绿色氢气过程分析解决方案

绿色氢气是实现碳中和目标的关键能源载体。本文涵盖四种主流的绿色氢气生产技术路线：

•    碱性水电解（AEC） ：成熟的大规模制氢技术，具有成本低、寿命长的优势。

•     阴离子交换膜（AEM） ：新一代电解技术，兼具碱性环境的低成本与非贵金属催化剂优势。

•    质子交换膜（PEM） ：电流密度高、响应快，与可再生能源波动高度适配。

•    生物质气化绿氢（BGH2） ：利用农林废弃物等可再生原料，经气化、变换、提氢制取绿色氢气。

全流程的水质、气体纯度、微量杂质及辅助系统的在线测量，是保障安全运行、延长设备寿命、提高氢气纯度、防止副反应及降低运维成本的关键。其中，AEC 工艺需严格控制碱液浓度与杂质积累；

AEM 工艺对 CO2、 NH3  敏感，需防止碳酸盐沉淀； PEM  工艺对超纯水电阻率、溶解氧及氢氧互窜有j严苛要求； BGH2 工艺需严格监控原料水分、 H2S、 NH3、 HCl 及变换率。马鞍山迈思特智能科技有限公司为制氢厂提供“从源头到产品、从安全到环保 "的一站式测量解决方案。

1.   技术路线概览

1.1 碱性水电解（AEC）制氢工艺简介

碱性水电解（AEC） 以氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）水溶液为电解液，浓度通常为20- 30 wt%。电解槽由阴极、阳极和隔膜组成，隔膜采用石棉或非石棉材料（如聚苯硫醚PPS）以防止氢氧混合。在直流电作用下，水分子在阴极表面还原生成氢气和氢氧根离子，氢氧根离子通过电解液和隔膜迁移至阳极，在阳极表面氧化生成氧气和水。电解液循环流动， 带走反应热并维持浓度均匀。工业上常采用双极性压滤式电解槽结构，多个电解单元串联，以提高单台设备的产氢能力。电解槽操作温度一般为70-90℃,压力从常压到数兆帕。该技术成熟、成本低、寿命长，适应大规模制氢，电解液可循环使用，补给水经纯化后连续加入阴极侧。

图1. 碱性水电解（AEC）制氢工艺测控点示意图

1.2 阴离子交换膜（AEM）制氢工艺简介

阴离子交换膜（AEM） 电解使用阴离子交换膜作为隔膜，以稀碱液或纯水为电解液，可采用非贵金属催化剂（如镍、钴、铁基材料）。电解槽结构与PEM类似，但膜传导的是氢氧根离子而非质子。在阴极侧，水分子被还原生成氢气和氢氧根离子；氢氧根离子通过阴离子交换膜迁移至阳极，在阳极侧与金属催化剂作用生成氧气和水。AEM电解液通常是1wt%左右的KOH溶液或纯水， 操作温度约50-70℃ ,压力可设计为常压或加压。由于膜的化学稳定性相对较低，电解液需保持适当碱度以维持离子电导率。该技术兼具碱性电解的低成本与高分子膜电解的紧凑结构优势， 对启停和波动工况适应性强，适用于中小型分布式制氢场景。

图2. 阴离子交换膜（AEM）制氢工艺测控点示意图

1.3 质子交换膜（PEM）制氢工艺简介

质子交换膜（PEM） 电解以纯水为原料，使用全氟磺酸膜（如Nafion）作为电解质。膜两侧涂覆贵金属催化剂（阳极常用铱、钌，阴极常用铂）。水在阳极被分解为氧气、质子和电子，氧气和水从阳极出口排出；质子通过膜迁移至阴极，与外部电路传导来的电子结合生成氢气。电解槽采用零间隙结

构，膜电极组件（MEA）与双极板紧密贴合，以降低欧姆电阻。操作电流密度可达1-3A/cm² ,远高于碱性电解；工作温度通常为50-80℃,压力可高达3-5 MPa，有利于减少后续压缩能耗。 PEM电解响应速度快， 能跟随可再生能源波动快速启停， 产氢纯度可达99.9%以上， 无需额外脱氧即可达到99.999%。该技术目前是绿氢领域的主流路线之一，尤其适合与风能、太阳能等波动电源耦合。

图3. 质子交换膜（PEM）工艺测控点示意图

1.4 生物质气化绿氢（BGH2）制氢工艺简介

生物质气化制氢以农林废弃物、林业残余物、秸秆、稻壳等生物质为原料。原料经预处理（干燥、粉碎）后送入气化炉， 在高温（700-1200℃)和缺氧条件下与气化剂（空气、氧气、水蒸气或它们的混合物） 反应， 生成含H2、 CO、CO2、CH4及少量焦油和杂质的粗合成气。气化炉类型包括固定床、流化床和气流床等。粗合成气经除尘、水洗和脱焦油后进入水煤气变换反应器，在催化剂作用下， CO与水蒸气反应转化为H2和CO2，以调节H2/CO比例至约2:1。随后合成气经脱硫、脱碳等净化步骤去除H2S、 NH3、 HCl等杂质， 最后通过变压吸附（PSA）提纯得到高纯氢气(≥99.99%）。该技术利用可再生非粮生物质资源， 不依赖化石燃料，工艺流程较长但原料来源广泛，适合在农林资源丰富地区建设。

图4. 生物质气化绿氢（BGH2）制氢工艺测控点示意图

2. 制氢全流程测控点一览表

3. 原水与预处理模块：奠定纯水品质基础

对制氢工艺用纯水的电导率、杂质离子和颗粒物有严格要求，否则会导致膜污染、电极副反应和电解液劣化。

•    原水取水口（序1-3） ：测量电导率（0~5000 µS/cm） 、 pH（0~14） 、浊度（0~200 NTU） 。意义在于监控水源季节性盐度变化、酸碱冲击及悬浮物基准。

•    絮凝沉淀过滤（序4-7） ：絮凝池出口pH（0~14）控制絮凝剂优化； 沉淀池出口浊度（0~50 NTU）评估沉淀效果； 污泥浓度（0~50 mg/L）确保沉淀后出水达标；砂滤器出口浊度（0~5 NTU）验证过滤效果。

•    活性炭及软化（序8） ：活性炭过滤器出口浊度（0~2 NTU）监测炭粉泄漏， 防止后续膜系统堵塞。

•    反渗透（RO）系统（序9-15）： RO保安过滤器出口浊度（0~1 NTU）为最后物理屏障； RO进水总管同时测量电导率（0~2000 µS/cm）、 pH（6.5-7.5）和ORP（-500~500 mV）—— ORP监测氧化性物质（如余氯）以免氧化RO膜； RO产水总管道电导率（0~100 µS/cm）计算总脱盐率， pH反映产水酸碱平衡； RO浓水管道电导率（0~5000 µS/cm）监控盐分积累和结垢风险。

•     EDI及超纯水（序16 ， 19）： EDI进水确保电导率<20 µS/cm （量程0~50 µS/cm）， EDI浓水管道电导率（0~100 µS/cm）监控运行状态。 EDI产水电导率可低至0.06 µS/cm以下， 为制氢工艺提供高品质补水。

4.  电解槽气体在线分析（适用于AEC、AEM、 PEM） ：安全与效率的双重保障

电解槽阴极和阳极出口气体组成是电解水制氢核心监控点。

•     阴极出口总管（序25-28）：

o  H₂浓度（0~100 vol%）实时计算产氢量。

o  O₂含量（0~2 vol%）判断隔膜泄漏。

o  微量水分（0~1000 ppm）评估干燥负荷。

o  N₂含量（0~1vol%）监测空气渗入（如垫片泄漏）。

•     阳极出口总管（序29-31）：

o  O₂浓度（0~100 vol%）安全监控。

o  H₂含量（0~4 vol%）为关键安全指标——当H₂混入氧气侧超过4 vol%即进入爆炸范围。

o  微量水分（0~1000 ppm）用于干燥负荷评估。

5. 氢气纯化干燥： 达到燃料电池级纯度

纯化系统将粗氢（约99%纯度） 提纯至99.999%以上，需严格测控。

•    脱氧器入口（序34-35） ：O₂含量（0~1000 ppm）判断是否需要脱氧；微量水分（0~1000 ppm）评估干燥前负荷。

•    脱氧器出口（序36-37） ：O₂含量降至0~10 ppm验证脱氧效果；水分降至0~500 ppm （脱氧生成水需后续深度干燥）。

•    再生气体管道（序38-39） ：O₂（0~1 vol%）和微量水分（0~100 ppm）监控再生气体品质，防止空气混入影响吸附剂再生。

•     产品氢气缓冲罐（序40-43） ：最终产品检测要求极其严格——

o  H₂浓度99.5~100 vol%。

o  微量水分0~10 ppm。

o  O₂含量<5ppm（量程0~10 ppm）。

o  N₂含量<50ppm （量程0~100 ppm）。

6. 氢气压缩与储存：安全与品质的最后防线

•    压缩机入口（序44-46）： H₂纯度（99.5~100 vol%）、 O₂（0~10 ppm）及微量水分

（0~50 ppm）。 O₂含量是压缩过程防爆的核心指标， 微量水分防止压缩时冷凝导致液击或腐蚀。

•    压缩机出口（序47） ：再次测量微量水分（0~50 ppm），确认压缩过程无额外水分引入。

•    储罐出口管道（序48-49） ：微量水分（0~10 ppm）和O₂含量（0~10 ppm） ，确保长期储存后氢气品质仍满足终端要求。

•    储罐顶部气相（序50） ：O₂含量（0~10 vol%），长期储存后顶部可能因扩散或泄漏积聚氧气，需防爆预警。

7. 氧气纯化储存（副产氧利用）

对于副产氧的外售或回用，需监测：

•    产品氧出口（序75-77） ：O₂浓度90~100 vol%； H₂含量0~4 vol% ，控制氧气中氢含量防止进入爆炸区间； 微量水分0~1000 ppm防止管道腐蚀。

8. 放空/排放系统：安全泄压的关键监控

•    氢气放空总管（序78）： H₂浓度0~100 vol%，监测放空气可燃性，确保泄压时不进入爆炸范围。氧气放空总管（序79）： H2含量0~4vol% ，监测富氧环境下氢污染风险。

9. 废水环保及公用工程： 合规与降本

•    废水环保（序51-54） ：工艺排污及中和池pH（0~14）和电导率（0~20000 µS/cm）控制中和达标排放；雨水排放口pH监控初期雨水。

•    冷却水系统（序55-57） ：冷却塔回水pH（0~14）防止酸性腐蚀；回水电导率（0~10000 µS/cm）控制浓缩倍数；补水（0~1000 µS/cm）监控补水水质。确保换热效率， 减少结垢。

•    锅炉系统（序59-62） ：给水pH（8.5-9.5）和电导率（0~10 µS/cm）监控给水纯度；炉水pH（9-11）和电导率（0~5000 µS/cm）监控浓缩倍数，预防腐蚀和积盐。

•    整流柜冷却水（序63）： 电导率0~10 µS/cm保证冷却水绝缘性能，防止高压泄漏。

10. 碱性水电解（AEC）特有模块

电解液浓度直接影响电解效率、电极腐蚀和隔膜寿命。

•    碱液补充管道与储罐（序22-23）：电导率量程0~500 mS/cm，控制补碱浓度25-30%。

•     KOH配制罐（序24）： 电导率0~1000 mS/cm，反映离子强度，确保配制浓度一致。

•    循环碱液管道（序32）：电导率0~800 mS/cm，监控碱液中杂质积累（如碳酸盐、铁离子），决定更换或再生时机。

•    碱液回收罐（序33） ：电导率0~500 mS/cm，控制回收浓度， 实现碱液循环经济。

11. 阴离子交换膜（AEM）特有模块

AEM工艺对空气中的CO2和膜降解产生的NH3极为敏感，必须在线监控。

•     阴极出口总管CO2含量（序64）：量程0~1vol% ，采用红外气体分析仪。 CO2会穿透阴离子交换膜并与电解液反应生成碳酸盐，导致离子电导率下降并可能堵塞多孔传输层。实时监测CO2含量可判断膜状态和CO2吸收效果。

•     阴极出口总管NH3含量（序65）：量程0~20 ppm，采用激光气体分析仪。 NH3是阴离子交换膜降解的特征产物，在线监测可预警膜化学老化。

•     阳极出口总管NH3含量（序66）：量程0~20 ppm，同样采用激光气体分析仪。阳极侧NH3可能来自副反应或跨膜迁移， 监测其变化有助于判断膜完整性。

•     电解液循环罐电导率（序67）：量程0~500 mS/cm，四电极电导率仪。监控电解液中杂质积累（如碳酸盐、硫酸盐）以及是否发生碳酸钾沉淀，决定电解液更换或再生时机。

12. 质子交换膜（PEM）特有模块

•     EDI及超纯水（序17,18,20）：  CO2会穿透RO膜并在EDI中形成碳酸，降低产水电阻率， EDI进水CO2含量（0~50 ppm）实时监测脱气效果。溶解氧在PEM阳极侧可能参与副反应，降低电流效率并加速膜老化， EDI产水溶解氧（0~10 ppb）控制<5 ppb。超纯水储罐循环回水/出口电导率（0~18.2 MΩ·cm）确保罐内水质稳定。

•    注水注碱系统（序21）：超纯水补水管道电导率（0~1 µS/cm）确认补水水质达标。

13. 生物质气化绿氢（BGH2）特有模块

生物质气化产生的粗合成气含有  H2S、 NH3、 HCl 等杂质，会毒化下游变换催化剂和PSA吸附剂，同时需控制气化效率及变换率。

•    原料预处理（序68） ：原料皮带秤含水量（0~50 wt%），采用电磁波水分仪。控制原料水分在10-20%之间，以保证气化效率和合成气产率。

•     气化炉出口合成气（序69-72）：

o  H2S含量（0~1vol%）：采用紫外气体分析仪。硫化物会使变换催化剂中毒，需精确监测以指导脱硫工序。

o  NH3含量（0~5000 ppm） ：采用激光气体分析仪。氨会影响环保排放和催化剂活性，需在线监测。

o  HCl含量（0~500 ppm） ：采用激光气体分析仪。氯化物在高温下引起设备腐蚀，需严格控制。

o  CO含量（0~50 vol%）： 采用红外气体分析仪。计算气化效率，调整气化剂（氧气/蒸汽）比例。

•    水煤气变换出口（序73）： CO含量（0~30 vol%）， 红外气体分析仪。控制变换率，调节合成气H2/CO比例至约2:1，为后续PSA提氢优化条件。

•    洗涤塔循环水（序74）： pH（0~14），固态无孔参比电极pH计。洗涤塔用于脱除合成气中的灰尘和部分酸性气体， 循环水pH控制防止酸性腐蚀。

若生物质气化工艺中采用纯氧气化剂副产二氧化碳：

•    产品  CO2   出口：CO2纯度(≥99.9 vol%）：确认产品二氧化碳纯度满足外售或封存要求，指导纯化工序运行状态。微量水分（0~50 ppm）： 防止水分在管道和设备中冷凝， 避免腐蚀和水合物形成，影响输送和储存安全。 O2含量（0~1vol%）：控制氧气杂质含量， 防止氧化反应，确保二氧化碳符合工业或食品级标准。

14. 马鞍山迈思特智能科技有限公司全流程测量仪表解决方案

针对上述所有测控点， 马鞍山迈思特智能科技有限公司提供如下仪表测量解决方案：

•    氢气/氮气/氧气/二氧化碳/一氧化碳/硫化氢/氯化氢/氨气等气体分析：

o  绿氢纯度分析仪 ， 该分析仪在99. 5%~100 vol%窄量程内具有超高灵敏度与极低线性误差，能够精准捕捉氢气浓度的微小变化；响应速度快， 可实时反映工艺波动； 受环境温度及流量变化影响很小。可同时满足H₂纯度、O₂含量、 H₂O含量、 N₂含量的多参数测量 ，一台仪器即可替代传统气相色谱仪，大幅降低设备投入与运维成本。产品主要应用于产品氢气纯度分析场景，为判断绿氢纯度是否符合国际标准要求提供可靠监测数据。

o  绿氢分析仪，创新产品。在电解水制绿氢的实际应用中，电解槽产出的氢气含有大量水蒸气。  若缺乏适当的湿度补偿，气流中的水蒸气会显著影响基于热导率的氢气测量，导致氢气读数产生误差——在正常湿度条件下，误差通常介于 1–5vol% H₂  之间；而在高饱和度、温度波动或发生局部冷凝等严苛条件下，误差甚至可能超过读数的±10%。热导式绿氢分析仪具备先进的温湿度补偿算法， 同时集成了防冷凝和防尘设计 ，能有效校正水蒸气干扰，确保在高湿、高热的电解槽出口等恶劣工况下稳定、准确工作， 实现低漂移、长寿命、快速响应。

o  光学/电化学/顺磁氧气分析仪 ，推荐光学氧分析仪 ，基于荧光猝灭原理的全固态传感器，无耗材、响应快、漂移极低，使用寿命预计可达5年以上。持续监测大气压力， 并自动将氧分压转换为真实的体积浓度， 确保在不断变化的环境条件下也能进行高精度的氧测量。 未经补偿时，大气压变化1%即导致测量偏差1%；日常波动2~3%、恶劣天气5~7%、极端台风超11%。通过实时自动补偿这些变化， 提供稳定可靠的测量结果， 同时最大限度地减少频繁重新校准的需求。

o  伽伐尼电池微量氧分析仪 ，量程0~10 ppm及0~1000 ppm ，这项先进的补偿功能可校正环境压力波动对氧分压测量的影响，防止因天气相关的压力变化引起的信号漂移和报警偏差，从而确保痕量氧监测的一致性和可靠性。未经补偿时，大气压变化1%即导致测量值偏差1%； 日常波动2~3%、恶劣天气5~7%、极端台风超11%。

o  激光气体分析仪 ，基于可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术， 专用于  NH3和 HCl的高精度在线监测。 TDLAS 技术， 通过0.05 nm窄带宽激光精准锁定目标气体吸收峰，不受  H2、 H2O、CO、CO2  等背景气体的交叉干扰，响应速度快（秒级），无需定期校准。

o  紫外气体分析仪 ，适用于BGH2工艺中气化炉出口  H2S 含量测量。紫外吸收光谱技术对硫化物具有高选择性和灵敏度，测量范围0~1vol%，响应快，不受合成气中 CO、 CO2、CH4  等背景气体干扰。

o  红外气体分析仪 ，采用非色散红外（NDIR）技术， 适用于BGH2工艺中的CO 含量监测（气化炉出口及水煤气变换出口） 和AEM工艺中的CO2穿透监测。线性误差小，测量精准；传感器样品池长期稳定性好； 响应快速 ，温度压力补偿 ，零漂小。

•     微量水分测量：

在电解水制氢的应用场景中，从电解槽出口到产品氢气缓冲罐的全流程， 都需要严格控制微量水分。五氧化二磷电解法微量水分仪基于法拉第定律进行绝对测量，具有稳定、不漂移的特性。它能可靠应用于氢气、氧气等多种气体，通用性强。在需要时， 其传感器电极膜层可进行再生， 维护费用极低。

•     电磁波水分仪：用于原料皮带秤含水量测量。非接触式测量，实时输出原料水分（0~50 wt%），帮助控制气化效率和合成气产率。

•     pH/ORP测量：

迈思特采用固态无孔参比电极技术，以电化学活性的离子导电聚合物作为无孔参比液接界，从根本上杜绝了传统电极常见的KCl电解液流失和液接界堵塞问题。该设计使电极不受接地回路电流影响，同时避免了不对称电位的产生，测量精度大幅提升。

传统pH电极在碱性水电解的强碱环境、AEM 的高盐低电导工况、 PEM  的超纯水以及

BGH2  的洗涤废水等恶劣工况下， KCl电解液易扩散， 液接界易被污染，造成测量滞后和严重漂移。而固态无孔参比电极技术的pH计响应时间小于5秒， 月电位漂移小于1mV，使用寿命通常是传统电极的3-5倍。无孔固态参比电极几乎免维护，对表面结垢的敏感性低，即使在高盐、强电场、腐蚀介质的环境下也能保持长期稳定性和准确度。

在高盐、强电场、腐蚀介质的环境下，固态pH计能将pH控制精度维持在±0.05pH范围内， 化学品消耗降低15%-20%  ，核心设备更换周期延长一倍， 显著降低了生产成本与设备维护压力。配合同系列ORP计，该技术非常适合用于低电导率纯水、电解液、高盐废水等严苛工况， 可应用于RO进水氧化性监控、 工艺排污中和控制以及冷却水/锅炉水防腐蚀管理等场景。

•     电导率/浓度测量： 四电极设计，消除极化误差， 无需频繁校准；内置自诊断与自动温度补偿。测量范围覆盖0~200 µS/cm （超纯水）至0~500 mS/cm（电解液），兼容RO水、 电解液、锅炉水、废水等介质。

•    浊度/污泥浓度：成熟可靠，用于原水、沉淀池、过滤器等环节，量程覆盖0~200 NTU至0~10 NTU，满足全流程过滤效果监控。

•    溶解氧分析仪：用于EDI产水总管溶解氧测量，量程0~10 ppb，控制<5 ppb，保障PEM电解槽进水品质，防止溶解氧在阳极参与副反应。

结论：

马鞍山迈思特智能科技有限公司 分析测量解决方案为碱性水电解（AEC）、阴离子交换膜

（AEM）、质子交换膜（PEM）及生物质气化（BGH2）四种绿色氢气技术提供了从源头到产品、从安全到环保的全流程精准测控支持。无论是碱性电解液的强腐蚀环境、 AEM 对 CO2/NH3  的敏感性、

PEM 对超纯水及溶解氧的严苛要求，还是生物质气化对  H2S、 NH3、 HCl 等微量杂质的在线监测，

迈思特的固态无孔  pH/ORP  电极、四电极电导率仪、光学氧分析仪、 ZIM 创新绿氢纯度分析仪与绿氢分析仪、激光/红外/紫外气体分析仪、五氧化二磷电解法微量水分仪及电磁波水分仪等产品，均以其高精度、高可靠性、低维护和强环境适应性， 保障了制氢过程的安全性、产品纯度和运行经济性。

马鞍山迈思特智能科技有限公司 是绿色氢能行业从设计、运行到市场推广中值得信赖的测量合作伙伴。