Israelisches Team entwickelt entkoppeltes PEC-Wasser

Forscher in Israel haben ein photoelektrochemisches (PEC) Wasserspaltungssystem mit separaten Zellen und entkoppelten Wasserstoff- und Sauerstoffzellen für die zentralisierte Wasserstoffproduktion entwickelt. Ein Artikel, der ihr System beschreibt, wurde in der Zeitschrift Joule veröffentlicht.

Photovoltaikbetriebene Wasserspaltungssysteme (PV-Elektrolyse), die kommerziell erhältliche Photovoltaik- und Wasserelektrolysetechnologien koppeln, wurden bereits in mehreren Pilotanlagen und Wasserstofftankstellen demonstriert. Der höchste gemeldete Wirkungsgrad der Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff (STH) für ein solches System, das aus Polymerelektrolytmembran-Elektrolyseuren (PEM) besteht, die von einer InGaP/GaAs/GaInNAsSb-Dreifachsolarzelle angetrieben werden, betrug 30 %, getestet über 48 Stunden. Trotz der hohen Effizienz machen die Komplexität und die Kosten des Geräts sein gehobenes Potenzial unpraktisch. PV-Elektrolysesysteme, die herkömmliche Si-PV-Module und alkalische Elektrolyseure umfassen, erreichen typischerweise einen STH-Wirkungsgrad von weniger als 10 %.

Inspiriert durch die natürliche Photosynthese zielt die photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltung, die Lichtgewinnung und elektrochemische Umwandlung von elektrischer Energie in in Wasserstoffbrückenbindungen gespeicherte chemische Energie kombiniert, wobei beide Funktionen gleichzeitig an der Fest-/Flüssigkeitsgrenzfläche zwischen einer Halbleiter-Photoelektrode und Wasser ausgeführt werden, auf Folgendes ab: eine wettbewerbsfähige Lösung für die Umwandlung und Speicherung von Solarenergie.

… Die vorliegende Arbeit ergänzt unsere frühere Studie, in der die konzeptionelle Idee der Zelltrennung in einem rein elektrolytischen Aufbau vorgeschlagen und demonstriert wurde, wobei ein PEC-PV-Tandemgerät mit getrennten Zellen im Tischmaßstab für die entkoppelte photoelektrochemische Wasserspaltung in getrennten Sauerstoff und Wasserstoff demonstriert wurde Zellen. Es befasst sich mit den Herausforderungen beim Entwurf, Bau und der Optimierung des Geräts zur Bewertung der Wasserstofferzeugung im großen Maßstab.

Die Sauerstoffzelle enthält zwei 100 cm2 große, hintereinander liegende Hämatit-Photoanoden, die zusammen mit Si-PV-Minimodulen angeordnet sind und die nötige Vorspannung für die selbstständige solare Wasserspaltung liefern. Die Wasserstoffzelle enthält die Kathode und ist physisch von der Sauerstoffzelle getrennt. In beiden Zellen sind Nickelhydroxid-Elektroden in Batteriequalität angebracht, um den Ionenaustausch (OH–) zwischen Kathode und Anode zu vermitteln. Der erfolgreiche Betrieb dieses Prototypsystems wurde auch unter Außenbedingungen mit natürlichem Sonnenlicht demonstriert.

Kurz gesagt, das entkoppelte System adressiert eine der größten Herausforderungen bei der groß angelegten PEC-Wasserspaltung: die Sammlung von Wasserstoffgas aus Millionen von PEC-Zellen, die im Solarfeld verteilt sind.

Konzeptionelle Darstellung einer solaren Wasserstofftankstelle mit verteilten PEC-Solarzellen zur Sauerstoffproduktion und einem zentralen Wasserstoffgenerator. Landman et al.

Der Ionenaustausch zwischen Kathode und Anode wird im neuen System durch Nickel(oxy)hydroxid-Hilfselektroden vermittelt und ermöglicht so eine physikalische Trennung der beiden Zellen.

Photoelektrochemische wasserspaltende Zellarchitekturen. (A) Konventionelle Einzelzellenkonfiguration einer PEC-Zelle, bestehend aus einem Photoanoden-PV-Tandemstapel und einer Kathode, getrennt durch eine Membran oder ein Diaphragma. (B) Getrennte Zellenkonfiguration für die entkoppelte PEC-Wasserspaltung mit einer sauerstoffproduzierenden Tandem-PEC-PV-Zelle und einer wasserstoffproduzierenden Elektrolysezelle, die elektrisch miteinander verbunden sind. Landman et al.

Die Sauerstoffzelle besteht aus einem PEC-PV-Tandemstapel aus Hämatit-Photoanoden, die in Reihe mit einem Silizium-Photovoltaik-Minimodul (PV) verbunden sind, während die Wasserstoffzelle eine Elektrolysezelle mit einer platinierten Titannetzkathode ist.

Das System verwendet 100-cm2-Hämatit-(a-Fe2O3)-Photoanoden und Nickelhydroxid- (Ni(OH)2)/Oxyhydroxid-(NiOOH)-Elektroden als Redoxmediatoren.

Die Betriebsbedingungen der Systemkomponenten und ihre Konfiguration wurden für tägliche Zyklen optimiert und zehn 8,3-Stunden-Zyklen wurden unter simulierter Sonnenbeleuchtung ohne zusätzliche Vorspannung bei einem durchschnittlichen Kurzschlussstrom von 55,2 mA durchgeführt.

Die Ergebnisse, so die Forscher, belegen den erfolgreichen Betrieb eines entkoppelten PEC-Wasserspaltungssystems mit getrennten Wasserstoff- und Sauerstoffzellen.

Ressourcen

Landman et al. (2019) „Entkoppeltes photoelektrochemisches Wasserspaltungssystem für die zentralisierte Wasserstoffproduktion“, Joule doi: 10.1016/j.joule.2019.12.006

Gepostet am 02. Januar 2020 in Wasserstoff, Wasserstoffproduktion, Solar, Solarkraftstoffe | Permalink | Kommentare (1)