(57)【要約】  少なくとも２つの燃料電池を備える燃料電池アセンブリであって、前記燃料電池アセンブリの各燃料電池は、アセンブリの他の燃料電池との電気的相互接続、またはアセンブリ出力端子を提供するためのアノード及びカソードを有し、燃料電池アセンブリの複数の燃料電池間の電気的相互接続が前記複数の燃料電池あるいはそのサブセットが、ｉ）互いに直列である、ｉｉ）互いに並列である、またはｉｉｉ）アセンブリから分離される、のうちの少なくとも２つにおける燃料電池間の空間関係を変更することなく接続可能であるように構成可能である。
2017531298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの燃料電池を備える燃料電池アセンブリであって、前記燃料電池アセンブリの各燃料電池は、前記アセンブリの他の燃料電池との電気的相互接続、またはアセンブリ出力端子を提供するためのアノード及びカソードを有し、前記燃料電池アセンブリの複数の前記燃料電池間の前記電気的相互接続は、前記複数の燃料電池またはそのサブセットが、
ｉ）互いに直列である、
ｉｉ）互いに並列である、または
ｉｉｉ）前記アセンブリから分離される、のうちの少なくとも２つにおける前記燃料電池間の空間関係を変更することなく接続可能であるように構成可能である、燃料電池アセンブリ。
【請求項２】
前記相互接続は、前記アセンブリの前記複数の燃料電池間の前記電気的相互接続を構成する複数のスイッチを含む、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項３】
前記スイッチがトランジスタを含む、請求項２に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項４】
前記スイッチがマイクロスイッチを含む、請求項２に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項５】
前記スイッチは、燃料電池間の相互接続が使用中に変更され得るように能動的に再構成可能である、請求項２に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項６】
前記スイッチは、前記相互接続を制御して異なる出力電圧及び／または出力電流を提供するように構成された集中化または分散化された相互接続コントローラの一部を形成する、請求項２に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項７】
前記相互接続コントローラは、前記燃料電池アセンブリの作動中に電池間の前記相互接続を能動的に再構成するよう構成されている、請求項６に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項８】
前記相互接続コントローラは、前記アセンブリ内の複数の電池の電気出力の測定値を受け取り、前記測定値に応じて前記電池間の相互接続を再構成するよう構成されている、請求項７に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項９】
前記燃料電池アセンブリは、バッテリーに接続されて、混成電力源を形成し、前記コントローラは、直列の燃料電池の数が、バッテリーの最大出力電圧以下になるよう構成された前記燃料電池アセンブリの最大開路電圧を提供するように、前記燃料電池間の前記相互接続を配置するよう構成されている、請求項６に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１０】
前記燃料電池アセンブリは、バッテリーに接続されて、混成電力源を形成し、前記コントローラは、前記バッテリーがその作動低電圧制限で作動している場合に、並列の燃料電池の数が前記バッテリーのＣレートを満たすことが可能な電流以下の前記燃料電池アセンブリの最大電力での電流出力を提供するように、前記燃料電池間の前記相互接続を配置するよう構成されている、請求項６に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１１】
前記コントローラは、並列に配置された隣接する電池群の領域を制御して、前記バッテリーがその作動低電圧制限で作動している場合に、前記バッテリーのＣレートを満たすことが可能な電流以下の前記燃料電池アセンブリの最大電力での電流出力を提供するように、前記燃料電池間の前記相互接続を能動的に配置するよう構成されている、請求項１０に記載の燃料電池アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［技術分野］
本発明は、少なくともいくつかの燃料電池間で構成可能あるいは再構成可能な相互接続を有するスタックあるいは平面配列に配置された燃料電池アセンブリ及び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的相互接続を再構成するよう構成された相互接続コントローラに関する。
【０００２】
［背景技術］
従来の電気化学燃料電池は、概していずれも気体流の形である燃料及び酸化剤を電気エネルギー及び反応生成物に変換する。水素及び酸素を反応させる通常の種の電気化学燃料電池は、高分子イオン（プロトン）交換膜（ＰＥＭ）を備え、燃料及び空気が膜の各側面を通過する。プロトン（つまり、水素イオン）はＰＥＭを介して伝導され、燃料電池のアノード及びカソードに接続する電気回路を介して伝導される電子によって平衡される。利用可能電圧を増加させるため、別個のアノード及びカソード流体流路と共に配置されたいくつかのそのような膜を備えるスタックが形成されてもよい。そのようなスタックは、典型的に、スタックのいずれか一方の端部に端部板により互いに対面で把持された多数の個別燃料電池板を備えるブロックの形である。
【０００３】
代替構造において、燃料電池は平面配列または層状配列に配置され、例えば実質的に層状の板を形成するよう対面よりはむしろ隣接していてもよい。
【０００４】
本発明の第１の態様によれば、少なくとも２つの燃料電池を備える燃料電池アセンブリを提供し、該燃料電池アセンブリの各燃料電池は、アセンブリの他の燃料電池との電気的相互接続、またはアセンブリ出力端子を提供するためのアノード及びカソードを有し、燃料電池アセンブリの複数の燃料電池間の電気的相互接続は、前記複数の燃料電池またはそのサブセットが、
ｉ）互いに直列である、
ｉｉ）互いに並列である、または
ｉｉｉ）アセンブリから分離される、のうちの少なくとも２つにおける燃料電池間の空間関係を変更することなく接続可能であるように構成可能である。
【０００５】
任意に、燃料電池アセンブリは平面配列あるいはスタックに配置された複数の燃料電池を備えている。平面あるいは層状配列レイアウトは構成可能な相互接続を提供するのに簡便である。
【０００６】
任意に、相互接続は、アセンブリの複数の燃料電池間の電気的相互接続を構成する複数のスイッチを含む。したがってスイッチは、変換される必要があるのは相互接続のみであるため、アセンブリを物理的に再構成または再設計することを必要とすることなく、アセンブリにおける電池の電気的配置の再構成を提供する。これは、単独のアセンブリからの幅広い電圧及び／あるいは電流を出力する性能を提供する。
【０００７】
したがって、スイッチは、燃料電池またはそのサブセットを直列に配置するか、あるいはアセンブリの出力から燃料電池のうちの１つ以上を分離するように相互接続を制御するよう構成されてもよい。スイッチは、燃料電池またはそのサブセットを直列または並列のいずれかで配置するように相互接続を制御するよう構成されていてもよい。スイッチは、燃料電池またはそのサブセットを並列に配列するか、あるいはアセンブリの出力から燃料電池のうちの１つ以上を分離するように相互接続を制御するよう構成されてもよい。
【０００８】
任意に、スイッチはトランジスタを含む。任意に、スイッチは
マイクロスイッチを含む。任意に、端子及びジャンパーの形のスイッチにより構成可能性が提供される。
【０００９】
任意に、スイッチは、燃料電池間の相互接続が使用中に変更され得るように能動的に再構成可能である。
【００１０】
スイッチは、集中化あるいは分散化された相互接続コントローラの一部を形成してもよい。任意に、相互接続コントローラは、燃料電池アセンブリの操作中に電池間での相互接続を能動的に再構成するよう構成されている。これは、相互接続の再構成がＰＣＢ基板に搭載されたトランジスタにより実行されてもよいため有利である。相互接続の能動的な再構成は、配列が使用中の複数の異なる電圧あるいは電力を出力することも可能にする。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータの必要を排除することが可能である。
【００１１】
任意に、相互接続コントローラは、アセンブリの複数の電池の電気出力の測定値を受け取り、前記測定値に応じて電池間の相互接続を再構成するよう構成されている。したがって、相互接続コントローラはいくつかまたは全ての燃料電池の出力電圧を測定するよう構成され、それに応じて相互接続が再構成され得る。任意に、電気出力の測定値は、燃料電池配列の合計出力または配列の燃料電池のサブセットの電気出力を含む。
【００１２】
任意に、相互接続コントローラは燃料電池配列のための所定の出力電圧を維持する燃料電池間の相互接続を再構成するよう構成されている。
【００１３】
任意に、燃料電池アセンブリは、バッテリーに接続されて、混成電力源を形成し、コントローラは、直列の燃料電池の数がバッテリーの最大出力電圧以下に構成された燃料電池アセンブリの最大開路電圧を提供するように、燃料電池間の相互接続を配置するよう構成されている。
【００１４】
任意に、燃料電池アセンブリは、バッテリーに接続されて、混成電力源を形成し、コントローラは、バッテリーがその作動低電圧制限で作動している場合に、並列の燃料電池の数がバッテリーのＣレートを満たすことが可能な電流以下の燃料電池アセンブリの最大電力での電流出力を提供するように、燃料電池間の相互接続を配置するよう構成されている。
【００１５】
任意に、コントローラは、並列に配置された隣接する電池群の領域を制御して、バッテリーがその作動低電圧制限で作動している場合に、並列の燃料電池の数がバッテリーのＣレートを満たすことが可能な電流以下の燃料電池アセンブリの最大電力で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構成されている。
【００１６】
任意に、燃料電池アセンブリは、バッテリーと接続され、混成電力源を形成し、バッテリーと燃料電池アセンブリとの間の電気接続は、バッテリーから燃料電池アセンブリへの電流流れを妨げるダイオードを含む。
【００１７】
任意に、燃料電池アセンブリは、バッテリーに接続されて、混成電力源を形成し、バッテリーと燃料電池アセンブリと間の電気接続には、燃料電池アセンブリからバッテリーへの電流の流れを制御するよう構成されたいかなる電流制御素子も存在しない。
【００１８】
任意に、燃料電池アセンブリは、バッテリーに接続され、混成電力源を形成し、バッテリーと燃料電池アセンブリの間の電気接続は、バッテリーへ流れる、燃料電池アセンブリによって生成された電流を制御するよう構成されたスイッチを備え、スイッチは、燃料電池アセンブリの電圧出力がバッテリーの最大電圧よりも大きい場合に電流流れを妨げるよう構成され、前記スイッチの作動は瞬間的なバッテリー電圧あるいはそこにおける変化に左右されない。
【００１９】
これより、例示のみの目的で、本発明の実施形態の詳細な説明を以下の図面を参照して行う。
【００２０】
[図面の簡単な説明]
[図１]バッテリーとの組み合わせの燃料電池アセンブリの模式図であり、負荷の供給が示された組み合わせを示す。
【００２１】
[図２]例の燃料電池アセンブリの断面を示す。
【００２２】
[図３]第２の例の燃料電池アセンブリの断面を示す。
【００２３】
[図４]バッテリーとの組み合わせの燃料電池アセンブリの更なる例の模式図を示す。
【００２４】
[図５]バッテリーとの組み合わせの燃料電池アセンブリの模式図を含む更なる実施形態を示す。
【００２５】
図１は、バッテリー２との組み合わせの燃料電池アセンブリ１の模式図を示す。燃料電池アセンブリ１及びバッテリーは負荷３のための混成電力源を形成する。本例において、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備えている。しかしながら、燃料電池アセンブリ１は、燃料電池が対面よりはむしろ隣接して配置された平面あるいは層状燃料電池アセンブリ１を有していてもよいと解釈される。バッテリーは、リチウム−イオンバッテリーなどの電気化学バッテリーを備えている。バッテリー２は、１つ以上のバッテリーセルから形成されてもよい。
【００２６】
図１は、燃料電池アセンブリ１及びバッテリー２の間の電気接続４、５を示す。電気接続４、５は、燃料電池アセンブリの出力端子からバッテリー２の端子へ直接伸びている。電気接続は、燃料電池アセンブリ１及びバッテリー２の間の電力流を示す矢印４及び矢印５によって示されている。矢印４、５は物理的接続を示すというよりはむしろ模式的であると解釈される。矢印４は、燃料電池アセンブリ１からバッテリー２の方向の電力流を示し、したがって燃料電池アセンブリ１によって生成された電力はバッテリー２に荷電及び／あるいは負荷３を供給することができる。矢印５は、バッテリー２から燃料電池アセンブリ１の方向の電力流を示す。電気接続４、５は、バッテリー２に蓄えられた電流が燃料電池アセンブリ１へ流れるのを防ぐために、本例においてダイオードを備える電流ブロッキング素子６を含む。
【００２７】
電気接続４、５は、バッテリーへ流れる燃料電池アセンブリによって生成された電流の電流制御部品を有していない。したがって電気接続４、５は、電気接続の固有の抵抗性以外の、燃料電池アセンブリ１からバッテリー２の電流流れに能動的な制限を与えない。本配置は、燃料電池アセンブリ１からバッテリー２への電流流れへの遮断制限を提供するＤＣ−ＤＣコンバータあるいは電気接続の必要なくコスト効率混成を提供するため有利である。
【００２８】
燃料電池アセンブリ１は、様々な電圧を生成してもよい。バッテリー２は、また、電荷状態に依存してもよい様々な作動電圧を有する。バッテリー２の作動電圧範囲は、他の要因の中でもその電気化学及び設計によって決定される。バッテリー製造者は、バッテリーの作動電圧範囲を最大作動電圧及び最小作動電圧として提示する。例えば、典型的なリチウム−イオンバッテリーは、製造者によって規定された、３Ｖ〜４．２Ｖの範囲の作動電圧を有する。
【００２９】
配置が燃料電池アセンブリ１及びバッテリー２の間の電流制御を有しない場合、燃料電池アセンブリ１によって生成される電圧の範囲はバッテリー２に適合可能であることを確実にすることが重要である。したがって、燃料電池アセンブリ１の動作をそれが混成バッテリー２の作動電圧範囲に一致させることが有利である。それにもかかわらず、後述のように燃料電池出力パラメータをバッテリーの作動範囲に一致させることが、いずれの方向においても燃料電池アセンブリ及びバッテリーの間の電流流れ制御の妨げあるいは欠如に関係なく実行されてもよいと解釈される。
【００３０】
特に、開回路での、燃料電池アセンブリ１の最大電圧は、バッテリー２の製造者が規定した最大作動電圧以下になるように構成されていてもよい。燃料電池アセンブリ１の電圧出力は、直列に配置された（スタック構成あるいは平面構成の）個別の燃料電池の数により決定されてもよい。燃料電池に基づく典型的なプロトン交換膜（ＰＥＭ）では、個別の電池は０．６Ｖの開回路電圧（例えば、負荷を提供しない場合）を提供してもよい。したがって、直列に配置され、それぞれが０．６Ｖの出力を有する７つの燃料電池がリチウム−イオンバッテリー２の最大作動電圧に一致する４．２Ｖの電圧を供給する。したがって、燃料電池アセンブリ１の最大電圧動作は、燃料電池アセンブリ１及びバッテリー２の間を流れる電流の電流制御がないという条件にも関わらず、最大作動電圧よりも大きい電圧で荷電する際にバッテリー２への損害がないことを確実にするよう選択されてもよい。異なる電池種がアセンブリ１を形成することが可能であると解釈され得るが、個別の電池が同種であり、したがって、同様の最大電圧を出力することが想定される。
【００３１】
他の実施形態において、燃料電池アセンブリ１の最大開回路電圧は、バッテリーの製造者が規定した最大出力電圧より１０％以上の閾値電圧より低くなるように選択されてもよい。閾値は、バッテリーの製造者最大出力電圧より５％あるいは２％あるいは１％で選択可能に大きくてもよい。バッテリーの作動電圧よりも大きい、燃料電池アセンブリの最大可能出力電圧を設定することにより、バッテリーは大きすぎる電圧を荷電され、バッテリーに損害が生じることがある。しかしながら、閾値の使用は、燃料電池アセンブリ１の電圧出力がバッテリーの最大電圧より僅かにのみ大きい、及びあるいは製造者の公差内であることを確実にしてもよい。また、閾値の使用は、適応されるその開回路電圧よりもむしろ負荷を供給する際に、燃料電池アセンブリの電圧低下を可能にする。したがって、閾値は、燃料電池アセンブリ１の負荷特性（電圧低下対負荷）に基づいて決定されてもよい。所定及び固定された閾値は、燃料電池アセンブリ１によってバッテリー２に供給される電圧が使用時にバッテリー２の最大作動電圧を超えないことを確実にするよう選択されてもよい。
【００３２】
燃料電池アセンブリ１の動作のバッテリーの作動電圧範囲への一致が有利である場合がある。更なる実施形態において、燃料電池アセンブリ１の動作特性はバッテリー２の最小作動電圧に設定される。
【００３３】
燃料電池アセンブリ１は、バッテリーがその作動低電圧制限で作動している場合に、バッテリーのＣレートを満たす電流以下の燃料電池アセンブリの全出力で電流出力を提供するよう構成されていてもよい。したがって、典型的なリチウム−イオンバッテリーでは３Ｖであってもよい、製造者により規定されたその低電圧制限で作動しているバッテリー２を用いて、燃料電池アセンブリは、燃料電池アセンブリ１自体がその最大負荷で作動している場合に、バッテリーの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ている。Ｃレートは、製造者が規定したバッテリーパラメータである。Ｃレートは、バッテリーが荷電されてもよく、効果的な混成に燃料電池アセンブリ１の動作特性を規定するために使用され得るレートである。
【００３４】
したがって、燃料欠乏及び十分に利用可能な酸化剤を妨げる十分な燃料を達成できる、燃料電池の全負荷で、燃料電池アセンブリはバッテリーの「Ｃ−レート電流」以下の電流を提供するよう構成されている。したがって、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、その負荷あるいは開回路内の場合、バッテリーに供給され、バッテリーはその最小電圧範囲で作動しており、電流出力はバッテリーのＣレート要求を満たす。燃料電池アセンブリ１の電流出力は燃料電池の有効領域の領域あるいはアセンブリ１に電気的に並列に配置された電池群に連結されていてもよい。
【００３５】
したがって、１つの実施形態において、規定された電圧でＣ−レートを満たす必要があるものより小さな領域を有する個別の各燃料電池を用い、燃料電池アセンブリ１は、燃料電池アセンブリの電流出力がＣレートを満たす電流以下になるように互いにアセンブリ１の多数の燃料電池を電気的に接続することにより構成されている。したがって、アセンブリ１の電池の最も大きい領域並列配置は最小バッテリー電圧で要求された電流を供給するよう形成されていてもよい。したがって、並列に接続された並列配置で、並列配置内にいくつかの燃料電池群があってもよい一方で、例えば、全体として燃料電池アセンブリ１の最大電流出力を決定する最大有効領域を伴う並列配置が主となる。したがって、並列配置の最大の連続した電池群の領域は、バッテリーのＣレートに対応する電流を提供するよう構成されている。
【００３６】
例えば、２のＣレートを有し、４．４Ａｈの最大容量を有するバッテリーの場合、８．８アンペアの最大電流は低作動バッテリー電圧の燃料電池アセンブリにより出力されることが要求される。最大バッテリー容量はまたバッテリーの製造者に規定されたパラメータである。したがって、燃料電池の電流出力はＣ−レート＊最大バッテリー容量によって定義される最大電流までである。
【００３７】
それにより混成される特定のバッテリーへの燃料電池動作特性の一致は、効果的な組み合わせを提供でき、燃料電池アセンブリとバッテリーの間の電流制御の必要を排除することができるため有利である。
【００３８】
構成可能な燃料電池アセンブリ接続形態を提供することは有利である。特に、物理的に固定された電池の間に構成可能な電気接続を有する接続形態は有利であるだろう。燃料電池アセンブリは、スタックに沿った位置でスタックを共に直列に、あるいは並列で接続あるいは分離され得る、あるいはその組み合わせの複数のスタック区域に分ける絶縁板を有する燃料電池スタックを備えていてもよい。スタック区域は、１つ、２つあるいはそれ以上の個別の燃料電池（基本的に膜電極アセンブリを備えている）を含んでいてもよい。燃料電池アセンブリは、層状燃料電池を備えていてもよく、そこにおいては、燃料電池は平面あるいは扁平配置に配置されている。燃料電池間の相互接続が構成可能であってよい。したがって、構成可能な燃料電池アセンブリが、複数の変形あるいは再構成可能な電気的相互接続を有するように提供されてもよい。上述のように、バッテリーの規定された最大作動電圧で要求された電圧及びバッテリーの規定された最小作動電圧で要求された電流を提供するために、電圧バッテリーは、混成（例えば、負荷の複合電力源を形成する）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り構成されてもよい。燃料電池アセンブリパラメータは、バッテリー製造規定データに由来するため、相互接続は、燃料電池アセンブリが共に作動することが望ましいバッテリーに基づき構成され得る。
【００３９】
図２は、図１に示された配置に類似した、電気接続１４、１５によってバッテリー１２に接続される燃料電池アセンブリ１１を示す。燃料電池アセンブリは、図１に示されたスタックではなく平面あるいは層状アセンブリを備え、負荷３は明確にするために示されていない。燃料電池アセンブリ１１は、複数の燃料電池を備えている。本実施形態において、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。各燃料電池１１ａ、１１ｂ、１１ｃ及び１１ｄは、電池自体のアノード及びカソードから伸びるアノード端子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の他の電池への電気接続及び／あるいはアセンブリ１１の出力２０を提供する。電池及び出力２０間の相互接続が破線長方形２１により示されている。破線長方形は、ジャンパーが所望の相互接続を形成するために使用されてもよい端子の構成可能な配置を示していてもよい。あるいは、相互接続は、燃料電池間の相互接続を制御することができる複数のトランジスタあるいは他の切替素子により形成されてもよい。トランジスタは、アセンブリ１全体に配置されていても、あるいは集中化切替コントローラを有していてもよい。更なる実施形態において、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、あるいは分離構成に切り替えるために、マイクロスイッチのような、複数のスイッチにより形成されていてもよい。
【００４０】
図２において、相互接続２１は、相互接続が、全電池１１ａ、１１ｂ、１１ｃ及び１１ｄが共に電気的に直列で接続されるような、直列配置で示されている。したがって、出力２０で提供される電圧は、個別の燃料電池電圧の合計である。電圧は、電気接続４へ供給される。
【００４１】
図３は、異なる例の配置の相互接続２１を示している。図３において、電気的に並列に配置された第１の３つの燃料電池１１ａ、１１ｂ、１１ｃが示されている。この連続した並列群は、更に直列で第４燃料電池１１ｄに接続され、並列群１１ａ、１１ｂ、１１ｃの電圧に一連の燃料電池１１ｄの電圧を加えたものが出力２０に供給される。連続した並列群１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、この例のアセンブリの最大の並列配置を形成し、したがって、並列群１１ａ、１１ｂ、１１ｃ内の電池の複合領域は、アセンブリ１１による最大電流出力を定義する（バッテリーのＣレート電流に一致することが可能）。効率のために、複数の別個の並列群を有するアセンブリについて各群が実質的に同一の合計電池領域を有することが有利であり得る。したがって、アセンブリの燃料電池は、直列に配置された群と実質的に同数の燃料電池を有する並列群において配置されもよい。
【００４２】
構成可能な電気的相互接続２１は、生産後に選択される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可能にする接続形態を提供すると解釈される。これは、異なる消費者電子機器に見られるもののような異なるバッテリーの種類との混成に有利である。
【００４３】
相互接続２１は、少なくとも２つの直列、並列あるいは分離された構成のアセンブリの燃料電池を電気的に接続するよう動作されることが可能な切替配列（相互接続２１によって表される）の方法により再構成可能であってもよい。相互接続コントローラは、相互接続を形成するためにトランジスタの配列を再構成するよう構成されていてもよい。相互接続２１は、コントローラは、燃料電池アセンブリ１１が使用中に、燃料電池間の相互接続を変更するよう構成されるように能動的に再構成可能であってもよい。
【００４４】
図４は、再構成可能な切替配列２１及び相互接続制御コントローラ４０を示す。したがって、切替配列２１は、複数のトランジスタに基づくスイッチを含む。コントローラは、切替配列２１へ制御信号を渡すよう構成された集中化コントローラとして示されている。しかしながら、相互接続コントローラは、集中化されているかあるいは切替配列全体に配置されていてもよいと解釈される。コントローラ４０は、異なる出力電圧及び／あるいは出力電流を提供するために相互接続を制御するよう構成されていてもよい。相互接続コントローラは、燃料電池アセンブリの作動中に電池間の相互接続を能動的に再構成するよう構成されている。
【００４５】
ＤＣ−ＤＣ変換器は、２つの電力源間の電圧の一致を確実にするために燃料電池及びバッテリーの混成のために使用されてもよい。しかしながら、相互接続コントローラ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、したがって、ＤＣ−ＤＣ変換器の必要性を排除する。
【００４６】
相互接続コントローラ４０は、燃料電池１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ間の相互接続が、直列配置と並列配置との間あるいは直列と分離との間、あるいは並列と分離との間など、要求に応じて再構成され得るようにプログラム可能である。したがって、相互接続コントローラは、高電圧が要求される場合、並列の燃料電池１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを接続してもよい。相互接続コントローラ４０は、低電圧が要求される場合、並列の燃料電池１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを接続してもよい。あるいは、相互接続コントローラ４０は、残りの燃料電池が直列あるいは並列で接続される一方で、要求されるように、燃料電池アセンブリの出力へ寄与する特定の燃料電池を分離させてもよい。あるいは、直列、並列及び分離構成の複合は、所望の出力電圧を達成するために使用されてもよい。
【００４７】
更なる実施形態において、相互接続コントローラ４０は、燃料電池アセンブリ１１の電気出力を測定するよう構成された燃料電池アセンブリ出力センサ４１を含む。相互接続コントローラ４０は、電気出力の測定値を受け取り、それに応じて燃料電池間の相互接続を形成するよう構成されていてもよい。これは、温度、燃料濃度、燃料電池寿命及び他の要因によって変化できる燃料電池による電力出力として特に有利である。相互接続コントローラ４０は、異なる直列あるいは並列あるいは分離構成あるいはそれらの複合の複数の燃料電池を相互接続することにより配列の電力出力の制御を提供する。達成された出力電圧の精度は、配列におけるより多くの燃料電池を含むことにより減少させられてもよい。したがって、相互接続コントローラ４０は、目標出力電圧と共に提供され、目標出力電圧を得るもしくはそれに向かって動くよう使用中である一方で、閉ループフィードバック配置を形成するセンサ４０からの測定値を使用して、能動的に燃料電池間の相互接続を修正するよう構成されてもよい。相互接続コントローラ４０は、特定の出力電圧を提供するために燃料電池電力源で共通して使用されるＤＣ−ＤＣ変換器に置き換えてもよい。
【００４８】
本例において、相互接続コントローラ４０は集中化切替コントローラとして示されているが、切替素子のネットワークを用いてアセンブリ１１全体に配置されていてもよいと解釈される。したがって、切替素子は、電極のそれぞれからの相互接続を接続または分離し、コントローラによって提供され得るトランジスタへの信号（ゲート信号など）を制御するトランジスタを含んでもよい。
【００４９】
他の実施形態において、相互接続コントローラ４０は、バッテリーに適切な電圧を提供するなど、いくつかあるいは全ての燃料電池の出力電圧を測定するよう構成され、それに応じて相互接続を再構成するよう構成されている。
【００５０】
相互接続コントローラ４０は、直列の燃料電池の数がバッテリーの最大出力電圧以下の電圧を供給するよう、燃料電池間の相互接続を能動的に整えるよう構成されてもよい。相互接続コントローラ４０は、バッテリーがその作動低電圧制限で作動している場合に、並列の燃料電池の数がバッテリーのＣレートを満たす電流以下の電流を供給するよう、燃料電池間の相互接続を能動的に整えるよう構成されていてもよい。したがって、相互接続コントローラは、上述のように、要求された電流を提供する複合燃料電池領域を達成する、連続した並列群において電池の数を能動的に変更してもよい。
【００５１】
図５は、バッテリー５２との組み合わせの燃料電池アセンブリ５１の模式図を備えている更なる実施形態を示す。燃料電池アセンブリ５１及びバッテリーは、負荷５３の混成電力源を形成する。本例において、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備えている。しかしながら、燃料電池アセンブリ５１は、燃料電池が対面よりはむしろ隣接して配置されている平面あるいは層状燃料電池アセンブリ５１を備えていてもよい。バッテリーは、リチウム−イオンバッテリーなどの電気化学バッテリーを備えている。バッテリー５２は、１つ以上のバッテリーセルから構成されてもよい。
【００５２】
図５は、燃料電池アセンブリ５１及びバッテリー５２の間の電気接続５４、５５を示す。電気接続５４、５５は、燃料電池アセンブリの出力端子からバッテリー５２の端子へ直結している。電気接続は、燃料電池アセンブリ１及びバッテリー５２の間の電力流を示す、矢印５４及び矢印５５によって示される。矢印５４、５５は、物理的な接続を示すというよりはむしろ模式的であると解釈される。矢印５４は、燃料電池アセンブリ５１からバッテリー５２の方向の電力流を示し、したがって、燃料電池アセンブリ５１によって生成された電力はバッテリー５２を電荷及び／あるいは負荷５３に電力供給することができる。矢印５５は、バッテリー５２から燃料電池アセンブリ５１の方向の電力流を示す。
【００５３】
電気接続５４、５５は、バッテリーに蓄えられた電流が燃料電池アセンブリへ流れ込むことを防ぐために、本例ではダイオードを含む電流ブロッキング素子５６を含む。電気接続は、また、燃料電池アセンブリ５１からバッテリー５２の逆方向の電流流れの制御のための電流制御素子５７を含む。電流制御素子５７は、トランジスタとして実現化されてもよいスイッチを備えている。スイッチ５７は、超過された閾値に基づく電流流れを防ぐよう構成された遮断スイッチである。特に、本実施形態では、スイッチ５７の実行は、燃料電池アセンブリ５１の電圧出力に専ら基づく。したがって、電圧センサ５８は、全アセンブリ５１の電圧出力を測定するよう配置されている。電圧センサ５８は、ゲート端子で供給される電圧に基づきオンあるいはオフを切り替えるよう構成されたトランジスタを伴うトランジスタに基づくスイッチ５７のゲート端子に供給される電池の電圧を備えていてもよい。
【００５４】
スイッチ５７は、測定された電圧が閾値よりも大きい場合に、センサ５８からの測定された電圧を比較する比較器を含み、開スイッチへの動作信号を提供（及びしたがって燃料電池アセンブリからバッテリーへの電流流れを妨げる）してもよい。閾値は製造者によって規定されたように最大作動バッテリー電圧を備えていてもよい。したがって、燃料電池アセンブリ５１は、最大バッテリー電圧よりも大きな電圧を提供することが可能であってもよい一方で、遮断スイッチは、燃料電池電圧出力が閾値を超過する場合にバッテリーへの電流を切断することによりバッテリーへのいかなる損害も防ぐ。燃料電池アセンブリの電圧出力が閾値より低下した場合、スイッチ５７は閉じるように構成されていてもよい。
【００５５】
他の実施形態において、瞬間的な燃料電池電圧及び閾値に比較した燃料電池電圧の変化の割合は、動作信号としてスイッチ５７により使用されてもよい。スイッチ５７の動作は、瞬間的なバッテリー電圧に左右されず、またバッテリー電圧における変化などの、その派生物にも左右されなくてもよい。
【００５６】
スイッチ５７は、バッテリー方向への燃料電池内の電流流れを制御するよう構成された唯一の電流制御部材を備えていてもよい。
【００５７】
本実施形態において、スイッチ５７は、遮断スイッチとして構成され、第１の切替事象に続きスイッチ５７の第２の切替事象を防ぐヒステリシス素子を含んでいてもよい。これは、スイッチ５７が閾値付近を行き来することを防いでもよい。ヒステリシス素子は、スイッチ５７の切替を可能にする前の所定の時間待機してもよく、あるいはセンサ５８からの燃料電池電圧が前記閾値より低い所定の数値により変化したときを決定してもよい。
【００５８】
他の実施形態において、スイッチをオンにする電圧閾値は、スイッチをオフにする電圧閾値とは異なっていてもよい。例えば、スイッチオフ（開スイッチ）電圧は、燃料電池電圧が最大バッテリー電圧より上昇する場合にスイッチ５７が開くように、バッテリーの最大作動電圧など、第１の閾値を備えていてもよい。センサ５８により測定された電圧は、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を下回った場合よりも大きくてもよい。したがって、スイッチオン電圧（閉スイッチ）は、第１の閾値電圧よりも大きい第２の電圧閾値を備えていてもよい。これは、バッテリー５２及び／あるいは第１の閾値電圧よりも小さい電圧をバッテリー５２へ供給する燃料電池アセンブリとなる負荷５３に接続された場合に燃料電池アセンブリにおける電圧低下が生じることを予測させる。他の閾値が選択されてもよいと解釈される。例えば、第２の閾値は、第１の閾値よりも小さくてもよい。スイッチ５７は、燃料電池アセンブリの電圧出力がバッテリーの最大電圧よりも小さい場合に、変調無しに電流流れを可能にするように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】バッテリーとの組み合わせの燃料電池アセンブリの模式図であり、負荷の供給が示された組み合わせを示す。
【図２】例の燃料電池アセンブリの断面を示す。
【図３】第２の例の燃料電池アセンブリの断面を示す。
【図４】バッテリーとの組み合わせの燃料電池アセンブリの更なる例の模式図を示す。
【図５】バッテリーとの組み合わせの燃料電池アセンブリの模式図を含む更なる実施形態を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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