PEM（質子交換膜）電解槽作為制氫領域的核心設備，其模型的準確性和可靠性對于制氫系統的設計、運行和優化至關重要。為此，EasyGo特推出了PEM電解槽模型。本文圍繞EasyGo PEM電解槽模型通過離線驗證和實時仿真驗證兩種方式，對該模型在交流接入模式的可行性進行全面驗證，可為PEM電解槽的實際應用提供理論和實踐依據。

一、PEM

質子交換膜（Proton Exchange Membrane，簡稱PEM）是電解槽的核心部件，起到分離產物氣體和絕緣電極的作用，使電解反應高效、穩定進行。

PEM 電解槽利用直流電將水分解為氫氣和氧氣，如圖所示。

二、EasyGo PEM 電解槽模型

EasyGo PEM 電解槽模型輸入為功率和負載電壓，輸出包括總電壓、總電流、制氫速率、制氫效率以及制氧速率，如圖所示。

模型封裝參數分為兩部分：可調參數和 PEM 電解槽單個電解小室系統參數。

PEM 電解槽單個電解小室系統參數，如下表所示。

PEM電解槽電壓制氫效率模型：包含電壓模型、效率模型和氣體生成模型。

1、電壓模型

電壓模型包含可逆過電位、活化過電位、歐姆過電位以及濃度過電位計算。

▍可逆過電位：電解槽陰極和陽極的電位差。

▍活化過電位：反應初期，為了激活電解槽陽極和陰極側發生的電化學反應而產生的不可逆電位損失，即活化過電位。

▍歐姆過電位：反應中多種阻抗共同相互作用，并累積產生的電壓損失。

▍濃度過電位：電解過程中電極周圍反應物濃度不均導致離子擴散，因濃度差導致的過電位產生。

可逆電壓、活化過電位、歐姆過電位以及濃度過電位相加再乘以電解小室數即為總電壓，如圖所示。

2、效率模型

η= V_rev*n/V_sum，可逆電壓除以總電壓，停機時效率為0。

3、氣體生成模型

氣體生成模型原理是依據法拉第定律，其表達式為：m=k*Q=k*I*t（Q是通過電解質的電量，k是比例常數，I是電流強度）。

其中制氫氣質量為m=MIt/zF ，制氫速率為H2_rate=n*M*J*A/(2*F)

N為電解小室數，每臺PEM制氫設備是有許多個電解小室組成，模型如圖所示，制氧速率為制氫速率的一半。

三、仿真驗證

本篇中我們分別用離線模型驗證、實時仿真驗證兩種方式驗證了該 PEM 電解槽模塊在交流接入模式的可行性，具體驗證詳情如下。

1、交流接入模式

交流接入模式是指 PEM 電解槽模塊開放交流接口與拓撲連接。該模式更多的考慮到的是在電力系統中，能量級別的變化。因此，只需要考慮PEM負載消耗的功率是否與實際設置的值一致。

拓撲左側為電網，右側的 PEM_Load 為PEM等效負載，如下圖所示。

在設定 PEM的消耗功率后，通過實時測量到的PEM等效負載前端的三相電壓，結合可控PQ負載算法，計算出對應的等效負載電流，再將該電流傳入PEM等效負載的電流源中，形成閉環。

整體模型如下圖所示：

2、離線仿真

給定 PEM 隨機功率，觀察等效負載的功率是否與設定值一致。

當給定值為 4WM 時，其等效負載的功率也為4WM；當給定值為6.7WM時，其等效負載的功率也為6.7WM，如下圖所示。

3、實時仿真

PXIBox是基于PXI總線架構硬件平臺的實時仿真產品系列，采用新款多核實時CPU+多FPGA硬件架構，既可以做快速原型控制應用，又可以做硬件在環測試，也可以同時一機多用。

將控制模型和拓撲模型分別通過仿真上位機（EasyGo DeskSim）部署到實時仿真器（PXIBox），整體架構如下圖所示：

以下分別為 PEM 設定值為6.7WM和10WM時的實時仿真波形，均能穩定運行。

可以看到，通過任意修改PEM模塊的設定值，其等效負載的實際消耗功率都能穩定跟隨，驗證通過。

通過對交流接入模式的離線驗證及實時仿真驗證可知，EasyGo PEM 電解槽模塊能實現設定值與實際運行參數的穩定跟隨，驗證結果表明該PEM電解槽模塊在交流接入模式下具有可行性。

EasyGo PEM 電解槽模型可為PEM電解槽在制氫領域的實際應用提供堅實的模型基礎和可靠的技術支持，有助于推動制氫技術的發展和應用，為清潔能源的開發和利用提供有力保障。