(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子形燃料電池のセルカートリッジであって、
膜電極接合体および当該膜電極接合体を挟んでその両側に積層された平板状の一対のセパレータを有する少なくとも１個のセルと、
前記一対のセパレータの外側において、前記セルを両側から挟むように積層された一対の電極プレートと、
前記セルおよび前記電極プレートが互いに積層して構成された積層体における外周の縁の一部を閉塞するとともに、燃料流体を前記セルカートリッジの外部から前記セルへ導入する燃料流体導入経路および前記燃料流体を前記セルから前記セルカートリッジの外部へ排出する燃料流体排出経路を有する第１閉塞部材と、
前記積層体における外周の縁のうち前記第１閉塞部材で閉塞されていない残りの部分を閉塞する第２閉塞部材と、
前記電極プレートから前記セルカートリッジの外部へ電気を取り出す電極端子と
を備えており、
前記第２閉塞部材は、前記積層体を積層方向における前後両端から保持する保持部を有している、
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池セルカートリッジ。
【請求項２】
前記電極端子は、前記第１閉塞部材に配置されている、
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池セルカートリッジ。
【請求項３】
前記電極端子は、前記第１閉塞部材または第２閉塞部材を貫通して外部に出ている、
請求項１または２に記載の固体高分子形燃料電池セルカートリッジ。
【請求項４】
前記セパレータは、金属薄板からなる、
請求項１から３のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池セルカートリッジ。
【請求項５】
前記第２閉塞部材は、金属薄板からなり、前記積層体における外周の縁に巻き締められており、
前記保持部は、前記金属薄板のうち前記積層体の前後両端に当接する巻締め部分である、
請求項１から４のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池セルカートリッジ。
【請求項６】
前記第２閉塞部材は、紫外線硬化樹脂からなる、
請求項１から４のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池セルカートリッジ。
【請求項７】
前記第２閉塞部材は、射出成形によって形成されている、
請求項１から４のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池セルカートリッジ。
【請求項８】
固体高分子形燃料電池セルカートリッジのスタック構造であって、
複数個積層された、請求項１から７のいずれかに記載のセルカートリッジと、
前記セルカートリッジを積層した状態で各セルカートリッジの外周の縁と個別に着脱自在に連結する連結部を有するとともに前記セルカートリッジの積層状態を保持するカートリッジ連結部材と、
隣接する前記セルカートリッジの前記電極端子同士を電気的に接続する電極接続部と
を備えていることを特徴とする、固体高分子形燃料電池セルカートリッジのスタック構造。
【請求項９】
前記カートリッジ連結部材は、各々の前記セルカートリッジにおける前記第１閉塞部材と連結されている、
請求項８に記載の固体高分子形燃料電池セルカートリッジのスタック構造。
【請求項１０】
前記電極接続部は、隣接する前記電極端子同士を電気的に直列に接続する、
請求項８または９に記載の固体高分子形燃料電池セルカートリッジのスタック構造。
【請求項１１】
前記電極接続部は、隣接する前記電極端子同士を電気的に並列に接続する、
請求項８または９に記載の固体高分子形燃料電池セルカートリッジのスタック構造。
【請求項１２】
前記電極接続部は、少なくとも第１の系統および第２の系統を有しており、
隣接する所定の第１の個数の前記セルカートリッジは、それらの前記電極端子同士が前記電極接続部の第１の系統によって電気的に接続されることによって第１の分割スタック構造を構成し、その他の隣接する所定の第２の個数の前記セルカートリッジは、それらの前記電極端子同士が前記電極接続部の第２の系統によって電気的に接続されることによって第２の分割スタック構造を構成する、
請求項８から１１のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池セルカートリッジのスタック構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形（型）燃料電池セルカートリッジおよびそのスタック構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池としては、互いに積層される複数のセルを備えた、いわゆるスタック構造のものが知られている。ここで、各セルは、一対の平板状のセパレータと、その間に配置された膜電極接合体とから構成され、所定の起電力の性能を発揮できるようになっている。
【０００３】
このようなスタック構造としては、必要出力に応じた多数のセルが直列に積層されて１つの積層体を形成し、膜電極接合体の反応部分の外側において前記積層体が数本の締結用貫通ボルトで一体に締結されたものが一般的である（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１に記載されている燃料電池では、セルを複数個積層した積層体を挟んでその両側に、それぞれ電極板、絶縁板およびエンドプレートが順に外側に向けて積層され、両側のエンドプレートが、積層方向に向けてボルトおよびナットからなる締め具によって締結されることにより、セルの積層体が固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１１５３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記のようにボルトの締結によって複数のセルの積層状態が保持されたスタック構造の場合、多数のセルのうち互いに隣接するセル同士の面圧を均一にするために、各々のボルトおよびナットの締付けの順番や締付トルクが厳重に管理される必要がある。
【０００７】
また、共通のボルトやナットによって全セルがまとめて締結されているので、それによるスタック構造の全体の品質・性能面の保証は、スタック構造組立て完了後の発電テスト等でしか確認できないという問題がある。そのため、一部のセルにのみ不具合があった場合でも、不具合があったセルの特定が困難であり、不具合を改善するためには、燃料電池のスタック構造全体を分解する必要がある。
【０００８】
さらに、燃料電池として機能中に、スタック構造を構成する複数のセルのうちのある１個のセルについて反応部分の不良などの不具合がある場合には、燃料電池として所定の性能が維持できなくなり、セルの積層体を全体的に取り換える必要があり、メンテナンス性の向上が困難である。
【０００９】
また、上記の燃料電池のスタック構造は、複数のセルを一括して積層して共通のボルトおよびナットで保持する構造であるため、セルの個数や各セル間の電気的な接続方式を変更することが困難であり、設置自由度の向上が困難であるという問題もある。
【００１０】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、複数のセルを積層した構造においてメンテナンス性が向上し、かつ、設置自由度が高いスタック構造を実現することが可能な固体高分子形燃料電池セルカートリッジおよびそのスタック構造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】
【００１１】
上記課題を解決するためのものとして、本発明の固体高分子形燃料電池セルカートリッジは、固体高分子形燃料電池のセルカートリッジであって、膜電極接合体および当該膜電極接合体を挟んでその両側に積層された平板状の一対のセパレータを有する少なくとも１個のセルと、前記一対のセパレータの外側において、前記セルを両側から挟むように積層された一対の電極プレートと、前記セルおよび前記電極プレートが互いに積層して構成された積層体における外周の縁の一部を閉塞するとともに、燃料流体を前記セルカートリッジの外部から前記セルへ導入する燃料流体導入経路および前記燃料流体を前記セルから前記セルカートリッジの外部へ排出する燃料流体排出経路を有する第１閉塞部材と、前記積層体における外周の縁のうち前記第１閉塞部材で閉塞されていない残りの部分を閉塞する第２閉塞部材と、前記電極プレートから前記セルカートリッジの外部へ電気を取り出す電極端子とを備えており、前記第２閉塞部材は、前記積層体を積層方向における前後両端から保持する保持部を有していることを特徴としている。
【００１２】
かかる構成によれば、セルおよび電極プレートの積層体における外周の縁を第１閉塞部材および第２閉塞部材によって閉塞するとともに、当該第２閉塞部材の保持部によって、積層体の前後両端を保持している。しかも、第１閉塞部材は、燃料流体導入経路および燃料流体排出経路を有しているので、セルカートリッジの内外の間で燃料流体の出入を可能にしている。また、セルで発電した電気を、電極端子を介して電極プレートからセルカートリッジの外部へ取り出すことができる。そのため、セルカートリッジは、単体で燃料電池として機能することができ、それとともに、セルカートリッジ単位でその内部の１個または複数のセルの保持力が厳重に管理された状態で製造され、各セルカートリッジ単位で品質を維持することができる。その結果、そのセルカートリッジを複数個積層するだけで、所定の起電力および持続時間のスタック構造を容易かつ精度よく製造することができる。
【００１３】
しかも、電極端子を介して電極プレートからセルカートリッジの外部へ電気を取り出すことによって、セルカートリッジ単位で起電力や持続時間等の電気的試験をすることができる。その結果、複数のセルカートリッジを積層したスタック構造であるにもかかわらず、不良になったセルカートリッジの判別および交換が容易になり、メンテナンス性が向上する。
【００１４】
また、セルカートリッジ単体で燃料電池として機能するので、設置スペース等に合わせて、セルカートリッジのスタック構造を、一列または複数列にするなどしてスタックを分割して設置することも可能になり、設置自由度が大幅に向上する。
【００１５】
しかも、本発明のセルカートリッジは、第２閉塞部材が積層体の外周の縁を保持することでその積層状態を保持するので、積層体に固定用のボルトを貫通させる必要をなくし、あるいはその本数を削減できる。そのため、膜電極接合体の反応面積を有効に利用でき、セルカートリッジ全体のコンパクト化を図ることができる。
【００１６】
また、第１閉塞部材は、燃料流体導入経路および燃料流体排出経路を有しているので、これら燃料流体導入経路および燃料流体排出経路をセルカートリッジの所定の場所に集めて配置することができる。そのため、複数のセルカートリッジを積層してスタック構造を構成する場合に、燃料流体の導入経路や排出経路の一元化が容易になる。
【００１７】
前記電極端子は、前記第１閉塞部材に配置されているのが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、電極端子をセルカートリッジの所定の場所に集めて配置することができる。そのため、複数のセルカートリッジの電極端子同士を電気的に接続しやすくなり、配線が容易になるとともに配線長が短くなるので、送電ロスも低減できる。また、複数のセルカートリッジを積層してスタック構造を構成する場合に、燃料流体の導入経路や排出経路とともに電極端子の一元化も容易になる。
【００１９】
前記電極端子は、前記第１閉塞部材または第２閉塞部材を貫通して外部に出ているのが好ましい。      
【００２０】
この構成によれば、第１閉塞部材または第２閉塞部材を貫通して外部に出ている電極端子を介して、電極プレートからセルカートリッジの外部へ電気を容易に取り出すことができる。
【００２１】
前記セパレータは、金属薄板からなるのが好ましい。かかる構成によれば、カーボンなどの材料と比較してセパレータの薄型化を容易に達成でき、かつ、セパレータ表面に燃料流体の供給経路をプレス成形によって容易に形成できる。しかも、従来のカーボン製のセパレータなどと比較して、耐衝撃性も向上する。
【００２２】
前記第２閉塞部材は、金属薄板からなり、前記積層体における外周の縁に巻き締められており、前記保持部は、前記金属薄板のうち前記積層体の前後両端に当接する巻締め部分であるのが好ましい。かかる構成によれば、セルカートリッジの気密性が向上し、しかも、積層体に付与される締付圧力の調整を容易かつ精度よく行うことができる。
【００２３】
前記第２閉塞部材は、紫外線硬化樹脂でもよい。かかる構成によれば、セルカートリッジの気密性が向上し、しかも、積層体の連結作業を容易に行うことができる。
【００２４】
また、前記第２閉塞部材は、射出成形によって形成してもよい。かかる構成によれば、射出成形される材料によって積層体の周縁およびその近傍が被覆されるので、セルカートリッジの気密性が向上する。しかも、積層体の連結作業を容易に行うことができる。
【００２５】
本発明の固体高分子形燃料電池セルカートリッジのスタック構造は、複数個積層された、上記のセルカートリッジと、前記セルカートリッジを積層した状態で各セルカートリッジの外周の縁と個別に着脱自在に連結する連結部を有するとともに前記セルカートリッジの積層状態を保持するカートリッジ連結部材と、隣接する前記セルカートリッジの前記電極端子同士を電気的に接続する電極接続部とを備えていることを特徴とする。
【００２６】
かかる構成によれば、複数個のセルカートリッジが積層した状態で、各セルカートリッジの外周の縁とカートリッジ連結部材とが個別に着脱自在に連結されている。そのため、個々のセルカートリッジは、他のセルカートリッジがカートリッジ連結部材と連結した状態を維持させながら当該カートリッジ連結部材から自由に着脱することができる。その結果、個々のセルカートリッジのメンテナンスや交換が容易になる。また、電極接続部が隣接するセルカートリッジの電極端子同士を電気的に接続するので、セルカートリッジのスタックの個数や各セルカートリッジ間の電気的な接続方式を容易に変更することが可能であり、設置自由度が高い。
【００２７】
前記カートリッジ連結部材は、各々の前記セルカートリッジにおける前記第１閉塞部材と連結されているのが好ましい。
【００２８】
かかる構成によれば、各セルカートリッジにおいて燃料流体導入経路および燃料流体排出経路を有しており、かつ電極端子が設けられた第１閉塞部材を、他のセルカートリッジの第１閉塞部材とともにカートリッジ連結部材に連結することにより、カートリッジ連結部材の場所で、燃料流体の導入経路や排出経路の一元化が容易になる。また、電極端子が第１閉塞部材に配置されている場合には、複数のセルカートリッジの電極端子同士がカートリッジ連結部材の場所に集められるので、電気的に接続しやすくなる。そのため、電極端子間の配線が容易になるとともに配線長が短くなるので、送電ロスも低減できる。
【００２９】
前記電極接続部は、隣接する前記電極端子同士を電気的に直列に接続するのが好ましい。かかる構成によれば、各セルカートリッジを直列に接続して大きな起電力を得ることができる。
【００３０】
前記電極接続部は、隣接する前記電極端子同士を電気的に並列に接続するのが好ましい。かかる構成によれば、各セルカートリッジを並列に接続することが可能になり、燃料電池の持続時間を延ばすことが可能になる。
【００３１】
前記電極接続部は、少なくとも第１の系統および第２の系統を有しており、隣接する所定の第１の個数の前記セルカートリッジは、それらの前記電極端子同士が前記電極接続部の第１の系統によって電気的に接続されることによって第１の分割スタック構造を構成し、その他の隣接する所定の第２の個数の前記セルカートリッジは、それらの前記電極端子同士が前記電極接続部の第２の系統によって電気的に接続されることによって第２の分割スタック構造を構成するのが好ましい。
【００３２】
かかる構成によれば、隣接する所定のある個数の前記セルカートリッジの単位で複数の分割されたスタック構造を構成することが可能になるので、所定個数単位でセルカートリッジを直列接続または並列接続することが可能になり、設計自由度が大幅に拡大する。
【発明の効果】
【００３３】
以上説明したように、本発明の固体高分子形燃料電池のセルカートリッジによれば、セルカートリッジ単位でその内部の少なくとも１個のセルの保持力が厳重に管理された状態で製造され、そのセルカートリッジを複数個積層するだけで、所定の起電力および持続時間のスタック構造を容易かつ精度よく製造することができる。
【００３４】
しかも、セルカートリッジ単位で起電力や持続時間等の電気的試験をすることができるので、不良になったセルカートリッジの判別および交換が容易になり、メンテナンス性が向上する。また、セルカートリッジ単位で燃料電池として独立しているので、設置スペース等に合わせて、セルカートリッジのスタック構造を、一列または複数列にするなどしてスタックを分割して設置することも可能になり、設置自由度が大幅に向上する。
【００３５】
また、本発明の固体高分子形燃料電池のセルカートリッジのスタック構造によれば、複数のセルカートリッジを積層した状態で各セルカートリッジの外周の縁と個別にカートリッジ連結部材に連結することにより、各セルカートリッジは個々に独立してカートリッジ連結部材に連結することが可能になり、個々のセルカートリッジのメンテナンスや交換が容易になる。
【００３６】
また、セルカートリッジのスタックの個数や各セルカートリッジ間の電気的な接続方式を容易に変更することが可能であり、設置自由度が高い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の固体高分子形燃料電池のセルカートリッジの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のセルカートリッジの分解斜視図である。
【図３】図１の水素側気体・温調媒体分離パッキンの平面図である。
【図４】図１の水素極メタルセパレータを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は同（ａ）のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図１の空気極メタルセパレータのを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は同（ａ）のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図１の空気側気体・温調媒体分離パッキンの平面図である。
【図７】図１のセルカートリッジ内部における水素、空気および温調媒体の流れを示す分解斜視図である。
【図８】図１のセルカートリッジの電極を並列に接続したスタック構造の斜視図である。
【図９】図１のセルカートリッジの電極を直列に接続したスタック構造の斜視図である。
【図１０】図１のセルカートリッジの電極を並列に接続した分割スタックと直列に接続した分割スタックとからなるスタック構造の斜視図である。
【図１１】図８〜１０のスタック構造に適用可能なカートリッジ連結プレートと各セルカートリッジとの間を連結する連結部分の拡大斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
つぎに、図面を参照しながら、本発明の固体高分子形燃料電池セルカートリッジおよびそのスタック構造についてさらに詳細に説明する。
【００３９】
図１〜２に示されるように、本発明の一実施形態に係わる固体高分子形燃料電池セルカートリッジ１（以下、セルカートリッジ１という）は、少なくとも１個のセル２と、一対の電極プレート３、４と、外部接続部材５と、固定バンド６と、一対の気体・温調媒体分離パッキン７、８と、一対のパックアッププレート９、１０と、一対の電極端子２４、２５とを備えている。
【００４０】
矩形平板状のセル２を挟んでその両側にそれぞれ、一対の電極プレート３、４、一対の気体・温調媒体分離パッキン７、８および一対のパックアッププレート９、１０が積層されることにより、１つの積層体１７が構成されている。その積層体１７の外周の縁の一辺は、外部接続部材５によって閉塞され、残りの三辺は、固定バンド６によって閉塞されている。固定バンド６は、積層体１７の外周の縁の三辺を閉塞しながらおよび積層体１７を保持している。外部接続部材５は、燃料流体および空気の出入が可能な経路５ａ〜５ｄを有しており、しかも、外部接続部材５には電極端子２４、２５が配置されている。そのため、それぞれのセルカートリッジ１は、独立して発電可能な燃料電池として機能することができる。燃料流体は、本実施形態では、水素ガスが採用されているが、他の燃料を用いても良く、気体だけでなく液体も採用することができ、例えば、液体状のメタノールでもよい。また、燃料流体と反応する流体も空気以外の流体を用いても良い。
【００４１】
以下、セルカートリッジ１の各部材についてより詳しく説明する。
【００４２】
セル２は、平板状の一対の水素極メタルセパレータ１１および空気極メタルセパレータ１２と、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly)（以下、ＭＥＡという）１３とを備えている。当該セパレータ１１、１２は、ＭＥＡ１３を挟んでその両側に積層されている。
【００４３】
ＭＥＡ１３は、固体高分子膜（電解膜）１４と、当該固体高分子膜１４を挟んでその両側に積層された一対の気体拡散層１５、１６とから構成されている。固体高分子膜１４は、水素イオンを透過させる膜である。固体高分子膜１４の表面には、触媒が被膜されている。気体拡散層１５、１６は、それぞれ水素または空気を透過させる膜であり、それらの外周部にはガス漏れ防止のためのパッキンが設けられている。
【００４４】
一対の水素極メタルセパレータ１１および空気極メタルセパレータ１２は、金属薄板からなる。金属薄板としては、耐腐食性を有し、かつ、ガス流路を形成可能なプレス成形などにより形成可能な材料が選択され、例えば、ステンレス鋼やチタン鋼などが用いられる。
【００４５】
水素極メタルセパレータ１１は、図４（ａ）、（ｂ）および図７に示されるように、水素が流れる水素通路１１ａを有する。水素通路１１ａは、ＭＥＡ１３に向かい合う面（図４（ａ）における紙面裏側の面）に形成されたジグザグまたは蛇行した溝からなる。水素通路１１ａは、図４（ｂ）に示されるように、水素極メタルセパレータ１１を電極プレート３側に部分的に張り出すことによって形成された張出し部分１１ｇの内側において、溝状に形成される。
【００４６】
図４（ｂ）に示されるように、張出部分１１ｇは、電極プレート３に接触しており、水素極メタルセパレータ１１と電極プレート３との間を所定距離だけ隔てるスペーサとして機能する。水素極メタルセパレータ１１と電極プレート３との間にできる隙間は、パッキン６１によって塞がれている。
【００４７】
また、水素極メタルセパレータ１１におけるＭＥＡ１３と反対側の面（図４（ａ）における紙面表側の面）の側には、温調媒体が流れる温調媒体通路１１ｂが形成されている。温調媒体通路１１ｂは、水素通路１１ａの外周を取り囲む空間と当該水素通路１１ａのジグザグの谷間に分岐して延びる空間とから構成される。本実施形態では、水素極メタルセパレータ１１と電極プレート３との間において、水素極メタルセパレータ１１の張出部分１１ｇの周囲に隙間をあけて取り囲むようにパッキン６１が設けられている。このパッキン６１と張出部分１１ｇとの間の隙間が温調媒体通路１１ｂとして用いられる。
【００４８】
水素通路１１ａの両端部には、それぞれ、水素が導入される導入口１１ｃおよび水素が排出される排出口１１ｄが、水素極メタルセパレータ１１の表裏方向を貫通してそれぞれ形成されている。
【００４９】
また、温調媒体通路１１ｂにおける水素通路１１ａを挟んで両端の位置には、温調媒体が導入される導入口１１ｅおよび温調媒体が排出される排出口１１ｆが形成されている。導入口１１ｅおよび排出口１１ｆは、水素極メタルセパレータ１１の表裏方向を貫通して形成されている。導入口１１ｅの周囲は、パッキン６１で閉塞されているので、温調媒体が水素極メタルセパレータ１１の周囲から漏れるおそれがない。
【００５０】
空気極メタルセパレータ１２は、図５（ａ）、（ｂ）および図７に示されるように、空気が流れる空気通路１２ａを有する。空気通路１２ａは、ＭＥＡ１３に向かい合う面（図５（ａ）における紙面表側の面）に形成されたジグザグまたは蛇行した溝からなる。空気通路１２ａは、図５（ｂ）に示されるように、空気極メタルセパレータ１２を電極プレート４側に部分的に張り出すことによって形成された張出し部分１２ｇの内側において、溝状に形成される。
【００５１】
図５（ｂ）に示されるように、張出部分１２ｇは、電極プレート４に接触しており、空気極メタルセパレータ１２と電極プレート４との間を所定距離だけ隔てるスペーサとして機能する。空気極メタルセパレータ１２と電極プレート４との間にできる隙間は、パッキン６２によって塞がれている。
【００５２】
また、空気極メタルセパレータ１２におけるＭＥＡ１３と反対側の面（図５（ａ）における紙面裏側の面）には、温調媒体が流れる温調媒体通路１２ｂが形成されている。温調媒体通路１１ｂは、空気通路１２ａの外周を取り囲む空間と当該空気通路１２ａのジグザグの谷間に分岐して延びる空間とから構成される。本実施形態では、空気極メタルセパレータ１２と電極プレート３との間において、空気極メタルセパレータ１２の張出部分１２ｇを隙間をあけて取り囲むようにパッキン６１が設けられている。このパッキン６１と張出部分１２ｇとの間の隙間が温調媒体通路１２ｂとして用いられる。
【００５３】
空気通路１２ａの両端部には、それぞれ、空気が導入される導入口１２ｃおよび空気が排出される排出口１２ｄが、空気極メタルセパレータ１２の表裏方向を貫通して形成されている。
【００５４】
また、温調媒体通路１２ｂにおける空気通路１２ａを挟んで両端の位置には、温調媒体が導入される導入口１２ｅおよび温調媒体が排出される排出口１２ｆが形成されている。導入口１２ｅおよび排出口１２ｆは、空気極メタルセパレータ１２の表裏方向を貫通して形成されている。導入口１２ｅの周囲は、パッキン６１で閉塞されているので、温調媒体が空気極メタルセパレータ１２の周囲から漏れるおそれがない。
【００５５】
一対の電極プレート３、４は、図２および図７に示されるように、セル２の一対のメタルセパレータ１１、１２の外側を挟むように、配置されている。
【００５６】
水素極メタルセパレータ１１に対向する電極プレート３には、貫通孔３ａ、３ｂ、３ｃが形成されている。貫通孔３ａは、水素極メタルセパレータ１１における水素を排出する排出口１１ｄに連通している。貫通孔３ｂは、水素極メタルセパレータ１１における温調媒体を導入する導入口１１ｅに連通している。貫通孔３ｃは、水素極メタルセパレータ１１における水素を導入する導入口１１ｃに連通している。
【００５７】
空気極メタルセパレータ１２に対向する電極プレート４には、貫通孔４ａ、４ｂ、４ｃが形成されている。貫通孔４ａは、空気極メタルセパレータ１２における空気を排出する排出口１２ｄに連通している。また、貫通孔４ｂは、空気極メタルセパレータ１２における温調媒体を排出する排出口１２ｆに連通している。貫通孔４ｃは、空気極メタルセパレータ１２における空気を導入する導入口１２ｃに連通している。
【００５８】
電極端子２４、２５は、積層体１７における外周の縁に設けられ、電極プレート３、４から電気を取り出す端子である。電極端子２４は、電極プレート３の外周の縁に設けられ、電極端子２５は電極プレート４の外周の縁に設けられている。電極端子２４、２５は、それぞれ極プレート２４，２５と一体形成されている。しかも、電極端子２４、２５は、それらの間で短絡が生じないように、異なる高さになるように互いに離間して配置されている。
【００５９】
一対の気体・温調媒体分離パッキン７、８は、図２および図７に示されるように、一対の電極プレート３、４の外側を挟むように配置され、セル２に導入される水素および空気が積層体１７の周囲に漏れることを防ぐ。
【００６０】
水素側気体・温調媒体分離パッキン７には、図２〜３および図７に示されるように、水素排出スリット７ａ、温調媒体導入スリット７ｂ、および水素導入スリット７ｃが形成されている。水素排出スリット７ａは、外部接続部材５の水素排出経路５ｂと電極プレート３の貫通孔３ａとの間を連通している。温調媒体導入スリット７ｂは、外部接続部材５の温調媒体導入経路５ｅと電極プレート３の貫通孔３ｂとの間を連通している。水素導入スリット７ｃは、外部接続部材５の水素導入経路５ａと電極プレート３の貫通孔３ｃとの間を連通している。
【００６１】
空気側気体・温調媒体分離パッキン８には、図２、図６および図７に示されるように、空気排出スリット８ａ、温調媒体排出スリット８ｂ、および空気導入スリット８ｃが形成されている。空気排出スリット８ａは、外部接続部材５の空気排出経路５ｄと電極プレート４の貫通孔４ａとの間を連通している。温調媒体排出スリット８ｂは、外部接続部材５の温調媒体排出経路５ｆと電極プレート４の貫通孔４ｂとの間を連通している。空気導入スリット８ｃは、外部接続部材５の空気導入経路５ｃと電極プレート４の貫通孔４ｃとの間を連通している。
【００６２】
一対のパックアッププレート９、１０は、図２に示されるように、矩形形状の板状プレートからなり、一対の気体・温調媒体分離パッキン７、８の外側を挟むように配置されている。これらのパックアッププレート９、１０は、積層体７の両端を支持するとともに気体・温調媒体分離パッキン７、８に導入される水素および空気が周囲に漏れることを防ぐ。
【００６３】
外部接続部材５は、図１〜２に示されるように、側部固定ブロック２１と、内側パッキン２２と、外側パッキン２３とからなる。外部接続部材５は、本発明の第１閉塞部材の概念に含まれる。
【００６４】
側部固定ブロック２１は、セル２、一対の電極プレート３、４、一対の気体・温調媒体分離パッキン７、８、および一対のパックアッププレート９、１０が積層された積層体１７の外周の縁に嵌合できるような形状をしている。本実施形態の側部固定ブロック２１は、箱形形状をしており、その開口部２１ａを通して、積層体１７の外周の縁に嵌合することができる。また、開口部２１ａの縁には、積層体１７の両端のバックアッププレート９、１０を外側から押さえるための突起２１ｂがそれぞれ形成されている。
【００６５】
内側パッキン２２は、側部固定ブロック２１の開口部２１ａの内側に配置され、側部固定ブロック２１と積層体１７の縁との間に挟まれ、水素、空気および温調媒体の外部への漏れを防止する。内側パッキン２２は、ゴムまたは合成樹脂などの適度な弾力と密着性を有する材料によって製造される。
【００６６】
外側パッキン２３は、側部固定ブロック２１における積層体１７と反対側の外表面に接するように配置されている。外側パッキン２３は、セルカートリッジ１を複数個積層する際に、カートリッジ連結プレート３２（図８参照）と面接触することにより、水素、空気および温調媒体の外部への漏れを防止する。外側パッキン２３についても、内側パッキン２２と同様に、ゴムまたは合成樹脂などの適度な弾力と密着性を有する材料によって製造される。
【００６７】
外部接続部材５は、図１〜２に示されるように、水素を積層体１７内部へ導入するための水素導入経路５ａと、水素を積層体１７の外部へ排出するための水素排出経路５ｂと、空気を積層体１７内部へ導入するための空気導入経路５ｃと、空気を積層体１７の外部へ排出するための空気排出経路５ｄと、セル２を温度調整するための温調媒体を積層体１７内部へ導入するための温調媒体導入経路５ｅと、温調媒体を積層体１７の外部へ排出するための温調媒体排出経路５ｆとを有している。温調媒体は、純水等が用いられる。
【００６８】
これらの水素、空気および温調媒体の経路５ａ〜５ｆは、それぞれ、内側パッキン２２、側部固定ブロック２１および外側パッキン２３の積層方向に貫通して形成され、積層体１７の内部と外部との間を導通している。また、内側パッキン２２における経路５ａ〜５ｆに対応する開口の形状はスリット状になっている。
【００６９】
さらに、図１に示されるように、外部接続部材５におけるこれら経路５ａ〜５ｆの開口端が外部に露出する面には、後述するカートリッジ連結プレート３２（図８〜９参照）に対してボルトまたはピンで結合するための複数個（例えば、３個）の取付孔５ｇが形成されている（なお、取付孔５ｇは、１個でもよい）。また、その面には、当該外部接続部材５の内外を貫通するスリット５ｈが２箇所形成されている。電極端子２４、２５は、スリット５ｈを通して外部へ突出している。
【００７０】
固定バンド６は、積層体１７における外周の縁の辺うち外部接続部材５で閉塞されていない残りの３辺を閉塞する部材であり、本発明の第２閉塞部材の概念に含まれる。
【００７１】
本実施の形態の固定バンド６は、図１〜２に示されるように、金属薄板からなり、外部接続部材５のうち、側部固定ブロック２１および内側パッキン２２を積層体１７とともに巻き締めている。金属薄板の巻き締めは、例えば、従来公知の製缶技術およびその技術に用いられる巻締め機などを利用して行えばよい。例えば、公知の製缶技術では、缶の円筒状の胴部に上蓋および底蓋を取り付ける場合、上蓋および底蓋となる金属板材の外周縁部を円筒状の胴部の縁に沿って巻き締めることにより、密閉した缶を製造することができる。この技術を応用して、固定バンド６を積層体１７の外周縁に巻き締めればよい。
【００７２】
固定バンド６は、図２に示されるように、周方向巻締め部分６ａと、上下方向巻締め部分６ｂとを有している。周方向巻締め部分６ａは、積層体１７の前後両端に当接し、積層体１７の周囲を三方向から巻き締めることにより、積層体１７を積層方向における前後両端から保持する。周方向巻締め部分６ａは、本発明の保持部の概念に含まれる。また、上下方向巻締め部分６ｂは、外部接続部材５のうち側部固定ブロック２１および内側パッキン２２を巻き締めている。外部接続部材５のうち外側パッキン２３は、固定バンド６の上下方向巻締め部分６ｂよりも外に配置されている。
【００７３】
（水素、空気、温調媒体の流れの説明）
つぎに図３〜７を参照しながらセルカートリッジ１内部における水素、空気および温調媒体の経路について説明する。
【００７４】
（水素経路１８について）
セルカートリッジ１における水素が流れる水素経路１８は、概略的には、図７に示されるように、セルカートリッジ１の内部において、水素極メタルセパレータ１１に形成された水素通路１１ａを通ってＭＥＡ１３の表面に接触しながらジグザグに通った後、残りの水素がセルカートリッジ１の外部へ排出される。具体的には、以下の通りである。
【００７５】
まず、図１に示されるように、外部接続部材５の水素導入経路５ａから水素が積層体１７の内部へ導入される。ついで、水素は、図３および図７に示されるように、水素側気体・温調媒体分離パッキン７の水素導入スリット７ｃを通った後、電極プレート３の貫通孔３ｃおよび水素極メタルセパレータ１１の導入口１１ｃを通過して、水素極メタルセパレータ１１の水素通路１１ａに導入される。図４および図７に示されるように、水素通路１１ａは、水素極メタルセパレータ１１におけるＭＥＡ１３に対向する面に形成され、ＭＥＡ１３に対して開放されている。そのため、水素は、水素通路１１ａ内部をジグザグ通りながらＭＥＡ１３へ供給される。ＭＥＡ１３では、水素は、図２に示される気体拡散膜１５を通して固体高分子膜１４に供給される。固体高分子膜１４に到達した水素は、電子を放出して水素イオンとなって固体高分子膜１４を通過する。水素通路１１ａ内の残りの水素は、水素極メタルセパレータ１１の排出口１１ｄ、電極プレート３の貫通孔３ａ、および水素側気体・温調媒体分離パッキン７の水素排出スリット７ａを通り、最後に、外部接続部材５の水素排出経路５ｂから水素が積層体１７の外部へ排出される。
【００７６】
（空気経路１９について）
空気が流れる空気経路１９は、概略的には、図７に示されるように、セルカートリッジ１の内部において、空気極メタルセパレータ１２に形成された空気通路１２ａを通ってＭＥＡ１３の表面に接触しながらジグザグに通った後、残りの空気がセルカートリッジ１の外部へ排出される。具体的には、以下の通りである。
【００７７】
まず、図１に示されるように、外部接続部材５の空気導入経路５ｃから空気が積層体１７の内部へ導入される。ついで、空気は、図６〜７に示されるように、空気側気体・温調媒体分離パッキン８の空気導入スリット８ｃを通った後、電極プレート４の貫通孔４ｃおよび空気極メタルセパレータ１２の導入口１２ｃを通過して、空気極メタルセパレータ１２の空気通路１２ａに導入される。図５および図７に示されるように、空気通路１２ａは、ＭＥＡ１３に対して開放されているので、空気は、ジグザグ通りながらＭＥＡ１３へ供給される。ＭＥＡ１３では、空気は、図２に示される気体拡散膜１６を通して固体高分子膜１４に供給される。固体高分子膜１４に到達した空気に含まれる酸素は、固体高分子膜１４を通過してきた水素イオンと反応し、その結果、水が生成される。このように水素イオンと酸素の化学反応が行われることによってセル２（ＭＥＡ１３）の内部に電気が発生する。このとき発生した電気は、一対の電極プレート４、５および電極端子２４、２５を介してセルカートリッジ１の外部に取り出すことができる。
【００７８】
空気通路１２ａ内の残りの空気は、水とともに、空気極メタルセパレータ１２の排出口１２ｄ、電極プレート４の貫通孔４ａ、および空気側気体・温調媒体分離パッキン８の空気排出スリット８ａを通り、最後に、外部接続部材５の空気排出経路５ｄから空気が積層体１７の外部へ排出される。
【００７９】
なお、空気極メタルセパレータ１２における空気通路１２ａを通る空気の流れは、自由に設定でき、水素通路１１ａを通る水素の流れに対して平行流、対向流または直交流のいずれでもよい。
【００８０】
（温調媒体経路２０について）
純水等の温調媒体が流れる温調媒体経路２０は、概略的には、図７に示されるように、セルカートリッジ１の内部において、水素極メタルセパレータ１１において水素通路１１ａの裏側（ＭＥＡ１３に対向する面と反対側）において張出部分１１ｇ（図４（ｂ）参照）とパッキン６１との間に形成された温調媒体通路１１ｂを通過し、ついで、ＭＥＡ１３を貫通した後に、空気極メタルセパレータ１２において空気通路１２ａの裏側（ＭＥＡ１３に対向する面と反対側）において張出部分１２ｇ（図５（ｂ）参照）とパッキン６２との間に形成された温調媒体通路１２ｂを通過した後、排出される。具体的には、以下の通りである。
【００８１】
まず、図１に示されるように、外部接続部材５の温調媒体導入経路５ｅから温調媒体が積層体１７の内部へ導入される。ついで、温調媒体は、図３および図７に示されるように、水素側気体・温調媒体分離パッキン７の温調媒体導入スリット７ｂおよび電極プレート３の貫通孔３ｂを通過した後、水素極メタルセパレータ１１において導入口１１ｅから温調媒体通路１１ｂに導入される。温調媒体は、水素通路１１ａの裏側において水素極メタルセパレータ１１と電極プレート３との間に位置する温調媒体通路１１ｂ（図４（ｂ）参照）を通りながら、水素極メタルセパレータ１１およびＭＥＡ１３を温度調整する。温調媒体によるＭＥＡ１３の温度調整は、例えば、運転初期の段階では所定の動作温度になるまでＭＥＡ１３の温度を上げ、その後、所定の動作温度を維持するためにＭＥＡ１３を冷却または加温する。
【００８２】
水素極メタルセパレータ１１およびＭＥＡ１３を温度調整した後、温調媒体は、水素極メタルセパレータ１１の表裏方向に貫通する排出口１１ｆとＭＥＡ１３の貫通孔１３ａとを通過し、さらに空気極メタルセパレータ１２の表裏方向に貫通する導入口１２ｅを通過して、空気極メタルセパレータ１２側の温調媒体通路１２ｂに導入される。温調媒体は、空気通路１２ａの裏側において空気極メタルセパレータ１２と電極プレート４との間に位置する温調媒体通路１２ｂ（図５（ｂ）参照）を通りながら、空気極メタルセパレータ１２およびＭＥＡ１３を温度調整する。その後、温調媒体は、空気極メタルセパレータ１２の排出口１２ｆから電極プレート４の貫通孔４ｂ、および空気側気体・温調媒体分離パッキン８の温調媒体排出スリット８ｂを通り、最後に、外部接続部材５の温調媒体排出経路５ｆから水素が積層体１７の外部へ排出される。
【００８３】
（並列接続のスタック構造）
上記のように構成されたセルカートリッジ１を複数個積層した状態で互いに連結し、さらに各セルカートリッジ１を所定の接続方式で電気的に接続することにより、１個のスタック構造が形成される。
【００８４】
図８に示されるスタック構造３１は、並列接続仕様のスタック構造であり、互いに積層して配置された複数のセルカートリッジ１と、カートリッジ連結プレート３２と、一対の電極バー３３、３４とを備えている。
【００８５】
カートリッジ連結プレート３２は、複数のセルカートリッジ１を積層した状態で各セルカートリッジ１の外周の縁と個別に連結する板状部材であり、本発明のカートリッジ連結部材の概念に含まれるものである。
【００８６】
カートリッジ連結プレート３２には、複数本（例えば、３本）のボルト５０が挿入される貫通孔（図示せず）が形成されており、それぞれの貫通孔には、当該ボルト５０が挿入される。これにより、カートリッジ連結プレート３２は、当該ボルト５０によって各々のセルカートリッジ１における外部接続部材５（図１〜２参照）と連結されている。具体的には、各セルカートリッジ１は、複数本（例えば、３本）のボルト５０が外部接続部材５の取付孔５ｇ（図１参照）にねじ込まれることによって、カートリッジ連結プレート３２に個別に連結されている。これにより、各セルカートリッジ１は、カートリッジ連結プレート３２に対して、個別に着脱することが可能である。なお、ボルト５０は、１本でもよい。
【００８７】
また、カートリッジ連結プレート３２の内部には、各セルカートリッジ１に対して、水素、空気および温調媒体を導入または排出するための通路として、水素導入通路３５ａと、水素排出通路３５ｂと、空気導入通路３５ｃと、空気排出通路３５ｄと、温調媒体導入通路３５ｅと、温調媒体排出通路３５ｆとが形成されている。各通路３５ａ〜３５ｆは、一端がカートリッジ連結プレート３２の側端から外部へ開口し、他端は各セルカートリッジ１における水素、空気および温調媒体の導入または排出用の経路５ａ〜５ｆに連通している。すなわち、カートリッジ連結プレート３２の水素導入通路３５ａは、各セルカートリッジ１の水素導入経路５ａに連通し、同様に、水素排出通路３５ｂは水素排出経路５ｂに連通し、空気導入通路３５ｃは空気導入経路５ｃに連通し、空気排出通路３５ｄは空気排出経路５ｄに連通し、温調媒体導入通路３５ｅは温調媒体導入経路５ｅに連通し、温調媒体排出通路３５ｆは温調媒体排出経路５ｆに連通する。
【００８８】
カートリッジ連結プレート３２は、種々の材料で製造することが可能であり、例えば、ステンレスなどの金属材料または絶縁材料などで製造することが可能である。カートリッジ連結プレート３２が金属などの導体材料で製造される場合には、各セルカートリッジ１の電極端子２４、２５および電極バー３３、３４の周囲を絶縁材で被覆してこれらの部位における短絡を防止すればよい。
【００８９】
一対の電極バー３３、３４は、隣接するセルカートリッジ１の電極端子２４、２５同士を電気的に並列接続する電極接続部である。電極バー３３，３４は、カートリッジ連結プレート３２の外側の面に互いに平行に取り付けられている。なお、電極バー３３、３４は、カートリッジ連結プレート３２の内部に一部または全部埋め込ませてカートリッジ連結プレート３２に固定してもよい。
【００９０】
各セルカートリッジ１の電極端子２４、２５は、それぞれ、カートリッジ連結プレート３２に形成されたスリット（図示せず）に挿入され、それら先端が対応する電極バー３３、３４に接触することにより当該電極バー３３、３４に電気的に接続される。これにより、各セルカートリッジ１は、一対の電極バー３３、３４を介して互いに並列接続され、その結果、一対の電極バー３３、３４から、所定の電圧で電流を長時間安定供給することができる。
【００９１】
図８に示されるように、複数のセルカートリッジ１は、互いに積層した状態で各セルカートリッジ１の外周の縁と個別にカートリッジ連結プレート３２に連結しているので、個々のセルカートリッジ１のメンテナンスや交換が容易になっている。
【００９２】
また、各セルカートリッジ１の電極端子２４、２５に発電能力を監視する装置（発電モニタなど）を接続することで、セルカートリッジ１ごとの発電能力を監視することができる。もし、スタック構造３１のうち、ある１つのセルカートリッジ１が不具合が生じた場合には、そのセルカートリッジ１をカートリッジ連結プレート３２から外して新しいセルカートリッジ１へ即座に交換することが可能である。また、交換用の予備のセルカートリッジ１がない場合には、取り外したセルカートリッジ１の場所に遮断蓋などを設置することで、漏電の発生を抑え、かつ、燃料流体（水素など）、空気および温調媒体の漏れを防止して、残りの良品のセルカートリッジ１だけで構成されたスタック構造３１で運転を継続することができる。
【００９３】
（直列接続のスタック構造）
また、図９に示されるスタック構造３６のように各セルカートリッジ１同士を直列接続して起電力の大きい燃料電池を構成してもよい。
【００９４】
具体的には、図９に示されるスタック構造３６は、直列接続のための電極バー３７、３８、３９を備えている。
【００９５】
電極バー３７、３８、３９は、それぞれカートリッジ連結プレート３２の表面に金属製のピン３７ａ、３８ａ、３９ａで固定されている。また、それぞれのピン３７ａ、３８ａ、３９ａは、カートリッジ連結プレート３２に形成されたスリットに連通している。そのスリットにセルカートリッジ１の電極端子２４，２５が挿入されることにより、ピン３７ａ、３８ａ、３９ａを介して、電極バー３７、３８、３９と電極端子２４、２５との間が電気的に接続される。
【００９６】
電極バー３７は、スタック構造３６の両端のうちの一端のセルカートリッジ１の電極端子２５に接続され、他方、電極バー３８は、スタック構造３６の両端のうちの他端のセルカートリッジ１の電極端子２４に接続されている。また、複数本の電極バー３９は、斜め平行に並べられ、隣接するセルカートリッジ１の電極端子２４と電極端子２５との間をそれぞれ連結している。これにより、スタック構造３６内部のすべてのセルカートリッジ１は、直列接続されている。
【００９７】
図９に示されるスタック構造３６では、カートリッジ連結プレート３２の表面に、複数の電極バー３９が配置され、図８に示されるスタック構造３１のようにボルト締めが困難である。そこで、この構造では、各セルカートリッジ１は、カートリッジ連結プレート３２に対してピン５１が外部接続部材５の取付孔５ｇ（図１参照）に嵌り込むことによって連結されている。
【００９８】
また、図９に示される直列接続のスタック構造３６の場合も、不具合のあるセルカートリッジ１があれば、そのセルカートリッジを交換したり、またはその該当場所に遮断蓋を取り付ければよい。なお、この場合、遮断蓋は、直列接続を維持するために、取り出したセルカートリッジ１の電極端子２４、２５が存在していた２点を電気的に接続するための配線部分が必要である。
【００９９】
（並列接続および直列接続を含むスタック構造）
また、図１０に示されるスタック構造４０のように、複数のセルカートリッジ１を２またはそれ以上のグループ、すなわち、第１の分割スタック、第２の分割スタック、・・・のように分割して共通のカートリッジ連結プレート３２にそれぞれ連結し、各分割スタック４１、４２の中でそれぞれのセルカートリッジ１同士を直列接続または並列接続してもよい。
【０１００】
具体的には、図１０に示されるスタック構造４０は、並列接続の分割スタック４１（第１の分割スタック）と、直列接続の分割スタック４２（第２の分割スタック）とに構成されている。このスタック構造４０では、電極接続部が複数の系統を有するように、カートリッジ連結プレート３２には、並列接続用の一対の電極バー４３、４４と、直列接続用の電極バー４７、４８、４９とが設けられている。
【０１０１】
並列接続の分割スタック４１は、所定の第１の個数（例えば５個）のセルカートリッジ１がカートリッジ連結プレート３２の右半分の領域に図９のスタック構造３６と同様にピン５１によってそれぞれ連結されている。これにより、分割スタック４１の内部では、上記の図８のスタック構造３１と同様に、カートリッジ連結プレート３２に連結されるそれぞれのセルカートリッジの電極端子２４、２５は、一対の電極バー４３、４４を介して互いに電気的に並列接続されている。
【０１０２】
また、直列接続の分割スタック４２は、所定の第２の個数（例えば５個）のセルカートリッジ１がカートリッジ連結プレート３２の左半分の領域にピン５１によってそれぞれ連結されている。これにより、分割スタック４２の内部では、上記の図１０のスタック構造３６と同様に、カートリッジ連結プレート３２に連結されるそれぞれのセルカートリッジの電極端子２４、２５は、一連の電極バー４７、４８、４９を介して互いに電気的に直列接続されている。
【０１０３】
なお、分割スタック４１、４２を構成するそれぞれのセルカートリッジ１の個数については、本発明はとくに限定するものではなく、起電力等の諸所の条件に応じて適宜変更してもよい。
【０１０４】
以上のように１つのスタック構造４０が、並列接続の分割スタック４１および直列接続の分割スタック４２を含むように構成されているので、複数の系統で異なる接続方式を混在させて燃料電池を構成することが可能になり、設計自由度が大幅に拡大する。
【０１０５】
また、図１０のスタック構造４０のように、並列接続の分割スタック４１および直列接続の分割スタック４２を１個ずつ有する構造に本発明は限定されるものではなく、直列接続の分割スタックを複数有する構造や並列接続の分割スタックを複数有する構造、またはそれらの分割スタックが複数ずつ混在された構造でもよい。
統設けてもよい。また、分割スタック４１、４２の個数をさらに多く増やしても良い。
【０１０６】
（上記実施形態の特徴）
（１）
本実施形態のセルカートリッジ１では、セル２および電極プレート３、４の積層体１７における外周の縁を外部接続部材５および固定バンド６によって閉塞するとともに、当該固定バンド６の周方向巻締め部分６ａによって、積層体１７の前後両端を保持している。しかも、外部接続部材５は、水素導入経路５ａ、水素排出経路５ｂ、空気導入経路５ｃ、空気排出経路５ｄ、温調媒体導入経路５ｅおよび温調媒体排出経路５ｆを有しているので、セルカートリッジ１の内外の間で水素、空気、および温調媒体の出入を可能にしている。また、セル２で発電した電気を、電極端子２４、２５を介して、セル２で発電した電気を電極端子２４、２５を介して電極プレート３、４からセルカートリッジ１の外部へ取り出すことができる。そのため、セルカートリッジ１は、単体で燃料電池として機能することができ、それとともに、セルカートリッジ１単位でその内部の１個または複数のセル２の保持力が厳重に管理された状態で製造され、各セルカートリッジ１単位で品質を維持することができる。その結果、そのセルカートリッジ１を複数個積層するだけで、所定の起電力および持続時間のスタック構造を容易かつ精度よく製造することができる。
【０１０７】
（２）
しかも、電極端子２４、２５を介して電極プレート３、４からセルカートリッジ１の外部へ電気を取り出すことによって、セルカートリッジ１単位で起電力や持続時間等の電気的試験をすることができる。その結果、複数のセルカートリッジ１を積層したスタック構造であるにもかかわらず、不良になったセルカートリッジ１の判別および交換が容易になり、メンテナンス性が向上する。
【０１０８】
また、セルカートリッジ１単体で燃料電池として機能するので、設置スペース等に合わせて、セルカートリッジ１のスタック構造を、一列または複数列にするなどしてスタックを分割して設置することも可能になり、設置自由度が大幅に向上する。
【０１０９】
（３）
しかも、本発明のセルカートリッジ１は、外部接続部材５および固定バンド６によって積層体１７の外周の縁を固定してその積層状態を保持する、いわゆる外周固定法を採用することにより、積層体１７に固定用のボルトを貫通させる必要をなくし、あるいはその本数を削減できる。そのため、ＭＥＡ１３の反応面積を有効に利用でき、セルカートリッジ１全体のコンパクト化を図ることができる。このように、本実施形態のセルカートリッジ１の締結方法は、従来のような貫通式のボルトを使用した固定方法ではなく、セル２および電極プレート３、４等などの積層体１７の外周の縁を固定バンド６で閉塞しながら固定することにより、簡素かつ強固に固定し、その結果、各セルカートリッジ１の側面を平滑かつコンパクトに構成することができる。
【０１１０】
また、本実施形態のセルカートリッジ１は、メタルセパレータ１１、１２を使用したセル２を１〜１０個程度の単位で積層することが可能であり、平面薄型のセルカートリッジ１を構成することできる。
【０１１１】
（４）
また、外部接続部材５は、水素導入経路５ａ、水素排出経路５ｂ、空気導入経路５ｃ、空気排出経路５ｄ、温調媒体導入経路５ｅおよび温調媒体排出経路５ｆを有しているので、これら水素導入経路５ａ、水素排出経路５ｂ、空気導入経路５ｃ、空気排出経路５ｄ、温調媒体導入経路５ｅおよび温調媒体排出経路５ｆをセルカートリッジ１の所定の場所に集めて配置することができる。そのため、複数のセルカートリッジ１を積層してスタック構造を構成する場合に、水素、空気ならびに温調媒体の導入経路や排出経路の一元化が容易になる。
【０１１２】
（５）
また、本実施形態のセルカートリッジ１では、電極端子２４、２５が外部接続部材５に配置されているので、電極端子２４、２５をセルカートリッジ１の所定の場所に集めて配置することができる。そのため、複数のセルカートリッジ１の電極端子２４、２５同士を電気的に接続しやすくなり、配線が容易になるとともに配線長が短くなるので、送電ロスも低減できる。また、複数のセルカートリッジ１を積層してスタック構造を構成する場合に、水素導入経路５ａ、水素排出経路５ｂ、空気導入経路５ｃ、空気排出経路５ｄ、温調媒体導入経路５ｅおよび温調媒体排出経路５ｆとともに電極端子２４、２５の一元化も容易になる。
【０１１３】
（６）
さらに、本実施形態のセルカートリッジ１では、電極端子２４、２５が外部接続部材５を貫通して外部に出ているので、これらの電極端子２４、２５を介して、電極プレート３、４からセルカートリッジ１の外部へ電気を容易に取り出すことができる。
【０１１４】
（７）
また、本実施形態のセルカートリッジ１では、セパレータとして金属薄板からなる水素極メタルセパレータ１１および空気極メタルセパレータ１２が採用されているので、カーボンなどの材料と比較してセパレータの薄型化を容易に達成でき、かつ、水素極メタルセパレータ１１および空気極メタルセパレータ１２表面にそれぞれ、水素通路１１ａおよび空気通路１２ａをプレス成形によって容易に形成できる。しかも、従来のカーボン製のセパレータなどと比較して、耐衝撃性も向上する。
【０１１５】
（８）
さらに、本実施形態のセルカートリッジ１では、固定バンド６が、金属薄板からなり、積層体１７における外周の縁に巻き締められており、周方向巻締め部分６ａが金属薄板のうち積層体１７の前後両端に当接して巻き締めるので、セルカートリッジ１の気密性が向上し、しかも、積層体１７に付与される締付圧力の調整を容易かつ精度よく行うことができる。
【０１１６】
（９）
図８〜１０に示される本実施形態のセルカートリッジ１のスタック構造３１、３６、４０は、複数個積層された、本実施形態に係るセルカートリッジ１と、セルカートリッジ１を積層した状態で各セルカートリッジ１の外周の縁と個別に着脱自在に連結するカートリッジ連結プレート３２と、隣接するセルカートリッジ１の電極端子２４、２５同士を電気的に接続する電極接続部として、電極バー３３〜３４、３７〜３９、４３〜４４、４７〜４９を備えている。これらの構成では、複数個のセルカートリッジ１が積層した状態で、各セルカートリッジ１の外周の縁とカートリッジ連結プレート３２とが個別に着脱自在に連結されている。そのため、個々のセルカートリッジ１は、他のセルカートリッジ１がカートリッジ連結プレート３２部と連結した状態を維持させながら当該カートリッジ連結プレート３２から自由に着脱することができる。その結果、個々のセルカートリッジ１のメンテナンスや交換が容易になる。また、図８の電極バー３３〜３４、図９の３７〜３９ならびに図１１の４３〜４４および４７〜４９がそれぞれ、隣接するセルカートリッジ１の電極端子２４、２５同士を電気的に接続するので、セルカートリッジ１のスタックの個数や各セルカートリッジ１間の電気的な接続方式を容易に変更することが可能であり、その結果、これらのスタック構造３１、３６、４０の設置自由度が高くなる。
【０１１７】
（１０）
また、本実施形態のスタック構造３１、３６、４０では、カートリッジ連結プレート３２が各々のセルカートリッジ１における外部接続部材５と連結されている。本実施形態では、各セルカートリッジ１における外部接続部材５は、水素導入経路５ａ、水素排出経路５ｂ、空気導入経路５ｃ、空気排出経路５ｄ、温調媒体導入経路５ｅおよび温調媒体排出経路５ｆを有している。したがって、各セルカートリッジ１における外部接続部材５を、他のセルカートリッジ１の外部接続部材５とともにカートリッジ連結プレート３２に連結することにより、カートリッジ連結プレート３２の場所で、水素、空気および温調媒体の導入経路や排出経路の一元化が容易になっている。
【０１１８】
また、電極端子２４、２５が外部接続部材５に配置されているので、複数のセルカートリッジ１の電極端子２４、２５同士がカートリッジ連結プレート３２の場所に集められるので、電気的に接続しやすくなる。そのため、電極端子２４、２５間の配線が容易になるとともに配線長が短くなるので、送電ロスも低減できる。
【０１１９】
（１１）
また、図８に示されるスタック構造３１のように、電極バー３３〜３４が隣接する電極端子２４、２５同士を電気的に並列に接続しているので、各セルカートリッジ１を並列に接続することが可能になり、燃料電池の持続時間を延ばすことが可能になる。
【０１２０】
（１２）
また、図９に示されるスタック構造３６のように、電極バー３７〜３９が隣接する電極端子２４、２５同士を電気的に直列に接続しているので、各セルカートリッジ１を直列に接続して大きな起電力を得ることができる。
【０１２１】
（１３）
また、図１０に示されるスタック構造４０では、電極接続部として、少なくとも第１の系統である並列接続用の電極バー４３〜４４および第２の系統である直列接続用の電極バー４７〜４９を有している。隣接するある個数のセルカートリッジ１は、それらの電極端子２４、２５同士が並列接続用の電極バー４３〜４４によって電気的に接続されることによって第１の分割スタック４１を構成し、その他の隣接するある個数のセルカートリッジ１は、それらの電極端子２４、２５同士が直列接続用の電極バー４７〜４９によって電気的に接続されることによって第２の分割スタック４２を構成している。このような構成によって、隣接する所定のある個数のセルカートリッジ１の単位で複数の分割されたスタック４１、４２を構成することが可能になるので、所定個数単位でセルカートリッジ１を直列接続または並列接続することが可能になり、スタック構造４０の全体の設計自由度が大幅に拡大する。
【０１２２】
（変形例）
（Ａ）
上記の実施形態では、図２に示されるようにセル２を１個だけ有するセルカートリッジ１の構造が一例として示されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、個々のセルカートリッジ１の内部においてセル２を複数個積層させて互いに直列接続することにより、多数のセル２を積層させたセルカートリッジ１を構成することが可能である。その場合は、外部接続部材５における水素、空気および温調媒体の出入口の構造を変更するとともに、かつ、固定バンド６の幅を変更するなどして多数のセル２に対応するように設計および製造すればよい。
【０１２３】
（Ｂ）
なお、水素と反応する気体として空気を用いる場合には、外部接続部材５から空気導入経路５ｃを通して空気を導入する代わりに、セルカートリッジ１周囲の外気を取り込むことができるように固定バンドの任意の位置に空気導入口を設けるとともに、固定バンド６の任意の位置に空気および水蒸気のための排出口を設けてもよい。その場合、外部接続部材５とは別の位置で、空気の出入が可能になり、セルカートリッジ１の設計自由度がさらに拡大する。
【０１２４】
（Ｃ）
上記実施形態のセルカートリッジ１では、本発明の第２閉塞部材の一例として、積層体１７の外周の縁を金属薄板などからなる固定バンド６を用いて巻き締めて積層体１７の外周を固定した例が示されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の形態または材料からなる閉塞部材を採用することができる。
【０１２５】
例えば、他の外周固定方法として、紫外線硬化樹脂を積層体１７の外周縁に塗布した後に紫外線を照射して当該樹脂を固化させることによって積層体１７を一体になるように固定してもよい。その場合、セルカートリッジ１の気密性が向上し、しかも、積層体１７の連結作業を容易に行うことができる。
【０１２６】
（Ｄ）
さらに他の外周固定方法として、積層体１７の外周縁に合成樹脂などの材料を射出成形することによって積層体１７と樹脂を一体化させる複合成形固定法を用いてもよい。この場合、第２閉塞部材は、合成樹脂などの材料を射出成形することによって形成される。合成樹脂などの材料は、射出成形時に高圧をかけられた状態で積層体１７がセットされた金型内部に注入されるので、積層体１７の周縁を被覆するだけでなく、その周縁近傍の積層体１７の内部まで入り込んで被覆する。その結果、セルカートリッジ１の気密性が大幅に向上する。しかも、積層体１７の連結作業を容易に行うことができる。
【０１２７】
（Ｅ）
上記実施形態の図８〜９に示されるスタック構造３１、３６では、ボルト５０またはピン５１によって、カートリッジ連結プレート３２に各セルカートリッジ１を個別に着脱自在に連結できるように構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の機構によってセルカートリッジ１とカートリッジ連結プレート３２との間の連結を行っても良い。例えば、図１１に示されるセルフロック機構５４のように、セルカートリッジ１をカートリッジ連結プレート３２の所定の位置に当接させるだけでセルカートリッジ１とカートリッジ連結プレート３２との間の連結をワンタッチで行うことが可能な構成にしてもよい。
【０１２８】
図１１に示されるセルフロック機構５４は、具体的には、各セルカートリッジ１の上下の端面に設けられた突起５５と、カートリッジ連結プレート３２の上下の端面に設けられた台座５７と、台座５７に取り付けられたフック５６とによって構成されている。
【０１２９】
突起５５は、セルカートリッジ１の上下の端面の表面から突出しており、例えば、三角柱状の突起などが用いられる。
【０１３０】
台座５７は、カートリッジ連結プレート３２の上下端に固定されている。
【０１３１】
フック５６は、ヒンジ部５８を介して、台座５７に対して揺動自在に連結されている。フック５６の先端には、突起５５と係合可能な爪部５６ａが形成されている。
【０１３２】
ヒンジ部５８は、回転バネ（図示せず）を内蔵しており、フック５６を突起５５へ向かう方向へ回転力を常時与えている。
【０１３３】
このように構成されたセルフロック機構５４では、セルカートリッジ１をカートリッジ連結プレート３２に近づければ、セルカートリッジ１の上下端の突起５５がフック５６を一旦押し上げる。さらに、セルカートリッジ１をカートリッジ連結プレート３２に近づければ、突起５５がフック５６の爪部５６ａを通過したときに、フック５６はヒンジ部５８の回転バネの付勢力によって元の位置へ戻ることによってフック５６は突起５５に係合する。その結果、セルフロック機構５４によって、セルカートリッジ１をカートリッジ連結プレート３２の所定位置にロックすることができる。
【０１３４】
一方、セルカートリッジ１を取り外すときには、セルカートリッジ１をカートリッジ連結プレート３２から離れる方向へ引き抜くときに、突起５５がフック５６を押し上げ、フック５６と突起５５との係合が外れるので、それにより、取り外したい所望のセルカートリッジ１だけをスタック構造の中から容易に取り出すことができる。
【０１３５】
（Ｆ）
図１０に示されるスタック分割の構造では、第１分割スタック４１がセルカートリッジ１同士が並列接続され、第２分割スタック４２がセルカートリッジ１同士が直列接続されているのが、本願発明はこれに限定されるものではなく、種々の配線レイアウトを採用することができる。例えば、両方の分割スタック４１、４２がいずれも直列接続または並列接続するようにしてもよい。
【０１３６】
（Ｇ）
上記の実施形態における図８〜１０に示されるスタック構造３１、３６、４０では、セルカートリッジ１を積層した状態で各セルカートリッジ１の外周の縁と個別に連結するカートリッジ連結部材の一例として、板状のカートリッジ連結プレート３２を例にあげて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各セルカートリッジ１の外周の縁と個別に連結することが可能な形状および構造であれば、種々の形状または構造を有するカートリッジ連結部材を採用することができる。
【０１３７】
（Ｈ）
また、上記の実施形態における図１０に示されるスタック構造４０では、各セルカートリッジ１への水素、空気および温調媒体の導入経路および排出経路が共通化されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、各分割スタック４１、４２ごとに、水素、空気および温調媒体の導入経路および排出経路を設けるようにしてもよい。その場合、各分割スタック４１、４２単位で、水素、空気および温調媒体の供給を制御することができるので、必要に応じて、スタック構造全体の発電能力を細かく調整することが可能になる。
【０１３８】
（Ｉ）
また、上記の実施形態では、電極端子２４、２５は、外部閉塞部材５（第１閉塞部材）を貫通して外部に引き出されているが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の変形例として、電極端子２４、２５は、積層体１７における外周の縁のうち第１閉塞部材で閉塞されていない残りの部分を閉塞する第２閉塞部材を貫通して外部に引き出されるようにしてもよい。例えば、第２閉塞部材を射出成形によって形成する場合には、電極端子２４、２５が外部に突出するように、積層体１７の外周の縁の部分に第２閉塞部材を射出成形すればよい。これにより、電極端子２４、２５を射出成形された第２閉塞部材を貫通して任意の位置から外部に引き出すことが可能である。
【符号の説明】
【０１３９】
１  セルカートリッジ
２  セル
３、４  電極プレート
５  外部接続部材（第１閉塞部材）
５ａ  水素導入経路（燃料流体導入経路）
５ｂ  水素排出経路（燃料流体排出経路）
５ｃ  空気導入経路
５ｄ  空気排出経路
５ｅ  温調媒体導入経路
５ｆ  温調媒体排出経路
６  固定バンド（第２閉塞部材）
６ａ  周方向巻締め部分（保持部）
６ｂ  上下方向巻締め部分
１１  水素極メタルセパレータ
１２  空気極メタルセパレータ
１３  ＭＥＡ（膜電極接合体）
１８  水素経路
１９  空気経路
２０  温調媒体経路
２４、２５  電極端子
３１、３６、４０  スタック構造
３２  カートリッジ連結プレート（カートリッジ連結部材）
３３、３４  電極バー（図８）
３７、３８、３９  電極バー（図９）
４３、４４、４７、４８、４９  電極バー（図１０）
５０  ボルト
５１  ピン
【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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