(57)【要約】 【課題】  燃料電池セルの温度変化、温度偏りに起因したガス漏れを未然に防止し得る燃料電池を提供する。【解決手段】  固体高分子膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、上記一面に燃料ガス流路が形成されたセパレータと、上記他面に酸化剤ガス流路が形成されたセパレータとを対向させて構成し、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する単位燃料電池を複数積層してなる積層体Ｓの外部にガスマニホールド２３を備えた燃料電池１であって、上記ガスマニホールド２３と上記積層体Ｓとを、上記単位燃料電池の積層方向に対する直交方向で、上記ガスマニホールド２３と上記積層体Ｓの外周を覆うように、正の熱膨張係数を有する第１の締結部材２５と、負の熱膨張係数を有する第２の締結部材２６とで締結固定した。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、上記一面に燃料ガス流路が形成されたセパレータと、上記他面に酸化剤ガス流路が形成されたセパレータとを対向させて構成し、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する単位燃料電池を複数積層してなる積層体の外部にガスマニホールドを備えた燃料電池であって、
上記ガスマニホールドと上記積層体とを、
上記単位燃料電池の積層方向に対する直交方向で、上記ガスマニホールドと上記積層体の外周を覆うように、正の熱膨張係数を有する第１の締結部材と、負の熱膨張係数を有する第２の締結部材とで締結固定した
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
固体高分子膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、上記一面に燃料ガス流路が形成されたセパレータと、上記他面に酸化剤ガス流路が形成されたセパレータとを対向させて構成し、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する単位燃料電池を複数積層してなる積層体の外部にガスマニホールドを備えた燃料電池であって、
上記ガスマニホールドと上記積層体とを、
上記単位燃料電池の積層方向で、上記ガスマニホールドと上記積層体の外周を覆うように、正の熱膨張係数を有する第１の締結部材と、負の熱膨張係数を有する第２の締結部材とで締結固定した
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
少なくとも上記積層体の両端近傍部及び略中央部に、第１および第２の締結部材を１組とする締結部材をそれぞれ配置し、上記中央部分の第２の締結部材が、当該配置したうちの両端部分の第２の締結部材より、上記負の熱膨張係数が大きい
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
上記第１および第２の締結部材が非導電性材料からなる
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池であって、
上記第１および第２の締結部材に用いる上記非導電性材料が、高分子や合成繊維からなる
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の燃料電池であって、
上記第１および第２の締結部材をそれぞれ異なる方向に交互に並べて集合体を形成し、その集合体を、上記ガスマニホールドと上記積層体の外周全体を覆うように配置した
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
少なくとも請求項４から請求項６のいずれか１つに記載の燃料電池であって、
上記第１および第２の締結部材が撥水性を有する
ことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel cell）のガス漏れを防止する技術に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを燃料電池スタックに供給することで、電解質を介して電気化学的に反応させ、電極間から電気エネルギを直接取り出す燃料電池が知られている。
【０００３】
ここで、燃料電池スタックは、固体高分子膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、前記一面に燃料ガス用流路が形成されたセパレータと、前記他面に酸化剤ガス用流路が形成されたセパレータとを対向させて構成され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する（起電力を生じる）燃料電池セルとしての単位燃料電池（以下、これを単に単電池と称する）を複数積層して積層体を形成し、当該積層体の両端に端末部材としての集電板、絶縁板およびエンドプレートを配置して構成されている。
【０００４】
また、燃料電池スタックは、各単電池へのガス供給やガス排出のための孔、および燃料電池スタックを冷却させる冷却水を供給したり排出したりするための孔、すなわちガスマニホールドを内部もしくは外部に設けている。
【０００５】
そして、この燃料電池は、発電効率が高いことに加え、有害な物質の排出が極めて少ないという利点を持つため、発電プラントや家庭用発電機など定置型発電に適用されるばかりでなく、車両の駆動源として利用した燃料電池自動車としても近年注目されている。
【０００６】
しかしながら、前記ガスマニホールドを内部に備えた（以下、これを内部マニホールドと称する）燃料電池スタックでは、改質ガスを用いて運転する場合、各単電池の燃料ガス流路の下流側で一酸化炭素（ＣＯ）の濃度が高くなるため、電極被毒によって温度が低下し、この電極被毒を益々促進させる恐れがあった。
【０００７】
そして、このような電池性能の低下を緩和する手法の一つとして、ガスマニホールドから各単電池へのガス供給部、ガス排出部を可能な限り広く確保する構造として、前記ガスマニホールドを外部に備えた（以下、これを外部マニホールドと称す）燃料電池スタックが見直されている。
【０００８】
この種の外部マニホールド型燃料電池としては、例えば、特許文献１に開示されるように、燃料電池スタックの側面にガス気密性で非導電性のシール部材を介して、剛体であり、且つ前記シール部材が弾性体で構成された外部マニホールドを配置したものが知られている。そして、この外部マニホールド型燃料電池は、外部マニホールドの少なくとも一部が、前記積層体の側面に嵌め込まれた構造とされている。
【特許文献１】特開２００１−１３５３４１号公報（第４頁および第５頁、第１図および第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
かかる特許文献１に記載の燃料電池では、上述したような構成をとることにより、外部マニホールドのシール面と接する積層体の側面を平滑にすることが可能となり、外部マニホールドと積層体の側面とのガスシール性を向上させることができる。
【００１０】
また、外部マニホールドを剛体で、気密性材料を弾性体でそれぞれ構成すると、積層体の積層方向における厚みのクリープを吸収し、且つ外部マニホールドと積層体の側面とのガスシール性をより一層向上させることができる。
【００１１】
さらに、外部マニホールドの少なくとも一部が、前記積層体の側面に嵌め込まれることにより、外部マニホールド内の圧力による内部隔壁のたわみが軽減され、外部マニホールドと積層体側面とのシール性を向上させることが可能となる。
【００１２】
しかしながら、かかる特許文献１に記載の燃料電池のように、積層体の側面にガス気密性で非導電性のシール部材を介して外部マニホールドを配置するという構成では、外部マニホールドと、単電池（すなわち、燃料電池セルであり、この場合、主にセパレータ）と、シール部材とが、それぞれ発電前後の温度変化によって熱伸縮を繰り返す。
【００１３】
そして、このような熱伸縮によって、各材料の熱膨張係数の違いにより、外部マニホールドと燃料電池セルとの間での締め付け力が低下するため、外部マニホールドと燃料電池セルとの間に隙間が生じたり、シール部材が剥離したりして、これら隙間からガス漏れが発生する未だ不十分な問題があった。
【００１４】
また、このように、ガス漏れが発生することによって、必要な電力が得られなくなるため、かかる燃料電池を搭載した燃料電池自動車においては、航続可能な距離が減少してしまう問題へと繋がってしまう。特に水素が大量に漏れた場合（空気容量の４％〜７５％）安全面上でも大きな問題となりうる。
【００１５】
そこで、本発明は、かかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルの温度変化、温度偏りに起因したガス漏れを未然に防止し得る燃料電池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】
【００１６】
本発明にあっては、固体高分子膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、上記一面に燃料ガス流路が形成されたセパレータと、上記他面に酸化剤ガス流路が形成されたセパレータとを対向させて構成し、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する単位燃料電池を複数積層してなる積層体の外部にガスマニホールドを備えた燃料電池であって、上記ガスマニホールドと上記積層体とを、上記単位燃料電池の積層方向に対する直交方向で、上記ガスマニホールドと上記積層体の外周を覆うように、正の熱膨張係数を有する第１の締結部材と、負の熱膨張係数を有する第２の締結部材とで締結固定したことを特徴としている。  
また、本発明にあっては、固体高分子膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、上記一面に燃料ガス流路が形成されたセパレータと、上記他面に酸化剤ガス流路が形成されたセパレータとを対向させて構成し、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する単位燃料電池を複数積層してなる積層体の外部にガスマニホールドを備えた燃料電池であって、上記ガスマニホールドと上記積層体とを、上記単位燃料電池の積層方向で、上記ガスマニホールドと上記積層体の外周を覆うように、正の熱膨張係数を有する第１の締結部材と、負の熱膨張係数を有する第２の締結部材とで締結固定したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、単位燃料電池を複数積層してなる積層体の外部にガスマニホールドを固定させる締結部材として、正の熱膨張係数を有する第１の締結部材と、負の熱膨張係数を有する第２の締結部材とを用い、これら第１および第２の締結部材を単位燃料電池の積層方向で、またはこの積層方向に対する直交方向でガスマニホールドと積層体の外周を覆うように配置して締結固定したことにより、発電中の高温時には第１の締結部材によって、締結部材の単位燃料電池（すなわち、燃料電池セル）に対する締め付け力を高めることができる。一方、停止中の低温（または氷点下）時においても第２の締結部材によって、締結部材の単位燃料電池に対する締め付け力を高めることができる。
【００１８】
従って、本発明によれば、燃料電池の起動中における高温時、または停止中の低温時の両状態において、ガスマニホールドと積層体との間に隙間が生じるのを回避することができ、この隙間の発生によるガス漏れや、ガスマニホールドと積層体との間に設けられたシール部材の剥離を未然に防止することができる。しかも、このようにガス漏れが発生するのを防止できることにより、必要な電力を実用上十分に得ることができ、かかる燃料電池を搭載した燃料電池自動車においては、航続可能な距離が減少するのを防止して当該距離を十分に確保することができる。また水素が大量に漏れる（空気容量の４％〜７５％）可能性がなくなり、安全性も十分確保することができる。
【００１９】
かくして、本発明によれば、燃料電池セルの温度変化、温度偏りに起因したガス漏れを未然に防止し得る燃料電池を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る燃料電池の一実施の形態について説明する前に、本発明の燃料電池である固体高分子燃料電池を用いた固体高分子形燃料電池システムについて、図面に基づいて簡単に説明する。
【００２１】
〔固体高分子形燃料電池システムの概要〕
図１は、本発明の燃料電池を適用した固体高分子形燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図である。
【００２２】
図１に示すように、固体高分子形燃料電池１には燃料電池スタック２が備えられ、この燃料電池スタック２には燃料極３と酸化剤極４とが配置される。燃料電池スタック２の燃料極３には燃料ガス用のガス供給流路である燃料供給ライン６が接続される一方、燃料極３に供給されて反応したガスを排気する燃料ガス用のガス排出流路である燃料排気ライン７が接続される。燃料供給ライン６には燃料としての水素を供給する水素供給源８が備えられる一方、燃料排気ライン７には水素含有ガス処理装置９が備えられる。
【００２３】
また、燃料電池スタック２の酸化剤極４には酸化剤ガス用のガス供給流路である酸化剤供給ライン１０が接続される一方、酸化剤極４に供給されて反応した水素含有ガスを排気する酸化剤ガス用のガス排出流路である酸化剤排気ライン１１が接続される。酸化剤供給ライン１０には酸化剤を供給する酸化剤供給源１２が備えられる。さらに、燃料電池スタック２の燃料極３と酸化剤極４とには、電気制御装置１３を介して電気配線１４が接続される。
【００２４】
因みに、図１では、固体高分子形燃料電池１の発電時の燃料ガスと酸化剤ガスとの流れを、それぞれ実線矢印ａ、ｂを用いて示しているとともに、固体高分子形燃料電池１の発電時の電流の流れを破線矢印ｃを用いて示している。
【００２５】
固体高分子形燃料電池１の発電では、燃料電池スタック２の燃料極３に水素供給源８から燃料ガスとして水素含有ガスを、および酸化剤極４に酸化剤供給源１２から酸化剤ガスとして酸素含有ガスをそれぞれ供給し、発生した起電力を電気制御装置１３にて回収し出力させる。
【００２６】
〔燃料電池の構成〕
次に、本発明にかかる燃料電池としての固体高分子形燃料電池について、第１〜第３の実施の形態を用いて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
「第１の実施の形態」
図２および図３は、本発明にかかる燃料電池の第１の実施の形態を示し、図２は本発明の固体高分子形燃料電池を概略的に示す斜視図、図３は図２の固体高分子形燃料電池の要部を示す斜視図、図４は図２の固体高分子形燃料電池における燃料電池スタックを拡大して示す断面図である。
【００２８】
燃料電池スタック２は、図２および図３に示すように、単位燃料電池としての単電池１５が複数積層された積層体Ｓによって構成されている。この単電池１５には、図４に示すように、燃料極３と酸化剤極４とが備わっており、これら燃料極３と酸化剤極４の間に固体高分子電解質膜１６が挟持されている。また、これら燃料極３および酸化剤極４には、ガス拡散層１７と触媒層１８とがそれぞれ備わっている。さらに、燃料極３には、燃料ガス流路１９が備えられる一方、酸化剤極４には、酸化剤ガス流路２０が備えられる。
【００２９】
なお、燃料電池スタック２を構成する単電池１５が複数積層された積層体Ｓは、燃料極３と酸化剤極４とが交互に積層され、燃料極３と酸化剤極４とにそれぞれ供給されるガスを分離するために、個々の単電池１５間にセパレータ２１が挟持されており、各単電池１５は、その四隅部分に貫通して設けられたロッドＬによって固定されている。
【００３０】
そして、燃料供給ライン６（図１参照）から燃料電池スタック２に水素含有ガスが供給されると、この燃料電池スタック２を構成する個々の単電池１５の燃料極３に備えられる燃料ガス流路１９に水素含有ガスが供給される。同時に、酸化剤供給ライン１０（図１参照）から燃料電池スタック２に酸素供給ガスが供給されると、この燃料電池スタック２を構成する個々の単電池１５の酸化剤極４に備えられる酸化剤ガス流路２０に酸素含有ガスが供給される。そして、それぞれ供給された水素と酸素が固体高分子電解質膜１６において反応することで、固体高分子形燃料電池１の発電が行われる。
【００３１】
かかる構成に加えて、本実施の形態の場合、固体高分子形燃料電池１を構成する単電池１５の積層体Ｓは、図３に示すように、その積層方向両端に位置する端末部材としてのエンドプレート２２を備える。ここで、端末部材とは、それ自体で発電はしないものであり、燃料電池スタック２にて発電される電力を外部へ取り出す集電機能、単電池１５の積層体Ｓを積層方向に加圧する加圧機能の少なくとも一つの機能を有している。
【００３２】
また、この燃料電池スタック２は、図３に示すように、その側面の１つが、外部の燃料供給ライン６および酸化剤供給ライン１０（図１参照）から単電池１５へ供給される各ガスの接続並びに、単電池１５から燃料排気ライン７および酸化剤排気ライン１１（図１参照）へと排気される各ガスの接続を行うガスマニホールド２３に対して、積層体Ｓにおける単電池１５の積層方向と直交する方向に嵌め込まれるようにして接続されている。この場合、ガスマニホールド２３は、弾性のある非導電性材料を用いて形成されている。また、これら燃料電池スタック２の積層体Ｓとガスマニホールド２３との間には、図示省略する接着剤等のシール部材が介在されている。  
そして、このように接続された積層体Ｓとガスマニホールド２３は、積層体Ｓの両端（すなわち、エンドプレート２２、２２側）を除く外周面に非導電性の保護シート２４を介して正の熱膨張係数を有する第１の締結部材２５と、負の熱膨張係数を有する第２の締結部材２６とで締結固定されている。
【００３３】
なお、ガスマニホールド２３は、第１および第２の締結部材２５，２６で締結する前に、必要に応じて積層体Ｓに対して接着剤で固定しても良い。また、前記保護シート２４は、必要に応じて省略することもできる。
【００３４】
前記第１および第２の締結部材２５、２６は、２本で１組とし、単電池１５の積層方向と略直交する方向に設けられると共に、ガスマニホールド２３と積層体Ｓとの外周を覆うようにして、当該積層体Ｓのエンドプレート２２間を３〜１０箇所程度配置させている。本実施の形態では、積層体Ｓの両端近傍部と略中央部の３箇所に、種類の異なる第１の締結部材２５と第２の締結部材２６を１組とした締結部材を縛ることで、前記ガスマニホールド２３を積層体Ｓの側面に固定させた。勿論、ここで記載した第１および第２の締結部材２５、２６の数は、理想的な配置例の１つであり、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３５】
正の熱膨張係数を有する第１の締結部材２５としては、線膨張係数が１０−６〔Ｋ−１〕〜１０−５〔Ｋ−１〕程度の金属や、線膨張係数が１０−５〔Ｋ−１〕〜１０−３〔Ｋ−１〕程度のガラス転移点が発電温度以上の高分子材料等が候補となる。特に、線膨張係数が１．７×１０−５〔Ｋ−１〕程度のステンレス材（ＳＵＳ３０４材）や、線膨張係数が１．３×１０−４〔Ｋ−１〕程度である高分子のポリアミド樹脂材等の熱伸縮性材料を用いるのが好ましい。
【００３６】
また、第１の締結部材２５として非導電性材料を用いることにより、単電池１５の積層体Ｓとガスマニホールド２３との間における短絡を防止することができる。
【００３７】
一方、負の熱膨張係数を有する第２の締結部材２６としては、ガラスセラミックスや繊維などが好ましい。特に、線膨張係数が−７．０×１０−６〔Ｋ−１〕程度のポリ（ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維や、線膨張係数が−７．６×１０−６〔Ｋ−１〕程度のＮＥＸ−Ｉ（株式会社オハラの商品名）等の熱収縮性材料を用いるのが好ましい。また、第２の締結部材２６として、発電温度が高くなるほど、より締め付け力を向上させるためには、熱膨張係数がなるべく小さい（絶対値が大きい）材料を用いることが望ましいが、材料として選定するには、熱膨張係数だけでなく、引張り強度が１〔Ｍｐａ〕以上であるなど機械強度の最低限の基準を設定する必要がある。さらに、第２の締結部材２６を配置した各部位での初期の締結力には張力やトルクの管理を行い、基準以上に設定しておく必要がある。
【００３８】
特に、積層体Ｓの各箇所における発電中の温度分布に対して熱膨張率が一定となるように、第２の締結部材２６の配置位置を、選定することが望ましい。例えば、図２に示すように、積層体Ｓの両端近傍部では負の熱膨張係数が低い材料からなる第２の締結部材２６を配置し、積層体Ｓの中央部分では負の熱膨張係数が高い材料からなる第２の締結部材２６を配置する。すなわち、３箇所に設けた第２の締結部材２６のうち、積層体Ｓの両端では該第２の締結部材２６の熱膨張係数を低くし、中央部では該両端よりもさらに熱膨張係数を高くする。
【００３９】
このようにすることで、発電時に積層体Ｓの中央部分が高温になり易く、両端部分が高温になり難い性質を持つ燃料電池において、積層体Ｓの温度分布のばらつきから生じる前記第１および第２の締結部材２５，２６の締め付け力を、それぞれの配置箇所で均一なものとすることができる。つまり、積層体Ｓの場所に拘わらず、ガスマニホールド２３を積層体Ｓに対して均一に締結させることができる。
【００４０】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、積層体Ｓの外部にガスマニホールド２３を固定させるのに、正の熱膨張係数を有する第１の締結部材２５と、負の熱膨張係数を有する第２の締結部材２６とを用い、これら第１および第２の締結部材２５、２６を単電池１５の積層方向に対する直交方向でガスマニホールド２３と積層体Ｓの外周を覆うように配置して締結固定したことにより、発電中の高温時（例えば、６０〔℃〕〜１００〔℃〕程度）には第１の締結部材２５によって、締結部材の単電池１５（すなわち、燃料電池セル）に対する締め付け力を高めることができる。一方、停止中の低温時または氷点下（例えば、−１０〔℃〕〜３０〔℃〕程度）においても第２の締結部材２６によって、締結部材の単電池１５に対する締め付け力を高めることができる。
【００４１】
従って、固体高分子形燃料電池１の起動中における高温時、または停止中の低温時（すなわち、燃料電池セルである単電池１５の温度変化、温度偏り）において、共に第１および第２の締結部材２５、２６の緩みに起因してガスマニホールド２３と積層体Ｓとの間に隙間が生じるのを回避することができ、この隙間の発生によるガス漏れや、ガスマニホールド２３と積層体Ｓとの間に設けられたシール部材の剥離を未然に防止することができる。
【００４２】
しかも、このようにガス漏れが発生するのを防止できることにより、必要な電力を実用上十分に得ることができ、かかる固体高分子形燃料電池１を搭載した燃料電池自動車においては、航続可能な距離が減少するのを防止して当該距離を十分に確保することができる。特に水素が大量に漏れる（空気容量の４％〜７５％）可能性がなくなり、安全性も十分確保することができる。
【００４３】
また、積層体Ｓの各箇所における発電中の温度分布に対して熱膨張率が一定となるように、積層体Ｓの両端近傍では負の熱膨張係数が低い材料からなる第２の締結部材２６を配置し、積層体Ｓの中央部分では負の熱膨張係数が高い材料からなる第２の締結部材２６を配置することによって、発電中の単電池１５内における温度のばらつきに起因した締め付け箇所ごとの締結力のばらつきを防ぐことができる。
【００４４】
単電池１５の積層体Ｓは外気に接触するため、積層体Ｓの表面の方が中心部分より温度が低い。このため、全ての配置箇所で同様の負の熱膨張係数を有する第２の締結部材２６によって締め付けを行うと、温度のより低い積層体Ｓの両端部分ほど締め付け力が弱くなり、該両端部分からのガス漏れが発生し易くなってしまうので、これを防止するべく、燃料電池スタック２における各箇所の温度分布に応じて、より高温になり易い中央部分ほど負の熱膨張係数が高く（絶対値を小さく）、より高温になり難い積層体Ｓの両端部分（すなわち、エンドプレート２２、２２側）ほど負の熱膨張係数が低い（絶対値を高く）第２の締結部材２６を配置することで、各締結箇所ごとの締め付け力をより均一にすることができる。
【００４５】
すなわち、第２の締結部材２６における締結力を、該第２の締結部材２６の各配置箇所で均一とすることができるため、本発明におけるガス漏れ防止効果を増大させることができる。
【００４６】
従って、ガスマニホールド２３と積層体Ｓとの固定を、第２の締結部材２６の各配置箇所において均一にすることができ、前記隙間が生じるのをより確実に回避することができる。つまり、隙間の発生によるガス漏れや、ガスマニホールド２３と積層体Ｓとの間に設けられたシール部材の剥離をより確実に防止することができる。
【００４７】
さらに、第１の締結部材２５として非導電性材料を用いることにより、単電池１５の積層体Ｓとガスマニホールド２３との間における短絡を防止することができる。
【００４８】
「第２の実施の形態」
図２との対応部分に同一符号を付した図５は、本発明の第２の実施の形態である固体高分子形燃料電池３０を示す斜視図であり、第１および第２の締結部材２５、２６の配置位置が異なることを除いて、上述した第１の実施の形態における固体高分子形燃料電池１とほぼ同様に構成されている。
【００４９】
すなわち、この固体高分子形燃料電池３０は、燃料電池スタック２における積層体Ｓの両端（すなわち、エンドプレート２２、２２側）を除く外周面に、非導電性の保護シート２４が設けられるとともに、単電池１５の積層方向にガスマニホールド２３と積層体Ｓとの外周を覆うように、正の熱膨張係数を有する第１の締結部材２５と、負の熱膨張係数を有する第２の締結部材２６とが配置されている。
【００５０】
具体的には、２本で１組とした第１および第２の締結部材２５、２６を、積層体Ｓの高さ方向の略中央１箇所と幅方向の均等３箇所で積層体Ｓとガスマニホールド２３とを縛って、当該積層体Ｓを固定すると共にガスマニホールド２３を積層体Ｓの側面に固定させた。なお、ここで記載した第１および第２の締結部材２５、２６の数は理想的な配置例の１つであり、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５１】
このように、第１および第２の締結部材２５、２６を配置することにより、固体高分子形燃料電池３０の発電中の高温時（例えば、６０〔℃〕〜１００〔℃〕程度）において、正の熱膨張係数を有する第１の締結部材２５によって、積層体Ｓとガスマニホールド２３との締め付け力を高めることができる。一方、固体高分子形燃料電池３０の発電中の低温時または氷点下（例えば、−１０〔℃〕〜３０〔℃〕程度）において、負の熱膨張係数を有する第２の締結部材２６によって、積層体Ｓとガスマニホールド２３との締め付け力を高めることができる。
【００５２】
また、この実施の形態の場合、第１の締結部材２５として、高分子のポリアミド樹脂材を用いることにより、図５に示すように、該第１の締結部材２５が単電池１５と直接接触したとしても短絡せず、低い温度でより締結力を高めることができる利点を得ることができる。
【００５３】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、積層体Ｓの外部にガスマニホールド２３を固定させる場合、正の熱膨張係数を有する第１の締結部材２５と、負の熱膨張係数を有する第２の締結部材２６とを用い、これら第１および第２の締結部材２５、２６を単電池１５の積層方向と平行にガスマニホールド２３と積層体Ｓの外周を覆うように配置して締結固定したことにより、発電中の高温時には第１の締結部材２５によって、締結部材の単電池１５（すなわち、燃料電池セル）に対する締め付け力を高めることができる。一方、停止中の低温時または氷点下においても第２の締結部材２６によって、締結部材の単電池１５に対する締め付け力を高めることができる。
【００５４】
従って、この固体高分子形燃料電池３０では、発電中の高温時および停止中の低温時において、共に第１または第２の締結部材２５、２６の緩みに起因して、積層体Ｓとガスマニホールド２３との間に隙間が生じるのを回避することができ、この隙間の発生に起因するガス漏れを未然に回避することができる。しかも、積層体Ｓにおける単電池１５（すなわち燃料電池セル）同士の面圧を向上させることが可能であるため、固体高分子形燃料電池３０の起電力を向上させることもできる。
【００５５】
また、この実施の形態の場合、第１の締結部材２５として、高分子のポリアミド樹脂材を用いることにより、該第１の締結部材２５が単電池１５と直接接触したとしても短絡せず、低い温度でより締結力を高めることができる利点を得ることができる。
【００５６】
さらに、第１の締結部材２５として非導電性材料を用いることにより、単電池１５の積層体Ｓとガスマニホールド２３との間における短絡を防止することができる。しかも、この非導電性材料が高分子や合成繊維からなる場合、積層体Ｓとガスマニホールド２３との間における短絡防止効果を絶大にすることができる。
【００５７】
「第３の実施の形態」
図２および図５との対応部分に同一符号を付した図６は、本発明の第３の実施の形態である固体高分子形燃料電池４０を示す斜視図であり、第１および第２の締結部材２５、２６の配置位置が異なることを除いて、上述した第１および第２の実施の形態における固体高分子形燃料電池１、３０とほぼ同様に構成されている。
【００５８】
すなわち、この固体高分子形燃料電池４０は、燃料電池スタック２における積層体Ｓの両端（すなわち、エンドプレート２２、２２側）を除く外周面に、第１および第２の締結部材をそれぞれ異なる方向に交互に並べて（いわゆる格子状として）織り込んで集合体２７を形成し、当該集合体２７を、ガスマニホールド２３と積層体Ｓの外周全体を覆うように配置して固定させている。このとき、第１および第２の締結部材２５、２６として非導電性材料を用いることにより、この集合体２７が、上述した第１および第２の実施の形態における保護シート２４の役割なす。これにより、固体高分子形燃料電池全体として部品点数を削減することができる。
【００５９】
この実施の形態においても上述した第１および第２の実施の形態と同様に、固体高分子形燃料電池４０の発電中の高温時においては、正の熱膨張係数を有する第１の締結部材２５によって、積層体Ｓとガスマニホールド２３との締め付け力を高めることができる。一方、固体高分子形燃料電池４０の発電停止中の低温時または氷点下においては、負の熱膨張係数を有する第２の締結部材２６によって、積層体Ｓとガスマニホールド２３との締め付け力を高めることができる。従って、この固体高分子形燃料電池４０では、発電中の高温時および停止中の低温時、共に積層体Ｓとガスマニホールド２３との間に隙間が生じるのを回避することができ、この隙間の発生に起因するガス漏れを未然に回避することができる。しかも、積層体Ｓにおける単電池１５（すなわち燃料電池セル）同士の面圧を向上させることが可能であるため、固体高分子形燃料電池３０の起電力を向上させることもできる。
【００６０】
さらに、この実施の形態の場合、第１の締結部材２５として非導電性材料を用いることにより、単電池１５の積層体Ｓとガスマニホールド２３との間における短絡を防止することができる。しかも、この非導電性材料が高分子や合成繊維からなる場合、積層体Ｓとガスマニホールド２３との間における短絡防止効果を絶大にすることができる。
【００６１】
「他の実施の形態」
以上、本発明における燃料電池について、上述した一実施の形態を例にとって説明したが、本発明はこれに限ることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種実施形態を採用することができる。
【００６２】
例えば、第１および第２の締結部材２５、２６として撥水性材料を用いたり、これら第１および第２の締結部材２５、２６の表面に撥水加工を施したりするようにしてもよい。
【００６３】
この場合、単電池１５とガスマニホールド２３との間で短絡が生じるのを確実に防止するとともに、水分の付着に起因する漏電の回避効果を絶大にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の燃料電池を適用した固体高分子形燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明による固体高分子形燃料電池の第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図３】図２の固体高分子形燃料電池における要部を示す斜視図である。
【図４】図２の固体高分子形燃料電池における燃料電池スタックを拡大して示す断面図である。
【図５】本発明による固体高分子形燃料電池の第２の実施の形態を示す斜視図である。
【図６】本発明による固体高分子形燃料電池の第３の実施の形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６５】
１、３０、４０…固体高分子形燃料電池（燃料電池）
２…燃料電池スタック
３…燃料極
４…酸化剤極
１５…単電池（単位燃料電池）
１６…固体高分子電解質膜（固体高分子膜）
１７…ガス拡散層
１８…触媒層
１９…燃料ガス流路
２０…酸化剤ガス流路
２１…セパレータ
２２…エンドプレート
２３…ガスマニホールド
２４…保護シート
２５…第１の締結部材
２６…第２の締結部材
２７…集合体
Ｓ…積層体
Ｌ…ロッド
【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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