采用集成相变材料（PCM）换热器的太阳能驱动的质子交换膜（PEM）电解器的统一瞬态分析与热稳定性研究：一种动态方法

《International Journal of Hydrogen Energy》：Unified transient analysis and thermal stabilization of a solar-driven PEM electrolyzer using integrated PCM heat exchanger: A dynamic approach

光伏热-PEM电解水-相变材料热缓冲系统动态模拟显示，PCM热交换器使质子交换膜电解器入口水温稳定在70℃以上，在德黑兰气候条件下提升系统能量与火用效率2.5-3.5个百分点，氢产量和耐久性显著增强。

　　

Mohammad Parham Ghadermazi|Reza Akbari|Masood Ebrahimi

伊朗库尔德斯坦省Sanandaj的库尔德斯坦大学

摘要

利用太阳能驱动的质子交换膜（PEM）电解法生产绿色氢气的过程中，受到太阳辐射变化导致的温度波动的限制。本研究开发并动态模拟了一种新型的热适应性系统，该系统集成了光伏-热（PVT）集热器、PEM电解器（PEME）和基于相变材料（PCM）的热交换器。该瞬态模型使用Python编写，能够捕捉在伊朗德黑兰气候条件下的电化学、热传递和质量传输过程。通过与实验数据和数值结果的对比验证，证明了其可靠性。研究结果表明，加入PCM单元后，通过在运行初期将进水预热至70°C以上，并在太阳辐射高峰时段保持电解槽温度几乎恒定，显著提高了PEME的热稳定性。因此，与未使用PCM的配置相比，该集成系统的能量效率和 exergy 效率提高了2.5–3.5个百分点，同时氢气产量和热适应性也得到了提升。这种PVT、PEME和PCM技术的结合有效缓解了热应力，提高了电解器的耐用性、效率和运行稳定性。这些发现为在太阳辐射波动的地区实现可靠且高效的太阳能氢气生产提供了一条有前景的途径。

引言

绿色氢气是可再生能源（RES）发电应用和全球能源系统脱碳的关键解决方案。然而，正如近期文献所指出的，目前通过RES驱动的水电解法生产绿色氢气受到高资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）以及系统意外故障带来的经济风险的限制[1]。为了使绿色氢气能够与传统方法（如蒸汽甲烷重整）竞争，需要在系统集成方面取得重大进展。预计到2050年，绿色氢年的需求将达到约6.6亿吨[2]，这就需要能够有效管理太阳能间歇性的高效技术[3]。当前的研究强调了质子交换膜水电解器（PEME）的重要性，这类电解器需要高纯度的水和稳定的运行条件才能保持可行性[4]。实现这种稳定性仍然是一个核心挑战，因为这些系统必须在减少对化石燃料依赖的同时，平衡生产、储存和分配[5]。

热管理是电解技术效率和寿命的关键因素。虽然水电解技术分为高温和低温系统（如碱性电解和PEM电解），但将PEME集成到电力网络中会因电力输入的波动而引入显著的热不稳定性[6]。这种不稳定性会导致效率降低和组件寿命缩短，因此需要先进的控制策略来应对快速的负荷变化和动态运行条件[4,7]。

早期对热管理的研究主要集中在被动解决方案上。例如，Agus等人[8]研究了使用相变材料（PCM）和绝缘体来防止PEM燃料电池（PEMFC）堆栈冻结，但他们指出了堆栈尺寸的限制。随后Huo等人的建模[9]表明，PCM中过高的潜热可能导致温度分布不均，从而可能损坏系统。然而，在过去三年中，这一领域的发展迅速加快。Freeman等人[10]和Maknikar等人[11]展示了PCM在节能建筑、废热回收和冷却包中的应用价值。最近，Cao等人[12]提出了一种混合热管理系统（TMS），将PCM与液态冷却剂结合使用，成功将PEMFC的冷启动时间减少了40%，并在极端环境中保持温度在0°C以上超过60小时。

光伏热（PVT）集热器与PCM的集成已成为冷却光伏面板和提高能量采集效率的一个特别有前景的方向。初步研究奠定了基础；Browne等人[13]表明PCM可以调节太阳能面板的温度并在非日照时段储存热能。到2019年，Maatallah等人[14]和Li等人[15]的研究证明，配备PCM的PVT系统可以将电能输出提高5%以上，整体效率提升至约40%，相比标准面板有所提高。

过去五年中，复杂的PCM配置得到了快速发展。2020年，研究人员利用铜纳米颗粒和石墨烯/水纳米流体提高了PCM的热导率，Gupta等人和Hassan等人[16,17]实现了光伏表面温度的显著降低。2022年，Emara等人的实验使用$A{l}_2{O}_3$纳米流体优化了太阳能采集效率，系统效率达到了82.7%。2024年至2025年的最新文献集中在几何形状和材料优化上。Elsheniti等人[19]和Rajamony等人[20]通过加入散热片和金属泡沫解决了PCM的热导率低的问题。Maseer等人[21]和Alnakeeb等人[22]研究了半圆形和半椭圆形吸热管，发现特定的长宽比可以将整体效率提高到66%。最近，Yuanjian等人[23]分析了雷诺数的影响以及各种PCM（如石蜡）的作用，而Mahdavi等人[24]和Salam等人[25]证明多孔介质和优化的散热片配置显著提高了熔化速率和电能效率，最高提升了18.85%。

尽管已有许多研究探讨了PV-PCM和PV-电解器的集成，但很少有研究在统一的瞬态仿真框架内探讨PVT、PEME和PCM模块之间的动态热相互作用。本研究通过提供一个经过验证的动态模型，量化了基于PCM的热缓冲如何提高太阳能驱动的氢气生产的运行稳定性和效率，从而推动了技术进步。主要创新点如下：

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开发了一个全面的动态模型，用于在真实太阳条件下耦合PVT-PEME-PCM系统中的电化学、热传递和质量传输现象。

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该动态模型可以展示组件在太阳辐射波动下的行为。

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提出了一种基于PCM的热交换器，与循环系统结合使用，以稳定PEME的进水温度并减轻辐射波动引起的热冲击。

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通过仿真证明，在太阳辐射高峰期，PEME的能量效率和 exergy 效率可提高多达3个百分点。

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动态建模显示，所提出的配置提高了氢气产量、运行温度稳定性以及电解器的耐用性，为基于可再生能源的氢气工厂提供了可行的设计策略。

部分摘录

循环描述

本研究中动态模拟的循环过程如图1所示。核心组件是PEME。实际上，PEME是一种新型的灵活性来源，适用于基于可再生能源的电力系统。这些新电力系统与太阳能光伏高度结合，但由于可再生能源无法被削减，因此缺乏灵活性；因此，多余的可再生能源必须以低价甚至负价格出售，或者利用Power-to-X技术进行转化。

数学建模

针对集成的PVT-PEME-PCM系统，通过自定义开发的动态仿真来求解其瞬态性能的全面数学模型。该仿真使用Python编写。如图2所示，整个过程围绕两个嵌套循环结构进行。外层循环以离散时间步长推进仿真，捕捉系统对变化的环境输入（如太阳辐射）的响应。

PVT

为了确保所开发的PV模型的准确性，将其电流密度-电压（I–V）特性与文献中的数值结果和现有实验数据进行了比较。图3展示了验证结果。结果显示，本研究与M. Ebrahimi等人（2025）的数值模型一致，并且与Nituca等人（2018）的实验测量结果非常接近。本研究与实验数据之间的最大偏差很小。

网格独立性研究

对PCM热交换器进行了网格独立性研究，以确保数值结果不受网格分辨率的影响。模拟使用了不同的网格密度，并以PCM热交换器的输出温度作为收敛性的关键指标。如图6所示，当使用粗网格时，计算出的温度对元素数量非常敏感；但随着网格细化，解决方案开始趋于收敛。

结论

本研究提出了一个动态的热耦合模型，该模型结合了光伏-热（PVT）系统、质子交换膜电解器（PEME）和基于相变材料（PCM）的热交换器，旨在解决太阳能驱动的氢气生产中的不稳定性和效率限制。这种集成概念旨在利用太阳能、热能和电化学子系统的互补性，并引入一种内在的灵活性机制。

CRediT作者贡献声明

Mohammad Parham Ghadermazi：撰写初稿、验证、软件开发、方法论设计、数据分析、形式化分析。Reza Akbari：撰写初稿、资源获取、数据分析。Masood Ebrahimi：审稿与编辑、撰写初稿、监督工作、软件开发、方法论设计、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。