Развитие технологий производства водорода и экономический анализ – Производство водорода в щелочном электролитическом элементе

Производство водорода с помощью щелочных электролитических элементов — это относительно зрелая технология электролитического производства водорода. Щелочные элементы безопасны и надежны, имеют срок службы 15 лет и широко используются в коммерческих целях. Эффективность работы щелочных элементов обычно составляет 42% ~ 78%. В последние несколько лет щелочные электролитические элементы достигли прогресса в двух основных направлениях. С одной стороны, повысилась эффективность элементов и снизились эксплуатационные расходы, связанные с потреблением электроэнергии. С другой стороны, увеличилась плотность рабочего тока и снизились инвестиционные затраты.

Принцип работы щелочного электролизера показан на рисунке. Батарея состоит из двух электродов, разделенных воздухонепроницаемой диафрагмой. Батарейный блок погружен в высококонцентрированный щелочной жидкий электролит KOH (от 20% до 30%) для максимальной ионной проводимости. В качестве электролитов также могут использоваться растворы NaOH и NaCl, но они не получили широкого распространения. Главный недостаток электролитов заключается в их коррозионной активности. Ячейка работает при температуре от 65 °C до 100 °C. Катод ячейки производит водород, а образующиеся OH– проходят через диафрагму к аноду, где рекомбинируют, образуя кислород.

Современные щелочные электролитические ячейки подходят для крупномасштабного производства водорода. Щелочные электролитические ячейки некоторых производителей обладают очень высокой производительностью по производству водорода (500–760 Нм³/ч) при соответствующем потреблении электроэнергии 2150–3534 кВт. На практике, чтобы предотвратить образование легковоспламеняющихся газовых смесей, выход водорода ограничен 25–100% от номинального диапазона, максимально допустимая плотность тока составляет около 0,4 А/см², рабочая температура — от 5 до 100 °C, а максимальное электролитическое давление — около 2,5–3,0 МПа. При слишком высоком электролитическом давлении увеличиваются инвестиционные затраты и значительно возрастает риск образования вредных газовых смесей. Без каких-либо вспомогательных устройств очистки чистота водорода, производимого щелочным электролитом, может достигать 99%. Электролитическая вода в щелочном электролите должна быть чистой, чтобы защитить электрод и обеспечить безопасную работу, а ее проводимость должна быть менее 5 С/см.