太阳能驱动PEM电解槽制氢系统建模：面向光伏能源最优整合的稳态运行与能效分析

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《International Journal of Hydrogen Energy》：Solar-powered hydrogen production: Modelling PEM electrolyser systems for optimal integration with solar energy

【字体：大中小】 时间：2025年10月25日 来源：International Journal of Hydrogen Energy 8.3

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　　本研究针对光伏-PEM电解制氢系统集成优化难题，开发了基于实验数据的温度稳态电解槽模型，通过量化辅助系统能耗与氢气纯度对产氢效率的影响，提出了适用于不同规模系统的产氢量预测多项式模型。模型验证表明其能准确捕捉系统非线性能耗特性，为光伏-电解系统优化设计与成本评估提供了实用工具，对推进绿色氢能规模化发展具有重要意义。

随着全球能源转型进程加速，氢能作为清洁能源载体的重要性日益凸显。特别是在欧洲和西班牙的碳中和路线图中，绿色氢能被赋予关键战略地位——西班牙最新能源气候计划更是将2030年电解槽装机目标从4GW大幅提升至12GW。然而，大规模可再生能源制氢设施仍面临诸多技术挑战：一方面，现有运行数据匮乏导致系统性能预测困难；另一方面，波动性光伏能源与电解槽的协同运行优化缺乏精准模型支撑。

传统电解槽模型多聚焦电化学过程本身，往往忽略平衡系统(Balance-of-Plant, BoP)的能耗影响。当电解槽运行在部分负载工况时，辅助系统的能耗占比显著上升，导致实际能效与理论值产生较大偏差。此外，氢气纯度提升过程（如干燥与变压吸附净化）带来的能量损耗与氢气质流损失，进一步增加了系统能耗预测的复杂性。

针对上述问题，来自西班牙CEU卡德纳尔埃雷拉大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表了创新性研究成果。他们以商用H2B2 EL05N型质子交换膜电解槽(Proton Exchange Membrane Electrolyser, PEMEL)为实验对象，通过35小时稳态运行测试，建立了综合考虑辅助能耗与净化损失的氢产量预测模型。该研究首次系统量化了不同负载下BoP能耗、电堆损失、压力恢复与PSA再生 purge 等四类能量损耗的分布规律，为光伏-电解系统优化设计提供了重要理论依据。

关键技术方法包括：采用多通道数据采集系统(Omega OM-CP-OCTPRO)同步记录电堆参数与氢气流量(V?gtlin质量流量计)；通过稳态实验获取10个负载点的温度-压力-流量关联数据；基于多项式拟合建立功率-产氢量映射模型；利用商用电解槽规模数据验证模型普适性；结合PVGIS数据库评估欧洲不同纬度地区的光伏-电解协同效能。

2. 材料与方法

实验系统采用Giner ELX电堆的商用PEM电解槽，包含完整的BoP组件。研究通过精确测量不同负载下的电堆参数和氢气流量，建立了温度稳态下的运行数据库。特别关注了氢气分离器排水和PSA再生等周期性操作对系统稳定性的影响。

3. 结果与讨论

3.1. 电解槽部分负载状态

实验数据显示，BoP能耗随负载增加显著下降：从10%负载时的71.2%降至满负载的17.4%，而电堆损耗则从9.7%升至30.3%。这表明低负载运行时辅助系统能效是主要制约因素。

3.1.1. 辅助消耗与效率

净化过程氢损失率随负载增加而降低：10%负载时PSA purge 损耗达26.7%，满负载时降至3.9%。系统总效率从最低11.4%提升至47.2%，证实部分负载运行会大幅降低能效。

3.2. 电解槽氢产量模型

建立的多项式模型准确描述了功率-产氢量的非线性关系。相较于线性模型，多项式拟合更好反映了低负载区间的能耗陡增现象，基纯模型(99.9%)与高纯模型(99.999%)的系数差异揭示了净化过程能耗影响。

3.3. PEM电解槽氢产量估算模型

模型扩展分析表明，电解槽规模效应显著：当功率超过1MW时，比能耗趋近于54 kWh/kg_H2，接近纯电堆能耗水平。通过西门子2MW电解槽实测数据验证，模型虽系统性低估产氢量13%，但能准确捕捉系统行为趋势。

3.3.1. 模型验证

与工业级电解槽数据对比显示，模型预测的RMSE为8.12 kg/h（相对误差15.65%）。偏差主要源于测试设备的集成式净化流程与老化损耗，这种保守特性反而有利于工程安全设计。

4. 模型应用与讨论

4.1. 光氢配比优化

研究提出光氢能量转化率(r_H2-PV)作为优化指标，发现光伏容量需超配1.4-2倍电解槽功率才能最大化氢产量。南方地区超配比可低至1.4，而高纬度地区需达2.0。

4.2. 欧洲地区模拟

纬度效应显著影响产能：南欧地区等效满负载运行时数可达1600小时，而北欧地区不足1000小时。高纯氢生产需额外增加20%光伏容量，但产能差异微小。

4.3. 氢平准化成本

基于IBHYX指数参数计算显示，南欧地区LCOH可降至6€/kg，北欧则超过12€/kg。尽管高纯氢能耗更高，但电解槽设备成本主导使得两种纯度产品的LCOH差异不足5%。

5. 结论

本研究开发的稳态模型首次系统量化了PEM电解槽辅助能耗与净化损失，提出的多项式模型能准确预测部分负载下的产氢效能。通过欧洲多地的应用验证，证实光伏-电解系统优化配置可显著提升经济性。尽管模型存在对大规模系统能耗的高估倾向，但这种保守特性使其特别适用于工程设计与投资风险评估，为绿色氢能项目的技术经济分析提供了可靠工具。

研究还揭示，单纯依赖光伏能源的电解系统年运行时长受限，未来需探索风光互补等多元供能模式。此外，电解槽退化率（0.12-0.24%/千小时）对LCOH的敏感度高于预期，凸显了耐久性提升对成本控制的关键作用。这些发现为下一代电解系统优化指明了技术路径。

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