考虑温度波动的碱性水电解系统运行参数可行域分析与协调控制研究

针对可再生能源驱动的碱性水电解（AWE）系统在波动工况下因温度变化导致氢气渗透（HTO）浓度超限的安全问题，研究人员通过建立热力学模型与可行域分析，提出多参数协调控制策略。实验验证表明，该方法可显著降低低负荷HTO浓度并提升系统效率，为AWE规模化应用提供关键技术支撑。

　　

随着全球碳中和进程加速，可再生能源驱动的绿色制氢技术成为能源转型的关键。碱性水电解（Alkaline Water Electrolysis, AWE）因其单机容量大、成本低的优势，被视为规模化制氢的最优解。然而，当AWE系统遭遇风电、光伏等波动性电源时，温度剧烈变化会引发氢气在氧气中的渗透（Hydrogen in Oxygen, HTO）浓度超标，直接威胁系统安全。这一"卡脖子"问题严重制约了AWE技术的商业化推广。

河北省某科研团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究，首次系统揭示了温度波动对AWE系统安全边界的重塑机制。研究人员通过构建包含热力学模型、气体渗透模型的多物理场耦合仿真平台，结合200 Nm³/h工业级AWE系统的实验验证，创新性地提出了基于可行域分析的参数协调控制策略。关键技术包括：建立温度-电流密度-压力-电解液流速四维参数空间的安全边界映射；开发考虑气泡覆盖效应和压缩能耗的多目标优化算法；设计适应可再生能源波动的动态调整策略。

HTO浓度与系统效率建模
通过热力学模型量化了不同功率加载方式下的温升特性，发现间歇性运行会导致温度梯度较稳态工况增大37%。气体渗透模型显示，温度每升高10°C，低负荷下的HTO浓度会跃升15-20%，这与Schalenbach的氢扩散率数据高度吻合。

温度对安全边界的影响
研究首次绘制了温度敏感型安全边界图谱：低温时活化过电位限制电流密度下限至0.2 A/cm²；高温下气体渗透使压力上限降低25%。电解液流速的可行域呈现"喇叭形"特征，在60°C时安全操作窗口最宽。

可行域约束下的协调控制
基于四维参数空间的帕累托前沿分析，提出的动态调整策略使HTO浓度始终低于2%，同时系统效率提升8.5%。工业验证表明，该策略可使AWE在20-100%负荷范围内稳定运行。

这项研究的意义在于：首次建立了温度波动与AWE安全边界的定量关系模型，破解了可再生能源耦合制氢系统的动态匹配难题；提出的可行域协调控制方法为AWE系统设计国际标准提供了理论依据。正如Groot模型预测的那样，温度对HTO的影响远大于压力，本研究通过实验数据验证了这一假设，并将结论转化为可工程化应用的控制策略。该成果对推动我国可再生能源制氢装备自主化具有里程碑意义，相关方法已被纳入河北省重点研发计划的技术推广目录。