イスラエルのチームが分離型PEC水を開発

イスラエルの研究者らは、集中的な水素製造のために、分離された水素セルと酸素セルを備えた独立セル光電気化学（PEC）水分解システムを設計した。 彼らのシステムを説明した論文が雑誌 Joule に掲載されました。

市販の太陽光発電技術と水電気分解技術を組み合わせた太陽光発電による水分解（PV 電気分解）システムは、すでにいくつかのパイロットプラントと水素補給ステーションで実証されています。 InGaP/GaAs/GaInNAsSb 三重接合太陽電池を搭載した高分子電解質膜 (PEM) 電解槽で構成されるこのようなシステムについて報告された太陽から水素 (STH) 変換効率の最高値は、48 時間にわたるテストで 30% でした。 高効率にもかかわらず、デバイスの複雑さとコストにより、高級化の可能性は現実的ではありません。 従来の Si PV モジュールとアルカリ電解槽で構成される PV 電解システムは、通常、10% 未満の STH 効率を達成します。

天然の光合成にヒントを得た光電気化学（PEC）水分解は、光の採取と水素結合に蓄えられた電力から化学エネルギーへの電気化学変換を組み合わせたもので、両方の機能が半導体光電極と水の間の固体/液体界面で同時に実行され、以下の機能を提供することを目的としています。太陽エネルギーの変換と貯蔵のための競争力のあるソリューションです。

…今回の研究は、セル分離の概念的なアイデアが提案され、純粋な電解セットアップで実証され、分離された光電気化学水を別々の酸素と水素に分解するためのベンチトップスケールの個別セルタンデムPEC-PVデバイスを実証した、私たちの以前の研究を補完するものです。細胞。 これは、大規模な水素生成を評価するためのデバイスの設計、構築、最適化の課題に対処します。

酸素電池には、2 つの 100 cm2 の背中合わせのヘマタイト光陽極が含まれており、Si PV ミニモジュールと直列に配置され、太陽熱水の無支援の分解を駆動するために必要なバイアスを提供します。 水素電池にはカソードが含まれており、酸素電池からは物理的に分離されています。 バッテリーグレードの水酸化ニッケル電極が両方のセルに配置され、カソードとアノード間のイオン (OH-) 交換を仲介します。 このプロトタイプシステムの正常な動作は、自然太陽光のある屋外条件でも実証されました。

つまり、分離システムは、大規模な PEC 水の分解における最大の課題の 1 つである、太陽エネルギー場に分散された数百万の PEC セルからの水素ガスの収集に対処します。

酸素を生成する分散型 PEC 太陽電池と集中型水素発生装置を備えた太陽電池水素補給ステーションの概念図。 ランドマンら。

新しいシステムにおけるカソードとアノード間のイオン交換は、(オキシ)水酸化ニッケル補助電極によって媒介されるため、2 つのセルの物理的な分離が可能になります。

光電気化学的な水分解セルのアーキテクチャ。 (A) 膜または隔膜で分離された光アノード - PV タンデムスタックとカソードで構成される PEC セルの従来の単一セル構成。 (B) 互いに電気的に接続された酸素生成タンデム PEC-PV セルと水素生成電解セルを備えた分離型 PEC 水分解用の独立セル構成。 ランドマンら。

酸素電池はシリコン太陽光発電 (PV) ミニモジュールに直列に接続されたヘマタイト光陽極の PEC-PV タンデムスタックで構成され、水素電池は白金メッキチタンメッシュ陰極を備えた電解電池です。

このシステムは、100 cm2 のヘマタイト (a-Fe2O3) 光陽極と、酸化還元メディエーターとして水酸化ニッケル (Ni(OH)2)/オキシ水酸化物 (NiOOH) 電極を使用します。

システムコンポーネントの動作条件とその構成は毎日のサイクルに合わせて最適化され、追加バイアスなしで平均短絡電流 55.2 mA で太陽光模擬照明下で 108.3 時間のサイクルが実行されました。

研究者らによると、この結果は、別々の水素セルと酸素セルを備えた切り離されたPEC水分割システムの正常な動作を示しているという。

リソース

ランドマンら。 (2019) 「集中水素製造のための分離型光電気化学水分解システム」、Joule doi: 10.1016/j.joule.2019.12.006

投稿日: 2020 年 1 月 2 日 カテゴリー: 水素, 水素製造, 太陽電池, 太陽燃料 | パーマリンク | コメント (1)