Solar-Hydrogen-Fuel Cell Prototype as a Source of Renewable Energy Generation

Andrés Rodríguez-Castellanos, Ernesto López-Torres, Omar Solorza-Feria*

Departamento de Química, CINVESTAV-Instituto Politécnico Nacional, A. Postal 14-740, 07360 D.F. México. Mail: osolorza@cinvestav.mx, Tel: (55) 5061 3715, Fax ( 55) 5061 3389

Recibido el 24 de agosto de 2006 ]]> Aceptado el 15 de enero de 2007

Abstract

A small renewable energy prototype is presented, integrated by a solar photovoltaic module used for electrolysis of water where the resulting hydrogen was fed to a regenerative fuel cell for a clean electricity generation. A photovoltaic module provided DC power to an electrolyzer, to produce 56 cm³/min of hydrogen which is fed to a fuel cell and generate electricity. This prototype was designed and manufactured to show the future energy scenario of renewable energy. For water electrolysis, powders of RuCoO_x were used as anode and nanometric Pt powders as cathode catalysts in a polymer electrolyte membrane. Anode catalyst was prepared by pyrolysis processes and annealed at 550°C. The catalysts were applied to an electrode membrane assembly (MEA) and studied gal-vanostatically and under solar illumination in an electrolysis cell. A high electrochemical performance of the electrolyzer was obtained with 0.25 A cm^-2 at 1.87 V for each single MEA, at 30 °C and atmospheric pressure of 585 mmHg in Mexico City. The fuel cell stack prototype was also designed and manufactured with 10 MEAs containing 0.4 mg/cm² of 20 wt.% Pt as anode and cathode, to generate electrical energy to power on a portable 3.5 watts TV.

Keywords: Renewable energy, electrolyzer, hydrogen, fuel cell.

Resumen

Se presenta un pequeño prototipo para la utilización de una fuente de energía renovable. Un modulo fotovoltaico fue utilizado para la electrólisis del agua donde el hidrógeno producido fue suministrado a una celda de combustible regenerativa para la producción de electricidad. El módulo fotovoltaico suministra corriente directa, CD, a un electrolizador para producir 56 cm^3/min de hidrógeno el cual es alimentado a una celda de combustible para producir electricidad. El prototipo fue diseñado y construido para mostrar el escenario futuro de una energía renovable. Para la electrólisis del agua se utilizaron polvos electrocatalizadores de RuCoO_x y Pt nano-métrico como ánodo y cátodo, respectivamente, integrados a una membrana polimérica. El catalizador anódico fue preparado por pirólisis a la temperatura de 550 °C. Se prepararon ensambles membrana-electrocatalizador, MEAs, los cuales fueron estudiados galvanostáti-camente y bajo iluminación en módulo fotovoltaico. Se obtuvo un alto desempeño electroquímico del electrolizador con 0.25 A cm^-2 a 1.87 V para cada ensamble, a la temperatura de 30 °C y presión atmosférica de 585 mmHg. Un prototipo con arreglos de celda de combustible fue diseñado y construido utilizando 10 MEAs conteniendo 0.4 mg/cm² de Pt al 20 % peso como ánodo y cátodo y así generar energía eléctrica para hacer funcionar una TV portátil de 3.5 watts.

Palabras clave: Energía renovable, electrolizador, hidrógeno, celda de combustible.

Acknowledgements

This work was supported by grant No. 46094 from Mexican Council of Science and Technology, CONACYT. We thank Prof. Y. Matzumoto by the donation of the photovoltaic module.

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