專利名稱：電化學(xué)電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利申請涉及電化學(xué)電池，例如燃料電池和電解電池，更具體地，涉及已被模塊化分成子組套的電化學(xué)電池組套。
背景技術(shù)：
電化學(xué)電池包括正極、負(fù)極和電解質(zhì)。反應(yīng)物在正極和負(fù)極反應(yīng)，并且當(dāng)電子通過外部電路移動時，離子穿過電解質(zhì)移動，從而形成穿過電池的完整的電化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)電池能夠被設(shè)計成僅作為燃料電池操作，其中將燃料和氧化劑作為輸入反應(yīng)物，由電化學(xué)反應(yīng)輸出電功率和熱，或者僅作為電解槽，其中輸入功率和反應(yīng)物(水)，并
且可能輸入熱，從而電化學(xué)反應(yīng)生成氫和氧，或者作為能夠在燃料電池和電解模式之間轉(zhuǎn)換的雙重用途的電化學(xué)電池。電解槽電池(electrolyzer cells)與燃料電池電化學(xué)操作相反。電化學(xué)電池有多種類型，其能夠作為燃料電池和/或電解槽操作。一些最常見的電化學(xué)燃料電池類型有質(zhì)子交換膜、固體氧化物、熔融的硝酸鹽、堿和磷酸。獨立電化學(xué)電池能夠有許多幾何形狀，最常見的兩種類型為平面電池和管狀電池。在平面電池中，負(fù)極、電解質(zhì)和正極在平面幾何內(nèi)成層，而在管狀電池中，電解質(zhì)處于管狀配置中，并且正極在管道內(nèi)部，負(fù)極在外部，或者負(fù)極在管道內(nèi)部，正極在外部。多個獨立的電化學(xué)電池能夠按串聯(lián)方式電配置形成“組套”，從而滿足所需應(yīng)用的電壓、功率和電流要求。對于平面電化學(xué)電池技術(shù)，獨立電池堆積在彼此頂部，其中有流體分離板，并且機械地緊固在一起，從而以電化學(xué)方法形成串聯(lián)方式的電池組套。對于管狀電化學(xué)電池技術(shù)，獨立管道捆綁在一起，通常管道間共享反應(yīng)流輸入，并且在管道外側(cè)和端部外部電連接。以往，組套共享單個反應(yīng)流輸入和輸出路徑?？蛇x擇電化學(xué)電池組套的電池數(shù)量，從而提供所需電壓、電流和功率輸出/輸入范圍的電池組套，以響應(yīng)通過組套的反應(yīng)物(即燃料和氧化劑，例如燃料電池操作中的氫和氧，或者電解操作中的水和熱)。組套可以和其它組套按并聯(lián)方式或者串聯(lián)電布置，從而支持較大功率的應(yīng)用。以往，組套或者組套的子部分電硬件連接至一套配置中。以往，當(dāng)電化學(xué)電池組套支持正在變化的功率或者負(fù)荷曲線(燃料電池上的負(fù)荷或者至電解槽的輸入功率)時，整個組套經(jīng)控制作為單個單元，其共享由共享的反應(yīng)流支持的同等負(fù)荷或者功率生產(chǎn)(power production)。以往,組套內(nèi)所有電池經(jīng)設(shè)計以相同電流密度(通過一組電化學(xué)電池表面區(qū)域的安培)操作，從而支持功率和負(fù)荷曲線。電化學(xué)電池沿性能曲線，通常稱為極化曲線操作，操作其中該性能對于每個電池是固有的。性能曲線規(guī)定流經(jīng)電化學(xué)電池的電流變化時，其電壓如何變化。圖I示出在燃料電池模式中操作的示例性質(zhì)子交換電池性能或者極化曲線。圖2示出在電解槽模式中操作的相同示例性質(zhì)子交換電池性能或者極化曲線。圖3示出在電解槽模式中操作的示例性固體氧化物燃料電池性能或者極化曲線。
根據(jù)電化學(xué)電池的極化曲線，電壓隨電流密度變化而改變，其中電流密度相應(yīng)于不同的功率水平(輸入和輸出)。在再生電化學(xué)電池的極化曲線中，電壓在燃料電池和電解模式操作之間能夠有更為明顯的改變(參考圖I和圖2)。這種差異是因為組套中的電池數(shù)量增加。因此，功率分配和控制系統(tǒng)必須適應(yīng)范圍較廣的與電化學(xué)電池組套相關(guān)的電壓，其中該功率分配和控制系統(tǒng)支持在燃料電池和電解模式中操作的單個電化學(xué)電池組套。以往，為了克服再生電化學(xué)電池組套中燃料電池和電解模式之間的電壓差異，已使用整流器提高輸出電壓或者降低輸入電壓。然而，整流器造成效率損耗、添加重量、增加系統(tǒng)復(fù)雜性、并且產(chǎn)生可靠性問題。另一個選擇是使用兩個分開的組套，一個用于燃料電池模式，一個用于電解模式。然而，額外的燃料電池組套增加應(yīng)用的總重、產(chǎn)生非操作組套的熱控制需要以及因需要閥門而引入可靠性問題，其中該閥門在兩種模式之間轉(zhuǎn)換。相對于這些考慮和其它，提出了在此做出的本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
應(yīng)明白，提出該發(fā)明內(nèi)容是為了以簡化的形式介紹所選概念，其將在具體實施方式
中進(jìn)一步說明。該發(fā)明內(nèi)容不是要被用作限制請求保護的主題的范圍。在此描述的系統(tǒng)和方法提供了電化學(xué)電池模塊化，從而支持用于燃料電池操作、電解槽操作或者再生電池操作的更有效和簡化的操作。一方面，公開的電化學(xué)電池系統(tǒng)可包括多個電化學(xué)電池，其被布置在電化學(xué)電池組套內(nèi)，其中電化學(xué)電池組套包括多個子組套、耦合至第一子組套的第一電控制裝置以及耦合至第二子組套的第二電控制裝置。應(yīng)明白，此處涉及的“第一”和“第二”子組套不是要傳達(dá)子組套之間任何形式的空間關(guān)系。例如，第一和第二子組套無需鄰近彼此安置。另一方面，公開的電化學(xué)電池系統(tǒng)可包括多個電化學(xué)電池，其被布置在電化學(xué)電池組套內(nèi)，其中組套包括多個子組套，其被配置以便流體按串聯(lián)方式從一組套流至另一組套；第一電控制裝置，其耦合至第一子組套以及第二電控制裝置，其耦合至第二子組套；其中第一電控制裝置可獨立于第二電控制裝置被控制，從而選擇性地配置第一和第二子組套。另一方面，公開的電化學(xué)電池系統(tǒng)可包括多個電池，其被布置在組套內(nèi)，其中組套被分成至少兩個子組套。組套內(nèi)的電池可串聯(lián)方式電連接，但是每個子組套和剩下的子組套的電配置可通過開關(guān)、繼電器或者類似電控制裝置控制。組套內(nèi)所有子組套能共享相同的反應(yīng)輸入流，該輸入流可通過單個源頭控制。通過電控制裝置控制，組套的每個子組套或者子組套群組能夠電接通或者斷開(即打開或者完成電路，從而不許或者允許電子流動)。因此，以這種方式，一些組套能夠被斷開，而組套內(nèi)的其它子組套仍保持操作，并且同時調(diào)節(jié)單個反應(yīng)物控制點，從而為電化學(xué)電池選擇合適的操作點。這種模塊化的電化學(xué)電池組套等能夠支持較廣范圍的輸出或者輸入功率，同時維持更穩(wěn)定的操作電壓和電池性能范圍。通過使上游的電池將廢熱提供至下游電池，或者通過使子組套輪流操作以使電池不會冷卻，能夠容易地循環(huán)操作的子組套配置，從而允許對整個組套的熱控制。為了讓所需總電壓和功率曲線與負(fù)荷或者電源更加相配，通過電控制裝置，電化學(xué)組套模塊化還能夠在并聯(lián)方式或者串聯(lián)方式或者兩者的結(jié)合的電操作之間，允許子組套或者多個子組套的瞬時重新電配置。通過更改操作的子組套數(shù)量，或者通過在串聯(lián)方式和并聯(lián)方式之間重新電配置子組套，更為穩(wěn) 定的電壓性能范圍能夠消除對功率調(diào)整硬件的需求以及與之相關(guān)的重量和效率損耗。在另一方面，公開的電化學(xué)電池系統(tǒng)可包括至少兩個電化學(xué)電池組套，其中每個組套包括被布置成多個子組套的多個電化學(xué)電池，以便流體按串聯(lián)方式從一組套流至另一組套；其中一個組套的每個子組套與其它組套的至少一個子組套以串聯(lián)方式電耦合，從而定義至少兩排子組套；以及至少兩個電控制裝置，其中每個電控制裝置電耦合至相關(guān)的一個子組套排。在另一方面，公開的電化學(xué)電池系統(tǒng)可包括至少兩個電化學(xué)電池組套，每個電化學(xué)電池組套包括被布置成至少兩個子組套的多個電化學(xué)電池。子組套中的電化學(xué)電池能夠處于電固定配置，例如串聯(lián)方式、并聯(lián)方式或者是兩者組合，而獨立子組套或者子組套群組與剩下的系統(tǒng)子組套的電配置能夠通過開關(guān)、繼電器或者類似電控制裝置控制。通過共享反應(yīng)物按串聯(lián)方式從一子組套流至另一子組套，能夠操作每個組套。通過共享反應(yīng)物按并聯(lián)方式從多個組套流至其它多個組套，也能夠操作多個組套，以便借助于單個流體流控制點，允許其均勻流至組套。在多種組套配置中，子組套或多種組套間的子組套群組的電配置，能夠按要求在串聯(lián)方式或者并聯(lián)方式之間轉(zhuǎn)換，在或者啟動或停用之間轉(zhuǎn)換，從而熱支持電化學(xué)電池，特別是支持應(yīng)用所需的功率屬性和性能范圍。根據(jù)下列描述、附圖和權(quán)利要求，公開的模塊化電化學(xué)電池系統(tǒng)的其它方面，將變
得明確。


圖I示出以燃料電池模式操作的示例性質(zhì)子交換電池的平均電池電壓對于電流密度關(guān)系的圖解示例圖，其中曲線數(shù)據(jù)最初出版在由Garcia、Chang、Johnson、Bents、Scullin 和 Jakupca 所著的 NASA 文件 NASA/TM—2006-214054 “Round Trip EnergyEfficiency of NASA Glenn Regenerative Fuel Cell System” 中；圖2示出電解槽模式下操作的相同示例性質(zhì)子交換電池的平均電池電壓與電流密度關(guān)系的圖解不例圖；圖3示出電解模式下示例性固體氧化物燃料電池操作的電壓與電流密度關(guān)系的圖解示例圖，其中曲線最初作為US Department of Energy Hydrogen Program(美國能源氫計劃部門的報告)(Project ID#PD_14_Herring) “High Temperature ElectrolysisSystem”的一部分,其由 Idaho National Laboratory(愛達(dá)荷國家實驗室)的Steve Herring博士在2009年5月19日出版；圖4示出公開的模塊化電化學(xué)電池系統(tǒng)的一個方面的示意圖；以及圖5示出公開的模塊化電化學(xué)電池系統(tǒng)的另一個方面的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供了模塊化的電化學(xué)電池組套，例如燃料電池組套、電解電池組套，然而，如圖4所示，通過例如開關(guān)或者繼電器等電控制裝置，子組套電配置，例如按并聯(lián)、串聯(lián)、開路或者其中組合的方式的電操作，能夠獨立或者成組地被更改，從而支持系統(tǒng)功率或者性能變化。據(jù)認(rèn)為，這樣的配置提供可靠的電化學(xué)子組套轉(zhuǎn)換，以便總體系統(tǒng)能夠更簡單地支持較廣范圍的電壓和功率的輸入和輸出，從而在燃料電池和/或電解槽模式下提供較高的性能和系統(tǒng)控制。通過允許獨立的電池在較小的性能或者電流密度范圍內(nèi)操作，這樣模塊化配置還能夠提供更多受控制的或者穩(wěn)定的電化學(xué)電池操作，同時匹配較廣的系統(tǒng)電壓和功率的輸入/輸出。當(dāng)反應(yīng)流以串聯(lián)方式而不是在子組套間以并聯(lián)方式從一個子組套流至另一個子組套時，模塊化的電化學(xué)電池組套能夠為組套提供額外的熱效益。因為當(dāng)子組套的電配置在串聯(lián)方式和并聯(lián)方式之間改變時，雖然當(dāng)子組套仍以相似方式操作時，并行通過組套中電化學(xué)電池的反應(yīng)流具有最小的負(fù)面影響，但是當(dāng)子組套處于開路配置中時，這將導(dǎo)致流 經(jīng)系統(tǒng)的增加的未用反應(yīng)流。來自非操作子組套的未用反應(yīng)流將穿過系統(tǒng)，并且導(dǎo)致額外的系統(tǒng)效率損耗或者增加的系統(tǒng)硬件需求，以處理或者再循環(huán)額外的未用反應(yīng)物。本發(fā)明的另一方面是要設(shè)計電化學(xué)電池組套，以便反應(yīng)物按串聯(lián)方式從一個子組套流至另一個子組套。這種模塊化的電化學(xué)電池組套配置，具有仍維持用于流控制的單個組套輸入的優(yōu)勢，同時允許反應(yīng)物在組套中得到最大量的使用。反應(yīng)流按串聯(lián)方式從一個子組套流至另一個子組套配置，還允許廢熱為下游任何非操作子組套維持所需的熱環(huán)境，從而降低或者消除對熱控制硬件的需求，其中，廢熱來自于上游子組套內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)物。應(yīng)明白，反應(yīng)流能夠按并聯(lián)、串聯(lián)或者兩者組合的方式通過子組套內(nèi)的電化學(xué)電池內(nèi)部流至子組套。公開的模塊化電化學(xué)組套設(shè)計將有助于帶有多個組套的系統(tǒng)操作。在這樣的系統(tǒng)內(nèi)，能夠從單個源頭控制反應(yīng)流，然后反應(yīng)流等分至多個子組套。如圖5所示，多個組套可被模塊化至獨立的可控制子組套，或者橫穿多個組套的子組套群組。采用模塊化系統(tǒng)的多組套系統(tǒng)在不關(guān)掉整個組套和相關(guān)反應(yīng)流的情況下，能夠允許簡化的更可靠地匹配功率輸入或者輸出。模塊化組套允許部分組套的瞬時電化學(xué)電池停用，而同時允許其它組套區(qū)域操作，這樣能夠消除或者極大地降低對非操作電池的額外的熱控制。通過反應(yīng)流被動地轉(zhuǎn)至多個組套，能夠在被簡化的數(shù)量點控制流體反應(yīng)流。這樣允許機械控制硬件被簡化并且進(jìn)一步從可能的高溫電化學(xué)電池中移除，從而導(dǎo)致較低成本和更為可靠的硬件，以及簡單并且更可靠的系統(tǒng)。本發(fā)明模塊化電化學(xué)組套設(shè)計將有助于再生電化學(xué)電池組套操作，其中該組套在燃料電池和電解槽模式下均起作用。在這樣的系統(tǒng)中，通過電控制裝置，按串聯(lián)方式和并聯(lián)方式操作的子組套配置能夠被修改，從而匹配所需的電壓范圍。在再生燃料電池/電解槽系統(tǒng)的例子中示出本發(fā)明模塊化系統(tǒng)的優(yōu)勢。示例性再生質(zhì)子交換膜電化學(xué)組套共有34塊電池，其按串聯(lián)方式電分成有17塊電池的兩個子組套。如圖I和圖2明顯比較，相應(yīng)于不同功率輸入和輸出水平，電化學(xué)電池的電壓能在不同電流操作點發(fā)生顯著地改變。使用圖I和圖2所示示例性性能，以300A/cm2在燃料電池模式中操作，每塊電池以近似0. 78V操作，從而導(dǎo)致總子組套電壓為13. 3V。以300A/cm2在電解模式中操作的相同獨立電池將以近似I. 64V操作，導(dǎo)致總子組套電壓高達(dá)27. 9V。通過由燃料電池和電解操作之間的電控制裝置而允許子組套重新電配置，能夠在燃料電池模式中串聯(lián)和在電解模式中并聯(lián)配置子組套，結(jié)果在燃料電池模式中操作電壓為26. 5V，在電解模式中為27.8V。然而，在傳統(tǒng)配置中，所有34塊電池以串聯(lián)方式電“硬件連接”，而不能重新電配置。通過相同的電池數(shù)量(相同功率輸出)，串聯(lián)的34塊電化學(xué)電池單個組套的傳統(tǒng)配置將導(dǎo)致操作電壓從燃料電池模式的26. 5V對電解模式的55. 8V變化。在該例子中，用于模塊化配置的功率分配系統(tǒng)必須適應(yīng)27. 8V到26. 5V的電壓范圍(僅有I. 3V差異)，該范圍在28V系統(tǒng)根據(jù)MIL-STD-704的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計范圍內(nèi)。在該例子中，傳統(tǒng)組套配置將被迫設(shè)計成從26. 5V到55. 8V的顯著較廣的電壓范圍，該范圍遠(yuǎn)在標(biāo)準(zhǔn)電壓范圍之外，從而隨其相關(guān)的重量和效率損耗，實行更為復(fù)雜的功率分配系統(tǒng)設(shè)計，例如使用整流器，從而使系統(tǒng)電壓保持在更易于管理的范圍內(nèi)。然而，在模塊化配置中，較小電壓差異允許有在標(biāo)準(zhǔn)電壓范圍內(nèi)的較簡的功率分配系統(tǒng)設(shè)計，無需額外的整流器或者其它相關(guān)設(shè)備。在系統(tǒng)的另一個簡化的 例子中，電解槽組套組群能夠支持可變的功率輸入曲線，例如來自產(chǎn)生氫的太陽能源的輸入。由于太陽升起、橫過天空移動以及下落，太陽曲線全天都在改變，導(dǎo)致功率輸入變化非常大。在傳統(tǒng)的固體氧化物組套配置中，由于太陽能減少，整個組套也將關(guān)閉，結(jié)果導(dǎo)致更為復(fù)雜的熱控制系統(tǒng)來保持熱的非操作組套。使用模塊化配置，每個組套的單個子組套能夠在黎明和黃昏操作，從而在更為穩(wěn)定的固體氧化物電池操作范圍內(nèi)產(chǎn)生較小量的功率，同時產(chǎn)生熱，以熱維持非操作子組套。通過電控制裝置的方式，能夠增加每個組套中的操作子組套量，以及通過單個(或者降低數(shù)量)流體流動控制點的方式，能夠增加流至組套的反應(yīng)流，從而全天支持可獲得的增加的太陽能，同時仍維持嚴(yán)格的電流密度操作范圍，從而較少影響工廠硬件、系統(tǒng)設(shè)計以及控制平衡。如圖4所示，本發(fā)明模塊化電化學(xué)電池系統(tǒng)的一個方面，大體指示為10，可包括含有多個電化學(xué)電池的電化學(xué)電池組套12，其中電化學(xué)電池組套12可被分成N個子組套14、16、18。子組套14、16、18可以串聯(lián)方式電耦合。電控制裝置20、22、24 (例如，開關(guān))可電耦合至每個子組套14、16、18，以便每個相關(guān)子組套14、16、18可被重新電配置至負(fù)荷或者電源，從而與其它剩下的子組套以并聯(lián)或者串聯(lián)方式操作。耦合至每個相關(guān)子組套14、16、18的電控制裝置20、22、24還能夠根據(jù)需要將子組套從負(fù)荷/電源電分離?；谒玫碾娀瘜W(xué)電池類型和所需組套12的輸出(例如，峰值功率輸出)，以及其它因素，可以選擇電化學(xué)電池的數(shù)量和包含電化學(xué)電池組套12的電池的電配置。在一個方面，組套12的電化學(xué)電池可以是燃料電池，例如固體氧化物燃料電池。在另一個方面，組套12的電化學(xué)電池可以是電解電池，其與燃料電池相同或者相似。在又一個方面，組套12的電化學(xué)電池可作為燃料電池和電解電池操作?？捎山M套12內(nèi)的電化學(xué)電池總數(shù)、所需的操作電池性能范圍、周圍系統(tǒng)電壓要求以及其它因素，規(guī)定電化學(xué)電池組套12中N個子組套14、16、18。例如，由成本因素規(guī)定N個子組套14、16、18，其中該成本因素限制系統(tǒng)10中的電開關(guān)20、22、24的總數(shù)?？捎山M套12的電化學(xué)電池總數(shù)、使用的電化學(xué)電池類型、所需的系統(tǒng)10輸出以及其它因素，規(guī)定每個子組套14、16、18中的電化學(xué)電池的數(shù)量和電配置。 例如，可作為燃料電池操作的固體氧化物燃料電池組套可被分為三個子組套，其中燃料電池共有51塊電化學(xué)電池，其中每個子組套具有相關(guān)的電控制裝置，并且其中每個子組套包括按串聯(lián)方式固定的17塊獨立電化學(xué)電池。然而，應(yīng)理解，這些數(shù)量僅是示例性的，在與系統(tǒng)的其它子組套相比，系統(tǒng)的每個子組套可具有不同數(shù)量的電池，并且那些子組套有不同固定的電配置。
因此，如箭頭A所示，流體(例如，燃料電池或者電解槽反應(yīng)物)可按串聯(lián)方式從子組套18流至子組套16再流至子組套14，同時通過相關(guān)電控制裝置20、22、24，每個子組套14、16、18可按并聯(lián)方式電耦合至負(fù)荷。此外，通過從負(fù)荷電耦合或者分離一個或更多子組套14、16、18，或者通過相關(guān)電控制裝置20、22、24，將子組套電配置從并聯(lián)方式更改至串聯(lián)方式，可改變系統(tǒng)10的電壓和功率。參考圖5,本發(fā)明模塊化電化學(xué)電池系統(tǒng)的另一方面，大體標(biāo)不為100,可包括X個電化學(xué)電池組套102、104、106，其每個包含若干電化學(xué)電池。每個電化學(xué)電池組套102、104,106的電化學(xué)電池可被分成Y個子組套108、110、112、114、116、118、120、122、124。應(yīng)理解不同電化學(xué)電池組套102、104、106可具有不同數(shù)Y的子組套108、110、112、114、116、118、120、122、124。應(yīng)理解不同的電化學(xué)電池子組套 108、110、112、114、116、118、120、122、124可具有不同數(shù)量的電化學(xué)電池和在子組套內(nèi)的電池電配置。每個電化學(xué)電池組套102、104、106的至少兩個子組套108、110、112、114、116、 118、120、122、124可按串聯(lián)方式電耦合在一起，從而形成若干排子組套的126、128、130。例如,排126可包括電化學(xué)電池組套102的子組套108、電化學(xué)電池組套104的子組套114和電化學(xué)電池組套106的子組套120 ;排128可包括電化學(xué)電池組套102的子組套110、電化學(xué)電池組套104的子組套116和電化學(xué)電池組套106的子組套122 ;以及排130可包括電化學(xué)電池組套102的子組套112、電化學(xué)電池組套104的子組套118和電化學(xué)電池組套106的子組套124。如在此使用的，單詞“排”泛指按串聯(lián)方式，橫穿多種電化學(xué)電池組套102、104、106的子組套電耦合，而不是要將排126、128、130限制于任何特別的空間布置或者排列。電控制裝置132、134、136 (例如，開關(guān))可電耦合至每排126、128、130，以便相關(guān)排126、128、130可與其它排126、128、130按并聯(lián)方式或者串聯(lián)方式選擇性地電耦合至負(fù)荷/電源，或者按需要與其它排126、128、130從負(fù)荷處選擇性地電分離。例如，燃料電池系統(tǒng)可包括三個固體氧化物燃料電池組套，其中每個組套共有51塊獨立電池，其可被分成三個子組套，其中每個子組套包括17塊以串聯(lián)方式電耦合的獨立電池。每個組套的一個子組套以串聯(lián)方式電耦合，從而形成三排子組套，其中每排子組套包括相關(guān)電控制裝置。因此,進(jìn)入液流F可被分成多個進(jìn)入流Fi、F2、Fx,其中如箭頭Ai、A2、Ax所示,通過串聯(lián)方式流經(jīng)相關(guān)子組套(例如，112、110和118 ;118、116和114 ;124、122和120)，每個流可流經(jīng)電化學(xué)電池組套102、104、106，同時子組套的每排126、128、130可并聯(lián)方式電耦合至負(fù)荷。通過設(shè)計組套和子組套自身，無需依賴于致動部件，可將進(jìn)入液流F分成相等或者不等流。此外，基于燃料電池操作或者電解槽操作，通過相關(guān)的電開關(guān)132、134、136，子組套 108、110、112、114、116、118、120、122、114 的一個或更多排 126、128、130 可與負(fù)荷電耦合或者分離，從而可改變系統(tǒng)100的功率輸入或者功率輸出。基于燃料電池操作或者電解槽操作，通過相關(guān)的電控制裝置132、134、136，將排126、128、130的電配置從并聯(lián)方式更改為串聯(lián)方式操作，也可改變系統(tǒng)100的電壓輸入或者電壓輸出。因此，包括系統(tǒng)10和100的本發(fā)明模塊化電化學(xué)電池系統(tǒng)，在維持單個流體流控制點的同時提供子組套的電開關(guān)。因為基于操作的子組套數(shù)量，能夠自單個源頭控制流體流，串聯(lián)方式通過子組套的流體流允許在較大功率范圍內(nèi)更有效的操作。在電流設(shè)計中，由于需要流體控制硬件單獨地隔離組套(增加復(fù)雜性并且減少可靠性)，導(dǎo)致整個電化學(xué)電池組套停用，或者如果組套未被單獨隔離，未反應(yīng)的流體流經(jīng)組套，這樣減少了系統(tǒng)的效率。因此，本發(fā)明模塊化系統(tǒng)能夠降低對機械開關(guān)(例如，閥門)的需求，并且潛在地消除了為控制流體流對較高溫度的機械開關(guān)的需要，通常機械開關(guān)比電開關(guān)要貴、大、并且可靠性要小。因此，本發(fā)明模塊化電化學(xué)電池系統(tǒng)可在橫穿一些或者所有“排”和組套的多種配置中，提供子組套群組。不同的子組套或者子組套群組不僅能夠啟動和停用(activatedand deactivated),而且還能夠被更改,從而以串聯(lián)方式或者并聯(lián)方式，或者通過電控制裝置以串聯(lián)和并聯(lián)組群方式電操作。因此，基于系統(tǒng)是否是燃料電池模式或者電解模式，對于多種功率曲線，子組套可以不同方式電耦合至負(fù)荷，無需整流器。例如，系統(tǒng)能夠在電解模式中操作，最初僅有一定排的子組套(120、122、124)接通，隨輸入功率增加，打開多個排，從而允許系統(tǒng)支持輸入功率的寬擺幅，同時仍有效地操作。通過避免與停用有關(guān)的效率損耗，以及維持整個組套的熱控制或者通過非操作組套的反應(yīng)物損耗，可以增加系統(tǒng)效率。 此外，即使當(dāng)特定電池或者電池排處于停用模式時，能夠使用單個流體流也有助于為系統(tǒng)中所有電化學(xué)電池保溫，從而無需單獨的流體流控制。當(dāng)電池為熱敏型或者要求大量預(yù)熱時間以實現(xiàn)有效操作時，例如固體氧化物燃料電池，能夠保持關(guān)閉模式的電池保溫是特別有用的。在一個特定方面，本發(fā)明系統(tǒng)可與另一個能源系統(tǒng)組合使用，其中當(dāng)獲得可選性輸入功率(例如，在白天)而生成氫時，可選性輸入電源(例如，太陽能)被用于在電解模式中運行系統(tǒng)，反之，當(dāng)無法得到可選性功率(例如，在夜晚)，其可被用于在燃料電池模式下用于為系統(tǒng)供以燃料。由于能夠快速并且有效地響應(yīng)于不同輸入(例如，進(jìn)入的太陽能是波動的)，本發(fā)明系統(tǒng)可以較高效率和較高可靠性操作這樣的總能源存儲系統(tǒng)。雖然已示出和描述了本發(fā)明模塊化電化學(xué)電池系統(tǒng)的不同方面，然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員在讀完說明書后可作出更改。本發(fā)明包括此類更改，并且僅由權(quán)利要求限制其保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)電池系統(tǒng)，其包含 多個電化學(xué)電池，其被布置在電化學(xué)電池組套內(nèi)，所述電化學(xué)電池組套包括多個子組套； 第一電控制裝置，其耦合至所述多個子組套的第一子組套；以及 第二電控制裝置，其耦合至所述多個子組套的第二子組套。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述系統(tǒng)，其中配置所述多個子組套的所述子組套，以便流體按串聯(lián)方式從所述多個子組套的一個子組套流至另一個子組套。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述系統(tǒng)，其中所述第一電控制裝置獨立于所述第二電控制裝置可控制，從而選擇性地電配置所述第一和第二子組套。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述系統(tǒng)，通過所述第一電控制裝置，所述第一子組套按串聯(lián)方式或者并聯(lián)方式選擇性地重新配置至負(fù)荷或者電源，并且通過所述第二電控制裝置，所述第二子組套按串聯(lián)方式或者并聯(lián)方式選擇性地重新配置至所述負(fù)荷或者電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述系統(tǒng)，其中所述第一電控制裝置經(jīng)配置將所述第一子組套選擇性地耦合至負(fù)荷或電源或者從負(fù)荷或電源分離，并且其中所述第二電控制裝置經(jīng)配置將所述第二子組套選擇性地耦合至負(fù)荷或電源或者從負(fù)荷或電源分離。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述系統(tǒng)，其中所述第一和第二電控制裝置經(jīng)配置按串聯(lián)方式或者并聯(lián)方式選擇性地電耦合所述第一和第二子組套。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項所述系統(tǒng)，其中從下組中選擇所述多個電化學(xué)電池的所述電化學(xué)電池燃料電池、電解槽電池、聚合物交換膜電池以及固體氧化物燃料電池。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7中任一項所述系統(tǒng)，其中所述多個電化學(xué)電池的所述電化學(xué)電池經(jīng)配置，在燃料電池模式和電解槽模式下操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項所述系統(tǒng)，其中所述第一電控制裝置包括第一電開關(guān)，并且所述第二電控制裝置包括第二電開關(guān)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9中任一項所述系統(tǒng)，還包含第二電化學(xué)電池組套，其包括被布置在多個子組套內(nèi)的多個電化學(xué)電池，其中流體按串聯(lián)方式從所述第二電化學(xué)電池組套的一個子組套流至另一個子組套。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述系統(tǒng)，其中在單個流控制點控制流經(jīng)所述電化學(xué)電池組套和所述第二電化學(xué)電池組套的流體流動。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述系統(tǒng)，其中所述第一子組套與所述第二電化學(xué)電池組套的第一子組套電耦合，并且其中所述第二子組套與所述第二電化學(xué)電池組套的第二子組套電耦口 o
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述系統(tǒng)，其中所述第一和第二電控制裝置將所述電化學(xué)電池組套和所述第二電化學(xué)電池組套的所述第一和第二子組套選擇性地電配置成串聯(lián)配置、并聯(lián)配置和斷開連接配置之中的至少一種。
14.一種電化學(xué)電池組套組裝方法，其包含下列步驟 提供多個電化學(xué)電池； 將所述多個電化學(xué)電池的所述電化學(xué)電池布置在一個組套內(nèi)，所述組套包括多個子組套，其被配置以便流體按串聯(lián)方式從一個子組套流至另一個子組套； 將所述多個子組套的第一子組套耦合至第一電控制裝置；以及將所述多個子組套的第二子組套耦合至第二電控制裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述方法，其中所述第一和第二電控制裝置將所述第一和第二子組套選擇性地配置成串聯(lián)配置、并聯(lián)配置和開路電路配置之中的至少一種。
全文摘要
一種電化學(xué)電池系統(tǒng)，包括被布置在電化學(xué)電池組套內(nèi)的多個電化學(xué)電池，其中組套包括多個子組套，其被配置以便流體按串聯(lián)方式從一個子組套流至另一個子組套；第一電控制裝置，其耦合至第一子組套；以及第二電控制裝置，其耦合至第二子組套；其中第一電控制裝置獨立于第二控制裝置可控制，從而選擇性地電配置第一和第二子組套。
文檔編號H01M8/24GK102763259SQ201180009811
公開日2012年10月31日 申請日期2011年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月16日
發(fā)明者M·馬塔, S·阿特雷亞 申請人:波音公司