革新的環境技術シンポジウム2017

革新的環境・エネルギー技術としての無機膜実用化への取り組み
２０１７年１２月６日（公財）地球環境産業技術研究機構
無機膜研究センター
センター長 中 尾 真 一

本日の内容１．無機膜研究センターの紹介・センターの目的、体制・センターが保有する無機膜技術シーズ

２．シリカ膜実用化の取り組み
・ＭＣＨ脱水素用メンブレンリアクター
・実用化に向けた課題と取り組み例
・今後の進め方

３．産業化戦略協議会の取り組み
１無機膜の現状とセンターの目的
無機（分離）膜； 革新的環境・エネルギー技術を創出するキー
デバイスとして期待されており、日本の研究開発は世界をリードしているが、実用化は一部にとどまっている。
一方、中国企業や米国の追い上げが急ピッチで、我が国の無機膜の産業化に向けた取り組みが急務である
２０１６年４月に、無機膜研究センターを設立【センターの目的】①無機膜を用いた革新的環境・エネルギー技術の実用化②産学官連携して、無機膜産業を確立するための道筋を提示③メーカー、ユーザー企業と国費事業等共同研究の企画・推進④中堅・若手研究員への技術伝承
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無機膜研究センターを中心とする推進体制
アドバイザリーボード
伊藤 直次 宇都宮大学大学院工学研究科 教授 （メンブレンリアクター）
上宮 成之 岐阜大学工学部 教授 （パラジウム膜）
都留 稔了 広島大学大学院工学研究科 教授 （シリカ膜）
原谷 賢治 ㈱膜工学研究所 技術顧問 （膜プロセス設計）
松方 正彦 早稲田大学先進理工学部 教授 （ゼオライト膜）
江口 浩一 京都大学大学院工学研究科 教授（燃料電池、触媒）岡崎 健
東京工業大学科学技術創成研究院 特命教授（水素）

無機膜研究センター
研究部門

センター長
中尾 真一
副センター長 西田 亮一
主席研究員 喜多 英敏

海外主要研究機関（例）・SINTEF（ノルウェー）
・ECN（蘭）・Twente大学（蘭）・ASU（米）産業連携部門
主要ユーザ企業

ファインセラミックス
センター

主要メーカー・分離膜メーカー
・支持体メーカー
産業化戦略協議会

・エネルギー企業（ガス会社、石油会社等）
・エンジニアリング会社
・化学会社
・鉄鋼会社
・その他
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ＲＩＴＥが保有する無機膜膜構造O

ＣＶＤシリカSi

主な用途

O

Si

Si

OO

Si

OSi

非晶質 ｻﾌﾞﾅﾉ細孔製法

・ＭＣＨ脱水素・天然ガス改質

対向拡散ＣＶＤ法

・水性ガスシフト特長
構造設計の自由度が高い（用途に応じた最適設計）

・ＣＯ２／ＣＨ４分離
・ＭＣＨ脱水素

ゼオライト

水熱合成法

・蒸留代替
結晶 規則細孔（炭化水素、有機溶媒）

・ＮＨ３脱水素

パラジウム

・天然ガス改質
細孔内充填型

高度な熱的・化学的安定性

ＲＩＴＥ独自の無電解メッキ法

耐久性向上とコスト低減の可能性（従来技術の課題を解消）

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本日の内容１．無機膜研究センターの紹介・センターの目的、体制・センターが保有する無機膜技術シーズ

２．シリカ膜実用化の取り組み
・ＭＣＨ脱水素用メンブレンリアクター
・実用化に向けた課題と取り組み例
・今後の進め方

３．産業化戦略協議会の取り組み
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エネルギーキャリア
海 外

国 内
MCH，NH3

水素化反応
CH3トルエン（既存技術）

CH3脱水素プラント+ 3H2トルエン

窒素

回収トルエン

オンサイト用
小型脱水素装置

MCH

N2 + 3H2脱水素反応

2NH3MCH，NH3

水素

CH3CH3+ 3H2MCH

2NH3油田の随伴ガス、褐炭等の化石燃料

CCS

水素ステーション（新規開発が必要）

トルエン

N2 + 3H2

定置用燃料電池

水素パイプライン
再生可能エネルギー

水素発電所

水素コミュニティなど

水素社会構築を可能とする「エネルギー輸送」技術
効率的な水素分離・精製技術の開発が不可欠

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ＭＣＨ脱水素千代田化工建設株式会社
第46回触媒サマーセミナー講演資料より

写真提供 千代田化工建設株式会社

千代田化工建設；
新規脱水素触媒を開発し、実証試験で約１万時間の運転を達成
ただし、中小規模分散型での普及には、コンパクトで効率的に高純度水素を生成するシステムの開発が必要

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ＭＣＨからの高純度水素製造
従来法（脱水素反応＋ＰＳＡなど）
課題： 大容積、低効率、高コスト

メンブレンリアクター(膜反応器)
MCH

MCH

H2H2H2脱水素触媒

MCH

TOL

TOL
H2H2H2

高純度H2TOL

水素分離用シリカ膜

従来法（脱水素反応＋ＰＳＡなど）より、装置コンパクト化、反応温度低温化、低コスト化が期待できる。
商業施設／オフィスビル／水素ステーション等
中小規模の需要家に適したＭＣＨ脱水素装置への展開

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ＣＶＤシリカ膜を用いたＭＣＨ脱水素CH3CH3 + 3H2

ΔH = 205.0 [kJ/mol]Conversion [%]100
Equilibrium ShiftExp. Data (with Membrane)
Exp. Data (without Membrane)
Sim. (with Membrane)
Equilibrium

806040反応温度の低減を確認（約310→280℃＠転化率90%）

200180200220240260280

Temperature [ºC]

300

320
９実用化への課題
１．水素分離シリカ膜の実機レベルの長尺化
２．脱水素プロセスの低コスト化
・水素分離性能（透過性、選択性）の高性能化
・透過側常圧プロセスの実現
・量産可能な低コストモジュール化技術の開発３．耐久性の確認（劣化機構の把握）
４．エンジニアリングデータ収集と装置設計
５．スケールアップおよび実証試験
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シリカ膜の製膜：対向拡散ＣＶＤ法
シリカ原料
酸素 O2

多孔質セラミック基材

シリカ原料基材（中間層）の細孔

拡散シリカ膜細孔内への析出反応

O2

拡散シリカが基材細孔内に沈着反応は自動停止
高性能膜を再現性良く作製可能

１１ＣＶＤシリカ膜の長尺化
70 mmL
200 mmL
500 mmL-5Permeance [mol/m2 s Pa]

10-610-710H2N2H2透過率；
1.0 × 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1-8H2/SF6分離係数；-916000以上

1010-1010-11100.0015

SF60.0025
0.0035-11/T [K ]Closed 500 mmL
Open200 mmL１２

透過側減圧による低コスト化
これまで 供給圧；300kPaA

透過圧；25kPaA（減圧）
水素用 ・ 設備費、動力コストが必要
真空ポンプ ・ 安全対策が求められる

現状

水素透過性能向上および２０１６年の規制緩和により、供給圧５００ｋＰａＡ、透過側常圧で、同等の脱水素反応が可能

水素用真空ポンプが不要となり、低コスト化
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ＭＣＨ脱水素反応用の小型膜反応器装置
H2 (Permeate)500mmL膜 ３本
200mmL膜 7本

H2MCH
Tank

H2 (Retentate)

Vaporizer
Gas liquid
Separator

TOL
Tank

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ＭＣＨ脱水素反応用の小型膜反応器装置

Permeated Gas
Hot Oil
Retentatede Gas

Hot Oil

MCH

１５小型膜反応器運転結果 透過側２５ｋPaA

Conversion [%]Conversion vs. MCH Feed @300ºC,
300 kPa-A in the Retentate Side
100908070605040302010042.1% : Equilibrium
500mmL x 3
200mmL x 7051015［ｍｌ／ｍｉｎ］
MCH Feed [mMol/ cm2 min]１６シリカ膜 今後の進め方
今後２年程度で、量産用モジュール化技術（低コストシール法を含む）など、要素技術の確立を図るとともに耐久性を詳細に確認する。
また、エンジニアリングデータを収集するとともに共同研究先とＭＣＨ脱水素装置のプロセス検討を進め、実機の詳細設計を経てスケールアップを図る。
開発する量産化モジュール化法は、多様な用途への展開が可能と考えられ、積極的な展開を図る。

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本日の内容１．無機膜研究センターの紹介・センターの目的、体制・センターが保有する無機膜技術シーズ

２．シリカ膜実用化の取り組み
・ＭＣＨ脱水素用メンブレンリアクター
・実用化に向けた課題と取り組み例
・今後の進め方

３．産業化戦略協議会の取り組み
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産業化戦略協議会 ～目的と会員～【目的】
メーカー、ユーザー企業等の企業会員から構成し、メーカーとユーザー企業のビジョンの共有化及び共同研究の企画・立案等を推進し、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
分離膜・支持体メーカー
日本特殊陶業、京セラ、日立造船、住友電工
ユーザー企業
旭化成、旭硝子、岩谷産業、大阪ガス、川崎重工業、神戸製鋼所、ＪＦＥスチール、千代田化工建設、東京ガス、日揮、日本ゼオン、三菱商事
会長：大阪ガス 久德顧問
幹事：千代田化工 細野参与、日本特殊陶業 井上課長、日本ゼオン 谷地ＴＬ、ＲＩＴＥ 西田副Ｃ長＊平成２９年度
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産業化戦略協議会 ～活動計画～
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、ロードマップ策定等のための研究会
・ 会員企業からメンバーを募って実施
・ 研究会メンバーで協議してテーマを決定（第1期；３テーマを選定）

２） 国費事業等の企画・立ち上げ
３） 研究部門への研究員派遣 （有償／無償）の受け入れ、研修会の実施
４） 会員からの技術相談受付（技術評価含む）
５） 会員限定セミナー（無料）の開催
６） 会員向けニーズ・シーズ情報の提供
メーカーとユーザー企業のビジョンの共有化及び共同研究の企画・立案等を推進

２０テーマ別研究会
テーマ

概 要

役員

参加会員

ＣＯ２分離

会長；白木常務
無機膜を利用したＣＯ２分離回収有効（日立造船）
利用技術、および天然ガス田のＣＯ２
作業部会Ｌ；／ＣＨ４分離技術の実用化に向けた各
矢野Ｇ長
種活動を行い、その早期の実現を図る。
（日立造船）

水素製造

無機膜を利用した石炭ガス化ガス等からの水素製造技術の早期の実用化に向けた調査・検討を実施し、その早期の実用化を図る。

会長；細野参与
住友電工、（千代田化工）日本特殊陶業、作業部会Ｌ；
川崎重工、神戸製鋼、井上課長（日特）千代田化工、日揮
ＳＬ；河合ＧＬ（千代化）（６社）

無機膜の実用化のために必要な共通基盤（信頼性評価方法の考案、標準化等を含む）の整備に向けた各種活動を行い、その早期の実現を図る。

会長；保田常務（日揮）
作業部会Ｌ；
藤村所長
（日揮）

共通基盤

日本特殊陶業、日立造船、旭硝子、大阪ガス、川崎重工、神戸製鋼、東京ガス（７社）

京セラ、住友電工、日本特殊陶業、日立造船、千代田化工、東京ガス、日揮
（７社）

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研究会の活動例～共通基盤研究会● 目的；無機膜の実用化のために必要な共通基盤（信頼性評価方法の考案、標準化等を含む）の整備に向けて調査・検討を実施し、その早期の構築に資する● Ｈ２９年度～Ｈ３０年度□無機分離膜の長期信頼性評価手法の開発
・評価法のガイドライン構築（加速劣化試験手法の検討）
・具体例での評価方法実施
・実際の分離系で適用可能な評価手法構築□無機分離膜の分離性能測定手法の標準化
・分離膜性能測定（透過速度・選択率）の標準的な測定方法を確立し将来的に公開を目指す□無機分離膜に関する用語の標準化
・用語統一、定義、対応英語をまとめる
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謝 辞
本発表の成果の一部は、国立研究開発法人新エネル
ギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）「水素利用等先導研究開発事業／エネルギーキャリアシステム調査・研究／水素分離膜を用いた脱水素」の結果得られたものです。
関係各位に感謝いたします。

２３

ご清聴ありがとうございました。

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