Equipo israelí desarrolla agua PEC desacoplada

Investigadores en Israel han diseñado un sistema de división de agua fotoelectroquímico (PEC) de celda separada con celdas de hidrógeno y oxígeno desacopladas para la producción centralizada de hidrógeno. Un artículo que describe su sistema se publica en la revista Joule.

Los sistemas fotovoltaicos de división de agua (electrólisis fotovoltaica) que combinan tecnologías fotovoltaicas y de electrólisis de agua disponibles en el mercado ya se han demostrado en varias plantas piloto y estaciones de servicio de hidrógeno. La eficiencia de conversión solar a hidrógeno (STH) más alta reportada para un sistema de este tipo compuesto por electrolizadores de membrana de electrolito de polímero (PEM) alimentados por una celda solar de triple unión InGaP/GaAs/GaInNAsSb fue del 30%, probado durante 48 h. A pesar de la alta eficiencia, la complejidad y el costo del dispositivo hacen que su potencial de alto nivel sea poco práctico. Los sistemas de electrólisis fotovoltaica que comprenden módulos fotovoltaicos de silicio convencionales y electrolizadores alcalinos suelen lograr una eficiencia STH de menos del 10 %.

Inspirada en la fotosíntesis natural, la división fotoelectroquímica del agua (PEC) que combina la recolección de luz y la conversión electroquímica de energía eléctrica en energía química almacenada en enlaces de hidrógeno, donde ambas funciones se llevan a cabo simultáneamente en la interfaz sólido/líquido entre un fotoelectrodo semiconductor y el agua, tiene como objetivo proporcionar una solución competitiva para la conversión y almacenamiento de energía solar.

… El presente trabajo complementa nuestro estudio anterior, en el que se propuso y demostró la idea conceptual de la separación de celdas en una configuración puramente electrolítica, demostrando un dispositivo PEC-PV en tándem de celdas separadas a escala de banco para la división fotoelectroquímica de agua desacoplada en oxígeno e hidrógeno separados. células. Aborda los desafíos de diseñar, construir y optimizar el dispositivo para evaluar la generación de hidrógeno a gran escala.

La celda de oxígeno contiene dos fotoánodos de hematita uno al lado del otro de 100 cm2, colocados en tándem con minimódulos fotovoltaicos de silicio que proporcionan la polarización necesaria para impulsar la división del agua solar sin asistencia. La celda de hidrógeno contiene el cátodo y está físicamente separada de la celda de oxígeno. Se colocan electrodos de hidróxido de níquel de grado de batería en ambas celdas para mediar en el intercambio de iones (OH–) entre el cátodo y el ánodo. El funcionamiento exitoso de este sistema prototipo también se demostró en condiciones al aire libre con luz solar natural.

En resumen, el sistema desacoplado aborda uno de los mayores desafíos en la división de agua PEC a gran escala: la recolección de gas hidrógeno de millones de células PEC distribuidas en el campo solar.

Ilustración conceptual de una estación de reabastecimiento de hidrógeno solar con células solares PEC distribuidas que producen oxígeno y un generador de hidrógeno centralizado. Landmann et al.

El intercambio de iones entre el cátodo y el ánodo en el nuevo sistema está mediado por electrodos auxiliares de (oxi)hidróxido de níquel, lo que permite la separación física de las dos celdas.

Arquitecturas fotoelectroquímicas de celdas de división de agua. (A) Configuración convencional de celda única de una celda PEC que comprende una pila y un cátodo en tándem fotoánodo-PV, separados por una membrana o diafragma. (B) Configuración de celda separada para la división de agua PEC desacoplada con una celda PEC-PV en tándem productora de oxígeno y una celda electrolítica productora de hidrógeno conectadas entre sí eléctricamente. Landmann et al.

La celda de oxígeno consta de una pila en tándem PEC-PV de fotoánodos de hematites conectados en serie a un minimódulo fotovoltaico (PV) de silicio, mientras que la celda de hidrógeno es una celda electrolítica con un cátodo de malla de titanio platinado.

El sistema utiliza fotoánodos de hematita (a-Fe2O3) de 100 cm2 y electrodos de hidróxido de níquel (Ni(OH)2)/oxihidróxido (NiOOH) como mediadores redox.

Las condiciones de funcionamiento de los componentes del sistema y su configuración se optimizaron para ciclos diarios y se realizaron diez ciclos de 8,3 h bajo iluminación solar simulada sin polarización adicional con una corriente de cortocircuito promedio de 55,2 mA.

Los resultados, dijeron los investigadores, demuestran el funcionamiento exitoso de un sistema de división de agua PEC desacoplado con celdas separadas de hidrógeno y oxígeno.

Recursos

Landmann et al. (2019) "Sistema fotoelectroquímico de separación de agua desacoplado para la producción centralizada de hidrógeno", Joule doi: 10.1016/j.joule.2019.12.006

Publicado el 02 enero 2020 en Combustibles solares, Hidrógeno, Producción de hidrógeno, Solar | Enlace permanente | Comentarios (1)