超音波による効率的な水素製造

水素は、環境に優しく、二酸化炭素の排出がゼロであるため、好ましい代替燃料です。しかし、従来の水素製造は、経済的な大量生産には効率的ではありません。超音波で促進された水およびアルカリ水溶液の電気分解は、より高い水素収率、反応速度および変換速度をもたらす。超音波支援電気分解により、水素製造が経済的でエネルギー効率が高くなります。
超音波で促進された電気化学反応、例えば電気分解および電気凝固は、改善された反応速度、速度および収率を示す。

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と水溶液の電気分解は、クリーンエネルギーの生産のための有望なプロセスです。水の電気分解は、電気を印加して水を水素(H2)と酸素(O2)の2つのガスに分割する電気化学プロセスです。Hを切断するために – O – 電気分解によりH結合し、水に電流を流します。
電解反応では、直接の電気通貨を適用して、他の非自発的な反応を開始します。電気分解は、O2が唯一の副産物であるため、CO2排出がゼロのシンプルで環境に優しいグリーンプロセスで高純度の水素を生成できます。

 
水の電気分解に関しては、水に電流を流すことによって水を酸素と水素に分解します。
負に帯電したカソードの純水では、カソードからの電子(e−)が水素カチオンに供与され、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酸化反応が起こり、陽極に電子を与えながら酸素ガスを生成します。これは、水がアノードで反応して酸素と正に帯電した水素イオン(プロトン)を形成することを意味します。それにより、次のエネルギーバランスの方程式が完成します。
 
2時間⁺ (AQ)+2E^– → H₂ (g) (陰極での還元)
2時間₂O(l)→O2(g)+ 4H⁺ (AQ)+4E^– (負極での酸化)
全体的な反応:2H₂O(l)→2H₂ (g)+O₂ (g)
 
多くの場合、水素を生成するために電気分解にアルカリ水が使用されます。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、その一般的な例は、水酸化ナトリウム(NaOH、苛性ソーダとしても知られる)および水酸化カリウム(KOH、苛性カリとしても知られる)である。電気分解には、主に20%〜40%の苛性溶液の濃度が使用されます。

 

 

水素の超音波合成

電解反応で水素ガスが生成されると、水素は分解電位で合成されます。電極の表面は、電気化学反応中に分子段階で水素が形成される領域です。水素分子は電極表面で核を形成し、その結果、水素ガスの泡がカソードの周りに存在します。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、水電解中の水素泡の上昇が促進されます。いくつかの研究は、超音波水素生成が水素収率を効率的に増加させることを実証した。

 

電気分解に対する超音波の影響

Ultrasonically excited electrolysis is also known as sono-electrolysis. Various ultrasonic factors of sonomechanical and sonochemical nature influence and promote electrochemical reactions. These electrolysis-influencing factors are results of ultrasound-induced cavitation and vibration and include acoustic streaming, micro-turbulences, microjets, shock waves as well as sonochemical effects. Ultrasonic? acoustic cavitation occurs, when high-intensity ultrasound waves are coupled into liquid. The phenomenon of cavitation is characterized by the growth and collapse of so-called cavitation bubbles. The bubble implosion is marked by super-intense, locally occuring forces. These forces include intense local heating of up to 5000K, high pressures of up to 1000 atm, and enormous heating and cooling rates (>100k/sec) and they provoke a unique interaction between matter and energy. For instance, those cavitational forces impact hydrogen bondings in water and facilitate splitting of water clusters which subsequently results in a reduced energy consumption for the electrolysis.
 
電極への超音波衝撃

• 電極表面の堆積物の除去
• 電極表面の活性化
• 電解質の電極への輸送と電極からの遠ざかる輸送

 

電極表面の超音波洗浄と活性化

物質移動は、反応速度、速度、および収率に影響を与える重要な要素の1つです。電解反応中、反応生成物(沈殿物など)は電極表面の周囲だけでなく直接にも蓄積し、新鮮な溶液の電極への電解変換を減速させます。超音波で促進された電解プロセスは、バルク溶液中および表面近くでの物質移動の増加を示す。超音波振動とキャビテーションは、電極表面からパッシベーション層を除去し、それによってそれらを永続的に完全に効率的に保ちます。さらに、ソニフィケーションは、音響化学的効果によって反応経路を強化することが知られています。

オーミック電圧降下、反応過電位、分解電位の低減

電気分解が発生するために必要な電圧は、分解電位として知られています。超音波は、電気分解プロセスで必要な分解電位を下げることができます。

超音波電解セル

水電解では、超音波エネルギー入力、電極ギャップ、および電解質濃度が、水電解とその効率に影響を与える重要な要素です。
アルカリ電解には、通常20%〜40%のKOHまたはNaOHの苛性水溶液を使用した電解セルが使用されます。電気エネルギーは2つの電極に印加されます。
電極触媒を用いることで、反応速度を高速化することができます。例えば、Pt電極は反応が起こりやすいため有利です。
科学研究記事は、超音波で促進された水の電気分解を使用して10%〜25%のエネルギー節約を報告しています。

パイロットおよび工業規模での水素製造のための超音波電解槽

Hielscher Ultrasonics’ 産業用超音波プロセッサは、全負荷時およびヘビーデューティプロセスでの24/7/365動作用に構築されています。
堅牢な超音波システム、電極と超音波の送信機として同時に機能する特別に設計されたソノトロード(プローブ)、および電解反応器を供給することにより、ヒールシャー超音波は電解水素製造のための特定の要件に対応します。UIPシリーズのすべてのデジタル工業用超音波装置(UIP500hdTの (500ワット)、 UIP1000hdTの (1kW)、 UIP1500hdT (1.5kW)、 UIP2000hdT (2kW)、および UIP4000hdTの (4kW))は、電解用途向けの高性能超音波ユニットです。

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。