Investigation of bubble behaviour in alkaline water electrolysis and its impact on ohmic resistance

Increasing the efficiency of commercial alkaline water electrolyzers is crucial for the energy transition. This technology suffers from high ohmic losses due to the formation of gas bubbles, which limits its use at high current densities. This results in increased costs for H₂ production. Electrogenerated bubbles show quite complex behaviour, which requires a combination of methods to elucidate. In this work, a secondary current distribution was used with the experimental ohmic resistance measurements to quantify the void fractions in electrolysis cells. Moreover, bubble imaging experiments were conducted to understand how O₂ and H₂ bubbles behave differently, which was supported with the use of a simple Lagrangian Bubble Tracking code which does not require the solution of Navier-Stokes equations. The introduction of an anode-diaphragm gap was observed to increase the void fractions compared to the zero-gap configuration, despite more room for bubbles to move. This was linked to uneven spacing between the anode and the diaphragm and the large size of O₂ bubbles. A cathode-diaphragm gap of 0.2 mm was observed to decrease the void fractions, which was linked to the small size of H₂ bubbles. The increase in calculated void fractions for a cathode-diaphragm gap of 0.5 mm was speculated to be relevant to decreased electrolyte velocities. Catalyst coatings have been shown to increase the void fractions in the electrode-diaphragm gaps significantly by altering the current distribution in the cell. The catalyst coating on the anodic half-cell was shown to increase the void fractions more than a catalyst coating on the cathodic half-cell. Bubble imaging experiments using lenses with different magnification rates showed large O₂ bubbles sticking to the anode and small H₂ bubbles gliding over the cathode. The potential switch experiments between Faradaic and Non-Faradaic voltage values suggested electrostatic forces that are very low in magnitude, leaving solutal Marangoni forces as the main candidate for different behaviour in O₂ and H₂ bubbles. The model used to simulate the bubble behaviour quantitatively showed that the solutal Marangoni forces can explain the behaviour of O₂ and H₂ bubbles. However, the model did not have high accuracy in terms of correctly predicting bubble sizes at varying current densities since no forces resulting from bubble coalescence and surface tension were included. Also, the low number of bubbles tracked decreased the accuracy of the simulations.

Aumentare l'efficienza degli elettrolizzatori alcalini commerciali per l'acqua è cruciale per la transizione energetica. Questa tecnologia soffre di elevate perdite ohmiche dovute alla formazione di bolle di gas, che ne limita l'uso ad alte densità di corrente. Ciò comporta un aumento dei costi per la produzione di H₂. Le bolle elettrogenerate mostrano un comportamento piuttosto complesso, che richiede una combinazione di metodi per essere chiarito. In questo lavoro, è stata utilizzata una distribuzione di corrente secondaria con le misure sperimentali della resistenza ohmica per quantificare le frazioni di vuoto nelle celle di elettrolisi. Inoltre, sono stati condotti esperimenti di imaging delle bolle per comprendere come le bolle di O₂ e H₂ si comportano diversamente, supportati dall'uso di un semplice codice di tracciamento lagrangiano delle bolle che non richiede la risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes. L'introduzione di un gap anodo-diaframma ha mostrato di aumentare le frazioni di vuoto rispetto alla configurazione a gap zero, nonostante ci sia più spazio per il movimento delle bolle. Questo è stato collegato alla spaziatura irregolare tra l'anodo e il diaframma e alle grandi dimensioni delle bolle di O₂. Un gap catodo-diaframma di 0.2 mm ha mostrato di diminuire le frazioni di vuoto, collegato alle piccole dimensioni delle bolle di H₂. L'aumento delle frazioni di vuoto calcolate per un gap catodo-diaframma di 0.5 mm è stato ipotizzato essere rilevante per le velocità dell'elettrolita diminuite. È stato dimostrato che i rivestimenti catalitici aumentano significativamente le frazioni di vuoto nei gap elettrodo-diaframma alterando la distribuzione di corrente nella cella. Il rivestimento catalitico sulla semicella anodica ha mostrato di aumentare le frazioni di vuoto più di un rivestimento catalitico sulla semicella catodica. Gli esperimenti di imaging delle bolle utilizzando lenti con diversi tassi di ingrandimento hanno mostrato grandi bolle di O₂ che si attaccano all'anodo e piccole bolle di H₂ che scivolano sul catodo. Gli esperimenti di commutazione del potenziale tra valori di tensione faradici e non-faradici hanno suggerito forze elettrostatiche di magnitudine molto bassa, lasciando le forze di Marangoni solutali come principale candidato per il diverso comportamento delle bolle di O₂ e H₂. Il modello utilizzato per simulare quantitativamente il comportamento delle bolle ha mostrato che le forze di Marangoni solutali possono spiegare il comportamento delle bolle di O₂ e H₂. Tuttavia, il modello non ha avuto alta accuratezza in termini di previsione corretta delle dimensioni delle bolle a densità di corrente variabili poiché non sono state incluse forze risultanti dalla coalescenza delle bolle e dalla tensione superficiale. Inoltre, il basso numero di bolle tracciate ha diminuito l'accuratezza delle simulazioni.