【別添資料2】プレゼン資料様式

グリーン冷媒アンモニア用on-site
触媒浄化装置の開発
国立研究開発法人産業技術総合研究所 材料・化学領域
触媒化学融合研究センター 固体触媒チーム
主任研究員
日隈 聡士

2023年3月9日

1冷媒の使用状況と今後の展望
冷媒による温暖化影響抑制に向けた世界に先駆ける冷媒管理手法の確立
公益社団法人 日本冷凍空調学会 2013年4月 p.20より作成

1996年

2010年

2020年

特定フロン全廃

2030年

指定フロン全廃
業界全体としての冷媒管理サイクルの確立を目指す

冷凍･冷蔵から空調･給湯まで幅広く利用されているHFC冷媒は当面必要

HFC
冷媒

HFC: フルオロカーボン（フロン）新冷媒HFC(R32)等

自然冷媒

NH3
CO2HC等低GWP
冷媒

実用化されている自然冷媒は引き続き開発を進めていく

低GWP冷媒はまだ試験段階であり、実用化されていない
GWP: 地球温暖化係数

10年以上後も見据えた『自然冷媒』の導入･管理が必須
NH3は『毒性･燃焼性』を有するため厳重な管理(安全対策)が必要
2

グリーン冷媒NH3用on-site触媒浄化装置開発の概要
内目 NH3冷媒を現地(on-site)で回収･浄化できる『軽量･小型な触媒燃焼浄化装置を開発』する研究
容標
NH3冷凍機, 冷媒NH3回収除害作業, 日本水処理工業 大阪より回収浄化･

NH3冷媒･冷凍設備

NH3

環境負荷が少ない(グリーン･自然)

事前登録 → 詳細手続き → 回収 → 運搬 → 工場浄化

有害なNH3冷媒の回収･浄化は長時間･高コスト
工場は全国数ヵ所で『遠方･離島』への対応、『災害･老朽化』への対策を考えると、

https://www.famart.co.jp/nihonnetsugen/11.htmlより

これまでのNH3触媒燃焼研究を応用

NH3/air

Clean gas

燃焼触媒

NH3冷媒をon-siteで回収･浄化できる装置
成果解決

NH3冷媒設備導入推進の問題になる

経済財政運営と改革の基本方針2018『グリーン冷媒技術の開発・導入・国際展開』に貢献
3

石油代替燃料としてのNH3の触媒燃焼研究
エネルギーキャリア

H2液化

NH3

先進国（消費地）
H2燃料分解輸送

問題解決のため『触媒燃焼法』に着目

貯蔵

NH3燃料+ air

NH3/air

燃焼触媒

燃焼利用
自動車(TOYOTA)

工業炉（太陽日酸）

問題点:
① 難燃性
② NOx生成

Clean gas
燃焼触媒

●火を使わないため安全

新規NH3触媒燃焼法とその特徴

NH3 + O2

N2 + H2O

マイクロガスタービン火力発電(産総研)① 低温燃焼② NOx抑制

耐久性(長寿命)

これまで多くの高性能な触媒を開発
CuOx/Al2O3, CuOx/Ag/Al2O3, CuOx/Pt/Al2O3触媒など
S. Hinokuma et al. Chem. Lett. 2016, 45, 179; J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 24734; J. Phys. Chem. C 2017, 121, 4188; J. Ceram. Soc. Jpn. 2017, 125,770; Catal. Commun. 2018, 105, 48; Catal. Today 2018, 303, 2; J. Catal. 2018, 361, 267; RSC Adv. 2018, 8, 41491; Catal. Commun. 2019, 123, 64.

本研究ではこれまで開発してきた触媒を用いて目標を達成する
4

NH3冷媒・冷凍設備の推進(導入)状況
NH3冷媒・冷凍設備納入実績
2002014

2016

2015

NH3冷媒・冷凍設備納入数 / 台

2017

納入場所: 北海道～鹿児島県

159台
150

35台×3=105台?

10067台

74台

5035台

02012
1

ACCELERATE JAPAN, 2017 #9, p.42 より

2013
2014
2
3年/−

2015
4(5月迄)

冷凍空調技術／アンモニア冷凍設備新技術委員会
技術資料, 冷凍2016年10月号, 第91巻, 第1068号
p.736-745より作成

現在もNH3冷媒・冷凍設備の導入は推進されている
5

NH3冷媒導入の企業・政策動向

省エネ自然冷媒冷凍等装置導入事例集(渋谷PO提供資料)より

Accelerate Japan, #23. JULY / AUGUST 2019より

横浜冷凍株式会社
自然冷媒■事業の目的
温室効果が極めて小さい自然冷媒(アンモニア、空気、二酸化炭素、水等)を使用し、かつエネルギー効率の高い機器(省エネ型自然冷媒機器)の普及促進を図る。
■ 予算案 2020年度予算: 73億円

フロン

※ 2~4次公募はコンビニエンスストアに限定される。
https://zero-energy.jp/hojyokin-ichiran-2020/2020-cfc-removal/より

https://www.yokorei.co.jp/csr/environment/refrigerants/より

自然(NH3など)冷媒・冷凍設備の導入が推進されている

6

NH3冷媒設備の安全対策(漏洩防止･浄化対策)
密閉冷凍機によりNH3漏洩防止

漏洩検知後はスクラバ式で水溶化
株式会社前川製作所、アンモニアヒートポンプの動向と京エコロジーセンターの運用事例より

NH3水を中和(浄化)して回収
上記対策がとられているが、NH3冷媒に関する事故 『2020年 約30件』
令和２年に発生した高圧ガス事故一覧表より『災害』や『老朽化』により上記対策が機能しなくなった場合、現地(on-site)での対応(浄化)が必要である。
https://www.eccj.or.jp/vanguard/commende15/commende15_09.htmlより

しかし、NH3冷媒をon-siteで回収･浄化できる装置はない。

7

2017年に発生した高圧ガス保安法事故 1-3月一覧表の一部
https://www.khk.or.jp/Portals/0/khk/hpg/accident/2018/H29jikoitirann1-3.pdf

NH3冷媒の点検の段階での事故・ヒヤリハットが多い。

2022年に開始したNH3を取り扱う施設のリスク調査サービス
NH3の安全対策がビジネスになっている。
https://www.sompo-japan.co.jp/-/media/SJNK/files/news/2022/20220401_2.pdf8実用化されているNH3浄化装置の種類と特徴

SEIテクニカル
レビュー第180号
2012年1月
pp. 93より作成

ガス分解式 スクラバ式 燃焼除害式 触媒燃焼式
高濃度NH3
処理能力

○△○

○

設備コスト

中低中

高設備サイズ

小大中大反応温度

高低高

低

最終生成物

N2, H2O

NH3水

N2, H2O,NOx, CO2

N2, H2 O『軽量･小型かつ高性能なNH3浄化装置』の開発例はない
9

本研究の年次計画の概要と最終目標開発するNH3浄化装置➢ ポータブル型➢ AC 100V電源
接続 回収Air

NH3

NH3冷媒使用
冷蔵･冷凍機器が存在する場所(on-site)【①年度目】
実施機関(AIST)
研究内容 手法
数値目標
浄化装置試作➢ ポータブル型
配管仕様調査➢ AC 100V電源➢ 材料 部品選定 総重量 ≦ 5 kg
サイズ ≦ 30 L
➢ 図面設計① 軽量 小型
catalyst
NH3漏洩➢ 試作器構築
年①軽量小型
catalyst(コンパクト)≦ 1 ppm
接続 回収 Air次(コンパクト)
浄化装置試作NH
3計【②年度目】
浄化装置試作
画 研究内容 手法
数値目標
NH3冷媒使用と触媒調製 評価
冷蔵･冷凍機器 ② 高性能
企業動向確認到
アンモニアAir
Nが存在する場所
耐久性触媒
条件最適化
NH
➢ 粉末触媒調製
浄化触媒
達②高性能➢ ハニカム構造化 再現性検討目(on-site) 調製 反応試験
アンモニア
Air
N
耐久性触媒
耐久性NH
➢ 浄化特性評価
浄化触媒
標≧ 100 h○ 配管仕様調査

開発するNH3浄化装置実施機関(AIST)

2○ 配管仕様調査○ 企業動向確認○ 需要･制度調査
協力先(民間企業海外研究機関)

32

3

NH3 + O2

N2 + H2O○ 企業動向確認NH
N + ③ 冷媒浄化実証+○
O 需要･制度調査
HO
NH3 + O23222低N2O/NO排出

年
次計
画と到
達
調製 反応試験 目標【③年度目】

研究内容 手法N
H2ONH
2 +3浄化実証試験

数値目標

需要 制度調査
N2 + ③ 冷媒浄化実証
NH3転化➢ 各種ガス定量
H2O(民間企業≦ 300℃
➢ 改善事項明確化
低N2O/NO排出
NH3/N2O/NO➢ 反応特性統合
海外研究機関)(1) 小型な高濃度NH3触媒燃焼浄化装置を開発する
CuOx/Al2O3, etc.
排出≦ 10 ppm
CuOx/Al協力先
2O3, etc.

NH3+ O2（１）．１ 高性能･耐久性ハニカム触媒の調製と浄化試験（②・③）（１）．２ 軽量･小型(コンパクト)な触媒燃焼浄化装置の試作の検討（①）
10Honeycomb触媒の調製

コーディライトハニカム: 600 cpsi (1 cell: 0.96 mm×0.96 mm)
カットサイズ:
3 cell × 4 cell × 15 mm and/or φ1 inch× 15 mm

コート重量: 0.05 g

湿式含浸法調製
粒状(granule)触媒 担体ゾル
超純水

CuOx/Al2O3,CuOx/Ag/Al2O3,CuOx/Pt/Al2O3
5wt% Cu,10wt% Ag,2wt% Pt

石英反応管

600 ℃×3 h,
air

湿式粉砕
スラリー

浸漬・乾燥
honeycomb触媒

washcoathoneycomb

調製後
900 ℃
×100 h, air

熱処理後
CuOx/Al2O3(900 °C),
CuOx/Pt/Al2O3(900 °C)11

NH3燃焼浄化反応試験

Temp.
controll.

honeycomb
Infrared image furnace

PV 20.0 ℃＞∧

Infrared image furnace∨granule(粒状)

air

NDIR
NDIR
(NH3/N2O/NO)

NH3
Mass flow controller

gasoutlet

mass spec.

COO2

He

8% NH3, 92% air(18.6 % O2)
反応条件Massガス組成:
flow controller
30% NH3, 70% air(14% O2)など

ガス流量:
触媒重量:
反応温度:
ガス分析:

100 cm3･min-1 (W/F=5.0×10-4 g・min･cm-3)
0.05 gRT~600 °C (昇温速度: 10 °C・min-1)
NDIR NH3/N2O/NO (VA-3011, Horiba)
12

CuOx/Al2O3(900 °C)触媒の反応特性
8.0% NH3, 92% air(18.6% O2), 10 °C･min-1

CuOx/Al2O3 BSE(SEM像)(900 °C)

CuOx/Al2O3(900 °C)

1.0honeycomb

NH3

catalyst layer

Al-Khoneycomb

0.80.6honeycomb
granule(粒状)0.40.2N2ONO

0.00low

低Relative counts offluorescence lines

存在割合

高high

Cu-K

100 mmConcentration ratio / −cordierite

200400Temperature / °C

600

honeycombはgranuleと類似する反応特性が認められ、形状に依存しないことが分かった。
13

CuOx/Pt/Al2O3(900 °C)触媒の反応特性
CuOx/Pt/Al2O3(900 °C)

BSE(SEM像)

honeycomb

catalyst layer

high

Al-K

Relative counts offluorescence lines

NH30.8honeycomb
granule(粒状)0.60.4

NON2O

0.20.00low

存在割合

Pt-M

100 mmConcentration ratio / −Cu-K

低CuOx/Pt/Al2O3(900 °C)

1.0cordierite

高1.0% NH3, 1.5% O2, 10 °C･min-1

200
400
Temperature / °C

600

CuOx/Pt/Al2O3は高活性であるがN2O/NOを生成した。
14CuOx/Ag/Al2O3触媒の反応特性
CuOx/Ag/Al2O3

8.0% NH3, 92% air(18.6% O2), 10 °C･min-1

BSE(SEM像)

CuOx/Ag/Al2O3

1.0

honeycomb
catalyst layer

Cu-K

high

Al-K

Ag-L

NH3

0.8

Journal of the Japan
Petroleum Institute,Vol. 63, (5), 274, 2020.

0.60.40.2
NON2O0.00low

低Relative counts offluorescence lines

存在割合

高100 mmConcentration ratio / −cordierite

honeycomb
granule(粒状)200400Temperature / °C

600

CuOx/Ag/Al2O3はNH3燃焼完結後もN2O/NOの生成を抑制したが10ppm以下ではなかった。
15副生したN2Oの分解触媒の開発
一段階のNH3燃焼(NH3 + Air)反応で目標達成が難しい場合は、『副生したN2O/NOを後流側でN2へ浄化する触媒を置く』多段反応装置への改良を検討する。
100
Ru/Al2O3
Ru/CeO2
×Ru/TiO2
Ru/Nb2O5
Ru/ZrO2
Ru/Ta2O5
Ru/WO3
Ru/SnO2N2O conversion / %80➢ redox➢ dispersion➢ basicity

60
40

Scientific Reports,
10:21605, 2020.

2000

ZrO2 support

N2O2

N2O conversion / %100

N 2O
IrO2

200400600
Reaction temperature / °C

Al2O3
CeO2
SiO2
MgO
TiO2
ZrO2
Nb2O5
SnO2

80604020

Catalysis
Communications, Vol.
149, 106208, 2021.

0100 nm

0300
600
Reaction temperature / °C

900

多段反応装置になるが副生N2Oを後流側でこれらのN2O触媒分解によって浄化できると期待される。
16

CuOx/Al2O3(900 °C)触媒の反応特性③8.0% NH3, 92% air(18.6% O2), 600 °C.

1.0

1.0

CuOx/Al2O3(900 °C)
honeycomb0.80.8

Concentration ratio / −30% NH3, 70% air (14% O2), 600 °C.

0.60.60.40.40.20.2NH3N2ONO0.0NH30.0012243648
Reaction time / h6072012N2ONO24364860
Reaction time / h72

安全なO2濃度での反応で反応時間72 hのN2O/NOの10ppm以下を確認した。

17

オンサイト(on-site)触媒浄化装置の設計

18

オンサイト(on-site)触媒浄化装置の作成

CuOx/Al2O3

Φ15 * 50 mm

35 cm

45 cm

PC制御可能(時間・温度・バルブ・マスフロー)

ネットワークに接続すれば遠隔操作でNH3を浄化可能になる。
19

実用を想定した長時間反応試験
800

30% NH3, 70% air (14% O2)

airSV

Gas concentration / ppm

Reaction temperature / °C

PV

600

400

200
NH3N2O00204060Reaction time / hNO
80

100

CuOx/Al2O3の触媒特性の再現性を含めた実用を想定した長時間反応試験を検証した。
20

実用を想定した長時間反応試験
単位時間当たりのNH3処理量:
700 (L h-1)× 0.3 (30% NH3) / 22.4 (L mol-1) / 17.03 (g mol-1)= 160 (g h-1)

ドメティック株式会社（本社: スウェーデン）RM76XXシリーズ

NH3充填量: 245 g

NH3冷媒冷蔵庫などの場合、2時間(h)かからずon-siteでNH3浄化処理が可能であると示唆される。
https://issuu.com/shecco/docs/160300_aj_4.compressed/7021

新技術の特徴・従来技術との比較• NH3冷媒・燃料利用機器のNH3をon-site（その場）で回収･浄化できる触媒分解装置（システム）の開発に成功した。
• 従来ではNH3のon-siteで回収･浄化できる装置がなかった。
• NH3冷媒冷蔵庫などの場合、2時間(h)かからずonsiteでNH3浄化処理が可能であると示唆された。

22

企業への期待• 機械、装置、触媒の技術を持つ、企業との共同研究を希望。

23

問い合わせ先国立研究開発法人産業技術総合研究所
材料・化学領域 連携推進室
イノベーションコーディネータ
浅川 真澄
ＴＥＬ 029-861-4473
ＦＡＸ 029-862-6048
e-mail masumi-asakawa@aist.go.jp
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