Une équipe israélienne développe de l'eau PEC découplée

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

Des systèmes de séparation de l'eau photovoltaïques (électrolyse PV) 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 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 son rendement élevé, la complexité et le coût du dispositif rendent son potentiel de haut de gamme peu pratique. Les systèmes d'électrolyse PV comprenant des modules PV Si conventionnels et des électrolyseurs alcalins atteignent généralement un rendement STH inférieur à 10 %.

Inspirée de la photosynthèse naturelle, la division 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 exécutées 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 précédente, dans laquelle l'idée conceptuelle de la séparation cellulaire a été proposée et démontrée dans une configuration purement électrolytique, démontrant un dispositif PEC-PV tandem à cellules séparées à l'échelle d'une paillasse pour la division photoélectrochimique découplée de l'eau en oxygène et hydrogène séparés. cellules. Il aborde les 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 d'hématite dos à dos de 100 cm2, placées en tandem avec des mini-modules Si PV qui fournissent la polarisation nécessaire pour piloter la division solaire de l'eau sans assistance. La pile à hydrogène contient la cathode et elle est physiquement séparée de la pile 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 prototype de système 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 division de l’eau PEC à grande échelle : la collecte de l’hydrogène gazeux provenant 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 coll.

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

Architectures de cellules de division d'eau photoélectrochimiques. (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 division découplée de l’eau PEC avec une cellule tandem PEC-PV produisant de l’oxygène et une cellule électrolytique produisant de l’hydrogène connectées électriquement les unes aux autres. Landman et coll.

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 rédox.

Les conditions de fonctionnement des composants du système et leur configuration ont été optimisées pour les 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 séparées pour l’hydrogène et l’oxygène.