水电解制氢

元件定义

该元件指水电解制氢槽，氢能作为一种清洁能源具有许多优势，包括可持续、可再生、污染少和能量密度高等。在全球碳达峰和碳减排战略中，它的重要性越来越显著。

在当前全球绿色能源转型的背景下，水电解制氢作为一种清洁、可持续的制氢方式备受关注。水电解是一种通过电能将水分解为氢气和氧气的技术，是实现清洁能源转换和储存的重要途径。作为水电解制氢的核心设备——电解槽，其性能和成本直接影响着整个产业的发展进程。电解槽是通过直流电作用将水分解为氢气和氧气的装置。其中，每个电解小室分为阳极小室和阴极小室，阴极产生氢气，阳极产生氧气。目前市场对电解槽的主要性能要求包括高纯度的氢气、低能耗、简单易制造和维修、长使用寿命以及高的材料利用率。

目前主要有碱性(ALK)、质子交换膜(PEM)和固体氧化物(SOEC)等电解水技术。

碱性电解槽（ALK）：ALK电解槽是一种较为传统的电解槽，广泛应用于工业生产中。其工作原理是利用碱性溶液（如 KOH 或 NaOH）作为电解质，通过电解水将氢离子和氧离子分离。

质子交换膜电解槽（PEM）：PEM电解槽是一种新型的电解槽，采用固态聚合物膜作为质子交换介质，可以在较低温度下运行。

固态氧化物电解槽（SOEC）：SOEC电解槽是一种高温电解槽，其特点是采用固态氧化物作为电解质，在高温下运行以实现水或二氧化碳的电分解。

目前碱性电解槽价格最低应用最为广泛，其成本低、规模大，适合大规模工业化制氢，在特定应用场景（如车规级氢能、波动性可再生能源）中PEM 的优势日渐明显，许多新建项目已开始选用PEM 电解槽，其市场渗透率预期会逐步扩大。SOEC 作为新兴技术有较大潜力，但在规模量产前在耐久性、制造工艺上还有待提升。

电解水制氢技术参数对比:

指标		碱性电解(ALK)	质子交换膜电解(PEMEC)	固体氧化物电解(SOEC)
性能参数	电解池能耗/(kWh/Nm³)	4.2-4.8	4.4-5.0	3
	系统能耗/(kWh/Nm³)	5.0-5.9	5. 2-5.9	3.7-3.9
	电解池效率(LHV)/%	63-71	60-68	100
	系统效率(LHV)%	51-60	46-60	76-81
	负荷弹性(额定负载)/%	20-100	0-120	-100-100
	冷启动时间	1-2 h	5-10 min	数小时
	热启动时间	1-5 min	小于5 s	15 min
	动态响应能力	一般	快	慢
工作参数	电流密度(A/cm)	0.25-0.45	1.0-2.0	0.2-1.0
	电解槽温度/° C	60-95	50-80	700-900
	产业化工作压力/MPa	0.1-3	0.1-5	0.1-1.5
	科研上工作压力/MPa	0.1-10	0.1-70	0.1-1.5
成本寿命	生命周期/h	(55-120)x10³	(60-100)x10³	(8-20)x10³
	投资成本/(￥/kW)	3000-9000	8000-13800	大于16000
	典型商业化规格	5 MW	1 MW	10kW

电解水制氢不同技术路线优缺点:

项目	碱性电解(ALK)	质子交换膜电解(PEMEC)	固体氧化物电解(SOEC)
优点	技术成熟，投资、运行成本低，不使用贵金属催化剂等	相比于比碱性水电解 ALK，1）电流密度更高；2）效率更高；3）氢气体积分数更高；4）产气压力更高；5）动态响应速度更快，能适应可再生能源发电的波动性	无需使用贵金属催化剂，制氢过程电化学性能显著提升，效率更高
缺点	碱液流失、腐蚀、能耗高、难以快速效应、装置庞大	投资和运行成本高	启停速度慢、衰减快

在实际项目中，碱性制氢虽然技术较为成熟，具有低成本的优势，但存在碱液流失、腐蚀、能耗高、难以快速效应、装置庞大等问题。PEM 相比于碱性水电解优势明显，动态响应速度更快，能适应可再生能源发电的波动性，但投资和运行成本高昂。多个项目将 碱性 + PEM 组合制氢，以碱性电解槽为主体降低成本，辅以 PEM 提升响应能力，有望兼顾成本的同时获得更好的波动适应性。

储氢前后的储氢量关系为:

V = P\eta_{h2}

Q = P\eta_{heat}

式中， $P$ 、 $Q$ 、 $V$ 分别表示电解槽的耗电功率（kW）、制热功率（kW）和产氢体积流率（ $\rm{Nm^3/h}$ ）； $\eta_{h2}$ 、 $\eta_{heat}$ 分别表示电解槽的产氢系数（ $\rm{Nm^3/kWh}$ ）和产热系数（%）。

考虑回收利用反应过程热时的电解槽元件的示意图如下：

当不考虑回收利用反应过程热时，其发热效率记为0，电解槽没有热力引脚，此时电解槽元件的示意图如下：

元件说明

属性

CloudPSS 元件包含统一的属性选项，其配置方法详见参数卡页面。

参数

设备参数

参数名	键值 (key)	单位	备注	类型	描述
生产厂商	`manufacturer`		生产厂商	文本	生产厂商
设备型号	`equipType`		设备型号	文本	设备型号
额定能耗）	`HydrogenGenCoe`	$\rm{kWh/Nm^3}$	额定能耗	实数	单位产氢量（ $\rm{Nm^3}$ ）的耗电量（kWh），理想能耗为 3.3 $\rm{kWh/Nm^3}$ ，一般碱性(ALK)效率为 50-75%，能耗为4-6 $\rm{kWh/Nm^3}$ ，质子交换膜(PEM) 效率为 60-90%，能耗为3.8-5 $\rm{kWh/Nm^3}$ ，固体氧化物(SOEC)效率为 80-10%，能耗为3.3-4 $\rm{kWh/Nm^3}$ ，
热输出效率	`ThermalGenEff`		热输出效率	实数	热输出效率，为热与电功率之比
最大氢气产量	`MaxHydrogenGen`	$\rm{Nm^3/h}$	最大氢气产量	实数	最大氢气产量
采购成本	`PurchaseCost`	万元/台	采购成本	实数	采购成本
固定运维成本	`FixedOMCost`	万元/年	固定运维成本	实数	设备固定运维成本
可变运维成本	`VariableOMCost`	元/kWh	可变运维成本	实数	设备可变运维成本

基础参数

参数名	键值 (key)	备注	类型	描述
元件名称	`CompName`	元件名称	文本	元件名称
元件类型	`CompType`	选择元件类型	选择	选择交流元件时输出交流电；选择直流元件时输出直流电。
是否考虑热回收	`IsHeatRecovery`	是否考虑热回收	选择	选择不考虑热回收时，电解槽的热不进行回收利用，此时，数据管理模块输入的热电联产系数无效，其发热效率记为0，电解槽没有热力引脚；选择考虑热回收时，数据管理模块的电解槽的热电联产系数将用于计算电解槽的产热量，电解槽有热力引脚

规划参数

参数名	键值 (key)	单位	备注	类型	描述
待选设备类型	`DeviceSelection`		从设备库中选择设备类型	选择	选择数据管理模块录入的设备型号，将电解槽元件的厂家、产品型号、额定运行参数自动绑定为对应设备在数据管理模块中录入的参数。
最小发电容量配置	`MinPowerGenCapacity`	kw	设备的最小发电容量配置	实数	仅当待选设备类型选择数据管理模块输入的设备后生效。
最大发电容量配置	`MaxPowerGenCapacity`	kw	设备的最大发电容量配置	实数	仅当待选设备类型选择数据管理模块输入的设备后生效。

引脚

电解槽的引脚用于将电解槽元件与其他电设备连接，支持线连接和信号名的连接方式。

引脚的名称、键值、维度、定义描述的详细说明如下表所示。

引脚名	键值 (key)	维度	描述
直流电接口	`DC`	1×1	可以在引脚处输入相同的字符使得元件与其他元件相连，当基础参数元件类型项是直流元件时，键名为`DC`
交流电接口	`AC`	1×1	可以在引脚处输入相同的字符使得元件与其他元件相连，当基础参数元件类型项是交流元件时，键名为`AC`
氢耗率	`V_H2`	1×1	可以在引脚处输入相同的字符使得电解槽与其他电元件相连，氢气耗率，为输入引脚。
热接口	`HeatPort`	1×1	热力输出引脚，仅当是否考虑热回收选择考虑热回收时生效，可以在引脚处输入相同的字符使得电解槽与其他电元件相连。

常见问题

元件模型是否具有代表性？: IESLab 平台的设备主要关注能量流的变化和转换过程，主要建立能量转换的通用简化模型。暂未建立电解水过程中的化学反应等详细模型。
能否实现 ALK + PEM + SOEC 组合制氢的规划设计方案？: IESLab 平台的 ALK 、 PEM 、 SOEC 为三种不同的独立元件，若实际项目为 ALK + PEM + SOEC 组合制氢，需同时搭建 ALK 、 PEM 、 SOEC 三类元件，并分别设置其基础参数和规划参数。由于平台未对电解槽的响应能力建模，无法评估项目的动态响应能力，如需分析响应能力和稳定性，请使用电磁暂态 EMTLab 平台。

元件定义​

元件说明​

属性​

参数​

设备参数​

基础参数​

规划参数​

引脚​

常见问题​