アルカリ水電気分解

アルカリ水電解は、液体アルカリ電解質中で動作する2つの電極を持つことを特徴とする電気分解の一種です。一般的には、25～40重量％の水酸化カリウム（KOH）または水酸化ナトリウム（NaOH）溶液が使用されます。^[6]これらの電極は隔膜で分離されており、生成ガスを分離し、水酸化物イオン（OH ⁻）を一方の電極からもう一方の電極に輸送します。^{[4] [7]}最近の比較では、アルカリ電解質を使用した最先端のニッケルベースの水電解装置は、白金族金属ベースの電気触媒を使用した酸性ポリマー電解質膜水電解と同等またはそれ以上の効率をもたらすことが示されました。^[8]

この技術は化学業界で長い歴史を持っています。水素に対する最初の大規模な需要は、19 世紀後半に空気より軽い航空機向けに発生し、1930 年代に水蒸気改質法が登場するまでは、この技術は競争力がありました。 ^[要出典]

水素ベースの技術は、約 250 年前に水素が最初に発見され、浮力のあるガスとして早期に利用されて以来、大きく進化してきました。1804 年、スイスの発明家フランソワ・イザック・ド・リヴァズが、初の水素動力自動車の特許を取得しました。この試作車は 4 輪設計で、水素と酸素の混合ガスを燃料とする内燃機関 (ICE) を採用していました。水素燃料は気球に蓄えられ、点火はボルタ スターターと呼ばれる電気スターターによって行われました。燃焼プロセスによってシリンダー内のピストンが推進され、ピストンが下降すると、ラチェット機構によってホイールが作動しました。この発明は、水素貯蔵、導管、バルブ、変換装置を含むシステムの初期の実施例と見なすことができます。^[9]

軍の科学者リッターが最初の電解装置を開発してから約40年後、化学者のシェーンバインとグローブ卿が独立して燃料電池の概念を特定し、披露しました。この技術は1839年頃に電気分解と逆に動作します。この発見は水素技術分野で重要なマイルストーンとなり、クリーンエネルギー源としての水素の可能性を示しました。^[9]

電極は通常、薄い多孔質箔（一般にダイヤフラムまたはセパレーターと呼ばれる）で分離されています。ダイヤフラムは電子を伝導しないため、電極間の電気的短絡を防ぎながら、電極間の距離を小さくすることができます。イオン伝導性は、ダイヤフラムの細孔に浸透するアルカリ水溶液によって供給されます。アスベストダイヤフラムは、効果的なガス分離、低コスト、高い化学的安定性のため、長い間使用されてきましたが、その使用はロッテルダム条約によって制限されています。^[11]最先端のダイヤフラムは、ジルコニアとポリサルフォンの複合材料であるジルフォンです。^[12]ダイヤフラムはさらに、生成された水素と酸素がそれぞれカソードとアノードで混合するのを防ぎます^{[13] [14]}。アスベストダイヤフラムの厚さは2〜5 mmですが、ジルフォンダイヤフラムの厚さは0.2〜0.5 mmです。^[11]

通常、アルカリ水電気分解の電極にはニッケルベースの金属が使用されています。^[15] 純金属を考慮すると、Niは最も活性の低い非貴金属です。^[16]白金族金属などの優れた貴金属電極触媒は高価であり、酸素発生中に溶解することが欠点です。^{[17] Niは酸素発生中に安定していると考えられていますが、 [18]ステンレス鋼は}酸素発生反応（OER）中の高温でNiよりも優れた安定性と優れた触媒活性を示しています。^[5]

高表面積のNi触媒は、アルカリ溶液中のニッケル-亜鉛^{[5]またはニッケル-アルミニウム合金（一般に}ラネーニッケルと呼ばれる）の脱合金化によって達成できる。セルテストでは、これまでに報告された最高の性能の電極は、Niメッシュ上のプラズマ真空スプレーNi合金^{[19] [20]} と溶融亜鉛メッキNiメッシュで構成されていた。^[21]後者のアプローチは、安価で簡単に拡張できるため、大規模な工業生産には興味深いかもしれないが、残念ながら、すべての戦略で何らかの劣化が見られる。^[22]

アルカリ性媒体の酸素発生反応では、複数の吸着種（O、OH、OOH、OO ^–）と複数のステップが関与しています。ステップ4と5は単一のステップで発生することがよくありますが、pH 11以上ではステップ4と5が別々に発生することを示唆する証拠があります。^{[23] [24]}

* は触媒の表面に吸着された種を示します。

アルカリ条件下での水素発生反応は、フォルマー段階での水の吸着と解離、およびターフェル段階またはヘイロフスキー段階での水素脱着から始まります。

プロトン交換膜電解と比較すると、アルカリ水電解の利点は主に以下の通りである。^[25]

1. 産業利用の実績が長く、信頼性が実証されており、初期コストが低いため、大規模な水素生産にとってより成熟した選択肢となります。
2. 交換可能な電解質と陽極触媒の溶解度の低下により耐久性が向上します。
3. PEM 電解とは異なり、アルカリ電解では電極にプラチナやイリジウムなどの高価または希少な貴金属を必要としません。これにより、全体的なコストと材料への依存度が低減されます。

アルカリ水電解装置の欠点の1つは、一般的に使用される厚い隔膜によってオーム抵抗が上昇すること、OH−の固有伝導率がH+に比べて低いこと、および多孔性隔膜で観察されるガスクロスオーバーが高いことなどにより、性能プロファイルが低いことです。^[26]