堿性水電解（ALK）作為一種成熟且成本較低的電能制氫技術(shù)，結(jié)合干燥和氧氣純化步驟，可有效生產(chǎn)純度超過99.9%的氫氣。然而，該技術(shù)主要設(shè)計用于額定工況或接近滿負荷的穩(wěn)態(tài)運行，其適應(yīng)部分負載特別是間歇性運行的能力有限。隨著電網(wǎng)中可再生能源（如風電、光伏）占比持續(xù)提升，以及利用儲能消納波動性可再生能源電力的需求日益增長，堿性水電解技術(shù)在此領(lǐng)域面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

一、部分（低）負載運行的主要挑戰(zhàn)：氣體雜質(zhì)與安全風險

電解過程中，陽極產(chǎn)生氧氣，陰極產(chǎn)生氫氣。雖然隔膜能顯著抑制大部分氣體（如氧氣向陰極側(cè)、氫氣向陽極側(cè)）的滲透遷移，但生成的氫氣與氧氣并非絕對純凈，其中仍含有微量交叉雜質(zhì)。在額定工況下，這些微量雜質(zhì)可通過后端的純化步驟有效去除（如氫氣流除氧、氧氣流除氫）。

問題核心在于負載降低時：

隔膜滲漏率基本恒定：隔膜對氣體的物理滲透速率主要由材料特性和兩側(cè)壓差決定，近似為常數(shù)。

產(chǎn)氣速率下降：負載降低導致單位時間內(nèi)陰極產(chǎn)生的H?和陽極產(chǎn)生的O?總量（即分母）減少。

雜質(zhì)相對濃度攀升：當(1)恒定（分子）而(2)降低時，產(chǎn)物氣體中對方氣體的相對濃度顯著升高，導致污染水平超標。

這種雜質(zhì)濃度的上升帶來了關(guān)鍵的安全問題。當氫氧混合物達到特定比例（如H?中O?含量≥4% vol，或O?中H?含量≥4% vol）時，即進入爆炸極限范圍。為確保運行安全，堿性電解槽設(shè)有安全聯(lián)鎖機制：一旦監(jiān)測到任一氣體流中雜質(zhì)濃度達到2% vol（低于爆炸極限的安全冗余），即觸發(fā)系統(tǒng)停機，以便在低風險狀態(tài)下進行有序吹掃。

因此，部分負載運行時，污染水平隨負載下降而升高，電解槽存在一個最低允許負載（下限），其對應(yīng)的就是2% vol的雜質(zhì)限值。不同設(shè)計的電解槽，其負載下限普遍處于額定負荷的10%-40%區(qū)間。這意味著：

電力供應(yīng)強度波動至額定值40%以下時，可能導致非計劃停機。

停機帶來的危害遠超產(chǎn)氫中斷本身：

重啟耗時長：重啟過程復雜耗時，往往遠超電力波動恢復所需的時間。

加速設(shè)備老化：每次啟停循環(huán)都會對電極（如鎳基電極）造成應(yīng)力損傷，顯著縮短其壽命（典型電極壽命僅5000-10000次啟停循環(huán)），增加了維護頻率和設(shè)備資產(chǎn)成本。

二、負載下限區(qū)間（10%-40%）的成因：電解液循環(huán)模式差異

堿性電解槽負載下限范圍（10%-40%）的差異主要源于其電解液循環(huán)管理模式的不同：分流回路（Separated Loop） vs. 共用回路（Shared/Mixed Loop）。

共用回路（Mixed Loop）挑戰(zhàn)：反應(yīng)后，電極處的氣-液混合物分別進入獨立的陰極和陽極分離器進行氣液分離。若分離后的電解液再混合再循環(huán)（共用回路）：

氣體交叉污染加劇：溶解在分離后液相中的微量殘余氣體（陰極液中含少量O?，陽極液中含少量H?）會隨著電解液混合而相互轉(zhuǎn)移。

雜質(zhì)濃度基線升高：導致陰極氫氣中O?雜質(zhì)、陽極氧氣中H?雜質(zhì)的本底濃度更高。

被迫高負荷停機：為了在低負載時不觸發(fā)2% vol的安全閾值，系統(tǒng)必須在相對較高負載（通常在額定40%左右） 停機，其下限較差（如~40%）。

分流回路（Separated Loop）優(yōu)勢與代價：若陰極和陽極分離后的電解液各自獨立循環(huán)（不混合），能有效抑制上述交叉污染，顯著降低雜質(zhì)基線濃度，從而將安全負載下限推近至更低水平（如~10%）。

液位平衡管理：確保兩側(cè)液位穩(wěn)定，避免虹吸或泵送問題。

濃度調(diào)節(jié)能力：以維持電解液在最佳濃度窗口運行（例如，NaOH在<20 wt%、~50°C時峰值電導率≈65 S/m；KOH在>30 wt%時峰值電導率≈95 S/m），這對保證低能耗和高效率至關(guān)重要。

面臨的挑戰(zhàn)：分流回路本身存在新的問題。

維持平衡的復雜性：這要求系統(tǒng)具備精密的。

陰極區(qū)域濃度升高：陰極反應(yīng)消耗水導致局部KOH/NaOH濃度上升。

陽極區(qū)域濃度稀釋：陽極反應(yīng)生成水導致局部KOH/NaOH濃度下降。

三、壓力運行的疊加影響

高壓運行雖然能減少氫氣后續(xù)壓縮的能耗，但會加劇低負載下的氣體交叉污染問題：

隔膜擴散增強：壓力增加可能提高氣體通過隔膜的滲透速率。

氣體溶解度上升：氣體在電解液中的溶解度隨壓力增大而升高，導致溶解攜帶的雜質(zhì)氣體量增多。

結(jié)論：在部分負載+加壓運行這一最嚴苛的工況組合下，必須采用分流回路設(shè)計，并配套實施高效的液位和濃度平衡策略，以維持雜質(zhì)濃度在安全范圍內(nèi)。研究表明，共用電解液循環(huán)對此組合工況的適應(yīng)性高度敏感且不穩(wěn)定。

四、斷電與低電壓管理

在雜質(zhì)濃度維持安全限值以內(nèi)的前提下，系統(tǒng)可短暫容忍低于負載下限的運行，但必須嚴格控制電極電壓：

陰極保護電壓：當陰極電壓低于約0.25 V時，電極材料的劣化（如腐蝕、溶解）會顯著加速。

安全冗余：即使雜質(zhì)濃度可控，一旦電壓逼近該閾值，也需立即停機保護電極。

應(yīng)對策略：

電容效應(yīng)緩沖：現(xiàn)代多層復合電極結(jié)構(gòu)可發(fā)揮一定的電容效應(yīng)（相當于一個內(nèi)部大電容）。實驗證明，在完全斷電后，此效應(yīng)能夠延緩電極電壓的跌落速度，為系統(tǒng)爭取重啟時間。研究數(shù)據(jù)顯示，若能在斷電后10分鐘內(nèi)恢復供電，有可能避免停機并維持持續(xù)運行，顯著提高系統(tǒng)應(yīng)對短暫波動的能力。

五、溫度管理的復雜性

部分負載運行也給系統(tǒng)溫控帶來了顯著挑戰(zhàn)：

最佳效率區(qū)間狹窄：堿性電解通常在 50-80°C 之間達到最佳效率（高電導率且不發(fā)生顯著材料劣化）。

負載降低時熱量不足：負載降低，反應(yīng)熱（歐姆熱與反應(yīng)焓）相應(yīng)減少，在環(huán)境溫度較低或保溫不足時，系統(tǒng)難以維持在最低的50°C以上（有損效率和安全性）。

高負載高溫需散熱：在滿負載或高環(huán)境溫度下，需有效的冷卻系統(tǒng)防止溫度超過上限（通常80-90°C），以免加速材料退化或加劇腐蝕。

六、應(yīng)對部分負載波動的外部策略

為有效應(yīng)對低于負載下限（如10%-25%）的功率波動，避免頻繁啟停，常需結(jié)合外部策略，使電解槽子模塊保持較高負載運行：

功率波動緩沖：集成儲能系統(tǒng)（如電池、超級電容或飛輪），平抑可再生能源的快速波動，提供穩(wěn)定的直流輸入。

電解堆分組運行：將大型電解系統(tǒng)劃分為多個獨立的子模塊。當總需求功率下降時，可關(guān)閉部分子模塊（使其處于停機或待機狀態(tài)），同時維持仍在運行的子模塊接近其額定負載運行。

技術(shù)難點：

負載分配算法：高效、靈活地將功率波動分配到不同子模塊。

熱狀態(tài)管理：啟停不同子模塊時需管理其溫升、溫降過程及保溫要求。

運行歷史記錄與分析：精確跟蹤記錄每個子模塊的啟動次數(shù)、運行時長、負載曲線等，用于評估老化狀態(tài)、預測壽命、制定精準維護計劃（如電極更換）及優(yōu)化運行策略。