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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung,
von der über eine elektrochemische Reaktion eines oxidierenden
Stoffs und eines reduzierenden Stoffs Strom bezogen wird, sowie
ein elektronisches Gerät, das die Brennstoffzellenvorrichtung
umfasst.
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Technischer Hintergrund
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Eine
Stromerzeugungsvorrichtung enthält eine Brennstoffzellenvorrichtung,
die mit einer Stromerzeugungszelle ausgestattet ist, die Strom mittels einer
elektrochemischen Reaktion eines Brennstoffs, wie beispielsweise
Methanol, Ethanol, oder Dimethylether und Sauerstoff erzeugt. Brennstoffzellen
werden grob in zwei Typen unterteilt, d. h. in Platten-Brennstoffzellen
und Zylinder-Brennstoffzellen. Bei der Platten-Brennstoffzelle,
die durch Schichten einer Vielzahl von Stromerzeugungszellen entsteht, muss
die Streuung der Strömungsmenge eines Reaktionsgases verringert
werden, das einem Strömungsweg des Reaktionsgases in jeder
der Stromerzeugungszellen zugeführt wird, um den Wirkungsgrad
der Brennstoffzelle zu erhöhen. Die
japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift
Nr. 2006-294503 beschreibt beispielsweise das Verfahren,
mit dem die Streuung einer Gas-Strömungsmenge auf ein Gas-Strömungsweg
verringert wird, indem die Gesamtsumme des Druckverlustes eines
Reaktionsgases in einem Gaszuführ-Verbindungsab-schnitt und
des Druckverlustes des Reaktionsgases in einem Gasableit-Verbindungsab-schnitt
so festgelegt wird, dass sie größer ist als der
Druckverlust des Reaktionsgases auf dem Gasströmungsweg.
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Da
jedoch eine Vielzahl von Gasströmungswegen parallel zueinander
mit einem Gaszuführ-Verbindungsabschnitt verbunden sind,
ist die Strömungsmenge des jedem der Gasströmungswege
zuzuführenden Reaktionsgases, wenn das Hauptaugenmerk auf
die Vielzahl von Gasströmungswegen gerichtet wird, nicht
einheitlich, und die
japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift
Nr. 2006-294503 beschreibt keinerlei Verfahren, mit dem die
Streuung in dem oben beschriebenen Fall verringert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
Brennstoffzellenvorrichtung gemäß einem Aspekt
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vielzahl von Stromerzeugungszellen,
die Strom mittels einer elektrochemische Reaktion eines oxidierenden
Stoffs und eines reduzierenden Stoffs erzeugen, wobei
die Vielzahl
von Stromerzeugungszellen enthalten:
eine Vielzahl von Gasströmungswegen,
die ein Reaktionsgas für die elektrochemische Reaktion
jeweils zu der Vielzahl von Stromerzeugungszellen leiten; und
eine
Vielzahl von Einströmanschlüssen, die jeweils an
einer Position vorhanden sind, an der das Reaktionsgas in jeden
der Vielzahl von Gasströmungswegen strömt, und
wobei
von der Vielzahl von Einströmanschlüssen
eine Querschnittsabmessung eines Einströmanschlusses, der
an einer stromab liegenden Seite einer Strömungsrichtung
des Reaktionsgases vorhanden ist, kleiner ist als eine Querschnittsabmessung
eines Einströmanschlusses, der an einer stromauf liegenden
Seite der Strömungsrichtung des Reaktionsgases vorhanden
ist.
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Eine
Brennstoffzellenvorrichtung gemäß einem weiteren
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vielzahl von Stromerzeugungszellen,
die Strom mittels einer elektrochemischen Reaktion eines oxidierenden
Stoffs und eines reduzierenden Stoffs erzeugen, wobei
die Vielzahl
von Stromerzeugungszellen enthalten:
eine Vielzahl von Elektrolytschichten,
die eine vorgegebene Substanz durchdringen;
eine Vielzahl von
Anoden, die jeweils an einer Fläche jeder der Vielzahl
von Elektrolytschichten vorhanden sind;
eine Vielzahl von Anoden-Sammelelektroden,
die jeweils an jeder der Vielzahl von Anoden anliegen, wobei eine
Vielzahl von Anodengas-Strömungswegen jeweils an jeder
der aneinander anliegenden Flächen zwischen den Anoden-Sammelelektroden
und den Anoden so ausgebildet sind, dass Anodengas einschließlich
des reduzierenden Stoffs auf ihnen entlang strömt;
eine
Vielzahl von Kathoden, die jeweils an der anderen Fläche
jeder der Vielzahl von Elektrolytschichten vorhanden sind;
eine
Vielzahl von Kathoden-Sammelelektroden, die jeweils an jeder der
Vielzahl von Kathoden anliegen, wobei eine Vielzahl von Kathodengas-Strömungswegen
jeweils an jeder der aneinander anliegenden Flächen zwischen
den Kathoden-Sammelelektroden und den Kathoden so ausgebildet sind,
dass Kathodengas einschließlich des oxidierenden Stoffs
auf ihnen entlang strömt;
eine Vielzahl von Anodengas-Einströmanschlüssen, die
jeweils an einer Position vorhanden sind, an der das Anodengas in
jeden der Vielzahl von Anodengas-Strömungswegen strömt;
und
eine Vielzahl von Kathodengas-Einströmanschlüssen,
die jeweils an einer Position vorhanden sind, an der das Kathodengas
in jeden der Vielzahl von Kathodengas-Strömungswegen strömt,
und wobei
von der Vielzahl von Anodengas-Einströmanschlüssen
eine Querschnittsabmessung eines Einströmanschlusses, der
an einer stromab liegenden Seite einer Strömungsrichtung
des Anodengases vorhanden ist, kleiner ist als eine Querschnittsabmessung eines
Einströmanschlusses, der an einer stromauf liegenden Seite
der Strömungsrichtung des Anodengases vorhanden ist.
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Eine
Brennstoffzellenvorrichtung gemäß einem weiteren
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vielzahl von Stromerzeugungszellen,
die Strom mittels einer elektrochemischen Reaktion eines oxidierenden
Stoffs und eines reduzierenden Stoffs erzeugen, wobei
die Vielzahl
von Stromerzeugungszellen enthalten:
eine Vielzahl von Elektrolytschichten,
die eine vorgegebene Substanz durchdringen;
eine Vielzahl von
Anoden, die jeweils an einer Fläche jeder der Vielzahl
von Elektrolytschichten vorhanden sind;
eine Vielzahl von Anoden-Sammelelektroden,
die jeweils an jeder der Vielzahl von Anoden anliegen, wobei eine
Vielzahl von Anodengas-Strömungswegen jeweils an jeder
der aneinander anliegenden Flächen zwischen den Anoden-Sammelelektroden
und den Anoden so ausgebildet sind, dass Anodengas einschließlich
des reduzierenden Stoffs auf ihnen entlang strömt;
eine
Vielzahl von Kathoden, die jeweils an der anderen Fläche
jeder der Vielzahl von Elektrolytschichten vorhanden sind;
eine
Vielzahl von Kathoden-Sammelelektroden, die jeweils an jeder der
Vielzahl von Kathoden anliegen, wobei eine Vielzahl von Kathodengas-Strömungswegen
jeweils an jeder der aneinander anliegenden Flächen zwischen
den Kathoden-Sammelelektroden und den Kathoden so ausgebildet sind,
dass Kathodengas einschließlich des oxidierenden Stoffs
auf ihnen entlang strömt;
eine Vielzahl von Anodengas-Einströmanschlüssen, die
jeweils an einer Position vorhanden sind, an der das Anodengas in
jeden der Vielzahl von Anodengas-Strömungswegen strömt;
und
eine Vielzahl von Kathodengas-Einströmanschlüssen,
die jeweils an einer Position vorhanden sind, an der das Kathodengas
in jeden der Vielzahl von Kathodengas-Strömungswegen strömt,
und wobei
von der Vielzahl von Kathodengas-Einströmanschlüssen
eine Querschnittsabmessung eines Einströmanschlusses, der
an einer stromab liegenden Seite einer Strömungsrichtung
des Kathodengases vorhanden ist, kleiner ist als eine Querschnittsabmessung
eines Einströmanschlusses, der an einer stromauf liegenden
Seite der Strömungsrichtung des Kathodengases vorhanden
ist.
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Ein
elektronisches Gerät gemäß einem weiteren
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst:
eine Brennstoffzellenvorrichtung,
die eine Vielzahl von Stromerzeugungszellen umfasst, die Strom mittels
einer elektrochemischen Reaktion eines oxidierenden Stoffs und eines
reduzierenden Stoffs erzeugen, wobei
die Vielzahl von Stromerzeugungszellen
enthalten:
eine Vielzahl von Gasströmungswegen, die
ein Reaktionsgas für die elektrochemische Reaktion jeweils zu
der Vielzahl von Stromerzeugungszellen leiten; und
eine Vielzahl
von Einströmanschlüssen, die jeweils an einer
Position vorhanden sind, an der das Reaktionsgas in jeden der Vielzahl
von Gasströmungswegen strömt, und wobei
von
der Vielzahl von Einströmanschlüssen eine Querschnittsabmessung
eines Einströmanschlusses, der an einer stromab liegenden
Seite einer Strömungsrichtung des Reaktionsgases vorhanden
ist, kleiner ist als eine Querschnittsabmessung eines Einstrbmanschlusses,
der an einer stromauf liegenden Seite der Strömungsrichtung
des Reaktionsgases vorhanden ist; und
einen Hauptkörpers
des elektronischen Gerätes, der mit dem durch die Brennstoffzellenvorrichtung
erzeugten Strom arbeitet.
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Ein
elektronisches Gerät gemäß einem weiteren
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst:
eine Brennstoffzellenvorrichtung,
die eine Vielzahl von Stromerzeugungszellen umfasst, die Strom mittels
einer elektrochemischen Reaktion eines oxidierenden Stoffs und eines
reduzierenden Stoffs erzeugen, wobei
die Vielzahl von Stromerzeugungszellen
enthalten:
eine Vielzahl von Elektrolytschichten, die eine
vorgegebene Substanz durchdringen;
eine Vielzahl von Anoden,
die jeweils an einer Fläche jeder der Vielzahl von Elektrolytschichten
vorhanden sind;
eine Vielzahl von Anoden-Sammelelektroden,
die jeweils an jeder der Vielzahl von Anoden anliegen, wobei eine
Vielzahl von Anodengas-Strömungswegen jeweils an jeder
der aneinander anliegenden Flächen zwischen den Anoden-Sammelelektroden
und den Anoden so ausgebildet sind, dass Anodengas einschließlich
des reduzierenden Stoffs auf ihnen entlang strömt;
eine
Vielzahl von Kathoden, die jeweils an der anderen Fläche
jeder der Vielzahl von Elektrolytschichten vorhanden sind;
eine
Vielzahl von Kathoden-Sammelelektroden, die jeweils an jeder der
Vielzahl von Kathoden anliegen, wobei eine Vielzahl von Kathodengas-Strömungswegen
jeweils an jeder der aneinander anliegenden Flächen zwischen
den Kathoden-Sammelelektroden und den Kathoden so ausgebildet sind,
dass Kathodengas einschließlich des oxidierenden Stoffs
auf ihnen entlang strömt;
eine Vielzahl von Anodengas-Einströmanschlüssen, die
jeweils an einer Position vorhanden sind, an der das Anodengas in
jeden der Vielzahl von Anodengas-Strömungswegen strömt;
und
eine Vielzahl von Kathodengas-Einströmanschlüssen,
die jeweils an einer Position vorhanden sind, an der das Kathodengas
in jeden der Vielzahl von Kathodengas-Strömungswegen strömt,
und wobei
von der Vielzahl von Anodengas-Einströmanschlüssen
eine Querschnittsabmessung eines Einströmanschlusses, der
an einer stromab liegenden Seite einer Strömungsrichtung
des Anodengases vorhanden ist, kleiner ist als eine Querschnittsabmessung eines
Einströmanschlusses, der an einer stromauf liegenden Seite
der Strömungsrichtung des Anodengases vorhanden ist; und
einen
Hauptkörper des elektronischen Gerätes, der mit
dem durch die Brennstoffvorrichtung erzeugten Strom arbeitet.
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Ein
elektronisches Gerät gemäß einem weiteren
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst:
eine Brennstoffzelle,
die eine Vielzahl von Stromerzeugungszellen umfasst, die Strom mittels
einer elektrochemischen Reaktion eines oxidierenden Stoffs und eines
reduzierenden Stoffs erzeugen, wobei
die Vielzahl von Stromerzeugungszellen
enthalten:
eine Vielzahl von Elektrolytschichten, die eine
vorgegebene Substanz durchdringen;
eine Vielzahl von Anoden,
die jeweils an einer Fläche jeder der Vielzahl von Elektrolytschichten
vorhanden sind;
eine Vielzahl von Anoden-Sammelelektroden,
die jeweils an jeder der Vielzahl von Anoden anliegen, wobei eine
Vielzahl von Anodengas-Strömungswegen jeweils an jeder
der aneinander anliegenden Flächen zwischen den Anoden-Sammelelektroden
und den Anoden so ausgebildet sind, dass Anodengas einschließlich
des reduzierenden Stoffs auf ihnen entlang strömt;
eine
Vielzahl von Kathoden, die jeweils an der anderen Fläche
jeder der Vielzahl von Elektrolytschichten vorhanden sind;
eine
Vielzahl von Kathoden-Sammelelektroden, die jeweils an jeder der
Vielzahl von Kathoden anliegen, wobei eine Vielzahl von Kathodengas-Strömungswegen
jeweils an jeder der aneinander anliegenden Flächen zwischen
den Kathoden-Sammelelektroden und den Kathoden so ausgebildet sind,
dass Kathodengas einschließlich des oxidierenden Stoffs
auf ihnen entlang strömt;
eine Vielzahl von Anodengas-Einströmanschlüssen, die
jeweils an einer Position vorhanden sind, an der das Anodengas in
jeden der Vielzahl von Anodengas-Strömungswegen strömt;
und
eine Vielzahl von Kathodengas-Einströmanschlüssen,
die jeweils an einer Position vorhanden sind, an der das Kathodengas
in jeden der Vielzahl von Kathodengas-Strömungswegen strömt,
und wobei
von der Vielzahl von Kathodengas-Einströmanschlüssen
eine Querschnittsabmessung eines Einströmanschlusses, der
an einer stromab liegenden Seite einer Strömungsrichtung
des Kathodengases vorhanden ist, kleiner ist als eine Querschnittsabmessung
eines Einströmanschlusses, der an einer stromauf liegenden
Seite der Strömungsrichtung des Kathodengases vorhanden
ist; und
einen Hauptkörper des elektronischen Gerätes,
der mit dem durch die Brennstoffzellenvorrichtung erzeugten Strom
arbeitet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen umfassend
verständlich, diese dienen jedoch lediglich der Veranschaulichung
und nicht dazu, den Schutzumfang der Erfindung einzuschränken.
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1 ist
ein Blockschaltbild, das ein tragbares elektronisches Gerät
zeigt, an dem eine Brennstoffzellenvorrichtung angebracht ist.
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2 ist
eine schematische Ansicht einer Stromerzeugungszelle.
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3 ist
eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Stapels von Stromerzeugungszellen.
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4 ist
eine Perspektivansicht eines Wärmeisolierungsgehäuses.
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5 ist
eine Schnittansicht entlang einer Linie V-V in 4 aus
der Richtung der Pfeile gesehen.
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6 ist
eine Perspektivansicht, die den Innenaufbau des Wärmeisolierungsgehäuses
zeigt.
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7 ist
eine Perspektivansicht, die den Innenaufbau des Wärmeisolierungsgehäuses
aus 6 von der Unterseite desselben her gesehen zeigt.
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8 ist
eine Unteransicht, die einen Verbindungsabschnitt, einen Reformer,
einen Verbindungsabschnitt und einen Brennstoffzellenabschnitt zeigt, die
in dieser Reihenfolge angeordnet sind.
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9 ist
eine Schnittansicht, die den Verbindungsabschnitt aus 8 entlang
einer Linie IX-IX in 8 aus der Richtung der Pfeile
in 8 gesehen zeigt.
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10 ist
eine Schnittansicht, die den Verbindungsabschnitt aus 8 entlang
einer Linie X-X in 9 aus der Richtung der Pfeile
in 9 gesehen zeigt.
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11 ist
eine Schnittansicht, die die Form eines Anodengas-Strömungsweges
der Stromerzeugungszelle zeigt.
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12 ist
eine Draufsicht, die die Form des Anodengas-Strömungsweges
der Stromerzeugungszelle zeigt.
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13 ist
eine Schnittansicht, die die Form eines Kathodengas-Strömungsweges
einer Stromerzeugungszelle zeigt.
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14 ist
eine Draufsicht, die die Form des Kathodengas-Strömungsweges
der Stromerzeugungszelle zeigt.
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15 ist
eine Schnittansicht, die den Aufbau der Anodengas-Strömungswege
und der Kathodengas-Strömungswege für den Fall
zeigt, dass die Stromerzeugungszellen als ein Zellenstapel ausgebildet
sind.
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16 ist
eine Perspektivansicht, die den in einem Gehäuse aufgenommenen
Zellenstapel zeigt.
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17 ist
eine Perspektivansicht, die den Zellenstapel von oben gesehen zeigt.
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18 ist
eine Perspektivansicht, die den Zellenstapel von unten gesehen zeigt.
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19 ist
eine vergrößerte Ansicht, die schematisch die
Profilform des Hauptteils des Zellenstapels zeigt.
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20 ist
eine als Schnitt ausgeführte Seitenansicht des Zellenstapels.
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21 ist
eine Draufsicht, die einen Einströmanschluss, einen Ausströmanschluss
und einen Kathodengas-Strömungsweg des Zellenstapels zeigt.
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22 ist
eine als Schnitt ausgeführte Seitenansicht, die schrittweise
Verschmälerung jedes Einströmanschlusses des Zellenstapels
zeigt.
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23 ist
eine Draufsicht, die die die schrittweise Verschmälerung
jedes Einströmanschlusses des Zellenstapels zeigt.
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24 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse der Fluidsimulation der Kathodengas-Strömungsgeschwindigkeit
jeder Stromerzeugungszelle zeigt.
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25 ist
eine Schnittansicht eines Beispiels, bei dem die Höhe des
Kathodengasstroms der Stromerzeugungszelle größer
ist als die Höhe des Anodengasstroms.
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Beste Ausführungsweise
der Erfindung
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Ausführungsformen
der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
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Elektronisches Gerät
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1 ist
ein Blockschaltbild, das ein tragbares elektronisches Gerät 100 zeigt,
an dem eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 angebracht ist.
Das elektronische Gerät 100 ist ein tragbares elektronisches
Gerät, wie beispielsweise ein Personal-Computer in Notebookformat,
ein PDA (personal digital assistent), ein elektronischer Organizer,
ein Digitalkamera, ein Mobiltelefon, eine Armbanduhr, eine Speichereinrichtung
und ein Projektor.
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Das
elektronische Gerät 100 besteht aus einem Hauptkörper 901 des
elektronischen Geräts, einem Gleichstromwandler 902,
einer Sekundärbatterie 903 und dergleichen sowie
der Brennstoffzellenvorrichtung 1. Der Hauptkörper 901 des
elektronischen Gerätes wird mit dem von dem Gleichstromwandler 902 oder
der Sekundärbatterie 903 zugeführten
Strom betrieben. Der Gleichstromwandler 902 wandelt den
durch die Brennstoffzellenvorrichtung 1 erzeugten Strom
in eine geeignete Spannung um und führt den Strom mit der
umgewandelten Spannung dann dem Hauptkörper 901 des
elektronischen Gerätes zu. Des Weiteren lädt der
Gleichstromwandler 902 die Sekundärbatterie 903 mit
dem durch die Brennstoffzellenvorrichtung 1 erzeugten Strom
und führt den in der Sekundärbatterie 903 akkumulierten
Strom dem Hauptkörper 901 des elektronischen Gerätes
dann zu, wenn die Brennstoffzelle 1 nicht arbeitet.
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Brennstoffzellenvorrichtung
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Die
Brennstoffzellenvorrichtung ist mit einem Brennstoffbehälter 2,
einer Pumpe 3, einem Wärmeisolierungsgehäuse
(Wärmeisolierungsbehälter) 10 und dergleichen
versehen. Der Brennstoffbehälter 2 der Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist
beispielsweise an dem elektronischen Gerät 100 abnehmbar
angebracht. Die Pumpe 3 und das Wärmeisolierungsgehäuse 10 sind
beispielsweise in den Hauptkörper des elektronischen Gerätes 100 integriert.
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In
dem Brennstoffbehälter 2 wird ein Flüssigkeitsgemisch
aus einem Rohbrennstoff (wie beispielsweise Methanol, Ethanol oder
Dimethylether) und Wasser aufbewahrt. Dabei können der
flüssige Rohbrennstoff und das Wasser in separaten Behältern
aufbewahrt werden. Die Pumpe 3 saugt das Flüssigkeitsgemisch
in den Brennstoffbehälter 2 an und leitet die
angesaugte Flüssigkeit zu einem Verdampfer 4 in
dem Wärmeisoliergehäuse 10.
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Der
Verdampfer 4, ein Reformer 6, eine Stromerzeugungszelle 8 und
ein katalytischer Brenner 9 sind in dem Wärmeisolierungsgehäuse 10 aufgenommen.
Der atmosphärische Druck des Innenraums des Wärmeisolierungsgehäuses 10 wird
auf einem atmosphärischen Druck (beispielsweise 10 Pa oder
weniger) gehalten, der niedriger ist als der Umgebungsdruck, um
den adiabatischen Effekt des Innenraums zu verstärken.
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Der
Verdampfer 4, der Reformer 6 und der katalytische
Brenner 9 sind jeweils mit einer Kombination 4a, 6a und 9a aus
elektrischer Heizeinrichtung und Temperatursensor versehen. Da die
Werte des elektrischen Widerstandes der Kombinationen 4a, 6a und 9a aus
elektrischer Heizeinrichtung und Temperatursensor von der Temperatur
abhängen, wirken die Kombinationen 4a, 6a und 9a aus
elektrischer Heizeinrichtung und Temperatursensor auch als Temperatursensoren,
die die Temperatur des Verdampfers 4, des Reformers 6 bzw.
des katalytischen Brenners 9 messen.
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Das
Flüssigkeitsgemisch, das von der Pumpe 3 zu dem
Verdampfer 4 geleitet wird, wird durch die Wärme
der Kombination 4a aus elektrischer Heizeinrichtung und
Temperatursensor sowie die von dem katalytischen Brenner 9 übertragene
Wärme auf ungefähr 110°C bis ungefähr
160°C erhitzt, und dadurch wird das Flüssigkeitsgemisch
verdampft. So wird ein verdampftes Gasgemisch erzeugt. Das in dem
Verdampfer 4 erzeugte Gasgemisch wird zu dem Reformer 6 geleitet.
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Ein
Strömungsweg ist in dem Reformer 6 ausgebildet,
und die Wandfläche des Strömungsweges trägt
einen Katalysator. Das von dem Verdampfer 4 zu dem Reformer 6 geleitete
Gasgemisch strömt über den Strömungsweg
des Reformers 6 und wird durch die Wärme der Kombination 6 aus
elektrischer Heizeinrichtung und Temperatursensor, die Reaktionswärme
der Stromerzeugungszelle 8 und die Wärme des katalytischen
Brenners 9 auf ungefähr 300°C bis ungefähr
400°C erhitzt, so dass mit Hilfe des Katalysators eine
Reformierungsreaktion verursacht wird. Ein Gasgemisch (reformiertes
Gas) aus Wasserstoff als einem Brennstoff und Kohlendioxid sowie verschwindend
geringen Mengen an Kohlenmonoxid und dergleichen als Nebenprodukten
werden durch die Reformierungsreaktion des Rohbrennstoffs und des
Wassers erzeugt. Dabei wird, wenn der Rohbrennstoff Methanol ist,
die Dampf-Reformierungsreaktion, wie mit der folgenden Gleichung
(1) gezeigt, hauptsächlich in dem Reformer 6 bewirkt CH3OH + H2O → 3H2 + CO2 (1)
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Das
Kohlenmonoxid wird in verschwindend geringen Mengen als Nebenprodukt
entsprechend der folgenden Gleichung (2) erzeugt, die sequentiell auf
die chemische Reaktionsgleichung (1) folgt. H2 + CO2 → H2O + CO (2)
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Die
Gase (reformierte Gase), die entsprechend den chemischen Reaktionsgleichungen
(1) und (2) erzeugt werden, werden zu der Stromerzeugungszelle 8 geleitet.
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2 ist
eine schematische Ansicht, die die Stromerzeugungszelle 8 zeigt,
und 3 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel
eines Stapels von Stromerzeugungszellen zeigt.
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Die
Stromerzeugungszelle 8 ist, wie in 2 gezeigt,
eine Brennstoffzelle vom sogenannten SOFC-Typ (solid oxid type fuel
cell) oder auch Festelektrolyt-Typ, die aus einem festen Elektrolyt 81,
einer Brennstoffelektrode 82 (Anode) und einer Sauerstoffelektrode 83 (Kathode),
die jeweils an beiden Seiten des Festelektrolyts 81 ausgebildet
sind, einer Anoden-Sammelelektrode 84, die an der Brennstoffelektrode 82 anliegt
und einen Anodengas-Strömungsweg 86 an der Hauptebene
(anliegende Fläche) der Anoden-Sammelelektrode 84 an
der anliegenden Seite bildet, sowie einer Kathoden-Sammelelektrode 85 besteht,
die an der Sauerstoffelektrode 83 anliegt und einen Kathodengas-Strömungsweg 87 an
der Hauptebene (anliegende Fläche) der Kathoden-Sammelelektrode 85 an
der anliegenden Seite bildet. Des Weiteren ist die Stromerzeugungszelle 8 in
einem Gehäuse 90 aufgenommen.
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Es
kann Festelektrolyt 81 auf Basis von Zirkonoxid 3,
(Zri1-XYX)O2-x/2(YSZ), Lanthangallat (La1-xSrx)(Ga1-y-zMgyCoz)O3,
und dergleichen eingesetzt werden, La0,84Sr0,16MnO3, La(Ni,
Bi)O3, (La, Sr)MnO3, In2O3 + SnO2, LaCoO3 und dergleichen
können als die Brennstoffelektrode 82 eingesetzt
werden, Ni, Ni + YSZ und dergleichen können als die Sauerstoffelektrode 83 eingesetzt
werden, und LaCr(Mg)O3, (La, Sr)CrO3, NiAl + Al2O3 und dergleichen können als die Anoden-Sammelelektrode 84 sowie
die Kathoden-Sammelelektrode 85 eingesetzt werden.
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Die
Stromerzeugungszelle 8 wird durch die Wärme der
Kombination 9a aus elektrischer Heizeinrichtung und Temperatursensor
sowie des katalytischen Brenners 9 auf ungefähr
500°C bis 1000°C erhitzt, und jede mit der folgenden
Gleichung (3)–(5) ausgedrückte Reaktion wird bewirkt.
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Luft
(Reaktionsgas, Kathodengas) wird über den Kathodengas-Strömungsweg 87 der
Kathoden-Sammelelektrode 85 zu der Sauerstoffelektrode 83 geleitet.
Sauerstoffionen werden in der Sauerstoffelektrode 83 durch
die mit Sauerstoff (oxidierender Stoff) und einer Kathoden-Ausgangselektrode 21 zugeführten
Elektronen wie mit der folgenden Gleichung (3) ausgedrückt
erzeugt. O2 +
4e– → 202– (3)
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Das
Festelektrolyt 89 ist für die Sauerstoffionen
durchlässig und lässt zu, dass die in der Sauerstoffelektrode 83 entsprechend
der chemischen Reaktionsgleichung (3) erzeugten Sauerstoffionen
das Festelektrolyt 89 durchdringen und zu der Brennstoffelektrode 82 gelangen.
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Das
reformierte Gas (Reaktionsgas, Anodengas), das aus dem Reformer 6 abgeleitet
wird, wird über den Anodengas-Strömungsweg 86 der
Anoden-Sammelelektrode 84 zu der Brennstoffelektrode 82 geleitet.
In der Brennstoffelektrode 82 werden die Reaktionen der
Sauerstoffionen, die das Festelektrolyt 89 durchdrungen
haben, und des Wasserstoffs (reduzierender Stoff) sowie des Kohlenmonoxids
in dem reformierten Gas bewirkt, wobei die Reaktionen mit den folgenden
Gleichungen (4) und (5) ausgedrückt werden. H2 + O2– → H2O + 2e– (4) COI + O2– → CO2 + 2e– (5)
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Die
entsprechend den chemischen Reaktionsgleichungen (4) und (5) emittierten
Elektronen werden von der Kathoden-Ausgangselektrode 21b wie
der Sauerstoffelektrode 83 über die Brennstoffelektrode 82,
eine Anoden-Ausgangselektrode 21a sowie externe Schaltungen,
wie beispielsweise den Gleichstromwandler 902, zugeführt.
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Die
Anoden-Ausgangselektrode 21a und die Kathoden-Ausgangselektrode 21b sind
mit der Anoden-Sammelelektrode 84 bzw. der Kathoden-Sammelelektrode 85 verbunden,
und die Anoden-Ausgangselektrode 21a sowie die Kathoden-Ausgangselektrode 21b verlaufen
durch das Gehäuse hindurch und werden nach außen
geführt. Das Gehäuse 90 besteht, wie
weiter unten beschrieben, beispielsweise aus einer Legierung auf
Ni-Basis, und die Anoden-Ausgangselektrode 21a sowie die
Kathoden-Ausgangselektrode 21b werden in dem Zustand herausgeführt,
in dem sie gegenüber dem Gehäuse 90 mit
einem Isoliermaterial, wie beispielsweise Glas oder Keramik, isoliert
sind. Die Anoden-Ausgangselektrode 21a und die Kathoden-Ausgangselektrode 21b sind,
wie in 1 gezeigt, beispielsweise mit dem Gleichstromwandler 902 verbunden.
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3 ist
eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines Zellenstapels 80 zeigt,
der aus einer Vielzahl von Stromerzeugungszellen 8 besteht.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die Vielzahl von Stromerzeugungszellen 8,
die jeweils aus einer Anoden-Sammelelektrode 84, einer
Brennstoffelektrode 82, einem Festelektrolyt 81,
einer Sauerstoffelektrode 83 und einer Kathoden-Sammelelektrode 85 bestehen, übereinandergeschichtet,
und alle der Viel zahl von Stromerzeugungszellen 8 sind
elektrisch in Reihe miteinander verbunden und bilden den Zellenstapel 80.
In diesem Fall ist die Anoden-Sammelelektrode 84 der Stromerzeugungszelle 8 an
einem Ende der in Reihe verbundenen Sammelelektroden 84 mit der
Anoden-Ausgangselektrode 21a verbunden, und die Kathoden-Sammelelektrode 85 der
Stormerzeugungszelle 84 an dem anderen Ende ist mit der
Kathoden-Ausgangselektrode 21b verbunden. Des Weiteren
ist der Zellenstapel 80 in dem Gehäuse 90 aufgenommen.
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Das
reformierte Gas, das den Anodengas-Strömungsweg 86 der
Anoden-Sammelelektrode 84 durchlaufen hat (im Folgenden
wird dieses reformierte Gas als ein Abgas bezeichnet), enthält auch
nicht in Reaktion getretenen Wasserstoff. Das Abgas wird dem katalytischen
Brenner 9 zugeführt.
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Die
Luft, die den Kathodengas-Strömungsweg 87 der
Kathoden-Sammelelektrode 85 durchlaufen hat, wird dem katalytischen
Brenner 9 zusammen mit dem Abgas zugeführt. In
dem katalytischen Brenner 9 ist ein Strömungsweg
ausgebildet, und die Wandfläche des Strömungsweges
trägt einen Katalysator auf Basis von Pt. Die Kombination 9a aus
elektrischer Heizeinrichtung und Temperatursensor, die aus einem
elektrischen Heizmaterial besteht, ist an dem katalytischen Brenner 9 vorhanden.
Da der Wert des elektrischen Widerstandes der Kombination 9a aus
elektrischer Heizeinrichtung und Temperatursensor von der Temperatur
abhängt, wirkt die Kombination 9a aus elektrischer
Heizeinrichtung und Temperatursensor auch als ein Temperatursensor,
mit dem die Temperatur des katalytischen Brenners 9 gemessen
wird.
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Ein
Gasgemisch (Brenngas), das aus dem Abgas und der Luft besteht, strömt über
den Strömungsweg des katalytischen Brenners 9 und
wird von der Kombination 9a aus elektrischer Heizeinrichtung
und Temperatursensor erhitzt. Der Wasserstoff in dem Brenngas, das über
den Strömungsweg des katalytischen Brenners 9 strömt,
wird von dem Katalysator verbrannt und dadurch wird Verbrennungswärme
erzeugt. Das Abgas nach der Verbrennung wird über den katalytischen
Brenner 9 aus dem Wärmeisolierungsgehäuse 10 nach
außen abgeleitet.
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Die
in dem katalytischen Brenner 9 erzeugte Verbrennungswärme
wird genutzt, um die Temperatur der Stromerzeugungszelle 8 auf
einer hohen Temperatur (ungefähr 500°C bis ungefähr
1000°C) zu halten. Dann gelangt die Wärme der
Stromerzeugungszelle 8 zu dem Reformer 6 und dem
Verdampfer 4, und sie wird für die Verdampfung
in dem Verdampfer 4 sowie die Dampfreformierungsreaktion
in dem Reformer 6 verwendet.
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Wärmeisolierungsgehäuse
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Im
Folgenden wird der konkrete Aufbau des Wärmeisolierungsgehäuses 10 beschrieben.
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4 ist
eine Perspektivansicht des Wärmeisolierungsgehäuses 10,
und 5 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie
V-V in 4 aus der Richtung der Pfeile gesehen. 6 ist
eine Perspektivansicht, die den Innenaufbau des Wärmeisolierungsgehäuses 10 zeigt,
und 7 ist eine Perspektivansicht des Innenaufbaus
des Wärmeisolierungsgehäuses 10 aus 6 von
der Unterseite her gesehen.
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Ein
Verbindungsabschnitt 5, die Anoden-Ausgangselektrode 21a und
die Kathoden-Ausgangselektrode 21b stehen, wie in 4 gezeigt, von
einer Wandfläche des Wärmeisolierungsgehäuses 10 vor.
Dabei sind, wie in 5 gezeigt, die Teile des Wärmeisolierungsgehäuses 10,
an denen sich die Anoden-Ausgangselektrode 21a und die
Kathoden-Ausgangselektrode 21b durch das Wärmeisolierungsgehäuse 10 hindurch
erstrecken, gegenüber den Elektroden 21a und 21b mit
Isoliermaterialien 10a bzw. 10b isoliert.
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Der
Verdampfer 4 und der Verbindungsabschnitt 5, der
Reformer 6, ein Verbindungsabschnitt 7 und ein
Brennstoffzellenabschnitt 20 sind in dem Wärmeisolierungsgehäuse 10 angeordnet,
und die letzteren vier in der angegebenen Reihenfolge. Dabei wird
der Brennstoffzellenabschnitt 20 ausgebildet, indem das
Gehäuse 90, das die Stromerzeugungszelle 8 aufnimmt,
als Einheit mit dem katalytischen Brenner 9 ausgebildet
wird, und ein Abgas wird dem katalytischen Brenner 9 von
der Brennstoffelektrode 82 der Stromerzeugungszelle 8 zugeführt.
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Der
Verdampfer 4, der Verbindungsabschnitt 5, der
Reformer 6, der Verbindungsabschnitt 7, das Gehäuse 90,
das die Stromerzeugungszelle 8 und den katalytischen Brenner 9 des
Brennstoffzellenabschnitts 20 aufnimmt, die Anoden-Ausgangselektrode 21a und
die Kathoden-Ausgangselektrode 21b bestehen aus einem Metall
mit hoher Temperaturbeständigkeit und mittlerer Wärmeleitfähigkeit,
und sie können unter Verwendung einer Legierung auf Ni-Basis,
wie beispielsweise Inconel 783, ausgebildet werden. Das
heißt, um den Bruch der Anoden-Ausgangselektrode 21a sowie
der Kathoden-Ausgangselektrode 21b, die mit der Anoden-Sammelelektrode 84 bzw.
der Kathoden-Sammelelektrode 85 in dem Brennstoffzellenabschnitt 20 verbunden
sind und aus dem Gehäuse 90 herausgeführt
werden, aufgrund einer darauf wirkenden Spannung zu verhindern,
die durch einen Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten
verursacht wird und mit einem Temperaturanstieg der Stromerzeugungszelle 8 einhergeht,
werden wenigstens die Anoden-Ausgangselektrode 21a und
die Kathoden-Ausgangselektrode 21b vorzugsweise aus dem gleichen
Material wie das Gehäuse 90 ausgebildet. Des Weiteren
werden, um die zwischen dem Verdampfer 4, dem Verbindungsabschnitt 5,
dem Reformer 6, dem Verbindungsabschnitt 7 und
dem Gehäuse 90 sowie dem katalytischen Brenner 9 des
Brennstoffzellenabschnitts 20 erzeugten Spannungen, die mit
dem Temperaturanstieg einhergehen, zu reduzieren, diese vorzugsweise
aus dem gleichen Material ausgebildet.
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Eine
Strahlungsverhinderungsschicht 11 ist an der Innenwandfläche
des Wärmeisolierungsgehäuses 10 ausgebildet,
und eine Strahlungsverhinderungsschicht 12 ist an den Außenwandflächen
des Verdampfers 4, des Verbindungsabschnitts 5,
des Reformers 6, des Verbindungsabschnitts 7,
der Anoden-Ausgangselektrode 21a, der Kathoden-Ausgangselektrode 21b bzw.
des Brennstoffzellenabschnitts 20 ausgebildet. Die Strahlungsverhinderungsschichten 11 und 12 verhindern
die Wärmeübertragung durch Strahlung, und es können
beispielsweise Au, Ag und dergleichen für die Strahlungsverhinderungsschichten 11 und 12 eingesetzt werden.
Vorzugsweise ist wenigstens eine der Strahlungsverhinderungsschichten 11 und 12 vorhanden, und
noch besser sind beide Strahlungsverhinderungsschichten 11 und 12 vorhanden.
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Der
Verbindungsabschnitt 5 erstreckt sich in das Wärmeisolierungsgehäuse 10 hinein.
Ein Ende des Verbindungsabschnitts 5 ist mit der Pumpe 3 an der
Außenseite des Wärmeisolierungsgehäuses 10 verbunden,
und das andere Ende desselben ist mit dem Reformer 6 verbunden.
Der Verdampfer 4 ist in dem Mittelteil des Verbindungsabschnitts 5 vorhanden.
Der Reformer 6 und der Brennstoffzellenabschnitt 20 sind über
den zwischen ihnen befindlichen Verbindungsabschnitt 7 miteinander
verbunden.
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Der
Verdampfer 4, der Verbindungsabschnitt 5, der
Reformer 6, der Verbindungsabschnitt 7 und der
Brennstoffzellenabschnitt 20 sind, wie in 6 und 7 dargestellt,
integral ausgebildet, und ihre Unterseiten sind so ausgebildet,
dass sie bündig sind.
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8 ist
eine Unteransicht des Verbindungsabschnitts 5, des Reformers 6,
des Verbindungsabschnitts 7 und des Brennstoffzellenabschnitts 20.
Dabei sind die Anoden-Ausgangselektrode 21a und die Kathoden-Ausgangselektrode 21b in 8 nicht
dargestellt.
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Ein
Verdrahtungsmuster wird, wie in 8 gezeigt,
an den Unterseiten des Verbindungsabschnitts 5, des Reformers 6,
des Verbindungsabschnitts 7 und des Brennstoffzellenab schnitts 20 ausgebildet,
nachdem ihre Isolierungsbearbeitung mit Keramik oder dergleichen
durchgeführt wurde. Das Verdrahtungsmuster wird im unteren
Teil des Verdampfers 4, dem unteren Teil des Reformers 6 und dem
unteren Teil des Brennstoffzellenabschnitts 20 in einer
Zickzack-Anordnung ausgebildet, so dass jeweils die Kombinationen 4a, 6a und 9a aus
elektrischer Heizeinrichtung und Temperatursensor entstehen. Ein
Ende jeder der Kombinationen 4a, 6a und 9a aus
elektrischer Heizeinrichtung und Temperatursensor ist mit einem
gemeinsamen Anschluss 13a verbunden, und die anderen Enden
derselben sind jeweils mit drei unabhängigen Anschlüssen 13b, 13c und 13d verbunden.
Die vier Anschlüsse 13a, 13b, 13c und 13d sind
an dem Ende des Verbindungsabschnitts 5 an der Außenseite
des Wärmeisolierungsgehäuses 10 ausgebildet.
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9 ist
eine Schnittansicht entlang einer Linie IX-IX in 8 aus
der Richtung der Pfeile gesehen und 10 ist
eine Schnittansicht entlang einer Linie X-X in 9 aus
der Richtung der Pfeile gesehen.
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Ableit-Strömungswege 51 und 42 für
das Abgas, das aus dem katalytischen Brenner 9 abgeleitet wird,
sind in dem Verbindungsabschnitt 5 ausgebildet. Des Weiteren
ist ein Zuführ-Strömungsweg 53 für
das Gasgemisch, das von dem Verdampfer 4 zu dem Reformer 6 geleitet
wird, in dem Verbindungsabschnitt 5 ausgebildet.
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Desgleichen
sind Ableit-Strömungswege (nicht dargestellt) für
das Abgas, das aus dem katalytischen Brenner 9 abgeleitet
wird, in dem Verbindungsabschnitt 7 ausgebildet, wobei
die Ableit-Strömungswege mit den Ableit-Strömungswegen 51 bzw. 52 in
Verbindung stehen. Des Weiteren ist ein Zuführ-Strömungsweg
(nicht dargestellt) für das reformierte Gas, das von dem
Reformer 6 zu der Brennstoffelektrode 82 der Stromerzeugungszelle 8 geleitet,
in dem Verbindungsabschnitt 7 ausgebildet. Durch die Verbindungsabschnitte 5 und 7 sind
der Zuführ-Strömungsweg für den Rohbrennstoff,
das Gasgemisch und das reformierte Gas zu dem Verdampfer 4 dem
Reformer 6 und dem Brennstoffzellenabschnitt 20 sowie
die Ableit-Strömungswege für das Abgas gesichert.
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Dabei
werden, um den Strömungswegdurchmesser für das
Abgas, das von dem katalytischen Brenner 9 abgeleitet wird,
so zu vergrößern, dass er für das Abgas
und die Luft ausreicht, die dem katalytischen Brenner 9 zugeführt
werden, von den drei Strömungswegen, die in dem Verbindungsabschnitt 7 ausgebildet
sind, die zwei Strömungswege als die Strömungswege
für das Abgas von dem katalytischen Brenner 9 verwendet,
und der andere eine Strömungsweg wird als der Zuführ-Strömungsweg für
das reformierte Gas zu der Brennstoffelektrode 82 der Stromerzeugungszelle 8 verwendet.
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Ein
Ende der Anoden-Ausgangselektrode 21a und der Kathoden-Ausgangselektrode 21b wird jeweils
an der Seite, an der der Brennstoffzellenabschnitt 20 mit
dem Verbindungsabschnitt 7 verbunden ist, wie dies in 6 und 7 dargestellt
ist, von der Oberfläche des Brennstoffzellenabschnitts 20 herausgeführt.
Das andere Ende der Anoden-Ausgangselektrode 21a und der
Kathoden-Ausgangselektrode 21b steht, wie dies in 4 dargestellt
ist, von der gleichen Wandfläche des Wärmeisolierungsgehäuses 10,
von der auch der Verbindungsabschnitt 5 vorsteht, nach
außen vor.
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Dabei
ist in der vorliegenden Ausführungsform der Verbindungsabschnitt 7 mit
dem Brennstoffzellenabschnitt 20 in dem mittleren Teil
einer Fläche desselben verbunden, und die Anoden-Ausgangselektrode 21a sowie
die Kathoden-Ausgangselektrode 21b werden über
gegenüberliegende Abschnitte der gleichen Fläche
nach außen geführt. Dadurch wird der Brennstoffzellenabschnitt 20 an
drei Punkten des Verbindungsabschnitts 7, der Anoden-Ausgangselektrode 21a und
der Kathoden-Ausgangselektrode 21b getragen, und damit
kann der Brennstoffzellenabschnitt 20 stabil in dem Wärmeisolierungsgehäuse 10 gehalten
werden.
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Die
Anoden-Ausgangselektrode 21a und die Kathoden-Ausgangselektrode 21b enthalten
gebogene Abschnitte 21c und 21d, die in dem Raum
zwischen der Innenwandfläche des Wärmeisolierungsgehäuses 10 und
dem Brennstoffzellenabschnitt 20 gebogen sind, wie dies
in 6 und 7 dargestellt ist. Die Aufgabe
der gebogenen Abschnitte 21c und 21d besteht darin,
die Spannung abzubauen, die durch den Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungsmaßen
des Brennstoffzellenabschnitts und des Wärmeisolierungsgehäuses 10 entsteht,
das eine niedrigere Temperatur hat als der Brennstoffzellenabschnitt 20,
wobei die Spannung zwischen dem Brennstoffzellenabschnitt 20 und
dem Wärmeisolierungsgehäuse 10 über
die Anoden-Ausgangselektrode 21a und die Kathoden-Ausgangselektrode 21b wirkt.
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Die
Anoden-Ausgangselektrode 21a wird von der Anoden-Sammelelektrode 84 der
Stromerzeugungszelle 8 herausgeführt, und die
Kathoden-Ausgangselektrode 21b wird von der Kathoden-Sammelelektrode 85 der
Stromerzeugungszelle 8 herausgeführt. Die Anoden-Ausgangselektrode 21a und
die Kathoden-Ausgangselektrode 21b sind jeweils als eine
hohle Röhre geformt, und die Innenräume der Anoden-Ausgangselektrode 21a sowie der Kathoden-Ausgangselektrode 21b sind
als Luftzuführ-Strömungswege 22a und 22b ausgebildet,
mit denen der Sauerstoffelektrode 83 der Stromerzeugungszelle 8 die
Luft zugeführt wird.
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11 und 12 sind
eine Schnittansicht bzw. eine Draufsicht, die die Form des Anodengas-Strömungsweges 86 in
der Stromerzeugungszelle 8 zeigen. 13 und 14 sind
eine Schnittansicht bzw. eine Draufsicht, die die Form des Kathodengas-Strömungsweges 87 in
der Stromerzeugungszelle 8 zeigen. 15 ist
eine Schnittansicht, die den Aufbau des Anodengas-Strömungsweges 86 und
des Kathodengas-Strömungsweges 87 in dem Fall
zeigt, in dem die Stromerzeugungszellen 8 geschichtet sind
und den Zellenstapel 80 bilden.
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Der
in der Anoden-Sammelelektrode 84 ausgebildete Anodengas-Strömungsweg 86 ist,
wie dies in 11 und 12 dargestellt
ist, in einer Zickzack-Form ausgebildet. Der in der Kathoden-Sammelelektrode 85 ausgebildete
Kathodengas-Strömungsweg 87 ist, wie dies in 13 und 14 dargestellt
ist, desgleichen in einer Zickzackform ausgebildet.
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Das
eine Ende des Kathodengas-Strömungsweges 87 ist
mit den Luftzuführ-Strömungswegen 22a und 22b über
einen Kathodengas-Zuführverteiler (gemeinsamer Zuführweg)
verbunden, der weiter unten beschrieben ist, und der Kathodengas-Strömungsweg 87 führt
die über die Luftzuführ-Strömungswege 22a und 22b zugeführte
Luft der Sauerstoffelektrode 83 zu und leitet die Luft
durch den Innenraum derselben. Das andere Ende des Kathodengas-Strömungsweges 87 ist
mit einem Kathodengas-Ableitverteiler (gemeinsamer Ableitweg) versehen,
der weiter unten beschrieben wird und mit dem katalytischen Brenner 9 in
Verbindung steht. Die Luft, die nicht für die Reaktion
nach der chemischen Reaktionsgleichung (3) in der Sauerstoffelektrode 83 verwendet
worden und darin verblieben ist, wird dem katalytischen Brenner 9 über
dem Kathodengas-Ableitverteiler zugeführt.
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Wenn
die Vielzahl von Stromerzeugungszellen 8 geschichtet wird,
um den Zellenstapel 80 auszubilden, ist es vorteilhafter,
die Stromerzeugungszellen 8 so zu schichten, dass die Gasströmungswege
der Stromerzeugungszellen 8 parallel zueinander sind, wie
dies in 15 dargestellt ist, anstatt
die Stromerzeugungszellen 8 so zu schichten, dass die Gasströmungswege
der Stromerzeugungszellen in Reihe angeordnet sind, um die Druckverluste
der Gasströmungswege zu reduzieren. Indem die Gasströmungswege
parallel zueinander angeordnet werden, ist es möglich,
die Gasströmungswege zu verkürzen und ihre Druckverluste
um dieses Maß zu verringern.
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Unter
Berücksichtigung dieses Aspektes wird der Zellenstapel 80 der
vorliegenden Ausführungsform mit einem Anodengas-Zuführverteiler 810 versehen,
mit dem das reformierte Gas, das Wasserstoff enthält, gleichmäßig
in jedem der Anodengas-Strömungswege 86 der geschichteten
Stromerzeugungszellen 8 verteilt wird, um die parallele
Zufuhr des reformierten Gases durchzuführen, sowie mit
einem Anoden-Gasableitverteiler 820, mit dem die reformierten
Gase einschließlich des nicht in Reaktion getretenen Wasserstoffs
zusammengeführt werden, die jeden der Anodengas-Strömungswege 86 passiert
haben, um die zusammengeführten Gase abzuleiten.
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Des
Weiteren ist der Zellenstapel 80 mit einem Kathodengas-Zuführverteiler 830 versehen,
mit dem die Luft einschließlich des Sauerstoffs gleichmäßig
auf jeden der Kathodengas-Strömungswege 87 der
geschichteten Stromerzeugungszellen 8 verteilt wird, um
die parallele Zufuhr der Luft durchzuführen, sowie mit
einem Kathodengas-Ableitverteiler 840, mit dem die Luft
einschließlich des nicht in Reaktion getretenen Sauerstoffs,
der jeden der Kathodengas-Strömungswege 87 durchlaufen
hat, zusammengeführt werden, um die zusammengeführte
Luft abzuleiten.
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16 ist
eine Perspektivansicht eines Zellenstapels 80, der in dem
Gehäuse 90 aufgenommen ist. 17 ist
eine Perspektivansicht des Zellenstapels 8 von oben gesehen,
und 18 ist eine Perspektivansicht des Zellenstapels 80 von
unten gesehen. 19 ist eine vergrößerte
Ansicht, die schematisch die Profilform des Hauptteils des Zellenstapels 80 zeigt.
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Sowohl
die Anoden-Sammelelektroden 84 als auch die Kathoden-Sammelelektroden 85 sind plane
Rechtecke. Vorstehende Teile 85a und 85a, die einen
Teil der Gaszuführverteiler bilden, sind an einer von zwei
einander in einer Richtung einer diagonalen Linie gegenüberliegenden
Ecken von vier Ecken der planen Rechtecke ausgebildet, und vorstehende
Teile 84b und 85b, die einen Teil der Gasableitverteiler bilden,
sind an der anderen der zwei einander gegenüberliegenden
Ecken ausgebildet (siehe 19).
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In
der vorliegenden Ausführungsform sind der Anodengas-Zuführverteiler 810 und
der Kathodengas-Zuführverteiler 830 an einer Seite
der Anoden-Sammelelektrode 84 und der Kathoden-Sammelelektrode 85 angeordnet,
und der Anoden-Gasableitverteiler 820 sowie der Kathodengas-Ableitverteiler 840 sind
an der anderen Seite der Anoden-Sammelelektrode 84 sowie
der Kathoden-Sammelelektrode 85 angeordnet.
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20 ist
eine als Schnitt ausgeführte Seitenansicht des Zellenstapels,
und 21 ist eine Draufsicht, die einen Einströmanschluss,
einen Ausströmanschluss sowie einen Kathodengas-Strömungsweg
des Zellenstapels zeigt. 22 ist
eine als Schnitt ausgeführte Seitenansicht, die eine schrittweise
Verschmälerung jedes Einström-Anschlusses des
Zellenstapels zeigt. Des Weiteren ist 23 eine
Draufsicht, die die schrittweise Verschmälerung jedes Einströmanschlusses
des Zellenstapels zeigt. Der Anodengas-Zuführverteiler 810 und
der Kathodengas-Zuführverteiler 830 verlaufen in
geraden Linien in der Dickenrichtung des Zellenstapels 80 (die
Schichtungsrichtung der Stromerzeugungszellen 8). Auch
der Anoden-Gasableitverteiler 820 sowie der Kathodengas-Ableitverteiler 840 verlaufen
in geraden Linien in der Dickenrichtung des Zellenstapels 80.
Das Einströmen und Ausströmen der Luft, bei der
es sich um das Gas in den Kathodengas-Strömungswegen 87 handelt,
ist in 18, 20 und 22 mit
Pfeilen dargestellt.
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Kathoden-Gaseinströmanschlüsse 831 zum Regulieren
von Strömungsmengen sind in den Kathoden-Sammelelektroden 85 zwischen
dem Kathodengas-Zuführverteiler 830 und den Kathodengas-Strömungswegen 87 der
Stromerzeugungszellen 8 in dem Zellenstapel 80 angeordnet,
wie dies in 20–23 dargestellt
ist. Daher sind die Kathoden-Gaseinströmanschlüsse 831 in
Reihe von dem Kathodengas-Zuführverteiler 830 bis
zu den Kathodengas-Strömungswegen 87 der Stromerzeugungszellen 8 angeordnet.
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Die
Kathoden-Gaseinströmanschlüsse 831 sind
jeweils so ausgebildet, dass sie ein planes Rechteck sind und voneinander
verschiedene Querschnittsflächen haben. Das heißt,
die Kathoden-Gaseinströmanschlüsse 831 sind
so ausgebildet, dass die Größe ihrer Querschnitte
der Reihe nach von denen, die sich an der stromauf liegenden Seite
des Kathodengas-Zuführverteilers 830 befinden,
zu denjenigen an der stromab liegenden Seite desselben hin kleiner
wird. Die Form der Querschnitte der Kathoden-Gaseinströmanschlüsse 831 ist
nicht auf die planen Vierecke beschränkt, sondern sie kann
die eines Kreises, eines Dreiecks oder eines Vielecks mit vier oder
mehr Ecken sein.
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Dabei
ist die Ausstoßrichtung der über die Luftzuführ-Strömungswege 22a und 22b zu
dem Kathodengas-Zuführverteiler 830 durch eine
nicht dargestellte Luftpumpe zugeführten (ausgestoßenen) Luft
so eingestellt, dass sie, wie in 22 gezeigt, der
Schichtungsrichtung der Stromerzeugungszelle 8 (der Längsrichtung
des Kathodengas-Zuführverteilers) zugewandt ist. Der Grund
dafür, dass die Ausstoßrichtung der Luft festgelegt
wird, besteht darin, dass dadurch die Strömungsmengen der
Luft in jedem der Anodengas-Strömungswege 87 ohne
Streuung nahezu gleichmäßig sein kann, wenn die
Ausstoßrichtung der Luft auf die Längsrichtung
des Kathodengas-Zuführverteilers festgelegt wird und die Größe
der Querschnitte der Kathoden-Gaseinströmanschlüsse
so gestaltet wird, dass sie der Reihe nach von denjenigen, die sich
an der stromauf liegenden Seite des Kathodengas-Zuführverteilers 830 befinden,
bis zu denjenigen, die sich an der stromab liegenden Seite desselben
befinden, kleiner wird. Dabei bilden die Luftzuführ-Strömungswege 22a und 22b, die
Luftpumpe und dergleichen einen Luftzuführabschnitt.
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Des
Weiteren sind in der vorliegenden Ausführungsform auch
Anoden-Gaseinströmanschlüsse 811 (siehe 15)
zum Regulieren von Strömungsmengen zwischen dem Anodengas-Zuführverteiler 810 und
den Anodengas-Strömungswegen 86 der Stromerzeugungszellen 8 in
dem Zellenstapel 80 vorhanden.
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Kathodengas-Ausströmanschlüsse 832 sind zwischen
jedem der Kathodengas-Strömungswege 87 und dem
Kathodengas-Ableitverteiler 840 ausgebildet. Die Großen
der Querschnitte der Kathodengas-Ausströmanschlüsse 832 sind
so gestaltet, dass sie in der vorliegenden Ausführungsform
einander gleich sind. Des Weiteren sind auch Anodengas-Ausströmanschlüsse 812 zwischen
jedem der Anodengas-Strömungswege 86 und dem Anoden-Gasableitverteiler 820 ausgebildet.
Die Größen der Querschnitte der Anodengas-Ausströmanschlüsse 812 sind
ebenfalls so gestaltet, dass sie einander gleich sind. Wenn die
Größen der Querschnitte der Ausströmanschlüsse 832 und 812 so
festgelegt werden, dass sie konstant sind, können nicht
nur die Strömungsmengen der Luft in den Gasströmungswegen 87 und 86 nahezu
gleichmäßig sein, ohne dass es zu Streuung kommt,
sondern auch das Festlegen der Größen der Querschnitte
der Einströmanschlüsse 831 und 811 wird
erleichtert.
-
Daher
wird vorausgesetzt, dass die Größe des Querschnitts
des Kathoden-Gaseinströmanschlusses 831 in den
Kathodengas-Strömungsweg 87 der n-ten Stromerzeugungszelle 8 hinein
von der stromauf liegenden Seite der Luftzirkulation her, d. h.
der Luftzuführseite des Kathodengas-Zuführverteilers 830 so
festgelegt wird, dass sie, wie in 21 gezeigt,
En × Fn entspricht. En und Fn werden mit 2 mm angenommen,
und die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in jeder der
Stromerzeugungszellen 8 der Luftströmungsmenge
von 7700 cm3 wird in dem Fall mittels einer
Fluidsimulation berechnet, in dem die Abmessungen des Querschnitts
des mäandernden Strömungsweges des Kathodengas-Strömungsweges 87 5
mm × 0,3 mm betragen, die Anzahl der Trennwände
in dem Strömungsweg 87 5 beträgt und die
Anzahl von Stapeln 10 beträgt. Die Ergebnisse sind
in einem Diagramm in 24 dargestellt. Dabei bezeichnet
eine Diagrammbeschriftung gr – x eine Differenz gegenüber dem
Anfangswert von 2 mm in der Richtung En (schrittweise Verschmälerung
des Strömungswegs) und eine Diagrammbeschriftung gr – y
bezeichnet eine Differenz gegenüber dem Anfangswert von
2 mm in der Richtung Fn (schrittweise Verschmälerung des
Strömungswegs).
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Wenn
gr – x = 0 und gr – y = 0, zeigt dies, wie aus 24 ersichtlich
ist, einen Fall der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung
zwischen den Stapeln an, wenn die Abmessungen der Querschnitte aller Kathoden-Gaseinströmanschlüsse 831 gleich
sind, und die Verteilung zeichnet sich dadurch aus, dass die Strömungsgeschwindigkeit
von der stromauf liegenden Seite zu der stromab liegenden Seite
der Luftzirkulation zunimmt. Bei einer derartigen Strömungsgeschwindigkeitsverteilung
werden die Ausgänge der Stromerzeugungszellen 8 ungleichmäßig, und
das dem Zellenstapel 80 innewohnende Potenzial kann nicht
vollständig erreicht werden.
-
Des
Weiteren stellt sich, wenn die Größen der Kathoden-Gaseinströmanschlüsse 830 allmählich
verringert werden, indem gr – x und gr – y geändert
werden, heraus, dass sich die Strömungsmengenverteilungen
zwischen den Stapeln gegenüber 24 ändern.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Situation nahezu
einheitlich, wenn ungefähr gilt gr – x = 0,2 und
gr – y = 0,05. Die Streuung des Strömungsvolumens
der Luft, die in jedem der Kathodengas-Strömungswege 87 der
Vielzahl von Stromerzeugungszellen 8 von den Strömungswegen 87 der
Stromerzeugungszellen 8 strömt, kann, wie oben beschrieben,
mit der vorliegenden Ausführungsform verringert werden.
Des Weiteren kann auch die Streuung der Strömungsmenge
des reformierten Gases, das in jedem der Anodengas-Strömungswege 86 von
den Strömungswegen 86 der Stromerzeugungszellen 8 strömt,
verringert werden.
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Dabei
werden die Größen der Anoden-Gaseinströmanschlüsse 811 für
Strömungsmengenregulierung, die zwischen dem Anodengas-Zuführverteiler 810 und
den Anodengas-Strömungswegen 86 der Stromerzeugungszellen 8 ausgebildet
sind, ebenfalls ähnlich wie beim dem oben erwähnten
Verfahren festgelegt. Die Strömungsgeschwindigkeiten des
Reaktionsgases sind jedoch in den Anodengas-Strömungswegen 86 niedriger
als die in den Kathodengas-Strömungswegen 87,
so dass sie im Allgemeinen 1/3 bis 1/10 betragen. Daher werden,
da die Streuung der Strömungsmengen des Reaktionsgases
ebenfalls geringer ist, die Größen der Querschnitte
der Anoden-Gaseinströmanschlüsse 811 entsprechend
der geringeren Streuung festgelegt.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform werden, wenn der Wasserstoff
in dem Abgas vollständig verbrannt worden ist, CO2, H2O, N2 und O2 aus dem katalytischen
Brenner 9 abgeleitet. Dabei existieren die folgenden zwei
Systeme von Strömungswegen zum Zuführen von Reaktionsgasen
zu der Stromerzeugungszelle 8, d. h., die Anodengas-Strömungswege 86 zum
Leiten eines reformierten Gases, sowie die Kathodengas-Strömungswege 87 zum
Leiten von Luft. Ein System des Strömungsweges existiert
jedoch als der Strömungsweg zum Ableiten von Gasen nach
Reaktionen aus den Stromerzeugungszellen 8. In diesem Fall
nimmt, da die Strömungsmenge der Gase des Ableitsystems
größer ist als die des Zuführsystems,
der Druckverlust in dem Strömungsweg des Ableitsystems
zu, wenn die Anzahl der Röhren des Zuführsystems
und des Ableitsystems jeweils 1 beträgt und wenn die Durchmesser
der Röhren die gleichen sind. Es ist vorteilhaft, wenn
der Röhrendurchmesser des Ableitsystems größer
ist als der des Zuführsystems, um den Druckverlust in dem
Strömungsweg des Ableitsystems zu verringern. Als Alternative
dazu ist es vorteilhaft, wenn die Röhrendurchmesser des
Zuführsystems und des Ableitsystems die gleichen sind und
die Anzahl der Strömungswege des Ableitsystems größer
ist als die des Zuführsystems. In der vorliegenden Ausführungsform
kann, da das Ableitsystem eingesetzt wird, das als die zwei Strömungswege
die Ableit-Strömungswege 51 und 52 in
Bezug auf das Zuführsystem enthält, das als einen
Strömungsweg den Zuführ-Strömungsweg 53 enthält,
der Druckverlust in den Strömungswegen des Ableitsystems
effektiv verringert werden.
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Des
Weiteren ist es bei der Festelektrolyt-Brennstoffzelle wie in der
vorliegenden Ausführungsform erforderlich, mehr Luft als
die Strömungsmenge des reformierten Gases über
die Kathodengas-Strömungswege zu leiten. Daher werden,
wenn die Querschnittsflächen der Kathodengas-Strömungswege 87 und
der Anodengas-Strömungswege 86 die gleichen sind,
die Druckverluste der Luft in den Kathodengas-Strömungswegen 87 größer
als die Druckverluste der reformierten Gase in den Anodengas-Strömungswegen 86.
Dabei kann, da der Druckverlust in dem Strömungsweg mit
einer Querschnittsform eines Rechtecks umgekehrt proportional zu
der dritten Potenz der kürzeren Seite des Querschnitts des
Strömungsweges abnimmt, der Druckverlust der Luft, die über
den Kathodengas-Strömungsweg 87 strömt,
effektiv vermieden werden, indem die Höhe des Kathodengas-Strömungsweges 87 gegenüber der
des Anodengas-Strömungsweges 86 vergrößert wird,
wie dies in 25 dargestellt ist.
-
Dabei
können, obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform
ein Beispiel dargestellt ist, bei dem sowohl der Anodengas-Strömungsweg 86 als
auch der Kathodengas-Strö mungsweg 87 verwendet
werden, die als in Zickzackform mäandernde Strömungswege
mit inneren Strömungsweg-Trennwänden eingesetzt
werden, die sogenannten beckenförmigen Strömungswege
ohne die inneren Strömungsweg-Trennwände ausgebildet
sind. In diesem Fall wird der Vorteil erzielt, dass die Änderungen der
Verbindungspositionen und die Verbindungsstrukturen der Luftzuführ-Strömungswege 22a und 22b,
die mit dem Kathodengas-Strömungsweg zu verbinden sind,
vereinfacht werden. Auch in diesem Fall kann der Druckverlust der
Luft, die durch den Kathodengas-Strömungsweg 87 strömt,
effektiv verhindert werden, indem die Höhe des Kathodengas-Strömungsweges 87 gegenüber
der des Anodengas-Strömungsweges 86 vergrößert
wird. Des Weiteren ist, obwohl die Stromerzeugungszelle, die in
der Brennstoffzellenvorrichtung vorhanden ist, eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle
ist, die Stromerzeugungszelle nicht darauf beschränkt.
Es kann auch eine Karbonschmelzen-Brennstoffzelle und eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
eingesetzt werden.
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Die
gesamte Offenbarung der am 21. September 2007 eingereichten
japanischen Patentanmeldung Nr.
2007-244968 einschließlich der Beschreibung, der
Patentansprüche, der Zeichnungen und der Zusammenfassung
wird hiermit durch Verweis in ihrer Gesamtheit einbezogen.
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Zusammenfassung
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Brennstoffzellenvorrichtung und elektronisches
Gerät, bei dem die Brennstoffzellenvorrichtung eingesetzt
wird
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Offenbart
wird eine Brennstoffzellenvorrichtung, die eine Vielzahl von Stromerzeugungszellen zum
Erzeugen von Strom mittels einer elektrochemischen Reaktion eines
oxidierenden Stoffs und eines reduzierenden Stoffs umfasst, wobei
die Vielzahl von Stromerzeugungszellen enthalten:
eine Vielzahl
von Gasströmungswegen, mit denen ein Reaktionsgas für
die elektrochemische Reaktion jeweils zu der Vielzahl von Stromerzeugerzellen
geleitet wird; und eine Vielzahl von Einströmanschlüssen,
die jeweils an einer Position vorhanden sind, an der das Reaktionsgas
in jeden der Vielzahl von Gasströmungswegen strömt,
und wobei von der Vielzahl von Einströmanschlüssen
eine Querschnittsform eines Einströmanschlusses, der an
einer stromab liegenden Seite einer Strömungsrichtung des
Reaktionsgases vorhanden ist, kleiner ist als eine Querschnittsabmessung
eines Einströmanschlusses, der an einer stromauf liegenden
Seite der Strömungsrichtung des Reaktionsgases vorhanden
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2006-294503 [0002, 0003]
- - JP 2007-244968 [0101]