JP2005251427A - Fuel cell device - Google Patents

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Kazuhide Totsuka
和秀 戸塚
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable continuous operation of a fuel cell device by simplifying supplement and exchange of its fuel, and to enhance convenience of the fuel cell device. <P>SOLUTION: This fuel cell device is equipped with a storage vessel 1 to store hydrocarbon, a decomposition reactor 2 provided with a catalyst having activity to the decomposing reaction of the hydrocarbon, an oxidation reactor 7 provided with a catalyst having activity to the oxidizing reaction of hydrocarbon or hydrogen, and a fuel cell 9. At least either the storage vessel 1 or the decomposition reactor 2 is reversibly separated from or combined with the fuel cell device. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

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。   The present invention relates to a fuel cell device including a container for decomposing hydrocarbons into hydrogen and carbon using a catalyst.

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。   A fuel cell is an electrochemical device that obtains electric power by electrochemically reacting hydrogen at an anode and oxygen at a cathode. Reactions represented by the formula (1) are performed at the anode and the formula (2) is performed at the cathode. In a fuel cell, electric energy can be extracted directly from hydrogen as a fuel. In other words, since the fuel cell is not subject to the Carnot cycle, the power generation efficiency of the cell is high. In addition to high power generation efficiency, fuel cells are characterized by high output density and no emissions containing carbon dioxide or nitrogen oxides. Yes.

2H→4H+4e (1)
+4H+4e→2HO (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。
2H 2 → 4H + + 4e (1)
O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (2)
In recent years, the progress of portable electronic devices such as mobile phones, mobile computers and PDAs has been remarkable. With the advancement of these portable electronic devices, power sources with higher energy density are required. Until now, secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries have been mainly used as power sources for these devices.

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。   At present, energetic efforts are being made to increase the energy density of these secondary batteries. However, breakthrough is necessary to dramatically improve the energy density of the power supplies for these devices. Recently, as a breakthrough, it is expected to apply a fuel cell device to a power source. In addition to high energy conversion efficiency of fuel, the fuel cell device can generate electric power as long as fuel supply is continued, so that the device is suitable for a power source of portable electronic devices.

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。   The fuel cell device includes at least a fuel cell main body and a container for storing fuel. Fuel storage containers are roughly divided into those that store hydrogen and those that store compounds containing hydrogen. Examples of containers that store hydrogen include high-pressure containers, liquefied hydrogen containers, and hydrogen storage alloy containers. Patent Document 1 discloses a technique for supplying hydrogen directly from a hydrogen cylinder to a polymer electrolyte fuel cell. Patent Document 2 discloses a hydrogen filling apparatus in which a hydrogen tank equipped with a hydrogen storage alloy is filled with hydrogen. A polymer electrolyte fuel cell using the above is disclosed.

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。   An organic compound such as hydrocarbons, alcohols or ethers is stored in a container that stores a compound containing hydrogen. Patent Document 3 discloses a fuel cell device that converts generated hydrogen into electric energy by a fuel cell by reforming a power generation fuel such as an organic compound.

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。   In the fuel cell device as described above, after the hydrogen rich gas is generated from the organic compound by the reformer, the gas is supplied to the fuel cell. For example, as shown in the equation (3), hydrogen and carbon dioxide are generated from hydrocarbon and water by the reformer. Furthermore, there is a fuel cell device that directly supplies alcohol, ether, and the like to the fuel cell. For example, in a direct methanol fuel cell (DMFC) that supplies methanol to the anode, protons are generated by electrochemically oxidizing methanol at the anode. The reaction at the anode is shown in equation (4). In the cathode, the electrochemical reaction shown in the formula (2) occurs.

2n+2+2nHO→nCO+(3n+1)H (3)
CHOH+2nHO→CO+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。
C n H 2n + 2 + 2nH 2 O → nCO 2 + (3n + 1) H 2 (3)
CH 3 OH + 2nH 2 O → CO 2 + 6H + + 6e (4)
Further, a fuel cell device has been developed in which a gas containing hydrogen is generated by decomposing hydrocarbons into carbon and hydrogen using a catalyst, and then this gas is supplied to the fuel cell to obtain electric power. This fuel cell device includes a storage container for storing hydrocarbons, a cracking reactor including a catalyst that decomposes the hydrocarbons into hydrogen and carbon, and an oxidation catalyst that is active in a reaction that oxidizes hydrocarbons or hydrogen. A reactor and a fuel cell are provided. In this fuel cell device, since heat can be supplied from the oxidation reactor to the decomposition reactor, the fuel cell device is small and has high energy density.

特開平11−191421号公報JP-A-11-191421 特開2003−130291号公報JP 2003-130291 A 特開2002−237321号公報JP 2002-237321 A

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。   The energy density of the power source is a value obtained by dividing the integral value of the output and time by the volume or mass of the power source. It is necessary that the fuel cell device and the fuel storage container are light and small in size. In particular, since the amount of fuel loaded is proportional to the time for supplying power, it is desirable that the container for storing the fuel be light and small.

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。   However, the container for storing hydrogen as described above is not suitable for increasing the energy density of the fuel cell device. For example, a steel high-pressure vessel is used to store hydrogen gas compressed to a high pressure (15 MPa), so that the vessel becomes heavy. Furthermore, when the high-pressure vessel is downsized, the weight of the high-pressure vessel increases with respect to the hydrogen gas, so that the high-pressure vessel is not suitable for downsizing.

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。   On the other hand, in a container that stores liquefied hydrogen, boil-off in which hydrogen evaporates every few percent is unavoidable, as well as energy loss during the process of liquefying hydrogen and evaporation during the process of filling the liquefied hydrogen. It is not economical because there is a loss due to A container filled with a hydrogen storage alloy has a hydrogen storage amount of several mass%, and therefore, the storage amount per alloy is insufficient to increase the energy density. For this reason, the container filled with the hydrogen storage alloy cannot be sufficiently reduced in size.

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。   There is a fuel cell device that generates a hydrogen rich gas by reforming an organic compound such as hydrocarbon, alcohol, or ether, and supplies the hydrogen rich gas to a fuel cell. However, the hydrogen rich gas obtained by modifying the organic compound contains carbon monoxide. This carbon monoxide poisons the platinum catalyst, thus significantly reducing the energy conversion efficiency of the fuel cell. There is a method using an apparatus for removing carbon monoxide, but the fuel cell apparatus becomes complicated, so it is not suitable for miniaturization.

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。   A fuel cell that supplies an organic compound such as alcohol or ether directly to the anode has a lower output density than a fuel cell that supplies hydrogen to the anode because the overvoltage of the electrochemical oxidation reaction of the organic compound is large. That is, since this fuel cell has low energy conversion efficiency, it is not suitable for miniaturization of the fuel cell device.

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。   A storage container for storing hydrocarbons, a cracking reactor including a catalyst that decomposes the hydrocarbons into hydrogen and carbon, an oxidation reactor including a catalyst that is active in a reaction that oxidizes hydrocarbons or hydrogen, and a fuel cell In the fuel cell device having the above, carbon accumulates in the cracking reactor due to the decomposition of hydrocarbons, and it is necessary to remove this carbon. In order to remove the carbon, an operation of sending air into the decomposition reactor and burning the carbon by heating was performed. However, since the operation is very complicated, the problem is that the convenience of the fuel cell device is poor.

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。   Therefore, an object of the present invention is to provide a storage container for storing hydrocarbons, a decomposition reactor including a catalyst for decomposing the hydrocarbons into hydrogen and carbon, and a catalyst having activity in a reaction for oxidizing hydrocarbons or hydrogen. By simplifying replenishment and replacement of fuel in a fuel cell device including an oxidation reactor and a fuel cell, the fuel cell device can be operated continuously and the convenience of the fuel cell device is improved. It is in.

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。   The invention of claim 1 is a storage vessel for storing hydrocarbons, a cracking reactor comprising a catalyst having activity in the hydrocarbon decomposition reaction, an oxidation reactor comprising a catalyst having activity in the hydrocarbon or hydrogen oxidation reaction, and A fuel cell device including a fuel cell is characterized in that at least one of the storage container and the decomposition reactor can be reversibly separated or combined from the fuel cell device.

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。   In the fuel cell device of the present invention, when the hydrogen generation reaction is completed, by replacing only the storage container, only the decomposition reactor, or both the storage container and the decomposition reactor from the fuel cell device and then replacing them. Since the fuel cell device can be continuously operated, electric power can be continuously supplied to the electronic device. That is, when there is no hydrocarbon stored in the storage container, the fuel cell device can be continuously operated by replacing the empty storage container with a storage container filled with hydrocarbon. Also, by replacing the cracking reactor in which the carbon produced by hydrocarbon decomposition has been replaced with an unused cracking reactor, the complicated operations such as washing and burning to remove the carbon accumulated in the cracking reactor The need for is gone. Further, the fuel cell device can be operated again by exchanging both the storage container and the decomposition reactor. Since the replacement operation is very simple, a highly convenient fuel cell device can be provided. Note that the storage container and the decomposition reactor may be integrated or different from each other.

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。   The fuel cell device of the present invention comprises a storage container for storing hydrocarbons, a cracking reactor comprising a catalyst having activity in the hydrocarbon decomposition reaction, and an oxidation reactor comprising a catalyst having activity in the hydrocarbon or hydrogen oxidation reaction. And a fuel cell device comprising the fuel cell, wherein at least one of the storage container and the decomposition reactor can be reversibly separated or combined from the fuel cell device.

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。   In the fuel cell device of the present invention, the hydrocarbon as a raw material of hydrogen is stored in the storage container, the hydrocarbon is supplied from the storage container to the cracking reactor, and the hydrocarbon is converted into carbon by the catalyst in the cracking reactor. Electric power is obtained by decomposing into hydrogen and supplying the generated hydrogen-containing gas to the fuel cell. In the fuel cell device of the present invention, heat is obtained by catalytic combustion of hydrocarbons or hydrogen in the oxidation reactor. By supplying this heat to the cracking reactor, a reaction for decomposing hydrocarbons into carbon and hydrogen proceeds in the cracking reactor. The reaction for decomposing hydrocarbons into hydrogen and carbon is shown in equation (5).

2n+2→nC+(n+1)H (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。
C n H 2n + 2 → nC + (n + 1) H 2 (5)
When the cracking reactor does not contain oxygen, carbon monoxide and carbon dioxide are not generated in the reaction in which the hydrocarbon is decomposed into hydrogen and carbon. That is, the hydrogen-rich gas obtained in this cracking reactor does not contain a component that causes a decrease in the output characteristics of the fuel cell, such as carbon monoxide.

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。   Decomposition of hydrocarbons in the cracking reactor is an endothermic reaction, but since heat is transferred from the oxidation reactor to the cracking reactor, a hydrogen production reaction by cracking of the hydrocarbon proceeds. The generated hydrogen is used for power generation in the fuel cell. That is, by using the fuel cell device of the present invention including a storage container, a decomposition reactor, an oxidation reactor, and a fuel cell, electric power can be obtained using hydrocarbon as fuel.

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。   Taking methane as an example of hydrocarbon, methane decomposes to produce hydrogen and carbon. The temperature at which methane decomposes is about 1000 ° C., but the decomposition temperature can be lowered by using a catalyst. The cracking reactor of the fuel cell device of the present invention includes a catalyst that is active in a reaction that decomposes hydrocarbons into carbon and hydrogen.

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。   Since the hydrocarbon supplied to the cracking reactor is decomposed into carbon and hydrogen by the catalyst, it is possible to generate hydrogen. In the fuel cell device of the present invention, as hydrocarbons, saturated hydrocarbons having 5 or less carbon atoms such as methane, ethane, propane, butane or pentane, alkanes such as ethylene, propylene, butylene or pentene, or ethyne, propyne, Unsaturated hydrocarbons having 5 or less carbon atoms such as alkynes such as butyne and pentyne can be used. Decomposition reactions of alkanes and alkynes are shown in formulas (6) and (7), respectively. However, since saturated hydrocarbons have a higher ratio of hydrogen to carbon than unsaturated hydrocarbons, saturated hydrocarbons are preferably used to supply hydrogen.

2n→ nC+nH (6)
2n−2→nC+(n−1)H (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。
C n H 2n → nC + nH 2 (6)
C n H 2n-2 → nC + (n-1) H 2 (7)
In order to improve the energy density of the fuel cell device, it is preferable to store the hydrocarbon as a liquid. However, saturated hydrocarbons having up to 4 carbon atoms are gases at room temperature (25 ° C.) and normal pressure (0.1 MPa). These hydrocarbons are liquefied by lowering the temperature or applying pressure. Since the boiling points of methane, ethane, propane, butane and pentane at normal pressure are -169 ° C, -89 ° C, -42.1 ° C, -0.5 ° C and 36.1 ° C, respectively, hydrocarbons are liquefied. It can be seen that the temperature to be reduced decreases as the carbon number decreases. Therefore, much energy is required to liquefy a hydrocarbon having 3 or less carbon atoms, and in addition, the liquefied hydrocarbon must be stored in an insulated container. On the other hand, butane is easily liquefied by applying a pressure of about 0.2 MPa even at room temperature (25 ° C.). Therefore, since butane can maintain a liquid state at a relatively low pressure, it can be stored in a simple sealed container such as a resin sealed container.

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。   It is preferable to supply gaseous hydrocarbons to the cracking reactor of the fuel cell device of the present invention. The reason is that hydrocarbons that are gaseous rather than liquid are easy to supply uniformly to the catalyst of the cracking reactor. Since the liquefied hydrocarbon having 4 or less carbon atoms is easily vaporized by being discharged from the sealed container, it can be used in this fuel cell device. The boiling point of pentane is vaporized at a relatively low temperature of 36.1 ° C. Since the vaporization heat can be supplied by exhaust heat of the fuel cell, pentane can be used as the fuel of the fuel cell device of the present invention.

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。   Liquefied butane is preferred for the hydrocarbons used in the fuel cell device of the present invention. The reason for this is that butane can be easily liquefied and vaporized by a pressure of about 0.2 MPa, so that it is excellent in storage and transportation.

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。   In the fuel cell device of the present invention, a mixture of hydrocarbons having 5 or less carbon atoms can be used. This mixture preferably has butane as the main component. The main component is the one that is contained most in the molar ratio in the mixture. When the butane contained in the mixture is 50 mol% or more, the mixture easily liquefies even at room temperature (25 ° C.) by applying a pressure of about 0.2 MPa. It can be stored in a simple sealed container such as a sealed container. In addition, it can be easily vaporized by supplying the mixture from the sealed container to the fuel cell device.

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。   For example, a mixture of 90% by mole of butane and 10% by mole of propane is liquefied under the conditions of room temperature (25 ° C.) and 0.2 MPa. By supplying this mixture to the fuel cell device, it is vaporized immediately at room temperature. Therefore, a hydrocarbon mixture composed of a compound of carbon and hydrogen having 5 or less carbon atoms and containing butane as a main component can be easily vaporized in addition to being excellent in storage and transportation. Are suitable.

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。   The mixture of hydrocarbons can include the aforementioned saturated hydrocarbons and unsaturated hydrocarbons. Furthermore, the mixture of hydrocarbons can contain a saturated hydrocarbon and an unsaturated hydrocarbon in an arbitrary ratio, but preferably contains 50 mol% or more of butane as a main component. Further, in order to facilitate liquefaction and vaporization of the hydrocarbon mixture, it is preferable that 80 mol% or more of butane is contained.

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。 The decomposition reaction formula when butane is used as the hydrocarbon is shown in equation (8). The standard enthalpy change in equation (8) is 125.6 kJmol −1 . Since this reaction is an endothermic reaction, this hydrogen supply device needs to supply heat to the decomposition reactor, and heat is supplied from the oxidation reactor to the decomposition reactor. That is, in the oxidation reactor, heat is obtained by oxidizing hydrocarbons or hydrogen, and this heat is transferred to the cracking reactor via the heat conducting medium.

10→4C+5H (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。
C 4 H 10 → 4C + 5H 2 (8)
Nickel, a nickel compound, or the like can be used as a catalyst catalyst that is provided in the cracking reactor of the present invention and has an activity in the reaction of cracking hydrocarbons into hydrogen and carbon. For example, as the catalyst, nickel metal (Ni), nickel oxide (NiO), or a mixture of nickel metal (Ni) and nickel oxide (NiO) can be used. Further, after aluminum (Al) is included in Ni or NiO, a part of the Al is removed to increase the surface area of Ni or NiO, or Ni or NiO is Al or nickel sulfide (NiS). A catalyst containing the above can be used as a catalyst. Furthermore, Ni (Ni), tin (Sn), lead (Pb), manganese (Mn), molybdenum (Mo), silver (Ag), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co) or copper (Cu) Those containing an element such as can be used as a catalyst.

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。   By supplying moderate heat to the cracking reactor equipped with the catalyst and introducing hydrocarbons, the hydrocarbon cracking reaction occurs even at 1000 ° C. or lower. The temperature of this decomposition reaction depends on the type and surface area of the catalyst. The surface area of the catalyst is increased by supporting particles such as nickel or a nickel compound on a carrier such as silicon carbide, silicon oxide or alumina. A catalyst having a large surface area is preferable for the catalyst of the cracking reactor of the present invention because of its high activity for the cracking reaction.

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。   The oxidation reactor includes, for example, a metal container equipped with a catalyst, and the catalyst causes catalytic combustion of hydrocarbons or hydrogen. As the catalyst, nickel, chromium, platinum group metals or compounds thereof can be used, and two or more selected from these substances can be used in combination.

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。   By supporting fine particles of the catalyst of the oxidation reactor on a ceramic carrier such as alumina, the utilization factor of the catalyst can be improved. Furthermore, the utilization factor of the catalyst can be improved by increasing the surface area of the support. For example, a ceramic made porous by sintering the particle body or a ceramic having a honeycomb structure can be used.

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。   Hydrogen can be generated by supplying an organic compound containing oxygen in the molecule such as alcohol or ether to the decomposition reactor of the fuel cell device of the present invention. However, in the process of decomposing these organic compounds with a catalyst, oxygen in the molecule may combine with carbon to produce carbon monoxide. Therefore, it is desirable that the organic compound supplied to the decomposition reactor does not contain oxygen atoms in the molecule.

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。   When oxygen is present in the decomposition reactor, carbon monoxide may be generated during the decomposition reaction. Therefore, the organic compound supplied to the decomposition reactor is preferably in a deoxygenated state. Furthermore, when the organic compound contains water, a steam reforming reaction occurs and carbon monoxide may be generated, which is not preferable.

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。   As the electrolyte of the unit cell of the fuel cell used in the fuel cell device of the present invention, a polymer film, a matrix impregnated with alkali or acid, molten carbonate, solid oxide, or the like can be used. Since the polymer electrolyte membrane functions as an electrolyte at a temperature of 100 ° C. or lower, it is suitable for operating the fuel cell device at a relatively low temperature. For example, a membrane made of perfluorosulfone resin can be used as the polymer electrolyte membrane. This membrane exhibits high proton conductivity at room temperature. A fuel cell using this membrane as an electrolyte is called a polymer electrolyte fuel cell.

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。   Since the fuel cell device of the present invention has a high energy density, the device is preferable as a power source for electronic equipment. Since the energy density of this fuel cell device is determined according to the amount of hydrocarbons, the amount of hydrocarbons loaded can be selected according to the electronic equipment. By changing the amount of hydrocarbon loaded according to the power consumption and operating time of the electronic device, it is possible to make the electronic device small and lightweight. For example, when using as a power source for a relatively small charger such as a mobile phone or a shaver, the amount of hydrocarbons is reduced, while when using as a power source for a relatively large charger such as a power tool, The load can be increased. Furthermore, when an electronic device with relatively large power consumption such as a mobile computer is continuously used, the electronic device can be operated for a long time by replenishing the fuel cell device with hydrocarbons.

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。   The fuel cell device of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell device according to the present invention. In FIG. 1, 1 is a storage container, 2 is a decomposition reactor, 3 is a thermal insulation for the decomposition reactor, 4 is a fuel pipe, 5 Is a fuel valve, 6 is an integrated body of a storage container and a decomposition reactor, 7 is an oxidation reactor, 8 is an insulation material for the oxidation reactor, 9 is a fuel cell, 10 is a heat exchanger, 11 is a hydrogen supply pipe, 12 Is a discharge hydrogen introduction pipe, 13 is an air introduction pipe, and 14 is a discharge pipe.

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。   The main components of the fuel cell device of the present invention are a storage container 1, a decomposition reactor 2, an oxidation reactor 7 and a fuel cell 9. The storage container 1 and the decomposition reactor 2 are connected by a fuel pipe 4. Through this connection pipe 4, hydrocarbons are supplied from the storage container 1 to the cracking reactor 2. The fuel pipe 4 is provided with a fuel valve 5. The fuel supply amount can be controlled by the fuel valve 5.

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。   Heat is supplied to the decomposition reactor 2 from the oxidation reactor 7 via the heat exchanger 10. The cracking reactor 2 and the oxidation reactor 7 are respectively provided with a thermal insulation 3 for the decomposition reactor and a thermal insulation 8 for the oxidation reactor to prevent heat from being lost outside the fuel cell device. .

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。   The hydrocarbons supplied to the cracking reactor 2 are decomposed into carbon and hydrogen by the catalyst. Since carbon is produced on the catalyst and accumulated in the cracking reactor 2, hydrogen is supplied to the fuel cell 9 through the hydrogen supply pipe 11 and then is electrochemically oxidized in the fuel cell 9. . The fuel cell 9 can generate electric power by this electrochemical reaction. A part of the hydrogen supplied to the fuel cell 9 is not oxidized electrochemically. The hydrogen that has not been oxidized is introduced from the fuel cell 9 to the oxidation reactor 7 through the exhaust hydrogen introduction pipe 12, and then oxidized by catalytic combustion in the oxidation reactor 7. For this oxidation reaction, air introduced into the oxidation reactor 7 from the air introduction tube 13 is used. Heat is generated by catalytic combustion of hydrogen in the oxidation reactor 7. The heat is supplied to the cracking reactor 2 through the heat exchanger 10 as described above.

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。   The fuel cell device of the present invention generates electricity by supplying hydrocarbons as fuel. The power supply by the fuel cell device is terminated when the hydrocarbons in the storage container 1 are consumed, but the power supply is started again by replenishing the storage container 1 with hydrocarbons. On the other hand, carbon produced by cracking hydrocarbons accumulates in the cracking reactor 2. This accumulation of carbon lowers the action of a catalyst that is active in the reaction of decomposing hydrocarbons into hydrogen and carbon, thereby preventing the progress of the hydrocarbon decomposition reaction. Therefore, in order to obtain electric power continuously by the fuel cell device, the carbon accumulated in the decomposition reactor 2 must be removed.

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。   As a method of removing carbon from the cracking reactor 2, there is a method of oxidizing carbon to carbon dioxide by supplying air (oxygen) to the cracking reactor and heating it. This method is not suitable for continuously obtaining electric power from the fuel cell device in addition to the complicated operation.

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。   On the other hand, in the fuel cell device of the present invention, electric power can be continuously supplied by exchanging the integrated body of the storage container and the decomposition reactor. The separation or connection of the storage vessel and the decomposition reactor can be performed in a single operation. For example, it is possible to combine the storage container and the decomposition reactor by inserting them into the fuel cell device, and conversely, by separating the storage container and the decomposition reactor from the fuel cell device. . Since the coupling and separation operations are very simple, it is possible to exchange the integrated body of the storage container and the decomposition reactor in a short time.

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。   The structure of the integrated body of the storage container and the decomposition reactor will be specifically described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a state in which the integrated body of the storage container and the decomposition reactor is separated from the fuel cell device of the present invention. The main components of the integrated body 6 of the storage container and the decomposition reactor are a storage container 1 and a decomposition reactor 2, and the decomposition reactor 2 is covered with a heat insulating material 2. Since the heat insulating material 2 is disposed between the storage container 1 and the decomposition reactor 2, the heat of the decomposition reactor 2 is not excessively transferred to the storage container 1.

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。   Further, in the integrated body of the storage container and the decomposition reactor, the value obtained by dividing the volume of the decomposition reactor 2 by the volume of the storage container 1 is preferably between 0.30 and 0.67. If the value is less than 0.30, the packing density of the produced carbon in the cracking reactor 2 becomes excessively high, so that a smooth cracking reaction of hydrocarbons is hindered. On the other hand, when the value is 0.67 or more, the volume of the integrated body of the storage container and the decomposition reactor becomes excessively large, so that the energy density of the fuel cell device is lowered. In the fuel electric device of the present invention, electric power can be continuously obtained by exchanging the integrated body of the storage container and the decomposition reactor.

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。   In the fuel cell device of the present invention, the storage container and the cracking reactor can be replaced not only with each other but also with either the storage container or the cracking reactor. In this case, the storage container and the decomposition reactor may be connected to the fuel cell device in an independent state without being integrated.

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。   The fuel cell 9 shown in FIGS. 1 and 2 is composed of one or a plurality of single cells. A schematic diagram of a cross section of a unit cell of the fuel cell 9 is shown in FIG. In FIG. 3, 21 is a cell, 22 is an electrolyte, 23 is an anode, 24 is a cathode, 25 is an anode current collector, 26 is a cathode current collector, and 27 is an external load.

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。   The unit cell 21 includes an anode 23 on one surface of the electrolyte 22 and a cathode 24 on the other surface. The anode 23 includes an anode current collector 25, and the cathode 24 includes a cathode current collector 26. The anode current collector 25 and the cathode current collector 26 are electrically connected via an external load 27.

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。   At the anode 23, hydrogen is electrochemically oxidized as shown in the equation (1). Electrons generated by this reaction are guided to the cathode 24 via the anode current collector 25, the external load 27 and the cathode current collector 26. At the cathode 24, oxygen is electrochemically reduced as shown in equation (2). That is, the single cell 21 is an electrochemical device that causes hydrogen and oxygen to react electrochemically.

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。   When the fuel cell 9 is composed of a plurality of single cells 21, the single cells 21 are electrically connected in parallel, in series, or in parallel and in series according to the power consumption or operating voltage of the electronic device to be used. Can be connected. By connecting the unit cells 21 in parallel, a fuel cell device suitable for extracting a large current can be obtained. Moreover, the fuel cell apparatus suitable for taking out a high voltage is obtained by connecting the unit cells 21 in series.

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。   According to the fuel cell device of the present invention, electric power can be obtained using hydrocarbon as fuel. The fuel cell 9 is supplied with hydrogen generated from hydrocarbons. Since this hydrogen does not contain carbon monoxide that poisons the electrode catalyst of the fuel cell, the operating voltage of the fuel cell is improved. Since the hydrogen discharged from the fuel cell is used in the reaction for generating hydrogen from the hydrocarbon, the thermal efficiency of the entire fuel cell device can be increased. Therefore, it is possible to provide a fuel cell device that is small and has high energy density.

本発明の燃料電池装置の特徴はつぎのとおりである。   The features of the fuel cell device of the present invention are as follows.

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。   1. Oxidation reaction comprising a storage vessel for storing hydrocarbons, a cracking reactor comprising a catalyst active in the reaction of cracking hydrocarbons into hydrogen and carbon, and a catalyst active in the reaction of oxidizing hydrocarbons or hydrogen And a fuel cell device, wherein at least one of the storage container and the decomposition reactor can be reversibly separated or combined. That is, in a fuel cell device that reversibly separates or combines the storage container or the decomposition reactor from the fuel cell device, or reversibly separates or combines the storage vessel and the decomposition reactor from the fuel cell device. is there.

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。   2. Use butane as the hydrocarbon. The hydrocarbon is a mixture of hydrocarbons having 5 or less carbon atoms, and the main component of the mixture is butane.

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。   3. The value obtained by dividing the volume of the cracking reactor by the volume of the storage container is between 0.30 and 0.67.

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。   4). The catalyst provided in the cracking reactor is nickel or a nickel compound.

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。   5). The catalyst provided in the oxidation reactor is at least one selected from the group consisting of nickel, chromium, platinum group metals or compounds thereof.

6.燃料電池が固体高分子形燃料電池であること。   6). The fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell.

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。   7). The fuel cell has at least two or more unit cells, and these unit cells are electrically connected in parallel or in series.

以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。   The present invention will be described below with reference to preferred embodiments.

[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(NO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200cm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300cm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。
[Example 1]
A specific example of the fuel cell device of the present invention will now be described. After impregnating the silicon carbide particles with an aqueous solution of Ni (NO 3 ) 2 , drying, firing, and hydrogen reduction were performed to support the nickel fine particles on the silicon carbide. The amount of nickel supported was about 5 mass%. About 15 g of silicon carbide carrying nickel was filled in a stainless steel container. The internal volume of the container was about 200 cm 3 . This vessel was used as a cracking reactor for hydrocarbon cracking. The storage container was filled with 180 g of liquefied butane. The internal volume of this storage container was about 300 cm 3 . And the integral thing of the storage container and the decomposition reactor was comprised.

酸化アルミニウムの粒子をPt(NH(OH)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40cm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。 After impregnating the aluminum oxide particles with an aqueous solution of Pt (NH 3 ) 4 (OH) 2 , drying, firing, and hydrogen reduction were performed, thereby supporting platinum fine particles on the aluminum oxide. The amount of platinum supported was about 3 mass%. About 50 g of aluminum oxide carrying platinum was filled in a stainless steel container having an internal volume of about 40 cm 3 . This vessel was used as an oxidation reactor equipped with a catalyst having activity in the reaction of oxidizing hydrocarbons or hydrogen.

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。   After the oxidation reactor and the 20 W class fuel cell were installed in the fuel cell device frame, the integrated unit of the storage container and the decomposition reactor was combined to constitute the fuel cell device. The fuel cell device was then operated according to the procedure.

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。 First, supply of butane and air to the oxidation reactor was started. The supply amount of butane was set to 10 ml min −1 and the mixture was allowed to stand for about 10 minutes, and then the supply of butane from the storage container to the oxidation reactor was stopped. At this time, since heat is conducted from the oxidation reactor to the decomposition reactor, the temperature of the decomposition reactor reaches a temperature at which butane decomposes into hydrogen and carbon.

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。 Next, the fuel valve provided in the fuel pipe was opened, and the supply of butane from the storage container to the decomposition reactor was started. Thirty seconds later, a 20 W output was generated by connecting a load to the fuel cell. At this time, by adjusting the fuel valve, about 50 ml min −1 of butane was supplied to the cracking reactor. Under this condition, this fuel cell device could be stably operated at 20 W output for 21 hours. After that, the output of the fuel cell became unstable, so the load on the fuel cell was cut off and power generation was stopped.

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。   According to Example 1, it was confirmed that the fuel cell device of the present invention using an integrated body of a storage container storing butane and a cracking reactor filled with nickel carbide loaded with nickel can be used as a small power source. It was.

[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。
[Example 2]
From the fuel cell device whose operation was stopped in Example 1, the integrated body of the storage container and the decomposition reactor was separated. Then, the same unit of the new storage container and the decomposition reactor similar to that used in Example 1 was re-coupled to the fuel cell device. Subsequently, about 50 mlmin −1 butane was supplied by opening the fuel valve. Thirty seconds later, a 20 W output was generated by connecting a load to the fuel cell. Under this condition, this fuel cell device could be stably operated at 20 W output for 21.7 hours. After that, the output of the fuel cell became unstable, so the load on the fuel cell was cut off and power generation was stopped.

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。   In the fuel cell device of the present invention using an integral body of a storage container and a cracking reactor filled with butane according to Example 2, it is repeatedly used by exchanging the integral body of the storage container and the cracking reactor. It was confirmed that it could be done.

[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150cm、約200cmおよび約40cmとした。
[Example 3]
As in Example 1, a storage vessel comprising 90 g of liquefied butane, a decomposition reactor made of stainless steel containing about 15 g of silicon carbide carrying nickel, an oxidation reactor comprising a catalyst active in an oxidation reaction, and a fuel comprising a fuel cell A battery device was constructed. The reservoir, the internal volume of the decomposition reactor and the oxidation reactor is respectively 150 cm 3, it was about 200 cm 3 and about 40 cm 3.

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。 This fuel cell device was operated in the same procedure as in Example 1. First, supply of butane and air to the oxidation reactor was started. The supply amount of butane was set at 10 mlmin −1 and the mixture was left for about 10 minutes, and then the supply of butane from the storage container to the oxidation reactor was stopped. At this time, since heat is conducted from the oxidation reactor to the decomposition reactor, the temperature of the oxidation reactor reaches a temperature at which butane decomposes into hydrogen and carbon. Next, the fuel valve provided in the fuel pipe was opened, and the supply of butane from the storage container to the decomposition reactor was started. Thirty seconds later, a 20 W output was generated by connecting a load to the fuel cell. At this time, by adjusting the fuel valve, about 50 ml min −1 of butane was supplied to the cracking reactor. Under this condition, this fuel cell device could be stably operated at 20 W output for 10 hours.

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。 Subsequently, after the storage container was separated from the fuel cell device, another storage container equipped with 90 g of liquefied butane was connected to the device again. After that, by opening the fuel valve, about 50 ml min −1 butane was supplied. Thirty seconds later, a 20 W output was generated by connecting a load to the fuel cell. Under this condition, this fuel cell device could be stably operated at 20 W output for 10.8 hours. After that, the output of the fuel cell became unstable, so the load on the fuel cell was cut off and power generation was stopped.

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。   The experiment shown in Example 3 confirmed that this fuel cell device can be used repeatedly by exchanging it with a storage container storing butane.

[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300cm、約100cmおよび約40cmとした。
[Example 4]
Similarly to Example 1, a storage container provided with 180 g of liquefied butane, a decomposition reactor made of about 7.5 g of silicon carbide carrying nickel and made of stainless steel, an oxidation reactor equipped with a catalyst having activity in an oxidation reaction, and a fuel cell A fuel cell device provided was configured. The reservoir, the internal volume of the decomposition reactor and the oxidation reactor is respectively 300 cm 3, it was about 100 cm 3 and about 40 cm 3.

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。 This fuel cell device was operated in the same procedure as in Example 1. First, supply of butane and air to the oxidation reactor was started. The supply amount of butane was set at 10 mlmin −1 and the mixture was left for about 10 minutes, and then the supply of butane from the storage container to the oxidation reactor was stopped. At this time, since heat is conducted from the oxidation reactor to the decomposition reactor, the temperature of the oxidation reactor reaches a temperature at which butane decomposes into hydrogen and carbon. Next, the fuel valve provided in the fuel pipe was opened, and the supply of butane from the storage container to the decomposition reactor was started. Thirty seconds later, a 20 W output was generated by connecting a load to the fuel cell. At this time, by adjusting the fuel valve, about 50 ml min −1 of butane was supplied to the cracking reactor. Under this condition, the fuel cell device was stably operated at 20 W output for 10 hours and then stopped.

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。 Subsequently, after separating the cracking reactor from the fuel cell device, another cracking reactor comprising about 7.5 g of silicon carbide carrying nickel was re-coupled to the device. After that, by opening the fuel valve, about 50 ml min −1 butane was supplied. Thirty seconds later, a 20 W output was generated by connecting a load to the fuel cell. Under this condition, this fuel cell device could be stably operated at 20 W output for 11 hours. After that, the output of the fuel cell became unstable, so the load on the fuel cell was cut off and power generation was stopped.

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。   The experiment shown in Example 4 confirmed that this fuel cell device can be used repeatedly by replacing it with another cracking reactor comprising silicon carbide carrying nickel.

[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。
[Comparative Example 1]
As Comparative Example 1, a fuel cell device having the same specifications as in Example 1 was produced and then operated for 21 hours under the same conditions as in Example 1. Next, the storage container of the apparatus was filled with 180 g of liquefied butane. Further, oxygen was circulated for 30 minutes while the decomposition reaction of the apparatus was heated to 700 ° C. After this filling and distribution operation, the apparatus was again operated under the same conditions as in Example 1. Its operating time was 19.2 hours. In the apparatus of Comparative Example 1, it was found that the output density was lowered in addition to the very complicated operation. From this result, it became clear that the fuel cell device of the present invention is excellent in convenience and performance.

本発明の燃料電池装置の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the fuel cell apparatus of this invention. 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。The schematic diagram of the cross section of the fuel cell apparatus of this invention in the state from which the integrated object of the storage container and the decomposition reactor was isolate | separated. 燃料電池を構成する単電池の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the single cell which comprises a fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Storage container 2 Decomposition reactor 6 Integration thing of a storage container and a decomposition reactor 7 Oxidation reactor 9 Fuel cell 21 Single cell

Claims (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。

































Storage vessel for storing hydrocarbon, cracking reactor equipped with catalyst having activity in cracking reaction of hydrocarbon, oxidation reactor comprising catalyst having activity in hydrocarbon or hydrogen oxidation reaction, and fuel cell equipped with fuel cell In the apparatus, at least one of the storage container and the decomposition reactor can be reversibly separated or coupled from the fuel cell apparatus.

































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