基于动态建模的质子交换膜水电解制氢系统瞬态响应特性与性能优化研究

《Case Studies in Thermal Engineering》：Multi-Scale Mechanisms Governing Temperature Field Propagation and Gas Release in Water-Bearing Coal Seam in the Context of In-Situ Enhanced Combustion

针对可再生能源波动性供电下质子交换膜水电解制氢（PEMWE）系统动态响应机制不明确的问题，本研究开发了集成电化学-热力学-传质过程的动态仿真模型。通过分析电流密度阶跃变化下电压/温度/气体渗透的瞬态行为，揭示了过电压超调量与收敛时间的指数增长规律，为PEMWE系统与可再生能源的协同控制提供了关键理论支撑。

　　

随着全球能源转型加速推进，氢能作为清洁二次能源载体的重要性日益凸显。质子交换膜水电解制氢（PEMWE）技术因其响应速度快、负荷调节范围宽等优势，被视为消纳波动性可再生能源（如风电、光伏）的理想解决方案。然而，可再生能源出力具有显著的不确定性和间歇性，导致PEMWE系统需频繁应对剧烈波动的运行工况。在这种动态运行条件下，系统内部会发生复杂的多物理场耦合过程：电化学反应速率突变引发温度场重分布，气液两相流形态改变影响传质效率，而膜电极两侧的压力/温度变化又会反向作用于电化学极化特性。这些瞬态过程的相互作用机制尚不明确，严重制约了PEMWE系统在真实场景下的运行效率与控制精度。

为破解这一难题，发表在《Case Studies in Thermal Engineering》的研究团队开发了全新的PEMWE动态仿真模型。该模型创新性地整合了电化学反应动力学、多组分质量守恒、能量平衡方程与气体渗透效应，首次实现了对系统阶跃响应全过程的多参数同步追踪。通过设置5种不同幅度的电流密度阶跃变化（0.4-2.0 A/cm²），系统揭示了负载突变下电压超调现象的形成机理：当操作电流跃升时，电极表面气泡饱和度急剧变化导致活化过电压瞬时增强，而膜电导率的温度依赖性延迟使得欧姆过电压呈现惯性增长，两者叠加形成显著电压超调。特别值得注意的是，超调幅度随电流变化率呈指数增长规律（y=0.4212e^0.039x），而响应收敛时间则呈现线性延长趋势，这为预测系统动态行为提供了量化依据。

研究团队采用的关键技术方法包括：①建立包含Nernst方程、Butler-Volmer方程的多物理场耦合模型框架；②引入考虑电渗拖拽效应与Fick扩散的气体跨膜传输模型；③通过Arrhenius公式描述温度对膜电导率与交换电流密度的耦合影响；④采用变步长微分-代数方程（DAE）求解器保证计算稳定性。模型验证采用25单元电堆实验数据，在0.2-2.0 A/cm²工况下平均误差仅0.55%。

电压动态响应特性分析表明，当电流密度从10%突增至100%额定容量时，电池电压会出现13.4 mV的超调，收敛过程持续181秒。这种瞬态响应主要来源于活化过电压的剧烈波动——阳极过电压变化量（0.659 V）达到阴极（0.070 V）的9.4倍，这是因为阳极催化剂层氧气气泡饱和度（S_O2^cl）在负载突变时从0.053激增至0.093，显著降低了电化学活性面积。值得注意的是，欧姆过电压贡献占比随温度升高而下降，当堆温从55℃升至58.4℃时，膜电导率提升17.3%，部分抵消了电流密度增加带来的阻抗损耗。

热力学平衡过程模拟显示，系统温度变化存在明显延迟效应。在最大负载阶跃工况下，堆温需经过256秒才达到新稳态，较电压收敛延迟约70秒。这种热惯性源于系统热容（C_th）与流体换热的综合作用，其中去离子水流量（3000 kg/hr）作为主要散热途径，其温度升高（ΔT=3.4℃）直接影响了反应物活度与Nernst电压。质量传递分析发现，阴极侧氧气渗透通量（N?_O2^perm）在高压差（10 bar）环境下达到1.72×10^-5mol/s，导致氢气产物中氧浓度升至0.86%，这为安全控制提供了重要边界参数。

本研究通过建立高精度动态模型，首次量化揭示了PEMWE系统在变载工况下的多时间尺度响应规律。研究发现的电压超调指数增长规律为系统控制器设计提供了理论依据，而气液两相流动态耦合机制的解明则为新型流场结构优化指明了方向。该模型不仅可用于评估PEMWE与可再生能源的协同运行潜力，还能为百千瓦级系统的热管理策略、安全边界设定等工程问题提供关键设计工具，对推动绿氢产业规模化发展具有重要实践意义。