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希硫酸からの電解水素製造

希硫酸を電気分解すると水素ガスと酸素ガスが発生する。超音波処理により、電極表面の拡散層の厚みが減少し、電解中の物質移動が改善される。超音波処理により、電解セル内の水素ガス生成率を大幅に向上させることができる。

カーボン陽極とチタン陰極の2つの実験セットアップを以下に説明する。電気分解における超音波の効果を実証するため、チタンカソードはソノ電極とした。これにより、希硫酸からの水素と酸素の電解生成に超音波振動とキャビテーションが加わる。超音波と電気の組み合わせは、ソノエレクトロケミストリー、ソノエレクトロリシス、ソノエレクトロシンセシスで使用される。
Hielscher社製超音波ホモジナイザーUP100H(100ワット、30kHz)には、ソノエレクトロケミカル・アップグレードが装備されています。これにより、ソノトロードを電解プロセスの陰極または陽極として使用することができます。 工業用超音波電解セットアップについては、こちらをクリックしてください!

希硫酸からの水素製造における超音波電解カソードとしての超音波チタンプローブを示す。

UP100H超音波プロセッサーのソノエレクトリック・カソード

ソノ電解セットアップ1 – H型未分割細胞

セットアップには希硫酸(H2SO4、1.0M)を使用する。H型未分割セルに電解液を充填する。このセルはホフマン電圧計として知られている。3つの直立したガラス円筒が接合されている。内側の円筒は電解液が充填できるように上部が開いている。外側の筒の上部にあるバルブを開けると、電解液の充填中に発生するガスを逃がすことができる。電解セルでは、電極はゴムリングで密閉され、酸性化した水の溶液に逆さまに浸される。正極はカーボン製(8mm)。負極はチタン製の超音波ソノ電極(10mm、特殊高表面積ソノ電極、Hielscher UP100H、100ワット、30kHz)。チタンソノエレクトロードとカーボン電極は不活性である。電気分解は、希硫酸溶液に電気を通したときにのみ起こる。したがって、カーボン陽極とチタン陰極は定電圧電源(直流)に接続される。
希硫酸の電気分解で発生した水素ガスと酸素ガスは、各電極の上にある目盛付き外管に集められます。ガス量は外管内の電解質を置換し、追加されたガス量を測定することができる。ガス体積の理論的比率は2:1である。電気分解中、電解質からは水分のみが水素ガスと酸素ガスとして除去されます。したがって、希硫酸の濃度は電気分解中にわずかに上昇する。
下のビデオは、パルス超音波(振幅100%、サイクルモード、0.2秒オン、0.8秒オフ)を用いた希硫酸の超音波電解を示す。いずれの試験も2.1V(DC、定電圧)で実施した。

このビデオは、H-Cell電解槽のセットアップにおいて、直接電極への超音波照射が電流に与える好影響を説明しています。電気化学アップグレードとチタン電極/ソノトロードを備えたHielscher UP100H(100ワット、30kHz)超音波ホモジナイザーを使用しています。希硫酸を電気分解すると水素ガスと酸素ガスが発生する。超音波処理により電極表面の拡散層厚さが減少し、電解中の物質移動が改善される。超音波処理により、電解セル内の水素ガス生成率を大幅に向上させることができる。

超音波電気化学 - H細胞電解における超音波の影響の図解

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ソノ電解セットアップ2 – シンプル・バッチ

ガラス容器は希硫酸(H2SO4、1.0M)の電解液で満たされている。この単純な電解槽では、電極が酸性化した水の溶液に浸されている。正極はカーボン(8mm)製。負極はチタン製の超音波ソノエ電極(10mm、MS10、Hielscher UP100H、100ワット、30kHz)。電気分解は、希硫酸溶液に電気を通したときのみ行われる。したがって、炭素陽極とチタン陰極は定電圧電源(直流)に接続される。チタン電極とカーボン電極は不活性である。希硫酸の電気分解で発生する水素ガスと酸素ガスは、このセットアップでは回収されません。以下のビデオは、この非常にシンプルなセットアップの動作を示しています。

このビデオは、直接電極による超音波照射が電流に与える良い影響を説明しています。電気化学アップグレードのHielscher UP100H(100ワット、30kHz)超音波ホモジナイザーとチタン電極/ソノトロードを使用しています。希硫酸を電気分解すると水素ガスと酸素ガスが発生する。超音波処理により電極表面の拡散層厚さが減少し、電解中の物質移動が改善される。超音波処理により、電解セル内の水素ガス生成率を大幅に向上させることができる。

超音波電気化学-バッチ電解における超音波の影響の説明

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電気分解中に何が起こりますか?

水素イオンは負極に引き寄せられる。そこで水素イオンまたは水分子は、電子の獲得によって水素ガス分子に還元される。その結果、水素ガス分子は水素ガスとして排出される。多くの反応性金属塩や酸溶液を電気分解すると、負極電極で水素が発生します。
マイナスの硫酸イオンや微量の水酸化物イオンは、プラスの負極に引き寄せられる。硫酸イオン自体は安定しすぎているため、何も起こらない。水酸化物イオンまたは水分子は、負極で排出・酸化され酸素となる。この正極反応は、電子損失による酸化電極反応である。

なぜ希硫酸を使うのか?

水には微量の水素イオンと水酸化物イオンしか含まれていない。このため、電気伝導度が制限される。希硫酸から得られる高濃度の水素イオンと硫酸イオンは、電解液の電気伝導性を向上させます。あるいは、水酸化カリウム(KOH)や水酸化ナトリウム(NAOH)のようなアルカリ性電解質溶液と水を使用することもできます。多くの塩や硫酸の溶液を電気分解すると、負極に水素が、正極に酸素が発生する。塩酸または塩化物塩の電気分解では、陽極に塩素が発生する。

電解槽とは?

電解槽は、電気分解として知られるプロセスで水を水素と酸素に分離する装置である。電解槽は電気を利用して水素ガスと酸素ガスを発生させる。水素ガスは、圧縮ガスまたは液化ガスとして貯蔵することができる。水素は、自動車、電車、バス、トラックなどの水素燃料電池に使用されるエネルギー・キャリアである。
基本的な電解槽には、正極 (負電荷) と負極 (正電荷) のほか、ポンプ、通気口、貯蔵タンク、電源、セパレーターなどの周辺部品が含まれています。水の電気分解は、電解槽内で起こる電気化学反応です。陽極と陰極には直流電流が流れ、水 (H20) は水素 (H2) と酸素 (O2) に分解されます。

文献・参考文献


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