Napredak tehnologije proizvodnje vodika i ekonomska analiza – Proizvodnja vodika u alkalnoj elektrolitičkoj ćeliji

Proizvodnja vodika alkalnim ćelijama relativno je zrela tehnologija elektrolitičke proizvodnje vodika. Alkalne ćelije su sigurne i pouzdane, s vijekom trajanja od 15 godina, te se široko koriste u komercijalne svrhe. Radna učinkovitost alkalnih ćelija općenito je 42% ~ 78%. U posljednjih nekoliko godina, alkalne elektrolitičke ćelije su napredovale u dva glavna aspekta. S jedne strane, poboljšana je učinkovitost ćelije i smanjeni su operativni troškovi povezani s potrošnjom električne energije. S druge strane, povećava se gustoća radne struje, a smanjuju se investicijski troškovi.

Princip rada alkalnog elektrolizera prikazan je na slici. Baterija se sastoji od dvije elektrode odvojene hermetički zatvorenom dijafragmom. Sklop baterije uronjen je u visoku koncentraciju alkalnog tekućeg elektrolita KOH (20% do 30%) kako bi se maksimizirala ionska vodljivost. Otopine NaOH i NaCl također se mogu koristiti kao elektroliti, ali se ne koriste često. Glavni nedostatak elektrolita je što su korozivni. Ćelija radi na temperaturi od 65 °C do 100 °C. Katoda ćelije proizvodi vodik, a nastali OH⁻ struji kroz dijafragmu do anode, gdje se rekombinira i proizvodi kisik.

Napredne alkalne elektrolitičke ćelije prikladne su za proizvodnju vodika velikih razmjera. Alkalne elektrolitičke ćelije nekih proizvođača imaju vrlo visok kapacitet proizvodnje vodika (500 ~ 760 Nm3/h), s odgovarajućom potrošnjom energije od 2150 ~ 3534 kW. U praksi, kako bi se spriječilo stvaranje zapaljivih smjesa plinova, prinos vodika ograničen je na 25% do 100% nazivnog raspona, maksimalna dopuštena gustoća struje je oko 0,4 A/cm2, radna temperatura je od 5 do 100 °C, a maksimalni elektrolitički tlak je blizu 2,5 do 3,0 MPa. Kada je elektrolitički tlak previsok, investicijski trošak se povećava, a rizik od stvaranja štetne smjese plinova značajno se povećava. Bez ikakvog pomoćnog uređaja za pročišćavanje, čistoća vodika proizvedenog elektrolizom alkalne ćelije može doseći 99%. Voda u elektrolitičkoj ćeliji mora biti čista, kako bi se zaštitila elektroda i sigurno radilo, vodljivost vode je manja od 5S/cm.