电解制氢效率的学术定义和计算方法详解

电解制氢效率的学术定义和计算方法详解

电解制氢是实现绿色能源转型的重要技术之一。然而，电解制氢的效率一直是制约其大规模应用的关键因素。本文将为您详细介绍电解制氢效率的学术定义和计算方法，帮助您更好地理解这一重要技术。

能源效率是用于电解系统能效比较的一个重要量化指标，通常定义为有用能量输出与总能量输入的比率。但是，有许多不同的方法来表示电解过程的效率。但大原则都是以法拉第效率计算基础或电压效率为原则。当然计算过程中要区分整系统能量输入和电解槽本体能量输入（或者电解电压）的差异。

对于整个电解池来说，当以放热方式工作时，输出的有用能量是一摩尔氢的能量含量，输入的总能量是电源提供的产生一摩尔氢的电能，如下式所示：

其中WH2是一摩尔氢的高热值数据（285.8kJ），U是电解池的工作电压，I是电流，t是产生一摩尔氢所需的时间。

另一种方法将分解一摩尔水所需的理论能量与实际测量能量进行比较：

其中Wt是分解一摩尔水所需的理论能量，Wa是使用电解槽所需的实际能量。这导致了电压效率的一个简洁的比较。理论能量Wt既可以选择自由能电解电压EFree，也可以选择热电中性电压EThermonneutral，得到两个独立的效率，自由能效率和热效率，分别如下式：

由于实际的电解池是在放热区工作，因此最合适的电压效率是采用高温热中性电压计算。

这两个电压效率的本质区别在于：自由能效率是纯粹从电压的角度来衡量电池效率的，在两个理论电压（可逆电压和热中性电压）之间进行电解是一个吸热反应，自由能效率中吉布斯自由能将由电能提供，但额外的熵将作为热能电解池需要从周围环境中额外吸收，以保持其温度。热效率是假定全部焓由电能提供，因此电池不会从周围环境中消耗任何热能。

效率还可以通过比较在规定时间内实际氢气生产量（对应的氢可提供的能量）和应用于系统的总电能来衡量：

式中VH2是电解池（t）时间内体积产氢量（对应的能量值），WElectrical是在一段时间（t）内施加到系统上的电能。

研究和开发的本质目标是提高电解过程的效率，以便将一摩尔的水分解成其组成部分（H2和O2）所需的能量更少。定义效率是量化的比较技术改进的基准的关键指标。

不同电解池之间的比较可以通过比较电流密度或在固定温度和压力下的电解池电解电压来进行，也可以在同等条件下比较效率本质是一样的。

电压电解效率计算举例说明：

取两个电流密度均为0.5A·cm−2的电解池，电解池1的电解电压为1.68 V，电解池2的电解电压为1.8 V。电池1的自由能效率为：1.23x100/1.68 =73.2%；热效率为：1.48x100/1.68 =88.1%，而电池2的相应的两个电压效率分别为1.23x100 /1.8 = 68.3%和1.48x100 /1.8 = 82.2%。这方便比较电解槽的两种不同迭代和性能。