| Project/Area Number |
23KK0089
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| Research Category |
Fund for the Promotion of Joint International Research (International Collaborative Research)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 27:Chemical engineering and related fields
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
福原 長寿 静岡大学, 工学部, 教授 (30199260)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
冨田 靖正 静岡大学, 工学部, 教授 (50303532)
小林 正樹 八戸工業大学, 大学院工学研究科, 教授 (90312678)
河野 芳海 静岡大学, 工学部, 准教授 (50334959)
渡部 綾 静岡大学, 工学部, 准教授 (80548884)
片山 裕美 北九州市立大学, 国際環境工学部, 講師 (30823661)
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| Project Period (FY) |
2023-09-08 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥21,060,000 (Direct Cost: ¥16,200,000、Indirect Cost: ¥4,860,000)
Fiscal Year 2025: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000)
Fiscal Year 2024: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
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| Keywords | CO2処理 / メタン化反応 / オートメタネーション / 構造体触媒 / グリーンハウスガス / ドライ改質反応 / 固体炭素 / 合成ガス / CO2削減 / メタネーション / 構造体触媒システム / CO2資源化 / 社会実装 / ドライリフォーミング / 固体炭素捕集 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、申請者が発見した室温25℃域で高活性＋高選択的にCO2からCH4に大量変換できるオートメタン化技術（通常約300℃での作動温度を室温域へ大幅低温化に成功、世界初の技術）を基軸に、日本とタイ国の参画者が保有する、CH4のドライ改質で合成ガス（H2＋CO、C1化学産業の原料）を高効率に製造する技術、合成ガスから固体Ｃを捕集してプロセスの脱炭素化を図る技術、そして高圧条件下のFischer-Tropsch（FT）反応で合成ガスから合成燃料を製造する技術を融合した反応システムの開発である。各技術とも熱交換と原料処理の革新化を図ることができる構造体触媒システムを採用して構築する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、CO2を含んだ工業排ガスを触媒変換プロセスで処理し、資源CH4や合成ガスを製造すること、そして合成ガスから固体炭素を連続的に捕集するCCU型触媒反応プロセスを構築するものである。推進においては海外機関(タイ国の大学)と共同し、COP会議で両国が宣言した、CO2削減目標に貢献する触媒反応プロセスの開拓を目指す。今年度の研究実施で以下の成果を得た。
１．構築した触媒変換プロセスは、メタン化反応(第一段階)で供給するH2量を通常の量論比４よりも少なくする(量論比２～３)ことができ、このH2量の減少がプロセス全体の効率性を高めた。
２．第一段階でのH2量の減少は、ドライ改質反応(第二段階)で使用する構造体触媒の改質機能性にプラス効果をもたらし、触媒物性の解析からドライ改質触媒の炭素析出耐性が向上していることがわかった。また、固体炭素捕集プロセス(第三段階)でも第一段階のH2量削減が捕集機能にプラス効果を与え、量論比２～３で最も効率的な捕集率を示した。
３．構築した炭素捕集プロセスに化学工学的な検討を加え、供給したCO2の56%分の炭素を捕集することに成功した。この達成は、本処理技術がCOP会議の約束草案に貢献できる有用な技術の一つになり得ることを示す。
４．上記の知見を踏まえ、タイ国側のCO2処理技術と資源化利用技術に関したワークセッションを日本とタイ国で開催した。その際、タイ国で構築した処理プロセス設備の課題点や改良点について協議し、より実践的な触媒変換プロセス構築への提言を行なった。
５．エクセルギーを指標とした連結型反応プロセス全体のエネルギー効率の評価から、本CO2変換システムが熱力学的に優位性をもつことが判明した。特に、メタン化反応場だけの単独CO2処理技術がエネルギー効率を大きく損なう結果に対し、本連結プロセスでは投入エネルギー以上の効率性を実施できることが判明した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
日本側ではメタン化反応場における使用H2量が量論比４以下(2.5が良好)で充分であるとの新しい知見を獲得したことと、固体炭素捕集場における捕集率56％を達成したこと、そしてタイ国側ではCO2の固体炭素化のための大型フロー装置が完成したことが理由である。
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| Strategy for Future Research Activity |
Ｒ６年度の実施で得られた知見をもとに、産業排出CO2ガスの資源変換をさらに高効率化する触媒反応プロセスの構築を目指し、以下の項目について研究推進を図る。
１．炭素捕集プロセス(第三段階)に関して、炭素捕集率をさらにアップする（目標：捕集率60％以上）ための反応工学的な要素技術の関連性について検討する。そして、個々の操作パラメータが及ぼす影響を調査し、捕集率と反応操作との学術的な相関性を調査する。
２．メタン化反応プロセス(第一段階)＋ドライ改質プロセス(第二段階)の知見から、逆水性ガスシフト反応によるCO2から炭素捕集を実施する連結型触媒プロセスについて検討する。その際、使用するH2量の削減効果に着目し、プロセス全体のエネルギー効率を検討する。
３．２の実施においては、逆水性ガスシフト反応のための構造体触媒(スパイラル形)を開発する。金属基材上へ析出させる触媒成分はCu系を基本とし、簡便で機能的な触媒調製を可能とするelectroless plating法を用いて検討する。
４．タイ国側で完成した大型フロー装置の稼働性の健全化を図りつつ、CO2からの固体炭素捕集に関する実測データの集積と、捕集炭素の機能性材料としての活用法について現地訪問やオンライン会議によって検討する。
５．構造体触媒の高機能性について、数値シミュレーションによる流体力学解析をさらに駆使して検討する。その際、メタン化反応場を対象としつつ、スワール流れの効果と触媒反応速度の促進効果との相関性に着目した検討を実施する。
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