Progresso da tecnologia de produção de hidrogênio e análise econômica – Produção de hidrogênio em célula eletrolítica alcalina

A produção de hidrogênio por células alcalinas é uma tecnologia eletrolítica relativamente madura. As células alcalinas são seguras e confiáveis, com uma vida útil de 15 anos, e têm sido amplamente utilizadas comercialmente. A eficiência operacional das células alcalinas geralmente varia de 42% a 78%. Nos últimos anos, as células eletrolíticas alcalinas apresentaram avanços em dois aspectos principais. Por um lado, houve um aumento na eficiência das células e uma redução nos custos operacionais associados ao consumo de eletricidade. Por outro lado, houve um aumento na densidade de corrente operacional e uma diminuição no custo de investimento.

O princípio de funcionamento do eletrolisador alcalino é mostrado na figura. A bateria consiste em dois eletrodos separados por um diafragma hermético. O conjunto da bateria é imerso em uma solução de eletrólito líquido alcalino de alta concentração (KOH, de 20% a 30%) para maximizar a condutividade iônica. Soluções de NaOH e NaCl também podem ser usadas como eletrólitos, mas não são comuns. A principal desvantagem desses eletrólitos é a sua corrosividade. A célula opera a uma temperatura de 65 °C a 100 °C. O cátodo da célula produz hidrogênio, e o OH⁻ resultante flui através do diafragma até o ânodo, onde se recombina para produzir oxigênio.

Células eletrolíticas alcalinas avançadas são adequadas para a produção de hidrogênio em larga escala. Células eletrolíticas alcalinas fabricadas por alguns fabricantes apresentam alta capacidade de produção de hidrogênio (500 a 760 Nm³/h), com consumo de energia correspondente de 2150 a 3534 kW. Na prática, para evitar a formação de misturas gasosas inflamáveis, o rendimento de hidrogênio é limitado a 25% a 100% da faixa nominal, a densidade de corrente máxima permitida é de cerca de 0,4 A/cm², a temperatura de operação varia de 5 a 100 °C e a pressão eletrolítica máxima fica próxima de 2,5 a 3,0 MPa. Quando a pressão eletrolítica é muito alta, o custo do investimento aumenta e o risco de formação de misturas gasosas nocivas aumenta significativamente. Sem qualquer dispositivo auxiliar de purificação, a pureza do hidrogênio produzido por eletrólise em células alcalinas pode atingir 99%. A água utilizada na eletrólise em células alcalinas deve ser pura; para proteger os eletrodos e garantir a operação segura, a condutividade da água deve ser inferior a 5 S/cm.