Blasenbildung aufgrund von Übersättigung im Kühlkreislauf der PEM-Elektrolyse

Dpl.-Ing. Johannes Manthey

AutorIn

Dpl.-Ing. Johannes Manthey

Titel

Blasenbildung aufgrund von Übersättigung im Kühlkreislauf der PEM-Elektrolyse

Zitierfähige Url:

https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1002936

Erstveröffentlichung

2025

Datum der Einreichung

12.06.2025

Datum der Verteidigung

07.11.2025

Abstract (DE)

In einer Proton-Exchange-Membrane (PEM) Elektrolyseanlage entsteht an der Anode Sauerstoff, der teils gasförmig und teils gelöst im Prozesswasser vorliegt. Da die Konzentration der gelösten Sauerstoffmoleküle die Löslichkeit überschreitet, kommt es zur Blasenbildung in den Rohrleitungen des Kühlkreislaufes. Ziel dieser Arbeit ist es, die zeit- und längenabhängige Abnahme der Übersättigung und damit die Entwicklung einer Zweiphasenströmung in den Rohrleitungen zwischen Stack und Gasabscheider quantitativ vorherzusagen. Auf Basis einer Literaturrecherche werden Ansätze zur Beschreibung der einzelnen Schritte der Blasenbildung – Nukleation, Wachstum, Ablösung, Aufstieg und Koaleszenz – zusammengetragen. Darauf aufbauend wird ein Zellenmodell entwickelt, das alle Aspekte der Blasenbildung von der Keimbildung bis zum Wachstum in der Strömung berücksichtigt. Eine Sensitivitätsanalyse untersucht die Einflüsse verschiedener Eingangsparameter des Modells auf die Konzentrationsänderung und identifiziert die Keimstellenanzahl, den Anfangsgasanteil und die Blasengrößenverteilung als dominierende Parameter für die Desorptionskinetik. Zur Verifikation dient ein modularer Versuchsstand mit drei verschieden langen Rohrstrecken und einem Rohrdurchmesser von 20 mm, in welchem Reynoldszahlen zwischen 6.500 und 27.000 betrachtet werden. Ein neu entwickeltes Messverfahren bestimmt dabei die Sauerstoffkonzentration im Wasser am Austritt der Versuchs-strecke; die Messunsicherheit wird systematisch quantifiziert. Die Experimente belegen, dass unter den gegebenen turbulenten Strömungsbedingungen und einer moderaten Übersättigung von 2,86 selbst nach 10 m noch etwa 50 % der ursprünglichen Übersättigung verbleiben – bei kürzeren Rohrstrecken ist der Anteil sogar noch höher. Das Modell reproduziert die Messdaten am besten mit der Blasenwachstumskorrelation nach Kress & Keyes und verdeutlicht, dass die Annäherung an das thermodynamische Gleichgewicht einer nicht zu vernachlässigten Verzögerung aufgrund der vorherrschenden Kinetik unterliegt. Übertragen auf eine industrielle 20 MW-PEM Anlage legt das Modell selbst mit konservativen Annahmen nahe, dass aufgrund der hohen angenommenen Sauerstoffübersättigung von 40 bis 70 und dem hohen Gasanteil am Stackausgang die Löslichkeit bereits innerhalb der ersten drei Meter vollständig erreicht wird. Die Arbeit leistet damit einen integralen Beitrag zur Auslegung von Rohrleitungen in PEM-Elektrolyse-Kühlkreisläufen sowie anderen zweiphasig-übersättigten Strömungen und zeigt, dass Gleichgewichtsannahmen ohne Berücksichtigung der Kinetik der Blasenentstehung zu Fehldimensionierungen führen können.

Abstract (EN)

In a proton exchange membrane (PEM) electrolyser, oxygen is generated at the anode, existing partly as a gas and partly dissolved in the process water. Because the concentration of dissolved oxygen exceeds its solubility, bubbles form in the piping of the cooling circuit. The aim of this thesis is to quantitatively predict the time- and distance-dependent decrease in supersaturation—and thus the devel-opment of a two-phase flow—in the pipes between the stack and the gas separa-tor. Drawing on an extensive literature survey, approaches for describing the individ-ual steps of bubble formation—nucleation, growth, detachment, rise and coales-cence—are compiled. On this basis, a cell model is developed that captures every aspect of bubble formation from nucleation to in-flow growth. A sensitivity analy-sis examines the influence of various input parameters on the concentration change and identifies the number of nucleation sites, the initial gas fraction and the bubble-size distribution as the dominant factors governing desorption kinet-ics. For validation, a modular test rig with three pipe sections of different lengths (20 mm inner diameter) is employed, covering Reynolds numbers between 6 500 and 27 000. A newly developed measurement technique determines the oxygen concentration in the water at each section’s outlet, and the associated uncertainty is systematically quantified. The experiments show that, under the prevailing turbulent flow conditions and a moderate super-saturation of 2.86, roughly 50 % of the initial supersaturation still remains after 10 m—and the fraction is even higher for shorter pipe lengths. The model reproduces the data best when the bubble-growth correlation of Kress & Keyes is applied, demonstrating that the approach to thermodynamic equilibrium is substantially delayed by kinetic limitations. When extrapolated to an industrial 20 MW PEM plant, the model—even with conservative assump-tions—suggests that the high oxygen super-saturation of 40 to 70 and the high gas fraction at the stack outlet provides sufficient interfacial area for the solubility limit to be reached within the first three meters. Accordingly, this work makes an integral contribution to the design of piping in PEM-electrolyser cooling circuits and other two-phase supersaturated flows, showing that equilibrium assumptions that disregard bubble-formation kinetics can lead to significant mis-sizing.

Freie Schlagwörter (DE)

Blasenbildung, Übersättigung, Desorption, Zweiphasenströmung, Blasenwachstum

Freie Schlagwörter (EN)

super-saturation, bubble evolution, bubble growth, desorption, two-phase flow

Klassifikation (DDC)

620

Klassifikation (RVK)

ZP 4150

GutachterIn