JP2008246451A - Oxygen separation membrane element - Google Patents
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Abstract
【課題】 一層高い酸素透過性能を有する酸素分離膜エレメントを提供する。
【解決手段】 ガス拡散性能の高い直管状孔を備えた多孔質支持体12が用いられると共に、これとガス供給管22との隙間がその直管状孔よりも十分に小さくされているため、ガス供給管22から供給された空気が好適に中間層16に向かわせられ、高い酸素透過速度を得ることができる。
【選択図】図4PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen separation membrane element having higher oxygen permeation performance.
SOLUTION: A porous support 12 having a straight tubular hole with high gas diffusion performance is used, and a gap between the porous support 12 and a gas supply pipe 22 is sufficiently smaller than the straight tubular hole. The air supplied from the supply pipe 22 is preferably directed toward the intermediate layer 16, and a high oxygen transmission rate can be obtained.
[Selection] Figure 4
Description
本発明は、酸素分離に用いられる酸素分離膜エレメントに関する。 The present invention relates to an oxygen separation membrane element used for oxygen separation.
例えば、酸素イオン伝導性を有するセラミック材料から成る緻密質の電解質層は、その一面側において気体から解離させ且つイオン化させた酸素イオンをその他面側において再結合させることにより、酸素をその一面から他面に選択的に透過させてその気体から連続的に酸素を分離する酸素分離膜エレメントに利用される。特に、上記セラミック材料が酸素イオン伝導性に加えて電子伝導性を有する混合伝導体である場合には、電解質層内を酸素イオンの移動方向とは反対方向に電子が移動するため、解離面と再結合面とを電気的に接続して電子を再結合面から解離面に戻すための外部電極や外部回路等を設ける必要がない利点がある。このような電解質層を備えた酸素分離膜エレメントによれば、酸素を含む気体から容易に酸素を分離することができるため、例えば、深冷分離法やPSA(圧力変動吸着)法等に代わる酸素製造法として利用できる。 For example, a dense electrolyte layer made of a ceramic material having oxygen ion conductivity is formed by dissociating oxygen from a gas on one side and recombining ionized oxygen ions on the other side, so that oxygen is released from one side. It is used for an oxygen separation membrane element that selectively permeates the surface and continuously separates oxygen from the gas. In particular, when the ceramic material is a mixed conductor having electron conductivity in addition to oxygen ion conductivity, electrons move in the direction opposite to the movement direction of oxygen ions in the electrolyte layer. There is an advantage that it is not necessary to provide an external electrode, an external circuit, or the like for electrically connecting the recombination surface and returning electrons from the recombination surface to the dissociation surface. According to the oxygen separation membrane element having such an electrolyte layer, oxygen can be easily separated from a gas containing oxygen. For example, oxygen can be used instead of a cryogenic separation method, a PSA (pressure fluctuation adsorption) method, or the like. It can be used as a manufacturing method.
また、上記のような酸素イオン伝導体は、炭化水素の部分酸化反応等の酸化用反応装置にも利用し得る。例えば、この酸素イオン伝導体を膜状に形成し、その一方の表面に空気等の酸素含有ガスを供給し、他方の表面すなわち酸素再結合側の表面にメタン(CH4)等の炭化水素を含む気体を供給すれば、透過した酸素イオンによってその炭化水素を酸化させることができる。そのため、GTL(Gas to Liquid:天然ガスから化学反応により液体燃料を合成する技術)や、燃料電池用水素ガスの製造等に利用できる。 The oxygen ion conductor as described above can also be used in an oxidation reaction apparatus such as a hydrocarbon partial oxidation reaction. For example, this oxygen ion conductor is formed into a film, oxygen-containing gas such as air is supplied to one surface thereof, and hydrocarbon such as methane (CH 4 ) is supplied to the other surface, that is, the oxygen recombination side surface. If the gas containing it is supplied, the hydrocarbon can be oxidized by the permeated oxygen ions. Therefore, it can be used for GTL (Gas to Liquid: technology for synthesizing liquid fuel from natural gas by chemical reaction), production of hydrogen gas for fuel cells, and the like.
この種の酸素分離膜では、電解質膜が薄いほど高い酸素透過速度延いては高い分離性能が得られる。そのため、膜単体で用いる自立膜に代えて、電解質膜を薄膜で構成すると共に、肉厚方向に貫通する多数の細孔を備えた多孔質の支持体上にその膜を形成してその機械的強度を補うこと(すなわち非対称膜に構成すること)が行われている(例えば特許文献1〜5を参照。)。なお、電解質膜材料自体の酸素透過速度も可及的に高いことが望まれるため、これら特許文献1〜5では、種々の材料系の電解質膜が提案されている。 In this type of oxygen separation membrane, the thinner the electrolyte membrane, the higher the oxygen transmission rate and the higher the separation performance. Therefore, instead of a self-supporting membrane used alone, the electrolyte membrane is formed of a thin film, and the membrane is formed on a porous support having a large number of pores penetrating in the thickness direction. Complementing the strength (that is, forming an asymmetric membrane) is performed (see, for example, Patent Documents 1 to 5). In addition, since it is desired that the oxygen permeation rate of the electrolyte membrane material itself is as high as possible, these Patent Documents 1 to 5 propose electrolyte membranes of various materials.
また、上記酸素分離膜は、化学プラント用ガス分離膜等の実用的な規模での使用を考慮すると、筒状、例えば円筒形状が好ましいと考えられている(例えば特許文献5を参照)。筒状エレメントは、平板積層構造のものに比べてシールや大型化が比較的容易である。また、複数個を密接させて束ねて構成することもできるため、装置が小型化できる点でも有利である。 Further, the oxygen separation membrane is considered to be preferably cylindrical, for example, cylindrical, considering use on a practical scale such as a gas separation membrane for a chemical plant (see, for example, Patent Document 5). The cylindrical element is relatively easy to seal and increase in size as compared with a flat plate structure. In addition, since a plurality of devices can be bundled closely together, it is advantageous in that the device can be miniaturized.
上記のような事情により、円筒形状の多孔質支持体が用いられているが、非対称膜構造では多孔質支持体のガス拡散性能が装置性能に直ちに影響する。そのため、分離性能の高い酸素分離膜を製造するためには、ガス拡散性の高い支持体が必要になる。また、耐久性の高い酸素分離膜を得るためには、機械的強度や電解質薄膜との親和性の高い支持体が必要である。
ところで、近年、固体電解質膜や触媒の性能向上に伴い、多孔質支持体のガス拡散性能が酸素分離膜の性能を律するようになってきた。そのため、多孔質支持体のガス拡散性能の一層の向上が求められている。ガス拡散性能を向上させるためには、多孔質支持体の細孔径および気孔率を一層大きくすることが考えられる。しかしながら、細孔径および気孔率を大きくするほど多孔質支持体の機械的強度は低下する。例えば、気孔率を90(%)程度まで高めると、材料強度が10(MPa)程度まで低下して、取扱い性や耐久性が不十分になる。しかも、従来の多孔質支持体は原料粒子間の空隙で連通孔が形成されるため、連通孔が著しく屈曲する。そのため、気孔率や細孔径を大きくしても、ガス拡散性能を十分に高めることは困難であった。 Incidentally, in recent years, with the improvement of the performance of solid electrolyte membranes and catalysts, the gas diffusion performance of porous supports has come to regulate the performance of oxygen separation membranes. Therefore, further improvement of the gas diffusion performance of the porous support is required. In order to improve the gas diffusion performance, it is conceivable to further increase the pore diameter and porosity of the porous support. However, the mechanical strength of the porous support decreases as the pore diameter and porosity increase. For example, when the porosity is increased to about 90 (%), the material strength is decreased to about 10 (MPa), and the handleability and durability become insufficient. Moreover, since the conventional porous support is formed with communication holes in the gaps between the raw material particles, the communication holes are significantly bent. Therefore, even if the porosity and the pore diameter are increased, it is difficult to sufficiently improve the gas diffusion performance.
また、ガス拡散性能の高い多孔質支持体を用意して、電解質膜を形成して試験装置で評価したところ、多孔質支持体のガス拡散性能を高めるほど、その多孔質支持体や電解質膜の性能から予測される酸素透過量との乖離が大きくなり、期待する特性を得ることが困難であることが明らかとなった。 In addition, when a porous support having high gas diffusion performance was prepared, an electrolyte membrane was formed and evaluated with a test apparatus, the higher the gas diffusion performance of the porous support, the more the porous support and the electrolyte membrane. It became clear that it was difficult to obtain the expected characteristics because the deviation from the oxygen permeation amount predicted from the performance increased.
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、一層高い酸素透過性能を有する酸素分離膜エレメントを提供することにある。 The present invention has been made against the background of the above circumstances, and an object thereof is to provide an oxygen separation membrane element having higher oxygen permeation performance.
斯かる目的を達成するため、本発明の酸素分離膜エレメントの要旨とするところは、筒状を成す緻密質の電解質層と、その電解質層の内周面に空気を供給するための複数の気体流路を有し且つその電解質層を内周側から支持する有底筒状の支持体と、その支持体の底部に気体を供給するためにその開放端から内周側に挿入されたガス供給管とを備えた酸素分離膜エレメントであって、(a)前記支持体の内周面と前記ガス供給管の外周面との径方向における相互間隔が前記気体流路の大きさよりも小さいことにある。 In order to achieve such an object, the gist of the oxygen separation membrane element of the present invention is a dense electrolyte layer having a cylindrical shape and a plurality of gases for supplying air to the inner peripheral surface of the electrolyte layer. A bottomed cylindrical support having a flow path and supporting the electrolyte layer from the inner peripheral side, and a gas supply inserted from the open end to the inner peripheral side to supply gas to the bottom of the support An oxygen separation membrane element including a pipe, wherein (a) a radial distance between an inner peripheral surface of the support and an outer peripheral surface of the gas supply pipe is smaller than a size of the gas flow path. is there.
円筒形状の酸素分離膜エレメントを用いるに際しては、これを有底円筒に構成すると共に、開放端側からその内周側にガス供給管を挿入し、支持体の底部近傍から酸素を含む気体を導入することになる。本発明によれば、支持体の内周面とガス供給管の外周面との径方向における相互間隔すなわちそれらの間に形成される隙間が、支持体から電解質層の内周面に空気を供給するための気体流路の大きさよりも小さくされているため、ガス供給管の先端から多孔質支持体底部に供給された気体は、その気体流路内に流れ易くなる。したがって、電解質層の内周面に酸素を含む気体が好適に供給されるので、多孔質支持体のガス拡散性能が高められている場合にもこれが有効に利用され、高い酸素透過性能を有する酸素分離膜エレメントが得られる。 When using a cylindrical oxygen separation membrane element, configure it as a bottomed cylinder, insert a gas supply pipe from the open end to the inner periphery, and introduce gas containing oxygen from the bottom of the support Will do. According to the present invention, the distance between the inner peripheral surface of the support and the outer peripheral surface of the gas supply pipe in the radial direction, that is, the gap formed therebetween, supplies air from the support to the inner peripheral surface of the electrolyte layer. Therefore, the gas supplied from the front end of the gas supply pipe to the bottom of the porous support easily flows into the gas flow path. Therefore, since the gas containing oxygen is suitably supplied to the inner peripheral surface of the electrolyte layer, this is effectively used even when the gas diffusion performance of the porous support is enhanced, and oxygen having high oxygen permeability is obtained. A separation membrane element is obtained.
因みに、従来の酸素分離膜エレメントにおいては、ガス供給管の外径が多孔質支持体の内径に比較して著しく小さく、それらの間に大きな空間が形成されていた。従来は多孔質支持体のガス拡散性能が比較的低かったことから、ガス供給管から供給される気体の殆どが利用されることなく支持体の開放端から排出されるように構成されていたのである。多孔質支持体のガス拡散性能が高められても、ガス供給管の配設状態については何ら考慮が払われていなかったことから、従来と同様に多孔質支持体の気体流路よりもガス供給管との隙間が大きくなっていた。そのため、殆どの気体がそのまま排出されることになって、電解質層に向かう気体流路に流れ込む気体流量は増加し難くなっていたのである。このような事情により、前述したように多孔質支持体のガス拡散性能や電解質材料の酸素透過速度が高められても、それらの特性値から予測される程度の酸素透過性能が得られなかったものと考えられる。 Incidentally, in the conventional oxygen separation membrane element, the outer diameter of the gas supply pipe is significantly smaller than the inner diameter of the porous support, and a large space is formed between them. Conventionally, since the gas diffusion performance of the porous support was relatively low, most of the gas supplied from the gas supply pipe was discharged from the open end of the support without being used. is there. Even if the gas diffusion performance of the porous support is enhanced, no consideration has been given to the arrangement of the gas supply pipe, so that the gas supply from the gas flow path of the porous support is the same as before. The gap with the tube was large. Therefore, most of the gas is discharged as it is, and the gas flow rate flowing into the gas flow path toward the electrolyte layer is difficult to increase. Due to such circumstances, as described above, even though the gas diffusion performance of the porous support and the oxygen permeation rate of the electrolyte material were increased, the oxygen permeation performance as predicted from their characteristic values could not be obtained. it is conceivable that.
なお、支持体内周面とガス供給管外周面との相互間隔は、前記気体流路の大きさよりも小さくされていれば足り、特に下限値はない。例えば、これらが互いに接触しても反応や焼成時或いは使用時における破損の可能性などがなければ、相互間隔が零すなわち密接させられた状態であってもよい。 In addition, the mutual space | interval of a support body outer peripheral surface and a gas supply pipe outer peripheral surface should just be made smaller than the magnitude | size of the said gas flow path, and there is no lower limit in particular. For example, even if they are in contact with each other, if there is no possibility of damage during reaction, firing or use, the distance between them may be zero, that is, a close state.
また、本発明は、上述したように多孔質支持体のガス拡散性能が高い場合に特に高い効果を享受することができるが、ガス拡散性能の程度を問わず、例えば従来並の性能のものにも同様に適用可能である。但し、10(cc/min/cm2)以上の酸素透過速度を有する場合に適用することが特に好ましい。 Further, as described above, the present invention can enjoy particularly high effects when the porous substrate has a high gas diffusion performance. Is equally applicable. However, it is particularly preferable to apply when the oxygen transmission rate is 10 (cc / min / cm 2 ) or more.
ここで、好適には、前記多孔質支持体と前記電解質層との間には、多孔質の中間層が備えられる。すなわち、この態様では、電解質層が中間層を介して多孔質支持体で支持される。本発明の多孔質支持体は可及的にガス拡散性能の高いことが望まれるが、ガス拡散性能が高くなるほど気孔率も高くなって緻密な薄い膜を表面に形成することが困難になる。そのため、ガス拡散性能の高い多孔質支持体が用いられる場合には、多孔質の中間層をその外周面に形成し、その上に電解質層を設けることが好ましい。 Here, preferably, a porous intermediate layer is provided between the porous support and the electrolyte layer. That is, in this embodiment, the electrolyte layer is supported by the porous support via the intermediate layer. The porous support of the present invention is desired to have as high a gas diffusion performance as possible. However, the higher the gas diffusion performance, the higher the porosity and it becomes difficult to form a dense thin film on the surface. Therefore, when a porous support having high gas diffusion performance is used, it is preferable to form a porous intermediate layer on the outer peripheral surface and provide an electrolyte layer thereon.
上記の中間層の構成材料は特に限定されないが、表面に薄い電解質層を形成してこれを支持するためのものであるから、その電解質層と同一或いは同系の材料で構成することが好ましい。 The constituent material of the intermediate layer is not particularly limited. However, since it is for forming and supporting a thin electrolyte layer on the surface, the intermediate layer is preferably made of the same or similar material as the electrolyte layer.
また、上記の中間層は、多孔質支持体の表面形状に応じ、適宜の製造方法で製造したものを用いることができる。例えば、押出成形やキャスティング成形したシート状成形体を多孔質支持体に巻き付けて焼成処理を施すことで形成できる。 Moreover, what was manufactured with the appropriate manufacturing method can be used for said intermediate | middle layer according to the surface shape of a porous support body. For example, it can be formed by winding a sheet-like molded body obtained by extrusion molding or casting molding around a porous support and performing a baking treatment.
また、好適には、前記複数の気体流路は前記筒状の支持体の周壁に内周面から外周面に直線的に貫通するように設けられた直管状孔であり、前記相互間隔がその直管状孔の気体流通方向に垂直な差渡し寸法の最大値よりも小さいものである。このようにすれば、多孔質支持体の周壁を厚み方向に直線的に貫通する直管状孔は、屈曲する連通孔に比べて通気抵抗が著しく小さいため、多孔質支持体のガス拡散性能が著しく高められる。このとき、直管状孔は、ガス供給管と多孔質支持体との隙間に向かって開口し、ガス供給管の先端から導入された気体はその隙間を通ることになるため、直管状孔が隙間よりも大きくされていれば、導入された気体が多孔質支持体の開放端に向かう過程でその直管状孔に好適に導き入れられる。本発明は、このような直管状孔を備えた多孔質支持体が用いられる場合に好適に適用される。 Preferably, the plurality of gas flow paths are straight tubular holes provided in the peripheral wall of the cylindrical support so as to linearly penetrate from the inner peripheral surface to the outer peripheral surface, and the mutual intervals are the same. It is smaller than the maximum value of the passing dimension perpendicular to the gas flow direction of the straight tubular hole. In this way, since the straight tubular hole that linearly penetrates the peripheral wall of the porous support in the thickness direction has a significantly lower airflow resistance than the bent communication hole, the gas diffusion performance of the porous support is remarkably high. Enhanced. At this time, the straight tubular hole opens toward the gap between the gas supply pipe and the porous support, and the gas introduced from the tip of the gas supply pipe passes through the gap. If it is larger than that, the introduced gas is preferably introduced into the straight tubular hole in the process toward the open end of the porous support. The present invention is suitably applied when a porous support having such straight tubular holes is used.
上記の態様において、直管状孔の形態や多孔質支持体の製造方法は特に限定されず、種々の方法で種々の形状の直管状孔を有する多孔質支持体を製造できる。例えば、筒状の成形体を押出成形等の適宜の方法で作製した後、焼成前にその外周面に機械加工で必要個数の貫通孔を形成し、焼成処理を施す方法が挙げられる。この態様では、直管状孔の形状、大きさ、個数等を任意に定めることができるが、製造コストが高く、直管状孔の個数が多くなるほど製造コストが上昇する問題がある。 In said aspect, the form of a straight tubular hole and the manufacturing method of a porous support body are not specifically limited, The porous support body which has a straight tubular hole of a various shape by various methods can be manufactured. For example, after producing a cylindrical molded body by an appropriate method such as extrusion, a necessary number of through-holes are formed by machining on the outer peripheral surface before firing, and a firing process is performed. In this aspect, the shape, size, number, and the like of the straight tubular holes can be arbitrarily determined, but there is a problem that the manufacturing cost increases and the manufacturing cost increases as the number of straight tubular holes increases.
また、例えば、厚み方向に貫通する貫通孔を内周部に有する複数枚の孔明き板を用意し、別途作製し或いはその孔明き板と一体的に形成したスペーサをその環状端面上に周方向に複数個配置して、そのスペーサを介してその孔明き板を積層し、加熱処理を施すことで一体化させたものを多孔質支持体としてもよい。この場合には、複数枚の孔明き板がその厚み方向にスペーサを介して連なることによって全体として筒状を成し、貫通孔部分が筒状支持体の内周側の孔として機能し、孔明き板とスペーサとの間に形成される隙間が直管状孔として機能する。上記スペーサは円柱状、角柱状等の適宜の形状とすることができ、の高さ寸法、環状端面の周方向における相互間隔、一端面間に備えられるスペーサの個数等は、多孔質支持体に所望するガス拡散性能、機械的強度、外周面上への膜形成の難易に応じて適宜定めることができる。例えば、スペーサの高さ寸法すなわち孔明き板の相互間隔は0.01〜50(mm)、好適には5(mm)以下の範囲内の大きさが好ましく、機械的強度を確保しつつガス拡散抵抗を十分に小さくすることができる。 In addition, for example, a plurality of perforated plates having through holes penetrating in the thickness direction on the inner peripheral portion thereof are prepared, and spacers that are separately manufactured or integrally formed with the perforated plates are provided on the annular end surface in the circumferential direction. A porous support may be formed by arranging a plurality of the perforated plates through the spacers and integrating them by heat treatment. In this case, a plurality of perforated plates are connected in the thickness direction via spacers to form a cylindrical shape as a whole, and the through hole portion functions as a hole on the inner peripheral side of the cylindrical support body. A gap formed between the board and the spacer functions as a straight tubular hole. The spacer can have an appropriate shape such as a columnar shape, a prismatic shape, etc., and the height dimension, the mutual interval in the circumferential direction of the annular end surface, the number of spacers provided between the one end surfaces, etc. It can be appropriately determined according to the desired gas diffusion performance, mechanical strength, and difficulty in forming a film on the outer peripheral surface. For example, the height of the spacer, that is, the distance between the perforated plates is preferably 0.01 to 50 (mm), preferably 5 (mm) or less, and the gas diffusion resistance is ensured while ensuring the mechanical strength. It can be made sufficiently small.
また、上記のように複数枚の孔明き板を積層して一体化させる態様において、前記ガス供給管が耐火物材料や耐熱金属等の耐熱材料で構成され、支持体(すなわち孔明き板)の構成材料との反応性が十分に低い場合には、積層した孔明き板の貫通孔内にそのガス供給管を刺し通して焼成処理を施してもよい。このようにすれば、積層した孔明き板の位置合わせ治具としてもガス供給管が機能するため、多孔質支持体の焼成過程における反りや曲がりが好適に抑制される。また、ガス供給管に刺し通した状態でそのガス供給管で支持して吊るし焼成を施すことも可能である。なお、本願において「吊るし焼成」は、ガス供給管の長手方向が鉛直方向に一致する向き、水平方向に一致する向き等、向きの如何を問わず、ガス供給管によって孔明き板を宙づり状態で支持した種々の態様を含む。 Further, in the aspect in which a plurality of perforated plates are laminated and integrated as described above, the gas supply pipe is made of a heat-resistant material such as a refractory material or a heat-resistant metal, and a support (that is, a perforated plate) When the reactivity with the constituent material is sufficiently low, the gas supply pipe may be pierced into the through hole of the laminated perforated plate and subjected to a firing treatment. In this way, since the gas supply pipe functions also as an alignment jig for the laminated perforated plates, warping and bending in the firing process of the porous support are suitably suppressed. It is also possible to carry out the firing by supporting the gas supply pipe in a state of being pierced through the gas supply pipe. In the present application, “hanging firing” means that the perforated plate is suspended by the gas supply pipe regardless of the orientation, such as the direction in which the longitudinal direction of the gas supply pipe matches the vertical direction or the direction in which the gas supply pipe matches the horizontal direction. Includes various supported embodiments.
また、好適には、前記支持体は一方向に沿って伸びる筒状の基体部とその基体部の外周面に周方向に相互に離隔して突設され且つその基体部の長手方向に沿って伸びる複数本のリブ状部とを備えたもので、前記複数の気体流路はそれら複数本のリブ状部間に形成され、前記相互間隔がそのリブ状部の高さ寸法よりも小さいものである。このようにすれば、多孔質支持体のリブ状部間に形成される気体流路は支持体の底部側から開放端に向かって真っ直ぐに伸びることから、通気抵抗が著しく小さいため、支持体とガス供給管との相互間隔がその高さ寸法よりも小さくされていれば、ガス供給管の先端から支持体底部に供給された気体がその気体流路内に好適に導き入れられる。この態様では、リブ状部上に直接に或いは多孔質の支持層を介して前記電解質層が設けられることになるが、何れの場合にも、気体流路内に導き入れられた気体が好適にその電解質層の内周面に向かわせられる。 Preferably, the support body is provided with a cylindrical base portion extending along one direction and an outer peripheral surface of the base portion so as to project away from each other in the circumferential direction and along the longitudinal direction of the base portion. The plurality of gas flow paths are formed between the plurality of rib-shaped portions, and the mutual interval is smaller than the height dimension of the rib-shaped portions. is there. In this way, since the gas flow path formed between the rib-like portions of the porous support extends straight from the bottom side of the support toward the open end, the airflow resistance is extremely small. If the mutual interval with the gas supply pipe is smaller than the height, the gas supplied from the tip of the gas supply pipe to the bottom of the support is suitably introduced into the gas flow path. In this aspect, the electrolyte layer is provided directly on the rib-like portion or via a porous support layer. In any case, the gas introduced into the gas flow path is preferably used. It is directed to the inner peripheral surface of the electrolyte layer.
上記の態様において、支持体の外周面(すなわちリブ状部の径方向先端面を結ぶ筒状面)に設けられる支持層は、別に成形したものを巻き付けて焼成により一体化させても良く、一体的に成形しても良い。この態様では、支持層が一体的に設けられる場合もこれが設けられない場合の何れにおいても、支持体の長手方向に垂直な断面が一様な形状を有することになるため、例えば押出成形で成形することができる。 In the above aspect, the support layer provided on the outer peripheral surface of the support (i.e., the cylindrical surface connecting the radial front end surfaces of the rib-shaped portions) may be integrated by firing by winding a separately molded one. May be molded. In this embodiment, the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the support has a uniform shape both when the support layer is provided integrally and when it is not provided. can do.
また、好適には、前記支持体は一般式Ln1-xAexMO3(ここでLnはランタノイドから選択される少なくとも一種、AeはSr,Ca,Baから選択される少なくとも一種、MはMg,Mn,Ga,Ti,Co,Ni,Al,Fe,Cu,In,Sn,Zr,V,Cr,Zn,Ge,Sc,Yから選択される少なくとも一種、0≦x≦1)で表されるペロブスカイト複合酸化物から成るものであり、前記ガス供給管は少なくとも外周面が酸化マグネシウム(MgO)から成るものである。このようにすれば、反応性の高いランタノイド系ペロブスカイト複合酸化物で支持体が構成される場合にも、ペロブスカイト複合酸化物との反応性の低い酸化マグネシウムでガス供給管が構成されていることから、支持体とガス供給管との隙間が極めて小さい場合に、これらが一部において接することとなっても製造過程や使用中に反応し延いては支持体の特性が変化することが好適に抑制される。 Preferably, the support has the general formula Ln 1-x Ae x MO 3 (where Ln is at least one selected from lanthanoids, Ae is at least one selected from Sr, Ca, Ba, and M is Mg). , Mn, Ga, Ti, Co, Ni, Al, Fe, Cu, In, Sn, Zr, V, Cr, Zn, Ge, Sc, Y, represented by 0 ≦ x ≦ 1) The gas supply pipe has at least an outer peripheral surface made of magnesium oxide (MgO). In this way, even when the support is composed of a highly reactive lanthanide-based perovskite complex oxide, the gas supply pipe is composed of magnesium oxide having a low reactivity with the perovskite complex oxide. When the gap between the support and the gas supply pipe is extremely small, it is preferable to prevent the characteristics of the support from changing as a result of reaction during the manufacturing process or use even if they partially contact each other. Is done.
また、好適には、上記の態様において、ガス供給管は、純度が95(%)以上の電融マグネシアまたは純度が97(%)以上の軽焼マグネシアから構成される。このようにすれば、ペロブスカイト複合酸化物から成る支持体との反応が一層抑制される。 Preferably, in the above aspect, the gas supply pipe is made of electrofused magnesia having a purity of 95 (%) or higher or light-burned magnesia having a purity of 97 (%) or higher. This further suppresses the reaction with the support made of the perovskite complex oxide.
なお、電融マグネシアは塩化マグネシウムとアルカリとを反応させて水酸化マグネシウムを生成し、脱水、乾燥した後、1400(℃)程度の温度で仮焼を施して重焼マグネシア或いはクリンカーと称される酸化マグネシウムを生成し、更に3000(℃)程度の温度で溶融(電融)して冷却後、粉砕したものである。電融マグネシアの純度は、一般に、電融時に不純物を除去することで高められる。このようにして製造されることから、電融マグネシアは結晶成長しており、結晶性が高く、比較的大粒径の粉末になる。粒子形状は粉砕状態によるが、溶融品を粉砕しているため粒子が焼きしまり或いは角張っている形状のものが多い。耐熱性が高く、耐熱煉瓦等にも用いられる。軽焼マグネシアに比較すると不活性であり、耐熱煉瓦等を製造するために焼結させる場合には、通常、SiO2,Al2O3,CaO等の焼結助剤を多量に添加する。 Electrofused magnesia reacts with magnesium chloride and alkali to produce magnesium hydroxide, dehydrated and dried, then calcined at a temperature of about 1400 (° C) and called heavy calcined magnesia or clinker Magnesium oxide is produced, melted (electrofused) at a temperature of about 3000 (° C.), cooled, and pulverized. The purity of electrofused magnesia is generally increased by removing impurities during electromelting. Since it is manufactured in this manner, the fused magnesia is crystal-grown, has high crystallinity, and becomes a powder having a relatively large particle size. The particle shape depends on the pulverized state, but since the molten product is pulverized, the particle shape is often burnt or angular. It has high heat resistance and is also used for heat-resistant bricks. Compared with light-fired magnesia, it is inactive. When sintering to produce heat-resistant bricks and the like, a large amount of a sintering aid such as SiO 2 , Al 2 O 3 , CaO is usually added.
また、軽焼マグネシアは脱水、乾燥した水酸化マグネシウムを1000〜1200(℃)の範囲内の温度で仮焼し、粉砕して粉末としたものである。軽焼マグネシアの純度は、一般に、得られた粉末を洗浄することで高められる。このようにして製造されることから、結晶性が電融マグネシアに比較すると低く、容易に粉砕できるため微粉末を得やすい。粒子形状は比較的均一な球状に近い形状である。また、粒径が微細で比表面積が大きいことから活性が高く反応性に富むため、各種セラミック原料、ゴムやプラスチックの配合剤等、化学用途が多い。 Light calcined magnesia is obtained by calcining dehydrated and dried magnesium hydroxide at a temperature in the range of 1000 to 1200 (° C.) and pulverizing it. The purity of light-burned magnesia is generally increased by washing the powder obtained. Since it is manufactured in this way, the crystallinity is lower than that of electrofused magnesia, and since it can be easily pulverized, it is easy to obtain a fine powder. The particle shape is a relatively uniform spherical shape. Further, since the particle size is fine and the specific surface area is large, the activity is high and the reactivity is high. Therefore, there are many chemical uses such as various ceramic raw materials, rubber and plastic compounding agents.
また、好適には、前記酸素分離膜エレメントは、前記電解質層を形成するためのスラリー等を前記多孔質支持体の外周面に塗布した後、前記ガス供給管で支持して吊るし焼成により焼成されたものである。このようにすれば、電解質層の製膜部が焼成用セッター等に接触しない状態で焼成処理を施すことができるため、その電解質層と焼成用セッターとの反応が好適に抑制される。 Preferably, the oxygen separation membrane element is fired by applying a slurry or the like for forming the electrolyte layer to the outer peripheral surface of the porous support, and then hanging and supporting it with the gas supply pipe. It is a thing. In this way, since the firing process can be performed in a state where the film forming part of the electrolyte layer does not contact the setter for firing and the like, the reaction between the electrolyte layer and the setter for firing is suitably suppressed.
また、前記電解質層の構成材料は特に限定されず、本発明は種々の材料から成る電解質層を備える酸素分離膜エレメントに適用される。但し、高い酸素透過性能を得るためには、Ln系ペロブスカイト複合酸化物から成るものが最も好ましい。例えば、LaSrTiFeO3、LaSrGaFeO3、LaSrMnFeO3等が挙げられる。これらはイオン伝導性および電子伝導性が高い利点がある。 The constituent material of the electrolyte layer is not particularly limited, and the present invention is applied to an oxygen separation membrane element including an electrolyte layer made of various materials. However, in order to obtain high oxygen permeation performance, the one made of Ln-based perovskite complex oxide is most preferable. For example, LaSrTiFeO 3 , LaSrGaFeO 3 , LaSrMnFeO 3 and the like can be mentioned. These have the advantage of high ion conductivity and electronic conductivity.
また、前記多孔質支持体の構成材料は、前記電解質層と反応してその特性を変化させるようなものでなければ特に限定されない。但し、製造工程や使用時に加熱或いは冷却された場合にも熱膨張量の相違に起因して破損することを抑制するためには、前記電解質層と同一或いは同系材料が好ましく、マグネシア、ジルコニア、アルミナ、セリア等も好ましい。例えば、多孔質支持体がLn系ペロブスカイト複合酸化物から成る場合には、熱膨張係数が12〜13×10-7(/℃)程度であるから、熱膨張係数が13×10-7(/℃)程度のマグネシアや12×10-7(/℃)程度のセリアが最も好ましいが、多孔質支持体と電解質層との間に前記中間層が設けられる場合には、その中間層が熱膨張係数の相違を緩和する作用を有するので、熱膨張係数が10〜11×10-7(/℃)程度のジルコニアや6〜7×10-7(/℃)程度のアルミナでも特に支障はない。 The constituent material of the porous support is not particularly limited as long as it does not react with the electrolyte layer and change its characteristics. However, in order to suppress damage due to the difference in thermal expansion amount even when heated or cooled during the manufacturing process or use, the same or similar material as the electrolyte layer is preferable, magnesia, zirconia, alumina Ceria and the like are also preferable. For example, when the porous support is made of an Ln-based perovskite composite oxide, the thermal expansion coefficient is about 12 to 13 × 10 −7 (/ ° C.), and thus the thermal expansion coefficient is 13 × 10 −7 (/ Magnesia of about ° C.) and ceria of about 12 × 10 −7 (/ ° C.) are most preferable, but when the intermediate layer is provided between the porous support and the electrolyte layer, the intermediate layer is thermally expanded. Since it has an effect of relaxing the difference in coefficient, there is no particular problem even with zirconia having a thermal expansion coefficient of about 10 to 11 × 10 −7 (/ ° C.) or alumina having a coefficient of about 6 to 7 × 10 −7 (/ ° C.).
また、前記ガス供給管の構成材料も特に限定されないが、前記多孔質支持体に接して配設される場合には、反応してこれを変質させることの無い材料で構成することが好ましい。例えば、多孔質支持体がLn系ペロブスカイト複合酸化物で構成される場合にはマグネシアで構成することが好ましい。また、多孔質支持体が上述した他の材料で構成される場合には、それらと同材料が好ましいが、他の材料でも差し支えない。 The constituent material of the gas supply pipe is not particularly limited. However, when the gas supply pipe is disposed in contact with the porous support, it is preferably made of a material that does not react and change its quality. For example, when the porous support is composed of an Ln-based perovskite complex oxide, it is preferably composed of magnesia. Further, when the porous support is composed of the other materials described above, the same materials as those are preferable, but other materials may be used.
なお、前記ガス供給管は、緻密質であることが好ましい。このようにすれば、供給しようとする気体が途中で漏れることなく、その先端から支持体の底部に向かって好適に供給される。 The gas supply pipe is preferably dense. If it does in this way, the gas which is going to supply will be suitably supplied toward the bottom part of a support body, without leaking on the way.
また、好適には、前記ガス供給管は、外周面にその軸心方向に沿って伸びる溝を有するものである。このようにすれば、多孔質支持体とガス供給管との隙間が十分に小さくされ且つガス供給管から供給される空気流量が大きくされた場合にも、溝を通って空気が流れやすくなるため圧力損失が軽減される。このような溝は隙間の大きさや空気流量に応じて適宜の大きさや本数で設ければよい。 Preferably, the gas supply pipe has a groove extending along the axial direction on the outer peripheral surface. In this way, even when the gap between the porous support and the gas supply pipe is sufficiently reduced and the air flow rate supplied from the gas supply pipe is increased, air can easily flow through the groove. Pressure loss is reduced. Such grooves may be provided in an appropriate size or number according to the size of the gap or the air flow rate.
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following embodiments, the drawings are appropriately simplified or modified, and the dimensional ratios, shapes, and the like of the respective parts are not necessarily drawn accurately.
図1は、本発明の一実施例の酸素分離膜エレメント10の全体を示す斜視図である。酸素分離膜エレメント10は、略円筒形状を成す有底筒状の多孔質支持体12と、その外周面14に巻き付け固着された中間層16と、その中間層16上に設けられた電解質層18と、多孔質支持体12の内周側の有底穴20に刺し通されたガス供給管22とを備えたものである。
FIG. 1 is a perspective view showing an entire oxygen
上記の多孔質支持体12は、例えば全体が外径20(mm)×内径14(mm)×長さ750(mm)程度の大きさに構成されたものであり、図2に示すように、複数枚の孔明き円板状部24が複数の支柱部26を介して積層された形状を備えている。なお、複数個の孔明き円板状部24は、例えば、多孔質支持体12の底部を構成する部分の他は全て同一形状および同一寸法に構成されており、それらの外周面および内周面は、それぞれ一つの円筒面上に位置する。
The
前記の有底穴20は、孔明き円板状部24の各々に形成された貫通孔28が、その軸心方向に適当な間隔を以て連なることにより構成されたものである。孔明き円板状部24の円環状端面30上の各々に複数個が配置された支柱部26は、その円環状端面30の周方向において相互に離隔して配置されている。そのため、複数枚の孔明き円板状部24の相互間には、複数個の支柱部26で周方向に分割された複数の貫通孔32が存在する。この貫通孔32は、多孔質支持体12の外周面14から有底穴20に貫通するものであり、この結果、多孔質支持体12は、その軸心方向に貫通する有底穴20と外周面14との間に直線的に貫通する直管状孔を備えたものとなっている。
The above-mentioned bottomed
図3は、上記の多孔質支持体12の構成部品である支柱一体型円板34を示す図である。支柱一体型円板34は、前記の孔明き円板状部24と、その両円環状端面30,30上に一体的に設けられたそれぞれ6個の支柱部26とから構成されている。両面の支柱部26,26は、周方向における同一位置に備えられている。孔明き円板状部24は外径20(mm)×内径14(mm)×厚さ1.7(mm)程度の大きさを有するものである。また、支柱部26は長さ3(mm)×幅1.6(mm)×高さ0.8(mm)程度の大きさで、孔明き円板状部24の径方向に沿って伸び、その周方向に60度間隔で設けられている。そのため、一つの円環状端面30上に設けられている6個の支柱部26の相互間隔は内周端で5.7(mm)程度、外周端で8.9(mm)程度である。
FIG. 3 is a diagram showing a support-integrated
多孔質支持体12は、上記のように構成された複数枚の支柱一体型円板34が、支柱部26,26が相互に重なり合う周方向位置で積層され且つ相互に接合されることによって構成されたものである。このため、多孔質支持体12に備えられた直管状孔すなわち貫通孔32は、内周側が5.7(mm)×1.5(mm)程度の矩形を成し、外周側が8.9(mm)×1.5(mm)程度の矩形を成すものとなっている。
The
また、上記の支柱一体型円板24は、例えば、La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3(以下、LSTFという)やLa0.6Sr0.4Zr0.2Fe0.8O3(以下、LSZFという)等のランタン系ペロブスカイト複合酸化物から成るものである。この支柱一体型円板24自体は緻密体で、1(%)未満の気孔率を有している。そのため、多孔質支持体12の有底穴20からその外周面14に通ずる気体流路は、専ら前記の孔明き円板状部24と支柱部26とにより形成された貫通孔32のみである。
In addition, the above-mentioned support-integrated
図1に戻って、前記の電解質層18は、例えば、前記LSTF或いはLSZF等のランタン系ペロブスカイト複合酸化物から成る厚さ寸法が50(μm)程度の緻密膜である。この電解質層18は前記多孔質支持体12と同一材料或いは同系材料で構成することが好ましい。すなわち、多孔質支持体12がLSTFで構成される場合には、電解質層18もLSTFで構成することが好ましく、多孔質支持体12がLSZFで構成される場合には電解質層18もLSZFで構成することが好ましい。このようにすれば、電解質層18と多孔質支持体12との熱膨張係数の相違が無く、或いは十分に小さくなるので、製造および使用中に繰り返し与えられる熱履歴に起因する破損の可能性が減じられる。
Returning to FIG. 1, the
また、前記の中間層16は、例えば0.1〜0.2(mm)程度の厚さ寸法を備え、例えば電解質層18および多孔質支持体12と同一材料或いは同系材料で構成されるものである。この中間層16は、前記のように大きな貫通孔32を備えた多孔質支持体12上に薄い電解質層18を形成可能とする目的で設けられている。そのため、中間層16は、それ自体が多孔質支持体12上で形状を維持し得る程度の厚さ寸法に構成されており、多孔質支持体12の貫通孔32から出た気体が容易に透過できるような多孔質体で、細孔径は例えば0.1〜10(μm)程度、気孔率は20(%)以上である。
The
また、前記ガス供給管22は、例えば純度が95(%)以上の高純度MgOから成る気孔率が1(%)未満の緻密体で、例えば外径13.9(mm)×内径10.5(mm)×長さ1000(mm)程度の大きさを備えている。そのため、このガス供給管22と多孔質支持体12の有底穴20との間の空隙の大きさは、0.1(mm)程度、すなわち、貫通孔32よりも十分に小さい大きさである。ガス供給管22の図1における上側に位置する一端は多孔質支持体12の一端から突出し、下側に位置する図示しない下端は多孔質支持体12の底部から僅かに離隔した位置にある。
The
上記の酸素分離膜エレメント10は、例えば、以下のようにして製造される。前記のガス供給管22を製造するに際しては、まず、例えば、平均粒径が2(μm)程度の電融マグネシア粉末を用意し、これに適宜の有機バインダーおよび分散剤を添加して混練することにより坏土を調製する。原料粉末は、市販の適宜のものを用いることができる。次いで、この坏土を押出成形機を用いて例えば外径18(mm)×内径14(mm)×長さ1200(mm)程度の寸法に押出成形する。乾燥後、これを例えば1500〜1800(℃)程度の温度で焼成する。更に、焼成後、外周面に研磨加工を施して、前記のような所望の外径寸法に仕上げることにより、前記ガス供給管22が得られる。
The oxygen
一方、多孔質支持体12を製造するに際しては、まず、平均粒径が1(μm)程度の前記LSTFまたはLSZF粉末(但し、これらのうち電解質層18の構成材料と同一或いは同系材料を用いる)を用意し、これに適宜の有機バインダーおよび分散剤を添加して混合し、更に噴霧造粒等の適宜の方法で造粒することにより、例えば60(μm)程度の造粒粉末を得る。原料粉末は、市販の適宜のものを用いることができる。次いで、これを例えば150(MPa)程度の圧力で粉末プレス成形し、前記図3に示すような形状を備え、外径23(mm)×内径17(mm)程度、孔明き円板状部24の厚さ寸法が2(mm)程度、支柱部26の厚さ寸法が1(mm)程度の成形体を得る。なお、成形後、必要に応じて例えば150(MPa)程度の湿式静水圧加圧(CIP)を更に施す。
On the other hand, when the
次いで、得られた成形体に大気雰囲気中で焼成処理を施す。焼成処理は、まず、例えば200〜500(℃)程度の温度で10時間程度保持して有機物を分解した後、1000〜1600(℃)程度まで昇温して3時間程度保持することにより行う。次いで、得られた焼成物に機械研磨を施すことにより、所望の寸法に加工する。これにより、前記図3に示される支柱一体型円板34が得られる。
Next, the obtained molded body is fired in an air atmosphere. First, for example, the firing treatment is performed by decomposing organic substances by holding at a temperature of about 200 to 500 (° C.) for about 10 hours, and then raising the temperature to about 1000 to 1600 (° C.) and holding it for about 3 hours. Next, the obtained fired product is processed into a desired size by mechanical polishing. Thereby, the support | pillar integrated
次いで、複数枚の支柱一体型円板34を前記ガス供給管22に順次に挿して積層し、例えば大気中において1300〜1600(℃)程度の温度で焼成処理を施すことにより、複数枚の支柱一体型円板34を相互に接合する。この際、支柱一体型円板34は、前記の支柱部26が相互に周方向の同一位置になるように、すなわち、上側に位置する支柱一体型円板34が裏面の支柱部26において下側の支柱一体型円板34の支柱部26により支持されるように積み重ねる。これにより、前記図2に示す多孔質支持体12が得られる。なお、図2にはガス供給管22が挿入されていない状態を示しているが、ガス供給管22は、酸素分離膜エレメント10の構成部材であるため焼成時に刺し通したままにしておいて差し支えない。
Next, a plurality of pillar-integrated
なお、このとき、多孔質支持体12の軸心方向に沿って備えられた有底穴20の直径は、前述した各数値から明らかなようにガス供給管22の外径寸法よりも僅かに大きく、これらの間には0.1(mm)程度の隙間が形成されているので、多孔質支持体12とガス供給管22とは一部において接触しているが接合されてはいない。
At this time, the diameter of the bottomed
次いで、得られた多孔質支持体12の外周面14に別途作製した中間層用シートを巻き付け、焼成処理を施す。更に、形成された中間層16上にスラリーをディップコーティングにより塗布し、焼成処理を施すことにより、前記電解質層18を形成する。これにより、前記酸素分離膜エレメント10が得られる。
Next, a separately prepared intermediate layer sheet is wound around the outer
なお、中間層用シートは、例えば、平均粒径が20〜50(μm)程度のLSTF或いはLSZF原料(但し、支持体用と同一或いは同系材料を用いる)を用意し、これに溶媒、バインダー、可塑剤、および分散剤を加えて、混合してスラリーを調製し、例えばドクターブレード法を利用して成形することができる。成形寸法は形成しようとする中間層16の大きさに応じて適宜定めればよい。なお、中間層16は、多孔質とする必要があるため、支柱一体型円板34を製造するための原料に比較して粗大なものを用いる。
In addition, the intermediate layer sheet is prepared, for example, LSTF or LSZF raw material having an average particle size of about 20 to 50 (μm) (however, using the same or similar material for the support), and a solvent, a binder, A plasticizer and a dispersing agent are added and mixed to prepare a slurry, which can be formed using, for example, a doctor blade method. What is necessary is just to determine a shaping | molding dimension suitably according to the magnitude | size of the intermediate |
また、前記電解質層18を形成するためのスラリーは、例えば、平均粒径が1〜2(μm)程度のLSTF或いはLSZF粉末に、溶媒、バインダー、可塑剤、および分散剤等を加えて混合して調製する。
The slurry for forming the
上記のように、支柱一体型円板34を積層して焼成処理を施すことで、その孔明き円板状部24と支柱部26との間に直管状孔が形成されて多孔質支持体12が得られることから、本実施例によれば、直管状の貫通孔32を有する多孔質支持体12を有する酸素分離膜エレメント10を容易に得ることができる。なお、酸素分離膜エレメント10を使用するに際しては、その内外周に空気極触媒および燃料極触媒をそれぞれ担持する。
As described above, by stacking the pillar-integrated
なお、前記多孔質支持体12は、孔明き円板状部24と支柱部26とが一体的に備えられた支柱一体型円板34を積層することで製造されているが、それらが別体に構成された孔明き円板と支柱とを交互に積層して接合し、多孔質支持体とすることもできる。
The
本実施例の酸素分離膜エレメント10は、上記のような直管状の貫通孔34を備えたガス拡散性能の高い多孔質支持体12の外周面に緻密な電解質層18を形成することによって構成されていることから、多孔質支持体12が酸素分離膜エレメント10全体の酸素透過速度を律することが好適に抑制される。したがって、その電解質層18の構成材料や膜厚などに応じた高い酸素透過速度を有する酸素分離膜エレメント10が得られる。
The oxygen
なお、多孔質支持体12、中間層16、および電解質層18は、熱膨張係数の適合および相互反応による特性変化の抑制の観点から同一或いは同系材料で構成することが好ましいが、異なる材料で構成することもできる。例えば、多孔質支持体12を構成する支柱一体型円板34は緻密質に構成する必要があるため焼結性の高い原料を用いることが好ましいが、中間層16は多孔質に構成する必要があるため、それよりも十分に焼結性の低い原料を用いることが好ましい。例えば、支柱一体型円板34を構成するLSTFおよびLSZFのBサイト元素の一部を変更すれば、熱膨張係数を大きく変化させない範囲で、中間層16に適当な難焼結性の原料が得られる。
The
上記の酸素分離膜エレメント10の評価結果を、比較例と併せて以下に説明する。下記の表1は評価結果をまとめたものである。表1において、実施例1,2は、上記のようにして製造した酸素分離膜エレメントであり、比較例は、ガス供給管と多孔質支持体12との隙間が大きい他は実施例と同様に構成した比較例である。すなわち、比較例の電解質層は50(μm)程度のLSTFで構成した。「気体流路径」は、多孔質支持体12に備えられる直管状孔の大きさであるが、本実施例においては貫通孔32が前記のように内外周で大きさの異なる略矩形を成しているため、貫通孔32の高さ寸法すなわち孔明き円板状部24の相互間隔を用いた。また、「気孔率」は、多孔質支持体12の気孔率であるが、その外周面と内周面との間に部分のうち空間の占める割合で算出した。また、「隙間寸法」は、多孔質支持体12の有底穴20の内周面とガス供給管22の外周面との相互間隔である。また、「酸素透過速度」は、1000(℃)においてガス供給管22から多孔質支持体12内に空気を供給し、電解質層18を透過した酸素流量、供給したガス中の酸素濃度、および酸素分離膜エレメントの酸素透過部面積から算出した。なお、実施例および比較例の何れにおいても電解質層18の構成材料は支持体材料と同じものとした。
Evaluation results of the oxygen
上記の表1に示されるように、隙間寸法が0.1(mm)以下でガス供給管22が多孔質支持体12に略接触している実施例1,2では、22(cc/min/cm2)程度或いは26(cc/min/cm2)程度の高い酸素透過速度を得ることができた。これに対して、隙間寸法が2.0(mm)と大きい他は実施例と同様に構成された比較例は、15(cc/min/cm2)程度に留まった。これら実施例1,2および比較例に用いている電解質層18は、例えば500(μm)の自立膜としたときに3(cc/min/cm2)程度の酸素透過速度を得ることができるもので、上記実施例および比較例のように50(μm)程度の膜厚にした場合には、少なくとも30(cc/min/cm2)程度の酸素透過速度が得られるはずである。したがって、比較例では50(%)程度の能力しか発揮されていないが、実施例1,2では70(%)以上の能力が発揮されていると見ることができる。
As shown in Table 1 above, in Examples 1 and 2 in which the
図4〜図6は、上記のような相違が生じた理由を説明するための模式図である。図4、図5が実施例1,2に対応し、図6が比較例に対応する。図5は図4におけるA−A視断面にて、多孔質支持体12とガス供給管22との隙間を示している。図4において、多孔質支持体12の内周面とガス供給管22の外周面との隙間は、多孔質支持体12の有底穴20から外周面14に向かう直管状の貫通孔32に比較して極めて小さくなっている。多孔質支持体12の底面36に向かって供給された空気のうち多孔質支持体12の周壁を透過して中間層16に向かったものを除く残余は、その多孔質支持体12とガス供給管22との隙間を通って開口端(図4における左端部分)から排出される。このとき、空気がその隙間を開口端に向かって戻るか、中間層16内に向かうかは、何れの方の空気の流通抵抗が高いかによって決まる。実施例1,2では、貫通孔32の気体流路径が1.5(mm)であるのに対し、隙間の大きさが0.1(mm)以下と著しく小さいため、空気が貫通孔32に向かい易い。この結果、図4に矢印で示すような空気および酸素の流れが形成され、多量の空気が中間層16の外周面まで到達し、そこで空気極触媒によって解離させられ、酸素イオンが電解質層18を透過するので、高い酸素透過速度を以て酸素分離膜エレメント10の外周面側から酸素が回収される。
4 to 6 are schematic diagrams for explaining the reason why the above difference occurs. 4 and 5 correspond to Examples 1 and 2, and FIG. 6 corresponds to a comparative example. FIG. 5 shows a gap between the
これに対して、比較例では実施例と同様に貫通孔32が1.5(mm)程度の大きさであるのに対して、多孔質支持体12とガス供給管38との隙間が2.0(mm)程度と大きい。そのため、底面36に向かって供給された空気は、図6に矢印で示すように多孔質支持体12の開口端に向かい易いので、多孔質支持体12の気体流路径が大きくされてガス拡散性能が高められているにも拘らず、これが有効に利用されず、酸素透過速度が低くなったものと考えられる。
On the other hand, in the comparative example, the through
要するに、本実施例によれば、ガス拡散性能の高い直管状孔を備えた多孔質支持体12が用いられると共に、これとガス供給管22との隙間がその直管状孔よりも十分に小さくされているため、ガス供給管22から供給された空気が好適に中間層16に向かわせられ、高い酸素透過速度を得ることができる。
In short, according to the present embodiment, the
図7は、前記酸素分離膜エレメント10に対して、ガス供給管22に代えて用いることのできるガス供給管40を示す斜視図である。このガス供給管40の外周面42には、その長手方向に沿って伸び且つ全長に亘る複数本(例えば16本程度)の溝44が設けられている。溝44は、例えば、2.0(mm)程度の幅寸法と、2.0(mm)程度の深さ寸法とを有する。そのため、前記図4に示すように多孔質支持体12内にガス供給管40が挿入された状態において、この溝44が備えられている部分では空気が流れやすくなる。したがって、多孔質支持体12の底面36に向かって供給される空気流量が多い場合には、このようなガス供給管40を用いることにより、圧力損失を好適に緩和できる利点がある。
FIG. 7 is a perspective view showing a
なお、上記のようなガス供給管40は、一様な断面形状を有することから、例えば、押出成形法で容易に製造することができるが、棒状の成形体に切削加工を施して製造しても差し支えない。
In addition, since the
図8は、本発明の更に他の実施例の酸素分離膜エレメントを構成するための多孔質支持体46を、その内周の有底穴48にガス供給管22が挿入された状態で示す図である。この多孔質支持体46は、前記多孔質支持体12と同様に緻密質のペロブスカイト構造酸化物で構成されている。外周面50には、多数の円形断面の貫通孔52が開口しているが、これら貫通孔52は、有底穴48に向かって直線的に貫通する直管状孔である。そのため、有底穴48から外周面50に向かって容易に空気が透過するようになっている。貫通孔52は、例えば、各々が1(mm)程度の開口径を備えており、多孔質支持体46の気孔率は例えば30(%)程度である。
FIG. 8 is a view showing a
したがって、上記のような多孔質支持体46が用いられる場合にも、気孔率が高く且つ直管状孔である貫通孔52が多数設けられていることから、前述したようにガス供給管22,40を多孔質支持体46との隙間が十分に小さくなるように配設することにより、酸素分離膜エレメントを構成した場合に高い酸素透過速度を得ることができる。
Therefore, even when the
なお、このような多孔質支持体46は、例えば、CIP等で成形した後に機械加工で貫通孔52を設けることによって製造できる。
In addition, such a
図9は、更に他の実施例の多孔質支持体54を示す図である。この多孔質支持体54は、円筒状の外周面56上に多数のフィン58が突設された形状を備えている。フィン58の各々は、例えば、2.5(mm)程度の幅寸法と2(mm)程度の高さ寸法を以て多孔質支持体54の全長に亘って形成されており、外周面56の周方向における中心間隔は例えば2.5(mm)程度にされている。
FIG. 9 is a view showing a
このような多孔質支持体54は、例えば、その外周に前記中間層16および電解質層18を多孔質支持体12と同様に設けることにより、酸素分離膜エレメントを構成することができる。このとき、フィン58相互に多孔質支持体54の長手方向に沿って伸びる気体流路が形成されるが、その気体流路は中間層16の内周面に面することになるので、ガス供給管22と有底穴60との隙間を十分に小さくすれば、供給された空気が好適に中間層16の内周面に向かって送られることになる。そのため、本実施例においては、供給された空気の流通経路が前述した各実施例とは異なるものとなるが、同様に高い酸素透過速度を得ることができる。
Such a
特に、この形状の場合には、フィン58相互間に比較的大きな気体流路を確保できるため、圧力損失が生じ難いので、ガス供給管22と有底穴60との隙間は全くなくとも差し支えなく、寧ろ、その方が好ましい。
In particular, in the case of this shape, since a relatively large gas flow path can be secured between the
下記の表2は、上記のような形状を備えた多孔質支持体54を用いた酸素分離膜エレメントの評価結果を示したものである。この実施例では支持体材料は高純度(例えば95%以上)のMgOであり、電解質層18はLSTFで膜厚は50(μm)程度とした。明示しない他の条件は前述した実施例と同様である。表2に示されるように、支持体材料としてMgOを用いた場合にも、極めて高い酸素透過速度得られることが確かめられた。
Table 2 below shows the evaluation results of the oxygen separation membrane element using the
なお、上記のような形状を備えた多孔質支持体54は、例えば、押出成形によって製造することができるが、他の製造方法を用いても差し支えない。但し、MgOは前述したようなペロブスカイト構造酸化物に比較して拡散接合性が劣るため、前述したように支柱一体型円板34を積層して接合する製造方法を採ることは困難である。
In addition, although the
以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail with reference to drawings, this invention can be implemented also in another aspect, A various change can be added in the range which does not deviate from the main point.
10:酸素分離膜エレメント、12:多孔質支持体、14:外周面、16:中間層、18:電解質層、20:有底穴、22:ガス供給管、24:孔明き円板状部、26:支柱部、28:貫通孔、30:円環状端面、32:貫通孔、34:支柱一体型円板、36:底面、38:ガス供給管、40:ガス供給管、42:外周面、44:溝、46:多孔質支持体、48:有底穴、50:外周面、52:貫通孔、54:多孔質支持体、56:外周面、58:フィン 10: oxygen separation membrane element, 12: porous support, 14: outer peripheral surface, 16: intermediate layer, 18: electrolyte layer, 20: bottomed hole, 22: gas supply pipe, 24: perforated disk-shaped part, 26: strut portion, 28: through hole, 30: annular end surface, 32: through hole, 34: strut integrated disc, 36: bottom surface, 38: gas supply pipe, 40: gas supply pipe, 42: outer peripheral surface, 44: groove, 46: porous support, 48: bottomed hole, 50: outer peripheral surface, 52: through hole, 54: porous support, 56: outer peripheral surface, 58: fin
Claims (4)
前記支持体の内周面と前記ガス供給管の外周面との径方向における相互間隔が前記気体流路の大きさよりも小さいことを特徴とする酸素分離膜エレメント。 A bottomed cylindrical support having a dense electrolyte layer having a cylindrical shape and a plurality of gas flow paths for supplying air to the inner peripheral surface of the electrolyte layer and supporting the electrolyte layer from the inner peripheral side An oxygen separation membrane element comprising a body and a gas supply pipe inserted from the open end to the inner peripheral side for supplying gas to the bottom of the support,
An oxygen separation membrane element, wherein a distance between the inner peripheral surface of the support and the outer peripheral surface of the gas supply pipe in the radial direction is smaller than the size of the gas flow path.
前記ガス供給管は少なくとも外周面が酸化マグネシウム(MgO)から成るものである請求項1乃至請求項3の何れかの酸素分離膜エレメント。 The support is of the general formula Ln 1-x Ae x MO 3 (where Ln is at least one selected from lanthanoids, Ae is at least one selected from Sr, Ca, Ba, M is Mg, Mn, Ga, Ti , Co, Ni, Al, Fe, Cu, In, Sn, Zr, V, Cr, Zn, Ge, Sc, Y perovskite composite oxide represented by 0 ≦ x ≦ 1) It consists of
The oxygen separation membrane element according to any one of claims 1 to 3, wherein at least an outer peripheral surface of the gas supply pipe is made of magnesium oxide (MgO).
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