As global demand for clean hydrogen continues to grow in pursuit of carbon neutrality, the focus has primarily been placed on improving hydrogen production efficiency and reducing costs associated with electrolysis. However, a significant portion of the potential energy and material value generated in the hydrogen production process remains untapped. In particular, byproducts such as high-purity oxygen (O₂), waste heat, and process water from electrolysis are typically neglected in current system designs, despite their potential for meaningful resource recovery. This study proposes a comprehensive framework for the valorization and integration of these byproducts into green hydrogen production systems, with the aim of enhancing system-wide energy efficiency, circularity, and environmental sustainability.
The electrolysis of water yields hydrogen and oxygen in a 2:1 molar ratio. While hydrogen is typically stored and utilized, the co-produced oxygen―often at 99.5% purity―is vented to the atmosphere without further use. Similarly, the thermal energy generated by electrolysis stacks and power electronics (inverters, rectifiers) typically ranges between 40°C and 80°C, representing a substantial but underutilized source of low-grade heat. Additionally, process water used in electrolysis (especially in alkaline or AEM systems) becomes contaminated with ions or undergoes electrochemical degradation, leading to wastewater that is either discharged or requires costly treatment. Collectively, these byproducts present an opportunity for improved resource recovery, economic gain, and reduction of system-wide environmental impact.
In this study, we systematically evaluate the potential applications and recovery strategies of each byproduct within a modular electrolysis system. For oxygen, utilization pathways such as municipal water treatment aeration, small-scale medical oxygen supply, and enhancement of combustion or fuel cell processes are considered.