CN101427066B - 光伏电解器系统及其操作方法和分解水以形成氢的方法 - Google Patents

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Abstract

披露了一种使由太阳能供电的氢生产系统的效率最优化的方法。所述系统利用光伏模块和质子交换膜电解器以将水解离成氢和氧，且效率高于12％。通过使光伏模块产生的电压与所述电解器的工作电压相匹配而获得由太阳能供电对水进行电解的这种高效率。使光伏-电解系统最优化使得通过太阳能生产的氢成本降低且在用作环境清洁且可再生的燃料方面实用性更强。

Description

光伏电解器系统及其操作方法和分解水以形成氢的方法
技术领域
本发明主要涉及氢的生产，且更具体而言，涉及一种利用光伏电池为膜电极组件供电以电解水从而形成氢的生产氢的系统和方法。 
背景技术
目前，生产氢的主要工艺是通过对甲烷进行蒸汽重整。另一种制氢的方式是通过电解水。进行电解所需要的电力主要来源于电力网，且主要的电力网电力源，即化石燃料的燃烧，产生了排放物如氮的氧化物和颗粒物质以及二氧化碳。一种消除这些排放物的方式是利用太阳能发电对水进行电解从而制氢。目前的努力针对的是改进由太阳能供电的氢生产工艺的效率、持久性和成本。 
可使用光伏(PV)电池或太阳能电池提供电解水所需要的电力。单个太阳能电池是光伏系统中的最小单元且通常所具有的电压不足以驱动电解过程。被称作光伏模块的一组太阳能电池被串联和/或并联电连接在一起从而为多种应用情况提供足够大的电压和电流。模块通常被封装在透明的防水结构中。然而，正如目前存在的系统那样，包括光伏模块中的太阳能电池从而与电解器一起发电以将水解离成氢和氧的系统，不能像进行甲烷蒸汽重整那样廉价地生产氢。已经尝试进行了多个项目从而通过利用来自光伏模块和商业上可得的电解器的电力使水分解从而生产供应车辆加燃料站的氢气。这些项目被证实是不令人满意的，原因在于组合技术的低效率和高成本，所述项目仅将约2％-6％的太阳能转换成氢燃料能量，因此大大增加了成本、所得的氢燃料成本(至少15美元/千克氢)和较大的系统覆盖面积。该技术基于非最优的光伏和电解器组合，且涉及较大的土地面积用以集聚足够的太阳能。 
在被共同转让的于2004年2月18日申请的美国临时申请60/545,379；和于2005年2月2日申请的序号为No.11/049,213的题目为“用于生成氢的方法和设备”的美国申请，且在于2004年2月18日申请的序号为No.60/545,374的临时专利申请以及于2005年1月28日申请的序号为No.11/046,572的题目为“氢发生器光伏电解反应器系统”的美国申请中披露了将太阳能转换为氢的其它方法，所述申请在此作为参考被引用。这些设备使在包含液体碱性电解质的反应器中利用电解池由太阳能电池供电对水进行电解从而生产氢的过程的最优化。那些池中的每个池每天产生约1克的氢(在标准温度和压力(STP)下为12L)。已经发现，对于利用Ni和Ni-RuO2板分别作为阴极和阳极，且存在5M KOH电解质溶液的电解器池而言，特定最优工作电压为约2.0-2.5伏特，所述电压必须与光伏系统的最大功率点电压(Vmpp)相匹配。[注意：在本文中无论何时何处采用电气单位，伏特、安培等，该电气单位指的是直流(DC)而不是交流(AC)]。尽管比以前的系统有了相当大的改进，但这些小的罐式或袋式反应器相对体积较大且需要按比例放大几百倍以为一辆燃料电池车辆添加燃料。 
发明内容
为了克服现有技术中的缺点，提供了一种设计和使具有至少一个光伏(PV)模块的光伏电解器系统(太阳能氢发生器或由太阳能供电的电解系统)进行工作的方法。所述系统和方法利用至少一个光伏模块，所述光伏模块供电以电解水从而生产氢。 
在此披露了一种生产和使用氢的系统。该系统具有用于供电以电解水的至少一个光伏(“PV”)模块和接收所述电力的至少一个电解器。所述电解器具有至少一个膜电极组件(“MEA”)以电解水从而形成氢。膜电极组件由夹在相应的第一催化电极与第二催化电极之间的质子交换膜(“PEM”)形成。光伏模块的供电电压与电解器的工作电压和电流需求相匹配。 
在本发明的一个实施例中，所述系统由具有供电以电解水的至少一个光伏电池的至少一个光伏(“PV”)模块和接收所述电力的电解器形成。所述电解器具有至少一个膜电极组件。所述系统在第一模式中被最优化，所述第一模式具有被设计以为所述电解器提供最优电压(所述工作电压提供了最高的太阳能-氢转换效率)的光伏子系统。在所述第一模式中，所述光伏子系统被直接连接至所述电解器子系统。当所述光伏模块的电压超过所述电解器的电压目标时，所述系统 进一步可通过将非最优光伏系统的电压逐步降低至所述最优电压而以第二模式进行工作。当所述光伏模块的电压小于所述电解器的所述工作电压时，所述系统进一步可通过逐步升高电压而以第三模式进行工作。在所述第二模式和第三模式中，所述光伏电压通过在电路中增加直流-直流转换器而逐步变化。 
可构造光伏电解器以在第一模式中以最高效率进行工作，且光伏系统被直接连接至电解器。可选的控制器可被加到所述光伏电解器系统上，所述光伏电解器系统基于入射在所述光伏模块上的光的范围在所述第一模式、所述第二模式与所述第三模式之间进行切换。由所述光伏系统通过所述控制器施加的电压是由工作电压范围限定的目标范围，所述工作电压范围为堆提供了最高效率。 
此外，披露了一种使光伏-电解器系统的设计最优化的方法，所述光伏-电解器系统包括具有至少一个太阳能电池或光伏模块的光伏(PV)子系统和具有至少一个电解池或膜电极组件(MEA)以电解水从而生产氢的电解器子系统。所述方法包括以下步骤：a)通过测量和计算确定所述电解器子系统的工作电压、工作电流和效率，b)基于在所述光伏电池的多个负载和多个电压下的实际电压与实际电流之间的预定关系而确定所述光伏电池的最大功率点电压(Vmpp)，并且c)确定处于所述Vmpp的光伏电池数量以获得电解水所需的电压且满足所需的电解系统损失。 
所述系统提供了一种利用光伏半导体材料、电解器和日光生产氢的实用的无污染的生产氢燃料的技术。这种氢可被用以为燃料电池车辆和固定发电装置供电，且其相对于其它能源具有成本优势。就这方面而言，本发明提供了一种以实用规模生产可再生氢的系统，所述可再生氢基本上适用于任何应用情况，且所述应用情况包括为车辆提供燃料以及固定发电设备。 
从下文提供的详细描述中将易于理解本发明适用的其它领域。应该理解，尽管该详细描述和特定实例对本发明的优选实施例进行了说明，但所述详细描述和特定实例仅旨在进行说明的目的且不旨在限制本发明的范围。 
附图说明
通过详细描述并结合附图将更充分地理解本发明，其中： 
图1示出了根据本发明的教导的光伏-电解器系统； 
图2是利用直接连接最优化(DCO)模式的光伏电解器系统的示意图； 
图3是利用直流-直流转换器(DDC)最优化模式的光伏-电解器系统的示意图； 
图4是能够进行直接连接最优化或直流-直流转换器最优化的光伏-电解器系统的示意图； 
图5示出了根据本发明的教导的质子交换膜电解器； 
图6示出了通过直流电源在一定工作电流范围内测量的具有20个池的质子交换膜电解器的效率； 
图7示出了太阳能转换成氢的效率与在自然日照条件下通过直接连接最优化测得的Vmpp之间的关系； 
图8示出了H2压力对析氢反应的半电池电压的影响； 
图9示出了光伏模块的电流(I)与电压(V)之间的关系，图中示出了最大功率点(mpp)，图中还示出了相应的功率曲线(P＝V×I)； 
图10示出了电解器的一种构型； 
图11示出了除光伏模块外的电解器系统的部件； 
图12示出了图13所示部件的详细视图；和 
图13示出了气体/水分离器的详细视图。 
具体实施方式
主要结合图1和图2对光伏-电解器系统的工作进行说明，所述附图示出了根据本发明的教导的系统的图解视图和示意图。光伏-电解器系统20包括具有至少一个太阳能或光伏电池24或光伏子系统22的光伏(PV)子系统22以及具有至少一个电解池或膜电极组件(MEA)30以电解水从而生产氢的电解器子系统28。电解池30优选为高效质子交换膜(PEM)，所述质子交换膜被夹在两个催化电极之间以形成膜电极组件(MEA)。电解器子系统28的电压和电流需求与由太阳能供电的光伏(“PV”)子系统22产生的电压相匹配，从而大大增加了整个系统20的工作效率。如下面详细描述地，系统20可选地利用高压电解器池30增加氢的输出压力。参见图3，可选地，当光伏子系 统22无法独自提供与电解器子系统28的工作电压相匹配的电压时，可使用直流-直流转换器40以提高整个系统的效率。图2所示的系统20利用直接连接最优化(DCO)或利用图3所示的直流-直流转换器40改变供应至电解器子系统28的电压从而利用直流-直流转换器最优化(DDC)。参见图4，可选地，控制器34可与直流-直流转换器结合使用，从而基于控制器检测到的光强度使电路在直接连接最优化与直流-直流转换器最优化工作之间进行切换从而提高在低光照条件下的效率。 
为了使光伏电解器系统20按比例放大成能够为一辆或多辆燃料电池车辆提供燃料的规模，对一系列商业上可得的太阳能电池模块的效率范围和较大范围的电压输出进行了试验。质子交换膜电解池30的使用提供了非常紧凑的电解器子系统28，且不需要对一些电解器所需要的酸或碱，如氢氧化钾(KOH)进行处理。此外，质子交换膜燃料电池的在效率和降低成本方面所取得的进步将可能导致产生进一步改进的质子交换膜电解器池30。如下所述，高压电解器池30可选地可被构造以提供压缩氢，而不需要外部压缩系统。 
图2是利用直接连接最优化(DCO)模式的光伏电解器系统20的示意图。如图所示，光伏子系统22被直接连接至质子交换膜电解器28。该电解器利用来自光伏子系统22的电流将去离子水解离为H2和O2。该系统中的氧被排往大气，同时利用气体液体分离器50分离氢。通过外部系统为电解器池30提供去离子水以补偿电解消耗的水。利用泵66使去离子水循环通过电解器和气体/水分离系统。水循环对电解器进行冷却且帮助分离并收集氢气。如下面进一步详细示出地，光伏子系统22的最大电输出电压与电解器子系统28所需的最优工作电压和电流相匹配。 
图3示出了具有直流-直流转换器(直流-直流转换器最优化)的光伏电解器系统20的示意图。仅通过7个串联的电解池30示意性地示出了图2和图3所示的电解器子系统28，所述电解池分别具有两个电极。正如已公知地，质子交换膜电解池30具有阴极和阳极，氢在所述阴极处产生，氧在所述阳极处产生。本发明的试验中使用的实际电解器子系统28具有20个池。系统20可包括具有多个(任何数量)的电解池30的电化学堆。还预想，电化学堆可以第一模式进行工作 以电解水从而生产氢，且进一步可以第二模式进行工作以消耗氢从而产生动力。 
如图4所示，系统20可选地可被最优化至第一模式，所述第一模式利用被设计具有目标工作电压的光伏子系统从而由电解器子系统28获得最高转换效率。可选地，当光伏子系统22的电压超过电解器子系统28的目标最优电压时，图4所示的系统20可通过在第二工作条件下逐步降低电压而以第二模式工作。同样可选地，当光伏子系统22的电压小于电解器子系统28的电压目标时，系统20可通过在第三工作条件下逐步升高电压而以第三模式工作。控制器34作用以基于入射在光伏子系统22上的光的范围在第一模式、第二模式与第三模式之间调节。最优电压目标是由电解器子系统28所需的工作电压范围确定的目标范围，所述目标范围获得了光伏子系统的最大功率和效率且获得了电解器子系统28的最高效率。 
此外，系统20利用构造和使光伏电解系统工作的方法，所述光伏电解系统具有至少一个光伏(PV)电池24，所述光伏电池供电以电解水从而生产氢。该方法通过确定所需氢生产率(和电解器规模)开始。随后测量或计算电解器的工作电压和工作电流。光伏系统随后被设计以与电解器系统的工作电压和电流相匹配。通过首先基于在负载下每个光伏电池24产生的实际电压与光伏电池24产生的实际电流之间的预定关系确定光伏系统22的最大功率点电压(Vmpp)，而发现光伏系统的所需输出。随后确定获得电解水且满足所需的电解子系统的系统损失所需的电压而需要的在Vmpp下串联电连接的光伏电池24的数量。 
可选地，系统20包括具有串联构型的多个光伏电池24，从而基于子系统22的最大功率点电压提供足以电解水且满足电解系统损失的电压。串联连接且构成光伏子系统22的光伏电池24的数量被确定为在堆中串联布置的电解(膜电极组件)池30的数量以提供所需的电解器工作电压。确定在Vmpp下进行串联以实现电解水且满足电解系统损失(电解器过电压)的所需电压的光伏电池24的数量。所示的光伏子系统22具有处于32至39伏特范围内的总Vmpp，从而为具有20个串联的质子交换膜电解池30的电解器子系统28供电。该Vmpp还对应于用于操作具有20个串联质子交换膜电解池30的电解器的处于约 40至46伏特范围内的开路电压。光伏子系统22具有足以为每个膜电极组件提供1.6至2.0伏特电压的总Vmpp。光伏子系统22优选具有约36伏特的总Vmpp以用于具有20个膜电极组件电解器子系统28，所述总Vmpp等效于每个质子交换膜电解池30具有约1.8伏特的电压。 
通过串联布设一系列光伏电池24使得每个光伏电池具有约0.50伏特的最大功率点输出而形成Vmpp。光伏子系统22具有包含72个电池的串联的光伏电池串。所需的光伏子系统电压在最大功率点处为约36伏特。相似地，多个这些光伏子系统22可被并联布置以提供所需电流量。为了设计用于光伏电解器系统20的最优光伏子系统，应该使用的目标是每个电解池具有1.8伏特的电压或每个电解池具有1.6-1.8伏特的电压范围。 
系统20可选地被构造以使得用于生产氢的工作电压与质子交换膜电解池30的数量成比例。电解水且满足电解系统20损失所需的光伏输出(从而提供电解器的工作电压)基于串联连接的光伏电池数量和单个光伏电池24的最大功率点电压(Vmpp)。预想电解器子系统28可由多个电解池30形成，所述电解池可串联连接以接受更高的工作电压(Voper)且可并联连接以接受更高的工作电流(Ioper)。对于直接连接最优化(模式1)的最优化而言，在光伏子系统中串联布置的光伏(太阳能)电池的数量确定了在最大功率点处的光伏输出电压(Vmpp)，所述光伏输出电压必须与电解器工作电压(Voper)相匹配。在光伏子系统22中并联连接的光伏模块的数量确定了工作电流。 
图2所示的最优光伏子系统22被设计以在其最大功率点处产生预定电压(Vmpp)，所述预定电压约等于电解器子系统28的工作电压(Voper)。氢生产过程可选地被最优化且在标准试验条件下(标准试验条件-1000W/m2的太阳辐照度以及25℃)实现了最高效率。例如，(在标准试验条件下且在最大功率点处)Vmpp为36伏特且太阳能转换为电能的效率为17.5％，且被连接至具有32至38伏特的Voper的高效质子交换膜电解器的光伏子系统22可在太阳能转换为氢的效率为11％至12％的情况下生产氢。此外，氢生产过程可被最优化以基于平均的地理条件所特有的太阳辐照度实现最高效率。通过这种方式，光伏子系统22的构型可被设计以与电解器子系统28相匹配从而提供在目标地理位置处所需的氢生产过程，或被设计以在更大的市场领域内进行 一般使用。可通过选择性地串联或并联布置光伏(太阳能电池)或模块使图2所示的光伏子系统22的设计和制造最优化，从而产生最优的Vmpp和工作电流以与质子交换膜电解器28的Voper和电流需求匹配。可根据日程条件或大气条件和所需的氢流速(所述流速为电流的函数)调整该构型。 
可选地，图3所示的非最优系统20需要被联接至直流-直流转换器系统40，以将非最优光伏电压转换成等于电解器的Voper的最优光伏电压。系统20还可被设计具有可选的串联或并联布置的光伏子系统22。可能有必要并联布置多个光伏子系统以获得足够电流从而制造在高利用应用情况，如汽车加燃料操作中，所需的氢燃料。在图4中，可通过从并联连接变为串联连接或相反而实现从直接连接最优化电路向直流-直流转换器电路的变化或对系统进行的季节性调节和再优化。为了实现这些从并联连接向串联连接的变化，可通过重新连接光伏电池、模块或子系统手动地实现光伏光缆与光伏电解器系统的系统再连接，或可根据光线和季节条件利用控制器34实时地实现所述再连接。 
光伏子系统22优选具有对于每个电解池30约1.6至2.0伏特的预定输出电压范围(V1至V2)。在该电压范围内，光伏子系统产生95％至100％的Pmax以及95％至100％的最高电效率，且系统的氢生产效率达最高氢生产效率的约85％至100％。电解器子系统28具有特征Voper，通过电压计56测量电解器极柱间的电压降确定所述特征Voper。电解器子系统的Voper确定了系统20工作的所需的(在最大功率点处)最优光伏输出电压且还确定了电解器的效率，所述效率等于100％×(N×1.23伏特/Voper)。因此，当光伏子系统被直接连接至有效的电解器子系统时，每个电解池所具有的电压范围V1至V2是光伏子系统22的最优电压范围。当利用直流-直流转换器进行光伏电解时，每个电解池所具有的V1至V2还是直流-直流转换器系统的最优电压输出。此外，电解器子系统28具有特征Voper，所述特征Voper由串联的电解池30的数量(N)和每个膜电极组件的特征过电压(Vov)确定，以使得： 
Voper＝N×(1.23伏特+Vov) 
其中Vov处于约0.4至0.7伏特范围内，所述范围取决于电解器子系统28的工作电流、电极类型、电极设计、催化剂类型、催化剂担载 量、Ioper、工作温度和工作压力。 
简要回顾图3，预想非最优光伏子系统22可被连接至直流-直流转换器40(线性电流放大器或电荷控制器)，所述直流-直流转换器被设计以将光伏子系统22的非最优电压输出转换成电解器子系统28的预定Voper，且直流-直流转换器40被连接至电源以使电解器子系统28进行工作。就这方面而言，光伏子系统22被连接至直流-直流转换器40，所述直流-直流转换器被设计以将光伏子系统22的电压输出转换成每个电解池30的最优电压(例如1.6至2.0伏特)(高效质子交换膜电解器子系统的每个池所具有的预定Voper)。 
利用控制器34中运行的控制系统或算法使光伏子系统22在直接连接至电解器子系统的模式与通过直流-直流转换器40连接至电解器子系统28的模式之间进行切换。直流-直流转换器40被设计以将光伏子系统22的电压输出转换成电解器子系统28的Voper且通过降低传感器系统检测到的太阳辐照度控制所述切换。 
在本发明的另一个特定实施例中，当电解器工作电流小于或等于15A时，光伏子系统22被构造以产生预定的最大功率点电压(Vmpp)，所述预定的最大功率点电压约等于电解器子系统28的工作电压(Voper)，以使得氢生产过程被最优化且在标准试验条件(标准试验条件-1000W/m2的太阳辐照度以及25℃)下实现最高效率。在这些工作条件下，对于(在标准试验条件下且在其最大功率点处的)Vmpp为36伏特且太阳能转换为电能的效率为17.5％，且被连接至具有32至33伏特的Voper的高效质子交换膜电解器的光伏子系统而言，已发现包括所述光伏子系统的系统20在太阳能转换为氢的效率为12.4％的情况下生产氢。 
每个光伏电池24具有基于晶体硅(c-Si)或基于非晶硅的半导体材料或基于c-Si和a-Si的材料组合，所述材料可被成层地施加。表1示出了已经进行测试的可选的光伏子系统22。还示出了制造商、规定面积、效率、开路电压(Voc)、短路电流(Isc)、最大功率点电压(Vmpp)、最大功率点电流(Impp)和最大功率(Pmax)。该组太阳能模块提供了一定范围的输入电压(Vmpp＝17至54伏特)。Vmpp是影响利用Ni和Ni-RuO2板和碱性电解质将太阳能模块联接至电解池的效率的关键变量(于2004年2月18日申请的美国临时申请60/545,379；和 于2005年2月2日申请的序号为No.11/049,213的题目为“用于生成氢的方法和设备”的美国申请)。模块3和12利用单晶电池。模块8和9利用多晶硅。模块10和11利用非晶硅和晶体硅的混合体。模块13和16利用单晶硅电池。电池的效率在11.5％至17.5％的范围内，而模块的太阳能转换为电能的效率在10.6％至15.2％的范围内。电池面积和效率指的是可产生电流的实际硅光伏材料。模块面积和效率指的是光伏子系统的整个表面，所述整个表面包括太阳能电池周围的“死空间”直至模块框体的外边缘。由于除实际太阳能电池的活性面积以外模块还包括该非活性面积，因此模块的效率总是低于电池的效率。 
                                                                     表1 
                                                              太阳能模块的特征 
  模块   标号   模块  制造   商   模块型号   Voc   (V)   Isc   (A)   Vmpp   (V)   Impp   (A)   额定   Pmax   (W)   模块   效率   (％)   模块   面积   (m2)   电池   效率   (％)   电池   面积   (m2)
  #3   壳牌   SQ-75   21.7   4.8   17.0   4.4   75   11.9   0.632   13.3   0.566
  #8，#9   夏普   ND-NOECU   24.9   7.8   20.0   7.0   140   12.1   1.153   13.4   1.042
  #10   三洋   HIP-J54BA2   66.4   3.7   54.0   3.3   180   15.2   1.181   17.3   1.040
  #11   三洋   HIP-G751BA2   64.9   3.6   51.4   3.3   167   14.1   1.181   16.1   1.040
  #12   壳牌   SP-140-PC   42.8   4.7   33.0   4.3   140   10.6   1.320   11.5   1.220
  #13   夏普   NT-185U1   44.9   5.6   36.2   5.1   185   14.2   1.301   17.5   1.057
  #16   夏普   NE-165U1   43.1   5.5   34.6   4.8   165   12.7   1.301   14.6   1.134
对于可在给定光线条件下，在非最优系统设计中获得成本有效的光伏子系统22的情况而言，则在超裕度设计即高压光伏模块的情况下，模块被联接至直流-直流转换器以逐步降低输出电压。高压光伏子系统22将具有节省“铜损”的优点，且还可选择优越的高压或低压光伏子系统22，原因在于所述高压或低压光伏子系统具有基于其固有固态质量的优越效率。“铜损”是由于电线和连接器中的电路电阻而导致产生的损失，且当连接更长的距离时，所述损失更严重。可通过增加系统的工作电压降低或弥补所述损失。 
电解器子系统28可被设计以在低电流密度和升高的温度下进行工作从而增加其效率。此外，电解器子系统28可选地被设计以在高压(5,000-15,000psi)下进行工作从而通过电化学压缩而不是机械 压缩机提供压缩的氢燃料。该构型允许通过电化学压缩供应氢燃料，所述氢燃料以准备进行储存和为燃料电池车辆提供燃料的形式存在。 
电解器子系统28可选地包括具有酸性电解质的酸性电解器、具有碱性电解质的碱性电解器、蒸汽电解器、具有至少一个膜电极组件的质子交换膜电解器或高压电解器。具有20个膜电极组件的质子交换膜电解器的所需工作电压优选处于32至38伏特范围内，所述电压范围等效于每个电解池30具有约1.6至1.9伏特的电压。 
当使用可选的高压电解器池30时，需要高压驱动析氢和析氧反应，即电解水。高压电解器30的经济优点的基础在于，在由于需要更高电压以在更高的氢和氧压力下电解水而导致牺牲电解器30的一些效率的情况与一旦析氢则使得更多地节省了下游压缩成本的两种情况之间进行权衡。 
当需要高压氢时，利用本文披露的高压电解器子系统28代替目前商业上可得的压力更低的质子交换膜电解器池30，所述压力更低的质子交换膜电解器池在出口压力为几百psig的情况下生产氢。来自压力更低的质子交换膜电解器池30的氢必须在活塞、膜片或其它类型的压缩机中被机械压缩至10,000psig或更高压力以便适于实际的加燃料和储存应用。因此，马达驱动的机械压缩机的有限效率可能导致整个燃料生产和输送系统的能量效率损失更严重。高压电解器子系统28生产氢且同时利用输入电解器内的仅一小部分(约6％至9％)的电能将氢的压力升高至10,000-15,000psig，同时消除了对马达驱动的机械压缩机的需要。 
本文所述的电解池30具有夹在两个催化电极之间的质子传输膜。例如参见被共同转让的美国专利Nos.6,663,994、6,566,004、6,524,736、6,521,381、6,074,692、5,316,871和5,272,017，每个所述专利在此作为参考被引用。一种型号的质子交换膜电解器子系统28由Proton Energy Systems，Inc(质子能量系统公司).(Wallingford，CT)制造。如图10所示，电解器子系统28具有两个电连接器和四个气体/水连接器。两个气体/水连接器用于氢62且两个气体/水连接器用于氢64。电解器子系统28包括串联连接的20个电解池30(膜电极组件)。在高电流输入(高于约12A)下，电解器池30还需要利用循环水进行冷却以防止堆变热。电解器子系统28利用恒定的水循环 从堆中去除氢和氧。在电解器子系统28以最高效率在低电流下短时间工作的情况下，似乎不需要循环系统。然而，需要泵提供将被转换成氢和氧的水且冷却处于高电流下的堆。该液体流还可潜在地改进效率。已经发现，质子交换膜电解器子系统28可与在池的氧侧上的气体-液体分离器一起使用或不与所述分离器一起使用，原因在于氧被排入大气内。 
在图10中，O2/水入口和出口管62是1/2英寸的不锈钢管。在该图中，O2/水入口62由金属盖封闭；随后所述入口被连接至第二水泵(未示出)。O2仅离开出口进入空气内。H2/水入口管64是更小的外径为1/4英寸的不锈钢管。在图11中，H2/水入口被示出连接至水泵66，所述水泵使水循环通过质子交换膜堆且随后通过气体/水分离器50。H2被传送至流量计68。安培计58测量流动通过电缆和堆的电流。 
与碱性电解池相比，利用质子交换膜电解器池30的堆有一些主要优点。电解器子系统28具有多个串联的电解池30，每个池30具有通过固体电解质膜分开的具有封闭空间的涂敷催化剂(主要是铂或钌)的电极板以电解去离子水。然而，碱性电解池包括涂敷催化剂的电极，所述电极被浸没在填充有水溶液碱性电解质如水溶液氢氧化钾的槽中。由于电解器子系统28将多个电解池30布置在空间封闭的堆中且通过泵使去离子水迅速循环通过池，因此可大大降低整个系统的规模、重量和成本。此外，还完全消除了与利用大量体积的高腐蚀性液体，即碱性电解质，相关联的风险。由于堆构造为电解器提供了更高的电流密度和更高的功率密度，因此与一系列湿性电解池相比，电解器子系统28可制得更紧凑。 
直流-直流转换器40(“DDC”)是使输入电压和电流V1和I1变为输出电压和电流V2和I2的装置。其用处在于从光伏子系统22获得输入电压且使直流-直流转换器的输出电压最优化或使所述输出电压与负载的工作电压相匹配。例如，太阳能电池24具有最大功率点Pmax，在所述最大功率点处，乘积V1×I1(或Vmpp×Impp)最大化。该电压可能不与负载(例如电解器负载)的工作电压对应。此外，当阳光强度改变时，光伏子系统22的电流输出将产生变化，且变化程度更小，电压输出也将如此。可对直流-直流转换器系统进行编程以追踪太阳能模块的最大功率点。当直流-直流转换器被设计以使得直流-直流转换 器的输出电压等于电解器子系统28所需的最优工作电压时，光伏电解器系统20出现最优效率。电解器子系统28在特征电压下进行工作，所述特征电压取决于设计、工作电流和工作温度效应。电解器设计(材料、催化剂、电极设计以及膜或电解质)确定了其过电压和效率。当电极具有低电流密度时，效率最高，且因此所述效率随电解器工作电流的增加而降低。电解器的特征工作电压是1.23伏特的标准水解离电压加上过电压。 
参见图3、图11和图12，两种可选的直流-直流转换器40被制造成如下规格：(1)输出足以驱动电解器的更高的输出电压(但更低的电流)的低输入电压模块；和(2)降低输出电压以在电解器的工作电压下驱动电解器且具有增加的电流的高输入电压模块。两个转换器40由Solar Converters Inc.(Guelph，Ontario)(太阳能转换器公司，圭尔夫，安大略)提供。低输入电压模块为专门订制的变型模块CV20/33-20，所述变型模块具有用于手动调节输出电压的电位计。高压模块是专门订制的变型模块PPT48-10，所述变型模块具有用于手动调节输出电压和电流的电位计。在电位计被置于最大值时，两个直流-直流转换器模块40在最佳状态下工作。 
这些直流-直流转换器40还可用于利用太阳能模块为泵马达供电的应用中。直流-直流转换器40牺牲了一些光伏输出电压以提供更高的电流，从而使得马达即使在低光照条件下也不会停止运行。包括逻辑算法和设定点的控制器34可被添加至直流-直流转换器系统40，以利用所述控制器监控电解器的性能并调节输出电压和电流，从而保持太阳能模块-电解器系统在接近其最大输出的状态下进行工作。光伏系统电池充电控制器的软件和硬件可适于本发明的电解器。 
直流-直流转换(“DDC”)最优化还有效地增加了利用太阳能生产氢的效率。与电解器子系统28需要的电压和电流不相匹配的选定光伏子系统22被连接至可调直流-直流转换器40，所述直流-直流转换器受到一个或多个电位计的控制以将其电输出转换成质子交换膜电解器子系统28需要的最优电压和电流。在光伏子系统22的电压对于电解器而言过低的情况下，效率从零增加至9.5％。在光伏子系统22的电压对于进行有效电解而言过高的情况下，该方法使效率从9.0％增加至10.5％。 
当直接连接光伏电解的效率可能由于光伏子系统22的电输出下降而降低时，直流-直流转换最优化方法还可改进在多云的阴天利用太阳能生产氢的过程。由于直流-直流转换器不是100％有效的(通常在接近其最大电流的92-95％效率下进行工作)，因此利用直流-直流转换器40可降低在晴天生产氢的效率。然而，直流-直流转换器对于下列情况存在宝贵的优点：1)将要日出时，2)将要日落时，3)阴天时，和4)对于具有大大高于或低于电解器负载的最优电压的电压输出的光伏系统而言。因此，最好的光伏电解系统20是允许在直接连接最优化与直流-直流转换器最优化之间进行切换的系统，所述切换是通过在电路中包括可调直流-直流转换器40和旁通开关而实现的。可通过控制器34手动或自动地实现切换，所述控制器基于传感器(未示出)检测到的太阳辐照度。 
当电解器堆被充电且用作燃料电池而产生与直流-直流转换器相反的反电压时，一些直流-直流转换器40可能停止运行。可通过在电路中增加阻塞二极管防止出现该问题，所述阻塞二极管防止电流从电解池堆回流入直流-直流转换器内。这防止了直流-直流转换器在例如云量的增加使得光伏输出下降的条件下停止运行。这种电路接近利用来自光伏系统的电的充电电池中使用的直流-直流转换器40，所述直流-直流转换器被称作电荷控制器。连接至电解器子系统28的电荷控制器不会受到没有二极管的更简单的直流-直流转换器通常出现的停止运行的问题的困扰。 
通过设计光伏电解系统20使其具有光伏子系统22、质子交换膜电解器子系统28、直流-直流转换器40和切换面板32，所述切换面板可绕过转换器或将所述转换器连接至电解器子系统28，本发明实现了根据阳光强度进行直接连接最优化和直流-直流转换器最优化的目的(图4)。当在阳光灿烂的天气里系统可达到其可能的最高效率和氢生产速率时，直接连接最优化最有用，而由于直流-直流转换器在早晨、晚上且在少云和阴天里可以可能的最高效率生产氢从而提高平均的氢生产速率，因此此时直流-直流转换器是有利的。 
可选地，光伏电解系统20可结合直接连接最优化(DCO)和直流-直流转换器(DDC)最优化。当旁通开关被关闭时，系统利用直接连接最优化，且当开关打开时，系统可利用直流-直流转换器最优化。 当光伏电解器系统以直接连接最优化模式进行工作时，光伏系统中的光伏子系统并联连接且都具有等于电解器所需的工作电压的最优Vmpp。例如，Vmpp＝36伏特的光伏子系统22(表1，模块#13)对于进行试验的具有20个池的质子交换膜电解器子系统28而言具有最高效率。光伏子系统22在36伏特的Vmpp周围的32至39伏特的电压范围内达到其最大功率的约95％或更高比例。对于质子交换膜电解器而言，光伏子系统#13提供了最高效率，原因在于光伏子系统的最优功率范围(32-39伏特)与质子交换膜电解器的工作电压(32-38伏特)交叠。直接连接最优化操作在阳光灿烂的天气里最有效，但在阳光强度较低的情况下，当光伏电压降至低于在电解器中解离水所需的最小值时，效率降低。 
当光伏电解器系统20以直流-直流转换器最优化模式进行工作时，所述模式在阴天和低光照强度条件下最有效，成对光伏子系统22(例如表1中的模块#13)最好可串联连接以使光伏系统的电压加倍，例如使Vmpp＝72伏特，这将降低所谓“铜损”或电压和电流由于电线中的电阻所致的降低。随后，更高的电压通过直流-直流转换器时被转换成电解器的最优电压。由于直流-直流转换器中的电阻而损失了少量电流，所述直流-直流转换器在低电流下的效率为95％且在高电流下的效率为92％，但可通过与电解器子系统28所需要的工作电压相匹配而获得效率的提高从而抵消这种损失。在低光照条件下或当光伏子系统22的固有Vmpp较低时，这种效率提高的获得尤其重要，所述条件可能防止电解开始，原因在于进行试验的具有20个池的质子交换膜电解器需要至少30伏特的电压解离水。 
利用11个光伏系统实施一系列实验，所述光伏系统在最大功率点处的电压(Vmpp)处于17-105伏特范围内。它们可被直接连接至具有20个池的质子交换膜电解器堆(Proton Energy System(质子能量系统公司))，所述质子交换膜电解器堆装配有外部水循环泵和气体分离器，如图1和图2的示意图和图中所示。这些光伏系统包括单个光伏子系统或串联或并联连接的成对模块以提供所需试验电压。通过四月晴天里的自然日照提供辐照度，且太阳辐照度为900-950瓦特/m2。模块在试验过程中指向太阳以接收最大可得的辐照度。安培计58被置于光伏子系统22与电解器之间的电路中，且同时利用校准的晶 体硅光伏二极管(UDT传感器，Hawthorne，CA)通过已公知的电流对阳光的线性响应监控阳光强度。 
在自然日照条件下进行户外试验之前，在实验室中利用可变输出的直流电源(Hewlett Packard Model 6012B)对质子交换膜电解器光伏子系统28进行试验，从而证实由输入电流计算得出的预计氢生产速率与通过预校准的机械流量计(DrycalTM，Bios International Corp.，Butler，PA)测得的氢输出相等，且证实所生产的氢与氧的体积比为2∶1(图5)。利用图1、图11和图12所示的设备在自然日照条件下对光伏电解系统进行户外试验。 
利用公式1通过测得的经过电解器的电流(Ioper)、太阳能强度(辐照度)和光伏太阳能电池的总面积计算太阳能转换成氢的效率。 
公式1： 
其中N＝电解器中的池数量(在我们的试验系统中为20个)。 
太阳能转换成电能的光伏太阳能电池24的效率是其构造中使用的半导体层的特征，所述半导体层是多晶硅或单晶硅或具有组合的晶体和非晶硅层。该效率根据电池类型在11.5％至17.5％的范围内(参见表1)。电能转换成氢能的电解器效率、工作电压和电流是电解器的固有性质，所述固有性质取决于电解器的设计、催化剂、工作温度、工作电流、压力和质子交换膜堆的条件，所述条件包括以前的总工作小时数。 
利用自然日照在一定范围的电压(Vmpp)下通过实验确定光伏电解器系统20的通过太阳能生产氢的总效率，如表2中的列3和列5所示。表2中测量的太阳辐照度为约900-950W/m2，即晴朗的阳光充足的条件。 
                                           表2 
                           光伏-电解系统的直接连接最优化(DCO) 
  所采用的  光伏模块   太阳能电池的  面积(m2)   Vmpp  (伏特)   在Vmpp处的  光伏电池效率(％)   太阳能转换成氢  的效率(％)
  #3   0.566   17.0   13.3   0
  #8   1.042   20.0   13.4   0
  #8与#9并联   2.084   20.0   13.4   0
  #12   1.22   33.0   11.5   8.3
  #16   1.134   34.6   14.6   10.3
  #13   1.057   36.2   17.5   12.4
  #8与#9串联   2.084   40.0   13.4   8.5
  #11   1.040   51.4   16.1   9.3
  #10与#11并联   2.080   52.7   16.7   9.0
  #10   1.040   54.0   17.3   8.9
  #10与#11串联   2.080   105.4   16.7   4.4
质子交换膜电解器子系统28的效率在光伏电解器试验的电流(约3-5A)和温度条件下为约76％。由于保持了接近恒定的冷却工作温度(～25℃)，因此在户外光伏电解器试验过程中，电解器温度的变化不会明显影响电解器效率。在独立的一组实验中，在由直流电源提供的更宽电流范围内测量电解器效率(图8)。电解器效率从5A工作电流下的76％降低至在70A的电流下约为65％的效率。通过下列公式由工作电压(Voper)和1.23伏特的理论水解离电压以及电解器中串联的池数量(20个池)确定电解器效率： 
公式2： 
电解器效率＝100％×1.23×20/Voper
电解器效率的数据曲线如图6所示。所测量的利用太阳能生产氢效率在Vmpp＝36伏特的情况下达到最高值(图7)。三个光伏子系统#12、#16和#13具有接近电解器的Voper的Vmpp值。因此，当利用所述光伏子系统驱动电解器时，光伏子系统22在约处于其Vmpp的电压下进行工作且产生其最大功率和效率。利用光伏子系统#13产生的预期光伏电解器效率将高于利用#12或#16产生的效率，原因在于在25℃的温度和1000W/m2的辐照度的标准试验条件(STC)下测得的光伏电池的(电) 效率(在最大功率点处)对于#13而言为17.5％，但对于#12和#16而言分别仅为11.5％和14.6％。然而，由于更高的光伏温度对于电输出的功率和效率产生了负面影响，因此实际的光伏电池的(电)效率在工作条件下更低。在光伏电解器试验过程中在模块背面上测得的光伏温度为35℃的情况下，预估的光伏电池效率降低至上述标准试验条件下的效率值的95％，即，#13，16.6％；#12，10.9％；#16，13.9％。如果这些实际的光伏效率值被代入总效率公式中： 
公式3： 
太阳能转换为H2的效率＝光伏效率×电解器效率 
利用在小于或等于10A的电解器电流下为76％的电解器效率(图6)，则预期的太阳能转换为H2的总效率如下：光伏模块#13，17.5％×0.95×0.76＝12.6％；光伏模块#12，11.5％×0.95×0.76＝8.3％；且光伏模块#16，14.6％×0.95×0.76＝10.5％。这些预期效率值约等于实际测量的值：光伏模块#13-12.4％；光伏模块#12-8.3％；且光伏模块#16-10.3％(表2)。基于试验结果，当光伏系统的最大功率点电压在32至39伏特范围内时，所述电压范围与质子交换膜电解器的工作电压范围接近匹配，光伏电解器系统20提供了最优的H2-太阳能效率。 
表3总结示出了利用图1所示(图3示意示出)的设备在自然日照下测得的光伏电解的直流-直流转换器最优化的实验结果。根据本发明的规格设计的两个直流-直流转换器装置具有专门的电位计以控制电压和电流输出，所述直流-直流转换器装置在这些实验中被用于使光伏电解器系统最优化且允许确定最优电压和电流设置以提高电解器效率：(1)用于更高电压的光伏子系统的Solar Converters Inc.(太阳能转换器公司)生产的型号为PPT 48-10的转换器，所述转换器被设计以在54-90伏特的输入电压下进行工作且将所述输入电压降低至31-36伏特的输出电压，同时增加输出电流以使质子交换膜电解器在最优效率下进行工作；和(2)用于更低电压光伏子系统的型号为CV 20/33-20的转换器，所述转换器被设计以在17-25伏特的输入电压下进行工作且将所述输入电压增加至31-36伏特的最优输出电压。由于直至电压超过～30伏特，即可发生电解所需的最小电压时，电解器的Ioper都为零，因此低电压直流-直流转换器装置增加了工作电压和电流。 
                                             表3 
               与直接连接最优化工作相比光伏电解系统的直流-直流转换器最优化 
  光伏   模块   光伏系统   的Vmpp   (伏特)   直接连接最优化   工作下太阳能转   换为H2的效率(％)   直流-直流转换器   工作下太阳能转换   为H2的效率(％)   所使用的直流-   直流转换器   太阳辐照度   (W/m2)
  #3   17.0   0   7.6   CV 20/33-20   960
           
  #8   20.0   0   5.8   CV 20/33-20   370
  #8   20.0   0   6.2   CV 20/33-20   690
  #8   20.0   0   9.5   CV 20/33-20   1000
           
  #10   54.0   9.0   8.5   PPT 48-10   540
  #10   54.0   9.0   10.1   PPT 48-10   770
  #10   54.0   9.0   10.5   PPT 48-10   860
如表3中所示，对于Vmpp太低(17或20伏特)以至于不能通过直接连接光伏电解制氢的光伏子系统22而言，所述光伏子系统可与直流-直流转换器最优化结合以升高电压和效率且有效地为质子交换膜电解器供电。同样地，对于Vmpp太高(54伏特)以至于不能通过直接连接光伏电解非常有效地制氢的光伏子系统而言，所述光伏子系统通过利用直流-直流转换器最优化以降低电压并且即使在少云天气里辐照度降低的情况下也能使效率从9.0提高至10.5％，从而更有效地使质子交换膜电解器进行工作。表3所示的所有光伏系统显示出当使用直流-直流转换器系统时，随着太阳辐照度的增加，太阳能转换为氢的效率增加的性质。 
为了给以燃料电池为动力的汽车提供燃料使其每天行驶30英里，所述行驶量合理地近似为美国平均每天的行驶量，需要每天约0.5kg的氢。这种近似基于GM/Opel HydroGen3燃料电池车辆所报告的燃料效率。 
用作氢发生器的具有串联的20个电解池的质子交换膜电解器堆能够每天生产0.5kg在150psig压力下的氢从而为每天通常行驶30英里的燃料电池车辆提供燃料。 
通常，在夏天的6小时日照条件下生产500克氢所需要的电流为： 
公式4： 
电流(A)＝(500克H2/2克/摩尔H2)×(96,500库仑/当量)×(2当量电子/摩尔H2)×(1A/1库仑/秒)×(1小时/3600秒)×1/(6小时)×(1/20电池) 
结果：电流＝110A 
因此，在约38伏特的电压下需要110A，即电解器系统的工作功率为4.2kW。基于此，本发明利用在集成的最优化光伏电解器系统中的具有20个池的质子交换膜堆而由光伏功率生产氢。为了尽可能有效和便宜地由电解器生产氢，太阳能光伏阵列适于在白天的6小时高峰期间内在38伏特的电压下产生110A的电流。对于密歇根州底特律市的夏天条件而言，高峰日照小时数为约6小时(NREL Solar RadiationData Manual for Flat-Plate and Concentrating Collectors(国家可再生能源实验室提供的平板型和聚光型集热器的太阳辐照度数据手册)，http://rredc.nrel.gov/solar/pubs/redbook/)。高峰日照时间(PSH)代表总的每日太阳能，所述总的每日太阳能等效于每天太阳辐照度为1000W/m2的小时数，即6PSH＝6000Wh/m2/天。为了使电解器获得该电流和电压输入，需要具有约38伏特的最大功率点电压(Vmpp)的光伏系统以获得电解水的最优效率并克服内部或外部电阻以及与电解器电路相关的过电压效应。 
从表2中，就使模块的Vmpp与电解器负载的电压相匹配方面而言，模块#13是最好的直接连接模块，所述模块在标准阳光条件(1000W/m2)下产生185W的功率。尽管表中列出的模块#13的Vmpp为36.2伏特，但在负载工作电压(Voper)为38伏特的情况下，所述模块产生的电压超过了其工作电压的95％。需要约22个并联连接的这种模块在夏天的底特律的高峰日照时间工作约6小时从而在最大输出情况下使电解器进行工作。在冬天，当太阳能日射小于夏天日射的一半时，需要两倍数量的模块。需要注意冬天的一个有利条件-模块将更有效地进行工作，原因在于更高的温度使模块的性能降级。 
对于夏天条件而言，在高峰日照达6小时的情况下，电解器每小时将产生83克氢。该氢生产量被转变成每天0.5kg的氢生产量，所述氢生产量使得足以利用太阳能动力提供一个燃料电池车辆所需的燃料，在夏天将需要一个包括25个太阳能模块的光伏系统(22个模块 用来运行电解器从而制氢且3个附加模块用来运行压缩机从而对氢进行加压以用于储存和为车辆提供燃料)和一个所试验类型的质子交换膜电解器。在冬天将需要约两倍数量的模块。每个光伏模块具有1.06m2的电池面积。因此，需要总面积＝26.5m2，即约17′×17′，以工作一个质子交换膜电解器堆(具有20个池)。 
估计压缩机需要至少6％的附加电功率以用氢填充高压储罐从而为车辆提供燃料(Simbeck D.R.and Chang E.(2002)“Hydrogen Supply：Cost Estimate for Hydrogen Pathways-Scoping Analysis.”ReportNREL/SR-540-32525.National Renewable Energy Laboratory，Golden，CO)。多个高压金属膜片压缩机在商业上是可得的。 
在酸性电解质中(质子交换膜的酸性很强)，分别描述析氢和析氧的半反应为： 
公式5： 
2H++2e-→H2                   还原，阴极 
和 
公式6： 
H2O→2H++1/2O2+2e-            氧化，阳极 
合并这两个半反应： 
公式7： 
H2O→H2+1/2O2
描述组合这两个半反应的电解池电压的能斯特方程为： 
公式8： 
V＝V0-((R×T)/(2×F))×ln([H2]×[O2]1/2/[H2O]) 
(E.Gileadi，“Electrode Kinetics for Chemists，ChemicalEngineers，and Materials Scientists，”pp.502-505，Wiley-VCH，Inc.，1993) 
在公式8中：T是开氏温度，R是气体常数(8.314伏特库仑/K摩尔)，且F是法拉第常数(96,484库仑/摩尔电子)，且H2和O2的浓度等于其压力。量V0等于-1.23伏特，((R×T)/(2×F))在298°K的温度下等于0.0128伏特，且水的浓度相对独立于气体压力且由于处于标准状态而取1。注意：由于需要1.23伏特对水进行解离，因此V0的符号为负；如果系统消耗H2和O2发电，则符号为正且反应是自发的。 如果[H2]＝[O2]＝1个大气压，则V＝V0＝-1.23伏特。如果[H2]和[O2]增加至10个大气压，则V0右边的项变为-0.044伏特且对水进行解离需要的电压为-1.273伏特。由于对数项中包括了压力，因此在更高压力下，“过电压”的增加相对较小，且促进了利用高压电解器生产高压氢，而不是利用后面设置有压缩机的低压电解器。对于更高的压力而言，不能简单地在能斯特方程中使用压力，且需要利用被称为气体逸度的活度。逸度在低压条件下约等于压力，但在很高压力下高于压力。在达1000个大气压的压力下，测量了析氢反应的电压与氢压之间的关系(W.R.Hainsworth，H.J.Rowley，and D.A.Maclnnes，“The effectof hydrogen pressure on the electromotive force of ahydrogen-calomel cell.II.The fugacity of hydrogen and hydrogenion at pressures to 1000 atmospheres，”J.Amer.Chem.Soc.，Vol.46，pp.1437-1443，1924)。Hainsworth等获得的经验公式如下： 
公式9： 
ΔV＝0.02958×log(p)+6.12×10-6×(p-1)+6.6×10-10×(p2-1) 
在公式9中，ΔV是在更高氢压下驱动析氢反应所需的增压且p是在大气中的压力。该关系的曲线图如图8所示。 
在氢压为1000个大气压的情况下，析氢反应的电压增加约0.1伏特。质子交换膜电解器中的氧可能被排出，且因此防止由于其加压而导致产生过电压，否则的话，析氧电压也会增加。如果有必要在质子交换膜电解器的氧侧上保持相等的高压的话(由于产生的氧仅是氢的一半，因此池中用于生产氧的体积是生产氢的体积的一半)，则析氢反应需要的电压还将增加(公式6)。在1000个大气压下，氧的逸度比其压力高约16％，因此在1000个大气压下，[O2]项的值是1164个大气压。(TRC Thermodynamic Tables，Non-Hydrocarbons，StandardReference Data Base，National Institute of Standards andTechnology，Gaithersburg，MD 20899，网址http://trc.nist.gov/tables/nonhydro.htm)。因此，基于公式8的氧的过电压效应值为0.0128×ln(11600.5)，所述值等于0.045伏特。因此，根据公式7，在氢和氧为1000个大气压的情况下，电解水的总过电压估计为约0.14伏特。过电压与压力的相关性很弱；即，由于气体的高度加压所致的过电压小于由于氧电极的动力学效应所致的过 电压，即使对于目前最好的催化剂而言，所述动力学效应所致的过电压也达到0.3-0.4伏特。在1000个大气压下，该过电压的效应是使电解所需的能量增加了9％(100×0.14伏特/1.6伏特)。 
总之，由于电化学反应与压力的相关性相对较弱且在一个步骤中进行合成和加压的简便性，因此高压电解可能是有吸引力的氢源，所述氢被加压至1000个大气压。 
测量太阳能模块的电压(V)、电流(I)和功率(P)数据且利用图11所示的方法确定最大功率点(mpp)。最大功率点电压必须与电解器的特征工作电压接近匹配以使太阳能转换成氢燃料能量的总效率最优化。通常在标准试验条件(25℃，1000W/m2的辐照度以及AM1.5的总太阳光谱)下测量I、V和P曲线(图11)以确定开路电压(Voc)、短路电流(Isc)、最大功率点电压(Vmpp)以及最大功率点电流(Impp)的“标准”值。还在其它温度范围和太阳辐照度水平下测量这些量以确定温度和阳光变化对光伏系统性能的影响。 
本文描述的系统提供了一种用于燃料电池车辆和固定燃料电池动力生产设备的成本有效的无污染且可再生的氢燃料源。注意到，本发明的最优化光伏电解系统在接近一个太阳辐照度(1000W/m2)的情况下具有约12.4％的最高效率。这是在美国北部夏天的无云天气里约正午时刻的情况。这是有报道的最高的太阳能转换为氢燃料的效率。美国的许多地区可在每年超过6个月的时间内提供约6-8小时的这种太阳辐照度水平。对于这种条件而言，本发明提供了一种为燃料电池供应可再生的无污染氢燃料的实用装置。尽管在西北部沙漠地区和阳光地带优点更加明显，但该系统在美国的其它地区可有效地工作，且由于增加了直流-直流转换最优化以在低光照条件下制氢，因此在少云天气里系统的效率可能增加。当在平均日照(日射)更低的区域使用时，将需要更大面积的光伏子系统以提供给定燃料需求。 
从下文提供的详细描述中将易于理解本发明可应用的其它领域。应该理解，尽管详细描述和特定实施例示出了本发明的优选实施例，但所述详细描述和特定实施例仅在于说明目的且不旨在限制本发明的范围。例如，可通过其它能源为直流-直流转换器供电，所述能源包括但不限于电力网、风力或燃料电池，所述燃料电池消耗由电解器生产的氢且为负载提供电流。此外，电解器子系统28可被构造为可逆 电解器/燃料电池系统，即以第一模式进行工作以电解水从而生产氢且其中电解器子系统28可以第二模式进行工作以消耗氢从而产生动力。本文所述的最优化技术可应用于多种电解器，所述电解器包括：(i)具有酸性电解质的酸性电解器；(ii)具有碱性电解质的碱性电解器；(iii)蒸汽电解器；(iv)包括至少一个膜电极组件的质子交换膜电解器；和(v)高压电解器。正如本文使用地，术语“光伏子系统”指的是一个或多个光伏电池或模块。 

Claims (32)

1.一种光伏电解器系统，所述光伏电解器系统包括：
电解器子系统；和
光伏子系统，
其中所述电解器子系统被构造以在高于第一工作电压与第二工作电压之间的预定效率的情况下电解水从而生产氢，且所述光伏子系统被构造以在介于所述第一工作电压与所述第二工作电压之间的电压下提供电功率。
2.根据权利要求1所述的光伏电解器系统，其中所述光伏子系统包括多个太阳能电池，所述太阳能电池以用于产生更高电压的串联连接方式和用于产生更高电流的并联连接方式中的至少一种方式被连接在一起。
3.根据权利要求1所述的光伏电解器系统，其中所述电解器子系统包括多个电解池，所述电解池以用于接受更高工作电压的串联连接方式和用于接受更高工作电流的并联连接方式中的至少一种方式被连接在一起。
4.根据权利要求1所述的光伏电解器系统，其中所述电解器子系统具有电解池，所述电解池选自包括质子交换膜(PEM)电解器、高压电解器、具有碱性电解质的碱性电解器、具有酸性电解质的酸性电解器、蒸汽电解器、可逆质子交换膜燃料电池/电解器及其组合的组群。
5.根据权利要求1所述的光伏电解器系统，其中所述光伏子系统被构造以产生处于最大功率点处的预定电压，所述预定电压处于所述电解器子系统的所述工作电压下，以使得所述氢生产过程被最优化且在预定太阳辐照度和预定温度下实现最高效率。
6.根据权利要求5所述的光伏电解器系统，其中所述光伏子系统的最大功率点电压(Vmpp)为36直流伏特且太阳能转换为电能的效率为17.5％，且所述光伏子系统被连接至高效质子交换膜电解器，所述高效质子交换膜电解器具有20个串联的电解池且特征工作电压(Voper)介于32直流伏特与38直流伏特之间。
7.根据权利要求1所述的光伏电解器系统，其中所述电解器包括多个电解池且所述光伏子系统具有处于1.6直流伏特/电解池与2.0直流伏特/电解池之间的范围内的预定输出电压。
8.根据权利要求1所述的光伏电解器系统，其中所述光伏子系统产生95％至100％的最大功率输出以及95％至100％的最高电效率且产生85％至100％的最高的太阳能转换成氢的效率。
9.根据权利要求1所述的光伏电解器系统，其中所述电解器子系统具有特征工作电压，通过在已公知的工作电流下测量所述电解器子系统的极柱间的电压降确定所述特征工作电压。
10.根据权利要求1所述的光伏电解器系统，其中所述电解器子系统包括多个电解池且具有由串联的电解池数量(N)和每个电解池的特征过电压(Vov)确定的特征工作电压(Voper)以使得：
Voper＝N×(1.23伏特+Vov)
其中特征过电压(Vov)处于0.4至0.7直流伏特范围内。
11.根据权利要求1所述的光伏电解器系统，进一步包括联接至所述光伏子系统和所述电解器的直流-直流转换器，所述直流-直流转换器被构造以将所述光伏子系统的输出电压转换成处于所述第一电压与所述第二电压之间的范围内的电压。
12.根据权利要求11所述的光伏电解器系统，其中所述电解器子系统包括多个电解池且所述直流-直流转换器被构造以将所述光伏子系统的所述电压输出转换成对于每个电解池而言介于1.6直流伏特与2.0直流伏特之间的电压。
13.一种光伏电解器系统，所述光伏电解器系统包括：
具有功率输入装置的电解器，所述电解器被构造以将H2O分解成H2和O2；
直流-直流转换器，所述直流-直流转换器被构造以选择性地为电解器功率输入装置提供能量；
光伏子系统，所述光伏子系统用于选择性地将能量直接提供给所述电解器功率输入装置或所述直流-直流转换器；
控制器，所述控制器用于选择所述光伏子系统或所述直流-直流转换器中的一个作为所述电解器的所述功率输入装置的动力源。
14.根据权利要求13所述的光伏电解器系统，其中所述电解器被构造以在高于第一工作电压与第二工作电压之间的预定效率的情况下电解水从而生产氢，且所述光伏子系统被构造以在预定太阳能条件下，在介于所述第一工作电压与所述第二工作电压之间的电压下提供电功率。
15.根据权利要求13所述的光伏电解器系统，其中所述电解器被构造以在高于第一工作电压与第二工作电压之间的预定效率的情况下电解水从而生产氢，且所述直流-直流转换器被构造以在介于所述第一工作电压与所述第二工作电压之间的电压下提供电功率。
16.根据权利要求14所述的光伏电解器系统，其中所述光伏子系统包括太阳能电池，所述太阳能电池具有晶体硅、非晶硅、铜铟联硒化物、碲化镉或其组合。
17.根据权利要求13所述的光伏电解器系统，其中所述电解器子系统被设计以在5,000psi至15,000psi之间的压力下进行工作从而产生处于5,000psi至15,000psi之间的压力下的氢。
18.根据权利要求13所述的光伏电解器系统，其中所述电解器子系统被构造以在低于1.1A/cm2的电流密度下进行工作。
19.根据权利要求13所述的光伏电解器系统，包括被联接至所述光伏子系统的冷却系统。
20.一种分解水以形成氢的方法，所述方法包括：
提供具有功率输入装置的电解器子系统，所述电解器被构造以将H2O分解成H2和O2；
提供直流-直流转换器，所述直流-直流转换器被构造以选择性地为电解器功率输入装置提供能量；
提供光伏子系统，所述光伏子系统被构造以选择性地将能量直接提供给所述电解器功率输入装置或所述直流-直流转换器；
基于太阳能辐照度传感器检测到的能量选择所述光伏子系统或所述直流-直流转换器中的一个作为所述电解器的所述功率输入装置的动力源。
21.根据权利要求20所述的方法，其中提供光伏子系统是提供串联连接的太阳能电池。
22.根据权利要求20所述的方法，其中提供电解器子系统是提供包括串联连接的多个电解池的电解器子系统。
23.根据权利要求20所述的方法，其中提供电解器子系统是提供包括电解池的电解器子系统，所述电解池选自下面的组群：
(i)质子交换膜(PEM)电解器，
(ii)高压电解器，
(iii)具有碱性电解质的碱性电解器，
(iv)具有酸性电解质的酸性电解器，
(v)蒸汽电解器，和
(vi)可逆质子交换膜燃料电池/电解器。
24.根据权利要求20所述的方法，其中提供电解器子系统是提供被构造以在高于预定的第一工作电压与第二工作电压之间的预定效率的情况下生产氢的子系统，且提供光伏子系统是提供被构造以在所述光伏子系统的最大功率点处或在预定太阳能条件下，在介于所述预定的第一工作电压与第二工作电压之间的电压下提供电功率的光伏子系统。
25.根据权利要求20所述的方法，其中提供电解器子系统是提供被构造以在高于第一工作电压与第二工作电压之间的预定效率的情况下生产氢的子系统，且提供直流-直流转换器是提供被构造以在预定太阳能条件下，在介于所述预定的第一工作电压与第二工作电压之间的电压下提供电功率的直流-直流转换器。
26.根据权利要求20所述的方法，其中提供电解器是提供具有多个电解池的电解器，且提供光伏子系统是提供具有对于每个电解池而言介于1.6直流伏特与2.0直流伏特之间的输出电压的光伏子系统。
27.根据权利要求20所述的方法，其中所述光伏子系统被构造以产生95％至100％之间的Pmax，以便提供95％至100％的最高电效率，且所述光伏电解器系统的氢生产效率为最高氢生产效率的85％至100％。
28.根据权利要求20所述的方法，其中提供电解器子系统是提供被构造以在高于第一工作电压与第二工作电压之间的预定效率的情况下生产氢的子系统，且提供光伏子系统是提供被构造以在预定太阳能条件下，在低于所述第一工作电压的电压和高于所述第二工作电压的电压中的一个电压下提供电功率的光伏子系统。
29.根据权利要求20所述的方法，其中电解器子系统包括多个电解池且所述直流-直流转换器被构造以将所述光伏子系统的所述电压输出转换成对于每个电解池而言介于1.6直流伏特与2.0直流伏特之间的电压。
30.根据权利要求20所述的方法，其中提供电解器子系统是提供被构造以在5,000psi至15,000psi之间的压力下进行工作的电解器子系统。
31.一种使电解系统进行工作的方法，所述电解系统具有至少一个光伏(PV)电池，所述光伏电池供电以电解水从而生产氢，所述方法包括：
a)通过测量和计算确定所述电解器子系统的工作电压、工作电流和效率，
b)基于在所述光伏电池的多个负载和多个电压下的实际电压与实际电流之间的预定关系而确定所述光伏电池的最大功率点电压(Vmpp)，并且
c)确定处于所述最大功率点电压(Vmpp)的光伏电池数量以获得电解水的最优电压且满足所需的电解系统损失。
32.一种使电解系统进行工作的方法，所述电解系统具有至少一个光伏(PV)子系统，所述光伏子系统供电以电解水从而生产氢，所述方法包括：
a)通过测量和计算确定所述电解器子系统的工作电压、工作电流和效率；
b)基于在所述光伏电池的多个负载和多个电压下的实际电压与实际电流之间的预定关系而确定所述光伏电池的最大功率点电压(Vmpp)，并且
c)确定处于所述最大功率点电压(Vmpp)的光伏电池数量以获得电解水所需的电压且满足所述电解系统的所需损失，且所述电解系统包括电解器，所述电解器选自：
(i)具有酸性电解质的酸性电解器；
(ii)具有碱性电解质的碱性电解器；
(iii)蒸汽电解器；
(iv)包括至少一个电解池的质子交换膜电解器；和
(v)高压电解器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI113669B (fi) * 2001-06-25 2004-05-31 Outokumpu Oy Menetelmä elektrolyysin virtahyötysuhteen parantamiseksi
US20120181973A1 (en) * 2003-08-29 2012-07-19 Robert Lyden Solar array resembling natural foliage including means for wireless transmission of electric power
US7510640B2 (en) * 2004-02-18 2009-03-31 General Motors Corporation Method and apparatus for hydrogen generation
DE102004050638B3 (de) * 2004-10-18 2006-02-16 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung und Verfahren zur photovoltaischen Erzeugung von Wasserstoff
US8215342B2 (en) * 2005-09-30 2012-07-10 Societé BIC Hydrogen supplies and related methods
US8425614B2 (en) * 2006-03-20 2013-04-23 Biomet Manufacturing Corp. Modular center pegged glenoid
KR100766701B1 (ko) * 2006-12-01 2007-10-15 한국과학기술연구원 광전셀을 이용한 물 분해 수소 생산 시스템
US7645930B2 (en) * 2007-03-27 2010-01-12 Gm Global Technology Operations, Inc. Thermal optimization of a solar photovoltaic powered electrolyzer system
US20080245672A1 (en) * 2007-04-03 2008-10-09 New Sky Energy, Inc. Electrochemical methods to generate hydrogen and sequester carbon dioxide
KR100812757B1 (ko) * 2007-04-12 2008-03-12 한국에너지기술연구원 연료전지 및 수전해조를 이용한 교육용 발전장치
US7833391B2 (en) * 2007-07-26 2010-11-16 Gas Technology Institute Solar hydrogen charger
US20090079412A1 (en) * 2007-09-24 2009-03-26 Yao Hsien Kuo Apparatus and method for controlling the output of a photovoltaic array
US8132410B2 (en) * 2007-12-17 2012-03-13 Battelle Energy Alliance, Llc Methods and systems for the production of hydrogen
GB2458949B (en) * 2008-04-04 2010-11-17 Charles Alvin Scott Low-voltage electricals to enable containment of hydrogen
CA2928768C (en) 2008-10-30 2017-11-21 Next Hydrogen Corporation Power dispatch system for electrolytic production of hydrogen from wind power
JP2012518081A (ja) * 2009-02-16 2012-08-09 ハイエット・ホールディング・ベー・フェー 固有膜を備える高差圧電気化学セル
US8721868B2 (en) * 2009-03-16 2014-05-13 GM Global Technology Operations LLC Integrated solar-powered high-pressure hydrogen production and battery charging system
DE102009035440A1 (de) * 2009-07-31 2011-02-03 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff
US20110198232A1 (en) * 2010-02-15 2011-08-18 Hamilton Sundstrand Corporation High-differential-pressure water electrolysis cell and method of operation
PL2377972T3 (pl) * 2010-04-19 2014-08-29 H Tec Systems Gmbh Aparatura do elektrycznego wytwarzania wodoru
US20130175180A1 (en) * 2010-09-30 2013-07-11 University Of Delaware Devices and methods for increasing solar hydrogen conversion efficiency in photovoltaic electrolysis
US8633671B2 (en) * 2011-03-31 2014-01-21 GM Global Technology Operations LLC Photo-voltaic charging of high voltage traction batteries
WO2012135862A1 (en) * 2011-04-01 2012-10-04 California Institute Of Technology Proton exchange membrane electrolysis using water vapor as a feedstock
EP2540873A1 (de) * 2011-07-01 2013-01-02 Siemens Aktiengesellschaft Energiemanagementsystem, Industrieanlage mit einem Energiemanagementsystem sowie Verfahren zum Betrieb eines Energiemanagementsystems
US20130018476A1 (en) 2011-07-13 2013-01-17 Biomet Manufacturing Corp. Shoulder prosthesis
US8506638B2 (en) 2011-07-13 2013-08-13 Biomets Manufacturing, LLC Shoulder prosthesis
JP2013073537A (ja) * 2011-09-29 2013-04-22 Omron Corp 情報処理装置、発電量算出方法、および、プログラム
CN104704147B (zh) * 2012-05-28 2017-06-30 水吉能公司 电解器与能量系统
US9133553B2 (en) 2012-09-13 2015-09-15 Next Hydrogen Corporation Externally-reinforced water electrolyzer module
US9187833B2 (en) 2012-09-13 2015-11-17 Next Hydrogen Corporation Internally-reinforced water electrolyser module
GB201217525D0 (en) 2012-10-01 2012-11-14 Isis Innovation Composition for hydrogen generation
WO2014064692A1 (en) 2012-10-24 2014-05-01 H2 Energy Now Generating energy from water, to hydrogen system
EP3012942A4 (en) 2013-06-18 2016-06-22 Panasonic Ip Man Co Ltd POWER SUPPLY DEVICE FOR A SOLAR CELL AND SOLAR CELL SYSTEM
JP6271311B2 (ja) * 2014-03-24 2018-01-31 株式会社東芝 電気化学反応装置
US10202695B2 (en) 2015-05-21 2019-02-12 Palo Alto Research Center Incorporated Photoelectrolysis system and method
DE102015209870A1 (de) * 2015-05-29 2016-12-01 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betanken von Wasserstoff-Fahrzeugen und Home-Filling-System dafür
US9859703B2 (en) * 2015-11-19 2018-01-02 Shepherd Hydricity, Inc. Method for using chemical thermodynamics to buffer the voltage of electric circuits and power systems
US20190305688A1 (en) 2016-12-14 2019-10-03 Aquahdrex Pty Ltd Dc power supply systems and methods
WO2018202926A1 (es) * 2017-06-02 2018-11-08 H2B2 Electrolysis Technologies, S.L. Procedimiento de operacion de una planta de electrolizadores alimentados con energía renovable
BR102017020419A2 (pt) 2017-09-25 2018-01-30 Votorantim Metais Zinco S/A Sistema híbrido de geração e alimentação de energia eletrica empregado em processo de eletrólise para obtenção de metais não ferrosos
JP6919506B2 (ja) * 2017-11-02 2021-08-18 富士通株式会社 電解システム、電解制御装置及び電解システムの制御方法
JP6819651B2 (ja) * 2017-11-30 2021-01-27 株式会社豊田中央研究所 電解システム
US10840707B2 (en) 2018-08-06 2020-11-17 Robert M. Lyden Utility pole with solar modules and wireless device and method of retrofitting existing utility pole
US11207988B2 (en) 2018-08-06 2021-12-28 Robert M. Lyden Electric or hybrid vehicle with wireless device and method of supplying electromagnetic energy to vehicle
AU2020222397A1 (en) * 2019-02-14 2021-08-05 Southern Green Gas Limited Solar-powered water electrolyser
US11588421B1 (en) 2019-08-15 2023-02-21 Robert M. Lyden Receiver device of energy from the earth and its atmosphere
CN112899725B (zh) * 2019-11-19 2022-05-24 阳光电源股份有限公司 新能源复合制氢系统及其控制方法
WO2021105727A1 (en) * 2019-11-27 2021-06-03 Saudi Arabian Oil Company Solar and electrolytic system comprising a moisture harvesting solar system and an electrolysis cell
EP3828313A1 (de) * 2019-11-28 2021-06-02 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Elektrolysesystem zum zerlegen von wasser zu wasserstoff und sauerstoff und ein verfahren zum betreiben des elektrolysesystems
WO2021117097A1 (ja) * 2019-12-09 2021-06-17 富士通株式会社 水電気分解システム及び水電気分解装置
PT116152A (pt) * 2020-03-10 2021-09-10 Fusion Welcome Fuel Unipessoal Lda Dispositivo com acoplamento directo para geração de hidrogénio a partir de luz solar concentrada
US11850566B2 (en) 2020-11-24 2023-12-26 Aircela Inc. Synthetic fuel production system and related techniques
EP4056734A1 (en) * 2021-03-12 2022-09-14 L'Air Liquide Société Anonyme pour l'Etude et l'Exploitation des Procédés Georges Claude Electrolyser system for water electrolysis and process therefor
EP4060083A1 (en) * 2021-03-18 2022-09-21 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Electrolysis unit, system and method
US11697882B2 (en) 2021-06-03 2023-07-11 Analog Devices, Inc. Electrolyzer system converter arrangement
GB2612985A (en) * 2021-11-18 2023-05-24 Francis Geary Paul Electrolysis system and method for energy recycling
GB2620481A (en) * 2021-11-18 2024-01-10 Francis Geary Paul Electrolysis system and method for energy recycling
DE102022109043A1 (de) 2022-04-13 2023-10-19 Hps Home Power Solutions Ag Vorrichtung zur Aufbereitung einer Elektrolytflüssigkeit
WO2024019756A1 (en) * 2022-07-21 2024-01-25 VERNET, Lourdes Water electrolysis system and method
DE102022207495A1 (de) * 2022-07-21 2024-02-01 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Elektrolysesystem
WO2024147185A1 (ja) * 2023-01-05 2024-07-11 株式会社 東芝 電気化学モジュールの診断装置、診断システム、診断方法及び診断プログラム
WO2024175965A1 (es) * 2023-02-24 2024-08-29 Garcia Rojas, Christian Javier Sistema autosustentable para generar combustible gaseoso hidrogeno u oxihidrogeno

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5512145A (en) * 1994-10-07 1996-04-30 The Cooper Union For The Advancement Of Science And Art Energy conversion system
US6613215B2 (en) * 2000-09-27 2003-09-02 Proton Energy Systems, Inc. Method for electrolysis of water using a polytetrafluoroethylene supported membrane in electrolysis cells

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3696286A (en) 1970-08-06 1972-10-03 North American Rockwell System for detecting and utilizing the maximum available power from solar cells
US4021323A (en) 1975-07-28 1977-05-03 Texas Instruments Incorporated Solar energy conversion
US4011149A (en) 1975-11-17 1977-03-08 Allied Chemical Corporation Photoelectrolysis of water by solar radiation
US4341204A (en) 1978-10-30 1982-07-27 Bloxsom Dan E Solar energy collector
US4341607A (en) * 1980-12-08 1982-07-27 E:F Technology, Inc. Solar power system requiring no active control device
JPH0650783B2 (ja) 1982-03-29 1994-06-29 株式会社半導体エネルギ−研究所 光発電装置
US4778579A (en) 1983-06-03 1988-10-18 United Technologies Corporation Method and apparatus for operating a fuel cell in combination with an electrochemical cell to produce a chemical product
US4519951A (en) * 1983-07-05 1985-05-28 Uop Inc. Selective reduction of fatty materials using a supported group VIII metal in eggshell distribution
US4466869A (en) 1983-08-15 1984-08-21 Energy Conversion Devices, Inc. Photolytic production of hydrogen
JPH0631453B2 (ja) 1984-10-16 1994-04-27 三洋電機株式会社 電気分解装置
JPH0413880A (ja) 1990-05-07 1992-01-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 水分解装置
US5372682A (en) * 1993-06-24 1994-12-13 The Dow Chemical Company Electrochemical preparation of addition polymerization catalysts
DE19533097A1 (de) 1995-09-07 1997-03-13 Siemens Ag Brennstoffzellensystem
US6054228A (en) 1996-06-06 2000-04-25 Lynntech, Inc. Fuel cell system for low pressure operation
JP3352334B2 (ja) 1996-08-30 2002-12-03 キヤノン株式会社 太陽電池の電力制御装置
US6136412A (en) 1997-10-10 2000-10-24 3M Innovative Properties Company Microtextured catalyst transfer substrate
US5879828A (en) 1997-10-10 1999-03-09 Minnesota Mining And Manufacturing Company Membrane electrode assembly
EP0982780B1 (en) 1998-01-23 2003-09-24 Josuke Nakata Photoelectrolytic device
ITMI980914A1 (it) 1998-04-29 1999-10-29 De Nora Spa Metodo per l'integrazione di celle a combustibile con impianti elettrochimici
WO2001010215A1 (en) * 1999-08-05 2001-02-15 Steris Inc. Electrolytic synthesis of peracetic acid
US6305442B1 (en) 1999-11-06 2001-10-23 Energy Conversion Devices, Inc. Hydrogen-based ecosystem
US6666961B1 (en) 1999-11-18 2003-12-23 Proton Energy Systems, Inc. High differential pressure electrochemical cell
US6569298B2 (en) 2000-06-05 2003-05-27 Walter Roberto Merida-Donis Apparatus for integrated water deionization, electrolytic hydrogen production, and electrochemical power generation
US6610193B2 (en) 2000-08-18 2003-08-26 Have Blue, Llc System and method for the production and use of hydrogen on board a marine vessel
JP4122701B2 (ja) * 2000-10-24 2008-07-23 株式会社デンソー 日射センサ
JP4119081B2 (ja) * 2000-11-29 2008-07-16 本田技研工業株式会社 太陽電池を備えた電力供給システム
US6619283B2 (en) 2001-09-11 2003-09-16 Manu Ghela Solar collector pipe
JP3719178B2 (ja) * 2001-09-13 2005-11-24 ソニー株式会社 水素ガス製造充填装置及び電気化学装置
US6786351B2 (en) 2001-10-03 2004-09-07 Anchor Packaging, Inc. Domed food container
DK1661279T3 (da) 2003-03-12 2011-04-04 Interdigital Tech Corp System og fremgangsmåde til måling af en indikator for modtaget kanaleffekt (RCPI)
US7459065B2 (en) 2004-02-18 2008-12-02 General Motors Corporation Hydrogen generator photovoltaic electrolysis reactor system
US7411308B2 (en) * 2005-02-26 2008-08-12 Parmley Daniel W Renewable energy power systems

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5512145A (en) * 1994-10-07 1996-04-30 The Cooper Union For The Advancement Of Science And Art Energy conversion system
US6613215B2 (en) * 2000-09-27 2003-09-02 Proton Energy Systems, Inc. Method for electrolysis of water using a polytetrafluoroethylene supported membrane in electrolysis cells

Also Published As

Publication number Publication date
DE112005001405T5 (de) 2007-08-09
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