Postęp technologii wytwarzania wodoru i analiza ekonomiczna – Produkcja wodoru w alkalicznym ogniwie elektrolitycznym

Produkcja wodoru w ogniwach alkalicznych jest stosunkowo dojrzałą technologią produkcji wodoru elektrolitycznego. Ogniwo alkaliczne jest bezpieczne i niezawodne, ma żywotność 15 lat i jest szeroko stosowane komercyjnie. Wydajność robocza ogniwa alkalicznego wynosi zazwyczaj 42% ~ 78%. W ciągu ostatnich kilku lat alkaliczne ogniwa elektrolityczne poczyniły postępy w dwóch głównych aspektach. Z jednej strony poprawiono wydajność ogniw i zmniejszono koszty operacyjne związane ze zużyciem energii elektrycznej. Z drugiej strony wzrasta gęstość prądu roboczego i zmniejszają się koszty inwestycji.

Zasadę działania elektrolizera alkalicznego pokazano na rysunku. Bateria składa się z dwóch elektrod oddzielonych hermetyczną membraną. Zespół baterii zanurza się w alkalicznym ciekłym elektrolicie KOH o wysokim stężeniu (20% do 30%), aby zmaksymalizować przewodność jonową. Jako elektrolity można również stosować roztwory NaOH i NaCl, ale nie są one powszechnie stosowane. Główną wadą elektrolitów jest to, że są żrące. Ogniwo pracuje w temperaturze od 65°C do 100°C. Katoda ogniwa wytwarza wodór, a powstały OH – przepływa przez membranę do anody, gdzie ulega rekombinacji, tworząc tlen.

Zaawansowane alkaliczne ogniwa elektrolityczne nadają się do produkcji wodoru na dużą skalę. Alkaliczne ogniwa elektrolityczne niektórych producentów charakteryzują się bardzo dużą wydajnością produkcji wodoru (500 ~ 760 Nm3/h), przy poborze mocy na poziomie 2150 ~ 3534 kW. W praktyce, aby zapobiec tworzeniu się palnych mieszanin gazów, uzysk wodoru ogranicza się do 25% do 100% zakresu znamionowego, maksymalna dopuszczalna gęstość prądu wynosi około 0,4A/cm2, temperatura pracy wynosi od 5 do 100°C, a maksymalne ciśnienie elektrolityczne wynosi blisko 2,5 do 3,0 MPa. Gdy ciśnienie elektrolitu jest zbyt wysokie, koszt inwestycji wzrasta, a ryzyko powstania szkodliwej mieszaniny gazowej znacznie wzrasta. Bez dodatkowego urządzenia oczyszczającego czystość wodoru wytwarzanego w procesie elektrolizy w ogniwach alkalicznych może osiągnąć 99%. Woda elektrolityczna w ogniwach alkalicznych musi być czysta, aby chronić elektrodę i zapewnić bezpieczną pracę, przewodność wody jest mniejsza niż 5S/cm.