Un team israeliano sviluppa acqua PEC disaccoppiata

Ricercatori in Israele hanno progettato un sistema di scissione dell'acqua fotoelettrochimico (PEC) a celle separate con celle di idrogeno e ossigeno disaccoppiate per la produzione centralizzata di idrogeno. Un articolo che descrive il loro sistema è pubblicato sulla rivista Joule.

I sistemi di scissione dell’acqua alimentati dal fotovoltaico (elettrolisi fotovoltaica) che accoppiano le tecnologie fotovoltaiche e di elettrolisi dell’acqua disponibili in commercio sono già stati dimostrati in diversi impianti pilota e stazioni di rifornimento di idrogeno. L’efficienza di conversione da solare a idrogeno (STH) più alta riportata per un tale sistema composto da elettrolizzatori a membrana elettrolitica polimerica (PEM) alimentati da una cella solare a tripla giunzione InGaP/GaAs/GaInNAsSb è stata del 30%, testata per 48 ore. Nonostante l'elevata efficienza, la complessità e il costo del dispositivo rendono impraticabile il suo potenziale di alto livello. I sistemi di elettrolisi fotovoltaica comprendenti moduli fotovoltaici Si convenzionali ed elettrolizzatori alcalini raggiungono in genere un'efficienza STH inferiore al 10%.

Ispirandosi alla fotosintesi naturale, la scissione dell'acqua fotoelettrochimica (PEC) che combina la raccolta della luce e la conversione elettrochimica dell'energia elettrica in energia chimica immagazzinata in legami idrogeno, in cui entrambe le funzioni vengono eseguite contemporaneamente sull'interfaccia solido/liquido tra un fotoelettrodo semiconduttore e l'acqua, mira a fornire una soluzione competitiva per la conversione e lo stoccaggio dell’energia solare.

… Il presente lavoro integra il nostro studio precedente, in cui l’idea concettuale della separazione cellulare è stata proposta e dimostrata in una configurazione puramente elettrolitica, dimostrando un dispositivo PEC-PV tandem a celle separate su scala da banco per la scissione fotoelettrochimica dell’acqua disaccoppiata in ossigeno e idrogeno separati cellule. Affronta le sfide legate alla progettazione, costruzione e ottimizzazione del dispositivo per valutare la produzione di idrogeno su larga scala.

La cella di ossigeno contiene due fotoanodi di ematite uno di fronte all'altro da 100 cm2, posizionati in tandem con mini-moduli Si PV che forniscono la polarizzazione necessaria per la scissione dell'acqua solare senza assistenza. La cella a idrogeno contiene il catodo ed è fisicamente separata dalla cella a ossigeno. Elettrodi di idrossido di nichel adatti alle batterie sono posizionati in entrambe le celle per mediare lo scambio ionico (OH–) tra il catodo e l'anodo. Il funzionamento efficace di questo sistema prototipo è stato dimostrato anche in condizioni esterne con luce solare naturale.

In breve, il sistema disaccoppiato affronta una delle maggiori sfide nella scissione dell’acqua PEC su larga scala: la raccolta di gas idrogeno da milioni di celle PEC distribuite nel campo solare.

Illustrazione concettuale di una stazione di rifornimento di idrogeno solare con celle solari PEC distribuite che producono ossigeno e un generatore di idrogeno centralizzato. Landmann et al.

Lo scambio ionico tra il catodo e l'anodo nel nuovo sistema è mediato da elettrodi ausiliari di nichel (ossi)idrossido, consentendo così la separazione fisica delle due celle.

Architetture fotoelettrochimiche delle celle di scissione dell'acqua. (A) Configurazione convenzionale a cella singola di una cella PEC comprendente uno stack tandem fotoanodo-PV e un catodo, separati da una membrana o diaframma. (B) Configurazione a celle separate per la scissione dell'acqua PEC disaccoppiata con una cella PEC-PV tandem che produce ossigeno e una cella elettrolitica che produce idrogeno collegate tra loro elettricamente. Landmann et al.

La cella ad ossigeno comprende uno stack tandem PEC-PV di fotoanodi di ematite collegati in serie a un mini-modulo fotovoltaico (PV) in silicio, mentre la cella a idrogeno è una cella elettrolitica con un catodo a rete di titanio platinato.

Il sistema utilizza fotoanodi di ematite (a-Fe2O3) da 100 cm2 ed elettrodi di idrossido di nichel (Ni(OH)2)/ossiidrossido(NiOOH) come mediatori redox.

Le condizioni operative dei componenti del sistema e la loro configurazione sono state ottimizzate per cicli giornalieri e dieci cicli da 8,3 ore sono stati eseguiti sotto illuminazione simulata solare senza polarizzazione aggiuntiva con una corrente di cortocircuito media di 55,2 mA.

I risultati, hanno affermato i ricercatori, dimostrano il funzionamento efficace di un sistema di scissione dell’acqua PEC disaccoppiato con celle separate di idrogeno e ossigeno.