(57)【要約】【課題】  集電体および膜−電極接合体の変形を抑制することができる燃料電池およびその製造方法を提供する。【解決手段】  燃料電池（１００）は、膜−電極接合体（１０）と、膜−電極接合体の少なくとも一面に配置され厚み方向にガス透過性を有し少なくとも一部の領域の面内において伸長する方向に引張り力が付加されている集電体（２０，４０）と、を備える。燃料電池（１００）の製造方法は、厚み方向にガス透過性を有する集電体（２０，４０）を加熱する工程と、加熱された集電体の少なくとも２点を固定する工程と、少なくとも２点で固定された集電体を冷却する工程と、集電体を膜−電極接合体（１０）の少なくとも一面に積層する工程と、を含む。【選択図】        図１
2010103042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体の少なくとも一面に配置され、厚み方向にガス透過性を有し、少なくとも一部の領域の面内において伸長する方向に引張り力が付加されている集電体と、を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記集電体に前記引張り力が付加された状態で前記集電体を固定する固定手段を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記集電体の前記膜−電極接合体と反対側に配置されたセパレータを備え、
前記セパレータは、前記セパレータに前記集電体を加締めた加締め部を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記集電体は、長方形状を有し、
前記引張り力は、前記集電体の２つの長辺を互いに離す方向に付加されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記集電体は、略円形状を有し、
前記引張り力は、前記略円形の半径方向外向きに付加されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
前記引張り力は、前記膜−電極接合体および前記集電体の積層方向への力成分を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記積層方向への力成分は、前記集電体から前記膜−電極接合体への力成分であることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【請求項８】
前記集電体に付加されている引張り力を調整するための調整手段を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記調整手段は、前記集電体に付加されている引張り力を所定の範囲に調整することを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記集電体に要求される引張り力を検出する検出手段を備え、
前記調整手段は、前記集電体に付加される引張り力を、前記検出手段によって検出される引張り力に調整することを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記検出手段は、前記膜−電極接合体の抵抗、または、前記燃料電池の反応ガス流路の圧損に基づいて前記集電体に必要な引張り力を検出することを特徴とする請求項１０記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記集電体の外周部には、前記膜−電極接合体における発電電力を取り出すためのターミナルが設けられていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１３】
厚み方向にガス透過性を有する集電体を加熱する工程と、
加熱された前記集電体の少なくとも２点を固定する工程と、
少なくとも２点で固定された前記集電体を冷却する工程と、
前記集電体を膜−電極接合体の少なくとも一面に積層する工程と、を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１４】
厚み方向にガス透過性を有する集電体を、少なくとも一部の領域において面内において伸長する方向に引張り力を付加する工程と、
前記集電体に引張り力を付加した状態で前記集電体を固定する工程と、
前記集電体を膜−電極接合体の少なくとも一面に積層する工程と、を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池は、例えば、プロトン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜に沿って配置されたカソード触媒層およびアノード触媒層と、それぞれの触媒層の電解質膜と反対側に配置されたセパレータと、を備える。このような燃料電池においては、カソード触媒層に酸化剤ガスが供給され、アノード触媒層に燃料ガスが供給される。それにより、発電が行われる。
【０００４】
特許文献１には、カソード触媒層およびアノード触媒層の内部に集電体が埋設された燃料電池が開示されている。この燃料電池によれば、ガス拡散層、セパレータ等が集電機能を有する必要がなくなる。したがって、集電のために膜−電極接合体とセパレータとを接触させる必要がなくなるため、反応ガス流路のピッチを拡げることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１７４８７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、膜−電極接合体を挟んで流動する燃料ガスと酸化剤ガスとの間に差圧が生じると、集電体および膜−電極接合体が変形して反応ガス流路側に垂れ込むことが考えられる。この場合、反応ガス流路の圧損が増加することが考えられる。また、垂れ込みによって生じる応力によって、膜−電極接合体に機械的損傷が生じることも考えられる。さらに、膜−電極接合体と集電体との安定した接触が確保できなくなるおそれもある。
【０００７】
本発明は、集電体および膜−電極接合体の変形を抑制することができる燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、膜−電極接合体と、膜−電極接合体の少なくとも一面に配置され厚み方向にガス透過性を有し少なくとも一部の領域の面内において伸長する方向に引張り力が付加されている集電体と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池においては、集電体に引張り力が付加されていることから、集電体および膜−電極接合体の変形を抑制することができる。
【０００９】
集電体に引張り力が付加された状態で集電体を固定する固定手段を備えていてもよい。この場合、集電体に付加されている引張り力を維持することができる。集電体の膜−電極接合体と反対側に配置されたセパレータを備え、セパレータは、セパレータに集電体を加締めた加締め部を有していてもよい。
【００１０】
集電体は、長方形状を有し、引張り力は、集電体の２つの長辺を互いに離す方向に付加されていてもよい。この場合、集電体に所定の引張り力を付加した状態で、引張り応力を小さくすることができる。それにより、集電体の耐クリープ性を向上させることができる。集電体は、略円形状を有し、引張り力は、略円形の半径方向外向きに付加されていてもよい。この場合、集電体における応力集中を抑制することができる。
【００１１】
引張り力は、膜−電極接合体および集電体の積層方向への力成分を有していてもよい。また、積層方向への力成分は、集電体から膜−電極接合体への力成分であってもよい。この場合、膜−電極接合体と集電体の密着性を向上させることができる。
【００１２】
集電体に付加されている引張り力を調整するための調整手段を備えていてもよい。調整手段は、集電体に付加されている引張り力を所定の範囲に調整してもよい。集電体に要求される引張り力を検出する検出手段を備え、調整手段は、集電体に付加される引張り力を検出手段によって検出される引張り力に調整してもよい。検出手段は、膜−電極接合体の抵抗、または、燃料電池の反応ガス流路の圧損に基づいて集電体に必要な引張り力を検出してもよい。集電体の外周部には、膜−電極接合体における発電電力を取り出すためのターミナルが設けられていてもよい。
【００１３】
本発明に係る燃料電池の製造方法は、厚み方向にガス透過性を有する集電体を加熱する工程と、加熱された集電体の少なくとも２点を固定する工程と、少なくとも２点で固定された集電体を冷却する工程と、集電体を膜−電極接合体の少なくとも一面に積層する工程と、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の製造方法においては、加熱によって集電体を膨張させることができ、冷却によって集電体に引張り力を付加することができる。それにより、集電体および膜−電極接合体の変形を抑制することができる。
【００１４】
本発明に係る燃料電池の他の製造方法は、厚み方向にガス透過性を有する集電体を少なくとも一部の領域において面内において伸長する方向に引張り力を付加する工程と、集電体に引張り力を付加した状態で集電体を固定する工程と、集電体を膜−電極接合体の少なくとも一面に積層する工程と、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の他の製造方法においては、集電体に引張り力を付加することができる。それにより、膜−電極接合体および集電体の変形を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、集電体および膜−電極接合体の変形を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、実施例１に係る燃料電池１００の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池１００は、膜−電極接合体１０の一面に集電体２０およびセパレータ３０が積層され、他面に集電体４０およびセパレータ５０が積層された構造を有する。
【００１８】
膜−電極接合体１０は、電解質膜１１の集電体２０側にアノード触媒層１２が接合され、電解質膜１１の集電体４０側にカソード触媒層１３が接合された構造を有する。電解質膜１１として、例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質を用いることができる。アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、触媒を含む導電性材料からなる。アノード触媒層１２の触媒は、水素のプロトン化を促進させる。カソード触媒層１３の触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３として、例えば、白金担持カーボンを用いることができる。
【００１９】
集電体２０は、アノード触媒層１２に沿って配置されている。集電体２０の少なくとも一部は、アノード触媒層１２に埋設されていてもよい。集電体２０の外周部には、セパレータ３０を介さずに燃料電池１００から電力を取り出すためのターミナル２１が設けられている。本実施例においては、ターミナル２１は、セパレータ３０よりも外側に設けられている。
【００２０】
集電体４０は、カソード触媒層１３に沿って配置されている。集電体４０の少なくとも一部は、カソード触媒層１３に埋設されていてもよい。集電体４０の外周部には、セパレータ５０を介さずに燃料電池１００から電力を取り出すためのターミナル４１が設けられている。本実施例においては、ターミナル４１は、セパレータ５０よりも外側に設けられている。
【００２１】
集電体２０，４０は、厚み方向にガス透過性を有する導電性材料からなる。例えば、集電体２０，４０は、多孔質形状の導電性材料からなる。集電体２０，４０として、例えば、金属メッシュ、金属発泡焼結体、エキスパンドメタル、カーボンファイバー、カーボン焼結体等が用いられる。図２に、エキスパンドメタルの一例を示す。
【００２２】
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、エキスパンドメタルの模式的な斜視図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、エキスパンドメタルは、膜−電極接合体１０に対して突出して膜−電極接合体１０と接触する凹部２２を複数備えている。凹部２２と連続して隣接し膜−電極接合体１０と反対側に突出する凸部２３には、開口が設けられている。この開口を通って、反応ガスが膜−電極接合体１０に供給される。
【００２３】
凹部２２および凸部２３は、例えば、行と列とに規則的に配列されている。凸部２３の位置が隣接する列同士で異なっていると、膜−電極接合体１０の全体に反応ガスを供給することができる。例えば、凹部２２および凸部２３は、０．５ｍｍ程度のピッチで配列されている。エキスパンドメタルは、凹凸が繰り返し形成された金型を用いて加工することができる。
【００２４】
凹部２２の底面は、膜−電極接合体１０に対して傾斜している。したがって、凹部２２は、底面の全体が膜−電極接合体１０と接しているわけではなく、一部が膜−電極接合体１０と接触している。それにより、エキスパンドメタルに供給された反応ガスを膜−電極接合体１０に供給しやすくなる。凹部２２の底面は、例えば矩形状を有している。
【００２５】
セパレータ３０，５０は、外周部において膜−電極接合体１０に対して突出して接触する接触部を有する。それにより、セパレータ３０と膜−電極接合体１０との間に燃料ガス流動用の空間部３１が画定される。また、セパレータ５０と膜−電極接合体１０との間に酸化剤ガス流動用の空間部５１が画定される。なお、セパレータ３０，５０は、反応ガスの流動を阻害しない範囲で、外周部以外に膜−電極接合体１０と接触する接触部を有していてもよい。ただし、反応ガスの膜−電極接合体１０への拡散性を考慮すると、膜−電極接合体１０の全面またはほぼ全面にわたって反応ガス流動用の空間部が形成されていることが好ましい。
【００２６】
燃料ガス流動用の空間部３１には、水素タンク等の燃料ガス供給手段１１０が接続されている。酸化剤ガス流動用の空間部５１には、エアポンプ等の酸化剤ガス供給手段１２０が接続されている。
【００２７】
続いて、燃料電池１００の動作の概略について説明する。燃料ガスは、燃料ガス供給手段１１０によって空間部３１に供給される。空間部３１に供給された燃料ガスは、集電体２０を透過して、アノード触媒層１２に拡散する。アノード触媒層１２において、燃料ガス中の水素はプロトンと電子とに分離する。プロトンは、電解質膜１１を伝導して、カソード触媒層１３に到達する。電子は、集電体２０によって集電されてターミナル２１を介して負荷１３０に供給された後に、集電体４０に到達する。
【００２８】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給手段１２０によって空間部５１に供給される。空間部５１に供給された酸化剤ガスは、集電体４０を透過して、カソード触媒層
１３に拡散する。カソード触媒層１３においては、酸化剤ガス中の酸素と電解質膜１１を伝導したプロトンと負荷１３０からターミナル４１に供給された電子とから水が生成される。以上の過程を経て、燃料電池１００は発電を行う。
【００２９】
本実施例に係る燃料電池１００においては、ターミナル２１，４１を介して集電がなされることから、セパレータ３０，５０に導電性が要求されない。それにより、セパレータ３０，５０として、金属に比較して軽量および低コストな材料を用いてもよい。例えば樹脂を用いることによって、セパレータ３０，５０を軽量化および低コスト化することが可能であるとともに、セパレータ３０，５０に耐食性を持たせることができる。
【００３０】
また、集電のためのセパレータ３０，５０と膜−電極接合体１０との接触が不要になるため、溝流路等のようなセパレータ３０，５０と膜−電極接合体１０との電気的な接触部が不要になる。それにより、反応ガスが反応ガス流路を流動する際の圧損が低下する。その結果、燃料電池１００の発電性能が向上する。
【００３１】
この燃料電池１００においては、空間部３１に供給される燃料ガスと空間部５１に供給される酸化剤ガスとの間に差圧が生じることがある。例えば、燃料電池１００の始動時に、空間部３１における不純物濃度を低下させるために燃料ガス圧を一時的に高める場合には、燃料ガス圧＞酸化剤ガス圧となる。また、高負荷運転時にカソード触媒層１３からの生成水の持ち去りを抑制するために酸化剤ガスの背圧を一時的に高める場合には、酸化剤ガス圧＞燃料ガス圧となる。このように差圧が生じる場合、膜−電極接合体１０および集電体２０，４０が変形してたわむことがある。そこで、本実施例においては、集電体２０，４０に引張り力を付加することによって、膜−電極接合体１０および集電体２０，４０の変形を抑制する。
【００３２】
図３は、集電体２０，４０に付加されている引張り力について説明するための図である。図３（ａ）に示すように、集電体２０，４０には、面方向において伸長する方向に引張り力が付加されている。例えば、集電体２０，４０が矩形状を有する場合に、図３（ｂ）に示すように、集電体２０，４０の各角部に引張り力を付加してもよい。また、図３（ｃ）に示すように、集電体２０，４０の各辺に引張り力を付加してもよい。なお、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、集電体２０，４０の平面図である。
【００３３】
集電体２０，４０に引張り力を付加することによって、集電体２０，４０の変形が抑制される。この場合、集電体２０，４０のセパレータ側への浮き等を抑制することができる。それにより、膜−電極接合体１０の変形も抑制される。その結果、膜−電極接合体１０と集電体２０，４０との密着性が向上する。また、空間部３１，５１の圧損低下が抑制される。さらに、膜−電極接合体１０への機械的損傷を抑制することができる。なお、集電体２０，４０の少なくとも一部の領域の面内において伸長する方向に引張り力が付加されていれば、集電体２０，４０の変形を抑制することができる。
【００３４】
図４は、集電体２０に引っ張り力を付加する手順について説明するための図である。図４（ａ）に示すように、集電体２０に引張り力を付加したまま、ピン２４を集電体２０に貫通させてセパレータ３０の凹部に固定してもよい。この場合、ピン２４が固定手段としての機能を有する。
【００３５】
また、図４（ｂ）に示すように、集電体２０に引張り力を付加したまま、セパレータ３０の端部および集電体２０の端部を共に加締める。それにより、集電体２０に引張り力を付加した状態でセパレータ３０に固定することができる。
【００３６】
また、図４（ｃ）に示すように、集電体２０に引張り力を付加したまま、セパレータ３０に接着、溶接、拡散接合等によって固定してもよい。
【００３７】
また、図４（ｄ）に示すように、加熱によって集電体２０を膨張させた状態でセパレータ３０に接合等によって固定し、集電体２０を冷却してもよい。この場合、熱収縮によって集電体２０に引張り力が付加される。
【００３８】
また、図４（ｅ）に示すように、セパレータ３０の外周部の接触部の外側に突起部２５を設け、集電体２０に引張り力を付加して突起部２５に引っ掛けてもよい。この場合、集電体２０に引張り力を付加したままセパレータ３０に固定することができる。
【００３９】
なお、集電体４０に対しても、図４（ａ）〜図４（ｅ）と同様の手順に従って、引張り力を付加してセパレータ５０に固定してもよい。
【００４０】
図５は、集電体２０，４０が長方形状を有する場合の引張り方向について説明するための図である。ここで、引張り応力は、引張り力／断面積＝引張り力／（辺の長さ×厚み）で導かれる。したがって、引張り力が同じでも辺の長さに応じて引張り応力は変化する。
【００４１】
ここで、集電体２０，４０の変形を抑制するために要求される引張り力は、付加される方向にかかわらず同一である。しかしながら、引張り応力は、引張り力を付加する方向に応じて変化する。引張り応力が大きいと、集電体２０，４０の長時間使用時の耐クリープ性が低下するおそれがある。そこで、集電体２０，４０が長方形状を有する場合、長辺に対して引張り力を付加する。この場合、集電体２０，４０に付加される引張り応力を小さくすることができる。それにより、集電体２０，４０の耐クリープ性を向上させることができる。
【００４２】
集電体２０，４０は、矩形状以外の形状を有していてもよい。例えば、集電体２０，４０は、図６に示すように、略円形状を有していてもよい。この場合、引張り力は、集電体２０，４０の半径方向外向きに付加されることが好ましい。集電体２０，４０における応力集中を抑制することができるからである。また、引張り力は、集電体２０，４０の外周において等間隔に半径方向外向きの複数の方向に付加されていることがより好ましい。応力集中をより抑制することができるからである。
【００４３】
図７は、集電体２０，４０が略円形状を有する場合の固定手段について説明するための図である。図７（ａ）および図７（ｂ）は、集電体２０，４０が略円形状を有する場合の燃料電池１００の断面図および平面図である。図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、膜−電極接合体１０の外周縁部に沿って固定部材９０が配置され、この固定部材９０に所定の間隔を空けて（例えば等間隔に）固定ピン２６を配置する。集電体２０，４０には半径方向外向きに引張り力を付加し、固定ピン２６に引っ掛ける。それにより、集電体２０，４０における応力集中を抑制することができる。
【００４４】
図８は、集電体２０，４０が略円形状を有する場合の固定手段の他の例について説明するための図である。図８（ａ）および図８（ｂ）は、集電体２０，４０が略円形状を有する場合の燃料電池１００の他の例の断面図および平面図である。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、セパレータ３０，５０の接触部外側に沿って所定の間隔を空けて（例えば等間隔に）固定ピン２７を配置する。集電体２０，４０には半径方向外向きに引張り力を付加し、固定ピン２７に引っ掛ける。それにより、集電体２０，４０における応力集中を抑制することができる。
【００４５】
図９は、集電体２０，４０に付加する引張り力について説明するための図である。図９（ａ）は、燃料ガスと酸化剤ガスとの差圧等に起因してたわみが生じた場合の集電体２０，４０を示す図である。図９（ａ）において、「Ｆ」は集電体２０，４０に付加される引張り力であり、「Ｗ」は集電体２０，４０に面直方向に付加される荷重であり、「Ｌ」は集電体２０，４０のスパン（集電体長）であり、「Ｖｍａｘ」は集電体２０，４０の最大たわみ量である。
【００４６】
図９（ｂ）は、集電体２０，４０と膜−電極接合体１０との接触抵抗と、集電体２０，４０のたわみ量との関係を示す図である。図９（ｂ）において、横軸は集電体２０，４０のたわみ量を示し、縦軸は集電体２０，４０と膜−電極接合体１０との接触抵抗を示す。図９（ｂ）に示すように、接触抵抗は、所定のたわみ量までほとんど変化しないが、所定のたわみ量を超えると増加し始める。この場合のたわみ量をＶ０とする。すなわち、たわみ量Ｖ０は、接触抵抗が安定化しうる最大のたわみ量である。燃料電池１００に要求される性能の観点からすると、接触抵抗は所定値までは許容される。この場合の許容される接触抵抗に対応するたわみ量をＶ１とする。
【００４７】
集電体２０，４０に付加される引張り力は、下記式（１）のように求められる。なお、式（１）において、「Ｅ」は集電体２０，４０のヤング率であり、「ε」は集電体２０，４０の歪み量であり、「Ｌ´」は変形した集電体２０，４０の集電体長である。
Ｆ＝Ｅ・ε＝Ｅ・ΔＬ／Ｌ＝Ｅ・（Ｌ−Ｌ´）／Ｌ
＝Ｅ・（１−２Ｖｍａｘ／ｓｉｎθ）／Ｌ                （１）
【００４８】
ここで、最大たわみ量Ｖｍａｘがたわみ量Ｖ１まで許容されるとすると、下記式（２）が成立する。
Ｖ１＞Ｖｍａｘ  （２）
【００４９】
式（１）および式（２）から、下記式（３）が導かれる。また、集電体２０，４０に要求される最小の引張り力Ｆｍｉｎは、下記式（４）のように導かれる。
Ｖ１＞（Ｅ−Ｆ）・Ｌ・ｓｉｎθ／２Ｅ  （３）
４Ｅ＞Ｆｍｉｎ＞（２−Ｖ１・Ｌ・ｓｉｎθ）・２Ｅ  （４）
【００５０】
さらに、集電体２０，４０の降伏荷重をσとし、集電体２０，４０に付加される引張り力の最大値をＦｍａｘとすると、下記式（５）が成立する。
σ＞Ｆｍａｘ  （５）
【００５１】
以上のことから、集電体２０，４０に付加される引張り力Ｆは、下記式（６）の範囲の値である。
σ＞Ｆ＞（２−Ｖ１・Ｌ・ｓｉｎθ）・２Ｅ  （６）
【００５２】
上記各式において、最大たわみ量Ｖｍａｘがたわみ量Ｖ０まで許容されるとすると、各式においてＶ１がＶ０に置き換わる。
【００５３】
なお、集電体２０，４０に付加される引張り力は、集電体２０，４０の面方向成分だけではなく、燃料電池１００内における各部の積層方向成分を有していてもよい。例えば、図１０（ａ）に示すように、集電体２０，４０に付加される引張り力は、集電体２０，４０から膜−電極接合体１０に向かう成分を有していることが好ましい。この場合、集電体２０，４０と膜−電極接合体１０との密着性が向上するからである。図１０（ｂ）に示すように、複数の燃料電池１００が積層される場合においても同様に、集電体２０，４０に付加される引張り力は、集電体２０，４０から膜−電極接合体１０に向かう成分を有していることが好ましい。
【実施例２】
【００５４】
続いて、実施例２に係る燃料電池１００ａについて説明する。燃料電池１００ａは、集電体２０の引張り力を手動で調整するための調整手段を備えている。図１１は、引張り力を調整するための調整手段６０の模式図である。図１１（ａ）に示すように、調整手段６０は、集電体２０の外周端部に接続されたワイヤ等が巻かれたネジ構造を有する。調整手段６０のネジを締めることによって引張り力を増加させることができ、ネジを緩めることによって引張り力を減少させることができる。それにより、集電体２０の引張り力を適切な値に調整することができる。集電体４０に調整手段６０を接続してもよい。
【００５５】
なお、図１１（ｂ）に示すように、複数の燃料電池１００ａを積層して燃料電池スタックを構成する場合、各燃料電池１００ａに調整手段６０を設けることによって、各燃料電池１００ａの集電体２０，４０の引張り力を調整することができる。
【００５６】
また、図１１（ｃ）に示すように、各燃料電池１００ａに対して共通のバスバー６１を設け、各燃料電池１００ａの集電体の外周端部とバスバー６１とをワイヤ等によって接続してもよい。この場合、バスバー６１に引張り力を付加することによって、各集電体に引張り力を付加することができる。例えば、燃料電池スタックのケースにネジ構造の調整手段６２を固定することによって、バスバー６１に付加する引張り力を調整することができる。
【００５７】
本実施例においては、集電体２０，４０の片側に調整手段６０，６２を設けたが、両側に設けてもよい。図１１（ａ）および図１１（ｂ）のように各燃料電池１００ａに調整手段６０を設けることによって、燃料電池１００ａごとに個別に引張り力を調整することができる。一方で、図１１（ｃ）のように各燃料電池１００ａに共通の調整手段６２を設けることによって、複数の集電体の引張り力を一度に調整することができる。
【実施例３】
【００５８】
続いて、実施例３に係る燃料電池システム２００について説明する。図１２は、燃料電池システム２００の全体構成を示す模式図である。図１２に示すように、燃料電池システム２００は、燃料電池スタック２０１、圧力弁２０２〜２０５、抵抗センサ２０６および制御手段２０７を備える。燃料電池スタック２０１は、実施例１に係る燃料電池１００が複数積層されたスタック構造を有する。燃料電池スタック２０１には、各燃料電池１００の集電体２０，４０と共通に接続されたバスバー６１が設けられている。燃料電池スタック２０１のケースに、ネジ構造の調整手段６２が固定されている。調整手段６２にはモータ６３が内蔵されている。このモータ６３の回転に応じて、バスバー６１に付加する引張り力が調整される。
【００５９】
圧力弁２０２は、燃料電池スタック２０１に供給される燃料ガスの圧力を制御する圧力制御弁である。圧力弁２０３は、燃料電池スタック２０１から排出される燃料ガスのオフガスの圧力を制御する圧力制御弁である。圧力弁２０４は、燃料電池スタック２０１に供給される酸化剤ガスの圧力を制御する圧力制御弁である。圧力弁２０５は、燃料電池スタック２０１から排出される酸化剤ガスのオフガスの圧力を制御する圧力制御弁である。
【００６０】
抵抗センサ２０６は、燃料電池スタック２０１の抵抗を検出するためのセンサである。制御手段２０７は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御手段２０７は、圧力弁２０２〜２０５の制御圧力に基づいて、燃料ガス流路の圧損および酸化剤ガス流路の圧損を検知する。また、制御手段２０７は、抵抗センサ２０６の検知結果に基づいて、燃料電池スタック２０１の抵抗を検知する。制御手段２０７は、これらの検知結果に基づいて、モータ６３を制御する。
【００６１】
集電体２０，４０に付加される引張り力が減少すると、集電体２０，４０に変形が生じる。それにより、空間部３１，５１の圧損が増加する。したがって、圧損の増加に基づいて、集電体２０，４０に付加されている引張り力が不足しているか否かを判断することができる。また、集電体２０，４０に変形が生じると、集電体２０，４０と膜−電極接合体１０との間の接触抵抗が増加し、燃料電池スタック２０１の抵抗が増加する。したがって、燃料電池スタック２０１の抵抗の増加に基づいて、集電体２０，４０に付加されている引張り力が不足しているか否かを判断することができる。したがって、本実施例においては、圧力弁２０２〜２０５および抵抗センサ２０６が、集電体に要求される引張り力を検出する検出手段として機能する。
【００６２】
図１３は、燃料電池スタック２０１に許容される圧損と抵抗との関係の一例を示す図である。図１３に示すように、圧損および抵抗は、比較的低い範囲で許容される。制御手段２０７は、図１３に基づいて、引張り力が不足しているか否かを判断してもよい。
【００６３】
図１４は、制御手段２０７によって実行されるフローチャートの一例を示す図である。図１４に示すように、制御手段２０７は、圧損および抵抗を検知する（ステップＳ１）。次に、制御手段２０７は、ステップＳ１で検知された圧損および抵抗が許容範囲内に収まっているか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２において、圧損および抵抗が許容範囲内に収まっていると判定された場合、制御手段２０７は、ステップＳ１を再度実行する。
【００６４】
ステップＳ２において、圧損および抵抗が許容範囲内に収まっていると判定されなかった場合、制御手段２０７は、集電体２０，４０に必要な引張り力を取得する（ステップＳ３）。この場合、あらかじめ記憶しておいたテーブル等に基づいて引張り力を取得してもよく、上記式（１）〜（６）等に従って引張り力を算出してもよい。次に、制御手段２０７は、モータ６３を制御して、集電体２０，４０の引張り力をステップＳ３において取得した引張り力に調整する（ステップＳ４）。その後、制御手段２０７は、フローチャートの実行を終了する。
【００６５】
図１４のフローチャートによれば、集電体２０，４０に付加される引張り力を所望の範囲の値に自動的に制御することができる。それにより、経時変化を回避して、集電体２０，４０の変形を抑制することができる。その結果、反応ガス流路の圧損増加を抑制することができ、膜−電極接合体１０の機械的損傷を抑制することができ、膜−電極接合体１０と集電体２０，４０との安定した接触を維持することができる。
【００６６】
なお、上記各実施例において、集電体２０および集電体４０の両方に引張り力を付加したが、いずれか一方に付加してもよい。また、セパレータ３０，５０の代わりに、膜−電極接合体１０側の面に溝流路が形成されたセパレータを用いてもよい。この場合においても、集電体に引張り力を付加することによって、溝流路の各溝部において集電体の変形を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】実施例１に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図２】エキスパンドメタルの模式的な斜視図である。
【図３】集電体に付加されている引張り力について説明するための図である。
【図４】集電体に引っ張り力を付加する手順について説明するための図である。
【図５】集電体が長方形状を有する場合の引張り方向について説明するための図である。
【図６】集電体が略円形状を有する場合の引張り方向について説明するための図である。
【図７】集電体が略円形状を有する場合の固定手段について説明するための図である。
【図８】集電体が略円形状を有する場合の固定手段の他の例について説明するための図である。
【図９】集電体に付加する引張り力について説明するための図である。
【図１０】引張り力の積層方向成分について説明するための図である。
【図１１】引張り力を調整するための調整手段の模式図である。
【図１２】実施例３に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図１３】燃料電池スタックに許容される圧損と抵抗との関係の一例を示す図である。
【図１４】制御手段によって実行されるフローチャートの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０  膜−電極接合体
１１  電解質膜
１２  アノード触媒層
１３  カソード触媒層
２０  集電体
２１  ターミナル
３０  セパレータ
４０  集電体
４１  ターミナル
５０  セパレータ
１００  燃料電池
１１０  燃料ガス供給手段
１２０  酸化剤ガス供給手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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