水电解制氢技术早在18世纪初叶就已开发，是一种获得高纯度氢气的传统方法。该方法在获得氢气的过程中会消耗大量的电能，但因其对电能的质量要求不高，能容忍间歇性供电等特点，故可利用新能源发电来为制氢的过程提供所需的电能。利用非并网风电、太阳能发电等新能源发电制氢既可以解决弃风、弃光等浪费，又可以降低水电解制氢的成本。水电解制氢可以分为新能源发电和水电解两个过程，新能源发电技术已经在第6章中详细讲解，例如风力发电、太阳能发电、生物质能发电、燃气发电、潮汐发电等，这里不再赘述。水电解是将增强水导电性的酸性或碱性电解质溶于水中，并让电流通过水，在阴极和阳极上就分别得到氢和氧。

世界各国利用水电解制氢的工艺流程虽不断改进和完善，但其大致过程可表述为：在电解池中经过电解产生的氢气或氧气连同碱液一起进入氢、氧分离器，在分离器中进行气液分离，分离后的碱液经冷却器冷却，除去多余的热量，再经碱液过滤器过滤，除去碱液中的固体杂质，然后返回电解槽继续进行电解，实现电解液的循环利用。电解分离出来的氢气或氧气经气体冷却器冷却降温，再经捕滴器除去夹带的水分后的氢气送纯化或直接使用。

在整个制氢的过程中，根据碱液循环方式的不同分为强制循环和自然循环两类。其中自然循环主要是利用系统中液位的高低差和碱液的温差来实现的；而强制循环主要是用碱液泵作动力来推动碱液循环，其循环强度可由人工来调节。强制循环过程又可分为以下3种循环流程。

1.双循环流程

双循环是将氢分离器分离出来的碱液用氢侧碱液泵依次经过制氢侧的冷却器、过滤器、计量器后送至电解池的阴极室，由阴极室出来的氢气和碱液再次进入氢分离器。同样，将氧分离器分离出的碱液，用氧侧碱液泵依次经过制氧侧冷却器、过滤器、计量器后送到电解池的阳极室，由阳极室出来的氧气和碱液再次进入氧分离器。这样各自形成一个循环系统，碱液互不混合（见图8.6）。

这种方法广泛地应用于美国EC系列、天津大陆制氢设备有限公司、苏州竞立制氢设备有限公司的产品等。此方法的优点是获得的氢气、氧气纯度稍高些，氧气纯度不低于99.5％，可直接将氢气和氧气进行充瓶销售；缺点是流程复杂、设备仪器仪表多、控制检测点多、造价高等。当流程对氢气、氧气纯度要求高于99.9％，需经纯化后再处理。

2.混合循环流程

混合循环流程是由氢分离器和氧分离器分离出来的碱液在泵的入口混合，由碱液泵依次经过冷却器、过滤器、计量器后，同时送到电解池的阴极室和阳极室内（见图8.7）。

图8.6 双循环流程(www.daowen.com)

图8.7 混合循环流程

这种方法相较于双循环流程可以大幅度地减少设备仪器仪表和控制检测点。因此，这种循环方式为世界上多数国家生产的水电解制氢设备所采用。

3.单循环流程

单循环没有氢分离器，碱液由碱液泵依次经过冷却器、过滤器、计量器后，直接送到电解池的阳极室（阴极室无碱液），由阳极室出来的碱液在氧分离器中进行气液分离（见图8.8）。

这种方法可以有效地避免公共管道内出现水的电解；氢气室压力大于氧气室压力也不会造成氢气的纯度降低；隔膜的高阻透液特性，保证氢、氧气不会发生相互渗透，氢气中的水分含量也较低，因此氢气的纯度相对较高。但是对隔膜的技术要求较高和生产的速率相对较低，此循环方式为美国HM系列水电解制氢设备所用。

传统的水电解制氢的效率一般为50％～70％，使得工业化的电解水制氢的成本仍然很高，很难与矿物燃料为原料的而制氢过程相竞争。但是，随着新能源发电制氢的崛起，特别是弃风、弃光为电源的制氢工艺的发展和普及，水电解制氢势必具有广阔的前景。

图8.8 单循环流程