超音波による効率的な水素製造

水素は、環境に優しく二酸化炭素を排出しないことから、望ましい代替燃料です。しかし、従来の水素生成は、経済的な大量生産には効率が十分ではありません。超音波で促進する水およびアルカリ性水溶液の電気分解により、水素収率、反応速度、転化速度が向上します。超音波支援電気分解は、水素製造を経済的かつエネルギー効率の高いものにします。
電気分解や電気凝集などの超音波で促進される電気化学反応では、反応の速さ、反応速度、収率が向上します。

超音波と電気化学の力で水素製造を加速

超音波キャビテーションの効率と電気化学反応の精密さを組み合わせることで、水素収率の向上とエネルギー消費の低減を実現します。Hielscherの先進的な超音波電気化学システムは、物質移動を促進し、触媒活性を向上させ、電極表面を最適化することで、安定した高性能なH₂生成を可能にします。
主な利点：

• 物質移動の促進： 超音波は拡散層を薄くし、電極への反応物の効率的な供給を確保します。
• 触媒安定性の向上： 超音波処理はナノ粒子の凝集を防ぎ、高い触媒活性を長期にわたって維持します。
• エネルギー効率： キャビテーションによる微細混合と表面洗浄を活用して、エネルギー投入を最適化します。

超音波処理による効率的な水素生成

水素生成を目的とした水および水溶液の電気分解は、クリーンエネルギー製造のための有望なプロセスです。水の電気分解は、電気を加えて水を水素（H₂）と酸素（O₂）という二種類の気体に分解する電気化学プロセスです。電気分解によってH – O – H結合を切断するために、水に電流を流します。
電気分解反応では、それ以外では自発的に進行しない反応を開始するために直流電流を加えます。電気分解では、O₂が唯一の副生成物であるため、CO₂を排出しない、シンプルで環境に優しいグリーンなプロセスで高純度の水素を生成できます。
水の電気分解では、水に電流を流すことで、水を酸素と水素に分解します。
純水中の負に帯電した陰極では、陰極からの電子（e−）が水素陽イオンに与えられ、水素ガスが形成される還元反応が起こります。正に帯電した陽極では、陽極に電子を与えながら酸素ガスを生成する酸化反応が起こります。つまり、水は陽極で反応し、酸素と正に帯電した水素イオン（プロトン）を形成します。これにより、次のエネルギー収支の式が成立します：
 
2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g) （陰極での還元）
2H₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– （陽極での酸化）
全体の反応： 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
 
水素を製造するための電気分解では、アルカリ性の水がよく使用されます。アルカリ塩は、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の可溶性水酸化物であり、一般的な例には、水酸化ナトリウム（NaOH、苛性ソーダとも呼ばれます）と水酸化カリウム（KOH、苛性カリとも呼ばれます）があります。電気分解には、主に濃度20%–40%の苛性溶液が使用されます。

水素の超音波合成

電気分解反応で水素ガスを生成する場合、水素はまさに分解電位で合成されます。電極表面は、電気化学反応中に分子レベルで水素が形成される領域です。水素分子は電極表面で核生成し、その後、陰極の周囲に水素ガスの気泡が存在するようになります。超音波電極を使用すると、活性インピーダンスと濃度インピーダンスが改善され、水の電気分解中に水素気泡の上昇が加速されます。複数の研究により、超音波による水素製造が水素収率を効率的に高めることが実証されています。

電気分解に対する超音波の効果

超音波で励起される電気分解は、超音波電気分解とも呼ばれます。超音波による機械的・化学的性質を持つさまざまな要因が、電気化学反応に影響を与え、反応を促進します。

1. 超音波が気泡を生成
2. 気泡が崩壊
3. 極めて高い熱が水分子を分解

電気分解に影響する要因は、超音波によるキャビテーションと振動の結果であり、音響流、微小乱流、マイクロジェット、衝撃波、さらに超音波化学的効果が含まれます。超音波／音響キャビテーションは、高強度の超音波が液体に結合されると発生します。キャビテーション現象は、いわゆるキャビテーション気泡の成長と崩壊を特徴とします。気泡の爆縮は、局所的に生じる極めて強力な力を伴います。これらの力には、最大5000Kの強烈な局所加熱、最大1000 atmの高圧、非常に高い加熱・冷却速度（>100k/sec）が含まれ、物質とエネルギーの間に特有の相互作用を引き起こします。例えば、これらのキャビテーションによる力は水中の水素結合に影響を与え、水クラスターの分裂を促進し、その結果、電気分解のエネルギー消費が低減します。
 
電極に対する超音波の作用

• 電極表面からの付着物の除去
• 
電極表面の活性化
• 電極に向かう、および電極から離れる電解質の輸送

電極表面の超音波洗浄と活性化

物質移動は、反応速度、反応の速さ、収率に影響する重要な要因の一つです。電気分解反応中には、沈殿物などの反応生成物が電極表面の周囲だけでなく表面に直接蓄積し、電極での新たな溶液の電解転化を遅らせます。超音波で促進される電気分解プロセスでは、溶液のバルク中および表面付近の物質移動が増加します。超音波振動とキャビテーションは電極表面から不動態層を除去し、それによって電極が常に完全な効率で機能する状態を維持します。さらに、超音波処理は、超音波化学的効果によって反応経路を促進することが知られています。

オーム電圧降下、反応過電圧、分解電位の低減

電気分解が起こるために必要な電圧は、分解電位と呼ばれます。超音波は、電気分解プロセスで必要な分解電位を低下させることができます。

超音波電解セル

水の電気分解では、超音波エネルギー投入量、電極間隔、電解質濃度が、水の電気分解とその効率に影響する主要な要因です。
アルカリ電気分解には、通常20%–40%のKOHまたはNaOHの苛性水溶液を含む電解セルを使用します。二つの電極に電気エネルギーを加えます。
電極触媒を使用して反応の速さを高めることができます。例えば、Pt電極は反応がより容易に起こるため有利です。
科学研究論文では、超音波で促進する水の電気分解によって10%–25%のエネルギー節減が報告されています。

パイロット規模および産業規模の水素製造向け超音波電解装置

Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波プロセッサーは、全負荷下および過酷なプロセスにおける24/7/365の運転に対応するように製造されています。
Hielscher Ultrasonicsは、堅牢な超音波システム、電極と超音波送信器として同時に機能する特別設計のソノトロード（プローブ）、および電解反応器を供給することで、電気分解による水素製造の特有の要件に対応します。UIPシリーズのすべてのデジタル産業用超音波処理装置（UIP500hdT （500ワット）、 UIP1000hdT （1kW）、 UIP1500hdT （1.5kW）、 UIP2000hdT （2kW）、および UIP4000hdT （4kW））は、電気分解用途向けの高性能超音波装置です。

以下の表は、研究室から生産まで、電気化学的なH₂生成に使用する当社の超音波処理装置と超音波電極の概要を示しています：