Radiographie von Gas-Flüssig-Zweiphasenströ­mungen in porösen Materialien

Teil des Projekts OxySep

Kontaktpersonen:      Prof. Dr. et Ing. habil. Kerstin Eckert, Dr. Xuegeng Yang,
Dr.-Ing. Karin Schwarzenberger

Projektbearbeiter:      Dr.-Ing. Tobias Lappan

Motivation

Mit dem wachsenden Bedarf an erneuerbaren Energien und dem Ziel der Klimaneutralität rückt H₂ aufgrund seiner hohen Effizienz und leichten Transportierbarkeit in den Fokus zukünftiger Energiesysteme.

Die Elektrolyse von Wasser stellt die Hauptquelle für H₂ dar. Während der Prozess selbst und die Keimbildung des Wasserstoffs gut verstanden sind, gibt es immer noch Wissenslücken in Bezug auf die O₂-Blasen, was ein Grund dafür ist, dass diese Systeme derzeit keine maximale Effizienz erreichen können.

Ziele

• Visualisierung der Entstehung und des Transports der O₂-Blasen im porösen Anodenmaterial mittels Röntgen- und Neutronenradiographie
• Entwicklung und Durchführung von Modellexperimenten zur Charakterisierung der Gasentwicklung und des Gastransports durch die Wasserströmung entlang der Anode unter definierten Bedingungen
• Flexibilität des Versuchsaufbaus hinsichtlich der untersuchenden porösen Materialien und deren Abmessungen sowie der Versuchs- bzw. Strömungsbedingungen

Methoden

• Radiographie mit Röntgen- und Neutronenstrahlung zur bildgebenden Strömungsmessung in einem Messfeld von ca. 100 mm x 100 mm und mit einer Bildfrequenz von max. 100 fps
• generisches Strömungsexperiment: Gasblasenerzeugung mittels Einleitung von Druckluft durch eine oder mehrere Düsen in die gegen- oder querströmende Flüssigphase innerhalb des porösen Materials
• Röntgenradiographie eignet sich, aufgrund der materialspezifischen Abschwächung der Strahlung, für die Strömungsvisualisierung innerhalb von porösen polymeren Materialien, Neutronenradiographie dagegen insbesondere für metallischen Materialien
• Neutronenradiographie bietet außerdem die Möglichkeit, die Strömungsfront der Flüssigphase sichtbar zu machen, indem herkömmliches Wasser (H₂O) teilweise durch schweres Wasser (Deuteriumoxid, D₂O), das Neutronen weniger stark absorbiert, ersetzt wird

Durchführung von röntgenradiographischen Messungen im Röntgenlabor am HZDR; Neutronenradiographie in Kooperation mit dem „Laboratory for Neutron Scattering and Imaging“ an der Spallations-Neutronenquelle (SINQ) des Schweizer Paul Scherrer Instituts (PSI), jährlich ein oder zwei mehrtägige Messkampagnen