JP2013097949A

JP2013097949A - Direct oxidation fuel cell

Info

Publication number: JP2013097949A
Application number: JP2011238355A
Authority: JP
Inventors: Takashi Akiyama; 崇秋山
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2013-05-20

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a direct oxidation fuel cell exhibiting excellent power generation characteristics and power generation efficiency, by reducing fuel crossover at a bend and enhancing the utilization efficiency of fuel.SOLUTION: The direct oxidation fuel cell includes a membrane electrode assembly having an anode and cathode and an electrolyte membrane interposed therebetween, and at least one cell in which an anode side separator placed to face the anode and a cathode side separator placed to face the cathode are laminated. The anode side separator has a serpentine type fuel passage in a surface facing the anode, and the passage width is small at the bend when compared with that at the straight part.

Description

本発明は、直接酸化型燃料電池に関し、特にアノード側セパレータの燃料流路の改良に関する。 The present invention relates to a direct oxidation fuel cell, and more particularly to improvement of a fuel flow path of an anode side separator.

燃料電池は、使用される電解質の種類によって、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、および固体酸化物型燃料電池等に分類される。なかでも固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、作動温度が低く、かつ出力密度が高いことから、車載用電源および家庭用コージェネレーションシステム用電源等として実用化されつつある。 Fuel cells are classified into solid polymer fuel cells, phosphoric acid fuel cells, alkaline fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, etc., depending on the type of electrolyte used. Among them, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is being put to practical use as an in-vehicle power source and a household cogeneration system power source because of its low operating temperature and high output density.

また、近年、燃料電池を、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話および携帯情報端末（ＰＤＡ）等の携帯小型電子機器における電源として用いることが検討されている。燃料電池は燃料の補充によって連続発電が可能であることから、燃料電池を充電が必要な二次電池の代わりに用いることで、携帯小型電子機器の利便性を向上させ得るものと期待されている。また、上述したとおり、ＰＥＦＣは作動温度が低い点でも、携帯小型電子機器用の電源として有利である。キャンプなどのアウトドアレジャー用途の電源として燃料電池を実用化する動きも進んでいる。 In recent years, the use of fuel cells as power sources in portable small electronic devices such as notebook personal computers, mobile phones, and personal digital assistants (PDAs) has been studied. Since fuel cells can be continuously generated by replenishing fuel, it is expected that the convenience of portable small electronic devices can be improved by using fuel cells instead of secondary batteries that require charging. . In addition, as described above, PEFC is advantageous as a power source for portable small electronic devices because of its low operating temperature. There are also moves to put fuel cells into practical use as a power source for outdoor leisure applications such as camping.

ＰＥＦＣのなかでも直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）は、常温で液体の燃料を使用し、この燃料を水素に改質することなく、直接的に酸化して電気エネルギーを取り出す。このため、直接酸化型燃料電池は、改質器を備える必要がなく、小型化が容易である。直接酸化型燃料電池のなかでも、燃料としてメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、エネルギー効率および発電出力が他の直接酸化型燃料電池よりも優れており、携帯小型電子機器用の電源として、最も有望視されている。 Among PEFCs, a direct oxidation fuel cell (DOFC) uses a liquid fuel at room temperature and directly oxidizes the fuel without reforming it into hydrogen to extract electric energy. For this reason, the direct oxidation fuel cell does not need to include a reformer and can be easily downsized. Among direct oxidation fuel cells, direct methanol fuel cells (DMFC) that use methanol as a fuel are superior in energy efficiency and power generation output to other direct oxidation fuel cells, and are power sources for portable small electronic devices. As the most promising.

ＤＭＦＣのアノードおよびカソードでの反応を、下記反応式（１１）および（１２）にそれぞれ示す。カソードに導入される酸素は、一般に、大気中から取り入れられる。 Reactions at the anode and cathode of DMFC are shown in the following reaction formulas (11) and (12), respectively. The oxygen introduced into the cathode is generally taken from the atmosphere.

アノード：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻（１１）
カソード：（３／２）Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ（１２）
ＤＭＦＣ等の固体高分子型燃料電池は、一般に、複数のセルを積層して構成される。各セルは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を間に挟むように配されたアノードおよびカソードとを含んでいる。アノードおよびカソードは、ともに触媒層および拡散層を含んでおり、例えばＤＭＦＣのアノードには、燃料であるメタノールが供給され、カソードには酸化剤である空気が供給される。 Anode: CH ₃ OH + H ₂ O → CO ₂ + 6H ⁺ + 6e ⁻ (11)
Cathode: (3/2) O ₂ + 6H ⁺ + 6e ⁻ → 3H ₂ O (12)
A polymer electrolyte fuel cell such as a DMFC is generally configured by stacking a plurality of cells. Each cell includes a polymer electrolyte membrane, and an anode and a cathode disposed so as to sandwich the polymer electrolyte membrane therebetween. Both the anode and the cathode include a catalyst layer and a diffusion layer. For example, methanol as a fuel is supplied to the anode of the DMFC, and air as an oxidant is supplied to the cathode.

アノードに燃料を供給する燃料流路は、特許文献１に示されるような形状であることが多い。つまり、アノード拡散層と接するように配されるアノード側セパレータのアノードとの接触面に、蛇行する溝を形成して構成される。同様に、カソードに空気を供給する空気流路は、例えば、カソード拡散層と接するように配されるカソード側セパレータのカソードとの接触面に、蛇行する溝を形成して構成される。このような構成の流路をサーペンタイン型流路と呼ぶことが多い。 The fuel flow path for supplying fuel to the anode often has a shape as shown in Patent Document 1. That is, a meandering groove is formed on the contact surface with the anode of the anode separator disposed so as to be in contact with the anode diffusion layer. Similarly, the air flow path for supplying air to the cathode is configured, for example, by forming a meandering groove on the contact surface with the cathode of the cathode side separator disposed so as to be in contact with the cathode diffusion layer. A channel having such a configuration is often referred to as a serpentine channel.

さらに、サーペンタイン型流路は、単一の流路である必要はなく、複数の蛇行流路が並行していてもよい。さらには、屈曲部において、特許文献２のように連通していてもよい。特許文献２には、屈曲部を連通させ、その部分における流路幅を直線部の流路幅よりも
大きくしながら、流路深さを小さくすることで、屈曲部における流路断面積の低下を防止しつつ、薄型のセパレータを提供することが提案されている。 Furthermore, the serpentine channel need not be a single channel, and a plurality of serpentine channels may be arranged in parallel. Furthermore, you may communicate like patent document 2 in a bending part. In Patent Literature 2, the flow path cross-sectional area at the bent portion is reduced by reducing the flow path depth while allowing the bent portion to communicate and making the flow width at the portion larger than the flow width of the straight portion. It has been proposed to provide a thin separator while preventing this.

また、直接酸化型燃料電池において解決すべき技術的課題としては、アノードに供給された燃料（例えばメタノール）が高分子電解質膜を透過し、カソードに到達して、酸化される現象を抑制することが挙げられる。上記現象は、メタノールクロスオーバー（ＭＣＯ）と呼ばれ、燃料の利用効率を低下させる原因となっている。さらに、カソードでの燃料の酸化反応は、カソードで通常生じる酸化剤（酸素）の還元反応と競合し、カソードの電位を低下させる。このため、ＭＣＯは、発電電圧の低下および発電効率の低下の原因ともなっている。 Further, as a technical problem to be solved in the direct oxidation fuel cell, a fuel (for example, methanol) supplied to the anode permeates the polymer electrolyte membrane, reaches the cathode, and suppresses the phenomenon of being oxidized. Is mentioned. The above phenomenon is called methanol crossover (MCO), which causes a reduction in fuel utilization efficiency. Furthermore, the oxidation reaction of the fuel at the cathode competes with the reduction reaction of the oxidant (oxygen) that usually occurs at the cathode, thereby lowering the cathode potential. For this reason, the MCO is also a cause of a decrease in power generation voltage and power generation efficiency.

燃料クロスオーバー（特にＭＣＯ）量を低減する技術として、電解質膜の燃料透過性を低減するためのさまざまな新規電解質膜が提案されている。他のアプローチとして、電解質膜のアノード側表面における燃料濃度を低下させることで、ＭＣＯ量を低減することが可能である。なお、ＭＣＯのドライビングフォースは、主に電解質膜のアノード側表面とカソード側表面の濃度差によるものである。 As a technique for reducing the amount of fuel crossover (particularly MCO), various novel electrolyte membranes for reducing the fuel permeability of the electrolyte membrane have been proposed. As another approach, it is possible to reduce the amount of MCO by reducing the fuel concentration on the anode side surface of the electrolyte membrane. Note that the driving force of the MCO is mainly due to the concentration difference between the anode side surface and the cathode side surface of the electrolyte membrane.

具体的には、供給する燃料濃度を低下させることが非常に一般的であるが、供給する燃料体積量が増加するため、燃料ポンプの消費電力が増加する弊害がある。あるいは、燃料供給量を反応で消費される燃料量とほぼ等量とすることで、アノード触媒層から電解質膜に到達するメタノールの量を低減することが有効であるが、その場合には、燃料流路の下流側でメタノール濃度が著しく低下し、濃度過電圧の増加による出力の低下が起こる弊害がある。 Specifically, it is very common to reduce the concentration of fuel to be supplied. However, since the volume of fuel to be supplied increases, there is an adverse effect of increasing the power consumption of the fuel pump. Alternatively, it is effective to reduce the amount of methanol reaching the electrolyte membrane from the anode catalyst layer by setting the fuel supply amount to be approximately equal to the amount of fuel consumed in the reaction. There is a problem in that the methanol concentration is remarkably lowered at the downstream side of the flow path, and the output is reduced due to the increase in concentration overvoltage.

米国特許第５１０８８４９号明細書US Pat. No. 5,188,849 特開２００９−２５２４７０号公報JP 2009-252470 A

本発明は、サーペンタイン型の燃料流路の特徴を生かしつつ、直接酸化型燃料電池の課題であるＭＣＯ量を低減するための課題解決方法を提案するものである。特に、燃料流路の屈曲部におけるＭＣＯ量を低減することを目的とする。すなわち、特許文献２において、燃料流路の幅は直線部に比べて屈曲部において拡大していることが好ましく、流路の深さは直線部に比べて屈曲部において浅いことが好ましいと記載があるが、本発明は、ＭＣＯ量を低減することを目的としていない。むしろ、ＭＣＯ量を低減することに注目すると、特許文献２とは異なる構成であることが好ましいことが明らかとなった。 The present invention proposes a problem solving method for reducing the amount of MCO, which is a problem of a direct oxidation fuel cell, while taking advantage of the characteristics of a serpentine fuel path. In particular, an object is to reduce the amount of MCO at the bent portion of the fuel flow path. That is, Patent Document 2 describes that the width of the fuel flow path is preferably larger at the bent portion than the straight portion, and the depth of the flow path is preferably shallower at the bent portion than the straight portion. However, the present invention is not aimed at reducing the amount of MCO. Rather, when attention is paid to reducing the amount of MCO, it has become clear that a configuration different from that of Patent Document 2 is preferable.

本発明は、直接酸化型燃料電池の構成要素である屈曲部を有する燃料流路、特にサーペンタイン型燃料流路において、屈曲部での燃料クロスオーバーを低減し、燃料の利用効率を向上することにより、優れた発電特性および発電効率を示す直接酸化型燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention provides a fuel flow path having a bent portion, which is a component of a direct oxidation fuel cell, particularly a serpentine fuel flow path, by reducing fuel crossover at the bent portion and improving fuel utilization efficiency. An object of the present invention is to provide a direct oxidation fuel cell that exhibits excellent power generation characteristics and power generation efficiency.

本発明の直接酸化型燃料電池は、アノードとカソードと前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向するように配置されたアノード側セパレータと、前記カソードに対向するように配置されたカソード側セパレータと、が積層された少なくとも１つのセルを有し、前記アノード側セパレータの表面には、前記アノード側セパレータの表面には、複数の直線部と屈曲部とで構成される
アノードに燃料を供給するためのサーペンタイン型の燃料流路が形成され、前記燃料流路の燃料入口側から直線部に番号を付与した場合、ｎ番目の直線部と（ｎ＋１）番目の直線部との間に存在する屈曲部の流路幅ＷＴ_ｎが、ｎ番目の直線部の流路幅ＷＳ_ｎおよび（ｎ＋１）番目の直線部の流路幅ＷＳ_ｎ＋１のいずれよりも小さいことを特徴とする。 A direct oxidation fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly having an anode, a cathode, and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode, and an anode-side separator disposed so as to face the anode. And a cathode-side separator disposed so as to face the cathode, and a plurality of straight lines are formed on the surface of the anode-side separator on the surface of the anode-side separator. When a serpentine type fuel flow path for supplying fuel to the anode composed of a bent portion and a bent portion is formed, and the straight portion is numbered from the fuel inlet side of the fuel flow passage, the nth straight portion and (n + 1) -th channel width WT _n of the bent portions existing between the straight portions, n th straight portion flow path width WS _n and (n + 1) th straight portion of the flow path width Characterized in that S n _{+ 1} of less than one.

また、サーペンタイン型流路において、入口から出口まで単一の流路で形成されてもよく、入口および出口のみを共有した、独立の複数流路が並行して蛇行するような形状でもよい。あるいは、特許文献２に示されるように、直線部分は、複数の流路が並行しながら、屈曲部において、複数の流路が合流して一本の流路となっている形式でもよい。その場合は、複数の流路直線部のいずれの幅よりも、屈曲部の幅が小さければ、本発明の構成として好ましい。あるいは、複数の流路直線部のいずれの幅よりも、屈曲部の溝深さが大きければ、本発明の構成として好ましい。 Further, in the serpentine type channel, it may be formed as a single channel from the inlet to the outlet, or may have a shape in which independent plural channels sharing only the inlet and the outlet meander in parallel. Alternatively, as shown in Patent Document 2, the linear portion may have a form in which a plurality of flow paths merge into a single flow path at a bent portion while a plurality of flow paths are parallel. In that case, it is preferable as the configuration of the present invention that the width of the bent portion is smaller than the width of any of the plurality of linear flow path portions. Or if the groove depth of a bending part is larger than any width | variety of several flow path linear parts, it is preferable as a structure of this invention.

直接酸化型燃料電池の燃料がメタノールであるとよく、アノード電極へ供給されるメタノール水溶液の濃度は、１ｍｏｌ／Ｌ〜８ｍｏｌ／Ｌであると本発明の効果が十分に発揮されることから好ましい。 The fuel of the direct oxidation fuel cell is preferably methanol, and the concentration of the aqueous methanol solution supplied to the anode electrode is preferably 1 mol / L to 8 mol / L because the effects of the present invention are sufficiently exhibited.

本発明によれば、サーペンタイン形流路をはじめとした屈曲部と直線部からなる燃料流路の燃料流路屈曲部分において、燃料クロスオーバー量が増加するという課題を解決し、結果として、燃料電池セル全体の燃料クロスオーバー量を低減して、燃料電池の発電特性と発電効率を大幅に向上させることができる。 According to the present invention, the problem that the fuel crossover amount increases in the fuel flow path bending portion of the fuel flow path including the bent portion and the straight portion including the serpentine type flow path is solved, and as a result, the fuel cell By reducing the amount of fuel crossover in the entire cell, the power generation characteristics and power generation efficiency of the fuel cell can be greatly improved.

燃料流路屈曲部分において、燃料クロスオーバー量が増加する理由は、燃料の流れが乱流となり、その流速が直線部分に比べて小さくなることにより、燃料流の滞留時間が増加し、燃料流路からアノード拡散層へ向かって、比較的高濃度の燃料が供給されるためであると考えられる。本発明では、屈曲部の流路幅を直線部に比べて小さくすることにより、まず燃料流の流速を高め、滞留時間を低下させるとともに、燃料とアノード拡散層との接触面積が減少することから、燃料流路からアノード拡散層への燃料供給が必要以上に大きくなることを防止することにより、燃料クロスオーバー量を低減するものである。 The reason why the fuel crossover amount increases in the bent portion of the fuel flow path is that the fuel flow becomes turbulent and the flow velocity becomes smaller than that of the straight line portion, so that the residence time of the fuel flow increases, and the fuel flow path This is probably because a relatively high concentration of fuel is supplied from the anode toward the anode diffusion layer. In the present invention, the flow width of the bent portion is made smaller than that of the straight portion, so that the flow rate of the fuel flow is first increased, the residence time is reduced, and the contact area between the fuel and the anode diffusion layer is reduced. By preventing the fuel supply from the fuel flow path to the anode diffusion layer from becoming unnecessarily large, the fuel crossover amount is reduced.

ただし、燃料流路の幅が非常に小さく、燃料流量が非常に多い場合は、前記のように屈曲部の流路幅を小さくすると、燃料流体の通過による圧力損失が大きくなり、燃料ポンプに掛かる負荷が大きくなって、燃料ポンプの送液に支障をきたす場合がある。そのような場合には、屈曲部の流路深さを直線部に比べて大きくすることにより、燃料流路の深さ方向での燃料濃度勾配を形成させる効果により、燃料流路とアノード拡散層との界面における燃料濃度が低下し、燃料流路からアノード拡散層への燃料供給が必要以上に大きくなることを防止することにより、燃料クロスオーバー量を低減するものである。 However, when the width of the fuel flow path is very small and the fuel flow rate is very large, if the flow path width of the bent portion is reduced as described above, the pressure loss due to the passage of the fuel fluid increases and the fuel pump is applied. There is a case where the load becomes large and the pumping of the fuel pump is hindered. In such a case, the fuel flow path and the anode diffusion layer are formed by the effect of forming a fuel concentration gradient in the depth direction of the fuel flow path by increasing the flow path depth of the bent portion compared to the straight line portion. By reducing the fuel concentration at the interface with the fuel cell and preventing the fuel supply from the fuel flow path to the anode diffusion layer from becoming larger than necessary, the fuel crossover amount is reduced.

上記のような流路幅の変化と流路深さの変化を組み合わせれば、流路圧力損失を増加させることなく、燃料クロスオーバー量を低減することが可能となる。 Combining the change in the channel width and the change in the channel depth as described above makes it possible to reduce the fuel crossover amount without increasing the channel pressure loss.

本発明の新規な特徴を添付の請求の範囲に記述するが、本発明は、構成および内容の両方に関し、本発明の他の目的および特徴と併せ、図面を照合した以下の詳細な説明によりさらによく理解されるであろう。 While the novel features of the invention are set forth in the appended claims, the invention will be further described by reference to the following detailed description, taken in conjunction with the other objects and features of the invention, both in terms of construction and content. It will be well understood.

本発明の一実施形態に係る直接酸化型燃料電池を概略的に示す縦断面図1 is a longitudinal sectional view schematically showing a direct oxidation fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図１の直接酸化型燃料電池に含まれるアノード側セパレータの燃料流路が設けられた面を、その法線方向から見た図The figure which looked at the surface in which the fuel flow path of the anode side separator contained in the direct oxidation fuel cell of FIG. 1 was provided from the normal line direction 本発明の別の実施形態に係る直接酸化型燃料電池に含まれるアノード側セパレータの燃料流路が設けられた面を、その法線方向から見た図The figure which looked at the surface provided with the fuel flow path of the anode side separator contained in the direct oxidation fuel cell concerning another embodiment of the present invention from the normal line direction 本発明のさらに別の実施形態に係る直接酸化型燃料電池に含まれるアノード側セパレータの燃料流路が設けられた面を、その法線方向から見た図The figure which looked at the surface in which the fuel flow path of the anode side separator contained in the direct oxidation fuel cell which concerns on another embodiment of this invention was provided from the normal line direction 本発明のさらに別の実施形態に係る直接酸化型燃料電池に含まれるアノード側セパレータの燃料流路が設けられた面を、その法線方向から見た図The figure which looked at the surface in which the fuel flow path of the anode side separator contained in the direct oxidation fuel cell which concerns on another embodiment of this invention was provided from the normal line direction

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１に、本発明の一実施形態に係る直接酸化型燃料電池の縦断面を模式的に示す。また、図２から図５に図１の直接酸化型燃料電池に含まれるアノード側セパレータの燃料流路が設けられた面を、その法線方向から見た図を示す。 FIG. 1 schematically shows a longitudinal section of a direct oxidation fuel cell according to an embodiment of the present invention. FIGS. 2 to 5 are views of the surface of the anode separator included in the direct oxidation fuel cell of FIG. 1 provided with the fuel flow path as viewed from the normal direction.

図１のセル１は、アノード１１、カソード１２、アノード１１とカソード１２との間に介在する電解質膜１０を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）１３を有する。膜電極接合体１３の一方の面の周縁部には、アノード１１を封止するようにガスケット２２が配置され、他方の面の周縁部には、カソード１２を封止するようにガスケット２３が配置されている。膜電極接合体１３は、アノード側セパレータ１４およびカソード側セパレータ１５に挟持されている。アノード側セパレータ１４は、アノード１１に接し、カソード側セパレータ１５は、カソード１２に接している。アノード側セパレータ１４は、アノード１１に燃料を供給する燃料流路２０を有する。カソード側セパレータ１５は、カソード１２に酸化剤を供給する酸化剤流路２１を有する。 The cell 1 in FIG. 1 includes an anode 11, a cathode 12, and a membrane electrode assembly (MEA) 13 including an electrolyte membrane 10 interposed between the anode 11 and the cathode 12. A gasket 22 is disposed at the peripheral portion of one surface of the membrane electrode assembly 13 so as to seal the anode 11, and a gasket 23 is disposed at the peripheral portion of the other surface so as to seal the cathode 12. Has been. The membrane electrode assembly 13 is sandwiched between the anode side separator 14 and the cathode side separator 15. The anode side separator 14 is in contact with the anode 11, and the cathode side separator 15 is in contact with the cathode 12. The anode separator 14 has a fuel flow path 20 that supplies fuel to the anode 11. The cathode-side separator 15 has an oxidant channel 21 that supplies an oxidant to the cathode 12.

アノード１１は、アノード触媒層１６とアノード拡散層１７からなり、アノード触媒層１６は電解質膜１０と接合される。カソード１２は、カソード触媒層１８とカソード拡散層１９からなり、カソード触媒層１８は電解質膜１０と接合される。 The anode 11 includes an anode catalyst layer 16 and an anode diffusion layer 17, and the anode catalyst layer 16 is joined to the electrolyte membrane 10. The cathode 12 includes a cathode catalyst layer 18 and a cathode diffusion layer 19, and the cathode catalyst layer 18 is joined to the electrolyte membrane 10.

図２に示されるように、アノード側セパレータ１４には、サーペンタイン型の燃料流路２０が設けられている。燃料流路２０は、複数の直線部２０１および隣接する直線部２０１を接続する複数の屈曲部２０２を有する。各直線部２０１は互いに平行あるいはそれに近い状態に配置することができる。燃料流路２０の一方の端は燃料入口４３に接続され、燃料流路２０の他方の端は燃料出口４４に接続されている。燃料は、燃料入口４３から燃料流路２０を通って燃料出口４４に流れる。 As shown in FIG. 2, the anode-side separator 14 is provided with a serpentine type fuel flow path 20. The fuel flow path 20 includes a plurality of straight portions 201 and a plurality of bent portions 202 that connect the adjacent straight portions 201. The straight portions 201 can be arranged in parallel with each other or in a state close thereto. One end of the fuel flow path 20 is connected to the fuel inlet 43, and the other end of the fuel flow path 20 is connected to the fuel outlet 44. The fuel flows from the fuel inlet 43 through the fuel flow path 20 to the fuel outlet 44.

図２に示す本発明の実施の形態において、直線部の流路幅は全て同一である。従って、これをＷＳと表現する。また、図２では、直線部から屈曲部の頂点に向かって曲線を描き、頂点において最も流路幅が小さくなるように構成されている。つまり、屈曲部全体の長さをＬとしたときに、屈曲部端部からＬ/２の位置において流路幅が最も小さくなっている。このような形状は、屈曲部の外周を描く半径を、屈曲部の内周を描く半径に比べて、大きく設定することで容易に描画できる。また、燃料を含んだ流体の滞留を防止するためにも、最も好ましい形状であると考えられる。そして、図２においては、屈曲部において最も幅が小さくなる部分の流路幅は、いずれの屈曲部においても同一である。従って、これをＷＴとする。このとき、本発明においてはＷＳ＞ＷＴの関係が成立する。 In the embodiment of the present invention shown in FIG. 2, the flow path widths of the straight portions are all the same. Therefore, this is expressed as WS. In FIG. 2, a curve is drawn from the straight line portion toward the apex of the bent portion, and the flow path width is configured to be the smallest at the apex. That is, when the length of the entire bent portion is L, the flow path width is the smallest at a position L / 2 from the end of the bent portion. Such a shape can be easily drawn by setting the radius that describes the outer periphery of the bent portion larger than the radius that describes the inner periphery of the bent portion. It is also considered to be the most preferable shape in order to prevent the fluid containing the fuel from staying. In FIG. 2, the flow path width of the portion where the width becomes the smallest in the bent portion is the same in any bent portion. Therefore, this is WT. At this time, in the present invention, the relationship WS> WT is established.

他の実施の形態について、図３を参照しながら説明する。図３に示されるアノード側セパレータ１４は、屈曲部の形状を、図２のような円形から矩形に変更した流路を有する。図２と同様に、直線部の流路幅は全て同一（ＷＳ）である。屈曲部において最も幅が小さくなる部分の流路幅は、直線部に対して垂直に流路が形成されている部分の流路幅を考えればよく、このとき流路幅は、いずれの屈曲部においても同一である。従って、これをＷ
Ｔとすると図２と同様に、ＷＳ＞ＷＴの関係が成立する。 Another embodiment will be described with reference to FIG. The anode-side separator 14 shown in FIG. 3 has a flow path in which the shape of the bent portion is changed from a circle as shown in FIG. 2 to a rectangle. Similar to FIG. 2, the channel widths of the straight portions are all the same (WS). The channel width of the portion where the width becomes the smallest in the bent portion may be the channel width of the portion where the channel is formed perpendicular to the straight portion, and at this time, the channel width may be any of the bent portions. This is also the same. Therefore, this is W
If T, the relationship WS> WT is established, as in FIG.

他の実施の形態について、図４を参照しながら説明する。図４に示されるアノード側セパレータ１４は、直線部分では平行した２本の流路が屈曲部において合流するタイプのサーペンタイン型流路を有する。平行する流路は同一の流路幅であることが一般的であり、屈曲部において最も幅が小さくなる部分の流路幅は、直線部に対して垂直に流路が形成されている部分の流路幅を考えればよく、いずれの直線部、屈曲部においても流路幅同一である。このとき従来技術では、ＷＳ_ｎ＜ＷＴ_ｎとすることが、複数の流路が合流することで、屈曲部の断面積が直線部に比べて小さくなり、圧力損失が増加することを防止するために一般的である。 Another embodiment will be described with reference to FIG. The anode-side separator 14 shown in FIG. 4 has a serpentine-type flow channel of a type in which two parallel flow channels merge at a bent portion in a straight portion. In general, the parallel flow paths have the same flow path width, and the flow width of the portion where the width is the smallest in the bent portion is that of the portion where the flow path is formed perpendicular to the straight portion. What is necessary is just to consider the channel width, and the channel width is the same in both straight and bent portions. At this time, in the conventional technique, WS _n <WT _n is set to prevent the pressure loss from increasing due to the cross-sectional area of the bent portion being smaller than that of the straight portion when the plurality of flow paths merge. It is common to.

しかし、本発明では、特に燃料クロスオーバーという課題を有する直接酸化型燃料電池においては、屈曲部において燃料の流速が低下することによって、燃料の滞在時間が増加し、アノード拡散層に直線部に比べて多くの燃料が供給されることで、屈曲部における燃料クロスオーバー量が増加する問題を解決するものであり、従って、従来技術とは異なり、ＷＳ_ｎ＞ＷＴ_ｎの関係を有することが必要である。 However, in the present invention, particularly in a direct oxidation fuel cell having a problem of fuel crossover, the fuel staying time is increased due to a decrease in the fuel flow velocity at the bent portion, and the anode diffusion layer is compared with the straight portion. Therefore, the problem that the amount of fuel crossover at the bend increases is solved by supplying a large amount of fuel. Therefore, unlike the prior art, it is necessary to have a relationship of WS _n > WT _n. is there.

上記のように、屈曲部の流路幅を低減することで、屈曲部の流速を増加させることが可能となり、アノード触媒層へ拡散していく燃料の量を少なくし、結果として電解質膜に到達する燃料濃度を低下させることができるため、ＭＣＯを低減することができる。 As described above, by reducing the flow path width of the bent portion, it becomes possible to increase the flow velocity of the bent portion, reducing the amount of fuel diffusing into the anode catalyst layer, and reaching the electrolyte membrane as a result. Since the fuel concentration to be reduced can be reduced, the MCO can be reduced.

さらに、他の実施の形態について、図５を参照しながら説明する。図５は、図２に示されるアノード側セパレータ１４が、隣接して配置された３つのユニット、つまり上流部ユニット５０、中流部ユニット５１および下流部ユニット５２から構成されている。上流部ユニット５０には、燃料入口４３および燃料流路２０の上流部４０が設けられ、中流部ユニット５１には、燃料流路２０の中流部４１が設けられ、下流部ユニット５２には、燃料流路２０の燃料出口４４が設けられている。 Furthermore, another embodiment will be described with reference to FIG. 5, the anode-side separator 14 shown in FIG. 2 includes three units arranged adjacent to each other, that is, an upstream unit 50, a midstream unit 51, and a downstream unit 52. The upstream unit 50 is provided with the fuel inlet 43 and the upstream part 40 of the fuel flow path 20, the midstream part unit 51 is provided with the midstream part 41 of the fuel flow path 20, and the downstream part unit 52 is provided with fuel. A fuel outlet 44 of the flow path 20 is provided.

図５において、直線部の流路幅は、燃料上流のユニットから下流のユニットに向かって段階的に増加している。つまり、直線部の流路幅ＷＳ_ｎについて、燃料の入口部からの順に番号を振ると、ＷＳ_１＝ＷＳ_２＝ＷＳ_３であり、ＷＳ_４＝ＷＳ_５＝ＷＳ_６、ＷＳ_７＝ＷＳ_８＝ＷＳ_９である。そして、ＷＳ_１＜ＷＳ_４＜ＷＳ_７の関係が成り立っている。図５では、流路幅を段階的に増加させているが、必ずしも段階的である必要はなく、ＷＳ_１からＷＳ_９まで漸次増加するような流路でもよい。 In FIG. 5, the flow path width of the straight line portion increases stepwise from the unit upstream of the fuel toward the downstream unit. That is, when the channel width WS _n of the straight portion is numbered in order from the fuel inlet, WS ₁ = WS ₂ = WS ₃ and WS ₄ = WS ₅ = WS _{6 and} WS ₇ = WS ₈ = WS ₉ . The relationship WS ₁ <WS ₄ <WS ₇ is established. In FIG. 5, the flow path width is increased stepwise, but it is not necessarily stepwise, and a flow path that gradually increases from WS ₁ to WS ₉ may be used.

上記のように燃料流路の幅を、燃料流路の上流側から下流側に向かって拡大することにより、燃料流路を流れる燃料の流速を、燃料の上流側ほど速く、下流側ほど遅くすることができる。料流路上流側において、燃料の流速を速くすることで、アノード触媒層へ拡散していく燃料の量を少なくし、結果として電解質膜に到達する燃料濃度を低下させることができるため、ＭＣＯを低減することができる。反対に、燃料流路下流側では、燃料の流速を遅くすることで、アノード触媒層へ拡散していく燃料の量を多くし、触媒層内の燃料濃度を増加させることで、濃度過電圧を低減することができる。 As described above, by increasing the width of the fuel flow path from the upstream side to the downstream side of the fuel flow path, the flow rate of the fuel flowing through the fuel flow path is made faster toward the upstream side of the fuel and slower toward the downstream side. be able to. By increasing the fuel flow rate upstream of the fuel channel, the amount of fuel diffusing into the anode catalyst layer can be reduced, and as a result, the fuel concentration reaching the electrolyte membrane can be reduced. Can be reduced. Conversely, on the downstream side of the fuel flow path, by reducing the fuel flow rate, the amount of fuel diffusing into the anode catalyst layer is increased, and the fuel concentration in the catalyst layer is increased, thereby reducing the concentration overvoltage. can do.

このような構成の流路に本発明を組み合わせると次のような構成となる。まず、屈曲部の流路幅ＷＴ_ｎについて、燃料の入口部からの順に番号を振ると、ＷＴ_１＝ＷＴ_２＝ＷＴ_３であり、ＷＴ_４＝ＷＴ_５＝ＷＴ_６、ＷＴ_７＝ＷＴ_８である。そして、ＷＳ_ｎ＞ＷＴ_ｎの関係を有することが必要であるから、ＷＳ_１＞ＷＴ_１、ＷＳ_２＞ＷＴ_２、のような関係となっており、最後の屈曲部ではＷＳ_８＞ＷＴ_８となる。 When the present invention is combined with the channel having such a configuration, the following configuration is obtained. First, when the channel width WT _n of the bent portion is numbered in order from the fuel inlet, WT ₁ = WT ₂ = WT ₃ and WT ₄ = WT ₅ = WT _{6 and} WT ₇ = WT ₈ is there. Since it is necessary to have a relationship of WS _n > WT _n , WS ₁ > WT _{1 and} WS ₂ > WT ₂ are satisfied, and WS ₈ > WT _{8 in the} last bent portion. Become.

上記のように、屈曲部の流路幅を低減する効果と、上流部の流路幅を小さくすることの
複合効果により、燃料流路上流部および屈曲部の流速を増加させることが可能となり、ＭＣＯ量を低減する効果がますます促進される。 As described above, the combined effect of reducing the flow path width of the bent portion and the flow width of the upstream portion can increase the flow velocity of the fuel flow channel upstream portion and the bent portion, The effect of reducing the amount of MCO is further promoted.

燃料流路の断面形状は、通常、長方形または正方形である。このような断面形状の流路は加工が簡易であり、断面形状の制御をしやすいためである。 The cross-sectional shape of the fuel channel is usually rectangular or square. This is because the flow path having such a cross-sectional shape is easy to process and the cross-sectional shape can be easily controlled.

アノード側セパレータの構成材料は特に限定されない。電子伝導性および耐酸性の高さ、物質透過性の低さ、加工性の高さなどから、アノード側セパレータの構成材料として、黒鉛などを主成分とした炭素材料を中心にした材料が最も適している。ただし、現在では耐食性を高めた金属材料が開発されており、そのような材料を用いてもよい。 The constituent material of the anode separator is not particularly limited. Due to its high electron conductivity and acid resistance, low substance permeability, and high processability, the most suitable material for the anode separator is a carbon material mainly composed of graphite. ing. However, metal materials with improved corrosion resistance are currently being developed, and such materials may be used.

燃料流路の寸法は、電極のサイズ、燃料の流量、燃料ポンプの能力などにもよるため、一概に適切な範囲を決めることはできないが、一般的に、流路幅は０．３ｍｍ〜１．０ｍｍであることが好ましく、流路深さは０．２ｍｍ〜１．０ｍｍであることが好ましい。燃料流路の幅や深さが上記範囲よりも小さいと、流路断面積が小さくなることによる流路圧力損失の増加により、燃料ポンプにかかる負荷が増加し、燃料ポンプの消費電力が増加して、システムとしてのエネルギー変換効率が低下する問題が生じる。反対に、燃料流路の幅が上記範囲よりも大きいと、ＭＥＡが湾曲して流路の一部に入り込んでしまう問題があり、その場合は、実質の流路断面積がかえって流路抵抗が増加して、燃料が均一に分散されないＭＣＯが多くなってしまうことがある。 The size of the fuel flow path depends on the size of the electrode, the flow rate of the fuel, the capacity of the fuel pump, and the like, and therefore, an appropriate range cannot be determined in general. 0.0 mm is preferable, and the flow path depth is preferably 0.2 mm to 1.0 mm. If the width or depth of the fuel flow path is smaller than the above range, the flow pressure loss due to the flow path cross-sectional area becoming smaller will increase the load on the fuel pump and increase the power consumption of the fuel pump. As a result, there arises a problem that the energy conversion efficiency of the system is lowered. On the contrary, if the width of the fuel flow path is larger than the above range, there is a problem that the MEA curves and enters a part of the flow path. This may increase the number of MCOs in which the fuel is not evenly dispersed.

流路の幅と間隔については、次のような範囲であることが好ましい。流路の直線部分の幅ＷＳ_ｎと間隔Ｐの比について、１．５＜Ｐ／ＷＳ_ｎ＜３の範囲であることが好ましい。Ｐ／ＷＳ_ｎが、この範囲よりも小さい場合、セパレータと拡散層が接する面において両者の接触面積が小さくなり、電子伝導性が低下して発電特性が低下することがある。反対にこの範囲よりも大きい場合、流路から拡散した燃料が電極面に平行な方向への拡散が不十分となり局部的に燃料濃度が著しく小さい部分が発生して、発電特性が低下することがある。 About the width | variety and space | interval of a flow path, it is preferable that it is the following ranges. The ratio of the width WS _n and spacing P of the linear portion of the flow channel, is preferably in the range of _{1.5 <P / WS n <3} . When P / WS _n is smaller than this range, the contact area between the separator and the diffusion layer may be reduced, and the electron conductivity may be reduced to deteriorate the power generation characteristics. On the other hand, if it is larger than this range, the fuel diffused from the flow path will not be sufficiently diffused in the direction parallel to the electrode surface, resulting in a portion where the fuel concentration is extremely small locally and power generation characteristics may be degraded. is there.

また、本発明において、ＷＳ_ｎとＷＴ_ｎの比については、１．１＜ＷＳ_ｎ／ＷＴ_ｎ＜４の範囲であることが好ましい。１．１以下では、本発明による効果が十分に得られにくいと考えられ、４以上では屈曲部における流路断面積が減少しすぎるために、屈曲部における圧力損失の増加が著しく、燃料ポンプに対する負荷が増加して、燃料ポンプの消費電力が増加し、総合的なエネルギー変換効率が低下する恐れがある。 In the present invention, the ratio of WS _n to WT _n is preferably in the range of 1.1 <WS _n / WT _n <4. If the ratio is 1.1 or less, it is considered that the effect of the present invention is not sufficiently obtained. If the ratio is 4 or more, the flow path cross-sectional area at the bent portion is excessively decreased. There is a possibility that the load increases, the power consumption of the fuel pump increases, and the overall energy conversion efficiency decreases.

燃料流路の断面積を燃料流路の上流側から下流側に向かって段階的に拡大することにより得られる効果は、燃料として、１ｍｏｌ／Ｌ〜８ｍｏｌ／Ｌの濃度でメタノールを含有するメタノール水溶液を用いる場合に、特に顕著に得られる。燃料に含まれるメタノールの濃度が高いほどＭＣＯが大きくなるため、メタノールの濃度がある程度高い方が、燃料流路の断面積を変化させることによるＭＣＯを抑制する効果が大きい。 The effect obtained by gradually increasing the cross-sectional area of the fuel flow path from the upstream side to the downstream side of the fuel flow path is that an aqueous methanol solution containing methanol at a concentration of 1 mol / L to 8 mol / L as fuel. This is particularly noticeable when using. The higher the concentration of methanol contained in the fuel, the larger the MCO. Therefore, the higher the concentration of methanol, the greater the effect of suppressing MCO by changing the cross-sectional area of the fuel flow path.

一方、燃料の濃度が高いほど燃料電池システム全体としての小型軽量化につながるが、同時に、ＭＣＯが多くなるおそれがある。本発明によれば、ＭＣＯを低減することができるため、通常よりもメタノール濃度が高いメタノール水溶液を用いることができるが、燃料に含まれるメタノールの濃度が８ｍｏｌ／Ｌを超えると、ＭＣＯがもともと大きいため、本発明によるＭＣＯを低減する効果が十分に得られない場合がある。上記のメタノール濃度を有する燃料を用いることで、本発明のアノード側セパレータの燃料流路において、ＭＣＯを低減する効果を適切に得ることができる。 On the other hand, the higher the concentration of the fuel, the smaller the size and weight of the fuel cell system as a whole. According to the present invention, since the MCO can be reduced, an aqueous methanol solution having a higher methanol concentration than usual can be used. However, when the concentration of methanol contained in the fuel exceeds 8 mol / L, the MCO is originally high. Therefore, the effect of reducing the MCO according to the present invention may not be sufficiently obtained. By using the fuel having the above methanol concentration, it is possible to appropriately obtain the effect of reducing the MCO in the fuel flow path of the anode separator of the present invention.

なお、メタノールを含む燃料は、所定の燃料タンクに収容しておくことができる。この
場合、燃料は所定の燃料ポンプを用いてアノードに供給できる。 The fuel containing methanol can be stored in a predetermined fuel tank. In this case, the fuel can be supplied to the anode using a predetermined fuel pump.

本発明の直接酸化型燃料電池は、上記のように、アノード側セパレータに特徴を有する。アノード側セパレータ以外の構成要素は特に限定されず、例えば従来の直接酸化型燃料電池と同様の構成要素を用いることができる。以下、図１を参照しながら、アノード側セパレータ以外の構成要素について説明する。 As described above, the direct oxidation fuel cell of the present invention is characterized by the anode-side separator. The components other than the anode-side separator are not particularly limited, and for example, the same components as those of a conventional direct oxidation fuel cell can be used. Hereinafter, components other than the anode-side separator will be described with reference to FIG.

カソード１２は、電解質膜１０に接するカソード触媒層１８およびカソード側セパレータ１５に接するカソード拡散層１９を含む。カソード拡散層１９は、例えば、カソード触媒層１８に接する導電性撥水層と、カソード側セパレータ１５に接する基材層とを含む。 The cathode 12 includes a cathode catalyst layer 18 in contact with the electrolyte membrane 10 and a cathode diffusion layer 19 in contact with the cathode-side separator 15. The cathode diffusion layer 19 includes, for example, a conductive water repellent layer in contact with the cathode catalyst layer 18 and a base material layer in contact with the cathode side separator 15.

カソード触媒層１８は、カソード触媒と高分子電解質を含む。カソード触媒としては、触媒活性の高い白金などの貴金属が好ましい。また、白金とコバルトなどとの合金をカソード触媒として用いることもできる。カソード触媒は、そのまま用いてもよいし、担体に担持した形態で用いてもよい。担体としては、電子伝導性および耐酸性の高さから、カーボンブラックなどの炭素材料を用いることが好ましい。高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルホン酸系高分子材料および炭化水素系高分子材料を用いることが好ましい。パーフルオロスルホン酸系高分子材料としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）などを用いることができる。 The cathode catalyst layer 18 includes a cathode catalyst and a polymer electrolyte. As the cathode catalyst, a noble metal such as platinum having high catalytic activity is preferable. An alloy of platinum and cobalt can also be used as the cathode catalyst. The cathode catalyst may be used as it is or may be used in a form supported on a carrier. As the carrier, it is preferable to use a carbon material such as carbon black because of its high electron conductivity and acid resistance. As the polymer electrolyte, it is preferable to use a perfluorosulfonic acid polymer material and a hydrocarbon polymer material having proton conductivity. As the perfluorosulfonic acid polymer material, for example, Nafion (registered trademark), Flemion (registered trademark), or the like can be used.

カソード触媒層１８は、例えば、以下のようにして作製することができる。例えば、カソード触媒または担体に担持されたカソード触媒と、高分子電解質と、水、アルコールなどの分散媒とを混合して、カソード触媒層インクを調製する。得られたインクを、ドクターブレード法、スプレー塗布法などを用いて、ＰＴＦＥからなる基材シートなどに塗布し、乾燥することで、カソード触媒層１８が得られる。このようにして得られたカソード触媒層１８を、ホットプレス法などで電解質膜１０上に転写する。 The cathode catalyst layer 18 can be produced, for example, as follows. For example, a cathode catalyst layer ink is prepared by mixing a cathode catalyst or a cathode catalyst supported on a carrier, a polymer electrolyte, and a dispersion medium such as water and alcohol. The obtained ink is applied to a base sheet made of PTFE or the like using a doctor blade method, a spray coating method, or the like, and dried, whereby the cathode catalyst layer 18 is obtained. The cathode catalyst layer 18 thus obtained is transferred onto the electrolyte membrane 10 by a hot press method or the like.

または、前記カソード触媒層インクを、電解質膜１０に塗布し、乾燥することにより、電解質膜１０上に、カソード触媒層１８を直接形成してもよい。 Alternatively, the cathode catalyst layer 18 may be directly formed on the electrolyte membrane 10 by applying the cathode catalyst layer ink to the electrolyte membrane 10 and drying it.

アノード１１は、電解質膜１０に接するアノード触媒層１６およびアノード側セパレータ１４に接するアノード拡散層１７を含む。アノード拡散層１７は、例えば、アノード触媒層１６に接する導電性撥水層と、アノード側セパレータ１４に接する基材層とを含む。 The anode 11 includes an anode catalyst layer 16 in contact with the electrolyte membrane 10 and an anode diffusion layer 17 in contact with the anode-side separator 14. The anode diffusion layer 17 includes, for example, a conductive water-repellent layer in contact with the anode catalyst layer 16 and a base material layer in contact with the anode-side separator 14.

アノード触媒層１６は、アノード触媒と高分子電解質を含む。アノード触媒としては、触媒活性の高い白金などの貴金属を用いることができる。また、一酸化炭素による触媒の被毒を低減する観点から、アノード触媒として、白金とルテニウムとの合金触媒を用いてもよい。アノード触媒は、そのまま用いてもよいし、担体に担持した形態で用いてもよい。担体としては、カソード触媒を担持する担体と同様の炭素材料を用いることができる。アノード触媒層１６に含まれる高分子電解質としては、カソード触媒層１８に用いられる材料と同様の材料を用いることができる。 The anode catalyst layer 16 includes an anode catalyst and a polymer electrolyte. As the anode catalyst, a noble metal such as platinum having high catalytic activity can be used. Further, from the viewpoint of reducing catalyst poisoning by carbon monoxide, an alloy catalyst of platinum and ruthenium may be used as the anode catalyst. The anode catalyst may be used as it is or may be used in a form supported on a support. As the carrier, the same carbon material as the carrier supporting the cathode catalyst can be used. As the polymer electrolyte contained in the anode catalyst layer 16, the same material as that used for the cathode catalyst layer 18 can be used.

アノード触媒層１６は、カソード触媒層１８と同様にして作製することができる。 The anode catalyst layer 16 can be produced in the same manner as the cathode catalyst layer 18.

アノード拡散層１７およびカソード拡散層１９に含まれる導電性撥水層は、導電剤と撥水剤を含む。導電性撥水層に含まれる導電剤としては、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。具体的には、前記導電剤としては、例えば、カーボンブラック、鱗片状黒鉛などの炭素粉末材料、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバなどのカーボン繊維等が挙げられる。導電剤は、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。 The conductive water repellent layer included in the anode diffusion layer 17 and the cathode diffusion layer 19 includes a conductive agent and a water repellent. As the conductive agent contained in the conductive water repellent layer, a material commonly used in the field of fuel cells can be used without any particular limitation. Specifically, examples of the conductive agent include carbon powder materials such as carbon black and flaky graphite, and carbon fibers such as carbon nanotubes and carbon nanofibers. Only one type of conductive agent may be used alone, or two or more types may be used in combination.

導電性撥水層に含まれる撥水剤は、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。具体的には、前記撥水剤としては、例えば、フッ素樹脂を用いることが好ましい。フッ素樹脂としては、公知の材料を特に限定することなく用いることができる。前記フッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合樹脂（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合樹脂、ポリフッ化ビニリデンなどが挙げられる。これらの中でも、ＰＴＦＥ、ＦＥＰなどが好ましい。撥水剤は、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。 The water repellent contained in the conductive water repellent layer can be used without any particular limitation on materials commonly used in the field of fuel cells. Specifically, for example, a fluororesin is preferably used as the water repellent. As the fluororesin, known materials can be used without any particular limitation. Examples of the fluororesin include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer resin (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer resin, and tetrafluoroethylene-ethylene copolymer resin. And polyvinylidene fluoride. Among these, PTFE, FEP and the like are preferable. As the water repellent, only one kind may be used alone, or two or more kinds may be used in combination.

導電性撥水層は、基材層の表面に形成される。導電性撥水層を形成する方法は特に限定されない。例えば、導電剤と撥水剤を、所定の分散媒に分散させて、導電性撥水層ペーストを調製する。導電性撥水層ペーストを、ドクターブレード法またはスプレー塗布法によって、基材層の片面に塗布し乾燥させる。こうして、基材層の表面に導電性撥水層を形成することができる。 The conductive water repellent layer is formed on the surface of the base material layer. The method for forming the conductive water repellent layer is not particularly limited. For example, a conductive water repellent layer paste is prepared by dispersing a conductive agent and a water repellent in a predetermined dispersion medium. The conductive water repellent layer paste is applied to one side of the base material layer by a doctor blade method or a spray coating method and dried. Thus, a conductive water repellent layer can be formed on the surface of the base material layer.

基材層としては、導電性の多孔質材料が用いられる。導電性の多孔質材料としては、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。中でも、導電性の多孔質材料としては、燃料または酸化剤の拡散性に優れるとともに、高い電子伝導性を有する材料が好ましい。このような材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン不織布などが挙げられる。これらの多孔質材料は、燃料の拡散性および生成水の排出性などを向上させるために、撥水剤を含んでいてもよい。撥水剤は、導電性撥水層に含まれる撥水剤と同様の材料を用いることができる。多孔質材料に撥水剤を含ませる方法は特に限定されない。例えば、撥水剤の分散液に多孔質材料を浸漬し、これを乾燥することで、撥水剤を含んだ多孔質材料からなる基材層が得られる。 As the base material layer, a conductive porous material is used. As the conductive porous material, a material commonly used in the field of fuel cells can be used without any particular limitation. Among them, the conductive porous material is preferably a material that is excellent in diffusibility of fuel or oxidant and has high electron conductivity. Examples of such materials include carbon paper, carbon cloth, and carbon nonwoven fabric. These porous materials may contain a water repellent in order to improve the diffusibility of the fuel and the discharge of generated water. As the water repellent, the same material as the water repellent contained in the conductive water repellent layer can be used. The method for including the water repellent in the porous material is not particularly limited. For example, a base material layer made of a porous material containing a water repellent can be obtained by immersing the porous material in a water repellent dispersion and drying it.

電解質膜１０としては、例えば、従来から用いられているプロトン伝導性高分子膜を特に限定なく使用できる。具体的には、パーフルオロスルホン酸系高分子膜、炭化水素系高分子膜などを好ましく使用できる。パーフルオロスルホン酸系高分子膜としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）等が挙げられる。炭化水素系高分子膜としては、例えばスルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド等が挙げられる。なかでも、炭化水素系高分子膜を、電解質膜１０として用いることが好ましい。炭化水素系高分子膜を用いることで、スルホン酸基のクラスタ構造の形成を抑制し、電解質膜１０の燃料の透過性を低減することができる。これにより、燃料のクロスオーバーをさらに低減することができる。電解質膜１０の厚みは、２０μｍ〜１５０μｍであることが好ましい。 As the electrolyte membrane 10, for example, a conventionally used proton conductive polymer membrane can be used without any particular limitation. Specifically, perfluorosulfonic acid polymer membranes, hydrocarbon polymer membranes and the like can be preferably used. Examples of the perfluorosulfonic acid polymer membrane include Nafion (registered trademark) and Flemion (registered trademark). Examples of the hydrocarbon polymer membrane include sulfonated polyether ether ketone and sulfonated polyimide. Among these, it is preferable to use a hydrocarbon polymer membrane as the electrolyte membrane 10. By using the hydrocarbon polymer membrane, the formation of a cluster structure of sulfonic acid groups can be suppressed, and the fuel permeability of the electrolyte membrane 10 can be reduced. As a result, fuel crossover can be further reduced. The thickness of the electrolyte membrane 10 is preferably 20 μm to 150 μm.

図１に示される直接酸化型燃料電池は、例えば、以下の方法で作製することができる。電解質膜１０の一方の面にアノード１１を、他方の面にカソード１２を、ホットプレス法などを用いて接合して、膜電極接合体１３を作製する。次いで、膜電極接合体１３を、アノード側セパレータ１４およびカソード側セパレータ１５で挟み込む。このとき、膜電極接合体１３のアノード１１をガスケット２２で封止し、カソード１２をガスケット２３で封止するように、電解質膜１０とアノード側セパレータ１４の間にガスケット２２を配置し、電解質膜１０とカソード側セパレータ１５の間にガスケット２３を配置する。その後、アノード側セパレータ１４およびカソード側セパレータ１５の外側に、それぞれ、集電板２４および２５、絶縁板２６および２７、端板２８および２９を積層し、これらを締結する。さらに、端板２８および２９の外側に、温度調整用のヒータ３０および３１を積層する。このようにしてセル１を得ることができる。 The direct oxidation fuel cell shown in FIG. 1 can be manufactured, for example, by the following method. A membrane electrode assembly 13 is manufactured by bonding the anode 11 to one surface of the electrolyte membrane 10 and the cathode 12 to the other surface using a hot press method or the like. Next, the membrane electrode assembly 13 is sandwiched between the anode side separator 14 and the cathode side separator 15. At this time, the gasket 22 is disposed between the electrolyte membrane 10 and the anode-side separator 14 so that the anode 11 of the membrane electrode assembly 13 is sealed with the gasket 22 and the cathode 12 is sealed with the gasket 23. A gasket 23 is arranged between the cathode 10 and the cathode side separator 15. Thereafter, current collecting plates 24 and 25, insulating plates 26 and 27, and end plates 28 and 29 are laminated on the outside of the anode side separator 14 and the cathode side separator 15, respectively, and these are fastened. Furthermore, heaters 30 and 31 for temperature adjustment are stacked outside the end plates 28 and 29. In this way, the cell 1 can be obtained.

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example, this invention is not limited to a following example.

《実施例１》
（ａ）アノード側セパレータの作製
アノード側セパレータを、１枚のカーボン製プレートのアノードと対向する面に、図３に示されるような燃料流路を形成することにより、作製した。具体的には、燃料流路として、１本のサーペンタイン型であり屈曲部は半円形である流路を用いた。サーペンタイン型の流路は、８箇所の屈曲部および９本の直線部を有した。直線部の流路幅ＷＳは１．０ｍｍとし、流路間隔は２ｍｍとした。ＷＴは０．５ｍｍとした。流路深さは、常に一定で１．０ｍｍとした。 Example 1
(A) Production of anode-side separator An anode-side separator was produced by forming a fuel flow path as shown in FIG. 3 on the surface of one carbon plate facing the anode. Specifically, as the fuel channel, a single serpentine type channel having a semicircular bent portion was used. The serpentine type flow path had 8 bent portions and 9 straight portions. The channel width WS of the straight line portion was 1.0 mm, and the channel interval was 2 mm. WT was 0.5 mm. The channel depth was always constant and 1.0 mm.

（ｂ）カソード側セパレータの作製
カソード側セパレータを、１枚のカーボン製プレートのアノードと対向する面に、図２に示されるような燃料流路でありながら、流路幅は変化させずに形成することにより、作製した。具体的には、燃料流路として、１本のサーペンタイン型であり屈曲部は半円形である流路を用いた。サーペンタイン型の流路は、８箇所の屈曲部および９本の直線部を有した。流路幅は、直線部、屈曲部に関わらず１．０ｍｍとし、流路間隔は２ｍｍとした。流路深さは、常に一定で１．０ｍｍとした。 (B) Production of cathode-side separator A cathode-side separator is formed on the surface of one carbon plate facing the anode without changing the channel width, although it is a fuel channel as shown in FIG. It was produced by doing. Specifically, as the fuel channel, a single serpentine type channel having a semicircular bent portion was used. The serpentine type flow path had 8 bent portions and 9 straight portions. The channel width was 1.0 mm regardless of the straight part and the bent part, and the channel interval was 2 mm. The channel depth was always constant and 1.0 mm.

（ｃ）カソード触媒層の作製
カソード触媒とカソード触媒を担持する触媒担体とを含むカソード触媒担持体を用いた。カソード触媒として、Ｐｔ触媒を用いた。触媒担体としては、カーボンブラック（商品名：ケッチェンブラックＥＣＰ、ケッチェンブラックインターナショナル社製）を用いた。Ｐｔ触媒とカーボンブラックとの合計重量に占めるＰｔ触媒の重量の割合は、５０重量％とした。 (C) Preparation of cathode catalyst layer A cathode catalyst support including a cathode catalyst and a catalyst carrier supporting the cathode catalyst was used. A Pt catalyst was used as the cathode catalyst. As the catalyst carrier, carbon black (trade name: Ketjen Black ECP, manufactured by Ketjen Black International) was used. The ratio of the weight of the Pt catalyst to the total weight of the Pt catalyst and carbon black was 50% by weight.

前記カソード触媒担持体をイソプロパノール水溶液に分散させた液と、高分子電解質であるナフィオン（登録商標）の分散液（シグマアルドリッチジャパン（株）製、ナフィオン５重量％溶液）とを混合し、カソード触媒層インクを調製した。カソード触媒層インクを、ドクターブレード法を用いて、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シート上に塗布し、乾燥して、カソード触媒層を得た。 A solution in which the cathode catalyst support is dispersed in an aqueous isopropanol solution and a dispersion of Nafion (registered trademark), which is a polymer electrolyte (Sigma Aldrich Japan Co., Ltd., 5% by weight Nafion solution) are mixed to prepare a cathode catalyst. A layer ink was prepared. The cathode catalyst layer ink was applied onto a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet using a doctor blade method and dried to obtain a cathode catalyst layer.

（ｄ）アノード触媒層の作製
アノード触媒として、ＰｔＲｕ触媒（原子比Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を用いた。カソード触媒の代わりに、前記アノード触媒を用いたこと以外、カソード触媒層と同様にして、アノード触媒層を作製した。なお、ＰｔＲｕ触媒とケッチェンブラックとの合計重量に占めるＰｔＲｕ触媒の重量の割合は、５０重量％とした。 (D) Production of anode catalyst layer A PtRu catalyst (atomic ratio Pt: Ru = 1: 1) was used as the anode catalyst. An anode catalyst layer was produced in the same manner as the cathode catalyst layer except that the anode catalyst was used instead of the cathode catalyst. The ratio of the weight of the PtRu catalyst to the total weight of the PtRu catalyst and ketjen black was 50% by weight.

（ｅ）導電性撥水層ペーストの調製
撥水剤分散液と導電剤とを、所定の界面活性剤を添加したイオン交換水に分散混合して、導電性撥水層ペーストを調製した。撥水剤分散液としては、ＰＴＦＥディスパージョン（シグマアルドリッチジャパン（株）製、ＰＴＦＥの含有量６０質量％）を用いた。導電剤には、アセチレンブラック（電気化学工業（株）製、デンカブラック）を用いた。 (E) Preparation of conductive water-repellent layer paste A water-repellent dispersion liquid and a conductive agent were dispersed and mixed in ion-exchanged water added with a predetermined surfactant to prepare a conductive water-repellent layer paste. As the water repellent dispersion, PTFE dispersion (Sigma Aldrich Japan Co., Ltd., PTFE content 60 mass%) was used. As the conductive agent, acetylene black (Denka Black, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was used.

（ｆ）基材層の作製
アノード拡散層のアノード基材層を構成する導電性の多孔質材料として、カーボンペーパー（東レ（株）製、ＴＧＰ−Ｈ−０９０、厚み２７０μｍ）を用いた。前記カーボンペーパーを、撥水剤であるＰＴＦＥを含むＰＴＦＥディスパージョン（シグマアルドリッチジャパン（株）製）に浸漬させ、乾燥させた。こうして、前記カーボンペーパーに撥水処
理を施した。 (F) Production of base material layer Carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc., TGP-H-090, thickness 270 μm) was used as the conductive porous material constituting the anode base material layer of the anode diffusion layer. The carbon paper was dipped in a PTFE dispersion (manufactured by Sigma Aldrich Japan Co., Ltd.) containing PTFE as a water repellent and dried. In this way, the carbon paper was subjected to water repellent treatment.

カソード拡散層のカソード基材層を構成する導電性の多孔質材料として、カーボンクロス（バラードマテリアルプロダクツ社製、ＡｖＣａｒｂ（登録商標）１０７１ＨＣＢ）を用いた。このカーボンクロスにも上記と同様の方法で撥水処理を施した。 As a conductive porous material constituting the cathode base material layer of the cathode diffusion layer, carbon cloth (manufactured by Ballard Material Products, AvCarb (registered trademark) 1071HCB) was used. This carbon cloth was also subjected to water repellent treatment in the same manner as described above.

（ｇ）アノード拡散層およびカソード拡散層の作製
工程（ｅ）で作製したアノード基材層の片面に、工程（ｄ）で作製した導電性撥水層ペーストを塗布し、乾燥して、アノード拡散層を作製した。同様に、工程（ｅ）で作製したカソード基材層の片面に、工程（ｄ）で作製した導電性撥水層ペーストを塗布し、乾燥して、カソード拡散層を作製した。 (G) Preparation of anode diffusion layer and cathode diffusion layer The conductive water-repellent layer paste prepared in step (d) is applied to one side of the anode base layer prepared in step (e), dried, and anode diffusion is performed. A layer was made. Similarly, the conductive water-repellent layer paste prepared in step (d) was applied to one side of the cathode base material layer prepared in step (e) and dried to prepare a cathode diffusion layer.

（ｈ）膜電極接合体（ＭＥＡ）の作製
工程（ｂ）においてＰＴＦＥシート上に形成したカソード触媒層を、電解質膜（商品名：ナフィオン（登録商標）１１２、デュポン（株）製）の一方の面に積層し、工程（ｃ）においてＰＴＦＥシート上に形成したアノード触媒層を、電解質膜の他方の面に積層した。このとき、カソード触媒層およびアノード触媒層は、カソード触媒層のＰＴＦＥシートが配置された面とは反対側の面およびアノード触媒層のＰＴＦＥシートが配置された面とは反対側の面が、それぞれ電解質膜の一方の面および他方の面に接するように、積層した。この後、カソード触媒層およびアノード触媒層を電解質膜にホットプレス法によって接合するとともに、カソード触媒層およびアノード触媒層からＰＴＦＥシートを剥離した。 (H) Production of Membrane / Electrode Assembly (MEA) The cathode catalyst layer formed on the PTFE sheet in the step (b) is one of the electrolyte membranes (trade name: Nafion (registered trademark) 112, manufactured by DuPont). The anode catalyst layer laminated on the surface and formed on the PTFE sheet in the step (c) was laminated on the other surface of the electrolyte membrane. At this time, the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer have a surface opposite to the surface on which the PTFE sheet of the cathode catalyst layer is disposed and a surface on the opposite side of the surface on which the PTFE sheet of the anode catalyst layer is disposed, respectively. The electrolyte membrane was laminated so as to be in contact with one surface and the other surface. Thereafter, the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer were joined to the electrolyte membrane by a hot press method, and the PTFE sheet was peeled from the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer.

次いで、ホットプレス法により、カソード触媒層にカソード拡散層を接合し、アノード触媒層にアノード拡散層を接合した。こうして、膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。なお、電極の大きさは、１辺が１８ｍｍの正方形とした。 Next, the cathode diffusion layer was bonded to the cathode catalyst layer and the anode diffusion layer was bonded to the anode catalyst layer by hot pressing. Thus, a membrane electrode assembly (MEA) was produced. The size of the electrode was a square with a side of 18 mm.

（ｉ）燃料電池セルの作製
ＭＥＡの外周部に露出した電解質膜の両面に、それぞれその電解質膜の露出部を全て覆うようにゴム製ガスケットを配した。その後、工程（ａ）で作製したアノード側セパレータおよび工程（ｂ）で作製したカソード側セパレータにより、工程（ｈ）で作製したＭＥＡを挟持した。なお、電極の中心とセパレータのうち流路が形成された部分の面積の中心は一致し、電極と流路が相対するように配置した。 (I) Production of Fuel Cell A rubber gasket was disposed on both surfaces of the electrolyte membrane exposed on the outer periphery of the MEA so as to cover all the exposed portions of the electrolyte membrane. Thereafter, the MEA produced in the step (h) was sandwiched between the anode separator produced in the step (a) and the cathode separator produced in the step (b). The center of the electrode and the center of the area of the portion of the separator where the flow path was formed coincided, and the electrode and the flow path were opposed to each other.

次に、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータの外側に、それぞれ、集電板、絶縁板、端板を、この順で積層した。得られた積層体を、所定の締結手段で締結した。端板の外側に、温度調整用のヒータを貼り付けた。こうして、実施例１の直接酸化型燃料電池（直接メタノール型燃料電池）を得た。なお、以下の評価試験において、前記集電板を、電子負荷装置に接続した。 Next, a current collector plate, an insulating plate, and an end plate were laminated in this order on the outside of the anode side separator and the cathode side separator, respectively. The obtained laminate was fastened by a predetermined fastening means. A heater for temperature adjustment was attached to the outside of the end plate. Thus, a direct oxidation fuel cell (direct methanol fuel cell) of Example 1 was obtained. In the following evaluation tests, the current collector plate was connected to an electronic load device.

（ｊ）発電特性の評価
以下のようにして、発電を行った。作製した燃料電池のカソードには空気を供給し、アノードには４ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を供給した。燃料電池を、電子負荷装置に接続しておき、前記電子負荷装置により、発電電流を１５０ｍＡ／ｃｍ^２の定電流とした。燃料電池の温度は６０℃に保ち、空気の利用率は５０％とし、燃料の利用率は７０％とした。発電時間は、６０分間とし、６０分間の平均電圧を求めた。 (J) Evaluation of power generation characteristics Power generation was performed as follows. Air was supplied to the cathode of the produced fuel cell, and a 4 mol / L aqueous methanol solution was supplied to the anode. The fuel cell was connected to an electronic load device, and the generated electric current was set to a constant current of 150 mA / cm ² by the electronic load device. The temperature of the fuel cell was kept at 60 ° C., the air utilization rate was 50%, and the fuel utilization rate was 70%. The power generation time was 60 minutes, and the average voltage for 60 minutes was determined.

また、燃料効率を、以下の式（１）を用いて求めた。 The fuel efficiency was determined using the following formula (1).

燃料効率＝発電電流／（発電電流＋ＭＣＯの換算電流）（１）
なお、ＭＣＯは、以下のようにして求めた。アノードから排出された排出液のメタノー
ル濃度をガスクロマトグラフにて測定した。アノードに供給されたメタノール濃度、発電に用いられたメタノール濃度（メタノール量）、および前記のようにして求めた、排出されたメタノール濃度を用いて、アノードにおけるメタノール収支を計算することにより、ＭＣＯを求めた。得られた結果を表１に示す。 Fuel efficiency = generated current / (generated current + converted current of MCO) (1)
In addition, MCO was calculated | required as follows. The methanol concentration of the effluent discharged from the anode was measured with a gas chromatograph. By calculating the methanol balance at the anode using the concentration of methanol supplied to the anode, the concentration of methanol used for power generation (methanol amount), and the discharged methanol concentration determined as described above, Asked. The obtained results are shown in Table 1.

《実施例２》
アノード側セパレータを、１枚のカーボン製プレートのアノードと対向する面に、図３に示されるような燃料流路を形成することにより、作製した。具体的には、燃料流路として、１本のサーペンタイン型であり屈曲部は矩形である流路を用いた。サーペンタイン型の流路は、８箇所の屈曲部および９本の直線部を有した。直線部の流路幅ＷＳは１．０ｍｍとし、流路間隔は２ｍｍとした。ＷＴは０．５ｍｍとした。流路深さは、常に一定で１．０ｍｍとした。 Example 2
An anode side separator was produced by forming a fuel flow path as shown in FIG. 3 on the surface of one carbon plate facing the anode. Specifically, as the fuel channel, a single serpentine type channel having a rectangular bent portion was used. The serpentine type flow path had 8 bent portions and 9 straight portions. The channel width WS of the straight line portion was 1.0 mm, and the channel interval was 2 mm. WT was 0.5 mm. The channel depth was always constant and 1.0 mm.

上記で得られたアノード側セパレータを用いたこと以外、実施例１と同様にして、実施例２の直接酸化型燃料電池を作製し、実施例１と同様にして発電特性の評価を行った。 A direct oxidation fuel cell of Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode separator obtained above was used, and the power generation characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1.

《実施例３》
アノード側セパレータを、１枚のカーボン製プレートのアノードと対向する面に、図４に示されるような燃料流路を形成することにより、作製した。具体的には、燃料流路として、直線部が２本のサーペンタイン型であり、屈曲部において２本流路が合流し、かつ屈曲部が矩形である流路を用いた。サーペンタイン型の流路は、６箇所の屈曲部および７対１４本の直線部を有した。直線部の流路幅ＷＳは０．６５ｍｍとし、流路間隔は１．２５ｍｍとした。ＷＴは０．４ｍｍとした。流路深さは、常に一定で１．０ｍｍとした。 Example 3
An anode-side separator was produced by forming a fuel flow path as shown in FIG. 4 on the surface of one carbon plate facing the anode. Specifically, as the fuel flow path, a flow path in which the straight portion has two serpentine types, the two flow paths merge at the bent portion, and the bent portion has a rectangular shape is used. The serpentine type flow path had 6 bent portions and 7 to 14 straight portions. The channel width WS of the straight line portion was 0.65 mm, and the channel interval was 1.25 mm. WT was 0.4 mm. The channel depth was always constant and 1.0 mm.

上記で得られたアノード側セパレータを用いたこと以外、実施例１と同様にして、実施例３の直接酸化型燃料電池を作製し、実施例１と同様にして発電特性の評価を行った。 A direct oxidation fuel cell of Example 3 was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode separator obtained above was used, and the power generation characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1.

《実施例４》
アノード側セパレータを、１枚のカーボン製プレートのアノードと対向する面に、図３に示されるような燃料流路を形成することにより、作製した。具体的には、燃料流路として、１本のサーペンタイン型であり屈曲部は矩形である流路を用いた。サーペンタイン型の流路は、８箇所の屈曲部および９本の直線部を有した。直線部の流路幅ＷＳは、ＷＳ_１＝ＷＳ_２＝ＷＳ_３＝０．６ｍｍであり、ＷＳ_４＝ＷＳ_５＝ＷＳ_６＝０．８ｍｍ_、ＷＳ_７＝ＷＳ_８＝ＷＳ_９＝１．０ｍｍとし、流路間隔は２ｍｍとした。ＷＴは、ＷＴ_１＝ＷＴ_２＝ＷＴ_３＝０．３ｍｍであり、ＷＴ_４＝ＷＴ_５＝ＷＴ_６＝０．４ｍｍ_、ＷＳ_７＝ＷＳ_８＝ＷＳ_９＝０．５ｍｍとした。流路深さは、常に一定で１．０ｍｍとした。 Example 4
An anode side separator was produced by forming a fuel flow path as shown in FIG. 3 on the surface of one carbon plate facing the anode. Specifically, as the fuel channel, a single serpentine type channel having a rectangular bent portion was used. The serpentine type flow path had 8 bent portions and 9 straight portions. The flow path width WS of the straight portion is WS ₁ = WS ₂ = WS ₃ = 0.6 mm, WS ₄ = WS ₅ = WS ₆ = 0.8 mm _, WS ₇ = WS ₈ = WS ₉ = 1.0 mm. The channel interval was 2 mm. The WT was WT ₁ = WT ₂ = WT ₃ = 0.3 mm, WT ₄ = WT ₅ = WT ₆ = 0.4 mm _{, and} WS ₇ = WS ₈ = WS ₉ = 0.5 mm. The channel depth was always constant and 1.0 mm.

上記で得られたアノード側セパレータを用いたこと以外、実施例１と同様にして、実施例４の直接酸化型燃料電池を作製し、実施例１と同様にして発電特性の評価を行った。 A direct oxidation fuel cell of Example 4 was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode-side separator obtained above was used, and the power generation characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1.

《比較例１》
アノード側セパレータを、１枚のカーボン製プレートのアノードと対向する面に、燃料流路を形成することにより、作製した。具体的には、燃料流路として、１本のサーペンタイン型であり屈曲部は半円形である流路を用いた。サーペンタイン型の流路は、８箇所の屈曲部および９本の直線部を有した。流路幅は、直線部、屈曲部ともに１．０ｍｍとし、流路間隔は２ｍｍとした。流路深さは、常に一定で１．０ｍｍとした。 << Comparative Example 1 >>
The anode-side separator was produced by forming a fuel flow path on the surface of one carbon plate facing the anode. Specifically, as the fuel channel, a single serpentine type channel having a semicircular bent portion was used. The serpentine type flow path had 8 bent portions and 9 straight portions. The channel width was 1.0 mm for both the straight part and the bent part, and the channel spacing was 2 mm. The channel depth was always constant and 1.0 mm.

上記で得られたアノード側セパレータを用いたこと以外、実施例１と同様にして、比較例１の直接酸化型燃料電池を作製し、実施例１と同様にして発電特性の評価を行った。 A direct oxidation fuel cell of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode separator obtained above was used, and the power generation characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1.

《比較例２》
アノード側セパレータを、１枚のカーボン製プレートのアノードと対向する面に、燃料流路を形成することにより、作製した。具体的には、燃料流路として、直線部が２本のサーペンタイン型であり、屈曲部において２本流路が合流し、かつ屈曲部が矩形である流路を用いた。サーペンタイン型の流路は、６箇所の屈曲部および７対１４本の直線部を有した。流路幅は、直線部、屈曲部ともに０．６５ｍｍとし、流路間隔は１．２５ｍｍとした。流路深さは、常に一定で１．０ｍｍとした。 << Comparative Example 2 >>
The anode-side separator was produced by forming a fuel flow path on the surface of one carbon plate facing the anode. Specifically, as the fuel flow path, a flow path in which the straight portion has two serpentine types, the two flow paths merge at the bent portion, and the bent portion has a rectangular shape is used. The serpentine type flow path had 6 bent portions and 7 to 14 straight portions. The channel width was 0.65 mm for both straight and bent portions, and the channel spacing was 1.25 mm. The channel depth was always constant and 1.0 mm.

上記のアノード触媒層を用いたこと以外、実施例１と同様にして、比較例２の直接酸化型燃料電池を作製し、実施例１と同様にして発電特性の評価を行った。 A direct oxidation fuel cell of Comparative Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode catalyst layer was used, and the power generation characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1.

実施例１〜４および比較例１〜２の電池の評価結果を表１に示す。 Table 1 shows the evaluation results of the batteries of Examples 1-4 and Comparative Examples 1-2.

実施例１〜４の電池は、いずれも、比較例の燃料電池より発電特性および燃料効率が大きく向上していた。実施例１〜４の電池においては、燃料流路の屈曲部おいてＭＣＯ量が低減されたことにより、セル全体でのＭＣＯ量が低減され、燃料効率が向上したものと考えられる。さらには、ＭＣＯ量が低減されることにより、メタノールの酸化反応によるカソード電位の低下が抑制され、セルの発電電圧が向上したと考えられる。 In each of the batteries of Examples 1 to 4, the power generation characteristics and the fuel efficiency were greatly improved as compared with the fuel cell of the comparative example. In the batteries of Examples 1 to 4, it is considered that the amount of MCO in the entire cell is reduced and the fuel efficiency is improved by reducing the amount of MCO in the bent portion of the fuel flow path. Furthermore, it is considered that the reduction in the cathode potential due to the oxidation reaction of methanol was suppressed by reducing the amount of MCO, and the power generation voltage of the cell was improved.

更に、上流側から下流側に向かって燃料流路の幅を多段階に変化させた実施例４の電池は、発電特性が最も高くなっていた。燃料上流領域でのＭＣＯ量の低減と屈曲部でのＭＣＯ量の低減の両方の効果が得られ、本発明による効果が顕著に現れたためと考えられる。 Furthermore, the battery of Example 4 in which the width of the fuel flow path was changed in multiple stages from the upstream side toward the downstream side had the highest power generation characteristics. It is considered that both the effect of reducing the amount of MCO in the upstream region of the fuel and the amount of MCO in the bent portion were obtained, and the effect of the present invention was noticeable.

以上より、本発明によれば、発電特性および発電効率が向上した直接酸化型燃料電池を得られることがわかった。 From the above, it was found that according to the present invention, a direct oxidation fuel cell with improved power generation characteristics and power generation efficiency can be obtained.

本発明により、直接酸化型燃料電池は、優れた発電特性および発電効率を有する直接酸化型燃料電池を得ることができる。よって、本発明により、燃料電池システムの性能向上が可能である。本発明の直接酸化型燃料電池は、携帯電話、ノートＰＣ等の小型機器用の電源、およびポータブル発電機として非常に有用である。 According to the present invention, the direct oxidation fuel cell can obtain a direct oxidation fuel cell having excellent power generation characteristics and power generation efficiency. Therefore, the performance of the fuel cell system can be improved by the present invention. The direct oxidation fuel cell of the present invention is very useful as a power source for small devices such as mobile phones and notebook PCs, and as a portable generator.

１セル
１０電解質膜
１１アノード
１２カソード
１３膜電極接合体
１４アノード側セパレータ
１５カソード側セパレータ
１６アノード触媒層
１７アノード拡散層
１８カソード触媒層
１９カソード拡散層
２０燃料流路
２０１直線部
２０２屈曲部
２１酸化剤流路
２２、２３ガスケット
２４、２５集電板
２６、２７絶縁板
２８、２９端板
３０、３１ヒータ
４３燃料入口
４４燃料出口
５０上流部ユニット
５１中流部ユニット
５２下流部ユニット DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cell 10 Electrolyte membrane 11 Anode 12 Cathode 13 Membrane electrode assembly 14 Anode-side separator 15 Cathode-side separator 16 Anode catalyst layer 17 Anode diffusion layer 18 Cathode catalyst layer 19 Cathode diffusion layer 20 Fuel flow path 201 Linear portion 202 Bending portion 21 Oxidation Agent flow path 22, 23 Gasket 24, 25 Current collector plate 26, 27 Insulating plate 28, 29 End plate 30, 31 Heater 43 Fuel inlet 44 Fuel outlet 50 Upstream unit 51 Midstream unit 52 Downstream unit

Claims

アノードとカソードと前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向するように配置されたアノード側セパレータと、前記カソードに対向するように配置されたカソード側セパレータと、が積層された少なくとも１つのセルを有し、
前記アノード側セパレータの表面には、複数の直線部と屈曲部とで構成されるアノードに燃料を供給するためのサーペンタイン型の燃料流路が形成され、
前記燃料流路の燃料入口側から直線部に番号を付与した場合、ｎ番目の直線部と（ｎ＋１）番目の直線部との間に存在する屈曲部の流路幅ＷＴ_ｎが、ｎ番目の直線部の流路幅ＷＳ_ｎおよび（ｎ＋１）番目の直線部の流路幅ＷＳ_ｎ＋１のいずれよりも小さいことを特徴とする直接酸化型燃料電池。 A membrane / electrode assembly having an anode, a cathode, and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode, an anode-side separator disposed to face the anode, and a surface to face the cathode And having at least one cell laminated with a cathode-side separator,
On the surface of the anode-side separator, a serpentine type fuel flow path for supplying fuel to the anode composed of a plurality of straight portions and bent portions is formed,
When a number is given to the straight line portion from the fuel inlet side of the fuel flow path, the flow path width WT _n of the bent portion existing between the nth straight line portion and the (n + 1) th straight line portion is nth. passage width WS _n and straight portions (n + 1) -th direct oxidation fuel cell, wherein the linear portion of the flow path width WS n _{+ 1} less than either.

前記屈曲部の流路幅は、屈曲部の長さをＬとしたときに、屈曲部端部からＬ/２の位置において最も小さくなることを特徴とする請求項１記載の直接酸化型燃料電池。 2. The direct oxidation fuel cell according to claim 1, wherein the flow path width of the bent portion is the smallest at a position of L / 2 from the end of the bent portion, where L is the length of the bent portion. .

前記直線部の流路幅は、ｎ番目の直線部の流路幅ＷＳ_ｎが、（ｎ＋１）番目の直線部の流路幅ＷＳ_ｎ＋１より小さいことを特徴とする請求項１または２記載の直接酸化型燃料電池。 3. The direct passage according to claim 1, wherein the flow path width of the straight line portion is such that the flow path width WS _n of the nth straight line portion is smaller than the flow path width WS _{n + 1 of} the (n + 1) th straight line portion. Oxide fuel cell.

前記燃料が、メタノール、エタノール、ホルムアルデヒド、蟻酸、ジメチルエーテルおよびエチレングリコールからなる群より選択される少なくとも一種、又はそれらの低分子重合体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の直接酸化型燃料電池。 4. The fuel according to claim 1, wherein the fuel is at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, formaldehyde, formic acid, dimethyl ether, and ethylene glycol, or a low-molecular polymer thereof. Direct oxidation fuel cell.