膜分離を利用した
次世代CO
2
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
化石資源依存からカーボンニュートラルへ
大気中のCO
2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
我が国の電力事情
想定される用途１
火力発電所など大規模CO
2
発生源におけるCO
2
分離
http://www-gio.nies.go.jp/
火力発電所
二酸化炭素分離回収・貯留技術
CCS: CO
2
Capture & Storage
CO
2
分離回収コスト低減で実用化
＞7,200 円/t-CO
2
分離回収
4,200円/t-CO
2輸送
圧縮
RITE report 2005貯留
従来CO
2
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-CO
2
(4,200円）
新技術：膜分離法
CO
2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
加熱等の追加エネルギー不要
分離回収コスト：
1,500円/t-CO
2
が可能
CO
2
分離回収技術と適用用途
発生源
対象ガス
CO
2分圧/atm
適応技術
火力発電
所
燃焼後
CO
2/N
2~ 0.1
吸収液、膜
燃焼前
CO
2/H
2> 10
膜
酸素燃焼
O
2/N
2-
ケミカルルーピング
製鉄高炉
CO
2/N
2~ 0.2
吸収液、膜
CO
:
H
=
36
:
54,
24気圧
CO + H
2O
CO
2+
H
2石炭ガス化複合発電におけるCO
2分離回収
高性能CO
2
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(CO
2/N
2) = 4,000
α(CO
2/H
2) = 1,400
CO
2
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CO
2選択性
簡便なCO
2
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CO
2分離性能
安価な原材料
簡便な合成法
容易な成形
PAMAM含有高分子膜のCO
2
分離性能
CO
2選択性
透過速度
/m
3(STP)m
/(
m
2s Pa)
PAMAM含量/wt%
CO
2
/H
2
選択性: 1,000以上、
世界最高レベルの分離性能
CO
2
選択透過機構の解明
デンドリマーの擬似架橋
拡散
CO
2は重炭酸イオンとなり膜を透過
CO
2
分離膜の想定される用途
• 本技術はCO
2
/H
2
からのCO
2
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
CO
2
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CO
2
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H
2
生成における
CO
2
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。
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
CO
2選択性 CO
2分圧/atm
目標性能
100
30
>10
現状
95
32
0.5
CO
2分離回収コスト：1,500円/t-CO
2課題
· 耐圧性付与
· 耐久性評価
· 高圧での分離性能維持
· CO
2
/CH
4
やCO
2
/N
2
分離性能評価
燃焼後排ガス分離、天然ガス精製
CO
2
分離性能向上
CO
2
透過速度（流束）
Q
CO
2=
N
CO
2A
×
t
×
D
p
CO
2a
(CO
2
/ H
2
)
=
Q
CO
2Q
H
2CO
2
選択性
CO
2
透過速度の向上
CO
2
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
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、CO
2
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。
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
CO
2
が発生
する。
CH
+ 2H
O 4
H
+
CO
カーボンフリー水素の製造
PSAオフガスからのCO
分離回収
水蒸気改質
PSA
H
2, CO
2, etc.
H
2
CH
4H
2
,
CO
2
, etc
CO
2
燃料ガス
CO
2分圧:
~ 0.4 atm
分離膜モジュール
H
2
O
,
CO
2
カーボンフリー水素の製造コスト
膜面積: 172 m
2膜単価: 2万円/m
2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
H
2製造: 300 Nm
3/時間
既存CO
2
分離膜の利用によるコスト試算
CO
2
分離回収付加コスト:
0.72
円
/Nm
3-H
2企業への期待２
• 既に十分なCO
2
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。
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.
