發電陣列的電池體系結構和控制的制作方法

專利名稱：發電陣列的電池體系結構和控制的制作方法
發電陣列的電池體系結構和控制技術領域這份申請是2006年9月14日申請的美國專利申^青第 11/521,593號的部分繼續申請，后者是2005年12月29日申請過 但現在放棄的美國專利申請第11/322,760號的繼續，該申請是 2004年9月29日申請的美國專利申請第10/953,038號(現在的美 國專利第6,991,866號)和2004年11月9日申請的美國專利申 請第10/985，736號(現在的美國專利第7,029，779號)的繼續申5青并 且要求給這兩份申請的優先權，這兩份申請分別是作為1999年 11月24日申請的美國專利申請第09/449,377號(現在的美國專利 第6,312,846號)的繼續申i青的2001年9月7日申i青的美國專利 申請第09/949,301號(現在的美國專利第6,815,110號)的分案申請 和繼續申請。這4分申請還要求給2006年3月2曰申i青的美國專 利申i青第60/778,584號和2006年3月2日申^青的美國專利申諱-第60/778,563號的優先權。上述申請和專利的全部教導在此通過 引證被并入。
背景技術：
電化學燃并牛電池不是新的。1839年Alexander Grove發明的電 化學燃料電池最近已成為廣泛研發的主題。因為關心環境問題和 能源立法變得強硬，"綠色"能源的開發如果不是必需作為一系 列行動也變得更合理。在最近十年，研發已指向為各種不同的應用和對應的功率7]C 平設計的各種不同類型的燃津+電池，范圍乂人固定的大發電站(凄t 千瓦到數兆瓦)，到運輸(公共汽車、汽車、摩托車)，到較小的電 子裝置(膝上型電腦、移動電話、個人數字助理)。在美國專利第6,312,846和6,815,110號中，Marsh描述一種 在半導體基體上制造質子交換膜(PEM)燃料電池的方法。使用傳 統的半導體制造方法，這樣的燃并+電池能非常大量地以非常^f氐的 成本在單一的基體上被做得極小。發明內容符合本發明的示范實施方案，提供一種使用自己組裝的單分 子層(SAM)、 微機電系統(MEMS)、 "芯片化學 (chemistry-on-a-chip)"和半導體制造4支術的組合在基體(優選半導實現各種不同的功率0/*1)特性和受應用駕馭的配置，這些晶片可 能是"堆疊的"(即，串聯或并聯地電連接在一起)和個別編程的。本發明的一個實施方案是電池，例如，燃沖+電池。該電池包 括有第一和第二面的膜片。該膜片有包圍一體積的三維幾何結 構。該電池可能還有與膜片耦合在膜片處將第 一流動3各徑和第二 流動路徑分開的覆蓋物。在燃料電池中，第一和第二催化劑可能 分別與第 一流動i 各徑和第二流動^各徑有氣體交換而且分別與月莫 片的第一和第二面有離子交換。此外，第一電極與膜片第一面上 的第 一催化劑電耦合，而第二電極與膜片第二面上的第二催化劑 電耦合。在一個實施方案中，電池可能進一步包括與膜片耦合的 基體。本發明的一個實施方案是使用電池產生能量的方法。該方法 包括讓燃料或氧化劑流過電池的質子交換膜片包圍的體積。本發明的一個實施方案是包括電池陣列的供電芯片。該電池 陣列包括眾多有第一面和第二面而且有包圍各自的體積的三維 幾何結構的膜片。至少 一 個覆蓋物與膜片耦合在膜片處將第 一 流 動3各徑和至少 一個第二流動^各徑分開。電池陣列可能還包4舌分別 與第 一 流動i 各徑和至少 一 個第二流動^各徑有氣體交4灸而且分別 與膜片的第一和第二面有離子交換的第一和第二催化劑。在電池 陣列中，至少一個增壓室可能與第一流動i 各徑或至少一個第二流 動路徑有氣體交換以便分配燃料或氧化劑。為了給電池產生的能 量提供接口 ，至少一對接線端與電池陣列的至少一個子集的第一 和第二催化劑電耦合。本發明的一個實施方案是使用供電芯片產生能量的方法。該 方法包括讓燃料或氧化劑流過電池陣列的質子交換"莫片包圍的 體積。本發明的一個實施方案是包括電池陣列的供電盤片。供電盤 片的電池陣列可能包括眾多有第一面和第二面而且有包圍各自 的體積的三維幾何結構的膜片。至少 一個覆蓋物與膜片耦合在膜 片處將第 一流動^各徑與至少 一個第二流動;咯徑分開。該電池陣列 能進 一 步包括分別與第 一 流動^各徑和至少 一 個第二流動^各徑有 氣體交換而且分別與膜片的第一和第二面有離子交換的第一和 第二催化劑。供電盤片進一 步包括至少 一個與第 一 流動^^徑或至 少 一 個第二流動路徑有氣體交換的增壓室以便分配燃料或氧化劑。為了給電池產生的能量提供接口 ，至少一對接線端與電池陣 列的至少一個子集的第一和第二催化劑電耦合。此外，供電盤片 能包括至少 一條與至少 一對接線端電耦合的供電總線。作為替代，在另一個實施方案中，供電盤片能包括基體和至 少一個與基體耦合的供電芯片。該供電芯片能包括包圍一些體積 的三維電池陣列、眾多分配燃并牛和氧化劑的與該電池陣列有氣體 交換的芯片流動^各徑和與該電池陣列耦合的芯片4妄線端。至少芯 片流動路徑能對準至少 一 個盤片歧管。供電盤片能進一 步包括至 少 一 條與芯片接線端電耦合的供電盤片總線。在供電盤片的又一個實施方案中，供電盤片能包括基體和與 基體耦合的電池陣列。該電池陣列能包括眾多有第一面和第二面而且有包圍各自體積的三維幾何結構的膜片。至少一個覆蓋物能 與膜片耦合在膜片處將第 一 流動路徑和至少 一 個第二流動^各徑 分開。第 一和第二催化劑能分別與第 一流動路徑和至少 一個第二 流動路徑有氣體交換。第一和第二催化劑能進一步與膜片各自的 第一和第二面有離子交換。此外，供電盤片能包括與膜片第一面 上的第一催化劑電耦合的第一電極和與膜片第二面上的第二催 化劑電耦合的第二電4及。此外，供電盤片能包4舌一對與相應的第 一電才及和相應的第二電才及電耦合的供電盤片總線。本發明的一個實施方案是使用供電盤片產生能量的方法。該方法包4舌讓燃沖+或氧4匕劑流過基體進入#:電池陣列包圍的體積。本發明的一個實施方案是供電疊層。該供電疊層包4舌與至少 一個疊層歧管相關聯的供電疊層結構和眾多有各自的電池并且 與供電疊層結構耦合的供電盤片。每個供電盤片能包括至少一個 與至少一個盤片歧管相關聯的基體，其中至少一個盤片歧管與至 少 一 個疊層歧管有氣體交換歧管給與該供電盤片耦合的供電芯 片分配燃料或氧化劑。每個供電盤片能進一步包括與供電芯片電 耦合的盤片接線端。供電疊層能進一步包括與供電疊層結構相關 耳關并且配置成與盤片4妾線端電井禺合的供電疊層4妻線端。本發明的另一個實施方案是使用供電疊層產生能量的方法。 該方法包括讓燃料或氧化劑先通過至少 一個疊層0l支管流到至少 一個與支持電池的供電盤片相關聯的盤片歧管和讓燃料或氧化 劑通過至少 一個盤片歧管流到電池。本發明的一個示范實施方案是由在借助蝕刻或其它眾所周 知的半導體加工工藝形成流動通道的平面半導體晶片上制造眾 多個別的燃并+電池形成的。允《午氧進入通道的 一邊而氫進入另一邊；這兩種氣體被膜片分開。電極是在膜片的對置面上形成的， 而催化劑在兩個面上都與電極和膜片有離子交換。最后，氣體不 能滲透的覆蓋物或蓋子附著到電池上。基體可能被分割成個別的燃料電池器件，每個尺寸都符合特 定的發電應用的要求。作為替代，全部基體可能被組裝成疊層以 產生更大的電力。因為燃4牛電池固有的三維性質，本發明的實施方案4吏燃并牛電 池組件(供電芯片)的結構能夠有比在別的情況下可能的單位基體 反應表面積高得多的單位基體反應表面積。這依次在功率密度和 和制造成本方面形成大^尤勢。除此之外，許多燃并+電池能至少在一部分相同的基體或相同 的晶片上用電子學方法互連和與氣體來源耦合形成"供電芯片，，。 傳統的電路能連同提供監測程序和控制個別電池的功能的芯片 一起集成在該晶片上。然后，包含多個芯片(供電盤片)或多個電 池的基體或晶片能相互重疊形成供電疊層。本發明的一個實施方案包括在有燃料和氧化劑的情況下通 過電控與眾多電池的至少一個子集耦合的至少一個電元件動態地控制眾多電池當中至少一個電池子集的電能的產生操作電池 的方法或7于應的裝置。至少一個電元件可能是在為串耳關或并聯j也連4妄電池而配置的安排中眾多與電池耦合的開關。動態地控制電能的產生包括斷 開和閉合開關控制眾多電池聚集的輸出電壓、電流或兩者。控制 電能的產生可能是以開環或閉環的方式在眾多電池實際可能的 工作狀態范圍內對任意的"l喿作狀態完成的。每丈感元件可能反々貴電 力的表達通過控制至少一個電元件來管理眾多電池的電力輸出。 通過測知負載提取的電力和反饋電力提取的表達，控制器可以動 態地將電能的產生控制到足以支持電力提取但與缺乏反饋電力 提取的表達時產生電力相比較減少過量電力的數量。此外，控制 器可以動態地產生有隨著輸入電壓或電流波形變化的、與輸入電壓或電流波形成正比或成反比的、隨著，ir入電壓或電流波形呈線 性變化的、或隨著輸入電壓或電流波形呈非線性變化的電壓或電 流波形的電力。內在的或外部的電子元器件可以呈現波形的表 達，而控制器可以控制該陣列隨著該表達變化。電壓或電流波形 可能是為補償負載效應而進行調整的。在另一個實施方案中，#:作眾多電池的方法包括配置按串聯: 組合產生^是供癥會負載的輸出電壓和電流的第一電池組和動態地 配置為產生實質上與第一電池組相同的l敘出電壓而配置的至少 一個第二電池組，至少一個第二電池組與第一電池組并聯j是供隨 著第一電池組和至少一個第二電池組產生的電壓和電流的組合 變化的電力。每個電池組可能包括非必選地以靜態或動態的方式配置的 并耳關的多個電;也。在又一個實施方案中，控制器通過將許多電池^t要串^:組合或 并聯組合動態地配置在電池陣列中控制該電池陣列產生1#出電力；通過動態地配置電池的串聯組合粗調該輸出電力；和通過動 態地配置電池的并耳關組合孩H周該#r出電力。粗調或微調輸出電力可能包括反饋至少 一個電池操作參數 和隨著至少一個纟喿作參凄t變化分別動態地配置串聯或并耳關電池 組合。在一個實施方案中，至少一個操作參數至少包括下列操作 參數之一輸出電壓、l命出電流、電池處壓強、電池處溫度或電 池處濕度。產生輸出電力可能包括從電池陣列中的多個群體之中 選才奪一群電池產生輸出電力。此外，選擇一群電池產生輸出電力可能包括在周期性時間、隨機時間、假隨機時間、按要求或受事在本發明更進一步的實施方案中，電池陣列可能通過4要可選力遞送給負載來產生電力。合并電池表面區域可能包括在一個電 池組4妄著一個電池組的基礎上合并表面區i或或在一個電池4妾著 一個電池的基礎上合并表面區i或。另 一 個實施方案是操作電池陣列的方法和對應的裝置。控制 器或其它裝置可能針對給定的電流密度用電池陣列中的至少一 個電池子集以可選l奪的凌丈率產生電力。該示范實施方案可以盡可 能提高有效燃料消耗效率或盡可能提高有效熱量生成效率。在更進一步的實施方案中，電池陣列可能是通過識別該電池 陣列中有缺陷的電池、把有缺陷的電池乂人運4亍中除去和才喿作該電 池陣列中無缺陷電池產生電力實施控制的。用來操作電池的另 一種方法或對應的裝置包括4姿串耳關和并 寫關組合動態地配置電池陣列中的多個電池和實時；也改變電池的 串聯和并聯組合按選自電壓源、電流源、交流電源和音頻功率》文 大器的模式操作電池。在能自動清潔電池陣列中的電池的實施方案中，示范方法或 對應的裝置包括使電池陣列中的至少 一 個第 一 電池與第二電池 耦合和用電壓引起第二電池驅動至少一個第一電池清理至少一 個第一電池上的催化劑。在這個示范實施方案中，該陣列可能同時用至少一個第三電 池驅動負載。在另一個實施方案中，在清潔催化劑之后，控制器 可能使至少一個第一電池與第二電池分離并且使至少一個第一 電池與負載耦合。該示范實施方案可能還i貪斷在至少一個電池上 催化劑的污染狀態。4吏用控制器控制電池陣列的實施方案可能在核心處理層的 控制下不斷地#:作電池并JU吏用該核心層 <昔助高級處理層導致 電池以可選4奪的方式產生電力。在這個實施方案中，在核心處理層的控制下不斷地才喿作電池 包括監測和控制電池產生的電力的質量和數量。此外，^昔助高級 層使用核心層可能包括使用核心層引起電池依照核心層未知的高級功能產生電力，該高級功能選自冷啟動、正弦波輸出電力、 任意波形功率輸出、電壓調整、電流調整、效率控制和功率》文大 器模態。在冷啟動的情況下，實施方案可能定義一個電池子集作為起 動器電池并且將負載加到該起動器電池上/人該起動器電池才是耳又 電流在該起動器電池處產生熱量4吏起動器電池周圍的電池升溫。在起動器電池周圍的電池升溫之后，該實施方案可能4吏起動器電 池周圍的電池能夠產生電力。虧吏起動器電池周圍的電池可能包括^姿照與起動器電池的串 耳關或并耳關組合配置起動器電池周圍的電池。該實施方案可能還包 括監測起動器電池的溫度或起動器電池周圍電池的溫度和^f吏起 動器電池周圍的電池和,人起動器電池向外擴展的電池能夠隨著 該溫度變化產生電力。另外， <吏起動器電池周圍的電池可能包4舌 將周圍電池產生的電力引向從起動器電池提取電流的負載。在一 些實施方案中，4吏起動器電池周圍的電池包括將周圍電池產生的 電力引向與從起動器電池提取電流的負載不同的負載。在另外一個實施方案中，用來才喿作電池陣列的方法或對應的 裝置可能包括按串聯和并聯組合配置至少 一個電池陣列子集、跟 蹤與按串聯和并聯組合配置的電池耦合的負載的電力用法、以及 動態地用來自該電池陣列的更多或更少的電池重新4姿串耳關和并 聯組合配置電池以1更以將負載不用的過量電力的產生減到最少 的方式為負載準備足夠的電力。控制器在另外 一 個實施方案中可能被配置成按串聯和并聯組合動態地配置電池陣列的子集；以及動態地重新配置電池的串 聯或并聯組合以產生任意數量的輸出電力。動態地重新配置電池 的串耳關或并:f關組合可能還包4舌為產生隨時間改變的電壓或電流 動態i也重^斤配置電池。在另一個實施方案中，用來才喿作電池陣列的方法或對應的裝 置包括至少按串聯和并聯組合將電池子集連接起來以及在包括置電池以i"更產生有經調整隨時間改變波形的電壓或電流補償負 載效應。為了用于特定的應用(例如，移動電話或4吏用多種電壓的其它 應用)，本發明的實施方案借助分享共同的儲備能量來源的電池 陣列同時產生多種電壓。在一些實施方案中，至少多種電壓之一是隨時間改變的電 壓。產生多種電壓可能包括為至少改變電壓之一而配置電池，和 非必選地包4舌至少為多種電壓之一增加電流容量。在至少一個實 施方案中，至少多種電壓之一有隨時間改變的波形。在這種情況 下，用來控制來自電池的電子流的電元件可能是為了將隨時間改 變的波形引向至少 一個電池凈化至少 一個電池的催化劑而受控 的。本發明的一個實施方案是4吏反應成分發生反應的方法，該方 法包括使反應成分與包圍各自體積的至少 一種催化劑在至少一 個月莫片的對置面上發生電化學反應。在另一個實施方案中，該方 法包括實施電解(例如，水的電解)。在另外一個實施方案中， <吏 反應成分發生電化學反應包括在至少一個膜片的對置面上加電 位差。本發明的一個實施方案是用來使反應成分發生反應的裝置。 該裝置包括有第一和第二面包圍各自的體積的膜片。該裝置進一 步包括至少 一種催化劑和與至少 一 個膜片耦合將第 一 和第二面 上的流動路徑分開的覆蓋物，其中至少 一種催化劑與第 一和第二 面耦合使反應成分在與至少 一種催化劑有氣體交換的第 一 和第 二面上發生電化學反應。


本發明上述的和其它的目的、特4正和利益通過下面對用附圖 舉例i兌明的本發明的示范實施方案的更具體的描述將變得明顯，在這些附圖中相似的參考符號在不同的^L圖中處處表示同一部 分。這些圖畫不必依比例繪制，而是將重點改為舉例說明本發明 的原則。圖1是依照本發明的半導體燃料電池陣列的示意平面圖。圖2是沿著本發明的燃并牛電池12中的n-n線截耳又的簡化4黃 截面示意圖。圖3(a)-(h)是制造本發明的PEM壁壘結構30的主要步驟的部 分程序示意圖。圖4是舉例說明交替澆注PEM壁壘發明的橫截面示意圖。圖5是PEM結構實施方案的截面圖。圖6是PEM結構的替代者的截面圖。圖7是另一個替代PEM結構的截面圖。圖8是可以集成到燃料電池芯片上的電^各方框圖。圖9是用于操作個別電池或電池群體的集成控制系統的配線 示意圖。圖IO是燃沖牛電池歧管系統的示意側一見圖。圖11是眾多電池并排排列在晶片上形成供電芯片和相互重 疊形成供電盤片的示意平面圖。圖12是圖11的片斷側;現圖。圖13是依照本發明的實施方案半導體燃料電池陣列的示意 平面圖。圖14是依照本發明燃料電池的示意圖。圖15是本發明圖14所示燃沖牛電池的簡-化示意截面16A-16D是依照本發明的實施方案燃料電池的示意橫截面視圖。圖17是依照本發明的實施方案用"散熱片，，增加有效區域 的PEM表面的示意平面圖。圖18A-18C是在典型的二維燃料電池設計和依照本發明的實 施方案的燃津牛電池i殳計之間比4交足跡面積的例i正。圖19A和19B是依照本發明的實施方案配置燃料電池覆蓋物 的示意平面圖。圖20A和20B是依照本發明的實施方案供電疊層的示意平 面圖和舉例說明由多個供電盤片(其中每個盤片都包含許多電池) 形成的可仿效的供電疊層的分層結構的坤黃截面示意圖。圖21是依照本發明的實施方案通過堆疊燃料電池逐漸增加 體積功率密度的例i正。圖22是依照本發明的實施方案通過堆疊燃津牛電池逐漸增加 重量功率密度的例iiE。圖23是舉例說明有關來自電池、燃料電池或其它這樣的裝 置的穩定電力的現有技術的電3各圖。圖24是一個情節舉例i兌明孩i型燃并+電池的典型的電壓-電流 (V-I)曲線及其隨環境條件變化的曲線圖。圖25是展示燃料電池的串聯-并聯切換安排的內部連接布局 的范例。圖26是展示當負載阻抗逐漸減少的時^f美電壓隨l餘出電流和 切換到電i 各中的列數變化的曲線圖。圖27圖28是舉例i兌明燃沖+電池在其狀態;波切換到才喿作組之后典 型的瞬間響應的曲線2 9是舉例說明燃料電池的典型的移動函數的示意圖。圖30和最佳燃料用法的范例閉環控制系統的方框圖。圖31是并入控制系統用來操作電池(例如，燃料電池)的范例 控制程序的流程圖。圖32是圖9的控制程序針對溫度、濕度、壓力和裝置故障 改編后的流禾呈圖。圖33是指出燃料電池集合陣列的V-I曲線怎樣隨著列中串聯 連接的燃料電池裝置的數目變化的曲線圖。圖34是指出燃料電池集合陣列的V-I曲線怎樣隨著列中并聯 連4妄的燃津+電池裝置的凄t目變化的曲線圖。圖35A和35B是針對典型的V-I曲線指出所產生的總電力、內 部功率耗散、遞送給負載的電力和功率效率的曲線圖。圖36A和36B分別是舉例說明通過重復開關電池維持中間平 均值的能量損失的電i 各示意圖和對應的電流函凄t曲線圖。圖37是為供應多個獨立調整的電壓而配置的燃沖牛電池陣列 的開關布局。圖38是用來在功率放大器配置中產生電力的電池陣列方框圖。圖39是舉例說明為調整輸出電力補償負載效應而受控的電 池陣列所產生的出波形的方 一匡圖。圖40是有為爿奪電力遞送^合負載而凈皮繼續；也或以別的方式選 定的區域的電池范例陣列的方框圖。圖41是在范例啟動序列期間以癥合電池升溫的方式才喿作的電 池陣列的方框圖。圖42是有核心(基本)功能和為使用核心功能配置的高級功能 的控制器的功能圖。圖43是將一電池與產生脈沖波形或其它波形的其它電池連 接清理在接受脈沖波形或其它波形的電池上的污染物的示意圖。圖44是進行電化學反應的電池的示意平面圖。
具體實施方式
本發明的示范實施方案描述如下。現在參照圖1，展示已經在它上面制造了眾多半導體燃料電池12的傳統的半導體晶片IO的平面圖。眾多電池可能在晶片上 電互連并且配備有氣體以形成供電芯片15。為了筒單，燃沖牛電池 12和芯片15不是依比例展示的，預期在4"晶片上可以至少形成 八千萬個電池。一個這才羊的電池在圖2中是以片斷4黃截面展示的。 在它最簡單的形式中，每個電池12都由基體14、接觸件16A和 16B和在絕緣聚合物分層支撐結構20的第一層20(a)的兩面上形 成的與金屬電接觸件緊密接觸的導電聚合物基礎18。才直入催化劑顆粒28的導電聚合物22在中央結構20的兩邊 形成將左面的氫氣與右面的氧氣分開的PEM壁壘。圖2還展示在 電池12上蝕刻的分別用于準i午氧氣和氫氣進入的通道50B和 50A和散熱蓋子40。圖3a-3h是一系列示意截面圖，按幾個步驟展示PEM壁壘30 的有關制造細節。圖3a展示已經蝕刻到半導體基體14中的燃料 電池通道的底部。它還展示負責將脫離燃泮+電池12的電子帶到 電路的其它部分的金屬接觸件16。這些金屬接觸件是借助眾所周 知的光刻工藝在半導體制造工藝的金屬化階段沉積的。圖3b展示已經加到該結構上的導電聚合物基礎18。基礎18 與金屬4妄觸件16物理/電4妄觸并且已經適合吸引圖3a-3h所示步 -驟的導電聚合物22。圖3c展示已經加到該結構上的絕纟彖聚合物基礎20(a)。它被 放置在兩個導電聚合物基礎部位18之間而且適合吸引絕緣聚合 物20。圖3d展示已經加到該結構上的聚合物阻體21。阻體21負責 在多余區域中抵制聚合物和避免它們的生長。圖3e展示已經在其基礎20A上生長的絕緣聚合物20B的第 一層。這是PEM壁壘的中央材料。它在較薄外面部分22構成的 時候幫助支撐那些部分。圖3f展示后來數層以一層挨一層的方式平^:形成垂直壁壘 的絕緣聚合物20。這個垂直取向考慮到區域;故大。圖3g展示在其基礎18上生長的導電聚合物的第一層22a。 這是PEM壁壘的有催化劑的外壁材料。圖3h展示后來數層以一層挨一層的方式平放到該結構上的 導電聚合物22。圖2展示在除去聚合物阻體層21和添加為了簡 單從圖3a-3h拿掉的先前存在的蓋子40和側壁52之后的成品結 構。如果在半導體制造工藝中膜層21本來是最后步驟的鈍化層， 那么除去這個阻體可能是不必要的。現在再一次參照圖2,將解釋形成燃4牛電池12的諸元素的進 一步的細節。蛋白質交換膜片通常以30表示，在燃料H2和氧化 劑02之間形成壁壘。PEM壁壘30由兩種材沖+的三個部分組成。有第一外壁22B、 中央20和第二外壁22C。它是由與兩個都用第二材料制成的外 壁接觸的第一材料的中央塊20構成。形成中央塊的材料20優選能夠讓氫離子(質子)通過從氬氣一 邊到氧氣一邊的離子聚合物。它是電絕緣的，所以它不會有效i也 造成電池橫跨兩個接觸件16A和16B短3各。它可能是用Nafion⑧ 或有相似特性的材料制成的。虛線所示的外部負載5可能跨接在 4矣觸4牛之間吸取電力。形成兩個外壁的第二材料22也是能夠讓氫離子通過的類似 的離子聚合物。除此之外，它是用諸如鉑/合金催化劑之類催化劑 納米顆粒28(用點表示)摻雜的而且也是導電的。通過將催化劑顆粒28嵌入聚合物22，實現了與PEM 30最緊 密的接觸。這種緊密接觸提供一條容易得到的允許離子向陰極電 才及16B自由遷移的^各徑。催化作用是表面效應。通過將催化顆招: 28懸浮在聚合物22中，獲得整個表面區域的有效利用。這將戲 劇性地^:高系統效率。通過使第二材料22變成導電的，形成電極。電極對催化反 應的接近程度影響它收集電子的程度。這種方法允許催化反應在 電極本身內有效地發生。這種緊密接觸提供一條容易得到的允許 電子自由地向陽才及16A遷移的if各徑。這將考慮到成功收集大部分 自由電子。再者，這將戲劇性地提高系統效率。除了上述的PEM 30的電特性和化學特性/功能特性之外，一 些重要的物理特性將在下面描述這個自組裝程序考慮到更佳的PEM壁壘構造。通過i殳計，它 將是更有效的。首先，有形成獨立的氫/氧^各徑的方法問題。這要求PEM結構 是這才羊生長/形成的，以致它〗奪蝕刻的通道50完全剖成兩個分開的通道50A、 50B。這意p未著它可能在通道中央有生長圖案而且 穩固地面臨電池的端壁。它還可能生長到通道的高度以允許它4妻 觸在蓋子40的底部的粘4妄劑42。其次，有形成氣體密封的問題。這要求PEM結構30與底部 結構18和20A、電池的基體14和端壁(未展示)和涂覆蓋子40 的粘接劑42完全結合。通過適當選擇聚合物，化學4定在通道中 4妄觸到的材料之間形成。除了這個化學4建之外，將蓋子40向下 壓在PEM壁壘的頂端上有物理密去于作用。力。果PEM 30的高度一皮 正確地控制，加到蓋子上的壓力形成"O型圈"類自緊積4戒密去于。 PEM 30在基體14上生長消除了在使它與蓋子40結合時的任4可 精細的配準問題。在蓋子上沒有需要對準的精細細節。現在翻到圖4，展示PEM壁壘的替代實施方案的簡化透3見圖， 包4舌澆注/注射工藝和結構。-使用MEMS才幾才戒加工方法，三個通道60A、 60B和60C4皮蝕 刻到半導體基體140之中。外面兩個通道60A和60C借助薄壁 70A、 70B與中央通道60B分開。這些薄壁有眾多在其上蝕刻的細縫隙S廣—Sn。由此形成尖T廣—Tnw有在縫隙區域中沉積在其上的催化劑280。在這些薄壁7OA、70B的底部，在形成外通道60A、 60C的壁面的一邊，沉積金屬電極160A、 160B。在電極160就 位之后，催化劑280沉積在尖齒上。這允i午要沉積的催^:劑在相 應電極160的底部與電極160接觸并將電極160覆蓋到某種程度。 除此之外，金屬導線90是為了連4妻每個電才及160而沉積的，該 金屬導線從外通道向上和向外鋪展。蓋子400有用來將蓋子粘接到基體140上的粘接劑層420。 這才羊，在基體中形成三個分開的通道氫氣通道60A、反應通道 60B和氧氣通道60C。除此之外，蓋子400有各種不同的戰略上安排的電解液注射口或孔500。這些孔500提供只在通道60B中 通向聚合物材料的電解膜片的饋送路徑。圖4的結構依下列各項組裝的首先，完成半導體加工禾呈序，包i舌才幾才戒加工基體和^L積所 有的電路。接下來，機械加工蓋子400和準備粘接劑420。將蓋子400 粘接到基體140上。然后，將電解液(未展示)注入該結構。反應通道60B的薄壁70A、 70B用來在澆注電解液期間保有 電解液。縫隙S廣—Sn允許氫和氧在各自的通道60A、 60B中接近 催化劑280和PEM 300。在縫隙區i或有催化劑280涂層的尖齒 TV—Tn+1在氫氣進入縫隙的時候提供反應點。當電解液被倒入/ 注入反應通道60B5的時候，它將完全填滿它。液態電解液的表 面張力^f吏它無法通過縫隙進入也將以別的方式填滿的氣體通道。 因為加電解液之后有一些壓力，所以當壓力將它推進縫隙的時^f美 將有電解液表面的膨脹作用。這將導致電解液與涂覆縫隙S i…Sn 側面的催化劑280 ^妄觸。 一旦這種4妻觸形成而且液力莫(電解液)與 水化合，它將進一步膨脹，從而保證與催化劑有良好的接觸。氫 氣/氧氣能夠在催化劑區域擴散到該(非常薄，即5微米)的液膜之 中。因為它能如此薄，所以它將產生損失低的更有效的即較少的 阻抗(^R)。然后，這將把三個反應成分置于彼此接觸之中。與催 化劑280的電接觸的電極160A和160B是第四個成分并且當氫離 子穿過電解液膜在其它面上完成反應的時候纟會自由電子4是供一 條路徑[通過外部負載(未展示)]。現在參照圖5-7的4黃截面圖，本發明的PEM結構30的各種不 同的替代配置將被詳細地描述。在圖5中，中央的PEM結構20是作為連續的垂直絕緣元素形成的，而電極/催化劑(16/28)是有導 線90附著其上的非連續元素。圖6是替代PEM結構的視圖，其 中催化劑28鑲嵌在絕緣核心20之中，而電極16是側面田比連催 化劑形成的。最后，在圖7中，PEM結構類似于圖5,但是中央 的核心20是不連續的。圖8是展示一些可能的電i 各的示意方框圖，這些電^各可能連 同微控制器一起被集成到半導體晶片10上監測和控制多樣的電 池性能。幾個4文感元件電3各80、 82、 84和86是為實現特定的功 能提供的。溫度電i 各80提供允i午纟殷處理器88定義燃沖牛電池12的溫度 分布圖的輸入。電壓電路82監測視器在電池的配置層次或群體 的各種不同水平的電壓。這提供關于負載變化的線性。用這個信 息，處理器88能調整系統配置實現/維持所需的性能。電流電路 84實現與上述的電壓監測電^各82類似的功能。壓強電路86監測內部氣體通道50A、 50B的壓力。因為系統 性能受這個壓力影響，所以樣i處理器88能進行調整根據這些讀 數保持系統在最佳性能下運行。未定義的電^各81在未來功能的 預期方面可用來為孩i處理器88準備幾個備用的輸入。除此之外，配置電路94能用來至少控制結合圖9描述的V" 開關。輸出電壓和電流容量是靠這些開關的配置定義的。本地電 路92是為必要時動態編程(例如，監測電路的參數)提供的。這些 輸出能用來產生那變化。本地子系統94被微處理器98用來控制 氣體流速，缺陷隔離和產物去除。本地電力電路96用來使燃料 電池12產生的一些電流流出給才幾載電子器件供電。這個電源電 路96將有它自己的校準和調節電路。雙線通信I/F裝置98可能被集成到該芯片之上提供通信器件和連接它們的供電總線(未展示) 之間的電4妄口 。微控制器8是集成電子器件子系統的心臟。它負責監測和控 制所有指定的系統功能。除jt匕之外，它處理^[壬4可外部通4言的通^[言 協議。它能夠"在電路中編程"，以便它的主管控制程序能在需 要時更新。它能夠儲存和處理數據，也能夠自我/系統診斷和安全 特征。現在參照圖9，展示本發明進一步的細節。在這個實施方案中，個別的電池12^ 122-124是在晶片上形成的并JU吏用能受來自圖8的孩i處理器88控制的晶體管開關97并聯地^爭接供 電總線99A和99B。開關97B和97A分別是負極總線和正極總線 的開關，而開關97C是串聯開關，而開關97D和97E分別是相應 的正極和負極并聯開關。這允許個別電池或電池群體(供電芯片15)以各種不同的配置 (即，并聯或串聯系)配線。各種不同的電壓是通過電池串聯產生 的。電流容量也能通過電池并聯配線有所增加。 一般地說，供電 芯片的電力分布圖能被動態地控制以實現或維持編程的類L格。反 之，該芯片能在制造時被配置成某種靜態分布并因此消除對電力 開關的需求。通過開關開關和通過改變配線開關的^l性能產生交流和直^危電力llr出。為了實現電力管理子系統，需要來自電力產生程序的反饋。 不斷地測量程序效率的電路能在芯片上直接形成。這個反饋能用 來以關閉方式修改系統控制。這允許動態地維持最高水平的系統 效率。接下來討論這些電路中的一些電路。電力產生程序的質量將在隨著時間推移系統變化方面依照 要求改變。為了維持最佳性能， 一些#:作參數實時狀態的知識能 幫助作出使系統能自我調整的決定。這些參數的邊界是用程序定 義的。舉例來說，測量個別電池或電池群體的電壓和電流是可能 的。電力輸出能纟皮監測，而且如果電池或電池群體不是正在運4亍，那么如有必要能將它除去。這能借助先前描述的電力開關97完 成。當在芯片上連續移動有效"承載"區域的時候，也能維持平 均的電力水平。這由于沒有一個區i或以100%的時間工4乍應該才是 供比較好的整體性能水平。這種任務循環方式尤其適用于波動要I 、 ， ， 、供電芯片的熱特性將因電負載改變而且這個熱量可能對電 池的電力生產水平有不利的影響是預期的。適當地測知溫度和適 當地對電池利用作出反應將使熱積累的破壞作用減到最少。蓋子40是上下兩件的"供電芯片"組件的第二塊。它優選 用金屬制成，為的是給易碎的半導體基體14機械地提供剛性支 撐。這考慮到容易搬運和為建造"供電疊層"(即，將眾多供電 芯片15照字面上一個摞一個地堆疊)^是供穩定的基礎。目的是建 造有專支多電力的物理單元。圖10舉例說明怎樣在基體14的表面蝕刻燃術牛50A和氧化劑 /產物通道50A(和50B未展示)。這些槽有三個面而且在頂面可能 是封閉或密封的。蓋子40和粘^^妄劑42在粘到基體14上并完成通道的時候提供這個形成氣密密封的功能。燃料供應通道和氧化 劑和產物水移動通道的矩陣^f昔此在基體表面形成。蓋子40提供能在其上制作輸入/輸出口的機械上穩定的接 口。這些口是氣體供應口和排水口。該設計可以包容從外面的大 世界到基體上的微米級特征的尺寸轉變。這是通過給相對大得多的孔H鋪設微米級的通道實現的。這個較大的孔將考慮蓋子和基體之間的配準要求較低。蓋子上的大孔與基體的大孔排成 一行， 該基體有也在該基體上加工的,人大孔通向電池的孩t米級通道。每個晶片可能有它自己的歧管。這將需要用于燃料補給、氧 化劑和產物移動的外部連"^妄。外部管道工程可能需要自動化的入 雞系統。圖11和圖12舉例i兌明能在晶片14上形成用來形成供電芯 片15的若干個電池12(在這個范例中三個并4非的電池)的i午多方 法之一。供電盤片能通過一個摞一個地垂直地堆疊成有分別與氫 和氧的來源凈禺合的入口 50HI、 500I的立^主。其中形成供電芯片 的晶片的立柱包4舌供電疊層(93)。圖12舉例i兌明可能用來形成有可感知的電力的供電疊層(93) 的若干個供電盤片15是怎樣堆疊的。"疊層"那個詞的使用是 合理的，因為它暗示晶片靠得4艮近，考慮到短的電互連和最小的 管道工程。事實上，疊層實際上指的是將晶片的電力組合，形成 比專交強大的單元。它們只需要以電的方式堆疊來實現它的組合。 然而，在最小的空間中以最高的效率產生最大量的電力是符合需 要的。當考慮最短的電互連(電力總線傳送)的替代方案的時候， 人們也應該考慮使用兩個主歧管作為電力總線的可能性。這能通 過將這些歧管/電力總線段電絕緣和使用它們將電力從從每個晶片傳送到下 一 個晶片來完成。這將減少大的電力配線需求和允"i午 這個功能以自動化的方式伴以4是高的4青度和可靠性實現。符合需要的歧管設計將考慮到供電盤片疊層。在這個設計 中，真實的歧管95將分段構成，每段都是蓋子40的一整體部分。 堆疊盤片時形成歧管(管道)。這個類型的設計將非常減少外部管 道工程的需求。專用端蓋將在電力疊層的末端完成該A支管。在到此為止揭示的實施方案的摘要中，這項發明的主要目的 之一是能夠利用類似的標準半導體加工方法批量生產晶片10組 成的供電芯片15,每枚芯片15上包含多個電池12。這個程序與 生i"具來地支持非常小的特征。這些特征(電池)本身又^L期望每個 電池產生非常少量的電力。每個電池將被設計成有材料能支持的 最大電力。為了實現任何實質上真正的電力，將在單一供電芯片 15上制造數以百萬計的電池，而且在"供電盤片"(半導體晶片 IO)上制造許多供電芯片。這是為什么能從單一晶片獲得合理的 電力輸出的原因。10孩i米x 10孩i米的電池將^f吏每平方厘米一百 萬個電池成為可能。最后的電池布局將由構成材料的物理性質和 它們的特性決定。固體聚合物氫燃料電池的基本電化學反應是在80到IO(TC之 間的某個操作溫度下最有效率。這在硅之類普通的半導體基體的 操作范圍內。然而，如果晶片被層疊在一起，附加的散熱可能是 需要的。既然覆蓋物無論如何都是需要的，將蓋子40估文成散熱 片附加到邊緣上是有道理的。燃料通道和氧化劑/產物通道一皮蝕刻到半導體基體的表面之 中。這些槽有三個側面并且可以在頂面封閉和密封。蓋子40 #是 供這個功能。它被涂上一層粘接劑以便在粘到半導體基體上完成 通道的時候形成氣密密封。這將在半導體基體的表面形成燃并+供應通道和氧^f匕劑和產物水移動通道的矩陣。電池的兩個主要通道本身是^皮粘到這同一粘4妄劑上的PEM分開。因此，除去任4可的細 小顆粒在實現對準需求方面是有幫助的。電池和供電芯片體系結構人們應該理解上述的電池可能包4舌有包圍某個體積的三維 幾何結構的膜片和與該膜片耦合在膜片處將第 一 流動^各徑和第 二流動路徑分開的覆蓋物。在此，"電池"和"燃料電池"是同 義的并且可交換使用。電池可能還包括在覆蓋物上的陽極催化劑 層、陰極催化劑層。非必選的是，電池可能包括有適合燃料或氧 化劑流向催化劑的孔。本發明的另一個實施方案是供電芯片。電 力燃料包括有與分配燃料或氧化劑的第 一 流動路徑或至少 一 個 第二流動i 各徑有氣體交換的歧管的第 一 實施方案的電池陣列。供電芯片還包括與第 一和第二催化劑電耦合給電池產生的能量才是 供接口的接線端。為了配置陣列或陣列子集和與外部負載對接， 電互連可能在電池、開關、熔斷絲或金屬鏈路之間延伸。供電芯 片的配置可能是可編程的而且可能包括控制電子器件，例如，開 關。供電芯片可能進一步包括支撐供電芯片疊層的粘接墊和包 裝。本發明的另一個實施方案是包括在第一實施方案中描述的 燃料電池陣列的供電盤片，其中基體將電極與催化劑電互連并且 非必選地與外部負載電互連。電互連可能以可配置的方式在燃剩-電池和開關、熔斷絲或金屬鏈路之間延伸。供電芯片的配置可能 是可編程的。供電盤片可能進一步包括支持供電芯片疊層的粘接 墊和包裝。本發明的另外一個實施方案是供電疊層。供電疊層包括有眾 多供電盤片的供電盤片陣列，包裝包括電互連，包裝包括平行的氣體流動互連，而且歧管系統將燃料電池陣列封住以便分配燃料 或氧化劑。其它的實施方案可能包括將被進一 步詳細描述的下列各項的纟且合有選定的平面圖幾^f可形狀(例如，圓形、正方形、蛇形) 的燃料電池、堞形壁、起皺(壁上的散熱片)、覆蓋物上的催化劑、 覆蓋物結構"低功率"和"高功率"、雙向性操作裝置(電解器 和燃#+電池)和芯片上的廣義的纟鼓型化學反應器。圖13展示傳統的半導體晶片1305的平面圖，在該晶片上已 經制造了眾多半導體燃料電池。在這個晶片1305上除了下面描 述的幾點之外使用標準的和已確立的半導體和微機電系統制造 方法構成眾多供電芯片1310。為了簡單明了，供電芯片1310沒 有依比例展示。在制造和晶片級測試之后，供電芯片可能被分開并且作為個 體發電裝置包裝，每個芯片都包含一個正在生產的集成電3各副 本。這些裝置之中的每個裝置都被叫作"鋼模"。每個個別鋼模 的尺寸可能是lcn^或更小或更大，與依照供電芯片的應用需求 規定的一樣。人們應該理解基體1305可能是其它的基體形式，例如，金 屬、玻璃、碳化硅等等。圖14描述供電芯片1410的諸元素。每個供電芯片包括一些 子成分。每個供電芯片能在諸如標準硅片之類的基體1405上構電池1412。金屬層1416、 1415a和1415b被加到硅上并且經蝕刻 形成電池1412之間的適當的電互連網絡。適當的絕緣層1420遵循傳統的半導體實踐插在金屬層之間提供電絕緣和化學、才幾械和 環境的保護。粘4妻墊1425再一次遵循傳統的實踐在供電芯片1410的邊鄉彖 構成并且提供供電芯片1410與外部電路(未展示)之間的電連接 方法。粘接導線(未展示)可能使用習慣的芯片直接貼裝方法接到 電路或在下面描述的制造多個供電芯片的疊層的模塑包裝邊緣 的接觸件(未展示)上。除it匕之夕卜，在供電芯片1410的電池結構1412下面和之間的 硅區域可能包含控制電子器件的電路元素1430。這些電3各元素 1430包括但不限于合一起可以在供電芯片1410的工作之時對外 部裝置和/或其它燃料電池進行監督、控制、優化和l艮告的嵌入式 控制電路、RAM或Flash或ROM存儲器、邏輯電路(例如，數字式 特定用途集成電路(ASIC)形式的邏輯電路)、A/D、測知和切換裝 置。圖15展示個別燃沖+電池1500的一個實施方案的垂直4黃截面 的透視圖。依照本發明的一個燃料電池實施方案，質子交換膜 (PEM)壁1505;陂配置成形成定義第一流動i 各徑1510的體積1507 的三維幾何結構。換句話i兌，在圖15的范例中，PEM壁1505包 圍外形呈，舉例來i兌，圓筒形的體積1507并且定義一部分第一 流動路徑。覆蓋物1520與PEM壁1505結構形成的三維幾何結構 的頂端耦合形成封閉的艙室并且以PEM壁1505將第一流動^各徑 1510與第二流動^各徑1515分開。當使覆蓋物1520與PEM壁1505 耦合將密封體積1507的一端，體積1507比專支靠近第一流動3各徑 1510的入口的對置端是敞開的，4昔此，可4妄近氧化劑流或燃沖牛流。覆蓋物1520可能是用氣體不能滲透的材料制造的以避免氧 化劑和燃料之間的短路而且能利用與PEM壁1505的材料不同的材料或相同的材并+制成。PEM壁1505優選能夠讓氫離子(質子) 通過從氫的一面到氧的一面的離子聚合物。PEM壁1505是電絕 纟彖的，所以它不有歲文地造成燃并+電池1500 4黃3爭位于PEM壁1505 兩邊的陽才及1530和陰極1535的電4豆3各。PEM壁1505可能是用 Nafion⑧或特性相似的材料制成的。負載(未展示)可以跨接在與陽 極1530和陰極1535電連接的接觸件(例如，金屬線1545a、1545b) 上，在燃津+電池1500的工作期間吸取電力。另外，PEM壁1505 可能是用導電的催化劑顆粒(例如，鉑/合金催化劑)摻雜的。在一個實施方案中，電池包括能支撐上述的燃料電池1500 的基體1540。然而，基體1540是燃料電池1500的非必選特征。 才奐句話i兌，因為PEM壁1505是三維結構，PEM壁1505能作為能 獨自直立的自治結構；所以，基體1540對于本發明的燃料電池 1500不是必不可少的成分。當4吏用基體1540的時候，PEM壁1505 能在燃料或氧化劑能流進體積1507的位置與基體耦合。為了進 一步將第一流動路徑1510和第二條流動路徑1515分開，覆蓋物 1520現在4昔助熟悉這項4支術的人通常已知的方法與PEM壁1505 耦合。在一個實施方案中，覆蓋物1520能使用熱、溶劑、粘接劑 和音波焊4妾和/或下壓力的適當組合附著上去。舉例來i兌，它能#皮 摹制和蝕刻。所有這些在半導體制造實踐中熟悉的方法都可能是 適用的。舉例來說，PEM壁1505被完全粘接到基體1540上用粘 接劑形成氣密密封。作為替代，覆蓋物1520和PEM壁1505能通 過在材料之間(舉例來說，使用聚合物)形成化學鍵附著上去。除 了這個化學鍵之外，將覆蓋物1520向下壓在PEM壁1505的頂端 1509上有物理密封的作用。如果PEM壁1505的高度得到正確的 控制，施加在覆蓋物上的壓力能形成機械的"O-型圈"式的自緊密封。使PEM壁1505在基體1540上逐漸增高在它與覆蓋物組合 的時候能消除任何精細配準問題。在一些實施方案中，與三維結構頂端接觸的覆蓋物1520能 變成"活性的"(即，在與圓筒壁類似的配置中有用各自的催化 劑覆蓋每個面的電極)，借此逐漸增加生產電力的活性表面面積。 此外，人們應該理解是已了解的，非透氣性的第三材沖+(未展示) 能構筑在PEM壁1505的頂端，而且覆蓋物1520能經由第三材泮牛 能粘貼到PEM壁1505上。舉例來說，襯墊(未展示)可能被放在 PEM壁1505的頂端1509上，所以覆蓋物1520與PEM壁1505的 4壬4可部分沒有物理4妄觸，同時維持與第一流動^各徑1510的氣體 交換以^更生產電力。在另 一 個實施方案中，依照在制造中使用的工藝步驟的特定 順序，催化劑涂層可能也延伸到覆蓋物的一面或兩面， >人而進一 步增加該裝置的反應表面面積。作為替代，覆蓋物的第一層能擁 有用來將覆蓋物粘到圖15所示的三維結構頂端上的粘接劑層。繼續參照圖15所示的燃3阡電池1500,金屬1545a和金屬 1545b是兩個被絕緣層1506分開的獨立的金屬層。金屬1545a與 燃料電池陰極1535連接，而金屬1545b與燃料電池陽極1530連 接。陽極1530和陰極1535被PEM壁層1505分開。在一個實施方案中，催化劑1530和1535 4裏嵌在PEM壁1505 的面上。通過鑲嵌催化劑，實現與PEM壁1505的最大的緊密才妄 觸。催化劑作用是表面效應。這種緊密接觸提供容易得到的允許 離子向陰極1535自由遷移的路徑。通過使催化劑懸浮在PEM壁 1505中，獲得整個表面區域的有效利用。這能戲劇性地提高系統 效率。氣體燃料(例如氫)1585(i)能通過基體1540上幫助燃料電池 1500處的第一流動^各徑1510的孑L 1512引到體積1507之中和(ii) 由于與陽才及催化劑1530 4妄觸而#1還原。起因于這個反應的電子 通過導電的催化層行進到金屬1545b隨后到達負載(未展示)。起 因于該反應的質子通過PEM壁1505到陰極1535。在燃料電池 1500的陰4及1535經由第二流動i 各徑1515可得的來自周圍空氣 1555的氧化劑1550(例如，氧氣)與通過PEM壁1505流動的質子 和來自負載經由金屬1545a抵達的電子結合產生水蒸汽。作為替代，陽極1530和陰極1535能按相反的配置裝配，即 陽極1530與金屬1545a連接，而陰極1535與另一個金屬1545b 連接。在這樣的配置中，氣體燃料是經由第二流動路徑1515引 進的，而氧化劑是經由第一流動3各徑1510引進的。PEM材一牛可能是最初4昔助;旋涂、噴涂、浸漬或半導體制造業 常用的其它方法沉積在基體或晶片上的。然后，該PEM材津+能一皮 影印出圖案和蝕刻，以便形成圖15中PEM壁1505的所示的壁輪 廓。催化劑層1530和1535可能作為涂層再次使用傳統的半導體 制造方法用濺射、蒸發、噴涂、復印和浸漬的組合加到PEM上。 由此產生的催化劑層可能有眾多構造明確的子層，以 <更支持大表 面區域接觸件周圍氣體的矛盾要求和維持(i)支持質子向PEM轉移的離子導電率和(ii)支持電子向基體上的金屬層轉移的導電率。 由于有多層催化劑，所以獲得整個表面的有效利用。雖然圖15展示圓筒形的燃料電池，但是其它形狀是可能的， 取決于特定的應用渴求的性能特征。舉例來說，可能使用在圖 16A-16D的平面圖中展示的形狀或它們的組合或延伸。圖16A展示與圖15所示類似的圓筒形結構1600,沒有覆蓋 物的供電芯片的簡化示意4黃截面平面圖。在一個實施方案中，有圓形橫截面區域的圓筒形結構1600包括基體1610、放置在分別充 當陰極和陽極的催化劑層1615、 1620之間的PEM壁1605。在一 個實施方案中，在圓筒形結構1600的中央形成的是供燃料或氧 化劑流動的流動i 各徑1625。圖16B展示與圖16A—樣的成分，但是在結構1650的非圓形 橫截面平面圖中，與有類似于圖16A所示的有圓形橫截面區域的 圓筒形結構相比允i午單位足跡區i或有更大的反應表面積(即，壁 長乘以高度)。然而，如果構成非圓筒形燃津+電池的高密度陣列， 非圓筒形的形狀可能以可用于燃一+或氧化劑在陰才及周圍流動的 體積比較少為代^f介。圖16C是曲線形構造1660的范例，包括與圓筒形和矩形對應 物相同的成分。曲線形構造1660提供甚至比矩形和圓筒形構造 還要高的單元足跡區域反應表面積。此夕卜，曲線形構造1660能有一個或多個有利于燃津+或氧化劑流動的流動^各徑1665，如圖 16C所示。圖16D是在平面圖中呈蛇形形狀的燃^1"電池構造1670的范例。圖17是另一個橫截面圖，指出通過將散熱片1710蝕刻到堞 形表面上可能實現的進一步延伸。這個實施方案i兌明來自上方的 PEM壁1705的區段可能被應用于圖16A-16D所示的任何通用形 狀的任何部分。散熱片1710能實現戲劇性地性進一步增加表面 面積。然而，如果散熱片的縱橫比太高，散熱片可能是效率較低 的，因為質子傳導i 各徑的有效電阻逐漸增加。此外，可能對利用 這個方法可實現的增益有限制，取決于所用蝕刻工藝的特性。請 注意氫可能是要么沒有出口要么流動的；氧經由，舉例來說，與有帶散熱片1705的PEM 1710的燃津+電池連4妄的it支管流入和流 出用于除去水分。
圖18A-18C是展示用于實現高功率密度的裝置的反應表面積 如何進一步增加的平面圖。該反應表面積是^f吏用上述構造增加的 而且能依照下面的描述進一步增加。圖18A展示代表現有技術的 平面燃津牛電池的標準的平面PEM1805,該燃并+電池可能有，舉例 來說，40微米乘40(H鼓米的尺寸，有16000平方微米腳印和8000 平方微米反應表面積。在圖18B中，依照本發明的實施方案在這 個相同的腳印上創造矩形的三維PEM1810結構得到76000平方 微米，比圖18的平面PEM的4倍還要多。圖18C展示PEM壁1815 的》成堡形建筑能如4可再一次將表面積加倍，產生8倍于平面i殳計 的表面積，因為反應表面積增加到144000平方孩t米。由于半導 體裝置的成本傾向于與所〗吏用的石圭"扭卩印"面積成比例;也增加， 這個高倍凄史導致相對4交高的有效功率密度和4交低的每瓦電力成本。
圖19A和19B是展示燃料電池設計有用的變化的圖表。依照 前面參照圖1的描述，本發明的實施方案是通過燃料電池陣列電 互連和分開流動路徑提供氣體和氧化劑形成供電芯片。互連形成 供電芯片的燃沖牛電池能包括在此揭示的任何燃沖牛電池實施方案 的陣列。供電芯片可能進一步包括至少一個與用來分配燃料或氧 化劑的流動路徑有氣體交換的增壓室和 一 對與電池陣列的至少 一個子集的陽極催化劑電耦合的接線端。
圖19A是描繪在燃沖牛電池1905a的內部包4舌眾多包圍三維幾 何體積(即，圓筒形體積)的膜片1922的燃料電池1905a的陣列的 供電芯片1900a的視圖。每個PEM壁1922都與覆蓋物1910a耦合， 從而密封PEM壁1922并將每個燃料電池1905變成沒有出口的。 然后，燃料流進將與陽極催化劑1915a有氣體交換的PEM壁1922的三維幾何體積。因為陰才及催化劑1925a暴露在空氣1920中，所 以陰極催化劑1925a有效地接觸空氣1920中的氧化劑(例如，氧 氣)使燃料和氧化劑在供電芯片1900a反應產生能量。供電芯片 1900a的燃料電池能^皮分為子集，通過允許和禁止電子流進或流 出該子集控制每個子集。圖19B是舉例-說明圖19A的4隻蓋物配置的^齊代覆蓋物配置的 供電芯片1900b的視圖。在這里，覆蓋物1910b是圖19a的覆蓋物 1910a的"負片"。供電芯片1900b可能^f吏用一個鄰近的^隻蓋物^ 替圖19A所示的眾多覆蓋物與燃料電池的膜片耦合。在這樣的配 置中，通過圓筒1905b內部的流動^各徑并非沒有出口 ，所以電池 1905b能更有歲支i也除去反應副產物。在這個實施方案中，陰極 1925b和陽極1915b可能被交換，以便在陰極形成的水或其它副產 物可以更容易#1除#"。上述的設計變化在高功率系統中可能是有用的。與圖13的 配置相反，基體或晶片(在此也稱之為供電盤片)不是為分成小單 元包裝i殳計的。在一個實施方案中，供電盤片能包括(l)在此揭示 的4壬4可燃^+電池實施方案的陣列、(2)至少 一個與燃坤+電池分配燃 料和氧化劑的流動i 各徑有氣體交換的增壓室、(3)至少 一對與至少 一個電池子集的陽極和陰極催化劑電耦合為電池產生的能量4是 供接口的接線端和(4)至少 一 條與接線端電耦合的電力總線。金屬 層互連和控制電子器件(未展示)可能配置成與個別燃料電池或寬 基體連接。在一個實施方案中，供電盤片能進一步包括以電選擇 的方式互連供電芯片的開關。在優選實施方案中，供電盤片還能 包括控制開關的電子器件。人們應該注意到當電池陣列與基體耦 合的時4矣，增壓室一皮配置成用實質上均勻一致的壓力分配燃并+或 氧化劑。增壓室可能有至少一個出口以便，舉例來說，燃料、氧化劑和電池之間的反應副產物能被除去。然后，眾多這樣的供電 盤片能按并聯方式堆疊，形成供電疊層。在供電芯片的一個實施方案中，代替借助電線或電3各電互連 的是，燃料電池借助在膜片兩個面上的金屬涂層或金屬膜電連 接。金屬涂層是在供電芯片的一個邊緣與接線端電通信，其中接 線端與外部負載連"^妄。在供電疊層的另一個實施方案中，供電疊層能包括基體，在 該基體上至少一個供電芯片結合在一起。該供電芯片可能是在此 揭示的任何供電芯片實施方案。供電芯片的另外一個實施方案可 能包括基體、在此揭露的任何電池實施方案的陣列、 一對與各自 的陰極和陽極催化劑耦合的電極和 一對與各自的第 一 電極和各 自的第二電極電耦合的供電盤片總線。在供電疊層的一個實施方案中，供電疊層可能包括供電疊層 結構、眾多與該結構連接的供電盤片和與該供電疊層結構相關聯: 為與盤片接線端電耦合配置的供電疊層接線端。在供電疊層的一個實施方案中，個別供電盤片s2005a、 2005b 可能是以這樣的方式堆疊的，以致氧化劑和燃沖+容易借助圖20A 所示的歧管流動。舉例來說，供電盤片2005a、 2005b被裝配到有 提供用來將燃料和氧化劑分配給供電盤片的路徑的歧管系統的 供電疊層結構2045之中。供電盤片2005a、 2005b被放置在上增 壓室2010a、 2010b和下增壓室2015a、 2015b之間。為了舉例i兌 明，圖20A展示每個供電盤片2005a、 2005b包括一個單個的電 池2029a、 2029b。因此，人們應該理解雖然在圖20A中沒有展 示，^f旦是每個供電盤片2005a、 2005b可能包括有用來制作功能型 供電盤片的其它元器件的電池陣列。繼續參照圖20A,該供電疊層有作為燃料或氧化劑的進入點 的第一輸入槽2025。第一輸入槽2025有開口 2027a、 2027b,以 Y更燃并+或氧^f匕劑能流進上增壓室2010a、 2010b。舉例來i兌， 一旦 氧化劑流到達上增壓室2010a、 2010b，氧化劑就與和基體2041a、 2041b連"l姿的電池2029a、 2029b的陰才及寸崔4匕劑2031a、 2031t^妾角蟲。 同時，燃料流經由通向下增壓室2015a、 2015b的第二輸入槽2030 進入。在這里，燃并牛變成與一個陽才及催化劑2033a、 2033W妄觸， 觸發燃料、氧化劑和催化劑之間的反應產生電子。每個供電盤片 2005a、 2005b都能包括與催化劑電耦合用于電子轉移的電極。作 為替代，陽極和陰極的催化劑能按相反的配置組裝，其中成分 2031a, 2031b是卩曰才及4崔4匕劑，而成分2033a、 2033b是陰才及4崔4匕劑。 在這樣的配置中，燃并牛經由第一輸入槽2025引進，而氧化劑經 由第二輸入槽2030引進。此外，從圖20A揭示的第一輸入槽2025開始的流動3各徑有 出口路徑。舉例來說， 一旦被消耗的燃料或氧化劑在與各自的催 化劑反應之后通過流動路徑2047a、 2047b,該燃料或氧化劑流到 出口增壓室2043a、 2043b。通過出口增壓室2043a、 2043b，被 消耗的燃料或氧化劑到達有出口 2045的輸出槽2040。在一個實 施方案中，這個經由出口增壓室2043、 2043b和經由輸出槽2040 的出口通道提供用來除去燃料、氧化劑和燃料電池之間的反應所 產生的副產物的出口 。繼續參照圖20A,燃料或氧化劑的流動能實質上平行于每個 供電盤片，而且相對而言可能幾乎沒有遇到壓降。因為個別的反 應部位是極小的，在每個部位所需的反應物的化學當量非常小。 沒有出口的以擴散為基礎的流動在許多情況下能^皮非常令人滿 意地4吏用。在圖20B中是供電疊層的另一個實施方案。在這個實施方案 中，眾多供電盤片2055與由兩條或多條空心i 各徑組成的供電疊層 結構1560耦合。該供電疊層結構2060可能包4舌與該范例結構的 兩個空心柱連接的抗撓件(未展示)，被配置成提供燃料(例如，氫)流動路徑2070(用虛線表示)。流動i 各徑2070與供電盤片入口 2051 氣體連通，通過該供電盤片入口 2051燃料能經由至少一個盤片 歧管2065流進每個供電盤片2055。因為供電盤片2055暴露在周 圍空氣之中，所以供電盤片2055有機會接觸空氣中的氧化劑(即 氧氣)。照此，在沒有深思熟慮的氧化劑補給，沒有氧化劑在供 電疊層結構2060中和供電盤片2055的歧管中流過的情況下，該 供電疊層能充分地產生能量。依照這樣安排組裝的供電盤片能產生豐富的電力。圖21和 圖22舉例i兌明一些范例。圖21包括燃庫+電池結構和相關尺寸的序列，i兌明基于單4立 反應表面積很少的功率密度如何能獲得每升體積10千瓦。圖22包4舌有尺寸和重量的其它圖表，-說明以瓦特/7>斤為單 位的相似計算。控制電力發生器陣列-渚如燃料電池之類的電池通常有電源阻4元，因此，裝置能遞 送的電壓是正在供應的電流的函凄史。因此，當負載需要l交多電流 的時候，負載傾向于降低通過將若干個燃料電池裝置串聯能產生 的電源電壓。舉例來i兌，對于有0.9伏特的開3各電勢和在0.4伏 下有1毫安(mA)最大電流輸出能力的燃料電池，12個這樣的裝 置串聯在最大功率輸出為4.8mW時^是供4.8伏特，而且6個這樣 的裝置串聯在OmW輸出時提供5.4伏特。假定沒有內部損失，1安培的電力供應能力能通過將1000個這種lmA裝置的串聯列并 聯起來產生。大多數電子元器件需要在某個允差(例如，5伏特± 10%)內的 電壓調整。在一些現有4支術系統中，電壓調整是借助外部的調壓 器或其它類似的電力調節電^各完成的。在一些實施方案中，電池的安排自動地切換串耳關裝置的彩: 目，從而消除對外部功率調節器的需要，借此，提高能量效率， 減少產生的熱量，減少電路板的空間需求，和降低系統的總成本。因為在裝置內有較少的功率耗散，所以燃并牛電池和許多其它 發電裝置的特性是在低功率水平下它們的電力轉換效率比4交高。 依據描述電池或同等物特性的電壓-電流(V-I)曲線的形狀，可能 有4是供最佳效率的功率水平。通常，對于燃料電池，最佳效率是 盡可能小電壓降，因此電流最小。在這種情況下，在燃^h效率和 電力裝置數目之間并因此在系統成本和尺寸之間存在一種4斤衷 辦法。因此，依照本發明的 一 些實施方案可仿效的對燃料電池的最 佳控制技術可能包括引起調整每列中的串聯裝置的數目使實際 負載的電壓在允差之內的粗調回3各和增加或減少并聯連4妄的這 樣的裝置的列數通過上下移動系統的V-I曲線供應預期的電流進 一步調節電壓的孩t調回3各。此外，在使用反饋控制系統的實施方案中，控制技術可能考 慮電池個體、電池陣列或電池組，它們在4妄入或脫離發電電3各的 時4美有隨著時間逝去的瞬間反應。因此，濾波或其它控制規J聿可 能#皮用于反々赍環以^f呆證反4赍控制系統在有負載瞬變現象時穩定 地工作。此外，燃料電池裝置的特性并因此在反饋濾波或其它控制頭見 律內的系數可能取決于燃料電池裝置在上述時間的狀態或溫度、 濕度和壓力的環境條件。在此揭示的示范方法能延伸到(i)控制電流(即，恒流源而不是 恒壓源)遞送支持通常需要多種電壓的負載(例》口，移動電話、個 人數字助理和膝上型電腦)的多種電壓或電流和(ii)跟蹤隨時間改變的i殳定點電壓而不是恒定不變i殳定點電壓。5艮蹤特4正能用來， 舉例來i兌，有效地直4妄產生60Hz的正弦功率l俞出或作為音頻》文 大器聲音用來有效地直接驅動移動電話的揚聲器。在一些應用中，在可用的燃料電池裝置當中以有效利用燃泮牛 的方式分配所產生的電力同時將所需的電力分布圖遞送給負載 是有用的。在便攜式供電應用(例如，膝上型電腦、個人數字助 理和移動電i舌)中，電力需求涉及多種電壓，每種電壓者卩對應卩逸 時間改變的電流而且往往涉及重要的電力需求瞬變i見象和非常 大的峰^f直/均值比。類似的需求以4交大的應用為特色，例如，汽車 和7>共汽車的電源。預期燃料電池電力系統商業上是否成功是由儲能密度(瓦-時 /公斤和瓦-時/公升)、峰值功率密度和平均功率密度(瓦特/公升和 瓦特/7>斤)和成本(美元/瓦特、美元/瓦特-小時)決定的。這些度量 標準可能被適用于完整的系統，包括燃料儲藏、燃料遞送和燃料 電池本身。因此，本發明的一個實施方案包括用來控制許多小燃津+電池 的組件的操作的方法或對應的裝置，每個小燃津牛電池以這樣的方 式產生在整個組件產生的總電力中占一小部分的電力，以致燃料 消耗隨著時間推移被減到最少，輸出給負載的電力是用必不可少 的電壓和/或電流調整在一個或多個電壓下維持的，而負載瞬變;見象在必不可少的允差范圍內得到支持。在一些實施方案中，使用 該方法或對應的裝置的控制系統考慮到隨著燃料和氧化劑兩者 的溫度、濕度和可用的氣體壓力的變化(例如，由于海拔高度變 化)燃并牛電池性能的變化并因此調整控制策略。另一個實施方案提供控制(例如，最佳地控制)許多小發電裝 置的組件的集合操作的方法或對應的裝置，其中那些發電裝置可 能是燃料電池、微型電池、光電器件、壓電器件、其它受周圍環 境震動驅動的器件或^f壬何其它效率依照某種通常類似于電池》文電曲線或燃津牛電池V-I曲線的特性耳又決于才喿作水平的電力來源。集合操作的控制可能是借助最佳控制原理或其它形式的控制原j墜實J見的。再者，雖然下面揭示的細節提及燃料電池，但是所描述的積無 念、裝置或方法應該被解釋為適用于任何這樣的小的或相對小的 發電裝置。圖23展示^f吏用燃并牛電池疊層或電池作為主電源2301的傳統 的現有技術電源電if各2300。調節器2302凈皮用來維持負栽2304 的目標電壓2303,其中目標電壓是在負載2304適當操作必需的 范圍內的電壓水平，例如，5Vdc土0.5v。調節器之所以4皮-使用是 因為主電源2301的電壓通常隨著負載以這才羊的方式改變，以致 目標電壓不能以別的方式維持。調節器可能是三端線性調節器或 技術上普遍知道的開關調節器(升壓調節器、降壓調節器、電壓 升降調節器)的幾種布局中的{壬4可一種。濾波電容器2305通常用 來緩沖負載2304引起的瞬變現象和吸收瞬變現象產生的電源噪 聲。圖24是代表微型燃料電池的電壓電流(V-I)曲線2400的例 證。曲線2400表示輸出電壓隨電流的變化，或依照歐姆定律暗示輸出電壓隨負載阻抗的變化。與技術上眾所周知的一樣，燃泮+電池通常有三個才喿作區^^:受活^f匕能支配的2406、受內電阻支配 的2407和受質量傳l命支配的2408。整個曲線2400傾向于隨著用 虛線曲線曲線2409指出的溫度改變和隨著氣體壓力和濕度改變。 電流I = 0時的開i 各電壓凈皮稱為開3各電勢2410。并聯切換記住V-I曲線的特4i，考慮圖25所示的包4舌燃沖+電池2512 的陣列2505的電3各布局2500,其中每個燃并+電池有曲線與圖24 舉例說明的曲線2400類似的操作特性。參照圖25，陣列2505包含"i午多燃泮牛電池2512的串聯列2511a、 2511b.....2511x。每列251 la陽x都有各自的開關(2513a、2513b..... 2513x)在燃津牛電池2512和供電總線2515之間，以致當開關2513a-x閉合的時候，對應的串聯列2511a-x彼此并聯連 4妄并且與負載2514并耳關連4妄。首先考慮最左面一列2511a的開關2513a閉合而其余的開關 2513b-x斷開的情況。如果負載2514的阻抗非常高，那么負載兩 端的電壓V，接近組成該串聯列的個別電池的開^各電勢之和。如果 負載2514的阻抗比4交^氐，那么在最左面的列2511a的燃沖牛電池 2512輸出的電流(這個范例中，實質上等同于負載電流IO增加， 而燃沖+電池2512的列2511a所產生的電壓減少與個別裝置V-I曲 線之和一致。接下來，考慮第二串聯列2511b由于它對應的開關 2513b閉合被-接入的情況。在這種情況下，流過每個列2511a、 2511b的電流,皮減少大約一半，而每列2511a、 2511b的電壓有只于 應的增加。因此，l命出電壓能通過連4妄和斷開電池2512的列 2511a-x被維持在預先確定的允差之內，導致電壓不隨負載阻抗變 化而變化，如圖26所示。圖26是舉例說明負載阻抗2614減少而負載電流2615對應 地增加的情況的曲線圖。隨著接入電i 各(例如，圖25的陣列2505) 的列2616的凄史目逐漸增力口，電3各產生隨著電流2615改變的電壓 2617的4居齒形變^f匕。串聯切換在許多環境中，裝置的有用操作范圍比電壓允差大得多。在 這種情況下，改變每個串聯列中的裝置數目和列數可能是有用 的。圖27是包括在為選擇不同數目的串聯成分2719準備的列布 局2718中的開關2720的電3各布局2700。這個列布局可能在并聯: 列布局中被重復多次以1更以可精細選擇的電流水平驅動負載 2714。瞬態響應控制程序設計的另 一 個考慮是個別裝置的瞬態響應。當最初 接入負載電路的時候，裝置通常不立即完全接通，而是經歷隨著 時間逝去的瞬態響應。圖28是舉例i兌明個別發電裝置(例如，燃津+電池)的階梯函數 的曲線圖。發電裝置在時間T1與負載電3各的導致電流隨著時間 的推移呈用實線曲線2821舉例i兌明的指^t形式上升，其中時間 常數是該裝置的函數。可能還有最初的傳輸延遲2822,取決于裝 置的狀態，在燃料電池的情況下，取決于離子在質子交換膜(PEM) 中的分布。最初的傳l餘延遲可能也是溫度和不活動性(即，多久 以前裝置曾起作用)的函凄t。隨著這些后面的參凄t的典型變化謬皮 表示為虛線曲線2823。燃料電池的瞬態響應受燃料電池達到平衡的能力的影響。建立平衡的區域包括i)反應層中膜片(例如，Nafion)的水合作用， ii)反應層中的水平衡(例如，在小孔空間中有殘留的液態水阻止 氣體到達催化劑嗎？)， iii)氧化劑/燃料供應(例如，有足夠的反應 物氣體支持所需要的負載嗎？)，其中區域ii和iii可能是相關的。優 化質子交換膜片(PEM)的操作條件和體系結構是將燃料電池的瞬 態響應減到最少的因素。瞬態響應可能要么是積極的要么是消極的。如果膜片受正確 條件限制而且電池已經有一l殳時間不起作用，所以反應層小孔空 間中的水已^皮除去，而且反應氣體已經有時間擴散到遍及反應層 并且占據所有可能的否則將一皮截留的液態水隔離的活性催化劑 部位，那么瞬態響應指出峰值電力隨時間減少。電力的減少可能 是液態水堵塞隔離活性催化劑的反應層的毛孔空間造成的。當液 態水的積聚不超過它的清除速率的時候，產生穩定的電力，^f旦是 在不容易除去的區i或已經聚集了一些水。如果系統已經脫水或在 反應物氣體補給方面有中斷，那么瞬態現象表明電力比峰值小的 而且逐漸增加，直到達到穩定狀態。 一旦系統處于"穩定狀態"， 電力波動，取決于操作條件和結構特性。因此，控制遍及反應層 的水形成和它對反應物氣體分布的影響的能力對于成功地4喿作 燃料電池是有用的。結果，控制程序考慮這些效應和將不造成不穩定性的控制濾 波或控制規律并入是有用的。圖29是作為等效電路2900 —般地舉例說明的燃料電池的電 模型。除了傳輸延遲2924之外，通常有歐姆源電阻2925、與活 一f匕損失相關耳關的第二電阻2927和由電祠^又層在電纟及處產生的電 容2926。電壓伺月l環結構在一些實施方案中，反饋濾波或控制規律以電路元素或軟件形式，舉例來"i兌，可能用來4氐消用燃津牛電池的傳遞函凄史或多個串 聯或并聯的燃料電池的集合傳遞函數的反函數測到的電流以便 優化或以別的方式才喿作控制環。燃并牛電池或其它電池裝置的特性 可能是通過描述該裝置的溫度、濕度、壓力和負載特性建立的， 而且使用控制理論和數信號處理(DSP)已建立的方法并入數字信 號處理。非數字信號處理裝置和技術可能也被使用。壽文感元件可 能在該系統中用來提供，舉例來說，溫度和濕度值的度量，而且 這些數值可能用來給用于D S P濾波器或其它控制規律的系數陣 列編索引。那些系數可能被適當地調整，例如，4昔助神經網纟各， 在該神經網絡中燃料電池在每組環境條件下改進的才喿作改變神 經網絡節點的鏈接(即，燃料電池的串聯列和多重并聯列)。圖30是控制燃并+電池或其它電池形式的陣列3038的范例控 制結構的方框圖。可能有陣列3038遞送給阻抗隨時間改變的負 載3030的i殳定點電壓3029。陣列3038遞送菱會負載的電壓可能祐:或狀態矢量空間方程。這個濾波可以用輸入狀態矢量3033(包括「 在燃津牛電池陣列3038中各個不同的點3037測知的電壓)運算。 4命入狀態矢量3020可能包4舌來自溫度壽1感元4牛3015和相只于濕度 壽丈感元件3016a、 3016b的才莫擬或或ft字表達形式的狀態。DSP濾 波區段3033可能通過遵循慣例應用矩陣運算對狀態矢量3020進 行運算，其中在矩陣運算期間應用于狀態矢量3020的矩陣(未展 示)可能代表描述燃料電池陣列3038的離散傳遞函數H(z)的經適 當ff改的反函凄t，而且在一些實施方案中，可能還考慮到負載 3030的模型，如同反饋控制系統技術中理解的那樣。從DSP濾波區段3033產生的濾波后輸出的("指令")電壓3035 和設定點電壓3029 —起呈現給開關操作控制區段3032，該區段 可能很容易作為地址可能是濾波后的輸出電壓和設定點電壓的 函數的存儲器陣列實現，而且存儲器3025中的數據3026可能是 用來控制陣列3038中的開關3036哪個開(即，閉合)哪個關(即， 斷開)的二進制字。在一個實施方案中，舉例來說，指令和設定 點電壓值3035、 3029的每種組合都^皮正確地映射到存儲器3025 中的一個位置，而且那個位置包含開關3036哪個開能夠關的位 組合(未展示)。存儲器陣列的內容可能在運行控制溫度、輸出濕 度和其它下述因素的管理控制程序的管理控制處理器3027的控 制下被刷新或修改。存儲器陣列的內容也可能是從外部系統(未 展示)收到的。比較器開關控制區段3032可能使用在計算機、組合邏輯、 在邏輯門中實現的組合邏輯的平行落實，等等，中執行的特定的 指令序列來執行開關才喿作程序，該程序可能是以粗調環和樣i調環 兩者的形式實現的，其中^L調環隨著負載電壓3031和負載電流 3034兩者變^f匕改變串l關成分的凄t目，而孩i調環改變陣列3038中 起作用的并聯列3005a、 3005b的數目。微調環可能在濾波后負載 電壓3035下降到門限^直以下的時4矣i曾力口列3005a、 3005b，而且 可能在濾波后負載電壓3035上升到門限#_以上的時4矣除去列 3005a、 3005b。如果該系統從能量-效率的觀點偏離V-I曲線上的 最佳點或其它點多于某種允差，舉例來說，或如果它接近大多數 并聯列3005a、 3005b都處于使用中的狀態，那么追加的一排串聯 元素3007能依照粗調環被接入電路。同樣，如果系統負載太輕， 則 一排可能被粗調環或微調環除去。避開^t障電池有時候，個別燃料電池降級或性能欠佳。在串聯連接的列3005a、 3005b中，整列總電壓是電流無論如何總會經過它們的電 池的個別電壓之和。由于電流在每個電池中是一坤羊的，所以它是 與列中性能最低的電池相對應的電流。這種情況能借助在圖30 戶斤示的每歹'J 3005a、 3005b中的小型電;危觀'J^口電阻3010a、 3010b 產生各自的電壓3032'，或，4乍為替^，通過在歹寸3005a、 3005b 中測知多個點的電壓3037并進行一致性檢查來檢測。如果發現 重大的不一致，則有可能是一個或多個電池3007正在一毛散過多 的能量，而且開關控制區l殳3032能通過，舉例來i兌，只要可用 的其它列能滿足電流要求就把一整排從其存儲器3025的清單中 劃掉將它們從使用中除去。其它才支術(例如，要在串聯列中使用 較少的電池但是使用較多的列)，如果可用，可能還是可能的， 取決于串耳關列中哪個電池是有在夾陷的。許多有意義的應用可能包括處理超過必須滿足平均負載的 燃泮牛電池陣列能力的峰值負載的或滿足超過電池響應時間的瞬 態要求的電池組或電容器。如果負荷曲線的峰值/平均值之比小， 則電容器3038能支持瞬態現象，如圖26所示。如果該峰值/平均 值之比高(舉例來i兌，如同時常用無線電通信的石更盤或壽文感元件 的情況一樣)，則可充電電池能支持陣列的活性表面區域不足以 提供峰值電流負荷的峰值周期。在這種情況下，可能要注意適當 地管理充電/放電循環或該電池組。大多數電池組類型能支持有限 次凄t的充電/方文電循環。因此，電池組在再次充電之前可能要經過 若干個周期放電。為了最大限度地延長電池組壽命，這個數字應 該盡可能大，提供再次充電可得的過量燃料電池能力(即，峰值 能量和峰值頻率相對于燃料電池能力超過非最高負荷)。控制程序可能監測電池組電壓并4艮據預定的參數或負載的近期表現決 定再次充電點。圖31是展示使用示范粗調環和微調環的示范控制程序的特 征的流程圖。在以相對快的速率引起重復控制程序3100的"快 速"定時器的定時器中斷之后，程序3100開始(3105)。人們應該 理解其它形式的中斷(例如，按要求和/或受事件驅動的中斷)也可 能引起程序3100開始。在程序3100的粗調部分3101，確定在驅 動負載的電流(或電壓)方面大的變^f匕。這需要以測知負載電壓究除去(3115)或將幾排加進陣列(3125)。在程序3100的孩H周部分 (3102),分別作出關于究竟是將并聯列從陣列中除去(313 5)還是 添加到陣列中(3145)的決定(3130 、 3140)以便將電流減少或增加 細樣￡的數量。其后，程序3100結束(3150)。溫度/濕度伺服環結構進一步的伺服環考慮起因于V-I曲線隨溫度、壓力和濕度變 化。舉例來說，在許多應用中，優選從氫-空氣燃料電池輸出的 空氣處在不導致蒸汽凝聚成水的濕度和溫度。因此，控制程序可 能首先檢查輸出濕度，而且如果它太高，升高工作溫度設定點， 該設定點對于同樣的水輸出將降低相對濕度(RH)。降低相對濕度 能通過利用較少的燃料電池產生相同的電力完成，利用較少的燃 料電池能通過，舉例來"i兌，改變圖30所示控制區段3032中的存 儲器3025的查詢表(未展示)的數據3026來完成。然后，分開的 環可能將工作溫度和它的設定點進行比較并且適當地對該表進 行調整。然而，燃料效率可能最好是通過將內部的電阻損耗減到 最少保持盡可能低的工作溫度得到滿足。因此，只要不產生濕度 問題，控制程序就將溫度設定點設置得盡可能低。對于 一些燃料電池結構，可能存在受在較高溫度的情況下隨 著逐漸增加的電力和較少的耗散的關系曲線增加的耗散駕馭的 最佳電力濃度(即，起作用的電池數量)。基于電力濃度的控制環能用來在啟動期間升高溫度和在操 作期間維持最佳溫度。如果系統在它的電流來源能力以下#:作， 則控制系統非必選地通過各個可用的列循環，所以，那些列保持 在合理的、 一《丈的平均溫度下。圖32是基于溫度或上面呈現的考慮改變燃料電池陣列工作 參^t的范例程序的流程圖。圖32是以比圖31所示程序3100緩 慢的速率發生的程序3200的流程圖。參照圖32,定時器中斷(慢 速)或其它形式的中斷(3205)開始程序3200。作出關于輸出濕度是 否大于上限的決定(3210)。如果^T出濕度^氐于上限(3210)，禾呈序 3200將輸出濕度與下限進行比較(3215)。如果輸出濕度高于上限 (3210),程序3200提高設定點溫度(3220)以降低輸出濕度。如果 輸出濕度低于下限(3215)，程序3200嘗試降低設定點溫度(3225)。程序3200也可能纟皮配置成監測，沒定點溫度和非必選的溫度 滯后性(3230)。如果溫度低于設定點(加滯后性)，程序3200確定 該溫度是否低于i殳定點(減滯后性)3235。如果溫度高于設定點(加 滯后性)(3230),冷卻電池的新開關操作表可能被裝入(3240)。如 果溫度低于設定點(減滯后性)(3235)，程序3200可能裝新的開關 才喿作表導致電池通過驅動負載升溫(3245)。如同先前描述的那才羊 (即，較少或較多的催化劑表面區域)，使電池升溫或降溫通常意 味著使用較少或較多的電池來驅動負載。程序3200可能還包4舌讓電池組或電池列l侖流驅動負載。通 過使用內在的時鐘或計數器(未展示)可以作出是否循環到陣列的 不同單元的決定(3250)。如果到時間了(3250)，程序3200可能將新的開關操作表裝載在處理器中或在被存取的儲存區域中以便確定<吏用哪個電池驅動負載(3255)。如果不是該循環到陣列中不 同的單元的時間(3250),程序3200將循環計數器加一(3260)。其后，程序3200測試或讀故障電池的電壓VsENSE。如果確定電池在適當地運行，例如通過監測輸出電流或電壓(3265),則退出程序 3200(3275)。如果確定電池是有缺陷的(3265)，則程序3200計算 新的開關才喿作表并且將它裝入(3270)。此后，退出禾呈序 3200(3275)。人們應該理解圖31和圖32的流程圖僅僅是范例。該流程圖 的策次數、次序、流程或其它方面可能在不脫離圖31和圖32所 示的示范實施方案的范圍的情況下#^修正、改變或以別的方式陳 述。此外，人們應該理解該流程圖可能是在石更件、固件或庫欠件中 實現的。如果是在庫欠件中實現的，該l欠件可能是以任何專欠件形式 編寫的和用適合按在此揭示的發電過程前后關系工作的任〗可處 理器扭Z于的。人們還應該理解該軟件可能是以 <渚存在任何形式的 計算機易讀々某體(例如，RAM、 ROM、 f茲性或光學J 某體，等等)或其技術上了解的變化的指令的形式實現的。 電池輪換已提高壽命慮的 一組決定可能是以時間或電力(能量)的時間積分為基礎為了 在燃津牛電池陣列或電池陣列的大量可用的電池當中輪流^吏用能 起作用的電池而作出的。占用電池邏輯的輪^灸通常以比圖31的 控制環低的頻度運行。電力優化如同參照圖30和圖31描述的那樣，改變電池或電池組的串 聯數目的電壓粗調環能與改變電池或電池組的并聯列數的#:調 環結合起來工作，以便控制電池陣列的合計輸出電力。選擇這種 陣列控制的理由可能是下列各項。每個裝置典型的電壓范圍可能 從0.9伏特開路電勢到大約0.4伏特的最大輸出，而且典型的電 流可能是1毫安或更少，在燃料電池的情況下取決于反應表面積 (RSA)。在這種情況下，列中電池的串聯開關可能最好是作為粗 調使用，而列的并聯開關可能最好是作為微調使用。下面立即參 照圖33和圖34描述4且調環和樣i調環的落實。圖33是多條隨串聯組合(即，列)中燃料電池數目改變的V-I 曲線的曲線圖。通過每個串聯電池的電流是相同的，而電壓相力口。 因此，V-I曲線可能是向上平移的，而且因為每個串耳關元件引進 的附加來源阻，抗它的殺牛率增加。曲線3339、 3340和3341 4姿這個 順序表示串聯電池數目的增加。線3342代表依照歐姆定律V-IRL適合負載電阻R^特定值的負載電壓和電流的關系。這條線 3342與V-I曲線的交點分別是負載電阻的工作點。所以，當負載 保持恒定的時候，串聯地增添燃料電池將改變電壓和電流，舉例 來說，從負載3342與V-I曲線3339的交點改變到負載線3342與 曲線3340的交點。圖34舉例說明并聯堆疊電池的效果。曲線3442、3443和3444 表示并聯電池數目逐漸增加。在這種情況下，負載電壓3442是 一才羊的，而電流因為來源阻:抗減少逐沐斤增加。因為串聯裝置的數目通常是小的(例如，對于3.3伏的電源是 四到六個)，反之并耳關的數量是大的(例如，對于1安培的電源是1000個)，所以起因于增添列的電壓變化通常遠遠小于增添排產生的電壓變化，從而允許密集的調整。簡單的電壓調整之后，系統可能通過有效i也才喿作該系統充分 利用儲存在燃料中的能量。圖35A和圖35B是舉例說明操作點、遞送功率和耗散功率之 間的示范關系的曲線圖。圖35A本質上是圖24所示的V-I曲線的 重復。圖35B展示利用燃料氧化產生的總功率3545、去除活化損 失的總功率3545 '、遞送給負載3546的功率和在裝置中耗散的功 率3547。 -假定活化能不隨電流I變化；因此，庫毛散功率和遞送功 率受Vwt3548控制，該點在V-I曲線近似線性的電阻萃殳的延長線 與V-軸的交點。第一級近似的總功率3545，PTOT = VINTI + PACT除去小的大體上不隨電流I改變的活化損失Pact， Ptot是I的一 次函數，斜率為1，如圖35A和圖35B所示。遞送給負載的功率是Pdel = V(I)IPdel = (VINT — RSI)I = IVINT — I2RS其中Rs-裝置的源電阻。耗散在裝置中的電力是Pdiss = Ptot - Pdel = VINTI-(IVINT - I2RS)Pdiss=I Rs對于有圖35A所示的V-I曲線的裝置，遞送功率是電流的二次 方禾呈式，而且是向下凹的，在點3549產生最大的遞送功率，其中Pdel - Pdiss。最佳功率將單個電池電流減到最小耗散功率是電流的二次函數而且是向上凸的曲線，指出電流 越小，發生的耗散越少。但是，較低的電流意味著成比例地需要 較多的裝置。最佳效率是遞送功率與總功率之比。因此，效率單 調地隨電流降{氐。作為實際問題，工作穩定性和其它設計因素可能導致依據特 定裝置的詳細特性選擇略高的電流工作點，這些特性不是上述簡 單模型的一部分。在實際系統中，最佳效率可能也受限制，因為 單個裝置電流越小，裝置就越多，因此，與系統相關耳關的成本就 越高。最佳功率切換可能的最小增量圖36A和36B分別是舉例說明可能從耗散功率和遞送功率的 二次性質汲取另一經-瞼的電^各圖3648和電流波形3649。在裝置 通過在相等的時間間隔里交替出現零電流和2I電流按50%工作 周期切換到ON和OFF(接通和斷開)的情況下，在ON期間庫毛散的 功率是一半時間的耗散功率的四倍，平均耗散功率的兩倍。首先， 考慮遞送功率fRL和耗散功率lSRs的恒定電流輸出3650。現在， 考慮曲線3652，其中給濾波電容器的源電流是在0和21之間按 50%工作周期切換的。遞送到負載3651的平均電流仍然是I并且 僅僅在濾波電容器輸出3653略樣t改變。然而4毛散功率是Pdis = (2I)2RS/2=2I2RS，與恒定電流輸出(3650)的兩倍一樣多。換句話說，為了將耗電量減到最少，控制程序切換盡可能少 的裝置來維持設定點電壓。前面揭示的示范程序范就是#支這個 的。此外，緊隨其后的是個別裝置或被獨立切換的裝置群體越 小，系統在它的能量轉換中效率就越高。多種電壓1#出圖37是利用作為多個子陣列或電池組3710a、 3710b.....3710n配置的電池陣列(例如，燃并牛電池陣列)3705形成的多電壓 電源3700的布局。多電壓電源3700是所揭示的結構的拓展，它 在需要多種電壓的電子裝置中是有用的。舉例來說，現代的移動 電話或膝上型電腦為了給顯示器、邏輯硬盤、射頻裝置之類的東 西提供不同的電壓包含多個電壓調節器。《效型燃料電池陣列或其 它發電電池陣列能很容易地配置成遞送這樣的多種電壓而且沒 有與電話或膝上型電腦中的傳統的功率調節系統相關l關的功率 耗散、發熱、電路板成本和分立元器件成本。人們應該理解燃料 電池陣列3705可能是為了l是供備^f分與額外的電池組(例如， 3710n-2、 3710n-l和3710n)—起配置的，其中額外的電-也纟且可 能是為提供由主電池組提供的任何電壓而配置的。此外，所有的 電池組3710a-n都可能是為提供任何電壓而配置的，以便考慮到 用于長壽目的的電池組輪々灸。電;危源、交-充電源、音頻功率》文大器基本結構的一些進一步拓展也是可能的該系統可能被配置 成通過改變電壓維持恒定電流(即，電流源代替電壓源，這對于纟會特定類型的每丈感元件供電是有用的，舉例來"i兌)；該系統可能 不跟蹤恒定的電壓或電流，而改為5艮蹤改變設定點的時間，因此才是供交流電源，舉例來i兌，以60赫茲備用電力纟會家庭供電；或 該系統可能跟蹤音頻信號形成非常有效的功率放大器，舉例來 說，驅動移動電話的揚聲器。這個安排可能除了用隨時間改變的 輸入代替恒定的設定點電壓3029以外與圖30的安排相同。供電芯片的制造使用在現有的專利(6，312，846和6，815,110)中描述的硅基體 上的MEM結構和制造方法，將上述的控制系統以最小的硅表面 積增加合并到與燃料電池相同的硅基體上可能是經濟的。首先，一系列膜層可以遵循可生產用于實現該控制程序的供電陣列、電 壓和電流每丈感元件和門陣列的晶體管開關的傳統的半導體制造 經驗沉積、摹制和蝕刻到基體之上。作為替代，可能使用包含 FPGA或植入式處理器中央處理器(CPU)加存儲器的結構。在需要 時，可現場編程的門陣列(FPGA)配置或程序存儲器可能是只讀存 寸諸器(ROM), —度可編程的(OTP)存儲器或閃速存〗諸器，取決于 制造之后為不同的應用定制裝置的需要。使用當前的CMOS制造 方法，這些方法之中的4壬4可一種可能4吏用某個石圭區3或，該區i或與 lcm2燃料電池陣列相比是4艮小的，而且4艮容易地建造在MEM燃 泮牛電池結構下面的同 一,圭區i或上。供電盤片、供電疊層的分級控制乂十于4交大的電源，March(6,312,846和6,815,1 IO)注意到眾多 電池可能被組裝在供電盤片上，而且眾多供電盤片可能^皮組裝成 供電疊層。在這種情況下，分層控制系統可能被實現，其中每個 供電芯片是依照本發明的示范實施方案控制的，但是由在個別供 電芯片上按供電盤片級操作的類似的控制系統決定的設定點。類似地，眾多供電盤片可能受控制，以便當它們被組裝成供電疊層 的時候，優化它們的總電力輸出。功率放大器圖38是系統3800的框圖使用發電器件完成將正常4吏用電壓 干線的放大器的功能。在這個范例中，外部裝置3805產生用放 大器3810^秦收的^氐水平電壓信號3835。》文大器3810包4舌高阻抗 輸入級3815、發電單元控制器3820、電子器件供電單元3825和 信號生成供電單元3830。模塊3815、 3820、 3825、 3830是以技 術上了解的任何典型方式互連的，例如，通過集成在單一石圭片上 并且與先前描述的一才羊;也互連。高阻抗4lT入纟及3815和發電單元 控制器3820是由提供足以操作放大器3810中的電子器件的電力 的電子器件供電單元3825供電的。高阻抗4lr入級3815將輸入波 形3835的表達3817提供給發電單元控制器3820,后者依次以產 生電壓或電流波形3840作為*命入波形3835的》文大形式的方式4空 制信號生成供電單元3830。輸出波形3830可能用來驅動負載 3845,該負載可能是，舉例來說，移動電話的耳機揚聲器或其它 有適合受示范放大器3810驅動的電特性的負載形式。圖39是舉例說明受控產生波形的發電單元的示范用途的一 對波形3900的圖表。那對波形3900包括正弦曲線電力波形3905 和調整后的電力波形3910。調整后的電力波形3910是4要4氐償負 載(3915)波形(3905)效應的形狀產生的。人們應該理解調整后的 波形3910只是調整后波形的4壬意范例，它不必依比例纟會制或3皮 期4寺為實際上能實現的。人們還應該理解調整后的波形3910可 能與在功率輸出技術中理解的 一樣被用于改善功率因數或功率 質量的目的。圖40是有電池4010a、 4010b、 401Oc..... 4010i的列A畫I的電池陣列4000的方框圖。陣列4000還包括要么與電池一起集 成在基體上或要么與電池基體分開的控制器4005。在任一情況 下，該控制器可能用來控制使用哪個(些)列4010a-i將功率4020 經由總線4015遞送給負載4025。換句話說，控制器4005可能安 排通過列4010a-i的順序或以別的方式選擇產生遞送給負載4025 的電力4020的電池列。在示范實施方案中，控制器4005連續乂人 列A移動到列I以產生電力，并因此電力4020是按對應的次序遞 送的(即，列A 4010a首先遞送電力Pa，接下來列B 4010b遞送功 率Pb,—-，最后列I401Oi遞送功率Pi)。圖41是舉例i兌明發電系鄉克4110包4舌與電、池4107、 4110a-e 的陣列相關^:的控制器4105的情況的方^f匡圖。在這個范例中， 首先〗吏起動器電池4107產生經由總線4115》合外部負載4125的 電力Pout4120 /人而導至丈起動器電池4107發熱4吏周圍環境升溫并 向外延伸使電池4110a升溫。作為替代，起動器電池4107可能將 功率Pwarm 4122遞送給在電池陣列所在基體4102上的非必選的 內部負載4140。這允i午起動器電池4107不必與外部負載4125 連4妄就能升溫。人們應該理解起動器電池4107的4立置可能i殳定 在陣列4110a-e的^者多電池當中的其它4立置，例3口，更4妾近中心 以 <更乂人四面？\方 <吏電池升溫。在運行時，控制器4105可能接收來自起動器電池的溫度反 々貴4135。當作為溫度反々貴4135的函tt由控制器4105確定的溫度 增加的時候，控制器4105可能使起動器電池4107周圍的發電單 元4110a加入。然后，當周圍的電池4110a升溫的時4美，控制器 4105可能4吏下一組在起動器電池4110a周圍的電池4110b力口入以 便產生電力4120經由總線4115遞送給外部負載4125。這個程序可能繼續到所有的發電單元4110a-e被激活，產生電力4120遞送 纟合外部負載4125。人們應該理解用箭頭4130表示的前進方向可能不是列舉的 對角線，而是改為每個區域4107和4110a-e可能是圖40或圖30 舉例說明的垂直的電池扇區。無i侖選擇哪個實施方案，人們都應 該理解起動器電池4107可能是以低效率驅動的，為的是有效地 產生熱量以<更有迅速升溫時間，而且每個后來^皮激活的電池子集 也可能是以給定的效率驅動的，為的是有快速的或正常的升溫速 率與用來起動用于給定環境的電池的給定分布圖相匹配。圖42是有兩級功能(核心功能4205和"高級"功能4210)的 控制器4200的方框圖。核心功能4205可能是基本電力管理和控 制功能，該功能用來，舉例來說，把電壓水平映射到對應的開關 閉合以及把電力請求轉換成列的行數和/或并聯列數通過選擇哪 個開關閉合配置電池的串耳關和并耳關組合產生電力。其它的基本功 能可能也被用在核心功能4205之內。高級功能4210可能包括提供電池智能控制的功能。高級功 能的范例包括冷啟動、正弦波控制、任意波形控制、電壓調整、 電流調整、電池輪、換、調節和凈化。下面參照圖43描述的"f展動 可能也是高級功能的范例，例如，幫助加速糾正"泛濫，，事件。在一個示范實施方案中，控制器4200有為實現上述功能或 其它高級功能之一向核心功能4205提出請求4225的高級功能 4210。而核心功能4205將控制信號4215呈現給開關或其它控制 元件(例如，燃并+或氧化劑流動控制元件(例如，MEM開關))纟丸4亍 i玄i青,，4225。反々貴4220可肯巨回至)J沖亥心、功育fe4205，它依;欠以適合 高級功能4210讀的形式呈現該反饋4230。作為替代，反饋4220 可能直接地呈現給高級功能4210。人們應該理解控制器4200可能在其它方面是分^殳的并且包 括適合供單 一 電池或電池陣列使用的其它功能。控制器4200可能還包括互控制器或供電盤片/芯片之內或之 間通信才莫塊4212以允許多才羊的控制器以統一的或分布式的方式 起作用。盤片/芯片間通信可能還提供對冗余度或事實上電池數量 無限的巨大陣列的支持。圖43是包4舌電池4305并通過一只于開關4315a、 4315b與用電 池或非必選地用電子脈沖發生器形成的脈沖發生器4310電耦合 的系統4300的示意圖。在這個實施方案中，利用開關4315a、 4315b將電池4305從遞送功率給負載4312切換到接收來自脈沖 發生器4310的脈沖4325a或脈沖4325a、 4325b。人們應該理解 月永沖發生器4310可能是〗壬〗可形式的產生典型或非典型波形(例 如，正弦波、線性調頻^c沖或其它波形)的4言號發生器。脈沖4325a的作用是將在電壓或電流加給壁面上的催化劑。 通過用月永沖4325a、 4325b驅動催化劑，可能已經沉積在催化劑上 的污染物可以^皮驅逐，如/人電池向外才殳射的多個箭頭4330表3見 的那樣。人們應該已經理解相似的多組箭頭4330也可能出現在 被電池4305包圍的體積內部，但是為了容易理解凈化處理怎樣 工4乍未展示。jt匕夕卜，人力']應i亥J里解4壬一月永〉中4325a、 4325b也可肯fe 是超過另一面凈化一個催4匕劑面的參考電平，例如，4妄地電勢。此外，1伏特或其它低電壓波形可能用來引起涂上一層催化 劑的膜片振動，該膜片可能是用來形成電池4305的非常薄的薄 膜。振動可能用來加速去除能造成電池4305的發電量減少的泛 濫條件。為此目的，電池4305可能在厚度、高度、直徑、催化 劑厚度、分段或其它物理參數方面是專門設計的，以便提高它的 振動能力。此外，振動(或加熱)可能用來增加用在引起、加速或以別的方式影響在電池4305中(處)發生反應的能量，而且可能在 單一步頁率或多種頻率下以一種或多種^展幅或偏移4區動電池4305改善特定的反應或反應步驟的能量遞送或減少。才艮據測試，電池4305與電容器類似有電阻抗，因為它有兩 個呈導電催化劑形式的"極板"(膜片的外壁和內壁)。該阻抗能 用于自動化測試，其中控制器能用來將電路徑從電池4305轉接 到在供電芯片或盤片邊緣與電容計連接的插針。這樣，巨大的電 池陣列能被快速地測試或診斷。此外，控制程序在用戶定制門陣列或ASIC分層結構中執行， 其中眾多電池與在上述的為形成供電盤片組裝的孩i處理器生成 器陣列中一樣受到控制，在那種情況下類似的程序控制對盤片上 電池的發電分配。在一些實施方案中，在分層結構中眾多供電盤 片受到控制并且被組裝成供電疊層，在這種情況下相似的程序控 制疊層中供電盤片的發電分配。人們應該理解，上述的任何控制濾波、控制規律或替代控制 規律(例如，最佳控制、模糊邏輯、神經網絡、H-無限控制，等 等)能以軟件形式在處理器中運行以便控制發電操作。也可能使 用硬件或固件落實。控制程序除了上述的控制之外可能非必選地 隨著裝置個體或裝置組隨著時間逝去老化隨著時間逝去適應電 池特性。控制程序也可能在現場安裝或制造之后被修改或升級， 以便將為不同的應用設計的不同的才喿作特性賦予先前同 一 的裝 置。在一個實施方案中，孩t發電器陣列可能是作為包括充電電 池、電容器、光電"f展動發生器及其它的混合系統;陂配置的。電池 充電周期可能是為延長電池壽命而配置的。電池的電4b學應用本發明另一方面的一個實施方案是4吏反應成分反應的方法。 一個示范方法包括在有至少 一 種催化劑的情況下 <吏反應成分在 至少一個包圍各自體積的膜片的對置面上發生電化學反應。在此 揭示的電池、供電芯片、供電盤片或供電疊層的任何實施方案能 使在此提到的方法變得容易。圖44舉例說明本發明的這個方法實施方案的范例。電池4400 包括與前面就其它的電池描述的成份相同或相似的成分，包括陽 才及催化劑4405、陰才及催化劑4410和月莫片4415(例如，離子或質 子交換膜)。電池4400能與基體4420耦合，通過該基體反應成 分能依照箭頭4440指出的方向流動。在此提到的膜片4415可以 是無紡織物和膜片(例如，離子交換膜片或質子交換膜片)的層壓 制品。與為形成三維幾何結構配置的電池類似，該膜片包圍一體 積4425。在微型電池應用中，體積4425可能小于1立方毫米。 在其它應用中，體積4425可能比小于1立方厘米、1立方米，甚 至小于1立方微米。包括開關4455和負載4457的電路可能與陰 極4410和陽極4405連接。與隔離物4415的對置面之中或之上 的另一種反應成分4445結合，電'池4400負fe引起電孑匕學反應。舉 例來說，電池4400能用來實現電解水產生氫的用途2H20(l)->2H2(g)+02(g)水的電解能通過讓電池4400產生的電流通過水4440的液滴 來實施(在實踐中鹽水溶液增加反應強度^f吏它更容易，見察)。氫氣 能在使用鉑電極的陽極4405看到，而氧氣泡能在也使用白金電 才及的陰才及4410看到。如果其它金屬纟皮用作陽才及，則存在氧將與 陽極反應而不是作為氣體被釋放的機會。舉例來說，使用在氯化 鈉溶液電解液中的鐵電極，則氧化鐵在陽極產生，氧化鐵反應形成氫氧化鐵。其它的工業用途包括電冶金，使用電解從金屬化合 物獲得純金屬的金屬還原過程。舉例來說，氫氧化鈉以其金屬形 式通過電解^皮分離成鈉和氬，兩者都有重要的化學用途。這個示 范方法也能應用于制造鋁、鋰、鈉、鉀或阿斯匹林。用電池電解 的另一實際用途是陽極化。它使金屬表面耐腐蝕。舉例來說，用 這個程序使水中船形物免受水中的氧侵蝕，這是在電解的幫助下 完成的。這個程序也用來使表面變得更有裝飾性。此外，通過水電解產生的氬氣能用來^會其它的附加反應供應燃料。舉例來說，氫氣4460能通過出口 4470飛出并被收集起來 作為燃料。雖然上述的電解用途是依照電池的思路提供的，但是這樣的 方法也能適用于電池陣列、供電盤片、供電盤片或供電疊層。該方法的另一個實施方案進一步包括施加用來引導電化學 反應的電^f立差。繼續參照圖44,通過4妄通開關4480，電池4400 能與電池4482電連4妄。然而，電池4480是用于舉例i兌明的。所 以，其它的電力形式能適用于該電池4400,例3。，直;危、交;危、 固定頻率、任意波形或其任何組合。將電位差加到陽極和陰極上能引發電化學反應。舉例來說， 包括用Nafion⑧之類的材料制成的膜片的電池能在電流(例如，正 弦波形、3永沖波形、線性調頻力永沖波形或其它波形的電流)通過 的時候振動。同樣地，通過電池4400施加電位差能引發或增強 電化學反應，例如，用來產生熱量(即，在膜片4415處)、將一種 物理狀態(即，液態、布支固態、氣態、^假液態或固態)轉變成另一 種物理狀態、以及在反應的不同階l殳期間或在反應的單一 階^殳之 內改變電位差分布圖。當電位差^t加到電池陣列上的時候，也有 可能將電位差加到溫度接近產生熱量的物體的陣列子集上。也有可能使用敏感元件監測電化學反應。舉例來說，系統4401能包^fe用來在水電解期間測量外殼4403里面的氫氣水平的 敏感元件4406。依次，該系統能通過監測與反應相關聯的度量標 準(例如，濃度或溫度)或與電池相關聯的度量標準(例如，溫度或 壓力)配備給典型反應的反饋系統。使用該反饋系統監測電化學 反應對于調節、管理和/或控制隨著至少一個度量標準變化的電化 學反應可能是有用的。度量標準可能包括，舉例來說，溫度、壓 力、濕度、時間、至少一種反應成分的濃度。此外，人們能管理 該何時和怎樣施加電位差。舉例來說，電化學反應能在典型的反 應中分別通過減少或增力口該電4立差;咸速或力口速。此外，電化學反應的產物能采用提取、驅逐、排干、釋放或 放出之類的方式被輸出給能跟隨在第 一 電化學反應期間或之后 的另 一電化學反應。在第 一電化學反應期間或之后引進至少 一種 其它反應成分能觸發新的電化學反應或^皮用于正在進4亍的電化 學反應的下一個階段。而且，新的電化學反應的產物也能以與較早的電化學反應相似的方式^r出。盡管這項發明已經參照其示范實施方案一皮具體地展示和描 述，4旦是熟悉這項才支術的人將理解在形式和細節方面各種不同的 改變可以在不脫離作為附件的權利要求書所嚢括的本發明范圍 的情況下完成。
權利要求
1.一種電池，其中包括(a)有三維幾何結構包圍體積而且有第一面和第二面的膜片；(b)在膜片旁將第一流動路徑和第二流動路徑分開的與膜片耦合的覆蓋物；(c)分別與第一流動路徑和第二流動路徑有氣體傳送并且分別與膜片的第一和第二面有離子交換的第一和第二催化劑；以及(d)在膜片的第一面上與第一催化劑電耦合的第一電極和在膜片的第二面上與第二催化劑電耦合的第二電極。
2. 根據權利要求l的電池，進一步包括與膜片耦合的基體。
3. 根據權利要求2的電池，其中至少流動路徑之一的至少一部 分與基體垂直。
4. 根據權利要求l的電池，其中至少一部分第一流動路徑垂直 于至少 一 部分第二流動3各徑。
5. 才艮據片又利要求1的電池，其中至少一部分第一流動3各徑平刊-于至少一部分第二流動贈_徑。
6. 根據權利要求l的電池，其中至少一個體積末端是開口的。
7. 根據權利要求l的電池，其中膜片是質子交換膜片。
8. 根據權利要求l的電池，其中幾何結構在平面圖中是圓筒形 結構。
9. 根據權利要求l的電池，其中幾何結構在平面圖中是非圓筒 形結構，為的是相對于平面圖中的圓筒形結構增加膜片上催 4匕劑的反應表面積、。
10. 根據權利要求l的電池，其中幾何結構有曲線形橫截面的平 面圖。
11. 根據權利要求l的電池，其中幾何結構有堞形橫截面的平面 圖區段。
12. 根據權利要求l的電池，其中幾何結構定義至少用于給定長 度的幾何結構的散熱片。
13. 根據權利要求l的電池，其中幾何結構有蛇形橫截面平面圖 區段。
14. 根據權利要求1的電池，其中幾何結構有矩形橫截面平面圖。
15. 根據權利要求l的電池，其中第一和第二催化劑分別在膜片 的至少一部分第一和第二面中，而且第一和第二催化劑至少 被一部分膜片電隔離。
16. 根據權利要求l的電池，其中覆蓋物是利用不同于膜片的材 料制成的。
17. 根據權利要求l的電池，其中覆蓋物是利用氣體不能滲透的 材料制成的。
18. 根據權利要求l的電池，其中覆蓋物是包括有催化劑與該膜片進行離子交換并且與電極電連接使該覆蓋物變成活性覆 蓋物的第一和第二面的膜片。
19. 根據權利要求l的電池，進一步包括經由至少一個電極與該 電池連通允許和禁止電子流向或離開第 一 或第二催化劑的 電路元素。
20. 根據權利要求l的電池，其中燃料和氧化劑是分別經由第一 流動^各徑和第二流動^各徑引向第 一和第二催化劑的。
21. 根據權利要求l的電池，其中氧化劑和燃料是分別經由第一 流動^各徑和第二流動i 各徑引向第 一和第二催化劑的。
22. 根據權利要求l的電池，其中第一和第二催化劑包括相同的 材料。
23. 根據權利要求l的電池，其中第一和第二催化劑包括不同的材料。
24. 根據權利要求1的電池，其中第一或第二流動路徑通向出口 路徑以便將燃料、氧化劑和第一和第二催化劑之間的反應所 產生的副產品乂人第 一或第二流動^各徑中除去。
25. 根據權利要求l的電池，其中電池是自治結構。
26. —種使用電池產生能量的方法，該方法包括使燃料或氧化劑 通過^皮電池的離子交換膜片包圍的體積流動。
27. 根據權利要求26的方法，其中使燃料或氧化劑流動包括使 燃料通過該體積流動。
28. 根據權利要求26的方法，其中使燃料或氧化劑流動包括使 fU匕劑通過該體積流動。
29. 根據權利要求26的方法，進一步包括使燃料或氧化劑通過 與電池耦合的基體流動。
30. 一艮據權利要求26的方法，進一步包括通過允許和禁止電子 流向和離開該電池控制該電池的操:作。
31. 根據權利要求26的方法，其中在電池處第一流動路徑的體 積有選自圓形、非圓形、曲線形、蛇形、矩形和非必選的》萊 形的沖黃截面平面圖或包括至少用于電池的給定長度的散熱 片。
32. 根據權利要求26的方法，進一步包括用實質上完整的電池 使燃料和氧化劑反應。
33. 根據權利要求26的方法，其中使燃料或氧化劑通過該體積 流動/人該體積的#r入到該體積的#T出有實質上可以忽略的壓差。
34. 根據權利要求26的方法，其中壓差小于lpsi。
35. —種電池，其中包《^舌a) 用來包圍某體積的裝置；b) 用來 <吏燃津+和fU匕劑在該體積里面和該體積外面分 開流動的裝置；c) 用來以該體積維持燃料和氧化劑分離的裝置；d) 用來使燃料和氧化劑反應提供自由電子的裝置；以及e)用來將電子運送到負載的裝置。
36. —種供電芯片，其中包括(a) 電池陣列，該電池陣列包^fe:i) 眾多有三維幾4可結構包圍各自的體積的有第一面和 第二面的膜片；ii) 至少一個與膜片耦合在膜片處將第一流動路徑和至 少一個第二流動路徑分開的覆蓋物；以及iii) 分別與第 一 流動;咯徑和至少 一 個第二流動^各徑有氣 體傳送并且分別與膜片的第一和第二面有離子交換的第一 和第二催化劑；(b) 至少 一 個與第 一 流動^各徑或至少 一 個第二流動^各徑 有氣體傳送用來分配燃料或氧化劑的增壓室；以及(c) 至少一對至少與電池陣列子集的第一和第二催化劑 電耦合為電池產生的電力纟是供4妄口的接線端。
37. 根據權利要求36的供電芯片，進一步包括至少一個與第一 流動i 各徑或至少 一 個第二流動路徑有氣體傳送的其它增壓室。
38. 根據權利要求36的供電芯片，進一步包括陣列中電池之間 的電互連。
39. 根據權利要求38的供電芯片，進一步包括在以選擇方式支 持電池電互連的配置中與該電互連耦合的開關。
40. 根據權利要求39的供電芯片，進一步包括控制開關的電子 器件。
41. 根據權利要求36的供電芯片，其中至少一個增壓室將燃料 或氧化劑以至少橫跨電池陣列的子集實質上統一的壓力分 配纟會第一或第二流動路徑。
42. 根據權利要求36的供電芯片，進一步包括與電池耦合的基 體，其中至少流動鴻4至之一與該基體垂直。
43. 根據權利要求36的供電芯片，其中至少一個增壓室包括至 少一個出口 。
44. 根據權利要求36的供電芯片，其中電池是自治的結構。
45. —種使用供電芯片產生能量的方法，該方法包括使燃料或氧 化劑通過被電池陣列的離子交換膜片包圍的體積流動。
46. 根據權利要求45的方法，其中使燃料或氧化劑流動包括使 燃料通過該體積流動。
47. 根據權利要求45的方法，其中使燃料或氧化劑流動包括使 IU匕劑通過該體積;充動。
48. 根據權利要求45的方法，進一步包括使燃料或氧化劑通過 與眾多電池耦合的基體流動。
49. 才艮據片又利要求45的方法，進一步包括通過允許和禁止電子 流向和離開該子集控制至少一個電池陣列子集的操作。
50. 根據權利要求45的方法，其中電池處的第一流動路徑的體 積有選自圓形、非圓形、曲線形、蛇形、矩形和非必選的》業 形的橫截面平面圖或包括至少用于電池的給定長度的散熱 片。
51. 根據權利要求45的方法，進一步包括在至少一個實質上完 整的電池之中用至少一個電池使燃料和氧化劑反應。
52. 才艮據權利要求45的方法，進一步包括將燃并+、氧化劑和至 少一個電池子集之間的反應所產生的副產品從電池陣列中 除去
53. —種供電芯片，其中包括a ) 用來包圍至少 一部分燃并+和氧化劑的流動^各徑的體 積的裝置；b) 用來互連各個體積的裝置；c) 用來使燃料和氧化劑在該體積里面和該體積外面分 開流動的裝置；d) 用來使燃料和氧化劑反應提供自由電子的裝置；以及e) 將電子運送到負載的裝置。
54. —種供電盤片，其中包括(a) 電'池陣列，該電池陣列包4舌i) 眾多有三維幾何結構包圍各自體積并且有第 一 面和 第二面的膜片；ii) 至少一個與膜片耦合在膜片處將第一流動^各徑和至 少一個第二流動路徑分開的覆蓋物；以及iii) 分別與^各徑和至少 一 個第二流動^各徑有氣體4專送并 且與膜片各自的第一和第二面有離子交換的第一和第二催 化劑；(b) 至少一個與第一流動贈4圣或至少一個第二流動^各徑 有氣體傳送的分配燃料或氧化劑的增壓室；(C)至少一對與至少與電池陣列子集的第一和第二催化劑電耦合為電池產生的能量提供接口的接線端；以及 (d)至少 一對與與至少 一對4妄線端電耦合的供電總線。
55. 根據權利要求54的供電盤片，包括以電選擇方式互連諸電 池的開關。
56. 根據權利要求55的供電盤片，進一步包括控制開關的電子 器件。
57. 根據權利要求54的供電盤片，其中電池陣列與基體耦合， 至少一個增壓室是為以實質上統一的壓力分配燃料或氧化劑配置的。
58. 根據權利要求57的供電盤片，其中至少一個增壓室有至少 一個區段是為使燃料或氧化劑垂直于該基體的表面流動而 安排的。
59. 根據權利要求54的供電盤片，其中至少一個增壓室包括至 少 一個出口 。
60. 根據權利要求54的供電盤片，其中電池是自治結構。
61. —種供電盤片，其中包"fe:a) 包括至少一個盤片歧管的基體；b) 至少一個與基體耦合的供電芯片，該供電芯片包括 i) 包圍各個體積的三維電池陣列；ii) 眾多與電池陣列有氣體傳送的用來分配燃料和氧化 劑的芯片流動路徑，至少芯片流動路徑之一對準至少一個盤 片歧管；以及iii) 與電池陣列電耦合的芯片4妻線端；c)至少一個與芯片接線端電耦合的供電盤片總線。
62. 根據權利要求61的供電盤片，進一步包括以電選擇方式使 至少一個供電芯片與另外的供電芯片互連開關。
63. 根據權利要求62的供電盤片，進一步包括控制開關的電子 器件。
64. 根據權利要求61的供電盤片，其中至少一個供電芯片與基 體耦合，而且至少一個盤片歧管是為以實質上統一的壓力分 配燃庫+或氧化劑而配置的。
65. 根據權利要求61的供電盤片，其中至少一個盤片歧管有至 少 一個為使燃料或氧化劑垂直于基體流動而安排的區段。
66. 根據權利要求61的供電盤片，其中至少一個盤片歧管包括 至少一個出口 。
67. 根據權利要求61的供電盤片，其中電池是自治結構。
68. —種供電盤片，該供電盤片包括a) 基體；b) 與基體耦合的電池陣列，該電池陣列包4舌i) 眾多有三維幾何結構包圍各自的體積并且有第一面 和第二面的膜片；ii)至少一個與膜片耦合在膜片處將第一流動3各徑和至 少一個第二流動路徑分開的覆蓋物；以及i i i)分別與第 一 流動if各徑和至少 一 個第二流動i 各徑有氣 體傳送并且與膜片各自的第一和第二面有離子交換的第一 和第二催化劑；C)與在膜片第一面上的第一催化劑電耦合的第一電極 和與在膜片第二面上的第二催化劑電耦合的第二電極；以及d)與相應的第一電極和相應的第二電極電耦合的一對 供電盤片總線。
69. 根據權利要求68的供電盤片，進一步包括以電選擇方式使 至少一個電池陣列子集互連的開關。
70. 根據權利要求69的供電盤片，進一步包括控制開關的電子 器件。
71. 根據權利要求68的供電盤片，進一步包括至少一個為以實 質上統一的壓力分配燃料或氧化劑而配置的盤片增壓室。
72. 根據權利要求70的供電盤片，其中至少一個盤片增壓室有 至少 一 個區段是為使燃料或氧化劑垂直于基體表面流動而 安排的。
73. 根據權利要求70的供電盤片，其中至少一個盤片增壓室包 4舌至少一個出口 。
74. 根據權利要求68的供電盤片，其中電池是自治結構。
75. —種使用供電盤片產生能量的方法，該方法包括a) 使燃料或氧化劑經由供電盤片中的至少一個盤片增 壓室流過基體；以及b) -使燃津+或氧化劑,人至少 一個盤片增壓室流進^皮電池 陣列包圍的體積。
76. 根據權利要求75的方法，其中使燃料或氧化劑流動包括使 燃升+在至少 一個盤片增壓室中流動并且流向i者體積。
77. 根據權利要求75的方法，其中使燃料或氧化劑流動包括使 氧化劑在至少一個盤片增壓室中流動并且流向諸體積。
78. 根據權利要求75的方法，進一步包括通過允許和禁止電子 流向和離開電池陣列子集控制至少 一個電池陣列子集的梯: 作。
79. 根據權利要求75的方法，進一步包括將燃料、氧化劑和和 至少 一個電池子集之間的反應所產生的副產品經由至少一 個盤片增壓室的出口乂人電池陣列中除去。
80. —種供電盤片，該供電盤片包4舌a )用來包圍至少 一部分燃津牛或氧化劑流動^各徑的體積 的裝置；b) 用來使燃料和氧化劑在諸體積里面和諸體積外面分 開流過基體的裝置；c) 用來使燃料和氧化劑在該體積里反應提供自由電子 的裝置；以及d) 將電子運送到負載的裝置。
81. —種供電疊層，其中包括a) 定義至少一個疊層歧管的供電疊層結構；b) 眾多與供電疊層結構耦合有各自的電池陣列的供電 盤片，每個供電盤片包括i) 與至少 一個疊層歧管有氣體傳送將燃料或氧化劑分 配給與供電盤片耦合的電池的至少 一個盤片A支管氣體相關 耳關的至少一個基體；以及ii) 與電池電耦合的盤片接線端；以及c) 與供電疊層結構相關聯為與盤片接線端電耦合配置 的供電疊層接線端。
82. 才艮據權利要求81的供電疊層，其中供電盤片有頂面和底面而且被安排成頂面平行于毗連供電盤片的底面，而且至少至 少一個疊層^支管的一部分實質上垂直于供電盤片的頂面和底面延伸。
83. 根據權利要求81的供電疊層，其中眾多供電盤片中至少有 一些自然;也疊在另一個的頂端上。
84. 才艮據4又利要求81的供電疊層，進一步包括與供電疊層結構 相關聯以電選4奪方式互連供電盤片的開關。
85. 根據權利要求84的供電疊層，進一步包括控制開關的電子 器件。
86. 根據權利要求81的供電疊層，其中至少一個疊層歧管被配 置成以實質上統一的壓力將燃并+或氧化劑分配^合各個供電 盤片。
87. 根據權利要求81的供電疊層，其中至少一個疊層歧管包括 為輸出供電芯片中來自燃津牛和氧化劑的反應的副產品而配 置的至少一個出口 。
88. —種使用供電疊層產生能量的方法，該方法包括a) 使燃料或氧化劑通過至少 一個疊層歧管流到至少一 個與供電盤片相關聯的盤片歧管從而支持電池；以及b) 使燃料或氧化劑通過至少一個盤片歧管流向電池。
89. 根據權利要求88的方法，其中使燃料或氧化劑流動包括使 燃料在至少一個疊層歧管中流動。
90.據權利要求89的方法，其中使燃料或氧化劑流動進一步 包括使氧化劑在至少一個疊層歧管之中不同于燃料疊層歧 管的歧管中流動。
91. 根據權利要求88的方法，進一步包括通過允許和禁止電子 流向或離開至少一個供電盤片子集控制該子集的#:作。
92. 根據權利要求88的方法，進一步包括將在至少一個供電盤 片子集上燃料、氧化劑之間的反應所產生的副產品經由至少 一個疊層歧管的出口從供電盤片中除去。
93. —種供電盤片，其中包括a ) 用來包圍燃一+或氧化劑的至少 一部分流動3各徑的體 積的裝置；b) 用來連4妄該包圍裝置的裝置；c) 用來使燃料和氧化劑在諸體積里面和諸體積外面分 開流動的裝置；以及d)用來使燃料和氧化劑反應提供自由電子的裝置。
94. 一種纟喿作電池的方法，該方法包4舌在有燃術+和氧化劑的情況下用眾多電池當中的至少一個 電池子集通過對至少與眾多電池的子集耦合的至少一個電 元件的電控動態地控制電能的產生。
95. 根據權利要求94的方法，其中至少一個電元件是在為串聯 或并聯:;也連4妻各個電池而配置的安4非中與各個電池井禺合的 眾多開關，而其中動態地控制電能的產生包括斷開和閉合開 關控制眾多電池聚集的輸出電壓、輸出電流或兩者。
96. 根據權利要求94的方法，其中動態地控制電能的產生包括 以開環或閉環的方式在眾多電池實際上可能的工作狀態范 圍內將電能的產生控制到任意的工作狀態。
97. 根據權利要求94的方法，進一步包括監測眾多電池的電力 輸出和反饋該電力表達以便電力產生控制電池和飼養的多 數支持電力的表現控制至少 一個電元件調節眾多電池的電 力llT出。
98. 根據權利要求94的方法，進一步包括測知負載提取的電力， 反饋被提取的電力的表達和將電能的產生動態地控制到足過量電力有所減少的數量。
99. 根據權利要求94的方法，其中動態地控制電力產生包括在 電壓或電流波形隨著，敘入電壓或電流波形變^R:的情況下動 態地產生電力。
100. 根據權利要求99的方法，其中動態地產生電力包括在電壓或電流波形與llr入電壓或電流波形成正比或成反比的情況 下動態;也產生電力。
101. 才艮據4又利要求99的方法，其中動態地產生電力包括在電壓 或電流波形隨著輸入電壓或電流波形呈線性變化的情況下 動態i也產生電力。
102. 根據權利要求99的方法，其中動態地產生電力包括在電壓 或電流波形隨著輸入電壓或電流波形呈非線性變化的情況 下動態;也產生電力。
103. 根據權利要求94的方法，其中動態地控制電能的產生包括 在電壓或電流波形隨波形的表達變化的情況下動態地產生 電力。
104. 根據權利要求94的方法，其中動態地控制電能的產生包括 在為補償負載歲丈應而調整電壓或電流波形的情況下產生電 力。
105. —種用來產生電力的裝置，該裝置包括眾多被配置成在有燃料和氧化劑的情況下產生電力的電池；至少一個與眾多電池的至少一個子集耦合的電元件；以及為了以動態的方式用至少一個電池子集控制電能的產生 被配置成控制至少 一 個電元件的控制器。
106. 根據權利要求105的裝置，其中至少一個電元件是在為串聯 或并耳關地連接各個電池而配置的安排中與各個電池耦合的 眾多開關，而控制器被配置成通過斷開或閉合開關控制眾多 電池聚集的輸出電壓、輸出電流或兩者。
107. 根據權利要求105的裝置，進一步包括敏感元件，而且控制 器是配置成以開環或閉環的方式在眾多電池實際可能的工 作狀態范圍內將電能的產生控制到任意的工作狀態的反饋 控制器。
108. 根據權利要求105的裝置，進一步包括測知眾多電池的電力 輸出并將電池的表現反饋到控制器的敏感元件，而且控制器 是配置成通過控制至少一個電元件以調整眾多電池的電力 輸出的方式控制電能的產生。
109. 根據權利要求105的裝置，進一步包括測知負載的電力提取 量并將該電力提取量的表達反饋給控制器的敏感元件，其中 控制器被配置成將至少 一個電元件動態地控制到足以支持 該電力提取量但與在缺乏反饋該電力提取量的表達時控制 眾多電池產生電力相比較過量電力有所減少的數量。
110. 根據權利要求105的裝置，其中控制器被配置成動態地控制有隨著4lr入電壓或電流波形變4b的電壓或電流波形的電能的產生。
111. 根據權利要求IIO的裝置，其中控制器被配置成通過控制至少 一個電元件來4空制與，lr入電壓或電流波形成正比或成反 比的電能的產生。
112. 根據權利要求IIO的裝置，其中控制器被配置成通過控制至 少 一 個電元件來控制作為豸命入電壓或電流波形的 一 次函翁: 成正比或成反比的電能的產生。
113. 根據權利要求IIO的裝置，其中控制器被配置成通過控制至 少 一 個電元件來控制隨輸入電壓或電流波形呈非線性變化 的電能的產生。
114. 根據權利要求105的裝置，其中控制器被配置成當電壓或電 流波形隨波形表達變化時動態地控制電能的產生。
115. 根據權利要求105的裝置，其中控制器被配置成動態地控制 動態地內藏為補償負載效應#:調節的電壓或電流波形的電 能的產生。
116. —種才喿作眾多電池的方法，該方法包4舌才姿串聯組合配置第一電池組以產生給負載4是供電力的豐命 出電壓和電;充；以及動態;也配置至少一個為產生實質上與第一電'池《且相同的 本俞出電壓而配置的第二電池組，第二電池組與第一電池組并 耳關^是供隨第 一 電池組和至少 一個第二電池組產生的電壓和 電流的纟且合變^1的電力。
117. 根據權利要求116的方法，其中每個電池組都包括多個并聯 的電池。
118. 根據權利要求117的方法，其中至少第一或第二電池組的子 集是靜態地配置的。
119. 根據權利要求116的方法，進一步包括反饋信息并根據該信 息動態地配置串聯和并聯的組合。
120. 根據權利要求116的方法，其中配置第一電池組包括動態地 配置第一電;也纟且。
121. —種用來產生電力的裝置，該裝置包括按串聯組合配置的產生輸出電壓和電流給負載提供電力 的第一電池纟且；以及為產生實質上與第一電池組相同的IIT出電壓而配置的至 少 一個第二電池iEL,至少 一個第二電池組與第 一 電池組并聯: 4是供隨第 一 電池組和至少 一第二電池組產生的電壓和電流 的組合變化的電力。
122. 根據權利要求121的裝置，其中每個電池組都包括多個并聯 的電池。
123. 才艮據權利要求122的裝置，其中至少第一或第二電池組的子 集是靜態地配置的。
124. 根據權利要求121的裝置，進一步包括為測知至少與第一或第二電池組的子集有關的^f言息而配 置的4丈感元4牛；至少一個至少與第一或第二電池組之一耦合的電元件；以及為處理來自4丈感元件的信息并且才艮據該信息控制至少一 個電元件動態地配置串聯和并聯組合而配置的反饋控制器。
125. 根據權利要求121的裝置，進一步包括至少一個與第一電池 組和至少一個第二電池組耦合的電元件，而且進一步包括與 至少一種元素井禹合以動態方式配置第一電池iE或至少一個 第二電池組的控制器。
126. —種產生電力的方法，該方法包4舌通過4要串l關或并耳關組合將若干個電池動態地配置在電池 陣列中產生輸出電力；通過動態地配置電池的串聯組合粗調輸出電力；以及通過動態地配置電池的并聯組合孩史調llr出電力。
127. 根據權利要求126的方法，其中粗調或微調輸出電力包括反 々責至少 一 個電池才喿作參婆t并且隨著至少 一 個才喿作參lt變化 分別動態地配置電池的串聯或并4關組合。
128. 根據權利要求127的方法，其中至少一個操作參數至少包括 下列才乘作參tt之一l俞出電壓、l敘出電流、電池處的壓強、 電池處的溫度或電池處的濕度。
129. 根據權利要求126的方法，其中產生輸出電力包括從電池陣 列的多個群體當中選才奪一群電池產生輸出電力。
130. 根據權利要求129的方法，其中選擇一群電池產生輸出電力 包括在周期性時間、隨才幾時間、偽隨才幾時間、4要要求或受事 件驅動的基礎上選4奪不同的電池群體產生豐lr出電力。
131. —種用來產生電力的裝置，該裝置包括在有燃沖+和氧4匕劑的情況下產生電力的電池陣列；在至少使電池的子集能夠動態地按串聯組合或并聯組合 配置的安排中與該電池陣列耦合的多樣的電元件；與那些電元件電通信通過動態地配置電池的串聯組合4且 調輸出電力的控制器；以及通過動態地配置電池的并聯組合樣i調輸出電力。
132. 根據權利要求131的裝置，進一步包括為測知電池的至少一 個操作參數并將至少 一 個操作參數反饋給控制器而配置的反々貴型專文感元件；而且該控制器分別隨著4且調或樣i調輸出電 力的至少 一個操作參數變化分別動態地配置電池的 一 系列 并聯組合。
133. 根據權利要求132的裝置，其中至少一個操作參數至少包括 下列才喿作參凄t之一lt出電壓、l餘出電流、電池處壓強，電 池處溫度或電池處濕度。
134. 根據權利要求131的裝置，其中控制器被配置成通過控制多 樣的電元件從多樣的電池陣列群體當中選4奪一群電池產生 豐lT出電力。
135. 根據權利要求134的裝置，其中控制器被進一步配置成以周 期性時間、隨才幾時間、偽隨才幾時間、4要要求或受事件驅動為 基礎選擇不同的電池群體產生輸出電力。
136.—種產生電力的方法，該方法包4舌:區域以可選擇的效率遞送電力給負載,
137. 根據權利要求136的方法，其中組合電池的表面區域包括在 一個電池組*接著 一個電池組的基礎上組合表面區i或。
138. 根據權利要求136的方法，其中組合電池的表面區域包括在 一個電池接著一個電池的基礎上組合表面區域。
139. —種用來產生電力的裝置，該裝置包括在至少 一個膜片的表面區域中多個區域上催化燃料或氧 化劑的催化劑；在至少使多個區域的子集能夠按串聯組合或并聯組合合 并在有燃料和氧化劑的情況下遞送電力給負載的安排中與 催化劑耦合的電元件。
140. 根據權利要求139的裝置，其中表面區域中的多個區域位于 電池之上而那些電元件是為在一個電池細U妄著一個電池組 的基礎上組合表面區域而安排的。
141. 根據權利要求139的裝置，其中表面區域中的多個區域位于 電池之上而那些電元件是為在一個電池4妄著一個電池的基 礎上組合表面區域而安排的。
142. —種用來梯:作電池陣列的方法，該方法包4舌用電池陣列中的至少一個電池子集以可選擇的效率為紹^ 定的電流密度產生電力。
143.j艮據權利要求142的方法，進一步包括盡可能>^是高有效燃料 消耗效率。
144.根據權利要求142的方法，進一步包括盡可能提高有效熱量 生成效率。
145. —種用來產生電力的裝置，該裝置包括電池陣列；與該電池陣列耦合為按串聯組合或并聯組合配置電池而 安排的電元件；以及與那些電元件耦合通過控制那些電元件在有燃料和氧化 劑的情況下用該電池陣列中的至少一個電池子集配置對于 給定的電流密度有可選才奪的效率的電池的控制器。
146. 根據權利要求145的裝置，其中控制器被配置成控制那些電 元件盡可能提高有效燃料消耗效率。
147. 根據權利要求145的裝置，其中控制器被配置成控制那些電 元件盡可能j是高有效熱量生成效率。
148. —種#/[乍電;也陣列的方法，該方法包4舌識別電池陣列中有缺陷的電池； 4巴有缺陷的電池從運行中除去；以及 才喿作該電池陣列中無缺陷的電池產生電力。
149. 一種用來產生電力的裝置，該裝置包括電池陣列；與該電池陣列耦合至少使一 電池子集能夠按串聯組合或 并耳關組合中合并的電元件；至少 一 個識別該電池陣列中有缺陷電池的壽丈感元件；以及與至少 一個每丈感元件通信識別該電池陣列中有缺陷的電 池的控制器；控制那些電元件把有缺陷的電池乂人運^f亍中除去，并且控 制那些電元件才喿作該電池陣列中無擊夬陷的電池產生電力。
150. —種才喿作電池的方法，該方法包4舌動態地按串聯和并耳關組合配置電池陣列中的多個電池； 以及實時地改變電池的串耳關和并耳關組合按選自電壓源、電流 源、交流供電和聲頻功率放大器的才莫式操作電池。
151. —種用來產生電力的裝置，該裝置包4舌電池陣列；與該電池陣列津禺合為4安串聯:和并聯j且合配置該電池陣列 中的多個電池安排的電元件；以及與那些電元<牛并禹合4空制那些電元〗牛實時i也改變電池并耳關 組合的系列按選自電壓源、電流源、交流供電和聲頻功率》文 大器的模式操作電池的控制器。
152. —種清潔電池陣列中的電池的方法，該方法包4舌4吏電池陣列中的至少一個第一電池與第二電池身禺合；以及用電壓引起第二電池馬區動至少一個第一電池以1更清J里至 少 一 個第 一 電池上的催化劑。
153. 根據權利要求152的方法，進一步包括用至少一個第三電池 同時驅動負載。
154. 根據權利要求153的方法，進一步包括在清潔催化劑之后寸吏 至少一個第一電池與第二電池分離并JU吏至少一個第一電 池與負載耦合。
155. 根據權利要求152的方法，進一步包括診斷在至少一個電池 上催化劑的污染狀態。
156. —種用來產生電力的裝置，該裝置包括電池陣列；為在該電池陣列中4吏至少一個第一電池與第二電池摔禺合 而配置成的電元4牛；以及為了^f吏至少一個第一電池與第二電池津禹合并且用在至少 一個第 一 電池上清理^f崔^匕劑的電壓引起第二電池馬區動至少 一個第一電池而與那些電元件耦合的控制器。
157. 根據權利要求156的裝置，其中控制器被配置成控制那些電 元件使至少一個第一電池與負載耦合驅動該負載同時引起 第二電池驅動有在至少 一 個第 一 電池上清潔催化劑的電壓 的至少一個第一電池。
158. 根據權利要求157的裝置，其中控制器被配置成在清潔催化 劑之后使至少 一個第 一 電池與第二電池分離并且使至少一 個第一電池與負載耦合。
159. 根據權利要求156的裝置，進一步包括敏感元件和診斷單元， 其中敏感元件提供與產生電力的電池有關的信息，而診斷單 位i拿斷在產生電力的電池上催化劑的污染狀態。
160. —種才喿作電池的方法，該方法包4舌在核心處理層的控制下不斷地才喿作電池；以及借助高級處理層^f吏用該核心層導致電池以可選擇的方式 產生電力。
161. 才艮據一又利要求160的方法，其中在核心處理層的控制下不斷 地操作電池包括監測和控制電池產生的電力的質量和數量。
162. 根據權利要求160的方法，其中借助高級層使用核心層包括 使用核心層依照核心層未知的高級功能引起電池產生電力， 該高級功能選自冷啟動、正弦波4命出功率、yf壬意波形功率 輸出、電壓調整、電流調整、效率控制和功率放大器模式。
163. —種操作燃料電池的控制器，包括在恒定的控制下處理才喿作電池的核心處理層；以及使用核心層引起電池以可選4奪的方式產生電力的高級處 理層。
164. 根據權利要求163的控制器，其中核心處理層被配置成監測 和控制電池產生的電力的質量和凄t量。
165. 根據權利要求163的控制器，其中高級層被配置成使用核心 層引起電池依照核心層未知的高級功能產生電力，該高級功 能選自冷啟動、正弦波、l命出功率、^壬意波形功率llr出、 電壓調整、電流調整、效率控制和功率放大器才莫式。
166. —種用多個電池開始產生電力的方法，該方法包4舌定義一電池子集作為起動器電池；將負載加到該起動器電池上從該起動器電池提取電流在該起動器電池處產生熱量^f吏該起動器電池周圍的電池升溫； 以及在起動器電池周圍的電池升溫之后，4吏起動器電池周圍 的電池能夠產生電力。
167. 根據權利要求166的方法，其中使起動器電池周圍的電池能 夠~包括4姿照與起動器電池串耳關或并耳關的組合配置起動器 電池周圍的電池。
168. 根據權利要求166的方法，進一步包括監測起動器電池或起 動器電池周圍的電池的溫度和4吏在起動器電池周圍并乂人起 動器電池向外擴展的電池能夠隨著溫度變化產生電力。
169. 根據權利要求166的方法，其中使在起動器電池周圍的電池 能夠~包括將周圍的電池所產生的電力引向乂人起動器電池 提取電流的負載。
170. 根據權利要求166的方法，其中使起動器電池周圍的電池能 提取電流的負載不同的負載。m.—種用來產生電力的裝置，包括電池陣列；為了以可選才奪的方式按串聯組合或并聯組合配置電池而 安4非的電元件；為了〗吏某電池子集變成起動器電池并且用該起動器電池 驅動負載在起動器電池處產生熱量使起動器電池周圍的電 池升溫而配置的控制器；以及測知起動器電池周圍的電池的溫升并且將反饋提供給控 制器使控制器能夠配置電元件使起動器電池周圍的電池能 夠產生電力的敏感元件。
171.
172. 根據權利要求171的裝置，其中控制器被配置成控制電元件 4吏電池能夠4要照與起動器電池串聯組合或并聯組合圍住起 動器電;也。
173. 根據權利要求171的裝置，其中敏感元件是為監測起動器電 池的溫度或在起動器電池周圍的電池的溫度并將反^t^是供 給控制器而配置的溫度敏感元件，其中控制器本身被配置成 4吏在起動器電池周圍并乂人起動器電池向外擴展的電池能夠 隨著溫度變化產生電力。
174. 根據權利要求171的裝置，其中控制器被配置成以某種方式 控制電元件從而允許起動器電池周圍的電池將周圍的電池 所產生的電力引向從起動器電池提取電流的負載。
175. 根據權利要求171的裝置，其中負載是起動器負載，而控制 器被配置成控制那些開關使起動器電池周圍的電池能夠將 周圍的電池所產生的電力引向與/人起動器電池揭_耳又電流的 負載不同的負載。
176. —種用來才喿作電池陣列的方法，其中包4舌至少按串聯和并聯組合配置電池陣列的子集；跟蹤與按串聯和并聯組合配置的電池耦合的負載的電力 用量；以及動態;也用來自該電池陣列的更多或更少的電池4要串聯和 并聯組合重新配置電池以1更以將該負載不用的過量電能的 產生減到最少的方式將足夠的電力提供給該負載。
177. —種用來產生電力的裝置，其中包括電池陣列；在按串聯組合或并聯組合配置至少 一個陣列子集的安排 中與該陣列耦合的電元件；測知與按串聯或并聯的組合配置的燃料電池耦合的負載 的電力用量的4文感元4牛；以及與敏感元件耦合為了以將負載不用的過量電能的產生減 到最小的方式提供足夠的電力給負載以反饋為基礎用來自 電池陣列的更多或更少的電池動態地」接串耳關或并耳關的組合 重新配置電池的4空制器。
178. —種才喿作電池陣列的方法，其中包4舌按串耳關和并耳關組合動態地配置電池陣列的子集；以及動態地重新配置電池的串耳關組合或并耳關組合以產生4壬意 數量的輸出電力。
179. 才艮據4又利要求178的方法，其中動態地重新配置電池的串聯: 組合或并耳關組合包括動態地重新配置電池以產生隨時間改 變的電壓或電 流o
180. —種用來產生電力的裝置，其中包括電池陣列；在動態地*接串耳關組合或并耳關組合配置至少 一個陣列子集 的安排中與陣列耦合的電元件；以及與電元件耦合為了產生任意數量的輸出電力動態地重新 配置串聯組合或并聯組合的控制器。
181. 根據權利要求180的裝置，其中控制器被進一步配置成動態的電壓或電 流。
182. —種才喿作電池陣列的方法，其中包4舌至少將電池的子集按串聯和并聯組合連接起來；以及動態地按串聯組合或并聯組合重新配置電池以 <更包括更 多或更少的產生電力的電池產生有經調整隨時間變化的波 形的電壓或電流來補償負載的效應。
183. —種用來產生電力的裝置，其中包^":電池陣列；在按串耳關組合或并l關組合配置電池的安排中與電池耦合 的電元4牛；以及與電元件耦合為了包括更多或更少的產生電力的電池產 生有經調整隨時間變化的波形的電壓或電流來補償負載的 效應動態地4要串4關組合或并耳關組合重新配置電池的控制器。
184. —種才乘作電池陣列的方法，其中包括用分享儲存能量的共同來源的電池的陣列同時產生多種 電壓。
185. 根據權利要求184的方法，其中至少多種電壓之一是隨時間 改變的電壓。
186. 根據權利要求184的方法，進一步包括配置電池改變至少一 個電壓。
187. 根據權利要求184的方法，進一步包括配置電池增加至少適 合多種電壓之一的電流容量。
188. 根據權利要求184的方法，其中至少多種電壓之一有隨時間 改變波形，而且進一步包4舌將隨時間改變的波形引向至少一 個電池以1更凈化至少一個電池的催化劑。
189. —種用來產生電力的裝置，其中包括配置成分享儲存能量的共同來源的電池陣列；以及在使配置電池能夠同時產生多種電壓的安排中與電池陣 列耦合的電元件。
190.根據權利要求189的裝置，其中至少多種電壓之一是隨時間 改變的的電壓。
191. 根據權利要求189的裝置，進一步包括與電子元件耦合動態 地配置電池至少改變電壓之一的控制器。
192. 根據權利要求189的裝置，進一步包括與電子元件耦合以導 致電池增加至少適合多種電壓之一 的電流容量的方式控制 電子元件的控制器。
193. 根據權利要求189的裝置，進一步包括與開關耦合控制開關 導致至少 一 電池子集產生各自隨時間改變波形的電壓的控 制器，而且該控制器纟皮進一步配置成控制開關將隨時間改變 的波形引向至少 一個電池凈化至少 一個電池的催化劑。
194. 一種4吏反應成分發生反應的方法，該方法包4舌使反應成分在至少一個交換膜片的對置面上與包圍各自體積的至少 一種催4b劑發生電化學反應。
195. 根據權利要求194的方法，其中至少一個膜片是至少一個離 子交換膜片，而4吏反應成分發生反應包括4吏反應成分在至少 一個離子交換膜片的對置面上發生反應。
196. 根據權利要求194的方法，其中使反應成分發生電化學反應 包4舌實施電解。
197.^艮據權利要求196的方法，其中4吏反應成分發生電化學反應 包4舌實施水電解。
198. 根據權利要求196的方法，其中使反應成分發生電化學反應 包4舌實施用于電冶金或陽相 化的電解。
199. 根據權利要求198的方法，其中使反應成分發生電化學反應 包4舌實施制造元素的電解。
200. 根據權利要求199的方法，其中實施電解包括產生氫、鈉、 鋰、鋁、鈉或鉀。
201. 根據權利要求194的方法，其中使反應成分發生電化學反應 包括將電位差加在至少一個膜片的對置面上。
202. 根據權利要求201的方法，其中加電位差包括隨著時間推移 改變更電4立差。
203. 根據權利要求202的方法，其中加電位差包括逐漸增加電位 差力口速反應。
204. 才艮據權利要求202的方法，其中加電位差包括逐漸減少電位 差使反應減速。
205. 根據權利要求201的方法，其中加電位差包括使電位差周而 復始。
206. 根據權利要求201的方法，其中加電位差包括產生電位差引 起在至少一個膜片處加熱。
207. 根據權利要求194的方法，其中至少一個膜片是有催化劑的 月莫片陣列而且進一步包括作為燃術牛電池以產生熱量的方式 操作該陣列的子集。
208. 根據權利要求207的方法，進一步包括在溫度接近產生熱量 的子集的陣列子集中在膜片的對置面上加電位差。
209. 根據權利要求194的方法，進一步包括引進至少一種其它的 反應成分并JU吏反應成分進一步發生電4匕學反應。
210. 才艮據^又利要求194的方法，進一步包括「llr出因反應成分發生 電化學反應產生的產物。
211. 根據權利要求210的方法，其中輸出產物包括以選自萃取、排棄、排出、釋放或通風的方式輸出產物。
212. 根據權利要求210的方法，其中產物至少是狀態不同于發生 電化學反應之前的狀態的成分之一。
213. 根據權利要求212的方法，其中不同的狀態是不同的溫度狀 態或物理狀態。
214. 才艮據權利要求210的方法，進一步包括參與至少一種別的反應，而且iir出產物包括將產物呈現給至少 一種別的反應。
215. 根據權利要求214的方法，進一步包括將電化學反應的副產 物豐#出到至少 一種別的反應。
216. 根據權利要求194的方法，其中反應成分選自固體、作￡固 體、液體、布i液體、氣體或其組合。
217. 才艮據權利要求194的方法，進一步包括穿過至少一個離子交 換膜片加選自直流、交流、固定頻率、任意波形或其組合的 電位差。
218. 根據權利要求217的方法，進一步包括在不同的反應階段期 間或在單一的反應階,殳內改變電^f立差的分布圖。
219. 根據權利要求194的方法，進一步包括監測電化學反應。
220. 根據權利要求219的方法，其中監測電化學反應包括反饋至少 一 個通過監測測量的與電化學反應相關聯的尺 度；以及隨著至少一個尺度變化管理或控制電化學反應。
221. 根據權利要求220的方法，其中至少一個尺度至少包括下列 各項之一溫度、壓力、濕度、時間或至少一種反應成分的 濃度。
222. 根據權利要求220的方法，進一步包括將電位差加到至少一個離子交換膜片上；反饋至少 一個通過監測測量的與電化學反應相關聯的尺度；以及隨著實測參數變化調整電位差以便控制或管理反應成分 的電4b學反應。
223. 根據權利要求194的方法，其中至少一個離子交換膜片是膜 片陣列，而且進一 步包括4吏不同的反應成分穿過該月莫片陣列 在不同反應中發生電4匕學反應。
224. 根據權利要求194的方法，其中體積小于1立方毫米。
225. —種用來使反應成分發生反應的裝置，其中包括至少 一 個有第 一 和第二面包圍各自的體積的離子交換膜 片；至少一種催化劑，與第一和第二面耦合使反應成分在與 至少一種催化劑有氣體交換的第一和第二面上發生電化學 反應；以及與至少一個膜片耦合將第一和第二面上的流動^各徑分開 的覆蓋物。
226. 根據權利要求225的裝置，其中至少一個膜片是至少一個離 子交換膜片。
227. 根據權利要求225的裝置，其中至少一個有至少一種催化劑 的膜片是通過電解配置成使反應成分發生電化學反應的。
228. 根據權利要求227的裝置，其中至少一個有至少一種催化劑 的膜片被配置成實施水的電解。
229. 根據權利要求227的裝置，其中至少一個有至少一種催化劑 的膜片被配置成實施用于電冶金或陽極化的電解。
230. 根據權利要求229的裝置，其中至少一個有至少一種催化劑 的膜片被配置成實施制造元素的電解。
231. 根據權利要求230的裝置，其中至少一個有至少一種催化劑 的膜片一皮配置成產生氫、鈉、鋰、鋁或4甲。
232. 根據權利要求225的裝置，進一步包括使有催化劑的多個膜 片在至少一個膜片的對置面上產生電位差的控制器。
233. 根據權利要求232的裝置，其中控制器被進一步配置成引起 有催化劑的力莫片隨著時間逝去改變電位差。
234. 根據權利要求233的裝置，其中控制器配置成引起有催化劑 的月菱片逐漸增加電位差以 <更加速反應。
235. 根據權利要求233的裝置，其中控制器被配置成引起有催化 劑的膜片逐漸減少電位差以使反應減速。
236. 根據權利要求232的裝置，其中控制器被配置成引起有催化 劑的膜片電位差周而復始。
237. 根據權利要求232的裝置，其中控制器被配置成引起有催化 劑的膜片產生電位差在至少一個膜片處引起加熱。
238. 根據權利要求225的裝置，其中至少一個膜片是有催化劑的 膜片陣列，而且進一步包括為了以產生熱量的方式作為燃剩-電池操作該陣列的子集配置的控制器。
239. 根據權利要求238的裝置，其中控制器被進一步配置成引起 一組有至少 一 種催化劑的膜片將電位差加到溫度接近產生 熱量的陣列子集的膜片的對置面上。
240. 根據權利要求225的裝置，進一步包括引進與些反應成分反 應的至少 一種別的反應成分的流動路徑。
241. 根據權利要求225的裝置，進一步包括為輸出反應成分發生 反應所產生的產物而配置的出口。
242. 根據權利要求241的裝置，其中輸出被進一步配置成以選自 萃取、排棄、排出、釋放或通風的方式輸出產物。
243. 根據權利要求241的裝置，其中該產物至少是狀態與發生電 化學反應之前的狀態不同的成分之一。
244. 根據權利要求243的裝置，其中不同的狀態是不同的熱狀態 或物理狀態。
245. 根據權利要求241的裝置，其中有至少一種催化劑的至少一 個膜片近距離參與至少一個別的反應，而車lr出凈皮配置成將產 物呈i見給至少一個別的反應。
246. 根據權利要求245的裝置，其中輸出被進一步配置成將電化 學反應的副產物4#出癥會至少 一 個別的反應。
247. 根據權利要求225的裝置，其中反應成分選自固體、假固 體、液體、^f叚液體、氣體或其組合。
248. 根據權利要求225的裝置，進一步包括^L配置成引起有催化 劑的膜片將選自直流、交流、固定頻率、任意波形或其組合 的電位差加到至少一個膜片上的控制器。
249. 根據權利要求248的裝置，其中控制器被配置成在反應的不 同階段期間在單 一 的反應階段上引起電位差分布圖的改變。
250. 根據權利要求225的裝置，進一步包括監測電化學反應的監視器。
251. 根據權利要求250的裝置，其中監視器包括反饋至少 一 個與電化學反應相關聯的實測尺度的反饋輸 出；而且控制器被配置成隨著至少一個尺度變化管理或控制 電4匕學反應。
252. 根據權利要求251的裝置，其中至少一個尺度至少包括下列 各項之一溫度、壓力、濕度、時間或至少一種反應成分的 濃度。
253. 根據權利要求251的裝置，其中控制器被配置成引起有基體 的月莫片穿過至少一個膜片加電位差；而且進一步包括反々貴至 少一個與電化學反應相關聯的尺度的反饋單元，其中控制器 被配置成隨著實測尺度變化調整電位差控制或管理反應成 分的電化學反應。
254. 根據權利要求225的裝置，其中至少一個膜片是有催化劑的 膜片陣列，被配置成使不同反應中的不同反應成分穿過該膜 片陣列發生電化學反應。
255. 根據權利要求225的裝置，其中體積小于1立方毫米。
全文摘要
有三維幾何結構包圍各自體積的電池陣列包括兩面都有催化劑的膜片。與膜片耦合的覆蓋物在膜片處將第一流動路徑與至少一個第二流動路徑分開。燃料和氧化劑平行地流向電池陣列，并且與催化劑反應產生電力。控制電路可能延伸到電池陣列或電池組陣列將電池或電池組串聯配置成行和列的組合以可選擇的方式產生電力。該陣列能使用批量制造技術在硅片上生產，而且智能能被放在有該陣列的芯片、盤片或疊層之中。該電池也能充當電化學反應器。
文檔編號H01M8/24GK101405909SQ200780010264
公開日2009年4月8日 申請日期2007年3月2日 優先權日2006年3月2日
發明者L·W·希爾, S·A·馬莎 申請人:恩西特有限公司