热力发电

项目	数值
电堆数	2
小室数量	50（串联）
参考温度/℃	25
参考压力/MPa	0.1
阴极参考电流密度/（A·m^–2）	2.954 580×10^–12
阴极活化能/（kJ·mol^–1）	101.168 350
阳极参考电流密度/（A·m^–2）	2.722 973×10^–10
阳极活化能/（kJ·mol^–1）	51.446 179
离子电导率常数项/（S·m^–1）	6.454 031 89
离子电导率KOH浓度影响因子/（S·m^–1）	2.400 475 00
离子导电率活化能/（kJ·mol^–1）	209.445 789

项目	数值
电堆数	2
小室数量	50（串联）
参考温度/℃	25
参考压力/MPa	0.1
阴极参考电流密度/（A·m^–2）	2.954 580×10^–12
阴极活化能/（kJ·mol^–1）	101.168 350
阳极参考电流密度/（A·m^–2）	2.722 973×10^–10
阳极活化能/（kJ·mol^–1）	51.446 179
离子电导率常数项/（S·m^–1）	6.454 031 89
离子电导率KOH浓度影响因子/（S·m^–1）	2.400 475 00
离子导电率活化能/（kJ·mol^–1）	209.445 789

工况	电密/（A·m^–2）	槽压/MPa	流量/（m³·h^–1）	温度/℃	小室电压/V
Exp1	2 748	0.7	12	55	2.10	2.11
Exp2	2 748	1.0	15	60	2.10	2.09
Exp3	2 748	1.3	18	65	2.10	2.11
Exp4	2 748	1.6	21	70	2.09	2.09
Exp5	2 499	1.0	12	65	2.05	2.06
Exp6	2 499	0.7	15	70	2.05	2.05
Exp7	2 499	1.6	18	55	2.10	2.10
Exp8	2 499	1.3	21	60	2.10	2.09
Exp9	1 997	1.3	12	70	1.99	2.00
Exp10	1 997	1.6	15	65	2.02	2.02
Exp11	1 997	0.7	18	60	2.04	2.03
Exp12	1 997	1.0	21	55	2.06	2.08
Exp13	997	1.6	12	60	1.91	1.91
Exp14	997	1.3	15	55	1.93	1.93
Exp15	997	1.0	18	70	1.89	1.83
Exp16	997	0.7	21	65	1.90	1.90

工况	电密/（A·m^–2）	槽压/MPa	流量/（m³·h^–1）	温度/℃	小室电压/V
Exp1	2 748	0.7	12	55	2.10	2.11
Exp2	2 748	1.0	15	60	2.10	2.09
Exp3	2 748	1.3	18	65	2.10	2.11
Exp4	2 748	1.6	21	70	2.09	2.09
Exp5	2 499	1.0	12	65	2.05	2.06
Exp6	2 499	0.7	15	70	2.05	2.05
Exp7	2 499	1.6	18	55	2.10	2.10
Exp8	2 499	1.3	21	60	2.10	2.09
Exp9	1 997	1.3	12	70	1.99	2.00
Exp10	1 997	1.6	15	65	2.02	2.02
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Exp12	1 997	1.0	21	55	2.06	2.08
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Exp14	997	1.3	15	55	1.93	1.93
Exp15	997	1.0	18	70	1.89	1.83
Exp16	997	0.7	21	65	1.90	1.90

碱性电解水制氢系统建模与仿真

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黄柳燕 ¹ , 巫志华 ¹ , 张晨曦 ¹ , 陶加银 ¹ , 刘姣姣 ² , 韩涛 ³ , 赵桦粮 ⁴^,⁵

热力发电 | 新型发电技术 2026,55(3): 110-118

收起

热力发电 |新型发电技术 2026 , 55 (3) : 110 -118

碱性电解水制氢系统建模与仿真

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黄柳燕¹, 巫志华¹, 张晨曦¹, 陶加银¹, 刘姣姣², 韩涛³, 赵桦粮⁴^,⁵

作者信息

^1.西安航天科技工业有限公司，陕西西安 710000

^2.西安航天动力研究所，陕西西安 710100

^3.西安航天远征流体控制股份有限公司，陕西西安 710100

^4.北京合工仿真技术有限公司，北京 100192

^5.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北武汉 430070

通讯作者:

张晨曦（1999），女，硕士，工程师，主要研究方向为氢能相关技术，1345917731@qq.com。

作者简介:

黄柳燕（1987），女，硕士，高级工程师，主要研究方向为氢能、透平机械相关技术，hera_grace@163.com。

Modeling and simulation of alkaline water electrolysis hydrogen production system

Liuyan HUANG¹, Zhihua WU¹, Chenxi ZHANG¹, Jiayin TAO¹, Jiaojiao LIU², Tao HAN³, Hualiang ZHAO⁴^,⁵

Affiliations

^1.Xi’an Aerospace Science and Technology Industry Co., Ltd., Xi’an 710000, China

^2.Xi’an Aerospace Propulsion Institute, Xi’an 710100, China

^3.Xi’an Aerospace Yuanzheng Fluid Control Co., Ltd., Xi’an 710100, China

^4.Beijing Uninsim Technology Co., Ltd., Beijing 100192, China

^5.Hubei Laboratory of Modern Automotive Parts Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China

出版时间: 2026-03-25 doi: 10.19666/j.rlfd.202505080

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摘要

收起

针对现有碱性电解水制氢技术主要聚焦于电解槽性能试验、电解小室流场优化等方面，鲜有关注制氢系统的整体描述与关键设备的机理建模仿真。采用gPROMS过程模拟软件，参考化工流程模拟方法，以某200 m³/h（标况，下同）碱性电解水制氢系统为研究对象，建立了基于机理分析的分布式参数模型，对系统关键设备进行精细化建模与仿真计算。通过将仿真结果与实验数据进行对比验证，结果表明系统主要性能参数的模拟值与实测数据具有良好的一致性，经计算平均误差小于5%，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，为后续系统设计、优化及控制提供方法及支撑。

关键词

碱性电解水制氢系统 / gPROMS软件 / 建模 / 仿真

Abstract

收起

The existing alkaline electrolysis hydrogen production technology primarily focuses on performance testing of electrolyzers and optimization of flow fields in electrolysis cells, and little attention is paid to overall description of the hydrogen production system as well as the mechanism modeling and simulation of key equipment. To solve this problem, using gPROMS process simulation software and referencing chemical process simulation methods, a distributed parameter model based on mechanism analysis was established for a 200 m³/h (standard condition) alkaline water electrolysis hydrogen production system. The key equipment of the system was finely modeled and simulated. By comparing the simulation results with experimental data, the results show that the simulated values of the main performance parameters of the system have good consistency with the measured data. The calculated average error is less than 5%, which verifies the effectiveness of the model. The established model can describe and predict the changes in system parameters, providing methods and support for subsequent system design, optimization, and control.

Key words

alkaline water electrolysis hydrogen production system / gPROMS software / modeling / simulation

引用本文

黄柳燕, 巫志华, 张晨曦, 陶加银, 刘姣姣, 韩涛, 赵桦粮. 碱性电解水制氢系统建模与仿真. 热力发电, 2026 , 55 (3) : 110 -118 . DOI: 10.19666/j.rlfd.202505080

Liuyan HUANG, Zhihua WU, Chenxi ZHANG, Jiayin TAO, Jiaojiao LIU, Tao HAN, Hualiang ZHAO. Modeling and simulation of alkaline water electrolysis hydrogen production system[J]. Thermal Power Generation, 2026 , 55 (3) : 110 -118 . DOI: 10.19666/j.rlfd.202505080

正文

收起

氢能作为零碳能源，在交通、能源和化工等领域具有广阔的应用前景，其大规模利用将助力我国实现“双碳”目标^[1]。根据碳排放强度及制氢方式，氢能可分为绿氢、蓝氢和灰氢。绿氢通过可再生能源电解水制取，几乎无碳排放，是真正的清洁能源。目前全球约有70个在建或规划的绿氢项目^[2]，其共同特点是“源网荷储一体化”：以风电、光伏等可再生能源为电源，结合电网供电进行电解水制氢，产出的氢气以气态、液态或固态储存，并应用于交通、能源或化工领域。绿氢项目的电源输入和氢气输出方式多样，但电解水制氢的核心工艺相似。

现有研究多聚焦于制氢系统电解槽性能试验^[3-4]、小室流场优化^[5-8]、气泡动力学^[9-11]、电极特性^[12-13]或风光制氢系统仿真^[14-16]，但大多采用经验公式建模^[17-21]或MATLAB/SIMULINK^[22]/Aspen^[23]软件仿真，鲜有文献关注制氢系统关键设备的机理建模^[24-25]。然而，制氢系统关键设备选型、工艺参数设定、运行策略制定等需基于对系统的全面理解，而目前国内项目仍缺乏启停参数、长期稳定运行及变工况运行数据。

碱性电解水制氢技术成熟、成本低、单槽产能大，是目前绿氢生产的主要方式。针对上述问题，本文基于gPROMS软件，借鉴化工过程仿真方法，对碱性电解水制氢系统进行机理性分布式参数建模，采用联立方程法，开展系统仿真研究。

1　制氢系统数学模型

收起

碱性电解水制氢系统主要由碱性电解槽、气液分离器、换热器、循环泵、控制阀组、工艺管道及智能控制系统等核心部件组成。针对系统建模，本研究采用多尺度混合建模方法：1）对电解槽这一核心设备进行机理特性建模，基于化工生产的“三传一反”基础理论（质量传递、动量传递、能量传递、化学反应）构建分布式参数模型，精确描述电极反应动力学、离子传导及气泡效应等微观机制。传统针对电化学反应器（包括电解槽、燃料电池和电镀工艺设备等）的建模多采用集总参数法、等效电路法和伏安曲线法等，这些方法均不考虑设备内部的详细流动、传质、传热和电化学反应过程，仅仅基于少量的宏观实验数据做简单的物质与能量衡算，模型方法不具备动态特性和预测能力；2）对分离器、换热器等辅助设备采用集总参数法建模，通过能量、质量守恒方程表征其宏观特性，在保证精度的同时降低计算复杂度。通过联立方程法对工艺过程中的非线性方程组进行协同求解，实现系统级的仿真计算。制氢系统单元流程见图1。

1.1　碱性电解槽数学模型

碱性电解槽一般为压滤式电解槽，由数十个到上百个电解单元按规律叠压而成。每个电解单元即为一个电解小室。每个电解小室由极板、流道、电极和隔膜组成。碱性电解槽为制氢系统中关键部件，通常采用半经验公式进行模拟计算^[26]，本文采用机理建模方法。以下为碱性电解槽各部件的计算方程。

1.1.1　极板

能量守恒方程为：

C p ρ ∂ T ∂ t = − ∂ ∂ z (λ ∂ T ∂ z) + I e 2 σ e

(1)

电流与电势方程为：

∂ I e ∂ z = 0

(2)

I e = − σ e ∂ U e ∂ z

(3)

式中：C_p为极板材料比热容，J/（kg·K）；p为密度，kg/m³；T为温度，K；t为时间，s；z为厚度方向；λ为热导率，W/（m·K）；I_e为电子电流密度，A/cm²；σ_e为电子导电率，S/m；U_e为电势，V。

1.1.2　流道

质量守恒方程为：

∂ ∂ t (α p ρ p w c) = − ∂ ∂ x (α p ρ p u p w c) + J c

(4)

能量守恒方程为：

∂ ∂ t ∑ p (α p ρ p h p) = − ∑ p ∂ ∂ x (α p ρ p u p h p) + Q BP + Q BL

(5)

动量守恒方程为：

− ∂ p ∂ t = ρ u ∂ u ∂ t + f 1 μ u + f 2 ρ u 2

(6)

式中：α_p气/液相体积分数；w_c为组分c质量分数；x为流动方向；u_p为气/液相速度，m/s；J_c为c组分传质源项；h_p为气/液相比焓，kJ/kg；Q_BP为与主机板热流密度，W/m²；Q_BL为多孔电极热流密度，W/m²；p为流体压力，Pa；f₁、f₂为流阻系数；μ为流体动力黏度，Pa·s。

1.1.3　电极

质量守恒方程为：

∂ ∂ t (ε α p ρ p w c) = − ε ∂ ∂ z (α p J c) − ∂ ∂ z (u w c) + ν c H R n F

(7)

能量守恒方程为：

∂ ∂ t (ρ p C p T + ε ∑ p (α p ρ p h p)) = ∂ ∂ z (λ δ ∂ T ∂ z) − ∑ p ∂ ∂ z (u p α p ρ p h p) − ∑ p ∂ ∂ z (h c J c) + I e 2 σ e + I l 2 σ i + H R φ + H R n F (U 0 − R T ln (∏ i (w c w 0) ν i))

(8)

动量守恒方程为：

− ∂ p ∂ z = μ K u

(9)

电子电流与电势方程为：

∂ I e ∂ z = H R

(10)

I e = − σ e ∂ U e ∂ z

(11)

离子电流与电势方程为：

− (1 − ε) ∂ I 1 ∂ z = H R

(12)

I 1 = − (1 − ε) σ 1 ∂ U 1 ∂ z

(13)

能斯特方程为：

U b = − Δ G b n e,b F − R T n e,b F lg (∏ b (x s,l P P ref) ν i, j)

(14)

过电势计算方程为：

η an,b = (U an,e − U an,l) − U an,b

(15)

η ca,b = U ca,b − (U ca,e − U ca,l)

(16)

Butler-Volmer方程为：

I j = n e, j J j exp (− E a, j R (1 T − 1 T ref)) Π j (x s, i p p ref) ν R, i, j (exp (a rd, j n e, j F η j R T − exp (− a ox, j n e, j F η j R T)))

(17)

式中：ε为孔隙率；v_c、v_i为反应计量数；H_R为电子生产率，C/（m³·s）；n为反应电子数；F为法拉第常数，C/mol；h_c为组分c比焓，kJ/kg；I_l为离子电流密度，A/cm²；ε₁为离子电导率，S/m；φ为活化极化电势，V；U₀为参考平衡电位，V；w₀为参考质量分数；U_l为离子电势，V；U_b为半电池电势，V；ΔG_b为吉布斯自由能，J/mol；n_e，j为交换电子数；x_s，j为表观摩尔分数；p_ref为参考压力，Pa；v_j，i为j反应组分i的计量数；η_an，b、η_ca，b为阳极、阴极过电势，V；U_an，1、U_ca，1为阳极、阴极离子电势，V；U_an，b、U_ca，b为阳极、阴极半电池电势，V；U_an，e、U_ca，e为阳极、阴极电子电势，V；I_j为电流密度，A/cm2；J_j为参考电流密度，A/cm2；E_a，j为活化能，J/mol；T_ref为参考温度，K；v_R，i，j为反应级数；a_rd，j、a_ox，j为还原、氧化反应传输系数；R为气体常数，J/（mol·K）。

1.1.4　隔膜

能量守恒方程为：

∂ ∂ t ((1 − ε) ρ s C p T + ε ρ 1 h 1) = − ∂ ∂ z (λ ∂ T ∂ z) + I e 2 σ e + I i 2 σ i

(18)

电子电流与电势方程为：

I e = − σ e ∂ U e ∂ z

(19)

离子电流与电势方程为：

I i = − σ i ∂ U i ∂ z

(20)

隔膜扩散计算方程为：

k diff, i = k diff, i, ref exp (− E diff, i (1 T − 1 T ref))

(21)

隔膜渗透计算方程为：

k p, i = k p, i, ref exp (− E p, i (1 T − 1 T ref))

(22)

式中：ρ_s、ρ₁分别为固体、液体密度，kg/m³；h₁为液相比焓，kJ/kg；k_{diff，i，ref}、k_diff，i分别为组分i在参考温度下的扩散系数、扩散系数，m²/s；E_diff，i为组分i参考温度下扩散系数活化能，J/mol；k_p，i，ref、k_p，i分别为组分i在参考温度下的渗透系数、渗透系数，m²/s；E_p，i为组分i在参考温度下渗透系数活化能，J/mol。

1.1.5　电导率计算修正

电子导电率计算方程为：

σ e = σ e,ref exp (− k oe (1 T − 1 T ref))

(23)

离子导电率计算方程为：

σ i = (f con + f line (1 − x H 2 O)) exp (− k σ i (1 T − 1 T ref))

(24)

式中：σ_e、σ_e，ref分别为电子导电率及参考温度下的电子导电率，S/m；k_σe为参考温度下电子导电率活化能，J/mol；k_σi为参考温度下离子导电率活化能，J/mol；

X H 2 O

为液态水摩尔分数；f_con为离子导电率常数项；f_line为KOH浓度影响因子。

1.2　分离框架模型

在制氢系统中，分离框架指气液分离器、换热器、循环泵、控制阀组等用于气液分离的设备，主要采用集总参数法进行建模，不考虑内部物理量的分布特性。

1.2.1　气液分离器模型

质量守恒方程为：

V ◠ d m ˜ i d t = F in w in, i − F L x i − F V y i

(25)

能量守恒方程为：

V ◠ d u ◠ d t = F in h in + Q in − F L h L − F v h V − Q wall

(26)

u^= m ˜ T h − 100 p

(27)

Q wall = A in H in (T − T wall)

(28)

V wall d u ◠ wall d t = Q wall − Q out

(29)

u^wall = ρ wall C wall T wall

(30)

Q out = A out H out (T wall − T out)

(31)

相平衡方程为：

y i ϕ i, V ∑ i ∈ C (y i M w, i) = x i ϕ i, L ∑ i ∈ C (x i M w, i)

(32)

∑ i ∈ C x i = 1

(33)

∑ i ∈ C y i = 1

(34)

m ˜ T = m ˜ V + m ˜ L

(35)

m ˜ T w i = m ˜ V y i + m ˜ L x i

(36)

h m ˜ T = h V m ˜ V + h L m ˜ L

(37)

m ˜ L = f LVol ρ L

(38)

m ˜ V = (1 − f LVol) ρ V

(39)

w i = m ˜ i m ˜ T

(40)

压降方程为：

p out − p = 10 − 5 ρ L g l z vessel

(41)

式中：

V ◠

为有效体积，m³；

m ˜ i

为组分i单位体积质量，kg/m³；F_in为入口质量流量，kg/s；F_L为出口液体质量流量，kg/s；F_V为出口气体质量流量，kg/s；w_in，i为入口组分i质量分数；x_i为组分i在液相中质量分数；y_i为组分i在气相中质量分数；

u ◠

为单位体积流体能量，kJ/m³；h_V为出口气体比焓，kJ/kg；h_in为入口单位质量焓值，kJ/kg；h_L为出口液体比焓，kJ/kg；Q_in为供给流体热流率，kJ/s；Q_wall为流体传到壁面热流率，kJ/s；Q_out为壁面传到外界热流率，kJ/s；T_out为环境温度，K；T_wall为壁面温度，K；V_wall为壁面体积，m³；H_in为流体与壁面换热系数，W/（m²·K）；H_out为壁面与外界换热系数，W/（m²·K）；A_in为内壁面换热面积，m²；A_out为外壁面换热面积，m²；ρ_wall为壁面密度，kg/m³；C_wall为壁面热容，J/（kg·K）；ф_i，L为组分i在液相中的逸度系数；ф_i，V为组分i在气相中的逸度系数；

m ˜ L

为液体单位体积质量，kg/m³；

m ˜ V

为气体单位体积质量，kg/m³；

m ˜ T

为容器内总物质单位体积质量，kg/m³；f_LVol为液体的体积分数；w_i为组分i总质量分数；l为容器相对高度；z_vessel为容器高度，m；M_w，i为组分i分子量，g/mol；C为所有组分的集合。

1.2.2　阀门模型^[27]

流体通过阀门假定是绝热过程，因此流体经过阀门焓值不变。

压降计算方程为：

Δ p = p out − p in

(42)

流量计算方程为：

F = 103 C ν x Δ p

(43)

阀门开度方程为：

τ d x d t = x SP − x

(44)

式中：ΔP为压降，kPa；p_in、p_out分别为入口、出口压力，kPa；F为质量流量，kg/s；C_v为流阻系数；X为阀门实际开度；x_sp为阀门设置开度；τ为时间常数。

1.2.3　泵模型

Δ p = p out − p in

(45)

h out = h in

(46)

1.2.4　换热器模型

能量守恒方程为：

F out h out = F in h in + Q

(47)

质量守恒方程为：

F out = F in

(48)

W out, i = W i n, i

(49)

式中：h_in、h_out分别为入口、出口比焓值，kJ/kg；p_in、p_out分别为入口、出口压力，kPa；F_in、F_out分别为入口、出口质量流率，kg/s；Q为热交换功率，kW；w_in，i、w_out，i分别为组分i入口、出口质量分数。

1.2.5　管道模型^[28]

基本流动系数方程为：

F = 105 C v (p in − p out)

(50)

流体速度和雷诺数方程为：

ν = F A cross ρ

(51)

R e = ν ρ d i μ

(52)

平均管道压力方程为：

p avg = p in − p out 2

(53)

管道压降方程（伯努利方程）为：

105 (p in − p out) + ρ g (z in − z out) = 32 μ L ν d i 2 + K ρ ν 2 2, R e < 16 f F

(54)

105 (p in − p out) + ρ g (z in − z out) = ρ ν 2 2 (4 f F L d i + K), R e ⩾ 16 f F

(55)

完全湍流阻力系数方程为：

1 f F = − 4 lg (ε 3.7 d i)

(56)

式中：A_cross为横截面积，m²；d_i为管道内径，m；v为平均流体速度，m/s；μ为流体动力学黏度，m/s；Re为流动雷诺数；p_avg为平均管道压力，kPa；L为管道长度，m；K为等效流阻系数；z_in、z_out分别为进、出口高度，m；ε为壁面粗糙度，m；f_F为湍流摩擦因子。

1.3　控制模型^[29]

在碱性电解水系统模型中，除电解槽和辅助部件模型外，还需搭建控制模型。实际系统主要包含4种闭环控制策略。

氢侧液位控制　调节氢出口阀开度，维持氢氧液位差（PID控制）。

氧侧压力控制　调节氧出口阀开度，稳定氧侧压力（PID控制）。

碱液温度控制　调节冷却水阀开度，控制温度（PID控制）。

补水控制　基于氢侧液位高度进行阶梯式补水（上下限单点控制）。

根据仿真需求，部分算例会简化控制模型（如用完美控制替代PID控制）。

PID控制器基于理想PID算法，建立过程变量（P_V）与操作变量（M_V）的关系。

基本方程为：

M V = B + (P + I + D)

(57)

误差信号为：

e = S P − P V

(58)

比例项P为：

P = K c e

(59)

积分项I为：

时域

I = K c τ I ∫ 0 t e (τ) d τ

(60)

拉普拉斯域

I = K c τ I s

(61)

微分项D为：

时域

D = K c τ D d e d t

(62)

拉普拉斯域

D = K c τ D s

(63)

拉普拉斯域传递函数为：

M v = B + K c (1 + 1 τ I s + τ D s) e

(64)

输入输出归一化为：

P v → P v P V max − P V min

(65)

M v → M v M v max − M v min

(66)

式中：M_V、P_V分别为操作变量、过程变量；

P V max

、

P V min

分别为过程变量的最大值和最小值；

M V max

、

M V min

分别为操作变量的最大值和最小值；B为无错误时操作值；P、I、D分别为PID控制中的比例项、积分项、微分项；e为误差信号；S_p为比例项设定值；K_c为控制器增益；s为拉普拉斯算子；τ_I、τ_D分别为积分时间常数、导数时间常数。

2　模型验证

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电解槽模型如图2所示。为验证关键设备-电解槽建模方法及算法准确性，以某200 m³/h（标况，下同）电解水制氢碱性电解槽结构参数和材料关键参数为边界条件，通过式（1）—式（24）进行求解，常数项参数见表1。

模拟不同电密、系统压力、碱液流量、碱液进口温度条件下，电解小室电压值。对应的试验工况见表2。

小室电压仿真数据与试验数据的对比结果如图3所示。从图3可以看出，在不同电流密度、压力、流量、碱液入口温度条件下，电解小室电压仿真平均值与试验值结果整体吻合好，最大误差小于3.5%，验证了仿真模型的有效性。

结合表2中小室电压仿真值与试验值可以看出：1）电流密度从997 A/m²升至2 748 A/m²时，小室电压从1.9 V增至2.1 V，高电密区（如2 499 A/m²增至2 748 A/m²）电压增幅趋缓，符合电解槽极化曲线规律，即随着电流密度的增大，小室电压总体呈增大趋势，低电密区增幅明显，高电密区增幅缓慢；2）相同电密下（工况Exp1—工况Exp4），槽压从0.7 MPa升至1.6 MPa时，小室电压几乎无变化（2.10±0.01 V），说明槽压对小室电压影响可忽略；3）流量增加（工况Exp13—工况Exp16），流量从12 m³/h增加至21 m³/h，小室电压或增加或减小，温度从60 ℃降低至55 ℃，小室电压从1.91 V升至1.93 V；温度从55 ℃升高至70 ℃，小室电压从1.93 V降低至1.90 V以下，说明电压受温度调制；4）工况Exp15小室电压试验值较仿真值偏差大，且与前后组试验值对比，电压偏差0.07 V以上，该偏差值比其他组试验偏差值均大，可能原因是试验值存在异常，后续可对工况Exp15条件重复试验，确认是否为系统性误差或偶然波动。

3　制氢系统仿真

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本文利用gPROMS软件，基于某200 m³/h碱性电解水制氢系统PID图，搭建其系统仿真模型，见图4。

利用上述模型，加载与试验相同的电流边界，对比系统关键参数的动态变化，结果见图5。从图5可以看出，随着电流的加载：1）电压迅速增大而后略有降低并趋于稳定，这是因为随着负荷增大，电解槽温度升高，产气量大，KOH溶液浓度随着分离器液位的降低而升高，以上因素均会造成电阻降低，电压减小；2）氢中氧、氧中氢体积分数先升高再降低而后趋于稳定，随着产气的发生，气体穿透膜进入对侧，低负荷和高负荷工况下，气体穿透率几乎无变化，但产气量增加，因此，低负荷下氢中氧、氧中氢浓度高，高负荷下氢中氧、氧中氢浓度低；3）试验中氢、氧分离器液位在启动初期因产气量小未能突破液相阻力，导致气液混合物在分离器中暂时集聚，且初期系统压力上升慢，液相排出管道驱动压差不足，排液速率低于进液速率，这2个原因可能造成液位上升，随着产气增多，电解过程不断消耗水，液位逐渐降低，当降到系统控制低液位处时，系统补水，液位不断升高，直至达到控制高液位处；4）仿真计算中氢、氧分离器液位在启动初期一个上升，一个下降是因为初期氧分离器内压力低，氢分离器内压力高，造成液体从氢分离器经联通管流向氧分离器，随着压力平衡，液位逐渐正常。

在启动过程中，氢中氧浓度和氧中氢体积分数因制氢系统管道存在空气或氮气使得环境未达到仪表检测要求，从而导致这2个值阶跃跳动，故这2个试验值在起始阶段无参考意义。

动态对比过程中，电解槽电压、氧中氢体积分数、氢中氧体积分数、氢分离器液位、氧分离器液位等反映制氢系统能耗和安全运行的关键参数，在整个动态仿真过程中精度都很高，其随时间变化趋势与实验值之间具有良好的一致性，整体误差低，经计算平均误差小于5%，再次验证了模型的正确性，该仿真模型满足工程应用需求。

4　结论

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本文利用gPROMS软件，对系统关键设备采用机理建模法，对辅助设备采用集总参数建模法，借鉴化工工艺过程仿真理念，基于某200 m³/h碱性电解水制氢系统PID图，先对碱性电解槽关键设备进行模型验证，在变工况条件下，考察电流密度、电解槽压力、碱液流量、碱液温度等参数变化时，电解小室电压仿真值。经与试验值对比，结果吻合良好，最大误差小于3.5%，验证了模型的可靠性。进一步对制氢系统进行动态模拟仿真，对比动态试验结果，电解槽电压、氧中氢浓度、氢中氧浓度、氢分离器液位、氧分离器液位等反映制氢系统能耗和安全运行的关键参数，在整个动态仿真过程中精度都很高，其随时间变化趋势与实验值匹配性好，整体误差低，经计算平均误差小于5%，再次验证了系统模型的可靠性。

综上所述，本文所建立的模型能够描述、计算和预测系统参数的变化，此建模仿真方法可为工程上制氢系统设计、优化及控制提供支撑。在后续工作中，该模型可用于确定和比较不同参数变化对电解槽功率、效率和气体产出速率的影响，也可为电解槽性能拓宽提供思路。

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2026年第55卷第3期

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doi: 10.19666/j.rlfd.202505080

接收时间：2025-05-21
首发时间：2026-08-14
出版时间：2026-03-25

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出版历史

收稿日期：2025-05-21
修回日期：2025-06-13
录用日期：2025-06-19

基金

作者信息

^1.西安航天科技工业有限公司，陕西西安 710000

^2.西安航天动力研究所，陕西西安 710100

^3.西安航天远征流体控制股份有限公司，陕西西安 710100

^4.北京合工仿真技术有限公司，北京 100192

^5.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北武汉 430070

通讯作者:

张晨曦（1999），女，硕士，工程师，主要研究方向为氢能相关技术，1345917731@qq.com。

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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