シリカ膜による水素分離・精製－水素社会構築への貢献－
最近大きな注目を集めている水素社会の実現には、水素の安定供給を可能とする輸送・貯蔵技術の開発が必要です。メチルシクロヘキサンやアンモニアなど、分子内に水素を有し、その取り扱いが容易な化合物が、水素の輸送貯蔵手段「エネルギーキャリア」として期待されています。RITEではこれまで蓄積してきた膜分離技術を活用し、エネルギーキャリアから効率的に水素を分離・精製するプロセスの研究開発に取り組んでいます。

エネルギーキャリアと脱水素プロセス
エネルギーキャリア

RITE技術

海 外

国 内

水素化反応
（既存技術）CH3

MCH，NH3
回収トルエン

MCH
（NH3）

MCH

オンサイト用
小型脱水素装置

脱水素プラントCH3

効率的脱水素プロセスを実現する
メンブレンリアクター（ＭＲ）

あるいは

H2

NH3H2+ 3H2トルエン

窒素トルエン

MCH

N22NH3+ 3H2H2H2H2H2脱水素触媒

脱水素反応（新規開発が必要）

MCH，NH3
水素CH3CH3MCHトルエン2NH3N2

水素分離膜

水素ステーション

生成した水素を選択的に引き抜くことによって、脱水素反応が促進される（平衡シフト効果）+ 3H2

ＲＩＴＥの取り組み

保護膜等なしで、熱供給に有利な外側触媒の構成を採用することが可能+ 3H2油田の随伴ガス、褐炭等の化石燃料
CCS

TOL
（N2）

定置用燃料電池

水素パイプライン
水素コミュニティなど

水素発電所

再生可能エネルギー

脱水素反応・精製法の比較
方法

効率

設置容積

コスト

現状

ＭＲ

◎◎

△→◎*

開発段階

反応＋膜

○

○

△→◎*

開発段階

反応＋ＰＳＡ

○～△

△○

実用段階

*実用化時には優位性

反応温度の低減を確認（約 310→280 ℃ ＠転化率 90 %）ＣＶＤシリカ膜 （ＭＣＨ用）： 脱水素プロセスのコンパクト化、高効率化が可能
CVDシリカ膜
RITE技術小型メンブレンリアクター試験装置

水素選択分離シリカ膜の製膜技術

H2(Permeate)

H2MCH
Tank
H2 (Retentate)
Vaporizer

対向拡散CVD法により、分子サイズレベルの細孔を均一にTOL
Tank

製膜でき、500mmLでも良好な特性を示す。
Gas liquidSeparator

Permeance [mol/m2 s Pa]

10-81010‐6H210‐7N270 mmL
200 mmL
500 mmL

10‐810‐910‐1010‐110.0015

SF60.0025
0.0035
1/T [K-1]

Closed 500 mmL
Open 200 mmL500mmL×3本からなるメンブレンリアクター試験装置を作製し、各種運転データを収集、解析することで、良好な平衡シフトを確認するとともに、高純度の水素が得られることを実証※この成果は、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）のプロジェクト「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」の委託事業の結果得られたものです。

ピュアシリカゼオライト膜－CO2分離回収コストの大幅低減を実現へ－
天然ガスやバイオガス等のエネルギー資源をより効率的に活用するには不純物であるCO2を除去することが必要です。近年その手法としてゼオライト膜を用いた膜分離法が注目されています。しかしながら、現在検討されているゼオライト膜は、CO2透過速度が小さい、もしくは水蒸気の吸着によって細孔が閉塞するため、除湿装置との組み合わせが必要になり、エネルギー消費量の増加と装置の大型化が問題となっています。
そこでRITEでは、除湿装置が不要となるとともに装置の小型化・運転コストを低減して、CO2分離回収コストの大幅低減を図ることを目的に、耐水蒸気性とCO2高速透過性を両立できるゼオライト膜の開発を進めています。

CO2/CH4分離膜と求められる特性
アルミノシリケート型（従来品）

前処理施設（脱硫、炭酸ガス分離など）
LNGタンク
液化プラント

構成元素
Si, O, Al, 陽イオン (Na, K)
特徴
極性分子との高い親和性 (H2O)
耐水熱安定性に乏しい

RITE技術ピュアシリカ型
天然ガス（ガス田）

天然ガス田における
CO2/CH4分離

バイオガスの精製（CO2/CH4分離）

高いCO2透過分離性能（選択性を維持しつつ高速透過性を有する）と耐水蒸気性を併せ持つゼオライト膜が必要

構成元素
Si, O
特徴
分子拡散性に優れる
耐水熱安定性に優れる

RITE-1膜（ピュアシリカゼオライト膜）の分離性能
CHA構造

ピュアシリカゼオライトの適用分野
H2分離（水素/トルエンなど）
有機ハイドライドからの水素精製、メンブレンリアクター

H2O分離（水/酢酸など）
蒸留代替（膜分離）0.38 nm

CO2分離（二酸化炭素/メタンなど）

８員環３次元構造
細孔径；0.38 nm
動的分子径CO2; 0.33 nm
CH4; 0.38 nm

Pure Silica Zeolite

バイオガス、天然ガス、IGCC

CxHy分離アルコール分離（エタノール/水など） （プロピレン/プロパンなど）
蒸留代替（膜分離）

蒸留代替（吸着 or 膜分離）

様々な分離用途に適用可能

RITE-1膜（ピュアシリカゼオライト膜）は、世界トップクラスの「CO2透過分離性能」を有する

細孔内充填型Pd膜の開発－水素供給インフラの整備に貢献－
水素社会を実現させるためには、水素ステーションなどの水素供給インフラの整備が必要です。近年、注目を集めているのが水素を高効率で分離・精製可能なPd系メンブレンリアクター(膜反応器)を用いるプロセスです。既存技術であるPSAを用いる水素製造法と比較して、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ものと期待されています。RITEでは、Pd系メンブレンリアクターの実用化に向け、低コストかつ高耐久性を有する細孔内充填型Pd膜の研究開発に取り組んでいます。

Pd系水素分離膜の種類と特徴

Pd系メンブレンリアクターの用途展開
エネルギーキャリアとして期待されているアンモニア分解やメタン水蒸気改質への適用が検討されています。
（展開例）
アンモニア分解
2NH3 ⇄ N2 + 3H2
ΔH = + 46 kJ mol-1

通常型薄膜
遊離型 (圧延膜)

細孔内充填型(無電解めっき、電解めっき、スパッタ、CVD)

Pd

PdPd

メンブレンリアクター
保護層

コスト×○

◎

耐水素脆性○(厚膜)×○

耐熱性○×○

飛翔物耐性○×◎

合金耐性

××

○

その他

・実用化試験段階
・高水素選択性・高水素透過性能
・多元系合金膜作製容易

・Ｐｄ使用量低減可能
・細孔内に緻密な膜形成が可能

細孔内充填型Pd膜は低コストかつ高耐久性

生成した水素を選択的に引き抜くことによって、反応が促進される（平衡シフト効果）

新規開発した細孔内充填型Pd膜の構造と性能
従来型Pd膜

 細孔内充填型Pd膜のSEM/EDX

 従来型Pd膜との比較

Membrane 支持体表面上にPd層形成

30 µm
細孔内充填型Pd膜
SEM

Membrane 支持体内にPd膜を形成
 Pd使用量：表面型Pd膜の1/3
 30 cm支持体への製膜可能
 Pd層深さを15 – 60 µmまで制御可
能

10 μm

EDXAlPd6～7 μm

 アルミナ細孔内部にPd層形成

H2 Permeance (mol /m2 sPa)

1.4E‐06● 従来型Pd 膜 6 μm

1.2E‐06● 細孔内型Pd膜 6 μm

1.0E‐06
8.0E‐076.0E‐07
4.0E‐072.0E‐07
0.0E+00
100200300
400500Temperature (℃)

600

700

RITE-細孔内充填型Pd膜
・高水素選択性(H2/N2 = ∞)・Pd使用量1/3で従来型Pd膜と同等の性能

産業化戦略協議会－メーカーとユーザー企業のビジョンの共有化、共同研究の企画・立案を図る－
無機分離膜・支持体メーカー、ユーザー企業等の企業会員が連携し、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、無機膜を用いた革新的環境・エネルギー技術の早期の実用化・産業化を目指します。
主な活動内容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３つの研究会活動の実施
テーマ

概 要会長

参加会員

ＣＯ２分離

無機膜を用いたＣＯ２分離回収有効利用技術等の早期の実用化を図る

日立造船
白木常務取締役

７社

水素製造

無機膜を用いた石炭ガス化ガス等から 千代田化工建設の水素製造技術の早期実用化を図る 細野参与

６社

無機膜の実用化に必要な共通基盤
共通基盤 （信頼性評価方法の考案、標準化等を含む）の早期の整備を図る

日揮
保田常務執行役員

７社② 研究会の検討結果に基づく国費事業等の企画・立ち上げ③ 研究部門への研究員派遣の受け入れ、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 公開シンポジウムの開催（年1回）⑥ 会員限定セミナーの開催（６回開催）
・アドバイザー等有識者の講演・会員、センター研究部門からの話題提供⑦ 海外／国内研究機関へのヒアリング調査⑧ 会員向けニーズ・シーズ情報の提供

会員企業：１６社

研修会；無機膜関連の講義、製膜・評価法の実験（２０１７．11．１現在）

会長：大阪ガス 久德顧問
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

公開シンポジウム

会員限定セミナー

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
お問合せ先（公財）地球環境産業技術研究機構 無機膜研究センター 西田、中野
ＴＥＬ： （0774）95-5096 e-mail: mukimaku@rite.or.jp