本研究报告介绍了一项由浙江大学电气工程学院、氢能研究院及浙江省可再生能源电气技术与系统重点实验室的Yanghong Xia、Haoran Cheng、Jin Wang、Yansong Jia、Wei Wei等研究人员，联合上海理工大学能源材料科学研究所的Shixue Dou共同完成的重要原创研究。该研究成果于2026年12月16日发表于国际知名期刊《Joule》上，题为《Temporal potential-induced regulation for extending alkaline electrolyzer lifespan under power fluctuations》。本研究首次提出了一种名为“时序电位诱导调控（Temporal Potential-Induced Regulation, TPIR）”的创新策略，从电气工程的角度解决了碱性水电解槽在波动性可再生能源供电下因反向电流（Reverse-Current, RC）导致镍电极腐蚀和寿命衰减的关键难题。
随着全球能源转型的加速，利用可再生能源（Renewable Energy Sources, RESs）驱动的水电解制氢技术，被广泛认为是实现绿色氢能生产、缓解电网压力的重要途径。在各种电解技术中，碱性水电解槽（Alkaline Water Electrolyzers, AWEs）凭借其技术成熟、成本低廉的优势，成为当前大规模制氢的主流选择。然而，可再生能源固有的间歇性和波动性给AWEs的稳定运行带来了严峻挑战。当输入功率不足（通常低于额定功率的40%）时，为了防止氢气/氧气混合导致的爆炸风险，电解槽必须停机。在停机期间，由于双极板两侧阴极和阳极的电势差，电解槽内部会产生反向电流。这一现象会驱动阴极侧的金属镍（Ni）催化剂发生不可逆的氧化反应，生成氢氧化镍（Ni(OH)₂）和羟基氧化镍（NiOOH），导致活性物质脱落、催化活性衰减，最终显著缩短电解槽的使用寿命。传统的解决方案多集中于开发更耐腐蚀的催化剂或添加牺牲金属，但这些材料学方法往往耗时且成本高昂。本研究旨在开辟一条全新的技术路径，即不改变催化剂和电解槽结构，仅通过优化电源供应策略来抑制反向电流腐蚀，从而延长AWEs的运行寿命，并搭建起电气工程与电化学之间的桥梁。
1. 构建简化电解槽模型以观察反向电流现象
为了深入研究工业级AWEs中的反向电流现象，研究团队首先将复杂的工业电解槽结构解耦，构建了一个简化版的碱性水电解槽。该简化模型包含两个串联的电解池，使用金属镍丝模拟工业电解槽中的双极板功能，实现了阴极与阳极的电子连接。电解液通过橡胶管在池间循环，模拟了离子通路。电极则采用了工业中广泛应用的雷尼镍（Raney Nickel）。通过在此简化装置上连接霍尔传感器，研究人员得以精确测量停机后的反向电势（Reverse Potential, RP）和流经金属连线及电解液通道的反向电流。实验结果显示，当电解电流中断后，阴极电势从约-0.5V逐渐升高，阳极电势从约2.2V逐渐降低，两者最终趋于约1.1V的平衡电位。双极板间的电势差在167秒内从2.6V迅速降至1.4V，并在随后的约2000秒内趋于0V。同时，测量到了明显的环形回路反向电流，证实了反向电流现象根本上是由电极上残留的氧化还原性物种驱动的自发放电过程。通过热力学分析，团队揭示了反向电流阶段的反应序列：吸附氢（NiH）因其最低的氧化电位而最先被氧化，其次是溶解氢，最后才是金属镍自身。这一时序性氧化规律为制定精准的防护策略提供了理论基础。
2. 提出时序电位诱导调控策略并设计加速退化测试
基于上述机理，研究团队提出了TPIR策略。其核心思想是在低负荷工况下，不以完全停机的方式应对，而是向电解槽施加精确控制的脉冲电流。具体而言，当可再生能源输入功率低于额定功率的40%时，控制电源输出一个幅值为额定电流50%的脉冲电流，其占空比根据实际输入功率动态计算。脉冲频率的控制是关键，其设计原则是：在脉冲的低电平期间，反向电位下降的持续时间必须短于金属镍开始氧化的时间（tNi_oxid），从而确保在镍尚未被腐蚀前，下一个高电平脉冲就已到来，将电解槽拉回正常的电解产氢状态。这样，在低电平期间被氧化的主要是吸附氢和溶解氢，而阴极的金属镍则被有效保护起来。为了验证TPIR策略的有效性，研究团队设计了一套加速降解测试（Accelerated Degradation Test, ADT）协议。该协议模拟了波动性可再生能源的输入场景，使电解槽在20%至100%额定功率之间循环运行，每个周期3分钟，其中低功率区间持续时间较长以匹配反向电流的瞬态过程。研究对实验室规模的简化电解槽（电极面积约3.14平方厘米）进行了长达1000小时的ADT对比实验。
3. 材料表征与机理研究
在千小时ADT之后，研究人员对电解槽进行了系统性的材料表征，以揭示电极的失效和保护机制。表征手段包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）以及原位拉曼光谱（In-situ Raman Spectroscopy）。此外，还利用密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算从原子层面阐明了催化剂失活的机理。
XRD分析显示，在传统启停策略下运行的电解槽中产生了大量黑色脱落粉末，鉴定为金属镍、α-Ni(OH)₂和β-Ni(OH)₂的混合物，直接证明了反向电流腐蚀导致金属镍的氧化。电极表面的SEM图像对比更为显著：原始雷尼镍电极具有厚厚的褶皱状催化层，启停测试后的电极则变得非常光滑，表明催化层已完全剥落；而采用TPIR策略的电极则完好地保持了原始的褶皱结构和形貌，未观察到明显的粉末脱落。原位拉曼光谱实时监测了电极表面的物相变化。在电流中断引发反向电流时，光谱中出现了对应于α-Ni(OH)₂和NiOOH的特征峰，证实了镍的氧化过程；而在TPIR操作模式下，这些氧化物种的信号随脉冲周期呈现可逆的强弱变化，在高电流脉冲时增强，低电流间歇时减弱，直观地揭示了该策略对氧化反应的动态抑制过程。DFT计算则进一步从能量角度比较了水分解（Volmer步骤）和氢脱附（Tafel步骤）在Ni/Ni(OH)₂和Ni/NiOOH界面的反应能垒，结果表明Ni/NiOOH界面对析氢反应的催化活性显著低于Ni/Ni(OH)₂界面，且氢气在金属镍位点上的生成会机械地促进表面氧化层的剥离，完美地解释了电极失效的微观路径。
4. 工业级验证与经济性分析
为了评估该策略的实际应用潜力，研究团队在工业级碱性水电解制氢系统上进行了验证。该系统包含两个1.5千瓦的电解槽堆，每个堆由12个电解池串联组成，产氢能力为0.6标准立方米/小时，工作温度为80°C。在500小时的加速测试中，结果显示：采用传统启停策略的电解槽，其总电压从22.53V上升至25.33V，增幅为12.43%；而采用TPIR策略的电解槽，电压仅从22.54V上升至24.02V，增幅仅为6.56%。这一结果证实了TPIR策略在工业规模上的有效性。经济性分析表明，由于电解槽寿命的延长，对于风电制氢，运维成本从0.40美元/公斤氢气降至0.17美元/公斤氢气；对于光伏制氢，运维成本从0.93美元/公斤氢气降至0.39美元/公斤氢气。最终，平准化制氢成本（Levelized Cost of Hydrogen, LCOH）在风电和光伏场景下分别降至2.95美元/公斤和3.89美元/公斤，相比传统模式具有显著的经济优势。
本研究通过1000小时实验室规模的加速降解测试，获得了关键的性能数据。在0.5安培/平方厘米的电流密度下，采用传统启停策略的电解槽，其单池电压从6.39V大幅上升至7.34V，升幅高达0.95V，性能衰减率达14.87%。相比之下，采用TPIR策略的电解槽，其电压仅从6.40V上升至6.77V，升幅仅为0.37V，衰减率被抑制在5.78%。这意味着TPIR策略相对传统启停方式，将电压衰减降低了9.09%。这一宏观电化学性能的提升，与前述微观材料表征结果高度一致。启停策略下电极的严重氧化、活性层剥落与表面结构破坏，是导致其电压急剧升高的根本原因；而TPIR策略通过切断反向电流对金属镍的氧化路径，有效维护了电极的化学状态和物理结构的完整性，从而实现了稳定的电解性能。这些结果环环相扣，从宏观到微观，有力支撑了本文的核心结论。
本研究得出的核心结论是，所提出的TPIR策略能够通过动态稳定电极电位，有效抑制波动性可再生能源供电下碱性电解槽中反向电流引发的镍阴极不可逆氧化，从而显著延长电解槽的使用寿命。该方法的有效性在实验室和工业级平台均得到了验证。这项工作的科学价值在于，它系统性地揭示并量化了反向电流导致镍电极降解的时序性机制，并将其与电源管理策略直接关联。其重要的应用价值在于，TPIR策略提供了一种可扩展且经济高效的解决方案，它无需更换催化剂或改动电解槽结构，无需额外资本投资，仅通过对电力变换器的控制策略进行优化即可实现，为大规模可再生能源制氢系统的寿命和可靠性提升开辟了新路径。此外，本研究关于脉冲频率是影响衰减动力学关键因素的发现，为制定工业碱性电解槽的标准化加速降解测试协议提供了宝贵的理论依据。
本研究最大的亮点在于其思维范式的创新。它没有沿袭材料科学领域主流的“开发新型抗腐蚀催化剂”思路，而是另辟蹊径，从电气工程的角度，通过精准调控电源的时序输出来解决电化学腐蚀问题。这种跨学科的融合策略（电气工程与电化学结合）为可再生能源与氢能基础设施的深度整合提供了强有力的技术支持。其次，研究对反向电流腐蚀机理的阐述极为详尽，从双极板电势差的形成、反应物种的热力学氧化序列、到原子尺度的DFT计算和原位动态光谱监测，构建了从现象到本质的完整证据链。最后，从实验室简化模型到千瓦级工业系统的无缝验证，充分证明了该技术的可扩展性和实际部署潜力，其附带的经济性分析更是凸显了其巨大的市场前景。同时，研究中关于脉冲频率对降解行为影响的见解，有望指导未来行业测试标准的建立。