用於具有熱電模塊的可攜式電子設備的燃料電池電源的製作方法

2023-05-07 00:02:36

專利名稱：用於具有熱電模塊的可攜式電子設備的燃料電池電源的製作方法
技術領域：
這裡的實施例通常涉及燃料電池領域，更具體地涉及一種具有至少一個熱電模塊的可攜式電子設備的燃料電池。
背景技術：
由於燃料電池對於利用相對較低的環境影響進行發電的潛在益處，近年來燃料電池已經受到了顯著的關注。燃料電池的基本原理已經被認識了很長一段時間，但是由於多種挑戰而並沒有被廣泛接受，這種挑戰包括燃料電池的尺寸、相對較高的生產成本以及管理燃料電池操作的難度。通常，燃料電池是一種電化學轉換裝置，其在存在電解質的情況下根據燃料和氧化劑之間的反應來產生電力。在操作時，燃料和氧化劑流到燃料電池中，從而產生了電力和流出的殘留物。例如在氫燃料電池的情況下，將氫用作燃料並且將氧氣(或空氣)用作氧化劑，而產生水作為殘留物(或者是液體或者是氣體的)。與化學地存儲電能的電池不同，燃料電池消耗反應劑來產生電能，從而要求補充反應劑以維持反應。因此，燃料電池通常伴有燃料箱來按照需要儲存和提供燃料。依賴於在具體燃料電池中使用的燃料的類型，燃料電池的操作溫度和相關聯的燃料箱可能變化非常大。在一些示例中，當超出具體溫度範圍時，燃料電池和燃料箱可能不會正確操作或者不具有所需的效率。另外，當燃料電池或燃料箱的溫度足夠低時，可能會發生幹擾燃料電池操作的結冰問題。當燃料電池在熱或冷的環境中操作時，溫度問題可能尤其成問題。

發明內容
每一個電源可以包括至少一個燃料電池、至少一個燃料箱和至少一個熱電模塊。每一個熱電模塊可以改變大小和形狀以與燃料電池和燃料箱中的至少一個交換熱量。例如，熱電模塊可以操作用於從燃料電池或燃料箱接收熱量，進而產生電能(換句話說，熱電模塊可以在操作時接收熱能作為輸入，並且產生電能作為輸出)。在其他示例中，熱電模塊可以(例如從電池)接收電能，並且進而產生熱能來加熱燃料箱或燃料電池中的一個或多個。在一些實施例中，一個或多個熱電模塊可以與燃料箱或燃料電池中的一個或多個(或者兩者都)熱接觸。如這裡所使用的，表達「熱接觸」通常包括允許兩個部分之間熱傳導的所有直接和間接關係。例如，熱電模塊的第一表面可以與燃料箱上的第二表面直接物理接觸，允許經由熱電模塊和燃料箱之間的傳導的熱傳遞。在一些實施例中，熱傳遞可以經由其他模式進行，例如對流和輻射。例如，一個或多個熱電模塊可以操作用於與一個或多個燃料電池和燃料箱交換熱量，但是其間不存在物理接觸(例如，熱電模塊可以與燃料電池或燃料箱間隔開，但是改變熱電模塊的大小和形狀以仍然允許其間的對流和輻射)。
在一些實施例中，在電源中可以將熱電模塊放置為與燃料電池熱接觸。熱電模塊可以接收由燃料電池產生的熱，並且使用這種熱來產生然後可以由可攜式電子設備使用的電能(例如為電池充電、向處理器、存儲器、顯示器等供電)。在一些情況下，所產生的電能的至少一些可以存儲在能量存儲元件中(例如，電池、電容器、超級電容器或任意其他類型的能量存儲系統)。在各種示例中，能量存儲元件可以是電子設備的能量存儲元件(例如電池)、電子設備的充電器、可選的能量存儲元件(例如可更換外設)等等。在一些示例中，可以將產生的電能的至少一些直接饋給可攜式電子設備的一個或多個電子部件而無需存儲。在一些示例中，可以將電能提供給熱電模塊，以產生熱來加熱燃料電池。這種熱對於使電子設備的一個或多個部件「除冰」、將燃料電池溫度或燃料箱溫度(或者兩者的溫度)升高到所需操作溫度等等都特別有用。當燃料電池在可攜式電子設備中並且在寒冷的環境條件下操作時這可能特別有益。在一些實施例中，可以將熱電模塊放置為與燃料箱熱接觸。例如，所述熱電模塊可以用於使用從燃料箱提取的熱來產生電能。替代地，可以通過電能向熱電模塊供電以產生熱來加熱燃料箱(例如，用於對燃料箱除冰)。在一些實施例中，至少一個分離的熱電模塊可以用於至少一些燃料電池和燃料箱。這可以允許獨立地控制燃料電池和燃料箱中的至少一個的溫度。在一些實施例中，可以將至少一個共享的熱電模塊放置為與燃料電池和燃料箱兩者、或者與多於一個燃料電池或者多於一個燃料箱熱接觸。在一些這樣的示例中，共享的熱電模塊可以用於提供燃料電池和燃料箱之間的相對加熱或冷卻(或者兩者)。例如，共享的熱電模塊可以在從燃料箱吸熱的同時向燃料電池供熱。替代地，共享的熱電模塊可以在從燃料電池吸熱的同時向燃料箱供熱。在一些實施例中，共享的熱電模塊可以從燃料箱和燃料電池兩者提取熱以產生電力，或者可以加熱燃料箱和燃料電池兩者。在一些實施例中，多個燃料電池和多個燃料箱可以與多個熱電模塊熱接觸。所述熱電模塊中的一個或多個可以只與一個燃料電池或一個燃料箱熱接觸、與多個燃料電池或燃料箱熱接觸、或者與一個或多個燃料電池以及一個或多個燃料箱兩者都熱接觸。在一些實施例中，可以根據所需應用的操作特性來使用熱電模塊、燃料電池和燃料箱的各種組合。例如，可以將多個燃料電池和燃料箱設置為堆疊結構，其中一個或多個熱電模塊散布或者「夾在」燃料電池和燃料箱之間，這可以在相對較小的空間中提供所需的操作條件。在一些實施例中，控制器可以用於控制一個或多個熱電模塊。例如，控制器可以監測燃料電池或燃料箱(或者兩者)的溫度，並且相應地調節一個或多個相關聯的熱電模塊。具體地，在具有多個燃料電池和燃料箱的結構中，控制器可以監測燃料電池和燃料箱的溫度並且調節熱電模塊，使得燃料電池和燃料箱的溫度位於所需的操作範圍內。在一些實施例中，控制器可以監測可攜式電子設備中的一個或多個周圍溫度(例如可攜式電子設備的一個或多個部件的溫度，環境空氣溫度等等)，並且可以響應於測量的溫度來調整熱電模塊的調節。在一些實施例中，可以使用一對或多對電互連的熱電模塊。對於給定的熱電模塊對，一個熱電模塊可以與燃料電池熱接觸，而另一個熱電模塊可以與燃料箱熱接觸。在一些示例中，一對熱電模塊可以使用燃料電池產生的熱來擴展燃料箱的操作範圍，反之亦然。


為了更好的理解這裡描述的實施例並且為了更清楚地示出它們如何實現，現在作為示例對附圖進行參考。圖1是向電負載供電並且具有燃料箱的燃料電池的示意圖。圖2是其中具有燃料電池和燃料箱的可攜式電子設備的示意圖，燃料電池和燃料箱中的每一個與熱電模塊熱接觸。圖3是燃料電池和燃料箱的示意圖，每一個均與分離的熱電模塊熱接觸，並且包括用於控制熱電模塊的控制器。圖4是與共享的熱電模塊熱接觸的燃料電池和燃料箱的示意圖。圖5是與共享的熱電模塊和分離的熱電模塊熱接觸的燃料電池和燃料箱的示意圖。圖6是與多個共享的和分離的熱電模塊熱接觸的一系列燃料電池和燃料箱的示意圖。圖7是與燃料電池和燃料箱熱接觸的交叉連接熱電模塊的示意圖。
具體實施例方式轉向圖1，其中示出了下面將進一步詳細描述的系統的介紹性概述。圖1示出了與電負載104物理相連並且向其供電的燃料電池102。電負載104可以代表任意個數的可攜式電子設備(例如行動電話、智慧型電話、個人數字助手、可攜式視頻遊戲臺、平板計算機、媒體播放器等)的任意一個或多個電子部件(例如處理器、存儲器、顯示器、電池、無線發射機、無線接收機、發光元件等)。許多這種設備是手持設備，即調節它們的尺寸和形狀(或兩者)以在一個或多個人的手中握持。如圖所示出的，燃料電池102與一個或多個燃料箱100物理相連，使得燃料電池102適用於從一個或多個燃料箱100接收燃料(或者能夠接收燃料)。現在轉到圖2至圖7，這裡一般性地描述了用於可攜式電子設備的電源。每一個電源包括至少一個燃料電池、至少一個燃料箱和至少一個熱電模塊。每一個熱電模塊可以改變大小和形狀以與燃料電池和燃料箱中的至少一個交換熱量。例如，熱電模塊可以操作用於從燃料電池或燃料箱接收熱量，進而產生電能(換句話說，熱電模塊可以在操作時接收熱能作為輸入，並且產生電能作為輸出)。在其他示例中，熱電模塊可以(例如從電池)接收電能，並且進而產生熱量來加熱燃料箱和燃料電池中的一個或多個。現在具體地轉到圖2，這裡示出了(可攜式電子設備201中的)具有燃料電池200和燃料箱202的電源。燃料電池200和燃料箱202中的每一個均具有相鄰的熱電(TE)模塊(例如，第一 TE模塊204與燃料電池200熱接觸，而第二 TE模塊206與燃料箱202熱接觸)。通常，每一個TE模塊204、206具有熱側和冷側。TE模塊的熱側和冷側之間的溫度差根據稱為「珀爾帖效應」的現象而產生電能。具體地，由每一個TE模塊204、206產生的電能通常是關於每一個TE模塊204、206的熱側和冷側之間的溫度差。
通過將每一個TE模塊204、206的熱側放置為與相對較熱的本體或表面(例如燃料電池200或燃料箱20 熱接觸，並且將冷側放置為與相對較冷的本體或表面(例如環境空氣)熱接觸，TE模塊204、206可以用於產生電能。例如如圖2所示，第一 TE模塊204與燃料電池200相鄰並且與之熱接觸(例如，燃料電池200的至少一個表面200a與第一 TE模塊204的至少一個表面20 直接物理接觸)。TE模塊204的至少另一側204b與另一個通常較冷的本體或表面(例如環境大氣或另一個吸熱設備(heat sink))熱接觸。類似地，第二 TE模塊206與燃料箱202相鄰並且與之熱接觸(例如，燃料箱的至少一個表面20 與第二 TE模塊206的至少一個表面206a接觸)。如同第一 TE模塊204一樣，第二 TE模塊206的至少另一個表面206b與諸如環境大氣之類的較冷本體熱接觸。如圖所示出的，第一 TE模塊204具有示出為與第一電節點208相連的一組電導線，並且第二 TE模塊206也具有示出為與第二電節點210相連的一組電導線。通常，電節點208、210可以與可攜式電子設備201的一個或多個電子部件電耦合或者表示可攜式電子設備201的一個或多個電子部件(例如，處理器、存儲器、電池、顯示器、無線發射機或其他負載等等)。在一些實施例中，所述電節點208、210可以包括用於向TE模塊204、206供電的一個或多個電源。通常，與燃料電池和燃料箱一起使用TE模塊可以提供取決於電源操作條件的各種優勢。例如，在圖3中示意性地示出了一個實施例。在這一具體方面，至少一個TE模塊用於燃料電池300和燃料箱302的加熱。這在燃料電池300和燃料箱302中的至少一個太冷而不能有效操作時的啟動條件期間是特別有用的。實際上，在某些低溫條件下，可能在燃料箱302或燃料電池300(或兩者)的周圍形成冰。通常，應該在操作燃料電池300以產生電能之前解凍這種冰。如圖3所示，(可攜式電子設備301中的)電源具有燃料電池300和燃料箱302。燃料電池300和燃料箱302中的每一個均具有其自己的TE模塊(例如第一 TE模塊304和第二 TE模塊306)。第一 TE模塊304與燃料電池300相關聯，而第二 TE模塊306與燃料箱302相關聯。另外，在該實施例中，第一 TE模塊304與燃料電池300直接熱接觸，而第二 TE模塊306與燃料箱302直接熱接觸。在一些實施例中，單獨的TE模塊可以用於加熱燃料電池300和燃料箱302兩者，或者燃料電池300和燃料箱302中的一個或另一個可以具有與其相關聯的TE模塊，而另一個不具有TE模塊。然而在圖3所示的配置中，對於燃料電池300和燃料箱302使用單獨的或分離的TE模塊304、306可以允許按照不同的速率和不同的目標溫度來加熱燃料電池300和燃料箱302。因為燃料電池300和燃料箱302的所需操作溫度可能是不同的，這是特別有用的。因此，獨立加熱燃料電池300和燃料箱302可能會提供一種更加精確和高效的電源。在一些實施例中，可以通過電源308和301分別向TE模塊304、306供電。電源308,310可以是一個或多個電池。在一些實施例中，可以通過控制器312來控制TE模塊304、306、具體地，控制器312可以用於控制從電源308、310向TE模塊304、306的供電。在一些實施例中，控制器312可以包括微處理器、微控制器或其他合適類型的控制設備。
在圖3所示的實施例中，控制器312可以從一個以上的傳感器314和316接收一個或多個信號輸入。例如，傳感器314、361可以是對燃料電池300和燃料箱302的溫度進行測量的溫度傳感器。在一些實施例中，控制器312也可以具有用於監測環境空氣溫度的環境溫度傳感器318和其他傳感器(例如溼度傳感器、壓力傳感器等)。通常，溫度傳感器產生根據檢測溫度的溫度信號。例如，所述溫度信號可以是檢測溫度是在閾值(或參考)溫度以上還是以下、或是否位於溫度範圍內的函數。其他傳感器可以類似地運行(例如，溼度傳感器可以產生根據檢測溼度的溼度信號，壓力傳感器可以產生根據檢測壓力的壓力信號等等)。控制器312可以使用這些信號來監測各種參數。在一些實施例中，響應於從傳感器314、316、318接收的信號，控制器312可以產生控制信號並且向電源308和310發送控制信號，來啟動對於TE模塊304、306的一個或多個加熱循環。因此，當燃料電池300或燃料箱302(或者兩者)太冷時(例如小於所需的操作溫度)，例如在啟動條件期間，可以將來自相應TE模塊304、306的加熱循環用於使燃料電池300和燃料箱302達到所需的操作溫度。除了向燃料電池300和燃料箱302供熱之外，圖3所示的配置也可以用於冷卻一個或多個部件。具體地，可以通過反轉電源308、310的極性將TE模塊304、306用作冷卻元件。因此，如果燃料電池300的溫度或燃料箱302的溫度(或者兩者的溫度)上升到所需溫度閾值以上，控制器312可以用於控制電源308、310向其相應的TE模塊304、306供電，以便向TE模塊304、306與燃料電池300或燃料箱302熱接觸的那些側提供冷卻。例如，在一些實施例中，燃料電池300可以是直接甲醇燃料電池(DMFC)，所述DMFC配置用於在約10攝氏度至70攝氏度之間的所需溫度或者其他溫度操作。在一些實施例中，燃料電池300可以是質子交換膜(PEM)燃料電池，所述PEM燃料電池配置用於在約10攝氏度至70攝氏度之間的所需溫度或者其他溫度操作。在其他實施例中，燃料電池300可以是固態氧化物燃料電池(SOFC)，所述SOFC配置用於在約600攝氏度以上以及在一些情況下在約800攝氏度以上的所需溫度操作。再次參考圖2，示出了電源的另一個方面，其中電節點208、210的任一個或兩者可以包括用於從相應的TE模塊204、206接收電能的電路。也就是說，如果燃料電池200或燃料箱202的溫度與環境溫度足夠不同，TE模塊204、206將會吸熱並且從中產生電能，所述電能能夠用於可攜式電子設備。通常，這種電能可以直接施加至正在進行的設備操作(例如，用於向顯示器、存儲器等供電)，或者可以存儲在能量存儲設備(例如電池)中用於後續使用。用於可攜式電子設備的電源的另一個實施例如圖4所示。在該實施例中，燃料電池400和燃料箱402之間放置有TE模塊404。TE模塊404的朝向為使得TE模塊404的第一表面40 與燃料電池400的第一表面400a熱接觸，而TE模塊404的第二表面404b (並且具有相反的熱響應)與燃料箱402的表面40 熱接觸。在該實施例中，通常將第一熱表面40 和第二熱表面404b稱作「熱側」和「冷側」。依賴於應用、所體驗的溫度和電流流過TE模塊404的方向，第一或第二熱表面4(Ma、404b的哪一個表面是「熱側」哪一個表面是「冷側」可以是不同的。通過將TE模塊404放置於燃料電池400和燃料箱402之間(並且與其直接熱接觸)，可以按照被動(passive)的方式在其間實現相對的熱控制。也就是說，在沒有主動地控制TE模塊404的操作、或者在沒有從電源向TE模塊404供電、或者這兩種情況下，「被動地」管理熱。在典型的操作模式下，被動地調節燃料電池400和燃料箱402之間的熱，所述TE模塊404在不通過任意其他部件主動控制的情況下操作。另外，即使在一些示例中TE模塊404可以主動地產生電能，TE模塊404也可以被動地調節熱。因為在TE模塊404兩端的溫差和電能(按照從TE模塊404 —側流到另一側的電能形式)之間存在一定關係，圖4的布置可以依賴於燃料電池400和燃料箱402的相對溫度以及燃料電池400和燃料箱402的所需溫度是什麼，來按照不同的操作模式運行。此外，在一些實施例中，可以調節從TE模塊404的一側流到另一側的電能，以通常按照所需地調節燃料電池400和燃料箱402之間的相對溫度。在一些實施例中，圖4所示實施例的一個益處在於TE模塊404可以不需要分離的電源來調節燃料電池400和燃料箱402的溫度。具體地，在特定的操作條件下，可以在損耗來自燃料電池400和燃料箱中的一個的熱的同時吸收來自燃料電池400和燃料箱402中的另一個的熱，以便維持對於燃料電池400和燃料箱402的所需溫度。在一些這種情況下，TE模塊404可以在產生電能而不是消耗電能的同時完成調節燃料電池400和燃料箱402的溫度的任務。在這些情況下，電節點408可以包括能量存儲設備(例如電池)來存儲所產生的電能，或者適用於將過剩的電能(例如，不用於溫度管理的補充電能)遞送給可攜式電子設備的另一個部分(例如，用於向顯示器、處理器等供電)。在一些實施例中，電節點408可以包括電負載(在各種實施例中可以是固定的或可變的)或者減小所得到電能的其他裝置。這對於限制TE模塊404的兩側4(Ma、404b處的相應熱吸收和熱損耗是有益的，從而限制了對於燃料電池400和燃料箱402的加熱/冷卻效應。在可能需要附加的相對加熱和冷卻的實施例中，電節點408可以包括電流源電源(或者其他電源)，所述電流源電源操作用於增加TE模塊404的兩側4(Ma、404b之間的電流，從而增加兩側4(Ma、40b之間的溫差。如上所述，圖4所示的實施例可以提供這樣的優勢不會總是要求供電來調節燃料電池400和燃料箱402的溫度。儘管在一些情況下這可能要求(例如，與圖3所示的控制器312相比)更複雜的控制系統，這也可以導致相對的能量節省。也就是說，儘管圖3所示的實施例的加熱和冷卻功能有時要求(例如從由電節點408提供的電源)輸入電能，在某些操作條件下，TE模塊404的相對加熱/冷卻布置可以用作燃料電池400和燃料箱402之間的熱交換器，使得不需要電能來調節溫度；並且實際上在具體的操作條件下，TE模塊404可以用作電能發生器並且產生過剩的電力。如圖4所示，控制器412可以用於分別經由溫度傳感器414和416來監測燃料電池400和燃料箱402的溫度，並且可以從諸如環境溫度傳感器、溼度傳感器等之類的其他傳感器418接收其他輸入。可以將從控制器412至電節點408的輸出用於控制TE模塊404。如應該理解的，電節點408可以包括具有不同電路部件和操作模式的一個或多個電路，這依賴於是否調節電流、是否產生電流或電流是否用於能量回收。然而，圖4所示的實施例稍受限於不能容易地同時加熱燃料電池400和燃料箱402兩者或者同時冷卻燃料電池400和燃料箱402兩者。因此圖5所示的是具有燃料電池500和燃料箱502的實施例，燃料電池500和燃料箱502中的每一個均具有其自己的相應分離的TE模塊504、506以及位於燃料電池500和燃料箱502之間的共享TE模塊507。在該實施例中，燃料電池500和燃料箱502中的每一個均可以使用單獨的分離的TE模塊504、506獨立地加熱或冷卻。另外，也可以影響(leverage)共享TE模塊507的能
量節約方面。因此，在需要加熱燃料電池500和燃料箱502之一而冷卻另一個的操作條件下，TE模塊507可以用於以非常小或幾乎沒有的能量成本來提供相對熱交換。然而，通過具有分離的專用TE模塊504、506，仍然保留了燃料電池500和燃料箱502的總體獨立熱管理能力(包括同時獨立地加熱或冷卻燃料電池500和燃料箱502兩者的能力)。與圖4所示的實施例類似，圖5所示的實施例可以包括用於每一個TE模塊的電源，即與第一 TE模塊504相關聯的第一電源508以及與第二 TE模塊506相關聯的第二電源 510。控制器512可以控制電源508、510和電節點509(電節點509可以與圖4的電節點408類似或者相同，其可以包括能夠主動或被動地調節共享TE模塊507的電力或者從中接收電力的電路)。控制器512也可以從一個或多個溫度傳感器514和516 (所述溫度傳感器測量燃料電池500和燃料箱502的溫度)以及一個或多個其他傳感器(例如環境溫度傳感器、溼度傳感器等)接收輸入。響應於這些信號，控制器512可以確定燃料電池500和燃料箱502的加熱或冷卻需求，並且控制分離的TE模塊504、506和共享的TE模塊507。在一些實施例中，可以在實踐時使用共享的TE模塊507，以便增加潛在的節能效果。圖5所示實施例的一種可能擴展是具有多個散布的TE模塊的一系列燃料電池和燃料箱，這些TE模塊具有共享的冷卻/加熱能力或者以單獨的分離模塊為基礎。圖6中示出了樣本實施例。在該實施例中，一系列交替的燃料電池600和燃料箱602被配置為具有多個共享的TE模塊604散布其間。TE模塊607作為象上述TE模塊507那樣的共享加熱/冷卻裝置操作。也示出了分離的TE模塊604、606，它們也與上述的單獨TE模塊504、506類似，其中它們只與一個燃料電池600或燃料箱602接觸。因此，TE模塊604、606可以作為用於燃料電池600和燃料箱602的獨立加熱器或冷卻器而操作。為此目的，分離的TE模塊604、606可以與電源608、610相連，而共享的TE模塊607可以與電節點609(也可以包括電源)相連。每一個電源608、610和電節點609可以由控制器612控制，所述控制器可以從燃料電池溫度傳感器614、燃料箱溫度傳感器616和諸如環境溫度傳感器、溼度傳感器等之類的其他傳感器接收輸入。如圖6所示，燃料電池600、燃料箱602和共享的TE模塊607的「鏈」或樣式可以重複所需要的許多個級。這種布置允許TE模塊607作為由包括燃料電池的電源供電的可攜式電子設備的熱控制部件的有效使用。在圖6所示的實施例中，燃料電池600配置為與燃料箱602交替，並且對於每一個燃料電池602通常存在一個燃料箱600。然而，可以按照需要改變這種結構，以使得對於每個燃料電池600包括多於一個燃料箱602、對於每個燃料箱602包括多於一個燃料電池600，或者可以按照不同的順序和配置來設置燃料電池600和燃料箱602。依賴於各種設計標準，例如對於燃料電池600和燃料箱602的空間要求和操作溫度，在一些實施例中，例如如果共享的TE模塊607位於兩個燃料電池600或兩個燃料箱602之間而不是位於燃料電池600和燃料箱602之間是更加熱學有效的。此外，附加的分離TE模塊604、606可以放置於與燃料電池600或燃料箱602中的一個或多個接觸，以提供所需的附加加熱/冷卻控制。圖5和圖6所示的布置在一些實施例中可以用於逐漸啟動的操作條件(如下所討論的)，所述布置包括單獨的燃料電池、單獨的燃料箱或者一對或多對燃料電池和燃料箱。在一些這種布置中，由第一燃料電池、第一燃料箱或第一對燃料電池和燃料箱產生的熱可以用於產生電能，以輔助將另一個燃料電池、另一個燃料箱或其他對燃料電池和燃料箱逐漸地升高到所需操作溫度。這種布置特別有益之處在於由已經操作的燃料電池和燃料箱產生的熱可以用於使得或輔助使得其他燃料電池和燃料箱操作。儘管圖6的布置描述了通常「夾在」燃料電池600和燃料箱602之間並且與其對齊的共享TE模塊607，這種特定的布置只是為了清楚性的目的。具體地，可以移動TE模塊607的位置，並且至少一個TE模塊607的不會完全地夾在燃料電池600和燃料箱602之間，以便允許對於TE模塊607的一些通氣空間。現在轉到圖7，這裡說明了根據另一個實施例的燃料電池和燃料箱上的互連熱電模塊的示意圖。在這一特定配置的描述中，假設燃料電池700中的反應是放熱的，而燃料箱702中的反應是吸熱的。然而，在一些實施例中也可以使用吸熱燃料電池700和放熱燃料箱702，在這種情況中以下描述將顛倒。這種特定結構使用一對電互連、並且更具體地交叉連接的熱電模塊704、706，所述熱電模塊可以相對於環境條件來被動地改進燃料電池700和燃料箱702中反應的效率，以獲得所需的操作條件。為此目的，至少一個熱電模塊704與燃料電池700熱接觸，而至少另一個熱電模塊706與燃料箱702熱接觸。每一個熱電模塊704、706可以適用於產生與其冷側和熱側之間溫差成比例的電能，並且另外可以適用於接收電能以在兩側之間產生溫差。因此，將一對熱電模塊704、706互連可以被動地調節燃料電池700和燃料箱702的操作，並且還可以被動地擴展它們的正常操作範圍(例如它們可以操作的溫度範圍)。通常，燃料電池700和燃料箱702中的反應遵循三個操作階段啟動階段、正常操作階段和熱階段。在啟動階段期間，因為燃料電池700是放電的(在該實施例中)，可以通過與其熱接觸的熱電模塊704吸收和轉換由燃料電池700產生的熱，以產生電能。這種電能然後可以提供給另一個熱電模塊706以加熱燃料箱702。在一些實施例中，在啟動階段，可以加熱燃料電池700 (例如使用熱電模塊704)以增加電容率(permissivity)和離子電導率，其對於燃料電池700中的放熱反應的自啟動是有用的。因此，熱電模塊704、706的互連可以在燃料箱702不能夠正常操作的環境條件下允許燃料箱702的啟動，從而被動地擴展了燃料電池700的操作範圍(例如溫度範圍)。這對於其中燃料箱720中的燃料可能非常冷(或者甚至可以經歷結冰條件)的寒冷環境特別有用。
可能發生「結冰」的溫度可以依賴於所使用的具體燃料、由燃料電池產生的殘留物以及燃料電池700和燃料箱702的其他特性而變化。具體地，術語「結冰」通常可以表示在燃料、殘留物等中會形成冰晶或其他固體的溫度。例如，在水是殘留物的情況下，0攝氏度左右或以下的溫度可以導致結冰問題。在啟動之後，燃料電池700和燃料箱702逐漸地前進到正常操作階段，其中燃料電池700和燃料箱702達到其所需的操作條件和溫度。在正常操作階段，熱電模塊704、706會通過利用由燃料電池700產生的熱、由燃料箱702吸收的熱和其中燃料電池700和燃料箱702操作來調節溫度的環境條件的優勢，來被動地調節燃料電池700和燃料箱702中的反應。因此在寒冷的環境中，熱電模塊704可以繼續將由燃料電池700產生的熱轉換為電能，然後將所述電能傳遞給燃料箱702的熱電模塊以便溫暖燃料箱702(為了將燃料箱702維持在其正常操作溫度內)。在較溫暖的環境下，燃料箱702的熱電模塊可以產生電能，將電能施加至燃料電池700的熱電模塊704來冷卻燃料電池700。因此，在對於燃料電池700和燃料箱702的所需操作具有不利影響的環境條件下(例如環境溫度等)，這種配置可以被動地將燃料電池700和燃料箱702維持在正常操作階段下。另一方面，在較熱的環境下或者在操作一定的時間段之後，燃料電池700可能達到「熱階段」。在這種情況下，互連的熱電模塊704、706然後可以被動地冷卻燃料電池700。例如，與燃料箱702熱接觸的熱電模塊706可以產生電能，將所述電能提供給與燃料電池700熱接觸的熱電模塊704來冷卻所述燃料電池700。因此，當處於「熱階段」時，互連的熱電模塊704、706可以被動地冷卻燃料電池700，從而抑制或減小熱環境對於燃料電池700的放熱反應的不利影響。當燃料電池700和燃料箱702相鄰放置時或者放置為燃料電池700和燃料箱702的堆疊的相對末端時(例如如圖5和圖6所示)，熱電模塊704和706可以電互連(S卩，使熱電模塊704之一的熱側與燃料電池700熱接觸，而使熱電模塊706的冷側與燃料箱702熱接觸)。在一些實施例中，可以同時使用多對電互連的熱電模塊704、706，以增加一個或多個燃料電池700和燃料箱702的被動調節。在一些其他實施例中，對於具有多個燃料電池和多個燃料箱的結構，可以只電互連一對熱電模塊，以便啟動燃料電池或燃料箱之一，隨後依靠(如前所述的)從中產生的熱來啟動其他燃料電池和燃料箱。通常為了增加一個或多個燃料電池、燃料箱和熱電模塊之間的熱接觸，可以使用各種技術。例如可以調節熱電模塊的形狀以便與一個或多個燃料電池和燃料箱的表面或幾個表面相對應，以便促進其間的熱傳導。增加熱接觸的另一個選項是可以使用粘接或者凝膠，特別是具有良好導熱性的粘接或凝膠。另一個選項可以按壓熱電模塊以抵靠在相應的燃料電池或燃料箱上，確保其間良好的接觸。在一些實施例中，也可以將熱電模塊焊接或接合到相應的燃料電池或燃料箱。上述概念的至少一些及其變體可以實現一個或多個優勢。例如，可以改變諸如上述可攜式電子設備(例如行動電話、智慧型電話、個人數字助手、臺式計算機)之類的許多可攜式電子設備的大小和形狀，以能夠握持在一個或多個人手中，並且可以在不同的操作環境(例如在溫暖的3環境、冰冷的環境等)下使用。對於這種小的電子可攜式設備，使用燃料電池可能會提出在強度和種類方面與大型燃料電池供電設備(例如工業尺度的燃料電池或汽車用燃料電池)截然不同的一些挑戰。例如，這裡描述的一些概念可能有助於可應用於手持電子可攜式設備的微型化或節省空間要求(或者這二者)。具體地，溫度管理對於與人的皮膚或衣服接觸或者位於其附近的可攜式電子設備要重要的多。另外，這裡描述的一些概念可能對於在正常操作期間(例如發送和接收電子消息、語音通信、消費諸如音樂和視頻之類的媒體內容等等)與可攜式電子設備的需求相一致地供應能量的支持系統具有潛力。另外，這裡描述的一些概念可以與多種其他電力相關技術協同操作。例如，這裡描述的一些概念可能有助於使得能夠通過多個能量存儲元件向可攜式電子設備供電，例如一個或多個燃料電池、電池、超級電容器和其他能量存儲設備。這裡描述的一些概念也可以適用於與可攜式電子設備的多種形狀、尺寸和結構協調地操作。這裡描述的一些實施例可以允許可攜式電子設備通過使用一個或多個熱電模塊控制或調節一個或多個燃料電池和一個或多個燃料箱的溫度，來在各種操作條件下操作(例如在熱環境、冷環境等)。在一些實施例中，可以將各種材料或材料的組合用於製造這裡所述的一些或全部部件。例如，這裡所述的一個或多個部件可以由一種或多種材料構成，例如聚合物(包括熱塑性塑料和熱固塑料、ABS、橡膠、矽樹脂等)、金屬(例如鋼、鋁、鎂等)、陶瓷、化合物(例如碳纖維、凱夫拉爾纖維B等)等等。在一些實施例中，這些材料的組合可以用於提供所需的各個方面，例如結構剛性、韌性、反應性等等。例如，可以通過一種或多種聚合物成分覆蓋金屬部件(例如TE模塊的元件)以便抑制燃料箱或燃料電池(或者兩者)中的金屬成分和燃料之間的接觸，因為特定的燃料可能會與特定的金屬反應，這種接觸是不需要的。在一些實施例中，可以改變如這裡描述的至少一些部件的大小和形狀以適應各種形狀和大小的可攜式電子設備。儘管這裡已經參考不同的方面示出和描述了一些實施例，本領域普通技術人員應該理解的是在不脫離所附權利要求所限定的精神和範圍的情況下，可以進行形式和細節上的各種變化。
權利要求
1.一種用於可攜式電子設備的電源，所述電源包括至少一個燃料電池，適用於接收燃料並且從中產生熱能來向可攜式電子設備的至少一個部件供電；燃料箱，適用於向燃料電池提供燃料；以及至少一個熱電模塊，與燃料電池和燃料箱中的至少一個熱接觸，所述熱電模塊包括至少一個共享的熱電模塊，所述共享的熱電模塊與燃料電池和燃料箱中的多於一個熱接觸，以被動地調節其間的熱傳遞；以及至少一個分離的熱電模塊，所述分離的熱電模塊只與一個燃料箱或一個燃料電池熱接觸，用於獨立地調節該燃料電池或該燃料箱的溫度；至少一個溫度傳感器，用於監測至少一個燃料電池和至少一個燃料箱的溫度；以及控制器，適用於使用所述溫度傳感器來監測燃料電池和燃料箱的溫度，並且相應地調節熱電模塊，使得燃料電池和燃料箱的溫度位於所需操作範圍內。
2.根據權利要求1所述的電源，其中所述控制器操作用於確定所述燃料電池和燃料箱中的至少一個何時位於所需操作溫度以下，並且啟動相應的熱電模塊的加熱循環。
3.根據權利要求1所述的電源，其中所述控制器操作用於確定所述燃料電池和燃料箱中的至少一個何時位於所需操作溫度以上，並且啟動相應的熱電模塊的冷卻循環。
4.一種用於可攜式電子設備的電源，所述電源包括至少一個燃料電池，適用於接收燃料並且從中產生熱能來向可攜式電子設備的至少一個部件供電；至少一個燃料箱，適用於向燃料電池提供燃料；以及至少一個熱電模塊，與燃料電池和燃料箱中的至少一個熱接觸，並且適用於調節所述至少一個燃料電池和至少一個燃料箱的溫度。
5.根據權利要求4所述的電源，還包括控制器，適用於監測燃料電池和燃料箱中的至少一個的溫度，並且相應地調節熱電模塊，使得燃料電池和燃料箱中的至少一個的溫度位於所需操作範圍內。
6.根據權利要求5所述的電源，其中所述控制器適用於使用至少一個溫度傳感器來監測燃料電池和燃料箱的溫度。
7.根據權利要求6所述的電源，還包括環境溫度傳感器，用於測量環境溫度；並且所述控制器適用於基於環境溫度來調節熱電模塊。
8.根據權利要求4所述的電源，其中所述至少一個熱電模塊包括至少一個共享的熱電模塊，所述共享的熱電模塊與燃料電池和燃料箱中的多於一個熱接觸，以被動地調節其間的熱傳遞。
9.根據權利要求4所述的電源，其中所述至少一個熱電模塊包括至少一個分離的熱電模塊，所述分離的熱電模塊只與一個燃料箱或一個燃料電池熱接觸，用於獨立地調節該燃料電池或燃料箱的溫度。
10.根據權利要求4所述的電源，其中所述至少一個熱電模塊適用於吸熱並且從中產生電能，所述電能可以用於所述可攜式電子設備。
11.根據權利要求10所述的電源，其中至少一個熱電模塊適用於產生過剩的電能。
12.根據權利要求11所述的電源，其中將所述過剩的電能存儲在能量存儲設備中。
13.根據權利要求4所述的電源，還包括至少一個電源，用於向至少一個熱電模塊供電。
14.根據權利要求4所述的電源，其中所述至少一個熱電模塊包括互連的熱電模塊對，所述互連的熱電模塊對包括與第一燃料電池熱接觸的第一熱電模塊和與第一燃料箱熱接觸的第二熱電模塊。
15.根據權利要求14所述的電源，其中第一燃料電池是放熱燃料電池，並且第一燃料箱是吸熱燃料箱。
16.根據權利要求14所述的電源，其中第一燃料電池是吸熱燃料電池，並且第一燃料箱是放熱燃料箱。
17.根據權利要求4所述的電源，其中所述至少一個燃料箱和所述至少一個燃料電池包括一系列交替排列的燃料電池和燃料箱，其間散布了多個共享的熱電模塊。
18.根據權利要求4所述的電源，其中至少一個燃料電池和至少一個燃料箱之間放置有熱電模塊，使得熱電模塊的第一表面與燃料電池的第一表面熱接觸，而熱電模塊的第二表面與燃料箱的表面熱接觸。
19.一種可攜式電子設備，包括至少一個電子部件；以及用於向所述至少一個部件供電的電源，所述電源包括至少一個燃料電池，適用於接收燃料並且從中產生熱能來向至少一個部件供電；至少一個燃料箱，適用於向燃料電池提供燃料；以及至少一個熱電模塊，與燃料電池和燃料箱中的至少一個熱接觸，用於調節所述至少一個燃料電池和至少一個燃料箱的溫度。
20.根據權利要求19所述的可攜式電子設備，還包括控制器，適用於監測燃料電池和燃料箱的溫度，並且相應地調節熱電模塊，使得燃料電池和燃料箱的溫度位於所需操作範圍內。
全文摘要
一種用於可攜式電子設備的電源。所述電源包括至少一個燃料電池，適用於接收燃料並且從中產生熱能來向可攜式電子設備的至少一個部件供電；燃料箱，適用於向燃料電池提供燃料；以及至少一個熱電模塊，與燃料電池和燃料箱中的至少一個熱接觸，用於調節所述至少一個燃料電池和至少一個燃料箱的溫度。
文檔編號H01M8/04GK102569849SQ20111042396
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月9日 優先權日2010年12月9日
發明者大衛·傑勒德·裡奇, 萊亞·肯尼思·溫格 申請人:捷訊研究有限公司