碱性水电解制氢系统建模综述及展望*

李洋洋，邓欣涛，古俊杰，张 涛，郭 斌，杨福源，欧阳明高

（1.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084；2.北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 100191；3.郑州大学机械与动力工程学院，郑州 450001）

前言

为应对气候变化，我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的目标，这将会为全球温度降低1.5甚至是2℃做出重要的贡献。

图1列出了2050年6种脱碳技术路径，涉及可再生能源（包括对其进行直接利用）、电气化、能源效率提升和绿氢等。由图可见，以化石为基础的碳捕集与存储技术的发挥空间有限，仅占20%。

图1 2050年脱碳技术路径［1］

从2015年全球能源相关领域碳排放的分布（图2）来看，约有1/3的能源相关排放，尚缺乏经济上可行的深度脱碳方案。交通运输行业、工业和其他需要高位热能应用的行业等如果想实现脱碳，仅靠电气化可能难以做到。因此，需要寻求更清洁的能源进行全方位的脱碳。

图2 2015年全球能源相关领域碳排放分布［1］

氢气是一种同时具备物质属性和能量属性的能源载体，在全球脱碳中具有较高的潜在市场价值（如图3所示）。据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书2020》报告，我国在2060年预计将会有1.3亿t的用氢市场，这将占整个终端消费的20%。届时如果氢气全部用可再生能源制取的氢气代替，则将会需要1 TW的电解槽总装机量，我国在2020年的电解槽总装机量约为201.5 MW，约占2060年总规模的0.02%，这意味着我国的电解槽领域还将有很长的路要走。而在2020年为数不多的电解槽总装机量中，碱性水电解制氢系统装机量约为200 MW，占据了99%的市场规模，原因主要体现在以下3点，如图4所示：（1）碱性水电解制氢系统的单台产品规格（MW级）远远高于质子交换膜水电解制氢系统（kW级）；（2）碱性水电解制氢系统的成本约为PEM制氢系统的1/3，仅为3 000元/kW，我国的碱性水电解制氢系统成本低于国外，具备出口优势；（3）碱性水电解制氢系统的寿命约为PEM制氢系统的2倍，长达10年。正是上述3点优势使得碱性水电解制氢系统仍是近几年的主流产品，但也存在不足，主要是对新能源场景的响应度差和风、光新能源设备与制氢系统不协调等问题。风机的波动性较强，制氢系统的动态特性与风机的动态特性值得关注。从图5的数据来看，碱液制氢系统的动态响应速度低于风机的响应速度。而PEM制氢系统在动态性方面具备较高的优势；另外，由于燃料电池和PEM电解槽可共用一些关键零部件，我国燃料电池城市群政策的落地及其在交通领域的快速发展，可促使PEM制氢系统的固定成本降低，扩大PEM制氢系统在市场上的规模和份额。

图3 氢气的属性与应用领域［1］

图4 碱液和PEM系统关键参数对比

图5 碱液制氢系统与风机负荷响应对比

1 碱性水电解制氢系统概述

1.1 碱性水电解制氢工作原理与要求

碱性水电解制氢是指在碱性电解质环境下进行水电解制取氢气的过程。如图6所示，在直流电的作用下，阴极侧的水得到电子发生析氢还原反应，生成氢气和氢氧根离子，氢氧根离子在电场和氢氧侧浓度差的作用下穿过物理隔膜，在阳极侧失去电子发生析氧氧化反应，生成氧气和水。其中，在该反应中：（1）电解液的电导率高，不引入其他杂质（禁止添加剧毒物五氧化二钒），常用电解质为KOH和NaOH；（2）阳/阴极和催化剂的要求是耐腐蚀能力强、电导率高、有效反应面积大和反应物活性高；（3）隔膜的技术要求为亲水性好、透气性差、阻力小和不具有污染性。

图6 碱性水电解制氢基本原理

1.2 水电解制氢方式对比

水电解制氢技术包括已经成熟但仍然具有改进空间的碱性水电解制氢技术，正在兴起的PEM水电解制氢技术、固体氧化物水电解制氢（SOEC）技术和阴离子交换膜水电解制氢技术。现有的水电解制氢技术如表1所示。

表1 水电解制氢技术对比分析

碱性水电解制氢技术相对比较成熟，工艺比较简单，成本比较低廉，但瓶颈在于工作电流密度比较低（低于0.5 A/cm），电解槽效率（63%~71%）还有待于提高，负荷操作范围仅为20%~100%，大规模状态下多设备协调控制策略复杂、体积大。质子交换膜水电解制氢（PEM）比碱性水电解制氢有更高的电流密度（1~2 A/cm），结构更紧凑，更加安全可靠，纯度较高，容易跟可再生能源中具有间歇性、周期性、地域性特点的风和光资源配合（超功率极限为160%），但隔膜和电极价格昂贵。国内单台最大产量仅为200 Nm/h，电解槽效率（60%~68%）和系统效率有待提升。SOEC被誉为水电解制氢技术发展的终端产品，在500−800℃的中高温下，电解池能耗能降低至3 kW·h/（Nm³），能与SOFC共用一套装置，实现−100%~100%范围的切换，满足制氢和发电双重需求，但由于高温下的材料制备存在技术瓶颈，因此，SOEC产品还处于实验室阶段，基本上为kW级别，但随着技术的升级和发展，SOEC产品也会进入市场参与竞争和实现商用化，如图7所示。

图7 水电解制氢技术对比雷达图

1.3 制氢设备发展现状

目前生产碱性水电解制氢设备的公司主要有中国船舶重工集团公司第七一八研究所（简称七一八）、苏州竞立制氢有限公司、天津大陆、蒂森克虏伯氯碱公司和Hydrogenics公司。七一八成功研制无石棉隔膜，并于2009年研制成功产氢量为5 Nm/h的固体氧化物水电解制氢设备。2014年苏州竞立制氢有限公司研制成功单台产氢量1 000 Nm/h碱性水电解制氢设备（5 MW），成本约为国际厂商的一半。我国在十四五规划中计划研制出单台3 000 Nm/h碱性水电解制氢设备（15 MW），目前国外Enapter已研发出阴离子交换膜电解装置，但离商业化还较远。

电解槽有单极式和双极式两种结构形式（见图8）。二者结构上的区别主要为：（1）单极式电极并联连接，电压为电源电压、电流为各支路电流总和；（2）双极式电极串联连接，电流为电源电流，电压为各支路电压总和。与单极式电解槽相比，双极式电解槽可减少由电解质的内部欧姆电阻造成的损失，提高了系统效率。考虑到工业制氢需要高电解效率，因此，选用双极式电解槽。

图8 电解槽结构原理图

电解槽采用一正一负和一正两负两种输入类型（见图9）。目前在电源控制上，存在电流和电压两种控制模式，与电流控制相比，电压控制可提高系统的响应速度（见图10中的阶跃响应变化曲线）。目前，电解槽控制均采用电流控制，这是因为对于无法做到精准控制的电源系统而言，控制电压的难度要远高于控制电流的难度。

图9 电解槽结构原理图

图10 电流控制和电压控制对比分析

目前碱性电解槽中的流道主要有以下两种（见图11）：（1）凹凸板，凸起负责导流，凹坑有利于产生涡流促进传质，但凹凸型极板有流动不均匀的现象；（2）金属菱形膨胀板，这种流道形状多样，能同时满足导电、传质、散热和输气多功能需求，并且加工容易，结构设计是关键。

图11 电解槽的两种流道

1.4 制氢系统的组成和控制策略

通常来讲，一个完整的碱性水电解制氢装置由许多部件组成：碱性电解槽、换热器、气液分离器、洗涤器、分析仪和氢气氧气纯化器等，其组成原理图如图12所示。水在电解槽内分解成氢气和氧气，氢气碱液混合物经换热器、气液分离器分离出氢气，电解液回流至电解槽中，氢气经洗涤、纯化后进行存储；氧气碱液混合物经换热器、气液分离器分离出氧气，电解液回流至电解槽中，氧气经洗涤、纯化后，收集或直接放空处理。

图12 碱性水电解制氢系统原理图

对于碱性水电解制氢控制系统而言，本系统主要存在多种控制器，分别为：（1）电解槽出口温度控制器，控制对象为冷却水阀，采用PID控制水阀开度进而维持电解槽出口温度；（2）氧气侧压力控制器，控制对象为气动PV阀，采用PID控制氧气侧气动薄膜调节阀（PV阀）进而控制氧气侧出口压力，使得系统保持一定压力；（3）氢/氧液位控制器，控制对象为气动PV阀，采用PID控制氢气侧PV阀进而控制氢/氧液位；（4）补水控制器，控制对象为补水泵，采用基于逻辑的控制策略控制补水泵开启或关闭，以补充电解所消耗水分。

1.5 小结

通过对碱性水电解制氢系统的原理、内部结构、外围部件和整体性能的分析，该系统存在4个主要的问题：（1）运行范围窄，运行下边界处于20%~40%之间，无法匹配0−100%全范围可再生能源的输入功率，导致增加启停次数，影响系统能量综合利用和电解槽寿命；（2）瞬态响应慢，跟不上风机输出瞬态变化速度；（3）能耗高，增加用电成本；（4）电流密度低，导致电解槽体积大，占地面积大。

2 系统建模与控制

针对碱性水电解制氢系统存在的几个问题，最直接有效的对策是进行多维度测试评价和改进，但仅从实验结果进行宏观分析无法从根本上解决该问题，须深入分析影响性能的诸多因素，解析其内部机理，搭建反映其反应过程的模型，实现其系统控制、故障诊断和性能预测的目的，最终完成制氢系统控制器设计、算法植入和实物验证。因此，本章深入分析碱性水电解制氢系统模型现状并提出其后期可进行可持续创新的研究内容。

从零部件到系统集成的角度来看，系统建模可分为电解槽−附件系统−控制系统多层次建模；从多物理场相互耦合作用来看，可分为电化学−热−机−电多物理场建模；从运行状态来看，可分为稳态和动态建模；从建模的详细程度可分为机理模型和经验模型。本文将从电解槽内多物理场建模到外围附件和控制建模展开阐述。

2.1 电解槽建模

碱性水电解制氢系统是一个包含“机−电−热−化”多物理场耦合的复杂非线性系统，涉及到热传递、电化学反应和传质等多个物理领域，具体来说，碱性水电解制氢系统涉及的物理过程主要包含电化学反应、离子和电子传输、气体和碱液的跨隔膜运输、电解槽与外围附件系统的热传递和物质从流场到电极再到隔膜的动态传输过程等。上述物理过程之间的强耦合性使得碱性水电解制氢“水−热−气泡”管理变得异常复杂。如图13所示，将制氢系统看作成一个控制体，以电解槽内关键反应和附件系统为基础，多输入和多输出参数间的耦合机制的研究对于对象的控制十分重要。

图13 碱性水电解制氢系统结构与运行和控制参数对应关系

2.1.1 电解槽能耗建模

能耗指标是电解槽性能评价最重要的指标，这与制氢系统日常运行的成本息息相关。因此，众多学者对此进行了大量的研究。如图14所示，从电解槽的电流−电压曲线来看，电解槽总电压由各个小室电压组成，各个小室电压由可逆过电势和不可逆过电势组成：（1）可逆过电势由标准可逆过电势和可变可逆过电势（随温度、压力和活度而改变）组成；（2）不可逆过电势由活化过电势（包含阳极活化过电势和阴极活化过电势）、欧姆过电势（包含电解液欧姆过电势、电极欧姆过电势和隔膜欧姆过电势）和浓差过电势3部分组成。电解槽总电压的计算公式为

图14 电解槽能耗分解

（1）可逆过电势

标准可逆过电势与该反应的吉布斯自由能（焓变和熵变）有关，受温度的影响。众多学者进行了大量研究，并总结出了多个经验公式（如表2所示），主要是温度的相关函数，在298 K环境温度下的标准可逆过电势为1.229 V。可变可逆过电势主要受温度、压力和活度的影响，如表3所示。LeRoy等考虑生成的氢气和氧气状态是湿润的，因此，将公式进行了简化；Chen等考虑了标准状态下的熵变，因此，在基础公式上增加了熵变部分；Shen等忽略氧气和氢气渗透量，并且考虑氢氧两侧压力是均衡的，将基础公式进行了简化；Jang等将基础公式进一步简化，提出了与压力和温度相关的表达式，如式（2）~式（5）所示。

表2 标准可逆过电势计算公式

表3 可变可逆过电势计算公式

（2）活化过电势

活化过电势是电极发生电子转移过程造成的电位差，活化过电势是电极活化的量度，大小主要取决于反应物质的活性，与反应物物性、催化剂、温度等有关。活性越低，活化过电势越大，效率越低。考虑电解槽内阴阳极两个半电化学反应，Butler−Volmer（B−V）方程表示为

式中：表示电流密度；、、、表示靠近电极和电解液中的产物和反应物的浓度；α表示发生在半电极反应上的传递系数；表示半电极反应上的交换电流密度；表示电极反应参与的电子数。在不考虑浓度差引发的过电势时，其、、、为1，众多学者对B−V方程进行了简化，如表4所示。

表4 活化过电势计算公式

（3）欧姆过电势

欧姆过电势主要是由于电解槽内离子传导的电导率非无限大导致的、来自于电极、电解液和隔膜的欧姆损失。电解槽欧姆过电势主要与电导率、电极距离和电极表面积有关，计算公式如表5所示，电导率计算公式如表6所示。电极欧姆过电势与电极的电导率、表面积和厚度有关，计算公式如表7所示。隔膜欧姆过电势主要与隔膜的曲折率、厚度、湿润度、孔隙率和面积有关，Abdin等建立了基于物理参数的模型，如式（7）所示，其他学者在该基础上建立了多个简化模型，如表8所示。

表5 电解液欧姆过电势计算公式

表6 电解液电导率计算公式

表7 电极欧姆过电势计算公式

表8 隔膜欧姆过电势计算公式

式中：为隔膜曲折率；为隔膜厚度；为隔膜湿润度；为隔膜孔隙率；为隔膜面积；为隔膜电导率。

表5中：、分别为阳极和阴极到中间隔膜的距离；、分别表示阳极和阴极表面积；为电流密度；为氢氧根离子的传递长度。

表7中：为电极有效电阻率；为电极厚度；为电极面积。

（4）浓差过电势

当考虑浓差过电势时，、、、不为 1，而其他学者也提出了其他方程，如表9所示。

表9 浓差过电势计算公式

（5）气泡过电势

在水电解反应过程中，电极表面、电解液溶液中、隔膜表面均会存在气泡，气泡对于离子的传输存在干扰作用。Hammoudi等提出了气泡覆盖率的计算公式：

而气泡在电极、电解液和隔膜等处产生的过电势的计算公式则如表10所示。

表10 气泡过电势计算公式

综上所述，许多学者在能耗计算上建立了基于物理过程的机理模型，这些能耗可反映温度、压力、碱液浓度、电流密度对性能的影响，但缺乏流量对性能的影响和压力对于气泡的影响。

2.1.2 电解槽气体纯度建模

碱性水电解制氢系统中氧中氢浓度大于4%时有发生燃爆的风险，但为更保险，工程上以氧中氢2%作为系统停机的重要指标，这也是造成碱性水电解制氢系统运行范围窄，下限在20%~40%之间的本质原因。

理论上水电解产物应为纯氢和纯氧，但实际电解槽工作产物中往往混有来自异侧电极的气体，这种现象称为气体交叉渗透。电解槽中尽管已经使用了隔膜来隔开阴阳两极，但并不能完全阻止气体分子和水分子从交换膜上的微小孔洞穿越膜、相之间的物质交换和溶解在电解液中的气体的交换。目前对气体交叉渗透的机理研究已经比较清晰，主要存在7个路径，如图15所示。路径1，在气−固−液（气泡−电极−KOH）界面上发生析气反应，形成气泡；路径2，小气泡形成大气泡，覆盖在电极表面，形成电极气泡屏蔽层，大气泡流入电解液中；路径3，气泡通过扩散作用穿过隔膜；路径4，电解液中的大气泡溶解在电解液中，形成气液溶解平衡；路径5，溶解气泡的电解液通过扩散作用穿过隔膜；路径6，大气泡与电解液一起流入气液分离器；路径7，氢氧侧气体和液体相互混合，并流入电解槽内。其中影响最大的是气液分离器氢氧的混合。

图15 氧中氢生成机理示意图

关于碱液制氢过程中气体纯度的建模比较少，主要以温度、压力将碱液循环流速等变量为输入，预测氧气中氢气的含量（HTO）和氢气中氧气的含量（氢中氧）。Schug等提出，可以通过在低电流密度下降低碱液循环流速的方法来提升产品气的纯度，但没有提出定量公式。Sanchez等测试了15 kW碱性电解槽在不同电流密度、温度和压力下的气体纯度，并用式（9）经验公式进行了验证。

Kirati等以温度（0−90 ℃）、电流密度和压力（0−3 MPa）为自变量提出了气体纯度的经验公式。Haug等在自制的电解槽上进行了实验，测试了电流密度、碱液循环流速、温度等对氧中氢和氢中氧含量的影响，结果表明：分离式循环、低压高温、高碱液浓度和低碱液流速均会降低氧中氢浓度；并基于亨利定律对气体纯度的传质机理进行了建模；还与质子交换膜电解制氢进行了比较。但整个模型使用了复杂的传质参数，例如转气率（gas evolution efficiency）、Sherwood数等。实际过程中，这些参数往往很难准确获得。

Qi等基于图13所示的氧中氢生成机理搭建了分块的气体纯度动态模型并基于0.5 Nm/h碱性水电解制氢系统实验结果进行标定，3阶全动态模型比1阶动态模型具有较高的精度，并在50 Nm/h制氢系统上实现了24 h内调频曲线的压力动态控制，对比了基于规则和模型预测控制两种控制器的性能，电解槽最低运行负荷从传统结构的27.5%下降到10%。

现有研究的不足在于：（1）溶解在碱液中的氢气和氧气对传质的影响很大，但不同碱液浓度和温度条件下氢气和氧气的饱和溶解度缺乏完整和准确的数据；（2）由于传感器都是放置在气体干燥器之后，而功率变化下的气体纯度变化首先发生在电解槽内部，相关的动态模型却鲜有研究。

2.2 系统建模

2.2.1 系统热模型的建立

碱液制氢过程中，温度对于整个电解槽的运行起着至关重要的作用。从效率上来讲，提升温度可以增加溶液的电导率，从而减小溶液电阻，降低欧姆过电势，同时对于减小水电解的可逆电势也有利。从功耗上讲，提升电解槽的温度，可以减少废热的产生和功率的消耗。从气体纯度上讲，提升溶液温度，会使溶液的黏度降低，有利于电解槽内气泡的上升和气液分离器中的气液分离，进而降低氧中氢浓度。

众多学者基于热力学和传热理论，研究产热和散热平衡关系（作为集总热容法），搭建了电解槽热模型，用于观测电解槽内部的温度随时间的变化过程。目前建模的对象分为两种方式（1）面向电解槽堆，如图16所示；（2）面向整个电解槽系统包括气液分离器、碱液管道和冷凝器等部件（如图12所示）。

图16 电解槽内温度控制体结构示意图

2003年 Ulleberg等基于电解槽内热平衡搭建了系统的热模型，如式（10）所示，并基于实验结果进行了标定。

2008年Diéguez等采用集总热容的方法建立了整个制氢系统的热模型，如式（11）所示，考虑了电解过程中产生的气体和水蒸气带走的热量。

式中：为电解槽的总热阻；为环境温度；为电解槽的外表面积；为传热系数；为电解槽直径；为零电流密度时的传热系数；为比例系数；为气液分离器的表面积；、分别为气液分离器和电解槽的传热系数。

电解槽运行时，为了使内部达到预设的工作温度并保持稳定，通常需要专门的冷却水泵来冷却碱液换热器。Jang等研究了不同温度下水泵消耗功率的变化，结果表明：当设定的电解槽的温度不断升高时，水泵消耗的功率逐渐减小，即外部供应水的量逐渐减小，当设定的温度超过80℃时，不再需要外部水的供应，反而需要将电解槽入口处的碱液温度进行加热。

式中：分别为冷却水进入和流出电解槽的温度；为冷却水的热容；为对数平均温差，表示辅助冷却的需求；表示电解槽总的传热系数和面积的乘积。

反应过程中，须向电解槽中提供去离子水，用于水电解的过程，另一方面保证电解槽的恒定电解液流速。进入电解槽的去离子水，一部分用于电解生成氢气和氧气，另一部分会随着气体以水蒸气的形式排出。针对去离子水这一部分，Diéguez等给出了详细的建模过程。

Hammoudi等以电解槽堆为对象，考虑了去离子水的热交换，但是忽略了水蒸气部分，建立了电解槽的去离子水的另一种热交换模型。

就目前已有的模型来看，均假设电解槽内部不同部位的温度是相同的，而实际情况并非如此，电解槽内各小室之间的电压存在差异，也会引起温度更不均匀，特别是较大的电解槽，采用已有模型分析其温度时，实测值和预测值的差别会更大，因此，未来应该细化电解槽内部的温度分布。

2.2.2 全系统建模与控制

在过去的十几年中，大量关于碱性水电解制氢的模型被开发，既有机理模型，也有数学经验模型，但遗憾的是大多数的模型都集中在对电解槽的稳态（零维）建模和部分瞬态能耗模型的描述。有人开发了电解槽内温度模型，但关于附件中（诸如换热器、气液分离器、洗涤器、碱液泵、冷却水泵及压力控制阀）的描述很少涉及。工业生产中，温度控制、气动阀压力控制、换热器设计与控制和液位控制都采用经典的过程控制方法，但它们在碱性水电解制氢的应用研究并不多见。

在碱性水电解制氢系统控制架构中，如图17所示，电源控制使用电流控制，温度和补水泵控制的控制策略比较简单。温度控制策略是：当氢气温度与氧气温度之和超过阈值时就开启冷却系统，当两者之和低于阈值时就关闭冷却系统。流量控制策略：当氢侧液位高于设定值时关闭补水泵，当液位低于设定值时就打开补水泵补水。对分离器中的压力和液位控制采用的是基于PID反馈的调节模型。

图17 传统碱性水电解制氢系统控制架构示意图

阿根廷ITBA研究所开发了一台产氢量0.5 Nm/h的碱性水电解制氢设备，David等近几年基于该设备在系统建模与控制方面做了大量的工作，建立了一种基于现象学的半物理模型（PBSM）（本文也称为物质守恒−能量平衡法），如图18所示，每个方框代表有物质和能量流出流入的实体，分别对每一个实体建立物质和能量平衡的微分方程或者代数方程，制氢系统具备很好的对称性：（1）设备结构的对称性；（2）数学模型中氢侧和氧侧方程表达形式上的对称性，充分利用对称性能够减少建模的工作量。David等还在该模型上进行了扩展研究，如图19所示。其中，针对液位控制，提出了基于PI和鲁棒性控制两种方法，结果表明：鲁棒性控制具有较高的瞬态误差，但比PI情况下更快地收敛。

图18 制氢系统流程图

图19 模型优化流程图

另外，Sánchez等基于Aspen plus搭建了整个制氢系统的模型，但对于液位控制、温度控制和压力控制没有详细描述。因此，在整个全系统模型上的建模和控制研究还处于前期阶段。一方面缺乏系统功率波动过程中，碱液循环过程、气液分离过程和功率变化导致的压力变化过程的定量分析。另一方面在多参数综合控制方面尚待深入研究，例如温度控制，温度是影响电压和气体纯度关键的因素，但受到碱液流量和冷却水的双重影响：在整个系统中，由于碱液量较大和管路复杂等原因，碱性水电解制氢系统是一个大时延系统，与温度相关的时间常数较大，影响了控制的精度和响应速度，因此，须结合考虑冷却水和碱液流量的控制。

2.3 数字驱动模型和动态模型的建立

2.3.1 经验模型

众多学者在搭建机理模型的同时，也搭建了基于数据的经验公式，Ulleberg等提出了基于可逆过电势、与温度相关的欧姆过电势和与温度相关的活化过电势的经验公式（如式（24）所示），其他学者在此基础上提出了其他公式，具体如表11所示。

表11 电解槽电压经验计算公式

气体纯度的经验公式如式（9）所示，与温度和压力有关，适用范围在3 MPa以内，该经验公式无法预测超过该范围的氧中氢浓度。

2.3.2 动态模型

动态模型一方面可基于机理模型来建立，另一方面，电解槽可以看作是一个消耗功率的元器件，因此可以用类似动力电池的方法将电源−电解看作是一个等效电路（如图20所示），然后用电路分析的方法对电解槽进行建模。Henao等将电解过程等效成为一个齐纳二极管，建立耦合可再生的等效电路模型。Hug等对电解槽建立了等效电路模型，分析了电解槽中的寄生电流的影响因素。Ursúa等基于制氢过程建立了等效电路模型，并采用可编程电源系统对电解槽进行了EIS测试，结合测试结果分析得到了阴阳极的电阻和电容，并通过瞬态加载发现了电解槽滞回现象。

图20 碱性电解槽等效电路［15］

通过上述分析，关于电解槽能耗和气体纯度经验模型的搭建与标定，重点还是基于影响能耗和气体纯度的控制参数进行建模，然后基于实验数据对模型中的待确定参数进行拟合和标定。从目前搭建的经验模型来看，还只考虑了温度和电流密度影响因素，并未考虑压力、碱液流量、碱液浓度和电解槽结构相关参数对性能的影响，还未出现相关研究阐述电解槽内各小室不均匀性。与机理模型相比，经验模型提升了运行速度，能快速反映出控制参数与目标性能间的变化情况，但对于内部参数的变化缺乏详细解释。

3 评论

在经验模型的搭建上，可与近期研究较热的神经网络、强化学习和遗传算法等人工智能算法进行结合，建立全Map的机理与数据驱动的耦合模型。另外，压力、碱液浓度和流量在能耗和氧中氢浓度之间存在最优配置，结合能耗分析，可变成给定安全边界下的能耗优化问题，这也是后续需要扩展的研究热点。

针对系统控制设计方面，本文在总结现有碱性水电解制氢系统中实际运行规律和系统模型开发与优化的基础上，提出了后续研究中更为先进的控制架构（如图21所示），并阐述了改进的方向，主要集中体现在：（1）控制架构的调整，由原先的PID反馈调节改为基于模型前馈和PID反馈的调节，使得整个系统运行更精准和具有更高的冗余性；（2）控制策略的增加，重点加入电流/电压切换的双模式切换控制策略和冷却水阀和碱液流量协调控制策略；（3）先进算法的植入，虽然可以通过先进的建模技术搭建出精度较高、系统稳定性较好的碱性水电解制氢系统模型，但模型的不确定性和干扰性仍然存在。因此，稳定性更高、安全性更好、更高效算法的改进仍是未来研究的方向。

图21 本文提出的碱性水电解制氢系统控制架构示意图

针对风、光可再生能源和制氢设备耦合协调问题，后续可结合风机功率预测曲线和制氢设备的最优运行状态进行相互协调，提高系统综合利用效率，实现制氢系统在0−100%甚至200%工作范围长时间运行。

由于涉及安全问题，水电解制氢过程中的氢气渗透问题值得特别关注。尤其是与可再生能源结合时，电解槽可能常常要运行在低负荷区才能保证理想的能源利用率。因此1是促进碱性水电解制氢技术的进步，改善低负荷运行范围存在安全风险的问题；2是多电解槽的组合可以扩宽系统的运行范围，但多电解槽间的运行及切换规律还需要研究；3是电池、碱性电解槽、PEM电解槽3者的综合，保证系统综合最优。最终形成MW级别标准化集装箱式的高安全、高动态和高智能的下一代先进碱性水电解制氢系统，实现远程监控、无人值守、安全预警、系统健康状态监测的100%离网可再生能源制氢系统控制。

4 结论

目前，ALK技术方案简单，应用成熟，成本低，具备了大规模商业化的应用前景。与经历百年的内燃机技术发展对比，碱性电解制氢系统在面向可再生能源场景下仍有创新空间，这主要表现在光伏和风电等可再生能源与碱性水电解制氢设备间的耦合协调问题，从而引发一系列的工程技术与关键科学问题。另外，考察大量研究后发现碱性水电解制氢系统建模主要不足在于：

（1）很少有模型涉及到系统方法，大部分模型仅仅以常微分方程描述为主；

（2）用于控制和故障诊断分析的模型几乎没有，安全和能耗优化仍然是一个值得开放研究的热点；

（3）在制氢现象解释、控制设计、系统诊断和预测4方面仍有较大的发展空间。

因此，当前碱性水电解制氢系统适合大规模稳态工业化制氢，但存在动态性能差和电流密度低的问题，用于电网调频时须大幅提升动载性能。因此，后续应加强对碱性水电解制氢系统的深入研究，搭建更为精准的机理模型、先进可靠的控制方法和开发更适合可再生能源的碱性水电解制氢系统。