Welche Rollen spielen Gasblasen bei der Elektrolyse? Ein deutsch-niederländisches Forschungsteam unter Leitung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat dazu neue Erkenntnisse gewonnen. Die Wissenschaftler konnten nach Meldung des Instituts vom 26. Mai erstmals nachweisen, dass Wasserstoffblasen nicht ausschließlich aus reinem Gas bestehen, sondern auch einen feinen Sprühnebel aus Mikrotropfen des Elektrolyten, also zum Beispiel Kalilauge, enthalten können. Diese Entdeckung könnte dabei helfen, Elektrolyseure noch effizienter zu machen – Gasblasen sind nämlich eigentlich ein Hindernis bei der Wasserstoffproduktion, da sie den Stromverbrauch erhöhen und so den prozess verteuern.
„Die Dynamik der Gasblasen zu verstehen, ist ein wichtiges Puzzleteil, wenn wir Elektrolyseure effizienter machen wollen“, erläuterte Prof. Kerstin Eckert, Direktorin am HZDR-Institut für Fluiddynamik. „Dabei sind wir jetzt einen deutlichen Schritt vorangekommen, weil wir erstmals die Vorgänge im Inneren der Gasblasen analysieren konnten.“
„Grandioses Grundlagenphänomen gefunden“
An den Elektroden bilden zunächst winzige Mikroblasen einen blasenteppichartigen Belag, bevor sie mit größeren Blasen verschmelzen. Bei diesem Koaleszenz-Prozess wird ein Teil der Oberflächenenergie der kleinen Blasen in kinetische Energie umgewandelt. Dies kann die Grenzfläche zwischen Gas und Elektrolyt so stark verformen, dass Elektrolytflüssigkeit in die Blase eindringt.
Die Flüssigkeit wird als „Mikrojet“ mit hoher Geschwindigkeit in die große Blase injiziert und zerfällt dort in eine Wolke winziger Tröpfchen. Diese folgen der inneren Strömung und wirbeln durch die Blase. Physikalisch entstehen die Wirbel durch einen thermischen Marangoni-Effekt an der Grenzfläche: Hohe Stromdichten heizen die Grenzfläche lokal auf und verringern deren Oberflächenspannung.
„Wir haben ein grandioses Grundlagenphänomen gefunden, dessen genaue Auswirkungen auf die Technologie wir zwar heute noch nicht quantifizieren können“, fasst Eckert zusammen. „Aber die Gasblasen und wie sie miteinander verschmelzen sind ein technologisch relevantes Problem in allen Elektrolyseur-Architekturen – es gibt also viel zu tun.“
Optische Methoden machen Strömung in Gasblasen sichtbar
Das Forschungsteam nutzte optische Verfahren, um die Strömungen im Gasinneren zu visualisieren. „Mit den optischen Methoden unseres Teams konnten wir die Strömungen im Gas selbst bisher nicht sehen. Jetzt können wir sie über die Tröpfchen in den Gasblasen verfolgen, weil diese sich mit dem Gas mitbewegen“, so Dr. Gerd Mutschke vom HZDR.
Die Wissenschaftler verwendeten ein Schattenverfahren mit parallelem Lichtstrahl und Kamera zur Abbildung der Grauwertverteilung. Zusätzlich kam ein Laserlichtschnitt zum Einsatz, der die Mikrotropfen als Tracer nutzt und das Strömungsfeld im Blaseninneren vermisst.
Dr. Aleksandr Bashkatov, Erstautor der Studie und ehemaliger Doktorand in Eckerts Team, entdeckte die Tröpfchen erstmals bei Parabelflugexperimenten in der Schwerelosigkeit. Darauf aufbauend führte das Team weitere Experimente und Simulationen durch, um den Mechanismus des Elektrolyteintritts in die Gasblasen zu verstehen.
Das vom BMFTR und der Niederländischen Organisation für wissenschaftliche Forschung (NWO) geförderte Nachfolgeprojekt ALKALAMIT soll weitere Erkenntnisse liefern. Die kostenlos abrufbare Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Bild: Die Bildreihe zeigt, wie sich zwei Wasserstoffblasen während der Wasserelektrolyse in einem sauren Elektrolyten zu einer größeren Blase vereinen (Koaleszenz). Dabei entsteht im Inneren der neuen Blase ein Flüssigkeitsstrahl aus Elektrolyt, der instabil wird und in einzelne Tropfen zerfällt (Bildmitte). Da dieser Vorgang sehr häufig passiert, entsteht ein feiner Sprühnebel aus Elektrolyttropfen. Im oberen rechten Bild sind Stromlinien dargestellt, die die Bewegung dieser Tropfen innerhalb der Blase zeigen. Die Tropfen sinken nach unten und sammeln sich am Fuß der Wasserstoffblase. Dort bilden sie kleine Flüssigkeitspfützen, die die Elektrode erneut benetzen und die Form der Blasenkontaktlinie verändern. Dies kann dazu führen, dass sich die Blase früher von der Elektrode löst (rechtes Bild unten)
