摘要：氢氧机转换效率问题一直是推进电解水制氢技术发展的关键问题。目前，学术界还未建立一套完整的体系来量化衡量各关键因素对转换效率的影响关系。因此，在此根据经验公式，建立了有关氢氧机转换效率的数学模型，用于量化分析各主要因素与转换效率之间的关系，且利用对比实验验证了其正确性。
关键词：氢氧机；转换效率；数学模型
1 引 言
氢能源由于具有资源丰富、发热值大、燃烧性能好、无毒、无污染、利用形式多样等多种显著特点，已成为目前国内外学者们研究的热点。而且，传统的电解水制氢技术已具备规模化生产能力，但是转换效率问题一直是约束该技术推广的关键，成为学术界研究的热点课题[1，2]。
根据电解水制氢技术的原理上可知，水的理论分解电压、电极超电压、电解槽电阻压降等因素对氢氧机转换效率影响极为关键。但是，氢氧机结构形式电解液性质等机构参数一旦确定后，其转换效率在很大程度上取决于操作温度、工作压力、槽电流等工作参数的设定及控制。因此，建立有关氢氧机转换效率数学模型是至关重要的，在此可根据该数学模型模拟分析各主要工作参数对氢氧机转换效率的具体影响情况，可为实现氢氧机的优化控制提供理论依据。
本文中的氢氧机是一种基于碱性电解水制氢技术的双极性压滤式电解槽结构的制氢氧设备。
2 数学模型的建立
氢氧机正常工作时，电解槽将输入的电能转化成氢氧混合气体输出。所以，氢氧机的转换效率
一般可表示为：
（1）
其中：Q——输出气体流量；P——输出气体压强；I ——槽电流；
——槽电压；
——平均极间电压；n——电解小室个数；5.736×106——制取1m3氢氧混合气的理论电量；η——电流效率。
由于现代小电解槽的电流效率η可接近100%，而且，输出气体压强P一般都为恒定值。所以，氢氧机的转换效率只与电解槽内的极间电压有关。根据上式我们可以抛开繁杂的数据与计算，直接用极间电压来计算氢氧机的转换效率[3~6]。
由电解水制氢原理可知，电解槽理论极间电压V极可表示为[7]
（2）
其中：E——水的理论分解电压；
——活化超电压；
——浓差极化电压；IR——电解液的电阻压降。
当电解槽工作压力不变时，水的理论分解电压将随着操作温度的升高而有所下降，而且下降梯度大约为
[8]。而当电解槽操作温度不变时，水的理论分解电压与工作压力的关系为：
。
因此，可将水的理论分解电压值近似为
（3）
一般可用塔菲尔经验公式来表示电极析氢超电压
与电流密度
之间的关系。而且，一般情况下，操作温度每升高1℃，超电位可降低1～4mV。所以，在此把电极化学活化和浓度极化引起的超电压
近似表示为
（4）
其中：
为未知系数；i 为电流密度；f是电解液截面积。
另外，电解液内阻电压降为[9，10]
（5）
其中：
。
故上式可进一步化简为
（6）
其中：
；
。
所以，用于表征氢氧机转换效率的数学模型可近似等效为
（7）
其中：
；e=e1+e2。
因此，该数学模型可进一步近似表示为
（8）
其中，参数
与电解槽物理结构、电极板材料及形状、电解液循环速度和电解液性质及液面高度等因素有关；参数
则是由电解液的性质及其浓度决定；参数
取决于电极材料、电极表面状态和电解液性质等因素；参数
主要用于对理论值的线性补偿。
3 数学模型的实验验证
为了验证转换效率数学模型的正确性，在此利用氢氧实验样机实验设备，分别对浓度为10%、15%、20%、25%的NaOH电解液进行变参数实验。具体实验方法为：当氢氧实验样机进入正常工作状态时，每隔10分钟记录下该时刻的电解槽槽电压V、电解槽槽电流I、工作压力P、操作温度T、产气量Q等实时参数，然后利用MATLAB软件对所得的各组数据进行最小二乘法拟合处理，分别将所得的各未知参数列于表1。
表1 未知参数表
然后把由数学模型模拟获得的理论槽电压值VL与相应实际槽电压值VS进行对比，将理论值相对于实际值的误差归纳在表1中。由上表可见，氢氧机转换效率数学模型所计算出的理论槽电压值与实际实验测得的槽电压值之间的误差均在允许范围之内，而且数学模型所模拟出的曲线趋势与实际情况相符。因此，可认定该数学模型是正确的。
4 结 语
如上分析，氢氧机转换效率数学模型是合理的，模型中部分参数可由理论计算和实验验证获得。而且，从氢氧实验样机的转换效率数学模型实例中可以知道：在合理的结构和工作参数下，适当增大氢氧机的工作压力有利于提高转换效率；在绝大多数情况下，转换效率均随着操作温度的升高而逐渐提高；此外，增大槽电流将降低氢氧机的转换效率。因此，在实际应用中，应该根据实际系统的转换效率模型来设定各工作参数。
参考文献：
[1]肖建民.论氢能源和氢能源系统[J].世界科技研究与发展.1997，19（1）：82
[2]鲍德佑.发展氢能减少对石油的进口和依赖——对我国能源安全的建议[J].太阳能.2003（4）：3
[3]秦金国，张云华.水电解制氢工艺的节能分析[J].江西能源.2001（3）：24
[4]Hijikata T.Research and Development of International Clean Energy Network Using Hydrogen Energy[J].Hydrogen Energy.2002，27：115～129
[5]王芳咏，关大辉.关于高压立式氯气储罐的研究[J].哈尔滨理工大学学报.2009（03）：61～64
[6]Ryan O，Lee S，Cha S，et al.A Sharp Peak in the Performance of Sputtered Platinum Fuel Cells at Ultra-low Platinum Loading[J].Power Sources.2002，109（2）：483～493
[7]吕海泉.氢氧发生系统的研制[D].哈尔滨工业大学硕士研究生学位论文.2008：2～3
[8]刘希林，晏敏.气象用GX-2型水电解制氢设备电解电压的分析[J].气象研究与应用.2007，28（1）：75
[9]V.K.Varentsov，L.A.Gnezdilova，V.I.Influence of Anode and Cathode Polarization of High-ohmic Carbon Fibrous Materials in Electrolytes Solutions on Their Properties[J].Science and Technology.2005：295～298
[10]杜波.盐化电解工业降低槽电压的节能措施[J].中国设备工程.2007（06）：56
论文作者:吴伟宾,石维
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/8/27
标签：电压论文; 效率论文; 电解槽论文; 电解液论文; 数学模型论文; 参数论文; 电流论文; 《基层建设》2019年第24期论文;