超音波による効率的な水素製造

水素は代替燃料のひとつであり、環境にやさしく、二酸化炭素の排出がゼロであることから好ましい。しかし、従来の水素生成は経済的な大量生産には効率が悪い。水やアルカリ水溶液の電気分解を超音波で促進することで、水素収率、反応速度、変換速度が向上する。超音波アシスト電気分解は、水素製造を経済的でエネルギー効率の高いものにします。
電気分解や電気凝固などの電気化学反応を超音波で促進すると、反応速度、反応率、収率が向上する。

超音波処理による効率的な水素生成

水素発生を目的とした水や水溶液の電気分解は、クリーンエネルギー生産のための有望なプロセスである。水の電気分解は、水を水素（H2）と酸素（O2）の2つの気体に分解するために電気を流す電気化学プロセスである。水素（H2）と酸素（O2）を分離するためには、電気分解によって水素（H2）と酸素（O2）を分離する必要がある。 – O – 電気分解によるH結合は、水に電流を流す。
電解反応では、非自発的な反応を開始させるために直接通電する。電解は、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することができ、副生成物はO2のみであるためCO2の排出はゼロである。

 
水の電気分解については、水に電流を流すことで水を酸素と水素に分解する。
純水中では、マイナスに帯電したカソードで還元反応が起こり、カソードからの電子（e-）が水素カチオンに供与されて水素ガスが発生する。プラス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発生させる。つまり、水は陽極で反応して酸素と正電荷を帯びた水素イオン（プロトン）を生成する。これにより、以下のエネルギー収支式が完成する：
 
2h⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g）（陰極での還元）
2h₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (陽極での酸化）
全体反応：2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
 
水素を発生させるための電気分解には、しばしばアルカリ水が使用される。アルカリ塩は、アルカリ金属とアルカリ土類金属の可溶性水酸化物で、一般的な例としては以下のものがある：水酸化ナトリウム（NaOH、苛性ソーダとしても知られる）、水酸化カリウム（KOH、苛性カリとしても知られる）などがその代表例である。電解には、主に20%から40%の濃度の苛性溶液が使用される。

 

 

水素の超音波合成

電解反応で水素ガスを発生させる場合、分解電位で水素が合成される。電極表面は、電気化学反応中に水素が分子段階で生成される領域です。水素分子は電極表面で核生成し、その後水素ガスの気泡がカソード周辺に存在する。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バブルの上昇が加速されます。いくつかの研究では、超音波水素製造が水素収率を効率的に増加させることが実証されている。

 

電解における超音波効果

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.
 
電極への超音波の影響

• 電極表面の付着物の除去
• 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、収率に影響を与える重要な要因の一つです。電解反応中、反応生成物、例えば沈殿物は、電極表面上だけでなく、その周辺にも蓄積し、新鮮な溶液の電極への電解変換を減速させる。超音波により促進される電解プロセスは、バルク溶液中および表面近傍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、電極表面から不動態化層を除去し、それによって永久的に完全な効率を維持する。さらに、超音波振動は、超音波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る。

オーミック電圧降下、反応過電位、分解電位の低下

電気分解に必要な電圧は分解電位として知られている。超音波は電気分解に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

水の電気分解では、超音波エネルギー入力、電極ギャップ、電解液濃度が、水の電気分解とその効率に影響を与える重要な要因である。
アルカリ電解には、通常20％～40％のKOHまたはNaOHの苛性水溶液を入れた電解槽が使用される。電気エネルギーは2つの電極に印加される。
反応速度を速めるために電極触媒を使用することができる。例えば、白金電極は反応がより容易に起こるので好ましい。
科学的な研究論文では、超音波で促進された水の電気分解を使用することで、10％～25％のエネルギー節約になると報告されている。

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、全負荷および高負荷プロセスで24時間365日稼動するように設計されています。
頑丈な超音波システム、電極と超音波発信器として同時に機能する特別設計のソノトロード（探触子）、電解リアクターを供給することで、ヒールシャーウルトラソニックスは電解水素製造の特殊な要求に対応します。UIPシリーズのすべてのデジタル工業用超音波発生装置(UIP500hdT (500ワット）、 UIP1000hdT (1kW）、 UIP1500hdT (1.5kW）、 UIP2000hdT (2kW）、および UIP4000hdT (4kW)）は、電解アプリケーション用の高性能超音波ユニットである。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：