초음파를 이용한 효율적인 수소 생산

수소는 친환경적이고 이산화탄소 배출이 없기 때문에 바람직한 대체 연료입니다. 그러나 기존의 수소 생산은 경제적인 대량 생산에 효율적이지 않습니다. 물과 알칼리수 용액의 초음파로 촉진된 전기분해는 더 높은 수소 수율, 반응 속도 및 변환 속도를 제공합니다. 초음파 보조 전기 분해는 수소 생산을 경제적이고 에너지 효율적으로 만듭니다.
전기분해 및 전기응고와 같은 초음파로 촉진된 전기화학 반응은 향상된 반응 속도, 속도 및 수율을 보여줍니다.

초음파 처리를 통한 효율적인 수소 생성

수소 생성을 목적으로 물과 수용액을 전기분해하는 것은 청정 에너지 생산을 위한 유망한 공정입니다. 물의 전기분해는 전기를 가하여 물을 수소(H2)와 산소(O2)의 두 가스로 분리하는 전기화학 공정입니다. H를 쪼개기 위해 – O – H는 전기 분해에 의해 결합하고 전류가 물을 통해 흐릅니다.
전기 분해 반응의 경우, 다른 현명한 비 자발적 반응을 시작하기 위해 직접 전기 통화가 적용됩니다. 전기분해는 O2가 유일한 부산물이기 때문에 CO2 배출이 없는 간단하고 환경 친화적인 친환경 공정으로 고순도의 수소를 생성할 수 있습니다.

 
물의 전기 분해와 관련하여 물을 산소와 수소로 분리하는 것은 물을 통해 전류를 통과시킴으로써 이루어집니다.
음전하를 띤 음극의 순수한 물에서는 음극의 전자(e−)가 수소 양이온에 공여되어 수소 가스가 형성되는 환원 반응이 발생합니다. 양전하를 띤 양극에서 산화 반응이 일어나 산소 가스를 생성하면서 양극에 전자를 제공합니다. 이것은 물이 양극에서 반응하여 산소와 양전하를 띤 수소 이온(양성자)을 형성한다는 것을 의미합니다. 그로 인하여 에너지 균형의 뒤에 오는 방정식은 완성된다:
 
2시간⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g) (음극에서의 환원)
2시간₂O (l) → O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^– (양극에서의 산화)
전반적인 반응 : 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (지)
 
종종 수소를 생산하기 위해 전기 분해에 알칼리수가 사용됩니다. 알칼리염은 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 용해성 수산화물이며, 그 중 일반적인 예는 수산화나트륨(NaOH, 가성소다라고도 함) 및 수산화칼륨(KOH, 가성칼륨이라고도 함)입니다. eletcrolysis를 위해 주로 20 %에서 40 % 가성 용액의 농도가 사용됩니다.

 

 

수소의 초음파 합성

전해 반응에서 수소 가스가 생성되면 수소는 분해 전위에서 바로 합성됩니다. 전극의 표면은 전기화학 반응 중 분자 단계에서 수소 형성이 발생하는 영역입니다. 수소 분자는 전극 표면에서 핵을 형성하여 음극 주변에 수소 가스 기포가 존재합니다. 초음파 전극을 사용하면 활성 임피던스와 농도 임피던스가 향상되고 물 전기 분해 중 수소 기포의 상승이 가속화됩니다. 여러 연구에 따르면 초음파 수소 생산은 수소 수율을 효율적으로 증가시킵니다.

 

전기분해에 대한 초음파 효과

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.
 
전극에 대한 초음파 충격

• 전극 표면에서 침전물 제거
• 전극 표면의 활성화
• 전해질이 전극을 향하거나 전극으로부터 멀어지게 이동

 

Ultrasonic Cleaning and Activation of Electrode Surfaces

질량 전달은 반응 속도, 속도 및 수율에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나입니다. 전해 반응 중에는 침전물과 같은 반응 생성물이 전극 표면 주변뿐만 아니라 직접 축적되어 전극에 대한 새로운 용액의 전해 변환을 감속시킵니다. 초음파로 촉진된 전해 공정은 벌크 용액과 표면 근처에서 증가된 질량 전달을 보여줍니다. 초음파 진동 및 캐비테이션은 전극 표면에서 패시베이션 층을 제거하고 영구적으로 완전히 효율적으로 유지합니다. 또한, 초음파 화는 초음파 화학 효과에 의해 반응 경로를 향상시키는 것으로 알려져 있습니다.

더 낮은 옴 전압 강하, 반응 과전위 및 분해 전위

전기 분해가 발생하는 데 필요한 전압은 분해 전위로 알려져 있습니다. 초음파는 전기분해 공정에서 필요한 분해 전위를 낮출 수 있습니다.

초음파 전기 분해 셀

물 전기 분해의 경우 초음파 에너지 입력, 전극 갭 및 전해질 농도는 물 전기 분해와 그 효율성에 영향을 미치는 핵심 요소입니다.
알칼리 전기 분해의 경우 일반적으로 20 % –40 % KOH 또는 NaOH의 가성 수용액이있는 전기 분해 셀이 사용됩니다. 전기 에너지는 두 개의 전극에 적용됩니다.
전극 촉매를 사용하여 반응 속도를 가속화할 수 있습니다. 예를 들어, Pt 전극은 반응이 더 쉽게 발생하기 때문에 유리합니다.
과학적인 연구 기사는 물의 초음파 승진된 전기분해를 사용하여 10%-25% 에너지 절약을 보고합니다.

파일럿 및 산업 규모의 수소 생산을 위한 초음파 전해조

Hielscher Ultrasonics’ 산업용 초음파 프로세서는 최대 부하 및 중부하 공정에서 24/7/365 작동을 위해 제작되었습니다.
견고한 초음파 시스템, 전극 및 초음파 송신기 역할을 동시에 수행하는 특수 설계된 소노트로드 (프로브) 및 전기 분해 반응기를 공급함으로써 Hielscher 초음파는 전해 수소 생산에 대한 특정 요구 사항을 충족시킵니다. UIP 시리즈의 모든 디지털 산업용 초음파기 (UIP500hdt 님 (500와트), UIP1000hdt (1kW), UIP1500hdT 님 (1.5kW), UIP2000hdT 님 (2kW) 및 UIP4000hdt 님 (4kW))는 전기분해 응용을 위한 고성능 초음파 장치입니다.

아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.