附有转化器的燃料电池的制作方法

专利名称：附有转化器的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，特别涉及与对含氢材料进行转化(reform)生成氢气的转化器(reformer)一体形成的附有转化器的燃料电池。
背景技术：
随着环境问题和能源问题的日益严重，氢有望作为能够替代石油的新能源。由于氢无法直接作为能源使用，所以必须找到以氢为媒介的新系统，以氢为燃料的燃料电池正倍受瞩目。
燃料电池虽然较小，但具有40％以上的高发电效率，具有即使是负载很小的时候也可以与额定运转时同样的高效率运转的优良特性。燃料电池不产生二氧化碳气体和氮化氧气体，且不会发出发电器那样的噪音和振动。此外，燃料电池还具有以温水或水蒸气的形式回收废热的优点。
如上所述，燃料电池被期待作为高效环保的发电装置、能源供给装置用于各种用途。例如，多层住宅、办公楼、宾馆、医院等的数百kW级的电热供给系统，轿车或公共汽车等交通工具的动力用电源，数kW的家用电源，数十W的电器用电源等用途，这些领域中的实用化研究正积极地进行中。
燃料电池以氢为燃料，但其课题是安全且稳定地供给作为燃料的氢。汽车用燃料电池需具备小型轻量、1次充填下的最大行程长、充填的操作简单等条件，考虑了这些条件的多种供氢方法被提出。例如，以压缩氢、液氢的形式直接供氢的方法，或者由吸氢合金或纳米碳管等吸氢材料供氢的方法，或者对甲醇或烃类进行转化而供氢的方法。
专利文献1日本专利特开2002-211902号公报专利文献2日本专利特开2002-246055号公报发明的揭示对烃类进行转化而供氢的方法由于在由石油系燃料至氢燃料的过渡时期能够维持现有的环境并可长期使用，所以倍受瞩目。
但是，汽车用燃料电池要在车上进行转化处理，所以必须分别搭载燃料电池和转化器，存在收纳场所的问题、重量的问题、作为系统的复杂化问题等。此外，转化反应由于伴随高温，所以可能会发生各种各样的问题。
作为压缩氢气直接供氢的方法被用于汽车用燃料电池时，由于无需搭载上述转化器，所以具有系统简单化的优点，开发了轻量的高压氢槽，骤然成为焦点。
但是，在汽车上搭载高压氢槽时，如果考虑到发生碰撞等意外的情况，则存在安全隐患。此外，在修理站供氢时必须密切注意以确保安全性。
本发明的目的是提供安全隐患少、可作为简单的系统实现、同时能够解决放热的问题的附有转化器的燃料电池。
上述目的可利用下述附有转化器的燃料电池实现，该附有转化器的燃料电池具备包含用于对含氢材料进行转化的催化剂材料的转化单元，流动含氧空气的空气单元，被夹在前述转化单元和前述空气单元之间、由质子导电体或氧离子导电体形成的固体电解质层，形成于前述固体电解质层的朝向前述转化单元的面的第1电极层，形成于前述固体电解质层的朝向前述空气单元的面的第2电极层；由前述第1电极层和前述第2电极层输出电能。本实施例中，空气是指成为氧源的气体，包括空气或氧和氮等惰性气体的混合物。
此外，可利用下述附有转化器的燃料电池实现上述目的，该附有转化器的燃料电池具备由多个第1中空区段和多个第2中空区段互相邻接形成的质子导电体构成的固体电解质基体，在前述第1中空区段中填入用于转化含氢材料的催化剂、特别是脱氢反应的催化剂而形成的被导入前述含氢材料的转化单元，由前述第2中空区段形成的被导入空气的空气单元，形成于前述转化单元的内壁的第1电极层和形成于前述空气单元的内壁的第2电极层；由前述第1电极层和前述第2电极层输出电能。
上述附有转化器的燃料电池中，前述转化单元中的前述含氢材料的流向和前述空气单元中的前述空气的流向可以相反。
上述附有转化器的燃料电池中，前述固体电解质基体具有前述第1及第2中空区段的一端所在的第1端面和前述第1及第2中空区段的另一端所在的第2端面，还可具有被配设于前述固体电解质基体的前述第1端面侧、向前述第1端面侧起始的前述第1中空区段导入或排出流体及/或向前述第1端面侧起始的前述第2中空区段导入或排出流体的第1分配构造体，以及被配设于前述固体电解质基体的前述第2端面侧、从前述第2端面侧起始的前述第1中空区段排出或导入流体及/或从前述第2端面侧起始的前述第2中空区段排出或导入流体的第2分配构造体。
此外，可利用下述附有转化器的燃料电池实现上述目的，该附有转化器的燃料电池具备由多个第1中空区段、多个第2中空区段和多个第3中空区段互相邻接形成的质子导电体或氧离子导电体构成的固体电解质基体，在前述第1中空区段中填入用于转化含氢材料的催化剂、特别是脱氢反应的催化剂而形成的被导入含氢材料的转化单元，由前述第2中空区段形成的被导入空气的空气单元，由前述第3中空区段形成的、被导入通过前述转化单元中的前述含氢材料的转化而生成的氢的氢单元，形成于前述氢单元的内壁的第1电极层、形成于前述空气单元的内壁的第2电极层；由前述第1电极层和前述第2电极层输出电能。
上述附有转化器的燃料电池中，前述固体电解质基体具有前述第1～第3中空区段的一端所在的第1端面和前述第1～第3中空区段的另一端所在的第2端面，还可具有被配设于前述固体电解质基体的前述第1端面侧、向前述第1端面侧起始的前述第1中空区段导入或排出流体、向前述第1端面侧起始的前述第2中空区段导入或排出流体及/或向前述第1端面侧起始的前述第3中空区段导入或排出流体的第1分配构造体，以及被配设于前述固体电解质基体的前述第2端面侧、从前述第2端面侧起始的前述第1中空区段排出或导入流体、从前述第2端面侧起始的前述第2中空区段排出或导入流体及/或从前述第2端面侧起始的前述第3中空区段排出或导入流体的第2分配构造体。
上述附有转化器的燃料电池中，前述中空区段可以是具有三角形、四角形、五角形、六角形、八角形或圆形的截面的中空柱状区段。
上述附有转化器的燃料电池中，前述转化单元、前述空气单元或前述氢单元的一部分可以是与反应无关的预备单元。
如上所述，本发明由于具备包含用于对含氢材料进行转化的催化剂材料的转化单元、流动含氧空气的空气单元、被夹在转化单元和空气单元之间的由质子导电体或氧离子导电体形成的固体电解质层、形成于固体电解质层的朝向转化单元的面的第1电极层及形成于固体电解质层的朝向空气单元的面的第2电极层，由第1电极层和前述第2电极层输出电能，所以能够大幅简化装置构成实现小型化，同时由燃料电池反应产生的热可作为含有机氢化物或烃的物质的转化反应的热源使用。藉此，能够构建能源利用率优良的系统。
附图的简单说明

图1为车载转化型燃料电池车的构成的简单示意图。
图2为高压氢槽搭载型燃料电池车的构成的简单示意图。
图3为搭载了转化器和燃料电池一体化的附有转化器的燃料电池的燃料电池车的构成的简单示意图。
图4为本发明的附有转化器的燃料电池的原理说明图。
图5为本发明的实施方式1的附有转化器的燃料电池中的单元的单位结构、物质及热量的转移的简单示意图。
图6为表示本发明的实施方式1的附有转化器的燃料电池中的单元的排列结构、物质及热量的转移的平面图。
图7为本发明的实施方式1的附有转化器的燃料电池的结构的简单示意图。
图8为本发明的实施方式2的附有转化器的燃料电池中的单元的单位结构、物质及热量的转移的简单示意图。
图9为表示本发明的实施方式2的附有转化器的燃料电池中的单元的排列结构、物质及热量的转移的平面图。
图10为本发明的实施方式2的附有转化器的燃料电池的结构的简单示意图。
图11为本发明的实施方式3的附有转化器的燃料电池中的单元的单位结构、物质及热量的转移的简单示意图。
图12为表示本发明的实施方式3的附有转化器的燃料电池中的单元的排列结构、物质及热量的转移的平面图。
图13为本发明的实施方式3的附有转化器的燃料电池的结构的简单示意图。
图14为本发明的实施方式4的附有转化器的燃料电池中的单元的单位结构、物质及热量的转移的简单示意图。
图15为表示本发明的实施方式4的附有转化器的燃料电池中的单元的排列结构、物质及热量的转移的平面图。
图16为本发明的实施方式4的附有转化器的燃料电池的结构的简单示意图。
图17为表示本发明的实施方式5的附有转化器的燃料电池中的单元的排列结构、物质及热量的转移的平面图。
符号说明10为燃料系，12为转化系，14为电力·发电系，16为驱动系，18为燃料箱，20为回收槽，22为燃料泵，24为转化器，26为分离器，28为热交换器，30为燃料电池，32为控制器，34为辅助电源，36为车轮，38为发动机，40为燃料系，42为高压氢槽，44为燃料系，46为电力·发电系，48为附有转化器的燃料电池，50为催化剂，52为转化层，54为第1电极层，56为固体电解质层，58为第2电极层，60为空间层，62为固体电解质基体，64为转化单元，66为空气单元，68为第1电极层，70为催化剂，72为第2电极层，74为第1集气管(header)，74a为第1通气管(stack)，74b为第2通气管，76为第2集气管，76a为第1通气管，76b为第2通气管，78为导入口，80为排出口，82为通气路径，84为通气路径，86为通气路径，88为通气路径，90为排出口，92为导入口，94为通气路径，96为通气路径，98为通气路径，100为通气路径，102为固体电解质基体，104为转化单元，106为空气单元，108为氢单元，110为第1集气管，112为第2集气管，114为导入口，116为导入口，118为排出口，120为通气路径，122为通气路径，124为通气路径，126为通气路径，128为通气路径，130为通气路径，132为排出口，134为排出口，136为导入口，138为通气路径，140为通气路径，142为通气路径，144为通气路径，146为通气路径，148为通气路径，150为预备单元。
实施发明的最佳方式[本发明的技术背景及原理](本发明的技术背景)本发明的附有转化器的燃料电池是基于下述技术背景而获得的电池。
作为以往的搭载了燃料电池的汽车的构造，因燃料电池所消耗的氢的供给方法的不同而设想图1及图2所示的类型的2种具有代表性的类型。
图1为同时搭载了燃料电池及对有机氢化物进行转化而生成供给燃料电池的氢的转化器的燃料电池车的结构的简单示意图。这种情况下，燃料电池车的基本构成分为燃料系10、转化系12、电力·发电系14及驱动系16。
燃料系10中设置了储存有机氢化物的燃料箱18、回收通过转化系12中的有机氢化物的脱氢化而生成的脱氢化物的回收槽20。此外，设置了将储存于燃料箱18中的有机氢化物供给转化系12的燃料泵22。
转化系12中设置了利用催化剂和热的作用对由燃料系10供给的有机氢化物进行脱氢化处理的转化器24，以及将在转化器24中产生的气体分离为氢气和脱氢化物液体的分离器26。此外，设置了利用在转化器24中产生的有机氢化物的脱氢化物的热量对由燃料系10供给的有机氢化物进行加热的热交换器28。
电力·发电系14中设置了消耗由转化系12供给的氢而产生电力的燃料电池30和进行驱动系16的控制等的控制器32。此外，设置了辅助电源34。
驱动系16中设置了利用燃料电池30产生的电力使车轮36中的驱动轮旋转的发动机38。
图1所示的搭载了转化器24的车载转化型燃料电池车因为转化系12的存在，存在系统及其装配变得复杂和制造成本提高等缺点。
图2为同时搭载了燃料电池和储存供给燃料电池的氢的高压氢槽的燃料电池车的结构的简单示意图。这种情况下，燃料电池车的基本构成分为燃料系40、电力·发电系14及驱动系16。
燃料系40中设置了储存有燃料电池30所消耗的氢的高压氢槽42。
电力·发电系14及驱动系16的构成与图1所示的搭载了转化器24的燃料电池车的构成基本相同。
如图2所示，搭载了高压氢槽42的燃料电池车为由高压氢槽直接向燃料电池30供氢的构成。即，不需要图1所示的车载转化型燃料电池车所必须的转化系12。这样搭载了高压氢槽42的燃料电池车与搭载了转化器24的车载转化型燃料电池车相比，其系统变得简单，因此迅速成为主流。
但是如前所述，汽车上搭载高压氢槽时，如果考虑到碰撞等意外，则存在安全隐患。此外，在修理站供氢时也必须密切注意以确保安全性。
因此，车载转化型燃料电池车如果能够构筑与高压氢槽搭载型燃料电池车同样简单的系统，则从安全性、现有设备的可利用性这样的基本要求考虑，车载转化型燃料电池车比高压氢槽搭载型燃料电池车更能够成为主流。
例如，如果能够将车载转化型燃料电池车中的转化器和燃料电池一体化，则能够大幅简化燃料电池车的构成要素。
图3为搭载了转化器和燃料电池一体化的附有转化器的燃料电池的燃料电池车的结构的简单示意图。这种情况下，燃料电池车的基本构成分为燃料系44、电力·发电系46及驱动系16。
燃料系44中例如设置了具备收纳有机氢化物的第1室和收纳分解了有机氢化物后的脱氢化物的第2室、通过使前述第1室和前述第2室的体积比可自由变化的隔壁将前述第1室和第2室分开的燃料箱46。通过使用该燃料箱46，能够有效地收纳有机氢化物及其脱氢化物，与燃料系使用高压氢槽时相比，能够实现同等甚至更高程度的燃料系的小型化和节省空间化。此外，与燃料系使用高压氢槽时相比，能够确保更高的安全性。具有上述结构的燃料箱在本发明者的日本专利特愿2003-43154号说明书中有详述。
此外，电力·发电系46中如果可使用转化器和燃料电池一体化的附有转化器的燃料电池48，则不仅能够确保高安全性，还可以低成本制得具有简单的结构的燃料电池车。
本发明是获得了转化器和燃料电池一体化的附有转化器的燃料电池的发明，该发明有利于燃料电池车的构成要素的简化和热效率的改善等。
(本发明的原理)以下，采用图4对本发明的附有转化器的燃料电池的原理进行说明，图4为本发明的附有转化器的燃料电池的基本构成的简单示意图。
如图4所示，本发明的附有转化器的燃料电池具备依次邻接具有脱氢反应的催化剂50、利用催化剂使导入的有机氢化物脱氢的转化层52，第1电极层54，固体电解质层56，第2电极层58和被导入作为燃料电池反应的氧源的空气的空间层60而形成的基本结构。
作为导入转化层52的有机氢化物，采用对芳烃化合物进行氢化处理而得的产物，例如，单独对苯、甲苯、二甲苯、萘等进行氢化处理或对它们的混合芳烃进行氢化处理而获得的物质，较好为碳原子数6～18的饱和脂环式烃，例如可单独或混合使用环己烷、甲基环己烷、二甲基环己烷、乙基甲基环己烷、三甲基环己烷、丙基环己烷、丁基环己烷、二乙基环己烷、异丁基环己烷、四甲基环己烷、异丙基甲基环己烷、戊基环己烷、4-叔丁基环己烷、(2，2-二甲基丙基)环己烷、五甲基环己烷、叔丁基二甲基环己烷、二异丙基环己烷、六甲基环己烷、三乙基环己烷、1-环己基己烷、1-环己基戊烷等环己烷类，四氢化萘、甲基四氢化萘、乙基四氢化萘、丙基四氢化萘、异丙基四氢化萘、二甲基四氢化萘、二乙基四氢化萘、二丙基四氢化萘、二异丙基四氢化萘、甲基乙基四氢化萘、甲基丙基四氢化萘、甲基异丙基四氢化萘、乙基丙基四氢化萘、乙基异丙基四氢化萘、丙基异丙基四氢化萘等四氢化萘类，十氢化萘、甲基十氢化萘、乙基十氢化萘、丙基十氢化萘、异丙基十氢化萘、二甲基十氢化萘、二乙基十氢化萘、二丙基十氢化萘、二异丙基十氢化萘、甲基乙基十氢化萘、甲基丙基十氢化萘、甲基异丙基十氢化萘、乙基丙基十氢化萘、乙基异丙基十氢化萘、丙基异丙基十氢化萘等十氢化萘类。
如果在转化层52中导入有机氢化物，则通过利用催化剂50和热量的作用进行的脱氢反应，有机氢化物被分解为氢和脱氢化物。例如，作为有机氢化物使用环己烷时，被分解为氢和苯。该有机氢化物的脱氢反应为吸热反应。
作为固体电解质层56使用由质子导电体形成的层时，有机氢化物被分解而生成的氢在第1电极层54中失去电子，作为质子在固体电解质层56内扩散。
这里，作为固体电解质层56的材料的质子导电体，例如可采用β-氧化铝系陶瓷、钙钛矿型质子导电体(SrTiO系、SrCeO系、BeCeYO系、M/LaZrO系、BaZrYO系、SrZrYbO系等)、氧化铝系(Mg/α-Al2O3、Na/β-Al2O3等)、各种层状氧化物(钨氧化物系、玻璃/陶瓷系等)。
此外，作为固体电解质层56的材料的质子导电体，可使用负载了超强酸的固体超强酸。例如，氧化锡负载硫酸(SO4/SnO2)、氧化锆负载硫酸(SO4/ZrO2)、氧化铪负载硫酸(SO4/HfO2)、氧化钛负载硫酸(SO4/TiO2)、氧化铝负载硫酸(SO4/Al2O3)、氧化铁负载硫酸(SO4/Fe2O3)、氧化硅负载硫酸(SO4/SiO2)等硫酸系的固体超强酸，氧化钛负载钨酸(WO3/TiO2)、氧化铁负载钨酸(WO3/Fe2O3)等钨酸系的固体超强酸，氧化锆负载氧化钼(MoO3/ZrO2)，氧化锆负载氧化硼(B2O3/ZrO2)等固体超强酸。此外，可使用这些固体超强酸上负载了0～3％的Fe、Mn、Ir、Pt、Rh、Ru、Os、Pd等金属的材料。
在固体电解质层56内扩散、到达了第2电极层58的质子在第2电极层58中与从第1电极层54流向第2电极层58的电子和被导入空间层60的空气中的氧反应而生成水。该燃料电池反应中，经常伴随不转换为电能的部分的放热或者转换成的电能因电阻而放热的放热反应。
这样在第1电极层54和第2电极层58之间有电子流过，在第1电极层54和第2电极层58之间产生电动势，由第1电极层54和第2电极层58输出电能。
此外，作为固体电解质层56，也可采用由氧离子导电体形成的层来替代由质子导电体形成的层。作为固体电解质层56的材料的氧离子导电体，例如可采用氧化钇稳定化的氧化锆(Yttria Stabilized Zirconia；YSZ)、二氧化铈系氧化物或它们的复合材料、M/LaGaO3系氧化物、Sr(Ce，Yb)O3系氧化物、BaCeO3系氧化物、钙钛矿型氧化物、(Ba，La，Sr)2In2O5系氧化物、LaCeMgO3系氧化物等。
图4所示的结构中，由于转化层52内的浓度高于空间层60，所以采用质子向空间层60转移的质子导电体比采用氧离子向转化层52转移的氧离子导电体更理想。
如上所述，本发明的附有转化器的燃料电池的主要特征之一是进行有机氢化物的脱氢反应的转化层52和进行燃料电池反应的层之间隔着固体电解质层56相邻接一体化设置。
通过象这样将转化器和燃料电池一体化与转化器和燃料电池分别独立设置时相比，能够实现装置构成的大幅简化及小型化，通过将本发明的附有转化器的燃料电池用于燃料电池车，能够简化燃料电池车的系统构成。
此外，本发明的附有转化器的燃料电池的主要特征之一是进行作为吸热反应的有机氢化物的脱氢反应的转化层52和进行伴随放热反应的燃料电池反应的层邻接设置。
通过邻接设置进行作为吸热反应的有机氢化物的转化反应的转化层52与进行伴随放热反应的燃料电池反应的层，能够将燃料电池反应释放的热量作为有机氢化物的转化反应的热源使用。此外，由于作为燃料电池被要求的发电量和转化所必须的热量存在互相增减一致的关系，所以还具有根据作为燃料电池被要求的发电量自动地使热量的产生和释放达到平衡的优点。这样，本发明的附有转化器的燃料电池能够构筑能源利用率良好的系统。
本发明以上述图4所示的层结构为基本构成，更具体来讲，通过将构成转化层52的单元和构成空间层60的单元介于构成固体电解质层56的隔壁以矩阵状配置而构成附有转化器的燃料电池。藉此，在邻接的单元间可进行氢的供给、电力的产生及热量的产生和释放，能够构成小型且能源利用率良好的系统。以下，在实施方式1～5中对本发明的附有转化器的燃料电池进行具体详述。
采用图5～图7对本发明的实施方式1的附有转化器的燃料电池进行说明。图5为本实施方式的附有转化器的燃料电池中的单元的单位结构、物质及热量的转移的简单示意图，图6为表示本实施方式的附有转化器的燃料电池中的单元的排列结构、物质及热量的转移的平面图，图7为本实施方式的附有转化器的燃料电池的结构的简单示意图。
首先，采用图5对本实施方式的附有转化器的燃料电池中的单元的单位结构进行说明。
如图5(a)及图5(b)所示，在由质子导电体构成的固体电解质基体62形成被导入有机氢化物、进行有机氢化物的脱氢反应的转化单元64，以及被导入作为燃料电池反应的氧源的空气、进行燃料电池反应的空气单元66。作为固体电解质基体62的材料可采用上述质子导电体。由质子导电体形成的固体电解质基体62例如在450～550℃左右的温度下显现出质子导电性。通过转化单元64中的有机氢化物的转化而生成氢的过程在250～450℃左右的温度下完成，本实施方式的附有转化器的燃料电池在运转时的热平衡被确保。
转化单元64及空气单元68都是从固体电解质基体62的上端面一直形成至下端面，它们是由截面为四角形、例如正方形的中空柱状区段形成的。
在转化单元64的内壁形成了第1电极层(氢极)。第1电极层68例如由金属、导电性陶瓷、导电性有机物、氧化物导电体等形成。第1电极层68可在整个转化单元64的内壁形成，也可在部分内壁形成。
在内壁形成有第1电极层68的转化单元64中填入脱氢反应的催化剂70。作为脱氢反应的催化剂70，可采用日本专利特开2001-198469号公报中记载的催化剂，即，将选自铂、钯、钌、铑、铱、镍、钴、铁、铼、钒、铬、钨、钼及铜的至少1种以上的金属负载于由选自活性炭、沸石、二氧化钛、纳米碳管、分子筛、氧化锆、中细孔二氧化硅多孔质材料、氧化铝及二氧化硅的至少1种以上形成的载体而获得的金属负载催化剂。另外，为使有机氢化物等的气体能够在转化单元64内流动，例如将粒状催化剂以其粒子间形成间隙的状态被填入转化单元64内。
这样就构成了有机氢化物气体被导入、进行将有机氢化物分解为氢和脱氢化物的转化反应的转化单元64。
在与转化单元64邻接形成的空气单元66的内壁形成了第2电极层(氧极)72。第2电极层72与形成于转化单元64内壁的第1电极层68同样，例如由金属、导电性陶瓷、导电性有机物、氧化物导电体等形成。此外，第2电极层72与第1电极层68同样，可形成于空气单元66的整个内壁，也可仅形成于内壁的一部分。
内壁形成有第2电极层72的空气单元66内是中空的，被导入空气单元66内的空气、通过燃料电池反应产生的水可在其中流动。
这样就构成了作为燃料电池反应的氧源的空气被导入、进行燃料电池反应的空气单元66。
本实施方式的附有转化器的燃料电池中，在由质子导电体形成的固体电解质基体62中形成了多个上述图5所示的转化单元64和空气单元66的单位结构。即，如图6所示，在由质子导电体形成的固体电解质基体62中以矩阵状形成了多个截面为四角形的中空柱状区段，邻接的中空柱状区段中，一方的中空柱状区段形成为转化单元64，另一方的中空柱状区段形成为空气单元66。
此外，如图7(a)所示，在形成有转化单元64及空气单元66的圆柱状固体电解质基体62的上方设置了将从下方至上方通过各个转化单元64的气体排出、并在各个空气单元66中导入空气的第1集气管74。另外，在固体电解质基体62的下方设置了在各个转化单元64中导入有机氢化物气体、并将从上方至下方通过各个空气单元66的空气等排出的第2集气管76。以下，用图7对作为分配流体的导入及排出的构造体的第1及第2集气管74、76进行详述。图7(b)为第1集气管的第1通气管的沿其圆盘面的截面图，图7(c)为第1集气管的第2通气管的沿其圆盘面的截面图，图7(d)为固体电解质基体的沿第1及第2集气管的圆盘面的截面图，图7(e)为第2集气管的第2通气管的沿其圆盘面的截面图，图7(g)为第2集气管的第1通气管的沿其圆盘面的截面图。
第1集气管74由圆盘状的第1通气管74a和圆盘状的第2通气管74b层叠形成，该第1通气管74a具有向空气单元66导入空气用的导入口78，该第2通气管74b具有将通过转化单元64的气体排出用的排出口80。第1集气管74按照其圆盘面与形成于固体电解质基体62的柱状转化单元64及空气单元66基本垂直、第2通气管74b位于固体电解质基体62侧的样子被配设。
如图7(b)及图7(c)所示，第1集气管74的第1通气管74a及第2通气管74b中形成有与各个空气单元66分别连接的圆筒状的通气路径82。各通气路径82与第1通气管74a及第2通气管74b的圆盘面基本垂直、从与空气单元66连接的第2通气管74b的下面至第1通气管74a的内部形成。第1通气管74a中以格子状形成了多条通气路径84，利用该格子状的通气路径84，各通气路径82被互相连接，各通气路径82又与第1通气管74a的导入口78连接。格子状的通气路径84例如为被密封材料等盖住的形成于第1通气管74a的圆盘面的槽的样态。
第1集气管74的第2通气管74b中形成有多条分别与各个转化单元64连接的圆筒状的通气路径86。各通气路径86与第2通气管74b的圆盘面基本垂直、从与转化单元64连接的第2通气管74b的下面至第2通气管74b的内部形成。第2通气管74b中以格子状形成了多条通气路径88，利用该格子状的通气路径88，各通气路径86被互相连接，各通气路径86又与第2通气管74b的排出口80连接。格子状的通气路径88与格子状的通气路径84同样，例如为被密封材料等盖住的形成于第2通气管74b的圆盘面的槽的样态。
另一方面，第2集气管76由圆盘状的第1通气管76a和圆盘状的第2通气管76b层叠形成，该第1通气管76a具有将通过空气单元66的气体排出用的排出口90，该第2通气管76b具有向转化单元64导入有机氢化物气体用的导入口92。第2集气管76按照其圆盘面与形成于固体电解质基体62的柱状转化单元64及空气单元66基本垂直、第2通气管76b位于固体电解质基体62侧的样子被配设。
第2集气管76的第1通气管76a及第2通气管76b中形成有与各个空气单元66分别连接的圆筒状的通气路径94。各通气路径94与第1通气管76a及第2通气管76b的圆盘面基本垂直、从与空气单元66连接的第2通气管76b的上面至第1通气管76a的内部形成。第1通气管76a中以格子状形成了多条通气路径96，利用该格子状的通气路径96，各通气路径94被互相连接，各通气路径94又与第1通气管76a的排出口90连接。格子状的通气路径96与格子状的通气路径84、88同样，例如为被密封材料等盖住的形成于第1通气管76a的圆盘面的槽的样态。
第2集气管76的第2通气管76b中形成有多条分别与各个转化单元64连接的圆筒状的通气路径98。各通气路径98与第2通气管76b的圆盘面基本垂直、从与转化单元64连接的第2通气管76b的上面至第2通气管76b的内部形成。第2通气管76b中以格子状形成了多条通气路径100，利用该格子状的通气路径100，各通气路径98被互相连接，各通气路径98又与第2通气管76b的导入口92连接。格子状的通气路径100与格子状的通气路径84、88、96同样，例如为被密封材料等盖住的形成于第2通气管76b的圆盘面的槽的样态。
这样就构成了本实施方式的附有转化器的燃料电池。
本实施方式的附有转化器的燃料电池的主要特征之一是进行有机氢化物的脱氢反应的多个转化单元64和进行燃料电池反应的多个空气单元66之间隔着由质子导电体形成的固体电解质基体62的隔壁以矩阵状互相邻接一体化设置。这样，本实施方式的燃料电池与转化器和燃料电池分别独立设置的情况相比，能够实现装置构成的大幅简化及小型化。
此外，本实施方式的附有转化器的燃料电池的主要特征之一是进行作为吸热反应的有机氢化物的转化反应的转化单元64和进行伴随放热反应的燃料电池反应的空气单元66隔着由质子导电体形成的固体电解质基体62的隔壁以矩阵状互相邻接一体设置。利用该结构，能够将空气单元66中的燃料电池反应产生的热量作为邻接的转化单元64中的有机氢化物的转化反应所需的热量有效地供给。
以下，采用图5～图7对本实施方式的附有转化器的燃料电池的运转进行说明。
首先，对固体电解质基体62进行加热直至其动作温度以显现质子导电性。在采用由质子导电体形成的固体电解质基体62时，例如加热至450～550℃左右。
然后，如图7(a)所示，向第2集气管76的导入口92供给有机氢化物气体。供至导入口92的有机氢化物通过形成于第2通气管76b的格子状通气路径100及形成于第2通气管76b的通气路径98，分别被导入以矩阵状形成于固体电解质基体62的各个转化单元64内。
这样，如图5(b)所示，分别从各个转化单元64的下端导入的有机氢化物就在转化单元64内向其上方流动。
在将有机氢化物导入转化单元64内的同时，向第1集气管74的导入口78供给空气。供至导入口78的空气通过形成于第1通气管74a的格子状通气路径84及形成于第1通气管74a和第2通气管74b的通气路径82，分别被导入以矩阵状形成于固体电解质基体62的各个空气单元66内。
这样，如图5(b)所示，分别从各个转化单元66的上端导入的空气就在空气单元66内向其下方流动。
在转化单元66内向上方流动的有机氢化物通过被填入转化单元64内的催化剂70被脱氢化，分解为氢和脱氢化物。例如，作为有机氢化物采用环己烷时，被分解为氢和作为脱氢化物的苯。
这里，本实施方式的附有转化器的燃料电池如上所述，主要特征之一是在转化单元64内从下方至上方流过有机氢化物，在空气单元66内从上方至下方流过空气。即，主要特征之一是转化单元64内的有机氢化物的流向和空气单元66内的空气的流向相反。如下所述，通过将有机氢化物及空气的流向形成为上述状态，能够有效进行燃料电池反应。
随着有机氢化物在转化单元64内的流动，其脱氢反应也在进行。因此，在转化单元64内产生氢浓度梯度，离转化单元64的导入有机氢化物的端部越远的地方的氢浓度越高。
另一方面，随着空气中的氧在空气单元66内从上方流至下方，该氧气被燃料电池反应消耗。
因此，通过将转化单元64内的有机氢化物的流向和空气单元66内的空气的流向设置为反向，能够使转化单元64的氢浓度较高的区域和空气单元66的氧浓度较高的区域互相邻接。藉此能够实现更有效的燃料电池反应。
如以下的反应式所示，在转化单元64内产生的氢在形成于转化单元64的内壁的第1电极层68中失去电子成为质子。
如图5(a)及图6所示，生成的质子在由质子导电体形成的固体电解质基体62的隔壁内移动，到达与转化单元64邻接的空气单元66。
空气单元66内，在形成于空气单元66内壁的第2电极层72中，如以下的反应式所示，通过隔壁到达空气单元66的质子、空气中的氧和通过外部电路从第1电极层68向第2电极层72移动的电子进行反应生成水。
(1/2)如上所述，在转化单元64内产生的氢和被导入空气单元66的空气中的氧在第1电极层68和第2电极层72之间进行伴随着电子的得失的反应，藉此获得电力。
这里，上述空气单元66中的燃料电池反应伴随着放热反应，在空气单元66内产生热量。
如图5(a)及图6所示，在空气单元66内产生的热量通过固体电解质基体62的隔壁被供至与空气单元66邻接的转化单元64。这样，在本实施方式的附有转化器的燃料电池中，由于进行作为吸热反应的有机氢化物的转化反应的转化单元64和进行伴随放热反应的燃料电池反应的空气单元66被邻接设置，所以能够将燃料电池反应产生的热量作为有机氢化物的转化反应的热源加以利用。此外，由于作为燃料电池被要求的发电量和转化所必须的热量互相之间增减一致，所以还具有根据作为燃料电池被要求的发电量自动地使热量的产生和释放达到平衡的优点。本实施方式的附有转化器的燃料电池能够构筑能源利用率良好的系统。
转化单元中，通过有机氢化物的转化而生成的脱氢化物在转化单元64内向上方流动，通过形成于第1集气管74的第2通气管74b的通气路径86及格子状的通气路径88从排气口80排出。
从排气口80排出的脱氢化物被回收槽(未图示)等回收。被回收的脱氢化物通过加氢，可作为有机氢化物燃料被再利用。此外，如上所述，可设置利用通过有机氢化物的转化生成的脱氢氧化物的热量对导入转化单元64的有机氢化物进行加热的热交换器。藉此能够构筑能源利用率更好的系统。
此外，在空气单元66中，燃料电池反应生成的水与在空气单元66内从上方至下方流过的空气一起通过形成于第2集气管76的第2通气管76b及第1通气管76a的通气路径94和形成于第1通气管76a的格子状的通气路径96从排出口90被排出。
如上所述，利用本实施方式的附有转化器的燃料电池发电。
本实施方式的燃料电池中，由于进行作为吸热反应的有机氢化物的脱氢反应的截面为四角形的转化单元64和进行伴随放热反应的燃料电池反应的截面为四角形的空气单元66，隔着由质子导电体形成的固体电解质基体62的隔壁相邻接以矩阵状设置，所以能够大幅简化装置构成及实现小型化，同时能够将空气单元66中的燃料电池反应生成的热量作为有机氢化物的转化反应的热源加以利用。藉此，能够构筑能源利用率良好的系统。
本实施方式中，转化单元64及空气单元66的截面都为四角形，但这些单元的截面形状并不仅限于四角形，也可以是三角形、五角形、六角形等多角形或圆形。
采用图8～图10对本发明的实施方式2的附有转化器的燃料电池进行说明。图8为本实施方式的附有转化器的燃料电池中的单元的单位结构、物质及热量的转移的简单示意图，图9为表示附有转化器的燃料电池中的单元的排列结构、物质及热量的转移的平面图，图10为本实施方式的附有转化器的燃料电池的结构的简单示意图。对与实施方式1的附有转化器的燃料电池同样的结构省略或简化说明。
首先，采用图8对本实施方式的附有转化器的燃料电池中的单元的单位结构进行说明。该转化器利用了由LPG、LNG、石脑油、汽油、煤油等烃获得氢的形式(所谓的水蒸气转化)。
如图8(a)及图8(b)所示，在由氧离子导电体形成的固体电解质基体102中形成了被导入烃和空气或水、产生氢气的转化单元104，被导入作为燃料电池反应的氧源的空气的空气单元106，以及被导入在转化单元104产生的氢的氢单元108。作为固体电解质基体102的材料，可采用上述氧离子导电体。此外，作为氧离子导电体，也可采用所谓的熔融盐型，但这种情况下，由于电解质不是固体，所以与固体多孔质物质形成的隔层等组合作为固体电解质基体使用。
转化单元104、空气单元106和氢单元108都是从固体电解质基体102的上端面一直形成至下端面，它们由截面为三角形，例如正三角形的中空柱状区段形成。转化单元104、空气单元106和氢单元108隔着固体电解质基体102的隔壁并按照使截面的三角形的边对置的要求被依次配置。
转化单元104与实施方式1的附有转化器的燃料电池相同，被填入了转化用催化剂70。但与实施方式1的附有转化器的燃料电池不同的是，在转化单元104的内壁未形成电极层。
在氢单元108的内壁形成了第1电极层68。内壁形成有第1电极层68的氢单元内部是中空的，可使被导入氢单元内的氢及燃料电池反应产生的水在其中流动。
在空气单元106的内壁形成了第2电极层72。内壁形成有第2电极层72的空气单元106内部是中空的，可使被导入空气单元106内的空气在其中流动。
本实施方式的附有转化器的燃料电池中，在由氧离子导电体形成的固体电解质基体102中形成了多个上述图8所示的转化单元104、空气单元106和氢单元108的单位结构。即，如图9所示，在氧离子导电体形成的固体电解质基体102中以矩阵状形成了多个截面为三角形的中空柱状区段，连续的3个中空柱状区段分别形成为转化单元104、空气单元106及氢单元108。
此外，如图10(a)所示，在形成有转化单元104、空气单元106和氢单元108的圆柱状固体电解质基体102的上方设置了第1集气管110，该第1集气管110用于将从下方至上方通过各个转化单元104的气体排出，在各个空气单元106中导入空气，并将在转化单元104内产生的氢导入各个氢单元108内。另外，在固体电解质基体102的下方设置了第2集气管112，该第2集气管112用于在各个转化单元104中导入烃气体和空气或水，将从上方至下方通过各个空气单元106的空气排出，并将从上方至下方通过各个氢单元108的氢等排出。以下，用图10对作为分配流体的导入及排出的构造体的第1及第2集气管110、112进行详述。图10(b)为第1集气管的第1通气管的沿其圆盘面的截面图，图10(c)为第1集气管的第2通气管的沿其圆盘面的截面图，图10(d)为第1集气管的第3通气管的沿其圆盘面的截面图，图10(e)为固体电解质基体的沿第1及第2集气管的圆盘面的截面图，图10(f)为第2集气管的第3通气管的沿其圆盘面的截面图，图10(g)为第2集气管的第2通气管的沿其圆盘面的截面图，图10(h)为第2集气管的第1通气管的沿其圆盘面的截面图。
第1集气管110由圆盘状的第1通气管110a、圆盘状的第2通气管110b及圆盘状的第3通气管110c依次层叠形成，该第1通气管110a具有向空气单元106导入空气用的导入口114，该第2通气管110b具有将在转化单元104产生的氢导入氢单元108用的导入口116，该第3通气管110c具有将通过转化单元104的气体排出用的排出口118。第1集气管110按照其圆盘面与形成于固体电解质基体102的转化单元104、空气单元106及氢单元108基本垂直、第3通气管110c位于固体电解质基体102侧的样子被配设。
如图10(b)～图10(d)所示，第1集气管的第1～第3通气管110a～110c中形成有与各个空气单元106分别连接的圆筒状的通气路径120。各通气路径120与第1～第3通气管110a～110c的圆盘面基本垂直、从与空气单元106连接的第3通气管110c的下面至第1通气管110a的内部形成。第1通气管110a中以格子状形成了多条通气路径122，利用该格子状的通气路径122，各通气路径120被互相连接，各通气路径120又与第1通气管110a的导入口114连接。格子状的通气路径122例如为被密封材料等盖住的形成于第1通气管110a的圆盘面的槽的样态。
第1集气管110的第2及第3通气管110b和110c中形成有分别与各个氢单元108连接的圆筒状的通气路径124。各通气路径124与第2及第3通气管110b和110c的圆盘面基本垂直、从与氢单元108连接的第3通气管110c的下面至第2通气管110b的内部形成。第2通气管110b中以格子状形成了多条通气路径126，利用该格子状的通气路径126，各通气路径124被互相连接，各通气路径124又与第2通气管的导入口116连接。格子状的通气路径126与格子状的通气路径122同样，例如为被密封材料等盖住的形成于第2通气管110b的圆盘面的槽的样态。
第1集气管110的第3通气管110c中形成有分别与各个转化单元104连接的圆筒状的通气路径128。各通气路径与第3通气管110c的圆盘面基本垂直、从与转化单元104连接的第3通气管110c的下面至第3通气管110c的内部形成。第3通气管110c中以格子状形成了多条通气路径130，利用该格子状的通气路径130，各通气路径128被互相连接，各通气路径128又与第3通气管110c的排出口118连接。格子状的通气路径130与格子状的通气路径122、126同样，例如为被密封材料等盖住的形成于第3通气管110c的圆盘面的槽的样态。
另一方面，第2集气管112由圆盘状的第1通气管112a、圆盘状的第2通气管112b及圆盘状的第3通气管112c依次层叠形成，该第1通气管112a具有将通过空气单元106的气体排出用的排出口132，该第2通气管112b具有将通过氢单元108的氢等排出用的排出口134，该第3通气管112c具有向转化单元106导入烃气体和空气或水用的导入口136。第2集气管112按照其圆盘面与形成于固体电解质基体102的柱状转化单元104、空气单元106及氢单元108基本垂直、第3通气管112c位于固体电解质基体102侧的样子被配设。
第2集气管112的第1～第3通气管112a～112c中形成有多条与各个空气单元分别连接的圆筒状的通气路径138。各通气路径138与第1～第3通气管112a～112c的圆盘面基本垂直、从与空气单元106连接的第3通气管112c的上面至第1通气管112a的内部形成。第1通气管112a中以格子状形成了多条通气路径140，利用该格子状的通气路径140，各通气路径138被互相连接，各通气路径138又与第1通气管112a的排出口132连接。格子状的通气路径140与格子状的通气路径122、126、130同样，例如为被密封材料等盖住的形成于第1通气管112a的圆盘面的槽的样态。
第2集气管112的第2及第3通气管112b和112c中形成有多条分别与各个氢单元108连接的圆筒状的通气路径142。各通气路径142与第2及第3通气管112b和112c的圆盘面基本垂直、从与氢单元108连接的第3通气管112c的上面至第2通气管112b的内部形成。第2通气管112b中以格子状形成了多条通气路径144，利用该格子状的通气路径144，各通气路径142被互相连接，各通气路径142又与第2通气管112b的排出口134连接。格子状的通气路径142与格子状的通气路径122、126、130、140同样，例如为被密封材料等盖住的形成于第2通气管112b的圆盘面的槽的样态。
第2集气管112的第3通气管112c中形成有分别与各个转化单元104连接的圆筒状的通气路径146。各通气路径146与第3通气管112c的圆盘面基本垂直、从与转化单元104连接的第3通气管112c的上面至第3通气管112c的内部形成。第3通气管112c中以格子状形成了多条通气路径148，利用该格子状的通气路径148，各通气路径146被互相连接，各通气路径146又与第3通气管112c的导入口136连接。格子状的通气路径148与格子状的通气路径122、126、130、140、144同样，例如为被密封材料等盖住的形成于第3通气管112c的圆盘面的槽的样态。
这样就构成了本实施方式的附有转化器的燃料电池。
本实施方式的附有转化器的燃料电池中，进行作为吸热反应的烃的转化反应的转化单元104和进行伴有放热反应的燃料电池反应的氢单元108隔着由氧离子导电体形成的固体电解质基体102的隔壁互相邻接以矩阵状设置，所以与实施方式1的附有转化器的燃料电池同样，能够实现装置构成的大幅简化及小型化，同时能够将氢单元108中的燃料电池反应产生的热量作为烃的转化反应的热源加以利用，藉此，能够构筑能源利用率良好的系统。
以下，采用图8～图10对本实施方式的附有转化器的燃料电池的运转进行说明。
首先，对固体电解质基体102进行加热直至其动作温度以显现离子导电性。在采用由氧离子导电体形成的固体电解质基体102时，例如加热至800～1000℃左右。
然后，如图10(a)所示，向第2集气管112的第3通气管112c的导入口136供给烃和空气或水。供至第3通气管112c的导入口136的烃等通过形成于第3通气管112c的格子状通气路径148及形成于第3通气管112c的通气路径146，分别被导入以矩阵状形成于固体电解质基体102的各个转化单元104内。
这样，如图8(b)所示，分别从各个转化单元104的下端导入的烃等就在转化单元104内向其上方流动。
在将烃等导入转化单元104内的同时，向第1集气管110的第1通气管110a的导入口114供给空气。供至第1通气管110a的导入口114的空气通过形成于第1通气管110a的格子状通气路径112及形成于第1～第3通气管110a～110c的通气路径120，分别被导入以矩阵状形成于固体电解质基体102的各个空气单元106内。
这样，如图8(b)所示，分别从各个空气单元106的上端导入的空气就在空气单元106内向其下方流动。
在转化单元104内向上方流动的烃等通过被填入转化单元104内的催化剂70被转化，分解为氢和二氧化碳。
在转化单元104内产生的氢与通过烃的转化而生成的二氧化碳一起在转化单元104内向上方流动，通过形成于第1集气管110的第3通气管110c的通气路径128及格子状的通气路径130从排气口118被排出。
从排气口118被排出的氢及二氧化碳被供至分离氢和二氧化碳的分离器(未图示)。利用分离器与氢分离的二氧化碳或是排放入大气或是被回收于回收槽(未图示)中。另一方面，分离出的氢被供至第1集气管110的第2通气管110b的导入口116。被供至导入口116的氢通过以格子状形成于第2通气管110b的通气路径126及形成于第2和第3通气管110b、110c的通气路径124，被分别导入以矩阵状形成于固体电解质基体102的各个氢单元108内。
这样，如图8(b)所示，在各个空气单元106内从上方至下方分别有空气流动，在各个氢单元108内从上方至下方有氢流动。
在形成于空气单元106内壁的第2电极层72中，如以下的反应式所示，在空气单元106内流动的空气中的氧接受通过外部电路从第1电极层68向第2电极层72移动的电子变为氧离子。
(1/2)如图8(a)及图9所示，以上生成的氧离子在由氧离子导电体形成的固体电解质基体102的隔壁内移动，到达与空气单元106邻接的氢单元108。
在氢单元108的形成于氢单元108内壁的第1电极层68中，如以下的反应式所示，通过隔壁到达氢单元108的氧离子和在氢单元108内流动的氢反应失去电子生成水。
如上所述，被导入空气单元106的空气中的氧和在转化单元104内产生并被导入氢单元108内的氢在空气单元106内壁的第2电极层72和氢单元108内壁的第1电极层68之间进行伴随着电子的得失的反应，藉此获得电力。
在转化单元104产生的氢与二氧化碳分离、导入氢单元108进行上述燃料电池反应，换言之，不使氧离子直接移至转化单元104、在转化单元104中进行上述燃料电池反应的理由如下所述。即，如果在转化单元104中进行了上述燃料电池反应，则除了该反应，还会引发存在于转化单元104内的烃等和氧离子的反应，即烃的燃烧反应，所以最好避免该反应的发生。该燃烧反应不仅导致反应效率下降，还会引发运转不良，本实施方式的附有转化器的燃料电池中，通过设置将在转化单元104产生的氢与二氧化碳分离、并导入的氢单元108，能够避免这些不良情况的发生。
这里，在上述氢单元108中的燃料电池反应产生的热量被作为转化单元104的热加以利用而获得平衡。
在氢单元108内产生的热量通过固体电解质基体102的隔壁被供至转化单元104。这样，在本实施方式的附有转化器的燃料电池中，由于进行作为吸热反应的烃的转化反应的转化单元106和进行伴随放热反应的燃料电池反应的氢单元108被设置于同一个固体电解质基体102，所以与实施方式1的附有转化器的燃料电池同样，能够将燃料电池反应产生的热量作为烃的转化反应的热源加以利用。这样，本实施方式的附有转化器的燃料电池能够构筑能源利用率良好的系统。
在氢单元108中由燃料电池反应生成的水和在氢单元108内从上方至下方流过的氢一起通过形成于第2集气管112的第2及第3通气管112b及112c的通气路径142和形成于第2通气管112b的格子状的通气路径144从排出口134被排出。
如上所述，利用本实施方式的附有转化器的燃料电池发电。
本实施方式的燃料电池中，由于进行作为吸热反应的烃的转化反应的截面为三角形的转化单元104和通过燃料电池反应而产生热量的截面为三角形的氢单元108，隔着由氧离子导电体形成的固体电解质基体102的隔壁相邻接以矩阵状形成，所以能够大幅简化装置构成及实现小型化，同时能够将氢单元108中的燃料电池反应生成的热量作为烃的转化反应的热源加以利用。藉此，能够构筑能源利用率良好的系统。
本实施方式中，对通过在氧离子导电体构成的固体电解质基体102中形成转化单元104、空气单元106及氢单元108，使氧离子在固体电解质基体102内移动而进行燃料电池反应的情况进行了说明。但也可以通过在质子导电体构成的固体电解质基体62中形成转化单元104、空气单元106及氢单元108，使质子在固体电解质基体62内移动，进行燃料电池反应。
采用图11～图13对本发明的实施方式3的附有转化器的燃料电池进行说明。图11为本实施方式的附有转化器的燃料电池中的单元的单位结构、物质及热量的转移的简单示意图，图12为表示本实施方式的附有转化器的燃料电池中的单元的排列结构、物质及热量的转移的平面图，图13为本实施方式的附有转化器的燃料电池的结构的简单示意图。对与实施方式1及2的附有转化器的燃料电池相同的构成要素标记相同的符号，并省略或简化对其的说明。
本实施方式的附有转化器的燃料电池与实施方式2的附有转化器的燃料电池的不同之处在于，将转化单元104、空气单元106和氢单元108的截面形状由三角形变为六角形，此外，形成这些单元的固体电解质基体由质子导电体构成。
首先，采用图11对本实施方式的附有转化器的燃料电池中的单元的单位结构进行说明。
如图11(a)及图11(b)所示，在由质子导电体形成的固体电解质基体62中形成了被导入有机氢化物、进行有机氢化物的脱氢反应的转化单元104，被导入作为燃料电池反应的氧源的空气的空气单元106，以及被导入在转化单元104产生的氢的氢单元108。
转化单元104、空气单元106和氢单元108都是从固体电解质基体62的上端面一直形成至下端面，它们由截面为六角形，例如正六角形的中空柱状区段形成。转化单元104、空气单元106和氢单元108按照其中的1个单元的截面形状的六角形的邻接的2条边与其它的2个单元的截面形状的六角形的1条边对置的要求被配置。
转化单元104与实施方式2的附有转化器的燃料电池相同，被填入了脱氢反应的催化剂70。
在氢单元108的内壁形成了第1电极层68。内壁形成有第1电极层68的氢单元内部是中空的，可使被导入氢单元内的氢及燃料电池反应产生的水在其中流动。
在空气单元106的内壁形成了第2电极层72。内壁形成有第2电极层72的空气单元106内部是中空的，可使被导入空气单元106内的空气在其中流动。
本实施方式的附有转化器的燃料电池中，在由质子导电体形成的固体电解质基体62中形成了多个上述图11所示的转化单元104、空气单元106和氢单元108的单位结构。即，如图12所示，在质子导电体形成的固体电解质基体62中以蜂窝状形成了多个截面为六角形的中空柱状区段，互相邻接的3个中空柱状区段分别形成为转化单元104、空气单元106及氢单元108。
此外，如图13所示，与实施方式2的附有转化器的燃料电池基本同样，在形成有转化单元104、空气单元106和氢单元108的圆柱状固体电解质基体62的上方设置了第1集气管110，该第1集气管110用于将从下方至上方通过各个转化单元104的气体排出，在各个空气单元106中导入空气，并将在转化单元104内产生的氢导入各个氢单元108内。另外，在固体电解质基体62的下方设置了第2集气管112，该第2集气管112用于在各个转化单元104中导入有机氢化物，将从上方至下方通过各个空气单元106的空气等排出，并将从上方至下方通过各个氢单元108的氢排出。
本实施方式的附有转化器的燃料电池中，进行作为吸热反应的有机氢化物的脱氢反应的转化单元104和进行伴有放热反应的燃料电池反应的空气单元106隔着由质子导电体形成的固体电解质基体62的隔壁互相邻接以矩阵状设置，所以与实施方式1的附有转化器的燃料电池同样，能够实现装置构成的大幅简化及小型化，同时能够将空气单元106中的燃料电池反应产生的热量作为有机氢化物的转化反应的热源加以利用，藉此，能够构筑能源利用率良好的系统。
以下，采用图11～图13对本实施方式的附有转化器的燃料电池的运转进行说明。
首先，对固体电解质基体62进行加热直至其动作温度以显现质子导电性。
然后，如图13(a)所示，向第2集气管112的第3通气管112c的导入口136供给有机氢化物。供至第3通气管112c的导入口136的有机氢化物等通过形成于第3通气管112c的格子状通气路径148及形成于第3通气管112c的通气路径146，分别被导入以蜂窝状形成于固体电解质基体62的各个转化单元104内。
这样，如图11(b)所示，分别从各个转化单元104的下端导入的有机氢化物就在转化单元104内向其上方流动。
在将有机氢化物导入转化单元104内的同时，向第1集气管110的第1通气管110a的导入口114供给空气。供至第1通气管110a的导入口114的空气通过形成于第1通气管110a的格子状通气路径122及形成于第1～第3通气管110a～110c的通气路径120，分别被导入以矩阵状形成于固体电解质基体62的各个空气单元106内。
这样，如图11(b)所示，分别从多个转化单元的上端导入的空气就在空气单元106内向其下方流动。
在转化单元104内向上方流动的有机氢化物通过被填入转化单元104内的催化剂70被脱氢化，分解为氢和脱氢化物。
在转化单元104内产生的氢与通过有机氢化物的转化而生成的脱氢化物一起在转化单元104内向上方流动，通过形成于第1集气管110的第3通气管110c的通气路径128及格子状的通气路径130从排气口118被排出。
与实施方式2的附有转化器的燃料电池同样，从排气口118与脱氢化物一起被排出的氢与脱氢氧化物分离后，被供至第1集气管110的第2通气管110b的导入口116。被供至导入口116的氢通过以格子状形成于第2通气管110b的通气路径126及形成于第2和第3通气管110b、110c的通气路径124，被分别导入以蜂窝状形成于固体电解质基体62的各个氢单元108内。
这样，如图11(b)所示，在各个空气单元106内从上方至下方有空气流动，在各个氢单元108内从上方至下方有氢流动。
在形成于氢单元108内壁的第1电极层68中，流过氢单元108内的氢如以下的反应式所示失去电子转变为质子。
如图11(a)及图12所示，生成的质子在由质子导电体形成的固体电解质基体62的隔壁内移动，到达与氢单元108邻接的空气单元106。
在空气单元106内，在形成于空气单元106内壁的第2电极层72中，如以下的反应式所示，通过隔壁到达空气单元106的质子和空气中的氧和通过外部电路从第1电极层68向第2电极层72移动的电子，进行反应生成水。
(1/2)如上所述，在转化单元104内产生的氢和被导入空气单元106的空气中的氧在第1电极层68和第2电极层72之间进行伴随着电子的得失的反应，藉此获得电力。
这里，在上述空气单元106中的燃料电池反应伴随放热反应，在空气单元106中有热量产生。
在空气单元106内产生的热量通过固体电解质基体62的隔壁被供至转化单元104。这样，在本实施方式的附有转化器的燃料电池中，由于进行作为吸热反应的有机氢化物的转化反应的转化单元106和进行伴随放热反应的燃料电池反应的氢单元108被设置于同一个固体电解质基体62，所以与实施方式1和2的附有转化器的燃料电池同样，能够将燃料电池反应产生的热量作为有机氢化物的转化反应的热源加以利用。此外，本实施方式的附有转化器的燃料电池能够构筑能源利用率良好的系统。
在空气单元106中由燃料电池反应生成的水和在空气单元106内从上方至下方流过的空气一起通过形成于第2集气管112的第2及第3通气管112b及112c的通气路径142和形成于第2通气管112b的格子状的通气路径144从排出口134被排出。
如上所述，利用本实施方式的附有转化器的燃料电池发电。
本实施方式的燃料电池中，由于进行作为吸热反应的有机氢化物的脱氢反应的截面为六角形的转化单元104和通过进行伴有放热反应的燃料电池反应的截面为六角形的空气单元106，隔着由质子导电体形成的固体电解质基体62的隔壁相邻接以蜂窝状设置，所以能够大幅简化装置构成及实现小型化，同时能够将空气单元106中的燃料电池反应生成的热量作为有机氢化物的转化反应的热源加以利用。藉此，能够构筑能源利用率良好的系统。
采用图14～图16对本发明的实施方式4的附有转化器的燃料电池进行说明。图14为本实施方式的附有转化器的燃料电池中的单元的单位结构、物质及热量的转移的简单示意图，图15为表示本实施方式的附有转化器的燃料电池中的单元的排列结构、物质及热量的转移的平面图，图16为本实施方式的附有转化器的燃料电池的结构的简单示意图。对与实施方式1～3的附有转化器的燃料电池相同的构成要素标记相同的符号，并省略或简化对其的说明。
如图14～16所示，本实施方式的附有转化器的燃料电池的基本结构与实施方式3的附有转化器的燃料电池大致相同，本实施方式的附有转化器的燃料电池与实施方式3的附有转化器的燃料电池的不同之处在于，不是在质子导电体形成的固体电解质基体62中而是在氧离子导电体形成的固体电解质基体102中形成转化单元104、空气单元106和氢单元108。
以下，采用图14～图16对本实施方式的附有转化器的燃料电池的运转进行说明。
首先，除了对烃和空气或水进行转化以替代对有机氢化物的转化之外，其它与实施方式3的附有转化器的燃料电池的情况相同，对固体电解质基体102进行加热直至其动作温度以显现离子导电性。然后，如图14(a)所示，通过在转化单元104内流过烃等生成氢，并使生成的氢流过氢单元108，同时使空气流过空气单元106。
在形成于空气单元106内壁的第2电极层72中，在空气单元106内流动的空气中的氧如以下的反应式所示，接受通过外部电路从第1电极层68向第2电极层72移动的电子，生成氧离子。
(1/2)如图14(a)及图15所示，生成的氧离子在由氧离子导电体形成的固体电解质基体102的隔壁内移动，到达与空气单元106邻接的氢单元108。
在氢单元108的形成于氢单元108内壁的第1电极层68中，如以下的反应式所示，通过隔壁到达氢单元108的氧离子与在氢单元108内流动的氢反应，失去电子，生成水。
如上所述，被导入空气单元106的空气中的氧和在转化单元104内产生并被导入氢单元180的氢在空气单元106内壁的第2电极层72和氢单元108内壁的第1电极层68之间进行伴随着电子的得失的反应，藉此获得电力。
这里，通过上述氢单元108中的燃料电池反应，在氢单元108中产生热量。
在氢单元108内产生的热量通过固体电解质基体102的隔壁被供至转化单元104。这样，在本实施方式的附有转化器的燃料电池中，由于进行作为吸热反应的烃的转化反应的转化单元106和进行伴随放热反应的燃料电池反应的氢单元108被设置于同一个固体电解质基体102，所以与实施方式1～3的附有转化器的燃料电池同样，能够将燃料电池反应产生的热量作为烃的转化反应的热源加以利用。这样，本实施方式的附有转化器的燃料电池能够构筑能源利用率良好的系统。
在氢单元108中通过燃料电池反应生成的水和在氢单元108内从上方至下方流过的氢一起通过形成于第2集气管112的第2及第3通气管112b及112c的通气路径142和形成于第2通气管112b的格子状的通气路径144从排出口134被排出。
如上所述，利用本实施方式的附有转化器的燃料电池发电。
本实施方式的燃料电池中，由于进行作为吸热反应的烃的转化反应的截面为六角形的转化单元104和通过燃料电池反应产生热量的截面为六角形的氢单元108，隔着由氧离子导电体形成的固体电解质基体102的隔壁相邻接以蜂窝状设置，所以能够大幅简化装置构成及实现小型化，同时能够将氢单元108中的燃料电池反应生成的热量作为烃的转化反应的热源加以利用。藉此，能够构筑能源利用率良好的系统。
采用图17对本发明的实施方式5的附有转化器的燃料电池进行说明。图17为表示本实施方式的附有转化器的燃料电池中的单元的排列结构、物质及热量的转移的平面图。对与实施方式3的附有转化器的燃料电池相同的构成要素标记相同的符号，并省略或简化对其的说明。
本实施方式的附有转化器的燃料电池的基本结构与实施方式3的附有转化器的燃料电池大致相同，本实施方式的附有转化器的燃料电池的主要特征与实施方式3的附有转化器的燃料电池的不同在于，用不导入有机氢化物、氢及空气中的任一种、且与转化反应及燃料电池反应无关的预备单元来替代转化单元104、空气单元106及/或氢单元108的一部分。图17所示为形成预备单元150以替代转化单元104的情况。
通过形成预备单元150来替代转化单元104、空气单元106及/或氢单元108的一部分，可适当调整转化单元104、空气单元106、氢单元108的数量，藉此对燃料电池中的热平衡等进行调整。
本实施方式对实施方式3的附有转化器的燃料电池中形成预备单元150的情况进行了说明，但在其它实施方式的附有转化器的燃料电池中也可形成预备单元。
本发明并不仅限于上述实施方式，也可以有各种变形例。
例如，上述实施方式中，对转化单元64和104、空气单元66和106、氢单元108的截面为四角形、三角形或六角形的情况进行了说明，但这些单元的截面形状并不仅限于四角形、三角形或六角形。例如可以是五角形、八角形或圆形的截面形状。此外，可以对转化单元64和104、空气单元66和106、氢单元108的截面积设定不同的大小。这样，通过适当设定单元的截面形状及截面积，可根据有机氢化物的转化效率等各种条件，设定发电效率等燃料电池的性能。
另外，上述实施方式中，对形成于同一个固体电解质基体62和102的转化单元64和104、空气单元66和106、氢单元108的截面形状为相同形状的情况进行了说明，但形成于同一个固体电解质基体62和102的单元的截面形状也可以不同。
另外，上述实施方式中，对将形成于固体电解质基体62和102的中空柱状区段作为转化单元64和104、空气单元66和106、氢单元108使用的情况进行了说明，但这些单元并不仅限于柱状物，只要是能够导入及排出气体等的中空区段即可。
另外，上述实施方式中，对通过在转化单元64和104导入有机氢化物进行转化反应以生成氢的情况进行了说明，但也可以通过在转化单元64和104中导入其它的含氢材料气体进行转化反应以生成氢。
另外，上述实施方式中，对在转化单元64和104中导入有机氢化物气体的情况进行了说明，但并不仅限于气体，也可以在转化单元64和104中导入液体的有机氢化物等含氢材料。
另外，上述实施方式中，对在圆柱状的固体电解质基体62和102形成各单元的情况进行了说明，但固体电解质基体62和102的形状并不仅限于圆柱状。此外，第1集气管74和110、第2集气管76和112的形状也并不仅限于上述实施方式所述的圆盘状，可根据固体电解质基体62和102的形状等进行适当的设计变更。
另外，上述实施方式中，采用第1集气管74和110及第2集气管76和112在形成于固体电解质基体62和102的各单元中导入了有机氢化物、空气和氢，但在各单元内的有机氢化物等的流向并不仅限于上述实施方式所述的情况。例如，实施方式1中，有机氢化物和空气的流向是互相相反的，但两者的流向也可以相同。此外，实施方式2和3中，空气和氢的流向是相同的，但两者的流向也可以相反。
产业上利用的可能性本发明的附有转化器的燃料电池对实现安全隐患少、可解决放热问题的简单的燃料电池系统有用。
权利要求
1.附有转化器的燃料电池，其特征在于，具备包含对含氢材料进行转化的催化剂的转化单元，流动含氧空气的空气单元，被夹在前述转化单元和前述空气单元之间、由质子导电体或氧离子导电体形成的固体电解质层，形成于前述固体电解质层的朝向前述转化单元的面的第1电极层，以及形成于前述固体电解质层的朝向前述空气单元的面的第2电极层；由前述第1电极层和前述第2电极层输出电能。
2.附有转化器的燃料电池，其特征在于，具备由多个第1中空区段和多个第2中空区段互相邻接形成的质子导电体构成的固体电解质基体，在前述第1中空区段中填入用于转化含氢材料的催化剂而形成的被导入前述含氢材料的转化单元，由前述第2中空区段形成的被导入空气的空气单元，形成于前述转化单元的内壁的第1电极层和形成于前述空气单元的内壁的第2电极层；由前述第1电极层和前述第2电极层输出电能。
3.如权利要求2所述的附有转化器的燃料电池，其特征还在于，前述转化单元中的前述含氢材料的流向和前述空气单元中的前述空气的流向相反。
4.如权利要求2或3所述的附有转化器的燃料电池，其特征还在于，前述固体电解质基体具有前述第1及第2中空区段的一端所在的第1端面和前述第1及第2中空区段的另一端所在的第2端面，还具有被配设于前述固体电解质基体的前述第1端面侧、向前述第1端面侧起始的前述第1中空区段导入或排出流体及/或向前述第1端面侧起始的前述第2中空区段导入或排出流体的第1分配构造体，以及被配设于前述固体电解质基体的前述第2端面侧、从前述第2端面侧起始的前述第1中空区段排出或导入流体及/或从前述第2端面侧起始的前述第2中空区段排出或导入流体的第2分配构造体。
5.附有转化器的燃料电池，其特征在于，具备由多个第1中空区段、多个第2中空区段和多个第3中空区段互相邻接形成的质子导电体或氧离子导电体构成的固体电解质基体，在前述第1中空区段中填入用于转化含氢材料的催化剂而形成的被导入前述含氢材料的转化单元，由前述第2中空区段形成的被导入空气的空气单元，由前述第3中空区段形成的、被导入通过前述转化单元中的前述含氢材料的转化而生成的氢的氢单元，形成于前述氢单元的内壁的第1电极层及形成于前述空气单元的内壁的第2电极层；由前述第1电极层和前述第2电极层输出电能。
6.如权利要求5所述的附有转化器的燃料电池，其特征还在于，前述固体电解质基体具有前述第1～第3中空区段的一端所在的第1端面和前述第1～第3中空区段的另一端所在的第2端面，还具有被配设于前述固体电解质基体的前述第1端面侧、向前述第1端面侧起始的前述第1中空区段导入或排出流体、向前述第1端面侧起始的前述第2中空区段导入或排出流体及/或向前述第1端面侧起始的前述第3中空区段导入或排出流体的第1分配构造体，以及被配设于前述固体电解质基体的前述第2端面侧、从前述第2端面侧起始的前述第1中空区段排出或导入流体、从前述第2端面侧起始的前述第2中空区段排出或导入流体及/或从前述第2端面侧起始的前述第3中空区段排出或导入流体的第2分配构造体。
7.如权利要求2～6中任一项所述的附有转化器的燃料电池，其特征还在于，前述中空区段是具有三角形、四角形、五角形、六角形、八角形或圆形的截面的中空柱状区段。
8.如权利要求2～7中任一项所述的附有转化器的燃料电池，其特征还在于，前述转化单元、前述空气单元或前述氢单元的一部分是与反应无关的预备单元。
全文摘要
本发明提供安全隐患少、能够实现简单的系统、并可解决放热问题的附有转化器的燃料电池。该电池具备包含对含氢材料进行转化的催化剂50的转化层52，流动含氧空气的空气层60，被夹在转化层52和空气层60之间、由质子导电体或氧离子导电体形成的固体电解质层56，形成于固体电解质层56的朝向转化层52的面的第1电极层54，以及形成于固体电解质层56的朝向空气层60的面的第2电极层58；由第1电极层54和第2电极层58输出电能。
文档编号H01M8/10GK1816936SQ200480018628
公开日2006年8月9日 申请日期2004年6月29日 优先权日2003年6月30日
发明者大久保秀一 申请人:株式会社日本能源