低压质子交换膜电解槽系统热损失建模与工程应用研究

本研究针对低压质子交换膜(PEM)电解槽系统在氢能生产中的热损失问题，开发了集成热力学特性的数学模型，通过MATLAB/Simulink仿真验证了其预测精度（误差仅2%）。研究人员创新性地将气体和管道热损失等效为附加电阻，采用递归识别算法量化热阻值（RMSE=0.454%），为工程实践中PEM电解槽性能优化提供了可调控的建模工具。该成果发表于《Results in Engineering》，显著提升了可再生能源制氢系统的设计精度。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注，其中质子交换膜(PEM)电解槽因其快速响应特性成为可再生能源制氢的核心装备。然而，现有低压PEM电解槽系统存在显著热损失问题——电解反应产生的热量通过气体排放和管道传导大量耗散，导致温度测量偏差和效率下降。更棘手的是，工程现场缺乏直接温度监测端口，传统实验室模型无法准确反映实际工况。这些瓶颈严重制约了电解槽与风光发电系统的协同效能，亟需建立兼顾热力学特性的工程适用模型。

为攻克这一难题，研究人员开展了低压PEM电解槽系统的多尺度建模研究。通过构建包含可逆电压、活化过电压(U_act
)、欧姆过电压(U_ohm
)的数学模型，首次将阳极/阴极气体热耗散(Q_O2
/Q_H2
)与管道热传导(Q_pipe,loss
)统一量化为附加电阻(R_hl
)。采用Levenberg-Marquardt算法进行非线性拟合，建立电流密度(i_ely
)与热阻的定量关系。研究通过15单元电解槽堆的Simulink动态仿真，对比商业设备数据验证模型准确性。

PEM电解槽结构与等效电路
通过Nernst方程和Butler-Volmer方程构建电化学模型，揭示温度对可逆电压(U_rev
=1.5184-1.5421×10^-3
T)和活化过电压的调控规律。实验数据显示，当温度从40°C升至80°C时，膜电阻降低37%（0.198→0.125Ω/cm²
），证实温度梯度对效率的关键影响。

基于工程实践的等效电路
创新性提出热-电耦合模型：阳极热损失Q_loss
^an
包含循环水(πrL_p
K_p1
ΔT)和氧气热耗(m_O2
N_O2
ΔT)，阴极则考虑氢气热效应。通过Schukhov方程计算管道传热系数K_p
，发现输入电流2A/cm²
时热阻达1.078×10^-7
Ω。

参数识别与验证
采用阶跃电流测试获取稳态电阻值，拟合曲线显示热阻与电流密度呈非线性相关。工程模型与仿真结果的电压对比RMSE仅0.454%，显著优于传统忽略热损失的实验室模型（误差>2%）。

该研究开创性地建立了PEM电解槽热-电耦合工程模型，破解了现场温度监测缺失导致的性能预测难题。通过将分布式热损失等效为集中参数电阻，不仅简化了控制系统设计复杂度，更将商业电解槽的预测精度提升至98%。特别是提出的递归识别算法，为风光波动性电源下的电解槽自适应调控奠定了理论基础。研究结果发表于《Results in Engineering》，为绿色氢能系统的工程化应用提供了关键建模工具。