Fortschritt der Wasserstoffproduktionstechnologie und wirtschaftliche Analyse – Wasserstoffproduktion in alkalischen Elektrolysezellen

Die Wasserstoffproduktion in alkalischen Zellen ist eine relativ ausgereifte Technologie zur elektrolytischen Wasserstoffproduktion. Alkalibatterien sind sicher und zuverlässig, haben eine Lebensdauer von 15 Jahren und werden kommerziell häufig eingesetzt. Der Arbeitswirkungsgrad einer Alkalizelle beträgt im Allgemeinen 42 % bis 78 %. In den letzten Jahren haben alkalische Elektrolysezellen vor allem in zweierlei Hinsicht Fortschritte gemacht. Einerseits wurde der verbesserte Zellwirkungsgrad verbessert und die mit dem Stromverbrauch verbundenen Betriebskosten gesenkt. Andererseits steigt die Betriebsstromdichte und die Investitionskosten sinken.

Das Funktionsprinzip des alkalischen Elektrolyseurs ist in der Abbildung dargestellt. Die Batterie besteht aus zwei Elektroden, die durch eine luftdichte Membran getrennt sind. Die Batteriebaugruppe wird in eine hohe Konzentration an alkalischem Flüssigelektrolyt KOH (20 % bis 30 %) eingetaucht, um die Ionenleitfähigkeit zu maximieren. NaOH- und NaCl-Lösungen können ebenfalls als Elektrolyte verwendet werden, werden jedoch nicht häufig verwendet. Der Hauptnachteil von Elektrolyten besteht darin, dass sie ätzend sind. Die Zelle arbeitet bei einer Temperatur von 65 °C bis 100 °C. Die Kathode der Zelle produziert Wasserstoff und das entstehende OH – fließt durch das Diaphragma zur Anode, wo es sich zu Sauerstoff rekombiniert.

Fortschrittliche alkalische Elektrolysezellen eignen sich für die Wasserstoffproduktion im großen Maßstab. Von einigen Herstellern hergestellte alkalische Elektrolysezellen verfügen über eine sehr hohe Wasserstoffproduktionskapazität (500–760 Nm3/h) mit einem entsprechenden Stromverbrauch von 2150–3534 kW. Um die Entstehung brennbarer Gasgemische zu verhindern, wird in der Praxis die Wasserstoffausbeute auf 25 % bis 100 % des Nennbereichs begrenzt, die maximal zulässige Stromdichte beträgt etwa 0,4 A/cm2, die Betriebstemperatur beträgt 5 bis 100 °C. und der maximale Elektrolytdruck liegt nahe bei 2,5 bis 3,0 MPa. Wenn der elektrolytische Druck zu hoch ist, steigen die Investitionskosten und das Risiko der Bildung schädlicher Gasgemische steigt erheblich. Ohne zusätzliche Reinigungsvorrichtung kann die Reinheit des durch alkalische Zellelektrolyse erzeugten Wasserstoffs 99 % erreichen. Das Elektrolytwasser der alkalischen Elektrolysezelle muss rein sein. Um die Elektrode zu schützen und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, beträgt die Wasserleitfähigkeit weniger als 5 S/cm.