Toyota en DIFFER starten samenwerking aan waterstof uit lucht

February 12th 2019

Het klinkt als een goocheltruc: je brengt een speciaal apparaat in contact met lucht, laat er zonlicht op vallen, en het produceert gratis brandstof. Toch is dit het basisidee van onderzoeker Mihalis Tsampas (DIFFER - Dutch Institute for Fundamental Energy Research) in samenwerking met Toyota Motor Europe (TME). De onderzoekspartners willen een systeem ontwikkelen dat waterdamp absorbeert en zonne-energie gebruikt om die damp vervolgens op te splitsen in waterstof en zuurstof. Het onderzoeksproject wordt mogelijk gemaakt door een toekenning van het ENW PPS-fonds van NWO.

Gemeenschappelijke doelen

In dit project verkennen DIFFER en Toyota een innovatieve manier om direct waterstof te produceren uit vochtige lucht. De motivatie voor dit onderzoeksproject is tweeledig. We hebben nieuwe duurzame brandstoffen nodig om zowel onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen als de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Een van deze duurzame brandstoffen is waterstof, dat kan worden gebruikt om zonne-energie direct op te slaan. Als je waterstof combineert met zuurstof, komt er energie vrij in de vorm van elektriciteit en wordt er verder alleen schoon water geproduceerd.

Bij hun zoektocht naar oplossingen stuitte Toyota op de Catalytic and Electrochemical Processes for Energy Applications-groep van DIFFER, onder leiding van Mihalis Tsampas. De groep werkte aan een methode om water te splitsen in de dampfase, die veel vaker voorkomt dan de vloeibare fase. "Werken met gas in plaats van met vloeistof heeft verschillende voordelen", legt Tsampas uit. "Met vloeistoffen zijn een paar technische problemen gemoeid, zoals ongewenste belvorming. Bovendien hebben we door gebruik te maken van water in de gasfase in plaats van de vloeibare fase, geen dure installaties nodig om het water te zuiveren. En tot slot, omdat we alleen het water gebruiken dat in de omringende lucht aanwezig is, is onze technologie ook bruikbaar op afgelegen plaatsen waar verder geen water beschikbaar is."


Promovendus Georgios Zafeiropoulos met fotoelektrochemische cel in het DIFFER artificial leaf laboratorium - foto: DIFFER / Bram Lamers

Aangetoonde werking

Het afgelopen jaar hebben DIFFER en Toyota in een gezamenlijke haalbaarheidsstudie al aangetoond dat het beoogde principe inderdaad werkt. De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe vaste stof foto-elektrochemische cel die in staat was om eerst water uit omgevingslucht te vangen en vervolgens onder invloed van zonlicht waterstof te produceren. Dit eerste prototype haalde meteen al 60 tot 70 procent van de hoeveelheid waterstof die je kunt maken uit vloeibaar water. Het systeem is een membraanreactor waarin polymere elektrolytmembranen, poreuze foto-elektroden en materialen die water absorberen zijn gecombineerd.

Aanpak Toyota

"Met ons pionierswerk aan de eerste massageproduceerde sedan op waterstof draagt Toyota actief bij aan manieren om waterstof te produceren zonder fossiele brandstoffen", zegt Isotta Cerri, General Manager, Advanced Material Research. "Dat past binnen de Toyota Environmental Challenge 2050, waarin we mikken op nul CO2-uitstoot tijdens alle levensfases van onze voertuigen. Waterstof uit duurzame bron helpt aanzienlijk om de uitstoot van broeikasgas terug te dringen. Met dit soort fundamenteel onderzoek werken we richting een maatschappij waar betaalbare, makkelijk te gebruiken waterstoftechnologie beschikbaar is voor onze eigen activiteiten zowel als voor de klant."

Verbeteren en opschalen


Close-up foto-elektrochemische cel - foto: DIFFER / Bram Lamers

In het nieuwe project gaan de partners hun bestaande systeem aanzienlijk verbeteren. "In ons eerste prototype gebruikten we model foto-elektroden, waarvan bekend is dat ze erg stabiel zijn. Maar het materiaal dat we daarvoor hebben gebruikt, absorbeert alleen UV-licht, dat minder dan vijf procent uitmaakt van al het zonlicht dat de aarde bereikt", legt Tsampas uit. In een volgende stap gaan de onderzoekers dan ook innovatieve materialen toepassen en de systeemarchitectuur optimaliseren om zowel de waterinname als de hoeveelheid geabsorbeerd zonlicht te vergroten.

Zodra die hindernis is genomen, verschuift de focus naar het opschalen van de technologie. De huidige foto-elektrochemische cellen voor waterstofproductie zijn erg klein, in de orde van een vierkante centimeter. Om economisch levensvatbaar te kunnen zijn, moet hun omvang ten minste twee tot drie ordes van grootte worden opgeschaald.

"Uiteindelijk stel ik me voor dat je dit soort systemen terug gaat zien in huizen, waar ze de waterstof produceren die nodig is om een auto voor dagelijks woon-werkverkeer van brandstof te voorzien", verwacht Tsampas.