JP2007524762A - 水素発生の方法および装置 - Google Patents

Abstract

太陽水素発生システムおよびシステム最適化を構成する方法が開示される。システムは、光起電モジュールおよび電解溶液を使用して、水を水素と酸素とに効率よく分解する。水の太陽電池式電解の効率は、光起電セルにより発生する最も効率のよい電圧を（複数の）電解セルにより必要とされる最も効率的な入力電圧に一致させることにより最適化される。ＰＶ電解システムを最適化することで、太陽電池式水素発電は、環境的にクリーンな代替え燃料として安価に、実用的に使用できるようになる。

Description

本出願は、２００４年２月１８日に出願した米国仮出願第６０／５４５，３７９号の利益を主張するものである。上記の出願の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
本システムは、水の電解のための方法および装置、より具体的には、水素を発生する水の光電気化学的（ＰＥＣ）デバイスおよび光電解に関する。

現在、水素を発生する主要なプロセスは、メタンの水蒸気改質によるものである。水素を作り出す他の手段は、水の電解によるものである。電解に必要な電力は、主に電力網から誘導され、配電網の電力、化石燃料の燃焼の所定の発生源は、酸化窒素および粒子状物質、さらには二酸化炭素などの、排出物を発生する。このような排出物を除去する方法の１つは、太陽発電電力を利用して水を電解し、水素を発生することである。現在、太陽電池式水素製造プロセスの効率、耐久性、およびコストを改善することに対し取り組みが向けられている。

しかし、電解槽とともに電力を作り出し水を水素と酸素とに分離する太陽電池からなるシステムは、現在存在しているように、メタンの水蒸気改質ほど安価には水素を製造することはできない。光起電性パネルからの電力および市販の電解槽を使用して水を分解することにより車両燃料供給ステーションに供給する水素ガスを製造することが、いくつかのプロジェクトにより試みられてきた。太陽エネルギーの約２％〜６％しか水素燃料エネルギーに変換せず、そのため、資本コストが大幅に増大し、その結果、水素燃料コストが高くなり（水素１キログラム当たり少なくとも１１ドル）、システムに占められる面積が広い、これらの組み合わせた技術の効率が低く、コストが高いせいで、これらのプロジェクトは満足のゆくものでないことが実証され、また通常は長続きしなかった。

従来技術の不利点を克服するために、少なくとも１つの光起電力（ＰＶ）モジュールを備える太陽水素発生器または太陽電池式電解システムを設計し、運転するための方法を提供する。

このシステムおよび方法は、少なくとも１つのＰＶセルを使用し、水を電解し、水素を発生させるための電力を供給する。この方法は、ＰＶモジュールの負荷の下で実際の動作電圧と実際の動作電流との間の所定の関係に基づくＰＶモジュールの最も望ましい最大パワーポイント電圧（Ｅ_ｍｐｐ）および電解システム、電解セル、または電解槽ユニット（水を分解するために使用される電極および電解液）の最も効率的な動作電圧を決定する工程を使用する。次に、ＰＶモジュール全体の最も望ましいＥ_ｍｐｐを達成するために必要なＥ_ｍｐｐで直列動作する太陽電池の個数が決定される。最も望ましいＥ_ｍｐｐは、水を水素と酸素とに分解し、電解システムを動作させ、太陽エネルギーを水素燃料エネルギーに転換する最大効率を達成するために必要な電圧損失（過電圧および抵抗）条件を満たすために必要な所望の電圧である。ＰＶセルおよび太陽電池という用語は、当業で使用され、本明細書では入れ換えて使用することができる。ＰＶモジュールという用語は、１つまたは複数のセルを指す。クラスタという用語は、モジュールという用語と入れ換えて使用できる。

本発明の他の実施形態では、少なくとも１つの光起電力（ＰＶ）モジュールを備える太陽電池式電解システムを動作させる方法が開示されている。このシステムは、電解システムに直列に接続され、電力を電解システムに供給し、水を電解して、水素を発生させる１つまたは複数の個別の太陽電池で構成される。この方法は、電解システムの最も効率的な実際の動作電圧および実際の動作電流を決定し、それらの電圧および電流を、電解プロセスを動作させるためにＰＶモジュールから引き込まれる最大電圧Ｅ_ｍｐｐおよび最大パワーポイント電流Ｉ_ｍｐｐに一致させる（できる限り等しくさせる）。一態様では、太陽電池式電解システムの動作電圧（Ｅ_ｏｐｅｒ）は、試験または他の手段により決定され、それぞれの個別の太陽電池に対するＥ_ｍｐｐと１つまたは複数の太陽電池から直列で作製されたＰＶモジュールに対するＥ_ｍｐｐとの間の所定の関係に基づいてＰＶモジュール（Ｅ_ｍｐｐ）の最大パワーポイント電圧にできる限り一致するようにされなければならない。次いで、水を水素と酸素とに分解し、電解システム損失（過電圧および抵抗）の条件を満たす最も効率的な電圧を得るために必要な直列のセルの個数（電解システムの負荷の下の最大パワーポイントにおける）を決定する。

他の実施形態では、直列または並列回路で電解システムに接続された少なくとも１つの光起電（ＰＶ）太陽電池または複数の太陽電池からなるモジュール光電解システムを動作させ、水を電解して水素を発生する方法が提供される。水を水素と酸素とに分解し、ＰＶシステム（モジュール）の最大パワーポイント電圧に基づいて電解システム損失および抵抗（過電圧）の条件を満たす所望の電圧を得るための直列のＰＶセルの個数は、電解システムの光電解効率と動作電圧との所定の関係に基づいて決定される。

他の実施形態では、水を電解して水素を発生する、２本の電極（アノードおよびカソード）が両方ともＰＶシステムに接続されている少なくとも１つの光起電（ＰＶ）セルを備える電解システムを動作させる方法を開示する。水を水素と酸素とに分解し、電解システム損失および抵抗（過電圧）を減少させる、触媒材料の導電性電極、または触媒コーティングによる電極の表面のコーティングは、ＰＶおよび電解システムの電流および最大パワーポイント電圧（Ｅ_ｍｐｐ）に基づいて大きさを決定される。電解効率と電流密度との間の所定の関係に基づく効率的動作に必要な電極の最大電流密度が決定される。慣例により、電解では、カソードは、還元が生じ、水素が発生する電極であり、太陽電池のマイナス極につながっている。アノードは、酸化が生じ、酸素が発生する電極であり、太陽電池のプラス極につながっている。

他の実施形態では、太陽水素発生器または光電解システムを動作させる方法が開示される。システムのそれぞれの太陽ＰＶモジュールは、少なくとも１つの太陽電池を備え、電解システムを動作させ水素を発生する最適な電圧を生じさせる。ＰＶモジュールは、それ専用の独立した電解回路（アノード、カソード、および電解液からなる）に接続され、複数のＰＶモジュールを並列に単一の電解回路に接続するわけではない。

他の実施形態では、１．８から２．５ボルトのＤＣ（Ｅ_ｏｐｅｒ）を供給する少なくとも１つの光起電（ＰＶ）モジュールを備える太陽水素発生器または光電解システムが開示される。ＰＶモジュールは、電流密度が、できる限り低く、１２ミリアンペア／ｃｍ^２未満でなければならず、ニッケルベースのカソード、およびニッケルベースの電極上に酸化ルテニウム層またはコーティングを持つアノードを有する。

本発明は、詳細な説明および付属の図面からより完全に理解されるであろう。

本システムは、他のエネルギー源と競争力のあるコストで光起電半導体材料、電解槽、および日光を使用して水素燃料を生成して燃料電池自動車および据え付け型の発電機能に電力を供給する実用的な、汚染を引き起こさない技術を実現する。

本発明の教示により、水素発生用のより効率的な太陽電池式ＰＶ電解システムを実現する、本システムは、光起電回路および電解システムをシステマティックに統合し、その効率を最適化することにより設計された。最適化プロセスは、太陽エネルギーから水素燃料エネルギーへの変換（システム効率）を従来技術のＰＶパネルおよび電解槽システムについて推定された約２〜６％から同じＰＶ材料（結晶シリコンまたはアモルファスシリコン）を使用して構成された最適化された統合システムについて推定された７．２％まで高めた。ＰＶ回路、ＰＶ電圧、電極材料、電極サイズ、および電解液は、すべて統合され最適化されており、最高の効率が得られた。

水素燃料のＰＶ電解生成のコストは、標準的なコスト分析方法を使用して推定された。同じＰＶ材料を使用して本発明のシステムにより効率が向上するということは、燃料電池自動車群用に水素を発生するため、または、汚染を引き起こさない再生可能水素から静止電力を発生するするため必要なＰＶモジュールのコストが約３．５倍減少することを意味する。従来技術のＰＶ電解槽システムに含まれるチャージコントローラ、バッテリ、およびＤＣコンバータは、すべて、最新システムのより効率的な、簡素化された設計によりなくなっているためさらに費用が低減される。ＰＶ電解の最適化による資本コストの全体的低減は、少なくとも７５％になると予想される。主に資本コストから生じる、ＰＶ電解により発生する水素燃料の推定コストは、従来技術のシステム（図１参照）の１ｋｇ当たり１１ドルから１ｋｇ当たり約３ドルに低減される。汚染を引き起こさない太陽水素の生成コストのこのような低減は、将来の水素経済を形成し、化石燃料消費を大々的に置き換えるのに役立つと予想することができる。水素燃料に変更を加えれば、関連する温室効果ガス排出がなくなり、その結果、地球温暖化も解消される。

図１に示されているように、太陽水素燃料生成用の従来技術のＰＶ電解システムは、高電圧を与えるために直列に接続された多数の太陽電池で構成される光起電モジュール、ＤＣ−ＤＣコンバータ、電圧コントローラ、蓄電池、および、通常は、専用の電解質膜により分離された白金触媒電極および水性アルカリ電解液からなる電解槽のアレイで構成されていた。

例示的な従来技術のシステムのＰＶモジュールは、負荷のかかっている状態で動作していないときには約２２ボルトの開回路電位、負荷のかかっている状態で最大の電流を電解または充電電池などの電力プロセスに供給するときに、最大パワーポイント（Ｅ_ｍｐｐ）で１８ボルトの電位を持つ回路を形成する、直列に接続された３６個の結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）太陽電池からなる。これらのモジュールおよび電池は、通常、直接的にまたはＡＣインバータを介して電池システムを充電し、電気器具に電力を供給する専用設計となっており、また電解セルに直接的にまたは間接的に電力を供給するようには最適化されていない。従来技術のＰＶパネルの１８ボルト電位は、高すぎて、電解セル（電解槽デバイス）に直接接続されているときに効率よく水素を発生できない。

図２を全体として参照すると、本発明のシステムで使用されている効率的な電解セルは、５Ｍの水酸化カリウム溶液３４中に浸された白金（Ｐｔ）またはニッケル（Ｎｉ）のカソード３０および触媒された二酸化ルテニウムコーティングニッケルまたはチタン（Ｎｉ−ＲｕＯ_２またはＴｉ−ＲｕＯ_２）アノード３２を含んでいた。これらの電極材料は、水分解反応を触媒するので、その結果の電解セル３６は、低い過電位および高い効率を有する。そのため、効率的な電解セル内の水の電解は、約１．６ボルトのＤＣで開始するが、これは、水を分解するために必要な理論上の電位である１．２３ボルト、および触媒された最良の電極システムに対する０．３５ボルトの最小の過電位を含む。従来、ＰＶ電源および市販の電解システムを使用する水素発生に関する最も効率的な電位は、ほとんどの電極材料が持つ触媒能力は限られており、電解液を含むＰＶ電解回路内の抵抗があるせいで、通常は、１．６ボルトよりもかなり高く、およびその結果のより高い過電位は約０．５〜１．２ボルトである。実際、ＰＶデバイスは、通常、ＰＶシステムが高効率アルカリ電解セルに接続されたときにアノードとカソードとの間で測定された約１．８〜２．５ボルトの動作電位（Ｅ_ｏｐｅｒ）を供給しなければならない。

過電位は、燃料エネルギー（電解）への有用な太陽エネルギー変換に役立つ電力となっていないが、代わりに、熱に変換される。電解が発生する、Ｅ_ｏｐｅｒが低いほど、電解セルは効率的になるが、それは、過電位、および熱形成として捨てられるエネルギーが最小にされるからである。

電解システムに組み込まれ、水分解反応に電力を最も効率的に供給するようにＰＶモジュール３８を設計することは、太陽水素生成を最適化するうえで重要な要素である。水素発生のため電解に電力を供給するＰＶシステム４０および電解セルまたは電解槽３６の両方を最適化し、最大出力（Ｅ_ｍｐｐ）でのＰＶシステム電圧が電解セルの最適な電圧と一致し、最高の電流および最高の水素発生効率が得られるようにする必要がある。そのため、水素発生のため太陽電池式ＰＶ電解を最適化する最も効果的な方法では、光起電回路および電解システムをシステマティックに統合し、その効率を最適化する必要がある。ＰＶ材料、ＰＶ回路、ＰＶ電圧、電極材料、電極サイズ、および電解液の種類と濃度は、すべて最適化され、最高の効率が得られるように組み合わされなければならない。水素発生効率を高めることは、水素燃料発生のコストを低減する主要な方法である。ＰＶモジュールを直接水素および酸素電極に接続することによりＰＶ電解システムを簡素化することは、性能を改善し、コストを低減するもう１つの手段であり、これについては以下で説明する。

水素発生効率対ＰＶ発電効率および電解セル（電解液と電極）の効率の関係は、式１で与えられる。
Ｈ_２発生効率＝ＰＶ効率×電解効率 （式１）
ＰＶ電解システム４０からの水素の発生を最適化するために、図１に示されている従来技術の設計にいくつかの改善を加える必要がある、つまり（１）ＰＶシステムにより供給される最大パワーポイント電位（Ｅ_ｍｐｐ）は電解システムにより必要とされる特性動作電位（Ｅ_ｏｐｅｒ）と一致しなければならない、（２）エネルギー貯蔵の不効率な手段である、電池をなくすべきである、（３）電圧コンバータおよびチャージコントローラを含む、ＰＶ電解回路内の抵抗、電圧損失、および不効率を高めるパーツもなくすべきである。本発明の教示による回路は、不要なパーツを取り除いた状態で、図２に示されている。図２の実施例に示されているように、ＰＶパネル４４の太陽電池４２の回路接続は、電解システム４０により必要とされる動作電位（Ｅ_ｏｐｅｒ）と一致するように約２．５ボルトのＤＣ（触媒された電極について約２から３ボルトの範囲のＤＣ）の正しいＥ_ｍｐｐを与える最良の個数の直列の太陽電池とともに太陽モジュールを使用することにより設計し直されている。図２に示されているように、２.５ボルトモジュールのうちの３つ（またはそれ以上）を電解セルに並列接続し、さらに大きな電流および水素発生率を与えることができる。セルの個数および構成から電解システムの最良の動作電圧と一致するように正しいＥ_ｍｐｐを与える限り、限定はしないが、ｃ−Ｓｉ、ａ−Ｓｉ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｄＴｅベースの太陽電池を含む、任意の種類の太陽電池を最適化プロセス内で使用することも可能である。

図２では並列接続されているように示されている２．５ボルトＰＶモジュールは、最適な性能および効率になるようにＥ_ｍｐｐおよびＩ_ｏｐｅｒ（電圧および電流整合と呼ばれる特性）が等しくなければならないため、複数のモジュールのうちの１つまたは複数が、稼働期間の一部の期間において日光を部分的に遮られた場合、または経年変化または損傷のせいで（または他の何らかの理由により）不具合を生じ、もはや他のモジュールと同じＥ_ｍｐｐおよびＩ_ｏｐｅｒにならない場合に、問題が生じる可能性がある。この不整合が発生しうると判断された場合、モジュールのそれぞれは、図２に示されているのと同じ電解セルに並列に接続されるのではなく、別々の電解セル（アノードおよびカソード）に接続されるようにすることができる。そのため、それぞれの最適化されたＰＶモジュールをこの方法で別の電解回路に接続することで、現在の不整合を防止することにより太陽水素生成システム全体の効率を高めることが可能である。効率の増大は、回避する不整合の重大度に依存するであろう。最大の利点は、それぞれの個別のＰＶモジュールを、別の電解液容器内の別のアノードおよびカソードが他の電解セルから絶縁されている完全に別の電解セルに接続することに由来する。最大の利点の少なくとも一部は、それぞれのＰＶモジュールを別のアノードおよびカソードに接続するが、ただし複数のアノードおよびカソードの対を電解液の同じ容器に浸すことにより得られるが、この場合、不整合のＰＶモジュールは、互いに部分的にのみ絶縁される。また、電解システム内に複数のセルを備えるモジュールを示す図１３も参照のこと。図１３のものを複製する複数の電解システムを適宜使用することができる。さらに、それぞれがＰＶモジュールに関連付けられている単一容器内の複数の電極の集合も考えられる。

図２に示されている、２.５ボルトモジュール４２は、典型的なＰＶパネル４４を設計し直すことにより適宜作製できる。例えば、一部のＰＶパネル４４は、直列の３６個の結晶太陽電池を備える。これらの太陽電池のそれぞれは、０．６ボルトの固有の開回路電位（Ｅ_ｏｃ）を有し、ＰＶパネル全体は、２１．６ボルトのＥ_ｏｃを持つことが可能である。これらの太陽電池はそれぞれ、０.４１〜０.５ボルトのＥ_ｍｐｐを持つことが可能であり、またいくつかの太陽電池は直列に接続され、それにより水電解に電力を供給するために必要な２から３ボルトの最適なＥ_ｍｐｐを持つ太陽モジュールを作製することが可能である。例えば、直列に接続された６個の太陽電池（コネチカット州パトナムのＣＴ Ｓｏｌａｒ）は、２．４６ボルトのＥ_ｍｐｐ（６×０．４１＝２．４６）を出力することができ、これは、以下の実験結果の節で説明するように、上述の効率的電解セルのＥ_ｏｐｅｒ要件（１．８〜２．５ボルト）に一致する。図３は、Ｅ_ｏｃ、短絡回路電流（Ｉ_ｓｃ）、電解時の動作電位（Ｅ_ｏｐｅｒ）、および電解時の動作電流（Ｉ_ｏｐｅｒ）を測定するために使用される方法を例示しているが、ただし、回路内の記号Ｖは電圧計を示し、Ａは電流計を示す。個々の太陽電池のＥ_ｍｐｐは、メーカーおよび直列の太陽電池の個数により決定されるＰＶモジュールのＥ_ｍｐｐから推定できる（式２）。

結晶シリコンＰＶセルのＥ_ｍｐｐおよび効率は、通常、２５℃および１００ｍＷ／ｃｍ^２（１日光放射照度）である標準試験条件で測定される。しかし、Ｅ_ｍｐｐおよび効率は、温度が上昇するとともに減少する。この温度係数効果は、現実世界のＰＶ電解システムのＰＶモジュールの最適なＥ_ｍｐｐ（２.０〜３.０ボルトＤＣ）は、高効率電解セルにおける電解の最小電位（１.６ボルトＤＣ）よりも著しく高いという理由の１つ（電解システムの過電位の他の発生源とともに）と考えられる。

水素発生用にＰＶ電解を最適化するために、太陽エネルギーを水素燃料エネルギーに変換する効率を、電解効率（電極過電位に関係する）、およびＰＶ効率、電位、電流、および電解セルに接続されたときに結果として発生する電力を含む、電極およびＰＶの特性の関数として決定する必要がある。実験により、ＰＶ電解からの水素発生の効率は、知られている強度（通常、１００ｍＷ／ｃｍ^２に等しい１日光放射照度）の日光を照射されるＰＶ電源を高効率電解セルまたは電解槽に接続し、電解電流Ｉ_ｏｐｅｒを測定することにより決定される。次いで、式３を使用して、効率が計算される。

この実施形態の最適化実験の際に、すべてのＰＶシステムは、それぞれ表面積が１２８ｃｍ^２のＮｉ−ＲｕＯ_２のアノードおよびＮｉカソードを含む５Ｍ ＫＯＨ水溶液４５０ｍＬに浸された電解セルに接続された。これらの電極に接続されたＥ_ｍｐｐが１．５から１６ボルトＤＣ（Ｅ_ｏｃが１．８ボルトから２０ボルト）の範囲であるＰＶ太陽電池を使用して電解を行っている間、実際の動作電位差（Ｅ_ｏｐｅｒ）は１．５から３．３ボルトの範囲であった。

アルカリ状態は、電極、接点、コネクタとして使用されるすべての候補材料について、また電解液と接触するであろうＰＶデバイスにおいて、酸性状態よりもかなり腐食性が低いことが実験により確定されている。とりわけ、プラスチック、テフゼル、エポキシ、およびアクリルを含むカプセル化および絶縁材料、および電極材料、ニッケル、ＲｕＯ_２、白金でコーティングされたニッケル、およびフッ素をドープした酸化スズ（ＳｎＯ_２：Ｆ）でコーティングされた導電ガラスは、濃水酸化カリウム（５Ｍ ＫＯＨ）中に１ヶ月を超えて浸けた後、エッチングも腐食もされなかった。また、ＫＯＨ水溶液中の最大伝導度（２０℃で約０．５５Ｓｉｅｍｅｎｓ／ｃｍ）は、５Ｍの濃度で生じることも確定された（２２〜２５重量％）。そのため、５Ｍ ＫＯＨ電解溶液は、ＰＶ電解システムを最適化するように選択された。

図４に示されているように、システムの過電位（過電圧）を最小にすることにより電解セルの設計を最適化できるさまざまな電極材料の効率が示されている。電解中に酸素ガスが発生する、アノードの種類が変えられたが、それは、アノードがカソードよりも大きな過電位を持ち、したがって、最適化が困難であるからである。ニッケルは水素ガスが発生するカソード用の材料として非常に効率が高く、安価な材料であることがすでに知られていた。アルカリ電解液中の腐食に特に耐性があり、水分解の触媒特性を有するニッケル（Ｎｉ）および白金（Ｐｔ）、Ｎｉ−ＲｕＯ_２またはＴｉ−ＲｕＯ_２、酸化ルテニウムでコーティングされたニッケルまたはチタン、酸素電極用の知られている触媒、および他の２つの比較的安価な耐食性のある導電体、フッ素でドープした酸化スズ（ＳｎＯ２：Ｆ）、耐食透明酸化物、および銀エポキシ（Ａｇ−エポキシ）でコーティングされたガラス、封止剤および接着剤として使用される金属高分子複合材料の６つの候補アノードが試験された。最も効率的なアノード材料は、ニッケル酸化ルテニウム（おそらくＮｉ−ＲｕＯ_２）であることがわかっていたが、これは、太陽エネルギー−水素変換率が最高となった（４．５％）。２つのアモルファスシリコン三重接合太陽電池（ミシガン州トロイのＵｎｉｓｏｌａｒ，Ｉｎｃ．）が直列接続されている、アノード試験で使用されるＰＶ太陽電池のＥ_ｏｃ（３．８ボルト）は、３．０〜４．０ボルトＤＣの最適的なＥ_ｏｃ範囲とほぼ一致したことに留意されたい。日光を電気エネルギーに変換するためアノード試験で使用される太陽電池の効率は定格６．９％であったため、最良のアノード材料を使用したとしても電解プロセスの効率は、４．５％／６．９％×１００％＝６５％であった。この計算は、式１から導かれる。そのため、実際の報告された条件の下での最適化された電解セルの動作は、ＰＶ電気出力と電解システムの要件との間に比較的良好な一致があっても、約８０％の推定最大効率レベルからわずか６５％まで下がった。

電解セルで使用される電極の最適な面積は、電解効率に対する電流密度（Ｊ_ｏｐｅｒ）の効果に依存する（図５を参照）。いくつかの電流密度でのＰＶ電解効率測定の結果から、Ｊ_ｏｐｅｒが約１２ｍＡ／ｃｍ^２を超える場合に効率が低下し始めることがわかる。現在のシステム（好ましい実施形態）を実証するために作製された最適化されたＰＶ電解デバイスで使用される電解条件の下で効率の低下はなかく、電極の表面積は、ＰＶパネルの面積にほぼ等しく、その結果、電流密度は６ｍＡ／ｃｍ^２以下となった。

耐食性に非常に優れ、寿命が７４４時間を超えるカソード（水素電極）は、厚さ２５．４マイクロメートルのニッケルフォイル（９９．９％、Ｓｔｒｅｍ，Ｉｎｃ）で構成されていた。

アノードは、カソードと同じニッケルフォイルから製造され、３５０℃の熱処理を使用するプロセスによりＲｕＯ₂でコーティングされた。このプロセスでは、ルテニウム化合物をニッケル上にしっかりと固着し、元のＲｕＣｌ_３を酸化してオーブン内の高温空気と反応させることによりＲｕＯ_２を形成する。質量１．０４ｇ（０．００５モル）の塩化ルテニウム、ＲｕＣｌ_３（ＦＷ２０７）が、濃塩酸２５ｍＬ中に溶解され、その後、脱イオン水で５０ｍＬに希釈され、０．１Ｍの溶液となった。攪拌しながらホットプレート上のドラフト内でこの溶液を蒸発させて乾燥だけさせた。その結果得られるペーストが、２−プロパノール２５ｍＬ中に溶解され、０．０２Ｍの溶液が作られた。まず非常に細かいサンドペーパーまたはエモリペーパーで機械的にエッチングし、次いで３０秒間、２０％の塩酸中でエッチングし、脱イオン水ですすぎ、空気乾燥させることにより、ニッケルフォイルのシートが製造され、浄化された。シートは、細かいスプレーまたはブラシを使用して０.２Ｍの塩化ルテニウム溶液でコーティングされ、１５分間かけて３５０℃の電気オーブン中で焼結された。コーティングは、この方法で、合計４から５回、それぞれの電極の両側に施され、次いで、その結果得られる電極が、１時間かけて、３５０℃でオーブン中でアニールされた。オーブン内の空気で加熱して、塩化ルテニウムを二酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）に酸化し、厚さほぼ２．３マイクロメートルのＲｕＯ_２の安定層を形成した。次いで、コーティングされた電極が冷却され、少なくとも１時間５Ｍ ＫＯＨ溶液中に浸され、水で完全にすすがれて、過剰な未反応ＲｕＯ_２を除去した。全コーティングは、約０．１ｍｇのＲｕＯ_２／ｃｍ^２であった。このプロセスは、アルカリ電解での使用時に剥がれてこない電極上の安定した触媒コーティングを作製する。その結果得られる電極は、長時間の使用（１０００時間超）でコーティングまたは触媒活性を失わず、類似のＲｕＯ_２でコーティングされたチタン電極よりも作製費用がかからず、効率的であった。

ＰＶ電解を最適化するために改善されなければならない他の主要なシステムは、半導体ＰＶモジュール自体である。ＰＶモジュールシステムを最適化するには、自然太陽輻射の下で供給されるＰＶ電圧が電解セルを動作させるために最も効率的な電圧に一致している必要がある（すでに上で最適化されている）。ＰＶパネルから必要な最適なＥ_ｏｃおよびＥ_ｍｐｐを決定し、最も多い水素を生成するために（最高のＰＶ電解効率）、開回路電圧Ｅ_ｏｃが０．５９ボルトのさまざまな数の結晶シリコン太陽電池（Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ Ｓｏｌａｒ）が、高効率のＮｉ−ＲｕＯ_２のアノードおよびＮｉのカソードを使用する最適化された電解セルに直列接続され、これにより、電解セルを通る電流（Ｉ_ｏｐｅｒ）を測定し、一定範囲のさまざまな数の太陽電池の水素生成率、Ｅ_ｏｃ、およびＥ_ｍｐｐを計算した（図６から９を参照）。電解動作電流および電位は、図３に概略が示されているように、１２８ｃｍ^２の電極および５Ｍ ＫＯＨ電解液を使用する電解セル内で測定され、水素燃料エネルギーへの太陽エネルギー変換の効率が、式３を使用して計算された。プロットされた効率の結果対直列の太陽電池の個数との対比が図８に表されている。これらの結果から、６つのセルを２．５ボルトのＥ_ｍｐｐおよび約３．５ボルトのＥ_ｏｃを持つモジュールと直列に使用すると最大効率が生じることがわかった。三重接合薄層アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、薄層テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、薄層銅二セレン化インジウム（ＣｕＩｎＳｅ_２）、組み合わせａ−Ｓｉおよびｃ−Ｓｉ光起電力技術などの他のＰＶ太陽電池を上記の実施例の結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）セルと同じ方法で使用することも可能であることが考えられる。

表１は、安価なシリコンＰＶパネルを使用して、上述のように得られた太陽水素発生システムに関して得られた結果を示している。

Ｅ_ｍｐｐが〜１．３５ボルト（Ｅｏｃは〜１．９ボルト）のａ−Ｓｉセルについては、２つのａ−Ｓｉ太陽電池は、直列接続され、直列の６つのｃ−Ｓｉ太陽電池からの最適化された電圧にほぼ等しい最適化された電圧を与える（表１）。

表１に示されているように、Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ Ｓｏｌａｒ（コネチカット州パトナム）のｃ−Ｓｉ ＰＶ材料は、３．５ボルトのＥ_ｏｃが得られるように最適化されたときに最良の水素発生効率（７．２％）を達成した。三重接合ａ−Ｓｉ太陽電池は、ミシガン州トロイのＵｎｉｔｅｄ Ｓｏｌａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから購入したＵｎｉ−Ｐａｃ １０パネルから得られた。ａ−Ｓｉ太陽電池では、発電効率が本質的に低いため、ｃ−Ｓｉ太陽電池よりも効率が低かった。電解システムの動作は、両方の種類のシリコンベースの太陽電池についてほぼ等しい効率（６５〜６６％）であった。この結果から、それぞれの場合において、最適化されたＰＶシステムのＥ_ｍｐｐと最適化された電解システムのＥ_ｏｐｅｒとの間にかなりよい一致があったことがわかる。他の発売元の多数のｃ−Ｓｉ太陽電池でも、同様の最適化の結果が得られた（ＯＫ Ｓｏｌａｒ、Ｓｈｅｌｌ Ｓｏｌａｒ、およびＳｈａｒｐ Ｓｏｌａｒ）。

Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ Ｓｏｌａｒのｃ−Ｓｉ太陽電池で作製された最も効率的なＰＶ電解システムが発生する電流は、標準試験条件（ＡＭ １．５地球日光の１回の日照）の下で１３８ｃｍ^２のモジュールに対し０．７７Ａであった。つまり、最適化された太陽電池の１.０ｃｍ^２のパネルに対し１時間当たり約１.０４モルの水素の発生率となる。この発生率だと、典型的な駆動要件について十分な水素（３．２ｋｇ／週）を燃料電池自動車に供給し続けるために面積３６ｍ^２（６ｍ（１９．５フィート）×６ｍ（１９．５フィート）の寸法）のＰＶアレイを必要とする（燃料電池自動車は６０ｍｐｇの燃料節約で年間平均１６０９３．４４ｋｍ（１０，０００マイル）走行すると仮定する）。本発明の教示によりこのシステムを使用して高効率のＰＶ電解システムを作製し、最適化することにより、再生可能水素を燃料として自動車に供給し、自動車交通から生じる汚染のすべての問題を解決することが可能になる。

水素発生用の太陽電池式光起電電解システムは、（１）経験則でおおざっぱに、または（２）ＰＶおよび電解デバイスの電気的および電気化学的特性をシステマティックに測定することでより正確に、このシステムの方法を使用し太陽エネルギーを水素燃料エネルギーに変換する変換率が最高になる太陽電池の最も効率的な種類、電圧、および数を見つけて、最適化することができる。最適化されたアノードおよびカソード材料を使用する電解による水分解の速度（図４）は、最初に、ＤＣ電源を使用して電極に印加される電位（動作電位、Ｅ_ｏｐｅｒ）の関数として測定された。電解実験における電流は、ファラデーの法則（式４）により、電解率、水素ガスの発生率、および水素燃料エネルギーに比例することがわかったが、ただし、Ｆはファラデー定数（〜９６，５００クーロン／当量）であり、動作電位が上がると高くなる。

ＰＶ源が直流用に使用された場合、電解システムに印加されるＤＣ電位は、ＰＶ回路の出力により制限され、電解電流は、印加される電位および電解システムの直列抵抗、さらには電解システムにより発生する負荷の下での動作に対するＰＶシステムの応答により制限される。ＰＶシステムにより実際に印加される電位は、開回路電位Ｅ_ｏｃではないが、動作電位Ｅ_ｏｐｅｒである（両方とも図３に示されているように測定される）。Ｅ_ｏｐｅｒは、ほとんど常に、負荷（電解システム）の抵抗のせいで、Ｅ_ｏｃよりもかなり低い。ＰＶシステムが電解に最も効率よく電力を供給するために、ＰＶモジュールは、電解セルにより必要とされる電位および負荷条件の下で最良の性能を引き出せなければならない。ＰＶモジュールまたは太陽電池の最良の性能条件は、最大パワーポイント（ｍｐｐ）と呼ばれ、電位（Ｅ_ｍｐｐ）と電流（Ｉ_ｍｐｐ）により定義され、出力が最大となる（Ｐ_ｍｐｐ＝Ｅ_ｍｐｐ×Ｉ_ｍｐｐ）。Ｅ_ｍｐｐおよびＩ_ｍｐｐが動作条件、電解システムのＥ_ｏｐｅｒおよびＩ_ｏｐｅｒによく対応している場合、太陽エネルギー水素変換効率は最適化され、与えられたシステムおよび時間について水素発生が最大になる。ｍｐｐは、知られている強度の日光により照射されている間のＰＶデバイスの電流（Ｉ）と電位とをプロットすることにより見つけられる（Ｅｍｅｒｙ，２００３）。これらの測定は、通常、１００ｍＷ／ｃｍ^２、つまり、１０００Ｗ／ｍ^２の日光−１日照と呼ばれ、地表の中央北半球における正午の雲のない条件に対する平均夏季日光（ＡＭ１.５地球）に相当する−を使用する標準試験条件（ＳＴＣ）の下で実行される。

電流に電位を掛けることにより得られる、ＰＶモジュールの出力曲線の実施例は、図１０に示されている。特性Ｅ_ｍｐｐおよびＩ_ｍｐｐ値を持つ、最大パワーポイント（ｍｐｐ）は、それぞれの光起電セルまたは直列の複数のセルからなるモジュールの特性である。図１０に示されているように、ＰＶシステムは、最適な抵抗（Ｅ_ｍｐｐ／Ｉ_ｍｐｐ）を持つ負荷の下で動作するときに最大の出力を発する。回路抵抗がきわめて低い場合、回路は、出力がゼロに近づく短絡回路状態に近づく（図１０）。出力が最大となるＰＶシステムの電位である最大パワーポイント電位（Ｅ_ｍｐｐ）は、Ｒは無限大に近づき、Ｉはゼロに近づく開回路電位（Ｅ_ｏｃ）よりも小さい。最適なＰＶ電池式電解システムは、Ｅ_ｍｐｐおよびＩ_ｍｐｐが電解セルの動作電圧（Ｅ_ｏｐｒ）および動作電流（Ｉ_ｏｐｅｒ）によく一致する、つまり、被除数（Ｅ_ｍｐｐ／Ｉ_ｍｐｐ）が電解セルの動作抵抗（Ｒ_ｏｐｅｒ）に一致するような特性最大パワーポイントを持たなければならない。電解セルの抵抗は非線形であり、非オーム抵抗性であるため、単純な抵抗計（ワイヤの抵抗を測定するような）で直接測定することはできず、ＰＶ電解システムを最適化する際に抵抗測定は使用されなかった。

しかし、ＰＶ電解システムは、（１）最適化されたアノードおよびカソード材料、電極上の最適な電流密度、および最適な電解液濃度を使用し、（２）動作電位の最も効率的範囲（Ｅ_ｏｐｅｒ＝１．８から２．５ボルト）に一致する最適なＥ_ｍｐｐ ２．５ボルトＤＣを与えるようにＰＶモジュールを設計することにより、このシステムのプロセスにより効果的に最適化できる。そのため、ＰＶ電解最適化の経験則では、１．８から２．５ボルトの最適化された電解セルＥ_ｏｐｅｒの最良の動作電位と一致する２．０から３．０ボルトＤＣのＥ_ｍｐｐのＰＶモジュールを使用する。この種類のＰＶモジュールに対するプロットされた電流および電力曲線と電位のグラフが図１１に例示されている。いくつかのＰＶ電解システムでは、２.５ボルトＤＣ（最大３.０ボルトＤＣまで）よりも高いＥ_ｍｐｐ値が単一電解セルからの水素発生のために最大の効率に到達する必要がある。結晶シリコンＰＶ材料のいくつかの実施例は、このシステムのプロセスにより最適化された。６つのｃ−Ｓｉ太陽電池（Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ Ｓｏｌａｒ）を直列接続することで、２．５ボルトＤＣのＥ_ｍｐｐで水素を発生する最高の最適な効率（７．２％）を得た。ＣＴ Ｓｏｌａｒ太陽電池の性能が優れている理由は、１太陽電池当たり０．４１ボルトのＥ_ｍｐｐ値を持ち、６個の太陽電池を直列につなぐと、Ｅ_ｍｐｐは２．４６ボルト（６×０．４１）となり、電解セルの最適なＥ_ｏｐｅｒ要件にきわめてよく一致するからである。

実用的な観点では、最適な電位よりも高い場合よりも最適電位よりも低い場合のほうが効率が急激に低下するため、電位（Ｅ_ｍｐｐおよびＥ_ｏｃ）が小さすぎることは、大きすぎることよりも悪いと思われる（図９および１１）。図１１は、さらに、最大の効率の電解を駆動するために必要なＰＶ電位（Ｅ_ｍｐｐおよびＥ_ｏｃ）の最適な範囲も示している。そのため、ＰＶ電解システムを作製する詳細な手順では、直列につないだ十分な数の太陽電池を使用して、Ｅ_ｍｐｐが２．５ボルトＤＣにできる限り近い、好ましくは２．０〜３．０ボルトの範囲（および／または３．０〜４．０ボルトの範囲のＥ_ｏｃ）、好ましくは下端よりもこれらの範囲の中位以上の部分に入るようにする。そのため、ＰＶモジュールのＥ_ｍｐｐが２．５ボルト未満（Ｅ_ｏｃは３．５ボルト未満）である場合、通常、さらに１つ太陽電池をそれぞれのモジュールと直列に加えなければならない。それぞれのモジュール内に太陽電池を追加すると、Ｅ_ｍｐｐは約０．４１ボルト、Ｅ_ｏｃは約０．６ボルトだけ増える。Ｅ_ｍｐｐが約２．５ボルトであるこれらの最適化された太陽電池システムのうちのいくつかは、図２に示されているように電解セルに並列に接続して全電流（Ｉ_ｏｐｅｒ）を増やすことにより水素をより高速に発生させることができる。単一の電解セルに接続された太陽電池について使用されているのと同じ方法を使用することにより、複数の電解セルを直列につないだ電解槽（つまり、マルチセル電解槽積層）に接続されたＰＶシステムに基づいてＰＶ電解システムを最適化することも可能であろう。マルチセルＰＶ電解槽の場合、最適化のプロセスは、単一電解セルの場合と同じように行われるが、ただし、Ｎ個のセルが直列につながっているマルチセル電解槽を動作させるために必要な最適ＰＶ電圧は、単一電解セルに必要な電圧の約Ｎ倍に等しい点が異なる。

このシステムおよび好ましい実施形態で決定された最適化されたＰＶ電解システムの要件は表２にまとめられている。最適化された実験ＰＶ電解システムの主要コンポーネントは、図１２に示されている。

この最適化プロセスの特徴を以下に示す。
報告されてているＰＶ電解効率よりも高い、最大７.２％の効率が得られる太陽水素発生を拡大する最適化プロセス。

効率７.２％の簡素化されたシステムにすることで水素発生のコストを１ｋｇ当たり約３ドルに下げ、電圧変換器、コントローラ、およびバッテリなどの多くの従来技術のコンポーネントをなくす。

ＰＶシステムの電流および面積の測定結果を使用する単純な効率決定を必要とする上述の効率最適化プロセスおよび最大の水素発生効率が得られる直列の太陽電池の個数を推定するためのメーカーのｍｐｐ仕様の使用。

（１）ニッケルフォイルカソード（水素発生電極）、（２）上述のように特殊処理された二酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）コーティングニッケルフォイルアノード（酸素発生電極）、（３）５Ｍの水酸化カリウム水溶液の電解質溶液、（４）２．０から３．０ボルトの最適なＥ_ｍｐｐを発生する直列の６または７個の結晶シリコン太陽電池からなるＰＶシステム、（５）ＰＶシステムを電解室内の電極に電気的に接続する図２に示されているようなワイヤまたは電流計などの外部回路、および（６）水素および酸素ガスの気泡が室の上部まで個別に上昇できるように電解室の上部から電極の底部の下の地点まで不浸透性仕切板により分離されたカソードおよびアノードセクションからなる電解室からなる最適化されたＰＶ電解システム設計および好ましい実施形態。しかし、アノードおよびカソードセクションの電解液は、図２に示されているように電解室の底部にある開口部または塩橋により接続され、イオン輸送および電解が発生するために必要な電極の間の電気的接続を形成する。水素燃料を製造するために必要なガス発生システムのバランスが必要とするのは、市販のガス精製機器、配管、圧縮、および貯蔵モジュールのみである。

このシステム内の最適化されたＰＶ電解システムは、適切な耐食カプセル化を施し、ＰＶシステム上に自然光を集束、集中させることにより水素発生率を高めるプラスチック製専用設計の室内の光電気化学的デバイスを使用する自給自足型拡大太陽水素発生器内の光電気化学的（ＰＥＣ）デバイスとなるようにできる。これにより、水素発生率を数倍高めることも可能であろう。このような専用室のこのシステムの最適化された設計を使用すると、さらに、ＰＥＣ反応炉内の最適な電流密度を達成するために必要なＰＶパネルの面積を小さくすることにより水素燃料発生コストを著しく下げられる。

本発明によるＰＶ電解システムの再生可能太陽水素発生に関するコスト推定値は、同じ距離に関してガソリン並に低くなることが予想される。最適化されたＰＶ電解水素発生は、最新の光起電および電解槽技術から得られる太陽発生水素について相当するガソリン３.７８５リットル（１ガロン）当たり１１ドル以上と比較して、ガソリン３.７８５リットル（１ガロン）当たり２〜３ドルのコストがかかる可能性がある。

本システムの拡大され最適化されたＰＶ電解設計は、市販されている光起電セルおよび電解槽を利用し、空気汚染または地球温暖化を引き起こすことなく自家燃料またはさまざまな大規模または小規模車両燃料供給プロジェクトで水素を発生することができる安価で実用的な燃料供給システムを作製することにより、現在市販されている製造プロセスとともに製造できる。その結果得られる太陽水素システムの効率、耐久性、およびコストがこれまでに調べられてきており、従来の化石燃料との競合力を有するであろう。さらに、このデバイスのサイズの拡大は、複数のＰＶモジュールをより大きな電解セルに接続すること、および／または多数の小型反応炉の水素ガス出力を共通貯蔵システムに接続することだけを必要とするため、直線的でなければならない。

従来技術の電解槽に接続された最新の光起電モジュールは水の分解にも使用することができるが、水素のコスト（相当するガソリン３.７８５リットル（１ガロン）当たり１１ドルを超える）は、同じことを行う本発明の最適化されたＰＶ電解設計またはＰＥＣデバイスから出る水素に比べてかなり高くつくであろう。前記の光起電デバイスのいずれも（単一または複数接合アモルファスシリコンおよび結晶シリコン）、ＫＯＨ溶液と日光とともにシステム内で使用することが可能である。

最適化されたＰＶ電解システムは、ＡＭ１.５地球（これは、北部米国の夏季の雲のない日のほぼ正午の日照である）と呼ばれる条件について約７％の効率を有する。このような条件では、１０００Ｗ／ｍ^２の約６〜８時間分に相当する照度を与えることができる。このような条件では、このシステムは、現在このようなシステムを作製しさらに改善するためにサプライヤと手を組んで再生可能な、汚染を引き起こさない、水素燃料を供給する実用的手段となる。太陽水素燃料供給システムは、米国のほとんどの地域で建設することが可能であるが、南西部砂漠地帯およびサンベルト地域において最も生産的であろう。このシステムは、水素出力は低いが、曇りの日でも稼働する。市販の太陽電池で現在使用されている保護面（オゾンおよび他の大気汚染物質の攻撃に耐性のあるガラスおよびプラスチック）も、本発明の電解システムで使用される５Ｍ ＫＯＨの攻撃に耐える。

本発明の説明は、本質的に単に例示的であるにすぎず、本発明の主旨から逸脱しない変更形態は、本発明の範囲内にあることが意図される。このような変更形態は、本発明の精神および範囲からの逸脱とみなされない。

従来技術の光起電源、電解槽、およびその他のハードウェアから構成される従来技術の光起電電解セル水素発生システムの図である。 最適な電解電位が低過電位電極−本発明の教示によるＮｉのカソードおよびＮｉ−ＲｕＯ_２のアノードを有するアルカリ電解セルに並列接続された太陽電池を使用する光起電電解（ＰＶ電解）システムの簡素化され、最適化された設計を示す図である。 ＰＶ電解パラメータの測定方法を示す図である。 ＰＶ電解効率に対する異なるアノード材料の影響（太陽エネルギー対水素エネルギー変換効率）を示すグラフである。 電解効率に対する電極電流密度の影響を示す図である。 ＰＶ電解効率を試験するために使用される直列のさまざまな数の結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）太陽電池の開回路電圧（Ｅ_ｏｃ）を示す図である。 さまざまな数の直列のｃ−Ｓｉ太陽電池を使用してＰＶ電解試験で測定された電解動作電流（Ｉ_ｏｐｅｒ）を示す図である。 ＰＶ電解システムの効率（太陽エネルギー対水素変換効率との比）を直列のｃ−Ｓｉ太陽電池の個数の関数として示す図である。 高効率電解セルと直列につながるＣｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ Ｓｏｌａｒのｃ−Ｓｉ太陽電池から得られる一定範囲内の電位を使って測定されたＰＶ電解システムの最適な効率に対応するＥ_ｏｃを示す図である。 光起電モジュールの電流および電力対電位を示す図である。最大パワーポイント（ｍｐｐ）での電流が識別されている。 直列接続で配線されているＣｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ Ｓｏｌａｒのｃ−Ｓｉ太陽電池を使用するＰＶ電解に対する最適な効率範囲を示す図である。この図は、さらに、Ｅ_ｏｃ、Ｅ_ｍｐｐ、およびＩ_ｏｐｅｒを含む他のいくつかのパラメータを、低過電位電極−ＮｉのカソードおよびＮｉ−ＲｕＯ_２のアノードを持つアルカリ電解セルに直列に配線されたｃ−Ｓｉ太陽電池の個数の関数として示す図である。 ａ−Ｓｉおよびｃ−Ｓｉ太陽モジュール、およびＰＶ電解による水素発生効率を最適化するために使用されるタンク型の炉および電極を示す写真である。 最適な電解電位が低過電位電極−ＮｉのカソードおよびＮｉ−ＲｕＯ_２のアノードを有するアルカリ電解セルに直列接続された太陽電池を使用するＰＶ電解システムの簡素化され、最適化された設計を示す図である。図１３のような複数のＰＶ電解システムは、さらに、本発明により考察される。 最適な電解電位が低過電位電極−ＮｉのカソードおよびＮｉ−ＲｕＯ_２のアノードを有するアルカリ電解セルに並列接続された太陽電池を使用する図２のようなＰＶ電解システムの簡素化され、最適化された設計を示し、またモジュール毎に直列につながる６個のセルの詳細を示す図である。

Claims (35)

1. 水を電解して水素を発生させるための電力を供給する、少なくとも１つの光起電（ＰＶ）セルを備える電解システムを稼働させる方法であって、
   ａ）前記光起電セルの負荷の下で実際の電圧と実際の電流との間の所定の関係に基づき前記光起電セルの最大パワーポイント電圧（Ｅ_ｍｐｐ）を決定するステップと、
   ｂ）所望の電圧を得て水を電解し、要求された電解システム損失条件を満たすように接続される前記Ｅ_ｍｐｐでのセルの個数を決定するステップとを含む方法。
2. 前記個数のセルは、直列であり、１つのモジュールを構成する請求項１に記載の方法。
3. 前記モジュールは、２から３ボルトの範囲内の総Ｅ_ｍｐｐを持つ請求項２に記載の方法。
4. 前記モジュールは、約２．５ボルトの総Ｅ_ｍｐｐを持つ請求項２に記載の方法。
5. 前記所望の電圧は、１．５から３．０ボルトの範囲内の動作電圧である請求項１に記載の方法。
6. 前記所望の電圧は、単一の電解セルに対し１．８から２．５ボルトの範囲内の動作電圧である請求項１に記載の方法。
7. 前記個数のセルの前記Ｅ_ｍｐｐは、３から４ボルトの範囲内の開回路電圧に対応する請求項１に記載の方法。
8. それぞれの前記セルの前記Ｅ_ｍｐｐは、約０.４１ボルトであり、前記クラスタは、直列接続された６個のセルを含む請求項２に記載の方法。
9. それぞれの前記セルの前記Ｅ_ｍｐｐは、約０．４１ボルトであり、前記所望の動作電圧は、約２．５ボルトである請求項１に記載の方法。
10. 複数の前記モジュールは、並列に配列される請求項２に記載の方法。
11. 前記システムの水素発生率は、前記複数のモジュールの個数に比例する請求項１０に記載の方法。
12. 水を電解して水素を発生させるための電力を供給する、少なくとも１つの光起電（ＰＶ）セルを備える電解システムを稼働させる方法であって、
    ａ）前記光起電セルの少なくとも１つの負荷の下で実際の電圧と実際の電流との間の関係を決定するステップと、
    ｂ）前記関係に基づいて前記光起電セルの最大パワーポイント電圧（Ｅ_ｍｐｐ）を決定するステップと、
    ｂ）所望の電圧を得て水を電解および分解し、電解システム損失条件を満たすように前記Ｅ_ｍｐｐでの直列のセルの個数を決定するステップとを含む方法。
13. 水を電解して水素を発生させるための電力を供給する、少なくとも１つの光起電（ＰＶ）セルを備える電解システムを稼働させる方法であって、
    所望の電圧を得て水を電解し、前記光起電セルの前記最大パワーポイント電圧（Ｅ_ｍｐｐ）に基づき電解システム損失条件を満たすように直列の光起電セルの個数を決定するステップを含む方法。
14. 少なくとも１つの光起電（ＰＶ）セル、および前記光起電セルに関連する電極を備え、水を電解して水素を発生させる電解システムを稼働させる方法であって、
    所望の電圧を得て水を電解し、前記光起電セルの最大パワーポイント電圧（Ｅ_ｍｐｐ）に基づき電解システム損失条件を満たすように光起電セルの個数を決定するステップと、
    電解効率と電流密度との間の所定の関係に基づいて前記電極の最大電流密度を決定するステップとを含む方法。
15. 前記電流密度は、電解電流および光起電セル面積に基づく請求項１４に記載の方法。
16. 前記光起電セルは、ａ−Ｓｉベースの多重接合半導体材料またはｃ−Ｓｉベースの単一接合セル半導体材料を含む請求項１４に記載の方法。
17. 前記電極のうちの１つは、光アノードまたは光カソードのうちの一方である請求項１４に記載の方法。
18. 前記所望の電圧は、１．５から３．０ボルトの範囲内の動作電圧である請求項１４に記載の方法。
19. 前記所望の電圧は、１．５Ｖよりも高い動作電圧である請求項１４に記載の方法。
20. 前記所望の電圧は、１．８Ｖよりも高い動作電圧である請求項１４に記載の方法。
21. 前記個数のセルの前記Ｅ_ｍｐｐは、２．５Ｖ以上である請求項１４に記載の方法。
22. 前記個数のセルの前記Ｅ_ｍｐｐ電圧は、２から３ボルトの範囲内である請求項１４に記載の方法。
23. 前記動作電圧は、３から４ボルトの範囲内の開回路電圧に対応する請求項１４に記載の方法。
24. 前記開回路電圧は、５Ｖ未満である請求項１４に記載の方法。
25. 前記個数のセルの前記Ｅ_ｍｐｐ電圧は、４Ｖ未満である請求項１４に記載の方法。
26. 前記最大電流密度は、１平方センチメートル当たり１２ミリアンペア未満である請求項１４に記載の方法。
27. 前記個数のセルは、直列であり、光起電モジュールを構成する請求項１４に記載の方法。
28. 前記電解システムは、複数の前記光起電モジュールを含む請求項２７に記載の方法。
29. それぞれの前記光起電モジュールは、アノード、カソード、および電解液を含むそれぞれの電解回路内で水素を発生する最適な電圧を発生する請求項２８に記載の方法。
30. ニッケルベースのカソード、および酸化ルテニウム層およびニッケルベースの層を含むアノードを使用する、１．８から２．５ボルトＤＣ（Ｅ_ｏｐｅｒ）、１ｃｍ^２当たり１２ミリアンペア未満の電流密度を供給する少なくとも１つの光起電（ＰＶ）セルを備える電解システム。
31. ＫＯＨを含む電解液を含む請求項３０に記載の電解システム。
32. ５モルのＫＯＨを含む電解液を含む請求項３０に記載の電解システム。
33. ２から４ボルトＤＣの開回路電圧を有する請求項３０に記載の電解システム。
34. ２．５から３．５ボルトＤＣの開回路電圧を有する請求項３０に記載の電解システム。
35. 水を電解して水素を発生させるための電力を供給する少なくとも１つの光起電（ＰＶ）セルを備える電解システムであって、水を電解し、前記光起電セルの最大パワーポイント電圧に基づき電解システム損失条件を満たすことができる十分な電圧を有する直列の複数の個数の光起電セルを備える電解システム。

Images