水の電気分解

水の電気分解は、電気を使って水を酸素（O
₂）と水素（H
₂) ガスを電気分解で作ります。この方法で放出された水素ガスは水素燃料として使用できますが、酸素と分離して保管する必要があります。混合すると爆発性が極めて高くなります。別途、便利な「タンク」または「ガスボトル」に加圧すると、水素/酸素炎は約 2,800°C に達するため、水素 は酸水素 溶接やその他の用途に使用できます。

水の電気分解には最低1.23ボルトの電位差が必要ですが、その電圧では外部からの熱も必要です。通常1.5ボルトが必要です。水素は化石燃料からより安価に製造できるため、電気分解は工業用途ではまれです。^[1]ほとんどの場合、水素は水蒸気改質によってメタン（CH ₄）を二酸化炭素（CO 2 ）と水素（H 2 ）に分解する_ことによって_製造されます。これは炭素集約型プロセスであり、生成される「グレー」水素1キログラムごとに約10キログラムのCO ₂が大気中に放出されます。^[2]

1789年、ヤン・ルドルフ・デイマンとアドリアーン・パエツ・ファン・トローストウェイクは、静電機械を使ってライデン瓶の中の金の電極に放電する電気を作りました。^[3] 1800年、アレッサンドロ・ボルタはボルタ電池を発明し、その数週間後にはイギリスの科学者ウィリアム・ニコルソンとアンソニー・カーライルがそれを水の電気分解に使用しました。1806年、ハンフリー・デービーは広範囲にわたる蒸留水の電気分解実験の結果を報告し、溶解した大気中の窒素から陽極で硝酸が生成されるという結論を出しました。彼は高電圧バッテリーと非反応性の電極と容器、例えば湿ったアスベストで橋渡しされた容器としても機能する金の電極コーンを使用しました。^[4] ゼノーベ・グラムは1869年にグラム機械を発明し、電気分解を安価な水素製造方法にしました。電気分解による水素と酸素の工業的合成法は、1888年にドミトリー・ラチノフによって開発された。 ^[5]

直流電源は、水中に置かれた2つの電極、または2つのプレート（通常はプラチナやイリジウムなどの不活性金属で作られる）に接続される。水素は陰極（電子が水に入る場所）に、酸素は陽極に現れる。^[6]理想的なファラデー効率を想定すると、生成される水素の量は酸素の量の2倍であり、どちらも溶液によって伝導される総電荷に比例する。 ^[7]しかし、多くのセルでは競合する副反応が発生し、追加の生成物が生じ、理想的なファラデー効率を下回る。^[要出典]

純水の電気分解には、さまざまな活性化障壁を克服するために、過電圧の形で過剰なエネルギーが必要です。過剰なエネルギーがなければ、電気分解はゆっくりと起こるか、まったく起こりません。これは、水の自己イオン化が限られていることに一部起因しています。

純水の電気伝導率は海水の約10万分の1である。^{[8] [9] [10]}

電解質（塩、酸、塩基など）と電気触媒を追加することで効率が向上します。

純水中では、負に帯電した陰極で還元反応が起こり、陰極からの電子 (e ^{− ) が水素陽イオンに与えられて水素ガスが形成されます。正に帯電した陽極では}酸化反応が起こり、酸素ガスが発生し、陽極に電子が与えられて回路が完成します。

還元と酸化の2 つの半反応が組み合わさってバランスの取れたシステムを形成します。各半反応のバランスをとるには、水が酸性か塩基性である必要があります。酸が存在する場合、式は次のようになります。

塩基が存在する場合、方程式は次のようになります。

どちらの半反応ペアを組み合わせても、水が酸素と水素に分解される全体的な結果は同じです。

したがって、生成される水素分子の数は酸素分子の数の 2 倍になります。これは、水素と酸素はどちらも二原子分子であり、水分子には酸素原子の 2 倍の水素原子が含まれているという事実と一致します。両方のガスの温度と圧力が同じであると仮定すると、体積はモルに比例するため、生成される水素ガスの体積は酸素ガスの 2 倍になります。水に押し出される電子の数は、生成される水素分子の数の 2 倍、生成される酸素分子の数の 4 倍です。

標準温度と圧力で純水が水素と酸素に分解されることは、熱力学的には好ましくありません。

したがって、水電解セルの標準電位（E ^o_セル= E ^o_カソード− E ^o_アノード）は、pH 0（[H ^{+ ] = 1.0 M）で25 °Cの場合、-1.229 Vです。25 °CでpH 7（[H +} ] = 1.0 × 10 ⁻⁷ M）では、ネルンストの式に基づいて電位は変化しません。熱力学的標準セル電位は、標準状態の自由エネルギー計算でΔG°を見つけてから、次の式を使用して取得できます。ΔG°= -n FE°（ここで、E°はセル電位、Fはファラデー定数、96,485 C/mol）。2つの水分子が電気分解され、したがって2つの水素分子が形成される場合、n = 4であり、

• ΔG° = 474.48 kJ/2 mol(水) = 237.24 kJ/mol(水)
• ΔS° = 163 J/K mol(水)
• ΔH° = 571.66 kJ/2 mol(水) = 285.83 kJ/mol(水)
• 141.86 kJ/g(H ₂ )であった。

しかし、個々の電極の平衡電位に関する計算では、活動係数を考慮して補正する必要がある。^[11]実際には、適切な電位を印加することで電気化学セルが完了に向かって「駆動」されると、速度論的に制御される。したがって、活性化エネルギー、イオン移動度（拡散）と濃度、ワイヤ抵抗、気泡形成（電極領域をブロックする）を含む表面障害、およびエントロピーを克服するには、より大きな電位が必要になる。必要な電位の増加量は、過電位と呼ばれる。

純水の電気分解では、陰極でH ⁺ 陽イオンが消費/還元され、陽極で水酸化物 (OH ⁻ )陰イオンが消費/酸化されます。これは、水にpH 指示薬を加えることで確認できます。陰極近くの水は塩基性で、陽極近くの水は酸性です。陽極に近づく水酸化物 OH ⁻は、主に正のヒドロニウムイオン (H ₃ O ⁺ ) と結合して水を形成します。陰極に近づく正のヒドロニウムイオンは、主に負の水酸化物イオンと結合して水を形成します。比較的少数のヒドロニウム/水酸化物イオンが陰極/陽極に到達します。これにより、両方の電極で過電圧が発生する可能性があります。

純水は室温での自動イオン化係数_Kw = 1.0×10 ⁻¹⁴と低いため、半導体と同様の電荷キャリア密度を持ちます^{[12] [ページが必要] 。そのため、純水は電流伝導性が低く、0.055 μS/cmです[13]} 。水の自動イオン化を高めるために大きな電位を印加しない限り、純水の電気分解はゆっくりと進行し、全体の導電率によって制限されます。

水性電解質は導電性を大幅に高めることができます。電解質は陽イオンと陰イオンに解離し、陰イオンは陽極に向かって流れ、そこに蓄積された正電荷のH ^{+を中和します。同様に、陽イオンは陰極に向かって流れ、そこに蓄積された負電荷のOH −を}中和します。これにより、電気が連続的に流れます。^[14]

電解質の陰イオンは、電子を放出するために水酸化物イオンと競合します。水酸化物よりも標準電極電位が低い電解質陰イオンは、水酸化物の代わりに酸化され、酸素ガスは生成されません。同様に、水素イオンよりも標準電極電位が高い陽イオンは、水素の代わりに還元されます。

様々な陽イオンはH ^+よりも電極電位が低いため、電解質陽イオンとして適しています：Li ⁺、Rb ⁺、K ⁺、Cs ⁺、Ba ²⁺、Sr ²⁺、Ca ²⁺、Na ⁺、およびMg ²⁺。ナトリウムとカリウムは安価で可溶性の塩を形成するため、 ^[15]一般的な選択肢です。

酸を電解質として使用する場合、陽イオンはH ⁺であり、水を解離してもH ⁺の競合相手は生成されません。最も一般的に使用される陰イオンは硫酸塩（SO²⁻⁴
_...）は酸化されにくいため、過硫酸イオンに酸化される標準電位は+2.010ボルトである。^[16]

硫酸(H ₂ SO ₄ )などの強酸や、水酸化カリウム(KOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)などの強塩基は、その強力な伝導能力のため、電解質としてよく使用されます。

ナフィオンなどの固体ポリマー電解質を使用することができ、膜の両側に適切な触媒を適用すると、わずか1.5ボルトで効率的に電気分解することができます。いくつかの市販の電気分解システムは固体電解質を使用しています。^[17]

電解液を使用しない純水電気分解は、デバイ長よりも深いナノギャップ電気化学セルによって実現されています。カソードとアノード間のギャップがデバイ長（純水では1ミクロン、蒸留水では約220nm）よりも小さい場合、 2つの電極の二重層領域が重なり合うことができ、ギャップ全体に均一な高電界が分布します。このような高電界はイオン輸送（主に移動による）を大幅に強化し、自己イオン化をさらに強化して反応を継続させ、2つの電極間の抵抗をほとんど示しません。この場合、2つの半反応は結合しており、電子移動ステップによって制限されます（電解電流は電極距離が短いほど飽和します）。^[18]

周囲の海水は塩分やその他の不純物が存在するため、問題があります。アプローチには、電気分解の前に淡水化を行うものと行わないものがあります。従来の電気分解では、有毒で腐食性のある塩素イオン（例：Cl⁻
およびClO^{−
[19] [20]}未処理の海水を電気分解する方法は複数提​​案されている。典型的なプロトン交換膜（PEM）電解装置では、脱塩が必要である。

間接的な海水電気分解には、前処理装置を使用して海水を脱塩し、次に従来の水電気分解によって水素を生成するという2つのステップがあります。この方法は、効率を向上させ、腐食を減らし、触媒の寿命を延ばします。^[21]海水淡水化のコストは水分解に比べて比較的小さいと主張する人もいます。そのため、研究は、より効率的な2段階の脱塩と結合した水分解プロセスの開発に焦点を当てるべきであると示唆しています。^{[22] [23]}

しかし、間接海水電解プラントはより多くのスペース、エネルギー、メンテナンスを必要とし、海水逆浸透（SWRO）で達成される水の純度が十分ではない可能性があり、追加の設備とコストが必要になると考える人もいます。^[21]対照的に、直接海水電解は前処理ステップを省略し、海水を直接電解装置に導入して水素を生成します。このアプローチは、淡水資源が限られていること、人間の基本的なニーズを優先する必要性、エネルギー消費とコストを削減する可能性があることから、より有望であると考えられています。^{[23] [24] [25]}膜は電気分解の効率に不可欠ですが、海水中の異イオンによって悪影響を受け、寿命が短くなり、電気分解プロセスの効率が低下する可能性があります。^[26]

一つのアプローチは、順浸透膜と水分解を組み合わせて、不純な水源から水素を連続的に生成することです。水分解は、順浸透による水の流入とバランスのとれた濃度勾配を生成し、純水を継続的に抽出することを可能にします。しかし、この構成には、塩素イオンが膜を通過して損傷を引き起こす可能性があることや、セパレーターなしで水素と酸素が混ざるリスクなどの課題があります。^[27]

これらの問題に対処するため、発生したガスを分離するために電極間に安価な半透膜が導入され、膜コストが削減され、塩素の酸化が最小限に抑えられました。さらに、研究によると、遷移金属ベースの材料を使用すると、水の電気分解を効率的にサポートできることが示されています。 ^[28]一部の研究では、高価なイオン交換膜（500〜1000ドル/ m 2 ）の代わりに、安価な逆浸透膜（<10ドル/ m 2 ）^の使用を検討しました。特に高濃度の電解質を使用する場合、その費用対効果と陽イオン塩に対する高いプロトン選択性により、水電解システムではイオン交換膜よりも逆浸透膜の使用が経済的に魅力的になります。^[29]

代替方法としては、イオンがセルスタックに入るのを防ぐために疎水性膜を使用する方法があります。この方法は、疎水性多孔質ポリテトラフルオロエチレン(PTFE) 防水通気性膜と自己減衰電解質を組み合わせ、吸湿性硫酸溶液と市販のアルカリ電解装置を使用して海水から水素ガスを生成します。より大規模な海水電解システムは、触媒の腐食や膜の濡れをほとんど起こさずに、3200時間以上にわたって毎時386リットルのH _2を安定して生成できます。このプロセスは、海水と自己減衰電解質間の水蒸気圧の差を利用して海水の蒸発と水蒸気の拡散を促進し、続いて自己減衰電解質に吸着された水蒸気を液化します。^{[30] [21]}

2022年現在、商業用電気分解では1kgの水素を生産するのに約53kWhの電力が必要であり、これは39.4kWh（HHV）のエネルギーを蓄えている。^[31]

電池の端子から伸びる2 本の導線を、一定量の電解液が入った水の入ったカップに入れると、導電性が確立されます。電解液にNaCl (塩) を使用すると、競合する半反応により、酸素ではなく塩素ガスが発生します。代わりに、炭酸水素ナトリウム(重曹) を使用すると、炭酸水素イオンが溶液中に残っている限り、水素と二酸化炭素が発生します。

ホフマン電圧計は小型の電解セルです。3 つの直立した円筒が結合して構成されています。内側の円筒の上部は開いており、水と電解液を追加できます。プラチナ電極 (プレートまたはハニカム) は、2 つの側面の円筒の底部に配置され、電源の端子に接続されています。発生したガスは水を押しのけて 2 つの外側のチューブの上部に集まり、そこからコックで排出できます。

高圧電気分解では、約12～20MPa（120～200Bar、1740～2900psi）の圧縮水素が出力されます。 ^[32]電解装置内で水素を加圧することで、外部の水素コンプレッサーが不要になります。平均エネルギー消費量は約3%です。^[33]

高温電気分解（HTEまたは蒸気電気分解とも呼ばれる）は、高温でより効率的である。熱機関はエネルギーの一部を供給し、通常は電気よりも安価である^{[36] [37]}

プロトン交換膜電解装置は、反応物を分離し、膜を介した直接の電子経路を遮断しながらプロトンを輸送します。PEM 燃料電池は、水で飽和すると水素イオン (プロトン) を透過しますが、電子を伝導しない 固体ポリマー膜 (薄いプラスチックフィルム) を使用します。

これは、一般にイオン交換樹脂から作られ、陽子を伝導すると同時に、酸素や水素ガスなどの反応物に対する絶縁体およびバリアとして機能するように設計された半透膜であるプロトン交換膜またはポリマー電解質膜（PEM）を使用します。[ ^43] PEM燃料電池は、水で飽和すると陽子を透過しますが、電子は伝導しない固体ポリマー膜（薄いプラスチックフィルム）を使用します。陽子交換膜は、主に陽子伝導性（σ）、メタノール透過性（P）、および熱安定性によって特徴付けられます。^[44]

PEMは、純粋なポリマーから作ることも、他の材料がポリマーマトリックスに埋め込まれた複合膜から作ることもできます。最も一般的な市販材料の1つは、フッ素ポリマー（PFSA）^[45] ナフィオンです。^{[46]ナフィオンは、}テフロンのようなペルフルオロ骨格を持つイオン交換樹脂です。^{[47]プロトン交換膜用のイオン交換樹脂を作るために、他の多くの構造モチーフが使われています。多くは多環}芳香族ポリマーを使用し、一部フッ素化されたポリマーを使用するものもあります。

アニオン交換膜電気分解では、アニオン交換膜（AEM）を使用して生成物の分離、電極間の電気絶縁、イオン伝導の促進を実現します。PEM電気分解とは対照的に、AEM電気分解では水酸化物イオンの伝導が可能です。AEMベースの水電気分解の注目すべき利点は、高価な貴金属触媒が不要で、代わりに費用対効果の高い遷移金属触媒を使用できることです。^{[48] [49]}

超臨界水電解（SWE）は、超臨界状態の水を使用する。超臨界水はエネルギー消費量が少ないため、コストが削減される。375℃以上で動作するため、熱力学的障壁が低減し、反応速度が速まり、液体または気体の水よりもイオン伝導性が向上し、抵抗損失が低減する。利点としては、電気効率の向上、生成ガスの221barを超える加圧供給、高電流密度での動作能力、貴金属触媒への依存度の低さなどが挙げられる。2021年現在、市販のSWE装置は入手できなかった。^[50]

2014年、研究者らは貴金属ではなくニッケルと鉄の触媒を使った電気分解を発表した。ニッケル金属/酸化ニッケル構造はニッケル金属または酸化ニッケル単独よりも活性が高い。触媒は必要な電圧を大幅に下げる。^{[51] [52]} ニッケル鉄電池は、電池と電解装置を組み合わせたものとして使用することが研究されている。これらの「バトリザー」は従来の電池のように充電および放電することができ、完全に充電されると水素を生成する。^[53]

2023年、オーストラリアの研究者らは、窒素ドープニッケルモリブデンリン化物触媒の多孔質シートの使用を発表しました。窒素ドープにより導電性が向上し、電子密度と表面化学が最適化されます。これにより、追加の触媒サイトが生成されます。窒素は表面金属と結合し、不要なイオンや分子を排除するのに役立つ電気陰性特性を持ち、一方、リン酸、硫酸、硝酸、および水酸化表面イオンは塩素をブロックし、腐食を防ぎます。アルカリ電解液と海水でそれぞれ1.52 Vと1.55 Vを使用すると、10 mA/cm ²を達成できます。^[54]

2017年、研究者らは、常温で高効率の無電解純水電気分解を実現したナノギャップ電気化学セルを報告した。これらのセルでは、2つの電極が互いに非常に近い（デバイ長よりも小さい）ため、質量輸送速度が電子移動速度よりも高くなり、2つの半反応が結合して電子移動ステップによって制限される。実験では、電流密度が1 mol/L水酸化ナトリウム溶液よりも大きくなる可能性があることが示されている。その「仮想ブレークダウンメカニズム」は、このようなナノギャップサイズの影響により、従来の電気化学理論とはまったく異なります。^[18]

毛細管式電解セルは、1kgの水素を生成するのにわずか41.5kWhしか必要としないとされている。水電解質は、多孔質の親水性セパレーターによって電極から分離されている。水は毛細管現象によって電解セルに引き込まれ、電気分解されたガスは両側から排出される。これは、電極と電解質の接触を減らして効率を低下させる気泡を排除することで、PEM技術を拡張したものである。この設計は、98%のエネルギー効率（水素のより高い発熱量）で動作するとされている。この設計では、水循環、セパレータータンク、その他のメカニズムを省き、空冷または放射冷却が可能である。^{[31] [55]}供給水に最初から存在していた不純物がセル内に蓄積した場合の影響はまだ不明である。

世界中で生産される水素ガスの約 5 % は電気分解によって生成されます。現在の工業用水素生産の大部分は、 天然ガスの水蒸気改質プロセス、または石炭や重質炭化水素の部分酸化から行われています。電気分解で生成される水素の大部分^{[要出典]は、}塩素と苛性ソーダの生産における副産物です。これは、競合する副反応の典型的な例です。

塩素アルカリ法（塩水の電気分解）では、水と塩化ナトリウムの混合物は、水が酸素に酸化されるのではなく、塩化物イオンが塩素に酸化されるため、水の電気分解の半分にしかなりません。熱力学的には、塩化物イオンの酸化電位は水の酸化電位よりも低いため、これは予想外ですが、塩化物反応の速度は水の反応速度よりもはるかに速いため、塩化物が優勢になります。このプロセスで生成された水素は、燃焼（水に戻す）されるか、特殊化学品の製造に使用されるか、その他のさまざまな小規模用途に使用されます。

水の電気分解は国際宇宙ステーションの酸素生成にも使われている。^{[56] [57]}

多くの工業用電解セルは、電極としてプラチナプレートまたはハニカムを備えたホフマン電圧計に似ています。一般的に、水素は、酸水素トーチなどの使用現場での用途や、高純度の水素または酸素が必要な場合に生成されます。水素の大部分は炭化水素から生成されるため、他の不純物とともに微量の一酸化炭素が含まれています。一酸化炭素不純物は、多くの燃料電池を含むさまざまなシステムに悪影響を及ぼす可能性があります。

電解装置は出力を低下させることができるため、将来的には電力供給と需要のミスマッチに対処するために使用される可能性があります。^[58]

_{現代の水素発生器の効率は、水素}の標準温度と圧力を前提として、標準体積の水素あたりの消費エネルギー（MJ/m ³ ）で測定される。発生器の消費エネルギーが低いほど、効率は高くなる。100%効率の電解装置は、1キログラムあたり39.4キロワット時（142 MJ/kg）（高位発熱量）、^[59] 1リットルあたり12,749ジュール（12.75 MJ/m ^{3 ）}を消費する。実際の電解（15バールの圧力で回転電解装置を使用）では50 kW⋅h/kg（180 MJ/kg）を消費し、水素自動車で使用するために水素を圧縮するとさらに15 kW⋅h（54 MJ）を消費する。^[60] 150 °C（302 °F）の外部熱を加えることで、電力消費を削減できる可能性がある。^[61]

市場で入手可能な主な技術には、アルカリ電解装置、プロトン交換膜(PEM) 電解装置、固体酸化物電解装置という 3 つの技術があります。

アルカリ電解装置は投資の面では安価（一般にニッケル触媒を使用）だが、効率は最も低い。PEM電解装置はより高価（一般に高価な白金族金属触媒を使用）だが、より効率的で、より高い電流密度で動作できるため、水素生産量が十分であればより安価になる可能性がある。固体酸化物電解セル（SOEC）は3番目に一般的なタイプの電解であり、最も高価で、効率を高めるために高い動作温度を使用する。SOECの理論的な電気効率は、90％の水素生産で100％に近づく。^[62] PEM電解装置やアルカリ電解装置とは異なり、時間の経過によるシステムの劣化は、当初はSOEC電解装置の効率に影響を与えない。SOECシステムが劣化するにつれて、セル電圧が上昇し、システム内で自然に熱が発生する。このため、システムを高温に保つために必要なエネルギーが少なくなり、当初の劇的な劣化によるエネルギー損失を補うことができる。^[63] SOECでは、数年の劣化後にスタックを交換する必要がある。

電解装置のベンダーは、エンタルピーに基づいて効率を提供します。電解装置の主張される効率を評価するには、ベンダーが効率をどのように定義したか（エンタルピー値、電流密度など）を確立することが重要です。

従来のアルカリ電解の効率は約70％です。^[64]より高い発熱量の使用が認められていることを考慮すると（熱による非効率性をシステムに戻して触媒に必要な蒸気を生成できるため）、PEM電解の平均作業効率は約80％です。^{[65] [66]}これは2030年までに82〜86％に増加すると予想されています^[67]。PEM電解装置の理論上の効率は最大94％と予測されています。^[68]

2024年、オーストラリアの企業Hysataは、水素のより高い発熱量に対して95％の効率が可能な装置を発表した。従来のシステムでは、39.4kWh（1kg）のエネルギーを貯蔵できる水素を生成するために52.5kWhを消費する。同社の技術では、1kgを生成するのに41.5kWhしか必要としない。この装置は、毛細管供給式電解装置を使用して、流体電解質内の水素と酸素の泡を除去する。泡は非導電性であり、電極に付着して電解質への電極の露出を減らし、抵抗を増加させる可能性がある。Hysataは、装置の底部に電解質を配置する。毛細管現象により、電極間の多孔質の親水性セパレーターを通して電解質が引き込まれる。各電極は、内側が電解質と完全に接触し、外側が乾燥チャンバーとなっている。^{[69] [70]}供給水に最初に存在していた不純物がセル内に蓄積した場合の影響はまだ不明である。

コストの計算は複雑で、^[71]市場価格はほとんど存在しません。^[72]水素の工業生産を考慮し、有効電気効率が 70～80% である現在の最良の水電気分解プロセス (PEM またはアルカリ電気分解) を使用すると、^{[68] [73] [74]} 1 kg の水素 (比エネルギーは143 MJ/kg) を生産するには 50～55 kW·h (180～200 MJ) の電力が必要です。米国エネルギー省の 2015 年の水素生産目標に示されているように、電力コストが 0.06 ドル/kW·h であるため、^[75]水素コストは 3 ドル/kg です。設備コストは量産状況によって異なります。運用コストは、平準化製品価格の約半分の電力コストによって決まります。^{[72] [71]}

グラフ（水素製造技術チームのロードマップ、2017年11月）に示されているように、2016年からの天然ガス価格の範囲では、水蒸気メタン改質（SMR）水素のコストは1.20ドルから1.50ドルの間であり、電気分解による水素のコスト価格は、2015年のDOE水素目標価格の2倍以上です。 2020年の米国DOEの水素の目標価格は2.30ドル/kgで、必要な電力コストは0.037ドル/kW·hですが、多くの地域での風力と太陽光発電の2018年のPPA入札^{[76]を考えると達成可能です。 これにより、ガソリンガロン相当（gge）の水素分配量4}_ドルの目標は十分に達成可能であり、SMRのわずかに上昇した天然ガス生産コストに近くなります。

世界の他の地域では、SMR水素の価格は平均して1～3ドル/kgです。これにより、多くの地域で電気分解による水素生産のコスト競争力が高まり、Nel Hydrogen ^[77]やその他の研究者によって概説されています。これには、電気分解の競争優位性につながる条件を検討したIEAの記事^{[78]も含まれます。2021} ～2022年の世界的なエネルギー危機の間にガス価格が大幅に上昇したため、世界の一部の地域では水素電気分解が経済的になりました。^[79]

いくつかの大型工業用電解装置は数メガワットで稼働している。2022年現在^{[アップデート]}、最大のものは中国寧夏回族自治区にある150MWのアルカリ電解施設で、年間最大23,000トンの生産能力がある。^[80]効率の高い西洋の電解装置は1kWあたり1,200ドルかかるが、効率の低い中国の装置は1kWあたり300ドルかかるが、寿命は6万時間と短い。^[81]

2022年現在^{[アップデート]}、さまざまなアナリストが2030年までに機器の年間製造量をそれぞれ47GW、104GW、180GWと予測しています。^[82]

実際の水電解装置では、反応を進行させるためにより高い電圧が必要です。1.23Vを超える部分^[83]は過電位または過電圧と呼ばれ、電気化学プロセスにおけるあらゆる種類の損失と非理想性を表します。

適切に設計されたセルの場合、最大の過電圧は、陽極で水が酸素に4電子酸化される反応過電圧です。電気触媒はこの反応を促進することができ、白金合金はこの酸化における最先端技術です。この反応のための安価で効果的な電気触媒の開発は大きな進歩であり、現在研究されています。多くのアプローチがありますが、その中には、30年前の硫化モリブデン^[84] 、グラフェン量子ドット^[85] 、カーボンナノチューブ^[52] 、ペロブスカイト^[86]、ニッケル/ニッケル酸化物[87]などがあります。^[88]リン 化三モリブデン( Mo ₃ P )は、電気触媒プロセスに使用できる優れた触媒特性を持つ有望な非貴金属および地球上に豊富に存在する候補金属として最近発見されました。 Mo3Pナノ粒子の触媒性能は水素発生反応（HER）で試験され、開始電位がわずか21 mV、H2生成速度、交換電流密度がそれぞれ214.7 μmol/(s·g) cat（過電圧がわずか100 mVのとき）および279.07 μA/cm ²であることが示され、これらはこれまで観測された白金に最も近い値である。^{[89] [90]}カソードで水素を生成するより単純な2電子反応は、白金、または理論上は水素化酵素によって、ほとんど過電圧なしで電気触媒することができる。カソードに他の効果の低い材料（例：グラファイト）を使用すると、大きな過電圧が発生する。

標準条件での水の電気分解では、1 モルの水を解離するのに理論上最低 237 kJ の電気エネルギー入力が必要です。これは、水の生成の標準ギブス自由エネルギーです。また、反応のエントロピーの変化を均衡させるには熱エネルギーも必要です。したがって、外部からの熱エネルギーが追加されない場合、1 モルあたり 286 kJ 未満の電気エネルギー入力では、一定温度でプロセスを進めることはできません。

水1モルには2モルの電子が必要であり、ファラデー定数 Fは電子1モルの電荷（96485 C/mol）を表すので、電気分解に必要な最小電圧は約1.23 Vとなる。^[91]電気分解を高温で行うと、この電圧は低下する。これにより、実質的に電解装置は100%以上の電気効率で動作することができる。電気化学システムでは、これは反応を維持するためにリアクターに熱を供給する必要があることを意味する。このようにして、熱エネルギーを電気分解エネルギー要件の一部に使用することができる。^[92]同様に、燃料（炭素、アルコール、バイオマスなど）を水（低温のPEMベースの電解装置）または酸素イオン（高温の固体酸化物電解質ベースの電解装置）と反応させると、必要な電圧を下げることができる（1 V未満）。これにより、燃料のエネルギーの一部が電気分解プロセスを「補助」するために使用され、生成される水素の全体的なコストを削減することができる。^[93]

しかし、エントロピー成分（およびその他の損失）を観察すると、実用的な電流密度で反応を進行させるには 1.48 V を超える電圧（熱中性電圧）が必要になります。

水の電気分解の場合、ギブスの自由エネルギーは反応を進行させるために必要な最小限の仕事を表し、反応エンタルピーは反応生成物が反応物と同じ温度（つまり、上記の値の標準温度）になるように供給する必要があるエネルギー量（仕事と熱の両方）です。 1.48 V で動作する電解装置は、供給される電気エネルギーが水の分解のエンタルピー（熱）に等しくなり、最小値よりも 20% 多くの電気エネルギーが必要になるため、25°C の温度で等温に動作する可能性があります。

ウィキメディア・コモンズには、水の電気分解に関連するメディアがあります。

• 「水の電気分解」。電気化学の実験。2004 年 12 月 20 日時点のオリジナルからアーカイブ。2005年11 月 20 日に取得。
• 「水の電気分解」。Do Chem 044。 2006年3月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2005年11月20日閲覧。
• EERE 2008 – 100 kgH2/日の貿易調査 2010年5月27日、Wayback Machineにアーカイブ
• NREL 2006 – 電気分解技術レポート

6.炭化水素製造のためのグリーン水素支援二酸化炭素利用のモデリングと統合 [1]