電気化学工学

電気化学工学は、化学物質の電気合成、金属の 電解採取と精錬、フロー電池と燃料電池、電着による表面改質、電気化学的分離と腐食など、電気化学現象の技術的応用を扱う化学工学の分野です。

IUPACによれば、電気化学工学という用語は、産業またはエネルギー貯蔵用途の電気集約型プロセスを指すものであり、小型電池、電流測定センサー、マイクロ流体デバイス、マイクロ電極、固体デバイス、ディスク電極でのボルタンメトリーなど を含む応用電気化学と混同してはならない。

米国では、大規模な電気化学事業によって6%以上の電力が消費されている。^[1]

電気化学工学は、電極/電解質界面における不均一電荷移動の研究と、実用的な材料およびプロセスの開発を組み合わせたものです。基本的な考慮事項には、電極材料と酸化還元種の速度論が含まれます。技術の開発には、電気化学リアクター、その電位と電流の分布、物質移動条件、流体力学、形状とコンポーネントの研究、および反応収量、変換効率、エネルギー効率の観点から見た全体的なパフォーマンスの定量化が含まれます。産業の発展には、リアクターとプロセスの設計、製造方法、テスト、製品開発のさらなる進歩が必要です。

電気化学工学では、電流分布、流体の流れ、物質移動、電気反応の速度論を考慮して、効率的な電気化学反応器を設計します。^[2]

ほとんどの電気化学操作は、平行板電極を備えたフィルタープレスリアクターで実行されますが、まれに回転円筒電極を備えた撹拌タンクで実行されることもあります。燃料電池とフロー電池スタックは、フィルタープレスリアクターの一種です。そのほとんどは連続操作です。

この工学分野は、19世紀半ばに電力源が利用可能になるにつれて、化学工学から徐々に発展しました。マイケル・ファラデーは1833年に電気分解の法則を記述し、初めて電荷量と変換質量を関連付けました。1886年にチャールズ・マーティン・ホールは、溶融塩中の鉱石からアルミニウムを抽出するための安価な電気化学プロセスを開発し、最初の真の大規模電気化学産業を形成しました。その後、ハミルトン・カストナーはアルミニウム製造プロセスを改良し、塩素と苛性ソーダを製造するための大型水銀セルでの塩水の電気分解を考案し、 1892年にカール・ケルナーとともに塩素アルカリ産業を事実上設立しました。翌年、ポール・L・ヒューリンはフランスでフィルタープレスタイプの電気化学セルの特許を取得しました。チャールズ・フレデリック・バージェスは1904年頃に鉄の電解精錬を開発し、後に成功したバッテリー会社を経営しました。バージェスは1920年にこの分野に関する最初のテキストの1つを出版しました。20世紀の最初の30年間、工業用電気化学は経験的なアプローチを採用していました。^[3]

第二次世界大戦後、関心は電気化学反応の基礎に向けられました。他の開発の中でも、ポテンショスタット(1937) はそのような研究を可能にしました。1962 年のカール ワグナーとヴェニアミン レヴィッチの研究は重要な進歩をもたらしました。彼らは、回転ディスク電極に向かって流れる電解質の流体力学と、厳密な数学的処理による電気化学反応の物質輸送制御を結び付けました。同じ年に、ワグナーは初めて物理化学の観点から独立した分野として「電気化学工学の範囲」を説明しました。^{[4] 60 年代から 70 年代にかけて、}電気化学協会によって「電気化学工学の父」と見なされているチャールズ W. トビアスは、拡散、移動、対流によるイオン輸送、電位と電流の分布問題の正確な解、不均一媒体の伝導性、多孔質電極におけるプロセスの定量的記述に取り組んでいました。また 60 年代には、ジョン ニューマンが電気化学システムを支配する多くの物理化学法則の研究の先駆者となり、複雑な電気化学プロセスを数学的に分析して、バッテリー、燃料電池、電解装置、および関連技術に関連する問題を正しく定式化し、解決する方法を示しました。スイスでは、ノルベルト イブルが電解、特に多孔質電極における物質移動と電位分布の実験的および理論的研究に貢献しました。フミオ ハインが日本で同様の開発を行いました。さらに、クーン、クレイサ、ルーサー、フライシュマン、アルカイア、クーレ、プレッチャー、ウォルシュなど数名が他の多くのトレーニング センターを設立し、同僚とともに重要な実験的および理論的研究方法を開発しました。現在、電気化学工学の主なタスクは、化学物質の製造、金属回収、修復、および汚染除去技術のための効率的で安全で持続可能な技術の開発と、燃料電池、フロー バッテリー、および産業用電気化学リアクターの設計です。

電気化学工学の歴史はウェント^[5] 、ラピック^[6]、スタンコビッチ^{[7]によって要約されている。}

電気化学工学は、工業用水の電気分解、電気分解、電気合成、電気メッキ、燃料電池、フロー電池、^[8]産業廃水の除染、電気精製、電解採取などに応用されています。電気分解に基づくプロセスの主な例は、苛性ソーダと塩素を生産するクロルア​​ルカリプロセスです。電気分解によって生成されるその他の無機化学物質には、次のものがあります。

電気化学工学の確立された性能基準、定義、命名法については、Kreysaら^[9]およびIUPAC報告書^{[10]に記載されています。}

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• 電気化学工学ワーキング パーティ - WPEE
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• カール・ワグナー電気化学工学優秀賞
• ECS ヴィットリオ・デ・ノラ賞
• IEEE HH ダウ記念学生功績賞