[发明专利]含催化剂的氧气传送膜

说明书

本发明描述了一种制备含催化剂的复合氧离子膜的方法，在所述含催化剂的复合氧离子膜中，多孔燃料氧化层和致密分离层以及任选的多孔表面交换层由(Ln_l‑xA_x)_wCr_l‑yB_yO_3‑δ和掺杂氧化锆的混合物在多孔支承体上形成。将某些催化剂金属添加到所述燃料氧化层中不仅增强了初始氧气流量，还降低了长期操作中氧气流量的降低速率。流量和稳定性改善的一种可能的原因是所述催化剂金属的添加减少了在膜制造和操作期间(Ln_1‑xA_x)_wCr_l‑yB_yO_3‑δ与氧化锆相之间的化学反应，如X射线衍射结果所示。

政府支持

本发明是依照美国能源部批准的合作协议No.DE-FC26-07NT43088在政府支持下完成的。政府对本发明享有某些权利。

技术领域

本发明涉及复合氧气传送膜和形成这种膜的方法，其中被选择用于在长期操作中提高氧气流量和氧气流量稳定性的催化剂颗粒位于多孔燃料氧化层中，而该多孔燃料氧化层又位于多孔支承层和致密分离层之间。

背景技术

氧气传送膜通过将氧离子传送通过能够在升高的温度下传导氧离子和电子的材料来起作用。当这种膜的相对侧之间存在氧分压差时，氧分子将在膜的一个表面上被还原为氧离子，传送通过致密膜，并且在膜的相对侧上出现并重新结合成原子氧并释放电子。由结合产生的自由电子将被往回传送通过该膜以使氧离子化。氧分压差可通过在升高的压力下向膜提供含氧进料或通过在膜的相对侧上存在分离的氧的情况下提供易燃燃料或其他还原物质，或者通过这两种方法的组合来产生。值得注意的是，燃烧将产生热量，该热量被用于将膜的温度升高到可发生氧离子传送的操作温度，并且还将热量供应到需要加热的工业过程。此外，无论过程是否需要热量，燃烧本身可通过燃料或燃烧产生的其他易燃物质的部分氧化来制备产品，诸如合成气。

氧气传送膜可利用单相混合传导材料诸如钙钛矿来传导电子和传送氧离子。虽然具有混合电子和离子传导性的钙钛矿材料(诸如La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO_3-δ或Ba_1-xSr_xCo_1-yFe_yO_3-δ)可表现出显著的氧气流量，但是在使用燃料或其他易燃物质来提供分压差的操作条件下，这种材料往往非常脆弱。这是因为钙钛矿表现出相对于氧化学势的可变化学计量或在还原气氛中分解，这使得该材料不适合于引入还原物质的过程。为了克服这个问题，可使用更稳定材料的两相混合物，其中提供主要离子导体来传导氧离子，并且使用主要电子导体来传导电子。主要离子导体可为萤石结构氧化物(诸如稳定的氧化锆)，并且主要电子导体可为包含Cr的钙钛矿结构氧化物，因此其比含Co的混合传导材料更稳定。