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Neue Empfehlungen Unter Druck gesetzte künstliche „Blätter“ liefern mehr Elektrolysespannung

Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin 2 min Lesedauer

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Photoekeltroden wandeln Sonnenlicht in elektrische Spannung um, die für Elektrolyse zur Gewinnung von Wasserstoff genutzt werden kann. Unter Druck wird der Effekt verstärkt ...

Photoelektrochemische Zellen (PEC-Zellen) kann man als eine Art künstliches Pflanzenblatt betrachten, was ihre Funktionsweise angeht. Mit ihnen kann man aus Wasser Wasserstoff gewinnen. Diesen Effekt haben Berliner Forscher jetzt deutlich verstärken können.(Bild: F. Liang / HZB)
Photoelektrochemische Zellen (PEC-Zellen) kann man als eine Art künstliches Pflanzenblatt betrachten, was ihre Funktionsweise angeht. Mit ihnen kann man aus Wasser Wasserstoff gewinnen. Diesen Effekt haben Berliner Forscher jetzt deutlich verstärken können.
(Bild: F. Liang / HZB)

Manche bezeichnen photoelektrochemische Zellen (PEC-Zellen) auch als künstliches „Blatt“, denn ähnlich wie bei der Photosynthese, die sich in grünen Pflanzenblättern und Algen abspielt, wo ein komplexes Molekül (Photosystem II) das Sonnenlicht nutzt, um Wasser aufzuspalten, erfüllen in PEC-Zellen anorganische, eigens entwickelte Photoelektroden diese Aufgabe, wie Forscher vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) für Materialien und Energie erklären. Nicht zuletzt sind PEC-Zellen inzwischen beeindruckend effizient. Denn die leistungsstärksten von ihnen erreichten bereits Wirkungsgrade bis 19 Prozent. Bei diesen Werten spielten typische Verluste durch Blasenbildung eine wichtige Rolle. Denn Blasen streuen das Licht und verhindern eine optimale Ausleuchtung der Elektrode, heißt es dazu. Außerdem können Blasen den Kontakt des Elektrolyten mit der Elektrodenoberfläche beeinträchtigen oder gar verhindern, was zu einer elektrochemischen Deaktivierung führen kann. Um die Verluste zu minimieren, wäre es hilfreich, die Blasengröße zu verringern, indem die Anlage bei höherem Druck betrieben wird, so die Idee. Bisher wurden jedoch alle PEC-Anlagen bei atmosphärischem Druck (1 bar) betrieben.

Die Blasengröße konnte auf jeden Fall halbiert werden

Ein Team des Instituts für Solare Brennstoffe am HZB hat nun die Wasserspaltung bei erhöhtem Druck unter PEC-relevanten Bedingungen untersucht. Sie setzten PEC-Durchflusszellen auf einen Druck zwischen einem und 10 bar und zeichneten verschiedene Parameter während der Elektrolyse auf. Zusätzlich entwickelten sie ein multiphysikalisches Modell des PEC-Prozesses und glichen es mit den experimentellen Daten bei normalem und erhöhtem Druck ab. Dieses Modell ermöglicht es nun, mit den Parametern zu spielen, um die entscheidenden Hebel zu identifizieren. Man hat etwa untersucht, wie sich der Betriebsdruck auf die Größe der Gasblasen und ihr Verhalten an den Elektroden auswirkt. Die Analyse zeigt, dass eine Erhöhung des Betriebsdrucks auf 8 bar den Gesamtenergieverlust halbiert.

Auch für andere photokatalytische Systeme anwendbar

Diese Erkenntnis könnte den Gesamtwirkungsgrad deutlich steigern. Die optischen Streuverluste können bei diesem Druck fast vollständig vermieden werden, wie die HZB-Forscher sagen. Die Berliner haben außerdem feststellen können, dass sich die sogenannten Produktübergänge verringern – insbesondere was den Sauerstofftransfer auf die Gegenelektrode betrifft. Bei höheren Drücken zeigten sich jedoch keine Vorteile mehr, so dass das Team 6 bis 8 bar als optimalen Betriebsdruckbereich für PEC-Elektrolyseure vorschlägt. Dieses Wissen, insbesondere das Multiphysikmoldell, ließen sich auf andere Systeme übertragen und würden dabei helfen, die Effizienz von elektrochemischen und photokatalytischen Anlagen zu erhöhen.

Die Arbeiten wurden durch das Helmholtz-Innopool-Projekt „Solar H2: Highly Pure and Compressed“ gefördert.

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