[논문 리뷰] Coalescence induced late departure of bubbles improves water electrolysis efficiency

Tao Wu, Bo Liu외 5명|arXiv (Cornell University)|2024. 02. 09.

Minerals Flotation and Separation TechniquesEnvironmental Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 수소 분해 전기분해에서 기포 융합을 촉진함으로써 미세기포와의 연속적인 융합를 통해 기포 이탈을 지연시켜 효율을 30% 이상 향상시킨다. 이 과정는 전극 표면의 기포 크기를 10 μm 이하로 줄이고, 약 10 ms 동안 최대 1 m/s에 이르는 강렬한 국소적 혼란류를 유도하여 질량 및 열전달을 크게 향상시키며, 활성 촉매 부위를 해방시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 수소 분해 전기분해에서 기포 융합이 효율에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 특히 기포 역학, 특히 융합이 전극 표면 커버리지와 질량 전달에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 것.
• 기포 유도 혼란류가 전극 표면 근처의 국소적 열 및 질량 전달에 어떻게 기여하는지 탐색하는 것.
• 기포 융합 행동을 설계하여 전기분해 효율을 향상시키는 전략을 개발하는 것.

제안 방법

• 전극에서 기포 형성, 융합 및 이탈 역학을 관찰하기 위해 통제된 전기분해 장치를 사용해 실험을 수행하였다.
• 고속 영상 촬영을 통해 기포 행동을 캡처하고 이탈 시기 및 크기를 정량화하였다.
• 전극 표면 근처의 기포 융합 및 유동 패턴을 모델링하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• 혼란류의 강도와 지속 시간을 평가하기 위해 유속장 분석을 수행하였다.
• 융합이 억제된 시스템과 융합이 향상된 시스템을 비교하여 융합의 영향을 고립시켰다.
• 시뮬레이션에서 표면 장력과 유체역학적 힘을 사용하여 기포 탈리 행동을 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수소 분해 전기분해에서 기포 융합은 전극 표면에서 기포 이탈의 크기와 시기와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ2 융합에 의해 유도된 혼란류는 전극 근처 전해질에서 국소적 열 및 질량 전달에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 융합은 기포 커버리지를 감소시켜 전극의 활성 부위 가용성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 기포 융합에 의해 유도된 유체 혼란류의 지속 시간과 강도는 무엇인가?
• RQ5 융합을 촉진하는 것이 융합이 억제된 시스템에 비해 전체 전기분해 효율을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 기포 융합을 향상시킨 결과, 융합이 억제된 시스템에 비해 전기분해 효율이 30% 이상 향상되었다.
• 기포 융합은 표면 기포의 지름을 약 60–80 μm 에서 10 μm 미만으로 감소시켜 전극 커버리지를 크게 감소시켰다.
• 융합에 의해 유도된 혼란류는 전극 표면에서 10–5 m 깊이의 영역에서 최대 1 m/s의 속도에 이를 수 있었다.
• 혼란류 효과는 약 10 ms 동안 지속되었으며, 이는 융합 과정 자체의 지속 시간(~0.2 ms)보다 약 두 개의 지수 차수 더 길었다.
• 융합에 의해 기포 이탈이 지연되어 전극의 활성 촉매 부위가 더 효과적으로 해방되어 반응 동역학이 향상되었다.
• 수치 시뮬레이션은 융합이 일시적 고속 유동을 생성함으로써 국소 질량 전달을 향상시킨다는 것을 확인하였다.