[論文レビュー] Coalescence induced late departure of bubbles improves water electrolysis efficiency

Tao Wu, Bo Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2024

Minerals Flotation and Separation TechniquesEnvironmental Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、微小気泡との連続的な合体を通じて気泡の離脱を遅らせることで、水エレクトロライシスの効率を30%以上向上させることを示した。このプロセスにより、電極上での気泡サイズが10 μm未塔に抑えられ、最大1 m/sに達する強力で局所的な攪拌（約10 ms継続）を引き起こし、物質移動および熱移動が顕著に向上するとともに、活性な触媒サイトが解放される。

ABSTRACT

In water electrolysis, bubbles form on the electrode and interact through processes such as collision and coalescence. However, the impact of bubble coalescence a fundamental process governing electrolytic bubble behaviour-on electrolysis efficiency remains unclear. Here, we show that enhancing bubble coalescence improves electrolysis efficiency by more than 30% compared to systems where coalescence is inhibited. One key feature is the continuous coalescence of a newly detached bubble with microbubbles on the electrode, which delays the former from departing. Experimental observations and numerical simulations reveal two key benefits of bubble coalescence for electrolysis efficiency: (1) it liberates surface bubbles from the electrode at much smaller sizes, reducing their diameter from approximately 60-80 um to less than 10 um, thus freeing the active sites of the electrode from bubble coverage; (2) it induces strong agitation, with velocities reaching 1m/s in a small region near the electrode (at a depth of 10-5 m), thereby significantly improving the heat/mass transfer locally. Importantly, the chaotic agitation effect lasts for approximately 10 ms, two orders of magnitude longer than the coalescence process, which occurs in around 0.2 ms. This work provides valuable insight into bubble management in water electrolysis and other gas-evolution electrochemical reactions.

研究の動機と目的

• 気泡の合体が水エレクトロライシスの効率に与える影響を調査すること。
• 特に気泡の動態、とりわけ合体が電極表面被覆率および物質移動に与える影響を理解すること。
• 気泡に起因する攪拌が電極表面近傍での局所的熱・物質移動をどのように向上させるかを明らかにすること。
• 気泡の合体行動を設計することで、エレクトロライシス効率を向上させる戦略を開発すること。

提案手法

• 電極上での気泡生成、合体、離脱ダイナミクスを観察するため、制御されたエレクトロライシス装置を用いて実験を実施した。
• 気泡の挙動を捉え、離脱タイミングとサイズを定量化するために高速撮影を実施した。
• 電極表面近傍の気泡合体および流体の流れのパターンをモデル化するため、数値シミュレーションを実施した。
• 攪拌の強度と持続時間を評価するために、流速場を分析した。
• 合体が促進された系と抑制された系を比較し、合体の効果を隔離した。
• シミュレーションにおいて界面張力および流体力学的力を用いて、気泡の剥離挙動を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水エレクトロライシスにおいて、気泡の合体は電極表面からの気泡離脱のサイズとタイミングにどのように影響するか？
• RQ2 合体に起因する攪拌は、電極近傍の電解質における局所的熱・物質移動にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 合体は、気泡被覆率を低下させることで、電極上の活性サイトの可用性にどのように影響するか？
• RQ4 気泡合体によって引き起こされる流体攪拌の持続時間と強度はどの程度か？
• RQ5 合体を促進することで、合体が抑制された系と比較して、全体のエレクトロライシス効率はどの程度向上するか？

主な発見

• 気泡の合体を促進したことで、合体が抑制された系と比較して、エレクトロライシス効率が30%以上向上した。
• 合体により、表面に存在する気泡の直径が約60–80 μmから10 μm未塔にまで減少し、電極被覆率が顕著に低下した。
• 合体に起因する攪拌は、電極表面から10–5 mの深さの領域で最大1 m/sの速度に達した。
• 混沌とした攪拌効果は約10 ms継続し、合体プロセス自体（約0.2 ms）と比較して、2桁以上長い持続時間であった。
• 合体に起因する気泡の遅延離脱により、電極上の活性触媒サイトがより効果的に解放され、反応速度論が向上した。
• 数値シミュレーションにより、合体が一時的で高圧力の流体流れを生成することで、局所的物質移動が向上することが確認された。