JP2003022830A - Fuel cell power generation system, operation method for fuel cell power generation system, and battery pack - Google Patents

Fuel cell power generation system, operation method for fuel cell power generation system, and battery pack

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JP2003022830A JP2002130373A JP2002130373A JP2003022830A JP 2003022830 A JP2003022830 A JP 2003022830A JP 2002130373 A JP2002130373 A JP 2002130373A JP 2002130373 A JP2002130373 A JP 2002130373A JP 2003022830 A JP2003022830 A JP 2003022830A
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師浩 富松
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell power generation system, capable of increasing output when the initial alcohol concentration of an alcohol-containing aqueous solution inside a container is increased. SOLUTION: This fuel cell power generation system is equipped with a power generation part; a container 10; an anode passage 9; an alcohol-containing aqueous solution recovering mechanism recovering the excess amount of it of the alcohol-containing aqueous solution supplied to the anode passage 9; and a flow rate control means controlling alcohol-containing aqueous solution supply amount Jm (mL/min) from the container 10, according to the alcohol concentration of the alcohol-containing aqueous solution inside the container, estimated from data recorded as a change with the passage of time by corresponding load current to the operation time, and (1) to (3) of formula 1 is satisfied.

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、燃料電池発電装
置、燃料電池発電装置の運転方法及び組電池に関するも
のである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell power generator, a method of operating the fuel cell power generator, and an assembled battery.

【0002】[0002]

【従来の技術】情報化社会を支える携帯用電子機器の電
源として、また大気汚染や地球温暖化に対処するための
電気自動車及び電力貯蔵システムのキーエレメントとし
て、高性能二次電池及び燃料電池の期待が非常に高まり
つつある。特に電気自動車への応用としては、水素、酸
素を燃料として用いるPEM(PEFC、固体電解質燃
料電池)が有力視されてきた。水素、酸素というクリー
ンなエネルギーを用いることにより高出力が得られる点
と燃料を補充することにより出力が回復するという2点
で、電気自動車に適していると考えられている。しか
し、燃料電池は大きな負荷電流変化に対して出力が低下
するという欠点があるので、急加速時の発電が困難であ
る。一方、リチウムイオン二次電池のみで走行する電気
自動車もすでに実現されているが、安全性の問題及び電
解質を補充しても出力が回復できない等の観点からリチ
ウムイオン二次電池単独での電気自動車への応用も難し
いと考えられている。そこで、リチウムイオン二次電池
と燃料電池の両方の特徴を生かしたハイブリッド電池
(組電池)が、電気自動車への応用上重要になってきて
いる。さらに、PEMに用いる燃料容積を小さくすると
いう課題を解決するため、圧縮水素(250atm)、
液体水素、水素吸蔵合金などを燃料として用いる方法も
検討されている。その様な状況の中、メタノールから直
接プロトンを取り出すことにより発電を行う直接型メタ
ノール燃料電池(DMFC)は、PEMと比較して出力
が小さくなるという欠点があるものの、この観点から注
目されてきている。さらに、その燃料容積が少なくて済
むという特徴により、直接型メタノール燃料電池は携帯
電子機器への応用も考えられ、多方面への応用の期待が
高まりつつある。
2. Description of the Related Art As a power source for portable electronic devices that support an information-oriented society, and as a key element of electric vehicles and power storage systems for coping with air pollution and global warming, high performance secondary batteries and fuel cells have been developed. Expectations are very high. Particularly for application to electric vehicles, PEM (PEFC, solid electrolyte fuel cell) using hydrogen and oxygen as fuels has been regarded as a promising candidate. It is considered to be suitable for electric vehicles in two respects: high output can be obtained by using clean energy such as hydrogen and oxygen, and output can be restored by supplementing fuel. However, since the fuel cell has a drawback that the output decreases with a large change in load current, it is difficult to generate power during sudden acceleration. On the other hand, although an electric vehicle that runs on only a lithium-ion secondary battery has already been realized, an electric vehicle that uses only a lithium-ion secondary battery in view of safety issues and the fact that the output cannot be restored even if electrolyte is replenished. It is also considered difficult to apply to. Therefore, hybrid batteries (assembled batteries), which make the most of the features of both lithium-ion secondary batteries and fuel cells, have become important for application to electric vehicles. Furthermore, in order to solve the problem of reducing the fuel volume used for PEM, compressed hydrogen (250 atm),
A method of using liquid hydrogen, a hydrogen storage alloy, or the like as a fuel is also under study. Under such circumstances, a direct methanol fuel cell (DMFC) that generates electric power by directly extracting protons from methanol has a drawback that its output is smaller than that of a PEM, but it has been noted from this viewpoint. There is. Further, due to the feature that the fuel volume is small, the direct methanol fuel cell is considered to be applied to portable electronic devices, and the application to various fields is expected to be increased.

【0003】図1に標準的な直接型メタノール燃料電池
の概略構成を示す。直接型メタノール燃料電池の起電部
は、アノード集電体1及びアノード触媒層2を含むアノ
ード極と、カソード集電体3及びカソード触媒層4を含
むカソード極と、前記アノード極及び前記カソード極の
間に配置される電解質膜5とを含む。アノード流路板6
は、アノード集電体1側に配置されている。図2に示す
ように、アノード流路板6には、メタノール供給口7と
メタノール排出口8とを有するアノード流路9が形成さ
れている。メタノール水溶液が収容されているメタノー
ル水溶液容器10は、ポンプ11を介してメタノール供
給口7に接続されている。一方、カソード流路板12
は、カソード集電体3側に配置されている。カソード流
路板12には、酸化剤供給口13及び酸化剤排出口14
を有するカソード流路15が形成されている。空気のよ
うな酸化剤を供給する酸化剤供給手段16は、酸化剤供
給口13に接続されている。
FIG. 1 shows a schematic structure of a standard direct methanol fuel cell. The electromotive section of the direct methanol fuel cell includes an anode electrode including the anode current collector 1 and the anode catalyst layer 2, a cathode electrode including the cathode current collector 3 and the cathode catalyst layer 4, the anode electrode and the cathode electrode. And an electrolyte membrane 5 disposed between the two. Anode channel plate 6
Are arranged on the anode current collector 1 side. As shown in FIG. 2, the anode flow channel plate 6 is formed with an anode flow channel 9 having a methanol supply port 7 and a methanol discharge port 8. A methanol aqueous solution container 10 containing a methanol aqueous solution is connected to a methanol supply port 7 via a pump 11. On the other hand, the cathode channel plate 12
Are arranged on the cathode current collector 3 side. The cathode channel plate 12 has an oxidant supply port 13 and an oxidant discharge port 14
Is formed in the cathode flow channel 15. An oxidant supply means 16 for supplying an oxidant such as air is connected to the oxidant supply port 13.

【0004】電解質膜5には、例えば、高プロトン伝導
性をもつナフィオン膜が用いられる。一方、アノード触
媒層2に用いられる触媒には、例えば、被毒の少ないP
tRuが用いられ、また、カソード触媒層4に用いられ
る触媒としては、例えば、Ptが用いられる。
As the electrolyte membrane 5, for example, a Nafion membrane having high proton conductivity is used. On the other hand, the catalyst used in the anode catalyst layer 2 is, for example, P, which is less poisoned.
tRu is used, and the catalyst used in the cathode catalyst layer 4 is Pt, for example.

【0005】このような直接型メタノール燃料電池にお
いては、アノード触媒層2にメタノール水溶液を供給
し、触媒反応によってプロトンを発生させ、発生したプ
ロトンが電解質膜5を通り抜け、カソード触媒層4に供
給された酸素と触媒上で反応するという原理で発電が行
われる。
In such a direct methanol fuel cell, an aqueous methanol solution is supplied to the anode catalyst layer 2 to generate protons by a catalytic reaction, and the generated protons pass through the electrolyte membrane 5 and are supplied to the cathode catalyst layer 4. Electricity is generated on the principle that it reacts with oxygen on the catalyst.

【0006】直接型メタノール燃料電池の出力を向上さ
せるためには、高負荷電流まで高起電力を維持させる必
要がある。高負荷電流を得るためには、アノード触媒層
に供給する単位時間当たりのメタノール量を増やす必要
がある。しかしながら、ナフィオン膜はメタノール水溶
液も透過するため、アノード触媒層中で反応に使われな
かったメタノール水溶液がカソード触媒層に到達し、カ
ソード触媒層中でアノード触媒層と同様の反応を起こす
ことにより逆起電力を生じてしまう。これがクロスオー
バー過電圧であり、直接型メタノール燃料電池の起電力
を減少させるという問題を引き起こす。このクロスオー
バー過電圧はメタノール濃度が高い程深刻であり、5M
を超えるメタノール水溶液をアノード触媒層に供給する
と、出力は著しく低下する。さらに、ナフィオン膜のよ
うな電解質膜の劣化を抑制するという観点からも、メタ
ノール水溶液の濃度を5M以下にすることが好ましい。
よって、直接型メタノール燃料電池を動作させるために
は、燃料であるメタノール水溶液の濃度を5M以下にす
ることが好ましい。
In order to improve the output of the direct methanol fuel cell, it is necessary to maintain a high electromotive force up to a high load current. In order to obtain a high load current, it is necessary to increase the amount of methanol supplied to the anode catalyst layer per unit time. However, since the Nafion membrane also permeates an aqueous methanol solution, the aqueous methanol solution that has not been used in the reaction in the anode catalyst layer reaches the cathode catalyst layer and causes the same reaction as the anode catalyst layer in the cathode catalyst layer. Electromotive force is generated. This is a crossover overvoltage and causes a problem of reducing the electromotive force of the direct methanol fuel cell. This crossover overvoltage becomes more serious as the concentration of methanol increases.
When an aqueous methanol solution exceeding the above is supplied to the anode catalyst layer, the output is significantly reduced. Further, from the viewpoint of suppressing deterioration of an electrolyte membrane such as a Nafion membrane, it is preferable that the concentration of the aqueous methanol solution be 5 M or less.
Therefore, in order to operate the direct methanol fuel cell, it is preferable that the concentration of the aqueous methanol solution as the fuel be 5 M or less.

【0007】ところで、クロスオーバー過電圧を下げる
方法として、アノード触媒層に供給するメタノールをす
べてアノード触媒層中で消費し、カソード触媒層へ透過
させない方法が考えられる。このためには、アノード触
媒層中での触媒活性を向上させるか、もしくは触媒担持
量を増やすなどの方法が挙げられるが、現状の触媒では
実現不可能である。また、アノード触媒層中で使われな
かったメタノール水溶液を透過させない様な電解質膜の
開発も行われているが、実際にはプロトン伝導性が悪く
なる電解質膜が多く、かえって出力を低下させる場合が
多い。よって、クロスオーバー過電圧を下げるには、燃
料として用いるメタノール水溶液の濃度を低下させるこ
とが好ましい。しかしながら、低濃度の燃料を用いる
と、燃料容器を大きくする必要があるため、直接型メタ
ノール燃料電池の特徴を十分に生かせなくなる。
By the way, as a method of reducing the crossover overvoltage, a method of consuming all of the methanol supplied to the anode catalyst layer in the anode catalyst layer and preventing permeation to the cathode catalyst layer can be considered. For this purpose, there is a method of improving the catalyst activity in the anode catalyst layer or increasing the amount of catalyst supported, but it is not possible with the current catalyst. In addition, although an electrolyte membrane that does not allow the methanol aqueous solution that was not used in the anode catalyst layer to permeate is being developed, in reality, many electrolyte membranes have poor proton conductivity, which may reduce the output. Many. Therefore, in order to reduce the crossover overvoltage, it is preferable to reduce the concentration of the aqueous methanol solution used as fuel. However, when a low concentration fuel is used, it is necessary to make the fuel container large, so that the characteristics of the direct methanol fuel cell cannot be fully utilized.

【0008】前述した図1に示すように、通常の直接型
メタノール燃料電池は、ポンプ11によってアノード流
路板6にメタノール水溶液を供給する構造になってい
る。前述した図2に示すように、ポンプ11から供給さ
れたメタノール水溶液はアノード流路板6のメタノール
供給口(inlet)7を通して流路板6の溝の部分
(アノード流路9)を流れる。流路板6の凸部分は、ア
ノードカーボンペーパーのようなアノード集電体1と接
しており、アノード流路9を流れるメタノール水溶液が
アノード集電体1に浸み込むことにより、アノード触媒
層2にメタノール水溶液が供給される。
As shown in FIG. 1 described above, the normal direct methanol fuel cell has a structure in which the pump 11 supplies the aqueous methanol solution to the anode flow channel plate 6. As described above with reference to FIG. 2, the aqueous methanol solution supplied from the pump 11 flows through the methanol supply port (inlet) 7 of the anode flow channel plate 6 to the groove portion (anode flow channel 9) of the flow channel plate 6. The convex portion of the flow channel plate 6 is in contact with the anode current collector 1 such as anode carbon paper, and the aqueous methanol solution flowing through the anode flow channel 9 is soaked in the anode current collector 1 so that the anode catalyst layer 2 Aqueous methanol solution is supplied to.

【0009】しかしながら、アノード流路板6を流れる
すべてのメタノール水溶液がアノード集電体1に浸み込
むことはほとんどなく、一部は流路板6のメタノール排
出口(outlet)8から排出される。このため、容
器10中のメタノール水溶液の利用効率は、一般には低
い。この効率を高めるために、流路板の構造を改良する
などの試みもなされているが、利用効率を大きく高める
までには至っていないのが現状である。また、アノード
流路板6のメタノール排出口(outlet)8から排
出されたメタノール水溶液を容器10に戻す仕組みを作
製することが考えられるが、アノード触媒層2中でメタ
ノールと水は1対1で消費されるため、アノード流路板
6から排出されたメタノール水溶液を容器10内に戻す
と、容器10内のメタノール水溶液の濃度が次第に薄く
なって行く。そのため、電池内部でメタノール不足を生
じ、起電力が急激に減少するという問題を生じる。
However, almost all of the aqueous methanol solution flowing through the anode flow channel plate 6 hardly penetrates into the anode current collector 1, and a part of it is discharged from the methanol outlet 8 of the flow channel plate 6. . Therefore, the utilization efficiency of the aqueous methanol solution in the container 10 is generally low. Attempts have been made to improve the structure of the flow channel plate in order to increase the efficiency, but the present situation is that the utilization efficiency has not been significantly increased. Further, it is conceivable to prepare a mechanism for returning the aqueous methanol solution discharged from the methanol outlet 8 of the anode flow channel plate 6 to the container 10, but in the anode catalyst layer 2 the methanol and water are 1: 1. Since it is consumed, when the aqueous methanol solution discharged from the anode flow channel plate 6 is returned to the container 10, the concentration of the aqueous methanol solution in the container 10 gradually decreases. As a result, there is a problem that a shortage of methanol occurs inside the battery and the electromotive force is sharply reduced.

【0010】上記の様に、5M以下の濃度のメタノール
水溶液を燃料として用いることが望ましいが、薄いメタ
ノール水溶液を燃料として用いると、容器の容積を大き
くする必要があるばかりか、電池内部での反応に対して
メタノール不足を生じやすくなるので、メタノール水溶
液容器からメタノール水溶液を早く送液する必要が出て
くる。この様な運転を行えば、クロスオーバー過電圧を
下げられるため、電池としての出力は高くなるものの、
メタノールを供給するためのポンプ出力も大きくなるた
めに、発電装置全体での出力は逆に低減してしまうとい
う問題が生じる。
As described above, it is desirable to use an aqueous methanol solution having a concentration of 5 M or less as a fuel. However, when a thin aqueous methanol solution is used as a fuel, not only the volume of the container needs to be increased, but also the reaction inside the battery is required. On the other hand, a shortage of methanol is likely to occur, and it is necessary to feed the aqueous methanol solution from the aqueous methanol solution container quickly. If such an operation is performed, the crossover overvoltage can be lowered, so the output as a battery increases, but
Since the pump output for supplying methanol also becomes large, there arises a problem that the output of the entire power generation device decreases conversely.

【0011】以上説明したように、燃料供給という観点
からは、濃いメタノール水溶液を小さい流速で送ること
が望ましいが、出力の観点からは、薄いメタノール水溶
液を大きい流速で送る方が望ましいという相反する状況
が生じる。よって、燃料容積を小さくし、かつ高出力を
得るためには、最適な濃度のメタノール水溶液を最適な
流速で送液する必要が出てくる。最適なメタノール水溶
液濃度と流速は、電池起電部の構造にも依存するため、
実験的に系統的に調べることは非常に困難であり、十分
な理解がいまだなされていない。また、シミュレーショ
ンを用いて最適化を行えば、この問題を早急に解決する
ことが可能となるが、直接型メタノール燃料電池の出力
に対して十分な説明を与える理論の提案がいまだなされ
ていない。
As described above, from the viewpoint of fuel supply, it is desirable to send a concentrated aqueous methanol solution at a low flow rate, but from the perspective of output, it is desirable to send a dilute aqueous methanol solution at a high flow rate. Occurs. Therefore, in order to reduce the fuel volume and obtain a high output, it is necessary to send an aqueous methanol solution having an optimum concentration at an optimum flow rate. The optimum concentration and flow rate of the aqueous methanol solution also depend on the structure of the battery electromotive section.
It is extremely difficult to systematically investigate experimentally, and it is not yet fully understood. Moreover, if optimization is performed by using a simulation, this problem can be solved promptly, but a theory that gives a sufficient explanation for the output of the direct methanol fuel cell has not been proposed yet.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、容器中のア
ルコール含有水溶液の初期アルコール濃度を高濃度にし
た際の出力を向上することが可能な燃料電池発電装置及
び組電池を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a fuel cell power generator and an assembled battery capable of improving the output when the initial alcohol concentration of the alcohol-containing aqueous solution in the container is increased. To aim.

【0013】また、本発明は、容器中のアルコール含有
水溶液の初期アルコール濃度が2〜5mol/Lの範囲
内である際の出力密度を向上することが可能な燃料電池
発電装置の運転方法を提供することを目的とする。
The present invention also provides a method of operating a fuel cell power generator capable of improving the output density when the initial alcohol concentration of the alcohol-containing aqueous solution in the container is within the range of 2 to 5 mol / L. The purpose is to do.

【0014】さらに、本発明によれば、燃料利用効率と
エネルギー変換効率の双方に優れる燃料電池発電装置及
び組電池を提供することを目的とする。
Further, according to the present invention, it is an object of the present invention to provide a fuel cell power generator and an assembled battery which are excellent in both fuel utilization efficiency and energy conversion efficiency.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明に係る第1の燃料
電池発電装置は、アノード触媒層を含むアノード極と、
カソード極と、前記アノード極及び前記カソード極の間
に配置される電解質膜とを備える起電部単位を少なくと
も一つ備える起電部と、アルコール含有水溶液が収容さ
れている容器と、前記アノード極に前記アルコール含有
水溶液を供給するためのアノード流路と、前記アノード
流路に供給された前記アルコール含有水溶液のうち余剰
分を前記容器に回収するアルコール含有水溶液回収機構
と、負荷電流を運転時間に対応させて経時変化として記
録したものから評価される前記容器内の前記アルコール
含有水溶液のアルコール濃度に応じて、前記容器からの
アルコール含有水溶液供給量Jm(mL/min)を制
御する流量制御手段とを具備し、下記数4の(1)〜
(3)に示す条件を満足することを特徴とするものであ
る。
A first fuel cell power generator according to the present invention includes an anode electrode including an anode catalyst layer,
An electromotive unit including at least one electromotive unit including a cathode electrode and an electrolyte membrane disposed between the anode electrode and the cathode electrode, a container containing an alcohol-containing aqueous solution, and the anode electrode. An anode flow path for supplying the alcohol-containing aqueous solution to the, an alcohol-containing aqueous solution recovery mechanism for recovering an excess of the alcohol-containing aqueous solution supplied to the anode flow path into the container, and a load current at an operating time. A flow rate control means for controlling the alcohol-containing aqueous solution supply amount J m (mL / min) from the container according to the alcohol concentration of the alcohol-containing aqueous solution in the container evaluated from the correspondingly recorded change over time. And the following numerical formula (1)-
It is characterized in that the condition (3) is satisfied.

【0016】[0016]

【数4】 [Equation 4]

【0017】但し、前記C0 mは前記容器内のアルコール
含有水溶液の初期アルコール濃度(M)で、前記Lは前
記アノード触媒層の厚さ(μm)で、前記Sは前記アノ
ード触媒層の反応面積(cm)で、前記Nは前記起電
部中の前記起電部単位の数を示す。
Where C 0 m is the initial alcohol concentration (M) of the alcohol-containing aqueous solution in the container, L is the thickness (μm) of the anode catalyst layer, and S is the reaction of the anode catalyst layer. In an area (cm 2 ), the N represents the number of the electromotive unit in the electromotive unit.

【0018】本発明に係る第2の燃料電池発電装置は、
厚さが40μm以上のアノード触媒層を含むアノード極
と、カソード極と、前記アノード極及び前記カソード極
の間に配置される電解質膜とを備える起電部単位を少な
くとも一つ備える起電部と、2M以上、5M以下のアル
コール濃度のアルコール含有水溶液が収容されている容
器とを具備する燃料電池発電装置であって、前記容器か
らのアルコール含有水溶液供給量Jm(mL/min)
は、下記数5の(4)式で規定される範囲内であること
を特徴とするものである。
A second fuel cell power generator according to the present invention comprises:
An electromotive part comprising at least one electromotive part unit comprising an anode electrode having an anode catalyst layer having a thickness of 40 μm or more, a cathode electrode, and an electrolyte membrane arranged between the anode electrode and the cathode electrode. A fuel cell power generator comprising a container containing an alcohol-containing aqueous solution having an alcohol concentration of 2 M or more and 5 M or less, wherein the alcohol-containing aqueous solution supply amount J m (mL / min) from the container.
Is within the range defined by the following equation (4).

【0019】[0019]

【数5】 [Equation 5]

【0020】但し、前記Lは前記アノード触媒層の厚さ
(μm)で、前記Sは前記アノード触媒層の反応面積
(cm)で、前記Nは前記起電部中の前記起電部単位
の数を示す。
Where L is the thickness (μm) of the anode catalyst layer, S is the reaction area (cm 2 ) of the anode catalyst layer, and N is the unit of the electromotive unit in the electromotive unit. Indicates the number of.

【0021】本発明に係る組電池は、本発明に係る第1
または第2の燃料電池発電装置と、前記燃料電池発電装
置に電気的に接続されている非水電解質二次電池とを備
えることを特徴とするものである。
The assembled battery according to the present invention is the first battery according to the present invention.
Alternatively, it is characterized by including a second fuel cell power generator and a non-aqueous electrolyte secondary battery electrically connected to the fuel cell power generator.

【0022】本発明に係る燃料電池発電装置の運転方法
は、厚さが40μm以上のアノード触媒層を含むアノー
ド極と、カソード極と、前記アノード極及び前記カソー
ド極の間に配置される電解質膜とを備える起電部単位を
少なくとも一つ備える起電部と、初期アルコール濃度が
2M〜5Mの範囲内のアルコール含有水溶液が収容され
ている容器と、前記アノード極にアルコール含有水溶液
を供給するためのアノード流路と、前記アノード流路に
供給されたアルコール含有水溶液のうち余剰分を前記容
器に回収するアルコール含有水溶液回収機構と、負荷電
流を運転時間に対応させて経時変化として記録したもの
から前記容器内のアルコール含有水溶液のアルコール濃
度を評価して評価濃度を算出するアルコール濃度評価機
構とを具備する燃料電池発電装置の運転方法であって、
前記評価濃度が2M〜5Mの範囲内である際、前記容器
からのアルコール含有水溶液供給量Jm(mL/mi
n)を下記数6の(3)式の範囲内の一定値に維持する
ことにより前記燃料電池発電装置から電力を得る第1の
発電工程と、前記評価濃度が2M未満に低下した際に、
前記供給量Jm(mL/min)を前記(3)式の範囲
内で増加させることにより前記燃料電池発電装置から電
力を得る第2の発電工程とを具備することを特徴とする
ものである。
In the method for operating a fuel cell power generator according to the present invention, an anode electrode including an anode catalyst layer having a thickness of 40 μm or more, a cathode electrode, and an electrolyte membrane disposed between the anode electrode and the cathode electrode. An electromotive part having at least one electromotive part unit, a container containing an alcohol-containing aqueous solution having an initial alcohol concentration in the range of 2M to 5M, and an alcohol-containing aqueous solution supplied to the anode electrode. From the anode flow path, an alcohol-containing aqueous solution recovery mechanism for recovering an excess amount of the alcohol-containing aqueous solution supplied to the anode flow path into the container, and a load current recorded as a change with time corresponding to an operating time. A fuel provided with an alcohol concentration evaluation mechanism for evaluating the alcohol concentration of the alcohol-containing aqueous solution in the container and calculating the evaluation concentration. A method of operating a cell power generator,
When the evaluation concentration is within the range of 2 M to 5 M, the alcohol-containing aqueous solution supply amount J m (mL / mi from the container is
a first power generation step of obtaining power from the fuel cell power generator by maintaining n) at a constant value within the range of Expression (3) below, and when the evaluation concentration drops below 2M,
A second power generation step of obtaining power from the fuel cell power generator by increasing the supply amount J m (mL / min) within the range of the expression (3). .

【0023】[0023]

【数6】 [Equation 6]

【0024】但し、前記Lは前記アノード触媒層の厚さ
(μm)で、前記Sは前記アノード触媒層の反応面積
(cm)で、前記Nは前記起電部中の前記起電部単位
数を示す。
Where L is a thickness (μm) of the anode catalyst layer, S is a reaction area (cm 2 ) of the anode catalyst layer, and N is a unit of the electromotive unit in the electromotive unit. Indicates a number.

【0025】本発明に係る第1、第2の燃料電池発電装
置および燃料電池発電装置の運転方法において、アルコ
ール含有水溶液としては、例えば、メタノール水溶液の
ようなメタノール含有水溶液を挙げることができる。
In the first and second fuel cell power generators and the method for operating the fuel cell power generators according to the present invention, examples of the alcohol-containing aqueous solution include a methanol-containing aqueous solution such as a methanol aqueous solution.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】直接型メタノール燃料電池に供給
するメタノール水溶液の濃度及びその流速を最適化する
ために、本発明者はシミュレータの作成を行い、系統的
に出力特性を調べることにより前述した数4〜数5の
(1)〜(4)式を導出した。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In order to optimize the concentration of an aqueous methanol solution supplied to a direct methanol fuel cell and its flow velocity, the present inventor created a simulator and systematically examined the output characteristics as described above. Formulas (1) to (4) of Formulas 4 to 5 were derived.

【0027】起電部におけるメタノール伝導、プロトン
伝導、酸化剤の伝導に関しては、すでに幾つかの方程式
が提案されており(例えば、J.Power Source, 65, No.1
-2,159 (1997) 、Discussions of the Farady Society,
No.21 (1956) 、J.Electrochem. Soc., 39, No.9, 2477
(1992) )、本発明を考案する上でも、これらの式を用
いた。即ち、電極の触媒反応は、下記数7に示すButler
-Volmer方程式によって記述した。
Several equations have already been proposed for methanol conduction, proton conduction, and oxidant conduction in the electromotive section (for example, J. Power Source, 65, No. 1).
-2,159 (1997), Discussions of the Farady Society,
No. 21 (1956), J. Electrochem. Soc., 39, No. 9, 2477
(1992)), these formulas were also used in devising the present invention. That is, the catalytic reaction of the electrode is the Butler shown in the following Equation 7.
-Described by the Volmer equation.

【0028】[0028]

【数7】 [Equation 7]

【0029】但し、前記αは、触媒反応に関与する電子
数を表すので、カソード触媒層においては2、アノード
電極では3の値を用いた。また、実効的な触媒表面積a
と交換電流i0の積に関しては、通常用いられる様に、
カソード触媒層では10-5(70℃)、アノード触媒層
では6.25exp(8420(1/333−1/
T))を用いた。但し、触媒の活性は温度に対して強い
依存性をもつが、電池の動作温度として一般的に考えら
れている70℃を想定し、本発明の計算をすべて行っ
た。また、(φH+−φe-)は電子とプロトンのポテンシ
ャルの差を表す。
However, since α represents the number of electrons involved in the catalytic reaction, a value of 2 was used in the cathode catalyst layer and a value of 3 was used in the anode electrode. Also, the effective catalyst surface area a
And the exchange current i 0 , as is commonly used,
10 −5 (70 ° C.) in the cathode catalyst layer and 6.25 exp (8420 (1 / 333-1 /
T)) was used. However, although the activity of the catalyst has a strong dependence on the temperature, 70 ° C. which is generally considered as the operating temperature of the battery was assumed, and all calculations of the present invention were performed. Further, (φ H + −φ e− ) represents the potential difference between the electron and the proton.

【0030】[0030]

【数8−1】 [Equation 8-1]

【0031】[0031]

【数8−2】 [Equation 8-2]

【0032】但し、前記iは、zにおけるプロトンの運
ぶ電流密度を示し、前記Cmは、zにおけるメタノール
濃度を示す。また、前記γC(z)は、プロトン1個
に水和するメタノール分子の数であり、文献(J.Electr
ochem Soc., 147, No.2, 466(2000) )に従い、γ=2
5cm3/molを用いた。さらに、ナフィオン膜中で
のメタノールの拡散係数Dm(cm2/sec)には4.
9×10-6exp{2436(1/333−1/T)}
を用い、電極中でのナフィオン含有率εとしては、カー
ボンブラック担持の触媒層を想定し、0.5の値を用い
た。さらに、Fはファラデイ定数であり、96485C
/molとした。また、酸素の伝導としては、下記数9
に示すような、対流項を伴うNernst-Planck方程式によ
り記述した。
Here, i represents the current density of protons carried by z, and C m represents the concentration of methanol in z. The γC m (z) is the number of methanol molecules hydrated by one proton, and is described in the literature (J. Electr.
ochem Soc., 147, No.2, 466 (2000)), γ = 2
5 cm 3 / mol was used. Further, the diffusion coefficient D m (cm 2 / sec) of methanol in the Nafion membrane is 4.
9 × 10 -6 exp {2436 (1 / 3333-1 / T)}
As the Nafion content ε in the electrode, a value of 0.5 was used assuming a catalyst layer supporting carbon black. Further, F is a Faraday constant, which is 96485C.
/ Mol. In addition, as the conduction of oxygen,
It is described by the Nernst-Planck equation with convection as shown in.

【0033】[0033]

【数9】 [Equation 9]

【0034】但し、kφ=7.18×10-16cm2、水
の粘度μ=3.56×10-4kg/m/sec、ナフィ
オン膜中での固定電荷の濃度C=1.2×10-3mo
l/cm3、ナフィオン膜中に溶解した酸素の拡散係数
(cm2/sec)DO2=3.1×10−3exp(−
2768/T)を用いた。
However, k φ = 7.18 × 10 −16 cm 2 , the viscosity of water μ = 3.56 × 10 −4 kg / m / sec, and the concentration of fixed charges C f = 1. 2 x 10 -3 mo
1 / cm 3 , diffusion coefficient of oxygen dissolved in the Nafion film (cm 2 / sec) D O2 = 3.1 × 10 −3 exp (−
2768 / T) was used.

【0035】前述した数7〜数9の方程式を自己無撞着
に計算することにより、直接型メタノール燃料電池の起
電部におけるメタノール濃度、酸素濃度の空間依存性が
計算可能となる。また、メタノール水溶液容器から起電
部に供給されるメタノール水溶液の濃度及び送液する流
速は、メタノールの伝導方程式の境界条件として表現さ
れる。前述した図1に示す構造の直接型メタノール燃料
電池において、アノード触媒層2の厚さを100μmと
し、電解質膜5としてDupont社製の商品名がナフィオン
117で、膜厚が200μmのものを用い、カソード触
媒層4の厚さを100μmとし、2Mのメタノール水溶
液を流速1.3mL/minで送液した時のメタノール
濃度の空間依存性を計算した結果を図3に示す。但し、
図3における横軸はメタノール水溶液の移動距離(c
m)で、縦軸は移動地点におけるメタノール水溶液濃度
(M)を示す。
By calculating the above equations (7) to (9) in a self-consistent manner, the spatial dependence of the methanol concentration and the oxygen concentration in the electromotive section of the direct methanol fuel cell can be calculated. Further, the concentration of the aqueous methanol solution supplied from the aqueous methanol solution container to the electromotive section and the flow velocity of the solution are expressed as boundary conditions of the methanol equation of conduction. In the direct methanol fuel cell having the structure shown in FIG. 1 described above, the anode catalyst layer 2 has a thickness of 100 μm, and the electrolyte membrane 5 has a Nafion 117 product name manufactured by Dupont and a thickness of 200 μm. FIG. 3 shows the results of calculation of the spatial dependence of the methanol concentration when the cathode catalyst layer 4 has a thickness of 100 μm and a 2M aqueous methanol solution is fed at a flow rate of 1.3 mL / min. However,
The horizontal axis in FIG. 3 represents the moving distance (c
m), the vertical axis represents the aqueous methanol solution concentration (M) at the moving point.

【0036】図3から明らかなように、カソード触媒層
中に平均0.25M程度のメタノール水溶液が透過して
いることが見出される。このカソード触媒層中に透過し
たメタノールによってクロスオーバー過電圧が生じる
が、メタノール濃度とクロスオーバー過電圧との関係を
正確に記述する式が明らかになっていなかったため、直
接型メタノール燃料電池の出力特性を正確に議論するこ
とができなかった。そこで、本発明における関係式
(1)〜(3)を導出するために、アノード触媒層に供
給するメタノール水溶液の濃度を変化させた時の電流電
圧特性の変化を測定し、その実験結果に基づき、クロス
オーバー過電圧とカソード触媒層中に透過したメタノー
ルの濃度との関係を与える式を導出した。測定結果を図
4に示す。但し、図4においては、横軸が燃料電池の電
流密度(A/cm2)で、縦軸が電池電圧(V)であ
る。
As is clear from FIG. 3, it is found that an aqueous solution of methanol of about 0.25M permeates the cathode catalyst layer. The crossover overvoltage is generated by the methanol that permeates into the cathode catalyst layer, but since the equation that accurately describes the relationship between the methanol concentration and the crossover overvoltage has not been clarified, the output characteristics of the direct methanol fuel cell are not accurate. Could not be discussed. Therefore, in order to derive the relational expressions (1) to (3) in the present invention, the change in the current-voltage characteristic when the concentration of the aqueous methanol solution supplied to the anode catalyst layer was changed was measured, and based on the experimental results. , The equation giving the relationship between the crossover overvoltage and the concentration of methanol permeated into the cathode catalyst layer was derived. The measurement results are shown in FIG. However, in FIG. 4, the horizontal axis represents the current density (A / cm 2 ) of the fuel cell, and the vertical axis represents the cell voltage (V).

【0037】図4から明らかなように、アノード触媒層
に供給するメタノール濃度が高くなるにつれてクロスオ
ーバー過電圧が大きくなり、著しい電圧降下が見られる
ことがわかる。次に、この現象の理論的考察について説
明する。まず、カソード触媒層中に入ったメタノール
は、プロトンと反応するべきPt表面積を実効的に小さ
くするという結果をもたらす。さらに、Pt上において
メタノールは酸素と4電子反応を起こし、プロトンを発
生する。そのため局所的に電流を発生し、逆起電力を生
じる。前者の効果は以下の様にして表現される。カソー
ド触媒上でのプロトンの消滅は下記数10により与えら
れる。
As is clear from FIG. 4, the crossover overvoltage increases as the concentration of methanol supplied to the anode catalyst layer increases, and a remarkable voltage drop is observed. Next, a theoretical consideration of this phenomenon will be described. First, the methanol that has entered the cathode catalyst layer results in effectively reducing the Pt surface area that should react with the protons. Further, on Pt, methanol causes a four-electron reaction with oxygen to generate a proton. Therefore, a current is locally generated and a counter electromotive force is generated. The former effect is expressed as follows. The disappearance of protons on the cathode catalyst is given by the following equation 10.

【0038】[0038]

【数10】 [Equation 10]

【0039】このため、メタノールがカソード触媒層中
に入ることにより変化したプロトンに対する実効的な触
媒表面積a´は、下記数11により表現される。
Therefore, the effective catalyst surface area a ′ for the protons changed by the entry of methanol into the cathode catalyst layer is expressed by the following equation 11.

【0040】[0040]

【数11】 [Equation 11]

【0041】さらに、(a/a´)が、カソード触媒層
電極中の平均のメタノール濃度<C m1/nに比例するこ
とは、Freundlichの式として知られている。よって、ク
ロスオーバー過電圧ζxは、下記数12に示すような濃
度依存性を持つと考えられる。
Further, (a / a ') is a cathode catalyst layer
Average methanol concentration in the electrode <C m>1 / nProportional to
And is known as the Freundlich formula. Therefore,
Loss overvoltage ζxIs the darkness as shown in the following formula 12.
It is considered to have a degree dependency.

【0042】[0042]

【数12】 [Equation 12]

【0043】さらに、クロスオーバーにより発生したプ
ロトンの電流によって生じる電圧降下分は、メタノール
と酸素の直接反応の反応速度に比例すると考えられるの
で、<Cm>の1次に比例する濃度依存性をもつ。この
項を上記数12の方程式に付け加えることにより、下記
数13に示すクロスオーバー過電圧の表式を得る。
Furthermore, since the voltage drop caused by the current of the protons generated by the crossover is considered to be proportional to the reaction rate of the direct reaction of methanol and oxygen, the concentration dependence proportional to <C m > in the first order is shown. Hold. By adding this term to the equation of the above equation 12, the expression of the crossover overvoltage shown in the following equation 13 is obtained.

【0044】[0044]

【数13】 [Equation 13]

【0045】但し、クロスオーバーにより局所的に流れ
るプロトンの電流密度は、α<Cm>/σc H+/Lcによ
り与えられるので、カソード触媒層中に流れ込むメタノ
ールフラックスより大きくなる時は下記数14により係
数αを定める必要がある。しかし、一般にはメタノール
フラックスの方が小さくなるため、α、β、γの値は未
知である。
However, since the current density of protons locally flowing due to crossover is given by α <C m > / σ c H + / L c, when it becomes larger than the methanol flux flowing into the cathode catalyst layer, It is necessary to determine the coefficient α according to 14. However, since the methanol flux is generally smaller, the values of α, β, and γ are unknown.

【0046】[0046]

【数14】 [Equation 14]

【0047】そこで、前述した図4に示す電流電圧特性
より、これらの係数を決定し、以下の数15に示す式を
得た。
Therefore, these coefficients were determined from the above-mentioned current-voltage characteristics shown in FIG. 4, and the equation shown in the following equation 15 was obtained.

【0048】[0048]

【数15】 [Equation 15]

【0049】よって、上式に基づき、直接メタノール型
燃料電池の出力特性を系統的に計算することが可能とな
った。
Therefore, it becomes possible to systematically calculate the output characteristics of the direct methanol fuel cell based on the above equation.

【0050】次に、図4で測定を行った燃料電池に関し
て、供給するメタノール水溶液の濃度と流速を変化させ
た時の出力密度の変化を計算した結果を図5に示す。こ
こで、図4で測定を行った燃料電池とは、前述した図1
に示す構造を有するもので、起電部単位の積層数Nが1
で、アノード触媒層2の厚さが100μmのものであ
る。ところで、図5において、縦軸は出力密度を表す。
出力密度は電流密度と電圧の積の最大値によって定義さ
れ、この値に電池の断面積を乗じた値が電池の出力を与
える。また、横軸はメタノール水溶液容器から供給する
メタノール水溶液の濃度である。さらに、各曲線は、ア
ノード触媒層の単位面積当たりに送るメタノール水溶液
の流速が異なる場合の出力密度変化を示す。
Next, with respect to the fuel cell measured in FIG. 4, FIG. 5 shows the result of calculation of change in output density when the concentration and flow rate of the aqueous methanol solution to be supplied are changed. Here, the fuel cell measured in FIG. 4 is the same as in FIG.
The number of laminated layers N of the electromotive unit is 1
The thickness of the anode catalyst layer 2 is 100 μm. By the way, in FIG. 5, the vertical axis represents the output density.
The power density is defined by the maximum value of the product of the current density and the voltage, and the value obtained by multiplying this value by the cross-sectional area of the battery gives the power of the battery. The horizontal axis represents the concentration of the aqueous methanol solution supplied from the aqueous methanol solution container. Furthermore, each curve shows the power density change when the flow rate of the methanol aqueous solution sent per unit area of the anode catalyst layer is different.

【0051】図5から明らかなように、流速を固定する
と、出力密度はメタノール水溶液濃度に対して最大値を
持ち、流速が大きくなるにつれて最大値をとるメタノー
ル水溶液濃度は低濃度側にシフトしていくことが分か
る。即ち、メタノール水溶液容器から供給するメタノー
ル水溶液濃度が増大する程アノード触媒層中に入るメタ
ノールが増大するため限界負荷電流が増大し、出力も増
大する。しかしながら、アノード触媒層中へ供給するメ
タノールがある量以上に増大すると、カソード触媒層へ
透過するメタノールも増大していくために、クロスオー
バー過電圧も増大し、逆に出力は低下していく。よっ
て、出力密度は供給するメタノール水溶液濃度に対して
最大値をとることになる。また、メタノール水溶液の流
速を大きくするにつれて、最大出力密度が単調に増大
し、0.052cm/minにおいて飽和することが見
出される。このことは、アノード触媒層中をメタノール
が拡散できる最大速度がアノード触媒層厚によって決ま
るために、出力が飽和すると説明される。即ち、0.0
52cm/min以上の流速でメタノール水溶液を供給
しても出力は増大せず、逆に、ポンプ出力の増大による
電池装置全体としての出力低下をもたらすだけである。
As is apparent from FIG. 5, when the flow velocity is fixed, the power density has a maximum value with respect to the concentration of the aqueous methanol solution, and the maximum concentration of the aqueous methanol solution shifts to the low concentration side as the flow velocity increases. I know I'm going. That is, as the concentration of the aqueous methanol solution supplied from the aqueous methanol solution container increases, the amount of methanol that enters the anode catalyst layer increases, so that the limiting load current increases and the output also increases. However, when the amount of methanol supplied to the anode catalyst layer exceeds a certain amount, the amount of methanol that permeates to the cathode catalyst layer also increases, so the crossover overvoltage also increases, and conversely the output decreases. Therefore, the power density has the maximum value with respect to the concentration of the aqueous methanol solution supplied. It is also found that the maximum power density monotonically increases as the flow rate of the aqueous methanol solution is increased and saturates at 0.052 cm / min. This is explained by the fact that the output saturates because the maximum rate at which methanol can diffuse through the anode catalyst layer is determined by the anode catalyst layer thickness. That is, 0.0
Even if the aqueous methanol solution is supplied at a flow rate of 52 cm / min or more, the output does not increase, and conversely, the output of the battery device as a whole is reduced due to the increase of the pump output.

【0052】さらに、アノード触媒層に供給するメタノ
ール水溶液濃度として望ましい5M以下の範囲で示した
図を図6に示す。
Further, FIG. 6 shows a diagram in which the concentration of the aqueous methanol solution supplied to the anode catalyst layer is within a desirable range of 5 M or less.

【0053】図6において、0.052cm/min以
下の流速でメタノール水溶液を送液する電池装置が、出
力的観点から望ましい電池装置である。上記の様に、上
限の流速(0.052cm/min)は出力が飽和する
メタノール流速より決まり、下限の流速(0.0015
cm/min)は5Mのメタノール水溶液を送液した時
に燃料不足を起こさないための流速である。また、最適
な流速はアノード触媒層厚によって変化するので、アノ
ード触媒層の厚さを40μmとした時の計算も同様に行
った。この計算結果を図7に示す。
In FIG. 6, a battery device which feeds an aqueous methanol solution at a flow rate of 0.052 cm / min or less is a desirable battery device from the viewpoint of output. As described above, the upper limit flow velocity (0.052 cm / min) is determined by the methanol flow velocity at which the output is saturated, and the lower limit flow velocity (0.0015 cm).
(cm / min) is a flow rate for preventing fuel shortage when a 5 M aqueous methanol solution is sent. Further, since the optimum flow rate changes depending on the thickness of the anode catalyst layer, the calculation was similarly performed when the thickness of the anode catalyst layer was 40 μm. The result of this calculation is shown in FIG.

【0054】図7から明らかなように、アノード触媒層
厚を40μmと薄くすると、出力が最大となるメタノー
ル濃度は低濃度側にシフトし、0.5Mのメタノール濃
度で最大出力密度が得られることがわかる。急速なメタ
ノール不足を回避するために、出力密度が最大となるメ
タノール濃度が0.5M以上になるアノード触媒厚を設
定することが好ましい。これらの結果から、アノード触
媒層の厚さは、40μm以上にすることが好ましい。さ
らに、図6、図7から明らかなように、アノード触媒層
の単位面積当たりに送液するメタノール水溶液の流速
(cm/min)が下記数16で規定される範囲内(N
=1、S=1cm2)にある時、送液するメタノール水
溶液のメタノール濃度が2〜5Mの範囲で、出力密度は
ほとんど変化しない。下記数16で規定される範囲内
(N=1、S=1cm2)とは、図6では斜線で囲んだ
0.0065cm/min以上、0.052cm/mi
n以下の範囲、一方、図7では斜線で囲んだ0.016
25cm/min以上、0.13cm/min以下の範
囲である。
As is clear from FIG. 7, when the thickness of the anode catalyst layer is reduced to 40 μm, the methanol concentration at which the output is maximum shifts to the low concentration side, and the maximum output density can be obtained at the methanol concentration of 0.5M. I understand. In order to avoid a rapid methanol shortage, it is preferable to set the anode catalyst thickness at which the methanol concentration that maximizes the power density is 0.5 M or more. From these results, the thickness of the anode catalyst layer is preferably 40 μm or more. Further, as is clear from FIGS. 6 and 7, the flow rate (cm / min) of the methanol aqueous solution fed per unit area of the anode catalyst layer is within the range defined by the following equation 16 (N
= 1 and S = 1 cm 2 ), the output density hardly changes in the range of 2 to 5 M in the methanol concentration of the methanol aqueous solution to be fed. Within the range defined by the following formula 16 (N = 1, S = 1 cm 2 ), 0.0065 cm / min or more and 0.052 cm / mi surrounded by diagonal lines in FIG.
n or less, while 0.016 surrounded by diagonal lines in FIG.
The range is 25 cm / min or more and 0.13 cm / min or less.

【0055】[0055]

【数16】 [Equation 16]

【0056】これは、カソード触媒層中で起こるクロス
オーバー現象が反応律速の状態にあるからである。そし
て、流速(cm/min)を0.65/L以下、つまり
図6では0.0065cm/min以下、図7では0.
01625cm/min以下にすると、送液するメタノ
ール水溶液のメタノール濃度が2M以下の範囲では、ア
ノード触媒層中でメタノール不足を起こすため、出力密
度が低下していくことがわかる。しかしながら、送液す
るメタノール水溶液のメタノール濃度が2M以上、5M
以下では、流速を下げても出力密度が増大する領域が存
在することがわかる。この出力密度が増大する流速の範
囲は、ポンプの消費電力を減少させると同時に出力密度
が増大する領域であり、著しくエネルギー変換効率が上
昇する領域であると考えられ、2M以上、5M以下のメ
タノール濃度を持つメタノール水溶液を送液する最も最
適な流量範囲である。この出力密度が増大する流速の範
囲は、下記数17式で規定される範囲内(N=1、S=
1cm2)のうち、流速(5.2/L)を流した時に得
られる出力密度よりも高い出力密度が得られる領域であ
る。図6における下記数17で規定される範囲内とは、
0.0015cm/min以上、0.0065cm/m
in以下である。一方、図7における下記数17で規定
される範囲内とは、6×10-4cm/min以上、0.
01625cm/min以下である。
This is because the crossover phenomenon that occurs in the cathode catalyst layer is in a reaction rate limiting state. The flow velocity (cm / min) is 0.65 / L or less, that is, 0.0065 cm / min or less in FIG. 6, and 0.
It can be seen that when it is set to 01625 cm / min or less, in the range where the methanol concentration of the fed methanol aqueous solution is 2 M or less, a lack of methanol occurs in the anode catalyst layer, so that the output density decreases. However, the methanol concentration of the aqueous methanol solution to be sent is 2M or more and 5M
Below, it can be seen that there is a region where the power density increases even if the flow velocity is reduced. The range of the flow velocity where the output density increases is a region where the power consumption of the pump is reduced and the output density is increased at the same time, and it is considered that the energy conversion efficiency is significantly increased. This is the most optimal flow rate range for sending an aqueous methanol solution having a concentration. The range of the flow velocity in which the output density increases is within the range defined by the following formula 17 (N = 1, S =
1 cm 2 ) is a region where a power density higher than that obtained when a flow velocity (5.2 / L) is flowed. Within the range defined by the following Equation 17 in FIG.
0.0015 cm / min or more, 0.0065 cm / m
It is less than or equal to in. On the other hand, the range defined by the following formula 17 in FIG. 7 means 6 × 10 −4 cm / min or more, 0.
It is less than or equal to 01625 cm / min.

【0057】また、この現象は、カソード触媒層中で起
こるクロスオーバー反応が、メタノール流速を下げるこ
とによって供給律速を起こし、過電圧が下がるために、
出力密度が上昇すると説明される。但し、送液するメタ
ノール流速が1.5×10-5L以下になると、メタノー
ル濃度5Mのメタノール水溶液を送液したとしても燃料
不足を引き起こす。
Further, this phenomenon is caused by the fact that the crossover reaction occurring in the cathode catalyst layer causes the supply rate control by lowering the methanol flow rate, and the overvoltage decreases.
It is explained that the power density increases. However, if the flow velocity of the fed methanol is 1.5 × 10 −5 L or less, fuel shortage will occur even if the aqueous methanol solution having a methanol concentration of 5 M is fed.

【0058】[0058]

【数17】 [Equation 17]

【0059】さらに、前述した図1に示す構成の電池装
置においては、アノード流路板6から排出されたメタノ
ール水溶液を別経路に回収したが、本発明に係る直接型
メタノール燃料電池発電装置においては、アノード流路
から排出されたメタノール水溶液を、メタノール水溶液
容器に回収する。本発明に係る直接型メタノール燃料電
池発電装置の一例の要部の概略構成を図8に示す。図8
においては、前述した図1において説明したのと同様な
部材について同符号を付して説明を省略する。メタノー
ル水溶液回収機構としてのメタノール水溶液回収管17
は、アノード流路9のメタノール排出口8とメタノール
水溶液容器10との間に接続されている。
Further, in the above-described battery device having the structure shown in FIG. 1, the aqueous methanol solution discharged from the anode flow channel plate 6 was recovered through another route, but in the direct methanol fuel cell power generator according to the present invention, The methanol aqueous solution discharged from the anode channel is collected in a methanol aqueous solution container. FIG. 8 shows a schematic configuration of a main part of an example of the direct methanol fuel cell power generator according to the present invention. Figure 8
In the above description, the same members as those described with reference to FIG. Methanol aqueous solution recovery pipe 17 as a methanol aqueous solution recovery mechanism
Are connected between the methanol outlet 8 of the anode flow channel 9 and the methanol aqueous solution container 10.

【0060】図8に示すような構成を有する直接型メタ
ノール燃料電池発電装置によれば、アノード流路9から
排出されるメタノール水溶液をメタノール水溶液容器1
0に回収する分、メタノール水溶液容器10の体積を小
さくすることができるという利点を持つものの、容器1
0中のメタノール水溶液濃度が段々薄くなるため、起電
部中でメタノール不足を生じ、急激な出力低下を招く可
能性がある。そこで、上記に議論するように、メタノー
ル水溶液容器中のメタノール水溶液の濃度に応じてメタ
ノール水溶液を供給する流速を変化させれば、メタノー
ル水溶液濃度が小さくなったとしても出力密度を回復さ
せることが可能となる。そのメタノール流速Jmの範囲
は、下記数18における式(2)、(3)で与えられ
る。
According to the direct methanol fuel cell power generator having the structure as shown in FIG. 8, the methanol aqueous solution discharged from the anode channel 9 is supplied to the methanol aqueous solution container 1
Although it has an advantage that the volume of the methanol aqueous solution container 10 can be reduced by the amount of 0, the container 1
Since the concentration of the aqueous methanol solution in 0 gradually decreases, there is a possibility that a shortage of methanol will occur in the electromotive section, resulting in a sharp decrease in output. Therefore, as discussed above, by changing the flow rate of the aqueous methanol solution supplied according to the concentration of the aqueous methanol solution in the aqueous methanol solution container, it is possible to recover the output density even when the aqueous methanol solution concentration decreases. Becomes The range of the methanol flow rate J m is given by the following equations (2) and (3).

【0061】[0061]

【数18】 [Equation 18]

【0062】但し、前記(2)式における前記Lは直接
型メタノール燃料電池のアノード触媒層の厚さ(μm)
で、前記(3)式における前記Sは前記アノード触媒層
の反応面積(cm)で、前記Nは前記起電部単位の積
層数で、前記Jmは前記メタノール水溶液容器からのメ
タノール水溶液供給量(mL/min)を示す。ここ
で、メタノール水溶液容器に接続されているポンプの数
が1個である場合、メタノール水溶液供給量Jm(mL
/min)は、ポンプの単位時間(分)当りの送液量と
等しい。また、メタノール水溶液容器に接続されている
ポンプの数が2個以上である場合、メタノール水溶液供
給量Jm(mL/min)は、各ポンプの単位時間
(分)当りの送液量を合計したものと等しい。
Where L in the equation (2) is the thickness (μm) of the anode catalyst layer of the direct methanol fuel cell.
In the equation (3), S is the reaction area (cm 2 ) of the anode catalyst layer, N is the number of layers of the electromotive unit, and J m is the aqueous methanol solution supply from the aqueous methanol solution container. Indicates the amount (mL / min). Here, when the number of pumps connected to the methanol aqueous solution container is one, the methanol aqueous solution supply amount J m (mL
/ Min) is equal to the liquid delivery amount per unit time (minute) of the pump. Further, when the number of pumps connected to the methanol aqueous solution container is two or more, the methanol aqueous solution supply amount J m (mL / min) is the sum of the liquid feeding amount per unit time (minute) of each pump. Equal to one.

【0063】さらに、メタノール水溶液に最初に入れる
メタノール水溶液濃度(初期濃度)C0 m(M)を下記数
19の式(1)で規定される範囲内に設定し、メタノー
ル水溶液容器中のメタノール水溶液濃度が下がるにつれ
て流速Jmを前述した数18の(3)式に規定する範囲
内で増加させれば、補器の出力を最小限に抑えられるだ
けでなく、メタノール水溶液容器の容積も最小にするこ
とが可能となる。
Further, the concentration of methanol aqueous solution (initial concentration) C 0 m (M) to be initially added to the aqueous methanol solution is set within the range defined by the following equation (1), and the aqueous methanol solution in the aqueous methanol solution container is set. If the flow velocity J m is increased within the range defined by the above equation (3) as the concentration decreases, not only the output of the auxiliary device can be minimized, but also the volume of the methanol aqueous solution container is minimized. It becomes possible to do.

【0064】[0064]

【数19】 [Formula 19]

【0065】なお、アノード触媒層は、導電性のカーボ
ンブラック担体に触媒を担持させる方法(担持法)で作
製されることが好ましい。担持法で作製されたアノード
触媒層を用いることによって、メタノール水溶液の拡散
速度を向上することができるため、燃料電池の出力をよ
り向上することができると共に、長時間駆動が可能にな
る。また、燃料電池発電装置の製造コストを低く抑える
ことができる。
The anode catalyst layer is preferably prepared by a method of supporting a catalyst on a conductive carbon black carrier (supporting method). By using the anode catalyst layer manufactured by the supporting method, the diffusion rate of the aqueous methanol solution can be improved, so that the output of the fuel cell can be further improved and the driving can be performed for a long time. Further, the manufacturing cost of the fuel cell power generator can be kept low.

【0066】アノード触媒層Lの厚さは、40〜150
μmの範囲内にすることが好ましい。
The thickness of the anode catalyst layer L is 40 to 150.
It is preferably within the range of μm.

【0067】アノード触媒層の多孔度(ナフィオン含有
率ε)は、0.4〜0.7の範囲内にすることが好まし
い。多孔度を前記範囲内にすることによって、高いメタ
ノール水溶液拡散速度を得ることができる。
The porosity (Nafion content ε) of the anode catalyst layer is preferably within the range of 0.4 to 0.7. By setting the porosity within the above range, a high methanol aqueous solution diffusion rate can be obtained.

【0068】また、例えば無担持法により厚さ20μm
以下のアノード触媒層を作製し、メタノール水溶液の濃
度を1M以下にし、かつメタノール水溶液を供給する流
速を前述した数18の式(3)で規定される上限値、つ
まり{(5.2/L)×S}(mL/min)よりも速
くすると、前述した図6及び図7から明らかなように、
出力密度を高くすることが可能であるものの、補器の出
力が大きくなるため、一定量のメタノールから得られる
出力密度としては小さくなる。そのうえ、メタノール水
溶液濃度が低いため、メタノール水溶液容器の体積を大
きくせざるおえない。そこで、本願発明のように、メタ
ノール水溶液容器内に最初から高濃度のメタノール水溶
液を収容し、アノード触媒層の厚さを厚くし、かつメタ
ノール水溶液の供給速度を容器中のメタノール水溶液濃
度を考慮しながらゆっくりと流すことによって、メタノ
ール水溶液容器の小型化並びに補器の出力の低減を達成
しつつ、出力密度を増加させることができる。
Further, for example, the thickness is 20 μm by the non-supporting method.
The following anode catalyst layer was produced, the concentration of the aqueous methanol solution was set to 1 M or less, and the flow rate of supplying the aqueous methanol solution was set to the upper limit value defined by the equation (3) of the above-mentioned equation 18, ie {(5.2 / L ) × S} (mL / min), as is apparent from FIGS. 6 and 7 described above,
Although it is possible to increase the output density, the output of the auxiliary device increases, so the output density obtained from a fixed amount of methanol decreases. Moreover, since the concentration of the aqueous methanol solution is low, the volume of the aqueous methanol solution container must be increased. Therefore, as in the present invention, a high-concentration aqueous methanol solution is stored in the aqueous methanol solution container from the beginning, the thickness of the anode catalyst layer is increased, and the supply rate of the aqueous methanol solution is set in consideration of the aqueous methanol solution concentration in the container. While slowly flowing, it is possible to increase the output density while achieving downsizing of the methanol aqueous solution container and reduction of the output of the auxiliary device.

【0069】また、本発明においては、厚さが40μm
以下のアノード触媒層を含むアノード極と、カソード極
と、前記アノード極及び前記カソード極の間に配置され
る電解質膜とを備える起電部単位からなるか、複数の前
記起電部単位が積層された起電部と、2M以上、5M以
下のアルコール濃度のアルコール含有水溶液が収容され
ている容器とを具備する燃料電池発電装置であって、前
記容器からのアルコール含有水溶液供給量Jm(mL/
min)は、下記数20の(4)式で規定される範囲内
である燃料電池発電装置が提供される。
In the present invention, the thickness is 40 μm.
It is composed of an electromotive unit including an anode electrode including the following anode catalyst layer, a cathode electrode, and an electrolyte membrane arranged between the anode electrode and the cathode electrode, or a plurality of the electromotive unit units are laminated. And a container storing an alcohol-containing aqueous solution having an alcohol concentration of 2 M or more and 5 M or less, wherein the alcohol-containing aqueous solution supply amount J m (mL /
(min) is within the range defined by the equation (4) of the following mathematical expression 20, and thus the fuel cell power generator is provided.

【0070】[0070]

【数20】 [Equation 20]

【0071】但し、前記Lは前記アノード触媒層の厚さ
(μm)で、前記Sは前記アノード触媒層の反応面積
(cm)で、前記Nは前記起電部中の前記起電部単位
の積層数を示す。ここで、容器に接続されているポンプ
の数が1個である場合、供給量Jm(mL/min)
は、ポンプの単位時間(分)当りの送液量と等しい。ま
た、容器に接続されているポンプの数が2個以上である
場合、供給量Jm(mL/min)は、各ポンプの単位
時間(分)当りの送液量を合計したものと等しい。な
お、アルコール含有水溶液としては、例えば、メタノー
ル水溶液のようなメタノール含有水溶液を挙げることが
できる。
Where L is the thickness (μm) of the anode catalyst layer, S is the reaction area (cm 2 ) of the anode catalyst layer, and N is the unit of the electromotive unit in the electromotive unit. Shows the number of laminated layers. Here, when the number of pumps connected to the container is one, the supply amount J m (mL / min)
Is equal to the amount of liquid delivered per unit time (minute) of the pump. When the number of pumps connected to the container is two or more, the supply amount J m (mL / min) is equal to the sum of the liquid supply amount per unit time (minute) of each pump. The alcohol-containing aqueous solution may be, for example, a methanol-containing aqueous solution such as a methanol aqueous solution.

【0072】このような燃料電池発電装置によれば、ア
ノード流路からアノード触媒層に供給される一定量のア
ルコール含有水溶液のうち、実際にアノード触媒層に浸
透されるアルコール含有水溶液の比率を増加させること
ができるため、余剰のアルコール含有水溶液を容器に回
収しなくても、高い燃料利用効率を得ることができる。
また、水溶液の供給量Jmが低流量であり、同時に、出
力密度としてはその流量で得られる最大値を実現するこ
とができるため、燃料電池のエネルギー変換効率を向上
することができる。従って、燃料利用効率とエネルギー
変換効率の双方に優れる燃料電池発電装置を実現するこ
とができる。
According to such a fuel cell power generator, the ratio of the alcohol-containing aqueous solution actually permeated into the anode catalyst layer is increased in the fixed amount of the alcohol-containing aqueous solution supplied from the anode flow path to the anode catalyst layer. Therefore, high fuel utilization efficiency can be obtained without collecting excess alcohol-containing aqueous solution in the container.
Further, since the supply amount J m of the aqueous solution is a low flow rate, and at the same time, the output density can attain the maximum value obtained at that flow rate, the energy conversion efficiency of the fuel cell can be improved. Therefore, it is possible to realize a fuel cell power generator having excellent fuel utilization efficiency and energy conversion efficiency.

【0073】[0073]

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings.

【0074】本発明に係る第1の直接型メタノール燃料
電池発電装置を前述した図8及び図9〜図12を参照し
て説明する。
The first direct methanol fuel cell power generator according to the present invention will be described with reference to FIGS. 8 and 9 to 12 described above.

【0075】図9は、本発明に係る第1の直接型メタノ
ール燃料電池発電装置の一実施形態の構成を概略的に示
した図で、図10は、図9の直接型メタノール燃料電池
発電装置のアノード電極を示す斜視図で、図11は、直
接型メタノール燃料電池の起電部を直列に積層した状態
を示す模式図で、図12は、本発明に係る第1の直接型
メタノール燃料電池発電装置を実施するための手順の一
例を示すフローチャートである。
FIG. 9 is a diagram schematically showing the construction of an embodiment of the first direct methanol fuel cell power generator according to the present invention, and FIG. 10 is a direct methanol fuel cell power generator of FIG. 11 is a perspective view showing the anode electrode of FIG. 11, FIG. 11 is a schematic view showing a state in which electromotive portions of a direct methanol fuel cell are stacked in series, and FIG. 12 is a first direct methanol fuel cell according to the present invention. It is a flowchart which shows an example of the procedure for implementing a power generator.

【0076】燃料電池起電部は、1つの燃料電池起電部
単位21から構成されている。燃料電池起電部単位21
は、例えば前述した図8に示すように、アノード流路板
6、アノード集電体1、アノード触媒層2、電解質膜
5、カソード触媒層4、カソード集電体3及びカソード
流路板13を備える。アルコール水溶液の一例であるメ
タノール水溶液が収容されているメタノール水溶液容器
10は、送液ポンプ11を介してアノード流路板6のメ
タノール供給口7に接続されている。また、アノード流
路板6のメタノール排出口8は、メタノール水溶液容器
10に接続されている。空気のような酸化剤を供給する
ための酸化剤供給手段16は、送風ファン22を介して
カソード流路板12の酸化剤供給口13に接続されてい
る。さらに、燃料電池起電部を加熱するためのヒータ
(図示しない)は、アノード流路板6及びカソード流路
板13の双方に装着されている。送液ポンプ11、送風
ファン22及びヒータを含む補器を直接型メタノール燃
料電池の出力で駆動させるため、補器の電源23は、直
接型メタノール燃料電池に直結されている。
The fuel cell electromotive section is composed of one fuel cell electromotive section unit 21. Fuel cell electromotive unit 21
For example, as shown in FIG. 8 described above, the anode flow channel plate 6, the anode current collector 1, the anode catalyst layer 2, the electrolyte membrane 5, the cathode catalyst layer 4, the cathode current collector 3 and the cathode flow channel plate 13 are arranged. Prepare A methanol aqueous solution container 10 containing a methanol aqueous solution, which is an example of an alcohol aqueous solution, is connected to a methanol supply port 7 of an anode flow channel plate 6 via a liquid feed pump 11. Further, the methanol discharge port 8 of the anode flow channel plate 6 is connected to the methanol aqueous solution container 10. The oxidant supply means 16 for supplying an oxidant such as air is connected to the oxidant supply port 13 of the cathode flow channel plate 12 via a blower fan 22. Further, a heater (not shown) for heating the fuel cell electromotive section is attached to both the anode flow channel plate 6 and the cathode flow channel plate 13. The power source 23 of the auxiliary device is directly connected to the direct methanol fuel cell in order to drive the auxiliary device including the liquid feed pump 11, the blower fan 22 and the heater with the output of the direct methanol fuel cell.

【0077】負荷電流を運転時間に対応させて経時変化
として記録したものから評価されるメタノール水溶液容
器10内のメタノール水溶液の濃度に応じて、メタノー
ル水溶液容器10からのメタノール水溶液供給量J
m(mL/min)を制御する流量制御手段は、メタノ
ール流量制御装置24と、電流経時変化記録評価装置2
6とを備える。メタノール流量制御装置24は、送液ポ
ンプ11に接続されている。外部回路25は、燃料電池
起電部に接続されている。電流経時変化記録評価装置2
6は、メタノール流量制御装置24及び外部回路25に
接続されている。
According to the concentration of the aqueous methanol solution in the aqueous methanol solution container 10 which is evaluated by recording the load current as a change with time corresponding to the operating time, the aqueous methanol solution supply amount J from the aqueous methanol solution container 10 is determined.
The flow rate control means for controlling m (mL / min) includes a methanol flow rate control device 24 and a current aging record evaluation device 2.
6 and 6. The methanol flow rate control device 24 is connected to the liquid feed pump 11. The external circuit 25 is connected to the fuel cell electromotive section. Current aging change recording evaluation device 2
6 is connected to the methanol flow rate control device 24 and the external circuit 25.

【0078】このような流量制御手段によると、直接型
メタノール燃料電池21から外部回路25に出力される
電流の経時変化を電流経時変化記録評価装置26で記録
し、そのデータから評価されるメタノール水溶液容器1
0中のメタノール水溶液濃度に応じて送液ポンプ11の
送液量を、メタノール流量制御装置24で制御すること
ができる。つまり、ここでは、送液ポンプ11の各時間
毎に供給する送液量を、メタノール水溶液容器10から
のメタノール水溶液供給量Jm(mL/min)とみな
している。また、送液ポンプを複数備える場合、メタノ
ール水溶液供給量Jm(mL/min)は、各ポンプの
単位時間(分)当りの送液量を合計したものと等しい。
According to such a flow rate controlling means, the time-dependent change of the current output from the direct methanol fuel cell 21 to the external circuit 25 is recorded by the current time-dependent change recording / evaluating device 26, and the methanol aqueous solution evaluated from the data is recorded. Container 1
The amount of liquid fed by the liquid feed pump 11 can be controlled by the methanol flow controller 24 according to the concentration of the methanol aqueous solution in zero. That is, here, the amount of liquid to be fed by the liquid feed pump 11 every time is regarded as the amount of aqueous methanol solution supply J m (mL / min) from the aqueous methanol solution container 10. When a plurality of liquid feed pumps are provided, the methanol aqueous solution supply amount J m (mL / min) is equal to the sum of the liquid feed amount per unit time (minute) of each pump.

【0079】この図9に示す発電装置においては、下記
数21の(1)〜(3)に示す条件を満足する。
The power generator shown in FIG. 9 satisfies the conditions (1) to (3) of the following expression 21.

【0080】[0080]

【数21】 [Equation 21]

【0081】但し、前記(1)式における前記C0 mはメ
タノール水溶液容器10に最初に収容するメタノール水
溶液の濃度(初期濃度)(M)である。また、前記
(2)式における前記Lはアノード触媒層2の厚さ(μ
m)である。一方、前記(3)式における前記Sは、ア
ノード触媒層2の反応面積(cm)であり、図10の
場合には斜線で示す領域である。また、前記Nは起電部
(発電部)単位の積層数を示し、図9に示す発電装置の
場合、1である。なお、図9のように起電部単位21の
積層数が1である場合、アノード流路9を流れるメタノ
ール水溶液の流量は、メタノール水溶液容器10からの
メタノール水溶液供給量Jm(mL/min)とほぼ等
しい。
However, the C 0 m in the equation (1) is the concentration (initial concentration) (M) of the aqueous methanol solution initially contained in the aqueous methanol solution container 10. The L in the equation (2) is the thickness of the anode catalyst layer 2 (μ
m). On the other hand, S in the equation (3) is a reaction area (cm 2 ) of the anode catalyst layer 2, and is a hatched region in the case of FIG. 10. Further, N represents the number of stacked layers in the electromotive unit (power generation unit) unit, and is 1 in the case of the power generation device shown in FIG. When the stacking number of the electromotive unit 21 is 1 as shown in FIG. 9, the flow rate of the aqueous methanol solution flowing through the anode flow channel 9 is the aqueous methanol solution supply amount J m (mL / min) from the aqueous methanol solution container 10. Is almost equal to.

【0082】この図9に示す発電装置においては、燃料
電池起電部単位を複数備えることが可能である。図11
に、複数の燃料電池起電部単位21を直列に積層した例
を示す。この場合、図11の矢印27のメタノール流路
に示すように、メタノール水溶液は、個々の燃料電池起
電部単位21に供給され、また、個々の燃料電池起電部
21から排出されたメタノール水溶液は、一つの経路に
まとめられてメタノール水溶液容器10に回収される
(並列送液法)。この場合、各起電部単位21のアノー
ド流路9のメタノール水溶液流量は、メタノール水溶液
供給量Jm(mL/min)を、起電部単位の積層数で
割ったものにほぼ等しくなる。
The power generation device shown in FIG. 9 can include a plurality of fuel cell electromotive unit units. Figure 11
An example of stacking a plurality of fuel cell electromotive unit units 21 in series is shown in FIG. In this case, the methanol aqueous solution is supplied to each fuel cell electromotive unit 21 and is discharged from each fuel cell electromotive unit 21 as shown in the methanol flow path of arrow 27 in FIG. Are collected in one path and collected in the methanol aqueous solution container 10 (parallel liquid transfer method). In this case, the flow rate of the aqueous methanol solution in the anode flow channel 9 of each electromotive unit 21 is approximately equal to the amount of the aqueous methanol solution supply J m (mL / min) divided by the number of laminated electromotive units.

【0083】一方、図1の燃料電池起電部単位21に別
の燃料電池起電部単位を積層し、燃料電池起電部単位2
1のアノード流路板6のメタノール排出口8と別の燃料
電池起電部単位のアノード流路板6のメタノール供給口
7とを接続することにより、積層された起電部単位に、
分岐しない1本のメタノール流路でメタノールを送液す
ることも可能である(直列送液法)。この場合、アノー
ド流路9を流れるメタノール水溶液の流量は、メタノー
ル水溶液供給量Jm(mL/min)とほぼ等しくな
る。
On the other hand, another fuel cell electromotive unit is laminated on the fuel cell electromotive unit unit 21 of FIG.
By connecting the methanol discharge port 8 of the first anode flow channel plate 6 and the methanol supply port 7 of the anode flow channel plate 6 of another fuel cell electromotive unit, the stacked electromotive unit is
It is also possible to feed methanol through a single methanol flow path that does not branch (series feed method). In this case, the flow rate of the aqueous methanol solution flowing through the anode flow channel 9 is substantially equal to the supply amount J m (mL / min) of the aqueous methanol solution.

【0084】また、送液ポンプを複数備え、それぞれの
ポンプは、いくつかの起電部に直列に送液を行い、それ
らの経路を並列に束ねる方法も可能である。この場合、
メタノール水溶液供給量Jm(mL/min)は、各ポ
ンプの単位時間(分)当りの送液量を合計したものと等
しい。
A method is also possible in which a plurality of liquid feed pumps are provided, and each pump feeds liquid to several electromotive sections in series and bundles the paths in parallel. in this case,
The methanol aqueous solution supply amount J m (mL / min) is equal to the sum of the liquid supply amounts per unit time (minute) of each pump.

【0085】なお、単一の直接型メタノール燃料電池で
は、起電力が0.6V以下になるため、例えば、最大起
電力が4.2Vのリチウムイオン二次電池のような非水
電解質二次電池を充電するためには、10個以上の直接
型メタノール燃料電池を直列に積層する必要がある。
Since a single direct methanol fuel cell has an electromotive force of 0.6 V or less, for example, a non-aqueous electrolyte secondary battery such as a lithium ion secondary battery having a maximum electromotive force of 4.2 V. In order to charge the battery, it is necessary to stack 10 or more direct methanol fuel cells in series.

【0086】本発明に係る第1の直接型メタノール燃料
電池発電装置は、携帯用の充電器として利用することが
可能であり、さまざまな電子機器を充電するために利用
することができるため、工業的に価値の高いものであ
る。
The first direct methanol fuel cell power generator according to the present invention can be used as a portable charger and can be used for charging various electronic devices, and thus can be used for industrial purposes. Of high value.

【0087】次いで、直接型メタノール燃料電池から得
られる負荷電流の経時変化からメタノール水溶液容器の
メタノール水溶液濃度を評価する手段について説明す
る。簡単には、外部回路に時刻tにおいて流れ出る電流
をI(t)とすると、メタノール水溶液容器のメタノール
水溶液濃度Cm(t)は、下記数22の式で与えられる。
Next, a means for evaluating the concentration of the aqueous methanol solution in the aqueous methanol solution container from the change with time of the load current obtained from the direct methanol fuel cell will be described. Briefly, assuming that the current flowing into the external circuit at time t is I (t), the methanol aqueous solution concentration C m (t) in the methanol aqueous solution container is given by the following formula 22.

【0088】[0088]

【数22】 [Equation 22]

【0089】数22の式は、アノード触媒層中での反応
がメタノール分子と水分子を一対一で消費することに基
づいている。但し、C0 mはメタノール水溶液容器に最初
に入っているメタノール水溶液濃度(初期濃度)
(M)、Vmはメタノールのモル体積、Vwは水のモル体
積、Vはメタノール水溶液容器の体積を示す。
The equation (22) is based on the fact that the reaction in the anode catalyst layer consumes one molecule of methanol molecule and one molecule of water molecule. However, C 0 m is the concentration of the methanol aqueous solution initially contained in the methanol aqueous solution container (initial concentration)
(M), V m is the molar volume of methanol, V w is the molar volume of water, and V is the volume of the methanol aqueous solution container.

【0090】より正確なメタノール濃度を知りたい時に
は、外部回路に流れ出る電気量とメタノール水溶液容器
のメタノール濃度を測定し、その関係を実験的に導くこ
とも可能であり、それを装置に記憶させておけば、装置
内部から流れ出る電流の経時変化を記録評価することに
より送液するメタノール水溶液の流速を正確に変化させ
ることが可能となる。さらに、外部回路に流れ出る電気
量とメタノール水溶液容器のメタノール濃度の関係を装
置内部に記憶させておけば、どの時点でメタノール水溶
液容器のメタノール水溶液を交換する必要があるかも分
かり、市販されている二次電池と同様バッテリー切れの
サインを出すことも可能となり、工業上有利である。
To obtain a more accurate methanol concentration, it is possible to measure the quantity of electricity flowing to the external circuit and the methanol concentration of the methanol aqueous solution container and experimentally derive the relationship, and store it in the device. By doing so, it becomes possible to accurately change the flow rate of the aqueous methanol solution to be sent by recording and evaluating the change over time of the current flowing out from the inside of the device. Furthermore, if the relationship between the amount of electricity flowing out to the external circuit and the methanol concentration in the methanol aqueous solution container is stored inside the device, it is possible to know at what point in time the methanol aqueous solution in the methanol aqueous solution container needs to be replaced, and it is commercially available. As with the next battery, it is also possible to give a sign that the battery is dead, which is industrially advantageous.

【0091】なお、メタノール水溶液容器内のメタノー
ル水溶液濃度を検出する方法としては、さまざまな方法
が考えられる。例えば、メタノールセンサーなどのメタ
ノール水溶液濃度を感知する装置を補器として電池装置
内の回路に接続する方法が考えられるが、メタノールセ
ンサーがいまだ開発されていない点とコスト的に高くな
る点などを考慮すると、適当とは考えにくい。また、メ
タノール水溶液濃度の違いで電気抵抗が変化することを
利用して、容器内部の濃度を測定する方法も考えられる
が、回路的に複雑になる点、消費電力が大きい点などを
考慮すると適当とは思えない。さらに、容器内部に浮き
などを浮かし、容器内部の液面の位置を感知し、メタノ
ール水溶液内部のメタノール濃度を評価する方法も考え
られるが、容器の容積が小さくなるにつれて、測定が困
難になっていくと考えられる。そこで、本発明に係る直
接型メタノール燃料電池発電装置においては、電池から
得られた総電気量からメタノール水溶液容器のメタノー
ル水溶液濃度を評価する手段を採用した。
Various methods are conceivable for detecting the concentration of the aqueous methanol solution in the aqueous methanol solution container. For example, a method of connecting a device for detecting the concentration of aqueous methanol solution such as a methanol sensor to the circuit in the battery device as an auxiliary device can be considered. However, considering that the methanol sensor has not yet been developed and the cost will increase. Then, it is unlikely to be appropriate. It is also possible to measure the concentration inside the container by utilizing the fact that the electric resistance changes depending on the concentration of the methanol aqueous solution, but it is appropriate considering the point that the circuit becomes complicated and the power consumption is large. I don't think so. Furthermore, it is possible to float the float inside the container, detect the position of the liquid surface inside the container, and evaluate the methanol concentration inside the methanol aqueous solution, but as the container volume decreases, it becomes difficult to measure. It is thought to go. Therefore, in the direct methanol fuel cell power generator according to the present invention, a means for evaluating the methanol aqueous solution concentration of the methanol aqueous solution container from the total amount of electricity obtained from the cell is adopted.

【0092】本発明に係る第1の直接型メタノール燃料
電池発電装置の実施方法の一例を図12を参照して説明
する。
An example of the method for implementing the first direct methanol fuel cell power generator according to the present invention will be described with reference to FIG.

【0093】開始の時点では、フローチャート中のパラ
メータQは0に設定されている。ループは時間Δtの間
隔で実行される。電流経時変化記録評価装置26では、
直接型メタノール燃料電池21から外部回路25に流れ
出る電流I(t)を経時変化として測定した後、Q=Q+
I(t)Δtで表わされる過程、つまり、電気量Qを求め
るために電流を時間について積分し、得られた計算結果
Qを用いてメタノール水溶液容器10中のメタノール濃
度Cが評価される。計算結果Qを用いてのメタノール濃
度Cの評価は、例えば、前述した数22の式を用いて行
うことができる。前述した図6、図7に示すように、メ
タノール水溶液容器10中のメタノール水溶液の濃度が
2Mより低くなると、メタノール水溶液を供給する流速
を大きくした方が高い出力密度を得られやすくなる。フ
ローチャート中のCAは、2Mのメタノール濃度に設定
されており、メタノール水溶液容器10中のメタノール
濃度CがCAと等しいか、もしくは超えている間は、送
液ポンプ11の出力を変化させずに発電を続行する、つ
まり第1の発電工程が行われる。逆に、CA よりメタノ
ール水溶液容器10中のメタノール濃度Cが下がった場
合は、送液ポンプ11の出力を流速Jmが前述した
(3)式に規定される範囲内を満たすように連続的にも
しくは断続的に増加させつつ、発電を続行する、つまり
第2の発電工程が行われる。しかしながら、メタノール
水溶液容器10中のメタノール濃度CがC Bより下がっ
た場合には、バッテリー切れとなり、メタノール水溶液
容器10を交換するように命令を与える。ところで、前
述した図6、図7に示すように、メタノール水溶液容器
10中のメタノール濃度Cを0.5M未満にすると、流
速J mを増加させても高い出力密度を得ることが困難で
ある。よって、メタノール濃度CBは0.5Mに設定す
ることが好ましい。
At the start, the parameters in the flow chart
The meter Q is set to 0. Loop during time Δt
Run every second. In the current aging record evaluation device 26,
Flow from the direct methanol fuel cell 21 to the external circuit 25
After measuring the output current I (t) as a change with time, Q = Q +
The process represented by I (t) Δt, that is, the electric quantity Q is calculated.
Current is integrated over time to obtain
Concentrated methanol in the methanol solution container 10 using Q
Degree C is evaluated. Methanol concentration using the calculation result Q
The evaluation of the degree C is performed using, for example, the formula of the above-mentioned formula 22.
I can. As shown in FIGS. 6 and 7 described above,
The concentration of the aqueous methanol solution in the tanol aqueous solution container 10
Flow rate below 2M to supply aqueous methanol solution
A higher value makes it easier to obtain a higher power density. F
C in the row chartAIs set to 2M methanol concentration
The methanol in the methanol aqueous solution container 10
Concentration C is CAIs equal to or exceeds
To continue power generation without changing the output of the liquid pump 11,
The first power generation step is performed. Conversely, CA More methano
When the methanol concentration C in the aqueous solution container 10 has dropped
If the output of the liquid feed pump 11 is the flow velocity JmAs mentioned above
Continuously so as to satisfy the range defined by equation (3).
Power generation while continuing to increase, that is,
The second power generation step is performed. However, methanol
The methanol concentration C in the aqueous solution container 10 is C BGoing down
The battery runs out and the aqueous methanol solution
A command is given to replace the container 10. By the way
As shown in FIGS. 6 and 7 described above, a methanol aqueous solution container
When the methanol concentration C in 10 is less than 0.5 M,
Speed J mIt is difficult to obtain high power density even if
is there. Therefore, methanol concentration CBIs set to 0.5M
Preferably.

【0094】なお、直接型メタノール燃料電池発電装置
による発電を中断する場合には、中断した時のパラメー
タQの値を記憶させておくことが好ましい。発電を再開
した際、中断した時のパラメータQを初期値とすること
によって、メタノール水溶液容器10中のメタノール濃
度Cをより正確に算出することができる。
When power generation by the direct methanol fuel cell power generator is interrupted, it is preferable to store the value of the parameter Q at the time of interruption. When the power generation is restarted, by setting the parameter Q at the time of interruption to the initial value, the methanol concentration C in the methanol aqueous solution container 10 can be calculated more accurately.

【0095】次いで、本発明に係る第2の直接型メタノ
ール燃料電池発電装置について図13〜図15を参照し
て説明する。
Next, a second direct methanol fuel cell power generator according to the present invention will be described with reference to FIGS. 13 to 15.

【0096】図13は、本発明に係る第2の直接型メタ
ノール燃料電池発電装置の一実施形態の構成を概略的に
示した図で、図14は、図13の直接型メタノール燃料
電池発電装置における起電部を示す模式図で、図15
は、本発明に係る第2の直接型メタノール燃料電池発電
装置を実施するための手順の一例を示すフローチャート
である。なお、図13〜図14においては、前述した図
8〜図9と同様な部材について同符号を付して説明を省
略する。
FIG. 13 is a diagram schematically showing the structure of one embodiment of the second direct methanol fuel cell power generator according to the present invention, and FIG. 14 is the direct methanol fuel cell power generator of FIG. 15 is a schematic diagram showing an electromotive unit in FIG.
FIG. 6 is a flow chart showing an example of a procedure for implementing the second direct methanol fuel cell power generation device according to the present invention. 13 to 14, the same members as those in FIGS. 8 to 9 described above are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

【0097】第2の直接型メタノール燃料電池発電装置
は、負荷電流の経時変化から評価されるメタノール水溶
液容器(第1のメタノール水溶液容器)10内のメタノ
ール水溶液の濃度に応じて、メタノール水溶液容器10
にメタノール水溶液を補充するメタノール補充手段をさ
らに備える。このようなメタノール補充手段は、第2の
メタノール水溶液容器27(メタノール補充用容器)
と、第2の送液ポンプ28とを備える。メタノール流量
制御装置24及び電流経時変化記録評価装置26は、流
量制御手段及びメタノール補充手段において共用され
る。第2のメタノール水溶液容器27は、第2の送液ポ
ンプ28を介して第1のメタノール水溶液容器10に接
続されている。また、第2のメタノール水溶液容器27
内のメタノール水溶液濃度は、前記初期濃度C0 mよりも
高いことが望ましい。送液ポンプ28は、メタノール流
量制御装置24に接続されている。
In the second direct methanol fuel cell power generator, the methanol aqueous solution container 10 is determined according to the concentration of the methanol aqueous solution in the methanol aqueous solution container (first methanol aqueous solution container) 10 evaluated from the change with time of the load current.
And a methanol replenishing means for replenishing the aqueous methanol solution. Such a methanol replenishing means is the second methanol aqueous solution container 27 (methanol replenishing container).
And a second liquid feed pump 28. The methanol flow control device 24 and the current aging record evaluation device 26 are shared by the flow control means and the methanol replenishing means. The second aqueous methanol solution container 27 is connected to the first aqueous methanol solution container 10 via a second liquid feed pump 28. In addition, the second methanol aqueous solution container 27
It is desirable that the concentration of the aqueous methanol solution be higher than the initial concentration C 0 m . The liquid feed pump 28 is connected to the methanol flow rate control device 24.

【0098】このようなメタノール補充手段によれば、
直接型メタノール燃料電池21から外部回路25に出力
される負荷電流の経時変化を電流経時変化記録評価装置
26に記録し、この記録された負荷電流の経時変化から
第1のメタノール水溶液容器10のメタノール濃度を評
価する。メタノール流量制御装置24では、評価された
メタノール濃度に応じて第2の送液ポンプに命令を送
り、第2のメタノール水溶液容器27から第1のメタノ
ール水溶液容器10に送液が行われる。
According to such a methanol replenishing means,
The time-dependent change of the load current output from the direct methanol fuel cell 21 to the external circuit 25 is recorded in the current time-dependent change evaluation device 26, and from the recorded change of the load current with time, the methanol of the first methanol aqueous solution container 10 is recorded. Evaluate the concentration. In the methanol flow rate control device 24, a command is sent to the second liquid feed pump according to the evaluated methanol concentration, and liquid is fed from the second methanol aqueous solution container 27 to the first methanol aqueous solution container 10.

【0099】前述した図6、図7に示したように、第1
のメタノール水溶液容器10中のメタノール水溶液の濃
度が0.5Mより低くなると出力は急激に低下する。よ
って、第1のメタノール水溶液容器10中のメタノール
水溶液の濃度が0.5M未満になった場合、メタノール
水溶液を残した状態でメタノール水溶液容器を交換する
必要が生じる。そこで、第2のメタノール水溶液容器2
7から濃いメタノール水溶液を第1のメタノール水溶液
容器10に送液して第1のメタノール水溶液容器10中
のメタノール濃度を0.5M以上にすることによって、
第1のメタノール水溶液容器10中のメタノール水溶液
を再利用して第2の発電工程を続行することが可能にな
り、容器10中のメタノール水溶液を使いきることがで
きる。また、第2のメタノール水溶液容器27は、補充
専用であるため、第2のメタノール水溶液容器27中の
メタノール水溶液をすべて使いきった時点で、第2のメ
タノール水溶液容器27を交換することが可能となる。
さらに、第2のメタノール水溶液容器27から第1のメ
タノール水溶液容器10にメタノール水溶液を補充する
ことによって、第1のメタノール水溶液容器中のメタノ
ール濃度を初期の状態に戻して出力を回復させ、再び第
1の発電工程を行うことも可能である。
As shown in FIGS. 6 and 7 described above, the first
When the concentration of the aqueous methanol solution in the aqueous methanol solution container 10 becomes lower than 0.5 M, the output sharply decreases. Therefore, when the concentration of the aqueous methanol solution in the first aqueous methanol solution container 10 becomes less than 0.5 M, it is necessary to replace the aqueous methanol solution container with the aqueous methanol solution remaining. Therefore, the second methanol aqueous solution container 2
By sending a concentrated aqueous methanol solution from 7 to the first aqueous methanol solution container 10 to make the concentration of methanol in the first aqueous methanol solution container 10 0.5 M or more,
It becomes possible to continue the second power generation process by reusing the aqueous methanol solution in the first aqueous methanol solution container 10, and the aqueous methanol solution in the container 10 can be used up. Further, since the second methanol aqueous solution container 27 is exclusively used for replenishment, it is possible to replace the second methanol aqueous solution container 27 when all the methanol aqueous solution in the second methanol aqueous solution container 27 is used up. Become.
Further, by replenishing the first methanol aqueous solution container 10 with the methanol aqueous solution from the second methanol aqueous solution container 27, the concentration of methanol in the first methanol aqueous solution container is returned to the initial state, the output is recovered, and the first methanol aqueous solution container 10 is restored again. It is also possible to perform the first power generation step.

【0100】従って、第2の直接型メタノール燃料電池
発電装置によると、メタノール水溶液容器を交換する時
期の判断が容易になるだけでなく、工業的には使用済み
メタノール水溶液容器を回収する上でも便利となる。ま
た、以上の議論からも分かる様に、第2のメタノール水
溶液容器には濃いメタノール水溶液を収容するために、
第1のメタノール水溶液容器の容積と比較して容積を小
さくすることが可能である。よって、直接型メタノール
燃料電池の燃料容器の容積を最小限度に抑えることがで
きる。また、第1のメタノール水溶液容器10中のメタ
ノール濃度が0.5M未満になるまでは第2のメタノー
ル水溶液容器27からの送液を行わないので、送液ポン
プ28による出力によって装置全体の出力が大幅に低下
するのを回避することができ、長時間駆動が可能にな
る。
Therefore, according to the second direct type methanol fuel cell power generator, not only is it easy to determine when to replace the methanol aqueous solution container, but it is industrially convenient for collecting the used methanol aqueous solution container. Becomes Further, as can be understood from the above discussion, in order to store the concentrated methanol aqueous solution in the second methanol aqueous solution container,
The volume can be made smaller than the volume of the first methanol aqueous solution container. Therefore, the volume of the fuel container of the direct methanol fuel cell can be minimized. Moreover, since the liquid is not fed from the second methanol aqueous solution container 27 until the methanol concentration in the first methanol aqueous solution container 10 becomes less than 0.5 M, the output of the entire device is output by the output of the liquid feeding pump 28. It is possible to avoid a significant decrease, and it becomes possible to drive for a long time.

【0101】この第2の直接型メタノール電池発電装置
の実施方法の一例を図15を参照して説明する。
An example of the method of implementing the second direct methanol battery power generator will be described with reference to FIG.

【0102】開始時点では、パラメータQとNは、0に
設定されている。I(t)の測定過程からメタノール濃度
CとCBの比較過程までは、前述した図12で説明した
のと同様にして行う。電気量Qから評価される第1のメ
タノール水溶液容器10中のメタノール濃度CがCB
下回った時点で、メタノール流量制御装置24から送液
ポンプ28に信号を送って送液ポンプ28を作動させ、
第2のメタノール水溶液容器27から第1のメタノール
水溶液容器10にメタノール水溶液の送液を行う。送液
を行うメタノール水溶液容器の量は常に同じ量にするこ
とが好ましく、第1のメタノール水溶液容器10中のメ
タノール濃度を初期の状態に回復させるのに必要な量の
送液を行う。この送液により高出力を維持することがで
きる。
At the start point, the parameters Q and N are set to 0. The process from the measurement of I (t) to the process of comparing the methanol concentrations C and C B is performed in the same manner as described with reference to FIG. When the first methanol concentration C in methanol aqueous solution container 10 to be evaluated from the electric quantity Q is below C B, to actuate the liquid feed pump 28 sends a signal to the liquid feed pump 28 from the methanol flow rate control device 24 ,
The aqueous methanol solution is sent from the second aqueous methanol solution container 27 to the first aqueous methanol solution container 10. It is preferable that the amount of the methanol aqueous solution container for feeding the liquid is always the same amount, and the amount of the liquid required for restoring the methanol concentration in the first methanol aqueous solution container 10 to the initial state is fed. A high output can be maintained by this liquid feeding.

【0103】送液後は初期の状態に戻るので、パラメー
タQを0にリセットする必要がある。この過程を繰り返
し、送液回数Ncが、第2のメタノール水溶液容器27
中のメタノール水溶液を使い切る送液回数Nを超えた時
点でバッテリー切れとし、第2のメタノール水溶液容器
27を交換する様に命令を与える。
It is necessary to reset the parameter Q to 0 since the initial state is returned after the liquid feeding. By repeating this process, the number of times N c of liquid feeding is the second methanol aqueous solution container 27.
At the time when the number of times of liquid feeding N used up of the aqueous methanol solution is exceeded, the battery is dead, and an instruction is given to replace the second aqueous methanol solution container 27.

【0104】なお、直接型メタノール燃料電池発電装置
による発電を中断する場合には、中断した時のパラメー
タQ、Nの値を記憶させておくことが好ましい。発電を
再開した際、中断した時のパラメータQ、Nを初期値と
することによって、メタノール水溶液容器10中のメタ
ノール濃度Cをより正確に算出することができる。
When power generation by the direct methanol fuel cell power generator is interrupted, it is preferable to store the values of the parameters Q and N at the time of interruption. When the power generation is restarted, the parameters Q and N at the time of interruption are set to initial values, so that the methanol concentration C in the methanol aqueous solution container 10 can be calculated more accurately.

【0105】本発明に係る組電池の一例を図16を参照
して説明する。
An example of the assembled battery according to the present invention will be described with reference to FIG.

【0106】図16は、本発明に係る組電池の一例の概
略構成を示す概要図である。なお、図16においては、
前述した図9、図13と同様な部材について同符号を付
して説明を省略する。
FIG. 16 is a schematic diagram showing the schematic structure of an example of the assembled battery according to the present invention. In addition, in FIG.
The same members as those in FIGS. 9 and 13 described above are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

【0107】この組電池は、直接型メタノール燃料電池
と非水電解質二次電池(例えば、リチウムイオン二次電
池)との組電池である。直接型メタノール燃料電池の部
分は、起電部単位の積層数を10以上にすること以外
は、前述した第2の直接型メタノール燃料電池発電装置
と同様な構成を有する。直接型メタノール燃料電池とリ
チウムイオン二次電池29とは、並列に接続されてい
る。また、直接型メタノール燃料電池とリチウムイオン
二次電池29の間にはコンバータ30が介在されてお
り、直接型メタノール燃料電池の電圧が常に4.2Vに
なる様に設定されている。また、リチウムイオン二次電
池29には、この二次電池29を駆動電源とする外部機
器(外部回路)31が接続されている。リチウムイオン
二次電池29を放電させて外部機器31を駆動する際に
は、コンバータ30とリチウムイオン二次電池29の間
のスイッチ32は開いた状態になっている。しかし、外
部機器31を駆動していない時には、リチウムイオン二
次電池を充電できるように常にスイッチ32が入ってい
る。リチウムイオン二次電池は充電時間が長くかかるた
め、電気自動車へ応用された場合を想定すると、半日近
くの時間が必要になると予想される。また、外部電源の
ない場所においてリチウムイオン二次電池を充電するこ
とができないという欠点もある。従って、リチウムイオ
ン二次電池に直接型メタノール燃料電池を接続すること
によって、リチウムイオン二次電池を放電させていない
時は常に充電することができるため、充電時間を短縮す
ることができるばかりか、メタノール水溶液を補充する
だけで充電が可能であるために外部電源を必要としない
点でも有利である。さらに、リチウムイオン二次電池を
過放電すると、再び充電を行っても元の容量が得られな
いという欠点を持っており、組電池にすることで、過放
電になる前に充電を行うことが可能になり、過放電によ
る容量低下を避けることも可能である。上記の様に、リ
チウムイオン二次電池との組電池が最も効果的となる
が、キャパシターやニッケル水素二次電池との組電池も
原理的に可能である。
This battery pack is a battery pack of a direct methanol fuel cell and a non-aqueous electrolyte secondary battery (for example, a lithium ion secondary battery). The portion of the direct methanol fuel cell has the same configuration as that of the second direct methanol fuel cell power generator described above, except that the number of stacked electromotive units is 10 or more. The direct methanol fuel cell and the lithium ion secondary battery 29 are connected in parallel. Further, a converter 30 is interposed between the direct methanol fuel cell and the lithium ion secondary battery 29, and the voltage of the direct methanol fuel cell is always set to 4.2V. In addition, an external device (external circuit) 31 that uses the secondary battery 29 as a driving power source is connected to the lithium ion secondary battery 29. When the lithium-ion secondary battery 29 is discharged and the external device 31 is driven, the switch 32 between the converter 30 and the lithium-ion secondary battery 29 is in an open state. However, the switch 32 is always on so that the lithium ion secondary battery can be charged when the external device 31 is not driven. Since it takes a long time to charge the lithium-ion secondary battery, it is expected that it will take about half a day if it is applied to an electric vehicle. Further, there is a drawback that the lithium ion secondary battery cannot be charged in a place without an external power source. Therefore, by connecting the direct-type methanol fuel cell to the lithium-ion secondary battery, the lithium-ion secondary battery can always be charged when not being discharged, so that not only the charging time can be shortened, It is also advantageous in that it requires no external power source because it can be charged simply by supplementing the aqueous methanol solution. Furthermore, if the lithium-ion secondary battery is over-discharged, it has the drawback that the original capacity cannot be obtained even if it is recharged. It becomes possible, and it is possible to avoid the capacity decrease due to over-discharge. As described above, the battery pack with the lithium ion secondary battery is most effective, but the battery pack with the capacitor or the nickel-hydrogen secondary battery is also possible in principle.

【0108】(実施例1) <直接型メタノール燃料電池の起電部の作製>公知のプ
ロセス(R. Ramakumar et al. J. Power Sources 69 (1
997) 75)により、アノード用触媒(Pt:Ru=1:
1)担持カーボンブラックとカソード用触媒(Pt)担
持カーボンブラックを作製した。触媒担持量は,カーボ
ン100に対して重量比でアノードは30、カソードは
15とした。
(Example 1) <Preparation of electromotive section of direct methanol fuel cell> Known process (R. Ramakumar et al. J. Power Sources 69 (1
997) 75), the catalyst for the anode (Pt: Ru = 1:
1) Supported carbon black and cathode catalyst (Pt) supported carbon black were prepared. The amount of catalyst supported was 30 for the anode and 15 for the cathode in a weight ratio with respect to 100 carbon.

【0109】前記プロセスにおいて作製したアノード用
触媒担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスル
ホン酸溶液(Dupont社 Nafion溶液 SE-20092)とイオン交
換水を添加し、前記触媒担持カーボンブラックを分散さ
せてペーストを調製した。アノード集電体としての撥水
処理済カーボンペーパーTGPH-120(E-TEK社製)の上にペ
ーストを550μm塗布し、乾燥させ、アノード触媒層
を形成することによりアノード電極を得た。
[0109] A perfluorocarbon sulfonic acid solution (Nafion solution SE-20092 manufactured by Dupont) and ion-exchanged water were added to the catalyst-supporting carbon black for anode prepared in the above process, and the catalyst-supporting carbon black was dispersed to prepare a paste. . The anode electrode was obtained by applying 550 μm of the paste on a water repellent treated carbon paper TGPH-120 (manufactured by E-TEK) as an anode current collector and drying it to form an anode catalyst layer.

【0110】前記プロセスにおいて作製したカソード用
触媒担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスル
ホン酸溶液(Dupont社 Nafion溶液 SE-20092)とイオン交
換水を加え、前記触媒担持カーボンブラックを分散させ
てペーストを調製した。カソード集電体としての撥水処
理済カーボンペーパーTGPH-090(E-TEK社製)の上にペー
ストを225μm塗布した後、乾燥させ、カソード触媒
層を形成することにより、カソード電極を得た。
A perfluorocarbon sulfonic acid solution (Nafion solution SE-20092 manufactured by Dupont) and ion-exchanged water were added to the catalyst-supporting carbon black for cathode prepared in the above process, and the catalyst-supporting carbon black was dispersed to prepare a paste. 225 μm of the paste was applied on a water repellent treated carbon paper TGPH-090 (manufactured by E-TEK) as a cathode current collector and dried to form a cathode catalyst layer, whereby a cathode electrode was obtained.

【0111】アノード電極のアノード触媒層とカソード
電極のカソード触媒層の間に、電解質膜としての市販の
パーフルオロカーボンスルホン酸膜(Dupont社 Nafion11
7)を配置し、これらにホットプレス(125℃、5分
間、50kg/cm2)を施すことにより、アノード電
極、電解質膜及びカソード電極を接合し、起電部を得
た。起電部中のアノード触媒層の断面積Sは、10cm
2であった。また、起電部を切断し、断面積を電子顕微
鏡で観察したところ、アノード触媒層の厚さLは105
μmで、カソード触媒層の厚さは50μmであった。ま
た、この電子顕微鏡観察により、アノード電極と電解質
膜とカソード電極との接合状態が良好であることを確認
することができた。
Between the anode catalyst layer of the anode electrode and the cathode catalyst layer of the cathode electrode, a commercially available perfluorocarbon sulfonic acid membrane (Dupont Nafion 11
7) was placed and subjected to hot pressing (125 ° C., 5 minutes, 50 kg / cm 2 ) to join the anode electrode, the electrolyte membrane and the cathode electrode to obtain an electromotive portion. The cross-sectional area S of the anode catalyst layer in the electromotive section is 10 cm.
Was 2 . When the electromotive section was cut and the cross-sectional area was observed with an electron microscope, the thickness L of the anode catalyst layer was 105.
In μm, the thickness of the cathode catalyst layer was 50 μm. Moreover, it was possible to confirm that the anode electrode, the electrolyte membrane, and the cathode electrode were in good contact with each other by observing with this electron microscope.

【0112】<直接型メタノール燃料電池の作製>作製
した起電部をカーボン製のセパレータに装着し、ネジで
締め付けることにより密閉した。セパレータにはシリコ
ンラバーヒーターが装着されており、市販の温度コント
ローラーを用いて、ホルダー内部が常時70℃になる様
に温度制御した。
<Fabrication of Direct Methanol Fuel Cell> The fabricated electromotive section was mounted on a carbon separator and tightened with a screw to seal it. A silicon rubber heater was attached to the separator, and a commercially available temperature controller was used to control the temperature inside the holder to always be 70 ° C.

【0113】ところで、アノード電極側に位置するセパ
レータには、前述した図2に示すような形状のアノード
流路9が形成されている。アノード流路9のメタノール
供給口7に供給チューブを接続すると共に、アノード流
路9のメタノール排出口8に排出チューブを接続した。
容器10(容積10mL)にアルコール水溶液の一例と
してメタノール水溶液を収容し、市販の送液ポンプ11
を用いて送液し、供給チューブ及び供給口7を通してア
ノード流路9に供給した。アノード集電体であるアノー
ドカーボンペーパーに浸み込まなかったメタノール水溶
液をメタノール排出口8を通して排出チューブから排出
した。
By the way, in the separator located on the anode electrode side, the anode flow channel 9 having the shape as shown in FIG. 2 is formed. A supply tube was connected to the methanol supply port 7 of the anode flow channel 9 and a discharge tube was connected to the methanol discharge port 8 of the anode flow channel 9.
A container 10 (volume: 10 mL) contains an aqueous methanol solution as an example of an aqueous alcohol solution, and a commercially available liquid feed pump 11
Was used to supply the liquid to the anode channel 9 through the supply tube and the supply port 7. The aqueous methanol solution, which had not penetrated into the anode carbon paper as the anode current collector, was discharged from the discharge tube through the methanol discharge port 8.

【0114】一方、カソード電極側に位置するセパレー
タにも、アノード流路と同様な形状のカソード流路15
が形成されている。カソード流路15の酸化剤供給口1
3に供給チューブを接続すると共に、カソード流路15
の酸化剤排出口14に排出チューブを接続した。市販の
エアーポンプを用いて空気を送気し、供給チューブ及び
供給口13を通してカソード流路15に供給した。空気
の流量は,市販のマスフローコントローラーを用いて調
整した。
On the other hand, also in the separator located on the cathode electrode side, the cathode flow channel 15 having the same shape as the anode flow channel is formed.
Are formed. Oxidant supply port 1 of cathode channel 15
3 is connected to the supply tube, and the cathode channel 15
A discharge tube was connected to the oxidant discharge port 14 of. Air was supplied by using a commercially available air pump, and was supplied to the cathode channel 15 through the supply tube and the supply port 13. The air flow rate was adjusted using a commercially available mass flow controller.

【0115】送液は0.01μL/minから6mL/
minまでの範囲で調整可能であり、送気は20mL/
minから5L/minの範囲で調整可能であることを
確認した。また、負荷には市販の電子負荷機を用いた。
さらに、電圧検出手段には、市販のデジタルマルチメー
ターを用いた。このようにして前述した図8及び図9に
示す構造を有する直接型メタノール燃料電池発電装置を
得た。
The liquid is fed from 0.01 μL / min to 6 mL / min.
It can be adjusted in the range of up to min, and air supply is 20 mL /
It was confirmed that the adjustment was possible within the range from min to 5 L / min. A commercially available electronic load machine was used for the load.
Further, a commercially available digital multimeter was used as the voltage detecting means. Thus, the direct methanol fuel cell power generator having the structure shown in FIGS. 8 and 9 was obtained.

【0116】得られた燃料電池発電装置では、前述した
(3)式で規定されるメタノール水溶液の流量Jm(m
L/min)の設定許容範囲が、0.062≦Jm
0.50になる。
In the obtained fuel cell power generator, the flow rate of the aqueous methanol solution J m (m
L / min) setting allowable range is 0.062 ≦ J m
It becomes 0.50.

【0117】<電流電圧特性の測定>前記メタノール水
溶液容器10中のメタノール水溶液として、メタノール
濃度C0 mが5M、4M、3M、2M、1M、0.5Mの
ものを用意し、それぞれのメタノール水溶液を流量Jm
が0.05mL/min、0.1mL/min、0.2
mL/min、0.4mL/minで送液を行った時
に、一定の負荷電流1.5Aに対する電圧値を測定し
た。実験結果を図17に示す。図17の横軸は、容器1
0中のメタノール水溶液の初期濃度C0 m(M)であり、
縦軸は電池電圧(V)である。
<Measurement of Current-Voltage Characteristics> As the aqueous methanol solution in the aqueous methanol solution container 10, those having a methanol concentration C 0 m of 5M, 4M, 3M, 2M, 1M and 0.5M were prepared. Flow rate J m
Is 0.05 mL / min, 0.1 mL / min, 0.2
When the liquid was sent at mL / min and 0.4 mL / min, the voltage value for a constant load current of 1.5 A was measured. The experimental results are shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 17 indicates the container 1
Initial concentration C 0 m (M) of the aqueous methanol solution in 0 ,
The vertical axis represents the battery voltage (V).

【0118】流量Jmが0.05mL/minで送液を
行った場合には、メタノール水溶液の濃度C0 mが約3.
2M以下で電圧値が0となった。しかし、0.2mL/
minまで送液流量Jmを増やせば、メタノール濃度C0
mが2.6M以下のメタノール水溶液容器を用いても電
圧が取れ、すべての濃度において電圧が上昇する結果が
得られた。さらに、0.4mL/minまで流量Jm
増やしたが、ほとんど変化せず、0.2mL/minの
流量Jmでほぼ飽和することが分かった。流量Jmが低い
方が補器の出力を小さくすることができるため、この場
合の最適流量Jmは、0.2mL/minである。
When the solution was sent at a flow rate J m of 0.05 mL / min, the concentration C 0 m of the aqueous methanol solution was about 3.
The voltage value became 0 at 2 M or less. However, 0.2 mL /
If the flow rate J m is increased to min, the methanol concentration C 0
The voltage was obtained even when a methanol aqueous solution container with m of 2.6 M or less was obtained, and the result was that the voltage increased at all concentrations. Furthermore, although the flow rate J m was increased to 0.4 mL / min, it was found that there was almost no change and that the flow rate J m at 0.2 mL / min was almost saturated. Since the output of the auxiliary device can be made smaller as the flow rate J m is lower, the optimum flow rate J m in this case is 0.2 mL / min.

【0119】従って、メタノール水溶液容器10に最初
に入れるメタノール水溶液のメタノール濃度C0 mを2〜
5Mにし、カソード触媒層2の厚さLを40μm以上に
し、かつメタノール水溶液の供給流量Jmを前述した
(3)式で規制される範囲内の値(この場合、0.2m
L/minという低流量)に設定することによって、
0.25〜0.35Vという十分な電圧を得ることがで
きる。また、最初のメタノール濃度C0 mを2〜5Mと高
濃度にしているため、メタノール水溶液容器10の容積
を小さくすることができる。さらに、高電圧が得られる
供給流量Jmを前述した(3)式で規制される範囲内
(例えば、0.2mL/min)に設定することができ
るため、補器の出力を抑えることが可能であり、一定量
のメタノールから得られる出力密度を高くすることがで
きる。
Therefore, the methanol concentration C 0 m of the aqueous methanol solution initially put in the aqueous methanol solution container 10 is set to 2
5M, the thickness L of the cathode catalyst layer 2 is 40 μm or more, and the supply flow rate J m of the aqueous methanol solution is a value within the range regulated by the formula (3) (0.2 m in this case).
By setting a low flow rate of L / min),
A sufficient voltage of 0.25 to 0.35V can be obtained. Further, since the initial methanol concentration C 0 m is as high as 2 to 5 M, the volume of the methanol aqueous solution container 10 can be reduced. Furthermore, since the supply flow rate J m that can obtain a high voltage can be set within the range regulated by the above-described formula (3) (for example, 0.2 mL / min), the output of the auxiliary device can be suppressed. Therefore, the power density obtained from a fixed amount of methanol can be increased.

【0120】(実施例2)実施例1の直接型メタノール
燃料電池発電装置において、初期濃度C0 mが2Mのメタ
ノール水溶液を流量Jmを0.2mL/minにしてア
ノード触媒層に供給し、空気を500mL/minの流
量でカソード触媒層に供給した際の電流電圧特性(例
1)と、初期濃度C0 mが1Mのメタノール水溶液を流量
mを0.2mL/minにしてアノード触媒層に供給
し、空気を500mL/minの流量でカソード触媒層
に供給した際の電流電圧特性(例2)を測定し、測定結
果を図18に示す。
(Example 2) In the direct methanol fuel cell power generator of Example 1, an aqueous methanol solution having an initial concentration C 0 m of 2 M was supplied to the anode catalyst layer at a flow rate J m of 0.2 mL / min. Current-voltage characteristics (Example 1) when air was supplied to the cathode catalyst layer at a flow rate of 500 mL / min, and an aqueous methanol solution having an initial concentration C 0 m of 1 M was set at a flow rate J m of 0.2 mL / min to make the anode catalyst layer. And the air was supplied to the cathode catalyst layer at a flow rate of 500 mL / min, the current-voltage characteristics (Example 2) were measured, and the measurement results are shown in FIG.

【0121】図18から、前述した(1)〜(3)の関
係式を満足する例1の燃料電池発電装置では、出力密度
53mW/cm2が得られるのに対し、初期濃度C0 m
前記(1)式より低くなっている例2の燃料電池発電装
置では、出力密度45mW/cm2と例1に比べて低く
なることがわかる。
From FIG. 18, in the fuel cell power generator of Example 1 which satisfies the relational expressions (1) to (3) described above, the output density of 53 mW / cm 2 is obtained, while the initial concentration C 0 m is It can be seen that the output density of the fuel cell power generator of Example 2 which is lower than the expression (1) is 45 mW / cm 2 which is lower than that of Example 1.

【0122】さらに、例1及び例2の燃料電池発電装置
において、メタノール水溶液の送液流量Jmを0.8m
L/minに変更し、その結果を図19に示す。
Furthermore, in the fuel cell power generators of Example 1 and Example 2, the solution flow rate J m of the aqueous methanol solution was 0.8 m.
It changed into L / min and the result is shown in FIG.

【0123】図19から明らかなように、初期濃度C0 m
が2Mである例1の燃料電池発電装置では、出力密度6
3mW/cm2が得られ、また、初期濃度C0 mが1Mで
ある例2の燃料電池発電装置では、出力密度81mW/
cm2が得られた。流量を4倍にすることにより、2M
のメタノール水溶液を用いた場合は急激な出力上昇は見
られなかったのに対して、1Mのメタノール水溶液を用
いた場合には、倍近くまで出力密度が上昇し、2Mのメ
タノール水溶液を用いた場合よりも出力密度が大きくな
る結果が得られた。しかしながら、送液流量Jmが0.
8mL/minと前述した(3)式で規制される範囲よ
りも大きくなると、補器の出力が増大するため、一定量
のメタノールから得られる出力密度としては低くなる。
As is clear from FIG. 19, the initial concentration C 0 m
In the fuel cell power generator of Example 1 in which the output power is 2 M, the output density is 6
In the fuel cell power generation device of Example 2 in which 3 mW / cm 2 was obtained and the initial concentration C 0 m was 1 M, the output density was 81 mW /
cm 2 was obtained. 2M by quadrupling the flow rate
No sharp increase in output was observed when using the 1 M aqueous methanol solution, whereas when using the 1 M aqueous methanol solution, the output density increased to nearly double, and when the 2 M aqueous methanol solution was used. The result is that the power density is larger than that of the above. However, the liquid flow rate J m is 0.
When it becomes larger than the range regulated by the above-mentioned formula (3) at 8 mL / min, the output of the auxiliary device increases and the output density obtained from a fixed amount of methanol becomes low.

【0124】(実施例3)実施例1の直接型メタノール
燃料電池発電装置において、濃度C0 mが2Mのメタノー
ル水溶液を流量Jmを0.2mL/minにしてアノー
ド触媒層に供給し、空気を500mL/minの流量で
カソード触媒層に供給し、1.5Aの負荷電流を流しな
がら電圧の変化を測定した。測定結果を図20に示す。
但し、図20の横軸は経過時間(h)である。右側の縦
軸は、前述した数22の式より見積もれる容器10中の
メタノール水溶液の濃度Cm(t)(M)であり、左側の
縦軸が電池電圧(V)である。電圧は、50分電流を流
した時点までは、ほぼ0.37Vで一定であったが、そ
の直後電圧が急激に減少した。前述した数22の式より
見積もれるメタノール水溶液容器の濃度Cm(t)は1.
2Mであった。前述した図18に示した1Mのメタノー
ル水溶液を用いた場合(例2)の電流電圧特性から、メ
タノール燃料不足を起こしていると仮定した。そこで、
メタノール送液流量Jmを2倍の0.4mL/minに
すると、再び1.5Aの負荷電流を取ることが可能にな
り、約0.45Vまで電圧が回復し、さらに30分負荷
電流を流しつづけることができた。
(Example 3) In the direct methanol fuel cell power generator of Example 1, an aqueous methanol solution having a concentration C 0 m of 2 M was supplied to the anode catalyst layer at a flow rate J m of 0.2 mL / min to obtain air. Was supplied to the cathode catalyst layer at a flow rate of 500 mL / min, and the change in voltage was measured while flowing a load current of 1.5 A. The measurement result is shown in FIG.
However, the horizontal axis of FIG. 20 is the elapsed time (h). The vertical axis on the right side is the concentration C m (t) (M) of the aqueous methanol solution in the container 10 estimated from the above-mentioned formula 22, and the vertical axis on the left side is the battery voltage (V). The voltage was constant at about 0.37 V until a current was passed for 50 minutes, but immediately after that, the voltage drastically decreased. The concentration C m (t) of the methanol aqueous solution container estimated from the above-mentioned equation 22 is 1.
It was 2M. From the current-voltage characteristics when the 1 M aqueous methanol solution shown in FIG. 18 was used (Example 2), it was assumed that the methanol fuel shortage had occurred. Therefore,
When the flow rate of methanol feed J m is doubled to 0.4 mL / min, it becomes possible to take the load current of 1.5 A again, the voltage is restored to about 0.45 V, and the load current is further passed for 30 minutes. I was able to continue.

【0125】測定後、メタノール水溶液容器中のメタノ
ール水溶液のメタノール濃度をガスクロマトグラフィー
で測定したところ0.6Mになっていた。また、容器中
のメタノール水溶液の残量は、約9mLであった。
After the measurement, the methanol concentration of the aqueous methanol solution in the aqueous methanol container was measured by gas chromatography and found to be 0.6M. The remaining amount of the aqueous methanol solution in the container was about 9 mL.

【0126】(実施例4)実施例3の実験が終了した時
点で、燃料電池発電装置のメタノール水溶液容器10に
第2のメタノール水溶液容器27を送液ポンプ28を介
して接続し、前述した図13及び図14に示す構成を持
つ第2の直接型メタノール燃料電池発電装置に変更し
た。
(Example 4) At the time when the experiment of Example 3 was completed, the second aqueous methanol solution container 27 was connected to the aqueous methanol solution container 10 of the fuel cell power generator via the liquid feed pump 28, and the above-mentioned diagram was used. 13 and a second direct methanol fuel cell power generator having the configuration shown in FIG.

【0127】容積が10mLの第2のメタノール水溶液
容器27に15Mのメタノール水溶液5mLを収容し、
第2のメタノール水溶液容器27から1mLのメタノー
ル水溶液を第1のメタノール水溶液容器10に注いだ。
このことにより、第1のメタノール水溶液容器10中に
は、約2Mのメタノール水溶液が10mL入っているこ
とになる。第1のメタノール水溶液容器10中のメタノ
ール水溶液を流量Jmを0.2mL/minにしてアノ
ード触媒層に供給し、空気を500mL/minの流量
でカソード触媒層に供給し、1.5Aの負荷電流を流し
ながら電圧の変化を測定したところ、ほぼ0.37Vの
一定電圧を得られた。そこで、1.5Aの負荷電流を1
時間20分流した時点で、第2のメタノール水溶液容器
27から第1のメタノール水溶液容器10に1mLメタ
ノール水溶液を補充し、再び1.5Aの負荷電流を流し
た。この作業を5回繰り返すことにより、6時間40分
連続駆動を行うことができた。その後、第1のメタノー
ル水溶液容器10中のメタノール濃度をガスクロマトグ
ラフィーで測定したところ、約0.7Mになっており、
また、9mL残っていることが確認できた。一方、第2
のメタノール水溶液容器27中には、ほとんどメタノー
ル水溶液は残っていなかった。
5 mL of a 15 M aqueous methanol solution was placed in a second aqueous methanol solution container 27 having a volume of 10 mL,
From the second methanol aqueous solution container 27, 1 mL of the methanol aqueous solution was poured into the first methanol aqueous solution container 10.
As a result, the first methanol aqueous solution container 10 contains 10 mL of an approximately 2M aqueous methanol solution. The methanol aqueous solution in the first methanol aqueous solution container 10 was supplied to the anode catalyst layer at a flow rate J m of 0.2 mL / min, and air was supplied to the cathode catalyst layer at a flow rate of 500 mL / min to load 1.5 A. When the change in voltage was measured while passing a current, a constant voltage of approximately 0.37 V was obtained. Therefore, load current of 1.5A to 1
After 20 minutes of time, the first methanol solution container 10 was replenished with 1 mL of methanol solution from the second methanol solution container 27, and a load current of 1.5 A was applied again. By repeating this operation 5 times, continuous driving could be performed for 6 hours and 40 minutes. After that, when the methanol concentration in the first methanol aqueous solution container 10 was measured by gas chromatography, it was about 0.7 M,
It was also confirmed that 9 mL remained. Meanwhile, the second
Almost no aqueous methanol solution was left in the aqueous methanol solution container 27.

【0128】従って、第1のメタノール水溶液容器10
内のメタノール水溶液を交換することなく、長時間に亘
って高い出力密度を得ることができた。また、第2のメ
タノール水溶液容器のメタノール濃度が15Mと高濃度
であるため、第2のメタノール水溶液容器の容積を小さ
くすることができた。
Therefore, the first methanol aqueous solution container 10
It was possible to obtain a high power density for a long time without exchanging the aqueous methanol solution therein. Moreover, since the methanol concentration of the second methanol aqueous solution container was as high as 15 M, the volume of the second methanol aqueous solution container could be reduced.

【0129】(実施例5)アノード触媒層の厚さLを5
0μmにすること以外は、前述した実施例1と同様にし
て直接型メタノール燃料電池発電装置(例3)を得た。
得られた燃料電池発電装置では、前述した(3)式で規
定されるメタノール水溶液の流量Jm(mL/min)
の設定許容範囲が、0.13≦Jm≦1.0になる。
(Example 5) The thickness L of the anode catalyst layer was set to 5
A direct methanol fuel cell power generator (Example 3) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the thickness was 0 μm.
In the obtained fuel cell power generator, the flow rate J m (mL / min) of the aqueous methanol solution defined by the above-mentioned formula (3)
The setting allowable range of is 0.13 ≦ J m ≦ 1.0.

【0130】また、アノード触媒層の厚さLを75μm
にすること以外は、前述した実施例1と同様にして直接
型メタノール燃料電池発電装置(例4)を得た。得られ
た燃料電池発電装置では、前述した(3)式で規定され
るメタノール水溶液の流量J m(mL/min)の設定
許容範囲が、0.087≦Jm≦0.69になる。
Further, the thickness L of the anode catalyst layer is set to 75 μm.
Directly in the same manner as in the first embodiment described above except that
A type methanol fuel cell power generator (Example 4) was obtained. Obtained
In the fuel cell power generator,
Flow rate of aqueous methanol solution J m(ML / min) setting
Allowable range is 0.087 ≦ Jm≦ 0.69.

【0131】さらに、アノード触媒層の厚さLを100
μmにすること以外は、前述した実施例1と同様にして
直接型メタノール燃料電池発電装置(例5)を得た。得
られた燃料電池発電装置では、前述した(3)式で規定
されるメタノール水溶液の流量Jm(mL/min)の
設定許容範囲が、0.065≦Jm≦0.52になる。
Further, the thickness L of the anode catalyst layer is set to 100.
A direct methanol fuel cell power generator (Example 5) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the thickness was changed to μm. In the obtained fuel cell power generation device, the allowable setting range of the flow rate J m (mL / min) of the aqueous methanol solution defined by the above-mentioned formula (3) is 0.065 ≦ J m ≦ 0.52.

【0132】例3の直接型メタノール燃料電池発電装置
について、メタノール水溶液を流量Jmを0.4mL/
minにしてアノード触媒層に供給し、空気を500m
L/minの流量でカソード触媒層に供給し、3Aの負
荷電流を流した際の電圧を測定した。測定結果を図21
に示す。図21の横軸は、メタノール水溶液容器に最初
に入れるメタノール水溶液の濃度C0 m(M)で、縦軸は
電池電圧(V)である。なお、初期濃度C0 mは、0.5
〜5Mの範囲内で変化させ、各濃度について電圧の測定
を行った。
For the direct methanol fuel cell power generator of Example 3, the aqueous solution of methanol was supplied at a flow rate J m of 0.4 mL /
It is supplied to the anode catalyst layer after making it min.
It was supplied to the cathode catalyst layer at a flow rate of L / min, and the voltage when a load current of 3 A was passed was measured. Figure 21 shows the measurement results.
Shown in. The abscissa of FIG. 21 represents the concentration C 0 m (M) of the methanol aqueous solution initially put in the methanol aqueous solution container, and the ordinate represents the battery voltage (V). The initial concentration C 0 m is 0.5
The voltage was measured for each concentration while varying within the range of ˜5M.

【0133】例4の直接型メタノール燃料電池発電装置
については、流量Jmを0.3mL/minにし、ま
た、例5の直接型メタノール燃料電池発電装置について
は、流量Jmを0.2mL/minにすること以外は、
前述した例3で説明したのと同様にして3Aの負荷電流
を流した際の電圧を測定し、測定結果を図21に併記す
る。
For the direct methanol fuel cell power generator of Example 4, the flow rate J m was 0.3 mL / min, and for the direct methanol fuel cell power generator of Example 5, the flow rate J m was 0.2 mL / min. Except for setting to min
The voltage when a load current of 3 A was applied was measured in the same manner as described in Example 3 above, and the measurement results are also shown in FIG.

【0134】図21から、アノード触媒層の厚さLを4
0μm以上にすることによって、0.5〜5Mの広範囲
の初期濃度C0 mに亘って直接型メタノール燃料電池を駆
動できることがわかる。また、前述した図17に示した
実験結果と同様に、メタノール初期濃度C0 mが薄くなる
程、電圧が高くなる結果が得られた。さらに、アノード
触媒層の厚さLが薄くなる程、低濃度まで電圧を取るこ
とが可能であり、50μmのアノード触媒層厚の場合
(例3)には、ほぼ0.5Mが限界となることが確認さ
れた。しかしながら、アノード触媒層厚を50μmにし
た場合には、クロスオーバー現象の影響が大きくなるた
め、流量Jmを0.4mL/minと速くすると、初期
濃度C0 mが4Mを超える領域で電圧が取れず、燃料電池
を駆動させるためには前述した(3)式で規制される範
囲内において流量Jmを0.4mL/minより遅くす
る必要があることがわかった。クロスオーバー現象の影
響をより少なくする観点から、初期濃度C0 mは、2〜4
Mの範囲内にすることが好ましい。
From FIG. 21, the thickness L of the anode catalyst layer was set to 4
It can be seen that by setting the thickness to 0 μm or more, the direct methanol fuel cell can be driven over a wide range of the initial concentration C 0 m of 0.5 to 5M. Further, similar to the experimental result shown in FIG. 17, the result was obtained that the voltage became higher as the initial methanol concentration C 0 m became thinner. Further, as the thickness L of the anode catalyst layer becomes thinner, it is possible to obtain a voltage up to a lower concentration, and in the case of the anode catalyst layer thickness of 50 μm (Example 3), the limit becomes approximately 0.5M. Was confirmed. However, when the thickness of the anode catalyst layer is 50 μm, the influence of the crossover phenomenon becomes large. Therefore, when the flow rate J m is increased to 0.4 mL / min, the voltage is increased in the region where the initial concentration C 0 m exceeds 4 M. It was found that, in order to drive the fuel cell, the flow rate J m needs to be slower than 0.4 mL / min within the range regulated by the above formula (3). From the viewpoint of reducing the influence of the crossover phenomenon, the initial concentration C 0 m is 2 to 4
It is preferably within the range of M.

【0135】なお、直接型メタノール燃料電池の限界負
荷電流は、アノード触媒層厚とメタノール水溶液容器か
ら送るメタノール水溶液の濃度と流量で決めることがで
きる。よって、電解質膜、カソード触媒層中の触媒や構
造、酸化剤流量によって電池の出力密度が変化したとし
ても、本発明に係る直接型メタノール燃料電池発電装置
において規定される関係式(1)〜(3)を適用するこ
とが可能である。
The limiting load current of the direct methanol fuel cell can be determined by the thickness of the anode catalyst layer and the concentration and flow rate of the methanol aqueous solution sent from the methanol aqueous solution container. Therefore, even if the output density of the battery changes depending on the electrolyte membrane, the catalyst or structure in the cathode catalyst layer, and the flow rate of the oxidizing agent, the relational expressions (1) to () defined in the direct methanol fuel cell power generation device according to the present invention. It is possible to apply 3).

【0136】(実施例6)メタノール水溶液回収機構で
あるメタノール水溶液回収管17を用いず、すなわち、
アノード流路板6から排出されたメタノール水溶液を別
経路に回収すること以外は、前述した実施例1で説明し
たのと同様な直接型メタノール燃料電池発電装置を用意
した。得られた実施例6の燃料電池発電装置では、前述
した数7の(4)式で規定されるメタノール水溶液の流
量Jm(mL/min)の設定許容範囲が、0.015
75≦Jm≦0.06190になる。
(Embodiment 6) Without using the methanol aqueous solution recovery pipe 17 which is the methanol aqueous solution recovery mechanism, that is,
A direct methanol fuel cell power generator similar to that described in Example 1 was prepared except that the aqueous methanol solution discharged from the anode flow channel plate 6 was recovered through another route. In the obtained fuel cell power generator of Example 6, the setting allowable range of the flow rate J m (mL / min) of the aqueous methanol solution defined by the equation (4) of the above-mentioned equation 7 was 0.015.
75 ≦ J m ≦ 0.06190.

【0137】実施例6の直接型メタノール燃料電池発電
装置における、濃度が3Mのメタノール水溶液を流量J
mを0.042mL/minにしてアノード触媒層に供
給し、かつ空気を200mL/minの流量でカソード
触媒層に供給した場合を例6とする。一方、濃度が3M
のメタノール水溶液を流量Jmを0.168mL/mi
nにしてアノード触媒層に供給し、かつ空気を200m
L/minの流量でカソード触媒層に供給した場合を例
7とする。例6及び例7の電流電圧特性の測定結果を図
22に示す。
In the direct methanol fuel cell power generator of Example 6, the flow rate J of the aqueous methanol solution having a concentration of 3M was used.
Example 6 is a case where m is 0.042 mL / min and is supplied to the anode catalyst layer, and air is supplied to the cathode catalyst layer at a flow rate of 200 mL / min. On the other hand, the concentration is 3M
Of methanol aqueous solution with a flow rate J m of 0.168 mL / mi
n to supply to the anode catalyst layer, and 200 m of air
Example 7 is a case where the cathode catalyst layer is supplied at a flow rate of L / min. The measurement results of the current-voltage characteristics of Examples 6 and 7 are shown in FIG.

【0138】図22から明らかなように、メタノール水
溶液流量Jmを0.042mL/minと低くして送液
を行った例6の燃料電池発電装置の方が出力密度が増大
する結果が得られた。この結果は、本発明の関係式
(4)を導出するために計算した図6を実証した結果で
ある。すなわち、メタノール水溶液容器から起電部に供
給するメタノール水溶液流量Jmを前記(4)式の範囲
内に設定すると、メタノール水溶液容器内のメタノール
水溶液濃度が2〜5Mの範囲内に、出力密度のピークが
現れることが確認された。このことは、カソード触媒層
中で生じるクロスオーバー過電圧が下がったために出力
密度が増大したと説明される。
As is apparent from FIG. 22, the fuel cell power generation device of Example 6 in which the solution was fed at a low aqueous solution flow rate J m of 0.042 mL / min resulted in a higher output density. It was This result is a result demonstrating FIG. 6 calculated to derive the relational expression (4) of the present invention. That is, when the flow rate J m of the methanol aqueous solution supplied from the methanol aqueous solution container to the electromotive section is set within the range of the equation (4), the concentration of the methanol aqueous solution in the methanol aqueous solution container falls within the range of 2 to 5 M, and the output density It was confirmed that a peak appeared. This is explained by the increased power density due to the lower crossover overvoltage occurring in the cathode catalyst layer.

【0139】さらに、メタノール水溶液流量Jmを0.
042mL/minまたは0.168mL/minに固
定して、空気流量を50mL/min、100mL/m
in、200mL/min、300mL/min、40
0mL/minと変化させた場合の電流電圧特性の変化
を測定した。Jmを0.042mL/minに設定した
際に得られた結果を図23に、Jmを0.168mL/
minに設定した際に得られた結果を図24に示す。
Further, the flow rate of the aqueous methanol solution J m is set to 0.
Fixed at 042mL / min or 0.168mL / min, air flow rate 50mL / min, 100mL / m
in, 200 mL / min, 300 mL / min, 40
The change in the current-voltage characteristics when changing to 0 mL / min was measured. The results obtained are J m when set at 0.042 mL / min in Figure 23, the J m 0.168 mL /
FIG. 24 shows the result obtained when the value was set to min.

【0140】図23から明らかなように、送液量Jm
0.042mL/minである際に、空気流量が200
mL/minで出力が飽和することを確認することがで
きた。これに対し、図24から明らかなように、送液量
mが0.168mL/minである際には、空気流量
を400mL/minまで増加させても出力が完全に飽
和せず、しかも、その時得られる出力密度は、送液量J
mが0.042mL/minである時よりも低いことが
わかった。
As is clear from FIG. 23, when the liquid feed amount J m is 0.042 mL / min, the air flow rate is 200
It was possible to confirm that the output was saturated at mL / min. On the other hand, as is clear from FIG. 24, when the liquid feed rate J m is 0.168 mL / min, the output is not completely saturated even when the air flow rate is increased to 400 mL / min, and The power density obtained at that time is J
It was found to be lower than when m is 0.042 mL / min.

【0141】従って、図22〜図24の結果から、例6
の直接型メタノール燃料電池発電装置は、低い空気流量
と少ないメタノール水溶液送液量とで得られる出力密度
のうち最大値を実現することができるため、高いエネル
ギー変換効率を得られることが理解できる。
Therefore, from the results of FIGS. 22 to 24, Example 6 is obtained.
It can be understood that the direct type methanol fuel cell power generation device of (1) can realize the maximum value of the output densities obtained with a low air flow rate and a small amount of methanol aqueous solution feeding amount, and thus can obtain high energy conversion efficiency.

【0142】さらに、例6及び例7の燃料電池発電装置
において、0.1A/cm2の電流密度に関して、下記
数式に基づいて燃料利用効率ηを計算すると、例6の燃
料電池発電装置の燃料利用効率ηが82%で、例7の燃
料電池発電装置の燃料利用効率ηが20%になった。即
ち、例6の燃料電池発電装置によると、例7の燃料電池
発電装置の4倍以上の燃料利用効率ηを実現することが
できるため、アノード側でメタノール水溶液を循環させ
る必要をなくすことができる。
Furthermore, in the fuel cell power generators of Examples 6 and 7, when the fuel utilization efficiency η was calculated based on the following formula for the current density of 0.1 A / cm 2 , the fuel of the fuel cell power generator of Example 6 was calculated. The utilization efficiency η was 82%, and the fuel utilization efficiency η of the fuel cell power generator of Example 7 was 20%. That is, according to the fuel cell power generator of Example 6, the fuel utilization efficiency η that is four times or more that of the fuel cell power generator of Example 7 can be realized, so that it is possible to eliminate the need to circulate the aqueous methanol solution on the anode side. .

【0143】 燃料利用効率η=(104J)/(FCν1) 但し、前記Jは電流密度(A/cm2)で、前記Cはメ
タノール水溶液の濃度(M)で、前記Fは、ファラデー
定数(96485C/mol)で、前記ν1は、単位面
積当たりのメタノール水溶液送液量(ml/min/c
2)である。
Fuel utilization efficiency η = (10 4 J) / (FCν 1 ), where J is the current density (A / cm 2 ), C is the concentration of methanol aqueous solution (M), and F is Faraday. It is a constant (96485 C / mol), and ν 1 is the amount of methanol aqueous solution fed per unit area (ml / min / c).
m 2 ).

【0144】従って、メタノール水溶液濃度を2〜5M
の範囲内にし、かつメタノール水溶液容器から起電部に
供給するメタノール水溶液流量Jmを前記(4)式の範
囲内に設定すると、エネルギー変換効率と燃料利用効率
の双方に優れる直接型メタノール燃料電池発電装置を実
現することができる。
Therefore, the concentration of the aqueous methanol solution should be 2-5M.
When the flow rate J m of the aqueous methanol solution supplied from the aqueous methanol solution container to the electromotive section is set within the range of the above formula (4), the direct methanol fuel cell excellent in both energy conversion efficiency and fuel utilization efficiency is obtained. A power generator can be realized.

【0145】なお、直接型メタノール燃料電池のアノー
ド極に燃料であるメタノール水溶液を供給する方法とし
ては、前述した実施例で説明したような、ポンプを用い
る方法の他に内部気化方式が知られている。内部気化方
式とは、メタノール水溶液を毛細管現象を利用して燃料
浸透部に導入した後、燃料気化部において、起電部での
電池反応により発生した熱を主な熱源としてメタノール
水溶液を気化させ、気化したメタノール水溶液をアノー
ド極に供給するものである。
As a method of supplying an aqueous methanol solution as a fuel to the anode electrode of a direct methanol fuel cell, an internal vaporization method is known in addition to the method using a pump as described in the above-mentioned embodiment. There is. With the internal vaporization method, after introducing an aqueous methanol solution into the fuel permeation section by utilizing the capillary phenomenon, in the fuel vaporization section, the aqueous methanol solution is vaporized using the heat generated by the cell reaction in the electromotive section as the main heat source, The vaporized methanol aqueous solution is supplied to the anode.

【0146】しかしながら、内部気化方式で燃料を供給
すると、単位面積単位時間あたりのメタノール送液量が
およそ10ml/min/cm2と、前述した数6の
(3)式における{N×(5.2/L)×S}から算出
される流量よりも3桁程度大きい値になる。その結果、
燃料電池において、高い出力密度が得られる反面、補器
の出力が増大するため、エネルギー変換効率が低くな
る。また、内部気化方式によると、燃料電池の発電を中
断している間も絶えず、アノード極にメタノールが供給
されるため、メタノールクロスオーバーが発生しやすい
という問題点もある。
However, when the fuel is supplied by the internal vaporization method, the amount of methanol fed per unit area per unit time is about 10 ml / min / cm 2, and {N × (5. The value is about three orders of magnitude higher than the flow rate calculated from (2 / L) × S}. as a result,
In the fuel cell, a high output density can be obtained, but the output of the auxiliary device increases, so that the energy conversion efficiency becomes low. In addition, according to the internal vaporization method, methanol is continuously supplied to the anode electrode even while power generation of the fuel cell is interrupted, so that there is a problem that methanol crossover easily occurs.

【0147】[0147]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、ア
ルコール含有水溶液容器の体積を小さくすることがで
き、かつ高出力が得られる燃料電池発電装置及び組電池
を提供することができる。
As described in detail above, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell power generator and an assembled battery in which the volume of the alcohol-containing aqueous solution container can be reduced and a high output can be obtained.

【0148】また、本発明によれば、エネルギー変換効
率と出力密度を同時に満足することが可能な燃料電池発
電装置の運転方法を提供することができる。
Further, according to the present invention, it is possible to provide a method of operating a fuel cell power generator capable of simultaneously satisfying energy conversion efficiency and output density.

【0149】さらに、本発明によれば、燃料利用効率と
エネルギー変換効率の双方に優れる燃料電池発電装置及
び組電池を提供することができる。
Further, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell power generator and an assembled battery which are excellent in both fuel utilization efficiency and energy conversion efficiency.

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

【図1】標準的な直接型メタノール燃料電池発電装置を
示す模式図。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a standard direct methanol fuel cell power generator.

【図2】図1の直接型メタノール燃料電池発電装置にお
ける流路板としてのセパレータを示す模式図。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a separator as a flow path plate in the direct methanol fuel cell power generator of FIG.

【図3】直接型メタノール燃料電池の起電部における空
間的なメタノール分布を計算した結果を示す特性図。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a result of calculating a spatial methanol distribution in an electromotive section of a direct methanol fuel cell.

【図4】直接型メタノール燃料電池の電流電圧特性を、
メタノール水溶液容器中のメタノール濃度を1M、2
M、5M、10Mと変えて測定を行った実験結果を示す
特性図。
FIG. 4 shows the current-voltage characteristics of a direct methanol fuel cell,
Methanol concentration in the methanol solution container is 1M, 2
The characteristic view which shows the experimental result which changed and measured M, 5M, and 10M.

【図5】直接型メタノール燃料電池の出力密度の、メタ
ノール水溶液容器中のメタノール濃度、また送液流量に
対する依存性を計算した結果を示す特性図。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the result of calculating the dependence of the output density of the direct methanol fuel cell on the methanol concentration in the methanol aqueous solution container and the liquid supply flow rate.

【図6】図5の計算結果を5M以下のメタノール濃度範
囲で拡大した特性図。
6 is a characteristic diagram in which the calculation result of FIG. 5 is enlarged in a methanol concentration range of 5 M or less.

【図7】アノード触媒層の厚さを40μmとした場合
に、メタノール水溶液容器中のメタノール濃度、また送
液流量に対する出力密度の変化を計算した結果を示す特
性図。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the results of calculation of the change in output density with respect to the concentration of methanol in a methanol aqueous solution container and the flow rate of liquid when the thickness of the anode catalyst layer is 40 μm.

【図8】本発明に係る第1の直接型メタノール燃料電池
発電装置の一例の要部を示す模式図。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a main part of an example of a first direct methanol fuel cell power generator according to the present invention.

【図9】本発明に係る第1の直接型メタノール燃料電池
発電装置の構成の一例を示す回路図。
FIG. 9 is a circuit diagram showing an example of the configuration of a first direct methanol fuel cell power generator according to the present invention.

【図10】図8の直接型メタノール燃料電池発電装置の
アノード電極を示す斜視図。
10 is a perspective view showing an anode electrode of the direct methanol fuel cell power generator of FIG.

【図11】図8の直接型メタノール燃料電池発電装置の
起電部を積層して直列に接続した際のメタノール水溶液
の送液方法の一例を示す概略図。
FIG. 11 is a schematic diagram showing an example of a method for feeding an aqueous methanol solution when the electromotive portions of the direct methanol fuel cell power generator of FIG. 8 are stacked and connected in series.

【図12】本発明に係る第1の直接型メタノール燃料電
池発電装置の一実施形態を表す流れ図。
FIG. 12 is a flow chart showing an embodiment of a first direct methanol fuel cell power generation device according to the present invention.

【図13】本発明に係る第2の直接型メタノール燃料電
池発電装置の構成の一例を示す回路図。
FIG. 13 is a circuit diagram showing an example of the configuration of a second direct methanol fuel cell power generator according to the present invention.

【図14】図13の直接型メタノール燃料電池発電装置
の要部を示す模式図。
14 is a schematic diagram showing a main part of the direct methanol fuel cell power generator of FIG.

【図15】本発明に係る第2の直接型メタノール燃料電
池発電装置の一実施形態を表す流れ図。
FIG. 15 is a flowchart showing an embodiment of a second direct methanol fuel cell power generator according to the present invention.

【図16】本発明に係る組電池の構成の一例を示す回路
図。
FIG. 16 is a circuit diagram showing an example of a configuration of an assembled battery according to the present invention.

【図17】実施例1における測定結果を示す特性図。FIG. 17 is a characteristic diagram showing measurement results in Example 1.

【図18】実施例2における測定結果を示す特性図。FIG. 18 is a characteristic diagram showing measurement results in Example 2.

【図19】実施例2における別の測定結果を示す特性
図。
FIG. 19 is a characteristic diagram showing another measurement result in Example 2.

【図20】実施例3における測定結果を示す特性図。20 is a characteristic diagram showing measurement results in Example 3. FIG.

【図21】実施例5における測定結果を示す特性図。FIG. 21 is a characteristic diagram showing measurement results in Example 5.

【図22】実施例6における測定結果を示す特性図。FIG. 22 is a characteristic diagram showing measurement results in Example 6.

【図23】例6の直接型メタノール燃料電池発電装置に
おける空気流量を変化させた際の電池電圧と電流密度と
出力密度との関係を示す特性図。
FIG. 23 is a characteristic diagram showing the relationship between cell voltage, current density, and output density when the air flow rate is changed in the direct methanol fuel cell power generator of Example 6.

【図24】例7の直接型メタノール燃料電池発電装置に
おける空気流量を変化させた際の電池電圧と電流密度と
出力密度との関係を示す特性図。
FIG. 24 is a characteristic diagram showing the relationship between cell voltage, current density, and output density when the air flow rate is changed in the direct methanol fuel cell power generator of Example 7.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…アノード集電体、 2…アノード触媒層、 3…カソード集電体、 4…カソード触媒層、 5…電解質膜、 6…アノード流路板、 7…メタノール供給口、 8…メタノール排出口、 9…アノード流路、 10…メタノール水溶液容器、 11…送液ポンプ、 12…カソード流路板、 15…カソード流路、 16…酸化剤供給手段、 21…燃料電池起電部単位、 23…補器の電源、 24…メタノール流量制御装置、 26…電流経時変化記録装置。 1 ... Anode current collector, 2 ... Anode catalyst layer, 3 ... Cathode current collector, 4 ... Cathode catalyst layer, 5 ... Electrolyte membrane, 6 ... Anode flow plate, 7 ... Methanol supply port, 8 ... Methanol outlet, 9 ... Anode channel, 10 ... Methanol aqueous solution container, 11 ... liquid feed pump, 12 ... Cathode channel plate, 15 ... Cathode channel, 16 ... Oxidizing agent supply means, 21 ... Fuel cell electromotive unit, 23 ... Auxiliary power source, 24 ... Methanol flow rate control device, 26 ... Current aging change recording device.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 富松 師浩 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 秋田 征人 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 中野 義彦 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Fターム(参考) 5H026 AA08 CC03 CX05 HH03 5H027 AA08 KK25 MM08    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Mitsuhiro Tomimatsu             1st Komukai Toshiba-cho, Sachi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa             Inside the Toshiba Research and Development Center (72) Inventor Masato Akita             1st Komukai Toshiba-cho, Sachi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa             Inside the Toshiba Research and Development Center (72) Inventor Yoshihiko Nakano             1st Komukai Toshiba-cho, Sachi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa             Inside the Toshiba Research and Development Center F term (reference) 5H026 AA08 CC03 CX05 HH03                 5H027 AA08 KK25 MM08

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 アノード触媒層を含むアノード極と、カ
ソード極と、前記アノード極及び前記カソード極の間に
配置される電解質膜とを備える起電部単位を少なくとも
一つ備える起電部と、 アルコール含有水溶液が収容されている容器と、 前記アノード極に前記アルコール含有水溶液を供給する
ためのアノード流路と、 前記アノード流路に供給された前記アルコール含有水溶
液のうち余剰分を前記容器に回収するアルコール含有水
溶液回収機構と、 負荷電流を運転時間に対応させて経時変化として記録し
たものから評価される前記容器内の前記アルコール含有
水溶液のアルコール濃度に応じて、前記容器からのアル
コール含有水溶液供給量Jm(mL/min)を制御す
る流量制御手段とを具備し、 下記数1の(1)〜(3)に示す条件を満足することを
特徴とする燃料電池発電装置。 【数1】 但し、前記C0 mは前記容器内のアルコール含有水溶液の
初期アルコール濃度(M)で、前記Lは前記アノード触
媒層の厚さ(μm)で、前記Sは前記アノード触媒層の
反応面積(cm)で、前記Nは前記起電部中の前記起
電部単位の数を示す。
1. An electromotive unit including at least one electromotive unit including an anode including an anode catalyst layer, a cathode, and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. A container containing an alcohol-containing aqueous solution, an anode channel for supplying the alcohol-containing aqueous solution to the anode electrode, and a surplus of the alcohol-containing aqueous solution supplied to the anode channel are collected in the container. The alcohol-containing aqueous solution is supplied from the container according to the alcohol concentration of the alcohol-containing aqueous solution in the container, which is evaluated from the recording mechanism of the alcohol-containing aqueous solution and the change in load current recorded as a change over time. ; and a flow control means for controlling the amount J m (mL / min), the conditions shown in Equation 1 below (1) to (3) Fuel cell power plant characterized by foot. [Equation 1] Where C 0 m is the initial alcohol concentration (M) of the alcohol-containing aqueous solution in the container, L is the thickness (μm) of the anode catalyst layer, and S is the reaction area (cm) of the anode catalyst layer. 2 ), N represents the number of the electromotive unit in the electromotive unit.
【請求項2】 前記初期アルコール濃度C0 mよりも高濃
度のアルコール含有水溶液が収容され、前記容器に前記
高濃度のアルコール含有水溶液を補充するためのアルコ
ール補充容器をさらに備えることを特徴とする請求項1
記載の燃料電池発電装置。
2. An alcohol replenishment container for accommodating the alcohol-containing aqueous solution having a concentration higher than the initial alcohol concentration C 0 m, and for replenishing the high-concentration alcohol-containing aqueous solution to the container, is further provided. Claim 1
The fuel cell power generator described.
【請求項3】 厚さが40μm以上のアノード触媒層を
含むアノード極と、カソード極と、前記アノード極及び
前記カソード極の間に配置される電解質膜とを備える起
電部単位を少なくとも一つ備える起電部と、 2M以上、5M以下のアルコール濃度のアルコール含有
水溶液が収容されている容器とを具備する燃料電池発電
装置であって、 前記容器からのアルコール含有水溶液供給量Jm(mL
/min)は、下記数2の(4)式で規定される範囲内
であることを特徴とする燃料電池発電装置。 【数2】 但し、前記Lは前記アノード触媒層の厚さ(μm)で、
前記Sは前記アノード触媒層の反応面積(cm)で、
前記Nは前記起電部中の前記起電部単位の数を示す。
3. At least one electromotive unit comprising an anode electrode including an anode catalyst layer having a thickness of 40 μm or more, a cathode electrode, and an electrolyte membrane disposed between the anode electrode and the cathode electrode. A fuel cell power generator comprising: an electromotive unit provided; and a container containing an alcohol-containing aqueous solution having an alcohol concentration of 2 M or more and 5 M or less, wherein the alcohol-containing aqueous solution supply amount J m (mL
/ Min) is within the range defined by the following equation (4), the fuel cell power generator. [Equation 2] However, L is the thickness (μm) of the anode catalyst layer,
S is a reaction area (cm 2 ) of the anode catalyst layer,
The N indicates the number of units of the electromotive unit in the electromotive unit.
【請求項4】 前記容器に接続されているポンプを更に
備え、前記供給量J m(mL/min)は、前記ポンプ
の単位時間(分)当りの送液量と等しいことを特徴とす
る請求項1〜3いずれか1項記載の燃料電池発電装置。
4. Further comprising a pump connected to said container
Provision, the supply amount J m(ML / min) is the pump
Is equal to the amount of liquid sent per unit time (minute) of
The fuel cell power generator according to any one of claims 1 to 3.
【請求項5】 前記容器に接続されている複数のポンプ
を更に備え、前記供給量Jm(mL/min)は、各ポ
ンプの単位時間(分)当りの送液量を合計したものであ
ることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載の燃
料電池発電装置。
5. A plurality of pumps connected to the container are further provided, and the supply amount J m (mL / min) is a sum of the liquid supply amount per unit time (minute) of each pump. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the fuel cell power generator is a fuel cell power generator.
【請求項6】 請求項1〜5いずれか1項記載の燃料電
池発電装置と、前記燃料電池発電装置に電気的に接続さ
れている非水電解質二次電池とを備えることを特徴とす
る組電池。
6. A set comprising: the fuel cell power generation device according to claim 1; and a non-aqueous electrolyte secondary battery electrically connected to the fuel cell power generation device. battery.
【請求項7】 厚さが40μm以上のアノード触媒層を
含むアノード極と、カソード極と、前記アノード極及び
前記カソード極の間に配置される電解質膜とを備える起
電部単位を少なくとも一つ備える起電部と、 初期アルコール濃度が2M〜5Mの範囲内のアルコール
含有水溶液が収容されている容器と、 前記アノード極にアルコール含有水溶液を供給するため
のアノード流路と、 前記アノード流路に供給されたアルコール含有水溶液の
うち余剰分を前記容器に回収するアルコール含有水溶液
回収機構と、 負荷電流を運転時間に対応させて経時変化として記録し
たものから前記容器内のアルコール含有水溶液のアルコ
ール濃度を評価して評価濃度を算出するアルコール濃度
評価機構とを具備する燃料電池発電装置の運転方法であ
って、 前記評価濃度が2M〜5Mの範囲内である際、前記容器
からのアルコール含有水溶液供給量Jm(mL/mi
n)を下記数3の(3)式の範囲内の一定値に維持する
ことにより前記燃料電池発電装置から電力を得る第1の
発電工程と、 前記評価濃度が2M未満に低下した際に、前記供給量J
m(mL/min)を前記(3)式の範囲内で増加させ
ることにより前記燃料電池発電装置から電力を得る第2
の発電工程とを具備することを特徴とする燃料電池発電
装置の運転方法。 【数3】 但し、前記Lは前記アノード触媒層の厚さ(μm)で、
前記Sは前記アノード触媒層の反応面積(cm)で、
前記Nは前記起電部中の前記起電部単位数を示す。
7. At least one electromotive section unit comprising an anode electrode including an anode catalyst layer having a thickness of 40 μm or more, a cathode electrode, and an electrolyte membrane disposed between the anode electrode and the cathode electrode. An electromotive unit provided, a container containing an alcohol-containing aqueous solution having an initial alcohol concentration in the range of 2M to 5M, an anode flow channel for supplying the alcohol-containing aqueous solution to the anode electrode, and the anode flow channel. From the alcohol-containing aqueous solution recovery mechanism that recovers the surplus of the supplied alcohol-containing aqueous solution in the container, and the one in which the load current is recorded as a change with time corresponding to the operating time, the alcohol concentration of the alcohol-containing aqueous solution in the container is determined. A method for operating a fuel cell power generator comprising an alcohol concentration evaluation mechanism for evaluating and calculating an evaluation concentration, wherein: When valence concentration is in the range of 2M~5M, alcohol-containing aqueous solution feed amount J m from the vessel (mL / mi
a first power generation step of obtaining electric power from the fuel cell power generation device by maintaining n) at a constant value within the range of the formula (3) below, and when the evaluation concentration drops below 2M, Supply amount J
Secondly, to obtain electric power from the fuel cell power generator by increasing m (mL / min) within the range of the formula (3).
The method for operating a fuel cell power generation device, comprising: [Equation 3] However, L is the thickness (μm) of the anode catalyst layer,
S is a reaction area (cm 2 ) of the anode catalyst layer,
The N represents the number of units of the electromotive unit in the electromotive unit.
【請求項8】 前記評価濃度が0.5M未満に低下した
際に、前記容器内にアルコール含有水溶液を補充するこ
とにより前記評価濃度を0.5M以上に増加させるアル
コール補充工程をさらに具備することを特徴とする請求
項7記載の燃料電池発電装置の運転方法。
8. The method further comprises an alcohol replenishing step of increasing the evaluation concentration to 0.5 M or more by replenishing the container with an alcohol-containing aqueous solution when the evaluation concentration drops below 0.5 M. The method for operating a fuel cell power generator according to claim 7.
【請求項9】 前記アルコール補充工程は、前記第2の
発電工程を行いつつ、前記評価濃度が0.5M以上、2
M未満になるまで行われることを特徴とする請求項8記
載の燃料電池発電装置の運転方法。
9. In the alcohol replenishment step, while the second power generation step is performed, the evaluation concentration is 0.5 M or more, 2
9. The method for operating a fuel cell power generator according to claim 8, wherein the operation is performed until it becomes less than M.
【請求項10】 前記アルコール補充工程は、前記評価
濃度が0.5M以上、2M未満になるまでは前記第2の
発電工程と並行して行われ、前記評価濃度が2Mに達し
たら前記第2の発電工程を前記第1の発電工程に切り換
え、前記第1の発電工程を行いつつ、前記評価濃度が5
Mに達するまで行われることを特徴とする請求項8記載
の燃料電池発電装置の運転方法。
10. The alcohol replenishment step is performed in parallel with the second power generation step until the evaluation concentration becomes 0.5 M or more and less than 2 M, and when the evaluation concentration reaches 2 M, the second The power generation process of No. 1 is switched to the first power generation process, and the evaluation concentration is 5 while performing the first power generation process.
9. The method for operating a fuel cell power generator according to claim 8, wherein the operation is performed until M is reached.
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