可再生能源供電存在間歇性，當(dāng)其用于驅(qū)動電解槽時，帶來了諸多挑戰(zhàn)。這包括供電不穩(wěn)定對運(yùn)行的沖擊、低負(fù)荷下氫氧混合加劇的安全隱患，以及在部分負(fù)荷運(yùn)行時高旁路電流導(dǎo)致的電流效率下降。

一、旁路電流的成因及其對堿性電解槽的影響

旁路電流，也叫寄生電流或泄漏電流，是指電流沒有走設(shè)定的電解路徑，而是沿著電堆中電阻更低的路徑流走的現(xiàn)象。在工業(yè)規(guī)模的堿性電解水（AWE）電堆中，電解槽通常采用雙極性結(jié)構(gòu)（電解小室串聯(lián)）和帶循環(huán)的共用歧管供應(yīng)系統(tǒng)（電解液并聯(lián)流動），這種設(shè)計很容易在共用歧管內(nèi)形成顯著的旁路電流（離子分流）。如圖所示，電解池在電氣上是串聯(lián)的，但電解液的供應(yīng)系統(tǒng)卻是并聯(lián)的。

圖示：實線為有效電解電流路徑，虛線為共用歧管內(nèi)形成的旁路電流路徑。由于工業(yè)電堆小室數(shù)量多，中間小室省略顯示。

共用循環(huán)的電解液管路如同“鹽橋”，為電流提供了額外的低電阻通道。這會導(dǎo)致電流和電勢分布不均，進(jìn)而引發(fā)腐蝕問題并降低效率（電流效率下降）。旁路電流在液流電池、電解槽和燃料電池中普遍存在，設(shè)計時必須重視并解決。

為了平衡效率與成本，工業(yè)電化學(xué)堆的設(shè)計往往面臨兩難選擇：采用低電流密度運(yùn)行雖然能提高效率、降低運(yùn)行成本，但需要更大的電極面積，推高了設(shè)備投資。除了產(chǎn)能和效率，電流效率（或法拉第效率）也是關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。

從電氣配置角度看，直接提供大量低壓直流電經(jīng)濟(jì)性不佳，因此通常需要將多個電解小室串聯(lián)以提高運(yùn)行電壓。雙極性結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)小室串聯(lián)的一種高效方式。它的優(yōu)點在于電流分布均勻，對小室間隙設(shè)計更靈活。但這種結(jié)構(gòu)也有兩大弊端：

單個小室失效可能導(dǎo)致整個電堆停機(jī)；首尾小室間的高電壓差，結(jié)合共用歧管系統(tǒng)，極易產(chǎn)生嚴(yán)重的旁路電流。

旁路電流的危害顯著：造成功率損耗、降低電流效率、導(dǎo)致各小室性能不均、引發(fā)腐蝕、干擾流體流動（液壓故障）、影響產(chǎn)品純度并增加反應(yīng)物消耗。高壓系統(tǒng)因其在成本和電力電子轉(zhuǎn)換效率方面的優(yōu)勢更受青睞，所以串聯(lián)雙極結(jié)構(gòu)比并聯(lián)結(jié)構(gòu)應(yīng)用更廣。

串聯(lián)雙極結(jié)構(gòu)又可分為共用歧管供應(yīng)和分離歧管供應(yīng)兩種。雖然共用歧管系統(tǒng)是旁路電流的主要來源，但因其能實現(xiàn)以下目標(biāo)而被廣泛采用：

為所有小室提供均勻的電解液；實現(xiàn)高效的熱傳導(dǎo)、冷卻和整體熱管理；有效排出產(chǎn)生的氣體（氫氣和氧氣）。

研究人員提出了一些減少旁路電流的潛在方法：

減少串聯(lián)小室的數(shù)量；將歧管設(shè)計得更長、更細(xì)，增加該區(qū)域的電阻（但過度設(shè)計可能帶來其他問題）；在歧管內(nèi)創(chuàng)造氣液兩相流（注入氣體）以提高電阻；使用旋轉(zhuǎn)閥、噴淋頭、堰或溢流等物理隔斷手段，打斷小室間的連續(xù)電解液連通。

然而，最后一種方法（物理隔斷）與采用共用歧管系統(tǒng)以優(yōu)化電解液分布和熱管理的初衷相悖。

行業(yè)通常的做法是采用長而細(xì)的回流管，增加歧管區(qū)域的電阻，以此最小化旁路電流。即便如此，采用內(nèi)部分流歧管設(shè)計的工業(yè)電堆，其串聯(lián)小室的數(shù)量通常不宜超過50個。超過此限值，旁路電流會急劇增加，導(dǎo)致有效電流損失和腐蝕風(fēng)險加劇。研究表明，在部分負(fù)荷運(yùn)行時，電流效率會顯著下降，這對風(fēng)、光等間歇性可再生能源供電的AWE運(yùn)行非常不利。因此，在設(shè)計工業(yè)級AWE并將其接入可再生能源系統(tǒng)時，必須充分考慮旁路電流的影響。

總結(jié)以往研究，在采用雙極性結(jié)構(gòu)和共用歧管的電化學(xué)裝置（包括AWE）中都觀察到旁路電流現(xiàn)象。其負(fù)面作用包括：降低電流效率和整體能效、造成功率損耗、導(dǎo)致電堆和電解液溫度升高、引發(fā)副反應(yīng)（主要是腐蝕，損害液壓系統(tǒng)部件）、以及產(chǎn)生不均勻的電流分布。特別關(guān)鍵的是，在部分負(fù)荷運(yùn)行時，旁路電流占總電流的比例顯著上升，嚴(yán)重限制了電解槽運(yùn)行的靈活性。

二、核心研究發(fā)現(xiàn)及其對制氫工廠的啟示

單臺AWE電堆能效表現(xiàn)分析：

負(fù)荷影響： 降低電解槽運(yùn)行負(fù)荷會大幅提高旁路電流比例。有數(shù)據(jù)顯示，滿負(fù)荷（100%）時旁路電流約占16.8%，而當(dāng)負(fù)荷降至30%時，這一比例躍升至75.4%（注：此數(shù)據(jù)用于說明趨勢）。

原因解析： 主要在于低負(fù)荷下歧管電阻降低以及產(chǎn)生的氣體純度下降。

優(yōu)化潛力： 理論模擬表明，有效抑制旁路電流可顯著提升部分負(fù)荷工況下電堆的能效。

制氫工廠多產(chǎn)線（多電堆）負(fù)荷分配優(yōu)化策略：

目標(biāo)： 在滿足指定氫氣需求的前提下，優(yōu)化各條產(chǎn)線（每個電堆）的供電電流分配，使整個工廠的生產(chǎn)單位能耗（比能耗，SEC）最小化。SEC = 系統(tǒng)總功耗 / 產(chǎn)氫質(zhì)量。

主要結(jié)論： 在同時運(yùn)行多條產(chǎn)線的情況下，為各產(chǎn)線分配均等的電流負(fù)荷（即等比例運(yùn)行）通常能實現(xiàn)最低的整體SEC。

產(chǎn)線數(shù)量決策： 決定投入多少條產(chǎn)線運(yùn)行最優(yōu)，這與旁路電流的強(qiáng)度有直接關(guān)系（旁路電流越大，可能越傾向于集中運(yùn)行較少產(chǎn)線接近或達(dá)到滿負(fù)荷）。

未來值得深入的研究方向：

參數(shù)影響規(guī)律： 深入研究不同參數(shù)（如旁路電流系數(shù)差異、各產(chǎn)線性能衰減速率等）對比能耗（SEC）影響的敏感性。

系統(tǒng)配置創(chuàng)新： 評估將獨立平衡系統(tǒng)（BoP）的產(chǎn)線改用共享工廠級平衡系統(tǒng)（BoP）在成本和效率方面的可行性（如共享冷卻系統(tǒng)、純水系統(tǒng)等）。

防腐蝕保護(hù)： 探索停機(jī)時電極保護(hù)策略（如犧牲陽極、陰極保護(hù)等），防止旁路電流導(dǎo)致深度放電腐蝕。

術(shù)語說明：

比能耗 (SEC)： 衡量生產(chǎn)單位質(zhì)量氫氣所需消耗的總能量（電能為主），kWh/kg-H?，是最核心的能效指標(biāo)之一。

歧管電阻： 指電解槽進(jìn)出口歧管結(jié)構(gòu)對旁路電流的阻礙作用（等效電阻）。其大小取決于電解液本身的電導(dǎo)率、歧管內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)（氣液兩相流）以及流道的具體幾何參數(shù)（長度、截面積等）。