(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池装置の燃料の補充と交換とを簡素化することによって、継続的に作動することを可能にすることと、燃料電池装置の利便性を向上させる。【解決手段】炭化水素を貯蔵する貯蔵容器１、その炭化水素の分解反応に活性を有する触媒を備える分解反応器２、炭化水素または水素の酸化反応に活性を有する触媒を備える酸化反応器７および燃料電池９を備えた燃料電池装置において、その燃料電池装置からその貯蔵容器１とその分解反応器２の少なくとも一方が可逆的に分離または結合可能であることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を貯蔵する貯蔵容器、その炭化水素の分解反応に活性を有する触媒を備える分解反応器、炭化水素または水素の酸化反応に活性を有する触媒を備える酸化反応器および燃料電池を備えた燃料電池装置において、その燃料電池装置からその貯蔵容器とその分解反応器の少なくとも一方が可逆的に分離または結合可能であることを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素を触媒で水素および炭素に分解する容器を備えた燃料電池装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、アノードで水素を、カソードで酸素を、それぞれ電気化学的に反応させることによって電力を得る電気化学装置である。アノードでは（１）式、カソードでは（２）式に示す反応がそれぞれおこる。燃料電池では、燃料である水素から直接、電気エネルギーを取り出すことができる。つまり、燃料電池はカルノーサイクルの制約がないので、その電池の発電効率は高い。燃料電池には、発電効率が高いことに加えて、出力密度が高いこと、さらに排出物に二酸化炭素や窒素酸化物が含まれないことなどの特徴があるので、次世代の電源として注目されている。
【０００３】
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−                    （１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ              （２）
近年、携帯電話、モバイルコンピュータやＰＤＡなど携帯用電子機器の進歩が目覚しい。これらの携帯用電子機器の進歩に伴って、ますます高エネルギー密度の電源が必要とされている。これまで、それらの機器の電源としてニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池が主に使用されている。
【０００４】
現在、それらの二次電池の高エネルギー密度化が精力的におこなわれている。しかしながら、それらの機器用電源のエネルギー密度を飛躍的に向上させるためには、ブレークスルーが必要である。最近、そのブレークスルーとして燃料電池装置を電源に適用することが期待されている。燃料電池装置は、燃料のエネルギー変換効率が高いことに加えて、燃料の供給を続ける限り電力を発生することができるので、その装置は携帯用電子機器の電源に適する。
【０００５】
燃料電池装置は、少なくとも燃料電池本体と燃料を貯蔵する容器とを備える。燃料貯蔵容器は、水素を蓄えるものと水素が含まれる化合物を蓄えるものとに大別される。水素を蓄える容器には、例えば、高圧容器、液化水素容器や水素吸蔵合金容器などがある。特許文献１には、水素ボンベから直接固体高分子形燃料電池に水素を供給する技術が開示され、また、特許文献２には、水素吸蔵合金を備えた水素タンクに水素を充填した水素充填装置を用いる固体高分子形燃料電池が開示されている。
【０００６】
水素が含まれる化合物を蓄える容器には、炭化水素類、アルコール類あるいはエーテル類などの有機化合物が蓄えられる。特許文献３には、有機化合物などの発電用燃料を改質することによって、生成した水素を燃料電池で電気エネルギーに変換する燃料電池装置が開示されている。
【０００７】
前述のような燃料電池装置では、改質器によって有機化合物から水素リッチガスを生成したのちに、そのガスが燃料電池に供給される。例えば、改質器によって、（３）式に示すように、炭化水素と水とから水素と二酸化炭素とが生成される。さらに、アルコールやエーテルなどを、燃料電池に直接供給する燃料電池装置がある。たとえば、メタノールをアノードに供給するダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）では、メタノールをアノードで電気化学的に酸化することによって、プロトンが生成する。アノードでの反応を式（４）に示す。なお、カソードでは、(２)式に示した電気化学反応がおこる。
【０００８】
ＣｎＨ２ｎ＋２＋２ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ２＋（３ｎ＋１）Ｈ２    （３）
ＣＨ３ＯＨ＋２ｎＨ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−          （４）
さらに、炭化水素類を触媒で炭素と水素とに分解することによって水素が含まれるガスを生成したのちに、このガスを燃料電池に供給して電力を得る燃料電池装置が開発されている。この燃料電池装置は、炭化水素を貯蔵する貯蔵容器と、その炭化水素を水素と炭素とに分解する触媒を含む分解反応器と、炭化水素あるいは水素を酸化する反応に活性を有する触媒を備える酸化反応器と、燃料電池とを備える。この燃料電池装置では、酸化反応器から分解反応器に熱を供給することができるため、小形でありエネルギー密度が高いものであった。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−１９１４２１号公報
【特許文献２】特開２００３−１３０２９１号公報
【特許文献３】特開２００２−２３７３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
電源のエネルギー密度は、出力と時間との積分値を電源の体積または質量で除した値であるので、燃料電池装置のエネルギー密度を向上させるためには、燃料電池本体の出力およびエネルギー変換効率が高いことと、燃料電池装置および燃料を蓄える容器が軽量で小形であることとが必要である。とくに、燃料の搭載量は電力を供給する時間に比例するので、燃料を蓄える容器は軽量小形であることが望ましい。
【００１１】
しかしながら、上述のような水素を蓄える容器は、燃料電池装置の高エネルギー密度化には不向きである。例えば、高圧（１５ＭＰａ）に圧縮した水素ガスを貯蔵するためには鋼鉄製の高圧容器が用いられるので、その容器は重くなる。さらに、高圧容器を小形化した場合、水素ガスに対して高圧容器の重量が多くなるので、高圧容器は小形化することに不向きである。
【００１２】
一方、液化水素を貯蔵した容器では、水素が一日に数％づつ蒸発するボイルオフが避けられないことに加えて、水素を液化する過程でのエネルギー損失やその液化水素を充填する過程での蒸発による損失があるので、経済的ではない。水素吸蔵合金を充填した容器は、水素の貯蔵量が数ｍａｓｓ％であるので、高エネルギー密度化するためには、その合金当たりの貯蔵量が不十分である。このために、水素吸蔵合金を充填した容器を十分に小形化することができない。
【００１３】
炭化水素、アルコールあるいはエーテルなどの有機化合物を改質することによって水素リッチガスを生成し、この水素リッチガスを燃料電池に供給する燃料電池装置がある。しかしながら、有機化合物を改質することによって得られた水素リッチガスは一酸化炭素を含む。この一酸化炭素は白金触媒を被毒するので、燃料電池のエネルギー変換効率を著しく低減させる。一酸化炭素を除去する装置を用いる方法があるが、燃料電池装置が煩雑になるので小形化には不向きである。
【００１４】
アルコールやエーテルなどの有機化合物を、直接、アノードに供給する燃料電池では、有機化合物の電気化学的な酸化反応の過電圧が大きいので、水素をアノードに供給する燃料電池よりも出力密度が低い。つまり、この燃料電池はエネルギー変換効率が低いので、燃料電池装置の小形化には不向きである。
【００１５】
炭化水素を貯蔵する貯蔵容器と、その炭化水素を水素と炭素とに分解する触媒を含む分解反応器と、炭化水素あるいは水素を酸化する反応に活性を有する触媒を備える酸化反応器と、燃料電池とを備えた燃料電池装置では、炭化水素類が分解することによって分解反応器には炭素が蓄積するので、この炭素を除去する必要があった。この炭素の除去には、分解反応器に空気を送り込むとともに、加熱することによって炭素を燃焼させるという操作がおこなわれていた。しかしながら、その操作は、非常に煩雑であったので、その燃料電池装置の利便性が乏しいことが課題であった。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、炭化水素を蓄える貯蔵容器と、その炭化水素類を水素および炭素に分解する触媒を含む分解反応器と、炭化水素類あるいは水素を酸化する反応に活性を有する触媒を備える酸化反応器と燃料電池とを備える燃料電池装置の燃料の補充と交換とを簡素化することによって、継続的に作動することを可能にすることと、燃料電池装置の利便性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１の発明は、炭化水素を貯蔵する貯蔵容器、その炭化水素の分解反応に活性を有する触媒を備える分解反応器、炭化水素または水素の酸化反応に活性を有する触媒を備える酸化反応器および燃料電池とを備えた燃料電池装置において、その燃料電池装置からその貯蔵容器とその分解反応器の少なくとも一方が可逆的に分離または結合可能であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の燃料電池装置では、水素の発生反応が終了した場合、燃料電池装置から、貯蔵容器のみ、分解反応器のみ、または貯蔵容器と分解反応器の両方を分離したのちに交換することによって、燃料電池装置を連続的に作動させることができるので、電子機器へ継続的に電力を供給することが可能となる。すなわち、貯蔵容器中に貯蔵された炭化水素が無くなった場合には、空の貯蔵容器を炭化水素で満たされた貯蔵容器と交換することによって、引き続き燃料電池装置を作動させることができる。また、炭化水素の分解で生成した炭素が蓄積した分解反応器を未使用の分解反応器と交換することによって、分解反応器に蓄積した炭素を除去するための洗浄や燃焼するなどの煩雑な操作の必要がなくなる。さらに、貯蔵容器と分解反応器の両方を交換することによっても、再び、燃料電池装置を作動することができる。その交換操作は、非常に簡便であるので、利便性が高い燃料電池装置を提供することができる。なお、貯蔵容器と分解反応器とは一体物であってもよいし、それぞれ別の物であってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の燃料電池装置は、炭化水素を貯蔵する貯蔵容器、その炭化水素の分解反応に活性を有する触媒を備える分解反応器、炭化水素または水素の酸化反応に活性を有する触媒を備える酸化反応器および燃料電池とを備えた燃料電池装置において、その燃料電池装置からその貯蔵容器とその分解反応器の少なくとも一方が可逆的に分離または結合可能であることを特徴とする。
【００２０】
本発明の燃料電池装置では、貯蔵容器に水素の原料となる炭化水素を貯蔵することと、貯蔵容器から炭化水素を分解反応器に供給することと、分解反応器で炭化水素を触媒で炭素と水素とに分解することと、生成した水素含有ガスを燃料電池に供給することとによって電力が得られる。また、本発明の燃料電池装置において、酸化反応器では炭化水素または水素を触媒燃焼することによって熱を得る。この熱を分解反応器に供給することによって、分解反応器では炭化水素を炭素と水素とに分解する反応が進行する。炭化水素を水素と炭素とに分解する反応を（５）式に示す。
【００２１】
ＣｎＨ２ｎ＋２→ｎＣ＋（ｎ＋１）Ｈ２                  （５）
分解反応器が酸素を含まない場合、炭化水素が水素と炭素とに分解される反応では一酸化炭素や二酸化炭素は生成しない。すなわち、この分解反応器で得られる水素リッチガスは、一酸化炭素のような燃料電池の出力特性の低下を引き起こす成分を含まない。
【００２２】
分解反応器での炭化水素の分解は吸熱反応であるが、熱が酸化反応器から分解反応器に伝達されるので、炭化水素の分解による水素の生成反応が進行する。生成した水素は、燃料電池での発電に使用される。すなわち、貯蔵容器、分解反応器、酸化反応器および燃料電池を備える本発明の燃料電池装置を用いることによって、炭化水素を燃料として電力が得られる。
【００２３】
炭化水素としてメタンを例にとると、メタンは分解して水素と炭素を生成する。メタンが分解する温度は約１０００℃であるが、触媒を使用することによって分解温度を下げることができる。本発明の燃料電池装置の分解反応器には、炭化水素を炭素と水素とに分解する反応に活性な触媒を備える。
【００２４】
分解反応器に供給される炭化水素は触媒によって炭素と水素とに分解されるので、水素を発生させることが可能である。本発明の燃料電池装置では、炭化水素として、メタン、エタン、プロパン、ブタンあるいはペンタンなどの炭素数が５以下の飽和炭化水素、エチレン、プロピレン、ブチレンあるいはペンテンなどのアルカン類、あるいはエチン、プロピン、ブチンやペンチンなどのアルキン類のような炭素数が５以下の不飽和炭化水素を用いることができる。アルカン類とアルキン類との分解反応を(６)式と(７)とに、それぞれ示す。しかしながら、飽和炭化水素は、炭素に対する水素の割合が不飽和炭化水素類よりも大きいので、水素を供給するためには飽和炭化水素を用いることが好ましい。
【００２５】
ＣｎＨ２ｎ→  ｎＣ＋ｎＨ２                        （６）
ＣｎＨ２ｎ−２→ｎＣ＋（ｎ−１）Ｈ２                （７）
燃料電池装置のエネルギー密度を向上するためには、炭化水素を液体で貯蔵することが好ましい。しかしながら、炭素数が４個までの飽和炭化水素類は、室温（２５℃）、常圧（０．１ＭＰａ）では気体である。これらの炭化水素は、温度を下げることあるいは圧力を加えることによって液化される。常圧におけるメタン、エタン、プロパン、ブタンおよびペンタンの沸点は、それぞれ、−１６９℃、−８９℃、−４２．１℃、−０．５℃および３６．１℃であるので、炭化水素が液化する温度は、炭素数が小さくなるにしたがって低下することがわかる。したがって炭素数が３以下の炭化水素を液化するには多くのエネルギーが必要であり、加えて、その液化した炭化水素は断熱容器に貯蔵しなければならない。一方、ブタンは、室温（２５℃）でも０．２ＭＰａ程度の圧力を加えることによって容易に液化する。したがって、ブタンは比較的低圧で液体状態を維持することが可能であるので、樹脂製密閉容器など簡素な密閉容器に貯蔵できる。
【００２６】
本発明の燃料電池装置の分解反応器には、気体の炭化水素を供給することが好ましい。その理由は、液体よりも気体の炭化水素は、分解反応器の触媒への均一な供給が容易であるからである。炭素数が４以下の液化炭化水素は、密閉容器から放出することによって容易に気化するので、この燃料電池装置に用いることができる。また、ペンタンの沸点は、３６．１℃と比較的低い温度で気化される。その気化熱を燃料電池の排熱によって供給できるので、本発明の燃料電池装置の燃料としてペンタンを用いることができる。
【００２７】
本発明の燃料電池装置に用いる炭化水素類には、液化ブタンが好ましい。その理由は、ブタンは０．２ＭＰａ程度の圧力によって容易に液化と気化とができるので、貯蔵や運搬が優れるからである。
【００２８】
本発明の燃料電池装置には、炭素数が５以下の炭化水素の混合体を用いることができる。この混合体は、主成分がブタンであることが好ましい。主成分とは、混合体において、モル比で最も多く含まれるもののことである。その混合体に含まれるブタンが５０モル％以上である場合は、０．２ＭＰａ程度の圧力を加えることによって、その混合体は、室温（２５℃）でも容易に液化するので、その混合体を樹脂製密閉容器など簡素な密閉容器に貯蔵できる。加えて、その混合体を密閉容器から燃料電池装置に供給することによって、容易に気化できる。
【００２９】
例えば、ブタン９０モル％とプロパン１０モル％との混合体は、室温（２５℃）、０．２ＭＰａの条件で液化する。この混合体を燃料電池装置に供給することによって、室温で、直ちに、気化する。したがって、ブタンを主成分とする炭素数５以下の炭素と水素との化合物からなる炭化水素の混合体は、貯蔵や運搬が優れることに加えて容易に気化できるので、本発明の燃料電池装置に適している。
【００３０】
炭化水素の混合体には、前述の飽和炭化水素と不飽和炭化水素とを含ませることができる。さらに、炭化水素類の混合体には、飽和炭化水素と不飽和炭化水素とを任意の割合で含ませることができるが、主成分としてブタンが５０モル％以上含まれることが好ましい。さらに、炭化水素の混合体の液化と気化とを円滑にするためには、ブタンが８０モル％以上含まれることが好ましい。
【００３１】
炭化水素としてブタンを用いた場合の分解反応式を（８）式に示す。（８）式の標準エンタルピー変化は１２５．６ｋＪｍｏｌ−１である。この反応は、吸熱反応であるので、この水素供給装置は分解反応器に熱を供給することが必要であり、熱は酸化反応器から分解反応器に供給される。すなわち、酸化反応器では、炭化水素あるいは水素を酸化することによって熱が得られ、この熱は熱伝導媒体を介して分解反応器に伝達される。
【００３２】
Ｃ４Ｈ１０→４Ｃ＋５Ｈ２                    （８）
本発明の分解反応器に備える、炭化水素を水素と炭素とに分解する反応に活性を有する触媒触媒には、ニッケルやニッケルの化合物などを用いることができる。例えば、触媒としては、ニッケル金属（Ｎｉ）や酸化ニッケル（ＮｉＯ）あるいはニッケル金属（Ｎｉ）と酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物を用いることができる。また、ＮｉやＮｉＯにアルミニウム（Ａｌ）を含ませたのちに、そのＡｌの一部を取り除くことによって、ＮｉやＮｉＯの表面積を大きくしたものや、ＮｉやＮｉＯにＡｌあるいは、硫化ニッケル（ＮｉＳ）を含ませたものを触媒にすることができる。さらに、ＮｉやＮｉＯにスズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）あるいは銅（Ｃｕ）などの元素を含ませたものを触媒として用いることができる。
【００３３】
触媒を備えた分解反応器に適度な熱を供給するとともに、炭化水素を導入することによって、１０００℃以下でも炭化水素の分解反応がおこる。この分解反応の温度は、触媒の種類や表面積に依存する。触媒の表面積は、ニッケルやニッケルの化合物などの粒子を炭化ケイ素、酸化ケイ素あるいはアルミナなどの担体に担持することによって増大する。表面積が大きい触媒は分解反応に対する活性が高いので、本発明の分解反応器の触媒に好ましい。
【００３４】
酸化反応器は、例えば金属製の容器に触媒を備えたものであり、触媒は炭化水素類あるいは水素を触媒燃焼させる。触媒には、ニッケル、クロムまたは白金族金属あるいはそれらの化合物等を用いることができ、これらの物質から選んだふたつ以上を組み合わせて用いることができる。
【００３５】
酸化反応器の触媒の微細粒子をアルミナなどのセラミックス担体に担持することによって、触媒の利用率を向上することができる。さらに、担体の表面積を大きくすることによっても触媒の利用率を向上できる。例えば、粒子体を焼結することによって多孔質にしたセラミックスや、ハニカム構造のセラミックスを用いることができる。
【００３６】
本発明の燃料電池装置の分解反応器にアルコールあるいはエーテルなどの分子内に酸素を含む有機化合物を供給することにより水素を発生することが可能である。しかしながら、これらの有機化合物を触媒によって分解する過程で、分子内の酸素が炭素と結合して一酸化炭素を生成する可能性がある。したがって、分解反応器に供給する有機化合物は、分子内にも酸素原子を含まないことが望ましい。
【００３７】
分解反応器に酸素が存在する場合、分解反応の過程で一酸化炭素が生成する可能性があるので、分解反応器に供給する有機化合物は脱酸素状態であることが好ましい。さらに、有機化合物が水を含む場合は、水蒸気改質反応がおこり、一酸化炭素が生成するの可能性があるので好ましくない。
【００３８】
本発明の燃料電池装置に使用する燃料電池の単電池の電解質には、高分子膜、アルカリや酸を含浸したマトリックス、溶融炭酸塩あるいは固体酸化物などを用いることができる。高分子電解質膜は、１００℃以下の温度で電解質として機能するので、燃料電池装置を比較的低温で作動することに適する。たとえば、高分子電解質膜としてパーフルオロスルホン樹脂からなる膜を使用できる。この膜は、室温で高いプロトン伝導性を示す。この膜を電解質とした燃料電池は、固体高分子形燃料電池と呼ばれる。
【００３９】
本発明の燃料電池装置はエネルギー密度が高いので、その装置は電子機器の電源に好ましい。この燃料電池装置のエネルギー密度は炭化水素の量に応じて決まるので、電子機器に応じて炭化水素の搭載量を選択することができる。電子機器の電力消費量や作動時間に応じて炭化水素の搭載量を変えることによって、電子機器を小形で軽量にすることが可能である。たとえば、携帯電話やシェイバーなど比較的小形の充電器用電源として用いる場合は、炭化水素類の搭載量を少なくする一方で、電動工具など比較的大形の充電器用電源として用いる場合は、炭化水素の搭載量を多くすることができる。さらに、モバイルコンピュータなど比較的消費電力が大きい電子機器を継続して使用する場合には、燃料電池装置に炭化水素類を補給することによって、電子機器を長時間作動することができる。
【００４０】
本発明の燃料電池装置について、図面にもとづき具体的に説明する。図１は本発明の燃料電池装置の断面の模式図を示したもので、図１において、１は貯蔵容器、２は分解反応器、３は分解反応器の断熱材、４は燃料管、５は燃料弁、６は貯蔵容器と分解反応器との一体物、７は酸化反応器、８は酸化反応器の断熱材、９は燃料電池、１０は熱交換体、１１は水素供給管、１２は排出水素導入管、１３は空気導入管、１４は排出管である。
【００４１】
本発明の燃料電池装置の主な構成部品は、貯蔵容器１と分解反応器２と、酸化反応器７と燃料電池９とである。貯蔵容器１と分解反応器２とは、燃料管４によって接続されている。この接続管４を通って、炭化水素類が貯蔵容器１から分解反応器２に供給される。燃料管４には、燃料弁５が設けられている。この燃料弁５によって、燃料の供給量を制御することができる。
【００４２】
分解反応器２には、酸化反応器７から熱交換体１０を介して熱が供給される。分解反応器２および酸化反応器７には、それぞれ分解反応器の断熱材３および酸化反応器の断熱材８が備えられており、熱が燃料電池装置の外に失われることを防止している。
【００４３】
分解反応器２に供給された炭化水素は、触媒によって炭素と水素とに分解される。炭素は触媒上に生成されるので分解反応器２に蓄積される一方で、水素は水素供給管１１を通って、燃料電池９に供給されたのち、燃料電池９で電気化学的に酸化される。この電気化学的な反応によって燃料電池９は電力を発生することができる。燃料電池９に供給された水素の一部は、電気化学的に酸化されない。酸化されなかった水素は、排出水素導入管１２を通って燃料電池９から酸化反応器７に導入されたのち、酸化反応器７で触媒燃焼によって酸化される。この酸化反応には、空気導入管１３から酸化反応器７に導入された空気が用いられる。酸化反応器７での水素の触媒燃焼によって熱が生成する。その熱は、前述のように熱交換体１０を介して分解反応器２に供給される。
【００４４】
本発明の燃料電池装置は、燃料として炭化水素を供給することによって、発電する。この燃料電池装置による電力供給は、貯蔵容器１の炭化水素類が消費され尽すことによって終了するが、貯蔵容器１に炭化水素を補充することによって、再び、電力供給が開始される。一方、分解反応器２には、炭化水素の分解によって生成する炭素が蓄積する。この炭素の蓄積によって、炭化水素を水素と炭素とに分解する反応に活性を有する触媒の働きが低下するので、炭化水素の分解反応の進行が妨げられる。したがって、燃料電池装置によって連続的に電力を得るためには、分解反応器２に蓄積した炭素を除去しなければならない。
【００４５】
分解反応器２から炭素を除去する方法としては、分解反応器に空気（酸素）を供給するとともに、加熱することによって、炭素を二酸化炭素に酸化する方法がある。この方法は、操作が煩雑であることに加えて、燃料電池装置から継続的に電力を得ることに適していない。
【００４６】
これに対して、本発明の燃料電池装置では、貯蔵容器と分解反応器との一体物を交換することによって、継続的に電力を供給することができる。貯蔵容器と分解反応器との一体物の分離あるいは結合は、一回の操作でおこなえる。たとえば、貯蔵容器と分解反応器との一体物を燃料電池装置に挿入することによって結合することができ、逆に、貯蔵容器と分解反応器との一体物を燃料電池装置から引き抜くことによって分離できる。この結合および分離の操作は、非常に簡便であるので、短時間で貯蔵容器と分解反応器との一体物の交換が実施できる。
【００４７】
貯蔵容器と分解反応器との一体物の構成を、図２を用いて具体的に説明する。図２は、本発明の燃料電池装置から貯蔵容器と分解反応器との一体物を分離した状態を示す断面の模式図である。貯蔵容器と分解反応器との一体物６の主な構成部品は、貯蔵容器１と分解反応器２とであり、分解反応器２は、断熱材２によって覆われている。この断熱材２が貯蔵容器１と分解反応器２との間に配置されているので、分解反応器２の熱が貯蔵容器１に過剰に伝達されることはない。
【００４８】
また、貯蔵容器と分解反応器との一体物において、分解反応器２の体積を貯蔵容器１の体積で割った値が、０．３０から０．６７の間であることが好ましい。その値が０．３０よりも小さい場合には、分解反応器２での生成した炭素の充填密度が過剰に高くなるので、円滑な炭化水素類の分解反応が妨げられる。一方、その値が０．６７以上である場合には、貯蔵容器と分解反応器との一体物の体積が過剰に大きくなるので、燃料電池装置のエネルギー密度が低下する。本発明の燃料電装置では、貯蔵容器と分解反応器との一体物を交換することによって、継続的に電力を得ることができる。
【００４９】
本発明の燃料電池装置において、貯蔵容器と分解反応器とは、一体物を交換するだけではなく、貯蔵容器または分解反応器のいずれか一方だけを交換することも可能である。この場合には、貯蔵容器と分解反応器とは一体物とはせずに、それぞれ独立した状態で燃料電池装置に接続しておけばよい。
【００５０】
図１および図２に示した燃料電池９は単電池１個もしくは複数個から構成される。燃料電池９の単電池の断面の模式図を図３に示す。図３において、２１は単電池、２２は電解質、２３はアノード、２４はカソード、２５はアノード集電体、２６はカソード集電体、２７は外部負荷である。
【００５１】
単電池２１は、電解質２２の一方の面にアノード２３と他方に面にカソード２４とを備える。アノード２３はアノード集電体２５、カソード２４はカソード集電体２６をそれぞれ備える。アノード集電体２５とカソード集電体２６とは、外部負荷２７を介して電気的に接続される。
【００５２】
アノード２３では、(１)式に示すように水素が電気化学的に酸化される。この反応で生成した電子は、アノード集電体２５、外部負荷２７およびカソード集電体２６を経てカソード２４に導かれる。そして、カソード２４では、(２)式に示すように酸素が電気化学的に還元される。つまり、この単電池２１は、水素と酸素とを電気化学的に反応させる電気化学装置である。
【００５３】
燃料電池９が複数個の単電池２１で構成される場合は、使用する電子機器の消費電力や作動電圧に応じて、単電池２１を並列、直列または並列と直列とを混合して電気的に接続することができる。単電池２１を並列に接続することによって、大きな電流を取り出すことに適した燃料電池装置が得られる。また、単電池２１を直列に接続することによって、高い電圧を取り出すことに適した燃料電池装置が得られる。
【００５４】
本発明の燃料電池装置によれば、炭化水素を燃料として電力が得られる。燃料電池９には、炭化水素から生成した水素が供給される。この水素には、燃料電池の電極触媒を被毒する一酸化炭素が含まれないので、燃料電池の作動電圧が向上する。炭化水素から水素を生成する反応には、燃料電池から排出される水素が利用されるので、燃料電池装置全体の熱効率を高めることができる。したがって、小型でエネルギー密度が高い燃料電池装置を提供することができる。
【００５５】
本発明の燃料電池装置の特徴はつぎのとおりである。
【００５６】
１．炭化水素を貯蔵する貯蔵容器と、炭化水素類を水素および炭素に分解する反応に活性を有する触媒を備える分解反応器と、炭化水素類あるいは水素を酸化する反応に活性を有する触媒を備える酸化反応器と、燃料電池とを備えた燃料電池装置であって、貯蔵容器と分解反応器の少なくとも一方が可逆的に分離または結合可能である。すなわち、貯蔵容器または分解反応器を燃料電池装置から可逆的に分離または結合するか、あるいは、貯蔵容器と分解反応器との一体物を燃料電池装置から可逆的に分離または結合する燃料電池装置である。
【００５７】
２．炭化水素としてブタンを用いること。また、炭化水素が、炭素数５以下の炭化水素の混合体であり、混合体の主成分がブタンであること。
【００５８】
３．分解反応器の体積を貯蔵容器の体積で割った値が０．３０から０．６７の間であること。
【００５９】
４．分解反応器に備える触媒がニッケルあるいはニッケルの化合物であること。
【００６０】
５．酸化反応器に備える触媒がニッケル、クロム、白金族金属またはそれらの化合物からなる群から選ばれた少なくともひとつであること。
【００６１】
６．燃料電池が固体高分子形燃料電池であること。
【００６２】
７．燃料電池が、少なくとも２つ以上の単電池を備え、それらの単電池が並列あるいは直列に電気的に接続されていること。
【実施例】
【００６３】
以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。
【００６４】
［実施例１］
本発明の燃料電池装置の具体例をつぎに説明する。炭化ケイ素の粒子をＮｉ（ＮＯ３）２の水溶液に含浸したのちに、乾燥、焼成および水素還元をおこなうことにより、ニッケルの微細粒子を炭化ケイ素に担持した。ニッケルの担持量は約５ｍａｓｓ％であった。ニッケルを担持した炭化ケイ素約１５ｇをステンレス製の容器に充填した。容器の内容積は、約２００ｃｍ３とした。この容器を炭化水素分解用の分解反応器とした。貯蔵容器には、液化ブタン１８０ｇを充填した。この貯蔵容器の内容積を約３００ｃｍ３とした。そして、貯蔵容器と分解反応器との一体物を構成した。
【００６５】
酸化アルミニウムの粒子をＰｔ（ＮＨ３）４（ＯＨ）２の水溶液に含浸したのち、乾燥、焼成および水素還元をおこなうことにより、酸化アルミニウムに白金の微細粒子を担持した。白金の担持量は約３ｍａｓｓ％であった。この白金を担持した酸化アルミニウム約５０ｇをステンレス製の内容積約４０ｃｍ３の容器に充填した。この容器を炭化水素あるいは水素を酸化する反応に活性を有する触媒を備える酸化反応器とした。
【００６６】
燃料電池装置用フレームに酸化反応器および２０Ｗ級の燃料電池を設置したのちに、貯蔵容器と分解反応器との一体物を結合して、燃料電池装置を構成した。この燃料電池装置をつぎに手順で作動した。
【００６７】
まず、酸化反応器にブタンと空気との供給を開始した。ブタンの供給量を１０ｍｌ  ｍｉｎ−1として、約１０分間放置したのち、貯蔵容器から酸化反応器へのブタンの供給を停止した。このとき、熱が酸化反応器から分解反応器に伝導するので、分解反応器の温度は、ブタンが水素と炭素とに分解する温度に到達した。
【００６８】
つぎに、燃料管に設けられた燃料弁を開き、貯蔵容器から分解反応器にブタンの供給を開始した。その３０秒後に、燃料電池に負荷を接続することによって、２０Ｗ出力を発生させた。このとき、燃料弁を調整することによって、分解反応器にはブタンを約５０ｍｌｍｉｎ−1供給した。この条件で、この燃料電池装置を２０Ｗ出力で２１時間安定に作動することができた。その後、燃料電池の出力が不安定になったので、燃料電池の負荷を切って、発電を停止した。
【００６９】
実施例１により、ブタンが貯蔵された貯蔵容器と、ニッケルを担持した炭化ケイ素を充填した分解反応器との一体物を用いた本発明の燃料電池装置が、小形電源として用いることができることが確かめられた。
【００７０】
［実施例２］
実施例１で作動を停止した燃料電池装置から、貯蔵容器と分解反応器との一体物を分離した。そして、実施例１で用いたものと同様の、新しい貯蔵容器と分解反応器との一体物を、燃料電池装置に再び結合した。つづいて、その燃料弁を開くことによって、約５０ｍｌｍｉｎ−1のブタンを供給した。その３０秒後に、燃料電池に負荷を接続することによって、２０Ｗ出力を発生させた。この条件で、この燃料電池装置を２０Ｗ出力で２１．７時間安定に作動することができた。その後、燃料電池の出力が不安定になったので、燃料電池の負荷を切って、発電を停止した。
【００７１】
実施例２により、ブタンが充填された貯蔵容器と分解反応器との一体物を用いた本発明の燃料電池装置において、貯蔵容器と分解反応器との一体物を交換することによって、繰り返して使用できることが確かめられた。
【００７２】
［実施例３］
実施例１と同様に、液化ブタン９０ｇを備える貯蔵容器、ニッケルが担持された炭化ケイ素約１５ｇをステンレス製の分解反応器、酸化反応に活性を有する触媒を備える酸化反応器および燃料電池を備える燃料電池装置を構成した。この貯蔵容器、分解反応器および酸化反応器の内容積は、それぞれ１５０ｃｍ３、約２００ｃｍ３および約４０ｃｍ３とした。
【００７３】
この燃料電池装置を、実施例１と同様の手順で作動した。まず、酸化反応器にブタンと空気との供給を開始した。ブタンの供給量を１０ｍｌｍｉｎ−1として、約１０分間放置したのち、貯蔵容器から酸化反応器へにブタンの供給を停止した。このとき、熱が酸化反応器から分解反応器に伝導するので、酸化反応器の温度は、ブタンが水素と炭素とに分解する温度に到達した。つぎに、燃料管に設けられた燃料弁を開き、貯蔵容器から分解反応器にブタンの供給を開始した。その３０秒後に、燃料電池に負荷を接続することによって、２０Ｗ出力を発生させた。このとき、燃料弁を調整することによって、分解反応器にはブタンを約５０ｍｌｍｉｎ−1供給した。この条件で、この燃料電池装置を２０Ｗ出力で１０時間安定に作動することができた。
【００７４】
つづけて、この燃料電池装置から貯蔵容器を分離したのちに、その装置に液化ブタン９０ｇを備える別の貯蔵容器を再び結合した。このあと、その燃料弁を開くことによって、約５０ｍｌｍｉｎ−1のブタンを供給した。その３０秒後に、燃料電池に負荷を接続することによって、２０Ｗ出力を発生させた。この条件で、この燃料電池装置を２０Ｗ出力で１０．８時間安定に作動することができた。その後、燃料電池の出力が不安定になったので、燃料電池の負荷を切って、発電を停止した。
【００７５】
実施例３に示した実験によって、ブタンが貯蔵された貯蔵容器に交換することによって、この燃料電池装置を繰り返して使用できることが確かめられた。
【００７６】
［実施例４］
実施例１と同様に、液化ブタン１８０ｇを備える貯蔵容器、ニッケルが担持された炭化ケイ素約７．５ｇをステンレス製の分解反応器、酸化反応に活性を有する触媒を備える酸化反応器および燃料電池を備える燃料電池装置を構成した。この貯蔵容器、分解反応器および酸化反応器の内容積は、それぞれ３００ｃｍ３、約１００ｃｍ３および約４０ｃｍ３とした。
【００７７】
この燃料電池装置を、実施例１と同様の手順で作動した。まず、酸化反応器にブタンと空気との供給を開始した。ブタンの供給量を１０ｍｌｍｉｎ−1として、約１０分間放置したのち、貯蔵容器から酸化反応器へにブタンの供給を停止した。このとき、熱が酸化反応器から分解反応器に伝導するので、酸化反応器の温度は、ブタンが水素と炭素とに分解する温度に到達した。つぎに、燃料管に設けられた燃料弁を開き、貯蔵容器から分解反応器にブタンの供給を開始した。その３０秒後に、燃料電池に負荷を接続することによって、２０Ｗ出力を発生させた。このとき、燃料弁を調整することによって、分解反応器にはブタンを約５０ｍｌｍｉｎ−1供給した。この条件で、この燃料電池装置を２０Ｗ出力で１０時間安定に作動させたのちに停止した。
【００７８】
つづけて、この燃料電池装置から分解反応器を分離したのちに、ニッケルが担持された炭化ケイ素約７．５ｇを備える別の分解反応器をその装置に再び結合した。このあと、その燃料弁を開くことによって、約５０ｍｌｍｉｎ−1のブタンを供給した。その３０秒後に、燃料電池に負荷を接続することによって、２０Ｗ出力を発生させた。この条件で、この燃料電池装置を２０Ｗ出力で１１時間安定に作動することができた。その後、燃料電池の出力が不安定になったので、燃料電池の負荷を切って、発電を停止した。
【００７９】
実施例４に示した実験によって、ニッケルが担持された炭化ケイ素を備える別の分解反応器に交換することによって、この燃料電池装置を繰り返して使用できることが確かめられた。
【００８０】
［比較例１］
比較例１として、実施例１と同仕様の燃料電池装置を作製したのちに、実施例１と同じ条件で２１時間作動した。つぎに、その装置の貯蔵容器に液化ブタン１８０ｇを充填した。さらに、その装置の分解反応を７００℃に加熱した状態で、酸素を３０分間流通した。この充填と流通との操作ののちに、その装置を実施例１と同様の条件で再び作動した。その作動時間は１９．２時間であった。比較例１の装置では、操作が非常に煩雑であることに加えて、出力密度が低下することがわかった。この結果から、本発明の燃料電池装置は利便性と性能が優れることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の燃料電池装置の断面の模式図。
【図２】貯蔵容器と分解反応器との一体物が分離された状態の本発明の燃料電池装置の断面の模式図。
【図３】燃料電池を構成する単電池の断面の模式図。
【符号の説明】
【００８２】
１  貯蔵容器
２  分解反応器
６  貯蔵容器と分解反応器との一体物
７  酸化反応器
９  燃料電池
２１  単電池
【図１】
2005251427.tif 000003
【図２】
2005251427.tif 000004
【図３】
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