基于模型层级分析的质子交换膜电解槽建模研究进展_李建林.pdf

第 49 卷 第 3 期：1105-1117 高电压技术 Vol.49,No.3:1105-1117 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20220716 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 基于模型层级分析的质子交换膜电解槽建模研究进展 李建林1，张则栋1，李光辉1，牛 萌2（1.北方工业大学储能技术工程研究中心，北京 100144；2.新能源与储能运行控制国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司)，北京 100192）摘 要：质子交换膜电解槽(proton exchange membrane electrolyzer,PEMEC)具有电流密度大、能量转化率高、工作寿命长和绿色环保等优势，建模研究是对其组件材料特性分析、结构设计验证以及控制策略优化的重要手段。PEMEC 模型特征繁多、建模方法多样，在分析 PEMEC 运行机制的基础上，采用“组件单体阵列系统”的模型层级特征，并从建模方法、模型维度等方面对突出特性的 PEMEC 模型展开综述，分析了机理建模、半经验建模、经验建模、数据驱动建模 4 种方法的优缺点及模型的适用性。基于此，提出 PEMEC 模型构建重点研究方向并对其未来的发展趋势进行展望。研究内容可为 PEMEC 模型材料更迭、结构开发、特性分析等相关建模研究提供参考价值和指导借鉴。关键词：质子交换膜；电解槽；制氢；建模；模型特性 Research on Modeling of Proton Exchange Membrane Electrolyzer Based on Model Hierarchical Analysis LI Jianlin1,ZHANG Zedong1,LI Guanghui1,NIU Meng2(1.Energy Storage Technology Engineering Research Center,North China University of Technology,Beijing 100144,China;2.State Key Laboratory of Operation and Control of Renewable Energy&Storage Systems,China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China)Abstract：Proton exchange membrane electrolyzer(PEMEC)has the advantages of high current density,high energy conversion rate,long working life,and environmental protection.Meanwhile,the research on modeling of PEMEC is an important means for characteristics analysis of component materials,verification of structerial design,and optimization of control strategy.The PEMEC model has many features and various modeling methods.Based on the analysis of the PEMEC operating mechanism,this paper adopts the model level features of“component-single-array-system”to analyze the“electricity-heat-flow”model from the aspects of modeling methods and model dimensions.The PEMEC models with outstanding characteristics of“air-flow”are reviewed,and the advantages and disadvantages of four methods,including mechanism modeling,semi-empirical modeling,empirical modeling,and data-driven modeling,and the applicability of the models are analyzed.Based on this,the key research direction of PEMEC model construction is proposed,and prospect in its future development trend is put forward.The research of this paper can provide reference value and guidance for related modeling research such as material replacement,structural development,and characteristic analysis of PEMEC models.Key words：proton exchange membrane;electrolyzer;hydrogen production;modeling;model properties 0 引言1 质子交换膜电解槽(proton exchange membrane electrolyzer，PEMEC)具有响应速度快、能量转化率和制氢纯度高以及低碳环保等优势，是目前众多类 基金资助项目：新能源与储能运行控制国家重点实验室 2022 年度实验室 开 放 基 金(DG8022001)；北 方 工 业 大 学 科 研 启 动 基 金(110051360022XN10703)。Project supported by 2022 Annual Laboratory Open Fund Project of the State Key Laboratory of New Energy and Energy Storage Operation Control(DG8022001),Research Start-up Fund of North China University of Technology(110051360022XN10703).型电解槽中研究最多、应用场景最广、综合性能最好的一种1-3。PEMEC 最初应用于航空航天、军事装备等领域，随着各国对氢能发展的重视以及可再生能源制氢技术的创新，PEMEC 在能源领域、交通行业以及化工等领域已形成一定市场规模并初步实现小规模示范运行4-7，针对如何实现 PEMEC 大规模商业化运行，需要在 PEMEC 工作性能、系统运行成本和使用寿命等方面进行深入研究。因此，建立完整、有效的 PEMEC 模型对新材料的研发应用、新结构的设计指导以及新控制策略的实验验证1106 高电压技术 2023,49(3)具有重要意义。PEMEC 模型构建是一个涉及流体力学、电化学、热力学等多物理场耦合的复杂非线性系统研究过程，同时伴随着物质传输、气体交叉渗透等复杂现象，国外学者针对 PEMEC 上述问题所展开的建模研究较多、范围较广，国内目前尚处于起步阶段，为清晰认知 PEMEC 建模原理、特点及适用场景，有必要对其模型构建现状进行归纳总结。目前，按照模型工作状态可以分为动态和稳态模型，根据建模所采用的理论可以将模型分为机理模型、半经验模型、经验模型以及数据驱动模型。依据 PEMEC层级可以分为材料组件、单体、阵列和系统级，依据空间维度可以分为 0 维、1 维、2 维和 3 维模型，综合模型侧重电化学、热效应、物质运输以及流体传输等突出特性可以将模型应用在相应研究领域，各种 PEMEC 模型分类详见附录 A 图 A1。文献8综述了 PEMEC 组件层面电催化剂应用、材料特性和模型拟合等方面的研究进展，并讨论了建模在提高 PEMEC 性能方面的方法和作用。文献9综述了 PEMEC 内部物质传输建模工作，对低温电解模型展开分类分析，总结了基于解析法、半经验法和力学方法的 PEMEC 质量传输模型的研究进展，并对模型构建时所侧重的物理量、物质传输方式以及建模方法展开深入研究。文献10综述了 PEMEC 电催化剂方面的研究成果，重点研究高性能、低成本 HER 和 OER 电催化剂在大电流密度下的电催化活性和稳定性。上述文献从不同角度总结归纳了 PEMEC 建模研究工作，相比于质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)应用数字孪生等新兴建模技术，PEMEC 发展起步较晚，更多新型建模理论也逐步应用在PEMEC 建模领域。本文从模型特性分析入手，以模型层级对国内外现有 PEMEC 建模工作进行全面的归纳概述，归纳对比了主流建模方法，在此基础上，重点分析各个层级的 PEMEC 模型特点及适用研究场景，并对PEMEC 的建模研究发展进行展望，以期为今后的深入研究提供参考和借鉴。1 模型特征及建模方法分类 质子交换膜(proton exchange membrane，PEM)电解系统由 PEM 电解装置、气液分离器、水泵及水箱、冷却风扇、储氢罐以及直流电源等设备共同组成，协同实现 PEMEC 阵列温度调控、直流电源功率适应性分配、膜电极输入水流控制以及输出气体压力调节。其中，直流变换器控制 PEMEC 阵列电压，管道和循环泵组成的封闭循环回路将水作为反应物和热传输载体送往 PEMEC 中，通过阳极侧的热量交换器和冷却回路控制系统温度变化8，控制阀通过水循环回路向氧气和氢气分离器提供纯净水以控制液位。在分离器之后，氢气和氧气通过气液分离、干燥提纯后经过由安全装置、温度和湿度传感器等设备组成的系统，根据气体用途可以直接储存于高压储气罐或注入长管拖车实现灵活运输，如图 1 所示。1.1 PEM 电解系统特性 PEMEC 在理论标准条件下(温度 T=298 K，压强 P=1105 Pa)的单体电解电压为 1.229 V8-10，为了匹配实际工作中直流电源电压及功率输入的要求，PEMEC 阵列常由多个 PEMEC 单体串并联组成。图 1 质子交换膜电解系统结构图 Fig.1 Structure diagram of proton exchange membrane electrolysis system 李建林，张则栋，李光辉，等：基于模型层级分析的质子交换膜电解槽建模研究进展 1107 PEMEC 作为系统核心装置，运行动态特性和机理复杂程度最高，因此，针对 PEMEC 的建模研究工作最为重要。此外，为了分析系统运行控制策略及整体工作效率，储氢罐、冷却风扇、水泵等辅助设备的建模工作也应足够重视。质子交换膜(proton exchange membrane，PEM)电解系统具有以下几个特性：1）水箱、PEMEC、气液分离器以及储氢罐等设备均从不同方面影响 PEMEC 系统产氢量和纯度，呈现多装置协同工作特性。2）PEM 电解系统各装置间，尤其是 PEMEC内部具有电化学场、热能量场、流体传输场等多物理场交叉耦合特性。3）PEM 电解系统“电氢”转换过程中，动态行为复杂，呈现出“电能化学能氢能”的多能量传递特性。伴随着和间歇性能源耦合运行，上述特性不仅影响 PEM 电解系统最大功率输出、最长寿命运行，还会对 PEMEC 阵列及单体的内部温度调控、压力调节和产物气体纯度调节造成干扰11-1