JP5204816B2 - Oxygen separation membrane element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、酸素分離膜エレメント及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an oxygen separation membrane element and a manufacturing method thereof.
酸素イオン(典型的にはO2−;酸化物イオンとも呼ばれる。)伝導性を有する酸素イオン伝導体として、いわゆるペロブスカイト型構造の酸化物セラミックスやパイロクロア型構造の酸化物セラミックスが知られている。特に、酸素イオン伝導体であることに加え、電子伝導性を兼ね備えた酸素イオン‐電子混合伝導体(以下、単に「混合伝導体」という。)であるペロブスカイト型酸化物から成る緻密なセラミック材、典型的には膜状に形成されたセラミック材は、その両面を短絡させるための外部電極や外部回路を用いることなく一方の面から他方の面に連続して酸素イオンを透過させることができる。このため、一方の面に供給された酸素含有ガス(空気等)から酸素を他方の面に選択的に透過させる酸素分離材として、特に使用温度が800〜1000℃というような高温域で好適に利用することができる。 As oxygen ion conductors having oxygen ions (typically O 2− ; also called oxide ions) conductivity, so-called perovskite type oxide ceramics and pyrochlore type oxide ceramics are known. In particular, in addition to being an oxygen ion conductor, a dense ceramic material made of a perovskite oxide that is an oxygen ion-electron mixed conductor (hereinafter simply referred to as a “mixed conductor”) that has electronic conductivity, Typically, a ceramic material formed in a film shape can continuously transmit oxygen ions from one surface to the other surface without using an external electrode or an external circuit for short-circuiting both surfaces thereof. For this reason, as an oxygen separator that selectively permeates oxygen from the oxygen-containing gas (air or the like) supplied to one surface to the other surface, it is particularly suitable in a high temperature range where the operating temperature is 800 to 1000 ° C. Can be used.
例えば、ペロブスカイト型酸化物等の混合伝導体から構成される酸素分離膜を多孔質支持体上に備えた酸素分離材(酸素分離膜エレメント)は、深冷分離法やPSA(Pressure Swing Adsorption)法に代わる有効な酸素精製手段として好適に使用することができる。或いはまた、かかる構成の酸素分離膜エレメントは、一方の面から他方の面に供給された酸素イオンによって当該他方の面に供給された炭化水素(メタンガス等)を酸化させて合成液体燃料(メタノール等)を製造するGTL(Gas To Liquid)技術、或いは燃料電池分野で好適に使用することができる。この種の従来技術として、特許文献1,2には、ペロブスカイト型酸化物から構成された酸素分離膜を備える酸素分離材(膜エレメント)の好例が開示されている。 For example, an oxygen separation material (oxygen separation membrane element) having an oxygen separation membrane composed of a mixed conductor such as a perovskite oxide on a porous support is a cryogenic separation method or a PSA (Pressure Swing Adsorption) method. It can be suitably used as an effective oxygen purification means instead of the above. Alternatively, the oxygen separation membrane element having such a configuration oxidizes hydrocarbons (methane gas or the like) supplied to the other surface by oxygen ions supplied from one surface to the other surface to synthesize liquid fuel (methanol or the like). Can be suitably used in the GTL (Gas To Liquid) technology for manufacturing the fuel cell, or in the fuel cell field. As this type of prior art, Patent Documents 1 and 2 disclose a good example of an oxygen separator (membrane element) including an oxygen separation membrane made of a perovskite oxide.
ところで、酸素分離膜は酸素イオンの膜内透過距離が短くなるように薄く形成することが望ましく、近年、酸素分離膜の薄膜化が試みられている。しかしながら、酸素分離膜が薄い場合は、酸素分離膜に少量の気孔(ピンホールや亀裂などの欠陥)が存在すると、気孔同士が連通した貫通孔になりやすい。そのため、薄膜化に伴い、酸素分離膜の気密性の確保が難しくなり、リーク(ガス漏れ)が生じやすいという問題があった。 By the way, it is desirable that the oxygen separation membrane is formed thin so that the permeation distance of oxygen ions in the membrane is shortened. In recent years, attempts have been made to reduce the thickness of the oxygen separation membrane. However, when the oxygen separation membrane is thin, if there are a small amount of pores (defects such as pinholes and cracks) in the oxygen separation membrane, the pores tend to be through holes. For this reason, as the film thickness is reduced, it is difficult to ensure the airtightness of the oxygen separation membrane, and there is a problem that leakage (gas leakage) tends to occur.
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、気密性の高い酸素分離膜を備える酸素分離膜エレメント及びその製造方法を提供することである。 This invention is made | formed in view of this point, The main objective is to provide an oxygen separation membrane element provided with an oxygen separation membrane with high airtightness, and its manufacturing method.
本発明によって提供される製造方法は、多孔質支持体表面部の少なくとも一部に、酸素イオン伝導性を有する酸素分離膜が形成されている酸素分離膜エレメントを製造する製造方法である。 The production method provided by the present invention is a production method for producing an oxygen separation membrane element in which an oxygen separation membrane having oxygen ion conductivity is formed on at least a part of a surface portion of a porous support.
この製造方法は、一般式:Ln1−xAexCo1−yMyO3
ここで式中、Lnはランタノイドから選ばれる少なくとも1種であり、AeはSr、Ca及びBaからなる群から選ばれる1種又は2種以上の組み合わせであり、MはMg、Mn、Ga、Ti、Ni、Al、Fe、Cu、In、Sn、Zr、V、Cr、Zn、Ge、Sc及びYからなる群から選ばれる1種又は2種以上の組み合わせであり、xは0<x<1を満たす実数であり、yは0<y<1を満たす実数である;
で示されるペロブスカイト型酸化物を含む多孔質支持体用原料粉末であって、平均粒径10μm以上の原料粉末を所定形状の成形体に成形する工程と、
該成形体の表面部の少なくとも一部に、一般式:Ln1−xAexCo1−yMyO3
ここで式中、Lnはランタノイドから選択される少なくとも1種であり、AeはSr、Ca及びBaからなる群から選ばれる1種又は2種以上の組み合わせであり、MはMg、Mn、Ga、Ti、Ni、Al、Fe、Cu、In、Sn、Zr、V、Cr、Zn、Ge、Sc及びYからなる群から選ばれる1種又は2種以上の組み合わせであり、xは0<x<1を満たす実数であり、yは0<y<1を満たす実数である;
で示されるペロブスカイト型酸化物から実質的に構成される酸素分離膜を形成するための前駆体を付与する工程と、
前記成形体及び前記前駆体を1150℃〜1250℃の温度域にて24時間以上同時焼成することにより多孔質支持体及びその表面部に酸素分離膜を形成する工程と、
を包含する。
This manufacturing method has the general formula: Ln 1-x A e x Co 1- y My O 3
Here, in the formula, Ln is at least one selected from lanthanoids, Ae is one or a combination of two or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Ba, and M is Mg, Mn, Ga, Ti. , Ni, Al, Fe, Cu, In, Sn, Zr, V, Cr, Zn, Ge, Sc and Y, or a combination of two or more, and x is 0 <x <1 Y is a real number satisfying 0 <y <1;
A raw material powder for a porous support containing a perovskite type oxide represented by a step of forming a raw material powder having an average particle size of 10 μm or more into a molded body having a predetermined shape;
At least a portion of the surface of the molded article, the general formula: Ln 1-x Ae x Co 1-y M y O 3
Here, in the formula, Ln is at least one selected from lanthanoids, Ae is one or a combination of two or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Ba, and M is Mg, Mn, Ga, Ti, Ni, Al, Fe, Cu, In, Sn, Zr, V, Cr, Zn, Ge, Sc, and a combination of two or more selected from the group consisting of Y, and x is 0 <x < A real number satisfying 1 and y is a real number satisfying 0 <y <1;
A step of providing a precursor for forming an oxygen separation membrane substantially composed of a perovskite oxide represented by:
A step of forming an oxygen separation membrane on the porous support and its surface by co-firing the molded body and the precursor in a temperature range of 1150 ° C. to 1250 ° C. for 24 hours or more;
Is included.
本発明の製造方法によれば、前記成形体及び前駆体を1150℃〜1250℃の温度域にて24時間以上同時焼成することにより多孔質支持体及びその表面部に酸素分離膜を形成するので、機械的強度及び酸素分離性能に優れた酸素分離エレメントを製造することができる。
前記焼成温度が低すぎると焼結が飽和しないため、酸素分離膜の緻密性が低下する虞がある。一方、焼成温度が高すぎると、焼成時にコバルト(Co)が分解するため、酸素分離膜の組成が変動する場合がある。従って、前記焼成温度は概ね1150℃〜1250℃が適当であり、好ましくは1180℃〜1240℃であり、特に好ましくは1180℃〜1220℃である。また、上記のように焼成温度が1150℃〜1250℃の範囲内であっても焼成時間が短すぎると、材料中の結晶格子内を酸素が十分に拡散しないため、酸素分離膜の緻密性が低下する虞がある。従って、酸素分離膜の緻密性向上の観点からは、前記成形体及び前駆体の焼成時間は24時間以上(例えば24〜500時間)が適当である。このような焼成温度及び焼成時間の範囲内であると、酸素分離膜として好適な相対密度(例えば97%以上、好ましくは98%以上、特に好ましくは99%以上)を有する気密性の高い酸素分離膜を安定して(Coの分解による組成変動なしで)得ることができる。
According to the production method of the present invention, since the molded body and the precursor are co-fired in a temperature range of 1150 ° C. to 1250 ° C. for 24 hours or more, an oxygen separation membrane is formed on the porous support and its surface portion. An oxygen separation element having excellent mechanical strength and oxygen separation performance can be produced.
If the firing temperature is too low, sintering does not saturate, which may reduce the density of the oxygen separation membrane. On the other hand, if the firing temperature is too high, cobalt (Co) is decomposed during firing, so the composition of the oxygen separation membrane may vary. Accordingly, the firing temperature is generally 1150 ° C. to 1250 ° C., preferably 1180 ° C. to 1240 ° C., particularly preferably 1180 ° C. to 1220 ° C. In addition, even if the firing temperature is in the range of 1150 ° C. to 1250 ° C. as described above, if the firing time is too short, oxygen does not sufficiently diffuse in the crystal lattice in the material, so that the density of the oxygen separation membrane is low. May decrease. Therefore, from the viewpoint of improving the density of the oxygen separation membrane, the firing time of the molded body and the precursor is appropriately 24 hours or longer (for example, 24 to 500 hours). Within such a range of firing temperature and firing time, a highly airtight oxygen separation having a relative density suitable for an oxygen separation membrane (for example, 97% or more, preferably 98% or more, particularly preferably 99% or more). A film can be obtained stably (without composition fluctuation due to Co decomposition).
さらに好ましくは、前記成形体及び前記前駆体を50時間〜500時間同時焼成する。前記焼成時間が長すぎると、酸素分離膜だけでなく多孔質支持体も緻密化するため、多孔質支持体のガス(酸素)透過性の確保ができない場合がある。一方、焼成時間が短すぎると、多孔質支持体の気孔率が大きくなりすぎるため、多孔質支持体の機械的強度及び耐久性が低下することがある。従って、多孔質支持体のガス透過性及び機械的強度向上の観点からは、前記成形体及び前駆体の焼成時間は50時間〜500時間が適当であり、好ましくは50時間〜300時間であり、特に好ましくは50時間〜100時間である。このような焼成時間の範囲内であると、多孔質支持体として好適な気孔率(例えば10%〜30%、より好ましくは10%〜25%、特に好ましくは18%〜25%)を有する多孔質支持体を安定して容易に得ることができる。 More preferably, the molded body and the precursor are co-fired for 50 hours to 500 hours. If the firing time is too long, not only the oxygen separation membrane but also the porous support is densified, and thus the gas (oxygen) permeability of the porous support may not be ensured. On the other hand, if the firing time is too short, the porosity of the porous support becomes too large, and the mechanical strength and durability of the porous support may be lowered. Therefore, from the viewpoint of improving gas permeability and mechanical strength of the porous support, the firing time of the molded body and the precursor is appropriately 50 hours to 500 hours, preferably 50 hours to 300 hours, Especially preferably, it is 50 hours-100 hours. Within such a firing time range, the porous material has a porosity suitable for the porous support (for example, 10% to 30%, more preferably 10% to 25%, particularly preferably 18% to 25%). A quality support can be obtained stably and easily.
本発明の製造方法によれば、前記成形体及び前駆体を同時焼成することにより多孔質支持体及びその表面部に酸素分離膜を形成するので、多孔質支持体と酸素分離膜とが積層された酸素分離エレメントを効率よく(生産性よく)製造することができる。また、その際の焼成温度および焼成時間を上記のように適切に選択することにより、多孔質支持体の適度な気孔率を保ちつつ、酸素分離膜のみを効果的に緻密化することができる。そのため、機械的強度及び酸素分離性能に優れた最適な酸素分離エレメントを好適に製造することができる。 According to the production method of the present invention, the porous support and the oxygen separation membrane are formed on the surface portion by co-firing the molded body and the precursor, so that the porous support and the oxygen separation membrane are laminated. The oxygen separation element can be manufactured efficiently (with high productivity). Further, by appropriately selecting the firing temperature and firing time at that time as described above, it is possible to effectively densify only the oxygen separation membrane while maintaining an appropriate porosity of the porous support. Therefore, an optimal oxygen separation element excellent in mechanical strength and oxygen separation performance can be suitably produced.
ここに開示される好ましい酸素分離膜エレメント製造方法の一態様では、前記酸素分離膜を10μm〜50μmの膜厚に形成する。このような所定の範囲内の膜厚を有することにより、酸素イオン伝導性に優れた酸素分離膜を得ることができる。従って、酸素分離性能に特に優れた酸素分離エレメントを製造することができる。 In one aspect of the preferred oxygen separation membrane element manufacturing method disclosed herein, the oxygen separation membrane is formed to a thickness of 10 μm to 50 μm. By having a film thickness within such a predetermined range, an oxygen separation membrane excellent in oxygen ion conductivity can be obtained. Therefore, an oxygen separation element that is particularly excellent in oxygen separation performance can be produced.
また、本発明は、ここに開示されるいずれかの製造方法により製造された酸素分離膜エレメントを提供する。即ち、多孔質支持体表面部の少なくとも一部に、酸素イオン伝導性を有する酸素分離膜を形成した酸素分離膜エレメントであって、前記多孔質支持体及び前記酸素分離膜は、一般式:Ln1−xAexCo1−yMyO3
ここで式中、Lnはランタノイドから選択される少なくとも1種であり、AeはSr、Ca及びBaからなる群から選ばれる1種又は2種以上の組み合わせであり、MはMg、Mn、Ga、Ti、Ni、Al、Fe、Cu、In、Sn、Zr、V、Cr、Zn、Ge、Sc及びYからなる群から選ばれる1種又は2種以上の組み合わせであり、xは0<x<1を満たす実数であり、yは0<y<1を満たす実数である;
で示される複合酸化物から実質的に構成されている。好ましくは、前記一般式中のMがNiである。そして、前記酸素分離膜の相対密度が97%以上であり、かつ、前記多孔質支持体の気孔率(例えば水銀圧入法に基づく。以下同じ。)が10%〜30%(好ましくは10%〜25%)である。
The present invention also provides an oxygen separation membrane element manufactured by any of the manufacturing methods disclosed herein. That is, an oxygen separation membrane element in which an oxygen separation membrane having oxygen ion conductivity is formed on at least a part of a surface portion of a porous support, wherein the porous support and the oxygen separation membrane have the general formula: Ln 1-x Ae x Co 1- y M y O 3
Here, in the formula, Ln is at least one selected from lanthanoids, Ae is one or a combination of two or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Ba, and M is Mg, Mn, Ga, Ti, Ni, Al, Fe, Cu, In, Sn, Zr, V, Cr, Zn, Ge, Sc, and a combination of two or more selected from the group consisting of Y, and x is 0 <x < A real number satisfying 1 and y is a real number satisfying 0 <y <1;
It is substantially comprised from the complex oxide shown by these. Preferably, M in the general formula is Ni. And the relative density of the said oxygen separation membrane is 97% or more, and the porosity (For example, based on mercury intrusion method. The same is the following.) Of the said porous support body is 10%-30% (preferably 10%- 25%).
このように酸素分離膜が所定値以上の相対密度を有することにより、ピンホールや亀裂などの欠陥(気孔)が少なく、ガスリークが生じにくくなる。また、多孔質支持体が所定の範囲内の気孔率を有することにより、適当な機械的強度と良好なガス(酸素)透過性とを両立することができる。従って、本発明によれば、機械的強度及び酸素分離性能に優れた最適な酸素分離膜エレメントを提供することができる。 Thus, when the oxygen separation membrane has a relative density equal to or higher than a predetermined value, there are few defects (pores) such as pinholes and cracks, and gas leakage hardly occurs. Further, when the porous support has a porosity within a predetermined range, it is possible to achieve both appropriate mechanical strength and good gas (oxygen) permeability. Therefore, according to the present invention, an optimum oxygen separation membrane element excellent in mechanical strength and oxygen separation performance can be provided.
以下、本発明による実施の形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。 Embodiments according to the present invention will be described below. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.
本発明の酸素分離膜エレメントに係る酸素分離膜は、一般式:Ln1−xAexCo1−yMyO3で示される酸素イオン伝導性を有するペロブスカイト型酸化物から実質的に構成されている。 Oxygen separation membrane according to the oxygen separation membrane element of the present invention have the general formula: consist essentially Ln 1-x Ae x Co 1 -y M y perovskite oxide having oxygen ion conductivity represented by O 3 ing.
ここで、上記一般式中のLnはランタノイドから選択される少なくとも1種の元素であり、典型的にはランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)のうちのいずれか1種又は2種以上であり、特に好ましくはLaである。また、上記一般式中のAeは、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)及びバリウム(Ba)のうちの1種または2種以上の元素である。このうち、Sr又はCaあるいはSrとCaとの2種の組み合わせが好ましく、かかる元素の含有率の高い組成のものが好適である。特に、AeがSrであるか、あるいはSrの含有率が高いこと(例えば、Ae中においてSrが50モル%以上含まれていること)が好適である。また、上記一般式中のMとしては、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)、ガリウム(Ga)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)、銅(Cu)、インジウム(In)、錫(Sn)、ジルコニウム(Zr)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、亜鉛(Zn)、ゲルマニウム(Ge)、スカンジウム(Sc)及びイットリウム(Y)のうちの1種または2種以上の元素である。このうち、Mn、Ni、Fe、Cu又はCrのうちのいずれか、あるいはこれらのいずれか2種の組み合わせが好ましい。 Here, Ln in the above general formula is at least one element selected from lanthanoids, and typically lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm 1), or two or more thereof, particularly preferably La. Ae in the above general formula is one or more elements of strontium (Sr), calcium (Ca), and barium (Ba). Among these, Sr or Ca or two combinations of Sr and Ca are preferable, and a composition having a high content of such elements is preferable. In particular, it is preferable that Ae is Sr or that the content of Sr is high (for example, 50% or more of Sr is contained in Ae). Moreover, as M in the above general formula, magnesium (Mg), manganese (Mn), gallium (Ga), titanium (Ti), nickel (Ni), aluminum (Al), iron (Fe), copper (Cu) , Indium (In), tin (Sn), zirconium (Zr), vanadium (V), chromium (Cr), zinc (Zn), germanium (Ge), scandium (Sc), and yttrium (Y) Or two or more elements. Among these, any one of Mn, Ni, Fe, Cu or Cr, or a combination of any two of these is preferable.
また、上記一般式中の「x」は、このペロブスカイト型構造においてLn(典型的にはLa)がAeによって置き換えられた割合を示す値であり、このxの取り得る範囲は、ペロブスカイト型構造を崩すことなく該構造を維持し得る限りにおいて0<x<1の範囲内であればいずれの実数をとってもよい。即ち、本構成の目的に応じてLa(1−x)とAe(x)との組成比は適宜選択されるが、好ましくは0.2≦x≦0.6であり、特に好ましくは0.3≦x≦0.5である。 Further, “x” in the above general formula is a value indicating a ratio in which Ln (typically La) is replaced by Ae in the perovskite structure, and the possible range of x is the perovskite structure. As long as the structure can be maintained without breaking, any real number may be taken as long as it is within the range of 0 <x <1. That is, the composition ratio of La (1-x) and Ae (x) is appropriately selected according to the purpose of the present configuration, but is preferably 0.2 ≦ x ≦ 0.6, particularly preferably 0.8. 3 ≦ x ≦ 0.5.
上記のようなペロブスカイト型酸化物としては、上記一般式中のMとしてNi、Feのうちのいずれかが含まれているものがより好ましい。具体的にはLa1−xSrxCo1−yNiyO3(LSCN酸化物)、La1−xSrxCo1−yFeyO3(LSCF酸化物)で示される複合酸化物が挙げられる。ここで、上記「x」は、0<x<1(例えば0.4≦x≦0.6)である。また、上記「y」は、かかるペロブスカイト型構造においてCoがNiやFe等の他の金属元素によって置き換えられた割合を示す値であり、このyの取り得る範囲は、ペロブスカイト型構造を崩すことなく該構造を維持し得る限りにおいて0<y<1の範囲内であればよい。即ち、本構成の目的に応じてCo(1−y)とM(y)との組成比は適宜選択されるが、例えば0<y≦0.5であり、好ましくは0<y≦0.2であり、特に好ましくは0<y≦0.1である。 As the perovskite oxide as described above, one containing Ni or Fe as M in the general formula is more preferable. Specifically, composite oxides represented by La 1-x Sr x Co 1-y Ni y O 3 (LSCN oxide) and La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 (LSCF oxide) are used. Can be mentioned. Here, “x” is 0 <x <1 (for example, 0.4 ≦ x ≦ 0.6). Further, the above “y” is a value indicating the ratio of Co being replaced by other metal elements such as Ni and Fe in the perovskite structure, and the range that y can take is without breaking the perovskite structure. As long as the structure can be maintained, it may be in the range of 0 <y <1. That is, the composition ratio of Co (1-y) and M (y) is appropriately selected according to the purpose of this configuration, but for example 0 <y ≦ 0.5, and preferably 0 <y ≦ 0. 2, particularly preferably 0 <y ≦ 0.1.
なお、上記一般式において酸素原子数は3であるかのように表示されているが、実際には酸素原子の数は3以下(典型的には3未満)であり得る。ただし、この酸素原子数はペロブスカイト型構造の一部を置換する原子(例えば式中のAeやMの一部)の種類および置換割合その他の条件により変動するため、正確に表示することは困難である。このため、本明細書中においてペロブスカイト型酸化物を示す一般式では酸素原子の数を便宜的に3として表示するが、ここで開示する発明の技術的範囲を限定することを意図したものではない。したがって、この酸素原子の数を例えば3−δと示す(例えば、前記一般式をLn1−xAexCo1−yMyO3−δと表示する)こともできる。ここでδは、典型的には1は超えない正の数(0<δ<1)である。 In the above general formula, the number of oxygen atoms is displayed as if it was 3, but the number of oxygen atoms may actually be 3 or less (typically less than 3). However, since the number of oxygen atoms varies depending on the type of atoms (for example, a part of Ae and M in the formula) substituting a part of the perovskite structure, the substitution ratio, and other conditions, it is difficult to display accurately. is there. For this reason, in the present specification, in the general formula indicating a perovskite oxide, the number of oxygen atoms is represented as 3 for convenience, but it is not intended to limit the technical scope of the invention disclosed herein. . Therefore, the number of oxygen atoms can be indicated as, for example, 3-δ (for example, the general formula is expressed as Ln 1-x Ae x Co 1-y My 0 3-δ ). Here, δ is typically a positive number not exceeding 1 (0 <δ <1).
ここで開示される酸素分離膜エレメントに係る酸素分離膜は、後述する所定条件下での焼成工程を経て製造されていることから極めて緻密なものであり得る。例えば、相対密度が97%以上であり、好ましくは98%以上であり、より好ましくは99%以上であり、さらに好ましくは99.5%以上であり、特に好ましくは99.8%以上である。また、その膜厚は、用途に応じて適宜膜厚を選択することができるが、通常は酸素イオン伝導性が良好である50μm以下にすることが好ましく、例えば10μm〜50μmの範囲が適当であり、より好ましくは10μm〜40μmの範囲であり、特に好ましくは10μm〜30μmの範囲である。ここで開示される酸素分離膜の好適例として、酸素分離膜の相対密度が97%以上であり、かつ膜厚が40μm〜50μmの範囲であるもの、酸素分離膜の相対密度が98%以上であり、かつ膜厚が30μm〜50μmの範囲であるもの、酸素分離膜の相対密度が99%以上であり、かつ膜厚が20μm〜50μmの範囲であるもの、酸素分離膜の相対密度が99.5%以上であり、かつ膜厚が10μm〜50μmの範囲であるもの、等が挙げられる。このような所定範囲内の相対密度及び膜厚を両立して有することにより、優れた酸素イオン伝導性および高い気密性(リーク防止効果)の双方を高度なレベルで実現した酸素分離膜とすることができる。 The oxygen separation membrane according to the oxygen separation membrane element disclosed herein can be extremely dense because it is manufactured through a firing step under predetermined conditions described later. For example, the relative density is 97% or more, preferably 98% or more, more preferably 99% or more, still more preferably 99.5% or more, and particularly preferably 99.8% or more. Further, the film thickness can be appropriately selected according to the application, but it is usually preferable to set the film thickness to 50 μm or less, which is good in oxygen ion conductivity, for example, a range of 10 μm to 50 μm is appropriate. More preferably, it is the range of 10 micrometers-40 micrometers, Most preferably, it is the range of 10 micrometers-30 micrometers. As a preferable example of the oxygen separation membrane disclosed herein, the relative density of the oxygen separation membrane is 97% or more and the film thickness is in the range of 40 μm to 50 μm, and the relative density of the oxygen separation membrane is 98% or more. A film having a thickness of 30 μm to 50 μm, a relative density of the oxygen separation membrane of 99% or more and a film thickness of 20 μm to 50 μm, and a relative density of the oxygen separation membrane of 99.99 μm. Examples thereof include 5% or more and a film thickness in the range of 10 μm to 50 μm. By having both the relative density and the film thickness within such a predetermined range, an oxygen separation membrane that realizes both excellent oxygen ion conductivity and high airtightness (leakage prevention effect) at a high level. Can do.
なお、上記のように酸素分離膜が50μm以下の薄膜である場合、該酸素分離膜を構成する粒子(焼結後の粒子)の平均粒径は、概ね5μm〜10μmの範囲内であることが好ましい。この範囲を上回ったり下回ったりすると酸素分離膜の気密性が低下傾向になる場合がある。ここで開示される酸素分離膜の好適例として、酸素分離膜中の焼結粒子の平均粒径が5μm〜10μmであり、かつ膜厚が10μm〜50μmの範囲であるもの、酸素分離膜中の粒子の平均粒径(焼結粒径)が7μm〜10μmであり、かつ膜厚が20μm〜50μmの範囲であるもの、等が挙げられる。このような所定範囲内の焼結粒子の平均粒径及び膜厚を両立して有することにより、従来得ることができなかった優れた酸素イオン伝導性と高い気密性とを両立させた酸素分離膜をより確実に得ることができる。 When the oxygen separation membrane is a thin film having a thickness of 50 μm or less as described above, the average particle size of particles (sintered particles) constituting the oxygen separation membrane is generally in the range of 5 μm to 10 μm. preferable. If it exceeds or falls below this range, the airtightness of the oxygen separation membrane may tend to decrease. As a preferred example of the oxygen separation membrane disclosed herein, the sintered particles in the oxygen separation membrane have an average particle diameter of 5 μm to 10 μm and a film thickness in the range of 10 μm to 50 μm. The average particle diameter (sintered particle diameter) of the particles is 7 μm to 10 μm, and the film thickness is in the range of 20 μm to 50 μm. By having both the average particle diameter and the film thickness of the sintered particles within such a predetermined range, an oxygen separation membrane that achieves both excellent oxygen ion conductivity and high airtightness that could not be obtained conventionally. Can be obtained more reliably.
なお、酸素分離膜の相対密度(%)は、酸素分離膜のかさ密度(=酸素分離膜の質量/酸素分離膜の見掛けの体積)を、酸素分離膜を構成する材料の理論密度で割った値に100を乗じて求めることができる。また、酸素分離膜中の焼結粒子の平均粒径は、酸素分離膜の走査型電子顕微鏡(SEM)による観察から容易に把握することができる。例えば、SEM像中の酸素分離膜に任意の直線を引き、その直線の長さを、該直線中に含まれる焼結粒子の個数で除した値を焼結粒子の平均粒径として算出することができる(ラインインターセプト法)。 The relative density (%) of the oxygen separation membrane is obtained by dividing the bulk density of the oxygen separation membrane (= the mass of the oxygen separation membrane / the apparent volume of the oxygen separation membrane) by the theoretical density of the material constituting the oxygen separation membrane. It can be determined by multiplying the value by 100. Moreover, the average particle diameter of the sintered particles in the oxygen separation membrane can be easily grasped from the observation of the oxygen separation membrane by a scanning electron microscope (SEM). For example, an arbitrary straight line is drawn on the oxygen separation membrane in the SEM image, and a value obtained by dividing the length of the straight line by the number of the sintered particles included in the straight line is calculated as the average particle diameter of the sintered particles. (Line intercept method).
次に、ここで開示される酸素分離膜エレメントに係る多孔質支持体について説明する。 Next, the porous support according to the oxygen separation membrane element disclosed herein will be described.
多孔質支持体は、前記酸素分離膜エレメントに係る酸素分離膜において説明した酸化物と同様のものから構成されている。即ち、一般式:Ln1−xAexCo1−yMyO3で示されるペロブスカイト型酸化物から実質的に構成されている。このうち、特に好適なものについては、前記酸素分離膜と同等であるため、その詳細な説明は省略する。 The porous support is composed of the same oxide as described in the oxygen separation membrane according to the oxygen separation membrane element. In other words, the general formula: is substantially constituted from perovskite type oxide represented by Ln 1-x Ae x Co 1 -y M y O 3. Among these, particularly preferred ones are the same as the oxygen separation membrane, and thus detailed description thereof is omitted.
ここで開示される酸素分離膜エレメントによれば、機械的強度及び耐久性向上の観点からは、多孔質支持体と酸素分離膜とは、同じ組成のペロブスカイト型酸化物から実質的に構成されていることが好ましい。好ましいペロブスカイト型酸化物としては、La1−xSrxCo1−yNiyO3(LSCN酸化物)、La1−xSrxCo1−yFeyO3(LSCF酸化物)で示される複合酸化物が挙げられる。 According to the oxygen separation membrane element disclosed herein, from the viewpoint of improving mechanical strength and durability, the porous support and the oxygen separation membrane are substantially composed of a perovskite oxide having the same composition. Preferably it is. Preferred perovskite oxides are La 1-x Sr x Co 1-y Ni y O 3 (LSCN oxide) and La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 (LSCF oxide). A composite oxide is mentioned.
ここで開示される酸素分離膜エレメントに係る多孔質支持体としては、気孔率が10%〜30%の範囲であり、好ましくは10%〜28%の範囲であり、より好ましくは10%〜25%の範囲であり、特に好ましくは18%〜25%の範囲である。このような所定の範囲内の気孔率を有することにより、高い機械的強度と、優れた酸素ガス透過性(即ち、酸素分離膜におけるガス接触面積の十分な確保)とを満足して両立させることができる。 なお、多孔質支持体の平均細孔径としては特に制限されないが、概ね3μm〜10μm程度が適当であり、好ましくは3μm〜8μmの範囲であり、特に好ましくは5μm〜8μmの範囲である。このような所定の範囲内の平均細孔径を有することにより、高い機械的強度と、優れた酸素ガス透過性(即ち、酸素分離膜におけるガス接触面積の十分な確保)とを満足して両立させることができる。 The porous support according to the oxygen separation membrane element disclosed herein has a porosity of 10% to 30%, preferably 10% to 28%, more preferably 10% to 25. %, Particularly preferably in the range of 18% to 25%. By having such a porosity within a predetermined range, both high mechanical strength and excellent oxygen gas permeability (that is, sufficient securing of the gas contact area in the oxygen separation membrane) are satisfied and compatible. Can do. In addition, although it does not restrict | limit especially as an average pore diameter of a porous support body, about 3 micrometers-about 10 micrometers are suitable in general, Preferably it is the range of 3 micrometers-8 micrometers, Most preferably, it is the range of 5 micrometers-8 micrometers. By having such an average pore diameter within a predetermined range, both high mechanical strength and excellent oxygen gas permeability (that is, sufficient securing of the gas contact area in the oxygen separation membrane) are satisfied and compatible. be able to.
なお、多孔質支持体の緻密化防止の観点からは、多孔質支持体と酸素分離膜とが互いに異なる組成のペロブスカイト型酸化物から構成されていてもよい。例えば、La1−xAexCo1−yMyO3で示されるペロブスカイト型酸化物から実質的に構成されている前記多孔質支持体及び前記酸素分離膜において、前記式中のMを互いに異ならせることができる。例えば、多孔質支持体がLa1−xSrxCo1−yNiyO3(LSCN酸化物)で示される複合酸化物から構成され、前記酸素分離膜がLa1−xSrxCo1−yFeyO3(LSCF酸化物)で示される複合酸化物から構成されてもよい。このような構成によれば、機械的強度及び耐久性向上とともに、多孔質支持体の緻密化防止効果を両立して得ることができる。 From the viewpoint of preventing densification of the porous support, the porous support and the oxygen separation membrane may be composed of perovskite oxides having different compositions. For example, in the porous support and the oxygen separation membrane substantially composed of a perovskite oxide represented by La 1-x A e x Co 1-y M y O 3 , M in the formula is mutually Can be different. For example, the porous support is composed of a composite oxide represented by La 1-x Sr x Co 1 -y Ni y O 3 (LSCN oxide), wherein the oxygen separation membrane La 1-x Sr x Co 1- y Fe y O 3 may be composed of a composite oxide represented by (LSCF oxide). According to such a configuration, the mechanical strength and durability can be improved, and the effect of preventing the densification of the porous support can be achieved at the same time.
次に、本発明に係る酸素分離膜エレメントの製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the oxygen separation membrane element according to the present invention will be described.
本発明の製造方法によれば、まず、多孔質支持体を製造するための成形体を形成する。使用する原料粉末は、本構成の酸素分離膜エレメントにおいて説明した一般式:Ln1−xAexCo1−yMyO3で示されるペロブスカイト型酸化物を含む原料粉末であれば、いずれの入手可能な粉末を用いてもよい。市販品をそのまま用いてもよい。特に膜焼成時における支持体の緻密化を防止するため、10μm以上、好ましくは20μm以上(例えば20μm〜100μm)、より好ましくは40μm以上(例えば40μm〜100μm)、更に好ましくは50μm以上、特に好ましくは50μm〜100μmに属する平均粒径を有することが好ましい。 According to the production method of the present invention, first, a molded body for producing a porous support is formed. Raw material powder to be used has the general formula described in oxygen separation membrane element of the present configuration: If the raw material powder containing a perovskite type oxide represented by Ln 1-x Ae x Co 1 -y M y O 3, either Available powders may be used. Commercial products may be used as they are. In particular, in order to prevent densification of the support during film baking, it is 10 μm or more, preferably 20 μm or more (for example, 20 μm to 100 μm), more preferably 40 μm or more (for example, 40 μm to 100 μm), still more preferably 50 μm or more, particularly preferably. It is preferable to have an average particle size belonging to 50 μm to 100 μm.
或いは、平均粒径が前記所定の平均粒径範囲内にないペロブスカイト型酸化物を用いる場合、所定の粒径に造粒、仮焼して、所望の粒径に成長させて用いることができる。その手段としては、いずれの手段であっても特に限定されない。例えば、前記ペロブスカイト型酸化物を所定量のバインダー、分散剤等の添加剤と混合し、ボールミル等によりよく混練し、乾燥して凝集体を得る。次に該凝集体を仮焼して、所望により解砕することにより、所望の粒径の原料粉末を得ることができる。
又は、前記ペロブスカイト型酸化物に所定量のバインダー、分散媒、分散剤等の添加剤を加えてスラリー状にした後、スプレードライヤー等により加熱乾燥及び仮焼して、所望の粒径の原料粉末を得ることができる。
Alternatively, when a perovskite oxide having an average particle size not within the predetermined average particle size range is used, it can be granulated and calcined to a predetermined particle size and grown to a desired particle size. As the means, any means is not particularly limited. For example, the perovskite oxide is mixed with a predetermined amount of an additive such as a binder and a dispersant, kneaded well by a ball mill or the like, and dried to obtain an aggregate. Next, the aggregate is calcined and, if desired, pulverized to obtain a raw material powder having a desired particle size.
Alternatively, after adding a predetermined amount of a binder, a dispersion medium, a dispersant and the like to the perovskite oxide to form a slurry, the powder is dried and calcined by a spray dryer or the like to obtain a raw material powder having a desired particle size. Can be obtained.
又は、焼成中に分解してペロブスカイト型酸化物になるもの、例えば、種々の水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、有機酸塩類等を大気中、好ましくは酸素雰囲気中において所定の温度域で焼成する。このことによっても所定の粒径の原料粉末を得ることができる。若しくはLa1−xAexCo1−yMyO3で示される複合酸化物の場合には、各組成成分となるLa、Ae、Co及びMの化合物(典型的には酸化物)を所定の比率(モル比)になるように混合し、同様に焼成することによっても所定の粒径の原料粉末を得ることができる。なお、使用する原料粉末には、その性能(酸素イオン伝導性、電子伝導性、クラック発生防止性等)を顕著に損なわない範囲で、前記各酸化物以外の成分を含有することができる。 Alternatively, those that decompose into a perovskite oxide during firing, for example, various hydroxides, carbonates, nitrates, organic acid salts, etc. are fired in the air, preferably in an oxygen atmosphere at a predetermined temperature range. . This also makes it possible to obtain a raw material powder having a predetermined particle size. Alternatively, in the case of a complex oxide represented by La 1-x Ae x Co 1-y M y O 3 , compounds of La, Ae, Co, and M (typically oxides) that are the respective composition components are predetermined. The raw material powder having a predetermined particle diameter can also be obtained by mixing so as to have a ratio (molar ratio) and firing in the same manner. In addition, the raw material powder to be used can contain components other than the respective oxides as long as the performance (oxygen ion conductivity, electron conductivity, crack generation prevention property, etc.) is not significantly impaired.
原料粉末を所定形状の成形体に成形する手段としては、従来公知の種々の成形手段を採用することができる。例えば、一軸圧縮成形、静水圧プレス、押出し成形等の、従来公知の成形法を特に制限なく採用することができる。或いは、この成形のために従来公知のバインダー、分散媒、分散剤等を使用し、スラリー或いは可塑性固形物としたまま、鋳込み法、押出し成形法、射出成形法等により所望の形状としてもよい。 Various conventionally known forming means can be employed as means for forming the raw material powder into a molded body having a predetermined shape. For example, conventionally known molding methods such as uniaxial compression molding, isostatic pressing, and extrusion molding can be employed without any particular limitation. Alternatively, a conventionally known binder, dispersion medium, dispersant, or the like may be used for this molding, and a desired shape may be obtained by a casting method, an extrusion molding method, an injection molding method, or the like while being in a slurry or a plastic solid.
この成形体の形状は特に限定されない。具体的には、平面状、曲面状、管状(両端が開口した開管状のもの、一端が開口しており一端が閉じている閉管状のもの等を含む)、ハニカム状等の各種形状を含む。成形体の厚さは、特に限定されないが、例えば、平面状の場合、或いは管状の場合、0.5mm〜50mmとすることができ、好ましくは1mm〜20mm、より好ましくは2mm〜10mm、さらに好ましくは2〜5mmである。この範囲内の厚さに形成することにより、特に機械的強度に優れるとともに、膜のガス接触面積比率を向上させた多孔質体支持体を提供することができる。 The shape of this molded body is not particularly limited. Specifically, it includes various shapes such as a flat shape, a curved surface shape, a tubular shape (including an open tubular shape with both ends open, a closed tubular shape with one end open and one closed end), and a honeycomb shape. . The thickness of the molded body is not particularly limited. For example, in the case of a flat shape or a tubular shape, the thickness can be 0.5 mm to 50 mm, preferably 1 mm to 20 mm, more preferably 2 mm to 10 mm, and still more preferably. Is 2-5 mm. By forming to a thickness within this range, it is possible to provide a porous body support that is particularly excellent in mechanical strength and has an improved gas contact area ratio of the membrane.
次に、本発明の製造方法によると、得られた多孔質支持体成形体の表面部の少なくとも一部に、一般式:Ln1−xAexCo1−yMyO3で示されるペロブスカイト型酸化物から実質的に構成される酸素分離膜を形成するための前駆体を付与する。 Then, according to the production method of the present invention, at least a portion of the surface of the obtained porous support shaped body, the general formula: perovskites represented by Ln 1-x Ae x Co 1 -y M y O 3 A precursor for forming an oxygen separation membrane substantially composed of a type oxide is added.
かかる前駆体としては、本構成の酸素分離膜エレメントにおいて説明した一般式:Ln1−xAexCo1−yMyO3で示されるペロブスカイト型酸化物の原料粉末であって、いずれの入手可能なペロブスカイト型酸化物の原料粉末を好ましく用いることができる。あるいは、焼成中に反応してペロブスカイト型酸化物になるものであってもよく、必ずしもペロブスカイト型酸化物から製造する必要はない。従って、上記前駆体としては本来のペロブスカイト型酸化物の他、種々の水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、有機酸塩類等が利用され得る。例えば、La1−xAexCo1−yMyO3で示される複合酸化物の場合には、各組成成分となるLa、Ae、Co及びMの化合物(典型的には酸化物)粉末を所定の比率(モル比)になるように混合して使用してもよい。 The precursor is a perovskite-type oxide raw material powder represented by the general formula: Ln 1-x Ae x Co 1- y My O 3 described in the oxygen separation membrane element of the present configuration, and any of the obtained powders Possible perovskite oxide raw material powders can be preferably used. Alternatively, it may be a perovskite oxide that reacts during firing, and is not necessarily produced from a perovskite oxide. Accordingly, as the precursor, various hydroxides, carbonates, nitrates, organic acid salts and the like can be used in addition to the original perovskite oxide. For example, in the case of a composite oxide represented by La 1-x Ae x Co 1 -y M y O 3 is, La as the respective composition components, Ae, compound of Co and M (typically oxide) powder May be mixed and used at a predetermined ratio (molar ratio).
特に、前駆体は、機械的強度及び耐久性の観点からは焼成後の酸素分離膜が多孔質支持体と同じ組成の酸化物となるように選択することが好ましい。一方、多孔質支持体の緻密化防止の観点からは異なる組成とすることが好ましい。好ましい多孔質支持体及び酸素分離膜の組成の組み合わせについては、前記本発明の酸素分離膜エレメントにおいて説明したものと同様であるため、その詳細な説明を省略する。 In particular, the precursor is preferably selected from the viewpoint of mechanical strength and durability so that the fired oxygen separation membrane becomes an oxide having the same composition as the porous support. On the other hand, it is preferable to have a different composition from the viewpoint of preventing densification of the porous support. The preferred combination of the porous support and the composition of the oxygen separation membrane is the same as that described in the oxygen separation membrane element of the present invention, and a detailed description thereof will be omitted.
上記前駆体の原料として粉末を用いる場合、その平均粒径は、概ね0.5μm〜3μmであり、好ましくは0.8μm〜2.5μmであり、特に好ましくは1μm〜2μmである。このような所定範囲の平均粒径を有することにより、特に緻密で酸素イオン伝導性に優れる酸素分離膜を得ることができる。 When powder is used as a raw material for the precursor, the average particle diameter is generally 0.5 μm to 3 μm, preferably 0.8 μm to 2.5 μm, and particularly preferably 1 μm to 2 μm. By having such an average particle diameter in a predetermined range, an oxygen separation membrane that is particularly dense and excellent in oxygen ion conductivity can be obtained.
かかる前駆体を多孔質支持体用成形体に付与する手段としては、従来公知のいずれの薄膜形成プロセスにおいて用いられる各種の方法を採用することができる。例えば、前記原料粉末と有機溶剤等のバインダーとを分散させたスラリー状形成材料を用いたディップコーティング法、スピンコーティング法、スクリーン印刷法、スプレー法が挙げられる。 Various means used in any conventionally known thin film forming process can be adopted as means for applying the precursor to the molded article for the porous support. For example, a dip coating method, a spin coating method, a screen printing method, and a spray method using a slurry-like forming material in which the raw material powder and a binder such as an organic solvent are dispersed may be mentioned.
特にディップコーティング法は、前駆体の多孔質支持体用成形体内部への浸透を抑制でき、さらには熱分解に伴うガス発生、キャピラリー圧力、焼成収縮等による微細構造の破壊を抑制するのに寄与し得る。このため、特にディップコーティング法は、実質的に欠陥の無い酸素分離膜を多孔質支持体表面部に直接的に形成するのに好適な方法である。具体的には、原料粉末に分散媒、例えば、水及び/又は有機溶剤、具体的には、ポリビニルアルコール、メチルセルロース類、ポリエチレングリコール類、プロピレングリコール、グリセリン等、さらに必要ならば、バインダー、分散剤、可塑剤等を加えて混合し、ボールミルを用いてよく混練する。得られた前駆体(原料粉末)を分散したコーティング液(スラリー)中に多孔質支持体をディップ(浸漬)する。ディップ時間は、数秒〜1分程度でよい。5〜30秒程度が好ましい。このことによって酸素分離膜用前駆体を多孔質支持体用成形体の表面部に均等に積層することができる。 In particular, the dip coating method can suppress the penetration of the precursor into the molded body for the porous support, and further contributes to the suppression of the destruction of the fine structure due to gas generation, capillary pressure, firing shrinkage, etc. accompanying thermal decomposition. Can do. Therefore, the dip coating method is particularly suitable for directly forming an oxygen separation membrane having substantially no defects on the surface of the porous support. Specifically, the raw material powder is dispersed in a dispersion medium such as water and / or an organic solvent, specifically polyvinyl alcohol, methylcelluloses, polyethylene glycols, propylene glycol, glycerin, and the like, and if necessary, a binder and a dispersant. Then, a plasticizer or the like is added and mixed, and well kneaded using a ball mill. The porous support is dipped (immersed) in the coating liquid (slurry) in which the obtained precursor (raw material powder) is dispersed. The dip time may be several seconds to 1 minute. About 5 to 30 seconds is preferable. As a result, the precursor for the oxygen separation membrane can be evenly laminated on the surface portion of the molded article for the porous support.
形成する酸素分離膜の膜厚は、コーティング液中の原料粉末濃度、添加する分散剤、分散媒、及び/又は可塑剤の種類及び/又は濃度の変更によるコーティング液の粘度、製膜、乾燥サイクルを各種変更することにより、制御することが可能である。酸素分離膜としては、用途に応じて適宜膜厚を決定することができるが、通常酸素イオン伝導性が良好である50μm以下であることが好ましく、例えば10μm〜50μmが適当であり、より好ましくは10μm〜40μmであり、特に好ましくは10μm〜30μmである。 The film thickness of the oxygen separation membrane to be formed depends on the concentration of the raw material powder in the coating liquid, the viscosity of the coating liquid by changing the type and / or concentration of the dispersant, dispersion medium, and / or plasticizer to be added, film formation, and drying cycle. It is possible to control by changing variously. As the oxygen separation membrane, the film thickness can be appropriately determined according to the use, but it is usually preferably 50 μm or less, in which oxygen ion conductivity is good, for example, 10 μm to 50 μm is suitable, and more preferably It is 10 micrometers-40 micrometers, Most preferably, they are 10 micrometers-30 micrometers.
また、酸素分離膜の形成手段としては、他に真空蒸着法、化学気相蒸着法、反応性スパッタリング法等が挙げられる。なお、酸素分離膜は、用途に応じて多孔質支持体の一方の表面にのみ形成してもよく、或いは多孔質支持体の両側に形成することもできる。 In addition, examples of means for forming the oxygen separation membrane include a vacuum deposition method, a chemical vapor deposition method, and a reactive sputtering method. The oxygen separation membrane may be formed only on one surface of the porous support or may be formed on both sides of the porous support depending on the application.
次いで、前記成形体及び前駆体を同時焼成して、多孔質支持体と該多孔質支持体の表面部に設けられた酸素分離膜とを同時に形成する。ここで前記成形体及び前駆体の同時焼成の焼成温度(最高焼成温度)は、概ね1150℃〜1250℃程度にすることが必要である。前記焼成温度が低すぎると焼結が飽和しないため、酸素分離膜の緻密性が低下する場合がある。一方、焼成温度が高すぎると、焼成時にコバルト(Co)が分解するため、酸素分離膜の組成が変動する場合がある。従って、前記成形体及び前駆体の焼成温度は概ね1150℃〜1250℃が適当であり、好ましくは1180℃〜1240℃であり、特に好ましくは1180℃〜1220℃である。 Next, the compact and the precursor are simultaneously fired to simultaneously form a porous support and an oxygen separation membrane provided on the surface of the porous support. Here, the firing temperature (maximum firing temperature) for simultaneous firing of the molded body and the precursor needs to be approximately 1150 ° C. to 1250 ° C. If the firing temperature is too low, sintering does not saturate, and the density of the oxygen separation membrane may be reduced. On the other hand, if the firing temperature is too high, cobalt (Co) is decomposed during firing, so the composition of the oxygen separation membrane may vary. Therefore, the firing temperature of the molded body and the precursor is generally 1150 ° C to 1250 ° C, preferably 1180 ° C to 1240 ° C, and particularly preferably 1180 ° C to 1220 ° C.
また、上記のように焼成温度が1150℃〜1250℃の範囲内であっても焼成時間が短すぎると、材料中の結晶格子内を酸素が十分に拡散しないため、酸素分離膜の緻密性が低下する場合がある。従って、酸素分離膜の緻密性向上の観点からは、前記成形体及び前駆体の焼成時間は24時間以上(例えば24時間〜500時間)が適当である。このような焼成温度及び焼成時間の範囲内であると、酸素分離膜として好適な相対密度(例えば97%以上、好ましくは98%以上、特に好ましくは99%以上)を有する気密性の高い酸素分離膜を安定して(Coの分解による組成変動なしで)得ることができる。 In addition, even if the firing temperature is in the range of 1150 ° C. to 1250 ° C. as described above, if the firing time is too short, oxygen does not sufficiently diffuse in the crystal lattice in the material, so that the density of the oxygen separation membrane is low. May decrease. Therefore, from the viewpoint of improving the density of the oxygen separation membrane, the firing time of the molded body and the precursor is suitably 24 hours or longer (for example, 24 hours to 500 hours). Within such a range of firing temperature and firing time, a highly airtight oxygen separation having a relative density suitable for an oxygen separation membrane (for example, 97% or more, preferably 98% or more, particularly preferably 99% or more). A film can be obtained stably (without composition fluctuation due to Co decomposition).
さらに好ましくは、上記焼成時間は概ね50時間〜500時間である。前記焼成時間が長すぎると、酸素分離膜だけでなく多孔質支持体も緻密化するため、多孔質支持体のガス(酸素)透過性の確保ができない場合がある。一方、焼成時間が短すぎると、多孔質支持体の気孔率が大きくなりすぎるため、多孔質支持体の機械的強度及び耐久性が低下する場合がある。従って、多孔質支持体のガス透過性及び機械的強度向上の観点からは、前記成形体及び前駆体の焼成時間は50時間〜500時間が適当であり、好ましくは50時間〜300時間であり、更に好ましくは50時間〜100時間であり、特に好ましくは50時間〜75時間である。このような焼成時間の範囲内であると、多孔質支持体として好適な気孔率(例えば10%〜30%、より好ましくは10%〜25%、特に好ましくは18%〜25%)を有する多孔質支持体を安定して容易に得ることができる。 More preferably, the firing time is approximately 50 hours to 500 hours. If the firing time is too long, not only the oxygen separation membrane but also the porous support is densified, and thus the gas (oxygen) permeability of the porous support may not be ensured. On the other hand, if the firing time is too short, the porosity of the porous support becomes too large, and the mechanical strength and durability of the porous support may be reduced. Therefore, from the viewpoint of improving gas permeability and mechanical strength of the porous support, the firing time of the molded body and the precursor is appropriately 50 hours to 500 hours, preferably 50 hours to 300 hours, More preferably, it is 50 hours-100 hours, Most preferably, it is 50 hours-75 hours. Within such a firing time range, the porous material has a porosity suitable for the porous support (for example, 10% to 30%, more preferably 10% to 25%, particularly preferably 18% to 25%). A quality support can be obtained stably and easily.
なお、有機物添加剤、例えば、バインダーや分散剤等を予め分解除去して均一な細孔を得るために、本焼成前に予め一回以上の仮焼成を行っても良い。仮焼成は前記本焼成よりも低く有機物が分解可能な温度、例えば、100〜1000℃、好ましくは200〜500℃程度で3〜15時間、好ましくは6〜12時間程度行われ得る。仮焼成後に最高焼成温度まで昇温して本焼成を行う。ここで、昇温速度は特に限定されないが、通常1〜10℃/分、好ましくは1〜2℃/分である。焼成雰囲気としては、前記ペロブスカイト型酸化物が焼結される酸化性雰囲気又は不活性ガス雰囲気下であることが好ましい。なお、上記初期段階の仮焼成によって、仮焼成物の相対密度を90%〜96%(好ましくは93%〜96%、特に好ましくは93%〜95%)程度にまで高めておくことが望ましい。初期焼成段階の相対密度90%〜96%の状態から最高焼成温度(1150℃〜1250℃)まで昇温して長時間(24時間以上、好ましくは50時間〜500時間)本焼成を行うことにより、酸素分離膜を十分な緻密状態(例えば相対密度97%以上、好ましくは98%以上、特に好ましくは99%以上)とすることができる。 In addition, in order to obtain the uniform pores by decomposing and removing organic additives, for example, a binder and a dispersing agent in advance, one or more preliminary calcinations may be performed before the main calcination. The preliminary calcination can be performed at a temperature lower than the main calcination at which the organic matter can be decomposed, for example, 100 to 1000 ° C., preferably about 200 to 500 ° C. for 3 to 15 hours, preferably about 6 to 12 hours. After the preliminary firing, the main firing is performed by raising the temperature to the maximum firing temperature. Here, the rate of temperature increase is not particularly limited, but is usually 1 to 10 ° C./min, preferably 1 to 2 ° C./min. The firing atmosphere is preferably an oxidizing atmosphere or an inert gas atmosphere in which the perovskite oxide is sintered. In addition, it is desirable to raise the relative density of the calcined product to about 90% to 96% (preferably 93% to 96%, particularly preferably 93% to 95%) by the preliminary calcination in the initial stage. By performing the main firing for a long time (24 hours or more, preferably 50 hours to 500 hours) by raising the temperature from the relative density of 90% to 96% in the initial firing stage to the maximum firing temperature (1150 ° C. to 1250 ° C.) The oxygen separation membrane can be in a sufficiently dense state (for example, a relative density of 97% or more, preferably 98% or more, particularly preferably 99% or more).
このようにして本実施形態に係る酸素分離エレメントの製造が完了する。本実施形態の製造方法によれば、前記成形体及び前駆体を同時焼成することにより多孔質支持体及びその表面部に酸素分離膜を形成するので、多孔質支持体と酸素分離膜とが積層された酸素分離エレメントを効率よく(生産性よく)製造することができる。また、その際の焼成温度および焼成時間を上記のように適切に選択することにより、多孔質支持体の適度な気孔率を保ちつつ、酸素分離膜のみを効果的に緻密化することができる。そのため、機械的強度及び酸素分離性能に優れた最適な酸素分離エレメントを好適に製造することができる。 In this way, the manufacture of the oxygen separation element according to this embodiment is completed. According to the manufacturing method of the present embodiment, the porous support and the oxygen separation membrane are formed on the surface portion by co-firing the molded body and the precursor, so the porous support and the oxygen separation membrane are laminated. The produced oxygen separation element can be manufactured efficiently (with high productivity). Further, by appropriately selecting the firing temperature and firing time at that time as described above, it is possible to effectively densify only the oxygen separation membrane while maintaining an appropriate porosity of the porous support. Therefore, an optimal oxygen separation element excellent in mechanical strength and oxygen separation performance can be suitably produced.
なお、得られた酸素分離膜エレメントには、触媒を担持させて酸素分離性能及び/又は酸素イオンによる酸化反応性を向上させることができる。例えば、膜に空気を送り込む側(以下、空気側と表記する)及び/又は膜を透過した酸素イオンと混合ガスが反応する側(以下、反応側と表記する)に触媒を担持することができる。例えば、空気側に触媒を担持する手段としては、酸素イオン透過促進触媒粉末、例えば、LaSrCo酸化物粉末に分散媒(水及び/又は有機溶剤等)、必要に応じてバインダー、分散剤、可塑剤等を添加したスラリー或いは可塑性固形物を支持体内に含浸させた後、乾燥する。さらに、例えば800〜1000℃で、焼成することができる。或いは、焼成後に所望の酸化物組成、例えばLaSrCo酸化物組成となるような、水溶液、有機化合物等を支持体に含浸、乾燥、焼成してもよい。 The obtained oxygen separation membrane element can carry a catalyst to improve oxygen separation performance and / or oxidation reactivity by oxygen ions. For example, the catalyst can be supported on the side that feeds air into the membrane (hereinafter referred to as the air side) and / or the side where the mixed gas reacts with oxygen ions that have permeated the membrane (hereinafter referred to as the reaction side). . For example, as a means for supporting the catalyst on the air side, oxygen ion permeation promoting catalyst powder, such as LaSrCo oxide powder, a dispersion medium (water and / or organic solvent, etc.), and optionally a binder, a dispersant, a plasticizer After impregnating the support or the like with a slurry or a plastic solid to which etc. are added, it is dried. Furthermore, it can be baked at 800 to 1000 ° C., for example. Alternatively, the support may be impregnated, dried, and fired with an aqueous solution, an organic compound, or the like that has a desired oxide composition, for example, a LaSrCo oxide composition after firing.
また、反応側に触媒を担持する手段としては、酸化促進触媒粉末、例えば、Ni系酸化物粉末に分散媒(水及び/又は有機溶剤等)、必要に応じてバインダー、分散剤等を添加したスラリー或いは可塑性固形物を、膜表面に塗布或いは印刷担持した後、乾燥する。さらに、例えば800〜1000℃で、焼成することができる。Ni系酸化物は、メタンガスのような還元性雰囲気において部分還元或いは完全還元されて、触媒として機能する。なお、本発明では、前記触媒担持法に限定されるものではなく、例えば、支持体において空気側と反応側のいずれにも担持することができる。また、前記以外の従来公知のいずれの触媒材料を適用することも可能である。前記本発明の酸素分離膜エレメントは、各種酸素イオン伝導性を発揮する用途、例えば、燃料電池等に好適に使用することができる。 Further, as a means for supporting the catalyst on the reaction side, a dispersion medium (water and / or organic solvent, etc.) was added to an oxidation promotion catalyst powder, for example, Ni-based oxide powder, and a binder, a dispersant, etc. were added as necessary. The slurry or plastic solid is applied or printed on the film surface and then dried. Furthermore, it can be baked at 800 to 1000 ° C., for example. The Ni-based oxide functions as a catalyst by being partially reduced or completely reduced in a reducing atmosphere such as methane gas. In the present invention, it is not limited to the catalyst loading method, and for example, it can be loaded on either the air side or the reaction side of the support. Further, any conventionally known catalyst material other than the above can be applied. The oxygen separation membrane element of the present invention can be suitably used for applications exhibiting various oxygen ion conductivity, for example, fuel cells.
以下、本発明に関する試験例を説明するが、本発明を以下の試験例に示すものに限定することを意図したものではない。以下の試験例1〜3では、本発明によって提供される酸素分離膜エレメントが備える酸素分離膜の性能評価を主な目的とするため、多孔質支持体を具備しない酸素分離膜のみから構成された供試体を作製し、その性能評価を行った。また、試験例4では、本発明の製造方法を用いて多孔質支持体と酸素分離膜とが積層された酸素分離膜エレメントを作製し、その特性を評価した。 Hereinafter, although the test example regarding this invention is demonstrated, it is not intending to limit this invention to what is shown to the following test examples. In the following Test Examples 1 to 3, the main purpose was to evaluate the performance of the oxygen separation membrane provided in the oxygen separation membrane element provided by the present invention, and therefore, it was composed only of an oxygen separation membrane without a porous support. A specimen was prepared and its performance was evaluated. In Test Example 4, an oxygen separation membrane element in which a porous support and an oxygen separation membrane were laminated was produced using the production method of the present invention, and the characteristics thereof were evaluated.
<試験例1:(La0.5,Sr0.5)(Co0.9,Ni0.1)O3から構成される酸素分離膜の作製>
本例では(La0.5,Sr0.5)(Co0.9,Ni0.1)O3から構成される酸素分離膜の供試体を作製した。まず、市販の酸化ランタン粉末(粒径約2μm)と炭酸ストロンチウム粉末(粒径約2μm)と酸化コバルト粉末(粒径約1μm)と酸化ニッケル粉末(粒径約1μm)とを所定の割合で秤量し、ボールミルを用いてよく混練した。その後、1000℃にて6時間仮焼成して粉砕し、(La0.5,Sr0.5)(Co0.9,Ni0.1)O3の平均粒径約1μmの酸素分離膜用原料粉末を得た。なお、(La0.5,Sr0.5)(Co0.9,Ni0.1)O3原料粉末の粒径は、レーザ回折式粒度分布計を用いて測定し、あわせて平均粒径を求めた。
<Test Example 1: Production of oxygen separation membrane composed of (La 0.5 , Sr 0.5 ) (Co 0.9 , Ni 0.1 ) O 3 >
In this example, an oxygen separation membrane specimen composed of (La 0.5 , Sr 0.5 ) (Co 0.9 , Ni 0.1 ) O 3 was produced. First, commercially available lanthanum oxide powder (particle size: about 2 μm), strontium carbonate powder (particle size: about 2 μm), cobalt oxide powder (particle size: about 1 μm), and nickel oxide powder (particle size: about 1 μm) are weighed at a predetermined ratio. And kneaded well using a ball mill. Thereafter, it is calcined by calcining at 1000 ° C. for 6 hours and used for an oxygen separation membrane having an average particle diameter of (La 0.5 , Sr 0.5 ) (Co 0.9 , Ni 0.1 ) O 3 of about 1 μm. Raw material powder was obtained. The particle diameter of the (La 0.5 , Sr 0.5 ) (Co 0.9 , Ni 0.1 ) O 3 raw material powder was measured using a laser diffraction particle size distribution meter, and the average particle diameter was also measured. Asked.
次いで、得られた(La0.5,Sr0.5)(Co0.9,Ni0.1)O3原料粉末に、適当量の一般的なバインダーと溶剤(水)を混合してスラリーを調製し、スプレードライヤー等の造粒機を用いて粒径が約50〜100μmの粒子に造粒した。かかる造粒粒子をプレス成形し、直径約30mm、厚さ約1.0mmの円板形状のプレス成形体を得た。得られたプレス成形体を大気中においてまず200〜500℃に昇温し、10時間保持して、有機物を分解除去した。その後大気中において表1に示す焼成温度まで昇温し、表1に示す焼成時間にわたって保持して円板形状の焼結体を得た。得られた円板形状の焼結体を機械研磨して、焼成温度及び焼成時間が互いに異なる計17種類の酸素分離膜(厚み0.5mm、直径24mm)を作製した(サンプル1〜17)。 Next, the obtained (La 0.5 , Sr 0.5 ) (Co 0.9 , Ni 0.1 ) O 3 raw material powder is mixed with an appropriate amount of a general binder and a solvent (water) to form a slurry. And granulated into particles having a particle size of about 50 to 100 μm using a granulator such as a spray dryer. The granulated particles were press-molded to obtain a disk-shaped press-molded body having a diameter of about 30 mm and a thickness of about 1.0 mm. The obtained press-molded body was first heated to 200 to 500 ° C. in the atmosphere and held for 10 hours to decompose and remove organic substances. Thereafter, the temperature was raised to the firing temperature shown in Table 1 in the air, and the disc was held for the firing time shown in Table 1 to obtain a disk-shaped sintered body. The obtained disc-shaped sintered body was mechanically polished to produce a total of 17 types of oxygen separation membranes (thickness 0.5 mm, diameter 24 mm) with different firing temperatures and firing times (samples 1 to 17).
上記得られた各種の酸素分離膜の相対密度を、アルキメデス法により測定した酸素分離膜のかさ密度(=酸素分離膜の質量/酸素分離膜の見掛けの体積)を、酸素分離膜を構成する材料の理論密度で割った値に100を乗じて算出した。また、各種の酸素分離膜を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した。そして、ラインインターセプト法により酸素分離膜を構成する粒子(焼結後の粒子)の平均粒径(焼結粒径)を算出した。結果を表1に示す。 The material constituting the oxygen separation membrane is the bulk density of the oxygen separation membrane (= the mass of the oxygen separation membrane / the apparent volume of the oxygen separation membrane) measured by the Archimedes method for the relative density of the various oxygen separation membranes obtained above. It was calculated by multiplying the value divided by the theoretical density of 100 by 100. Various oxygen separation membranes were observed with a scanning electron microscope (SEM). And the average particle diameter (sintered particle diameter) of the particle | grains (particle | grains after sintering) which comprises an oxygen separation membrane by the line intercept method was computed. The results are shown in Table 1.
表1の結果から明らかなように、1150〜1250℃で24時間以上焼成したサンプル4,9〜15の酸素分離膜は、焼結後の相対密度が98.8%以上と高く、酸素分離膜として好適であった。特に1200〜1250℃で24時間以上焼成することによって、99%以上という極めて高い相対密度を実現できた。また、1150〜1250℃で24〜500時間焼成したサンプル4,9〜13,15の酸素分離膜は、焼結粒径が6〜9.5μmの範囲内となり、50μm以下の薄膜化に最適であることが分かった。なお、1300℃で6〜24時間焼成したサンプル16,17の酸素分離膜は、サンプル4,9〜13,15に比べて焼結後の相対密度が低下傾向になった。これは、焼成温度が1300℃と高すぎたことによりCoが飛散して酸素分離膜の組成が変動したためと考えられる。この結果から、酸素分離膜の緻密性向上の観点からは、1150〜1250℃で24時間以上焼成することが望ましい。 As is clear from the results in Table 1, the oxygen separation membranes of Samples 4 and 9-15 fired at 1150 to 1250 ° C. for 24 hours or more have a high relative density after sintering of 98.8% or more, and the oxygen separation membranes. It was suitable as. In particular, by firing at 1200 to 1250 ° C. for 24 hours or more, an extremely high relative density of 99% or more was realized. In addition, the oxygen separation membranes of Samples 4, 9 to 13 and 15 fired at 1150 to 1250 ° C. for 24 to 500 hours have a sintered particle diameter in the range of 6 to 9.5 μm and are optimal for thinning to 50 μm or less. I found out. In addition, the oxygen separation membranes of Samples 16 and 17 fired at 1300 ° C. for 6 to 24 hours had a tendency to decrease the relative density after sintering as compared to Samples 4 and 9 to 13 and 15. This is presumably because Co was scattered and the composition of the oxygen separation membrane was changed because the firing temperature was too high at 1300 ° C. From this result, it is desirable to bake at 1150 to 1250 ° C. for 24 hours or more from the viewpoint of improving the density of the oxygen separation membrane.
<試験例2:(La0.6,Sr0.4)(Co0.8,Fe0.2)O3から構成される酸素分離膜の作製>
本例では(La0.6,Sr0.4)(Co0.8,Fe0.2)O3から構成される酸素分離膜の供試体を作製した。酸化ニッケル粉末の代わりに、市販の酸化鉄粉末を用いたこと以外は、前記試験例1と同様にして酸素分離膜を作製した(サンプル18〜23)。得られた酸素分離膜の相対密度は前記試験例1と同様に算出した。結果を表2に示す。
<Test Example 2: Production of oxygen separation membrane composed of (La 0.6 , Sr 0.4 ) (Co 0.8 , Fe 0.2 ) O 3 >
In this example, an oxygen separation membrane specimen composed of (La 0.6 , Sr 0.4 ) (Co 0.8 , Fe 0.2 ) O 3 was prepared. Oxygen separation membranes were prepared in the same manner as in Test Example 1 except that commercially available iron oxide powder was used instead of nickel oxide powder (Samples 18 to 23). The relative density of the obtained oxygen separation membrane was calculated in the same manner as in Test Example 1. The results are shown in Table 2.
表2の結果から明らかなように、1200℃で24時間以上焼成したサンプル18〜23の酸素分離膜は、焼結後の相対密度が97.9%以上と非常に高く、酸素分離膜として好適であった。特に1200℃で50時間以上焼成することによって、98%以上という極めて高い相対密度を実現できた。 As is clear from the results in Table 2, the oxygen separation membranes of Samples 18 to 23 fired at 1200 ° C. for 24 hours or more have a very high relative density of 97.9% or more after sintering, and are suitable as oxygen separation membranes. Met. In particular, by firing at 1200 ° C. for 50 hours or longer, an extremely high relative density of 98% or higher was realized.
<試験例3:ガスリーク試験>
試験例1及び2で得られた各種の酸素分離膜に差圧0.8MPaのN2ガス圧力を加え、その際のガスリーク量を測定した。具体的には、図1に模式的に示すように、酸素分離膜30の両面にそれぞれアルミナ製円筒管32、34を配置し、これらアルミナ製円筒管32,34と酸素分離膜30との境界部分をガラス系シール部材35によって密閉した。かかる構成のモジュール50において、一方のアルミナ製円筒管32内を減圧して真空雰囲気を形成し、また、他方のアルミナ製円筒管34内に窒素(N2)ガスを0.8MPaの圧力下で導入し、その状態で0.5時間放置した。そして、この間にN2ガス供給側34から減圧側32のアルミナ製円筒管に流入したN2ガス量を求めることにより、酸素分離膜30を通じてN2ガスがリークしているか否かを評価した。
<Test Example 3: Gas leak test>
N 2 gas pressure with a differential pressure of 0.8 MPa was applied to the various oxygen separation membranes obtained in Test Examples 1 and 2, and the amount of gas leak at that time was measured. Specifically, as schematically shown in FIG. 1, alumina cylindrical tubes 32 and 34 are disposed on both surfaces of the oxygen separation membrane 30, respectively, and the boundary between the alumina cylindrical tubes 32 and 34 and the oxygen separation membrane 30. The portion was sealed with a glass-based sealing member 35. In the module 50 having such a configuration, the inside of one alumina cylindrical tube 32 is decompressed to form a vacuum atmosphere, and nitrogen (N 2 ) gas is introduced into the other alumina cylindrical tube 34 under a pressure of 0.8 MPa. It was introduced and left in that state for 0.5 hours. During this time, the amount of N 2 gas flowing into the alumina cylindrical tube on the decompression side 32 from the N 2 gas supply side 34 was determined to evaluate whether or not N 2 gas leaked through the oxygen separation membrane 30.
ガスリークの評価結果を表1及び表2に示す。表1及び表2においては、アルミナ製円筒管34に導入したN2ガス量全体に対するアルミナ製円筒管32に流入したN2ガス量の割合をリーク率(%)とし、上記リーク率が1%以下のものを良好(○)、リーク率が1%を超えて5%以下のものを適(△)、リーク率が5%を超えたものを不適(×)とした。 Tables 1 and 2 show the gas leak evaluation results. In Tables 1 and 2, the ratio of the amount of N 2 gas flowing into the alumina cylindrical tube 32 to the total amount of N 2 gas introduced into the alumina cylindrical tube 34 is defined as a leak rate (%), and the leak rate is 1%. The following were considered good (◯), those with a leak rate exceeding 1% to 5% or less were appropriate (Δ), and those with a leak rate exceeding 5% were considered inappropriate (×).
表1及び表2に示されるように、1150℃未満もしくは1250℃を上回る温度で焼成したサンプル1、2、16及び17の酸素分離膜は気密性が不十分であったために、3%〜5%以上のガスリークが認められた。また、1150〜1250℃で焼成した場合でも焼成時間が24時間を下回ると、3%〜5%以上のガスリークが認められた(サンプル3、5〜8)。これに対し、1150〜1250℃で24〜1000時間焼成したサンプル4、9〜15、21〜23の酸素分離膜についてはガスリークが好ましく防止されていた。 As shown in Tables 1 and 2, the oxygen separation membranes of Samples 1, 2, 16, and 17 fired at a temperature lower than 1150 ° C. or higher than 1250 ° C. were insufficient in airtightness. % Or more gas leak was observed. In addition, even when firing at 1150 to 1250 ° C., gas leakage of 3% to 5% or more was observed when the firing time was less than 24 hours (Samples 3 and 5 to 8). On the other hand, gas leakage was preferably prevented for the oxygen separation membranes of Samples 4, 9-15, and 21-23 fired at 1150 to 1250 ° C. for 24 to 1000 hours.
以上の結果から、本試験例によると、1150℃〜1250℃の温度で24時間〜1000時間焼成することによって気密性が高い酸素分離膜を形成することができた。そのため、本構成によると、ガスリークが好ましく防止された酸素分離膜を備えた高性能な酸素分離膜エレメントを実現することができる。 From the above results, according to this test example, it was possible to form an oxygen separation membrane having high airtightness by firing at a temperature of 1150 ° C. to 1250 ° C. for 24 hours to 1000 hours. Therefore, according to this configuration, a high-performance oxygen separation membrane element including an oxygen separation membrane in which gas leakage is preferably prevented can be realized.
<試験例4:同時焼成による(La0.5,Sr0.5)(Co0.9,Ni0.1)O3から構成される酸素分離膜エレメントの製造>
本例では同時焼成によって(La0.5,Sr0.5)(Co0.9,Ni0.1)O3から構成される多孔質支持体及び酸素分離膜を備える酸素分離膜エレメントを製造した。まず、市販の酸化ランタン粉末(粒径約2μm)と炭酸ストロンチウム粉末(粒径約2μm)と酸化コバルト粉末(粒径約1μm)と酸化ニッケル粉末(粒径約1μm)とを所定の割合で秤量し、ボールミルを用いてよく混練した。その後、1000℃にて6時間仮焼成して粉砕し、(La0.5,Sr0.5)(Co0.9,Ni0.1)O3の平均粒径50μmの多孔質支持体用原料粉末と、さらに平均粒径1μmの酸素分離膜用原料粉末を得た。
<Test Example 4: Production of an oxygen separation membrane element composed of (La 0.5 , Sr 0.5 ) (Co 0.9 , Ni 0.1 ) O 3 by simultaneous firing>
In this example, an oxygen separation membrane element including a porous support composed of (La 0.5 , Sr 0.5 ) (Co 0.9 , Ni 0.1 ) O 3 and an oxygen separation membrane is manufactured by simultaneous firing. did. First, commercially available lanthanum oxide powder (particle size: about 2 μm), strontium carbonate powder (particle size: about 2 μm), cobalt oxide powder (particle size: about 1 μm), and nickel oxide powder (particle size: about 1 μm) are weighed at a predetermined ratio. And kneaded well using a ball mill. Thereafter, it is temporarily fired at 1000 ° C. for 6 hours and pulverized, and is used for a porous support having an average particle diameter of (La 0.5 , Sr 0.5 ) (Co 0.9 , Ni 0.1 ) O 3 of 50 μm. A raw material powder and an oxygen separation membrane raw material powder having an average particle diameter of 1 μm were obtained.
次いで、上記得られた多孔質支持体用原料粉末を、バインダー及び分散剤と乳鉢で(乾式)混合し、同組成の凝集体を得た。その凝集体を100MPaの圧力下にプレス押出し機においてプレス押出しし、直径約20mm、厚さ約3mmの円板状に成形し、多孔質支持体用の成形体を得た。 Subsequently, the obtained raw material powder for porous support was mixed with a binder and a dispersant in a mortar (dry type) to obtain an aggregate having the same composition. The aggregate was press-extruded with a press extruder under a pressure of 100 MPa, and formed into a disk shape having a diameter of about 20 mm and a thickness of about 3 mm to obtain a molded body for a porous support.
次いで、酸素分離膜用原料粉末を、バインダー及び分散剤とボールミルを用いてよく混練し、(La0.5,Sr0.5)(Co0.9,Ni0.1)O3スラリーを調製した。得られたスラリー液中に、前記により得られた円板状の多孔質支持体用成形体の片面を20秒間ディップ(浸漬)しスラリーを多孔質支持体用成形体の一方の表面部に均等に積層した。その後、多孔質支持体用成形体をスラリー液から引き上げ、60℃で4時間乾燥し、多孔質支持体用成形体の一方の表面部に酸素分離膜用の前駆体を形成した。 Next, the raw material powder for the oxygen separation membrane is well kneaded with a binder and a dispersant using a ball mill to prepare a (La 0.5 , Sr 0.5 ) (Co 0.9 , Ni 0.1 ) O 3 slurry. did. In the obtained slurry liquid, one side of the disk-shaped porous support molded body obtained as described above is dipped (immersed) for 20 seconds, and the slurry is evenly distributed on one surface portion of the porous support molded body. Laminated. Thereafter, the porous support molded body was pulled up from the slurry and dried at 60 ° C. for 4 hours to form a precursor for an oxygen separation membrane on one surface of the porous support molded body.
そして、大気中においてまず200〜500℃に昇温し、10時間保持して、有機物を分解除去した。その後大気中において表3に示す焼成温度まで昇温し、表3に示す焼成時間にわたって保持することにより、前記成形体及び前駆体を同時焼成した。その後放冷して多孔質支持体及び酸素分離膜を同時に形成した。このようにして、焼成時間が互いに異なる計5種類の酸素分離膜エレメントを製造した(サンプル24〜28)。 In the atmosphere, the temperature was first raised to 200 to 500 ° C. and held for 10 hours to decompose and remove organic substances. Thereafter, the temperature was raised to the firing temperature shown in Table 3 in the air, and the molding and the precursor were co-fired by maintaining for the firing time shown in Table 3. Thereafter, it was allowed to cool to form a porous support and an oxygen separation membrane at the same time. In this way, a total of five types of oxygen separation membrane elements with different firing times were produced (samples 24-28).
得られたサンプル26の酸素分離膜エレメントの断面SEM像を図2に示す。図2から明らかなように、酸素分離膜は緻密な構造を有しており、一方、多孔質支持体は適度な気孔を有していた。かかる酸素分離膜の厚さをSEM観察により測定したところ、凡そ50μmであった。 A cross-sectional SEM image of the obtained oxygen separation membrane element of Sample 26 is shown in FIG. As apparent from FIG. 2, the oxygen separation membrane had a dense structure, while the porous support had appropriate pores. The thickness of the oxygen separation membrane was measured by SEM observation, and was about 50 μm.
上記得られた各種の酸素分離膜エレメントが備える多孔質支持体の気孔率と平均細孔径を島津製作所社製のオートポアIV装置を用いて同時に測定した。結果を表3に示す。 The porosity and average pore diameter of the porous support provided in the various oxygen separation membrane elements obtained above were simultaneously measured using an Autopore IV apparatus manufactured by Shimadzu Corporation. The results are shown in Table 3.
表3の結果から明らかなように、1200℃で1000時間焼成したサンプル28の多孔質支持体は気孔率が7%となり、多孔質支持体として不適であった。これに対し、1200℃で24〜500時間焼成したサンプル24〜27の多孔質支持体は気孔率が18%〜28%となり、多孔質支持体として好適であった。特に1200℃で50〜500時間焼成することによって、18%〜25%というガス透過性及び機械的強度の双方を高度なレベルで実現した多孔質支持体とすることができた。この結果から、多孔質支持体のガス透過性及び機械的強度確保の観点からは、焼成時間は50〜500時間にすることが望ましい。 As apparent from the results in Table 3, the porous support of Sample 28 baked at 1200 ° C. for 1000 hours had a porosity of 7% and was not suitable as a porous support. On the other hand, the porous support of samples 24-27 calcined at 1200 ° C. for 24-500 hours had a porosity of 18% -28% and was suitable as a porous support. In particular, by firing at 1200 ° C. for 50 to 500 hours, it was possible to obtain a porous support that achieved both high gas permeability and mechanical strength of 18% to 25%. From this result, from the viewpoint of ensuring gas permeability and mechanical strength of the porous support, the firing time is desirably 50 to 500 hours.
以上の結果から、本試験例によると、1200℃で50〜500時間同時焼成することによって、適度な機械的強度と良好なガス透過性とを両立させた多孔質支持体を形成することができた。そのため、本構成によると、機械的強度及び酸素分離性能に優れた高性能な酸素分離膜エレメントを実現することができる。 From the above results, according to this test example, it is possible to form a porous support body having both appropriate mechanical strength and good gas permeability by simultaneous firing at 1200 ° C. for 50 to 500 hours. It was. Therefore, according to this configuration, a high-performance oxygen separation membrane element excellent in mechanical strength and oxygen separation performance can be realized.
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible.
30 酸素分離膜
32,34 アルミナ製円筒管
35 シール部材
50 モジュール
30 Oxygen separation membrane 32, 34 Alumina cylindrical tube 35 Seal member 50 Module
Claims (4)
一般式:Ln1−xAexCo1−yMyO3
ここで式中、Lnはランタノイドから選ばれる少なくとも1種であり、AeはSr、Ca及びBaからなる群から選ばれる1種又は2種以上の組み合わせであり、MはMg、Mn、Ga、Ti、Ni、Al、Fe、Cu、In、Sn、Zr、V、Cr、Zn、Ge、Sc及びYからなる群から選ばれる1種又は2種以上の組み合わせであり、xは0<x<1を満たす実数であり、yは0<y<1を満たす実数である;
で示されるペロブスカイト型酸化物を含む多孔質支持体用原料粉末であって、平均粒径10μm以上の原料粉末を所定形状の成形体に成形する工程と、
該成形体の表面部の少なくとも一部に、一般式:Ln1−xAexCo1−yMyO3
ここで式中、Lnはランタノイドから選ばれる少なくとも1種であり、AeはSr、Ca及びBaからなる群から選ばれる1種又は2種以上の組み合わせであり、MはMg、Mn、Ga、Ti、Ni、Al、Fe、Cu、In、Sn、Zr、V、Cr、Zn、Ge、Sc及びYからなる群から選ばれる1種又は2種以上の組み合わせであり、xは0<x<1を満たす実数であり、yは0<y<1を満たす実数である;
で示されるペロブスカイト型酸化物から実質的に構成される酸素分離膜を形成するための前駆体を付与する工程と、
前記成形体及び前記前駆体を1150℃〜1250℃の温度域にて24時間〜500時間、同時焼成することにより、多孔質支持体と該多孔質支持体の表面部に設けられた酸素分離膜とを同時に形成する工程と、
を包含する、酸素分離膜エレメントの製造方法。 A method for producing an oxygen separation membrane element in which an oxygen separation membrane having oxygen ion conductivity is formed on at least a part of a surface portion of a porous support,
General formula: Ln 1-x Ae x Co 1-y M y O 3
Here, in the formula, Ln is at least one selected from lanthanoids, Ae is one or a combination of two or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Ba, and M is Mg, Mn, Ga, Ti. , Ni, Al, Fe, Cu, In, Sn, Zr, V, Cr, Zn, Ge, Sc and Y, or a combination of two or more, and x is 0 <x <1 Y is a real number satisfying 0 <y <1;
A raw material powder for a porous support containing a perovskite type oxide represented by a step of forming a raw material powder having an average particle size of 10 μm or more into a molded body having a predetermined shape;
At least a portion of the surface of the molded article, the general formula: Ln 1-x Ae x Co 1-y M y O 3
Here, in the formula, Ln is at least one selected from lanthanoids, Ae is one or a combination of two or more selected from the group consisting of Sr, Ca and Ba, and M is Mg, Mn, Ga, Ti. , Ni, Al, Fe, Cu, In, Sn, Zr, V, Cr, Zn, Ge, Sc and Y, or a combination of two or more, and x is 0 <x <1 Y is a real number satisfying 0 <y <1;
A step of providing a precursor for forming an oxygen separation membrane substantially composed of a perovskite oxide represented by:
A porous support and an oxygen separation membrane provided on the surface of the porous support by co-firing the molded body and the precursor in a temperature range of 1150 ° C. to 1250 ° C. for 24 hours to 500 hours And simultaneously forming
A method for producing an oxygen separation membrane element, comprising:
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