研究表明，微小气泡可能使绿氢能耗增加50%以上。

康奈尔大学的新模型揭示了气泡在水电解过程中如何浪费能量。

美国研究人员开发出一种三维（3D）计算机模型，通过揭示气泡在水电解过程中如何浪费能量，有望大幅提高绿氢生产效率。该计算工具由纽约康奈尔大学的科学家与香港城市大学的同事共同创建。它揭示了水电解过程中形成的微小气泡如何干扰制氢并增加电力消耗。

与此同时，研究团队确定了一个临界气泡尺寸，超过该尺寸后能量损失会上升。他们的模拟表明，将气泡保持在这一阈值以下，可将单个气泡导致的额外电压需求限制在3%以内。该3D模型还采用了一种计算方法，可将运行模拟所需的工作量减少约1000倍，同时不损害数值精度。科学家希望这些发现能使绿氢的生产成本大幅降低。

为什么气泡尺寸很重要

绿氢是一种清洁能源燃料，通过水电解将水（H₂O）分解为氢气和氧气制得，整个过程完全由太阳能或风能等可再生能源供电。其生产过程中不排放二氧化碳（CO₂），这意味着它可以在炼钢和化工制造等行业中提供比化石燃料更清洁的替代方案。

然而，该过程中形成的氢气和氧气气泡构成了重大挑战。当电流通过电解槽时，这些气泡会在发生化学反应的电极上形成。因此，它们可能阻塞活性反应位点、阻止水到达电极表面，或干扰带电粒子的运动。这导致电解槽需要消耗更多电力来制氢。

为解决这一问题，研究团队长期以来一直尝试改变电极形状、调节液体流动以及修改表面性质，以帮助气泡更容易脱离。然而，计算单个气泡造成的精确能量损失仍然困难。

“在实验上，要分离气泡在每个单独尺度上的影响确实极具挑战性，”康奈尔大学西布利机械学院助理教授、该研究主要作者之一Lenan Zhang博士指出。

一种革命性方法

在该项目中，团队构建了一个3D数学模型，可模拟跨越八个长度数量级的过程。据香港城市大学机械工程学副教授、该研究第二主要作者Weihong Li博士介绍，它的作用就像电解槽的数字孪生。它可以再现真实的电极形状、材料和运行条件，同时揭示难以通过实验观察的微观过程。借助该模型，研究人员能够检查碱性电解槽电极上的单个氢气泡。

他们发现，当气泡阻塞活性电极表面时，造成的能量损失最大。此外，他们成功确定了一个临界气泡半径。一旦气泡超过该尺寸，电解所需的额外电压就会呈指数上升。在某些模拟条件下，这一额外电压可能超过无气泡时所需电压的50%。此外，科学家证实，临界尺寸取决于电极几何形状以及液体在其表面铺展的难易程度。

他们认为，可以通过设计在气泡变得过大之前就将其释放的电极来提高效率。该团队现在计划扩展模型，以测试多个气泡如何生长、合并和相互作用。他们还旨在将该技术与计算优化和3D打印相结合，以开发更高效的电极设计。该研究已发表在《EES Catalysis》期刊上。

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