Equipe israelense desenvolve PEC água desacoplada

Pesquisadores em Israel projetaram um sistema de divisão de água fotoeletroquímica (PEC) de célula separada com células desacopladas de hidrogênio e oxigênio para produção centralizada de hidrogênio. Um artigo descrevendo seu sistema foi publicado na revista Joule.

Sistemas fotovoltaicos de separação de água (eletrólise fotovoltaica) que combinam tecnologias fotovoltaicas e de eletrólise de água comercialmente disponíveis já foram demonstrados em várias usinas-piloto e estações de reabastecimento de hidrogênio. A maior eficiência de conversão solar em hidrogênio (STH) relatada para um sistema composto por eletrólitos de membrana de eletrólito de polímero (PEM) alimentado por uma célula solar de junção tripla InGaP/GaAs/GaInNAsSb foi de 30%, testada em 48 h. Apesar da alta eficiência, a complexidade e o custo do dispositivo tornam seu potencial de upscale impraticável. Os sistemas de eletrólise fotovoltaica compreendendo módulos Si PV convencionais e eletrolisadores alcalinos normalmente atingem a eficiência STH de menos de 10%.

Inspirada na fotossíntese natural, a separação fotoeletroquímica (PEC) da água, que combina captação de luz e conversão eletroquímica de energia elétrica em energia química armazenada em pontes de hidrogênio, em que ambas as funções são realizadas simultaneamente na interface sólido/líquido entre um fotoeletrodo semicondutor e a água, visa fornecer uma solução competitiva para conversão e armazenamento de energia solar.

… O presente trabalho complementa nosso estudo anterior, no qual a ideia conceitual de separação celular foi proposta e demonstrada em uma configuração puramente eletrolítica, demonstrando um dispositivo PEC-PV em tandem de células separadas em escala de bancada para separação fotoeletroquímica desacoplada de água em oxigênio e hidrogênio separados células. Ele aborda os desafios de projetar, construir e otimizar o dispositivo para avaliar a geração de hidrogênio em larga escala.

A célula de oxigênio contém dois fotoanodos de hematita consecutivos de 100 cm2, colocados em conjunto com minimódulos Si PV que fornecem a polarização necessária para conduzir a separação solar de água não assistida. A célula de hidrogênio contém o cátodo e é fisicamente separada da célula de oxigênio. Eletrodos de hidróxido de níquel para bateria são colocados em ambas as células para mediar a troca de íons (OH-) entre o cátodo e o ânodo. A operação bem-sucedida deste sistema protótipo também foi demonstrada em condições externas com luz solar natural.

Em suma, o sistema desacoplado aborda um dos maiores desafios na separação de água PEC em larga escala: a coleta de gás hidrogênio de milhões de células PEC distribuídas no campo solar.

Ilustração conceitual de uma estação de reabastecimento de hidrogênio solar com células solares PEC distribuídas produzindo oxigênio e um gerador de hidrogênio centralizado. Landman e outros.

A troca iônica entre o cátodo e o ânodo no novo sistema é mediada por eletrodos auxiliares de níquel (oxi) hidróxido, permitindo assim a separação física das duas células.

Arquiteturas fotoeletroquímicas de células de separação de água. (A) Configuração convencional de célula única de uma célula PEC compreendendo uma pilha tandem de fotoânodo-PV e cátodo, separados por uma membrana ou diafragma. (B) Configuração de célula separada para separação de água PEC desacoplada com uma célula PEC-PV em tandem produtora de oxigênio e uma célula eletrolítica produtora de hidrogênio conectada uma à outra eletricamente. Landman e outros.

A célula de oxigênio compreende uma pilha em tandem PEC-PV de fotoânodos de hematita conectados em série a um minimódulo fotovoltaico (PV) de silício, enquanto a célula de hidrogênio é uma célula eletrolítica com um cátodo de malha de titânio platinado.

O sistema utiliza fotoanodos de hematita (a-Fe2O3) de 100 cm2 e eletrodos de hidróxido de níquel (Ni(OH)2)/oxihidróxido(NiOOH) como mediadores redox.

As condições de operação dos componentes do sistema e sua configuração foram otimizadas para ciclos diários, e dez ciclos de 8,3 h foram realizados sob iluminação solar simulada sem polarização adicional a uma corrente média de curto-circuito de 55,2 mA.

Os resultados, disseram os pesquisadores, demonstram a operação bem-sucedida de um sistema de divisão de água PEC desacoplado com células separadas de hidrogênio e oxigênio.