葛磊蛟，崔慶雪，李明瑋，姚芳，楊曉娜，杜天碩

（1.天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072；2.省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)），天津 300130）

0 引言

電解制氫具有純度高、產(chǎn)物無污染（只有氫氣和氧氣）、原料廣泛易得、制備工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，在氫能綠色制取方面有著極大的優(yōu)勢和發(fā)展空間。近年來，隨著風(fēng)電和光伏等新能源度電成本的不斷下降，在風(fēng)能和太陽能資源豐富的地區(qū)開發(fā)光伏/風(fēng)電等綠色能源制氫技術(shù)，可有效平抑風(fēng)光等新能源發(fā)電的間歇性，極大降低電解制氫成本，為實(shí)現(xiàn)我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)提供有力支持。但與傳統(tǒng)電源不同，光伏/風(fēng)電等綠色能源具有強(qiáng)波動(dòng)性，嚴(yán)重影響電解制氫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性和運(yùn)行可靠性。

近年來，關(guān)于波動(dòng)性可再生能源制氫，國內(nèi)外學(xué)者們的關(guān)注點(diǎn)在于面向不同類型催化劑的電解堆，構(gòu)建既高效穩(wěn)定又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的制氫系統(tǒng)。文獻(xiàn)［1］評(píng)估了歐盟27國和英國在區(qū)域?qū)用嫱ㄟ^可再生能源電解水制氫，以綠氫生產(chǎn)替代灰氫生產(chǎn)的情況，為區(qū)域?qū)用娴拿撎贾茪涮峁┝俗C據(jù)，同時(shí)提出了綠氫跨區(qū)域傳輸與儲(chǔ)存的可能性。文獻(xiàn)［2］對(duì)來自波動(dòng)性可再生能源的堿性電解水（Alkaline Water Electrolysis，AWE）、質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane，PEM）電解、高溫蒸汽電解等制氫技術(shù)進(jìn)行了分析，重點(diǎn)闡述了相關(guān)工藝的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［3］比較了4 種基于可再生能源的電解水工藝以及不同電解水裝置的離子轉(zhuǎn)移機(jī)制、操作特點(diǎn)、能源消耗量和所獲得的工業(yè)產(chǎn)品。文獻(xiàn)［4］比較評(píng)估了可再生能源和不可再生能源制氫方法的經(jīng)濟(jì)性及對(duì)環(huán)境的影響，結(jié)果表明風(fēng)光發(fā)電制氫相較于傳統(tǒng)制氫手段成本更高，但是可以抑制全球酸化趨勢，延緩全球變暖。文獻(xiàn)［5］提出了我國不同地區(qū)可再生能源與傳統(tǒng)能源耦合的區(qū)域框架，并對(duì)不同耦合方案的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境績效進(jìn)行了評(píng)價(jià)，研究指出，高發(fā)電成本是耦合系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)［6］針對(duì)可再生能源發(fā)電間歇性和波動(dòng)性與化工過程系統(tǒng)氫氣需求波動(dòng)性協(xié)調(diào)匹配的問題，以電-氫儲(chǔ)能系統(tǒng)總費(fèi)用最小為目標(biāo)，建立了可再生能源發(fā)電與化工生產(chǎn)中加氫系統(tǒng)耦合的電-氫協(xié)調(diào)儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，以確定電-氫協(xié)調(diào)儲(chǔ)能系統(tǒng)的最優(yōu)容量配置和功率調(diào)度方案。

為此，結(jié)合國內(nèi)外文獻(xiàn)材料對(duì)波動(dòng)性電源電解制氫技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，主要包括以下內(nèi)容：（1）簡要描述國內(nèi)外風(fēng)光等波動(dòng)性電源制氫的發(fā)展情況，指出技術(shù)發(fā)展困境；（2）對(duì)比分析電解水制氫的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，討論其發(fā)展前景；（3）從優(yōu)化配置的規(guī)劃思想出發(fā)，立足于通過有效的過程控制確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，并以延壽控制管理為最終目標(biāo)，提出高效穩(wěn)定的波動(dòng)性電源電解制氫技術(shù)路線預(yù)想。

1 風(fēng)光波動(dòng)性電源制氫技術(shù)

風(fēng)光等新能源發(fā)電的波動(dòng)性是其固有屬性，對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外風(fēng)光等波動(dòng)性電源技術(shù)制氫所涉及的核心技術(shù)進(jìn)行梳理，指出目前風(fēng)光波動(dòng)性電源技術(shù)所遇到的發(fā)展困境，為風(fēng)光波動(dòng)性電源電解水制氫技術(shù)提供重要鋪墊。

1.1 風(fēng)力波動(dòng)發(fā)電制氫技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電主要分為并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電和離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電。一般而言，為降低風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性，并網(wǎng)風(fēng)電制氫系統(tǒng)和離網(wǎng)風(fēng)電制氫系統(tǒng)會(huì)采取不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略。

1.1.1 并網(wǎng)風(fēng)力波動(dòng)發(fā)電制氫

近年來，我國風(fēng)電的快速發(fā)展使電源結(jié)構(gòu)發(fā)生了深刻變化，風(fēng)力發(fā)電在全國12個(gè)省區(qū)成為第二大電源，截至2021 年第3 季度，部分省區(qū)風(fēng)電裝機(jī)占本地區(qū)總裝機(jī)的比例如圖1所示，其中內(nèi)蒙古、甘肅的風(fēng)電裝機(jī)比例均超過25%［7］。

圖1 部分地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)占比Fig.1 Proportion of wind power installed capacity in different region

具有波動(dòng)性的風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，電網(wǎng)通過能源管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）在廣域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定控制，從而保證電解槽在額定電壓下運(yùn)行［8］，風(fēng)力波動(dòng)發(fā)電制氫特點(diǎn)如圖2 所示。文獻(xiàn)［9］提出了一種模塊化自適應(yīng)控制策略，通過控制電解槽運(yùn)行狀態(tài)抑制寬功率波動(dòng)，并采用集成超級(jí)電容器抑制瞬時(shí)波動(dòng)，大大減少了電解槽的開關(guān)次數(shù)。文獻(xiàn)［10］基于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電解槽協(xié)同控制的方法，提出延時(shí)開關(guān)控制策略，不僅避免了電解槽的頻繁切換，還減少了額外大容量儲(chǔ)能裝置的需求，抑制了輸出功率的波動(dòng)。文獻(xiàn)［11］提出利用制氫系統(tǒng)消納風(fēng)電棄風(fēng)的制氫容量配置方法，采用區(qū)間估計(jì)方法建立風(fēng)電年棄風(fēng)電力統(tǒng)計(jì)模型，以經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)，運(yùn)用區(qū)間優(yōu)化理論確定制氫系統(tǒng)最優(yōu)容量配置區(qū)間；通過建立多屬性決策模型，確定制氫系統(tǒng)最優(yōu)電解槽配置方案。

圖2 風(fēng)力波動(dòng)發(fā)電制氫特點(diǎn)Fig.2 Characteristics of hydrogen production system driven by fluctuating wind power

目前，風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)主要有同步風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)和異步風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)［12］。理論上看，同步風(fēng)電并網(wǎng)效果最理想，但由于風(fēng)能的波動(dòng)性，同步風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)難以使同步發(fā)電機(jī)組與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組保持相同步調(diào)，從而無法使風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)速與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相匹配。對(duì)于異步風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)，理論上只需要異步發(fā)電機(jī)組與風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持一定的協(xié)調(diào)精度，就不會(huì)出現(xiàn)失步與振蕩的狀況，但實(shí)際上由于并網(wǎng)過程中沖擊電流過大，使得電網(wǎng)頻率下降嚴(yán)重，發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性會(huì)受到很大影響；同時(shí)，隨著風(fēng)電并網(wǎng)總量的不斷增加，風(fēng)電并網(wǎng)過程中出現(xiàn)的諧波、電壓波以及閃變等問題也隨之凸顯出來。為解決諧波問題，往往在系統(tǒng)中增加靜止無功補(bǔ)償設(shè)備并采用軟并網(wǎng)技術(shù)；此外，通過增設(shè)有源電力濾波設(shè)備和優(yōu)良補(bǔ)償設(shè)備抑制電壓波及閃變，可減小電壓波動(dòng)造成的影響，但仍無法有效解決電能質(zhì)量下降的問題。

1.1.2 離網(wǎng)風(fēng)力波動(dòng)發(fā)電制氫

離網(wǎng)風(fēng)電的主要用途是制氫，為了保證大規(guī)?？稍偕茉措娋W(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，有必要將可再生能源與儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合。氫能存儲(chǔ)是利用電力與氫能相互依存關(guān)系發(fā)展起來的一種大規(guī)模儲(chǔ)能方法，被認(rèn)為是解決能源危機(jī)和吸收可再生能源的關(guān)鍵技術(shù)之一。作為離網(wǎng)能源系統(tǒng)的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，離網(wǎng)風(fēng)力波動(dòng)發(fā)電制氫不但避免了交流電上網(wǎng)所帶來的相位差和頻率差問題，而且省去了并網(wǎng)輔助設(shè)備，大大降低了制氫成本。與陸地風(fēng)能相比，海上風(fēng)能的額外優(yōu)勢是具有更高的速度和一致性，有大量的空間可以安裝海上風(fēng)電場，海上風(fēng)電場主要采取離網(wǎng)發(fā)電方式；同時(shí)，石油和天然氣傳輸?shù)南嚓P(guān)基礎(chǔ)設(shè)施也可以用作海上氫氣的傳輸通道，與并網(wǎng)所需的電纜成本相比，通往海岸的管道投資成本大大降低。

目前使用或正在開發(fā)的儲(chǔ)氫方法主要有［11］：（1）壓縮氣體的物理儲(chǔ)存；（2）低溫液態(tài)氫的物理儲(chǔ)存；（3）基于材料的儲(chǔ)存或固態(tài)儲(chǔ)存。將3種儲(chǔ)氫方法的適用場景進(jìn)行比較，第3 種儲(chǔ)氫方法不適合商業(yè)運(yùn)行模式，第1種適合長距離輸送氫能，考慮到規(guī)模和成本等因素，第1種儲(chǔ)氫方法更適合大規(guī)模、季節(jié)性的氫氣存儲(chǔ)。為降低離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電制氫系統(tǒng)的波動(dòng)輸入，文獻(xiàn)［13］建立了一個(gè)獨(dú)立的風(fēng)-氫能源系統(tǒng)，證明直接轉(zhuǎn)矩感應(yīng)風(fēng)力渦輪機(jī)控制器和低壓大電流電解槽行為模型可以增強(qiáng)制氫系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)［14］提出了2種新型功率變換電路和混合型斬波轉(zhuǎn)換器，使最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)具有可變步長和智能攝動(dòng)功能，以適應(yīng)風(fēng)光波動(dòng)特性。

離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)往往設(shè)置在新疆、西藏等西部偏遠(yuǎn)地區(qū)及舟山等江浙沿海地區(qū)，且僅提供小功率的電能輸出。由于風(fēng)電的可變輸入，離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在電壓和頻率波動(dòng)問題，目前小型風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)沿用大型風(fēng)機(jī)的參數(shù)定義標(biāo)準(zhǔn)，往往只注重高速保護(hù)而忽視小型風(fēng)機(jī)的低速發(fā)電運(yùn)行，而高速保護(hù)和低速運(yùn)行本身就是矛盾，因此如何設(shè)計(jì)最優(yōu)風(fēng)機(jī)模型是一個(gè)棘手的問題。此外，偏遠(yuǎn)地區(qū)難以及時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，風(fēng)機(jī)的退役機(jī)制也不明確，這些問題都會(huì)導(dǎo)致安全運(yùn)行出現(xiàn)隱患。隨著電力電子技術(shù)與儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，離網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)也在逐漸成熟，如果能夠?qū)崿F(xiàn)離網(wǎng)電廠與電網(wǎng)的自由連接，即并網(wǎng)運(yùn)行與離網(wǎng)運(yùn)行基于用電需求靈活切換，將會(huì)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域掀起浪潮。

1.2 光伏波動(dòng)發(fā)電制氫技術(shù)

太陽能的間歇性和波動(dòng)性是其固有特征，利用太陽能制氫可有效避免直接光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響［15］。光伏電解系統(tǒng)主要分為直接聚光驅(qū)動(dòng)電解的直接耦合技術(shù)、利用直流-直流（DC/DC）變換器的間接耦合技術(shù)以及光能-熱能的綜合電解技術(shù)，這些技術(shù)均可有效提高制氫效率。

1.2.1 間接耦合方式制氫

光伏板的輸出功率取決于太陽輻射、溫度和連接負(fù)載的性質(zhì)等，因此不能為負(fù)載提供最佳功率的電源。在光伏組件與電解池之間加入DC/DC 變換器，使得輸入電解池的電壓與電解電壓水平相匹配，可以提高工作效率。文獻(xiàn)［16］進(jìn)行了有無最大功率點(diǎn)跟蹤器的光伏堿性水電解演示，證明了應(yīng)用最大功率點(diǎn)追蹤器可以提高系統(tǒng)的整體效率。文獻(xiàn)［17］在應(yīng)用最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)的前提下，在Matlab/Simulink 環(huán)境下建立了光伏電解系統(tǒng)模型，采用數(shù)字控制算法控制DC/DC 變換器來追蹤最大功率點(diǎn)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)處電解制氫。文獻(xiàn)［18-19］設(shè)計(jì)了基于Matlab/Simulink 的通用模糊邏輯控制器并聯(lián)同步降壓DC/DC 變換器，由仿真結(jié)果可知，輸出電壓沒有大的超調(diào)，所提出的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)大電流不平衡系統(tǒng)仍有效。上述研究都是利用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)調(diào)整占空比以跟蹤最大功率點(diǎn)，而文獻(xiàn)［20］提出一種針對(duì)DC/DC 變換器輸出電流的魯棒控制方法，綜合考慮電解槽功率需求以及光伏陣列輸出電流，與文獻(xiàn)［18-19］相比具有更精確的調(diào)節(jié)性能、更好的穩(wěn)定裕度以及更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是，DC/DC 變換器本身所產(chǎn)生的紋波會(huì)導(dǎo)致輸入電解槽的電流電平判別錯(cuò)誤，不僅會(huì)導(dǎo)致器件工作異常，影響電解槽工作狀態(tài)，還會(huì)產(chǎn)生輸出噪聲。

綜上所述，DC/DC 變換器確實(shí)能夠提高制氫效率，但器件損耗以及會(huì)產(chǎn)生紋波等問題不容忽略。針對(duì)波動(dòng)性電源，研究方向應(yīng)該指向高頻軟開關(guān)DC/DC 變換器，不僅可以降低運(yùn)行過程中的器件損耗，而且可以提高電壓轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)，研究降低紋波的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按照電解槽負(fù)載電流要求，在等效串聯(lián)電阻盡可能小的前提下選取合適的電感和電容。值得注意的是，高頻變壓器的穩(wěn)定性較差，可能會(huì)成為高頻軟開關(guān)DC/DC 變換器研究的阻礙。

1.2.2 直接耦合方式制氫

與利用DC/DC 轉(zhuǎn)換器的間接耦合方式相比，光伏組件與電解池直接耦合的方式不僅節(jié)省了光伏組件，而且避免了復(fù)雜的系統(tǒng)配置，減少了由于器件過多造成的能源損耗。

氫氣濃縮器［21］（Hydrogen Concentrator，HyCon）由聚光型太陽能電池（Concentrator Photovoltaic，CPV）組件和電解池組成，如圖3 所示。CPV 的工作原理是通過菲涅耳透鏡將太陽光聚焦在一個(gè)多結(jié)太陽能電池上，模塊或系統(tǒng)級(jí)的太陽能電池內(nèi)部連接方式可減少歐姆損耗。

圖3 氫氣濃縮器Fig.3 Hydrogen concentrator

Fallisch等人于2013年直接耦合了Ⅲ-V族的多結(jié)太陽能電池與PEM 電解池，通過串聯(lián)太陽能電池的方法提高帶隙能量吸收率，提出利用并聯(lián)太陽能電池提高電流密度的設(shè)想，引入電解池?zé)峁芾淼乃伎迹?2］。2017 年，其研究團(tuán)隊(duì)在德國弗萊堡的太陽跟蹤裝置上安裝了HyCon模塊，經(jīng)測量，HyCon組件在6 h 內(nèi)的轉(zhuǎn)換效率超過19.0%，最高效率達(dá)19.8%，是當(dāng)時(shí)使用雙結(jié)太陽能電池在0.8 A/cm2的電流密度下可實(shí)現(xiàn)的最高轉(zhuǎn)換效率［23］，但其研究僅針對(duì)電解效率，并且未考慮電解槽被聚光束照射而損失工作穩(wěn)定性的問題。文獻(xiàn)［24］提出了一個(gè)由高溫、高壓PEM 電化學(xué)電池與安裝在HyCon 中的光伏多結(jié)太陽能電池組成的新型系統(tǒng)，評(píng)估了該新型系統(tǒng)的熱電化學(xué)特性，與分離的光伏發(fā)電和電解制氫相比，多結(jié)電池的直接耦合提高了電解槽的穩(wěn)定性。目前，國內(nèi)對(duì)HyCon 的研究較少，更多的是對(duì)間接耦合方式的研究。

綜合以上研究資料，HyCon 模塊仍存在如下缺陷：（1）HyCon 模塊的框架由塑料材料制成，難以承受更高的工作壓力；（2）電解池和太陽能電池的面積不匹配；（3）電催化材料的穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致其穩(wěn)定工作時(shí)間較短；（4）HyCon模塊中雙極板內(nèi)部無流場，導(dǎo)致電流質(zhì)量受到限制，因而較傳統(tǒng)電解池電流密度低。

對(duì)于輸入的波動(dòng)性電源，催化劑的材料和結(jié)構(gòu)更易受到破壞，因此尋找更優(yōu)質(zhì)的電催化材料和框架材料是HyCon長遠(yuǎn)發(fā)展和深入研究的基礎(chǔ)。

1.2.3 光能-熱能綜合電解制氫

光能-熱能綜合電解制氫是利用光能和來自太陽的直接熱能實(shí)現(xiàn)電解。文獻(xiàn)［25］提出了光伏電池模塊和光子增強(qiáng)熱離子發(fā)射電池（Photon-Enhanced Thermionic Emission Cell，PETE）模塊的集成組合，可以在從室溫到1 000 ℃左右的寬溫度范圍內(nèi)有效地將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并利用PETE 和光伏電池的余熱預(yù)熱液態(tài)水，實(shí)現(xiàn)高溫電解制氫，提高制氫效率，如圖4所示。

圖4 光能-熱能綜合電解技術(shù)Fig.4 Electrolysis technology powered by solar and thermal energy

光伏電池并不能利用全部的太陽光譜，只有部分光譜能量轉(zhuǎn)化為電能，另外一部分轉(zhuǎn)化為熱能，因此可利用余熱加熱液態(tài)水，創(chuàng)造高溫電解條件，實(shí)現(xiàn)光能-熱能的綜合電解。文獻(xiàn)［26］利用太陽能聚光塔，應(yīng)用二向色反射鏡截止最佳紅外波長，分解光譜，接收光伏和熱量，并提出靈活應(yīng)用光伏陣列提高電解效率的方法。文獻(xiàn)［27］提出了光能-熱能電解系統(tǒng)優(yōu)化模型，充分考慮光伏轉(zhuǎn)換相關(guān)的熱化損耗和填充因子損耗，通過找到最佳光譜分裂點(diǎn)，令一部分光譜效率為電解提供能量，而另一部分光譜則通過吸收器和熱交換機(jī)制間接加熱水，以最大限度提高光氫轉(zhuǎn)換效率。光譜上下波長邊界計(jì)算如下。

只考慮光伏轉(zhuǎn)換時(shí)

考慮熱化和填充因子損失時(shí)

式中：λm，λM分別為下波長邊界及上波長邊界；ηheat為太陽光轉(zhuǎn)化為熱能的熱效率。

由式（1）—（4）可知，上下波長邊界都是熱效率的函數(shù)，熱轉(zhuǎn)換效率越高，可用于光伏轉(zhuǎn)換的光譜帶越窄，熱化損失越小，太陽能轉(zhuǎn)化為氫的效率越高，證明熱集成可有效提高效率和制氫能力，混合熱光伏系統(tǒng)可有效防止光伏電池過熱。目前，熱光伏電解技術(shù)是將熱從太陽光轉(zhuǎn)移到水，太陽光直接照射光伏電池，這在試驗(yàn)中的應(yīng)用尚待考量；此外，光伏電池在控制加熱的同時(shí)，應(yīng)保持合理的高溫，即高于供水溫度，以促進(jìn)有效的熱交換，但這會(huì)影響光伏電池的性能和壽命［28］。太陽能聚光塔的應(yīng)用需要更精確的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，而且由于太陽能聚光塔要求更高的電流，其集中電池比平板模塊電池效率更高、價(jià)格更貴，所以熱光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性還需要進(jìn)行進(jìn)一步分析。

1.3 風(fēng)光互補(bǔ)波動(dòng)發(fā)電制氫技術(shù)

風(fēng)能和太陽能的間歇性和不穩(wěn)定性是利用可再生能源大量發(fā)電的主要障礙，利用電能-熱能-風(fēng)光能-氫能的綜合能源系統(tǒng)，完成能源的合理調(diào)配，并嘗試?yán)蔑L(fēng)能和太陽能的周期互補(bǔ)和波動(dòng)性來降低風(fēng)光耦合波動(dòng)性，如圖5所示［29-30］。

圖5 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電Fig. 5 PV/wind hybrid generation

在綜合能源系統(tǒng)高速發(fā)展的背景下，文獻(xiàn)［30］提出了電-熱-氫綜合能源系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)框架和關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行策略，基于場景法實(shí)現(xiàn)了不確定性場景描述，同時(shí)提出了考慮風(fēng)光不確定性的多目標(biāo)規(guī)劃方法，以應(yīng)對(duì)不確定性因素的影響，并通過考慮極限場景，有效應(yīng)對(duì)不確定性因素的變化，但所提及的規(guī)劃方法較為保守。在綜合能源系統(tǒng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要作用是削峰填谷，通過輸出/輸入功率來調(diào)整抑制功率波動(dòng)，一旦儲(chǔ)能系統(tǒng)處于深度放電或過度充電的狀態(tài)，將會(huì)嚴(yán)重降低儲(chǔ)能裝置的壽命，因此，文獻(xiàn)［31］提出一種基于模糊算法的儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，在實(shí)現(xiàn)平抑風(fēng)電機(jī)組功率波動(dòng)的同時(shí)，還能避免儲(chǔ)能系統(tǒng)出現(xiàn)過度充電或深度放電的狀況，并向著適中的荷電狀態(tài)轉(zhuǎn)變。目前，氧中氫的含量是電解水制氫適應(yīng)性表征中采用最廣泛的指標(biāo)，而其他與風(fēng)光波動(dòng)性電源電解制氫系統(tǒng)的動(dòng)/靜態(tài)適應(yīng)性表征與評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)的研究比較少?？梢詫?duì)電解池進(jìn)行過/欠應(yīng)力-強(qiáng)度干涉等試驗(yàn)提取電解池適應(yīng)性表征參數(shù)，采用漸進(jìn)外推法探測電解池適應(yīng)性參數(shù)邊界，采用紋波電流步進(jìn)注入法得到電解池適應(yīng)性驗(yàn)證方法，但仍需進(jìn)行下一步試驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)想的有效性及正確性。

放眼國際，美國在2001 年提出集成能源系統(tǒng)（Integrated Energy Systems，IES）發(fā)展計(jì)劃，于2007年12月頒布能源獨(dú)立和安全法，要求社會(huì)主要供能（電力和天然氣）環(huán)節(jié)進(jìn)行能源協(xié)同規(guī)劃，于2009年將智能電網(wǎng)列入國家戰(zhàn)略，其目標(biāo)在于構(gòu)建靈活的智能能源系統(tǒng)。綜合能源系統(tǒng)已被證明能夠有效提供所需的電力負(fù)載，即使不與常規(guī)發(fā)電機(jī)相連，也能提高系統(tǒng)的效率和可靠性，克服單一可再生能源帶來的局限性；同時(shí)，由于電力轉(zhuǎn)換器和可再生能源技術(shù)的改進(jìn)提高了系統(tǒng)效率，綜合能源系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)的分散發(fā)電中越來越受歡迎。目前，構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)所面臨的困難在于能源的復(fù)雜性：一是時(shí)間的復(fù)雜性，各類能源變化周期從幾納秒到數(shù)年不等，存在復(fù)雜的延時(shí)狀況；二是空間的復(fù)雜性，需要實(shí)現(xiàn)能源內(nèi)部優(yōu)化與外部協(xié)調(diào)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大范圍互濟(jì)與局部優(yōu)化消納；三是行為的復(fù)雜性，由于波動(dòng)性電源具有多態(tài)、不確定、不連續(xù)、無法量化、剛性、時(shí)滯等特性，傳統(tǒng)的能源網(wǎng)絡(luò)與波動(dòng)性電源不兼容。

構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光等波動(dòng)性能源互補(bǔ)發(fā)電既要考慮不同能源互通互濟(jì)的內(nèi)部需求，還要考慮信息系統(tǒng)與能源網(wǎng)絡(luò)間的耦合及信息系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)的外部需求，需要充分利用智能電網(wǎng)的建設(shè)成果，智能化傳輸與分配電力［32］，從而實(shí)現(xiàn)煤炭和風(fēng)光等多種能源的協(xié)調(diào)利用，提升電網(wǎng)對(duì)可再生能源發(fā)電的消納能力［33］，促進(jìn)多能源互補(bǔ)電力系統(tǒng)發(fā)展，將光伏/風(fēng)電等可再生能源轉(zhuǎn)化為氫能高效存儲(chǔ)，促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)［34］。

1.4 風(fēng)光電源波動(dòng)性影響及氫儲(chǔ)能的必要性

風(fēng)光電源具有強(qiáng)波動(dòng)性和隨機(jī)性，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電解槽的壽命都會(huì)產(chǎn)生不利影響。

首先，強(qiáng)隨機(jī)性的波動(dòng)電源并網(wǎng)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊，如影響電壓穩(wěn)定性以及電能質(zhì)量。地理位置、海拔高度和地形會(huì)影響風(fēng)能和太陽能資源，地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)會(huì)影響風(fēng)能和太陽能強(qiáng)度，造成風(fēng)光能的隨機(jī)性和周期性，很難直接識(shí)別其功率波動(dòng)的基本特征，有必要采用大容量的儲(chǔ)能設(shè)備或調(diào)峰裝置來抑制功率波動(dòng)，但快速增加的儲(chǔ)能調(diào)峰裝置會(huì)導(dǎo)致風(fēng)能和太陽能減少，造成電力系統(tǒng)無功功率缺失，需要增設(shè)靜止無功補(bǔ)償器或者靜止無功發(fā)生器。因此，要從電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行出發(fā)，在并網(wǎng)容量、接入方式、諧波等電能質(zhì)量等多方面進(jìn)行規(guī)范化處理。

其次，輸入功率波動(dòng)降低了電解槽的性能和壽命。風(fēng)力的頻繁波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電解槽頻繁啟停而造成氫氣產(chǎn)量減少，并給電力電子器件帶來不必要的損耗。即使是最具研究前景的PEM 電解水技術(shù)，在輸入電流波動(dòng)的情況下，交換膜兩側(cè)也會(huì)產(chǎn)生壓差波動(dòng)導(dǎo)致膜震顫而損壞，從而降低電解槽運(yùn)行壽命。文獻(xiàn)［35］中，初始輸入50 A 電流時(shí)，電堆電解效率約為91%，但電堆運(yùn)行了數(shù)百個(gè)小時(shí)且經(jīng)歷多次強(qiáng)制、非強(qiáng)制關(guān)機(jī)和頻繁啟停切換后，電解效率下降到75%左右。因此，為抑制電源波動(dòng)過大，必須將輸入電流、電壓限制在一定的范圍內(nèi)。

耦合氫能、利用風(fēng)光電制氫是在優(yōu)化能源配置的同時(shí)，最大限度利用廢棄風(fēng)光發(fā)電制氫，為解決我國“三北”地區(qū)棄風(fēng)、棄光問題提供了全新的思路。氫能可滿足可再生能源規(guī)?；烷L周期儲(chǔ)能需求，且隨著材料、部件制備及系統(tǒng)集成等技術(shù)的突破，氫能綠色制取技術(shù)將朝著延長運(yùn)行壽命、提升單體功率、降低安全風(fēng)險(xiǎn)和成本等方向發(fā)展。從規(guī)模儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性看，固定式規(guī)模化儲(chǔ)氫比電池儲(chǔ)電的成本低一個(gè)數(shù)量級(jí)；同時(shí)，對(duì)于電力需求波動(dòng)的電力系統(tǒng)，晝夜電價(jià)不同，利用氫儲(chǔ)能可提高電力供應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)對(duì)化石燃料的補(bǔ)充。氧是電解水制氫主要的副產(chǎn)物，可以用作煤炭氣化的原料，具有很高的利用價(jià)值；其缺點(diǎn)是需要大型儲(chǔ)罐和運(yùn)輸設(shè)備，運(yùn)輸成本較高，但也可以直接排放到大氣中，因此相較于其他電解制氫技術(shù)節(jié)約了處理廢氣的成本。

2 電解水制氫技術(shù)

從電解水制氫技術(shù)原理、類型以及經(jīng)濟(jì)性角度介紹風(fēng)光波動(dòng)性電源電解水制氫技術(shù)，對(duì)比分析電解水制氫的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，討論各技術(shù)發(fā)展前景，為后續(xù)高效穩(wěn)定的風(fēng)光波動(dòng)性電源電解水制氫技術(shù)做好技術(shù)鋪墊。

2.1 電解水制氫原理

水作為一種弱電解質(zhì)，可通過電離產(chǎn)生氫離子和氧離子，其電離方程式如下

目前，電解水制氫時(shí)主要以Pt，Pd 及其合金作為電極材料，雖然其過電位很低，但制作成本高，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，達(dá)不到工業(yè)化規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)學(xué)者研究了合金電極以及復(fù)合電極，如Ni-S 合金電極、Ni-Fe-Sn 合金電極以及鎳-磷-二氧化鋯復(fù)合電極等，可在一定程度上提高電極性能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電極材料的優(yōu)化。但由于純水是一種極弱的電解質(zhì)，其電離產(chǎn)生的H+及OH-濃度很低，試驗(yàn)測得，25 ℃時(shí)1 L 純水中只有1×10-7mol 的水分子發(fā)生電離，100 ℃時(shí)1 L 純水中有55×10-7mol 的水分子發(fā)生電離，所以電解水時(shí)必須加入其他強(qiáng)電解質(zhì)以增強(qiáng)導(dǎo)電能力。根據(jù)電解質(zhì)的不同，電解水制氫方法主要可以分為AWE，PEM 電解水和固體氧化物電解水（Solid Oxide Water Electrolysis，SOEC）［3］。這幾種電解水制氫系統(tǒng)使用的電解材料和操作條件不同，導(dǎo)致電解槽中導(dǎo)電介質(zhì)略有不同，但產(chǎn)生氫氣的原理都是“陽極析氧，陰極析氫”，其總反應(yīng)方程式如下

2.1.1 AWE

如圖6 所示，AWE 系統(tǒng)由一對(duì)浸入堿性溶液中的電極構(gòu)成，不同的電解液電解性能有所差別，試驗(yàn)表明，KOH 溶液電解效果優(yōu)于其他大部分堿性電解液，故通常采用KOH 體積分?jǐn)?shù)為25%～30%的溶液作為電解液；同時(shí)，為防止產(chǎn)生的O2和H2相互擴(kuò)散，在兩極之間設(shè)有隔離膜，早期通常采用石棉隔膜，但產(chǎn)氣純度不高，近年來由產(chǎn)氣純度高和工作電流密度高的陰離子交換隔膜替代。電解時(shí)，在陰極處水被分解形成H2并釋放出OH-，這些離子通過隔膜在陽極處重新結(jié)合形成O2［36］。堿性電解水的優(yōu)點(diǎn)在于工作溫度低、工作穩(wěn)定性高、技術(shù)成熟，但需腐蝕性電解液且生成的氣體中含有堿霧需解吸。其陽極和陰極的化學(xué)反應(yīng)式如下

圖6 AWE結(jié)構(gòu)Fig. 6 Mechanism of AWE

2.1.2 PEM電解水

區(qū)別于堿性電解水制氫，PEM 電解水制氫選用具有良好化學(xué)穩(wěn)定性與質(zhì)子傳導(dǎo)性的質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)，以替代堿性電解水中的隔膜和液態(tài)電解質(zhì)，既能隔離氣體又能實(shí)現(xiàn)離子傳導(dǎo)。相比于堿性電解水，PEM 電解水制氫具有工作電壓和能耗低、產(chǎn)氣純度高、控制簡單及工作安全等優(yōu)點(diǎn)。PEM電解水結(jié)構(gòu)如圖7所示，PEM膜電極、雙極板等部件組成了PEM 電解水的電解槽，膜電極是實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)的重要部件，雙極板能使多片膜電極串聯(lián)同時(shí)將膜電極隔開。電解時(shí)，水通過陽極室循環(huán)并在陽極分解產(chǎn)生O2和H+，H+作為導(dǎo)電介質(zhì)可透過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極與電子結(jié)合產(chǎn)生H2［37］。PEM 電解槽具有比堿性電解槽高得多的電流密度，可達(dá)1～3 A/cm2，所得到的氫氣純度可達(dá)99.999%。PEM 電解水的主要優(yōu)勢在于使用了固體聚合物電解質(zhì)，允許緊湊的電池設(shè)計(jì)，無需考慮循環(huán)的水電解質(zhì)和氣泡所產(chǎn)生的阻力；同時(shí)，非常薄的質(zhì)子導(dǎo)電聚合物電解質(zhì)有助于快速響應(yīng)可再生能源等間歇性能源，其陽極和陰極的化學(xué)反應(yīng)式如下

圖7 PEM電解水結(jié)構(gòu)Fig. 7 Mechanism of PEM water electrolysis

2.1.3 SOEC

由于SOEC的工作溫度為800 ℃左右，因此又被稱為高溫電解水。SOEC 結(jié)構(gòu)如圖8所示，致密的電解質(zhì)層在中間部位，其主要作用是隔開燃料氣體和氧氣并傳導(dǎo)氧離子或質(zhì)子，兩側(cè)為多孔的電極。在較高的溫度下，一定的直流電壓施加在SOEC 兩側(cè)電極，高溫水蒸氣進(jìn)入陰極發(fā)生電解反應(yīng)分解成H2和O2-，O2-作為導(dǎo)電介質(zhì)透過電解質(zhì)層到達(dá)陽極，在陽極失去電子生成O2［38］。

圖8 SOEC結(jié)構(gòu)Fig. 8 Mechanism of SOEC

常規(guī)的堿性電解水制氫消耗電能較多，其轉(zhuǎn)換率較低，而SOEC 技術(shù)能耗較低且在高溫下的電解效率更高，電解反應(yīng)的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性均有所改善，而且可以與清潔能源結(jié)合，用于制備氧氣、氫氣和其他能源載體；但電解材料在高溫下的穩(wěn)定性、催化活性等可能有所下降，材料的高溫降解及持續(xù)時(shí)間仍是挑戰(zhàn)。其陽極和陰極的化學(xué)反應(yīng)式如下

2.2 電解水制氫技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

制氫能源正在從碳排放量較大的化石燃料向清潔的可再生能源方向發(fā)展，風(fēng)能和太陽能作為目前的主要可再生能源，在制氫技術(shù)中具有重要地位。風(fēng)電制氫是將剩余的風(fēng)力資源通過風(fēng)輪轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過裝置轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行制氫。目前已有技術(shù)完全可以將大規(guī)模風(fēng)電資源用于制氫且制氫過程幾乎無碳排放，尤其是海上風(fēng)電場，其風(fēng)力資源豐富且風(fēng)電轉(zhuǎn)換造成的能源損失小，故風(fēng)電規(guī)?；茪渚哂休^好的應(yīng)用前景。光電制氫是將光伏板轉(zhuǎn)化的電能提供給電解槽系統(tǒng)進(jìn)行制氫。在國家政策的大力支持下，相關(guān)學(xué)者針對(duì)更具經(jīng)濟(jì)性的光電制氫技術(shù)展開了研究，根據(jù)前文可知，光伏組件與電解池的直接耦合方式不僅節(jié)省了光伏組件，而且避免了復(fù)雜的系統(tǒng)配置，減少了由于器件過多造成的能源損耗，提高了光電制氫的經(jīng)濟(jì)性。隨著風(fēng)光能源制氫技術(shù)的不斷成熟，兩者的組合將在脫碳減排工作中扮演更加重要的角色。

從電解角度來講，AWE 電解槽與PEM 電解槽工作溫度較低，電解需要的主要能量為電能，即通過電能將水分解為氫氣和氧氣，而SOEC 電解槽電解時(shí)需要電能和高溫?zé)崮堋８鞣N電解方式的電解效率、耗電、電極材料均有所不同，制氫的成本也不同，電解水制氫成本大致如下

式中：C 為電解水制氫成本；Cel為電費(fèi)；Cfc為固定投資（包含大修成本）；Cwv為水或水蒸氣費(fèi)用；Com為運(yùn)維費(fèi)用。

2.2.1 AWE

堿性電解水技術(shù)大多采用較廉價(jià)的電極材料，比其他2 種電解技術(shù)的固定投資低。文獻(xiàn)［39］指出，堿性電解水的陽極材料一般選用鎳（Ni）、鈷（Co）和鐵基，陰極材料一般選用Ni或Ni與其他過渡金屬的合金材料，這些材料比早期的電極材料鉑（Pt）更便宜。文獻(xiàn)［24］指出，鎳基材料在堿性介質(zhì)中耐腐蝕性能較好，在基板上鍍一層Ni既可以降低堿性溶液對(duì)鋼基體的腐蝕，又可以降低反應(yīng)過電位，這對(duì)降低工業(yè)能耗和制氫成本有重要意義。此外，文獻(xiàn)［40］指出，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，水的理論分解電壓為1.23 V，相應(yīng)電耗為2.95 kW·h/m3，而堿性電解中，電耗為4.5～5.5 kW·h/m3，電解效率為54%～66%，因此，提高電解效率是提高其經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。

相較其于他電解方式，堿性電解槽所能承受的電流紋波范圍較??；同時(shí)，由于受限于工作溫度較低、溶液電阻較高、極化過電位較大等，電解效率的提升空間有限，電堆更換周期縮短，全壽命周期經(jīng)濟(jì)性降低，所以目前國內(nèi)外對(duì)新能源堿性電解水的研究很少。

2.2.2 PEM電解水

PEM 電解水與AWE 相比，電解效率有較大提升，電耗也顯著降低。PEM 電解槽電催化劑處于強(qiáng)酸性工作環(huán)境，為減少電解槽腐蝕，催化劑材料大多選擇耐腐蝕的Pt，Pd 貴金屬及其合金，導(dǎo)致電解設(shè)備成本較高［34］，所以開發(fā)適應(yīng)酸性環(huán)境的非貴金屬析氫催化劑是一條具有發(fā)展前景的道路。文獻(xiàn)［3］預(yù)測了擴(kuò)大PEM 電解槽的成本，預(yù)計(jì)當(dāng)氫發(fā)電量達(dá)到1 000 kg/d 時(shí)，PEM 電解槽的成本將降至當(dāng)前電價(jià)的1/4，而目前的制氫系統(tǒng)規(guī)模為10 kg/d。為了降低制氫成本，進(jìn)一步加快PEM 電解水的商業(yè)化發(fā)展，文獻(xiàn)［36］提出2種方法來降低電極成本：一種是使用較便宜的金屬，如Rn，Co，Sn 等；另一種是在納米尺度上對(duì)電極形態(tài)進(jìn)行良好控制，提高催化劑活性和穩(wěn)定性，進(jìn)而降低制氫成本。除了降低催化劑貴金屬載量，提高催化劑活性和穩(wěn)定性，膜電極制備工藝對(duì)降低電解系統(tǒng)成本也至關(guān)重要，同時(shí)還可以提高電解槽性能和壽命。

針對(duì)波動(dòng)性電源輸入，PEM 電解水技術(shù)是匹配度最高的，文獻(xiàn)［41］提出了PEM 電解水制氫系統(tǒng)全壽命周期的成本與收入模型，指出PEM 電解制氫系統(tǒng)更適用于風(fēng)電富集的場景，風(fēng)電功率出力尖峰時(shí)段適當(dāng)棄風(fēng)，有利提升制氫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［42］提出了基于不同經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的PEM 電解槽成本效益評(píng)估方法，但忽略了儲(chǔ)氫對(duì)整個(gè)制氫與燃料電池集成系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)前景的影響。目前，國內(nèi)外研究針對(duì)電解槽成本及產(chǎn)能的研究眾多，但制氫系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)型評(píng)價(jià)模型偏理想化，很少考慮電解槽溫度變化所引起的老化以及制氫系統(tǒng)的衰減特性。

2.2.3 SOEC

相對(duì)于AWE 電解技術(shù)和PEM 電解技術(shù)，高溫SOEC 技術(shù)電解效率可達(dá)到90%以上。但SOEC 電解溫度較高，電解所需能量由電能和高溫?zé)崮芄餐峁?，因此高溫SOEC 電解制氫總成本由電費(fèi)和固定投資共同決定。文獻(xiàn)［43］根據(jù)高溫SOEC 電解制氫所需電能與熱能比例的不同將其分為3種工作模式，以1 000 m3/h 電解水制氫裝置為例分析各種模式下的制氫成本，雖然在其中2種模式下SOEC電耗低于AWE和PEM 電解，但因固定投資過高，導(dǎo)致總成本仍高于二者。為了降低制氫成本，文獻(xiàn)［44］將甲烷添加到SOEC 電解池的陽極側(cè)而形成固體氧化物燃料，固體氧化物燃料輔助電解槽（SOFEC）產(chǎn)生電力應(yīng)用于電解槽，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的SOEC電解槽。

目前，SOEC 的生產(chǎn)主要需要陶瓷和一些稀有材料作為催化劑層，投資成本比較高，高溫?zé)嵩吹男枨笠彩窍拗芐OEC 長期經(jīng)濟(jì)可行的一大因素。SOEC 可以采用的可再生能源主要是聚光太陽能，文獻(xiàn)［45］提出了一種集高溫電解和氨基熱化學(xué)儲(chǔ)能于一體的新型太陽能SOEC 電解制氫系統(tǒng)，制氫成本為9.28 美元/kg，相較于光伏電解系統(tǒng)降低了18.9%。SOEC 電解制氫的理論能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到100%，與光熱發(fā)電廠協(xié)同作用可確保所有電解輸入能源完全為可再生能源，具有非常好的發(fā)展前景。

2.3 電解水制氫的發(fā)展困境

目前，制約電解水制氫發(fā)展的主要是成本問題和壽命問題。舊式電解水制氫技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)波動(dòng)性條件下電解池長壽命低成本運(yùn)行，采用新型材料的電解技術(shù)優(yōu)點(diǎn)突出，缺點(diǎn)是仍處于試驗(yàn)研發(fā)階段，大規(guī)模應(yīng)用效果未知。

2.3.1 成本問題

電解水制氫的成本較高仍是限制其發(fā)展的一個(gè)重要因素，可通過以下2條途徑來降低電解成本：一是采用低成本電力作為制氫能源，關(guān)鍵在于依靠光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，風(fēng)光電源電解水制氫關(guān)鍵技術(shù)將在第3 章闡述；二是降低電解過程中的能耗，可通過新型電解技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)［46］提出了新型木質(zhì)素電解法，采用木質(zhì)素作為制氫陽極，金屬氧酸鹽或FeCl3作為陽極催化劑和電荷轉(zhuǎn)移劑，可以顯著降低制氫過程中的電解能耗。文獻(xiàn)［47］提出了一種可以同時(shí)傳輸氧離子和質(zhì)子的混合SOEC，在超過60 h 的連續(xù)運(yùn)行中該混合SOEC 無明顯退化，具有較高的穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)高效制氫提供了新的發(fā)展思路。

綜上所述，以AWE，PEM，SOEC 電解技術(shù)為基礎(chǔ)，采用優(yōu)質(zhì)催化劑、陰陽極材料、交換膜材料等得到的新型電解技術(shù)可以提高電解效率以及運(yùn)行穩(wěn)定性，從而間接降低電解水成本。隨著可再生能源電價(jià)的不斷降低，新型電解水制氫技術(shù)相較于其他制氫方式甚至相較于化石能源都具有更強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)競爭力。

2.3.2 壽命問題

目前，電解制氫的發(fā)展除了需要考慮成本，如何實(shí)現(xiàn)電解池延壽也是不容忽視的問題。在SOEC電解中，高溫會(huì)加速材料的降解，且隨著生命周期的延長制氫量會(huì)逐漸減少，導(dǎo)致整個(gè)壽命期內(nèi)的制氫速率下降，所以延長電池壽命和優(yōu)化性能仍是一個(gè)重大挑戰(zhàn)［48］。文獻(xiàn)［49］發(fā)明了一種新型碳纖維保護(hù)層，證明將其覆蓋在氣體擴(kuò)散層上可有效延長電解槽在高電流密度下的壽命。PEM 電解中，催化劑和氣體擴(kuò)散層的氧化和腐蝕仍然是具有挑戰(zhàn)性的問題，傳統(tǒng)的金屬催化劑和非碳擴(kuò)散層可以在一定程度上降低腐蝕，但隨之出現(xiàn)的內(nèi)阻增加問題也不容忽視。催化劑的穩(wěn)定性與電解池的長壽命運(yùn)行有直接關(guān)系，2019 年韓洪憲研究員和李燦院士團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了一種強(qiáng)酸條件下長壽命非貴金屬催化劑γ-MnO2的穩(wěn)定電解水催化效果［50］，為解決電解池成本和壽命問題提供了新的思路，但能否大規(guī)模應(yīng)用于制氫工程還未有定論。

除上述問題外，如果能夠基于可重復(fù)的工況變化掌握動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，例如不同功率下的效率、內(nèi)部狀態(tài)變化、爬坡速率、最小調(diào)節(jié)比、冷/熱啟動(dòng)及關(guān)閉時(shí)間等，即可實(shí)現(xiàn)高效制氫生產(chǎn)過程的控制，解決設(shè)備長壽命運(yùn)行過程中存在的如何有效協(xié)調(diào)波動(dòng)電源電解制氫系統(tǒng)輸入和輸出，綠能制氫過程中如何調(diào)制電流將功率波動(dòng)控制在合理范圍，如何合理表征、驗(yàn)證或評(píng)價(jià)電堆及系統(tǒng)是否適應(yīng)綠色能源網(wǎng)“生存”環(huán)境，如何提取波動(dòng)和間歇功率輸入條件下電解制氫的復(fù)雜工況特征等一系列技術(shù)難題。未來需攻克這些難關(guān)，才可突破電解制氫的瓶頸。

3 高效穩(wěn)定的風(fēng)光波動(dòng)性電源電解水制氫技術(shù)

在前文的基礎(chǔ)上，從優(yōu)化配置、過程控制穩(wěn)定性出發(fā)，綜合闡述高效穩(wěn)定的風(fēng)光波動(dòng)性電源電解水制氫技術(shù)，以延壽控制管理為最終目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)-光-氫產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展，提出波動(dòng)性電源電解制氫的技術(shù)路線預(yù)想。高效穩(wěn)定的風(fēng)光波動(dòng)性電源電解水制氫技術(shù)示意圖如圖9所示。

3.1 風(fēng)光波動(dòng)性電源電解水制氫的優(yōu)化配置

風(fēng)光電源的強(qiáng)不確定性及制氫系統(tǒng)受限于電壓、溫度、壓力等多參數(shù)耦合控制的特性，使得風(fēng)光電源與電解制氫容量較難實(shí)現(xiàn)合理優(yōu)化配置，可從優(yōu)化配置方法和設(shè)備選型2個(gè)方面展開分析。

當(dāng)前，解決間歇性優(yōu)化選址定容問題的方法主要有2 種：機(jī)會(huì)約束規(guī)劃法和時(shí)序特性加權(quán)法。機(jī)會(huì)約束規(guī)劃法是利用模擬技術(shù)處理約束條件，再通過遺傳算法獲得最優(yōu)解。文獻(xiàn)［51］在機(jī)會(huì)約束規(guī)劃法的基礎(chǔ)上加入N-1 安全約束，有效解決了N-1故障，安全指標(biāo)顯著提高，但需要對(duì)各風(fēng)機(jī)進(jìn)行安全檢驗(yàn)，經(jīng)濟(jì)效益降低。時(shí)序特性加權(quán)法是通過考慮負(fù)荷和分布式電源的時(shí)序特性，使分布式電源的容量配置更加合理，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光發(fā)電的時(shí)序互補(bǔ)，減少資源浪費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)效益［52］。

設(shè)備選型包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏組件、蓄電池以及電解槽選型［53］。風(fēng)機(jī)選型的主要依據(jù)是輪轂高度、風(fēng)機(jī)的出入風(fēng)速以及額定風(fēng)速下的單位掃風(fēng)面積等參數(shù)；光伏組件主要有單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池等類型，考慮到技術(shù)的先進(jìn)性、成熟性以及性價(jià)比等因素，往往采用晶硅類太陽電池；蓄電池選型的主要依據(jù)是額定能量和可用能量；電解槽選型的依據(jù)是風(fēng)機(jī)和光伏組件中所提取的能量，文獻(xiàn)［9］基于可再生資源的隨機(jī)性，提出概率最優(yōu)尺寸方法，可對(duì)輸入系統(tǒng)能量的可靠性進(jìn)行定量分析，使得選型更精確。

針對(duì)以上問題，學(xué)者們提出了相協(xié)調(diào)的電解制氫系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，如風(fēng)光單一/互補(bǔ)等多形式電源優(yōu)化配置。文獻(xiàn)［54］提出了基于核主成分分析和自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的天氣分型及風(fēng)光出力互補(bǔ)性分析方法，分析了不同天氣類型下風(fēng)光出力互補(bǔ)程度和最佳并網(wǎng)容量比例。文獻(xiàn)［55］通過將風(fēng)速歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，得到風(fēng)電出力典型場景，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電不確定條件下風(fēng)電場和電轉(zhuǎn)氣（Power to Gas，P2G）廠站的協(xié)同選址規(guī)劃。因此，應(yīng)該首先研究電解制氫裝置的動(dòng)靜態(tài)特性以及新能源波動(dòng)性特征與電力電量平衡規(guī)律，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建風(fēng)光-荷-氫相協(xié)調(diào)的波動(dòng)電源電解氫系統(tǒng)優(yōu)化配置模型，應(yīng)用啟發(fā)式、人工智能等多種算法對(duì)模型進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)波動(dòng)電源電解制氫系統(tǒng)自學(xué)習(xí)優(yōu)化配置。

3.2 風(fēng)光波動(dòng)性電源電解水制氫的運(yùn)行過程控制

強(qiáng)紋波/波動(dòng)功率輸入下，緩慢變化過程（電解制氫系統(tǒng)）與快速響應(yīng)需求（風(fēng)光波動(dòng)電源）之間的矛盾導(dǎo)致風(fēng)光電源電解制氫系統(tǒng)長期處于非穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。此外，風(fēng)光波動(dòng)電源的出力響應(yīng)時(shí)間為秒級(jí)，而電解制氫系統(tǒng)由于多參數(shù)強(qiáng)控制使其響應(yīng)時(shí)間為秒級(jí)、分鐘級(jí)等多時(shí)間尺度，再加上制氫的需求具有強(qiáng)隨機(jī)性，因此，有效協(xié)調(diào)控制好波動(dòng)電源電解系統(tǒng)的制氫過程及確保制氫系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行十分必要。

要實(shí)現(xiàn)波動(dòng)電源與制氫系統(tǒng)的穩(wěn)定過程集成控制，可從2個(gè)方面考慮。一方面，從風(fēng)光波動(dòng)電源角度應(yīng)以滿足用戶需求和盡可能消納風(fēng)光能源為目標(biāo)。文獻(xiàn)［56］利用監(jiān)視控制系統(tǒng)，針對(duì)風(fēng)能發(fā)電和總需求之間的能量平衡所確定的系統(tǒng)運(yùn)行模式，采用高階滑模設(shè)計(jì)，使低水平控制器在受到外部輸入電源擾動(dòng)時(shí)仍能夠保持平滑。文獻(xiàn)［57］提出了一種電解槽輪值優(yōu)化控制策略，根據(jù)風(fēng)功率的實(shí)時(shí)數(shù)值安排相應(yīng)編號(hào)的電解槽進(jìn)行功率的消納，均衡了各電解槽單體在額定功率、波動(dòng)功率、停機(jī)3種狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)間，有效提升了電解槽陣列的壽命及制氫的安全性和可靠性。另一方面，從電解水制氫系統(tǒng)角度考慮應(yīng)以系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)制氫為目標(biāo)。文獻(xiàn)［58］提出了一種以MnO2/Mn2+為介質(zhì)的解耦兩性水電解與錳鋅電池相結(jié)合的集成系統(tǒng)，通過引入氧化還原反應(yīng)，使電解過程更加平滑穩(wěn)定，從而適應(yīng)波動(dòng)性電源?；谏鲜鲅芯?，只有將風(fēng)光能源利用率和穩(wěn)定的電解制氫系統(tǒng)相結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)電解池高效、長壽命運(yùn)行，從而為多維度能源配置創(chuàng)造條件。

文獻(xiàn)［59-62］考慮了電壓、溫度、壓力、磁力等不確定參量對(duì)電解制氫系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性的影響。為減少光伏/風(fēng)電等可再生能源和水電解槽中的能量損失疊加，應(yīng)該將波動(dòng)性電源與隨機(jī)性電解制氫需求相協(xié)調(diào)，研究一種波動(dòng)電源電解制氫系統(tǒng)高效穩(wěn)定制氫的邊端協(xié)同自適應(yīng)控制策略，進(jìn)而研究一種波動(dòng)電源電解制氫系統(tǒng)的紋波、溫度、壓力等全參數(shù)趨優(yōu)過程控制的全過程高可靠延壽控制策略，降低制氫單位生產(chǎn)成本，促進(jìn)氫能燃料電池在電動(dòng)汽車等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)氫氣在精密儀器、航空航天等高尖精智能制造產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；瘧?yīng)用，實(shí)現(xiàn)風(fēng)-光-氫產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展。

3.3 風(fēng)光波動(dòng)性電源電解水制氫的延壽控制

實(shí)現(xiàn)制氫系統(tǒng)長壽命運(yùn)行的本質(zhì)即研發(fā)長壽命電堆和長壽命電解制氫系統(tǒng)。長壽命電堆研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)包括宏微觀適應(yīng)電堆的結(jié)構(gòu)、催化劑材料及催化機(jī)理、電極微納結(jié)構(gòu)及材料；長壽命電解制氫系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)包括優(yōu)化配置方法以及延壽過程控制技術(shù)。

波動(dòng)輸入和紋波變化會(huì)引起電極催化劑表面的高頻次“反極化”反應(yīng)，進(jìn)而改變催化劑表面的微化學(xué)環(huán)境和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［63-64］指出，在高電流密度的條件下，目前所使用的部分催化劑可能會(huì)失效，電解槽也會(huì)損壞，所以需要研發(fā)出一種可以適應(yīng)不同電流密度的快速反應(yīng)的高熵催化劑，這是實(shí)現(xiàn)電堆長壽命的關(guān)鍵。目前，試驗(yàn)所用的酸/堿性電解池、PEM 電解池和SOEC 電解池中的交換膜存在氣體泄漏，導(dǎo)致氫氧混合；同時(shí)，隨著析氫析氧反應(yīng)的進(jìn)行，電極材料的消耗不可避免，所以應(yīng)研究一種氣體分離的方法，并開發(fā)一種適應(yīng)高頻率波動(dòng)輸入的一體化多孔電極，在波動(dòng)輸入的復(fù)雜工況下仍能保持結(jié)構(gòu)與性能的穩(wěn)定性，這是實(shí)現(xiàn)電堆長壽命的重點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)氣體分離，文獻(xiàn)［65］使用有機(jī)光致變色材料聚三苯胺（PTPAn）作電池電極，利用固態(tài)PTPAn 電池電極的可逆n 型摻雜/脫摻雜反應(yīng)進(jìn)行無膜太陽能水分離，并采用步長為100 s的兩步法分離出電堆中不同時(shí)間產(chǎn)生的氣體，消除了氣體混合的問題，適應(yīng)了太陽能波動(dòng)特性，同時(shí)進(jìn)行了利用光致變色材料作電極實(shí)現(xiàn)無膜電解的研究，降低了電解成本，具有較好的應(yīng)用前景。

在復(fù)雜工況下，電堆承載著波動(dòng)、躍變、紋波等綜合特征的電流激勵(lì)。為實(shí)現(xiàn)長壽命電堆，需要研究電堆所承載的波動(dòng)特征檢測及融合方法，功率寬范圍調(diào)節(jié)、電流紋波調(diào)制及階躍快響應(yīng)控制技術(shù)，構(gòu)建復(fù)雜工況下基于狀態(tài)估計(jì)的安全產(chǎn)出、耐久經(jīng)濟(jì)的多目標(biāo)優(yōu)先和多目標(biāo)適應(yīng)指標(biāo)集以及電解制氫電堆及電源的規(guī)范化試驗(yàn)驗(yàn)證與理論評(píng)估體系，最終建立“優(yōu)化配置→動(dòng)態(tài)適應(yīng)→過程可靠→主動(dòng)延壽”的波動(dòng)性電源制氫系統(tǒng)最優(yōu)保障機(jī)制，以延長風(fēng)光波動(dòng)性電源制氫系統(tǒng)的壽命，實(shí)現(xiàn)電堆自適應(yīng)波動(dòng)輸入，滿足風(fēng)光等新能源制氫系統(tǒng)高比例取用綠電功率、規(guī)范化運(yùn)行的良性發(fā)展需求。

4 結(jié)論

立足于實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的風(fēng)光波動(dòng)性電源電解水制氫，在國家“碳達(dá)峰、碳中和”的能源戰(zhàn)略下，綜合全文可得出以下結(jié)論。

（1）充分利用我國在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的建設(shè)成果，加快構(gòu)建綜合能源互聯(lián)網(wǎng)，通過不同能源系統(tǒng)之間的有機(jī)協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)各類能源負(fù)載的移峰填谷，提高對(duì)應(yīng)能源供用系統(tǒng)的設(shè)備利用率水平，助力傳統(tǒng)一次能源利用效率提升，實(shí)現(xiàn)社會(huì)能源可持續(xù)發(fā)展。

（2）分析對(duì)比穩(wěn)定額定功率輸入及波動(dòng)功率輸入2種情況下的各種電解水制氫技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性可以得出，SOEC 電解水制氫技術(shù)的電解效率最高，但所需的固定投資最高，經(jīng)濟(jì)性最差，當(dāng)前僅處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段；AWE 制氫技術(shù)最為成熟，成本最低，經(jīng)濟(jì)性最好，但電解效率較低且不能適應(yīng)波動(dòng)性電源的變化；PEM 電解水制氫技術(shù)比AWE 制氫技術(shù)電解效率高，成本有所提高，經(jīng)濟(jì)性較好，最重要的是能夠精準(zhǔn)匹配波動(dòng)性電源的功率變化，是當(dāng)前各國研究的主要方向，具有很好的研究前景。

（3）提出風(fēng)光波動(dòng)性電源電解水制氫的技術(shù)路線構(gòu)想，包括涵蓋波動(dòng)性電源電解制氫系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)優(yōu)化配置策略、高效穩(wěn)定制氫的邊端協(xié)同自適應(yīng)控制策略以及波動(dòng)性電源電解制氫系統(tǒng)全參數(shù)趨優(yōu)過程控制等多方面全過程的高可靠延壽控制策略，建立“優(yōu)化配置→動(dòng)態(tài)適應(yīng)→過程可靠→主動(dòng)延壽”的波動(dòng)性電源制氫系統(tǒng)最優(yōu)保障機(jī)制，達(dá)成波動(dòng)性電源電解水制氫延壽控制。后續(xù)將進(jìn)行波動(dòng)性電源制氫系統(tǒng)建模與仿真以及實(shí)際工程案例分析，以驗(yàn)證技術(shù)路線構(gòu)想的正確性與可行性。