堿性水電解（ALK）作為一種成熟且成本較低的電能制氫技術，結合干燥和氧氣純化步驟，可有效生產純度超過99.9%的氫氣。然而，該技術主要設計用于額定工況或接近滿負荷的穩態運行，其適應部分負載特別是間歇性運行的能力有限。隨著電網中可再生能源（如風電、光伏）占比持續提升，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，堿性水電解技術在此領域面臨嚴峻挑戰。

一、部分（低）負載運行的主要挑戰：氣體雜質與安全風險

電解過程中，陽極產生氧氣，陰極產生氫氣。雖然隔膜能顯著抑制大部分氣體（如氧氣向陰極側、氫氣向陽極側）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。在額定工況下，這些微量雜質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壓差決定，近似為常數。

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

雜質相對濃度攀升：當(1)恒定（分子）而(2)降低時，產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。

這種雜質濃度的上升帶來了關鍵的安全問題。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，堿性電解槽設有安全聯鎖機制：一旦監測到任一氣體流中雜質濃度達到2% vol（低于爆炸極限的安全冗余），即觸發系統停機，以便在低風險狀態下進行有序吹掃。

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），其對應的就是2% vol的雜質限值。不同設計的電解槽，其負載下限普遍處于額定負荷的10%-40%區間。這意味著：

電力供應強度波動至額定值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。

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

二、負載下限區間（10%-40%）的成因：電解液循環模式差異

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：反應后，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（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移。

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

被迫高負荷停機：為了在低負載時不觸發2% vol的安全閾值，系統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）優勢與代價：若陰極和陽極分離后的電解液各自獨立循環（不混合），能有效抑制上述交叉污染，顯著降低雜質基線濃度，從而將安全負載下限推近至更低水平（如~10%）。

液位平衡管理：確保兩側液位穩定，避免虹吸或泵送問題。

濃度調節能力：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重要。

面臨的挑戰：分流回路本身存在新的問題。

維持平衡的復雜性：這要求系統具備精密的。

陰極區域濃度升高：陰極反應消耗水導致局部KOH/NaOH濃度上升。

陽極區域濃度稀釋：陽極反應生成水導致局部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氣體量增多。

結論：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計，并配套實施高效的液位和濃度平衡策略，以維持雜質濃度在安全范圍內。研究表明，共用電解液循環對此組合工況的適應性高度敏感且不穩定。

四、斷電與低電壓管理

在雜質濃度維持安全限值以內的前提下，系統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：即使雜質濃度可控，一旦電壓逼近該閾值，也需立即停機保護電極。

應對策略：

電容效應緩沖：現代多層復合電極結構可發揮一定的電容效應（相當于一個內部大電容）。實驗證明，在完全斷電后，此效應能夠延緩電極電壓的跌落速度，為系統爭取重啟時間。研究數據顯示，若能在斷電后10分鐘內恢復供電，有可能避免停機并維持持續運行，顯著提高系統應對短暫波動的能力。

五、溫度管理的復雜性

部分負載運行也給系統溫控帶來了顯著挑戰：

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

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

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

六、應對部分負載波動的外部策略

為有效應對低于負載下限（如10%-25%）的功率波動，避免頻繁啟停，常需結合外部策略，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（如電池、超級電容或飛輪），平抑可再生能源的快速波動，提供穩定的直流輸入。

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

技術難點：

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、運行時長、負載曲線等，用于評估老化狀態、預測壽命、制定精準維護計劃（如電極更換）及優化運行策略。