Magnetic field-driven enhancement of hydrogen production in water electrolysis

• Applicants: Professorin Dr. Kerstin Eckert; Dr. Margitta Uhlemann, since 1/2013
• Subject Area: Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation ; Physical Chemistry of Molecules, Liquids and Interfaces, Biophysical Chemistry ; Fluid Mechanics
• Term: from 2012 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 234361163

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Hochreiner Wasserstoff kann verhältnismäßig einfach aus der Wasserelektrolyse gewonnen werden. Er stellt damit einen dezentralen chemischen Energiespeicher dar, der jederzeit über Brennstoffzellen wieder in Strom umgewandelt werden kann. Eine Effizienzsteigerung der Elektrolyse hat daher immense wirtschaftliche Bedeutung. Magnetische Felder ermöglichen die Erzeugung von Lorentzkräften, die berührungslos magnetohydrodynamische (MHD) Strömungen antreiben können. Durch diesen neuen Ansatz kann die Bedeckung der Elektrode mit elektrisch nicht leitfähigen Blasen verringert und die Blasenablösung beschleunigt werden. Ziel des Projektes war es, die Wirkung homogener Magnetfelder und magnetischer Gradientenfelder auf Wasserstoffeinzelblasen zu untersuchen, insbesondere die zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen und hinsichtlich einer potentielle Steigerung der Effizienz der Wasserelektrolyse zu evaluieren. Um das zu erreichen, sollten elektrochemische, hydrodynamische und optische Methoden für komplexe Untersuchung der Wasserstoffblasendynamik kombiniert werden. Im Rahmen des Projektes wurden daher geeignete Messzellen zur Einzelblasenerzeugung in Kombination mit optischen Messplätzen entwickelt und aufgebaut. Zusätzlich wurde mit der UniBW München auf dem Gebiet der particle tracking velocimetry kooperiert, die wertvolle Resultate bei grenzflächennahen Strömungen und geringer Partikeldichte liefert. Unterstützt wurden die Ergebnisse durch zusätzliche numerische Simulationen am HZDR. Anhand detaillierter Studien wurde zuerst das Wachstum von Einzelblasen an Mikroelektroden in unterschiedlichen Elektrolyten ohne äußeres Magnetfeld analysiert. Während die Elektrolyse in H2SO4 durch ein periodisches Blasenwachstum gekennzeichnet ist, findet dies im alkalischen Elektrolyten (KOH) vorwiegend aperiodisch in Form von Blasenschwärmen mit deutlich kleineren Blasen statt. In H2SO4 folgt das Wachstum der Blasen im Wesentlichen einem Potenzgesetz, R(t) ∝ t1/3, das mit der vollständigen Diffusion des gebildeten Wasserstoffs in die Blase unmittelbar am Blasenfuß korreliert. Wie im Projekt gezeigt, ist die Reproduzierbarkeit an identische Elektrodenbedingungen zu Beginn der Experimente gekoppelt, die sich in einem definiertem und konstantem Ruhepotential (OCP-Open Circuit Potential) widerspiegeln. Hierbei konnten wir nachweisen, dass die üblicherweise in Epoxidharz eingebetteten Elektroden oder handelsübliche Schleifpolituren völlig ungeeignet für fundamentale Untersuchungen sind. OCP-Messungen wurden auch eingesetzt, um die beobachtete, abnormal langsame Auflösung von Wasserstoffblasen zu analysieren. Die Ursache hierfür besteht im Hineindiffundieren von Sauerstoff und Stickstoff, die im Elektrolyt gelöst sind, in die Blase. Erstmalig konnte im Projekt auch die Existenz einer Marangoni-Konvektion an einer Wasserstoffblase nachgewiesen werden, welche den Stofftransport nachhaltig beschleunigen kann. Ein parallel zur Oberfläche angeordnetes Magnetfeld führt an Pt-Elektroden generell zu einer signifikanten Effizienzsteigerung der H2 -Entwicklung sowohl an Mikroelektroden als auch an planaren Elektroden. Gemeinsam mit den Kooperationspartnern erfolgte dafür eine detaillierte Modellbildung basierend einer Analyse der wirkenden Kräfte. Im Gegensatz zu einem parallel ausgerichteten homogenen Magnetfeld ist die Blasendynamik in einem senkrecht zur Elektrode ausgerichteten Magnetfeld in H2SO4 grundsätzlich verschieden. In Verbindung mit der sich ausbildenden MHD-Drehströmung um die Blase, nimmt mit steigenden Magnetfeldstärken die Blasenbildungsfrequenz ab und der Blasendurchmesser steigt entsprechend an. Wie im Projekt gezeigt, sind die sich ausbildenden Druckdifferenzen über der Blase jedoch nicht ausreichend, um diesen stabilisierenden Effekt zu erklären. Auch an den magnetisierbaren Ni-Mikroelektroden existiert ein derartiger Mechanismus, über den das Magnetfeld die Blasenablösung von der Elektrode hemmt. Die erwartete Effizienzsteigerung in einem magnetischen Gradientenfeld konnte somit an Ni-Mikroelektroden nicht betätigt werden.

Publications

• (2017) Growth and detachment of single hydrogen bubbles in a magnetohydrodynamic shear flow. Phys. Rev. Fluids (Physical Review Fluids) 2 (9) 093701
  Baczyzmalski, Dominik; Karnbach, Franziska; Mutschke, Gerd; Yang, Xuegeng; Eckert, Kerstin; Uhlemann, Margitta; Cierpka, Christian
  
• Dynamics of Single Hydrogen Bubbles at a Platinum Microelectrode, Langmuir 31 (2015) 8184-8193
  X. Yang, F. Kernbach, M. Uhlemann, S. Odenbach, K. Eckert
  
• Interplay of the Open Circuit Potential-Relaxation and the Dissolution Behavior of a Single H2 Bubble Generated at a Pt Microelectrode, The Journal of Physical Chemistry C 120 (2016) 15137-15146
  F. Karnbach, X. Yang, G. Mutschke, J. Froehlich, J. Eckert, A. Gebert, K. Tschulik, K. Eckert, M. Uhlemann
  
• On the Electrolyte Convection around a Hydrogen Bubble Evolving at a Microelectrode under the Influence of a Magnetic Field, The Journal of The Electrochemical Society 163 (2016) E248-E257
  D. Baczyzmalski, F. Karnbach, X. Yang, G. Mutschke, M. Uhlemann, K. Eckert, C. Cierpka
  
• Numerical Simulation of mass transfer and convection near a hydrogen bubble during water electrolysis in a magnetic field, Magnetohydrodynamics 53 (2017) 3-9
  G. Mutschke, D. Baczyzmalski, C. Cierpka, F. Karnbach, M. Uhlemann, X. Yang, K. Eckert, J. Froehlich