《Energies》：Multi-Dimensional Dynamic Performance Comparison of Hybrid Energy Storage Topologies for Off-Grid Flexible Hydrogen Production Based on System-Level Thermodynamic Dynamic Modeling of AEM Electrolyzers
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为解决离网风-光制氢系统中的安全问题——波动的可再生电力输入会对阴离子交换膜（anion-exchange membrane, AEM）电解槽造成瞬态电流冲击，并在高压运行下加剧氢氧交叉渗透——研究人员基于系统级热力学动态建模，开发了AEM电解槽制氢系统的系统
为解决离网风-光制氢系统中的安全问题——波动的可再生电力输入会对阴离子交换膜（anion-exchange membrane, AEM）电解槽造成瞬态电流冲击，并在高压运行下加剧氢氧交叉渗透——研究人员基于系统级热力学动态建模，开发了AEM电解槽制氢系统的系统级仿真模型。研究选取了三种储能拓扑——单一超级电容、飞轮-电池混合及超级电容-电池混合——进行比较仿真研究。采用直流母线电压稳定性、电解槽电流变化率（di/dt）、阴阳极压差以及氢侧压力3 MPa下的氧中氢含量（hydrogen content in oxygen, HTO）等指标，对各方案的调节性能进行了综合评价。结果表明，单一超级电容方案受其能量容量限制，后期无法维持母线电压稳定，在3 MPa下HTO由约13,375 ppm升至13,405 ppm；而在压力效应测试中，随着氢侧表压从65 kPa升至3 MPa，HTO由1900 ppm升至13,375 ppm。飞轮-电池与超级电容-电池方案均能将直流母线电压维持在690–710 V范围内，并在高压条件下保持HTO浓度稳定。其中，超级电容-电池拓扑表现出最低的电流变化率与最佳的瞬态冲击抑制性能。
**离网风光制氢中混合储能拓扑的多维动态性能比较研究——基于AEM电解槽系统级热力学动态建模**
**一、研究背景与问题**
在“碳达峰、碳中和”目标指导下，风能、太阳能等可再生能源的大规模开发利用已成为全球能源转型的核心。离网柔性制氢系统能够实现可再生能源的就地消纳，绕开电网容量和调度约束，是解决偏远地区清洁能源弃电问题、实现本地化绿氢生产的关键技术路径。然而，风电和光伏发电具有随机性、间歇性和宽频波动特性，当直接接入阴离子交换膜（anion-exchange membrane, AEM）电解槽制氢系统时，容易造成严重的直流母线电压振荡和频繁的电流瞬态。此类功率扰动不仅降低可再生能源的本地利用效率，还会对电解槽造成多重不可逆损伤，包括瞬态电流冲击导致的膜电极加速老化、阳极和阴极腔室间压力失衡以及氢氧交叉渗透加剧，从根本上危害离网制氢系统的安全性、稳定性和使用寿命。
当前大多数研究采用集总参数电解槽模型，假设内部温度、压力和电化学反应速率等运行参数在整个系统中保持恒定，忽略了实际动态条件下热力学参数的时变演化，因而无法准确揭示波动风光功率下气体渗透、腔室压力失衡和产氢速率剧烈波动等现象的内在机理，导致储能拓扑评估的理论支撑不足和动态分析精度有限。此外，现有研究多集中于单一储能拓扑或特定控制策略，缺乏在相同运行条件下对多种拓扑结构的公平比较；对高压瞬态条件下AEM电解槽的氢氧交叉渗透行为认识不足；动态性能的实验验证也较为有限。评估指标方面，多数研究限于并网电能质量，未纳入电解槽瞬态冲击水平、制氢安全裕度和气路热力学稳定性等关键指标。为此，研究人员开展了针对离网风光制氢系统中混合储能拓扑的多维动态性能比较研究。
**二、研究内容与总体结论**
研究人员基于系统级热力学动态建模，建立了完整的AEM电解槽制氢系统仿真模型，模型再现了内部温度、压力、反应速率和气体渗透现象的时变演化过程。在此基础上，构建了三种储能拓扑——单一超级电容、飞轮-电池混合、超级电容-电池混合——的离网制氢仿真模型，以合成风光功率数据作为输入条件，从直流母线电压稳定性、电解槽电流变化率（di/dt）、阴阳极压差、氢侧压力3 MPa下的氧中氢含量（hydrogen content in oxygen, HTO）等多个维度进行跨方案比较分析。结果表明：单一超级电容方案受能量容量限制，后期无法维持母线电压稳定，HTO在3 MPa下从约13,375 ppm升至13,405 ppm；飞轮-电池和超级电容-电池方案均能将直流母线电压维持在695–705 V范围内，并在高压条件下保持HTO浓度稳定；其中超级电容-电池拓扑的di/dt最低，瞬态冲击抑制性能最佳。综合评分排名为：超级电容-电池（99.12）>飞轮-电池（84.64）>单一超级电容（40.42）。该研究通过系统级热力学动态模型揭示了不同储能拓扑对AEM电解槽运行状态的内在调控机制，为离网风光制氢场景下储能拓扑的选型和优化运行提供了理论依据与工程参考。
**三、主要关键技术方法**
研究人员采用的主要关键技术方法包括：建立基于系统级热力学动态建模的AEM电解槽制氢系统仿真模型，涵盖电化学机理模型、热力学与传热模型、关键辅助部件动态模型和控制逻辑，采用Peng–Robinson真实气体状态方程；构建基于溶解-扩散机制并耦合电渗拖拽与压力驱动效应的氢交叉渗透传输模型，用于计算HTO；以包含基本风、阵风、斜坡风和随机风四种分量的风速模型及光伏辐照度数据合成风光输出功率，作为三种储能拓扑比较仿真的统一输入；模型基于工业AEM样机实测数据校准，通过不同温度下的极化曲线以及HTO、阴阳极压力等数据验证；采用五个评价指标（di/dt、HTO、ΔP、Ubus、H2 rate），以Min-Max归一化和等权重线性加权方法计算综合评分。
**四、研究结果**
**3.1 模型校准与验证**
研究人员基于AEM样机实测数据对模型进行校准。在50 °C、60 °C和70 °C下，模拟极化曲线与实验数据在整个电流密度范围内吻合良好，最大偏差小于50 mV，表明模型能够准确复现温度对电解槽电压的影响。模型还通过HTO浓度和阴阳极压力的实验测量进行验证。在恒流条件下将阴极侧氢背压从65 kPa升至3 MPa（表压）时，模型准确捕捉了温度和HTO随背压的变化趋势，证实了模型在变工况下预测系统行为的能力。
**3.2 风光输出特性、瞬态冲击抵抗、制氢安全性和运行稳定性**
合成的风光发电系统输出呈现显著随机性，风电机组和光伏输出功率分别跟随风速和辐照度变化，满足离网制氢系统功率波动特性的仿真要求。在相同宽频、大幅随机波动条件下，三种拓扑驱动相同的100 kW AEM电解槽制氢系统。基于仿真的di/dt数据比较各拓扑对电解槽瞬态冲击的抑制能力；借助热力学仿真得到的HTO数据评估气体交叉渗透程度和爆炸风险。HTO增加机制分为两个阶段：压力效应阶段，当氢侧表压从65 kPa升至3 MPa时，HTO从1900 ppm升至13,375 ppm，约增加7倍，表明压力差增强了对流渗透；拓扑效应阶段，单一超级电容崩溃后，氧产量从9.8625 m
3/h降至7.6575 m
3/h，HTO从约13,375 ppm升至约13,408 ppm，说明HTO升高主要源于氧产量降低引起的浓缩效应。此外，电气扰动直接传递至电解槽气路系统，导致阴阳极压差动态偏差和产气速率波动，储能拓扑的波动抑制能力直接影响气路压差和产气状态，造成产氢能力和运行稳定性的层次化差异。
**3.3 直流母线电压稳定性、电解槽瞬态冲击性能、制氢安全性和运行稳定性比较**
定量分析显示，单一超级电容配置在约17 s后直流母线电压严重崩溃至540–550 V，超限时间约7 s，均方根偏差（root mean square deviation, RMSD）为59.411 V；两种混合储能配置将母线电压维持在695–705 V，超限时间为零，RMSD分别仅为5.331 V和2.909 V。HTO方面，单一超级电容配置后期呈持续上升趋势，最大偏差为33.361 ppm；两种混合配置将HTO稳定在约13,374 ppm，RMSD仅为0.795 ppm和0.381 ppm。di/dt方面，飞轮-电池配置的最大di/dt为56.515 A/s，在三种拓扑中最高；超级电容-电池配置在四项di/dt指标上均最低，显著抑制了对电解槽的瞬态冲击。在3 MPa氢侧压力下，单一超级电容方案因后期功率失衡，阴阳极压差和HTO浓度持续上升，氢氧交叉风险随时间累积；两种混合储能方案在常压和3 MPa条件下均能将压差维持在正常范围，HTO在13,375 ppm附近轻微波动，其中超级电容-电池拓扑因di/dt最低，进一步减小了电解槽内部瞬态热力学扰动，实现了最佳的阴阳极动态压力平衡。
**3.4 三种储能拓扑的整体性能排名与应用适用性**
综合评估表明，超级电容-电池拓扑的综合评分最高（99.12），飞轮-电池拓扑次之（84.64），单一超级电容拓扑最低（40.42）。单一超级电容拓扑响应快、能抑制电解槽瞬态电流冲击，但能量容量有限，长时间波动下无法维持母线电压稳定，高压下氢氧交叉风险持续累积，适用于短期高频功率平滑场景。飞轮-电池拓扑母线电压控制性能好，HTO和阴阳极压差稳定，但对电解槽瞬态电流冲击的抑制有限，di/dt性能不及超级电容方案，适用于功率变化速率较温和的离网制氢场景。超级电容-电池拓扑兼具超级电容的高频快速调节能力和电池的长期能量供给优势，在母线电压波动范围、能量支撑能力、高压制氢安全性以及瞬态冲击抑制方面均表现最佳，被确定为该研究条件下最优的混合储能方案。
**五、讨论与结论**
讨论部分指出，与以往主要关注碱性或质子交换膜电解槽、或单一储能拓扑的研究不同，本研究在65 kPa至3 MPa（表压）范围内对100 kW离网AEM制氢系统的三种储能拓扑进行比较，并揭示了高压瞬态条件下HTO的动态机理。研究结论可归纳为：（a）建立了基于热力学参数的系统级AEM电解槽制氢系统仿真模型；（b）单一超级电容方案受能量容量限制，电压波动范围为690–710 V，后期难以维持稳定，而飞轮-电池和超级电容-电池方案均能将母线电压维持在695–705 V，其中超级电容-电池拓扑di/dt最低，瞬态冲击抑制效果最佳；（c）在3 MPa氢侧压力下，单一超级电容方案因后期功率失衡导致压差和HTO持续上升，两种混合储能方案则使HTO维持在约13,375 ppm附近轻微波动，高压运行安全性更优；（d）在本研究特定条件下，综合排名为超级电容-电池>飞轮-电池>单一超级电容。未来工作可关注基于风光功率频谱特性的自适应频率分配策略、实测风光数据多工况鲁棒性验证、电解槽退化与系统经济性评估，以及储能容量、控制器带宽、初始SOC、波动时间尺度、经济成本和电解槽类型等参数对拓扑排名的影响。
