DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-45418-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41986469
تاريخ النشر: 2026-04-15
المؤلف: Nouralddin H.A. Fayez وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة المتجددة الهجينة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تحسين خلية التحليل الكهربائي الرطبة ذات الألواح المتوازية لإنتاج غاز الأوكسيد الهيدروجيني (HHO)، مدفوعة بالحاجة إلى حلول طاقة مستدامة. تقيم الدراسة أربعة تكوينات (ألفا، بيتا، غاما، دلتا) تختلف في مساحة مقطع الأقطاب، وتكوين الألواح، وتركيز هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH). ظهر تكوين دلتا كالأكثر كفاءة، حيث حقق معدل تدفق HHO ذروة قدره 3.4 لتر/دقيقة، واستهلاك طاقة محدد قدره 3.1 كيلو واط·ساعة·م⁻³، وكفاءة نظام إجمالية قدرها 59.74%. بالمقابل، أظهرت التكوينات الأخرى كفاءات أقل بكثير، حيث حققت تصميمات ألفا وبيتا وغاما 13.27% و23.86% و41.9% على التوالي. يُعزى الأداء المتفوق لدلتا إلى مساحة الأقطاب الأكبر، وتكوين الألواح المحسن، وإدارة حرارية فعالة.
تؤكد النتائج على أهمية دمج التصميم الهندسي، وتكوين الأقطاب، والتحكم التشغيلي لإنتاج HHO بكفاءة. تبرز الدراسة الحاجة إلى مزيد من البحث لمعالجة التحديات مثل تدهور الأداء، وتآكل الأقطاب، وتطوير مواد فعالة من حيث التكلفة. يجب أن تركز الأعمال المستقبلية أيضًا على دمج خلية التحليل الكهربائي المحسنة مع مصادر الطاقة المتجددة وإجراء تحليلات تكلفة شاملة لتقييم الجدوى الاقتصادية. بشكل عام، يوفر مولد دلتا مخططًا واعدًا لتقدم تكنولوجيا خلايا التحليل الكهربائي الرطبة في تطبيقات إنتاج الهيدروجين اللامركزية.
الطرق
تحدد قسم المنهجية في الدراسة التصميم التجريبي المستخدم لتقييم أداء مولد الهيدروجين والأكسجين (HHO) تحت ظروف متغيرة. ركزت التحقيقات على ثلاثة معلمات رئيسية: تكوين الأقطاب (أربعة تصميمات)، تركيز الإلكتروليت (10 و20 غرام/لتر KOH)، ومساحة مقطع الألواح (حجمين). تضمنت المتغيرات الاستجابة الرئيسية معدل تدفق HHO، واستهلاك الطاقة، والطاقة المحددة، وكفاءة النظام الإجمالية. تم اختبار كل تكوين عند كلا تركيزات الإلكتروليت، مع تشغيل النظام بشكل مستمر لمدة ساعة واحدة عند جهد ثابت قدره 12 فولت لتحقيق ظروف الحالة المستقرة. تم جمع بيانات عن الجهد، والتيار، ودرجة حرارة الإلكتروليت، وحجم الغاز على فترات 5 دقائق، وتم تكرار كل حالة تجريبية ثلاث مرات لضمان الموثوقية.
تم حساب استهلاك الطاقة المحددة ($E_s$) لتقييم كفاءة عملية إنتاج HHO، باستخدام العلاقة $E_s = \frac{P}{v_{HHO}}$، حيث $P$ هو القدرة بالكيلو واط و$v_{HHO}$ هو معدل التدفق بالمتر³/ساعة. تم تحديد كفاءة النظام الإجمالية ($\eta$) من خلال نسبة محتوى الطاقة الكيميائية للهيدروجين المنتج إلى مدخل الطاقة الكهربائية، معبرًا عنها كـ $\eta = \frac{v_{H_2} \cdot \rho_{H_2} \cdot LHV_{H_2}}{P} \times 100$. هنا، $v_{H_2} = 0.66 \times V_{HHO}$ يمثل معدل تدفق الهيدروجين، مع كون $LHV_{H_2}$ هو القيمة الحرارية المنخفضة للهيدروجين. تعترف المنهجية بالانحرافات المحتملة عن النسبة المثالية للستيوكيومترية للهيدروجين إلى الأكسجين، والتي قد تؤثر على دقة حسابات الكفاءة بسبب عوامل مثل ذوبان الغاز وعدم اليقين في القياسات.
النتائج
توضح قسم النتائج النتائج التجريبية من اختبار أربعة تصميمات مختلفة لمولد HHO الرطب—ألفا، بيتا، غاما، ودلتا—تحت مجموعة من المعلمات التشغيلية. تشمل مقاييس الأداء الرئيسية التي تم تقييمها معدل تدفق HHO، واستهلاك الطاقة المحدد، وكفاءة النظام الإجمالية. تركز التحليل على تأثيرات عوامل مختلفة مثل تكوين الأقطاب، ومساحة مقطع الألواح، وتركيز الإلكتروليت، والتيار، ودرجة الحرارة على هذه المقاييس.
علاوة على ذلك، يضع النقاش النتائج في سياق المبادئ الكهروكيميائية الأساسية ويقارنها مع الأدبيات الحالية، مما يبرز آثار النتائج على تحسين أداء مولد HHO. لا يوضح هذا النهج الشامل الديناميات التشغيلية للتصميمات المختبرة فحسب، بل يساهم أيضًا في الفهم الأوسع لتكنولوجيا توليد HHO.
النقاش
تتناول قسم النقاش في ورقة البحث تصميم، وتجريب، وتقييم أداء خلية التحليل الكهربائي الرطبة ذات الألواح المتوازية لإنتاج الهيدروجين (H₂) والأكسجين (O₂) عبر التحليل الكهربائي. تبرز الدراسة مزايا تكوين الخلية الرطبة، بما في ذلك زيادة مساحة السطح والثبات، مما يسهم في معدلات إنتاج غاز أعلى. تم بناء أربعة تصميمات مختلفة من خلايا التحليل الكهربائي (ألفا، بيتا، غاما، دلتا) باستخدام أقطاب من الفولاذ المقاوم للصدأ، مع اختلافات في مساحة الأقطاب وتكوينها. ظهر مولد دلتا كالأكثر كفاءة، حيث حقق كفاءة إجمالية قصوى للنظام قدرها 59.74% واستهلاك طاقة محدد قدره 3.1 كيلو واط/م³ من غاز HHO، ويعزى ذلك إلى مساحة الأقطاب الأكبر وتصميمه المحسن الذي يقلل من كثافة التيار ويعزز الإدارة الحرارية.
تشير النتائج إلى أن زيادة تركيز هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) من 10 غرام/لتر إلى 20 غرام/لتر حسنت بشكل كبير معدلات تدفق HHO عبر جميع التكوينات بسبب زيادة الموصلية الأيونية. ومع ذلك، كانت كفاءة إنتاج الغاز متفاوتة حسب التصميم؛ حيث حافظت فقط المولدات ذات المساحة الأكبر (غاما ودلتا) على الكفاءة مع زيادة التيار، بينما عانت التصميمات ذات المساحة الأصغر (ألفا وبيتا) من عدم الكفاءة الحرارية. تؤكد الدراسة على أهمية تحقيق التوازن بين معلمات التصميم، والتحكم التشغيلي، والإدارة الحرارية لتحسين أداء الخلية التحليل الكهربائي. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية دراسات تشغيلية موسعة، ومواد أقطاب فعالة من حيث التكلفة، ودمجها مع مصادر الطاقة المتجددة لتسهيل الانتقال من النماذج الأولية في المختبر إلى تطبيقات عملية قابلة للتوسع في إنتاج الهيدروجين.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-45418-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41986469
Publication Date: 2026-04-15
Author(s): Nouralddin H.A. Fayez et al.
Primary Topic: Hybrid Renewable Energy Systems
Overview
This research investigates the optimization of a parallel-plate wet-cell electrolyzer for the production of oxyhydrogen (HHO) gas, driven by the need for sustainable energy solutions. The study evaluates four configurations (Alpha, Beta, Gamma, Delta) differing in electrode cross-sectional area, plate configuration, and potassium hydroxide (KOH) concentration. The Delta configuration emerged as the most efficient, achieving a peak HHO flow rate of 3.4 L/min, a specific energy consumption of 3.1 kWh·m⁻³, and an overall system efficiency of 59.74%. In contrast, the other configurations exhibited significantly lower efficiencies, with the Alpha, Beta, and Gamma designs achieving 13.27%, 23.86%, and 41.9%, respectively. The Delta’s superior performance is attributed to its larger electrode area, optimized plate configuration, and effective thermal management.
The findings underscore the importance of integrating geometric design, electrode configuration, and operational control for efficient HHO production. The study highlights the need for further research to address challenges such as performance degradation, electrode corrosion, and the development of cost-effective materials. Future work should also focus on integrating the optimized electrolyzer with renewable energy sources and conducting comprehensive cost analyses to assess economic viability. Overall, the Delta generator provides a promising blueprint for advancing wet-cell electrolyzer technology in decentralized hydrogen production applications.
Methods
The methodology section of the study outlines the experimental design used to evaluate the performance of a hydrogen and oxygen (HHO) generator under varying conditions. The investigation focused on three primary parameters: electrode configuration (four designs), electrolyte concentration (10 and 20 g/L KOH), and plate cross-sectional area (two sizes). Key response variables included HHO flow rate, power consumption, specific energy, and overall system efficiency. Each configuration was tested at both electrolyte concentrations, with the system operated continuously for one hour at a constant voltage of 12 V to achieve steady-state conditions. Data on voltage, current, electrolyte temperature, and gas volume were collected at 5-minute intervals, and each experimental condition was replicated three times to ensure reliability.
Specific energy consumption ($E_s$) was calculated to assess the efficiency of the HHO production process, using the relationship $E_s = \frac{P}{v_{HHO}}$, where $P$ is the power in kW and $v_{HHO}$ is the flow rate in m³/h. The overall system efficiency ($\eta$) was determined by the ratio of the chemical energy content of the produced hydrogen to the electrical energy input, expressed as $\eta = \frac{v_{H_2} \cdot \rho_{H_2} \cdot LHV_{H_2}}{P} \times 100$. Here, $v_{H_2} = 0.66 \times V_{HHO}$ represents the hydrogen flow rate, with $LHV_{H_2}$ being the lower heating value of hydrogen. The methodology acknowledges potential deviations from the ideal stoichiometric ratio of hydrogen to oxygen, which may impact the accuracy of the efficiency calculations due to factors such as gas dissolution and measurement uncertainties.
Results
The results section details the experimental outcomes from testing four distinct wet-cell HHO generator designs—Alpha, Beta, Gamma, and Delta—under a range of operational parameters. Key performance metrics evaluated include HHO flow rate, specific energy consumption, and overall system efficiency. The analysis focuses on the effects of various factors such as electrode configuration, plate cross-sectional area, electrolyte concentration, current, and temperature on these metrics.
Furthermore, the discussion contextualizes the findings within fundamental electrochemical principles and compares them with existing literature, highlighting the implications of the results for optimizing HHO generator performance. This comprehensive approach not only elucidates the operational dynamics of the tested designs but also contributes to the broader understanding of HHO generation technology.
Discussion
The discussion section of the research paper details the design, experimentation, and performance evaluation of a parallel-plate wet-cell electrolyzer for hydrogen (H₂) and oxygen (O₂) production via electrolysis. The study highlights the advantages of a wet-cell configuration, including enhanced surface area and stability, which contribute to higher gas production rates. Four distinct electrolyzer designs (Alpha, Beta, Gamma, Delta) were constructed using stainless steel electrodes, with variations in electrode area and configuration. The Delta generator emerged as the most efficient, achieving a peak overall system efficiency of 59.74% and a specific energy consumption of 3.1 kWh/m³ of HHO gas, attributed to its larger electrode area and optimized design that minimizes current density and enhances thermal management.
The findings indicate that increasing the potassium hydroxide (KOH) concentration from 10 g/L to 20 g/L significantly improved HHO flow rates across all configurations due to enhanced ionic conductivity. However, the efficiency of gas production varied with design; only the larger-area generators (Gamma and Delta) maintained efficiency with increased current, while the smaller-area designs (Alpha and Beta) suffered from thermal inefficiencies. The study emphasizes the importance of balancing design parameters, operational control, and thermal management to optimize electrolyzer performance. Future research directions include extended operational studies, cost-effective electrode materials, and integration with renewable energy sources to facilitate the transition from laboratory prototypes to scalable, practical applications in hydrogen production.