producing an oxygen permeable membrane according to any one of (1) to (8) is provided. In the method for producing the oxygen permeable film, a first precursor layer or the first layer for forming the first layer and a second precursor layer for forming the second layer are used. A step of forming a laminated precursor laminate; a step of firing the precursor laminate to obtain a fired laminate having the first layer and the second layer; the step of forming the fired laminate. A step of impregnating at least a part of the second layer with a solution containing the catalyst metal to support the catalyst metal on the surface of at least a part of the second layer;
According to the method for producing an oxygen permeable membrane of this form, a catalyst metal is applied to at least a part of the second layer by a simple operation of impregnating at least a part of the second layer with a solution containing the catalyst metal. It can be carried. Further, since the catalyst metal can be supported after the firing step, deterioration of the performance of the catalyst metal due to firing can be suppressed.

(10)本発明のさらに他の形態によれば、(3)に記載の酸素透過膜の製造方法が提供される。この酸素透過膜の製造方法は、前記支持層を用意する工程と;前記支持層上に、前記触媒多孔質体を形成するための触媒多孔質体前駆層を形成する工程と;前記支持層上に形成された、前記触媒多孔質体前駆層または該触媒多孔質体前駆層から得られた前記触媒多孔質体上に、前記第1の層を形成するための第1の前駆層を形成して、前駆積層体を形成する工程と;前記前駆積層体を焼成して、前記支持層、前記触媒多孔質体、および前記第1の層を備える焼成積層体を得る工程と;前記焼成積層体を構成する前記支持層および前記触媒多孔質体のうち、少なくとも前記支持層の一部を含む部分を、前記触媒金属を含有する溶液に含浸させて、前記溶液を含浸させた領域の表面に前記触媒金属を担持させる工程と;を備える。
この形態の酸素透過膜の製造方法によれば、触媒金属の担持を、酸素透過膜を構成する酸化物の焼成の工程の後に行なうことができるため、焼成に起因する触媒金属の性能低下を抑えることができる。このとき、第1の層において、支持層によって覆われる側の面の近傍に、容易に触媒金属を配置することができる。
(10) According to still another embodiment of the present invention, the method for producing an oxygen permeable membrane according to (3) is provided. The method for producing the oxygen permeable film includes a step of preparing the support layer; a step of forming a catalyst porous body precursor layer for forming the catalyst porous body on the support layer; and a step of forming the catalyst porous body on the support layer. A first precursor layer for forming the first layer is formed on the catalyst porous body precursor layer or the catalyst porous body obtained from the catalyst porous body precursor layer formed in the above. And the step of forming the precursor laminate; the step of calcining the precursor laminate to obtain the calcined laminate having the support layer, the catalyst porous body, and the first layer; Of the support layer and the catalyst porous body constituting the above, a portion including at least a part of the support layer is impregnated with a solution containing the catalyst metal, and the surface of the region impregnated with the solution is covered with the above. It comprises a step of supporting a catalyst metal and;
According to the method for producing an oxygen permeable film of this form, the catalyst metal can be supported after the step of firing the oxide constituting the oxygen permeable film, so that the deterioration of the performance of the catalyst metal due to firing can be suppressed. be able to. At this time, in the first layer, the catalyst metal can be easily arranged in the vicinity of the surface on the side covered by the support layer.

(11)上記形態の酸素透過膜の製造方法において、前記触媒金属の融点は、前記前駆積層体を焼成する際の焼結温度よりも低いこととしてもよい。この形態の酸素透過膜の製造方法によれば、前駆積層体の焼成温度よりも融点が低く、触媒活性が高い触媒金属を選択可能となるため、触媒金属に係る選択の自由を確保しつつ、焼成に起因する触媒活性の低下を抑えることができる。 (11) In the method for producing an oxygen permeable membrane of the above embodiment, the melting point of the catalyst metal may be lower than the sintering temperature at the time of firing the precursor laminate. According to the method for producing an oxygen permeable film of this form, a catalyst metal having a melting point lower than the firing temperature of the precursor laminate and having a high catalytic activity can be selected. Therefore, while ensuring freedom of selection regarding the catalyst metal, It is possible to suppress a decrease in catalytic activity due to firing.

(12)本発明のさらに他の形態によれば、(1)から(8)のうちのいずれか1項に記載の酸素透過膜を備え、部分酸化反応によって改質原料から水素を生成する改質器が提供される。この改質器は、前記第1の層の前記第1の面側において前記酸素透過膜上に形成され、前記改質原料が流れる改質原料供給路と;前記第1の層の第2の面側において前記酸素透過膜上に形成され、酸素含有ガスが流れる酸素含有ガス流路と;を備え、前記酸素透過膜を透過した前記酸素含有ガス中の酸素を用いた前記部分酸化反応が進行する。
この形態の改質器によれば、改質器が備える酸素透過膜の耐久性および酸素透過性能が高められているため、改質器全体の耐久性および改質効率を高めることができる。
(12) According to still another embodiment of the present invention, the oxygen permeable membrane according to any one of (1) to (8) is provided, and hydrogen is generated from the modified raw material by a partial oxidation reaction. Pawnbrokers are provided. This reformer is formed on the oxygen permeable membrane on the first surface side of the first layer, and has a reforming raw material supply path through which the reforming raw material flows; a second of the first layer. The oxygen-containing gas flow path formed on the oxygen-containing membrane on the surface side and through which the oxygen-containing gas flows; is provided, and the partial oxidation reaction using oxygen in the oxygen-containing gas that has passed through the oxygen-containing membrane proceeds. To do.
According to this type of reformer, the durability and oxygen permeation performance of the oxygen permeable membrane included in the reformer are enhanced, so that the durability and reforming efficiency of the entire reformer can be improved.

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料改質方法などの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than the above, for example, in a form such as a fuel reforming method.

酸素透過膜および改質器の概略構成を示す断面模式図である。It is sectional drawing which shows the schematic structure of an oxygen permeable membrane and a reformer. 酸素透過膜の製造方法を表わす工程図である。It is a process drawing which shows the manufacturing method of an oxygen permeable membrane. 酸素透過膜および改質器の概略構成を示す断面模式図である。It is sectional drawing which shows the schematic structure of an oxygen permeable membrane and a reformer. 酸素透過膜の製造方法を表わす工程図である。It is a process drawing which shows the manufacturing method of an oxygen permeable membrane. 酸素透過膜の構成、および酸素透過膜の性能を調べた結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result of having investigated the structure of an oxygen permeable membrane and the performance of an oxygen permeable membrane. 測定装置の概略構成を表わす説明図である。It is explanatory drawing which shows the schematic structure of the measuring apparatus.

A.第1の実施形態:
(A−1)酸素透過膜の構成:
図1は、本発明の第1の実施形態としての酸素透過膜10、および、この酸素透過膜10を備える改質器20の概略構成を示す断面模式図である。最初に、酸素透過膜10について説明する。
A. First Embodiment:
(A-1) Composition of oxygen permeable membrane:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of an oxygen permeable membrane 10 as a first embodiment of the present invention and a reformer 20 including the oxygen permeable membrane 10. First, the oxygen permeable membrane 10 will be described.

酸素透過膜10は、第1の層12と、第1の層12の一方の面(第1の面)側に設けられた第1の触媒層13と、第1の層12の他方の面(第2の面)側に設けられた第2の触媒層14と、を備える積層構造を有している。第1の層12は、酸素イオン伝導性と共に電子伝導性を有するガス不透過な緻密層である。第1の層12を備えることにより、酸素透過膜10は、酸素透過膜10の両面間の酸素分圧差を駆動力として、高酸素分圧側から低酸素分圧側へと酸素を選択的に透過させることが可能になる。本実施形態では、第1の触媒層13は、第1の層12の両面のうちの低酸素分圧側の面上に配置されており、第2の触媒層14は、高酸素分圧側の面上に配置されている。なお、本実施形態の酸素透過膜10は、担体(基材、支持体)を有していない自立膜として構成されている。 The oxygen permeable membrane 10 includes a first layer 12, a first catalyst layer 13 provided on one surface (first surface) side of the first layer 12, and the other surface of the first layer 12. It has a laminated structure including a second catalyst layer 14 provided on the (second surface) side. The first layer 12 is a gas-impermeable dense layer having both oxygen ion conductivity and electron conductivity. By providing the first layer 12, the oxygen permeable membrane 10 selectively permeates oxygen from the high oxygen partial pressure side to the low oxygen partial pressure side by using the oxygen partial pressure difference between both sides of the oxygen permeable membrane 10 as a driving force. Will be possible. In the present embodiment, the first catalyst layer 13 is arranged on the surface on the low oxygen partial pressure side of both surfaces of the first layer 12, and the second catalyst layer 14 is the surface on the high oxygen partial pressure side. It is placed on top. The oxygen permeable membrane 10 of the present embodiment is configured as a self-supporting membrane having no carrier (base material, support).

第1の層12は、酸素イオン伝導性を有する酸化物(以下、酸素イオン伝導体と呼ぶ)と、電子伝導性を有する物質(以下、電子伝導体と呼ぶ)と、の混合物によって形成することができる。また、第1の層12は、酸素イオン伝導性と電子伝導性の双方を備える酸化物(以下、混合伝導性酸化物とも呼ぶ)によって形成してもよい。あるいは、第1の層12は、酸素イオン伝導体および/または電子伝導体と、混合伝導性酸化物との混合物によって形成してもよい。 The first layer 12 is formed by a mixture of an oxide having oxygen ion conductivity (hereinafter referred to as an oxygen ion conductor) and a substance having electron conductivity (hereinafter referred to as an electron conductor). Can be done. Further, the first layer 12 may be formed of an oxide having both oxygen ion conductivity and electron conductivity (hereinafter, also referred to as a mixed conductive oxide). Alternatively, the first layer 12 may be formed by a mixture of an oxygen ion conductor and / or an electron conductor and a mixed conductive oxide.

第1の層12が含有する酸素イオン伝導体としては、例えば、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、およびセリア系固溶体から選択される酸素イオン伝導体を用いることができる。安定化ジルコニアは、酸化ジルコニウム(ZrO)に対して、酸化物である1種以上のドーパントを固溶させることにより安定化したジルコニアである。ドーパントとして用い得る酸化物としては、例えば、酸化イットリウム(Y)、酸化スカンジウム(Sc)、酸化イッテルビウム(Yb)、酸化カルシウム(CaO)、および酸化マグネシウム(MgO)を挙げることができる。酸素イオン伝導性および安定性を向上する観点から、安定化ジルコニアは、スカンジア安定化ジルコニア(以下、ScSZとも表わす)およびイットリア安定化ジルコニア(以下、YSZとも表わす)から選択することが好ましい。セリア系固溶体としては、例えば、ガドリニウム固溶セリア(GDC)やサマリウム固溶セリア(SDC)などのセリウム系複合酸化物を挙げることができる。 As the oxygen ion conductor contained in the first layer 12, for example, an oxygen ion conductor selected from stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, and a ceria-based solid solution can be used. Stabilized zirconia is zirconia stabilized by dissolving one or more dopants, which are oxides, in zirconium oxide (ZrO 2 ). Oxides that can be used as dopants include, for example, yttrium oxide (Y 2 O 3 ), scandium oxide (Sc 2 O 3 ), ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ), calcium oxide (CaO), and magnesium oxide (MgO). Can be mentioned. From the viewpoint of improving oxygen ion conductivity and stability, the stabilized zirconia is preferably selected from Scandia-stabilized zirconia (hereinafter, also referred to as ScSZ) and yttria-stabilized zirconia (hereinafter, also referred to as YSZ). Examples of the ceria-based solid solution include cerium-based composite oxides such as gadolinium solid-dissolved ceria (GDC) and samarium solid-dissolved ceria (SDC).

第1の層12が含む電子伝導体としては、例えば、ペロブスカイト構造を有する酸化物電子伝導体、スピネル型結晶構造を有する酸化物電子伝導体、および、貴金属等の金属材料から選択される電子伝導体を用いることができる。ペロブスカイト構造を有する酸化物電子伝導体としては、例えば、LaMnO系化合物におけるLaサイトにSrを添加したLSM系酸化物や、CaTiOやBaTiO等の複合酸化物を用いることができる。あるいは、下記の(3)式で表わされる複合酸化物用いてもよい。(3)式におけるアルカリ土類金属Mは、ストロンチウム(Sr)あるいはカルシウム(Ca)であることが望ましい。 Examples of the electron conductor included in the first layer 12 include an oxide electron conductor having a perovskite structure, an oxide electron conductor having a spinel-type crystal structure, and an electron conductor selected from a metal material such as a noble metal. The body can be used. As the oxide electron conductor having a perovskite structure, for example, an LSM-based oxide in which Sr is added to La sites in a LaMnO 3- based compound, or a composite oxide such as CaTIO 3 or BaTiO 3 can be used. Alternatively, a composite oxide represented by the following formula (3) may be used. The alkaline earth metal M in the formula (3) is preferably strontium (Sr) or calcium (Ca).

La1−xCrO3−z …(3)
(式中、Mは,マグネシウム(Mg)を除くアルカリ土類金属から選択される元素であり、0≦x≦0.4である。また、zは、式中の金属元素の割合や、環境温度および雰囲気に応じて、酸素原子の量が変動することを示す値である。)
La 1-x M x CrO 3-z ... (3)
(In the formula, M is an element selected from alkaline earth metals other than magnesium (Mg), and 0 ≦ x ≦ 0.4. In addition, z is the ratio of metal elements in the formula and the environment. It is a value indicating that the amount of oxygen atoms fluctuates depending on the temperature and atmosphere.)

第1の層12が含む混合伝導性酸化物としては、例えば、LaGaO系化合物において、SrをLaサイトに添加すると共に、FeをGaサイトに添加したペロブスカイト構造を有するLSGF系酸化物や、SrCoO系化合物において、BaをSrサイトに添加すると共に、FeをCoサイトに添加したペロブスカイト構造を有するBSCF系酸化物を挙げることができる。あるいは、第1の層12が含む混合伝導性酸化物として、層状ペロブスカイト構造を有する酸化物、蛍石型構造を有する酸化物、オキシアパタイト構造を有する酸化物、メリライト構造を有する酸化物などを用いることもできる。 The mixed conducting oxides first layer 12 comprises, for example, in LaGaO 3 type compound, with the addition of Sr to La site, LSGF based oxide having a perovskite structure with the addition of Fe to the Ga site and, SrCoO Among the three compounds, a BSCF oxide having a perovskite structure in which Ba is added to Sr sites and Fe is added to Co sites can be mentioned. Alternatively, as the mixed conductive oxide contained in the first layer 12, an oxide having a layered perovskite structure, an oxide having a fluorite-type structure, an oxide having an oxyapatite structure, an oxide having a melilite structure, or the like is used. You can also do it.

第1の層12の膜厚は、例えば、1〜1000μmとすることができる。ただし、第1の層12の強度および緻密性が許容範囲であれば1μm未満であってもよく、第1の層12の厚型化による酸素透過速度の低下が許容範囲であれば1000μmを超えてもよい。第1の層12の膜厚が薄いほど、第1の層12のガス透過性が高まる可能性があり、第1の層12の膜厚が厚いほど、第1の層12を酸素が透過する際の抵抗が増加して、酸素透過速度が低下する可能性がある。また、第1の層12の気孔率は、10%以下とすることができる。ただし、酸素透過膜10の酸素透過性能が確保できれば、第1の層12の気孔率は10%を超えてもよい。第1の層12の気孔率が大きいほど、第1の層12の緻密性が低下する可能性がある。第1の層12の緻密性が低下し、酸素イオンの状態で第1の層12内を透過するのではなく、酸素分子の状態で第1の層12内を通過する酸素が存在すれば、酸素透過膜10の酸素透過性能は低下する。そのため、第1の層12の膜厚および気孔率は、酸素透過膜10の性能が十分に確保できる範囲で、第1の層12が実質的にガス不透過となるように適宜設定すればよい。 The film thickness of the first layer 12 can be, for example, 1 to 1000 μm. However, if the strength and denseness of the first layer 12 are within the permissible range, it may be less than 1 μm, and if the decrease in oxygen permeation rate due to the thickening of the first layer 12 is within the permissible range, it exceeds 1000 μm. You may. The thinner the film thickness of the first layer 12, the higher the gas permeability of the first layer 12, and the thicker the film thickness of the first layer 12, the more oxygen permeates the first layer 12. The resistance at the time may increase and the oxygen permeation rate may decrease. Further, the porosity of the first layer 12 can be 10% or less. However, if the oxygen permeation performance of the oxygen permeation membrane 10 can be ensured, the porosity of the first layer 12 may exceed 10%. The larger the porosity of the first layer 12, the less dense the first layer 12 may be. If the denseness of the first layer 12 is reduced and oxygen is present that passes through the first layer 12 in the form of oxygen molecules rather than permeating through the first layer 12 in the state of oxygen ions. The oxygen permeation performance of the oxygen permeation membrane 10 is lowered. Therefore, the film thickness and porosity of the first layer 12 may be appropriately set so that the first layer 12 is substantially impermeable to gas within a range in which the performance of the oxygen permeable membrane 10 can be sufficiently ensured. ..

なお、第1の層12の気孔率は、第1の層12の断面を走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)で観察することにより測定できる。具体的には、第1の層12の断面を500倍に拡大したSEM像において複数の直線を引き、SEM像に引いたすべての直線の長さの合計をL、すべての直線のうちの気孔を横切る部分の長さの合計をL’として、上記LおよびL’を測定すると、気孔率P(%)は以下の(4)式にて表わされる。 The pore ratio of the first layer 12 can be measured by observing the cross section of the first layer 12 with a scanning electron microscope (SEM). Specifically, a plurality of straight lines are drawn in an SEM image obtained by magnifying the cross section of the first layer 12 by 500 times, the total length of all the straight lines drawn in the SEM image is L, and the pores of all the straight lines are formed. When the above L and L'are measured with the total length of the portions crossing the above as L', the porosity P (%) is expressed by the following equation (4).

P=L’/L×100 …(4) P = L'/ L × 100 ... (4)

上記複数の直線の数を十分に確保することにより、気孔率Pを精度よく測定することが可能になる。本実施形態では、気孔率の測定のために、第1の層12の断面を500倍に拡大した2枚のSEM像を用いている。そして、各SEM像あたり10本、合計20本の直線を引いて、上記LおよびL’を測定して、気孔率Pを算出している。 By ensuring a sufficient number of the plurality of straight lines, the porosity P can be measured with high accuracy. In this embodiment, two SEM images obtained by magnifying the cross section of the first layer 12 by 500 times are used for measuring the porosity. Then, 10 straight lines for each SEM image, a total of 20 straight lines are drawn, and the above L and L'are measured to calculate the porosity P.

第1の触媒層13は、触媒多孔質体15と、触媒多孔質体15の表面上に担持される触媒金属16と、を備える。 The first catalyst layer 13 includes a catalyst porous body 15 and a catalyst metal 16 supported on the surface of the catalyst porous body 15.

触媒多孔質体15は、酸素イオンから酸素分子が生じる既述した(2)式の反応を促進する活性を有するセラミックによって形成される。触媒多孔質体15は、第1の層12よりも気孔率が大きく形成されており、3次元的に連通する細孔を有することにより、(2)式の反応で生じた酸素分子や、改質反応の原料である炭化水素ガスや、改質反応により生成した水素含有ガスが細孔内を流通可能になっている。 The catalytic porous body 15 is formed of a ceramic having an activity of promoting the reaction of the above-mentioned formula (2) in which oxygen molecules are generated from oxygen ions. The catalyst porous body 15 is formed to have a larger porosity than the first layer 12, and has pores that communicate three-dimensionally, so that oxygen molecules generated by the reaction of the reaction (2) and modifications can be made. Hydrocarbon gas, which is a raw material for quality reaction, and hydrogen-containing gas generated by reforming reaction can flow in the pores.

触媒多孔質体15の気孔率は、(2)式の反応で生じた酸素分子や改質反応の原料である炭化水素ガスや改質反応により生成した水素含有ガスの拡散を妨げることに起因する酸素透過性能の低下を抑える観点から、30%以上とすればよく、40%以上とすることがより好ましい。また、触媒多孔質体15の気孔率は、触媒多孔質体15の構造を良好に維持する観点から、80%以下であることが好ましく、60%以下であることがより好ましい。なお、触媒多孔質体15(および第1の触媒層13)の気孔率は、既述した第1の層12の気孔率と同様の方法により測定することができる。 The porosity of the catalyst porous body 15 is caused by hindering the diffusion of oxygen molecules generated in the reaction of equation (2), hydrocarbon gas which is a raw material of the reforming reaction, and hydrogen-containing gas generated by the reforming reaction. From the viewpoint of suppressing a decrease in oxygen permeation performance, it may be 30% or more, and more preferably 40% or more. The porosity of the catalyst porous body 15 is preferably 80% or less, and more preferably 60% or less, from the viewpoint of maintaining the structure of the catalyst porous body 15 well. The porosity of the catalyst porous body 15 (and the first catalyst layer 13) can be measured by the same method as the porosity of the first layer 12 described above.

触媒多孔質体15は、(2)式の反応を促進する活性を有し、酸素透過膜10を使用する条件下(温度および雰囲気等)で安定であればよい。触媒多孔質体15は、さらに、酸素イオン伝導性と電子伝導性の少なくともいずれかを有することが好ましい。すなわち、触媒多孔質体15は、酸素イオン伝導体と電子伝導体とのうちの少なくとも一方を含むこととしてもよい。触媒多孔質体15を、酸素イオン伝導性と電子伝導性の双方を示す混合伝導体とするためには、触媒多孔質体15は、酸素イオン伝導体と電子伝導体との双方を含有する構成とする他、混合伝導性酸化物を含有することとしてもよい。これにより、第1の層12を透過した酸素イオンや(2)式の反応で生じた電子の、触媒多孔質体15における伝導性が向上し、酸素透過性能を高めることができる。なお、触媒多孔質体15は、さらに、後述する部分酸化反応を促進する活性を示すことが望ましい。 The catalyst porous body 15 may have an activity of promoting the reaction of the formula (2) and may be stable under the conditions (temperature, atmosphere, etc.) in which the oxygen permeable membrane 10 is used. The catalyst porous body 15 further preferably has at least one of oxygen ion conductivity and electron conductivity. That is, the catalyst porous body 15 may include at least one of an oxygen ion conductor and an electron conductor. In order to make the catalyst porous body 15 a mixed conductor exhibiting both oxygen ion conductivity and electron conductivity, the catalyst porous body 15 is configured to contain both an oxygen ion conductor and an electron conductor. In addition, it may contain a mixed conductive oxide. As a result, the conductivity of the oxygen ions that have passed through the first layer 12 and the electrons generated by the reaction of the formula (2) in the catalytic porous body 15 can be improved, and the oxygen permeation performance can be improved. It is desirable that the catalytic porous body 15 further exhibits an activity of promoting a partial oxidation reaction described later.

(2)式の反応を促進する活性を有する電子伝導体としては、例えば、基本構造がABOであるペロブスカイト構造を有する複合酸化物であって、Aに該当する元素は、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)、およびバリウム(Ba)から選択される少なくとも1種の元素であり、Bに該当する元素はクロム(Cr)およびニッケル(Ni)である複合酸化物を好適に用いることができる。このような複合酸化物は、(2)式の反応を促進する活性に加えて、さらに、後述する部分酸化反応を促進する活性を有する電子伝導体である。この複合酸化物は、ニッケル(Ni)の触媒活性により、酸素透過膜を透過してきた酸素と、改質原料となる炭化水素との反応を促進し、酸素透過膜の酸素透過性能をさらに高めることができる。 Examples of the electron conductor having an activity of promoting the reaction of the formula (2) include a composite oxide having a perovskite structure whose basic structure is ABO 3 , and the element corresponding to A is lanthanum (La). At least one element selected from strontium (Sr), calcium (Ca), and barium (Ba), and the element corresponding to B is preferably a composite oxide of chromium (Cr) and nickel (Ni). Can be used. Such a composite oxide is an electron conductor having an activity of promoting a partial oxidation reaction described later in addition to an activity of promoting the reaction of the formula (2). This composite oxide promotes the reaction between the oxygen that has permeated the oxygen permeation membrane and the hydrocarbon that is the reforming raw material by the catalytic activity of nickel (Ni), and further enhances the oxygen permeation performance of the oxygen permeation membrane. Can be done.

このような複合酸化物の中でも、下記の(5)式で表わされるペロブスカイト型複合酸化物を、特に好適に用いることができる。すなわち、基本構造がABOであるペロブスカイト構造を有するLaCrO系化合物であって、SrをLaサイトに添加すると共に、NiをCrサイトに添加した複合酸化物を用いることができる。 Among such composite oxides, the perovskite-type composite oxide represented by the following formula (5) can be particularly preferably used. That is, an LaCrO 3 type compound basic structure having a perovskite structure is ABO 3, with the addition of Sr to La site, it is possible to use a composite oxide in which Ni is added to Cr site.

La1−xSrCr1−yNi3−z …(5)
(式中、xおよびyはゼロではない正の値である。また、zは、式中の金属元素の割合や、環境温度および雰囲気に応じて、酸素原子の量が変動することを示す値である。)
La 1-x Sr x Cr 1 -y Ni y O 3-z ... (5)
(In the formula, x and y are non-zero positive values. In addition, z is a value indicating that the amount of oxygen atoms fluctuates depending on the ratio of metal elements in the formula, the environmental temperature and the atmosphere. Is.)

ここで、上記(5)式中、xおよびyの値は、上記複合酸化物が(2)式の反応を促進する活性を示す程度や、触媒多孔質体15の作製過程において他の化合物と反応して高抵抗である異種相が生成する程度に応じて、適宜設定すればよい。具体的には、上記(5)式において、xあるいはyの値を大きくするほど(LaサイトやCrサイトの置換量を多くする)ほど、触媒活性を高めると共に、電子伝導性を高めることが可能になる。しかしながら、置換量を多くするほど結晶構造が不安定になり、他の元素との反応性が高まる。その結果、酸素透過膜10を製造するための焼成工程や酸素透過膜10の使用の過程において、上記(5)式の複合酸化物とは異なる組成を有し、酸素透過の際の抵抗となる異種相の生成量が増加し得る。そのため、上記異種相の生成の抑制と、酸素透過膜10の酸素透過性能の確保とを両立するためには、上記(5)式において、例えば、0<x<0.4、0<y<0.2であることが望ましく、0<x<0.25、0<y<0.175であることがさらに望ましい。 Here, in the above formula (5), the values of x and y indicate the degree to which the composite oxide exhibits the activity of promoting the reaction of the formula (2), and the values of x and y are different from those of other compounds in the process of producing the catalytic porous body 15. It may be appropriately set according to the degree to which a heterogeneous phase having high resistance is generated by the reaction. Specifically, in the above equation (5), the larger the value of x or y (the larger the substitution amount of La site or Cr site), the higher the catalytic activity and the higher the electron conductivity. become. However, as the amount of substitution increases, the crystal structure becomes unstable and the reactivity with other elements increases. As a result, in the firing step for producing the oxygen permeable membrane 10 and the process of using the oxygen permeable membrane 10, it has a composition different from that of the composite oxide of the above formula (5) and becomes a resistance at the time of oxygen permeation. The amount of heterogeneous phase produced can increase. Therefore, in order to suppress the formation of the heterogeneous phase and secure the oxygen permeation performance of the oxygen permeation membrane 10, for example, in the above equation (5), 0 <x <0.4, 0 <y <. It is preferably 0.2, and more preferably 0 <x <0.25 and 0 <y <0.175.

xが0.4以上の場合、触媒多孔質体15の作製過程で(5)式の複合酸化物が他の化合物と反応することによる高抵抗な異種相の生成量が増加し、酸素透過膜10の酸素透過性能が低下し易くなる。また、xが0であると、触媒多孔質体15の電子伝導性が低下し、酸素透過膜10の酸素透過性能が低下する。また、yが0.2以上の場合、Ni原子の一部がペロブスカイト型結晶構造内に固溶できなくなり、NiOの粒子を形成することになる。NiOは、酸化還元の繰り返しに伴う膨張・収縮の程度が、ペロブスカイト型の結晶構造を有する複合酸化物よりも大きいため、yが0.2以上の場合には、酸化還元の繰り返しによる触媒多孔質体15の損傷が起きやすくなる。また、yが0であると、(2)式の反応を促進する触媒活性が低下し、酸素透過膜10の酸素透過性能が低下する。 When x is 0.4 or more, the amount of highly resistant heterogeneous phase formed by the reaction of the composite oxide of the formula (5) with other compounds increases in the process of producing the catalytic porous body 15, and the oxygen permeable membrane The oxygen permeation performance of 10 tends to decrease. Further, when x is 0, the electron conductivity of the catalyst porous body 15 is lowered, and the oxygen permeation performance of the oxygen permeable membrane 10 is lowered. Further, when y is 0.2 or more, a part of Ni atoms cannot be solid-solved in the perovskite type crystal structure, and NiO particles are formed. Since the degree of expansion and contraction of NiO due to repeated redox is larger than that of a composite oxide having a perovskite-type crystal structure, when y is 0.2 or more, the catalyst porous due to repeated redox. Damage to the body 15 is likely to occur. Further, when y is 0, the catalytic activity for promoting the reaction of the formula (2) is lowered, and the oxygen permeation performance of the oxygen permeation membrane 10 is lowered.

さらに、(5)式の複合酸化物の中でも、下記の(6)式で表わされるペロブスカイト型複合酸化物を、特に好適に用いることができる。このような構成とすれば、触媒多孔質体15が(2)式の反応を促進する活性を特に高めることができる。また、このような構成とすれば、触媒多孔質体15が酸化・還元を繰り返しても、触媒多孔質体15の膨張・収縮に起因する触媒多孔質体15の損傷を抑えることができる。 Further, among the composite oxides of the formula (5), the perovskite-type composite oxide represented by the following formula (6) can be particularly preferably used. With such a configuration, the activity of the catalytic porous body 15 to promote the reaction of the formula (2) can be particularly enhanced. Further, with such a configuration, even if the catalyst porous body 15 is repeatedly oxidized and reduced, damage to the catalyst porous body 15 due to expansion and contraction of the catalyst porous body 15 can be suppressed.

La1−xSrCr1−yNi3−z …(6)
(式中、0<x<0.4、0<y<0.20である。また、zは、式中の金属元素の割合や、環境温度および雰囲気に応じて、酸素原子の量が変動することを示す値である。)
La 1-x Sr x Cr 1 -y Ni y O 3-z ... (6)
(In the formula, 0 <x <0.4, 0 <y <0.20. In addition, z varies in the amount of oxygen atoms depending on the ratio of metal elements in the formula, the environmental temperature and the atmosphere. It is a value indicating that it should be done.)

また、(2)式の反応を促進する活性を有する電子伝導体の他の例としては、例えば、下記の(7)式で表わされる複合酸化物を挙げることができる。すなわち、ペロブスカイト構造を有するSrTiO系化合物であって、LaをSrサイトに添加した複合酸化物を用いることができる。(7)式の複合酸化物は、第1の層12内を透過した酸素イオンから酸素分子を生じる活性、および、後述する部分酸化反応を促進する活性を有する電子伝導体である。 Further, as another example of the electron conductor having an activity of promoting the reaction of the formula (2), for example, a composite oxide represented by the following formula (7) can be mentioned. That is, a SrTiO 3 based compound having a perovskite structure, it is possible to use a composite oxide doped with La to Sr sites. The composite oxide of the formula (7) is an electron conductor having an activity of generating oxygen molecules from oxygen ions permeated in the first layer 12 and an activity of promoting a partial oxidation reaction described later.

Sr1−xLaTiO3−z …(7)
(式中、xはゼロではない正の値である。また、zは、式中の金属元素の割合や、環境温度および雰囲気に応じて、酸素原子の量が変動することを示す値である。)
Sr 1-x La x TiO 3-z ... (7)
(In the formula, x is a non-zero positive value. In addition, z is a value indicating that the amount of oxygen atoms fluctuates depending on the ratio of metal elements in the formula, the environmental temperature and the atmosphere. .)

ここで、上記(7)式中、xの値は、触媒多孔質体15の作製過程において異相が生成し難いように適宜設定すればよく、0<x<0.4であることが望ましい。 Here, in the above equation (7), the value of x may be appropriately set so that different phases are unlikely to be generated in the process of producing the catalyst porous body 15, and it is desirable that 0 <x <0.4.

触媒多孔質体15は、電子伝導体として、(5)式から(7)式の複合酸化物から選択される少なくとも1種の酸化物に加えて、さらに他の電子伝導体を含んでいても良い。含み得る電子伝導体としては、第1の層12の説明で述べた電子伝導体から選択される物質を用いることができる。 The catalyst porous body 15 may contain, as an electron conductor, at least one oxide selected from the composite oxides of the formulas (5) to (7), and further another electron conductor. good. As the electron conductor that can be contained, a substance selected from the electron conductors described in the description of the first layer 12 can be used.

触媒多孔質体15が含む酸素イオン伝導体としては、第1の層12の説明で述べた酸素イオン伝導体から選択される複合酸化物を用いることができる。 As the oxygen ion conductor contained in the catalyst porous body 15, a composite oxide selected from the oxygen ion conductors described in the description of the first layer 12 can be used.

本実施形態の第1の触媒層13では、既述したように、上記した触媒多孔質体15の表面上に、さらに触媒金属16が分散担持されている。触媒金属16とは、既述した(2)式の反応を促進する活性を有する金属である。なお、酸素透過膜10を、図1に示すように改質器20に適用する場合には、触媒金属16は、さらに、後述する部分酸化反応を促進する活性を有することが望ましい。ここで、触媒多孔質体15の表面とは、触媒多孔質体15の内部に形成された細孔の表面を含んでいる。 In the first catalyst layer 13 of the present embodiment, as described above, the catalyst metal 16 is further dispersed and supported on the surface of the catalyst porous body 15 described above. The catalyst metal 16 is a metal having an activity of promoting the reaction of the above-mentioned formula (2). When the oxygen permeable membrane 10 is applied to the reformer 20 as shown in FIG. 1, it is desirable that the catalyst metal 16 further has an activity of promoting a partial oxidation reaction described later. Here, the surface of the catalyst porous body 15 includes the surface of the pores formed inside the catalyst porous body 15.

触媒金属16は、上記した触媒活性を有し、酸素透過膜10を使用する条件下(温度および雰囲気等)で安定であればよい。触媒金属16としては、例えば、ニッケル(Ni)を好適に用いることができる。あるいは、ロジウム(Rh)、白金(Pt)等の貴金属や、コバルト(Co)、銅(Cu)を用いることもできる。 The catalyst metal 16 may have the above-mentioned catalytic activity and may be stable under the conditions (temperature, atmosphere, etc.) in which the oxygen permeable membrane 10 is used. As the catalyst metal 16, for example, nickel (Ni) can be preferably used. Alternatively, precious metals such as rhodium (Rh) and platinum (Pt), cobalt (Co), and copper (Cu) can also be used.

特に、触媒金属16は、触媒多孔質体15を構成して触媒活性を有する複合酸化物に含まれる金属と、同種の金属であることが望ましい。例えば、触媒多孔質体15の構成材料として(5)式の複合酸化物を用いる場合には、触媒金属16としてNiを用いることが望ましい。 In particular, it is desirable that the catalyst metal 16 is a metal of the same type as the metal contained in the composite oxide that constitutes the catalytic porous body 15 and has catalytic activity. For example, when the composite oxide of the formula (5) is used as the constituent material of the catalyst porous body 15, it is desirable to use Ni as the catalyst metal 16.

本実施形態では、触媒金属16は、触媒多孔質体15内に形成された細孔の表面全体にわたって担持されている必要はなく、触媒多孔質体15の少なくとも一部における細孔表面に、触媒金属16が担持されていればよい。なお、本実施形態における「触媒多孔質体15」が、[課題を解決するための手段]における「第2の層」に相当する。 In the present embodiment, the catalyst metal 16 does not have to be supported over the entire surface of the pores formed in the catalyst porous body 15, and the catalyst is formed on the pore surface in at least a part of the catalyst porous body 15. It suffices if the metal 16 is supported. The "catalytic porous body 15" in the present embodiment corresponds to the "second layer" in the [means for solving the problem].

第2の触媒層14は、酸素分子から酸素イオンが生じる既述した(1)式の反応を促進する活性を有するセラミック多孔質体によって形成される。第2の触媒層14は、第1の層12よりも気孔率が大きく形成されており、3次元的に連通する細孔を有することにより、(1)式の反応に供される酸素分子が細孔内を流通可能になっている。第2の触媒層14の気孔率は、例えば、触媒多孔質体15と同様とすることができる。 The second catalyst layer 14 is formed of a ceramic porous body having an activity of promoting the reaction of the above-mentioned formula (1) in which oxygen ions are generated from oxygen molecules. The second catalyst layer 14 has a porosity larger than that of the first layer 12, and has pores that communicate three-dimensionally, so that oxygen molecules used in the reaction of the formula (1) can be contained. It can be distributed in the pores. The porosity of the second catalyst layer 14 can be, for example, the same as that of the catalyst porous body 15.

第2の触媒層14は、(1)式の反応を促進する活性を有し、酸素透過膜10を使用する条件下(温度および雰囲気等)で安定であればよい。第2の触媒層14は、さらに、酸素イオン伝導性および電子伝導性を有する(混合伝導体である)ことが好ましい。(1)式の反応を促進する活性を有する電子伝導体としては、例えば、La0.8Sr0.2MnO3−zやLa0.8Sr0.2CrO3−zなどの複合酸化物を挙げることができる(上記式中のzは、式中の金属元素の割合や、環境温度および雰囲気に応じて、酸素原子の量が変動することを示す値である)。第2の触媒層14が含有する酸素イオン伝導体としては、第1の層12の説明で述べた酸素イオン伝導体から選択される複合酸化物を用いることができる。 The second catalyst layer 14 may have an activity of promoting the reaction of the formula (1) and may be stable under the conditions (temperature, atmosphere, etc.) in which the oxygen permeable membrane 10 is used. The second catalyst layer 14 is preferably a mixed conductor, further having oxygen ion conductivity and electron conductivity. Examples of the electron conductor having an activity of promoting the reaction of the formula (1) include composite oxides such as La 0.8 Sr 0.2 MnO 3-z and La 0.8 Sr 0.2 CrO 3-z . (Z in the above formula is a value indicating that the amount of oxygen atoms fluctuates depending on the ratio of metal elements in the formula, the environmental temperature and the atmosphere). As the oxygen ion conductor contained in the second catalyst layer 14, a composite oxide selected from the oxygen ion conductors described in the description of the first layer 12 can be used.

(A−2)酸素透過膜の製造方法:
図2は、本実施形態の酸素透過膜10の製造方法を表わす工程図である。酸素透過膜10を製造する際には、まず、第1の層12を作製する(ステップS100)。第1の層12を作製するためには、第1の層12を構成する複合酸化物(酸素イオン伝導体、電子伝導体、および混合伝導性酸化物から選択される酸化物)を含む原料を用意する。第1の層12を構成する複合酸化物は、例えば、固相反応法により形成することができる。固相反応法とは、酸化物や、炭酸塩、あるいは硝酸塩などの粉末原料を、作製すべき酸化物の組成に応じて、上記粉末原料中の金属元素が所定の割合となるように秤量、混合した後、熱処理(焼成)を行って、所望の酸化物を合成する周知の方法である。第1の層12を構成する酸化物の製造方法は、固相反応法以外の方法であってもよく、例えば、共沈法やpechini法やゾルゲル法など、複合酸化物を製造可能な種々の方法を採用可能である。pechini法とは、金属イオンとクエン酸とのキレート化合物とエチレングリコールなどのポリアルコールとのエステル化反応で前駆体を作製し、熱処理によって酸化物粒子を得る方法である。
(A-2) Method for producing oxygen permeable membrane:
FIG. 2 is a process diagram showing a method for producing the oxygen permeable membrane 10 of the present embodiment. When manufacturing the oxygen permeable membrane 10, first, the first layer 12 is made (step S100). In order to prepare the first layer 12, a raw material containing a composite oxide (an oxide selected from an oxygen ion conductor, an electron conductor, and a mixed conductive oxide) constituting the first layer 12 is used. prepare. The composite oxide constituting the first layer 12 can be formed by, for example, a solid-phase reaction method. In the solid phase reaction method, powder raw materials such as oxides, carbonates, and nitrates are weighed so that the metal elements in the powder raw materials are in a predetermined ratio according to the composition of the oxide to be produced. This is a well-known method for synthesizing a desired oxide by performing heat treatment (calcination) after mixing. The method for producing the oxide constituting the first layer 12 may be a method other than the solid phase reaction method, and various methods capable of producing a composite oxide such as a coprecipitation method, a pechini method and a sol-gel method can be used. The method can be adopted. The pechini method is a method in which a precursor is prepared by an esterification reaction of a chelate compound of a metal ion and citric acid with a polyalcohol such as ethylene glycol, and oxide particles are obtained by heat treatment.

第1の層12を作製するには、例えば、上記した酸化物等の原料の粉末を用意し、これら各原料粉末の粒径が十分に小さい状態で混合して、成形後に焼成すればよい。混合した原料粉末の成形は、例えば、プレス成形により行なえばよい。上記混合した原料粉末を成形して得た層を、「第1の前駆層」とも呼ぶ。第1の前駆層を焼成する際の温度および時間を調節することにより、第1の層12において所望の緻密性を確保することができる。 In order to prepare the first layer 12, for example, powders of raw materials such as the above-mentioned oxides may be prepared, mixed in a state where the particle size of each of these raw material powders is sufficiently small, and fired after molding. The mixed raw material powder may be molded, for example, by press molding. The layer obtained by molding the mixed raw material powder is also referred to as a "first precursor layer". By adjusting the temperature and time when firing the first precursor layer, the desired denseness can be ensured in the first layer 12.

また、酸素透過膜10を製造する際には、触媒多孔質体15を形成するための第1の触媒ペーストと、第2の触媒層14を形成するための第2の触媒ペーストと、を作製する(ステップS110)。触媒多孔質体15あるいは第2の触媒層14を構成する複合酸化物は、第1の層12を構成する複合酸化物と同様に、例えば、固相反応法、共沈法、pechini法、あるいはゾルゲル法によって製造することができる。第1の触媒ペーストおよび第2の触媒ペーストは、このような複合酸化物に対して、他の酸化物や造孔剤等の他の材料を必要に応じてさらに加えた原料粉末を得て、この原料粉末に溶媒を混合することにより得られる。第1の触媒層13の触媒多孔質体15や第2の触媒層14の気孔率は、例えば、上記造孔剤を構成する微粒子の粒径や添加量により調節することができる。 Further, when producing the oxygen permeable membrane 10, a first catalyst paste for forming the catalyst porous body 15 and a second catalyst paste for forming the second catalyst layer 14 are prepared. (Step S110). The composite oxide constituting the catalyst porous body 15 or the second catalyst layer 14 may be, for example, a solid phase reaction method, a coprecipitation method, a pechini method, or the same as the composite oxide constituting the first layer 12. It can be produced by the sol-gel method. The first catalyst paste and the second catalyst paste are obtained by adding other materials such as other oxides and pore-forming agents to such a composite oxide as necessary to obtain a raw material powder. It is obtained by mixing a solvent with this raw material powder. The porosity of the catalytic porous body 15 of the first catalyst layer 13 and the second catalyst layer 14 can be adjusted, for example, by adjusting the particle size and the amount of fine particles constituting the pore-forming agent.

その後、ステップS100で作製した第1の層12の一方の面上に第1の触媒ペーストを塗布すると共に、第1の層12の他方の面上に第2の触媒ペーストを塗布する(ステップS120)。各々の触媒ペーストの第1の層12上への塗布は、例えば、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコーティング法、ドクターブレード法、インクジェット法等から選択される方法により行なうことができる。なお、本実施形態では、触媒多孔質体15が[課題を解決するための手段]における「第2の層」に相当するため、触媒多孔質体15を形成するための第1の触媒ペーストから成る焼成前の層は、「第2の前駆層」に相当する。そして、第1の層12上に第2の前駆層が形成されたステップS120で得られる積層体は、「前駆積層体」に相当する。 Then, the first catalyst paste is applied onto one surface of the first layer 12 produced in step S100, and the second catalyst paste is applied onto the other surface of the first layer 12 (step S120). ). The application of each catalyst paste onto the first layer 12 can be carried out by, for example, a method selected from a screen printing method, a spray method, a dip coating method, a doctor blade method, an inkjet method and the like. In addition, in this embodiment, since the catalyst porous body 15 corresponds to the “second layer” in the [means for solving the problem], from the first catalyst paste for forming the catalyst porous body 15. The layer before firing corresponds to the "second precursor layer". The laminate obtained in step S120 in which the second precursor layer is formed on the first layer 12 corresponds to the “precursor laminate”.

その後、第1の層12上に第1の触媒ペーストおよび第2の触媒ペーストを塗布した上記前駆積層体を焼成して、焼成体を得る(ステップS130)。ステップS130で得られる触媒多孔質体15、第1の層12、および第2の触媒層14から成る焼成体は、[課題を解決するための手段]における「焼成積層体」に相当する。 Then, the precursor laminate obtained by applying the first catalyst paste and the second catalyst paste on the first layer 12 is fired to obtain a fired body (step S130). The fired body composed of the catalyst porous body 15, the first layer 12, and the second catalyst layer 14 obtained in step S130 corresponds to the “fired laminate” in [Means for Solving Problems].

そして、上記焼成体の触媒多孔質体15表面に触媒金属16を担持させて(ステップS140)、酸素透過膜10を完成する。触媒金属16の担持は、例えば、触媒金属16を含有する溶液を触媒多孔質体15上に配置し、その後、積層体を加熱して、上記溶液中の触媒金属16を触媒多孔質体15の表面に焼き付けることにより行なうことができる。触媒金属16を含有する溶液としては、例えば、触媒金属16の塩の水溶液を用いることができる。上記触媒金属16を含有する溶液は、触媒多孔質体15の表面に触媒金属16を分散担持できれば、触媒金属16の塩の水溶液以外の溶液であってもよく、例えばレジネート溶液とすることもできる。 Then, the catalyst metal 16 is supported on the surface of the catalyst porous body 15 of the fired body (step S140) to complete the oxygen permeable membrane 10. To support the catalyst metal 16, for example, a solution containing the catalyst metal 16 is placed on the catalyst porous body 15, and then the laminate is heated to transfer the catalyst metal 16 in the solution to the catalyst porous body 15. It can be done by baking on the surface. As the solution containing the catalyst metal 16, for example, an aqueous solution of a salt of the catalyst metal 16 can be used. The solution containing the catalyst metal 16 may be a solution other than an aqueous solution of a salt of the catalyst metal 16 as long as the catalyst metal 16 can be dispersed and supported on the surface of the catalyst porous body 15, and may be, for example, a resistate solution. ..

触媒金属16を含有する溶液を触媒多孔質体15上に配置する動作は、例えば、触媒金属16を含有する溶液を、触媒多孔質体15に含浸させることにより行なうことができる。あるいは、触媒多孔質体15の表面に対して、触媒金属16を含有する溶液を塗布してもよい。含浸による場合には、上記焼成体のうちの、触媒多孔質体15の少なくとも一部を上記溶液に浸漬させるという簡便な動作により、触媒多孔質体15の細孔内に上記溶液を入り込ませることができる。 The operation of arranging the solution containing the catalyst metal 16 on the catalyst porous body 15 can be performed, for example, by impregnating the catalyst porous body 15 with the solution containing the catalyst metal 16. Alternatively, a solution containing the catalyst metal 16 may be applied to the surface of the catalyst porous body 15. In the case of impregnation, the solution is allowed to enter the pores of the catalyst porous body 15 by a simple operation of immersing at least a part of the catalyst porous body 15 in the solution. Can be done.

(A−3)改質器の構成:
図1に示す改質器20は、上記した酸素透過膜10を備えると共に、酸素透過膜10の一方の面側(第1の触媒層13側)に、改質原料としての流体が流れる改質原料流路22が形成されている。また、酸素透過膜10の他方の面側に、酸素含有ガスとしての空気が流れる空気流路24が形成されている。この空気流路24が、[課題を解決するための手段]に記載した「酸素含有ガス流路」に相当し、改質原料流路22が、[課題を解決するための手段]に記載した[改質原料供給路]に相当する。酸素透過膜10は、既述したように、酸素イオン透過性を有し、酸素分圧が高い側から低い側へと、酸素を特異的に移動させる性質を有している。そのため、改質器20では、空気流路24中の酸素が、酸素透過膜10を介して改質原料流路22側へと透過する。そして、酸素透過膜10における改質原料流路22側の面上において、酸素透過膜10を透過した酸素を利用して、改質原料の部分酸化反応が進行する。
(A-3) Reformer configuration:
The reformer 20 shown in FIG. 1 includes the oxygen permeable membrane 10 described above, and reforming in which a fluid as a reforming raw material flows on one surface side (first catalyst layer 13 side) of the oxygen permeable membrane 10. The raw material flow path 22 is formed. Further, an air flow path 24 through which air as an oxygen-containing gas flows is formed on the other surface side of the oxygen permeable membrane 10. The air flow path 24 corresponds to the "oxygen-containing gas flow path" described in [Means for solving the problem], and the reforming raw material flow path 22 is described in [Means for solving the problem]. Corresponds to [modified raw material supply channel]. As described above, the oxygen permeable membrane 10 has oxygen ion permeability and has a property of specifically moving oxygen from the side where the oxygen partial pressure is high to the side where the oxygen partial pressure is low. Therefore, in the reformer 20, oxygen in the air flow path 24 permeates to the reforming raw material flow path 22 side through the oxygen permeation membrane 10. Then, on the surface of the oxygen permeable membrane 10 on the side of the modified raw material flow path 22, the partial oxidation reaction of the modified raw material proceeds by utilizing the oxygen permeated through the oxygen permeable membrane 10.

図1では、空気流路24側の酸素分圧(PO)の方が、改質原料流路22側の酸素分圧(P’O)よりも高く、酸素透過膜10の両面間で酸素分圧勾配が生じる様子を、破線により概念的に示している。酸素透過膜10では、このような両面間の酸素分圧差を駆動力として、高酸素分圧側(空気流路24)から低酸素分圧側(改質原料流路22)へと、酸素が透過する。このとき、空気流路24内の酸素分子は、酸素透過膜10の空気流路24側の表面でイオン化し、生じた酸素イオンが、酸素イオン伝導性を有する酸素透過膜10内を改質原料流路22側へと移動する。本実施形態の酸素透過膜10は、酸素イオン伝導性と共に電子伝導性を有するため、上記のように酸素イオンが移動する際には、酸素イオンとは逆向きに電子が膜内を移動する。そのため、酸素透過膜10に対して外部から電圧を印加することなく、酸素の透過を行なわせることができる。なお、酸素透過膜10における電子伝導性は、電子伝導とホール伝導の双方であってもよく、いずれか一方であっても良い。本実施形態では、酸素透過膜10について電子伝導性という場合には、電子伝導とホール伝導の双方、あるいは一方である場合を含むものとする。 In FIG. 1, the oxygen partial pressure (PO 2 ) on the air flow path 24 side is higher than the oxygen partial pressure (P'O 2 ) on the reforming raw material flow path 22 side, and is between both sides of the oxygen permeable membrane 10. The state in which the oxygen partial pressure gradient is generated is conceptually shown by a broken line. In the oxygen permeable membrane 10, oxygen permeates from the high oxygen partial pressure side (air flow path 24) to the low oxygen partial pressure side (modified raw material flow path 22) by using such an oxygen partial pressure difference between both sides as a driving force. .. At this time, the oxygen molecules in the air flow path 24 are ionized on the surface of the oxygen permeation film 10 on the air flow path 24 side, and the generated oxygen ions reform the inside of the oxygen permeation film 10 having oxygen ion conductivity. It moves to the flow path 22 side. Since the oxygen permeable membrane 10 of the present embodiment has electron conductivity as well as oxygen ion conductivity, when oxygen ions move as described above, electrons move in the membrane in the opposite direction to the oxygen ions. Therefore, oxygen can be permeated without applying a voltage to the oxygen permeation membrane 10 from the outside. The electron conductivity in the oxygen permeable membrane 10 may be both electron conduction and Hall conduction, or may be either one. In the present embodiment, the term electron conductivity of the oxygen permeable membrane 10 includes the case of both electron conduction and Hall conduction, or one of them.

上記のように改質原料流路22側へと酸素が輸送されると、酸素透過膜10の改質原料流路22側(第1の触媒層13)では、部分酸化反応によって改質原料の改質が行なわれる。改質原料としては、種々の気体燃料あるいは液体燃料を用いることができる。気体燃料としては、例えば、メタンや、メタンを主成分とする天然ガスなどの炭化水素系燃料を用いることができる。また、液体燃料としては、例えば、液体炭化水素や、メタノール等のアルコール、あるいはエーテルを用いることができる。液体燃料を用いる場合には、改質原料流路22への供給に先立って、液体燃料を気化させればよい。改質原料の部分酸化反応の一例として、メタンの部分酸化反応を、以下の(8)式に示す。 When oxygen is transported to the modified raw material flow path 22 side as described above, the modified raw material is subjected to a partial oxidation reaction on the modified raw material flow path 22 side (first catalyst layer 13) of the oxygen permeation membrane 10. Modification is performed. As the reforming raw material, various gas fuels or liquid fuels can be used. As the gaseous fuel, for example, hydrocarbon fuels such as methane and natural gas containing methane as a main component can be used. Further, as the liquid fuel, for example, liquid hydrocarbons, alcohols such as methanol, or ethers can be used. When the liquid fuel is used, the liquid fuel may be vaporized prior to the supply to the reforming raw material flow path 22. As an example of the partial oxidation reaction of the reforming raw material, the partial oxidation reaction of methane is shown in the following equation (8).

CH+(1/2)O → CO + 2H …(8) CH 4 + (1/2) O 2 → CO + 2H 2 … (8)

このように、炭化水素等の改質原料から水素と一酸化炭素とを生じる改質器20は、例えば、燃料電池に燃料ガスとして供給する水素を得るために用いることができる。あるいは、得られた水素と一酸化炭素を用いてさらに炭化水素転換を行なって、液体炭化水素燃料を製造する、すなわち、GTL(Gas To Liquid)技術のために用いても良い。 As described above, the reformer 20 that produces hydrogen and carbon monoxide from a reforming raw material such as a hydrocarbon can be used, for example, to obtain hydrogen to be supplied as a fuel gas to a fuel cell. Alternatively, the obtained hydrogen and carbon monoxide may be further subjected to hydrocarbon conversion to produce a liquid hydrocarbon fuel, that is, used for GTL (Gas To Liquid) technology.

以上のように構成された本実施形態の酸素透過膜10の製造方法、および、酸素透過膜10によれば、第1の触媒層13において表面交換反応((2)式の反応)の活性を高めると共に、改質器20内で用いる場合には(8)式の部分酸化反応の活性を高めることができる。その結果、酸素透過膜における酸素透過流速密度が向上し、酸素透過膜としての性能が向上する。 According to the method for producing the oxygen permeable membrane 10 of the present embodiment and the oxygen permeable membrane 10 configured as described above, the activity of the surface exchange reaction (reaction of the formula (2)) in the first catalyst layer 13 is determined. In addition to increasing the activity, the activity of the partial oxidation reaction of the formula (8) can be enhanced when used in the reformer 20. As a result, the oxygen permeation flow velocity density in the oxygen permeation membrane is improved, and the performance as an oxygen permeation membrane is improved.

具体的には、低酸素濃度側に配置する第1の触媒層13を、触媒活性を有するセラミックから成る触媒多孔質体15上にさらに触媒金属16を担持させることにより形成しているため、触媒活性を有するセラミックのみによって触媒層を形成する場合に比べて、酸素透過膜の性能を高めることができる。特に、酸素透過膜10を改質器20に適用する場合のように、酸素透過膜10の低酸素濃度側(一方の面側)が還元雰囲気となる場合に、酸素透過膜の酸素透過性能を高める効果を顕著に得ることができる。 Specifically, since the first catalyst layer 13 arranged on the low oxygen concentration side is formed by further supporting the catalyst metal 16 on the catalyst porous body 15 made of ceramic having catalytic activity, the catalyst The performance of the oxygen permeable film can be improved as compared with the case where the catalyst layer is formed only by the active ceramic. In particular, when the low oxygen concentration side (one surface side) of the oxygen permeable membrane 10 has a reducing atmosphere, as in the case of applying the oxygen permeable membrane 10 to the reformer 20, the oxygen permeable performance of the oxygen permeable membrane is improved. The effect of enhancing can be remarkably obtained.

その理由は、以下のように考えられる。すなわち、触媒活性を有するセラミックは、還元雰囲気下(例えば水素雰囲気下)では、このセラミックに含まれる複合酸化物中の金属元素が、触媒層表面で高い触媒活性を示すと考えられる。例えば、触媒多孔質体15が(5)式の複合酸化物を含有する場合には、第1の触媒層13の環境が還元雰囲気になると、ペロブスカイト構造のCrサイトに含まれるNi原子の一部が、複合酸化物の表面で微小なNi微粒子を形成すると考えられる。このようなNi微粒子は、ニッケル(Ni)によって構成されるNi触媒の還元雰囲気下での態様であるNi粒子に比べて非常に小さいため、上記Ni微粒子を形成するNiの量が微量であっても、極めて高い触媒活性を示し得る。本実施形態では、上記セラミック上にさらに触媒金属を担持しているため、担持した触媒金属と複合酸化物中の金属元素との間に相互作用が働き、複合酸化物中の金属元素が、複合酸化物の表面で上記した微粒子を形成し易くなると考えられる。その結果、触媒セラミックのみ、あるいは、触媒金属のみによって構成される触媒層を備える場合に比べて、触媒層全体の触媒活性が高まると考えられる。 The reason is considered as follows. That is, in a ceramic having catalytic activity, it is considered that the metal element in the composite oxide contained in the ceramic exhibits high catalytic activity on the surface of the catalyst layer under a reducing atmosphere (for example, in a hydrogen atmosphere). For example, when the catalyst porous body 15 contains the composite oxide of the formula (5), when the environment of the first catalyst layer 13 becomes a reducing atmosphere, a part of Ni atoms contained in the Cr site of the perovskite structure However, it is considered that minute Ni fine particles are formed on the surface of the composite oxide. Since such Ni fine particles are much smaller than Ni particles, which is an embodiment of a Ni catalyst composed of nickel (Ni) under a reducing atmosphere, the amount of Ni forming the Ni fine particles is very small. Can also exhibit extremely high catalytic activity. In the present embodiment, since the catalyst metal is further supported on the ceramic, an interaction acts between the supported catalyst metal and the metal element in the composite oxide, and the metal element in the composite oxide is composited. It is considered that the above-mentioned fine particles are easily formed on the surface of the oxide. As a result, it is considered that the catalytic activity of the entire catalyst layer is enhanced as compared with the case where the catalyst layer composed of only the catalyst ceramic or only the catalyst metal is provided.

ここで、雰囲気の還元力が比較的弱い場合(例えば改質原料雰囲気下)には、例えばペロブスカイト構造のCrサイトからNiが還元されて表面でNi微粒子を形成する反応が弱まり、ペロブスカイト構造内に固溶するNi原子による触媒活性の発現が比較的弱くなる可能性がある。本実施形態では、触媒多孔質体15上にさらに触媒金属16を担持することにより、上記した相互作用が働いて、複合酸化物の表面で上記した微粒子を形成し易くなるため、改質原料雰囲気下のように比較的還元力が弱い雰囲気下であっても、高い触媒活性が得られると考えられる。 Here, when the reducing power of the atmosphere is relatively weak (for example, under a modified raw material atmosphere), for example, the reaction in which Ni is reduced from the Cr site of the perovskite structure to form Ni fine particles on the surface is weakened, and the reaction is weakened in the perovskite structure. The expression of catalytic activity by the solid-dissolved Ni atom may be relatively weak. In the present embodiment, by further supporting the catalyst metal 16 on the catalyst porous body 15, the above-mentioned interaction works and the above-mentioned fine particles are easily formed on the surface of the composite oxide. It is considered that high catalytic activity can be obtained even in an atmosphere having a relatively weak reducing power as shown below.

なお、触媒多孔質体15上に担持した触媒金属16を構成する元素が、触媒多孔質体15に含まれる電子伝導体などの複合酸化物を構成する金属元素と同種であれば、上記した相互作用が強まり、触媒活性(酸素透過性能)が向上する効果が、より高まると考えられる。ここで、触媒金属16を構成し得る金属元素の中でも、特に白金(Pt)等の貴金属は、粒子状で存在する場合に、比較的凝集し易い性質を有している。そのため、触媒多孔質体15が含む複合酸化物中の金属元素、および、触媒金属16を構成する金属元素は、互いに同種であることに加えて、ニッケル(Ni)等の卑金属元素とすることで、還元雰囲気下における触媒金属微粒子の凝集を抑制することができ、性能低下を抑制する効果を高めることができる。 If the elements constituting the catalyst metal 16 supported on the catalyst porous body 15 are the same as the metal elements constituting the composite oxide such as an electron conductor contained in the catalyst porous body 15, the above-mentioned mutual It is considered that the effect of strengthening the action and improving the catalytic activity (oxygen permeation performance) is further enhanced. Here, among the metal elements that can constitute the catalyst metal 16, a noble metal such as platinum (Pt) has a property of being relatively easily aggregated when it exists in the form of particles. Therefore, the metal element in the composite oxide contained in the catalyst porous body 15 and the metal element constituting the catalyst metal 16 are of the same type as each other, and by using a base metal element such as nickel (Ni). , Aggregation of catalytic metal fine particles in a reducing atmosphere can be suppressed, and the effect of suppressing performance deterioration can be enhanced.

また、本実施形態によれば、触媒活性を有する複合酸化物を用いて第1の触媒層13の触媒多孔質体15を構成しているため、酸素透過膜10の使用を繰り返して、酸素透過膜10の低酸素濃度側において還元雰囲気と酸化雰囲気とが切り替わる動作が繰り返される場合であっても、酸素透過性能の低下を抑えることができる。例えば、触媒層を、触媒金属であるニッケル(Ni)によって構成する場合には、酸素透過膜10の低酸素濃度側の雰囲気が上記のように切り替わったときに、触媒金属はNiの状態と酸化ニッケル(NiO)の状態とで切り替わり、膨張・収縮を繰り返すことで、触媒層が損傷する可能性がある。これに対して、本実施形態の第1の触媒層13が備える触媒多孔質体15は、上記触媒金属に比べて、酸化・還元に伴う膨張・収縮の程度が極めて小さい。これは、触媒多孔質体15を構成する複合酸化物が、酸化・還元に伴って、既述したように例えばペロブスカイト構造に含まれるNi原子の一部が表面で微小な粒子を形成する状態と、ペロブスカイト結晶構造内に固溶する状態との間で変化するためである。また、本実施形態では、触媒多孔質体15上に担持される触媒金属16は、触媒多孔質体15上において微粒子状で分散担持されているため、個々の微粒子が膨張・収縮しても、第1の触媒層13の構造全体の損傷を引き起こす程度が極めて小さい。そのため、還元雰囲気と酸化雰囲気とが切り替わる動作が繰り返される場合であっても、第1の触媒層13の損傷を抑え、性能低下を抑制することができる。 Further, according to the present embodiment, since the catalytic porous body 15 of the first catalyst layer 13 is formed by using the composite oxide having catalytic activity, the oxygen permeable film 10 is repeatedly used to permeate oxygen. Even when the operation of switching between the reducing atmosphere and the oxidizing atmosphere is repeated on the low oxygen concentration side of the film 10, it is possible to suppress a decrease in oxygen permeation performance. For example, when the catalyst layer is composed of nickel (Ni) which is a catalyst metal, the catalyst metal is oxidized to the state of Ni when the atmosphere on the low oxygen concentration side of the oxygen permeable film 10 is switched as described above. The catalyst layer may be damaged by switching to the nickel (NiO) state and repeating expansion and contraction. On the other hand, the catalyst porous body 15 included in the first catalyst layer 13 of the present embodiment has an extremely small degree of expansion / contraction due to oxidation / reduction as compared with the catalyst metal. This is a state in which the composite oxide constituting the catalytic porous body 15 forms fine particles on the surface of, for example, a part of Ni atoms contained in the perovskite structure as described above due to oxidation and reduction. This is because it changes between the state of solid solution in the perovskite crystal structure. Further, in the present embodiment, since the catalyst metal 16 supported on the catalyst porous body 15 is dispersed and supported in the form of fine particles on the catalyst porous body 15, even if the individual fine particles expand or contract, even if the individual fine particles expand or contract. The degree of causing damage to the entire structure of the first catalyst layer 13 is extremely small. Therefore, even when the operation of switching between the reducing atmosphere and the oxidizing atmosphere is repeated, damage to the first catalyst layer 13 can be suppressed and performance deterioration can be suppressed.

さらに、本実施形態によれば、セラミックからなる触媒多孔質体15上に触媒金属16を担持させて第1の触媒層13を構成するため、貴金属を用いて触媒層を形成する必要がなく、酸素透過膜10および改質器20のコストを低減することができる。例えば、触媒多孔質体15上に担持する触媒金属として貴金属を用いる場合であっても、触媒多孔質体15上に分散担持させる貴金属は極めて少量であるため、貴金属製の触媒層を形成する場合に比べて、コストを大きく低減することが可能になる。 Further, according to the present embodiment, since the catalyst metal 16 is supported on the catalyst porous body 15 made of ceramic to form the first catalyst layer 13, it is not necessary to form the catalyst layer using the noble metal. The cost of the oxygen permeable film 10 and the reformer 20 can be reduced. For example, even when a noble metal is used as the catalyst metal supported on the catalyst porous body 15, the amount of the noble metal dispersed and supported on the catalyst porous body 15 is extremely small, so that a catalyst layer made of the noble metal is formed. Compared with, the cost can be greatly reduced.

また、本実施形態の酸素透過膜10の製造方法によれば、触媒多孔質体15上に触媒金属を担持させる動作を、酸素透過膜10を構成する酸化物を焼成する工程の後に行なっている。そのため、酸素透過膜10を構成する酸化物を、触媒金属16の融点以上の温度で焼成することができ、高温で焼成することに起因する触媒金属16の性能低下を抑えることができる。すなわち、触媒金属16として、酸素透過膜10を構成する酸化物を焼成する際の焼結温度よりも融点が低い金属を選択することができるため、触媒金属の選択の自由度が増し、融点が比較的低いNi等の卑金属を容易に用いることが可能になる。 Further, according to the method for producing the oxygen permeable film 10 of the present embodiment, the operation of supporting the catalyst metal on the catalytic porous body 15 is performed after the step of calcining the oxide constituting the oxygen permeable film 10. .. Therefore, the oxide constituting the oxygen permeable film 10 can be fired at a temperature equal to or higher than the melting point of the catalyst metal 16, and the deterioration of the performance of the catalyst metal 16 due to firing at a high temperature can be suppressed. That is, as the catalyst metal 16, a metal having a melting point lower than the sintering temperature when firing the oxide constituting the oxygen permeable film 10 can be selected, so that the degree of freedom in selecting the catalyst metal is increased and the melting point is increased. It becomes possible to easily use a relatively low base metal such as Ni.

なお、本実施形態の酸素透過膜10において、触媒多孔質体15に含有されて(2)式の反応を促進する活性を有する電子伝導体として、(5)式の複合酸化物を用いる場合には、(5)式の複合酸化物が難焼結性を示すことから、製造時における焼成温度を特に高く設定する必要がある。このような場合に、例えば、(5)式の複合酸化物を構成する金属元素と同種の元素であるニッケル(Ni)を触媒金属として選択すると、焼成温度で触媒金属が溶融するため、焼成工程に先立って触媒多孔質体15上に触媒金属を担持させることができない。本実施形態の酸素透過膜10の製造方法によれば、焼成工程の後に、触媒金属を含有する溶液に触媒多孔質体を含浸させることにより、触媒多孔質体15上への触媒金属の担持を行なっている。そのため、難焼結性を示す触媒多孔質体15と融点が低い触媒金属との組合せであるにもかかわらず、上記組合せの酸素透過膜を容易に作製して、高い酸素透過性能を示す酸素透過膜を得ることができる。なお、触媒金属として、触媒多孔質体15の焼成温度よりも高い融点を示す金属を選択する場合には、焼成工程に先立って触媒多孔質体15上に触媒金属を担持させることも可能である。 In the oxygen permeable membrane 10 of the present embodiment, when the composite oxide of the formula (5) is used as the electron conductor contained in the catalytic porous body 15 and having an activity of promoting the reaction of the formula (2). Since the composite oxide of the formula (5) exhibits difficulty in sintering, it is necessary to set the firing temperature at the time of production particularly high. In such a case, for example, if nickel (Ni), which is an element of the same type as the metal element constituting the composite oxide of the formula (5), is selected as the catalyst metal, the catalyst metal melts at the firing temperature, so that the firing step It is not possible to support the catalyst metal on the catalytic porous body 15 prior to the above. According to the method for producing the oxygen permeable film 10 of the present embodiment, the catalyst metal is supported on the catalyst porous body 15 by impregnating the solution containing the catalyst metal with the catalyst porous body after the firing step. I'm doing it. Therefore, despite the combination of the catalytic porous body 15 exhibiting poor sinterability and the catalyst metal having a low melting point, an oxygen permeable membrane having the above combination can be easily produced to permeate oxygen exhibiting high oxygen permeation performance. A membrane can be obtained. When a metal having a melting point higher than the firing temperature of the catalytic porous body 15 is selected as the catalyst metal, the catalyst metal can be supported on the catalytic porous body 15 prior to the firing step. ..

B.第2の実施形態:
(B−1)酸素透過膜の構成:
図3は、本発明の第2の実施形態としての酸素透過膜110、および、この酸素透過膜110を備える改質器120の概略構成を示す断面模式図である。図3に示す第2の実施形態では、図1に示す第1の実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。
B. Second embodiment:
(B-1) Composition of oxygen permeable membrane:
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of an oxygen permeable membrane 110 as a second embodiment of the present invention and a reformer 120 including the oxygen permeable membrane 110. In the second embodiment shown in FIG. 3, the same reference number is given to the portion common to the first embodiment shown in FIG. 1, and detailed description thereof will be omitted.

第2の実施形態の酸素透過膜110は、第1の実施形態の酸素透過膜10の第1の層12、第1の触媒層13、および第2の触媒層14に加えて、さらに、第1の触媒層13上であって第1の層12が配置される側とは異なる側に、酸素透過膜110を補強する支持層17を備える。 The oxygen permeable membrane 110 of the second embodiment is, in addition to the first layer 12, the first catalyst layer 13, and the second catalyst layer 14 of the oxygen permeable membrane 10 of the first embodiment, further. A support layer 17 for reinforcing the oxygen permeable membrane 110 is provided on the catalyst layer 13 of 1 on a side different from the side on which the first layer 12 is arranged.

支持層17は、セラミックによって構成される多孔質な層であり、3次元的に連通する細孔を有することにより、(2)式の反応で生じた酸素分子や、改質反応の原料である炭化水素ガスや、改質反応により生成した水素含有ガスが細孔内を流通可能になっている。支持層17の気孔率は、(2)式の反応で生じた酸素分子や、改質反応の原料である炭化水素ガスや、改質反応により生成した水素含有ガスの拡散を妨げることに起因する酸素透過性能の低下を抑える観点から、30%以上とすることが好ましく、40%以上とすることがより好ましい。また、支持層17の気孔率は、支持層17の構造を良好に維持する観点から、80%以下であることが好ましく、60%以下であることがより好ましい。さらに、(2)式の反応で生じた酸素分子や、改質反応の原料である炭化水素ガスや、改質反応により生成した水素含有ガスを良好に拡散させて酸素透過膜の性能を高める観点から、支持層17は、触媒多孔質体15よりも気孔率が大きく形成されていることが望ましい。なお、支持層17の気孔率は、既述した第1の層12の気孔率と同様の方法により測定することができる。 The support layer 17 is a porous layer made of ceramic, and has pores that communicate three-dimensionally, so that it is a raw material for oxygen molecules generated in the reaction of equation (2) and a modification reaction. Hydrocarbon gas and hydrogen-containing gas generated by the reforming reaction can flow in the pores. The pore ratio of the support layer 17 is due to hindering the diffusion of oxygen molecules generated in the reaction of equation (2), hydrocarbon gas which is a raw material of the reforming reaction, and hydrogen-containing gas generated by the reforming reaction. From the viewpoint of suppressing deterioration of oxygen permeation performance, it is preferably 30% or more, and more preferably 40% or more. Further, the porosity of the support layer 17 is preferably 80% or less, more preferably 60% or less, from the viewpoint of maintaining the structure of the support layer 17 well. Further, from the viewpoint of improving the performance of the oxygen permeable film by satisfactorily diffusing the oxygen molecules generated in the reaction of the formula (2), the hydrocarbon gas which is the raw material of the reforming reaction, and the hydrogen-containing gas generated by the reforming reaction. Therefore, it is desirable that the support layer 17 has a larger pore ratio than the catalytic porous body 15. The porosity of the support layer 17 can be measured by the same method as the porosity of the first layer 12 described above.

支持層17の厚みは、(2)式の反応で生じた酸素分子の拡散を妨げることに起因する酸素透過性能の低下を抑えることができるように適宜設定すればよく、例えば、0.2〜3mmとすることができる。支持層17が酸素透過膜110を補強する効果を高めるためには、支持層17の厚みが第1の層12よりも厚いことが望ましい。なお、「支持層17の厚みが第1の層12よりも厚い」とは、酸素透過膜110のいずれの箇所において支持層17と第1の層12との間で厚みを比べても、常に、支持層17の方が厚いことを表わす。 The thickness of the support layer 17 may be appropriately set so as to suppress a decrease in oxygen permeation performance due to hindering the diffusion of oxygen molecules generated in the reaction of the formula (2), for example, 0.2 to 0.2. It can be 3 mm. In order for the support layer 17 to enhance the effect of reinforcing the oxygen permeable membrane 110, it is desirable that the thickness of the support layer 17 is thicker than that of the first layer 12. It should be noted that "the thickness of the support layer 17 is thicker than that of the first layer 12" means that the thickness of the support layer 17 and the first layer 12 is always compared at any position of the oxygen permeable membrane 110. , Indicates that the support layer 17 is thicker.

支持層17は、例えば、酸素イオン伝導体として第1の層12の説明で述べた安定化ジルコニアを用いて構成することができる。また、支持層17は、酸素イオン伝導性および電子伝導性を実質的に示さない酸化物、例えば、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al)、およびスピネル(MgAl)から選択される少なくとも1種の酸化物を用いて構成してもよい。支持層17は、電子伝導性とイオン伝導性の双方を有してもよく、いずれか一方を有してもよく、いずれも有していなくてもよい。酸素透過膜110の性能向上の観点からは、電子伝導性とイオン伝導性とのうち、少なくともいずれか一方を有することが望ましく、双方を有することがより望ましい。 The support layer 17 can be constructed using, for example, the stabilized zirconia described in the description of the first layer 12 as an oxygen ion conductor. Further, the support layer 17 is made of oxides that do not substantially exhibit oxygen ion conductivity and electron conductivity, such as magnesium oxide (MgO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and spinel (Mg Al 2 O 4 ). It may be constructed using at least one selected oxide. The support layer 17 may have both electronic conductivity and ionic conductivity, may have either one, or may not have either. From the viewpoint of improving the performance of the oxygen permeable membrane 110, it is desirable to have at least one of electron conductivity and ionic conductivity, and it is more desirable to have both.

第2の実施形態の酸素透過膜110では、第1の触媒層13の触媒多孔質体15上に加えて、支持層17上にも、触媒金属16が担持されている。なお、本実施形態では、触媒多孔質体15および支持層17が、[課題を解決するための手段]における「第2の層」に相当する。 In the oxygen permeable membrane 110 of the second embodiment, the catalyst metal 16 is supported on the support layer 17 in addition to the catalyst porous body 15 of the first catalyst layer 13. In the present embodiment, the catalytic porous body 15 and the support layer 17 correspond to the “second layer” in the [means for solving the problem].

第2の実施形態では、第2の層を構成する触媒多孔質体15と支持層17の双方において、その表面(内部に形成される細孔の表面)に、触媒金属16が担持されている。 In the second embodiment, the catalyst metal 16 is supported on the surface (the surface of the pores formed inside) of both the catalyst porous body 15 and the support layer 17 constituting the second layer. ..

(B−2)酸素透過膜の製造方法:
図4は、本実施形態の酸素透過膜110の製造方法を表わす工程図である。酸素透過膜110を製造する際には、まず、支持層17を用意する(ステップS200)。支持層17は、例えば、支持層17を構成する材料である既述した酸化物の粉末に、造孔剤やバインダを加えて混合し、これを圧粉形成した後に焼成することにより得ることができる。用いる造孔剤を構成する微粒子の粒径および量、あるいは圧粉形成時の圧力等を調節することにより、所望の気孔率の支持層17を得ることが可能になる。焼成後の支持層17は、必要に応じて研磨することにより、所望の厚みに調整することができる。
(B-2) Method for producing oxygen permeable membrane:
FIG. 4 is a process diagram showing a method for manufacturing the oxygen permeable membrane 110 of the present embodiment. When manufacturing the oxygen permeable membrane 110, first, the support layer 17 is prepared (step S200). The support layer 17 can be obtained, for example, by adding a pore-forming agent or a binder to the above-mentioned oxide powder which is a material constituting the support layer 17, mixing the powder, forming a powder, and then firing the powder. it can. The support layer 17 having a desired porosity can be obtained by adjusting the particle size and amount of the fine particles constituting the pore-forming agent to be used, the pressure at the time of forming the dust, and the like. The support layer 17 after firing can be adjusted to a desired thickness by polishing if necessary.

次に、第1の層12を形成するための混合伝導ペースト、触媒多孔質体15を形成するための第1の触媒ペースト、および、第2の触媒層14を形成するための第2の触媒ペーストを作製する(ステップS210)。混合伝導ペーストは、第1の実施形態のステップS100と同様にして、第1の層を構成する複合酸化物を含む原料粉末を得て、この混合粉末に溶媒を混合することにより得られる。第1の触媒ペーストおよび第2の触媒ペーストは、第1の実施形態のステップS110と同様にして作製することができる。 Next, a mixed conduction paste for forming the first layer 12, a first catalyst paste for forming the catalyst porous body 15, and a second catalyst for forming the second catalyst layer 14. A paste is prepared (step S210). The mixed conduction paste is obtained by obtaining a raw material powder containing a composite oxide constituting the first layer and mixing a solvent with the mixed powder in the same manner as in step S100 of the first embodiment. The first catalyst paste and the second catalyst paste can be produced in the same manner as in step S110 of the first embodiment.

その後、支持層17上に、触媒多孔質体15、第1の層12、および第2の触媒層14を形成し、焼成体を得る(ステップS220)。本実施形態では、支持層17上に第1の触媒ペーストを塗布して焼成することにより触媒多孔質体15を形成し、さらにその上に混合伝導ペーストを塗布して焼成することにより第1の層12を形成し、さらにその上に第2の触媒ペーストを塗布して焼成することにより第2の触媒層14を形成している。このとき、支持層17上に第1の触媒ペーストを塗布して得られる層が、[課題を解決するための手段]における「触媒多孔質体前駆層」に相当する。また、触媒多孔質体15上に混合伝導ペーストを塗布して得られる層が「第1の前駆層」に相当し、触媒多孔質体15および上記第1の前駆層から成る積層体が、「前駆積層体」に相当する。また、支持層17、触媒多孔質体15、および第1の層12を備える積層体が、「焼成積層体」に相当する。 Then, the catalyst porous body 15, the first layer 12, and the second catalyst layer 14 are formed on the support layer 17 to obtain a fired body (step S220). In the present embodiment, the catalyst porous body 15 is formed by applying the first catalyst paste on the support layer 17 and firing it, and further coating the mixed conduction paste on the support layer 17 and firing the first catalyst paste. The second catalyst layer 14 is formed by forming the layer 12 and further applying the second catalyst paste on the layer and firing the layer 12. At this time, the layer obtained by applying the first catalyst paste on the support layer 17 corresponds to the "catalyst porous body precursor layer" in [Means for Solving Problems]. Further, the layer obtained by applying the mixed conduction paste on the catalyst porous body 15 corresponds to the “first precursor layer”, and the laminate composed of the catalyst porous body 15 and the first precursor layer is “1st precursor layer”. Corresponds to "precursor laminate". Further, the laminate provided with the support layer 17, the catalytic porous body 15, and the first layer 12 corresponds to the “fired laminate”.

そして、ステップS220で得た焼成体の支持層17および触媒多孔質体15表面に触媒金属16を担持させて(ステップS230)、酸素透過膜110を完成する。触媒金属16の担持は、例えば、第1の実施形態と同様にして、上記焼成体のうちの支持層17および触媒多孔質体15の部分に、触媒金属16を含有する溶液を含浸させて、その後に焼き付けることにより行なうことができる。 Then, the catalyst metal 16 is supported on the surface of the support layer 17 and the catalyst porous body 15 of the fired body obtained in step S220 (step S230) to complete the oxygen permeable membrane 110. The catalyst metal 16 is supported, for example, by impregnating the support layer 17 and the catalyst porous body 15 of the fired body with a solution containing the catalyst metal 16 in the same manner as in the first embodiment. It can be done by baking after that.

以上のように構成された第2の実施形態の酸素透過膜110の製造方法、および、酸素透過膜110によれば、第1の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、第2の実施形態では、酸素透過膜110が支持層17を有することで補強されるため、酸素イオンが透過する第1の層12をより薄くして、酸素透過性能を高めることが可能になる。 According to the method for producing the oxygen permeable membrane 110 of the second embodiment and the oxygen permeable membrane 110 configured as described above, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, in the second embodiment, since the oxygen permeable membrane 110 is reinforced by having the support layer 17, the first layer 12 through which oxygen ions permeate can be made thinner to improve the oxygen permeable performance. become.

また、本実施形態の酸素透過膜110の製造方法によれば、触媒金属を含有する溶液を触媒多孔質体15上に配置する動作を含浸により行なっている。そのため、触媒多孔質体15が、第1の層12および支持層17によって覆われているにもかかわらず、触媒多孔質体15の表面に触媒金属を担持させる動作を、酸素透過膜110を構成する酸化物を焼成する工程の後に行なうことができる。その結果、酸素透過膜110を構成する酸化物を、触媒金属16の融点以上の温度で焼成することができ、高温で焼成することに起因する触媒金属16の性能低下を抑えることができる。 Further, according to the method for producing the oxygen permeable membrane 110 of the present embodiment, the operation of arranging the solution containing the catalyst metal on the catalyst porous body 15 is performed by impregnation. Therefore, even though the catalyst porous body 15 is covered with the first layer 12 and the support layer 17, the operation of supporting the catalyst metal on the surface of the catalyst porous body 15 constitutes the oxygen permeable film 110. This can be done after the step of calcining the oxide. As a result, the oxide constituting the oxygen permeable film 110 can be fired at a temperature equal to or higher than the melting point of the catalyst metal 16, and the deterioration of the performance of the catalyst metal 16 due to firing at a high temperature can be suppressed.

なお、第2の実施形態では、触媒多孔質体15と支持層17との双方の表面に触媒金属16を担持させることとしたが、異なる構成としてもよい。例えば、触媒多孔質体15と支持層17とのうちのいずれか一方のみに触媒金属16が担持されていてもよい。触媒金属16が、触媒多孔質体15と支持層17とを備える第2の層を構成する多孔質体の表面の、少なくとも一部に担持されていればよく、これにより、触媒多孔質体15を備える第1の触媒層13の触媒性能を高める同様の効果を得ることができる。 In the second embodiment, the catalyst metal 16 is supported on the surfaces of both the catalyst porous body 15 and the support layer 17, but different configurations may be used. For example, the catalyst metal 16 may be supported on only one of the catalyst porous body 15 and the support layer 17. The catalyst metal 16 may be supported on at least a part of the surface of the porous body constituting the second layer including the catalyst porous body 15 and the support layer 17, whereby the catalyst porous body 15 may be supported. It is possible to obtain the same effect of enhancing the catalytic performance of the first catalyst layer 13 provided with.

このとき、触媒多孔質体15は、触媒多孔質体15と支持層17とを備える第2の層の少なくとも一部の、第1の層12との界面を含む領域において設けられていればよい。ただし、触媒多孔質体15は、第2の層と第1の層12との界面のうちの、より大きな範囲を含むことが望ましく、図3に示すように、第1の層12において酸素透過に実質的に寄与できる範囲における上記界面全体を含むことがより望ましい。 At this time, the catalytic porous body 15 may be provided in a region including an interface with the first layer 12 of at least a part of the second layer including the catalytic porous body 15 and the support layer 17. .. However, it is desirable that the catalytic porous body 15 includes a larger range of the interface between the second layer and the first layer 12, and as shown in FIG. 3, oxygen permeation in the first layer 12 It is more desirable to include the entire interface within a range that can substantially contribute to.

C.変形例:
・変形例1(触媒層の変形):
上記各実施形態では、酸素透過膜の低酸素濃度側に配置された触媒層において、触媒多孔質体上に触媒金属を担持する構成としたが、異なる構成としてもよい。例えば、低酸素濃度側に代えて、あるいは低酸素濃度側に加えて、高酸素濃度側の触媒層において、触媒多孔質体上に触媒金属を担持することとしてもよい。このような構成としても、触媒多孔質体上に触媒金属を担持する構成を採用した触媒層において、触媒活性を高めることができ、各実施形態と同様の効果が得られる。
C. Modification example:
-Deformation example 1 (deformation of catalyst layer):
In each of the above embodiments, the catalyst layer arranged on the low oxygen concentration side of the oxygen permeable membrane has a configuration in which the catalyst metal is supported on the catalyst porous body, but a different configuration may be used. For example, the catalyst metal may be supported on the catalytic porous body in the catalyst layer on the high oxygen concentration side instead of the low oxygen concentration side or in addition to the low oxygen concentration side. Even with such a configuration, the catalytic activity can be enhanced in the catalyst layer adopting the configuration in which the catalyst metal is supported on the porous catalyst body, and the same effects as those of each embodiment can be obtained.

ただし、第2の実施形態のように支持層を設ける場合には、支持層に覆われることなく露出する側の触媒層が、空気などの酸素含有ガスが流れる高酸素濃度側であることが望ましい。このようにすれば、支持層によって触媒層へのガス拡散が抑制されることに起因して、酸素含有ガスから酸素透過膜内へと酸素が透過する速度が律速となることを抑えることができる。 However, when the support layer is provided as in the second embodiment, it is desirable that the catalyst layer on the exposed side without being covered by the support layer is on the high oxygen concentration side through which an oxygen-containing gas such as air flows. .. In this way, it is possible to prevent the rate at which oxygen permeates from the oxygen-containing gas into the oxygen permeable membrane to be rate-determining due to the suppression of gas diffusion into the catalyst layer by the support layer. ..

また、上記各実施例では、酸素透過膜において、触媒多孔質体上に触媒金属を担持した触媒層(第1の触媒層13)を備える側とは異なる側にも、触媒活性を有する多孔質体から成る触媒層(第2の触媒層14)を設けたが、異なる構成としてもよい。例えば、触媒多孔質体上に触媒金属を担持した触媒層を備える側とは異なる側において、第1の層12の表面で既述した(1)式あるいは(2)式の反応が十分に進行する場合には、上記異なる側には触媒層を設けないこととしてもよい。 Further, in each of the above examples, in the oxygen permeable film, the porous body having catalytic activity is also on the side different from the side provided with the catalyst layer (first catalyst layer 13) on which the catalyst metal is supported on the catalyst porous body. Although the catalyst layer made of the body (second catalyst layer 14) is provided, it may have a different configuration. For example, the reaction of the above-mentioned formula (1) or (2) sufficiently proceeds on the surface of the first layer 12 on a side different from the side provided with the catalyst layer supporting the catalyst metal on the catalyst porous body. In this case, the catalyst layer may not be provided on the different sides.

・変形例2(製造方法の変形):
第1の実施形態では、ステップS100において第1の前駆層を焼成して第1の層12を形成した後に、第1の層12上に第1の触媒ペーストを塗布している。これに対して、焼成前の第1の前駆層上において、第1の触媒ペーストを塗布することで第2の前駆層を形成し、第1の前駆層と第2の前駆層とを同時に焼成してもよい。この場合には、第1の前駆層上に第1の触媒ペーストを塗布した積層体が、[課題を解決するための手段]における「前駆積層体」に相当する。
-Modification example 2 (transformation of manufacturing method):
In the first embodiment, in step S100, the first precursor layer is fired to form the first layer 12, and then the first catalyst paste is applied onto the first layer 12. On the other hand, a second precursor layer is formed by applying the first catalyst paste on the first precursor layer before firing, and the first precursor layer and the second precursor layer are fired at the same time. You may. In this case, the laminate in which the first catalyst paste is applied on the first precursor layer corresponds to the "precursor laminate" in [Means for Solving the Problem].

また、第2の実施形態では、触媒多孔質体15、第1の層12、および第2の触媒層14の各々について焼成の工程を行なっているが、異なる構成としてもよい。例えば、触媒多孔質体15のための第1の触媒ペーストの塗布後、焼成を行なうことなく第1の層12のための混合伝導ペーストをさらに塗布し、その後に焼成を行なってもよい。あるいは、第1の層12のための混合伝導ペーストを塗布後、焼成を行なうことなく第2の触媒層14のための第2の触媒ペーストを塗布し、その後に焼成を行なってもよい。このような構成としても、触媒多孔質体前駆層を焼成して触媒多孔質体15を形成した後に、触媒多孔質体15上に触媒金属16を担持させることで、各実施形態と同様の効果が得られる。 Further, in the second embodiment, the firing step is performed for each of the catalyst porous body 15, the first layer 12, and the second catalyst layer 14, but different configurations may be used. For example, after applying the first catalyst paste for the catalyst porous body 15, the mixed conduction paste for the first layer 12 may be further applied without firing, and then firing may be performed. Alternatively, after applying the mixed conduction paste for the first layer 12, the second catalyst paste for the second catalyst layer 14 may be applied without firing, and then firing may be performed. Even with such a configuration, by firing the catalyst porous body precursor layer to form the catalyst porous body 15 and then supporting the catalyst metal 16 on the catalyst porous body 15, the same effect as in each embodiment can be obtained. Is obtained.

このように、複数の層をまとめて焼成することで、製造工程を簡素化することができる。ただし、未焼成の複数の層をまとめて焼成する場合には、隣り合う層を構成する化合物の組合せが、焼成工程の環境下で反応性が十分に低くなる組合せであり、酸素透過性能の低下につながる異種相の生成が十分に少ないことが望ましい。例えば、第2の触媒層14を構成する化合物が、比較的異種相を形成しやすい場合には、緻密化のために焼成温度をより高く設定する必要のある第1の層12の焼成工程の後に、第2の触媒ペーストを塗布することが望ましい。 By firing the plurality of layers together in this way, the manufacturing process can be simplified. However, when a plurality of unfired layers are fired together, the combination of compounds constituting adjacent layers is a combination in which the reactivity is sufficiently low in the environment of the firing process, and the oxygen permeation performance is deteriorated. It is desirable that the generation of heterogeneous phases leading to is sufficiently small. For example, when the compound constituting the second catalyst layer 14 is relatively easy to form a heterogeneous phase, the firing temperature of the first layer 12 needs to be set higher for densification. It is desirable to apply a second catalyst paste later.

また、各実施形態では、第1の層12、触媒多孔質体15、第2の触媒層14、および支持層17は、焼成を伴う製造方法により作製したが、異なる構成としてもよい。上記各層の少なくとも一部の層を、焼成を伴わない成膜方法により形成してもよい。焼成を伴わない成膜方法としては、例えば、PLD法(パルスレーザー堆積法)等のPVD法や、CVD法、ディップ法、溶射、スパッタ法などを挙げることができる。各層の構成材料に応じて適宜選択すればよい。このような構成としても、セラミックから成る触媒多孔質体15上に触媒金属16を担持させることにより酸素透過膜の性能が向上するという、各実施形態と同様の効果が得られる。 Further, in each embodiment, the first layer 12, the catalyst porous body 15, the second catalyst layer 14, and the support layer 17 are produced by a production method involving firing, but may have different configurations. At least a part of each of the above layers may be formed by a film forming method that does not involve firing. Examples of the film forming method without firing include a PVD method such as a PLD method (pulse laser deposition method), a CVD method, a dip method, thermal spraying, and a sputtering method. It may be appropriately selected according to the constituent material of each layer. Even with such a configuration, the same effect as in each embodiment can be obtained, in which the performance of the oxygen permeable membrane is improved by supporting the catalyst metal 16 on the catalyst porous body 15 made of ceramic.

また、第2の実施形態のように支持層17を有する場合に、支持層17上に各層を順次成膜して積層体を得る代わりに、第1の実施形態と同様にして支持層17を有しない3層構造の酸素透過膜10を形成した後に、この酸素透過膜10の第1の触媒層13上に、別途作製した支持層17を貼り合わせることとしてもよい。この場合には、支持層17に触媒金属16をさらに担持させてもよい。このような構成としても、触媒多孔質体15のみによって第1の触媒層13を形成する場合、あるいは、触媒金属のみによって第1の触媒層13を形成する場合に比べて、触媒層の触媒活性を向上させると共に酸素透過膜の耐久性を高める同様の効果が得られる。 Further, when the support layer 17 is provided as in the second embodiment, instead of sequentially forming a film on the support layer 17 to obtain a laminated body, the support layer 17 is formed in the same manner as in the first embodiment. After forming the oxygen permeable film 10 having a three-layer structure that does not have the oxygen permeable film 10, a separately prepared support layer 17 may be attached onto the first catalyst layer 13 of the oxygen permeable film 10. In this case, the catalyst metal 16 may be further supported on the support layer 17. Even with such a configuration, the catalytic activity of the catalyst layer is as compared with the case where the first catalyst layer 13 is formed only by the catalyst porous body 15 or the case where the first catalyst layer 13 is formed only by the catalyst metal. The same effect can be obtained as well as increasing the durability of the oxygen permeable film.

・変形例3(改質器の変形):
上記各実施形態の改質器は、平板状の1枚の酸素透過膜を備えているが、改質器は種々の形態とすることができる。例えば、平板状の酸素透過膜を複数積層し、積層した複数の酸素透過膜の間に、改質原料流路22と空気流路24とを交互に設けることとしても良い。
-Modification example 3 (transformation of reformer):
The reformer of each of the above embodiments includes a single plate-shaped oxygen permeable membrane, but the reformer can be in various forms. For example, a plurality of flat oxygen permeable membranes may be laminated, and the reforming raw material flow path 22 and the air flow path 24 may be alternately provided between the laminated oxygen permeable membranes.

あるいは、改質器を円筒形状に形成し、円筒の外側を外気に曝して空気流路24とすると共に、円筒の内部を改質原料流路22としてもよい。この場合には、円筒の一端に、改質原料を供給するための流路を接続すると共に、円筒の他端に、改質反応で得られた水素および一酸化炭素を取り出すための流路を接続すればよい。このような構成は例えば、支持層17を円筒状に形成し、円筒状の支持層17の内壁面上に、第1の触媒層13、第1の層12,第2の触媒層14をこの順で形成することにより実現できる。 Alternatively, the reformer may be formed in a cylindrical shape, the outside of the cylinder may be exposed to the outside air to form an air flow path 24, and the inside of the cylinder may be used as a reforming raw material flow path 22. In this case, a flow path for supplying the reforming raw material is connected to one end of the cylinder, and a flow path for taking out hydrogen and carbon monoxide obtained in the reforming reaction is provided at the other end of the cylinder. Just connect. In such a configuration, for example, the support layer 17 is formed in a cylindrical shape, and the first catalyst layer 13, the first layer 12, and the second catalyst layer 14 are formed on the inner wall surface of the cylindrical support layer 17. It can be realized by forming in order.

以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例の記載に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the description of these Examples.

図5は、サンプル1〜サンプル10までの10種類の酸素透過膜を作製し、その性能を調べた結果、および各サンプルの構成をまとめて示す説明図である。以下に、各サンプルの構成および製造方法と、性能を評価した結果について説明する。 FIG. 5 is an explanatory diagram showing the results of preparing 10 types of oxygen permeable membranes from Samples 1 to 10 and examining their performance, and the configuration of each sample. The configuration and manufacturing method of each sample and the result of evaluating the performance will be described below.

<各サンプルの作製>
[サンプル1]
サンプル1は、図3に示す酸素透過膜110と同様に、支持層17と、第1の触媒層13と、第1の層12と、第2の触媒層14と、を備える。
<Preparation of each sample>
[Sample 1]
Sample 1 includes a support layer 17, a first catalyst layer 13, a first layer 12, and a second catalyst layer 14, similar to the oxygen permeable membrane 110 shown in FIG.

以下に、サンプル1の、支持層17の作製方法(ステップS200)について説明する。サンプル1の支持層17は、カルシア安定化ジルコニア(CSZ)によって構成される。カルシア安定化ジルコニアの材料としては、第一稀元素化学工業製のCSZ粉末を用いた。このCSZ粉末に、アクリル樹脂系の造孔材およびセルロース系のバインダを加えて混合し、50MPaの成形圧でペレット状に圧粉成形した。成形後、2℃/minの昇温速度で400℃まで昇温させ、400℃にて1時間脱脂した。その後、5℃/minの昇温速度で1500℃まで昇温させ、1500℃にて24時間焼成した。得られた焼成体の表面を研磨して、0.4mmの厚みの支持層17を得た。なお、サンプル1の支持層17、および、後述するサンプル2、4〜10が備える支持層の気孔率を、第1の実施形態で説明した(4)式を用いる方法により測定したところ、いずれも40〜45%であった。 The method for producing the support layer 17 (step S200) of Sample 1 will be described below. The support layer 17 of sample 1 is composed of calcia-stabilized zirconia (CSZ). As a material for calcia-stabilized zirconia, CSZ powder manufactured by Daiichi Rare Element Chemical Industry Co., Ltd. was used. An acrylic resin-based pore-forming material and a cellulose-based binder were added to the CSZ powder and mixed, and the powder was compacted into pellets at a molding pressure of 50 MPa. After molding, the temperature was raised to 400 ° C. at a heating rate of 2 ° C./min and degreased at 400 ° C. for 1 hour. Then, the temperature was raised to 1500 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min, and firing was performed at 1500 ° C. for 24 hours. The surface of the obtained fired body was polished to obtain a support layer 17 having a thickness of 0.4 mm. The porosity of the support layer 17 of the sample 1 and the support layers included in the samples 2 and 4 to 10 described later was measured by the method using the formula (4) described in the first embodiment. It was 40-45%.

以下に、サンプル1の、第1の層12を形成するための混合伝導ペーストの作製方法(ステップS210)について説明する。サンプル1の第1の層12は、酸素イオン伝導体としてスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)を含有し、電子伝導体としてLa0.8Sr0.2CrO3−zを含有する。ScSZとしては、スカンジウム(Sc)およびセリウム(Ce)を含有するスカンジア安定化ジルコニア(第一稀元素化学工業製、10Sc1CeSZ)の粉末を用いた。La0.8Sr0.2CrO3−zは、以下のように固相反応法により作製した。原料粉末としては、酸化ランタン(La、和光純薬工業製、純度99.9%)、炭酸ストロンチウム(SrCO、高純度化学研究所製、純度99.9%)、および酸化クロム(Cr、高純度化学研究所製、純度99.99%)の粉末を用いた。これら原料粉末を、金属元素の割合が、組成式La0.8Sr0.2CrO3−zにおける組成比になるように秤量した。そして、ZrOボールと樹脂ポットを用いて、エタノールと共に、これらの原料粉末について湿式混合粉砕を15時間行なった。その後、湯煎乾燥してエタノールを除去し、得られた混合粉末を15℃/minの昇温速度で1500℃まで昇温させ、1500℃にて24時間仮焼成して、仮焼粉末であるLa0.8Sr0.2CrO3−zの粉末を得た。 The method for producing the mixed conduction paste for forming the first layer 12 of Sample 1 (step S210) will be described below. The first layer 12 of Sample 1 contains Scandia-stabilized zirconia (ScSZ) as an oxygen ion conductor and La 0.8 Sr 0.2 CrO 3 -z as an electron conductor. As ScSZ, a powder of scandium-stabilized zirconia (manufactured by Daiichi Rare Element Chemical Industry Co., Ltd., 10Sc1CeSZ) containing scandium (Sc) and cerium (Ce) was used. La 0.8 Sr 0.2 CrO 3-z was prepared by the solid phase reaction method as follows. The raw material powders include lanthanum oxide (La 2 O 3 , manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., purity 99.9%), strontium carbonate (SrCO 3 , manufactured by High Purity Chemical Laboratory, purity 99.9%), and chromium oxide (purity 99.9%). Cr 2 O 3 , manufactured by the Institute of High Purity Chemistry, with a purity of 99.99%) was used. These raw material powders were weighed so that the ratio of the metal elements was the composition ratio in the composition formula La 0.8 Sr 0.2 CrO 3-z . Then, using ZrO 2 balls and a resin pot, wet mixing and pulverization of these raw material powders was carried out together with ethanol for 15 hours. Then, it is dried in hot water to remove ethanol, and the obtained mixed powder is heated to 1500 ° C. at a heating rate of 15 ° C./min and calcined at 1500 ° C. for 24 hours to obtain La, which is a calcined powder. A powder of 0.8 Sr 0.2 CrO 3-z was obtained.

さらに、この仮焼粉末に分散剤とバインダを加え、エタノールを用いて既述した湿式混合粉砕の条件と同様の条件で湿式混合粉砕を行ない、乾燥させて、仮焼粉末を含む粉末を得た。その後、ScSZとLa0.8Sr0.2CrO3−zとの混合物におけるLa0.8Sr0.2CrO3−zの混合割合が30vol%となるように、上記仮焼粉末を含む粉末をScSZに混合し、ScSZとLa0.8Sr0.2CrO3−zの混合粉末を得た。得られた混合粉末に、溶媒であるブチルカルビトールとエチルセルロース(日進化成株式会社製のエトセル(登録商標))とを添加し、らいかい機にて混合し、混合伝導ペーストを作製した。なお、上記した混合粉末を得る際には、仮焼粉末において100%の効率でLa0.8Sr0.2CrO3−zが形成されているものとして、仮焼粉末を含む粉末の混合量を設定した。 Further, a dispersant and a binder were added to the calcined powder, and wet mixed pulverization was performed using ethanol under the same conditions as the wet mixed pulverization described above, and the mixture was dried to obtain a powder containing the calcined powder. .. Then, a powder containing the calcined powder so that the mixing ratio of La 0.8 Sr 0.2 CrO 3-z in the mixture of ScSZ and La 0.8 Sr 0.2 CrO 3-z is 30 vol%. Was mixed with ScSZ to obtain a mixed powder of ScSZ and La 0.8 Sr 0.2 CrO 3-z . Butyl carbitol as a solvent and ethyl cellulose (Etocell (registered trademark) manufactured by Nikkei Seisei Co., Ltd.) were added to the obtained mixed powder and mixed with a raker to prepare a mixed conduction paste. When the above-mentioned mixed powder is obtained, it is assumed that La 0.8 Sr 0.2 CrO 3-z is formed in the calcined powder with 100% efficiency, and the mixed amount of the powder containing the calcined powder is assumed. It was set.

以下に、サンプル1の、触媒多孔質体15を形成するための第1の触媒ペーストAの作製方法(ステップS210)について説明する。サンプル1の第1の触媒層13において、触媒多孔質体15は、酸素イオン伝導体としてスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)を含有し、電子伝導体である触媒としてLa0.8Sr0.2Cr0.85Ni0.153−zを含有する。ScSZは、第1の層12が含有するScSZと同様のScSZを用いた。La0.8Sr0.2Cr0.85Ni0.153−zは、以下のように固相反応法により作製した。原料粉末としては、酸化ランタン(La、和光純薬工業製、純度99.9%)、炭酸ストロンチウム(SrCO、高純度化学研究所製、純度99.9%)、酸化クロム(Cr、高純度化学研究所製、純度99.99%)、および酸化ニッケル(NiO、高純度化学研究所製、純度99.9%)の粉末を用いた。これら原料粉末を、金属元素の割合が、組成式La0.8Sr0.2Cr0.85Ni0.153−zにおける組成比になるように秤量した。そして、ZrOボールと樹脂ポットを用いて、エタノールと共に、これらの原料粉末について湿式混合粉砕を15時間行なった。その後、湯煎乾燥してエタノールを除去し、得られた混合粉末を15℃/minの昇温速度で1500℃まで昇温させ、1500℃にて24時間仮焼成して、仮焼粉末であるLa0.8Sr0.2Cr0.85Ni0.153−zの粉末を得た。 The method for producing the first catalyst paste A for forming the catalyst porous body 15 of Sample 1 (step S210) will be described below. In the first catalyst layer 13 of Sample 1, the catalyst porous body 15 contains Scandia-stabilized zirconia (ScSZ) as an oxygen ion conductor, and La 0.8 Sr 0.2 Cr as a catalyst which is an electron conductor. It contains 0.85 Ni 0.15 O 3-z . As ScSZ, ScSZ similar to ScSZ contained in the first layer 12 was used. La 0.8 Sr 0.2 Cr 0.85 Ni 0.15 O 3-z was prepared by the solid phase reaction method as follows. The raw material powders include lanthanum oxide (La 2 O 3 , manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., purity 99.9%), strontium carbonate (SrCO 3 , manufactured by High Purity Chemical Laboratory, purity 99.9%), chromium oxide (Cr). 2 O 3 , high-purity chemical laboratory, 99.99% pure), and nickel oxide (NiO, high-purity chemical laboratory, 99.9% pure) powder were used. These raw material powders were weighed so that the ratio of the metal elements was the composition ratio in the composition formula La 0.8 Sr 0.2 Cr 0.85 Ni 0.15 O 3-z . Then, using ZrO 2 balls and a resin pot, wet mixing and pulverization of these raw material powders was carried out together with ethanol for 15 hours. Then, it is dried in hot water to remove ethanol, and the obtained mixed powder is heated to 1500 ° C. at a heating rate of 15 ° C./min and calcined at 1500 ° C. for 24 hours to obtain La, which is a calcined powder. A powder of 0.8 Sr 0.2 Cr 0.85 Ni 0.15 O 3-z was obtained.

さらに、この仮焼粉末に分散剤とバインダを加え、エタノールを用いて既述した湿式混合粉砕の条件と同様の条件で湿式混合粉砕を行ない、乾燥させて、仮焼粉末を含む粉末を得た。その後、ScSZとLa0.8Sr0.2Cr0.85Ni0.153−zとの混合物におけるScSZの混合割合が35vol%となるように、上記仮焼粉末を含む粉末にScSZを混合し、ScSZとLa0.8Sr0.2Cr0.85Ni0.153−zの混合粉末を得た。得られた混合粉末に、アクリル樹脂系の造孔剤を加えて混合すると共に、溶媒であるブチルカルビトールとエチルセルロース(日進化成株式会社製のエトセル(登録商標))を添加し、らいかい機にて混合し、第1の触媒ペーストAを作製した。 Further, a dispersant and a binder were added to the calcined powder, and wet mixed pulverization was performed using ethanol under the same conditions as the wet mixed pulverization described above, and the mixture was dried to obtain a powder containing the calcined powder. .. Then, ScSZ was added to the powder containing the calcined powder so that the mixing ratio of ScSZ in the mixture of ScSZ and La 0.8 Sr 0.2 Cr 0.85 Ni 0.15 O 3-z was 35 vol%. Mixing was performed to obtain a mixed powder of ScSZ and La 0.8 Sr 0.2 Cr 0.85 Ni 0.15 O 3-z . Acrylic resin-based pore-forming agent is added to the obtained mixed powder and mixed, and the solvents butyl carbitol and ethyl cellulose (Etocell (registered trademark) manufactured by Nikkei Seisei Co., Ltd.) are added to the raker. To prepare the first catalyst paste A.

以下に、サンプル1の、第2の触媒層14を形成するための第2の触媒ペーストの作製方法(ステップS210)について説明する。サンプル1の第2の触媒層14は、酸素イオン伝導体としてスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)を含有し、電子伝導体である触媒としてLa0.8Sr0.2MnO3−zを含有する。ScSZは、第1の層12が含有するScSZと同様のScSZを用いた。La0.8Sr0.2MnO3−zを作製するための原料粉末としては、酸化ランタン(La、和光純薬工業製、純度99.9%)、炭酸ストロンチウム(SrCO、高純度化学研究所製、純度99.9%)、および酸化マンガン(Mn高純度化学研究所製、純度99.9%)の粉末を用いた。これらの原料粉末を用いて、触媒多孔質体15が含むLa0.8Sr0.2Cr0.85Ni0.153−zの仮焼粉末を作製する条件と同様の条件にて、固相反応法により、La0.8Sr0.2MnO3−zの仮焼粉末を得た。さらに、このLa0.8Sr0.2MnO3−zの仮焼粉末を用いて、第1の触媒ペーストAの作製方法と同様の方法により、第2の触媒ペーストを作製した。 The method for producing the second catalyst paste (step S210) for forming the second catalyst layer 14 of the sample 1 will be described below. The second catalyst layer 14 of Sample 1 contains Scandia-stabilized zirconia (ScSZ) as an oxygen ion conductor and La 0.8 Sr 0.2 MnO 3-z as a catalyst which is an electron conductor. As ScSZ, ScSZ similar to ScSZ contained in the first layer 12 was used. Lanthanum oxide (La 2 O 3 , manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., purity 99.9%), strontium carbonate (SrCO 3 , high) are used as raw material powders for producing La 0.8 Sr 0.2 MnO 3-z. purity chemical Laboratory, Ltd., purity 99.9%), and powder was used manganese oxide (Mn 2 O 3 Kojundo chemical Laboratory, Ltd., purity: 99.9%). Using these raw material powders, under the same conditions as those for producing a calcined powder of La 0.8 Sr 0.2 Cr 0.85 Ni 0.15 O 3-z contained in the catalyst porous body 15. By the solid phase reaction method, a calcined powder of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3-z was obtained. Further, using the calcined powder of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3-z, a second catalyst paste was prepared by the same method as the method for producing the first catalyst paste A.

以下に、サンプル1を製造する際の、ステップS220の工程について説明する。ステップS200で得た支持層17の一方の面上に、スクリーン印刷法により第1の触媒ペーストAを塗布し、これを120℃で乾燥後、大気中にて1100℃まで昇温し、1100℃にて1時間保持して焼成した。これにより、支持層17の一方の面上に、ScSZおよびLa0.8Sr0.2Cr0.85Ni0.153−zを含有する層を焼き付け、触媒多孔質体15を形成した。触媒多孔質体15の膜厚はおよそ50μmであった。なお、サンプル1の触媒多孔質体15、および、後述するサンプル2〜8が備える触媒多孔質体の気孔率を、第1の実施形態で説明した(4)式を用いる方法により測定したところ、いずれも30〜40%であった。 The process of step S220 when manufacturing the sample 1 will be described below. The first catalyst paste A is applied onto one surface of the support layer 17 obtained in step S200 by a screen printing method, dried at 120 ° C., heated to 1100 ° C. in the air, and 1100 ° C. It was held for 1 hour and fired. As a result, a layer containing ScSZ and La 0.8 Sr 0.2 Cr 0.85 Ni 0.15 O 3-z was baked onto one surface of the support layer 17 to form the catalyst porous body 15. .. The film thickness of the catalyst porous body 15 was about 50 μm. The porosity of the catalytic porous body 15 of sample 1 and the catalytic porous body of samples 2 to 8 described later was measured by the method using the formula (4) described in the first embodiment. Both were 30-40%.

その後、上記のように形成した触媒多孔質体15上に、スクリーン印刷法により上記混合伝導ペーストを塗布し、これを120℃で乾燥後、窒素雰囲気中にて1500℃まで昇温し、1500℃で24時間保持して焼成した。これにより、触媒多孔質体15上に、ScSZおよびLa0.8Sr0.2CrO3−zを含有する層を焼き付けると共に緻密化させ、第1の層12を形成した。第1の層12の膜厚はおよそ100μmであった。 Then, the mixed conduction paste is applied onto the catalyst porous body 15 formed as described above by a screen printing method, dried at 120 ° C., and then heated to 1500 ° C. in a nitrogen atmosphere to 1500 ° C. It was held for 24 hours and fired. As a result, a layer containing ScSZ and La 0.8 Sr 0.2 CrO 3-z was baked and densified on the catalyst porous body 15 to form the first layer 12. The film thickness of the first layer 12 was about 100 μm.

その後、上記のように形成した第1の層12上に、第2の触媒ペーストを用いて、上記した触媒多孔質体15と同様の方法により第2の触媒層14を形成した。これにより、支持層17、触媒多孔質体15、第1の層12、および第2の触媒層14を備える焼成積層体を得た。なお、第2の触媒層14の膜厚は、およそ50μmであった。 Then, the second catalyst layer 14 was formed on the first layer 12 formed as described above by the same method as the above-mentioned porous catalyst 15 using the second catalyst paste. As a result, a fired laminate having a support layer 17, a catalyst porous body 15, a first layer 12, and a second catalyst layer 14 was obtained. The film thickness of the second catalyst layer 14 was about 50 μm.

以下に、サンプル1を製造する際の、ステップS230の工程について説明する。サンプル1の第1の触媒層13は、触媒金属16としてニッケル(Ni)を備える。サンプル1を製造する際には、触媒金属16を含む材料として硝酸ニッケル(II)六水和物を使用した。具体的には、純水に硝酸ニッケル(II)六水和物を溶解させ、濃度が1mol/Lとなるよう調整し、硝酸ニッケル水溶液を作製した。このようにして作製した硝酸ニッケル水溶液に、上記したステップS220で得た焼成積層体の支持層17および触媒多孔質体15の部分を浸漬させ、硝酸ニッケル水溶液を、支持層17および触媒多孔質体15に含浸させた。次に硝酸ニッケル水溶液を含浸させた上記焼成積層体を100℃に加熱したホットプレート上で十分に乾燥させた後、500℃で1時間保持することで、触媒金属16を焼き付けた。さらに、水素雰囲気下、800℃で1時間保持したものを、サンプル1の酸素透過膜とした。なお、触媒金属16の付与形態(支持層17および触媒多孔質体15の細孔表面にNiが分散担持されていること)は、TEM、SEM等の電子顕微鏡と、それらに付属するEPMAの元素分析により確認した。 The process of step S230 when manufacturing the sample 1 will be described below. The first catalyst layer 13 of sample 1 includes nickel (Ni) as the catalyst metal 16. When the sample 1 was produced, nickel (II) nitrate hexahydrate was used as a material containing the catalyst metal 16. Specifically, nickel (II) nitrate hexahydrate was dissolved in pure water and adjusted to a concentration of 1 mol / L to prepare an aqueous nickel nitrate solution. The support layer 17 and the catalyst porous body 15 of the fired laminate obtained in step S220 described above are immersed in the nickel nitrate aqueous solution thus prepared, and the nickel nitrate aqueous solution is applied to the support layer 17 and the catalyst porous body. 15 was impregnated. Next, the fired laminate impregnated with the nickel nitrate aqueous solution was sufficiently dried on a hot plate heated to 100 ° C., and then held at 500 ° C. for 1 hour to bake the catalyst metal 16. Further, a membrane kept at 800 ° C. for 1 hour under a hydrogen atmosphere was used as an oxygen permeable membrane of Sample 1. The application form of the catalyst metal 16 (Ni is dispersed and supported on the pore surfaces of the support layer 17 and the catalyst porous body 15) is an electron microscope such as TEM or SEM and an element of EPMA attached thereto. Confirmed by analysis.

なお、焼成積層体を触媒金属溶液に浸漬させたときに、焼成積層体を構成する多孔質体のどこまでの範囲にわたって触媒金属溶液が含浸されるのかについては、浸漬時間によって調節することが可能である。サンプル1を作製する際には、焼成積層体における支持層17側の表面部分を触媒金属溶液に浸漬し、浸漬時間を種々変化させることによって、浸漬時間と触媒金属溶液が含浸される範囲との関係を、予め予備的に調べた。そして、支持層17と触媒多孔質体15との全体が触媒金属溶液を含浸する時間を設定して、設定した時間に基づいて、触媒金属溶液の含浸の動作を行なった。 When the fired laminate is immersed in the catalyst metal solution, the extent to which the catalyst metal solution is impregnated in the porous body constituting the fired laminate can be adjusted by the immersion time. is there. When preparing the sample 1, the surface portion of the fired laminate on the support layer 17 side is immersed in the catalyst metal solution, and the immersion time is varied so that the immersion time and the range in which the catalyst metal solution is impregnated are set. The relationship was investigated in advance. Then, the time for the entire support layer 17 and the catalyst porous body 15 to impregnate the catalyst metal solution was set, and the operation of impregnating the catalyst metal solution was performed based on the set time.

[サンプル2]
サンプル2の酸素透過膜は、ステップS230において触媒金属16を担持させる際に、ステップS220で得た焼成積層体のうちの支持層17部分のみが硝酸ニッケル水溶液を含浸するように浸漬時間を設定し、支持層17のみに触媒金属16を担持させた点を除いては、サンプル1と同様に作製した。
[Sample 2]
When the catalyst metal 16 is supported on the oxygen permeable film of sample 2, the immersion time is set so that only the support layer 17 portion of the fired laminate obtained in step S220 is impregnated with the nickel nitrate aqueous solution. , The same as Sample 1 except that the catalyst metal 16 was supported only on the support layer 17.

[サンプル3]
サンプル3の酸素透過膜は、図1に示す酸素透過膜10と同様に、第1の触媒層13と、第1の層12と、第2の触媒層14と、を備える。
[Sample 3]
The oxygen permeable membrane of Sample 3 includes a first catalyst layer 13, a first layer 12, and a second catalyst layer 14, similar to the oxygen permeable membrane 10 shown in FIG.

以下に、サンプル3の、第1の層12の作製方法(ステップS100)について説明する。サンプル3の第1の層12は、サンプル1の第1の層12と同様の組成を有している。そのため、まず、サンプル1における混合伝導ペーストの作製方法と同様にして、ScSZとLa0.8Sr0.2CrO3−zの混合粉末を得た。そして、上記ScSZとLa0.8Sr0.2CrO3−zの混合粉末をプレス成型し、直径が20mmのディスク状ペレットを得た。このペレットを、120℃で乾燥後、窒素雰囲気中にて1500℃まで昇温し、1500℃で24時間保持して緻密化させた。緻密化したペレットを、平面研削盤にて100μmmの厚さに研削し、第1の層12とした。 The method for producing the first layer 12 (step S100) of the sample 3 will be described below. The first layer 12 of sample 3 has the same composition as the first layer 12 of sample 1. Therefore, first, a mixed powder of ScSZ and La 0.8 Sr 0.2 CrO 3-z was obtained in the same manner as in the method for producing the mixed conduction paste in Sample 1. Then, the mixed powder of ScSZ and La 0.8 Sr 0.2 CrO 3-z was press-molded to obtain a disc-shaped pellet having a diameter of 20 mm. The pellets were dried at 120 ° C., heated to 1500 ° C. in a nitrogen atmosphere, and held at 1500 ° C. for 24 hours for densification. The densified pellets were ground to a thickness of 100 μmm with a surface grinding machine to form a first layer 12.

サンプル3の第1の触媒層13および第2の触媒層14は、サンプル1と同様の組成である。そのため、ステップS110では、第1の触媒ペーストおよび第2の触媒ペーストとして、サンプル1と同様の第1の触媒ペーストAおよび第2の触媒ペーストを作製した。 The first catalyst layer 13 and the second catalyst layer 14 of the sample 3 have the same composition as that of the sample 1. Therefore, in step S110, the same first catalyst paste A and second catalyst paste as in sample 1 were prepared as the first catalyst paste and the second catalyst paste.

ステップS120では、スクリーン印刷法により、上記第1の層12の一方の面上に第1の触媒ペーストAを塗布すると共に、他方の面上に第2の触媒ペーストを塗布して、前駆積層体を得た。これを120℃で乾燥後、大気中にて1100℃まで昇温し、1100℃にて1時間保持して焼成した。これにより、第1の層12の各々の面に、触媒多孔質体15および第2の触媒層14を焼き付けた(ステップS130)。得られた焼成体において、触媒多孔質体15および第2の触媒層14の各々の膜厚は、およそ50μmであった。 In step S120, the precursor laminate A is coated on one surface of the first layer 12 and the second catalyst paste is applied on the other surface by a screen printing method. Got After drying this at 120 ° C., the temperature was raised to 1100 ° C. in the air, and the mixture was held at 1100 ° C. for 1 hour for firing. As a result, the catalyst porous body 15 and the second catalyst layer 14 were baked onto each surface of the first layer 12 (step S130). In the obtained fired body, the film thickness of each of the catalyst porous body 15 and the second catalyst layer 14 was about 50 μm.

その後、サンプル1の製造方法のステップS230と同様にして、上記焼成体の触媒多孔質体15に、触媒金属であるニッケル(Ni)を担持させて(ステップS140)、サンプル3の酸素透過膜を得た。 Then, in the same manner as in step S230 of the manufacturing method of sample 1, nickel (Ni) as a catalyst metal is supported on the catalyst porous body 15 of the fired body (step S140), and the oxygen permeable membrane of sample 3 is formed. Obtained.

[サンプル4]
サンプル4の酸素透過膜は、酸素イオン伝導体としてガドリニウム固溶セリア(GDC)を含有し、電子伝導体である触媒としてSr0.9La0.1TiO3−zを含有する触媒多孔質体15を備える点を除いては、サンプル1と同様の構成である。すなわち、GDCおよびSr0.9La0.1TiO3−zを含有する第1の触媒ペーストBを、第1の触媒ペーストAに代えて用いた点を除いては、サンプル1の酸素透過膜と同様にして作製した。
[Sample 4]
The oxygen permeable membrane of Sample 4 is a catalytic porous material containing gadolinium solidified ceria (GDC) as an oxygen ion conductor and Sr 0.9 La 0.1 TiO 3-z as a catalyst which is an electron conductor. The configuration is the same as that of sample 1 except that 15 is provided. That is, the oxygen permeable membrane of sample 1 except that the first catalyst paste B containing GDC and Sr 0.9 La 0.1 TiO 3-z was used in place of the first catalyst paste A. It was produced in the same manner as above.

第1の触媒ペーストBを作製する際に、ガドリニウム固溶セリアの材料としては、信越化学工業製のGDC粉末を用いた。また、Sr0.9La0.1TiO3−zは、第1の触媒ペーストAに含まれるLa0.8Sr0.2Cr0.85Ni0.153−zと同様にして、固相反応法により作製した。Sr0.9La0.1TiO3−zの原料粉末としては、炭酸ストロンチウム(SrCO、高純度化学研究所製、純度99.9%)、酸化ランタン(La、和光純薬工業製、純度99.9%)、および酸化チタン(TiO、昭和電工製、純度99.9%)の粉末を用いた。上記のように用いた原料が異なる点を除いては、第1の触媒ペーストBは、第1の触媒ペーストAと同様にして作製した。 When the first catalyst paste B was prepared, GDC powder manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. was used as a material for the gadolinium solid solution ceria. Further, Sr 0.9 La 0.1 TiO 3-z is the same as La 0.8 Sr 0.2 Cr 0.85 Ni 0.15 O 3-z contained in the first catalyst paste A. It was prepared by the solid phase reaction method. Strontium carbonate (SrCO 3 , manufactured by High Purity Chemical Laboratory, purity 99.9%), lanthanum oxide (La 2 O 3 , Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) are used as raw material powders for Sr 0.9 La 0.1 TiO 3-z. , 99.9% purity), and titanium oxide (TiO 2 , Showa Denko, 99.9% purity) powder was used. The first catalyst paste B was prepared in the same manner as the first catalyst paste A, except that the raw materials used were different as described above.

[サンプル5]
サンプル5の酸素透過膜は、触媒金属16として、ニッケル(Ni)に代えて白金(Pt)を用いた点を除いては、サンプル1と同様の構成である。サンプル5の酸素透過膜を作製する際には、ステップS230で用いる触媒金属16を含む溶液として、硝酸ニッケル(II)六水和物の代わりにジニトロジアンミン白金硝酸溶液(5mmol/L)を使用した。サンプル5の酸素透過膜は、触媒金属16を含む溶液が異なる点以外は、サンプル1と同様にして作製した。
[Sample 5]
The oxygen permeable membrane of Sample 5 has the same configuration as that of Sample 1 except that platinum (Pt) is used as the catalyst metal 16 instead of nickel (Ni). When preparing the oxygen permeable membrane of Sample 5, a dinitrodiammine platinum nitric acid solution (5 mmol / L) was used instead of nickel (II) nitrate hexahydrate as the solution containing the catalyst metal 16 used in step S230. .. The oxygen permeable membrane of Sample 5 was prepared in the same manner as in Sample 1 except that the solution containing the catalyst metal 16 was different.

[サンプル6]
サンプル6の酸素透過膜は、ステップS230における触媒金属16の担持工程を行なわなかった点以外は、サンプル1と同様にして作製した。すなわち、サンプル6の酸素透過膜では、触媒多孔質体15において触媒金属16が担持されていない。
[Sample 6]
The oxygen permeable membrane of Sample 6 was prepared in the same manner as in Sample 1 except that the step of supporting the catalyst metal 16 in step S230 was not performed. That is, in the oxygen permeable membrane of Sample 6, the catalyst metal 16 is not supported on the catalyst porous body 15.

[サンプル7]
サンプル7の酸素透過膜は、ステップS230における触媒金属16の担持工程を行なわなかった点以外は、サンプル4と同様にして作製した。すなわち、サンプル7の酸素透過膜では、触媒多孔質体15において触媒金属16が担持されていない。
[Sample 7]
The oxygen permeable membrane of Sample 7 was prepared in the same manner as in Sample 4 except that the step of supporting the catalyst metal 16 in step S230 was not performed. That is, in the oxygen permeable membrane of sample 7, the catalyst metal 16 is not supported on the catalyst porous body 15.

[サンプル8]
サンプル8の酸素透過膜は、第1の触媒層の構成が異なる点以外は、サンプル1と同様に作製した。具体的には、ステップS210で第1の触媒ペーストを作製する際に、La0.8Sr0.2Cr0.85Ni0.153−zの代わりにNiOを用いると共に、NiOとScSzとの混合粉末を得る際に、ScSZの混合割合を39vol%とした。また、ステップS230を行なっておらず、サンプル8では、支持層17および第1の触媒層のいずれも、触媒金属を担持していない。サンプル8の第1の触媒層を構成するNiOは、既述したように、還元雰囲気下ではNiとなる触媒である。
[Sample 8]
The oxygen permeable membrane of Sample 8 was prepared in the same manner as that of Sample 1 except that the composition of the first catalyst layer was different. Specifically, when preparing the first catalyst paste in step S210, NiO is used instead of La 0.8 Sr 0.2 Cr 0.85 Ni 0.15 O 3-z , and NiO and ScSz are used. When the mixed powder with was obtained, the mixing ratio of ScSZ was set to 39 vol%. Further, step S230 was not performed, and in sample 8, neither the support layer 17 nor the first catalyst layer supported the catalyst metal. As described above, NiO constituting the first catalyst layer of Sample 8 is a catalyst that becomes Ni in a reducing atmosphere.

[サンプル9]
サンプル9の酸素透過膜は、第1の触媒層13を設けない点以外は、サンプル1と同様に作製した。すなわち、サンプル9では、支持層17上に直接第1の層12を形成した。
[Sample 9]
The oxygen permeable membrane of Sample 9 was prepared in the same manner as in Sample 1 except that the first catalyst layer 13 was not provided. That is, in sample 9, the first layer 12 was formed directly on the support layer 17.

[サンプル10]
サンプル10の酸素透過膜は、触媒多孔質体15を設けない点以外は、サンプル1と同様に作製した。すなわち、サンプル10では、支持層17上に直接第1の層12を形成すると共に、支持層17のみに触媒金属溶液(硝酸ニッケル水溶液)を含浸させて、支持層17上に触媒金属であるNiを担持させた。
[Sample 10]
The oxygen permeable membrane of Sample 10 was prepared in the same manner as in Sample 1 except that the catalyst porous body 15 was not provided. That is, in sample 10, the first layer 12 is formed directly on the support layer 17, and only the support layer 17 is impregnated with the catalyst metal solution (nickel nitrate aqueous solution), and Ni, which is a catalyst metal, is impregnated on the support layer 17. Was carried.

<酸素透過速度の測定>
図6は、各サンプルの酸素透過特性を測定するための装置である測定装置30の概略構成を表わす説明図である。測定装置30は、2本の透明石英管31,32と、アルミナチューブ33,34と、電気炉35と、熱電対36と、を備える。2本の透明石英管31,32は、上下に配置され、その間に各サンプルを挟んで測定を行なう。透明石英管31とサンプルとを接合する際には、サンプル上に内径10mmの金の薄膜リングを載置し、その上に透明石英管31を押し付けて、1050℃に昇温して金を軟化させ、ガスシール性を確保した。透明石英管31,32の内側には、アルミナチューブ33,34を配置した。酸素透過特速度の測定の際には、アルミナチューブ33には水素ガスを流し、アルミナチューブ34には空気を流した。透明石英管31,32は、電気炉35内に配置されており、透明石英管31,32に挟まれたサンプルは、電気炉35内の均熱部分に配置した。また、アルミナチューブ34内には、サンプル温度を測定するために、サンプルの近傍に達するように熱電対36を配置した。酸素透過特性の測定の際には、サンプル温度が1000℃に維持されるように電気炉35による加熱を行なった。各サンプルは、第2の触媒層14側に空気が供給され、第1の触媒層13を有する場合には第1の触媒層13側に水素ガスが供給されるように配置した。
<Measurement of oxygen permeation rate>
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a measuring device 30 which is a device for measuring oxygen permeation characteristics of each sample. The measuring device 30 includes two transparent quartz tubes 31 and 32, alumina tubes 33 and 34, an electric furnace 35, and a thermocouple 36. The two transparent quartz tubes 31 and 32 are arranged one above the other, and each sample is sandwiched between them for measurement. When joining the transparent quartz tube 31 and the sample, a thin gold ring having an inner diameter of 10 mm is placed on the sample, and the transparent quartz tube 31 is pressed onto the thin film ring to raise the temperature to 1050 ° C. to soften the gold. And ensured gas sealability. Alumina tubes 33 and 34 were arranged inside the transparent quartz tubes 31 and 32. When measuring the oxygen permeation special velocity, hydrogen gas was passed through the alumina tube 33, and air was passed through the alumina tube 34. The transparent quartz tubes 31 and 32 were arranged in the electric furnace 35, and the sample sandwiched between the transparent quartz tubes 31 and 32 was arranged in the soaking portion in the electric furnace 35. Further, in the alumina tube 34, a thermocouple 36 was arranged so as to reach the vicinity of the sample in order to measure the sample temperature. When measuring the oxygen permeation characteristics, heating was performed by the electric furnace 35 so that the sample temperature was maintained at 1000 ° C. Each sample was arranged so that air was supplied to the second catalyst layer 14 side, and hydrogen gas was supplied to the first catalyst layer 13 side when the first catalyst layer 13 was provided.

上記した測定装置30内に配置された各サンプルにおいて、空気側(透明石英管32側)から水素ガス側(透明石英管31側)へと、サンプル内を酸素が透過すると、水素ガス側では透過した酸素を用いて水(水蒸気)が生じる。測定装置30から排出される水素含有ガス中の水蒸気は、全て、透過した酸素由来であると考えられるため、排出された水素含有ガス中の水蒸気濃度を鏡面露点計(東陽テクニカ製)を用いて測定し、透過した酸素量を算出した。このようにして算出した透過酸素量と、サンプルの透過面積とに基づいて、酸素透過流速密度jH2(0)を算出した。このとき、アルミナチューブ33を介して供給する水素ガス量と、アルミナチューブ34を介して供給する空気量は、マスフロコントローラを用いて、それぞれ200mL、300mL/minとした。 In each sample arranged in the above-mentioned measuring device 30, when oxygen permeates the sample from the air side (transparent quartz tube 32 side) to the hydrogen gas side (transparent quartz tube 31 side), it permeates on the hydrogen gas side. Water (steam) is generated using the oxygen. Since it is considered that all the water vapor in the hydrogen-containing gas discharged from the measuring device 30 is derived from permeated oxygen, the water vapor concentration in the discharged hydrogen-containing gas is measured using a mirror dew point meter (manufactured by Toyo Technica). It was measured and the amount of permeated oxygen was calculated. Such a permeate oxygen amount calculated in the, on the basis of the transmission area of the sample was calculated oxygen permeation flux density j H2 (0 2). At this time, the amount of hydrogen gas supplied through the alumina tube 33 and the amount of air supplied through the alumina tube 34 were set to 200 mL and 300 mL / min, respectively, using a mass flow controller.

<酸化・還元繰り返し試験>
各サンプルについて、酸化・還元を繰り返す試験を行ない、触媒層の雰囲気に対する安定性を調べた。酸化・還元繰り返し試験の方法を以下に説明する。酸化・還元繰り返し試験には、図6の測定装置30を用いた。
<Repeated oxidation / reduction test>
Each sample was subjected to repeated oxidation and reduction tests to examine the stability of the catalyst layer with respect to the atmosphere. The method of repeated oxidation / reduction test will be described below. The measuring device 30 of FIG. 6 was used for the repeated oxidation / reduction test.

酸化・還元繰り返し試験では、まず、既述したように酸素透過流速密度jH2(0)を初期値として測定した。そして、各サンプルについて、酸素透過流速密度の初期値を測定した後、アルミナチューブ33を介した各サンプルへの水素ガス量の供給を1時間継続し、再び酸素透過流速密度を測定した。その後、水素の供給を1時間停止、水素の供給を再開して1時間水素の供給を継続、酸素透過流速密度の測定、の動作を行ない、このような水素供給と停止の動作を合計5回繰り返し、酸素透過特性の変化を調べた。なお、サンプルに対する水素供給を停止している間は、各サンプルは、空気に晒される状態となる。 The oxidation-reduction cycle test was first measured oxygen permeability flux density j H2 as described above the (0 2) as an initial value. Then, after measuring the initial value of the oxygen permeation flow velocity density for each sample, the supply of the amount of hydrogen gas to each sample via the alumina tube 33 was continued for 1 hour, and the oxygen permeation flow velocity density was measured again. After that, the hydrogen supply was stopped for 1 hour, the hydrogen supply was restarted and the hydrogen supply was continued for 1 hour, the oxygen permeation flow velocity density was measured, and the hydrogen supply and stop operations were performed 5 times in total. The change in oxygen permeation characteristics was repeatedly investigated. While the hydrogen supply to the samples is stopped, each sample is exposed to air.

<メタン改質試験>
メタン改質試験は、既述した酸素透過速度測定試験と同様に、図6の測定装置30を用いて行なった。ただし、アルミナチューブ33に対して、水素に代えて、メタン含有ガスとして、アルゴン(Ar)とメタン(10%CH)の混合ガスを流した。また、透過酸素とメタンとの反応により生成したガスの組成分析のために、露点計に代えて、四重極質量分析計(伯東株式会社製、OmniStar)を使用した。そして、メタンと透過酸素との反応により生成したガス組成から、酸素透過流速密度jCH4(O)を算出した。
<Methane reforming test>
The methane reforming test was carried out using the measuring device 30 of FIG. 6 in the same manner as the oxygen permeation rate measuring test described above. However, a mixed gas of argon (Ar) and methane (10% CH 4 ) was flowed through the alumina tube 33 as a methane-containing gas instead of hydrogen. In addition, a quadrupole mass spectrometer (OmniStar manufactured by Hakuto Co., Ltd.) was used instead of the dew point meter for the composition analysis of the gas generated by the reaction of permeated oxygen and methane. Then, the oxygen permeation flow velocity density j CH4 (O 2 ) was calculated from the gas composition generated by the reaction of methane and permeated oxygen.

<評価結果>
図7では、各サンプルの構成と共に、酸素透過流速密度jH2(0)の初期値と、メタン改質試験結果である酸素透過流速密度jCH4(O)と、酸化・還元繰り返し試験の結果と、総合判定結果と、を示している。酸化・還元繰り返し試験の結果では、既述したように水素供給と停止の動作を5回繰り返した後の酸素透過流速密度が、酸素透過流速密度の初期値の95%以上の場合には、酸化・還元繰り返しに係る性能が良好と判断して「○」と記載した。それ以外の場合には、性能が不十分と判断して「×」と記載した。総合判定結果は、メタン改質試験の結果である酸素透過流速密度jCH4(O)が、酸素透過流速密度の初期値である酸素透過流速密度jH2(0)と同等であり、かつ、酸化・還元繰り返し試験結果も良好である場合には「○」と判定しており、少なくとも一方の結果が不十分と判断したときには「×」とした。
<Evaluation result>
In Figure 7, the structure of each sample, the initial value of the oxygen permeation flux density j H2 (0 2), oxygen permeation flux density j CH4 is methane reforming test result (O 2), the oxidation-reduction cycle test The result and the comprehensive judgment result are shown. According to the results of the repeated oxidation / reduction test, as described above, when the oxygen permeation flow velocity density after repeating the hydrogen supply and stop operations 5 times is 95% or more of the initial value of the oxygen permeation flow velocity density, oxidation occurs. -It was judged that the performance related to repeated reduction was good and was marked with "○". In other cases, it was judged that the performance was insufficient and marked with "x". Overall judgment result, the oxygen permeation rate density j CH4 (O 2) is the result of the methane reforming test is equivalent to the oxygen permeability flux density initial value at which the oxygen permeation rate density j H2 (0 2), and When the repeated oxidation / reduction test results were also good, it was judged as "○", and when at least one of the results was judged to be insufficient, it was judged as "x".

図7に示すように、サンプル1〜5は、メタン改質試験の結果である酸素透過流速密度jCH4(O)が、酸素透過流速密度の初期値である酸素透過流速密度jH2(0)と同等であった。すなわち、触媒多孔質体15を備える第1の触媒層13において触媒金属16を担持するサンプル1〜5の酸素透過膜は、改質器に適用した場合であっても、高い酸素透過性能を示すことが確認された。また、サンプル1〜5は、酸化・還元を繰り返しても酸素透過特性が低下せず、安定していた。 As shown in FIG. 7, in Samples 1 to 5, the oxygen permeation flow velocity density j CH4 (O 2 ), which is the result of the methane reforming test, is the initial value of the oxygen permeation flow velocity density j H2 (0). It was equivalent to 2 ). That is, the oxygen permeable membranes of Samples 1 to 5 supporting the catalyst metal 16 in the first catalyst layer 13 including the catalyst porous body 15 exhibit high oxygen permeable performance even when applied to a reformer. It was confirmed that. In addition, the oxygen permeation characteristics of Samples 1 to 5 did not deteriorate even after repeated oxidation and reduction, and were stable.

ここで、酸素透過流速密度jH2(0)およびjCH4(O)について、第1の触媒層13において触媒金属16を担持するサンプル1と、触媒金属16を担持していないサンプル6とを比較すると、サンプル1は良好な結果を示した。これに対して、サンプル6では、酸素透過流速密度jH2(0)は比較的高い値を示すものの、メタン改質試験による酸素透過流速密度jCH4(O)の値は大きく低下した。このことから、第1の触媒層13において触媒金属16が担持されていることで、改質器の環境下であっても、高い酸素透過速度が得られることが確認された。触媒多孔質体15の組成が、サンプル1およびサンプル6とは異なるサンプル4およびサンプル7を比較した結果も、同様であった。なお、第1の触媒層13(触媒多孔質体15および触媒金属16)を有しないサンプル9は、酸素透過流速密度jH2(0)およびjCH4(O)のいずれも極めて低い値であった。 Here, the oxygen permeation rate density j H2 (0 2) and j CH4 (O 2), a sample 1 that carries the catalyst metal 16 in the first catalytic layer 13, the sample 6 not carrying the catalyst metal 16 The sample 1 showed good results. In contrast, in Sample 6, the oxygen permeation rate density j H2 (0 2) although a relatively high value, the value of the methane reforming oxygen with the test permeation rate density j CH4 (O 2) was greatly reduced. From this, it was confirmed that the catalyst metal 16 is supported on the first catalyst layer 13 so that a high oxygen permeation rate can be obtained even in the environment of the reformer. The results of comparing Samples 4 and 7 in which the composition of the catalyst porous body 15 was different from that of Samples 1 and 6 were also similar. Incidentally, no sample 9 of the first catalyst layer 13 (catalytic porous body 15 and the catalytic metal 16) is a very low value any of the oxygen permeation flux density j H2 (0 2) and j CH4 (O 2) there were.

酸素透過流速密度jH2(0)およびjCH4(O)について、触媒多孔質体15と支持層17の双方に触媒金属16を担持するサンプル1と、支持層17のみに触媒金属16を担持するサンプル2と、を比較すると、サンプル1の方がサンプル2よりも高い酸素流速密度を示した。このことから、第1の触媒層13において、触媒多孔質体15と支持層17とのうちのいずれか一方に触媒金属16が担持されていれば、改質器の環境下であっても高い酸素透過速度が得られるものの、触媒多孔質体15と支持層17の双方に触媒金属16が担持されている方が、より望ましいことが確認された。 Oxygen permeation flux density j H2 (0 2) and j CH4 (O 2), a sample 1 that carries the catalytic metal 16 on both the catalyst the porous body 15 and the support layer 17, the catalytic metal 16 only to the supporting layer 17 Comparing the supported sample 2 with that of the sample 2, the sample 1 showed a higher oxygen flow velocity density than the sample 2. From this, if the catalyst metal 16 is supported on either one of the catalyst porous body 15 and the support layer 17 in the first catalyst layer 13, it is high even in the environment of the reformer. It was confirmed that it is more desirable that the catalyst metal 16 is supported on both the catalyst porous body 15 and the support layer 17, although the oxygen permeation rate can be obtained.

なお、触媒多孔質体15を有することなく、支持層17上のみに触媒金属16を担持するサンプル10は、酸素透過流速密度jH2(0)およびjCH4(O)のいずれも極めて低い値であった。このことから、酸素透過膜の触媒としては、触媒活性を実質的に有しない多孔質体である支持層17上に担持した触媒金属16だけでは不十分であることが確認された。 Incidentally, without having catalytic porous body 15, a sample 10 for carrying the catalyst metal 16 only on the support layer 17, the oxygen permeation rate density j H2 (0 2) and j CH4 both very low (O 2) It was a value. From this, it was confirmed that the catalyst metal 16 supported on the support layer 17, which is a porous body having substantially no catalytic activity, is not sufficient as the catalyst for the oxygen permeable membrane.

また、酸素透過流速密度jH2(0)およびjCH4(O)について、サンプル1とサンプル4とサンプル5とを比較すると、いずれのサンプルにおいても、jCH4(O)はjH2(0)と同等の値を示したが、サンプル1が最も高い値を示した。このことから、触媒多孔質体15上に担持する触媒金属16を構成する元素は、触媒多孔質体15に含まれる複合酸化物を構成する金属元素と同種であることが望ましいことが確認された。 Further, the oxygen permeability flux density j H2 (0 2) and j CH4 (O 2), when comparing the sample 1 and the sample 4 and sample 5, in any of the samples, j CH4 (O 2) is j H2 ( 0 2) and showed comparable values, the sample 1 showed the highest value. From this, it was confirmed that it is desirable that the element constituting the catalyst metal 16 supported on the catalyst porous body 15 is the same as the metal element constituting the composite oxide contained in the catalyst porous body 15. ..

各サンプルについて、酸化・還元繰り返し試験を比較すると、触媒層を構成する多孔質部分が触媒金属を含むサンプル8のみが、性能不十分と判断された。このことから、触媒活性を有するセラミックから成る触媒多孔質体15を用いることで、酸化・還元の繰り返しを伴う環境下での酸素透過膜の耐久性が向上することが確認された。 When the oxidation / reduction repeated tests were compared for each sample, it was judged that the performance of only sample 8 in which the porous portion constituting the catalyst layer contained the catalyst metal was insufficient. From this, it was confirmed that the durability of the oxygen permeable membrane in an environment accompanied by repeated oxidation and reduction is improved by using the catalytic porous body 15 made of ceramic having catalytic activity.

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations within a range not deviating from the gist thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the column of the outline of the invention may be used to solve some or all of the above-mentioned problems. , It is possible to replace or combine as appropriate in order to achieve a part or all of the above-mentioned effects. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be appropriately deleted.

10,110…酸素透過膜
12…第1の層
13…第1の触媒層
14…第2の触媒層
15…触媒多孔質体
16…触媒金属
17…支持層
20,120…改質器
22…改質原料流路
24…空気流路
30…測定装置
31…透明石英管
33,34…アルミナチューブ
35…電気炉
36…熱電対
10, 110 ... Oxygen permeable film 12 ... First layer 13 ... First catalyst layer 14 ... Second catalyst layer 15 ... Catalyst porous body 16 ... Catalyst metal 17 ... Support layer 20, 120 ... Reformer 22 ... Reforming raw material flow path 24 ... Air flow path 30 ... Measuring device 31 ... Transparent quartz tube 33, 34 ... Alumina tube 35 ... Electric furnace 36 ... Thermocouple

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
[形態1]酸素透過膜であって、複合酸化物を含み、酸素イオン伝導性および電子伝導性を有する第1の層であって、該第1の層の両面間の酸素分圧差によって高酸素分圧側から低酸素分圧側へと酸素を透過させる第1の層と、前記第1の層の第1の面上に形成されて、前記第1の層よりも気孔率が大きく、気孔率が30%以上である多孔質体から成る第2の層であって、該第2の層の少なくとも一部の、前記第1の層との界面を含む領域において、下記の(i)式に示す反応を促進する活性を有するセラミックから成る触媒多孔質体を備える第2の層と、を備え、O 2− → (1/2)O + 2e … (i)前記第2の層を構成する前記多孔質体の表面の少なくとも一部には、前記(i)式に示す反応を促進する活性を有する触媒金属が担持されており、前記触媒多孔質体は、酸素イオン伝導体と電子伝導体とを含み、前記触媒多孔質体に含まれる前記電子伝導体は、基本構造がABO であるペロブスカイト型複合酸化物であって、Aに該当する元素は、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)、およびバリウム(Ba)から選択される少なくとも1種の元素であり、Bに該当する元素はクロム(Cr)およびニッケル(Ni)であり、前記触媒多孔質体に含まれる前記電子伝導体は、La 1−x Sr Cr 1−y Ni 3−z (0<x<0.4、0<y<0.20、zは任意)で表わされるペロブスカイト型複合酸化物であることを特徴とする酸素透過膜。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and can be realized as the following forms.
[Form 1] An oxygen permeable film, a first layer containing a composite oxide and having oxygen ion conductivity and electron conductivity, and high oxygen due to the difference in oxygen partial pressure between both sides of the first layer. A first layer that allows oxygen to permeate from the pressure dividing side to the low oxygen partial pressure side, and a first layer formed on the first surface of the first layer, the pore ratio is larger than that of the first layer, and the pore ratio is higher. A second layer made of a porous body of 30% or more, which is represented by the following formula (i) in a region including an interface with the first layer, which is at least a part of the second layer. A second layer comprising a catalytic porous body made of ceramic having an activity of promoting the reaction is provided, and O 2- → (1/2) O 2 + 2e … (i) constitutes the second layer. A catalyst metal having an activity of promoting the reaction represented by the above formula (i) is supported on at least a part of the surface of the porous body, and the catalytic porous body is an oxygen ion conductor and electron conduction. The electron conductor contained in the catalyst porous body including a body is a perovskite-type composite oxide having a basic structure of ABO 3 , and the elements corresponding to A are lanthanum (La) and strontium (Sr). ), Calcium (Ca), and barium (Ba), and the elements corresponding to B are chromium (Cr) and nickel (Ni), which are contained in the catalytic porous body. the electron conductor, La 1-x Sr x Cr 1-y Ni y O 3-z (0 <x <0.4,0 <y <0.20, z is optional) perovskite-type composite oxide represented by An oxygen permeable film characterized by being a thing.

<評価結果>
では、各サンプルの構成と共に、酸素透過流速密度jH2(0)の初期値と、メタン改質試験結果である酸素透過流速密度jCH4(O)と、酸化・還元繰り返し試験の結果と、総合判定結果と、を示している。酸化・還元繰り返し試験の結果では、既述したように水素供給と停止の動作を5回繰り返した後の酸素透過流速密度が、酸素透過流速密度の初期値の95%以上の場合には、酸化・還元繰り返しに係る性能が良好と判断して「○」と記載した。それ以外の場合には、性能が不十分と判断して「×」と記載した。総合判定結果は、メタン改質試験の結果である酸素透過流速密度jCH4(O)が、酸素透過流速密度の初期値である酸素透過流速密度jH2(0)と同等であり、かつ、酸化・還元繰り返し試験結果も良好である場合には「○」と判定しており、少なくとも一方の結果が不十分と判断したときには「×」とした。
<Evaluation result>
In Figure 5, the structure of each sample, the initial value of the oxygen permeation flux density j H2 (0 2), oxygen permeation flux density j CH4 is methane reforming test result (O 2), the oxidation-reduction cycle test The result and the comprehensive judgment result are shown. According to the results of the repeated oxidation / reduction test, as described above, when the oxygen permeation flow velocity density after repeating the hydrogen supply and stop operations 5 times is 95% or more of the initial value of the oxygen permeation flow velocity density, oxidation occurs. -It was judged that the performance related to repeated reduction was good and was marked with "○". In other cases, it was judged that the performance was insufficient and marked with "x". Overall judgment result, the oxygen permeation rate density j CH4 (O 2) is the result of the methane reforming test is equivalent to the oxygen permeability flux density initial value at which the oxygen permeation rate density j H2 (0 2), and When the repeated oxidation / reduction test results were also good, it was judged as "○", and when at least one of the results was judged to be insufficient, it was judged as "x".

に示すように、サンプル1〜5は、メタン改質試験の結果である酸素透過流速密度jCH4(O)が、酸素透過流速密度の初期値である酸素透過流速密度jH2(0)と同等であった。すなわち、触媒多孔質体15を備える第1の触媒層13において触媒金属16を担持するサンプル1〜5の酸素透過膜は、改質器に適用した場合であっても、高い酸素透過性能を示すことが確認された。また、サンプル1〜5は、酸化・還元を繰り返しても酸素透過特性が低下せず、安定していた。 As shown in FIG. 5 , in Samples 1 to 5, the oxygen permeation flow velocity density j CH4 (O 2 ), which is the result of the methane reforming test, is the initial value of the oxygen permeation flow velocity density j H2 (0). It was equivalent to 2 ). That is, the oxygen permeable membranes of Samples 1 to 5 supporting the catalyst metal 16 in the first catalyst layer 13 including the catalyst porous body 15 exhibit high oxygen permeable performance even when applied to a reformer. It was confirmed that. In addition, the oxygen permeation characteristics of Samples 1 to 5 did not deteriorate even after repeated oxidation and reduction, and were stable.

Claims (12)

酸素透過膜であって、
複合酸化物を含み、酸素イオン伝導性および電子伝導性を有する第1の層であって、該第1の層の両面間の酸素分圧差によって高酸素分圧側から低酸素分圧側へと酸素を透過させる第1の層と、
前記第1の層の第1の面上に形成されて、前記第1の層よりも気孔率が大きく、気孔率が30%以上である多孔質体から成る第2の層であって、該第2の層の少なくとも一部の、前記第1の層との界面を含む領域において、触媒活性を有するセラミックから成る触媒多孔質体を備える第2の層と、
を備え、
前記第2の層を構成する前記多孔質体の表面の少なくとも一部には、触媒金属が担持されていることを特徴とする
酸素透過膜。
It is an oxygen permeable membrane
A first layer containing a composite oxide and having oxygen ion conductivity and electron conductivity, and oxygen is transferred from the high oxygen partial pressure side to the low oxygen partial pressure side by the oxygen partial pressure difference between both sides of the first layer. The first layer to be transparent and
A second layer formed on the first surface of the first layer and composed of a porous body having a porosity larger than that of the first layer and a porosity of 30% or more. A second layer comprising a catalytically porous body made of a ceramic having catalytic activity in a region of at least a part of the second layer including an interface with the first layer.
With
An oxygen permeable membrane characterized in that a catalyst metal is supported on at least a part of the surface of the porous body constituting the second layer.
請求項1に記載の酸素透過膜であって、
前記触媒多孔質体は、酸素イオン伝導体と電子伝導体とを含むことを特徴とする
酸素透過膜。
The oxygen permeable membrane according to claim 1.
The catalyst porous body is an oxygen permeable membrane comprising an oxygen ion conductor and an electron conductor.
請求項2に記載の酸素透過膜であって、
前記第2の層は、前記触媒多孔質体に加えてさらに、前記第1の層との界面から離間して設けられたセラミックによって構成される支持層を備えることを特徴とする
酸素透過膜。
The oxygen permeable membrane according to claim 2.
The oxygen permeable membrane is characterized in that the second layer is further provided with a support layer made of ceramic provided apart from the interface with the first layer in addition to the catalyst porous body.
請求項2または3に記載の酸素透過膜であって、
前記触媒多孔質体に含まれる前記電子伝導体は、基本構造がABOであるペロブスカイト型複合酸化物であって、Aに該当する元素は、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)、およびバリウム(Ba)から選択される少なくとも1種の元素であり、Bに該当する元素はクロム(Cr)およびニッケル(Ni)であることを特徴とする
酸素透過膜。
The oxygen permeable membrane according to claim 2 or 3.
The electron conductor contained in the catalytic porous body is a perovskite-type composite oxide having a basic structure of ABO 3 , and the elements corresponding to A are lanthanum (La), strontium (Sr), and calcium (Ca). ), And at least one element selected from barium (Ba), wherein the element corresponding to B is chromium (Cr) and nickel (Ni).
請求項4に記載の酸素透過膜であって、
前記触媒多孔質体に含まれる前記電子伝導体は、La1−xSrCr1−yNi3−z(0<x<0.4、0<y<0.20、zは任意)で表わされるペロブスカイト型複合酸化物であることを特徴とする
酸素透過膜。
The oxygen permeable membrane according to claim 4.
Wherein said electron conductor contained in the catalyst porous body, La 1-x Sr x Cr 1-y Ni y O 3-z (0 <x <0.4,0 <y <0.20, z is an arbitrary An oxygen permeable membrane characterized by being a perovskite-type composite oxide represented by).
請求項2または3に記載の酸素透過膜であって、
前記触媒金属を構成する元素は、前記触媒多孔質体に含まれる前記電子伝導体を構成する金属元素と同種であることを特徴とする
酸素透過膜。
The oxygen permeable membrane according to claim 2 or 3.
An oxygen permeable membrane characterized in that the element constituting the catalyst metal is the same as the metal element constituting the electron conductor contained in the catalyst porous body.
請求項6に記載の酸素透過膜であって、
前記触媒多孔質体に含まれる前記電子伝導体は、基本構造がABOであるペロブスカイト型複合酸化物であって、Aに該当する元素はランタン(La)およびストロンチウム(Sr)であり、Bに該当する元素はクロム(Cr)およびニッケル(Ni)であり、
前記触媒金属はニッケル(Ni)であることを特徴とする
酸素透過膜。
The oxygen permeable membrane according to claim 6.
The electron conductor contained in the catalyst porous body is a perovskite-type composite oxide having a basic structure of ABO 3 , and the elements corresponding to A are lanthanum (La) and strontium (Sr), and B contains Applicable elements are chromium (Cr) and nickel (Ni).
An oxygen permeable membrane characterized in that the catalyst metal is nickel (Ni).
請求項3に記載の酸素透過膜であって、
前記支持層の気孔率は、前記触媒多孔質体の気孔率よりも大きいことを特徴とする
酸素透過膜。
The oxygen permeable membrane according to claim 3.
An oxygen permeable membrane characterized in that the porosity of the support layer is larger than the porosity of the catalytic porous body.
請求項1から8のうちのいずれか1項に記載の酸素透過膜の製造方法であって、
前記第1の層を形成するための第1の前駆層または前記第1の層と、前記第2の層を形成するための第2の前駆層と、が積層された前駆積層体を形成する工程と、
前記前駆積層体を焼成して、前記第1の層および前記第2の層を備える焼成積層体を得る工程と、
前記焼成積層体を構成する前記第2の層の少なくとも一部を、前記触媒金属を含有する溶液に含浸させて、前記第2の層の少なくとも一部の表面に前記触媒金属を担持させる工程と、
を備えることを特徴とする酸素透過膜の製造方法。
The method for producing an oxygen permeable membrane according to any one of claims 1 to 8.
A precursor laminate in which a first precursor layer for forming the first layer or the first layer and a second precursor layer for forming the second layer are laminated is formed. Process and
A step of firing the precursor laminate to obtain a fired laminate having the first layer and the second layer.
A step of impregnating at least a part of the second layer constituting the fired laminate with a solution containing the catalyst metal to support the catalyst metal on the surface of at least a part of the second layer. ,
A method for producing an oxygen permeable membrane, which comprises the above.
請求項3に記載の酸素透過膜の製造方法であって、
前記支持層を用意する工程と、
前記支持層上に、前記触媒多孔質体を形成するための触媒多孔質体前駆層を形成する工程と、
前記支持層上に形成された、前記触媒多孔質体前駆層または該触媒多孔質体前駆層から得られた前記触媒多孔質体上に、前記第1の層を形成するための第1の前駆層を形成して、前駆積層体を形成する工程と、
前記前駆積層体を焼成して、前記支持層、前記触媒多孔質体、および前記第1の層を備える焼成積層体を得る工程と、
前記焼成積層体を構成する前記支持層および前記触媒多孔質体のうち、少なくとも前記支持層の一部を含む部分を、前記触媒金属を含有する溶液に含浸させて、前記溶液を含浸させた領域の表面に前記触媒金属を担持させる工程と、
を備えることを特徴とする酸素透過膜の製造方法。
The method for producing an oxygen permeable membrane according to claim 3.
The process of preparing the support layer and
A step of forming a catalyst porous body precursor layer for forming the catalyst porous body on the support layer, and a step of forming the catalyst porous body precursor layer.
A first precursor for forming the first layer on the catalyst porous body precursor layer formed on the support layer or the catalyst porous body obtained from the catalyst porous body precursor layer. The process of forming a layer to form a precursor laminate,
A step of calcining the precursor laminate to obtain a calcined laminate having the support layer, the catalyst porous body, and the first layer.
A region of the support layer and the catalyst porous body constituting the fired laminate, in which a portion including at least a part of the support layer is impregnated with a solution containing the catalyst metal and impregnated with the solution. The step of supporting the catalyst metal on the surface of the
A method for producing an oxygen permeable membrane, which comprises the above.
請求項9または10に記載の酸素透過膜の製造方法であって、
前記触媒金属の融点は、前記前駆積層体を焼成する際の焼結温度よりも低いことを特徴とする
酸素透過膜の製造方法。
The method for producing an oxygen permeable membrane according to claim 9 or 10.
A method for producing an oxygen permeable membrane, wherein the melting point of the catalyst metal is lower than the sintering temperature at the time of firing the precursor laminate.
請求項1から8のうちのいずれか1項に記載の酸素透過膜を備え、部分酸化反応によって改質原料から水素を生成する改質器であって、
前記第1の層の前記第1の面側において前記酸素透過膜上に形成され、前記改質原料が流れる改質原料供給路と、
前記第1の層の第2の面側において前記酸素透過膜上に形成され、酸素含有ガスが流れる酸素含有ガス流路と、
を備え、
前記酸素透過膜を透過した前記酸素含有ガス中の酸素を用いた前記部分酸化反応が進行することを特徴とする改質器。
A reformer comprising the oxygen permeable membrane according to any one of claims 1 to 8 and producing hydrogen from a reforming raw material by a partial oxidation reaction.
A modified raw material supply path formed on the oxygen permeable membrane on the first surface side of the first layer and through which the modified raw material flows.
An oxygen-containing gas flow path formed on the oxygen-permeable membrane on the second surface side of the first layer and through which an oxygen-containing gas flows, and an oxygen-containing gas flow path.
With
A reformer characterized in that the partial oxidation reaction using oxygen in the oxygen-containing gas that has permeated the oxygen permeable membrane proceeds.
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