用于便攜式燃料電池的燃料盒互連的制作方法

專利名稱：用于便攜式燃料電池的燃料盒互連的制作方法
技術領域：
本發明涉及便攜式電子裝置的供電。
背景技術：
通常使用一次電池或可充電電池對便攜式電子裝置供電。便攜式電子裝置市場的增長，以及，使用模式的改變，為使用可充電電源對電子裝置供電提供了機遇。盡管一次電池具有更大能量密度，它們的內部電阻也更大，而且一次電池更不適合于高損耗(放電速率＞0.2C)電子裝置。可充電電池可承受大的負載但在許多應用中沒有足夠的能量容量。
由于能夠使用高能成分的燃料，整合到便攜式裝置的電源中的燃料電池(fuel cells)允許比傳統電池(conventional battery)系統更長的運行時間。為了便攜式電源應用的商業化，幾種燃料電池技術目前正在開發中，即直接甲醇燃料電池(DMFC)和氫PEM燃料電池(H2FC)。所述兩種燃料電池都需要當用完時能夠補充燃料到電源中。

發明內容
根據本發明的一個方面，互連包括在燃料電池系統和燃料盒或電池(battery)之間的接口。
根據本發明的一個方面，電子裝置包括使用燃料電池工作的工作單元和包括隔室的外殼，所述隔室在工作單元由燃料電池產生的電力操作時用于接收燃料盒，并在工作單元由電池產生的電力操作時用于接收電池，所述外殼包括在燃料電池系統和燃料盒或電池之間的接口。
根據本發明的一個方面，制品包括具有一對電端子的用于棱柱狀電池的大致上矩形固體形狀的外殼，所述外殼容納至少一個圓柱狀電池，所述圓柱狀電池具有連接到外殼的電端子的正負電極。
根據本發明的一個方面，制品包括具有一對電端子、和設置在該對端子之間用于接收導入端口的開孔的用于棱柱狀電池的大致上矩形固體形狀的外殼。
根據本發明的一個方面，互連包括在燃料電池系統和燃料盒或電池之間的接口和當電池被附加到互連時防止由電池對燃料電池充電的電路。
根據本發明的一個方面，電子裝置包括提供該裝置的工作功能的電子電路，在某些操作時期為電子電路供電的燃料電池，在電池和燃料盒之間進行連接以輸送燃料到燃料電池或從電池供電的互連，以及當電池被附加到所述互連時防止由電池對燃料電池充電的電路。
在直接甲醇燃料電池(DMFC)中，燃料盒包含甲醇溶液，而在氫燃料電池(H2FC)中燃料盒包含存儲的氫氣或能夠產生向燃料電池供給燃料所需氫氣從而對裝置供電的化學系統。這樣的燃料盒應該被用作外部的燃料補給罐，從所述燃料補給罐中將燃料泵入位于裝置內部的內部燃料罐中。作為選擇，所述燃料盒可被插入到裝置內并位于裝置內部，對燃料電池提供燃料直到被用完，在那時使用新的、充滿的燃料盒替換它。相信消費者更可能優選的途徑是可插入燃料盒途徑。這是因為其本身的簡單和方便，允許“即時補給(instant recharge)”并使消費者管理電源的補給過程的時間和努力最小。
如果給定類型的燃料電池作為大量市場應用成功，預料具有所需燃料配方的燃料盒將廣泛可用。使用燃料電池供電的裝置的消費者將與購買標準尺寸電池一樣容易地購買到燃料盒。然而，在燃料電池商業化的最初階段，將難于在零售中發現燃料盒。作為選擇，最初的燃料銷售可以限制為直接向消費者銷售，僅僅通過專門的商店或其它途徑進行銷售。這些最初的銷售模式可能導致冒險，即消費者可能需要購買燃料盒，但不能快捷和方便地購買。因此需要操作使用燃料電池供電的裝置的候補方法，所述方法允許消費者在如此緊急的情況下完全使用他們的裝置。
另一個需要考慮的事項是燃料盒的航空運輸和管理它們運輸的規則。因此需要替代方法操作使用燃料電池供電的裝置，所述方法允許消費者在旅行時，在運輸燃料盒的能力受到預料之外的限制的情況下使用他們的裝置。
本發明的各方面提供用于在燃料盒暫時不能獲得的情況下操作燃料電池供電的裝置的方便的技術。由燃料電池供電的裝置包括在燃料電池電源與燃料盒之間的互連，所述互連允許電源自動檢測一次或者充電的二次電池或多個所述電池插入到燃料盒腔。所述互連還將允許一次或者二次電池或多個所述電池操作其裝置，并允許消費者在暫時缺乏燃料盒時使用他們的裝置。
本發明的一個或更多具體實施方式
的細節在下面的附圖和說明中被闡明。由說明、附圖以及權利要求書將明顯看出本發明的其它特點、目的和優點。


圖1是方框圖。
圖2A和2B是連接到燃料電池和電子裝置的互連結構的透視圖。
圖3和4是說明電池和燃料盒示例配置的透視圖。
圖5和6是電子電路的示意圖。
具體實施例方式
參見圖1，顯示了便攜式電子裝置12。裝置12包括外殼11，所述外殼11具有容納能量源(未示出)的隔室14和關閉隔室14的門16。裝置12還包括互連20，所述互連20被設置在隔室13(圖1的14)內以作為能量電池源，例如一次或二次，例如可充電電池16，或供給燃料源(一種形式的氫)到燃料電池的燃料盒(未示出)的接口。雖然門被顯示沿與互連20垂直的隔室的一側轉動時，但在一些具體實施方式
中可能需要從與互連20相反的一側訪問隔室以使電池和燃料盒容易插入。
互連20可以區別燃料盒和電池。互連20提供允許在燃料盒暫時不能獲得的情況下使得由燃料電池供電的裝置工作的方便的技術。這通過燃料電源和燃料盒之間的互連20而實現。互連20允許電源自動檢測一次或者二次的充電電池或多個所述電池插入到燃料盒腔。互連20允許一次或者二次電池或多個所述電池操作所述裝置并允許消費者在暫時缺乏燃料盒時使用他們的裝置。裝置12可以是任何類型的便攜式裝置，如移動電話、便攜式計算機或音頻/視頻裝置。通常，裝置12將包括可操作部分(未示出)，也就是，提供裝置功能的裝置部分，為裝置提供便攜式電源的燃料電池(未示出)以及互連20，全部容納在外殼11內。
參見圖2，互連20提供在燃料電池22和燃料盒或電池(未示出)之間的接口。接口20具有適當的匹配部件32以允許燃料盒(未示出)連接到接口20并輸送燃料到設置在裝置12中的燃料電池22。所述匹配部件32提供導入燃料接口端口。接口端口32可以是簡單的閥或僅僅是導入端口或能夠通過液體或氣體燃料的其它結構，并允許與燃料盒上的互補端口之間的可靠、防漏的匹配。匹配部件32允許液體或氣體燃料通過出口33進入燃料電池22，從而使燃料電池能夠工作。接口20還包括設置在互連20的共用表面上以允許與棱柱狀電池系統中的電池端子相接觸的一對彈簧加載的電池端子接觸34a、34b。燃料電池22從連接到互連20的燃料盒接收燃料。燃料電池將燃料轉化為用于對電子電路24供電的電能，所述電路24為裝置12提供操作功能。電子電路24也可以由連接到互連20的電池(未示出)供電。
在如圖2A中所示的一個實施例中，電能通過從互連20引出的電連接37a、37b輸送。燃料電池22具有連接到互連20的電連接39a、39b。圖5和圖6中提供在電池和燃料電池之間轉換、從而供電到連接37a、37b上的電路。在如圖2B中所示的另一個實施例中，來自于電池的電能通過從互連20引出的電連接37a′、37b′輸送，燃料電池22具有連接到裝置電路24的電連接39a′、39b′。因此在圖5和6中說明的在供電的電池和燃料電池之間轉換的電路被設置在裝置電路24上。
參見圖3，顯示了燃料盒38和棱柱狀電池40。燃料盒38(注意在圖3中未示出)具有與接口20互補(圖2)的燃料輸送接口，所述燃料輸送接口包括出口端口42，如圖所示。在棱柱狀封裝的同一側，棱柱狀一次或二次電池40(注意在圖3中未示出)具有一對電池端子44(接觸插座)，也如圖所示。
此外，電池可以包括接受接口20上的導入端口的空隙，而且在棱柱狀封裝的同一側，燃料盒可以具有一對電池端子44(接觸插座)，也如圖所示。棱柱狀封裝上的該對電池端子44(接觸插座)并不是電有源的，在一些實施方式中可以被短路以采用適當的電路被用于指示燃料盒已被連接到互連20。在圖3中所示的配置使接口20能夠接收燃料電池盒38或電池40，從而所述燃料盒的燃料輸送閥機構和所述電池的端子都與接口20(圖2)上的相應互連部件匹配。
預想與端子接觸方案兼容的電池包括來自于Duracell和其它電池系統的棱柱狀一次鋰電池。其它電池結構可能與上述的電池端子排列兼容。
參見圖4，顯示了棱柱狀電池盒44，所述棱柱狀電池盒44允許諸如AA、AAA或AAAA尺寸的圓柱狀電池作為與接口20匹配的棱柱狀電池的代替。這樣的電池盒可作為燃料電池供電的裝置的并不昂貴的附件而銷售，允許消費者購買圓柱狀電池并插入到電池盒中以用作備份盒。還將連接圓柱狀電池的背面端子從而允許通過所述棱柱狀電池盒的前面端子之一訪問所述圓柱狀電池。一種選擇的實例顯示于圖4中，這里三個AAA電池包含在棱柱狀電池盒中，所述電池盒允許所述電池與接口20一起使用。
可以預想一種替代的結構，其中可以使用一次或二次圓柱狀電池或多個所述電池。在單個圓柱狀電池的情況下，電池端子需要被改裝以允許一個端子可以被放在空腔的門上，當全部插入時允許電池被適當地連接到兩個端子上。在這樣的結構中，燃料閥需要起到電池端子的作用，并被特別配置成允許一次或二次圓柱狀電池的簡單電連接或燃料盒上燃料輸送閥的連接。使用在圖2中所示的用于一組端子的兩個電池端子和在空腔的門背面的第二組端子可以實現圓柱狀電池的雙結構，所述空腔的門關閉并提供對圓柱狀電池上的背面端子的接觸。
替代用于燃料電池供電的裝置的燃料，一次或二次電池的使用為裝置的操作提供了可備份的選擇。燃料盒的其它特征包括燃料空腔門。如果電池端子的尖部檢測到電池，所述檢測可以啟動門而關閉燃料盒空腔，電池在所述腔中，例如，圖1。這可以允許更有效的關閉，而且如果電池的幾何設計與燃料盒空腔不十分一致，可以改善裝置的外觀，電源在所述裝置中。
在檢測到沒有電池存在(兩端沒有電壓)但檢測到在端子應該被放置的位置上的另一個信號時，與電池端子尖部組合使用的燃料輸送閥嚙合機構(未示出)將啟動嚙合機構而使燃料閥系統與燃料盒能夠物理對接。作為一個實例，兩個小的金屬板被放置在燃料盒上，在所述燃料盒處，電池端子將處于一次電池內或在燃料盒38(如果使用)內的接觸插座44上。這些端子可以被短路。如果連接到電池端子尖部的電路檢測到在端子兩端沒有電壓，而僅僅有小的電阻，則電路將啟動一個機構而使接口與插入的燃料盒機械對接。
在檢測到端子尖部兩端的電壓時，互連上的簡單并聯電路將從導向燃料電池輸出到電源管理電路轉換到使用從電池端子的輸出。
參見圖5，示出硅二極管50連接在燃料電池22和能夠接收電池(未示出)的外部電池端子之間。當燃料電池22供電時，二極管50正向偏置，外部電池44端子處于開路。如果外部電池被連接到接觸44，則二極管50反向偏置(沒有燃料供給的燃料電池的電壓降低到低于電池電壓)，電池對負載供電。二極管50防止由電池向燃料電池22充電，所述充電將導致能量損失并可能損壞燃料電池22。
參見圖6，示出了基于晶體管的開關電路60。這種配置的優點在于提供了在實際上沒有能量損失(也就是圖5中二極管兩端的電壓降)的情況下的燃料/電池選擇。當燃料電池盒(未示出)被插入且燃料電池22供電時，外部電池44端子處于開路，p溝道MOSFET Q1的柵極通過R1而偏置。在這種情況中，Q1導通并從燃料電池導向負載(電子裝置24)導電，而且Q2關閉。如果外部電池被插入，Q1的柵電壓為正并斷開晶體管，防止兩個電源并聯連接，Q2通過R2而偏置并將電池電力傳導到負載。
圖5或6中的電路通常將被整合在互連20或便攜式裝置12中，所述便攜式裝置12使用燃料電池。細節將由應用、裝置的尺寸以及電源的可能體積決定。然而，最優化的實施例可以包括替代較大體積燃料盒或圓柱狀電池或多個所述電池而包含多個棱柱狀電池或電池盒。特定的電路也將由應用和燃料電池系統的電壓輸出與替代電池的電壓輸出之比決定。
當然，可以提供多于兩個的電池端子和相應的到電路的連接。
而且，內部燃料表可以被整合到燃料盒內。燃料表可以顯示剩余燃料或剩余運行時間。
已經說明了許多具體實施方式
。然而，應該理解在不背離本發明的宗旨和范圍的情況下可以進行各種各樣的修改。例如，盡管描述成在互連20內，但圖5或圖6中的電路可以作為獨立電路或作為提供裝置工作功能的電子電路的一部分被設置在互連的外部。因此，其它具體實施方式
在權利要求書的范圍之內。
權利要求
1.一種互連，包括燃料電池系統和燃料盒或電池之間的接口。
2.權利要求1的互連，其中所述接口包括合適的匹配部件，以允許燃料盒連接到所述互連。
3.權利要求2的互連，其中所述匹配部件提供導入燃料接口端口。
4.權利要求2的互連，其中所述匹配部件是閥或導入端口裝置，以允許與燃料盒上的互補端口之間的可靠、防漏的匹配。
5.權利要求1的互連，其中所述接口包括合適的匹配部件，以允許電池連接到所述互連。
6.權利要求1的互連，其中所述接口包括放置在至少兩個共平面位置的一對彈簧加載的電池端子接觸。
7.權利要求1的互連，其中所述接口包括放置在至少兩個非共平面位置的一對彈簧加載的電池端子接觸。
8.一種電子裝置，包括使用燃料電池工作的工作單元；以及包括隔室的外殼，所述隔室在工作單元由燃料電池產生的電力操作時用于接收燃料盒，在工作單元由電池產生的電力操作時用于接收電池，所述外殼包括燃料電池系統和燃料盒或電池之間的接口。
9.權利要求8的裝置，其中所述裝置是便攜式電子裝置。
10.權利要求8的裝置，其中所述外殼具有門以關閉隔室，所述門可轉動并固定在外殼上。
11.權利要求8的裝置，其中所述外殼具有門以關閉所述隔室，所述門可從外殼上拆卸。
12.權利要求8的裝置，其中所述接口包括合適的匹配部件，以允許燃料盒連接到互連。
13.權利要求12的裝置，其中所述匹配部件提供導入燃料接口端口。
14.權利要求12的裝置，其中所述匹配部件是閥或導入端口裝置，以允許與燃料盒上的互補端口之間的可靠、防漏的匹配。
15.權利要求8的裝置，其中所述接口包括合適的匹配部件，以允許電池連接到所述互連。
16.權利要求8的裝置，其中所述接口包括放置在至少兩個共平面或非共平面位置的一對彈簧加載的電池端子接觸。
17.權利要求8的裝置，其中所述接口包括放置在至少兩個非共平面位置的一對彈簧加載的電池端子接觸。
18.一種制品，包括大致上矩形固體形狀的殼體，具有一對電端子，容納具有連接到外殼的電端子上的正負電極的至少一個圓柱狀電池。
19.一種制品，包括大致上矩形固體形狀的殼體，具有一對電端子，和設置在該對端子之間的開孔，以接收導入端口。
20.權利要求19的制品，其中所述殼體容納具有連接到外殼的電端子上的正負電極的至少一個圓柱狀電池。
21.權利要求19的制品，其中所述殼體容納連接到外殼的電端子上的正負電極的至少一個棱柱狀電池。
22.一種互連，包括燃料電池系統和燃料盒或電池之間的接口；以及在電池被連接到所述互連時防止由電池對燃料電池充電的電路。
23.權利要求22的互連，其中所述電路是二極管。
24.權利要求22的互連，其中所述電路是設置在所述互連中并且設置成連接在燃料電池和所述互連的外部電池端子之間的二極管，所述互連可接收電池，使得在燃料電池供給電力時，二極管被正向偏置，而外部電池端子處于開路，并且，在外部電池被連接到接觸時，二極管被反向偏置，而電池向負載供給電力。
25.權利要求22的互連，其中所述電路是基于晶體管的開關電路。
26.權利要求22的互連，其中所述電路包括通過電阻器偏置從而將電力從燃料電池導向負載的第一晶體管；以及按如下方式設置的第二晶體管如果插入外部電池，則第一晶體管的柵電壓將該晶體管斷開，防止燃料電池與電池的連接，并且，所述第二晶體管通過第二電阻器偏置從而將電力從電池導向負載。
27.權利要求22的互連，其中所述晶體管是MOSFET晶體管。
28.權利要求22的互連，其中所述晶體管是p溝道MOSFET晶體管。
29.一種電子裝置，包括提供該裝置的工作功能的電路；在操作的某些時期對電路供電的燃料電池；連接在電池和燃料盒之間從而向燃料電池輸送燃料、或從電池供給電力的互連；以及在電池被連接到所述互連時防止由電池對燃料電池充電的電路。
30.權利要求29的互連，其中所述電路是二極管。
31.權利要求29的互連，其中所述電路是設置在所述互連中并且設置成連接在燃料電池和所述互連的外部電池端子之間的二極管，所述互連可接收電池，使得在燃料電池向電路供給電力時，二極管被正向偏置，而外部電池端子處于開路，并且，在外部電池被連接到接觸時，二極管被反向偏置，而電池向電路供給電力。
32.權利要求29的互連，其中所述電路是基于晶體管的開關電路。
33.權利要求29的互連，其中所述電路包括通過電阻器偏置從而將電力從燃料電池導向電路的第一晶體管；以及按如下方式設置的第二晶體管如果插入外部電池，則第一晶體管的柵電壓將該晶體管斷開，防止燃料電池與電池的連接，并且，所述第二晶體管通過第二電阻器偏置從而將電力從電池導向電路。
34.權利要求33的互連，其中所述晶體管是MOSFET晶體管。
35.權利要求33的互連，其中所述晶體管是p溝道MOSFET晶體管。
36.權利要求33的互連，其中所述電路被結合在所述互連內。
37.權利要求33的互連，其中所述電路被結合在所述電子裝置內。
全文摘要
一種電子裝置，包括提供裝置的工作功能的電路，在某些操作時期為電路供電的燃料電池，在電池和燃料盒之間進行連接以輸送燃料到燃料電池或從電池供電的互連，以及當電池被連接到所述互連時防止由電池對燃料電池充電的電路。
文檔編號H01M2/10GK1806363SQ200480016608
公開日2006年7月19日 申請日期2004年6月3日 優先權日2003年6月13日
發明者喬丹·T·布里爾科弗, 安德魯·G·吉里西斯基 申請人:吉萊特公司