通过电解水制氢储存可再生能源电力已成为实现全球能源转型和实现净零排放的关键策略。在四种电解水制氢技术中，碱性电解水制氢（ALK）以其技术成熟、成本低的优势，成为目前最具应用潜力的大规模绿氢制备技术。然而，风能与太阳能等可再生能源普遍存在间歇性、波动性强的问题，导致电解系统频繁启停或负载波动，带来启动缓慢、能效下降、热管理困难等运行挑战，制约其在多源融合背景下的应用前景。
图1 碱性电解水制氢中试系统（产量2Nm3/hr）实物图
现有研究多集中于碱性电解水制氢稳态运行性能评估，缺乏对大规模商用ALK系统在非稳态动态过程（如启动、变负载、频繁启停）下的深入建模分析。同时，电解堆的传热特性、能量损耗路径及控制策略优化仍有待进一步探索。
图2 碱水电解槽制氢系统原理/程序图
针对上述问题，清华大学深圳国际研究生院助理教授陈谦团队围绕商用大型ALK系统的非稳态热力学特性，构建了融合电化学反应、传热与传质过程的物理机理非稳态模型，并依托中试平台实测数据验证了模型精度。在此基础上，系统评估了不同工况下ALK系统的响应特性与效率表现，并对比了引入比例积分控制（PI）和模型预测控制（MPC）方法对系统温度调控能力的提升效果。
图3 ALK系统启动过程的关键温度曲线：(a) 原系统，(b) 配置储热罐后
图4 ALK系统能流图
图5 不同运行温度下ALK系统性能参数的比较：(a)换热器出口处碱液、冷却水温度，(b)耗水量和泵功率，(c)电堆电压、系统功率和效率
相关成果以“商用波动可在生能源驱动碱性电解水制氢系统研究：非稳态热力学分析与优化”(Improving commercial-scale alkaline water electrolysis systems for fluctuating renewable energy: Unsteady-state thermodynamic analysis and optimization)为题发表在国际期刊《应用能源》（Applied Energy）上。论文通讯作者为陈谦，第一作者为清华大学深圳国际研究生院2022级硕士生钟子强，其他合作者包括哈尔滨工程大学本科生丁页天及中集海洋工程有限公司陈有孝、廖鹏。该研究得到国家自然科学基金委、广东省科技厅及深圳市科创局等单位和项目基金的支持。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261925009134?dgcid=author
文:钟子强
编辑：戴雨静
审核:林洲璐
