微小的气泡可能会使生产绿色氢气的电力消耗增加50%以上。

绿色氢气存在一个重大问题：其生产需要大量电力，这不仅抬高了成本，也使其难以与其他能源替代品竞争。因此，任何能够减少电解槽用电量的进展，都对这项技术的未来发展具有极其重要的意义。

如今，美国康奈尔大学和香港城市大学的一组研究人员已经找到了造成这些能量损失的原因之一。有趣的是，问题竟出在水电解过程中产生的气泡这类微小事物上。

科学家们开发了一种三维计算机模型，可用于研究这些气泡如何影响电解槽的运行。研究结果表明，当气泡达到一定尺寸时，会导致维持反应所需的电压上升超过50%，从而为这类设备的改进提供了可能。

绿色氢气生产中的气泡问题

为了生产绿色氢气，人们利用太阳能或风能等可再生能源产生的电力，将水分解为氢气和氧气。这一过程被称为电解，是通过一种名为电解槽的装置来实现的。

在电解过程中，生成的气体会在电极表面形成小气泡。这些气泡会不断变大，最终脱离电极并上升穿过液体，但在附着期间可能会阻碍水与发生化学反应的区域接触。

这会导致部分活性表面被堵塞，从而增加电流通过的阻力。因此，电解槽需要施加更高的电压才能产生相同量的氢气，进而增加了该过程的电力消耗。

迄今为止，研究人员一直试图通过改变电极的形状、材料以及水的流动方式来缓解这一问题。然而，要精确计算每个气泡对能源效率的影响程度十分困难。

一项可大幅降低电力消耗的发现

为了解决这个问题，研究人员开发了一种三维数学模型，用于模拟气泡在电极上的行为。该工具能够分析微观过程，并计算它们对系统电力需求的影响。

研究结果帮助确定了泡沫的临界尺寸，一旦超过该尺寸，能量损失就会迅速增加。当泡沫尺寸低于这一临界值时，电压的进一步上升幅度可控制在3%以内。

然而，一旦超过该尺寸，所需的电压就会呈指数级上升。在特定条件下，研究人员发现，单个泡沫就可能导致电压比没有泡沫时的所需值高出50%以上。

关键在于在泡沫达到临界尺寸之前使其从电极上脱离。为此，科学家们建议设计新的几何结构与表面形态，以便于泡沫的排出，从而降低制氢过程中的能量损失。

用于开发高效电解器的速度快1000倍的模型

这项研究最有趣的方面之一就是所使用的计算机工具。科学家们成功开发出一种系统，可作为电解器的数字孪生体，精确再现其材料、几何结构及运行条件。

借助这一模型，他们无需实际制造每个原型，就能研究气泡的行为并测试不同的设计。此外，他们在保持计算精度的前提下，还将计算工作量减少了大约1000倍。

接下来的步骤将是扩展模拟范围，以分析多个气泡之间的相互作用、它们的生长方式以及彼此的结合过程。他们还希望将这项技术与优化工具和3D打印技术相结合，从而开发出有助于气体释放的电极。

降低绿色氢气成本的重要进展

这一发现的重要性与生产成本直接相关。目前，通过电解法生产一公斤氢气通常需要50到60千瓦时的电能，具体数值取决于所使用的技术。

这意味着，当电力价格为50欧元/兆瓦时，仅电力成本就使得每生产一公斤氢气需要2.50到3欧元。除此之外，还需考虑电解槽的投资、维护以及其他运营成本。

因此，提高能源效率可能会显著提升这项技术的竞争力，尤其是在那些每年生产数千吨氢气的大型工业设施中。

康奈尔大学取得的进展为解决这一问题开辟了新途径。研究人员并未仅仅专注于新的材料或电解技术，而是证明优化气泡的形成与排出过程对于降低电力消耗至关重要。

这一改进有望提升绿色氢能在钢铁、化工或化肥生产等领域的竞争力，因为在这些领域中，替代源自化石燃料的氢气是实现脱碳进程中的重大挑战之一。

来源 | Pubs.rsc