Fraunhofer ISE достигла рекордной эффективности преобразования солнечной энергии в водородную на 31,3% при электролизе CPV

Аккумулятор FIAMM 12 FLB 450 P

Исследователи из немецкого института создали фотоэлектрическую систему электролиза воды на основе микроконцентрирующих фотоэлектрических элементов в сочетании с электролизёром с протонообменной мембраной. Испытания на открытом воздухе показали рекордную эффективность преобразования солнечной энергии в водород — 31,3 %. Этого удалось добиться с помощью четырёхзвенной системы, состоящей из двух последовательно соединённых протонно-обменных мембран в реальных условиях эксплуатации.

Электролизер с протонообменной мембраной на основе CPV

Исследователи из Института систем солнечной энергетики Фраунгофера (Fraunhofer ISE) в Германии разработали фотоэлектрическую систему электролиза воды, в которой используется собственная технология микроконцентрирующих фотоэлектрических систем (micro-CPV).

Ученые объяснили, что предыдущие подходы с использованием двух- и трехпереходных концентраторов на основе элементов III-V группы достигали эффективности преобразования солнечной энергии в водород (SHT) до 19,8 % на открытом воздухе и около 30 % в помещении, но требовали тщательного подбора напряжения, силы тока и конфигурации системы. В своей новой работе они продемонстрировали четырехпереходную систему концентраторов, работающую с протонно-обменными мембранами на открытом воздухе, с рекордной эффективностью преобразования солнечной энергии в водород — 31,3 %.

«Мы все еще находимся на низком уровне технологической готовности (Technology Readiness Level, TRL), поэтому сложно сказать, как скоро мы сможем добиться конкурентоспособной низкой удельной стоимости водорода. Сначала нам нужны партнеры для полноценной разработки системы, — сказал Франк Димрот в интервью. — Вместе с Clearsun Energy мы пытаемся создать стартап для коммерциализации концентрированной фотоэлектрической энергии, и этот солнечный водородный модуль может стать продуктом будущего поколения для нашей компании».

TRL — это показатель зрелости технологических компонентов системы, который оценивается по шкале от 1 до 9, где 9 — это зрелые технологии, готовые к полноценному коммерческому применению. «Я бы сказал, что наша система — это экспериментальный образец, соответствующий TRL3, — добавил Димрот. — В настоящее время у нас нет финансирования для создания пилотной системы, но, конечно, это был бы следующий шаг».

В статье “Фотоэлектрический электролиз воды, достигающий 31,3% эффективности преобразования солнечной энергии в Час 2 в условиях эксплуатации на открытом воздухе”, опубликованной в communications engineering, исследователи Fraunhofe ISE объяснили, что система электролиза приводится в действие пропиетарной системой HyCon, которая состоит из массивов линз Френеля, фокусирующих свет на четырех параллельно соединенных элементах CPV с 4 переходами размером 7 мм2 каждый, которые, в свою очередь, электрически и термически связаны с анодом и катодом двух протонообменной мембраны (PEM). ячейки электролизера соединены последовательно.

Алюминиевая рама удерживает линзовую систему Френеля на расстоянии 80 мм от солнечных элементов CPV, с возможностью регулировки с помощью винтов для точной настройки. Солнечные элементы установлены на медных (Cu) подложках, закрепленных на большой медной опорной плите, которая также обеспечивает общую тепловую и структурную интеграцию. К задней части опорной плиты прикреплен последовательно соединенный электролизер с протонообменной мембраной, электрически и термически связанный с системой CPV с помощью титановых (Ti) винтов и медной поверхности.

Солнечные элементы CPV состоят из двух пластин, соединенных между собой, с двумя структурами с двойным переходом: фосфидом индия-галлия (GaInP)/арсенидом галлия (GaAs) и фосфидом арсенида индия-галлия (GaInAsP)/арсенидом индия-галлия (GaInAs). «Эта технология солнечных элементов с четырьмя переходами продемонстрировала рекордную для мира эффективность преобразования солнечной энергии в электричество (STE) — до 47,6 % при использовании концентрированного эталонного прямого спектра AM1.5», — подчеркнули ученые.

Электролизер с протонообменной мембраной состоит из двух пластин из хлорированного поливинилхлорида (ПВХ-Х), которые направляют деионизированную воду в реакционную камеру с мембранным электродным блоком (МЭБ), в котором используется мембрана из перфторсульфоновой кислоты (ПФС) толщиной 175 мкм с активной площадью 1,13 см², покрытая иридием на аноде и платиной на катоде в качестве катализаторов. Титановый винт прижимает титановую сетку к МЭБ, которая служит пористым транспортным слоем и проточным полем для распределения воды и удаления продуктов реакции.

Вся система была спроектирована таким образом, чтобы электролиз происходил при повышенных температурах, в идеале — за счет тепловой связи с системой CPV.
Однако в текущей версии системы обеспечивалась лишь ограниченная пассивная теплопередача, поэтому для поддержания стабильной работы и эффективности требовался дополнительный нагрев поступающей воды. «Таким образом, в будущей конструкции активного нагрева можно будет избежать за счет улучшенной тепловой связи между системой CPV и электролизными ячейками», — подчеркнули ученые.

Проведенные полевые испытания системы электролиза CPV / PEM с использованием двухосевого солнечного трекера в течение 13 летних дней во Фрайбурге, Германия, показали, что система может производить водород с эффективностью преобразования солнечной энергии в водород (STH) 31,3%. “Это на 5% выше, чем у лучших фотоэлектрических / электролизных систем, описанных в литературе, которые варьируются от 20 до 30%”, - сказали в команде.

Эта пиковая производительность соответствовала условиям эксплуатации, при которых КПД фотоэлектрической батареи и электролизера с протонообменной мембраной достигал 34,7 % и 91,1 % соответственно. В этой рабочей точке система работала при плотности тока 368 мА/см² и напряжении элемента 3,25 В. «За 107 часов работы, в течение которых наша система прошла 13 динамических циклов, не было выявлено никаких признаков деградации», — заключили исследователи, отметив, что повышение коэффициента использования ёмкости технологии HyCon до 35 % может снизить удельную стоимость водорода (LCOH) до уровня ниже 3 долларов за килограмм.