PEM（質(zhì)子交換膜）電解槽作為制氫領(lǐng)域的核心設(shè)備，其模型的準(zhǔn)確性和可靠性對(duì)于制氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和優(yōu)化至關(guān)重要。為此，EasyGo特推出了PEM電解槽模型。本文圍繞EasyGo PEM電解槽模型通過離線驗(yàn)證和實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證兩種方式，對(duì)該模型在交流接入模式的可行性進(jìn)行全面驗(yàn)證，可為PEM電解槽的實(shí)際應(yīng)用提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

一、PEM

質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane，簡稱PEM）是電解槽的核心部件，起到分離產(chǎn)物氣體和絕緣電極的作用，使電解反應(yīng)高效、穩(wěn)定進(jìn)行。

PEM 電解槽利用直流電將水分解為氫氣和氧氣，如圖所示。

二、EasyGo PEM 電解槽模型

EasyGo PEM 電解槽模型輸入為功率和負(fù)載電壓，輸出包括總電壓、總電流、制氫速率、制氫效率以及制氧速率，如圖所示。

模型封裝參數(shù)分為兩部分：可調(diào)參數(shù)和 PEM 電解槽單個(gè)電解小室系統(tǒng)參數(shù)。

PEM 電解槽單個(gè)電解小室系統(tǒng)參數(shù)，如下表所示。

PEM電解槽電壓制氫效率模型：包含電壓模型、效率模型和氣體生成模型。

1、電壓模型

電壓模型包含可逆過電位、活化過電位、歐姆過電位以及濃度過電位計(jì)算。

▍可逆過電位：電解槽陰極和陽極的電位差。

▍活化過電位：反應(yīng)初期，為了激活電解槽陽極和陰極側(cè)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的不可逆電位損失，即活化過電位。

▍歐姆過電位：反應(yīng)中多種阻抗共同相互作用，并累積產(chǎn)生的電壓損失。

▍濃度過電位：電解過程中電極周圍反應(yīng)物濃度不均導(dǎo)致離子擴(kuò)散，因濃度差導(dǎo)致的過電位產(chǎn)生。

可逆電壓、活化過電位、歐姆過電位以及濃度過電位相加再乘以電解小室數(shù)即為總電壓，如圖所示。

2、效率模型

η= V_rev*n/V_sum，可逆電壓除以總電壓，停機(jī)時(shí)效率為0。

3、氣體生成模型

氣體生成模型原理是依據(jù)法拉第定律，其表達(dá)式為：m=k*Q=k*I*t（Q是通過電解質(zhì)的電量，k是比例常數(shù)，I是電流強(qiáng)度）。

其中制氫氣質(zhì)量為m=MIt/zF ，制氫速率為H2_rate=n*M*J*A/(2*F)

N為電解小室數(shù)，每臺(tái)PEM制氫設(shè)備是有許多個(gè)電解小室組成，模型如圖所示，制氧速率為制氫速率的一半。

三、仿真驗(yàn)證

本篇中我們分別用離線模型驗(yàn)證、實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證兩種方式驗(yàn)證了該 PEM 電解槽模塊在交流接入模式的可行性，具體驗(yàn)證詳情如下。

1、交流接入模式

交流接入模式是指 PEM 電解槽模塊開放交流接口與拓?fù)溥B接。該模式更多的考慮到的是在電力系統(tǒng)中，能量級(jí)別的變化。因此，只需要考慮PEM負(fù)載消耗的功率是否與實(shí)際設(shè)置的值一致。

拓?fù)渥髠?cè)為電網(wǎng)，右側(cè)的 PEM_Load 為PEM等效負(fù)載，如下圖所示。

在設(shè)定 PEM的消耗功率后，通過實(shí)時(shí)測(cè)量到的PEM等效負(fù)載前端的三相電壓，結(jié)合可控PQ負(fù)載算法，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的等效負(fù)載電流，再將該電流傳入PEM等效負(fù)載的電流源中，形成閉環(huán)。

整體模型如下圖所示：

2、離線仿真

給定 PEM 隨機(jī)功率，觀察等效負(fù)載的功率是否與設(shè)定值一致。

當(dāng)給定值為 4WM 時(shí)，其等效負(fù)載的功率也為4WM；當(dāng)給定值為6.7WM時(shí)，其等效負(fù)載的功率也為6.7WM，如下圖所示。

3、實(shí)時(shí)仿真

PXIBox是基于PXI總線架構(gòu)硬件平臺(tái)的實(shí)時(shí)仿真產(chǎn)品系列，采用新款多核實(shí)時(shí)CPU+多FPGA硬件架構(gòu)，既可以做快速原型控制應(yīng)用，又可以做硬件在環(huán)測(cè)試，也可以同時(shí)一機(jī)多用。

將控制模型和拓?fù)淠Ｐ头謩e通過仿真上位機(jī)（EasyGo DeskSim）部署到實(shí)時(shí)仿真器（PXIBox），整體架構(gòu)如下圖所示：

以下分別為 PEM 設(shè)定值為6.7WM和10WM時(shí)的實(shí)時(shí)仿真波形，均能穩(wěn)定運(yùn)行。

可以看到，通過任意修改PEM模塊的設(shè)定值，其等效負(fù)載的實(shí)際消耗功率都能穩(wěn)定跟隨，驗(yàn)證通過。

通過對(duì)交流接入模式的離線驗(yàn)證及實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證可知，EasyGo PEM 電解槽模塊能實(shí)現(xiàn)設(shè)定值與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定跟隨，驗(yàn)證結(jié)果表明該P(yáng)EM電解槽模塊在交流接入模式下具有可行性。

EasyGo PEM 電解槽模型可為PEM電解槽在制氫領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的模型基礎(chǔ)和可靠的技術(shù)支持，有助于推動(dòng)制氫技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為清潔能源的開發(fā)和利用提供有力保障。