Cómo influyen las burbujas de gas en la producción de hidrógeno
Los nuevos hallazgos son relevantes para todos los procesos de electrólisis
Los electrolizadores son una tecnología clave para la transición energética. Dividen el agua en hidrógeno y oxígeno, pero consumen demasiada electricidad en el proceso. Uno de los problemas es que el hidrógeno disuelto inicialmente se separa en forma de burbujas de gas que pueden obturar el electrodo, en detrimento de la eficiencia. Un equipo de investigación germano-holandés dirigido por el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha obtenido ahora una visión única del interior de las burbujas de hidrógeno y ha extraído nuevas conclusiones para los procesos en el electrolizador. Los resultados se han publicado en la revista científica Nature Communications.
La serie de imágenes muestra cómo dos burbujas de hidrógeno se combinan para formar una burbuja mayor durante la electrólisis del agua en un electrolito ácido (coalescencia). Esto crea un chorro líquido de electrolito dentro de la nueva burbuja, que se vuelve inestable y se rompe en gotitas individuales (centro). Como este proceso ocurre con mucha frecuencia, se produce una fina pulverización de gotitas de electrolito. En la imagen superior derecha se muestran las líneas de corriente que ilustran el movimiento de estas gotitas dentro de la burbuja. Las gotitas se hunden hacia abajo y se acumulan en la base de la burbuja de hidrógeno. Allí forman pequeños charcos de líquido, que vuelven a mojar el electrodo y modifican la forma de la línea de contacto de la burbuja. Esto puede provocar que la burbuja se desprenda antes del electrodo (imagen inferior derecha).
Las burbujas de gas en los electrolizadores hacen que la producción de hidrógeno consuma demasiada electricidad, lo que encarece mucho el proceso. "Comprender la dinámica de las burbujas de gas es una pieza importante del rompecabezas si queremos que los electrolizadores sean más eficientes. Ahora hemos dado un importante paso adelante en este sentido porque hemos podido analizar por primera vez los procesos que tienen lugar en el interior de las burbujas de gas", explica la profesora Kerstin Eckert, Directora del Instituto de Dinámica de Fluidos HZDR.
Gotas descubiertas en burbujas de gas: el interior se hace visible
El nuevo hallazgo clave: las burbujas de hidrógeno no siempre están formadas por gas puro. También pueden contener un fino rocío de microgotas del electrolito, es decir, del líquido con el que funciona el electrolizador, por ejemplo una solución de hidróxido de potasio. Este fenómeno permite profundizar en los procesos fisicoquímicos e hidrodinámicos que intervienen en la electrólisis del agua.
El estudio proporciona una visión única del interior de las burbujas: "Con los métodos ópticos utilizados por nuestro equipo, antes no podíamos ver los flujos en el propio gas. Ahora podemos seguirlos a través de las gotitas de las burbujas de gas, porque se mueven con el gas", explica el Dr. Gerd Mutschke, del HZDR. En un proceso de sombreado, la burbuja se ilumina con un haz de luz paralelo. Detrás se coloca una cámara que capta la distribución del valor de gris de la burbuja. Las microgotas del gas aparecen como puntos negros. Una sección adicional de luz láser utiliza las microgotas como trazadores para medir el campo de flujo dentro de la burbuja.
El Dr. Aleksandr Bashkatov, entonces estudiante de doctorado en el equipo de Eckert, luego investigador postdoctoral en la Universidad de Twente en un proyecto conjunto holandés-alemán y ahora en la Universidad RWTH de Aquisgrán y primer autor del estudio, observó por primera vez las gotitas en el gas durante experimentos de vuelo parabólico en gravedad cero. A partir de ahí, el equipo realizó nuevos experimentos en la Tierra y simulaciones para comprender el mecanismo exacto de introducción del electrolito en las burbujas de gas.
Corrientes arremolinadas dentro y fuera
En los electrodos, muchas microburbujas diminutas forman inicialmente una especie de alfombra y luego se fusionan rápidamente una tras otra con una burbuja grande. Parte de la energía superficial de las pequeñas burbujas se convierte en energía cinética y puede deformar la interfaz entre el gas y el electrolito hasta tal punto que el líquido electrolítico penetra en la burbuja. El líquido se inyecta en la burbuja grande a gran velocidad en forma de "microchorro", donde se desintegra en una nube de gotitas diminutas que se arremolinan por la burbuja siguiendo el flujo interno. Físicamente, los vórtices se crean por un efecto térmico Marangoni en la interfaz entre la burbuja de gas y el electrolito: las altas densidades de corriente calientan localmente la interfaz y reducen así su tensión superficial.
"Hemos descubierto un fenómeno fundamental fantástico, cuyos efectos exactos en la tecnología aún no se pueden cuantificar. Pero las burbujas de gas y cómo se fusionan son un problema tecnológicamente relevante en todas las arquitecturas de electrolizadores, así que queda mucho por hacer", resume Eckert. Se espera que el proyecto de seguimiento germano-holandés ALKALAMIT, financiado por el Ministerio Federal de Educación, Investigación, Tecnología y Espacio (BMFTR) y la Organización Holandesa para la Investigación Científica (NWO), que Eckert coordina por parte alemana, aporte más datos.
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Publicación original
Aleksandr Bashkatov, Florian Bürkle, Çayan Demirkır, Wei Ding, Vatsal Sanjay, Alexander Babich, Xuegeng Yang, Gerd Mutschke, Jürgen Czarske, Detlef Lohse, Dominik Krug, Lars Büttner, Kerstin Eckert; "Electrolyte droplet spraying in H2 bubbles during water electrolysis under normal and microgravity conditions"; Nature Communications, Volume 16, 2025-5-16
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