综述：为实现长寿命质子交换膜（PEM）电解技术的最佳运行：降解机制、建模、诊断与控制方法

《International Journal of Human-Computer Studies》：Toward optimal operations of long-lifetime PEM electrolysis: Degradation mechanisms, modeling, diagnostics, and control

中文摘要: 提出质子交换膜水电解槽（PEMWE）集成优化框架，综合降解机制、建模方法、诊断工具和控制策略，提升效率与耐久性，平衡材料设计与系统性能。

　　随着全球对可持续能源技术的关注不断加深，高效生产氢气的方法成为了研究的重点。聚合物电解质膜水电解（PEMWE）因其高效率、快速响应能力和与可再生能源如太阳能和风能的无缝集成，被认为是实现这一目标的潜在解决方案。为了进一步提升PEMWE的性能指标，如效率、耐久性、可靠性和经济性，需要对PEMWE的操作进行优化。本文提供了一次全面的文献综述，重点探讨了PEMWE优化过程中涉及的关键因素，包括降解机制、先进建模技术、诊断工具和控制策略。

在众多的氢气生产方法中，PEMWE以其紧凑的设计、高电流密度能力、高电压效率、高操作压力以及快速响应特性脱颖而出。然而，尽管PEMWE具有这些优势，其广泛应用仍面临诸多挑战，包括高材料成本、性能随时间下降以及对先进控制策略的需求。因此，开发一个能够有效平衡这些因素的集成优化框架，是推动PEMWE技术发展的关键。

本文的综述结构清晰，首先介绍了PEM电解的基本原理和系统组成，强调了关键材料和组件的重要性以及其最新进展。随后，对PEM电解的性能指标和降解机制进行了深入分析，探讨了不同组件在长时间运行中的降解过程及其影响因素。在建模方法部分，讨论了从静态到动态和多维模型的建模技术，这些模型在捕捉PEM系统中复杂的多物理现象方面发挥了重要作用。此外，还介绍了先进的诊断技术，如电化学和物理方法，以及软件工具，用于识别和减轻影响系统寿命和性能的降解机制。

在控制策略方面，本文强调了动态调整关键操作参数，如电流密度、温度、水流和压力的重要性，以确保系统在最佳条件下运行。通过结合多学科的见解，本文提出了一个集成优化框架，该框架不仅解决了当前的挑战，还指明了未来研究的方向，以提升PEM电解的效率和耐久性，从而为可持续氢经济的实现做出贡献。

综述还讨论了PEM电解的各个组成部分，包括膜电极组件（MEA）、多孔传输层（PTL）和双极板（BPs），以及它们在系统中的作用。在性能评估和降解机制分析中，本文指出不同操作参数对电压衰减率的影响，并通过实验数据展示了材料选择和操作条件对系统性能和耐久性的重要性。同时，本文还强调了降解建模的必要性，指出其在预测长期性能和增强系统可靠性中的作用。

建模方法部分详细介绍了电化学模型和传输过程建模，包括零维、一维、二维和三维模型。这些模型在捕捉PEM电解的多物理现象方面具有重要意义，但同时也存在一些限制，如模型参数识别的复杂性和计算资源的高需求。为了克服这些限制，本文还讨论了新兴的建模技术，如物理信息神经网络（PINNs），这些技术能够有效整合物理定律和实验数据，实现更准确和高效的模拟。

诊断方法部分涵盖了电化学、物理和软件工具，这些方法在实时监测系统状态和健康状况方面至关重要。通过结合多种诊断技术，可以全面了解PEM电解的性能损失和结构变化，为优化操作提供支持。同时，软件传感器和观察器在诊断和优化中发挥着重要作用，它们能够通过数学模型和算法推断系统内部状态和参数，提高诊断的准确性和实时性。

在控制策略方面，本文讨论了多种控制方法，包括传统PID控制器和先进的模型预测控制（MPC）和滑模控制（SMC）。这些控制方法旨在实现操作目标，如稳定电流密度、调节温度、管理水流和优化压力，从而确保系统的高效和耐久运行。通过采用分层控制架构，可以实现从监督控制到调节控制的全面管理，提高系统的灵活性和适应性。

展望部分指出了PEM电解技术未来发展的关键方向，包括对材料降解机制的深入理解、高保真度的多物理建模、实时诊断技术的提升以及优化的控制策略。这些研究方向不仅有助于提高PEM电解的效率和耐久性，还将推动其在可持续氢经济中的广泛应用。通过多学科的协同合作，PEM电解技术有望在未来的能源系统中发挥更重要的作用，为实现绿色能源转型提供强有力的支持。