JP2004063127A

JP2004063127A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP2004063127A
Application number: JP2002216701A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Otsuka; 大塚　　潔; Kazuhide Totsuka; 戸塚　　和秀
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd; Uchiya Thermostat Co Ltd
Current assignee: Japan Storage Battery Co Ltd; Uchiya Thermostat Co Ltd
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】燃料電池への水素供給方法の改善および燃料電池装置全体の熱効率の向上によって、小型でエネルギー密度が高い燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池装置において、炭化水素を触媒で水素と炭素とに分解する反応器を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素を触媒で水素と炭素とに分解する反応器を備えた燃料電池装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、発電効率が高いこと、出力密度が高いこと、さらに二酸化炭素や窒素酸化物が排出さ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。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。
【０００３】
２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻　　　　　　　　　　（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ　　　　　　（２）
すなわち、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ので、そのエネルギー変換効率が高くなる。
【０００４】
一方、近年、携帯電話、モバイルコンピュータやＰＡＤ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。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。
【０００５】
しかしながら、それらの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それらの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得ることができるので、それらの電源に適する。
【０００６】
燃料電池装置では、少なくとも燃料電池本体と燃料を蓄える手段とが必要である。燃料を蓄える手段には、たとえば、高圧容器、液化水素容器や水素吸蔵合金を使用する方法がある。また、改質器によってメタノールやブタンなどの有機化合物から水素リッチガスを生成したのち、そのガスを燃料電池に供給する方法がある。例えば、改質器では、（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する。
【０００７】
Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２＋２ｎＨ_２Ｏ→ｎＣＯ_２＋（３ｎ＋１）Ｈ_２　　　　（３）
さらに、直接、アルコールやエーテルなどを燃料電池に供給する方式がある。
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。
【０００８】
ＣＨ_３ＯＨ＋２ｎＨ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻　　　　　（４）
なお、カソードでは、（２）式に示した電気化学反応がおこる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
電源のエネルギー密度は、出力と時間との積を電源の容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するためには、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手段が軽量で小形であることとが必要である。特に、燃料の搭載量は電力を供給する時間に比例するので、燃料を蓄える手段は軽量小形で多くの水素を供給できることが望ましい。
【００１０】
しかしながら、上述のような従来の燃料を蓄える手段は、燃料電池装置の高エネルギー密度化に適していない。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、高圧容器を小形した場合、水素ガスに対して高圧容器の重量が多くなる。このために、高圧容器は小形化に適さなかった。
【００１１】
また、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、経済的ではなかった。
【００１２】
さらに、水素吸蔵合金は、水素の貯蔵量が数ｗｔ％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、水素吸蔵合金を用いた貯蔵方法では、十分な小形化ができなかった。
【００１３】
一方、メタノールやブタンなどの有機化合物を改質することによって生成し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交換効率を著しく低減させる。また、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適さなかった。
【００１４】
さらに、直接、アルコールやエーテルなどの有機化合物を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った。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、燃料電池への水素供給方法の改善および燃料電池装置全体の熱効率の向上によって、小形でエネルギー密度が高い燃料電池装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、燃料電池装置において、炭化水素を触媒で水素と炭素とに分解する反応器を備えたことを特徴とする。
【００１７】
請求項１の発明によれば、炭化水素を触媒で分解することによって発生した水素が一酸化炭素を含まないので、一酸化炭素による白金触媒の被毒に起因する燃料電池の出力低下がおこらない。したがって、小形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。
【００１８】
請求項２の発明は、上記燃料電池装置において、炭化水素もしくは水素の燃焼によって発生する熱を前記反応器に供給する熱供給器を備えたことを特徴とする。
【００１９】
請求項２の発明によれば、熱供給器から反応器に熱を供給することによって、反応器で炭化水素から一酸化炭素を含まない水素を連続的に発生できるので、連続作動が可能な小形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。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項２に記載の燃料電池装置において、燃料電池から排出される水素を熱供給器に供給することを特徴とする。
【００２１】
請求項３の発明によれば、燃料電池から排出される未反応の水素を熱供給器で利用することにより、燃料電池装置の熱効率を向上させることができる。
【００２２】
請求項４の発明は、請求項１、２または３記載の燃料電池装置において、炭化水素がブタンであることを特徴とする。
【００２３】
請求項４の発明によれば、ブタンの液化は、常温低圧で可能であり、液化ブタンを軽量容器に貯蔵できるので、小形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。
【００２４】
請求項５の発明は、請求項１、２または３記載の燃料電池装置において、反応器がニッケルあるいはニッケルの化合物を含む触媒を備えることを特徴とする。
【００２５】
請求項５の発明によれば、１０００℃以下の低温においても炭化水素の分解反応を起こすことができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明は、炭化水素を触媒で水素と炭素とに分解する反応器を備えたことを特徴とする燃料電池装置である。この燃料電池装置では、反応器で炭化水素を触媒で炭素と水素とに分解し、生成した水素を含むガスを燃料電池に供給することによって、電力が得られる。
【００２７】
また、本発明は、上記燃料電池装置において、熱供給器を備えたことを特徴とする。熱供給器では炭化水素もしくは水素を触媒燃焼することによって熱を得る。この熱は反応器に供給されて、炭化水素を触媒で炭素と水素とに分解する反応に用いられる。
炭化水素を水素と炭素とに分解する反応を（５）式に示す。
【００２８】
Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２→ｎＣ＋（ｎ＋１）Ｈ_２　　　　　（５）
反応器に酸素が存在しない場合、この分解反応では一酸化炭素や二酸化炭素が生成しない。すなわち、この反応器で得られる水素リッチガスは、メタノール、ブタンやガソリンなどの有機化合物を改質するときに生成物する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。
【００２９】
さらに、反応器と熱供給器とは、炭化水素の分解反応に必要な熱を熱供給器から受け取る手段として、熱交換の機能を備えるものである。そして熱は、熱供給器から供給され、反応器で分解反応によって生成した水素は、燃料電池によって電力に変化される。すなわち、本発明の反応器と燃料電池とを備える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。
【００３０】
分解によって水素を生成する炭化水素として、例えばメタンを用いることができる。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、この温度を低減することができる。
【００３１】
本発明は、請求項２記載の燃料電池装置において、燃料電池から排出される水素を熱供給器に供給することを特徴とする。燃料電池に供給される水素の一部は反応しない。この未反応の水素は熱供給器に導入されたのち、触媒燃焼によって熱に変換される。この熱が反応器２に供給されて、炭化水素の分解反応による水素の生成反応に用いられる。このように、燃料電池から排出される未反応の水素を熱供給器で利用することにより、燃料電池装置の熱効率を向上することができる。
【００３２】
本発明の燃料電池装置の反応器に、メタン、エタン、プロパン、ブタンあるいはペンタンなどの飽和炭化水素を供給することによって、水素を発生することが可能である。飽和炭化水素は、触媒によって炭素と水素とに分解される。分解反応の例を（５）式に示した。
【００３３】
また、本発明の燃料電池装置には、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不飽和炭化水素を用いることもできる。これらの不飽和炭化水素は、触媒によって炭素と水素とに分解される。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。
【００３４】
Ｃ_ｎＨ_２ｎ→　ｎＣ＋ｎＨ_２　　　　　　　　　　　　（６）
Ｃ_ｎＨ_２ｎ−２→ｎＣ＋（ｎ−１）Ｈ_２　　　　　　　　（７）
しかし、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。
【００３５】
また、炭素数が４個までの飽和炭化水素は、室温（２５℃）、常圧（０．１ＭＰａ）では気体である。反応器での分解反応において、炭化水素が気体であることが好ましいけれども、気体の密度は液体よりも低いので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。
【００３６】
常温、常圧で気体である炭化水素は、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、プロパンおよびブタンの液化温度は、それぞれ、−１６９℃、−８９℃、−４２℃および−２℃である。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。したがって炭素数が小さい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、また、その液体した炭化水素は断熱容器に貯蔵しなければならない。
【００３７】
しかしながら、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。また、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。さらに、この液化ブタンは、密閉容器から放出することによって容易に気化する。
つまり、ブタン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。
【００３８】
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。
【００３９】
Ｃ_４Ｈ_１０→４Ｃ＋５Ｈ_２　　　　　　　　　　（８）
（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反応器に熱を供給することが必要である。
【００４０】
さらに本発明の反応器は、低温でも炭化水素の分解反応を起させる触媒を含む。この触媒には、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。
【００４１】
触媒としては、ニッケル金属（Ｎｉ）や酸化ニッケル（ＮｉＯ）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。
【００４２】
触媒を充填した反応器に適度な熱を供給しながら、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。この分解の反応温度は、触媒の種類や表面積に依存する。たとえば、その触媒の表面積は、ニッケルやニッケルの化合物などの粒子を炭化ケイ素などの担体に担持することによって、増大される。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、本発明の反応器の触媒に適する。
【００４３】
つぎに、炭化水素を水素と炭素とに分解する反応器と、炭化水素もしくは水素を触媒燃焼することによって得られる熱をその反応器に供給する熱供給器とを備える本発明の燃料電池装置について、図面に基づき具体的に説明する。
【００４４】
本発明の燃料電池装置の模式図を図１に示す。図１において、１は水素供給装置、２は反応器、３は熱供給器、４は断熱材、５は燃料電池装置、６は炭化水素貯蔵器、７は燃料電池本体、８は炭化水素供給口、９は炭化水素供給管、１０は炭化水素導入口、１１は炭化水素導入管、１２は水素供給管、１３は水素供給口、１４は排出水素口、１５は排出水素導入管、１６は空気導入口、１７は排気口である。
【００４５】
本発明の燃料電池装置５が備える水素供給装置１は、反応器２、熱供給器３、断熱材４および炭化水素貯蔵器６を有する。断熱材４は熱供給器３から熱の放出を防ぐためのものである。熱供給器３は炭化水素導入管１１によって炭化水素貯蔵器６と接続される。炭化水素貯蔵器６には炭化水素が蓄えられており、炭化水素は炭化水素導入口１０から取り出されたのち、炭化水素導入管１１を介して熱供給器３に導入される。
【００４６】
熱供給器３には空気導入口１６が設けられており、空気導入口１６を介して空気が熱供給器３に取り込まれる。そして、導入された炭化水素と空気中の酸素とは、熱供給器３に備えられた白金族金属等を含む触媒上で触媒燃焼する。この触媒燃焼で得られる熱は、熱供給器３と反応器２とが熱的に接触しているので、反応器２に伝達される。
【００４７】
また、反応器２は炭化水素供給管９によって炭化水素貯蔵器６と接続される。
炭化水素貯蔵器６に蓄えられた炭化水素は、炭化水素供給口８から取り出されたのち、炭化水素供給管９を介して反応器２に供給され、炭化水素は水素と炭素とに分解される。この分解反応は吸熱反応であるので、その反応に必要な熱は熱供給器３から供給される。分解反応で生成した水素は、水素供給管１２を介して取り出される。
【００４８】
他方、本発明の燃料電池装置５は、水素供給装置１と燃料電池７とを備える。
この燃料電池７には、水素供給装置１で生成した水素が水素供給管１２を経て水素供給口１３から供給される。この水素が燃料電池７で電気化学的に反応することによって、その燃料電池７は電力を外部負荷に供給する。
【００４９】
本発明によれば、炭化水素を燃料として電力が得られ、さらに、燃料電池装置全体の熱効率を高めることができ、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。
【００５０】
燃料電池７は、単電池２１を単数もしくは複数個から構成される。燃料電池７を構成する単電池２１の模式図を図２に示す。図２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】
単電池２１が複数個である場合は、使用目的の電力容量や電圧に応じて、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５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５が得られる。
【００５４】
しかしながら、燃料電池７に供給される水素の一部は反応しないので、未反応の水素は燃料電池７の排出水素口１４から排出される。この排出された水素は、排出水素導入管１５を経て熱供給器３に導入されたのち、熱供給器３で触媒燃焼によって熱に変換される。この熱は、反応器２に供給されて炭化水素の分解反応による水素の生成反応に用いられる。
【００５５】
反応器２には、炭化水素が分解することによって炭素が蓄積する。この炭素は洗浄や燃焼することによって除去することができる。炭素を除去した触媒は、再び、炭化水素の分解に対する触媒活性を取り戻す。つまり、反応器２から定期的に生成した炭素を除去することによって、その触媒を繰り返して使用することができる。
【００５６】
炭素の除去操作は、燃料電池７に不純物が混入することを防止するために、燃料電池装置５から取り外した状態でおこなうことが好ましい。すなわち、炭化水素の分解で生成する炭素が蓄積した反応器２を水素供給装置１から取り外してから、炭素を反応器２から除去したのちに、再び反応器２を水素供給装置１に装着することができる。
【００５７】
熱供給器は、例えば金属製の容器に触媒を充填したものであり、触媒は炭化水素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。
【００５８】
また、これら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。
【００５９】
熱供給器３と反応器２とは熱的に接触している。例えば、熱供給器３によって反応器２を取り囲む状態に配置すればよい。さらに、熱供給器３の周囲には断熱材４を配置する。断熱材４によって系外に放出される熱を低減でき、水素供給装置１の熱効率を向上することができる。
【００６０】
本発明の燃料電池装置の反応器にアルコールやエーテルなど分子内に酸素を含む有機化合物を供給することによって、水素を発生することが可能である。しかしながら、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、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。
【００６１】
また、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、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。
【００６２】
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℃以下でも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。例えば、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、室温でも良好な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。
【００６３】
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適している。燃料電池装置のエネルギー密度は炭化水素の量によって決まるので、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。
【００６４】
例えば、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連続して使用する場合は、燃料電池装置に炭化水素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。
【００６５】
本発明の燃料電池装置の特徴はつぎのとおりである。
【００６６】
１、炭化水素を触媒で水素と炭素とに分解する反応器を備えた燃料電池装置である。
【００６７】
２、炭化水素を触媒で水素と炭素とに分解する反応器と、炭化水素もしくは水素の燃焼によって発生する熱を前記反応器に供給する熱供給器とを備えた燃料電池装置である。
【００６８】
３、燃料電池から排出される水素を熱供給器に供給する燃料電池装置である。
【００６９】
４、炭化水素がブタンである燃料電池装置である。
【００７０】
５、反応器がニッケルあるいはニッケルの化合物を含む触媒を備える燃料電池装置である。
【００７１】
６、反応器を水素供給装置に装着および取り外しができ、炭化水素の分解で生成する炭素が蓄積した反応器を水素供給装置から取り外してから、その炭素を反応器から除去したのちに、再び、その反応器を水素供給装置に装着する燃料電池装置である。
【００７２】
７、熱供給器の炭化水素あるいは水素を触媒燃焼する触媒がニッケル、クロムあるいは白金族金属あるいはそれらの化合物のうちから選ばれた少なくともひとつを含燃料電池装置である。
【００７３】
８、燃料電池が固体高分子形燃料電池である燃料電池装置である。
【００７４】
９、燃料電池が、少なくとも２つ以上の単電池を備え、それらの単電池が電気的に接続されており、その接続が並列あるいは直列である燃料電池装置である。
【００７５】
【実施例】
［実施例１］
本発明の水素供給装置の具体例をつぎに説明する。炭化ケイ素の粒子をＮｉ（ＮＯ_３）_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、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１０ｗｔ％であった。ニッケルを担持した炭化ケイ素約８ｇをステンレス製の容器に充填した。容器の内容積は、約５．１ｃｍ^３であり、その重量は約３ｇとした。また、容器には、底側の面に炭化水素供給管と、上側の面に水素供給管とを接続した。この容器を炭化水素の分解用の反応器とした。
【００７６】
つぎに、酸化アルミニウムの粒子をＰｔ（ＮＨ_３）_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、白金の微細粒子をその酸化アルミニウムに担持した。白金の担持量は約３ｗｔ％であった。この白金を担持した酸化アルミニウム約１０ｇをステンレス製の容器に充填した。容器の内容積は約５．３ｃｍ^３であり、重量は約６ｇとした。この容器を炭化水素の触媒燃焼用の熱供給器とした。
【００７７】
反応器、熱供給器および断熱材を備えた装置を実施例１の水素供給装置とした。実施例１の水素供給装置の模式図を図３に示す。図３において、記号はすべて図１と同じものを示す。
【００７８】
熱供給器３には、炭化水素導入管１１、空気導入口１６および排気口１７を接続した。また、熱供給器３の中央部分には空間を設けて、その空間に反応器２を納めた。反応器２の外側の側面と熱供給器３の内側の側面とを熱的に接触することによって、熱供給器３から反応器２へ熱が伝達するようにした。さらに、保温のために、反応器２と熱供給器３とを断熱材で覆った。また、反応器２には、炭化水素供給管９と水素供給管１２とが設けられ、炭化水素導入管１１は炭化水素貯蔵槽６と接続されている。
【００７９】
つぎに、この実施例１の水素供給装置の熱供給器にブタンガス３ｍｌｍｉｎ^−１と空気２５ｍｌｍｉｎ^−１とを約２０分間導入した。水素供給装置の反応器の温度が約５００℃に達したときに、熱供給器に導入するブタンガスを１ｍｌｍｉｎ⁻ ^１、空気８ｍｌｍｉｎ^−１とした。つづいて、反応器にブタンガス５ｍｌｍｉｎ^−１の供給を開始した。そして、反応器の水素供給管から放出されたガスを水上置換によって捕集したところ、毎分２４．２ｍｌのガスが発生することがわかった。また、捕集したガスの成分を分析し、そのガスには水素が９８％含まれることと一酸化炭素が含まれないこととがわかった。
【００８０】
［実施例２］
本発明の水素供給装置を備えた燃料電池装置をつぎに説明する。実施例１と同様の水素供給装置に炭化水素貯蔵器と燃料電池とを接続した。この装置を本発明の実施例２の燃料電池装置とした。
【００８１】
炭化水素貯蔵器には、ブタンを５ｇ充填した。水素供給装置、炭化水素貯蔵器およびブタンの総重量は、約３３．５ｇであった。燃料電池には電極面積が２５ｃｍ^２の単セルを用い、燃料電池に電子負荷器を接続した。水素供給装置の熱供給器にブタンガス３ｍｌｍｉｎ⁻ ^１と空気２５ｍｌｍｉｎ⁻ ^１とを約２０分間導入した。反応器の温度が約５００℃に達したときに、熱供給器に導入するブタンガスを停止した。つづいて、その反応器にブタンガス５ｍｌｍｉｎ⁻ ^１の供給を開始し、発生したガスを燃料電池に供給することによって、燃料電池は発電を開始した。
【００８２】
このとき燃料電池には電流を３．０Ａ流した。この燃料電池では水素が約２０．９ｍｌｍｉｎ⁻ ^１消費され、水素利用率は約８６％であった。未反応の水素を熱供給器に導入したのちに、熱供給器で触媒燃焼した。この条件で、その燃料電池は出力２．０Ｗで約６．２時間作動した。
【００８３】
つぎに、発電が終了したのちに、燃料電池装置から反応器を取り外した。つづいて、反応器を空気雰囲気において約１０００℃に加熱して１時間保った。その後、その反応器を燃料電池装置に装着したのち、上述と同様の条件で燃料電池を発電させた。その結果、ブタン５ｇで約６．２時間燃料電池を作動することができ、その反応器が繰り返した使用できることを確かめた。
【００８４】
［比較例１］
比較例として、水素供給装置の変わりに従来の水素吸蔵合金が充填された金属容器を使用し、この金属容器を燃料電池に接続した以外は実施例２と同様にして、比較例１の燃料電池装置を構成した。水素吸蔵合金の充填量は３３．５ｇとし、水素吸蔵合金には水素の吸蔵量が２％のものを用いた。水素吸蔵合金と金属容器との総重量は４５．５ｇであった。
【００８５】
その金属容器から燃料電池に水素供給することによって発電を開始した。水素の利用率は実施例２と同様に約８６％とした。この燃料電池は、電流３．０Ａ、出力２．０Ｗで約６．０時間作動した。燃料電池本体を除くエネルギー密度は、実施例２では３７０Ｗｈｋｇ^−１、比較例１では２６３Ｗｈｋｇ^−１であり、本発明の燃料電池装置は、従来の燃料電池装置に比べて高エネルギー密度であることがわかった。
【００８６】
【発明の効果】
本発明の燃料電池装置の反応器は、炭化水素を触媒で水素と炭素とに分解することによって、純粋な水素を安価に単純な方法で供給することができる。また、本発明燃料電池装置は、燃料電池から排出される水素を触媒燃焼することによって、分解反応に必要な熱を供給するので、熱効率を高くすることができる。
【００８７】
本発明の燃料電池装置により、炭化水素を燃料として電力が得られ、さらに、燃料電池装置全体の熱効率を高めることができ、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池装置の模式図。
【図２】燃料電池を構成する単電池の模式図。
【図３】実施例１の水素供給装置の模式図。
【符号の説明】
１　水素供給装置
２　反応器
３　熱供給器
５　燃料電池装置
７　燃料電池本体
１２　水素供給管
２１　単電池

Claims

炭化水素を触媒で水素と炭素とに分解する反応器を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
炭化水素もしくは水素の燃焼によって発生する熱を前記反応器に供給する熱供給器を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
燃料電池から排出される水素を熱供給器に供給することを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
炭化水素がブタンであることを特徴とする請求項１、２または３記載の燃料電池装置。
反応器がニッケルあるいはニッケルの化合物を含む触媒を備えることを特徴とする請求項１、２または３記載の燃料電池装置。