一种电解制氢系统模型技术方案

本发明专利技术公开了一种电解制氢系统模型，包括以下子模型：a、电解槽电化学模型；b、电解槽功率模型；c、电解槽产氢速率模型；d、电解槽效率模型；e、电解槽热力学模型；f、电解槽比能耗模型；g、压缩机模型；h、储氢模型。所述电解槽系统八个子模型间存在影响关系。本申请一种电解制氢系统模型应用于不同功率电解槽时，具有可拓展性。本发明专利技术实现了在保证模型的精确性的基础上，建立较为简单的可拓展电解槽系统模型。建立较为简单的可拓展电解槽系统模型。建立较为简单的可拓展电解槽系统模型。

【技术实现步骤摘要】
一种电解制氢系统模型


[0001]本专利技术涉及电解槽系统模型
，一种电解制氢系统模型。

技术介绍

[0002]由于光能、风能等可再生能源具有波动性，且不易存储，因此需要一种无污染且高效的储能方式来解决以上问题。氢能是公认的零排放的清洁能源载体，从开发到利用的全过程都可以实现污染，因此，电解水制氢作为一种绿色环保的制氢方式得到了高度重视及广泛应用。
[0003]随着电解制氢系统接入电网，为研究电解槽系统对整个电解制氢系统及电网产生的影响，观察其运行特性，提高系统运行稳定性，建立一个精确的电解槽系统模型具有重要意义。同时，电解制氢系统模型是可再生能源制氢系统能量管理研究，氢气生产和供应链建模与优化研究的基础。除此之外，也可借助电解槽系统模型为工业应用挑选合适规格的产品。
[0004]现有的电解制氢系统模型存在以下问题：较为简单方便使用的模型，未能考虑某些影响模型精确性的重要因素；考虑影响模型精确性因素较为全面的模型，建模过程较为复杂，参数计算较为繁琐；缺乏应用于不同种类、不同功率电解槽时的拓展性。

技术实现思路

[0005]本专利技术需要解决的技术问题是提供一种电解制氢系统模型，能够在保证模型的精确性的基础上，建立较为简单的可拓展电解槽系统模型，为电解槽系统的研究提供模型需要。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种电解制氢系统模型，包括八个子模型：a、电解槽电化学模型；b、电解槽功率模型；c、电解槽产氢速率模型；d、电解槽效率模型；e、电解槽热力学模型；f、电解槽比能耗模型；g、压缩机模型；h、储氢模型。上述子模型的具体表达式为：
[0007]a电解槽电化学模型：碱性及PEM电解槽电压均由可逆电压V
rev
、活化过电位V
act
、质量传输过电位(浓差过电位)V
Diff
、欧姆过电位V
ohm 4部分构成，电解槽电压V＝N
cell
V
cell
，N
cell
为构成电解槽的电解单元个数，V
cell
为电解单元的电压，电解单元电压表达式如下：
[0008]V
cell
＝V
rev
+V
act
+V
Diff
+V
ohm
[0009]可逆电压V
rev
表示为：
[0010][0011]其中，N为转移电子的量；
[0012]活化过电位V
act
表示为：
[0013][0014]其中，i为电解槽电流密度；i
0,an
为阳极交换电流密度；i
0,cn
为阴极交换电流密度；α
an
为阳极电荷传递函数；α
cn
为阴极电荷传递函数；T为电解槽温度。
[0015]电解槽电流密度可表示为：
[0016][0017]其中，z为转移电子数；R为气体常数。
[0018]质量传输过电位V
Diff
表示为：
[0019][0020]其中，C为反应界面气体浓度；C0为反应界面气体参考浓度。
[0021]欧姆过电位V
ohm
表示为：
[0022][0023]当模型应用于PEM电解槽时，表达式中，δ＝δ
mem
为质子膜厚度，σ＝σ
mem
为质子膜电导，
[0024][0025]其中，λ为质子膜湿度；
[0026]当模型应用于碱性电解槽时，表达式中，δ＝δ
ele
为电解质厚度，σ＝σ
ele
为电解质电导：
[0027][0028]其中，M为电解质浓度。
[0029]b电解槽功率模型：电解槽功率P＝IV，I为电解槽电流，在对不同功率的电解槽进行建模时，可对该模型进行拓展；
[0030]c电解槽产氢速率模型：电解槽的产氢速率n
H2
表达式如下：
[0031][0032]其中，η
F
为法拉第效率，z为转移电子数量，F为法拉第常数；
[0033]d电解槽效率模型：电解制氢效率η
el
定义为生产氢气的理论功率与电解槽实际消耗功率的比值，表达式如下：
[0034][0035]其中，ΔG为吉布斯自由能；
[0036]e电解槽热力学模型：热力学模型对电解槽温度进行预测，将热模型转化，可以得到电解槽温度，其表达式为：
[0037][0038][0039][0040]其中，T0为初始温度；R
t
为电解槽整体热阻；C
t
为电解槽的总热容量；C
cw
为电解质的热容量；m
cw
为入口电解质质量流量；A
HX
为整体传热面积；T
a
为环境温度；η
energy
为能量效率；T
cw,i
为入口电解液温度；
[0041]f电解槽比能耗模型：电解槽的比能耗E
s
根据电解槽瞬时电压v(t)、瞬时电解电流i(t)和产氢速率n
H2
来计算：
[0042][0043]式中，m
H2
为氢气质量流量；M为氢分子的摩尔质量(M＝2g/mol)。氢气的高热值为39.4kWh/kg，表示电解水效率为100％时的能耗；
[0044]g压缩机模型：压缩机功率表示为：
[0045][0046]其中，C
p
为氢气热值；T
in
为入口处氢气的温度；η
comp
为压缩效率，η
comp
＝0.7；p
in
、p
sto
为压缩机进气和出气压强；r为氢气的等熵指数，r＝1.4；m
H2
为氢气流速，
[0047]h储氢罐模型：储氢罐中氢气累积量n
sto
(t1)表示为：
[0048][0049]其中，耗氢速率，n
sto
(t0)为初始时刻储氢罐内氢气的积累量。
[0050]储氢罐中的氢气压力表示为：
[0051][0052]其中，T
sto
为储氢罐的工作温度，V
sto
为储氢罐的体积。
[0053]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述模型除对欧姆过电位进行计算时，PEM电解槽与碱性电解槽参数计算方法存在不同外，模型其余部分通用于PEM及碱性电解槽。
[0054]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述b子模型中在对不同功率的电解槽进行
建模时，对该模型进行拓展的具体方法为：
[0055]电解槽的功率可表示为：
[0056]P＝IV
[0057]其中，V＝N
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电解制氢系统模型，其特征在于：包括以下子模型：a电解槽电化学模型：碱性电解槽及PEM电解槽电压均由可逆电压V
rev
、活化过电位V
act
、质量传输过电位V
Diff
、欧姆过电位V
ohm
4部分构成，电解槽电压V＝N
cell
V
cell
，N
cell
为构成电解槽的电解单元个数，V
cell
为电解单元的电压，电解单元电压表达式如下：V
cell
＝V
rev
+V
act
+V
Diff
+V
ohm
b电解槽功率模型：电解槽功率P＝IV，I为电解槽电流，在对不同功率的电解槽进行建模时，根据不同电解槽的实际情况修改模型中的参数对该模型进行拓展得到相应的模型；c电解槽产氢速率模型：电解槽的产氢速率表达式如下：其中，η
F
为法拉第效率，z为转移电子数量，F为法拉第常数；d电解槽效率模型：电解制氢效率η
el
定义为生产氢气的理论功率与电解槽实际消耗功率的比值，表达式如下：其中，ΔG为吉布斯自由能；e电解槽热力学模型：热力学模型对电解槽温度进行预测，将热模型转化，可以得到电解槽温度，其表达式为：解槽温度，其表达式为：解槽温度，其表达式为：其中，T0为初始温度；R
t
为电解槽整体热阻；C
t
为电解槽的总热容量；C
cw
为电解质的热容量；m
cw
为入口电解质质量流量；A
HX
为整体传热面积；T
a
为环境温度；η
energy
为能量效率；T
cw,i
为入口电解液温度；f电解槽比能耗模型：电解槽的比能耗E
s
根据电解槽瞬时电压v(t)、瞬时电解电流i(t)和产氢速率n
H2
来计算：式中，m
H2
为氢气质量流量；M为氢分子的摩尔质量(M＝2g/mol)。氢气的高热值为39.4kWh/kg，表示电解水效率为100％时的能耗；g压缩机模型：压缩机功率表示为：
其中，C
p
为氢气热值；T
in
为入口处氢气的温度；η
comp
为压缩效率，η
comp
＝0.7；p
in
、p
sto
为压缩机进气和出气压强；r为氢气的等熵指数，r＝1.4；m
H2
为氢气流速，h储氢罐模型：储氢罐中氢气累积量n
sto
(t1)表示为：其中，耗氢速率，n
sto
(t0)为初始时刻储氢罐内氢气的积累量。储氢罐中的氢气压力表示为：其中，T
sto<...

【专利技术属性】
技术研发人员：章仕起，郭小强，孔寒冰，贺亦琛，刁乃哲，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：