Experimente zur blasengetriebenen Strömung bei der Wasserelektrolyse

Der steigende Bedarf an Stromspeicherkapazitäten durch den Ausbau von Windkraft– und Photovoltaikanlagen erfordert neue oder die Optimierung bereits bestehender Konzepte.
Durch die Elektrolyse von Wasser kann elektrischer Strom flexibel in Form von Wasserstoff gespeichert werden. Aktuelle alkalische Wasserelektrolyseure wandeln nur 60–70 % des eingesetzten Stroms in Wasserstoff um. Besonders die Überspannungen an den Elektroden, unter anderem hervorgerufen durch die Ansammlung von Gasblasen, haben großen Anteil an den Verlusten.
Durch den Aufbau einer Versuchselektrolysezelle konnte das Geschwindigkeitsfeld der Elektrolytflüssigkeit umfangreich untersucht werden. Die Auswertung erfolgte über Particle Image Velocimetry und Particle Tracking Velocimetry aufeinanderfolgender Bilder einer Highspeed-Kamera. Es zeigte sich, wie in anderen Arbeiten bereits untersucht, dass die Veränderungen von Elektrodenabstand und angelegter Stromdichte entscheidende Einflussfaktoren auf die Effektivität der Stoffumwandlung sind. Am Blasenvorhang wurde die Fluktuation von auftretenden Wellenbergen und –tälern untersucht. Die regelmäßige Frequenz könnte in einen Zusammenhang mit der Geschwindigkeit der Einzelblasenentstehung stehen.
Das gezielte Einbringen eines Magnetfelds in den Elektrodenzwischenraum induziert eine zusätzliche Kraft, die Lorentzkraft. Diese verursacht, nach oben orientiert, starke Beschleunigungen des Gasblasenauftriebs und der Flüssigkeitsströmung. Darstellungen von Geschwindigkeitsprofilen und –verteilungen verdeutlichen die Auswirkungen unterschiedlicher Magnetfeldkonfigurationen.
Mit Hilfe des Durchlichtverfahrens konnten die Wasserstoffeinzelblasen abgebildet werden. Die Auswertung über Bildverarbeitungsverfahren zeigte die Veränderung der Gasblasengrößen und die optimierende Wirkung der induzierten Lorentzkräfte auf die Strömung an der Phasengrenzfläche.
Im Ergebnis wurden die Geschwindigkeitsverteilungen im Zwischenraum der Elektrode umfassend charakterisiert. Es zeigte sich, dass das Anlegen eines Magnetfelds durch die Verringerung der Überspannungen an den Elektroden einen signifikanten Beitrag zur Wirkungsgradsteigerung der alkalischen Elektrolyse leisten kann. Die konstruktive Umsetzung dieses Konzepts für den industriellen Einsatz sollte zukünftig weiter untersucht werden.