在“科普光伏電解水裝置制氫效率的計(jì)算方法”和“電能傳遞效率、質(zhì)子交換膜效率的計(jì)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(gè)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和質(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(jì)算公式中有一個(gè)重要的參數(shù)——電解槽功率Pe，因其計(jì)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的計(jì)算方法如下：
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(shí)際使用時(shí)，需要實(shí)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。
電解槽的電流Ie計(jì)算方法如下：
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(jì)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(jì)算方法如下：
水分解反應(yīng)需要的最小電壓E計(jì)算方法如下：
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(jì)算方法如下：
低電流密度下，濃度過電位Vcon可以忽略不計(jì)。ie＜10000 Am?²。
其中，ie為電流密度，單位為A/m²；β1是一個(gè)常數(shù)，與溫度有關(guān)，結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)方法，需要查閱相關(guān)的文獻(xiàn)，或者對(duì)實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)特征，單位為A/m²；β2是一個(gè)常數(shù)，結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)方法，需要查閱相關(guān)的文獻(xiàn)，或者對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，才能獲得。
活化過電位Vact計(jì)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是法拉第常數(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(jì)算方法如下：
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(duì)電流的導(dǎo)電能力；單位為S/m；
膜的導(dǎo)電性τm計(jì)算方法如下：
φm是膜濕度，計(jì)算方法如下：
當(dāng)膜完全加濕時(shí)，膜水活度a=1；T為溫度，單位為K。
以上內(nèi)容如有錯(cuò)誤，請(qǐng)大家指正！
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.
