专利名称：燃料电池装置的制作方法
技术领域：
本发明是关于具备有使用催化剂来把碳氢化合物分解成氢和碳的容器的燃料电池装置的。
背景技术：
燃料电池是通过使氢气在阳极，氧气在阴极分别发生电化学反应而得到电力的一种电化学装置。分别在阳极发生如(1)式，阴极发生如(2)式所示的电化学反应。在燃料电池中，可以直接从燃料的氢中取出电能。也就是说，在燃料电池中，由于没有卡诺循环的制约，因此电池的发电效率很高。燃料电池，除发电效率高外，还具有输出功率密度高，而且其排出物中不含有二氧化碳及氮氧化合物等的特征，所以，燃料电池作为下一代的电源受到瞩目。
(1)(2)近年来，移动电话，便携式电脑，PDA等携带式电子机器的进步非常惊人。随着这些携带式电子机器的进步，具有高能密度的电源越来越显得有必要。一直以来，作为这些电器的电源主要是使用镍氢电池和锂离子电池等二次电池。
现在，对这些二次电池的高能密度化正在积极的进行中。但是，为使这些用于电器的电源的能量密度发生飞跃式的改进，需要重大的技术突破。最近，作为一个重大的技术突破，把燃料电池装置应用于电源受到很大的期待。燃料电池装置不但燃料的能量变换效率高，而且只要不断的供给燃料就可以产生电力，因此，这种装置适合用作携带式电子机器的电源。
燃料电池装置至少具备有燃料电池本体和储存燃料的储存器。燃料的储存器可分成储存氢的和储存含氢化合物的两大类。储存氢的储存器有例如高压容器，液化氢容器，吸氢合金容器等。日本专利文献特开平11-191421号公报中，已经公开了从氢气瓶中直接提供氢气给固体高分子形燃料电池的技术。另外，日本专利文献特开2003-130291号公报中，也公开了另一种固体高分子形燃料电池。这种电池使用了在具备有吸氢合金的氢气箱中充填了氢气的氢气充填装置。
储存燃料的储存器中，有可储存碳氢化合物类，醇类或者醚类等的有机化合物。日本专利文献特开2002-237321号公报中，公开了一种这种装置把通过对有机化合物的改性而产生的氢气在燃料电池转换成电能的燃料电池装置。
如前所述的燃料电池装置中，通过改性器使从有机化合物生成含高浓度氢气的气体，然后把这种气体提供给燃料电池。例如，通过改性器，如(3)式所示，碳氢化合物和水可生成氢气和二氧化碳。而且还有把醇类或醚类等直接提供给燃料电池的燃料电池装置。例如，在通过甲醇直接供给阳极的直接甲醇式燃料电池(DMFC)中，甲醇在阳极上通过电化学反应被氧化后，生成质子。在阳极上的反应如式(4)所示。另外，在阴极上则发生如(2)式所示的电化学反应。
(3)(4)还有通过催化剂可使碳氢化合物分解成碳和氢来生成含有氢的气体。通过把这种气体供给燃料电池来获得电力的燃料电池装置也被开发出来了。在这种燃料电池装置中，具备有储存碳氢化合物的储存器，含有催化剂的分解反应器，具有催化剂的氧化反应器和燃料电池。在这里分解反应器中含有的催化剂，是把碳氢化合物分解成氢和碳的。氧化反应器中含有的催化剂则至少是对碳氢化合物或氢中一方的氧化反应具有活性。这种燃料电池装置可以从氧化反应器供热给分解反应器，所以这种燃料电池装置是小型而高能量密度的。
装置的能量密度是指把输出功率对时间的积分值来除以装置的体积或质量而得到的值。所以，为了提高燃料电池装置的能量密度，有必要提高燃料电池本体的输出功率及能量转换效率和使燃料电池及储存燃料的储存器轻量化，小型化。
但是，如前所述的氢储存器则不适合于燃料电池装置的高能量密度化。例如，为了储存压缩至高压(15MPa)的氢气，使用了钢铁制的高压容器，这种容器会很重。还有，在这种高压容器小型化时，相对于氢气来说，高压容器的相对重量变大，因此，高压容器也不适用于小型化。
另一方面，在使用储存液化氢气的容器时，存在氢气会以每天数％的蒸发而无法避免气化的问题。还有，因为在氢气的液化过程中的能量损失及在充填液化氢气的过程中由于蒸发而造成损失，所以这种方式也不是很经济。还有，在充填有吸氢合金的容器中，由于氢气的储存量只有数％的质量百分比，为了能量的高密度化，合金单位质量内的储存量显得不够充分。因此，充填有吸氢合金的容器的小型化也是不可能的。
有通过对碳氢化合物，醇类或者醚类等有机化合物的改性来生成含高浓度氢气的气体，把这种含高浓度氢气的气体供给燃料电池的燃料电池装置。但是，通过对有机化合物的改性来得到的含高浓度氢气的气体中含有一氧化碳。这种一氧化碳会毒化作为催化剂的白金，使得燃料电池的能量转换效率显著低下。虽然有使用可除去一氧化碳的装置，但是这种方法使得燃料电池装置复杂化，因此也是不适合于装置的小型化的。
在直接供应醇类或醚类等有机化合物给阳极的燃料电池中，由于有机化合物的电化学氧化反应的过电压大。因此这种燃料电池和把氢气供给阳极的燃料电池相比，输出功率密度较低，也就是说这种燃料电池的能量转换效率较低，所以也不适合于燃料电池装置的小型化。
在具备有储存碳氢化合物的储存器，和含有分解此碳氢化合物成氢和碳的催化剂的分解反应器，和具备有对碳氢化合物或者是氢气的氧化反应具有活性的催化剂的氧化反应器和燃料电池的燃料电池装置中，由于分解碳氢化合物而在分解反应器中蓄积了碳，因此有除去碳的必要。在对碳的除去方法中，有通过对分解反应器内送入空气，同时进行加热使碳燃烧的方法。但是，由于这种操作非常的复杂，所以这种燃料电池装置有缺乏便利性的问题。
发明内容
本发明的目的是使具备有含分解碳氢化合物成氢和碳的催化剂的分解反应器和燃料电池的燃料电池装置的分解反应器的再利用或者更换变得简便，从而使得装置可以连续工作，同时也使得燃料电池装置的便利性得以提高。
本发明的第1项发明是关于一种燃料电池装置，其具备燃料电池和，具有对碳氢化合物的分解反应有活性的催化剂的分解反应器，其特征是，上述分解反应器可以与上述燃料电池装置进行可逆的分离及结合。
根据第1项发明，由于燃料电池装置的工作，在分解反应器内蓄积了碳时，可以从燃料电池装置上分离出分解反应器，或者是储存器和分解反应器两方后，进行更换，从而使得燃料电池装置可以连续工作。因而可以连续的对电子机器供应电力。也就是说，通过用没有使用过的分解反应器来更换因碳氢化合物的分解而蓄积了碳的分解反应器，使得为了除去分解反应器内蓄积的碳而进行的洗净或燃烧等复杂的操作变得没有必要。而且，即使是储存器和分解反应器两方都更换，也可以再次使燃料电池进行工作。这样的交换操作是非常简单的，所以可以提供一种便利性较高的燃料电池装置。
本发明的第2项发明的特征是，具备储存碳氢化合物的储存器的，在第1项发明中记述的燃料电池装置中，上述储存器和上述分解反应器是一体型的。
根据第2项发明，储存器和分解反应器从燃料电池装置上分离后，新的储存器和分解反应器和燃料电池装置的结合的更换操作可以同时进行，所以可以使得这种更换操作更加便利。因此，可以提供利便性更高的燃料电池装置。
本发明的第3项发明的特征是，具备储存碳氢化合物的储存器的，在第1项的发明中记述的燃料电池装置中，前述储存器和上述分解反应器可以单独的与上述燃料电池装置进行分离及结合。
根据第3项发明，储存器或者是分解反应器从燃料电池装置上分离后，对新的储存器或者是分解反应器进行结合的更换操作可以分别进行，因此可以任意地选择储存器和分解反应器的容量比率。譬如，相对于分解反应器的容量，储存器的容量为其1/2时，虽然储存器有必要交换两次，但可以使得储存器的体积及质量变小，因此也可以使得燃料电池装置的体积及质量变小成为可能。
图例的说明
图1是本发明的燃料电池装置的断面模式图。
图2是一体型的储存器和分解反应器分离后的本发明的燃料电池装置的断面模式图。
图3是构成燃料电池的单电池的断面的模式图。
具体的实施例本发明的燃料电池装置的特征是，在具备有储存碳氢化合物的储存器，具有对这碳氢化合物的分解反应有活性的催化剂的分解反应器，及燃料电池的燃料电池装置中，从这燃料电池装置上分离的分解反应器可以进行可逆性的分离及结合。
在本发明的燃料电池装置中，通过供应碳氢化合物给分解反应器，在分解反应器内通过催化剂使碳氢化合物分解成碳和氢，把生成的含有氢的气体供应给燃料电池来获得电力。还有，在本发明的燃料电池装置中使用氧化反应器的场合，通过催化剂的作用可使碳氢化合物或者是氢燃烧而得到热量。把热量供应给分解反应器可以促进分解反应器内碳氢化合物分解成碳和氢的分解反应。碳氢化合物分解成碳和氢的分解反应的反应式如(5)所示。
(5)在分解反应器内不含有氧气的情况下，碳氢化合物分解成碳和氢的反应中不会生成一氧化碳或者二氧化碳。也就是说，在这分解反应器内得到的含高浓度氢气的气体中不含有会使燃料电池的输出功率发生低下的一氧化碳等成分。
分解反应器内的碳氢化合物的分解反应是吸热反应。但是在使用氧化反应器，热量从氧化反应器传至分解反应器，可以促进分解碳氢化合物生成氢的生成反应。生成的氢，可使用于燃料电池的发电。也就是说，通过使用具备有储存器，分解反应器，氧化反应器及燃料电池的本发明的燃料电池装置，可以把碳氢化合物作为燃料来获得电力。
以甲烷作为碳氢化合物的例来说，甲烷分解后生成碳和氢。虽然甲烷分解的温度约为1000℃，但通过使用催化剂可以降低其分解温度。本发明的燃料电池装置中的分解反应器内，具备有对碳氢化合物的分解反应有活性的催化剂。
供应给分解反应器的碳氢化合物，通过催化剂的作用分解成碳和氢。因此可以使之生成氢。在本发明的燃料电池装置中，作为碳氢化合物，可以使用甲烷，乙烷，丙烷，丁烷或者戊烷等碳元素在5以下的饱和碳氢化合物，也可以使用乙烯，丙烯，丁烯或者戊烯等烯烃类，或者也可以是乙炔，丙炔，丁炔或者是戊炔等炔烃类等碳元素在5以下的不饱和碳氢化合物。烯烃类和炔烃类的分解反应分别如(6)式和(7)式所示。但是，饱和碳氢化合物中，相对于碳的氢的比率比不饱和碳氢化合物类要大，因此为了供给氢的话，希望尽量使用饱和的碳氢化合物。
(6)(7)为了提高燃料电池装置的能量密度，以液体状态储存碳氢化合物较好。但是，碳元素数到4为止的饱和碳氢化合物在室温(25℃)、常压(0.1MPa)的条件下为气体。通过降低温度或加压，可以使这些碳氢化合物液化。在常压的时甲烷，乙烷，丙烷，丁烷及戊烷的沸点分别是-169℃、-89℃、-42.1℃、-0.5℃及36.1℃，因此可以知道碳氢化合物的液化温度随着碳元素的数量的减少而降低。所以液化碳元素的数量在3以下的碳氢化合物需要更多的能量，还有液化后的碳氢化合物必须储存在绝热容器内。而一方丁烷即使在室温(25℃)时只要加上0.2MPa程度的压力就可以容易被液化，因此，在丁烷的场合，比较低的压力条件下就可以维持在液体状态，树脂制的密闭容器等简单的密闭容器就可以储存。
本发明的燃料电池装置的分解反应器中，最好是供给气体的碳氢化合物。理由是，气体的碳氢化合物比液体的更容易在分解反应器内均一的供给催化剂。碳元素数量在4以下的液化碳氢化合物，从密闭容器内放出后可以很容易的气化，因此在这燃料电池装置中的使用是可能的。还有，戊烷因为其沸点是36.1℃，可以在比较低的温度下气化。其气化所需的热量可以通过燃料电池的排热来供给，所以作为本发明的燃料电池装置的燃料，戊烷的使用也是可能的。
本发明的燃料电池装置中使用的碳氢化合物最好是丁烷。其理由是，丁烷的场合，可以在0.2MPa程度的压力下容易的液化和气化，因此具有良好的储存性和搬运性。
本发明的燃料电池装置中，碳元素数在5以下的碳氢化合物的混合体的使用也是可能的。在这混合体中，其主要成分最好是丁烷。所谓的主成分是指在混合体中其含量的摩尔比是最多的。这种混合体中丁烷的含有量在50摩尔％以上时，通过加上0.2MPa程度的压力，就可以使这混合体在室温(25℃)下容易的液化。因而树脂制的密闭容器等简单的密闭容器就可以储存此混合体，还有，通过从密闭容器供应此混合体给燃料电池装置，可以容易的气化。
例如，丁烷90摩尔％和丙烷10摩尔％的混合体，可在室温(25℃)、0.2MPa的压力条件下液化。通过供应此混合体给燃料电池装置，在室温下立即可以气化。因此，以丁烷为主成分的碳元素数在5以下的碳氢化合物的混合体除其具有良好的储存性和搬运性外，还因为其容易被气化，所以适合于本发明的燃料电池装置。
碳氢化合物的混合体中，即使含有前述的饱和碳氢化合物和不饱和碳氢化合物也是可以的。还有，碳氢化合物的混合体中，虽然可以以任意的比率含有饱和的碳氢化合物和不饱和的碳氢化合物，但作为主成分丁烷的含有量最好在50摩尔％以上。还有为了使碳氢化合物混合体液化和气化可以顺利的进行，丁烷的含有量最好在80摩尔％以上。
(8)式所示的是作为碳氢化合物使用丁烷的场合的分解反应式。(8)式的标准焓变化是125.6kJmol-1。因为这是一个吸热反应，所以必须供热给分解反应器。这个热量可以从氧化反应器来供给。也就是说，在氧化反应器内，通过碳氢化合物或者是氢的氧化反应得到的热量，通过热传导媒体而传到分解反应器内。
(8)本发明的分解反应器内备有的，对碳氢化合物分解成氢和碳的分解反应具有活性的催化剂可以使用镍或者是镍的化合物。例如，作为催化剂，可以使用金属镍(Ni)或氧化镍(NiO)或者是金属镍(Ni)和氧化镍(NiO)的混合物。还有，也有可以使用通过使Ni或是NiO含有铝(Al)后，再除去其中一部分Al，使Ni或是NiO的表面积变大的混合物。也可以使用含有Al或者是硫化镍(NiS)的Ni或是NiO的催化剂。还有可使用在Ni或是NiO中使之含有锡(Sn)，铅(Pb)，锰(Mn)，钼(Mo)，银(Ag)，铬(Cr)，铁(Fe)，钴(Co)或铜(Cu)等元素的催化剂。
通过供应适当的热量给具备有催化剂的分解反应器，同时加入碳氢化合物，即使是在1000℃以下也可以使碳氢化合物发生分解反应。这里分解反应的温度，依存于催化剂的种类及其表面积。催化剂的表面积，可以通过使用载体如碳化硅，氧化硅或者是氧化铝等载着镍或是镍的化合物的粒子而使得表面积增大。表面积大的催化剂，对分解反应具有较高的活性，所以适合于用于本发明的分解反应器内的催化剂。
氧化反应器是具备有催化剂的比如用金属制的容器，催化剂可以使碳氢化合物或者是氢发生燃烧。作为催化剂，可以使用镍，铬或者是白金族金属元素，或者是这些元素的化合物等。在这些物质中选择其中二个以上组合使用也是可能的。
可以使用氧化铝等陶瓷类的载体承载氧化反应器内催化剂的微粒子，从而使催化剂的利用效率得到提高。还有通过增大载体的表面积也可以提高催化剂的利用效率。例如，可以使用通过烧结粒子体而制成的多孔质的陶瓷或是蜂窝状的陶瓷。
在本发明的燃料电池装置的分解反应器内，可以通过供应醇类或者是醚类等分子内含有氧的有机化合物来生成氢。但是，这些有机化合物在通过催化剂的分解过程中，分子内的氧与碳结合有生成一氧化碳的可能性。因此，供给分解反应器内的有机化合物，最好是分子内不含有氧元素的。
分解反应器内有氧存在时，在分解过程中有生成一氧化碳的可能性。因此，供给分解反应器的有机化合物最好是处在脱氧状态。还有，当有机化合物中含有水份时，由于会发生水蒸气的改性反应有生成一氧化碳的可能性，因此也是不好的。
在本发明的燃料电池装置中使用的燃料电池的单电池的电解质，可以便用高分子膜，含浸有碱或酸的基体材料，熔融碳酸盐或是固体氧化物等。高分子的电解质膜，在100℃以下的温度下，可以作为电解质而起作用，因此适合于在比较低的温度条件下使燃料电池工作。例如，作为高分子电解质膜可以使用由全氟磺酸树脂制成的膜。这种膜在室混下显示了高质子传导性能。使用这种膜作为电解质的燃料电池，称之为固体高分子形燃料电池。
本发明的燃料电池装置是高能量密度的，因此这种装置最好作为电子机器的电源。由于这种燃料电池装置的能量密度是根据碳氢化合物的量来决定的，所以可以根据电子机器的种类来选择碳氢化合物的搭载量。通过根据电子机器的电力消费量及工作时间来改变碳氢化合物的搭载量，可以使电子机器小型化，轻量化。例如，用作移动电话，剃须刀等比较小型的充电器的电源的场合，可以减少碳氢化合物的搭载量，另一方面当是用作电动工具等比较大型的充电器的电源的场合，可以增加碳氢化合物的搭载量。还有，在移动式电脑等消费电力比较大的电子机器连续使用的场合，通过对燃料电池装置补给碳氢化合物而使得电子机器得以长时间的工作。
关于本发明的燃料电池装置，基于图例给予具体的说明。图1显示了本发明的燃料电池装置的断面的模式图。在图1中，1是储存器，2是分解反应器，3是分解反应器的绝热材料，4是燃料管，5是燃料阀，6是一体型的储存器和分解反应器，7是氧化反应器，8是氧化反应器的绝热材料，9是燃料电池，10是热交换体，11是氢供给管，12是排出氢的导入管，13是空气导入管，14是排出管。
本发明的燃料电池装置的主要构成部件是储存器1，分解反应器2，氧化反应器7和燃料电池9。储存器1和分解反应器2通过燃料管4连接在一起。通过这根接续管4，从储存器1供给碳氢化合物给分解反应器2。在燃料管4里面设置有燃料阀。通过这个燃料阀5来控制燃料的供给量。
通过热交换体10的媒介，从氧化反应器7供热给分解反应器2。在分解反应器2及氧化反应器7内分别设置有分解反应器的绝热材料3及氧化反应器的绝热材料8，用于防止热量损失到燃料电池装置的外面。
供应到分解反应器2内的碳氢化合物，通过催化剂被分解成碳和氢。因碳是在催化剂上面生成，所以在分解反应器2内积蓄，而氢则通过氢供给管11供应到燃料电池9，然后在燃料电池9发生电化学反应而被氧化。通过此电化学反应可以在燃料电池9上产生电力。供应到燃料电池9的氢，有一部分并没有被电化学氧化。没有被氧化的氢通过排出氢的导入管12，从燃料电池9导入到氧化反应器7内后，在氧化反应器7内通过催化燃烧后被氧化。在这个氧化反应中利用了通过空气导入管13导入到氧化反应器7内的空气。在氧化反应器7内通过氢的催化燃烧而产生热量，这个热量则如上所述，通过热交换体10的媒介供给分解反应器2。
本发明的燃料电池装置，通过供给作为燃料的碳氢化合物而发电。通过这种燃料电池装置提供的电力供应，当储存器1内的碳氢化合物的量消耗尽时而终止。此后，当储存器1内的碳氢化合物得到补充后，再次开始电力供应。另一方面，在分解反应器2内由于碳氢化合物的分解而生成的碳不断积蓄。由于碳的积蓄，而使对碳氢化合物分解成氢和碳的分解反应有活性的催化剂的作用降低。这个结果，使碳氢化合物的分解反应受到妨害。因此，为了使燃料电池装置可以连续的供应电力，在分解反应器2内积蓄的碳必须除去。
从分解反应器2内除去碳的方法有，通过向分解反应器内供给空气(氧气)的同时，进行加热，使碳氧化成二氧化碳的方法。但是这个方法，不但操作方法复杂，而且也不能使燃料电池装置可以连续的供应电力。相对于此，在本发明的燃料电池装置中，通过交换分解反应器，从而使电力的连续供应成为可能。
还有，本发明的燃料电池装置最好是使用在携带用的电子机器上。在携带用的电子机器上使用的燃料电池装置是在很小的空间中密集地配置着细小的零部件，因此，在分解反应器进行加热时，无法避免把热传导至周围的零部件及随此而造成周围零部件的损伤。也就是说，在现有的技术下，分解反应器与燃料电池装置是结合在一起的，实质上是不可能进行通过向分解反应器内送入空气，同时进行加热而使碳燃烧的操作的。根据本发明，因为可以解决这样的问题，所以把本发明用在携带用的电子机器上可以得到显著的效果。
还有，在本发明的燃料电池装置中，分解反应器与储存器是一体型的，通过交换此一体型的部件，可以使得连续的电力供应成为可能。储存器和分解反应器的一体型部件的分离或者结合，通过一次的操作就能完成。例如，可以通过把储存器和分解反应器的一体型部件插入燃料电池装置内结合在一起，相反，也可以通过把储存器和分解反应器的一体型部件从燃料电池装置上拔下来而使之分离。这样的结合及分离的操作，可以通过在燃料电池装置上设置诱导装置而使之变得非常简便。因此储存器和分解反应器的一体型部件的交换可以在短时间内完成。
储存器，分解反应器，及一体型的储存器和分解反应器等可以与燃料电池装置进行可逆性的分离及结合的部分称之为分离部，在燃料电池装置上可以装入此分离部的部位称之为装着部。接下来对诱导装置进行说明。作为诱导装置，例如，可以使用在燃料电池装置的装着部上加工一条槽，而在分离部上则形成与此槽相对应的突起的方法。这个方法是把分离部的突起对着装着部的槽，通过沿着槽进行滑动就可以使分离部的分离和结合可以简单的完成。或者是，可以使用在装着部或者是分离部的其中一方加工棒状的突起，而在另一方加工插入此突起的孔，从而通过滑动使突起可以插入孔的方法的诱导装置。还有，对于装着部和分离部，在一方加工成凹部，而在另一方则加工成凸部，使这凹凸的部分合起来的方法也可以作为诱导装置来使用。通过设置成对的槽和突起，棒状的突起和孔或者是凹凸部等诱导装置在装着部和分离部上，使分离部和燃料电池装置的分离和结合可以简单的进行。还有，设置诱导装置的方法并不只限于前述的方法，只要是能使储存器，分解反应器，及一体型的储存器和分解反应器可以诱导到装着部的固定位置上的其他方法也是可以的。
根据本发明的燃料电池装置，储存器，分解反应器，及一体型的储存器和分解反应器的分离和结合可以变得简便。通过此简便性的提高，装置的使用方法变得富有多样性。例如，在储存器内的碳氢化合物消耗完的场合，可以通过从燃料电池装置上分离出储存器后，结合上充填了碳氢化合物的新的储存器的交换方法，从而使装置可以连续的使用。还有，通过对此分离出来的储存器进行补充碳氢化合物后再次与燃料电池装置结合的再生操作，也可以使装置连续工作。通过对数个储存器的循环使用，不但不会损害燃料电池装置连续使用的便利性，而且还可以得到使储存器不成为废弃物的利点。因此，可以制成环境负荷少，而且经济的燃料电池装置。另一方面，在分解反应器内积蓄了碳的场合，通过把此分解反应器从燃料电池装置上分离后，结合上新的分解反应器的交换操作，从而使装置可以连续使用。还有，通过对此分离出来的分解反应器除去碳，或是把此分解反应器内的催化剂更换成新的催化剂再次与燃料电池装置结合的再生操作，也可以使装置连续工作。通过对数个分解反应器的循环使用，不但不会损害燃料电池装置连续使用的便利性，而且还不会使得分解反应器成为废弃物，因此，可以也可以制成环境负荷少，而且经济的燃料电池装置。还有，当是一体型的储存器和分解反应器的场合，通过对此一体型的部件从燃料电池装置上分离后，进行储存器及分解反应器的交换操作或者是再生操作，从而使装置可以连续的工作。把从燃料电池装置上分离下来的一体型部件分解成储存器和分解反应器后，可以分别实施其再生操作。
图2具体的说明了一体型的储存器和分解反应器的构成。图2是从本发明的燃料电池装置上分离出来的一体型储存器和分解反应器的分离状态的断面的模式图。一体型储存器和分解反应器6的主要的构成部件是储存器1和分解反应器2，分解反应器2上覆盖有绝热材料3。这个绝热材料3是设置在储存器1与分解反应器2之间的，因此分解反应器2的热量不会过剩的传达到储存器1上。
还有在一体型的储存器和分解反应器的场合，分解反应器2的体积和储存器1的体积的比值，最好在0.30至0.67之间。当此值比0.30小的场合，分解反应器2内生成的碳的充满密度会过高，因此会妨害碳氢化合物类分解反应的顺利进行。另一方面，当此值在0.67以上的场合，一体型的储存器和分解反应器的体积会过大，因此燃料电池装置的能量密度会降低。在本发明的燃料电池装置中，通过交换一体型的储存器和分解反应器，而使得连续的电力供应成为可能。
在本发明的燃料电池装置中，储存器和分解反应器不但可以交换它们的一体型部件，而且还可以只交换储存器或者是分解反应器的其中一方。在这种场合，只要使储存器和分解反应器不成为一体型，而是分别以独立的状态与燃料电池装置连接在一起就可以了。
图1及图2所示的燃料电池9是由单电池1个或者是数个构成的。图3所示的是燃料电池9的单电池的断面的模式图。在图3之中，21是单电池，22是电解质，23是阳极，24是阴极，25是阳极的集电体，26是阴极的集电体，27是外部负荷。
单电池21中，具备有在电解质22的一面为阳极23，及在另一面的阴极24。在阳极23和阴极24上分别具备有阳极集电体25和阴极集电体26。阳极集电体25和阴极集电体26通过外部负荷27的媒介而可导电地连接在一起。
在阳极23上，如反应式(1)式所示，氢被电化学氧化。在这个反应中生成的电子，经过阳极集电体25，外部负荷27及阴极集电体26传导到阴极24上。然后，在阴极24上，如反应式(2)式所示氧被电化学还原。也就是说，这个单电池21是使氢和氧发生电化学反应的电化学装置。
在燃料电池9是由复数个单电池21构成的场合，根据所使用的电子机器的消费电力及工作电压，可以把单电池21并联或者是串联，或者是并联与串联混合起来连接在一起。通过单电池21的并联连接，可以制成适合于获得大电流的燃料电池装置。还有，通过单电池21的串联连接，可以制成适合于获得高电压的燃料电池装置。
根据本发明的燃料电池装置，可以从作为燃料的碳氢化合物获得电力。从碳氢化合物生成的氢供应给燃料电池9，因为不含有会毒化燃料电池电极的催化剂，因此可以提高燃料电池的工作电压。从碳氢化合物生成氢的反应中，因利用了从燃料电池排出的氢，从而提高了燃料电池装置全体的热效率。因此可以提供一种小型的高能量密度的燃料电池装置。
本发明的燃料电池装置的特征如下。
1.在具备有燃料电池，和含有对碳氢化合物的分解反应有活性的催化剂的分解反应器的燃料电池装置中，其特征是，上述分解反应器可以与上述的燃料电池装置进行可逆性的分离及结合。即是分解反应器可以与燃料电池装置进行可逆性的分离及结合，或者是一体型的储存器和分解反应器可以与燃料电池装置进行可逆性的分离及结合的燃料电池装置。
2.作为碳氢化合物以使用丁烷为特征。还有，碳氢化合物是碳元素数在5以下的碳氢化合物的混合体，其主要成分要求是丁烷。
3.分解反应器的体积和储存器的体积的比值在0.30与0.67之间。
4.分解反应器内备有的催化剂是镍或者是镍的化合物。
5.氧化反应器内备有的催化剂至少是从镍，铬，白金族金属或者是这些金属的化合物的组群中选择的一种。
6.燃料电池是固体高分子形燃料电池。
7.燃料电池至少具备有2个以上的单电池，这些单电池是以并联或者是串联的方式电连接的。
实施例以下通过合适的实施例来说明本发明。
实施例1本发明的燃料电池装置的具体例作如下说明。把碳化硅的粒子含浸在Ni(NO3)2的水溶液中后，通过对其干燥，烧成及氢气还原后，使镍的微粒子承载在碳化硅上。镍的承载量是当碳化硅的质量为100％时约为5质量％。把承载着镍的碳化硅约15g充填在不锈钢制的容器内。容器的内部容积约设定为200cm3。把此容器作为碳氢化合物的分解反应器。在储存器内充填有液化丁烷180g。此储存器的内部容积约设定为300cm3。然后以此来构成一体型的储存器和分解反应器。
氧化铝的粒子在含浸在Pt(NH3)4(ON)2的水溶液中后，通过干燥，烧成及氢气还原后，使氧化铝承载有白金的微粒子。白金的承载量是当氧化铝的质量为100％时约为3质量％。把承载有白金的氧化铝约50g充填在不锈钢制的，内部容积约为40cm3的容器内。把此容器作为具备有对碳氢化合物或者是氢的氧化反应有活性的催化剂的氧化反应器。
在作为燃料电池装置的框架内，在设置完氧化反应器及20W级的燃料电池后，结合一体型的储存器和分解反应器，构成燃料电池装置。根据下面的步骤，使这燃料电池装置工作。
首先，开始对氧化反应器供给丁烷和空气。丁烷的供给量设定为10ml min-1，这样经过约10分钟后，停止从储存器供应丁烷给氧化反应器。这时，因为热量从氧化反应器传导到分解反应器，所以分解反应器的温度达到了丁烷分解成氢和碳的温度。
接着，打开设置在燃料管内的燃料阀，开始从储存器供应丁烷给分解反应器。30秒后，通过把燃料电池连接到负荷上，使之发生20W的输出。这时，通过调节燃料阀，以约为50ml min-1的量供应丁烷给分解反应器。在这个条件下，使此燃料电池装置以20W的输出能够连续稳定工作21小时。此后，由于燃料电池的输出变得不安定，而切断燃料电池的负荷，使发电停止。
根据实施例1，确认了利用一体型的储存丁烷的储存器，和充填了承载镍的碳化硅的分解反应器的本发明的燃料电池装置，可以作为小型的电源加于利用。
实施例2从实施例1中停止工作的燃料电池装置上，分离出一体型的储存器和分解反应器。然后，使用与实施例1相同的一体型的新的储存器和分解反应器再次与燃料电池结合。接着通过打开燃料阀，以约50mlmin-1的量供给丁烷。经过30秒钟后，通过把燃料电池连接到负荷上，使之发生20W的输出。在这个条件下，使此燃料电池装置以20W的输出能够连续稳定工作21.7小时。此后，由于燃料电池的输出变得不安定，而切断燃料电池的负荷，使发电停止。
根据实施例2，确认了使用一体型的充填有丁烷的储存器和分解反应器的本发明的燃料电池装置，通过交换一体型的储存器和分解反应器，而使装置的反复使用成为可能。
实施例3具备有液化丁烷180g的储存器，和具备有承载镍的碳化硅7.5g的不锈钢制的分解反应器，和具有对氧化反应有活性的催化剂的氧化反应器，和燃料电池构成了燃料电池装置。这里的储存器，分解反应器和氧化反应器的内部容积分别设定为300cm3，100cm3及40cm3。这里的储存器，分解反应器及氧化反应器的制法是与实施例1相同的，这里的分解反应器的内部容积为实施例1的场合的1/2。这里的储存器和分解反应器因为是独立的构造体，所以分解反应器可以单独进行分离或者结合。
与实施例1相同的步骤，使燃料电池装置工作。首先，开始对氧化反应器供给丁烷和空气。丁烷的供给量设定为10ml min-1，这样经过约10分钟后，停止从储存器供应丁烷给氧化反应器。这时，因为热量从氧化反应器传导到分解反应器，所以分解反应器的温度达到了丁烷分解成氢和碳的温度。接着，打开设置在燃料管内的燃料阀，开始从储存器供应丁烷给分解反应器。30秒后，通过把燃料电池连接到负荷上，使之发生20W的输出。这时，通过调节燃料阀，以约为50mlmin-1的量供应丁烷给分解反应器。在这个条件下，使此燃料电池装置以20W的输出功率安定工作10小时后停止工作。
接着，从燃料电池装置上分离出分解反应器后，再次结合上具备有承载镍的碳化硅约7.5g的别的分解反应器。然后接着通过打开燃料阀，以约50ml min-1的流量供给丁烷。经过30秒钟后，通过把燃料电池连接到负荷上，使之发生20W的输出。在这个条件下，使此燃料电池装置以20W的输出能够连续工作11小时。此后，由于燃料电池的输出变得不安定，而切断燃料电池的负荷，使发电停止。
通过实施例3所示的试验，确认了通过只交换具备有承载镍的碳化硅的分解反应器，也可以使得燃料电池装置的反复使用成为可能。
比较例1作为比较例1，构成了具备有液化丁烷180g的储存器，和具备有承载镍的碳化硅15g的不锈钢制的分解反应器，和具有对氧化反应有活性的催化剂的氧化反应器，和燃料电池的燃料电池装置。这里的储存器，分解反应器和氧化反应器的内部容积分别设定为300cm3，200cm3及40cm3。这里的储存器和分解反应器使之不能进行可逆性的分离及结合，而使之固定在燃料电池装置上。还有，承载镍的碳化硅和对氧化反应有活性的催化剂的制造是与实施例1相同的步骤进行的。
与实施例1相同的步骤，使燃料电池装置工作。首先，开始对氧化反应器供给丁烷和空气。丁烷的供给量设定为10ml min-1，这样经过约10分钟后，停止从储存器供应丁烷给氧化反应器。这时，因为热量从氧化反应器传导到分解反应器，所以分解反应器的温度达到了丁烷分解成氢和碳的温度。接着，打开设置在燃料管内的燃料阀，开始从储存器供应丁烷给分解反应器。30秒后，通过把燃料电池连接到负荷上，使之发生20W的输出。这时，通过调节燃料阀，以约为50mlmin-1的量供应丁烷给分解反应器。在这个条件下，使此燃料电池装置以20W的输出稳定工作了21小时。此后，由于燃料电池的输出变得不安定，而切断燃料电池的负荷，使发电停止。接着，实施了为使燃料电池装置重新起动的操作。即，在装置的分解反应器加热到700℃的状态下，通过流通氧气300分钟，除去蓄积的碳后，把180g的丁烷补充到储存器内。在经过这种重新起动的操作(碳的除去和丁烷的补充)后，再在前述的条件下使装置重新工作。这时的工作时间为19.2小时。在比较例1的装置中，可以知道不但重新起动的操作非常的复杂，而且工作时间还缩短了约8.6％。这个工作时间的缩短，起因于分解反应中生成的氢的降低，这种降低，是由于分解反应器固定在装置上，而使得为除去积蓄的碳的温度不能保持在最优化的条件。从这个结果，可以明白本发明的燃料电池装置的便利性和优良性能。
权利要求
1.一种燃料电池装置，具备燃料电池和，备有对碳氢化合物的分解反应有活性的催化剂的分解反应器，其特征是，上述分解反应器可以与上述燃料电池装置进行可逆的分离及结合。
2.在具备储存碳氢化合物的储存器的权利要求1中所记述的燃料电池装置中，其特征是上述储存器和上述分解反应器为一体型的。
3.在具备储存碳氢化合物的储存器的权利要求1中所记述的燃料电池装置中，其特征是上述储存器和上述分解反应器可以分别与上述燃料电池装置分离及结合。
4.在权利要求1至3中记述的燃料电池装置的使用方法中，其特征是在把分解反应器从上述燃料电池装置上分离后，再把别的分解反应器结合到上述的燃料电池装置上。
5.在权利要求1至3中记述的燃料电池装置的使用方法中，其特征是从上述燃料电池装置上把上述分解反应器分离下来，除去上述分解反应器中的碳后，再把上述分解反应器与上述燃料电池装置相结合。
6.权利要求1至3中记述的燃料电池装置的特征是用于携带式电子机器的。
全文摘要
本发明是，在具备燃料电池，和具有对碳氢化合物(烃)的分解反应具有活性的催化剂的分解反应器的燃料电池装置上，上述分解反应器可以与上述燃料电池装置进行可逆性的分离及结合为持征的。
文档编号H01M8/00GK1691385SQ20041003867
公开日2005年11月2日 申请日期2004年4月28日 优先权日2004年4月28日
发明者户塚和秀 申请人:日本电池株式会社