Photoelektrokatalytische Wasserstofferzeugung

Bild von Sonnenkollektoren in einem Feld

Die Produkte der photosynthetischen Prozesse wie Photokatalyse und CO₂ Reduktion motivieren technologische Entwicklungen in der künstlichen Photosynthese. Wenn sie richtig nachgebildet werden, könnten solche photosynthetischen Prozesse zur effizienten und nachhaltigen Herstellung höchst wünschenswerter Kraftstoffe und Chemikalien wie Wasserstoff genutzt werden.

Photoelektrokatalyse und Elektrolyse

Photoelektrokatalytische Prozesse bieten das Potenzial, Sonnenenergie zu nutzen, um Wasser bei niedrigen Betriebstemperaturen und mit sehr geringen Kosten in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. hoher Wirkungsgrad. Während Elektrolyse-Technologien sind Obwohl die Herstellung von grünem Wasserstoff rasch voranschreitet, schränken der hohe Energiebedarf und die hohen Betriebskosten ihre Rentabilität noch immer ein. Investitionen in die Erforschung der photoelektrokatalytischen Wasserstofferzeugung haben daher das Potenzial, eine zusätzliche Möglichkeit zur Gewinnung von grünem Wasserstoff zu bieten - ohne Elektrolyse

Photoelektrokatalytische Wasserstoffforschung und Projekte

A Palette von Verbindungen werden als potenzielle Katalysatoren zur Erleichterung der photoelektrokatalytischen Wasserstofferzeugung untersucht. Viele Techniken nutzen TiO₂ basierten Photokatalysatoren für solche Prozesse. Ein Beispiel dafür ist Forschungsgruppe in China verwendet TiO₂ Nanoröhren-Arrays in Verbindung mit halbleitenden Nanopartikeln als Katalysator für die Wasserspaltung zur Bildung von H₂.

Die Ölgesellschaft Repsol is also keen to find more efficient means of green hydrogen production. As the largest producer and consumer of hydrogen in Spain, they’ve worked on several photoelectrocatalytic hydrogen plants, including a recent project at the Petronor Komplex im Baskenland. Sie hatten zuvor mit spanischen Forschungsinstituten und Enagás zusammengearbeitet, um sowohl Onshore- als auch Offshore-Elektrolyseprojekte in Mallorca und Asturien.

Herausforderungen bei der Skalierbarkeit der photoelektrokatalytischen Wasserstofferzeugung

Effizienz des Prozesses

Aufgrund des hohen Energiebedarfs und des Multi-Elektronen-Transfer-Mechanismus, der bei der Wasserspaltung zum Tragen kommt, ist es eine Herausforderung, Wasserstoff mit hoher Effizienz zu erzeugen - daher werden Forscher kreativ. Im Jahr 2020 entwickelte die Shinshu-Universität ein mit Aluminium dotiertes SrTiO₃ Katalysatorsystem die unter ganz bestimmten Licht- und Halbleiterbedingungen nahezu 100% effizient ist. Dieser Prozess erfordert Optimierung um wirklich lebensfähig zu werden, aber es ist ein bedeutender Schritt in Richtung einer effizienten photokatalytischen Wasserspaltung. Eine zweite Studie im Jahr 2021 festgestellt, dass Biomasse als Wasserstoffquelle verwendet werden kann, um die Erträge auf bis zu 70% zu steigern.

Die Herausforderung besteht jedoch darin, einen praktischen Photokatalysator zu finden, der aus in der Erde vorkommenden Materialien hergestellt werden kann, keine giftigen Abfallprodukte erzeugt und Sonnenenergie effizient einfangen und umwandeln kann. Mit diesem Ziel vor Augen, eine weitere Studie experimentiert mit der Verwendung von verkohltem Holz als Substrat, um die Effizienz der Wasserspaltungsreaktion zu erhöhen. Vorerst bleibt jedoch die photoelektrochemische Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff unter 20% Effizienz für praktische, nicht laborgestützte Systeme.

Wasserquelle

Eine weitere Herausforderung besteht darin, eine brauchbare Wasserquelle für photoelektrokatalytische Wasserstoffprozesse zu finden, da es unwahrscheinlich ist, dass hochreines Süßwasser als Reaktionsmittel verwendet werden kann. Einige Forscher untersuchen die Möglichkeit der Spaltung von Meerwasser, wofür allerdings spezielle Verbindungen erforderlich sind. Die Verwendung von Co₃O₄ wird derzeit untersucht, da es sich um einen stabilen, ungiftigen, porösen Film handelt, der mit dem Meerwasser als Katalysator wirken kann. Bislang hat der mit dieser Methode erzeugte Wasserstoff nur einen Wirkungsgrad von 8%.

Photobiologische Wasserstofferzeugung

Der Versuch, die Rolle des aus 17 Proteinuntereinheiten und zahlreichen Kofaktoren bestehenden Photosystems II nachzuahmen, erweist sich als eine ziemliche Herausforderung. Deshalb Forscher untersuchen auch Alternativen wie die Verwendung von Mikroalgen, die eine natürliche photolytische und photofermentative Wasserstoffproduktion aufweisen. Die Wasserstoffausbeute bei dieser Methode ist noch gering, aber die Forscher untersuchen, wie sich die Effizienz verbessern lässt, und finden kreative Wege, um ihre Prozesse beispielsweise mit Abwasser zu betreiben.

Schlussfolgerung

Wie viele Aspekte der Wasserstoffwirtschaft steckt auch die Erforschung der photoelektrokatalytischen Wasserstofferzeugung noch in den Kinderschuhen und hat noch einen langen Weg vor sich, bis sie kommerziell nutzbar ist. Mit der Zeit und anhaltendem Interesse wird diese Forschung hoffentlich Lösungen für die aktuellen klimatischen und technischen Herausforderungen bieten, mit denen die Welt konfrontiert ist.

Enabling Liquid Hydrogen Fuel Systems in Maritime Innovation

Alicat MCRQ Mass Flow Controllers Support TU Delft Hydro Motion Team’s Hydrogen Boat for the Monaco Energy Boat Challenge

Juni 12, 2025 | Wasserstoff

Empowering Discovery on Water

The transition to sustainable energy in the maritime sector demands more than ambition, it requires precision. That is why Alicat Wissenschaftlich is proud to support the TU Delft Hydro Motion Team as a Bronze Partner in their groundbreaking 2025 campaign: to design, build, test and race Mira, a liquid hydrogen-powered boat at the Monaco Energy Boat Challenge.

Equipping this innovative project with our MCRQ mass flow controllers enables the team to manage hydrogen fuel delivery safely and accurately, helping them prove that liquid hydrogen can power the next generation of clean marine propulsion.

Figure 1: Mira at the official reveal. Hydro Motion Team’s 2025 liquid hydrogen-powered boat.

The Challenge: Making Hydrogen Work for Maritime Transport

The goal of the TU Delft Hydro Motion Team is as ambitious as it is inspiring: to design, build, test, and race a fully functioning boat powered by liquid hydrogen, all within one year, and to compete at the Monaco Energy Boat Challenge 2025. But beyond the competition itself, the team’s mission reaches further. By proving that a boat can operate successfully on liquid hydrogen, they aim to spark broader innovation across the maritime sector and demonstrate hydrogen’s potential as a clean, scalable alternative to fossil fuels.

This project builds on the team’s past successes with compressed hydrogen, already a proven, zero-emission marine fuel. But as the team pushes for longer range and greater onboard efficiency, storage volume and energy density become the next major challenges. To solve this, the team chose to work with liquid hydrogen. With a volumetric energy density three times higher than compressed hydrogen at 350 bar, liquid hydrogen offers a powerful solution for saving space and extending endurance, key requirements in performance vessels.

But storing and using liquid hydrogen introduces challenges. The fuel must be kept at -253°C, requiring insulated cryogenic tanks. The team addresses this with a custom double-walled, vacuum-insulated carbon-fibber tank system, limiting heat ingress to just 7 watts, equivalent to a small LED bulb. To avoid wasting energy, waste heat from the fuel cell is used to bring hydrogen up to the required ~20°C operating temperature before reaching the fuel cell.

These trade-offs (boil-off rates, tank volume, storage weight, and onboard vaporization) are exactly the kinds of real-world constraints this project is designed to explore. And while Mira is a compact, foiling boat, the broader engineering question remains: could a system like this scale to larger vessels, such as ferries? That is the kind of thinking Alicat is excited to support with partners who are pushing the boundaries of what is possible.

The Role of Alicat: Flow Control After Vaporization

Unter Mira’s hydrogen system, hydrogen is stored as a cryogenic liquid. Before reaching the fuel cell, it passes through a vaporizer, transitioning into gas at ambient temperature. This phase is critical: delivering gas at the right pressure and flow requires stable regulation, fast feedback, and precise control.

Figure 2: Simplified diagram of the Hydro Motion Team’s hydrogen system.

To meet this need, the team integrated the Alicat MCRQ mass flow controller immediately downstream of the vaporizer. This device manages the mass flow of hydrogen gas into the fuel cell and enables:

Delivers stable and precise feed pressure to the fuel cell.
Measures hydrogen consumption through real-time mass flow monitoring
Monitors pressure and temperature to help prevent fuel cell issues like dehydration or fuel starvation.
Supports test validation und real-world performance optimization.

Compact, ATEX Zone 2 certified, and designed for fast system response, the MCRQ integrates easily into the tight constraints of a race-ready vessel. Its role is vital during system development, helping the team collect data, tune parameters, and prepare for race-day performance. In short, it helps translate bold hydrogen engineering into operational reliability.

Figure 3: Alicat’s MCRQ unit mounted inside the Hydro Motion Team’s hydrogen control system.

Why the MCRQ Was Selected

The Hydro Motion Team, together with our application engineers, selected the Alicat MCRQ series for its proven capability in low-flow hydrogen gas applications, offering a powerful combination of precision, speed, and safety. Key features that influenced the decision include:

Flow range of 0–1.5 g/s, which translates to ±0.01 g/s uncertainty at a nominal 1 g/s flow, small enough to maintain consistent fuel cell output.
4–20 mA analog output, chosen specifically for its high-speed update rates (kHz range)
ATEX Zone 2 IIC certification, requiring minimal additional safety infrastructure.
Upstream valve position, enabling precise regulation of downstream feed pressure, supporting target values like the ~2.5 bar commonly seen in fuel cell stacks.
±1.0% accuracy of reading (or ±0.2% of full scale)

Together, these features provide the team with a robust, compact, and responsive solution, a key enabler of real-world testing and a step toward scalable, clean hydrogen propulsion.

Competition Progress and What Comes Next

The TU Delft team unveiled the boat, Mira, earlier this year and is now deep into the testing phase, preparing for the Monaco Energy Boat Challenge 2025.

As testing progresses, the team continues optimizing the integration between hydrogen storage, vaporization, and control systems. Alicat’s instrumentation plays a central role in capturing this performance data for analysis and refinement.

This partnership represents more than a technical contribution. It reflects our belief that sustainable innovation thrives where education, engineering, and real-world experimentation meet.

By supporting the Hydro Motion Team and their work on Mira, Alicat contributes to:

Advancing liquid hydrogen fuel systems in marine transport
Empowering hands-on engineering education
Promoting practical low-emission propulsion technologies

We are honoured to be part of this project and proud to know that our instruments are helping to steer the future of clean maritime energy.

Together, we are not just measuring hydrogen. We are helping to Fuel the Future.

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