风光波动性电源电解水制氢技术综述

葛磊蛟，崔庆雪，李明玮，姚芳，杨晓娜，杜天硕

（1.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072；2.省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学），天津 300130）

0 引言

电解制氢具有纯度高、产物无污染（只有氢气和氧气）、原料广泛易得、制备工艺简单等优点，在氢能绿色制取方面有着极大的优势和发展空间。近年来，随着风电和光伏等新能源度电成本的不断下降，在风能和太阳能资源丰富的地区开发光伏/风电等绿色能源制氢技术，可有效平抑风光等新能源发电的间歇性，极大降低电解制氢成本，为实现我国碳达峰、碳中和目标提供有力支持。但与传统电源不同，光伏/风电等绿色能源具有强波动性，严重影响电解制氢系统的动态适应性和运行可靠性。

近年来，关于波动性可再生能源制氢，国内外学者们的关注点在于面向不同类型催化剂的电解堆，构建既高效稳定又经济实用的制氢系统。文献［1］评估了欧盟27国和英国在区域层面通过可再生能源电解水制氢，以绿氢生产替代灰氢生产的情况，为区域层面的脱碳制氢提供了证据，同时提出了绿氢跨区域传输与储存的可能性。文献［2］对来自波动性可再生能源的碱性电解水（Alkaline Water Electrolysis，AWE）、质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）电解、高温蒸汽电解等制氢技术进行了分析，重点阐述了相关工艺的技术性和经济性。文献［3］比较了4 种基于可再生能源的电解水工艺以及不同电解水装置的离子转移机制、操作特点、能源消耗量和所获得的工业产品。文献［4］比较评估了可再生能源和不可再生能源制氢方法的经济性及对环境的影响，结果表明风光发电制氢相较于传统制氢手段成本更高，但是可以抑制全球酸化趋势，延缓全球变暖。文献［5］提出了我国不同地区可再生能源与传统能源耦合的区域框架，并对不同耦合方案的经济和环境绩效进行了评价，研究指出，高发电成本是耦合系统面临的最大挑战。文献［6］针对可再生能源发电间歇性和波动性与化工过程系统氢气需求波动性协调匹配的问题，以电-氢储能系统总费用最小为目标，建立了可再生能源发电与化工生产中加氢系统耦合的电-氢协调储能系统优化设计模型，以确定电-氢协调储能系统的最优容量配置和功率调度方案。

为此，结合国内外文献材料对波动性电源电解制氢技术进行归纳总结，主要包括以下内容：（1）简要描述国内外风光等波动性电源制氢的发展情况，指出技术发展困境；（2）对比分析电解水制氢的技术经济性，讨论其发展前景；（3）从优化配置的规划思想出发，立足于通过有效的过程控制确保系统稳定性，并以延寿控制管理为最终目标，提出高效稳定的波动性电源电解制氢技术路线预想。

1 风光波动性电源制氢技术

风光等新能源发电的波动性是其固有属性，对当前国内外风光等波动性电源技术制氢所涉及的核心技术进行梳理，指出目前风光波动性电源技术所遇到的发展困境，为风光波动性电源电解水制氢技术提供重要铺垫。

1.1 风力波动发电制氢技术

风力发电主要分为并网型风力发电和离网型风力发电。一般而言，为降低风力发电的波动性，并网风电制氢系统和离网风电制氢系统会采取不同的系统结构和控制策略。

1.1.1 并网风力波动发电制氢

近年来，我国风电的快速发展使电源结构发生了深刻变化，风力发电在全国12个省区成为第二大电源，截至2021 年第3 季度，部分省区风电装机占本地区总装机的比例如图1所示，其中内蒙古、甘肃的风电装机比例均超过25%［7］。

图1 部分地区风电装机占比Fig.1 Proportion of wind power installed capacity in different region

具有波动性的风电并网发电时，电网通过能源管理系统（Energy Management System，EMS）在广域范围内实现电网频率和电压的稳定控制，从而保证电解槽在额定电压下运行［8］，风力波动发电制氢特点如图2 所示。文献［9］提出了一种模块化自适应控制策略，通过控制电解槽运行状态抑制宽功率波动，并采用集成超级电容器抑制瞬时波动，大大减少了电解槽的开关次数。文献［10］基于双馈异步风力发电机与电解槽协同控制的方法，提出延时开关控制策略，不仅避免了电解槽的频繁切换，还减少了额外大容量储能装置的需求，抑制了输出功率的波动。文献［11］提出利用制氢系统消纳风电弃风的制氢容量配置方法，采用区间估计方法建立风电年弃风电力统计模型，以经济效益最大为目标，运用区间优化理论确定制氢系统最优容量配置区间；通过建立多属性决策模型，确定制氢系统最优电解槽配置方案。

图2 风力波动发电制氢特点Fig.2 Characteristics of hydrogen production system driven by fluctuating wind power

目前，风电并网技术主要有同步风电并网技术和异步风电并网技术［12］。理论上看，同步风电并网效果最理想，但由于风能的波动性，同步风电并网技术难以使同步发电机组与风力发电机组保持相同步调，从而无法使风电并网调速与风力发电机组相匹配。对于异步风电并网技术，理论上只需要异步发电机组与风力发电机保持一定的协调精度，就不会出现失步与振荡的状况，但实际上由于并网过程中冲击电流过大，使得电网频率下降严重，发电机组稳定性会受到很大影响；同时，随着风电并网总量的不断增加，风电并网过程中出现的谐波、电压波以及闪变等问题也随之凸显出来。为解决谐波问题，往往在系统中增加静止无功补偿设备并采用软并网技术；此外，通过增设有源电力滤波设备和优良补偿设备抑制电压波及闪变，可减小电压波动造成的影响，但仍无法有效解决电能质量下降的问题。

1.1.2 离网风力波动发电制氢

离网风电的主要用途是制氢，为了保证大规模可再生能源电网安全经济运行，有必要将可再生能源与储能系统相结合。氢能存储是利用电力与氢能相互依存关系发展起来的一种大规模储能方法，被认为是解决能源危机和吸收可再生能源的关键技术之一。作为离网能源系统的储能环节，离网风力波动发电制氢不但避免了交流电上网所带来的相位差和频率差问题，而且省去了并网辅助设备，大大降低了制氢成本。与陆地风能相比，海上风能的额外优势是具有更高的速度和一致性，有大量的空间可以安装海上风电场，海上风电场主要采取离网发电方式；同时，石油和天然气传输的相关基础设施也可以用作海上氢气的传输通道，与并网所需的电缆成本相比，通往海岸的管道投资成本大大降低。

目前使用或正在开发的储氢方法主要有［11］：（1）压缩气体的物理储存；（2）低温液态氢的物理储存；（3）基于材料的储存或固态储存。将3种储氢方法的适用场景进行比较，第3 种储氢方法不适合商业运行模式，第1种适合长距离输送氢能，考虑到规模和成本等因素，第1种储氢方法更适合大规模、季节性的氢气存储。为降低离网风力发电制氢系统的波动输入，文献［13］建立了一个独立的风-氢能源系统，证明直接转矩感应风力涡轮机控制器和低压大电流电解槽行为模型可以增强制氢系统性能。文献［14］提出了2种新型功率变换电路和混合型斩波转换器，使最大功率点跟踪系统具有可变步长和智能摄动功能，以适应风光波动特性。

离网型风力发电系统往往设置在新疆、西藏等西部偏远地区及舟山等江浙沿海地区，且仅提供小功率的电能输出。由于风电的可变输入，离网型风力发电系统存在电压和频率波动问题，目前小型风机的生产沿用大型风机的参数定义标准，往往只注重高速保护而忽视小型风机的低速发电运行，而高速保护和低速运行本身就是矛盾，因此如何设计最优风机模型是一个棘手的问题。此外，偏远地区难以及时对风机进行维护保养，风机的退役机制也不明确，这些问题都会导致安全运行出现隐患。随着电力电子技术与储能技术的发展，离网运行技术也在逐渐成熟，如果能够实现离网电厂与电网的自由连接，即并网运行与离网运行基于用电需求灵活切换，将会在风力发电系统领域掀起浪潮。

1.2 光伏波动发电制氢技术

太阳能的间歇性和波动性是其固有特征，利用太阳能制氢可有效避免直接光伏发电并网对电网稳定性产生的不利影响［15］。光伏电解系统主要分为直接聚光驱动电解的直接耦合技术、利用直流-直流（DC/DC）变换器的间接耦合技术以及光能-热能的综合电解技术，这些技术均可有效提高制氢效率。

1.2.1 间接耦合方式制氢

光伏板的输出功率取决于太阳辐射、温度和连接负载的性质等，因此不能为负载提供最佳功率的电源。在光伏组件与电解池之间加入DC/DC 变换器，使得输入电解池的电压与电解电压水平相匹配，可以提高工作效率。文献［16］进行了有无最大功率点跟踪器的光伏碱性水电解演示，证明了应用最大功率点追踪器可以提高系统的整体效率。文献［17］在应用最大功率点跟踪系统的前提下，在Matlab/Simulink 环境下建立了光伏电解系统模型，采用数字控制算法控制DC/DC 变换器来追踪最大功率点，以确保系统稳定在最大功率点处电解制氢。文献［18-19］设计了基于Matlab/Simulink 的通用模糊逻辑控制器并联同步降压DC/DC 变换器，由仿真结果可知，输出电压没有大的超调，所提出的变换器拓扑结构对大电流不平衡系统仍有效。上述研究都是利用脉冲宽度调制（PWM）技术调整占空比以跟踪最大功率点，而文献［20］提出一种针对DC/DC 变换器输出电流的鲁棒控制方法，综合考虑电解槽功率需求以及光伏阵列输出电流，与文献［18-19］相比具有更精确的调节性能、更好的稳定裕度以及更快的动态响应。但是，DC/DC 变换器本身所产生的纹波会导致输入电解槽的电流电平判别错误，不仅会导致器件工作异常，影响电解槽工作状态，还会产生输出噪声。

综上所述，DC/DC 变换器确实能够提高制氢效率，但器件损耗以及会产生纹波等问题不容忽略。针对波动性电源，研究方向应该指向高频软开关DC/DC 变换器，不仅可以降低运行过程中的器件损耗，而且可以提高电压转换效率；同时，研究降低纹波的电路拓扑结构，按照电解槽负载电流要求，在等效串联电阻尽可能小的前提下选取合适的电感和电容。值得注意的是，高频变压器的稳定性较差，可能会成为高频软开关DC/DC 变换器研究的阻碍。

1.2.2 直接耦合方式制氢

与利用DC/DC 转换器的间接耦合方式相比，光伏组件与电解池直接耦合的方式不仅节省了光伏组件，而且避免了复杂的系统配置，减少了由于器件过多造成的能源损耗。

氢气浓缩器［21］（Hydrogen Concentrator，HyCon）由聚光型太阳能电池（Concentrator Photovoltaic，CPV）组件和电解池组成，如图3 所示。CPV 的工作原理是通过菲涅耳透镜将太阳光聚焦在一个多结太阳能电池上，模块或系统级的太阳能电池内部连接方式可减少欧姆损耗。

图3 氢气浓缩器Fig.3 Hydrogen concentrator

Fallisch等人于2013年直接耦合了Ⅲ-V族的多结太阳能电池与PEM 电解池，通过串联太阳能电池的方法提高带隙能量吸收率，提出利用并联太阳能电池提高电流密度的设想，引入电解池热管理的思考［22］。2017 年，其研究团队在德国弗莱堡的太阳跟踪装置上安装了HyCon模块，经测量，HyCon组件在6 h 内的转换效率超过19.0%，最高效率达19.8%，是当时使用双结太阳能电池在0.8 A/cm2的电流密度下可实现的最高转换效率［23］，但其研究仅针对电解效率，并且未考虑电解槽被聚光束照射而损失工作稳定性的问题。文献［24］提出了一个由高温、高压PEM 电化学电池与安装在HyCon 中的光伏多结太阳能电池组成的新型系统，评估了该新型系统的热电化学特性，与分离的光伏发电和电解制氢相比，多结电池的直接耦合提高了电解槽的稳定性。目前，国内对HyCon 的研究较少，更多的是对间接耦合方式的研究。

综合以上研究资料，HyCon 模块仍存在如下缺陷：（1）HyCon 模块的框架由塑料材料制成，难以承受更高的工作压力；（2）电解池和太阳能电池的面积不匹配；（3）电催化材料的稳定性较差，导致其稳定工作时间较短；（4）HyCon模块中双极板内部无流场，导致电流质量受到限制，因而较传统电解池电流密度低。

对于输入的波动性电源，催化剂的材料和结构更易受到破坏，因此寻找更优质的电催化材料和框架材料是HyCon长远发展和深入研究的基础。

1.2.3 光能-热能综合电解制氢

光能-热能综合电解制氢是利用光能和来自太阳的直接热能实现电解。文献［25］提出了光伏电池模块和光子增强热离子发射电池（Photon-Enhanced Thermionic Emission Cell，PETE）模块的集成组合，可以在从室温到1 000 ℃左右的宽温度范围内有效地将太阳能转化为电能，并利用PETE 和光伏电池的余热预热液态水，实现高温电解制氢，提高制氢效率，如图4所示。

图4 光能-热能综合电解技术Fig.4 Electrolysis technology powered by solar and thermal energy

光伏电池并不能利用全部的太阳光谱，只有部分光谱能量转化为电能，另外一部分转化为热能，因此可利用余热加热液态水，创造高温电解条件，实现光能-热能的综合电解。文献［26］利用太阳能聚光塔，应用二向色反射镜截止最佳红外波长，分解光谱，接收光伏和热量，并提出灵活应用光伏阵列提高电解效率的方法。文献［27］提出了光能-热能电解系统优化模型，充分考虑光伏转换相关的热化损耗和填充因子损耗，通过找到最佳光谱分裂点，令一部分光谱效率为电解提供能量，而另一部分光谱则通过吸收器和热交换机制间接加热水，以最大限度提高光氢转换效率。光谱上下波长边界计算如下。

只考虑光伏转换时

考虑热化和填充因子损失时

式中：λm，λM分别为下波长边界及上波长边界；ηheat为太阳光转化为热能的热效率。

由式（1）—（4）可知，上下波长边界都是热效率的函数，热转换效率越高，可用于光伏转换的光谱带越窄，热化损失越小，太阳能转化为氢的效率越高，证明热集成可有效提高效率和制氢能力，混合热光伏系统可有效防止光伏电池过热。目前，热光伏电解技术是将热从太阳光转移到水，太阳光直接照射光伏电池，这在试验中的应用尚待考量；此外，光伏电池在控制加热的同时，应保持合理的高温，即高于供水温度，以促进有效的热交换，但这会影响光伏电池的性能和寿命［28］。太阳能聚光塔的应用需要更精确的最大功率点跟踪技术，而且由于太阳能聚光塔要求更高的电流，其集中电池比平板模块电池效率更高、价格更贵，所以热光伏系统的经济性还需要进行进一步分析。

1.3 风光互补波动发电制氢技术

风能和太阳能的间歇性和不稳定性是利用可再生能源大量发电的主要障碍，利用电能-热能-风光能-氢能的综合能源系统，完成能源的合理调配，并尝试利用风能和太阳能的周期互补和波动性来降低风光耦合波动性，如图5所示［29-30］。

图5 风光互补发电Fig. 5 PV/wind hybrid generation

在综合能源系统高速发展的背景下，文献［30］提出了电-热-氢综合能源系统模型结构框架和关键设备运行策略，基于场景法实现了不确定性场景描述，同时提出了考虑风光不确定性的多目标规划方法，以应对不确定性因素的影响，并通过考虑极限场景，有效应对不确定性因素的变化，但所提及的规划方法较为保守。在综合能源系统中，储能系统的主要作用是削峰填谷，通过输出/输入功率来调整抑制功率波动，一旦储能系统处于深度放电或过度充电的状态，将会严重降低储能装置的寿命，因此，文献［31］提出一种基于模糊算法的储能系统优化控制策略，在实现平抑风电机组功率波动的同时，还能避免储能系统出现过度充电或深度放电的状况，并向着适中的荷电状态转变。目前，氧中氢的含量是电解水制氢适应性表征中采用最广泛的指标，而其他与风光波动性电源电解制氢系统的动/静态适应性表征与评价指标相关的研究比较少。可以对电解池进行过/欠应力-强度干涉等试验提取电解池适应性表征参数，采用渐进外推法探测电解池适应性参数边界，采用纹波电流步进注入法得到电解池适应性验证方法，但仍需进行下一步试验来验证设想的有效性及正确性。

放眼国际，美国在2001 年提出集成能源系统（Integrated Energy Systems，IES）发展计划，于2007年12月颁布能源独立和安全法，要求社会主要供能（电力和天然气）环节进行能源协同规划，于2009年将智能电网列入国家战略，其目标在于构建灵活的智能能源系统。综合能源系统已被证明能够有效提供所需的电力负载，即使不与常规发电机相连，也能提高系统的效率和可靠性，克服单一可再生能源带来的局限性；同时，由于电力转换器和可再生能源技术的改进提高了系统效率，综合能源系统在偏远地区的分散发电中越来越受欢迎。目前，构建综合能源系统所面临的困难在于能源的复杂性：一是时间的复杂性，各类能源变化周期从几纳秒到数年不等，存在复杂的延时状况；二是空间的复杂性，需要实现能源内部优化与外部协调，并在此基础上实现大范围互济与局部优化消纳；三是行为的复杂性，由于波动性电源具有多态、不确定、不连续、无法量化、刚性、时滞等特性，传统的能源网络与波动性电源不兼容。

构建综合能源系统，实现风光等波动性能源互补发电既要考虑不同能源互通互济的内部需求，还要考虑信息系统与能源网络间的耦合及信息系统规划建设的外部需求，需要充分利用智能电网的建设成果，智能化传输与分配电力［32］，从而实现煤炭和风光等多种能源的协调利用，提升电网对可再生能源发电的消纳能力［33］，促进多能源互补电力系统发展，将光伏/风电等可再生能源转化为氢能高效存储，促进“双碳”目标的实现［34］。

1.4 风光电源波动性影响及氢储能的必要性

风光电源具有强波动性和随机性，对电力系统的稳定性和电解槽的寿命都会产生不利影响。

首先，强随机性的波动电源并网会对电力系统产生强大的冲击，如影响电压稳定性以及电能质量。地理位置、海拔高度和地形会影响风能和太阳能资源，地球自转和公转会影响风能和太阳能强度，造成风光能的随机性和周期性，很难直接识别其功率波动的基本特征，有必要采用大容量的储能设备或调峰装置来抑制功率波动，但快速增加的储能调峰装置会导致风能和太阳能减少，造成电力系统无功功率缺失，需要增设静止无功补偿器或者静止无功发生器。因此，要从电力系统的安全稳定运行出发，在并网容量、接入方式、谐波等电能质量等多方面进行规范化处理。

其次，输入功率波动降低了电解槽的性能和寿命。风力的频繁波动会导致电解槽频繁启停而造成氢气产量减少，并给电力电子器件带来不必要的损耗。即使是最具研究前景的PEM 电解水技术，在输入电流波动的情况下，交换膜两侧也会产生压差波动导致膜震颤而损坏，从而降低电解槽运行寿命。文献［35］中，初始输入50 A 电流时，电堆电解效率约为91%，但电堆运行了数百个小时且经历多次强制、非强制关机和频繁启停切换后，电解效率下降到75%左右。因此，为抑制电源波动过大，必须将输入电流、电压限制在一定的范围内。

耦合氢能、利用风光电制氢是在优化能源配置的同时，最大限度利用废弃风光发电制氢，为解决我国“三北”地区弃风、弃光问题提供了全新的思路。氢能可满足可再生能源规模化和长周期储能需求，且随着材料、部件制备及系统集成等技术的突破，氢能绿色制取技术将朝着延长运行寿命、提升单体功率、降低安全风险和成本等方向发展。从规模储能经济性看，固定式规模化储氢比电池储电的成本低一个数量级；同时，对于电力需求波动的电力系统，昼夜电价不同，利用氢储能可提高电力供应的经济效益，增强对化石燃料的补充。氧是电解水制氢主要的副产物，可以用作煤炭气化的原料，具有很高的利用价值；其缺点是需要大型储罐和运输设备，运输成本较高，但也可以直接排放到大气中，因此相较于其他电解制氢技术节约了处理废气的成本。

2 电解水制氢技术

从电解水制氢技术原理、类型以及经济性角度介绍风光波动性电源电解水制氢技术，对比分析电解水制氢的技术经济性，讨论各技术发展前景，为后续高效稳定的风光波动性电源电解水制氢技术做好技术铺垫。

2.1 电解水制氢原理

水作为一种弱电解质，可通过电离产生氢离子和氧离子，其电离方程式如下

目前，电解水制氢时主要以Pt，Pd 及其合金作为电极材料，虽然其过电位很低，但制作成本高，无法实现规模化量产，达不到工业化规模标准。相关学者研究了合金电极以及复合电极，如Ni-S 合金电极、Ni-Fe-Sn 合金电极以及镍-磷-二氧化锆复合电极等，可在一定程度上提高电极性能，实现了对电极材料的优化。但由于纯水是一种极弱的电解质，其电离产生的H+及OH-浓度很低，试验测得，25 ℃时1 L 纯水中只有1×10-7mol 的水分子发生电离，100 ℃时1 L 纯水中有55×10-7mol 的水分子发生电离，所以电解水时必须加入其他强电解质以增强导电能力。根据电解质的不同，电解水制氢方法主要可以分为AWE，PEM 电解水和固体氧化物电解水（Solid Oxide Water Electrolysis，SOEC）［3］。这几种电解水制氢系统使用的电解材料和操作条件不同，导致电解槽中导电介质略有不同，但产生氢气的原理都是“阳极析氧，阴极析氢”，其总反应方程式如下

2.1.1 AWE

如图6 所示，AWE 系统由一对浸入碱性溶液中的电极构成，不同的电解液电解性能有所差别，试验表明，KOH 溶液电解效果优于其他大部分碱性电解液，故通常采用KOH 体积分数为25%∼30%的溶液作为电解液；同时，为防止产生的O2和H2相互扩散，在两极之间设有隔离膜，早期通常采用石棉隔膜，但产气纯度不高，近年来由产气纯度高和工作电流密度高的阴离子交换隔膜替代。电解时，在阴极处水被分解形成H2并释放出OH-，这些离子通过隔膜在阳极处重新结合形成O2［36］。碱性电解水的优点在于工作温度低、工作稳定性高、技术成熟，但需腐蚀性电解液且生成的气体中含有碱雾需解吸。其阳极和阴极的化学反应式如下

图6 AWE结构Fig. 6 Mechanism of AWE

2.1.2 PEM电解水

区别于碱性电解水制氢，PEM 电解水制氢选用具有良好化学稳定性与质子传导性的质子交换膜作为固体电解质，以替代碱性电解水中的隔膜和液态电解质，既能隔离气体又能实现离子传导。相比于碱性电解水，PEM 电解水制氢具有工作电压和能耗低、产气纯度高、控制简单及工作安全等优点。PEM电解水结构如图7所示，PEM膜电极、双极板等部件组成了PEM 电解水的电解槽，膜电极是实现电化学反应的重要部件，双极板能使多片膜电极串联同时将膜电极隔开。电解时，水通过阳极室循环并在阳极分解产生O2和H+，H+作为导电介质可透过质子交换膜到达阴极与电子结合产生H2［37］。PEM 电解槽具有比碱性电解槽高得多的电流密度，可达1～3 A/cm2，所得到的氢气纯度可达99.999%。PEM 电解水的主要优势在于使用了固体聚合物电解质，允许紧凑的电池设计，无需考虑循环的水电解质和气泡所产生的阻力；同时，非常薄的质子导电聚合物电解质有助于快速响应可再生能源等间歇性能源，其阳极和阴极的化学反应式如下

图7 PEM电解水结构Fig. 7 Mechanism of PEM water electrolysis

2.1.3 SOEC

由于SOEC的工作温度为800 ℃左右，因此又被称为高温电解水。SOEC 结构如图8所示，致密的电解质层在中间部位，其主要作用是隔开燃料气体和氧气并传导氧离子或质子，两侧为多孔的电极。在较高的温度下，一定的直流电压施加在SOEC 两侧电极，高温水蒸气进入阴极发生电解反应分解成H2和O2-，O2-作为导电介质透过电解质层到达阳极，在阳极失去电子生成O2［38］。

图8 SOEC结构Fig. 8 Mechanism of SOEC

常规的碱性电解水制氢消耗电能较多，其转换率较低，而SOEC 技术能耗较低且在高温下的电解效率更高，电解反应的热力学及动力学特性均有所改善，而且可以与清洁能源结合，用于制备氧气、氢气和其他能源载体；但电解材料在高温下的稳定性、催化活性等可能有所下降，材料的高温降解及持续时间仍是挑战。其阳极和阴极的化学反应式如下

2.2 电解水制氢技术经济性分析

制氢能源正在从碳排放量较大的化石燃料向清洁的可再生能源方向发展，风能和太阳能作为目前的主要可再生能源，在制氢技术中具有重要地位。风电制氢是将剩余的风力资源通过风轮转化为机械能，再通过装置转化为电能进行制氢。目前已有技术完全可以将大规模风电资源用于制氢且制氢过程几乎无碳排放，尤其是海上风电场，其风力资源丰富且风电转换造成的能源损失小，故风电规模化制氢具有较好的应用前景。光电制氢是将光伏板转化的电能提供给电解槽系统进行制氢。在国家政策的大力支持下，相关学者针对更具经济性的光电制氢技术展开了研究，根据前文可知，光伏组件与电解池的直接耦合方式不仅节省了光伏组件，而且避免了复杂的系统配置，减少了由于器件过多造成的能源损耗，提高了光电制氢的经济性。随着风光能源制氢技术的不断成熟，两者的组合将在脱碳减排工作中扮演更加重要的角色。

从电解角度来讲，AWE 电解槽与PEM 电解槽工作温度较低，电解需要的主要能量为电能，即通过电能将水分解为氢气和氧气，而SOEC 电解槽电解时需要电能和高温热能。各种电解方式的电解效率、耗电、电极材料均有所不同，制氢的成本也不同，电解水制氢成本大致如下

式中：C 为电解水制氢成本；Cel为电费；Cfc为固定投资（包含大修成本）；Cwv为水或水蒸气费用；Com为运维费用。

2.2.1 AWE

碱性电解水技术大多采用较廉价的电极材料，比其他2 种电解技术的固定投资低。文献［39］指出，碱性电解水的阳极材料一般选用镍（Ni）、钴（Co）和铁基，阴极材料一般选用Ni或Ni与其他过渡金属的合金材料，这些材料比早期的电极材料铂（Pt）更便宜。文献［24］指出，镍基材料在碱性介质中耐腐蚀性能较好，在基板上镀一层Ni既可以降低碱性溶液对钢基体的腐蚀，又可以降低反应过电位，这对降低工业能耗和制氢成本有重要意义。此外，文献［40］指出，在标准状态下，水的理论分解电压为1.23 V，相应电耗为2.95 kW·h/m3，而碱性电解中，电耗为4.5～5.5 kW·h/m3，电解效率为54%～66%，因此，提高电解效率是提高其经济性的关键。

相较其于他电解方式，碱性电解槽所能承受的电流纹波范围较小；同时，由于受限于工作温度较低、溶液电阻较高、极化过电位较大等，电解效率的提升空间有限，电堆更换周期缩短，全寿命周期经济性降低，所以目前国内外对新能源碱性电解水的研究很少。

2.2.2 PEM电解水

PEM 电解水与AWE 相比，电解效率有较大提升，电耗也显著降低。PEM 电解槽电催化剂处于强酸性工作环境，为减少电解槽腐蚀，催化剂材料大多选择耐腐蚀的Pt，Pd 贵金属及其合金，导致电解设备成本较高［34］，所以开发适应酸性环境的非贵金属析氢催化剂是一条具有发展前景的道路。文献［3］预测了扩大PEM 电解槽的成本，预计当氢发电量达到1 000 kg/d 时，PEM 电解槽的成本将降至当前电价的1/4，而目前的制氢系统规模为10 kg/d。为了降低制氢成本，进一步加快PEM 电解水的商业化发展，文献［36］提出2种方法来降低电极成本：一种是使用较便宜的金属，如Rn，Co，Sn 等；另一种是在纳米尺度上对电极形态进行良好控制，提高催化剂活性和稳定性，进而降低制氢成本。除了降低催化剂贵金属载量，提高催化剂活性和稳定性，膜电极制备工艺对降低电解系统成本也至关重要，同时还可以提高电解槽性能和寿命。

针对波动性电源输入，PEM 电解水技术是匹配度最高的，文献［41］提出了PEM 电解水制氢系统全寿命周期的成本与收入模型，指出PEM 电解制氢系统更适用于风电富集的场景，风电功率出力尖峰时段适当弃风，有利提升制氢系统的经济性。文献［42］提出了基于不同经济指标的PEM 电解槽成本效益评估方法，但忽略了储氢对整个制氢与燃料电池集成系统性能和经济前景的影响。目前，国内外研究针对电解槽成本及产能的研究众多，但制氢系统经济型评价模型偏理想化，很少考虑电解槽温度变化所引起的老化以及制氢系统的衰减特性。

2.2.3 SOEC

相对于AWE 电解技术和PEM 电解技术，高温SOEC 技术电解效率可达到90%以上。但SOEC 电解温度较高，电解所需能量由电能和高温热能共同提供，因此高温SOEC 电解制氢总成本由电费和固定投资共同决定。文献［43］根据高温SOEC 电解制氢所需电能与热能比例的不同将其分为3种工作模式，以1 000 m3/h 电解水制氢装置为例分析各种模式下的制氢成本，虽然在其中2种模式下SOEC电耗低于AWE和PEM 电解，但因固定投资过高，导致总成本仍高于二者。为了降低制氢成本，文献［44］将甲烷添加到SOEC 电解池的阳极侧而形成固体氧化物燃料，固体氧化物燃料辅助电解槽（SOFEC）产生电力应用于电解槽，性能优于传统的SOEC电解槽。

目前，SOEC 的生产主要需要陶瓷和一些稀有材料作为催化剂层，投资成本比较高，高温热源的需求也是限制SOEC 长期经济可行的一大因素。SOEC 可以采用的可再生能源主要是聚光太阳能，文献［45］提出了一种集高温电解和氨基热化学储能于一体的新型太阳能SOEC 电解制氢系统，制氢成本为9.28 美元/kg，相较于光伏电解系统降低了18.9%。SOEC 电解制氢的理论能量转化效率可达到100%，与光热发电厂协同作用可确保所有电解输入能源完全为可再生能源，具有非常好的发展前景。

2.3 电解水制氢的发展困境

目前，制约电解水制氢发展的主要是成本问题和寿命问题。旧式电解水制氢技术无法实现波动性条件下电解池长寿命低成本运行，采用新型材料的电解技术优点突出，缺点是仍处于试验研发阶段，大规模应用效果未知。

2.3.1 成本问题

电解水制氢的成本较高仍是限制其发展的一个重要因素，可通过以下2条途径来降低电解成本：一是采用低成本电力作为制氢能源，关键在于依靠光伏发电和风力发电的发展，风光电源电解水制氢关键技术将在第3 章阐述；二是降低电解过程中的能耗，可通过新型电解技术来实现。文献［46］提出了新型木质素电解法，采用木质素作为制氢阳极，金属氧酸盐或FeCl3作为阳极催化剂和电荷转移剂，可以显著降低制氢过程中的电解能耗。文献［47］提出了一种可以同时传输氧离子和质子的混合SOEC，在超过60 h 的连续运行中该混合SOEC 无明显退化，具有较高的稳定性，为实现高效制氢提供了新的发展思路。

综上所述，以AWE，PEM，SOEC 电解技术为基础，采用优质催化剂、阴阳极材料、交换膜材料等得到的新型电解技术可以提高电解效率以及运行稳定性，从而间接降低电解水成本。随着可再生能源电价的不断降低，新型电解水制氢技术相较于其他制氢方式甚至相较于化石能源都具有更强的经济竞争力。

2.3.2 寿命问题

目前，电解制氢的发展除了需要考虑成本，如何实现电解池延寿也是不容忽视的问题。在SOEC电解中，高温会加速材料的降解，且随着生命周期的延长制氢量会逐渐减少，导致整个寿命期内的制氢速率下降，所以延长电池寿命和优化性能仍是一个重大挑战［48］。文献［49］发明了一种新型碳纤维保护层，证明将其覆盖在气体扩散层上可有效延长电解槽在高电流密度下的寿命。PEM 电解中，催化剂和气体扩散层的氧化和腐蚀仍然是具有挑战性的问题，传统的金属催化剂和非碳扩散层可以在一定程度上降低腐蚀，但随之出现的内阻增加问题也不容忽视。催化剂的稳定性与电解池的长寿命运行有直接关系，2019 年韩洪宪研究员和李灿院士团队验证了一种强酸条件下长寿命非贵金属催化剂γ-MnO2的稳定电解水催化效果［50］，为解决电解池成本和寿命问题提供了新的思路，但能否大规模应用于制氢工程还未有定论。

除上述问题外，如果能够基于可重复的工况变化掌握动态响应特性，例如不同功率下的效率、内部状态变化、爬坡速率、最小调节比、冷/热启动及关闭时间等，即可实现高效制氢生产过程的控制，解决设备长寿命运行过程中存在的如何有效协调波动电源电解制氢系统输入和输出，绿能制氢过程中如何调制电流将功率波动控制在合理范围，如何合理表征、验证或评价电堆及系统是否适应绿色能源网“生存”环境，如何提取波动和间歇功率输入条件下电解制氢的复杂工况特征等一系列技术难题。未来需攻克这些难关，才可突破电解制氢的瓶颈。

3 高效稳定的风光波动性电源电解水制氢技术

在前文的基础上，从优化配置、过程控制稳定性出发，综合阐述高效稳定的风光波动性电源电解水制氢技术，以延寿控制管理为最终目标，为实现风-光-氢产业链的良性发展，提出波动性电源电解制氢的技术路线预想。高效稳定的风光波动性电源电解水制氢技术示意图如图9所示。

3.1 风光波动性电源电解水制氢的优化配置

风光电源的强不确定性及制氢系统受限于电压、温度、压力等多参数耦合控制的特性，使得风光电源与电解制氢容量较难实现合理优化配置，可从优化配置方法和设备选型2个方面展开分析。

当前，解决间歇性优化选址定容问题的方法主要有2 种：机会约束规划法和时序特性加权法。机会约束规划法是利用模拟技术处理约束条件，再通过遗传算法获得最优解。文献［51］在机会约束规划法的基础上加入N-1 安全约束，有效解决了N-1故障，安全指标显著提高，但需要对各风机进行安全检验，经济效益降低。时序特性加权法是通过考虑负荷和分布式电源的时序特性，使分布式电源的容量配置更加合理，实现风光发电的时序互补，减少资源浪费，提高经济效益［52］。

设备选型包括风力发电机组、光伏组件、蓄电池以及电解槽选型［53］。风机选型的主要依据是轮毂高度、风机的出入风速以及额定风速下的单位扫风面积等参数；光伏组件主要有单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池等类型，考虑到技术的先进性、成熟性以及性价比等因素，往往采用晶硅类太阳电池；蓄电池选型的主要依据是额定能量和可用能量；电解槽选型的依据是风机和光伏组件中所提取的能量，文献［9］基于可再生资源的随机性，提出概率最优尺寸方法，可对输入系统能量的可靠性进行定量分析，使得选型更精确。

针对以上问题，学者们提出了相协调的电解制氢系统优化配置方法，如风光单一/互补等多形式电源优化配置。文献［54］提出了基于核主成分分析和自组织特征映射神经网络的天气分型及风光出力互补性分析方法，分析了不同天气类型下风光出力互补程度和最佳并网容量比例。文献［55］通过将风速历史数据进行聚类分析，得到风电出力典型场景，进而实现风电不确定条件下风电场和电转气（Power to Gas，P2G）厂站的协同选址规划。因此，应该首先研究电解制氢装置的动静态特性以及新能源波动性特征与电力电量平衡规律，在此基础上构建风光-荷-氢相协调的波动电源电解氢系统优化配置模型，应用启发式、人工智能等多种算法对模型进行求解，实现波动电源电解制氢系统自学习优化配置。

3.2 风光波动性电源电解水制氢的运行过程控制

强纹波/波动功率输入下，缓慢变化过程（电解制氢系统）与快速响应需求（风光波动电源）之间的矛盾导致风光电源电解制氢系统长期处于非稳定运行状态。此外，风光波动电源的出力响应时间为秒级，而电解制氢系统由于多参数强控制使其响应时间为秒级、分钟级等多时间尺度，再加上制氢的需求具有强随机性，因此，有效协调控制好波动电源电解系统的制氢过程及确保制氢系统的安全稳定运行十分必要。

要实现波动电源与制氢系统的稳定过程集成控制，可从2个方面考虑。一方面，从风光波动电源角度应以满足用户需求和尽可能消纳风光能源为目标。文献［56］利用监视控制系统，针对风能发电和总需求之间的能量平衡所确定的系统运行模式，采用高阶滑模设计，使低水平控制器在受到外部输入电源扰动时仍能够保持平滑。文献［57］提出了一种电解槽轮值优化控制策略，根据风功率的实时数值安排相应编号的电解槽进行功率的消纳，均衡了各电解槽单体在额定功率、波动功率、停机3种状态下的运行时间，有效提升了电解槽阵列的寿命及制氢的安全性和可靠性。另一方面，从电解水制氢系统角度考虑应以系统稳态制氢为目标。文献［58］提出了一种以MnO2/Mn2+为介质的解耦两性水电解与锰锌电池相结合的集成系统，通过引入氧化还原反应，使电解过程更加平滑稳定，从而适应波动性电源。基于上述研究，只有将风光能源利用率和稳定的电解制氢系统相结合才能实现电解池高效、长寿命运行，从而为多维度能源配置创造条件。

文献［59-62］考虑了电压、温度、压力、磁力等不确定参量对电解制氢系统效率和稳定性的影响。为减少光伏/风电等可再生能源和水电解槽中的能量损失叠加，应该将波动性电源与随机性电解制氢需求相协调，研究一种波动电源电解制氢系统高效稳定制氢的边端协同自适应控制策略，进而研究一种波动电源电解制氢系统的纹波、温度、压力等全参数趋优过程控制的全过程高可靠延寿控制策略，降低制氢单位生产成本，促进氢能燃料电池在电动汽车等相关领域的技术创新，推动氢气在精密仪器、航空航天等高尖精智能制造产业的规模化应用，实现风-光-氢产业链的良性发展。

3.3 风光波动性电源电解水制氢的延寿控制

实现制氢系统长寿命运行的本质即研发长寿命电堆和长寿命电解制氢系统。长寿命电堆研发的关键技术包括宏微观适应电堆的结构、催化剂材料及催化机理、电极微纳结构及材料；长寿命电解制氢系统研发的关键技术包括优化配置方法以及延寿过程控制技术。

波动输入和纹波变化会引起电极催化剂表面的高频次“反极化”反应，进而改变催化剂表面的微化学环境和结构稳定性。文献［63-64］指出，在高电流密度的条件下，目前所使用的部分催化剂可能会失效，电解槽也会损坏，所以需要研发出一种可以适应不同电流密度的快速反应的高熵催化剂，这是实现电堆长寿命的关键。目前，试验所用的酸/碱性电解池、PEM 电解池和SOEC 电解池中的交换膜存在气体泄漏，导致氢氧混合；同时，随着析氢析氧反应的进行，电极材料的消耗不可避免，所以应研究一种气体分离的方法，并开发一种适应高频率波动输入的一体化多孔电极，在波动输入的复杂工况下仍能保持结构与性能的稳定性，这是实现电堆长寿命的重点。为实现气体分离，文献［65］使用有机光致变色材料聚三苯胺（PTPAn）作电池电极，利用固态PTPAn 电池电极的可逆n 型掺杂/脱掺杂反应进行无膜太阳能水分离，并采用步长为100 s的两步法分离出电堆中不同时间产生的气体，消除了气体混合的问题，适应了太阳能波动特性，同时进行了利用光致变色材料作电极实现无膜电解的研究，降低了电解成本，具有较好的应用前景。

在复杂工况下，电堆承载着波动、跃变、纹波等综合特征的电流激励。为实现长寿命电堆，需要研究电堆所承载的波动特征检测及融合方法，功率宽范围调节、电流纹波调制及阶跃快响应控制技术，构建复杂工况下基于状态估计的安全产出、耐久经济的多目标优先和多目标适应指标集以及电解制氢电堆及电源的规范化试验验证与理论评估体系，最终建立“优化配置→动态适应→过程可靠→主动延寿”的波动性电源制氢系统最优保障机制，以延长风光波动性电源制氢系统的寿命，实现电堆自适应波动输入，满足风光等新能源制氢系统高比例取用绿电功率、规范化运行的良性发展需求。

4 结论

立足于实现高效稳定的风光波动性电源电解水制氢，在国家“碳达峰、碳中和”的能源战略下，综合全文可得出以下结论。

（1）充分利用我国在智能电网领域的建设成果，加快构建综合能源互联网，通过不同能源系统之间的有机协调，实现各类能源负载的移峰填谷，提高对应能源供用系统的设备利用率水平，助力传统一次能源利用效率提升，实现社会能源可持续发展。

（2）分析对比稳定额定功率输入及波动功率输入2种情况下的各种电解水制氢技术的技术经济性可以得出，SOEC 电解水制氢技术的电解效率最高，但所需的固定投资最高，经济性最差，当前仅处于实验室研发阶段；AWE 制氢技术最为成熟，成本最低，经济性最好，但电解效率较低且不能适应波动性电源的变化；PEM 电解水制氢技术比AWE 制氢技术电解效率高，成本有所提高，经济性较好，最重要的是能够精准匹配波动性电源的功率变化，是当前各国研究的主要方向，具有很好的研究前景。

（3）提出风光波动性电源电解水制氢的技术路线构想，包括涵盖波动性电源电解制氢系统的自学习优化配置策略、高效稳定制氢的边端协同自适应控制策略以及波动性电源电解制氢系统全参数趋优过程控制等多方面全过程的高可靠延寿控制策略，建立“优化配置→动态适应→过程可靠→主动延寿”的波动性电源制氢系统最优保障机制，达成波动性电源电解水制氢延寿控制。后续将进行波动性电源制氢系统建模与仿真以及实际工程案例分析，以验证技术路线构想的正确性与可行性。