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