Kleine ‘gap’ optimaliseert betaalbare en duurzame alkaline elektrolyzer

De betaalbare en duurzame alkaline elektrolyzers kunnen slecht omgaan met een flexibel aanbod van elektriciteit – terwijl dat een voorwaarde is om inzetbaar te zijn voor de opslag van zonne- en windenergie. Hier lijkt een team TU/e-onderzoekers nu wat op gevonden te hebben.

Thijs de Groot, universitair hoofddocent Sustainable Process Engineering: “Alkaline elektrolyzers kun je maken met relatief goedkope grondstoffen, wat ze heel geschikt maakt als duurzame keuze. Daarom wilde ik juist daarnaar onderzoek doen. Om te bekijken of we die geschikt kunnen maken voor flexibele energieopslag.”

Explosief mengsel

Het membraan in een elektrolyser moet ervoor zorgen dat de waterstof en de zuurstof niet bij elkaar komen. Geen enkel membraan is echter in staat om zuurstof en waterstof perfect uit elkaar te houden, en dat kan mogelijk voor gevaarlijke situaties zorgen. Als er te veel waterstof aan de zuurstofkant terechtkomt (>4% hydrogen cross-over), ontstaat namelijk een explosief mengsel.

Het lekken van waterstof vindt altijd wel een beetje plaats, maar vooral wanneer de elektrolyzer op hele hoge druk werkt, of wanneer de elektrolyzer niet op volle kracht draait. Dan wordt er minder zuurstof gemaakt, waardoor de lekkende waterstof minder goed verdunt. Om dat gevaar te beteugelen, draaien alkaline elektrolyzers nu bij voorkeur op volle kracht. En daardoor is het lastiger om ze direct aan een zonne- of windpark te koppelen.

Beheers de ‘gap’

Om alkaline elektrolyzers flexibeler te maken, en te zorgen dat ze veilig kunnen meebewegen met een variabele stroom door de elektrodes, wil je dus het waterstof-lek beheersen. De afstand tussen het membraan en de kathode is daarbij heel belangrijk, de zogenaamde ‘gap’.

In het verleden is al onderzoek gedaan naar deze gaps bij de elektroden. Die onderzoeken richtten zich voornamelijk op de efficiëntie van de elektrolyse. En die efficiëntie is het grootst bij een zero-gap aan de kathode.

Maar als er geen gap is, heb je juist te maken met veel gas dat zich door het membraan beweegt. Dit heeft te maken met een hoge oververzadiging van waterstof dichtbij het membraan. Oververzadiging is het fenomeen dat je ook ziet in bier en koolzuurhoudende frisdrank als je de fles openmaakt. Die oververzadiging moet dus omlaag, als je wilt zorgen dat je elektrolyzer flexibeler wordt, zonder explosiegevaar.

Daarom heeft het team systematisch onderzoek gedaan naar het effect van de grootte van de gap. En dan met name naar het effect op de hoeveelheid waterstof dat zich door het membraan beweegt en de prestaties van de elektrolyzer. Daaruit bleek dat een kleine, maar meetbare gap aan de kathode het lekken enorm verlaagt. “En dat met een acceptabel verlies in prestaties! Zodat je uiteindelijk onder de streep een functionelere en vooral flexibelere elektrolyzer overhoudt”, zegt de Groot.

Bewijs

“Dat is de conclusie van onze wetenschappelijke analyse, dus nu is het tijd voor de volgende stap: het bouwen van een proof-of-concept. Dat gaan we dus ook doen in ons lab. Daarmee kunnen we naar verwachting bewijzen dat een flexibele elektrolyzer schaalbaar is naar de industrie.”