光伏与风电是一种无碳排放的可再生能源，但是其能量具有波动性的特征，对电网系统的安全运行冲击较大，国内很多地区可供并网的风电、光伏装机容量已达上限。使用光伏、风能进行耦合离网电解水制氢，不但可以解决光伏、风电的消纳难题，还有助于国家在工业、交通运输及民用领域深度脱碳，实现国家“碳中和、碳达峰”政策。
目前技术成熟的大型电解水制氢设备主要有碱性电解水槽（ALK）和质子交换膜电解水槽（PEM）。PEM电解水槽虽然可以匹配风电、光伏的波动性，但是膜电极催化剂依赖铂族贵金属，而全球90%的铂矿位于南非、加拿大等英联邦国家，优质的质子交换膜则主要由美国杜邦公司提供，导致PEM电解槽的价格大约是ALK电解槽的5倍。而且在中美贸易摩擦的背景下，大规模发展PEM电解水技术存在着极大的能源安全风险。碱性电解槽不需要使用贵金属催化剂，且核心部件都能实现国产，因此是当前大规模生产绿氢的最优选择。
为解决离网风光耦合制取绿氢的卡脖子问题，苏州希倍优氢能源科技有限公司与姑苏实验室、固德威技术股份有限公司、苏州科技大学等机构合作，在苏州构建离网光伏电解水制绿氢系统，旨在解决绿氢的制取的难题。该系统包含宽负载功率电解槽及离网制氢电源，实现了离网光伏电流驱动碱性电解槽制绿氢，氢气无须提纯即可达到99.98%以上。
图 1.离网光伏电解水制氢系统。（a）屋顶离网光伏系统；（b）和（c）碱性电解槽及其后处理系统。
根据离网光伏和风电波动性的特点，苏州希倍优氢能源科技有限公司定制了宽负载功率电解槽系统，额定输入电压200V，直流能耗≤4.1kW·h/Nm³，电流密度3200 A/㎡，可在额定负载30%-110%范围内动态运行，能匹配光伏电流的波动性特点。在正常光照强度波动下，电解槽出口氢气无须进行提纯即可稳定达到99.98%，在最佳工况下直流能耗低至4.0 kW·h/Nm³。电解槽还可以承受极端电流扰动，可以在30秒内响应5倍的电流波动。实验过程中，整个光伏制氢系统可以将100%额定负载功率30秒内降至20%，或者将20%负载功率30秒内升至100%，过程中氢气纯度始终维持在99.8%以上。
图 2.离网光伏电解水制氢实验。（a）碱性电解水槽操作界面；（b）离网光伏电解水制氢的氢气纯度随光照和电流的变化，绿色区域内为正常光照变化下的氢气纯度，棕色区域为人工模拟极端情况下将输出电流调整数倍导致的氢气纯度变化。
依据光照能源波动性的特点，苏州科技大学唐叔贤院士团队采用IGBT方案开发设计了新型的离网光伏制氢电源，预留交流电（AC）接口，融合DC/DC和AC/DC电源转化模块，动态追踪光伏的最大输出功率点（MPP），通过优化系统软件算法实现直流电（DC）和交流电（AC）耦合转化成电解槽所需的直流电（DC），使制氢电源可稳定输出约200V电压，并根据光照强度变化动态改变输出电流，进而调整电解槽工作IV曲线，最大程度上优化界面耦合，使得光伏直流电转换成电解槽所需直流电的效率达到96%，完美匹配电解槽运行工况，运行过程中氢氧纯度达到电解槽的设计标准。未来制氢电源的AC接口可以接入风电，实现纯离网风光互补耦合制绿氢。
图 3.基于IGBT方案设计的200V制氢电源系统。（a）设计原理；（b）研制的制氢电源设备。
希倍优公司设计的宽功率负荷碱性电解槽对国内绿氢开发与应用的产生重要影响。在风力、光照资源较好的新疆、内蒙古等地区，光伏、风电的发电成本可以降至0.1元/度电，宽功率负荷碱性电解槽与离网制氢电源联用，可以大幅度降低绿氢的生产成本。根据成本估算，采用纯离网风光互补的碱性电解水制氢价格可以降至9元/kgH2，在化工冶金、氢能、天然气掺氢等领域都有重要的应用前景。
