Molecular CO
Gate
Membrane CO

22021.2.2 15:50-16:25
革新的CO2分離回収技術シンポジウム
活動報告②H22

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
1目次

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2H2

2

１．IGCCへの膜分離法の適用
２．膜エレメント化技術の開発
３．膜の耐久性検討

４．耐不純物性
５．実ガス試験
６．まとめと今後の展開
2

Molecular CO
Gate
Membrane CO2

CO2分離回収型IGCC/IGFCシステム

H22（大崎クールジェンプロジェクトガイドvol.13の資料をRITEで追記）

3CO2分子ゲート膜とはMolecular CO
Gate
Membrane CO

2H22

CO2分子ゲート機能を有する革新的なCO2分離膜

4

Molecular CO
Gate
Membrane CO2

CO2分離膜モジュール研究開発事業

H22CCS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)

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＜目標＞ 石炭ガス化炉からの実ガスを用いた検証試験
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

研究開発体制次世代型膜モジュール技術研究組合
住友化学㈱、RITE
5

Molecular CO
GateMembrane CO2

分離膜によるCO2回収技術の開発動向
国研究機関

分離膜規模（実績）

特徴等

主適用先

米国※

MTR

高分子膜

ベンチ
（1 t/d）

低圧の燃焼後回収に適用するため、プロセスの工夫（Airスウィープ）、高透過性膜の開発（回収率60%）
20 t/dパイロット試験装置完成（2019年）

燃焼後石炭Air Liquide

高分子膜

ベンチ
（2 t/d)

氷点下（-45℃）条件の高分子膜と液化の組合せ（回収純度60%）

燃焼後
石炭

GTI

酸化グラフェン系
複合膜

ラボ

カーボンナノチューブ等を組み合わせた
高透過性膜材料

燃焼後
石炭

MTR

高分子膜

ラボ

H2選択透過性耐熱性高分子膜の開発

燃焼前
IGCC

OSU

高分子膜

ラボ

CO2選択性新規高分子膜材料の開発

燃焼前
IGCC

UB

金属／高分子複合膜

ラボ

H2選択性新規金属／高分子複合量の開発

燃焼前
IGCC

MGM

分子ゲート膜

ベンチ

・CO2/H2からのCO2選択透過膜モジュールの開発で世界をリード。
・CO2選択透過膜のため、燃焼前回収においてH2を高圧に保持可能。

燃焼前
IGCC

日本

H2

2

分離膜の研究開発はラボスケールの新規膜材料開発が多い※2019 CARBON CAPTURE, UTILIZATION, STORAGE, AND OIL AND GAS TECHNOLOGIES INTEGRATED REVIEW MEETING （August 26-30, 2019）6Molecular CO
Gate
Membrane CO2

分離膜モジュールの開発

H2

2名称

製膜技術

エレメント化技術

システム化技術概要

平膜の連続製膜技
術開発

大面積膜を用いた膜エレメントの開発

膜モジュールを用いた膜分離システムの開発

平膜

膜エレメント

設備イメージ全景図

・エレメント部材開発（シール技術等）
・エレメント製作処方の開発

・実機モジュールの開発
・膜分離システムの設計・製作

外観

・連続製膜技術課題
等（大面積化）

・膜素材開発（分離性能、耐圧性・耐久性等の向上）

7

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2

連続製膜技術の開発

H22スロットダイ方式による連続製膜乾燥機へ送液溶液

スロットダイ

基材

塗布条件の確定
ダイの配置
圧力
基材搬送速度8

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2膜エレメントのスケールアップ検討

H2

24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。
リーフ長（集ガス管への巻取り長さ）

エレメント
*1

リーフ 長2インチ

4インチ（Ａ）（改良前）

4インチ（Ｂ）
（改良後）

実機相当
8インチ

200～300mm

200～300mm※2inchと同じ

700～900mm

700～900mm（想定）

リーフ長が短くハンドリング難

ハンドリング
良好

試作結果*1 リーフ： 膜と透過ガススペーサーから構成され、集ガス管に接着して使用する大面積シート。

（4インチの知見に基づき検討予定）

9

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2

分離性能への起動・停止の影響

H22＜測定条件＞ 85℃, CO2/He=40/60, 60%RH, 全圧2.4MPa ⇌ 大気圧

CO2
停止1

停止2

停止3

He

耐久性を向上した膜素材について起動停止操作の影響を受けず安定した分離性能を確認

10

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2

分離性能への起動・停止の影響

H22＜測定条件＞ 85℃, CO2/He=40/60, 60%RH, 全圧2.4MPa ⇌ 大気圧停止1 停止2停止311

Molecular CO
Gate
Membrane CO2

湿度変動の影響（耐乾燥性）

H22＜測定条件＞ 85℃, CO2/He=40/60, 2.4MPa，湿度： 60%RH ⇌ 3時間dry
dry/3h

耐久性を向上した膜素材の耐乾燥性を確認
12

Molecular CO
Gate
Membrane CO2

湿度変動の影響（耐乾燥性）

H2

2＜測定条件＞ 85℃, CO2/He=40/60, 2.4MPa，湿度： 60%RH ⇌ 3時間dry

dry/3h13

Molecular CO
Gate
Membrane CO2

湿度変動の影響（高湿度条件）

H22＜測定条件＞ 85℃, CO2/He=40/60, 2.4MPa
湿度： 60%RH⇌ 100%RH (バブラー温度90℃/膜温度85℃)/30min
高湿度条件/30min

耐久性を向上した膜素材の高湿度耐性を確認

14

Molecular COGate
Membrane CO2

湿度変動の影響（高湿度条件）

H22＜測定条件＞ 85℃, CO2/He=40/60, 2.4MPa
湿度： 60%RH⇌ 100%RH (バブラー温度90℃/膜温度85℃)/30min

高湿度条件/30min

15

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2

膜素材の耐久性向上検討

H22CO2He＜測定条件＞ 85℃, CO2/He=40/60, 80%RH, 全圧2.4MPa

16

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2

膜素材の耐久性向上検討＜測定条件＞ 85℃, CO2/He=40/60, 80%RH, 全圧2.4MPa

H2217

Molecular CO
Gate
Membrane CO2

米国ケンタッキー大学における耐不純物性試験

H22

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、硫化水素を用いた耐不純物性試験を実施。
University of Kentucky, Center for Applied Energy Research (UK-CAER)

・不純物ガス（H2S濃度 700～1,000ppm）を用いた加速試験を実施
https://www.netl.doe.gov/File%20Library/Events/2015/gas-ccbtl-proceedings/Gasification-and-CTLWorkshop-Presentation-2015-UKCAER.pdf
18

Molecular COGate
Membrane CO2

不純物添加試験（H2S濃度：約1,000ppm）

Q [m3(STP)m-2s-1Pa-1]

2

CO2/H2

CO2/H2/N2/CO/H2S/COS10-10

H2

QCO210-11
QH210-1201020304050
Time [h]607080＜測定条件＞ 85℃, 供給側 400ml(STP)/min, 60%RH, 透過側 Sweep無, 全圧2.4 MPa
非透過ガス（供給ガス）組成： CO2/H2/N2/CO/=36/63/0.3/0.7+H2S, COS（模擬ガス）
CO2/H2=33/67（不純物無し）

19

Molecular CO
Gate
Membrane CO2

不純物添加試験（H2S濃度：約1,000ppm）

30

2

CO2/H2

CO2/H2/N2/CO/H2S/COS

25

H2α [-]

20
15105001020

305040Time [h]607080＜測定条件＞ 85℃, 供給側 400ml(STP)/min, 60%RH, 透過側 Sweep無, 全圧2.4 MPa
非透過ガス（供給ガス）組成： CO2/H2/N2/CO/=36/63/0.3/0.7+H2S, COS（模擬ガス）
CO2/H2=33/67（不純物無し）

20

膜エレメントの実ガス試験

Molecular COGate
Membrane CO

2

電源開発㈱ 若松研究所所有の石炭ガス化炉からの実ガスを用いた試験

膜エレメント評価装置の外観

加湿器

H22膜モジュール恒温水槽

制御盤、分析機器等（建屋内）

実ガス
膜モジュール（恒温水槽内）圧縮空気タンク

純水タンク

コンプレッサー装置全体

21

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2膜エレメントの実ガス試験

H22目的：
・膜エレメントの実ガスに対する耐性確認・スケールアップ（2インチ⇒4インチ）エレメントの性能確認

試験回数： 2インチ膜エレメント： 2回
4インチ膜エレメント: 1回
試験内容：

・膜エレメントの実ガスに対する初期（短期）耐久性評価※石炭ガス化ガスの圧力条件に即して、全圧0.8MPaでの試験

・実ガス試験前後の模擬ガス(CO2/He/N2）分離性能評価
22

Molecular CO
Gate
Membrane CO

24インチ膜エレメントの実ガス試験結果
COHe or H

2-2 -1

10

3

102

CH

2CO

4-9-1

Permeance [m (STP)m s Pa ]

10N

2H2

simulatedsyngasreal syngas

HeH2simulated
syngas-10-11He-1210-13100204060
Time [h]80100120＜試験条件＞
実ガス： 温度85℃, 全圧0.8 MPa, 湿度80%RH、H2S濃度約400ppm
模擬ガス： 温度85℃, 全圧0.8 MPa, 湿度80%RH、CO2/He/N2=11/19/70

23

Molecular COGateMembrane CO

24インチ膜エレメントの実ガス試験結果
CO2/He or H 2250

CO2/N2simulated
syngasCO2/CH4

H22CO2/CO
simulatedsyngasreal syngas

Selectivity [-]200
150
1005000204060
Time [h]80100120＜試験条件＞
実ガス： 温度85℃, 全圧0.8 MPa, 湿度80%RH、H2S濃度約400ppm
模擬ガス： 温度85℃, 全圧0.8 MPa, 湿度80%RH、CO2/He/N2=11/19/70

24

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2まとめH22

IGCCへの適用のために分子ゲート膜モジュールの研究開発を行い、以下の成果を得た。
１．実用化に向けた連続製膜技術開発と膜エレメントのスケールアップ検討：４インチエレメントの製作
２．起動停止、湿度変動に対する安定性、経時的な安定性の確認
３．膜素材の硫化水素耐性を加速条件下で確認

４．実ガス試験を実施、膜エレメントの初期（短期）耐久性を確認
25

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2

実用化に向けたロードマップ
FY2011
基盤技術研究フェーズ

2015

2020 2021

2025

実用化研究
フェーズ

実証フェーズ（スケールアップ、実ガス試験）

量産化（連続製膜法の確立）

膜エレメントのスケールアップ（実機膜エレメント（製品サイズ）製作法の確立）

H2

22030
商用化
フェーズ

2030頃

＋単膜

小型膜エレメントの製作法の確立（部材の最適化）膜分離システムの開発（商用化に向けたシステム検討）

IGCC用商用化

基本組成検討
特許取得

膜エレメント
耐不純物性評価（実ガス試験）膜モジュール製法とシステムの確立

適用範囲の拡大（EOR，天然ガス，褐炭ガス化ガス等）

26

謝 辞

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2H22

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。

27

Molecular CO
Gate
Membrane CO2

ご清聴ありがとうございました

H228
228