Tiga rute teknis untuk produksi hidrogen dari air elektrolitik - elektroliser alkali, PEM, dan oksida padat
Pada prinsipnya, elektrolisis air untuk produksi hidrogen adalah proses elektrokimia di mana molekul air dipisahkan menjadi hidrogen dan oksigen masing-masing di katoda dan anoda, di bawah pengaruh arus searah. Tergantung pada prinsip reaksi, ada tiga pilihan utama: elektrolisis air alkali (ALK), elektrolisis air murni dengan membran penukar proton (PEM) dan elektrolisis air oksida padat (SOEC). Elektrolisis berair basa (ALK) dan elektrolisis membran penukar proton (PEM) untuk produksi hidrogen telah diluncurkan secara komersial, sedangkan elektrolisis oksida padat sedang dalam tahap pengembangan laboratorium.
Elektrolisis alkali (ALK): Elektrolisis alkali menggunakan larutan berair alkali seperti KOH sebagai elektrolit dan kain bukan tenunan (polimer fluor atau klorin fluor) sebagai diafragma untuk mengelektrolisis air untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen di bawah arus searah. Hasil gas sebanding dengan arus dan konsumsi listrik per unit hasil gas terkait dengan tegangan elektrolisis dan suhu reaksi. Tegangan penguraian teoritis air adalah 1,23V dan konsumsi daya teoritis adalah 2,95kWh/m3, sedangkan konsumsi daya sebenarnya dari elektrolisis air alkali adalah sekitar 5,5kWh/m3 dan efisiensi konversi pengelektrolisis sekitar 60%.
ALK telah tersedia secara komersial selama hampir 100 tahun dan teknologinya relatif matang, dengan umur 15-20 tahun, dan biayanya hanya seperlima dari elektroliser PEM dengan ukuran yang sama.
Kekurangan: ukuran besar, efisiensi rendah, dan respons dinamis lambat. 1) Ukuran elektroliser alkali jauh lebih besar daripada elektroliser PEM untuk skala produksi hidrogen yang sama karena laju reaksi yang lambat dan densitas arus yang rendah karena penggunaan katalis logam non-mulia. 2) Larutan alkali sangat intensif perawatannya dan karena itu membutuhkan perawatan yang sering. 3) Waktu start-up dingin elektroliser ALK adalah 1-2 jam karena konsumsi daya yang diperlukan untuk memanaskan elektrolit. 4) dinamika elektroliser alkali lambat dan tidak memungkinkan pelacakan yang baik dari pembangkit energi terbarukan yang berfluktuasi. Selain itu, untuk memastikan kemurnian produksi hidrogen, pengelektrolisis basa harus mempertahankan tingkat daya lebih dari 20% dari daya pengenalnya,
Elektroliser membran penukar proton (PEM): elektrolisis air PEM untuk produksi hidrogen dan alur kerja sel bahan bakar PEM adalah proses yang berlawanan satu sama lain. Komponen utama dari sel PEM tipikal meliputi elektroda membran (membran penukar proton, lapisan katalitik, lapisan difusi), pelat bipolar, pelat resin epoksi, dan pelat ujung. Lapisan katalitik adalah antarmuka tiga fase yang terdiri dari katalis, media transfer elektron dan media transfer proton, yang merupakan inti dari reaksi elektrokimia. Membran penukar proton digunakan sebagai elektrolit padat, biasanya membran asam perfluorosulfonat, untuk mengisolasi katoda dari menghasilkan gas, untuk mencegah transfer elektron dan untuk mentransfer proton.
Keunggulan: efisiensi tinggi, tidak ada larutan basa, ukuran kecil, keamanan dan keandalan, respons dinamis yang baik, dll. Konsumsi daya yang sesuai dari teknologi elektrolisis PEM adalah sekitar 5,0kWh/m3 dan efisiensinya sekitar 70%. Dibandingkan dengan ALK, sistem elektrolisis air PEM tidak memerlukan de-alkalisasi. Pada saat yang sama, sel elektrolisis PEM lebih kompak dan dinamis, menjadikannya ideal untuk digunakan secara seri dengan sumber energi terbarukan yang berfluktuasi.
Kerugian: biaya tinggi karena kebutuhan untuk menggunakan logam mulia. Saat ini hanya logam mulia seperti iridium dan ruthenium yang dapat digunakan sebagai katalis. Untuk mengurangi biaya bahan katalis dan pengelektrolisis, terutama pemuatan logam mulia dari elektrokatalis katoda dan anoda, dan untuk meningkatkan efisiensi dan masa pakai pengelektrolisis, merupakan prioritas penelitian utama untuk pengembangan elektrolisis air PEM untuk produksi hidrogen .
Solid Oxide Electrolyzer (SOEC): beroperasi pada suhu sekitar 800°C, ini merupakan teknologi elektrolisis air yang sangat menjanjikan dibandingkan dengan elektrolisis alkali dan elektrolisis PEM, yang beroperasi pada suhu sekitar 80°C. Saat ini masih dalam tahap pengembangan laboratorium. Bahan katoda untuk SOEC suhu tinggi umumnya adalah cermet berpori Ni/YSZ (yttrium doped zirconia) dan bahan anoda terutama chalcogenide oxide, dengan kemungkinan LSCF (lantanum strontium cobalt iron) di masa depan. Elektrolit perantara adalah konduktor ion oksigen YSZ. Uap air yang bercampur dengan sedikit hidrogen masuk dari katoda (tujuan pencampuran hidrogen adalah untuk memastikan atmosfir pereduksi pada katoda dan untuk mencegah oksidasi bahan katoda Ni), dimana terjadi reaksi elektrolisis untuk membentuk H2 dan O2-, yang melewati lapisan elektrolit ke anoda, di mana ia kehilangan elektron untuk membentuk O2. SOEC juga merupakan operasi kebalikan dari SOEF.
(1) Tidak seperti elektrolisis air alkali dan elektrolisis air PEM, elektrolisis air oksida padat suhu tinggi menggunakan oksida padat sebagai bahan elektrolit dan bekerja pada suhu 800-1000°C. Kinerja elektrokimia dari proses produksi hidrogen meningkat secara signifikan dan efisiensi penggunaan energi lebih tinggi, mencapai ≥90%; (2) Pengelektrolisis dapat menggunakan katalis logam tidak mulia dan terbuat dari semua bahan keramik, mengurangi masalah korosi peralatan. Masalah korosi peralatan berkurang.
Kekurangan: daya tahan yang buruk. Lingkungan suhu dan kelembaban yang tinggi membatasi pilihan bahan untuk elektroliser yang stabil, tahan lama dan tahan terhadap pembusukan, membatasi pilihan skenario aplikasi untuk teknologi produksi hidrogen SOEC dan penggunaannya secara luas.