JP3699264B2 - 機械的特性向上用及び触媒特性向上用成分を有する固体電解質膜 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質イオン輸送膜の組成に関し、特には、膜の機械的特性、触媒特性及び／又は焼結挙動を向上させる１種以上の成分を有するかかる膜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質イオン輸送膜は、酸素を含有するガス流れからの酸素の分離に対してかなりの可能性を有していることが明らかである。特に興味あるものは、酸素イオン及び電子の両方を伝導しそれ故に外部電極を使用せずに圧力推進態様で操作されることができる混成導体である。米国特許５３０６４１１において、T.J.マザネク氏他は、電気化学反応器及び部分酸化反応用に、電子伝導性材料及び酸素イオン伝導性材料の多相混合物よりなる複合体セラミック混成導体膜を開示している。米国特許５４７８４４４では、M.リウ氏他は、酸化ビスマスのような酸素−イオン−伝導性材料及び電子伝導性材料を含有する複合体混成導体物質を開示している。電子及びイオンの両方に対して固有の伝導性を有する物質は、La0.2Sr0.8CoOx、La0.2Sr0.8FeOx、La0.2Sr0.8Fe0.8Co0.1Cr0.1Ox 等のようなペロブスカイトによって例示される真の混成導体である。これらの物質のうちのいくらかは、とりわけ、周知される最高の酸素イオン伝導性を有し、そして速い表面交換反応速度も有する。
【０００３】
これらの物質はガス分離用途において大きな可能性を有しているけれども、それらの使用にはいくつかの欠陥がある。たいていのセラミックスの共通の問題は、引張時におけるそれらの脆性及び低い機械的強度であり、これによってチューブのような大きい部材を作りそしてそれらを高信頼性の工業的系に配置するのが困難になる。
【０００４】
ヤマモト氏他は、Perovskite-Type Oxides as Oxygen Electrodes for High
Temperature Oxide Fuel Cells （ Solid State Ionics 22:241-46(1987) ）において、焼結LaCoOxでの微小亀裂について報告した。かかる微小亀裂は、焼結間の構造転移に関係すると考えられており、そしてペロブスカイトにおいて起こる場合が多い。ペロブスカイトのような多くのイオン輸送膜材料の空隙集結は、それを包囲するガス中の酸素分圧の関数である。単位格子の寸法は空隙の集結に依存するので、多くのイオン輸送膜材料では単位格子の容量は、Ｐ02が減少されるにつれて増大する。例えば、単位格子ＡＢＯ3 の寸法は、アノード又は透過側の酸素の分圧が低下されるにつれて増大する。単位格子寸法の変動は、熱膨張係数の他に組成膨張係数を引き起こす。それ故に、材料の組成上の勾配は機械的応力を引き起こし、これは破壊をもたらす可能性がある。これは、始動、運転停止操作又は処理プロセスの間に雰囲気の注意深い制御を必要とする場合が多い。
【０００５】
B.フ−氏他は、(Y 1-x Ca)FeO 3 :A Potential Cathode Material for Solid
Oxide Fuel Cells, （Proc. 3rd Intl.Symp.on Solid Oxide Fuel Cells,S.C.Singhal,Ed.,The Electrochem.Soc.Vol.93-4:276-282(1993)）において、微小亀裂は、高温多形的対称変化か又は系の高異方性熱膨張係数のどちらかによるY1-x(Sr 又は Ca)xMnO3 ペロブスカイトの問題であることを報告した。この問題を回避するようになされた試みは不成功に終わった。高いＳｒ又はＣａドーピングレベル（ｘ＞０．３）は微小亀裂を減少させることができるが、しかし明らかにイオン伝導性の低下を含めた低い物理的特性によって、燃料電池カソード用途に対して貧弱な性能をもたらすことが判明した。
【０００６】
上に記載した困難さの故に、ペロブスカイトチューブの製造では、複雑化されそして制御された雰囲気による焼結プロセスをしばしば伴った複雑で注意深く制御されたプロセス工程が必要とされた。これは、製造のコストや複雑さを増し、しかも製造要素の一次的操作間に温度、気圧又は組成の変動にかかわる問題をもたらす可能性があった。
【０００７】
周囲雰囲気に対するイオン輸送膜の感性を最小限にすることが極めて望ましい。また、これらの材料の多くは極めて高い熱膨張係数（例えば、La1-xSrxCoO3は約２０×１０-6／℃である）を有し、これは、プロセス操作間に高い熱応力を引き起こし、それ故にしばしば材料の破壊をもたらす。
【０００８】
要約すると、従来技術における複合体混成導体の使用は、たいていの場合に、酸素イオン導体と電子導体との多相混合物からなる材料に制限されている。従来技術における第一の目的は、イオン導体中に電子伝導性を導入することであった。一般的に言って、これは、電子伝導性第二相がパーコレーション限界よりも上での操作を可能にするためにランダムに分布されたときには３０〜３５容量％よりも多くの量で存在することを必要とする。
【０００９】
シェン氏他は、米国特許５６１６２２３及び５６２４５４２の各々のカラム６において、１つの系では銀は約２０〜約３５容量％で連続相を得たのに対して、銀／パラジウム合金は“僅かに多くの量”を必要とすることを述べている。シェン氏他は、高両極性伝導性を得るためには電子伝導性相を約１〜５％よりも多い量で存在させることを勧めている。後者の米国特許は、主としてイオン伝導性のセラミック相単独と比較して機械的特性の向上を提供する主として電子伝導性の金属相を有するセラミック／金属材料について記載している。
【００１０】
望ましい物理的特性及び高いＴc 超伝導特性を得るために、複合体の超伝導性材料が合成された。米国特許５４７０８２１において、ワング氏他は、連続超伝導性セラミック及び元素状金属マトリクスを有する複合体超伝導性材料について記載している。元素状金属は、輸送電流密度を増大させるために結晶粒間の隙間に位置される。
【００１１】
酸素の輸送は、ガス流れ中の酸素の分圧によって推進される。ネルンストの膜電位が内部で発生され、そしてそれはプラサド氏他の“段階化電解質膜”と題する米国特許５５４７４９４に開示されるように電解質のイオン抵抗性に対して酸素欠乏流束を推進する。必要ならば、該米国特許を参照されたい。
【００１２】
一般には、薄い電解質フィルムが望ましい。というのは、理想的な酸素流束がそれらの厚さに反比例するからである。かくして、薄い膜程、高い酸素流束、減少した面積、低い操作温度、及び電解質を横切る低い酸素差圧をもたらす。また、膜のアノード側をメタン又は水素のような反応性ガスでパージすると、アノード側での酸素活性が有意に低下し、かくして膜を横切るより高い酸素流束をもたらす。しかしながら、酸素流束が増大するにつれて、輸送に対する表面抵抗性がより顕著になり、そして最終的には輸送に対する全抵抗性を支配する。表面抵抗は、結晶格子中でガス相中の酸素分子を酸素イオンに転換する際に又はその逆でかかわる種々の機構から生じる。緻密イオン輸送膜に対してさえも、カソード又はアノード側での表面反応速度は、膜を横切る酸素流束を制限する場合がある。
【００１３】
タケオカ・ヤスタカ氏他は、Jour. Ceram. Soc. Japan. International ED., Vol.97,No.4,pp.458-462及びNo.5,pp.523-529(1989) において、多孔質混合伝導性支持体上に稠密混合伝導性酸化物層を付着させることによって形成されたソリッドステートガス分離膜について報告した。比較的厚目の多孔質混合伝導性支持体は、薄目で比較的脆弱な稠密混合伝導性層に対して機械的安定性を提供する。稠密層の厚さを考慮して、著者は、そこで、稠密混合伝導性円板と比較して複合体薄フィルム膜では酸素流束が１０倍程増加することを予測した。しかしながら、彼等は、薄フィルム膜を使用して２倍よりも低い酸素流束の増大を得た。
【００１４】
米国特許４７９１０７９には、不透過性混成イオン及び電子伝導性セラミック層と多孔質触媒含有イオン伝導性セラミック層との２つの層よりなる触媒セラミック膜が開示されている。多孔質セラミック層のための好ましい組成物は、約８〜１５モル％のシリカ、イットリア、スカンジア、マグネシア及び／又はそれらの混合物で安定化されたジルコニアである。
【００１５】
米国特許５２４０４８０には、多成分金属酸化物多孔質層及び稠密層を含み、そして高められた温度で酸素含有ガス混合物から酸素を分離することができる多相複合体ソリッドステート膜が開示されている。
【００１６】
米国特許５５６９６３３には、稠密混合伝導性多成分金属酸化物層と、酸素流束を高めるために供給（空気）側に配置した触媒金属又は金属酸化物被覆とよりなる表面触媒多相セラミック膜が開示されている。両側にある触媒被覆は、酸素流束を高めなかった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
それ故に、本発明の目的は、高められた機械的特性を有する改良された固体電解質イオン輸送膜を提供することである。
【００１８】
本発明の他の目的は、膜の製造間に微小亀裂を最小限にするかかる膜を提供することである。
【００１９】
本発明の更に他の目的は、プロセス又は操作間に特殊の雰囲気を必要としないかかる膜を提供することである。
【００２０】
本発明の更に他の目的は、温度や雰囲気の変化に順応するかかる膜を提供することである。
【００２１】
本発明のなお更に他の目的は、高い酸素流束を得るために表面反応速度及び／又は化学反応速度によって課される制限を実質上減少させる固体電解質イオン輸送膜を提供することである。
【００２２】
本発明のなお更に他の目的は、膜に対して改善された触媒効果を及ぼす変性表面を有するかかる膜を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
発明の概要
本発明は、少なくとも１種のイオン好ましくは酸素イオンを伝導するマトリクス物質、及び該マトリクス物質とは物理的に異なり、しかもマトリクス物質の機械的特性、触媒特性及び又は焼結挙動を向上させる少なくとも１種の成分を有する固体電解質イオン輸送膜を包含する。かかる成分は、膜を横切って該成分を通る連続的電子伝導を阻止するような量で存在する。
【００２４】
好ましい具体例では、マトリクス物質は、電子伝導性及び酸素イオン伝導性の両方を示す混成導体である。成分は、好ましくは、銀、パラジウム又はそれらの混合物のような金属である。他の具体例では、成分は、セラミック又は他の非導電性物質である。
【００２５】
また、本発明は、ガス状混合物からガス状種を分離するための固体電解質イオン輸送膜複合体であって、稠密マトリクス物質と多孔質被覆とを有するものも包含する。稠密膜は第一表面及び第二表面を有し、そして少なくとも１種のイオンを伝導するマトリクス物質と、該マトリクス物質から物理的に区別することができ、しかもマトリクス物質の機械的特性、触媒特性及び焼結挙動のうちの少なくとも１つを向上させ、そして膜を横切って膜成分を通る連続的電子伝導を阻止するような量で存在する少なくとも１種の膜成分とから構成される。多孔質被覆は、ガス状種に係わる表面反応の速度を向上させるために膜の第一表面及び第二表面の少なくとも片方の上に配置される。
【００２６】
用語「二相」を本明細書で使用するときには、それは、少なくとも１種のイオンを伝導する相と、かかる成分を含む相との組合せを意味する。
【００２７】
用語「イオン輸送物質」を本明細書で使用するときには、それは、“マトリクス物質”と交換可能である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
発明の具体的な説明
本発明は、少なくとも１種のイオン、好ましくは、酸素イオンを伝導するマトリクス物質、及び該マトリクス物質とは物理的に異なり、しかもマトリクス物質の機械的特性、触媒特性及び又は焼結挙動を向上させる少なくとも１種の成分を含む固体電解質イオン輸送膜によって達成することができる。かかる成分は、膜を横切って該成分を通る連続的電子伝導を阻止するような量で存在する。
【００２９】
かくして、本発明は、ペロブスカイトのような第一混成導体と、製造間に微小亀裂を防止し、プロセス操作間における特殊の雰囲気制御を排除し、しかも混成導体相単独の場合よりも機械的特性、熱循環性、雰囲気循環性及び／又は表面交換速度を向上させることができる第二成分相とから構成されるのが好ましい多相複合体物質に関するものである。
【００３０】
本発明では、酸素輸送性能を犠牲にすることなく向上した機械的特性そして好ましくは向上した触媒特性を有する組成物を確立するのに好適な第二成分相が混成導体中に導入される。この第二相は、焼結間に発生される組成応力及び他の応力を除去し、混成導体相における微小亀裂の生長を抑制し、それ故に機械的特性（特に引張強度）を有意に向上させることができる。焼結間に雰囲気の制御を排除することができるので、製造規模を拡大（スケールアップ）にするのが容易になりしかも費用が少なくなる。熱循環間に雰囲気の制御を排除することができることによって、膜を温度又はガス組成の変動に関してより丈夫な実用系に配置するのが実質上容易になる。
【００３１】
また、本発明は、稠密膜と、ガス状混合物からガス状成分を分離するための多孔質被覆とを有する固体電解質イオン輸送膜複合体によっても達成することができる。稠密膜は第一表面及び第二表面を有し、そして少なくとも１種のイオンを伝導するマトリクスより構成され、しかもマトリクス物質の機械的特性、触媒特性及び焼結挙動のうちの少なくとも１つを向上させる成分であって、膜を横切って膜成分を通る連続的電子伝導を阻止するような量で存在する成分を含む。多孔質被覆は、ガス状種に係わる表面反応の速度を向上させるために膜の第一表面及び第二表面の少なくとも片方の上に配置される。
【００３２】
本発明では、稠密膜に対する表面反応速度交換を向上させることによって向上した触媒特性を有する組成物を確立するために、多孔質被覆が多相稠密固体電解質イオン輸送膜に導入される。多孔質被覆は、稠密電解質輸送膜単独の場合よりも有意に向上した触媒活性又は表面変換速度を提供する。
【００３３】
多孔質被覆層は、稠密膜の反応性表面の上に配置される。一例を挙げると、メタン含有ガスを使用して本発明に従った複合体膜のアノード側をパージすると、メタンの表面反応速度は、膜表面により大きな表面積を提供することによって大きく向上されることができる。このことは、膜のアノード側に多孔質層を付着させる場合に言える。というのは、メタンがパージガスの反応性成分であるときに一般には速度制限段階が膜のアノード側にあるからである。膜のカソード側に速度制限段階があるようなある種の化学反応が存在する場合がある。このような場合には、多孔質被覆は少なくともカソード側に付着される。
【００３４】
好ましい具体例として、被覆は、アノード側及びカソード側の両方の表面上に付着される。このことは、二重被覆稠密膜を製造する際の容易さの故に特に好ましい。
【００３５】
稠密マトリクス物質の両側に被覆層を付着させると、その被覆は、膜表面上に及ぼされる可能性がある機械的応力の影響を防止又は軽減するように全体のバランスを取る。硬化時に、多孔質被覆層は、もしも被覆が片側にのみ存在する場合には週密マトリクス物質の片側に機械的応力を生じる可能性がある。従って、被覆の結果として不均等な応力を減少させるためには、稠密マトリクス物質の両側に被覆層を付着させるのが好ましい。
【００３６】
酸化物イオンを輸送する混成伝導性酸化物の稠密膜は、無限の酸素／窒素選択性を有する。かかる物質の例は以下の表Ｉに記載されているが、それらの例としては、ペロブスカイト構造、又はそれから誘導することができるA2B2O5ブラウンミレライトのような構造を有するいくつかの酸化物を挙げることができる。かかるセラミック膜の共通の問題は、引張時のそれらの脆性及び低い機械的強度であり、これによって、チューブのような大きな部材を作りそしてそれらを高信頼性の工業的系で使用するのが困難になる。これらの制限は、本発明において、ペロブスカイトのような混成導体と、空気中での製造間に微小亀裂を防止し、機械的特性を改善し、熱／雰囲気循環性を向上させ、そして場合によっては混成導体相の単独の場合を越えた表面交換速度をもたらすのに好適な、金属の如き第二成分相とから構成される二相物質を使用して打破される。
【００３７】
好適なイオン輸送膜物質としては、酸素イオンを輸送することができるイオン性単独及び混成導体を挙げることができる。本発明に従って使用するときには、第一相を構成するイオン輸送物質は、第二成分相の存在に関係なく酸素イオン及び電子の両方を輸送するのが好ましい。本発明に従って第二成分相を添加することができる第一相物質についてのより包括的な記載は以下の実施例において提供されている。
【００３８】
他の具体例では、好適なイオン輸送膜物質は、酸素イオンを輸送することができる混成導体を包含する。本発明に従って使用するときには、混成導体は、第二電子伝導性相の存在に関係なく酸素イオン及び電子の両方を輸送することができる。本発明の混成伝導性固体電解質の例は以下の表Ｉに提供されているが、しかし、本発明はそこに記載されるそれらの物質組成のみに限定されるものではない。混成導体のみより構成されるもの以外の稠密マトリクス物質も本発明によって使用することが企図される。
【００３９】
【表１】
【表２】
【００４０】
一般的に言って、第二成分相物質の選択における主な考慮事項は、（１）第二相とイオン輸送物質との間における熱膨張係数（ＴＥＣ）の整合、（２）第二相とイオン輸送物質との間における化学的相容性、（３）第二相とイオン輸送物質のマトリクスとの間における良好な接合、（４）焼結及び冷却の間における応力を除去するための第二相の延性及び（５）低コストである。ＴＥＣ整合は重要である。というのは、複合体物質が製造段階から冷却するにつれて第二相内に且つその周囲に応力が通常引き起こされるからである。不適切な第二相物質の選択は、製造操作間に誘発される熱応力によって剥離又は亀裂を引き起こす可能性がある。これは、イオン輸送物質と第二相との間の２つの熱膨張係数の差異を減少させることによって最小限にすることができる。別の具体例では、イオン輸送物質はマトリクス物質と記載され、そして第二相は成分と記載されている。
【００４１】
化学的相容性は重要である。というのは、イオン輸送物質の高温操作プロセスはイオン輸送物質と第二相との間の相互作用及び相互拡散を引き起こし、これは各物質の劣化をもたらし且つ膜性能を低下させる場合があるからである。それ故に、第二相は、高温での好ましくない相互作用及び相互拡散を防止するためにイオン輸送物質に対して化学的に不活性であるべきであり、又はそれと望ましくない反応をすべきでない。
【００４２】
良好な接合は重要である。というのは、第二相とイオン輸送物質との間で起こる剥離は物質の強度に対して有害になり得るからである。亀裂又は傷は容易につながって物質の破壊を引き起こす可能性があるからである。
【００４３】
第二成分相の延性は重要である。というのは、多くのイオン輸送物質は極めてた高い熱膨張係数を有するからである。高いＴＥＣは、イオン輸送物質のプロセス操作間に高い熱膨張応力を引き起こし、これは物質の破壊を引き起こす可能性があるからである。第二相の延性は、焼結及び／冷却の間に発生される応力を除去することができる。
【００４４】
上記の考慮事項に加えて、第二相の触媒活性は、複合体イオン輸送膜の表面反応速度を向上させるのが好ましい。それ故に、所定の成分又は電子伝導性相に対して通常の高いコストを軽減することができる。
【００４５】
本発明に従った成分相は、イオン輸送膜を横切って電子的に連続的ではない。しかしながら、それらの成分は、もしも非電子伝導性材料から作られるならば物理的に連続的になり得る。ランダムに分布された電子伝導性成分は、かかる成分が膜を横切る電子のパーコレーション限界よりも下になる態様で存在することを確実にするためには３０容量％未満であるのが好ましい。
【００４６】
第二成分相は、銀、パラジウム、白金、金、ロジウム、チタン、ニッケル、ルテニウム、タングステン、タンタルのような金属、又は膜操作温度において安定なかかる金属の２種以上の合金から選択されることができる。好適な高温合金としては、インコネル、ハステロイ、モネル及びダクロロイ（ducrolloy ）を挙げることができる。銀、パラジウム、又は銀／パラジウム合金が好ましい。また、第二相は、プラセオジム−インジウム酸化物混合物、ニオブ−チタン酸化物混合物、酸化チタン、酸化ニッケル、酸化タングステン、酸化タンタル、セリア、ジルコニア、マグネシア又はそれらの混合物のようなセラミックスから選択することもできる。酸化チタン又は酸化ニッケルのようないくらかのセラミック第二相は、酸化物の形態で導入し次いで操作間に還元雰囲気下に金属に還元させることができる。
【００４７】
本発明を実施するための他の別の方法としては、イオン輸送マトリクスを補強するためにガラス、アスベスト、セリア、ジルコニア若しくはマグネシア繊維又はワイヤ、或いは雲母のような物質のフレークの如き物理的連続性非電子伝導性第二成分相を使用することが挙げられる。この連続的第二相は、イオン輸送マトリクス中に実質上均一に分布させることができ、構造補強を提供し且つイオン輸送膜の機械的特性を向上させることができる。繊維は、典型的には、１ｍｍ未満、好ましくは０．１ｍｍ未満、より好ましくは０．０１ｍｍ未満そして最も好ましくは１ミクロン未満の直径を有するのが好ましい。アスペクト比（長さ対直径）は、典型的には、１０よりも大きく、好ましくは１００よりも大きくそしてより好ましくは１０００よりも大きい。
【００４８】
【実施例】
ここで、混成伝導性La0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Ox及び銀／パラジウム合金第二相を含有する複合体イオン輸送膜に関して本発明を詳細に説明する。
【００４９】
例１−La 0.2 Sr 0.8 Fe 0.69 Co 0.1 Cr 0.2 Mg 0.01 O x 及び５０Ａｇ／５０Ｐｄ合金の機械的に向上されたイオン輸送膜
スペック（Spex）ミキサー（米国ニュージャージー州エジソン所在のスペック・インダストリーズ・インコーポレーテッド）を使用して、米国ニュージャージー州サウス・プレインフィールド所在のデグッサ・コーポレーションから入手できる重量比で５０％Ａｇ及び５０％ＰｄのＡｇ／Ｐｄ合金を種々の重量比（５、１０及び２０重量％）でLa0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Ox混成導体粉末（米国ワシントン州ウッドインビル所在のＳＳＣインコーポレーテッド、現在はＰＳＣ・オブ・プラクシア・サーフェイス・テクノロジーズ・インコーポレーテッドから入手）と１５〜２０分間混合することによって、機械的に向上されたイオン輸送物質を調製した。次いで、その粉末を、３重量％のＰＶＢ（米国ミゾリー州セントルイス所在のモンサント社のButvar）を含有する２−プロパノール溶液中に加え、そして磁気撹拌機によって８０℃で混合して２−プロパノールを蒸発させ、次いでプレス成形前に７４ミクロンのメッシュ寸法を通してふるい分けした。１０．４kpsiの圧力下に１．５インチダイを使用して機械的に向上した膜円板を調製し、次いでバインダーを焼き尽くし（１℃／分で２５℃から４００℃そして１時間保持）、そして空気中において２℃／分の加熱／冷却速度でもって１２５０℃で２時間焼結させた。
【００５０】
化学的組成分析のためにエネルギー分散分光分析法（ＥＤＳ）で光学顕微鏡及び走査電子顕微鏡を使用することによって、焼結円板の微細構造を調べた。第二相とイオン輸送マトリクスとの相容性の研究のために Cu Ｋα照射でリガク（Rigaku）・ミニフレックス・ディフラクトメーターを使用してＸ−線回折（ＸＲＤ）分析を行なった。インストロン引張試験機を使用して１９ｍｍのスパン及び０．５ｍｍ／分のクロスヘッド速度で３点曲げ試験によって機械的強度を室温で測定した。乾式一軸プレス成形に続く３０kpsiでの低温等圧プレス成形を行ない、次いで１２５０℃で２時間焼結することによって試料（３０×４×３ｍｍ）を調製した。試験片を切断し、そしてすべての縁の欠陥を回避するために試験前に合成ダイヤモンド円板を使用して研磨した。５つの試験片に対して各組成について試験を実施した。金ペーストでアルミナ試験セル中に金ペーストで密封した焼結円板試験片を使用して酸素透過速度を測定した。透過は、Ｈｅ不活性ガスパージ及び異なる反応性パージガスを使用して９００〜１０００℃の温度で行なわれた。ＨＰ５８９０ガスクロマトグラフィー、酸素分析器及び水分分析器を使用してガス組成を分析しそして酸素流束を計算した。
【００５１】
機械的に向上したイオン輸送物質の目的は、イオン輸送マトリクスの機械的強度を向上させ、そして場合によっては焼結間における窒素雰囲気の必要性を排除することである。本発明者等の初期の研究結果では、第二相（Ａｇ／Ｐｄ合金）は、焼結間に発生する組成応力及び他の応力を除去し、混成導体相における微小亀裂の生長を抑制し、それ故にイオン輸送物質円板の機械的強度を向上させることができることが判明している。図１Ａ〜図１Ｄは、第二相の量を増加させることによって焼結イオン輸送物質円板の亀裂密度を大きく低下させることができることを示す。３点曲げ試験によるイオン輸送物質の破壊強度に及ぼす第二相濃度の影響が図２において曲線９０として示されている。この結果によれば、イオン輸送物質の破壊強度は、第二相が０から２０重量％に増加するにつれて０から１７５（ＭＰａ）に目ざましく向上することが分かる。Ａｇ／Ｐｄ合金の使用は、亀裂密度を有意に低下させ、そしてイオン輸送円板の機械的強度を向上させることが明らかである。これは、金属相が焼結間に組成応力を減少させると共に亀裂生長を阻止し、それ故に二相イオン輸送円板の機械的強度が向上されることによるものと考えられる。また、図３に示されるＸＲＤ結果は、１２００℃での後焼結においていかなる追加的な相も検出されることなく、２０％Ａｇ／Ｐｄ合金（スペクトル１００）とLa0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Ox（スペクトル１０２）との間の良好な相容性を実証している。
【００５２】
０．８５ｍｍ円板に対して、９００〜１０００℃の温度、空気／ヘリウム勾配及び５００ｓｃｃｍ（標準ｃｍ3 ／分）下に各流れについて１．２気圧で酸素輸送試験を実施した。Ｏ2 流束は、図４に示されるように、単相試験片（曲線１１２）で得られるものに匹敵する１．０ｅＶの活性化エネルギーでもって９００、９５０、９９７℃においてそれぞれ０．５、０．７、０．９ｓｃｃｍ／ｃｍ3 （曲線１１０）である。それ故に、第二相の使用は、物質の酸素輸送性能を低下させないことが明らかである。
【００５３】
また、パージ側で異なる濃度のＨ2 （１０及び２０％）／Ｎ2 混合物を使用することによって、これらの二相円板の試験を１０００℃で実施した。反応側のＨ2 濃度が１０％から２０％に高くなるにつれて、Ｏ2 流束は４．６ｓｃｃｍ／ｃｍ3 から９．４ｓｃｃｍ／ｃｍ3 に増加した。単相チューブ試験と比較して、二相円板は、図５に示されるように、同一の反応性パージ条件下により高い酸素流束を示す。これは、第二相の触媒特性による表面酸化反応速度の向上によるものであると考えられる。
【００５４】
例２−La 0.2 Sr 0.8 Fe 0.69 Co 0.1 Cr 0.2 Mg 0.01 O x 及び６５Ａｇ／３５Ｐｄ合金の機械的に向上されたイオン輸送膜
例１の方法に従ってLa0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Ox及び２０％６５Ａｇ／３５Ｐｄ（６５重量％ＡＧ及び３５重量％Ｐｄ）の稠密二相円板を調製したが、但し、第二相として５０Ａｇ／５０Ｐｄの代わりに６５Ａｇ／３５Ｐｄを使用した。室温Ｎ2 透過試験によって、円板は気密性であることが確認された。走査電子顕微鏡写真（図６Ａ）は、５１８０倍の拡大において、La0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Oxマトリクスにおける十分に分散された第二相を示し、そして剥離もいかなる追加的な相形成も示さないが、このことは、第二相とイオン輸送マトリクスとの間の良好な相容性を表わしている。また、試験片の表面ＥＤＳ（エネルギー分散分光分析）スペクトル（図６Ｂ）は、焼結後におけるマトリクス及び第二相の最少限の組成損失を示す。焼結後の第二相のＰｄ対Ａｇ比（０．５４８）は６５Ａｇ／３５Ｐｄ合金のもの（０．５３８）に接近しており、計器の精度の範囲内である。また、円板は空気中において１２００℃での焼結後に良好な機械的強度を示し、そして微小亀裂は全く認められなかった。０．９ｍｍ円板に対して、空気／ヘリウム勾配下に１０００℃の温度で酸素輸送試験を実施した。Ｏ2 流束は１０００℃において０．８ｓｃｃｍ／ｃｍ3 であり、これは、例１における二相試験片（２０重量％の５０Ｐｄ／５０Ａｇ第二相）のものに匹敵する。また、パージ側で１０％Ｈ2 −９０％Ｎ2 混合物を使用することによって、この円板の反応性パージ試験も１０００℃で実施した。１０００℃において４．５ｓｃｃｍ／ｃｍ3 のＯ2 流束が得られたが、これも二相試験片（２０重量％の５０Ｐｄ／５０Ａｇ合金）のものに匹敵する。
【００５５】
例３−La 0.2 Sr 0.8 Fe 0.69 Co 0.1 Cr 0.2 Mg 0.01 O x 及び９０Ａｇ／１０Ｐｄ合金の機械的に向上されたイオン輸送膜
例１の方法に従ってLa0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Ox及び２０％９０Ａｇ／１０Ｐｄの稠密二相円板を調製したが、但し、第二相として５０Ａｇ／５０Ｐｄの代わりに９０Ａｇ／１０Ｐｄ（プラクシア・サーフェイス・テクノロジーズ・インコーポレーテッドによって供給される）を使用した。１０．４kpsiの圧力下での乾式プレス成形に続くバインダーの焼き尽くし（１℃／分で２５℃から４００℃そして１時間保持）によって円板及び棒を調製し、そして空気中において２℃／分の加熱／冷却速度でもって１２００℃で１時間焼結させた。これらの試験片では微小亀裂は全く認められなかったけれども、それらは、２０重量％の５０Ｐｄ／５０Ａｇ合金との二相試験片と比較して低い機械的強度（平均して１３５ Mpa）を示した。これは、５０Ａｇ／５０Ｐｄ合金と比較して９０Ａｇ／１０Ｐｄ合金のより低い引張強度によるものと考えられる。押出チューブ（焼結後に１０ｃｍ長さ、１ｃｍ内径、１ｍｍ壁厚）に対して、種々のパージガスを使用して反応性パージ試験下に約１０００℃の温度において酸素輸送試験を実施した。Ｏ2 流束は、同様の試験条件下に５０Ａｇ／５０Ｐｄ合金との二相チューブよりも僅かに低かった（約１０〜１５％）。これらのチューブでは、６０％Ｈ2 を含有するパージガスで１０２５℃において２．２ｓｃｃｍ／ｃｍ3 のＯ2 流束が得られた。
【００５６】
好適な第一相物質についてより一般的に説明すると、ＡＢＯ3 ペロブスカイト構造又はそれから誘導することができる構造（例えば、ブラウンミレライトＡ2 Ｂ2 Ｏ5 ）には、焼結及び冷却間の相転移の結果として、微小亀裂が存在することが多い。例１及び２に示されるように種々の量のＡＧ／Ｐｄ第二相を加えることによってLa0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Oxペロブスカイトにおいて微小亀裂が減少される。ここに開示される発明は、構造Ａr Ａ'sＡ"tＢu Ｂ'vＢ"wＯx （ここで、Ａ、Ａ’、Ａ”はIUPAC によって採用される元素周期律表に従って１、２、３族及びＦブロックランタニドから選択され、そしてＢ、Ｂ’、Ｂ”はＤブロック繊維金属から選択され、０＜ｒ≦１、０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、０＜ｕ≦１、０≦ｒ≦１、０≦ｗ≦１、そしてｘは化合物の電荷を中性にする数である）によって表わされる好適な混成伝導性酸化物を網羅することを意図している。好ましくは、上記構造のＡ、Ａ’又はＡ”は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム及びバリウムよりなる群から選択される２族金属である。好ましい混成伝導性酸化物は、式ＡS Ａ'tＢu Ｂ'vＢ"wＯx （ここで、Ａはランタニド、Ｙ又はそれらの混成を表わし、Ａ’はアルカリ土類金属又はそれらの混成を表わし、ＢはＦｅを表わし、Ｂ’はＣｒ、Ｔｉ又はそれらの混成を表わし、Ｂ”はＭｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕ又はそれらの混成を表わし、そしてｓ、ｔ、ｕ、ｖ及びｗはそれぞれ０〜約１の数を表わす）によって表わされる。
【００５７】
また、好適な第一相物質は、高温多形対称変化、組成応力又は高異方性熱膨張係数によって焼結間に微小亀裂が起こり得るような他のイオン伝導性セラミックスを包含する。例えば、ジルコニアは、１１７０℃（単斜晶から正方晶）及び２３７０℃（正方晶から単斜晶）において相転移を表わす。高温多形対称変化は、通常、焼結間に亀裂をもたらす。それ故に、ジルコニアは、立方対称を得るのに好適な二価−又は三価酸化物を導入することによって螢石型立方相において安定化される。また、本発明は、ジルコニア又はセリアのような他のセラミックスが高温多形対称変化、組成応力又は高異方性熱膨張係数に遭遇した場合にそれらの機械的向上を網羅することを企図するものである。更に、（B-MgLaCrO ）0.5 （YSZ ）0.5 のような電子／イオン伝導体、又はペロブスカイトと組み合わされたジルコニア若しくはセリアのような主としてイオン性の伝導体は、少なくとも三相を有する膜を形成するために本発明に従った成分と更に組み合わされることができる。
【００５８】
本発明の他の具体例は、膜の少なくとも片面上に多孔質被覆を付着させることによって稠密膜を被覆することに関するものである。この被覆は膜の表面を変性し、かくしてイオン輸送間に触媒効果を提供すると共に表面層に対して構造安定性を提供するものと考えられる。
【００５９】
添付図面は、本発明の固体電解質イオン輸送膜複合体のある種の具体例を表わすものである。図７は、稠密固体電解質イオン伝導性膜７０１の両面上に付着された多孔質被覆層７０２及び７０３を示す。図８は、稠密固体電解質イオン伝導性膜８０１の両面上に多孔質被覆層８０２及び８０３が付着された他の具体例を示す。膜８０１は中間支持層８０４及び支持層８０５を含む多孔質支持体上に支持され、そして多孔質被覆層８０３は膜８０１と中間支持層８０４との間に配置される。
【００６０】
稠密表面上に物質の層を付着させるための多数の技術が利用可能であるけれども、１つの好ましい製造法は、稠密膜を多孔質被覆の液体前駆物質（例えば、スラリー、コロイド溶液）中に浸漬し、その後に得られた被覆層を乾燥硬化させることを包含する。この方法は、斯界で使用される他の方法よりも多孔質被覆層を付着させるための比較的容易で且つコスト的に有利な方法である。
【００６１】
好適なイオン輸送膜物質としては、酸素イオンを輸送することができる混成導体が挙げられる。本発明に従って使用すると、混成導体相は、第二電子伝導性相の存在に関係なく酸素イオン及び電子の両方を輸送することができる。本発明の混成伝導性固体電解質の例は上記の表１に提供されるが、しかし本発明はここに記載されるこれらの物質組成にのみ限定されるものではない。また、混成導体のみより構成されるもの以外の稠密マトリクス物質も、本発明によって使用することが企図される。
【００６２】
好適な被覆組成物は、電子伝導性を有すると共に酸化物イオンを輸送する混成伝導性酸化物よりなることができる。多孔質被覆混成導体の例が上の表１に示されているが、これは稠密膜の混成伝導性酸化物と同じもの又は異なるものであってよい。稠密膜におけるように、被覆は、混成導体相及び被覆成分を有する組成物からなることができる。
【００６３】
好適な多孔質被覆組成物としては、混成導体と酸素イオン及び／又は電子を輸送することができる被覆成分との組み合わせが挙げられる。この混成導体は、被覆成分の存在に関係なく酸素イオン及び電子の両方を輸送し且つ伝導することができる。被覆成分は、全多孔質被覆の約３０容量％以下を構成することが好ましい。
【００６４】
多孔質被覆は、当業者に知られた種々の方法を使用して被覆されることができる。好ましい方法はスラリー浸漬被覆法である。この方法は、稠密膜を被覆する容易さ及びコスト効率の故に好ましい。他の方法としては、スピン被覆、化学的蒸着（ＣＶＤ）、電気化学的蒸着（ＥＶＤ）、物理的蒸着（ＰＶＤ）、例えば、レーザーアブレーション及びスパッタリング、熱噴霧、プラズマ噴霧、ＲＦプラズマ付着及びそれらの組み合わせを挙げることができる。
【００６５】
多孔質被覆層は、その被覆が稠密膜の表面反応速度を向上させるように稠密膜の表面と比較して薄くなるべきである。従って、多孔質被覆層は、約５０ミクロン以下好ましくは１０ミクロン以下、そしてより好ましくは５ミクロン以下の厚さを有する。
【００６６】
本発明に従った多孔質被覆についてのより包括的な記載は以下の実施例に与えられている。
【００６７】
他の具体例では、膜の構造安定性を向上させるのに多孔質支持体を使用することもできる。多孔質支持体としては、不活性、イオン伝導性、混成伝導性及び電子伝導性（金属）物質又はそれらの組み合わせを挙げることができる。追加的に、多孔質支持体は、不活性、イオン伝導性、混成伝導性及び電子伝導性（金属）物質又はそれらの組み合わせのどれかと組み合わせた触媒的向上用成分を含有することができる。多孔質支持体は、稠密マトリクス物質が薄目で且つ脆弱である場合に特に重要である。構造的には、稠密膜及び多孔質被覆のうちの１つを多孔質支持体に付着させるのが好ましい。この具体例についての実施例は、先に記載したように図８に示される。
【００６８】
例４
単層稠密La0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Ox（“ＬＳＦＣＣＭ”）粉末（ＳＳＣ）固体電解質イオン伝導性チューブ（７．１ｍｍ内径、９．７ｍｍ外径及び約１５ｃｍ長さ）を押し出し、次いで窒素中において１２５０℃で２℃／分の加熱／冷却速度でもって１時間焼結させた。チューブを横切る酸素透過性を試験するために、次の操作が使用された。パージガス（６０％のＣＨ4 、１０％のＣＯ2 及び３０％のＮ2 又はＡｒのような不活性ガスを含有、水を通してバブリング）をチューブ内で供給ガスと向流させて流す。イオン輸送膜チューブの中間に配置された熱電対がチューブを通って流れるパージガスの温度（この説明では、“イオン輸送温度’と称する）を監視する。イオン輸送膜を横切る透過によって供給ガス中の酸素の一部分を除去し、そして酸素の少ない生成物を得た。供給物Ｏ2 容量分率（ＸF ）、生成物Ｏ2 容量分率（ＸP ）及び生成物容積流量（‘Ｐ’ｓｃｃｍ）を測定し、そして透過試験に使用した供給物容積流量（Ｆ）を不透過性種についての次の物質収支：Ｐ．（１−ＸP ）＝Ｆ．（１−ＸF ）によって計算した。次いで、次の等式を使用してイオン輸送チューブを横切るＯ2 流束を計算した。
【数１】
【００６９】
例５
例５は、本発明の電解質膜の１つの具体例を表わす。例４と同様の単相稠密ＬＳＦＣＣＭ固体電解質イオン伝導性チューブを作った。チューブの両面に単相ＬＳＦＣＣＭイオン輸送物質の約１μｍ寸法顆粒の多孔質層を配置するために、Chemat Technogy Model 201 によるスラリー浸漬被覆操作を使用してチューブを被覆した。
【００７０】
次いで、被覆された物質を例４に記載したと同じ態様で試験した。多孔質被覆の助けを借りてのイオン輸送膜を横切るＯ2 流束の向上は、実験データを基にして下記の表によって実証されている。同様の条件下で行なわれた実験では、被覆イオン輸送チューブは、未被覆イオン輸送チューブよりも実質上高いＯ2 流束を示した。この場合には、同様の供給物流量と共にデータ点が示されている。被覆単相チューブは、同様の供給物流れから酸素を除去することが認められた。
【００７１】
被覆チューブ試験において使用される供給物Ｏ2 容積分率は、未被覆チューブ試験よりも僅かに高かったことに注目される。しかしながら、ワグナーの理論に従えば、Ｏ2 −流束は、供給物Ｏ2 容積分率の対数に依存する。かくして、供給物流れ中のＯ2 の２０．９容量％から２２．６容量％の変化が次の表に報告される平均流束に有意の影響を及ぼすことは予測されないことである。
【００７２】
【表３】
【００７３】
例６
スリップ注入成形によって、２０重量％５０Ａｇ／５０Ｐｄ（５０重量％ＡＧ及び５０重量％Ｐｄ）とのＬＳＦＣＣＭの二相イオン輸送チューブを作った。２０重量％の５０Ａｇ／５０Ｐｄ合金（デガッサ）、La0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Ox（“ＬＳＦＣＣＭ”）粉末（ＳＳＣ）及び２滴の「Darvan C」分散剤に水を３５％固形分濃度まで混合することによって二相ＬＳＦＣＣＭイオン輸送膜スリップを調製した。スリップを５時間ミリングし、石膏型においてスリップ注入成形し、次いで空気中において１２５０℃で２℃／分の加熱／冷却速度でもって１時間焼成した。この二相チューブを例４に記載したと同じ態様で試験した。
【００７４】
例７
例７は、本発明の他の具体例を表わす。例６のものと同様の二相ＬＳＦＣＣＭイオン輸送チューブを調製した。チューブの１つの両面に単相ＬＳＦＣＣＭイオン輸送物質の約１μｍ寸法顆粒の多孔質層を配置するために、Chemat Technogy Model 201 によるスラリー浸漬被覆操作を使用してチューブを被覆した。これに対して、例６からのチューブは未被覆のままにした。多孔質単相イオン輸送層をチューブ上に位置した場合には実質的なＯ2 流束向上（３．８倍）が認められた。この例では、同様の生成物Ｏ2 濃度によるデータ点が選択された。被覆二相チューブでは、Ｏ2 を匹敵する程度まで除去するのにずっと高い供給物流量を使用することができた。
【００７５】
例８
例８は、本発明の更に他の具体例を示す。例４のものと同様の押出二相ＬＳＦＣＣＭイオン輸送チューブを調製した。チューブのうちの１つの両面にＬＳＦＣＣＭ及び成分を含む二相ＬＳＦＣＣＭイオン輸送物質の約１μｍ寸法顆粒の多孔質層を配置するために、Chemat Technogy Model 201 によるスラリー浸漬被覆操作を使用してチューブを被覆した。この成分は５０Ａｇ／Ｐｄから作られ、そして多孔質層全体の約２０重量％（約１１容量％）である。多孔質単相イオン輸送層をチューブ上に位置した場合には実質的なＯ2 流束向上（３．７倍）が認められた。この例では、同様の生成物Ｏ2 濃度によるデータ点が選択された。被覆二相チューブでは、Ｏ2 を匹敵する程度まで除去するのにずっと高い供給物流量を使用することができた。また、Ｏ2 生成物、供給物流量及び生成物流量における実質的な向上を得ることができることも示される。
【００７６】
【表４】
【００７７】
各例において、混成導体及び電子導体並びに多孔質層を有するイオン輸送チューブでは、酸素流束は稠密未被覆イオン輸送チューブのものよりもほぼ４倍増大したことに注目されたい。
【００７８】
例９
二相円板を調製した。次いで、焼結円板の両面を研磨して０．９ｍｍの厚さを得た。その円板に対して空気／ヘリウム勾配下に９００℃で酸素透過量を測定した。円板試験片をアルミナ試験セル中にＡＧペーストで密封した。ＨＰ5890 ガスクロマトグラフ及び酸素分析器を使用してガス組成を分析し、そして酸素流束を計算した。９００℃における流束の結果（ｓｃｃｍ／ｃｍ3 単位）を表４に記載する。
【００７９】
例１０
例１０は、本発明の電解質膜の他の具体例を示す。例９と同様の二相円板を作り、そして研磨して０．６ｍｍの厚さを得た。
【００８０】
スピニングコーターに固定された円板の表面に、例５からのものと同様のＬＳＦＣＣＭイオン輸送物質の数滴を付着させた。変性層の付着のために３５００ｒｐｍのスピニング速度を２０秒間使用した。スピン被覆後、円板上のＬＳＦＣＣＭ輸送物質の付着されたままの被覆をホットプレート上で８０℃で５分間乾燥させ、次いでセラミックトップホットプレートに移し、そして約３００℃で少なくとも５分間加熱した。膜表面上に１μｍＬＳＦＣＣＭフィルムが形成するまで被覆及び乾燥の全プロセスを反復した。例９に記載したと同じ態様で二相円板を試験した。
【００８１】
表面変性（空気側で）によって、酸素流束はある種の空気／ヘリウム勾配下に約３倍増大したが、これは、表面変性によって酸素解離に対する表面積を増大させることによって空気に対する表面交換反応速度が向上されたことを示す。
【００８２】
【表５】
【００８３】
本発明の特定の特徴は、便宜上、添付図面の１つ又はそれ以上において示されている。というのは、本発明に従えば、各特徴は他の特徴と組み合わせることができるからである。当業者には別の具体例が認識されるだろうが、これも本発明の特許請求の範囲内に含められるものである。例えば、好適な第一層物質は、水素にかかわりを持つ用途に対して酸素の代わりに又は酸素と共にプロトンイオンを伝導することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明に従って異なる量の成分を有する膜の拡大写真である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明に従って異なる量の成分を有する膜の拡大写真である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明に従って異なる量の成分を有する膜の拡大写真である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、本発明に従って異なる量の成分を有する膜の拡大写真である。
【図２】図２は、図１Ａ〜図１Ｄに示される４種の膜の破壊強度を示すグラフである。
【図３】図３は、図１Ａ及び図１Ｄの膜についてＸ−線回折結果の結果を示すグラフである。
【図４】図４は、図１Ａ及び図１Ｄの膜について異なる温度での酸素輸送率を示すグラフである。
【図５】図５は、図１Ａ及び図１Ｄの膜について異なる反応性パージレベルでの酸素収束を示す図表である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明に従った他の膜の走査電子顕微鏡写真である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａに示される膜の表面エネルギー分散スペクトルである。
【図７】図７は、本発明に従って表面反応を向上させるための多孔質結晶質層を有する稠密固体電解質イオン輸送膜の拡大断面図である。
【図８】図８は、稠密膜の両側に表面反応を向上させるための多孔質結晶質層を有する稠密中実電解質イオン輸送膜複合体であって、複合体の機械的強度を向上させるために多孔質膜の片方が多孔質支持体の上に配置されたものの拡大断面図である。
【符号の説明】
７０１、８０１ 稠密固体電解質イオン伝導性膜
７０２、７０３、８０２、８０３ 多孔質被覆層
８０４、８０５ 支持層
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質イオン輸送膜の組成に関し、特には、膜の機械的特性、触媒特性及び／又は焼結挙動を向上させる１種以上の成分を有するかかる膜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質イオン輸送膜は、酸素を含有するガス流れからの酸素の分離に対してかなりの可能性を有していることが明らかである。特に興味あるものは、酸素イオン及び電子の両方を伝導しそれ故に外部電極を使用せずに圧力推進態様で操作されることができる混成導体である。米国特許５３０６４１１において、T.J.マザネク氏他は、電気化学反応器及び部分酸化反応用に、電子伝導性材料及び酸素イオン伝導性材料の多相混合物よりなる複合体セラミック混成導体膜を開示している。米国特許５４７８４４４では、M.リウ氏他は、酸化ビスマスのような酸素−イオン−伝導性材料及び電子伝導性材料を含有する複合体混成導体物質を開示している。電子及びイオンの両方に対して固有の伝導性を有する物質は、La0.2Sr0.8CoOx、La0.2Sr0.8FeOx、La0.2Sr0.8Fe0.8Co0.1Cr0.1Ox 等のようなペロブスカイトによって例示される真の混成導体である。これらの物質のうちのいくらかは、とりわけ、周知される最高の酸素イオン伝導性を有し、そして速い表面交換反応速度も有する。
【０００３】
これらの物質はガス分離用途において大きな可能性を有しているけれども、それらの使用にはいくつかの欠陥がある。たいていのセラミックスの共通の問題は、引張時におけるそれらの脆性及び低い機械的強度であり、これによってチューブのような大きい部材を作りそしてそれらを高信頼性の工業的系に配置するのが困難になる。
【０００４】
ヤマモト氏他は、Perovskite-Type Oxides as Oxygen Electrodes for High
Temperature Oxide Fuel Cells （ Solid State Ionics 22:241-46(1987) ）において、焼結LaCoOxでの微小亀裂について報告した。かかる微小亀裂は、焼結間の構造転移に関係すると考えられており、そしてペロブスカイトにおいて起こる場合が多い。ペロブスカイトのような多くのイオン輸送膜材料の空隙集結は、それを包囲するガス中の酸素分圧の関数である。単位格子の寸法は空隙の集結に依存するので、多くのイオン輸送膜材料では単位格子の容量は、Ｐ02が減少されるにつれて増大する。例えば、単位格子ＡＢＯ3 の寸法は、アノード又は透過側の酸素の分圧が低下されるにつれて増大する。単位格子寸法の変動は、熱膨張係数の他に組成膨張係数を引き起こす。それ故に、材料の組成上の勾配は機械的応力を引き起こし、これは破壊をもたらす可能性がある。これは、始動、運転停止操作又は処理プロセスの間に雰囲気の注意深い制御を必要とする場合が多い。
【０００５】
B.フ−氏他は、(Y 1-x Ca)FeO 3 :A Potential Cathode Material for Solid
Oxide Fuel Cells, （Proc. 3rd Intl.Symp.on Solid Oxide Fuel Cells,S.C.Singhal,Ed.,The Electrochem.Soc.Vol.93-4:276-282(1993)）において、微小亀裂は、高温多形的対称変化か又は系の高異方性熱膨張係数のどちらかによるY1-x(Sr 又は Ca)xMnO3 ペロブスカイトの問題であることを報告した。この問題を回避するようになされた試みは不成功に終わった。高いＳｒ又はＣａドーピングレベル（ｘ＞０．３）は微小亀裂を減少させることができるが、しかし明らかにイオン伝導性の低下を含めた低い物理的特性によって、燃料電池カソード用途に対して貧弱な性能をもたらすことが判明した。
【０００６】
上に記載した困難さの故に、ペロブスカイトチューブの製造では、複雑化されそして制御された雰囲気による焼結プロセスをしばしば伴った複雑で注意深く制御されたプロセス工程が必要とされた。これは、製造のコストや複雑さを増し、しかも製造要素の一次的操作間に温度、気圧又は組成の変動にかかわる問題をもたらす可能性があった。
【０００７】
周囲雰囲気に対するイオン輸送膜の感性を最小限にすることが極めて望ましい。また、これらの材料の多くは極めて高い熱膨張係数（例えば、La1-xSrxCoO3は約２０×１０-6／℃である）を有し、これは、プロセス操作間に高い熱応力を引き起こし、それ故にしばしば材料の破壊をもたらす。
【０００８】
要約すると、従来技術における複合体混成導体の使用は、たいていの場合に、酸素イオン導体と電子導体との多相混合物からなる材料に制限されている。従来技術における第一の目的は、イオン導体中に電子伝導性を導入することであった。一般的に言って、これは、電子伝導性第二相がパーコレーション限界よりも上での操作を可能にするためにランダムに分布されたときには３０〜３５容量％よりも多くの量で存在することを必要とする。
【０００９】
シェン氏他は、米国特許５６１６２２３及び５６２４５４２の各々のカラム６において、１つの系では銀は約２０〜約３５容量％で連続相を得たのに対して、銀／パラジウム合金は“僅かに多くの量”を必要とすることを述べている。シェン氏他は、高両極性伝導性を得るためには電子伝導性相を約１〜５％よりも多い量で存在させることを勧めている。後者の米国特許は、主としてイオン伝導性のセラミック相単独と比較して機械的特性の向上を提供する主として電子伝導性の金属相を有するセラミック／金属材料について記載している。
【００１０】
望ましい物理的特性及び高いＴc 超伝導特性を得るために、複合体の超伝導性材料が合成された。米国特許５４７０８２１において、ワング氏他は、連続超伝導性セラミック及び元素状金属マトリクスを有する複合体超伝導性材料について記載している。元素状金属は、輸送電流密度を増大させるために結晶粒間の隙間に位置される。
【００１１】
酸素の輸送は、ガス流れ中の酸素の分圧によって推進される。ネルンストの膜電位が内部で発生され、そしてそれはプラサド氏他の“段階化電解質膜”と題する米国特許５５４７４９４に開示されるように電解質のイオン抵抗性に対して酸素欠乏流束を推進する。必要ならば、該米国特許を参照されたい。
【００１２】
一般には、薄い電解質フィルムが望ましい。というのは、理想的な酸素流束がそれらの厚さに反比例するからである。かくして、薄い膜程、高い酸素流束、減少した面積、低い操作温度、及び電解質を横切る低い酸素差圧をもたらす。また、膜のアノード側をメタン又は水素のような反応性ガスでパージすると、アノード側での酸素活性が有意に低下し、かくして膜を横切るより高い酸素流束をもたらす。しかしながら、酸素流束が増大するにつれて、輸送に対する表面抵抗性がより顕著になり、そして最終的には輸送に対する全抵抗性を支配する。表面抵抗は、結晶格子中でガス相中の酸素分子を酸素イオンに転換する際に又はその逆でかかわる種々の機構から生じる。緻密イオン輸送膜に対してさえも、カソード又はアノード側での表面反応速度は、膜を横切る酸素流束を制限する場合がある。
【００１３】
タケオカ・ヤスタカ氏他は、Jour. Ceram. Soc. Japan. International ED., Vol.97,No.4,pp.458-462及びNo.5,pp.523-529(1989) において、多孔質混合伝導性支持体上に稠密混合伝導性酸化物層を付着させることによって形成されたソリッドステートガス分離膜について報告した。比較的厚目の多孔質混合伝導性支持体は、薄目で比較的脆弱な稠密混合伝導性層に対して機械的安定性を提供する。稠密層の厚さを考慮して、著者は、そこで、稠密混合伝導性円板と比較して複合体薄フィルム膜では酸素流束が１０倍程増加することを予測した。しかしながら、彼等は、薄フィルム膜を使用して２倍よりも低い酸素流束の増大を得た。
【００１４】
米国特許４７９１０７９には、不透過性混成イオン及び電子伝導性セラミック層と多孔質触媒含有イオン伝導性セラミック層との２つの層よりなる触媒セラミック膜が開示されている。多孔質セラミック層のための好ましい組成物は、約８〜１５モル％のシリカ、イットリア、スカンジア、マグネシア及び／又はそれらの混合物で安定化されたジルコニアである。
【００１５】
米国特許５２４０４８０には、多成分金属酸化物多孔質層及び稠密層を含み、そして高められた温度で酸素含有ガス混合物から酸素を分離することができる多相複合体ソリッドステート膜が開示されている。
【００１６】
米国特許５５６９６３３には、稠密混合伝導性多成分金属酸化物層と、酸素流束を高めるために供給（空気）側に配置した触媒金属又は金属酸化物被覆とよりなる表面触媒多相セラミック膜が開示されている。両側にある触媒被覆は、酸素流束を高めなかった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
それ故に、本発明の目的は、高められた機械的特性を有する改良された固体電解質イオン輸送膜を提供することである。
【００１８】
本発明の他の目的は、膜の製造間に微小亀裂を最小限にするかかる膜を提供することである。
【００１９】
本発明の更に他の目的は、プロセス又は操作間に特殊の雰囲気を必要としないかかる膜を提供することである。
【００２０】
本発明の更に他の目的は、温度や雰囲気の変化に順応するかかる膜を提供することである。
【００２１】
本発明のなお更に他の目的は、高い酸素流束を得るために表面反応速度及び／又は化学反応速度によって課される制限を実質上減少させる固体電解質イオン輸送膜を提供することである。
【００２２】
本発明のなお更に他の目的は、膜に対して改善された触媒効果を及ぼす変性表面を有するかかる膜を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
発明の概要
本発明は、少なくとも１種のイオン好ましくは酸素イオンを伝導するマトリクス物質、及び該マトリクス物質とは物理的に異なり、しかもマトリクス物質の機械的特性、触媒特性及び又は焼結挙動を向上させる少なくとも１種の成分を有する固体電解質イオン輸送膜を包含する。かかる成分は、膜を横切って該成分を通る連続的電子伝導を阻止するような量で存在する。
【００２４】
好ましい具体例では、マトリクス物質は、電子伝導性及び酸素イオン伝導性の両方を示す混成導体である。成分は、好ましくは、銀、パラジウム又はそれらの混合物のような金属である。他の具体例では、成分は、セラミック又は他の非導電性物質である。
【００２５】
また、本発明は、ガス状混合物からガス状種を分離するための固体電解質イオン輸送膜複合体であって、稠密マトリクス物質と多孔質被覆とを有するものも包含する。稠密膜は第一表面及び第二表面を有し、そして少なくとも１種のイオンを伝導するマトリクス物質と、該マトリクス物質から物理的に区別することができ、しかもマトリクス物質の機械的特性、触媒特性及び焼結挙動のうちの少なくとも１つを向上させ、そして膜を横切って膜成分を通る連続的電子伝導を阻止するような量で存在する少なくとも１種の膜成分とから構成される。多孔質被覆は、ガス状種に係わる表面反応の速度を向上させるために膜の第一表面及び第二表面の少なくとも片方の上に配置される。
【００２６】
用語「二相」を本明細書で使用するときには、それは、少なくとも１種のイオンを伝導する相と、かかる成分を含む相との組合せを意味する。
【００２７】
用語「イオン輸送物質」を本明細書で使用するときには、それは、“マトリクス物質”と交換可能である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
発明の具体的な説明
本発明は、少なくとも１種のイオン、好ましくは、酸素イオンを伝導するマトリクス物質、及び該マトリクス物質とは物理的に異なり、しかもマトリクス物質の機械的特性、触媒特性及び又は焼結挙動を向上させる少なくとも１種の成分を含む固体電解質イオン輸送膜によって達成することができる。かかる成分は、膜を横切って該成分を通る連続的電子伝導を阻止するような量で存在する。
【００２９】
かくして、本発明は、ペロブスカイトのような第一混成導体と、製造間に微小亀裂を防止し、プロセス操作間における特殊の雰囲気制御を排除し、しかも混成導体相単独の場合よりも機械的特性、熱循環性、雰囲気循環性及び／又は表面交換速度を向上させることができる第二成分相とから構成されるのが好ましい多相複合体物質に関するものである。
【００３０】
本発明では、酸素輸送性能を犠牲にすることなく向上した機械的特性そして好ましくは向上した触媒特性を有する組成物を確立するのに好適な第二成分相が混成導体中に導入される。この第二相は、焼結間に発生される組成応力及び他の応力を除去し、混成導体相における微小亀裂の生長を抑制し、それ故に機械的特性（特に引張強度）を有意に向上させることができる。焼結間に雰囲気の制御を排除することができるので、製造規模を拡大（スケールアップ）にするのが容易になりしかも費用が少なくなる。熱循環間に雰囲気の制御を排除することができることによって、膜を温度又はガス組成の変動に関してより丈夫な実用系に配置するのが実質上容易になる。
【００３１】
また、本発明は、稠密膜と、ガス状混合物からガス状成分を分離するための多孔質被覆とを有する固体電解質イオン輸送膜複合体によっても達成することができる。稠密膜は第一表面及び第二表面を有し、そして少なくとも１種のイオンを伝導するマトリクスより構成され、しかもマトリクス物質の機械的特性、触媒特性及び焼結挙動のうちの少なくとも１つを向上させる成分であって、膜を横切って膜成分を通る連続的電子伝導を阻止するような量で存在する成分を含む。多孔質被覆は、ガス状種に係わる表面反応の速度を向上させるために膜の第一表面及び第二表面の少なくとも片方の上に配置される。
【００３２】
本発明では、稠密膜に対する表面反応速度交換を向上させることによって向上した触媒特性を有する組成物を確立するために、多孔質被覆が多相稠密固体電解質イオン輸送膜に導入される。多孔質被覆は、稠密電解質輸送膜単独の場合よりも有意に向上した触媒活性又は表面変換速度を提供する。
【００３３】
多孔質被覆層は、稠密膜の反応性表面の上に配置される。一例を挙げると、メタン含有ガスを使用して本発明に従った複合体膜のアノード側をパージすると、メタンの表面反応速度は、膜表面により大きな表面積を提供することによって大きく向上されることができる。このことは、膜のアノード側に多孔質層を付着させる場合に言える。というのは、メタンがパージガスの反応性成分であるときに一般には速度制限段階が膜のアノード側にあるからである。膜のカソード側に速度制限段階があるようなある種の化学反応が存在する場合がある。このような場合には、多孔質被覆は少なくともカソード側に付着される。
【００３４】
好ましい具体例として、被覆は、アノード側及びカソード側の両方の表面上に付着される。このことは、二重被覆稠密膜を製造する際の容易さの故に特に好ましい。
【００３５】
稠密マトリクス物質の両側に被覆層を付着させると、その被覆は、膜表面上に及ぼされる可能性がある機械的応力の影響を防止又は軽減するように全体のバランスを取る。硬化時に、多孔質被覆層は、もしも被覆が片側にのみ存在する場合には週密マトリクス物質の片側に機械的応力を生じる可能性がある。従って、被覆の結果として不均等な応力を減少させるためには、稠密マトリクス物質の両側に被覆層を付着させるのが好ましい。
【００３６】
酸化物イオンを輸送する混成伝導性酸化物の稠密膜は、無限の酸素／窒素選択性を有する。かかる物質の例は以下の表Ｉに記載されているが、それらの例としては、ペロブスカイト構造、又はそれから誘導することができるA2B2O5ブラウンミレライトのような構造を有するいくつかの酸化物を挙げることができる。かかるセラミック膜の共通の問題は、引張時のそれらの脆性及び低い機械的強度であり、これによって、チューブのような大きな部材を作りそしてそれらを高信頼性の工業的系で使用するのが困難になる。これらの制限は、本発明において、ペロブスカイトのような混成導体と、空気中での製造間に微小亀裂を防止し、機械的特性を改善し、熱／雰囲気循環性を向上させ、そして場合によっては混成導体相の単独の場合を越えた表面交換速度をもたらすのに好適な、金属の如き第二成分相とから構成される二相物質を使用して打破される。
【００３７】
好適なイオン輸送膜物質としては、酸素イオンを輸送することができるイオン性単独及び混成導体を挙げることができる。本発明に従って使用するときには、第一相を構成するイオン輸送物質は、第二成分相の存在に関係なく酸素イオン及び電子の両方を輸送するのが好ましい。本発明に従って第二成分相を添加することができる第一相物質についてのより包括的な記載は以下の実施例において提供されている。
【００３８】
他の具体例では、好適なイオン輸送膜物質は、酸素イオンを輸送することができる混成導体を包含する。本発明に従って使用するときには、混成導体は、第二電子伝導性相の存在に関係なく酸素イオン及び電子の両方を輸送することができる。本発明の混成伝導性固体電解質の例は以下の表Ｉに提供されているが、しかし、本発明はそこに記載されるそれらの物質組成のみに限定されるものではない。混成導体のみより構成されるもの以外の稠密マトリクス物質も本発明によって使用することが企図される。
【００３９】
【表１】
一般的に言って、第二成分相物質の選択における主な考慮事項は、（１）第二相とイオン輸送物質との間における熱膨張係数（ＴＥＣ）の整合、（２）第二相とイオン輸送物質との間における化学的相容性、（３）第二相とイオン輸送物質のマトリクスとの間における良好な接合、（４）焼結及び冷却の間における応力を除去するための第二相の延性及び（５）低コストである。ＴＥＣ整合は重要である。というのは、複合体物質が製造段階から冷却するにつれて第二相内に且つその周囲に応力が通常引き起こされるからである。不適切な第二相物質の選択は、製造操作間に誘発される熱応力によって剥離又は亀裂を引き起こす可能性がある。これは、イオン輸送物質と第二相との間の２つの熱膨張係数の差異を減少させることによって最小限にすることができる。別の具体例では、イオン輸送物質はマトリクス物質と記載され、そして第二相は成分と記載されている。
【００４１】
化学的相容性は重要である。というのは、イオン輸送物質の高温操作プロセスはイオン輸送物質と第二相との間の相互作用及び相互拡散を引き起こし、これは各物質の劣化をもたらし且つ膜性能を低下させる場合があるからである。それ故に、第二相は、高温での好ましくない相互作用及び相互拡散を防止するためにイオン輸送物質に対して化学的に不活性であるべきであり、又はそれと望ましくない反応をすべきでない。
【００４２】
良好な接合は重要である。というのは、第二相とイオン輸送物質との間で起こる剥離は物質の強度に対して有害になり得るからである。亀裂又は傷は容易につながって物質の破壊を引き起こす可能性があるからである。
【００４３】
第二成分相の延性は重要である。というのは、多くのイオン輸送物質は極めてた高い熱膨張係数を有するからである。高いＴＥＣは、イオン輸送物質のプロセス操作間に高い熱膨張応力を引き起こし、これは物質の破壊を引き起こす可能性があるからである。第二相の延性は、焼結及び／冷却の間に発生される応力を除去することができる。
【００４４】
上記の考慮事項に加えて、第二相の触媒活性は、複合体イオン輸送膜の表面反応速度を向上させるのが好ましい。それ故に、所定の成分又は電子伝導性相に対して通常の高いコストを軽減することができる。
【００４５】
本発明に従った成分相は、イオン輸送膜を横切って電子的に連続的ではない。しかしながら、それらの成分は、もしも非電子伝導性材料から作られるならば物理的に連続的になり得る。ランダムに分布された電子伝導性成分は、かかる成分が膜を横切る電子のパーコレーション限界よりも下になる態様で存在することを確実にするためには３０容量％未満であるのが好ましい。
【００４６】
第二成分相は、銀、パラジウム、白金、金、ロジウム、チタン、ニッケル、ルテニウム、タングステン、タンタルのような金属、又は膜操作温度において安定なかかる金属の２種以上の合金から選択されることができる。好適な高温合金としては、インコネル、ハステロイ、モネル及びダクロロイ（ducrolloy ）を挙げることができる。銀、パラジウム、又は銀／パラジウム合金が好ましい。また、第二相は、プラセオジム−インジウム酸化物混合物、ニオブ−チタン酸化物混合物、酸化チタン、酸化ニッケル、酸化タングステン、酸化タンタル、セリア、ジルコニア、マグネシア又はそれらの混合物のようなセラミックスから選択することもできる。酸化チタン又は酸化ニッケルのようないくらかのセラミック第二相は、酸化物の形態で導入し次いで操作間に還元雰囲気下に金属に還元させることができる。
【００４７】
本発明を実施するための他の別の方法としては、イオン輸送マトリクスを補強するためにガラス、アスベスト、セリア、ジルコニア若しくはマグネシア繊維又はワイヤ、或いは雲母のような物質のフレークの如き物理的連続性非電子伝導性第二成分相を使用することが挙げられる。この連続的第二相は、イオン輸送マトリクス中に実質上均一に分布させることができ、構造補強を提供し且つイオン輸送膜の機械的特性を向上させることができる。繊維は、典型的には、１ｍｍ未満、好ましくは０．１ｍｍ未満、より好ましくは０．０１ｍｍ未満そして最も好ましくは１ミクロン未満の直径を有するのが好ましい。アスペクト比（長さ対直径）は、典型的には、１０よりも大きく、好ましくは１００よりも大きくそしてより好ましくは１０００よりも大きい。
【００４８】
【実施例】
ここで、混成伝導性La0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Ox及び銀／パラジウム合金第二相を含有する複合体イオン輸送膜に関して本発明を詳細に説明する。
【００４９】
例１−La 0.2 Sr 0.8 Fe 0.69 Co 0.1 Cr 0.2 Mg 0.01 O x 及び５０Ａｇ／５０Ｐｄ合金の機械的に向上されたイオン輸送膜
スペック（Spex）ミキサー（米国ニュージャージー州エジソン所在のスペック・インダストリーズ・インコーポレーテッド）を使用して、米国ニュージャージー州サウス・プレインフィールド所在のデグッサ・コーポレーションから入手できる重量比で５０％Ａｇ及び５０％ＰｄのＡｇ／Ｐｄ合金を種々の重量比（５、１０及び２０重量％）でLa0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Ox混成導体粉末（米国ワシントン州ウッドインビル所在のＳＳＣインコーポレーテッド、現在はＰＳＣ・オブ・プラクシア・サーフェイス・テクノロジーズ・インコーポレーテッドから入手）と１５〜２０分間混合することによって、機械的に向上されたイオン輸送物質を調製した。次いで、その粉末を、３重量％のＰＶＢ（米国ミゾリー州セントルイス所在のモンサント社のButvar）を含有する２−プロパノール溶液中に加え、そして磁気撹拌機によって８０℃で混合して２−プロパノールを蒸発させ、次いでプレス成形前に７４ミクロンのメッシュ寸法を通してふるい分けした。１０．４kpsiの圧力下に１．５インチダイを使用して機械的に向上した膜円板を調製し、次いでバインダーを焼き尽くし（１℃／分で２５℃から４００℃そして１時間保持）、そして空気中において２℃／分の加熱／冷却速度でもって１２５０℃で２時間焼結させた。
【００５０】
化学的組成分析のためにエネルギー分散分光分析法（ＥＤＳ）で光学顕微鏡及び走査電子顕微鏡を使用することによって、焼結円板の微細構造を調べた。第二相とイオン輸送マトリクスとの相容性の研究のために Cu Ｋα照射でリガク（Rigaku）・ミニフレックス・ディフラクトメーターを使用してＸ−線回折（ＸＲＤ）分析を行なった。インストロン引張試験機を使用して１９ｍｍのスパン及び０．５ｍｍ／分のクロスヘッド速度で３点曲げ試験によって機械的強度を室温で測定した。乾式一軸プレス成形に続く３０kpsiでの低温等圧プレス成形を行ない、次いで１２５０℃で２時間焼結することによって試料（３０×４×３ｍｍ）を調製した。試験片を切断し、そしてすべての縁の欠陥を回避するために試験前に合成ダイヤモンド円板を使用して研磨した。５つの試験片に対して各組成について試験を実施した。金ペーストでアルミナ試験セル中に金ペーストで密封した焼結円板試験片を使用して酸素透過速度を測定した。透過は、Ｈｅ不活性ガスパージ及び異なる反応性パージガスを使用して９００〜１０００℃の温度で行なわれた。ＨＰ５８９０ガスクロマトグラフィー、酸素分析器及び水分分析器を使用してガス組成を分析しそして酸素流束を計算した。
【００５１】
機械的に向上したイオン輸送物質の目的は、イオン輸送マトリクスの機械的強度を向上させ、そして場合によっては焼結間における窒素雰囲気の必要性を排除することである。本発明者等の初期の研究結果では、第二相（Ａｇ／Ｐｄ合金）は、焼結間に発生する組成応力及び他の応力を除去し、混成導体相における微小亀裂の生長を抑制し、それ故にイオン輸送物質円板の機械的強度を向上させることができることが判明している。図１Ａ〜図１Ｄは、第二相の量を増加させることによって焼結イオン輸送物質円板の亀裂密度を大きく低下させることができることを示す。３点曲げ試験によるイオン輸送物質の破壊強度に及ぼす第二相濃度の影響が図２において曲線９０として示されている。この結果によれば、イオン輸送物質の破壊強度は、第二相が０から２０重量％に増加するにつれて０から１７５（ＭＰａ）に目ざましく向上することが分かる。Ａｇ／Ｐｄ合金の使用は、亀裂密度を有意に低下させ、そしてイオン輸送円板の機械的強度を向上させることが明らかである。これは、金属相が焼結間に組成応力を減少させると共に亀裂生長を阻止し、それ故に二相イオン輸送円板の機械的強度が向上されることによるものと考えられる。また、図３に示されるＸＲＤ結果は、１２００℃での後焼結においていかなる追加的な相も検出されることなく、２０％Ａｇ／Ｐｄ合金（スペクトル１００）とLa0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Ox（スペクトル１０２）との間の良好な相容性を実証している。
【００５２】
０．８５ｍｍ円板に対して、９００〜１０００℃の温度、空気／ヘリウム勾配及び５００ｓｃｃｍ（標準ｃｍ3 ／分）下に各流れについて１．２気圧で酸素輸送試験を実施した。Ｏ2 流束は、図４に示されるように、単相試験片（曲線１１２）で得られるものに匹敵する１．０ｅＶの活性化エネルギーでもって９００、９５０、９９７℃においてそれぞれ０．５、０．７、０．９ｓｃｃｍ／ｃｍ3 （曲線１１０）である。それ故に、第二相の使用は、物質の酸素輸送性能を低下させないことが明らかである。
【００５３】
また、パージ側で異なる濃度のＨ2 （１０及び２０％）／Ｎ2 混合物を使用することによって、これらの二相円板の試験を１０００℃で実施した。反応側のＨ2 濃度が１０％から２０％に高くなるにつれて、Ｏ2 流束は４．６ｓｃｃｍ／ｃｍ3 から９．４ｓｃｃｍ／ｃｍ3 に増加した。単相チューブ試験と比較して、二相円板は、図５に示されるように、同一の反応性パージ条件下により高い酸素流束を示す。これは、第二相の触媒特性による表面酸化反応速度の向上によるものであると考えられる。
【００５４】
例２−La 0.2 Sr 0.8 Fe 0.69 Co 0.1 Cr 0.2 Mg 0.01 O x 及び６５Ａｇ／３５Ｐｄ合金の機械的に向上されたイオン輸送膜
例１の方法に従ってLa0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Ox及び２０％６５Ａｇ／３５Ｐｄ（６５重量％ＡＧ及び３５重量％Ｐｄ）の稠密二相円板を調製したが、但し、第二相として５０Ａｇ／５０Ｐｄの代わりに６５Ａｇ／３５Ｐｄを使用した。室温Ｎ2 透過試験によって、円板は気密性であることが確認された。走査電子顕微鏡写真（図６Ａ）は、５１８０倍の拡大において、La0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Oxマトリクスにおける十分に分散された第二相を示し、そして剥離もいかなる追加的な相形成も示さないが、このことは、第二相とイオン輸送マトリクスとの間の良好な相容性を表わしている。また、試験片の表面ＥＤＳ（エネルギー分散分光分析）スペクトル（図６Ｂ）は、焼結後におけるマトリクス及び第二相の最少限の組成損失を示す。焼結後の第二相のＰｄ対Ａｇ比（０．５４８）は６５Ａｇ／３５Ｐｄ合金のもの（０．５３８）に接近しており、計器の精度の範囲内である。また、円板は空気中において１２００℃での焼結後に良好な機械的強度を示し、そして微小亀裂は全く認められなかった。０．９ｍｍ円板に対して、空気／ヘリウム勾配下に１０００℃の温度で酸素輸送試験を実施した。Ｏ2 流束は１０００℃において０．８ｓｃｃｍ／ｃｍ3 であり、これは、例１における二相試験片（２０重量％の５０Ｐｄ／５０Ａｇ第二相）のものに匹敵する。また、パージ側で１０％Ｈ2 −９０％Ｎ2 混合物を使用することによって、この円板の反応性パージ試験も１０００℃で実施した。１０００℃において４．５ｓｃｃｍ／ｃｍ3 のＯ2 流束が得られたが、これも二相試験片（２０重量％の５０Ｐｄ／５０Ａｇ合金）のものに匹敵する。
【００５５】
例３−La 0.2 Sr 0.8 Fe 0.69 Co 0.1 Cr 0.2 Mg 0.01 O x 及び９０Ａｇ／１０Ｐｄ合金の機械的に向上されたイオン輸送膜
例１の方法に従ってLa0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Ox及び２０％９０Ａｇ／１０Ｐｄの稠密二相円板を調製したが、但し、第二相として５０Ａｇ／５０Ｐｄの代わりに９０Ａｇ／１０Ｐｄ（プラクシア・サーフェイス・テクノロジーズ・インコーポレーテッドによって供給される）を使用した。１０．４kpsiの圧力下での乾式プレス成形に続くバインダーの焼き尽くし（１℃／分で２５℃から４００℃そして１時間保持）によって円板及び棒を調製し、そして空気中において２℃／分の加熱／冷却速度でもって１２００℃で１時間焼結させた。これらの試験片では微小亀裂は全く認められなかったけれども、それらは、２０重量％の５０Ｐｄ／５０Ａｇ合金との二相試験片と比較して低い機械的強度（平均して１３５ Mpa）を示した。これは、５０Ａｇ／５０Ｐｄ合金と比較して９０Ａｇ／１０Ｐｄ合金のより低い引張強度によるものと考えられる。押出チューブ（焼結後に１０ｃｍ長さ、１ｃｍ内径、１ｍｍ壁厚）に対して、種々のパージガスを使用して反応性パージ試験下に約１０００℃の温度において酸素輸送試験を実施した。Ｏ2 流束は、同様の試験条件下に５０Ａｇ／５０Ｐｄ合金との二相チューブよりも僅かに低かった（約１０〜１５％）。これらのチューブでは、６０％Ｈ2 を含有するパージガスで１０２５℃において２．２ｓｃｃｍ／ｃｍ3 のＯ2 流束が得られた。
【００５６】
好適な第一相物質についてより一般的に説明すると、ＡＢＯ3 ペロブスカイト構造又はそれから誘導することができる構造（例えば、ブラウンミレライトＡ2 Ｂ2 Ｏ5 ）には、焼結及び冷却間の相転移の結果として、微小亀裂が存在することが多い。例１及び２に示されるように種々の量のＡＧ／Ｐｄ第二相を加えることによってLa0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Oxペロブスカイトにおいて微小亀裂が減少される。ここに開示される発明は、構造Ａr Ａ'sＡ"tＢu Ｂ'vＢ"wＯx （ここで、Ａ、Ａ’、Ａ”はIUPAC によって採用される元素周期律表に従って１、２、３族及びＦブロックランタニドから選択され、そしてＢ、Ｂ’、Ｂ”はＤブロック繊維金属から選択され、０＜ｒ≦１、０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、０＜ｕ≦１、０≦ｒ≦１、０≦ｗ≦１、そしてｘは化合物の電荷を中性にする数である）によって表わされる好適な混成伝導性酸化物を網羅することを意図している。好ましくは、上記構造のＡ、Ａ’又はＡ”は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム及びバリウムよりなる群から選択される２族金属である。好ましい混成伝導性酸化物は、式ＡS Ａ'tＢu Ｂ'vＢ"wＯx （ここで、Ａはランタニド、Ｙ又はそれらの混成を表わし、Ａ’はアルカリ土類金属又はそれらの混成を表わし、ＢはＦｅを表わし、Ｂ’はＣｒ、Ｔｉ又はそれらの混成を表わし、Ｂ”はＭｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕ又はそれらの混成を表わし、そしてｓ、ｔ、ｕ、ｖ及びｗはそれぞれ０〜約１の数を表わす）によって表わされる。
【００５７】
また、好適な第一相物質は、高温多形対称変化、組成応力又は高異方性熱膨張係数によって焼結間に微小亀裂が起こり得るような他のイオン伝導性セラミックスを包含する。例えば、ジルコニアは、１１７０℃（単斜晶から正方晶）及び２３７０℃（正方晶から単斜晶）において相転移を表わす。高温多形対称変化は、通常、焼結間に亀裂をもたらす。それ故に、ジルコニアは、立方対称を得るのに好適な二価−又は三価酸化物を導入することによって螢石型立方相において安定化される。また、本発明は、ジルコニア又はセリアのような他のセラミックスが高温多形対称変化、組成応力又は高異方性熱膨張係数に遭遇した場合にそれらの機械的向上を網羅することを企図するものである。更に、（B-MgLaCrO ）0.5 （YSZ ）0.5 のような電子／イオン伝導体、又はペロブスカイトと組み合わされたジルコニア若しくはセリアのような主としてイオン性の伝導体は、少なくとも三相を有する膜を形成するために本発明に従った成分と更に組み合わされることができる。
【００５８】
本発明の他の具体例は、膜の少なくとも片面上に多孔質被覆を付着させることによって稠密膜を被覆することに関するものである。この被覆は膜の表面を変性し、かくしてイオン輸送間に触媒効果を提供すると共に表面層に対して構造安定性を提供するものと考えられる。
【００５９】
添付図面は、本発明の固体電解質イオン輸送膜複合体のある種の具体例を表わすものである。図７は、稠密固体電解質イオン伝導性膜７０１の両面上に付着された多孔質被覆層７０２及び７０３を示す。図８は、稠密固体電解質イオン伝導性膜８０１の両面上に多孔質被覆層８０２及び８０３が付着された他の具体例を示す。膜８０１は中間支持層８０４及び支持層８０５を含む多孔質支持体上に支持され、そして多孔質被覆層８０３は膜８０１と中間支持層８０４との間に配置される。
【００６０】
稠密表面上に物質の層を付着させるための多数の技術が利用可能であるけれども、１つの好ましい製造法は、稠密膜を多孔質被覆の液体前駆物質（例えば、スラリー、コロイド溶液）中に浸漬し、その後に得られた被覆層を乾燥硬化させることを包含する。この方法は、斯界で使用される他の方法よりも多孔質被覆層を付着させるための比較的容易で且つコスト的に有利な方法である。
【００６１】
好適なイオン輸送膜物質としては、酸素イオンを輸送することができる混成導体が挙げられる。本発明に従って使用すると、混成導体相は、第二電子伝導性相の存在に関係なく酸素イオン及び電子の両方を輸送することができる。本発明の混成伝導性固体電解質の例は上記の表１に提供されるが、しかし本発明はここに記載されるこれらの物質組成にのみ限定されるものではない。また、混成導体のみより構成されるもの以外の稠密マトリクス物質も、本発明によって使用することが企図される。
【００６２】
好適な被覆組成物は、電子伝導性を有すると共に酸化物イオンを輸送する混成伝導性酸化物よりなることができる。多孔質被覆混成導体の例が上の表１に示されているが、これは稠密膜の混成伝導性酸化物と同じもの又は異なるものであってよい。稠密膜におけるように、被覆は、混成導体相及び被覆成分を有する組成物からなることができる。
【００６３】
好適な多孔質被覆組成物としては、混成導体と酸素イオン及び／又は電子を輸送することができる被覆成分との組み合わせが挙げられる。この混成導体は、被覆成分の存在に関係なく酸素イオン及び電子の両方を輸送し且つ伝導することができる。被覆成分は、全多孔質被覆の約３０容量％以下を構成することが好ましい。
【００６４】
多孔質被覆は、当業者に知られた種々の方法を使用して被覆されることができる。好ましい方法はスラリー浸漬被覆法である。この方法は、稠密膜を被覆する容易さ及びコスト効率の故に好ましい。他の方法としては、スピン被覆、化学的蒸着（ＣＶＤ）、電気化学的蒸着（ＥＶＤ）、物理的蒸着（ＰＶＤ）、例えば、レーザーアブレーション及びスパッタリング、熱噴霧、プラズマ噴霧、ＲＦプラズマ付着及びそれらの組み合わせを挙げることができる。
【００６５】
多孔質被覆層は、その被覆が稠密膜の表面反応速度を向上させるように稠密膜の表面と比較して薄くなるべきである。従って、多孔質被覆層は、約５０ミクロン以下好ましくは１０ミクロン以下、そしてより好ましくは５ミクロン以下の厚さを有する。
【００６６】
本発明に従った多孔質被覆についてのより包括的な記載は以下の実施例に与えられている。
【００６７】
他の具体例では、膜の構造安定性を向上させるのに多孔質支持体を使用することもできる。多孔質支持体としては、不活性、イオン伝導性、混成伝導性及び電子伝導性（金属）物質又はそれらの組み合わせを挙げることができる。追加的に、多孔質支持体は、不活性、イオン伝導性、混成伝導性及び電子伝導性（金属）物質又はそれらの組み合わせのどれかと組み合わせた触媒的向上用成分を含有することができる。多孔質支持体は、稠密マトリクス物質が薄目で且つ脆弱である場合に特に重要である。構造的には、稠密膜及び多孔質被覆のうちの１つを多孔質支持体に付着させるのが好ましい。この具体例についての実施例は、先に記載したように図８に示される。
【００６８】
例４
単層稠密La0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Ox（“ＬＳＦＣＣＭ”）粉末（ＳＳＣ）固体電解質イオン伝導性チューブ（７．１ｍｍ内径、９．７ｍｍ外径及び約１５ｃｍ長さ）を押し出し、次いで窒素中において１２５０℃で２℃／分の加熱／冷却速度でもって１時間焼結させた。チューブを横切る酸素透過性を試験するために、次の操作が使用された。パージガス（６０％のＣＨ4 、１０％のＣＯ2 及び３０％のＮ2 又はＡｒのような不活性ガスを含有、水を通してバブリング）をチューブ内で供給ガスと向流させて流す。イオン輸送膜チューブの中間に配置された熱電対がチューブを通って流れるパージガスの温度（この説明では、“イオン輸送温度’と称する）を監視する。イオン輸送膜を横切る透過によって供給ガス中の酸素の一部分を除去し、そして酸素の少ない生成物を得た。供給物Ｏ2 容量分率（ＸF ）、生成物Ｏ2 容量分率（ＸP ）及び生成物容積流量（‘Ｐ’ｓｃｃｍ）を測定し、そして透過試験に使用した供給物容積流量（Ｆ）を不透過性種についての次の物質収支：Ｐ．（１−ＸP ）＝Ｆ．（１−ＸF ）によって計算した。次いで、次の等式を使用してイオン輸送チューブを横切るＯ2 流束を計算した。
【数１】
例５
例５は、本発明の電解質膜の１つの具体例を表わす。例４と同様の単相稠密ＬＳＦＣＣＭ固体電解質イオン伝導性チューブを作った。チューブの両面に単相ＬＳＦＣＣＭイオン輸送物質の約１μｍ寸法顆粒の多孔質層を配置するために、Chemat Technogy Model 201 によるスラリー浸漬被覆操作を使用してチューブを被覆した。
【００７０】
次いで、被覆された物質を例４に記載したと同じ態様で試験した。多孔質被覆の助けを借りてのイオン輸送膜を横切るＯ2 流束の向上は、実験データを基にして下記の表によって実証されている。同様の条件下で行なわれた実験では、被覆イオン輸送チューブは、未被覆イオン輸送チューブよりも実質上高いＯ2 流束を示した。この場合には、同様の供給物流量と共にデータ点が示されている。被覆単相チューブは、同様の供給物流れから酸素を除去することが認められた。
【００７１】
被覆チューブ試験において使用される供給物Ｏ2 容積分率は、未被覆チューブ試験よりも僅かに高かったことに注目される。しかしながら、ワグナーの理論に従えば、Ｏ2 −流束は、供給物Ｏ2 容積分率の対数に依存する。かくして、供給物流れ中のＯ2 の２０．９容量％から２２．６容量％の変化が次の表に報告される平均流束に有意の影響を及ぼすことは予測されないことである。
【００７２】
【表３】
例６
スリップ注入成形によって、２０重量％５０Ａｇ／５０Ｐｄ（５０重量％ＡＧ及び５０重量％Ｐｄ）とのＬＳＦＣＣＭの二相イオン輸送チューブを作った。２０重量％の５０Ａｇ／５０Ｐｄ合金（デガッサ）、La0.2Sr0.8Fe0.69Co0.1Cr0.2Mg0.01Ox（“ＬＳＦＣＣＭ”）粉末（ＳＳＣ）及び２滴の「Darvan C」分散剤に水を３５％固形分濃度まで混合することによって二相ＬＳＦＣＣＭイオン輸送膜スリップを調製した。スリップを５時間ミリングし、石膏型においてスリップ注入成形し、次いで空気中において１２５０℃で２℃／分の加熱／冷却速度でもって１時間焼成した。この二相チューブを例４に記載したと同じ態様で試験した。
【００７４】
例７
例７は、本発明の他の具体例を表わす。例６のものと同様の二相ＬＳＦＣＣＭイオン輸送チューブを調製した。チューブの１つの両面に単相ＬＳＦＣＣＭイオン輸送物質の約１μｍ寸法顆粒の多孔質層を配置するために、Chemat Technogy Model 201 によるスラリー浸漬被覆操作を使用してチューブを被覆した。これに対して、例６からのチューブは未被覆のままにした。多孔質単相イオン輸送層をチューブ上に位置した場合には実質的なＯ2 流束向上（３．８倍）が認められた。この例では、同様の生成物Ｏ2 濃度によるデータ点が選択された。被覆二相チューブでは、Ｏ2 を匹敵する程度まで除去するのにずっと高い供給物流量を使用することができた。
【００７５】
例８
例８は、本発明の更に他の具体例を示す。例４のものと同様の押出二相ＬＳＦＣＣＭイオン輸送チューブを調製した。チューブのうちの１つの両面にＬＳＦＣＣＭ及び成分を含む二相ＬＳＦＣＣＭイオン輸送物質の約１μｍ寸法顆粒の多孔質層を配置するために、Chemat Technogy Model 201 によるスラリー浸漬被覆操作を使用してチューブを被覆した。この成分は５０Ａｇ／Ｐｄから作られ、そして多孔質層全体の約２０重量％（約１１容量％）である。多孔質単相イオン輸送層をチューブ上に位置した場合には実質的なＯ2 流束向上（３．７倍）が認められた。この例では、同様の生成物Ｏ2 濃度によるデータ点が選択された。被覆二相チューブでは、Ｏ2 を匹敵する程度まで除去するのにずっと高い供給物流量を使用することができた。また、Ｏ2 生成物、供給物流量及び生成物流量における実質的な向上を得ることができることも示される。
【００７６】
【表４】
各例において、混成導体及び電子導体並びに多孔質層を有するイオン輸送チューブでは、酸素流束は稠密未被覆イオン輸送チューブのものよりもほぼ４倍増大したことに注目されたい。
【００７８】
例９
二相円板を調製した。次いで、焼結円板の両面を研磨して０．９ｍｍの厚さを得た。その円板に対して空気／ヘリウム勾配下に９００℃で酸素透過量を測定した。円板試験片をアルミナ試験セル中にＡＧペーストで密封した。ＨＰ5890 ガスクロマトグラフ及び酸素分析器を使用してガス組成を分析し、そして酸素流束を計算した。９００℃における流束の結果（ｓｃｃｍ／ｃｍ3 単位）を表４に記載する。
【００７９】
例１０
例１０は、本発明の電解質膜の他の具体例を示す。例９と同様の二相円板を作り、そして研磨して０．６ｍｍの厚さを得た。
【００８０】
スピニングコーターに固定された円板の表面に、例５からのものと同様のＬＳＦＣＣＭイオン輸送物質の数滴を付着させた。変性層の付着のために３５００ｒｐｍのスピニング速度を２０秒間使用した。スピン被覆後、円板上のＬＳＦＣＣＭ輸送物質の付着されたままの被覆をホットプレート上で８０℃で５分間乾燥させ、次いでセラミックトップホットプレートに移し、そして約３００℃で少なくとも５分間加熱した。膜表面上に１μｍＬＳＦＣＣＭフィルムが形成するまで被覆及び乾燥の全プロセスを反復した。例９に記載したと同じ態様で二相円板を試験した。
【００８１】
表面変性（空気側で）によって、酸素流束はある種の空気／ヘリウム勾配下に約３倍増大したが、これは、表面変性によって酸素解離に対する表面積を増大させることによって空気に対する表面交換反応速度が向上されたことを示す。
【００８２】
【表５】
本発明の特定の特徴は、便宜上、添付図面の１つ又はそれ以上において示されている。というのは、本発明に従えば、各特徴は他の特徴と組み合わせることができるからである。当業者には別の具体例が認識されるだろうが、これも本発明の特許請求の範囲内に含められるものである。例えば、好適な第一層物質は、水素にかかわりを持つ用途に対して酸素の代わりに又は酸素と共にプロトンイオンを伝導することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明に従って異なる量の成分を有する膜の拡大写真である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明に従って異なる量の成分を有する膜の拡大写真である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明に従って異なる量の成分を有する膜の拡大写真である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、本発明に従って異なる量の成分を有する膜の拡大写真である。
【図２】図２は、図１Ａ〜図１Ｄに示される４種の膜の破壊強度を示すグラフである。
【図３】図３は、図１Ａ及び図１Ｄの膜についてＸ−線回折結果の結果を示すグラフである。
【図４】図４は、図１Ａ及び図１Ｄの膜について異なる温度での酸素輸送率を示すグラフである。
【図５】図５は、図１Ａ及び図１Ｄの膜について異なる反応性パージレベルでの酸素収束を示す図表である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明に従った他の膜の走査電子顕微鏡写真である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａに示される膜の表面エネルギー分散スペクトルである。
【図７】図７は、本発明に従って表面反応を向上させるための多孔質結晶質層を有する稠密固体電解質イオン輸送膜の拡大断面図である。
【図８】図８は、稠密膜の両側に表面反応を向上させるための多孔質結晶質層を有する稠密中実電解質イオン輸送膜複合体であって、複合体の機械的強度を向上させるために多孔質膜の片方が多孔質支持体の上に配置されたものの拡大断面図である。
【符号の説明】
７０１、８０１ 稠密固体電解質イオン伝導性膜
７０２、７０３、８０２、８０３ 多孔質被覆層
８０４、８０５ 支持層
Claims (5)
- 少なくとも１種のイオンを伝導するマトリクス物質と、
少なくとも１種の導電性成分（該成分は前記マトリクス物質から物理的に区別することができ、膜を横切って該成分を通る連続的電子伝導を阻止するような態様で存在する。）と、
を含む第一表面及び第二表面を有する固体電解質イオン輸送膜であって、
該導電性成分はマトリクス物質中に導入されて多相複合物質を形成してランダムに分布し、そして膜を横切る電子のパーコレーション限界よりも下になる態様で存在することを確実にするために３０容量％未満である、
ことを特徴とする固体電解質イオン輸送膜。 - 前記マトリクス物質が、電子伝導性及び酸素イオン伝導性の両方を示す混成導体である請求項１記載の膜。
- 前記成分が、銀、パラジウム、白金、金、ロジウム、ルテニウム、タングステン、タンタル、チタン、ニッケル、珪素、ランタニド、イットリウム、銅、コバルト、クロム、バナジウム、ジルコニウム、タンタル、マンガン、モリブデン、ニオブ、アルミニウム、鉄又はこれらの混合物よりなる群から選択される請求項１記載の膜。
- 膜の第一表面及び第二表面のうちの少なくとも１つの上に配置された多孔質被覆（ここで、該多孔質被覆は電子伝導性及び酸素イオン伝導性の両方を示す混成導体物質を含む。）を更に含む請求項１記載の膜。
- 膜の第一表面及び第二表面のうちの少なくとも１つの上に配置された多孔質被覆膜を更に含み、膜及び該多孔質被覆のうちの少なくとも１つが、膜の構造安定性を向上させるために多孔質支持体上に配置される請求項１記載の膜。
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