無機膜研究センター◦無機膜を用いた革新的環境・エネルギー技術の研究開発、およびその実用化・産業化に向けた取り組み

RITEToday

201７

無機膜研究センター【コアメンバー】

センター長・主席研究員

中尾真一

副センター長・主席研究員

西田亮一

主席研究員

喜多英敏

副主席研究員

西野仁

副主席研究員

余語

克則

主任研究員

山田秀尚

主任研究員

龍治

真研究員

来田康司

研究員

中野

元

研究員

沼口遼平

作山

邦夫（企画調査グループ兼務）

無機膜を用いた革新的環境・エネルギー技術の研究開発、およびその実用化・産業化に向けた取り組み
１．無機膜研究センターの概要

化されてきた。近年、ガス分離（蒸気分離を含む）に2016年4月に、RITEの新たな研究組織として設置

膜分離法を適用する検討も進められるようになり、エされた無機膜研究センターは、無機膜を用いた革新的ネルギー消費量が格段に小さく、生産プロセスのイノ環境・エネルギー技術の研究開発、およびその実用化・ベーションを創出する技術として期待されている。
その中でも、シリカ膜やパラジウム膜、ゼオライト

産業化に向けた取り組みを行っている。
膜を用いる分離法は、蒸留法や吸着法と同じ分離技

膜など無機膜を用いる膜分離法は、耐熱性や耐環境性術の一つで、これまで有機高分子系の膜を用いた海水に優れているため幅広い分野に適用でき、またこれま淡水化や水処理用の逆浸透膜や精密ろ過膜などが実用で課題とされてきた分離対象の「選択性」と「透過率図１38

無機膜研究センターを中心とする推進体制

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RITE

Today

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（＝処理速度）」とのトレードオフの関係を超える高いコア技術として、水素の分離・精製、CO2／CH4分離、分離性能が実現できるものとして大きな注目を集めて炭化水素などの有機化合物の分離などの研究開発に取いる。

り組んでいる。

欧州で始まった無機膜の研究開発は現在では日本が

また、産業連携部門では、分離膜・支持体メーカー世界を大きくリードしているが、その実用化はまだ一やそのユーザー企業を会員とする「産業化戦略協議会」

部の用途に留まっている。近年中国等の追い上げも激を創設し、メーカーやユーザーが多様な視点から複合しく、今後、研究開発を一層進展させるとともに、実的に協力して、ロードマップ策定やニーズ・シーズマッ用化・産業化に向けた取り組みを積極的に行うことがチング、国費事業等の企画・立案などの活動を行って喫緊の課題となっている。

いる。

無機膜研究センターは、その課題を解決すべく、以下の様な目的で活動を進めている。

研究部門と産業連携部門のシナジー効果を創出できる体制を有していることが、組織の大きな特徴となっ日本の英知を結集して、ている。

①無機膜の研究開発を推進し、革新的環境・エネルギー技術を実用化する組織のもう一つの特徴として、無機膜研究やその主要な出口の一つと考えられる水素や燃料電池研究の第②産学が連携して、日本に無機膜の産業を確立するための道筋を提示する一人者から構成される「アドバイザリーボード」の設置があげられる。研究部門や産業連携部門へのアドバ③メーカー、ユーザー企業と連携して国費事業等をイス、中堅・若手への技術伝承などのための貴重な場受託する他、民間企業との共同研究／委託研究のとなるものであり、今後、この機能を充実していく計受け皿となる画である。

④各種無機膜の第一人者から中堅・若手研究員への技術伝承を行う

本稿では、先進的な研究開発と、それを実用化・産業化するための取り組みを両輪として進めている無機

当センターは、無機膜を用いた環境・エネルギー技術の研究開発を進める「研究部門」と、その実用化・膜を用いた革新的環境・エネルギー技術に関する当センターの取り組みについて紹介する。

産業化に向けた取り組みを行う「産業連携部門」の2
２．水素社会を支えるシリカ膜メンブレンリアクターつの部門を有している（図１）。
研究部門では、それぞれに優れた特長を有するシリ水素社会を構築するためには、水素を効率的に輸送・カ膜、パラジウム膜、ゼオライト膜の３つの無機膜を貯蔵する技術の開発が不可欠である。その有望な方法

図２

エネルギーキャリア コンセプト図39

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として提案されているのが、「エネルギーキャリア」

良することによって高性能なシリカ膜の製膜に成功しというコンセプトである。水素をメチルシクロヘキサている。また、2016年度は、シリカ膜の水素分離性ンやアンモニアなど効率的に輸送・貯蔵できる形態に能のさらなる向上についても新たに取り組み、これま変換し、それを輸送・貯蔵した後に、水素を必要とすでのシリカ膜の水素分離性能を大きく超える水素分離る場所・時間で取り出して使用する（図２）。

性能を達成するなど着実に成果を上げることができ水素をメチルシクロヘキサンやアンモニアに変換すた。

る技術はすでに量産技術として確立されているが、水単管メンブレンリアクターの開発では、装置の実用素を取り出す技術がこれまで確立されていなかった。

化に必須と考えられる外側触媒の構成が保護膜等を用最近優れた性能を有する脱水素触媒は開発されたが、いることなく実現可能であることをすでに見出し（図

燃料電池に供する高純度水素を効率的に製造する技術

３）、この構成を用いた単管メンブレンリアクターにはまだ確立されていない。

よる平衡シフト効果（同じ転化率での反応温度の低減）

当センターでは、商業施設やオフィスビルなど中小を確認している（図4）。これによって、脱水素触媒規模の需要家を対象にメチルシクロヘキサンから高純の長寿命化や副反応の抑制が期待できるが、シリカ膜度水素を効率的・安定的に取り出す水素製造装置の開の水素分離性能を高めることにより、さらなる平衡シ発・実用化を目的として、対向拡散CVD法で作製しフト効果が得られるとともに、脱水素プロセスの簡略たシリカ膜を用いたメンブレンリアクター（膜反応器）化などが期待できる。の研究開発を推進している。これは、NEDO「水素10090ム調査・研究／水素分離膜を用いた脱水素」で行って80いるもので、千代田化工建設株式会社と共同で受託している。
具体的には、水素分離膜であるシリカ膜の長尺化および水素分離性能の一層の向上、メチルシクロヘキサンから脱水素・精製を行う単管膜反応器の開発、7本の単管膜反応器をモジュール化した試験装置の開発等を行っている。
シリカ膜の長尺化では、2015年度までに達成したConversion [%]利用等先導研究開発事業／エネルギーキャリアシステ

平衡転化率
シミュレーション

70

膜反応器
充填層反応器
充填層反応器

6050403020100180200220240260280300320Temp [℃]

図４

単管メンブレンリアクターによる平衡シフト効果

20cm長への長尺化から、さらに実機サイズと想定しメンブレンリアクターのモジュール化では、量産化ている50cm長への長尺化に取り組み、製膜装置を改を念頭に置いた低コストシール法などの開発を進めるとともに、７本の単管シリカ膜メンブレンリアクターから構成される試験装置を設計・製作し（図５）、各
種 エ ン ジ ニ ア リ ン グ デ ー タ の 収 集 を 行 っ て い る。
2016年度は、運転研究を通じて、モジュール試験装置の技術課題を抽出して実用化に向けた装置の改良を進めるとともに、各種データ収集を引き続き行い、モジュール試験装置でも、多様な条件下で良好な平衡シフト効果が得られることをこれまでに確認している。
今後、スケールアップを念頭に置いた装置改良検討を進めるとともに、引き続きエンジニアリングデータの収集を行い、実用化開発に繋げる計画である。

図３40

メンブレンリアクターと触媒充填構造

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ジウム使用量は同じ膜厚の従来型パラジウム膜（図７）と比較すると約３分の１となり、大幅なコスト低減も可能になるものと期待される。現在、パラジウム膜の性能向上やメンブレンリアクターへの適用可能性評価など、実用化に向けて研究開発を進めている。

図５

メンブレンリアクターモジュール試験装置

図６

細孔内充填型パラジウム膜のSEM像およびEDXマッピング像

３．細孔内充填型パラジウム膜を用いた水素分離・精製
パラジウム膜はアンモニアの脱水素・精製や天然ガス改質への適用が期待されており、メンブレンリアク
ターを用いた高効率水素製造の検討が進められている。既存技術であるPSAを用いる水素製造法は多段階工程で大掛かりな設備が必要であるが、メンブレンリアクターを用いることで装置を簡略化・コンパクト化できる。しかし、従来のパラジウム膜は優れた分離性能を示すものの、基材の外表面上にパラジウム膜を有するため、①基材との熱膨張率の差による膜剥離、②水素脆化、③飛翔物による膜破損、④触媒との合金化など、耐久性の面で課題があった。また、高価なパラジウムを使用するというコストの面でも課題があった。

図７

従来型パラジウム膜のSEM像およびEDXマッピング像

当センターでは、これらの課題を解消する可能性を有する細孔内充填型パラジウム膜（図６）の研究開発

４． 高性能ゼオライト膜の開発を進めている。基材表面から少し内側の細孔内に緻密CO2分離技術はCCSだけでなく天然ガスやバイオなパラジウム膜を有する構造にすることで、基材が保ガス精製などのエネルギー生産プロセスにおいても重護層として働き、従来型と同等の水素透過性能、選択要である。近年、高シリカ含有のゼオライト膜を用い性を示すとともに、従来型パラジウム膜と比較して耐たCO2分離が注目されている。高シリカ含有のゼオラ久性が向上することを確認している。また、基材内部

イト膜は、細孔容積が大きく、ガス拡散性に優れるこの粒子間隙にパラジウムを埋め込む構造のため、パラとから、低シリカ含有のゼオライト膜よりも高いCO241

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透過率が得られやすい傾向にある。また、低シリカ含有のゼオライト膜は、細孔内に水分が吸着されやすく、透過性能が低下することが知られている。
したがって、低シリカ含有のゼオライト膜では、除湿装置による前処理が必須である。それに対して、高い疎水性を有する高シリカ含有のゼオライト膜は、水分の吸着による細孔の閉塞が起こりにくく、水蒸気の共存下においても活用できる可能性がある（図８）。
当センターでは、Si–O–Si結合のみのフレームワーク構造からなるピュアシリカゼオライト膜の開発を進めている（図９）。これまでに、世界トップクラスのCO2 分 離 性 能 を 有 するピュアシリカゼオライト 膜（RITE-1膜）の開発に成功している（図10）。開発に成功したRITE-1膜は、同じフレームワーク構造を有

図10

RITE-1膜のCO2／CH4分離性能するアルミノシリケート型のゼオライト膜に比べて、水蒸気に対する安定性に優れていることを確認している。現在、RITE-1をはじめとするピュアシリカゼオ
ライト膜について、各種条件における分離性能評価を進めている。
５．実用化・産業化に向けた取り組み
当センターの産業連携部門は、2016年4月15日に、分離膜・支持体メーカー、ユーザー企業とともに、「産業化戦略協議会」を設立した。
この協議会は、分離膜・支持体メーカーおよびユーザー企業計16社（2017年3月時点）が参画し、メーカーとユーザー企業のビジョンの共有化および国費事業等共同研究の企画・立案等を推進して革新的環境・エネルギー技術に資する無機膜産業を確立することを

図８

ゼオライトの特長目的としている。その実現のために、①無機膜を用いた革新的環境・エネルギー技術の実用化・産業化に向けたニーズ・シーズマッチングやロードマップ策定を行う「研究会」の設置および運営②国、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構等からの資金による事業の共同実施の企画③センター研究部門、会員企業間の研究員交流④センターアドバイザリーボード及び研究部門からの技術指導⑤協議会員限定無料セミナーの開催⑥協議会員向けニーズ・シーズ情報の発信

図９42

RITE-1膜のSEM像およびEDXマッピング像などの事業を推進している。

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2016年度は、5月から11月まで約半年をかけて、なお、協議会会員向けセミナーの講演内容に関連す研究会として取り上げるテーマの検討・選定を行った。

る特許・文献調査を実施して、その要約に無機膜研究ユーザー企業からのニーズ紹介、それに対する分離膜・センターとしてのコメントを添えたニーズ・シーズ情支持体メーカーからのシーズ提案を行い、活発に検討・報も、定期的に協議会会員に提供している。

議論を行った結果、2016年11月に開催された臨時総会で、次の3つの研究会の設置が第1期（2年間）とし

６．おわりに地球環境保全はもちろんのこと、日本の産業競争力て承認され、活動を開始した。
①CO2分離研究会

強化のためにも、革新的な環境・エネルギー技術の開②水素製造研究会発に取り組むことは重要である。
無機膜研究センターは2016年4月に発足したばか③共通基盤（信頼性評価等）研究会

りではあるが、それぞれに優れた特長のあるシリカ膜、また、協議会会員向けセミナーを開催（2016年末

パラジウム膜、ゼオライト膜といったコア技術を有し時点で3回開催。年間4回開催予定）
し、アドバイザリーており、また分離膜・支持体メーカー、ユーザー企業ボード、会員企業、無機膜研究センターなどから最新とともに立ち上げた産業化戦略協議会も会員企業の積の研究開発動向やニーズ、シーズの紹介など計11件

極的参画のもと、順調に活動が進んでいる。当センターの講演を行い、活発な質疑・応答、討論が行われた（図を核とする分離膜・支持体メーカーとユーザー企業、11）。参加者からは、知識を得る場としてだけではなそして大学等の協調の輪をさらに広げて、無機膜を用く、会員企業間や第一線の研究者との交流の場としていた革新的環境・エネルギー技術の一日も早い実用化、も有意義であると好評を得ている。

そして産業化を実現したい。

図11

協議会会員向けセミナー

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