JP4153132B2 - ＬａＧａＯ３系電子−酸素イオン混合伝導体及びそれを用いた酸素透過膜 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬａＧａＯ₃系電子−酸素イオン混合伝導体（以下、単に「ＬａＧａＯ₃系混合伝導体」ともいう。）及びそれを用いた酸素透過膜に関する。更に詳しくは、ペロブスカイト型結晶構造を有するＬａＧａＯ₃系焼結体のＬａサイトの一部にＳｒ、Ｃａ及びＢａが固溶され、Ｇａサイトの一部にＦｅが固溶されており、優れた酸素イオン伝導性及び電子伝導性からなる混合イオン伝導性を具備するＬａＧａＯ₃系混合伝導体に関する。また、優れた耐還元性を有し、飛躍的に大きな酸素透過性を有するＬａＧａＯ₃系混合伝導体に関する。更に、このＬａＧａＯ₃系混合伝導体を利用した酸素透過膜に関する。本発明のＬａＧａＯ₃系混合伝導体は、センサ、電極、及び酸素透過膜等として使用することができる。更に、本発明の酸素透過膜は、炭化水素の部分酸化用酸素分離膜として使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
固体中の電子キャリアーには電子、ホール、イオンがある。本発明では、これらを同時に移動させることができるものを総称して電子−酸素イオン混合伝導体と称する。この電子−酸素イオン混合伝導体は、センサ、電極等への応用に加え、酸素透過膜への応用が期待されている。これまで、電子−酸素イオン混合伝導体としてＬａＣｏＯ₃系、ＬａＦｅＯ₃系、又はＳｅＦｅＯ₃系などの材料が知られている。しかし、これらの材料はいずれも酸素透過量が少ない。更に、電子−酸素イオン混合伝導体自身が還元され易く、低酸素分圧下における使用が困難である。
また、現在、ＣＨ₄を部分酸化することで合成ガスを製造する方法がメタンのアップ・グレーディングの観点より注目されている。この方法においては、供給される空気から酸素を分離する必要があり、ＣＨ₄−空気の広い酸素分圧下で安定に酸素を輸送できる材料が望まれている。
【０００３】
従来より、ＬａＧａＯ₃系焼結体は、酸素イオン伝導性の高い材料であり、耐還元性を有することが知られており、特開平９−１６１８２４号公報に開示されているように、ＬａＧａＯ₃系焼結体の両面に電極を形成することによって低温領域において優れた発電特性を有する固体電解質型燃料電池として利用することができる。また、このＬａＧａＯ₃系焼結体からなる固体電解質に電極を取り付け、外部回路を形成することで、酸素分圧の高い側から、低い側へ酸素を透過させることが可能となる。
【０００４】
更に、Chemistry of Materials １１（1999）2081−2088に開示されているように、ＬａＧａＯ₃のＧａサイトにＣｏを固溶させると電子伝導性が大きくなり、電圧を印加することなく酸素分圧の高い側から低い側に酸素を透過させることができることが知られている。しかし、酸素の透過量は１０００℃において約３０μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎと少ない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、優れた酸素透過性能を有し、且つ高い耐還元性を備えるＬａＧａＯ₃系混合伝導体を提供することを課題とする。そして、本発明は、電極を形成することなく、比較的低温においても酸素を透過させることができ、且つ、特にその酸素透過量が飛躍的に多い酸素透過膜を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のＬａＧａＯ₃系混合伝導体は、ペロブスカイト型結晶構造を有し、一般式（Ｌａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｇａ_１−ｙＦｅ_ｙ）Ｏ_{3 −δ}で表され、ＭはＳｒ、Ｃａ及びＢａのうちの少なくとも１種であり、ｘは０．２５〜０．４であり且つｙは０．２〜０．４５であることを特徴とする。
【０００７】
上記「ＬａＧａＯ₃系混合伝導体」は、ＬａＧａＯ₃を基本とするペロブスカイト型結晶格子からなり、この結晶格子中のＬａの一部は、Ｓｒ、Ｃａ及びＢａの少なくとも一種によって置換され、Ｇａの一部は、Ｆｅによって置換されている焼結体である。
本発明においては、ＬａサイトにＭを固溶させることにより酸素イオン伝導性を向上させ、ＧａサイトにＦｅを固溶させることにより電子伝導性を向上させることができ、それによって混合伝導体とすることができる。特に、同様な性質を有するＣｏと比べて、Ｆｅを固溶させた場合はＭの固溶量を増加させることができる。但し、本発明において「電子伝導性」はホール伝導性を含む意味に用いるものとする。
【０００８】
ペロブスカイト型結晶構造を有するＬａＧａＯ₃系混合伝導体において、Ｌａ及びＧａの酸化数は通常それぞれ＋３であるが、本発明のＬａＧａＯ₃系混合伝導体では、このＬａサイトに、安定な酸化数が＋２であるＭを固溶させることにより、結晶格子中に酸素欠陥が形成され、これにより酸素イオン伝導性が向上しているものと考えられる。また、Ｇａサイトに安定な酸化数が＋３であるＦｅを固溶させた場合、酸素分圧が高くなると、このＦｅの酸化数は＋４となりホールが形成される。これにより優れた電子伝導性が発現しているものと考えられる。
【０００９】
上記「Ｍ」としては、ＬａＧａＯ₃系混合伝導体の結晶中におけるイオン半径がＬａのそれに近い金属であることが好ましい。これによりＭは結晶中のＬａサイトに固溶しやすくなる。従って、ＭはＳｒ、Ｃａ及びＢａとすることができる。このことは、Ｇａ及びＦｅの結晶中のイオン半径についても同様である。
【００１０】
Ｍとしては、そのイオン半径が最もＬａのイオン半径に近いＳｒが好ましい。また、Ｌａサイトに固溶するＳｒの量比を表すｘは０．２５〜０．４である。
このｘが０．０５未満であるとＬａサイトにＭを固溶させたことによる効果が十分に得られないため好ましくない。このｘが０．６を超えると、固溶しないＭが酸化物等として混合伝導体中に析出し、別相を形成することにより、酸素イオン伝導性が十分に向上しないため好ましくない。
【００１１】
また、上記「ｙ」は、Ｇａサイトに固溶しているＦｅの量比を表わす。このｙは０．２〜０．４５であり、０．２５〜０．４５とすることが好ましい。このｙが０．２未満であるとＧａサイトにＦｅを固溶させたことによる効果が十分に得られないため好ましくない。このｙが０．６を超えると、固溶しないＦｅが酸化物等として混合伝導体中に析出し、別相を形成することにより、酸素イオン伝導性が十分に向上しないため好ましくない。
【００１２】
更に、これらｘ及びｙの値はそれぞれ、ｘは０．２５〜０．４、且つｙは０．２〜０．４５であり、ｘは０．２５〜０．４、且つｙは０．２５〜０．４５であることが好ましい。
尚、上記「δ」は、Ｌａサイト及びＧａサイトに固溶するＭ及びＦｅの量比により変化する値である。従って、「３−δ」は上記一般式における酸素原子が、ｍｏｌ比において正確に（Ｌａ_１−ｘＭ_ｘ）及び（Ｇａ_１−ｙＦｅ_ｙ）に対して３倍量が結晶格子中に含まれないことを表すものである。
【００１３】
このＬａＧａＯ₃系混合伝導体の酸素透過量は、特に限定されず大きいほど好ましく、１０００℃において測定した場合の酸素透過量（以下、Ｔ₁₀₀₀とも表す。）を３０μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎ以上とすることができる。更に、５０μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎ以上とすることができ、特に７０μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎ以上とすることができる。（最高値は、少なくとも９０μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎ以上である。
【００１４】
この酸素透過量は、本発明のＬａＧａＯ₃系混合伝導体を直径１５．７ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円盤状に成形し、この円盤の一面が流速５０ｃｃ／ｍｉｎの乾燥空気に接し、他面が流速５０ｃｃ／ｍｉｎの窒素に接する場合（以下、単に「窒素−空気系」という。）に、この乾燥空気側から窒素側へ透過する酸素の量を測定することにより求めた場合の値である。尚、この酸素透過量は、酸素分圧差に依存するため、一面がメタンに接し、他面が空気に接する場合（以下、単に「メタン−空気系」という。）は、２５０μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎ以上とすることができる。
【００１５】
また、このＬａＧａＯ₃系混合伝導体は窒素−空気系においては、ｘを０．２５、且つｙを０．４とすることにより、Ｔ₁₀₀₀は８０μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎ以上とすることができる。更に、ｘを０．３、且つｙを０．４とすることにより、Ｔ₁₀₀₀は９０μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎ以上とすることができる。
【００１６】
更に、本発明のＬａＧａＯ₃系混合伝導体は、高い耐還元性を有する。この耐還元性とは、還元雰囲気に曝された場合に混合伝導体が還元され難く、ＬａＧａＯ₃系混合伝導体の結晶構造を保つことができることをいう。この耐還元性は、ＬａＧａＯ₃系混合伝導体を還元性雰囲気に曝すことによる重量変化で評価することができる。この重量変化が少ないほど還元性雰囲気における安定性が高い。耐還元性は、示差熱分析（以下、単に「ＴＧ−ＤＴＡ」という。）により評価することができる。例えば、示差熱分析装置の試料皿にＬａＧａＯ₃系混合伝導体を載置し、一酸化炭素を１０体積％含有する窒素基準気体を毎分２００ｃｃで通過させながら加熱し、昇温させ、その重量変化を測定することにより評価することができる。
このような測定において、本発明のＬａＧａＯ₃系混合伝導体は３０〜９００℃まで昇温させた場合であっても、その重量変化は、０．１％以下（更には０．０９％以下）と低く、十分な耐還元性を有する。
【００１７】
本第１発明〜第２発明のＬａＧａＯ₃系混合伝導体では、ペロブスカイト型結晶構造を形成させるため、更に、Ｌａサイト及びＧａサイトに各元素を固溶させるため大きな熱エネルギーを必要とする。従って、比較的高温で２回以上の焼成を行うことが好ましい。具体的には、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｌａ、Ｇａ及びＦｅ等を含有する化合物からなる原料粉末を所定の割合に混合し、大気中で温度８００〜１２００℃にて３〜１０時間仮焼し、得られた仮焼物を粉末にし、これを成形した後、大気中で温度１３５０〜１５５０℃にて３〜１０時間焼成することにより得ることができる。また、この原料粉末として、各粉末が均一に混合された、分散性に優れたものを使用することが特に好ましい。
【００１８】
この均一分散は、各金属化合物からなる粉末を乳鉢等でよく混合することで達成することができる。この場合、各金属化合物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｇａ、Ｆｅのそれぞれの酸化物、炭酸塩、水酸化物、複合金属酸化物、複合金属炭酸塩、シュウ酸塩等の加熱によりＬａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｇａ、Ｆｅの各酸化物になる化合物を使用することできる。
【００１９】
また、共沈法を利用し原料粉末を調製することによっても各粉末をより均一分散させることができる。この共沈とは２種以上の金属イオン等が共存する溶媒から、これらの金属を含む化合物等を同時に沈殿させることであり、これを利用した共沈法によれば、これらの２種以上の金属元素を含む分散性に優れた混合粉末を生成させることができる。
共沈法において使用する溶媒としては、水、有機溶媒、及びその混合溶媒等を使用することができる。また、この金属イオンを生成する化合物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｇａ、Ｆｅの各硝酸塩、硫酸塩、塩化物等を溶媒に溶解して所定の条件下で共沈するものを使用することができる。有機溶媒を用いる場合には有機金属化合物を使用することもできる。
また、これらの金属イオンは、▲１▼水酸化ナトリウム等のアルカリ又はアンモニア等の添加、▲２▼大量の水の添加による加水分解、▲３▼有機溶媒の添加、及び必要に応じて加熱する等により沈殿させることができる。
【００２０】
また、本発明のＬａＧａＯ₃系混合伝導体は、図２に示すように混合伝導体中に空孔を有する。この空孔の直径は、０．５〜３０μｍであり、この空孔が大きすぎたり、多すぎたりすると、即ち、緻密度が低いと機械的強度が低下するため好ましくなく、また、十分な気密性が保たれず、気体自体がこの混合伝導体を通過するため好ましくない。
尚、本発明のＬａＧａＯ₃系混合伝導体では、ｘが０．０５〜０．６、且つｙが０．２〜０．６である場合、理論密度の９５％以上にまで焼結させることができる。その結果、密度は６ｇ／ｃｍ³以上（更には６．５以上、特に７以上）とすることができる。
【００２１】
本発明の酸素透過膜は、ペロブスカイト型結晶構造を有し、一般式（Ｌａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｇａ_１−ｙＦｅ_ｙ）Ｏ_{3 −δ}で表され、ＭはＳｒ、Ｃａ及びＢａのうちの少なくとも１種であり、ｘは０．２５〜０．４であり且つｙは０．２〜０．４５であるＬａＧａＯ_３系混合伝導体からなり、該ＬａＧａＯ_３系混合伝導体に電極を形成することなく、酸素分圧の高い面から低い面に向かって酸素を透過させることができることを特徴とする。
【００２２】
上記「酸素透過膜」の厚さ及び形状等は特に限定されない。この厚さが小さくなるほど、単位時間当たりの酸素透過量は大きくすることができるが、通常、１０〜３０００μｍであることが好ましく、薄いほど好ましい。この酸素透過膜は、例えば所定の基体表面に形成されて使用することができる。
【００２３】
この酸素透過膜における酸素の透過は、この膜間に酸素分圧差が生ずれば起こるものであり、特に、低温においてもこの透過が起きることが好ましい。この酸素分圧は、酸素透過膜間の酸素分圧の高い面（酸素が浸入する面）における分圧が、酸素分圧の低い面（酸素が放出される面）における分圧に対して１０倍以上であるとよく、１０⁵倍以上であることが好ましく、１０¹⁰倍以上であることがより好ましい。これにより多くの酸素を透過させることができる。
更に、電極を形成することにより、酸素透過量を向上させることもできる。この電極としては、Ａｇ及びＰｔ等の金属、ＬａＮｉＯ₃系酸化物、ＬａＣｏＯ₃系酸化物及びＬａＦｅＯ₃系酸化物等を挙げることができる。
【００２４】
この酸素透過膜の酸素透過量は、特に限定されないが、この量は大きいほど好ましく、例えば前記のような測定方法により、窒素−空気系において測定したＴ１０００は、３０μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎ以上とすることができ、更にＴ１０００は５０μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎ以上とすることができ、特に８０μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎ以上とすることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
実施例１（組成による評価）
▲１▼ＬａＧａＯ₃系混合伝導体の作製
市販されている純度９９％以上のＬａ₂Ｏ₃、ＳｒＣＯ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃の各粉末を、一般式（Ｌａ_1-xＳｒ_x）（Ｇａ_1-yＦｅ_y）Ｏ_{3- δ}におけるｘおよびｙを表１の実験例１〜５ような化学量論比になるように秤量し、アルミナ乳鉢を用いて１時間乾式混合した。得られた原料粉末をアルミナるつぼに入れて、大気中で温度１０００℃において６時間仮焼した。
【００２６】
【表１】

【００２７】
得られた仮焼粉末をアルミナ乳鉢でよく粉砕した後、この粉末を金型にて円盤状に成形した。この成形体をポリウレタン製の袋に入れ脱気し真空を保った。これを２．７トンに加圧しながら１５分間、ＣＩＰ（等方静水圧プレス）を施した。その後、大気雰囲気において、温度１５００℃で６時間焼成し、直径が約１６ｍｍで、厚さが０．６ｍｍの５種類のＬａＧａＯ₃系混合伝導体を得た。
【００２８】
▲２▼酸素透過性評価
上記のようにして得られた実験例１〜５のＬａＧａＯ₃系混合伝導体の表面を研磨し、各々ムライト製の円筒管１１ａ及び１１ｂの間に耐熱ガラス製のパッキン３を用いて挟着し、試験体１ａ（図３参照）を作製した。この試験体を更に保熱装置内に設置し、酸素透過量の測定を行った。導入口１２ａ（直径１０ｍｍ）より乾燥空気を流量５０ｃｃ／分で供給し、導入口１３ａより窒素を流量５０ｃｃ／分で供給し、管１１ａ及び１１ｂ（長さ５０ｃｍ、直径１７ｃｍ）の温度を表１に示す７００℃、８００℃、９００℃及び１０００℃に３０分間保ち、排出口１３ｂ（直径１０ｍｍ）より排出される窒素中の酸素量をモレキュラーシーブをカラムとして用いたガスクロマトグラフにより測定した。この結果を表１に併記する。また、実験例１〜４のＬａＧａＯ₃混合伝導体のＸ線回折チャートを図１に、実施例３のＬａＧａＯ₃混合伝導体の表面を鏡面研磨し、撮影した１０００倍の電子顕微鏡写真を図２に、酸素透過量と温度の相関を図４に、酸素透過量とｙ＝０．４であるＬａＧａＯ₃系混合伝導体のｘとの相関を図５に各々示す。
【００２９】
図１より、特定のピークのみが観測されることからＬａＧａＯ₃系混合伝導体が生成されていることが分かる。更に、この混合伝導体は結晶化のよく進んだものであることが分かる。このことは、図２において１〜１０μｍの僅かな空隙しか認められないことからも分かる。
【００３０】
また、表１、図４及び図５より、ｘ＝０．４、ｙ＝０．４、装置温度９００℃では酸素透過量が６５．１μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎであり、１０００℃においては８６．１μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎに達していることが分かる。特に、ｘ＝０．３、ｙ＝０．４、装置温度９００℃では酸素透過量が６４．８μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎであり、１０００℃においては８９．１μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎに達しており、極めて優れた酸素透過性を有することが分かる。
【００３１】
実施例２（膜厚による評価）
▲１▼ＬａＧａＯ₃系混合伝導体の作製
実施例１の実験例３と同様にして、一般式（Ｌａ_1-xＳｒ_x）（Ｇａ_1-yＦｅ_y）Ｏ_{3- δ}におけるｘ＝０．３及びｙ＝０．４であり、直径約１６ｍｍ、厚さ０．３３、０．５ｍｍ、０．６６ｍｍ、１．０ｍｍの４種類のＬａＧａＯ₃系混合伝導体を得た。
【００３２】
▲２▼酸素透過性評価
実施例１と同様な方法により酸素透過量を測定し、その酸素透過量と膜厚の相関を図６示した。
【００３３】
図６より、膜厚は薄い方がより酸素透過量が多いことが分かる。特に、膜厚が０．３３ｍｍであれば、装置温度９００℃では酸素透過量が５１μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎであり、１０００℃においては７３μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎに達していることが分かる。
【００３４】
実施例３（耐還元性の評価）
示差熱重量測定装置（リガク社製、型式「サーモプラス」）の白金からなる試料皿に、実施例１において作製した実験例３（ｘ＝０．３、ｙ＝０．４）のＬａＧａＯ₃系混合伝導体２０．２１１ｍｇを載置した。その後、毎分１０℃ずつ昇温させながら、一酸化炭素を１０体積％含有する窒素基準の気体を毎分２００ｃｃの流速で混合伝導体に接触するように通過させながら重量変化及び熱量変化を測定した。この結果を図７に示す。
【００３５】
図７より、３００℃付近から６８０℃付近まで僅かながら重量が減少しており、熱量も同様な温度において吸熱となっている。これは、この温度において混合伝導体中のＦｅが４価から３価に還元されることにより、酸素が脱離したことを表す。しかし、その重量変化は０．１重量％と小さく、更に、６８０℃より高温においては重量変化及び熱量変化がほとんど無い。従って、本発明のＬａＧａＯ₃系混合伝導体は、高い耐還元性を有することが分かる。
【００３６】
実施例４（共沈法を利用した実施例）
純水にＬａ、Ｓｒ、Ｇａ及びＦｅのそれぞれの硝酸塩を溶解し、アンモニアにより調製したアルカリ性溶液を滴下し、各金属元素を含む沈殿を得た。この沈殿を乾燥し原料粉末を得た。この原料粉末をアルミナるつぼに入れて、大気中で温度６００〜８００℃において６時間仮焼し、仮焼粉末を得た。この仮焼粉末１ｋｇとエタノール１リットルと窒化珪素製玉石３．８ｋｇを容量４．８リットルの樹脂製ポットに投入し、１６時間湿式粉砕した。粉砕後の泥しょうをステンレスボールに移し、湯せんによりエタノールを除去し、６０メッシュのふるいを通し、原料粉末を調製した。その後、実施例１と同様にしてＬａＧａＯ₃系混合伝導体を得た。
【００３７】
実施例５（酸素透過膜の炭化水素部分酸化器としての使用）
▲１▼反応器の作製
実施例１と同様にして直径１５．７ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、密度６．６９ｇ／ｃｍ³（理論密度の９５％以上に緻密化されている）のＬａＧａＯ₃系混合伝導体を得た。このＬａＧａＯ₃系混合伝導体からなる酸素透過膜の一面にＬａ_0.6Ｓｒ_0.4ＣｏＯ₃（図８における６ａ、直径８ｍｍの面に塗布）を、他面に炭化水素の部分酸化触媒としてＮｉを塗布（図８における６ｂ、直径８ｍｍの面に塗布）した。更に、図８に示すように、実施例１の試験体と同様のムライト製の円筒管１１ａ及び１１ｂの間にパイレックス製のパッキン３を用いて挟着し、反応器１ｂを得た。
【００３８】
▲２▼炭化水素部分酸化活性評価
この反応器を更に保熱装置内に設置し、炭化水素部分酸化活性の評価を行った。導入口１２ａ（直径１０ｍｍ）より乾燥空気を流量５０ｃｃ／分で供給した。そして、導入口１３ａよりメタンと窒素の２：１混合気を流量５０ｃｃ／分で供給し、管１１ａ及び１１ｂ（長さ５０ｃｍ、直径１７ｃｍ）の温度を７００℃、８００℃、９００℃及び１０００℃に３０分間保ち、各温度において排出口１３ｂ（直径１０ｍｍ）より排出される気体をガスクロマトグラフにより分析した。それにより得られたメタンの転化率、一酸化炭素、水素及び二酸化炭素の収率、酸素透過量を表２に示す。
【００３９】
【表２】

【００４０】
この評価においては、炭素を生成することなく、ＣＯ／Ｈ₂＝１／２の合成ガスを５０％以上の高い収率で得ることができた。特に、メタン−空気系である本実施例における酸素透過量は極めて多く、Ｔ₁₀₀₀＝３９９．６２μｍｏｌ／ｃｍ²・ｍｉｎであった。
【００４１】
実施例６（酸素透過膜の炭化水素部分酸化器としての使用）
▲１▼管状反応器の作製
実施例１と同様の方法で得た粉末を所定のゴム型にて１．５トンに加圧しながら１５分間ＣＩＰ（等方静水圧プレス）を施し、大気雰囲気において、温度１５００℃において６時間焼成し、外径１４ｍｍ、内径１０ｍｍ、長さ４００ｍｍの管状体を得た。
【００４２】
▲２▼炭化水素部分酸化活性評価
上記のようにして得られた管状体を用いて図９に示すような管型反応器１ｃを作製した。上記管状体からなる内管４と、ムライトからなる外管５の間には、毎分５０ｃｃとなるように空気を流入させた。また、内管内には粒状のＮｉ系触媒６ａを充填した。この装置を温度８００〜１０００℃に加熱しながら、内管の一端からメタンを流入させ、他端から流出する気体を、ガスクロマトグラフにより分析したところ、先の例に示すのとほぼ同じ結果が得られた。この結果、本発明のＬａＧａＯ₃系混合伝導体を酸素透過膜を空気分離材として使用することができることが分かる。
【００４３】
尚、本発明においては、上記の具体的な実施例に示すものに限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることがでる。即ち、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｇａ、Ｆｅ以外にも、酸素透過性等に実質的に影響を及ぼさない範囲で他の成分等、或いは、不可避不純物等が含まれてもよい。
また、本発明の酸素透過膜は、高酸素分圧側の表面、又は酸素透過膜の両表面を、十分な気密性が保たれ、導入した気体自体が通過しない程度に多孔質性にすることもできる。これにより酸素の接触する表面積を増やすことができる。
【００４４】
更に、本発明のＬａＧａＯ₃系混合伝導体を用いた炭化水素部分酸化反応器においては、管状体１本のみで使用するだけでなく、これらを集めた集管体（ハニカム状体）とすることができる。このような集管体では、隣り合う管ごとに各々炭化水素又は空気（酸素のみでもよい）を通過させることにより、改質効率を大幅に向上させることができる。この管状体の断面形状も円形だけでなく、より隣り合う管状体との接触面積を増やすことのできる３〜６角形とすることができる。更に、内部に充填する触媒もＮｉ系触媒だけでなく、ロジウム系触媒等を使用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によると、ＬａサイトにＳｒ、Ｃａ及び／又はＢａを固溶させることで、酸素イオン伝導性が向上し、ＧａサイトにＦｅを固溶させることで、電子伝導性が向上したＬａＧａＯ_３系混合伝導体を得ることができる。更に、この両伝導性を向上することにより、酸素透過量が極めて大きなＬａＧａＯ_３系混合伝導体を得ることができる。加えて、耐還元性の高いＬａＧａＯ_３系混合伝導体とすることができる。本発明によると、本発明のＬａＧａＯ_３系混合伝導体を使用することで、電極を形成することなく、所定の温度において、酸素の分圧差があれば酸素を透過させることができる酸素透過膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験例１〜４のＬａＧａＯ₃系混合伝導体のＸ線回折チャートである。
【図２】実験例３のＬａＧａＯ₃系混合伝導体の倍率１０００倍の電子顕微鏡写真である。
【図３】実施例１及び２で使用した酸素透過量測定に用いた試験体の模式図である。
【図４】実験例１、３、５のＬａＧａＯ₃系混合伝導体の酸素透過量と温度との相関を表すグラフである。
【図５】実験例１〜４のＬａＧａＯ₃系混合伝導体の酸素透過量とでＳｒの固溶量（ｘ）との相関示すグラフである。
【図６】実施例２における酸素透過量と膜厚との相関を示すグラフである。
【図７】実施例３における示差熱重量分析の結果を示すグラフである。
【図８】実施例５で使用した炭化水素部分酸化器を模式的に示す断面図である。
【図９】実施例６で使用した炭化水素部分酸化器を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１ａ；試験体、１ｂ；反応器、１ｃ；管状反応器、１１ａ及び１１ｂ；円筒管、１２ａ及び１３ａ；導入口、１２ｂ及び１３ｂ；排出口、２；ＬａＧａＯ₃系混合伝導体（酸素透過膜）、３；封止材、４；内管（酸素透過膜）、５；外管、６ａ；Ｎｉ系触媒、６ｂ；Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4ＣｏＯ₃。

Claims (8)

1. ペロブスカイト型結晶構造を有し、一般式（Ｌａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｇａ_１−ｙＦｅ_ｙ）Ｏ_{3 −δ}で表され、ＭはＳｒ、Ｃａ及びＢａのうちの少なくとも１種であり、ｘは０．２５〜０．４であり且つｙは０．２〜０．４５であることを特徴とするＬａＧａＯ_３系電子−酸素イオン混合伝導体。
2. 上記ＭはＳｒである請求項１記載のＬａＧａＯ_３ 系電子−酸素イオン混合伝導体。
3. 上記ｙは、０．３〜０．４である請求項１又は２に記載のＬａＧａＯ _３ 系電子−酸素イオン混合伝導体。
4. ペロブスカイト型結晶構造を有し、一般式（Ｌａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｇａ_１−ｙＦｅ_ｙ）Ｏ_{3 −δ}で表され、ＭはＳｒ、Ｃａ及びＢａのうちの少なくとも１種であり、ｘは０．２５〜０．４であり且つｙは０．２〜０．４５であるＬａＧａＯ_３系電子−酸素イオン混合伝導体からなり、該ＬａＧａＯ_３系電子−酸素イオン混合伝導体に電極を形成することなく、酸素分圧の高い面から低い面に向かって酸素を透過させることができることを特徴とする酸素透過膜。
5. 上記ＭはＳｒである請求項４記載の酸素透過膜。
6. 上記ｙは、０．３〜０．４である請求項４又は５に記載の酸素透過膜。
7. 酸素分圧の高い面における分圧を、酸素分圧の低い面における分圧に対して１０倍以上にして用いられる請求項４乃至６のうちのいずれかに記載の酸素透過膜。
8. 電極を備える請求項４乃至７のうちのいずれかに記載の酸素透過膜。

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