袈中国工程热物理学会工程热力学与能源利用膆学术会议论文编号:111178螃电解水制氢系统效率的统一描述莄张后程,林国星,陈金灿*衿(厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005)蕿(Tel:,Email:jcchen@蒆摘要:建立电解水制氢系统的一般模型,给出电解水制氢系统效率的统一表式。针对电解池内不同袀的废热利用方式,提出不同构型的电解水制氢系统的设计的具体方案,由统一表式直接导出不同系统的效率。羁并以固体氧化物电解水制氢系统为例计算系统的效率。所得结论对进一步研究电解水制氢系统性能有蚇一定的指导意义。袆关键词:电解水制氢;构型;效率薁0前言螈能源是人类生存和发展的重要物质基础,也是当今国际政治、经济、军事、外交关螅注的一个热点。中国经济社会持续加快速度进行发展,离不开能源的有力保障。当前,能源危机芅和环境污染已日益严峻,发展可再次生产的能源已成为各国学者关注的焦点。由于太阳能、风莁能、地热能等可再次生产的能源的间歇性和不易储存及运输等特点,迫切地需要一种高效清洁的衿能源载体作为可再次生产的能源和用户之间的桥梁。氢能以其清洁,高效的特点被公认是未来膈最具潜力的理想能源载体。蚅制氢的方法主要有:化石燃料制氢、电解水制氢、热化学制氢及光催化制氢等等肂[1-5]。由于水资源较丰富,只要合理使用电能,电解水制氢是倍受青睐的制氢途径。袁若利用太阳能、核能、风能及地热能等清洁能源作为电解水制氢的动力源,则电解水制芆氢是大规模制氢的有效途径[6-9]。膄制氢过程其实就是将不易控制的、分散的低品位能量转化成易控制的、可存储的高螂品位能源。进一步探索电解水分离氢和氧反应机理及伴随的电化学、热力学过程,对于提蚈高电解水制氢系统的性能具备极其重大理论指导意义。然而,在讨论电解水制氢系统的性能虿时,如何定义系统的产氢效率存在着一些理论分歧[10-12]。如Ni等[10]在讨论高温薃电解水制氢系统性能时忽视了热能与电能的本质区别;Martinez-Frias等[11]在讨论天薂然气水蒸气重整制氢系统性能时虽然注意到热能与电能的区别,但同时又包含了一个与螀系统性能无关的随机量。因此,怎么来面对现有文献在讨论电解水制氢系统性能中的不同螇观点,合理地给出电解水制氢系统的效率定义[13],特别是给出效率的一般表式,是一芇个很值得研究的问题。,电解水制氢系统一般由一个电解池,两个热交换器及一个回热器等组袅成。电能E与热能Qcell按需要提供给电解池以驱动水分解反应,产生的氢气和剩余的水蚆从电解池阴极端流出,产生的氧气从电解池的阳极端流出。因为有大量的废热残留在生肃成物及剩余物中,这部分废热能够最终靠换热器1来回收利用。生成物H2,O2及剩余水离袂开换热器1后,其中氧气冷却后作为副产品存储起来,氢气和剩余水冷却后导入分离器薂内气液分离,氢气存储为燃料,而废水汇入反应水中,为下一个制氢循环作准备。为了莀使反应水温度达到电解池反应温度,除换交热器1外,还一定要通过换热器2对水进一步肈加热羄HO2Q。蚀图1电解水制氢系统示意图蝿根据图1,电解水制氢总反应是水在电能和热能的作用下变成氢气和氧气,即螈H2O+电能+热能→H2+O2/2(1)羅电解水制氢理论上所需的能量△H(T)为热能需求Q(T)与电能需求△G(T)之和:羃ΔH(T)=Q(T)+ΔG(T)(2)芈其中Q(T)=T△S(T),△G(T)为吉布斯自由能变化,T为电解池的工作时候的温度。一般地,薈△H(T)、△S(T)与△G(T)等热力学参量的变化在不同压强和温度下是不同的。螂当电解池实际在做的工作时,由于反应物/产物传输、电荷传输、电解质及电极的电阻等膁都将引起不可逆性,因而电解反应所需要的电压往往大于电解池的可逆电压,即还需要蚈额外电压Vextra。根据电解池的工作原理,可引入等效内阻Re,并可知由不可逆性而产羅生的焦耳热QJ与Re(或Vextra)间的关系为袄2艿JeextraQ=IR=IV,(3)肇其中I为电解池的工作电流。螅如果水分解反应理论上所需的热能T△S比等效内阻产生的焦耳热QJ大,则外热源袅必须给电解池提供热能薂()cellJQ=TΔS−Q。(4)螀如果等效内阻产生的焦耳热QJ比水分解反应理论上所需的热能T△S大,则蒅0cellQ,这时电解池在水分解反应过程中不仅不需要外部额外供热,并且还有多余的蚃废热cellQ。如何利用这部分废热对于改善系统性能、提高能量转换效率是一个有意义蚀的问题。,其效率定义为螄2,肂()()虿NHoutHHV羆Exy螅η膁θδθ聿=螆+−薃i薃(5)蒈其中蒇020(1/)(1/)cellkHOsx=Q−TT+Q−TT=−y,θ(x)和θ(y)均为阶跃函数,蚄0(0)蚂()袇(0)芇x螅x螀xx薁θ羈⎧≤薃=⎨⎩膂