制氫原理、工藝及設備，附高清圖

最近在研究制氫設備的儲運，本以為制氫屬于高科技，沒想到原理這么簡單。

1 制氫原理

工業上的制氫原理和我們小學科學課學習的制氫原理一樣，都是通過電解水生成氫氣。純水沒有導電性，工業上一般使用20%~30% KOH水溶液作為電解質，增加導電性，并提高氫氧根離子OH-的含量，于是就有了堿性水電解（AWE）制氫。

圖 1 電解水科學實驗

1.1 電化學反應

總反應

2H2O(l) → 2H2(g)+O2(g)

陰極反應（析氫 HER，還原）

2H2
O+2e?→ H2↑+2OH?水在陰極得電子 → 產生氫氣 + 氫氧根離子

陽極反應（析氧 OER，氧化）

4OH?→ 2H2
O+O2↑+4e?+ OH?遷移到陽極 → 失電子 → 產生氧氣 + 水

圖 2 堿性水電解制氫原理

1.2 工作過程

1. 通電：外加直流電壓，電子從電源負極→陰極
2. 陰極：H2O + e?→ H2↑ + OH?（氫氣冒出）
3. 離子遷移：OH?穿過隔膜 從陰極→陽極（導電、閉合回路）
4. 陽極：OH?→ O2↑ + H2O + e?（氧氣冒出）
5. 電子回流：e-從陽極→電源正極，形成回路

圖 3 堿性水電解制氫工作過程

2 制氫設備

2.1 核心組件（電解槽單池）

1. 陰極（負極）：產氫電極（多為鎳 / 鋼）
2. 陽極（正極）：產氧電極（多為鎳合金）
3. 電解液：20%~30% KOH（氫氧化鉀）水溶液（導電、提供 OH?）
4. 隔膜（Separator）：多孔石棉 / 聚合物膜 ——隔氣、導離子、防爆炸
5. 直流電源（DC）：提供分解水的電能

圖 4 單電解槽原理

2.2 雙極（壓濾）槽（主流、高效）設備結構示意圖

圖 5 雙極槽原理

2.3 設備參數

• 溫度：70–90°C（中低溫）
• 壓力：1–30 bar（可加壓產氫）
• 純度：H?≈99.7%（可提純至 99.999%）
• 電耗：4.1~5.0 kWh/Nm3
• 優勢：成本低、壽命長（10–15 年）、技術成熟
• 劣勢：動態響應慢、不適合頻繁波動的風光電

2.4 設備高清圖

制氫裝置主要包括進水純化單元、堿液循環單元、核心電解槽單元、氣液分離純化單元、自控 & 供電 & 輔助單元，其中電解槽屬于核心設備。

電解必須用高純水，防止結垢、腐蝕、堵電極隔膜。

電解槽結構形式類似三明治，由雙極板 → 陰極 → 隔膜 → 陽極 → 雙極板多層壓濾組裝堆疊而成，多層重復堆疊 + 密封墊 + 端板 + 螺栓壓緊最終形成完整電解槽。

圖 6 堿性水電解制氫設備

圖 7 電解槽

圖 8 電解槽

圖 9 電解槽

圖 10 電解槽

圖 11 電解槽組成

圖 12 電解槽結構組成圖

圖 13 電解槽結構組成圖

圖 14 電解槽結構組成圖

圖 15 電解槽結構組成圖

圖 16 電解槽結構組成圖