燃料电池组合件的制作方法

本发明涉及一种燃料电池组合件和布置成堆叠或平面阵列的多个单独燃料电池，所述堆叠或平面阵列在至少一些燃料电池之间具有可配置的或可重新配置的互连。本发明还涉及互连控制器，其经过配置以重新配置多个燃料电池之间的电互连。

常规电化学燃料电池将通常均呈气体流形式的燃料和氧化剂转化成电能和反应产物。用于使氢气与氧气反应的常见类型的电化学燃料电池包含聚合离子(质子)交换膜(pem)，其中燃料和空气经过膜的相应侧。质子(即，氢离子)传导通过pem，由传导通过连接燃料电池的阳极和阴极的电路的电子平衡。为了提高可用电压，可以形成包含多个所述膜的堆叠，所述膜布置有单独的阳极和阴极流体流径。所述堆叠通常呈块状形式，其包含多个单独燃料电池板，在堆叠的任一端处通过端板将所述燃料电池板面对面地固持在一起。

在替代配置中，燃料电池可以布置成平面或层状阵列；其为并排而非面对面的，从而形成例如大体上层状薄片。

根据本发明的第一方面，我们提供一种燃料电池组合件，其包含至少两个燃料电池，燃料电池组合件中的每个燃料电池具有阳极和阴极以实现与组合件的其它燃料电池或组合件输出端子的电互连，其中燃料电池组合件的多个燃料电池之间的电互连是可配置的，使得所述多个燃料电池或其子组是可连接的，而不改变燃料电池之间的空间关系，所述关系呈以下中的至少两种；

i)彼此串联；

ii)彼此并联；或

iii)与组合件断连。

任选地，燃料电池组合件包含多个布置成平面阵列或呈堆叠形式的燃料电池。平面或层状阵列布局便于提供可配置的互连。

任选地，互连包括多个开关以配置组合件的多个燃料电池之间的电互连。因此，开关实现组合件中电池的电布置的重新配置，因为只需要改变互连，所以不需要以物理方式重新配置或重新设计组合件。这提供了从单个组合件输出一定范围的电压和/或电流的能力。

因此，开关可以经过配置以控制互连，从而布置燃料电池或其子组，使其呈串联或使燃料电池中的一个或多个与组合件的输出端断连。开关可以经过配置以控制互连，从而布置燃料电池或其子组，使其呈串联或并联。开关可以经过配置以控制互连，从而布置燃料电池或其子组，使其呈并联或使燃料电池中的一个或多个与组合件的输出端断连。

任选地，开关包含晶体管。任选地，开关包含微型开关。任选地，呈端子和跨接线形式的开关提供可配置性。

任选地，开关可以主动地重新配置，使得可以在使用时改变燃料电池之间的互连。

开关可以形成集中或分布式互连控制器的部分。任选地，互连控制器经过配置以在燃料电池组合件的操作期间主动地重新配置电池之间的互连。这种情形是有利的，因为互连的重新配置可以通过安装在pcb衬底上的晶体管来进行。主动地重新配置互连也可以使阵列在使用时输出多种不同的电压或功率。这种情形可能不需要dc-dc转换器。

任选地，互连控制器经过配置以接收组合件中多个电池的电输出的测量值，并且回应于所述测量值重新配置电池之间的互连。因此，互连控制器可以经过配置以测量一些或全部燃料电池的输出电压，并且相应地重新配置互连。任选地，电输出的测量值包含燃料电池阵列的总输出或阵列中燃料电池子组的电输出。

任选地，互连控制器经过配置以重新配置燃料电池之间的互连，从而维持燃料电池阵列的预定输出电压。

任选地，将燃料电池组合件连接到蓄电池以形成混成电源，并且控制器经过配置以布置燃料电池之间的互连，以使串联燃料电池的数目提供燃料电池组合件的最大开路电压，所述最大开路电压被配置成小于或等于蓄电池的最大输出电压。

任选地，将燃料电池组合件连接到蓄电池以形成混成电源，并且控制器经过配置以布置燃料电池之间的互连，以使并联燃料电池的数目提供燃料电池组合件满功率时的电流输出，所述电流输出小于或等于当蓄电池在其操作电压下限处操作时能够满足蓄电池c倍率的电流。

任选地，控制器经过配置以主动地布置燃料电池之间的互连以控制并联布置的邻接电池组的面积，从而提供燃料电池组合件满功率时的电流输出，所述电流输出小于或等于当蓄电池在其操作电压下限处操作时能够满足蓄电池c倍率的电流。

任选地，将燃料电池组合件连接到蓄电池以形成混成电源，并且蓄电池与燃料电池组合件之间的电连接包括二极管以防止电流从蓄电池流向燃料电池组合件。

任选地，将燃料电池组合件连接到蓄电池以形成混成电源，并且蓄电池与燃料电池组合件之间的电连接缺少任何电流控制元件，所述电流控制元件经过配置以控制电流从燃料电池组合件向蓄电池的流动。

任选地，将燃料电池组合件连接到蓄电池以形成混成电源，并且蓄电池与燃料电池组合件之间的电连接包括开关，所述开关经过配置以控制由燃料电池组合件产生的流向蓄电池的电流，所述开关经过配置以在燃料电池组合件的电压输出大于蓄电池的最大电压时防止电流流动，并且其中所述开关的操作与瞬时蓄电池电压或其中的改变无关。

现在如下仅借助于实例参考下图详细描述本发明的实施例，其中：

图1显示与蓄电池组合的燃料电池组合件的示意图，组合显示向负载供电；

图2显示穿过例示性燃料电池组合件的部分；

图3显示穿过第二例示性燃料电池组合件的部分；

图4显示与蓄电池组合的燃料电池组合件的另一实例的示意图；和

图5显示另一实施例，其包含与蓄电池组合的燃料电池组合件的示意图。

图1显示与蓄电池2组合的燃料电池组合件1的示意图。燃料电池组合件1和蓄电池形成用于负载3的混成电源。在此实例中，燃料电池组合件1包含布置成堆叠的多个燃料电池。然而应了解，燃料电池组合件1可以包含平面或层状燃料电池组合件1，其中燃料电池并排而非面对面布置。蓄电池包含电化学蓄电池，如锂离子蓄电池。蓄电池2可以由一个或多个蓄电池单元形成。

图1显示燃料电池组合件1与蓄电池2之间的电连接4、5。电连接4、5从燃料电池组合件的输出端子直接延伸到蓄电池2的端子。电连接由箭头4和箭头5表示，所述箭头表示燃料电池组合件1与蓄电池2之间的功率流。应了解，箭头4、5是示意性的，而非表示物理连接。箭头4显示在从燃料电池组合件1到蓄电池2的方向上的功率流，并且因此由燃料电池组合件1产生的电力可以为蓄电池2充电，和/或向负载3供电。箭头5显示在蓄电池2到燃料电池组合件1的方向上的功率流。电连接4、5包括电流闭锁元件6，在此实例中，所述电流闭锁元件包含二极管以防止储存在蓄电池2中的电流流入燃料电池组合件1中。

电连接4、5缺少用于由燃料电池组合件产生的流向蓄电池的电流的电流控制组件。因此，除电连接的固有电阻外，电连接4、5不对从燃料电池组合件1到蓄电池2的电流提供主动限制。这种布置是有利的，因为其实现了具有成本效益的混成化，而不需要dc-dc转换器或电元件来向从燃料电池组合件1到蓄电池2的电流提供切断限制。

燃料电池组合件1可以产生一定范围的电压。蓄电池2也将具有一定范围的操作电压，其可以取决于所述蓄电池的充电状态。蓄电池2的操作电压范围由其电化学和设计等因素决定。蓄电池制造商会将蓄电池的操作电压范围称为最大操作电压和最小操作电压。举例来说，典型锂离子蓄电池的操作电压范围是3v-4.2v，这由制造商所指定。

鉴于布置缺少燃料电池组合件1与蓄电池2之间的电流控制，确保由燃料电池组合件1产生的电压范围与蓄电池2相容至关重要。因此，匹配燃料电池组合件1的性能与其混成的蓄电池2的操作电压范围是有利的。然而应了解，如下文所描述，匹配燃料电池输出参数与蓄电池操作范围的进行可以与提供或缺少在任一方向上燃料电池组合件与蓄电池之间的电流控制无关。

确切地说，燃料电池组合件1的最大开路电压可以经过配置小于或等于制造商指定的蓄电池2的最大操作电压。燃料电池组合件1的电压输出可以由串联布置的单独燃料电池(呈堆叠配置或平面配置)的数目决定。对于基于典型质子交换膜(pem)的燃料电池，单独电池可以提供0.6v的开路电压(即在不向负载供电时)。因此，串联布置的七个燃料电池(各具有0.6v的输出)将提供4.2v的电压，所述电压与锂离子蓄电池2的最大操作电压相匹配。因此，可以选择燃料电池组合件1的最大电压性能以确保即使不向流动于燃料电池组合件1与蓄电池2之间的电流提供电流控制，也不会因在大于蓄电池最大操作电压的电压处为其充电而损坏蓄电池2。假设单独电池具有相同类型，并且因此输出类似最大电压，但应了解不同电池类型可以形成组合件1。

在其它实施例中，燃料电池组合件1的最大开路电压可以选择为小于阈值电压，所述阈值电压比制造商指定的蓄电池最大输出电压大10％。或者，阈值可以比制造商的蓄电池最大输出电压大5％或2％或1％。通过设定大于蓄电池操作电压的燃料电池组合件的最大电势输出电压，有可能在过大电压处为蓄电池充电并且蓄电池可能发生损坏。然而，使用阈值可以确保燃料电池组合件1的电压输出只比蓄电池的最大电压略大，并且可能处于制造商的容限内。此外，在向负载供电时，阈值的使用允许燃料电池组合件的电压降，而非调节其开路电压。因此，阈值可以基于燃料电池组合件1的负载特征(电压降对负载)来确定。可以选择预定并且固定的阈值以确保在使用中由燃料电池组合件1施加到蓄电池2的电压不超过蓄电池2的最大操作电压。

燃料电池组合件1的性能与蓄电池的操作电压范围相匹配可为有利的。在又一实施例中，在蓄电池2的最小操作电压处设定燃料电池组合件1的性能特征。

燃料电池组合件1可以经过配置以提供燃料电池组合件满功率时的电流输出，所述电流输出小于或等于当蓄电池在其操作电压下限处操作时满足蓄电池c倍率的电流。因此，在蓄电池2在其由制造商指定的电压下限(对于典型li离子蓄电池，其可为3v)处操作的情况下，燃料电池组合件经过配置以当燃料电池组合件1自身在其最大负载处操作时输出足以满足蓄电池c倍率的电流。c倍率是制造商指定的蓄电池参数。c倍率指定可以为蓄电池充电的倍率，并且可以用于指定用于有效混成化的燃料电池组合件1的性能特征。

因此，在燃料电池的满负荷(满负荷可以使用足够燃料以防止燃料不足并且使用足够可用氧化剂来实现)处，燃料电池组合件经过配置以提供小于或等于蓄电池“c倍率电流”的电流。因此，燃料电池组合件经过配置以使得在对蓄电池施加燃料电池组合件1的最大输出电压(其负荷给定或处于开路)时，在蓄电池在其最小电压范围值处操作的情况下，电流输出满足蓄电池的c倍率要求。燃料电池组合件1的电流输出可能与组合件1中布置成电并联的燃料电池或电池组的有效区域的面积相关。

因此，在一个实施例中，在每一单独燃料电池的面积小于在指定电压处满足c倍率所需的面积的情况下，燃料电池组合件1通过将组合件1的多个燃料电池并联电连接在一起来配置，以使得燃料电池组合件的电流输出等于或小于满足c倍率的电流。因此，可以形成组合件1中电池的最大面积并联布置以提供最小蓄电池电压处的所需电流。因此，虽然可能存在并联布置的若干组燃料电池，但例如在串联连接所述并联布置的情况下，主要是具有最大有效面积的并联布置决定燃料电池组合件1作为整体的最大电流输出。因此，并联布置的最大邻接电池组的面积经过配置以提供对应于蓄电池c倍率的电流。

举例来说，对于c倍率为2并且最大容量为4.4ah的蓄电池，在较低操作蓄电池电压处需要由燃料电池组合件输出8.8amp的最大电流。最大蓄电池容量也是制造商指定的蓄电池参数。因此，燃料电池的电流输出可以高达由c-倍率*最大蓄电池容量限定的最大电流。

使燃料电池性能特征与其混成的特定蓄电池匹配是有利的，因为其可以提供有效的组合，并且不需要燃料电池组合件与蓄电池之间的电流控制。

提供可配置的燃料电池组合件拓扑是有利的。确切地说，以物理方式固定的燃料电池之间具有可配置电互连的拓扑将为有利的。燃料电池组合件可以包含具有绝缘板的燃料电池堆叠，所述绝缘板在沿堆叠的位置处将其分割成多个堆叠部分，所述堆叠部分可以串联或并联连接在一起或断连，或其组合。堆叠部分可以包括一个、两个或更多个单独燃料电池(基本上包含膜电极组合件)。燃料电池组合件可以包含层状燃料电池，其中燃料电池布置成平面或平坦布置。电池之间的互连可以是可配置的。因此，可以提供可配置的燃料电池组合件，其具有多个尚未完成或可重新配置的电互连。可以选择用于混成化的蓄电池(即形成用于负载的组合电源)，并且燃料电池组合件1可以通过以下来配置：选择其互连以提供在蓄电池的规定最大操作电压处的所需电压和在蓄电池的规定最小操作电压处的所需电流，如上文所论述。因为燃料电池组合件参数来源于蓄电池制造指定的数据，所以互连可以基于燃料电池组合件进行操作所要的蓄电池来配置。

图2显示通过电连接14、15连接到蓄电池12的燃料电池组合件11，这类似于图1中示出的布置。燃料电池组合件包含平面或层状组合件而非图1中示出的堆叠，并且出于清楚起见未显示负载3。燃料电池组合件11包含多个燃料电池。在此实施例中，四个燃料电池11a、11b、11c和11d布置成平面阵列17。每个燃料电池11a、11b、11c、11d包括从电池自身的阳极和阴极延伸的阳极端子18和阴极端子19。阳极和阴极端子实现与组合件11的其它电池的电连接，和/或提供组合件11的输出20。电池与输出20之间的互连由虚线框21示出。虚线框可以表示端子的可配置布置，其中跨接线可以用于形成所要互连。或者，互连可以由可以控制燃料电池之间的互连的多个晶体管或其它开关元件形成。晶体管可以分布在组合件1上，或包含集中开关控制器。在另一实施例中，可配置的互连21可以由多个开关(如微型开关)形成，从而将燃料电池11a、11b、11c和11d切换成串联、并联或断连配置。

在图2中，互连21显示为串联布置，其中互连使得所有电池11a、11b、11c、11d串联电连接在一起。因此，输出20处提供的电压是单独燃料电池电压的总和。将所述电压施加于电连接4。

图3显示呈不同例示性布置的互连21。在图3中，显示前三个燃料电池11a、11b、11c布置成电并联。使此相邻并联组进一步与第四燃料电池11d串联连接，并且将并联组11a、11b、11c的电压加串联燃料电池11d的电压施加于输出20。相邻并联组11a、11b、11c形成此例示性组合件的最大并联布置，并且因此并联组11a、11b、11c内电池的组合面积将限定由组合件11输出的最大电流(所述最大电流可以与蓄电池的c倍率电流相匹配)。为了更高效，对于具有多个单独并联组的组合件来说，每组具有大体上相同的总电池面积可为有利的。因此，组合件的燃料电池可以布置成并联组，所述并联组包含大体上相同数目的燃料电池，其中所述并联组呈串联布置。

应了解，可配置的电互连21提供一种拓扑，所述拓扑使得能够在制造后选择具有燃料电池固定空间配置的燃料电池组合件的电输出。这对与不同蓄电池类型(如存在于不同消费型电子装置中的蓄电池类型)混成化来说是有利的。

互连21可以通过开关阵列(由互连21表示)重新配置，可以启动所述开关阵列，从而以串联、并联或断连配置中的至少两种方式电连接组合件的燃料电池。互连控制器可以经过配置以重新配置晶体管阵列从而形成互连。互连21可以主动地重新配置，使得控制器经过配置以在使用燃料电池组合件11时改变燃料电池之间的互连。

图4显示可重新配置的开关阵列21和互连控制控制器40。因此，开关阵列21包括多个基于晶体管的开关。控制器显示为集中控制器，其经过配置以将控制信号传递到开关阵列21。然而应了解，互连控制器可以集中或分布在开关阵列上。控制器40可以经过配置以控制互连从而提供不同输出电压和/或输出电流。互连控制器经过配置以在燃料电池组合件的操作期间主动地重新配置电池之间的互连。

dc-dc转换器可以用于混成燃料电池与蓄电池以确保两个电源之间的电压相匹配。然而，互连控制器40允许控制组合件电输出的互连重新配置，并且因此可能不需要dc-dc转换器。

互连控制器40是可编程的，使得可以视需要重新配置燃料电池11a、11b、11c、11d之间的互连，如在串联与并联布置之间或在串联与断连之间或在并联与断连之间。因此，互连控制器可以在需要较高电压的情况下串联连接燃料电池11a、11b、11c、11d。互连控制器40可以在需要较低电压但较高电流的情况下并联连接燃料电池11a、11b、11c、11d。或者，互连控制器40可以视需要使某些燃料电池断连，使其不会促进燃料电池组合件的输出，而剩余燃料电池呈串联或并联连接。或者，串联、并联和断连配置的组合可以用于实现所要输出电压。

在另一实施例中，互连控制器40包括燃料电池组合件输出传感器41，所述燃料电池组合件输出传感器经过配置以测量燃料电池组合件11的电输出。互连控制器40可以经过配置以接收电输出的测量值，并且因此形成燃料电池之间的互连。这种情形是特别有利的，因为由燃料电池输出的电力可以随温度、燃料浓度、燃料电池寿命和其它因素而变化。互连控制器40通过以不同串联或并联或断连配置或其组合互连多个燃料电池来实现对阵列电力输出的控制。所实现的输出电压的间隔尺寸可以通过在阵列中包括更多的燃料电池而减小。因此，互连控制器40可以具有目标输出电压，并且经过配置以使用来自传感器40(其形成闭合回路反馈布置)的测量值在使用燃料电池时主动地改变燃料电池之间的互连，以获得目标输出电压或朝目标输出电压移动。互连控制器40可以代替燃料电池电源中常用的dc-dc转换器来提供特定输出电压。

虽然在此实例中互连控制器40显示为集中开关控制器，但应了解，所述互连控制器可以分布在具有开关元件网的组合件11上。因此，开关元件可以包含晶体管，所述晶体管使来自每个电极的互连相连接或断连，并且控制器可以提供用于晶体管的控制信号(如闸信号)。

在其它实施例中，互连控制器40经过配置以测量一些或全部燃料电池的输出电压，并且相应地重新配置互连，以便为蓄电池提供适当电压。

互连控制器40可以经过配置以主动地布置燃料电池之间的互连，以使串联燃料电池的数目提供小于或等于蓄电池最大输出电压的电压。互连控制器40可以经过配置以主动地布置燃料电池之间的互连，以使并联燃料电池的数目提供电流输出，所述电流输出小于或等于当蓄电池在其操作电压下限处操作时满足蓄电池c倍率的电流。因此，互连控制器可以主动地改变相邻并联组中电池的数目以达到组合燃料电池面积，从而提供所需电流，如上文所论述。

图5显示另一实施例，其包含与蓄电池52组合的燃料电池组合件51的示意图。燃料电池组合件51和蓄电池形成用于负载53的混成电源。在此实例中，燃料电池组合件51包含布置成堆叠的多个燃料电池。然而应了解，燃料电池组合件51可以包含平面或层状燃料电池组合件51，其中燃料电池并排而非面对面布置。蓄电池包含电化学蓄电池，如锂离子蓄电池。蓄电池52可以由一个或多个蓄电池单元形成。

图5显示燃料电池组合件51与蓄电池52之间的电连接54、55。电连接54、55从燃料电池组合件的输出端子直接到蓄电池52的端子。电连接由箭头54和箭头55表示，所述箭头表示燃料电池组合件1与蓄电池52之间的功率流。应了解，箭头54、55是示意性的，而非表示物理连接。箭头54显示在从燃料电池组合件51到蓄电池52的方向上的功率流，并且因此由燃料电池组合件51产生的电力可以为蓄电池52充电，和/或向负载53供电。箭头55显示在蓄电池52到燃料电池组合件51的方向上的功率流。

电连接54、55包括电流闭锁元件56，在此实例中，所述电流闭锁元件包含二极管以防止储存在蓄电池中的电流流入燃料电池组合件中。电连接也包括电流控制元件57，所述电流控制元件用于控制在从燃料电池组合件51到蓄电池52的相反方向上的电流流动。电流控制元件57包含开关，所述开关可以体现为晶体管。开关57是切断开关，其经过配置以基于超出的阈值而防止电流流动。确切地说，在此实施例中，开关57的启动仅基于燃料电池组合件51的电压输出。因此，电压传感器58经过配置以测量整个组合件51的电压输出。传感器58可以包含电池施加在基于晶体管的开关57的闸极端子的电压，其中晶体管经过配置以基于在其闸极端子处施加的电压而接通或断开。

开关57可以包括比较器以比较来自传感器58的测量电压，并且在测量电压大于阈值的情况下提供启动信号以断开开关(并且因此防止电流从燃料电池组合件流向蓄电池)。阈值可以包含由制造商指定的最大操作蓄电池电压。因此，虽然燃料电池组合件51可能能够提供大于最大蓄电池电压的电压，但切断开关通过在燃料电池电压输出超过阈值时切断流向蓄电池的电流来防止对蓄电池造成任何损坏。当燃料电池组合件的电压输出低于阈值时，开关57可以经过配置以闭合。

在其它实施例中，开关57可以将瞬时燃料电池电压和燃料电池电压相比于阈值的变化率的组合用作启动信号。开关57的启动与瞬时蓄电池电压无关，并且也可以与其衍生物(如蓄电池电压的改变)无关。

开关57可以包含唯一的电流控制组件，所述电流控制组件经过配置以控制沿燃料电池向蓄电池方向的电流流动。

应了解，在此实施例中，开关57被配置为切断开关，并且可以包括滞后元件以防止开关57的第二开关事件跟在第一开关事件之后。这种情形可以防止开关57在阈值附近振荡。滞后元件可以在允许切换开关57之前等待一预段定时间，或可以确定来自传感器58的燃料电池电压何时会改变预定容限(低于所述阈值)。

在其它实施例中，使开关接通的电压阈值可以不同于使开关断开的电压阈值。举例来说，开关断开(断开开关)电压可以包含第一阈值(如蓄电池的最大操作电压)，使得当燃料电池电压上升到高于最大蓄电池电压时，开关57断开。由传感器58测量的电压随后将作为燃料电池组合件41的开路电压，并且因此可以大于在燃料电池组合件欠载时的电压。因此，开关接通电压(闭合开关)可以包含大于第一阈值电压的第二电压阈值。这种情形假设将在燃料电池组合件连接到蓄电池52和/或负载53时出现燃料电池组合件电压的电压降，这将导致燃料电池组合件向蓄电池52施加小于第一阈值电压的电压。应了解可以选择其它阈值。例如，第二阈值可以小于第一阈值。开关57经过配置以在燃料电池组合件的电压输出小于蓄电池的最大电压时允许电流流动而不进行调制。