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膜分離を利用した

次世代CO2分離回収技術による

カーボンフリー水素の製造

九州大学 ｶｰﾎﾞﾝﾆｭｰﾄﾗﾙ·ｴﾈﾙｷﾞｰ国際研究所

准教授 谷口 育雄

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化石資源依存からカーボンニュートラルへ

大気中のCO2濃度の増加に伴う地球温暖化および気候変動が深刻な問題となっている。

化石資源エネルギー

水素エネルギー

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我が国の電力事情

http://www.fepc.or.jp/

９割が化石資源由来

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想定される用途１

火力発電所など大規模CO2発生源におけるCO2分離

http://www-gio.nies.go.jp/

火力発電所

製鉄所

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二酸化炭素分離回収・貯留技術

CCS: CO2 Capture & Storage

http://bellona.ru/ CO2分離回収コスト低減で実用化

＞7,200 円/t-CO2

分離回収 4,200円/t-CO2

輸送 圧縮

RITE report 2005

貯留

6

従来CO2分離回収技術とその問題点

http://www.tdk.co.jp/

加熱!!

モノエタノールアミン

4.0 GJ/t-CO2 (4,200円）

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新技術：膜分離法

CO2の分圧（濃度）差が駆動

力となり、分離が進行する。

従来技術と比較して革新的省エネルギー

分離膜

加熱等の追加エネルギー不要

分離回収コスト：

1,500円/t-CO2が可能

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CO2分離回収技術と適用用途

発生源 対象ガス CO2分圧/atm 適応技術

火力発電所

燃焼後 CO2/N2 ~ 0.1 吸収液、膜

燃焼前 CO2/H2 > 10 膜

酸素燃焼 O2/N2 - ケミカルルーピング

製鉄高炉 CO2/N2 ~ 0.2 吸収液、膜

CO2:H2 = 36:54, 24気圧

CO + H2O CO2 + H2

石炭ガス化複合発電におけるCO2分離回収

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高性能CO2分離膜の設計

ポリアミドアミンデンドリマー（第０世代）

PAMAM

α(CO2/N2) = 4,000

α(CO2/H2) = 1,400

CO2分離素材としてのPAMAMデンドリマー

高分子マトリクスへの固定

非常に高いCO2選択性

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簡便なCO2分離膜の調製

ポリエチレングリコールジメタクリレート

PEGDMA

PEGネットワーク

光重合 ９０秒

PAMAM含有(50 wt%)

高分子膜

高分子膜の特徴

極めて高いCO2分離性能

安価な原材料

簡便な合成法

容易な成形

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PAMAM含有高分子膜のCO2分離性能

CO

2 選択性

透過速度

/m3(S

TP

)m/(

m2 s

Pa)

PAMAM含量/wt%

CO2分圧: 0.05気圧、相対湿度: 80％、温度:

25°C

CO2/H2選択性: 1,000以上、世界最高レベルの分離性能

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CO2選択透過機構の解明

デンドリマーの擬似架橋 拡散

CO2は重炭酸イオンとなり膜を透過

CO2とデンドリマーの擬似架橋によりH2の透過を抑制

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CO2分離膜の想定される用途

• 本技術はCO2/H2からのCO2分離に極めて高い分離

性能を示すため、石炭ガス化複合発電における

CO2分離回収技術への利用が期待される。それ以

外にも、天然ガス井におけるCO2分離（天然ガス

精製）への利用も可能であると期待される。

• また、天然ガスなどの改質によるH2生成における

CO2分離には既に十分な分離性能を有しており、

カーボンフリー水素の製造へも展開可能である。

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石炭ガス化複合発電への利用と課題

分離膜の要求性能

透過性/GPU CO2選択性 CO2分圧/atm

目標性能 100 30 >10

現状 95 32 0.5

CO2分離回収コスト：1,500円/t-CO2

課題

· 耐圧性付与

· 耐久性評価

· 高圧での分離性能維持

· CO2/CH4やCO2/N2分離性能評価

燃焼後排ガス分離、天然ガス精製

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CO2分離性能向上

CO2透過速度（流束）

QCO2=

NCO2

A × t ×DpCO2

a(CO2 /H2 ) =QCO2

QH2

CO2選択性

CO2透過速度の向上

CO2選択性の向上

高分子マトリクスの最適化

デンドリマー化学構造改変

添加剤

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企業への期待１

• 高圧での分離性能評価については、高圧試験結果を分離膜材料開発にフィードバックすることにより克服できると考えている。

• 高圧ガス分離試験装置を持つ企業との共同研究を希望。

• 膜モジュール作成技術を持つ企業との共同研究を希望。

• また、CO2分離回収技術を開発中の企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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水素生成の現状

真の水素社会とは、再生可能エネルギーによって水

を電気分解して得た水素の利用により確立される。

現状で水素は、以下の２通りで製造される。

①化石資源由来電気エネルギーを用いた水の電気分解

②メタンなどの水蒸気改質反応

後者が安価であるが、精製時にCO2が発生する。

CH4 + 2H2O 4H2 + CO2

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カーボンフリー水素の製造

PSAオフガスからのCO2分離回収

水蒸気改質 PSA

H2, CO2, etc.

H2 CH4

H2, CO2, etc

CO2

燃料ガス

CO2分圧:

~ 0.4 atm

分離膜モジュール

H2O, CO2

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カーボンフリー水素の製造コスト

膜面積: 172 m2

膜単価: 2万円/m2

膜材料費: 344万円

総モジュール作成費用: 395万円

運用時間: 12時間/日

運用日数: 300日/年

耐用年数: 5年

H2製造: 300 Nm3/時間

既存CO2分離膜の利用によるコスト試算

CO2分離回収付加コスト: 0.72円/Nm3-H2

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企業への期待２

• 既に十分なCO2分離性能を有しているため、

パイロットスケールでの試験を通じて実用化の可否判断が可能。

• 膜モジュール作成技術を持つ企業との共同研究を希望。

• 水素ステーションなどを持つ企業との共同研究を希望。

• また、定置用燃料電池のカーボンフリー化にも本技術の導入が有効と思われる。

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本技術に関する国際学術誌への成果報告

1. Taniguchi, I., Kai, T., Duan, S., Kazama, S., Jinnai, H., J. Membr. Sci., in press

2. Taniguchi, I., Kai, T., Duan, S., Kazama, S., Jinnai, H, Kobunshi Ronbunshu, 71, 202-210, 2014.

3. Taniguchi, I., Duan, S., Kai, T., Kazama, S., Jinnai, H., J. Mater. Chem., A, 1,14514, 2013.

4. Taniguchi, I., Urai, H., Kai, T., Duan, S., Kazama, S., J. Membr. Sci., 444, 96, 2013.

5. Taniguchi, I., Kai, T., Duan, S., Kazama, S., Energy Procedia, 37, 1067, 2013.

6. Kai, T., Taniguchi, I., Duan, S., Chowdhury, F. A., et al., Energy Procedia, 37, 961, 2013.

7. Duan, S., Taniguchi, I., Kai, T., Kazama, S., Energy Procedia, 37, 924, 2013.

8. Duan S., Kai, T., Taniguchi, I., Kazama, S., Desalin. Water Treat., 51, 5337, 2013.

9. Duan S., Taniguchi, I., Kai, T., Kazama, S., J. Membr. Sci., 423-424, 107, 2012.

10. Taniguchi, I., Kazama, S., Jinnai, H., J. Polym. Sci. B: Polym. Phys., 50, 1156, 2012.

11. Taniguchi, I., Ootera, Y., Chowdhury, F.A., et al., Polym. Bull., 69, 405, 2012.

12. Taniguchi I., Duan S., Kazama, S., Fujioka Y, J. Membr. Sci., 322, 277, 2008.

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：Crosslinkabke amine compound, polymer

membrane using crosslinkable amine compound, and method

for producing polymer membrane

• 出願番号 ：PCT/JP2012/058521

• 出願人 ：（公財）地球環境産業技術研究機構

• 発明者 ：段淑紅、甲斐照彦、風間伸吾、谷口育雄

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産学連携の経歴

CO2分離膜

• 2008年-2010年 新日鉄エンジニアリングと共同研究実施

経済産業「省分子ゲート機能CO2分離膜の技術研究開発」補助事業

• 2011年-2012年 新日鉄エンジニアリング、日東、クラレと

技術研究組合を形成

経済産業省「二酸化炭素分離膜モジュール研究開発」委託事業

室温成形性プラスチック

• 2010年-2011年 リコーと共同研究実施

• 2012年- クラスターテクノロジーと共同研究実施

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お問い合わせ先

九州大学

カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所

谷口育雄

ＴＥＬ 092－802－6879

ＦＡＸ 092－802－6879

e-mail ikuot＠i2cner.kyushu-u.ac.jp