摘 要：從效率與一致性、功率調(diào)節(jié)靈活性、氣體純度等方面闡述大規(guī)?？稍偕茉粗苯与娊鈮A液制氫的相關(guān)科學(xué)問題，進行相應(yīng)的機理分析，并給出可能的技術(shù)路徑，以期提升可再生能源與堿液電解槽之間的匹配性，從而推動可再生能源電解制氫規(guī)?；瘧?yīng)用。

關(guān)鍵詞：制氫；電解槽；可再生能源；電解效率；靈活性

中圖分類號：TQ151.1 文獻標志碼：A

0 引 言

隨著“雙碳”戰(zhàn)略的推進，光伏、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源大規(guī)模發(fā)展，電力系統(tǒng)消納可再生能源的壓力與日俱增，面臨著靈活性資源短缺［1-2］、電力電子寬頻帶諧振［3-4］、系統(tǒng)慣量降低［5-6］等挑戰(zhàn)。氫能作為一種來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體。因此，發(fā)展可再生能源電解制氫技術(shù)有以下優(yōu)勢：1）可直接消納可再生能源，緩解電力系統(tǒng)壓力；2）可與電網(wǎng)友好互動，成為靈活性資源，促進電網(wǎng)進一步消納可再生能源；3）產(chǎn)生的氫氣可輔助交通、工業(yè)等領(lǐng)域深度脫碳。所以，可再生能源電解制氫近年來吸引了國內(nèi)外諸多學(xué)者的關(guān)注［7-8］，中國國家發(fā)改委、能源局印發(fā)的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035 年）》中也明確了可再生能源電解制氫的戰(zhàn)略地位。

目前電解制氫技術(shù)路線有高溫固體氧化物電解制氫、質(zhì)子交換膜電解制氫和堿液電解制氫3 種［9-11］。相比于前兩種技術(shù)路線，堿液電解制氫技術(shù)成熟度高、投資低、壽命長，成為工業(yè)制備的主流技術(shù)方案。在以往應(yīng)用中，由于缺乏波動性制氫的需求，堿液電解制氫一般運行在穩(wěn)定或接近穩(wěn)定的電力輸入下，以保障系統(tǒng)整體性能和可靠性，運行范圍也相對較窄，典型的如40%～100% 額定功率［12-13］。而風(fēng)能、光伏等可再生能源具有顯著的波動性和間歇性，這使得堿液電解制氫與可再生能源之間的匹配性成為關(guān)鍵問題。文獻［14］從微觀層面綜述了質(zhì)子交換膜電解制氫和堿液電解制氫在波動性工況下性能衰退機制和材料劣化機理，但其所涉及的材料體系多樣，針對不同的材料其表象差異性較大，難以取得普適性結(jié)論；文獻［15-17］通過仿真和小規(guī)模實驗（lt;1 kW）等手段論證了光伏直接電解制氫的可能性；文獻［18］從能量角度闡釋了風(fēng)光等資源與堿液電解槽的匹配性，但未討論風(fēng)光的波動性對堿液電解槽的影響。文獻［19］指出可再生能源間歇性波動時，堿液電解槽會頻繁啟停機，停機時因原電池效應(yīng)會形成反向電流，進而腐蝕極板和催化劑；文獻［20］指出通過合適的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計可有效抑制堿液電解槽的反向電流。

從以上現(xiàn)狀分析可看出，目前堿液電解制氫與可再生能源之間的匹配性研究大都集中在電化學(xué)、材料學(xué)等微觀層面，主要探討風(fēng)能、光伏波動性對電極材料性能的影響且材料不同結(jié)論也不同。鮮有從宏觀層面介紹大規(guī)?？稍偕茉粗苯与娊鈮A液制氫的相關(guān)限制因素以及影響機理，導(dǎo)致可再生能源與堿液電解槽之間的耦合特性不清，失配機理不明，限制了大規(guī)?？稍偕茉措娊庵茪涞耐茝V應(yīng)用。為此，本文從效率與一致性、功率調(diào)節(jié)靈活性、氣體純度等系統(tǒng)宏觀層面闡述大規(guī)?？稍偕茉粗苯与娊鈮A液制氫的相關(guān)科學(xué)問題，進行相應(yīng)的機理分析，并給出可能的技術(shù)路徑，以期打通化學(xué)、電氣等學(xué)科壁壘，為相關(guān)問題的解決提供更為廣泛的解決思路，提升可再生能源與堿液電解槽之間的匹配性，推動可再生能源電解制氫規(guī)?；瘧?yīng)用。

1 堿液電解槽寬范圍運行的效率與一致性問題

1.1 問題呈現(xiàn)

圖1a 展示了典型工業(yè)用大容量電解槽的結(jié)構(gòu)。通常，堿液電解槽由多個電解小室串聯(lián)而成，堿液通道、氧氣通道和氫氣通道連通所有電解小室，輸入電解所需的原料、輸出產(chǎn)生的氫氣和氧氣，其中電解原料為質(zhì)量分數(shù)為30% 的KOH溶液，此時溶液導(dǎo)電性最好。各電解小室由電極（包括雙極板和催化劑）和隔膜組成，每個電極板的兩面分屬不同的電解小室，整個電解槽的剖面圖如圖1b 所示。圖1c 所示為常用簡化原理圖，為便于分析和說明問題。

圖2 所示為80 ℃下堿液電解槽（圖1a）的全功率范圍效率曲線。該堿液電解槽由48 個電解小室串聯(lián)而成，額定功率為10 kW，額定產(chǎn)氣量約為2 Nm3/h。從圖2 可看到，在50% 額定功率以上時，電解槽效率隨輸入功率的增大而減小，但整體處于較高水平（大于60%）；在50% 額定功率以下時，電解槽效率隨輸入功率的減小而急劇減小，在10% 額定功率下，系統(tǒng)效率僅為26%，不到最優(yōu)效率的30%。所以低載工況下效率低下問題限制了堿液電解槽的寬范圍運行。

圖3 所示為堿液電解槽在不同輸入功率下各極板（或各電解小室）工況。圖3a 所示的簡易電解槽在不同輸入功率下極板工況有顯著差異，有氣泡附著的區(qū)域代表電解反應(yīng)的發(fā)生。在低載情況下，中間極板未導(dǎo)通，僅首尾極板發(fā)生反應(yīng)（如圖3b 所示）。隨著輸入功率的增大，首尾極板反應(yīng)更加劇烈，中間極板上部開始發(fā)生電解反應(yīng)，而下部仍未發(fā)生反應(yīng)（如圖3c 所示）。進一步增大輸入功率，所有極板均導(dǎo)通，均發(fā)生電解反應(yīng)（如圖3d 所示）。由圖3 可知，堿液電解槽在低載工況下不同極板（或電解小室）運行工況不一致，同一極板不同區(qū)域的運行工況也不一致。這種不一致性會導(dǎo)致極板熱應(yīng)力分布不均，加劇催化層的脫落，使電極性能退化，同時影響電解槽壽命，所以堿液電解槽低載工況不一致問題也限制了其寬范圍運行。

1.2 機理分析與解決思路

由簡單小容量單電解小室電解電壓和電流關(guān)系外推得到的經(jīng)典集總參數(shù)電解槽模型［21-23］為：

式中：Uz—— 電解槽端電壓，V；N—— 電解小室數(shù)量，個；Urev——可逆電壓，V；R （T ）——與溫度T 相關(guān)的溶液電阻，Ω；I——電解電流，A；α（T ）——表征與溫度T 相關(guān)的活化電壓系數(shù)；A——極板面積，m2；nH——產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)的量，mol；no——產(chǎn)生氧氣的物質(zhì)的量，mol；ηF——法拉第電解效率，%；F——法拉第常數(shù)，C/mol。

由式（1）可知，系統(tǒng)效率與輸入功率呈反比，即功率越小，效率越高。這與圖2 所示的大容量電解槽實測效率-功率曲線不符，因此傳統(tǒng)集總參數(shù)電解槽模型具有局限性，需考慮在寬輸入功率下電解槽分布式參數(shù)的影響。圖4 所示為堿液電解槽由低載到高載過程中電勢和電流的分布情況。水電解析氫反應(yīng)的條件是陽極/陰極固液相之間的界面電勢差大于可逆電壓，即：

UIF gt;Urev （2）

式中：UIF——陽極/陰極固液相之間的界面電勢差（如圖4），分布在金屬-溶液界面附近，厚度為100 nm 的區(qū)域中［24］，V。

由于KOH 溶液的導(dǎo)電性，在堿液電解槽低載期間，首尾極板之間的UIF 首先達到可逆電壓，因此首尾極板最先開始發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，如圖3b 所示。結(jié)合堿液電解槽幾何形狀可得低載時離子電流路徑如圖4a 所示。中間極板的UIF 由電解電流的大小及其流過的路徑等效電阻決定。如圖4c 所示，中間極板的UIF 主要受到板下方和堿液通道所圍區(qū)域的等效電阻Rp 的影響。極板厚度w 與堿液通道直徑或高度b直接決定Rp 的大小，特別是極板越厚，越容易形成較大的UIF，易先發(fā)生電解反應(yīng)。同時考慮到垂直方向的溶液電阻Rv，極板上部區(qū)域的UIF 顯著大于極板下部區(qū)域的UIF（如p—p'之間的電勢差大于q—q'之間的電勢差）。因此，隨著電解電流I 的增大，中間極板由上部開始逐漸發(fā)生電解水析氫反應(yīng)，如圖3c 所示。此外，由于極板間距d ? 極板厚度w，導(dǎo)致溶液壓降Uohm ?UIF，而：

Uz =N·（UIF +Uohm ） （3）

即電解槽端電壓Uz 主要被Uohm 分擔(dān)。因此，堿液電解槽需在相對較高的輸入功率下才能保證中間極板的導(dǎo)通，所以堿液電解槽高效率運行范圍相對較窄，為40%～100% 額定功率，如圖2 所示。

隨著電解電流I 的進一步增大，系統(tǒng)進入高載狀態(tài)，中間極板完全導(dǎo)通，此時離子電流主要路徑分布如圖4b 所示，相應(yīng)的等效電路如圖4d 所示。由于堿液通道直徑或高度b ?極板直徑或高度h，對比圖4c、圖4d 可知，低載時堿液電解槽等效電阻遠大于高載時，因此堿液電解槽低載效率遠低于其高載效率。在系統(tǒng)進入高載狀態(tài)后，中間極板完全導(dǎo)通，這種情況下系統(tǒng)模型與式（1）所示的經(jīng)典模型相符，系統(tǒng)效率開始隨輸入功率的增大而減小。由此得到如圖2 所示的全功率范圍下系統(tǒng)效率曲線。

結(jié)合上述分析，堿液電解槽低載效率低與工況一致性差的本質(zhì)原因是相同的，均由低載時堿液電解槽電勢分布不合理造成，與電極材料等化學(xué)因素?zé)o關(guān)，是相對普適性的現(xiàn)象。低載效率低與工況一致性差問題限制了堿液電解糟寬范圍運行能力，無法匹配可再生能源的波動性與間歇性，但從傳統(tǒng)化學(xué)和材料學(xué)角度去解決該問題是相對困難的。相反，從電氣學(xué)角度進行詳細的電場分布分析，設(shè)計新型堿液電解槽結(jié)構(gòu)，避免堿液共享通道的存在，打破各電解小室的電氣連通性，將在較大程度上改善堿液電解槽的低載性能。其次，從外部供電電路角度考慮，構(gòu)建新穎的電解槽供電方式及其控制方法，利用外部激勵合理分布低載時電解槽電場，也可為堿液電解槽寬范圍運行提供新的解決途徑。

2 堿液電解槽多尺度功率調(diào)節(jié)靈活性問題

2.1 問題呈現(xiàn)

圖5 所示為堿液電解槽（圖1a）在10 ℃環(huán)境溫度，不同初始槽體溫度下輸入功率從0 kW 階躍到額定功率10 kW 的響應(yīng)曲線以及不同輸入功率下堿液電解槽的穩(wěn)態(tài)溫度。圖5a為電解槽最大允許電解電壓下的電解槽爬坡能力，即最大爬坡能力。從圖5a 可看出，在不同初始溫度下，電解槽的階躍響應(yīng)性能有較大差異。當(dāng)槽體溫度較高（如50 ℃）時，電解槽可很快響應(yīng)功率階躍，響應(yīng)時間小于100 ms。當(dāng)槽體溫度較低時，電解的功率階躍響應(yīng)明顯分為兩個階段，先從0 pu 快速階躍到0.29 pu（10 ℃）和0.68 pu（30 ℃），響應(yīng)時間小于100 ms，然后再緩慢上升到額定功率，此過程響應(yīng)時間達到小時級。同時該過程中槽體溫度不斷上升，且溫度越低，響應(yīng)時間越長。圖5b 則展示了在無外置加熱源的情況下，槽體溫度隨輸入功率的變化情況。由圖5b 可知，針對不同輸入功率，槽體有相應(yīng)的平衡溫度。輸入功率越大，對應(yīng)的平衡溫度越高；輸入功率越小，對應(yīng)的平衡溫度越低。

結(jié)合圖5a 和圖5b 可知，針對可再生能源寬功率波動情況，電解槽呈現(xiàn)非線性響應(yīng)能力。低溫下，堿液電解槽可快速響應(yīng)30% 額定功率的波動，超過30% 的部分響應(yīng)較慢，一般在小時級以上；高溫下，堿液電解槽可大范圍快速響應(yīng)輸入功率波動。同時堿液電解槽的運行工況又決定了其槽體溫度，因此整體呈現(xiàn)出隨運行點不同而功率波動響應(yīng)能力不同的多尺度非線性特性。堿液電解槽這種多尺度非線性功率波動響應(yīng)特性難以匹配可再生能源寬功率波動情況，特別是針對光伏受到云層遮擋這種快速變化的情形，因此這是大規(guī)?？稍偕茉粗苯与娊鈮A液制氫推廣應(yīng)用過程中需要解決的又一難題。

2.2 機理分析與解決思路

從2.1 節(jié)可知，堿液電解槽功率波動響應(yīng)能力受溫度影響較大。本節(jié)結(jié)合堿液電解槽電-熱混合模型進行響應(yīng)的機理分析并據(jù)此提出可能的解決思路。在無外置加熱源的情況下，電解槽系統(tǒng)熱力學(xué)方程為：

Cz dT／dt =Ploss -Pdiss -Pcool （4）

Ploss =（1-η）Uz I （5）

Pdiss = T -Ta／Rth（6）

式中：Cz——電解槽比熱容，J/（kg·K）；T——槽體溫度，K；Ploss——輸入電功率的損耗；Pdiss——槽體與周圍環(huán)境由于溫度差形成的熱耗散；Pcool——電解槽冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的熱交換功率；η——電解槽效率；Ta——周圍環(huán)境溫度，K；Rth——電解槽與周圍環(huán)境的等效熱阻，K/W。

由式（4）～式（6）可知，在無外置加熱源的情況下，槽體溫度與輸入功率嚴格相關(guān)。隨著輸入功率的增大，對應(yīng)的損耗變大，槽體溫度上升。堿液電解槽等效電阻（包括溶液歐姆電阻、極化電阻等）受溫度影響較大，因此在不同溫度下系統(tǒng)電解電壓與電解電流之間的U-I 曲線有較大差異，如圖6 所示。另一方面，為防止電極材料由于高電勢發(fā)生其他副電解反應(yīng)而損壞，電解槽能承受的最大電解電壓是有限制的。在實際應(yīng)用中，在各種工況下均需將電解槽端電壓控制在此范圍內(nèi)。高溫下，堿液電解槽等效電阻較小，最大電解電壓下可產(chǎn)生較大電解電流，因而可允許較大的輸入功率。通過調(diào)整輸入電壓可快速響應(yīng)較大范圍的功率波動（如圖5a 中50 ℃時）。低溫下，堿液電解槽等效電阻較大，最大電解電壓下可產(chǎn)生的電解電流相對較小，對應(yīng)的最大功率也相應(yīng)降低，則通過調(diào)整輸入電壓能實現(xiàn)的快速功率調(diào)節(jié)裕度較小，如圖5a 中10 ℃和30 ℃情況下可快速調(diào)節(jié)的功率在0.29 pu 和0.68 pu內(nèi)，剩余部分只能依靠槽體溫度的提升來緩慢調(diào)節(jié)。

通過上述分析可知，堿液電解槽響應(yīng)能力因功率波動范圍不同而呈現(xiàn)以電氣特性主導(dǎo)的快速過程和以熱特性主導(dǎo)的慢速過程等不同階段，整體是一個復(fù)雜的多尺度非線性過程，涉及電解槽電-熱轉(zhuǎn)化，與電解槽運行點、槽體溫度等相關(guān)。堿液電解槽功率調(diào)節(jié)靈活性難以匹配可再生能源的快速大范圍功率波動性。針對該問題，可在外置熱源的基礎(chǔ)上，通過先進的電-熱協(xié)同管理技術(shù)，提升堿液電解制氫的功率調(diào)節(jié)靈活性。熱對堿液電解制氫來講有正反兩方面的作用。首先，堿液電解槽運行溫度不能過高，否則會影響電極材料機械性能導(dǎo)致槽體變形以及使隔膜等關(guān)鍵組件發(fā)生熱降解，影響槽體正常使用。另一方面，槽體溫度過低會影響其功率爬坡能力，導(dǎo)致靈活性降低。因此需利用深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，結(jié)合可再生能源出力預(yù)測，精準確定對堿液電解槽溫度的調(diào)控需求并考慮系統(tǒng)能效和運行成本等，對外置熱源和冷卻系統(tǒng)進行高效調(diào)控。在保證系統(tǒng)經(jīng)濟性的同時，提升系統(tǒng)靈活性，以滿足可再生能源直接電解制氫的需求。

3 堿液電解槽低載運行氣體純度問題

3.1 問題呈現(xiàn)

氣體純度是堿液電解槽被廣泛關(guān)注的一個問題［25-28］。由于氣體擴散以及堿液循環(huán)等因素，堿液電解槽陽極和陰極產(chǎn)生的氧氣和氫氣會混雜對極氣體。特別地，當(dāng)堿液電解槽中氧中氫體積分數(shù)達到4% 以上時易形成混爆氣體，影響系統(tǒng)的安全運行。為保險起見，工程上通常以氧中氫體積分數(shù)達到2% 為系統(tǒng)停機的重要指標。堿液電解槽氣體純度受運行工況的影響，通常在未純化前，高載狀態(tài)下電解槽產(chǎn)生的氫氣純度為99.9%（體積分數(shù)），產(chǎn)生的氧氣純度為99.0%～99.5%［18，25］，如圖7 所示。但在低載狀態(tài)下，氣體純度下降，容易越過爆炸安全極限，特別是在堿液電解槽氣體壓強較大的情況下，氣體不純現(xiàn)象更加明顯。如圖7 所示，0.1 MPa 下，電解電流密度增至0.5 A/cm2 時，氧中氫體積分數(shù)已達到2%的安全極限；2.0 MPa 壓下，電解電流為0.7 A/cm2 時，氧中氫體積分數(shù)已達到2.5%，嚴重超過安全極限。低載時氣體純度降低，限制了堿液電解槽運行范圍，使其無法匹配寬功率波動的風(fēng)能、光伏等可再生資源，是大規(guī)模可再生能源直接電解堿液制氫遇到的又一難題。

3.2 機理分析與解決思路

下面主要以氧中氫體積分數(shù)為例來說明堿液電解槽低載時氣體純度低的原因，并據(jù)此闡述相關(guān)的解決方案。如圖8 所示，氫氣竄入陽極氧氣中主要有兩種路徑［29］：一是因為隔膜存在微小孔隙，氫氣分子通過擴散作用滲透到陽極氧氣中（氣體擴散）；二是溶解在溶液中的氫氣，通過堿液循環(huán)竄入到陽極氧氣中（溶液混合）。

對于路徑1，由Fick 定律［25］有：

dndiff／dt =A·D Δm／L （7）

式中：ndiff——通過氣體擴散竄入氧氣中的氫氣的物質(zhì)的量，mol；D——擴散系數(shù)；Δm——隔膜兩側(cè)氫氣的濃度差；L——隔膜厚度，mm。

考慮到陰極氫氣濃度遠大于陽極氫氣濃度，因此Δm 可近似為陰極堿液中氫氣濃度，可表示為：

Δm =SH·pH （8）

式中：SH——氫氣在堿液中溶解度；pH——陰極氫氣的壓強，MPa。

對于路徑2，根據(jù)文獻［30］有：

dnmix ／dt =A·SH·pH·v/4 （9）

式中：nmix——通過溶液混合竄入氧氣中的氫氣的物質(zhì)的量，mol；v——堿液循環(huán)流速，m3/h。

即流速越大，由堿液循環(huán)導(dǎo)致的氣體滲入越多。結(jié)合式（8）、式（9），可得：

nsum =ndiff +nmix （10）

式中：nsum——氧氣中的氫氣總的物質(zhì)的量，mol。

進一步，氧中氫體積分數(shù)可表示為：

h = nsum／no（11）

式中：h——氧中氫體積分數(shù)；no——產(chǎn)生氧氣的物質(zhì)的量，mol。

由式（11）可知，在相同不純氣體含量下，由于高載時氧氣產(chǎn)量no 較高，此時氧中氫體積分數(shù)保持在較低水平，未達到混合氣體爆炸極限。但在低載情況下，由于氧氣產(chǎn)量no 較低，此時氧中氫體積分數(shù)增大，易達到混合氣體爆炸極限，影響系統(tǒng)安全運行，這也是堿液電解槽低載運行能力弱的又一重要制約因素。在堿液電解槽幾何尺寸一定的情況下，由式（8）～式（10）可知，氧中氫體積分數(shù)主要與以下因素相關(guān)：1）隔膜性能，隔膜透氣性決定了式（8）中擴散系數(shù)D；2）陰極氫氣壓強，氫氣壓強pH 決定了氫氣在堿液中的溶解度；3）堿液循環(huán)速度，堿液循環(huán)速度v 決定了溶液混合給陽極氧氣帶來的滲氫量。

根據(jù)以上3 個關(guān)系，可從不同角度來改善堿液電解槽低載運行時的氣體不純問題。文獻［31-34］研究了陰離子交換膜（anion exchange membrane，AEM）電解制氫技術(shù)。不同于傳統(tǒng)堿液電解槽的電極-溶液-隔膜-溶液-電極結(jié)構(gòu)，AEM 技術(shù)采用類似于質(zhì)子交換膜技術(shù)的溶液-電極-隔膜-電極-溶液結(jié)構(gòu)設(shè)計，這樣膜電極更加緊湊致密，一方面可有效防止氫氧互相滲透，另一方面緊湊化的設(shè)計降低了系統(tǒng)等效內(nèi)阻，也提升了系統(tǒng)效率。文獻［35］提出基于時空解耦的電解制氫系統(tǒng)，通過兩步反應(yīng)過程，陽極析氧反應(yīng)和陰極析氫反應(yīng)在不同地方、不同時間發(fā)生，避免了傳遞堿液電解制氫系統(tǒng)陽極析氧反應(yīng)和陰極析氫反應(yīng)在相同電解小室同時發(fā)生形成的滲氣現(xiàn)象，但該技術(shù)還面臨實用化的挑戰(zhàn)。

通過壓力動態(tài)控制、堿液流速主動調(diào)控等手段，文獻［29，36-37］改善了寬范圍功率波動下堿液電解槽氣體純度問題，采取簡化實用模型，并辨識了模型的關(guān)鍵參數(shù)。但上述控制方法依賴于系統(tǒng)氣體純度模型，且可再生能源寬功率波動下，堿液電解槽溫度、壓強綜合變化時影響系統(tǒng)動態(tài)模型也給參數(shù)辨識帶來挑戰(zhàn)，氣體純度模型的不精確性也直接影響最終控制性能。文獻［38］提出陽極溶液和陰極溶液分開循環(huán)，避免溶液混合引入的氣體不純，但該方法對堿液電解槽的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計引入了新的挑戰(zhàn)，同時也無法解決氣體擴散引發(fā)的氣體不純的問題。此外，氣體壓強、堿液流速控制還需進一步考慮后級純化、堿泵響應(yīng)滯后等因素。純化設(shè)備運行效果及效率與槽體輸入的氣體壓強、流速等關(guān)系緊密，在進行前級氣體壓強控制時不考慮純化等因素，容易導(dǎo)致整體性能降低且效率不高。此外，堿液循環(huán)直接由外部堿泵來控制，由于堿液電解槽流道的復(fù)雜性，流速控制傳遞到堿液電解槽內(nèi)部各電解小室存在一定的延遲性，面對快速波動的可再生能源，需綜合權(quán)衡功率調(diào)節(jié)靈活性與氣體純度之間的關(guān)系。針對氣體純度模型不精確、多目標協(xié)同調(diào)控等難題，可基于先進人工智能技術(shù)，利用強化學(xué)習(xí)等手段，不斷對模型加以修正，以增強控制系統(tǒng)對溫度、壓強等時變因素的適應(yīng)性，實現(xiàn)自學(xué)習(xí)調(diào)控，最終滿足寬功率波動的風(fēng)能、光伏等可再生能源直接電解堿液制氫時氣體純度要求，促進大規(guī)?？稍偕茉措娊庵茪涞膽?yīng)用。

4 結(jié) 論

本文從效率與一致性、功率調(diào)節(jié)靈活性、氣體純度等角度闡述了在電氣特性等宏觀層面上可再生能源直接電解堿液制氫的相關(guān)科學(xué)問題。對相關(guān)科學(xué)問題進行了理論分析，揭示了限制堿液電解制氫寬范圍靈活運行的限制因素及其影響機理，闡明了可再生能源與堿液電解槽之間在多工況下的耦合及匹配機制，并給出了可能的解決方案與技術(shù)路徑。得到以下具體結(jié)論：

1）低載效率低與工況一致性差限制了堿液電解槽寬范圍運行能力。低載時電解槽電勢分布不合理是導(dǎo)致效率低與工況一致性差的本質(zhì)原因，與電極材料等化學(xué)因素?zé)o關(guān)。傳統(tǒng)從化學(xué)和材料學(xué)等微觀角度改進電極材料性能難以有效解決該問題，應(yīng)從電氣學(xué)等宏觀角度改進電場激勵等方式來加以解決。

2）堿液電解槽對可再生能源波動功率的響應(yīng)能力隨波動大小、運行點、槽體溫度的不同而呈現(xiàn)出以電、熱等不同主導(dǎo)過程的多尺度非線性特點。堿液電解槽功率調(diào)節(jié)靈活性難以匹配可再生能源的快速、大范圍功率波動性，限制了大規(guī)模可再生能源直接電解堿液制氫推廣應(yīng)用。應(yīng)結(jié)合可再生能源出力預(yù)測，精準刻畫堿液電解槽溫度調(diào)控需求，通過先進的電-熱協(xié)同管理技術(shù)，提升堿液電解制氫的功率調(diào)節(jié)靈活性。

3）低載時氣體純度降低也限制了堿液電解槽低載運行能力，使其無法匹配寬功率波動的風(fēng)能、光伏等可再生能源。可充分挖掘氣體壓力、堿液流速主動調(diào)控的潛力，基于先進人工智能技術(shù)，利用強化學(xué)習(xí)等手段，克服氣體純度模型不精確、多目標協(xié)同調(diào)控等挑戰(zhàn)，增強控制系統(tǒng)對溫度、壓強等時變因素的適應(yīng)性，實現(xiàn)自學(xué)習(xí)調(diào)控。

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基金項目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（226-2022-00053）；國家電網(wǎng)有限公司總部科技項目（5108-202218280A-2-442-XG）