專利名稱：：生產(chǎn)和使用氫的系統(tǒng)和子系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明主要涉及氫的生產(chǎn)，且更具體而言，涉及一種利用光伏電池為膜電極組件供電以電解水從而形成氫的生產(chǎn)氫的系統(tǒng)和方法，
背景技術(shù)：
：目前，生產(chǎn)氫的主要工藝是通過對甲烷進行蒸汽重整。另一種制氫的方式是通過電解水。進行電解所需要的電力主要來源于電力網(wǎng)，且主要的電力網(wǎng)電力源，即化石燃料的燃燒，產(chǎn)生了排放物如氮的氧化物和顆粒物質(zhì)以及二氧化碳。一種消除這些排放物的方式是利用太陽能發(fā)電對水進行電解從而制氫。目前的努力針對的是改進由太陽能供電的氫生產(chǎn)工藝的效率、持久性和成本。可使用光伏(PV)電池或太陽能電池提供電解水所需要的電力。單個太陽能電池是光伏系統(tǒng)中的最小單元且通常所具有的電壓不足以驅(qū)動電解過程。被稱作光伏模塊的一組太陽能電池被串聯(lián)和/或并聯(lián)電連接在一起從而為多種應用情況提供足夠大的電壓和電流。才莫塊通常被封裝在透明的防水結(jié)構(gòu)中。然而，正如目前存在的系統(tǒng)那樣，包括光伏模塊中的太陽能電池從而與電解器一起發(fā)電以將水解離成氫和氧的系統(tǒng)，不能像進行甲烷蒸汽重整那樣廉價地生產(chǎn)氫。已經(jīng)嘗試進行了多個項目從而通過利用來自光伏模塊和商業(yè)上可得的電解器的電力使水分解從而生產(chǎn)供應車輛加燃料站的氫氣。這些項目被證實是不令人滿意的，原因在于組合技術(shù)的低效率和高成本，所述項目僅將約2%-6%的太陽能轉(zhuǎn)換成氫燃料能量，因此大大增加了成本、所得的氫燃料成本(至少15美元/千克氫)和較大的系統(tǒng)覆蓋面積。該技術(shù)基于非最優(yōu)的光伏和電解器組合，且涉及較大的土地面積用以集聚足夠的太陽能。在凈皮共同轉(zhuǎn)讓的于2004年2月18日申請的美國臨時申請60/545，379;和于2005年2月2日申請的序號為No.11/049，213的題目為"用于生成氫的方法和設(shè)備"的美國申請，且在于2004年2月18日申請的序號為No.60/545，374的臨時專利申請以及于2005年1月28日申請的序號為No.11/046,572的題目為"氫發(fā)生器光伏電解反應器系統(tǒng)"的美國申請中披露了將太陽能轉(zhuǎn)換為氫的其它方法，所述申請在此作為參考被引用。這些設(shè)備使在包含液體堿性電解質(zhì)的反應器中利用電解池由太陽能電池供電對水進行電解從而生產(chǎn)氫的過程的最優(yōu)化。那些池中的每個池每天產(chǎn)生約1克的氫(在標準溫度和壓力(STP)下為12L)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對于利用Ni和Ni-Ru02板分別作為陰極和陽極，且存在5MK0H電解質(zhì)溶液的電解器池而言，特定最優(yōu)工作電壓為約2.0-2.5伏特，所述電壓必須與光伏系統(tǒng)的最大功率點電壓(Vmpp)相匹配。[注意在本文中無論何時何處采用電氣單位，伏特、安培等，該電氣單位指的是直流(DC)而不是交流(AC)]。盡管比以前的系統(tǒng)有了相當大的改進，但這些小的罐式或袋式反應器相對體積較大且需要按比例放大幾百倍以為一輛燃料電池車輛添加燃料。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點，提供了一種設(shè)計和使具有至少一個光伏(PV)模塊的光伏電解器系統(tǒng)(太陽能氫發(fā)生器或由太陽能供電的電解系統(tǒng))進行工作的方法。所述系統(tǒng)和方法利用至少一個光伏模塊，所述光伏模塊供電以電解水從而生產(chǎn)氫。在此披露了一種生產(chǎn)和使用氫的系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有用于供電以電解水的至少一個光伏("PV")模塊和接收所述電力的至少一個電解器。所述電解器具有至少一個膜電極組件("MEA，，)以電解水從而形成氫。膜電極組件由夾在相應的第一催化電極與第二催化電極之間的質(zhì)子交換膜("PEM")形成。光伏模塊的供電電壓與電解器的工作電壓和電流需求相匹配。在本發(fā)明的一個實施例中，所述系統(tǒng)由具有供電以電解水的至少一個光伏電池的至少一個光伏("PV")模塊和接收所迷電力的電解器形成。所述電解器具有至少一個膜電極組件。所述系統(tǒng)在第一模式中被最優(yōu)化，所述第一模式具有被設(shè)計以為所述電解器提供最優(yōu)電壓(所述工作電壓提供了最高的太陽能-氫轉(zhuǎn)換效率)的光伏子系統(tǒng)。在所述第一模式中，所述光伏子系統(tǒng)被直接連接至所述電解器子系統(tǒng)。當所述光伏模塊的電壓超過所述電解器的電壓目標時，所述系統(tǒng)進一步可通過將非最優(yōu)光伏系統(tǒng)的電壓逐步降低至所述最優(yōu)電壓而以第二模式進行工作。當所述光伏模塊的電壓小于所述電解器的所述工作電壓時，所述系統(tǒng)進一步可通過逐步升高電壓而以第三模式進行工作。在所述第二模式和笫三模式中，所述光伏電壓通過在電路中增加直流-直流轉(zhuǎn)換器而逐步變化?？蓸?gòu)造光伏電解器以在第一模式中以最高效率進行工作，且光伏系統(tǒng)被直接連接至電解器?？蛇x的控制器可被加到所述光伏電解器系統(tǒng)上，所述光伏電解器系統(tǒng)基于入射在所述光伏模塊上的光的范圍在所述第一模式、所述第二模式與所述第三模式之間進行切換。由所述光伏系統(tǒng)通過所述控制器施加的電壓是由工作電壓范圍限定的目標范圍，所述工作電壓范圍為堆提供了最高效率。此外，披露了一種使光伏-電解器系統(tǒng)的設(shè)計最優(yōu)化的方法，所述光伏-電解器系統(tǒng)包括具有至少一個太陽能電池或光伏模塊的光伏(PV)子系統(tǒng)和具有至少一個電解池或膜電極組件(MEA)以電解水從而生產(chǎn)氫的電解器子系統(tǒng)。所述方法包括以下步驟a)通過測量和計算確定所述電解器子系統(tǒng)的工作電壓、工作電流和效率，b)基于在所述光伏電池的多個負載和多個電壓下的實際電壓與實際電流之間的預定關(guān)系而確定所述光伏電池的最大功率點電壓(V,),并且c)確定處于所述V,的光伏電池數(shù)量以獲得電解水所需的電壓且滿足所需的電解系統(tǒng)損失。所述系統(tǒng)提供了一種利用光伏半導體材料、電解器和日光生產(chǎn)氫的實用的無污染的生產(chǎn)氫燃料的技術(shù)。這種氫可被用以為燃料電池車輛和固定發(fā)電裝置供電，且其相對于其它能源具有成本優(yōu)勢。就這方面而言，本發(fā)明提供了一種以實用規(guī)模生產(chǎn)可再生氫的系統(tǒng)，所述可再生氫基本上適用于任何應用情況，且所述應用情況包括為車輛提供燃料以及固定發(fā)電設(shè)備。從下文提供的詳細描述中將易于理解本發(fā)明適用的其它領(lǐng)域。應該理解，盡管該詳細描述和特定實例對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了說明，但所述詳細描述和特定實例僅旨在進行說明的目的且不旨在限制本發(fā)明的范圍。9通過詳細描述并結(jié)合附圖將更充分地理解本發(fā)明，其中圖l示出了根據(jù)本發(fā)明的教導的光伏-電解器系統(tǒng)；圖2是利用直接連接最優(yōu)化(DC0)模式的光伏電解器系統(tǒng)的示意圖3是利用直流-直流轉(zhuǎn)換器(DDC)最優(yōu)化模式的光伏-電解器系統(tǒng)的示意圖4是能夠進行直接連接最優(yōu)化或直流-直流轉(zhuǎn)換器最優(yōu)化的光伏-電解器系統(tǒng)的示意圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的教導的質(zhì)子交換膜電解器；圖6示出了通過直流電源在一定工作電流范圍內(nèi)測量的具有20個池的質(zhì)子交換膜電解器的效率；圖7示出了太陽能轉(zhuǎn)換成氫的效率與在自然日照條件下通過直接連接最優(yōu)化測得的V，之間的關(guān)系；圖8示出了&壓力對析氫反應的半電池電壓的影響；圖9示出了光伏模塊的電流(I)與電壓(V)之間的關(guān)系，圖中示出了最大功率點(mpp)，圖中還示出了相應的功率曲線(P-VxI);圖10示出了電解器的一種構(gòu)型；圖11示出了除光伏模塊外的電解器系統(tǒng)的部件；圖12示出了圖13所示部件的詳細視圖；和圖13示出了氣體/水分離器的詳細視圖。具體實施例方式主要結(jié)合圖1和圖2對光伏-電解器系統(tǒng)的工作進行說明，所述附圖示出了根據(jù)本發(fā)明的教導的系統(tǒng)的圖解視圖和示意圖。光伏-電解器系統(tǒng)20包括具有至少一個太陽能或光伏電池24或光伏子系統(tǒng)22的光伏(PV)子系統(tǒng)22以及具有至少一個電解池或膜電極組件(MEA)30以電解水從而生產(chǎn)氫的電解器子系統(tǒng)28。電解池30優(yōu)選為高效質(zhì)子交換膜(PEM)，所述質(zhì)子交換膜被夾在兩個催化電極之間以形成膜電極組件(MEA)。電解器子系統(tǒng)28的電壓和電流需求與由太陽能供電的光伏("PV")子系統(tǒng)22產(chǎn)生的電壓相匹配，從而大大增加了整個系統(tǒng)20的工作效率。如下面詳細描述地，系統(tǒng)20可選地利用高壓電解器池30增加氫的輸出壓力。參見圖3,可選地，當光伏子系統(tǒng)22無法獨自提供與電解器子系統(tǒng)28的工作電壓相匹配的電壓時，可使用直流-直流轉(zhuǎn)換器40以提高整個系統(tǒng)的效率。圖2所示的系統(tǒng)20利用直接連接最優(yōu)化(DC0)或利用圖3所示的直流-直流轉(zhuǎn)換器40改變供應至電解器子系統(tǒng)28的電壓從而利用直流-直流轉(zhuǎn)換器最優(yōu)化(DDC)。參見圖4，可選地，控制器34可與直流-直流轉(zhuǎn)換器結(jié)合使用，從而基于控制器檢測到的光強度使電路在直接連接最優(yōu)化與直流-直流轉(zhuǎn)換器最優(yōu)化工作之間進行切換從而提高在低光照條件下的效率。為了使光伏電解器系統(tǒng)20按比例放大成能夠為一輛或多輛燃料電池車輛提供燃料的規(guī)模，對一系列商業(yè)上可得的太陽能電池模塊的效率范圍和較大范圍的電壓輸出進行了試驗。質(zhì)子交換膜電解池30的使用提供了非常緊湊的電解器子系統(tǒng)28，且不需要對一些電解器所需要的酸或堿，如氫氧化鉀(K0H)進行處理。此外，質(zhì)子交換膜燃料電池的在效率和降低成本方面所取得的進步將可能導致產(chǎn)生進一步改進的質(zhì)子交換膜電解器池30。如下所述，高壓電解器池30可選地可被構(gòu)造以提供壓縮氫，而不需要外部壓縮系統(tǒng)。圖2是利用直接連接最優(yōu)化(DC0)模式的光伏電解器系統(tǒng)20的示意圖。如圖所示，光伏子系統(tǒng)22被直接連接至質(zhì)子交換膜電解器28。該電解器利用來自光伏子系統(tǒng)22的電流將去離子水解離為H;和02。該系統(tǒng)中的氧被排往大氣，同時利用氣體液體分離器50分離氫。通過外部系統(tǒng)為電解器池30提供去離子水以補償電解消耗的水。利用泵66使去離子水循環(huán)通過電解器和氣體/水分離系統(tǒng)。水循環(huán)對電解器進行冷卻且?guī)椭蛛x并收集氫氣。如下面進一步詳細示出地，光伏子系統(tǒng)22的最大電輸出電壓與電解器子系統(tǒng)28所需的最優(yōu)工作電壓和電力化相匹配。圖3示出了具有直流-直流轉(zhuǎn)換器(直流-直流轉(zhuǎn)換器最優(yōu)化)的光伏電解器系統(tǒng)20的示意圖。僅通過7個串聯(lián)的電解池30示意性地示出了圖2和圖3所示的電解器子系統(tǒng)28,所述電解池分別具有兩個電極。正如已公知地，質(zhì)子交換膜電解池30具有陰極和陽極，氫在所述陰極處產(chǎn)生，氧在所述陽極處產(chǎn)生。本發(fā)明的試驗中使用的實際電解器子系統(tǒng)28具有20個池。系統(tǒng)20可包括具有多個(任何數(shù)量)的電解池30的電化學堆。還預想，電化學堆可以第一模式進行工作ii以電解水從而生產(chǎn)氫，且進一步可以第二模式進行工作以消耗氫從而產(chǎn)生動力。如圖4所示，系統(tǒng)20可選地可被最優(yōu)化至第一模式，所述第一模式利用被設(shè)計具有目標工作電壓的光伏子系統(tǒng)從而由電解器子系統(tǒng)28獲得最高轉(zhuǎn)換效率?？蛇x地，當光伏子系統(tǒng)22的電壓超過電解器子系統(tǒng)28的目標最優(yōu)電壓時，圖4所示的系統(tǒng)20可通過在第二工作條件下逐步降低電壓而以第二模式工作。同樣可選地，當光伏子系統(tǒng)22的電壓小于電解器子系統(tǒng)28的電壓目標時，系統(tǒng)20可通過在第三工作條件下逐步升高電壓而以第三模式工作。控制器34作用以基于入射在光伏子系統(tǒng)22上的光的范圍在第一模式、第二模式與第三模式之間調(diào)節(jié)。最優(yōu)電壓目標是由電解器子系統(tǒng)28所需的工作電壓范圍確定的目標范圍，所述目標范圍獲得了光伏子系統(tǒng)的最大功率和效率且獲得了電解器子系統(tǒng)28的最高效率。此外，系統(tǒng)20利用構(gòu)造和使光伏電解系統(tǒng)工作的方法，所述光伏電解系統(tǒng)具有至少一個光伏(PV)電池24，所述光伏電池供電以電解水從而生產(chǎn)氫。該方法通過確定所需氫生產(chǎn)率(和電解器規(guī)模)開始。隨后測量或計算電解器的工作電壓和工作電流。光伏系統(tǒng)隨后被設(shè)計以與電解器系統(tǒng)的工作電壓和電流相匹配。通過首先基于在負載下每個光伏電池24產(chǎn)生的實際電壓與光伏電池24產(chǎn)生的實際電流之間的預定關(guān)系確定光伏系統(tǒng)22的最大功率點電壓(Vrapp)，而發(fā)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的所需輸出。隨后確定獲得電解水且滿足所需的電解子系統(tǒng)的系統(tǒng)損失所需的電壓而需要的在V,下串聯(lián)電連接的光伏電池24的數(shù)量?？蛇x地，系統(tǒng)20包括具有串聯(lián)構(gòu)型的多個光伏電池24，從而基于子系統(tǒng)22的最大功率點電壓提供足以電解水且滿足電解系統(tǒng)損失的電壓。串聯(lián)連接且構(gòu)成光伏子系統(tǒng)22的光伏電池24的數(shù)量^皮確定為在堆中串聯(lián)布置的電解(膜電極組件)池30的數(shù)量以提供所需的電解器工作電壓。確定在Vmpp下進行串聯(lián)以實現(xiàn)電解水且滿足電解系統(tǒng)損失(電解器過電壓)的所需電壓的光伏電池24的數(shù)量。所示的光伏子系統(tǒng)22具有處于32至39伏特范圍內(nèi)的總Vmpp，從而為具有20個串聯(lián)的質(zhì)子交換膜電解池30的電解器子系統(tǒng)28供電。該V,還對應于用于操作具有20個串聯(lián)質(zhì)子交換膜電解池30的電解器的處于約40至46伏特范圍內(nèi)的開路電壓。光伏子系統(tǒng)22具有足以為每個膜電極組件提供1.6至2.0伏特電壓的總Vrapp。光伏子系統(tǒng)22優(yōu)選具有約36伏特的總V，以用于具有20個膜電極組件電解器子系統(tǒng)28，所述總V卿等效于每個質(zhì)子交換膜電解池30具有約1.8伏特的電壓'通過串聯(lián)布設(shè)一系列光伏電池24使得每個光伏電池具有約0.50伏特的最大功率點輸出而形成Vmpp。光伏子系統(tǒng)22具有包含72個電池的串聯(lián)的光伏電池串。所需的光伏子系統(tǒng)電壓在最大功率點處為約36伏特。相似地，多個這些光伏子系統(tǒng)22可被并聯(lián)布置以提供所需電流量。為了設(shè)計用于光伏電解器系統(tǒng)20的最優(yōu)光伏子系統(tǒng)，應該使用的目標是每個電解池具有1.8伏特的電壓或每個電解池具有1.6-1.8伏特的電壓范圍。系統(tǒng)20可選地被構(gòu)造以使得用于生產(chǎn)氫的工作電壓與質(zhì)子交換膜電解池30的數(shù)量成比例。電解水且滿足電解系統(tǒng)20損失所需的光伏輸出(從而提供電解器的工作電壓)基于串聯(lián)連接的光伏電池數(shù)量和單個光伏電池24的最大功率點電壓(V卿)。預想電解器子系統(tǒng)28可由多個電解池30形成，所述電解池可串聯(lián)連接以接受更高的工作電壓(V。per)且可并聯(lián)連接以接受更高的工作電流(I。per)。對于直接連接最優(yōu)化(模式1)的最優(yōu)化而言，在光伏子系統(tǒng)中串聯(lián)布置的光伏(太陽能)電池的數(shù)量確定了在最大功率點處的光伏輸出電壓(v，)，所述光伏輸出電壓必須與電解器工作電壓(V。per)相匹配。在光伏子系統(tǒng)22中并聯(lián)連接的光伏模塊的數(shù)量確定了工作電流。圖2所示的最優(yōu)光伏子系統(tǒng)22被設(shè)計以在其最大功率點處產(chǎn)生預定電壓(V,)，所述預定電壓約等于電解器子系統(tǒng)28的工作電壓(V。p)。氫生產(chǎn)過程可選地被最優(yōu)化且在標準試驗條件下(標準試驗條件-1000W/m2的太陽輻照度以及25。C)實現(xiàn)了最高效率。例如，(在標準試驗條件下且在最大功率點處)V,為36伏特且太陽能轉(zhuǎn)換為電能的效率為17.5%，且被連接至具有32至38伏特的V。聲的高效質(zhì)子交換膜電解器的光伏子系統(tǒng)22可在太陽能轉(zhuǎn)換為氫的效率為11%至12%的情況下生產(chǎn)氫。此外，氫生產(chǎn)過程可被最優(yōu)化以基于平均的地理條件所特有的太陽輻照度實現(xiàn)最高效率。通過這種方式，光伏子系統(tǒng)22的構(gòu)型可被設(shè)計以與電解器子系統(tǒng)28相匹配從而提供在目標地理位置處所需的氫生產(chǎn)過程，或被設(shè)計以在更大的市場領(lǐng)域內(nèi)進行一般使用。可通過選擇性地串聯(lián)或并聯(lián)布置光伏(太陽能電池)或模塊使圖2所示的光伏子系統(tǒng)22的設(shè)計和制造最優(yōu)化，從而產(chǎn)生最優(yōu)的V,和工作電流以與質(zhì)子交換膜電解器28的V。^和電流需求匹配?？筛鶕?jù)日程條件或大氣條件和所需的氫流速(所述流速為電流的函數(shù))調(diào)整該構(gòu)型?？蛇x地，圖3所示的非最優(yōu)系統(tǒng)20需要被聯(lián)接至直流-直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)40，以將非最優(yōu)光伏電壓轉(zhuǎn)換成等于電解器的V。^的最優(yōu)光伏電壓。系統(tǒng)20還可被設(shè)計具有可選的串聯(lián)或并聯(lián)布置的光伏子系統(tǒng)22?？赡苡斜匾⒙?lián)布置多個光伏子系統(tǒng)以獲得足夠電流從而制造在高利用應用情況，如汽車加燃料操作中，所需的氫燃料。在圖4中，可通過從并聯(lián)連接變?yōu)榇?lián)連接或相反而實現(xiàn)從直接連接最優(yōu)化電路向直流-直流轉(zhuǎn)換器電路的變化或?qū)ο到y(tǒng)進行的季節(jié)性調(diào)節(jié)和再優(yōu)化。為了實現(xiàn)這些從并聯(lián)連接向串聯(lián)連接的變化，可通過重新連接光伏電池、模塊或子系統(tǒng)手動地實現(xiàn)光伏光纜與光伏電解器系統(tǒng)的系統(tǒng)再連接，或可根據(jù)光線和季節(jié)條件利用控制器34實時地實現(xiàn)所述再連接。光伏子系統(tǒng)22優(yōu)選具有對于每個電解池30約1.6至2.G伏特的預定輸出電壓范圍(V〗至V2)。在該電壓范圍內(nèi)，光伏子系統(tǒng)產(chǎn)生95%至100°/。的P幅以及95%至100%的最高電效率，且系統(tǒng)的氫生產(chǎn)效率達最高氫生產(chǎn)效率的約85%至100%。電解器子系統(tǒng)28具有特征V。，，通過電壓計56測量電解器極柱間的電壓降確定所述特征V。p。電解器子系統(tǒng)的V。p確定了系統(tǒng)20工作的所需的(在最大功率點處)最優(yōu)光伏輸出電壓且還確定了電解器的效率，所述效率等于100%x(Nxl.23伏特/V，》。因此，當光伏子系統(tǒng)被直接連接至有效的電解器子系統(tǒng)時，每個電解池所具有的電壓范圍V〗至丫2是光伏子系統(tǒng)22的最優(yōu)電壓范圍。當利用直流-直流轉(zhuǎn)換器進行光伏電解時，每個電解池所具有的V至V2還是直流-直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的最優(yōu)電壓輸出。此外，電解器子系統(tǒng)28具有特征V。兩，所述特征V。p由串聯(lián)的電解池30的數(shù)量(N)和每個膜電極組件的特征過電壓(V。v)確定，以使得V。p,Nx(1.23伏特+V。v)其中V。v處于約0.4至0.7伏特范圍內(nèi)，所述范圍取決于電解器子系統(tǒng)28的工作電流、電極類型、電極設(shè)計、催化劑類型、催化劑擔栽14量、I。Pe。工作溫度和工作壓力。筒要回顧圖3，預想非最優(yōu)光伏子系統(tǒng)22可被連接至直流-直流轉(zhuǎn)換器40(線性電流放大器或電荷控制器)，所述直流-直流轉(zhuǎn)換器被設(shè)計以將光伏子系統(tǒng)22的非最優(yōu)電壓輸出轉(zhuǎn)換成電解器子系統(tǒng)28的預定V。per，且直流-直流轉(zhuǎn)換器40被連接至電源以使電解器子系統(tǒng)28進行工作。就這方面而言，光伏子系統(tǒng)22被連接至直流-直流轉(zhuǎn)換器40,所述直流-直流轉(zhuǎn)換器被設(shè)計以將光伏子系統(tǒng)22的電壓輸出轉(zhuǎn)換成每個電解池30的最優(yōu)電壓(例如1.6至2.0伏特)(高效質(zhì)子交換膜電解器子系統(tǒng)的每個池所具有的預定V。p^)。利用控制器34中運行的控制系統(tǒng)或算法使光伏子系統(tǒng)22在直接連接至電解器子系統(tǒng)的模式與通過直流-直流轉(zhuǎn)換器40連接至電解器子系統(tǒng)28的模式之間進行切換。直流-直流轉(zhuǎn)換器40被設(shè)計以將光伏子系統(tǒng)22的電壓輸出轉(zhuǎn)換成電解器子系統(tǒng)28的V。^且通過降低傳感器系統(tǒng)檢測到的太陽輻照度控制所述切換。在本發(fā)明的另一個特定實施例中，當電解器工作電流小于或等于1"時，光伏子系統(tǒng)22被構(gòu)造以產(chǎn)生預定的最大功率點電壓(V,)，所述預定的最大功率點電壓約等于電解器子系統(tǒng)28的工作電壓(V。，)，以使得氫生產(chǎn)過程被最優(yōu)化且在標準試驗條件(標準試驗條件-1000W/m2的太陽輻照度以及25。C)下實現(xiàn)最高效率。在這些工作條件下，對于(在標準試驗條件下且在其最大功率點處的)V,為36伏特且太陽能轉(zhuǎn)換為電能的效率為17.5%，且被連接至具有32至33伏特的Vo聲的高效質(zhì)子交換膜電解器的光伏子系統(tǒng)而言，已發(fā)現(xiàn)包括所述光伏子系統(tǒng)的系統(tǒng)20在太陽能轉(zhuǎn)換為氫的效率為12.4%的情況下生產(chǎn)氫。每個光伏電池24具有基于晶體硅(c-Si)或基于非晶硅的半導體材料或基于c-Si和a-Si的材料組合，所述材料可被成層地施加。表1示出了已經(jīng)進行測試的可選的光伏子系統(tǒng)22。還示出了制造商、規(guī)定面積、效率、開路電壓(V。e)、短路電流(IS(;)、最大功率點電壓(Vfflpp)、最大功率點電流(Impp)和最大功率(Pmax)。該組太陽能模塊提供了一定范圍的輸入電壓(Vmpp=17至54伏特)。V,是影響利用Ni和Ni-Ru02板和堿性電解質(zhì)將太陽能模塊聯(lián)接至電解池的效率的關(guān)鍵變量(于2004年2月18日申請的美國臨時申請60/545,379;和于2005年2月2日申請的序號為No.11/049,213的題目為"用于生成氫的方法和設(shè)備"的美國申請)。模塊3和12利用單晶電池。模塊8和9利用多晶硅。模塊10和11利用非晶硅和晶體硅的混合體。模塊13和16利用單晶硅電池。電池的效率在11.5%至17.5%的范圍內(nèi)，而模塊的太陽能轉(zhuǎn)換為電能的效率在10.6%至15.2%的范圍內(nèi)。電池面積和效率指的是可產(chǎn)生電流的實際硅光伏材料。模塊面積和效率指的是光伏子系統(tǒng)的整個表面，所述整個表面包括太陽能電池周圍的"死空間"直至模塊框體的外邊緣。由于除實際太陽能電池的活性面積以外模塊還包括該非活性面積，因此模塊的效率總是低于電池的效率。表1太陽能模塊的特征<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>對于可在給定光線條件下，在非最優(yōu)系統(tǒng)設(shè)計中獲得成本有效的光伏子系統(tǒng)22的情況而言，則在超裕度設(shè)計即高壓光伏模塊的情況下，模塊被聯(lián)接至直流-直流轉(zhuǎn)換器以逐步降低輸出電壓。高壓光伏子系統(tǒng)22將具有節(jié)省"銅損"的優(yōu)點，且還可選擇優(yōu)越的高壓或低壓光伏子系統(tǒng)22，原因在于所述高壓或低壓光伏子系統(tǒng)具有基于其固有固態(tài)質(zhì)量的優(yōu)越效率。"銅損，，是由于電線和連接器中的電路電阻而導致產(chǎn)生的損失，且當連接更長的距離時，所述損失更嚴重?？赏ㄟ^增加系統(tǒng)的工作電壓降低或彌補所述損失。電解器子系統(tǒng)28可被設(shè)計以在低電流密度和升高的溫度下進行工作從而增加其效率。此外，電解器子系統(tǒng)28可選地^皮設(shè)計以在高壓(5,000-15，000psi)下進行工作從而通過電4匕學壓縮而不是機械壓縮機提供壓縮的氳燃料。該構(gòu)型允許通過電化學壓縮供應氫燃料，所述氫燃料以準備進行儲存和為燃料電池車輛提供燃料的形式存在。電解器子系統(tǒng)28可選地包括具有酸性電解質(zhì)的酸性電解器、具有堿性電解質(zhì)的堿性電解器、蒸汽電解器、具有至少一個膜電極組件的質(zhì)子交換膜電解器或高壓電解器。具有20個膜電極組件的質(zhì)子交換膜電解器的所需工作電壓優(yōu)選處于32至38伏特范圍內(nèi)，所述電壓范圍等效于每個電解池30具有約1.6至1.9伏特的電壓。當使用可選的高壓電解器池30時，需要高壓驅(qū)動析氫和析氧反應，即電解水。高壓電解器30的經(jīng)濟優(yōu)點的基礎(chǔ)在于，在由于需要更高電壓以在更高的氫和氧壓力下電解水而導致犧牲電解器30的一些效率的情況與一旦析氫則使得更多地節(jié)省了下游壓縮成本的兩種情況之間進行權(quán)衡。當需要高壓氫時，利用本文披露的高壓電解器子系統(tǒng)28代替目前商業(yè)上可得的壓力更低的質(zhì)子交換膜電解器池30，所述壓力更低的質(zhì)子交換膜電解器池在出口壓力為幾百psig的情況下生產(chǎn)氫。來自壓力更低的質(zhì)子交換膜電解器池30的氫必須在活塞、膜片或其它類型的壓縮機中被機械壓縮至10,000psig或更高壓力以便適于實際的加燃料和儲存應用。因此，馬達驅(qū)動的機械壓縮機的有限效率可能導致整個燃料生產(chǎn)和輸送系統(tǒng)的能量效率損失更嚴重。高壓電解器子系統(tǒng)28生產(chǎn)氫且同時利用輸入電解器內(nèi)的僅一小部分(約6%至9%)的電能將氫的壓力升高至10，000-15，000psig,同時消除了對馬達驅(qū)動的機械壓縮機的需要。本文所述的電解池30具有夾在兩個催化電極之間的質(zhì)子傳輸膜。例如參見被共同轉(zhuǎn)讓的美國專利Nos.6，663，994、6,566,004、6，524，736、6，521，381、6，074,692、5,316,871和5,272,017，每個所述專利在此作為參考被引用。一種型號的質(zhì)子交換膜電解器子系統(tǒng)28由ProtonEnergySystems,Inc(質(zhì)子能量系統(tǒng)公司).(Wal1ingford，CT)制造。如圖10所示，電解器子系統(tǒng)28具有兩個電連接器和四個氣體/水連接器。兩個氣體/水連接器用于氫62且兩個氣體/水連接器用于氫64。電解器子系統(tǒng)28包括串聯(lián)連接的20個電解池30(膜電極組件)。在高電流輸入(高于約12A)下，電解器池30還需要利用循環(huán)水進行冷卻以防止堆變熱。電解器子系統(tǒng)28利用恒定的水循環(huán)從堆中去除氫和氧。在電解器子系統(tǒng)28以最高效率在低電流下短時間工作的情況下，似乎不需要循環(huán)系統(tǒng)。然而，需要泵提供將被轉(zhuǎn)換成氫和氧的水且冷卻處于高電流下的堆。該液體流還可潛在地改進效率。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子交換膜電解器子系統(tǒng)28可與在池的氧側(cè)上的氣體-液體分離器一起使用或不與所述分離器一起使用，原因在于氧被排入大氣內(nèi)。在圖10中，02/水入口和出口管62是1/2英寸的不銹鋼管。在該圖中，02/水入口62由金屬蓋封閉；隨后所述入口被連接至第二水泵(未示出)。02僅離開出口進入空氣內(nèi)。H"水入口管64是更小的外徑為I/4英寸的不銹鋼管。在圖11中，112/水入口被示出連接至水泵66，所述水泵使水循環(huán)通過質(zhì)子交換膜堆且隨后通過氣體/水分離器50。}12被傳送至流量計68。安培計58測量流動通過電纜和堆的電流。與堿性電解池相比，利用質(zhì)子交換膜電解器池30的堆有一些主要優(yōu)點。電解器子系統(tǒng)28具有多個串聯(lián)的電解池30,每個池30具有通過固體電解質(zhì)膜分開的具有封閉空間的涂敷催化劑(主要是鉑或釕)的電極板以電解去離子水。然而，堿性電解池包括涂敷催化劑的電極，所述電極被浸沒在填充有水溶液堿性電解質(zhì)如水溶液氫氧化鐘的槽中。由于電解器子系統(tǒng)28將多個電解池30布置在空間封閉的堆中且通過泵使去離子水迅速循環(huán)通過池，因此可大大降低整個系統(tǒng)的規(guī)模、重量和成本。此外，還完全消除了與利用大量體積的高腐蝕性液體，即堿性電解質(zhì)，相關(guān)聯(lián)的風險。由于堆構(gòu)造為電解器提供了更高的電流密度和更高的功率密度，因此與一系列濕性電解池相比，電解器子系統(tǒng)28可制得更緊湊。直流-直流轉(zhuǎn)換器40("DDC")是使輸入電壓和電流V,和I:變?yōu)檩敵鲭妷汉碗娏鱒2和12的裝置。其用處在于從光伏子系統(tǒng)22獲得輸入電壓且使直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓最優(yōu)化或使所述輸出電壓與負載的工作電壓相匹配。例如，太陽能電池24具有最大功率點Praax，在所述最大功率點處，乘積VlXI](或V,xl,)最大化。該電壓可能不與負載(例如電解器負載)的工作電壓對應。此外，當陽光強度改變時，光伏子系統(tǒng)22的電流輸出將產(chǎn)生變化，且變化程度更小，電壓輸出也將如此。可對直流-直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)進行編程以追蹤太陽能模塊的最大功率點。當直流-直流轉(zhuǎn)換器被設(shè)計以使得直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓等于電解器子系統(tǒng)28所需的最優(yōu)工作電壓時，光伏電解器系統(tǒng)20出現(xiàn)最優(yōu)效率。電解器子系統(tǒng)28在特征電壓下進行工作，所述特征電壓取決于設(shè)計、工作電流和工作溫度效應。電解器設(shè)計(材料、催化劑、電極設(shè)計以及膜或電解質(zhì))確定了其過電壓和效率。當電極具有低電流密度時，效率最高，且因此所述效率隨電解器工作電流的增加而降低。電解器的特征工作電壓是1.23伏特的標準水解離電壓加上過電壓。參見圖3、圖11和圖12，兩種可選的直流-直流轉(zhuǎn)換器40被制造成如下規(guī)格(1)輸出足以驅(qū)動電解器的更高的輸出電壓(但更低的電流)的低輸入電壓模塊；和(2)降低輸出電壓以在電解器的工作電壓下驅(qū)動電解器且具有增加的電流的高輸入電壓模塊。兩個轉(zhuǎn)換器40由SolarConvertersInc.(Guelph，Ontario)(太陽能轉(zhuǎn)換器公司，圭爾夫，安大略)提供。低輸入電壓模塊為專門訂制的變型模塊CV20/33-20,所述變型模塊具有用于手動調(diào)節(jié)輸出電壓的電位計。高壓模塊是專門訂制的變型模塊PPT48-10，所述變型模塊具有用于手動調(diào)節(jié)輸出電壓和電流的電位計。在電位計被置于最大值時，兩個直流-直流轉(zhuǎn)換器模塊40在最佳狀態(tài)下工作。這些直流-直流轉(zhuǎn)換器40還可用于利用太陽能模塊為泵馬達供電的應用中。直流-直流轉(zhuǎn)換器40犧牲了一些光伏輸出電壓以提供更高的電流，從而使得馬達即使在低光照條件下也不會停止運行。包括邏輯算法和設(shè)定點的控制器34可被添加至直流-直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)40，以利用所述控制器監(jiān)控電解器的性能并調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，從而保持太陽能模塊-電解器系統(tǒng)在接近其最大輸出的狀態(tài)下進行工作。光伏系統(tǒng)電池充電控制器的軟件和硬件可適于本發(fā)明的電解器。直流-直流轉(zhuǎn)換("DDC")最優(yōu)化還有效地增加了利用太陽能生產(chǎn)氫的效率。與電解器子系統(tǒng)28需要的電壓和電流不相匹配的選定光伏子系統(tǒng)"被連接至可調(diào)直流-直流轉(zhuǎn)換器40，所述直流-直流轉(zhuǎn)換器受到一個或多個電位計的控制以將其電輸出轉(zhuǎn)換成質(zhì)子交換膜電解器子系統(tǒng)28需要的最優(yōu)電壓和電流。在光伏子系統(tǒng)22的電壓對于電解器而言過低的情況下，效率從零增加至9.5%。在光伏子系統(tǒng)22的電壓對于進行有效電解而言過高的情況下，該方法使效率從9.0%增加至10.5%。當直接連接光伏電解的效率可能由于光伏子系統(tǒng)22的電輸出下降而降低時，直流-直流轉(zhuǎn)換最優(yōu)化方法還可改進在多云的陰天利用太陽能生產(chǎn)氬的過程，由于直流-直流轉(zhuǎn)換器不是100%有效的(通常在接近其最大電流的92-95%效率下進行工作)，因此利用直流-直流轉(zhuǎn)換器40可降低在晴天生產(chǎn)氫的效率。然而，直流-直流轉(zhuǎn)換器對于下列情況存在寶貴的優(yōu)點l)將要日出時，2)將要日落時，3)陰天時，和4)對于具有大大高于或低于電解器負載的最優(yōu)電壓的電壓輸出的光伏系統(tǒng)而言。因此，最好的光伏電解系統(tǒng)20是允許在直接連接最優(yōu)化與直流-直流轉(zhuǎn)換器最優(yōu)化之間進行切換的系統(tǒng)，所述切換是通過在電路中包括可調(diào)直流-直流轉(zhuǎn)換器40和旁通開關(guān)而實現(xiàn)的?？赏ㄟ^控制器34手動或自動地實現(xiàn)切換，所述控制器基于傳感器(未示出)檢測到的太陽輻照度。當電解器堆被充電且用作燃料電池而產(chǎn)生與直流-直流轉(zhuǎn)換器相反的反電壓時，一些直流-直流轉(zhuǎn)換器40可能停止運行?？赏ㄟ^在電路中增加阻塞二極管防止出現(xiàn)該問題，所述阻塞二極管防止電流從電解池堆回流入直流-直流轉(zhuǎn)換器內(nèi)。這防止了直流-直流轉(zhuǎn)換器在例如云量的增加使得光伏輸出下降的條件下停止運行。這種電路接近利用來自光伏系統(tǒng)的電的充電電池中使用的直流-直流轉(zhuǎn)換器40，所述直流-直流轉(zhuǎn)換器被稱作電荷控制器。連接至電解器子系統(tǒng)28的電荷控制器不會受到?jīng)]有二極管的更簡單的直流-直流轉(zhuǎn)換器通常出現(xiàn)的停止運行的問題的困擾。通過設(shè)計光伏電解系統(tǒng)20使其具有光伏子系統(tǒng)22、質(zhì)子交換膜電解器子系統(tǒng)28、直流-直流轉(zhuǎn)換器40和切換面板32，所述切換面板可繞過轉(zhuǎn)換器或?qū)⑺鲛D(zhuǎn)換器連接至電解器子系統(tǒng)28,本發(fā)明實現(xiàn)了根據(jù)陽光強度進行直接連接最優(yōu)化和直流-直流轉(zhuǎn)換器最優(yōu)化的目的(圖4)。當在陽光^爛的天氣里系統(tǒng)可達到其可能的最高效率和氫生產(chǎn)速率時，直接連接最優(yōu)化最有用，而由于直流-直流轉(zhuǎn)換器在早晨、晚上且在少云和陰天里可以可能的最高效率生產(chǎn)氫從而提高平均的氫生產(chǎn)速率，因此此時直流-直流轉(zhuǎn)換器是有利的?？蛇x地，光伏電解系統(tǒng)20可結(jié)合直接連接最優(yōu)化(DC0)和直流-直流轉(zhuǎn)換器(DDC)最優(yōu)化。當旁通開關(guān)被關(guān)閉時，系統(tǒng)利用直接連接最優(yōu)化，且當開關(guān)打開時，系統(tǒng)可利用直流-直流轉(zhuǎn)換器最優(yōu)化。當光伏電解器系統(tǒng)以直接連接最優(yōu)化模式進行工作時，光伏系統(tǒng)中的光伏子系統(tǒng)并聯(lián)連接且都具有等于電解器所需的工作電壓的最優(yōu)Vmpp。例如，Vrapp=36伏特的光伏子系統(tǒng)22(表1，模塊#13)對于進行試驗的具有20個池的質(zhì)子交換膜電解器子系統(tǒng)28而言具有最高效率。光伏子系統(tǒng)22在36伏特的V,周圍的32至39伏特的電壓范圍內(nèi)達到其最大功率的約95%或更高比例。對于質(zhì)子交換膜電解器而言，光伏子系統(tǒng)#13提供了最高效率，原因在于光伏子系統(tǒng)的最優(yōu)功率范圍(32-39伏特)與質(zhì)子交換膜電解器的工作電壓(32-38伏特)交疊。直接連接最優(yōu)化操作在陽光杣爛的天氣里最有效，但在陽光強度較低的情況下，當光伏電壓降至低于在電解器中解離水所需的最小值時，效率降低。當光伏電解器系統(tǒng)20以直流-直流轉(zhuǎn)換器最優(yōu)化模式進行工作時，所述模式在陰天和低光照強度條件下最有效，成對光伏子系統(tǒng)22(例如表1中的模塊#13)最好可串聯(lián)連接以使光伏系統(tǒng)的電壓加倍，例如使V,^72伏特，這將降低所謂"銅損，，或電壓和電流由于電線中的電阻所致的降低。隨后，更高的電壓通過直流-直流轉(zhuǎn)換器時被轉(zhuǎn)換成電解器的最優(yōu)電壓。由于直流-直流轉(zhuǎn)換器中的電阻而損失了少量電流，所述直流-直流轉(zhuǎn)換器在低電流下的效率為95%且在高電流下的效率為92%，但可通過與電解器子系統(tǒng)28所需要的工作電壓相匹配而獲得效率的提高從而抵消這種損失。在低光照條件下或當光伏子系統(tǒng)22的固有V,較低時，這種效率提高的獲得尤其重要，所述條件可能防止電解開始，原因在于進行試驗的具有20個池的質(zhì)子交換膜電解器需要至少30伏特的電壓解離水。利用11個光伏系統(tǒng)實施一系列實驗，所述光伏系統(tǒng)在最大功率點處的電壓(V，)處于17-105伏特范圍內(nèi)。它們可被直接連接至具有20個池的質(zhì)子交換膜電解器堆(ProtonEnergySystem(質(zhì)子能量系統(tǒng)公司))，所迷質(zhì)子交換膜電解器堆裝配有外部水循環(huán)泵和氣體分離器，如圖1和圖2的示意圖和圖中所示。這些光伏系統(tǒng)包括單個光伏子系統(tǒng)或串聯(lián)或并聯(lián)連接的成對模塊以提供所需試驗電壓。通過四月晴天里的自然日照提供輻照度，且太陽輻照度為900-950瓦特/m2。模塊在試驗過程中指向太陽以接收最大可得的輻照度。安培計58被置于光伏子系統(tǒng)22與電解器之間的電路中，且同時利用校準的晶21體硅光伏二極管(UDT傳感器，Hawthorne,CA)通過已公知的電流對陽光的線性響應監(jiān)控陽光強度。在自然日照條件下進行戶外試驗之前，在實驗室中利用可變輸出的直流電源(HewlettPackardModel6012B)對質(zhì)子交換膜電解器光伏子系統(tǒng)28進行試驗，從而證實由輸入電流計算得出的預計氫生產(chǎn)速率與通過預校準的機械流量計(Drycal,BiosInternationalCorp.，Butler，PA)測得的氫輸出相等，且證實所生產(chǎn)的氫與氧的體積比為2:1(圖5)。利用圖1、圖11和圖12所示的設(shè)備在自然日照條件下對光伏電解系統(tǒng)進行戶外試驗。利用公式1通過測得的經(jīng)過電解器的電流(I。per)、太陽能強度(輻照度)和光伏太陽能電池的總面積計算太陽能轉(zhuǎn)換成氫的效率。公式1:太陽能轉(zhuǎn)化為H，的效率，A7光伏面積(m"x太陽能強度(W/"7:其中^電解器中的池數(shù)量(在我們的試驗系統(tǒng)中為20個)。太陽能轉(zhuǎn)換成電能的光伏太陽能電池24的效率是其構(gòu)造中使用的半導體層的特征，所述半導體層是多晶硅或單晶硅或具有組合的晶體和非晶硅層。該效率根據(jù)電池類型在11.5%至17.5%的范圍內(nèi)(參見表1)。電能轉(zhuǎn)換成氫能的電解器效率、工作電壓和電流是電解器的固有性質(zhì)，所述固有性質(zhì)取決于電解器的設(shè)計、催化劑、工作溫度、工作電流、壓力和質(zhì)子交換膜堆的條件，所述條件包括以前的總工作小時數(shù)。利用自然日照在一定范圍的電壓(V帥p)下通過實驗確定光伏電解器系統(tǒng)20的通過太陽能生產(chǎn)氫的總效率，如表2中的列3和列5所示。表2中測量的太陽輻照度為約900-950W/m2，即晴朗的陽光充足的條件。表2光伏-電解系統(tǒng)的直接連接最優(yōu)化(DC0)<table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table>質(zhì)子交換膜電解器子系統(tǒng)28的效率在光伏電解器試驗的電流(約3-5A)和溫度條件下為約76%。由于保持了接近恒定的冷卻工作溫度(~25°C),因此在戶外光伏電解器試驗過程中，電解器溫度的變化不會明顯影響電解器效率。在獨立的一組實驗中，在由直流電源提供的更寬電流范圍內(nèi)測量電解器效率(圖8)。電解器效率從5A工作電流下的7W降低至在70A的電流下約為65%的效率。通過下列公式由工作電壓(V。，)和1.23伏特的理論水解離電壓以及電解器中串聯(lián)的池數(shù)量(20個池)確定電解器效率公式2:電解器效率-100。/。x1.23x20/V。per電解器效率的數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。所測量的利用太陽能生產(chǎn)氫效率在Vrapp=36伏特的情況下達到最高值(圖7)。三個光伏子系統(tǒng)#12、#16和#13具有接近電解器的V。兩的V聊值。因此，當利用所述光伏子系統(tǒng)驅(qū)動電解器時，光伏子系統(tǒng)22在約處于其V卿的電壓下進行工作且產(chǎn)生其最大功率和效率。利用光伏子系統(tǒng)#13產(chǎn)生的預期光伏電解器效率將高于利用#12或#16產(chǎn)生的效率，原因在于在25°C的溫度和1000W/m2的輻照度的標準試驗條件(STC)下測得的光伏電池的(電)效率(在最大功率點處)對于#13而言為17.5%,但對于M2和#16而言分別僅為11.5%和14.6%。然而，由于更高的光伏溫度對于電輸出的功率和效率產(chǎn)生了負面影響，因此實際的光伏電池的(電)效率在工作條件下更低。在光伏電解器試驗過程中在模塊背面上測得的光伏溫度為35。C的情況下，預估的光伏電池效率降低至上述標準試驗條件下的效率值的95°/。，即，#13，16.6%;#12,10.9%;#16，13.9%。如果這些實際的光伏效率值被代入總效率公式中公式3:太陽能轉(zhuǎn)換為H2的效率-光伏效率x電解器效率利用在小于或等于10A的電解器電流下為76Y。的電解器效率(圖6)，則預期的太陽能轉(zhuǎn)換為H2的總效率如下光伏模塊#13，17.5°/x0.95x0.76=12.6%;光伏模塊#12,11.5%x0.95x0.76=8.3%;且光伏才莫塊#16，14.6%x0.95x0.76=10.5%。這些預期效率值約等于實際測量的值光伏模塊#13-12.4%;光伏模塊#12-8.3%;且光伏模塊#16-10.3%(表2)?；谠囼灲Y(jié)果，當光伏系統(tǒng)的最大功率點電壓在32至39伏特范圍內(nèi)時，所述電壓范圍與質(zhì)子交換膜電解器的工作電壓范圍接近匹配，光伏電解器系統(tǒng)20提供了最優(yōu)的Hf太陽能效率。表3總結(jié)示出了利用圖1所示(圖3示意示出)的設(shè)備在自然日照下測得的光伏電解的直流-直流轉(zhuǎn)換器最優(yōu)化的實驗結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明的規(guī)格設(shè)計的兩個直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置具有專門的電位計以控制電壓和電流輸出，所述直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置在這些實驗中被用于使光伏電解器系統(tǒng)最優(yōu)化且允許確定最優(yōu)電壓和電流設(shè)置以提高電解器效率(1)用于更高電壓的光伏子系統(tǒng)的SolarConvertersInc.(太陽能轉(zhuǎn)換器公司)生產(chǎn)的型號為PPT48-10的轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器被設(shè)計以在54-90伏特的輸入電壓下進行工作且將所述輸入電壓降低至31-36伏特的輸出電壓，同時增加輸出電流以使質(zhì)子交換膜電解器在最優(yōu)效率下進行工作；和(2)用于更低電壓光伏子系統(tǒng)的型號為CV20/33-20的轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器被設(shè)計以在17-25伏特的輸入電壓下進行工作且將所述輸入電壓增加至31-36伏特的最優(yōu)輸出電壓。由于直至電壓超過-30伏特，即可發(fā)生電解所需的最小電壓時，電解器的1。^都為零，因此低電壓直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置增加了工作電壓和電流。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage25</column></row><table>如表3中所示，對于V叩p太低(l7或20伏特)以至于不能通過直接連接光伏電解制氫的光伏子系統(tǒng)22而言，所述光伏子系統(tǒng)可與直流-直流轉(zhuǎn)換器最優(yōu)化結(jié)合以升高電壓和效率且有效地為質(zhì)子交換膜電解器供電。同樣地，對于V，太高(54伏特)以至于不能通過直接連接光伏電解非常有效地制氫的光伏子系統(tǒng)而言，所述光伏子系統(tǒng)通過利用直流-直流轉(zhuǎn)換器最優(yōu)化以降低電壓并且即使在少云天氣里輻照度降低的情況下也能使效率從9.0提高至10.5%，從而更有效地使質(zhì)子交換膜電解器進行工作。表3所示的所有光伏系統(tǒng)顯示出當使用直流-直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)時，隨著太陽輻照度的增加，太陽能轉(zhuǎn)換為氫的效率增加的性質(zhì)。為了給以燃料電池為動力的汽車提供燃料使其每天行駛30英里，所述行駛量合理地近似為美國平均每天的行駛量，需要每天約0.5kg的氫。這種近似基于GM/OpelHydroGen3燃料電池車輛所報告的燃料效率。用作氫發(fā)生器的具有串聯(lián)的20個電解池的質(zhì)子交換膜電解器堆能夠每天生產(chǎn)O.5kg在"0psig壓力下的氫從而為每天通常行駛30英里的燃料電池車輛提供燃料。通常，在夏天的6小時曰照條件下生產(chǎn)500克氫所需要的電流為公式4:電流(A)-(500克H2/2克/摩爾H2)x(96，500庫侖/當量)x(2當量電子/摩爾H2)"1A/1庫侖/秒)x(1小時/3600秒)xl/(6小時)x(1/20電池)結(jié)果電流-110A因此，在約38伏特的電壓下需要IIOA，即電解器系統(tǒng)的工作功率為4.2kW。基于此，本發(fā)明利用在集成的最優(yōu)化光伏電解器系統(tǒng)中的具有20個池的質(zhì)子交換膜堆而由光伏功率生產(chǎn)氫。為了盡可能有效和便宜地由電解器生產(chǎn)氫，太陽能光伏陣列適于在白天的6小時高峰期間內(nèi)在38伏特的電壓下產(chǎn)生110A的電流。對于密歇根州底特律市的夏天條件而言，高峰日照小時數(shù)為約6小時(NRELSolarRadiationDataManualforFlat-PlateandConcentratingCollectors(國家可再生能源實驗室提供的平板型和聚光型集熱器的太陽輻照度數(shù)據(jù)手冊)，http://rredc.nrel.gov/solar/pubs/redbook/)。高峰曰照時間(PSH)代表總的每日太陽能，所述總的每日太陽能等效于每天太陽輻照度為1000W/m2的小時數(shù)，即6PSI^6000Wh/mV天。為了使電解器獲得該電流和電壓輸入，需要具有約38伏特的最大功率點電壓(Vmpp)的光伏系統(tǒng)以獲得電解水的最優(yōu)效率并克服內(nèi)部或外部電阻以及與電解器電路相關(guān)的過電壓效應。從表2中，就使模塊的V,與電解器負載的電壓相匹配方面而言，模塊#13是最好的直接連接模塊，所述模塊在標準陽光條件(1000W/m2)下產(chǎn)生185W的功率。盡管表中列出的模塊#13的V,為36.2伏特，但在負載工作電壓(V。兩)為38伏特的情況下，所述模塊產(chǎn)生的電壓超過了其工作電壓的95%。需要約22個并聯(lián)連接的這種模塊在夏天的底特律的高峰日照時間工作約6小時從而在最大輸出情況下使電解器進行工作。在冬天，當太陽能日射小于夏天日射的一半時，需要兩倍數(shù)量的模塊。需要注意冬天的一個有利條件-模塊將更有效地進行工作，原因在于更高的溫度使模塊的性能降級。對于夏天條件而言，在高峰日照達6小時的情況下，電解器每小時將產(chǎn)生83克氫。該氫生產(chǎn)量被轉(zhuǎn)變成每天0.5kg的氫生產(chǎn)量，所述氫生產(chǎn)量使得足以利用太陽能動力提供一個燃料電池車輛所需的燃料，在夏天將需要一個包括25個太陽能模塊的光伏系統(tǒng)(22個模塊26用來運行電解器從而制氫且3個附加模塊用來運行壓縮機從而對氫進行加壓以用于儲存和為車輛提供燃料)和一個所試驗類型的質(zhì)子交換膜電解器。在冬天將需要約兩倍數(shù)量的模塊。每個光伏模塊具有1.06m2的電池面積。因此，需要總面積=26.5m2，即約17'xl7'，以工作一個質(zhì)子交換膜電解器堆(具有20個池)。估計壓縮機需要至少6%的附加電功率以用氪填充高壓儲罐從而為車輛提供燃料(SimbeckD.R.andChangE.(2002)"HydrogenSupply:CostEstimateforHydrogenPathways-ScopingAnalysis."ReportNREL/SR-540-32525.NationalRenewableEnergyLaboratory,Golden,CO)。多個高壓金屬膜片壓縮機在商業(yè)上是可得的。在酸性電解質(zhì)中(質(zhì)子交換膜的酸性很強)，分別描述析氫和析氧的半反應為公式5:2H++2e-~>H2還原，陰極和公式6:H20—2H++X02+2e-氧化，陽極合并這兩個半反應公式7:H20—H2+肌描述組合這兩個半反應的電解池電壓的能斯特方程為公式8:r二p:〕-((尺xr)/(2xf))x1如2]x[o2r(E.Gileadi，"ElectrodeKineticsforChemists,ChemixalEngineers,andMaterialsScientists,"pp.502—505，Wiley-VCH，Inc.,1993)在公式8中T是開氏溫度，R是氣體常數(shù)(8.314伏特庫侖/K摩爾)，且F是法拉第常數(shù)(96,484庫侖/摩爾電子)，且112和02的濃度等于其壓力。量V。等于-1.23伏特，((RxT)/(2xF))在298。K的溫度下等于0.0128伏特，且水的濃度相對獨立于氣體壓力且由于處于標準狀態(tài)而取1。注意由于需要1.23伏特對水進行解離，因此V。的符號為負；如果系統(tǒng)消耗112和02發(fā)電，則符號為正且反應是自發(fā)的。如果陽2]--1個大氣壓，則V=V。=-1,23伏特。如果[112]和增加至10個大氣壓，則V。右邊的項變?yōu)?0.044伏特且對水進行解離需要的電壓為-1.273伏特。由于對數(shù)項中包括了壓力，因此在更高壓力下，"過電壓"的增加相對較小，且促進了利用高壓電解器生產(chǎn)高壓氫，而不是利用后面設(shè)置有壓縮機的低壓電解器。對于更高的壓力而言，不能簡單地在能斯特方程中使用壓力，且需要利用被稱為氣體逸度的活度。逸度在低壓條件下約等于壓力，但在很高壓力下高于壓力。在達1000個大氣壓的壓力下，測量了析氫反應的電壓與氫壓之間的關(guān)系(W.R.Hainsworth，H.J.Rowley,andD.A.Maclnnes，"Theeffectofhydrogenpressureontheelectromotiveforceofahydrogen-calomelcell.II.Thefugacityofhydrogenandhydrogenionatpressuresto1000atmospheres,"J.Amer.Chem.Soc.，Vol.46，pp.1437-1443，1924)。Hainsworth等獲得的經(jīng)驗公式如下公式9:△1/二0-02958xlog(p)+6.12xIO一6x—1)+6.6x10—10x(p2—1)在公式9中，AV是在更高氫壓下驅(qū)動析氫反應所需的增壓且p是在大氣中的壓力。該關(guān)系的曲線圖如圖8所示。在氫壓為1000個大氣壓的情況下，析氫反應的電壓增加約0.1伏特。質(zhì)子交換膜電解器中的氧可能被排出，且因此防止由于其加壓而導致產(chǎn)生過電壓，否則的話，析氧電壓也會增加。如杲有必要在質(zhì)子交換膜電解器的氧側(cè)上保持相等的高壓的話(由于產(chǎn)生的氧僅是氫的一半，因此池中用于生產(chǎn)氧的體積是生產(chǎn)氫的體積的一半)，則析氫反應需要的電壓還將增加(公式6)。在1000個大氣壓下，氧的逸度比其壓力高約16%，因此在1000個大氣壓下，項的值是1164個大氣壓。(TRCThermodynamicTables,Non-Hydrocarbons，StandardReferenceDataBase,NationalInstituteofStandardsandTechnology,Gaithersburg，MD20899，網(wǎng)址http://trc.nist.gov/tables/nonhydro.htm)。因此，基于公式8的氧的過電壓效應值為0.0128xln(1160°'5)，所述值等于0.045伏特。因此，根據(jù)公式7，在氫和氧為1000個大氣壓的情況下，電解水的總過電壓估計為約0.14伏特。過電壓與壓力的相關(guān)性很弱；即，由于氣體的高度加壓所致的過電壓小于由于氧電極的動力學效應所致的過28電壓，即使對于目前最好的催化劑而言，所述動力學效應所致的過電壓也達到0.3-0.4伏特。在1000個大氣壓下，該過電壓的效應是4吏電解所需的能量增加了9%(100x0.14伏特/1.6伏特)'總之，由于電化學反應與壓力的相關(guān)性相對較弱且在一個步驟中進行合成和加壓的簡便性，因此高壓電解可能是有吸引力的氫源，所述氫被加壓至1000個大氣壓。測量太陽能模塊的電壓(V)、電流(I)和功率(P)數(shù)據(jù)且利用圖11所示的方法確定最大功率點(mpp)。最大功率點電壓必須與電解器的特征工作電壓接近匹配以使太陽能轉(zhuǎn)換成氫燃料能量的總效率最優(yōu)化。通常在標準試驗條件(25。C，1000W/i^的輻照度以及AMI.5的總太陽光譜)下測量I、V和P曲線(圖11)以確定開路電壓(V。c)、短路電流(Ise)、最大功率點電壓(Vfflpp)以及最大功率點電流(I,)的"標準"值。還在其它溫度范圍和太陽輻照度水平下測量這些量以確定溫度和陽光變化對光伏系統(tǒng)性能的影響。本文描述的系統(tǒng)提供了一種用于燃料電池車輛和固定燃料電池動力生產(chǎn)設(shè)備的成本有效的無污染且可再生的氫燃料源。注意到，本發(fā)明的最優(yōu)化光伏電解系統(tǒng)在接近一個太陽輻照度(1000W/m2)的情況下具有約12.4。/。的最高效率。這是在美國北部夏天的無云天氣里約正午時刻的情況。這是有報道的最高的太陽能轉(zhuǎn)換為氫燃料的效率。美國的許多地區(qū)可在每年超過6個月的時間內(nèi)提供約6-8小時的這種太陽輻照度水平。對于這種條件而言，本發(fā)明提供了一種為燃料電池供應可再生的無污染氫燃料的實用裝置。盡管在西北部沙漠地區(qū)和陽光地帶優(yōu)點更加明顯，但該系統(tǒng)在美國的其它地區(qū)可有效地工作，且由于增加了直流-直流轉(zhuǎn)換最優(yōu)化以在低光照條件下制氫，因此在少云天氣里系統(tǒng)的效率可能增加。當在平均日照(日射)更低的區(qū)域使用時，將需要更大面積的光伏子系統(tǒng)以提供給定燃料需求。從下文提供的詳細描述中將易于理解本發(fā)明可應用的其它領(lǐng)域。應該理解，盡管詳細描迷和特定實施例示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但所述詳細描述和特定實施例僅在于說明目的且不旨在限制本發(fā)明的范圍。例如，可通過其它能源為直流-直流轉(zhuǎn)換器供電，所述能源包括但不限于電力網(wǎng)、風力或燃料電池，所述燃料電池消耗由電解器生產(chǎn)的氫且為負載提供電流。此外，電解器子系統(tǒng)28可被構(gòu)造為可逆電解器/燃料電池系統(tǒng)，即以第一模式進行工作以電解水從而生產(chǎn)氫且其中電解器子系統(tǒng)28可以第二模式進行工作以消耗氫從而產(chǎn)生動力。本文所述的最優(yōu)化技術(shù)可應用于多種電解器，所述電解器包括(i)具有酸性電解質(zhì)的酸性電解器；(ii)具有堿性電解質(zhì)的堿性電解器；(iii)蒸汽電解器；(iv)包括至少一個膜電極組件的質(zhì)子交換膜電解器；和(v)高壓電解器。正如本文使用地，術(shù)語"光伏子系統(tǒng)"指的是一個或多個光伏電池或模塊。權(quán)利要求1、一種光伏電解器系統(tǒng)，所述光伏電解器系統(tǒng)包括電解器子系統(tǒng)；和光伏子系統(tǒng)，其中所述電解器子系統(tǒng)被構(gòu)造以在高于第一工作電壓與第二工作電壓之間的預定效率的情況下電解水從而生產(chǎn)氫，且所述光伏子系統(tǒng)被構(gòu)造以在介于所述第一工作電壓與所述第二工作電壓之間的電壓下提供電功率。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電解器，其中所述光伏子系統(tǒng)包括多個太陽能電池，所述太陽能電池以用于產(chǎn)生更高電壓的串聯(lián)連接方式和用于產(chǎn)生更高電流的并聯(lián)連接方式中的至少一種方式被連接在一起。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電解器，其中所述電解器子系統(tǒng)包括多個電解池，所述電解池以用于接受更高工作電壓的串聯(lián)連接方式和用于接受更高工作電流的并聯(lián)連接方式中的至少一種方式被連接在一起。4、根據(jù)權(quán)利要求1所迷的光伏電解器，其中所述電解器子系統(tǒng)具有電解池，所述電解池選自包括質(zhì)子交換膜(P服)電解器、高壓電解器、具有堿性電解質(zhì)的堿性電解器、具有酸性電解質(zhì)的酸性電解器、蒸汽電解器、可逆質(zhì)子交換膜燃料電池/電解器及其組合的組群。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電解器，其中所迷光伏子系統(tǒng)被構(gòu)造以產(chǎn)生處于最大功率點處的預定電壓，所述預定電壓約處于所述電解器子系統(tǒng)的所述工作電壓下，以使得所述氫生產(chǎn)過程被最優(yōu)化且在預定太陽輻照度和預定溫度下實現(xiàn)最高效率。6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的光伏電解器，其中所述光伏子系統(tǒng)的Vfflpp為約36直流伏特且太陽能轉(zhuǎn)換為電能的效率為約17.5%,且所述光伏子系統(tǒng)被連接至高效質(zhì)子交換膜電解器，所述高效質(zhì)子交換膜電解器具有20個串聯(lián)的電解池且V。庫介于約32直流伏特與約38直流伏特之間。7、根據(jù)權(quán)利要求1所迷的光伏電解器，其中所述電解器包括多個電解池且所述光伏子系統(tǒng)具有處于約1.6直流伏特/電解池與約2.0直流伏特/電解池之間的范圍內(nèi)的預定輸出電壓。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電解器系統(tǒng)，其中所述光伏子系統(tǒng)產(chǎn)生約95%至100%的最大功率輸出以及約95%至100%的最高電效率且產(chǎn)生約85%至100%的最高的太陽能轉(zhuǎn)換成氫的效率。9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電解器，其中所迷電解器子系統(tǒng)具有特征工作電壓，通過在已公知的工作電流下測量所述電解器子系統(tǒng)的極柱間的電壓降確定所述特征工作電壓。10、根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電解器，其中所述電解器子系統(tǒng)包括多個電解池且具有由串聯(lián)的電解池數(shù)量(N)和每個電解池的特征過電壓(V。v)確定的特征工作電壓V。^以使得V。p^Nx(1.23伏特+V。v)其中V。v處于約0.4至0.7直流伏特范圍內(nèi)。11、根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電解器，進一步包括聯(lián)接至所述光伏子系統(tǒng)和所述電解器的直流-直流轉(zhuǎn)換器，所述直流-直流轉(zhuǎn)換器被構(gòu)造以將所述光伏子系統(tǒng)的輸出電壓轉(zhuǎn)換成處于所述第一電壓與所述第二電壓之間的范圍內(nèi)的電壓。12、根據(jù)權(quán)利要求11所述的光伏電解器，其中所迷電解器子系統(tǒng)包括多個電解池且所述直流-直流轉(zhuǎn)換器被構(gòu)造以將所述光伏子系統(tǒng)的所述電壓輸出轉(zhuǎn)換成對于每個電解池而言介于l.6直流伏特與2.0直流伏特之間的電壓。13、一種光伏電解器系統(tǒng)，所述光伏電解器系統(tǒng)包括具有功率輸入裝置的電解器，所述電解器被構(gòu)造以將H20分解成H2和0"直流-直流轉(zhuǎn)換器，所述直流-直流轉(zhuǎn)換器被構(gòu)造以選擇性地為電解器功率輸入裝置提供能量；光伏子系統(tǒng)，所述光伏子系統(tǒng)用于選擇性地將能量直接提供給所述電解器功率輸入裝置或所述直流-直流轉(zhuǎn)換器；控制器，所述控制器用于選擇所述光伏子系統(tǒng)或所述直流-直流轉(zhuǎn)換器中的一個作為所述電解器的所述功率輸入裝置的動力源。14、根據(jù)權(quán)利要求13所述的光伏電解器系統(tǒng)，其中所述電解器被構(gòu)造以在高于第一工作電壓與第二工作電壓之間的預定效率的情況下電解水從而生產(chǎn)氬，且所述光伏子系統(tǒng)被構(gòu)造以在預定太陽能條件下，在介于所述第一工作電壓與所述第二工作電壓之間的電壓下提供電功率。15、根據(jù)權(quán)利要求13所述的光伏電解器系統(tǒng)，其中所述電解器被構(gòu)造以在高于第一工作電壓與第二工作電壓之間的預定效率的情況下電解水從而生產(chǎn)氫，且所述直流-直流轉(zhuǎn)換器被構(gòu)造以在介于所述第一工作電壓與所述第二工作電壓之間的電壓下提供電功率。16、根據(jù)權(quán)利要求14所述的光伏電解器系統(tǒng)，其中所述光伏子系統(tǒng)包括太陽能電池，所述太陽能電池具有晶體硅、非晶硅、銅銦聯(lián)硒化物、碲化鎘或其組合。17、根據(jù)權(quán)利要求13所述的光伏電解器系統(tǒng)，其中所述電解器子系統(tǒng)被設(shè)計以在約5，000psi至約15,000psi之間的壓力下進行工作從而產(chǎn)生處于約5，000psi至約15，000psi之間的壓力下的氬。18、根據(jù)權(quán)利要求13所述的光伏電解器系統(tǒng)，其中所述電解器子系統(tǒng)被構(gòu)造以在低于1.1A/cn^的電流密度下進行工作。19、根據(jù)權(quán)利要求13所述的光伏電解器系統(tǒng)，包括被聯(lián)接至所述光伏子系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)。20、一種分解水以形成氫的方法，所述方法包括提供具有功率輸入裝置的電解器子系統(tǒng)，所述電解器被構(gòu)造以將H20分解成112和02;提供直流-直流轉(zhuǎn)換器，所述直流-直流轉(zhuǎn)換器被構(gòu)造以選擇性地為電解器功率輸入裝置提供能量；提供光伏子系統(tǒng)，所述光伏子系統(tǒng)被構(gòu)造以選擇性地將能量直接提供給所述電解器功率輸入裝置或所述直流-直流轉(zhuǎn)換器；基于太陽能輻照度傳感器檢測到的能量選擇所述光伏子系統(tǒng)或所述直流-直流轉(zhuǎn)換器中的一個作為所述電解器的所述功率輸入裝置的動力源。21、根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中提供光伏子系統(tǒng)是提供串聯(lián)連接的太陽能電池。22、根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中提供電解器子系統(tǒng)是提供包括串聯(lián)連接的多個電解池的電解器子系統(tǒng)。23、根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中提供電解器子系統(tǒng)是提供包括電解池的電解器子系統(tǒng)，所述電解池選自下面的組群(i)質(zhì)子交換膜(PEM)電解器，(ii)高壓電解器，(iii)具有堿性電解質(zhì)的堿性電解器，(iv)具有酸性電解質(zhì)的酸性電解器，(v)蒸汽電解器，和(vi)可逆質(zhì)子交換膜燃料電池/電解器。24、根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中提供電解器子系統(tǒng)是提供被構(gòu)造以在高于預定的第一工作電壓與第二工作電壓之間的預定效率的情況下生產(chǎn)氫的子系統(tǒng)，且提供光伏子系統(tǒng)是提供被構(gòu)造以在所述光伏子系統(tǒng)的最大功率點處或在預定太陽能條件下，在介于所述預定的第一工作電壓與第二工作電壓之間的電壓下提供電功率的光伏子系統(tǒng)。25、根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中提供電解器子系統(tǒng)是提供被構(gòu)造以在高于第一工作電壓與第二工作電壓之間的預定效率的情況下生產(chǎn)氫的子系統(tǒng)，且提供直流_直流轉(zhuǎn)換器是提供被構(gòu)造以在預定太陽能條件下，在介于所述預定的笫一工作電壓與第二工作電壓之間的電壓下提供電功率的直流-直流轉(zhuǎn)換器。26、根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中提供電解器是提供具有多個電解池的電解器，且提供光伏子系統(tǒng)是提供具有對于每個電解池而言介于約1.6直流伏特與約2.0直流伏特之間的輸出電壓的光伏子系統(tǒng)。27、根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述光伏子系統(tǒng)被構(gòu)造以產(chǎn)生約95%至100%之間的P,，以便提供約95%至100°/。的最高電效率，且所述光伏電解器系統(tǒng)的氫生產(chǎn)效率為最高氫生產(chǎn)效率的約85°/。至100%。28、根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中提供電解器子系統(tǒng)是提供被構(gòu)造以在高于第一工作電壓與第二工作電壓之間的預定效率的情況下生產(chǎn)氬的子系統(tǒng)，且提供光伏子系統(tǒng)是提供被構(gòu)造以在預定太陽能條件下，在低于所迷第一工作電壓的電壓和高于所迷第二工作電壓的電壓中的一個電壓下提供電功率的光伏子系統(tǒng)。29、根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中電解器子系統(tǒng)包括多個電解池且所述直流-直流轉(zhuǎn)換器被構(gòu)造以將所述光伏子系統(tǒng)的所述電壓輸出轉(zhuǎn)換成對于每個電解池而言介于1.6直流伏特與2.G直流伏特之間的電壓。30、根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中提供電解器子系統(tǒng)是提供被構(gòu)造以在約5，000psi至約15，000psi之間的壓力下進行工作的電解器子系統(tǒng)。31、一種使電解系統(tǒng)進行工作的方法，所述電解系統(tǒng)具有至少一個光伏(PV)電池，所述光伏電池供電以電解水從而生產(chǎn)氫，所述方法包括a)通過測量和計算確定所述電解器子系統(tǒng)的工作電壓、工作電流和效率，b)基于在所述光伏電池的多個負栽和多個電壓下的實際電壓與實際電流之間的預定關(guān)系而確定所述光伏電池的最大功率點電壓(V,卿)，并且c)確定處于所述Vrapp的光伏電池數(shù)量以獲得電解水的最優(yōu)電壓且滿足所需的電解系統(tǒng)損失。32、一種使電解系統(tǒng)進行工作的方法，所述電解系統(tǒng)具有至少一個光伏(PV)子系統(tǒng)，所述光伏子系統(tǒng)供電以電解水從而生產(chǎn)氫，所述方法包括a)通過測量和計算確定所述電解器子系統(tǒng)的工作電壓、工作電流和效率；b)基于在所述光伏電池的多個負載和多個電壓下的實際電壓與實際電流之間的預定關(guān)系而確定所述光伏電池的最大功率點電壓(Vmpp)，并且c)確定處于所述Vmpp的光伏電池數(shù)量以獲得電解水所需的電壓且滿足所述電解系統(tǒng)的所需損失，且所述電解系統(tǒng)包括電解器，所迷電解器選自(i)具有酸性電解質(zhì)的酸性電解器；(ii)具有堿性電解質(zhì)的堿性電解器；(in)蒸汽電解器；(iv)包括至少一個電解池的質(zhì)子交換膜電解器；和(v)高壓電解器。全文摘要披露了一種使由太陽能供電的氫生產(chǎn)系統(tǒng)的效率最優(yōu)化的方法。所述系統(tǒng)利用光伏模塊和質(zhì)子交換膜電解器以將水解離成氫和氧，且效率高于12％。通過使光伏模塊產(chǎn)生的電壓與所述電解器的工作電壓相匹配而獲得由太陽能供電對水進行電解的這種高效率。使光伏-電解系統(tǒng)最優(yōu)化使得通過太陽能生產(chǎn)的氫成本降低且在用作環(huán)境清潔且可再生的燃料方面實用性更強。文檔編號F17C7/04GK101427066SQ200580019856公開日2009年5月6日申請日期2005年6月13日優(yōu)先權(quán)日2004年6月18日發(fā)明者N·A·凱利,T·L·吉布森申請人:通用汽車公司