Magnesy i produkcja wodoru — elektrolizer zużywający mniej energii
Elektroliza wody pozwala wytwarzać wodór z energii elektrycznej. Jeżeli energia ta pochodzi ze źródeł odnawialnych, taki wodór często określa się mianem zielonego wodoru.
Jest to jednak pewne uproszczenie, ponieważ formalne kryteria klasyfikacji mogą uwzględniać również inne warunki związane ze sposobem wytwarzania energii i bilansem emisji. Jednym z głównych wyzwań technologii elektrolizy pozostaje wysokie zużycie energii. Z tego powodu naukowcy od lat badają, czy część strat występujących w elektrolizerze można ograniczyć za pomocą odpowiednio dobranego pola magnetycznego. Jednak nawet mocny magnes neodymowy ani żaden inny magnes nie dostarcza energii potrzebnej do rozkładu wody.
Gdzie elektrolizer traci energię?
Podczas elektrolizy na katodzie powstaje wodór, a na anodzie tlen. Teoretycznie do rozkładu wody potrzebne jest określone minimalne napięcie wynikające z termodynamiki reakcji. W rzeczywistych urządzeniach konieczne jest jednak zastosowanie wyższego napięcia. Wynika to między innymi z nadnapięć elektrodowych, oporu elektrycznego elementów układu oraz ograniczeń transportu masy.
Istotnym czynnikiem są również pęcherzyki gazów powstające na powierzchni elektrod. Mogą one częściowo zasłaniać aktywne miejsca katalityczne, zwiększać lokalny opór elektryczny oraz utrudniać kontakt elektrolitu z powierzchnią elektrody. Wszystkie te zjawiska powodują dodatkowe straty energii.
Jak pole magnetyczne może pomagać?
Jednym z najczęściej analizowanych mechanizmów jest efekt magnetohydrodynamiczny (MHD). W uproszczeniu na poruszające się w elektrolicie ładunki działa w polu magnetycznym siła Lorentza. W odpowiedniej konfiguracji może ona generować przepływy przewodzącej cieczy, poprawiając transport jonów oraz usuwanie produktów reakcji z powierzchni elektrod.
Pole magnetyczne może także wpływać na zachowanie pęcherzyków gazu, przede wszystkim pośrednio poprzez zmianę przepływu elektrolitu i warunków ich odrywania się od powierzchni elektrody. Dzięki temu powierzchnia katalizatora może pozostawać lepiej dostępna dla elektrolitu.
Nie oznacza to jednak, że przyłożenie dowolnego magnesu do dowolnego elektrolizera automatycznie poprawi jego sprawność. Kluczowe znaczenie mają natężenie pola magnetycznego, jego kierunek względem przepływu prądu, geometria ogniwa, konstrukcja elektrod oraz warunki pracy urządzenia.
Nie tylko MHD — pole magnetyczne może wpływać również na katalizator
Warto rozróżnić dwa odmienne mechanizmy. W pracy opublikowanej w Nature Energy w 2019 r. wykazano, że pole magnetyczne o natężeniu do 450 mT zwiększało aktywność magnetycznych katalizatorów reakcji wydzielania tlenu (OER). Dla niektórych materiałów wzrost gęstości prądu przekraczał 100%, natomiast dla odpowiednio modyfikowanej pianki niklowej aktywność wzrastała o około 40%.
Autorzy wiązali ten efekt przede wszystkim z właściwościami magnetycznymi i spinowymi materiału katalitycznego, a nie ze zwykłym mieszaniem elektrolitu. Oznacza to, że pole magnetyczne może nie tylko poprawiać transport masy, ale również wpływać bezpośrednio na przebieg reakcji elektrochemicznych na powierzchni katalizatora.
Późniejsze badanie opublikowane w 2024 r., przeprowadzone z wykorzystaniem niemagnetycznych elektrod, pozwoliło wyraźniej rozdzielić oba mechanizmy. Autorzy wykazali, że w przypadku reakcji wydzielania tlenu wpływ poprawionego transportu masy był stosunkowo niewielki. Znacznie większe korzyści obserwowano natomiast w procesach silnie ograniczonych dyfuzją reagentów. Pokazuje to, że pod pojęciem „magnetycznie wspomaganej elektrolizy” kryje się kilka różnych zjawisk fizycznych, których znaczenie zależy od konkretnego układu.
Jak interpretować wyniki badań?
W publikacjach naukowych można spotkać różne wskaźniki poprawy działania elektrolizera. Czasami podawany jest wzrost gęstości prądu przy tym samym napięciu, czasami większa produkcja wodoru, a w innych pracach spadek zużycia energii dla określonego trybu pracy urządzenia.
Nie są to wielkości równoważne. Na przykład wzrost gęstości prądu przy stałym napięciu nie oznacza automatycznie identycznego procentowo spadku energii potrzebnej do wyprodukowania kilograma wodoru. Podobnie większa produkcja wodoru nie musi oznaczać proporcjonalnego wzrostu sprawności energetycznej. Dlatego wyniki różnych badań należy porównywać ostrożnie.
Od laboratorium do przemysłowego elektrolizera
Szczególnie interesujące wyniki uzyskano w przemysłowym alkalicznym elektrolizerze opisanym w 2024 r. W najlepszej konfiguracji pola magnetycznego gęstość prądu przy napięciu 2 V wzrosła o 28,48%. W osobnym eksperymencie prowadzonym przy stałym prądzie zużycie energii elektrycznej DC spadło o 6,2%.
To właśnie drugi wynik stanowi najmocniejszą przesłankę wskazującą, że odpowiednio zaprojektowany układ magnetyczny może rzeczywiście ograniczać energochłonność procesu elektrolizy. Wzrost gęstości prądu jest istotnym parametrem technicznym, jednak to bezpośredni pomiar zużycia energii najlepiej pokazuje potencjalne korzyści ekonomiczne.
W kolejnych badaniach wykazano jeszcze inny możliwy mechanizm działania pola magnetycznego. Magnetycznie indukowana konwekcja zwiększała lokalne stężenie śladowych jonów żelaza w pobliżu niklowej anody, co sprzyjało powstawaniu większej liczby aktywnych miejsc katalitycznych odpowiedzialnych za wydzielanie tlenu.
W przemysłowym urządzeniu pracującym przy napięciu 1,8 V i temperaturze 80°C uzyskano 24,9% większą produkcję wodoru niż bez zastosowania pola magnetycznego. Nie oznacza to jednak automatycznie ani 24,9% wyższej sprawności energetycznej, ani 24,9% mniejszego zużycia energii na kilogram wodoru. Do takiego wniosku potrzebny byłby pełny bilans energetyczny całego procesu.
Dlaczego właśnie magnesy neodymowe?
Magnesy neodymowe są szczególnie interesujące z punktu widzenia praktycznych zastosowań, ponieważ przy niewielkich rozmiarach mogą generować bardzo silne pole magnetyczne. Co ważne, po umieszczeniu w układzie nie wymagają stałego zasilania elektrycznego, jak ma to miejsce w przypadku elektromagnesów.
Nie oznacza to jednak, że wystarczy umieścić przypadkowy magnes obok elektrody. Aby uzyskać korzystny efekt, konieczne jest odpowiednie zaprojektowanie geometrii pola magnetycznego, rozmieszczenia magnesów oraz całej konstrukcji elektrolizera. Dodatkowo należy uwzględnić wpływ temperatury, korozji i agresywnego środowiska chemicznego na trwałość zastosowanych materiałów.
Magnetyczna elektroliza w kosmosie
Jeszcze większe znaczenie pole magnetyczne może mieć w warunkach mikrograwitacji.
Na Ziemi pęcherzyki gazu odrywają się od elektrod między innymi dzięki sile wyporu. W przestrzeni kosmicznej mechanizm ten jest znacznie słabszy, co utrudnia pracę elektrolizerów.
W badaniu opublikowanym w Nature Chemistry w 2025 r. wykorzystano komercyjne magnesy neodymowe do przemieszczania elektrolitu oraz pęcherzyków gazu bez użycia pomp, mieszadeł czy wirówek. W jednym z eksperymentalnych układów gęstość prądu wzrosła nawet o 240%.
Jest to jednak szczególny przypadek związany z warunkami mikrograwitacji i nie można bezpośrednio przenosić tych wyników na typowe instalacje pracujące na Ziemi. Mimo to badanie dobrze pokazuje potencjał odpowiednio zaprojektowanych pól magnetycznych. Żaden magnes nie dostarcza energii potrzebnej do rozkładu wody, ale może natomiast ograniczać część strat występujących w rzeczywistym urządzeniu, dzięki czemu proces elektrolizy staje się bardziej efektywny.
Bibliografia
- Garcés-Pineda F.A., Blasco-Ahicart M., Nieto-Castro D., López N., Galán-Mascarós J.R., „Direct magnetic enhancement of electrocatalytic water oxidation in alkaline media”, Nature Energy, 4, 519–525, 2019.
https://doi.org/10.1038/s41560-019-0404-4 - Vensaus P., Liang Y., Ansermet J.-P., Soler-Illia G.J.A.A., Lingenfelder M. i in., „Enhancement of electrocatalysis through magnetic field effects on mass transport”, Nature Communications, 15, 2867, 2024.
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46980-8 - Zhao P., Wang J., Xia H., He W., „A novel industrial magnetically enhanced hydrogen production electrolyzer and effect of magnetic field configuration”, Applied Energy, 367, 123402, 2024.
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.123402 - Li H., Fang J., Huang D. i in., „Magnetic field–enhanced alkaline water electrolysis from laboratory to industry”, Proceedings of the National Academy of Sciences, 123(7), e2522696123, 2026.
https://doi.org/10.1073/pnas.2522696123 - Li Y.-H., Chen Y.-J., „The effect of magnetic field on the dynamics of gas bubbles in water electrolysis”, Scientific Reports, 11, 9346, 2021.
https://doi.org/10.1038/s41598-021-87947-9 - Binns M., „Methods for Enhancing Electrolysis for Hydrogen Production: The Benefits of Applying Magnetic Fields”, Energies, 17(19), 4897, 2024.
https://doi.org/10.3390/en17194897 - Akay Ö., Monfort-Castillo M., St Francis T. i in., „Magnetically induced convection enhances water electrolysis in microgravity”, Nature Chemistry, 17, 1673–1679, 2025.
https://doi.org/10.1038/s41557-025-01890-0