基于机理指导的低成本碱性水电解制氢实验与CFD优化

《International Journal of Hydrogen Energy》：Mechanism-guided experimental and CFD optimization of low-cost alkaline water electrolysis for hydrogen production

　　摘要
低成本碱性水电解是一种用于分散式氢气生产的实用方法，但其优化并非仅通过电解质类型和电极数量的经验比较即可实现。本研究结合实验室实验与COMMENT-Code（燃烧数学与能量传输代码）的CFD建模，旨在揭示控制紧凑型碱性电解槽的电化学、热学及气体传输机制。研究采用了不同浓度的NaOH和KOH电解质，搭配不同板数的SS316L电极组，通过氢气产率、法拉第效率、比能耗、温度上升行为、电流密度分布、气体体积分数以及活性区域利用率等指标对性能进行评估。结果表明，提高电解质浓度可改善离子传输性能，而KOH相比NaOH具有更高的产率且欧姆损耗更低。经过优化的20%重量百分比KOH/6板配置可在约25分钟内产生5升氢气，法拉第效率达89.6%，氢气的比能耗为70瓦时/升。CFD模拟结果表明，过高的电极板密度会导致气泡积聚和电流分布不均，从而使得性能提升效果逐渐减弱。

引言
氢气生产已成为从化石能源体系向低碳及可再生能源技术过渡过程中最重要的研究方向之一。氢气可作为清洁燃料、化学原料、能量储存介质，还能在间歇性可再生能源与交通、工业、发电及分布式能源系统等终端应用之间起到桥梁作用[[1], [2], [3]]。在现有的氢气生产方法中，水电解因其能够利用电能直接从水中制取氢气，且与可再生能源结合使用时可实现几乎无碳排放的绿色氢气生产，因而备受关注[4,5]。目前已有多种电解技术被开发出来，包括质子交换膜电解、固体氧化物电解、阴离子交换膜电解以及碱性水电解。在这些技术中，碱性水电解因其结构相对简单、可使用非贵重电极材料、操作条件温和，以及能与氢氧化钠和氢氧化钾等低成本碱性电解质兼容，仍是最成熟且最具实用价值的技术[[6], [7], [8]]。这些优势使得碱性电解特别适合用于实验室规模、教育用途、分散式以及低成本氢气生产系统。

在碱性水电解过程中，氢气在阴极通过析氢反应生成，而氧气则在阳极通过析氧反应产生。电解质为电极之间提供离子导电性，其化学成分、浓度、温度及纯度会直接影响电池电阻、反应动力学、气体生成速率以及整体能源效率[[9], [10], [11]]。由于高离子导电性和良好的电化学性能，氢氧化钾通常是更优选择；而氢氧化钠则因成本较低、易获取且易于处理而具有吸引力[[12], [13], [14]]。不过，在选择NaOH与KOH时不应仅依据氢气产率，因为电解质成本、热稳定性、安全性、气体纯度以及长期耐用性同样是实际氢气生产中需要考虑的重要因素。

电解质浓度是另一个影响碱性电解槽性能的关键参数。通常情况下，提高浓度可提升离子导电性并降低欧姆电阻，从而增强氢气产量[15,16]。然而，过高的浓度可能会增加溶液粘度、降低离子迁移速度、加剧腐蚀，还会带来安全与操作方面的问题。相反，过低的电解质浓度则可能导致较高的电阻，进而引发过度的焦耳热效应并使系统运行不稳定[17,18]。因此，必须综合考虑氢气产量、能源需求、热行为以及运行稳定性，才能确定最佳的电解质浓度。

电极配置也在氢气生产中起着关键作用。增加电极板的数量可扩大电化学活性表面积、改善电流分布并提升气体生成速率[19,20]。不过，电极板数量的影响并非呈线性关系。电极板间距过近或数量过多可能会导致气泡积聚、增加气泡阻力、干扰电解质流动、造成电流密度分布不均，以及产生局部温度梯度[21,22]。因此，虽然更多电极板可能产生更多气体，但并不一定能带来更高的法拉第效率或更低的比能耗。这凸显出需要借助标准化性能指标来评估电极几何结构，而不仅仅依赖产生的氢气总量。

以往的研究已探讨了碱性氢气生产的多个方面，包括电解质类型、浓度、电极材料、电极表面积、操作温度、电流密度以及电解槽设计，具体内容见表1。Zeng和Zhang[6]对碱性水电解进行了综述，指出电极改性、电解质优化以及改进气泡去除措施对于降低过电势和提高效率至关重要。Kaninski等人[23]证明，经过活化的镍基电极可降低碱性氢气生产过程中的能耗。其他研究则表明，电极材料的选择、表面积以及纳米结构设计能够显著提升析氢反应动力学，进而提高氢气产出量[[24], [25], [26]]。

关于NaOH和KOH电解质的影响也已有大量研究。先前的研究显示，这两种电解质都能支持高效的碱性电解，但由于KOH具有更高的离子导电性和更低的过电势损失，其性能通常略优[[12], [13], [14]]。另有研究指出，电解质浓度和温度会显著影响电解效率，适度到较高的浓度通常有助于提升氢气产量，直到粘度和物质传输限制开始起主导作用[[15], [16], [17], [18]]。此外，碱性电解中的热效应也日益受到重视，因为适度的温度上升可提升离子迁移速度，而过高的温度则可能加速电极降解、电解质蒸发、气体交叉渗透以及密封失效[21,22,27]。

如表1所示，大多数以往研究都是针对单一的设计或操作参数展开的，而本研究则将电解质化学性质、电极几何结构、法拉第效率、比能耗、热响应以及COMMENT-Code CFD模型参数整合为一个基于机理的优化框架。有一项最新发表的实验研究使用了实验室规模的电解槽原型，比较了不同浓度和板数下的NaOH和KOH碱性电解质性能。该研究报告了氢气生产时间、电解质温度、方差分析、不确定性分析以及原型对比结果，并指出了电解质浓度和电极板配置对氢气生成的重要性[28]。不过，该评估主要基于产生固定体积氢气所需的时间，未能完全揭示控制性能的深层电化学和热机制。尤其是，仅凭生产时间无法判断系统是否真正高效，也无法确定输入电流是否有效转化为氢气，电极面积是否得到充分利用，或是气体产量的提升是否伴随着过高的能耗或热量产生。

因此，目前仍存在一个重要的研究空白，即需要建立一个基于性能标准化和机理分析的框架，用于低成本碱性氢气生产。现有的多数实验研究都是单独比较电解质浓度、类型或电极板数量，而通过法拉第效率、比能耗、电流密度、以电极面积表示的产率、气体生成行为以及热稳定性来综合评估这些因素的研究则相对较少。这一缺口十分重要，因为实际的氢气生产系统不仅需要具备较高的气体产出能力，还必须在能源效率、热安全性、耐用性以及可扩展性方面达到良好表现。

本研究正是为填补这一空白而开展的，它构建了一个全面的实验与分析框架，用于研究碱性氢气生产过程中的各种影响因素。该研究探讨了电解质类型、浓度、电极板数量、活性电极表面积、电流密度以及电解质温度等因素之间的相互作用。与仅通过收集氢气所需时间来评估电解槽不同，本研究引入了更多的性能指标，包括氢气产率、以电极面积表示的产率、根据法拉第定律计算的理论氢气生成量、法拉第效率、比能耗以及温度上升速率。

本研究的创新之处在于，将低成本碱性电解槽的评估方式从简单的比较法转变为基于机理的优化方法。该研究不仅明确了哪种电解质和电极配置能更快地产生氢气，还找到了能在氢气产量、电气效率、热稳定性以及实际耐用性之间取得最佳平衡的操作条件。这一点非常重要，因为即便某种电解槽能够快速产氢，但如果其法拉第效率低下、能耗过高、温度上升过快、气体分离不稳定或电极降解迅速，那么它仍然不适合实际应用。

本研究的意义在于，它回应了人们对安全、高效且经济实惠的氢气生产系统的日益需求。低成本碱性电解槽可用于教育实验室中的分散式氢气生产、小规模可再生能源存储、实验用燃烧系统、清洁燃料示范项目以及分布式能源应用。通过提供基于标准化和机理分析的评估方法，本研究为选择合适的电解质化学性质、浓度、电极配置以及操作条件提供了实用的设计指导。所提出的框架有助于提升小型碱性电解槽在氢气生产方面的可靠性、效率及可扩展性。

因此，本研究的目标如下：(i)评估NaOH和KOH电解质对氢气生产性能的影响；(ii)确定电解质浓度对氢气产量、热行为以及能源需求的影响；(iii)分析电极板数量和活性表面积在促进或限制氢气生成中的作用；(iv)将法拉第效率与比能耗作为标准化性能指标进行计算；(v)确定实现稳定、高效且实用碱性氢气生产的最佳操作范围。

实验方法与测试装置设计
本研究旨在使用一种紧凑型、低成本的电解槽测试装置，在受控的实验室条件下评估碱性氢气生产性能。研究重点考察了电解质类型、浓度、电极板数量、活性电极表面积、电流密度、热响应以及氢气产率之间的相互作用。之所以选择氢氧化钠和氢氧化钾作为碱性电解质，是因为它们在碱性水电解中均有广泛应用。

建模策略与计算流程
COMMENT-Code即燃烧数学与能量传输代码，是一种用于解决碱性电解槽内部复杂传输现象的CFD求解器。在本研究中，对该代码进行了修改，用以模拟电解质流动、电势分布、焦耳热效应、气体生成源项以及气泡对传输过程的影响。该数值模型并非用于替代实验测量结果，而是作为实验数据的补充。

结果与讨论
本部分结合实验测量数据与COMMENT-Code的数值模拟结果，对碱性氢气生产性能进行分析。讨论内容分为三个部分：实验性能、数值场解析以及数值模拟下的氢气生产分析。通过这种结构，可以将实际测量的氢气体积、电流、电压、温度及生产时间，与那些难以通过实验直接测量的内部变量（如电流密度等）建立联系。

结论
本研究通过实验与COMMENT-Code CFD模拟相结合的方式，研究了在不同电解质浓度和电极板配置下，使用NaOH和KOH电解质进行碱性水电解制氢的工艺。与那些主要基于气体生产时间进行评估的传统方法不同，本研究提出了一个基于性能标准化的评估框架，该框架涵盖了氢气产率、法拉第效率、比能耗、电解质的温度响应等内容。

作者贡献说明
Tamer M. Ismail：概念构思、总体监督、验证、结果可视化、初稿撰写。M. Abd El-Salam：软件应用、验证、结果可视化。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

Tamer M. Ismail | M. Abd El-Salam
埃及苏伊士运河大学机械工程系，伊斯梅利亚