1.一种电解制氢系统模型的构建方法,其特征在于:包括以下子模型:a电解槽电化学模型:碱性电解槽及PEM电解槽电压均由可逆电压Vrev、活化过电位Vact、质量传输过电位VDiff、欧姆过电位Vohm 4部分构成,电解槽电压V=NcellVcell,Ncell为构成电解槽的电解单元个数,Vcell为电解单元的电压,电解单元电压表达式如下:Vcell=Vrev+Vact+VDiff+Vohmb电解槽功率模型:电解槽功率P=IV,I为电解槽电流,在对不同功率的电解槽进行建模时,根据不同电解槽的实际情况修改模型中的参数对该模型进行拓展得到相应的模型;
c电解槽产氢速率模型:电解槽的产氢速率 表达式如下:其中,ηF为法拉第效率,z为转移电子数量,F为法拉第常数;
d电解槽效率模型:电解制氢效率ηel定义为生产氢气的理论功率与电解槽实际消耗功率的比值,表达式如下:其中,ΔG为吉布斯自由能;
e电解槽热力学模型:热力学模型对电解槽温度进行预测,将热模型转化,可以得到电解槽温度,其表达式为:其中,T0为初始温度;Rt为电解槽整体热阻;Ct为电解槽的总热容量;Ccw为电解质的热容量;mcw为入口电解质质量流量;AHX为整体传热面积;Ta为环境温度;ηenergy为能量效率;Tcw,i为入口电解液温度;
f电解槽比能耗模型:电解槽的比能耗Es根据电解槽瞬时电压v(t)、瞬时电解电流i(t)和产氢速率nH2来计算:式中,mH2为氢气质量流量;M为氢分子的摩尔质量,M=2g/mol;氢气的高热值为
39.4kWh/kg,表示电解水效率为100%时的能耗;
g压缩机模型:压缩机功率表示为:
其中,Cp为氢气热值;Tin为入口处氢气的温度;ηcomp为压缩效率,ηcomp=0.7;pin、psto为压缩机进气和出气压强;r为氢气的等熵指数,r=1.4;mH2为氢气流速,h储氢罐模型:储氢罐中氢气累积量nsto(t1)表示为:其中, 耗氢速率,nsto(t0)为初始时刻储氢罐内氢气的积累量;
储氢罐中的氢气压力表示为:
其中,Tsto为储氢罐的工作温度,Vsto为储氢罐的体积。
2.根据权利要求1所述的一种电解制氢系统模型的构建方法,其特征在于:所述子模型a中,可逆电压Vrev、活化过电位Vact、质量传输过电位VDiff以及欧姆过电位Vohm具体含义及表达式为:电解槽单元阴极和阳极之间的电位差称为可逆电压,对应电解水所需的最小能量,其中,N为转移电子的量;
活化过电位Vact是由于在电极表面发生的反应缓慢而引起的,其中,i为电解槽电流密度;i0,an为阳极交换电流密度;i0,cn为阴极交换电流密度;ɑan为阳极电荷传递函数;ɑcn为阴极电荷传递函数;T为电解槽温度;
电解槽电流密度可表示为:
其中,z为转移电子数;R为气体常数;
质量传输过电位VDiff也称为浓度差过电位,由反应界面反应物浓度的变化而引起的电位差,从而降低反应物浓度,阻碍反应发生,其中,C为反应界面气体浓度;C0为反应界面气体参考浓度;
欧姆过电位Vohm是电解槽自身电阻在工作过程中造成的电压损失,当模型应用于PEM电解槽时,表达式中,δ=δmem为质子膜厚度,σ=σmem为质子膜电导,其中,λ为质子膜湿度;
当模型应用于碱性电解槽时,表达式中,δ=δele为电解质厚度,σ=σele为电解质电导:其中,M为电解质浓度。
3.根据权利要求2所述的一种电解制氢系统模型的构建方法,其特征在于:所述电解制氢系统模型中PEM电解槽与碱性电解槽的各参数计算方法相同,当计算欧姆过电位Vohm时,PEM电解槽与碱性电解槽的参数计算方法不同。
4.根据权利要求1所述的一种电解制氢系统模型的构建方法,其特征在于:所述子模型b中在对不同功率的电解槽进行建模时,对该模型进行拓展的具体方法为:电解槽的功率可表示为:
P=IV
其中,V=NcellVcell,Ncell为电解单元的数量;I=kIcell,Icell为电解单元的电流,k为并联支路数,在对于不同功率需求的电解槽模型进行建模时,除Vcekk中所涉及的参数外,只需要对模型中的电解单元数量Ncell以及并联支路数k进行相应的修改。
5.根据权利要求1所述的一种电解制氢系统模型的构建方法,其特征在于:电解槽系统八个子模型间存在影响关系,其具体影响关系为:子模型a中的参数温度T,由子模型e获得;
子模型b中的参数Vcell由子模型a获得;子模型d、f中的参数P由子模型b获得;子模型d、f中的参数 由子模型c获得;子模型g中的参数psto由子模型h获得。