Как поведение газовых пузырьков влияет на производство водорода

Рост пузырьков газа - повсеместное явление в природе и технике. Впечатляющие примеры связаны с сонолюминесценцией или явлениями кавитации, или образованием пузырьков CO₂ в шампанском

Работоспособные решения для промежуточного хранения энергии необходимы для того, чтобы избыточное электричество, вырабатываемое системами солнечной и ветровой энергии, во время пиковой выработки, не терялось. Производство водорода на этом этапе, который затем может быть превращен в другие химические энергоносители, может стать привлекательным вариантом. Важно, чтобы этот процесс происходил наиболее эффективным и, следовательно, экономически выгодным способом.

Команда исследователей HZDR (Центр имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф), возглавляемая профессором Керстином Эккертом, целенаправленно занималась электролизом воды. Этот метод использует электрическую энергию для разделения молекул воды на составные части - водород и кислород. Для этого электрический ток подается на два электрода, погруженных в кислый или щелочной водный раствор.

Газообразный водород образуется на одном электроде, а кислород - на другом. Однако, преобразование энергии сопряжено с потерями. В настоящее время на практике этот метод обеспечивает эффективность использования энергии от 65 до 85 процентов, в зависимости от используемого электролитического процесса. Целью исследований электролиза является повышение его эффективности примерно до 90 процентов, за счет разработки более совершенных методов.

Колеблющиеся пузырьки водорода дают новое понимание

Лучшее понимание основных химических и физических принципов необходимо для оптимизации процесса электролиза. Пузырьки газа, растущие на электроде, испытывают плавучесть, которая заставляет их подниматься. Проблема точного прогнозирования времени отрыва газовых пузырьков от электродов ставила исследователей в тупик на протяжении многих лет.

Известно, что, когда пузырьки находятся на электроде, происходит потеря тепла. Благодаря комбинации лабораторных экспериментов и теоретических расчетов ученые смогли определить силы, действующие на пузыри.

Рост пузырьков газа - повсеместное явление в природе и технике. Впечатляющие примеры связаны с сонолюминесценцией или явлениями кавитации (возникновение вспышки света при схлопывании кавитационных пузырьков, рождённых в жидкости мощной ультразвуковой волной), или образованием пузырьков CO₂ в шампанском.

Рост пузырьков водорода при легком расщеплении воды или водные электролизеры являются особенно интересной проблемой и представляют высокую практическую значимость из-за заметной роли водорода в накоплении энергии посредством процессов преобразования энергии в газ.

Электролиз в щелочной воде по-прежнему является наиболее зрелой и наименее потребляющей платину технологией, хотя и страдающей от недостаточной эффективности. Последнее можно увеличить, уменьшив омические потери, возникающие из-за снижения проводимости и дезактивации электрода непроводящими пузырьками. Если пузырьки водорода должны быть отведены от электродов быстрее, это, по сути, требует лучшего понимания роста и отрыва пузырьков.

В предыдущих экспериментах исследователи уже замечали, что пузырьки водорода начинают быстро колебаться. Они исследовали это явление более подробно. Используя высокоскоростную камеру, они наблюдали за тенью от пузырьков. Анализ показал, что отдельные пузырьки могут отсоединяться от электрода и присоединяться к нему обратно сто раз в секунду. Они поняли, что электрическая сила, которой до сих пор пренебрегали, конкурировала с плавучестью, способствуя колебаниям.

Эксперимент также показал, что между пузырьком газа и электродом образуется своего рода микропузырьковый ковер. Выше определенной толщины ковра электрическая сила больше не способна оттянуть пузырь назад, позволяя ему подняться. Эти знания теперь могут быть использованы для повышения эффективности всего процесса.

Параболические полеты подтверждают выводы

Чтобы подтвердить свои результаты, исследователи повторили эксперимент во время параболического полета, спонсируемого Немецким аэрокосмическим центром (DLR). Это позволило им изучить, как изменения плавучести влияют на динамику пузырьков газа.

«Изменение гравитации во время параболы позволило менять основные физические параметры, на которые нельзя было повлиять в лаборатории», - пояснил Александр Башкатов, ведущий автор недавно опубликованного исследования. Он провел эксперименты на борту самолета во время параболического полета вместе со своими коллегами.

В периоды приблизительно нулевой гравитации, когда во время параболического полета происходит свободное падение, плавучесть практически равна нулю, но значительно усиливается в конце параболы. Результаты полетов также показали, что было бы трудно использовать такие водородные технологии в космосе - без плавучести отделение пузырьков газа от электрода было бы еще более сложной задачей, чем на Земле.

Применение водных электролизеров - регенеративная энергия для региона

Несмотря на то, что эксперименты исследовательской группы проводились в упрощенных лабораторных условиях, новые результаты будут способствовать повышению эффективности электролизеров в будущем. Исследователи в настоящее время планируют объединиться с партнерами по изучению производства экологичного водорода в немецком регионе Лужица.

Целью проекта станет улучшение электролиза щелочной воды до такой степени, что он сможет заменить использование ископаемого топлива. «Щелочные электролизеры намного дешевле и экологически безопасны, и не используют скудные ресурсы, потому что им не нужны электроды с покрытием из драгоценных металлов. Долгосрочной целью консорциума является разработка нового поколения мощных щелочных устройств».

Источник: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. (HZDR)

А. Башкатов, С.С. Хоссейн, Х. Ян, Г. Мучке, К. Эккерт: Колеблющиеся пузырьки водорода на Pt-микроэлектродах, Physical Review Letters, 2019 (DOI: 10.1103 / PhysRevLett.123.214503)