JP2002208419A - Operation method of direct methanol fuel cell and direct methanol fuel cell suitable for it - Google Patents

Operation method of direct methanol fuel cell and direct methanol fuel cell suitable for it

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JP2002208419A
JP2002208419A JP2001243233A JP2001243233A JP2002208419A JP 2002208419 A JP2002208419 A JP 2002208419A JP 2001243233 A JP2001243233 A JP 2001243233A JP 2001243233 A JP2001243233 A JP 2001243233A JP 2002208419 A JP2002208419 A JP 2002208419A
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JP
Japan
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fuel cell
electrode
direct methanol
oxidizing
fuel
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Japanese (ja)
Inventor
Ryoichi Okuyama
良一 奥山
Yukio Fujita
幸雄 藤田
Daisuke Shimizu
大輔 清水
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Yuasa Corp
Original Assignee
International Center for Environmental Technology Transfer
Yuasa Corp
Yuasa Battery Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an operation method of a direct methanol fuel cell with which the stability of oxidization electrode can be secured and which can contribute to improvement of output characteristics, and to provide a direct methanol fuel cell suitable for it. SOLUTION: The direct methanol fuel cell which uses a proton conductive solid polymer membrane as an electrolyte, methanol solution as a fuel supplied to a fuel electrode and air as an oxidizer gas to be supplied to an oxidization electrode, is operated so that a value of the supply volume per unit time of oxidizer gas divided by the cross section of a separator for the oxidization electrode through which the oxidizer gas passes (average linear velocity) may be not less than 0.5 m/s and not more than 10.0 m/s.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は直接メタノール型燃
料電池の運転方法及びそれに適した直接メタノール型燃
料電池に関するものである。
The present invention relates to a method for operating a direct methanol fuel cell and a direct methanol fuel cell suitable for the method.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、環境問題や資源問題への対策が重
要視され、その対策の一つとして燃料電池の開発が活発
に行われている。特に、燃料のアルコールを改質または
ガス化せずに直接発電に利用する直接メタノール型燃料
電池は、構造がシンプルで小型化、軽量化が容易である
という点で、可搬型電源及び分散型電源として注目され
ている。
2. Description of the Related Art In recent years, importance has been placed on measures against environmental problems and resource problems, and as one of the measures, fuel cells are being actively developed. In particular, direct methanol fuel cells that utilize fuel alcohol directly for power generation without reforming or gasification are portable and distributed power sources because they have a simple structure and are easy to reduce in size and weight. It is attracting attention.

【0003】直接メタノール型燃料電池は、電解質膜の
両側に燃料極と酸化極とを接合した接合体をセパレータ
で挟持した単電池セルが多数積層されて構成されたもの
で、前記セパレータは燃料極に供給する燃料及び酸化極
に供給する酸化剤ガスが流れる流路溝を有している。
A direct methanol fuel cell is constituted by stacking a large number of unit cells each having a joined body in which a fuel electrode and an oxidizing electrode are joined on both sides of an electrolyte membrane and sandwiching them by a separator. And a channel groove through which the fuel supplied to the fuel cell and the oxidant gas supplied to the oxidation electrode flow.

【0004】前記直接メタノール型燃料電池は、燃料極
に液体燃料を供給すると、電極反応によって炭酸ガスが
発生し、酸化極に酸化剤としての空気を供給すると、電
極反応によって水が生成し、これに燃料極側から電解質
膜を透過した液体燃料が混入することが知られている。
In the direct methanol fuel cell, when a liquid fuel is supplied to the fuel electrode, carbon dioxide gas is generated by an electrode reaction, and when air as an oxidant is supplied to the oxidizing electrode, water is generated by the electrode reaction. It is known that liquid fuel that has passed through the electrolyte membrane from the fuel electrode side is mixed into the fuel cell.

【0005】なお、前記セパレータの流路溝は、燃料極
で発生した炭酸ガスを液体燃料とともに、酸化極で生成
した水及び電解質膜を透過した液体燃料を酸化剤ガスと
ともに燃料電池の外に排出する役割も果たす。
[0005] The flow channel of the separator discharges the carbon dioxide gas generated at the fuel electrode together with the liquid fuel, and the water generated at the oxidizing electrode and the liquid fuel permeated through the electrolyte membrane together with the oxidizing gas out of the fuel cell. It also plays a role.

【0006】上記した燃料電池の電気的特性は、運転温
度、燃料濃度などの運転条件に依存する一方、セパレー
タの流路溝に生成物が滞留すると大きく低下するので、
セパレータが液体燃料や酸化剤ガスを均一に燃料極や酸
化極の反応界面に供給できるかどうかが燃料電池の特性
を左右すると言える。特に、直接メタノール型燃料電池
の酸化極側では、電極反応によって生成された水に、燃
料極側から電解質膜を透過してきた液体燃料が混入する
ため、酸化極側のセパレータの構造と酸化剤ガスによっ
て水及び液体燃料の除去が円滑に行われるかどうかが燃
料電池の電気的特性に影響する。
While the electrical characteristics of the above-described fuel cell depend on operating conditions such as operating temperature and fuel concentration, if the product stays in the flow channel of the separator, it greatly decreases.
It can be said that whether or not the separator can uniformly supply the liquid fuel or the oxidizing gas to the reaction interface between the fuel electrode and the oxidizing electrode affects the characteristics of the fuel cell. In particular, on the oxidizing electrode side of a direct methanol fuel cell, since the liquid fuel permeating the electrolyte membrane from the fuel electrode side mixes with water generated by the electrode reaction, the structure of the oxidizing electrode side separator and the oxidizing gas Whether the removal of water and liquid fuel is smoothly carried out affects the electrical characteristics of the fuel cell.

【0007】このような酸化極側のセパレータの流路溝
に関しては、特開平12−90947号公報に記載され
たようなものがある。
[0007] With respect to such a channel groove of the separator on the oxidation electrode side, there is one described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 12-90947.

【0008】すなわち、前記特開平12−90947号
公報には、カソード側電極22に位置する第2セパレー
タ16に酸化剤ガス流路60が形成され、この流路60
を流れる酸化剤ガスの流速が大きくなるように、入口孔
部34a、34bから出口孔部38への経路を蛇行させ
たものが記載されている。
That is, in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 12-90947, an oxidizing gas flow path 60 is formed in the second separator 16 located at the cathode 22.
In this case, the path from the inlet holes 34a and 34b to the outlet hole 38 is meandered so that the flow rate of the oxidizing gas flowing through the hole increases.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】前記特開平12−90
947号公報に記載された、入口孔部34a、34bか
ら出口孔部38への経路を蛇行させたものでは、酸化剤
ガスの供給量を小さくすると、流路60内の酸化剤ガス
の流速が不足して滞留を生じ、燃料電池の特性が著しく
低下するという問題があった。
SUMMARY OF THE INVENTION The above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 12-90 is disclosed.
No. 947, in which the path from the inlet holes 34a, 34b to the outlet hole 38 is meandering, when the supply amount of the oxidizing gas is reduced, the flow rate of the oxidizing gas in the flow path 60 is reduced. There is a problem that the fuel cell is insufficient and stagnation occurs, and the characteristics of the fuel cell are significantly reduced.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項1記載の発明は、電解質にプロトン導電性固
体高分子膜を用い、燃料極に供給する燃料にメタノール
水溶液を用い、酸化極に供給する酸化剤ガスに空気を用
いた直接メタノール型燃料電池を、単位時間当たりの酸
化剤ガスの供給量をそれが流れる酸化極用セパレータの
断面積で除した値(平均線速度)が0.5m/s以上、
10.0m/s以下になるように運転することを特徴と
する直接メタノール型燃料電池の運転方法である。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 uses a proton conductive solid polymer membrane as an electrolyte, uses a methanol aqueous solution as a fuel to be supplied to a fuel electrode, and uses a methanol aqueous solution as a fuel. In a direct methanol fuel cell using air as the oxidizing gas supplied to the fuel cell, the value obtained by dividing the supply amount of the oxidizing gas per unit time by the sectional area of the oxidizing electrode separator (average linear velocity) is 0. .5m / s or more,
An operation method of a direct methanol fuel cell, wherein the operation is performed at 10.0 m / s or less.

【0011】すなわち、請求項1記載の発明は、酸化極
用セパレータを流れる酸化剤ガスの平均線速度が大きく
なると、酸化極で生成した水及び電解質膜を透過した液
体燃料を排出する能力が大きくなり、酸化極の表面を被
覆するように存在している前述した水及び液体燃料が除
去されて、燃料電池の特性が向上することを見出したこ
とによる。
That is, according to the first aspect of the present invention, when the average linear velocity of the oxidizing gas flowing through the oxidizing electrode separator increases, the ability to discharge water generated at the oxidizing electrode and liquid fuel permeated through the electrolyte membrane increases. That is, it has been found that the water and the liquid fuel, which are present so as to cover the surface of the oxidation electrode, are removed, thereby improving the characteristics of the fuel cell.

【0012】また、請求項2記載の発明は、電解質にプ
ロトン導電性固体高分子膜を用い、燃料極に供給する燃
料にメタノール水溶液を用い、酸化極に供給する酸化剤
ガスに空気を用いた直接メタノール型燃料電池を、単位
時間当たりの酸化剤ガスの供給量をそれが流れる酸化極
用セパレータの断面積で除した値(平均線速度)が2.
0m/s以上、6.0m/s以下になるように運転する
ことを特徴とする直接メタノール型燃料電池の運転方法
である。
The invention according to claim 2 uses a proton conductive solid polymer membrane for the electrolyte, uses an aqueous methanol solution for the fuel supplied to the fuel electrode, and uses air for the oxidant gas supplied to the oxidation electrode. In the direct methanol fuel cell, the value (average linear velocity) obtained by dividing the supply amount of the oxidizing gas per unit time by the cross-sectional area of the oxidation electrode separator through which the oxidizing gas flows is 2.
An operation method of a direct methanol fuel cell, wherein the operation is performed so as to be 0 m / s or more and 6.0 m / s or less.

【0013】すなわち、請求項2記載の発明は、燃料電
池の特性が最も良好であって、酸化極で生成した水及び
電解質膜を透過した液体燃料が最も効率良く排出できる
酸化剤ガスの平均線速度を見出したことによる。
[0013] That is, according to the invention of claim 2, the fuel cell has the best characteristics, and the average line of the oxidizing gas which can discharge the water generated at the oxidizing electrode and the liquid fuel permeated through the electrolyte membrane most efficiently. Due to finding speed.

【0014】また、請求項3記載の発明は、電解質にプ
ロトン導電性固体高分子膜を用い、燃料極に供給する燃
料にメタノール水溶液を用い、酸化極に供給する酸化剤
ガスに空気を用いた直接メタノール型燃料電池を、単位
時間当たりの酸化剤ガスの供給量をそれが流れる酸化極
用セパレータの断面積で除した値(平均線速度)が0.
5m/s以上、0.8m/s以下になるように運転する
ことを特徴とする直接メタノール型燃料電池の運転方法
である。
The invention according to claim 3 uses a proton conductive solid polymer membrane for the electrolyte, uses an aqueous methanol solution for the fuel supplied to the fuel electrode, and uses air for the oxidant gas supplied to the oxidation electrode. In the direct methanol fuel cell, the value (average linear velocity) obtained by dividing the supply amount of the oxidizing gas per unit time by the cross-sectional area of the oxidation electrode separator through which the gas flows is 0.
An operation method of a direct methanol fuel cell, wherein the operation is performed so as to be 5 m / s or more and 0.8 m / s or less.

【0015】すなわち、請求項3記載の発明は、酸化剤
ガスが流れる酸化極用セパレータにおける酸化極で生成
した水及び電解質膜を透過した液体燃料を排出する能力
が、前記セパレータの形状に左右されず、酸化剤ガスの
平均線速度に依存することを見出したことによるもので
ある。
That is, according to the third aspect of the present invention, the ability of the separator for an oxidizing electrode through which an oxidizing gas flows to discharge water generated at the oxidizing electrode and liquid fuel permeated through the electrolyte membrane depends on the shape of the separator. Rather, it depends on the average linear velocity of the oxidizing gas.

【0016】また、請求項4記載の発明は、電解質にプ
ロトン導電性固体高分子膜を用い、燃料極に供給する燃
料にメタノール水溶液を用い、酸化極に供給する酸化剤
ガスに空気を用いた直接メタノール型燃料電池におい
て、前記酸化極に供給する酸化剤ガスが流れる酸化極用
セパレータの、一つの流路溝の幅を0.5mm以上、
1.2mm以下であることを特徴とする直接メタノール
型燃料電池である。
The invention according to claim 4 uses a proton conductive solid polymer membrane for the electrolyte, uses an aqueous methanol solution for the fuel supplied to the fuel electrode, and uses air for the oxidant gas supplied to the oxidation electrode. In a direct methanol fuel cell, the width of one channel groove of the separator for the oxidation electrode through which the oxidizing gas supplied to the oxidation electrode flows is 0.5 mm or more,
It is a direct methanol fuel cell characterized by being 1.2 mm or less.

【0017】すなわち、請求項4記載の発明は、酸化剤
ガスの圧力損失は、それが流れる酸化極用セパレータの
流路溝によって定まることを見出したことによるもので
ある。
That is, the invention of claim 4 is based on the finding that the pressure loss of the oxidizing gas is determined by the flow channel of the oxidizing electrode separator through which the oxidizing gas flows.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、本発明を、その実施の形態
に基づいて説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described based on its embodiments.

【0019】本発明の実施の形態に係る、直接メタノー
ル型燃料電池の運転方法の特徴を裏付けるため、以下の
評価試験を行った。
The following evaluation tests were conducted to confirm the features of the operation method of the direct methanol fuel cell according to the embodiment of the present invention.

【0020】(評価試験1)一つの流路溝の断面積が1
mm2(1mm×1mm)で、形状が図1(A)〜
(D)である酸化極用セパレータを準備した。前記図1
(A)のものは31本の流路溝が平行に並んだ構造であ
り、前記図1(B)のものは4本の流路溝が蛇行した構
造であり、前記図1(C)のものは3本の流路溝が蛇行
した構造であり、前記図1(D)のものは2本の流路溝
が蛇行した構造で、それぞれの流路長さは図1(A)の
ものが126mm、図1(B)のものが614mm、図
1(C)のものが735mm、図1(D)のものが98
8mmであり、それぞれの流路断面積は図1(A)のも
のが31mm2、図1(B)のものが4mm2、図1
(C)のものが3mm2、図1(D)のものが2mm2
ある。このような酸化極用セパレータにおいて、空気の
流れによって除去される水とメタノールの量を測定する
ために、80℃の温度下で、1モル/リットルのメタノ
ール水溶液を2g含浸させた濾紙を前記セパレータとエ
ンドプレートで挟持したものに流量を変化させながら空
気を60秒間流してその除去量を調査し、結果を図2に
示す。
(Evaluation Test 1) The cross-sectional area of one channel groove is 1
mm 2 (1 mm × 1 mm), and the shape is as shown in FIG.
An oxidation electrode separator (D) was prepared. FIG. 1
FIG. 1A shows a structure in which 31 flow grooves are arranged in parallel, and FIG. 1B shows a structure in which four flow grooves meander, and FIG. FIG. 1D shows a structure in which three flow grooves are meandering, and FIG. 1D shows a structure in which two flow grooves are meandering. Is 126 mm, that of FIG. 1B is 614 mm, that of FIG. 1C is 735 mm, and that of FIG.
The cross-sectional area of each channel is 31 mm 2 in FIG. 1 (A), 4 mm 2 in FIG. 1 (B), and FIG.
(C) 3 mm 2 , FIG. 1 (D) 2 mm 2 . In order to measure the amount of water and methanol removed by the flow of air, the filter paper impregnated with 2 g of a 1 mol / L aqueous methanol solution at a temperature of 80 ° C. While the air flow was changed for 60 seconds while changing the flow rate between the material and the end plate, the amount of removal was investigated, and the results are shown in FIG.

【0021】図2から、水・メタノールの除去量は空気
の流量が多くなると増加することがわかる。
FIG. 2 shows that the removal amount of water / methanol increases as the flow rate of air increases.

【0022】図2の結果を、空気の供給量をそれが流れ
る酸化極用セパレータの断面積(並列流路数×流路断面
積)で除した値(平均線速度)にプロットし直したもの
を図3に示す。
The result of FIG. 2 is plotted again as a value (average linear velocity) obtained by dividing the supply amount of air by the sectional area (number of parallel passages × cross-sectional area of passage) of the oxidizing electrode separator through which the air flows. Is shown in FIG.

【0023】図3から、平均線速度が0.5m/s以上
であれば、水・メタノールの除去量を、ほぼ一定量以上
にできることがわかる。
FIG. 3 shows that if the average linear velocity is 0.5 m / s or more, the removal amount of water / methanol can be made substantially constant or more.

【0024】(評価試験2)水を毎分2cm3混入させ
た空気を、流量1.5リットル/分で、図1(A)〜図
1(D)の酸化極用セパレータに流し、流路の構造と損
失圧力の関係を圧力差の測定によって調査し、結果を図
4に示す。
(Evaluation Test 2) Air mixed with 2 cm 3 of water per minute was flowed at a flow rate of 1.5 liter / minute through the separator for an oxidizing electrode shown in FIGS. 1A to 1D. The relationship between the structure and the pressure loss was investigated by measuring the pressure difference, and the results are shown in FIG.

【0025】図4から、圧力差は空気の流量が多くなる
と増加することがわかる。圧力差が増加するということ
は空気を供給するためのポンプなどを動作させるために
消費するエネルギーが増加し、総合的な効率面から見る
と、直接メタノール型燃料電池の運転方法としては好ま
しくない方向であると言える。
FIG. 4 shows that the pressure difference increases as the flow rate of air increases. Increasing the pressure difference means that the energy consumed to operate pumps for supplying air etc. increases, and from an overall efficiency point of view, it is an unfavorable way to operate a direct methanol fuel cell. It can be said that

【0026】(評価試験3)電解質にはナフィオン11
7を、燃料極には白金−ルテニウム/炭素触媒をカーボ
ンペーパーに塗布したものを、酸化極には白金/炭素触
媒をカーボンペーパーに塗布したものを用い、これらを
ホットプレスによって接合して電解質−電極接合体を得
た。この電解質−電極接合体を、グラファイトからなる
図1(A)〜図1(D)のような酸化極用セパレータ
と、グラファイトからなる図1(C)のような燃料極用
セパレータとを組み合わせて、有効電極面積が36cm
2の直接メタノール型燃料電池を作製し、90℃の温度
下で、燃料極に1モル/リットルのメタノール水溶液を
毎分6cm3供給し、酸化極に空気を毎分3リットル供
給し、電流密度を変化させて電池電圧と出力密度を調査
し、結果を図5に示す。
(Evaluation Test 3) Nafion 11 was used as the electrolyte.
No. 7 was prepared by applying a platinum-ruthenium / carbon catalyst to carbon paper for the fuel electrode and a platinum / carbon catalyst applied to carbon paper for the oxidation electrode, and these were joined by hot pressing to form an electrolyte. An electrode assembly was obtained. This electrolyte-electrode assembly is obtained by combining a graphite separator as shown in FIGS. 1A to 1D made of graphite and a fuel electrode separator as shown in FIG. 1C made of graphite. 36cm effective electrode area
(2) A direct methanol fuel cell was manufactured, and at a temperature of 90 ° C., a 1 mol / liter aqueous methanol solution was supplied to the fuel electrode at 6 cm 3 / min, and air was supplied to the oxidation electrode at 3 liter / min. The battery voltage and the output density were investigated by changing the values of. And the results are shown in FIG.

【0027】図5から、空気の流速が一定であれば、図
1(B)〜図1(D)の構造のものは電池電圧と出力密
度はほぼ同程度であることがわかる。
From FIG. 5, it can be seen that the battery voltage and output density of the structures of FIGS. 1 (B) to 1 (D) are almost the same when the air velocity is constant.

【0028】図5の結果を、電流密度が200mA/c
2の場合について、空気の平均線速度をパラメーター
とし、電池電圧に水・メタノールの除去量を付加してプ
ロットし直したものを図6に示す。
FIG. 5 shows that the current density was 200 mA / c.
For the case of m 2 , FIG. 6 shows a plot of the average linear velocity of air as a parameter, the addition of water / methanol removal to the battery voltage, and re-plotting.

【0029】図6から、電池電圧の変化と水・メタノー
ルの除去量とは傾向がほぼ一致することがわかる。
FIG. 6 shows that the change in the battery voltage and the removal amount of water / methanol almost coincide with each other.

【0030】上記した評価試験1〜3から、酸化極用セ
パレータに供給する酸化剤ガスとしての空気の平均線速
度は、流路溝の構造が複雑にならない範囲で、圧力損失
と得られる電池電圧を考慮して0.5m/s以上、10
m/s以下とするのがよく、より好ましくは、水・メタ
ノールの除去量から電池特性が良好である、2.0m/
s以上、6.0m/s以下とするのがよい。
From the evaluation tests 1 to 3 described above, the average linear velocity of the air as the oxidizing gas supplied to the oxidizing electrode separator is determined by the pressure loss and the obtained battery voltage within a range that does not complicate the structure of the flow channel. 0.5 m / s or more in consideration of
m / s or less, and more preferably, 2.0 m / s from which the battery characteristics are good in view of the amount of water and methanol removed.
s or more and 6.0 m / s or less.

【0031】(評価試験4)一つの断面積が1mm
2(1mm×1mm)である流路溝を30本備えた図7
のような酸化極用セパレータ及びこれと同形状の燃料極
用セパレータを備えた燃料電池の酸化極用セパレータ
に、酸化剤ガスとしての空気を9.0cm3/s、1
5.0cm3/s、24.0cm3/s、30.0cm3
/sで供給し、その平均線速度が、各々0.3m/s、
0.5m/s、0.8m/s、1.0m/sになるよう
に運転し、電池電圧(mV)と単位断面積当たりの出力
(出力密度)(mW/cm2)を調査し、結果を図8に
示す。
(Evaluation Test 4) One cross-sectional area is 1 mm
2 7 with 30 present a flow grooves is (1 mm × 1 mm)
Air as an oxidizing gas is applied to the separator for an oxidation electrode of 9.0 cm 3 / s,
5.0cm 3 /s,24.0cm 3 /s,30.0cm 3
/ S, and their average linear velocities are 0.3 m / s,
The battery was operated at 0.5 m / s, 0.8 m / s, and 1.0 m / s, and the battery voltage (mV) and the output per unit cross-sectional area (output density) (mW / cm 2 ) were investigated. FIG. 8 shows the results.

【0032】図8から、平均線速度が0.5m/s以上
になるように運転すると、電池電圧と出力密度は、とも
に良好な結果であることがわかるとともに、平均線速度
が0.5m/sより小さい0.3m/sであると、電池
電圧と出力密度は出力電流密度の増加に伴って低下し、
平均線速度が0.8m/sより大きい1.0m/sであ
ると、電池電圧と出力密度はほとんど変化しないことが
わかる。このことから、平均線速度が0.5m/s以
上、0.8m/s以下になるように、単位時間当たりの
酸化剤ガスの供給量をそれが流れる酸化極用セパレータ
の断面積で除した値を定めるのがよいと言える。換言す
れば、酸化極で生成した水及び電解質膜を透過した液体
燃料を排出する能力は、セパレータの形状ではなく、酸
化剤ガスの平均線速度に依存していると言えるというこ
とである。
FIG. 8 shows that when the operation was performed so that the average linear velocity was 0.5 m / s or more, both the battery voltage and the output density were good, and the average linear velocity was 0.5 m / s. At 0.3 m / s, which is smaller than s, the battery voltage and the power density decrease as the output current density increases,
It can be seen that when the average linear velocity is 1.0 m / s, which is larger than 0.8 m / s, the battery voltage and the output density hardly change. From this, the supply amount of the oxidizing gas per unit time was divided by the cross-sectional area of the oxidizing electrode separator through which the oxidizing gas flowed so that the average linear velocity became 0.5 m / s or more and 0.8 m / s or less. It can be said that it is better to set the value. In other words, the ability to discharge the water generated at the oxidizing electrode and the liquid fuel that has passed through the electrolyte membrane depends not on the shape of the separator but on the average linear velocity of the oxidizing gas.

【0033】(評価試験5)一つの断面積が1mm
2(1mm×1mm)である流路溝を3本備えた図9の
ような酸化極用セパレータ及びこれと同形状の燃料極用
セパレータを備えた燃料電池の酸化極用セパレータに、
酸化剤ガスとしての空気を0.9cm3/s、1.5c
3/s、2.4cm3/s、3.0cm3/sで供給
し、その平均線速度が、各々0.3m/s、0.5m/
s、0.8m/s、1.0m/sになるように運転し、
電池電圧(mV)と単位断面積当たりの出力(出力密
度)(mW/cm2)を調査し、結果を図10に示す。
(Evaluation Test 5) One cross-sectional area is 1 mm
2 to a separator for an oxidation electrode having three (1 mm × 1 mm) flow grooves as shown in FIG. 9 and a separator for a fuel cell having a fuel electrode separator having the same shape as that of FIG.
0.9 cm 3 / s of air as oxidant gas, 1.5 c
supplied in m 3 /s,2.4cm 3 /s,3.0cm 3 / s , the average linear velocity, each 0.3 m / s, 0.5 m /
s, 0.8m / s, driving to 1.0m / s,
The battery voltage (mV) and the output per unit sectional area (output density) (mW / cm 2 ) were investigated, and the results are shown in FIG.

【0034】図10から、平均線速度が0.5m/s以
上になるように運転すると、電池電圧と出力密度は、と
もに良好な結果であることがわかるとともに、平均線速
度が0.5m/sより小さい0.3m/sであると、電
池電圧と出力密度は出力電流密度の増加に伴って低下
し、平均線速度が0.8m/sより大きい1.0m/s
であると、電池電圧と出力密度はほとんど変化しないこ
とがわかる。このことから、平均線速度が0.5m/s
以上、0.8m/s以下になるように、単位時間当たり
の酸化剤ガスの供給量をそれが流れる酸化極用セパレー
タの断面積で除した値を定めるのがよいと言える。
From FIG. 10, it can be seen that when the operation was performed so that the average linear velocity was 0.5 m / s or more, both the battery voltage and the output density were good results, and the average linear velocity was 0.5 m / s. At 0.3 m / s less than s, the battery voltage and power density decrease with increasing output current density, and the average linear velocity is 1.0 m / s greater than 0.8 m / s.
, It can be seen that the battery voltage and the output density hardly change. From this, the average linear velocity is 0.5 m / s
As described above, it can be said that a value obtained by dividing the supply amount of the oxidizing gas per unit time by the cross-sectional area of the oxidizing electrode separator through which the oxidizing gas flows is 0.8 m / s or less.

【0035】なお、上記評価試験5において、流路溝を
4本にしたものと2本にしたものとについて、同様の試
験を行ったが、ほぼ同じ傾向であった。
In the above-mentioned evaluation test 5, the same test was carried out for the case where the number of the flow channel grooves was four and the case where the number of the flow channel grooves was two, but the tendency was almost the same.

【0036】(評価試験6)一つの断面積が1mm
2で、流路溝の幅を0.5mm、0.8mm、1.2m
mとした図11(a)、(b)、(c)のような酸化極
用セパレータ及びこれと同形状の燃料極用セパレータを
備えた燃料電池の酸化極用セパレータに、酸化剤ガスと
しての空気を16.7cm3/sで供給し、その平均線
速度が、各々1.52m/s、0.70m/s、0.3
9m/sになるように運転し、電池電圧(mV)と単位
断面積当たりの出力(出力密度)(mW/cm2)を調
査し、結果を図12に示す。
(Evaluation Test 6) One cross-sectional area is 1 mm
2 , the width of the channel groove is 0.5 mm, 0.8 mm, 1.2 m
11 (a), 11 (b), and 11 (c), and an oxidant gas as an oxidant gas in an oxidant electrode separator of a fuel cell including the oxidant electrode separator as shown in FIGS. Air was supplied at 16.7 cm 3 / s, and the average linear velocities were 1.52 m / s, 0.70 m / s and 0.3, respectively.
The operation was performed at 9 m / s, and the battery voltage (mV) and the output per unit sectional area (output density) (mW / cm 2 ) were investigated. The results are shown in FIG.

【0037】図12から、一つの流路溝の幅が0.5m
mであると、電池電圧と出力密度は出力電流密度の増加
に伴って低下し、それが1.2mmであると、電池電圧
と出力密度は、それが0.8mmの場合より低下する傾
向にあることがわかる。このことを平均線速度という視
点で見ると、0.70m/sであれば最も良好な結果が
得られるということになり、前述した評価試験1,2の
結果とも合致することもわかる。換言すれば、酸化極で
生成した水及び電解質膜を透過した液体燃料を排出する
能力は、その平均線速度が上記した範囲にあるのがよ
く、さらに酸化剤ガスが流れることによる圧力損失が小
さくなる流路溝の幅であるのがよいということである。
FIG. 12 shows that the width of one channel groove is 0.5 m.
m, the battery voltage and the power density decrease with an increase in the output current density, and if it is 1.2 mm, the battery voltage and the power density tend to be lower than when it is 0.8 mm. You can see that there is. From the viewpoint of the average linear velocity, it can be said that the best result is obtained when the average linear velocity is 0.70 m / s, and it is also understood that the result matches the results of the evaluation tests 1 and 2 described above. In other words, the ability to discharge the water generated at the oxidizing electrode and the liquid fuel that has passed through the electrolyte membrane should preferably have an average linear velocity in the above-described range, and further reduce the pressure loss due to the flow of the oxidizing gas. That is, it is preferable that the width of the flow channel groove be good.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上のように、本発明の直接メタノール
型燃料電池の運転方法及びそれに適した直接メタノール
型燃料電池では、効率の良い燃料及び酸化剤の供給をす
ることができるとともに、酸化剤ガスが過剰に供給され
ることによる酸化極側での滞留が防止でき、電極面の安
定性を確保して、出力性能の向上に寄与できる燃料電池
を得ることができる。
As described above, the operation method of the direct methanol fuel cell of the present invention and the direct methanol fuel cell suitable for the method can efficiently supply the fuel and the oxidant, and A fuel cell that can prevent stagnation on the oxidized electrode side due to excessive gas supply, secure the stability of the electrode surface, and contribute to improvement in output performance can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態に係る、直接メタノール型
燃料電池の運転方法を裏付けるための評価試験に用いた
酸化極用セパレータを示す図である。
FIG. 1 is a view showing an oxidizing electrode separator used in an evaluation test for supporting an operation method of a direct methanol fuel cell according to an embodiment of the present invention.

【図2】水・メタノールの除去量と空気の流量との関係
を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the removal amount of water / methanol and the flow rate of air.

【図3】図2の結果を、空気の平均線速度をパラメータ
ーとしてプロットし直した図である。
FIG. 3 is a diagram in which the result of FIG. 2 is re-plotted using the average linear velocity of air as a parameter.

【図4】酸化極用セパレータの流路の構造と損失圧力の
関係を圧力差の測定によって調査した結果を示す図であ
る。
FIG. 4 is a view showing a result of an examination of a relationship between a structure of a flow path of an oxidation electrode separator and a loss pressure by measuring a pressure difference.

【図5】本発明の実施の形態に係る、直接メタノール型
燃料電池の運転方法による電池電圧と出力密度を調査し
た図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating an investigation of a cell voltage and an output density according to an operation method of a direct methanol fuel cell according to an embodiment of the present invention.

【図6】図5の結果を、空気の平均線速度をパラメータ
ーとし、電池電圧に水・メタノールの除去量を付加して
プロットし直した図である。
FIG. 6 is a diagram in which the results of FIG. 5 are plotted again with the average linear velocity of air as a parameter and the amount of water / methanol removed added to the battery voltage.

【図7】評価試験4に供した、流路溝を30本備えた酸
化極用セパレータの平面図である。
FIG. 7 is a plan view of an oxidation electrode separator provided with 30 flow channel grooves, which was used in Evaluation Test 4.

【図8】評価試験4の結果を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the results of evaluation test 4.

【図9】評価試験5に供した、流路溝を3本備えた酸化
極用セパレータの平面図である。
FIG. 9 is a plan view of an oxidation electrode separator provided with three flow channel grooves and subjected to an evaluation test 5.

【図10】評価試験5の結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of evaluation test 5.

【図11】評価試験6に供した、流路溝の幅を0.5m
m、0.8mm、1.2mmをとした酸化極用セパレー
タの平面図である。
FIG. 11 shows a flow path groove having a width of 0.5 m, which was subjected to evaluation test 6.
It is a top view of the separator for oxidation electrodes which set m, 0.8 mm, and 1.2 mm.

【図12】評価試験6の結果を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing the results of evaluation test 6.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 大輔 大阪府高槻市古曽部町二丁目3番21号 株 式会社ユアサコーポレーション内 Fターム(参考) 5H026 AA08 CC03 CX05 HH03 5H027 AA08 MM03  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Daisuke Shimizu 2-3-1, Kosobe-cho, Takatsuki-shi, Osaka F-term in Yuasa Corporation (reference) 5H026 AA08 CC03 CX05 HH03 5H027 AA08 MM03

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電解質にプロトン導電性固体高分子膜を用
い、燃料極に供給する燃料にメタノール水溶液を用い、
酸化極に供給する酸化剤ガスに空気を用いた直接メタノ
ール型燃料電池を、単位時間当たりの酸化剤ガスの供給
量をそれが流れる酸化極用セパレータの断面積で除した
値(平均線速度)が0.5m/s以上、10.0m/s
以下になるように運転することを特徴とする直接メタノ
ール型燃料電池の運転方法。
1. A proton conductive solid polymer membrane is used as an electrolyte, and a methanol aqueous solution is used as a fuel to be supplied to a fuel electrode.
In a direct methanol fuel cell using air as the oxidizing gas supplied to the oxidizing electrode, the value obtained by dividing the amount of oxidizing gas supplied per unit time by the cross-sectional area of the oxidizing electrode separator flowing through the cell (average linear velocity) Is 0.5 m / s or more and 10.0 m / s
A method for operating a direct methanol fuel cell, characterized by operating as follows.
【請求項2】電解質にプロトン導電性固体高分子膜を用
い、燃料極に供給する燃料にメタノール水溶液を用い、
酸化極に供給する酸化剤ガスに空気を用いた直接メタノ
ール型燃料電池を、単位時間当たりの酸化剤ガスの供給
量をそれが流れる酸化極用セパレータの断面積で除した
値(平均線速度)が2.0m/s以上、6.0m/s以
下になるように運転することを特徴とする直接メタノー
ル型燃料電池の運転方法。
2. A proton conductive solid polymer membrane is used as an electrolyte, and a methanol aqueous solution is used as a fuel to be supplied to a fuel electrode.
In a direct methanol fuel cell using air as the oxidizing gas supplied to the oxidizing electrode, the value obtained by dividing the amount of oxidizing gas supplied per unit time by the cross-sectional area of the oxidizing electrode separator flowing through the cell (average linear velocity) The method for operating a direct methanol fuel cell, wherein the fuel cell is operated so that the pressure is 2.0 m / s or more and 6.0 m / s or less.
【請求項3】電解質にプロトン導電性固体高分子膜を用
い、燃料極に供給する燃料にメタノール水溶液を用い、
酸化極に供給する酸化剤ガスに空気を用いた直接メタノ
ール型燃料電池を、単位時間当たりの酸化剤ガスの供給
量をそれが流れる酸化極用セパレータの断面積で除した
値(平均線速度)が0.5m/s以上、0.8m/s以
下になるように運転することを特徴とする直接メタノー
ル型燃料電池の運転方法。
(3) using a proton conductive solid polymer membrane as an electrolyte, and using an aqueous methanol solution as a fuel to be supplied to a fuel electrode;
In a direct methanol fuel cell using air as the oxidizing gas supplied to the oxidizing electrode, the value obtained by dividing the amount of oxidizing gas supplied per unit time by the cross-sectional area of the oxidizing electrode separator flowing through the cell (average linear velocity) The method for operating a direct methanol fuel cell, wherein the fuel cell is operated such that the pressure is 0.5 m / s or more and 0.8 m / s or less.
【請求項4】電解質にプロトン導電性固体高分子膜を用
い、燃料極に供給する燃料にメタノール水溶液を用い、
酸化極に供給する酸化剤ガスに空気を用いた直接メタノ
ール型燃料電池において、前記酸化極に供給する酸化剤
ガスが流れる酸化極用セパレータの、一つの流路溝の幅
を0.5mm以上、1.2mm以下であることを特徴と
する直接メタノール型燃料電池。
4. Use of a proton conductive solid polymer membrane as an electrolyte, and use of an aqueous methanol solution as a fuel to be supplied to a fuel electrode,
In a direct methanol fuel cell using air as the oxidizing gas supplied to the oxidizing electrode, the width of one channel groove of the separator for the oxidizing electrode through which the oxidizing gas supplied to the oxidizing electrode flows is 0.5 mm or more, A direct methanol fuel cell having a diameter of 1.2 mm or less.
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JP2021064552A (en) * 2019-10-16 2021-04-22 株式会社ジェイテクト Fuel battery

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