基于多物理场动态键合图模型的PEM电解槽功率损耗追踪研究

针对可再生能源耦合质子交换膜(PEM)电解槽因材料限制和能量输入波动导致的效率下降与可靠性问题，研究人员提出基于键合图(Bond Graph)模型的功率损耗追踪方法，通过20-Sim软件构建多物理场耦合模型，实现电解槽子组件层级的实时功率损耗监测。该模型支持设计阶段性能优化与故障诊断，仿真验证表明其可有效追踪降解引发的功率损失，为绿氢系统智能化运维提供新工具。

　　

随着全球能源结构向清洁化转型，质子交换膜(PEM)电解槽因其快速响应、高纯氢产出等优势，成为间歇性可再生能源存储的关键技术。然而，风光发电的波动性会引发电解槽材料降解、热机械应力累积等问题，导致功率损耗加剧和效率下降。传统性能测试方法成本高昂且难以反映实际工况差异，亟需开发精准的在线监测工具。

法国里尔大学(Université de Lille)与塞提夫大学(Université de Setif 1)的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，创新性地将耦合键合图(Coupled Bond Graph)理论应用于PEM电解槽建模。通过20-Sim软件构建包含电化学-热力学-流体多物理场交互的胶囊化模型，开发通用功率损耗追踪器PLTES和PLTFS，实现了降解引发的功率损失在子组件层级的实时量化。

研究采用多物理场动态建模技术，通过敏感性分析验证参数响应特性，并在绿氢多源平台上进行仿真验证。关键方法包括：1) 基于能量交换原理的键合图模型自动生成系统方程；2) 电化学活化过电位与热流体耦合建模；3) 线性分数变换(LFT)处理测量不确定性。

主要研究结果

1. 耦合键合图效率追踪方法
   通过键合图的功率流表征优势，建立电热、电化学、热流体现象交互的模块化模型，自动生成的解析方程支持不同电解槽配置的快速适配。

2. PEM电解槽单元键合图模型
   模型涵盖膜电极组件(MEA)降解、阴极活化过电位等关键现象，仿真显示在4.5V恒压运行下，50小时后MEA降解导致功率损耗上升12.7%，与实验数据吻合。

3. 仿真与讨论
   对比实验表明，功率损耗追踪器对膜厚度、电导率等参数变化敏感度达0.85以上，能有效区分正常波动与故障引发的损耗，为退化容忍控制提供决策依据。

该研究首次将键合图模型拓展至PEM电解槽功率损耗在线监测领域，其结构化特性支持故障诊断与剩余使用寿命(RUL)预测。相比传统数字孪生技术，该方法通过物理机理与数据驱动的融合，避免了复杂退化模型的构建。研究成果为绿氢系统智能化运维提供了新范式，未来可扩展至电解槽堆的规模化监测。欧盟地平线计划(ELECTROLIFE项目)和Tassili合作项目的资助保障了该技术的工程化落地潜力。