JP4741520B2 - 光電気化学装置、該光電気化学装置を作る方法及び水素を形成する装置 - Google Patents

Description

本発明は、水の電気分解装置に係り、より詳しくは、水素を生成するため水を太陽光電気分解する光電気化学（ＰＥＣ）装置に関する。

現在、水素が製造される主要なプロセスは、メタンの蒸気改質によってなされている。水素を作る別の手段は、水の電気分解によるものである。電気分解のため要求される電気は、主要には、電力グリッド及びグリッド電流の優勢な源から引き出されるが、化石燃料の燃焼は、酸化窒素及び微粒子並びに二酸化炭素等の排気物を発生する。そのような排気物を無くすための一つの方法は、水素を作るように水を電気分解するため太陽発電電気を使用することである。現在のところ、効率、耐久性及び水素生成プロセスのコストを改善することに様々な努力が向けられている。小さいクォーツ電池に収容されたプラチナ電極と共に、特殊に被覆された研究グレードのアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）太陽電池を使用した小型ＰＥＣ装置は、２００３年９月１５日に出願された、米国特許出願シリアル番号１０／６６２，８５３号、２００３燃料電池６月２７日に出願された米国特許出願シリアル番号６０８，５０９号に開示されている。それらの内容は、ここで参照したことにより本願の全体的な教えとして組み込まれる。

しかし、水を水素及び酸素に分解するため電解処理器と共に電気を作る太陽電池から構成されたシステムは、メタンの蒸気改質により水素を生成する工程と比べてコスト高である。車両燃料供給ステーションに燃料を供給するべく水素ガスを生成する、これらの試みは、水を分解するため光起電性パネル及び市販の電気分解装置からの電気を使用することによってなされてきている。しかし、これらのプロジェクトは、不満足であることが判明した。これらは、組み合わされた技術の低効率及び高いコストに起因して通常、短命であった。該技術は、太陽エネルギーの２％から６％を水素燃料エネルギーに変換することしかできず、かくして、コストを非常に増大させ、その結果、水素燃料コスト（水素の１ｋｇ当たり少なくとも１１ドル）及びシステムにより覆われた広い面積を非常に増大させた。

従来技術の上記欠点を克服するため、太陽光を使用した水の分解（光電気分解）から水素を形成するための装置が提供される。本システムは、分解されるべき水性電解質溶液を保持すると共に光収集レンズとしても作用する水性流体充填コンテナを利用する。光起電性モジュール（光起電性電池を一緒に配線した収集物）が、前記流体充填コンテナからの屈折光を非常に効率的に受け取るための位置に配置される。一対の電極が、前記電解質溶液内に配置された光起電性電池に連結され、且つ、該電解質溶液内の水を水素と酸素とに分解するように構成される。

本発明の一態様では、前記装置は、第１及び第２のチャンバーを持ち、該チャンバーの間に流体通路を備える。光起電性モジュールと電極とは、第１のチャンバー内で流体に連結され、第２の反対側電極は、第２のチャンバー内に配置される。光合焦要素は、光起電性モジュールと連係される。

本発明の別の態様では、太陽光を使用した水の分解のための、曲げやすいポリマー材料から形成された光電気化学装置が提供される。チャンバーは、水性電解質溶液で充填されたときい流体充填レンズを形成するように構成された、曲げやすいポリマー材料から形成される。光起電性モジュールは、流体充填レンズから収集された光をＤＣ電流に変換するため流体充填レンズの焦点に対して位置決めされる。光起電性モジュールからのＤＣ電流は、電解質溶液を水素と酸素とに分解するための使用される。

本発明は次の詳細な説明及び添付図面からより完全に理解されるようになる。

好ましい実施例の次の説明は、本質上単なる例示にしか過ぎず、本発明、その用途又はその使用法を限定するものではない。本発明の一態様では、水を水素及び酸素に直接分解するため太陽エネルギーを使用する電気分解チャンバーと、光起電性（ＰＶ）電池（光起電性モジュール）との一体型結合である、光電気化学（ＰＥＣ）システムが提供されている。本発明は、単一の低コスト材料即ちプラスチックフィルム又はアクリルシートのチャンバー、市販されている結晶性シリコン（ｃ−Ｓｉ）ＰＶ電池、Ｎｉ電極及びＮｉ被覆電極、並びに、基本電解質（分離したＫＯＨを含む水）に基づいたＰＥＣシステムからなる自己充足型の太陽水素発電器のための設計に関する。チャンバーの独自設計は、（１）水素及び酸素の分離へと導き、（２）ＰＶ電池上に太陽光を合焦し、それにより、より小さい電池領域がより多くの水素を形成し（光電性能増加）、（３）製造を容易にすることを可能にする。

上記点において、図４のシステムは、分解された水性溶液を保持するように構成された光学的に透明なコンテナ１を利用している。光学的に透明なコンテナ１は、光起電性電池５上に収集光を合焦させる液体充填レンズを形成するように形状が定められている。これらの光起電性電池５は、合焦光を直流（ＤＣ）電気に変換し、該電気は、コンテナ１の溶液内の水を分解するため使用される。

透明コンテナ１は、コンテナの内部及び外部のいずれの位置にも光を合焦させるように構成することができる。光起電性電池５は、光起電性電池５に入る光の量を最適にする位置に配置される。光起電性電池の出力を最大にするように選択されたこの位置は、透明コンテナ１により形成された流体充填レンズの焦点又はおおよその焦点を表しているが、或いは表していないこともあり得る。

オプションで１．８から２．４ボルトの開放回路出力電圧を備えたａ−Ｓｉ三重接合材料のＰＶ電池を水分離のため使用することができるが、２．４〜３．６ボルトのＶ_ＯＣを生成するため直列接続されたより容易に利用可能なｃ−ＳｉＰＶ電池は、より大きい効率で、水を分解する傾向を持っている。オプションで、ＰＶ電池を、アモルファスシリコン、結晶性シリコン、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、ニセレン化銅インジウム（ＣｕｌｎＳｅ_２）、又は、それらの組み合わせから形成することができることも想到される。この点において、粘性材料から形成された一連の電池を、一緒に電気的に結合することができる。

このより高い電圧は、水を分解するための最小電圧（１．２３ボルト）を提供すると共に、（１）特に酸素電極における水分離反応の活性化エネルギー、（２）質量輸送効果、及び、（３）電極及び電解質を備える電気回路の抵抗に起因した過電圧効果を克服するため必要とされている。

従来では、たいていの実験的ＰＥＣ装置は、通常、面積にして１ｃｍ^２以下と非常に小さく、微小な率で水素を放出し得る非常に小さい電流しか生成していなかった。ＰＶ装置の表面積が大きくなればなるほど、生成される電流はより多くなると共に水素の生成率はより大きくなる。ｃ−Ｓｉ光起電性電池から作られたＰＥＣ装置（ＰＥＣシステム）を太陽電池が一緒に適切にワイヤ配線された状態で約４１５ｃｍ^２の総面積にスケールアップすることは、より多くの実用的な使用法のためのより高い水素の流量を生成する。

本発明の設計の重要な特徴は、ｃ−ＳｉのＰＶ電池５と、電極３及び４と、電解質溶液とを備える、二重チャンバーの自給式の電気分解電池１である。電気分解電池１は、２つのチャンバー又はブラッダーＡ及びＢ、即ち、水素が発生するカソードの回りのチャンバーＡと酸素が発生するアノードの回りのチャンバーＢとを形成する可撓性プラスチックフィルムの層から構成される。光は、電気分解チャンバーの一方の側を直接通って、ＰＥＣ装置に入る。適切なフィルムは、光透過性、半透明、及び／又は、透明である。適切なフィルムは、光の約９０％を伝達し、ＰＦＡテフロン、ＦＥＰテフロン、テフゼル、ポリエステル、ポリエチレン及びポリプロプレン等のクリアプラスチックを含む腐食性電解質溶液による攻撃に耐える。

図４に示された２つのチャンバーは頂部と側部とにおいて分離され、それにより電解質溶液から（ガスの浮力に起因して）上昇した水素と酸素のガスが混合することができないようになっているが、２つのチャンバーは、それらの底部で連結され、イオンの移動を可能にしている。更には、この設計では、Ｎｉカソード３及び被覆Ｎｉアノード４は、水をその構成要素、即ち水素と酸素とに分離するため、電流が該カソード及び該アノードの間を流れることができるように、基本的な電解質内で安定し、電解質から絶縁された回路と電気的に接続されている。この設計は、完全なＰＥＣシステムの容易な組み立てライン製造を可能にしている。ＰＶ電池５、電極３及び４、電気的接続、封じ込め被覆、及び、プラスチックフィルム電気分解チャンバーは、連続的シーケンスの作業で組み立てることができる。

本発明における設計は、多重ユニットを一緒に接続することにより更にスケールアップし、燃料電池車両又は常備燃料電池にパワーを供給することを始めとした実用的な目的のために使用することができる。

図１は、単一チャンバーバッグ反応器の内部に取り付けられた約３６２ｃｍ^２の面積を有するａ−Ｓｉを基にしたＰＥＣシステムを示している。太陽電池は、ユニパック−１０ａ−Ｐｉパネル（ＭＩ、トロイ、ユニソーラー）を切断し、電流を増大させるため、６個の太陽電池を並列に配線することにより得られた。ａ−Ｓｉ太陽電池は、導電性ドーピング酸化スズ（３ｍｍ厚のＴｅｃ７ビルキントンガラス）で被覆されたガラスプレートに接続された。この組み合わせは、光アノードとして作用した。太陽電池のテフゼルコーティングは、基本的電解質による腐食攻撃から太陽電池を保護した。テフゼルコーティングは、雨やオゾン等の野外の要素から太陽電池を保護するため通常使用されているフルオロポリマーである。Ｎｉワイヤメッシュカソードは、光アノードの背後に取り付けられていた。光アノードは、該アノードの表面上に発生したＯ_２がＮｉカソード上に発生したＨ_２と混合することを防止する試みにおいて、バッグ反応器の側部にエポキシ樹脂で接着された。ガスは反応器の頂部にまで上昇し、取り付け部品を通って出て行くことが意図された。しかし、ＰＶモジュール／電極アッセンブリをバッグの側部に密封する困難さは、チャンバーの間の漏れをもたらした。また、約４％だった効率は、ドーピングされた酸化スズによる光の吸収（〜２０％）、低い開回路電圧（Ｖ_ＯＣ）〜１．８ボルト、及び、ドーピングされた酸化スズのその抵抗に起因した過電圧（ＰＶ電池との電気的接続が外側エッジの回りに作られた）、並びに、Ｏ_２生成のための、ドーピングされた酸化スズに関する有効な触媒活性の欠如によって減少された。

この初期の努力に続いて、他の反応器が同様の設計を使用して構成された。同定された３つの制限は、（１）Ｎｉメッシュは、ＫＯＨ溶液と電極との間の有効接触を防止することによって、電極表面にくっついて過電圧に寄与する、過剰の泡を保持する傾向にあった。（２）ドーピングされた酸化スズが、金属エポキシの接続部が電解質にさらされるところのエッジにおいてほとんどのガスを生成する。（３）単一チャンバーバッグ設計は、電極構成を困難にし、ガス収集に不利となる漏れの一因となった。

図４を参照すると、コネティカットソーラー１０Ｗの高速太陽パネルから得られたｃ−ＳｉＰＶ電池５に基づくＰＥＣ反応器が、流体充填コンテナに連結される。パネルは、１２Ｖバッテリーを充填するため十分な電圧のモジュールを生成するため２０個の電池が一緒にワイヤ配線され、クリアエポキシシールドで被覆された状態で提供される。パネルは、２つの電池が一緒に内部で配線されたユニット（各々約１．２ボルトＶ_ＯＣ）へと切断され、３つのそのようなユニットが、約１３８ｃｍ^２の面積で３．６ボルトＶ_ＯＣを生成するため一緒に直列に配線された。晴れた日に、そのようなユニットは、Ｎｉフォイルカソードと、３５０℃における焼結プロセスを使用してＲｕＯ_２で被覆されたＮｉフォイルアノードと、を使用して構築された小型電気分解装置内で０．７６Ａを発生した。電気分解装置内の各々の電極３及び４は、約１２８ｃｍ^２の面積を持っていた。水素生成効率は、太陽電池の面積及び自然の太陽光の強度に基づいて７．１％であった。

上記ＰＶユニットのうち３つは、並列に配線されて約１４５ｃｍ^２の面積を備えた場合、後述される約４１ｃｍ×約４１ｃｍ（１６インチ×１６インチ）ＰＥＣバッグ反応器内に設置したときなどのように、より大きなアノード及びカソードを備えたＰＥＣ電気分解電池において、少なくとも２．２８Ａを生成した。

図２に示されたものは、可撓性プラスチックから作られた、２つに分割したチャンバー１及び２、即ち、アノード及びカソードのための別個のチャンバーＡ及びＢを備えたバッグ反応器を利用したＰＥＣシステムである。この設計は、従来技術システムを超える幾つかの利点を持っていた。これらの利点には、（１）製造の容易さ、（２）反応器の底部における内部塩ブリッジを通って一方の側から他方の側へとイオンが容易に移動することを可能にしたこと、（３）ガス即ちＨ_２及びＯ_２を互いに分離された状態に容易に維持し、それらのガスが電解質から分離されたチャンバーの頂部に上昇することを可能にしたこと、（４）電気分解効率を増大させるためＰＶパネルへの単一ワイヤ接続を備えた、より効率的な触媒金属フォイル電極を使用したこと、並びに、（５）ＰＶパネル上に太陽光を合焦させるため反応器の湾曲表面を使用し、これによって単位面積当たりの効率を増大させたことが含まれている。この反応器は、利用可能なポリエステルフィルムチューブ材料を使用し、ＰＶパネルを、反応器チャンバー内部に取り付け、電解質溶液により取り囲まれている。溶液は、その湾曲コンテナの形状を取るが、反応器は、太陽放射をＰＶ電池に増大した強度で合焦させる凸レンズとして作用した。この増大は、構築され、既知の太陽エネルギーセンサーに対して較正した水中作動式の光検出システムを使用して測定された。１０月の雲の無い晴れた日に、太陽に向けられた反応器を用いて、約４１ｃｍ×約４１ｃｍ（１６インチ×１６インチ）のポリエステルバッグの内部で湾曲壁から約５．１ｃｍ（約２インチ）から約７．６ｃｍ（約３インチ）までの位置で太陽放射度において１．２倍の増大が測定された。

実用上の観点では、上記のことが意味することは、液体で充填されたとき（液体で充填されたときの平坦な表面の湾曲に起因して）約３６ｃｍ×約３６ｃｍ（１４インチ×１４インチ）の断面積を有する約４１ｃｍ×約４１ｃｍ（１６インチ×１６インチ）のバッグのＰＥＣ反応器は、ＰＶモジュールのこの与えられたサイズに対して１．２倍多くのパワーまで発生するためにＰＶパネルのより小さい約２３ｃｍ×約２３ｃｍ（９インチ×９インチ）のシステムを包含することができるということである。

図３に示されるように、約４１ｃｍ（１６インチ）幅で４．５ミル厚である透明なポリエステルフィルムチューブ材料（ＭＮ、ミネアポリス、カパック社のモデル番号ＴＲＳ−１６１２５）が、バッグ反応器（www.kapak.com）を構成するため使用された。チューブ材料（エッジにおいて密封されたフィルムの２フィルム分の厚さの一巻きに言及する）のうち約１０２ｃｍ（４０インチ）の長さが切断された。次に、コルク穿孔器を使用して、隔壁取り付け部品を受け入れるため４つの孔が作られた。各側にテフロンワッシャーを備えた約０．３２ｃｍ（１／８インチ）外径のテフロン隔壁取り付け部品が、各孔内に挿入され、締め付けられた。ＰＶ電池及び電極が、バッグ内に置かれ、ワイヤが、隔壁取り付け部品のうち２つ（フィルムのエッジから約１５ｃｍ（６インチ）のところにあった取り付け部品）に保持された隔膜を通して配備された。

ヒートシール部が、フィルムのため特に設計された熱シーラー（カパック社、モデル１１８、１２５ワットのポーチシーラー）を使用して作られた。第１に、電極及びＰＶ電池の挿入の後、ヒートシール部がバッグの各端部から約５．１ｃｍ（２インチ）に作られた。第２には、バッグの各端部において、１枚分の厚さのフィルムが、約０．９５ｃｍ（３／８インチ）幅のヒートシール部（フィルムの約２インチ×約１６インチ）以内まで除去された。第３には、バッグは、約４１ｃｍ×約５１ｃｍ（１６インチ×２０インチ）のシステムを形成するように折り重ねられた。第４には、重なり合った約４１ｃｍ（１６インチ）幅のフィルムのエッジに沿った約０．９５ｃｍ（３／８インチ）幅のヒートシール部（フィルムの約５．１ｃｍ×約４１ｃｍ（約２インチ×約１６インチ））が、両端部で支持された長さ約６１ｃｍ（２フィート）、約１．３ｃｍ（０．５インチ）外径のアルミニウムロッド上で反応器を吊り下げるように使用されるループを形成するため、作られた。最終的なヒートシール前に、当該端部において一枚分の厚さにまでフィルムをトリミングすることが必要となる。４枚分の厚さのフィルムは、一緒に熱密封することができなかったからである。次に、反応器が、５ＭのＫＯＨで、隔膜を含む２つの下側隔壁取り付け部品の僅か下方の高さまで充填された。分割されたチャンバーは、２つのチャンバーを形成するため折り重ねられたチューブ材料から形成されているので、分離区画室Ａ及びＢを形成するためバッグの側部に電極を熱密封することは必ずしも必要とはならない。換言すれば、ＰＶパネル及び／又は電極は、溶液柱に浮かんでいるか又は保持されており、それによって、ＰＶパネルがバッグのサイズと厳密に同じである必要はなく、二重チャンバー設計は、ＰＶパネルのエッジにバッグを熱密封する必要性を無くす。かくして、長さ約１０２ｃｍ（４０インチ）で幅約４１ｃｍ（１６インチ）のチューブ形状の材料が折り畳まれ、その両端部は一緒に密封されて長さ約５１ｃｍ（２０インチ）で幅約４１ｃｍ（１６インチ）の反応器を形成した。この反応器が電解質（約１２〜１５リットルの体積）で充填されたとき、図２に示される形状を達成する。

本発明の光反応器は、次の利点を有する。即ち、（１）容易に利用可能な材料を使用した簡単な設計、及び、（２）雲の無い晴れた条件下における１．２以上の因子の性能向上である。光電性能増加効果の実用的な説明として、次の例を考えよ。典型的には、ｃ−Ｓｉ太陽電池は、少なくとも１０％、１７％までさえものＰＶ効率を備えたもの（シャープモデルＮＴ１８５Ｕ１）が市販されている。そのような電池は、前述されたＮｉ／ＲｕＯ_２−Ｎｉの電気分解システム内で約７０％の電気分解効率で水を分解するため十分な電圧（約３．６ボルト）を生成するため使用されている。かくして、そのようなＰＶ／電気分解装置の組み合わせを用いた全システム効率は、７％から１２％となる。太陽光が１．２の光電性能増加度を生じさせるため合焦されるところのバッグ反応器の内部の位置で、そのようなＰＶシステムを電極システムと共に組み立てることによって、与えられたＰＶ電池サイズに対して１．２の因子で全水素生成率が上昇する。

ＰＥＣシステムのためのＰＶシステムの好ましい実施例は、約３．６ボルトの開回路電圧ＶＯＣのモジュールを生成するため一緒に配線されたｃ−Ｓｉ太陽電池を使用する。構築された幾つかのプロトタイプの反応器にとって、ｃ−Ｓｉ電池は、上述されたように、コネクチカットソーラーの１０Ｗ高速太陽パネル（コネクチカットソーラー、プットナム、ＣＴ）から得られた。これらのプロトタイプを構築するため、非伝導性エポキシが、個々のプラスチック被覆ＰＶ電池及び覆い金属コネクターのエッジの回りを密封するため使用された。しかし、好ましい実施例では、電池は、一緒に配線され、クリアエポキシの覆いの下で保護された一つの一体型ユニットとして製造される。ＰＶパネルからの正のワイヤは、アノードに接続され、該アノードは、約３０ｃｍ×約３０ｃｍ（約１２インチ×約１２インチ）のＮｉフォイルのＲｕＯ_２被覆部品であり、５ＭのＫＯＨ中に浸漬されている。酸素が生成されるアノードは、右側チャンバー内のＰＶ電池の背後に取り付けられる。ＰＶ電池の負のワイヤ８は、ガス気密隔膜を通って右側チャンバーから出る。次に、負のワイヤは、ガス気密ワイヤを通って左側チャンバーに入り、後述される左側チャンバー内のカソード３へと接続される。また、ワイヤの絶縁部が隔壁取り付け部品上のフェルールとのガス気密接続を形成するような態様で、該ワイヤを隔壁取り付け部品を通して出させることも可能となる。

好ましいカソード３の設計は、水素を生成するため左側チャンバー内に取り付けられたＮｉフォイルを利用している。Ｎｉフォイルは、チャンバーのアノード側で使用されているものとサイズ約３０ｃｍ×約３０ｃｍ（１２インチ×１２インチ）が同一であるべきである。このことは、泡保持問題を克服することが見出された。また、電極は、より短い長さの同じ電極面積を得るためアコーディオン状パターンで形成することもできる。かくして、アノード、カソード又はそれらの両方は、波形状、回旋状、又は、鋸歯状の形態に形成される。更に加えて、一つ又は両方の電極の反応表面が、そのような波形状、回旋状、又は、鋸歯状の形態にある。ＰＶ電池も、そのような波形状、回旋状、又は、鋸歯状の形態にあってもよい。電極の頂部に接続され、電解質から絶縁されたワイヤは、左側チャンバーにおけるガス気密隔膜を通過し、次に、上述されたようにアノードに接続される。ワイヤは、電極を支持することもできる。

反応器の底部にある内部塩ブリッジ（反応器の２つのチャンバーを接続する開口部）は、一方の側から他方の側へのイオンの容易な輸送を可能にしているが、ガスの泡の輸送は可能としていない。非常に浮遊性のあるガスは、チャンバーの頂部へと上昇し、容易に収集された。反応器は、連続的な流れを提供しないが、各側の圧力がチャンバーＡ及びＢ内の膨らみを引き起こし、崩壊してガスを解放したとき、短期間のバーストでガスを解放した。この制限は、多量のガスが収集され、クリーンにされ、貯蔵のため加圧される反応器にとっては、重大なものではない。鋭敏な流量計を備えた反応器の出力を測定する際に不便であっただけである。この問題を解決するために、例えばアクリルプラスチックシートから作られたタンク等の剛性の反応器（図５及び図６参照）が、より利便的であることが判明した。

湾曲チャンバー１（図２−バッグ反応器及び図５−剛性球状タンク反応器）の光電性能増加度を決定するため、一連のテストが実行された。これらのテストは、様々なチャンバーに対してパネルのサイズ／形状及び位置の様々な形態を使用して、１．２乃至８．６の光電性能増加度を見出した。曲げやすいチャンバーは、電解質で充填され、重力作用を受けたとき、システムの光電性能増加度を最大にする特殊な焦点及びＰＶ位置を持つように構成することができると考えられる。例えば、太陽エネルギーは、ＵＤＴのｃ−Ｓｉ青色強化太陽電池を使用して測定された。ＵＤＴｃ−Ｓｉ太陽電池は、米国エネルギー省（ＤＯＥ）標準規格、並びに、ＡＭ１．５世界出力（これは、太陽に向かって３７度の角度で傾斜された検出器上に照射する雲の無い日の太陽正午時における放射度におおよそ等しい）をシミュレートするため作動された太陽シミュレータと比較することにより較正された。実用的な較正は、夏至近くの曇りやかすみの無い日に「一太陽」を測定することによって得られた。この実用的な一太陽較正は、ＤＯＥ標準と相互比較した際に得られた値と厳密に一致していた。

バッグ反応器の内部の点における放射度を測定するため、小さな水中作動式の光測定装置が次のように作られた。第１には、小型のｃ−Ｓｉ太陽電池（０．７９×０．５８×０．１８ｃｍ（０．３１×０．２３×０．０７インチ）のプラスチック製キャリア上に取り付けられた小型太陽電池であるＯＫソーラー、ＯＫ−２電池）は、迅速乾燥式エポキシを使用して、約０．９５ｃｍ（３／８インチ）内径のプラスチックパイプ部品の開放端部に密封された。太陽電池からの２つの電気ワイヤが、パイプに開けられた小さな孔を通して引っ張られ、当該孔が密封された。最終的には、パイプの反対端部が密封された。この光センサーは、雲の無い日に太陽に向けることにより、太陽の直接光線を測定するため使用された。太陽光線もＵＤＴｃ−Ｓｉ青色強化太陽電池を使用して測定された。太陽放射度の一定範囲に亘って水中作動式センサー対ｃ−Ｓｉ青色強化太陽電池が検証された。水中作動式センサーも、バッグ内に水が無い状態で約２４ｃｍ（９．５インチ）幅のポリエステルバッグの内部で直接太陽放射度を測定するため使用された。次に、バッグが、水で充填され、直接太陽放射度が、バッグのエッジ近傍の位置からバッグのエッジから約３．８ｃｍ（約１．５インチ）の位置まで測定された。

バッグ壁の効果及び水でバッグを充填した効果を決定するため様々な条件下で太陽に向けられた小型水中作動式太陽検出器を使用して、直接太陽放射度の測定がなされた（表１）。フィルム１枚の厚さは、ｃ−Ｓｉ太陽電池により測定された太陽エネルギーを１１％減少させた。バッグが水で充填され、検出器がバッグの外側エッジ近傍に配置されたとき、その減少はたったの３％であった。しかし、検出器が水充填バッグの湾曲エッジから約３．８ｃｍ（約１．５インチ）の位置まで戻って移動されたとき、検出器により測定された太陽エネルギーは、バッグが無い状態での測定に対する結果を上回る２．４の因子で増大した。光電性能増加度は、反応器の内部に移動に対して非常に敏感であり、光強度が均一でないことを示していた。太陽モジュールは、全電池の全ての部品に亘って均一な放射度に最も良く応答した。従って、バッグ内の光電性能増加度は、約１０ｃｍ×約１０ｃｍ（４インチ×４インチ）の太陽電池（シリコンソーラー、モデルＳＳ−ＰＳＣ−１０３Ｔ）と約４１ｃｍ×約４１ｃｍ（１６インチ×１６インチ）のバッグとからなるより大きい太陽検出器を使用して測定された。太陽に面したバッグチャンバーの外側湾曲壁から約５．１ｃｍ（約２インチ）から約７．６ｃｍ（約３インチ）の内部の点では、バッグ及びＰＶ電池がＭｉ、ワレンにおいて１０月の雲の無い日に太陽に直接向けられたとき、１．２の光電性能増加度が測定された。

小型水中作動式太陽電池を使用したバッグ反応器内の光電性能増加度の測定

約４１ｃｍ×約４１ｃｍ（１６インチ×１６インチ）の湾曲した水充填バッグの内部で外側壁から約５．１ｃｍ（約２インチ）乃至約７．６ｃｍ（約３インチ）の位置における１．２の強化（光電性能増加度）因子は、プラスチックフィルムの電気分解チャンバー内に含まれるＰＥＣ装置の水素生成率における有意な改善を提供することができる。直接的な太陽光に対しては、これは、ＰＶ電池の単位面積当たりの水素生成率において１．２の改善因子（光学系が更に最適化されれば、より大きい改善因子となる）を備えた装置へと変換することができる。

また、ＰＶ電池が太陽に直面するように反応器を傾斜することが可能である。更には、光合焦要素、光コレクター要素、レンズ、コンセントレータ、ガイド、及び、反射器の組み合わせを反応器内部、反応器上又は反応器の外部に設けることによりＰＶ電池に光を合焦させることも可能である。これによって、反応器の構成において２つの調整を必要とするだけで済む。即ち、（１）傾斜がアノード区画室内では電解質レベルを低くし、アノード区画室内では電解質レベルを高くするので、アノード（下側）及びカソード（上側）の構成部品の高さの調整を行うこと、並びに、（２）Ｈ_２及びＯ_２用取り付け部品を、２つのチャンバーにおいて、各々、より高く及びより低く配置すること、である。

しかし、太陽光の合焦に起因する光電性能増加度は直接太陽光、即ち、太陽ディスクから直接放射された光にのみ起こることが記載されるべきである。それにも関わらず、大きなスケールの水分離からの光分解水素生成が最も実行可能であるアメリカ南西領域では、直接太陽光は、昼間の時間の７５〜８０％の間に発生する。曇りの無い日では、太陽放射の直接的な成分は、典型的には、総太陽放射（全世界に亘る）のうち８５％である。

上述された好ましい実施例に係る各バッグが如何に多くの水素を生成するかに関する推定値を得るために、直接的な雲の無い太陽光において３．６ボルト及び０．７６Ａを出力する各モジュールと並列に配線された３つの１３８ｃｍ^２のコネクチカットソーラーモジュール（コネティカットソーラー１０Ｗの高速太陽パネルから得られる）から構成された太陽モジュールの出力を考察せよ。そのようなシステムは、光電性能増加が無い状態で２．２８Ａの電流を生成する。ＰＶモジュールが上述されたバッグ反応器に適切に配置されたとき、少なくとも１．２の光電性能増加度が生じると予想される。かくして、電流は、２．７４Ａに増大すると予想される。これは、一日当たり総太陽エネルギー６００Ｗｈ／ｃｍ^２が入力される晴れた日に対して、一日当たり水素ガス０．３１モルの生成率へと変換される。かくして、上述された約４１ｃｍ×約４１ｃｍ（１６インチ×１６インチ）の分割チャンバーのバッグ反応器は、雲の無い日に一日当たり約０．６２ｇの水素を生成する。一日当たり水素の１ｋｇ（５００モル）を生成するためには、約１６００個のそのようなバッグが必要となる。

かくして、水素のキログラム当たり約９６．６ｋｍ（６０マイル）（控えめな見積もり）を分配する燃料電池を基にした推進システムを備え付けた自動車を燃料供給するためには、８００個のバッグを持つシステムが必要となる。このシステムは、バッグを保持し、該バッグを太陽に向かって傾斜させ、太陽が空を移動するとき太陽に従わせるため、約１８００ｆｔ^２の寸法を持つ保持装置を必要とする。反応器の数は、ＰＶモジュールの最適な位置決めを使用し、８．６の光電性能増加度を得るためより大きい曲率を備えた反応器を使用することによって、約７の因子以内まで非常に減少させることができる。また、シャープモデルＮＴ１８５Ｕ１モジュールで使用される１７％効率電池等のＰＥＣシステムのためのモジュールを作るため、より効率的な太陽電池を使用することは、ＰＥＣベースの車両燃料供給ステーションのサイズを更に減少させる。

太陽が空を移動するときに太陽に従うこと無く直接的な太陽光の大部分の利益を得るためバッグ反応器が太陽の正午位置に向かう固定角度で傾斜されるシステムを構築することによって、光電性能増加効果の利点の多くを享受することも可能である。更には、光電性能増加因子を増大させるため、より大きい曲率を有するバッグ反応器を構築することも可能である。最終的には、より耐久性のある反応器を作るため、アクリルプラスチック（即ちプレキシグラス（Ｒ））等のクリアプラスチックから、より剛性のある湾曲式反応器を構築することが可能である。ピレキシグラス（Ｒ）から作られた本明細書で説明された設計の反応器は、プレシキグラスを加熱し、外側に弓状に曲がった壁を形成することによって製作される。

図５及び図６に示されているように、剛性湾曲式反応器１は、透明なプレキシグラス（Ｒ）により形成される。図５は、一対の流体充填空洞部Ａ及びＢを形成するためバリア２により分割された球状タンクを示している。流体充填空洞部内に配置されているものは、ＰＶ電池５に連結されたアノード３及びカソード４である。前記したように、ＰＶ電池５は、ＰＶ電池５により収集される光の量を最大にするための一定位置に配置されている。図６における反応器の光学的特性は、図５の光学的特性と同一であるが、図６の反応器は、より少ない量の電解質を使用している。

太陽光の合焦を提供する球状タンクの潜在的可能性を決定するため、次のデータが得られた。表２は、約６．１ｃｍ×約６．９ｃｍ（２．４インチ×２．７インチ）の活性領域を備え、且つ、雲が無かったとき太陽に向けられた太陽センサーを使用した、直接太陽放射度（ａｓ Ｉｓｃ、太陽モジュール回路短絡電流）の測定値を示している。センサーは、約１０ｃｍ×約１０ｃｍ（４インチ×４インチ）の合成プラスチックの裏張りにエポキシ樹脂で接着されたパワーフィルムのＭＰＴ３．６−７５Ａのモジュールから作られた。約４０ｃｍ（１５．７インチ）の直径を備えた球状アクリルタンクは、ｂｉＯｒｂ（ＴＭ）フィッシュタンクから得られ、球状流体充填レンズをシミュレートするため使用された。太陽モジュールがタンクから影響を受けること無く太陽に向けられたときのＩｓｃに対する、太陽光が球状タンクによりＩｓｃにモジュール上に合焦されたときのＩｓｃの比率は、与えられた条件に関する光電性能増加度を与える。

約６．１ｃｍ×約６．９ｃｍ（２．４インチ×２．７インチ）の太陽モジュールを使用した球状反応器における光電性能増加度の測定値

タンク１が光反応器を作るため２つのチャンバーＡ及びＢに均等に分割された場合、並びに、ＰＶモジュール５がタンクの中央部に配置された場合、（２）２の因子の光電性能増加度が得られた。約６．１ｃｍ×約６．９ｃｍ（２．４インチ×２．７インチ）のＰＶモジュール５がタンクの背部に向かって更に移動されたとき、光電性能増加度は、増大した。太陽の直接光線がタンクの背部で約６．１ｃｍ×約６．９ｃｍ（２．４インチ×２．７インチ）のモジュールを満たして３．７の因子の光電性能増加度を生成するので、光線は、タンクの中央部に配置されたより大きなモジュールを満たすことになる。

球状の約４０ｃｍ（１５．７インチ）の直径を持つタンクの中央部及び遠方端部において予期されるサイズ及び光電性能増加度が、計算された。タンクの半部分が曲率半径Ｒ＝約１９．８ｃｍ（７．８インチ）を備えた平坦凸レンズでμ２＝１．３３の屈折率を備えた水性電解質を収容しており、空気の屈折率μ１＝１．００とすると、タンクの前部に当たった光線に対して計算される焦点距離Ｆは、次式から得ることができる。

Ｆ＝μ２×Ｒ／（μ２−μ１）
上式において、Ｒは、レンズの曲率半径（球状タンクに対して〜約１９，８ｃｍ（７．８インチ））である。μ１、μ２及びＲに対して上記値を代入すると、約８０ｃｍ（約３１．５インチ）の焦点距離が計算される。この焦点距離及びタンクに当たる平行光線のための光線追跡に基づくと、水性電解質で充填された約４０ｃｍ（１５．７インチ）直径のタンクの中央部に取り付けられた、約２７．９ｃｍ（約１１インチ）の直径を備えるＰＶモジュール５は、約２の因子の光電性能増加度を享受することになる。ＰＶモジュールがタンク１の背部の近傍に置かれ、電極３及び４が、ＰＶモジュール５に向かって進む太陽光線の進路から外れて取り付けられた場合、約２０．３ｃｍ（８インチ）ＰＶモジュールに対して計算された約３．８の光電性能増加度が予想される。

最終的には、垂直方向によりいっそう大きい曲率を備えた反応器を作ることが可能であるが、これは、均一な放射度を維持するため背を高くするよりも幅を広くした太陽モジュールに合わせなければならない。

フレネルレンズは、平坦凸レンズを形成するためプラスチックシートの一方の側に成形された一連の同心溝を使用している。それは、平行光線を合焦させるため湾曲表面ではなく溝を使用する。エドモンド光学（ＮＪ、バリングトン）からのフレネルレンズ（モデルＮＴ４６−５７２）は、ＭＩ、ワレンにおいて澄んだ雲の無い期間に亘って、２００４年７月１日にテストされた。レンズは、約８１．３×約１０４．１ｃｍ（約３２インチ×約４１インチ）の寸法を持ち、報告された焦点距離は約１００ｃｍ（３９．４インチ）であった。１２５ｍｍ×２２７ｍｍの有効活性太陽電池寸法を備えた、セルシコ型式コネクチカットソーラー（パトナム、ＣＴ）太陽モジュールが、フレネルレンズが存在する場合と存在しない場合とで太陽放射度を測定するため、使用された。レンズの背後の約６１ｃｍ（約２４インチ）のところで、最大７．０の光電性能増加度が測定された。より大きい距離では、太陽ビームは、ＰＶモジュールの領域上により強烈に合焦するようになったが、これらの「ホットスポット」は、全モジュールがより均一な放射度で照射されたときよりも電流を生成する効率が遙かに少なかった。より小さい距離では、ビームは均一となったが、より少ない強度で合焦し、より小さい電流しか生成しなかった。フレネルレンズは、バッグ反応器又は球状タンク反応器においてさえも光電性能増加度を増大させることができた。システムの光電性能増加度を増大させるため、フレネルレンズを、曲げやすいポリマーコンテナ１又は球状タンク１の表面に組み込むことができることが考えられる。

要約すると、水素は、電気分解プロセスに対して最適化された光起電性システムを使用して水を分解することにより、クリーンな再生太陽エネルギーから生成することができる。水素及び燃料電池は、将来の車両のために好ましい。本発明は、実用的な水素生成システムにより接近したステップである。ＰＥＣ装置からの再生太陽エネルギー水素生成のためのコスト推定値は、同じ総マイル数に対してガソリンとほとんど同じ程度であると予測されている。ＰＥＣ水素は、現在市販されている光起電技術及び電気分解技術から太陽光で発生した水素に対して等価なガソリンのガロン当たり１１ドルと比較して、等価なガソリンのガロン当たりにして２ドル程度しかコストをかからなくすることができる。

本システムは、効率に関する２００４ＤＯＥ−ＮＲＥＬ水素プログラムの目標（７．５％）を超えることができ、長寿命に関する目標を超えることを目指している。バッグ又はタンクの合焦効果により達成される水素生成率における増大と共に、比較的安価な材料（ポリエステルバッグ又はアクリルタンク、Ｎｉ電極及びＮｉ被覆電極、利用可能な最も安価な太陽電池）の使用は、システムコストを減少させることを援助する。また、本装置のサイズのスケールアップは、線形的であるべきである。スケールアップは、多数の小型反応器の水素ガス出力を共通の貯蔵ポートに接続する工程を単に含むだけとなるからである。

電気分解装置に接続された現在の光起電性電池も水を分解するため使用することができるが、水素のコスト（等価なガソリンのガロン当たりで少なくとも１１ドル）は、太陽エネルギーがコンテナにより合焦される態様で電気分解装置が光起電性システムに統合化されている本願発明のＰＥＣ反応器システムからの水素よりも遙かに高くなる。別の代替例はアモルファスシリコンの連続的シートに光アノードを作ることである。しかし、そのような光アノードは、変更酸化スズ等のロバストな材料で被覆しなければならない。現在のところ、これらの材料は、ドーピングされた酸化スズは当該目標に接近しつつあるものの、長期間に亘る市場性の高い装置にとって十分な耐腐食性を持っているようには思えない。

市販のＰＶシステムは、ＡＭ１．５グローバル（これは、アメリカ合衆国北部における夏の雲の無い日の正午時刻頃の太陽）と称される条件に対して約１０％の効率を目標にしている。そのような条件は、１００ｍＷ／ｃｍ^２のレベルで約６〜８時間等価の放射度を提供することができる。直接日照を使用することができるそのような条件に対して、本システムは、１．２から８．６倍以上もの水素生成率における大きな増大を提供する。本システムは、直接日照に対してのみこのゲインを提供し、散乱日照は合焦されない。しかし、直接日照が７５％〜８０％の時間帯で利用可能なアメリカ合衆国南西部の砂漠地帯に太陽水素貯蔵場が構築されることが考えられる。本システムは、たとえ効率が減少したとしても、曇りの日にも作動する。市販されている太陽電池で現在利用される保護表面（フルオロポリマー、ガラス及びプラスチックは、オゾンや他の大気汚染物質による攻撃に耐える）は、本願発明の電気分解システムで使用される５ＭのＫＯＨによる攻撃にも耐える。

本発明の説明は本質上単なる例示にしか過ぎず、かくして、本発明の要素から逸脱しない変更は、本発明の範囲内にあることが意図されている。そのような変更は、本発明の精神及び範囲からの逸脱とはみなすべきではない。

図１は、本発明の教えに係るバッグ反応器である。 図２は、ポリエステル管ストック及びキセノンアーク灯を使用して照明された４つの隔壁設備から製作されたバッグ反応器である。 図３は、図２に示されたバッグ反応器のためのレイアウトである。 図４は、図２に示された管反応器のレイアウトを表している。 図５は、本発明の別の実施例に係る分割式チャンバーＰＥＣ反応器の概略図である。 図６は、本発明の別の実施例に係る分割式チャンバーＰＥＣ反応器の概略図である。

Claims (36)

1. 光電気化学装置であって、
   第１のチャンバー及び第２のチャンバーと、
   前記第１及び第２のチャンバーの間に配置された通路と、
   前記第１のチャンバー内に設けられた、光起電性（ＰＶ）モジュール及び電極と、
   前記第２のチャンバー内に設けられた、反対側電極と、
   前記第１のチャンバーが有する第１のガス収集領域及び前記第２のチャンバーが有する第２のガス収集領域と、
   前記第１及び第２のチャンバー内及び該チャンバー間の前記通路内に含まれる電解質と、
   前記ＰＶモジュールと連係した光合焦要素と、
   を備え、
   前記第１及び第２のチャンバーと該チャンバーの間の前記通路とは、互いに向かって折り畳まれた末端部を有する単一の可撓性バッグにより画定され、前記末端部の各々に隣接して前記チャンバーの各々が画定される、光電気化学装置。
2. 前記光合焦要素は、光源に対して凸状である、前記第１のチャンバーの少なくとも一部分を備える、請求項１に記載の光電気化学装置。
3. 前記凸状部分は、前記チャンバー内に保持された電解質により外側に撓んでいる、請求項２に記載の光電気化学装置。
4. 前記凸状部分は、光を前記ＰＶモジュールに向けるように該ＰＶモジュールに関連して位置決めされている、請求項２に記載の光電気化学装置。
5. 前記光合焦要素は、前記第１のチャンバーの外側表面においてレンズを備える、請求項１に記載の光電気化学装置。
6. 前記ＰＶモジュールは、前記凸状部分への光の入射を向上させるため前記凸状部分に対して移動可能である、請求項２に記載の光電気化学装置。
7. 前記折り畳まれたバッグは、Ｕ字形状であり、該Ｕ字バッグの一対の分離区画室が前記第１及び第２のチャンバーを形成し、該Ｕ字バッグの底部が前記通路を形成する、請求項６に記載の光電気化学装置。
8. 前記一対の分離区画室の上側部分に形成された前記ガス収集領域にガスが収集される、請求項７に記載の光電気化学装置。
9. 前記一対の分離区画室の前記端部が密封されている、請求項７に記載の光電気化学装置。
10. 前記一対の分離区画室は、互いに密封されている、請求項７に記載の光電気化学装置。
11. 前記一対の分離区画室はヒートシールにより密封されている、請求項７に記載の光電気化学装置。
12. 互いに対して密封されている前記一対の分離区画室は、該一対の分離区画室の間に吊り下げ用のループを有するコンテナを形成する、請求項１０に記載の光電気化学装置。
13. 前記コンテナは、前記コンテナが前記ループから支持されるとき、該コンテナ、電極、ＰＶモジュール及び電解質の重量を支持する強度を持った前記シール部及びコンテナ材料を有する、請求項１２に記載の光電気化学装置。
14. 前記コンテナは、前記密封された一対の分離区画室に隣接した前記ループから支持されている、請求項１３に記載の光電気化学装置。
15. 前記第１のチャンバーは、前記パッケージが支持されたとき外側に凸状である、請求項１３に記載の光電気化学装置。
16. 前記第１のチャンバーに設けられたガス除去のための取り付け部品と、前記第２のチャンバーに設けられたガス除去のための取り付け部品と、を備える、請求項１に記載の光電気化学装置。
17. 前記第１の電極から前記第１のチャンバーの絶縁取り付け部品を通って前記第２のチャンバーの絶縁取り付け部品及び前記反対側電極への導電性経路を備える、請求項１に記載の光電気化学装置。
18. 前記導電性経路は、前記電極を連結するワイヤを備える、請求項１７に記載の光電気化学装置。
19. 前記反対側電極はニッケルを含んでいる、請求項１に記載の光電気化学装置。
20. 前記電極は、ニッケル上に被覆された酸化ルテニウムを含んでいる、請求項１に記載の光電気化学装置。
21. 前記ＰＶモジュールは、結晶性シリコン、アモルファスシリコン三重接合材料、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、ニセレン化銅インジウム（ＣｕｌｎＳｅ_２）、及び、それらの組み合わせからなる群から選択された材料から形成される電池を備える、請求項１に記載の光電気化学装置。
22. 前記電解質は、ＫＯＨを含んでいる、請求項１に記載の光電気化学装置。
23. 前記電解質は、５モル／ｌのＫＯＨを含んでいる、請求項１に記載の光電気化学装置。
24. 前記バッグは、光透過性であり、電解質による劣化に耐え、ガス状の水素、酸素又はそれら両方の拡散を防止するか又は少なくとも禁止し、それ自身に対し熱密封可能である、請求項１に記載の光電気化学装置。
25. 前記バッグは、ポリマー材料を含んでいる、請求項１に記載の光電気化学装置。
26. Ｏ字形状の前記コンテナが、前記ＰＶモジュール上への光の入射を向上させるため支持部の回りに回転可能である、請求項１３に記載の光電気化学装置。
27. 前記取り付け部品の各々は、前記電極の間の導電性経路のための通路を提供する、請求項１６に記載の光電気化学装置。
28. 前記電極及び前記反対側電極のうち少なくとも１つは、波形状形態を有する、請求項１に記載の光電気化学装置。
29. 前記コンテナは、楕円、涙形、Ｏ字形状から選択された形状を有する、請求項１２に記載の光電気化学装置。
30. 水の電気分解のための光電気化学装置を作る方法であって、
    （ａ） 少なくとも１つの取り付け部品を有する透明な円柱形状のバッグを提供し、
    （ｂ） 前記バッグの一方の端部に隣接して該バッグ内にＰＶモジュール及び電極を配置し、前記バッグの他方の端部に隣接して該バッグ内に反対側電極を配置し、
    （ｃ） 前記バッグの２つの端部を密封し、該端部を連結し、
    （ｄ） 前記取り付け部品を通して前記密封したバッグ内に電解質を導入する、各工程を備える、方法。
31. 前記工程（ａ）は、透明材料のシートを提供し、前記シートの両エッジを一緒に密封して前記円柱形状のバッグを形成する工程を備える、請求項３０に記載の方法。
32. 前記工程（ｃ）は、前記２つの端部の各々の一部分をエッジから内側で切除し、これによって、該端部の各々で切除されずに残された部分を提供する工程と、該残された部分の各々を一緒に密封する工程と、を備える、請求項３０に記載の方法。
33. 太陽光を使用した水性電解質溶液の分解から水素を形成する装置であって、
    分解されるべき水性電解質溶液を保持すると共に光収集レンズとしても作用する流体充填コンテナと、
    前記流体充填コンテナからの屈折光を受け取る位置に配置された光起電性モジュールと、
    前記電解質溶液内に配置された光起電性電池に連結され、且つ、該電解質溶液内の水を水素と酸素とに分解するように構成された、一対の電極と、
    を備え、
    前記流体充填コンテナは可撓性バッグにより画定され、該コンテナが吊り下げられたとき焦点を画定させる、装置。
34. 前記流体充填コンテナは、凸状の外側表面を形成する、請求項３３に記載の装置。
35. 前記流体充填コンテナは、球状を呈する、請求項３３に記載の装置。
36. 前記流体充填コンテナは、半球状を呈する、請求項３３に記載の装置。

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