关于使用贵金属涂层电解槽生产绿色氢氧（HHO）气体的研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Investigation on green hydroxy (HHO) gas production using noble metal-coated electrolyser

氢氧燃料（HHO）生产性能研究基于太阳能光伏驱动的碱性电解水（AWE），比较铂（Pt）和混合金属氧化物（MMO）涂层钛网电极在晴、云、雨三种天气下的电压-电流特性、电解液温度及HHO产率，发现MMO电极在高峰太阳能辐照（960 W/m2）下产率达0.968 LPM，法拉第效率达98%。

　　

V. 安托·贝尔文 | T. 维努戈帕尔

印度金奈VIT机械工程学院

摘要

HHO气体是氢和氧按2:1体积比组成的化学计量混合物，因其清洁燃烧特性而备受关注。本研究在真实的户外条件下，使用镀有铂（Pt）和混合金属氧化物（MMO）的钛（Ti）网状电极，探讨了太阳能驱动的碱性电解过程。电解器在雨天、阴天和晴天等多种天气条件下直接通过光伏（PV）电源进行运行。性能评估基于太阳辐照度、电压-电流特性、电解质温度以及HHO生成速率等因素。在峰值太阳辐照度（960 W/m2）下，镀有MMO的电解器在46.8 A电流下实现了0.968 LPM的最大HHO生成速率，而镀有Pt的电解器在42.3 A电流下的生成速率为0.923 LPM。电解质温度随太阳辐照强度的增加而升高，在晴朗天气下达到最高100°C。实测HHO生成速率与理论值非常接近，表明在高电流密度下镀有MMO的电极具有高达98%的法拉第效率。

引言

对清洁、持久且分散式能源的需求日益增长，这使得氢成为能源革命的核心。氢是应对气候变化的一种清洁替代品，因为它具有高能量密度（120 MJ/kg），燃烧时不释放污染物，并可用于多种用途[1,2]。氢氧（HHO）气体由两份氢和一份氧组成。研究人员之所以关注它，是因为它在高温（约2800°C）下燃烧，燃烧过程中不释放温室气体，并且可以立即用于电弧焊接、火焰切割和内燃机（ICE）[3],[4],[5]。

氢可以通过多种方法生产。其中，商业上常用的方法是蒸汽甲烷重整（SMR）。尽管SMR和其他传统的氢生产方法可靠，但它们严重依赖化石燃料并会排放大量CO?[6]。相比之下，碱性水电解（AWE）利用电能将水分解为清洁的氢气。AWE仅需水和电能[7]，且比其他电解方法更易于操作。氢氧化钾（KOH）和氢氧化钠（NaOH）常被用作AWE中的电解质，因为它们具有高离子导电性且在水中不会分解[8,9]。

碱性电解反应器的性能取决于所选的电化学材料和涂层。由于其强度和耐腐蚀性，钛（Ti）是首选基底[10]。然而，添加混合金属氧化物（MMO）和铂（Pt）等催化材料可以改善其电化学性能。虽然Pt作为氢演化反应（HER）的催化剂效率很高，但其高昂的成本和可扩展性问题是缺点[11]。通常由二氧化钛（TiO?）、钌（Ru）和铱（Ir）组成的MMO催化剂更为经济且耐用[12,13]。

为了促进可持续性，本文评估了在太阳能光伏（PV）电解中利用可再生能源的情况。使用太阳能进行电解时，可以在电力需求较高的时段建立氢生产设施，尤其是在依赖传统电源的情况下[14]。然而，由于天气条件导致的太阳辐照强度变化限制了太阳能的利用。这突显了进行电解器性能研究的重要性[15]。

近年来，HHO气体在内燃机（ICE）应用中引起了广泛关注，作为辅助燃料可提高燃烧效率并减少尾气排放。多项实验研究表明，在汽油或柴油发动机中加入少量HHO后，碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NO?）的排放量有所减少，同时制动热效率也有所提升。这些改进主要归因于氢富集混合物的高火焰速度、宽燃限和有利的燃烧动力学。因此，对紧凑、高效且现场生成的HHO系统的需求不断增加，特别是在分散式和移动能源应用中。

尽管人们对HHO辅助发动机技术的兴趣日益浓厚，但大多数现有研究主要集中在HHO气体的应用层面，而对HHO发生器本身的效率、耐用性和运行稳定性关注较少。特别是，许多研究未能充分探讨电极材料选择、电解器配置以及与可再生能源的结合如何影响长期和高电流下的HHO生成性能。此外，比较不同电极材料的评估往往受到仅使用一种电极类型的限制，这掩盖了在相同运行条件下Pt电极和MMO电极之间的实际差异。虽然普遍认为Pt电极具有较低的活化过电位和较高的交换电流密度，从而在低电流密度下表现优异，但一些高电流和耐久性研究指出MMO电极可能具有更好的运行稳定性、优化的氧演化动力学以及在高温和高电流密度下的更强抗降解能力。然而，这些观察结果很少通过直接的对比实验得到验证。

尽管关于AWE和HHO气体生产的文献很多，但大多数研究都是在受控实验室条件下进行的，使用恒定的直流电源、固定温度和稳态操作。这些条件无法完全反映电解器与间歇性可再生能源（尤其是太阳能光伏）集成时的实际行为。此外，使用相同电解器几何结构和电解质成分对Pt和MMO涂层电极进行系统比较的研究仍然不足，尤其是在直接阳光下运行时。实际大气变化（包括太阳辐照度、环境温度和湿度的变化）的影响尚未得到充分量化。此外，在户外运行条件下对法拉第效率等性能指标的一致性和透明报告也较为有限。

在此背景下，本研究通过提供直接由太阳能光伏驱动的圆柱形碱性电解器中Pt和MMO涂层钛网状电极的系统实验比较，解决了这些局限性。与传统实验室研究不同，这些电解器在自然户外大气条件下进行评估，无需主动功率调节或温度控制，从而能够捕捉到真实的性能变化。研究重点关注电压-电流特性、HHO生成速率、电解质温度变化以及晴天、阴天和雨天条件下的法拉第效率。本研究的新颖之处在于在相同的电解器配置和实时太阳运行条件下，直接对比了Pt和MMO电极涂层，为分散式、可再生能源驱动的HHO生产提供了实用的、面向应用的见解。

背景与综述

AWE是一种成熟的氢生产技术，因其简单性、耐用性和与非贵金属材料的兼容性而受到青睐[8,13,16]。当由太阳能光伏系统等可再生能源供电时，AWE能够实现分散式和低碳的氢或HHO气体生产，这对于离网和小型能源应用越来越有吸引力[15,17]。然而，太阳能驱动的碱性电解器的性能受到多种因素的显著影响

研究概述

本研究分析了两种用于生产氢氧（HHO）气体的碱性电解装置的性能，这两种装置主要依靠太阳能光伏供电。研究的目的是评估用于覆盖电极的催化材料对电解反应器性能的影响：A组使用Pt，B组使用MMO。

在两种电解装置中，电解器的几何形状、电极排列和电解质浓度（1 M KOH）都是相同的

成本分析

HHO生成系统的成本分析如下进行。

年资本支出折旧可通过以下公式计算：

${AC}_{\exp }D=\frac{{TC}_{\exp }}{UL}$

其中AC?D、TC?和UL分别表示年资本支出折旧、总资本支出和使用寿命。

装置的总运营成本可通过以下公式计算，包括每年的电力、维护和劳动力成本： ${T\exp }_{}=AEC+AMC+LC$

其中TO?、AEC、MC和LC分别表示

太阳辐照度随时间的变化

图5中的数据对应于冬季（12月至1月）在三种典型户外天气条件（晴朗、多云和间歇性降雨）下进行的实验。每条曲线代表三种天气类型下三个独立实验日的平均行为。选择这些月份是为了捕捉真实的冬季大气变化，包括太阳辐照度、环境温度的变化

结论

本研究在真实的户外运行条件下，对Pt和MMO涂层钛网状电极在太阳能驱动的AWE中的性能行为进行了全面实验研究。两种电极系统使用相同的电解器配置和电解质组成进行评估，并分析了它们在晴天、阴天和雨天条件下的表现。

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  实验结果表明，理论上的HHO生成速率遵循

CRediT作者贡献声明

V. 安托·贝尔文：撰写——原始草稿、方法论、数据分析。T. 维努戈帕尔：撰写——审稿与编辑、监督、调查、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢VIT提供“VIT SEED资助，以完成这项研究工作。