JP5509572B2 - Fuel cell and fuel cell manufacturing method - Google Patents

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本発明は、燃料電池および燃料電池の製造方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing the fuel cell.

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。   A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.

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。   The fuel cell includes, for example, an electrolyte membrane having proton conductivity, a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer disposed along the electrolyte membrane, and a separator disposed on the opposite side of each catalyst layer from the electrolyte membrane. Prepare. In such a fuel cell, an oxidant gas is supplied to the cathode catalyst layer, and a fuel gas is supplied to the anode catalyst layer. Thereby, power generation is performed.

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。   Patent Document 1 discloses a fuel cell in which a current collector is embedded in a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer. According to this fuel cell, the gas diffusion layer, the separator and the like need not have a current collecting function. Therefore, it is not necessary to bring the membrane-electrode assembly and the separator into contact with each other for current collection, so that the pitch of the reaction gas channel can be increased.

特開2005−174872号公報JP-A-2005-174872

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。   However, if a differential pressure is generated between the fuel gas and the oxidant gas flowing across the membrane-electrode assembly, the current collector and the membrane-electrode assembly may be deformed and sag toward the reaction gas flow path. Conceivable. In this case, it is considered that the pressure loss of the reaction gas channel increases. In addition, mechanical damage may occur in the membrane-electrode assembly due to stress caused by sagging. Furthermore, there is a possibility that stable contact between the membrane-electrode assembly and the current collector cannot be ensured.

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。   An object of this invention is to provide the fuel cell which can suppress a deformation | transformation of a collector and a membrane-electrode assembly, and its manufacturing method.

本発明に係る燃料電池は、電解質として固体高分子電解質膜を含む膜−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、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と、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と、を備え、引張り力は、集電体から膜−電極接合体への力成分を有し、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、所定の範囲は、σ>F>(2−V・L・sinθ)・2Eで表されることを特徴とするものである。ただし、σは前記集電体の降伏荷重であり、Fは引張り力であり、Vは膜−電極接合体と集電体との接触抵抗が安定化するたわみ量であり、Lは集電体長であり、θは集電体の固定部分と引張り力とがなす角度であり、Eは集電体のヤング率である。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。 A fuel cell according to the present invention includes a membrane-electrode assembly including a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte, and is disposed on at least one surface of the membrane-electrode assembly and has gas permeability in the thickness direction and has at least a partial region. A current collector to which a tensile force is applied in a direction extending in the plane, a fixing means for fixing the current collector in a state in which a tensile force is applied to the current collector, and a tension applied to the current collector Adjusting means for adjusting the force, the tensile force has a force component from the current collector to the membrane-electrode assembly, and the adjusting means determines the tensile force applied to the current collector to a predetermined value. The predetermined range is expressed by σ>F> (2-V · L · sin θ) · 2E. Where σ is the yield load of the current collector, F is the tensile force, V is the amount of deflection that stabilizes the contact resistance between the membrane-electrode assembly and the current collector , and L is the current collector length. Is the angle formed by the fixed portion of the current collector and the tensile force, and E is the Young's modulus of the current collector. In the fuel cell according to the present invention, since the tensile force is applied to the current collector, deformation of the current collector and the membrane-electrode assembly can be suppressed.

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。 The separator may be provided on the opposite side of the current collector from the membrane-electrode assembly, and the separator may have a crimped portion in which the current collector is crimped to the separator.

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。   The current collector has a rectangular shape, and the tensile force may be applied in a direction in which the two long sides of the current collector are separated from each other. In this case, the tensile stress can be reduced with a predetermined tensile force applied to the current collector. Thereby, the creep resistance of the current collector can be improved. The current collector may have a substantially circular shape, and the tensile force may be applied radially outward in a substantially circular shape. In this case, stress concentration in the current collector can be suppressed.

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。本発明に係る他の燃料電池は、電解質として固体高分子電解質膜を含む膜−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、引張り力は、σ>F>(2−V・L・sinθ)・2Eで表されることを特徴とするものである。ただし、σは集電体の降伏荷重であり、Fは引張り力であり、Vは膜−電極接合体と集電体との接触抵抗が安定化するたわみ量であり、Lは集電体長であり、θは集電体の固定部分と引張り力とがなす角度であり、Eは集電体のヤング率である。 Detection means for detecting a tensile force required for the current collector may be provided, and the adjustment means may adjust the tensile force applied to the current collector to the tensile force detected by the detection means. The detection means may detect a tensile force necessary for the current collector based on the resistance of the membrane-electrode assembly or the pressure loss of the reaction gas flow path of the fuel cell. A terminal for taking out the generated power in the membrane-electrode assembly may be provided on the outer periphery of the current collector. Another fuel cell according to the present invention is disposed on at least one surface of a membrane-electrode assembly including a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte and the membrane-electrode assembly, and has gas permeability in the thickness direction. And a current collector to which a tensile force is applied in the direction of extension in the plane of the part region, and the tensile force is represented by σ>F> (2-V · L · sin θ) · 2E It is characterized by. Where σ is the yield load of the current collector, F is the tensile force, V is the amount of deflection that stabilizes the contact resistance between the membrane-electrode assembly and the current collector , and L is the current collector length. Yes, θ is the angle formed by the fixed portion of the current collector and the tensile force, and E is the Young's modulus of the current collector.

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、集電体を電解質として固体高分子電解質膜を含む膜−電極接合体の少なくとも一面に積層する工程と、を含み、集電体に付加される引張り力をσ>F>(2−V・L・sinθ)・2Eとすることを特徴とするものである。ただし、σは集電体の降伏荷重であり、Fは引張り力であり、Vは膜−電極接合体と集電体との接触抵抗が安定化するたわみ量であり、Lは集電体長であり、θは集電体の固定部分と引張り力とがなす角度であり、Eは集電体のヤング率である。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。 The method of manufacturing a fuel cell according to the present invention includes a step of heating a current-permeable current collector in a thickness direction, a step of fixing at least two points of the heated current collector, and fixing at least two points. A step of cooling the current collector, and a step of laminating the current collector as an electrolyte on at least one surface of a membrane-electrode assembly including a solid polymer electrolyte membrane, and a tensile force applied to the current collector σ>F> (2−V · L · sin θ) · 2E. Where σ is the yield load of the current collector, F is the tensile force, V is the amount of deflection that stabilizes the contact resistance between the membrane-electrode assembly and the current collector , and L is the current collector length. Yes, θ is the angle formed by the fixed portion of the current collector and the tensile force, and E is the Young's modulus of the current collector. In the fuel cell manufacturing method according to the present invention, the current collector can be expanded by heating, and a tensile force can be applied to the current collector by cooling. Thereby, deformation of the current collector and the membrane-electrode assembly can be suppressed.

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、電解質として固体高分子電解質膜を含む膜−電極接合体の少なくとも一面に積層する工程と、を含み、集電体に付加される引張り力をσ>F>(2−V・L・sinθ)・2Eとすることを特徴とするものである。ただし、σは集電体の降伏荷重であり、Fは引張り力であり、Vは膜−電極接合体と集電体との接触抵抗が安定化するたわみ量であり、Lは集電体長であり、θは集電体の固定部分と引張り力とがなす角度であり、Eは集電体のヤング率である。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。 Another method for manufacturing a fuel cell according to the present invention includes a step of applying a tensile force in a direction in which a current-permeable current collector in a thickness direction extends in a plane in at least a part of the current collector, A step of fixing the current collector in a state where a tensile force is applied, and a step of laminating the current collector on at least one surface of a membrane-electrode assembly including a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte. The tensile force applied to σ>F> (2−V · L · sin θ) · 2E. Where σ is the yield load of the current collector, F is the tensile force, V is the amount of deflection that stabilizes the contact resistance between the membrane-electrode assembly and the current collector , and L is the current collector length. Yes, θ is the angle formed by the fixed portion of the current collector and the tensile force, and E is the Young's modulus of the current collector. In another method for producing a fuel cell according to the present invention, a tensile force can be applied to the current collector. Thereby, deformation of the membrane-electrode assembly and the current collector can be suppressed.

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。   According to the present invention, deformation of the current collector and the membrane-electrode assembly can be suppressed.

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.

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。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell 100 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell 100 has a structure in which a current collector 20 and a separator 30 are stacked on one surface of a membrane-electrode assembly 10 and a current collector 40 and a separator 50 are stacked on the other surface.

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。   The membrane-electrode assembly 10 has a structure in which the anode catalyst layer 12 is joined to the current collector 20 side of the electrolyte membrane 11 and the cathode catalyst layer 13 is joined to the current collector 40 side of the electrolyte membrane 11. For example, a solid polymer electrolyte having proton conductivity can be used as the electrolyte membrane 11. The anode catalyst layer 12 and the cathode catalyst layer 13 are made of a conductive material containing a catalyst. The catalyst of the anode catalyst layer 12 promotes protonation of hydrogen. The catalyst of the cathode catalyst layer 13 promotes the reaction between protons and oxygen. As the anode catalyst layer 12 and the cathode catalyst layer 13, for example, platinum-supported carbon can be used.

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。   The current collector 20 is disposed along the anode catalyst layer 12. At least a part of the current collector 20 may be embedded in the anode catalyst layer 12. A terminal 21 for taking out electric power from the fuel cell 100 without using the separator 30 is provided on the outer peripheral portion of the current collector 20. In the present embodiment, the terminal 21 is provided outside the separator 30.

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。   The current collector 40 is disposed along the cathode catalyst layer 13. At least a part of the current collector 40 may be embedded in the cathode catalyst layer 13. A terminal 41 for taking out electric power from the fuel cell 100 without using the separator 50 is provided on the outer periphery of the current collector 40. In the present embodiment, the terminal 41 is provided outside the separator 50.

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。   The current collectors 20 and 40 are made of a conductive material having gas permeability in the thickness direction. For example, the current collectors 20 and 40 are made of a porous conductive material. As the current collectors 20 and 40, for example, a metal mesh, a metal foam sintered body, an expanded metal, a carbon fiber, a carbon sintered body, or the like is used. FIG. 2 shows an example of expanded metal.

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。   Fig.2 (a)-FIG.2 (c) are typical perspective views of an expanded metal. As shown in FIGS. 2A to 2C, the expanded metal includes a plurality of recesses 22 that protrude from the membrane-electrode assembly 10 and come into contact with the membrane-electrode assembly 10. An opening is provided in the convex portion 23 that is continuously adjacent to the concave portion 22 and protrudes to the opposite side of the membrane-electrode assembly 10. The reaction gas is supplied to the membrane-electrode assembly 10 through this opening.

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。   The concave portions 22 and the convex portions 23 are regularly arranged in rows and columns, for example. When the positions of the convex portions 23 are different between adjacent rows, the reaction gas can be supplied to the entire membrane-electrode assembly 10. For example, the concave portions 22 and the convex portions 23 are arranged at a pitch of about 0.5 mm. The expanded metal can be processed using a mold in which irregularities are repeatedly formed.

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。   The bottom surface of the recess 22 is inclined with respect to the membrane-electrode assembly 10. Accordingly, the entire bottom surface of the recess 22 is not in contact with the membrane-electrode assembly 10, but a part thereof is in contact with the membrane-electrode assembly 10. This makes it easier to supply the reaction gas supplied to the expanded metal to the membrane-electrode assembly 10. The bottom surface of the recess 22 has, for example, a rectangular shape.

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。   Separator 30,50 has a contact part which protrudes and contacts with membrane-electrode assembly 10 in an outer peripheral part. Thereby, a space 31 for fuel gas flow is defined between the separator 30 and the membrane-electrode assembly 10. A space 51 for flowing an oxidant gas is defined between the separator 50 and the membrane-electrode assembly 10. In addition, the separators 30 and 50 may have a contact portion that contacts the membrane-electrode assembly 10 in addition to the outer peripheral portion as long as the flow of the reaction gas is not hindered. However, in consideration of the diffusibility of the reaction gas into the membrane-electrode assembly 10, it is preferable that a reaction gas flow space is formed over the entire surface or almost the entire surface of the membrane-electrode assembly 10.

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。   A fuel gas supply means 110 such as a hydrogen tank is connected to the space 31 for flowing the fuel gas. An oxidant gas supply means 120 such as an air pump is connected to the oxidant gas flow space 51.

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。   Next, an outline of the operation of the fuel cell 100 will be described. The fuel gas is supplied to the space 31 by the fuel gas supply means 110. The fuel gas supplied to the space 31 passes through the current collector 20 and diffuses into the anode catalyst layer 12. In the anode catalyst layer 12, hydrogen in the fuel gas is separated into protons and electrons. Protons are conducted through the electrolyte membrane 11 and reach the cathode catalyst layer 13. The electrons are collected by the current collector 20 and supplied to the load 130 via the terminal 21, and then reach the current collector 40.

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。
The oxidant gas is supplied to the space 51 by the oxidant gas supply means 120. The oxidant gas supplied to the space 51 passes through the current collector 40 and diffuses into the cathode catalyst layer 13. In the cathode catalyst layer 13, water is generated from oxygen in the oxidant gas, protons conducted through the electrolyte membrane 11, and electrons supplied from the load 130 to the terminal 41. Through the above process, the fuel cell 100 generates power.

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。   In the fuel cell 100 according to the present embodiment, the current is collected through the terminals 21 and 41, so that the separators 30 and 50 do not require conductivity. Accordingly, as the separators 30 and 50, materials that are lighter and lower in cost than metals may be used. For example, by using a resin, the separators 30 and 50 can be reduced in weight and cost, and the separators 30 and 50 can have corrosion resistance.

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。   Further, since the contact between the separators 30 and 50 for current collection and the membrane-electrode assembly 10 is not necessary, the electrical connection between the separators 30 and 50 and the membrane-electrode assembly 10 such as a groove channel is made. A contact part is unnecessary. Thereby, the pressure loss when the reaction gas flows through the reaction gas flow path is reduced. As a result, the power generation performance of the fuel cell 100 is improved.

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。   In the fuel cell 100, a differential pressure may occur between the fuel gas supplied to the space portion 31 and the oxidant gas supplied to the space portion 51. For example, when the fuel cell pressure is temporarily increased at the time of starting the fuel cell 100 in order to reduce the impurity concentration in the space 31, the fuel gas pressure> the oxidant gas pressure. Further, when the back pressure of the oxidant gas is temporarily increased in order to suppress the removal of generated water from the cathode catalyst layer 13 during a high load operation, the oxidant gas pressure> the fuel gas pressure. When the differential pressure is generated as described above, the membrane-electrode assembly 10 and the current collectors 20 and 40 may be deformed and bent. Therefore, in this embodiment, by applying a tensile force to the current collectors 20 and 40, deformation of the membrane-electrode assembly 10 and the current collectors 20 and 40 is suppressed.

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。   FIG. 3 is a diagram for explaining the tensile force applied to the current collectors 20 and 40. As shown in FIG. 3A, a tensile force is applied to the current collectors 20 and 40 in a direction extending in the surface direction. For example, when the current collectors 20 and 40 have a rectangular shape, a tensile force may be applied to each corner of the current collectors 20 and 40 as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 3C, a tensile force may be applied to each side of the current collectors 20 and 40. 3B and 3C are plan views of the current collectors 20 and 40. FIG.

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。   By applying a tensile force to the current collectors 20 and 40, deformation of the current collectors 20 and 40 is suppressed. In this case, floating of the current collectors 20 and 40 toward the separator can be suppressed. Thereby, deformation of the membrane-electrode assembly 10 is also suppressed. As a result, the adhesion between the membrane-electrode assembly 10 and the current collectors 20 and 40 is improved. Moreover, the pressure loss fall of the space parts 31 and 51 is suppressed. Furthermore, mechanical damage to the membrane-electrode assembly 10 can be suppressed. In addition, if the tensile force is added to the direction extended in the surface of the at least one part area | region of the collectors 20 and 40, the deformation | transformation of the collectors 20 and 40 can be suppressed.

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。   FIG. 4 is a diagram for explaining a procedure for applying a tensile force to the current collector 20. As shown in FIG. 4A, the pin 24 may be passed through the current collector 20 and fixed to the recess of the separator 30 while applying a tensile force to the current collector 20. In this case, the pin 24 has a function as a fixing means.

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。   Further, as shown in FIG. 4B, the end of the separator 30 and the end of the current collector 20 are both crimped while applying a tensile force to the current collector 20. As a result, the current collector 20 can be fixed to the separator 30 with a tensile force applied.

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。   Moreover, as shown in FIG.4 (c), you may fix to the separator 30 by adhesion | attachment, welding, diffusion bonding, etc., adding the tensile force to the electrical power collector 20. FIG.

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。   Further, as shown in FIG. 4D, the current collector 20 may be cooled by being fixed to the separator 30 by bonding or the like in a state where the current collector 20 is expanded by heating. In this case, a tensile force is applied to the current collector 20 by heat shrinkage.

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。   Further, as shown in FIG. 4E, a protrusion 25 may be provided outside the contact portion of the outer peripheral portion of the separator 30, and a tensile force may be applied to the current collector 20 to be hooked on the protrusion 25. In this case, the current collector 20 can be fixed to the separator 30 with a tensile force applied.

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。   Note that the current collector 40 may also be fixed to the separator 50 by applying a tensile force according to the same procedure as in FIGS. 4A to 4E.

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。   FIG. 5 is a diagram for explaining the pulling direction when the current collectors 20 and 40 have a rectangular shape. Here, the tensile stress is derived from tensile force / cross-sectional area = tensile force / (length of side × thickness). Therefore, even if the tensile force is the same, the tensile stress changes according to the length of the side.

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。   Here, the tensile force required to suppress the deformation of the current collectors 20 and 40 is the same regardless of the direction in which they are applied. However, the tensile stress varies depending on the direction in which the tensile force is applied. If the tensile stress is large, the creep resistance of the current collectors 20 and 40 when used for a long time may be lowered. Therefore, when the current collectors 20 and 40 have a rectangular shape, a tensile force is applied to the long side. In this case, the tensile stress applied to the current collectors 20 and 40 can be reduced. Thereby, the creep resistance of the current collectors 20 and 40 can be improved.

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。   The current collectors 20 and 40 may have a shape other than a rectangular shape. For example, the current collectors 20 and 40 may have a substantially circular shape as shown in FIG. In this case, the tensile force is preferably applied outward in the radial direction of the current collectors 20 and 40. This is because the stress concentration in the current collectors 20 and 40 can be suppressed. Moreover, it is more preferable that the tensile force is applied in a plurality of radially outward directions at equal intervals on the outer circumferences of the current collectors 20 and 40. This is because the stress concentration can be further suppressed.

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。   FIG. 7 is a diagram for explaining the fixing means when the current collectors 20 and 40 have a substantially circular shape. FIG. 7A and FIG. 7B are a cross-sectional view and a plan view of the fuel cell 100 when the current collectors 20 and 40 have a substantially circular shape. As shown in FIGS. 7A and 7B, a fixing member 90 is disposed along the outer peripheral edge of the membrane-electrode assembly 10, and a predetermined interval is provided between the fixing member 90 (for example, etc.). A fixed pin 26 is arranged (at intervals). A tensile force is applied outwardly in the radial direction to the current collectors 20 and 40 and hooked on the fixing pin 26. Thereby, stress concentration in the current collectors 20 and 40 can be suppressed.

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。   FIG. 8 is a diagram for explaining another example of the fixing means when the current collectors 20 and 40 have a substantially circular shape. FIGS. 8A and 8B are a cross-sectional view and a plan view of another example of the fuel cell 100 when the current collectors 20 and 40 have a substantially circular shape. As shown in FIGS. 8A and 8B, the fixing pins 27 are arranged at predetermined intervals (for example, at equal intervals) along the outside of the contact portions of the separators 30 and 50. A tensile force is applied to the current collectors 20, 40 outward in the radial direction and hooked on the fixing pin 27. Thereby, stress concentration in the current collectors 20 and 40 can be suppressed.

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。   FIG. 9 is a diagram for explaining the tensile force applied to the current collectors 20 and 40. FIG. 9A is a diagram showing the current collectors 20 and 40 when the deflection is caused by the differential pressure between the fuel gas and the oxidant gas. In FIG. 9A, “F” is a tensile force applied to the current collectors 20 and 40, “W” is a load applied to the current collectors 20 and 40 in the direction perpendicular to the surface, and “L” "Is the span (current collector length) of the current collectors 20 and 40, and" Vmax "is the maximum deflection amount of the current collectors 20 and 40.

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Vとする。すなわち、たわみ量V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Vとする。 FIG. 9B is a diagram showing the relationship between the contact resistance between the current collectors 20 and 40 and the membrane-electrode assembly 10 and the amount of deflection of the current collectors 20 and 40. In FIG. 9B, the horizontal axis indicates the amount of deflection of the current collectors 20 and 40, and the vertical axis indicates the contact resistance between the current collectors 20 and 40 and the membrane-electrode assembly 10. As shown in FIG. 9B, the contact resistance hardly changes up to a predetermined deflection amount, but starts to increase when the predetermined deflection amount is exceeded. The amount of deflection in this case is V 0 . That is, the deflection amount V 0 is the maximum deflection amount that can stabilize the contact resistance. From the viewpoint of performance required for the fuel cell 100, the contact resistance is allowed up to a predetermined value. The allowable deflection amount corresponding to the contact resistance is in this case a V 1.

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)
The tensile force applied to the current collectors 20 and 40 is obtained as shown in the following formula (1). In Equation (1), “E” is the Young's modulus of the current collectors 20 and 40, “ε” is the strain amount of the current collectors 20 and 40, and “L ′” is the deformed current collector. The current collector length is 20, 40.
F = E · ε = E · ΔL / L = E · (L−L ′) / L
= E · (1-2Vmax / sinθ) / L (1)

ここで、最大たわみ量Vmaxがたわみ量Vまで許容されるとすると、下記式(2)が成立する。
>Vmax (2)
Here, when the maximum deflection amount Vmax is allowed to deflection of V 1, the following formula (2) is satisfied.
V 1 > Vmax (2)

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。
>(E−F)・L・sinθ/2E (3)
4E>Fmin>(2−V・L・sinθ)・2E (4)
The following equation (3) is derived from the equations (1) and (2). Further, the minimum tensile force Fmin required for the current collectors 20 and 40 is derived from the following equation (4).
V 1 > (E−F) · L · sin θ / 2E (3)
4E>Fmin> (2-V 1 · L · sin θ) · 2E (4)

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)
Further, when the yield load of the current collectors 20 and 40 is σ and the maximum value of the tensile force applied to the current collectors 20 and 40 is Fmax, the following formula (5) is established.
σ> Fmax (5)

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−V・L・sinθ)・2E (6)
From the above, the tensile force F applied to the current collectors 20 and 40 is a value in the range of the following formula (6).
σ>F> (2-V 1 · L · sin θ) · 2E (6)

上記各式において、最大たわみ量Vmaxがたわみ量Vまで許容されるとすると、各式においてVがVに置き換わる。 In each of the above equations, if the maximum deflection amount Vmax is allowed up to the deflection amount V 0 , V 1 is replaced with V 0 in each equation.

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。   Note that the tensile force applied to the current collectors 20, 40 may have not only the surface direction components of the current collectors 20, 40 but also the stacking direction components of each part in the fuel cell 100. For example, as shown in FIG. 10A, the tensile force applied to the current collectors 20 and 40 preferably has a component from the current collectors 20 and 40 toward the membrane-electrode assembly 10. . This is because the adhesion between the current collectors 20 and 40 and the membrane-electrode assembly 10 is improved. As shown in FIG. 10B, similarly, when a plurality of fuel cells 100 are stacked, the tensile force applied to the current collectors 20, 40 is applied from the current collectors 20, 40 to the membrane-electrode joint. It is preferable to have a component toward the body 10.

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。   Next, the fuel cell 100a according to Example 2 will be described. The fuel cell 100a includes an adjusting unit for manually adjusting the tensile force of the current collector 20. FIG. 11 is a schematic diagram of the adjusting means 60 for adjusting the tensile force. As shown in FIG. 11A, the adjusting means 60 has a screw structure in which a wire or the like connected to the outer peripheral end of the current collector 20 is wound. The tensile force can be increased by tightening the screw of the adjusting means 60, and the tensile force can be decreased by loosening the screw. Thereby, the tensile force of the current collector 20 can be adjusted to an appropriate value. The adjusting means 60 may be connected to the current collector 40.

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。   As shown in FIG. 11B, when a fuel cell stack is configured by stacking a plurality of fuel cells 100a, the current collector of each fuel cell 100a is provided by providing the adjustment means 60 in each fuel cell 100a. The tensile force of 20, 40 can be adjusted.

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。   Also, as shown in FIG. 11C, a common bus bar 61 is provided for each fuel cell 100a, and the outer peripheral end of the current collector of each fuel cell 100a and the bus bar 61 are connected by a wire or the like. Good. In this case, a tensile force can be applied to each current collector by applying a tensile force to the bus bar 61. For example, the tensile force applied to the bus bar 61 can be adjusted by fixing the adjusting means 62 having a screw structure to the case of the fuel cell stack.

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。   In this embodiment, the adjusting means 60, 62 are provided on one side of the current collectors 20, 40, but may be provided on both sides. By providing the adjustment means 60 in each fuel cell 100a as shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b), the tensile force can be individually adjusted for each fuel cell 100a. On the other hand, as shown in FIG. 11 (c), by providing the common adjustment means 62 for each fuel cell 100a, it is possible to adjust the tensile force of a plurality of current collectors at a time.

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。   Next, the fuel cell system 200 according to Example 3 will be described. FIG. 12 is a schematic diagram showing the overall configuration of the fuel cell system 200. As shown in FIG. 12, the fuel cell system 200 includes a fuel cell stack 201, pressure valves 202 to 205, a resistance sensor 206, and control means 207. The fuel cell stack 201 has a stack structure in which a plurality of fuel cells 100 according to the first embodiment are stacked. The fuel cell stack 201 is provided with a bus bar 61 connected in common with the current collectors 20 and 40 of each fuel cell 100. A screw structure adjusting means 62 is fixed to the case of the fuel cell stack 201. The adjusting means 62 has a built-in motor 63. The tensile force applied to the bus bar 61 is adjusted according to the rotation of the motor 63.

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。   The pressure valve 202 is a pressure control valve that controls the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 201. The pressure valve 203 is a pressure control valve that controls the off-gas pressure of the fuel gas discharged from the fuel cell stack 201. The pressure valve 204 is a pressure control valve that controls the pressure of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 201. The pressure valve 205 is a pressure control valve that controls the off-gas pressure of the oxidant gas discharged from the fuel cell stack 201.

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。   The resistance sensor 206 is a sensor for detecting the resistance of the fuel cell stack 201. The control means 207 includes a CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory) and the like. The control means 207 detects the pressure loss of the fuel gas channel and the pressure loss of the oxidant gas channel based on the control pressure of the pressure valves 202 to 205. Further, the control unit 207 detects the resistance of the fuel cell stack 201 based on the detection result of the resistance sensor 206. The control means 207 controls the motor 63 based on these detection results.

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。   When the tensile force applied to the current collectors 20 and 40 is reduced, the current collectors 20 and 40 are deformed. Thereby, the pressure loss of the space parts 31 and 51 increases. Therefore, based on the increase in pressure loss, it can be determined whether or not the tensile force applied to the current collectors 20 and 40 is insufficient. Further, when the current collectors 20 and 40 are deformed, the contact resistance between the current collectors 20 and 40 and the membrane-electrode assembly 10 increases, and the resistance of the fuel cell stack 201 increases. Therefore, based on the increase in resistance of the fuel cell stack 201, it can be determined whether or not the tensile force applied to the current collectors 20 and 40 is insufficient. Therefore, in this embodiment, the pressure valves 202 to 205 and the resistance sensor 206 function as detection means for detecting the tensile force required for the current collector.

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。   FIG. 13 is a diagram showing an example of the relationship between the pressure loss and resistance allowed for the fuel cell stack 201. As shown in FIG. 13, pressure loss and resistance are allowed in a relatively low range. The control means 207 may determine whether or not the tensile force is insufficient based on FIG.

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。   FIG. 14 is a diagram illustrating an example of a flowchart executed by the control unit 207. As shown in FIG. 14, the control means 207 detects pressure loss and resistance (step S1). Next, the control means 207 determines whether or not the pressure loss and resistance detected in step S1 are within an allowable range (step S2). When it is determined in step S2 that the pressure loss and the resistance are within the allowable ranges, the control unit 207 executes step S1 again.

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。   If it is not determined in step S2 that the pressure loss and the resistance are within the allowable ranges, the control unit 207 acquires the tensile force required for the current collectors 20 and 40 (step S3). In this case, the tensile force may be acquired based on a table stored in advance, or the tensile force may be calculated according to the above formulas (1) to (6). Next, the control means 207 controls the motor 63 to adjust the tensile force of the current collectors 20 and 40 to the tensile force acquired in step S3 (step S4). Thereafter, the control unit 207 ends the execution of the flowchart.

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。   According to the flowchart of FIG. 14, the tensile force applied to the current collectors 20 and 40 can be automatically controlled to a desired range of values. Thereby, a change with time can be avoided and deformation of the current collectors 20 and 40 can be suppressed. As a result, an increase in pressure loss in the reaction gas channel can be suppressed, mechanical damage of the membrane-electrode assembly 10 can be suppressed, and the stability of the membrane-electrode assembly 10 and the current collectors 20 and 40 can be stabilized. Contact can be maintained.

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。   In addition, in each said Example, although tensile force was added to both the collector 20 and the collector 40, you may add to any one. Instead of the separators 30 and 50, a separator having a groove channel formed on the surface on the membrane-electrode assembly 10 side may be used. Even in this case, deformation of the current collector can be suppressed in each groove portion of the groove flow path by applying a tensile force to the current collector.

実施例1に係る燃料電池の模式的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell according to Example 1. FIG. エキスパンドメタルの模式的な斜視図である。It is a typical perspective view of an expanded metal. 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。It is a figure for demonstrating the tensile force added to the electrical power collector. 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。It is a figure for demonstrating the procedure which adds tensile force to a collector. 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。It is a figure for demonstrating the pulling direction in case a collector has rectangular shape. 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。It is a figure for demonstrating the pulling direction in case a collector has a substantially circular shape. 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。It is a figure for demonstrating a fixing means in case a collector has a substantially circular shape. 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。It is a figure for demonstrating the other example of a fixing means in case a collector has a substantially circular shape. 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。It is a figure for demonstrating the tensile force added to a collector. 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。It is a figure for demonstrating the lamination direction component of tensile force. 引張り力を調整するための調整手段の模式図である。It is a schematic diagram of the adjustment means for adjusting tensile force. 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。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a fuel cell system according to Example 3. 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。It is a figure which shows an example of the relationship between the pressure loss and resistance which are accept | permitted by a fuel cell stack. 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。It is a figure which shows an example of the flowchart performed by a control means.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Membrane-electrode assembly 11 Electrolyte membrane 12 Anode catalyst layer 13 Cathode catalyst layer 20 Current collector 21 Terminal 30 Separator 40 Current collector 41 Terminal 50 Separator 100 Fuel cell 110 Fuel gas supply means 120 Oxidant gas supply means

Claims (10)

電解質として固体高分子電解質膜を含む膜−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、
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と、
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と、を備え、
前記引張り力は、前記集電体から前記膜−電極接合体への力成分を有し、
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し、
前記所定の範囲は、σ>F>(2−V・L・sinθ)・2Eで表されることを特徴とする燃料電池。
ただし、σは前記集電体の降伏荷重であり、Fは前記引張り力であり、Vは前記膜−電極接合体と前記集電体との接触抵抗が安定化するたわみ量であり、Lは集電体長であり、θは前記集電体の固定部分と前記引張り力とがなす角度であり、Eは前記集電体のヤング率である。
A membrane-electrode assembly including a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte;
A current collector disposed on at least one surface of the membrane-electrode assembly, having gas permeability in the thickness direction, and having a tensile force applied in a direction extending in the plane of at least a part of the region;
Fixing means for fixing the current collector in a state where the tensile force is applied to the current collector;
Adjusting means for adjusting the tensile force applied to the current collector,
The tensile force has a force component from the current collector to the membrane-electrode assembly,
The adjusting means adjusts the tensile force applied to the current collector to a predetermined range,
The predetermined range is expressed by σ>F> (2-V · L · sin θ) · 2E.
Where σ is the yield load of the current collector, F is the tensile force, V is the amount of deflection that stabilizes the contact resistance between the membrane-electrode assembly and the current collector , and L is The current collector length, θ is an angle formed by a fixed portion of the current collector and the tensile force, and E is a Young's modulus of the current collector.
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。
A separator disposed on the side of the current collector opposite to the membrane-electrode assembly,
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the separator includes a crimped portion in which the current collector is crimped to the separator.
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。
The current collector has a rectangular shape,
The fuel cell according to claim 1, wherein the tensile force is applied in a direction in which two long sides of the current collector are separated from each other.
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。
The current collector has a substantially circular shape,
The fuel cell according to claim 1, wherein the tensile force is applied outward in the radial direction of the substantially circular shape.
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1〜4のいずれかに記載の燃料電池。
Comprising detection means for detecting a tensile force required for the current collector;
The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the adjusting means adjusts a tensile force applied to the current collector to a tensile force detected by the detecting means.
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5記載の燃料電池。   The said detection means detects the tensile force required for the said collector based on the resistance of the said membrane-electrode assembly, or the pressure loss of the reaction gas flow path of the said fuel cell. Fuel cell. 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1〜6のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein a terminal for taking out generated electric power in the membrane-electrode assembly is provided on an outer peripheral portion of the current collector. 電解質として固体高分子電解質膜を含む膜−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、
前記引張り力は、σ>F>(2−V・L・sinθ)・2Eで表されることを特徴とする燃料電池。
ただし、σは前記集電体の降伏荷重であり、Fは前記引張り力であり、Vは前記膜−電極接合体と前記集電体との接触抵抗が安定化するたわみ量であり、Lは集電体長であり、θは前記集電体の固定部分と前記引張り力とがなす角度であり、Eは前記集電体のヤング率である。
A membrane-electrode assembly including a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte;
A current collector disposed on at least one surface of the membrane-electrode assembly, having gas permeability in the thickness direction, and having a tensile force applied in a direction extending in a plane of at least a part of the region. ,
The tensile force is expressed by σ>F> (2-V · L · sin θ) · 2E.
Where σ is the yield load of the current collector, F is the tensile force, V is the amount of deflection that stabilizes the contact resistance between the membrane-electrode assembly and the current collector , and L is The current collector length, θ is an angle formed by a fixed portion of the current collector and the tensile force, and E is a Young's modulus of the current collector.
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、電解質として固体高分子電解質膜を含む膜−電極接合体の少なくとも一面に積層する工程と、を含み、
前記集電体に付加される引張り力をσ>F>(2−V・L・sinθ)・2Eとすることを特徴とする燃料電池の製造方法。
ただし、σは前記集電体の降伏荷重であり、Fは前記引張り力であり、Vは前記膜−電極接合体と前記集電体との接触抵抗が安定化するたわみ量であり、Lは集電体長であり、θは前記集電体の固定部分と前記引張り力とがなす角度であり、Eは前記集電体のヤング率である。
Heating a current-permeable current collector in the thickness direction;
Fixing at least two points of the heated current collector;
Cooling the current collector fixed at least at two points;
Laminating the current collector on at least one surface of a membrane-electrode assembly including a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte, and
A method for manufacturing a fuel cell, wherein a tensile force applied to the current collector is σ>F> (2-V · L · sin θ) · 2E.
Where σ is the yield load of the current collector, F is the tensile force, V is the amount of deflection that stabilizes the contact resistance between the membrane-electrode assembly and the current collector , and L is The current collector length, θ is an angle formed by a fixed portion of the current collector and the tensile force, and E is a Young's modulus of the current collector.
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、電解質として固体高分子電解質膜を含む膜−電極接合体の少なくとも一面に積層する工程と、を含み、
前記集電体に付加される引張り力をσ>F>(2−V・L・sinθ)・2Eとすることを特徴とする燃料電池の製造方法。
ただし、σは前記集電体の降伏荷重であり、Fは前記引張り力であり、Vは前記膜−電極接合体と前記集電体との接触抵抗が安定化するたわみ量であり、Lは集電体長であり、θは前記集電体の固定部分と前記引張り力とがなす角度であり、Eは前記集電体のヤング率である。
A step of applying a tensile force in a direction in which the current-permeable current collector in the thickness direction extends in a plane in at least a part of the region;
Fixing the current collector with a tensile force applied to the current collector;
Laminating the current collector on at least one surface of a membrane-electrode assembly including a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte, and
A method for manufacturing a fuel cell, wherein a tensile force applied to the current collector is σ>F> (2-V · L · sin θ) · 2E.
Where σ is the yield load of the current collector, F is the tensile force, V is the amount of deflection that stabilizes the contact resistance between the membrane-electrode assembly and the current collector , and L is The current collector length, θ is an angle formed by a fixed portion of the current collector and the tensile force, and E is a Young's modulus of the current collector.
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