Mechanism of hydrogen purification enhancement by zeolite in plasma membrane reactors

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K15378
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 36020:Energy-related chemistry
• Research Institution: Gifu University
• Principal Investigator: Hayakawa Yukio 岐阜大学, 工学部, 助教 (40799946)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: アンモニア / 水素製造 / 大気圧プラズマ / 脱炭素 / カーボンニュートラル / 水素分離膜

Outline of Final Research Achievements

A plasma membrane reactor (PMR) has been developed as a device that can purify high-purity hydrogen from a mixed gas in which NH3, a hydrogen carrier, is catalytically pyrolyzed. However, the mechanism has not been clarified. This study aimed to elucidate the role of zeolite packed in PMR. As a result, it was clarified that creepage discharge occurs on the zeolite surface during PMR discharge and plays a role in stabilizing the plasma state. It was also suggested that the proton relay phenomenon occurs on the zeolite surface, which may enhance hydrogen separation by increasing the proton concentration in the vicinity of the hydrogen separation membrane.

Free Research Field

化学工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

小規模な施設でアンモニアを燃料として利用する場合、アンモニアを水素に転換し、燃料電池へ供給することで発電を行うのが一般的である。しかし、既存技術ではアンモニアから得られる水素には低濃度のアンモニアが混入しており、燃料電池破損の原因となる。
プラズマメンブレンリアクターはアンモニア分解ガスから効率的かつ純度の高い水素を得られる技術であり、ゼオライト充填時のメカニズムが明らかになることでアンモニアを起点とした発電システムの構築をより現実的なレベルに引き上げることが可能になる。また、大気圧プラズマと水素分離膜を組み合わせた反応場は他に類さない先進的な学術的特色を有する。