이스라엘 팀, 분리된 PEC 물 개발

이스라엘의 연구원들은 중앙 집중식 수소 생산을 위해 분리된 수소와 산소 전지를 갖춘 분리 셀 광전기화학(PEC) 물 분해 시스템을 설계했습니다. 그들의 시스템을 설명하는 논문은 Joule 저널에 게재되었습니다.

상업적으로 이용 가능한 광전지와 물 전기분해 기술을 결합한 광전지 구동 물 분해(PV-전기분해) 시스템은 이미 여러 파일럿 플랜트와 수소 충전소에서 시연되었습니다. InGaP/GaAs/GaInNAsSb 삼중 접합 태양 전지로 구동되는 고분자 전해질막(PEM) 전해조로 구성된 시스템에 대해 보고된 가장 높은 태양-수소(STH) 변환 효율은 30%였으며 48시간 동안 테스트되었습니다. 높은 효율성에도 불구하고 장치의 복잡성과 비용으로 인해 고급화 가능성이 실용적이지 않습니다. 기존 Si PV 모듈과 알칼리 전해조로 구성된 PV 전기분해 시스템은 일반적으로 10% 미만의 STH 효율을 달성합니다.

자연 광합성에서 영감을 받은 광전기화학적(PEC) 물 분해는 광 수확과 전력을 수소 결합에 저장된 화학 에너지로 전기화학적 변환하는 것을 결합하며 두 기능이 반도체 광전극과 물 사이의 고체/액체 계면에서 동시에 수행되는 것을 목표로 합니다. 태양 에너지 변환 및 저장을 위한 경쟁력 있는 솔루션입니다.

... 본 연구는 세포 분리의 개념적 아이디어가 순수 전해 설정에서 제안되고 시연된 이전 연구를 보완하며, 별도의 산소와 수소에서 분리된 광전기화학 물 분해를 위한 벤치탑 규모의 분리 셀 탠덤 PEC-PV 장치를 시연했습니다. 세포. 대규모 수소 생성을 평가하기 위한 장치를 설계, 구축 및 최적화하는 과제를 해결합니다.

산소 셀에는 두 개의 100 cm2 연속 적철광 광양극이 포함되어 있으며, 보조 태양열 물 분해를 구동하는 데 필요한 바이어스를 제공하는 Si PV 미니 모듈과 나란히 배치되어 있습니다. 수소 전지에는 음극이 포함되어 있으며 산소 전지와 물리적으로 분리되어 있습니다. 배터리 등급 수산화니켈 전극은 양극과 음극 사이의 이온(OH-) 교환을 중재하기 위해 두 셀 모두에 배치됩니다. 이 프로토타입 시스템의 성공적인 작동은 자연광이 들어오는 실외 조건에서도 입증되었습니다.

즉, 분리된 시스템은 대규모 PEC 물 분해의 가장 큰 과제 중 하나인 태양광 필드에 분산된 수백만 개의 PEC 셀에서 수소 가스를 수집하는 문제를 해결합니다.

산소를 생산하는 분산형 PEC 태양전지와 중앙 집중식 수소 발생기를 갖춘 태양광 수소 충전소의 개념적 그림입니다. Landmanet al.

새로운 시스템에서 음극과 양극 사이의 이온 교환은 니켈(옥시)수산화물 보조 전극에 의해 매개되므로 두 셀의 물리적 분리가 가능합니다.

광전기화학적 물 분해 세포 구조. (A) 멤브레인 또는 다이어프램으로 분리된 광양극-PV 직렬 스택과 음극을 포함하는 PEC 전지의 기존 단일 전지 구성입니다. (B)산소 생성 탠덤 PEC-PV 셀과 전기적으로 서로 연결된 수소 생성 전해 셀로 분리된 PEC 물 분할을 위한 별도 셀 구성. Landmanet al.

산소 전지는 실리콘 광전지(PV) 미니 모듈에 직렬로 연결된 적철광 광양극의 PEC-PV 직렬 스택으로 구성되는 반면, 수소 전지는 백금화 티타늄 메쉬 음극이 있는 전해 전지입니다.

이 시스템은 100cm2 적철광(a-Fe2O3) 광양극과 수산화니켈(Ni(OH)2)/옥시수산화물(NiOOH) 전극을 산화환원 매개체로 사용합니다.

시스템 구성 요소의 작동 조건과 구성은 일일 주기에 맞게 최적화되었으며 평균 단락 전류 55.2mA에서 추가 바이어스 없이 태양광 시뮬레이션 조명 하에서 108.3시간 주기가 수행되었습니다.

연구진은 이번 결과가 별도의 수소 및 산소 셀을 갖춘 분리된 PEC 물 분해 시스템의 성공적인 작동을 입증했다고 말했습니다.