DE60300779T2

DE60300779T2 - Brennstoffpatrone mit Reaktionskammer

Info

Publication number: DE60300779T2
Application number: DE60300779T
Authority: DE
Inventors: Ravi Prasad; L. Chris Mann; Jospeh W. Tsang
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2023-01-09
Also published as: US20030138679A1; JP2003290645A; EP1329972A9; EP1329972A3; EP1329972B1; CA2416925A1; TW200302596A; EP1329972A2; HK1054619A1; KR20030063231A; DE60300779D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffkassetten und Reaktionskammern, die beispielsweise in Kombination mit Brennstoffzellen verwendet werden können.
Hintergrund
Viele Vorrichtungen werden durch Brennstoff betrieben, der in einer Brennstoffkassette gespeichert ist. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf Brennstoffkassetten beschränkt ist, die in Verbindung mit einer bestimmten Art von Vorrichtung verwendet werden, sind Brennstoffzellen ein Beispiel einer Vorrichtung, die Brennstoff verbrauchen kann, der in einer Brennstoffkassette gespeichert ist, und die vorliegende Erfindung wird lediglich zu Darstellungszwecken im Zusammenhang mit Brennstoffzellen erörtert. Brennstoffzellen wandeln Brennstoff und Oxidationsmittel in Elektrizität und ein Reaktionsprodukt um. Brennstoffzellen, die beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwenden, erzeugen Wasser und/oder Wasserdampf als Reaktionsprodukt. Brennstoffkassetten, die in Verbindung mit Brennstoffzellen verwendet werden, speichern typischerweise unter Druck stehenden gasförmigen Brennstoff oder eine brennstoffenthaltende Substanz, wie z. B. eine chemische Zusammensetzung, die den gasförmigen Brennstoff unter bestimmten Bedingungen freigibt.
Die Erfinder haben hierin herausgefunden, dass herkömmliche Brennstoffkassetten, insbesondere diejenigen, die in Verbindung mit Brennstoffzellen verwendet werden, Raum für Verbesserungen aufweisen. Genauer gesagt, die Erfinder haben hierin herausgefunden, dass es unerwünscht sein kann, große Mengen an gasförmigem Brennstoff (wie z. B. Stickstoff) in einer Brennstoffkassette zu speichern, da eine solche Speicherung Sicherheitsprobleme verursachen kann und eine weniger als optimale Energiedichte liefern kann. Die Erfinder haben hierin ebenfalls herausgefunden, dass in den Fällen, in denen brennstoffenthaltende Substanzen in einer Brennstoffkassette gespeichert werden, herkömmliche Vorrichtungen, die bewirken, dass der gasförmige Brennstoff freigegeben wird, keine genaue Kontrolle über den Prozess liefern. Dieser Mangel an Kontrolle kann zu der Freigabe von mehr Brennstoff führen, als für die Brennstoffzellen erforderlich ist, was ebenfalls zu Sicherheitsproblemen führt. Somit haben die Erfinder hierin herausgefunden, dass es wünschenswert wäre, Brennstoffkassetten zu schaffen, die eine exakte Kontrolle über die Bedingungen im Zusammenhang mit der Freigabe von gasförmigen Brennstoff von der brennstoffenthaltenden Substanz ermöglichen.
Herkömmliche Reaktionskammern, die manchmal verwendet werden, um gasförmigen Brennstoff von einer brennstoffenthaltenden Substanz freizugeben, verlassen sich für bestimmte Aspekte ihres Betriebs auf die Schwerkraft. Als solche müssen dieselben in einer vorbestimmten Ausrichtung gehalten werden, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Die Erfinder haben hierin herausgefunden, dass herkömmliche Reaktionskammern in Verbindung mit tragbaren Geräten, insbesondere denjenigen, die häufig in einer Vielzahl von Ausrichtungen verwendet werden, nicht besonders sinnvoll sind, da dieselben ausrichtungsabhängig sind. Dieser Nachteil hat auf die Anwendung dieser Brennstoffzellensysteme begrenzt, die sich auf Reaktionskammern verlassen, um gasförmigen Brennstoff von einer brennstoffenthaltenden Substanz freizugeben. Die Erfinder haben hierin daher ferner herausgefunden, dass es vorteilhaft wäre, Reaktionskammern zu liefern, die in jeder Ausrichtung arbeiten, weil es dies ermöglichen würde, dass dieselben in Verbindung mit tragbaren Geräten verwendet werden können, einschließlich denjenigen, die häufig in einer Vielzahl von Ausrichtungen verwendet werden, und die Verwendung von Brennstoffzellensystemen in tragbaren Geräten ermöglichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung erfolgt mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
1 ist eine Teildraufschnittansicht einer Brennstoffkassette gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in 1.
3 ist eine Draufsicht einer Brennstoffkassette gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer vorliegenden Erfindung, die mit einer Pumpe verbunden ist.
4 ist eine Teildraufschnittansicht eines Teils einer Brennstoffkassette gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Teildraufschnittansicht einer Brennstoffkassette gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Seitenschnittansicht eines Teils der Brennstoffkassette, die in 5 dargestellt ist.
7 ist eine Schnittansicht einer Verbinderanordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer vorliegenden Erfindung in einem getrennten Zustand.
8 ist eine Schnittansicht der Verbinderanordnung in 1 in einem verbundenen Zustand.
9 ist eine Teilschnittansicht einer Reaktionskammer gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer vorliegenden Erfindung.
10 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Hostvorrichtung und Brennstoffkassette gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer vorliegenden Erfindung.
11 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Hostvorrichtung und Brennstoffkassette gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Eine Brennstoffkassette gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Brennstoffreservoir, eine Reaktionskammer, die einen Katalysator umfasst und eine passive Struktur, die angepasst ist, um Fluidfluß von dem Brennstoffreservoir zu der Reaktionskammer zu widerstehen. Eine solche Brennstoffkassette liefert im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffkassetten eine Anzahl von Vorteilen. Insbesondere verhindert die passive Struktur, dass die brennstoffenthaltende Substanz in die Reaktionskammer eindringt, bis ein vorbestimmter Druckgradient über die passive Struktur gebildet ist. Die Freigabe von gasförmigen Brennstoff von der brennstoffenthaltenden Substanz kann daher genau gesteuert werden durch Steuern des Drucks an der passiven Struktur. Die vorliegende Erfindung erübrigt auch den Bedarf, kompri mierten gasförmigen Brennstoff zu speichern und liefert folglich höhere Sicherheits- und Energiedichtepegel als herkömmliche Brennstoffkassetten, die komprimierten gasförmigen Brennstoff speichern.
Eine Reaktionskammer gemäß einer der Erfindungen hierin umfasst ein externes Gehäuse, das einen ersten Reaktanzeinlass, einen Flüssigkeitsauslass und einen Gasauslass und eine im Wesentlichen gasdurchlässige/im Wesentlichen flüssigkeitsundurchlässige Struktur definiert, die den ersten Reaktanzeinlass und den Flüssigkeitsauslass von dem Gasauslass trennt. Die im Wesentlichen gasdurchlässige/im Wesentlichen flüssigkeitsundurchlässige Struktur umfasst einen Einlass, der wirksam mit dem ersten Reaktanzeinlass des äußeren Gehäuses verbunden ist, und einen Flüssigkeitsauslass, der wirksam mit dem Flüssigkeitsauslass des äußeren Gehäuses verbunden ist. Eine solche Reaktionskammer liefert eine Anzahl von Vorteilen im Vergleich zu herkömmlichen Reaktionskammern. Beispielsweise behindert die Ausrichtung der Reaktionskammern nicht die Freigabe eines gasförmigen Produkts von der Reaktion, die in derselben auftritt. Genauer gesagt, Gas (und Gasdruck) bauen sich in der Fläche zwischen der im Wesentlichen gasdurchlässigen/im Wesentlichen flüssigkeitsundurchlässigen Struktur und dem Gasauslass auf, während die Reaktion fortschreitet. Der Druck bewirkt, dass Gas über den Gasauslass austritt, unabhängig von der Ausrichtung der Reaktionskammer. Im Zusammenhang von Brennstoffkassetten ist dies besonders sinnvoll, weil die Hostvorrichtung in einer Vielzahl von Ausrichtungen beweglich sein kann und betrieben werden kann.
Eine Vorrichtung gemäß einer der Erfindungen hierin umfasst eine Vorrichtung, die elektrische Leistung verbraucht, eine Brennstoffzelle und eine Reaktionskammer, die einen Einlass umfasst, der angepasst ist, um mit einer Brennstoffquelle verbunden zu werden, einen Katalysator und einen Brennstoffauslass, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist. Die Reaktionskammer kann beispielsweise angepasst sein, um gasförmigen Brennstoff von einer brennstoffenthaltenden Substanz zu erzeugen. Dies ermöglicht es, dass das Gerät in Kombination mit Brennstoffkassetten verwendet wird, die keine eigenen Katalysatorkammern haben.
Es folgt eine detaillierte Beschreibung der derzeit besten bekannten Modi zum Ausführen der Erfindungen. Diese Beschreibung ist nicht einschränkend zu sehen, sondern ist lediglich zum Zweck der Darstellung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung vorgesehen. Obwohl die hierin erörterten Erfindungen im Zusammenhang von Brennstoffzellen und Hostgeräten erörtert werden, die durch Brennstoffzellen betrieben werden, sind die hierin beschriebenen Brennstoffkassetten und Reaktionskammern außerdem nicht auf die ausschließliche Verwendung mit Brennstoffzellen begrenzt. Bezüglich Brennstoffzellen sind die vorliegenden Erfindungen auf einen großen Bereich von Brennstoffzelltechnologien anwendbar, einschließlich denjenigen, die derzeit entwickelt werden oder noch in Zukunft entwickelt werden. Obwohl verschiedene beispielhafte Brennstoffkassetten nachfolgend mit Bezugnahme auf eine Protonaustauschmembran- (PEM-) Brennstoffzelle beschrieben werden, können somit andere Brennstoffzellentypen, wie z. B. Festoxidbrennstoffzellen, gleichermaßen für die vorliegenden Erfindungen geeignet sein. Es sollte auch angemerkt werden, dass detaillierte Erörterungen der Brennstoffzellenstrukturen, der Strukturen von anderen brennstoffverbrauchenden Geräten und der internen Betriebskomponenten von Hostgeräten, die durch dieselben angetrieben werden, die sich nicht auf die vorliegende Erfindung beziehen, der Einfachheit halber ausgelassen wurden.
Wie es beispielsweise in 1 dargestellt ist, umfasst eine beispielhafte Brennstoffkassette 100 ein Brennstoffreservoir 102, das eine brennstoffenthaltende Substanz FCS speichert, eine Reaktionskammer 104, die einen Katalysator speichert, und ein Nebenproduktreservoir 106, das das Nebenprodukt BP der Reaktion speichert, die in der Reakti onskammer auftritt. Die brennstoffenthaltende Substanz FCS wird durch eine Einlassleitung 108 zu der Reaktionskammer 104 geliefert, während das Nebenprodukt BP durch eine Auslassleitung 110 zu dem Nebenproduktreservoir 106 geleitet wird. Die Einlassleitung und die Auslassleitung 108 und 110 sind vorzugsweise röhrenförmige Strukturen, die offene Regionen definieren, durch die die brennstoffenthaltende Substanz FCS und das Nebenprodukt BP fließen. Der Brennstoff F und das Nebenprodukt BP können in der Reaktionskammer 104 auf jede geeignete Weise voneinander getrennt werden, einschließlich beispielsweise derart, die nachfolgend mit Bezugnahme auf 9 beschrieben ist. Ein Kassettengehäuse 112 ist ebenfalls vorgesehen, um das Brennstoffreservoir 102, die Reaktionskammer 104 und ein Nebenproduktreservoir 106 zu schützen, und um das Hostgerät von jeglichem Auslaufen von denselben zu schützen.
Der Brennstoff F, der von der brennstoffenthaltenden Substanz FCS freigegeben wird, verlässt die Brennstoffkassette 100 durch einen Auslassverbinder 114. Der Verbinder 114 wirkt auch als eine Abdeckung, um die Freigabe von Brennstoff zu verhindern, bis derselbe mit einem entsprechenden Hostgeräteinlassverbinder 116 zusammenpasst, auf die Weise, die nachfolgend mit Bezugnahme auf 7 und 8 beschrieben ist.
Obwohl die vorliegenden Erfindungen nicht auf einen bestimmten Brennstoff oder eine brennstoffenthaltende Substanz beschränkt sind, ist ein Typ von brennstoffenthaltender Substanz brennstoffenthaltende chemische Zusammensetzungen, die verwendet werden, um Stickstoff zu liefern (der Brennstoff, der bei der beispielhaften PEM-Brennstoffzelle verwendet wird). Natriumborhydrid ist beispielsweise eine feste Verbindung in einer wässrigen Lösung, die beim Vorliegen von einem oder mehreren Übergangsmetallkatalysatoren, wie z. B. Ruthenium (Ru), ohne weiteres Wasserstoff bildet, wie es durch die folgende chemische Gleichung dargestellt ist: NaBH₄ + 2H₂O → 4H₂ + NaBO₂. Die Lösung sollte auch eine ausreichende Konzentration von Natriumhydroxid enthalten, um die Bildung einer wahrnehmbaren Menge an Wasserstoff während der Speicherung zu verhindern. Andere beispielhafte brennstoffenthaltende Substanzen umfassen Lithiumhydrid, Natriumhydrid oder jedes Alkalimetallhydrid, während andere beispielhafte Katalysatoren Nickel, Palladium und Ruthenium umfassen.
Das beispielhafte Brennstoffreservoir 102, die Reaktionskammer 104, das Nebenproduktreservoir 106 und das Kassettengehäuse 112 können aus jedem geeigneten Material oder Materialien gebildet sein. Bei beispielhaften Ausführungsbeispielen, wo Natriumborhydrid verwendet wird, um Wasserstoffgas zu erzeugen, sind das Brennstoff- und Nebenproduktreservoir 102 und 106 und die Reaktionskammer 104 jeweils zylindrisch in der Form und aus Kunststoffen gebildet, wie z. B. Polyolefinen, die Polyethylen und Polypropylen umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Korrosionsbeständige Metalle sind ein weiteres Material, aus der die Brennstoff- und Nebenproduktreservoire 102 und 106 und die Reaktionskammer 104 hergestellt sein können. Die Reservoire 102 und 106 und die Reaktionskammer 104 können auch in der Form rechteckig sein. Alternativ kann die Brennstoffkassette einfach ein Gehäuse, das ähnlich ist wie das Gehäuse 112 und interne Trennungswände umfassen, die das Innere des Gehäuses in eine Anzahl von einzelnen Kammern trennen.
Die Größe der beispielhaften Brennstoffkassette 100 würde beispielsweise gemäß Faktoren, wie z. B. der Größe des Hostgeräts und der gewünschten Menge an brennstoffenthaltender Substanz, die zu speichern ist, variieren. Obwohl die vorliegenden Erfindungen nicht auf eine bestimmte Größe begrenzt sind, enthält die beispielhafte Brennstoffkassette 100, die aus einer Natriumborhydridlösung Wasserstoff erzeugt und für die Verwendung in einem Personaldigitalassistenten („PDA") geeignet ist, etwa 10 Millimeter (ml) einer Natriumborhydridlösung. Es wird in Betracht gezogen, dass abhängig von der Anwendung und der Art der brennstoffenthaltenden Substanz die Größe der Kassette variiert werden kann, um von weniger als 10 ml brennstoffenthaltender Substanz für ein kleines Hostgerät mit geringer Leistung bis zu 100 ml oder mehr für ein größeres Hostgerät mit höherer Leistung aufzunehmen. Diese Volumen können selbstverständlich nach Bedarf erhöht oder verringert werden.
Die beispielhafte Brennstoffkassette 100 und der Teil des Hostgeräts, der die Brennstoffkassette aufnimmt, haben vorzugsweise entsprechende Formen und eine mechanische Verriegelungsvorrichtung (nicht gezeigt), wie z. B. eine Schienen- und Schlitzanordnung, um zu verhindern, dass die Brennstoffkassette unsachgemäß verbunden wird, und in vielen Fällen zu verhindern, dass der falsche Brennstoffkassettentyp mit dem Hostgerät verbunden wird. Eine geeignete Verriegelungsvorrichtung, wie z. B. eine Arretierung (nicht gezeigt) können auch vorgesehen sein, um die Brennstoffkassette in Position zu halten. Eine relativ kleine Brennstoffkassette 100 (im Vergleich zu dem Hostgerät) könnte in das Hostgerät eingefügt werden, während relativ große Brennstoffkassetten außen befestigt werden könnten. Ein Gehäuse 112 einer außen befestigten Brennstoffkassette für die Verwendung mit einem PDA könnte beispielsweise etwa 3 Zoll × etwa 6 Zoll × etwa 0,5 Zoll sein.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen, und wie es beispielsweise in 3 dargestellt ist, kann die brennstoffenthaltende Substanz durch eine Pumpe 118 (wie z. B. einer Pumpe, die durch einen elektrischen Motor betrieben wird) aus dem Brennstoffreservoir 102 gezogen werden, die dem Hostgerät zugeordnet ist und nachgeschaltet zu dem Hostgeräteinlassverbinder 116 angeordnet ist. Bei anderen Implementierungen kann die Brennstoffkassette 100 mit ihrer eigenen Quelle potentieller Energie versehen sein. Wie es beispielsweise in 4 dargestellt ist, ist ein beispielhaftes Brennstoffreservoir 102' mit einer Feder 120 und einem Schieber 122 versehen, die zusammen eine interne Pumpe bilden, die Druck an die brennstoffenthaltende Substanz in einem Speicherbereich 124 anlegt. Hier wird statt der Pumpe 118 ein Absperrventil 126 verwendet. Die beispielhafte Brennstoffkassette 100', die in 5 dargestellt ist, die im Wesentlichen ähnlich ist wie die beispielhafte Brennstoffkassette 100 (und ähnliche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen dargestellt) umfasst eine interne elektromotorbetriebene Pumpe 127 entlang der Leitung, die dem Verbinder 114 zugeordnet ist. Hier ist die Brennstoffkassette 100' elektrisch verbunden mit dem Hostgerät, und außerdem mechanisch/fluidisch verbunden, so dass die Pumpe 127 durch das Hostgerät gesteuert werden kann. Die Steuerung der Pumpe 118, des Absperrventils 126 und der Pumpe 127 sind nachfolgend näher erörtert.
Das beispielhafte Nebenproduktreservoir 106 kann nach Wunsch ein Gerät umfassen, das ein Vakuum erzeugt und das Nebenprodukt in das Reservoir zieht. Geeignete Vakuumserzeugungsgeräte können beispielsweise eine Feder- und Schieberanordnung umfassen, ähnlich wie diejenige, die in 4 dargestellt ist, wenn auch mit der Feder auf der gegenüberliegenden Seite des Schiebers.
Brennstoffkassetten gemäß der vorliegenden Erfindung können auch mit einer passiven Struktur versehen sein, die bei der Abwesenheit eines vorbestimmten Schwellenwertsdruckgradienten über die Struktur verhindert, dass die brennstoffenthaltende Substanz in Kontakt mit dem Katalysator kommt. Die passive Struktur in der beispielhaften Brennstoffkassette 100, die in 1–3 dargestellt ist, ist eine poröse Struktur 128. Die Kapillarkräfte, die durch die Poren der porösen Struktur 128 erzeugt werden, und Gegendruck von jeglichem vorher freigegebenen Stickstoff in der Reaktionskammer 104 verhindern, dass die brennstoffenthaltende Substanz FCS in dem Reservoir 102 in Kontakt mit dem Katalysator in der Reaktionskammer 104 kommt, wenn die Pumpe 118 nicht arbeitet. Der Betrieb der Pumpe 118 wird den vorher erzeugten Wasserstoff einziehen und eine Vakuumkraft (oder einem „Druckgradient") über die poröse Struktur 128 erzeugen, die ausreichend ist, um die Kapillarkräfte zu überwinden (d. h. ein Schwellenwert, der dieser bestimmten porösen Struktur zugeordnet ist) und die brennstoffenthaltende Substanz FCS in die Reaktionskammer 104 ziehen. Die Erzeugung von Wasserstoff oder anderem Brennstoff F kann daher gesteuert werden durch Steuern des Betriebs der Pumpe 118, weil die brennstoffenthaltende Substanz FCS nur mit dem Katalysator reagiert und Brennstoff nur erzeugt wird, wenn die Pumpe arbeitet.
Das beispielhafte Ausführungsbeispiel, das in 4 dargestellt ist, arbeitet auf ähnliche Weise. Hier liefern jedoch die Feder 120 und der Schieber 122 eine konstante Kraft an die brennstoffenthaltende Substanz, die ausreichend ist, um die Kapillarkräfte zu überwinden, die durch die Poren der porösen Struktur 128 erzeugt werden. Wenn das Absperrventil 126 geschlossen ist, verhindert die Kombination der Kapillarkräfte, die durch die Poren erzeugt werden, und des Gegendrucks von dem vorher freigegebenen Wasserstoff in der Reaktionskammer 104, dass die brennstoffenthaltende Substanz in dem Reservoir 102 in Kontakt mit dem Katalysator in der Reaktionskammer 104 kommt. Das Öffnen des Absperrventils 126 ermöglicht es, dass freigegebener Wasserstoff in die Brennstoffzelle fließt, wodurch der Gegendruck auf einen Pegel reduziert wird, der es der brennstoffenthaltenden Substanz FCS ermöglicht, die poröse Struktur 128 zu durchqueren. Die Erzeugung von Brennstoff F kann daher gesteuert werden durch Steuern des Absperrventils 126, weil die brennstoffenthaltende Substanz FCS nur mit dem Katalysator reagiert und Brennstoff nur erzeugt wird, wenn das Ventil offen ist.
Geeignete Materialien für die poröse Struktur 128 umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Membrane, Schaumstoffe, Keramik, poröse Filter, die durch Sintern von feinen Polymerteilchen gebildet werden, gesponnene Filter und gewebte Filter. Sowohl organische als auch anorganische Materialien können verwendet werden. Variablen, wie z. B. die Affinität des Materials für Flüssigkeit (d. h., ob dasselbe hydrophil oder hydrophob ist), Selektivität, Permeabilität, Porosität und Dichte sollten ebenfalls berücksichtigt werden. Der Porendurchmesser, eine weitere Variable, die berücksichtigt werden sollte, reicht vorzugsweise von 0.001 Mikrometer bis zu 100 Mikrometer. Obwohl das Material gemäß der beabsichtigten Anwendung variieren kann, ist ein Beispiel eines geeigneten Materials CELGARD^®, ein polypropylenhydrophobes Membranmaterial, das einen Porendurchmesser von 0,03 Mikrometer hat.
Eine weitere beispielhafte passive Struktur wird bei der beispielhaften Brennstoffkassette 100' verwendet, die in 5 und 6 dargestellt ist. Genauer gesagt ist die beispielhafte Brennstoffkassette 100' mit einer Kapillarstruktur 130 versehen, die eine Mehrzahl von axial ausgerichteten Kapillaren 132 mit kleinem Durchmesser umfasst. Die Kapillaren 132 sind etwa vorzugsweise 10 Mikrometer bis etwa 400 Mikrometer im Durchmesser und aus Faserfiltern, hohlen Faserfiltern oder porösen Kunststoffen mit axial ausgerichteten Poren hergestellt. Die Porengrößen und Materialien können selbstverständlich je nach Anwendung variieren. Die Kapillarkräfte, die durch die Grenzflächen-Oberflächenspannung zwischen der brennstoffenthaltenden Substanz FCS und den einzelnen Kapillaren 132 erzeugt werden, führen in Kombination mit dem Gegendruck von restlichem Wasserstoff in der Reaktionskammer 104 zu der Bildung einer Front 134 und verhindern, dass die brennstoffenthaltende Substanz in dem Reservoir 102 in Kontakt mit dem Katalysator in der Reaktionskammer 104 kommt, wenn die Pumpe 127 nicht arbeitet. Der Betrieb der Pumpe 127 zieht den restlichen Wasserstoff von der Reaktionskammer 104 und den Poren 132 hinein und erzeugt eine Vakuumkraft über die Kapillarstruktur 130, die ausreichend ist, um die Kapillarkräfte zu überwinden (d. h. ein Schwellenwert, der für diese bestimmte Kapillarstruktur bestimmt ist) und die brennstoffenthaltende Substanz in die Reaktionskammer zu ziehen. Die Erzeugung von Wasserstoff oder einem anderen Brennstoff F kann daher gesteuert werden durch Steuern des Betriebs der Pumpe 127, weil die brennstoffenthaltende Substanz FCS nur mit dem Katalysator reagiert und Brennstoff nur erzeugt wird, wenn die Pumpe arbeitet.
Obwohl die vorliegenden Erfindungen nicht auf eine bestimmte Verbinderanordnung begrenzt sind, ist die bevorzugte Anordnung eine selbstabdichtende Einlass-/Auslassverbinderanordnung, die Austritt verhindert. Mit einer solchen selbstabdichtenden Anordnung werden Abdichtungen an dem Auslassverbinder 114 an der Brennstoffkassette 100 und dem Hostgeräteinlassverbinder 116 beibehalten, wenn die beiden miteinander verbunden werden und voneinander getrennt werden, wenn die Brennstoffkassette von dem Hostgerät aufgenommen wird und von demselben entfernt wird. Sobald die abgedichtete Verbindung hergestellt ist, wird es Brennstoff ermöglicht, unter den nachfolgend beschriebenen Bedingungen von der Reaktionskammer 104 zu einer Brennstoffzelle oder einem anderen brennstoffverbrauchenden Gerät zu fließen. Vorzugsweise tritt die Verbindung automatisch auf, wenn die Brennstoffkassette 100 durch die Hostverbindung aufgenommen wird (z. B. in dieselbe eingefügt oder mit derselben verbunden wird), um die Brennstoffkassette mit dem zugeordneten brennstoffverbrauchenden Gerät zu verbinden.
Ein Beispiel einer selbstabdichtenden Brennstoffeinlass-/Auslassverbinderanordnung, die in Verbindung mit den vorliegenden Erfindungen verwendet werden kann, ist in 7 und 8 dargestellt. Der beispielhafte Brennstoffauslassverbinder 114 umfasst einen hohlen zylindrischen Vorsprung 136 mit einer nach innen vorstehenden Kante 138 und einem Lumen 140, das sich in die Reaktionskammer 104 öffnet. Das Ende 142 umfasst eine nachgiebige Trennwand 144 mit einem Schlitz 146, der durch eine Quetschkappe 148 gesichert ist. Eine Feder 150 (oder andere Vorspannungsvorrichtungen) und eine Abdichtungskugel 152 sind zwischen der nachgiebigen Trennwand 144 und der nach innen vorstehenden Kante 138 positioniert. Die Länge der Feder 150 ist derart, dass die Feder die Abdichtungskugel 152 gegen die Trennwand 144 vorspannt, um eine Abdichtung zu bilden. Das Ende 154 der Klemmabdeckung 148 umfasst eine Öffnung, die mit dem Trennwandschlitz 146 ausgerichtet ist.
Bei der beispielhaften Implementierung, die in 7 und 8 dargestellt ist, umfasst der Hostgeräteinlassverbinder 116 eine Nadel 156 mit einem geschlossenen Ende 158, einem lateralen Loch 160 und einer Bohrung, die sich von dem lateralen Loch axial durch die Nadel erstreckt. Eine Gleitmanschette 162, die die Nadel 156 umgibt und durch eine Feder 164 (oder andere Vorspannungsvorrichtungen) gegen einen ringförmigen Anschlag 166 vorgespannt ist, umfasst einen nachgiebigen Abdichtungsabschnitt 168 und einen im Wesentlichen starren Halteabschnitt 170. Der nachgiebige Abdichtungsabschnitt 168 umfasst eine freigelegte obere Oberfläche 172 und eine innere Oberfläche 174, die in Kontakt mit einer Nadel 156 ist. Bei der in 7 getrennten dargestellten Position ist das Loch 160 durch die Innenoberfläche 174 des Abdichtungsabschnitts umgeben und abgedichtet. Der Einlassverbinder 160 ist ebenfalls vorzugsweise mit einem sich verjüngenden Einführabschnitt 176 versehen, der den Auslassverbinder 114 führt und zentriert, während sich derselbe in die in 8 dargestellte verbundene Position bewegt.
Wenn der Brennstoffauslassverbinder 114 in den Einlassverbinder 116 eingefügt ist (8), um eine Verbindung zwischen der Brennstoffkassette 100 und dem Hostgerät herzustellen, verläuft das geschlossene Ende 158 der Nadel 156 durch den Trennwandschlitz 146. Die Trennwand 144 sollte daher nachgiebig genug sein, um es zu ermöglichen, dass die Nadel 156 ohne große Einfügungskräfte eingefügt wird, und dennoch steif genug, um eine dichte Abdichtung zu liefern, wenn die Nadel entfernt wird. Wenn die Nadel 156 durch die Trennwand 144 in den zylindrischen Vorsprung 136 verläuft, werden die Gleitmanschette 162 und die Abdichtungskugel 152 in entgegengesetzte Richtungen gedrückt, bis das Loch 160 freigelegt ist. Dies stellt eine Kommunikation zwischen der Brennstoffkassette 100 und dem Hostgerät her. Zusätzliche Einzelheiten bezüglich der beispielhaften Verbindungsanordnung, die in 7 und 8 dargestellt ist, finden sich in dem U.S.-Patent Nr. 6,015,209, das der Hewlett-Packard-Company übertragen ist und hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Die beispielhafte Reaktionskammer 104 ist konfiguriert, so dass die Ausrichtung der Reaktionskammer die Freigabe von gasförmigem Brennstoff (bei den dargestellten Implementierungen Wasserstoff) nicht behindert. Mit Bezugnahme auf 9 umfasst die beispielhafte Reaktionskammer 104 ein externes Gehäuse 178, das einen Brennstoffenthaltende-Substanz-Einlass 179 und einen Nebenproduktauslass 181 aufweist, und eine interne Reaktionsregion 180, die durch ein gasdurchlässiges/flüssigkeitsundurchlässiges Katalysatorgehäuse 182 begrenzt ist. Geeignete gasdurchlässige/flüssigkeitsundurchlässige Materialien für das Katalysatorgehäuse 182 umfassen poröse hydrophobe Membranmaterialien, wie z. B. GORE-TEX^TM-Material und CELGARD^TM-Hohlfasermembranmaterial. Ein Katalysator, der beispielsweise aus einem oder mehreren Katalysatorbaugliedern besteht, ist in dem Katalysatorgehäuse 182 positioniert, für eine Reaktion mit der brennstoffenthaltenden Substanz. Vorzugsweise hat der Katalysator die Form einer Mehrzahl von porösen Karbonkügelchen 184, die mit Katalysatormaterial beschichtet sind. Das Katalysatorgehäuse 182 ist auch mit einer Einlassöffnung 186 und einer Auslassöffnung 188 versehen, die jeweils mit einer Dichtung 190 abgedichtet sind. Der Innendurchmesser des Gehäuses 178 ist etwas größer als der Außendurchmesser des Katalysatorgehäuses 182 und erzeugt dadurch einen relativ kleinen Gassammelbereich 192. Ein Gasauslass 194 ermöglicht es, dass Gas von dem Gassammelbereich 192 in den Auslassverbinder 114 fließt.
Bezüglich des Betriebs der beispielhaften Reaktionskammer 104 tritt die brennstoffenthaltende Substanz FCS (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Natriumborhydrid) durch eine Einlassöffnung 186 in das Katalysatorgehäuse 182 ein, und wird dem Katalysatormaterial (bei dem beispielhaften Ausführungsbeispiel Ruthenium) auf den Kügelchen 184 ausgesetzt. Gasförmiger Brennstoff F und flüssiges Nebenprodukt BP (bei dem beispielhaften Ausführungsbeispiel Wasserstoff und Natriumborat) formen sich in dem Katalysatorgehäuse 182. Während sich der Druck aufbaut, verläuft der gasförmige Brennstoff F durch das Katalysatorgehäuse 182 in den Gassammelbereich 192 und verlässt schließlich die Reaktionskammer 104 durch den Gasauslass 194. Das hydrophobe Katalysatorgehäuse 182 wird es jedoch dem flüssigen Nebenprodukt BP nicht erlauben, hindurchzutreten. Das flüssige Nebenprodukt BP wird statt dessen das Katalysatorgehäuse durch den Auslass 188 verlassen und dann durch die Auslassleitung 110 zu dem Nebenproduktreservoir 106 fließen. Weil die vorliegende Reaktionskammer 104 sich auf inneren Druck und/oder ein äußeres Vakuum verlässt, das durch eine Pumpe, wie z. B. die Pumpe 118 in 3, erzeugt wird, und nicht auf die Schwerkraft, um das Gas von der Flüssigkeit zu trennen und das Gas herauszupumpen, arbeitet die vorliegende Reaktionskammer unabhängig von der Ausrichtung.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann ein Teil der Innenoberfläche des externen Gehäuses 178 mit einer Lage aus geeignetem gasdurchlässigem/flüssigkeitsundurchlässigem Material bedeckt sein, das zumindest den Gasauslass 194 bedeckt, anstatt dem Katalysatorgehäuse 182. Hier wird das Katalysatormaterial einfach in das externe Gehäuse 178 platziert, auf eine Weise, die dasselbe daran hindert, in die Einlass- und Auslassöffnungen 186 und 188 einzudringen. Obwohl das beispielhafte externe Gehäuse 178 und Katalysatorgehäuse 182 zylindrisch in der Form sind, ist die vorliegende Erfindung außerdem nicht darauf beschränkt und die Formen können nach Wunsch variiert werden, um zu bestimmten Anwendungen zu passen. Beispielsweise kann eine gasdurchlässige/flüssigkeitsundurchlässige Wand verwendet werden, um das Innere des externen Gehäuses 178 in zwei Regionen zu unterteilen und die Einlass- und Auslassöffnungen 186 und 188 von dem Gasauslass 194 zu trennen.
Es sollte auch angemerkt werden, dass die beispielhafte Reaktionskammer 104 in anderen Bereichen als Brennstoffkassetten Anwendung findet. Genauer gesagt, die Reaktionskammer ist in jeder Situation sinnvoll, wo es wünschenswert sein kann, gasförmige und flüssige Reaktionsprodukte von zwei oder mehr Reaktanten zu trennen, insbesondere in den Situationen, wo die Ausrichtung der Reaktionskammer während des Betriebs variieren kann.
Obwohl die vorliegenden Erfindungen nicht auf die Verwendung mit einem bestimmten Hostgerät begrenzt ist, ist der brennstoffzellenbetriebene PDA 200, der in 10 dargestellt ist, ein Beispiel einer Vorrichtung mit einem Element, das elektrische Leistung verbraucht, die durch die vorliegenden Brennstoffkassetten betrieben werden kann. Der beispielhafte PDA 200 umfasst ein Gehäuse, das abgemessen ist, um in einer Menschenhand getragen zu werden, und das eine Mehrzahl von Tasten 202, eine Anzeige 204, einen Lautsprecher 206 und ein Mikrophon 208 trägt. Ein Modem 210 und ein Tor 212, wie z. B. ein serielles oder ein USB-Tor, können ebenfalls vorgesehen sein. Jede dieser Vorrichtungen ist vorzugsweise entweder direkt oder indirekt mit einer Systemspeicherung 214 verbunden, die einen Prozessor, einen Speicher, zugeordnete Software und/oder jede andere Vorrichtung umfassen kann, die verwendet wird, um den Betrieb des PDA zu steuern, so dass der PDA verschiedene Funktionen durchführt. Solche Funktionen umfassen herkömmliche PDA-Funktionen, zusätzliche PDA-Funktionen, die zukünftig entwickelt werden und die Leistungssteuerfunktionen (nachfolgend erörtert) im Zusammenhang mit den vorliegenden Erfindungen.
Der beispielhafte PDA 200 wird durch einen Brennstoffzellenstapel 216 betrieben, der aus einer oder mehreren Zellen 218 besteht. Obwohl die vorliegenden Erfindungen nicht auf einen bestimmten Typ von Brennstoffzellensystemen beschränkt sind, sind die beispielhaften Brennstoffzellen 218 PEM-Brennstoffzellen. Wie es für Fachleute auf diesem Gebiet bekannt ist, umfasst jede Zelle 218 in dem Stapel aus PEM-Brennstoffzellen 216 eine Anode 220 und eine Kathode 222, die durch ein PEM 224 getrennt sind. Brennstoff, wie z. B. Wasserstoff, wird an die Anode 220 geliefert und Sauerstoff an die Kathode 222. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann Sauerstoff an den Brennstoffzellenstapel 216 geliefert werden, durch Ziehen von Umgebungsluft in den Stapel durch eine Lüftung in dem PDA-Gehäuse. Ein Ventilator kann vorgesehen sein, um diesen Prozess zu ermöglichen. Der Brennstoff wird an einem Anodenkatalysator elektrochemisch oxidiert und erzeugt dadurch Protonen, die über das leitende PEM 224 wandern und mit dem Sauerstoff an einem Kathodenkatalysator reagieren, um ein Nebenprodukt (bei dem beispielhaften Ausführungsbeispiel Wasserdampf und Stickstoff) zu erzeugen, das von dem Brennstoffzellenstapel 216 wegbefördert wird durch einen Verteiler und aus dem PDA-Gehäuse ausgelassen wird.
Die einzelnen Zellen 218 in dem beispielhaften Stapel 216 sind in elektrischen Reihen mit bipolaren Platten zwischen denselben gestapelt, die Strom zwischen der Anode 220 einer Zelle und der Kathode 222 der benachbarten Zelle leiten. Der Brennstoff fließt von der Kassette 100 durch einen Verteiler und zwischen den Anoden und zugeordneten Platten. Die Umgebungsluft fließt zwischen den Kathoden und zugeordneten Platten. Der Stapel 216 ist mit verschiedenen elektrischen Ladungen in dem PDA 200 verbunden, wie z. B. der Anzeige 204 und der Systemsteuerung 214.
Der PDA 200 oder das andere Hostgerät sollte auch eine Batterie 226 umfassen, um vor der anfänglichen Übertragung von Brennstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 216 Leistung zu liefern. Eine solche Leistung würde beispielsweise verwendet, um die Systemsteuerung 214 und die Pumpe 118 vor der Erzeugung von Leistung durch den Brennstoffzellenstapel 216 zu betreiben.
Während dem Betrieb des beispielhaften PDA 200 wird die Pumpe 118 (oder das Ventil 126 oder die Pumpe 127) durch die Systemsteuerung 214 (oder eine getrennte Steuerung) zusammen mit den anderen Komponenten und Teilsystemen gesteuert (manchmal als „Ausrüstungsgleichgewicht"-Komponenten und Systeme bezeichnet), die die Steuerung des beispielhaften PEM-Brennstoffzellensystems steuern. Eine Rückkopplungsschleife ist ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern der Herstellung von Brennstoff in den Brennstoffkassetten 100 und 100'. Eine solche Steuerung würde die Rate der Brennstoffproduktion umfassen, zusätzlich dazu, ob Brennstoff überhaupt erzeugt wird oder nicht.
Ein weiterer beispielhafter brennstoffzellenbetriebener PDA, der im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 200' dargestellt ist, ist in 11 dargestellt. Der PDA 200' ist im Wesentlichen ähnlich in der Struktur und in dem Betrieb wie der PDA 200, der in 10 dargestellt ist, und ähnliche Elemente sind durch ähnliche Bezugszeichen dargestellt. Hier ist jedoch der PDA 200' (oder das andere Hostgerät) mit einer Katalysatorkammer 104 und einer porösen Struktur 128 versehen. Eine Brennstoffkassette 228, die ein Brennstoffreservoir 102 zum Speichern einer brennstoffenthaltenden Substanz und ein Nebenproduktreservoir 106 zum Speichern eines Nebenprodukts umfasst, kann durch ein Paar von Verbindern 114 mit dem PDA 200' verbunden sein, die mit den entsprechenden Verbindern 116 auf dem PDA zusammenpassen. Das Brennstoffreservoir 102 wird durch die poröse Struktur 128 mit der Katalysatorgehäuseeinlassöffnung 186 (9) verbunden, während das Nebenproduktreservoir 106 mit der Katalysatorgehäuseauslassöffnung 188 verbunden wird (9), wenn die Brennstoffkassette 228 mit dem PDA 200' verbunden ist. Die Katalysatorkammer 104 und eine poröse Struktur 128 arbeiten auf die jeweilige oben beschriebene Weise.
Bei einer alternativen Implementierung kann die poröse Struktur in dem Katalysatorkammergehäuse angeordnet sein, beispielsweise an der Einlassöffnung 186. Es sollte auch angemerkt werden, dass die beispielhafte poröse Struktur und eine Katalysatorkammeranordnung, die in 11 dargestellt sind, nicht auf die Verwendung mit PDAs beschränkt sind und in Verbindung mit jedem Hostgerät verwendet werden können.
Obwohl die vorliegenden Erfindungen bezüglich der oben aufgeführten bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, sind zahlreiche Modifikationen und/oder Hinzufügungen zu den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen für Fachleute auf diesem Gebiet ohne weiteres offensichtlich. Beispielsweise, aber nicht beschränkend, können die verschiedenen Komponenten der beispielhaften oben beschriebenen Brennstoffkassetten ausgetauscht werden. Brennstoffkassetten gemäß den vorliegenden Erfindungen können auch ein Brennstoffzellennebenproduktreservoir umfassen, um ein Nebenprodukt von dem Betrieb der Brennstoffzelle in den Fällen zu speichern, wo es nicht praktisch ist, das Nebenprodukt aus dem Hostgerät abzulassen. Es ist beabsichtigt, dass sich der Schutzbereich der vorliegenden Erfindungen sich auf alle solche Modifikationen und/oder Hinzufügungen erstreckt.

Claims

Eine Brennstoffkassette, die folgende Merkmale umfasst: ein Brennstoffreservoir (102); eine Reaktionskammer (104), die einen Katalysator speichert; eine offene Region (108), die das Brennstoffreservoir (102) mit der Reaktionskammer (104) verbindet; und eine passive Struktur (128, 130), die in der offenen Region (108) angeordnet ist, die angepasst ist, um Fluidfluss von dem Brennstoffreservoir (102) zu der Reaktionskammer (104) zu widerstehen.
Eine Brennstoffkassette gemäß Anspruch 1, bei der die Reaktionskammer (104) einen Einlass (186), der wirksam mit dem Brennstoffreservoir (102) verbunden ist, und einen Gasauslass (194) umfasst.
Eine Brennstoffkassette gemäß Anspruch 2, die ferner folgende Merkmale umfasst: ein Nebenproduktreservoir (106), das einen Flüssigkeitseinlass umfasst; wobei die Reaktionskammer (104) einen Flüssigkeitsauslass (181) umfasst, der wirksam mit dem Nebenproduktkammerflüssigkeitseinlass verbunden ist.
Eine Brennstoffkassette gemäß Anspruch 1, bei der die offene Region (108) durch ein röhrenförmiges Bauglied definiert ist.
Eine Brennstoffkassette gemäß Anspruch 1, bei der die passive Struktur (128, 130) Kapillarkräfte erzeugt, die Fluidfluss widerstehen.
Eine Reaktionskammer für die Verwendung mit zumindest einem ersten und einem zweiten Reaktanten, wobei die Reaktionskammer ein äußeres Gehäuse (178), das einen ersten Reaktanzeinlass (179), einen Flüssigkeitsauslass (181) und einen Gasauslass (194) definiert, und eine im Wesentlichen gasdurchlässige/im Wesentlichen flüssigkeitsundurchlässige Struktur (182) umfasst, die in dem äußeren Gehäuse (178) angeordnet ist, die den ersten Reaktanzeinlass (179) und den Flüssigkeitsauslass (181) von dem Gasauslass (194) trennt, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen gasdurchlässige/im Wesentlichen flüssigkeitsundurchlässige Struktur (182) einen Einlass (186), der wirksam mit dem ersten Reaktanzeinlass (179) des äußeren Gehäuses verbunden ist und einen Flüssigkeitsauslass (188) umfasst, der wirksam mit dem Flüssigkeitsauslass (181) des äußeren Gehäuses verbunden ist.
Eine Reaktionskammer gemäß Anspruch 6, bei der die im Wesentlichen gasdurchlässige/im Wesentlichen flüssigkeitsundurchlässige Struktur (182) ein inneres Gehäuse umfasst, das zumindest teilweise aus einem im Wesentlichen gasdurchlässigen/im Wesentlichen flüssigkeitsundurchlässigen Material gebildet ist.
Eine Reaktionskammer gemäß Anspruch 7, bei der der zweite Reaktant in dem inneren Gehäuse gespeichert ist.
Eine Reaktionskammer gemäß Anspruch 7, bei der das äußere Gehäuse (178) eine Innenoberfläche umfasst, das innere Gehäuse eine Außenoberfläche umfasst, und ein Raum (192) zwischen der Innenoberfläche des äußeren Gehäuses und der Außenoberfläche des inneren Gehäuses definiert ist, der in Kommunikation mit dem Gasauslass (194) des äußeren Gehäuses ist.
Eine Reaktionskammer gemäß Anspruch 6, bei der die im Wesentlichen gasdurchlässige/im Wesentlichen flüssigkeitsundurchlässige Struktur (182) ein poröses wasserabweisendes Membranmaterial umfasst.