基于数据驱动的动态负载运行下质子交换膜电解槽堆降解分析

《Energy and AI》:Data-driven degradation analysis of proton exchange membrane electrolyzer stacks under dynamic load operation

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年06月03日 来源:Energy and AI 9.6

编辑推荐:

  质子交换膜(PEM)电解槽的动态负载运行通过快速调整其产氢速率以响应低电价,为降低绿色氢气成本提供了重要机遇。然而,与稳态运行相比,这种运行模式对PEM电解槽堆的降解速率产生不同影响。本研究旨在分析动态负载运行参数对PEM电解槽堆降解速率的影响,并提供缓解其部

  
质子交换膜(PEM)电解槽的动态负载运行通过快速调整其产氢速率以响应低电价,为降低绿色氢气成本提供了重要机遇。然而,与稳态运行相比,这种运行模式对PEM电解槽堆的降解速率产生不同影响。本研究旨在分析动态负载运行参数对PEM电解槽堆降解速率的影响,并提供缓解其部分负面影响的建议。研究人员利用两个50 kW PEM堆(每个运行1134小时)的实验数据,开发了一个前馈深度神经网络模型。该模型能够评估不同运行条件下的PEM堆降解情况。研究发现,部分负载运行可使PEM电解槽堆的降解速率降低高达69%。此外,在电流密度变化率为0.3 A/(cm2·s)且负载循环时间较短的情况下,降解速率比稳态运行时高266%。尽管动态负载运行相比稳态运行增加了降解速率,但优化运行参数可以限制这种降解速率的增加。
**论文解读:基于数据驱动的质子交换膜电解槽堆动态负载降解分析**

**研究背景与问题**

降低绿色氢气的平准化成本(levelized cost of hydrogen,LCOH)是推动能源部门脱碳和提高绿色氢项目盈利性的关键。电力成本占总LCOH的80%以上,因此通过动态负载运行(即根据低电价快速调整产氢速率)可显著降低LCOH,此前研究表明降幅可达42%。然而,动态运行模式会改变质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)电解槽堆的降解速率,而每增加1 μV/hr的平均电池电压降解速率,LCOH将上升2.2%。现有文献多聚焦于单个参数(如电流密度、负载循环时间或电流密度变化率(rate of change in current density,RCCD))对降解的影响,但缺乏对三者相互作用的综合理解,导致无法有效优化系统性能并缓解降解。因此,本研究旨在通过实验与建模,系统分析动态负载运行参数(电流密度水平、RCCD和负载循环时间)及其交互作用对PEM电解槽堆降解速率的影响,以填补这一空白。该论文发表在《Energy and AI》。

**主要技术方法**

研究人员利用位于Jülich研究中心IET-4研究所的100 kW PEM电解槽系统(包含两个并行运行的50 kW堆,每个堆27个电池,活性面积300 cm2,操作温度60–80°C,压力0–50 bar)进行实验。从公开数据集[32]中提取了1134小时内测得的945068个数据点,开发了一个前馈深度神经网络(deep neural network,DNN)模型。模型包含一个归一化输入层、六个隐藏层(每层32个神经元,采用mish和swish激活函数)以及一个输出层,输入参数包括13个操作变量(如电流密度、温度、压力等),并添加了堆标签以区分两个堆的电压预测差异。模型采用8:1:1比例随机划分训练、校准和测试数据集,通过分裂共形预测和自举残差方法进行不确定性分析,训练时设早停条件(验证精度连续三个迭代未改善则停止)。模型用于预测不同操作条件下的平均电池电压,并根据公式计算平均降解速率。

**研究结果**

**3.1 模型验证(Model validation)**
通过训练和测试数据集评估DNN模型精度。训练数据集的决定系数(R2)为0.9989,均方根误差(RMSE)为0.00322 V;测试数据集的R2为0.9988,RMSE为0.00332 V。残差分布中心约为0.00127 V,标准差为0.00288 V,偏度为-1.089。训练与测试集性能相近、训练数据与可训练参数比例高(105:1)及早停策略表明模型未过拟合。残差随时间分布显示模型能准确预测电池电压。

**3.2 降解速率(Degradation rate)**
应用DNN模型分析两个PEM堆在运行时间内的降解速率变化。堆在最初100小时出现性能改善(初始降解率降低),但至运行末期,平均累积降解速率为11.7 μV/hr。

**3.3 不确定性分析(Uncertainty analysis)**
采用分裂共形预测和自举残差方法量化模型不确定性。分裂共形预测在95%置信水平下的共形分位数为5.87 mV,对应对称不确定性预测区间±5.87 mV(总宽度11.74 mV),测试集经验覆盖率达95.02%,由此计算1134小时运行后的降解速率不确定性为±7.32 μV/hr。自举残差法得到经验覆盖率94.82%,平均总预测区间宽度10.86 mV。两种方法结果一致,验证了不确定性估计的稳健性。

**3.4 动态负载运行参数(Dynamic load operation parameters)**
通过模型研究电流密度、RCCD和负载循环时间对降解速率的影响,并将降解速率变化归一化为稳态运行和额定电流密度下的值。结果表明:部分负载运行可降低降解速率,在5%额定电流密度(0.15 A/cm2)时降解速率比3 A/cm2时低69%;负载循环时间缩短会提高降解速率,1小时循环时间比8小时循环时间高64%;RCCD增加导致降解速率陡升,0.3 A/(cm2·s)时比稳态运行高183%。组合效应显示,降解速率范围为稳态运行时的0.3至3.66倍,最大值出现在高电流密度、高RCCD和短负载循环时间条件下。与文献对比:Bahr等和Su等的电流密度影响结果与本研究一致(降解速率比分别为71%和48%);Rakousky等的负载循环时间影响趋势相同,但本研究因考虑RCCD差异而得到更宽的降解速率增幅(121%至450%);Yung等和He等的高RCCD研究也验证了相同趋势。基于此,研究人员利用芬兰2024年小时电价及高/低资本成本假设(2350 �/kWp和550 �/kWp)进行LCOH计算示例:当动态负载运行恒定增加降解速率50%时,LCOH在高成本边界下降0.67%,低成本边界下降21.8%;而当降解速率随参数动态变化(循环时间1 h,RCCD分别为0.003、0.03、0.3 A/(cm2·s))时,高成本边界下LCOH分别变动为7.31、7.93和9.55 �/kg,其中高RCCD使LCOH高于稳态运行;低成本边界下LCOH均低于稳态,降幅达31.3%至15%。这表明考虑降解速率对动态参数的依赖性可提高技术经济分析精度。

**总结与结论**

讨论部分指出:操作策略需兼顾系统技术要求和电解槽堆寿命。若需高RCCD(如参与频率恢复储备市场),应优先采用长负载循环时间;若需短循环时间与高RCCD,部分负载可限制降解速率增加,但经济上需降本与增资平衡。结论部分翻译如下:PEM电解槽的动态负载运行通过利用低电价和参与电力储备市场可降低LCOH,但这取决于电解槽堆的降解速率。当动态运行与稳态运行降解速率之比上升时,因堆更换成本增加导致绿色氢气成本上升。因此,需确定操作策略以限制降解速率增加。PEM电解槽堆的降解速率可表征为运行电流密度水平、负载循环时间和RCCD的函数。部分负载延长堆寿命,因此即使在稳态运行中,额定电流密度未必最优;技术经济分析应考虑不同电流密度水平下的降解速率。比较稳态与动态运行降解速率时,平均电流密度应保持恒定。RCCD和负载循环时间对降解影响重大:最小化RCCD可限制降解增加,这对参与电力储备市场至关重要(不同市场响应时间要求不同);增加负载循环时间降低降解速率,因此在动态运行中高RCCD应配合高循环时间,否则可考虑部分负载。总体上,DNN模型能快速准确预测PEM堆降解,其特性使电解槽操作策略优化可无缝嵌入电力市场,考虑响应时间和操作参数要求。
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号