Simultane Messung des Geschwindigkeitsfeldes und der Blasentrajektorien in einer ungeteilten Elektrolysezelle

Die Effizienz bei der Wasserstoffelektrolyse wird durch die Bedeckung der aktiven Elektrodenoberfläche durch die entstehenden Wasserstoff- und Sauerstoffblasen beeinträchtigt. Zur Effizienzsteigerung werden derzeit Strömungsbeeinflussungsmethoden untersucht, die zum beschleunigten Ablösen der Gasblasen von den Elektrodenoberflächen führen und so die Oberfläche schneller zur erneuten Reaktion freigeben. Zur Entwicklung solcher Strömungsbeeinflussungsmethoden müssen die hierdurch hervorgerufenen Strömungseffekte verstanden werden. Dies setzt die Kenntnis des Strömungsfeldes an der Elektrode und um die Gasblasen voraus. Im Sinne einer Machbarkeitsstudie zur gemeinsamen Messung von Gasblasenbewegung und umgebenden Strömungsfeld wurden hierzu im Rahmen der dargelegten Experimente in einer Wasserstoffelektrolysezelle simultane Messungen des Geschwindigkeitsfeldes und der Gasblasenbeladung durchgeführt. Zur Geschwindigkeitsmessung wurden fluoreszente Partikel mit einer sCMOS-Kamera beobachtet und deren Bewegung mittels PIV (Particle Image Velocimetry) ausgewertet. Die Gasblasen wurden hingegen durch Hintergrundbeleuchtung im Durchlichtverfahren mit einer weiteren sCMOS-Kamera aufgenommen und deren Bewegung mittels PTV (Particle Tracking Velocimetry) bestimmt. Zur Strömungsbeeinflussung wurden mit Hilfe eines Permanentmagneten Lorentzkräfte erzeugt. Abhängig von der vorherrschenden Stromstärke kann eine deutliche Beschleunigung der Strömung und Gasblasen durch die Lorentzkräfte festgestellt werden. Sowohl die Messung der Strömungsgeschwindigkeiten als auch der Blasenbewegung in unmittelbarer Wandnähe war aufgrund der dort vorherrschenden hohen Gasbeladung mit großen Unsicherheiten behaftet. Außerhalb dieses Bereiches konnten die Blasenbewegungen bestimmt und deren Einfluss auf das umgebende Strömungsfeld visualisiert werden. In Abhängigkeit des Blasendurchmessers führen die Blasen eine wellenförmige Aufwärtsbewegung parallel zur Elektrode aus, die mit dem elektrodennahen wellenförmigen Blasenteppich zusammenhängen oder auf Nachlaufinstabilitäten zurückzuführen sein könnte.