符合本发明的示范实施方案，提供一种使用自己组装的单分 子层(SAM)、微机电系统(MEMS)、“芯片化学 (chemistry-on-a-chip)”和半导体制造技术的组合在基体(优选半导 体晶片)上直接制造可升级的燃料电池阵列的方法和装置。为了 实现各种不同的功率(V*I)特性和受应用驾驭的配置，这些晶片可 能是“堆叠的”(即，串联或并联地电连接在一起)和个别编程的。
本发明的一个实施方案是电池，例如，燃料电池。该电池包 括有第一和第二面的膜片。该膜片有包围一体积的三维几何结 构。该电池可能还有与膜片耦合在膜片处将第一流动路径和第二 流动路径分开的覆盖物。在燃料电池中，第一和第二催化剂可能 分别与第一流动路径和第二流动路径有气体交换而且分别与膜 片的第一和第二面有离子交换。此外，第一电极与膜片第一面上 的第一催化剂电耦合，而第二电极与膜片第二面上的第二催化剂 电耦合。在一个实施方案中，电池可能进一步包括与膜片耦合的 基体。
本发明的一个实施方案是使用电池产生能量的方法。该方法 包括让燃料或氧化剂流过电池的质子交换膜片包围的体积。
本发明的一个实施方案是包括电池阵列的供电芯片。该电池 阵列包括众多有第一面和第二面而且有包围各自的体积的三维 几何结构的膜片。至少一个覆盖物与膜片耦合在膜片处将第一流 动路径和至少一个第二流动路径分开。电池阵列可能还包括分别 与第一流动路径和至少一个第二流动路径有气体交换而且分别 与膜片的第一和第二面有离子交换的第一和第二催化剂。在电池 阵列中，至少一个增压室可能与第一流动路径或至少一个第二流 动路径有气体交换以便分配燃料或氧化剂。为了给电池产生的能 量提供接口，至少一对接线端与电池阵列的至少一个子集的第一 和第二催化剂电耦合。
本发明的一个实施方案是使用供电芯片产生能量的方法。该 方法包括让燃料或氧化剂流过电池阵列的质子交换膜片包围的 体积。
本发明的一个实施方案是包括电池阵列的供电盘片。供电盘 片的电池阵列可能包括众多有第一面和第二面而且有包围各自 的体积的三维几何结构的膜片。至少一个覆盖物与膜片耦合在膜 片处将第一流动路径与至少一个第二流动路径分开。该电池阵列 能进一步包括分别与第一流动路径和至少一个第二流动路径有 气体交换而且分别与膜片的第一和第二面有离子交换的第一和 第二催化剂。供电盘片进一步包括至少一个与第一流动路径或至 少一个第二流动路径有气体交换的增压室以便分配燃料或氧化 剂。为了给电池产生的能量提供接口，至少一对接线端与电池阵 列的至少一个子集的第一和第二催化剂电耦合。此外，供电盘片 能包括至少一条与至少一对接线端电耦合的供电总线。
作为替代，在另一个实施方案中，供电盘片能包括基体和至 少一个与基体耦合的供电芯片。该供电芯片能包括包围一些体积 的三维电池阵列、众多分配燃料和氧化剂的与该电池阵列有气体 交换的芯片流动路径和与该电池阵列耦合的芯片接线端。至少芯 片流动路径能对准至少一个盘片歧管。供电盘片能进一步包括至 少一条与芯片接线端电耦合的供电盘片总线。
在供电盘片的又一个实施方案中，供电盘片能包括基体和与 基体耦合的电池阵列。该电池阵列能包括众多有第一面和第二面 而且有包围各自体积的三维几何结构的膜片。至少一个覆盖物能 与膜片耦合在膜片处将第一流动路径和至少一个第二流动路径 分开。第一和第二催化剂能分别与第一流动路径和至少一个第二 流动路径有气体交换。第一和第二催化剂能进一步与膜片各自的 第一和第二面有离子交换。此外，供电盘片能包括与膜片第一面 上的第一催化剂电耦合的第一电极和与膜片第二面上的第二催 化剂电耦合的第二电极。此外，供电盘片能包括一对与相应的第 一电极和相应的第二电极电耦合的供电盘片总线。
本发明的一个实施方案是使用供电盘片产生能量的方法。该 方法包括让燃料或氧化剂流过基体进入被电池阵列包围的体积。
本发明的一个实施方案是供电叠层。该供电叠层包括与至少 一个叠层歧管相关联的供电叠层结构和众多有各自的电池并且 与供电叠层结构耦合的供电盘片。每个供电盘片能包括至少一个 与至少一个盘片歧管相关联的基体，其中至少一个盘片歧管与至 少一个叠层歧管有气体交换歧管给与该供电盘片耦合的供电芯 片分配燃料或氧化剂。每个供电盘片能进一步包括与供电芯片电 耦合的盘片接线端。供电叠层能进一步包括与供电叠层结构相关 联并且配置成与盘片接线端电耦合的供电叠层接线端。
本发明的另一个实施方案是使用供电叠层产生能量的方法。 该方法包括让燃料或氧化剂先通过至少一个叠层歧管流到至少 一个与支持电池的供电盘片相关联的盘片歧管和让燃料或氧化 剂通过至少一个盘片歧管流到电池。
本发明的一个示范实施方案是由在借助蚀刻或其它众所周 知的半导体加工工艺形成流动通道的平面半导体晶片上制造众 多个别的燃料电池形成的。允许氧进入通道的一边而氢进入另一 边；这两种气体被膜片分开。电极是在膜片的对置面上形成的， 而催化剂在两个面上都与电极和膜片有离子交换。最后，气体不 能渗透的覆盖物或盖子附着到电池上。
基体可能被分割成个别的燃料电池器件，每个尺寸都符合特 定的发电应用的要求。作为替代，全部基体可能被组装成叠层以 产生更大的电力。
因为燃料电池固有的三维性质，本发明的实施方案使燃料电 池组件(供电芯片)的结构能够有比在别的情况下可能的单位基体 反应表面积高得多的单位基体反应表面积。这依次在功率密度和 和制造成本方面形成大优势。
除此之外，许多燃料电池能至少在一部分相同的基体或相同 的晶片上用电子学方法互连和与气体来源耦合形成“供电芯片”。 传统的电路能连同提供监测程序和控制个别电池的功能的芯片 一起集成在该晶片上。然后，包含多个芯片(供电盘片)或多个电 池的基体或晶片能相互重叠形成供电叠层。
本发明的一个实施方案包括在有燃料和氧化剂的情况下通 过电控与众多电池的至少一个子集耦合的至少一个电元件动态 地控制众多电池当中至少一个电池子集的电能的产生操作电池 的方法或对应的装置。
至少一个电元件可能是在为串联或并联地连接电池而配置 的安排中众多与电池耦合的开关。动态地控制电能的产生包括断 开和闭合开关控制众多电池聚集的输出电压、电流或两者。控制 电能的产生可能是以开环或闭环的方式在众多电池实际可能的 工作状态范围内对任意的操作状态完成的。敏感元件可能反馈电 力的表达通过控制至少一个电元件来管理众多电池的电力输出。 通过测知负载提取的电力和反馈电力提取的表达，控制器可以动 态地将电能的产生控制到足以支持电力提取但与缺乏反馈电力 提取的表达时产生电力相比较减少过量电力的数量。此外，控制 器可以动态地产生有随着输入电压或电流波形变化的、与输入电 压或电流波形成正比或成反比的、随着输入电压或电流波形呈线 性变化的、或随着输入电压或电流波形呈非线性变化的电压或电 流波形的电力。内在的或外部的电子元器件可以呈现波形的表 达，而控制器可以控制该阵列随着该表达变化。电压或电流波形 可能是为补偿负载效应而进行调整的。
在另一个实施方案中，操作众多电池的方法包括配置按串联 组合产生提供给负载的输出电压和电流的第一电池组和动态地 配置为产生实质上与第一电池组相同的输出电压而配置的至少 一个第二电池组，至少一个第二电池组与第一电池组并联提供随 着第一电池组和至少一个第二电池组产生的电压和电流的组合 变化的电力。
每个电池组可能包括非必选地以静态或动态的方式配置的 并联的多个电池。
在又一个实施方案中，控制器通过将许多电池按串联组合或 并联组合动态地配置在电池阵列中控制该电池阵列产生输出电 力；通过动态地配置电池的串联组合粗调该输出电力；和通过动 态地配置电池的并联组合微调该输出电力。
粗调或微调输出电力可能包括反馈至少一个电池操作参数 和随着至少一个操作参数变化分别动态地配置串联或并联电池 组合。在一个实施方案中，至少一个操作参数至少包括下列操作 参数之一：输出电压、输出电流、电池处压强、电池处温度或电 池处湿度。产生输出电力可能包括从电池阵列中的多个群体之中 选择一群电池产生输出电力。此外，选择一群电池产生输出电力 可能包括在周期性时间、随机时间、假随机时间、按要求或受事 件驱动的基础上选择不同的电池群体产生输出电力。
在本发明更进一步的实施方案中，电池阵列可能通过按可选 择的串联或并联组合合并电池的表面区域以可选择的效率将电 力递送给负载来产生电力。合并电池表面区域可能包括在一个电 池组接着一个电池组的基础上合并表面区域或在一个电池接着 一个电池的基础上合并表面区域。
另一个实施方案是操作电池阵列的方法和对应的装置。控制 器或其它装置可能针对给定的电流密度用电池阵列中的至少一 个电池子集以可选择的效率产生电力。该示范实施方案可以尽可 能提高有效燃料消耗效率或尽可能提高有效热量生成效率。
在更进一步的实施方案中，电池阵列可能是通过识别该电池 阵列中有缺陷的电池、把有缺陷的电池从运行中除去和操作该电 池阵列中无缺陷电池产生电力实施控制的。
用来操作电池的另一种方法或对应的装置包括按串联和并 联组合动态地配置电池阵列中的多个电池和实时地改变电池的 串联和并联组合按选自电压源、电流源、交流电源和音频功率放 大器的模式操作电池。
在能自动清洁电池阵列中的电池的实施方案中，示范方法或 对应的装置包括使电池阵列中的至少一个第一电池与第二电池 耦合和用电压引起第二电池驱动至少一个第一电池清理至少一 个第一电池上的催化剂。
在这个示范实施方案中，该阵列可能同时用至少一个第三电 池驱动负载。在另一个实施方案中，在清洁催化剂之后，控制器 可能使至少一个第一电池与第二电池分离并且使至少一个第一 电池与负载耦合。该示范实施方案可能还诊断在至少一个电池上 催化剂的污染状态。
使用控制器控制电池阵列的实施方案可能在核心处理层的 控制下不断地操作电池并且使用该核心层借助高级处理层导致 电池以可选择的方式产生电力。
在这个实施方案中，在核心处理层的控制下不断地操作电池 包括监测和控制电池产生的电力的质量和数量。此外，借助高级 层使用核心层可能包括使用核心层引起电池依照核心层未知的 高级功能产生电力，该高级功能选自：冷启动、正弦波输出电力、 任意波形功率输出、电压调整、电流调整、效率控制和功率放大 器模态。
在冷启动的情况下，实施方案可能定义一个电池子集作为起 动器电池并且将负载加到该起动器电池上从该起动器电池提取 电流在该起动器电池处产生热量使起动器电池周围的电池升温。 在起动器电池周围的电池升温之后，该实施方案可能使起动器电 池周围的电池能够产生电力。
使起动器电池周围的电池可能包括按照与起动器电池的串 联或并联组合配置起动器电池周围的电池。该实施方案可能还包 括监测起动器电池的温度或起动器电池周围电池的温度和使起 动器电池周围的电池和从起动器电池向外扩展的电池能够随着 该温度变化产生电力。另外，使起动器电池周围的电池可能包括 将周围电池产生的电力引向从起动器电池提取电流的负载。在一 些实施方案中，使起动器电池周围的电池包括将周围电池产生的 电力引向与从起动器电池提取电流的负载不同的负载。
在另外一个实施方案中，用来操作电池阵列的方法或对应的 装置可能包括按串联和并联组合配置至少一个电池阵列子集、跟 踪与按串联和并联组合配置的电池耦合的负载的电力用法、以及 动态地用来自该电池阵列的更多或更少的电池重新按串联和并 联组合配置电池以便以将负载不用的过量电力的产生减到最少 的方式为负载准备足够的电力。
控制器在另外一个实施方案中可能被配置成按串联和并联 组合动态地配置电池阵列的子集；以及动态地重新配置电池的串 联或并联组合以产生任意数量的输出电力。动态地重新配置电池 的串联或并联组合可能还包括为产生随时间改变的电压或电流 动态地重新配置电池。
在另一个实施方案中，用来操作电池阵列的方法或对应的装 置包括至少按串联和并联组合将电池子集连接起来以及在包括 更多或更少产生电力的电池的串联或并联组合中动态地重新配 置电池以便产生有经调整随时间改变波形的电压或电流补偿负 载效应。
为了用于特定的应用(例如，移动电话或使用多种电压的其它 应用)，本发明的实施方案借助分享共同的储备能量来源的电池 阵列同时产生多种电压。
在一些实施方案中，至少多种电压之一是随时间改变的电 压。产生多种电压可能包括为至少改变电压之一而配置电池，和 非必选地包括至少为多种电压之一增加电流容量。在至少一个实 施方案中，至少多种电压之一有随时间改变的波形。在这种情况 下，用来控制来自电池的电子流的电元件可能是为了将随时间改 变的波形引向至少一个电池净化至少一个电池的催化剂而受控 的。
本发明的一个实施方案是使反应成分发生反应的方法，该方 法包括使反应成分与包围各自体积的至少一种催化剂在至少一 个膜片的对置面上发生电化学反应。在另一个实施方案中，该方 法包括实施电解(例如，水的电解)。在另外一个实施方案中，使 反应成分发生电化学反应包括在至少一个膜片的对置面上加电 位差。
本发明的一个实施方案是用来使反应成分发生反应的装置。 该装置包括有第一和第二面包围各自的体积的膜片。该装置进一 步包括至少一种催化剂和与至少一个膜片耦合将第一和第二面 上的流动路径分开的覆盖物，其中至少一种催化剂与第一和第二 面耦合使反应成分在与至少一种催化剂有气体交换的第一和第 二面上发生电化学反应。
附图说明
本发明上述的和其它的目的、特征和利益通过下面对用附图 举例说明的本发明的示范实施方案的更具体的描述将变得明显， 在这些附图中相似的参考符号在不同的视图中处处表示同一部 分。这些图画不必依比例绘制，而是将重点改为举例说明本发明 的原则。
图1是依照本发明的半导体燃料电池阵列的示意平面图。
图2是沿着本发明的燃料电池12中的II-II线截取的简化横 截面示意图。
图3(a)-(h)是制造本发明的PEM壁垒结构30的主要步骤的部 分程序示意图。
图4是举例说明交替浇注PEM壁垒发明的横截面示意图。
图5是PEM结构实施方案的截面图。
图6是PEM结构的替代者的截面图。
图7是另一个替代PEM结构的截面图。
图8是可以集成到燃料电池芯片上的电路方框图。
图9是用于操作个别电池或电池群体的集成控制系统的配线 示意图。
图10是燃料电池歧管系统的示意侧视图。
图11是众多电池并排排列在晶片上形成供电芯片和相互重 叠形成供电盘片的示意平面图。
图12是图11的片断侧视图。
图13是依照本发明的实施方案半导体燃料电池阵列的示意 平面图。
图14是依照本发明燃料电池的示意图。
图15是本发明图14所示燃料电池的简化示意截面图。
图16A-16D是依照本发明的实施方案燃料电池的示意横截面 视图。
图17是依照本发明的实施方案用“散热片”增加有效区域 的PEM表面的示意平面图。
图18A-18C是在典型的二维燃料电池设计和依照本发明的实 施方案的燃料电池设计之间比较足迹面积的例证。
图19A和19B是依照本发明的实施方案配置燃料电池覆盖物 的示意平面图。
图2OA和2OB是依照本发明的实施方案供电叠层的示意平 面图和举例说明由多个供电盘片(其中每个盘片都包含许多电池) 形成的可仿效的供电叠层的分层结构的横截面示意图。
图21是依照本发明的实施方案通过堆叠燃料电池逐渐增加 体积功率密度的例证。
图22是依照本发明的实施方案通过堆叠燃料电池逐渐增加 重量功率密度的例证。
图23是举例说明有关来自电池、燃料电池或其它这样的装 置的稳定电力的现有技术的电路图。
图24是一个情节举例说明微型燃料电池的典型的电压-电流 (V-I)曲线及其随环境条件变化的曲线图。
图25是展示燃料电池的串联-并联切换安排的内部连接布局 的范例。
图26是展示当负载阻抗逐渐减少的时候电压随输出电流和 切换到电路中的列数变化的曲线图。
图27是用于燃料电池数目可变的串联列的示范开关布局。
图28是举例说明燃料电池在其状态被切换到操作组之后典 型的瞬间响应的曲线图
图29是举例说明燃料电池的典型的移动函数的示意图。
图30是用来实现适合燃料电池阵列或电池阵列的电压调整 和最佳燃料用法的范例闭环控制系统的方框图。
图31是并入控制系统用来操作电池(例如，燃料电池)的范例 控制程序的流程图。
图32是图9的控制程序针对温度、湿度、压力和装置故障 改编后的流程图。
图33是指出燃料电池集合阵列的V-I曲线怎样随着列中串联 连接的燃料电池装置的数目变化的曲线图。
图34是指出燃料电池集合阵列的V-I曲线怎样随着列中并联 连接的燃料电池装置的数目变化的曲线图。
图35A和35B是针对典型的V-I曲线指出所产生的总电力、内 部功率耗散、递送给负载的电力和功率效率的曲线图。
图36A和36B分别是举例说明通过重复开关电池维持中间平 均值的能量损失的电路示意图和对应的电流函数曲线图。
图37是为供应多个独立调整的电压而配置的燃料电池阵列 的开关布局。
图38是用来在功率放大器配置中产生电力的电池阵列方框 图。
图39是举例说明为调整输出电力补偿负载效应而受控的电 池阵列所产生的输出波形的方框图。
图40是有为将电力递送给负载而被继续地或以别的方式选 定的区域的电池范例阵列的方框图。
图41是在范例启动序列期间以给电池升温的方式操作的电 池阵列的方框图。
图42是有核心(基本)功能和为使用核心功能配置的高级功能 的控制器的功能图。
图43是将一电池与产生脉冲波形或其它波形的其它电池连 接清理在接受脉冲波形或其它波形的电池上的污染物的示意图。
图44是进行电化学反应的电池的示意平面图。

本发明的示范实施方案描述如下。
现在参照图1，展示已经在它上面制造了众多半导体燃料电 池12的传统的半导体晶片10的平面图。众多电池可能在晶片上 电互连并且配备有气体以形成供电芯片15。为了简单，燃料电池 12和芯片15不是依比例展示的，预期在4″晶片上可以至少形成 八千万个电池。一个这样的电池在图2中是以片断横截面展示的。 在它最简单的形式中，每个电池12都由基体14、接触件16A和 16B和在绝缘聚合物分层支撑结构20的第一层20(a)的两面上形 成的与金属电接触件紧密接触的导电聚合物基础18。
植入催化剂颗粒28的导电聚合物22在中央结构20的两边 形成将左面的氢气与右面的氧气分开的PEM壁垒。图2还展示在 电池12上蚀刻的分别用于准许氧气和氢气进入的通道5OB和 50A和散热盖子40。
图3a-3h是一系列示意截面图，按几个步骤展示PEM壁垒30 的有关制造细节。图3a展示已经蚀刻到半导体基体14中的燃料 电池通道的底部。它还展示负责将脱离燃料电池12的电子带到 电路的其它部分的金属接触件16。这些金属接触件是借助众所周 知的光刻工艺在半导体制造工艺的金属化阶段沉积的。
图3b展示已经加到该结构上的导电聚合物基础18。基础18 与金属接触件16物理/电接触并且已经适合吸引图3a-3h所示步 骤的导电聚合物22。
图3c展示已经加到该结构上的绝缘聚合物基础20(a)。它被 放置在两个导电聚合物基础部位18之间而且适合吸引绝缘聚合 物20。
图3d展示已经加到该结构上的聚合物阻体21。阻体21负责 在多余区域中抵制聚合物和避免它们的生长。
图3e展示已经在其基础2OA上生长的绝缘聚合物2OB的第 一层。这是PEM壁垒的中央材料。它在较薄外面部分22构成的 时候帮助支撑那些部分。
图3f展示后来数层以一层挨一层的方式平放形成垂直壁垒 的绝缘聚合物20。这个垂直取向考虑到区域放大。
图3g展示在其基础18上生长的导电聚合物的第一层22a。 这是PEM壁垒的有催化剂的外壁材料。
图3h展示后来数层以一层挨一层的方式平放到该结构上的 导电聚合物22。图2展示在除去聚合物阻体层21和添加为了简 单从图3a-3h拿掉的先前存在的盖子40和侧壁52之后的成品结 构。如果在半导体制造工艺中膜层21本来是最后步骤的钝化层， 那么除去这个阻体可能是不必要的。
现在再一次参照图2，将解释形成燃料电池12的诸元素的进 一步的细节。蛋白质交换膜片通常以30表示，在燃料H2和氧化 剂O2之间形成壁垒。
PEM壁垒30由两种材料的三个部分组成。有第一外壁22B、 中央20和第二外壁22C。它是由与两个都用第二材料制成的外 壁接触的第一材料的中央块20构成。
形成中央块的材料20优选能够让氢离子(质子)通过从氢气一 边到氧气一边的离子聚合物。它是电绝缘的，所以它不会有效地 造成电池横跨两个接触件16A和16B短路。它可能是用 或有相似特性的材料制成的。虚线所示的外部负载5可能跨接在 接触件之间吸取电力。
形成两个外壁的第二材料22也是能够让氢离子通过的类似 的离子聚合物。除此之外，它是用诸如铂/合金催化剂之类催化剂 纳米颗粒28(用点表示)掺杂的而且也是导电的。
通过将催化剂颗粒28嵌入聚合物22，实现了与PEM 30最紧 密的接触。这种紧密接触提供一条容易得到的允许离子向阴极电 极16B自由迁移的路径。催化作用是表面效应。通过将催化颗粒 28悬浮在聚合物22中，获得整个表面区域的有效利用。这将戏 剧性地提高系统效率。
通过使第二材料22变成导电的，形成电极。电极对催化反 应的接近程度影响它收集电子的程度。这种方法允许催化反应在 电极本身内有效地发生。这种紧密接触提供一条容易得到的允许 电子自由地向阳极16A迁移的路径。这将考虑到成功收集大部分 自由电子。再者，这将戏剧性地提高系统效率。
除了上述的PEM 30的电特性和化学特性/功能特性之外，一 些重要的物理特性将在下面描述：
这个自组装程序考虑到更佳的PEM壁垒构造。通过设计，它 将是更有效的。
首先，有形成独立的氢/氧路径的方法问题。这要求PEM结构 是这样生长/形成的，以致它将蚀刻的通道50完全剖成两个分开 的通道50A、50B。这意味着它可能在通道中央有生长图案而且 稳固地面临电池的端壁。它还可能生长到通道的高度以允许它接 触在盖子40的底部的粘接剂42。
其次，有形成气体密封的问题。这要求PEM结构30与底部 结构18和2OA、电池的基体14和端壁(未展示)和涂覆盖子40 的粘接剂42完全结合。通过适当选择聚合物，化学键在通道中 接触到的材料之间形成。除了这个化学键之外，将盖子40向下 压在PEM壁垒的顶端上有物理密封作用。如果PEM 30的高度被 正确地控制，加到盖子上的压力形成“O型圈”类自紧机械密封。 PEM 30在基体14上生长消除了在使它与盖子40结合时的任何 精细的配准问题。在盖子上没有需要对准的精细细节。
现在翻到图4，展示PEM壁垒的替代实施方案的简化透视图， 包括浇注/注射工艺和结构。
使用MEMS机械加工方法，三个通道6OA、6OB和6OC被蚀 刻到半导体基体140之中。外面两个通道6OA和6OC借助薄壁 7OA、7OB与中央通道6OB分开。这些薄壁有众多在其上蚀刻的 细缝隙S1---Sn。由此形成尖T1---Tn+1有在缝隙区域中沉积在其上 的催化剂280。在这些薄壁7OA、70B的底部，在形成外通道6OA、 6OC的壁面的一边，沉积金属电极160A、160B。在电极160就 位之后，催化剂280沉积在尖齿上。这允许要沉积的催化剂在相 应电极160的底部与电极160接触并将电极160覆盖到某种程度。 除此之外，金属导线90是为了连接每个电极160而沉积的，该 金属导线从外通道向上和向外铺展。
盖子400有用来将盖子粘接到基体140上的粘接剂层420。 这样，在基体中形成三个分开的通道：氢气通道6OA、反应通道 6OB和氧气通道6OC。除此之外，盖子400有各种不同的战略上 安排的电解液注射口或孔500。这些孔500提供只在通道60B中 通向聚合物材料的电解膜片的馈送路径。
图4的结构依下列各项组装的：
首先，完成半导体加工程序，包括：机械加工基体和沉积所 有的电路。
接下来，机械加工盖子400和准备粘接剂420。将盖子400 粘接到基体140上。然后，将电解液(未展示)注入该结构。
反应通道6OB的薄壁7OA、7OB用来在浇注电解液期间保有 电解液。缝隙S1---Sn允许氢和氧在各自的通道6OA、6OB中接近 催化剂280和PEM 300。在缝隙区域有催化剂280涂层的尖齿 T1---Tn+1在氢气进入缝隙的时候提供反应点。当电解液被倒入/ 注入反应通道60B5的时候，它将完全填满它。液态电解液的表 面张力使它无法通过缝隙进入也将以别的方式填满的气体通道。 因为加电解液之后有一些压力，所以当压力将它推进缝隙的时候 将有电解液表面的膨胀作用。这将导致电解液与涂覆缝隙S1---Sn 侧面的催化剂280接触。一旦这种接触形成而且液膜(电解液)与 水化合，它将进一步膨胀，从而保证与催化剂有良好的接触。氢 气/氧气能够在催化剂区域扩散到该(非常薄，即5微米)的液膜之 中。因为它能如此薄，所以它将产生损失低的更有效的即较少的 阻抗(I2R)。然后，这将把三个反应成分置于彼此接触之中。与催 化剂280的电接触的电极160A和160B是第四个成分并且当氢离 子穿过电解液膜在其它面上完成反应的时候给自由电子提供一 条路径[通过外部负载(未展示)]。
现在参照图5-7的横截面图，本发明的PEM结构30的各种不 同的替代配置将被详细地描述。在图5中，中央的PEM结构20 是作为连续的垂直绝缘元素形成的，而电极/催化剂(16/28)是有导 线90附着其上的非连续元素。图6是替代PEM结构的视图，其 中催化剂28镶嵌在绝缘核心20之中，而电极16是侧面毗连催 化剂形成的。最后，在图7中，PEM结构类似于图5，但是中央 的核心20是不连续的。
图8是展示一些可能的电路的示意方框图，这些电路可能连 同微控制器一起被集成到半导体晶片10上监测和控制多样的电 池性能。几个敏感元件电路80、82、84和86是为实现特定的功 能提供的。
温度电路80提供允许微处理器88定义燃料电池12的温度 分布图的输入。电压电路82监测视器在电池的配置层次或群体 的各种不同水平的电压。这提供关于负载变化的线性。用这个信 息，处理器88能调整系统配置实现/维持所需的性能。电流电路 84实现与上述的电压监测电路82类似的功能。
压强电路86监测内部气体通道5OA、50B的压力。因为系统 性能受这个压力影响，所以微处理器88能进行调整根据这些读 数保持系统在最佳性能下运行。未定义的电路81在未来功能的 预期方面可用来为微处理器88准备几个备用的输入。
除此之外，配置电路94能用来至少控制结合图9描述的V*I 开关。输出电压和电流容量是靠这些开关的配置定义的。本地电 路92是为必要时动态编程(例如，监测电路的参数)提供的。这些 输出能用来产生那变化。本地子系统94被微处理器98用来控制 气体流速，缺陷隔离和产物去除。本地电力电路96用来使燃料 电池12产生的一些电流流出给机载电子器件供电。这个电源电 路96将有它自己的校准和调节电路。双线通信I/F装置98可能被 集成到该芯片之上提供通信器件和连接它们的供电总线(未展示) 之间的电接口。
微控制器8是集成电子器件子系统的心脏。它负责监测和控 制所有指定的系统功能。除此之外，它处理任何外部通信的通信 协议。它能够“在电路中编程”，以便它的主管控制程序能在需 要时更新。它能够储存和处理数据，也能够自我/系统诊断和安全 特征。
现在参照图9，展示本发明进一步的细节。在这个实施方案 中，个别的电池121、122——124是在晶片上形成的并且使用 能受来自图8的微处理器88控制的晶体管开关97并联地跨接供 电总线99A和99B。开关97B和97A分别是负极总线和正极总线 的开关，而开关97C是串联开关，而开关97D和97E分别是相应 的正极和负极并联开关。
这允许个别电池或电池群体(供电芯片15)以各种不同的配置 (即，并联或串联系)配线。各种不同的电压是通过电池串联产生 的。电流容量也能通过电池并联配线有所增加。一般地说，供电 芯片的电力分布图能被动态地控制以实现或维持编程的规格。反 之，该芯片能在制造时被配置成某种静态分布并因此消除对电力 开关的需求。通过开关开关和通过改变配线开关的极性能产生交 流和直流电力输出。
为了实现电力管理子系统，需要来自电力产生程序的反馈。 不断地测量程序效率的电路能在芯片上直接形成。这个反馈能用 来以关闭方式修改系统控制。这允许动态地维持最高水平的系统 效率。接下来讨论这些电路中的一些电路。
电力产生程序的质量将在随着时间推移系统变化方面依照 要求改变。为了维持最佳性能，一些操作参数实时状态的知识能 帮助作出使系统能自我调整的决定。这些参数的边界是用程序定 义的。
举例来说，测量个别电池或电池群体的电压和电流是可能 的。电力输出能被监测，而且如果电池或电池群体不是正在运行， 那么如有必要能将它除去。这能借助先前描述的电力开关97完 成。
当在芯片上连续移动有效“承载”区域的时候，也能维持平 均的电力水平。这由于没有一个区域以100％的时间工作应该提 供比较好的整体性能水平。这种任务循环方式尤其适用于波动要 求。这个概念在这里是为了较好地利用电池特性将电力分成几 块。
供电芯片的热特性将因电负载改变而且这个热量可能对电 池的电力生产水平有不利的影响是预期的。适当地测知温度和适 当地对电池利用作出反应将使热积累的破坏作用减到最少。
盖子40是上下两件的“供电芯片”组件的第二块。它优选 用金属制成，为的是给易碎的半导体基体14机械地提供刚性支 撑。这考虑到容易搬运和为建造“供电叠层”(即，将众多供电 芯片15照字面上一个摞一个地堆叠)提供稳定的基础。目的是建 造有较多电力的物理单元。
图10举例说明怎样在基体14的表面蚀刻燃料50A和氧化剂 /产物通道5OA(和5OB未展示)。这些槽有三个面而且在顶面可能 是封闭或密封的。盖子40和粘接剂42在粘到基体14上并完成 通道的时候提供这个形成气密密封的功能。燃料供应通道和氧化 剂和产物水移动通道的矩阵借此在基体表面形成。
盖子40提供能在其上制作输入/输出口的机械上稳定的接 口。这些口是气体供应口和排水口。该设计可以包容从外面的大 世界到基体上的微米级特征的尺寸转变。这是通过给相对大得多 的孔H铺设微米级的通道实现的。这个较大的孔将考虑盖子和基 体之间的配准要求较低。盖子上的大孔与基体的大孔排成一行， 该基体有也在该基体上加工的从大孔通向电池的微米级通道。
每个晶片可能有它自己的歧管。这将需要用于燃料补给、氧 化剂和产物移动的外部连接。外部管道工程可能需要自动化的入 坞系统。
图11和图12举例说明能在晶片14上形成用来形成供电芯 片15的若干个电池12(在这个范例中三个并排的电池)的许多方 法之一。供电盘片能通过一个摞一个地垂直地堆叠成有分别与氢 和氧的来源耦合的入口50HI、50OI的立柱。其中形成供电芯片 的晶片的立柱包括供电叠层(93)。
图12举例说明可能用来形成有可感知的电力的供电叠层(93) 的若干个供电盘片15是怎样堆叠的。“叠层”那个词的使用是 合理的，因为它暗示晶片靠得很近，考虑到短的电互连和最小的 管道工程。事实上，叠层实际上指的是将晶片的电力组合，形成 比较强大的单元。它们只需要以电的方式堆叠来实现它的组合。 然而，在最小的空间中以最高的效率产生最大量的电力是符合需 要的。当考虑最短的电互连(电力总线传送)的替代方案的时候， 人们也应该考虑使用两个主歧管作为电力总线的可能性。这能通 过将这些歧管/电力总线段电绝缘和使用它们将电力从从每个晶 片传送到下一个晶片来完成。这将减少大的电力配线需求和允许 这个功能以自动化的方式伴以提高的精度和可靠性实现。
符合需要的歧管设计将考虑到供电盘片叠层。在这个设计 中，真实的歧管95将分段构成，每段都是盖子40的一整体部分。 堆叠盘片时形成歧管(管道)。这个类型的设计将非常减少外部管 道工程的需求。专用端盖将在电力叠层的末端完成该歧管。
在到此为止揭示的实施方案的摘要中，这项发明的主要目的 之一是能够利用类似的标准半导体加工方法批量生产晶片10组 成的供电芯片15，每枚芯片15上包含多个电池12。这个程序与 生俱来地支持非常小的特征。这些特征(电池)本身又被期望每个 电池产生非常少量的电力。每个电池将被设计成有材料能支持的 最大电力。为了实现任何实质上真正的电力，将在单一供电芯片 15上制造数以百万计的电池，而且在“供电盘片”(半导体晶片 10)上制造许多供电芯片。这是为什么能从单一晶片获得合理的 电力输出的原因。10微米×10微米的电池将使每平方厘米一百 万个电池成为可能。最后的电池布局将由构成材料的物理性质和 它们的特性决定。
固体聚合物氢燃料电池的基本电化学反应是在80到100℃之 间的某个操作温度下最有效率。这在硅之类普通的半导体基体的 操作范围内。然而，如果晶片被层叠在一起，附加的散热可能是 需要的。既然覆盖物无论如何都是需要的，将盖子40做成散热 片附加到边缘上是有道理的。
燃料通道和氧化剂/产物通道被蚀刻到半导体基体的表面之 中。这些槽有三个侧面并且可以在顶面封闭和密封。盖子40提 供这个功能。它被涂上一层粘接剂以便在粘到半导体基体上完成 通道的时候形成气密密封。这将在半导体基体的表面形成燃料供 应通道和氧化剂和产物水移动通道的矩阵。电池的两个主要通道 本身是被粘到这同一粘接剂上的PEM分开。因此，除去任何的细 小颗粒在实现对准需求方面是有帮助的。
电池和供电芯片体系结构
人们应该理解上述的电池可能包括有包围某个体积的三维 几何结构的膜片和与该膜片耦合在膜片处将第一流动路径和第 二流动路径分开的覆盖物。在此，“电池”和“燃料电池”是同 义的并且可交换使用。电池可能还包括在覆盖物上的阳极催化剂 层、阴极催化剂层。非必选的是，电池可能包括有适合燃料或氧 化剂流向催化剂的孔。本发明的另一个实施方案是供电芯片。电 力燃料包括有与分配燃料或氧化剂的第一流动路径或至少一个 第二流动路径有气体交换的歧管的第一实施方案的电池阵列。供 电芯片还包括与第一和第二催化剂电耦合给电池产生的能量提 供接口的接线端。为了配置阵列或阵列子集和与外部负载对接， 电互连可能在电池、开关、熔断丝或金属链路之间延伸。供电芯 片的配置可能是可编程的而且可能包括控制电子器件，例如，开 关。供电芯片可能进一步包括支撑供电芯片叠层的粘接垫和包 装。
本发明的另一个实施方案是包括在第一实施方案中描述的 燃料电池阵列的供电盘片，其中基体将电极与催化剂电互连并且 非必选地与外部负载电互连。电互连可能以可配置的方式在燃料 电池和开关、熔断丝或金属链路之间延伸。供电芯片的配置可能 是可编程的。供电盘片可能进一步包括支持供电芯片叠层的粘接 垫和包装。
本发明的另外一个实施方案是供电叠层。供电叠层包括有众 多供电盘片的供电盘片阵列，包装包括电互连，包装包括平行的 气体流动互连，而且歧管系统将燃料电池阵列封住以便分配燃料 或氧化剂。
其它的实施方案可能包括将被进一步详细描述的下列各项 的组合：有选定的平面图几何形状(例如，圆形、正方形、蛇形) 的燃料电池、堞形壁、起皱(壁上的散热片)、覆盖物上的催化剂、 覆盖物结构“低功率”和“高功率”、双向性操作装置(电解器 和燃料电池)和芯片上的广义的微型化学反应器。
图13展示传统的半导体晶片1305的平面图，在该晶片上已 经制造了众多半导体燃料电池。在这个晶片1305上除了下面描 述的几点之外使用标准的和已确立的半导体和微机电系统制造 方法构成众多供电芯片1310。为了简单明了，供电芯片1310没 有依比例展示。
在制造和晶片级测试之后，供电芯片可能被分开并且作为个 体发电装置包装，每个芯片都包含一个正在生产的集成电路副 本。这些装置之中的每个装置都被叫作“钢模”。每个个别钢模 的尺寸可能是1cm2或更小或更大，与依照供电芯片的应用需求 规定的一样。
人们应该理解基体1305可能是其它的基体形式，例如，金 属、玻璃、碳化硅等等。
图14描述供电芯片1410的诸元素。每个供电芯片包括一些 子成分。每个供电芯片能在诸如标准硅片之类的基体1405上构 成，在该基体上借助各种不同的MEMS制造步骤构成大量的燃料 电池1412。金属层1416、1415a和1415b被加到硅上并且经蚀刻 形成电池1412之间的适当的电互连网络。适当的绝缘层1420遵 循传统的半导体实践插在金属层之间提供电绝缘和化学、机械和 环境的保护。
粘接垫1425再一次遵循传统的实践在供电芯片1410的边缘 构成并且提供供电芯片1410与外部电路(未展示)之间的电连接 方法。粘接导线(未展示)可能使用习惯的芯片直接贴装方法接到 电路或在下面描述的制造多个供电芯片的叠层的模塑包装边缘 的接触件(未展示)上。
除此之外，在供电芯片1410的电池结构1412下面和之间的 硅区域可能包含控制电子器件的电路元素1430。这些电路元素 1430包括但不限于合一起可以在供电芯片1410的工作之时对外 部装置和/或其它燃料电池进行监督、控制、优化和报告的嵌入式 控制电路、RAM或Flash或ROM存储器、逻辑电路(例如，数字式 特定用途集成电路(ASIC)形式的逻辑电路)、A/D、测知和切换装 置。
图15展示个别燃料电池1500的一个实施方案的垂直横截面 的透视图。依照本发明的一个燃料电池实施方案，质子交换膜 (PEM)壁1505被配置成形成定义第一流动路径1510的体积1507 的三维几何结构。换句话说，在图15的范例中，PEM壁1505包 围外形呈，举例来说，圆筒形的体积1507并且定义一部分第一 流动路径。覆盖物1520与PEM壁1505结构形成的三维几何结构 的顶端耦合形成封闭的舱室并且以PEM壁1505将第一流动路径 1510与第二流动路径1515分开。当使覆盖物1520与PEM壁1505 耦合将密封体积1507的一端，体积1507比较靠近第一流动路径 1510的入口的对置端是敞开的，借此，可接近氧化剂流或燃料流。
覆盖物1520可能是用气体不能渗透的材料制造的以避免氧 化剂和燃料之间的短路而且能利用与PEM壁1505的材料不同的 材料或相同的材料制成。PEM壁1505优选能够让氢离子(质子) 通过从氢的一面到氧的一面的离子聚合物。PEM壁1505是电绝 缘的，所以它不有效地造成燃料电池1500横跨位于PEM壁1505 两边的阳极1530和阴极1535的电短路。PEM壁1505可能是用 或特性相似的材料制成的。负载(未展示)可以跨接在与阳 极1530和阴极1535电连接的接触件(例如，金属线1545a、1545b) 上，在燃料电池1500的工作期间吸取电力。另外，PEM壁1505 可能是用导电的催化剂颗粒(例如，铂/合金催化剂)掺杂的。
在一个实施方案中，电池包括能支撑上述的燃料电池1500 的基体1540。然而，基体1540是燃料电池1500的非必选特征。 换句话说，因为PEM壁1505是三维结构，PEM壁1505能作为能 独自直立的自治结构；所以，基体1540对于本发明的燃料电池 1500不是必不可少的成分。当使用基体1540的时候，PEM壁1505 能在燃料或氧化剂能流进体积1507的位置与基体耦合。为了进 一步将第一流动路径1510和第二条流动路径1515分开，覆盖物 1520现在借助熟悉这项技术的人通常已知的方法与PEM壁1505 耦合。
在一个实施方案中，覆盖物1520能使用热、溶剂、粘接剂 和音波焊接和/或下压力的适当组合附着上去。举例来说，它能被 摹制和蚀刻。所有这些在半导体制造实践中熟悉的方法都可能是 适用的。举例来说，PEM壁1505被完全粘接到基体1540上用粘 接剂形成气密密封。作为替代，覆盖物1520和PEM壁1505能通 过在材料之间(举例来说，使用聚合物)形成化学键附着上去。除 了这个化学键之外，将覆盖物1520向下压在PEM壁1505的顶端 1509上有物理密封的作用。如果PEM壁1505的高度得到正确的 控制，施加在覆盖物上的压力能形成机械的“O-型圈”式的自紧 密封。使PEM壁1505在基体1540上逐渐增高在它与覆盖物组合 的时候能消除任何精细配准问题。
在一些实施方案中，与三维结构顶端接触的覆盖物1520能 变成“活性的”(即，在与圆筒壁类似的配置中有用各自的催化 剂覆盖每个面的电极)，借此逐渐增加生产电力的活性表面面积。 此外，人们应该理解是已了解的，非透气性的第三材料(未展示) 能构筑在PEM壁1505的顶端，而且覆盖物1520能经由第三材料 能粘贴到PEM壁1505上。举例来说，衬垫(未展示)可能被放在 PEM壁1505的顶端1509上，所以覆盖物1520与PEM壁1505的 任何部分没有物理接触，同时维持与第一流动路径1510的气体 交换以便生产电力。
在另一个实施方案中，依照在制造中使用的工艺步骤的特定 顺序，催化剂涂层可能也延伸到覆盖物的一面或两面，从而进一 步增加该装置的反应表面面积。作为替代，覆盖物的第一层能拥 有用来将覆盖物粘到图15所示的三维结构顶端上的粘接剂层。
继续参照图15所示的燃料电池1500，金属1545a和金属 1545b是两个被绝缘层1506分开的独立的金属层。金属1545a与 燃料电池阴极1535连接，而金属1545b与燃料电池阳极1530连 接。阳极1530和阴极1535被PEM壁层1505分开。
在一个实施方案中，催化剂1530和1535镶嵌在PEM壁1505 的面上。通过镶嵌催化剂，实现与PEM壁1505的最大的紧密接 触。催化剂作用是表面效应。这种紧密接触提供容易得到的允许 离子向阴极1535自由迁移的路径。通过使催化剂悬浮在PEM壁 1505中，获得整个表面区域的有效利用。这能戏剧性地提高系统 效率。
气体燃料(例如氢)1585(i)能通过基体1540上帮助燃料电池 1500处的第一流动路径1510的孔1512引到体积1507之中和(ii) 由于与阳极催化剂1530接触而被还原。起因于这个反应的电子 通过导电的催化层行进到金属1545b随后到达负载(未展示)。起 因于该反应的质子通过PEM壁1505到阴极1535。在燃料电池 1500的阴极1535经由第二流动路径1515可得的来自周围空气 1555的氧化剂1550(例如，氧气)与通过PEM壁1505流动的质子 和来自负载经由金属1545a抵达的电子结合产生水蒸汽。
作为替代，阳极1530和阴极1535能按相反的配置装配，即 阳极1530与金属1545a连接，而阴极1535与另一个金属1545b 连接。在这样的配置中，气体燃料是经由第二流动路径1515引 进的，而氧化剂是经由第一流动路径1510引进的。
PEM材料可能是最初借助旋涂、喷涂、浸渍或半导体制造业 常用的其它方法沉积在基体或晶片上的。然后，该PEM材料能被 影印出图案和蚀刻，以便形成图15中PEM壁1505的所示的壁轮 廓。催化剂层1530和1535可能作为涂层再次使用传统的半导体 制造方法用溅射、蒸发、喷涂、复印和浸渍的组合加到PEM上。 由此产生的催化剂层可能有众多构造明确的子层，以便支持大表 面区域接触件周围气体的矛盾要求和维持(i)支持质子向PEM转 移的离子导电率和(ii)支持电子向基体上的金属层转移的导电率。 由于有多层催化剂，所以获得整个表面的有效利用。
虽然图15展示圆筒形的燃料电池，但是其它形状是可能的， 取决于特定的应用渴求的性能特征。举例来说，可能使用在图 16A-16D的平面图中展示的形状或它们的组合或延伸。
图16A展示与图15所示类似的圆筒形结构1600，没有覆盖 物的供电芯片的简化示意横截面平面图。在一个实施方案中，有圆 形横截面区域的圆筒形结构1600包括基体1610、放置在分别充 当阴极和阳极的催化剂层1615、1620之间的PEM壁1605。在一 个实施方案中，在圆筒形结构1600的中央形成的是供燃料或氧 化剂流动的流动路径1625。
图16B展示与图16A一样的成分，但是在结构1650的非圆形 横截面平面图中，与有类似于图16A所示的有圆形横截面区域的 圆筒形结构相比允许单位足迹区域有更大的反应表面积(即，壁 长乘以高度)。然而，如果构成非圆筒形燃料电池的高密度阵列， 非圆筒形的形状可能以可用于燃料或氧化剂在阴极周围流动的 体积比较少为代价。
图16C是曲线形构造1660的范例，包括与圆筒形和矩形对应 物相同的成分。曲线形构造1660提供甚至比矩形和圆筒形构造 还要高的单元足迹区域反应表面积。此外，曲线形构造1660能 有一个或多个有利于燃料或氧化剂流动的流动路径1665，如图 16C所示。
图16D是在平面图中呈蛇形形状的燃料电池构造1670的范 例。
图17是另一个横截面图，指出通过将散热片1710蚀刻到堞 形表面上可能实现的进一步延伸。这个实施方案说明来自上方的 PEM壁1705的区段可能被应用于图16A-16D所示的任何通用形 状的任何部分。散热片1710能实现戏剧性地性进一步增加表面 面积。然而，如果散热片的纵横比太高，散热片可能是效率较低 的，因为质子传导路径的有效电阻逐渐增加。此外，可能对利用 这个方法可实现的增益有限制，取决于所用蚀刻工艺的特性。请 注意：氢可能是要么没有出口要么流动的；氧经由，举例来说， 与有带散热片1705的PEM 1710的燃料电池连接的歧管流入和流 出用于除去水分。
图18A-18C是展示用于实现高功率密度的装置的反应表面积 如何进一步增加的平面图。该反应表面积是使用上述构造增加的 而且能依照下面的描述进一步增加。图18A展示代表现有技术的 平面燃料电池的标准的平面PEM1805，该燃料电池可能有，举例 来说，40微米乘400微米的尺寸，有16000平方微米脚印和8000 平方微米反应表面积。在图18B中，依照本发明的实施方案在这 个相同的脚印上创造矩形的三维PEM1810结构得到76000平方 微米，比图18的平面PEM的4倍还要多。图18C展示PEM壁1815 的城堡形建筑能如何再一次将表面积加倍，产生8倍于平面设计 的表面积，因为反应表面积增加到144000平方微米。由于半导 体装置的成本倾向于与所使用的硅“脚印”面积成比例地增加， 这个高倍数导致相对较高的有效功率密度和较低的每瓦电力成 本。
图19A和19B是展示燃料电池设计有用的变化的图表。依照 前面参照图1的描述，本发明的实施方案是通过燃料电池阵列电 互连和分开流动路径提供气体和氧化剂形成供电芯片。互连形成 供电芯片的燃料电池能包括在此揭示的任何燃料电池实施方案 的阵列。供电芯片可能进一步包括至少一个与用来分配燃料或氧 化剂的流动路径有气体交换的增压室和一对与电池阵列的至少 一个子集的阳极催化剂电耦合的接线端。
图19A是描绘在燃料电池1905a的内部包括众多包围三维几 何体积(即，圆筒形体积)的膜片1922的燃料电池1905a的阵列的 供电芯片1900a的视图。每个PEM壁1922都与覆盖物1910a耦合， 从而密封PEM壁1922并将每个燃料电池1905变成没有出口的。 然后，燃料流进将与阳极催化剂1915a有气体交换的PEM壁1922 的三维几何体积。因为阴极催化剂1925a暴露在空气1920中，所 以阴极催化剂1925a有效地接触空气1920中的氧化剂(例如，氧 气)使燃料和氧化剂在供电芯片1900a反应产生能量。供电芯片 1900a的燃料电池能被分为子集，通过允许和禁止电子流进或流 出该子集控制每个子集。
图19B是举例说明图19A的覆盖物配置的替代覆盖物配置的 供电芯片1900b的视图。在这里，覆盖物1910b是图19a的覆盖物 1910a的“负片”。供电芯片1900b可能使用一个邻近的覆盖物代 替图19A所示的众多覆盖物与燃料电池的膜片耦合。在这样的配 置中，通过圆筒1905b内部的流动路径并非没有出口，所以电池 1905b能更有效地除去反应副产物。在这个实施方案中，阴极 1925b和阳极1915b可能被交换，以便在阴极形成的水或其它副产 物可以更容易被除掉。
上述的设计变化在高功率系统中可能是有用的。与图13的 配置相反，基体或晶片(在此也称之为供电盘片)不是为分成小单 元包装设计的。在一个实施方案中，供电盘片能包括(1)在此揭示 的任何燃料电池实施方案的阵列、(2)至少一个与燃料电池分配燃 料和氧化剂的流动路径有气体交换的增压室、(3)至少一对与至少 一个电池子集的阳极和阴极催化剂电耦合为电池产生的能量提 供接口的接线端和(4)至少一条与接线端电耦合的电力总线。金属 层互连和控制电子器件(未展示)可能配置成与个别燃料电池或宽 基体连接。在一个实施方案中，供电盘片能进一步包括以电选择 的方式互连供电芯片的开关。在优选实施方案中，供电盘片还能 包括控制开关的电子器件。人们应该注意到当电池阵列与基体耦 合的时候，增压室被配置成用实质上均匀一致的压力分配燃料或 氧化剂。增压室可能有至少一个出口以便，举例来说，燃料、氧 化剂和电池之间的反应副产物能被除去。然后，众多这样的供电 盘片能按并联方式堆叠，形成供电叠层。
在供电芯片的一个实施方案中，代替借助电线或电路电互连 的是，燃料电池借助在膜片两个面上的金属涂层或金属膜电连 接。金属涂层是在供电芯片的一个边缘与接线端电通信，其中接 线端与外部负载连接。
在供电叠层的另一个实施方案中，供电叠层能包括基体，在 该基体上至少一个供电芯片结合在一起。该供电芯片可能是在此 揭示的任何供电芯片实施方案。供电芯片的另外一个实施方案可 能包括基体、在此揭露的任何电池实施方案的阵列、一对与各自 的阴极和阳极催化剂耦合的电极和一对与各自的第一电极和各 自的第二电极电耦合的供电盘片总线。
在供电叠层的一个实施方案中，供电叠层可能包括供电叠层 结构、众多与该结构连接的供电盘片和与该供电叠层结构相关联 为与盘片接线端电耦合配置的供电叠层接线端。
在供电叠层的一个实施方案中，个别供电盘片s2005a、2005b 可能是以这样的方式堆叠的，以致氧化剂和燃料容易借助图2OA 所示的歧管流动。举例来说，供电盘片2005a、2005b被装配到有 提供用来将燃料和氧化剂分配给供电盘片的路径的歧管系统的 供电叠层结构2045之中。供电盘片2005a、2005b被放置在上增 压室2010a、2010b和下增压室2015a、2015b之间。为了举例说 明，图2OA展示每个供电盘片2005a、2005b包括一个单个的电 池2029a、2029b。因此，人们应该理解虽然在图2OA中没有展 示，但是每个供电盘片2005a、2005b可能包括有用来制作功能型 供电盘片的其它元器件的电池阵列。
继续参照图20A，该供电叠层有作为燃料或氧化剂的进入点 的第一输入槽2025。第一输入槽2025有开口2027a、2027b，以 便燃料或氧化剂能流进上增压室2010a、2010b。举例来说，一旦 氧化剂流到达上增压室2010a、2010b，氧化剂就与和基体2041a、 2041b连接的电池2029a、2029b的阴极催化剂2031a、2031b接触。 同时，燃料流经由通向下增压室2015a、2015b的第二输入槽2030 进入。在这里，燃料变成与一个阳极催化剂2033a、2033b接触， 触发燃料、氧化剂和催化剂之间的反应产生电子。每个供电盘片 2005a、2005b都能包括与催化剂电耦合用于电子转移的电极。作 为替代，阳极和阴极的催化剂能按相反的配置组装，其中成分 2031a，2031b是阳极催化剂，而成分2033a、2033b是阴极催化剂。 在这样的配置中，燃料经由第一输入槽2025引进，而氧化剂经 由第二输入槽2030引进。
此外，从图2OA揭示的第一输入槽2025开始的流动路径有 出口路径。举例来说，一旦被消耗的燃料或氧化剂在与各自的催 化剂反应之后通过流动路径2047a、2047b，该燃料或氧化剂流到 出口增压室2043a、2043b。通过出口增压室2043a、2043b，被 消耗的燃料或氧化剂到达有出口2045的输出槽2040。在一个实 施方案中，这个经由出口增压室2043、2043b和经由输出槽2040 的出口通道提供用来除去燃料、氧化剂和燃料电池之间的反应所 产生的副产物的出口。
继续参照图20A，燃料或氧化剂的流动能实质上平行于每个 供电盘片，而且相对而言可能几乎没有遇到压降。因为个别的反 应部位是极小的，在每个部位所需的反应物的化学当量非常小。 没有出口的以扩散为基础的流动在许多情况下能被非常令人满 意地使用。
在图2OB中是供电叠层的另一个实施方案。在这个实施方案 中，众多供电盘片2055与由两条或多条空心路径组成的供电叠层 结构1560耦合。该供电叠层结构2060可能包括与该范例结构的 两个空心柱连接的抗挠件(未展示)，被配置成提供燃料(例如，氢) 流动路径2070(用虚线表示)。流动路径2070与供电盘片入口2051 气体连通，通过该供电盘片入口2051燃料能经由至少一个盘片 歧管2065流进每个供电盘片2055。因为供电盘片2055暴露在周 围空气之中，所以供电盘片2055有机会接触空气中的氧化剂(即 氧气)。照此，在没有深思熟虑的氧化剂补给，没有氧化剂在供 电叠层结构2060中和供电盘片2055的歧管中流过的情况下，该 供电叠层能充分地产生能量。
依照这样安排组装的供电盘片能产生丰富的电力。图21和 图22举例说明一些范例。
图21包括燃料电池结构和相关尺寸的序列，说明基于单位 反应表面积很少的功率密度如何能获得每升体积10千瓦。
图22包括有尺寸和重量的其它图表，说明以瓦特/公斤为单 位的相似计算。
控制电力发生器阵列
诸如燃料电池之类的电池通常有电源阻抗，因此，装置能递 送的电压是正在供应的电流的函数。因此，当负载需要较多电流 的时候，负载倾向于降低通过将若干个燃料电池装置串联能产生 的电源电压。举例来说，对于有0.9伏特的开路电势和在0.4伏 下有1毫安(mA)最大电流输出能力的燃料电池，12个这样的装 置串联在最大功率输出为4.8mW时提供4.8伏特，而且6个这样 的装置串联在0mW输出时提供5.4伏特。假定没有内部损失，1 安培的电力供应能力能通过将1000个这种1mA装置的串联列并 联起来产生。
大多数电子元器件需要在某个允差(例如，5伏特±10％)内的 电压调整。在一些现有技术系统中，电压调整是借助外部的调压 器或其它类似的电力调节电路完成的。
在一些实施方案中，电池的安排自动地切换串联装置的数 目，从而消除对外部功率调节器的需要，借此，提高能量效率， 减少产生的热量，减少电路板的空间需求，和降低系统的总成本。
因为在装置内有较少的功率耗散，所以燃料电池和许多其它 发电装置的特性是在低功率水平下它们的电力转换效率比较高。 依据描述电池或同等物特性的电压-电流(V-I)曲线的形状，可能 有提供最佳效率的功率水平。通常，对于燃料电池，最佳效率是 尽可能小电压降，因此电流最小。在这种情况下，在燃料效率和 电力装置数目之间并因此在系统成本和尺寸之间存在一种折衷 办法。
因此，依照本发明的一些实施方案可仿效的对燃料电池的最 佳控制技术可能包括引起调整每列中的串联装置的数目使实际 负载的电压在允差之内的粗调回路和增加或减少并联连接的这 样的装置的列数通过上下移动系统的V-I曲线供应预期的电流进 一步调节电压的微调回路。
此外，在使用反馈控制系统的实施方案中，控制技术可能考 虑电池个体、电池阵列或电池组，它们在接入或脱离发电电路的 时候有随着时间逝去的瞬间反应。因此，滤波或其它控制规律可 能被用于反馈环以保证反馈控制系统在有负载瞬变现象时稳定 地工作。
此外，燃料电池装置的特性并因此在反馈滤波或其它控制规 律内的系数可能取决于燃料电池装置在上述时间的状态或温度、 湿度和压力的环境条件。
在此揭示的示范方法能延伸到(i)控制电流(即，恒流源而不是 恒压源)递送支持通常需要多种电压的负载(例如，移动电话、个 人数字助理和膝上型电脑)的多种电压或电流和(ii)跟踪随时间改 变的设定点电压而不是恒定不变设定点电压。跟踪特征能用来， 举例来说，有效地直接产生60Hz的正弦功率输出或作为音频放 大器声音用来有效地直接驱动移动电话的扬声器。
在一些应用中，在可用的燃料电池装置当中以有效利用燃料 的方式分配所产生的电力同时将所需的电力分布图递送给负载 是有用的。在便携式供电应用(例如，膝上型电脑、个人数字助 理和移动电话)中，电力需求涉及多种电压，每种电压都对应随 时间改变的电流而且往往涉及重要的电力需求瞬变现象和非常 大的峰值/均值比。类似的需求以较大的应用为特色，例如，汽车 和公共汽车的电源。
预期燃料电池电力系统商业上是否成功是由储能密度(瓦-时 /公斤和瓦-时/公升)、峰值功率密度和平均功率密度(瓦特/公升和 瓦特/公斤)和成本(美元/瓦特、美元/瓦特-小时)决定的。这些度量 标准可能被适用于完整的系统，包括燃料储藏、燃料递送和燃料 电池本身。
因此，本发明的一个实施方案包括用来控制许多小燃料电池 的组件的操作的方法或对应的装置，每个小燃料电池以这样的方 式产生在整个组件产生的总电力中占一小部分的电力，以致燃料 消耗随着时间推移被减到最少，输出给负载的电力是用必不可少 的电压和/或电流调整在一个或多个电压下维持的，而负载瞬变现 象在必不可少的允差范围内得到支持。在一些实施方案中，使用 该方法或对应的装置的控制系统考虑到随着燃料和氧化剂两者 的温度、湿度和可用的气体压力的变化(例如，由于海拔高度变 化)燃料电池性能的变化并因此调整控制策略。
另一个实施方案提供控制(例如，最佳地控制)许多小发电装 置的组件的集合操作的方法或对应的装置，其中那些发电装置可 能是燃料电池、微型电池、光电器件、压电器件、其它受周围环 境震动驱动的器件或任何其它效率依照某种通常类似于电池放 电曲线或燃料电池V-I曲线的特性取决于操作水平的电力来源。 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 理实现的。
再者，虽然下面揭示的细节提及燃料电池，但是所描述的概 念、装置或方法应该被解释为适用于任何这样的小的或相对小的 发电装置。
图23展示使用燃料电池叠层或电池作为主电源2301的传统 的现有技术电源电路2300。调节器2302被用来维持负载2304 的目标电压2303，其中目标电压是在负载2304适当操作必需的 范围内的电压水平，例如，5Vdc±0.5v。调节器之所以被使用是 因为主电源2301的电压通常随着负载以这样的方式改变，以致 目标电压不能以别的方式维持。调节器可能是三端线性调节器或 技术上普遍知道的开关调节器(升压调节器、降压调节器、电压 升降调节器)的几种布局中的任何一种。滤波电容器2305通常用 来缓冲负载2304引起的瞬变现象和吸收瞬变现象产生的电源噪 声。
图24是代表微型燃料电池的电压电流(V-I)曲线2400的例 证。曲线2400表示输出电压随电流的变化，或依照欧姆定律暗 示输出电压随负载阻抗的变化。与技术上众所周知的一样，燃料 电池通常有三个操作区域：受活化能支配的2406、受内电阻支配 的2407和受质量传输支配的2408。整个曲线2400倾向于随着用 虚线曲线曲线2409指出的温度改变和随着气体压力和湿度改变。 电流I＝0时的开路电压被称为开路电势2410。
并联切换
记住V-I曲线的特征，考虑图25所示的包括燃料电池2512 的阵列2505的电路布局2500，其中每个燃料电池有曲线与图24 举例说明的曲线2400类似的操作特性。
参照图25，阵列2505包含许多燃料电池2512的串联列 2511a、2511b、...、2511x。每列2511a-x都有各自的开关(2513a、 2513b、...、2513x)在燃料电池2512和供电总线2515之间，以 致当开关2513a-x闭合的时候，对应的串联列2511a-x彼此并联连 接并且与负载2514并联连接。
首先考虑最左面一列2511a的开关2513a闭合而其余的开关 2513b-x断开的情况。如果负载2514的阻抗非常高，那么负载两 端的电压V1接近组成该串联列的个别电池的开路电势之和。如果 负载2514的阻抗比较低，那么在最左面的列2511a的燃料电池 2512输出的电流(这个范例中，实质上等同于负载电流I1)增加， 而燃料电池2512的列2511a所产生的电压减少与个别装置V-I曲 线之和一致。接下来，考虑第二串联列2511b由于它对应的开关 2513b闭合被接入的情况。在这种情况下，流过每个列2511a、 2511b的电流被减少大约一半，而每列2511a、2511b的电压有对 应的增加。因此，输出电压能通过连接和断开电池2512的列 2511a-x被维持在预先确定的允差之内，导致电压不随负载阻抗变 化而变化，如图26所示。
图26是举例说明负载阻抗2614减少而负载电流2615对应 地增加的情况的曲线图。随着接入电路(例如，图25的阵列2505) 的列2616的数目逐渐增加，电路产生随着电流2615改变的电压 2617的锯齿形变化。
串联切换
在许多环境中，装置的有用操作范围比电压允差大得多。在 这种情况下，改变每个串联列中的装置数目和列数可能是有用 的。
图27是包括在为选择不同数目的串联成分2719准备的列布 局2718中的开关2720的电路布局2700。这个列布局可能在并联 列布局中被重复多次以便以可精细选择的电流水平驱动负载 2714。
瞬态响应
控制程序设计的另一个考虑是个别装置的瞬态响应。当最初 接入负载电路的时候，装置通常不立即完全接通，而是经历随着 时间逝去的瞬态响应。
图28是举例说明个别发电装置(例如，燃料电池)的阶梯函数 的曲线图。发电装置在时间T1与负载电路的导致电流随着时间 的推移呈用实线曲线2821举例说明的指数形式上升，其中时间 常数是该装置的函数。可能还有最初的传输延迟2822，取决于装 置的状态，在燃料电池的情况下，取决于离子在质子交换膜(PEM) 中的分布。最初的传输延迟可能也是温度和不活动性(即，多久 以前装置曾起作用)的函数。随着这些后面的参数的典型变化被 表示为虚线曲线2823。
燃料电池的瞬态响应受燃料电池达到平衡的能力的影响。建 立平衡的区域包括：i)反应层中膜片(例如，Nafion)的水合作用， ii)反应层中的水平衡(例如，在小孔空间中有残留的液态水阻止 气体到达催化剂吗？)，iii)氧化剂/燃料供应(例如，有足够的反应 物气体支持所需要的负载吗？)，其中区域ii和iii可能是相关的。优 化质子交换膜片(PEM)的操作条件和体系结构是将燃料电池的瞬 态响应减到最少的因素。
瞬态响应可能要么是积极的要么是消极的。如果膜片受正确 条件限制而且电池已经有一段时间不起作用，所以反应层小孔空 间中的水已被除去，而且反应气体已经有时间扩散到遍及反应层 并且占据所有可能的否则将被截留的液态水隔离的活性催化剂 部位，那么瞬态响应指出峰值电力随时间减少。电力的减少可能 是液态水堵塞隔离活性催化剂的反应层的毛孔空间造成的。当液 态水的积聚不超过它的清除速率的时候，产生稳定的电力，但是 在不容易除去的区域已经聚集了一些水。如果系统已经脱水或在 反应物气体补给方面有中断，那么瞬态现象表明电力比峰值小的 而且逐渐增加，直到达到稳定状态。一旦系统处于“稳定状态”， 电力波动，取决于操作条件和结构特性。因此，控制遍及反应层 的水形成和它对反应物气体分布的影响的能力对于成功地操作 燃料电池是有用的。
结果，控制程序考虑这些效应和将不造成不稳定性的控制滤 波或控制规律并入是有用的。
图29是作为等效电路2900一般地举例说明的燃料电池的电 模型。除了传输延迟2924之外，通常有欧姆源电阻2925、与活 化损失相关联的第二电阻2927和由电荷双层在电极处产生的电 容2926。
电压伺服环结构
在一些实施方案中，反馈滤波或控制规律以电路元素或软件 形式，举例来说，可能用来抵消用燃料电池的传递函数或多个串 联或并联的燃料电池的集合传递函数的反函数测到的电流以便 优化或以别的方式操作控制环。燃料电池或其它电池装置的特性 可能是通过描述该装置的温度、湿度、压力和负载特性建立的， 而且使用控制理论和数信号处理(DSP)已建立的方法并入数字信 号处理。非数字信号处理装置和技术可能也被使用。敏感元件可 能在该系统中用来提供，举例来说，温度和湿度值的度量，而且 这些数值可能用来给用于DSP滤波器或其它控制规律的系数阵 列编索引。那些系数可能被适当地调整，例如，借助神经网络， 在该神经网络中燃料电池在每组环境条件下改进的操作改变神 经网络节点的链接(即，燃料电池的串联列和多重并联列)。
图30是控制燃料电池或其它电池形式的阵列3038的范例控 制结构的方框图。可能有阵列3038递送给阻抗随时间改变的负 载3030的设定点电压3029。阵列3038递送给负载的电压可能被 测知3031并且通过适当的滤波3033被反馈给开关操作逻辑3032 或状态矢量空间方程。这个滤波可以用输入状态矢量3033(包括 在燃料电池阵列3038中各个不同的点3037测知的电压)运算。 输入状态矢量3020可能包括来自温度敏感元件3015和相对湿度 敏感元件3016a、3016b的模拟或或数字表达形式的状态。DSP滤 波区段3033可能通过遵循惯例应用矩阵运算对状态矢量3020进 行运算，其中在矩阵运算期间应用于状态矢量3020的矩阵(未展 示)可能代表描述燃料电池阵列3038的离散传递函数H(z)的经适 当修改的反函数，而且在一些实施方案中，可能还考虑到负载 3030的模型，如同反馈控制系统技术中理解的那样。
从DSP滤波区段3033产生的滤波后输出的(“指令”)电压3035 和设定点电压3029一起呈现给开关操作控制区段3032，该区段 可能很容易作为地址可能是滤波后的输出电压和设定点电压的 函数的存储器阵列实现，而且存储器3025中的数据3026可能是 用来控制阵列3038中的开关3036哪个开(即，闭合)哪个关(即， 断开)的二进制字。在一个实施方案中，举例来说，指令和设定 点电压值3035、3029的每种组合都被正确地映射到存储器3025 中的一个位置，而且那个位置包含开关3036哪个开能够关的位 组合(未展示)。存储器阵列的内容可能在运行控制温度、输出湿 度和其它下述因素的管理控制程序的管理控制处理器3027的控 制下被刷新或修改。存储器阵列的内容也可能是从外部系统(未 展示)收到的。
比较器开关控制区段3032可能使用在计算机、组合逻辑、 在逻辑门中实现的组合逻辑的平行落实，等等，中执行的特定的 指令序列来执行开关操作程序，该程序可能是以粗调环和微调环 两者的形式实现的，其中粗调环随着负载电压3031和负载电流 3034两者变化改变串联成分的数目，而微调环改变阵列3038中 起作用的并联列3005a、3005b的数目。微调环可能在滤波后负载 电压3035下降到门限值以下的时候增加列3005a、3005b，而且 可能在滤波后负载电压3035上升到门限值以上的时候除去列 3005a、3005b。如果该系统从能量-效率的观点偏离V-I曲线上的 最佳点或其它点多于某种允差，举例来说，或如果它接近大多数 并联列3005a、3005b都处于使用中的状态，那么追加的一排串联 元素3007能依照粗调环被接入电路。同样，如果系统负载太轻， 则一排可能被粗调环或微调环除去。
避开故障电池
有时候，个别燃料电池降级或性能欠佳。在串联连接的列 3005a、3005b中，整列总电压是电流无论如何总会经过它们的电 池的个别电压之和。由于电流在每个电池中是一样的，所以它是 与列中性能最低的电池相对应的电流。这种情况能借助在图30 所示的每列3005a、3005b中的小型电流测知电阻3010a、3010b 产生各自的电压3032′，或，作为替代，通过在列3005a、3005b 中测知多个点的电压3037并进行一致性检查来检测。如果发现 重大的不一致，则有可能是一个或多个电池3007正在耗散过多 的能量，而且开关控制区段3032能通过，举例来说，只要可用 的其它列能满足电流要求就把一整排从其存储器3025的清单中 划掉将它们从使用中除去。其它技术(例如，要在串联列中使用 较少的电池但是使用较多的列)，如果可用，可能还是可能的， 取决于串联列中哪个电池是有缺陷的。
许多有意义的应用可能包括处理超过必须满足平均负载的 燃料电池阵列能力的峰值负载的或满足超过电池响应时间的瞬 态要求的电池组或电容器。如果负荷曲线的峰值/平均值之比小， 则电容器3038能支持瞬态现象，如图26所示。如果该峰值/平均 值之比高(举例来说，如同时常用无线电通信的硬盘或敏感元件 的情况一样)，则可充电电池能支持阵列的活性表面区域不足以 提供峰值电流负荷的峰值周期。在这种情况下，可能要注意适当 地管理充电/放电循环或该电池组。大多数电池组类型能支持有限 次数的充电/放电循环。因此，电池组在再次充电之前可能要经过 若干个周期放电。为了最大限度地延长电池组寿命，这个数字应 该尽可能大，提供再次充电可得的过量燃料电池能力(即，峰值 能量和峰值频率相对于燃料电池能力超过非最高负荷)。控制程 序可能监测电池组电压并根据预定的参数或负载的近期表现决 定再次充电点。
图31是展示使用示范粗调环和微调环的示范控制程序的特 征的流程图。在以相对快的速率引起重复控制程序3100的“快 速”定时器的定时器中断之后，程序3100开始(3105)。人们应该 理解其它形式的中断(例如，按要求和/或受事件驱动的中断)也可 能引起程序3100开始。在程序3100的粗调部分3101，确定在驱 动负载的电流(或电压)方面大的变化。这需要以测知负载电压究 竟是超过上限(3110)还是低于下限(3120)为基础将几排从阵列中 除去(3115)或将几排加进阵列(3125)。在程序3100的微调部分 (3102)，分别作出关于究竟是将并联列从阵列中除去(3135)还是 添加到阵列中(3145)的决定(3130、3140)以便将电流减少或增加 细微的数量。其后，程序3100结束(3150)。
温度/湿度伺服环结构
进一步的伺服环考虑起因于V-I曲线随温度、压力和湿度变 化。举例来说，在许多应用中，优选从氢-空气燃料电池输出的 空气处在不导致蒸汽凝聚成水的湿度和温度。因此，控制程序可 能首先检查输出湿度，而且如果它太高，升高工作温度设定点， 该设定点对于同样的水输出将降低相对湿度(RH)。降低相对湿度 能通过利用较少的燃料电池产生相同的电力完成，利用较少的燃 料电池能通过，举例来说，改变图30所示控制区段3032中的存 储器3025的查询表(未展示)的数据3026来完成。然后，分开的 环可能将工作温度和它的设定点进行比较并且适当地对该表进 行调整。然而，燃料效率可能最好是通过将内部的电阻损耗减到 最少保持尽可能低的工作温度得到满足。因此，只要不产生湿度 问题，控制程序就将温度设定点设置得尽可能低。
对于一些燃料电池结构，可能存在受在较高温度的情况下随 着逐渐增加的电力和较少的耗散的关系曲线增加的耗散驾驭的 最佳电力浓度(即，起作用的电池数量)。
基于电力浓度的控制环能用来在启动期间升高温度和在操 作期间维持最佳温度。如果系统在它的电流来源能力以下操作， 则控制系统非必选地通过各个可用的列循环，所以，那些列保持 在合理的、一致的平均温度下。
图32是基于温度或上面呈现的考虑改变燃料电池阵列工作 参数的范例程序的流程图。图32是以比图31所示程序3100缓 慢的速率发生的程序3200的流程图。参照图32，定时器中断(慢 速)或其它形式的中断(3205)开始程序3200。作出关于输出湿度是 否大于上限的决定(3210)。如果输出湿度低于上限(3210)，程序 3200将输出湿度与下限进行比较(3215)。如果输出湿度高于上限 (3210)，程序3200提高设定点温度(3220)以降低输出湿度。如果 输出湿度低于下限(3215)，程序3200尝试降低设定点温度(3225)。
程序3200也可能被配置成监测设定点温度和非必选的温度 滞后性(3230)。如果温度低于设定点(加滞后性)，程序3200确定 该温度是否低于设定点(减滞后性)3235。如果温度高于设定点(加 滞后性)(3230)，冷却电池的新开关操作表可能被装入(3240)。如 果温度低于设定点(减滞后性)(3235)，程序3200可能装新的开关 操作表导致电池通过驱动负载升温(3245)。如同先前描述的那样 (即，较少或较多的催化剂表面区域)，使电池升温或降温通常意 味着使用较少或较多的电池来驱动负载。
程序3200可能还包括让电池组或电池列轮流驱动负载。通 过使用内在的时钟或计数器(未展示)可以作出是否循环到阵列的 不同单元的决定(3250)。如果到时间了(3250)，程序3200可能将 新的开关操作表装载在处理器中或在被存取的储存区域中以便 确定使用哪个电池驱动负载(3255)。如果不是该循环到阵列中不 同的单元的时间(3250)，程序3200将循环计数器加一(3260)。其 后，程序3200测试或读故障电池的电压VSENSE。如果确定电池在 适当地运行，例如通过监测输出电流或电压(3265)，则退出程序 3200(3275)。如果确定电池是有缺陷的(3265)，则程序3200计算 新的开关操作表并且将它装入(3270)。此后，退出程序 3200(3275)。
人们应该理解图31和图32的流程图仅仅是范例。该流程图 的策次数、次序、流程或其它方面可能在不脱离图31和图32所 示的示范实施方案的范围的情况下被修正、改变或以别的方式陈 述。此外，人们应该理解该流程图可能是在硬件、固件或软件中 实现的。如果是在软件中实现的，该软件可能是以任何软件形式 编写的和用适合按在此揭示的发电过程前后关系工作的任何处 理器执行的。人们还应该理解该软件可能是以储存在任何形式的 计算机易读媒体(例如，RAM、ROM、磁性或光学媒体，等等) 上并用处理器装载和执行从而导致处理器运行程序3100、3200 或其技术上了解的变化的指令的形式实现的。
电池轮换已提高寿命
在操作燃料电池或其它产生电力的电池阵列方面进一步考 虑的一组决定可能是以时间或电力(能量)的时间积分为基础为了 在燃料电池阵列或电池阵列的大量可用的电池当中轮流使用能 起作用的电池而作出的。占用电池逻辑的轮换通常以比图31的 控制环低的频度运行。
电力优化
如同参照图30和图31描述的那样，改变电池或电池组的串 联数目的电压粗调环能与改变电池或电池组的并联列数的微调 环结合起来工作，以便控制电池阵列的合计输出电力。选择这种 阵列控制的理由可能是下列各项。每个装置典型的电压范围可能 从0.9伏特开路电势到大约0.4伏特的最大输出，而且典型的电 流可能是1毫安或更少，在燃料电池的情况下取决于反应表面积 (RSA)。在这种情况下，列中电池的串联开关可能最好是作为粗 调使用，而列的并联开关可能最好是作为微调使用。下面立即参 照图33和图34描述粗调环和微调环的落实。
图33是多条随串联组合(即，列)中燃料电池数目改变的V-I 曲线的曲线图。通过每个串联电池的电流是相同的，而电压相加。 因此，V-I曲线可能是向上平移的，而且因为每个串联元件引进 的附加来源阻抗它的斜率增加。曲线3339、3340和3341按这个 顺序表示串联电池数目的增加。线3342代表依照欧姆定律V＝ IRL适合负载电阻RL特定值的负载电压和电流的关系。这条线 3342与V-I曲线的交点分别是负载电阻的工作点。所以，当负载 保持恒定的时候，串联地增添燃料电池将改变电压和电流，举例 来说，从负载3342与V-I曲线3339的交点改变到负载线3342与 曲线3340的交点。
图34举例说明并联堆叠电池的效果。曲线3442、3443和3444 表示并联电池数目逐渐增加。在这种情况下，负载电压3442是 一样的，而电流因为来源阻抗减少逐渐增加。
因为串联装置的数目通常是小的(例如，对于3.3伏的电源是 四到六个)，反之并联的数量是大的(例如，对于1安培的电源是 1000个)，所以起因于增添列的电压变化通常远远小于增添排产 生的电压变化，从而允许密集的调整。
简单的电压调整之后，系统可能通过有效地操作该系统充分 利用储存在燃料中的能量。
图35A和图35B是举例说明操作点、递送功率和耗散功率之 间的示范关系的曲线图。图35A本质上是图24所示的V-I曲线的 重复。图35B展示利用燃料氧化产生的总功率3545、去除活化损 失的总功率3545′、递送给负载3546的功率和在装置中耗散的功 率3547。假定活化能不随电流I变化；因此，耗散功率和递送功 率受VINT3548控制，该点在V-I曲线近似线性的电阻段的延长线 与V-轴的交点。
第一级近似的总功率3545，
PTOT＝VINTI+PACT
除去小的大体上不随电流I改变的活化损失PACT，PTOT是I的一 次函数，斜率为1，如图35A和图35B所示。
递送给负载的功率是
Pdel＝V(I)I
Pdel＝(VINT-RSI)I＝IVINT-I2RS
其中RS＝装置的源电阻。
耗散在装置中的电力是：
Pdiss＝PTOT-Pdel＝VINTI-(IVINT-I2RS)
Pdiss＝I2RS
对于有图35A所示的V-I曲线的装置，递送功率是电流的二次 方程式，而且是向下凹的，在点3549产生最大的递送功率，其 中Pdel＝Pdiss。
最佳功率：将单个电池电流减到最小
耗散功率是电流的二次函数而且是向上凸的曲线，指出电流 越小，发生的耗散越少。但是，较低的电流意味着成比例地需要 较多的装置。最佳效率是递送功率与总功率之比。因此，效率单 调地随电流降低。
作为实际问题，工作稳定性和其它设计因素可能导致依据特 定装置的详细特性选择略高的电流工作点，这些特性不是上述简 单模型的一部分。在实际系统中，最佳效率可能也受限制，因为 单个装置电流越小，装置就越多，因此，与系统相关联的成本就 越高。
最佳功率：切换可能的最小增量
图36A和36B分别是举例说明可能从耗散功率和递送功率的 二次性质汲取另一经验的电路图3648和电流波形3649。在装置 通过在相等的时间间隔里交替出现零电流和2I电流按50％工作 周期切换到ON和OFF(接通和断开)的情况下，在ON期间耗散的 功率是一半时间的耗散功率的四倍，平均耗散功率的两倍。首先， 考虑递送功率I2RL和耗散功率I2RS的恒定电流输出3650。现在， 考虑曲线3652，其中给滤波电容器的源电流是在0和2I之间按 50％工作周期切换的。递送到负载3651的平均电流仍然是I并且 仅仅在滤波电容器输出3653略微改变。然而耗散功率是：
Pdis＝(2I)2RS/2＝2I2RS，与恒定电流输出(3650)的两倍一样多。
换句话说，为了将耗电量减到最少，控制程序切换尽可能少 的装置来维持设定点电压。前面揭示的示范程序范就是做这个 的。
此外，紧随其后的是个别装置或被独立切换的装置群体越 小，系统在它的能量转换中效率就越高。
多种电压输出
图37是利用作为多个子阵列或电池组3710a、3710b、...、 3710n配置的电池阵列(例如，燃料电池阵列)3705形成的多电压 电源3700的布局。多电压电源3700是所揭示的结构的拓展，它 在需要多种电压的电子装置中是有用的。举例来说，现代的移动 电话或膝上型电脑为了给显示器、逻辑硬盘、射频装置之类的东 西提供不同的电压包含多个电压调节器。微型燃料电池阵列或其 它发电电池阵列能很容易地配置成递送这样的多种电压而且没 有与电话或膝上型电脑中的传统的功率调节系统相关联的功率 耗散、发热、电路板成本和分立元器件成本。人们应该理解燃料 电池阵列3705可能是为了提供备份与额外的电池组(例如， 3710n-2、371On-1和371On)一起配置的，其中额外的电池组可 能是为提供由主电池组提供的任何电压而配置的。此外，所有的 电池组3710a-n都可能是为提供任何电压而配置的，以便考虑到 用于长寿目的的电池组轮换。
电流源、交流电源、音频功率放大器
基本结构的一些进一步拓展也是可能的：该系统可能被配置 成通过改变电压维持恒定电流(即，电流源代替电压源，这对于 给特定类型的敏感元件供电是有用的，举例来说)；该系统可能 不跟踪恒定的电压或电流，而改为跟踪改变设定点的时间，因此 提供交流电源，举例来说，以60赫兹备用电力给家庭供电；或 该系统可能跟踪音频信号形成非常有效的功率放大器，举例来 说，驱动移动电话的扬声器。这个安排可能除了用随时间改变的 输入代替恒定的设定点电压3029以外与图30的安排相同。
供电芯片的制造
使用在现有的专利(6,312,846和6,815,110)中描述的硅基体 上的MEM结构和制造方法，将上述的控制系统以最小的硅表面 积增加合并到与燃料电池相同的硅基体上可能是经济的。首先， 一系列膜层可以遵循可生产用于实现该控制程序的供电阵列、电 压和电流敏感元件和门阵列的晶体管开关的传统的半导体制造 经验沉积、摹制和蚀刻到基体之上。作为替代，可能使用包含 FPGA或植入式处理器中央处理器(CPU)加存储器的结构。在需要 时，可现场编程的门阵列(FPGA)配置或程序存储器可能是只读存 储器(ROM)，一度可编程的(OTP)存储器或闪速存储器，取决于 制造之后为不同的应用定制装置的需要。使用当前的CMOS制造 方法，这些方法之中的任何一种可能使用某个硅区域，该区域与 1cm2燃料电池阵列相比是很小的，而且很容易地建造在MEM燃 料电池结构下面的同一硅区域上。
供电盘片、供电叠层的分级控制
对于较大的电源，March(6,312,846和6,815,110)注意到众多 电池可能被组装在供电盘片上，而且众多供电盘片可能被组装成 供电叠层。在这种情况下，分层控制系统可能被实现，其中每个 供电芯片是依照本发明的示范实施方案控制的，但是由在个别供 电芯片上按供电盘片级操作的类似的控制系统决定的设定点。类 似地，众多供电盘片可能受控制，以便当它们被组装成供电叠层 的时候，优化它们的总电力输出。
功率放大器
图38是系统3800的框图使用发电器件完成将正常使用电压 干线的放大器的功能。在这个范例中，外部装置3805产生用放 大器3810接收的低水平电压信号3835。放大器3810包括高阻抗 输入级3815、发电单元控制器3820、电子器件供电单元3825和 信号生成供电单元3830。模块3815、3820、3825、3830是以技 术上了解的任何典型方式互连的，例如，通过集成在单一硅片上 并且与先前描述的一样地互连。高阻抗输入级3815和发电单元 控制器3820是由提供足以操作放大器3810中的电子器件的电力 的电子器件供电单元3825供电的。高阻抗输入级3815将输入波 形3835的表达3817提供给发电单元控制器3820，后者依次以产 生电压或电流波形3840作为输入波形3835的放大形式的方式控 制信号生成供电单元3830。输出波形3830可能用来驱动负载 3845，该负载可能是，举例来说，移动电话的耳机扬声器或其它 有适合受示范放大器3810驱动的电特性的负载形式。
图39是举例说明受控产生波形的发电单元的示范用途的一 对波形3900的图表。那对波形3900包括正弦曲线电力波形3905 和调整后的电力波形3910。调整后的电力波形3910是按抵偿负 载(3915)波形(3905)效应的形状产生的。人们应该理解调整后的 波形3910只是调整后波形的任意范例，它不必依比例绘制或被 期待为实际上能实现的。人们还应该理解调整后的波形3910可 能与在功率输出技术中理解的一样被用于改善功率因数或功率 质量的目的。
图40是有电池4010a、4010b、401Oc、...、401Oi的列A-I 的电池阵列4000的方框图。阵列4000还包括要么与电池一起集 成在基体上或要么与电池基体分开的控制器4005。在任一情况 下，该控制器可能用来控制使用哪个(些)列4010a-i将功率4020 经由总线4015递送给负载4025。换句话说，控制器4005可能安 排通过列4010a-i的顺序或以别的方式选择产生递送给负载4025 的电力4020的电池列。在示范实施方案中，控制器4005连续从 列A移动到列I以产生电力，并因此电力4020是按对应的次序递 送的(即，列A 4010a首先递送电力Pa，接下来列B 401Ob递送功 率Pb，---，最后列I 401 Oi递送功率Pi)。
图41是举例说明发电系统4110包括与电池4107、4110a-e 的阵列相关联的控制器4105的情况的方框图。在这个范例中， 首先使起动器电池4107产生经由总线4115给外部负载4125的 电力Pout4120从而导致起动器电池4107发热使周围环境升温并 向外延伸使电池4110a升温。作为替代，起动器电池4107可能将 功率Pwarm 4122递送给在电池阵列所在基体4102上的非必选的 内部负载4140。这允许起动器电池4107不必与外部负载4125 连接就能升温。人们应该理解起动器电池4107的位置可能设定 在阵列4110a-e的诸多电池当中的其它位置，例如，更接近中心 以便从四面八方使电池升温。
在运行时，控制器4105可能接收来自起动器电池的温度反 馈4135。当作为温度反馈4135的函数由控制器4105确定的温度 增加的时候，控制器4105可能使起动器电池4107周围的发电单 元4110a加入。然后，当周围的电池4110a升温的时候，控制器 4105可能使下一组在起动器电池4110a周围的电池4110b加入以 便产生电力4120经由总线4115递送给外部负载4125。这个程序 可能继续到所有的发电单元4110a-e被激活，产生电力4120递送 给外部负载4125。
人们应该理解用箭头4130表示的前进方向可能不是列举的 对角线，而是改为每个区域4107和4110a-e可能是图40或图30 举例说明的垂直的电池扇区。无论选择哪个实施方案，人们都应 该理解起动器电池4107可能是以低效率驱动的，为的是有效地 产生热量以便有迅速升温时间，而且每个后来被激活的电池子集 也可能是以给定的效率驱动的，为的是有快速的或正常的升温速 率与用来起动用于给定环境的电池的给定分布图相匹配。
图42是有两级功能(核心功能4205和“高级”功能4210)的 控制器4200的方框图。核心功能4205可能是基本电力管理和控 制功能，该功能用来，举例来说，把电压水平映射到对应的开关 闭合以及把电力请求转换成列的行数和/或并联列数通过选择哪 个开关闭合配置电池的串联和并联组合产生电力。其它的基本功 能可能也被用在核心功能4205之内。
高级功能4210可能包括提供电池智能控制的功能。高级功 能的范例包括冷启动、正弦波控制、任意波形控制、电压调整、 电流调整、电池轮换、调节和净化。下面参照图43描述的振动 可能也是高级功能的范例，例如，帮助加速纠正“泛滥”事件。
在一个示范实施方案中，控制器4200有为实现上述功能或 其它高级功能之一向核心功能4205提出请求4225的高级功能 4210。而核心功能4205将控制信号4215呈现给开关或其它控制 元件(例如，燃料或氧化剂流动控制元件(例如，MEM开关))执行 该请求4225。反馈4220可能回到核心功能4205，它依次以适合 高级功能4210读的形式呈现该反馈4230。作为替代，反馈4220 可能直接地呈现给高级功能4210。
人们应该理解控制器4200可能在其它方面是分段的并且包 括适合供单一电池或电池阵列使用的其它功能。
控制器4200可能还包括互控制器或供电盘片/芯片之内或之 间通信模块4212以允许多样的控制器以统一的或分布式的方式 起作用。盘片/芯片间通信可能还提供对冗余度或事实上电池数量 无限的巨大阵列的支持。
图43是包括电池4305并通过一对开关4315a、4315b与用电 池或非必选地用电子脉冲发生器形成的脉冲发生器4310电耦合 的系统4300的示意图。在这个实施方案中，利用开关4315a、 4315b将电池4305从递送功率给负载4312切换到接收来自脉冲 发生器4310的脉冲4325a或脉冲4325a、4325b。人们应该理解 脉冲发生器4310可能是任何形式的产生典型或非典型波形(例 如，正弦波、线性调频脉冲或其它波形)的信号发生器。
脉冲4325a的作用是将在电压或电流加给壁面上的催化剂。 通过用脉冲4325a、4325b驱动催化剂，可能已经沉积在催化剂上 的污染物可以被驱逐，如从电池向外投射的多个箭头4330表现 的那样。人们应该已经理解相似的多组箭头4330也可能出现在 被电池4305包围的体积内部，但是为了容易理解净化处理怎样 工作未展示。此外，人们应该理解任一脉冲4325a、4325b也可能 是超过另一面净化一个催化剂面的参考电平，例如，接地电势。
此外，1伏特或其它低电压波形可能用来引起涂上一层催化 剂的膜片振动，该膜片可能是用来形成电池4305的非常薄的薄 膜。振动可能用来加速去除能造成电池4305的发电量减少的泛 滥条件。为此目的，电池4305可能在厚度、高度、直径、催化 剂厚度、分段或其它物理参数方面是专门设计的，以便提高它的 振动能力。此外，振动(或加热)可能用来增加用在引起、加速或 以别的方式影响在电池4305中(处)发生反应的能量，而且可能在 单一频率或多种频率下以一种或多种振幅或偏移驱动电池4305 改善特定的反应或反应步骤的能量递送或减少。
根据测试，电池4305与电容器类似有电阻抗，因为它有两 个呈导电催化剂形式的“极板”(膜片的外壁和内壁)。该阻抗能 用于自动化测试，其中控制器能用来将电路径从电池4305转接 到在供电芯片或盘片边缘与电容计连接的插针。这样，巨大的电 池阵列能被快速地测试或诊断。
此外，控制程序在用户定制门阵列或ASIC分层结构中执行， 其中众多电池与在上述的为形成供电盘片组装的微处理器生成 器阵列中一样受到控制，在那种情况下类似的程序控制对盘片上 电池的发电分配。在一些实施方案中，在分层结构中众多供电盘 片受到控制并且被组装成供电叠层，在这种情况下相似的程序控 制叠层中供电盘片的发电分配。
人们应该理解，上述的任何控制滤波、控制规律或替代控制 规律(例如，最佳控制、模糊逻辑、神经网络、H-无限控制，等 等)能以软件形式在处理器中运行以便控制发电操作。也可能使 用硬件或固件落实。控制程序除了上述的控制之外可能非必选地 随着装置个体或装置组随着时间逝去老化随着时间逝去适应电 池特性。控制程序也可能在现场安装或制造之后被修改或升级， 以便将为不同的应用设计的不同的操作特性赋予先前同一的装 置。
在一个实施方案中，微发电器阵列可能是作为包括充电电 池、电容器、光电振动发生器及其它的混合系统被配置的。电池 充电周期可能是为延长电池寿命而配置的。
电池的电化学应用
本发明另一方面的一个实施方案是使反应成分反应的方法。 一个示范方法包括在有至少一种催化剂的情况下使反应成分在 至少一个包围各自体积的膜片的对置面上发生电化学反应。在此 揭示的电池、供电芯片、供电盘片或供电叠层的任何实施方案能 使在此提到的方法变得容易。
图44举例说明本发明的这个方法实施方案的范例。电池4400 包括与前面就其它的电池描述的成份相同或相似的成分，包括阳 极催化剂4405、阴极催化剂4410和膜片4415(例如，离子或质 子交换膜)。电池4400能与基体4420耦合，通过该基体反应成 分能依照箭头4440指出的方向流动。在此提到的膜片4415可以 是无纺织物和膜片(例如，离子交换膜片或质子交换膜片)的层压 制品。与为形成三维几何结构配置的电池类似，该膜片包围一体 积4425。在微型电池应用中，体积4425可能小于1立方毫米。 在其它应用中，体积4425可能比小于1立方厘米、1立方米，甚 至小于1立方微米。包括开关4455和负载4457的电路可能与阴 极4410和阳极4405连接。与隔离物4415的对置面之中或之上 的另一种反应成分4445结合，电池4400能引起电化学反应。举 例来说，电池4400能用来实现电解水产生氢的用途：
2H2O(l)-＞2H2(g)+O2(g)
水的电解能通过让电池4400产生的电流通过水4440的液滴 来实施(在实践中盐水溶液增加反应强度使它更容易观察)。氢气 能在使用铂电极的阳极4405看到，而氧气泡能在也使用白金电 极的阴极4410看到。如果其它金属被用作阳极，则存在氧将与 阳极反应而不是作为气体被释放的机会。举例来说，使用在氯化 钠溶液电解液中的铁电极，则氧化铁在阳极产生，氧化铁反应形 成氢氧化铁。其它的工业用途包括电冶金，使用电解从金属化合 物获得纯金属的金属还原过程。举例来说，氢氧化钠以其金属形 式通过电解被分离成钠和氢，两者都有重要的化学用途。这个示 范方法也能应用于制造铝、锂、钠、钾或阿斯匹林。用电池电解 的另一实际用途是阳极化。它使金属表面耐腐蚀。举例来说，用 这个程序使水中船形物免受水中的氧侵蚀，这是在电解的帮助下 完成的。这个程序也用来使表面变得更有装饰性。
此外，通过水电解产生的氢气能用来给其它的附加反应供应 燃料。举例来说，氢气4460能通过出口4470飞出并被收集起来 作为燃料。
虽然上述的电解用途是依照电池的思路提供的，但是这样的 方法也能适用于电池阵列、供电盘片、供电盘片或供电叠层。
该方法的另一个实施方案进一步包括施加用来引导电化学 反应的电位差。继续参照图44，通过接通开关4480，电池4400 能与电池4482电连接。然而，电池4480是用于举例说明的。所 以，其它的电力形式能适用于该电池4400，例如，直流、交流、 固定频率、任意波形或其任何组合。
将电位差加到阳极和阴极上能引发电化学反应。举例来说， 包括用之类的材料制成的膜片的电池能在电流(例如，正 弦波形、脉冲波形、线性调频脉冲波形或其它波形的电流)通过 的时候振动。同样地，通过电池4400施加电位差能引发或增强 电化学反应，例如，用来产生热量(即，在膜片4415处)、将一种 物理状态(即，液态、假固态、气态、假液态或固态)转变成另一 种物理状态、以及在反应的不同阶段期间或在反应的单一阶段之 内改变电位差分布图。当电位差被加到电池阵列上的时候，也有 可能将电位差加到温度接近产生热量的物体的阵列子集上。
也有可能使用敏感元件监测电化学反应。举例来说，系统 4401能包括用来在水电解期间测量外壳4403里面的氢气水平的 敏感元件4406。依次，该系统能通过监测与反应相关联的度量标 准(例如，浓度或温度)或与电池相关联的度量标准(例如，温度或 压力)配备给典型反应的反馈系统。使用该反馈系统监测电化学 反应对于调节、管理和/或控制随着至少一个度量标准变化的电化 学反应可能是有用的。度量标准可能包括，举例来说，温度、压 力、湿度、时间、至少一种反应成分的浓度。此外，人们能管理 该何时和怎样施加电位差。举例来说，电化学反应能在典型的反 应中分别通过减少或增加该电位差减速或加速。
此外，电化学反应的产物能采用提取、驱逐、排干、释放或 放出之类的方式被输出给能跟随在第一电化学反应期间或之后 的另一电化学反应。在第一电化学反应期间或之后引进至少一种 其它反应成分能触发新的电化学反应或被用于正在进行的电化 学反应的下一个阶段。而且，新的电化学反应的产物也能以与较 早的电化学反应相似的方式输出。
尽管这项发明已经参照其示范实施方案被具体地展示和描 述，但是熟悉这项技术的人将理解在形式和细节方面各种不同的 改变可以在不脱离作为附件的权利要求书所囊括的本发明范围 的情况下完成。

这份申请是2006年9月14日申请的美国专利申请第 11/521,593号的部分继续申请，后者是2005年12月29日申请过 但现在放弃的美国专利申请第11/322,760号的继续，该申请是 2004年9月29日申请的美国专利申请第10/953,038号(现在的美 国专利第6,991,866号)和2004年11月9日申请的美国专利申 请第10/985,736号(现在的美国专利第7,029,779号)的继续申请并 且要求给这两份申请的优先权，这两份申请分别是作为1999年 11月24日申请的美国专利申请第09/449,377号(现在的美国专利 第6,312,846号)的继续申请的2001年9月7日申请的美国专利 申请第09/949,301号(现在的美国专利第6,815,110号)的分案申请 和继续申请。这份申请还要求给2006年3月2日申请的美国专 利申请第60/778,584号和2006年3月2日申请的美国专利申请 第60/778,563号的优先权。上述申请和专利的全部教导在此通过 引证被并入。