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計算公式Formula

2024-01-11116

光伏電解水制氫效率計算方法(三):電解槽功率計算

在“科普光伏電解水裝置制氫效率的計算方法”和“電能傳遞效率,、質(zhì)子交換膜效率的計算方法”這兩篇文章中,,我們已經(jīng)了解了影響光伏電解水制氫效率3個因素:光伏電池效率ηm,、光伏電池與電解槽之間的傳遞效率ηt質(zhì)子交換膜效率ηe,,它們直接影響光伏電解槽制氫的可行性和效率,。

其中質(zhì)子交換膜效率ηe計算公式中有一個重要的參數(shù)——電解槽功率Pe,,因其計算過程復(fù)雜,,前文并未展開討論,,本期將著重探討,。

 

電解槽的功率Pe

電解槽的功率Pe的計算方法如下:

電解槽的功率Pe的計算方法

其中,RI是電解槽等效內(nèi)阻,,是由電解槽內(nèi)部電阻和與之并聯(lián)的電解液電阻合并而成,,單位為Ω;

RL為漏阻,,反映了電解槽的漏電程度,,是電解槽內(nèi)部陰極室與陽極室間隔膜的電阻阻值,通過測量得知,,單位為Ω,;

E是水分解反應(yīng)需要的最小電壓,理論值為1.23 V,,實際使用時,,需要實際情況測定得出,,單位為V;

Vcon是濃度過電位,,是指電解過程中由于電解液的濃度差引起的過電位,,單位為V;

Vact是活化過電位,,指在電化學(xué)反應(yīng)中需要克服的額外能量,,陽極活化過電位主要由氫氧化物離子的生成速率決定,而陰極活化過電位主要由氧氣的還原速率決定,,單位為V,;

Vohm是歐姆過電位,是指電極表面的電勢隨著電流密度的增加而產(chǎn)生的變化值,,單位為V,;

Ie為電解槽的電流。

Ve是電解槽的電壓,,單位為V,。

 

各參數(shù)的計算方法

電解槽的電流Ie計算方法如下:

電解槽的電流Ie計算方法

ie為電流密度,單位為A/m²,;

Ae為電解槽電極的有效面積,,單位為m²;

 

電解槽的等效內(nèi)阻RI計算方法如下:

Vcon是濃度過電位,,電解過程中由于電解液的濃度差引起的過電位,,單位為V;Vact是活化過電位,,電化學(xué)反應(yīng)中需要克服的額外能量,,陽極活化過電位主要由氫氧化物離子的生成速率決定,而陰極活化過電位主要由氧氣的還原速率決定,,單位為V,;Vohm是歐姆過電位,是指電極表面的電勢隨著電流密度的增加而產(chǎn)生的變化值,,單位為V,;Ie為電解槽的電流。

 

電解槽的電壓Ve計算方法如下:

電解槽的電壓Ve計算方法

水分解反應(yīng)需要的最小電壓E計算方法如下:

水分解反應(yīng)需要的最小電壓E計算方法

其中,,T是電解槽工作溫度,,T0是環(huán)境溫度,pH?,,pO?,,pH?O是反應(yīng)物/生成物的分壓;Vcon是濃度過電位,,是指電解過程中由于電解液的濃度差引起的過電位,,單位為V,;Vact是活化過電位,指在電化學(xué)反應(yīng)中需要克服的額外能量,,陽極活化過電位主要由氫氧化物離子的生成速率決定,,而陰極活化過電位主要由氧氣的還原速率決定,單位為V,;Vohm是歐姆過電位,,是指電極表面的電勢隨著電流密度的增加而產(chǎn)生的變化值,單位為V,;

 

濃度過電位Vcon計算方法如下:

濃度過電位Vcon計算方法

低電流密度下,,濃度過電位Vcon可以忽略不計。ie<10000 Am?²,。

其中,,ie為電流密度,單位為A/m²,;β1是一個常數(shù),,與溫度有關(guān),結(jié)合實際的實驗條件和實驗方法,,需要查閱相關(guān)的文獻(xiàn),,或者對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,才能獲得,;iL是極限電流密度,,取決于電極和電解質(zhì)的性質(zhì),以及電化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)特征,,單位為A/m²,;β2是一個常數(shù),結(jié)合實際的實驗條件和實驗方法,,需要查閱相關(guān)的文獻(xiàn),或者對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,,才能獲得,。

 

活化過電位Vact計算方法如下:

其中,R是氣體常數(shù),,為8.314 J/mol·K?¹,;ne是參與反應(yīng)的電子;F法拉第常數(shù),,為96485 C/mol,;為電流密度,單位為A/m²,;i0是交流電電流密度,,為1.08×10-17e^0.086T,;T為溫度,單位為K,。

 

歐姆過電位Vohm計算方法如下:

歐姆過電位Vohm計算方法

dm是膜的厚度,,單位為mm;

τm是膜的導(dǎo)電性,,表示單位長度(通常是1 m)上的電解質(zhì)對電流的導(dǎo)電能力,;單位為S/m;

 

膜的導(dǎo)電性τm計算方法如下:

膜的導(dǎo)電性τm計算方法

φm膜濕度,,計算方法如下:

φm是膜濕度

當(dāng)膜完全加濕時,,膜水活度a=1;T為溫度,,單位為K,。

以上內(nèi)容如有錯誤,請大家指正,!

 

參考文獻(xiàn)

Zhang H, Su S, Lin G, et al. Efficiency calculation and configuration design of a PEM electrolyzer system for hydrogen production[J]. International journal of electrochemical science, 2012, 7(4): 4143-4157.