Molecular CO
Gate
Membrane CO2

2020.1.20 16:05-16:40
革新的CO2分離回収技術シンポジウム
活動報告②

H2

2

二酸化炭素分離膜モジュール
実用化研究開発の進捗について

次世代型膜モジュール技術研究組合
専務理事 中尾 真一
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目次

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2

H2

2

１．次世代型膜モジュール技術開発の進捗
２．まとめと今後の展開

2

目次

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2H2

2

１．次世代型膜モジュール技術開発の進捗
２．まとめと今後の展開

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2

次世代型分離膜モジュールの開発

H2

2＜対象＞高圧の燃料ガスから省エネルギー、低コストでCO2を分離回収しうる高性能CO2選択透過膜（分子ゲート膜）技術の実用化研究（燃焼前回収）＜目標＞ CO2分離・回収コスト： ≦1,500円/t- CO2
CO2分離・回収エネルギー ： ≦0.5 GJ/t- CO2

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CO2分離膜モジュール研究開発事業

H22研究開発体制
次世代型膜モジュール技術研究組合～H28年3月
H28年4月～㈱クラレ、日東電工㈱、新日鉄住金エンジニアリング㈱、住友化学㈱、RITE
住友化学㈱、RITE

二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業（METI）(FY2011～FY2014)
目標 回収コスト 1,500円/t-CO2を実現する
CO2選択透過(分子ゲート)膜モジュールの基礎研究
CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離回収技術の研究開発/二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発
FY2015～2018（METI委託事業）、FY2018～(NEDO委託事業)
目標 石炭ガス化炉からの実ガスを用いた検証試験
回収コスト：1,500円/t-CO2、回収エネルギー：0.5GJ/t-CO25

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Membrane CO2

CO2分子ゲート膜とは

H22CO2分子ゲート機能を有する革新的なCO2分離膜
H2N

N
H
HN

H2N

OON
ON
ON
H
NH

NH2NH2Dendrimer

HCO3

カルバメートによる擬似架橋

PVA
Crosslinker

重炭酸イオン

Dendrimer

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CO2分離膜と膜エレメント

H22CO2分離膜

膜エレメント膜モジュール（4inch；長さ200mm）（2inch用ハウジング）
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Membrane CO2分離膜の開発段階のイメージ
名称
概要

H22（基盤技術開発）
単膜（実用化研究）
膜エレメント

（実機）
膜モジュール

ラボスケールの平膜（膜面積：1.2～58cm2程度）

大面積の膜を用いた構造体
膜・支持体・流路材などを一体化したもの

膜エレメントとそれを収納する容器（ハウジング）を組み合わせたもの(膜面積：1.2 cm2)

（2～4inch、長さ 200mm）

サイズ、
外観(膜面積：58 cm2)

課題
等

膜素材開発
（分離性能向上、耐圧性・耐久性等向上）（8 inch、長さ 1,000mm程度）

製膜法、エレメント部材開発（連続製膜、大面積化、シール技術等）

実機モジュール開発（容器形状、量産化、システム化）
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Membrane CO

2

連続製膜技術の開発

H2

2実機適用を念頭に、大面積塗布が可能で生産性も高い連続製膜法を開発
方式

枚葉製膜

連続製膜
乾燥機

装置
送液
卓上コーター

卓上乾燥機

スロットダイ

基材

長尺生産

不可

可

生産性

低

高

溶液粘度

広範囲の塗布可能

枚葉製膜よりは範囲限定

基材固定

可

完全固定は難9

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Membrane CO

2連続製膜に適した製膜レシピへの改良

H22１）スロットダイ塗布に適した粘度を設定し、塗布条件を確定

連続製膜速度の向上（従来比３～１０倍） ⇒ 膜の大量生産が可能
２）生産性と良好な膜外観を両立する乾燥温度の設定
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210-9260αQCO25010-10403010-1120

α CO2/He [-]QCO2 [m3(STP) m-2 s-1 Pa-1]

薄膜化検討

H21010-1200.20.40.60.8101.2

膜厚比 [-]※ 評価条件 切り出した平膜(8cm2）での評価
85℃, CO2/He=40/60, 供給側: 400m L/min, Sweep無し, 60%RH, 2.4 MPa

11Molecular COGateMembrane CO2

膜性能均一性の検討

①①②③④

①②③④

①H22②③④
面内均一性（流れ方向）②③④

流れ方向の均一性が確保されていることを確認＜測定条件＞ 85℃, CO2/He=40/60, 供給側 400ml/min, 60%RH, Sweep無, 全圧: 2.4 MPa

12Molecular CO
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2膜エレメントの性能

H22１）試作エレメント
2inch径、長さ 220㎜のエレメントを試作
２）2inch径エレメントの初期性能⇒CO2の透過性能は単膜での測定結果と同等
膜エレメントと単膜（58cm2）の分離性能測定条件： 温度：85℃； 供給側：全圧2.4MPa, 混合ガス組成CO2/He=40/60 vol./vol., 湿度70%RH； 透過側：大気圧

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Membrane CO2

全圧2.4 MPaでの膜エレメント性能評価

H22・膜エレメント部材（集ガス管、スペーサー 等）の最適化により高圧下で安定な膜エレメントの基本製法を確立
測定条件： 温度：85℃； 供給側：全圧2.4MPa, 混合ガス組成CO2/He=40/60 vol./vol., 湿度70%RH； 透過側：大気圧

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Membrane CO

2エレメント化スケールアップ検討

H224インチエレメントを試作し、リーフ長を長くして良好に試作できることを確認し、スケールアップ時の設計指針を得た。

エレメント

2インチ

リーフ*1長200～300mm

4インチ（Ａ）（改良前）
200～300mm※2inchと同じ

リーフ長が短くハンドリング難試作結果

4インチ（Ｂ）
（改良後）

実機相当
8インチ

700～900mm

700～900mm（透過圧損次第で最適化必要)

ハンドリング良好（4インチの知見に基づき検討予定）

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Molecular CO
Gate
Membrane CO

2

膜性能の向上

操作条件： 温度：85℃； 供給側CO2分圧：260kPa； 湿度60%RH； 透過側：大気圧

H2

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2

単膜耐久性試験H22

測定条件： 温度：85℃； 供給側：全圧2.4MPa
混合ガス組成CO2/He=40/60 vol./vol., 湿度60%RH； 透過側：大気圧
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米国ケンタッキー大学における単膜実ガス試験

H22

水性ガスシフト反応器、各種前処理設備を保有する試験サイトとして、ケンタッキー大学応用エネルギー研究センター （UK-CAER）※を選定し、単膜の実ガス試験を実施する。
※University of Kentucky, Center for Applied Energy Research (UK-CAER)＜ガス化炉：Gasification＞
・ 酸素吹きプラント
・ 石炭使用量：1ton/day
・ Syngas流量：72.6kg/h＜水性ガスシフト反応器：WGS＞
・ Co,Fe触媒＜酸性ガス処理設備＞
・ アミン吸収液による回収法
・ 昇圧設備： 2.76MPa
・ 脱硫設備https://www.netl.doe.gov/File%20Library/Events/2015/gas-ccbtl-proceedings/Gasification-and-CTLWorkshop-Presentation-2015-UKCAER.pdf
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Molecular COGateMembrane CO2

単膜実ガス試験H22

・膜素材の実ガス耐性を確認中
・模擬ガス（H2S濃度 ～1,000 ppm）を用いた加速試験を実施中

膜エレメントの実ガス試験については、国内実ガスサイトでの実施を予定し、評価設備の準備を進めている。
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目次

Molecular CO
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Membrane CO

2H2

2

１．次世代型膜モジュール技術開発の進捗
２．まとめと今後の展開

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2まとめ

H22

・コストダウンと大量生産に適した連続製膜技術と膜エレメントを開発。
・膜素材の硫化水素耐性を確認。今後、膜エレメントの実ガス試験を実施予定。
・膜モジュールを早期に完成し、種々の高圧排出源への適用を図る。

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Molecular CO
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Membrane CO2

CO2分離膜実用化に向けたロードマップ
FY2011

2015

基盤技術研究フェーズ

2019 2020
実用化研究
フェーズ

米国ケンタッキー大学

FY2011

2015

基盤技術研究フェーズ

実証フェーズ

1年延長：・膜エレメント実ガス試験（国内実ガス試験サイト）
・単膜実ガス試験（米国ケンタッキー大学）

22030
商用化フェーズ

国内実ガス試験サイト2019-2020実用化研究フェーズ

2025

H22025
実証フェーズ

2030
商用化フェーズ

次フェーズ（調整中）：・膜モジュールシステム実ガス試験（国内実ガス試験サイト）
・2023～ 用途展開（順次実用化）

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Molecular CO
GateMembrane CO2分離膜の他用途展開可能性
EORからのCO2膜分離

H22分離膜の適用

原油随伴ガスからの低コストCO2リサイクル（出典：三菱重工）

天然ガス田からのCO2膜分離
残存天然ガス埋蔵量の40%はサワーガス⇒ サワーガス精製用への展開

褐炭ガス化ガスからのCO2膜分離分離膜の適用を併用してフリーの液体水素を現地で製造し、日本に船舶輸送

褐炭からの低コスト水素分離（出典：川崎重工業）

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謝 辞

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GateMembrane CO2

H22

本研究開発は、経済産業省および新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）から次世代型膜モジュール技術研究組合が受託した「二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業」および「二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業」
により実施された。

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ご清聴ありがとうございました

H225
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