干旱环境下绿色氢能的大气水电解系统的设计与控制

《Scientific Reports》：Design and control of atmospheric water electrolysis systems for green hydrogen in arid environments

　　

淡水稀缺限制了中东和北非（MENA）等干旱地区的绿色氢能生产，尽管这些地区太阳能潜力巨大。本研究比较了两种基于大气湿度的系统：一种是使用多孔海绵中吸湿性H₂SO₄电解质的直接空气电解器（DAE），另一种是通过蒸汽压缩制冷冷凝环境湿气的混合除湿机-碱性电解器（DH-AE）。两种系统均针对开罗最不利相对湿度（RH=38.19%）进行设计。四模块DAE的尺寸以铂参考电化学上限（每模块1.686 V，能量效率87.8%，电解效率97.3%）为基准。对于本文采用的SS-904 L不锈钢原型，电极材料修正（80–140 mV损失）得出实际运行区间为1.766–1.826 V，能量效率为81.1–83.9%，该区间涵盖了实测原型范围1.82–1.95 V。DH-AE在68.5%总效率下实现等效输出。热模拟（ANSYS）确认SS-904 L电极在等腐蚀包络线内安全运行。研究人员提出并在模拟中验证了一种闭环控制框架（湿度/温度传感、PID电流调节、SCADA），可实现自主运行。50–1,000 kg·day^-1的技术经济分析显示，DAE在1,000 kg·day^-1时的基准平准化制氢成本（LCOH）为4.7 USD·kg^-1。当计入全部维护、电解液补充和长期退化后，全负荷LCOH升至约5.8 USD·kg^-1——但仍比可比的DH-AE估计低约15%。研究展示了原型实现。总体而言，基于大气湿度的电解为干旱环境中的绿色氢能提供了一条可行、分散、不依赖液态水供应的路径。

**论文解读：干旱环境下大气水电解制氢系统的设计与控制**

**研究背景：**在全球净零转型中，氢气是重型交通、长时储能以及钢铁、氨和甲醇等难以直接电气化行业的关键能源载体。可再生能源驱动的电解水制氢（绿色氢能）具有零碳潜力，但传统电解水每生产1 kg氢需约9 kg高纯水，在太阳能资源丰富但淡水稀缺的中东和北非（MENA）等地区形成严重的水-能冲突。海水电解和脱盐辅助电解存在氯析出、膜污染以及高资本和能耗等挑战。从大气湿气中直接提取水，可使制氢与液态水供应基础设施脱钩。已有两种架构：直接空气电解器（DAE，利用吸湿性电解液直接从空气湿气中吸收水分并进行电解）和混合除湿-碱性电解器（DH-AE，先通过蒸汽压缩制冷将湿气冷凝为液态水，再供给碱性电解槽）。然而，公开文献缺乏二者在相同气候边界下的热力学和技术经济对比，缺乏基于最恶劣环境设计条件的可复现气候知情尺寸方法，也缺乏针对湿度和光伏波动的闭环控制策略。为此，研究人员以埃及开罗最不利月均相对湿度RH=38.19%（MERRA-2，2021–2022）为设计约束，对四模块DAE和DH-AE进行了系统设计、数值模拟、控制架构和技术经济评估。该论文发表于《Scientific Reports》。

**关键方法：**研究人员采用的主要关键技术包括：基于NASA POWER MERRA-2再分析数据确定设计点湿度；基于Fick第一定律估算所需海绵面积；基于法拉第定律计算电流和电极面积；采用Tafel型经验式估算活化过电位；运用ANSYS 2024 R1进行三维稳态热有限元分析（FEA），验证SS-904 L电极在等腐蚀包络线内的热安全性；提出湿度/温度传感、PID电流调节和SCADA监控的三层闭环控制框架并在仿真中验证；采用NREL成本基准和资本回收因子法进行LCOH技术经济分析。气候数据来源为NASA POWER/MERRA-2开罗和El Dabaa（埃及）数据，成本基准来自NREL。

**研究结果：**

**效率对比（Efficiency Comparison）：**通过电压分解和效率计算，DAE在铂基准下能量效率为87.8%、电解效率为97.3%，明显高于DH-AE的68.5%和常规碱性电解槽的72.0%。这归因于DAE省去了辅助水处理与泵送负荷，且酸饱和海绵内离子传输路径短，欧姆极化损失较小。

**极化行为与海绵厚度敏感性（Polarisation Behaviour and Sponge-Thickness Sensitivity）：**解析