Une équipe israélienne développe une eau PEC découplée

Des chercheurs israéliens ont conçu un système de fractionnement de l'eau photoélectrochimique (PEC) à cellules séparées avec des cellules à hydrogène et à oxygène découplées pour la production centralisée d'hydrogène. Un article décrivant leur système est publié dans la revue Joule.

Des systèmes photovoltaïques de fractionnement de l'eau (PV-électrolyse) qui associent les technologies photovoltaïques et d'électrolyse de l'eau disponibles dans le commerce ont déjà été démontrés dans plusieurs usines pilotes et stations de ravitaillement en hydrogène. L'efficacité de conversion solaire en hydrogène (STH) la plus élevée signalée pour un tel système composé d'électrolyseurs à membrane électrolytique polymère (PEM) alimentés par une cellule solaire à triple jonction InGaP/GaAs/GaInNAsSb était de 30 %, testée sur 48 h. Malgré le rendement élevé, la complexité et le coût de l'appareil rendent son potentiel haut de gamme peu pratique. Les systèmes d'électrolyse PV comprenant des modules PV Si conventionnels et des électrolyseurs alcalins atteignent généralement une efficacité STH inférieure à 10 %.

Inspirée de la photosynthèse naturelle, la séparation photoélectrochimique (PEC) de l'eau qui combine la récupération de la lumière et la conversion électrochimique de l'énergie électrique en énergie chimique stockée dans des liaisons hydrogène, dans laquelle les deux fonctions sont effectuées simultanément à l'interface solide/liquide entre une photoélectrode semi-conductrice et l'eau, vise à fournir une solution compétitive pour la conversion et le stockage de l'énergie solaire.

… Le présent travail complète notre étude antérieure, dans laquelle l'idée conceptuelle de la séparation des cellules a été proposée et démontrée dans une configuration purement électrolytique, démontrant un dispositif PEC-PV tandem à cellules séparées à l'échelle de la paillasse pour la séparation photoélectrochimique de l'eau découplée en oxygène et hydrogène séparés cellules. Il répond aux défis de conception, de construction et d'optimisation du dispositif d'évaluation de la production d'hydrogène à grande échelle.

La cellule à oxygène contient deux photoanodes en hématite dos à dos de 100 cm2, placées en tandem avec des mini-modules Si PV qui fournissent la polarisation nécessaire pour entraîner la séparation non assistée de l'eau solaire. La cellule à hydrogène contient la cathode et est physiquement séparée de la cellule à oxygène. Des électrodes d'hydroxyde de nickel de qualité batterie sont placées dans les deux cellules pour assurer l'échange d'ions (OH–) entre la cathode et l'anode. Le fonctionnement réussi de ce système prototype a également été démontré dans des conditions extérieures avec la lumière naturelle du soleil.

En bref, le système découplé répond à l'un des plus grands défis de la séparation de l'eau PEC à grande échelle : la collecte de l'hydrogène gazeux à partir de millions de cellules PEC distribuées dans le champ solaire.

Illustration conceptuelle d'une station de ravitaillement en hydrogène solaire avec des cellules solaires PEC distribuées produisant de l'oxygène et un générateur d'hydrogène centralisé. Landman et al.

L'échange d'ions entre la cathode et l'anode dans le nouveau système est médié par des électrodes auxiliaires de nickel (oxy)hydroxyde, permettant ainsi la séparation physique des deux cellules.

Architectures photoélectrochimiques des cellules de fractionnement de l'eau. (A) Configuration monocellulaire conventionnelle d'une cellule PEC comprenant un empilement tandem photoanode-PV et une cathode, séparés par une membrane ou un diaphragme. (B) Configuration de cellules séparées pour la séparation de l'eau PEC découplée avec une cellule PEC-PV tandem productrice d'oxygène et une cellule électrolytique productrice d'hydrogène connectées l'une à l'autre électriquement. Landman et al.

La cellule à oxygène comprend un empilement tandem PEC-PV de photoanodes en hématite connectées en série à un mini-module photovoltaïque (PV) en silicium, tandis que la cellule à hydrogène est une cellule électrolytique avec une cathode à mailles en titane platiné.

Le système utilise des photoanodes d'hématite (a-Fe2O3) de 100 cm2 et des électrodes d'hydroxyde de nickel (Ni(OH)2)/oxyhydroxyde (NiOOH) comme médiateurs redox.

Les conditions de fonctionnement des composants du système et leur configuration ont été optimisées pour des cycles quotidiens, et dix cycles de 8,3 h ont été effectués sous un éclairage solaire simulé sans polarisation supplémentaire à un courant de court-circuit moyen de 55,2 mA.

Les résultats, ont déclaré les chercheurs, démontrent le fonctionnement réussi d'un système de séparation de l'eau PEC découplé avec des cellules d'hydrogène et d'oxygène séparées.

Ressources

Landman et al. (2019) "Système de fractionnement photoélectrochimique découplé de l'eau pour la production centralisée d'hydrogène", Joule doi : 10.1016/j.joule.2019.12.006

Publié le 02 janvier 2020 dans Hydrogène, Production d'hydrogène, Solaire, Combustibles solaires | Lien permanent | Commentaires (1)