Equipo israelí desarrolla agua PEC desacoplada

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

Los sistemas de división de agua (electrólisis fotovoltaica) con energía fotovoltaica que combinan tecnologías fotovoltaicas y de electrólisis de agua disponibles comercialmente ya se han demostrado en varias plantas piloto y estaciones de repostaje de hidrógeno. La eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno (STH) más alta reportada para un sistema de este tipo compuesto por electrolizadores de membrana de electrolito polimérico (PEM) alimentados por una célula 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 lujo sea poco práctico. Los sistemas de electrólisis fotovoltaica que comprenden módulos fotovoltaicos de Si convencionales y electrolizadores alcalinos suelen alcanzar 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 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 mesa 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 consecutivos de 100 cm2, colocados en conjunto con minimódulos fotovoltaicos de Si que proporcionan la polarización necesaria para impulsar la división solar del agua 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 aptos para baterías 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 exteriores con luz solar natural.

En resumen, el sistema desacoplado aborda uno de los mayores desafíos en la división del agua de 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 repostaje de hidrógeno solar con células solares PEC distribuidas que producen oxígeno y un generador de hidrógeno centralizado. Landman et al.

El intercambio iónico 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 de células fotoelectroquímicas de división de agua. (A) Configuración convencional de una sola celda de una celda PEC que comprende una pila en tándem de fotoánodo-PV y un cátodo, 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. Landman et al.

La celda de oxígeno comprende una pila en tándem PEC-PV de fotoánodos de hematita 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 platinizado.

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 operativas de los componentes del sistema y su configuración se optimizaron para ciclos diarios, y se llevaron a cabo diez ciclos de 8,3 h bajo iluminación solar simulada sin polarización adicional a 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

Landman et al. (2019) “Sistema fotoelectroquímico de división de agua desacoplado para la producción centralizada de hidrógeno”, Joule doi: 10.1016/j.joule.2019.12.006

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