KR100853741B1

KR100853741B1 - 수소의 제조 및 사용을 위한 시스템 및 서브시스템

Info

Publication number: KR100853741B1
Application number: KR1020077000731A
Authority: KR
Inventors: 토마스 엘. 깁슨; 넬슨 에이. 켈리
Original assignee: 제너럴 모터즈 코오포레이션
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2008-08-25
Also published as: US7892407B2; AU2005264935C1; US20060065302A1; AU2005264935A1; WO2006009673A2; CN101427066A; WO2006009673A3; KR20070039920A; AU2005264935B2; CN101427066B; DE112005001405T5

Abstract

태양 에너지에 의한 수소 발생 시스템의 효율을 최적화하기 위한 방법은 개시된다. 이 시스템은 광전지 모듈들과 12%보다 더 큰 효율로 물을 수소와 산소로 분리하는 양자 교환 막 전해조를 사용한다. 물의 상기 태양에너지에 의한 전해를 위한 이 고효율은 광전지 모듈에 의해 발생되는 전압을 상기 전해조의 작동 전압과 일치시킴으로써 얻어진다. PV 전해 시스템을 최적화하는 것은 환경적으로 깨끗하고 재생가능한 연료로서 사용하기 위한 덜 비싸고 보다 실용적인 태양 에너지에 의해 발생되는 수소를 만든다.

Description

수소의 제조 및 사용을 위한 시스템 및 서브시스템{SYSTEM AND SUB-SYSTEMS FOR PRODUCTION AND USE OF HYDROGEN}

본 발명은 일반적으로 수소 제조에 관한 것이며, 구체적으로는 물을 전기분해하여 수소를 형성하는 막 전극 조합체에 전력을 공급하기 위해 광전지를 사용하여 수소를 제조하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

현재 수소를 제조하는 가장 중요한 과정은 메탄의 수증기 개질(reforming)에 의한다. 수소를 만드는 다른 수단은 물의 전기분해에 의한다. 전기분해를 위해 필요한 전기는 전력망(electric power grid)으로부터 발생되고, 주요 망전류원인 화석 연료의 연소는 이산화 탄소뿐만 아니라 이산화 질소와 미립자 물질과 같은 배출가스(emissions)를 발생시킨다. 이러한 배출가스를 제거하기 위한 한 가지 수단은 물을 전기분해하여 수소를 만들기 위해 태양에 의해 발생되는 전력을 이용하는 것이다. 현재, 효율, 내구성, 태양에 의해 전력 공급되는 수소 제조 과정의 비용을 향상시키는 쪽으로 노력을 기울이고 있다.

광전지(PV) 또는 태양 전지는 물을 전기분해하기 위해 필요한 전력을 공급하 기 위해 사용될 수 있다. 단일의 태양 전지는 광전지 시스템의 가장 작은 유니트이고, 보통 전기분해를 유도하기 위한 작은 전압을 갖는다. 광전지 모듈이라 불리는 태양 전지 그룹은 다양한 사용을 위해 충분한 전압과 전류를 공급하도록 직렬 및/또는 병렬로 서로 전기적으로 연결된다. 일반적으로 모듈들은 투명한 방수 구조로 밀폐처리된다. 그러나, 현재 존재하는 한에서는, 물을 수소와 산소로 분해하기 위한 전해조와 함께 전력을 만드는 PV 모듈들내에 태양 전지를 포함하는 시스템은 메탄의 수증기 개질만큼 싸게 수소를 제조할 수는 없다. 여러가지 프로젝트들이 광전지 모듈들과 물을 분해하는 상업상 이용가능한 전해조로부터의 전력을 사용함으로써 차량-연료보급 스테이션을 공급하기 위해 수소 가스를 제조하는 시도를 했다. 이 프로젝트들은 상기 결합된 기술의 낮은 효율과 높은 비용으로 인해 불만족스러웠고, 단지 태양에너지의 약 2%-6%를 수소연료 에너지로 변환했고, 따라서 비용을 증가시키고, 결과적으로 수소 연료 비용(수소 kg당 적어도 15$)을 증가시키고 상기 시스템이 차지하는 넓은 면적을 증가시켰다. 이 기술은 비최적화 PV와 전해조 결합체에 기초하고, 충분한 태양 에너지를 모으기 위한 큰 땅 면적을 가졌다.

태양 에너지를 수소로 변환하기 위한 다른 방법은 본 발명의 일부로서 참조되는 동시에 할당된 2004년 2월 18일에 출원된 미국 가출원 제 60/545,379호, 및 2005년 2월 2일에 출원되고 제목이 "수소 제조를 위한 방법 및 장치"인 미국 출원 제 11/049,213호에서, 그리고 2004년 2월 18일에 출원된 미국 가출원 제 60/545/374호, 및 2005년 1월 28일에 출원되고 제목이 "수소 발생기 광전지 전기분해 반응 시스템"인 미국 출원 제 11/046/572호에서 개시된다. 이 장치들은 액체 알 칼리성 전해질을 포함하는 반응기에서 전해조를 사용하여 수소를 제조하기 위해 태양 전지에 의해 전력이 공급되는 물의 전기분해의 최적화를 설명한다. 상기 전지들 각각은 대략 하루당 1 그램(STP에서 12 L)의 수소를 발생시킨다. 5 M KOH 전해질 용액과 함께 음극과 양극 각각에 대해 Ni과 Ni-RuO₂판을 사용하는 전해조를 위한 특정한 최적 작동 전압은 상기 PV 시스템의 최대 전력 점 전압, V_mpp와 일치되어야 하며, 대략 2.0-2.5 볼트라는 사실이 알려진다. [주의: 여기서 전기 유니트, 볼트, 암페어 등이 사용될 때마다. 상기 전기유니트는 교류 전류(AC)가 아니 직류 전류(DC)이다.] 종전 시스템을 넘는 중요한 향상이 있는 동안, 작은 탱크 또는 백(back) 반응기들은 각각 부피가 크고 수백개의 층에 의해 치수가 커져야 할 필요가 있다.

종래 기술의 단점을 극복하기 위해, 적어도 하나의 광전지(PV) 모듈을 갖는 PV-전해조 시스템(태양에너지 수소 발생기 도는 태양에 의해 전력이 공급되는 전기분해 시스템)을 설계하고 작동하기 위한 방법이 제공된다. 상기 시스템 및 방법은 물을 전기분해하여 수소를 발생시키기 위한 전력을 공급하는 적어도 하나의 PV 모듈을 사용한다.

여기서 시스템은 수소의 제조와 사용을 위해 개시된다. 이 시스템은 물을 전기분해하는 전력을 공급하는 적어도 하나의 광전지("PV") 모듈과 상기 전력을 수용하는 적어도 하나의 전해조를 갖는다. 상기 전해조는 물을 전기분해 하여 수소를 형성하기 위한 적어도 하나의 막 전극 조합체("MEA")를 갖는다. 상기 MEA는 개별적인 제 1, 2 촉매 전극 사이에 위치하는 양자 교환 막("PEM")으로 형성된다. 상기 PV 모듈의 공급 전압은 상기 전해조가 필요로 하는 작동 전압 및 전류와 일치된다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 시스템은 물을 전기분해하기 위한 전력을 공급하는 적어도 하나의 PV 전지를 갖는 적어도 하나의 광전지("PV") 모듈과 상기 전력을 수용하는 전해조로 형성된다. 상기 전해조는 적어도 하나의 MEA를 갖는다. 상기 시스템은 제 1 모드에서 최적화되고, 상기 전해조를 위한 (최대 광-수소 에너지 변환 효율(solar energy to hydrogen conversion efficiency)을 주는 작동 전압)최적 전압을 주기 위해 설계된 PV 서브시스템을 갖는다. 상기 제 1 모드에서, 상기 PV 서브시스템은 상기 전해조 서브시스템에 직접 연결된다. 상기 시스템은 상기 PV 모듈의 전압이 상기 전해조의 전압 목적값을 초과할 때 상기 전압을 상승시킴으로써 제 3 모드에서 더 작동가능하다. 상기 제 2, 3 모드에서, 상기 PV 전압은 상기 회로에 DC-DC 변환기를 추가함으로써 스텝된다.

PV-전해조는 전해조에 직접 연결되는 PV 시스템을 구비하고 상기 제 1 모드에서 최대 효율로 작동하도록 제작될 수 있다. 선택적인 제어기는 상기 PV 모듈에 입사하는 빛의 양에 기초한 제 1, 2, 3 모드를 따라 전환되는 상기 PV-전해조 시스템에 부가될 수 있다. 상기 제어기를 통해 상기 PV 시스템에 의해 공급되는 상기 전압은 상기 스택을 위한 최대 효율을 주는 작동 전압 범위에 의해 정의되는 목적 범위이다.

또한 방법은 적어도 하나의 태양 전지 또는 PV 모듈을 갖는 광전지(PV) 서브시스템과 물을 전기분해하여 수소를 발생시키기 위한 적어도 하나의 전해조 또는 막 전극 조합체(MEA)를 갖는 전해조 서브시스템을 포함하는 PV-전해조 시스템의 설계를 최적화하기 위해 개시된다. 상기 방법은 a)작동 전압, 작동 전류, 및 측정과 계산에 의한 전해조 서브시스템의 효율을 결정하는 단계, b)복수의 부하와 PV 전지를 위한 복수의 전압하에서 실제 전압과 실제 전류 사이의 미리 정해진 관계를 기초로 하고 상기 PV 전지를 위한 최대 전력 점 전압(V_mpp)를 결정하는 단계, 및 c)물을 전기분해하기 위한 최적 전압을 얻고 필요로 하는 전해 시스템 손실을 만족시키기 위해 상기 V_mpp에서 PV 전지의 개수를 결정하는 단계를 포함한다.

상기 시스템은 광전지 반도체 물질, 수소를 발생시키기 위한 전해조, 태양광을 사용하는 수소 연료를 발생시키기 위한 실용적인 오염방지 기술을 제공한다. 이 수소는 다른 에너지원에 비해 싼 가격으로 연료 전지 차량과 일정한 발전에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명은 차량 연료 공급과 일정한 발전(power generation)을 포함하는 근본적으로 다른 적용을 위해 실용적으로 재생가능한 수소의 발생을 위한 시스템을 제공한다.

본 발명을 적용할 수 있는 보다 넓은 영역은 이후 제공되는 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다. 상기 상세한 설명과 특정예들은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내며, 단지 설명의 목적을 가지고 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

본 발명은 상세한 설명과 첨부된 도면에 의해 더욱 완전히 이해될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 PV-전해조 시스템을 나타낸다.

도 2는 직접 연결 최적화(DCO)를 갖는 PV 전해조 시스템에 대한 개념도이다.

도 3은 DC-DC 변환기(DDC) 최적화를 갖는 PV-전해조 시스템에 대한 개념도이다.

도 4는 DCO 또는 DDC 최적화 중 하나가 가능한 PV-전해조 시스템에 대한 개념도이다.

도 5는 본 발명에 따른 PEM 전해조를 나타낸다.

도 6은 작동 전류의 범위를 넘는 DC 전원으로 측정된 20-전지 PEM 전해조의 효율을 나타낸다.

도 7은 자연 태양광 조건하에서 DCO로 측정된 태양 에너지-수소 변환 효율 대 V_mpp를 나타낸다.

도 8은 수소 발생 반응의 반쪽-전지 전위에서의 H₂ 압력의 영향을 나타낸다.

도 9는 최대 전력 전(mpp)를 보이는 광전지 모듈을 위한 젼류(I) 대전압(V)을 나타낸다. 또한, 상응하는 전력 곡선(P=V×I)을 보여준다.

도 10은 전해조에 대한 구조를 나타낸다.

도 11은 PV 모듈을 제외한 전해조 시스템 구성요소를 나타낸다.

도 12는 도 13의 구성요소의 세부도이다.

도 13은 가스/물 분리장치의 세부도이다.

상기 PV-전해장치 시스템의 작동은 본 발명의 지시에 따른 상기 시스템의 도표 및 개략도를 나타내는 도 1과 2를 참조하여 설명된다. 상기 PV-전해장치 시스템(20)은 적어도 하나의 태양 전지 또는 광전지(24)를 갖는 광전지(PV) 서브시스템(22)과, 적어도 하나의 전해조 또는 막전극 조립체(MEA)(30)를 갖고 수소를 발생시키기 위해 물을 전기분해하기 위한 전해 서브시스템(28)을 구비한다. 상기 전해조(30)는 바람직하게 막전극 조립체(MEA)를 형성하기 위한 두 개의 촉매 전극 사이에 위치하는 고효율 양자 교환 막(PEM)이다. 상기 전해장치 시스템(28)의 전압과 전류는 상기 전체 시스템(20)의 작동효율을 크게 향상시키기 위해 태양 에너지 광전지("PV") 서브시스템(22)에 의해 발생되는 전기의 전압과 맞춰진다. 아래에서 자세히 설명되는 바와 같이, 상기 시스템(20)은 수소의 출력 압력을 증가시키기 위해 선택적으로 고압 전해조(30)를 사용한다. 도 3을 참조하면, DC-DC 변환기(40)는 단독으로 상기 PV 서브시스템(22)이 상기 전해 서브시스템(28)의 작동 전압과 동일한 전압을 주지 못할 때 상기 전체 시스템 효율을 증가시키기 위해 선택적으로 사용된다. 도 2의 상기 시스템(20)은 직접 연결 최적화(DCO)를 사용하거나 DC-DC 반전기 최적화(DDC)를 사용하기 위해 상기 전해 서브시스템(28)로 공급되는 전압을 변경하도록 도 3의 상기 DC-DC 변환기(40)를 사용한다. 도 4를 참조하면, 제어기(34)는 저조도 조건에서 효율을 향상시키기 위해 상기 제어기에 의해 감지되는 광도를 기본으로 하는 DCO와 DDC 사이의 회로를 전환하기 위해 DC-DC 변환기와 결합하여 선택적으로 사용된다.

PV 전해 시스템(20)을 하나 이상의 연료 전지 차량에 연료 공급 가능한 크기로 늘리기 위해, 일련의 상업적으로 이용가능한 태양 모듈은 효율 범위와 전압 출력의 넓은 범위로 테스트되었다. PEM 전해조(30)의 사용은 몇몇 전해 장치에서 필요로 하는 수산화칼륨(KOH)과 같은 산 또는 염기를 취급할 필요없이 매우 소형의 전해 서브시스템(28)을 제공한다. 또한, PEM 연료전지에 대한 효율성 향상 및 비용감소는 더 향상된 PEM 전해조(30)로 유도할 것이다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 상기 고압 전해조(30)는 외부 압축 시스템을 필요로 하지 않고 압축된 수소를 제공하도록 선택적으로 구성될 수 있다.

도 2는 직접 연결 최적화(DCO)를 사용하는 상기 PV 전해 시스템(20)의 개략도이다. 도시된 바와 같이, PV 서브시스템(22)은 직접적으로 상기 PEM 전해조(28)에 연결된다. 이 전해조는 이온화되지 않은 물을 수소와 산소로 나누기위해 상기 PV 서브시스템(22)으로부터 발생되는 전류를 사용한다. 상기 시스템에서 산소는 대기로 배기되고, 상기 수소는 가스를 사용하여 액체 분리기(50)로 분리된다. 탈이온수는 전기분해에 의해 소모되는 물을 보충하기 위해 외부 시스템에 의해 상기 전해조(30)로 제공된다. 펌프(66)는 탈이온수가 상기 전해조 및 가스/물 분리 시스템을 통해 순환되도록 사용된다. 물 순환은 상기 전해조를 냉각시키고 상기 수소 가스를 분리하고 모으는 것을 돕는다. 아래에서 자세히 설명되는 바와 같이, 상기 PV 서브 시스템(22)의 최대 전기 출력의 전압은 상기 전해조 서브시스템(28)에 의해 필요로 하는 상기 최적 작동 전압 및 전류와 맞춰진다.

DC-DC 변환기(DDC 최적화)를 구비한 PV 전해조 시스템(20)의 개념도가 도 3에서 보여진다. 도 2와 3에서 상기 전해조 서브시스템(28)은 두 개의 전극을 갖고 각각 일렬로 배치된 단지 7 개의 전해조(30)에 의해 개념적으로 표시된다. 알려진 바와 같이, PEM 전해조(30)는 수소가 발생되는 음극과 산소가 발생되는 양극을 구비한다. 이 발명을 테스트하기 위해 사용되는 실질적인 전해조 서브시스템(28)은 20 개의 전해조(cells)를 갖는다. 상기 시스템(20)은 복수(또는 임의의 수)의 전해조(30)를 갖는 전기화학적 스택(stack)을 구비할 수 있다. 또한, 상기 전기화학적 스택은 수소를 발생시키기 위해 물을 전기분해하는 제 1 모드로 작동가능하고, 전력을 발생시키기위해 수소를 소비하는 제 2 모드로 작동가능하다.

도 4에서 도시된 바와 같이, 상기 시스템(20)은 선택적으로 제 1 모드로 최적화될 수 있고, 상기 전해조 서브시스템(28)으로부터 최대 변환 효율을 얻기위해 목적 작동 전압을 갖도록 설계된 PV 서브시스템을 사용한다. 도 4에서 상기 시스템(20)은 상기 PV 서브시스템(22)의 전압이 상기 전해조 서브시스템(28)의 목적 최적 전압을 초과할 때 제 2 작동 조건에서 전압을 단계적으로 낮춤으로써 제 2 모드에서 선택적으로 작동가능하다. 상기 시스템(20)은 상기 PV 서브시스템(22)이 상기 전해조 서브시스템(28)의 전압 목적값보다 작을 때 제 3 작동 조건에서 전압을 단계적으로 높힘으로써 제 3 모드에서 다시 선택적으로 작동가능하다. 상기 제어기(34)는 상기 PV 서브시스템(22)상에 입사되는 빛의 양을 기초로 상기 제 1,2,3 모드에 따라 조정하도록 기능한다. 상기 최적 전압 목적값은 상기 PV 서브 시스템으로부터 최대 전력 및 효율을 얻고 상기 전해조 서브시스템(28)로부터 최대 효율을 얻는 상기 전해조 서브시스템(28)에 의해 필요로하는 작동 전압 범위로써 형성되는 목적 범위이다.

또한, 상기 시스템(20)은 수소를 발생시키기 위해 물을 전기분해하기 위한 전력을 공급하는 적어도 하나의 광전지(PV)(24)를 갖는 PV-전해 시스템을 구성하고 작동시키기위한 방법을 사용한다. 상기 방법은 상기 필요로 하는 수소 발생비(그리고 상기 전해조의 크기)를 결정함으로써 시작된다. 상기 전해조의 상기 작동 전압 및 전류는 측정되고 계산된다. 상기 PV 시스템은 상기 전해조 시스템의 작동 전압 및 전류와 맞춰지도록 설계될 것이다. 상기 PV 시스템이 필요로 하는 출력은 각각의 PV 전지(24)에 의해 발생되는 실제 전압과 상기 PV 전지(24)에 대한 부하에서의 실제 전류 사이의 미리 정해진 관계를 기초로 상기 PV 시스템(22)에 대한 최대 전력 점 전압(V_mpp)에 의해 알 수 있다. 물을 전기분해하기 위해 요구되는 전압을 얻고 필요로 하는 전해 서브시스템의 시스템 손실을 만족시키기 위해 필요로 하는 V_mpp에서 전기적으로 직렬 연결된 PV 전지(24)의 개수는 이때 결정된다.

선택적으로, 상기 시스템(20)은 물을 전기분해하기 충분한 전압을 공급하고 상기 서브시스템(22)의 최대 전력 점 전압에 기초한 전해 시스템 손실을 만족시키는 직렬 구조에서 많은 PV 전지(24)를 갖는다. 직렬로 연결되고 상기 PV 서브시스템(22)를 구성하는 PV 전지(24)의 개수는 요구되는 전해조 작동 전압을 제공하도록 스택에서 일렬로 배치된 (MEA)전해조(30)의 개수에 따라 결정된다. 물을 전기분해하고 전해 시스템 손실(상기 전해조 과전압)을 만족시키도록 요구되는 전압을 얻기위해 상기 V_mpp에서 연속하는 PV 전지(24)의 개수가 결정된다. 도시된 상기 PV 서브시스템(22)은 전력을 연속하는 20-PEM 전해조(30)를 갖는 상기 전해조 서브시스템(28)에 공급하는 32에서 39 볼트의 범위에서 전체 V_mpp를 갖는다. 또한, 이 V_mpp는 직렬인 20-PEM 전해조(30)를 구비한 상기 전해조를 작동하기 위한 대략 40에서 46 볼트 범위의 개방 회로 전압에 상응한다. 상기 PV 서브시스템(22)은 상기 MEA의 각각에 대해 1.6에서 2.0 볼트를 제공하기에 충분한 전체 V_mpp를 갖는다. 바람직하게, 상기 PV 서브시스템(22)은 20-MEA 전해조 서브시스템(28)을 위한 대략 36볼트의 전체 V_mpp를 갖고, 이는 각각의 PEM 전해조(30)에 대해 대략 1.8 볼트와 동일하다.

상기 V_mpp는 상기 최대 전력 점에서 대략 0.50 볼트의 출력을 갖는 상기 PV 전지(24) 각각에 연속하여 감긴 연속되는 PV 전지(24)에 의해 형성된다. 상기 PV 서브시스템(22)는 연속하는 일군의 PV 전지(24)를 가지며, 72개의 전지를 포함한다. 요구되는 PV 서브시스템 전압은 상기 최대 전력 점에서 대략 36 볼트이다. 마찬가지로, 복수의 이 PV 서브시스템(22)은 요구되는 양의 전류를 제공하기 위해 병렬로 정렬될 수 있다. PV-전해조 시스템(20)을 위한 최적화 PV 서브시스템을 설계하기 위해, 전해조에 대해 1.8볼트의 목적값 또는 전해조에 대해 1.6-1.8 볼트의 범위가 사용되어야 한다.

상기 시스템(20)은 수소 발생을 위한 작동 전압이 PEM 전해조(30)의 개수에 비례하도록 선택적으로 구성된다. 물을 전기분해하고 전해 시스템(20) 손실을 만족시키기위해 필요로 하는 PV 출력은 직렬로 연결된 PV 전지의 개수와 상기 개별적인 PV 전지(24)의 최대 전력 점 전압(V_mpp)에 기초한다. 전해조 서브시스템(28)은 복수의 전해조(30)로 형성될 수 있고, 보다 높은 작동 전압(V_oper)을 받아들이도록 직렬로 연결될 수 있고, 보다 높은 작동 전류(I_oper)를 받아들이도록 병렬로 연결될 수 있다. DCO(모드 1) 최적화를 위해, 상기 PV 서브시스템에서 연속하는 PV(태양) 전지의 개수는 상기 최대 전력 점(V_mpp)에서 상기 전해조 작동 전압(V_oper)과 맞춰야하는 상기 PV 출력 전압을 결정한다. 상기 PV 서브시스템(22)안에서 병렬로 연결된 PV 모듈의 개수는 상기 작동 전류를 결정한다.

도 2에서 상기 최적화 PV 서브시스템(22)은 그 최대 전력 점(V_mpp)에서 상기 전해조 서브시스템(28)의 상기 작동 전압(V_oper)과 대략 동일한 미리 정해진 전압을 발생시키도록 설계된다. 상기 수소의 발생은 선택적으로 최적화되고 표준 테스트 조건(STC-1000W/㎡의 태양방사 및 25℃)에서 최대 효율을 얻을 수 있다. 예를 들면, 36 볼트의 V_mpp와 (최대 전력 점에서 STC 하에서) 17.5%의 광-전기 변환 효율을 갖는 PV 서스시스템(22)은 32에서 38 볼트의 V_oper를 갖는 고효율 PEM 전해조에 연결되고, 11%에서 12%의 광-수소 변환 효율로 수소를 발생시킬 수 있다. 또한, 상기 수소 제조는 지리적으로 특정한 태양 방사 평균에 기초한 최대 효율을 얻도록 최적 화될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 PV 서브시스템(22)의 구조는 목적하는 지리적 지역에서 필요로 하는 수소 발생을 제공하는 전해조 서브시스템(28)과 일치되도록 설계될 수 있고 더 큰 시장 영역내에서의 일반적인 사용을 위해 설계될 수도 있다. 도 2의 PV 서브시스템(22)의 설계와 제조는 상기 PEM 전해조(28)의 V_oper및 필요한 전류와 일치하는 최적 V_mpp 및 작동 전류를 발생시키기 위해 PV(태양 전지)나 모듈의 선택적인 직렬 또는 병렬 배치에 의해 최적화 될 수 있다. 이 구조는 계절 또는 대기 조건 및 필요로 하는 수소의 유동비에 따라 적응될 수 있다(이는 상기 전류의 기능이다).

선택적으로, 도 3의 비최적화 시스템(20)은 상기 비최적화 PV 전압을 상기 전해조의 V_oper와 동일한 상기 최적화 PV 전압으로 변환하기 위해 DC-DC 변환기 시스템(40)과 연결(coupling)할 필요가 있다. 또한, 상기 시스템(20)은 PV 서브시스템(22)의 선택적으로 직렬 또는 병렬로 배치되도록 설계될 수 있다. 차량의 연료공급 작업과 같은 많이 사용되는 적용을 위한 상기 요구되는 수소 연료를 만들기 충분한 전류를 얻도록 복수의 PV 서브시스템을 병렬로 놓는 것이 반드시 필요하다. 도 4에서, DCO로부터 DDC회로로의 이동 또는 상기 시스템의 주기적인 조정 및 재-최적화(re-optimization)는 병렬연결에서 직렬연결로 변경하거나 그 반대로 변경함으로써 수행된다. 병렬연결에서 직렬 연결로 변경하기 위해, 상기 PV 케이블의 상기 PV-전해조 시스템으로의 조직적인 재연결은 PV 전지들, 모듈들, 또는 서브시스템들을 재연결함으로써 수동으로 수행될 수 있고, 또는 상기 제어기(34)를 이용하 여 빛과 계절적인 조건에 따라 실시간으로 수행될 수 있다.

바람직하게, 상기 PV 서브시스템(22)은 전해조(30)에 대해 대략 1.6-2.0 볼트의 미리 정해진 전압 범위(V₁에서 V₂)를 갖는다. 이 전압 범위에서, 상기 PV 서브시스템은 최대 전기 효율의 95%에서 100%를 갖는 P_max의 95%에서 100%를 발생시키고, 상기 시스템의 수소 발생 효율은 상기 최대 수소 발생 효율의 약 85%에서 100%이다. 상기 전해조 서브시스템(28)은 전압계(56)를 갖는 전해조의 극을 가로지르는 전압 강하를 측정함으로써 결정되는 특유의 V_oper를 갖는다. 상기 전해조 서브시스템의 V_oper는 시스템(20) 작동을 위해 필요로 하는 최적화 PV 출력 전압을 결정하고 또한 100% × (N × 1.23 볼트/V_oper)와 동일한 상기 전해조의 효율을 결정한다. 그러므로, 전해조당 V₁에서 V₂인 상기 전압 범위는 효율적인 전해조 서브시스템에 직접 연결된 상기 PV 서브시스템(22)의 최적 전압 범위이다. 또한, 전해조에 대한 V₁에서 V₂는 DDC 시스템이 PV-전해를 위해 사용될 때 DC-DC 변환기 시스템을 위한 최적의 전압 출력이다. 또한, 상기 전해조 서브시스템(28)은 V_oper = N × (1.23 볼트 + V_OV)로 표현되는 직렬로 연결된 전해조(30)의 개수(N)와 각각의 MEA(V_OV)의 특유의 과전압에 의해 결정되는 특유의 V_oper를 가지며, V_OV는 상기 작동 전류, 전극 형태, 전극 설계, 촉매 형태, 촉매 부하, I_oper, 작동 온도, 및 상기 전해조 서브시스템(28)의 작동 압력에 따라 대략 0.4에서 0.7 볼트의 범위를 갖는다.

잠시 도 3으로 돌아가면, 비최적화 PV 서브시스템(22)은 상기 PV 서브시스템(22)의 상기 비최적화 전압 출력을 상기 전해조 서브시스템(28)의 미리 정해진 V_oper로 변환하기 위해 설계된 DC-DC 변환기(40)(선형 전류 부스터 또는 충전 제어기)에 연결될 수 있고, 상기 DC-DC 변환기(40)는 상기 전해조 서브시스템(28)을 작동시키기위해 전원을 공급하도록 연결된다. 이와 관련하여, 상기 PV 서브시스템(22)는 상기 PV 서브시스템(22)의 상기 전압 출력을 전해조(30)(고효율 PEM 전해조 서브시스템의 전지에 대한 미리 정해진 V_oper)에 대한 최적 전압(예를 들면, 1.6-2.0 볼트)으로 변환시키도록 설계된 DC-DC 변환기(40)에 연결된다.

상기 제어 시스템 또는 제어장치(34)에서 작동하는 알고리즘은 상기 전해조 서브시스템에 직접연결하는 것과 DC-DC 변환기(40)를 통해 상기 전해조 서브시스템(28)에 연결하는 것 사이에서 상기 PV 서브시스템(22)을 전환하도록 사용된다. 상기 DC-DC 변환기(40)은 상기 PV 서브시스템(22)의 전압 출력을 상기 전해조 서브시스템(28)의 V_oper로 변환시키도록 설계되고 스위칭은 센서 시스템에 의해 감지되는 태양 방사의 감소로써 제어된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 PV 서브시스템(22)은 최대 전력 점(V_mpp)에서, 상기 수소 발생이 최적화되고 표준 테스트 조건(STC-1000W/㎡의 태양방사 및 25℃)에서 최대 효율을 얻기 위해, 상기 전해조 작동 전류가 15A 이하일 때 상기 전해조 서브시스템(28)의 작동 전압(V_oper)과 대략 동일한 미리 정해진 전압을 발생시키도록 구성된다. 이 작동 조건하에서, 36 볼트의 V_mpp와 17.5%의 광-전기 변환 효율을 갖는 PV 서브시스템을 포함하는 시스템(20)은 32에서 33 볼트의 V_oper를 갖는 고효율 PEM 전해조와 연결되고 12.4%의 광-수소 변환 효율로 수소를 발생시킨다는 것이 알려진다.

각각의 PV 전지(24)는 결정질 실리콘(c-Si) 또는 비정질 실리콘를 기본으로 하는 반도체 물질이나 층으로 주어지는 c-Si와 a-Si 양자 모두를 기본으로 하는 물질의 조합을 갖는다. 표 1은 테스트된 선택적 PV 서브시스템(22)을 보여준다. 또한 제조사, 정해진 면적, 효율, 개방 회로 전압(V_OC), 단락 회로 전류(I_SC), 최대전력 점 전류(I_mpp), 및 최대 전력(P_max)을 볼 수 있다. 이 태양 모듈 세트는 입력 전압(V_mpp = 17에서 54 볼트)의 범위를 제공한다. V_mpp는 Ni 및 Ni-RuO₂판과 알칼리성 전해질을 사용하는 전해조에 대한 태양 모듈의 효율에 영향을 미치는 기본적인 변수이다(2004년 2월 18일에 출원된 미국 가출원 제 60/545,379호; 명칭이 "수소발생 방법 및 장치"이고 2005년 2월 2일에 출원된 미국특허출원 제 11/049,213호). 모듈(3, 12)은 단결정 전지를 사용했다. 모듈(8, 9)은 다결정 실리콘을 사용했다. 도듈(10, 11)은 비정질 실리콘과 결정질 실리콘의 혼합물을 사용했다. 모듈(13, 16)은 단일 결정 실리콘 전지를 사용했다. 상기 태양 전지는 모듈의 전기효율이 10.6에서 15.2% 범위에 있는 반면, 상기 전지들은 11.5%에서 17.5% 범위의 효율을 가지 고 있다. 전지 면적과 효율은 전류를 발생시킬 수 있는 실제적인 실리콘 PV 물질이라 부른다. 모듈 면적과 효율은 상기 모듈 프레임의 외부 에지만큼 떨어져 상기 태양 전지 주위에 형성된 "무용 공간(dead spaces)"을 포함하는 상기 PV 서브시스템의 전표면이라고 부른다. 상기 모듈 효율은 항상 상기 전지 효율보다 더 작은데, 이는 그것이 상기 실제 태양 전지의 활동 면적에 더해 이 비활동 면적을 포함하기 때문이다.

태양 모듈 특성.

모듈 넘버	모듈 제조사	모델 넘버	V_OC (V)	I_SC (A)	V_mpp (V)	I_mpp (A)	정격출력, P_max (W)	모듈 효율 (%)	모듈 면적 (㎡)	전지 효율 (%)	전지 면적 (㎡)
#3	Shell	SQ-75	21.7	4.8	17.0	4.4	75	11.9	0.632	13.3	0.566
#8,#9	Sharp	ND-NOECU	24.9	7.8	20.0	7.0	140	12.1	1.153	13.4	1.042
#10	Sanyo	HIP-J54BA2	66.4	3.7	54.0	3.3	180	15.2	1.181	17.3	1.040
#11	Sanyo	HIP-G751BA2	64.9	3.6	51.4	3.3	167	14.1	1.181	16.1	1.040
#12	Shell	SP-140-PC	42.8	4.7	33.0	4.3	140	10.6	1.320	11.5	1.220
#13	Sharp	NT-185U1	44.9	5.6	36.2	5.1	185	14.2	1.301	17.5	1.057
#16	Sharp	NE-165U1	43.1	5.5	34.6	4.8	165	12.7	1.301	14.6	1.134

PV 서브시스템(22)는 주어진 빛 조건을 위한 비최적화 시스템 설계에서 비용-효율적으로 이용가능한 상기 경우에, 그리고 과도하게 설계된 즉 고전압 PV 모듈의 경우에, 상기 모듈은 상기 출력 전압을 낮추기 위해 DC-DC 변환기와 결합된다. 상기 고전압 PV 서브시스템(22)은 "구리손실"을 줄이는 이점을 갖고, 그리고 우수한 고 또는 저 전압 PV 서브시스템(22)은 그것이 고유의 고체 상태 품질에 기초한 우수한 효율을 갖기 때문에 선택된다. "구리 손상"은 배선과 연결에서 상기 회로의 저항으로 인해 발생하는 손실이고, 더 긴 거리로 연결될 때 더 나빠진다. 그것은 상기 시스템의 작동 전압을 증가시킴으로써 감소되거나 보상될 수 있다.

상기 전해조 서브시스템(28)은 그 효율을 증가시키기 위해 낮은 전류밀도와 증가된 온도에서 작동하도록 설계된다. 또한, 상기 전해조 서브시스템(28)은 기계적 압축장치없이 전기화학적으로 압축함으로써 압축된 수소 연료를 공급하기 위해 고압(5,000-15,000 psi)에서 작동하도록 선태적으로 설계된다. 이 구조는 저장 및 연료전지 차량에 연료를 공급하기 쉬운 형태로 전기화학적으로 압축함으로써 수소 연료를 공급할 수 있다.

상기 전해조 서브시스템(28)은 산성 전해질을 갖는 산성 전해조, 기본 전해질을 갖는 기본 전해조, 스팀 전해조, 적어도 하나의 MEA를 갖는 PEM 전해조 또는 고압 전해조를 선택적으로 구비한다. 바람직하게, 요구되는 작동 전압은 20-MEA PEM 전해조에 대해 32-38 볼트의 범위를 갖고, 전해조(30)당 대략 1.6-1.9 볼트와 동일한 값이다.

선택적 고압 전해조(30)가 사용될 때, 더 높은 전압이 상기 수소 및 산소 발생 반응을 유도하기 위해 즉 물 전기분해를 위해 필요로 된다. 고압 전해조(30)의 경제적 이점은 더 높은 수소 및 산소 압력에서 물을 전기분해하기 위해 필요한 보다 높은 전압으로 인해 상기 전해조(30) 안에서 약간의 효율을 희생하여 일단 수소가 발생한 하류 압축 비용을 더 많이 절약하는 것에 기초한다.

고압 수소가 필요할 때, 여기에서 개시되는 상기 고압 전해조 서브시스템(28)은 몇 백 psig의 배출구 압력을 갖는 수소를 발생시키고 현재 상업적으로 이용가능한 저압 PEM 전해조(30)를 대신하여 사용된다. 상기 저압 PEM 전해조(30)로부터 발생된 수소는 피스톤, 격막(diaphragm), 또는 다른 형태의 압축기안에서 기계적으로 10,000 psig까지 또는 실질적인 연료공급 및 저장 장치를 위해서는 그 이상까지 압축되어야 한다. 따라서, 모터로 구동되는 기계적 압축기의 제한된 효율은 상기 전체 연료 생산 및 송출(delivery) 시스템의 에너지 효율에서 심각한 손실을 야기할 수 있다. 상기 고압 전해조 서브시스템(28)은 모터로 구동되는 기계적 압축기에 대한 필요성을 제거하는 동안 상기 전해조로의 상기 전기 에너지 입력 중 작은 부분만을 사용하여 수소를 발생시키고 동시에 그 압력을 10,000-15,000 psig로 올린다.

여기서 설명된 상기 전해조(30)는 두 촉매 전극 사이에 위치하는 양자 전달 막을 갖는다. 본 출원의 일부로서 참조되는 각각의 일반적으로 할당된 미국특허 제 6,663,994, 6,566,004, 6,524,736, 6,521,381, 6,074,692, 5,316,871, 및 5,272,017 호를 보라. 상기 PEM 전해 서브시스템(28)의 버전은 양자 에너지 시스템사(Wallingford, CT)에 의해 만들어졌다. 도 10에서 도시된 바와 같이, 상기 전해조 서브시스템(28)은 두개의 전기 연결과 네개의 가스/물 연결을 갖는다. 두개의 가스/물 연결은 상기 수소(62)를 위한 것이고 두개는 상기 산소를 위한 것이다. 상기 전해조 서브시스템(28)은 20 개의 전해조(30)(막 전극 조립체)로 이루어진다. 고전류 입력(약 12A 이상)에서, 또한 상기 전해조(30)는 상기 스택이 가열되는 것을 방지하기 위해 냉각을 위한 순환하는 물을 가질 필요가 있다. 상기 전해조 서브시스템(28)은 상기 수소 및 산소를 상기 스택에서 제거하도록 물의 일정한 순환을 사용한다. 순환 시스템은 저전류에서 최대효율로 상기 전해조 서브시스템(28)을 작동하기 위한 짧은 시간을 필요로 하지 않는다. 그러나, 펌프는 수소와 산소로 변환될 물을 공급하고 고전류에서 상기 스택을 냉각시키기 위해 필요로 된다. 상기 PEM 전해조 서브시스템(28)은 상기 산소가 대기중으로 배기되었기 때문에 상기 전지의 산소측에 가스 액체 분리기를 구비했는지 여부와 상관없이 사용될 수 있다.

도 10에서, 상기 산소/물 흡입구와 흡입관은 1/2 인치 스테인리스 강철 관이다. 이 구조에서 상기 산소/물 흡입구(62)는 금속 캡에 의해 밀폐된다; 나중에 그것은 제 2 물 펌프(도시되지 않은)에 연결되었다. 상기 O₂는 단지 상기 배출구로부터 상기 공기로 흘러온다.상기 수소/물 흡입구 관(64)은 보다 작은 1/4인치 O.D. 스테인리스 강철 관이다. 도 11에서, 상기 수소/물 흡입구는 상기 PEM 스택을 통해 이때 가스/물 분리기(50)을 통해 상기 물을 순환시키는 물 펌프(66)과 연결된 것으로 도시된다. 상기 수소는 유량계(68)로 보내진다. 전류계(58)는 상기 케이블과 상기 스택을 통해 상기 전류를 측정한다.

알칼리성 전해조에 대해 PEM 전해조(30)의 스택을 사용함에 있어 몇가지 중요한 이점이 있다. 상기 전해조 서브시스템(28)은 연속하는 다중 전해조(30)를 갖고, 각 전지(30)는 탈이온화 물을 전기분해 하기 위해 고체 전해질 막에 의해 분리되고 가까운 간격을 갖는 촉매(주로 백금 또는 루테늄) 코팅 전극판을 갖는다. 그러나 알칼리성 전해조는 수용성 할칼리 전해질로 채워진 탱크에 잠긴 촉매 코팅 전극으로 구성된다. 상기 전해조 서브시스템(28)은 많은 전해조(30)을 가까운 간격을 갖는 스택에 정렬되고 상기 펌프(66)를 구비한 상기 전지를 통해 신속히 탈이온화된 물을 순환시키기 때문에, 상기 전체 시스템의 크기, 무게, 비용이 급속히 감소될 수 있다. 또한, 큰 부피의 높은 부식성 액체, 알칼리성 전해질을 사용함과 관련된 위험은 제거된다. 상기 전해조 서브시스템(28)은 상기 스택 구조가 상기 전해조 고전류밀도와 고전력밀도를 제공하기 때문에 연속하는 젖은 전해조보다 더 빽빽하게 만들어 질 수 있다.

상기 DC-DC 변환기("DDC")(40)는 입력 전압(V₁)과 전류(I₁)을 출력 전압(V₂)와 전류(I₂)로 변환시키는 장치이다. 그 유용성은 상기 PV 서브시스템(22)로부터 입력 전압에 대한 것과 상기 DDC 출력 전압을 상기 부하의 작동 전압에 최적화 또는 조화시키는 것에 있다. 예를 들면, 태양 전지(24)는 상기 곱 V₁ × I₁ (또는 V_mpp × I_mpp)이 최대인 최대 전력 점, P_max를 갖는다. 이 전압은 상기 부하(예를 들면, 전해조 부하)의 작동 전압에 상응하지 않을 수 있다. 또한, 태양광 밀도가 변할때마다, PV 서브시스템(22)의 상기 전류 출력은 더 작은 정도로 변할 것이고, 상기 전압 출력 또한 그러할 것이다. DDC 시스템은 상기 태양 모듈의 최대 전력 점을 추적하도록 프로그램될 수 있다. 상기 PV-전해조 시스템(20)의 최적 효율은 상기 DDC가 상기 DDC의 출력 전압이 상기 전해조 서브시스템(28)에 의해 필요로하는 최적 작동 전압과 동일하도록 설계될 때 발생한다. 상기 전해조 서브시스템(28)은 설계, 작동 작동 전류, 및 작동 온도 효과에 의존하는 특유의 전압에서 작동된다. 상기 전해조 설계(물질, 촉매, 전극 설계, 및 막 또는 전해질)은 과전압 및 효율을 결정한다. 상기 효율은 전극 전류밀도가 낮고, 그래서 전해조 작동 전류를 증가시키면서 감소한다. 상기 전해조의 특유의 작동 전압은 1.23 볼트의 상기 표준 물 분해 전압 + 상기 과전압이다.

도 3, 11, 12를 참조하면, 두개의 선택적 DDC(40)는 다음의 제원으로 만들어졌다:(1)고출력전압(그러나 저전류) 발휘하고, 상기 전해조를 구동하기 충분한 저입력 전압 모델; 및 (2)작동 전압에서 증가되는 전류를 갖는 상기 전해조를 구동시키기위해 상기 출력 전압을 낮추는 고입력전압 모델. 양쪽 변환기(40)는 솔라 컨버터즈 인크(온타리오의 Guelph 소재)에 의해 제공되었다. 상기 저입력전압 모델은 수동으로 상기 출력 전압을 조정하기 위해 전위차계로써 특별 주문된 수정 모델 CV20/33-20이었다. 상기 고전압모델은 상기 출력 전압과 전류 양쪽을 수동으로 조정하기 위해 전위차계를 갖도록 특별 주문된 PPT48-10이었다. DDC 모델(40) 양쪽은 최대값에서 상기 전위차계 세트와 함께 가장 잘 작동했다.

또한, 이 DC-DC 변환기(40)는 상기 태양 모듈이 펌프 모터에 동력을 공급하는 적용례를 위해 사용가능하다. 상기 DC-DC 변환기(40)는 상기 모터가 저조도 조건에서 조차 지연되지 않도록 고전류를 공급하기 위해 상기 PV 출력 전압의 일부를 희생한다. 논리 알고리즘과 설정점(set point)을 통합하는 제어기(34)는 그것이 상기 전해조 성능을 모니터하고 상기 태양 모듈-전해조 시스템이 최대 출력에 가깝게 작동하도록 상기 출력 전압과 전류를 조정하기 위해 상기 DDC 시스템(40)에 추가될 수 있다. PV 시스템 배터리 충전 제어기를 위한 소프트웨어와 하드웨어는 전해조를 위해 본 발명에 적응될 수 있다.

또한 상기 DC-DC 변환기("DDC") 최적화는, 태양 수소 생산의 효율을 효과적으로 증가시켰다. 상기 전해조 서브시스템(28)을 위해 필요한 상기 전압 및 전류에 정합하지 않는 선택된 PV 서브시스템(22)은 그들의 전기 출력을 상기 PEM 전해조 서브시스템(28)을 위해 필요한 상기 최적 전압과 전류로 변환하기 위해 하나 이상의 전위차계에 의해 제어되는 조정가능한 DC-DC 변환기(40)에 연결되었다. 상기 전해조에 대해 너무 낮은 전압을 구비한 PV 서브시스템을 위해, 효율이 0으로부터 9.5%까지 증가되었다. 효과적인 전해에 대해 너무 톺은 전압을 구비한 PV 서브시스템(22)을 위해, 상기 방법은 효율을 9.0%로부터 10.5%까지 효율을 증가시켰다.

또한, 상기 DDC 최적화 방법은 직접 연결 PV-전해의 효율이 상기 PV 서브시스템(22)의 전기 출력의 감소로 인해 감소될 수 있을 때, 흐리고, 구름낀 날씨에서 태양 수소 생산을 향상시킨다. 상기 DC-DC 변환기는 효율이 100%(보통 최대 전류에 가까운 92-95%의 효율로 작동된다.)가 아니기 때문에, DDC 변환기(40)의 사용은 화창한 날에 수소의 생산 효율을 감소시킨다. 그러나, 그것은 다양한 이점이 있다: 1) 거의 일출, 2) 거의 일몰, 3) 흐린 날, 및 4) 상기 전해조 부하를 위해 상기 최적 전압 이상 또는 이하에서 중요하게 전압 출력을 갖는 PV 시스템. 그러므로, 상기 최고 양호한 PV 전해 시스템(20)은 상기 회로와 바이패스 스위치에서 조정가능한 DC-DC 변환기(40)을 포함함으로써 DCO와 DDC 사이의 최적화를 전환하도록 허락하는 것이다. 상기 전환(switching)은 (도시되지 않은)센서에 의해 감지되는 상기 태양 방사에 기초한 제어기(34)에 의해 수동 또는 자동으로 실행될 수 있다.

몇몇 DC-DC 변환기(40)는 상기 전해조 스택이 충전되고 상기 DDC에 대한 역전압을 발생시키는 연료 전지로서 작동할 때 멈출 수 있다. 이 문제는 전류가 상기 전지 스택으로부터 상기 DDC로 역으로 흐르는 것을 방지하는 상기 회로에 차단 다이오드(blocking diode)를 추가함으로써 방지될 수 있다. 이것은 상기 DDC가 증가된 구름에 의해 발생되는 PV 출력을 감소시키는 이러한 조건하에서 멈추는 것을 방지한다. 이 회로는 충전 제어기라 불리는 PV 시스템으로부터 전기를 사용하는 충전 배터리에서 사용되는 DC-DC 변환기(40)에 가깝게 된다. 전해조 서브시스템(28)에 연결된 상기 충전 제어기는 다이오드 없는 더 간단한 DC-DC 변환기에서 생기는 상기 멈춤 문제를 경험하지 않는다.

PV 서브시스템(22), PEM 전해조 서브시스템(28), DC-DC 변환기(40) 및 상기 변환기를 통과하거나 그것을 상기 전해조 서브시스템(28)에 연결할 수 있는 스위칭 패널(32)을 구비한 PV-전해조 시스템(20)을 설계함으로써, 본 발명은 (도 4)태양광의 세기에 의존하는 DCO와 DDC 최적화 양자 모두를 얻는다. DCO는 상기 시스템이 가장 높고 가능한 효율 및 수소 생산비에 도달할 수 있을 때 밝고 화창한 날씨에서 가장 잘 사용할 수 있고, 반면 DDC는 상기 평균 수소 생산비를 높이기 위해 이른 아침, 저녁, 및 부분적으로 흐리고 구름낀 날에 가능한 가장 큰 효율로 수소를 생산할 수 있기 때문에 이롭다.

선택적으로, 상기 PV-전해조 시스템(20)은 직접 연결 최적화(DCO)와 DC-DC 변환기(DDC) 최적화를 결합할 수 있다. 상기 바이패스 스위치가 닫힐 때, 상기 시스템은 DCO를 사용하고, 상기 스위치가 개방될 때, 상기 시스템은 DDC 최적화를 사용할 수 있다. 상기 PV 전해조 시스템이 상기 DCO 모드에서 작동될 때, 상기 PV 시스템 내의 PV 서브시스템은 평행하게 연결되고 모두 상기 전해조를 위해 필요한 상기 작동 전압과 동일한 최적 V_mpp를 갖는다. 예를 들면, V_mpp=36 볼트(표1, 모듈 #13)를 갖는 PV 서브시스템(22)은 테스트되는 상기 20-PEM 전해조 서브시스템(28)에 대한 가장 높은 효율을 갖는다. 상기 PV 서브시스템(22)은 36 볼트의 상기 Vmpp의 주위인 32에서 39 볼트의 전압 범위에서 대략 최대 전력의 95%이상을 준다. PV 서브시스템 #13은 상기 PV 서브시스템(32-39볼트)의 상기 최적 전력 범위는 상기 PEM 전해조(32-38 볼트)의 작동 전압과 중첩되기 때문에 상기 PEM 전해조를 갖는 가장 높은 효율을 준다. DCO 작동은 밝은 태양광에서 가장 효율적이나, 낮은 태양광 세기에서 상기 PV 전압이 상기 전해조내의 물을 분해함에 필요한 최소값 이하로 낮아질 때 상기 효율도 낮아진다.

상기 PV-전해조 시스템(20)이 흐리고 낮은 광도 조건에서 가장 유리한 상기 DDC 최적화 모드에서 작동될 때, PV 서브시스템(22) 쌍(예를 들면, 표 1의 모듈 #13)은 상기 PV 시스템의 전압을 두 배로, 예를 들면 72볼트로, 하기 위해 직렬로 가장 잘 연결될 수 있다; 이는 소위 "동손" 을 감소시킬 것이고, 전압과 전류는 상기 배선 내의 저항으로 인해 감소된다. 이 때, 상기 고전압은 상기 DDC를 통해 지나갈 때 상기 전해조를 위한 최적 전압으로 변환된다. 작은 양의 전류는 상기 DDC내의 저항으로 인해 손실되고, 저 전류에서의 95%에서 고전류량에서의 92%까지의 효율을 가지나, 이 손실은 상기 전해조 서브시스템(28)의 필요한 작동 전압을 정합시킴으로써 얻어지는 효율 향상에 의해 상쇄될 수 있다. 이 이득은 저조도 조건하에서 또는 상기 PV 서브시스템(22)이 전해의 시작을 방지할 수 있는 낮은 고유의 V_mpp를 가질 때 특히 중요하며, 이는 테스트되는 상기 20-전지 PEM 전해조는 물을 분해하기 위해 적어도 30 볼트를 필요로 하기 때문이다.

연속하는 실험은 상기 최대 전력 점(V_mpp)에서 17-105 볼트의 범위를 갖는 전압을 구비한 11 개의 광전지 시스템을 사용하여 수행된다. 그들은 도 1, 2에서 개념적인 도면으로 도시된 바와 같이 외부 물 순환 펌프와 가스 분리기에 적합한 상기 20-전지 PEM 전해조 스택에 직접 연결된다. 이 PV 시스템은 단일의 PV 서브시스템으로 이루어지거나 상기 요구되는 테스트 전압을 주기위해 직렬 또는 병렬로 연결되는 모듈쌍으로 이루어진다. 방사는 900-950 watts/㎡의 태양 방사를 갖는 4월의 화창한 날에 자연광에 의해 공급된다. 상기 모듈은 상기 최고의 이용가능한 방사를 수용하기 위해 테스트하는 동안 태양을 향한다. 전류계(58)는 상기 PV 서브시스템(22)과 전해조 사이의 상기 회로내에 배치되고, 상기 태양광 세기는 태양광에 대한 알려진 선형 전류 반응(linear current response)을 갖는 조정된 결정질 실리콘 포토다이오드를 사용함과 동시에 모니터된다.

자연 태양광에서 실외 테스트를 수행하기 전에, 상기 PEM 전해조 서브시스템(28)은 상기 입력 전류로부터 계산된 예측된 수소 발생 비는 미리 조정된 기계적 유량계(Drycal^TM, Bios International사, Butler, PA)로 측정된 수소 출력과 동일하다는 것과 제조되는 수소 대 산소의 부피비가 2 대 1(도 5)이라는 것을 입증하기 위해 가변 출력 DC 전원 공급장치(휴렛 페커드 모델 6012B)를 사용하여 실험실에서 테스트된다. 자연 태양광에서 PV 전해 시스템의 실외 테스트는 도 1, 11, 12에서 도시된 장치를 사용하여 수행된다.

수소에 대한 상기 태양 에너지 변환 효율은 상기 전해조를 통해 흘러가는 상기 측정된 전류(I_oper), 상기 태양광도(방사) 및 수학식 1을 사용한 상기 PV 태양 전지의 전면적으로부터 계산된다.

여기서 N=상기 전해조 내의 셀(cells) 개수(우리 테스트 시스템 내에는 20개).

태양 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 상기 PV 태양 전지(24)의 효율은 그 구조에서 사용되고, 다중 또는 단일 결정질 실리콘이거나 결정질 또는 비결정질 실리콘 결합층을 갖는, 반도체층의 특징이다. 상기 전지 형태(표 1을 보라)에 따라 이 효율은 11.5%로부터 17.5%까지의 범위를 갖는다. 상기 전기 에너지를 수소 에너지, 작동 전압, 및 전류로 변환하기 위한 상기 전해조 효율은 상기 전해조의 고유한 특성이며, 그 디자인, 촉매, 작동 온도, 작동 전류, 압력, 및 이전의 전체 작동시간을 포함하는 상기 PEM 스택의 조건에 따른다.

상기 PV 전해조 시스템(20)의 전체 태양 수소 제조 효율은 표 2의 3, 5열에서 보여지는 바와 같이 자연 태양광을 사용하는 전압(V_mpp) 범위하에서 실험적으로 결정된다. 표 2에서 측정을 위한 태양 방사는 예를 들어, 맑고 밝은 조건인 대략 900-950 W/㎡이다.

PV-전해 시스템의 직접 연결 최적화(DCO)

사용된 PV 모듈	태양 전지의 면적(㎡)	V_mpp(볼트)	V_mpp에서의 PV 전지 효율	태양 수소 효율(%)
#3	0.566	17.0	13.3	0
#8	1.042	20.0	13.4	0
#8 + #9 병렬	2.084	20.0	13.4	0
#12	1.22	33.0	11.5	8.3
#16	1.134	34.6	14.6	10.3
#13	1.057	36.2	17.5	12.4
#8 +#9 직렬	2.084	40.0	13.4	8.5
#11	1.040	51.4	16.1	9.3
#10 + #11 병렬	2.080	52.7	16.7	9.0
#10	1.040	54.0	17.3	8.9
#10 + #11 직렬	2.080	105.4	16.7	4.4

상기 PEM-전해조 서브시스템(28)의 효율은 상기 PV-전해조 테스트의 전류(약3-5A)와 온도 조건하에서 대략 76%이다. 거의 일정한 냉각 작동 온도(cool operating temperature)가 유지(~25℃)되기 때문에 상기 전해조 효율은 상기 실외 PV 전해조 테스트동안 전해조 온도의 변화에 의해 크게 영향받지 않는다. 개별적인 실험 세트에서, 상기 전해조 효율은 DC 전원 공급장치(도 8)에 의해 공급되는 더 넓은 전류 범위에서 측정된다. 상기 전해조 효율은 작동 전류 5A에서의 76%로부터 70A에서의 대략 65% 효율까지 감소된다. 상기 전해조 효율은 상기 작동 전압(V_oper)과 1.23볼트의 상기 이론적 물 분해 전압과 상기 전해조에서 직렬인 전지의 개수로부터 다음의 수학식에 의해 결정된다.

상기 전해조 효율 데이타의 표는 도 6에서 도시된다. 상기 측정된 태양 수소 제조 효율은 V_mpp=36볼트(도 7)에서 최대에 도달된다. 상기 PV 서브시스템 중 #12, #16, #13 세 개는 상기 전해조의 V_oper에 근접한 V_mpp를 갖는다. 따라서, 상기 전해조를 구동하기 위해 사용될 때, 상기 PV 서브시스템(22)은 대략 그 V_mpp에서 작동하고, 그 최대 전력 및 효율을 발생한다. PV 서브시스템 #13을 사용하여 기대되는 PV-전해조 효율은 #12 또는 #16을 사용할 때보다 더 높은데 이는 25℃ 온도 및 1000 W/㎡ 방사의 표준 테스트 조건(STC) 하에서 측정된 상기 PV 전지 (전기)효율 (mpp에서의)은 #13에 대해서 17.5%, 그러나 다만 #12 및 #16에 대해서는 각각 11.5% 및 14.6%이기 때문이다. 그러나, 상기 실제적인 PV 전지 (전기) 효율은 전기 출력에서의 더 높은 PV 온도의 부전력(negative power) 및 효율 영향(efficiency effect)때문에 작동 조건하에서 더 낮다. 상기 PV-전해조 테스트 동안에 상기 모듈의 후방(back)에서 측정된 PV 온도 35℃에서, 상기 평가된 PV 전지 효율은 상기 STC에서 상술한 효율값 예를 들면, #13은 16.6%, #12는 10.9%, #16은 13.9%의 95%까지 감소된다.

만약 이 실제적인 PV 효율 값이 전체 효율 수학식으로 들어간다면:

태양 수소 효율 = PV 효율 × 전해조 효율

10A(도 6) 이하의 전해조 전류하에서 76%의 전해조 효율을 사용하기 때문에, 다음의 전체 태양 수소 효율이 기대된다: PV #13, 17.5% × 0.95 ×0.76 = 12.6%; PV #12, 11.5% × 0.95 × 0.76 = 8.3%; 및 PV #16, 14.6% × 0.95 ×0.76 = 10.5%. 이 기대되는 효율값은 실질적으로 측정된 상기 값과 대략 동일하다: PV#13 - 12.4%; PV#12 - 8.3%; 및 PV#16 - 10.3% (표 2). 상기 테스트 결과에 기초하기 때문에, 상기 PV 시스템의 상기 mpp 전압이 32에서 39 볼트의 범위에 있을 때 상기 PV-전해조 시스템(20)은 최적의 수소-태양 효율을 주고, 상기 PEM 전해조의 작동 전압 범위(32에서 38 볼트)와 거의 일치한다.

도 1(도 3에서는 개념적인)에서 도시된 장치를 이용하여 자연 태양광에서 측정된 PV-전해의 DDC 최적화로부터 나온 실험적인 결과는 표 3에서 요약된다. 상기 전압 및 전류 출력을 제어하기 위한 특별한 전위차계를 구비한 본 발명의 제원에 대해 설계된 두 개의 DDC 장치는 이 실험에서 PV-전해조 시스템을 최적화하기 위해 사용되고 전해조 효율을 증가시키기 위해 최적 전압 및 전류 설정을 결정하기 위해 허락된다.: (1) Solar Converters사, 최적 효율에서 상기 PEM 전해조를 작동하기위해 상기 출력 전류를 증가시키는 동안 54-90 볼트의 입력전압으로 작동하고 그것을 31-36볼트의 출력 전압까지 감소시키도록 설계된 보다 큰 전압 PV 서브시스템을 위한 모델 PPT 48-10; 및 (2) 17-25볼트의 입력 전압에서 작동하고 그것을 31-36볼트까지 증가시키도록 설계된 보다 작은 전압 PV 서브시스템을 위한 모델 CV 20/33-20. 상기 전해조 I_oper는 상기 전압이 ~30볼트; 예를 들어 전기분해가 발생하기 전에 필요로 하는 최소 전압을 초과할 때까지 0(zero)이기 때문에 상기 저전압 DDC 장치는 상기 작동 전압 및 전류 모두를 증가키시킨다.

DCO 작동과 비교되는 PV-전해 시스템의 DDC 최적화

PV 모듈	PV 시스템의 Vmpp(볼트)	DCO 태양 수소 효율(%)	DDC 태양 수소 효율(%)	사용된 DC-DC 변환기	태양 방사 (W/㎡)
#3	17.0	0	7.6	CV 20/33-20	960

#8	20.0	0	5.8	CV 20/33-20	370
#8	20.2	0	6.2	CV 20/33-20	690
#8	20.0	0	9.5	CV 20/33-20	1000

#10	54.0	9.0	8.5	PPT 48-10	540
#10	54.0	9.0	10.1	PPT 48-10	770
#10	54.0	9.0	10.5	PPT 48-10	860

표 3에서 도시된 바와 같이, 너무 낮은 V_mpp(17 또는 20 볼트)를 가져 직접 연결 PV-전해에 의해 수소를 만들 수 없는 PV 서브시스템(22)은 상기 전압을 올리고 상기 PEM 전해조에 효율적으로 전력을 전달하기 위해 DDC 최적화되어 사용될 수 있다. 또한, 너무 높은 V_mpp(54 볼트)를 가져 직접 연결 PV-전해에 의해 수소를 매우 효율적으로 만들 수 없는 PV 서브시스템은 상기 전압을 낮추고 부분적으로 흐린 날씨에서 감소된 방사조건 하에서 조차 상기 효율을 9.0%에서 10.5%까지 올리기 위해 DDC 최적화를 사용함으로써 더 효율적으로 상기 PEM 전해조를 작동한다. 표 3에서 보여지는 모든 PV 시스템은 상기 DDC 시스템을 사용할 때 상기 태양 방사에서 증하는 태양 대 수소 효율을 증가시킨다.

연료 전지에 의해 동력이 공급되고 미국 내에서 일평균 운전량에 대한 합리적인 근사값인 하루당 30 마일을 여행하는 차량에 연료를 공급하기 위해, 하루당 대략 0.5㎏의 수소가 필요하다. 이 근사값은 상기 GM/HydroGen3 연료-전지 차량의 보고된 연료 효율에 기초한다.

수소 발생기로서 사용되고 연속하는 20개의 전해조를 구비한 상기 PEM 전해조 스택은 구동되는 연료 전지 차량에 통상 30 miles/day를 공급하기위해 150psig에서 0.5㎏/day 수소를 발생시킬 수 있다.

여름 날 통상 해가 비치는 6시간 동안 500그램의 수소를 발생시키기 위해 필요로되는 전류는:

전류(A) = (500 그램의 수소/2 그램/몰 수소)×(96,500 쿨롬/당량)×(전자의 2 당량/수소의 몰)×(1 A/1 쿨롬/초)×(1 시간/3600 초)×1/(6 시간)×(1/20 전해조)

결과 : 전류 = 110A

따라서, 대략 38 볼트에서 110A가 필요하고, 이는 상기 전해조 시스템을 작동하기 위한 4.2kW의 전력이다. 이것을 기초로 하기 때문에, 수소를 상기 PV 전력으로부터 발생시키기 위해 본 발명은 일체화되고 통합된 PV-전해조 시스템에서 20-전해조 PEM 스택을 사용한다. 상기 전해조로부터 수소를 가능한 효율적이고 싸게 발생시키기 위해, 상기 태양 PV 배열은 최고의 6시간 태양광 시간동안 38 볼트에서 110A를 발생시키기 위한 크기를 갖는다. 디트로이트 미시건에서의 여름시간 조건동안, 상기 최고 태양 시간 값은 대략 6시간이다 (평판 및 집속형 집열기용 NREL 태양 방사 데이터 메뉴얼, http://rredc.nrel.gov/solar/pubs/redbook/). 상기 최고 태양 시간(PSH)은 1000W/㎡의 태양 방사를 갖는 하루당 시간과 동등한 전체 일일 에너지를 나타내며, 예를 들어 6 PSH = 하루당 6000 Wh/㎡이다. 상기 전해조에서 이 전류 및 전압 입력을 얻기 위해서, 대략 38 볼트의 최대 전력 점 전압(V_mpp)를 갖는 PV 시스템은 물을 전기분해하고 내부 또는 외부 저항을 극복하고 상기 전해조 회로와 연계된 전압 효과를 뛰어넘기 위한 최적의 효율을 위해 필요하다.

표 2로부터, 상기 모듈의 V_mpp를 상기 전해조 부하의 전압과의 일치의 관점에서 가장 양호한 직접적인 연결 모듈은 상기 표준 태양광 조건(1000W/㎡)하에서 185W를 발생시키는 모듈 #13 이다. 비록 모듈 #13의 V_mpp가 36.2볼트로 작성되었다 하더라도, 그것은 38볼트의 부하 작동 전압(V_oper)에서 그 작동 전압의 95% 이상을 발생시킨다. 최고 출력에서 상기 전해조를 작동시키기 위해 평행하게 감긴 이러한 모듈 중 대략 22개는 여름철에 디트로이트에서 상기 최고 태양광의 대략적인 6 시간 동안 걸린다. 겨울철, 상기 태양 일사율이 여름철 그것의 절반 이하일 때, 두 배나 많은 모듈들이 필요하다. 겨울철의 성능에 대해 한가지 긍정적인 점은 높은 온도는 그 성능을 저하시키기 때문에 상기 모듈들이 더 효율적으로 작동한다는 것이다.

여름철 조건에 대해, 6시간의 최고 태양광에서, 상기 전해조는 시간당 83g의 수소를 발생시킨다. 이것은 25개의 태양 모듈(전해조를 운전하여 수소를 생성하는 22개의 모듈과 압축기를 운전하여 저장 및 차량 연료 공급용 수소를 압축하기 위한 3개의 모듈)로 이루어진 하나의 태양 동력 PV 시스템을 사용하여 하나의 FCV를 위해 필요한 연료를 공급하기에 충분한 0.5㎏/day의 수소 발생을 의미하며, 여름철에 는 테스트된 형태의 하나의 PEM 전해조가 여름철에 필요하다. 대략 두 배 많은 모듈들이 겨울철에 필요하다. 각각의 PV 모듈은 1.06㎡의 전지 면적을 갖는다. 따라서: 전체 면적 = 26.5㎡이고, 이것은 대략 17'×17'이며, 하나의 PEM 전해조 스택(20 전해조(cells))을 작동하기 위해 필요하다.

압축기는 차량의 연료공급을 위해 고압 저장 탱크를 수소로 채우도록 적어도 6%의 추가적인 전기 에너지를 필요로 한다고 평가된다(심백 디.알. 및 창 이.(2002)" 수소 공급: 수소 통로를 위한 비용평가 - 예비해석." 보고서 NREL/SR-540-32525. 국립 재생가능 에너지 연구소. Golen, CO). 여러가지 고압 금속 격막 압축기는 시중에서 구입할 수 있다.

산성 전해질(상기 PEM은 강산성이다.)에서, 수소 및 산소의 발생을 설명하는 반쪽반응은 각각 :

그리고

이다.

이 두 개의 반쪽반응을 결합하면:

이다.

이 두 개의 반쪽반응을 결합하여 전지의 전압을 설명하는 네른스트 수학식은:

(E.Gileadi, "화학자, 화학공학자, 및 재료 과학자를 위한 전극 속도론", pp.502-505, Wiley-VCH사, 1993)이다.

수학식 8에서, T는 도 K로 나타낸 온도이고, R은 가스 상수(8.314 volt coulombs/K mole)이고, F는 패러데이상수(96,484 coulombs/mole of electrons)이며, 상기 수소와 산소 농도는 그 압력과 동일하다. 상기 양(quantity) V₀는 -1.23 볼트와 동일하고, ((R×T)/(2×F))는 298˚K에서의 0.0128 볼트와 동일하고, 물의 농도는 상대적으로 가스 압력에 독립적이며 그것이 표준상태에 있기 때문에 1(one)로서 주어진다. 주의: V₀에서 부호는 1.23 볼트가 물을 분해하기 위해 필요하기 때문에 마이너스이다; 만약 상기 시스템이 전기를 발생시키기 위해 수소와 산소를 소 비한다면, 상기 부호는 플러스가되고 상기 반응은 자연발생한다. 만약 [H₂]=[O₂]= 1기압이라면, V=V₀=-1.23 볼트이다. 만약 [H₂]와 [O₂] 모두가 10 기압까지 증가하면, V₀의 오른쪽 항은 -0.044볼트가 될 것이고 물을 분해하기 위해 필요한 전압은 -1.273볼트가 된다. 이것은 대수항에 그것이 포함됨으로 인해 더 높은 압력에서 "과전압"의 상대적으로 작은 증가이고, 압축기가 뒤따르는 저압 전해조와 대비하여 고압 수소를 발생시키기 위해 고압 전해조를 사용하기 위한 운동력을 제공한다. 더 높은 압력에 대해, 일반적으로 상기 네른스트 수학식에서 압력을 간단히 사용할 수 없고, 소위 가스에 대한 퓨가시티(fugacity)인 활성은 사용될 필요가 있다. 상기 퓨가시티는 대략적으로 저압에서의 압력과 동일하지만 매우 높은 압력에서의 압력보다는 더 높다. 상기 수소 발생 반응을 위한 전압과 상기 수소 압력 사이의 관계는 1000 기압까지의 압력을 위해 평가된다(더블유. 알. 헤인스워쓰, 에이치. 제이. 로울리, 및 디. 에이. 맥클린, "수소-칼로멜 전지의 전동력(electromotive force)에서 수소 압력의 영향. Ⅱ. 1000기압까지의 압력에서의 수소와 수소이온의 퓨가시티", J.Amer.Chem.Soc., Vol. 46,pp.1437-1443,1924).

헤인스워쓰 등에 의한 상기 경험적인 수학식은:

수학식 9에서, △V는 보다 높은 수소 압력에서 상기 수소 발생 반응을 유도하기위해 필요한 전압 증가분이고 p는 대기중 압력이다. 이 관계에 관한 표는 도 8에서 보여진다.

수소 1000기압에서, 상기 수소 발생 반응을 위한 전압은 대략 0.1 볼트까지 증가된다. PEM 전해조에서 상기 산소를 통풍시키고 따라서 가압으로 인한 상기 과전압을 방지하는 것이 가능하나 그렇지 않다면 상기 산소 발생 전압은 또한 증가된다. 상기 PEM 전해조의 산소측에 동일한 고압을 유지하는 것이 필요하다면, 또한(수학식 6)상기 산소 발생 반응을 위해 필요한 상기 전압이 증가한다. 상기 산소 퓨가시티는 1000기압에서의 압력보다 대략 16% 더 높고, 그래서 1000기압에서의 상기 [O₂] 항의 값은 1164기압이다. (TRC 열역학 표, 무극성-탄화수소, 표준 참고 자료 데이타 베이스, 국립표준기술원, Gaithersburg, MD 20899, 인터넷 주소 http://trc.nist.gov/tables/nonhydro.htm). 따라서, 수학식 8에 기초한 상기 산소의 과전압 효과의 값은 0.045 볼트와 같은 0.0128×ln(1160^0.5)이다. 따라서, 수학식 7, 수소 및 산소의 1000 기압에서 물을 전기분해하기 위한 전체 과전압은 대략 0.14 볼트이다. 이것은 압력에 대한 상기 과전압의 약한 종속성이다.: 예를 들어, 양쪽 가스의 높은 가압으로 인한 상기 과전압은 상기 산소 전극에서 운동 효과(kinetic effect)에 의한 과전압보다 더 작고, 이는 현재 가장 좋은 촉매에 대해서조차 0.3-0.4 볼트이다. 1000 기압에서의 이 과전압의 효과는 전해를 위해 필요한 에너지를 대략 9%(100×0.14 볼트/1.6 볼트)만큼 증가시키는 것이다.

요약하면, 고압 전해는 압력을 받는 중 상기 전기화학적 반응의 상대적으로 약한 종속성과 상기 합성수행(performing the synthesis)의 간단성과 하나의 단계에 의한 가압으로 인해 1000 기압까지 압력이 가해진 수소의 인력의 원인이다.

상기 태양 모듈들의 전압(V), 전류(I), 및 전력(P) 데이타는 측정되고, 상기 최고 전력 점(mpp)는 도 11에서 설명된 방법을 사용하여 결정된다. 상기 mpp 전압은 수소 연료 에너지에 대한 태양 에너지 변환의 전체 효율을 최적화하기 위해 상기 전해조의 상기 특정 작동 전압과 거의 일치해야 한다. 개방 회로 전압(V_OC)의 "표준"값, 단락 회로 전류(I_SC), 상기 mpp에서의 전압(V_mpp), 및 상기 mpp에서의 전류(I_mpp)를 결정하기 위해 상기 I, V, 및 P 곡선(도 11)은 표준 테스트 조건(25℃, 1000 W/㎡ 방사, 및 AM1.5 대역 태양 스펙트럼)하에서 보통 측정된다. 또한, 이 양들은 PV 시스템 운전중 온도와 태양광 변수들의 영향을 결정하기 위해 다른 온도 및 태양 방사의 범위에 대해 측정된다.

여기서 설명된 상기 시스템은 연료 전지 차량 및 일정한 연료 전지 전력 발생을 위한 수소 연료의 비용 효율이 좋고, 오염 방지성을 가지며 재생가능한 공급원(source)을 제공한다. 상기 최적화된 PV 전해 시스템은 1 태양 방사(1000W/㎡)에 근접한 대략 12.4%의 최대 효율을 갖는다. 이것은 대략 미국 북부에서의 여름철 구름없는 날의 정오 시간의 태양이다. 이것은 수소 연료에 대한 태양 에너지 변환의 가장 높은 것으로 보고된 효율이다. 미국의 많은 부분에는 일년에 6개월 이상동안 이러한 수준으로 대략 6-8시간을 제공할 수 있다. 이러한 조건에 대해, 본 발명은 연료 전지를 위한 재생가능하고 오염없는 수소 연료를 공급하는 실제적인 수단을 제공한다. 비록 상기 이점이 남서부 사막 및 선벨트 지역에서 더 크다고 하더라도, 이 시스템은 미국의 다른 지역에서도 효율적으로 작동하고 그 효율은 저조도 조건하에서 수소를 만들기 위해 부가적인 DC-DC 변환 최적화로 인해 부분적으로 흐린 날에 증가한다. 더 낮은 평균 태양광(일사)을 갖는 지역에서 사용될 때, PV 서브시스템의 더 큰 지역은 주어진 연료 필요성을 공급하기 위해 필요하다.

본 발명의 적용에 대한 더 넓은 영역은 이하 제공되는 자세한 설명으로부터 명백해진다. 상기 자세한 설명 및 특정한 예시들은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 반면, 설명의 목적만을 가지고 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 예를 들면, 상기 DC-DC 변환기에 대한 전력은 상기 파워 그리드, 풍력 또는 상기 전해조에 의해 발생되는 수소를 소모하고 부하에 대해 전류를 공급하는 연료 전지를 포함하나 이에 제한되지 않는 대체 에너지원에 의해 공급될 수 있다. 또한, 상기 전해조 서브시스템(28)은 예를 들면, 수소를 발생시키기 위해 물을 전기분해하고 제 1 모드로 작동하는 가역성 전해조/연료 전지 시스템으로서 구성될 수 있고, 상기 전해조 서브시스템(28)은 전력을 발생시키기 위해 수소를 소모하도록 제 2 모드로 작동가능하다. 여기서 설명된 바와 같은 최적화 기술은 (ⅰ)산성 전해질을 갖는 산성 전해조;(ⅱ)기본 전해질을 갖는 기본 전해조;(ⅲ)증기 전해조;(ⅳ)적어도 하나의 MEA를 포함하는 PEM 전해조; 및 (ⅴ)고압 전해조를 포함하는 다양한 전해조에 적용가능하다. 여기서 사용되는 바와 같이, 상기 용어 "PV 서브시스템"은 하나 이상의 PV 전지 또는 모듈이라 부른다

Claims

전해조 서브시스템; 및

광전지 서브시스템을 포함하며,

상기 전해조 서브시스템은 제 1 및 제 2 작동 전압 사이에서 미리 정해진 효율보다 더 큰 효율로 수소를 발생시키기 위해 물을 전기분해하도록 구성되고, 상기 광전지 서브시스템은 상기 제 1 및 제 2 작동 전압 사이의 전압으로 전력을 제공하도록 구성된 광전지 전해조 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 광전지 서브시스템은 복수의 태양전지를 포함하며, 상기 복수의 태양 전지는 더 높은 전압을 발생시키기 위한 적어도 하나의 직렬 연결과 더 높은 전류를 발생시키기 위한 병렬 연결을 갖는 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 전해조 서브시스템은 복수의 전해조를 포함하며, 상기 복수의 전해조는 더 높은 작동 전압을 얻기 위한 적어 하나의 직렬 연결과 더 높은 작동 전류를 얻기 위한 병렬 연결을 갖는 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 전해조 서브시스템은 양자 교환 막(PEM) 전해조, 고압 전해조, 기본 전해질을 갖는 알칼리성 전해조, 산성 전해질을 갖는 산성 전해조, 증기 전해조, 가역성 PEM 연료 전지/전해조, 및 이들의 결합체를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 전해조를 갖는 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 광전지 서브시스템은 상기 전해조 서브시스템의 작동 전압에서 최대 전력 점에서 미리 정해진 전압을 발생시키도록 구성되고, 상기 수소 발생은 최적화되고 미리 정해진 온도에서의 미리 정해진 태양 방사에서 최대 효율을 얻는 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 광전지 서브시스템은 36 볼트 DC의 V_mpp과 17.5%의 태양 에너지-전기 효율을 갖고, 상기 광전지 서브시스템은 32 볼트와 38 볼트 DC 사이의 V_oper을 갖고 20 개의 전해조를 갖는 고효율 PEM 전해조와 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 전해조는 복수의 전해조를 포함하고 상기 PV 서브시스템은 전해조당 1.6 볼트 DC와 전해조당 2.0 볼트 DC 사이의 범위에서 미리 정해진 출력 전압을 갖는 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 PV 서브시스템은 최대 전기효율의 95%에서 100%와 수소 변환 효율에 대한 최대 태양 에너지의 85%에서 100%를 가지고 그 최대 전력 출력의 95%에서 100%를 발생시키는 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 전해조 서브시스템은 알려진 작동 전류에서 상기 전해조 서브시스템의 극들(poles)을 가로지르는 전압 강하를 측정함으로써 결정되는 특유의 작동 전압을 갖는 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 전해조 서브시스템은 복수의 전해조를 포함하고, 직렬연결된 전해조들의 개수(N)에 의해 결정되는 특유의 작동 전압 V_oper과 각 전해조들의 특유의 과전압 V_OV을 갖고, V_oper = N×(1.23 볼트 + V_OV)이며, V_OV는 0.4로부터 0.7 볼트 DC까지의 범위인 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 PV 서브시스템과 상기 전해조와 결합된 DC-DC 변환기를 더 포함하고, 상기 DC-DC 변환기는 상기 PV 서브시스템의 출력 전압을 상기 제 1, 제 2 전압 사이의 범위에서의 전압으로 변환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 전해조 서브시스템은 복수의 전해조를 포함하고 상기 DC-DC 변환기는 상기 PV 서브시스템의 전압 출력을 전해조당 1.6과 2.0 볼트 DC사이의 값으로 변환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
전력 입력을 갖는 전해조;

에너지를 전해조 전력 출력으로 선택적으로 제공하도록 구성된 DC-DC 변환기;

상기 전해조 전력 출력에 또는 상기 DC-DC 변환기에 직접 에너지를 선택적으로 제공하기 위한 광전지 서브시스템; 및

상기 전해조의 전력 출력에 대한 전력원으로서 상기 광전지 서브시스템 또는 상기 DC-DC 변환기 중 하나를 선택하기 위한 제어기를 포함하며,

상기 전해조는 H₂O를 H₂와 O₂로 분해하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 전해조는 제 1 및 제 2 작동 전압 사이의 미리 정해진 효율보다 더 큰 효율로 수소를 발생시키기 위해 물을 전기분해하도록 구성되고, 상기 광전지 서브시스템은 미리 정해진 태양 조건하에서 상기 제 1 및 제 2 작동 전압 사이의 전압 에서 전력을 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 전해조는 제 1 및 제 2 작동 전압 사이의 미리 정해진 효율보다 더 큰 효율로 수소를 발생시키기 위해 물을 전기분해하도록 구성되고, 상기 DC-DC 변환기는 상기 제 1 및 제 2 작동 전압 사이의 전압에서 전력을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
제 14 항에 있어서,

상기 PV 서브시스템은 결정질 실리콘, 비결정질 실리콘, 구리 인듐 디셀러나이드, 카드뮴 텔루라이드, 또는 이들의 조합을 갖는 태양 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 전해조 서브시스템은 5000psi와 15,000psi 사이의 압력에서 수소를 발생시키기 위해 5000psi와 15,000psi 사이의 압력에서 작동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 전해조 서브시스템은 1.1A/㎠보다 작은 전류밀도에서 작동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 PV 서브시스템과 결합된 냉각 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전지 전해조 시스템.
H₂O를 H₂와 O₂로 분해하도록 구성되고 전력 입력을 갖는 전해조 서브시스템을 제공하는 단계;

에너지를 전해조 전력 입력에 선택적으로 제공하도록 구성된 DC-DC 변환기를 제공하는 단계;

에너지를 직접 상기 전해조 전력 입력에 또는 상기 DC-DC 변환기에 선택적으로 제공하도록 구성된 광전지 서브시스템을 제공하는 단계; 및

태양 방사 센서에 의해 감지되는 상기 에너지를 기초로 상기 전해조의 전력 입력에 대한 전력원으로서 상기 광전지 서브시스템 또는 상기 DC-C 변환기 중 하나를 선택하는 단계를 포함하는, 물을 분해하여 수소를 형성하기 위한 방법.
제 19 항에 있어서,

광전지 서브시스템을 제공하는 단계는 직렬로 연결된 태양 전지를 제공하는 단계인 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서,

전해조 서브시스템을 제공하는 단계는 직렬로 연결된 복수의 전해조를 포함하는 전해조 서브시스템을 제공하는 단계인 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서,

전해조 서브시스템을 제공하는 단계는 (ⅰ) 양자 교환 막(PEM) 전해조, (ⅱ) 고압 전해조, (ⅲ) 기본 전해질을 갖는 알칼라인 전해조, (ⅳ) 산성 전해질을 갖는 산성 전해조, (ⅴ) 증기 전해조, 및 (ⅵ) 가역성 PEM 연료 전지/전해조의 그룹으로부터 선택된 전해조를 포함하는 전해조 서브시스템을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서,

전해조 서브시스템을 제공하는 단계는 미리 정해진 제 1 및 2 작동 전압 사이의 미리 정해진 효율보다 더 큰 효율로 수소를 발생시키도록 구성된 서브시스템을 제공하는 단계이고, 광전지 서브시스템을 제공하는 단계는 상기 광전지 서브시스템의 최대 전력 점 또는 미리 정해진 태양 조건에서 상기 미리 정해진 제 1 및 2 작동 전압 사이의 전압으로 전력을 제공하도록 구성된 광전지 서브시스템을 제공하는 단계인 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서,

전해조 서브시스템을 제공하는 단계는 제 1 및 2 작동 전압 사이의 미리 전해진 효율보다 더 큰 효율로 수소를 발생시키도록 구성된 서브시스템을 제공하는 단계이고, DC-DC 변환기를 제공하는 단계는 미리 정해진 태양 조건하에서 상기 제 1 및 2 작동 전압 사이의 전압으로 전력을 제공하도록 구성된 DC-DC 변환기를 제공하는 단계인 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서,

전해조를 제공하는 단계는 복수의 전해조를 갖는 전해조를 제공하는 단계이고, PV 서브시스템을 제공하는 단계는 전해조당 1.6에서 2.0 볼트 DC 사이의 출력 전압을 갖는 PV 서브시스템을 제공하는 단계인 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서,

상기 PV 서브시스템은 최대 전기 효율의 95%에서 100%를 주기 위해 Pmax의 95%에서 100%사이의 값을 발생시키도록 구성되고, 상기 PV 전해조 시스템은 최대 수소 발생 효율의 85%로부터 100%까지의 수소 발생 효율을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서,

전해조 서브시스템을 제공하는 단계는 제 1 및 2 작동 전압 사이의 미리 정해진 효율보다 더 큰 효율로 수소를 발생시키도록 구성된 서브시스템을 제공하는 단계이고, 광전지 서브시스템은 미리 정해진 태양 조건하에서 상기 제 1 작동 전압보다 더 작은 전압과 상기 제 2 작동 전압보다 더 큰 전압 중 하나로 전력을 제공하도록 구성된 광전지 서브시스템을 제공하는 단계인 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서,

전해조 서브시스템은 복수의 전해조를 포함하고, DC-DC 변환기는 상기 PV전해조당 1.6에서 2.0 볼트 DC 사이의 값으로 변환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서,

전해조 서브시스템은 5,000psi와 15,000psi 사이의 전압에서 작동하도록 구성된 전해조 서브시스템을 제공하는 단계인 것을 특징으로 하는 방법.
적어도 하나의 광전지(PV)를 갖는 전해 시스템을 작동시키고, 물을 전기분해하여 수소를 발생시키기 위해 전력을 공급하기 위하여,

a) 작동 전압, 작동 전류, 및 측정과 계산에 의한 전해조 서브시스템의 효율을 결정하는 단계;

b) 복수의 부하와 PV 전지를 위한 복수의 전압하에서 실제 전압과 실제 전류 사이의 미리 정해진 관계를 기초로 하고 상기 PV 전지를 위한 최대 전력 점 전압(V_mpp)를 결정하는 단계; 및

c) 물을 전기분해하기 위한 최적 전압을 얻고 필요로 하는 전해 시스템 손실 을 만족시키기 위해 상기 V_mpp에서 PV 전지의 개수를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
적어도 하나의 광전지(PV)를 갖는 전해 시스템을 작동시키고, 물을 전기분해하여 수소를 발생시키기 위해 전력을 공급하기 위하여,

a) 작동 전압, 작동 전류, 및 측정과 계산에 의한 전해조 서브시스템의 효율을 결정하는 단계;

b)복수의 부하와 PV 전지를 위한 복수의 전압하에서 실제 전압과 실제 전류 사이의 미리 정해진 관계를 기초로 하고 상기 PV 전지를 위한 최대 전력 점 전압(V_mpp)를 결정하는 단계, 및

c)물을 전기분해하기 위한 최적 전압을 얻고 필요로 하는 전해 시스템 손실을 만족시키기 위해 상기 V_mpp에서 PV 전지의 개수를 결정하는 단계를 포함하며,

상기 전해 시스템은 (ⅰ) 산성 전해질을 갖는 산성 전해조, (ⅱ) 기본 전해질을 갖는 기본 전해조, (ⅲ) 증기 전해조 , (ⅳ) 적어도 하나의 전해조를 포함하는 PEM 전해조, 및 (ⅴ) 고압 전해조로부터 선택된 전해조를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.