DE112005001405T5 - System und Systeme für die Erzeugung und Verwendung von Wasserstoff - Google Patents

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Abstract

Photovoltaisches Elektrolyseursystem, mit:
einem Elektrolyseursubsystem; und
einem photovoltaischen Subsystem,
wobei das Elektrolyseursubsystem derart ausgebildet ist, um Wasser zu elektrolysieren und damit Wasserstoff bei einem Wirkungsgrad, der größer als ein vorbestimmter Wirkungsgrad ist, zwischen einer ersten und zweiten Betriebsspannung zu erzeugen, und wobei das photovoltaische Subsystem derart ausgebildet ist, um elektrische Leistung bei einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Betriebsspannung vorzusehen.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Wasserstofferzeugung und insbesondere ein System und ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff unter Verwendung photovoltaischer Zellen, um eine Membranelektrodenanordnung so zu betreiben, dass sie Wasser zur Bildung von Wasserstoff elektrolysiert.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Derzeit ist der hauptsächliche Prozess, mit dem Wasserstoff erzeugt wird, die Dampfreformierung von Methan. Ein anderes Mittel zur Herstellung von Wasserstoff ist die Elektrolyse von Wasser. Die zur Elektrolyse erforderliche Elektrizität wird hauptsächlich von dem elektrischen Stromversorgungsnetz abgeleitet, und die vorwiegende Quelle für Netzelektrizität, nämlich die Verbrennung fossiler Brennstoffe, erzeugt Emissionen, wie Stickoxide und Partikelmaterial wie auch Kohlendioxid. Ein Weg zur Beseitigung derartiger Emissionen besteht in der Verwendung solarerzeugter Elektrizität, um Wasser zur Bildung von Wasserstoff zu elektrolysieren. Derzeit sind Anstrengungen auf die Verbesserung des Wirkungsgrades, der Haltbarkeit und der Kosten der solarbetriebenen Wasserstofferzeugungsprozesse gerichtet.
  • Photovoltaische (PV) oder Solarzellen können dazu verwendet werden, die für die Elektrolyse von Wasser nötige Elektrizität zu liefern. Eine einzelne Solarzelle ist die kleinste Einheit eines photovoltaischen Systems und besitzt gewöhnlich zu wenig Spannung, um die Elektrolyse zu betreiben. Eine Gruppe von Solarzellen, die als ein photovoltaisches Modul bezeichnet wird, sind elektrisch miteinander in Reihe und/oder parallel geschaltet, um eine ausreichende Spannung und einen ausreichenden Strom für verschiedene Anwendungen zu liefern. Die Module sind normalerweise in einen transparenten wasserdichten Aufbau gekapselt. Jedoch können Systeme bestehend aus Solarzellen in PV-Modulen, um Elektrizität zu bilden, zusammen mit Elektrolyseuren, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten, wie sie heute existieren, Wasserstoff nicht so billig wie bei der Dampfreformierung von Methan erzeugen. Es sind verschiedene Projekte versucht worden, um Wasserstoffgas zur Belieferung von Fahrzeugtankstationen durch Verwendung von Elektrizität aus photovoltaischen Modulen und kommerziell erhältlichen Elektrolyseuren, um Wasser aufzuspalten, zu erzeugen. Diese Projekte haben sich aufgrund des geringen Wirkungsgrades und der hohen Kosten der kombinierten Technologie als nicht zufrieden stellend erwiesen, die nur etwa 2%–6% der Solarenergie in Wasserstoffbrennstoffenergie umwandelten, wodurch die Kapitalkosten, die resultierenden Wasserstoffbrennstoffkosten (zumindest $ 15 pro Kilogramm Wasserstoff) und die von dem System bedeckte große Fläche stark erhöht wurden. Dieser Technologie lagen nicht optimale PV- und Elektrolyseurkombinationen zugrunde und betraf große Landgebiete zur Sammlung von ausreichend Solarenergie.
  • Andere Verfahren zum Umwandeln von Solarenergie in Wasserstoff sind in der ebenfalls übertragenen provisorischen U.S. Anmeldung 60/545,379, die am 18. Februar 2004 eingereicht wurde, und der US Anmeldung Seriennummer 11/049,213, die am 2. Februar 2005 eingereicht wurde, mit dem Titel "Method and Apparatus for Hydrogen Generation" und in der provisorischen Patentanmeldung US Seriennummer 60/545,374, die am 18. Februar 2004 eingereicht wurde und der US Anmeldung Seriennummer 11/046,572, die am 28. Januar 2005 eingereicht wurde, mit dem Titel "Hydrogen Generator Photovoltaic Eleytrolysis Reactor System" offenbart, die hier durch Bezugnahme eingeschlossen sind. Diese Vorrichtungen beschreiben die Optimierung der solarzellenbetriebenen Elektrolyse von Wasser, um Wasserstoff unter Verwendung von Elektrolysezellen in Reaktoren zu erzeugen, die einen flüssigen alkalischen Elektrolyt enthalten. Jede dieser Zellen erzeugt etwa ein Gramm (12 L bei STB) Wasserstoff pro Tag. Es hat sich herausgestellt, dass eine spezifische optimale Betriebsspannung für eine Elektrolyseurzelle, die Ni- und Ni-RuO2-Platten für die Kathode bzw. Anode verwendet und mit einer 5 M KOH-Elektrolytlösung, existierte, die etwa 2,0 bis 2,5 Volt betrug und die durch die Spannung des maximalen Leistungspunkts (Vmpp) des PV-Systems angepasst werden muss. [Beachte: Sobald die elektrischen Einheiten Spannung, Stromstärke etc. irgendwo in diesem Dokument verwendet werden, gelten die elektrischen Einheiten für Gleichstrom (DC) und nicht für Wechselstrom (AC).] Obwohl diese Reaktoren mit kleinem Tank oder kleiner Tasche eine erhebliche Verbesserung gegenüber bisherigen Systemen darstellen, sind sie relativ sperrig und müssten um mehr als das 100-fache vergrößert werden, um ein einziges Brennstoffzellenfahrzeug zu betreiben.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Um die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, ist ein Verfahren zur Konstruktion und zum Betrieb eines PV-Elektrolyseursystems (Solarwasserstoffgenerator- oder solarbetriebenes Elektrolysesystem) mit zumindest einem photovoltaischen (PV) Modul vorgesehen. Das System und das Verfahren verwenden zumindest ein PV-Modul, das Leistung liefert, um Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff zu elektrolysieren.
  • Hier ist ein System zur Erzeugung und Verwendung von Wasserstoff offenbart. Dieses System besitzt zumindest ein photovoltaisches ("PV")-Modul, das Leistung liefert, um Wasser zu elektrolysieren, und zumindest einen Elektrolyseur, der die Leistung aufnimmt. Der Elektrolyseur besitzt zumindest eine Membranelektrodenanordnung ("MEA") zur Elektrolyse von Wasser, um Wasserstoff zu bilden. Die MEA ist aus einer Protonenaustauschmembran ("PEM") ausgebildet, die zwischen einer jeweiligen ersten und zweiten mit Katalysator versehenen Elektrode schichtartig angeordnet ist. Die Versorgungsspannung des PV-Moduls ist an die Betriebsspannungs- und Stromanforderungen des Elektrolyseurs angepasst.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das System aus zumindest einem photovoltaischen ("PV") Modul, das zumindest eine PV-Zelle aufweist, die Leistung zur Elektrolyse von Wasser liefert, und einem Elektrolyseur ausgebildet, der die Leistung aufnimmt. Der Elektrolyseur besitzt zumindest eine MEA. Das System ist in einer ersten Betriebsart optimiert, das ein PV-Subsystem besitzt, das so ausgebildet ist, um die optimale Spannung (die Betriebsspannung, die den maximalen Wirkungsgrad zur Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff ergibt) für den Elektrolyseur zu ergeben. In der ersten Betriebsart ist das PV-Subsystem direkt mit dem Elektrolyseursubsystem verbunden. Das System ist ferner in einer zweiten Betriebsart durch Verringern der Spannung eines nicht optimalen PV-Systems auf die optimale Spannung betreibbar, wenn die Spannung des PV-Moduls den Spannungszielwert des Elektrolyseurs überschreitet. Das System ist ferner in einer dritten Betriebsart durch Erhöhen der Spannung betreibbar, wenn die Spannung des PV-Moduls kleiner als die Betriebsspannung des Elektrolyseurs ist. In der zweiten und dritten Be triebsart wird die PV-Spannung durch Zusatz von DC-DC-Wandlern zu der Schaltung angepasst.
  • Ein PV-Elektrolyseur kann so aufgebaut sein, dass er bei maximalem Wirkungsgrad in der ersten Betriebsart arbeitet, in der ein PV-System direkt mit einem Elektrolyseur verbunden ist. Eine optionale Steuereinheit kann dem PV-Elektrolyseursystem hinzugefügt werden, das je nach Ausmaß von Licht, das auf das PV-Modul einfällt, zwischen der ersten, zweiten und dritten Betriebsart schaltet. Die Spannung, die von dem PV-System durch die Steuereinheit geliefert wird, ist ein Zielbereich, der durch einen Betriebsspannungsbereich definiert ist, der den maximalen Wirkungsgrad für den Stapel ergibt.
  • Zusätzlich ist ein Verfahren zur Optimierung der Konstruktion von PV-Elektrolyseursystemen offenbart, die aus einem photovoltaischen (PV) Subsystem, die zumindest eine Solarzelle oder zumindest ein PV-Modul aufweist, und einem Elektrolyseursubsystem bestehen, das zumindest eine Elektrolysezelle oder Membranelektrodenanordnung (MEA) zur Elektrolyse von Wasser, um Wasserstoff zu erzeugen, besitzt. Das Verfahren umfasst, dass: a) die Betriebsspannung, der Betriebsstrom und der Wirkungsgrad des Elektrolyseursubsystems durch Messungen und Berechnungen bestimmt werden, b) eine Spannung des maximalen Leistungspunkts (Vmpp) für die PV-Zelle auf Grundlage einer vorbestimmten Beziehung zwischen der Ist-Spannung und dem Ist-Strom unter einer Vielzahl von Lasten und einer Vielzahl von Spannungen für die PV-Zelle bestimmt wird und c) eine Anzahl von PV-Zellen bei der Vmpp bestimmt wird, um eine Soll-Spannung zu erreichen und damit Wasser zu elektrolysieren und erforderlichen Elektrolysesystemverlusten nachzukommen.
  • Das System sieht eine praktische, nicht verschmutzende Technologie zur Erzeugung von Wasserstoff-Brennstoff unter Verwendung photovoltaischer Halbleitermaterialien, einem Elektrolyseur und Sonnenlicht vor, um Wasserstoff zu erzeugen. Dieser Wasserstoff kann dazu verwendet werden, Brennstoffzellenfahrzeuge und eine stationäre Energieerzeugung bei Kosten zu betreiben, die mit anderen Energiequellen wettbewerbsfähig sind. Diesbezüglich sieht die Erfindung ein System zur Erzeugung erneuerbaren Wasserstoffs in einem praktischem Maßstab für im Wesentlichen jede Anwendung und einschließlich einer Fahrzeugbetankung und stationären Energieerzeugung vor.
  • Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
  • 1 ein PV-Elektrolyseursystem gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ein Schema für ein PV-Elektrolyseursystem mit einer Direktverbindungsoptimierung (DCO) ist;
  • 3 ein Schema für ein PV-Elektrolyseursystem mit einer DC-DC-Wandler-(DDC)-Optimierung ist;
  • 4 ein Schema für ein PV-Elektrolyseursystem ist, das zu entweder eine DCO- oder DDC-Optimierung in der Lage ist;
  • 5 den PEM-Elektrolyseur gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 6 den Wirkungsgrad des 20 Zellen umfassenden PEM-Elektrolyseurs zeigt, der mit einer DC-Energieversorgung über einen Bereich von Betriebsströmen gemessen ist;
  • 7 den Wirkungsgrad der Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff gegenüber der Vmpp zeigt, gemessen mit DCO unter natürlichen Sonnenlichtbedingungen;
  • 8 die Wirkung des H2-Druckes auf das Halbzellenpotenzial der Wasserstoffentwicklungsreaktion zeigt;
  • 9 den Strom (I) gegenüber der Spannung (V) für ein photovoltaisches Modul zeigt, wobei der maximale Leistungspunkt (mpp) gezeigt ist. Die entsprechende Leistungskurve (P = V × I) ist ebenfalls gezeigt;
  • 10 eine Anordnung für den Elektrolyseur zeigt;
  • 11 Komponenten eines Elektrolyseursystems mit Ausnahme der PV-Module zeigt;
  • 12 Details einer Komponente von 13 zeigt; und
  • 13 Details eines Gas/Wasser-Abscheiders zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSEFÜHRUNGSFORM
  • Unter allgemeinem Bezug auf die 1 und 2 wird ein Betrieb des PV-Elektrolyseursystems erläutert, die ein Diagramm und Schema des Systems gemäß der Lehren der vorliegenden Erfindung zeigen. Das PV-Elektrolyseursystem 20 besitzt ein photovoltaisches (PV) Subsystem 22 mit zumindest einer Solar- oder PV-Zelle 24 oder einem PV-Subsystem 22, und ein Elektrolyseursubsystem 28 mit zumindest einer Elektrolysezelle oder Membranelektrodenanordnung (MEA) 30 zur Elektrolyse von Wasser, um Wasserstoff zu erzeugen. Die Elektrolysezelle 30 ist bevorzugt eine Protonenaustauschmembran (PEM) mit hohem Wirkungsgrad, die schichtartig zwischen zwei mit Katalysator versehenen Elektroden angeordnet ist, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden. Die Spannungs- und Stromanforderungen des Elektrolyseursubsystems 28 sind an die Spannung der Elektrizität angepasst, die durch das solarbetriebene photovoltaische ("PV") Subsystem 22 erzeugt wird, um den Betriebswirkungsgrad des Gesamtsystems 20 erheblich zu steigern. Wie im Folgenden detailliert beschrieben ist, verwendet das System 20 optional eine Hochdruckelektrolysezelle 30, um den Ausgangsdruck des Wasserstoffs zu erhöhen. Unter Bezug auf 3 kann ein DC-DC-Wandler 40 optional dazu verwendet werden, um den Gesamtsystemwirkungsgrad zu erhöhen, wenn das PV-Subsystem 22 allein keine Spannung ergibt, die mit der Betriebsspannung des Elektrolyseursubsystems 28 übereinstimmt. Das System 20 in 2 verwendet eine Direktverbindungsopti mierung (DCO) oder verwendet den DC-DC-Wandler 40 in 3, um die Spannung, die an das Elektrolyseursubsystem 28 geliefert wird, zu ändern, um eine DC-DC-Wandler-Optimierung (DDC) zu verwenden. Unter Bezugnahme auf 4 kann eine Steuereinheit 34 optional in Kombination mit einem DC-DC-Wandler verwendet werden, um die Schaltung zwischen dem DCO- und DDC-Betrieb aufgrund der Lichtintensität, die von der Steuereinheit detektiert wird, zu schalten, um den Wirkungsgrad unter schlechten Lichtbedingungen zu verbessern.
  • Um ein PV-Elektrolyseursystem 20 auf eine Größe zu vergrößern, die in der Lage ist, ein oder mehrere Brennstoffzellenfahrzeuge zu betreiben, wurde eine Serie kommerziell erhältlicher Solarmodule mit einem Bereich von Wirkungsgraden und einem breiten Bereich von Spannungsausgängen getestet. Die Verwendung einer PEM-Elektrolysezelle 30 sieht ein sehr kompaktes Elektrolyseursubsystem 28 ohne die Notwendigkeit einer Handhabung von Säuren oder Basen, wie Kaliumhydroxid (KOH) vor, die in einigen Elektrolyseuren nötig sind. Zusätzlich ist es wahrscheinlich, dass einige Vorteile hinsichtlich des Wirkungsgrads und der Kostenreduzierung für PEM-Brennstoffzellen zu weiter verbesserten PEM-Elektrolysezellen 30 führen. Wie nachfolgend beschrieben ist, kann die Hochdruckelektrolysezelle 30 optional so angeordnet sein, um komprimierten Wasserstoff ohne die Notwendigkeit nach einem externen Kompressionssystem vorzusehen.
  • 2 ist ein Schema des PV-Elektrolyseursystems 20, das eine Direktverbindungsoptimierung (DCO) verwendet. Wie gezeigt ist, ist ein PV-Subsystem 22 direkt mit dem PEM-Elektrolyseur 28 verbunden. Dieser Elektrolyseur verwendet den Strom von dem PV-Subsystem 22, um deionisiertes Wasser in H2 und O2 aufzuspalten. Während der Sauerstoff in dem System an die Atmosphäre entlüftet wird, wird der Wasserstoff unter Verwendung eines Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 50 abgetrennt. Das deionisierte Wasser wird an die Elektrolyseurzelle 30 durch ein externes System geliefert, um das von der Elektrolyse verbrauchte Wasser auszugleichen. Eine Pumpe 66 wird verwendet, um das deionisierte Wasser durch den Elektrolyseur und das Gas/Wasser-Abscheidungssystem umzuwälzen. Die Wasserumwälzung kühlt sowohl den Elektrolyseur und hilft auch dazu, das Wasserstoffgas zu trennen und zu sammeln. Wie im Folgenden weiter detailliert beschrieben ist, wird die Spannung der maximalen elektrischen Abgabe des PV-Subsystems 22 an die optimale Betriebsspannung und den optimalen Betriebsstrom angepasst, die von dem Elektrolyseursubsystem 28 erforderlich sind.
  • Ein Schema eines PV-Elektrolyseursystems 20 mit einem DC-DC-Wandler (DDC-Optimierung) ist in 3 gezeigt. Das Elektrolyseursubsystem 28 in den 2 und 3 ist schematisch nur durch sieben Elektrolysezellen 30 in Serie, jede mit zwei Elektroden, gezeigt. Wie bekannt ist, besitzen PEM-Elektrolysezellen 30 eine Kathode, an der Wasserstoff erzeugt wird, und eine Anode, an der Sauerstoff erzeugt wird. Das vorliegende Elektrolyseursubsystem 28, das bei dem Test dieser Erfindung verwendet wurde, besitzt 20 Zellen. Das System 20 kann einen elektrochemischen Stapel aufweisen, der eine Vielzahl (beliebige Anzahl) der Elektrolysezellen 30 aufweist. Es ist auch vorstellbar, dass der elektrochemische Stapel in einer ersten Betriebsart betreibbar ist, um Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff zu elektrolysieren, und ferner in einer zweiten Betriebsart betreibbar ist, um Wasserstoff zur Erzeugung von Leistung zu verbrauchen.
  • Wie in 4 zu sehen ist, kann das System 20 optional in einer ersten Betriebsart optimiert werden, die ein PV-Subsystem verwendet, das mit einer Zielbetriebsspannung ausgelegt ist, um einen maximalen Umwandlungswirkungsgrad von dem Elektrolyseursubsystem 28 zu erhalten. Das System 20 in 4 ist optional in einer zweiten Betriebsart durch Verringern der Spannung in einem zweiten Betriebszustand betreibbar, wenn die Spannung des PV-Subsystems 22 die optimale Zielspannung des Elektrolyseursubsystems 28 überschreitet. Das System 20 ist wiederum optional in einer dritten Betriebsart durch Erhöhen der Spannung in einem dritten Betriebzustand betreibbar, wenn die Spannung des PV-Subsystems 22 kleiner als der Spannungszielwert des Elektrolyseursubsystems 28 ist. Die Steuereinrichtung 34 funktioniert so, dass sie je nach einem Ausmaß von Licht, das auf das PV-Subsystem 22 einfällt, Einstellungen zwischen der ersten, zweiten und dritten Betriebsart trifft. Der optimale Spannungszielwert ist ein Zielbereich, der durch einen Betriebsspannungsbereich, der von dem Elektrolyseursubsystem 28 erforderlich ist, definiert ist, der die maximale Leistung und den maximalen Wirkungsgrad von dem PV-Subsystem bekommt und den maximalen Wirkungsgrad von dem Elektrolyseursubsystem 28 bekommt.
  • Zusätzlich verwendet das System 20 ein Verfahren zum Anordnen und Betreiben eines PV-Elektrolysesystems mit zumindest einer photovoltaischen (PV) Zelle 24, die Leistung liefert, um Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff zu elektrolysieren. Das Verfahren beginnt mit einem Bestimmen der erforderlichen Wasserstofferzeugungsrate (und Größe des Elektrolyseurs). Anschließend werden die Betriebsspannung und der Betriebsstrom des Elektrolyseurs gemessen oder berechnet. Das PV-System wird dann so ausgebildet, um die Betriebsspannung und den -strom des Elektrolyseursystems anzupassen. Der erforderliche Ausgang des PV-Systems wird dadurch gefunden, dass zuerst eine Spannung des maximalen Leistungspunkts (Vmpp) für das PV-System 22 auf Grundlage einer vorbestimmten Beziehung zwischen der Ist-Spannung, die von jeder PV-Zelle 24 erzeugt wird, und dem Ist-Strom unter Last für die PV-Zelle 24 bestimmt wird. Anschließend wird die Anzahl von PV-Zellen 24, die e lektrisch in Reihe verschaltet sind, bei der Vmpp, die erforderlich ist, um eine Soll-Spannung zur Elektrolyse von Wasser und zur Deckung erforderlicher Systemverluste des Elektrolysesubsystems zu erreichen, bestimmt.
  • Optional besitzt das System 20 eine Anzahl von PV-Zellen 24 in Reihenanordnung, um eine Spannung, die ausreichend ist, um Wasser zu elektrolysieren und Elektrolysesystemverluste zu decken, auf Grundlage einer Spannung des maximalen Leistungspunkts des Subsystems 22 zu liefern. Es wird die Anzahl von PV-Zellen 24, die in Reihe verschaltet werden sollen und das PV-Subsystem 22 bilden, wie auch die Anzahl von Elektrolyse-(MEA)-Zellen 30 bestimmt, die in Reihe in einem Stapel angeordnet sind, um eine Soll-Betriebsspannung des Elektrolyseurs vorzusehen. Es wird die Anzahl von PV-Zellen 24 in Reihe bei der Vmpp, um eine Soll-Spannung zur Elektrolyse von Wasser und zur Deckung von Elektrolysesystemverlusten (der Überspannung des Elektrolyseurs) zu erreichen, bestimmt. Das gezeigte PV-Subsystem 22 besitzt eine Gesamt-Vmpp im Bereich von 32 bis 39 Volt und liefert Leistung an das Elektrolyseursubsystem 28, das zwanzig PEM-Elektrolysezellen 30 in Reihe aufweist. Diese Vmpp entspricht auch einer Leerlaufspannung in einem Bereich von 40 bis 46 Volt für den Betrieb des Elektrolyseurs mit zwanzig PEM-Elektrolysezellen 30 in Reihe. Das PV-Subsystem 22 besitzt eine Gesamt-Vmpp, die ausreichend ist, um 1,6 bis 2,0 Volt pro jeder der MEAs vorzusehen. Bevorzugt besitzt das PV-Subsystem 22 eine Gesamt-Vmpp von etwa 36 Volt für ein 20 MEA umfassendes Elektrolyseursubsystem 28, was gleichwertig zu etwa 1,8 Volt pro jeder PEM-Elektrolysezelle 30 ist.
  • Die Vmpp wird durch eine Reihe von PV-Zellen 24 gebildet, die in Reihe verschaltet sind, wobei jede der PV-Zellen 24 einen Ausgang von etwa 0,50 Volt bei dem maximalen Leistungspunkt besitzt. Das PV-Subsystem 22 besitzt ein Feld aus PV-Zellen 24 in Reihe, das 72 Zellen enthält. Die Soll-PV-Subsystemspannung beträgt etwa 36 Volt bei dem maximalen Leistungspunkt. Ähnlicherweise kann die Vielzahl dieser PV-Subsysteme 22 parallel angeordnet sein, um die gewünschte Strommenge bereitzustellen. Um ein optimales PV-Subsystem für ein PV-Elektrolyseursystem 20 zu konstruieren, sollte ein Zielwert von 1,8 Volt pro Elektrolysezelle oder ein Bereich von 1,6–1,8 Volt pro Elektrolysezelle verwendet werden.
  • Das System 20 ist optional so ausgebildet, dass die Betriebsspannung zur Wasserstofferzeugung proportional zu der Anzahl von PEM-Elektrolysezellen 30 ist. Die notwendige PV-Ausgangsspannung, um Wasser zu elektrolysieren und Verluste des Elektrolysesystems 20 zu decken (um die Betriebsspannung des Elektrolyseurs vorzusehen), basiert auf der Anzahl von PV-Zellen, die in Reihe verschaltet sind, und einer Spannung des maximalen Leistungspunkts (Vmpp) der einzelnen PV-Zelle 24. Es ist vorstellbar, dass das Elektrolyseursubsystem 28 aus einer Vielzahl von Elektrolysezellen 30 ausgebildet sein kann, die in Reihe verschaltet sein können, um eine höhere Betriebsspannung (Voper) anzunehmen, und die parallel verschaltet sein können, um einen höheren Betriebsstrom (Ioper) anzunehmen. Zur DCO-(Betriebsart 1)-Optimierung bestimmt die Anzahl von PV-(Solar)-Zellen in Reihe in dem PV-Subsystem die PV-Ausgangsspannung bei dem maximalen Leistungspunkt (Vmpp), die zu der Betriebsspannung (Voper) des Elektrolyseurs passen muss. Die Anzahl von PV-Modulen, die in dem PV-Subsystem 22 parallel geschaltet sind, bestimmt den Betriebsstrom.
  • Das optimale PV-Subsystem 22 in 2 ist so ausgebildet, dass es eine vorbestimmte Spannung an seinem maximalen Leistungspunkt (Vmpp) erzeugt, die etwa gleich der Betriebsspannung (Voper) des Elektrolyseursubsystems 28 ist. Die Wasserstofferzeugung ist optional optimiert und er reicht einen maximalen Wirkungsgrad unter Standardtestbedingungen (STB-Solareinstrahlung von 1000 W/m2 und 25°C). Beispielsweise kann ein PV-Subsystem 22 mit einer Vmpp von 36 Volt und einem Wirkungsgrad von solar zu elektrisch von 17,5% (unter STB bei seinem maximalen Leistungspunkt), das mit einem einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden PEM-Elektrolyseur mit einer Voper von 32 bis 38 Volt verbunden ist, Wasserstoff mit einem Wirkungsgrad von solar zu Wasserstoff von 11% bis 12% erzeugen. Zusätzlich kann die Wasserstofferzeugung, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen, auf Grundlage einer durchschnittlichen geographischen spezifischen Sonnenbestrahlung optimiert werden. Auf diese Weise kann die Anordnung des PV-Subsystems 22 so konstruiert sein, um ein Elektrolyseursubsystem 28 daran anzupassen, eine erforderliche Wasserproduktion bei geographischen Zielorten vorzusehen, oder kann zur allgemeinen Verwendung in größeren Marktbereichen konstruiert sein. Die Konstruktion und Herstellung des PV-Subsystems 22 in 2 kann durch selektive Serien- oder Parallelanordnungen von PV (Solarzellen) oder Modulen optimiert werden, um die optimale Vmpp und den optimalen Betriebsstrom zu erzeugen, um die Voper- und die Stromanforderungen des PEM-Elektrolyseurs 28 anzupassen. Diese Anordnung kann je nach kalendarischen oder atmosphärischen Bedingungen und dem erforderlichen Durchsatz von Wasserstoff (der eine Funktion des Stroms ist) angepasst werden.
  • Optional erfordert das nicht optimale System 20 in 3 eine Kopplung mit einem DC-DC-Wandlersystem 40, um die nicht optimale PV-Spannung in die optimale PV-Spannung, die gleich der Voper des Elektrolyseurs ist, umzuwandeln. Das System 20 kann auch mit selektiven Reihen- oder Parallelanordnungen der PV-Subsysteme 22 konstruiert sein. Es kann notwendig sein, eine Vielzahl von PV-Subsystemen parallel zu schalten, um ausreichend Strom zu bekommen und den gewünschten Wasser stoffbrennstoff für eine stark beanspruchte Anwendung zu bilden, wie einen Kraftfahrzeugbetankungsbetrieb. In 4 können der Wechsel von einer DCO- zu einer DDC-Schaltung oder saisonale Einstellungen oder eine Reoptimierung des Systems dadurch erreicht werden, dass Änderungen von Parallel- zu Reihenverbindungen oder umgekehrt gemacht werden. Um diese Änderungen von Parallel- zu Reihenverbindungen zu machen, kann ein systematisches Wiederverbinden der PV-Kabel mit dem PV-Elektrolyseursystem manuell durch Wiederverbinden von PV-Zellen, -Modulen oder -Subsystemen durchgeführt werden oder kann in Echtzeit abhängig von Licht- und Saisonbedingungen unter Verwendung der Steuereinheit 34 durchgeführt werden.
  • Bevorzugt besitzt das PV-Subsystem 22 einen vorbestimmten Ausgangsspannungsbereich (V1 bis V2) von etwa 1,6 bis 2,0 Volt pro Elektrolysezelle 30. In diesem Spannungsbereich erzeugt das PV-Subsystem 95% bis 100% seiner Pmax mit 95% bis 100% seines maximalen elektrischen Wirkungsgrades, und der Wasserstofferzeugungswirkungsgrad des Systems liegt bei etwa 85% bis 100% des maximalen Wasserstofferzeugungswirkungsgrades. Das Elektrolyseursubsystem 28 besitzt eine charakteristische Voper, die durch Messen des Spannungsabfalls über die Pole des Elektrolyseurs mit einem Spannungsmesser 56 bestimmt wird. Die Voper des Elektrolyseursubsystems bestimmt die optimale PV-Ausgangsspannung (bei dem maximalen Leistungspunkt), die für den Betrieb des Systems 20 erforderlich ist, und bestimmt auch den Wirkungsgrad des Elektrolyseurs, der gleich 100% × (N × 1,23 Volt/Voper) ist. Somit ist der Spannungsbereich V1 bis V2 pro Elektrolysezelle der optimale Spannungsbereich für das PV-Subsystem 22 bei direkter Verbindung mit einem effizienten Elektrolyseursubsystem. V1 bis V2 pro Elektrolysezelle ist auch die optimale Spannungsabgabe für ein DC-DC-Wandlersystem, wenn ein DDC-System für die PV-Elektrolyse verwendet wird. Zusätzlich besitzt das Elektrolyseur subsystem 28 eine charakteristische Voper, die durch seine Anzahl (N) von Elektrolysezellen 30 in Reihe und die charakteristische Überspannung jeder MEA (Vov) bestimmt ist, so dass: Voper = N × (1,23 Volt + Vov)wobei Vov im Bereich von etwa 0,4 bis 0,7 Volt je nach Betriebsstrom, Elektrodentyp, Elektrodenkonstruktion, Katalysatortyp, Katalysatorbeladung, Ioper, Betriebstemperatur und Betriebsdruck des Elektrolyseursubsystems 28 liegt.
  • Kurz bezugnehmend auf 3 ist vorstellbar, dass ein nicht optimales PV-Subsystem 22 mit einem DC-DC-Wandler 40 (einem linearen Stromverstärker oder einer Ladungssteuereinheit) verbunden werden kann, der derart ausgebildet ist, um den nicht optimalen Spannungsausgang des PV-Subsystems 22 in die vorbestimmte Voper des Elektrolyseursubsystems 28 umzuwandeln, und der DC-DC-Wandler 40 so verbunden ist, um Leistung zu liefern und damit das Elektrolyseursubsystem 28 zu betreiben. Diesbezüglich ist das PV-Subsystem 22 mit einem DC-DC-Wandler 40 verbunden, der derart konstruiert ist, um die Spannungsabgabe des PV-Subsystems 22 in die optimale Spannung (beispielsweise 1,6 bis 2,0 Volt) pro Elektrolysezelle 30 umzuwandeln (die vorbestimmte Voper pro Zelle eines einen hohen Wirkungsgrad besitzenden PEM-Elektrolyseursubsystems).
  • Das Steuersystem oder der Steueralgorithmus, der in einer Steuereinheit 34 läuft, wird dazu verwendet, das PV-Subsystem 22 zwischen einer Direktverbindung mit dem Elektrolyseursubsystem und einer Verbindung mit dem Elektrolyseursubsystem 28 durch einen DC-DC-Wandler 40 zu schalten. Der DC-DC-Wandler 40 ist derart konstruiert, um die Span nungsabgabe des PV-Subsystems 22 in die Voper des Elektrolyseursubsystems 28 umzuwandeln, und das Schalten wird durch eine Verringerung der Solarbestrahlung gesteuert, die durch ein Sensorsystem detektiert wird.
  • Bei einer anderen besonderen Ausführungsform der Erfindung ist das PV-Subsystem 22 so ausgebildet, um eine vorbestimmte Spannung bei seinem maximalen Leistungspunkt (Vmpp) zu erzeugen, der etwa gleich der Betriebsspannung (Voper) des Elektrolyseursubsystems 28 ist, wenn der Betriebsstrom des Elektrolyseurs kleiner als oder gleich 15 A ist, so dass die Wasserstofferzeugung optimiert ist und einen maximalen Wirkungsgrad unter Standardtestbedingungen (STB-Solarbestrahlung von 1000 W/m2 und 25°C) erreicht. Unter diesen Betriebsbedingungen hat sich herausgestellt, dass ein System 20 bestehend aus einem PV-Subsystem mit einer Vmpp von 36 Volt und einem Wirkungsgrad von solar zu elektrisch von 17,5% (unter STB bei seinem maximalen Leistungspunkt) verbunden mit einem einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden PEM-Elektrolyseur mit einer Voper von 32 bis 33 Volt Wasserstoff mit einem Wirkungsgrad von Solar zu Wasserstoff von 12,4% erzeugt.
  • Jede PV-Zelle 24 besitzt ein auf kristallinem Silizium (c-Si) basierendes oder ein auf amorphem Silizium basierendes Halbleitermaterial oder eine Kombination von sowohl auf c-Si als auch a-Si basierenden Materialien, die in Schichten aufgebracht sein können. Die Tabelle 1 zeigt die optionalen PV-Subsysteme 22, die getestet worden sind. Der Hersteller, die festgelegte Fläche, der Wirkungsgrad, die Leerlaufspannung (Voc), der Kurzschlussstrom (Isc), die Spannung des maximalen Leistungspunkts (Vmpp), der Strom (Impp) des maximalen Leistungspunkts und die maximale Leistung (Pmax) sind ebenfalls gezeigt. Dieser Satz von Solarmodulen sieht einen Bereich von Eingangsspannungen vor (Vmpp = 17 bis 54 Volt). Vmpp ist eine Schlüsselvariable, die den Wirkungsgrad der Kopplung von Solarmodulen mit einer Elektrolysezelle, die Ni- und Ni-RuO2-Platten und einen alkalischen Elektrolyt verwendet, beeinflusst (provisorische U.S. Anmeldung 60/545,379, die am 18. Februar 2004 eingereicht wurde, und U.S. Anmeldung Seriennummer 11/049,213, die am 2. Februar 2005 eingereicht wurde, mit dem Titel "Method and Aparatus for Hydrogen Generation"). Die Module 3 und 12 verwendeten monokristalline Zellen. Die Module 8 und 9 verwendeten multikristallines Silizium. Die Module 10 und 11 verwendeten eine Mischung aus amorphem Silizium und kristallinem Silizium. Die Module 13 und 16 verwendeten Einkristallsiliziumzellen. Die Zellen besaßen Wirkungsgrade im Bereich von 11,5 bis 17,5%, während die Wirkungsgrade von Solar zu Elektrizität der Module im Bereich von 10,6 bis 15,2% lagen. Die Zellenfläche und der Wirkungsgrad sind auf das vorliegende Silizium-PV-Material bezogen, das elektrischen Strom erzeugen kann. Die Modulfläche und der Wirkungsgrad betreffen die gesamte Fläche des PV-Subsystems einschließlich "toter Räume" um die Solarzellen so weit wie der Außenrand des Modulrahmens. Der Modulwirkungsgrad ist stets geringer als der Zellenwirkungsgrad, da er diese inaktive Fläche zusätzlich zu der aktiven Fläche der vorliegenden Solarzellen aufweist.
  • Figure 00190001
  • In dem Fall, wenn PV-Subsysteme 22 bei einer nicht optimierten Systemkonstruktion für einen gegebenen Lichtzustand kosteneffektiv verfügbar sind, dann sind in dem Falle überbemessener, d.h. Hochspannungs-PV-Module die Module mit einem DC-DC-Wandler zum Verringern der Ausgangsspannung gekoppelt. Diese Hochspannungs-PV-Subsysteme 22 besitzen einen Vorteil der Einsparung von "Kupferverlusten", und überlegene Hoch- oder Niederspannungs-PV-Subsysteme 22 können auch gewählt werden, da sie einen überlegenen Wirkungsgrad auf Grundlage ihrer inhärenten Festkörperqualitäten besitzen. "Kupferverluste" sind Verluste, die aufgrund des Schaltungswiderstandes in der Verdrahtung und in Verbindungen auftreten und die schlechter werden können, wenn längere Distanzen verbunden werden. Sie können durch Erhöhung der Betriebsspannung des Systems reduziert oder kompensiert werden.
  • Das Elektrolyseursubsystem 28 ist so konstruiert, dass es bei einer geringen Stromdichte und einer erhöhten Temperatur arbeitet, um seinen Wirkungsgrad zu steigern. Zusätzlich ist das Elektrolyseursubsystem 28 optional so ausgebildet, dass es bei einem hohen Druck (5.000–15.000 psi) arbeitet, um komprimierten Wasserstoff-Brennstoff durch elektrochemische Kompression ohne einen mechanischen Kompressor zu liefern. Diese Anordnung erlaubt die Lieferung von Wasserstoff-Brennstoff durch elektrochemische Kompression in einer Form, die zum Speichern und Betanken von Brennstoffzellenfahrzeugen bereit ist.
  • Das Elektrolyseursubsystem 28 besitzt optional einen sauren Elektrolyseur mit einem sauren Elektrolyt, einen basischen Elektrolyseur mit einem basischen Elektrolyt, einen Dampfelektrolyseur, einen PEM-Elektrolyseur mit zumindest einer MEA oder einen Hochdruckelektrolyseur. Bevorzugt liegt die Soll-Betriebsspannung im Bereich von 32 bis 38 Volt für einen 20 MEA umfassenden PEM-Elektrolyseur, was gleichwertig zu etwa 1,6 bis 1,9 Volt pro Elektrolysezelle 30 ist.
  • Wenn eine optionale Hochdruck-Elektrolyseurzelle 30 verwendet wird, sind höhere Spannungen erforderlich, um die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklungsreaktionen zu betreiben, d.h. für die Wasserelektrolyse. Der ökonomische Vorteil eines Hochdruck-Elektrolyseurs 30 basiert auf einem Kompromiss zwischen einem Opfern von Wirkungsgrad in dem Elektrolyseur 30 aufgrund der höheren Spannung, die erforderlich ist, um Wasser bei höheren Wasserstoff- und Sauerstoffdrücken zu elektrolysieren, im Vergleich zu den größeren Einsparungen anschließender Kompressionskosten, sobald der Wasserstoff entwickelt ist.
  • Wenn Hochdruckwasserstoff erforderlich ist, wird das hier offenbarte Hochdruck-Elektrolyseursubsystem 28 anstelle der derzeit verfügbaren kommerziellen PEM-Elektrolyseurzelle 30 für geringeren Druck verwendet, die Wasserstoff mit einem Auslassdruck von einigen wenigen Hundert psig erzeugt. Wasserstoff von dem PEM-Elektrolyseur 30 für geringeren Druck muss mechanisch in einem Kolben-, Membran- oder anderen Typ von Kompressor bis 10.000 psig oder mehr für praktische Betankungs- und Speicheranwendungen komprimiert werden. Der begrenzte Wirkungsgrad motorbetriebener mechanischer Kompressoren kann somit ernsthafte Verluste in dem Energiewirkungsgrad des Gesamt-Brennstofferzeugungs- und Liefersystems bewirken. Das Hochdruck-Elektrolyseursubsystem 28 erzeugt Wasserstoff und hebt gleichzeitig seinen Druck auf 10.000 bis 15.000 psig unter Verwendung nur eines kleinen Anteils (etwa 6 bis 9%) des elektrischen Energieeingangs in dem Elektrolyseur an, während der Bedarf nach einem motorbetriebenen mechanischen Kompressor beseitigt ist.
  • Die hier beschriebene Elektrolysezelle 30 besitzt eine Protonen transportierende Membran, die zwischen zwei mit Katalysator versehenen Elektroden schichtartig angeordnet ist. Siehe beispielsweise die ebenfalls übertragenen U.S.-Patentnummern 6,663,994, 6,566,004, 6,524,736, 6,521,381, 6,074,692, 5,316,871 und 5,272,017, die jeweils hier durch Bezugnahme eingeschlossen sind. Eine Version des PEM-Elektrolyseursubsystems 28 wurde von Proton Energy Systems, Inc. (Wallingford, CT) hergestellt. Wie in 10 gezeigt ist, besitzt das Elektrolyseursubsystem 28 zwei elektrische Verbindungen und vier Gas/Wasser-Verbindungen. Zwei Gas/Wasser-Verbindungen dienen dem Wasserstoff 62 und zwei dem Sauerstoff 64. Das Elektrolyseursubsystem 28 besteht aus 20 Elektrolysezellen 30 (Membranelektrodenanordnungen), die in Reihe verschaltet sind. Bei hohen Stromeingängen (über etwa 12 Ampere) müssen die Elektrolyseurzellen 30 auch das zirkulierende Wasser zur Kühlung aufweisen, um ein Aufheizen des Stapels zu verhindern. Das Elektrolyseursubsystem 28 verwendet eine konstante Umwälzung von Wasser, um den Wasserstoff und den Sauerstoff von dem Stapel zu entfernen. Es erscheint, dass für eine kurze Zeitdauer kein Umwälzsystem erforderlich ist, um das Elektrolyseursubsystem 28 bei maximalem Wirkungsgrad bei geringem Strom zu betreiben. Jedoch sind Pumpen erforderlich, um Wasser zu liefern, das in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt wird, und um den Stapel bei hohem Strom zu kühlen. Diese Flüssigkeitsströmung kann auch potenziell den Wirkungsgrad verbessern. Es hat sich herausgestellt, dass das PEM-Elektrolyseursubsystem 28 mit oder ohne einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider auf der Sauerstoffseite der Zelle verwendet werden kann, da der Sauerstoff in die Atmosphäre entlüftet wurde.
  • In 10 sind die O2/Wasser-Einlass- und -Auslassrohre 62 eine aus rostfreiem Stahl bestehende 1/2-Zoll-Verrohrung. In dieser Figur ist der O2/Wasser-Einlass 62 durch eine Metallkappe abgeschlossen; später wurde dieser mit einer zweiten Wasserpumpe (nicht gezeigt) verbunden. Der O2 entweicht gerade von dem Auslass in die Luft. Die H2/Wasser-Einlassrohre 64 sind eine kleinere aus rostfreiem Stahl bestehende Verrohrung mit einem Außendurchmesser von ¼-Zoll. In 11 ist der H2/Wasser-Einlass mit einer Wasserpumpe 66 verbunden gezeigt, die das Wasser durch den PEM-Stapel und dann durch einen Gas/Wasserabscheider 50 umwälzt. Der H2 wird an einen Strömungsmesser 68 geliefert. Ein Strommesser 58 misst den Stromfluss durch die Kabel und den Stapel.
  • Es existieren einige hauptsächliche Vorteile bezüglich der Verwendung eines Stapels aus PEM-Elektrolyseurzellen 30 gegenüber alkalischen Elektrolysezellen. Das Elektrolyseursubsystem 28 besitzt mehrere Elektrolysezellen 30 in Reihe, wobei jede Zelle 30 eng beabstandete, mit Katalysator (hauptsächlich Platin oder Ruthenium) beschichtete Elektrodenplatten aufweist, die durch eine Festelektrolytmembran getrennt sind, um deionisiertes Wasser zu elektrolysieren. Alkalische Elektrolysezellen bestehen jedoch aus katalysatorbeschichteten Elektroden, die in Tanks getaucht sind, die mit einem wässrigen alkalischen Elektrolyt gefüllt sind, wie wässrigem Kaliumhydroxid. Da das Elektrolyseursubsystem 28 viele Elektrolysezellen 30 in einen eng beabstandeten Stapel anordnet und deionisiertes Wasser schnell durch die Zellen mit der Pumpe 66 umwälzt, können die Größe, das Gewicht und die Kosten des Gesamtsystems scharf reduziert werden. Ferner werden Risiken in Verbindung mit der Verwendung großer Volumen von hochkorrosivem flüssigem alkalischem Elektrolyten vollständig beseitigt. Das Elektrolyseursubsystem 28 kann kompakter als eine Serie feuchter Elektrolysezellen ausgebildet werden, da die Stapelkonstruktion dem Elektrolyseur eine höhere Stromdichte und eine höhere Leistungsdichte verleiht.
  • Der DC-DC-Wandler 40 ("DDC") ist eine Vorrichtung, die eine Eingangsspannung und einen Eingangsstrom V1 und I1 in eine Ausgangspannung und einen Ausgangsstrom V2 und I2 ändert. Sein Nutzen liegt darin, dass er eine Eingangsspannung von dem PV-Subsystem 22 nimmt und die DDC-Ausgangsspannung bezüglich der Betriebsspannung der Last optimiert oder anpasst. Beispielsweise besitzen Solarzellen 24 einen maximalen Leistungspunkt Pmax, wobei das Produkt V1 × I1 (oder Vmpp × Impp) maximiert ist. Diese Spannung braucht nicht der Betriebsspannung der Last (beispielsweise einer Last eines Elektrolyseurs) entsprechen. Wenn sich die Intensität des Sonnenlichtes ändert, ändert sich ferner der Stromausgang eines PV-Subsystems 22 und in einem geringeren Maße auch der Spannungsausgang. Ein DDC-System kann so programmiert sein, dass es den maximalen Leistungspunkt der Solarmodule nachführt. Der optimale Wirkungsgrad des PV-Elektrolyseursystems 20 tritt auf, wenn der DDC so konstruiert ist, dass die Ausgangsspannung des DDC gleich der optimalen Betriebsspannung ist, die von dem Elektrolyseursubsystem 28 gefordert wird. Das Elektrolyseursubsystem 28 arbeitet bei einer charakteristischen Spannung, die von der Konstruktion, dem Betriebsstrom und Betriebstemperatureffekten abhängt. Die Elektrolyseurkonstruktion (Materialien, Katalysatoren, Elektrodenkonstruktion und Membran oder Elektrolyt) bestimmt ihre Überspannung und ihren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad ist am höchsten, wenn die Elektrodenstromdichte niedrig ist, und nimmt daher mit zunehmendem Betriebsstrom des Elektrolyseurs ab. Die charakteristische Betriebsspannung des Elektrolyseurs ist die Standardwasseraufspaltspannung von 1,23 Volt plus der Überspannung.
  • Unter Bezugnahme auf die 3, 11 und 12 wurden zwei optionale DDCs 40 gemäß Spezifikationen gemacht: (1) ein Modell mit niedriger Eingangsspannung, das eine höhere Ausgangsspannung (aber einen niedrigeren Strom) ausgibt, die ausreichend ist, um den Elektrolyseur zu betreiben; und (2) ein Modell mit hoher Eingangsspannung, das die Ausgangsspannung abgesenkt hat, um den Elektrolyseur bei seiner Betriebsspannung und mit einem erhöhten Strom zu betreiben. Beide Wandler 40 wurden von Solar Converters Inc. (Guelph, Ontario) vorgesehen. Das Modell mit niedriger Eingangsspannung war ein abgewandeltes Modell CV20/33-20, das speziell mit einem Potentiometer bestellt wurde, um die Ausgangsspannung manuell einzustellen. Das Hochspannungsmodell war ein modifiziertes PPT48-10, das speziell bestellt wurde, so dass es Potentiometer aufwies, um sowohl die Ausgangsspannung als auch den Ausgangsstrom manuell einzustellen. Beide DDC-Modelle 40 arbeiteten am Besten, wenn die Potentiometer auf ein Maximum eingestellt waren.
  • Diese DC-DC-Wandler 40 sind auch für Anwendungen verwendbar, bei denen Solarmodule Pumpenmotoren betreiben. Die DC-DC-Wandler 40 opfern einiges der PV-Ausgangsspannung, um höhere Ströme zu liefern, so dass der Motor sogar unter schwachen Lichtbedingungen nicht abstirbt. Eine Steuereinheit 34, die Logikalgorithmen und Einstellpunkte enthält, kann dem DDC-System 40 hinzugefügt werden, so dass sie die Leistungsfähigkeit des Elektrolyseurs überwacht und Einstellungen an der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom durchführt, um das System aus Solarmodul und Elektrolyseur zu veranlassen, nahe seinem maximalen Ausgang zu arbeiten. Software und Hardware für Batterieladungssteuereinheiten des PV-Systems können an die vorliegende Erfindung für Elektrolyseure angepasst werden.
  • Die Optimierung der DC-DC-Umwandlung ("DDC") erhöht auch effektiv den Wirkungsgrad der Solarwasserstofferzeugung. Gewählte PV-Subsysteme 22, die nicht zu der Spannung und dem Strom, die für das Elektrolyseursubsystem 28 erforderlich sind, passten, wurden mit einem einstellbaren DC-DC-Wandler 40 verbunden, der über ein oder mehrere Potentiometer gesteuert wurde, um deren elektrische Abgabe in die optimale Spannung und den optimalen Strom, die für das PEM-Elektrolyseursubsystem 28 erforderlich sind, umzuwandeln. Für PV-Subsysteme 22 mit einer Spannung, die für den Elektrolyseur zu niedrig ist, stieg der Wirkungsgrad von Null auf 9,5%. Für PV-Subsysteme 22 mit einer Spannung, die für eine effiziente Elektrolyse zu hoch war, erhöhte das Verfahren den Wirkungsgrad von 9,0% auf 10,5%.
  • Das DDC-Optimierungsverfahren kann auch eine Solarwasserstofferzeugung an bedeckten wolkigen Tagen verbessern, wenn der Wirkungsgrad der Direktverbindungs-PV-Elektrolyse aufgrund eines Abfalls der elektrischen Abgabe des PV-Subsystems 22 reduziert werden kann. Da der DC-DC-Wandler nicht zu 100% effizient ist (arbeitet gewöhnlich bei einem Wirkungsgrad von 92–95% nahe seinem maximalen Strom) kann eine Verwendung eines DC-DC-Wandlers 40 den Wirkungsgrad der Wasserstofferzeugung an sonnigen Tagen reduzieren. Jedoch besitzt er nützliche Vorteile: 1) bei Sonnenaufgang, 2) bei Sonnenuntergang, 3) an wolkigen Tagen und 4) für PV-Systeme mit Spannungsabgaben erheblich über oder unterhalb der optimalen Spannung für die Last des Elektrolyseurs. Somit ist das beste PV-Elektrolysesystem 20 eines, das ein Schalten zwischen einer DCO- und DDC-Optimierung erlaubt, indem einstellbare DC-DC-Wandler 40 in der Schaltung und Bypassschalter integriert werden. Das Schalten kann manuell oder automatisch durch eine Steuereinheit 34 durchgeführt werden, die auf der Solarbestrahlung basiert, die von einem Sensor (nicht gezeigt) detektiert wird.
  • Einige DC-DC-Wandler 40 können absterben, wenn der Elektrolyseurstapel geladen ist und als eine Brennstoffzelle arbeitet, die eine Gegenspannung gegen den DDC erzeugt. Dieses Problem kann dadurch verhindert werden, dass Blockierdioden der Schaltung hinzugefügt werden, die verhindern, dass Strom von dem Zellenstapel zurück in den DDC fließt. Dies verhindert, dass der DDC unter derartigen Bedingungen, wie verringerter PV-Abgabe, die durch zunehmende Wolken bewirkt wird, abstirbt. Diese Schaltung nähert einen DC-DC-Wandler 40 an, der beim Laden von Batterien unter Verwendung von Elektrizität von PV-Systemen verwendet wird, was als eine Ladungssteuereinheit bezeichnet ist. Die Ladungssteuereinheit, die mit einem Elektrolyseursubsystem 28 verdrahtet ist, leidet nicht an den Absterbproblemen, wie es bei einfacheren DC-DC-Wandlern ohne Dioden der Fall ist.
  • Durch Konstruktion eines PV-Elektrolysesystems 20 mit PV-Subsystemen 22, einem PEM-Elektrolyseursubsystem 28, DC-DC-Wandlern 40 und einer Schalttafel 32, die die Wandler entweder umgehen kann oder diesen mit dem Elektrolyseursubsystem 28 verbinden kann, erreicht die vorliegende Erfindung sowohl die DCO- als auch DDC-Optimierung je nach Intensität des Sonnenlichtes (4). Die DCO ist bei hellem sonnigem Wetter am nützlichsten, wenn das System seinen höchstmöglichen Wirkungsgrad und seine höchstmögliche Wasserstofferzeugungsrate erreicht, während der DDC vorteilhaft ist, da er Wasserstoff mit dem größtmöglichen Wirkungsgrad am frühen Morgen, dem Abend oder an teilweise bewölkten und bedeckten Tagen erzeugen kann, um die durchschnittliche Wasserstofferzeugungsrate anzuheben.
  • Optional dazu kann das PV-Elektrolysesystem 20 eine Direktverbindungsoptimierung (DCO) und eine DC-DC-Wandler-(DDC)-Optimierung kombinieren. Wenn die Bypassschalter geschlossen sind, verwendet das System DCO, und wenn die Schalter offen sind, kann das System eine DDC-Optimierung verwenden. Wenn das PV-Elektrolyseursystem in der DCO-Betriebsart betrieben wird, sind die PV-Subsysteme in dem PV-System pa rallel geschaltet und besitzen alle eine optimale Vmpp gleich der Betriebsspannung, die für den Elektrolyseur erforderlich ist. Beispielsweise besaßen PV-Subsysteme 22 mit einer Vmpp = 36 Volt (Tabelle 1, Modul #13) den höchsten Wirkungsgrad für das 20 Zellen umfassende PEM-Elektrolyseursubsystem 28, das getestet wurde. Die PV-Subsysteme 22 ergeben etwa 95% oder mehr ihrer maximalen Leistung in einem Spannungsbereich von 32 bis 39 Volt um die Vmpp von 36 Volt herum. Das PV-Subsystem #13 ergab den höchsten Wirkungsgrad mit dem PEM-Elektrolyseur, da der optimale Leistungsbereich der PV-Subsysteme (32–39 Volt) die Betriebsspannung des PEM-Elektrolyseurs (32–38 Volt) überlappte. Der DCO-Betrieb ist bei hellem Sonnenlicht am effizientesten, jedoch fällt unter geringer Sonnenlichtintensität der Wirkungsgrad, wenn die PV-Spannung unter das Minimum fällt, das erforderlich ist, um Wasser in dem Elektrolyseur aufzuspalten.
  • Wenn das PV-Elektrolyseursystem 20 in der DDC-Optimierungsbetriebsart betrieben wird, die bei wolkigen Bedingungen und Bedingungen mit geringer Lichtintensität am nützlichsten ist, können Paare von PV-Subsystemen 22 (beispielsweise Modul #13 in Tabelle 1) am besten in Reihe verschaltet werden, um die Spannung des PV-Systems zu verdoppeln; beispielsweise auf Vmpp = 72 Volt, was sogenannte "Kupferverluste" oder Spannungs- und Stromverringerungen aufgrund eines Widerstandes in der Verdrahtung verringert. Die höhere Spannung wird dann in die optimale Spannung für den Elektrolyseur bei Durchgang durch den DDC umgewandelt. Eine kleine Strommenge geht aufgrund des Widerstandes in dem DDC verloren, der einen Wirkungsgrad von 95% bei geringem Strom bis 92% bei hohem Stromfluss aufweist, jedoch kann dieser Verlust durch die Verbesserung des Wirkungsgrades kompensiert werden, der durch Anpassen der nötigen Betriebsspannung des Elektrolyseursubsystems 28 erzielt wird. Diese Verstärkung ist insbesondere unter Bedin gungen mit schwachem Licht oder Bedingungen wichtig, wenn das PV-Subsystem 22 eine geringe eigene Vmpp besitzt, was den Start der Elektrolyse verhindern könnte, da der 20 Zellen umfassende PEM-Elektrolyseur, der getestet wurde, zumindest 30 Volt erfordert, um Wasser aufzuspalten.
  • Es wurde eine Serie von Experimenten unter Verwendung von elf photovoltaischen Systemen mit Spannungen an dem maximalen Leistungspunkt (Vmpp) durchgeführt, die im Bereich von 17–105 Volt lagen. Sie wurden direkt mit dem 20 Zellen umfassenden PEM-Elektrolyseurstapel (Proton Energy Systems, Inc.) verbunden, der mit einer externen Wasserumwälzpumpe und einem Gasseparator ausgestattet war, wie in dem Schema und dem in den 1 und 2 gezeigten Bild. Diese PV-Systeme bestanden aus einzelnen PV-Subsystemen oder Paaren von Modulen, die in Reihe oder parallel geschaltet waren, um die gewünschte Testspannung zu ergeben. Eine Bestrahlung wurde durch natürliches Sonnenlicht an einem sonnigen Tag im April mit einer Solarbestrahlung von 900–950 Watt/m2 geliefert. Die Module wurden beim Testen auf die Sonne ausgerichtet, um die maximal verfügbare Bestrahlung zu erhalten. Ein Strommesser 58 wurde in der Schaltung zwischen dem PV-Subsystem 22 und dem Elektrolyseur angeordnet, und die Sonnenlichtintensität wurde gleichzeitig unter Verwendung einer kalibrierten Photodiode aus kristallinem Silizium (UDT Sensors, Hawthorne, CA) mit einem bekannten linearen Stromansprechen auf Sonnenlicht überwacht.
  • Vor einer Durchführung von Feldtests bei natürlichem Sonnenlicht wurde das PEM-Elektrolyseursubsystem 28 im Labor unter Verwendung einer DC-Energiequelle mit variablem Ausgang (Hewlett Packard Modell 6012B) getestet, um zu verifizieren, dass die vorhergesagte Wasserstofferzeugungsrate, die aus dem Eingangsstrom berechnet wurde, gleich der Wasserstoffabgabe war, die mit einem vorkalibrierten mechanischen Strö mungsmesser (DrycalTM, Bios International Corp., Butler, PA) gemessen wurde, und dass das Volumenverhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff, die erzeugt wurden, 2 zu 1 betrug (5). Der Feldtest der PV-Elektrolysesysteme bei natürlichem Sonnenlicht wurde unter Verwendung der in den 1, 11 und 12 gezeigten Vorrichtung durchgeführt.
  • Der Wirkungsgrad der Solarenergieumwandlung in Wasserstoff wurde aus dem durch den Elektrolyseur fließenden, gemessenen Strom (Ioper), der Solarintensität (Bestrahlung) und der Gesamtfläche der PV-Solarzellen unter Verwendung von Gleichung 1 berechnet. Gleichung 1:
    Figure 00300001
    wobei N = die Anzahl von Zellen in dem Elektrolyseur ist (zwanzig in unserem Testsystem).
  • Der Wirkungsgrad der PV-Solarzellen 24 zur Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie ist eine Charakteristik der Halbleiterschichten, die in ihren Aufbau verwendet sind und die mehrfach- oder einkristallines Silizium sind oder Schichten aus kombiniertem kristallinem und amorphem Silizium aufweisen. Dieser Wirkungsgrad lag je nach dem Zellentyp (siehe Tabelle 1) zwischen 11,5% und 17,5%. Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs zur Umwandlung der elektrischen Energie in Wasserstoffenergie, die Betriebsspannung und der Betriebsstrom sind inhärente Eigenschaften des Elektrolyseurs, die von seiner Konstruktion, Katalysatoren, Betriebstemperatur, Betriebsstrom, Druck und Zustand des PEM- Stapels einschließlich der gesamten bisherigen Betriebsstunden abhängen.
  • Der Gesamtwirkungsgrad der Solarwasserstofferzeugung des PV-Elektrolyseursystems 20 wurde experimentell über einen Bereich von Spannungen (Vmpp) unter Verwendung von natürlichem Sonnenlicht bestimmt, wie in den Spalten 3 und 5 von Tabelle 2 gezeigt ist. Die Solarbestrahlung für die Messungen in Tabelle 2 betrug etwa 900 bis 950 Watt/m2, d.h. klare sonnige Bedingungen.
  • Tabelle 2 Direktverbindungsoptimierung (DCO) von PV-Elektrolysesystemen
    Figure 00310001
  • Der Wirkungsgrad des PEM-Elektrolyseursubsystems 28 betrug etwa 76% unter den Strom- (etwa 3–5 A) und Temperaturbedingungen der PV-Elektrolyseurtests. Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs wurde durch Änderungen der Temperatur des Elektrolyseurs während der Feldtests des PV-Elektrolyseurs nicht signifikant beeinflusst, da eine nahezu konstante kalte Betriebstemperatur beibehalten wurde (~25°C). Bei einem separaten Satz von Experimenten wurde der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs über einen breiteren Strombereich gemessen, der von einer DC-Energieversorgung geliefert wurde (8). Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs nahm von 76% bei einem Betriebsstrom von 5 A auf einen Wirkungsgrad von etwa 65% bei 70 A ab. Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs wurde aus der Betriebsspannung (Voper) und der theoretischen Wasseraufspaltspannung von 1,23 Volt und der Anzahl von Zellen in Reihe in dem Elektrolyseur (20 Zellen) durch die Gleichung bestimmt:
  • Gleichung 2:
    • Wirkungsgrad des Elektrolyseurs = 100% × 1,23 × 20/Voper.
  • In 6 ist ein Ausdruck der Daten des Wirkungsgrads des Elektrolyseurs gezeigt. Der gemessene Wirkungsgrad der Solarwasserstofferzeugung erreichte ein Maximum bei Vmpp = 36 Volt (7). Drei der PV-Subsysteme #12, #16 und #13 besitzen Vmpp-Werte nahe der Voper des Elektrolyseurs. Somit arbeiten die PV-Subsysteme 22, wenn sie dazu verwendet werden, den Elektrolyseur zu betreiben, bei etwa ihrer Vmpp und erzeugen ihre maximale Leistung und ihren maximalen Wirkungsgrad. Der erwartete Wirkungsgrad des PV-Elektrolyseurs unter Verwendung des PV-Subsystems #13 ist höher als bei Verwendung von #12 oder #16, da der (elektrische) PV-Zellen-Wirkungsgrad (bei MPP), der unter Standardtestbedingungen (STB) von 25°C Temperatur und einer Bestrahlung von 1000 W/m2 gemessen wurde, für #13 17,5% betrug, jedoch für #12 und #16 nur 11,5% bzw. 14,6% betrug. Jedoch waren die tatsächlichen (elektrischen) PV-Zellen-Wirkungsgrade unter Betriebsbedingungen aufgrund der negativen Leistung und dem Wirkungsgradeffekt einer höheren PV-Temperatur auf den elektrischen Ausgang niedriger. Bei PV-Temperaturen von 35°C, die an den Rückseiten der Module während der Tests des PV-Elektrolyseurs gemessen wurden, wurden die geschätzten PV-Zellen-Wirkungsgrade auf 95% der obigen Wirkungsgradwerte bei den STB verringert, d.h. #13, 16,6%; #12, 10,9%; und #16, 13,9%.
  • Wenn diese tatsächlichen PV-Wirkungsgradwerte in die Gesamtwirkungsgradgleichung eingesetzt werden:
  • Gleichung 3:
    • Solar-H2-Wirkungsgrad = PV-Wirkungsgrad × Wirkungsgrad des Elektrolyseurs
  • Bei Verwendung eines Wirkungsgrades des Elektrolyseurs von 76% bei einem Strom des Elektrolyseurs von weniger als oder gleich 10 Ampere (6) werden die folgenden Gesamtsolarwasserstoffwirkungsgrade erwartet: PV #13, 17,5% × 0,95 × 0,76 = 12,6%; PV #12, 11,5% × 0,95 × 0,76 = 8,3%; und PV #16, 14,6% × 0,95 × 0,76 = 10,5%. Diese erwarteten Wirkungsgradwerte sind annähernd gleich den tatsächlich gemessenen Werten: PV #13–12,4; PV 12–8,3%; und PV 16–10,3 (Tabelle 2). Auf Grundlage der Testergebnisse ergaben die PV-Elektrolyseursysteme 20 einen optimalen H2-Solar-Wirkungsgrad, wenn die MPP-Spannung des PV-Systems im Bereich von 32 bis 39 Volt lag, der eng mit dem Betriebsspannungsbereich des PEM-Elektrolyseurs (32 bis 38 Volt) zusammen passt.
  • Die experimentellen Ergebnisse aus der DDC-Optimierung der PV-Elektrolyse, die bei natürlichem Sonnenlicht unter Verwendung der Vorrichtung gemessen wurden, die in 1 (schematisch in 3) gezeigt ist, sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Es wurden zwei DDC-Vorrichtungen, die gemäß den Spezifikationen der vorliegenden Erfindung mit speziellen Potentiometern ausgebildet waren, um die Spannungs- und Stromabgabe zu steuern, zur Optimierung von PV-Elektrolyseursystemen bei diesen Experimenten verwendet, und zur Bestimmung der optimalen Spannungs- und Stromeinstellungen, um den Wirkungsgrad des Elektrolyseurs zu erhöhen, zugelassen: (1) Solar Converters, Inc. Modell PPT 48-10 für PV-Subsysteme mit höherer Spannung, die ausgebildet sind, um mit einer Eingangsspannung von 54 bis 90 Volt zu arbeiten und diese auf eine Ausgangsspannung von 31 bis 36 Volt zu reduzieren, während der Abgabestrom erhöht wird, um den PEM-Elektrolyseur bei einem optimalen Wirkungsgrad zu betreiben; und (2) Modell CV 20/33-20 für PV-Subsysteme mit niedrigerer Spannung, die ausgebildet sind, um bei einer Eingangsspannung von 17 bis 25 Volt zu arbeiten und diese auf die optimale Ausgangsspannung von 31 bis 36 Volt zu erhöhen. Die Niederspannungs-DDC-Vorrichtung erhöht sowie die Betriebsspannung als auch den Strom, da der Ioper des Elektrolyseurs Null ist, bis die Spannung ~30 Volt überschreitet; d.h. die nötige minimale Spannung, bevor die Elektrolyse stattfinden kann.
  • Tabelle 3 DDC-Optimierung von PV-Elektrolysesystemen im Vergleich zu einem DCO-Betrieb
    Figure 00350001
  • Wie in Tabelle 3 gezeigt ist, können die PV-Subsysteme 22, die eine zu geringe Vmpp (17 oder 20 Volt) besitzen, um Wasserstoff durch Direktverbindungs-PV-Elektrolyse herzustellen, mit einer DDC-Optimierung verwendet werden, um die Spannung anzuheben und den PEM-Elektrolyseur effizient zu betreiben. Ähnlicherweise betreibt ein PV-Subsystem, das eine zu hohe Vmpp (54 Volt) aufweist, um Wasserstoff sehr effizient durch Direktverbindungs-PV-Elektrolyse herzustellen, den PEM-Elektrolyseur effizienter durch Verwendung der DDC-Optimierung, um die Spannung abzusenken und den Wirkungsgrad von 9,0% auf 10,5% sogar bei reduzierter Bestrahlung an teilweise bewölkten Tagen zu erhöhen. Alle in Tabelle 3 gezeigten PV-Systeme erhöhten den Wirkungsgrad von Solar zu Wasserstoff mit Zunahmen der Solarbestrahlung, wenn das DDC-System verwendet wurde.
  • Um ein Brennstoffzellen betriebenes Kraftfahrzeug zu betanken, das 30 Meilen pro Tag fährt, was eine vernünftige Nährung für eine durchschnittliche tägliche Fahrstrecke in den U.S. darstellt, sind etwa 0,5 kg Wasserstoff pro Tag erforderlich. Diese Näherung basiert auf dem berichteten Brennstoffwirkungsgrad des GM/Opel-HydroGen3-Brennstoffzellenfahrzeugs.
  • Der PEM-Elektrolyseurstapel mit 20 Elektrolysezellen in Reihe, der als ein Wasserstoffgenerator verwendet wird, ist in der Lage, 0,5 kg/Tag Wasserstoff bei 150 psig zu erzeugen, um ein Brennstoffzellenfahrzeug zu beliefern, das typischerweise 30 Meilen/Tag gefahren wird.
  • Der Strom, der erforderlich ist, um 500 Gramm Wasserstoff in 6 Stunden Sonnenschein eines typischen Sommertags zu erzeugen, beträgt:
  • Gleichung 4:
    • Strom in A = (500 Gramm H2/2 Gramm/mol H2) × (96,500 Coulomb/Äquivalent) × (2 Elektronenäquivalente/mol H2) × (1A/1 Coulomb/Sekunde) × (1 Stunde/3600 Sekunden) × 1/(6 Stunden) × (1/20 Zellen)
    • Ergebnis: Strom = 110 A
  • Somit sind 110 A bei etwa 38 Volt nötig, was einer Leistung von 4,2 kW entspricht, um das Elektrolyseursystem zu betreiben. Auf Grundlage dessen verwendet die vorliegende Erfindung einen 20 Zellen umfassenden PEM-Stapel in einem integrierten optimierten PV-Elektrolyseursystem, um Wasserstoff aus der PV-Leistung zu erzeugen. Um Wasserstoff von dem Elektrolyseur so effizient und billig wie möglich zu erzeugen, ist das Solar-PV-Feld so bemessen, dass es 110 A bei 38 Volt während der sechs Hauptstunden der Tageslichtperiode erzeugt. Bei Sommerbedingungen in Detroit, Michigan, liegt der Spitzensonnenstundenwert bei etwa 6 Stunden (NREL Solar Radiation Data Manual for Flat-Plate and Concentrating Collectors, http://rredc.nrel.gov/solar/pubs/redbook/). Die Spitzensonnenstunden (PSH) repräsentieren die tägliche Gesamtsonnenenergie, die äquivalent zu der Anzahl von Stunden pro Tag mit einer Solarbestrahlung von 1000 W/m2 ist, beispielsweise 6 PSH = 600 W Stunden pro m2 pro Tag. Um diesen Strom- und Spannungseingang an dem Elektrolyseur zu erhalten, ist ein PV-System mit einer Spannung des maximalen Leistungspunkts (Vmpp) von etwa 38 Volt für einen optimalen Wirkungsgrad erforderlich, um Wasser zur elektrolysieren und Innen- oder Außenwiderstands- und Überspannungseffekte in Verbindung mit der Schaltung des Elektrolyseurs zu überwinden.
  • Aus Tabelle 2 ist das beste Direktverbindungsmodul hinsichtlich der Übereinstimmung der Vmpp des Moduls mit der Spannung der Last des Elektrolyseurs das Modul #13, das 185 W unter der Standardsonnenlichtbedingung (1000 W/m2) erzeugt. Obwohl die Vmpp des Moduls #13 als 36,2 Volt gelistet ist, erzeugt es mehr als 95% seiner Betriebsspannung bei einer Lastbetriebsspannung (Voper) von 38 Volt. Es würde etwa 22 solcher Module, die parallel geschaltet sind, erfordern, um den Elektrolyseur bei maximaler Abgabe für die etwa sechs Spitzenstunden Sonnenschein in Detroit im Sommer zu betreiben. Im Winter, wenn die Sonneneinstrahlung kleiner als die Hälfte der im Sommer ist, wären doppelt so viele Module erforderlich. Eine positive Bemerkung über die Leistungsfähigkeit im Winter – die Module würden effizienter arbeiten, da höhere Temperaturen deren Leistungsfähigkeit verschlechtern.
  • Bei Sommerbedingungen würde der Elektrolyseur mit sechs Spitzensonnenscheinstunden 83 g Wasserstoff pro Stunde erzeugen. Dies lässt sich in eine Wasserstofferzeugung von 0,50 kg/Tag umsetzen, was ausreichend ist, um den Brennstoff, der für ein Brennstoffzellenfahrzeug erforderlich ist, durch Verwendung von Solarenergie vorzusehen, wobei ein PV-System bestehend aus 25 Solarmodulen (22 Module, um den Elektrolyseur zur Herstellung von Wasserstoff zu betreiben, und drei zusätzliche Module, um einen Kompressor zu betreiben und den Wasserstoff zur Speicherung und Betankung von Fahrzeugen unter Druck zu setzen) und ein PEM-Elektrolyseur des getesteten Typs im Sommer erforderlich wären. Etwa doppelt so viele Module wären im Winter erforderlich. Jedes PV-Modul besitzt eine Zellenfläche von 1,06 m2. Somit ist die Gesamtfläche = 26,5 m2, was etwa 17' × 17' entspricht, die erforderlich ist, um einen PEM-Elektrolyseurstapel (20 Zellen) zu betreiben.
  • Es wird geschätzt, dass ein Kompressor zumindest 6 Prozent zusätzliche elektrische Leistung erfordert, um Hochdruckspeichertanks mit Wasserstoff zur Fahrzeugbetankung zu füllen (Simbeck D. R. und Chang E. (2002) "Hydrogen Supply: Cost Estimate for Hydrogen Pathways-Scoping Analysis." Report NREL/SR-540-32525. National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO). Es sind verschiedene Hochdruck-Metallmembrankompressoren kommerziell erhältlich.
  • In einem sauren Elektrolyt (die PEM ist sehr sauer) sind die Halbreaktionen, die die Wasserstoff- bzw. Sauerstoffentwicklung beschreiben:
  • Gleichung 5:
    • 2H+ + 2e– → H2 Reduktion, Kathode und
  • Gleichung 6:
    • H2O → 2H+ + ½O2 + 2e– Oxidation, Anode
  • Eine Kombination dieser beiden Halbreaktionen ergibt:
  • Gleichung 7:
    • H2O → H2 + ½O2
  • Die Nernst-Gleichung, die die Spannung einer Zelle, die diese beiden Halbreaktionen kombiniert, beschreibt, ist:
  • Gleichung 8:
    • V = V0 – ((R × T)/(2 × F)) × In([H2] × [O2]½/[H2O])
    • (E. Gileadi, "Electrode Kinetics for Chemists, Chemical Engineers, and Materials Scientists, S. 502-505, Wiley-VCH, Inc., 1993)
  • In Gleichung 8 ist T die Temperatur in Grad Kelvin, R ist die Gaskonstante (8,314 Volt Coulomb/K mol) und F ist die Faradaysche Konstante (96.484 Coulomb/mol Elektronen), und die H2- und O2-Konzentrationen sind gleich ihren Drücken. Die Menge V0 ist gleich –1,23 Volt, ((R × T)/(2 × F)) ist gleich 0,0128 Volt bei 298°K, und die Konzentration von Wasser ist relativ unabhängig vom Gasdruck und wird als Eins genommen, da sie in ihrem Standardzustand ist. Beachte: das Vorzeichen von V0 ist negativ, da 1,23 Volt nötig sind, um Wasser aufzuspalten; wenn das System H2 und O2 verbrauchen würde, um Elektrizität zu erzeugen, wäre das Vorzeichen positiv und die Reaktion würde spontan ablaufen. Wenn [H2] = [O2] = 1 Atmosphäre, dann ist V = V0 = –1,23 Volt. Wenn sowohl [H2] als auch [O2] auf 10 Atmosphären erhöht sind, dann wird der Term rechts von V0–0,044 Volt, und die Spannung, die nötig ist, um Wasser aufzuspalten, beträgt –1,273 Volt. Dies ist eine relativ kleine Zunahme der "Überspannung" bei höherem Druck aufgrund seines Einschlusses in einem logarithmischen Term und sieht einen Impuls für die Verwendung eines Hochdruck-Elektrolyseurs zur Erzeugung von Hochdruckwasserstoff gegenüber einem Niederdruckelektrolyseur, gefolgt durch einen Kompressor vor. Für höhere Drücke kann man nicht einfach den Druck in der Nernst-Gleichung verwenden, sondern die Aktivität, bezeichnet als Fugazität für Gase, muss verwendet werden. Die Fugazität ist etwa gleich dem Druck bei niedrigen Drücken, ist jedoch höher als der Druck bei sehr hohen Drücken. Die Beziehung zwischen der Spannung für die Wasserstoffentwicklungsreaktion und dem Wasserstoffdruck ist für Drücke bis zu 1000 Atmosphären gemessen worden (W. R. Hainsworth, H. J. Rowley und D. A. MacInnes, "The effect of hydrogen pressure on the electromotive force of a hydrogencalomel cell. II. The fugacity of hydrogen and hydrogen ion at pressures to 1000 atmospheres," J. Amer. Chem. Soc., Bd. 46, S. 1437–1443, 1924). Die empirische Gleichung, die in Hainsworth et al. abgeleitet ist, ist:
  • Gleichung 9:
    • ΔV = 0,02958 × log(p) + 6,12 × 10–6 × (p – 1) + 6,6 × 10–10 × (p2 – 1)
  • In Gleichung 9 ist ΔV die Spannungszunahme, die nötig ist, um die Wasserstoffentwicklungsreaktion bei höheren Wasserstoffdrücken anzutreiben, und p ist der Druck in Atmosphären. Ein Ausdruck dieser Beziehung ist in 8 gezeigt.
  • Bei 1000 Atmosphären Wasserstoff ist die Spannung für die Wasserstoffentwicklungsreaktion um etwa 0,1 Volt erhöht. Es kann möglich sein, den Sauerstoff in einem PEM-Elektrolyseur zu entlüften und somit die Überspannung aufgrund seiner Unterdrucksetzung zu verhindern, wenn dies jedoch nicht der Fall ist, wäre die Sauerstoffentwicklungsspannung ebenfalls erhöht. Wenn es nötig wäre, einen gleichen hohen Druck auf der Sauerstoffseite des PEM-Elektrolyseurs aufrecht zu erhalten (das Volumen der Zelle, wo Sauerstoff erzeugt wird, müsste die Hälfte von dem des Wasserstoffs betragen, da nur halb so viel Sauerstoff erzeugt wird), dann würde auch die Spannung zunehmen, die für die Sauerstoffentwicklungsreaktion erforderlich ist (Gleichung 6). Die Sauerstofffugazität ist etwa 16% höher als ihr Druck bei 1000 Atmosphären, so dass der Wert des [O2]-Terms bei 1000 Atmosphären 1164 Atmosphären beträgt (TRC Thermodynamic Tables, Non-Hydrocarbons, Standard Reference Data Base, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899, Webadresse http://trc.nist.gov/tables/nonhydro.htm). Somit beträgt der Wert des Sauerstoffüberspannungseffektes auf Grundlage von Gleichung 8 0,0128 × ln (11600,5), was 0,045 Volt entspricht. Somit wird geschätzt, dass die Gesamtüberspannung für die Elektrolyse von Wasser, Gleichung 7, bei 1000 Atmosphären von Wasserstoff und Sauerstoff etwa 0,14 Volt beträgt. Dies ist eine schwache Abhängigkeit der Überspannung vom Druck, d.h. die Überspannung aufgrund der hohen Druckbeaufschlagung beider Gase ist kleiner als die aufgrund kinetischer Effekte an der Sauerstoffelektrode, die derzeit sogar für die besten Katalysatoren 0,3 bis 0,4 Volt beträgt. Der Effekt dieser Überspannung bei 1000 Atmosphären liegt darin, die zur Elektrolyse benötigte Energie um etwa 9% (100 × 0,14 Volt/1,6 Volt) zu erhöhen.
  • Zusammengefasst kann die Hochdruckelektrolyse eine attraktive Quelle für Wasserstoff, der auf 1000 Atmosphären druckbeaufschlagt ist, aufgrund der relativ schwachen Abhängigkeit der elektrochemischen Reaktion vom Druck und der einfachen Ausführung der Synthese und Druckbeaufschlagung in einem Schritt sein.
  • Die Daten der Spannung (V), des Stromes (I) und der Leistung (P) der Solarmodule wurden gemessen und der maximale Leistungspunkt (mpp) wurde unter Verwendung des in 11 gezeigten Verfahrens bestimmt. Die mpp-Spannung muss eng mit der charakteristischen Betriebsspannung des Elektrolyseurs zusammen passen, um den Gesamtwirkungsgrad der Solarenergieumwandlung in Wasserstoffbrennstoffenergie zu optimieren. Die I-, V-, und P-Kurven (11) sind normal unter Standardtestbe dingungen (25°C, 1000 Watt/m2 Bestrahlung und einem AM 1,5 Global-Solarspektrum) gemessen, um die "Standard"-Werte der Leerlaufspannung (Voc), des Kurzschlussstromes (Isc), der Spannung bei dem mpp (Vmpp) und dem Strom bei dem mpp (Impp) zu bestimmen. Diese Mengen werden auch für einen Bereich anderer Temperaturen und Solarbestrahlungsniveaus gemessen, um die Effekte der Variationen hinsichtlich der Temperatur und des Sonnenlichtes auf die PV-Systemleistungsfähigkeit zu bestimmen.
  • Das hier beschriebene System sieht eine kosteneffektive, nicht verschmutzende und erneuerbare Quelle für Wasserstoffbrennstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge und eine stationäre Brennstoffzellenleistungserzeugung vor. Es sei angemerkt, dass das vorliegende optimierte PV-Elektrolysesystem einen maximalen Wirkungsgrad von etwa 12,4% in der Nähe von einer Sonneneinstrahlung (1000 W/m2) besitzt. Dies entspricht etwa Mittagszeitsonne an einem wolkenfreien Tag im Sommer in den nördlichen Vereinigten Staaten. Dies ist der höchste berichtete Wirkungsgrad von Sonnenenergieumwandlung in Wasserstoff-Brennstoff. Viele Teile der Vereinigten Staaten können etwa 6 bis 8 Stunden bei derartigen Niveaus für mehr als 6 Monate des Jahres vorsehen. Für derartige Bedingungen sieht die vorliegende Erfindung ein praktisches Mittel zur Lieferung erneuerbaren nicht verschmutzenden Wasserstoff-Brennstoffs für Brennstoffzellen vor. Obwohl die Vorteile im wüstenartigen Südwesten und in Sonnengürtelbereichen am größten sind, arbeitet das System effektiv in anderen Abschnitten der Vereinigten Staaten, und sein Wirkungsgrad kann an teilweise bewölkten Tagen aufgrund des Zusatzes einer DC-DC-Umwandlungsoptimierung erhöht werden, um Wasserstoff unter schwachen Lichtbedingungen herzustellen. Bei Verwendung in Bereichen mit niedrigerem durchschnittlichem Sonnenschein (Sonneneinstrahlung) wäre eine größere Fläche von PV-Subsystemen erforderlich, um eine gegebene Brennstoffanforderung zu liefern.
  • Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken. Beispielsweise kann Leistung an den DC-DC-Wandler durch alternative Energiequellen geliefert werden, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, dem Stromversorgungsnetz, Windenergie oder einer Brennstoffzelle, die Wasserstoff verbraucht, der von dem Elektrolyseur erzeugt wird, und die Strom an eine Last liefert. Zusätzlich kann das Elektrolyseursubsystem 28 als ein reversibles Elektrolyseur/Brennstoffzellensystem angeordnet sein, d.h. um in einer ersten Betriebsart zu arbeiten und damit Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff zu elektrolysieren, und wobei das Elektrolyseursubsystem 28 in einer zweiten Betriebsart betreibbar ist, um Wasserstoff zur Erzeugung von Leistung zu verbrauchen. Die hier beschriebenen Optimierungstechniken sind auf eine Vielzahl von Elektrolyseuren anwendbar, einschließlich: (i) einen sauren Elektrolyseur mit einem sauren Elektrolyt; (ii) einen basischen Elektrolyseur mit einem basischen Elektrolyt; (iii) einen Dampfelektrolyseur; (iv) einen PEM-Elektrolyseur mit zumindest einer MEA; und (v) einen Hochdruckelektrolyseur. Der hier verwendete Begriff "PV-Subsystem" betrifft ein oder mehrere PV-Zellen oder -Module.
  • Zusammenfassung
  • Es ist ein Verfahren zum Optimieren des Wirkungsgrades eines solarbetriebenen Wasserstofferzeugungssystems offenbart. Das System verwendet photovoltaische Module und einen Protonenaustauschmembran-Elektrolyseur, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit einem Wirkungsgrad von größer als 12% aufzutrennen. Dieser hohe Wirkungsgrad für die solarbetriebene Elektrolyse von Wasser wurde dadurch erhalten, dass die von den photovoltaischen Modulen erzeugte Spannung an die Betriebsspannung des Elektrolyseurs angepasst wurde. Eine Optimierung von PV-Elektrolysesystem macht solar erzeugten Wasserstoff weniger teuer und praktischer zur Verwendung als einen hinsichtlich der Umwelt reinen und erneuerbaren Brennstoff.

Claims (32)

  1. Photovoltaisches Elektrolyseursystem, mit: einem Elektrolyseursubsystem; und einem photovoltaischen Subsystem, wobei das Elektrolyseursubsystem derart ausgebildet ist, um Wasser zu elektrolysieren und damit Wasserstoff bei einem Wirkungsgrad, der größer als ein vorbestimmter Wirkungsgrad ist, zwischen einer ersten und zweiten Betriebsspannung zu erzeugen, und wobei das photovoltaische Subsystem derart ausgebildet ist, um elektrische Leistung bei einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Betriebsspannung vorzusehen.
  2. Photovoltaischer Elektrolyseur nach Anspruch 1, wobei das photovoltaische Subsystem aus einer Vielzahl von Solarzellen besteht, die miteinander in einer Reihenschaltung, um eine höhere Spannung zu erzeugen, und/oder einer Parallelschaltung, um einen höheren Strom zu erzeugen, verschaltet sind.
  3. Photovoltaischer Elektrolyseur nach Anspruch 1, wobei das Elektrolyseursubsystem aus einer Vielzahl von Elektrolysezellen besteht, die miteinander in einer Reihenschaltung, um eine höhere Betriebsspannung anzunehmen, und/oder einer Parallelschaltung, um einen höheren Betriebsstrom anzunehmen, verschaltet sind.
  4. Photovoltaischer Elektrolyseur nach Anspruch 1, wobei das Elektrolyseursubsystem eine Elektrolysezelle besitzt, die aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: einen Protonenaustauschmembran-(PEM)-Elektrolyseur, einen Hochdruckelektrolyseur, einen alkalischen Elektrolyseur mit einem basischen Elektrolyten, einen sauren Elektrolyseur mit einem sauren Elektrolyten, einen Dampfelektrolyseur, eine reversible Anordnung aus PEM-Brennstoffzelle/Elektrolyseur und Kombinationen daraus.
  5. Photovoltaischer Elektrolyseur nach Anspruch 1, wobei das photovoltaische Subsystem derart ausgebildet ist, um eine vorbestimmte Spannung bei einem maximalen Leistungspunkt bei etwa der Betriebsspannung des Elektrolyseursubsystems zu erzeugen, so dass die Wasserstofferzeugung optimiert ist und einen maximalen Wirkungsgrad bei einer vorbestimmten Solarbestrahlung bei einer vorbestimmten Temperatur erreicht.
  6. Photovoltaischer Elektrolyseur nach Anspruch 5, wobei das photovoltaische Subsystem eine Vmpp von etwa 36 Volt DC und einen Wirkungsgrad von Solar zu elektrisch von etwa 17,5% besitzt, und wobei das photovoltaische Subsystem mit einem einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden PEM-Elektrolyseur verbunden ist, der 20 Elektrolysezellen in Reihe mit einer Voper zwischen etwa 32 Volt und etwa 38 Volt DC aufweist.
  7. Photovoltaischer Elektrolyseur nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyseur eine Vielzahl von Elektrolysezellen umfasst und das PV-Subsystem eine vorbestimmte Ausgangsspannung in einem Bereich zwischen etwa 1,6 Volt DC pro Elektrolysezelle und etwa 2,0 Volt DC pro Elektrolysezelle aufweist.
  8. Photovoltaisches Elektrolyseursystem nach Anspruch 1, wobei das PV-Subsystem etwa 95% bis 100% seiner maximalen Leistungsabgabe mit etwa 95% bis 100% seines maximalen elektrischen Wirkungsgrades und etwa 85% bis 100% seines maximalen Wirkungsgrades der Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff erzeugt.
  9. Photovoltaischer Elektrolyseur nach Anspruch 1, wobei das Elektrolyseursubsystem eine charakteristische Betriebsspannung aufweist, die durch Messen des Spannungsabfalls über die Pole des Elektrolyseursubsystems bei einem bekannten Betriebsstrom bestimmt wird.
  10. Photovoltaischer Elektrolyseur nach Anspruch 1, wobei das Elektrolyseursubsystem eine Vielzahl von Elektrolysezellen umfasst und eine charakteristische Betriebsspannung Voper aufweist, die durch seine Anzahl (N) von Elektrolysezellen in Reihe und eine charakteristische Überspannung jeder Elektrolysezelle (Voper) bestimmt ist, so dass: Voper = N × (1,23 Volt + Vov)wobei Vov zwischen etwa 0,4 bis 0,7 Volt DC beträgt.
  11. Photovoltaischer Elektrolyseur nach Anspruch 1, ferner mit einem DC-DC-Wandler, der mit dem PV-Subsystem und dem Elektrolyseur gekoppelt ist, wobei der DC-DC-Wandler derart ausgebildet ist, um die Ausgangsspannung des PV-Subsystems in eine Spannung in dem Bereich zwischen der ersten und zweiten Spannung umzuwandeln.
  12. Photovoltaischer Elektrolyseur nach Anspruch 11, wobei das Elektrolyseursubsystem eine Vielzahl von Elektrolysezellen umfasst und der DC-DC-Wandler derart ausgebildet ist, um die Spannungsabgabe des PV-Subsystems in 1,6 bis 2,0 Volt DC pro Elektrolysezelle umzuwandeln.
  13. Photovoltaisches Elektrolyseursystem, mit: einem Elektrolyseur mit einem Leistungseingang, wobei der Elektrolyseur derart ausgebildet ist, um H2O in H2 und O2 umzuwandeln; einem DC-DC-Wandler, der derart ausgebildet, um selektiv Energie an einen Elektrolyseurleistungseingang zu liefern; einem photovoltaischen Subsystem zum selektiven Liefern von Energie direkt an den Elektrolyseurleistungseingang oder den DC-DC-Wandler; einer Steuereinheit, um das photovoltaische Subsystem oder den DC-DC-Wandler als eine Energiequelle für den Leistungseingang des Elektrolyseurs zu wählen.
  14. Photovoltaisches Elektrolyseursystem nach Anspruch 13, wobei der Elektrolyseur derart ausgebildet ist, um Wasser zu elektrolysieren und damit Wasserstoff bei einem Wirkungsgrad, der größer als ein vorbestimmter Wirkungsgrad ist, zwischen einer ersten und zweiten Betriebsspannung zu erzeugen, und wobei das photovoltaische Subsystem derart ausgebildet ist, um elektrische Leistung bei einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Betriebsspannung unter vorbestimmten Solarbedingungen zu liefern.
  15. Photovoltaisches Elektrolyseursystem nach Anspruch 13, wobei der Elektrolyseur derart ausgebildet ist, um Wasser zu elektrolysieren und damit Wasserstoff bei einem Wirkungsgrad, der größer als ein vorbestimmter Wirkungsgrad ist, zwischen der ersten und zweiten Betriebsspannung zu erzeugen, und wobei der DC-DC-Wandler derart ausgebildet ist, um elektrische Leistung bei einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Betriebsspannung zu liefern.
  16. Photovoltaisches Elektrolyseursystem nach Anspruch 14, wobei das PV-Subsystem eine Solarzelle umfasst, die kristallines Silizium, amorphes Silizium, Kupferindiumdiselenid, Cadmiumtellurid oder Kombinationen daraus aufweist.
  17. Photovoltaisches Elektrolyseursystem nach Anspruch 13, wobei das Elektrolyseursubsystem derart ausgebildet ist, um bei einem Druck zwischen etwa 5000 psi und etwa 15000 psi zu arbeiten, um Wasserstoff bei einem Druck zwischen etwa 5000 psi und etwa 15000 psi zu erzeugen.
  18. Photovoltaisches Elektrolyseursystem nach Anspruch 13, wobei das Elektrolyseursubsystem derart ausgebildet ist, um bei einer Stromdichte unter 1,1 A/cm2 zu arbeiten.
  19. Photovoltaisches Elektrolyseursystem nach Anspruch 13, mit einem Kühlsystem, das mit dem PV-Subsystem gekoppelt ist.
  20. Verfahren zum Aufspalten von Wasser, um Wasserstoff zu bilden, umfassend, dass: ein Elektrolyseursubsystem mit einem Leistungseingang bereitgestellt wird, wobei der Elektrolyseur derart ausgebildet ist, um H2O in H2 und O2 aufzuspalten; ein DC-DC-Wandler bereitgestellt wird, der derart ausgebildet ist, um selektiv Energie an einen Elektrolyseurleistungseingang zu liefern; ein photovoltaisches Subsystem bereitgestellt wird, das derart ausgebildet ist, um selektiv Energie direkt an den Elektrolyseurleistungseingang oder den DC-DC-Wandler zu liefern; das photovoltaische Subsystem oder der DC-DC-Wandler als eine Energiequelle für den Leistungseingang des Elektrolyseurs auf Grundlage der von einem Solarbestrahlungssensor detektierten Energie ausgewählt wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bereitstellen eines photovoltaischen Subsystems umfasst, dass in Reihe geschaltete Solarzellen bereitgestellt werden.
  22. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bereitstellen eines Elektrolyseursubsystems umfasst, dass ein Elektrolyseursubsystem bestehend aus einer Vielzahl von in Reihe verschalteten Elektrolysezellen bereitgestellt wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bereitstellen eines Elektrolyseursubsystems umfasst, dass ein Elektrolyseursubsystem mit einer Elektrolysezelle bereitgestellt wird, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: (i) einen Protonenaustauschmembran-(PEM)-Elektrolyseur, (ii) einen Hochdruckelektrolyseur, (iii) einen alkalischen Elektrolyseur mit einem basischen Elektrolyt, (iv) einen sauren Elektrolyseur mit einem sauren Elektrolyt, (v) einen Dampfelektrolyseur, und (vi) eine reversible Anordnung aus PEM-Brennstoffzelle/Elektrolyseur.
  24. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bereitstellen eines Elektrolyseursubsystems umfasst, dass ein Subsystem bereitgestellt wird, das derart ausgebildet ist, um Wasserstoff bei einem Wirkungsgrad, der größer als ein vorbestimmter Wirkungsgrad ist, zwischen einer vorbestimmten ersten und zweiten Betriebsspannung zu erzeugen, und wobei das Bereitstellen eines photovoltaischen Subsystems umfasst, dass ein photovoltaisches Subsystem bereitgestellt wird, das derart ausgebildet ist, um elektrische Leistung bei einer Spannung zwischen der vorbestimmten ersten und zweiten Betriebsspannung bei dem maximalen Leistungspunkt des photovoltaischen Subsystems oder unter vorbestimmten Solarbedingungen zu liefern.
  25. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bereitstellen eines Elektrolyseursubsystems umfasst, dass ein Subsystem bereitgestellt wird, das derart ausgebildet ist, um Wasserstoff bei einem Wirkungsgrad, der größer als ein vorbestimmter Wirkungsgrad ist, zwischen einer ersten und zweiten Betriebsspannung zu erzeugen, und wobei das Bereitstellen eines DC-DC-Wandlers umfasst, dass ein DC-DC-Wandler bereitgestellt wird, der derart ausgebildet ist, um elektrische Leistung bei einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Betriebsspannung unter vorbestimmten Solarbedingungen zu liefern.
  26. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bereitstellen eines Elektrolyseurs umfasst, dass ein Elektrolyseur mit einer Vielzahl von Elektrolysezellen bereitgestellt wird, und wobei das Bereitstellen eines PV-Subsystems umfasst, dass ein PV-Subsystem mit einer Ausgangsspannung zwischen etwa 1,6 und etwa 2,0 Volt DC pro Elektrolysezelle bereitgestellt wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das PV-Subsystem derart ausgebildet ist, um zwischen etwa 95% bis 100% Pmax zu erzeugen, um so etwa 95% bis 100% seines maximalen elektrischen Wirkungsgrades zu ergeben, und wobei das PV-Elektrolyseursystem einen Wasserstofferzeugungswirkungsgrad zwischen etwa 85% bis 100% eines maximalen Wasserstofferzeugungswirkungsgrades besitzt.
  28. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bereitstellen eines Elektrolyseursubsystems umfasst, dass ein Subsystem bereitgestellt wird, das derart ausgebildet ist, um Wasserstoff bei einem Wirkungsgrad, der größer als ein vorbestimmter Wirkungsgrad ist, zwischen einer ersten und zweiten Betriebsspannung zu erzeugen, und wobei das Bereitstellen eines photovoltaischen Subsystems umfasst, dass ein photovoltaisches Subsystem bereitgestellt wird, das derart ausgebildet ist, um elektrische Leistung bei einer Spannung, die niedriger als die erste Betriebsspannung ist, oder einer Spannung, die größer als die zweite Betriebsspannung ist, unter vorbestimmten Solarbedingungen bereitzustellen.
  29. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Elektrolyseursubsystem eine Vielzahl von Elektrolysezellen umfasst, und wobei der DC-DC-Wandler derart ausgebildet ist, um den Spannungsausgang des PV-Subsystems in 1,6 bis 2,0 Volt DC pro Elektrolysezelle umzuwandeln.
  30. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bereitstellen eines Elektrolyseursubsystems umfasst, dass ein Elektrolyseursubsystem bereitgestellt wird, das derart ausgebildet ist, um bei Drücken zwischen etwa 5.000 psi und etwa 15.000 psi zu arbeiten.
  31. Verfahren zum Betrieb eines Elektrolysesystems mit zumindest einer photovoltaischen (PV) Zelle, die Leistung liefert, um Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff zu elektrolysieren, umfassend, dass: a) die Betriebsspannung, der Betriebsstrom und der Wirkungsgrad des Elektrolyseursubsystems durch Messungen und Berechnungen bestimmt werden; b) eine Spannung eines maximalen Leistungspunktes (Vmpp) für die PV-Zelle auf Grundlage einer vorbestimmten Beziehung zwischen einer Ist-Spannung und einem Ist-Strom unter einer Vielzahl von Lasten und einer Vielzahl von Spannungen für die PV-Zelle bestimmt wird; und c) eine Anzahl von PV-Zellen bei der Vmpp bestimmt wird, um eine optimale Spannung zu erreichen und damit Wasser zu elektrolysieren und erforderliche Elektrolysesystemverluste zu decken.
  32. Verfahren zum Betrieb eines Elektrolysesystems mit zumindest einem photovoltaischen (PV) Subsystem, das Leistung liefert, um Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff zu elektrolysieren, umfassend, dass: a) die Betriebsspannung, der Betriebsstrom und der Wirkungsgrad des Elektrolyseursubsystems durch Messungen und Berechnungen bestimmt werden, b) eine Spannung eines maximalen Leistungspunktes (Vmpp) für die PV-Zelle auf Grundlage einer vorbestimmten Beziehung zwischen einer Ist-Spannung und einem Ist-Strom unter einer Vielzahl von Lasten und einer Vielzahl von Spannungen für die PV-Zelle bestimmt wird; und c) eine Anzahl von PV-Zellen bei der Vmpp bestimmt wird, um eine Soll-Spannung zu erreichen und damit Wasser zu elektrolysieren und die erforderlichen Verluste für das Elektrolysesystem zu decken, und wobei das Elektrolysesystem einen Elektrolyseur umfasst, der gewählt ist aus: (i) einem sauren Elektrolyseur mit einem sauren Elektrolyt; (ii) einem basischen Elektrolyseur mit einem basischen Elektrolyt; (iii) einem Dampfelektrolyseur; (iv) einem PEM-Elektrolyseur mit zumindest einer Elektrolysezelle; und (v) einem Hochdruckelektrolyseur.
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