Wasserstoff lässt sich durch elektrolytische Spaltung von Wasser erzeugen. Eine Möglichkeit hierfür ist der Einsatz von Photoelektroden, die Sonnenlicht in Spannung für die Elektrolyse in sogenannten photoelektrochemischen Zellen (PEC-Zellen) umwandeln. Ein Forscherteam am HZB hat nun gezeigt, dass sich die Effizienz von PEC-Zellen unter Druck deutlich steigern lässt.
Manche sprechen auch von einem „künstlichen Blatt“: Anstelle des natürlichen Photosystem-II-Komplexes, den grüne Blätter in der Natur nutzen, um mit Hilfe von Sonnenlicht Wasser zu spalten, erzeugen in photoelektrochemischen Zellen, kurz PEC-Zellen, künstliche, anorganische Photoelektroden die nötige Spannung für die elektrolytische Wasserspaltung mithilfe von Sonnenlicht.
Verluste minimieren
Die leistungsstärksten Geräte erreichen bereits beeindruckende Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung von bis zu 19 %. Bei solch hohen Wirkungsgraden beginnen Verluste durch Blasenbildung eine wichtige Rolle zu spielen. Dies liegt daran, dass Blasen das Licht streuen und so eine optimale Beleuchtung der Elektrode verhindern.
Darüber hinaus können Blasen den Kontakt des Elektrolyten mit der Elektrodenoberfläche verhindern und so eine elektrochemische Deaktivierung verursachen. Um diese Verluste zu minimieren, wäre es hilfreich, die Blasengröße zu verringern, indem man das Gerät bei höherem Druck betreibt. Alle bisher gemeldeten PEC-Geräte wurden jedoch bei atmosphärischem Druck (1 bar) betrieben.
Den Druck erhöhen
Ein Team vom Institut für Solare Brennstoffe am HZB hat nun die Wasserspaltung bei erhöhtem Druck unter PEC-relevanten Bedingungen untersucht. Sie setzten PEC-Flusszellen mit Gas auf einen Druck zwischen 1 und 10 Bar und zeichneten während der Elektrolyse verschiedene Parameter auf. Zudem entwickelten sie ein Multiphysikmodell des PEC-Prozesses und verglichen es mit experimentellen Daten bei Normal- und erhöhtem Druck.
Dieses Modell ermöglicht es nun, mit den Parametern zu spielen und die entscheidenden Hebel zu identifizieren. „Wir haben zum Beispiel untersucht, wie sich der Betriebsdruck auf die Größe der Gasblasen und ihr Verhalten an den Elektroden auswirkt“, sagt Dr. Feng Liang, Erstautor der jetzt veröffentlichten Arbeit. veröffentlicht In Naturkommunikation.
Energieverluste halbiert
Die Analyse zeigt, dass eine Erhöhung des Betriebsdrucks auf 8 Bar den gesamten Energieverlust halbiert, was zu einer relativen Steigerung der Gesamteffizienz um 5–10 % führen könnte.
„Die optischen Streuverluste lassen sich bei diesem Druck fast vollständig vermeiden“, erklärt Liang. „Außerdem konnten wir eine deutliche Reduzierung des Produkt-Cross-Over feststellen, insbesondere des Sauerstofftransfers zur Gegenelektrode.“
Bei höheren Drücken gibt es allerdings keinen Vorteil, daher schlägt das Team 6–8 Bar als optimalen Betriebsdruckbereich für PEC-Elektrolyseure vor.
„Diese Erkenntnisse und insbesondere das Multiphysikmodell lassen sich auf andere Systeme übertragen und werden uns helfen, die Effizienz sowohl elektrochemischer als auch photokatalytischer Geräte zu steigern“, sagt Prof. Dr. Roel van de Krol, der am HZB das Institut für Solare Brennstoffe leitet.
Mehr Informationen:
Feng Liang et al., Beurteilung der Auswirkungen erhöhten Drucks auf die photoelektrochemische Wasserspaltung mittels multiphysikalischer Modellierung, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49273-2