间歇运行下工业电解槽性能模型的开发与验证：应用于55 kW质子交换膜系统

《International Journal of Hydrogen Energy》：Development of a performance model for industrial electrolyzers under intermittent operation: application to a 55 kW proton exchange membrane system

　　

在全球能源转型和日益依赖可再生能源的背景下，通过水电解生产氢气正成为工业和能源系统脱碳的关键解决方案。然而，将工业电解槽与间歇性电力供应条件相结合仍是一个重大的技术挑战。为此，性能建模对于准确评估间歇运行的影响、并在实际条件下支持电解槽的设计与控制优化至关重要。尽管存在这种需求，但针对工业电解槽进行系统级综合建模的研究寥寥无几。本研究提出了一种多物理场性能模型的开发，该模型应用于并验证于一台55 kW质子交换膜（PEM）电解槽。该模型用于模拟在基于可再生能源的供电场景下的六个月运行。总体而言，结果表明间歇运行影响了系统的关键性能指标，主要源于对频繁运行状态切换的考量。

## 论文解读

在全球努力应对环境、能源和经济问题的背景下，氢气被视为一种有前景的能源载体，可支持重工业、长途运输等难以减排领域的脱碳，并增强电网的灵活性和稳定性。在各种制氢路径中，水电解，特别是低温质子交换膜（PEM）和碱性技术，已成为一种有希望的解决方案。PEM电解槽因其能够在更高电流密度下运行并提供更大的操作灵活性，被认为更适合与可再生能源集成，从而生产低碳氢气。然而，此类系统的大规模部署仍受限于技术和经济挑战。从技术角度看，生产低碳氢气需要利用间歇性能源运行电解槽，而这些系统最初并非为此设计。类似地，当用作电网平衡资产时，电解槽会经受频繁的电力供应变化。这种间歇性不仅包括电气设定点的简单波动，还包括涉及不同运行状态间转换的复杂场景，例如频繁的启停循环、中间待机（Stand-by）期等。虽然此类运行模式预期会影响电解槽的性能和耐久性，但其潜在机制及系统级影响仍未得到充分理解，而这对于实现可靠高效的大规模部署至关重要。从经济角度看，这些技术局限性导致了当前基于电解的氢气缺乏竞争力。国际能源署（IEA）强调，2024年全球氢气市场仍主要由化石燃料生产途径主导，超过96%的氢气来自天然气重整或其他碳氢化合物，导致显著的二氧化碳排放，而通过电解生产的低碳氢气成本仍比未减排的化石燃料氢气高1.5至6倍。

鉴于在间歇条件下运行电解槽的需求日益增长，而现有针对此类运行（尤其是工业规模）的研究仍然有限，因此通过实验和建模研究全面理解其在这些工况下的性能变得至关重要。此前的研究已开发并应用了专门的实验测试方案，以评估间歇性对两台工业电解槽的短期影响，即一台55 kW加压PEM装置和一台3.5 MW常压碱性装置。结果显示，在1小时时间尺度和所考虑的运行范围内，电力供应的波动对整体系统性能影响有限。虽然这些实验在受控条件下提供了宝贵数据，但由于成本、工业资产可用性低以及运行约束（防止暴露于苛刻或可能损坏的条件下），实验研究在持续时间和范围上本质上受到限制。因此，实施长期测试活动和探索高度动态的运行场景仍具挑战性。在此背景下，仿真工具提供了一种有价值的补充方法，能够：i) 探索广泛的测试类型，包括那些难以或无法在大型系统上进行实验测试的场景；ii) 评估在实际运行场景下的长期系统性能；iii) 探索替代设计和控制策略的优化路径。

然而，尽管文献中的建模研究日益增多，但大多数现有方法仍聚焦于电堆或电池级别的电化学、热力学和流体行为。这些模型通常提供对局部物理过程的详细洞察，例如Dale等人开发并验证了一个6 kW PEM电堆的半经验模型，能够准确再现不同温度和压力条件下的极化曲线。类似地，Gorgun等人专注于单个PEM电池的动态建模，特别强调质量平衡，包括水传输现象以及电池的电化学响应。这些研究的共同特点是聚焦于电池或电堆层面，而未考虑与工业规模运行中辅助设备（Balance-of-Plant）集成相关的能量流，例如泵、净化单元、换热器和气液分离器，从而限制了其对工业规模系统行为的代表性。

在过去十年报道的系统级建模研究中，只有少数模型经过了真实工业资产的实验验证。其中，Espinosa等人在MATLAB/Simulink中开发了一个动态模型，以表示46 kW高压PEM电解槽的电化学和热行为。该模型在真实的测试平台上，针对包括启动、停机和间歇性光伏（PV）型运行轮廓在内的广泛温度和压力条件进行了成功验证。虽然该方法为理解系统的动态电化学和热响应提供了宝贵见解，但整合质量平衡框架以捕捉关键瞬态阶段的过程损失超出了该研究范围。此外，模型中未包含辅助组件，这限制了其捕捉与辅助设备运行相关的额外能耗的能力，从而无法提供完整的系统级表示。同样，Yigit和Selamet开发了一个包含5电池电堆和辅助设备（包括水泵、冷却风扇、储罐、水箱、电源、控制单元和传感器）的PEM电解槽模型。然而，该模型的主要目标是评估运行条件对系统效率的影响，并未涉及与系统运行状态集成相关的问题。最后，在更近期的贡献中，Pfennig等人开发了一个模型以表示100 MW级PEM电解槽；然而，由于缺乏实验数据，验证使用了文献中的数据。

基于系统级建模方法，Sakas等人的最新研究介绍了一个在60 kW PEM电解槽上验证的动态模型，整合了电堆和辅助设备组件，能够准确表示系统的流体、电化学和热行为。然而，所提出的框架并未明确考虑与运行状态转换相关的瞬态效应。与此同时，Sood和Olivier提出了适用于工业PEM系统的高度详细的建模方法，基于键图（Bond Graph）形式来捕捉电解槽内的多物理场相互作用，特别强调辅助组件的表示。这些模型特别有价值，因为它们：i) 提供了全面的系统级表示，从电堆到所有辅助设备元素，确保与工业规模运行的一致性；ii) 提供了精细的动态描述，考虑了电气运行点和系统运行状态的变化以及相关的控制环路。这些特性对于准确捕捉间歇运行下的系统行为及其对关键性能指标的影响至关重要。Crespi等人采用类似的系统级和动态视角，开发并验证了一个60 kW PEM电解槽模型。然而，这些方法的高细节水平和由此产生的计算成本可能限制其在长期仿真中的应用，而长期仿真对于增进对长时间跨度下间歇性影响的理解以及实现工业项目更现实的技术经济评估都至关重要。此外，需要校准的大量参数可能会阻碍模型向其他系统的可转移性，而这对于开发更通用的建模框架、加速工业部署并减少开发时间和相关成本至关重要。

这一非详尽的文献回顾凸显了一个关键空白，即缺乏一种建模方法，能够准确模拟工业电解槽的间歇运行，同时保持：i) 易于适应不同系统而无需完全重新开发；ii) 计算效率足够高，以实现间歇运行场景的长期仿真。

作为回应，本研究提出了一个围绕三个主要目标构建的性能建模框架。首先，该模型旨在通过明确考虑运行状态的动态演变，准确捕捉间歇运行对关键系统性能指标的影响，特别是单位能耗（specific consumption）。其次，它旨在支持在包括接近工业PEM电解槽寿命的长期时间跨度在内的广泛运行场景中进行快速仿真。最后，所提出的方法旨在提供一个可转移的工具，能够轻松适应不同的工业系统。为实现这些目标，在模型粒度和计算成本之间取得了平衡，使模型在保持对系统级间歇行为的代表性的同时显著降低了计算成本。

该模型在MATLAB/Simulink环境中开发并验证于一台55 kW PEM电解槽。首先，详细介绍了建模方法和验证方法论。最后，引入了案例研究以证明所提出框架的相关性，特别强调了系统运行状态的集成。

该电解槽是一台额定容量为55 kW的工业PEM系统。它由一个包含47个电池的单一圆柱形电堆组成，每个电池的活性面积为600 cm2。电解槽在30 bar和65°C条件下，最多可生产10 Nm3/h的氢气，系统出口纯度为99.999%。系统支持在额定容量的10%到100%范围内灵活运行，升载速率限制为0.9%/s。

电解槽通过四个不同的运行状态运行：关闭（OFF）、生产（PROD）、待机（SB）和空闲（IDLE）。关闭状态表示系统完全不活跃。生产状态下，电堆被极化，系统正在主动生产氢气，分离器处于额定压力，温度维持在约65°C，所有辅助设备运行。待机状态在系统不生产氢气时触发，电流设置在足以保持电堆极化但低于生产阈值的水平，水循环维持，分离器部分减压，温度接近额定值，允许从热态快速重启生产。空闲状态在待机状态持续30分钟后触发，此时循环泵关闭，分离器完全减压，温度逐渐下降至环境条件附近，但冷却装置保持运行以避免冷启动程序。

模型开发采用了多步骤框架，首先进行初始开发阶段，然后根据特定真实系统的特征进行调整，并基于实验数据进行参数调优。模型随后在动态条件下进行验证。采用了一种零维（0D）方法，在物理代表性（此处限于系统级性能指标）和计算成本之间提供了适当的权衡，后者对于基于空间解析方法的长期间歇仿真来说成本过高。该模型遵循半经验公式。若干组件使用从基本物理原理（包括法拉第定律、质量和能量平衡）导出的解析关系进行描述。

模型控制逻辑被开发出来以定义和管理不同的运行状态及其转换，从满负荷运行到完全停机。流体模型基于法拉第定律计算理论产气流量，并引入了一个偏差系数（U_H2C）来考虑实际氢气产量与理论值的偏差。质量平衡通过微分方程描述系统压力的演变，考虑了产氢、排气以及阀门状态。电化学模型基于极化曲线的解析描述定义，将电池电压描述为可逆电压与电化学反应引起的过电位（活化过电位和欧姆过电位）之和。热平衡采用集总控制体积法，描述了系统热动力学的微分方程，包括来自电化学反应和泵运行的热产生项，以及向环境的散热项。辅助设备（Balance-of-Plant）组件未被显式建模，而是基于实验数据建立了辅助功率消耗与电设定点之间的线性外推关系。

模型参数校准使用了非线性优化算法。流体参数（方程（4）中的系数a, b, c）通过Levenberg-Marquardt算法，使用稳态流量测量数据调优。电化学参数（阳极和阴极交换电流密度i_0,an、i_0,cat，等效欧姆电阻R_eq）通过Trust Region Reflective算法，最小化模拟与实验极化曲线数据的均方根误差进行调优。热模型参数（热容C_th、泵热产生Q_pumps、热损失系数k_loss）通过Nelder-Mead优化算法结合显式欧拉数值积分方案，使用冷启动实验数据拟合微分方程进行调优。

模型在稳态和动态条件下进行了验证。稳态验证包括流体模型和电化学模型的拟合结果，均显示出与实验数据的高度一致性。动态验证涵盖了关键瞬态阶段，如冷启动期间的系统加热和加压过程，以及从生产到待机、再到空闲状态的减压过程。模拟结果与实验数据比较显示出优异的吻合度，决定系数（R²）均大于0.99。此外，使用随机间歇测试（T75）数据对模型进行了动态行为验证，结果显示模拟的系统性能指标（如直流电压、直流功率、系统功率、氢气流量和单位能耗）与实验数据具有良好的一致性，平均相对偏差（RD）均在1%以内。

本研究的一个关键贡献在于，通过对比分析展示了在模型框架中考虑系统运行状态动态变化的重要性。研究设计了两个模拟案例（基于光伏和风电功率输入，时间跨度为六个月），并计算了两种场景下的系统性能指标。与假设恒定运行（基于平均电设定点的理论计算）相比，当模型考虑了由可再生能源间歇性引起的频繁启停、待机和空闲状态转换时，系统单位能耗显著增加。具体而言，对于光伏场景，考虑状态动态的模拟单位能耗（85.03 kWh/kgH₂）比理论恒定运行估算值（77.07 kWh/kgH₂）高出9.3%。风电场景也呈现出类似趋势，模拟值为94.63 kWh/kgH₂，理论值为85.55 kWh/kgH₂。这种差异主要源于：在待机和空闲状态下辅助设备持续消耗功率但不产生氢气；系统减压期、净化单元再生周期和冷启动程序导致的氢气损失。这些发现在高度间歇的运行模式下尤为关键，表明忽略运行状态动态变化的传统理论评估框架会低估实际能耗和氢气损失，从而可能导致对电解槽系统经济可行性的误判。

综上所述，本研究成功开发并验证了一个用于模拟间歇运行下工业PEM电解槽性能的零维模型。该模型的核心优势在于能够准确表示系统运行状态动态变化的影响，同时平衡了模型粒度与计算效率，并且架构易于向其他电解槽技术扩展。研究结论表明：1) 所开发的模型能够可靠地捕捉间歇运行下系统的关键性能行为，验证结果与实验数据吻合良好。2) 明确模拟运行状态转换对于准确评估间歇场景下的系统性能（尤其是单位能耗）至关重要。3) 该模型为优化系统运行、探索旨在减少损失和提高能效的设计与控制策略提供了一个有价值的工具，尤其是在整合可再生能源的场景中。未来工作可关注模型向碱性系统的扩展、退化机理（如膜减薄、催化剂老化）的集成，以及在多模块系统架构下的最优控制路径仿真和综合技术经济分析。