Израильская команда разрабатывает разделенную воду PEC

Исследователи из Израиля разработали фотоэлектрохимическую (PEC) систему разделения воды с отдельными водородными и кислородными ячейками для централизованного производства водорода. Статья с описанием их системы опубликована в журнале Joule.

Системы расщепления воды с фотоэлектрической энергией (PV-электролиз), объединяющие коммерчески доступные фотоэлектрические технологии и технологии электролиза воды, уже были продемонстрированы на нескольких пилотных установках и водородных заправочных станциях. Самая высокая зарегистрированная эффективность преобразования солнечной энергии в водород (STH) для такой системы, состоящей из электролизеров с полимерной электролитной мембраной (PEM), питаемых от солнечного элемента с тройным переходом InGaP / GaAs / GaInNAsSb, составила 30% при испытаниях в течение 48 часов. Несмотря на высокую эффективность, сложность и стоимость устройства делают его высококлассный потенциал непрактичным. Фотоэлектрические системы, включающие обычные фотоэлектрические модули Si и щелочные электролизеры, обычно достигают эффективности STH менее 10%.

Вдохновленное естественным фотосинтезом, фотоэлектрохимическое (PEC) расщепление воды, которое сочетает в себе сбор света и электрохимическое преобразование электрической энергии в химическую энергию, запасаемую в водородных связях, при этом обе функции выполняются одновременно на границе твердого тела и жидкости между полупроводниковым фотоэлектродом и водой, направлено на обеспечение конкурентоспособное решение для преобразования и хранения солнечной энергии.

… Настоящая работа дополняет наше более раннее исследование, в котором концептуальная идея разделения клеток была предложена и продемонстрирована на чисто электролитической установке, демонстрируя настольное тандемное устройство PEC-PV с отдельными ячейками для фотоэлектрохимического разделения воды на отдельные кислород и водород. клетки. В нем рассматриваются проблемы проектирования, создания и оптимизации устройства для оценки крупномасштабного производства водорода.

Кислородная ячейка содержит два гематитовых фотоанода площадью 100 см2, расположенных спиной к спине, расположенных в тандеме с кремниевыми фотоэлектрическими мини-модулями, которые обеспечивают необходимое смещение для управления расщеплением воды без участия солнечной энергии. Водородный элемент содержит катод и физически отделен от кислородного элемента. Электроды из гидроксида никеля аккумуляторного качества размещены в обеих ячейках для обеспечения ионного обмена (OH–) между катодом и анодом. Успешная работа этого прототипа системы была также продемонстрирована на открытом воздухе при естественном солнечном свете.

Короче говоря, развязанная система решает одну из самых больших проблем в крупномасштабном расщеплении воды PEC: сбор газообразного водорода из миллионов ячеек PEC, распределенных в солнечном поле.

Концептуальная иллюстрация солнечной водородной заправочной станции с распределенными солнечными элементами PEC, производящими кислород, и централизованным генератором водорода. Ландман и др.

Ионный обмен между катодом и анодом в новой системе осуществляется с помощью вспомогательных электродов (окси)гидроксида никеля, что позволяет физически разделить две ячейки.

Архитектура фотоэлектрохимических водоразделяющих ячеек. (A) Обычная одноячеечная конфигурация ячейки PEC, включающая тандемную стопку фотоанод-PV и катод, разделенные мембраной или диафрагмой. (B) Конфигурация с отдельными ячейками для разделения разделенной воды PEC с тандемной ячейкой PEC-PV, производящей кислород, и электролитической ячейкой, производящей водород, электрически соединенными друг с другом. Ландман и др.

Кислородный элемент представляет собой тандемную стопку гематитовых фотоанодов PEC-PV, последовательно соединенных с кремниевым фотоэлектрическим (PV) мини-модулем, тогда как водородный элемент представляет собой электролитический элемент с катодом из платинированной титановой сетки.

В системе используются фотоаноды из гематита (a-Fe2O3) площадью 100 см2 и электроды из гидроксида никеля (Ni(OH)2)/оксигидроксида(NiOOH) в качестве окислительно-восстановительных медиаторов.

Условия работы компонентов системы и их конфигурация были оптимизированы для суточных циклов, проведено 108,3-часовых циклов при искусственном солнечном освещении без дополнительного смещения при среднем токе короткого замыкания 55,2 мА.

Результаты, по словам исследователей, демонстрируют успешную работу развязанной системы разделения воды PEC с отдельными водородными и кислородными ячейками.