Comment les bulles de gaz influencent la production d'hydrogène
Les nouvelles connaissances sont pertinentes pour tous les procédés d'électrolyse
Les électrolyseurs sont une technologie clé pour la transition énergétique. Ils décomposent l'eau en hydrogène et en oxygène, mais consomment jusqu'à présent encore trop d'électricité. L'un des défis réside dans le fait que l'hydrogène initialement dissous se dépose sous forme de bulles de gaz qui peuvent isoler l'électrode - au détriment de l'efficacité. Une équipe de recherche germano-néerlandaise, dirigée par le Centre Helmholtz de Dresde-Rossendorf (HZDR), vient d'obtenir un aperçu unique de l'intérieur des bulles d'hydrogène et d'en déduire de nouvelles connaissances pour les processus dans l'électrolyseur. Les résultats sont publiés dans la revue spécialisée Nature Communications.
La série d'images montre comment deux bulles d'hydrogène s'unissent pour former une plus grande bulle (coalescence) pendant l'électrolyse de l'eau dans un électrolyte acide. Il se forme alors à l'intérieur de la nouvelle bulle un jet liquide d'électrolyte qui devient instable et se désintègre en gouttes individuelles (au centre de l'image). Comme ce processus est très fréquent, il en résulte un fin brouillard de gouttes d'électrolyte. Dans l'image en haut à droite, des lignes de courant montrent le mouvement de ces gouttes à l'intérieur de la bulle. Les gouttes descendent et s'accumulent au pied de la bulle d'hydrogène. Elles y forment de petites flaques de liquide qui mouillent à nouveau l'électrode et modifient la forme de la ligne de contact de la bulle. Cela peut avoir pour conséquence que la bulle se détache plus tôt de l'électrode (image de droite ci-dessous).
Les bulles de gaz dans les électrolyseurs font que la production d'hydrogène consomme trop d'électricité, ce qui rend le processus beaucoup plus coûteux. "Comprendre la dynamique des bulles de gaz est une pièce importante du puzzle si nous voulons rendre les électrolyseurs plus efficaces. Nous venons de faire un grand pas en avant dans ce domaine, car nous avons pu analyser pour la première fois les processus à l'intérieur des bulles de gaz", explique le professeur Kerstin Eckert, directrice de l'Institut de dynamique des fluides du HZDR.
Découverte de gouttelettes dans les bulles de gaz - l'intérieur devient visible
La nouvelle découverte essentielle : les bulles d'hydrogène ne sont pas toujours constituées de gaz pur. Elles peuvent également contenir un fin brouillard de microgouttelettes d'électrolyte, c'est-à-dire du liquide avec lequel l'électrolyseur fonctionne, par exemple de la potasse caustique. Ce phénomène permet de mieux comprendre les processus physico-chimiques et hydrodynamiques de l'électrolyse de l'eau.
L'étude fournit ainsi des aperçus uniques de l'intérieur des bulles : "Jusqu'à présent, les méthodes optiques de notre équipe ne nous permettaient pas de voir les courants dans le gaz lui-même. Maintenant, nous pouvons les suivre via les gouttelettes dans les bulles de gaz, car celles-ci se déplacent avec le gaz", explique le Dr Gerd Mutschke du HZDR. Dans un procédé d'ombre, la bulle est éclairée par un faisceau lumineux parallèle. Une caméra se trouve derrière et reproduit la répartition des niveaux de gris de la bulle. Les microgouttes de gaz apparaissent sous forme de petits points noirs. Une coupe de lumière laser supplémentaire utilise les microgouttes comme traceurs et mesure ainsi le champ d'écoulement à l'intérieur de la bulle.
Le Dr Aleksandr Bashkatov, alors doctorant dans l'équipe d'Eckert, puis post-doctorant à l'université de Twente sur un projet commun néerlandais-allemand et maintenant à la RWTH Aachen et premier auteur de l'étude, a remarqué pour la première fois les gouttelettes dans le gaz lors d'expériences de vol parabolique en apesanteur. Sur cette base, l'équipe a réalisé d'autres expériences sur Terre et des simulations pour comprendre le mécanisme exact par lequel l'électrolyte pénètre dans les bulles de gaz.
Des courants tourbillonnants à l'intérieur et à l'extérieur
Au niveau des électrodes, de nombreuses microbulles minuscules forment d'abord une sorte de tapis, puis fusionnent rapidement les unes après les autres avec une grosse bulle. Une partie de l'énergie de surface des petites bulles est alors transformée en énergie cinétique et peut déformer l'interface entre le gaz et l'électrolyte de telle sorte que le liquide de l'électrolyte pénètre dans la bulle. Le liquide est injecté à grande vitesse dans la grande bulle sous la forme d'un "microjet" et s'y décompose en un nuage de minuscules gouttelettes qui tourbillonnent à travers la bulle en suivant le courant interne. Physiquement, les tourbillons se forment par un effet thermique de Marangoni à l'interface entre la bulle de gaz et l'électrolyte : des densités de courant élevées chauffent fortement l'interface localement et réduisent ainsi sa tension superficielle.
"Nous avons découvert un phénomène fondamental grandiose, dont nous ne pouvons certes pas encore quantifier aujourd'hui les effets exacts sur la technologie. Mais les bulles de gaz et la manière dont elles fusionnent constituent un problème technologiquement pertinent dans toutes les architectures d'électrolyseurs - il y a donc beaucoup à faire", résume Eckert. Le projet de suivi germano-néerlandais ALKALAMIT, financé par le ministère fédéral de l'Éducation, de la Recherche, de la Technologie et de l'Espace (BMFTR) et l'Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO), et coordonné par Eckert du côté allemand, devrait apporter de nouvelles connaissances.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
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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