绿氢系统篇丨PEM电解槽模型交流接入模式仿真验证

PEM（质子交换膜）电解槽作为制氢领域的核心设备，其模型的准确性和可靠性对于制氢系统的设计、运行和优化至关重要。为此，EasyGo特推出了PEM电解槽模型。本文围绕EasyGo PEM电解槽模型通过离线验证和实时仿真验证两种方式，对该模型在交流接入模式的可行性进行全面验证，可为PEM电解槽的实际应用提供理论和实践依据。

一、PEM

质子交换膜（Proton Exchange Membrane，简称PEM）是电解槽的核心部件，起到分离产物气体和绝缘电极的作用，使电解反应高效、稳定进行。

PEM 电解槽利用直流电将水分解为氢气和氧气，如图所示。

二、EasyGo PEM 电解槽模型

EasyGo PEM 电解槽模型输入为功率和负载电压，输出包括总电压、总电流、制氢速率、制氢效率以及制氧速率，如图所示。

模型封装参数分为两部分：可调参数和 PEM 电解槽单个电解小室系统参数。

PEM 电解槽单个电解小室系统参数，如下表所示。

PEM电解槽电压制氢效率模型：包含电压模型、效率模型和气体生成模型。

1、电压模型

电压模型包含可逆过电位、活化过电位、欧姆过电位以及浓度过电位计算。

▍可逆过电位：电解槽阴极和阳极的电位差。

▍活化过电位：反应初期，为了激活电解槽阳极和阴极侧发生的电化学反应而产生的不可逆电位损失，即活化过电位。

▍欧姆过电位：反应中多种阻抗共同相互作用，并累积产生的电压损失。

▍浓度过电位：电解过程中电极周围反应物浓度不均导致离子扩散，因浓度差导致的过电位产生。

可逆电压、活化过电位、欧姆过电位以及浓度过电位相加再乘以电解小室数即为总电压，如图所示。

2、效率模型

η= V_rev*n/V_sum，可逆电压除以总电压，停机时效率为0。

3、气体生成模型

气体生成模型原理是依据法拉第定律，其表达式为：m=k*Q=k*I*t（Q是通过电解质的电量，k是比例常数，I是电流强度）。

其中制氢气质量为m=MIt/zF ，制氢速率为H2_rate=n*M*J*A/(2*F)

N为电解小室数，每台PEM制氢设备是有许多个电解小室组成，模型如图所示，制氧速率为制氢速率的一半。

三、仿真验证

本篇中我们分别用离线模型验证、实时仿真验证两种方式验证了该 PEM 电解槽模块在交流接入模式的可行性，具体验证详情如下。

1、交流接入模式

交流接入模式是指 PEM 电解槽模块开放交流接口与拓扑连接。该模式更多的考虑到的是在电力系统中，能量级别的变化。因此，只需要考虑PEM负载消耗的功率是否与实际设置的值一致。

拓扑左侧为电网，右侧的 PEM_Load 为PEM等效负载，如下图所示。

在设定 PEM的消耗功率后，通过实时测量到的PEM等效负载前端的三相电压，结合可控PQ负载算法，计算出对应的等效负载电流，再将该电流传入PEM等效负载的电流源中，形成闭环。

整体模型如下图所示：

2、离线仿真

给定 PEM 随机功率，观察等效负载的功率是否与设定值一致。

当给定值为 4WM 时，其等效负载的功率也为4WM；当给定值为6.7WM时，其等效负载的功率也为6.7WM，如下图所示。

3、实时仿真

PXIBox是基于PXI总线架构硬件平台的实时仿真产品系列，采用新款多核实时CPU+多FPGA硬件架构，既可以做快速原型控制应用，又可以做硬件在环测试，也可以同时一机多用。

将控制模型和拓扑模型分别通过仿真上位机（EasyGo DeskSim）部署到实时仿真器（PXIBox），整体架构如下图所示：

以下分别为 PEM 设定值为6.7WM和10WM时的实时仿真波形，均能稳定运行。

可以看到，通过任意修改PEM模块的设定值，其等效负载的实际消耗功率都能稳定跟随，验证通过。

通过对交流接入模式的离线验证及实时仿真验证可知，EasyGo PEM 电解槽模块能实现设定值与实际运行参数的稳定跟随，验证结果表明该PEM电解槽模块在交流接入模式下具有可行性。

EasyGo PEM 电解槽模型可为PEM电解槽在制氢领域的实际应用提供坚实的模型基础和可靠的技术支持，有助于推动制氢技术的发展和应用，为清洁能源的开发和利用提供有力保障。