Elektrolyseure spielen eine Schlüsselrolle bei der Energiewende, indem sie Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Allerdings verbrauchen sie dabei derzeit noch zu viel Strom. Ein wesentliches Effizienzproblem entsteht, wenn sich der anfänglich gelöste Wasserstoff in Form von Gasblasen an der Elektrode absetzt und diese abschotten kann. Ein deutsch-niederländisches Forschungsteam unter der Leitung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat nun mithilfe einzigartiger Einblicke in das Innere dieser Wasserstoffblasen neue Erkenntnisse über die Abläufe in Elektrolyseuren gewonnen.
Gasblasen in Elektrolyseuren führen dazu, dass die Wasserstoffproduktion zu viel Strom verbraucht, was den Prozess stark verteuert. „Die Dynamik der Gasblasen zu verstehen, ist ein wichtiges Puzzleteil, wenn wir Elektrolyseure effizienter machen wollen. Dabei sind wir jetzt einen deutlichen Schritt vorangekommen, weil wir erstmals die Vorgänge im Inneren der Gasblasen analysieren konnten“, erläutert Prof. Kerstin Eckert. Sie ist Direktorin am HZDR-Institut für Fluiddynamik.
Tröpfchen in Gasblasen entdeckt – Inneres wird sichtbar
Die wichtigste neue Erkenntnis ist, dass die Wasserstoffblasen nicht immer nur aus reinem Gas bestehen. Stattdessen können sie auch einen feinen Sprühnebel aus Mikrotropfen des Elektrolyten enthalten – also der Flüssigkeit, mit der der Elektrolyseur betrieben wird, beispielsweise Kalilauge. Dieses Phänomen ermöglicht ein tieferes Verständnis der physikalisch-chemischen und hydrodynamischen Prozesse, die bei der Wasserelektrolyse ablaufen.
Die Studie liefert einzigartige Einblicke in das Innere der Blasen: „Mit den optischen Methoden unseres Teams konnten wir die Strömungen im Gas selbst bisher nicht sehen. Jetzt können wir sie über die Tröpfchen in den Gasblasen verfolgen, weil diese sich mit dem Gas mitbewegen“, erklärt Dr. Gerd Mutschke vom HZDR. In einem Schattenverfahren wird die Blase mit einem parallelen Lichtstrahl beleuchtet. Dahinter steht eine Kamera und bildet die Grauwertverteilung der Blase ab. Die Mikrotropfen im Gas erscheinen als schwarze Pünktchen. Ein zusätzlicher Laserlichtschnitt nutzt die Mikrotropfen als Tracer und misst so das Strömungsfeld im Inneren der Blase.
Dr. Aleksandr Bashkatov entdeckte die winzigen Elektrolyt-Tröpfchen in den Gasblasen zunächst bei Parabelflugexperimenten in der Schwerelosigkeit. Aufbauend auf dieser Beobachtung führte das Team weitere Experimente auf der Erde und detaillierte Simulationen durch, um den exakten Mechanismus zu entschlüsseln, durch den der Elektrolyt in die Gasblasen gelangt.
Wirbelnde Ströme innen und außen
An den Elektroden formieren sich zunächst zahlreiche winzige Mikroblasen zu einer Art Teppich, bevor sie dann schnell nacheinander mit einer größeren Blase verschmelzen. Bei diesem Prozess wird ein Teil der Oberflächenenergie der kleineren Blasen in kinetische Energie umgewandelt. Diese Energie kann die Grenzfläche zwischen Gas und Elektrolyt so stark verformen, dass die Elektrolytflüssigkeit in die Blase eindringt. Die Flüssigkeit wird dabei als „Mikrojet“ mit hoher Geschwindigkeit in die größere Blase injiziert und zerfällt dort in eine Wolke winziger Tröpfchen, die der inneren Strömung folgend durch die Blase wirbeln. Physikalisch entstehen diese Wirbel durch einen thermischen Marangoni-Effekt an der Grenzfläche zwischen Gasblase und Elektrolyt: Hohe Stromdichten führen zu einer starken lokalen Erwärmung der Grenzfläche, wodurch deren Oberflächenspannung verringert wird.
„Wir haben ein grandioses Grundlagenphänomen gefunden, dessen genaue Auswirkungen auf die Technologie wir zwar heute noch nicht quantifizieren können. Aber die Gasblasen und wie sie miteinander verschmelzen sind ein technologisch relevantes Problem in allen Elektrolyseur-Architekturen – es gibt also viel zu tun“, fasst Eckert zusammen. Weitere Erkenntnisse soll das deutsch-niederländische Nachfolgeprojekt ALKALAMIT bringen, das Eckert auf deutscher Seite koordiniert.
Quelle: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (05/2025)
Publikation:
A. Bashkatov, F. Bürkle, Ç. Demirkir, W. Ding, V. Sanjay, A. Babich, X. Yang, G. Mutschke, J. Czarske, D. Lohse, D. Krug, L. Büttner, and K. Eckert: Electrolyte spraying within H2 bubbles during water electrolysis, Nature Communications, 2025 (DOI: 10.1038/s41467-025-59762-7)