信息学院杨恒昭课题组在氢能领域取得两项新成果

由于其能量密度高、储能规模大、储能时间长，氢能在可再生能源领域应用前景广阔。作为氢能系统的关键部件，电解槽和燃料电池存在动态响应较慢、耐久性较差、成本较高等问题。因此，电解槽和燃料电池等氢储能部件通常与超级电容、锂离子电池等动态响应较快的电储能部件构成氢电混合储能系统。

近日，上海科技大学信息科学与技术学院智慧电气科学中心（CiPES）杨恒昭课题组（储能实验室）在制氢系统容量配置和能量管理领域取得两项研究进展。相关研究成果以上海科技大学为第一完成单位分别发表于可再生能源领域国际期刊IEEE Transactions on Sustainable Energy和Renewable Energy。

单一制氢系统的容量配置和能量管理

针对基于质子交换膜电解槽的单一制氢系统，研究人员提出了一个优化框架以解决系统的容量配置和能量管理问题。该系统以风电为主要电源，质子交换膜电解槽为主要负载，超级电容为辅助电源或辅助负载。所提出的优化框架利用粒子群优化算法，以最小化系统总成本为目标，优化了四个决策变量：电解槽容量、超级电容容量以及能量管理策略中的两个关键参数。为合理分配风电功率，能量管理策略引入了一个人工势场并定义了一个基于超级电容荷电状态的虚拟力。结果验证了该优化框架在降低系统总成本、控制超级电容荷电状态以及减缓电解槽退化等方面的有效性。

图1. 单一制氢系统优化框架

图2. 单一制氢系统能量管理策略

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图3. 结果：(a) 部件功率；(b) 功率分配因子；(c) 滤波器截止频率；(d) 超级电容荷电状态

该成果以“An Optimization Framework for Component Sizing and Energy Management in Electric-Hydrogen Hybrid Energy Storage Systems”为题发表于IEEE Transactions on Sustainable Energy。信息学院2024级博士研究生唐毓振为第一作者，杨恒昭教授为通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1109/TSTE.2025.3547919 

考虑电解槽物理特性的混合制氢系统

基于碱性电解槽和质子交换膜电解槽在动态响应特性、过载能力、成本等方面的互补性，研究人员提出了一种由两者构成的混合制氢系统。该系统以风电和光伏为主要电源，碱性电解槽和质子交换膜电解槽为主要负载，超级电容为辅助电源或辅助负载。为优化该系统的容量配置和能量管理，考虑了两种电解槽的静态和动态物理特性。其中，碱性电解槽运行功率的下限和上限分别根据其氧中氢阈值和过载能力等静态特性来确定。根据碱性电解槽、质子交换膜电解槽以及超级电容的动态响应特性，定义了两个反映风电和光伏功率波动的仿射函数。结果表明相比基于碱性电解槽或质子交换膜电解槽的单一制氢系统，混合制氢系统具有更高的经济收益和能量效率。

图4. 混合制氢系统结构示意图

图5. 混合制氢系统优化框架

图6. 结果：(a) 部件功率；(b) 超级电容荷电状态

该成果以“An Optimization Framework for Component Sizing and Energy Management of Hybrid Electrolyzer Systems Considering Physical Characteristics of Alkaline Electrolyzers and Proton Exchange Membrane Electrolyzers”为题发表于Renewable Energy。信息学院2024级博士研究生唐毓振为第一作者，杨恒昭教授为通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.122555