專利名稱：：太陽能光伏供電的電解槽系統(tǒng)的熱學(xué)優(yōu)化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明通常涉及的領(lǐng)域包括太陽能電解槽。
背景技術(shù)：
：某些氫氣發(fā)生裝置通過電解槽(electrolyzer)中水的電解使用電10能產(chǎn)生氫氣(和氧氣)。發(fā)生的氫氣儲存以用作燃料，可用于燃料電池、內(nèi)燃機(jī)和基于家庭的氫燃料系統(tǒng)。氧氣可排力文到大氣中。電解槽可由太陽能供電。使用光伏發(fā)電-電解槽(PV-電解槽)的太陽能氫氣發(fā)生是一種可再生并對環(huán)境有利的能源。將美國的燃料供應(yīng)轉(zhuǎn)變成可再生能源對于可持續(xù)的交通、可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)增長、減少溫室氣體排放和15國家能源安全(通過取代從海外不穩(wěn)定地區(qū)進(jìn)口的有污染的礦物燃料)來說是必不可少的。然而，使用光伏發(fā)電-電解槽(PV-電解槽)系統(tǒng)的太陽能氫氣發(fā)生的發(fā)展由于低效率(2-6%)和高成本(>$11/kgH2)而被延緩。20試驗(yàn)條件(STC)是指太陽光鐠對應(yīng)于相對于地球表面(所謂的空氣質(zhì)量為1.5的表面)為41.8度的陽光入射角穿過大氣層的條件下1000Watts/n^的輻照度，并且才莫塊溫度為25°C。輻照度，即通常所稱的"最大日照"("onesun，，)，近似為美國大陸夏季無云天氣下大約中午時分的現(xiàn)實(shí)世界高峰日照。然而，在現(xiàn)實(shí)世界的"最大日照"輻照度條25件下，PV模塊很少處于如此低的溫度。這是由于三方面的原因1)通常最高輻照度發(fā)生在白天和白天中的炎熱時段，2)^t塊為深藍(lán)色(有時甚至為黑色)，而深顏色吸收光導(dǎo)致發(fā)熱，和3)大部分太陽光輻照轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚挥猩儆?0%的輻照轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。因此，在PV^^莫塊產(chǎn)生最大功率時的陽光最充足的天氣，這些才莫塊的溫度經(jīng)常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于決定其功率等級所用的溫度。提高PV-電解槽系統(tǒng)的氫氣發(fā)生效率可以降低所產(chǎn)生的氫氣的成本。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個實(shí)施例包括一種工藝方法，該工藝方法包括將由PV陣列(PVarray)產(chǎn)生的電能傳輸?shù)诫娊獠郏崃繌腜V陣列傳送到電解槽，熱量傳送包括使笫一流體流通。10通過以下提供的詳細(xì)描述，本發(fā)明其它示范性實(shí)施例將變得顯而易見。應(yīng)當(dāng)WF，該詳i甜笛^^l^的實(shí)例，盡管是指本發(fā)明的示范性實(shí)施例，^f^f又^^出于i兌明的目的，而不^了限制本發(fā)明的范圍。15根據(jù)詳細(xì)描述和附圖可以更充分地理解本發(fā)明的示范性實(shí)施例。圖1顯示在陽光充足的白天在戶外測得的太陽能才莫塊的電流-電壓曲線和電流-功率曲線。圖2顯示將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軙rPV神莫塊效率的溫度相關(guān)性。圖3顯示PEM電解槽在兩種不同溫度下的電流-電壓特性。20圖4顯示PEM電解槽效率的溫度相關(guān)性。圖5顯示水粘度的溫度相關(guān)性。圖6顯示PEM電解槽效率的溫度相關(guān)性和基于水性KOH的電解槽效率的溫度相關(guān)性。圖7顯示根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的太陽能(PV)陣列-電解槽系25統(tǒng)的熱學(xué)管理框圖。圖8是圖7框圖的形象再現(xiàn)。圖9顯示根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的太陽能(PV)陣列-電解槽系統(tǒng)的熱學(xué)管理框圖。具體實(shí)施方式以下對實(shí)施例的描述本質(zhì)上僅僅是示范性的，而決不是為了限制本發(fā)明及其應(yīng)用或鄉(xiāng)。圖1顯示在陽光充足的白天在Warren,Michigan對于由Sanyo5EnergyCorp.提供的SanyoHIP-190BA3模塊所測得的電流-電壓(I-V)曲線和功率-電壓曲線。該模塊指向太陽，使用直流電負(fù)載(HewlettPackard6060A)從開路電壓(V。c)向短路電流(Isc)掃描來獲得I-V曲線。太陽光輻照度由鉤掛在Fluke179型萬用表上的UnitedDetectorTechnology的晶體硅光電二極管(UDT10型DP/SV)進(jìn)行測量，該萬10用表測量來自光電二極管的毫安電流。1000W/n^輻照度時的UDT輸出電流由國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NationalRenewableEnergylaboratory)進(jìn)行校準(zhǔn)。模塊的溫度由使用布基膠帶貼在模塊背面的VWR目錄號77776-730(Batavia，Illinois)的電子溫度計進(jìn)行測量。對于圖1中所示的數(shù)據(jù)，模塊的溫度從40.rC到4U。C變化，太陽光輻15照度從978W/n^到981W/m2變化。在這些溫度和輻照度條件下的最大功率為181.7W,該值在電壓為53.3V和電流為3.41A時測得。圖2顯示PV模塊的太陽能到電能的轉(zhuǎn)變效率的溫度相關(guān)性。所測試的PV模塊是SanyoHIP-190BA3模塊，在獲得一系列的I-V曲線時，用水對該^t塊進(jìn)行冷卻。由此獲得圖2中所示的溫度范圍內(nèi)的最20大功率輸出。隨著才莫塊溫度升高，太陽能到電能的轉(zhuǎn)變效率降低。較高的溫度主要降低PV模塊和模塊陣列的功率輸出。相比之下，電解槽在較高溫度下運(yùn)行的效率較高。圖3顯示在兩種不同溫度下得到的質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽的I-V掃描曲線。所測試的電解槽來自HOGEN40型發(fā)生器(ProtonEnergySystems,25RockyHill,Connecticut),將該電解槽從HOGEN40上取下并使用兩組并耳關(guān)連線的1000WHewlettPackard直流電源(型號6012B和6032A)來運(yùn)行。兩組電源一起能夠使槽組(stack)在高達(dá)70A以上的電流下運(yùn)行。電解槽具有兩個電4矣頭和四個氣體/液體接口。使用小型泵(VWR目錄號23609-170,Batavia,lllinois)使水穿過槽組的氫氣側(cè)和氧氣側(cè)流通。使用電子溫度計(VWR目錄號77776-730,Batavia，Illinois)測量槽組的溫度和流通水的溫度。使用電源改變電壓和電流并通過掃描電解槽的I-V曲線得到圖3中的數(shù)據(jù)。由于電解槽將電能轉(zhuǎn)5變?yōu)榛瘜W(xué)能(來自水分解的氫氣和氧氣)的效率小于100%，所以掃描過程中電解槽的溫度升高。在兩種不同的槽組水溫下掃描得到的I-V數(shù)據(jù)的曲線如圖3所示。在較高的溫度下，電解槽在較低的電壓(較高的效率)下達(dá)到較高的電流(因而較高的氫產(chǎn)量)。[0001電解槽的效率(電能到氫產(chǎn)量的效率)可以通過以下等式10計算效率=(串聯(lián)電池的數(shù)量x1.23x100%)/V。per對于我們的電解槽，串聯(lián)電池的數(shù)量為20。值1.23是在標(biāo)準(zhǔn)條件下的理論水分解電壓，而V。per是給定電流下電解槽的操作電壓。圖4顯示對于兩個電流設(shè)定值作為電解槽槽組水溫的函數(shù)的電15解槽效率。對于任一電流設(shè)定值，當(dāng)電解槽"變熱，，時其變得更高效，即，隨著PEM電解槽槽組水溫的升高，電解槽的效率總體提高。根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)，似乎可以使電解槽在低電流和高溫下運(yùn)行以獲得最高的效率。然而，在低電流時將得到低的氫產(chǎn)量，例如，從圖4中可以看出，對于給定的溫度，在較高的電流下得到七倍的氫氣量(70A對20比于10A)而損失不到10%的效率。較高的溫度有利于提高電解槽的效率，但是有一個限度。對于PEM電解槽，溫度必須保持在大約80。C以下，因?yàn)?電解質(zhì)，，("electrolyte")是Nafion膜(一種多氟烷基磺酸(poloyfluorosulfonicacid))，它在較高溫度時降解較快。最近AvalenceLLC(Milford,Connecticut)引入了一種使用KOH25水溶液作為電解質(zhì)的高壓電解槽。通過直接電解的高壓制氫可以是分布式氫氣發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵進(jìn)展，因?yàn)樗蕴耸褂脵C(jī)械泵的昂貴、笨重、嘈雜并且低效的氫氣壓縮。由于KOH電導(dǎo)性的溫度相關(guān)性，Avalence電解槽表現(xiàn)出了很強(qiáng)的溫度相關(guān)性。在基于KOH的電解槽中，鉀離子和氫氧根離子在溶液中傳導(dǎo)電流，而離子的移動性和電導(dǎo)性隨著溫度而提高。水中所有離子電導(dǎo)性的溫度系數(shù)是類似的。水中離子電導(dǎo)性的溫度系數(shù)近似等于粘度的溫度系數(shù)。圖5顯示對于Avalence電解槽在所關(guān)注的溫度范圍內(nèi)水的粘度曲線。該曲線由5《HandbookofChemistryandPhysics》(TheChemicalRubberCo.,ClevelandOhio)和《PhysicalChemistry,第三版》(DanielsandAlberty,JohnWileyandSons,1966)中的數(shù)據(jù)得來。才莫型擬合采用以溫度的倒數(shù)作為指數(shù)項的指數(shù)方程(用于動力學(xué)速率系數(shù)的Arrhenius-型方程)。10《PhysicalChemistry,第三版》。在圖5中，20。C時的粘度為1.09厘泊，60。C時為0.458厘泊。由于水溶液的電導(dǎo)性對溫度的強(qiáng)相關(guān)性(如圖5所示)，預(yù)期基于KOH的電解槽效率具有的溫度相關(guān)性比PEM電解槽要更高得多。圖6顯示相對于基于水性PEM電解槽，基于水性KOH的電解槽效率15所具有的這種更高的溫度相關(guān)性。加熱電解槽以使用在較高溫度時較高效率的有利之處可以包括使加熱的流體在電解池(electrolysiscell)表面流通，或者可以包括使水性電解質(zhì)通過熱交換器進(jìn)行流通(基于KOH的電解槽)，或者電解槽可以包括含有通道的板，流體可以穿過這些通道流通以加熱電解槽(基于PEM的電解槽)。對于基于水性20KOH的電解槽，對于給定的電壓，電解質(zhì)的電導(dǎo)性以與電解質(zhì)的粘度相同的方式隨溫度而變化?；谒訩OH的電解槽的效率將以與其電導(dǎo)性的降低成比例的方式隨溫度的提高。因此，圖5中的數(shù)據(jù)和用槽效率的相對提高。所得到的電解槽效率測量結(jié)果(PEM電解槽)和25預(yù)測結(jié)果(基于水性KOH的電解槽)顯示在圖6中?；谒訩OH的電解槽所具有的效率的溫度相關(guān)性比PEM電解槽要更強(qiáng)得多，例如，在圖6中高于23。C的溫度范圍中，PEM電解槽的效率提高了5%，而基于水性KOH的電解槽的效率則提高了67%。一種提高PV-電解槽組合的太陽能到氫氣的整體效率的方法是通過利用PV電能發(fā)生工藝方法和水電解氫氣發(fā)生工藝方法的相反的溫度相關(guān)性。圖7顯示用于太陽能(PV)陣列-電解槽系統(tǒng)熱學(xué)管理的工藝方5法10的框圖。PV陣列14與無隔熱的第一容器(reservoir)18和有隔熱的第二容器20用管道相連接，使得可以使用流體在PV陣列和容器之間傳送熱量。PV陣列14電氣上連接到電解槽16。電解槽16還用管道與第二容器20連接。使用導(dǎo)線將電能從PV陣列14傳輸?shù)诫娊獠?6。圖8是圖7框圖的形象再現(xiàn)。10圖7中所示的PV陣列14可為任意合適的采用來自諸如Sanyo，ShellSolar,Sharp和其它主要PV模塊制造商的模塊的PV陣列。例如，大部分PV才莫塊具有的溫度系數(shù)在每攝氏度功率的-0.2%到-0.6%范圍內(nèi)。圖2中所顯示的PV溫度對PV輸出功率的影響采用了SanyoHIP-190BA3模塊(溫度系數(shù)=-0.3%功率廠C)。15電解槽16可為任意合適的電解槽。電解槽16可為包括陽極、陰極及兩者之間隔膜的PEM電解槽。合適電解槽的一個實(shí)例是HOGEN40型氫氣發(fā)生器，可從ProtonEnergySystems,RockyHill,Connecticut獲得。電解槽16也可為高壓電解槽，例如，使用KOH水溶液作為電解質(zhì)的高壓電解槽，可從AvalenceLLC,MUford,20Connecticut獲得。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，太陽熱能可在PV陣列14中采集，熱量可從PV陣列14傳送到電解槽16，其中，在陣列14中4交高的溫度可能產(chǎn)生負(fù)面影響，而在電解槽16中較高的溫度可能是有利的。熱量可通過流通流體從PV陣列14傳送到電解槽16。該流通流體可為25任意合適的流體，例如水。該流通流體可為商業(yè)用水或者甚至可為存儲的雨水。該流通流體還可含有防凍液。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，采用不同的操作才莫式使PV陣列的溫度保持在15-3(TC范圍內(nèi)(或更低的溫度，如果該基于流體的冷卻系統(tǒng)的環(huán)境溫度允許，因?yàn)檩^低的溫度將提高PV的效率)，而對于基于KOH的電解槽則使其溫度保持在60-80。C的范圍內(nèi)。確切的穩(wěn)態(tài)操作溫度將取決于電解槽的特性，即，其承受高溫的能力。電解槽加熱在早晨可能尤其有利，因?yàn)橄鄬τ诶潆娊獠?即無加熱)，它會提高5電解槽的效率。該操作;f莫式的一個實(shí)例顯示在表l中。日出時，有隔熱的第二容器20是熱的，而無隔熱的第一容器18是冷的。日出時，PV陣列14和電解槽16都是冷的。就在日出之前，泵可以開始使來自有隔熱的熱的第二容器20的流體流通到電解槽，使得一旦太陽升起并且PV陣列14開始產(chǎn)生電能時，電解槽就能夠高效地產(chǎn)生氫氣。10泵可為小型泵，例如LittleGiantPES-120-PW,可從LittleGiantPumpCompany,OklahomaCity,Oklahoma獲得。表1.具有熱學(xué)管理的太陽能陣列-電解槽系統(tǒng)的操作模式<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>15太陽升起大約2到4小時后，PVP車歹U14開始變熱。來自無隔熱的笫一容器18的冷流體在PV陣列14上流通來使其冷卻，然后流回到第一容器18。流體可以通過噴射到PV陣列14的前表面上或流過PV陣歹'J14的前表面而在PV陣列14上流通。對于這種熱量傳送模式，流體應(yīng)當(dāng)是透明的，比如水。通常用在汽車防凍劑中的乙醇也是透明的，并可以用來防止水結(jié)冰(用在商業(yè)防凍劑中的著色劑應(yīng)不予考慮)。流體還可通過經(jīng)過與PV陣列14背面接觸的管路在PV陣列14的背面上流通。在這種情況下，流體不必是透明的。一旦無隔熱的笫一容器18變熱，則來自該第一容器18的流體就停止在PV陣列14上流通。5取而代之的是，來自有隔熱的第二容器20的流體在PV陣列14上流通并流回到第二容器20,使得第二容器20變熱。一旦有隔熱的第二容器20變熱，來自該第二容器20的流體的流通就停止。因?yàn)楦魺岵牧峡蓪Ⅲ识萜?0包覆，所以第二容器20內(nèi)部的流體保持高溫。大約日落左右開始，來自無隔熱的第一容器18的流體在PV陣列1014上流通，以便在夜間冷卻第一容器18內(nèi)的流體。夜間，來自第一容器18的流體繼續(xù)在冷的PV陣列14上流通，使得第一容器18內(nèi)的流體在第二天早晨日出前是冷的。這種流體流通過程按照相同的基本流通日復(fù)一日地重復(fù)進(jìn)4亍。在圖中9顯示的本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，PV陣列14電氣上連15接到電解槽16。PV陣列14還與熱交換器30用管道連接，使得流體能夠用于傳送熱量。熱交換器30可以是任意合適的熱交換器，例如汽車熱沉或帶有銅翅片或鋁翅片的類似裝置。熱交換器30連接到熱沉(heatsink)32。優(yōu)選地，熱沉應(yīng)當(dāng)可靠并且溫度低于25°C。熱沉32可以是大地，例如在地表之下大約十英尺深度處的大地。在地表以20下大約十英尺的深度處全年的溫度在10-15。C左右。熱沉還可以是大約位于地下水位深度處的大地或地下水位以下深度處的大地。流通流體，例如去離子水和防凍液的混合物，在PV陣列14上流通并流通到熱交4灸器30。流體可以通過泵送而在PV陣列14的表面流通，或流體可以通過經(jīng)過與PV陣列14背面接觸的管路在PV陣列14的背面25上流通。當(dāng)天氣冷時可無需使流體在該P(yáng)V陣列上流通。如圖9所示，電解槽16中產(chǎn)生的氫氣從該電解槽導(dǎo)向高壓(高達(dá)6500psi)儲罐34。儲罐34可與可安裝于電解槽室中的氫燃燒器36連接。氫氣在氫燃燒器36內(nèi)燃燒來加熱電解槽16。例如，即使在寒冷天氣，也可只需很小流量的氫氣來將電解槽加溫到60°C，尤其是如果電解池室(electrolysiscellchambers)被隔熱。由電解槽16產(chǎn)生的氫氣是可再生發(fā)生的并且無污染。電解槽的溫度可由如用在家庭熱水器中的溫度調(diào)節(jié)裝置來控制。為了啟動電解槽16的加熱，可在早晨5PV陣列14剛開始產(chǎn)生太陽能時啟動一個開關(guān)，或者可以將定時裝置設(shè)定到日出時刻。當(dāng)電解槽內(nèi)的溫度達(dá)到預(yù)定的設(shè)定點(diǎn)，例如60。C，或?qū)?yīng)于最佳效率的不損害電解槽耐久性的溫度時，溫度調(diào)節(jié)裝置可切斷電解槽16的加熱。在一個實(shí)施例中，在氫氣由電解槽16產(chǎn)生過程中的大部分時段，可由電解反應(yīng)中產(chǎn)生的廢熱在電解池(electrolysis10cells)內(nèi)保持熱穩(wěn)態(tài)操作溫度。以上對本發(fā)明實(shí)施例的描述本質(zhì)上僅僅是示范性的，因此，它們的變型不應(yīng)^L視為對本發(fā)明的精神和范圍的背離。權(quán)利要求1.一種工藝方法，包括將PV陣列產(chǎn)生的電能傳輸?shù)诫娊獠?；并且將熱量從PV陣列傳送到所述電解槽，此熱量傳送包括使第一流體流通。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于，所述工藝方法還包括加熱所述電解槽，所述加熱包括使第二流體從有隔熱的第二容器流通到所述電解槽。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于，所述工藝方法還包括通過使流體在所述PV陣列上流通來冷卻所述PV陣列，所述流體來自無隔熱的第一容器和有隔熱的第二容器中的至少一個容器。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的工藝方法，其特征在于，所述工藝方15法還包括通過使來自所述無隔熱的第一容器的所述流體在所述PV陣列上流通，以冷卻所述無隔熱的第一容器內(nèi)的所述流體。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的工藝方法，其特征在于，所述工藝方法還包括使來自所述有隔熱的第二容器的所述流體在所述PV陣列上流通來加熱所述有隔熱的第二容器內(nèi)的所述流體。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工藝方法，其特征在于，所述第一流體和所述第二流體是相同的。7.—種工藝方法，包括將電能從PV陣列傳輸?shù)诫娊獠?；冷卻所述PV陣列，包括使流體流通經(jīng)過熱交換器和所述PV陣25列；將氫氣從所述電解槽導(dǎo)向高壓儲罐；和在氫燃燒器內(nèi)燃燒來自所述高壓儲罐的氫氣以加熱所述電解槽。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工藝方法，其特征在于，所述工藝方法還包括將所述熱交換器安裝在熱沉中。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的工藝方法，其特征在于，所述熱沉包括位于大約在地下水位深度處的大地或位于低于地下水位深度處的大地。10.—種產(chǎn)品，包括電氣上連接的PV陣列與電解槽，使得所述PV陣列產(chǎn)生的電能被輸送到所述電解槽；和包括無隔熱的第一容器或有隔熱的第二容器或熱交換器中的至少一項的第一部件。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的產(chǎn)品，其特征在于，所述熱交換器安裝在熱沉中。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的產(chǎn)品，其特征在于，所述熱沉包括位于大約在地下水位深度處的大地或位于低于地下水位深度處的大地。13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的產(chǎn)品，其特征在于，所述無隔熱的第一容器連接到所述PV陣列，以使流體在所述PV陣列上流通。14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的產(chǎn)品，其特征在于，所述有隔熱的第二容器連接到所述PV陣列，以使流體在所述PV陣列上流通，從而加熱所述流體。15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的產(chǎn)品，其特征在于，所述產(chǎn)品還包括連接到所述電解槽的高壓儲罐，且所述高壓儲罐構(gòu)造并設(shè)置成用來儲存由所述電解槽產(chǎn)生的氫氣。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的產(chǎn)品，其特征在于，所述產(chǎn)品還包括構(gòu)造并設(shè)置成用來加熱所述電解槽的氫燃燒器。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的產(chǎn)品，其特征在于，所述氫燃燒器連接到所述高壓儲罐，以燃燒來自所述高壓儲罐的氫氣。18.根據(jù)權(quán)利要求IO所述的產(chǎn)品，其特征在于，所述PV陣列與電解槽通過管道連接到一起，以使流體在它們之間流通來將熱量從所述PV陣列傳送到所述電解槽。19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的產(chǎn)品，其特征在于，所述PV陣列與熱交換器通過管道連接到一起，以使流體在它們之間流通來將熱量從所述PV陣列傳送到所述熱沉。全文摘要本發(fā)明公開了太陽能光伏供電的電解槽系統(tǒng)的熱學(xué)優(yōu)化，具體而言，本發(fā)明的一個實(shí)施例包括一種工藝方法，該工藝方法包括將PV陣列產(chǎn)生的電能傳輸?shù)诫娊獠?，并將熱量從PV陣列傳送到電解槽。所得到的工藝方法使用太陽能以每公斤較低的成本產(chǎn)生可再生的氫氣。文檔編號C25B9/00GK101275237SQ20081008702公開日2008年10月1日申請日期2008年3月26日優(yōu)先權(quán)日2007年3月27日發(fā)明者N·A·凱利,T·L·吉布森申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司