基于电能与热能耦合输入的能量效率模型及应用

在工业电解系统中，能量效率的优化常涉及电能与热能的协同输入。本文针对热电耦合场景下的效率计算模型展开分析，重点阐述外部热源参与时的热力学条件与定量评估方法。

一、热电耦合效率模型（情况4）

核心方程：

该模型适用于大功率单电解室、短电解槽等需外部供热的场景，其特点为：

1. 能量输入构成：

2. 可逆基准：

3. 测量要求：必须精确量化外部热源输入的热量值

二、外部热量计算与热功率测定

通过水介质传递热量时，采用以下热力学公式：

该方法的有效性依赖于温度与流量的实时监测，例如在铝电解槽中，温差监测精度需达±0.5K以保障热平衡计算误差<3%。

三、热力学约束条件

系统运行需同时满足两个基本条件：

1. 电化学启动阈值：

2. 热力学平衡条件：

当发生吸热反应（△T<0 ）时，外部热量输入需补偿系统的吸热需求。如图所示，随着(Qinput)增加，效率曲线呈现先快速上升后渐趋平缓的特征，拐点对应热-电输入的最优配比。

图：热力学效率图

四、效率与能量输入的定量关系

1. 纯电能输入场景（Qinput=0)）：

   • 效率方程退化为模型：

   • 需通过提升电压补偿热能缺失，导致效率降低

2. 完全可逆条件（效率=100%）：

   • 总能量输入需达到285.84 kJ/mol

   • 实现路径包括：

     ◦ 电能单独输入：

     ◦ 热-电组合输入：

五、关键参数与工业应用

该模型已成功应用于：

• 高温电解制氢系统：通过余热回收使综合效率提升12-15%

• 铝电解槽热平衡调控：优化炉帮厚度使电流效率提高2-3个百分点

• 质子交换膜电解器：指导膜材料的热稳定性设计

结论

本文建立的热-电耦合效率模型，通过量化外部热量输入与电能消耗的协同作用，为工业电解系统的能效优化提供了理论工具。未来研究可进一步探索非稳态传热、多热源耦合等复杂场景下的模型拓展，推动电解技术向碳中和目标加速迈进。