The Innovation Energy | PEM电解槽多模式启动与动态调节的实验规律及优选策略

可再生能源发电的波动性与间歇性，使PEM电解槽在实际运行中频繁经历冷启动、热启动及变负荷过程。面对复杂动态工况，如何统筹启动速度、能效水平与运行稳定性，已成为工程应用中的关键问题。本研究通过系统实验，探索动态工况下启动特性与能效-稳定性权衡规律，以期为变工况运行策略提供理论支撑。

导  读

在绿氢系统中，质子交换膜（PEM）电解槽因具备快速响应特性，被广泛视为适配风电和光伏等波动性电源的重要技术路线。然而，上游电源波动所引发的冷热启动与频繁变载，将直接影响系统效率、动态稳定性及服役寿命。本文基于系统实验，对不同动态运行策略进行了定量比较，为PEM电解槽的高效灵活运行提供了实验依据与方法参考。

图1 图文摘要

在“双碳”目标与可再生能源制氢加速发展的背景下，制氢装备能否有效适应波动性绿电输入，已成为绿氢技术走向规模化应用的关键环节。PEM电解槽虽然具有高电流密度、快速启动和优良动态响应等优势，但基于稳态工况获得的实验结果，尚不足以全面表征其在真实运行场景中的动态适应能力。为此，研究团队围绕PEM电解槽系统构建了多种动态工况实验，系统考察其在启动与负荷调节过程中的性能演化特征。

图2 (A) 实验系统的原理图 (B) PEM的关键技术参数与要求

研究全面评估了三类冷启动策略，即直接冷启动、单步冷启动和双步冷启动；两类热启动策略，即直接热启动和多步热启动；以及两类负荷调节方式，即直接调节和分步调节。为实现多指标条件下的客观比较，研究引入电压上升速率、平均效率和平均产氢速率等表征参数，并结合熵权法与TOPSIS综合评价方法，对不同运行策略进行了定量排序。

实验结果表明，在冷启动阶段，单步冷启动的综合性能最优，其电压上升速率为2.32 mV/s，平均效率达到69.68%，平均产氢速率为1.324 mmol/s。相较于直接冷启动，单步冷启动在较快进入稳定工作状态的同时，能够兼顾更高能效，并在一定程度上缓解启动过程中可能带来的热应力冲击。

图3 冷启动特性 (A) DCS工艺中的电流、电压和温度 (B) DCS工艺中的氢气流量和效率 (C) SCS工艺中的电流、电压和温度 (D) SCS工艺中的氢气流量和效率  (E) MCS工艺中的电流、电压和温度 (F) MCS工艺中的氢气流量和效率

热启动过程中，当系统已具备一定热态基础时，多步热启动整体优于直接热启动。实验数据显示，多步热启动的平均效率可达71.92%，且电压上升速率更为平缓，为4.25 mV/s。该结果表明，在热态工况下，启动过程并非单纯追求速度最优，合理的分阶段升载策略更有利于提升系统运行稳定性与动态响应品质。

图4 热启动特性 (A) DHS工艺中的电流、电压和温度 (B) DHS工艺中的氢气流量和效率 (C) MHS工艺中的电流、电压和温度 (D) MHS工艺中的氢气流量和效率

在负荷调节中，适应风光电源快速波动所引起的升载与降载过程，是PEM电解槽工程应用中的核心能力之一。研究发现，无论在升载还是降载工况下，分步调节策略均优于直接调节，且在降载过程中优势尤为突出。综合评价结果显示，降载时分步调节的相对贴近度高达0.9804，而直接调节仅为0.0196。由此可见，分步调节能够更有效抑制电压波动，是更具工程适用性的动态运行方案。

图5 负载调节特性 (A) DLI工艺中的电流、电压和温度 (B) DLI工艺中的氢气流量和效率 (C) MLI工艺中的电流、电压和温度 (D) MLI工艺中的氢气流量和效率 (E) DLD 过程中的电流、电压和温度 (F) DLD 过程中的氢气流量和效率(G) MLD 过程中的电流、电压和温度 (H) MLD 过程中的氢气流量和效率

图6从跨工况视角综合比较了冷启动、热启动以及升载与降载过程中的动态性能。结果表明，单步冷启动在启动速度、平均效率和产氢速率之间实现了较优平衡；多步热启动则在热态条件下展现出更平缓的电压响应和更高的能效水平。对于负荷调节过程，分步策略在升载与降载阶段均表现出更小的扰动幅度和更优的综合动态特性，尤其在降载工况下优势更为突出。该图进一步说明，分阶段调控对于提升PEM电解槽在波动电源条件下的运行适应性具有显著作用。

图6 启动与负载调节综合特性 (A) 冷启动 (B) 热启动 (C) 升载与降载

图7则基于熵权法与TOPSIS方法对不同启动和负荷调节策略进行了统一评价，其中相对贴近度越高，表明该运行策略越接近理想状态。综合结果显示，冷启动工况下单步冷启动排序最高，热启动工况下多步热启动表现最优，而在升载和降载过程中分步调节均优于直接调节，特别是在降载阶段其相对贴近度达到0.9804。该综合评价结果将多指标实验数据纳入同一决策框架，为PEM电解槽动态运行策略的工程优选提供了明确的定量依据。

图7 基于TOPSIS和熵权法的综合评价

总结与展望

本研究系统揭示了PEM电解槽在动态工况下的运行规律，证明了单步冷启动、多步热启动和分步变负荷调节在综合性能上的优势。未来可进一步结合智能控制算法、寿命衰减机理分析与更大规模系统验证，有望推动绿氢装备向高效率、高可靠性和长寿命方向持续发展。

责任编辑

杨青青    北京理工大学

丁振亚    The Innovation 编辑部