质子交换膜电解水制氢系统建模与仿真

作     者：王辉东 姚海燕 郭强 夏红军 

作者机构：国网浙江省电力有限公司杭州市余杭区供电公司 杭州电力设备制造有限公司余杭群力成套电气制造分公司 

出 版 物：《南通大学学报(自然科学版)》 (Journal of Nantong University(Natural Science Edition))

年 卷 期：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主　　题：质子交换膜电解槽 系统建模 仿真分析 

摘      要：质子交换膜(Proton Exchange Membrane， PEM)电解水制氢技术将电能转化为化学能和热能，是一种绿色的制氢方式，具有响应速度快、电流密度高、结构紧凑等优点。对于质子交换膜电解水制氢系统建模，现有文献中缺少整体描述电解槽电压、电流变化及系统各组件温度动态的集总参数模型。文章根据电化学基本原理以及热力学定律，建立了PEM电解槽电压稳态模型和系统的温度动态模型，基于MATLAB/Simulink软件进行了仿真分析，将仿真结果与实验数据进行了对比，其中电压误差不超过0.02 V，温度误差不超过1.6 ℃，验证了模型的有效性，所建立的模型能够描述和预测系统参数的变化，为系统设计及控制优化提供支撑。根据PEM电解槽的效率模型以及仿真结果，分析了不同温度、压强对电解槽性能的影响，得出升高温度、降低压强能够提高电解槽效率，其中温度是影响电解槽效率的主要因素。在搭建的仿真模型基础上，使用前馈PID控制器进行了温度控制，其中温度超调不超过0.6 ℃，调节时间在400 s以内，并与传统PID控制器进行了对比，结果表明前馈PID控制器具有超调小、响应速度快的优点。