CN107104255A - 具有安全和稳定的氢储存的能量单元 - Google Patents

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Abstract

根据本申请实施例的能量单元储存至少水和氢。所述能量单元包括可操作地用于从水中提供氢的电解部件，可操作地用于以固体形式安全和稳定的储存氢的氢储存部件和可操作地用于以从氢产生电的燃料电池部件。所述能量单元可以和其他类似的能量单元组合以为所需应用提供持续的能量。

Description

具有安全和稳定的氢储存的能量单元
本发明申请是基于申请日为2012年2月28日，申请号为201280020892.0(国际申请号为PCT/US2012/026950)，发明名称为“具有安全和稳定的氢储存的能量单元”的专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求申请号为61/447,571、2011年2月28日提交的名称为具有安全和稳定的氢储存的能量单元的美国临时申请的权益和优先权，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
技术领域
本发明一般涉及能量，并且尤其涉及一种能够在偏远场所提供电流的能源。特别地，本申请涉及一种用于发电的能量单元，该能量单元提供安全和稳定的氢储存。
相关技术描述
已知从氢产生电流。在已知的应用中，电解槽被用来从水中产生氢气源。据本领域所知，通过电解水能产生氢和氧。当施加足够的能量破坏水中的氧-氢键时，发生水电解反应。
据本领域所知，电解包括一种电化学过程，涉及电解液的分解。电解过程中，电解液分解，例如当外部直流电压施加在两个电极上，即阳极和阴极，该阳极和阴极与电解液接触。电压等于或超过阈值引起电解液的分解和氢-水键的断裂，这个阈值取决于特定的电解液。分解电解液所需的最小电压称为“分解电压”。也可以使用其他工艺电解水，比如光合作用工艺。
此外，根据本领域所知，一些质子交换膜(“PEM”)电解槽通过电解水能够产生氢和氧。PEM电解槽包括电解质材料，该电解质材料包括质子传导聚合物膜。当该膜变湿，其所附带的磺酸脱落，该膜变为酸性并进行质子传导。质子即带正电荷的氢离子穿过该膜，而阴离子即带负电荷的离子不能穿过该膜。
因此，根据本领域所知，当直流电压施加在PEM电解槽提供的电极(即阴极和阳极)时，PEM电解槽将纯水分离为氢和氧。当直流电压超过分解电压时，该电解槽将纯水分裂为氢和氧。用于将水分离为氢和氧的其他技术是已知的。并且，根据本领域所知，燃料电池技术允许使用氢作为燃料来产生电流。例如，作为PEM电解槽的一个功能收集的氢用在燃料电池上。此外，若干单独的燃料电池被组合在一个单元，在本领域称为“燃料电池堆”。燃料电池堆令人满意地实现可观的输出电压和/或电流。因此，为了实现可观的输出电压，若干单独的燃料电池必须组合成称为燃料电池堆的单元。
相邻的燃料电池可以通过分离装置连接，该分离装置可以形成为板。该板可操作地用于提供各个燃料电池之间的电连接。此外，该板能提供朝向及远离各个燃料电池的气体运输。进一步的，由各个燃料电池产生的热量能够通过分离装置板消散。另外，相邻电池可以由分离板密封，从而防止燃料和氧化剂泄露。
在一些已知的实施例中，板连接到燃料电池堆的端部。该板可操作地用于电连接一个或多个外部电路且还可以提供气体流的连接。由于产生热量，一个或多个燃料堆还可以设有冷却，包括通过空气或水的冷却。
在已知的基于氢的燃料电池中，当氢原子接触这个板、有效地从氢原子获得电子从而产生自由电子时就产生了电。氢通常以双氢(H2)分子存在于自然界。每两个双氢分子(2H2)包括4个氢质子和4个自由电子的势能(4H++4e-)。还已知，氧原子由于氧外层的孤对电子被吸引到带正电荷的氢质子(4H+)。氧以双氧(O2)分子存在于自然界。氧原子与氢质子结合，从而产生水原子及游离态自由电子，从而产生电流(4H++4e-+O2->4H++O2+4e-->2H2O+4e-)。使用氢以提供电流的其他技术也是已知的。
此外，在已知的实施例中，各个数量的单独燃料电池决定一个特定的输出电压。这些电池串联电连接，使得增加或减少燃料会分别增大或减小输出电压。已知，总输出电压是由每个燃料电池输出电压的总和决定的。
另外，已知将氢储存为金属氢化物，例如，在某些金属或金属合金的晶格中。根据本领域所知，当氢结合金属(或合金)以产生金属氢化物时，发生放热(产生热量)反应，并且氢被储存。通过应用热到金属氢化物，该氢是可释放的，此后，可使用在燃料电池中。或者，使用负气压或应用小电流可以使氢从金属氢化物中释放。
以金属氢化物来储氢可能是较优的储存氢的方式，由于它被认为是较安全较容易操作。另外，小体积的金属氢化物可操作地用于储存相当大量的氢，并足以提供大量的燃料以产生电流。然而，储存金属氢化物用于产生电流的已知缺点是每质量的储能密度低，因此，储存箱是相当重的。进一步地，在金属氢化物中储氢通常也需要高压以促使氢原子进入金属晶体结构中。相对较低的压力是必需的以将氢保持在金属氢化物中，通常为450-800psi(磅/平方英寸)，然而，甚至这个相对低的储存压力也太高而不被认为是安全的。因此，高压操作产生上述讨论的关于高压储存氢气的相同的安全问题。
因此，希望提供一种避免上述与高压操作、安全性、效率及其他问题有关的问题的能量储存单元。
发明内容
在优选实施例中，公开了储存水和氢的能量单元。所述能量单元包括电源，所述电源可以被包含在所述单元自身的材料中，如果有需要的话，所述电源提供电用于在第一模式下操作以从水中产生氢。在第二模式下，这种氢被以固体形式安全和稳定的储存在能量单元中。在第三模式下，所述氢被用于发电。
根据本发明的实施例，能量单元包括：外罩；能量源，所述能量源安装所述外罩内或所述外罩上，并配置为提供电；流体室，所述流体室位于所述外罩内，配置为容纳一定体积的流体；电解元件，所述电解元件位于所述外罩内，电连接到所述能量源，并与所述流体室流体连通，电解室配置为和可操作地用于分解所述流体并提供氢气；氢储存元件，所述氢储存元件位于所述外罩内，连接到所述电解元件，并配置为以固体形式储存氢；和燃料电池，所述燃料电池位于所述外罩内，连接到所述氢储存元件，并可操作地用于使用至少从所述氢储存元件供给的氢来产生电。
根据本发明实施例的能量系统包括多个能量单元；每个能量单元包括：外罩；能量源，所述能量源安装在所述外罩内或所述外罩上，配置为提供电；流体室，所述流体室位于所述外罩内，配置为容纳一定体积的流体；电解元件，所述电解元件位于所述外罩内，电连接到所述能量源，并与所述流体室流体连通，电解室配置为和可操作地用于分解所述流体并提供氢气；氢储存元件，所述氢储存元件位于所述外罩内，连接到所述电解元件，并配置为以固体形式储存氢；和燃料电池，所述燃料电池位于所述外罩内，连接到所述氢储存元件，并可操作地用于使用至少从所述氢储存元件供给的氢来产生电。每个能量单元与至少一个其他能量单元连接，这样多个能量单元一起操作以所需的电压或电流来提供电。
其他特征和优点从下面参照附图的描述中将变得显而易见。
本申请涉及以下实施方式：
1、一种能量单元，包括：
外罩；
能量源，所述能量源安装在所述外罩内或所述外罩上，并配置为提供电；
流体室，所述流体室位于所述外罩内，配置为容纳一定体积的流体；
电解元件，所述电解元件位于所述外罩内，电连接到所述能量源，并与所述流体室流体连通，电解室配置为和可操作地用于分解所述流体并提供氢气；
氢储存元件，所述氢储存元件位于所述外罩内，连接到所述电解元件，并配置为以固体形式储存氢；和
燃料电池，所述燃料电池位于所述外罩内，连接到所述氢储存元件，并可操作地用于使用至少从所述氢储存元件供给的氢来产生电。
2、根据项1所述的能量单元，其中，所述能量源为太阳能能源，配置为和可操作地用于基于太阳光以提供电。
3、根据项1所述的能量单元，其中，所述流体室容纳水，并且所述电解元件配置为利用来自所述能量源的电将所述水分离为氢气和氧气。
4、根据项3所述的能量单元，其中，所述氧气被引导离开所述外罩。
5、根据项1所述的能量单元，其中，所述流体室包括生物燃料，并且所述电解元件配置为利用来自所述能量源的电将所述氢气从所述生物燃料中分离。
6、根据项1所述的能量单元，其中，所述氢储存室还包括：
圆柱形外壳；
螺线管，所述螺线管安装在所述圆柱形外壳的第一端，配置为以所需频率往复运动；
圆锥形机头，所述机头连接到位于所述圆柱形外壳中的所述螺线管的自由端，并配置为随着所述螺线管往复运动；和
金属氢化物材料，所述金属氢化物材料安置在围绕所述圆柱形外壳的侧面，其中，所述螺线管和所述机头的往复运动驱动氢进入所述金属氢化物材料中。
7、根据项6所述的能量单元，其中，所述圆柱形外壳还包括连接到所述电解元件的进口和连接到所述燃料电池的出口。
8、根据项7所述的能量单元，还包括：
进口阀门，所述进口阀门安置在所述进口并选择性的打开以允许来自所述电解单元的氢气进入所述圆柱形外壳中；和
出口阀门，所述出口阀门安置在所述出口并选择性的打开以允许所述圆柱形外壳中的氢离开进入所述燃料电池。
9、根据项1所述的能量单元，还包括：
至少一个从所述外罩延伸的凸起；和
至少一个凹处，所述凹处形成在所述外罩中，在所述凸起的对面。
10、根据项9所述的能量单元，其中，所述至少一个凸起电连接到所述燃料电池和所述能量源中的至少一个，并配置为供应电到外部装置或从外部装置接收电。
11、根据项10所述的能量单元，其中，所述凸起与所述流体室流体连通，并配置为提供流体到所述外部装置或从所述外部装置接收流体。
12、根据项11所述的能量单元，其中，所述外部装置为根据项1所述的能量单元。
13、根据项9所述的能量单元，其中，所述至少一个凹处电连接到所述燃料电池和所述能量源中的至少一个，并配置为供应电到外部装置或从外部装置接收电。
14、根据项13所述的能量单元，其中，所述凹处与所述流体室流体连通，并配置为提供流体到外部源或从外部源接收流体。
15、根据项14所述的能量单元，其中，所述外部装置为根据项1所述的能量单元。
16、一种能量系统，包括：
多个能量单元；
每个能量单元包括：
外罩；
能量源，所述能量源安装在所述外罩内或所述外罩上，配置为提供电；
流体室，所述流体室位于所述外罩内，配置为容纳一定体积的流体；
电解元件，所述电解元件位于所述外罩内，电连接到所述能量源，并与所述流体室流体连通，电解室配置为和可操作地用于分解所述流体并提供氢气；
氢储存元件，所述氢储存元件位于所述外罩内，连接到所述电解元件，并配置为以固体形式储存氢；和
燃料电池，所述燃料电池位于所述外罩内，连接到所述氢储存元件，并可操作地用于使用至少从所述氢储存元件供给的氢来产生电；
其中，每个能量单元与至少一个其他能量单元连接，这样多个能量单元一起操作以所需的电压或电流来提供电。
17、根据项16所述的能量系统，其中，所述多个能量单元中的每个能量单元还包括：
至少一个从所述外罩延伸的凸起；和
至少一个凹处，所述凹处形成在所述外罩上，在所述凸起的对面。
18、根据项17所述的能量系统，其中，所述至少一个凸起电连接到所述多个燃料电池中的至少一个其他能量单元以供应或接收电。
19、根据项17所述的能量系统，其中，所述凸起与所述流体室流体连通，并配置为提供流体到至少一个其他能量单元或从至少一个其他能量单元接收流体。
20、根据项16所述的能量系统，其中，所述至少一个凹处电连接到所述燃料电池和所述能量源中的至少一个，并配置为供应流体到至少一个其他能量单元或从至少一个其他能量单元接收流体。
21、根据项20所述的能量系统，其中，所述至少一个凹处与所述流体室流体连通，并配置为提供流体到至少一个其他能量单元或从至少一个其他能量单元接收流体。
附图说明
为了说明的目的，在此以附图示出形态，这是目前优选的，然而，可以理解的，本发明并不限于示出的明确的配置和工具。本教导的特征和优点将从下面的参照附图的描述中变的显而易见，其中：
图1为根据本申请实施例的能量单元的主视和俯视的透视图；
图2为图1的能量单元的后视和仰视的透视图；
图3为图2所示的能量单元的剖视图；
图4为图1-3所示的能量单元的氢储存部件的更详细的视图；
图5为图4所示的氢储存部件的剖视图；
图6为图4-5的氢储存部件包含的圆锥形机头(ram head)结构的更详细的视图；和
图7示出了根据本申请实施例的能量单元的干燥装置的更详细的视图。
具体实施方式
根据本文所描述和图示的各个实施例，提供一种便携式极耐用能源，其独立发挥作用以产生例如电流。参照附图，附图中相同的参照数字指相同的元件，图1示出了在能量单元10形式中的能源的主视和俯视图。图2示出了能量单元的后视和仰视图，而图3示出了其剖视图。本文所图示及描述的例子中，氢是指能量单元10使用的以产生电流的优选燃料。然而，可以预想到，在不脱离本文所教导的思想的情况下，可以用可替代的化学品和/或元素作为电流的燃料。因此，本申请的能量单元10不限于使用水。虽然将使用氢来传输电子，然而，电解方法可以变化。例如，电子源(上述描述中为水)可以替代为生物燃料。
在一个优选地实施例中，提供矩形砖状的能量单元10，例如如图1所示。提供外框架8，该外框架中提供有氢储存部件20、电解部件30和燃料电池部件40。如图所示，固定在该框架8上的侧板11优选由清晰(clear)、透明或半透明材料制备，例如透明合成树脂。矩形形状是优选的，然而也可以使用其他形状，包括但不限于三角形、球形、圆锥体、圆柱体和棱锥体。该能量单元10被优选地配置和结构化，使得可以堆积多个单元，或另外物理和/或功能的结合在一起。实际上，多个能量单元10可以堆积在一起并被包含在例如墙或建筑物的结构中。
此外，单独的单元10可以堆积并互相连接以产生更大及更强的能源。该单元例如可以并联连接以提供更大的电压，或串联连接通常用于增大安培数。互相连接可以通过简单将两个单元10配合在一起来实现。在一个实施例中，螺栓12设在该单元10的一端，容纳另一单元的螺栓12的容器部14(见图1-2)设置在单元10的另一端。燃料电池部件40优选包括多个例如上述讨论的燃料堆形式的燃料电池。
能量单元10还包括水室50，配置为及可操作地用于保存一定量的水或其他流体。在一个优选的实施例中，单元10总共保存大约1.1升的水。然而，值得注意的是，能量单元10可以基于使用向上或向下的扩展规模，并根据需要容纳或多或少的水。
这些量的水被电解部件30使用以用于氢供应。电解部件30包括或者连接到电压源60，该电压源为电解部件30提供足够的电流以将水分解为氢气和氧气。
在优选实施例中，电压源60为太阳能电压源。这样，例如使用光伏电池(未示出)，将太阳光转换为电。在优选实施例中，电压源60包括设在单元10两侧的单晶硅太阳能电池。在实施例中，例如如图1所示，太阳能电池可以浸渍在板11中。使用太阳能电池或太阳能光伏阵列的太阳能科技优选用于将来自太阳的能量转化为电。从太阳光所产生的电被电解部件30内的PET(或其他)电解槽使用，以从纯水或其他来源中分离氢。虽然优选水为纯净的，但它不是必要的，只要水中不包含溶解的固体就行。因此，在电解作用下能从纯水中产生氢气。之后氢转化为电，例如使用燃料电池部件40的一个或多个燃料电池，在该燃料电池中氢和氧重新结合以产生电。如果需要的话，从水中分离出的氧也可以收集起来并用于燃料电池部件40，例如进行发电、或任何其他所需的用途。在优选实施例中，分离后的氧例如可以用于净化水。例如，氧可以用于杀死细菌来净化水以供饮用。氧也可以用于医疗目的，例如，补充呼吸氧。例如，氧也可以用在其他项目的消毒上，比如烹饪或医疗器械。氧也可以用来帮助空气进化。虽然使用电压源60通过太阳能来提供的电优选被用作电解，但也可以仅仅用于向其他的装置供电。
因此，在第一模式中，能量单元10运作以收集氢，以使用电解部件30将氢最终转换为电。在优选实施例中，单元10不运作为同时收集氢并提供电。即单元10每次只能运作一种模式。
当氢气生成后，优选将其储存在第二模式中。鉴于压力下储存任何大量易燃气体的固有危险，氢储存是困难技术。然而，本发明的能量单元10提供的优点之一为氢以固体形式安全和稳定的储存，如以下详细解释。虽然通常氢储存是为了提供电，但氢也可以用于其他目的。例如，如果需要的话，氢可以用作烹饪或加热的燃料。进一步地，如果需要的话，氢可以在储存之前直接使用。在一个实施例中，使用电解部件30提供的氢穿过干燥装置70。图7示出了具有隐藏顶帽的装置70。干燥装置70包括水柱，来自电解装置30的分离出的氢气穿过该水柱。例如，可以通过喷嘴75提供水。例如，可以通过位于装置70底部的喷嘴74提供氢。通过使氢气鼓泡穿过干燥装置70中的水柱，水分从氢中被去除。即当气体鼓泡穿过干燥装置70中的水时，包含在氢气中的任何水蒸气将倾向于和水分子结合。另外，在装置70顶部设置有膜72，该膜由允许氢穿过但阻止水蒸气穿过的材料制备。因此，等到分离出的氢气穿过干燥装置70后，水蒸气的百分比非常低，因而可以被认为是“干燥”的。另外，也可以包含干燥剂材料以辅助干燥氢。这种干燥的氢较容易以固体形式储存。氢优选通过喷嘴76离开装置70。
在一个实施例中，干燥装置70可以包括充气机(aerator)，氢气在被储存之前穿过该充气机。该充气机由锌催化剂组成、或包括锌催化剂，该锌催化剂能去除可能包含在氢气中的任何氧气。充气机可以包含在装置70的内部，或者位于充气机70的外部，在装置与氢储存装置20之间。纯氢比包含一些氧混合其中的氢更容易以固体形式储存。充气机用于从氢中消除任何残留的氧。
图4示出了能量单元10中优选提供的氢储存部件20的更详细的视图。实际上，从图1-3可以看出，单元10优选提供两个氢储存部件20。然而，可以使用额外的或更少的氢储存部件20。
图5示出了氢储存部件20的典型实施例的剖视图。在优选实施例中，围绕部件20的外周围设置有外部圆柱形覆盖物21。外部覆盖物21内侧设置有由稍微坚硬的材料制成的外部衬垫22。外部衬垫22内侧设置有金属氢化物材料23。该金属氢化物材料23是固体材料，能吸收氢气以提供安全和稳定的储存。金属氢化物材料23的内表面上设置有内部衬垫24。该内部衬垫24的材料配置为及结构化为柔韧的以允许氢气自由穿入金属氢化物23。内部衬垫24与安装在部件20中心的圆锥形形状的机头26之间设有氢间隙25。该机头的中心轴H大致上与部件20的中心轴对齐。螺线管27经由制动器27a与机头26连接，该制动器以所需频率上下移动。因此机头26以同样的所需频率上下移动。间隙25内充满了氢气，例如，该氢气由电解部件30提供并经由喷嘴29进入该部件20。在优选实施例中，氢入口点和出口点可以设有逆止阀，以避免背压并防止空气被吸入到腔室。螺线管提供的小的压力变化在压缩行程时辅助将氢推进到氢化物中，并会在释放行程时避免真空形成而将空气吸入到腔室。
螺线管27及附到其上的机头26的运动提供了两个优点。第一，螺线管27移动的频率设置为使其与金属氢化物材料23的频率是共振的。这个频率将随特定材料和所提供的相对量而变化。然而，这种共振关系导致金属氢化物23的晶格振动。这种共振的振动增加氢必须依附到晶格的可能性或机会的次数。因而，不需要提供高压的情况下，氢较容易地适到晶格。机头26的移动也在物理上推动间隙25中的氢朝向金属氢化物材料23。也就是说，移动机头26的撞击力反复驱动氢进入金属氢化物23松弛的晶体结构中。其结果是在低压下氢被吸收到金属氢化物23中。正如上述注意到的，内部衬垫24由允许氢容易穿过的材料制成，而后氢进入金属氢化物材料23。这种材料也是柔韧的，以适应材料23吸收氢之后的增加的体积。
在这种方式下，大量氢能够以固体形式安全地储存在金属氢化物材料23中。另外，如上述提到的，通常较容易以固体形式储存“干燥”氢。因此，能量单元10提供的干燥氢通常较容易以固体形式储存。其他基于氢的能量源没有提供这些独特的特征，以允许以固体形式安全和稳定的储存氢或在低压下固态储存。
尽管本申请描述了使用螺线管27以提供机头26的移动，也可以使用其他可替代的方案。例如，可以使用压电材料代替螺线管27。当施加电压时，这种材料提供非常高的频率的振动，通常在50-20000Hz范围内。然而，移动的振幅是非常小的。精确的振幅将根据所使用隔膜的尺寸而变化。相比之下，螺线管27提供频率大约60Hz-2500Hz的操作，机头26的位移小于电磁阀的位移。或者，通过小型电机可以提供相对较高的频率振动，比如用于制造如手机振动的项目的小型电机。这些装置通常以比螺线管更高的频率振动，通常大约60-10000Hz，然而，远低于压电材料。振动的振幅也比压电材料大，但比螺线管小。尽管优选螺旋管，但任何振动元件可以用在氢储存部件20中。
在另一个实施例中，螺线管27和机头26可以安装在灵活的杯状盖组件(未示出)上，该盖组件安装在氢间隙25上。该盖组件优选包括通常具有底部和侧壁的较低部，该侧壁由此向上延伸至具有垂直向外延伸的凸缘的顶部。该盖组件的较低部为圆柱形形状。该盖组件为间隙25中的氢、机头26及螺线管27之间提供物理分隔。这提供了额外的安全，这是因为易燃的氢与电操作的螺线管27隔离开来。另外，该盖组件减小了氢间隙25的尺寸，这样，部件20将使用间隙中少量的氢以将氢储存氢在金属氢化物中。由于机头26振动，盖组件较低部的体积压力变化，导致盖组件侧壁振动。这种振动既提供了与材料23的相互共振，又提供了驱动围绕侧壁的间隙25中的氢进入金属氢化物材料的撞击力，这些氢也围绕盖组件的较低部。在一个实施例中，盖组件的较低部充满了大量不可压缩流体，比如水。本实施例能良好的控制由螺线管27振动所提供的体积压力的变化。在氢储存的另一边使用水允许更大的压力，这是由于液压通常更有效。由于空气是可压缩流体，一些位移只不过被空气吸收了。相比之下，在液压系统中，由于水是不可压缩流体，位移是更有效的。
在第三模式下，氢从金属氢化物23的储存中被释放，并被提供到燃料电池部件40以提供电。正如上述注意到的，金属氢化物材料23被储存在外部衬垫22与内部衬垫24之间。该内部衬垫是由相对可渗透氢气的且柔韧的以适应当它吸收氢时增加的体积的材料制成的。该外部衬垫22优选为相当坚硬。然而，该内部衬垫24的材料也是相对有弹性的，这样，当间隙25中氢气的压力降低到低于某个点，因而氢停止进入材料23中之后，它倾向于恢复到它的原始形状。储存过程中腔室中的压力上升到大约80psi。例如，当腔室的出口通过喷嘴29a打开时，这个压力降低且氢从氢化物23中被释放。被衬垫24的柔韧材料所发挥的压力也辅助氢释放。被释放的氢然后经由例如部件20的喷嘴29a被提供到燃料电池部件40。
图6示出了机头26更详细的视图。如图所示，机头26具有圆锥形结构，可以最小化它的与间隙25中的氧接触的表面积。这种圆锥形形状还对成型压力波动有益，指导它到储存容器的顶部和底部。另外，提供垂直肋拱21a来把间隙25分离成间隔以进一步最小化机头26的撞击力。金属氢化物材料23可以类似的被分离成部件条状以为这些间隔定位。
从金属氢化物材料23中释放的氢被提供到燃料电池部件40，燃料电池部件使用它并使用任何一个已知技术以产生电。氢也可以用于其他目的，例如，氢可以用来直接燃烧以提供热量或用于烹饪。在优选实施例中，燃料电池部件40包括结合在一个单元内的若干个单独的燃料电池。正如上述注意到的，这种燃料电池组通常被称为如上述提到的“燃料电池堆”。使用燃料堆有希望达到相当可观的输出电压和/或电流。每个燃料电池优选包括金属板，该金属板可以由硬金属构成，比如铂，该硬金属在电解过程中也可以作为质子交换膜。也就是说，在一个实施例中，电解部件30的元件和燃料电池部件40可以结合或者共享。也就是说，在一个实施例中，电解部件30和燃料电池部件40可以结合成一个单个的部件。例如，结合后的部件将氢和氧结合以提供电(和水)，并且当从电源60提供电时也可操作的将水分离成氢和氧。
在使用燃料电池部件40产生电的过程中，纯水是自然副产物，并且该水保留在能量单元10中用于将来在电解过程中使用。因此，根据优选实施例，能量单元10使用电源60收集太阳光并将太阳光转化为电。电解过程中电用来将水转换为氢。所述氢然后以固体形式被储存，之后用于使用燃料电池部件40发电。
然而，能量单元10不是完全有效率的，这样可能需要间或的添加水或其他材料，比如金属氢化物材料。例如，在发电过程中，一些水可能没有凝结以被用于电解过程产生氢，反而可能是漏出了。因此，应该在单元10中添加水以恢复单元的效率，提高电力生产及延长单元10的寿命。另外，也可能有必要维修或更换其他部件。虽然氢化物材料不被消耗，但它可能由于杂质会凝结成块，因此，可能需要更换。因此，能量单元的内部优选是容易进入的，例如至少通过移走板11是容易进入的。
在一个实施例中，正如上述注意到的，单元10内部设有容器部14。优选地，螺栓12的直径稍微大于容器部14的直径。当两个单元10被压在一起时，螺栓12被容器部14容纳，螺栓12大体上被压入且围绕容器部14。容器部14优选用弹性材料制作，这样容器部14能紧紧压在螺栓12上。因此，摩擦力防止两个氢燃料能量单元100分开。可替代的、或额外的，其他紧固装置比如如图1所示的紧固件15可以用来将单元连接在一起。
优选实施例中，一些螺栓12和容器部14由导电材料形成，并作为能量单元10之间或作为与外部电负载的电接触点。优选实施例中，可以根据需要改变螺栓12和容器部14的极性以允许多个单元串联连接，从而提高总体电压输出。可替代的，多个单元10可以并联连接，从而提高总体电流。螺栓也可以用于在单元10之间传输水或氢。另外，可以设置所谓的虚拟螺栓，该虚拟螺栓不提供单元之间的连通，而仅仅提供单元之间连接的结构上的支撑。
螺栓12优选包括极性改变构件。优选地，螺栓12这样设置以使使用者可以通过在各自的位置上简单按下并旋转螺栓12从而改变极性。例如，顺时针旋转螺栓12选择负极，而逆时针旋转螺栓12选择正极。本文设想了可替代的实施例。例如，螺栓12设置有第一端和第二端，且螺栓12可以是可移除的。在这个可替代实施例中，相应的极性可以通过使用者将相应端(即，第一端或第二端)插入到容器部14中来选择。又在另一个可替代实施例中，可以在螺栓12和/或容器部14上设有开关构件，这样能够使使用者选择相应的极性。
由于本教导能使使用者操作多个串联或并联的氢燃料能量单元100，因此使使用者能够切换极性是本教导的显著的特征。因此，比如在各个电池隔间的电池(例如，AAA电池，AA电池或诸如此类)，单元100能串联或并联操作。
正如上述注意到的，在一个实施例中，螺栓12也可以用于在连接的能量单元10之间运输水。在一个实施例中，螺栓12中的一个被用作通道，以允许水从一个能量单元通过到另一个能量单元。可以用其他两个螺栓12以调整单元分组中的水压。类似地，对于那些具有导电性的杆，一个螺栓12可以被用作能量单元之间的电通道，而其他两个螺栓12可以包括上述讨论的极性调整特征以使单元10串联和并联连接。尽管上述实施例参照共6个杆进行了描述，但也可以使用更多或更少的杆。例如，图1-3示出了八个螺栓12。相应的容器部14优选调整为如上述描述的适于与螺栓12相配合。
在此可以设想，多个能量单元10操作一段时间以产生大量的电。一般而言，产生氢所需的时间(例如，电解过程中)与提供电(以线电压)的时间之比，认为最优为2.5:1到3:1。例如，四个半小时收集太阳光并产生氢通常结果为一个小时将氢转换为电，作为电气供应。当然，本领域技术人员将认识到，各种环境和/或外部因素可能影响该性能比。例如，在很长一段时间阴天中太阳光不可用的条件下，或者在单元100一段时间后变脏的条件下，这个比例可能要高很多，比如为5:1，从而暂时降低了单元100的整体效率。由于已知的太阳能电池板技术和燃料电池技术出现了改进，包括有关的聚合物膜，燃料电池单元100的充电效率和电力生产提高了。
因此，在优选实施例中，能量单元10优选与其他两个类似的单元结成组以一起操作，以提供或多或少的持续的电力供应。在这个实施例中，一个能量单元10将处于通过电解产生氢的第一模式，而第二单元处于储存氢的第二模式，而第三单元处于第三模式并从释放的储存氢激活产生电。这些单元然后将循环经过这些模式。优选地，一起结成组的能量单元10的数目是三的倍数，这样它们能够以类似上述描述的错开方式操作。
在一个实施例中，能量单元10提供有处理能力，优选地，包括一个或多个如本领域已知的电路、开关或处理器，所述处理能力能够控制上述描述的多个单元10的连续操作。在另一个实施例中，或额外的，能量单元10可以包括改变操作模式的简单开关装置。在一个实施例中，开关装置为压力感应开关，该压力感应开关检测到已经收集到预定累积的氢时，将单元10从提供氢切换为储存氢。另一个开关或额外开关允许从氢储存模式转变到电提供模式。在可替代实施例中，开关装置识别出水位已到达预定位置时，从而指示已经产生了一定量的氢，并将单元10从提供氢切换到储存氢然后使用这些氢提供电。因此，单元10优选地在氢提供、氢储存及电产生模式之间交替，并随着一个或多个开关的作用进行操作。如果需要的话，例如，开关装置也可以被处理器驱动。
在实施例中，引起单元10在氢提供模式、氢储存模式或在电提供模式下操作的开关装置模式化为空气压力开关。例如，由于电解过程中产生了氢，压力上升。压力上升引起该开关启动，优选地在达到预定压力之后启动。此后，由于在金属氢化物中储存氢的作用、或通过使用氢以提供电，压力下降。然后开关再次启动并将能量单元10恢复到用于产生氢的模式。在多个单元之间提供水和电的通道连接了这些单元，这样仅利用压力感应来确定模式之间的切换应该何时发生。如果需要的话，这些变化也可以由处理器控制。
据信，以氢为基础的电的电压和电流比例如从光伏过程提供的电压和电流更好控制。通过将氢转换为电，本文教导了排除额外部件的需求，比如整流器和其他设备等本领域所公知的线路调节，这些额外部件可能需要用于纯化输出线电压。换句话说，由于转化的氢电的作用，电压状况被改善了。另外，来自单元10的电输出可能被制约或被转化，优选使用可拆卸的逆变器来制约或转化。
在此可以设想，本文提供的解决方案特别适合氢动力的要求，这具有人道主义、教育意义和商业价值。能量单元10代表便携式和非常耐用的能源，该能量独立发挥作用，并且还能堆放和相互连接以产生更大的能源。本文教导产生的使用电的一个例子包括在几乎没有管理的偏远地区运行良好。进一步地，正如上述注意到的，例如，通过单元10产生的氧可以用来辅助净化水。因此，可以在低技术场所提供相对易于实施的高技术和成熟的解决方案。本申请的能量单元10的优点之一为可携带。大型发电机为了移动可能需要拆开以多个部件运输。这引入了丢失关键部件的可能性。与此相反，能量单元10使用时，单元的任何结合可以捆绑在一起以提供所需的电能。没有哪个单个单元对于整体操作是至关重要的。
在另一个应用例子和实施例中，提供户外音乐会场地，该户外音乐会场地通过多个能量单元10供电。在这个实施例中，系统的部件包括太阳能驱动的电解、氢储存、及包括透明板11的燃料电池，所述系统的部件允许电源成为娱乐和艺术的一部分并尽可能吸引新水平的关注度。能量单元10对场地中的许多(如果不是所有)元素供电，例如包括舞台、灯光、退位(concession)和甚至运输单元，比如高尔夫手推车。本文教导的好处为以干净方式产生电，且由于能量单元10包括清晰板11，还提供了教育效益。通过将能量单元10提前一天或多天带到场点，可以提前使用太阳能以提供能够安全储存的氢，，直到产生了为事件供应电所必需的全部氢。场地可以是静止的或移动的，这取决于它的尺寸和相应的应用。本文设想了其他应用，范围能从单独的指挥台到大型音乐会舞台。
进一步地，PEM燃料电池产生氧和水，这提供了有助于整体美感的气泡。设想了其他令人满意的美感特征，包括使用彩色光线、激光或诸如此类的照明能量单元10。通过这种方式，除环境友好和资源节约特征外，额外提供了各种美感。
单元10的电产生模式是放热的，借此，热量经由膜从板和水上消散，该膜充当通风口。因此，燃料电池单元10使热量通风，该热量能直接通过一个或多个膜。当储氢时单元10产生热量，而产生电时单元冷却下来，大约下降到60F。进一步地，提供燃料电池作为能源和窗口材料。在实施例中，单元10可构造为沿预订方向释放电产生阶段产生的热量。因此，包括一个或多个燃料电池单元10的窗口能够使热流向内流动，从而加热结构，比如房子，并提供其他紧急的和人道主义的解决方案。进一步地，例如，不含电解单元的储存单元可以用于无噪音或无热量发电。
虽然本文的教导关于其中的特定实施方式进行了描述和显示，但对于本领域技术人员来说，许多其他变化和修改及其他用途将变得显而易见。因此，优选地，本发明不通过本文特定的公开被限定。

Claims (18)

1.氢储存部件，其包含：
外部覆盖物；
外部衬垫；
所述外部衬垫内侧的金属氢化物材料，所述金属氢化物材料能够吸收氢气；
内部衬垫，所述内部衬垫设置在所述金属氢化物材料的内表面上；和
间隙，所述间隙设置在所述内部衬垫的内表面上，所述间隙充满氢气。
2.权利要求1的氢储存部件，其中所述外部覆盖物为外部圆柱形覆盖物。
3.权利要求1的氢储存部件，其中所述外部衬垫在所述外部覆盖物内侧。
4.权利要求1的氢储存部件，其中所述金属氢化物材料储存在所述外部衬垫与所述内部衬垫之间。
5.权利要求1的氢储存部件，其中所述内部衬垫为柔韧的。
6.权利要求5的氢储存部件，其中所述内部衬垫允许氢气穿入所述金属氢化物材料中。
7.权利要求6的氢储存部件，其中所述内部衬垫为柔韧的，从而适应所述金属氢化物材料吸收氢时所述金属氢化物材料的增加的体积。
8.权利要求1的氢储存部件，其包含中心轴。
9.权利要求8的氢储存部件，其中所述中心轴贯穿所述间隙。
10.权利要求1的氢储存部件，其包含振动元件。
11.权利要求10的氢储存部件，其中所述振动元件包括选自如下的部件：制动器、螺线管、机头、电机、压电材料以及它们的组合。
12.权利要求10的氢储存部件，其中所述振动元件包含安装在所述氢储存部件中心的机头。
13.权利要求10的氢储存部件，其中所述振动元件以与所述金属氢化物材料的频率共振的频率移动。
14.权利要求1的氢储存部件，其中所述部件在80psi释放氢气。
15.权利要求1的氢储存部件，其包含氢入口点和氢出口点；以及
在各自所述氢入口点和氢出口点处的逆止阀，所述逆止阀防止空气吸入到所述氢储存部件的腔室内。
16.权利要求1的氢储存部件，其中所述氢储存部件与燃料电池连接，并且所述氢储存部件将氢气递送到所述燃料电池中。
17.权利要求1的氢储存部件，其包含：
干燥装置，所述干燥装置与所述氢储存部件连接。
18.权利要求17的氢储存部件，其中所述干燥装置将干燥氢气递送到所述氢储存部件中。
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