DE102021101143A1 - Vorrichtung zur thermisch gekoppelten solaren Wasserspaltung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermisch gekoppelten solaren Wasserspaltung welche mindestens eine Elektrolyseurzelle eingerichtet zur Wasserspaltung und eine Solarzelle (03) aufweist, welche wechselseitig sowohl elektrisch verschaltet als auch thermisch gekoppelt sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseurzelle mit einer thermischen Isolierung (01) ausgestattet ist. Weiterhin kann die Elektrolyseurzelle durch ein Material zur Verringerung von Strahlungsverlusten (02) oder/und einer thermischen Diode (04) ausgestattet sein.
Description
- Technisches Gebiet
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermisch gekoppelten solaren Wasserspaltung, wie sie zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Spaltung von Wasser mit Hilfe von Sonnenenergie und Solarthermie verwendet wird.
- Stand der Technik
- Vorrichtungen zur thermisch gekoppelten solaren Wasserspaltung sind aus dem Stand der Technik bekannt, etwa aus der
US 2019/0177860 A1 - In der
US 2019/0177860 A1 US 2019/0177860 A1 - In dem Aufsatz 1 von D. Bae et al. (Hidden figures of photo-charging: a thermoelectrochemical approach for a solar-rechargeable redox flow cell system, Sustainable Energy & Fuels, Vol 4, 2020, S. 2 650-2655) ist ein ähnlicher Ansatz vorgestellt, in dem anstelle von Wasser als Kühlmittel der Elektrolyt als solches fungiert.
- Spezielle Ausführungen von Vorrichtungen zur thermisch gekoppelten solaren Wasserspaltung können mehrere Solarzell- Elektrolyseureinheiten beinhalten, in denen Solarzellen jeweils mit Elektrolyseurzellen verbunden sind. Die Solarzelle und die Elektrolyseurzelle können dabei, zumindest teilweise, mittels Kabeln verbunden sein oder aber komplett kabellos ausgeführt werden.
- Die Elektrolyseurzellen weisen dabei im Allgemeinen jeweils mindestens einen Elektrolyten, einen Separator, ein Gehäuse und zwei Elektroden auf. Der Separator ist ionenleitend und kann dabei zum Beispiel eine semipermeable Membran oder ein Diaphragma (getränkt mit einem flüssigen Elektrolyten) sein. Die Separatoren trennen die Elektrolyseurzellen in zwei Kammern, mit unterschiedlich gepolten Elektroden, an denen jeweils komplementäre Halb-Reaktionen (Reduktion, z.B. Bildung von Wasserstoff und Oxidation, z.B. Bildung von Sauerstoff) in den Elektrolyten im Kontakt mit den Elektroden, vermittels der Katalysatormaterialien stattfinden. Die Polung der Elektroden wird durch deren Kontaktierung mit Polen des photovoltaischen Moduls bestimmt. Alle Kammern sind im Allgemeinen mit Öffnungen für die Zufuhr und den Abfluss von Elektrolyten sowie entstehender Gase versehen. Die Elektrolyten sind wässerige Lösungen welche entweder basische z.B. KOH, NaOH oder Ca(OH)2 (pH-Wert von 7 bis zu 14) oder saure Bestandteile z.B. H2SO4, Na2SO4 oder HClO4, pH-Wert zwischen 0 und 7, insbesondere mit einem pH-Wert zwischen 0.7 und 6.9, und dabei insbesondere eine 0.8 M bis 6 M H2SO4 bzw. vorzugsweise 1 M H2SO4 wässrige Lösung. Pufferlösungen mit einem pH-Wert zwischen 7 und 9.5, insbesondere eine 0,01 M bis 1 M KHCO3 Lösung, eine 0,01 bis 2 M KH2KPO4/K2HPO4 Lösung, oder eine 0,01 bis 2 M Natrium- /Kaliumboratpufferlösung sind ebenfalls einsetzbar.
- In dem Aufsatz 2 von B. Turan et al. (From leaf to tree: upscaling of artificial photosynthesis, arXiv:1604.03074, 2016, S. 1-33) sind verschiedene Anordnungen der einzelnen Bauteile von Vorrichtungen zur solaren Wasserspaltung vorgestellt und diskutiert. Es kann grundlegend zwischen zwei Zelldesigns unterschieden werden, die für die vorliegende Erfindung gattungsgemäß sind, wobei die Solarzelle immer thermisch an die Elektrolyseurzelle gekoppelt ist. In einem ersten Anordnungsmodus ist weder der Front- noch Rückkontakt der Solarzelle im direkten Kontakt mit dem Elektrolyten. Die an die Solarzelle angeschlossenen Elektroden der Elektrolyseurzelle sind in diesem Zelldesign sogenannte passive oder Dunkel-Elektroden, die mit Katalysatoren für die entsprechenden Oxidations- bzw. Reduktionsreaktionen beschichtet sind, oder aus diesen bestehen. Diese Variante ist im Aufsatz 2 als Typ III (
1 (f) ) benannt und beschrieben. In dieser Konfiguration können auch Elektrolyseurzellen der sogenannten PEM-(Protonen Austausch Membran, engl. proton exchange membrane oder polymer electrolyte membrane) oder AEM (Anionenaustauschmembran, engl. Anion Exchange Membrane‟) Typen zum Einsatz kommen. - In einem zweiten Anordnungsmodus, befindet sich einer oder beide Kontakte des Absorbers der Solarzelle im direkten Kontakt mit dem Elektrolyten in der Elektrolyseurzelle („direkte Wasserspaltung“), wodurch auch der thermische Kontakt gegeben ist. Die Sauerstoff- und/oder die Wasserstoffentwicklungsreaktion laufen dabei an der Grenzfläche zwischen einem auf den Absorber der Solarzelle aufgetragenen Katalysator und dem Elektrolyten ab. Diese Variante ist im Aufsatz 2 als Typ I und II (
1 (a) , (b), (d) und (e)) angesprochen und beschrieben. Ein Anwendungsbeispiel dieser Variante ist im Aufsatz 3 von W.-H. Cheng et al. (Monolithic Photoelectrochemical Device for Direct Water Splitting with 19% Efficiency, ACS Energy Lett. 2018, 3, 8, 1795-1800) gezeigt. - Als thermische Kopplung ist im Sinne der Erfindung ein direkter oder vermittelter thermischer (d.h. zur Wärmeleitung geeigneter) Kontakt zwischen mindestens einer Fläche der Solarzelle und der Elektrolyseurzelle anzusehen, wobei der Kontakt auf Seiten der Elektrolyseurzelle gegeben sein kann durch einen Abschluss der Zelle (erster Anordnungsmodus) oder durch einen direkten Kontakt der Solarzelle zum Elektrolyten in der Elektrolyseurzelle (zweiter Anordnungsmodus).
- Die Solarzellen bzw. gegebenenfalls die Photoelektroden in der direkten Wasserspaltung müssen eine für die Reaktion genügende Ausgangsspannung aufweisen. Bei der Wasser-Elektrolyse entspricht diese theoretisch mindestens dem thermodynamischen Potential von µth = 1.23 V, und einer zusätzlichen Spannung (Überspannung), die hauptsächlich von den eingesetzten Katalysatoren und Transport- bzw. ohmschen Verlusten im System bestimmt wird. Dadurch kommen Solarzellen in Frage, die mindestens eine Leerlaufspannung von > 1.6 V aufweisen. Die Solarzellen können modular aufgebaut sein und sogenannte Module aus mehreren in Reihe geschalteter Solarzellen bilden oder aber auch aus einer Einzelzelle (z.B. einer Stapelsolarzelle) bestehen, wenn diese die für die Reaktion nötige Ausgangspannung hat. Für das Bereitstellen der nötigen Ausgangsspannungen können Stapelsolarzellen mit mehreren Absorberschichten und entsprechend unterschiedlichen Bandlücken eingesetzt werden. Ein Pluspol (auch als Photoanode oder Lochkontakt bezeichnet) und ein Minuspol (auch als Photokathode oder Elektronenkontakt bezeichnet) des photovoltaischen Moduls, sind dabei mit den jeweiligen Elektroden der Elektrolyseurzelle elektrisch kontaktiert, oder befinden sich im Kontakt mit dem Elektrolyten im Falle der direkten Wasserspaltung.
- Gängige Solarzellen basieren zumeist auf einer der sechs verschiedenen Materialklassen: (1) Si-Wafer- sowie (2) Dünnschicht-Si-, (3) Dünnschicht-CuGaxIn(1-x)Se2- (CIGS), (4) Dünnschicht-Cadmiumtellurid- (CdTe), (5) Dünnschicht Metallhalogenid-Perovskite (z.B. CH3NH3Pbl3), und (6) Dünnschicht III/V Verbindungen (z.B. GaAs). Um die nötige Ausgangsspannung zu erreichen, können diese Materialien wie oben beschrieben zu Tandem- oder Tripelsolarzellen wie zum Beispiel Perovskit/Si oder III-V/Si kombiniert werden. Für die direkte solare Wasserspaltung kommen zusätzlich Metalloxide wie zum Beispiel BiVO4, oder BaSnO3-x als Photoanoden in Frage, die entweder mit einem weiteren Metalloxidabsorber als Photokathode, z.B. Cu2O, siehe Aufsatz 4 von L. Pan et al, (Boosting the performance of Cu2O photocathodes for unassisted solar water splitting devices, Nat Catal 1, 412-420 (2018) oder mit einem klassischen Absorber wie z.B. Si zu einer Tandemzelle kombiniert werden können, siehe z.B. Aufsatz 5 von F. F. Abdi et al. (Efficient solar water splitting by enhanced charge separation in a bismuth vanadate-silicon tandem photoelectrode, Nat Commun 4, 2195 (2013). Eine Übersicht über infrage kommende Metalloxide ist zum Beispiel im Aufsatz 6 von K. Sivula et al., (Semiconducting materials for photoelectrochemical energy conversion, Nat Rev Mater 1, 15010 (2016)), gezeigt.
- Aufgabenstellung
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur thermisch gekoppelten solaren Wasserspaltung anzugeben, in der die thermische Bilanz gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Eine gemäß Anspruch 1 gattungsgemäße Vorrichtung zur thermisch gekoppelten solaren Wasserspaltung umfasst mindestens eine Solarzelle die an mindestens eine Elektrolyseurzelle zur Wasserspaltung thermisch gekoppelt ist. Die Solarzelle und die Elektrolyseurzelle sind zudem elektrisch zur Übertragung des durch die Solarzelle erzeugten Stroms verschaltet. Die Verschaltung kann dabei entweder über einen Draht oder drahtlos (monolithisch) erfolgen. Die Anordnung der Solarzelle in Bezug auf die Elektrolyseurzelle entspricht dabei zum einem dem ersten Anordnungsmodus, in dem keine der Seiten der Solarzelle im direkten Kontakt mit dem Elektrolyten in der Elektrolyseurzelle steht, wie im Aufsatz 2 Typ III (
1 (f) ) beschrieben. In dieser Konfiguration kann die Elektrolyseurzelle eine mit Katalysatoren beschichtete PEM bzw. AEM, oder zwei mittels einer Membran getrennte Katalysatoren umfassen. Die Anordnung ist aber zum anderen auch möglich als eine solche, in der die Solarzelle mindestens mit einem oder beiden Kontakten des Absorbers im direkten Kontakt mit dem Elektrolyten steht („direkte Wasserspaltung“, zweiter Anordnungsmodus). Die Sauerstoff- und/oder die Wasserstoffentwicklungsreaktion laufen dabei an der Grenzfläche des auf den Absorber aufgetragenen Katalysator und des Elektrolyten ab. Diese Varianten sind im Aufsatz 2 als Typ I und II (1 (a) , (b), (d) und (e)) angesprochen und beschrieben. Die Elektrolyseurzelle ist dabei erfindungsgemäß mit einer thermischen Isolation ausgestattet. Die thermische Isolation kann zusätzlich zu einem Gehäuse, das die Zelle für die Elektrolyse bildet, d.h. die Elektrolyseurzelle an sich, angebracht sein. Das Gehäuse selber kann aber auch so gestaltet sein, dass die Wände desselben aus der thermischen Isolation an sich gebildet sind. Die Isolation besteht dabei mindestens aus einem Material, dass den Wärmedurchgangskoeffizient des Gehäuses gegenüber einer Anordnung ohne thermische Isolation verringert. Der Wärmedurchgangskoeffizient ist ein spezifischer Kennwert eines Bauteils, der im Wesentlichen durch die Wärmeleitfähigkeit und Dicke der verwendeten Materialien bestimmt ist. Materialien, Verbundwerkstoffe oder Bauteile die geeignet sind den Wärmedurchgangskoeffizienten in einem Bauteil zu verringern, sind solche mit geringer Wärmeleitfähigkeit, d.h. einer Wärmeleitfähigkeit λ ≤ 0,05 W/(m * K). Als Materialien, Verbundwerkstoffe oder Bauteile sind hier insbesondere solche aus der Gruppe Vakuumdämmplatte, Extrudiertes Polystyrol, Aerogel, Polyurethan, Polyethylen-Schaumstoff, Kork, Expandiertes Polystyrol, Mineralwolle, Hanf, Flachs, Jute, Zellulose, expandiertes Polystyrol mit Graphit, Schaumglas und Wolle einsetzbar. Die Isolation kann, wie es einer Ausführungsform entspricht, darüber hinaus ergänzt werden durch ein Material, das geeignet ist, Strahlungsverluste zu verringern, d.h. solche Materialien, die Strahlung im IR-Bereich zu mindestens 50 % reflektieren, wie z.B. solche aus der Gruppe Aluminium, Stahl, Hafniumnitrid, Kalziumcarbonat, Natriumchlorid, Gips und Kadmiumtellurid. Das Material zur Verringerung der Strahlungsverluste ist dabei vom inneren der Elektrolyseurzelle aus gesehen innen anzubringen, d.h. auf der Innenseite der thermischen Isolation. - Die thermische Isolation bewirkt, dass die gesamte Vorrichtung zur thermisch gekoppelten solaren Wasserspaltung während des Betriebs wärmer wird gegenüber einer entsprechenden Vorrichtung ohne thermische Isolation. Dadurch laufen zum einem die Reaktionen in der Elektrolyseurzelle im Vergleich schneller ab und zum anderen werden die ohmschen Verluste in der Elektrolyseurzelle im Vergleich verringert wodurch die Effizienz für die elektrochemische Wasserstoffproduktion gesteigert wird.
- Die Effizienz von klassischen Absorbermaterialien wie (1) Si-Wafer- sowie (2) Dünnschicht-Si-, (3) Dünnschicht-CuGaxIn(1-x)Se2- (CIGS), (4) Dünnschicht-Cadmiumtellurid- (CdTe), (5) Dünnschicht Metallhalogenid-Perovskite (z.B. CH3NH3Pbl3), und (6) Dünnschicht III/V Verbindungen (z.B. GaAs) nimmt mit steigender Betriebstemperatur aufgrund eines negativen Temperaturkoeffizienten für die Leerlaufspannung ab, was dem positiven Effekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung entgegenwirken kann. Daher ist eine thermische Isolierung im Sinne der Erfindung insbesondere vorteilhaft für Vorrichtungen, in denen die Elektrolyseurzelle die Gesamteffizienz der Vorrichtung durch ungünstige, d.h. relativ niedrige Temperaturen am Einsatzort der Vorrichtung, limitiert, was sich mit einer verringerten Gesamteffizienz bemerkbar macht. Daher ist die thermische Isolation insbesondere vorteilhaft bei Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Umgebungen mit Temperaturen unter Raumtemperatur (< 18° C) und besonders vorteilhaft in Umgebungen mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt (< 0° C), wie z.B. in der Antarktis, wo die ohmschen Verluste in der Elektrolyseurzelle aufgrund der geringen Außentemperatur sehr groß sind, und sogar über die positiven Effekte einer dann auch kühleren Solarzelle überwiegen.
- Im Falle der Metalloxide als Photoabsorber, die insbesondere in der direkten Wasserspaltung zum Einsatz kommen, kann die Isolierung nicht nur die Effizienz der elektrochemischen Reaktionen erhöhen, sondern auch die Effizienz des Absorbers steigern. Dies ist dadurch bedingt, dass der Ladungstransport, wie im Aufsatz 7 von L. Zhang et al. (Significantly enhanced photocurrent for water oxidation in monolithic Mo:BiVO4/SnO2/Si by thermally increasing the minority carrier diffusion length, Energy Environ. Sci., 2016,9, 2044-2052) beschrieben, im Gegensatz zu klassischen Absorbermaterialien in vielen Metalloxiden überwiegend auf thermisch aktivierten kleinen Polaronen basiert.
- Die Solarzelle und die Elektrolyseurzelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur thermisch gekoppelten solaren Wasserspaltung gemäß der ersten Ausführungsform sind zur Übertragung der in der Solarzelle erzeugten Wärme auf die Elektrolyseurzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einer thermischen Diode ausgestattet, die zwischen der Solarzelle und der Elektrolyseurzelle angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist der thermische Kontakt zwischen der Solarzelle und der Elektrolyseurzelle über die thermische Diode gegeben. Die Solarzelle hat keinen direkten Kontakt mit dem Elektrolyten in der Elektrolyseurzelle.
- Eine thermische Diode (engl. thermal rectifier) ist eine Vorrichtung, in der der Wärmewiderstand bzw. die Wärmeleitfähigkeit in zwei entgegengesetzten Richtungen von unterschiedlicher Größe ist. Dies bewirkt, dass ein Wärmefluss bevorzugt in einer Richtung (Vorzugsrichtung) erfolgt und entgegengesetzt dieser Richtung im Vergleich geringer bzw. gehemmt ist. In dem Aufsatz 8 von M.Y. Wong et al. (A review of state of the art thermal diodes and their potential applications; International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 164, 2021, 120607 - 1-30) sind verschiedene Ansätze für thermische Dioden und deren Funktionsweise vorgestellt. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung sind im Allgemeinen solche thermischen Dioden vorteilhaft einsetzbar, die eine Verwendung in einem Temperaturbereich von -30° C bis 100° C ermöglichen. Eine für die vorliegende Erfindung vorteilhafte Ausführung einer thermischen Diode ist z.B. in dem Aufsatz 9 von B. Chen et al. (Flexible thermal rectifier based on macroscopic PDMS@graphite composite film with asymmetric cone-shape interfaces, Carbon, Vol. 126, 2018, S. 464-471) offenbart. Diese Diode besteht aus einer makroskopischen Anordnung der Komposite Polydimethylsiloxan (PDMS) und Graphit in Form eines Films in dem die Komposite asymmetrische, kegelförmige Grenzflächen bilden. Eine für die vorliegende Erfindung weitere beispielhafte, in vorteilhafter Weise anwendbare Ausführung einer thermischen Diode ist in dem Aufsatz 10 von X.-K. Chen et al. (Thermal Rectification in Asymmetric Graphene/Hexagonal Boron Nitride van der Waals Heterostructures, ACS Applied Materials & Interfaces, Vol. 12, 2020, S. 15517-15526) beschrieben. Diese thermische Diode ist aus einer Heterostruktur aus Graphen und hexagonalem Bornitrid (h-BN), in der die beiden Komposite durch van der Waals-Bindungen verbunden sind gebildet.
- Die thermischen Dioden werden dabei stets so zwischen der Solarzelle der Vorrichtung und der Elektrolyseurzelle angeordnet, dass die Vorzugsrichtung (vorwärts) des Wärmetransports, d.h. die Richtung mit dem größeren Wärmetransportvermögen, in Richtung von der Solarzelle zur Elektrolyseurzelle orientiert ist. Das Verhältnis der Wärmeübertragungsrate in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung (engl. thermal rectification ratio) sollte dabei so hoch wie möglich sein. Die thermische Diode trägt somit vorteilhaft dazu bei, Wärme effektiver von der Solarzelle in die Elektrolyseurzelle zu transportieren. Zudem ist der Wärmetransport von der Elektrolyseurzelle zur Solarzelle gehemmt und ein Temperaturgradient durch eine zeitweise kühlere Solarzelle (z.B. Wolken, Konvektion durch starken Wind), wird länger aufrechterhalten.
- Die thermische Diode, allein oder in Kombination mit einer thermischen Isolation der Elektrolyseurzelle bewirkt somit eine bessere Wärmebilanz für die Elektrolyseurzelle und bewirkt somit auch eine bessere Effizienz für die elektrochemische Wasserstoffproduktion. Gleichzeitig ist eine Kühlung der Solarzelle verbessert.
- Insbesondere ist dies vorteilhaft bei Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Umgebungen mit Temperaturen unter Raumtemperatur (< 18° C) und besonders vorteilhaft in Umgebungen mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt (< 0° C), wie z.B. in der Antarktis, in denen durch die tiefen Temperaturen die Effizienz einer Vorrichtung zur thermisch gekoppelten solaren Wasserspaltung herab gesetzt ist. Die Effizienz der Katalyse in der Elektrolyseurzelle ist verbessert und ohmsche Verluste werden gesenkt.
- Ausführungsbeispiele
- Die Erfindung soll in zwei Ausführungsbeispielen und anhand von 3 Figuren näher erläutert werden.
- Die Figuren zeigen:
-
1 : Querschnitt durch einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels. -
2 : Querschnitt durch einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. -
3 : a) Betriebsstrom IBetrieb, b) Betriebsspannung UBetrieb und c) Betriebstemperatur TBetrieb über der Zeit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (durchgezogene Linie) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ohne thermische Diode im Einsatz bei einer Umgebungstemperatur von ca. -20° C im Vergleich zu herkömmlichen thermisch gekoppelten Vorrichtungen (gestrichelte Linie) und zu einer thermisch nicht gekoppelten Vorrichtung als Referenz (gepunktete Linie). -
1 zeigt schematisch einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur thermisch gekoppelten solaren Wasserspaltung. Die Darstellung dient nur zur Illustrierung und ist nicht maßstabsgetreu. Im ersten Ausführungsbeispiel ist die Solarzelle 03 nicht in direktem Kontakt mit dem Elektrolyten 05 der Elektrolyseurzelle, die zur Wasserspaltung eingerichtet ist. Diese beinhaltet mit der Solarzelle 03 elektrisch verschaltete Katalysatoren für die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklungsrekationen 06, sowie eine Membran 07 zu Produkttrennung. Der thermische Kontakt zwischen der Solarzelle 03 und der Elektrolyseurzelle ist hier vermittelt über eine thermische Diode 04, die derart angeordnet ist, dass die Vorzugsrichtung der Wärmeübertragung in Richtung der Elektrolyseurzelle weist. Die Elektrolyseurzelle weist ferner eine thermische Isolation 01 auf, die zusätzlich mit einem Material zur Verringerung von Strahlungsverlusten 02 versehen ist, auf. - In dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Solarzelle 03 ausgeführt als GalnP/GalnAs/Ge Tripelsolarzelle. Die Elektrolyseurzelle ist wie im Aufsatz 2 als Typ III (
1 (f) ) beschrieben Anordnung ausgeführt. Die Katalysatoren 06 für die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklungsreaktion sind als Platin bzw. Iridiumoxid basierte Elektroden ausgeführt, die durch eine Membran 07 bestehend aus einem perfluoriertes Copolymer, das als ionische Gruppe eine Sulfogruppe enthält (Nafion®, The Chemours Company) getrennt sind. Als Elektrolyt 05 dient eine wässrige 1 M H2SO4-Lösung. Die thermische Isolation 01 besteht aus Polystyrol und das Material zur Verringerung von Strahlungsverlusten 02 besteht aus Aluminiumfolie. Die thermische Diode 04 ist aus einer Heterostruktur aus Graphen und hexagonalem Bornitrid (h-BN) gebildet, wie im Aufsatz 10 beschrieben. -
2 zeigt schematisch einen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Darstellung dient ebenfalls nur zur Illustrierung und ist nicht maßstabsgetreu. Im zweiten Ausführungsbeispiel sind die Photoelektroden 08 und 09 in direktem Kontakt mit dem Elektrolyten 05 der Elektrolyseurzelle, die zur Wasserspaltung eingerichtet ist. Der thermische Kontakt zwischen den Photoelektroden 08 und 09 der Elektrolyseurzelle ist hier über den direkten Kontakt der Photoelektroden 08, 09 mit dem Elektrolyten 05 gegeben. Die Photoelektroden 08 und 09 und sind zudem elektrisch verschaltet und bilden eine Tandemzelle (Bandlücke Photoelektrode 09 (Frontabsorber) > Bandlücke der Photoelektrode 08). Die Elektrolyseurzelle weist ferner eine thermische Isolation 01 auf, die zusätzlich mit einem Material zur Verringerung von Strahlungsverlusten 02 ausgestattet ist. Es ist zusätzlich die Membran 07 für die Produkttrennung gezeigt. Die Photoelektroden 08 und 09 sind mit Katalysatoren 10 und 11 für die Wasserstoff- bzw. Sauerstoffentwicklungsreaktion versehen. - In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Photoelektrode 09 (Frontabsorber) ausgeführt als BiVO4 mit NiFeOx als Katalysator 10. Die Photoelektrode 08 und der zugehörige Katalysator 11 sind als Cu2O bzw. NiMo ausgeführt. Die Elektroden 08, 09 sind durch eine Membran 07, bestehend aus einem perfluoriertes Copolymer, das als ionische Gruppe eine Sulfogruppe enthält (Nafion®, The Chemours Company) getrennt. Als Elektrolyt 05 dient eine 0.2 M Kaliumborat Pufferlösung mit einem pH Wert von 9. Die thermische Isolation 01 besteht aus Polystyrol und das Material zur Verringerung von Strahlungsverlusten 02 besteht aus Aluminium.
- In der
3 sind experimentelle Kennlinien für den Betriebstrom (proportional zur Wasserstoff-Produktionsrate) a), der Betriebsspannung b) und der sich unter Beleuchtung einstellenden Betriebstemperatur c) einer Vorrichtung gemäß der Erfindung (durchgezogene Linie) über die Zeit gezeigt. Die Vorrichtung wurde dazu in eine Kühlvorrichtung verbracht, in welcher eine mittlere Temperatur von ca. -20° C herrscht. Die Bestrahlung der Vorrichtung durch die Sonne wurde durch einen Sonnensimulator simuliert (AM1.5). Die Beispielvorrichtung für die Wasserstoffherstellung unter extremen klimatischen Bedingungen ist an das Ausführungsbeispiel in1 angelehnt und besteht aus einem Array aus III/V Tripelsolarzellen sowie Platin und Iridiumoxid basierte Katalysatoren für die Wasserstoff- bzw. Sauerstoffentwicklungsreaktion. Als Elektrolyt dient 30% H2SO4. Der Vorteil der erfindungsgemäßen thermischen Isolation gegenüber der bloßen thermischen Kopplung (gestrichelte Linie) bzw. dem ungekoppelten Zustand (gepunktete Linie) für die Wärmebilanz und Effektivität ist ersichtlich. In dem Experiment ist keine thermische Diode in der Vorrichtung angeordnet. Die zusätzliche Anordnung einer thermischen Diode vermindert aufgrund der gehemmten Wärmeleitung vom Elektrolyseur zur Solarzelle eine Auskühlung des Elektrolyseurs bei einer kurzfristig geringeren Temperatur der Solarzelle. Diese kann zum Beispiel durch eine Verminderung der eintreffenden Lichtintensität (z.B. durch Wolken) oder stärkere Konvektion an der Oberfläche der Solarzelle aufgrund von stärkeren Winden hervorgerufen werden. Dadurch kann ein sich daraus ergebender Temperaturgradient zwischen Elektrolyseur und Solarzelle (TElektrolyseur > TSolarzelle) länger aufrechterhalten werden, was die Gesamteffizienz der Vorrichtung erhöht. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- US 2019/0177860 A1 [0002, 0003]
Claims (4)
- Vorrichtung zur thermisch gekoppelten solaren Wasserspaltung mindestens aufweisend eine Elektrolyseurzelle eingerichtet zur Wasserspaltung und eine Solarzelle (03), welche wechselseitig sowohl elektrisch verschaltet als auch thermisch gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseurzelle mit einer thermischen Isolierung (01) ausgestattet ist.
- Vorrichtung zur thermisch gekoppelten solaren Wasserspaltung nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseurzelle zusätzlich zur thermischen Isolation (01) mit einem Material zur Verringerung von Strahlungsverlusten (02) ausgestattet ist. - Vorrichtung zur thermisch gekoppelten solaren Wasserspaltung nach
Anspruch 1 , wobei die thermische Kopplung zwischen der Solarzelle (03) und der Elektrolyseurzelle durch eine thermische Diode (04) erfolgt, deren Vorzugsrichtung des Wärmetransports in Richtung von der Solarzelle (03) zur Elektrolyseurzelle orientiert ist und wobei die Solarzelle (03) nicht im direkten Kontakt mit einem Elektrolyten (05) in der Elektrolyseurzelle steht. - Vorrichtung zur thermisch gekoppelten solaren Wasserspaltung nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Diode (04) gebildet ist aus einem Komposit von Polydimethylsiloxan und Graphite in Form eines Films, in dem die Komposite asymmetrische, kegelförmige Grenzflächen bilden.
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|---|---|---|---|---|
| US20080236646A1 (en) | 2007-03-27 | 2008-10-02 | Gm Global Technology Operations, Inc. | Thermal optimization of a solar photovoltaic powered electrolyzer system |
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-
2021
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Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| CHEN, Xue-Kun [u.a.]: Thermal rectification in asymmetric graphene/hexagonal boron nitride van der Waals heterostructures. In: ACS Applied Materials & Interfaces, Vol. 12, 2020, No. 13, S. 15517-15526. - ISSN 1944-8244 (P); 1944-8252 (E). DOI: 10.1021/acsami.9b22498. URL: https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.9b22498 [abgerufen am 2021-03-05] |
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