水电解制氢测试站
水电解制氢测试站作为氢能产业链的关键基础设施，承担着电解槽性能验证、质量检测和安全评估等核心功能。电解制氢测试站的核心价值在于验证技术可行性，氢能的未来，始于今日每一克氢气的精准测量。随着可再生能源装机规模持续扩大，水电解制氢技术正迎来快速发展。梳理水电解制氢测试站从规划到维护的全流程技术要点，旨在为行业发展提供参考。
一、规划与选址要求
从蓝图到运行，一套完整的水电解制氢测试站需要经过 规划→设计→生产→安装→运行→维护 六大环节。
1. 规划：市场与技术的双重验证
规划核心目标
验证技术路线
评估经济模型
匹配应用场景
1. 安全间距规划水电解制氢测试站选址需严格遵循《氢气站设计规范》(GB50177-2023)和《加氢站技术规范》(GB50516-2010(2021年版))，确保与周边建筑和设施保持安全距离。测试站作为甲类危险场所，需与重要公共建筑保持50米以上防火间距，与民用建筑保持25米以上防火间距。储氢罐与建筑物间距应根据储氢量和压力等级进行分级管理，通常储氢罐与测试站主体建筑间距不应小于5米。测试站总平面布局应遵循"功能分区、风险隔离"的基本原则，将制氢区、纯化区、压缩区、储存区和控制区等相互隔离，确保各区域之间保持必要的安全距离。制氢车间与储氢罐区间隔建议不小于16米，满足规范安全要求。测试站应设置高度≥2.5米的非燃烧体实体围墙，防止危险气体扩散至周边区域。
2. 规模确定测试站规模需根据测试能力需求进行合理规划。目前主流测试站规模主要分为三类：
小型测试站：测试能力200-500Nm³/h，适用于单台电解槽测试，主要服务于研发和小批量生产验证
中型测试站：测试能力500-1500Nm³/h，可同时测试多台电解槽，适用于电解槽性能验证和型式试验
大型测试站：测试能力1500Nm³/h以上，可进行整套电解水系统的测试，适用于工业级应用验证和并网/离网场景测试。
以中国能建北京设备公司建设的8兆瓦级测试平台为例，其设计测试能力覆500-1500标方/小时，可测试主流碱性电解水制氢电解槽和整流器，为行业提供了重要参考。
测试站规模与电解槽功率直接相关，一般按1 Nm³/h≈5-6kW进行估算，并根据测试需求配置相应的电力供应、冷却系统和气体处理设施。
3. 设备选型策略水电解制氢设备选型需考虑技术路线、应用场景和测试需求。
目前主流电解槽技术包括碱性电解槽(ALK)、质子交换膜电解槽(PEM)和阴离子交换膜电解槽(AEM)三大类。
ALK电解槽：成本低(约1200元/kW)，寿命长(>8万小时)，单槽产能可达3000标方/小时，系统成本低于0.8元/W，技术成熟度验证超40年，适用于大规模集中式制氢场景的测试。2023年国内招标量占比超95%，在风光大基地配套项目中占据主导地位。
PEM电解槽：响应速度快(200%/s)，电流密度高(1-2 A/cm²)，体积紧凑，但成本高(约6000元/kW)，依赖贵金属催化剂(铱用量0.3-0.5g/kW)。适合需要快速响应的小型应用和分布式场景的测试，如加氢站、离网制氢等。
AEM电解槽：结合ALK的低成本与PEM的灵活性，采用非贵金属催化剂，标方成本较PEM降低40%
2024年全球首套10kW系统已投运，2024年10月，卧龙英耐德发布了国产首台兆瓦级
AEM水电解制氢设备——AEM Nexus 1000，系统寿命可达8万小时。适合离网或分布式测试场景，尤其适合与可再生能源波动性供电相匹配的测试需求。在设备选型时，应建立"选型决策树"，根据应用场景进行差异化选择：离网场景(如海岛/矿区)→优先选择PEM或AEM电解槽并网场景(风光大基地)→以ALK为主，可搭配储能平抑波动合成氨/甲醇等连续生产场景→高产能ALK系统交通领域加氢站→需考虑快速启停和高压输出的电解槽。
二、建筑设计与安全规范
1. 功能区划分与空间布局水电解制氢测试站建筑功能区划分需明确且互为独立，具体包括：
制氢室：安装电解槽、冷却系统、电解液循环系统等核心设备，电解槽与墙面净距不小于1.5米，多台电解槽之间通道宽度不小于2米，
纯化室：设置氢气纯化设备，主要通道宽度不小于1.5米，确保操作和检修空间
压缩室：安装氢气压缩机、缓冲罐和分配盘等设备，压缩机之间间距1.5米，压缩机与墙面间距1.0米
储氢区：储氢罐应布置在室外，与建筑物保持安全距离，固定容积储罐组之间净距不小于相邻较大罐直径的0.5倍。
控制室：安装整流器、控制柜和DCS系统等，与制氢室隔墙相邻，设有地沟便于电缆布局，并设有观察窗便于观察制氢机工作状况。
辅助区：包括补水配碱室、仪表室、配电室和生活区等，应与危险区域保持安全距离建筑结构方面，有爆炸危险的厂房应采用钢筋混凝土框架结构或钢框架结构，耐火等级不低于二级。屋顶宜采用轻型泄压屋盖，泄压面积与厂房容积的比值应满足0.05-0.22m²/m³的要求。地面应采用不发火花材料，导电性能满足静电消散要求。
2. 防爆设计要求水电解制氢测试站防爆设计需按照《爆炸危险环境电力装置设计规范》(GB50058)和《危险场所电气防爆安全规范》(AQ3009)执行。氢气作为ⅡC级T1组别气体，其爆炸危险区域划分如下：
0区：爆炸性气体环境连续存在或长时间存在的区域，如密闭储罐内部、电解槽内部
1区：在正常运行时可能偶尔存在爆炸性气体环境的区域，如制氢间、储氢间、压缩机间等室内区域。
2区：在正常运行时不太可能出现爆炸性气体环境，即使出现也只是短时间存在的区域，如1区周边4.5米范围内或通风良好的区域
防爆电气设备选型需与危险区域等级匹配：0区设备应选Ex d IIC T1(隔爆型)
1区设备应选Ex d IIC T4(隔爆型)
2区设备可选Ex e IIC T4(增安型)或Ex d IIC T4(隔爆型)防爆墙体应采用无门、窗、洞的防火墙，耐火极限不低于二级。氢气压缩机间与制氢室之间的墙体应采用非燃烧体实体墙，确保安全隔离。所有电气设备应有防爆标志，标明级别、组别和温度组别，便于识别和管理。
3. 通风系统设计通风系统是防止氢气泄漏积聚的关键安全措施。根据GB50177-2023规定，有爆炸危险房间的自然通风换气次数每小时不得少于5次，事故排风换气次数每小时不得少于15次，且事故排风机应与氢气检测报警系统联锁控制。通风口设计需考虑氢气密度小、易扩散的特点，应设在屋顶高处，直径不小于200mm，可设防雨、防寒设施，确保泄漏的氢气能顺利逸出室外。同时，进风口应设在建筑物下方，排风口设在上方，形成有效的空气循环。氢气浓度报警与通风系统联锁控制需在30秒内响应，当氢气浓度达到0.4%时应触发声光报警信号；当浓度达到1%时应启动事故排风风机；当浓度达到1.6%时应触发加氢站紧急切断系统。通风设备能力应与实验活动相适应，顶棚表面应平滑，不应有易积聚氢气的死角。
三、电解水制氢设备技术特点与适用场景
1. 技术参数对比不同电解槽技术路线在性能参数上有显著差异，具体对比如下：
指标ALKPEMAEMSOEC成本(元/kW)120060002800-30005000(示范阶段)寿命(小时)>8000040000-6000030000-80000<20000响应速度≤30%/s200%/s10-120%/s极慢(小时级)工作温度(℃)70-9050-8050-70700-900工作压力(MPa)3.2(ALK案例)3-101.6-3.50.1-1.6能耗(kWh/Nm³)4.6-5.54.3-5.04.2-4.83.5-4.2技术成熟度完全商业化初步商业化工程化初期示范阶段电流密度(A/cm²)0.2-0.41-20.5-10.3-1
ALK电解槽的优势在于成本低、寿命长、产能大，但响应速度慢、体积大；
PEM电解槽的优势在于响应速度快、电流密度高、体积小，但成本高、依赖贵金属催化剂；AEM电解槽优势在于成本介于两者之间、采用非贵金属催化剂，但技术成熟度低，寿命数据有限；
SOEC电解槽优势在于理论效率最高，但工作温度高、寿命短、启停困难，目前处于示范阶段。
2. 适用场景分析
ALK电解槽：适合大规模并网制氢测试，如内蒙古测试中心10MW级项目，单槽产能可达3000标方/小时，系统成本低，技术成熟度高，但在动态调节能力方面有限(通常在40%-100%范围内运行)。
PEM电解槽：适合波动性电源场景测试，如风光发电配套项目，可在毫秒级响应，支持10%-200%的负载调整，但对水质要求高(需高纯水)，且催化剂成本高(占设备成本30%-40%)，需高纯水和贵金属催化剂。
AEM电解槽：适合离网或分布式测试场景，如新疆兆联清通能源科技有限公司的制加氢测试站，采用质子交换膜(PEM)电解水制氢技术，能耗小、氢气纯度高、响应速度快，但技术成熟度仍处于实验室向产业化过渡阶段。
SOEC电解槽：适合有工业余热或废热的特定测试场景，如日本JERA热电厂200kW SOEC测试项目，电解效率超过85%，但需外部高温热源支持，且寿命短(<20000小时)，材料要求高，目前仍处于示范阶段。
3. 最新技术发展趋势AEM技术突破：清能股份100kW AEM电解槽实测效率达95%(能耗42kWh/kg)，电流密度1.5A/cm²，已具备与ALK相当的产氢效率。
稳石氢能自研第三代膜电极实现10000小时运行衰减<5%，寿命超30000小时的AEM设备在2025年国内兆瓦级订单中占比达80%左右，技术逐渐成熟。
PEM技术进步：PEM电解槽成本呈下降趋势，2024年PEM设备降幅达32%，主要得益于技术突破与规模化效应。预计2025年1000Nm³/h PEM设备价格将下探至400万元，同时PEM电解槽无热胀冷缩设计，维护周期延长至60000小时，长期成本优势显现。
SOEC技术发展：爱沙尼亚Elcogen与芬兰Convion合作开发的SOEC电解槽通过2000小时测试，电解效率超过85%，较PEM和ALK电量消耗减少20%-30%，适合高温工业余热耦合场景，但需解决材料寿命问题。
测试站选型建议：建议测试站采用ALK为主力设备，覆盖主流技术测试需求，同时配置PEM和AEM测试模块，形成多功能测试能力。对于有特定需求的测试站，可考虑增加SOEC测试模块，但需评估额外热管理系统的成本和复杂度。
四、设备安装与系统集成方案
1. 系统集成技术要求水电解制氢系统集成需遵循《可再生能源水电解制氢系统技术要求》(GB/T 34583-2017)和《压力型水电解制氢系统技术条件》(GB/T 37562-2019)等标准。系统集成主要包括以下几个模块：
制氢模块：包括电解槽、整流器和控制柜等，是系统的核心部分纯化模块：包括氢气洗涤塔、干燥器和过滤器等，确保氢气纯度。
压缩模块：包括氢气压缩机、缓冲罐和分配盘等，提高氢气压力。
冷却模块：包括循环水泵、冷却塔和换热器等，维持系统温度辅助模块：包括原料水系统、碱液系统和电气系统等，支持系统运行。
系统集成时需注意模块之间的接口设计，如电解槽出口氢氧压力差应≤0.5kPa，氢气管需设放空管、切断阀和取样阀，氧气侧需阻火器。
PEM电解槽需纯水循环系统(电阻率≥10 MΩ·cm)，ALK电解槽需碱液循环系统(浓度25%-30% NaOH/KOH2. 氢气管道与设备安装规范氢气管道安装需遵循《氢气储存输送系统—第1部分：通用要求》(GB/T 34542.1-2017)和《氢气管道设计规范》(HG/T 22821-2025)等标准。管道材料需采用抗氢脆材料，如316L不锈钢，且需通过氢相容性试验。
氢气管道与其他架空管线之间的最小净距需符合规范要求，如与给水管、排水管平行净距≥0.25m，交叉净距≥0.25m。
氢气储罐安装需满足以下要求：
固定容积储氢容器设计压力不应小于工作压力的1.1倍，且必须设置安全泄放装置储氢容器和管道系统应配置氮气吹扫接口，吹扫气体流量按系统容积的3倍计算可能发生氢气泄漏的封闭空间应设置自动惰化系统，能够在30秒内将氧气浓度降至0.5%vol以下。
氢气压缩机安装需满足以下要求：压缩机之间间距1.5米，压缩机与墙面间距1.0米压缩机联轴器或皮带传动部位必须设置防护罩皮带传动系统应设置导静电装置压缩机进出口应设置高低压报警联锁系统，工作压力超过设计压力1.25倍时必须自动停机。
3. 电气系统与安全防护电气系统设计需符合《爆炸危险环境电力装置设计规范》(GB50058)和《危险场所电气防爆安全规范》(AQ3009)要求。爆炸危险区域内的电气设施应选择不低于氢气爆炸混合物级别、组别(ⅡCT1)的设备。
电气线路宜采用电缆直埋敷设，穿越行车道等场所应穿钢管保护。在爆炸危险环境区域内敷设的电缆应在以下位置做隔离密封：电缆引向电气设备接头部件前；相邻的不同环境之间。
防雷防静电设施设计需符合《建筑物防雷设计规范》(GB50057)和《防止静电事故通用导则》(GB12158)要求。所有防雷防静电接地装置应定期检测接地电阻，每年至少检测一次，爆炸危险环境场所的防雷装置宜每半年检测一次。
氢气使用区域应设置本质安全型人体静电导除装置，防止静电引发爆炸。
安全阀排放系统设计需符合《固定式压力容器安全技术监察规程》(TSG21)要求。储氢容器应设置安全阀，泄放能力计算采用公式W=2.45×10⁻³×A×P⁰.⁵×(M/T)⁰.⁵，确保安全阀能及时释放过压氢气。
五、运行监控与维护管理体系
1. 运行监控系统设计运行监控系统是确保测试站安全稳定运行的关键。
监控参数主要包括：
氢气纯度：应≥99.99%，氧含量≤0.5%(体积分数)，建议采用在线分析仪实时监测
氢气压力：工作压力应根据测试需求设定，通常在0.1-10.0MPa范围内，应设置压力变送器和安全阀
氢气温度：电解槽工作温度应控制在设计范围内，如
ALK电解槽工作温度80℃±5℃，
PEM电解槽60℃±5℃
氢气浓度：应设置固定式可燃气体检测报警仪，安装高度宜高出释放源0.5m-2m，周围留有不小于0.3m的净空
电解液参数：ALK电解槽需监测电解液浓度(25%-30% NaOH/KOH)、
电导率和温度
纯水电阻率：PEM电解槽需监测纯水电阻率(≥10 MΩ·cm)，防止杂质影响膜性能
氢气浓度报警阈值设定：根据《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》(GB50493-2019)，
一级报警值应设为氢气爆炸下限(LEL)的25%(0.4%体积分数)
二级报警值应设为LEL的50%(0.8%体积分数)。
在密闭空间作业时，
一级报警需下调至10% LEL(0.1%体积分数)，二级报警需下调至30% LEL(0.3%体积分数)。监控系统应具备数据记录功能，保存连续30天分钟级数据，断电10次不丢失。同时，监控系统应具备远程访问功能，便于专家团队进行远程诊断和指导。
2. 维护周期与内容规划维护管理是延长设备使用寿命、保证测试精度的重要环节。维护计划应遵循"预防为主、定期检查、及时维修"的原则，按维护周期可分为日常维护、定期维护和特殊维护。
ALK电解槽维护周期：
每日：检查运行参数(电压、电流、温度、压力)，记录运行数据
每月：检查电解液浓度，调整至25%-30% NaOH/KOH范围
每季度：检查电解液循环量，清洗电解液过滤器
每半年：检查密封件，必要时更换
每年：全面停机检修，更换所有密封件，校准全部仪表，进行模拟空载试运行
每5年：电解槽大修，更换隔膜和电极
PEM电解槽维护周期：
每日：监测槽电压(单槽≤1.8V)、电流密度(≤3kA/m²)、电解液温度(60-80℃)
每周：水路系统清洗，检测电导率(若>50μS/cm需酸洗
每月：电解槽密封性测试，保压压降<0.5%/小时
每季度：液压系统维护，更换润滑油，清洗油箱滤网
每半年：膜电极性能评估，离线测试极化曲线
每年：全面停机检修，更换所有密封件，校准全部仪表
AEM电解槽维护周期：
每日：监测槽电压、电流密度和电解液温度每月：检查膜电极状态，必要时清洗
每半年：检查催化剂活性，必要时更换
每年：全面停机检修，更换所有密封件，校准全部仪表
3. 故障处理流程故障处理是测试站安全运行的重要保障。
常见故障及处理流程如下：
氢气泄漏故障处理：
1.确认泄漏点，使用肥皂水或氢气检测仪定位泄漏位置
2.立即启动应急程序，关闭氢气总阀，启动防爆排风机
3.人员撤离至上风向，禁止开关任何电器设备
4.若泄漏量较大，使用氮气稀释，确保操作区氢气浓度≤0.4%5.维修完成后进行气密性测试，压降<0.5%/小时
电气故障处理：
1.确认故障类型，如断路、短路、缺相等
2.检查整流柜，将电流调节电位器调至零位再合闸
3.若合不上闸，使用万用表电阻档测量交流A、B、C三相对直流输出"正"、"负"端对交流某一相反向电阻，判断是否硅元件击穿
4.若发现硅元件击穿，切断交流电源，更换相应相硅元件
5.维修完成后进行空载试运行，验证系统稳定性冷却系统故障处理：
1.检查冷却水流量和压力，确认是否流量过小或压力不足
2.若流量过小，检查循环泵出口阀门开度，清洗过滤器
3.若压力不足，检查冷却水泵工作状态，必要时更换密封件
4.若温度过高，检查冷却塔工作状态，清洗换热器
5.维修完成后进行系统试运行，确保冷却系统正常工作
总结：
水电解制氢测试站作为氢能产业链的关键环节，其规划、设计、生产、安装、运行和维护需全面遵循国家相关标准和规范，确保安全、可靠、高效运行。测试站应根据应用场景和测试需求，选择合适的电解槽技术路线，建立完善的监控和维护体系，以支持电解水制氢技术的创新发展和产业化应用。未来，随着AEM等新型电解槽技术的成熟和成本下降，测试站设备选型将更加多元化，测试能力也将向更高压力、更大规模和更宽工况范围发展。同时，数字化、智能化技术在测试站中的应用将更加深入，实现设备状态的实时监测和预测性维护，提高测试效率和可靠性。在"双碳"目标引领下，水电解制氢测试站将继续发挥重要作用，为制氢设备的质量提升、成本降低和安全运行提供技术支撑，助力氢能产业高质量发展和能源结构向清洁低碳绿色转型。
电解制氢测试站的核心价值在于验证技术可行性，而非单纯产氢，"氢能的未来，始于今日每一克氢气的精准测量"。
参考文献：
A,《氢，氮，氩气体设备技术和应用》，2006-2024年，气体设备团队
B,《碱性水电解制氢技术培训》，2006-2024。气体设备团队
C,《碱性水电解制氢技术》，2006-2024,气体设备团队
D,《水电解制氢》第三版，2006-2024，气体设备团队
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