DE112004002553T5

DE112004002553T5 - Brennstoffbatterie

Info

Publication number: DE112004002553T5
Application number: DE112004002553T
Authority: DE
Inventors: Kensuke Yoshida; Fumio Takei; Masami Tsutsumi; Hiroaki Yoshida; Youichi Takasu; Nawalage Florence Cooray; Seiji Hibino
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2007-02-01
Also published as: KR100795495B1; US20060216574A1; JPWO2005081353A1; JP4464960B2; KR20060105023A; WO2005081353A1

Abstract

Brennstoffbatterie, umfassend
eine Anzahl Brennstoffbatteriezellen mit jeweils einer Brennstoffelektrode, einem festen Elektrolyten und einer Luftelektrode;
einen Brennstoffversorger, der mit einem flüssigen Brennstoff gefüllt ist und der die Brennstoffelektrode mit flüssigem Brennstoff versorgt; wobei
eine erste Batteriezellenstruktur und eine zweite Batteriezellenstruktur auf einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche des Brennstoffversorgers ausgebildet sind, wobei sowohl die erste Batteriezellenstruktur als auch die zweite Batteriezellenstruktur n Brennstoffbatteriezellen enthalten, die von einem Ende des Brennstoffversorgers zum anderen Ende des Brennstoffversorgers angeordnet sind,
in der ersten Batteriezellenstruktur die Brennstoffbatteriezellen in der Folge der Anordnung elektrisch in Reihe geschaltet sind, so dass die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle am einen Ende als Ausgangsseite der ersten Batteriezellenstruktur und die Luftelektrode der Brennstoffbatteriezelle am anderen Ende als Erdung der ersten Batteriezellenstruktur dient,
in der zweiten Batteriezellenstruktur die Brennstoffbatteriezellen in der umgekehrten Folge elektrisch in Reihe geschaltet sind, so dass die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle am anderen...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffbatterie, und insbesondere eine Brennstoffbatterie mit Brennstoffzellen als Bestandteilen, wobei die Brennstoffzellen so verbunden sind, dass sie die Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie erhöhen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die tragbaren Datenverarbeitungsvorrichtungen werden seit einigen Jahren immer kompakter, leichter und schneller, und sie erhalten mehr Funktionen. Mit den tragbaren Datenverarbeitungsvorrichtungen wurden auch die Batterien für die Stromversorgung der tragbaren Datenverarbeitungsvorrichtungen kompakter, leichter und leistungsstärker.
In den derzeitigen tragbaren Datenverarbeitungsvorrichtungen, beispielsweise in Handys oder tragbaren Computern (insbesondere Laptops), wird für die Energieversorgung zumeist eine Lithiumionen-Batterie eingesetzt. Die Lithiumionen-Batterie besitzt seit ihren Anfängen eine hohe Arbeitsspannung und eine hohe Leistung; ihre Leistung wurde mit den Fortschritten bei den tragbaren Datenverarbeitungsvorrichtungen immer größer. Der weiteren Verbesserung der Leistung der Lithiumionen-Batterie sind allerdings Grenzen gesetzt. Die Lithiumionen-Batterie wird die Anforderungen an eine Energieversorgung für die immer besseren tragbaren Datenverarbeitungsvorrichtungen nicht erfüllen können.
Man möchte daher neue Energielieferanten entwickeln, um die Lithiumionen-Batterie ersetzen zu können. Ein Kandidat ist die Brennstoffbatterie. In der Brennstoffbatterie wird ein Brennstoff an dessen Kathode gebracht und Elektronen sowie Protonen erzeugt. Die Protonen werden mit dann mit Sauerstoff umgesetzt, der zur Anode der Brennstoffbatterie geführt wird. Dabei entsteht ein Strom. Die hervorstechendste Eigenschaft des Systems ist, dass es über einen langen Zeitraum stetig Strom erzeugt, indem es den Brennstoff und Sauerstoff ergänzt. Es kann daher als Energiequelle in einem Gerät verwendet werden und zwar als Sekundärbatterie, indem man den Brennstoff ergänzt und nicht die Sekundärbatterie lädt. Zudem ist durch den Wechsel auf aktive Materialien eine sehr kleine und leichte Brennstoffbatterie herstellbar, da die theoretische Energiedichte des Methanols etwa 10mal größer ist als die der Lithiumionen-Batterie. Aus den obigen Gründen untersucht man eingehend den Einsatz der Brennstoffbatterie nicht nur als nicht-örtliche Energiequelle oder Strom großgeneratoren für Elektroautos, sondern auch als hochkompakte Energieversorgung für einen Laptop oder ein Handy.
Insbesondere auf dem Gebiet der kompakten Brennstoffbatterien konzentrieren sich die Studien auf eine sogenannte Methanol-Brennstoffzelle, die eine Methanol-Wasser-Lösung als Brennstoff nutzt. In einer Methanol-Brennstoffzelle bestehen die Bestandteile der Brennstoffbatterie, nämlich Brennstoffzellen, aus einer Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht, einem festen Elektrolytfilm, einer Luftelektroden-Katalysatorschicht und aus Stromabnehmern, die so angeordnet sind, dass sie die obigen Komponenten umschließen. Die Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht und die Luftelektroden-Katalysatorschicht bestehen im Wesentlichen aus einem Elektrodenkatalysator, der superfeine Teilchen aus der Platinfamilie beinhaltet, die auf einem Träger aus der Kohlenstofffamilie fixiert sind. Das feste Polymerelektrolyt besteht aus Materialien, die bei Raumtemperatur fest sind, aber das Eindringen und Transportieren von Protonen wie in einer Elektrolytlösung ermöglichen. Die Brennstoffzelle bildet eine dünne Platte, die gestapelte Schichten der obigen Materialien enthält. Auf der Seite der Brennstoffelektrode ist ein Brennstoffvorratslager in der Brennstoffbatteriezelle, das so gebaut ist, dass eine gewisse Menge des Brennstoffs in Kontakt mit der Brennstoffelektrode ist.
In einer Methanol-Brennstoffzelle ist die Ausgangsspannung der Brennstoffbatteriezelle üblicherweise unter 0,8 V und hängt gewöhnlich vom Ausgangsstrom derselben ab und liegt z.B. in einem Bereich von 0,3 V bis 0,6 V. Andererseits liegt die Betriebsspannung einer tragbaren Datenverarbeitungsvorrichtung in einem Bereich von 1,5 V bis 12 V, was viel größer als die Ausgangsspannung der Brennstoffbatteriezelle ist. Aus diesem Grund, um tragbare Datenverarbeitungsvorrichtungen zu betreiben, wird vorgeschlagen die Brennstoffelektroden und die Luftelektroden mehrerer Brennstoffbatteriezellen in Reihe zu schalten und so die Ausgangsspannung zu erhöhen. Es wird zum Beispiel, wie bei einer Brennstoffbatterie, die Wasserstoff nutzt, eine Brennstoffbatterie vorgeschlagen, in der zur Erhöhung der Ausgangsspannung mehrere Zellen in einer Ebene angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind (für ein Beispiel, siehe japanische Offenlegungsschrift No. 5-325993).
Bei einer Wasserstoffbrennstoffbatterie kann das Wasserstoffgas, der Brennstoff, aufgrund des geringen Einflusses der Schwerkraft der Brennstoffelektrode leicht zugeführt werden, nur durch Kontrolle des Drucks und des Durchflusses mit einem Durchflussmesser.
Bei Einsatz von Methanol als Brennstoff befindet sich der Brennstoff allerdings aufgrund des Einflusses der Schwerkraft immer im unteren Bereich der Brennstoffvorratskammer und folglich sind die Brennstoffelektroden mancher der verbundenen Zellen wahrscheinlich nicht im Brennstoff eingetaucht. In diesem Fall, schaltet man die Zellen nur in Reihe, könnte die Energieversorgung durch die Zellen, die keinen Strom erzeugen, unterbrochen werden.
Insbesondere beim Einsatz einer Brennstoffbatterie als Energieversorgung eines tragbaren Endgerätes, bei dem sich die Oberfläche des flüssigen Brennstoffs in der Brennstoffvorratskammer beim Tragen in drei Dimensionen bewegt, neigen manche Brennstoffbatteriezellen dazu aufgrund des Fehlens des primären Brennstoffs die Energieversorgung zu unterbrechen und in diesem Fall liefert die gesamte Brennstoffbatterie keine Energie und die Funktionen des tragbaren Endgerätes werden sofort unterbrochen; dies kann zum Verlust von Daten oder anderen Informationen führen.
Außerdem muss, um den Brennstoff richtig zuzuführen und die Brennstoffvorratskammer dauerhaft vollständig mit Brennstoff zu füllen, ein komplizierter Mechanismus verwendet werden, der das Gewicht der Brennstoffbatterie erhöht und es somit erschwert Größe, Gewicht und Kosten der Brennstoffbatterie zu senken.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist allgemein Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Probleme zu lösen und eine neue nützliche Brennstoffbatterie zur Verfügung zu stellen.
Eine besondere Aufgabe der Erfindung ist das Bereitstellen einer Brennstoffbatterie, die klein, einfach und leicht herzustellen ist und bei der eine Unterbrechung der Energieversorgung unter den vielfältigen Einsatzbedingungen nicht auftritt und eine stabile Energieversorgung gewährleistet ist.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft die Bereitstellung einer Brennstoffbatterie, umfassend:
eine Anzahl Brennstoffbatteriezellen mit jeweils einer Brennstoffelektrode,
einem festen Elektrolyten und einer Luftelektrode; und
einen Brennstoffversorger, der mit einem flüssigen Brennstoff gefüllt ist und der die Brennstoffelektrode mit flüssigem Brennstoff versorgt, wobei
eine erste Batteriezellenstruktur und eine zweite Batteriezellenstruktur auf einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche des Brennstoffversorgers ausgebildet sind, wobei sowohl die erste Batteriezellenstruktur als auch die zweite Batteriezellenstruktur n der Brennstoffbatteriezellen enthalten, die von einem Ende des Brennstoffversorgers zum anderen Ende des Brennstoffversorgers angeordnet sind,
in der ersten Batteriezellenstruktur die Brennstoffbatteriezellen in der Folge der Anordnung elektrisch in Reihe geschaltet sind, so dass die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle am einen Ende als Ausgangsseite der ersten Batteriezellenstruktur und die Luftelektrode der Brennstoffbatteriezelle am anderen Ende als Erdung der ersten Batteriezellenstruktur dient,
in der zweiten Batteriezellenstruktur die Brennstoffbatteriezellen in der umgekehrten Folge elektrisch in Reihe geschaltet sind, so dass die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle am anderen Ende als Ausgangsseite der zweiten Batteriezellenstruktur und die Luftelektrode der Brennstoffbatteriezelle am einen Ende als Erdung der zweiten Batteriezellenstruktur dient,
die erste Batteriezellenstruktur und die zweite Batteriezellenstruktur elektrisch parallel geschaltet sind, und
ein Anschluss zum elektrischen Verbinden einer m-ten Brennstoffbatteriezelle und einer (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle von dem einen Ende der ersten Batteriezellenstruktur elektrisch verbunden ist mit einem Anschluss zum elektrischen Verbinden einer m-ten Brennstoffbatteriezelle und einer (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle von dem anderen Ende der zweiten Batteriezellenstruktur, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist, und m eine ganze Zahl mit mindestens einem Wert zwischen 1 und n-1 ist.
Erfindungsgemäß sind die erste und die zweite Fläche des Brennstoffversorgers, der mit einem flüssigen Brennstoff gefüllt ist, mit einer ersten Batteriezellenstruktur und einer zweiten Batteriezellenstruktur ausgestattet, und sowohl die erste Batteriezellenstruktur als auch die zweite Batteriezellenstruktur enthält n Brennstoffbatteriezellen, die Stromerzeugungseinheiten sind. Die n Brennstoffbatteriezellen sind von einem Ende des Brennstoffversorgers zum anderen Ende des Brennstoffversorgers angeordnet. In der ersten Batteriezellenstruktur auf der ersten Fläche sind die n Brennstoffbatteriezellen in der Folge der Anordnung elektrisch in Reihe geschaltet. Infolge dieser Anordnung dient die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle am einen Ende als Ausgangsseite der ersten Batteriezellenstruktur und die Luftelektrode der Brennstoffbatteriezelle am anderen Ende als Erdung der ersten Batteriezellenstruktur. Andererseits sind die n Brennstoffbatteriezellen der zweiten Batteriezellenstruktur auf der zweiten Fläche in umgekehrter Folge der Anordnung elektrisch in Reihe geschaltet, so dass die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle am anderen Ende als Ausgangsseite der zweiten Batteriezellenstruktur und die Luftelektrode der Brennstoffbatteriezelle am einen Ende als Erdung der zweiten Batteriezellenstruktur dient. Es sollte erwähnt werden, dass bei einer Reihenschaltung die Ausgangsspannungen der Brennstoffbatteriezellen addiert werden. Zudem sind die erste Batteriezellenstruktur und die zweite Batteriezellenstruktur elektrisch parallel geschaltet. Weiterhin ist ein Anschluss zum elektrischen Verbinden der m-ten Brennstoffbatteriezelle und der (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle des einen Endes der ersten Batteriezellenstruktur mit einem Anschluss zum elektrischen Verbinden der m-ten Brennstoffbatteriezelle und der (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle eines anderen Endes der zweiten Batteriezellenstruktur elektrisch verbunden, wobei m eine ganze Zahl aus 1, 2, ..., n-1 ist. Zum Beispiel ist für m=1 der Anschluss zwischen der Brennstoffbatteriezelle des einen Endes der ersten Fläche und der nächsten Brennstoffbatteriezelle elektrisch verbunden mit einem Anschluss diagonal gegenüber zwischen der Brennstoffbatteriezelle des anderen Endes der zweiten Fläche und der nächsten Brennstoffbatteriezelle.
Da die Brennstoffbatteriezellen in der ersten Batteriezellenstruktur und der zweiten Batteriezellenstruktur jeweils elektrisch in Reihe geschaltet sind, lässt sich auf diese Weise eine Ausgangsspannung erreichen, die der Summe der Ausgangsspannungen der Brennstoffbatteriezellen entspricht. Weil außerdem die Anschlüsse der ersten Batteriezellenstruktur elektrisch verbunden sind mit den Anschlüssen der zweiten Batteriezellenstruktur, wird, sogar wenn sich die Oberfläche des flüssigen Brennstoffs in dem Brennstoffversorger verändert aufgrund der Einbaubedingungen der Brennstoffbatterien, der Tragehaltung oder von Vibrationen, und daher der Brennstoff nicht mehr oder nur teilweise an die Brennstoffelektroden mancher der n Brennstoffbatteriezellen geliefert werden kann, die Energieversorgung aufrecht erhalten, da die Brennstoffbatteriezellen, die elektrisch mit den unterversorgten Brennstoffbatteriezellen parallel geschaltet sind, auf einer Diagonalen mit dem Brennstoffversorger dazwischen liegen. Damit sind die Brennstoffelektroden dieser Brennstoffbatteriezellen mit dem Brennstoff in Kontakt und diese Brennstoffbatteriezellen können Strom produzieren. Daher ist es möglich eine Unterbrechung der Energieversorgung durch die Brennstoffbatterie oder eine Verringerung ihrer Leistung zu verhindern und eine stabile Energieversorgung zu gewährleisten.
Zudem kann der Anschluss zwischen der m-ten Brennstoffbatteriezelle und der (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle des einen Endes der ersten Batteriezellenstruktur mit dem Anschluss zwischen der m-ten Brennstoffbatteriezelle und der (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle eines anderen Endes der zweiten Batteriezellenstruktur elektrisch verbunden werden, wobei m einen Wert zwischen 1 und n-1 annimmt.
Da die Brennstoffbatteriezellen der ersten Batteriezellenstruktur jeweils elektrisch parallel geschaltet sind mit den Brennstoffbatteriezellen der zweiten Batteriezellenstruktur, werden die anderen Brennstoffbatteriezellen nicht beeinflusst, wenn der Ausgangsstrom einer der parallel geschalteten Brennstoffbatteriezellen abnimmt oder ganz verschwindet. Dies verbessert die Brennstoffverwertung und ermöglicht eine stabilere Energieversorgung.
Der Brennstoffversorger kann in der Dicke eine flache rechteckige feste Form haben und die erste Batteriezellenstruktur und die zweite Batteriezellenstruktur sind in Richtung der Dicke gegenüber angeordnet. Dadurch kann die gesamte Fläche der Brennstoffbatteriezellen vergrößert werden und die Brennstoffbatterie kann kompakt gebaut werden.
Eine Gasauslassvorrichtung, die durch eine gasdurchlässige Schicht gebildet wird, kann auf jeder Seitenfläche der ersten Batteriezellenstruktur, der zweiten Batteriezellenstruktur und des Brennstoffversorgers zur Isolierung der flüssigen Brennstoffseite von der äußeren Gasseite angebracht werden. Die Gasauslassvorrichtung kann so angebracht werden, dass sie sich in der Längsrichtung in der Nähe zweier Enden jeder Seitenfläche der ersten Batteriezellenstruktur, der zweiten Batteriezellenstruktur und des Brennstoffversorgers befindet.
Aufgrund der so angebrachten Gasauslassvorrichtung, gibt es, egal in welcher Position sich die Brennstoffbatterie befindet, zumindest eine Gasauslassvorrichtung bei dem Teil des Brennstoffversorgers, der mit CO₂-Gas, das bei den Stromerzeugungsreaktionen an der Brennstoffelektrode entsteht, gefüllt ist. Das CO₂-Gas kann sanft durch die gasdurchlässige Schicht in die äußere Gasseite entweichen und ermöglicht so eine Verminderung des Drucks im Brennstoffversorger. Da außerdem die gasdurchlässige Schicht für den flüssigen Brennstoff nicht durchlässig ist, lassen sich Brennstoffverluste verhindern. Folglich vermeidet man Verformungen des Brennstoffversorgers oder der Brennstoffbatteriezellen durch erhöhten Druck und verbessert die Langzeit-Zuverlässigkeit.
Die gasdurchlässige Schicht kann wasserabweisend sein. Dadurch ist es möglich das Anhaften von Wasser, das bei den Stromerzeugungsreaktionen an der Luftelektrode entsteht, an die gasdurchlässige Schicht zu vermeiden, was ein sanftes Ausströmen des CO₂-Gases ermöglicht.
Der Anschluss beinhaltet einen Separator zum Verbinden von angrenzenden Brennstoffbatteriezellen, ein Ende des Separators ist in Kontakt mit der Brennstoffelektrode oder der Luftelektrode einer der angrenzenden Brennstoffbatteriezellen, das andere Ende des Separators ist in Kontakt mit der Luftelektrode oder der Brennstoffelektrode der anderen der angrenzenden Brennstoffbatteriezellen, die so leitend verbunden sind.
Durch den Einsatz eines Separators werden angrenzende Brennstoffbatteriezellen durch nur ein Bauteil verbunden, die Anzahl der Teile kann somit reduziert werden, der Abstand zwischen den Brennstoffbatteriezellen verkleinert werden und die Brennstoffbatterie ist kompakt.
Der Separator kann außerdem aus einem plattenartigen Material hergestellt werden, und der Querschnitt des Separators kann in der Anordnungsrichtung Z-förmig sein.
Wegen des Einsatzes eines plattenartigen Materials ist es möglich die Querschnittsfläche des Stromwegs zu vergrößern, den Widerstand zwischen den Brennstoffbatteriezellen zu verringern und den Spannungsabfall zu verkleinern.
Die Brennstoffbatterie kann weiterhin ein ringförmiges Dichtungsteil enthalten, das die Stapelstruktur aus Brennstoffelektrode, festem Elektrolyten und Luftelektrode umschließt, und eingeklemmt ist zwischen zwei Separatoren von der Brennstoffelektrodenseite und der Luftelektrodenseite.
Dadurch ist es möglich ein Auslaufen des flüssigen Brennstoffs und einen Kurzschluss zwischen den Separatoren zu verhindern.
Außerdem kann die Brennstoffbatterie ein plattenartiges Dichtungsteil enthalten, das zwei benachbarte Separatoren trennt.
Dadurch ist es möglich Kurzschlüsse zwischen den Separatoren zu verhindern und eine Kraft in einer der Druckrichtungen des Dichtungsteils zum Fixieren der benachbarten Brennstoffbatteriezellen auszuüben und so die mechanische Festigkeit der Brennstoffbatterie zu erhöhen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Bereitstellung einer Brennstoffbatterie, umfassend
eine Anzahl Brennstoffbatteriezellen, die jeweils eine Brennstoffelektrode, einen festen Elektrolyten und eine Luftelektrode enthalten; und
einen Brennstoffversorger, der mit einem flüssigen Brennstoff gefüllt ist und die Brennstoffelektrode mit dem flüssigen Brennstoff versorgt, wobei
eine erste Batteriezellenstruktur und eine zweite Batteriezellenstruktur auf einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche des Brennstoffversorgers ausgebildet sind, wobei sowohl die erste als auch die zweite Batteriezellenstruktur n der Brennstoffbatteriezellen enthalten,
in der ersten Batteriezellenstruktur die n Brennstoffbatteriezellen von einem ersten Ende des Brennstoffversorgers zu einem zweiten Ende des Brennstoffversorgers gegenüber dem ersten Ende angeordnet sind,
in der zweiten Batteriezellenstruktur die n Brennstoffbatteriezellen von einem dritten Ende des Brennstoffversorgers zu einem vierten Ende des Brennstoffversorgers gegenüber dem dritten Ende senkrecht zur Anordnungsrichtung der Brennstoffbatteriezellen der ersten Batteriezellenstruktur angeordnet sind,
in der ersten Batteriezellenstruktur die Brennstoffbatteriezellen in der Folge der Anordnung elektrisch in Reihe geschaltet sind, so dass die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle am ersten Ende als Ausgangsseite der ersten Batteriezellenstruktur und die Luftelektrode der Brennstoffbatteriezelle am zweiten Ende als Erdung der ersten Batteriezellenstruktur dient,
in der zweiten Batteriezellenstruktur die Brennstoffbatteriezellen in der Folge der Anordnung elektrisch in Reihe geschaltet sind, so dass die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle am dritten Ende als Ausgangsseite der zweiten Batteriezellenstruktur und die Luftelektrode der Brennstoffbatteriezelle am vierten Ende als Erdung der zweiten Batteriezellenstruktur dient,
ein Anschluss zum elektrischen Verbinden einer m-ten Brennstoffbatteriezelle und einer (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle vom ersten Ende der ersten Batteriezellenstruktur elektrisch verbunden ist mit einem Anschluss zum elektrischen Verbinden einer m-ten Brennstoffbatteriezelle und einer (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle vom dritten Ende der zweiten Batteriezellenstruktur, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist, und m eine ganze Zahl mit mindestens einem Wert zwischen 1 und n-1 ist.
Die obige Erfindung hat die selben Vorteile wie die vorherige Erfindung. Außerdem ist, sogar wenn der flüssige Brennstoff im Brennstoffversorger verringert wird oder sogar wenn die Oberfläche des flüssigen Brennstoffs in dem Brennstoffversorger sich verändert aufgrund der Einbaubedingungen der Brennstoffbatterien, der Tragehaltung oder von Vibrationen, mindestens eine der parallel geschalteten Brennstoffbatteriezellen in Kontakt mit dem Brennstoff und die Brennstoffbatteriezelle kann Strom erzeugen. Da die parallel geschalteten Brennstoffbatteriezellen in der Brennstoffbatterie elektrisch in Reihe geschaltet sind, kann die Brennstoffbatterie Strom erzeugen und Energie liefern. Dementsprechend kann man eine durch die Orientierung der Brennstoffbatterie oder durch Vibrationen verursachte Unterbrechung der Energieversorgung oder Verringerung der Ausgangsleistung vermeiden und somit eine stabile Energieversorgung gewährleisten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind den nachstehenden Abbildungen und der eingehenden Beschreibung der Erfindung zu entnehmen. Es zeigt:
1 eine perspektivische Darstellung eines tragbaren Endgeräts, beinhaltend eine Brennstoffbatterie gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 einen Querschnitt des tragbaren Endgeräts in 1;
3 ein Blockdiagramm, das die Energieversorgung veranschaulicht;
4 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Brennstoffbatterie gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
5 einen vergrößerten Querschnitt einer Gasauslassvorrichtung 34;
6 eine Draufsicht der Batteriezellenstruktur 31A;
7 einen vergrößerten Querschnitt der Batteriezellenstruktur 31A;
8 einen vergrößerten Querschnitt der Zellenstruktureinheit 41;
9 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Batteriezellenstruktur 31A;
10A eine Seitenansicht zur Darstellung der Anschlussbedingung der Brennstoffbatteriezellen CA und CB;
10B eine Explosionsseitendarstellung der Leitungen zum Verbinden der Brennstoffbatteriezellen CA und CB;
11 ein Äquivalenzschaltbild der Brennstoffbatterie 20;
12A und 12B den Zusammenhang zwischen der Orientierung der Brennstoffbatterie 20 und der Oberfläche des flüssigen Brennstoffs im Brennstoffversorger 32;
13A eine schematische Darstellung der Brennstoffbatterie in der aktuellen Ausführungsform;
13B ein Äquivalenzschaltbild der Brennstoffbatterie in 13A;
13C ein Äquivalenzschaltbild einer Brennstoffbatterie ohne die Erfindung;
14A bis 14C Schaltbilder der äquivalenten Schaltungen der Brennstoffbatterie mit Veränderungen der ersten Ausführungsform;
15A bis 15D Schaltbilder der äquivalenten Schaltungen der Brennstoffbatterie mit Veränderungen der ersten Ausführungsform;
16 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Brennstoffbatterie 60 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
17 ein Schaltbild der äquivalenten Schaltung der Brennstoffbatterie 60;
18A bis 18C Schaltbilder der äquivalenten Schaltungen der Brennstoffbatterie mit ersten Veränderungen der zweiten Ausführungsform;
19A bis 19D Schaltbilder der äquivalenten Schaltungen der Brennstoffbatterie mit zweiten Veränderungen der zweiten Ausführungsform;
20A eine schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform der Brennstoffbatterie und ein Schaltbild der äquivalenten Schaltung der Brennstoffbatterie (Beispiel 1);
20B eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform der Brennstoffbatterie und ein Schaltbild der äquivalenten Schaltung der Brennstoffbatterie (Beispiel 2);
20C eine schematische Darstellung einer Brennstoffbatterie ohne die Erfindung (als Vergleichsbeispiel) und ein Schaltbild der äquivalenten Schaltung der Brennstoffbatterie (Vergleichsbeispiel 1);
21 eine Tabelle, die an einem Beispiel den Zusammenhang zwischen dem Neigungswinkel θ und der Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie darstellt;
22 eine Explosionsdarstellung einer Brennstoffbatterie 80 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
23 ein Schaltbild der äquivalenten Schaltung der Brennstoffbatterie 80;
24A eine schematische Darstellung der dritten Ausführungsform der Brennstoffbatterie und ein Schaltbild der äquivalenten Schaltung der Brennstoffbatterie (Beispiel 3);
24B eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform der Brennstoffbatterie und ein Schaltbild der äquivalenten Schaltung der Brennstoffbatterie (Beispiel 4);
25 eine schematische Darstellung einer Brennstoffbatterie ohne die Erfindung und ein Schalbild der äquivalenten Schaltung der Brennstoffbatterie (Vergleichsbeispiel 2); und
26 eine Tabelle, die an einem Beispiel den Zusammenhang zwischen dem Neigungswinkel θ und der Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie zeigt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN IN DENEN DIE ERFINDUNG VERWIRKLICHT IST
Nachstehend sind die Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Figuren erklärt.
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines tragbaren Endgeräts, beinhaltend eine Brennstoffbatterie gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt einen Querschnitt des tragbaren Endgeräts in 1.
Siehe 1 und 2. Das tragbare Endgerät 10 besitzt eine Gehäuse 11, einen Bildschirm 12, der im vorderen Teil des Gehäuses 11 eingebaut ist und als Eingabefeld für den Stift dient, einen Eingabebereich 13 mit Eingabetasten und Cursortasten, einen Stift 14 zur Eingabe, eine Anschlussbuchse 15 am unteren Ende oder auf einer Seite des Gehäuses 11 zum Anschluss an ein externes Gerät, eine Anschlussbuchse 16 zum Anschluss an eine externe Stromversorgung, eine auf der Rückseite des Gehäuses 11 angebrachte Brennstoffbatterie 20 zur Stromversorgung, eine Brennstoffpatrone 21 und eine Boosterschaltung 22. Obwohl nicht dargestellt, sind Geräte, die die Funktionen des tragbaren Endgeräts 10 ermöglichen, wie CPU, ein Speicher und andere Peripheriegeräte, und sekundäre Batterien wie Lithiumionen-Batterien, im Gehäuse 11 eingebaut.
Beim Gebrauch des tragbaren Endgeräts 10 hält der Benutzer das Gehäuse 11 mit beiden Händen, neigt es, drückt mit seinem Daumen auf die Eingabetasten während er sich ein Bild auf dem Bildschirm 12 anschaut, hält das Gehäuse 11 mit einer Hand und gibt Informationen mit dem Stift 14 mit der anderen Hand ein, drückt mit einem Finger auf den Bildschirm 12, der auch als Eingabefeld dient, oder liest Informationen vom Bildschirm 12 ab. Manchmal kann das tragbare Endgerät 10 benutzt werden während man sich bewegt. Wie unten detailliert beschrieben, ist die Brennstoffbatterie 20 in dieser Ausführung sogar unter diesen Umständen in der Lage eine stabile Energieversorgung zu gewährleisten.
Die Brennstoffbatterie 20 ist zusammen mit der Brennstoffpatrone 21 an der Rückseite des Gehäuses 11 befestigt. Die Brennstoffbatterie 20 wird zur Erzeugung von Strom von der Brennstoffpatrone 21 mit dem Brennstoff versorgt, z.B. einer Methanol-Wasser-Lösung, und funktioniert damit als Energiequelle. Obwohl nicht abgebildet, gibt es auf der Rückseite des Gehäuses 11 viele Lüftungslöcher, die für eine gleichmäßige Zirkulation der Luft, die in der Brennstoffbatterie verbraucht wird, des entstehenden CO₂-Gases und des Wasserdampfs sorgt.
3 zeigt ein Blockdiagramm, das die Energieversorgung veranschaulicht.
Siehe 3. Ein Energieversorgungsgerät 23 besitzt eine Brennstoffpatrone 21, die mit einem Brennstoff wie einer Methanol-Wasser-Lösung gefüllt ist, und eine Brennstoffbatterie 20, die den von der Brennstoffpatrone 21 bereitgestellten Brennstoff zur Stromerzeugung nutzt. Der Hauptteil 24 besitzt eine Boosterschaltung 22, die zum Betreiben eines Verbrauchers 25 die Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie 20 verstärkt, einen Verbraucher 25, der Strom von der Boosterschaltung 22 erhält und verschiedene Funktionen des tragbaren Endgeräts 10 ausführt, und eine eingebaute sekundäre Batterie 26, z.B. eine Lithiumionen-Batterie, zum Aufladen. Der Strom wird dem Verbraucher 25 oder der sekundären Batterie 26 durch eine externe Energieversorgung zugeführt.
Die Brennstoffpatrone 21 kann aus Plastik bestehen, wenn das Plastik resistent gegen Methanol ist, z.B. aus Polyethylen, Polypropylen oder anderen Polyolefinen, PTFE, PFA oder anderen Fluorharzen, Polyvinylchlorid, Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Polyethersulfon, Polysulfon, Polyphenylenoxid, Polyetheretherketon oder anderen Harzen. Die Brennstoffpatrone kann z.B. aus dem selben Material wie das Gehäuse des Brennstoffversorgers 32, der weiter unten beschrieben wird, bestehen.
Der Brennstoff in der Brennstoffpatrone 21 wird über einen Brennstoffeinspritzkanal zwischen der Brennstoffbatterie 20 und der Brennstoffpatrone 21 transportiert. Der Brennstoff kann beispielsweise durch Schütteln des tragbaren Endgeräts 10 mit beiden Händen zugeführt werden. Dies ist aufgrund seiner Einfachheit und weil es keine Leistung verbraucht vorzuziehen. Es können aber natürlich auch ein Elektromagnet, eine Membran, ein Varistor oder eine andere Minipumpe in den Brennstoffeinspritzkanal zur Versorgung der Brennstoffbatterie 20 mit dem Brennstoff eingebaut werden.
4 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung der Brennstoffbatterie gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Siehe 4. Die Brennstoff batterie 20 besitzt einen Brennstoffversorger 32, eine Batteriezellenstruktur 31A und eine Batteriezellenstruktur 31B, die so angeordnet sind, dass sie gegenüber liegen und den Brennstoffversorger 32 umschließen. In den Batteriezellenstrukturen 31A und 31B sind Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 und CB1 bis CB6 angeordnet.
Der Brennstoffversorger 32 hat ein rahmenartiges Plastikgehäuse, dass an den Seiten Öffnungen hat, an denen die Batteriezellenstrukturen 31A und 31B befestigt sind. An den Seitenflächen des Brennstoffversorgers 32 sind der Brennstoffeinspritzkanal 33, über den die Brennstoffpatrone 21 den Brennstoff liefert (in 4 nicht dargestellt), Gasauslassvorrichtungen 34 zum Abführen des CO₂-Gases, das an den Brennstoffelektroden entsteht, wie unten erläutert, und Zellenverbinder 35 zum elektrischen Verbinden der Brennstoffbatteriezellen CA und CB ausgebildet.
Das Gehäuse des Brennstoffversorgers 32 ist vorzugsweise aus Werkstoffen hergestellt, die widerstandsfähig sind gegen Alkohole wie Methanol, z.B. aus Polyethylen, Polypropylen oder anderen Polyolefinen, PTFE, PFA oder anderen Fluorharzen, Polyvinylchlorid, Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Polyethersulfon, Polysulfon, Polyphenylenoxid, Polyetheretherketon oder anderen Harzen.
Der Brennstoffeinspritzkanal 33 ist mit der nicht abgebildeten Brennstoffpatrone 21 verbunden. Der Querschnitt des Brennstoffeinspritzkanals kann z.B. eine gestreckte elliptische Form haben. Dies ist vorzuziehen, da so eine ausreichende Querschnittsfläche trotz der eingeschränkten Dicke des Brennstoffversorgers 32 in der kompakten Brennstoffbatterie 20 erreichbar ist. Die Einführung des Brennstoffs aus der Brennstoffpatrone 21 wird so erleichtert. Zusätzlich kann ein Ventil oder ein anderes brennstoffblockierendes Bauteil als Brennstoffeinspritzkanal 33 einen Rückfluss des Brennstoffs verhindern.
5 zeigt einen vergrößerten Querschnitt einer Gasauslassvorrichtung 34. Siehe 5. Die Gasauslassvorrichtung 34 besitzt eine gasdurchlässige Schicht 38, die gegen den Teil einer Öffnung 34a gedrückt ist, die sich an der Seitenfläche des Brennstoffversorgers 32 befindet, wie in 4 gezeigt, so dass die gasdurchlässige Schicht von der äußeren Gasseite zur Brennstoffseite in Kontakt mit der Seitenfläche des Brennstoffversorgers 32 ist. Die Gasauslassvorrichtung 34 besitzt auch ein fixierendes Stück 39, dass auf die poröse Schicht drückt und eine Öffnung 39a besitzt, durch die das Gas von der Brennstoffseite zur äußeren Gasseite fließen kann.
Die gasdurchlässige Schicht besteht aus einem porösen Material und ist in der Lage ein Gas und eine Flüssigkeit zu trennen, insbesondere kann die Flüssigkeit die poröse Schicht nicht durchqueren, aber das Gas kann die poröse Schicht durchqueren.
Das Gas, das sich auf der Innenseite befindet, durchquert die Schicht und gelangt zur äußeren Gasseite und die Methanol-Wasser-Lösung, die als Brennstoff dient, wird aufgehalten; es kommt also zu keinem Auslaufen des Brennstoffs.
Das poröse Material kann sein: Polyethylen, Polypropylen, Polybuten, Polymethylpenten oder andere Polyolefine, Polytetraethylen, Polyvinylidenfluorid, Perfluoralkylharz, oder andere Fluorharze, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, und andere Polyether, Zellulose und ihre Derivate, Polystylen, Polymethylmethacrylat, Polyamid, Nylon, Polyvinylchlorid und Polycarbonat.
Die gasdurchlässige Schicht 38 sollte wasserabweisend sein. Dadurch verhindert man das Anhaften einer an der Luftelektrode erzeugten filmartigen Wasserschicht an die Oberfläche der gasdurchlässigen Schicht 38, die eine Verminderung des Abgaseffekts bewirkt. Die wasserabweisende Eigenschaft kann als Oberflächenwasserabweisung des Materials selbst auftreten, oder man kann sie durch das Erzeugen von Reaktionen von wasserabweisenden Stoffen wie Dimethyldichlorsilan mit Carboxyl o.ä. auf der Oberfläche des Materials erhalten oder durch das Auftragen von Fluorharzen oder anderen wasserabweisenden Materialien. Gasauslassvorrichtungen mit ähnlichen Strukturen finden sich auch in den Batteriezellenstrukturen 31A und 31B.
Siehe erneut 4. Die Gasauslassvorrichtungen 34 befinden sich auf den Seitenflächen des Brennstoffversorgers 32 und auf den Batteriezellenstrukturen 31A und 31B, d.h. auf allen Seiten (sechs) des Brennstoffversorgers. Bei einer solchen Anordnung kann unabhängig von der Orientierung der Brennstoffbatterie 20 das an der Brennstoffelektrode durch stromerzeugende Reaktionen erzeugte CO₂-Gas abgeführt werden und so der Druck im Brennstoffversorger gesenkt werden. Der Teil des Brennstoffversorgers, der das CO₂-Gas enthält, berührt mindestens eine der 6 Flächen abhängig von der Orientierung der Brennstoffbatterie 20; da sich auf jeder der sechs Seiten eine Gasauslassvorrichtung befindet, kann das CO₂-Gas immer abgeführt werden.
Es ist vorzuziehen auf jeder Seitenfläche mehrere Gasauslassvorrichtungen 34 anzubringen; weiterhin ist es vorzuziehen die Gasauslassvorrichtungen 34 in der Nähe zweier Enden in der Längsrichtung der Seitenflächen anzubringen. Wenn die Brennstoffbatterie 20 leicht aus einer vertikalen oder horizontalen Lage geneigt wird, bewegt sich der Freiraum im Brennstoffversorger 32 in eine Ecke und es ist dann möglich das CO₂-Gas effizient abzuführen.
Die Batteriezellenstrukturen 31A und 31B besitzen jeweils Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 und CB1 bis CB6 (weiter unten werden die Brennstoffbatteriezellen allgemein mit CA und CB bezeichnet, wenn es nicht nötig ist zwischen ihnen zu unterscheiden). Die Brennstoffbatteriezellen CA und CB, die eine Längsrichtung in der Breite des Brennstoffversorgers 32 haben (der X-Richtung), sind in einer Längsrichtung des Brennstoffversorgers 32 angeordnet (der Y-Richtung). Die Brennstoffelektroden der Brennstoffbatteriezellen CA und CB befinden sich auf der Seite des Brennstoffversorgers 32 und die Luftelektroden auf der äußeren Gasseite. Wie unten detailliert beschrieben wird, bestehen die Brennstoffbatteriezellen CA und CB jeweils aus einer Zellenstruktureinheit bestehend aus einer Brennstoffelektrode, einer festen Elektrolytschicht und einer Luftelektrode, wobei die Zellenstruktureinheit eingeklemmt ist zwischen den Separatoren 40a und 40b.
Auf den Separatoren 40a und 40b befinden sich mehrere Lüftungslöcher 36a auf der äußeren Gasseite und mehrere Brennstoffeinspritzlöcher 36b auf der Brennstoffseite des Brennstoffversorgers 32. Da die Brennstoffbatterie 20 eine luftatmende Ausführung ist, breitet sich die Luft frei durch die Lüftungslöcher 36a aus und versorgt die Luftelektrode. Außerdem breitet sich der Brennstoff aus dem Brennstoffversorger 32 frei durch die Brennstoffeinspritzlöcher 36b aus und versorgt die Brennstoffelektrode.
6 zeigt eine Draufsicht der Batteriezellenstruktur 31A. Siehe 6. Bei der Batteriezellenstruktur 31A befinden sich die Separatoren 40a und 40b auf den Brennstoffbatteriezellen CA und eine Zellenstruktureinheit wird von den Separatoren 40a und 40b eingeklemmt. Die Lüftungslöcher 36a auf den Separatoren 40a und 40b sind entsprechend der Zellenstruktureinheit 41 angeordnet. Die gesamte Oberfläche der Öffnungen der Lüftungslöcher 36a beträgt 10% bis 95% (vorzugsweise 20% bis 70%) relativ zur Fläche der Zellenstruktureinheit 41.
Obwohl nicht abgebildet, sind die Brennstoffeinspritzlöcher 36b auf der Brennstoffelektrodenseite so wie die Löcher auf der Luftelektrodenseite angeordnet. Ein Dichtungsteil, das auch einen guten Kontakt zwischen dem Brennstoff und der Brennstoffelektrode gewährleistet, sorgt außerhalb der Zellenstruktureinheit 41 dafür, dass kein Brennstoff ausläuft, wie in 7 zu sehen ist.
7 zeigt einen vergrößerten Querschnitt der Batteriezellenstruktur 31A.
8 zeigt einen vergrößerten Querschnitt der Zellenstruktureinheit 41.
9 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung der Batteriezellenstruktur 31A.
Siehe 7, 8 und 9. In den Brennstoffbatteriezellen CA1 und CA2 sind die Zellenstruktureinheit 41, ein ringförmiges Dichtungsteil 43, das die Zellenstruktureinheit 41 umschließt, und ein plattenartiges Dichtungsteil 44 außerhalb zwischen zwei Separatoren 40a und 40b oder 40a und 40a angeordnet.
Die Zellenstruktureinheit 41 besitzt eine Brennstoffsammelelektrode 45 und eine Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht 46 (die Stapelstruktur aus Brennstoffsammelelektrode 45 und Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht 46 wird mit "Brennstoffelektrodd" 47 bezeichnet), eine feste Elektrolytschicht 48, eine Luftelektroden-Katalysatorschicht 49 und eine Luftsammelelektrode 50 (die Stapelstruktur aus Luftelektroden-Katalysatorschicht 49 und Luftsammelelektrode 50 wird mit „Luftelektrode" 51 bezeichnet), wobei die genannten Komponenten in der genannten Reihenfolge von der Brennstoffseite betrachtet gestapelt sind.
Die Brennstoffsammelelektrode 45 und die Luftsammelelektrode 50 können aus einer Mischung von Ni, SUS304, SUS316 oder anderen Legierungen mit hoher Beständigkeit gegen Korrosion hergestellt werden. Die Brennstoffsammelelektrode 45 und die Luftsammelelektrode 50 können weggelassen werden, wenn die Separatoren 40a und 40b die gleichen Funktionen übernehmen.
Die Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht 46 kann durch das Auftragen eines Katalysators aus feinen Partikeln Pt oder Pt-Pu-Legierungen, Kohlenstoffpulver und Polymeren, aus denen die feste Elektrolytschicht 48 besteht, auf eine poröse leitende Schicht, wie z.B. Kohlepapier, hergestellt werden.
Die Luftelektroden-Katalysatorschicht 49 kann aus dem selben Material hergestellt werden wie die Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht 46.
Die feste Elektrolytschicht 48 kann aus einer festen Polymerelektrolytschicht, die in der Lage ist Protonen zu leiten und zu transportieren, z.B. aus einer Polyperfluorsulfonat-Harzschicht, insbesondere Nafion (eingetragenes Warenzeichen) NF117 (Produktbezeichnung der Dupont Co.), hergestellt werden.
In der Brennstoffelektrode 47 findet auf der Katalysatoroberfläche der Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht 46 folgende Reaktion statt. CH₃OH + H₂O -> CO₂ + 6H⁺ + 6e^–
Die erzeugten Protonen (H⁺) fließen durch die feste Elektrolytschicht 48 und erreichen die Luftelektrode 51. An der Luftelektrode 51 reagieren Luftsauerstoff, Protonen (H⁺) und Elektronen (e^–), die an der benachbarten Brennstoffelektrode 47 erzeugt wurden, auf der Katalysatoroberfläche der Luftelektroden-Katalysatorschicht 49 wie folgt: 3/2O₂ + 6N⁺ + 6e^– -> 3H₂O
Durch den Fluss von Protonen und Elektronen bei diesen Reaktionen wird Strom erzeugt. Weiterhin wird CO₂ an der Brennstoffelektrode 47 und H₂O an der Luftelektrode 51 erzeugt. Hier wird eine Methanol-Wasser-Lösung als Brennstoff verwendet und die Konzentration des Methanols beträgt zwischen 5 Volumenprozent und 69 Volumenprozent. Es können aber auch Dimethylether (DME), Ethanol und Ethylenglykol statt Methanol verwendet werden.
Das ringförmige Dichtungsteil 43 und das plattenartige Dichtungsteil 44 sollten aus Materialien mit hoher Resistenz gegen starke Säuren, z.B. aus Nitrilgummi, Fluorgummi oder Chloroprengummi, hergestellt werden. Das ringförmige Dichtungsteil 43 kann auch rahmenförmig sein, wobei der Querschnitt vorzugsweise eine Ellipse, einen Kreis oder ein Rechteck bilden sollte. Ein elliptischer oder kreisförmiger Querschnitt ist vorzuziehen, da dann kein Spalt zwischen dem ringförmigen Dichtungsteil 43 und den beiden Separatoren 40a und 40b auftritt, wenn die beiden Separatoren 40a und 40b von oben und unten auf das ringförmige Dichtungsteil drücken. Das ringförmige Dichtungsteil 43 ist so konzipiert, dass es die Zellenstruktureinheit 41 umschließt, wie in 7 dargestellt, da dies ein Auslaufen des Brennstoffs in der Querrichtung verhindert, Brennstoff, der durch die Brennstoffeinspritzlöcher 36b übertragen wird und die Brennstoffelektrode 47 überzieht.
Das plattenartige Dichtungsteil 44 ist außerhalb des ringförmigen Dichtungsteils 43 und zwischen den beiden Separatoren 40a und 40b oder 40a und 40a angebracht; dies verhindert einen Kurzschluss zwischen Separatoren und dämpft eine quergerichtete Kraft zwischen den beiden Separatoren 40a und 40b oder 40a und 40a und verbessert so die Anschlussbedingung und erhöht damit die mechanische Festigkeit der Batteriezellenstruktur 31A und der Brennstoffbatterie 20.
Die Separatoren 40a und 40b können z.B. aus SUS316 mit einer Dicke von ungefähr 1 mm hergestellt werden. Auf der Oberfläche der Separatoren 40a und 40b kann eine Goldschicht angebracht werden, da Gold den Kontaktwiderstand senkt und gute Benetzungseigenschaften hat. In den Brennstoffbatteriezellen CA1 und CA6 an den beiden Enden der Batteriezellenstruktur 31A hat der Separator 40b einen L-förmigen Querschnitt. Siehe 7. In den angrenzenden Brennstoffbatteriezellen CA1 und CA2 ist der fast Z-förmige Separator 40a zur elektrischen Verbindung in Kontakt mit der Luftelektrode 51 der Brennstoffbatteriezelle CA1 und der Brennstoffelektrode 47 der Brennstoffbatteriezelle CA2. Da der Separator 40a in der Stromflussrichtung groß ist, ist seine Querschnittsfläche groß. Dies verringert den Anschlusswiderstand und den Spannungsunterschied zwischen der Luftelektrode 51 und der Brennstoffelektrode 47.
10A zeigt eine Seitenansicht zur Darstellung der Anschlussbedingung der Brennstoffbatteriezellen CA und CB.
10B zeigt eine Explosionsseitendarstellung der Leitungen zum Verbinden der Brennstoffbatteriezellen CA und CB.
Siehe 10A. In den Brennstoffbatteriezellen CA, die die Batteriezellenstruktur 31A bilden, dient die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle CA1 als Ausgangsseite und die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 sind elektrisch leitend verbunden in der Folge Brennstoffelektrode von CA1/Luftelektrode von CA1 – Brennstoffelektrode von CA2/Luftelektrode von CA2 – Brennstoffelektrode von CA3/Luftelektrode von CA3 ... Brennstoffelektrode von CA5/Luftelektrode von CA5 – Brennstoffelektrode von CA6/Luftelektrode von CA6. Damit sind die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 in der Folge ihrer Anordnung elektrisch in Reihe geschaltet. Das Symbol „–" deutet eine Verbindung mit dem fast Z-förmigen Separator 40a an und das Symbol „/" deutet eine Zellenstruktureinheit an.
In der Batteriezellenstruktur 31B gegenüber der Batteriezellenstruktur 31A dient die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle CB6 als Ausgangsseite und die Brennstoffbatteriezellen CB1 bis CB6 sind elektrisch leitend verbunden in der Folge Brennstoffelektrode von CB6/Luftelektrode von CB6 – Brennstoffelektrode von CB5/Luftelektrode von CB5 – Brennstoffelektrode von CB4/.../Luftelektrode von CB2 – Brennstoffelektrode von CB1/Luftelektrode von CB1. Damit sind die Brennstoffbatteriezellen CB1 bis CB6 entgegengesetzt der Folge der Anordnung elektrisch in Reihe geschaltet.
Das heißt, in der Batteriezellenstruktur 31A ist die elektrische Reihenschaltung der Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 von der Brennstoffelektrode von CA1 zur Luftelektrode von CA6 gerichtet, in der Batteriezellenstruktur 31B ist die elektrische Reihenschaltung der Brennstoffbatteriezellen CB1 bis CB6 von der Brennstoffelektrode von CB6 zur Luftelektrode von CB1 gerichtet, die beiden Schaltungen sind also entgegengesetzt angeordnet.
Die Brennstoffbatteriezellen CA der Batteriezellenstruktur 31A sind folgendermaßen mit den Brennstoffbatteriezellen CB der Batteriezellenstruktur 31B verbunden: Die Brennstoffbatteriezellen, die auf einer diagonalen Linie gegenüber liegen, sind parallel geschaltet. Es sind CA1 und CB6, CA2 und CB5, CA3 und CB4, CA4 und CB3, CA5 und CB2, CA6 und CB1, die jeweils auf einer diagonalen Linie gegenüber liegen, über ihre Luftelektroden elektrisch verbunden.
Im Detail kann man 10A entnehmen, dass ein Zellenverbinder 35 an einer Seitenfläche des Brennstoffversorgers 32 angebracht ist, wobei CA2 und CB5 durch einen Leiter LD2, CA4 und CB3 durch einen Leiter LD1 und CA6 und CB1 durch eine Leiter LD3 jeweils über die Luftelektroden verbunden sind. Außerdem gibt es, obwohl nicht dargestellt, einen anderen Zellenverbinder 35 auf der anderen Seitenfläche des Brennstoffversorgers 32 und CA1 und CB6, CA3 und CB4 und CA6 und CB1 sind auf die gleiche Weise über die Luftelektroden elektrisch verbunden.
Siehe 10B. Der Zellenverbinder 35 besitzt Leiter LD1 bis LD3, die an ihren beiden Enden Gelenke zur Verbindung mit der Luftelektrodenseite der Separatoren 40a und 40b besitzen, und mit isolierenden Schichten IF 1 und IF 2, z.B. Polyimidschichten o.ä., zur elektrischen Isolierung gestapelt sind.
Die Leiter LD1 bis LD3 bestehen z.B. aus SUS304, SUS316 mit einer Breite von 3 bis 10 mm und einer Dicke von 100 Mikrometer. Dicke Leiter LD1 bis LD3 sind vorzuziehen, da sie den Spannungsunterschied senken.
11 zeigt ein Äquivalenzschaltbild der Brennstoffbatterie 20, wobei die Brennstoffelektroden mit „f" und die Luftelektroden mit „a" gekennzeichnet sind.
Siehe 11. Wie in 10 dargestellt sind die drei Gruppen von Brennstoffbatteriezellen CA2-CB5, CA4-CB3 und CA6-CB1 über ihre Luftelektroden elektrisch verbunden durch Leiter LD1 bis LD3, die anderen drei Gruppen von Brennstoffbatteriezellen CA1-CB6, CA3-CB4 und CA5-CB2 sind durch nicht abgebildete Leiter LD4 bis LD6 über ihre Luftelektroden elektrisch verbunden. Durch diese Schaltung sind die diagonal gegenüberliegenden Brennstoffbatteriezellen parallel geschaltet.
12A und 12B zeigen den Zusammenhang zwischen der Orientierung der Brennstoffbatterie 20 und der Oberfläche des flüssigen Brennstoffs im Brennstoffversorger 32.
Siehe 12A. Befindet sich die Brennstoffbatterie 20 in einer aufrechten Position, ist die Oberfläche des flüssigen Brennstoffs niedriger als die Position der Brennstoffbatteriezellen CA6 und CB6 und die Brennstoffelektroden der Brennstoffbatteriezellen CA6 und CB6 können nicht mit dem Brennstoff 52 versorgt werden. Die Brennstoffbatteriezellen CA6 und CB6 können daher keinen Strom erzeugen. Siehe 11. Da CA6 mit CB1 und CB6 mit CA1 parallel geschaltet sind und die Brennstoffbatteriezellen CA1 und CB1 Strom erzeugen können, kann die Brennstoffbatterie 20 als Ganze eine Ausgangsspannung erzeugen und damit Energie nach außen liefern.
Es ist leicht einzusehen, dass, falls die Brennstoffbatteriezellen CA6 und CB6 der Brennstoffbatterie 20 unten sind, die Brennstoffbatterie 20 dennoch in gleicher Weise eine Ausgangsspannung erzeugen kann.
Andererseits können in einem Vergleichsbeispiel, das ohne die Erfindung hergestellt ist, wenn die Brennstoffelektroden der Brennstoffbatteriezellen CA6 und CB6 nicht mit Brennstoff versorgt werden, die Brennstoffbatteriezellen CA6 und CB6 keinen Strom erzeugen und der Stromfluss wird in CA6 und CB6 unterbrochen. Die Ausgangsspannung sinkt dann auf Null ab.
Siehe 12B. Wenn die Brennstoffbatterie 20 sich in einer horizontalen Position befindet, ist die Oberfläche 52a des flüssigen Brennstoffs niedriger als die Position der Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 und die Brennstoffelektroden der Brennstoffbatteriezellen CA1 und CA6 können nicht mit dem Brennstoff 52 versorgt werden. Aber sogar wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffbatteriezellen CA1 und CA6 Null ist, können die Brennstoffbatteriezellen CB1 und CB6 normal Strom erzeugen und die Brennstoffbatterie 20 als Ganze kann Energie liefern.
Wenn die Brennstoffbatterie 20 von der aufrechten Position in 12A in die horizontale Position in 12B gedreht wird, werden Teile der Brennstoffbatteriezellen CA5 oder CB5 zeitweise nicht mit dem Brennstoff 52 versorgt. In diesem Fall, ähnlich 12A, können die Brennstoffbatteriezellen CB2 und CA2, die mit den Brennstoffbatteriezellen CA5 oder CB5 parallel geschaltet sind, normal Strom erzeugen und somit ein Absinken der Ausgangsspannung verhindern.
Weitere Beispiele zeigen die Vorteile der Erfindung.
13A zeigt eine schematische Darstellung der Brennstoffbatterie in der aktuellen Ausführungsform.
13B zeigt ein Äquivalenzschaltbild der Brennstoffbatterie in 13A.
13C zeigt ein Äquivalenzschaltbild einer Brennstoffbatterie ohne die Erfindung.
Siehe 13A. Es ist eine Brennstoffbatterie mit zwei Gruppen von je drei Brennstoffbatteriezellen, die auf zwei gegenüber liegenden Seiten der Brennstoffbatterie angeordnet sind, abgebildet. Die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA3 sind auf einer Seite der Brennstoffbatterie in dieser Folge angeordnet, die Brennstoffbatteriezellen CB1 bis CB3 sind auf der anderen Seite der Brennstoffbatterie in der gleichen Folge angeordnet. Angenommen die Brennstoffbatterie wird, wie im rechten Teil von 13A dargestellt, leicht gekippt. Die Oberfläche 52a des flüssigen Brennstoffs 52 durchquert die Brennstoffelektroden der Brennstoffbatteriezellen CA1 und CB1 und nur noch 50% der Fläche der Brennstoffelektroden der Brennstoffbatteriezellen CA1 und CB1 können mit dem Brennstoff 52 versorgt werden.
Siehe 13B. In der hier behandelten Brennstoffbatterie 20 sind die Brenn- stoffelektroden in der Richtung CA1 bis CA3 und CB3 bis CB1 mit den Luftelektroden elektrisch in Reihe geschaltet, und CA1 und CB3, CA2 und CB2, CA3 und CB1 sind jeweils parallel geschaltet. Die Arbeitsbereiche der Brennstoffbatteriezellen bei der Stromerzeugung sind angegeben (auf der rechten Seite von 13B), wobei die Arbeitsbereiche einer Gruppe von Brennstoffbatteriezellen und die Arbeitsbereiche der parallel geschalteten Brennstoffbatteriezellen aufsummiert sind. Die Zahl „1" bedeutet dabei, dass 100% der Oberfläche der Brennstoffelektrode einer Brennstoffbatteriezelle mit dem Brennstoff versorgt werden kann, die Zahl „0.5" bedeutet, dass 50% der Oberfläche der Brennstoffelektrode einer Brennstoffbatteriezelle mit dem Brennstoff versorgt werden kann.
Siehe 13C. In der hier dargestellten Brennstoffbatterie 100, die ohne die Erfindung hergestellt wurde, sind die Brennstoffelektroden in der Richtung CA1 bis CA3 und CB1 bis CB3 mit den Luftelektroden elektrisch in Reihe geschaltet, und CA1 und CB1, CA2 und CB2, CA3 und CB3 sind jeweils parallel geschaltet. Die Arbeitsbereiche der Brennstoffbatteriezellen bei der Stromerzeugung sind auf die gleiche Art angegeben (im rechten Teil von 13C).
Unter der Annahme, dass, wie oben beschrieben, nur 50% der Oberfläche der Brennstoffelektroden der Brennstoffbatteriezellen CA1 und CB1 mit dem Brennstoff 52 versorgt werden, werden die Ausgangsspannungen bei konstantem Stromfluss der Brennstoffbatterie in dieser Ausführung mit den Ausgangsspannungen bei konstantem Stromfluss des Vergleichsbeispiels verglichen.
Angenommen die Brennstoffbatteriezelle habe eine Ausgangsspannung V, eine Leerlaufspannung V0 (wenn die Ausgangsseite unbelastet ist) und eine Stromdichte J (z.B. in A/cm²). Die Ausgangsspannung V bei Stromfluss lässt sich dann folgendermaßen berechnen: V = V0 + a × J (1) wobei a eine negative Konstante ist, die eine Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Stromdichte J zeigt. Außerdem gilt die folgende Gleichung: J = I/S (2)wobei I der Ausgangsstromstärke der Brennstoffbatterie entspricht. Da die Ausgangsstromstärke I konstant ist, folgt aus Gleichung (2), dass die Stromdichte J umgekehrt proportional zu der Fläche S der in den Brennstoff eingetauchten Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle ist.
Damit erhält man bei einer Brennstoffbatteriezelle mit S = 2,0, was der in den Brennstoff eingetauchten Fläche der Brennstoffelektrode entspricht, J = 1,0, für S = 1,5, J = 1,33, und für S = 1,0, J = 2,0. Unter Benutzung des Zusammenhangs zwischen S und J, und unter Benutzung von Gleichung (1), ergeben sich die Ausgangsspannungen für die Erfindung, wie in 13B gezeigt, und für das Vergleichsbeispiel, wie in 13C gezeigt, wie folgt:
mit der Erfindung V = 3V0 + 3,66afür das Vergleichsbeispiel V = 3V0 + 4,0a
Da a, wie oben erwähnt, eine negative Zahl ist, ist die Ausgangsspannung bei konstantem Stromfluss mit der Erfindung höher als bei dem Vergleichsbeispiel. Dies verdeutlicht, dass die Verbindungsmethode der Erfindung vorteilhaft gegenüber dem Vergleichsbeispiel ist.
Unter Verwendung des Zusammenhangs zwischen der Ausgangsspannung und der Stromdichte erhält man bei der Erfindung, mit V0 = 1,5 V und a = -0,5, eine Ausgangsspannung von 2,67 V und im Vergleichsbeispiel eine Ausgangsspannung von 2,50 V. Die Ausgangsspannung im Beispiel mit der Erfindung ist um 7% höher als die Ausgangsspannung des Vergleichsbeispiels. Das Beispiel mit der Erfindung ist also besser, weil die Ausgangsspannung auch bei gleicher Brennstoffmenge hoch ist.
Als Nächstes werden Veränderungen der Ausführung gezeigt, die aus Veränderungen der Verbindungen, die in 11 gezeigt sind, bestehen.
14A bis 14C und 15A bis 15D zeigen Schaltbilder der äquivalenten Schaltungen der Brennstoffbatterie mit Veränderungen der ersten Ausführungsform. In 14A bis 14D und 15A bis 15D sind entsprechenden Bauteilen die gleichen Zahlen zugeordnet wie in 11 und redundante Beschreibungen sind ausgelassen.
Siehe 14A bis 14C. In den Brennstoffbatterien sind die Anschlüsse zwischen den Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 und den Brennstoffbatteriezellen CB1 bis CB6 an einem Punkt elektrisch leitend verbunden. In 14A ist der Anschluss zwischen den Brennstoffbatteriezellen CA1 und CA2 mit dem Anschluss zwischen den Brennstoffbatteriezellen CB6 und CB5 elektrisch leitend verbunden über den Leiter LD6. In 14B ist der Anschluss zwischen den Brennstoffbatteriezellen CA2 und CA3 mit dem Anschluss zwischen den Brennstoffbatteriezellen CB5 und CB4 elektrisch leitend verbunden über den Leiter LD2. In 14C ist der Anschluss zwischen den Brennstoffbatteriezellen CA3 und CA4 mit dem Anschluss zwischen den Brennstoffbatteriezellen CB4 und CB3 elektrisch leitend verbunden über den Leiter LD4.
Insbesondere sind in 14B, wobei 14B nur als Beispiel dient, unter den Brennstoffbatteriezellen, die den Brennstoffversorger 32 umschließen, die Luftelektrode der Brennstoffbatteriezelle CA2 (genau genommen der Separator 40a der Luftelektrode) und die Luftelektrode (genau genommen der Separator 40a der Luftelektrode) der Brennstoffbatteriezelle CB5 über den Leiter LD2 verbunden, der in 10 dargestellte Leiter LD1 (und die in 10 nicht dargestellten Leiter LD4 bis LD6) ist nicht vorhanden.
Betrachtet man z.B. die in 12A dargestellte Situation, dass sich die Brennstoffbatterie in einer aufrechten Position befindet und die Oberfläche des flüssigen Brennstoffs niedriger als die Brennstoffbatteriezellen CA6 du CB6 ist, können die Brennstoffbatteriezellen CA6 und CB6 keinen Strom erzeugen, da die Brennstoffelektroden der Brennstoffbatteriezellen CA6 und CB6 nicht mit dem Brennstoff 52 versorgt werden können. Aber sogar unter diesen Bedingungen sind in den in 14A bis 14C dargestellten Brennstoffbatterien die Ausgangsseite und die Erdungsseite durch stromerzeugende Brennstoffbatteriezellen elektrisch leitend verbunden. Die Energieversorgung durch die Brennstoffbatterie wird daher nicht unterbrochen. Das Gleiche gilt für die Betrachtung der Brennstoffbatterie in der in 12B dargestellten horizontalen Position.
Ist statt der in 14A bis 14C dargestellten Anschlussbedingungen der Anschluss zwischen den Brennstoffbatteriezellen CA4 und CA5 mit dem Anschluss zwischen den Brennstoffbatteriezellen CB2 und CB3 oder der Anschluss zwischen den Brennstoffbatteriezellen CA5 und CA6 mit dem Anschluss zwischen den Brennstoffbatteriezellen CB1 und CB2 elektrisch verbunden, wird die Energieversorgung durch die Brennstoffbatterie nicht unterbrochen.
Ist also der Anschluss zwischen der m-ten Brennstoffbatteriezelle und der (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle entlang der Richtung der Brennstoffbatteriezelle CA1 zur Brennstoffbatteriezelle CA6 an nur einer Stelle mit dem Anschluss zwischen der m-ten Brennstoffbatteriezelle und der (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle entlang der Richtung der Brennstoffbatteriezelle CB6 zur Brennstoffbatteriezelle CB1 elektrisch verbunden, können, sogar wenn sich die Oberfläche des flüssigen Brennstoffs ändert und einige Brennstoffbatteriezellen keinen Strom erzeugen können, die gegenüber liegenden parallel geschalteten Brennstoffbatteriezellen Strom erzeugen. Die Energieversorgung durch die Brennstoffbatterie wird somit nicht unterbrochen und ein Absinken der Energieversorgung kann verhindert werden.
Siehe 15A bis 15D. In der Brennstoffbatterie wird, sogar wenn die Anschlüsse zwischen benachbarten Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 mit den Anschlüssen zwischen benachbarten Brennstoffbatteriezellen CB1 bis CB6 an zwei oder drei Stellen elektrisch verbunden sind, und die Oberfläche des flüssigen Brennstoffs sich verändert, die Energieversorgung durch die Brennstoffbatterie nicht unterbrochen.
Da sich, wenn die Zahl der Verbindungsstellen vergrößert wird, die Zahl der zur Energieversorgung beitragenden Brennstoffbatteriezellen erhöht, verbessert sich die Brennstoffausnutzung im Vergleich zu der Methode mit nur einer Verbindung wie in 14A bis 14C dargestellt. Es ist insbesondere erstrebenswert alle Anschlüsse der benachbarten Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 mit den Anschlüssen der benachbarten Brennstoffbatteriezellen CB1 bis CB6 elektrisch leitend zu verbinden, wie in 11 dargestellt.
Die Verbindungspunkte sind auch nicht auf die in 15A bis 15D dargestellten begrenzt; in jeder der 15A bis 15D können die Verbindungen auch symmetrisch angeordnet werden und die gleichen Effekte erzielt werden.
Im Folgenden ist ein Beispiel zur Herstellung der oben beschrieben Brennstoffbatterie beschrieben.
BEISPIEL
In diesem Beispiel ist die Brennstoffbatterie mit einer Struktur wie der in 4 und 8 gezeigten hergestellt, wobei auf jeder Fläche der Brennstoffbatterie sechs Brennstoffbatteriezellen angeordnet sind, und die Fläche einer Zellenstruktureinheit in einer Brennstoffbatteriezelle 3cm² beträgt. Die Anschlussbedingungen zwischen den Brennstoffbatteriezellen sind, wie in 11 dargestellt, umgesetzt.
Die Zellenstruktureinheit besteht aus den folgenden Materialien:
die Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht aus Pt/Ru-Legierungsträgerkatalysator TEC61E54 (hergestellt von Tanaka Kikinzoku Co.),
die Luftelektroden-Katalysatorschicht aus Platin-Trägerkatalysator TEC10E50E (hergestellt von Tanaka Kikinzoku Co.),
die feste Elektrolytschicht aus dem Feststoffelektrolyten Nafion (eingetragenes Warenzeichen) NF117 (Produktbezeichnung der Dupont Co.),
der Brennstoff aus einer 10 Volumenprozent Methanol-Wasser-Lösung.
Der Brennstoffversorger wird von einer Brennstoffpatrone mit der 10 Volumenprozent Methanol-Wasser-Lösung versorgt. Wenn sich die Brennstoffbatterie in der aufrechten Position von 12A befindet, werden 95% der gesamten Oberfläche der Brennstoffelektroden mit dem Brennstoff versorgt. Die Ausgangsleistung wird jeweils in der aufrechten Position von 12A, in der horizontalen Position von 12B und in einer gekippten Position ausgewertet.
Man erhält, dass die Ausgangsleistung in der aufrechten Position 0,72W, in der horizontalen Position 0,36W und in der gekippten Position zwischen 0,36W und 0,72W beträgt. Die Ausgangsleistung ist also nie Null. Damit wird eine Unterbrechung der Energieversorgung verhindert und man erhält eine Brennstoffbatterie mit einer hohen Funktionssicherheit.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
16 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Brennstoffbatterie 60 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
17 zeigt ein Schaltbild der äquivalenten Schaltung der Brennstoffbatterie 60.
In 16 und 17 sind entsprechenden Bauteilen die gleichen Zahlen zugeordnet wie in 11 und redundante Beschreibungen sind ausgelassen.
Siehe 16 und 17. Die Brennstoffbatterie 60 besitzt einen Brennstoffversorger 32, die Batteriezellenstruktur 31A und eine Batteriezellenstruktur 61B, die so gegenüber angeordnet sind, dass sie den Brennstoffversorger 32 umschließen. Die Batteriezellenstruktur 31A besitzt Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6, die Batteriezellenstruktur 61B besitzt Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC6. In der Brennstoffbatterie 60 steht die Anordnungsrichtung der Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC6 (die X-Richtung) in der Batteriezellenstruktur 61B senkrecht auf der Anordnungsrichtung der Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 (der Y-Richtung) in der Batteriezellenstruktur 31A. Die Brennstoffbatterie 60 ist fast die gleiche wie die Brennstoffbatterie 20 der ersten Ausführungsform mit dem Unterschied, dass die parallelen Verbindungen zwischen den Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 und den Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC6 verschieden sind. Ansonsten haben die Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC6 bis auf ihre Anordnungsrichtung die gleiche Struktur wie die Brennstoffbatteriezellen CB1 bis CB6.
In der Batteriezellenstruktur 31A und in der Batteriezellenstruktur 61B sind die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 und die Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC6 in der Folge ihrer Anordnung in Reihe geschaltet. In der Batteriezellenstruktur 31A dient die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle CA1 als Ausgangsseite und die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 sind elektrisch leitend verbunden in der Folge Brennstoffelektrode von CA1/Luftelektrode von CA1 – Brennstoffelektrode von CA2/Luftelektrode von CA2 – Brennstoffelektrode von CA3/.../Luftelektrode von CA5 – Brennstoffelektrode von CA6/Luftelektrode von CA6. Damit sind die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 in der Folge ihrer Anordnung elektrisch in Reihe geschaltet.
Das Symbol „–" deutet eine Verbindung mit dem fast Z-förmigen Separator 40a an und das Symbol „/" deutet eine Zellenstruktureinheit 41 an.
In der Batteriezellenstruktur 61B gegenüber der Batteriezellenstruktur 31A dient die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle CC1 als Ausgangsseite und die Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC6 sind elektrisch leitend verbunden in der Folge Brennstoffelektrode von CC1/Luftelektrode von CC1 – Brennstoffelektrode von CC2/Luftelektrode von CC2 – Brennstoffelektrode von CC3/.../Luftelektrode von CC5 – Brennstoffelektrode von CC6/Luftelektrode von CC6. Damit sind die Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC6 in der Folge ihrer Anordnung elektrisch in Reihe geschaltet.
Weiterhin sind die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 in der folgenden Weise mit den Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC6 parallel geschaltet. Siehe 17. CA1 und CC1, CA2 und CC2, CA3 und CC3, CA4 und CC4, CA5 und CC5, CA6 und CC6 sind jeweils elektrisch parallel geschaltet. In der Batteriezellenstruktur 31A und in der Batteriezellenstruktur 61B sind die Anschlüsse sa1 bis sa5 und die Anschlüsse sc1 bis sc5 jeweils mit ihrem m-ten (m ist eine ganze Zahl zwischen 1 und 5) Anschluss sam und scm auf der Ausgangsseite verbunden.
Sind die Brennstoffbatteriezellen so verbunden, sind, auch wenn der Brennstoff z.B. auf ein Drittel der Fläche einer Brennstoffelektrode reduziert ist, z.B. wenn die Brennstoffbatterie 60 in 16 aufrecht angeordnet ist, wobei die Batteriezellenstruktur 61B und die Batteriezellenstruktur 31A vertikal mit der Brennstoffbatteriezelle CA6 oben angeordnet sind, zusätzlich zu den Brennstoffbatteriezellen CA1 und CA2 auch die Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC6 in Kontakt mit dem Brennstoff. Wenn aber die Brennstoffbatterie 60 in 16 aufrecht angeordnet ist, wobei die Batteriezellenstruktur 61B und die Batteriezellenstruktur 31A vertikal mit der Brennstoffbatteriezelle CC6 oben angeordnet sind, sind zusätzlich zu den Brennstoffbatteriezellen CC1 und CC2 auch die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 in Kontakt mit dem Brennstoff. Da immer eine der parallel geschalteten Brennstoffbatteriezellen mit dem Brennstoff in Kontakt ist, kann die Brennstoffbatterie 60, die die parallel geschalteten Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC6 und die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 umfasst, wobei die Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC6 und die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 jeweils in Reihe geschaltet sind, immer Energie liefern. Sogar wenn die Oberfläche des flüssigen Brennstoffs im Brennstoffversorger aufgrund der Orientierung der Brennstoffbatterie ihre Richtung ändert, ist eine der parallel geschalteten Brennstoffbatteriezellen immer in Kontakt mit dem Brennstoff und die Brennstoffbatteriezelle 60 kann Energie liefern.
Da die Brennstoffbatteriezelle 60 die parallel geschalteten Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC6 und die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 enthält, wobei die Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC6 und die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 jeweils in Reihe geschaltet sind, kann eine Unterbrechung der Energieversorgung sogar bei einer Veränderung der Orientierung der Brennstoffbatterie verhindert werden.
Da die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 und die Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC6, die die Batteriezellenstruktur 31A und die Batteriezellenstruktur 61B bilden, und der Brennstoffversorger 32 die gleichen wie in der ersten Ausführungsform sind, werden die detaillierten Beschreibungen hier ausgelassen.
18A bis 18C zeigen Schaltbilder der äquivalenten Schaltungen der Brennstoffbatterie mit ersten Veränderungen der zweiten Ausführungsform.
Siehe 18A bis 18C. In den Brennstoffbatterien sind die Anschlüsse sa1 bis sa5 zwischen benachbarten Brennstoffbatteriezellen der Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 an nur einem Punkt mit den Anschlüssen sc1 bis sc5 zwischen benachbarten Brennstoffbatteriezellen der Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC6 elektrisch verbunden. In 18A ist der Anschluss sa1 zwischen den Brennstoffbatteriezellen CA1 und CA2 mit dem Anschluss sc1 zwischen den Brennstoffbatteriezellen CC1 und CC2 elektrisch leitend verbunden. In 18B ist der Anschluss sa2 zwischen den Brennstoffbatteriezellen CA2 und CA3 mit dem Anschluss sc2 zwischen den Brennstoffbatteriezellen CC2 und CC3 elektrisch leitend verbunden. In 18C ist der Anschluss sa3 zwischen den Brennstoffbatteriezellen CA3 und CA4 mit dem Anschluss sc3 zwischen den Brennstoffbatteriezellen CC3 und CC4 elektrisch leitend verbunden. Die m-ten Anschlüsse sam, scm (m ist eine ganze Zahl zwischen 1 und 5) der Ausgangsseite der Batteriezellenstruktur 31A und der Batteriezellenstruktur 61B sind also an jeweils nur einer Stelle verbunden.
19A bis 19D zeigen Schaltbilder der äquivalenten Schaltungen der Brennstoffbatterie mit zweiten Veränderungen der zweiten Ausführungsform.
Siehe 19A bis 19D. In den Brennstoffbatterien sind die Anschlüsse sa1 bis sa5 zwischen benachbarten Brennstoffbatteriezellen der Brennstoffbakteriezellen CA1 bis CA6 an zwei oder drei Punkten mit den Anschlüssen sc1 bis sc5 zwischen benachbarten Brennstoffbatteriezellen der Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC6 elektrisch verbunden. Die m-ten Anschlüsse sam, scm (m ist eine ganze Zahl zwischen 1 und 5) der Ausgangsseite der Batteriezellenstruktur 31A und der Batteriezellenstruktur 61B sind also an zwei oder drei Stellen verbunden.
Wie bei der ersten Veränderung in 18A bis 18D und bei der zweiten Veränderung in 19A bis 19D gezeigt, erhält man durch eine Parallelschaltung der Brennstoffbatteriezellen die gleichen Vorteile wie bei der vorliegenden Ausführungsform. Dieser Vorteil betrifft das Verhindern einer Unterbrechung der Energieversor gung, selbst wenn sich die Oberfläche des flüssigen Brennstoffs im Brennstoffversorger aufgrund einer Veränderung der Orientierung der Brennstoffbatterie ändert.
Obwohl hier die Batteriezellenstruktur 31A und die Batteriezellenstruktur 61B jeweils sechs Brennstoffbatteriezellen besitzen, weisen auch 2, 3, 4, 5, 7 oder mehr Brennstoffbatteriezellen die gleichen Vorteile wie diese Ausführungsform, ihre erste und ihre zweite Veränderung auf.
Außerdem ist eine quadratische Form der Batteriezellenstruktur 31A und der Batteriezellenstruktur 61B vorzuziehen. Dadurch ist es zuverlässiger möglich eine Unterbrechung der Energieversorgung und eine Änderung der Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie zu verhindern.
Im Folgenden ist beispielhaft der Zusammenhang zwischen der Orientierung der Brennstoffbatterie und der Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie in der hier beschriebenen Ausführungsform erklärt. Zum Vergleich sind auch die erste Ausführungsform und ein Beispiel, bei dem die Erfindung nicht angewandt wurde, aufgeführt.
20A zeigt eine schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform der Brennstoffbatterie und ein Schaltbild der äquivalenten Schaltung der Brennstoffbatterie (Beispiel 1).
20B zeigt eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform der Brennstoffbatterie und ein Schaltbild der äquivalenten Schaltung der Brennstoffbatterie (Beispiel 2).
20C zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffbatterie ohne die Erfindung (als Vergleichsbeispiel) und ein Schaltbild der äquivalenten Schaltung der Brennstoffbatterie (Vergleichsbeispiel 1).
In den Brennstoffbatterien der Beispiele 1 und 2 und des Vergleichsbeispiels 1 sind drei Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA3 oder CB1 bis CB3 oder CC1 bis CC3 auf einer Seite der Brennstoffbatterien angeordnet. Auf der rechten Seite der 20A bis 20C sind die Ersatzschaltkreise der Brennstoffbatterien dargestellt zur Veranschaulichung der elektrischen Verbindungen.
Siehe 20A. Im ersten Beispiel der Brennstoffbatterie, das der zweiten Ausführungsform entspricht, sind die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA3 in dieser Folge von oben nach unten auf einer Seite des Brennstoffversorgers (nicht dargestellt) angeordnet, und auf der anderen Seite des Brennstoffversorgers sind die Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC3 senkrecht zur Anordnungsrichtung der Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA3 angeordnet. Außerdem sind im ersten Beispiel der Brennstoff batterie die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA3 und die Brennstoffbatteriezellen CC1 bis CC3 in der Folge CC1 bis CC3 in Reihe geschaltet und CA1 und CC1, CA2 und CC2, CA3 und CC3 sind jeweils parallel geschaltet.
Siehe 20B. Im zweiten Beispiel der Brennstoffbatterie gemäß erster Ausführungsform sind die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA3 in dieser Folge von oben nach unten auf einer Seite des Brennstoffversorgers (nicht dargestellt) angeordnet; auf der anderen Seite des Brennstoffversorgers sind die Brennstoffbatteriezellen CB1 bis CB3 genauso wie die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA3 angeordnet. Außerdem sind im zweiten Beispiel der Brennstoffbatterie die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA3 in dieser Folge und die Brennstoffbatteriezellen CB1 bis CB3 in umgekehrter Folge, d.h. von CB3 bis CB1, in Reihe geschaltet. CA1 und CB3, CA2 und CB2, CA3 und CB1 sind zudem parallel geschaltet.
Siehe 20C. Im Vergleichsbeispiel 1 sind die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA3 in dieser Folge von oben nach unten auf einer Seite des Brennstoffversorgers (nicht dargestellt) angeordnet, und auf der anderen Seite des Brennstoffversorgers sind die Brennstoffbatteriezellen CB1 bis CB3 gleichgerichtet wie die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA3 angeordnet. Zudem sind im Vergleichsbeispiel 1 der Brennstoffbatterie die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA3 und die Brennstoffbatteriezellen CB1 bis CB3 in der Folge CA1 bis CA3 bzw. CB1 bis CB3 in Reihe geschaltet und CA1 und CB1, CA2 und CB2, CA3 und CB3 sind parallel geschaltet.
Für die Berechnung der Ausgangsspannungen der Brennstoffbatterien wird angenommen, dass jede Batteriezellenstruktur 12 cm hoch und 9 cm breit ist, d.h. die lange Seite jeder Brennstoffbatteriezelle misst 9 cm und die kurze Seite 4 cm; Dann berechnet sich die Ausgangsspannung V der parallel geschalteten Brennstoffbatteriezellen folgendermaßen. V = V0 + b/S (3)wobei V0 die Leerlaufspannung (wenn die Ausgangsseite unbelastet ist), S (cm²) die gesamte Fläche der parallel geschalteten Brennstoffbatteriezellen und b eine negative Konstante, die eine Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Fläche S zeigt, bezeichnet. Hier wird angenommen, dass V0 = 0,45 V und b = -0,7 V·cm² ist.
Wenn die Brennstoffbatterie, wie in 20A gezeigt, entlang des Pfeils von einer aufrechten Position, in der die Batteriezellenstrukturen vertikal angeordnet sind, gekippt wird, ergibt sich der Neigungswinkel θ der Brennstoffbatterie wie in 20A dargestellt. Es wird angenommen, dass der Neigungswinkel θ = 0 Grad gilt, wenn CA1 bis CA3 horizontal angeordnet sind, und θ = 90 Grad gilt, wenn CA1 bis CA3 vertikal angeordnet sind. Die Position der Oberfläche 68a des Brennstoffs 68 ist in den 20A bis 20C in der Situation dargestellt, in der ein Teil des Brennstoffs 68 verbraucht wurde und der Brennstoff nur noch ein Drittel der Fläche einer Brennstoffelektrode bedeckt.
21 zeigt eine Tabelle, die an einem Beispiel den Zusammenhang zwischen dem Neigungswinkel θ und der Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie darstellt.
Siehe 21. Die Tabelle zeigt die unter den obigen Voraussetzungen berechneten Ausgangsspannungen, wobei der Neigungswinkel θ die Werte 0 Grad, 30 Grad, 45 Grad und 90 Grad annimmt. Der Wert „0,00 V" bedeutet, dass die Ausgangsspannung mindestens einer der in Reihe geschalteten Brennstoffbatteriezellen Null ist.
Im Fall des Vergleichsbeispiels 1 ist die Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie Null, wenn der Neigungswinkel θ die Werte 0 Grad, 30 Grad und 45 Grad annimmt, und die Energieversorgung ist unterbrochen.
Im Gegensatz dazu ist im zweiten Beispiel die Ausgangsspannung nur dann 0,00 V, wenn der Neigungswinkel θ 0 Grad beträgt; bei einem Neigungswinkel θ von 30 Grad, 45 Grad und 90 Grad ist die Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie nicht Null und die Energieversorgung ist möglich. Dies zeigt, ist der Brennstoff nur auf ein Drittel reduziert, dass die Energieversorgung in einem wesentlich größeren Bereich als im Vergleichsbeispiel 1 möglich ist.
Im ersten Beispiel ist die Energieversorgung bei allen Neigungswinkeln θ = 0 Grad, 30 Grad, 45 Grad und 90 Grad möglich und eine Unterbrechung der Energieversorgung lässt sich verhindern.
DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
22 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Brennstoffbatterie 80 gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung.
23 zeigt ein Schaltbild der äquivalenten Schaltung der Brennstoffbatterie 80.
In 22 und 23 sind entsprechenden Bauteilen gleiche Zahlen zugeordnet, wie oben, und redundante Beschreibungen ausgelassen.
Siehe 22 und 23. Die Brennstoffbatterie 80 besitzt einen Brennstoffversorger 32, die Batteriezellenstruktur 31A und eine Batteriezellenstruktur 81B, die so gegenüber angeordnet sind, dass sie den Brennstoffversorger 32 umschließen; die Batteriezellenstruktur 31A besitzt Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6, die Batteriezellenstruktur 81B besitzt Brennstoffbatteriezellen CD1 bis CD6. In der Brennstoffbatterie 80 steht die Anordnungsrichtung der Brennstoffbatteriezellen CD1 bis CD6 (die X-Richtung) in der Batteriezellenstruktur 81B senkrecht auf der Anordnungsrichtung der Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 (der Y-Richtung) in der Batteriezellenstruktur 31A. Die Brennstoffbatterie 80 ist fast die gleiche wie die Brennstoffbatterie 60 der zweiten Ausführungsform aber unterscheidet sich von der Brennstoffbatterie 60 in der Folge der elektrischen Reihenschaltung der Brennstoffbatteriezellen CD1 bis CD6 und in den Wegen der Parallelschaltungen der Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 mit den Brennstoffbatteriezellen CD1 bis CD6.
In der Batteriezellenstruktur 81D dient die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle CD4 als Ausgangsseite und die Brennstoffbatteriezellen CD1 bis CD6 sind elektrisch leitend verbunden in der Folge Brennstoffelektrode von CD4/Luftelektrode von CD4 – Brennstoffelektrode von CD5/Luftelektrode von CD5 – Brennstoffelektrode von CD6/Luftelektrode von CD6 – Brennstoffelektrode von CD1/Luftelektrode von CD1 – Brennstoffelektrode von CD2/Luftelektrode von CD2 – Brennstoffelektrode von CD3/Luftelektrode von CD3.
Zudem sind die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 in der folgenden Weise mit den Brennstoffbatteriezellen CD1 bis CD6 parallel geschaltet. In der Batteriezellenstruktur 31A und in der Batteriezellenstruktur 81D sind Anschlüsse sa1 bis sa5 und Anschlüsse sd1 bis sd5 jeweils mit dem m-ten (m ist eine ganze Zahl zwischen 1 und 5) Anschluss auf der Ausgangsseite verbunden.
In der Folge der in Reihe geschalteten Brennstoffbatteriezellen CD1 bis CD6 sind die Brennstoffbatteriezellen CD1 bis CD6 so verbunden, dass sich die Ausgangsseite und die Erdungsseite in der Nähe der Mitte der Batteriezellenstruktur befindet, bei den Brennstoffbatteriezellen CD3 und CD4, und nicht an den Enden der Brennstoffbatteriezellen der Batteriezellenstruktur 81D, also bei den Brennstoffbatteriezellen CD1 und CD6.
Ist die Brennstoffmenge sehr gering, kann die Brennstoffbatterie 80 bei dieser Verschaltung der Brennstoffbatteriezellen trotzdem Energie liefern, da die Brennstoffelektrode einer der parallel geschalteten Brennstoffbatteriezellen immer in Kontakt mit dem Brennstoff ist. Es ist daher möglich eine Unterbrechung der Energieversorgung zu verhindern, die Brennstoffbatterie 80 kann unabhängig von ihrer Orientierung Energie liefern, selbst wenn die benetzte Fläche der Brennstoffelektroden der Brennstoffbatteriezellen sehr klein ist.
Eine quadratische Form der Batteriezellenstruktur 31A und der Batteriezellenstruktur 81D ist vorzuziehen. Dadurch kann man eine Änderung der Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie vermeiden, selbst wenn die Menge an Brennstoff sehr klein wird.
Die Separatoren 82 der Brennstoffbatteriezellen der Batteriezellenstruktur 81D haben eine flache parallele Form und sind über Leiter 65a verbunden.
24A zeigt eine schematische Darstellung der dritten Ausführungsform der Brennstoffbatterie und ein Schaltbild der äquivalenten Schaltung der Brennstoffbatterie (Beispiel 3).
24B zeigt eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform der Brennstoffbatterie und ein Schaltbild der äquivalenten Schaltung der Brennstoffbatterie (Beispiel 4).
25 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffbatterie ohne die Erfindung und ein Schaltbild der äquivalenten Schaltung der Brennstoffbatterie (Vergleichsbeispiel 2).
In den Brennstoffbatterien der Beispiele 3 und 4 und des Vergleichsbeispiels 2 sind die sechs Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 oder CD1 bis CD6 oder CB1 bis CB6 auf einer Seite der Brennstoffbatterien angeordnet. Auf der rechten Seite der 24A, 24B und 25 sind die Ersatzschaltkreise der Brennstoffbatterien dargestellt zur Veranschaulichung der elektrischen Verbindungen.
Siehe 24A. In Beispiel 3 der Brennstoffbatterie gemäß der dritten Ausführungsform sind die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 in dieser Folge von oben nach unten angeordnet, und die Brennstoffbatteriezellen CD1 bis CD6 sind senkrecht zur Anordnungsrichtung der Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 auf der anderen Seite angeordnet. Außerdem sind in Beispiel 3 der Brennstoffbatterie die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 in der Folge CA1 bis CA6 in Reihe geschaltet, die Brennstoffbatteriezellen CD1 bis CD6 in der Folge CD4-CD5-CD6-CD1-CD2-CD3; zudem sind CA1 und CD4, CA2 und CD5, CA3 und CD6, CA4 und CD1, CA5 und CD2, CA6 und CD3 elektrisch parallel geschaltet.
Siehe 24B. In Beispiel 4 der Brennstoffbatterie gemäß erster Ausführungsform sind die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 in dieser Folge von oben nach unten angeordnet; auf der anderen Seite sind die Brennstoffbatteriezellen CB1 bis CB6 genauso wie die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 angeordnet. Außerdem sind in Beispiel 4 der Brennstoffbatterie die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 in dieser Folge in Reihe geschaltet, die Brennstoffbatteriezellen CB1 bis CB6 in umgekehrter Folge, d.h. von CB6 bis CB1. CA1 und CB6, CA2 und CB5, CA3 und CB4, CA4 und CB3, CA5 und CB2, CA6 und CB1 sind zudem parallel geschaltet.
Siehe 25. Im Vergleichsbeispiel 2 sind die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 in dieser Folge von oben nach unten auf einer Seite angeordnet, und auf der anderen Seite sind die Brennstoffbatteriezellen CB1 bis CB6 gleichgerichtet wie die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 angeordnet. Zudem sind im Vergleichsbeispiel 2 der Brennstoffbatterie die Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 und die Brennstoffbatteriezellen CB1 bis CB6 in der Folge CA1 bis CA6 bzw. CB1 bis CB6 in Reihe geschaltet und CA1 und CB1, CA2 und CB2, CA3 und CB3, CA4 und CB4, CA5 und CB5, CA6 und CB6 sind parallel geschaltet.
Für die Berechnung der Ausgangsspannungen der Brennstoffbatterien wird angenommen, dass alle Batteriezellenstrukturen quadratisch sind, wobei sie 10 cm hoch und 10 cm breit seien, d.h. die lange Seite jeder Brennstoffbatteriezelle misst 10 cm und die kurze Seite 1,67 cm. Die Ausgangsspannung V der parallel geschalteten Brennstoffbatteriezellen berechnet sich dann gemäß Gleichung (3). Seien weiterhin V0 = 0,45 V und b = -0,7 V·cm².
Der Neigungswinkel θ der Brennstoffbatterie ist in 24A dargestellt, wobei der Neigungswinkel θ 0 Grad beträgt, wenn CA1 bis CA6 horizontal angeordnet sind, und 90 Grad, wenn CA1 bis CA6 vertikal angeordnet sind. Die Position der Oberfläche 68a des Brennstoffs 68 ist in den 24A, 24B und 25 in der Situation dargestellt, in der ein Teil des Brennstoffs 68 verbraucht wurde und der Brennstoff nur noch ein Drittel der Fläche einer Brennstoffelektrode bedeckt.
26 zeigt eine Tabelle, die an einem Beispiel den Zusammenhang zwischen dem Neigungswinkel θ und der Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie zeigt.
Siehe 26. Die Tabelle zeigt die unter den obigen Voraussetzungen berechneten Ausgangsspannungen, wobei der Neigungswinkel θ die Werte 0 Grad, 45 Grad, 90 Grad, 135 Grad und 180 Grad annimmt. Der Wert „0,00" bedeutet, dass die Ausgangsspannung mindestens einer der in Reihe geschalteten Brennstoffbatteriezellen Null ist.
Im Fall des Vergleichsbeispiels 2 ist die Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie Null, wenn der Neigungswinkel θ die Werte 0 Grad, 45 Grad, 135 Grad und 180 Grad annimmt, und die Energieversorgung ist unterbrochen.
Im Gegensatz dazu ist im Beispiel 4 die Ausgangsspannung nur dann 0,00 V, wenn der Neigungswinkel θ 0 Grad und 180 Grad beträgt; bei einem Neigungswinkel θ von 45 Grad, 90 Grad und 135 Grad ist die Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie nicht Null und die Energieversorgung ist möglich. Dies zeigt, ist der Brennstoff nur auf ein Drittel reduziert, dass die Energieversorgung in einem wesentlich größeren Bereich als im Vergleichsbeispiel 2 möglich ist.
In Beispiel 3 ist die Energieversorgung bei allen Neigungswinkeln θ von 0 Grad bis 180 Grad möglich und eine Unterbrechung der Energieversorgung lässt sich verhindern.
Mit der Brennstoffbatterie 80 gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung ist eine Energieversorgung auch bei einer starken Verringerung des Brennstoffs noch möglich, genauso wie es möglich ist ein elektronisches Gerät über einen langen Zeitraum mit Energie zu versorgen, wie bei der ersten Ausführungsform gezeigt wurde.
Während die Erfindung in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Es können vielmehr vielfältige Veränderungen an ihr vorgenommen werden ohne vom in den Patentansprüchen beschriebenen zugrunde liegenden Konzept und Anwendungsbereich abzuweichen.
In der ersten Ausführungsform ist z.B. beschrieben, dass die Brennstoffbatterie in einen PDA eingebaut ist; die Brennstoffbatterien, die in den Ausführungsformen beschrieben sind, sind jedoch nicht auf PDA beschränkt, sondern können auch in einen Laptop, ein Handy oder andere tragbare Endgeräte eingebaut werden. Außerdem muss eine erfindungsgemäße Brennstoffbatterie nicht zwingend in ein tragbares Endgerät eingebaut werden, sondern kann auch über Kabel an das tragbare Endgerät angeschlossen werden oder kann in eine an das tragbare Endgerät angeschlossene Ladestation eingesetzt werden.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Wie in den detaillierten Erläuterungen offenbart ist, sind mit Brennstoff versorgte Brennstoffbatteriezellen, die damit in der Lage sind, Strom zu erzeugen, erfindungsgemäß parallel geschaltet; somit kann die Brennstoffbatterie auch dann Strom erzeugen, wenn sich die Oberfläche des flüssigen Brennstoff im Brennstoffversorger verändert und manche Brennstoffbatteriezellen keinen Strom mehr erzeugen können. Es ist also möglich eine Unterbrechung der Energieversorgung oder eine Verringerung der Ausgangsleistung zu verhindern und eine stabile Energieversorgung zu gewährleisten.
ZUSAMMENFASSUNG
Brennstoffbatterie 20 mit einander gegenüber liegenden Batteriezellenstrukturen 31A und 31B, in denen Brennstoffbatteriezellen CA1 bis CA6 und CB1 bis CB6 angeordnet sind, die den Brennstoffversorger 32 umschließen. Durch Separatoren 40a und 40b sind die Brennstoffelektroden und die Luftelektroden der Brennstoffbatteriezellen in jeweils umgekehrter Folge elektrisch in Reihe geschaltet. Die Luftelektroden der auf diagonalen Linien gegenüber liegenden Brennstoffbatteriezellen sind parallel geschaltet. Daher ist es leicht möglich die Brennstoffbatterie kompakt und leicht zu machen und eine Unterbrechung der Energieversorgung unter verschiedenen Einsatzbedingungen der Brennstoffbatterie zu verhindern und so eine stabile Energieversorgung zu gewährleisten. Es wird auch eine Brennstoffbatterie offenbart, bei der die gegenüber liegenden Brennstoffbatteriezellen senkrecht zueinander angeordnet sind.

Claims

Brennstoffbatterie, umfassend eine Anzahl Brennstoffbatteriezellen mit jeweils einer Brennstoffelektrode, einem festen Elektrolyten und einer Luftelektrode; einen Brennstoffversorger, der mit einem flüssigen Brennstoff gefüllt ist und der die Brennstoffelektrode mit flüssigem Brennstoff versorgt; wobei eine erste Batteriezellenstruktur und eine zweite Batteriezellenstruktur auf einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche des Brennstoffversorgers ausgebildet sind, wobei sowohl die erste Batteriezellenstruktur als auch die zweite Batteriezellenstruktur n Brennstoffbatteriezellen enthalten, die von einem Ende des Brennstoffversorgers zum anderen Ende des Brennstoffversorgers angeordnet sind, in der ersten Batteriezellenstruktur die Brennstoffbatteriezellen in der Folge der Anordnung elektrisch in Reihe geschaltet sind, so dass die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle am einen Ende als Ausgangsseite der ersten Batteriezellenstruktur und die Luftelektrode der Brennstoffbatteriezelle am anderen Ende als Erdung der ersten Batteriezellenstruktur dient, in der zweiten Batteriezellenstruktur die Brennstoffbatteriezellen in der umgekehrten Folge elektrisch in Reihe geschaltet sind, so dass die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle am anderen Ende als Ausgangsseite der zweiten Batteriezellenstruktur und die Luftelektrode der Brennstoffbatteriezelle am einen Ende als Erdung der zweiten Batteriezellenstruktur dient, die erste Batteriezellenstruktur und die zweite Batteriezellenstruktur elektrisch parallel geschaltet sind, und ein Anschluss zum elektrischen Verbinden einer m-ten Brennstoffbatteriezelle und einer (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle von dem einen Ende der ersten Batteriezellenstruktur elektrisch verbunden ist mit einem Anschluss zum elektrischen Verbinden einer m-ten Brennstoffbatteriezelle und einer (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle von dem anderen Ende der zweiten Batteriezellenstruktur, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist, und m eine ganze Zahl mit mindestens einem Wert zwischen 1 und n-1 ist.
Brennstoffbatterie nach Anspruch 1, wobei der Anschluss zwischen der m-ten Brennstoffbatteriezelle und der (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle von einem Ende der ersten Batteriezellenstruktur elektrisch leitend verbunden ist mit dem Anschluss zwischen der m-ten Brennstoffbatteriezelle und der (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle des anderen Endes der zweiten Batteriezellenstruktur, wobei m einen Wert von 1 bis n-1 annimmt.
Brennstoffbatterie nach Anspruch 1 oder 2, wobei alle Brennstoffbatteriezellen eine ungefähr rechteckige, ebene Form oder eine ungefähr elliptische, ebene Form haben mit ihrer Längsrichtung senkrecht zu der Richtung von einem Ende zum anderen Ende.
Brennstoffbatterie nach Anspruch 3, wobei eine Richtung senkrecht zur Anordnungsrichtung der Brennstoffbatteriezellen sich erstreckt bis zu einem Ende der ersten Batteriezellenstruktur in der gleichen Richtung.
Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Brennstoffversorger in der Dicke eine flache rechteckige feste Form hat, und die erste Batteriezellenstruktur und die zweite Batteriezellenstruktur in Richtung der Dicke gegenüber angeordnet sind.
Brennstoffbatterie nach Anspruch 5, wobei eine Gasauslassvorrichtung vorgesehen ist, ausgebildet aus einer gasdurchlässigen Schicht auf jeder Seitenfläche der ersten Batteriezellenstruktur, der zweiten Batteriezellenstruktur und des Brennstoffversorgers, welche den flüssigen Brennstoff von der äußeren Gasseite trennt.
Brennstoffbatterie nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Gasauslassvorrichtung in der Längsrichtung in der Nähe von zwei Enden jeder Seitenfläche der ersten Batteriezellenstruktur, der zweiten Batteriezellenstruktur und des Brennstoffversorgers angebracht ist.
Brennstoffbatterie nach Anspruch 5 oder 6, wobei die gasdurchlässige Schicht wasserabweisend ist.
Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Anschluss einen Separator zur Verbindung benachbarter Brennstoffbatteriezellen besitzt, und das eine Ende des Separators zur elektrischen Verbindung in Kontakt mit der Brennstoffelektrode oder der Luftelektrode einer der benachbarten Brennstoffbatteriezellen ist und das andere Ende in Kontakt mit der Luftelektrode oder der Brennstoffelektrode der anderen der benachbarten Brennstoffbatteriezellen ist.
Brennstoffbatterie nach Anspruch 9, wobei der Separator aus einem plattenartigen Material besteht, und der Querschnitt des Separators in der Anordnungsrichtung Z-förmig ist.
Brennstoffbatterie nach Anspruch 9 oder 10, weiterhin umfassend ein ringförmiges Dichtungsteil, das die Stapelstruktur aus Brennstoffelektrode, festem Elektrolyten und Luftelektrode umschließt und das eingeklemmt ist zwischen die zwei Separatoren auf der Brennstoffelektrodenseite und der Luftelektrodenseite.
Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 9 bis 11, zudem umfassend ein plattenartiges Dichtungsteil, das die zwei benachbarten Separatoren voneinander trennt.
Brennstoffbatterie, umfassend eine Anzahl Brennstoffbatteriezellen mit jeweils einer Brennstoffelektrode, einem festen Elektrolyten und einer Luftelektrode; und einen Brennstoffversorger, der mit einem flüssigen Brennstoff gefüllt ist und der die Brennstoffelektrode mit flüssigem Brennstoff versorgt; wobei eine erste Batteriezellenstruktur und eine zweite Batteriezellenstruktur auf einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche des Brennstoffversorgers ausgebildet sind, wobei sowohl die erste Batteriezellenstruktur als auch die zweite Batteriezellenstruktur n Brennstoffbatteriezellen enthalten, in der ersten Batteriezellenstruktur die n Brennstoffbatteriezellen von einem ersten Ende des Brennstoffversorgers zu einem zweiten Ende des Brennstoffversorgers gegenüber dem ersten Ende angeordnet sind, in der zweiten Batteriezellenstruktur die n Brennstoffbatteriezellen von einem dritten Ende des Brennstoffversorgers zu einem vierten Ende des Brennstoffversorgers gegenüber dem dritten Ende senkrecht zur Anordnungs richtung der Brennstoffbatteriezellen der ersten Batteriezellenstruktur angeordnet sind, in der ersten Batteriezellenstruktur die Brennstoffbatteriezellen in der Folge der Anordnung elektrisch in Reihe geschaltet sind, so dass die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle am ersten Ende als Ausgangsseite der ersten Batteriezellenstruktur und die Luftelektrode der Brennstoffbatteriezelle am zweiten Ende als Erdung der ersten Batteriezellenstruktur dient, in der zweiten Batteriezellenstruktur die Brennstoffbatteriezellen in der Folge der Anordnung elektrisch in Reihe geschaltet sind, so dass die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle am dritten Ende als Ausgangsseite der zweiten Batteriezellenstruktur und die Luftelektrode der Brennstoffbatteriezelle am vierten Ende als Erdung der zweiten Batteriezellenstruktur dient, und ein Anschluss zum elektrischen Verbinden einer m-ten Brennstoffbatteriezelle und einer (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle vom ersten Ende der ersten Batteriezellenstruktur elektrisch verbunden ist mit einem Anschluss zum elektrischen Verbinden einer m-ten Brennstoffbatteriezelle und einer (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle vom dritten Ende der zweiten Batteriezellenstruktur, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist, und m eine ganze Zahl mit mindestens einem Wert zwischen 1 und n-1 ist.
Brennstoffbatterie nach Anspruch 13, wobei der Anschluss zwischen der m-ten Brennstoffbatteriezelle und der (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle vom ersten Ende der ersten Batteriezellenstruktur elektrisch leitend verbunden ist mit dem Anschluss zwischen der m-ten Brennstoffbatteriezelle und der (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle des dritten Endes der zweiten Batteriezellenstruktur, wobei m einen Wert von 1 bis n-1 annimmt.
Brennstoffbatterie nach Anspruch 13 oder 14, wobei alle Brennstoffbatteriezellen eine ungefähr rechteckige, ebene Form oder eine ungefähr elliptische, ebene Form haben mit ihrer Längsrichtung entlang der Anordnungsrichtung der Brennstoffbatteriezellen.
Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei eine Richtung senkrecht zur Anordnungsrichtung der Brennstoffbatteriezellen sich erstreckt bis zu einem Ende der ersten Batteriezellenstruktur in der gleichen Richtung.
Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Brennstoffversorger in der Dicke eine flache rechteckige feste Form hat, und die erste Batteriezellenstruktur und die zweite Batteriezellenstruktur in Richtung der Dicke gegenüber angeordnet sind.
Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die erste Batteriezellenstruktur und die zweite Batteriezellenstruktur eine ungefähr quadratische Form besitzen.
Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei eine Gasauslassvorrichtung vorgesehen ist, ausgebildet aus einer gasdurchlässigen Schicht auf jeder Seitenfläche der ersten Batteriezellenstruktur, der zweiten Batteriezellenstruktur und des Brennstoffversorgers, welche den flüssigen Brennstoff von der äußeren Gasseite trennt.
Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei der Anschluss einen Separator zur Verbindung benachbarter Brennstoffbatteriezellen besitzt, und das eine Ende des Separators zur elektrischen Verbindung in Kontakt mit der Brennstoffelektrode oder der Luftelektrode einer der benachbarten Brennstoffbatteriezellen ist und das andere Ende in Kontakt mit der Luftelektrode oder der Brennstoffelektrode der anderen der benachbarten Brennstoffbatteriezellen ist.
Brennstoffbatterie nach Anspruch 20, wobei der Separator aus einem plattenartigen Material besteht, und der Querschnitt des Separators in der Anordnungsrichtung Z-förmig ist.
Brennstoffbatterie, umfassend eine Anzahl Brennstoffbatteriezellen mit jeweils einer Brennstoffelektrode, einem festen Elektrolyten und einer Luftelektrode; und einen Brennstoffversorger, der mit einem flüssigen Brennstoff gefüllt ist und der die Brennstoffelektrode mit flüssigem Brennstoff versorgt; wobei eine erste Batteriezellenstruktur und eine zweite Batteriezellenstruktur auf einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche des Brennstoffversorgers ausgebildet sind, wobei sowohl die erste Batteriezellenstruktur als auch die zweite Batteriezellenstruktur n Brennstoffbatteriezellen enthalten, in der ersten Batteriezellenstruktur die n Brennstoffbatteriezellen von einem ersten Ende des Brennstoffversorgers zu einem zweiten Ende des Brennstoffversorgers gegenüber dem ersten Ende angeordnet sind, in der zweiten Batteriezellenstruktur die n Brennstoffbatteriezellen von einem dritten Ende des Brennstoffversorgers zu einem vierten Ende des Brennstoffversorgers gegenüber dem dritten Ende senkrecht zur Anordnungsrichtung der Brennstoffbatteriezellen der ersten Batteriezellenstruktur angeordnet sind, in der ersten Batteriezellenstruktur die Brennstoffbatteriezellen in der Folge der Anordnung elektrisch in Reihe geschaltet sind, so dass die Brennstoffelektrode der Brennstoffbatteriezelle am ersten Ende als Ausgangsseite der ersten Batteriezellenstruktur und die Luftelektrode der Brennstoffbatteriezelle am zweiten Ende als Erdung der ersten Batteriezellenstruktur dient, in der zweiten Batteriezellenstruktur die Brennstoffbatteriezellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, so dass die Brennstoffelektrode einer ersten Brennstoffbatteriezelle in der Nähe der Mitte des dritten Endes als Ausgangsseite der zweiten Batteriezellenstruktur und die Luftelektrode einer zweiten, anderen Brennstoffbatteriezelle in der Nähe der Mitte des dritten Endes als Erdung der zweiten Batteriezellenstruktur dient, ein Anschluss zum elektrischen Verbinden einer m-ten Brennstoffbatteriezelle und einer (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle der Ausgangsseite der ersten Batteriezellenstruktur unter den in Reihe geschalteten Brennstoffbatteriezellen der ersten Batteriezellenstruktur elektrisch verbunden ist mit einem Anschluss zum elektrischen Verbinden einer m-ten Brennstoffbatteriezelle und einer (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle der Ausgangsseite der zweiten Batteriezellenstruktur unter den in Reihe geschalteten Brennstoffbatteriezellen der zweiten Batteriezellenstruktur, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 4 ist, und m eine ganze Zahl mit mindestens einem Wert zwischen 1 und n-1 ist.
Brennstoffbatterie nach Anspruch 22, wobei der Anschluss zwischen der m-ten Brennstoffbatteriezelle und der (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle der Ausgangsseite der ersten Batteriezellenstruktur und der Anschluss zwischen der m-ten Brennstoffbatteriezelle und der (m+1)-ten Brennstoffbatteriezelle der Ausgangsseite der zweiten Batteriezellenstruktur elektrisch leitend verbunden sind, wobei m einen Wert von 1 bis n-1 annimmt.
Brennstoffbatterie nach Anspruch 22 oder 23, wobei die erste Batteriezellenstruktur und die zweite Batteriezellenstruktur eine ungefähr quadratische Form besitzen.