在绿色转型探索新应用领域之前，氢已在众多化学工艺中展现出其作为重要前体的价值。历来，氢气在炼油行业中占据核心地位，是加氢处理与加氢裂化装置不可或缺的组成部分，并且还被应用于哈伯-波什（Haber-Bosch）工艺中，以生产合成氨。当前，甲烷蒸汽重整（SMR）是制取氢气的主流方法，然而，这一过程伴随着大量化石二氧化碳的排放。在SMR过程中，天然气与水在高温下反应生成氢气和二氧化碳。除此之外，煤气化也是利用化石资源制取氢气的一种方式，它通过将固体煤炭与氧气（O₂）反应，分离出水蒸气中的氢气与一氧化碳（CO）。
相较于传统的制氢技术，水电解技术因其环保特性而备受瞩目。当与可再生电力资源相结合时，水电解能够实现零二氧化碳排放。此技术的优势在于能够生产出高纯度的氢气，但以往其应用主要局限于小规模的氢气生产。据统计，全球仅有4%的氢气是通过水电解法制取的，而其余的氢气则来源于SMR、煤气化或作为炼油过程的副产品。然而，近年来，随着对环保要求的提高，水电解法已成为制氢领域的热门选项，主要归因于其生产过程中无碳排放的特点。
在水电解过程中，根据法拉第电解定律，电流直接用于分裂水分子以产生氢气：
该定律简明扼要地阐述了电化学反应速率与外加电流之间的直接比例关系，具体表现为电流密度icell与有效电池面积Aeff的乘积。其中，z作为化学计量常数，标志着生成一分子产物所需的电子数量，而法拉第常数F则负责将这些电子数量转换为所需的电荷量，计量单位为库仑。在由N_c个电解池串联组成的系统中，电流保持一致，流经每个电解池并产生等量的产物。
法拉第效率η_F的定义为：成功转化为目标化学产品的电荷量占所提供总电荷量的百分比。在理想的水电解过程中，法拉第效率通常被视为100%，因为几乎不存在明显的电化学副反应。然而，实际情况中，系统可能遭受其他形式的电流损失，使得电流效率无法达到这一理论值。这些损失主要包括绕过电解池中部分单元的分流或泄漏电流，以及通过电解分离器的气体扩散等。
尽管水电解产生的氢气量与外加电流成正比，但系统的耗电量还受到系统电压的影响。电解槽上的电压U_c与电流之间并非线性关系，而是呈现出复杂的函数关系。描述这种电压随电流变化的曲线通常被称为I-V曲线、U-I曲线或极化曲线。电解池电压可以视为多个不同组成部分的总和：
下面的图表展示了在任意水电解槽的极化曲线中，各种电压组成部分的贡献情况。其中，可逆电势U_rev代表了进行特定电化学反应所需的基础电化学驱动力。在标准条件（即温度为25℃，环境压力为1巴）下，水分解反应的自由能变化DRG为237 kJ/mol，对应的可逆电池电压U_rev为1.23V。
这个可逆电势U_rev与电流大小无关，但它会受到温度、压力以及系统中诸如部件电阻、催化剂种类、电解槽结构以及产物浓度等因素的影响。
Ohmic overpotential：可逆电势
公式(2)中的其他项代表过电位，是电解过程中的功率损耗源。具体说明如下：
Ucon：由欧姆电阻引起的过电位，与电流供应成正比，随电流密度线性增加。通过建模可分离电解堆各部分（如隔膜、电解质、接触面）的欧姆损耗。它反映了阳极与阴极间的电压降，源于电子和离子通量的电阻。
Ucon：活化过电位，表示克服反应动力学障碍所需的电压，与阳极和阴极反应动力学相关，受电极材料、电催化性能、电流密度、温度、压力、表面粗糙度、pH值、离子吸附和流体搅拌等因素影响。常用巴特勒-伏尔默方程或其近似（如塔菲尔方程）建模，是电流密度的非线性函数，近似对数关系。
Ucon：浓度（差）过电位，在高电流密度下因反应物补充不足而产生。在水电解中，由于常用电流密度不高，其影响通常被忽略，在建模中往往不计入。
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