专利名称：用于提供模块化电源的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种模块化电源系统，尤其涉及一种具有模块化部件的模块化电源系统，其结构可以使得系统具有灵活性和易于接近，同时能有效地利用一外壳内的空间，该模块化电源系统安装在该外壳内。
背景技术：
目前，在多种用途中采用了一些松散分布的电源系统，包括用于高价值商用设备(例如电讯基础设施)的备用电源、以及例如为商业和民用建筑供电的备用电源和主电源。一种普通的主电源系统可以包括一例如柴油机或汽油机驱动的发电机一样的电源、一燃料储存罐、以及一套用于储存能量的电池。在涉及用于电讯设备的备用电源的应用场合，根据政府法规的要求，要求电池被专门用于维持该设备工作持续一段固定时间。该电池通常带有机架固定件(rack mounted)并安装在具有标准尺寸的外壳中，以方便该系统的安装和维护。在电讯用途中需要安装方便和较低的维护成本，在电讯用途中，系统操作员可以将上百个电池外壳布置在一给定的区域，并且所有这些电池外壳都需要进行定期的维护以确保提供可靠的服务。
针对这些电池存在的例如电池寿命方面的问题，目前已经提出了几种技术来替代电池型电源系统，例如飞轮和燃料电池。不过，由于该电源系统的外壳内的空间限制，就会产生采用非扁平物体例如圆柱形飞轮所伴随的问题。由于电源系统外壳通常由结构可以形成多面外壳的板构成，因此，采用非扁平物体会导致空间使用不充分。因此，通常采用传统的设计外壳，这种传统的外壳对用户(例如具有较大安装设备基座的电讯公司)来说要执行一种新的电源系统技术比较困难并且成本较高。
尽管现有的电源系统对于其预期的目的来说是比较合适的，但是依然存在改进的需要。尤其是，需要一种灵活的电源系统，该系统可以进行翻新改进成一种现有的系统外壳，同时便于接近该系统的各种部件，并且需要一种节省该系统外壳内的空间的电源系统。
发明概述在一实施例中，披露了一种具有独立的可拆卸的电解模块和电源模块的模块化电源系统，每个模块都具有独立成套的连接端口。该电解模块的成套连接端口用于与一水源、一氢储存装置、以及电源模块可操作联通，并且该电源模块的成套连接端口用于与该水源、该氢储存装置、以及该电解模块可操作的联通。
在另一实施例中，用于一模块化电源系统的装置包括一机壳，该机壳具有可接近表面，该表面具有一套连接端口。该机壳的结构形成可以容纳一模块，该模块包括一电解模块、燃料电池模块、一以氢为燃料的发电机模块、或一控制器模块。该成套连接端口与该模块可操作联通。
在另一个实施例中，用于以模块化电源系统的装置包括一与一氢储存模块成一体的水储存模块，以便提供一个水-氢储存模块。该水-氢储存模块包括连接端口以便与该模块化电源系统流体联通。
在另一实施例中，披露了一种维护模块化电源系统的方法。第一模块的成套连接端口与该模块化电源系统之间的连接被断开并将该第一模块拆卸下来。该第一模块被相同类型的第二模块替代并且将该第二模块的连接端口连接到该模块化电源系统上。
在另一实施例中，披露了一种改良一模块化电源系统的方法。将第一模块的连接端口从该模块化电源系统上断开并通过将第一和第二模块的成套连接端口连接到该模块化电源系统上而增加第二模块。
附图简要说明现在参见附图，其中在多幅附图中相同的元件采用相同的数字标记。
图1是根据本发明的一实施例的模块化系统的示意图；图2是用于图1中的阳极输入电解电池的示意图；图3是表示用于图1中的燃料电池系统的示意图；图4是表示用于图1中的一示例性机壳中的示例性模块的透视图；图5所示的是布置在一示例性外壳中的图1中所示的系统；
图6所示的是图5中的外壳的替代性外壳结构；图7所示的是图5中的外壳的另一中替代性外壳结构；图8所示的是与图4中的模块相似的总体示例性模块；图9所示的是用于图1所示系统中的一体化的水和氢储存模块的透视图；图10所示的是用于图1中所示系统中的示例性管道网络的示意图；图11所示的是图10所示的管道网络的一种替代性管道网络的示意图；图12和13所示的是图4中的模块的一种替代模块的透视图；图14和15所示的是图4中所示的模块的一种替代模块的示意图，该模块具有一插入特征；图16所示的是用于连接图14和图15中所示的替代模块的结构；图17所示的是用于图1中所示系统中的一种示例性可膨胀的水储存模块；图18所示的是图17中的可膨胀的水储存模块的横剖图；以及图19所示的是用于图1所示的系统中的具有可移动驱动器示例性氢和水储存模块的剖视图。
具体实施例方式
本发明的的实施例提供了一种用于在一种灵活电源系统中提供模块化电源的方法和装置，该灵活的电源系统由各种工作模块构成。
图1是一种可再生的电化电池模块化电源系统(MPS)100的示例性实施例，该系统具有一电解模块(ELM)200、一电源模块(PWM)300、一水储存模块(WSM)400、一氢储存模块(HSM)500、以及一控制器模块(CTM)600。该控制器模块600通过通讯总线110和本地控制器(LLC)210、310、410、510与每个电源系统模块200、300、400、500可操作联通。电源系统模块200、300、400、500通过管道网络120彼此流体联通，这将在后面进行详细地阐述。管道网络中的流体联通可以使得氢气沿着任何方向流动，由此更为有效地利用该模块化电源系统的外壳130的边界内的空间。在一个实施例中，电源模块300包括采用氢气产生电能的技术，例如一种燃料电池或一种发电机(例如采用一种内燃机、水力，风力、太阳能等等驱动)。如上所述，如果电源模块300构造象一种燃料电池，那么其也可以被称为燃料电池模块(FCM)300。
现在参见图2-3来阐述用于电解模块(ELM)200和电源模块PWM300的实施例中的电化学能转换电池。尽管下面所披露的实施例是针对一种电化学电源系统来进行的，并且该电源系统包括一部分采用氢气、氧气、以及水的交换膜电化电池，但是也可以采用其它类型的电化电池和/或电解质，包括但不限于，磷酸等。还可以采用各种反应剂，包括但不限于，氢、溴、氧、空气、氯、以及碘。当采用不同的反应剂和/或不同的电解质时，对于特定类型的电化电池来说，该流量以及反应变化相应地按照普通方式来理解。电化电池可以形成电化电池或燃料电池，这将在下面进行阐述。
现在参见图2，其中以剖视图的方式表示出了构成一种阳极输入电解电池702的电化电池，该阳极输入电解电池可以形成于包含有一个或多个的一摞中以便形成电解器700，并用于电解模块ELM200的以实施例中，该剖视图中具有一布置在一氧电极(阳极)710和一氢电极(阴极)715之间的一质子交换膜(PEM)705。通过电解分解工业用水720生产氢气725、氧气730，电解电池702起到了一个氢发电器的功能。工业用水720在阳极710处被输送到电解电池702中形成氧气730、电子、以及氢离子(质子)735。通过电源740的与阳极710相连的正极端子以及该电源740的与阴极715相连的负极端子进行该化学反应。该电源740可以在该电解模块ELM200的内面或外面，并且可以包括一电池或通向实用电源的连接件。氧气730以及第一部分水745从电解电池702中排出，同时，质子735以及第二部分水750经过PEM705向阴极715移动。在阴极715处，氢气725通常通过一气体输送管线(如图1所示)被清除掉。被清除的氢气725可以用于各种不同的用途。第二部分水750也可以从阴极715处除掉。
ELM200可以包括一些布置成一摞的单个电解电池702，其中工业用水720经过形成于该摞结构中的输入输出管道被引导穿过这些电池。在该摞电池中的电解电池702依次排列，其中每个电池702都具有一薄膜电极组件(MEA)，该电极组件由一布置在一阴极715和阳极710之间的质子交换薄膜705构成。该阴极715、阳极710、或两者可以是气体扩散电极，该气体扩散电极有利于气体扩散到该质子交换薄膜705上。每个薄膜电极组件与该薄膜电极组件附近的流场流体联通，并且由一些结构便于流体运动的构件，而在每个单个电解电池702内有薄膜水合作用。
从该电解电池702的阴极侧715排出的水750夹带有氢气，并可以被输送给一相分离器215(参见图1)，以便将氢气725从水750中分离出来，由此增加氢气的生产率和总体上增加电解电池702的整体效率。被清除掉的氢气725可以被输送给一干燥器220，以便除掉痕量水(trace water)，或者输送给HSM500，该HSM500可以是一个圆筒、一储罐、或类似密闭壳，或者直接输送给一种应用场合作用燃料，例如输送给FCM300(参见图1)。
水电解电池的另一种类型(未示出)采用和图2中所示结构相同结构，是一种阴极输入电池。在该阴极输入电池中，工业用水被输送到该氢电极侧。一部分水从该阴极经过该薄膜迁移到阳极。跨接在阳极和阴极之间的电源有利于产生氢离子和氧气的化学反应。过量的工业用水在阴极侧并不穿过该薄膜而从该电解电池中排出。
一种普通的燃料电池系统(图1所示)也利用和图2中的电化电池相同的普通MEA结构，图2中所示的是一种电解电池。在燃料电池系统800的构造中，氢气725被引入氢电极715中(燃料电池系统800中的阳极)。同时氧730、或含氧的气体(例如空气)被引入氧电极710(燃料电池系统800中的阴极)。用于燃料电池工作的氢气可来源于一纯氢气源、碳氢化合物、甲醇、象参考图2在上面所描述的电解电池702、或任何其它适于为燃料电池的工作提供一定纯度的氢气的气源。该氢气725在该阳极715处进行电化学反应，以便产生质子735和电子，该电子从阳极流出经过一电连接外负载，而质子735经过该质子交换薄膜705迁移到阴极710。在该阴极710处，该质子和电子于氧730反应形成成品水720。
在燃料电池系统800中，图2中MEA可以构成燃料电池802，正如图3所示的那样，该燃料电池包含在一堆叠构件中。通常，燃料电池系统800包括布置成一摞的一个或多个单个燃料电池802，其中该工作流体经形成于该堆叠构件中的输入和输出管道而引导通过这些电池。燃料电池802包括一个由一质子交换薄膜(PEM)805构成的MEA，并且具有第一电极(阳极)810以及第二电极(阴极)815，该第一和第二电极布置在PEM805的相对两侧。靠近阳极810和阴极815的侧边的区域以及于于其侧边搭界的区域分别形成流场820、825。
在该MEA的阳极侧，流场支承部件830可以布置在阳极810的附近以有利于PEM805的水合作用和/或向着PEM85的流体运动。流场支承部件830通过以框架835和以电池分离器板840而保持在流场820内。衬垫845优选布置在框架835和电池分离器板840之间以便有效地密封流场820。
在该MEA的阴极侧，流场支承部件850可以布置在阴极810的附近以便进一步有利于PEM805的水合作用和/或向着PEM85的流体运动。该阴极侧具有类似结构，包括框架855、电池分离器板860、以及衬垫865。一压垫870可以布置在该流场支承部件850和电池分离器板860之间，并且可以布置在任何一个流场820、825中或者布置在两个流场820以及825中，而不是布置在两个流场支承部件830、850中的其中一个或两个中。可选择的是，一个或多个压板875可以布置在压垫870的附近以便分散施加在该压垫870上的压力并增加在该电池环境内的压力。流场支承部件850以及压垫870(以及可选择的压板)通过框架855以及电池分离器板860固定在流场825内。如上所述，衬垫865可选择布置在框架855和电池分离器板860之间，以便有效地密封流场825。该燃料电池802的一些部件，尤其是框架835、855、电池分离器板840、860、以及衬垫845、865采用适当的岐管或其它管道形成以便有利于实现经过燃料电池802的流体联通。
燃料电池802既可以作为一种如图所示的“原位外(ex-situ)”系统进行工作，也可以作为一种“原位内(in-situ)”系统进行工作。在一原位外系统中，压垫870通过一布置在流场825和压垫870中间的压垫分离器板880而与该燃料电池802的化学品隔离开。压垫分离器板880能有效地防止压垫870和MEA之间的流体联通。在一原位内系统中，压垫870优选采用能够与电池环境相容的材料制成，并且燃料电池802可以在没有压垫分离器板880的情况下进行工作，使得压垫870保持例如与流场825的氢环境进行流体联通。
现在参见图4，各种模块200、300、400、500、以及600(图1中所示)，并且尤其是ELM200以及PWM300，可以分别布置在一机壳900内，该机壳具有一倾斜或带有凹槽的表面905，一些接口端口(成套连接端口、或者连接端口套)910分布在该表面上，该接口端口有利于模块的流体连接和电连接(电力连接和通讯连接)，并且使得操作者能够通过控制信号控制和监测该模块。在其各自机壳900内的每个模块随后可以被布置在一外壳、机架或支承件950中，正如下面所要参照的图5所示。在图5中，一外壳结构提供了一防风雨的MPS 100，并且一机架或支承结构位一紧凑MPS100提供了支承，该MPS具有一个可以从至少一个方向易于接近的通道，例如前部或顶部，以便进行维护和监测。为了有效利用MPS100的外壳950内的空间，其结构可以制成容纳非规则形状的普通氢储存容器的水储存模块400可以与氢储存模块500形成一体。这种一体化结构图示于图9中并将在下面进行阐述。而且，水储存模块400可以制造成可以调节、可伸缩或可膨胀，由此使得WSM400能够对水的体积作出响应，就象在导致水结冰或融化的温度变化过程中、或者在将水从FCM300充注到该水储存模块400的过程中、或者在将水从水储存模块400排泄到ELM200的过程中所发生的那样。这种可调节、可伸缩或可膨胀的WSM400图示于图17-19中并在下面进行阐述。
参见图5，所示的是MPS100的一个实施例，该实施例具有位于一机壳900内的ELM200、位于机壳900内的FCM300、以及位于机壳900内的控制器600，每个机壳900都具有一倾斜表面905，该表面提供了在钩挂期间所需的前部口和顶部口。在一示例性实施例中，倾斜表面905具有一边缘906，该边缘相对于外壳905所固定的地面水平定向，不过，该边缘906可以定向成不同于水平方向，这将在下面参照图7进行描述。如图所示，WSM400以及HSM500以下面参照图9所述的方式一体化布置在MPS100中，不过，可选择的是，WSM400以及HSM500可以设置在以机壳900中并如在此所述的方式安装。每个机壳900可以布置在滑动抽屉955上，该滑动抽屉可以布置在一些辊子、轨道等部件960上，以便有利于其拆卸和插入。尽管优选的是提供的MPS100是一系列所包含的模块，但是，必要的是，根据模块化部件的尺寸和比例将一些模块布置在外壳950的外部。在另一种结构中，MPS100使得操作者能够灵活地根据需要简单地增加“插入”模块，以便增加系统的容量。例如，系统容量的增加可以通过如下凡是实现，即通过串联地增加PWMS300从而获得更高的电压输出量、或者通过并联增加PWMS300从而获得更高的电流输出量、或者采用前述两种情况，这样就增加了功率输出。
模块化机壳900可以独立拆卸、维修、升级等并能够独立地插回到该系统中。MPS100的基本工作包括将水从WSM400输送到ELM200中，其中该水被电解形成氢气和氧气。该氢气从ELM200被分配到HSM500中，氢气从HSM500被周期性地收回并分配到FCM300。一旦被FCM300接收，氢气就于氧气反应产生电子和水。通过引导电子经过一相连的负载(未示出)而通过MPS100分发功率。过量的水返回到WSM400。MPS100的工作和控制以及功率分发通过控制器600已经编程控制软件进行管理。
图5所示的是一个示例性MPS100，其可以用来位电讯应用领域提供备用电源并且其尺寸大约为1.2米高、0.74米宽以及0.81米深。在这种结构中，ELM200、PWM300、以及控制器600布置在滑动抽屉955上的外壳950内，该滑动抽屉为模块200、300、600提供了支承和进入通道。外壳950内的第二隔间为HSM500提供了空间(例如两个储存圆筒)。一分隔器壁965将模块200、300、600与500分开，从而使得HSM500与控制器的电子部件隔离开。为了装配到外壳950中，模块200、300、600每个的外部尺寸都为0.35米高、0.30米宽以及0.67米深。由于这种示例性系统将用于提供仅仅1千瓦时(KW-hr)的功率，储存在相分离器215中的水足以在ELM200处产生必要的水合反应，由此不需要分离WSM400。在ELM200或FCM300工作过程中对水的损失进行补充可以通过经过一条从外部水源(未示出)通向位于ELM200的机壳900的倾斜表面905上的端口910的管线来补充水的供给来实现。
MPS100的模块200、30、600的机壳900上的倾斜表面905提供了从两个方向进入连接端口910的的可能性，并且根据连接端口910和外壳950的内表面之间的间隙，可以在一个模块和下一个模块的倾斜表面905之间形成连接。使得各种模块可从前面相互连接的能力改进了模块在其已经被装在机架中之后的可连接性。从侧面、顶部或底部消除这些模块的相互连接可以减少维护停机时间和系统停机时间。
在外壳950中的MPS100的可选择实施例图示于图6和7中。图6所示的是一示例性外壳950，该外壳具有底部隔间970以及顶部隔间975。底部隔间970为模块200、300、400、500、以及600提供了一搁架，而WSM400和HSM500成一体地布置，如下面将参考图9所要阐述的那样。顶部隔间975为辅助电源、输入/输出端口、以及客户操作装置(未示出)提供了空间。
图7所示的是一可选择的外壳950，其具有第一底部隔间980以及第二隔间985，用于容纳模块200、300、400、以及500，其中模块200和300的实施例可以在机壳900内，以及用于容纳控制器600的顶部隔间975。在此，机壳900的倾斜表面905的边缘906定向成垂直于外壳950所固定的地面，由此(随着抽屉被抽出)提供进入每个模块上的接口端口910的前部和顶部进入通道。在一辅助模块650处的顶部隔间975和底部隔间也可以提供用于辅助电源、输入/输出端口、以及客户操作装置(未示出)的空间。在垂直边缘906的一侧的倾斜表面905构成了第二表面907，该表面本身既可以是倾斜的也可以不是倾斜的。该倾斜表面905和第二表面907相连的角度可以为任何能够使得这些连接制造成为具有接口端口910的角度。尽管图中所示的仅仅为两个表面，即倾斜表面905以及第二表面907，但是，可以理解的是，可以使得任何数量的表面及其组合相对于相邻布置的表面成一定角度。
现在参见图8，其所示的是示例性模块1000，具有一机壳900和内部部件，总体采用1100表示。模块1000可以为ELM200、PWM300、WSM400、HSM500、或者其组合，例如先面参照图9所阐述的一体化的水和氢储存模块。如图1和5-7所示，模块的组合可以构造成用于电化学电源系统，以便提供一MPS100，其中每个模块1000彼此可操作联通，如图1所示和如上所述。在一示例性实施例中，模块1000的起到一ELM200的作用，而方框1110表示一水箱，该水箱带有一相分离器215，方框1120表示一电解器700，方框1130表示一电源740，方框1140表示一压力调节器225，方框1150表示一过滤器或干燥器220，而网格1160表示用于通风风扇230的通风孔。基本上在图1中所示的ELM200的其它部件也可以包括在模块1000的机壳900中，但是在图8中被遮挡住看不见。在一示例性实施例中，模块1000起到了一个FCM300的作用，方框1110表示一桥供电单元(bridge power unit)315，方框1120表示一燃料电池系统800，方框1130表示一电源320，方框1140表示一相分离器325，方框1150表示一本地控制器310，而网格1160表示一用于通风风扇330的通风孔。图1中所示的FCM300的其它部件也可以包括在模块1000的机壳900内，但是在图8中被遮挡住看不见。其它模块，例如WSM400以及HSM500可以容纳在模块1000的机壳900内，其中各种内部部件1100表示于模块的特殊功能相关的系统部件。通常，机壳900是一个由一些板构成的壳体，这些板被布置形成一多面体构件。这些板所限定的表面包括顶部915、底部920、左侧面925、右侧面(其被拆除以便显示出内部部件)、后部(未示出)、倾斜表面905、以及第二表面907。倾斜表面905以及第二表面907由边缘906勾画出来，其中，倾斜表面905或第二表面907，或者两者都于顶部915或底部920成一定的角度。在一实施例中，每个表面的一部分都相对于其相邻布置的表面垂直。在一实施例中，接口端口(在图8中未示出，但是在图4中表示为910)布置在倾斜表面905上以便有利于模块1000于其它模块之间的相互作用以及模块1000的操作控制。该接口端口910可以包括，但不限于，一通风风扇230、330(见图1)以及930(见图4)、流体连接端口140(见图1)以及935(见图4)、电连接件145(见图1)以及940(见图4)、以及通讯配线端口，这些配线端口总体采用通讯总线110(见图1)以及945(见图4)表示。
在一实施例中，倾斜表面905和第二表面907采用单一板材构成，该板材具有边缘906；或者可以采用分离的板材形成，这些板材紧固在一起称为机壳900的结构性框架。倾斜表面90可以以一个角度θ朝着远离第二表面907的方向倾斜，由此构成一水平边缘906，如图4、5、6以及8所示，或者由此构成一垂直边缘906，如图7所示。角度θ可以为任何能够使得连接形成由接口端口910的角度，以便在接口端口910和外壳950的内表面之间形成足够的间隙，机壳900安装在该外壳950内。该模块100的具体尺寸取决于该外壳950的尺寸以及模块1000应产生的功率大小，模块1000将用于该外壳950内，如上所述。
参见图9，其所示的是一个示例性水和氢储存模块(WHSM)1200，其作为一个一体化布置的WSM400以及HSM500，其可以用于MPS100内。WSM400起到了用于ELM200的水源的作用，而具有如图所示的六个氢储存容器1210(为了清楚起见，仅仅用于虚线格式表示出了一个容器1210，其位于下面所述的水箱1220内)的HSM500接收由ELM200所产生的氢，并随后将氢分配到FCM300中。
在一实施例中，WSM400包括一水箱1220，该水箱具有一形成于其中的袋部件1230以及一固定连接部件1240，该连接部件布置在该袋部件1230的袋口处。袋部件1230的结构和尺寸为可以接收、固定氢储存容器1210(或一些氢储存容器1210)并以及基本与该氢储存容器1210(或一些氢储存容器1210)的形状和尺寸相对应。在一实施例中，氢储存容器1210为圆柱形并且包括在一端的连接端口1250，以便与ELM2200和FCM300都流体联通。由于水呈现处其所在容器的形状，WSM400的实施例构成具有内表面，该内表面形成袋部件1230，由此容纳氢储存容器1210，使得内表面1230与该氢储存容器1210的外表面相符。
布置在袋部件1230的开阔处的固定部件1240将氢储存容器1210固定在袋部件1230内，并且在没有操作者介入的情况下，可以防止氢储存容器1210从袋部件1230中意外地脱落出来。在一实施例中，固定部件1240包括一套装在该袋部件1230的袋口上并且具有一些切口部分或其它开口的部件(例如一板)，这些切口部分或开口有利于连接端口1250和ELM200及FCM300的的连接。在另一个示例性实施例中，固定部件1240可以包括安装在该袋部件1230的袋口处的夹子(未示出)，这些夹子与氢储存容器1210啮合并防止该容器在没有操作者介入的情况下脱落。
通过利用外壳950内的由于氢储存容器1210为圆柱形结构时可能不被利用的空间，WHSM1200使得MPS100的外壳950内的有限工件得以有效的利用。由于液体(例如水)呈现其所在容器的形状，所构成容器的在一个表面与非规则形状的物体相对应而而在相对表面形成与一规则形状物体或另一个不规则形状物体相对应，因此有效地利用曾经未被实用的空间。在WHSM1200的一示例性实施例中，如图9所示，将氢储存容器1210固定在水箱1220的袋部件1230内还为氢储存容器1210提供了震动吸收能力，由此可以在MPS100收到冲击时保护氢。
参见图10，图1中所示的一部分用于MPS199的管道网络120在ELM200、WHSM1200、以及FCM300之间形成流体联通。管道网络120使得WHSM1200能够被充注到较高的压力，并且通过相同的管线排泄到一相当低的压力。在一实施例中，WHSM1200包括氢储存容器1210，该容器如上所述被集成在水储存箱1220中。或者，WHSM1200可以为一独立的圆筒，如图10所示。在WHSM1200处的氢气的可以增加的压力通常高达20000磅/平方英寸(psi)，在有些应用用途中优选大约为100psi到大约400psi，而在其它应用场合优选大约为2000psi到大约10000psi。此外，容器1210可以含有吸收和释放氢的金属氢化物。
管道网络120的各种管线可以布置成这样，即来自于ELM200的充注管线150和通向FCM300的排出管线152彼此在节点154处流体联通。充注管线150包括一单向阀156，该单向阀可防止氢气回流到ELM200。排出管线152包括一控制阀158，该控制阀除了在排出操作期间关闭外总是关闭的。在一实施例中并且在充注操作过程中，通过控制阀158来防止ELM200和FCM300之间的流体联通，该控制阀使其入口侧暴露在充注压力(例如大约为2000psi)下。
通过管道岐管160可以在节点154和HSM500之间维持流体联通。管道岐管160包括一入口管线162和一出口管线164。入口管线162和出口管线164可以布置在成彼此平行的结构，如图10所示。用于使得氢在充注操作期间在节点154和HSM500之间流动(以及由此使得ELM200和HSM500之间流体联通)的入口管线162包括一单向阀166，以便能防止氢气回流到节点154处。用于使得氢在排出操作期间在HSM500和节点154之间流动(并因此使得HSM500和FCM300之间流体联通)的出口管线164包括一压力调节阀168，用于控制(例如逐步降低)氢气向FCM300的流动。
用于在入口管线162和出口管线164之间以及在充注管线150和排出管线152之间提供流体联通的节点154使得氢气沿着任何方向都保持流动。根据其中包含由管道网络120的电源系统的物理尺寸，ELM200、FCM300以及HSM500之间的距离比较大。因此节点154可以包括一较长的管道或一细长的岐管，以便在HSM500、FCM300和ELM200之间进行流体联通。
在图10所示的实施例中，管道网络120在MPS100的各种模块之间形成流体联通，通过共享管线将HSM500充注到较高的压力并将HSM500的排出调节在较低的压力，由此消除维持两个独立管线(其中一个用于为HSM500充注而另一个用于对HSM500进行排放)的需要。采用既可以用于充注操作也可以用于排出操作的一条管线能够减少在系统维修期间的停机时间。而且，由于在共享管线系统中采用了更少的管线，因此显著地阶段了空间和成本。
或者，参见图11，通过在WHSM1200和FCM300之间延伸的第一管线121以及在WHSM120和ELM200之间延伸的第二管线122可以在保持WHSM1200、FCM300和ELM200之间流体联通。第三管线123可以将WHSM1200于第一和第二管线121、122连接起来，或者第一和第二管线121、122可以分别连接到WHSM1200上。在一实施例中，第一管线121输送抵押氢气，同时第二和第三(如果有的话)管线122、123运送高压氢气。
现在参见图12-16，其所示的是模块化机壳900的示例性选择实施例，分别标记为1300、1400、以及1500。机壳1300、1400、以及1500(统称为可选机壳)可以为ELM200、FCM300、控制器模块600等。
在图12中，可选模块化机壳1300包括一个与相对布置的背板1310成平行平面关系布置的表面1305。该表面1305包括一带凹部的区域1315，流体连接端口935、电连接器940、以及通讯配线端口945布置在该凹部区域处。凹部区域1315所凹入的量足以使得端口935、945以及连接器940之间形成连接而不会影响到外壳950中的相邻表面。凹部区域1315的尺寸和结构还进一步被制成有助于通过布置在附近的机壳的连接器(通常表示为图6中的布置在附近的机壳900)的合适的相应端口和/或连接器而在连接端口935之间、电连接器940之间、和/或通讯配线端口945之间接收和扩展通讯装置(连接硬件，包括例如电线、线束、管路、管道等)(未示出)。通风风扇930可以布置在表面1305上，如图所示，或者其可以布置在凹部区域1315内。
在图13中，可选模块机壳1400包括一具有水平定向凹部区域(槽)1415和垂直定向凹部区域(槽)1420的表面1405，这些凹部区域有助于将流体连接端口935、电连接器940、以及通讯配线端口945与一布置在机壳1400之上或其侧面的相邻布置机壳(通常表示成图5和6中的相邻布置的机壳900)的相应的端口和/或连接器连接起来。凹部区域1425、1420的尺寸可以在没有干涉的情况下使端口935、945和连接器940形成连接。对于图12中所示的机壳130，通风风扇930可以布置在表面1405上，如图所示，或者其可以布置在水平定向的凹部区域1425或垂直定向的凹部区域1420。
在图14-16中，可选模块化机壳1500包括一平行于背面1510布置的表面1505，或者其包括一如上参照图4所述倾斜表面905。顶面1515包括一插件承接端口1520(一系列象插座似的孔)，并且底面1525包括一些管脚1530。这些管脚1530和插件承接端口1520分别为第一和第二连接器的例子(并不限于第一和第二连接器)，其可以用来将一模块连接到另一模块上。如图16所示，第一模块化机壳1501的管脚1530可以插入一相邻布置的第二模块化机壳1502的插件承接端口1520，从而在这些模块化机壳(通常表示为图5中相邻布置的机壳900)之间保持电和/或流体联通。根据需要或者在改变MPS100的输出要求时可以采用附加的模块化机壳1500。例如，原始功率输出要求为1千瓦时的MPS100可以通过将具有机壳1500的第二ELM200插入具有机壳1500的第一ELM200中以及通过将具有机壳1500的第二FCM300插入具有机壳1500的第一FCM300而升级到2千瓦时。插件承接端口1520以及管脚1530在不使用时被密封住。流体连接端口935、电连接器940、通讯配线端口945、和/或通风风扇930可以布置在每个模块化机壳1500的表面1505处。
参见图17和18，MPS100的WSM400的可选实施例表示为一可膨胀的水储存模块(EWSM)1600。根据施加在MPS100上的空间限制，EWSM1600可以构成随着水的体积的变化而改变其体积的结构，由此更有效地利用外壳950内的空间。尤其是，EWSM1600可以构造成可以随着水的输入而膨胀的结构。而且，在环境条件变化从而导致输入ELM200或来自于FCM300的水冻结或融化的情况下，EWSM1600可以补偿冻结水的膨胀和融化水的收缩，由此灵活地利用外壳950内的空间。而且，EWSM1600可以包括集成在其中的氢储存模块(未示出)。
EWSM1600可以为多面体形状，以有助于其装配在MPS100的外壳950内，并且可以包括其一侧1606敞开的第一容器1605、其一侧1611敞开的第二容器1610、以及一可折叠收缩的容器1615，该第二容器布置在第一容器1605处使得每个容器1605、1610的敞开侧面彼此接合形成内部空间1612，该可折叠收缩的容器1615布置在该内部空间1612内并布置在每个容器1605、1610的相互接合的敞开侧面之间。在一实施例中，第二容器1610可容纳在第一容器1605的开口内并且可以从第一容器1605上延伸。容器1605、1610可以彼此弹性偏压，使得第二容器1610固定在第一容器1605内。弹簧(其它适当的偏压装置1620)可以布置在其中一个敞开侧面或两个敞开侧面上，以及布置在第二容器1610的与该敞开侧面相对的侧面上，由此将第二容器1610弹性装载在第一容器1605中。一弹性锚固件1630可以布置在第二容器1610的敞开侧面的近处，用于承接弹簧1620并有利于弹性偏压力作用在容器1605、1610上。可以通过将滚柱轴承1625布置在每个容器1605、1610的接合表面之间来实现第二容器1610滑进和滑出第一容器1605，第二容器1610滑进和滑出第一容器1605使得EWSM1600的尺寸膨胀成与外壳950的可以容纳该膨胀的区域相对应。
在一实施例中，可折叠伸缩容器1615的位置和尺寸设置成将水排出到ELM200以及接收来自于FCM300的水。折叠伸缩容器1615采用一种形状可以构成一种容器的柔性材料制成，该容器在几乎完全充满水的时候与EWSM1600在容器1605、1610基本上完全膨胀时所构成的内部几何形状接近。构成可折叠伸缩容器1600的材料为任何能够在压力作用下弯曲的材料，MPS100产生的水被该可折叠伸缩的容器1600接收。
EWSM1600的工作随着水溶容积的变化而受到可折叠伸缩容器1615的膨胀或收缩的影响。当在FCM300产生水时，该水从FCM300中排出时的压力使得可折叠伸缩容器1615伸缩和膨胀以便容纳该水。当可折叠伸缩容器1615膨胀时，第二容器1610被偏压而第一容器1605。同样，当水从可折叠伸缩容器1615从被排出而输送到ELM200中时，就会在可折叠伸缩容器1615中形成负压，使得可折叠伸缩容器1615收缩。当可折叠伸缩容器1615收缩时，弹簧1620就会将第二容器1610偏压回第一容器1605的开口中。
或者，参照图19，一可选EWSM1650可以形成容纳氢气和水的结构。在一实施例中，EWSM1650包括通过一可移动的分隔件1665分隔开的一氢储存区域1655以及一水储存区域1660，该分隔件可以沿着布置在EWSM1650的内壁上的轨道1670在EWSM1650的两相对末端之间平移。滚柱1675使得可移动分隔件1665沿着EWSM1650的长度向着箭头1680所示的方向运动。可移动分隔件1665由于氢气和水通过端口1685进行充注和排出而随着施加在其上的压力的变化而运动。氢气和水储存区域1655、1660可以利用可折叠伸缩容器(未示出，但是上面已经参照图17和18进行了阐述)或其它能够在压力变化影响下进行膨胀和收缩的适于销售的装置。
在MPS100的具有一可膨胀的水储存模块的实施例中，象EWSM1600的例如环境条件的变化以及尤其是由于其水的冰冻而膨胀时可以得到补偿的。即使在没有冰冻的条件下，可折叠伸缩容器1615的特性也可以使得可折叠伸缩容器1615被填充成没有或者只有最少的空气被滞留在液相之上。而且，当可折叠伸缩容器1615基本上为空的时，其可以很容易进行交换以用于一个充满的容器。
参见图1、4、5以及8，总的来说，可以去掉和更换一模块1000来维护MPS100，去掉和更换一模块1000这样进行，即，断开将要从MPS100上被去掉的模块(第一模块1000)的连接端口套910，去掉第一模块100、更换第一模块100采用一相同类型的替代模块(第二模块)1000、并将第二模块1000的连接端口套910连接到MPS100上。模块1000可以为了通常维护或者为了涉及模块1000的性能方面的原因进行拆除和更换。第一和第二模块100可以为一电解模块200、电源模块300(氢燃料电池模块或氢燃料发电器模块)、水储存模块400、氢储存模块500、水-氢储存模块1200、或控制器模块。
或者，通过将第一模块1000的连接端口套910从MPS100上断开、将第二模块1000添加到MPS100上、以及将第一和第二模块1000的连接端口套910连接到MPS1000上，可以对MPS100进行升级以便增加MPS100的输出量。第一和第二模块1000可以是上述任何类型的模块。
本发明的许多实施例可以包括许多下述优点系统升级能力、模块翻新组合能力、易于接近模块连接端口、紧凑的水-氢储存结构、氢储存结构具有一吸收震动的结构、水储存模块对水温变化的适应性、用于高压和抵押氢气的联通的紧凑管道网络、以及能够在高压下进行充注和在控制压力下进行排出的氢储存管道网络。
尽管本发明已经参照示例性实施例进行了描述，但是应该理解的是，本领域的技术人员可以在不脱离本发明的范围的情况下对其一些元件进行替换。此外，还可以进行多种改变以便在不脱离其基本范围的的情况下以适应本发明所教导的方案的特定状态或条件。因此，可以理解，本发明并不限于打算用于实施本发明的最佳或仅有的方式所披露的的特定实施例，而是本发明将包括落入附后权利要求的范围内的所有实施例。而且，所使用的术语，第一、第二等并不表示次序或重要性，而是仅仅用来区别元件之间的不同。而且，使用的英文冠词并不表示数量限制，而是表示有至少一个所述的项目。
权利要求
1.一种模块化电源系统，包括一电解模块，该电解模块具有第一连接端口套，该第一连接端口套包括一用于将控制信号与该电解模块联通起来的通讯端口；以及一电源模块，该电源模块具有第二连接端口套；其中，该第一连接端口套适于与一个水源、一氢储存装置、以及该电源模块中的至少一个可操作联通；该第二连接端口套适于与该水源、该氢储存装置、以及电解模块中的至少一个可操作联通；以及该电解模块和电源模块中的至少一个可独立从该模块化电源系统上拆卸下来。
2.如权利要求1所述的系统，其还包括水储存模块氢储存模块中的至少一个；其中，该第一连接端口套适于与该水储存模块、该氢储存模块、以及该电源模块中的至少一个可操作联通；该第二连接端口套适于与该水储存模块、该氢储存模块、以及该电解模块中的至少一个可操作联通；以及该水储存模块以及该氢储存模块中的至少一个可独立地从该模块化电源系统中拆卸下来。
3.如权利要求1所述的系统，其中，该电源模块包括一氢燃料电池和一氢燃料发电器中的至少一个。
4.如权利要求2所述的系统，其中，该水储存模块的形状与该氢储存模块的形状相吻合，以便提供一种一体化的水-氢储存模块。
5.如权利要求1所述的系统，其中，该电解模块以及电源模块分别布置在一机壳内，该第一和第二连接端口套布置在各自的机壳上。
6.如权利要求5所述的系统，其中，该第一和第二连接端口套每个都包括一水连接端口、氢连接端口、电源连接端口、以及通讯连接端口中的至少一个。
7.权利要求5所述的系统，其中，该机壳还包括第一和第二连接器，使得一第一机壳的该第一连接器可容纳在一第二机壳的第二连接器中；由此通过该第一和第二连接器可使得一第一电解模块和一第二电源模块中的至少一个与一第二电解模块和一第二电源模块中的至少一个可拆卸地相连，从而增加该模块化电源系统的输出量。
8.如权利要求1所述的系统，其还包括一控制模块，该控制模块具有一通讯总线，其适于与第一和第二连接端口套中的至少一个相连以便与该电解模块和该电源模块中的至少一个实现可操作的联通；该控制器可以独立地从该模块电源系统上拆卸下来。
9.如权利要求2所述的系统，其还包括一布置在该氢储存模块和电解模块以及电源模块的每一个之间的管道网络，该管道网络的结构可以将氢气从电解模块联通到该氢储存模块以及将氢气从该氢储存模块联通到该电源模块。
10.如权利要求9所述的系统，其中，该管道网络还包括至少一个用于该电解模块和该电源模块的公共管道部分；以及至少一个与该公共管道部分流体联通并适于控制该公共管道部分中的氢气流动的阀。
11.如权利要求1所述的系统，其还包括至少一外壳、一支承件和一机架，该机架适于接纳该电解模块和该电源模块中的至少一个，使得第一和第二连接端口套可以从一侧得以接近。
12.如权利要求2所述的系统，其中，该水储存模块还包括一可膨胀的水储存模块
13.如权利要求12所述的系统，其中，该可膨胀水储存模块包括具有一第一敞开末端的一个第一部分；具有一第二敞开端的一第二部分，该第二敞开端承接在该第二敞开端出，使得该第一和第二部分构成具有一可调节容积的内部空间；布置在在该内部空间的可折叠伸缩的容器；以及布置成以缩小体积的方式偏压该第一部分和第二部分的偏压装置；由此该可膨胀的水储存模块在水被添加到该可折叠伸缩容器中时体积增加，而在水从该可折叠伸缩容器中排出时体积减小。
14.如权利要求2所述的系统，其中，该水和氢储存模块被集成为一水-氢储存模块，该模块包括由以可移动的分隔件分隔开的一水储存区域和一氢储存区域，其中，该可移动的分隔件可以布置成这样，即，随着该氢储存区域的体积减小该水储存区域的体积而增加、随着该氢储存区域的体积增加而该水储存区域的体积则减小、随着该水储存区域的体积减小该氢储存区域的体积而增加、随着该水储存区域的体积增加而该氢储存区域的体积则减小。
15.一种用于模块化电源系统的装置，包括机壳，该机壳的机构形成可以容纳该模块化电源系统的一模块，该机壳具有接近表面和布置在其上的连接端口套，该连接端口套包括一用于将控制信号联通到该模块的通讯端口；其中，该模块包括电解模块、燃料电池模块、氢燃料发电器模块、或控制模块；以及该连接端口套与该模块可操作联通。
16.如权利要求15所述的装置，其中，该连接端口套包括水连接端口、氢连接端口、电源连接端口、以及通讯连接端口中的至少一个。
17.如权利要求15所示的装置，其中，该机壳包括一些板，这些板布置成可以形成一多面体结构；至少一个板相对于至少另一个板倾斜成角度；以及该接近表面与该倾斜板成一体；由此，该连接端口套可以从至少两个方向接近，以便可操作地连接两个或多个模块。
18.如权利要求15所示的装置，其中，该机壳包括一些板，这些板布置成可以形成一多面体结构；至少一个板包括一从该机壳的一侧延伸向另一侧的凹部槽；以及该接近表面与该凹部槽成一体；由此，用于将一个模块的该连接端口套连接到另一个上的连接硬件至少可局部布置在该凹部槽内。
19.如权利要求15所示的装置，其中，该机壳还包括第一和第二连接器，以便一第一机壳的该第一连接器可承接在一第二机壳的该第二连接器上；由此，一第一电解模块和一第一电源模块中的至少一个可通过该第一和第二连接器与一第二电解模块和一第二电源模块中的至少一个可拆卸相连，从而增加该模块化电源的输出量。
20.一种用于模块化电源系统的装置，包括一水储存模块，其和一氢储存模块集成为一体以便提供一水-氢储存模块；该水-氢储存模块具有连接端口，以便实现与该模块化电源系统流体联通。
21.如权利要求20所述的装置，其中，该水储存模块的形状可与该氢储存模块相吻合以便提供一种一体化的水-氢储存模块。
22.如权利要求20所述的装置，其中，该水储存模块包括一水储存区域；该氢储存模块包括一氢储存区域；该水和氢储存区域可以通过一可移动的分隔件分隔开；该可移动的分隔件可以布置成这样，即，随着该氢储存区域的体积减小该水储存区域的体积而增加、随着该氢储存区域的体积增加而该水储存区域的体积则减小、随着该水储存区域的体积减小该氢储存区域的体积而增加、以及随着该水储存区域的体积增加而该氢储存区域的体积则减小。
23.如权利要求21所述的装置，其中还在于，该水储存模块具有一袋部件，用于容纳一氢储存容器，该水储存模块的一表面与该氢储存容器的外表面相吻合。
24.一种维护一模块化电源系统的方法，包括将一第一模块的连接端口套从该模块化电源系统上断开并拆除该第一模块，该连接端口套包括用于使控制信号与该第一模块联通的的联通信号；以及采用一相同类型的第二模块更换第一模块并将第二模块的连接端口套连接到模块化电源系统上。
25.如权利要求24所述的方法，其中，第一和第二模块的中的每一个都可为电解模块、氢作为燃料的燃料电池模块、氢作为燃料的发电器模块、氢储存模块、水储存模块、水-氢储存模块、或控制器模块。
26.一种对一模块化电源系统进行升级的方法，包括将一第一模块的连接端口套从该模块化电源系统上断开，该连接端口套包括用于使控制信号与该第一模块联通的的联通信号；以及将一第二模块添加到该模块化电源系统上并将该第一和第二模块的连接端口套连接到该模块化电源系统上。
27.如权利要求26所述的方法，其中，第一和第二模块中的每一个都可以为电解模块、氢作为燃料的燃料电池模块、氢作为燃料的发电器模块、氢储存模块、水储存模块、水-氢储存模块、或控制器模块。
全文摘要
一种具有独立的可拆卸的电解模块和电源模块的模块化电源系统，每个模块都具有独立成套的连接端口。该电解模块的成套连接端口用于与一水源、一氢储存装置、以及电源模块可操作联通，并且该电源模块的成套连接端口用于与该水源、该氢储存装置、以及该电解模块可操作的联通。
文档编号H01M8/18GK1647307SQ03809044
公开日2005年7月27日 申请日期2003年4月22日 优先权日2002年4月22日
发明者马克·利利斯, A·约翰·斯佩兰扎, 迪安·霍尔特, 赫明·伊, 基姆·苏马, 菲尔·汤博, 马修·克里斯托弗, 艾里斯·希罗玛, 斯皮罗斯·诺米科斯 申请人:普腾能源系统有限公司