制氢原理、工艺及设备，附高清图

最近在研究制氢设备的储运，本以为制氢属于高科技，没想到原理这么简单。

1 制氢原理

工业上的制氢原理和我们小学科学课学习的制氢原理一样，都是通过电解水生成氢气。纯水没有导电性，工业上一般使用20%~30% KOH水溶液作为电解质，增加导电性，并提高氢氧根离子OH-的含量，于是就有了碱性水电解（AWE）制氢。

图 1 电解水科学实验

1.1 电化学反应

总反应

2H2O(l) → 2H2(g)+O2(g)

阴极反应（析氢 HER，还原）

2H2
O+2e−→ H2↑+2OH−水在阴极得电子 → 产生氢气 + 氢氧根离子

阳极反应（析氧 OER，氧化）

4OH−→ 2H2
O+O2↑+4e−+ OH−迁移到阳极 → 失电子 → 产生氧气 + 水

图 2 碱性水电解制氢原理

1.2 工作过程

1. 通电：外加直流电压，电子从电源负极→阴极
2. 阴极：H2O + e−→ H2↑ + OH−（氢气冒出）
3. 离子迁移：OH−穿过隔膜 从阴极→阳极（导电、闭合回路）
4. 阳极：OH−→ O2↑ + H2O + e−（氧气冒出）
5. 电子回流：e-从阳极→电源正极，形成回路

图 3 碱性水电解制氢工作过程

2 制氢设备

2.1 核心组件（电解槽单池）

1. 阴极（负极）：产氢电极（多为镍 / 钢）
2. 阳极（正极）：产氧电极（多为镍合金）
3. 电解液：20%~30% KOH（氢氧化钾）水溶液（导电、提供 OH⁻）
4. 隔膜（Separator）：多孔石棉 / 聚合物膜 ——隔气、导离子、防爆炸
5. 直流电源（DC）：提供分解水的电能

图 4 单电解槽原理

2.2 双极（压滤）槽（主流、高效）设备结构示意图

图 5 双极槽原理

2.3 设备参数

• 温度：70–90°C（中低温）
• 压力：1–30 bar（可加压产氢）
• 纯度：H₂≈99.7%（可提纯至 99.999%）
• 电耗：4.1~5.0 kWh/Nm³
• 优势：成本低、寿命长（10–15 年）、技术成熟
• 劣势：动态响应慢、不适合频繁波动的风光电

2.4 设备高清图

制氢装置主要包括进水纯化单元、碱液循环单元、核心电解槽单元、气液分离纯化单元、自控 & 供电 & 辅助单元，其中电解槽属于核心设备。

电解必须用高纯水，防止结垢、腐蚀、堵电极隔膜。

电解槽结构形式类似三明治，由双极板 → 阴极 → 隔膜 → 阳极 → 双极板多层压滤组装堆叠而成，多层重复堆叠 + 密封垫 + 端板 + 螺栓压紧最终形成完整电解槽。

图 6 碱性水电解制氢设备

图 7 电解槽

图 8 电解槽

图 9 电解槽

图 10 电解槽

图 11 电解槽组成

图 12 电解槽结构组成图

图 13 电解槽结构组成图

图 14 电解槽结构组成图

图 15 电解槽结构组成图

图 16 电解槽结构组成图