专利名称：用于具有热电模块的便携式电子设备的燃料电池电源的制作方法
技术领域：
这里的实施例通常涉及燃料电池领域，更具体地涉及一种具有至少一个热电模块的便携式电子设备的燃料电池。
背景技术：
由于燃料电池对于利用相对较低的环境影响进行发电的潜在益处，近年来燃料电池已经受到了显著的关注。燃料电池的基本原理已经被认识了很长一段时间，但是由于多种挑战而并没有被广泛接受，这种挑战包括燃料电池的尺寸、相对较高的生产成本以及管理燃料电池操作的难度。通常，燃料电池是一种电化学转换装置，其在存在电解质的情况下根据燃料和氧化剂之间的反应来产生电力。在操作时，燃料和氧化剂流到燃料电池中，从而产生了电力和流出的残留物。例如在氢燃料电池的情况下，将氢用作燃料并且将氧气(或空气)用作氧化剂，而产生水作为残留物(或者是液体或者是气体的)。与化学地存储电能的电池不同，燃料电池消耗反应剂来产生电能，从而要求补充反应剂以维持反应。因此，燃料电池通常伴有燃料箱来按照需要储存和提供燃料。依赖于在具体燃料电池中使用的燃料的类型，燃料电池的操作温度和相关联的燃料箱可能变化非常大。在一些示例中，当超出具体温度范围时，燃料电池和燃料箱可能不会正确操作或者不具有所需的效率。另外，当燃料电池或燃料箱的温度足够低时，可能会发生干扰燃料电池操作的结冰问题。当燃料电池在热或冷的环境中操作时，温度问题可能尤其成问题。
发明内容
每一个电源可以包括至少一个燃料电池、至少一个燃料箱和至少一个热电模块。每一个热电模块可以改变大小和形状以与燃料电池和燃料箱中的至少一个交换热量。例如，热电模块可以操作用于从燃料电池或燃料箱接收热量，进而产生电能(换句话说，热电模块可以在操作时接收热能作为输入，并且产生电能作为输出)。在其他示例中，热电模块可以(例如从电池)接收电能，并且进而产生热能来加热燃料箱或燃料电池中的一个或多个。在一些实施例中，一个或多个热电模块可以与燃料箱或燃料电池中的一个或多个(或者两者都)热接触。如这里所使用的，表达“热接触”通常包括允许两个部分之间热传导的所有直接和间接关系。例如，热电模块的第一表面可以与燃料箱上的第二表面直接物理接触，允许经由热电模块和燃料箱之间的传导的热传递。在一些实施例中，热传递可以经由其他模式进行，例如对流和辐射。例如，一个或多个热电模块可以操作用于与一个或多个燃料电池和燃料箱交换热量，但是其间不存在物理接触(例如，热电模块可以与燃料电池或燃料箱间隔开，但是改变热电模块的大小和形状以仍然允许其间的对流和辐射)。
在一些实施例中，在电源中可以将热电模块放置为与燃料电池热接触。热电模块可以接收由燃料电池产生的热，并且使用这种热来产生然后可以由便携式电子设备使用的电能(例如为电池充电、向处理器、存储器、显示器等供电)。在一些情况下，所产生的电能的至少一些可以存储在能量存储元件中(例如，电池、电容器、超级电容器或任意其他类型的能量存储系统)。在各种示例中，能量存储元件可以是电子设备的能量存储元件(例如电池)、电子设备的充电器、可选的能量存储元件(例如可更换外设)等等。在一些示例中，可以将产生的电能的至少一些直接馈给便携式电子设备的一个或多个电子部件而无需存储。在一些示例中，可以将电能提供给热电模块，以产生热来加热燃料电池。这种热对于使电子设备的一个或多个部件“除冰”、将燃料电池温度或燃料箱温度(或者两者的温度)升高到所需操作温度等等都特别有用。当燃料电池在便携式电子设备中并且在寒冷的环境条件下操作时这可能特别有益。在一些实施例中，可以将热电模块放置为与燃料箱热接触。例如，所述热电模块可以用于使用从燃料箱提取的热来产生电能。替代地，可以通过电能向热电模块供电以产生热来加热燃料箱(例如，用于对燃料箱除冰)。在一些实施例中，至少一个分离的热电模块可以用于至少一些燃料电池和燃料箱。这可以允许独立地控制燃料电池和燃料箱中的至少一个的温度。在一些实施例中，可以将至少一个共享的热电模块放置为与燃料电池和燃料箱两者、或者与多于一个燃料电池或者多于一个燃料箱热接触。在一些这样的示例中，共享的热电模块可以用于提供燃料电池和燃料箱之间的相对加热或冷却(或者两者)。例如，共享的热电模块可以在从燃料箱吸热的同时向燃料电池供热。替代地，共享的热电模块可以在从燃料电池吸热的同时向燃料箱供热。在一些实施例中，共享的热电模块可以从燃料箱和燃料电池两者提取热以产生电力，或者可以加热燃料箱和燃料电池两者。在一些实施例中，多个燃料电池和多个燃料箱可以与多个热电模块热接触。所述热电模块中的一个或多个可以只与一个燃料电池或一个燃料箱热接触、与多个燃料电池或燃料箱热接触、或者与一个或多个燃料电池以及一个或多个燃料箱两者都热接触。在一些实施例中，可以根据所需应用的操作特性来使用热电模块、燃料电池和燃料箱的各种组合。例如，可以将多个燃料电池和燃料箱设置为堆叠结构，其中一个或多个热电模块散布或者“夹在”燃料电池和燃料箱之间，这可以在相对较小的空间中提供所需的操作条件。在一些实施例中，控制器可以用于控制一个或多个热电模块。例如，控制器可以监测燃料电池或燃料箱(或者两者)的温度，并且相应地调节一个或多个相关联的热电模块。具体地，在具有多个燃料电池和燃料箱的结构中，控制器可以监测燃料电池和燃料箱的温度并且调节热电模块，使得燃料电池和燃料箱的温度位于所需的操作范围内。在一些实施例中，控制器可以监测便携式电子设备中的一个或多个周围温度(例如便携式电子设备的一个或多个部件的温度，环境空气温度等等)，并且可以响应于测量的温度来调整热电模块的调节。在一些实施例中，可以使用一对或多对电互连的热电模块。对于给定的热电模块对，一个热电模块可以与燃料电池热接触，而另一个热电模块可以与燃料箱热接触。在一些示例中，一对热电模块可以使用燃料电池产生的热来扩展燃料箱的操作范围，反之亦然。
为了更好的理解这里描述的实施例并且为了更清楚地示出它们如何实现，现在作为示例对附图进行参考。图1是向电负载供电并且具有燃料箱的燃料电池的示意图。图2是其中具有燃料电池和燃料箱的便携式电子设备的示意图，燃料电池和燃料箱中的每一个与热电模块热接触。图3是燃料电池和燃料箱的示意图，每一个均与分离的热电模块热接触，并且包括用于控制热电模块的控制器。图4是与共享的热电模块热接触的燃料电池和燃料箱的示意图。图5是与共享的热电模块和分离的热电模块热接触的燃料电池和燃料箱的示意图。图6是与多个共享的和分离的热电模块热接触的一系列燃料电池和燃料箱的示意图。图7是与燃料电池和燃料箱热接触的交叉连接热电模块的示意图。
具体实施例方式转向图1，其中示出了下面将进一步详细描述的系统的介绍性概述。图1示出了与电负载104物理相连并且向其供电的燃料电池102。电负载104可以代表任意个数的便携式电子设备(例如移动电话、智能电话、个人数字助手、便携式视频游戏台、平板计算机、媒体播放器等)的任意一个或多个电子部件(例如处理器、存储器、显示器、电池、无线发射机、无线接收机、发光元件等)。许多这种设备是手持设备，即调节它们的尺寸和形状(或两者)以在一个或多个人的手中握持。如图所示出的，燃料电池102与一个或多个燃料箱100物理相连，使得燃料电池102适用于从一个或多个燃料箱100接收燃料(或者能够接收燃料)。现在转到图2至图7，这里一般性地描述了用于便携式电子设备的电源。每一个电源包括至少一个燃料电池、至少一个燃料箱和至少一个热电模块。每一个热电模块可以改变大小和形状以与燃料电池和燃料箱中的至少一个交换热量。例如，热电模块可以操作用于从燃料电池或燃料箱接收热量，进而产生电能(换句话说，热电模块可以在操作时接收热能作为输入，并且产生电能作为输出)。在其他示例中，热电模块可以(例如从电池)接收电能，并且进而产生热量来加热燃料箱和燃料电池中的一个或多个。现在具体地转到图2，这里示出了(便携式电子设备201中的)具有燃料电池200和燃料箱202的电源。燃料电池200和燃料箱202中的每一个均具有相邻的热电(TE)模块(例如，第一 TE模块204与燃料电池200热接触，而第二 TE模块206与燃料箱202热接触)。通常，每一个TE模块204、206具有热侧和冷侧。TE模块的热侧和冷侧之间的温度差根据称为“珀尔帖效应”的现象而产生电能。具体地，由每一个TE模块204、206产生的电能通常是关于每一个TE模块204、206的热侧和冷侧之间的温度差。
通过将每一个TE模块204、206的热侧放置为与相对较热的本体或表面(例如燃料电池200或燃料箱20 热接触，并且将冷侧放置为与相对较冷的本体或表面(例如环境空气)热接触，TE模块204、206可以用于产生电能。例如如图2所示，第一 TE模块204与燃料电池200相邻并且与之热接触(例如，燃料电池200的至少一个表面200a与第一 TE模块204的至少一个表面20 直接物理接触)。TE模块204的至少另一侧204b与另一个通常较冷的本体或表面(例如环境大气或另一个吸热设备(heat sink))热接触。类似地，第二 TE模块206与燃料箱202相邻并且与之热接触(例如，燃料箱的至少一个表面20 与第二 TE模块206的至少一个表面206a接触)。如同第一 TE模块204一样，第二 TE模块206的至少另一个表面206b与诸如环境大气之类的较冷本体热接触。如图所示出的，第一 TE模块204具有示出为与第一电节点208相连的一组电导线，并且第二 TE模块206也具有示出为与第二电节点210相连的一组电导线。通常，电节点208、210可以与便携式电子设备201的一个或多个电子部件电耦合或者表示便携式电子设备201的一个或多个电子部件(例如，处理器、存储器、电池、显示器、无线发射机或其他负载等等)。在一些实施例中，所述电节点208、210可以包括用于向TE模块204、206供电的一个或多个电源。通常，与燃料电池和燃料箱一起使用TE模块可以提供取决于电源操作条件的各种优势。例如，在图3中示意性地示出了一个实施例。在这一具体方面，至少一个TE模块用于燃料电池300和燃料箱302的加热。这在燃料电池300和燃料箱302中的至少一个太冷而不能有效操作时的启动条件期间是特别有用的。实际上，在某些低温条件下，可能在燃料箱302或燃料电池300(或两者)的周围形成冰。通常，应该在操作燃料电池300以产生电能之前解冻这种冰。如图3所示，(便携式电子设备301中的)电源具有燃料电池300和燃料箱302。燃料电池300和燃料箱302中的每一个均具有其自己的TE模块(例如第一 TE模块304和第二 TE模块306)。第一 TE模块304与燃料电池300相关联，而第二 TE模块306与燃料箱302相关联。另外，在该实施例中，第一 TE模块304与燃料电池300直接热接触，而第二 TE模块306与燃料箱302直接热接触。在一些实施例中，单独的TE模块可以用于加热燃料电池300和燃料箱302两者，或者燃料电池300和燃料箱302中的一个或另一个可以具有与其相关联的TE模块，而另一个不具有TE模块。然而在图3所示的配置中，对于燃料电池300和燃料箱302使用单独的或分离的TE模块304、306可以允许按照不同的速率和不同的目标温度来加热燃料电池300和燃料箱302。因为燃料电池300和燃料箱302的所需操作温度可能是不同的，这是特别有用的。因此，独立加热燃料电池300和燃料箱302可能会提供一种更加精确和高效的电源。在一些实施例中，可以通过电源308和301分别向TE模块304、306供电。电源308,310可以是一个或多个电池。在一些实施例中，可以通过控制器312来控制TE模块304、306、具体地，控制器312可以用于控制从电源308、310向TE模块304、306的供电。在一些实施例中，控制器312可以包括微处理器、微控制器或其他合适类型的控制设备。
在图3所示的实施例中，控制器312可以从一个以上的传感器314和316接收一个或多个信号输入。例如，传感器314、361可以是对燃料电池300和燃料箱302的温度进行测量的温度传感器。在一些实施例中，控制器312也可以具有用于监测环境空气温度的环境温度传感器318和其他传感器(例如湿度传感器、压力传感器等)。通常，温度传感器产生根据检测温度的温度信号。例如，所述温度信号可以是检测温度是在阈值(或参考)温度以上还是以下、或是否位于温度范围内的函数。其他传感器可以类似地运行(例如，湿度传感器可以产生根据检测湿度的湿度信号，压力传感器可以产生根据检测压力的压力信号等等)。控制器312可以使用这些信号来监测各种参数。在一些实施例中，响应于从传感器314、316、318接收的信号，控制器312可以产生控制信号并且向电源308和310发送控制信号，来启动对于TE模块304、306的一个或多个加热循环。因此，当燃料电池300或燃料箱302(或者两者)太冷时(例如小于所需的操作温度)，例如在启动条件期间，可以将来自相应TE模块304、306的加热循环用于使燃料电池300和燃料箱302达到所需的操作温度。除了向燃料电池300和燃料箱302供热之外，图3所示的配置也可以用于冷却一个或多个部件。具体地，可以通过反转电源308、310的极性将TE模块304、306用作冷却元件。因此，如果燃料电池300的温度或燃料箱302的温度(或者两者的温度)上升到所需温度阈值以上，控制器312可以用于控制电源308、310向其相应的TE模块304、306供电，以便向TE模块304、306与燃料电池300或燃料箱302热接触的那些侧提供冷却。例如，在一些实施例中，燃料电池300可以是直接甲醇燃料电池(DMFC)，所述DMFC配置用于在约10摄氏度至70摄氏度之间的所需温度或者其他温度操作。在一些实施例中，燃料电池300可以是质子交换膜(PEM)燃料电池，所述PEM燃料电池配置用于在约10摄氏度至70摄氏度之间的所需温度或者其他温度操作。在其他实施例中，燃料电池300可以是固态氧化物燃料电池(SOFC)，所述SOFC配置用于在约600摄氏度以上以及在一些情况下在约800摄氏度以上的所需温度操作。再次参考图2，示出了电源的另一个方面，其中电节点208、210的任一个或两者可以包括用于从相应的TE模块204、206接收电能的电路。也就是说，如果燃料电池200或燃料箱202的温度与环境温度足够不同，TE模块204、206将会吸热并且从中产生电能，所述电能能够用于便携式电子设备。通常，这种电能可以直接施加至正在进行的设备操作(例如，用于向显示器、存储器等供电)，或者可以存储在能量存储设备(例如电池)中用于后续使用。用于便携式电子设备的电源的另一个实施例如图4所示。在该实施例中，燃料电池400和燃料箱402之间放置有TE模块404。TE模块404的朝向为使得TE模块404的第一表面40 与燃料电池400的第一表面400a热接触，而TE模块404的第二表面404b (并且具有相反的热响应)与燃料箱402的表面40 热接触。在该实施例中，通常将第一热表面40 和第二热表面404b称作“热侧”和“冷侧”。依赖于应用、所体验的温度和电流流过TE模块404的方向，第一或第二热表面4(Ma、404b的哪一个表面是“热侧”哪一个表面是“冷侧”可以是不同的。通过将TE模块404放置于燃料电池400和燃料箱402之间(并且与其直接热接触)，可以按照被动(passive)的方式在其间实现相对的热控制。也就是说，在没有主动地控制TE模块404的操作、或者在没有从电源向TE模块404供电、或者这两种情况下，“被动地”管理热。在典型的操作模式下，被动地调节燃料电池400和燃料箱402之间的热，所述TE模块404在不通过任意其他部件主动控制的情况下操作。另外，即使在一些示例中TE模块404可以主动地产生电能，TE模块404也可以被动地调节热。因为在TE模块404两端的温差和电能(按照从TE模块404 —侧流到另一侧的电能形式)之间存在一定关系，图4的布置可以依赖于燃料电池400和燃料箱402的相对温度以及燃料电池400和燃料箱402的所需温度是什么，来按照不同的操作模式运行。此外，在一些实施例中，可以调节从TE模块404的一侧流到另一侧的电能，以通常按照所需地调节燃料电池400和燃料箱402之间的相对温度。在一些实施例中，图4所示实施例的一个益处在于TE模块404可以不需要分离的电源来调节燃料电池400和燃料箱402的温度。具体地，在特定的操作条件下，可以在损耗来自燃料电池400和燃料箱中的一个的热的同时吸收来自燃料电池400和燃料箱402中的另一个的热，以便维持对于燃料电池400和燃料箱402的所需温度。在一些这种情况下，TE模块404可以在产生电能而不是消耗电能的同时完成调节燃料电池400和燃料箱402的温度的任务。在这些情况下，电节点408可以包括能量存储设备(例如电池)来存储所产生的电能，或者适用于将过剩的电能(例如，不用于温度管理的补充电能)递送给便携式电子设备的另一个部分(例如，用于向显示器、处理器等供电)。在一些实施例中，电节点408可以包括电负载(在各种实施例中可以是固定的或可变的)或者减小所得到电能的其他装置。这对于限制TE模块404的两侧4(Ma、404b处的相应热吸收和热损耗是有益的，从而限制了对于燃料电池400和燃料箱402的加热/冷却效应。在可能需要附加的相对加热和冷却的实施例中，电节点408可以包括电流源电源(或者其他电源)，所述电流源电源操作用于增加TE模块404的两侧4(Ma、404b之间的电流，从而增加两侧4(Ma、40b之间的温差。如上所述，图4所示的实施例可以提供这样的优势不会总是要求供电来调节燃料电池400和燃料箱402的温度。尽管在一些情况下这可能要求(例如，与图3所示的控制器312相比)更复杂的控制系统，这也可以导致相对的能量节省。也就是说，尽管图3所示的实施例的加热和冷却功能有时要求(例如从由电节点408提供的电源)输入电能，在某些操作条件下，TE模块404的相对加热/冷却布置可以用作燃料电池400和燃料箱402之间的热交换器，使得不需要电能来调节温度；并且实际上在具体的操作条件下，TE模块404可以用作电能发生器并且产生过剩的电力。如图4所示，控制器412可以用于分别经由温度传感器414和416来监测燃料电池400和燃料箱402的温度，并且可以从诸如环境温度传感器、湿度传感器等之类的其他传感器418接收其他输入。可以将从控制器412至电节点408的输出用于控制TE模块404。如应该理解的，电节点408可以包括具有不同电路部件和操作模式的一个或多个电路，这依赖于是否调节电流、是否产生电流或电流是否用于能量回收。然而，图4所示的实施例稍受限于不能容易地同时加热燃料电池400和燃料箱402两者或者同时冷却燃料电池400和燃料箱402两者。因此图5所示的是具有燃料电池500和燃料箱502的实施例，燃料电池500和燃料箱502中的每一个均具有其自己的相应分离的TE模块504、506以及位于燃料电池500和燃料箱502之间的共享TE模块507。在该实施例中，燃料电池500和燃料箱502中的每一个均可以使用单独的分离的TE模块504、506独立地加热或冷却。另外，也可以影响(leverage)共享TE模块507的能
量节约方面。因此，在需要加热燃料电池500和燃料箱502之一而冷却另一个的操作条件下，TE模块507可以用于以非常小或几乎没有的能量成本来提供相对热交换。然而，通过具有分离的专用TE模块504、506，仍然保留了燃料电池500和燃料箱502的总体独立热管理能力(包括同时独立地加热或冷却燃料电池500和燃料箱502两者的能力)。与图4所示的实施例类似，图5所示的实施例可以包括用于每一个TE模块的电源，即与第一 TE模块504相关联的第一电源508以及与第二 TE模块506相关联的第二电源 510。控制器512可以控制电源508、510和电节点509(电节点509可以与图4的电节点408类似或者相同，其可以包括能够主动或被动地调节共享TE模块507的电力或者从中接收电力的电路)。控制器512也可以从一个或多个温度传感器514和516 (所述温度传感器测量燃料电池500和燃料箱502的温度)以及一个或多个其他传感器(例如环境温度传感器、湿度传感器等)接收输入。响应于这些信号，控制器512可以确定燃料电池500和燃料箱502的加热或冷却需求，并且控制分离的TE模块504、506和共享的TE模块507。在一些实施例中，可以在实践时使用共享的TE模块507，以便增加潜在的节能效果。图5所示实施例的一种可能扩展是具有多个散布的TE模块的一系列燃料电池和燃料箱，这些TE模块具有共享的冷却/加热能力或者以单独的分离模块为基础。图6中示出了样本实施例。在该实施例中，一系列交替的燃料电池600和燃料箱602被配置为具有多个共享的TE模块604散布其间。TE模块607作为象上述TE模块507那样的共享加热/冷却装置操作。也示出了分离的TE模块604、606，它们也与上述的单独TE模块504、506类似，其中它们只与一个燃料电池600或燃料箱602接触。因此，TE模块604、606可以作为用于燃料电池600和燃料箱602的独立加热器或冷却器而操作。为此目的，分离的TE模块604、606可以与电源608、610相连，而共享的TE模块607可以与电节点609(也可以包括电源)相连。每一个电源608、610和电节点609可以由控制器612控制，所述控制器可以从燃料电池温度传感器614、燃料箱温度传感器616和诸如环境温度传感器、湿度传感器等之类的其他传感器接收输入。如图6所示，燃料电池600、燃料箱602和共享的TE模块607的“链”或样式可以重复所需要的许多个级。这种布置允许TE模块607作为由包括燃料电池的电源供电的便携式电子设备的热控制部件的有效使用。在图6所示的实施例中，燃料电池600配置为与燃料箱602交替，并且对于每一个燃料电池602通常存在一个燃料箱600。然而，可以按照需要改变这种结构，以使得对于每个燃料电池600包括多于一个燃料箱602、对于每个燃料箱602包括多于一个燃料电池600，或者可以按照不同的顺序和配置来设置燃料电池600和燃料箱602。依赖于各种设计标准，例如对于燃料电池600和燃料箱602的空间要求和操作温度，在一些实施例中，例如如果共享的TE模块607位于两个燃料电池600或两个燃料箱602之间而不是位于燃料电池600和燃料箱602之间是更加热学有效的。此外，附加的分离TE模块604、606可以放置于与燃料电池600或燃料箱602中的一个或多个接触，以提供所需的附加加热/冷却控制。图5和图6所示的布置在一些实施例中可以用于逐渐启动的操作条件(如下所讨论的)，所述布置包括单独的燃料电池、单独的燃料箱或者一对或多对燃料电池和燃料箱。在一些这种布置中，由第一燃料电池、第一燃料箱或第一对燃料电池和燃料箱产生的热可以用于产生电能，以辅助将另一个燃料电池、另一个燃料箱或其他对燃料电池和燃料箱逐渐地升高到所需操作温度。这种布置特别有益之处在于由已经操作的燃料电池和燃料箱产生的热可以用于使得或辅助使得其他燃料电池和燃料箱操作。尽管图6的布置描述了通常“夹在”燃料电池600和燃料箱602之间并且与其对齐的共享TE模块607，这种特定的布置只是为了清楚性的目的。具体地，可以移动TE模块607的位置，并且至少一个TE模块607的不会完全地夹在燃料电池600和燃料箱602之间，以便允许对于TE模块607的一些通气空间。现在转到图7，这里说明了根据另一个实施例的燃料电池和燃料箱上的互连热电模块的示意图。在这一特定配置的描述中，假设燃料电池700中的反应是放热的，而燃料箱702中的反应是吸热的。然而，在一些实施例中也可以使用吸热燃料电池700和放热燃料箱702，在这种情况中以下描述将颠倒。这种特定结构使用一对电互连、并且更具体地交叉连接的热电模块704、706，所述热电模块可以相对于环境条件来被动地改进燃料电池700和燃料箱702中反应的效率，以获得所需的操作条件。为此目的，至少一个热电模块704与燃料电池700热接触，而至少另一个热电模块706与燃料箱702热接触。每一个热电模块704、706可以适用于产生与其冷侧和热侧之间温差成比例的电能，并且另外可以适用于接收电能以在两侧之间产生温差。因此，将一对热电模块704、706互连可以被动地调节燃料电池700和燃料箱702的操作，并且还可以被动地扩展它们的正常操作范围(例如它们可以操作的温度范围)。通常，燃料电池700和燃料箱702中的反应遵循三个操作阶段启动阶段、正常操作阶段和热阶段。在启动阶段期间，因为燃料电池700是放电的(在该实施例中)，可以通过与其热接触的热电模块704吸收和转换由燃料电池700产生的热，以产生电能。这种电能然后可以提供给另一个热电模块706以加热燃料箱702。在一些实施例中，在启动阶段，可以加热燃料电池700 (例如使用热电模块704)以增加电容率(permissivity)和离子电导率，其对于燃料电池700中的放热反应的自启动是有用的。因此，热电模块704、706的互连可以在燃料箱702不能够正常操作的环境条件下允许燃料箱702的启动，从而被动地扩展了燃料电池700的操作范围(例如温度范围)。这对于其中燃料箱720中的燃料可能非常冷(或者甚至可以经历结冰条件)的寒冷环境特别有用。
可能发生“结冰”的温度可以依赖于所使用的具体燃料、由燃料电池产生的残留物以及燃料电池700和燃料箱702的其他特性而变化。具体地，术语“结冰”通常可以表示在燃料、残留物等中会形成冰晶或其他固体的温度。例如，在水是残留物的情况下，0摄氏度左右或以下的温度可以导致结冰问题。在启动之后，燃料电池700和燃料箱702逐渐地前进到正常操作阶段，其中燃料电池700和燃料箱702达到其所需的操作条件和温度。在正常操作阶段，热电模块704、706会通过利用由燃料电池700产生的热、由燃料箱702吸收的热和其中燃料电池700和燃料箱702操作来调节温度的环境条件的优势，来被动地调节燃料电池700和燃料箱702中的反应。因此在寒冷的环境中，热电模块704可以继续将由燃料电池700产生的热转换为电能，然后将所述电能传递给燃料箱702的热电模块以便温暖燃料箱702(为了将燃料箱702维持在其正常操作温度内)。在较温暖的环境下，燃料箱702的热电模块可以产生电能，将电能施加至燃料电池700的热电模块704来冷却燃料电池700。因此，在对于燃料电池700和燃料箱702的所需操作具有不利影响的环境条件下(例如环境温度等)，这种配置可以被动地将燃料电池700和燃料箱702维持在正常操作阶段下。另一方面，在较热的环境下或者在操作一定的时间段之后，燃料电池700可能达到“热阶段”。在这种情况下，互连的热电模块704、706然后可以被动地冷却燃料电池700。例如，与燃料箱702热接触的热电模块706可以产生电能，将所述电能提供给与燃料电池700热接触的热电模块704来冷却所述燃料电池700。因此，当处于“热阶段”时，互连的热电模块704、706可以被动地冷却燃料电池700，从而抑制或减小热环境对于燃料电池700的放热反应的不利影响。当燃料电池700和燃料箱702相邻放置时或者放置为燃料电池700和燃料箱702的堆叠的相对末端时(例如如图5和图6所示)，热电模块704和706可以电互连(S卩，使热电模块704之一的热侧与燃料电池700热接触，而使热电模块706的冷侧与燃料箱702热接触)。在一些实施例中，可以同时使用多对电互连的热电模块704、706，以增加一个或多个燃料电池700和燃料箱702的被动调节。在一些其他实施例中，对于具有多个燃料电池和多个燃料箱的结构，可以只电互连一对热电模块，以便启动燃料电池或燃料箱之一，随后依靠(如前所述的)从中产生的热来启动其他燃料电池和燃料箱。通常为了增加一个或多个燃料电池、燃料箱和热电模块之间的热接触，可以使用各种技术。例如可以调节热电模块的形状以便与一个或多个燃料电池和燃料箱的表面或几个表面相对应，以便促进其间的热传导。增加热接触的另一个选项是可以使用粘接或者凝胶，特别是具有良好导热性的粘接或凝胶。另一个选项可以按压热电模块以抵靠在相应的燃料电池或燃料箱上，确保其间良好的接触。在一些实施例中，也可以将热电模块焊接或接合到相应的燃料电池或燃料箱。上述概念的至少一些及其变体可以实现一个或多个优势。例如，可以改变诸如上述便携式电子设备(例如移动电话、智能电话、个人数字助手、台式计算机)之类的许多便携式电子设备的大小和形状，以能够握持在一个或多个人手中，并且可以在不同的操作环境(例如在温暖的3环境、冰冷的环境等)下使用。对于这种小的电子便携式设备，使用燃料电池可能会提出在强度和种类方面与大型燃料电池供电设备(例如工业尺度的燃料电池或汽车用燃料电池)截然不同的一些挑战。例如，这里描述的一些概念可能有助于可应用于手持电子便携式设备的微型化或节省空间要求(或者这二者)。具体地，温度管理对于与人的皮肤或衣服接触或者位于其附近的便携式电子设备要重要的多。另外，这里描述的一些概念可能对于在正常操作期间(例如发送和接收电子消息、语音通信、消费诸如音乐和视频之类的媒体内容等等)与便携式电子设备的需求相一致地供应能量的支持系统具有潜力。另外，这里描述的一些概念可以与多种其他电力相关技术协同操作。例如，这里描述的一些概念可能有助于使得能够通过多个能量存储元件向便携式电子设备供电，例如一个或多个燃料电池、电池、超级电容器和其他能量存储设备。这里描述的一些概念也可以适用于与便携式电子设备的多种形状、尺寸和结构协调地操作。这里描述的一些实施例可以允许便携式电子设备通过使用一个或多个热电模块控制或调节一个或多个燃料电池和一个或多个燃料箱的温度，来在各种操作条件下操作(例如在热环境、冷环境等)。在一些实施例中，可以将各种材料或材料的组合用于制造这里所述的一些或全部部件。例如，这里所述的一个或多个部件可以由一种或多种材料构成，例如聚合物(包括热塑性塑料和热固塑料、ABS、橡胶、硅树脂等)、金属(例如钢、铝、镁等)、陶瓷、化合物(例如碳纤维、凯夫拉尔纤维B等)等等。在一些实施例中，这些材料的组合可以用于提供所需的各个方面，例如结构刚性、韧性、反应性等等。例如，可以通过一种或多种聚合物成分覆盖金属部件(例如TE模块的元件)以便抑制燃料箱或燃料电池(或者两者)中的金属成分和燃料之间的接触，因为特定的燃料可能会与特定的金属反应，这种接触是不需要的。在一些实施例中，可以改变如这里描述的至少一些部件的大小和形状以适应各种形状和大小的便携式电子设备。尽管这里已经参考不同的方面示出和描述了一些实施例，本领域普通技术人员应该理解的是在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化。
权利要求
1.一种用于便携式电子设备的电源，所述电源包括至少一个燃料电池，适用于接收燃料并且从中产生热能来向便携式电子设备的至少一个部件供电；燃料箱，适用于向燃料电池提供燃料；以及至少一个热电模块，与燃料电池和燃料箱中的至少一个热接触，所述热电模块包括至少一个共享的热电模块，所述共享的热电模块与燃料电池和燃料箱中的多于一个热接触，以被动地调节其间的热传递；以及至少一个分离的热电模块，所述分离的热电模块只与一个燃料箱或一个燃料电池热接触，用于独立地调节该燃料电池或该燃料箱的温度；至少一个温度传感器，用于监测至少一个燃料电池和至少一个燃料箱的温度；以及控制器，适用于使用所述温度传感器来监测燃料电池和燃料箱的温度，并且相应地调节热电模块，使得燃料电池和燃料箱的温度位于所需操作范围内。
2.根据权利要求1所述的电源，其中所述控制器操作用于确定所述燃料电池和燃料箱中的至少一个何时位于所需操作温度以下，并且启动相应的热电模块的加热循环。
3.根据权利要求1所述的电源，其中所述控制器操作用于确定所述燃料电池和燃料箱中的至少一个何时位于所需操作温度以上，并且启动相应的热电模块的冷却循环。
4.一种用于便携式电子设备的电源，所述电源包括至少一个燃料电池，适用于接收燃料并且从中产生热能来向便携式电子设备的至少一个部件供电；至少一个燃料箱，适用于向燃料电池提供燃料；以及至少一个热电模块，与燃料电池和燃料箱中的至少一个热接触，并且适用于调节所述至少一个燃料电池和至少一个燃料箱的温度。
5.根据权利要求4所述的电源，还包括控制器，适用于监测燃料电池和燃料箱中的至少一个的温度，并且相应地调节热电模块，使得燃料电池和燃料箱中的至少一个的温度位于所需操作范围内。
6.根据权利要求5所述的电源，其中所述控制器适用于使用至少一个温度传感器来监测燃料电池和燃料箱的温度。
7.根据权利要求6所述的电源，还包括环境温度传感器，用于测量环境温度；并且所述控制器适用于基于环境温度来调节热电模块。
8.根据权利要求4所述的电源，其中所述至少一个热电模块包括至少一个共享的热电模块，所述共享的热电模块与燃料电池和燃料箱中的多于一个热接触，以被动地调节其间的热传递。
9.根据权利要求4所述的电源，其中所述至少一个热电模块包括至少一个分离的热电模块，所述分离的热电模块只与一个燃料箱或一个燃料电池热接触，用于独立地调节该燃料电池或燃料箱的温度。
10.根据权利要求4所述的电源，其中所述至少一个热电模块适用于吸热并且从中产生电能，所述电能可以用于所述便携式电子设备。
11.根据权利要求10所述的电源，其中至少一个热电模块适用于产生过剩的电能。
12.根据权利要求11所述的电源，其中将所述过剩的电能存储在能量存储设备中。
13.根据权利要求4所述的电源，还包括至少一个电源，用于向至少一个热电模块供电。
14.根据权利要求4所述的电源，其中所述至少一个热电模块包括互连的热电模块对，所述互连的热电模块对包括与第一燃料电池热接触的第一热电模块和与第一燃料箱热接触的第二热电模块。
15.根据权利要求14所述的电源，其中第一燃料电池是放热燃料电池，并且第一燃料箱是吸热燃料箱。
16.根据权利要求14所述的电源，其中第一燃料电池是吸热燃料电池，并且第一燃料箱是放热燃料箱。
17.根据权利要求4所述的电源，其中所述至少一个燃料箱和所述至少一个燃料电池包括一系列交替排列的燃料电池和燃料箱，其间散布了多个共享的热电模块。
18.根据权利要求4所述的电源，其中至少一个燃料电池和至少一个燃料箱之间放置有热电模块，使得热电模块的第一表面与燃料电池的第一表面热接触，而热电模块的第二表面与燃料箱的表面热接触。
19.一种便携式电子设备，包括至少一个电子部件；以及用于向所述至少一个部件供电的电源，所述电源包括至少一个燃料电池，适用于接收燃料并且从中产生热能来向至少一个部件供电；至少一个燃料箱，适用于向燃料电池提供燃料；以及至少一个热电模块，与燃料电池和燃料箱中的至少一个热接触，用于调节所述至少一个燃料电池和至少一个燃料箱的温度。
20.根据权利要求19所述的便携式电子设备，还包括控制器，适用于监测燃料电池和燃料箱的温度，并且相应地调节热电模块，使得燃料电池和燃料箱的温度位于所需操作范围内。
全文摘要
一种用于便携式电子设备的电源。所述电源包括至少一个燃料电池，适用于接收燃料并且从中产生热能来向便携式电子设备的至少一个部件供电；燃料箱，适用于向燃料电池提供燃料；以及至少一个热电模块，与燃料电池和燃料箱中的至少一个热接触，用于调节所述至少一个燃料电池和至少一个燃料箱的温度。
文档编号H01M8/04GK102569849SQ20111042396
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者大卫·杰勒德·里奇, 莱亚·肯尼思·温格 申请人:捷讯研究有限公司