综述：质子交换膜水电解制氢技术中波动电源的影响：综述

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Fluctuating power sources on proton exchange membrane water electrolysis hydrogen production technology: A review

　　

刘建新|刘浩楠|刘思成|魏强|张小磊|古利扎奈·哈布杜拉

中国石油大学（北京）机械与运输工程学院，北京 102249，中国

摘要

通过可再生能源生产氢气是实现碳中和的关键途径之一。在绿色氢技术中，质子交换膜电解槽（PEMEC）因其快速的动态响应和宽负载调节范围而与间歇性电源具有出色的兼容性。然而，这些固有的波动特性带来了重大挑战，并加速了电解槽的退化。本研究通过定性分析电流密度、电压、温度和压力等动态运行参数在波动输入下的多物理场耦合演变，回顾了风能和光伏发电的输出特性。重要的是，它系统地探讨了在特定动态运行模式（包括部分负载、负载波动和启停循环）下核心组件的退化机制。此外，还评估了这些波动对整个系统效率、氢生产成本和耐久性的影响，突出了输入电源质量的关键作用。为应对这些挑战，本文提出了在系统和电解槽层面上的缓解策略。强调了区分可逆损失和不可逆损失以进行有针对性的维护的必要性。最后，强调了建立标准化的加速应力测试（AST）协议、创新材料结构和优化动态控制是提高电解槽稳定性和使用寿命的重要未来方向。

引言

根据《世界能源展望》，全球能源供需预计将持续增长，到2030年总需求将达到162亿吨油当量（toe）[1]。化石燃料仍是当前能源系统的主要组成部分。然而，随着气候变化的加剧和碳排放导致的温室效应恶化[2]，研究人员越来越寻求可持续且易于获取的能源替代品来替代石油和煤炭等传统资源[3]。由于氢气无碳、转换效率高、副产物仅为水以及具有 superior 能量密度[4]，氢能已被广泛认为是可再生能源存储的可行介质。因此，作为一种清洁高效的燃料和存储介质，氢气正成为减少污染物排放以及解决能源供需时空不匹配问题的理想解决方案[5]。

由于自然界中氢气很少以元素形式存在，因此需要工业合成。目前，大约96%的氢气是通过化石燃料的工业蒸汽重整产生的，这一过程本身伴随着二氧化碳（CO₂）排放[6]。剩余的4%通过水电解产生，从而实现无二氧化碳（CO₂）的生产[7]。根据碳足迹强度[8]，氢气生产被分为灰氢（基于煤炭）、蓝氢（基于天然气并带有碳管理）和绿氢（由可再生能源驱动的电解）。鉴于氢经济的主要目标是实现低碳或零碳排放，预计灰氢和蓝氢将被基于可再生能源的绿氢所取代，后者代表了未来能源行业的发展方向[9]。

水电解是绿氢生产的核心途径。在主要的水电解技术中，虽然碱性水电解（AWE）在技术上成熟且成本效益高，但其缓慢的启动/关闭循环和较差的隔膜性能使其难以跟踪风能和太阳能的波动[10]。此外，固体氧化物水电解（SOWE）具有较高的理论效率，但在高温环境下会遭受材料退化[11]，而阴离子交换膜水电解（AEMWE）则受到离子交换膜有限的耐久性和机械强度的限制[12]。相比之下，质子交换膜水电解（PEMWE）显示出显著的技术优势。尽管目前钛双极板和铱等贵金属催化剂存在成本挑战，但PEMWE系统表现优异，包括高氢纯度、高电流密度和卓越的效率[13]。其快速的动态响应和宽负载调节范围使其特别适合与风能和太阳能等间歇性能源源兼容[14]。

如图1所示，PEMEC主要由双极板（BPPs）及其流道结构、多孔传输层（PTLs）、催化剂层（CLs）和质子交换膜组成。

仅从反应化学计量的角度来看，PEMEC可以被视为一种基本的电化学过程[15]。在施加的电池电压下，去离子水通过BPP的流场被供应到阳极。它渗透到PTL并到达CL，在那里发生氧释放反应（OER），产生质子（H⁺）、电子（e^?）和氧气（O₂）。随后，生成的质子通过PEM迁移到阴极CL，在那里它们与电子结合形成氢气（H₂），通过氢释放反应（HER）[16]。

然而，这一基本电化学过程在实际应用中遇到了复杂的经济和技术瓶颈，尤其是在与不稳定的可再生能源源集成时[17]。可再生能源转换为氢气的经济可行性主要由两个因素决定：电解槽堆栈的资本支出，更重要的是[18]，以及每单位氢气产生的特定能量消耗[19]。目前，像PEMEC这样的电解技术通常需要稳定或准稳定的电源输入，以确保最佳性能和可靠性。相反，风能和太阳能等可再生能源的固有波动限制了它们的全面利用，阻碍了氢气作为大规模、长时间储能介质的潜力[20]。因此，开发能够适应可再生能源电力波动的水电解技术至关重要[21]。

尽管PEMEC具有一定的负载跟随能力，但长期示范和验证仍然缺乏[22]。输入电力的持续波动会触发关键参数的复杂瞬态响应，包括电流密度、温度、压力和电化学势。由于水和气体质量传递的固有滞后，这些电力波动经常导致局部过热或高过电位。这些条件反过来又会导致核心组件（如催化剂和PEM）的不可逆物理和化学退化，从而显著缩短电解槽的使用寿命。

因此，深入理解电力波动对PEMEC性能的影响对于开发高效可靠的绿色氢系统至关重要。基于此，本文重点研究了在可再生能源下的PEMEC运行情况。我们分析了风能和太阳能的波动，探讨了在这些条件下的材料退化机制，并总结了系统优化策略。我们还解释了退化引起的可逆和不可逆损失。最后，我们强调了标准化测试协议对评估耐久性和加速技术迭代的重要性。

段落摘录

风能和太阳能的波动

风能和太阳能是主要的但本质上具有间歇性的可再生能源，受到时间和环境因素的影响。了解它们的波动模式及其对电解槽退化机制的后续影响对于优化系统配置和确保可持续的长期氢生产至关重要。

关于波动对PEMEC影响的研究进展

在风能和太阳能波动的情况下，PEM电解槽的运行参数会发生复杂的瞬态变化，导致关键组件的退化。为了提高这些条件下的PEMEC稳定性和寿命，必须理解动态运行过程中的退化机制。

PEM水电解氢生产系统的优化

风能和太阳能制氢的基本原理涉及将可再生能源依次转换为电能，然后再转换为氢气。然而，可再生能源的快速响应要求（从几秒到几分钟）与电解系统的多时间尺度响应过程（受多参数控制逻辑支配）之间存在显著矛盾。

结论

质子交换膜水电解技术由于其快速的动态响应和宽负载调节范围，与间歇性能源具有出色的兼容性。然而，电力波动对退化的具体影响仍不清楚。因此，全面总结导致性能下降的关键因素至关重要。我们的分析表明，在波动负载下的性能下降是一个复杂的多物理场耦合过程。主要驱动因素包括变化

CRediT作者贡献声明

刘建新：方法论、正式分析、概念化。刘浩楠：资源、调查、数据管理。刘思成：验证、资源。魏强：撰写 —— 原稿、资源、资金获取。张小磊：资源、方法论、资金获取。古利扎奈·哈布杜拉：撰写 —— 审稿与编辑、撰写 —— 原稿、验证、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的会影响到本文报道工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了以下机构的财政支持：新疆维吾尔自治区自然科学基金会（2023D01A21）、新疆维吾尔自治区天山英才计划基金（2022TSYCJC0046, 2023TSYCJC0032）、新疆重大科技项目基金（2024A01001-2）。