报告：一种用于多堆串联配置以提高碱性水电解系统电流效率的级联气液分离器架构

主要作者及发表信息

本研究由清华大学的Liaodong Sha（沙立东）、Jin Lin（林今）、Yingtian Chi（迟颖天）、Qinghui Li（李庆辉）和Ruomei Qi（齐若梅）共同完成，林今为通讯作者，所属单位为清华大学电机工程系电力系统运行与控制国家重点实验室及清华-四川能源互联网研究院。该研究发表于《Applied Energy》期刊第407卷（2026年），文章编号127279，于2026年1月2日在线发表。

学术背景与研究目的

在能源与化工行业深度脱碳的背景下，利用可再生能源进行水电解制氢已成为最具前景的技术路径之一。其中，碱性水电解（Alkaline Water Electrolysis, AWE）因其技术成熟度高和制造成本较低而扮演着关键角色。然而，AWE系统在规模化过程中面临一个核心问题：随着电解堆容量从兆瓦级向更大规模扩展，其能量转换效率显著下降，例如从1 MW电堆的79.5%降至5 MW电堆的70%。这种效率损失主要由电流效率（current efficiency）的降低引起，因为电压效率在规模化时变化甚微。电流效率损失主要发生在三个阶段：电解前的旁路电流（shunt current）损失、电解过程中的非法拉第反应损失和电解后的气体交叉（gas crossover）损失，其中旁路电流造成的损失最为突出。旁路电流源于碱性电解液的高电导率，它通过共用的电解液歧管形成不产生氢气的寄生电流通路。现有研究表明，单堆内部的优化设计或运行策略无法从根本上解决大容量、高效率和高额定电压之间的设计矛盾。工业实践表明，将一个大电堆拆分为多个小电堆进行多堆串联配置（multi-stack series configuration）是同时维持高电压和大容量并提升电流效率的有效方法。然而，当串联电堆数量超过两个时，由于不同电堆端板的电压电位不同，共用的气液分离器及其管道会引入新的外部旁路电流，反而降低电流效率。因此，现有学术研究和工程实践缺乏对三个及以上电堆串联配置的深入讨论。为填补这一空白，本文提出了一种新型的级联气液分离器（Cascaded Gas-Liquid Separators, CGLS）架构，旨在实现多堆串联配置，从而突破电流效率的瓶颈。

详细研究方法与工作流程

本研究包含理论建模、原型机开发验证和仿真对比分析三大环节。首先，作者通过详细的电路分析，揭示了传统共享分离器架构在多堆（≥3）串联时产生外部旁路电流的机制。为解决此问题，提出了AWE-CGLS架构，其核心设计是将分离器与电解堆交替布置，形成一个连续的碱液循环回路，并且对所有分离器及其连接管道进行高电阻绝缘处理，使其与地面及金属框架隔离。这样，连接管道两端的电位差与相邻电堆的电极电位差一致，从而消除了外部旁路电流路径，保证了系统的电流效率与单个小电堆的电流效率一致。

为验证该架构，研究团队构建了一个10 kW的概念验证原型机。该原型机包含四个额定功率为2.5 kW的AWE电堆（电堆A、B、C、D），每个电堆由15个电池单元（cell）串联而成。电堆A与B串联，C与D串联，两组串联支路再并联后接入直流电源。四台气液分离器（分离器A、B、C、D）分别对应四个电堆，碱液在泵的驱动下依次流经电堆A、分离器A、电堆B、分离器B、电堆C、分离器C、电堆D和分离器D，最终完成循环。所有分离器和电堆均通过胶木制成的绝缘垫片与金属支撑框架隔离，分离器气体出口加装了尼龙材质的高压绝缘软管。原型机配备了切换电源、控制柜及各类传感器、阀门和杂质分析仪。在控制策略上，针对后级分离器（D）采用与传统AWE系统类似的控制，即控制氧气侧分离器阀门维持额定压力，控制氢气侧阀门平衡两侧液位差。对于前级分离器（A、B、C），由于实验装置采用开关型电磁阀，为避免阀门连续全开导致级间压差消失和碱液倒流，创新性地引入了脉宽调制（PWM）的概念，将阀门的单次连续开启时间限制在一个可编程逻辑控制器（PLC）周期（0.5秒）内，从而稳定控制液位。

为进一步研究CGLS架构在大规模、多电堆配置下的性能和稳定性，作者构建了一个全面的AWE-CGLS系统模型。该模型集成了三个子模型：1）等效电路模型（Equivalent Circuit Model, ECM），用于分析电堆内部的旁路电流和计算电流效率，该模型考虑了碱液电导率受气体空隙率（gas void fraction）的影响。2）扩展的质量流量模型，该模型是一个基于微分代数方程组（DAEs）的模型，并集成了比例-积分（PI）控制器，用于模拟系统在不同操作工况和不同电堆数量下的压力、液位等动态响应特性，以验证控制策略的稳定性。3）杂质模型，用于分析氢气中氧气杂质（Oxygen to Hydrogen, OTO）和氧气中氢气杂质（Hydrogen to Oxygen, HTO）的产生与分布。该模型综合考虑了通过隔膜的浓度扩散和压差对流（由Fick定律和Darcy定律描述）、碱液循环混合（引入再分配系数β描述）以及端板歧管上的电化学反应这三种杂质引入途径。

主要研究结果

实验结果成功地验证了AWE-CGLS架构的有效性。在效率性能方面： 1. 电压效率一致性：原型机的整体电流-电压（I-V）外特性与单个电堆的表现一致，且系统的电压效率与各组成电堆的电压效率保持一致，证明了该架构在容量放大时不会牺牲电压效率。因操作温度差异，不同电堆支路的电流存在微小的不均匀分布，但这不影响整体效率。 2. 电流效率保持与提升：实验测量结果显示，AWE-CGLS系统的电流效率与组成它的单个小电堆的理论电流效率几乎完全相同，在额定功率输入下约为89.6%。与同等功率级别的大电堆相比，CGLS架构显著提升了电流效率。一个针对10 MW AWE系统的仿真案例研究表明，采用8个电堆串联的CGLS配置，系统电流效率可以提升至96.79%，远高于单堆配置的84.34%，同时系统级电压也得到有效维持。

在技术可行性方面： 1. 系统稳定性：实验结果显示，由于液位传感器精度问题，液位和压力存在一定波动。对此，通过建立的高精度仿真模型进行分析，结果表明在采用连续调节阀的工业场景下，通过合理整定比例增益（Kp）并避免使用积分增益（Ki），可以避免因积分时间常数小于分离器固有时间常数而引发的振荡，从而实现优异的系统稳定性。系统在电流阶跃变化下也能快速达到新的稳态。 2. 杂质特性：实验和模拟结果表明，HTO和OTh均随着电流密度的增加而降低，符合一般规律。重要的是，与传统单堆系统相比，CGLS架构展现出更优的杂质管理能力。由于碱液在流经A级分离器后经历的是部分混合，使得后续电堆（B、C、D）由碱液循环引入的杂质减少，因此系统缓冲罐出口的HTO和OTh含量相较于首级分离器A降低了约20%，这有望使电流效率再提升约0.2%。不过，研究中发现后两级电堆（C和D）因安装极性倒置，可能承受了更大的膜两侧压差，这需要在设计中优化其液路歧管。

结论及研究意义

本研究提出并验证了一种新型的AWE-CGLS架构，它通过将气液分离器与电解堆在碱液回路中串联并交替布置，并对分离器进行高压绝缘处理，成功解决了多堆（≥3个）串联配置时产生外部旁路电流的难题。该架构使得系统在放大容量的同时，能够保持与单个小电堆相同的高电流效率，并维持高系统电压。研究不仅通过一台10 kW原型机进行了概念验证，还通过综合模型论证了其扩展到更多电堆的可行性和优越性能。这一方法为大规模、高效率、高电压的碱性水电解制氢系统提供了一种极具潜力的规模化途径。其科学价值在于从系统层面而非单堆层面解决了电流效率损失问题，创新性地将过程设备的电气影响纳入分析框架。其应用价值在于，通过提升系统电解电压，可以更好地匹配可再生能源和电网的电压等级，从而降低整流、变电等电气基础设施的投资成本。此外，该CGLS架构可与其它提升电堆效率的先进技术兼容，实现多种技术的集成应用，以追求更高的综合能效。

研究亮点

本研究的亮点体现在以下几个方面：其一，架构创新性，首次提出了AWE-CGLS架构，明确给出了三堆以上串联配置的电路分析与解决方案，填补了该领域的研究空白。其二，方法的完整性，研究不限于理论提出，而是通过“电路模型分析 → 10 kW原型机开发与实测 → 综合系统模型仿真”的完整链条，严格验证了该架构在电流效率、系统稳定性和杂质管理等方面的性能。其三，突出实用性，研究充分考虑了工业应用中的实际问题，如针对开关阀的PWM控制策略、为适应级联架构而对电堆进出口进行的特殊设计等，并成功演示了原动机在模拟光伏波动工况下的良好适应性，证明了其与可再生能源直接耦合的潜力。