| Project/Area Number |
22K04823
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 27030:Catalyst and resource chemical process-related
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
原田 琢也 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (60873891)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2026: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Fiscal Year 2025: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | 水素合成 / カーボンフリー / メタン水蒸気改質 / CO2吸収剤 / 溶融イオン / 固液セパレーター / 多孔質ナノポーラス |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，天然ガスから水素を合成するメタン水蒸気改質法において，その反応副生成物であるCO2を改質器から直接そして連続的に分離回収することを特徴とする新しい溶融イオン循環型カーボンフリー水素合成プロセスの開発を行う。特に，高温で流動性を有する新しい溶融イオン系CO2吸収剤を用い，それをメタン改質触媒粒子が充填された改質反応器内を液体循環させることにより，メタン改質反応系からのCO2の直接除去を行う。このCO2除去にともなう化学平衡シフト効果により，水素生成効率の向上，プロセス工程数の削減，そしてCO2排出レス化を実現し、社会実装化へ向けたスケールアップと反応性向上へのの技術課題を整理する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、次世代の低コスト・高効率カーボンフリー水素合成技術の確立を目標に、近年我々が世界に先駆けて新たに見出した高温・液体型の新しいタイプの溶融イオン型CO2吸収剤を用い、“連続CO2吸収強化型メタン水蒸気改質法”の技術開発を行う。この新しい水素合成プロセスでは、高温・高湿のメタン水蒸気改質反応条件下において、その副生成物として生成されるCO2を選択的に改質器から取り除くことが可能な新しいCO2吸収剤を開発し、さらにその連続循環を可能とする固液分離セパレータの開発を行うことが重要な技術課題となる。そしてその上で、これらを用いた新しい改質反応器を設計し、その反応挙動の詳細な動的ダイナミックス解析を行うことで、さらなるスケールアップ、高効率化へ向けた反応条件の最適化を進める。
本研究の第一段階となる本年度は、特にその反応材料の選定とその評価システムのセットアップを中心に研究を遂行した。この中で、まずメタン水蒸気改質が進む高温条件下での、溶融イオン酸化物型CO2吸収剤のCO2吸脱着特性、イオン伝導特性、さらには動的レオロジー特性の解析を実施するための分析システムを新たに研究室に構築し、その材料物性の測定評価を進めた。またさらに、高温条件下で動作可能な固液分離セパレータに対する候補部材として、高い熱安定性とガス透過性を有した新たな金属酸化物ポーラス膜を試作し、その膜分離特性について基礎的解析を行った。今後さらに、これらの材料構成の最適化およびその特性解析を進めることで、本反応システムの構築に最も好適な条件を特定し、最終目的である新しい連続CO2吸収強化型メタン水蒸気改質器の設計と評価を進めていく。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究プロジェクトの1年目となる本年は、その研究目標である新しいカーボンフリー水素合成プロセスの構築に不可欠な、新たな反応材料の選定とその物性評価を中心に研究活動を進めてきた。その中で、特にCO2吸収剤および固液分離セパレータについて、その特性評価に不可欠な各種の分析評価システムを新たに研究室内に構築し、様々な条件下での各材料特性の解析を実施した。
CO2吸収材料に関する測定結果からは、特にそのCO2吸脱着速度と吸収容量に与える反応温度およびガス分圧依存性に関する詳細なデータが得られたほか、さらにこれら吸収材料の高温動作条件下での動粘度特性、またそのCO2吸脱着反応にともなう変化に関する測定結果が得られた。これらの実験結果より、これまでに材料選定を進めてきた新規CO2吸収材料については、十分に優れたCO2吸脱着反応性と低粘度流動性を示し、本システムが動作される高温条件下にて連続的にCO2回収除去を行うための基本要件を満足するものであることが確認された。
また固液分離セパレータについては、特に本システムが運用される高温・高湿の反応条件下でも安定な材料として、塩基性の金属酸化物を主材料とする多孔質膜の有効性に着目し、これを独自のナノ粒子材料の合成とその自己組織化制御によって作成した。そしてその構造安定性とガス透過性について基礎的な分析評価を行った。その結果、ここで得られた多孔質膜は、比較的高い膜強度と固液分離性を有することが確認できた。一方この多孔質膜のガス透過性については、未だ十分とは言えない数値であったが、この点については、今後この分離膜内の空隙サイズ、多孔構造の最適化、さらには溶融イオン状態のCO2吸収剤とセパレータ材料の表面濡れ性のコントロール等を進めていくことにより、この膜材料のさらなる特性の改善が見込めると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの取り組みにより、本研究の研究ターゲットとして開発を進める連続CO2吸収強化型メタン水蒸気改質システムについて、特にその重要な構成材料となる“高温-液体型の溶融イオン系CO2吸収剤”と“固液分離セパレータ”の2つの要素部材に対する基礎物性を明らかとすることが出来た。今後さらなる材料構成の最適化と物性評価を推進していくことにより、これら部材のさらなる機能性の向上と最適な動作条件の特定を進めていく予定である。またこれと並行して、実際のメタン水蒸気改質条件下でのCO2の選択的な分離回収性、さらにはそのCO2分離能がメタン改質反応に与える効果に関する分析評価を進めていく予定である。
CO2吸収剤とセパレータのさらなる最適化に対しては、材料組成の調整、複合化、さらには内部組織のナノ構造制御により実施していくことに加え、その特性評価に用いる反応セルについても、より広範囲の圧力およびガス流量下での分析を可能とするよう、さらなるセル構成の改良を行っていくことを計画している。そしてさらに、溶融イオン材料の多孔質セパレータ内部への浸透深さや反応前後の多孔質構造の変化等についての詳細な分析が可能となるよう、高分解能断面SEMによるナノ構造分析や赤外線ゴールドイメージ炉を用いた動的反応解析等についても実施していく予定である。
水蒸気改質条件下でのCO2の選択的な分離回収性の評価については、混合反応ガスを用いた透過吸収特性の測定が可能なガス流通式のCO2濃度変化測定システムを新たに研究室内に構築すると同時に、さらにその反応機構のモデル化と数値解析を実施するための計算プラットフォームの構築へ向けた準備も進める予定である。そして最終的に、これらの実験とモデルシミュレーションの結果を統合的に解析することで、本研究の目的である新しいカーボンフリー水素合成プロセスの設計とその実証評価を進める。
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Report
(1 results)
Research Products
(2 results)
