PEM水电解制氢系统能耗包括电解槽直流能耗和辅助设备用电能耗, 如纯水机、冷水机、整流器等。将电解槽用电量记为直流能耗, 而其他辅助设备用电量记为交流能耗, 分别用电度表计量, 电度表测量精度1级。单位制氢能耗为水电解制氢系统在额定工况条件下, 生产标准状态下1 m³氢气所消耗的电量^[14]。单位直流能耗为单位时间直流能耗与产氢速率的比值, 而单位交流能耗为单位时间交流能耗与产氢速率比值。能耗的测定方法参考国家标准（GB/32311-2015）^[14], 每次能耗测定持续时间为3 h。

电解槽电流通过电流表监测, 电流密度为电解槽电流与膜电极活性面积比值, 电流表测量精度为0.5级。为研究电流密度对能耗的影响, 实验中固定其他运行参数, 选择电流密度分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 A/cm²进行PEM水电解制氢能耗测量实验。电流密度的变化通过控制电源整流器输出电流实现。

电解槽运行温度采用数显的热敏电阻温度计测量。电解槽运行温度的调节通过冷水机调温实现。考察运行温度对能耗的影响时, 固定其他运行参数, 在一定电流密度下, 选择不同的温度进行能耗测量。根据实验条件, 选择20、30、40、50、60β ℃等温度值进行实验。

PEM水电解制氢系统氢气产量检测方法采用直流电测试值法^[14]。在标准状态下, 制取1 m³氢气所需理论电量为2 390 A∙ h, 电流测试值计算产氢速率如下：

${{q}_{\text{h}}}=\frac{In{{\eta }_{0}}}{2390}$ (1)

式中：q_h为产氢速率, m³/h; I为电解槽直流电流, A; n为电解槽片数, 个; η ₀为电流效率, 取100%。

制氢效率${{\eta }_{\text{h}}}$按公式（2）计算^[14]：

${{\eta }_{\text{h}}}=\frac{1.48\times 2390}{1000W}$ (2)

式中：1.48为热中性电压, V; W为PEM水电解制氢系统单位能耗, kW∙ h/m³。

图2为PEM水电解制氢系统不同电流密度下的产氢速率变化, 产氢速率随电流密度的增加而提高。保持电解槽运行温度25β ℃不变, 在不同电流密度下测定系统单位能耗, 结果如图3所示。电流密度对系统单位能耗的影响非常显著, 随着电流密度的增加, 系统单位能耗逐渐降低, 当电流密度为1.4 A/cm²时, 系统单位能耗降低至6.76 kW∙ h/m³。与电流密度为0.2 A/cm²时相比, 系统单位能耗降低了2.59 kW∙ h/m³, 降低27.7%。

图2

Fig. 2

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	图2 电流密度与产氢速率的关系Fig. 2 Relationship between current density and hydrogen generation rate

图3

Fig. 3

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	图3 电流密度与单位能耗的关系Fig. 3 Relationship between current density and specific energy consumption

图4为系统单位直流能耗和单位交流能耗分布情况。结果表明, 随着电流密度的增加, 单位直流能耗不断增加, 从4.25 kW∙ h/m³增加到5.36 kW∙ h/m³。分析认为, 随着电流密度的提高, 电解槽小室平均电解电压不断升高（图2）, 所需要的直流能耗不断增加。单位交流能耗随着电流密度的增加而不断减小, 尤其是0.2 A/cm²增加到0.4 A/cm²。原因是单位交流能耗反映PEM水电解制氢系统辅助设备平均单位用电能耗。低电流密度运行时, 系统产氢量少, 辅助设备如纯水机、冷水机、整流器等均处于低负荷运行状态, 电能利用效率低, 因此测定的单位交流能耗较高。但随着电流密度增加, 产氢速率提高, 辅助设备也逐渐恢复到额定负荷运行状态, 电能利用效率逐渐提高, 从而单位交流能耗不断降低并趋于稳定。总体上看, PEM水电解制氢系统在电流密度高时比电流密度低时有明显的技术经济性, 与GRESPI等^[15]运行60 kW的PEM系统得出结论一致。

图4

Fig. 4

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	图4 单位直流能耗和单位交流能耗Fig. 4 Specific DC energy consumption and AC energy consumption

通过现场实验, 考察一定电流密度下不同运行温度对PEM水电解制氢系统单位制氢能耗的影响。分别在1.0 A/cm²和1.4 A/cm²电流密度下进行实验。当电流密度为1.0 A/cm²时, 不同温度下的系统单位能耗如图5（a）所示。系统单位能耗随着电解槽运行温度的升高而逐渐降低, 电解槽60β ℃运行时的系统单位能耗比电解槽20β ℃运行时的系统单位能耗降低了8.2%。图5（b）表明随着电解槽运行温度升高, 单位直流能耗逐渐降低, 而单位交流能耗无明显变化。电解槽60β ℃运行时的系统单位直流能耗比电解槽20β ℃运行时的系统单位直流能耗降低了14.1%。OZDEMIR等^[7]采用实验室PEM电解槽进行不同温度的电解实验, 结果与本实验相符。郭常青等^[16]认为, 水电解为吸热反应, 提高电解槽工作温度有助于提高电解槽性能, 从而节省水电解电能消耗。如图5（c）所示, 运行温度升高, 电解槽平均小室电压显著下降, 同时系统制氢效率也随之提高。因此, 温度升高降低了活性过电位, 加快了电化学反应速率, 提高了电解槽电解性能, 从而降低了系统单位产氢能耗。

图5

Fig. 5

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	图5 电流密度1.0 A/cm2时, 温度对能耗的影响：（a）系统单位能耗; （b）单位直流能耗和单位交流电耗; （c）电解电压及系统制氢效率Fig. 5 Influence of operating temperature on energy consumption with current density 1.0 A/cm2: (a) specific energy consumption; (b) specific DC energy consumption and specific AC energy consumption; (c) cell voltage and hydrogen production efficiency

图6（a、b）为电流密度为1.4 A/cm²时, PEM水电解制氢系统单位能耗变化情况。PEM水电解制氢系统单位能耗同样随着电解槽运行温度的升高而逐渐降低, 电解槽60β ℃运行时系统单位能耗比电解槽30β ℃运行时系统单位能耗降低了5.9%。升高运行温度会显著降低单位直流能耗, 而对单位交流能耗影响不明显。运行温度的变化也同样影响系统制氢效率和电解电压, 图6（c）表明, 电解槽60β ℃运行比30β ℃运行时平均小室电解电压降低0.3 V, 系统制氢效率提高3%。总体上, 1.4 A/cm²、60β ℃时系统单位能耗最低, 电解效率最高。

图6

Fig. 6

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	图6 电流密度1.4 A/cm2时, 温度对能耗的影响：（a）系统单位能耗; （b）单位直流能耗和单位交流电耗; （c）电解电压和系统制氢效率Fig. 6 Influence of operating temperature on energy consumption with current density 1.4 A/cm2: (a) specific energy consumption; (b) specific DC energy consumption and specific AC energy consumption; (c) cell voltage and hydrogen production efficiency