JP2017537586A - 燃料電池及び電池 - Google Patents

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Abstract

電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリであって、その間に電気接続を有し、前記電気接続は、電池に蓄積された電流が、前記燃料電池アセンブリに流れるのを防ぐために電流ブロック素子を含み、ここで、前記電気接続は、電池に流れる燃料電池アセンブリによって発生した電流について電流制御素子が存在しない。【選択図】 図1

Description

本発明は、電気化学的電池等の電池と結合した燃料電池に関する。本発明はまた、少なくともいくつかの燃料電池の間の構成可能又は再構成可能な相互接続を有するスタック又は平面配列に配置された複数の個別の燃料電池に関する。本発明はまた、複数の燃料電池間の電気相互接続を再構成するために構成された相互接続制御装置に関する。
通常の電気化学的燃料電池は、一般的に燃料と酸化体との両方を、電気エネルギー及び反応生成物に、ガス気流の形態で変換する。水素及び酸素を反応させる電気化学的燃料電池の一般的な種類として、ポリマーイオン（プロトン）交換膜（PEM）を含み、燃料及び空気が膜の各側を通過する。プロトン（いわゆる水素イオン）は、PEMによって伝導され、燃料電池のアノード及びカソードに接続している回路によって伝導された電子によって平衡を保つ。利用可能な電圧を増加させるために、個別のアノード及びカソードの流体流路と共に配置したいくつかの当該膜を含むスタックが形成されうる。当該スタックは、典型的には、スタックのいずれかの端で、エンドプレートによって対面して結合した多数の個別の燃料電池プレートを含むブロックの形態で存在する。
代替の構成では、燃料電池は、対面よりも並んで、平面又は層状配列で配置され、例えば、実質的に層状シートを形成してもよい。
第1の態様に従って、我々は、電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリを提供し、その間に電気接続を有し、電気接続は、電池に蓄積された電流が、燃料電池アセンブリに流れるのを防ぐために電流ブロック素子を含み、ここで、電気接続は、電池に流れる燃料電池アセンブリによって発生した電流についての電流制御素子が存在していない。
このことは、燃料電池を電池からの過電圧から保護されるため利点があるが、燃料電池から電池に流れる電流について電流制御をもたらさないため、素子数が減少する可能性がある。
任意に、電気接続は、DC-DCコンバータを含む電流制御素子が存在していない。任意に、電気接続は、燃料電池アセンブリから電池への電流にカットオフ限界を適用するように構成された電流制御素子が存在していない。そのため、電気接続は、燃料電池アセンブリ、電池又は電流を制御するための組み合わせの測定量を使用する有効な電流制御を含んでいない。
任意に、燃料電池アセンブリの最大開回路電圧は、電池の最大出力電圧以下に構成される。このことは、燃料電池アセンブリ自体が、電流制御のない過剰な電圧から電池を保護するように、電池のパラメータを適合するように構成されるため、利点がある。
任意に、燃料電池アセンブリの最大開回路電圧は、10％超の電池の最大出力電圧と等しい閾値電圧より小さい。あるいは、閾値は電池の最大出力電圧より5％、2％又は1％大きくてもよい。閾値の使用は、燃料電池の開回路電圧出力が、負荷がかかっている燃料電池アセンブリより大きいため、利点がある。
任意に、燃料電池アセンブリは、電池が動作下限電圧で動作しているときに、電池のCレートを満たすことができる電流以下の電流出力を、燃料電池アセンブリのフルパワーで提供するように構成される。そのため、燃料電池の電流出力は、最大で、Cレート×最大電池容量によって規定される最大電流でありうる。
任意に、アセンブリの燃料電池は全て、同じ電気化学的種類である。
任意に、燃料電池アセンブリは、少なくとも2つの燃料電池を含み、燃料電池アセンブリの各燃料電池は、電気相互接続に、アセンブリ又はアセンブリ出力端子のその他の燃料電池を提供するためにアノード及びカソードを有し、ここで燃料電池アセンブリの複数の燃料電池間の電気相互接続は、その複数の燃料電池又はそのサブセットが、以下の少なくとも2つに接続可能であるように、再構成することができる。
i）アセンブリの別の燃料電池と直列である、
ii）アセンブリの別の燃料電池と並列である、又は
iii）アセンブリから切断されている。
任意に、燃料電池アセンブリは、使用している相互接続を能動的に再構成するように構成された相互接続制御装置を含む。
任意に、相互接続制御装置は、直列の燃料電池の数が、燃料電池アセンブリの最大開回路電圧が、電池の最大出力電圧以下であるように構成されるように、燃料電池間の相互接続を能動的に配置するように構成される。
任意に、相互接続制御装置は、並列の燃料電池の数が、電池が動作下限電圧で動作しているときに、電池のCレートを満たすことができる燃料以下の電流出力を、燃料電池アセンブリのフルパワーで提供するように、燃料電池間の相互接続を能動的に配置するように構成される。
任意に、相互接続制御装置は、燃料電池間の相互接続を能動的に配置するように構成され、並列に配置されたセルの隣接するグループの領域を制御し、電池が動作下限電圧で動作しているときに、電池のCレート以下の電流以下の電流出力を、燃料電池アセンブリのフルパワーで提供する。
本発明の2番目の態様に従って、我々は、電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリを提供し、その間に電気接続を有し、電気接続は、電池に流れる燃料電池アセンブリによって発生した電流を制御するために構成されたスイッチを含み、スイッチは、燃料電池アセンブリの出力電圧が、電池の最大電圧より大きいときに、電流が流れるのを防ぐように構成され、スイッチの動作は、瞬時の電圧又はそこでの変化とは独立している。
このことは、燃料電池と電池との間を流れる電流の制御が複雑ではなく、費用効果があるため、利点がある。カットオフスイッチは、最大動作電圧を超える、燃料電池によって発生した電圧から電池を保護するための堅牢な方法を提供し、最大動作電圧は、製造者によって明示されている。
任意に、電気接続は、電池に蓄積された電流が、燃料電池アセンブリに流れるのを防ぐために電流ブロック素子を含む。そのため、燃料電池アセンブリが電池からの電流を受け取らないようにさらに堅牢な素子を提供する。
任意に、スイッチは、燃料電池アセンブリの出力電圧が、電池の最大電圧未満であるとき、変調していない電流を与えられるように構成される。このことは、燃料電池の電圧を電池の電圧に適合するために変調する必要がないため、利点がある。任意に、スイッチは、0.5Hz未満又は0.1Hz未満のスイッチング周波数を有する。そのため、スイッチは、電圧を時間変調するよりカットオフスイッチとして動作する。
任意に、燃料電池アセンブリは、電池が動作下限電圧で動作しているときに、電池のCレートを満たすことができる電流以下の電流出力を、燃料電池アセンブリのフルパワーで提供するように構成される。
任意に、燃料電池アセンブリは、少なくとも2つの燃料電池を含み、燃料電池アセンブリの各燃料電池は、電気相互接続に、アセンブリ又はアセンブリ出力端子のその他の燃料電池を提供するためにアノード及びカソードを有し、ここで、燃料電池アセンブリの複数の燃料電池間の電気相互接続は、燃料電池アセンブリの複数の燃料電池又はそのサブセットが、以下の少なくとも2つに接続可能であるように、構成可能である。
i）アセンブリの別の燃料電池と直列である、
ii）アセンブリの別の燃料電池と並列である、または
iii）前記アセンブリから切断されている。
任意に、燃料電池アセンブリは、使用している相互接続を能動的に再構成するように構成された制御装置を含む。
任意に、制御装置は、並列の燃料電池の数が、電池が動作下限電圧で動作しているときに、電池のCレートを満たすことができる電流以下の電流出力を、燃料電池アセンブリのフルパワーで提供するように、燃料電池間の相互接続を能動的に配置するように構成される。
任意に、制御装置は、燃料電池間の相互接続を能動的に配置するように構成され、並列に配置されたセルの隣接するグループの領域を制御し、電池が動作下限電圧で動作しているときに、電池のCレートを満たすことができる電流以下の電流出力を、燃料電池アセンブリのフルパワーで提供する。
本発明の第3の態様に従って、我々は、電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリを提供し、燃料電池アセンブリは以下のように構成される。
燃料電池アセンブリの最大開回路電圧が、電池の最大出力電圧に関係のある閾値電圧以下であり、及び/又は
燃料電池アセンブリのフルパワーの電流出力が、電池が動作下限電圧で動作しているときに、電池のCレートを満たすことができる電流以下である。
任意に、閾値電圧は、燃料の最大出力電圧と等しい電圧を含む。
任意に、閾値電圧は、燃料の最大出力電圧より10％、5％、2％又は1％大きい電圧を含む。このことは、燃料電池が負荷に接続するときの燃料電池の出力電圧と、その開回路電圧との差を補うことができる。
任意に、電気接続は燃料電池及び電池に接続し、ここで電気接続は、電池に蓄積された電流が、燃料電池アセンブリに流れるのを防ぐために電流ブロック素子を含み、電気接続は、電池に流れる燃料電池アセンブリによって発生した電流の電流制御素子が存在していない。
以下に、例示のためだけに、以下の図を参照することで、本発明の実施形態の詳細な記述がある。
電池と結合した燃料電池アセンブリの概要図を示しており、当該結合は負荷に電力を供給することを示している。 燃料電池アセンブリの例によるセクションを示している。 燃料電池アセンブリの2番目の例によるセクションを示している。 電池と結合した燃料電池アセンブリのさらなる例の概要図を示している。 電池と結合した燃料電池アセンブリの概要図を含むさらなる実施形態を示している。
図1は、電池2と結合した燃料電池アセンブリ1の概要図を示している。燃料電池アセンブリ1及び電池は、負荷3の混成した電源を形成する。当該例では、燃料電池アセンブリ1は、スタックに配置された複数の燃料電池を含む。しかしながら、燃料電池アセンブリ1は、平面又は層状の燃料電池アセンブリ1を含んでいてもよく、燃料電池が対面というより並んで配置されることが理解される。電池は、リチウムイオン電池等の電気化学的電池を含む。電池2は1つ又は複数の電池セルから形成されていてもよい。
図1は、燃料電池アセンブリ1と電池2との間の電気接続4、5を示している。電気接続4、5は、燃料電池アセンブリの出力端子から、電池2の端子まで直接伸びている。電気接続は、矢印4及び矢印5によって表され、燃料電池アセンブリ1と電池2との間の電力潮流を表している。矢印4、5は、物理的接続を表すというより、概要図であることが理解される。矢印4は、燃料電池アセンブリ1から電池2への方向の電力潮流を示しており、それによって燃料電池アセンブリ1によって発生した電力が、電池2に充電及び/又は負荷3に供給することができる。矢印5は、電池2から燃料電池アセンブリ1への方向の電力潮流を示している。電気接続4、5は、電流ブロック素子6を含み、当該例では、電池2に蓄えられた電流が燃料電池アセンブリ1に流れないように、ダイオードを含んでいる。
電気接続4、5は、電池に流れる燃料電池アセンブリによって発生した電流の電流制御素子が存在しない。そのため、電気接続4、5は、電気接続の固有抵抗値以外に、燃料電池アセンブリ1から電池2への電流を能動的に制限することはない。この配置は、DC-DCコンバータ又は電気素子を必要としない費用効果のあるハイブリダイゼーションを提供し、燃料電池アセンブリ1から電池2への電流にカットオフ限界を提供するため、利点がある。
燃料電池アセンブリ1は、ある範囲の電圧を発生させることができる。電池2もまた、充電状態に依存しうる、ある範囲の動作電圧も有する。電池2の動作電圧範囲は、他の要因の中でもとりわけ、電気化学及びデザインによって決定される。電池の製造者は、最大動作電圧及び最小動作電圧として、電池の動作電圧範囲を定める。例えば、典型的なリチウムイオン電池は、製造者が定める3V〜4.2Vの動作電圧を有する。
燃料電池アセンブリ1と電池2との間に、電流制御がない配置であるならば、燃料電池アセンブリ1によって発生した電力範囲が、電池2と互換性があることが保証されることが重要である。そのため、燃料電池アセンブリ1の性能を、混成される電池2の動作電圧範囲に適合することは利点である。そうであっても、燃料電池の出力パラメータを以下に記載の電池の動作範囲に適合することが、いずれかの方向の燃料電池アセンブリと電池との間の電流が供給される又は存在しないことから独立して、行われうることが理解される。
特に、燃料電池アセンブリ1の最大開回路電圧は、製造者が定める電池2の最大動作電圧以下であるように構成されうる。燃料電池アセンブリ1の出力電圧は、直列に配置される（スタック構成又は平面構成の）個々の燃料電池の数によって決定されうる。典型的なプロトン交換膜（PEM）に基づく燃料電池について、個々のセルは、0.6Vの開回路電圧（すなわち負荷に電力供給していないとき）を提供することができる。そのため、直列に配置した燃料電池7個は、それぞれが0.6Vの出力を有し、4.2Vの電圧を提供し、リチウムイオン電池2の最大動作電圧に適合している。そのため、燃料電池アセンブリ1の最大電圧性能は、燃料電池アセンブリ1と電池2との間の電流に、電流制御を提供していないにもかかわらず、最大動作電圧を超える電圧を充電することによって、電池2を破損しないことを保証するように選択することができる。異なる種類のセルがアセンブリ1を形成すると理解されるが、同種類の個々のセルが、同様の最大電圧を出力することが想定される。
他の実施形態では、燃料電池アセンブリ1の最大開回路電圧は、製造者が定める電池の最大出力電圧の10％超と等しい閾値電圧より小さくあるように選択されうる。あるいは、当該閾値は、製造者が定める電池の最大出力電圧より5％、2％又は1％大きくてもよい。燃料電池アセンブリの最大潜在的出直電圧を、電池の動作電圧より大きく設定することによって、過剰な電圧が電池に供給され、電池を破損しうる。しかしながら、閾値を使用することによって、燃料電池アセンブリ1の出力電圧が、電池の最大電圧よりほんのわずか大きいが、おそらく製造者の定める許容差の範囲にあることを保証することができる。また、閾値を使用することによって、収容された開回路電圧より、負荷が供給されるときに、燃料電池アセンブリの電圧降下を許容する。したがって、閾値は、燃料電池アセンブリ1の負荷特性（電圧降下対負荷）に基づいて、決定することができる。閾値は、事前に決定され固定化され、使用する電池2に適用される燃料電池アセンブリ1の電圧が、電池2の最大動作電圧を超えないことを保証するように選択することができる。
燃料電池アセンブリ1の性能を電池の動作電圧範囲に適合することは、利点がありうる。さらなる実施形態では、燃料電池アセンブリ1の性能特性は、電池2の最小動作電圧で設定される。
燃料電池アセンブリ1は、電池が動作下限電圧で動作しているときに、電池のCレートを満たすことができる電流以下の電流出力を、燃料電池アセンブリのフルパワーで提供するように構成することができる。そのため、製造者によって定められる下限電圧で動作する電池2は、典型的なリチウムイオン電池の3Vであってもよく、燃料電池アセンブリは、燃料電池アセンブリ1自体が最大負荷で動作しているときに、電池のCレートを満たすのに十分な電流を出力するように構成される。Cレートは、製造者が定める電池のパラメータである。そのため、燃料電池の電流出力は、最大で、Cレート×最大電池容量によって規定される最大電流でありうる。Cレートは、電池が充電されうるときの割合を特定し、効率的なハイブリダイゼーションのため、燃料電池アセンブリ1の性能特性を特定するために使用することができる。
そのため、燃料セルが全負荷であるとき、燃料切れを防ぐための十分な燃料及び十分な利用可能な酸化体で達成することができ、燃料電池アセンブリは、電池の「Cレート電流」以下の電流を供給するように構成される。そのため、燃料電池アセンブリは、燃料電池アセンブリ1の最大出力電圧が、所与の負荷又は開回路で、電池に適用されるときに、電池は電池の最小電圧範囲の値で動作し、電流は電池が必要とするCレートを満足するように構成される。燃料電池アセンブリ1の出力電流は、燃料電池又はアセンブリ1において電気的に並列に配置されたセルのグループの動作領域の領域と関連しうる。
そのため、1つの実施形態では、個々の燃料電池は、特定の電圧でのCレートを満足するのに必要とされる領域より小さい領域を有し、燃料電池アセンブリ1は、燃料電池アセンブリの出力電流が、Cレートを満足する電流以下であるように、いくつかのアセンブリ1の燃料電池を、一緒に並列に電気的に接続することによって、構成される。そのため、アセンブリ1の並列に配置されたセルの最大領域は、電池の最小電圧で必要とされる電流を供給するように形成することができる。そのため、並列に配置された燃料電池のいくつかのグループは、例えば並列配置を直列に接続してもよいが、全体として燃料電池アセンブリ1の最大出力電流を決定する最大の動作領域と、優先的に並列に配置される。したがって、並列配置の説の最大の隣接するグループの領域は、電池のCレートに対応する電流を供給するように構成される。
例えば、Cレートが2、4.4Ahの最大電池容量を有する電池について、燃料電池アセンブリは、より低い電池の動作電圧で、8.8Ampの最大電流を出力する必要がありうる。最大電池許容量は、製造者が定める電池のパラメータでもある。そのため、燃料電池の電流出力は、最大で、Cレート×最大電池容量、2*4.4Ahによって規定される最大電流でありうる。
燃料電池の性能特性を混成される特定の電池に適合することは、効率的な結合を提供することができ、燃料電池アセンブリと電池との間の電流制御を不要にすることができるため、利点がある。
構成可能な燃料電池アセンブリの形態を提供することは利点がある。特に、物理的に固定された燃料電池間に構成可能な電気的相互接続を有する形態は、利点がある。燃料電池アセンブリは、スタックに沿った位置に絶縁板を有する燃料電池スタックを含んでいてもよく、燃料電池スタックを、互いに直列又は並列に接続する、又は切断する、又はその組み合わせで接続することができる複数のスタックセクションに分ける。スタックセクションは、1つ、2つ又はそれ以上の個々の燃料電池を含んでいてもよい（本質的に膜電極接合体を含んでいる）。燃料電池アセンブリは、層状の燃料電池を含んでいてもよく、燃料電池は、層状又は平面配置に配置される。セル間の相互接続が構成されていてもよい。そのため、構成可能な燃料電池アセンブリは、整えられていない又は再構成可能な複数の電気的接続を有して提供されてもよい。電池は、ハイブリダイゼーション（すなわち、組み合わされた負荷の電源を形成する）のために選択されてもよく、燃料電池アセンブリ1は、その相互接続を選択することによって構成され、上述のように、電池の定められた最大動作電圧で必要とされる電圧、及び電池の定められた最小動作電圧で必要とされる電流を提供することができる。燃料電池アセンブリのパラメータは電池の製造者が定めるデータに由来するため、相互接続は、燃料電池アセンブリの所望の動作を有する電池に基づいて、構成することができる。
図2は、図1に示される配置と同様の、電気接続14、15によって電池12に接続される燃料電池アセンブリ11を示している。燃料電池アセンブリは、図1に示されるスタックというより平面又は層状のアセンブリを含み、負荷3は明確に示していない。燃料電池アセンブリ11は、複数の燃料電池を含む。当該実施形態では、4つの燃料電池11a、11b、11c及び11dが、平面配列17に配置されている。燃料電池11a、11b、11c及び11dはそれぞれ、セル自身のアノード及びカソードから伸びているアノード端子18及びカソード端子19を含む。アノード及びカソード端子は、アセンブリ11のその他のセルに電気接続を提供し、及び/又はアセンブリ11の出力20を提供する。セルと出力20との間の相互接続は、破線のボックス21によって示されている。破線のボックスは、端子の構成可能な配置を表すことができ、所望の相互接続を形成するために、ジャンパーを使用することができる。あるいは、相互接続は、複数のトランジスタ又は燃料電池間の相互接続を制御することができるその他のスイッチ素子によって形成することができる。トランジスタは、アセンブリ1に分布され、又は集中スイッチ制御装置を含んでいてもよい。さらなる実施形態では、構成可能な相互接続21は、燃料電池11a、11b、11c及び11dを直列、並列又は切断構成に切り換えるために、マイクロスイッチ等の複数のスイッチによって形成されてもよい。
図2では、相互接続21は直列配置で示されており、セル11a、11b、11c及び11dの全てが、電気的に直列に接続されるように相互接続している。出力20で供給される電圧は、そのため、個々の燃料電池の電圧の和である。電圧は、電気接続4に印加される。
図3は、配置の異なる例の相互接続21を示している。図3では、最初の3つの燃料電池11a、11b、11cが、電気的に並列に配置されていることを示している。この隣接する並列のグループは、さらに、4番目の燃料電池11dに直列に接続され、並列グループ11a、11b、11cの電圧と直列の燃料電池11dとの電圧が、出力20に印加される。隣接する並列グループ11a、11b、11cは、当該アセンブリの例の最大の並列配置を形成し、並列グループ11a、11b、11c内のセルの結合領域は、アセンブリ11によって最大出力電流を規定する（電池のCレート電流に適合することができる）。効率性のために、複数の別々の並列のグループを有するアセンブリについて、各グループが、同じ総合的なセル領域を実質的に有している。そのため、アセンブリの燃料電池を、直列に配列したグループと共に、同じ数の燃料電池を実質的に含む並列のグループに配置することができる。
構成可能な電気相互接続21が、燃料電池の固定された空間構成を有する燃料電池アセンブリの電気出力を、製造後に選択することができる形態を提供することが理解される。このことは、異なる民生用電子装置に認められるように、異なる種類の電池のハイブリダイゼーションに利点がある。
相互接続21は、（相互接続21によって表される）スイッチ配列によって再構成することができ、少なくとも2つの直列、並列又は切断構成で、アセンブリの燃料電池を電気的に接続するように作動させることができる。相互接続制御装置は、トランジスタの配列を再構成し、相互接続を形成するように構成されてもよい。相互接続21は、制御装置が、燃料電池アセンブリ11を使用しながら、燃料電池間の相互接続を変化させるために構成するように、能動的に再構成することができる。
図4は、再構成可能なスイッチ配列21及び相互接続制御装置40を示している。そのため、スイッチ配列21は、複数のトランジスタに基づくスイッチを含む。制御装置は、制御信号をスイッチ配列21に渡すように構成された集中制御装置として示されている。しかしながら、相互接続制御装置は、集中していても、スイッチ配列に分布していてもよい。制御装置40は、相互接続を制御するように構成され、異なる出力電圧及び/又は出力電流を提供することができる。相互接続制御装置は、燃料電池アセンブリの動作中に、セル間の相互接続を能動的に再構成するように構成される。
DC-DCコンバータは、燃料電池と電池とを混成させるために使用し、2つの電源間の電圧を確実に適合させるために使用してもよい。しかしながら、相互接続制御装置40は、アセンブリの電気出力を制御する相互接続の再構成を可能にし、そのため、DC-DCコンバータを不要にすることができる。
相互接続制御装置40は、直列と並列配置との間、又は直列と切断との間、又は並列と切断との間等、燃料電池11a、11b、11c、11d間の相互接続が、要求通りに再構成することができるようにプログラム可能である。そのため、相互接続制御装置は、より高い電圧を必要とする場合、燃料電池11a、11b、11c、11dを直列に接続することができる。相互接続制御装置40は、より低い電圧でより高い電流を必要とする場合、燃料電池11a、11b、11c、11dを並列に接続することができる。あるいは、相互接続制御装置40は、残りの燃料電池が直列又は並列に接続しながら、要求通りに燃料電池アセンブリの出力への分配から、特定の燃料電池を切り離すことができる。あるいは、直列、並列及び切断構成の組み合わせを使用して、所望の出力電圧を達成してもよい。
さらなる実施形態では、相互接続制御装置40は、燃料電池アセンブリ11の電気出力を測定するために構成される燃料電池アセンブリ出力センサ41を含む。相互接続制御装置40は、電気出力の測定値を受け取るために構成してもよく、それに従って、燃料電池間の相互接続を形成してもよい。このことは、燃料電池による電力出力が、温度、燃料濃度、燃料電池の寿命及びその他の要因によって変化する可能性があるため、特に利点がある。相互接続制御装置40は、異なる直列又は並列又は切断構成又はその組み合わせにある複数の燃料電池を相互接続することによって、配列の電力出力を制御する。達成される出力電圧の粒度は、配列により多くの燃料電池を含むことによって減少しうる。そのため、相互接続制御装置40は、ターゲットの出力電圧を提供することができ、閉ループフィードバック配列を形成するセンサ40からの測定値を使用して、ターゲットの出力電圧を得るか又は当該出力電圧に向かうために、使用している燃料電池間の相互接続を能動的に修正するために構成することができる。相互接続制御装置40は、特定の出力電圧を提供するための燃料電池の電源に多く使用されているDC-DCコンバータに置き換えてもよい。
当該例では、相互接続制御装置40は、集中スイッチ制御装置として示されており、スイッチ端子のネットワークでアセンブリ11に分配されうることが理解される。そのため、スイッチ端子は、それぞれの電極から相互接続に接続又は接続しないトランジスタを含むことができ、トランジスタの制御信号（ゲート信号等）が制御装置によって提供されうる。
他の実施形態では、相互接続制御装置40は、いくつか又は全ての燃料電池の出力電圧を測定するために構成され、従って、電池に適切な電圧を供給するように、相互接続を再構成する。
相互接続制御装置40は、直列の燃料電池の数が、電池の最大出力電圧以下の電圧を提供するように、燃料電池間の相互接続を能動的に配置するように構成することができる。相互接続制御装置40は、並列の燃料電池の数が、電池が動作下限電圧で動作しているときに、電池のCレートを満たすことができる電流以下の電流出力を提供するように、燃料電池間の相互接続を能動的に配置するように構成することができる。そのため、相互接続制御装置は、隣接する並列グループにおいて、セルの数を能動的に変更し、上述のように、要求される電流を提供するように結合した燃料電池領域を達成することができる。
図5は、電池52と結合した燃料電池アセンブリ51の概要図を含むさらなる実施形態を示している。燃料電池アセンブリ51及び電池は、負荷53の混成した電源を形成する。当該例では、燃料電池アセンブリ51は、スタックに配置された複数の燃料電池を含む。しかしながら、燃料電池アセンブリ51は、平面又は層状燃料電池アセンブリ51を含んでいてもよく、燃料電池が対面というより並んで配置されることが理解される。電池は、リチウムイオン電池等の電気化学的電池を含む。電池52は1つ又は複数の電池セルから形成されていてもよい。
図5は、燃料電池アセンブリ51と電池52との間の電気接続54、55を示している。電気接続54、55は、燃料電池アセンブリの出力端子から電池52の端子まで、直接的に接続している。電気接続は、矢印54及び矢印55によって表され、燃料電池アセンブリ1と電池52との間の電力潮流を表している。矢印54、55は、物理的接続を表すというより、模式的であることが理解される。矢印54は、燃料電池アセンブリ51から電池52への方向の電力潮流を示しており、それによって燃料電池アセンブリ51によって発生した電力が、電池52に充電する及び/又は負荷53に供給することができる。矢印55は電池52から燃料電池アセンブリ51への方向の電力潮流を示している。
電気接続54、55は、電流ブロック素子56を含み、当該例では、電池に蓄えられた電流が燃料電池アセンブリに流れないように、ダイオードを含んでいる。電気接続は、燃料電池アセンブリ51から電池52への反対方向の電流を制御するための電流制御素子57も含んでいる。電流制御素子57は、トランジスタに組み込むことができるスイッチを含む。スイッチ57は、閾値に基づいて、電流が超えることを防ぐために構成されたカットオフスイッチである。特に、当該実施形態では、スイッチ57の作動は、燃料電池アセンブリ51の出力電圧にのみ基づいている。そのため、電圧センサ58は、全体のアセンブリ51の出力電圧を測定するために配置される。センサ58は、トランジスタに基づくスイッチ57のゲート端子に印加されるセルの電圧を含むことができ、ゲート端子で印加される電圧に基づいてスイッチをオン又はオフするように構成される。
スイッチ57は、センサ58からの電圧の測定値を比較するために、比較器を含むことができ、電圧の測定値が閾値より大きい場合、スイッチを開にする起動信号を提供することができる（それによって電流が燃料電池アセンブリから電池に流れるのを防ぐ）。閾値は、製造者によって定められた最大動作電圧を含むことができる。そのため、燃料電池アセンブリ51は、最大電池電圧より大きい電圧を供給することができ、カットオフスイッチは、電池の出力電圧が閾値を超えているときに、電池への電流をカットオフすることによって、電池の破損を防ぐ。燃料電池アセンブリの出力電圧が閾値以下に降下すると、スイッチ57を閉にするように構成することができる。
他の実施形態では、燃料電池の瞬時の電圧と、閾値と比較した燃料電池の電圧の変化の割合との組み合わせを、起動信号としてのスイッチ57によって使用することができる。スイッチ57の起動は、電池の瞬時の電圧から独立しており、電池の電圧の変化等のその導関数からも独立している。
スイッチ57は、電池の方向に対する燃料電池内の電流を制御するために構成された電流制御素子のみを含むことができる。
当該実施形態では、スイッチ57は、スイッチ57の第2のスイッチイベントが、第1のスイッチイベントに続いて起こることを防ぐために、ヒステリシス素子を含むことができる。このことによって、スイッチ57が閾値周辺で揺らぐのを防ぐことができる。ヒステリシス素子は、スイッチ57のスイッチが起こる前に、事前に定めた一定時間、待つことができ、又はセンサ58からの燃料電池の電圧が、事前に定めたマージンによって、前記閾値以下に変化するときを決定することができる。
他の実施形態では、スイッチをオンにする電圧の閾値は、スイッチをオフにする電圧の閾値を異なっていてもよい。例えば、スイッチオフ（スイッチの開）の電圧は、燃料電池の電圧が電池の最大電圧を上回って上昇するときに、スイッチ57を開にするように、電池の最大動作電圧等の第1の閾値を含むことができる。センサ58によって測定された電圧はその後、燃料電池アセンブリ41の開回路電圧となり、したがって燃料電池アセンブリが負荷の下にあるときより大きくなりうる。そのため、スイッチオン（スイッチの閉）の電圧は、第1の電圧の閾値より大きい第2の電圧の閾値を含むことができる。このことは、燃料電池アセンブリの電圧の電圧降下が、電池52及び/又は負荷53に接続されているときに発生し、結果的として燃料電池アセンブリで、第1の閾値電圧より小さい電圧が電池52に印加されることを想定している。その他の閾値を選択してもよいことが理解される。例えば、第2の閾値は第1の閾値より小さくてもよい。スイッチ57は、燃料電池アセンブリの出力電圧が、電池の最大電圧未満であるとき、変調していない電流を与えられるように構成される。

Claims (24)

  1. 電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリであって、その間に電気接続を有し、前記電気接続は、電池に蓄積された電流が、前記燃料電池アセンブリに流れるのを防ぐために電流ブロック素子を含み、ここで、前記電気接続は、電池に流れる燃料電池アセンブリによって発生した電流の電流制御素子が存在しない、前記燃料電池アセンブリ。
  2. 前記電気接続が、DC-DCコンバータを含む電流制御素子が存在しない、請求項1に記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  3. 前記電気接続は、前記燃料電池アセンブリから電池への電流にカットオフ限界を適用するように構成された電流制御素子が存在しない、請求項1又は請求項2に記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  4. 前記燃料電池アセンブリの最大開回路電圧が、前記電池の最大出力電圧以下であるように構成される、先行請求項のいずれかに記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  5. 前記燃料電池アセンブリの最大開回路電圧が、10％超の電池の最大出力電圧と等しい閾値電圧より小さい、先行請求項のいずれかに記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  6. 前記燃料電池アセンブリが、前記電池が動作下限電圧で動作しているときに、前記電池のCレートを満たすことができる電流以下の電流出力を、前記燃料電池アセンブリのフルパワーで提供するように構成される、先行請求項のいずれかに記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  7. 前記燃料電池アセンブリが、直列に配置された複数の燃料電池を含み、直列に配置された燃料電池の数が、前記燃料電池アセンブリの個々の燃料電池の開回路電圧によって分割された電池の最大出力電圧を実質的に含む、先行請求項のいずれかに記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  8. 燃料電池アセンブリが少なくとも2つの燃料電池を含み、前記燃料電池アセンブリの各燃料電池が、前記アセンブリ又はアセンブリ出力端子のその他の燃料電池との電気相互接続を提供するためにアノード及びカソードを有し、ここで前記燃料電池アセンブリの複数の燃料電池間の前記電気相互接続は、前記複数の燃料電池又はそのサブセットが、以下
    i）前記アセンブリの別の燃料電池と直列である、
    ii）前記アセンブリの別の燃料電池と並列である、又は
    iii）前記アセンブリから切断されている
    の少なくとも2つで接続可能であるように構成することができる、先行請求項のいずれかに記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  9. 前記燃料電池アセンブリが、使用している前記相互接続を能動的に再構成するように構成された制御装置を含む、請求項8に記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  10. 前記制御装置が、直列の燃料電池の数が、前記電池の最大出力電圧以下であるように構成される前記燃料電池アセンブリの最大開回路電圧を提供するように、前記燃料電池間の相互接続を能動的に配置するように構成される、請求項9に記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  11. 前記制御装置が、前記並列の燃料電池の数が、前記電池が動作下限電圧で動作しているときに、前記燃料電池アセンブリのフルパワーで、前記電池のCレート以下の電流出力を提供するように、前記燃料電池間の相互接続を能動的に配置するように構成される、請求項9に記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  12. 前記制御装置が、前記燃料電池間の相互接続を能動的に配置するように構成され、並列に配置されたセルの隣接するグループの領域を制御し、前記電池が動作下限電圧で動作しているときに、前記電池のCレートを満たすことができる電流以下の電流出力を、前記燃料電池アセンブリのフルパワーで提供する、請求項9に記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  13. 電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリであって、その間に電気接続を有し、前記電気接続は、前記電池に流れる前記燃料電池アセンブリによって発生した電流を制御するために構成されたスイッチを含み、前記スイッチは、前記燃料電池アセンブリの出力電圧が、前記電池の最大電圧より大きいときに、電流が流れるのを防ぐように構成され、前記スイッチの動作は、瞬時の電圧又はそこでの変化とは独立している、前記燃料電池アセンブリ。
  14. 前記電気接続が、前記電池に蓄積された電流が前記燃料電池アセンブリに流れるのを防ぐために電流ブロック素子を含む、請求項13に記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  15. 前記スイッチが、前記燃料電池アセンブリの出力電圧が前記電池の最大電圧未満であるとき、変調していない電流を与えるように構成される、請求項13に記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  16. 前記燃料電池アセンブリが、前記電池が動作下限電圧で動作しているときに、前記電池のCレートを満たすことができる電流以下の電流出力を、前記燃料電池アセンブリのフルパワーで提供するように構成される、請求項13に記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  17. 燃料電池アセンブリが少なくとも2つの燃料電池を含み、前記燃料電池アセンブリの各燃料電池が、前記アセンブリ又はアセンブリ出力端子のその他の燃料電池との電気相互接続を提供するためにアノード及びカソードを有し、ここで前記燃料電池アセンブリの複数の燃料電池間の前記電気相互接続は、前記燃料電池アセンブリの複数の燃料電池又はそのサブセットが、以下
    i）前記アセンブリの別の燃料電池と直列である、
    ii）前記アセンブリの別の燃料電池と並列である、又は
    iii）前記アセンブリから切断されている
    の少なくとも2つで接続可能であるように再構成可能である、請求項13に記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  18. 前記燃料電池アセンブリが、使用している前記相互接続を能動的に再構成するように構成された制御装置を含む、請求項17に記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  19. 前記制御装置が、前記並列の燃料電池の数が、前記電池が動作下限電圧で動作しているときに、電池のCレートを満たすことができる燃料以下の電流出力を、前記燃料電池アセンブリのフルパワーで提供するように、前記燃料電池間の相互接続を能動的に配置するように構成される、請求項18記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  20. 前記制御装置が、前記燃料電池間の相互接続を能動的に配置するように構成され、並列に配置されたセルの隣接するグループの領域を制御し、前記電池が動作下限電圧で動作しているときに、前記電池のCレートを満たすことができる電流以下の電流出力を、前記燃料電池アセンブリのフルパワーで提供する、請求項18に記載の電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  21. 電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリであって、前記燃料電池アセンブリが、
    前記燃料電池アセンブリの最大開回路電圧が、前記電池の最大出力電圧に関係のある閾値電圧以下であり、及び
    前記燃料電池アセンブリのフルパワーの電流出力が、前記電池が動作下限電圧で動作しているときに、前記電池のCレートを満たすことができる電流以下である、ように構成される、前記電気化学的電池と結合した燃料電池アセンブリ。
  22. 前記閾値電圧が、前記電池の最大出力電圧より10％大きい電圧を含む、請求項21に記載の結合。
  23. 前記閾値電圧が、前記燃料の最大出力電圧と等しい電圧を含む、請求項21に記載の結合。
  24. 電気接続が燃料電池及び電池に接続し、前記電気接続は、電池に蓄積された電流が、前記燃料電池アセンブリに流れるのを防ぐために電流ブロック素子を含み、ここで、前記電気接続は、前記電池に流れる燃料電池アセンブリによって発生した電流について電流制御素子が存在しない、請求項21に記載の結合。
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