Gasblasen mit Flüssigkeitströpfchen behindern die elektrolytische Spaltung von Wasser. Eine Studie legt offen, wie sie die Effizienz der Elektrolyse und damit der H2-Produktion mindern.

 

Ein deutsch-niederländisches Forschungsteam hat sich mit der Blasenbildung in Elektrolyseuren beschäftigt und nun neue Erkenntnisse in der 16. Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Die Studie legt offen, dass Wasserstoffblasen nicht nur aus Gas bestehen, sondern auch Tröpfchen des Elektrolyten einschließen – mit möglichen Folgen für die Effizienz des gesamten Verfahrens.

Koordiniert wurde das Projekt vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf − kurz HZDR. Dabei handelt es sich um eine Forschungseinrichtung in Sachsen, die sich unter anderem mit Fluiddynamik und Energietechnologien befasst. Beteiligt waren auch die Universität Twente (Niederlande) und die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen.

Tröpfchen im Gas machen Strömungen sichtbar

Die Untersuchung zeigt, dass sich in den Gasblasen während der Elektrolyse winzige Tröpfchen der Elektrolytflüssigkeit befinden können – etwa aus Kalilauge, die häufig zum Einsatz kommt. Diese Tröpfchen wirbeln mit dem Wasserstoff durch die Blase und ermöglichen neue Einsichten in die Strömungsverhältnisse im Inneren.

„Wir konnten bisher nicht erkennen, wie sich das Gas in der Blase selbst bewegt. Erst die Tröpfchen machen diese Strömungen sichtbar“, lässt sich Gerd Mutschke in einer Mitteilung des HZDR zitieren. Möglich wurde das durch eine Kombination aus Licht- und Laserverfahren, bei denen die Tröpfchen als optische Marker dienen. Eine Kamera dokumentierte ihre Verteilung und Bewegung, ein Laser tastete zusätzlich die Strömungsrichtung ab.

Der erste Hinweis auf die Tröpfchenstruktur stammt aus Experimenten unter Schwerelosigkeit. Aleksandr Bashkatov, damals Doktorand am HZDR und später Postdoktorand an der Universität Twente, entdeckte die Tröpfchen während eines Parabelflugs, bei dem er Experimente zur Wasserstoffblasenbildung durchführte. Aufbauend auf seinen Beobachtungen führte das Team weitere Tests unter Normalbedingungen sowie Computersimulationen durch, um die Mechanismen genauer zu untersuchen.

Flüssigkeit gelangt durch Mikrojets in die Blase

Während ihrer Tests beobachteten die Forscher, wie viele kleine Mikroblasen an der Elektrode zu einer größeren Blase verschmelzen. Dabei habe die Oberfläche Energie freigesetzt, die sich in Bewegung umwandelte. Diese Bewegung reiche aus, um die Trennschicht zwischen Gas und Flüssigkeit so stark zu verformen, dass ein feiner Flüssigkeitsstrahl – die Forscher sprechen von einem sogenannten „Mikrojet“ – in die Blase eindringt. Dort zerfällt der Flüssigkeitsstrahl in winzige Tröpfchen, die sich in der Strömung verteilen. 

„Wir haben ein grandioses Grundlagenphänomen gefunden, dessen genaue Auswirkungen auf die Technologie wir zwar heute noch nicht quantifizieren können“, erklärt Prof. Kerstin Eckert, Direktorin des HZDR-Instituts für Fluiddynamik und Koordinatorin des Projekts. Klar sei aber, dass die Dynamik der Gasblasen bei allen Elektrolyseur-Typen eine wichtige Rolle spiele. „Es gibt also viel zu tun“, so Eckert. Die Ergebnisse könnten weitreichende Folgen für das Design von Elektrolyseuren haben.

Bedeutung für Elektrolyseur-Designs

Bisher galt die Gasblasenbildung vor allem als mechanisches Problem, das den Kontakt zwischen Elektrode und Elektrolyt unterbricht. Die neue Studie zeigt, dass auch der Transport von Flüssigkeit ins Blaseninnere eine Rolle spielen kann.

Elektrolyseure gelten als Schlüsseltechnologie für die Energiewende, insbesondere zur Produktion von grünem Wasserstoff. Doch derzeit benötigen sie noch große Mengen Strom, um Wasser effizient in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Jeder Ansatz, der helfe, den Wirkungsgrad zu verbessern, sei daher von großem technischen Interesse, so die Forscher.

Der Artikel „Electrolyte droplet spraying in H2 bubbles during water electrolysis under normal and microgravity conditions“  ist im Fachmagazin Nature Communications erschienen und im Internet abrufbar.