Visualisierung des Gasverhaltens bei der Elektrolyse von Wasser

Wasserelektrolyse ist ein Prozess, der Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Diese Methode ist wichtig, um sauberen Wasserstoff als Brennstoff zu erzeugen, der für eine kohlenstofffreie Zukunft gebraucht wird. Unter den verschiedenen verfügbaren Methoden ist die alkalische Wasserelektrolyse eine der günstigsten und effizientesten. Um sie noch besser zu machen, müssen wir die elektrischen Verluste, die während des Prozesses auftreten, reduzieren.

Indem wir den Abstand zwischen den Elektroden (den Teilen, die Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen) so klein wie möglich halten, können wir diese Verluste minimieren. Dieser kleine Abstand wird oft als "Nullbereich" bezeichnet. Es stellt sich jedoch heraus, dass der tatsächliche Widerstand in diesen Geräten manchmal höher ist als erwartet.

Wenn während der Elektrolyse Blasen entstehen, können sie den Stromfluss durch das Gerät beeinflussen. Diese Blasen können den Weg der Ionen blockieren, den winzigen geladenen Teilchen, die für die Reaktion nötig sind, was den Widerstand erhöht. Auf der anderen Seite können sich Blasen, wenn sie sich von der Elektrodenoberfläche lösen, tatsächlich bewegen und die Flüssigkeit umherbewegen, was die Gesamteffizienz des Prozesses verbessert.

In Nullbereichsgeräten haben sich Leute gefragt, ob eingeschlossene Blasen den höheren Widerstand verursachen. Die Idee ist, dass wenn wir visualisieren und messen können, wie diese Blasen verteilt sind, wir klären könnten, was wirklich vor sich geht.

#Herausforderungen beim Messen der Gasverteilung

Es ist tricky, wie das Gas in diesen Geräten verteilt ist zu messen. Die Blasen erzeugen eine trübe Umgebung, die es schwer macht zu sehen, was im Inneren passiert. Frühere Methoden haben versucht zu messen, wie viel Platz diese Blasen einnehmen, indem sie Bildgebungsverfahren oder Sensoren verwendet haben. Leider haben diese Methoden ihre Nachteile. Manchmal geben sie ungenaue Ergebnisse, besonders in der Nähe der Elektroden.

Um dieses Problem anzugehen, haben wir die Röntgen-Radiographie verwendet, eine Technik, mit der wir Bilder vom Inneren des Geräts mit viel besserem Detail machen können. Diese Methode hat in anderen Arten von Elektrolysegeräten gut funktioniert, aber unseres Wissens nach wurde sie in Nullbereichssystemen noch nicht eingesetzt.

#Das Experiment-Setup

Wir haben einen speziellen Elektrolyseur gebaut, der in die Röntgenmaschine passte. Die Maschine ermöglichte es uns, detaillierte Bilder zu machen, während das Gerät in Betrieb war. Für dieses Experiment haben wir Nickelplatten als Elektroden, eine Membran aus haltbarem Material und Kaliumhydroxid (ein gängiger Elektrolyt) verwendet, um den Elektrolyseprozess zu unterstützen.

Der einzigartige Teil unseres Setups war die Möglichkeit, die Spaltgrösse zwischen der Membran und den Elektroden in Echtzeit zu ändern. Wir konnten den Abstand von null bis 300 Mikrometern variieren. Diese Flexibilität war entscheidend, um zu verstehen, wie sich die Gasverteilung bei verschiedenen Konfigurationen änderte.

#Röntgenmessprozess

Mit der Röntgen-Radiographie haben wir gemessen, wie viel Platz die Gasblasen während der Elektrolyse einnahmen. Die Röntgenmaschine sendet Strahlen durch das Gerät, und wir erfassen die produzierten Bilder. Wir haben diese Bilder bearbeitet, um unerwünschtes Rauschen zu entfernen und die Bereiche hervorzuheben, in denen Blasen vorhanden sind.

Der gesamte Prozess umfasst mehrere Messungen, beginnend mit einer leeren Zelle, dann Füllen mit dem Elektrolyten und schliesslich Betreiben der Elektrolyse bei verschiedenen Stromdichten. Währenddessen haben wir auch die Spannung über den Elektroden im Blick behalten, um ihre Leistung unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen.

#Beobachtungen zu Blasen im Gerät

Wie erwartet, nahm die Anzahl der Gasblasen mit höheren Stromdichten zu. Die Blasen waren dichter oben in der Zelle, während die unteren Teile weniger Blasen hatten. Interessanterweise fanden wir, als wir uns den Spaltbereich zwischen der Membran und den Elektroden genau ansahen, dass die Menge an Gas dort ziemlich konstant blieb, egal wie gross der Abstand war.

Die Röntgenbilder zeigten keine Hinweise darauf, dass Blasen eingeschlossen waren oder Gasschichten in den Spalten bildeten, was einige frühere Theorien in der Literatur herausfordert. Stattdessen schien es, als würde das Gas einfach durchfliessen, als wir den Strom erhöhten.

#Vergleich verschiedener Elektrodenarten

Um zu verstehen, wie der Elektroden-Typ das Gasverhalten beeinflusst, haben wir auch verschiedene Konfigurationen mit porösen Nickelplatten und Nickelfolie-Elektroden getestet. Wir bemerkten einige klare Unterschiede in der Blasenbildung und -verteilung. Die porösen Platten ermöglichten einen besseren Gasaustausch zwischen den Kammern, was zu einem faszinierenden Überkreuzverhalten in den Gasleerfraktionen bei höheren Stromdichten führte.

Im Gegensatz dazu zeigte die Folienelektrode weniger Flüssigkeitsbewegung zwischen den beiden Seiten. Das könnte an ihrer niedrigeren Porosität und unterschiedlichen Oberflächen Eigenschaften liegen, die beeinflussen, wie Blasen während des Prozesses gebildet und abgelöst werden.

#Flüssigkeitsübertritt und seine Auswirkungen

Ein bedeutender Befund aus unseren Experimenten war die Beobachtung des Flüssigkeitsübertritts zwischen der Anoden- und der Kathodenseite des Elektrolyseurs. Die Flüssigkeitsniveaus in den beiden Kammern änderten sich unterschiedlich, besonders bei den porösen Platten, was darauf hindeutet, dass Flüssigkeit von der Sauerstoffseite zur Wasserstoffseite floss.

Dieser Übertritt könnte zu Problemen führen, wenn er nicht richtig gemanagt wird, da er die Reinheit der produzierten Gase beeinflussen kann. Allerdings könnten wir durch das Verändern der Porosität und der Oberflächenmerkmale der Elektroden beeinflussen, wie viel Flüssigkeit übertritt und diese Probleme potenziell minimieren.

#Fazit

Zusammenfassend haben wir erfolgreich Röntgen-Radiographie verwendet, um die Gasverteilung in einem Nullbereich alkalischen Wasser Elektrolyseur zum ersten Mal zu visualisieren. Unsere Ergebnisse zeigten, dass während die Gasfraktionen mit der Stromdichte zunahmen, der Einfluss der Spaltgrösse weniger signifikant war als zuvor gedacht. Das Fehlen von eingeschlossenen Blasen im Spalt stellt bestehende Theorien in Frage und führt zu einem besseren Verständnis der Mechanismen, die wirken.

Darüber hinaus spielt das Design der Elektroden eine entscheidende Rolle beim Management des Gas- und Flüssigkeitsverhaltens im Gerät. Durch die Verfeinerung der Materialien und Konfigurationen, die wir verwenden, könnten wir die Effizienz der alkalischen Wasserelektrolyse verbessern und den Weg für eine sauberere Wasserstoffproduktion in der Zukunft bahnen.

Obwohl wir Herausforderungen hatten, wie die subtile, aber bedeutende Streuung von Röntgenstrahlen an den Elektrodenoberflächen, eröffnet unsere Arbeit neue Türen zur Optimierung des Designs und der Leistung von Elektrolyseuren. Zukünftige Studien sollten sich darauf konzentrieren, diese Messprobleme zu lösen und das experimentelle Setup zu verbessern, um unser Verständnis weiter zu vertiefen.

Wenn wir auf einen umweltfreundlicheren Planeten hinarbeiten, wird es entscheidend sein, Prozesse wie die Wasserelektrolyse zu verstehen. Wer hätte gedacht, dass Blasen so wichtig sein könnten?