研究活動概説⃝無機膜研究センター

ＲＩＴＥ

Ｔｏｄａｙ

２０１９

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

山口祐一郎

主席研究員

喜多

主席研究員

西野仁

副主席研究員

余語

克則

主任研究員

龍治

真研究員

李惠蓮

研究員

瀬下雅博

研究員

中野元研究員柳波

英敏

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. はじめに支持体メーカーとそのユーザー企業18社からなる「産シリカ膜やゼオライト膜など無機膜は、その高い分業化戦略協議会」において、メーカーとユーザー企業離性能に加え、耐熱性や耐環境性に優れるなどの特長のビジョンの共有および共同研究の企画・立案等を図を有しており、多様な用途への適用が可能と期待されるべく、会員企業が定期的に集まり、研究会などの活ている。また、蒸留法や吸着法など従来の分離・精製動を活発に推進している。

法と比較して、大幅な省エネルギーが図れるとともに、2018年は、水素の効率的な輸送・貯蔵技術としてCO2分離・回収用途や水素社会構築に不可欠な水素分のメチルシクロヘキサン（MCH）脱水素用メンブレ

離・精製用途にも開発が進められており、地球環境のンリアクター開発において、世界最高の水素分離性能保全に資する環境・エネルギー技術として大きな注目を持つシリカ膜を開発し、金属とセラミクス間のシーを集めている。しかしながら、その実用化は、これまでル構造の開発をするなど大きな成果が得られた。
また、アルコールの脱水など一部用途に留まっており、今後、新たに新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）

無機膜を用いた革新的環境・エネルギー技術の早期の事 業 と し て 採 択 さ れ たCO2分 離・ 回 収、 有 効 利 用

実用化・産業化に向けた取り組みが求められている。

（CCU：Carbon Capture and utilizasion） に 関 す2016年4月に設置された無機膜研究センターは、る取り組みにも進展があった。さらに、産業化戦略協

無機膜を用いた革新的環境・エネルギー技術の早期の議会では、国費事業等立ち上げに向けた研究会などの実用化、産業化を目的に、研究開発と産業連携を両輪活動が本格化している。本稿では、MCH脱水素用メとして活動を進めている。組織も研究部門と産業連携

ンブレンリアクターの開発およびCCU技術開発など部門の2つから構成されており、研究部門では、それ研究部門の主な成果と今後の展望、そして産業化戦略

ぞれに優れた特長を有するシリカ膜、ゼオライト膜、協議会の活動状況について紹介する。

パラジウム膜をコア技術として、水素分離・精製や分離回収されたCO2を有効利用する等の研究分野に取り組んでいる。また、産業連携部門では、無機分離膜・2. 水素社会を支えるシリカ膜メンブレンリアクター
水素社会を構築するためには、水素を効率的に輸送・

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図1

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エネルギーキャリアコンセプト

貯蔵する技術の開発が不可欠である。その有望な方法

このようなメンブレンリアクターによる、MCHかとして提案されているのが、「エネルギーキャリア」

らの脱水反応を検討するため、千代田化工建設株式会というコンセプトである。水素をMCHやアンモニア社と共同でNEDO事業を受託している（「水素利用等など効率的に輸送・貯蔵できる形態に変換し、それを先導研究開発事業／エネルギーキャリアシステム調輸送・貯蔵した後に、水素を必要とする場所・時間で査・研究／水素分離膜を用いた脱水素」）。具体的には、取り出して使用する（図1）。

水素分離膜であるシリカ膜の一層の性能向上および長水素をMCHやアンモニアに変換する技術はすでに量産技術として確立されているが、水素を取り出す技尺化を図るとともに、MCHからの脱水素・精製を行うメンブレンリアクターの開発を行っている。

術がこれまで確立されていなかった。最近になって優シリカ膜の性能向上では、水素の透過率（H2パーれた性能を有する脱水素触媒は開発されたものの、残ミアンス）が大きく、かつ、水素以外の分子を通さな念ながら燃料電池に供する高純度水素を効率的に製造いこと（分離係数α=H2パーミアンス/SF6パーミアンする技術はまだ確立されていない。

スが大きいこと）が求められるが、一般にはパーミア

当センターでは、商業施設やオフィスビルなど中小ンスと分離係数αはトレードオフの関係にある。当セ規模の需要家を対象にMCHから高純度水素を効率的・安定的に取り出すコンパクトな水素製造装置の開発・実用化を目的として、対向拡散CVD法で作製したシリカ膜を用いたメンブレンリアクター（膜反応器）の研究開発を進めている。
メンブレンリアクターとは、平衡反応中に、反応生成物を選択的に透過させることができる膜を介在させると、反応場の平衡が生成物側にシフトし、転化率が向上するという原理を利用したものである。反応中に分離膜を介在させるため、高温、高圧に対しての耐性が求められ、高性能な無機膜が必要となる。

図2

水素選択透過性シリカ膜の特性

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ンターでは、このトレードオフが生じる原因を個別要が同時に、コンパクトな反応器で進行することとなる。

因にブレイクダウンして考察し対策を講じることで、この現象を実スケールに近い状態で検証するため、世界トップレベルの特性を有するシリカ膜（パーミア500mmLのシリカ膜3本から構成される試験装置をン ス >3.5×10 （mol/m sec Pa）、分離係数α設計・製作し（図4）、各種エンジニアリングデータ63,000）を再現性良く製膜することができるようにを収集した。

-62なった（図2）。

その結果、500mmLのシリカ膜を用いた場合でもまた、シリカ膜を用いたメンブレンリアクター検討

顕 著 な 平 衡 シ フ ト 効 果 が 確 認 さ れ、 平 衡 転化 率 のでは、200-500mmのシリカ膜数本を用いて、MCH42.1%を大幅に上回る95%以上の転化率が得られるからの脱水素反応をモニタし、反応効率向上の確認をことが検証された（図5）。

行った。基本的な原理を図3に示す。水素分離膜と触媒を仕込んだ反応管にMCHを供給すると、平衡反応によりトルエンと水素に分離するが、生成した水素のみが水素分離膜を通って、反応場から分離される。反応場から生成物が取り除かれることで反応は生成物側にシフトし、水素製造の転化率が向上する。それと同時に、分離膜を通過した水素は、トルエンを含まない高純度水素となるため、水素精製と、反応効率の向上
図5

メンブレンリアクターモジュール試験装置の運転結果

しかし、メンブレンリアクターの運転研究からは、シーリングの問題も明らかとなった。メンブレンリア
クターでは、金属製の反応管に、セラミクス製の無機膜を気密接合する必要があるが、金属とセラミクスでは膨張率が異なるため、セラミクスが割れないよう、
図3

単管メンブレンリアクターの概念図

Oリング等のゴムによるシールを行っていた。しかし、反応場は、高温・高圧で、MCHやトルエンの有機溶剤に晒されるため、ゴムシールでは、耐性に課題があ

図4

メンブレンリアクターモジュール試験装置外観

図6

金属-セラミクスの気密接合によるモジュール

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ることが分かった。

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国 の 優 れ た ク リ ー ン コ ー ル テ ク ノ ロ ジ ー（CCT：

メンブレンリアクターにおける、シーリング耐久性

Clean Coal Technology）等に更なる産業競争力をの課題を検討するため、新たなシール構造の開発にも賦与することが可能なCCU技術を確立することを目取り組んだ。反応場の300℃でも耐圧、耐温度、耐溶的とし、CO2有効利用品製造プロセスやシステムにお媒特性を有し、反応管への取付け、取外しが容易なモけるCCU技術の総合評価を実施する計画である。

ジュール構造を検討し、図6のような構造のモジュー
ルを試作した。

RITEでは高い安定性を有するゼオライト膜を開発するとともに、メタノール合成用膜反応器の開発を実試作したモジュールは、膨張係数が異なる、金属-験とシミュレーションの双方からアプローチしていセラミクス間の接合にガラスを用い、500mmL×3本る。そのほか、カーボン膜などの分離膜開発についてを束ねたモジュールであり、300℃、500kPa-Gでのは山口大学の喜多特任教授（RITE主席研究員兼務）、気密が確認できた。

プロセス開発については京都大学の長谷部教授にご協

これらの検討を通して、RITEでは、高性能シリカ

力いただき、研究を推進している。

膜を製膜し、それを用いたメンブレンリアクターで、MCHからの水素発生をコンパクトに設計できることを、ベンチスケールで実証してきた。

4. ピュアシリカCHA型ゼオライト膜の開発
アルミノシリケートのゼオライト膜はこれまでに今後は、実用化への一層の加速を図るため、シリカ30種類以上の構造体が報告されているものの、ピュ膜ならびにシリカモジュールとしての耐久性の実証をアシリカゼオライト膜についてはMFI、DDRに加え行う予定である。て最近LTAの膜化が報告されている程度である。当センターはこれまでに報告例のなかった2種のピュアシ

3. CCU技術の開発

リカゼオライトの分離膜化に成功している（Si-CHA

RITEはJFEスチール、エネルギー総合工学研究所、

膜（RITE-1膜 ） お よ びSi-STT膜（RITE-2膜 ）、特願

国際石油開発帝石、日立造船と共同で、NEDO委託

2017-549972）。これまでに検討を重ねた結果、①

事業「次世代火力発電等技術開発／次世代火力発電基

3次元構造、②高い細孔容積、③酸素8員環細孔、を盤技術開発／CO2有効利用技術開発」に採択され、有するSi-CHAゼオライト膜は、耐水蒸気性とCO2高2019年度末まで研究開発を行なっている。

速透過を両立できることを見出した。

供給安定性および経済性に優れた天然資源である石炭を利用した火力発電は、長期エネルギー需給見通しにおいて、2030年度の国内の総発電電力量の26%を担う重要な電源であると位置づけられている。しかし、
こ れ ら 石 炭 火 力 発 電 はCO2排 出 量 が 比 較 的 多 く、CCUが検討されている。現時点ではCO2の大規模処理は困難であるものの、再生可能エネルギーを活用するなどして有価物の製造等により利益や価値を創出する可能性も考えられる。今後は、再生可能エネルギーの活用などにより、石炭火力発電と相互にその特長を生かし、我が国の電力の安定供給、CO2排出量の削減を目指していくことが必要と考えられている。
そこで本事業では、2030年度以降を見据え、我が図7Si-CHA膜のCO2分離性能45研究活動概説⃝無機膜研究センター

ＲＩＴＥ

図7に示すように、特にSi-CHA膜におけるCO2／Ｔｏｄａｙ

２０１９③共通基盤（信頼性評価等）研究会-1

2018年は、各研究会およびその下部組織として具Pa 以上かつCO2／CH4透過率比：100を上回り、先体的作業を進める作業部会（各研究会で2018年末ま行の各種ゼオライト膜よりも優れた分離性能を示してでに計4〜5回開催）を通じて調査検討を更に深め、いる。また、水蒸気に曝露しても透過性能に変化はな実用化をにらんだ国費事業提案準備を進めている。水く、耐水蒸気性を有することから、より実用に適した素、共通基盤研究会ではNEDOに対して、共通の情膜構造であると考えられる。新規開発したSi-CHA膜

報提供（RFI）を実施し、平成31年度の国費事業等のは、CO2分離用途以外にも、様々な分離用途に対して立ち上げを目指している。

CH4分離性能は、CO2透過率：4.0×10 mol m s-6-2-1

高い潜在能力を有しており、水素分離膜としての有用性も確認している。

ま た、 協 議 会 会 員 向 け セ ミ ナ ー を 定 期 的 に 開 催（2019年1月時点で3回。年間3〜4回予定）している。
アドバイザリーボード、会員企業、膜関連企業などか5. 実用化・産業化に向けた取り組み

ら最新の研究開発動向やニーズ、シーズの紹介、膜の当センターの産業連携部門は、2016年4月15日に、実用化開発事例の紹介など計10件の講演を行い、活分離膜・支持体メーカー、ユーザー企業とともに、「産発な質疑・応答、討論が行われた。参加者からは、無業化戦略協議会」を設立した。

機膜の実用化・産業化に関連した有用な知識を得られこの協議会は、分離膜・支持体メーカーとユーザー企業計18社（2019年1月時点）が参画し、メーカーる上に、会員企業間や第一線の研究者との交流の場としても有意義な場であると高い評価を得ている。とユーザー企業のビジョンの共有および国費事業等共海外調査活動として、5月に中国南京工業大学およ同研究の企画・立案等を推進して革新的環境・エネル

び大学関連工業地域への視察を実施し、3社4名が参ギー技術に資する無機膜産業を確立することを目的と加した（図8）。南京工業大学では日中の無機膜シンしている。その実現のために、ポジウムとして、互いに講演を行い技術交流を深める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」の設置及び運営②国、NEDO等からの資金による事業の共同実施の企画③センター研究部門への研究員派遣の受け入れ、研修会の実施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協議会員向け無料セミナーの開催⑥協議会員向けニーズ・シーズ情報の発信などの事業を推進している。
研究会については、2016年11月に設定した3つの研究会活動を更に進めている。

ことが出来た。また大学関連工業地域では中国の無機膜産業化への意気込みが強く感じられた。
ま た 昨 年 に 引 き 続 き、12月 に2日 間 に わ た っ て
RITEで研修会を開催し、RITEの概要説明、膜分離技術講義、および水素分離CVDシリカ膜の講義、製膜法の実験、作成した膜の透過分離性能評価の方法等の指導を行った（図9）。
会員企業2社から若手研究者2名の参加があったが、参加者からは、最先端のCVDシリカ膜製膜および評価実験手法を学習することが出来、貴重な経験が出来たと好評であった。
さらに、協議会会員向けセミナーの講演内容に関連する特許・文献調査を行い、その要約に無機膜研究センターとしてのコメントを付したニーズ・シーズ情報も、定期的に会員に提供している。加えて、無機膜①CO2分離研究会

関 連 の 国 際 会 議 で あ る 第15回 無 機 膜 国 際 会 議②水素製造研究会（ICIM2018）で注目された講演についてもその要旨

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ＲＩＴＥＴｏｄａｙ

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およびRITEのコメントを提供するなど会員企業の無開発成果の実用化・産業化に向けた活動も本格化して機膜の実用化・産業化に向けた活動をサポートしていおり、センターとしての基盤が固まりつつあると言える。

る。今後、世界の無機膜開発・実用化をリードする中核組織となるよう鋭意活動を進めていきたい。

6. おわりに
無機膜研究センターは、設立して約3年が経過し、2018年は、水素の製造、輸送・貯蔵やCO2の有効利用を行う研究開発で着実に成果を上げた。また、研究

図8

図9

海外調査活動（南京工業大学）

RITE無機膜研究センターでの若手研究者向け研修会

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