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。