高効率水素製造を実現するセラミック膜の最前線：セラミック膜を用いた水素製造技術

摘要

セラミック膜には多孔質な膜と細孔の開いていない緻密な膜とがあり，後者は気体分離のみに使われるが，前者は細孔径により液体分離や気体分離に用いられる．比較的細孔径が大きな膜は，主にα－アルミナ粒子を焼結して作られ，その細孔径はサブミクロンからミクロンの範囲である．これらの膜はすでに水処理分野などで実用化されている．これに対し多孔質セラミック気体分離膜は細孔径がサブナノ領域で，シリカなどのアモルファス材料を用いたものと，ゼオライトに代表される結晶材料を用いたものとが研究，開発されている．分離対象を水素や酸素などの無機ガスとすると，アモルファスシリカ膜はこれらを十分に分離できるが，ゼオライトは細孔径が大きすぎて分離には適さず，ゼオライト膜はより大きな炭化水素やアルコール蒸気などの分離を対象としている．一方，緻密な膜は，ジルコニア系あるいはペロブスカイト型酸化物系の酸素透過膜に代表されるように，酸素を分子として透過させるのではなく，酸素イオンとして透過させる．したがって，透過には高い温度が必要になる．気体分離膜はすでに高分子膜が実用化されているが，高温分離には使用できず，また，有機ガスや有機蒸気の分離では膜の膨潤が問題となる．この点，無機膜はこのような問題がなく，特に高温気体分離では高分子膜とは競合しない．ここでは特に水素製造技術への応用を対象に，セテミック高温気体分離膜の開発状況について解説する．