DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-25842-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41290927
تاريخ النشر: 2025-11-25
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: المحفزات الكهربائية لتحويل الطاقة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في أداء خلايا التحليل الكهربائي للمياه القلوية على نطاق صغير، مع التركيز على تأثير تركيز هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) على الكفاءة وكثافة التيار. تم تطوير نموذج عددي لمحاكاة السلوك الكهروكيميائي لخلايا التحليل الكهربائي القلوية ثنائية القطب، مع الأخذ في الاعتبار عوامل مثل الجهد القابل للعكس، والتنشيط، وفقدان الجهد الأومي، بالإضافة إلى تكوين فقاعات الغاز. أظهر النموذج توافقًا قويًا مع منحنيات الاستقطاب التجريبية، لا سيما عند جهد تشغيل يبلغ 12 فولت، مع متوسط أخطاء نسبية تتراوح من 1.4% إلى 10.5%. أشارت النتائج إلى أن زيادة تركيز KOH من 3% إلى 15% عززت بشكل كبير كثافة التيار بسبب تحسين الموصلية الأيونية، مع وصول التيار المتوقع إلى 34.28 أمبير عند 15% KOH مقارنة بـ 8.37 أمبير عند 3% KOH.
حددت الدراسة فقدان الجهد التنشيطي كمصدر رئيسي لفقدان الكفاءة عبر جميع الظروف، حيث زادت قيمته من 0.48 فولت إلى 0.91 فولت مع ارتفاع تركيز KOH. بالإضافة إلى ذلك، تم تسليط الضوء على تأثير تكوين فقاعات الغاز على فقدان الجهد، لا سيما عند كثافات التيار العالية، حيث أعاق ذلك النقل الأيوني. توقع النموذج زيادة خطية في معدلات إنتاج الهيدروجين والأكسجين مع استهلاك الطاقة، مع الحفاظ على نسبة مولية قدرها 2:1 (H₂:O₂). تشير النتائج إلى أن تحسين تركيز KOH يمكن أن يؤدي إلى تحسينات كبيرة في أداء خلايا التحليل الكهربائي، مع تطبيقات تجارية محتملة لإنتاج الهيدروجين تتجاوز 40 لتر/ساعة تحت الظروف المثلى. يجب أن تأخذ الأعمال المستقبلية في الاعتبار تقلبات درجة الحرارة وتعزز إعدادات قياس تدفق الغاز لتعكس بشكل أفضل ظروف التشغيل في العالم الحقيقي.
الطرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون تطوير أداة عددية مصممة لتقدير الأداء الكهروكيميائي لخلايا التحليل الكهربائي القلوية. يقوم النموذج بتفكيك جهد الخلية إلى مكونات قابلة للعكس وغير قابلة للعكس، مما يمكّن من محاكاة سلوك الاستقطاب تحت ظروف تشغيل مختلفة. تم تحقيق معايرة النموذج باستخدام بيانات تجريبية من تركيزات مختلفة لـ KOH، مما يسمح بتقييم معلمات الأداء الرئيسية مثل فقدان التنشيط والأومي، والكفاءة، وإنتاج الغاز. تسهل هذه الطريقة تقييم تأثيرات المحلول الكهربائي وتتحقق من موثوقية النموذج التنبؤية في التطبيقات اللامركزية وغير المتصلة بالشبكة.
شملت الإجراءات التجريبية فحوصات أمان صارمة واستخدام معدات الحماية الشخصية (PPE) قبل ملء النظام بمحلول الإلكتروليت. خضعت كل تركيزات KOH (3%، 6%، 9%، 12%، و15% w/w) لفترة استقرار مدتها 30 دقيقة عند 3 فولت لضمان تجانس حراري. بعد ذلك، تم إخضاع خلايا التحليل الكهربائي لتسلسل جهد تدريجي (3 فولت، 6 فولت، 9 فولت، و12 فولت)، مع أخذ القياسات بعد الاستقرار عند كل مستوى. تم مراقبة وتسجيل معلمات النظام، بما في ذلك الجهد، والتيار، ودرجة الحرارة، وتدفق الغاز، بدقة، مع تكرار كل تجربة ثلاث مرات لكل تركيز. أشارت النتائج إلى الحد الأقصى والمتوسط للأخطاء النسبية بين النموذج العددي والبيانات التجريبية، مما يظهر دقة النموذج عبر درجات حرارة مختلفة.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية بين المتغيرات قيد البحث، مما يشير إلى أن العلاقات المفترضة صحيحة ضمن المعلمات المختبرة. تكشف التحليلات الإحصائية أن النتائج ليست فقط ذات دلالة ولكنها أيضًا قوية، مع قيم p التي تشير إلى مستوى عالٍ من الثقة في النتائج.
علاوة على ذلك، توضح المناقشة آثار هذه النتائج، مما يضعها في السياق الأوسع للأدبيات الموجودة. يؤكد المؤلفون كيف تساهم نتائجهم في فهم الموضوع، مما قد يوجه اتجاهات البحث المستقبلية. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، ويتم اقتراح اقتراحات لمزيد من التحقيق لمعالجة هذه الفجوات وتعزيز موثوقية الاستنتاجات المستخلصة.
المناقشة
في هذا القسم، يتم تحليل الأداء الكهروكيميائي لعملية التحليل الكهربائي للمياه القلوية (AWE) من خلال مناقشة مفصلة لمساهمات الجهد المختلفة ومعايير الكفاءة. يتم نمذجة جهد الخلية ($V_{cell}$) كمجموع للجهد القابل للعكس ($V_{rev}(T,P,m)$)، وفقدان الجهد التنشيطي ($V_{act,\theta}$)، وفقدان الجهد الأومي ($V_{ohm}$)، وفقدان الجهد الناتج عن التركيز ($V_{con}$). يتأثر الجهد القابل للعكس بدرجة الحرارة، والضغط، وتركيز المحلول الكهربائي، ويمكن حسابه من خلال معادلة نيرنست المعدلة. ينشأ فقدان الجهد التنشيطي من الحواجز الحركية عند واجهات الأقطاب، بينما يأخذ فقدان الجهد الأومي في الاعتبار المقاومات داخل مكونات خلايا التحليل الكهربائي، بما في ذلك الأقطاب، والمحلول الكهربائي، والغشاء. تسلط الدراسة الضوء على أن فقدان الجهد الناتج عن التركيز يصبح مهمًا عند كثافات تيار عالية، على الرغم من أنه غالبًا ما يكون غير ذي دلالة في تطبيقات AWE العملية التي تعمل تحت 0.6 A/cm².
تشير النتائج إلى أن فقدان الجهد التنشيطي هو العامل السائد الذي يؤثر على الكفاءة، لا سيما عند كثافات التيار المنخفضة، بينما تزداد الخسائر الأومية مع كثافة التيار وتركيز KOH. يظهر التحقق من صحة النموذج مقابل البيانات التجريبية من خلايا التحليل الكهربائي القلوية توافقًا جيدًا، مع متوسط أخطاء نسبية تتراوح من 0.53% إلى 1.36%. يكشف تحليل مساهمات الجهد الداخلي أن الجهد القابل للعكس يبقى ثابتًا نسبيًا عبر تركيزات KOH المختلفة، بينما تزداد كل من فقدان الجهد التنشيطي وفقدان الجهد الأومي مع كثافة التيار. تختتم الدراسة بأن تحسين تركيز KOH يمكن أن يعزز الموصلية الأيونية ويقلل من المقاومة الداخلية، مما يحسن الأداء الكهروكيميائي العام ومعايير الكفاءة مثل كفاءة إنتاج الهيدروجين، وكفاءة فاراداي، والكفاءة الحرارية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-25842-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41290927
Publication Date: 2025-11-25
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Electrocatalysts for Energy Conversion
Overview
This research investigates the performance of small-scale alkaline water electrolysers, focusing on the effects of potassium hydroxide (KOH) concentration on efficiency and current density. A numerical model was developed to simulate the electrochemical behavior of a bipolar alkaline electrolyser, incorporating factors such as reversible voltage, activation, and ohmic overpotentials, as well as gas bubble formation. The model demonstrated strong agreement with experimental polarization curves, particularly at an operating voltage of 12 V, with mean relative errors ranging from 1.4% to 10.5%. Results indicated that increasing KOH concentration from 3% to 15% significantly enhanced current density due to improved ionic conductivity, with projected current reaching 34.28 A at 15% KOH compared to 8.37 A at 3% KOH.
The study identified activation overpotential as the primary source of efficiency loss across all conditions, with its value increasing from 0.48 V to 0.91 V as KOH concentration rose. Additionally, the impact of gas bubble formation on overpotentials was highlighted, particularly at higher current densities, where it impeded ionic transport. The model predicted a linear increase in hydrogen and oxygen production rates with energy consumption, maintaining a molar ratio of 2:1 (H₂:O₂). The findings suggest that optimizing KOH concentration can lead to significant improvements in electrolyser performance, with potential commercial applications for hydrogen production exceeding 40 L/h under optimal conditions. Future work should consider temperature variations and enhance gas flow measurement setups to better reflect real-world operational conditions.
Methods
In this section, the authors describe the development of a numerical tool designed to estimate the electrochemical performance of an alkaline electrolyser. The model decomposes cell voltage into reversible and non-reversible components, enabling the simulation of polarization behavior under varying operating conditions. Calibration of the model was achieved using experimental data from different KOH concentrations, allowing for the assessment of key performance parameters such as activation and ohmic losses, efficiency, and gas production. This approach facilitates the evaluation of electrolyte effects and validates the model’s predictive reliability in decentralized, off-grid applications.
The experimental procedure involved rigorous safety checks and the use of personal protective equipment (PPE) before filling the system with the electrolyte solution. Each concentration of KOH (3%, 6%, 9%, 12%, and 15% w/w) underwent a 30-minute stabilization period at 3 V to ensure thermal homogeneity. Subsequently, the electrolyser was subjected to a stepwise voltage sequence (3 V, 6 V, 9 V, and 12 V), with measurements taken after stabilization at each level. System parameters, including voltage, current, temperature, and gas flow, were meticulously monitored and recorded, with each trial repeated three times per concentration. The results indicated maximum and average mean relative errors between the numerical model and experimental data, demonstrating the model’s accuracy across various temperatures.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicate a strong correlation between the variables under investigation, suggesting that the hypothesized relationships hold true within the tested parameters. Statistical analyses reveal that the results are not only significant but also robust, with p-values indicating a high level of confidence in the findings.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these results, situating them within the broader context of existing literature. The authors emphasize how their findings contribute to the understanding of the subject matter, potentially guiding future research directions. Limitations of the study are acknowledged, and suggestions for further investigation are proposed to address these gaps and enhance the reliability of the conclusions drawn.
Discussion
In this section, the electrochemical performance of alkaline water electrolysis (AWE) is analyzed through a detailed discussion of the various voltage contributions and efficiency metrics. The cell voltage ($V_{cell}$) is modeled as a sum of the reversible voltage ($V_{rev}(T,P,m)$), activation overpotential ($V_{act,\theta}$), ohmic overpotential ($V_{ohm}$), and concentration overvoltages ($V_{con}$). The reversible voltage is influenced by temperature, pressure, and electrolyte concentration, calculable via a modified Nernst equation. Activation overpotential arises from kinetic barriers at the electrode interfaces, while ohmic overpotential accounts for resistances within the electrolyzer components, including electrodes, electrolyte, and membrane. The study highlights that concentration overvoltages become significant at high current densities, although they are often negligible in practical AWE applications operating below 0.6 A/cm².
The findings indicate that the activation overpotential is the dominant factor affecting efficiency, particularly at lower current densities, while ohmic losses increase with current density and KOH concentration. The model’s validation against experimental data from an alkaline electrolyzer demonstrates good agreement, with average relative errors ranging from 0.53% to 1.36%. The analysis of internal voltage contributions reveals that the reversible voltage remains relatively constant across varying KOH concentrations, while both activation and ohmic overpotentials increase with current density. The study concludes that optimizing KOH concentration can enhance ionic conductivity and reduce internal resistance, thereby improving overall electrochemical performance and efficiency metrics such as hydrogen production efficiency, Faradaic efficiency, and thermal efficiency.