JP6479400B2 - 燃料電池装置および燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池装置および燃料電池システムに関する。
従来、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池が知られている。燃料電池の一つである固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」という。）は、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１１００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。ＳＯＦＣは、空気極と燃料極とを有する筒状のセルチューブ（セルスタック）の内部と外部に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより電力を発生させる装置である。
特許文献１には、燃料電池を構成する複数のセルチューブの電極同士を導電性の集電部材により電気的に接続することで、配線作業を容易にした燃料電池装置が開示されている。
特許第５１０６８８４号公報
ＳＯＦＣでは、複数のセルスタックを水平面内で隣接した状態で配置したモジュールが１つの発電単位となっている。また、ＳＯＦＣは、複数のモジュールを密接した状態とし、これらを圧力容器内に配置するのが一般的である。
各モジュールを構成する複数のセルスタックは、運転中（発電中）に、燃料ガスと酸化剤ガスとの発熱反応によってそれぞれが発熱する。複数のセルスタックは水平面内で隣接して配置されるとともに、圧力容器内では他のモジュールのセルスタックとも隣接して配置される。圧力容器内は密閉された状態であり、領域毎に発熱量や放熱量が異なる。そのため、複数のセルスタックが配置される水平面内では、領域毎に運転中の温度が異なったものとなる。
複数のセルスタックが配置される水平面内では領域毎に運転中の温度が異なるため、各セルスタックの電気抵抗値が異なったものとなる。運転中の温度が相対的に高い領域に配置されるセルスタックは、運転中の温度が相対的に低い領域に配置されるセルスタックよりも電気抵抗値が小さくなる。
特許文献１に開示された燃料電池装置は、複数のセルチューブ（以下、セルスタックという。）の全ての電極同士を導電性の集電部材により電気的に接続している。そのため、電気抵抗値の差に起因して、運転中の温度が相対的に低い領域に配置されるセルスタックよりも、運転中の温度が相対的に高い領域に配置されるセルスタックの方に多くの電流が流れることとなる。したがって、各セルスタックに流れる電流の大きさに大きな偏りが生じてしまう。
各セルスタックに流れる電流の大きさに大きな偏りが生じると、電流の大きさに依存する発熱量の大きさにも大きな偏りが生じる。運転中の温度が相対的に高い領域に配置されるセルスタックの発熱量は、運転中の温度が相対的に低い領域に配置されるセルスタックの発熱量よりも多い。これにより、運転中の温度が相対的に高い領域に配置されるセルスタックの電気抵抗値と運転中の温度が相対的に低い領域に配置されるセルスタックの電気抵抗値の差が次第に大きくなる。
燃料電池装置では、運転中のセルスタックを流れる電流やセルスタックの温度に上限を設けるのが通常である。そのため、燃料電池装置では、一部のセルスタックに流れる電流が大きくなりすぎ、あるいは一部のセルスタックの温度が高くなりすぎると、装置全体の出力が制限されて所望の電力が得られなくなる可能性がある。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、複数のセルスタックが配置される水平面内の領域毎に運転中の温度が異なる場合であっても、各領域に配置されるセルスタックに流れる電流の大きさに大きな偏りが生じることを抑制した燃料電池装置およびそれを有する燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を採用する。
本発明の一態様に係る燃料電池装置は、正極と負極とを有する燃料電池を構成する筒状の複数のセルスタックと、該複数のセルスタックのそれぞれを該セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数のセルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給室を形成する第１筐体と、前記複数のセルスタックのそれぞれを該セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数のセルスタックから排出される排燃料ガスを集約する燃料ガス排出室を形成する第２筐体と、前記複数のセルスタックのうち前記水平面内の第１領域に配置される第１セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第１負極集電部と、前記複数のセルスタックのうち前記水平面内の第２領域に配置される第２セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第２負極集電部と、前記複数のセルスタックのうち前記第１セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第１正極集電部と、前記複数のセルスタックのうち前記第２セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第２正極集電部とを備え、前記第１負極集電部と前記第２負極集電部とを電気的に分離して前記第１負極集電部と前記第２正極集電部とを電気的に接続することにより、前記第１セルスタック群と前記第２セルスタック群とが直列接続された経路を形成したものである。
本発明の一態様に係る燃料電池装置によれば、運転中の第１領域の温度が第２領域の温度よりも高くなる場合、第１領域に配置される第１セルスタック群の電気抵抗値は第２領域に配置される第２セルスタック群の電気抵抗値よりも低くなる。本態様の燃料電池装置によれば、第１負極集電部と第２負極集電部とが電気的に分離されるため、これらが電気的に接続される場合に比べ、第１負極集電部に流れる電流の大きさと第２負極集電部に流れる電流の大きさとに大きな偏りが生じることが抑制される。
また、本態様の燃料電池装置によれば、第１負極集電部と第２正極集電部とが電気的に接続されて、第１セルスタック群と第２セルスタック群とが直列接続される。そのため、第１領域に配置される第１セルスタック群が出力する電力と、第２領域に配置される第２セルスタック群が出力する電力とを合計した電力が出力される。よって、水平面内の全領域の複数のセルスタックを並列に接続する場合と同様の電力を得ることができる。
本発明の一態様に係る燃料電池装置においては、前記複数のセルスタックのうち前記水平面内の第３領域に配置される第３セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第３負極集電部と、前記複数のセルスタックのうち前記第３セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第３正極集電部とを備え、前記第１負極集電部と前記第３負極集電部とを電気的に分離して前記第１負極集電部と前記第３正極集電部とを電気的に接続し、前記第２負極集電部と前記第３負極集電部とを電気的に接続することにより、前記第２セルスタック群と前記第３セルスタック群とが並列接続された経路を形成した構成にしてもよい。
本構成の燃料電池装置によれば、運転中において、第１領域の温度が第３領域の温度よりも高くなる場合、第１領域に配置される第１セルスタック群の電気抵抗値は第３領域に配置される第３セルスタック群の電気抵抗値よりも低くなる。本構成の燃料電池装置によれば、第１負極集電部と第３負極集電部とが電気的に分離されるため、これらが電気的に接続される場合に比べ、第１負極集電部に流れる電流の大きさと第３負極集電部に流れる電流の大きさとに大きな偏りが生じることが抑制される。
また、本構成の燃料電池装置によれば、第１負極集電部と第３正極集電部とが電気的に接続され、かつ第２負極集電部と第３負極集電部とが電気的に接続されて、第２セルスタック群と第３セルスタック群とが並列接続される。第２領域に配置されるセルスタックと第３領域に配置されるセルスタックが並列接続されるため、運転中に第２領域および第３領域がそれぞれ第１領域よりも低温となる場合、第２セルスタック群と第３セルスタック群に流れる電流の大きさが第１セルスタック群に流れる電流の大きさから大きく偏ることが抑制される。
本発明の一態様に係る燃料電池装置においては、前記複数のセルスタックが配置される前記水平面内の配置領域は、長辺と短辺とを有する矩形状であり、前記第１領域および前記第２領域は、前記配置領域の長辺方向に分割された領域である構成としてもよい。
このようにすることで、配置領域の長辺方向に沿って運転中の温度勾配がある燃料電池装置において、相対的に高温な第１領域の第１負極集電部と相対的に低温な第２領域の第２負極集電部とが電気的に分離される。そのため、これらが電気的に接続される場合に比べ、第１負極集電部に流れる電流の大きさと第２負極集電部に流れる電流の大きさとに大きな偏りが生じることが抑制される。
本発明の一態様に係る燃料電池装置においては、前記複数のセルスタックが配置される前記水平面内の配置領域は、長辺と短辺とを有する矩形状であり、前記第１領域は前記配置領域の長辺方向の中央部分と短辺方向の中央部分とを含む領域であり、前記第２領域は前記第１領域の周辺の領域である構成としてもよい。
このようにすることで、配置領域の長辺方向の中央部分と短辺方向の中央部分とを含む第１領域と、その周辺の第２領域との温度差がある燃料電池装置において、相対的に高温な第１領域の第１負極集電部と相対的に低温な第２領域の第２負極集電部とが電気的に分離される。そのため、これらが電気的に接続される場合に比べ、第１負極集電部に流れる電流の大きさと第２負極集電部に流れる電流の大きさとに大きな偏りが生じることが抑制される。
上記いずれかの燃料電池装置においては、前記第１領域に配置される前記セルスタックの数が、前記第２領域に配置される前記セルスタックの数よりも多いものであってもよい。
このようにすることで、第１領域に配置されるセルスタックの数と第２領域に配置されるセルスタックの数を同一にする場合に比べ、第１領域に配置されるセルスタックに分配される電流の大きさが小さくなるとともに第２領域に配置されるセルスタックに分配される電流の大きさが大きくなる。したがって、第１負極集電部に流れる電流の大きさと第２負極集電部に流れる電流の大きさとに偏りが生じることが更に抑制される。
本発明の一態様に係る燃料電池装置においては、前記複数のセルスタックのうち前記水平面内の第３領域に配置される第３セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第３負極集電部と、前記複数のセルスタックのうち前記水平面内の第４領域に配置される第４セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第４負極集電部と、前記複数のセルスタックのうち前記第３セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第３正極集電部と、前記複数のセルスタックのうち前記第４セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第４正極集電部とを備え、前記第３正極集電部と前記第４正極集電部とを電気的に接続しつつ前記第３負極集電部と前記第４負極集電部とを電気的に分離することにより、前記第３セルスタック群と前記第４セルスタック群とが直列接続された経路を形成し、前記第１負極集電部と前記第４負極集電部とを電気的に接続するとともに前記第２正極集電部と前記第３正極集電部とを電気的に接続することにより、前記第１セルスタック群と前記第２セルスタック群とを直列接続した第１経路と前記第３セルスタック群と前記第４セルスタック群とを直列接続した第２経路とを並列接続した経路を形成する構成であってもよい。
本構成の燃料電池装置によれば、運転中の第３領域の温度が第４領域の温度よりも高くなる場合、第３領域に配置される第３セルスタック群の電気抵抗値は第４領域に配置される第４セルスタック群の電気抵抗値よりも低くなる。本構成の燃料電池装置によれば、第３負極集電部と第４負極集電部とが電気的に分離されるため、これらが電気的に接続される場合に比べ、第３負極集電部に流れる電流の大きさと第４負極集電部に流れる電流の大きさとに大きな偏りが生じることが抑制される。
本構成の燃料電池装置によれば、第１セルスタック群と第２セルスタック群とを直列接続した第１経路と第３セルスタック群と第４セルスタック群とを直列接続した第２経路とを並列接続した経路とが形成される。運転中の第２領域と第３領域の温度差が少なく、第１領域の温度が第４領域の温度よりも高くなる場合、第１セルスタック群のセルスタックの電気抵抗値が低くなり、第４セルスタック群のセルスタックの電気抵抗値が高くなる。
本構成では、第１セルスタック群と第２セルスタック群とを直列接続して第１経路を形成し、第３セルスタック群と第４セルスタック群とを直列接続して第２経路を形成している。各経路の電気抵抗値は直列接続による合成抵抗値となるため、第２セルスタック群と第４セルスタック群の電気抵抗値に差があったとしても、第１経路の電気抵抗値と第２経路の電気抵抗値とに大きな差が生じることが抑制される。
本発明の一態様に係る燃料電池システムは、第１燃料電池装置と第２燃料電池装置とを有する燃料電池システムであって、前記第１燃料電池装置が、正極と負極とを有する燃料電池を構成する筒状の複数の第１セルスタックと、該複数の第１セルスタックのそれぞれを該第１セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数の第１セルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給室を形成する第１筐体と、前記複数の第１セルスタックのそれぞれを該第１セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数の第１セルスタックから排出される排燃料ガスを集約する燃料ガス排出室を形成する第２筐体と、前記複数の第１セルスタックのうち前記水平面内の第１領域に配置される第１セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第１負極集電部と、前記複数の第１セルスタックのうち前記水平面内の第２領域に配置される第２セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第２負極集電部と、前記複数のセルスタックのうち前記第１セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第１正極集電部と、前記複数のセルスタックのうち前記第２セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第２正極集電部とを有し、前記第２燃料電池装置が、正極と負極とを有する燃料電池を構成する筒状の複数の第２セルスタックと、該複数の第２セルスタックのそれぞれを該第２セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数の第２セルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給室を形成する第３筐体と、前記複数の第２セルスタックのそれぞれを該第２セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数の第２セルスタックから排出される排燃料ガスを集約する燃料ガス排出室を形成する第４筐体と、前記複数の第２セルスタックのうち前記第１領域に配置される第３セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第３筐体に配置される第３負極集電部と、前記複数の第２セルスタックのうち前記第２領域に配置される第４セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第３筐体に配置される第４負極集電部と、前記複数のセルスタックのうち前記第３セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第４筐体に配置される第３正極集電部と、前記複数のセルスタックのうち前記第４セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第４筐体に配置される第４正極集電部とを有し、前記第１負極集電部と前記第２負極集電部とを電気的に分離して前記第１正極集電部と前記第３負極集電部とを電気的に接続することにより、前記第１セルスタック群と前記第３セルスタック群とが直列接続された第１経路を形成し、前記第２負極集電部と前記第１負極集電部とを電気的に分離して前記第２正極集電部と前記第４負極集電部とを電気的に接続することにより、前記第２セルスタック群と前記第４セルスタック群とが直列接続された第２経路とを形成した。
本発明の一態様に係る燃料電池システムによれば、第１燃料電池装置の第１セルスタック群と第２燃料電池装置の第３セルスタック群とが直列接続された第１経路が形成される。また、第１燃料電池装置の第２セルスタック群と第２燃料電池装置の第４セルスタック群とが直列接続された第２経路が形成される。
運転中の第１領域の温度が第２領域の温度よりも高くなる場合、第１領域に配置される第１セルスタック群，第３セルスタック群の電気抵抗値は第２領域に配置される第２セルスタック群，第４セルスタック群の電気抵抗値よりも低くなる。
本態様の燃料電池システムによれば、第１負極集電部と第２負極集電部とが電気的に分離されるため、これらが電気的に接続される場合に比べ、第１負極集電部に流れる電流の大きさと第２負極集電部に流れる電流の大きさとに大きな偏りが生じることが抑制される。
また、第１経路と第２経路とが独立して形成されるため、運転中の第１領域の温度が第２領域の温度よりも高くなる場合、相対的に温度の低い第２領域に配置される第２セルスタック群，第４セルスタック群が形成する第２経路に流れる電流の大きさを大きくするように制御することができる。これにより、燃料電池システム全体の出力を増加させることが可能となる。
本発明によれば、複数のセルスタックが配置される水平面内の領域毎に運転中の温度が異なる場合であっても、各領域に配置されるセルスタックに流れる電流の大きさに大きな偏りが生じることを抑制した燃料電池装置およびそれを有する燃料電池システムを提供することができる。
ＳＯＦＣモジュールの一態様を示す斜視図である。 ＳＯＦＣカートリッジの一態様を示す断面図である。 セルスタックの一態様を示す断面図である。 第１実施形態のＳＯＦＣカートリッジを示す平面図である。 図４に示すＳＯＦＣカートリッジのＢ−Ｂ矢視断面図である。 第２実施形態のＳＯＦＣカートリッジを示す平面図である。 図６に示すＳＯＦＣカートリッジのＣ−Ｃ矢視断面図である。 第２実施形態の変形例のＳＯＦＣカートリッジを示す平面図である。 図８に示すＳＯＦＣカートリッジのＤ−Ｄ矢視断面図である。 第３実施形態のＳＯＦＣカートリッジを示す平面図である。 図１０に示すＳＯＦＣカートリッジのＥ−Ｅ矢視断面図である。 第３実施形態の変形例のＳＯＦＣカートリッジを示す平面図である。 図１２に示すＳＯＦＣカートリッジのＦ−Ｆ矢視断面図である。 第４実施形態のＳＯＦＣカートリッジを示す平面図である。 第５実施形態のＳＯＦＣカートリッジを示す平面図である。 図１５に示すＳＯＦＣカートリッジのＧ−Ｇ矢視断面図である。 第６実施形態のＳＯＦＣカートリッジを示す断面図である。 図１７に示すＳＯＦＣカートリッジのＨ−Ｈ矢視断面図である。 第７実施形態のＳＯＦＣシステムを示す断面図である。 第７実施形態の変形例のＳＯＦＣシステムを示す断面図である。 比較例のＳＯＦＣカートリッジを示す平面図である。 図２１に示すＳＯＦＣカートリッジのＩ−Ｉ矢視断面図である。 セルスタックの電流−電圧特性を示す図である。
〔第１実施形態〕
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。
以下、図面を参照して本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１について説明する。
図１に示すようにＳＯＦＣモジュール２０１は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａとを有する。またＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（図示略）と酸化性ガス供給枝管（図示略）とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス排出管（図示略）と複数の酸化性ガス排出枝管（図示略）とを有する。
燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料供給系（図示略）に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、燃料供給系（図示略）から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導く。
燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。
燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部の燃料ガス排出系（図示略）に導く。
圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約１ＭＰａ、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図２に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室２２３とを有する。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを有する。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１と酸化性ガス排出室２２３とが図２のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、他の構造であっても良い。例えば、セルスタック１０１の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック１０１の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置され、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気となる。
燃料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域である。また、燃料ガス供給室２１７は、上部ケーシング２２９ａに備えられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａ（図示略）と連通されている。また、燃料ガス供給室２１７には、セルスタック１０１の一方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａ（図示略）から燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させる。
燃料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域である。また、燃料ガス排出室２１９は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、燃料ガス排出枝管２０９ａ（図示略）と連通されている。また、燃料ガス排出室２１９には、セルスタック１０１の他方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａ（図示略）に導く。
ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給室２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス供給室２２１は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、酸化性ガス供給枝管（図示略）と連通されている。この酸化性ガス供給室２２１は、酸化性ガス供給枝管（図示略）から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導く。
酸化性ガス排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス排出室２２３は、上部ケーシング２２９ａに備えられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、酸化性ガス排出枝管（図示略）と連通されている。この酸化性ガス排出室２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出室２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して酸化性ガス排出枝管（図示略）に導く。
上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給室２１７と酸化性ガス排出室２２３とを隔離する。
下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１とを隔離する。
上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを有する。
この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出室２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料からなるが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等との温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出室２２３に導くものである。
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒータ等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。
下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを有する。
この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給室２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給室２３３に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒータ等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。
発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電機構を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。集電機構によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、インバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。直流電力を集電する集電機構の詳細については後述する。
次に、図３を参照して本実施形態の円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図３は、セルスタックの一態様を示す断面図である。
セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を有する。
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させる。
燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極に移動させるものである。
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）を生成するものである。
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。
このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。
リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。
次に、本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電機構について、図４および図５を用いて説明する。
図４は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３を鉛直方向上方からみた平面図である。図４は、上部ケーシング２２９ａを省略した図となっている。図５は、図４に示すＳＯＦＣカートリッジのＢ−Ｂ矢視断面図となっている。また、前述した図２に示す断面図は、図４に示すＳＯＦＣカートリッジ２０３のＡ−Ａ矢視断面図となっている。
図４および図５に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料電池を構成する円筒状の複数のセルスタック１０１を備える。各セルスタック１０１は、図３を用いて説明したように空気極１１３（正極）と燃料極１０９（負極）とを有する。
図４では１つのセルスタック１０１にのみ符号を付したが、３２個の円形で示す全てがセルスタック１０１である。図５は、図４のＢ−Ｂ矢視断面図であるため、長編方向に配列された８本のセルスタック１０１が示されている。
図５に示すように、複数のセルスタック１０１のそれぞれは、セルスタック１０１の中心軸が鉛直方向に延びかつ中心軸に直交する水平面内で隣接した状態で配置されるように、上部ケーシング２２９ａ（筐体）と下部ケーシング２２９ｂ（筐体）によって支持されている。
図４および図５に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、空気極集電板１１（第１正極集電部）と、空気極集電板１２（第２正極集電部）と、空気極集電板１３（第３正極集電部）と、燃料極集電板２１（第１負極集電部）と、燃料極集電板２２（第２負極集電部）と、燃料極集電板２３（第３負極集電部）とを備える。
空気極集電板１１，１２，１３は、それぞれ図４に示す水平面内の第１領域Ａ１，第２領域Ａ２，第３領域Ａ３に配置される複数のセルスタック１０１（セルスタック群）の空気極１１３同士を電気的に接続する導電性の板状部材である。
燃料極集電板２１，２２，２３は、それぞれ図４に示す水平面内の第１領域Ａ１，第２領域Ａ２，第３領域Ａ３に配置される複数のセルスタック１０１（セルスタック群）の燃料極１０９同士を電気的に接続する導電性の板状部材である。
図４に示すように、複数のセルスタック１０１が配置される水平面内の配置領域は、長辺と短辺とを有する矩形状となっている。そして、図４に示す第１領域Ａ１，第２領域Ａ２，第３領域Ａ３は、配置領域の長辺方向に分割された領域となっている。配置領域の長辺方向に分割しているのは、長辺方向に沿った温度分布が異なるからである。
図５に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３内で電流を流通させる経路は、燃料極集電板２１と燃料極集電板２２とを電気的に分離して燃料極集電板２１と空気極集電板１２とを電気的に接続することにより形成されている。この経路は、第１領域Ａ１のセルスタック１０１（第１セルスタック群）と第２領域Ａ２のセルスタック１０１（第２セルスタック群）とが直列接続された経路である。
ここで、経路中に示す矢印は、経路を流れる電流の流通方向を示している。以下の各図においても、経路中に示す矢印は経路を流れる電流の流通方向を示すものとする。
また、図５に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３内で電流を流通させる経路は、燃料極集電板２１と燃料極集電板２３とを電気的に分離して燃料極集電板２１と空気極集電板１３とを電気的に接続することにより形成されている。この経路は、第１領域Ａ１のセルスタック１０１（第１セルスタック群）と第３領域Ａ３のセルスタック１０１（第３セルスタック群）とが直列接続された経路である。
この経路において、燃料極集電板２２と燃料極集電板２３とが電気的に接続され、空気極集電板１２と空気極集電板１３とが電気的に接続されている。そのため、この経路は、領域Ａ２のセルスタック１０１（第２セルスタック群）と領域Ａ３のセルスタック１０１（第３セルスタック群）とが、並列接続された経路である。
本実施形態において、運転中（発電中）のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、第１領域Ａ１の温度が、第２領域Ａ２の温度および第３領域Ａ３の温度よりも高い。また、第２領域Ａ２の温度および第３領域Ａ３の温度は、略同じ温度となる。
ＳＯＦＣカートリッジ２０３が有する複数のセルスタック１０１は、製造時のばらつきによる個体差はあるものの、いずれも同等の電流−電圧特性を有するものである。
ここで、セルスタック１０１電流−電圧特性について図２３を参照して説明する。セルスタック１０１は、内部を流通する電流値が大きくなるに連れて正極および負極の電位差を示す電圧値が低下するという電流−電圧特性を示す。また、この電流−電圧特性の関係は、セルスタック１０１の温度が高くなるほど図２３中の右方へ移動する特性を有する。
本実施形態では、運転中（発電中）のＳＯＦＣカートリッジ２０３の内部において、第１領域Ａ１の温度が、第２領域Ａ２の温度および第３領域Ａ３の温度よりも高い。また、第２領域Ａ２の温度および第３領域Ａ３の温度は、略同じ温度となる。そのため、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１（第１セルスタック群）の電流−電圧特性は図２３中に実線で示される。一方、第２領域Ａ２，第３領域Ａ３に配置されるセルスタック１０１（第２セルスタック群および第３セルスタック群）の電流−電圧特性は図２３中に破線で示される。
次に、本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３と比較例のＳＯＦＣカートリッジ２０３’とを比較した結果について説明する。
図２１，図２２は、比較例のＳＯＦＣカートリッジ２０３’を示す図である。
図２１，図２２に示すように、比較例のＳＯＦＣカートリッジ２０３’は、第１領域Ａ１，第２領域Ａ２，第３領域Ａ３の全領域のセルスタック１０１の燃料極１０９が、単一の燃料極集電板２１’によって電気的に接続されている。また、比較例のＳＯＦＣカートリッジ２０３’は、第１領域Ａ１，第２領域Ａ２，第３領域Ａ３の全領域のセルスタック１０１の空気極１１３が、単一の空気極集電板１１’によって電気的に接続されている。そのため、ＳＯＦＣカートリッジ２０３’に形成される経路は、セルスタック１０１の全てを並列接続した経路となっている。
比較例において、運転中（発電中）のＳＯＦＣカートリッジ２０３’は、第１領域Ａ１の温度が、第２領域Ａ２の温度および第３領域Ａ３の温度よりも高い。また、第２領域Ａ２の温度および第３領域Ａ３の温度は、略同じ温度となる。
比較例のＳＯＦＣカートリッジ２０３’は、全てのセルスタック１０１を並列接続する経路を形成するため、ＳＯＦＣカートリッジ２０３’の経路の入力端と出力端の電圧差は、一定のＶ２となっている（図２３参照。）。図２３に示すように、第１領域Ａ１と、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３の電流−電圧特性は異なっている。そのため、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１を流れる電流値がＩ’１であるのに対し、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３に配置されるセルスタック１０１を流れる電流値がＩ’２となっている。
一方、本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１を電流が通過する経路と、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３に配置されるセルスタック１０１を電流が通過する経路とが、直列接続されている。
第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１を電流が通過する経路の電流−電圧特性は、図２３に実線で示すものであるが、この経路を通過する電流値Ｉ２は比較例の電流値Ｉ’２よりも低くなっている。これは、燃料極集電板２１と燃料極集電板２２が電気的に分離しており、電気抵抗値の低い第１領域Ａ１のセルスタック１０１への電流の流れ込みが抑制されるからである。
また、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３に配置されるセルスタック１０１を電流が通過する経路の電流−電圧特性は、図２３に破線で示すものであるが、この経路を通過する電流値Ｉ１は比較例の電流値Ｉ’１よりも高くなっている。これも、燃料極集電板２１と燃料極集電板２２が電気的に分離しており、電気抵抗値の低い第１領域Ａ１のセルスタック１０１への電流の流れ込みが抑制されるからである。
図２３に示すように、比較例のＳＯＦＣカートリッジ２０３’よりも本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３の方が、運転中の温度が相対的に高い第１領域Ａ１のセルスタック１０１に流れる電流の大きさと運転中の温度が相対的に低い第２領域Ａ２および第３領域Ａ３のセルスタック１０１に流れる電流の大きさとの差分が小さくなる。
以上説明した本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３が奏する作用および効果について説明する。
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、運転中において、第１領域Ａ１の温度が第２領域Ａ２の温度よりも高いため、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１の電気抵抗値は第２領域Ａ２に配置されるセルスタック１０１の電気抵抗値よりも低くなる。本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、燃料極集電板２１と燃料極集電板２２とが電気的に分離されるため、これらが電気的に接続される場合に比べ、燃料極集電板２１に流れる電流の大きさと燃料極集電板２２に流れる電流の大きさとに大きな偏りが生じることが抑制される。
また、本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、燃料極集電板２１と空気極集電板１２とが電気的に接続されて、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１と第２領域Ａ２に配置されるセルスタック１０１とが直列接続される。そのため、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１が出力する電力と、第２領域Ａ２に配置されるセルスタック１０１が出力する電力とを合計した電力が出力される。よって、水平面内の全領域の複数のセルスタック１０１を並列に接続する比較例のＳＯＦＣカートリッジ２０３’と同様の電力を得ることができる。
また、本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、運転中において、第１領域Ａ１の温度が第３領域Ａ３の温度よりも高いため、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１の電気抵抗値は第３領域Ａ３に配置されるセルスタック１０１の電気抵抗値よりも低くなる。本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、燃料極集電板２１と燃料極集電板２３とが電気的に分離されるため、これらが電気的に接続される場合に比べ、燃料極集電板２１に流れる電流の大きさと燃料極集電板２３に流れる電流の大きさとに大きな偏りが生じることが抑制される。
また、本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、燃料極集電板２１と空気極集電板１３とが電気的に接続され、かつ燃料極集電板２２と燃料極集電板２３とが電気的に接続されて、第２領域Ａ２のセルスタック１０１と第３領域Ａ３のセルスタック１０１とが並列接続される。運転中に第１領域Ａ１よりも低温な第２領域Ａ２と第３領域Ａ３に配置されるセルスタック１０１同士の並列接続であるため、第２領域Ａ２のセルスタック１０１と第３領域Ａ３のセルスタック１０１に流れる電流の大きさが第１領域Ａ１のセルスタック１０１に流れる電流の大きさから大きく偏ることが抑制される。
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３においては、複数のセルスタック１０１が配置される水平面内の配置領域は、長辺と短辺とを有する矩形状であり、第１領域Ａ１，第２領域Ａ２，第３領域Ａ３は、配置領域の長辺方向に分割された領域である。
このようにすることで、配置領域の長辺方向に沿って運転中の温度勾配があるＳＯＦＣカートリッジ２０３において、相対的に高温な第１領域Ａ１の燃料極集電板２１と相対的に低温な第２領域Ａ２の燃料極集電板２２とが電気的に分離される。そのため、これらが電気的に接続される場合に比べ、燃料極集電板２１に流れる電流の大きさと燃料極集電板２２に流れる電流の大きさとに大きな偏りが生じることが抑制される。
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について図６および図７を参照して説明する。
第２実施形態は第１実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き第１実施形態と同様であるものとする。
第１実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、セルスタック１０１が配置される水平面上の領域を長辺方向に３つの領域に分割するものであった。それに対して第２実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、セルスタック１０１が配置される水平面上の領域を長辺方向に２つの領域に分割するものである。
図６に示すように本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、セルスタック１０１が配置される水平面上の全領域を長辺方向に第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とに分割している。
図６および図７に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、空気極集電板３１１（第１正極集電部）と、空気極集電板３１２（第２正極集電部）と、燃料極集電板３２１（第１負極集電部）と、燃料極集電板３２２（第２負極集電部）とを備える。
空気極集電板３１１，３１２は、それぞれ図６に示す水平面内の第１領域Ａ１，第２領域Ａ２に配置される複数のセルスタック１０１（セルスタック群）の空気極１１３同士を電気的に接続する導電性の板状部材である。
燃料極集電板３２１，３２２は、それぞれ図６に示す水平面内の第１領域Ａ１，第２領域Ａ２に配置される複数のセルスタック１０１（セルスタック群）の燃料極１０９同士を電気的に接続する導電性の板状部材である。
図６に示すように、複数のセルスタック１０１が配置される水平面内の配置領域は、長辺と短辺とを有する矩形状となっている。そして、図６に示す第１領域Ａ１，第２領域Ａ２は、配置領域を長辺方向に分割した領域となっている。配置領域を長辺方向に分割しているのは、本実施形態において運転中のＳＯＦＣカートリッジ２０３の長辺方向に沿った温度分布が異なるからである。
図７に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３内で電流を流通させる経路は、燃料極集電板３２１と燃料極集電板３２２とを電気的に分離して燃料極集電板３２１と空気極集電板３１２とを電気的に接続することにより形成されている。この経路は、第１領域Ａ１のセルスタック１０１（第１セルスタック群）と第２領域Ａ２のセルスタック１０１（第２セルスタック群）とが直列接続された経路である。
本実施形態において、運転中（発電中）のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、第１領域Ａ１の温度が、第２領域Ａ２の温度よりも高い。
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、燃料極集電板３２１と燃料極集電板３２２とが電気的に分離されるため、これらが電気的に接続される場合に比べ、燃料極集電板３２１に流れる電流の大きさと燃料極集電板３２２に流れる電流の大きさとに大きな偏りが生じることが抑制される。
また、本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、燃料極集電板３２１と空気極集電板３１２とが電気的に接続されて、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１と第２領域Ａ２に配置されるセルスタック１０１とが直列接続される。そのため、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１が出力する電力と、第２領域Ａ２に配置されるセルスタック１０１が出力する電力とを合計した電力が出力される。
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、複数のセルスタック１０１が配置される水平面内の配置領域が、長辺方向に沿って、相対的に高温な第１領域Ａ１と相対的に低温な第２領域Ａ２とを有するような場合に特に有効である。
なお、以上の説明においては、複数のセルスタック１０１が配置される水平面内の配置領域を長辺方向に沿って２分割するものであったが、これを４分割するように変形してもよい。この変形例の場合、図８に示すように、複数のセルスタック１０１が配置される水平面内の配置領域が、長辺方向に沿って第１領域Ａ１，第２領域Ａ２，第３領域Ａ３，第４領域Ａ４に４分割される。
図８および図９に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、空気極集電板４１１（第１正極集電部）と、空気極集電板４１２（第２正極集電部）と、空気極集電板４１３（第３正極集電部）と、空気極集電板４１４（第４正極集電部）と、燃料極集電板４２１（第１負極集電部）と、燃料極集電板４２２（第２負極集電部）と、燃料極集電板４２３（第３負極集電部）と、燃料極集電板４２４（第４負極集電部）とを備える。そして、第１領域Ａ１のセルスタック１０１と、第２領域Ａ２のセルスタック１０１と、第３領域Ａ３のセルスタック１０１と、第４領域Ａ４のセルスタック１０１とが、直列接続された経路が形成される。
図８および図９に示すＳＯＦＣカートリッジ２０３では、運転中（発電中）の各領域の温度が、第４領域Ａ４，第３領域Ａ３，第２領域Ａ２，第１領域Ａ１のように徐々に高くなっている。図８および図９に示すＳＯＦＣカートリッジ２０３は、長辺方向の温度分布の勾配が大きくなる場合に特に有利である。
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態について図１０および図１１を参照して説明する。
第３実施形態は第２実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き第２実施形態と同様であるものとする。
第２実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、セルスタック１０１が配置される水平面上の領域を長辺方向に２つの領域に分割するものであった。それに対して第３実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、セルスタック１０１が配置される水平面上の領域を中央部分の第１領域Ａ１と周辺部分の第２領域Ａ２とに分割するものである。
図１０に示すように本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、セルスタック１０１が配置される水平面上の全領域を長辺方向の中央部分と短辺方向の中央部分とを含む第１領域Ａ１と、第１領域Ａ１の周辺を取り囲む第２領域Ａ２とに分割している。
図１０および図１１に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、空気極集電板５１１（第１正極集電部）と、空気極集電板５１２（第２正極集電部）と、燃料極集電板５２１（第１負極集電部）と、燃料極集電板５２２（第２負極集電部）とを備える。
空気極集電板５１１，５１２は、それぞれ図１０に示す水平面内の第１領域Ａ１，第２領域Ａ２に配置される複数のセルスタック１０１（セルスタック群）の空気極１１３同士を電気的に接続する導電性の板状部材である。
燃料極集電板５２１，５２２は、それぞれ図１０に示す水平面内の第１領域Ａ１，第２領域Ａ２に配置される複数のセルスタック１０１（セルスタック群）の燃料極１０９同士を電気的に接続する導電性の板状部材である。
図１０に示すように、複数のセルスタック１０１が配置される水平面内の配置領域は、長辺と短辺とを有する矩形状となっている。そして、図１０に示す第１領域Ａ１，第２領域Ａ２は、長辺方向の中央部分と短辺方向の中央部分とを含む領域と、その周辺を取り囲む領域とに分割されている。配置領域を中央部分とその周辺部分とに分割しているのは、本実施形態において運転中のＳＯＦＣカートリッジ２０３の中央部分と周辺部分とで温度分布が異なるからである。
図１１に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３内で電流を流通させる経路は、燃料極集電板５２１と燃料極集電板５２２とを電気的に分離して燃料極集電板５２１と空気極集電板５１２とを電気的に接続することにより形成されている。この経路は、第１領域Ａ１のセルスタック１０１（第１セルスタック群）と第２領域Ａ２のセルスタック１０１（第２セルスタック群）とが直列接続された経路である。
本実施形態において、運転中（発電中）のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、第１領域Ａ１の温度が、第２領域Ａ２の温度よりも高い。
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、燃料極集電板５２１と燃料極集電板５２２とが電気的に分離されるため、これらが電気的に接続される場合に比べ、燃料極集電板５２１に流れる電流の大きさと燃料極集電板５２２に流れる電流の大きさとに大きな偏りが生じることが抑制される。
また、本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、燃料極集電板５２１と空気極集電板５１２とが電気的に接続されて、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１と第２領域Ａ２に配置されるセルスタック１０１とが直列接続される。そのため、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１が出力する電力と、第２領域Ａ２に配置されるセルスタック１０１が出力する電力とを合計した電力が出力される。
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、複数のセルスタック１０１が配置される水平面内の配置領域が、相対的に高温な第１領域Ａ１を中央部分に有し、相対的に低温な第２領域Ａ２をその周辺部分に有するような場合に特に有効である。
なお、以上の説明においては、複数のセルスタック１０１が配置される水平面内の配置領域を中央部分の第１領域Ａ１と周辺部分の第２領域Ａ２とに分割するものであったが、各領域を更に２分割するように変形してもよい。この変形例の場合、図１２に示すように、複数のセルスタック１０１が配置される水平面内の配置領域が、長手方向の中央部かつ短手方向の中央部に配置される第１領域Ａ１，第２領域Ａ２と、それらの周辺部に配置される第３領域Ａ３，第４領域Ａ４とに４分割される。
図１２および図１３に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、空気極集電板６１１（第１正極集電部）と、空気極集電板６１２（第２正極集電部）と、空気極集電板６１３（第３正極集電部）と、空気極集電板６１４（第４正極集電部）と、燃料極集電板６２１（第１負極集電部）と、燃料極集電板６２２（第２負極集電部）と、燃料極集電板６２３（第３負極集電部）と、燃料極集電板６２４（第４負極集電部）とを備える。そして、第１領域Ａ１のセルスタック１０１と、第２領域Ａ２のセルスタック１０１と、第３領域Ａ３のセルスタック１０１と、第４領域Ａ４のセルスタック１０１とが、直列接続された経路が形成される。
図１２および図１３に示すＳＯＦＣカートリッジ２０３では、運転中（発電中）の各領域の温度が、第４領域Ａ４，第３領域Ａ３，第２領域Ａ２，第１領域Ａ１のように徐々に高くなっている。図１２および図１３に示すＳＯＦＣカートリッジ２０３は、長辺方向に沿って温度が異なり、かつ周辺部分と中央部分とで温度が異なる場合に特に有利である。
〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態について図１４を参照して説明する。
第４実施形態は第２実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き第２実施形態と同様であるものとする。
第４実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、セルスタック１０１が配置される水平面上の領域を長辺方向に２つの領域に分割する際に、各領域に配置するセルスタック１０１の本数を同一とするものであった。それに対して本実施形態は、セルスタック１０１が配置される水平面上の領域を長辺方向に２つの領域に分割する際に、各領域に配置するセルスタック１０１の本数を異ならせるものである。
図６に示す第２実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、第１領域Ａ１に配置するセルスタック１０１の本数と、第２領域Ａ２に配置するセルスタック１０１の本数とをそれぞれ１６本と同一にするものであった。
この場合、温度に依存する電気抵抗値の差によって、相対的に高温な第１領域Ａ１に流れる電流の大きさが、相対的に低温な第２領域Ａ２に流れる電流の大きさよりも大きくなる。そのため、セルスタック１０１の１本当たりに流れる電流の大きさが、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１の方が第２領域Ａ２に配置されるセルスタック１０１よりも大きくなる。
一方、図１４に示す本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、第１領域Ａ１に配置するセルスタック１０１の本数を２０本とし、第２領域Ａ２に配置するセルスタック１０１の本数とをそれぞれ１２本とするものである。ここで、本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、運転中に第１領域Ａ１の温度が第２領域Ａ２よりも高温になる。
この場合、第２実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３に比べ、相対的に高温な第１領域Ａ１のセルスタック１０１の１本当たりに流れる電流の大きさが小さくなる。
この場合、相対的に高温な第１領域Ａ１のセルスタック１０１の１本当たりに流れる電流の大きさと、相対的に低温な第２領域Ａ２のセルスタック１０１の１本当たりに流れる電流の大きさと差を小さくすることができる。
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１の本数と第２領域Ａ２に配置されるセルスタック１０の本数を同一にする場合に比べ、第１領域Ａ１に配置される各セルスタック１０１に分配される電流の大きさが小さくなるとともに第２領域Ａ２に配置される各セルスタック１０１に分配される電流の大きさが大きくなる。したがって、第１領域Ａ１の燃料極集電板に流れる電流の大きさと第２領域Ａ２の燃料極集電板に流れる電流の大きさとに偏りが生じることが更に抑制される。
〔第５実施形態〕
次に、本発明の第５実施形態について図１５および図１６を参照して説明する。
第５実施形態は第１実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き第１実施形態と同様であるものとする。
第１実施形態は、セルスタック１０１が配置される配置領域を、相対的に高温な第１領域Ａ１と、相対的に低温な第２領域Ａ２および第３領域Ａ３とに分割し、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３とに配置されるセルスタック１０１を並列接続するものであった。
それに対して本実施形態は、第１実施形態における第１領域Ａ１を更に２分割するとともに、第１実施形態における第２領域Ａ２および第３領域Ａ３とが単独で並列接続されないようにしたものである。
図１５および図１６に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、空気極集電板７１１（第１正極集電部）と、空気極集電板７１２（第２正極集電部）と、空気極集電板７１３（第３正極集電部）と、空気極集電板７１４（第４正極集電部）と、燃料極集電板７２１（第１負極集電部）と、燃料極集電板７２２（第２負極集電部）と、燃料極集電板７２３（第３負極集電部）と、燃料極集電板７２４（第４負極集電部）とを備える。
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３においては、第１領域Ａ１のセルスタック１０１と、第２領域Ａ２のセルスタック１０１とが、直列接続された第１経路が形成される。また、第３領域Ａ３のセルスタック１０１と、第４領域Ａ４のセルスタック１０１とが、直列接続された第２経路が形成される。
また、燃料極集電板７２１と燃料極集電板７２４とを電気的に接続し、空気極集電板７１２と空気極集電板７１３とを電気的に接続することにより、第１経路と第２経路とを並列接続した経路が形成される。
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、運転中の第１領域Ａ１の温度が第２領域Ａ２の温度よりも高い。そのため、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１の電気抵抗値は第２領域２に配置されるセルスタック１０１の電気抵抗値よりも低くなる。本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、燃料極集電板７２１と燃料極集電板７２２とが電気的に分離されるため、これらが電気的に接続される場合に比べ、燃料極集電板７２１に流れる電流の大きさと燃料極集電板７２２に流れる電流の大きさとに大きな偏りが生じることが抑制される。
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、運転中の第３領域Ａ３の温度が第４領域Ａ４の温度よりも高い。そのため、第３領域Ａ３に配置されるセルスタック１０１の電気抵抗値は第４領域Ａ４に配置されるセルスタック１０１の電気抵抗値よりも低くなる。本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、燃料極集電板７２３と燃料極集電板７２４とが電気的に分離されるため、これらが電気的に接続される場合に比べ、燃料極集電板７２３に流れる電流の大きさと燃料極集電板７２４に流れる電流の大きさとに大きな偏りが生じることが抑制される。
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１と第２領域に配置されるセルスタック１０１とを直列接続した第１経路と第３領域Ａ３に配置されるセルスタック１０１と第４領域Ａ４に配置されるセルスタック１０１とを直列接続した第２経路とを並列接続した経路とが形成される。運転中の第２領域Ａ２と第３領域Ａ３の温度差が少ない場合、第１領域Ａ１の温度が第４領域Ａ４の温度よりも高い状態となる。この場合、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１の電気抵抗値が低くなり、第４領域Ａ４に配置されるセルスタック１０１の電気抵抗値が高くなる。
本実施形態では、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１と第２領域Ａ２に配置されるセルスタック１０１とを直列接続して第１経路を形成し、第３領域Ａ３に配置されるセルスタック１０１と第４領域Ａ４に配置されるセルスタック１０１とを直列接続して第２経路を形成している。各経路の電気抵抗値は直列接続による合成抵抗値となるため、第２領域Ａ２に配置されるセルスタック１０１と第４領域Ａ４に配置されるセルスタック１０１の電気抵抗値に差があったとしても、第１経路の電気抵抗値と第２経路の電気抵抗値とに大きな差が生じることが抑制される。
〔第６実施形態〕
次に、本発明の第６実施形態について図１７および図１８を参照して説明する。
第６実施形態は第５実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き第５実施形態と同様であるものとする。
第５実施形態は隣接する領域のセルスタック群同士を直列接続して第１経路と第２経路とを形成し、第１経路と第２経路とを並列接続するものであった。
それに対して第６実施形態は、隣接しない領域のセルスタック群同士を直列接続して第１経路と第２経路とを形成し、第１経路と第２経路とを並列接続するものである。
第５実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、長辺方向に沿って４分割した領域のうち中央に位置する２つの領域の温度差が少なく、両端に位置する２つの領域の温度差が大きいものであった。
それに対して第６実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、運転中の温度が長辺方向に沿って徐々に温度が高くなる温度分布となっている。具体的には、図１７に示す第４領域Ａ４，第２領域Ａ２，第３領域Ａ３，第１領域Ａ１の順に徐々に温度が高くなる温度分布となっている。
図１７および図１８に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、空気極集電板８１１（第１正極集電部）と、空気極集電板８１２（第２正極集電部）と、空気極集電板８１３（第３正極集電部）と、空気極集電板８１４（第４正極集電部）と、燃料極集電板８２１（第１負極集電部）と、燃料極集電板８２２（第２負極集電部）と、燃料極集電板８２３（第３負極集電部）と、燃料極集電板８２４（第４負極集電部）とを備える。
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３においては、第１領域Ａ１のセルスタック１０１と第２領域Ａ２のセルスタック１０１とが直列接続された第１経路が形成される。また、第３領域Ａ３のセルスタック１０１と第４領域Ａ４のセルスタック１０１とが直列接続された第２経路が形成される。
また、燃料極集電板８２１と燃料極集電板８２４とを電気的に接続し、空気極集電板８１２と空気極集電板８１３とを電気的に接続することにより、第１経路と第２経路とを並列接続した経路が形成される。
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３においては、運転中の第３領域Ａ３の温度が第２領域Ａ２の温度よりも高くなっている。そのため、第１から第４領域のうち相対的に温度の高い第１領域Ａ１と第３領域Ａ３のセルスタック群同士を直列接続し、相対的に温度の低い第２領域Ａ２と第４領域Ａ４のセルスタック群同士を直列接続する場合に比べ、第１経路の電気抵抗値と第２経路の電気抵抗値の差が少なくなる。これにより、並列接続される第１経路と第２経路とを通過する電流の大きさに大きな偏りが生じることが抑制される。
〔第７実施形態〕
次に、本発明の第７実施形態について図１９を参照して説明する。
第７実施形態は第５実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き第５実施形態と同様であるものとする。
第５実施形態は単一のＳＯＦＣカートリッジ２０３内の隣接する領域のセルスタック群同士を直列接続して第１経路と第２経路とを形成するものであった。
それに対して第７実施形態は、隣接して配置される２つのＳＯＦＣカートリッジ２０３ａ，２０３ｂの隣接するセルスタック群同士を直列接続して第１経路と第２経路とを形成するものである。
ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａ，２０３ｂの構造については、第１実施形態で説明したＳＯＦＣカートリッジ２０３と同様であるため、説明を省略する。
第５実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、長辺方向に沿って４分割した領域のうち中央に位置する２つの領域の温度差が少なく、両端に位置する２つの領域の温度差が大きいものであった。
それに対して第７実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３ａ，２０３ｂは、運転中の温度が長辺方向に沿って徐々に温度が高くなる温度分布となっている。具体的には、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の運転中の温度が、図１９に示す第４領域Ａ４，第２領域Ａ２，第３領域Ａ３，第１領域Ａ１の順に徐々に温度が高くなる温度分布となっている。
図１９に示すように、本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１（燃料電池システム）は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａ（第１燃料電池装置）とＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂ（第２燃料電池装置）とを有する。
ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａは、空気極集電板９１１（第１正極集電部）と、空気極集電板９１２と、空気極集電板９１３と、空気極集電板９１４（第２正極集電部）と、燃料極集電板９２１（第１負極集電部）と、燃料極集電板９２２と、燃料極集電板９２３と、燃料極集電板９２４（第２負極集電部）とを備える。
ＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂは、空気極集電板１０１１（第３正極集電部）と、空気極集電板１０１２と、空気極集電板１０１３と、空気極集電板１０１４（第４正極集電部）と、燃料極集電板１０２１（第３負極集電部）と、燃料極集電板１０２２と、燃料極集電板１０２３と、燃料極集電板１０２４（第４負極集電部）とを備える。
本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａの第１領域Ａ１のセルスタック１０１とＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂの第１領域Ａ１（第１領域）のセルスタック１０１とが直列接続された経路（第１経路）が形成される。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａの第４領域Ａ４（第２領域）のセルスタック１０１とＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂの第４領域Ａ４のセルスタック１０１とが直列接続された経路（第２経路）が形成される。
同様に、ＳＯＦＣモジュール２０１においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａの第２領域Ａ２のセルスタック１０１とＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂの第２領域Ａ２のセルスタック１０１とが直列接続された経路が形成される。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａの第３領域Ａ３のセルスタック１０１とＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂの第３領域Ａ３のセルスタック１０１とが直列接続された経路が形成される。
図１９に示すように、本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１においては、第１領域Ａ１に配置される燃料極集電板９２１と、第４領域Ａ４に配置される燃料極集電板９２４とを電気的に分離して空気極集電板９１１と燃料極集電板１０２１とを電気的に接続している。これにより、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａの第１領域Ａ１のセルスタック１０１（第１セルスタック群）とＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂの第１領域Ａ１のセルスタック１０１（第３セルスタック群）とが直列接続された経路（第１経路）が形成される。
また、本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１においては、第４領域Ａ４に配置される燃料極集電板９２４と、第１領域Ａ１に配置される燃料極集電板９２１とを電気的に分離して空気極集電板９１４と燃料極集電板１０２４とを電気的に接続している。これにより、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａの第４領域Ａ４のセルスタック１０１（第２セルスタック群）とＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂの第４領域Ａ４のセルスタック１０１（第４セルスタック群）とが直列接続された経路（第２経路）が形成される。
第２領域Ａ２，第３領域Ａ３についても、第１領域Ａ１，第４領域Ａ４と同様に直列接続された経路が形成される。
図１９に示すように、第１領域Ａ１，第２領域Ａ２，第３領域Ａ３，第４領域Ａ４に形成される各経路の終端には、チョッパ回路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが接続されている。各チョッパ回路は、制御部（図示略）からの指示によって、各経路からインバータ回路３へ流入する電流の大きさを調整できるようになっている。
本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａ，２０３ｂのそれぞれにおいて、第４領域Ａ４，第２領域Ａ２，第３領域Ａ３，第１領域Ａ１の順に徐々に運転中の温度が高くなる温度分布となっている。そのため、何らの調整もしない場合、各領域に流れる電流の大きさは第４領域Ａ４，第２領域Ａ２，第３領域Ａ３，第１領域Ａ１の順に徐々に大きくなる。本実施形態のチョッパ回路は、このような場合に、第１領域Ａ１の経路に対して流れる電流に対して相対的に電流の大きさが小さくなる他の領域の経路の電流の大きさが大きくなるように調整するものである。
以上説明したように、本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１によれば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａの第１領域Ａ１のセルスタック１０１とＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂの第１領域Ａ１のセルスタック１０１とが直列接続された経路（第１経路）が形成される。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａの第４領域Ａ４のセルスタック１０１とＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂのセルスタック１０１とが直列接続された経路（第２経路）が形成される。
運転中の第１領域Ａ１の温度が第４領域Ａ４の温度よりも高いため、第１領域Ａ１に配置されるセルスタック１０１の電気抵抗値は第４領域Ａ４に配置されるセルスタック１０１の電気抵抗値よりも低くなる。
本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１によれば、燃料極集電板９２１と燃料極集電板９２２とが電気的に分離されるため、これらが電気的に接続される場合に比べ、燃料極集電板９２１に流れる電流の大きさと燃料極集電板９２２に流れる電流の大きさとに大きな偏りが生じることが抑制される。
また、第１領域Ａ１に形成される経路と他の領域に形成される経路とが独立して形成されるため、第１領域Ａ１に比べて相対的に温度の低い第２領域Ａ２，第３領域Ａ３，第４領域Ａ４に配置されるセルスタック１０１が形成する経路に流れる電流の大きさを大きくするように制御することができる。これにより、ＳＯＦＣモジュール２０１全体の出力を増加させることが可能となる。
本実施形態においては、第１領域Ａ１，第２領域Ａ２，第３領域Ａ３，第４領域Ａ４でそれぞれ直列接続された経路を形成するものであったが、図２０に示す変形例を採用してもよい。
図２０に示すＳＯＦＣモジュール２０１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａの第１領域Ａ１のセルスタック１０１と、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂの第２領域Ａ２のセルスタック１０１とを直列接続する。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａの第２領域Ａ２のセルスタック１０１と、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂの第１領域Ａ１のセルスタック１０１とを直列接続する。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａの第３領域Ａ３のセルスタック１０１と、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂの第４領域Ａ４のセルスタック１０１とを直列接続する。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａの第４領域Ａ４のセルスタック１０１と、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂの第３領域Ａ３のセルスタック１０１とを直列接続する。
また、図２０に示すＳＯＦＣモジュール２０１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａの第１領域Ａ１のセルスタック１０１と、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂの第２領域Ａ２のセルスタック１０１とを直列接続した経路と、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａの第２領域Ａ２のセルスタック１０１と、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂの第１領域Ａ１のセルスタック１０１とを直列接続した経路とを並列接続している。並列接続された経路の終端にはチョッパ回路２ｅが設けられ、チョッパ回路２ｅの下流側にインバータ回路３が設けられている。
同様に、図２０に示すＳＯＦＣモジュール２０１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａの第３領域Ａ３のセルスタック１０１と、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂの第４領域Ａ４のセルスタック１０１とを直列接続した経路と、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ａの第４領域Ａ４のセルスタック１０１と、ＳＯＦＣカートリッジ２０３ｂの第３領域Ａ３のセルスタック１０１とを直列接続した経路とを並列接続している。並列接続された経路の終端にはチョッパ回路２ｆが設けられ、チョッパ回路２ｆの下流側にインバータ回路３が設けられている。
本変形例によれば、相対的に温度が高い第１領域Ａ１のセルスタック１０１と相対的に温度が低い第２領域Ａ２のセルスタック１０１とを直列接続した一対の経路が形成される。そのため、相対的に温度が高い第１領域Ａ１のセルスタック１０１同士と、相対的に温度が低い第２領域Ａ２のセルスタック１０１同士とを直列接続する場合に比べ、各経路の電気抵抗値の差を少なくすることができる。これにより、各経路に流れる電流の大きさが大きく偏ることが抑制される。
同様に、本変形例によれば、相対的に温度が高い第３領域Ａ３のセルスタック１０１と相対的に温度が低い第４領域Ａ４のセルスタック１０１とを直列接続した一対の経路が形成される。そのため、相対的に温度が高い第３領域Ａ４のセルスタック１０１同士と、相対的に温度が低い第４領域Ａ４のセルスタック１０１同士とを直列接続する場合に比べ、各経路の電気抵抗値の差を少なくすることができる。これにより、各経路に流れる電流の大きさが大きく偏ることが抑制される。
〔他の実施形態〕
以上の説明において、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、長辺方向に８本のセルスタック１０１を配置し、短辺方向に４本のセルスタック１０１を配置し、合計で３２本のセルスタック１０１を備えるものであったが、他の態様であってもよい。
例えば、長辺方向に４８本のセルスタック１０１を配置し、短辺方向に１０本のセルスタック１０１を配置し、合計で４８０本のセルスタック１０１を備えるものであってもよい。その他、長辺方向と短辺方向にそれぞれ任意の本数のセルスタック１０１を配置するようにしてもよい。
２１，２１’，２２,２３ 燃料極集電板（第１負極集電部）
１０１ セルスタック
１０９ 燃料極（負極）
１１３ 空気極（正極）
２０１ ＳＯＦＣモジュール（燃料電池システム）
２０３，２０３’ ＳＯＦＣカートリッジ（燃料電池装置）
２０３ａ ＳＯＦＣカートリッジ（第１燃料電池装置）
２０３ｂ ＳＯＦＣカートリッジ（第２燃料電池装置）
２０５ 圧力容器
２０７ 燃料ガス供給管
２０９ 燃料ガス排出管
２１５ 発電室
２１７ 燃料ガス供給室
２１９ 燃料ガス排出室
２２１ 酸化性ガス供給室
２２３ 酸化性ガス排出室
２２９ａ 上部ケーシング（筐体）
２２９ｂ 下部ケーシング（筐体）
Ａ１ 第１領域
Ａ２ 第２領域
Ａ３ 第３領域
Ａ４ 第４領域

Claims (7)

  1. 正極と負極とを有する燃料電池を構成する筒状の複数のセルスタックと、
    該複数のセルスタックのそれぞれを該セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数のセルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給室を形成する第１筐体と、
    前記複数のセルスタックのそれぞれを該セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数のセルスタックから排出される排燃料ガスを集約する燃料ガス排出室を形成する第２筐体と、
    前記複数のセルスタックのうち前記水平面内の第１領域に配置される第１セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第１負極集電部と、
    前記複数のセルスタックのうち前記水平面内の第２領域に配置される第２セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第２負極集電部と、
    前記複数のセルスタックのうち前記第１セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第１正極集電部と、
    前記複数のセルスタックのうち前記第２セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第２正極集電部とを備え、
    前記第１負極集電部と前記第２負極集電部とを電気的に分離して前記第１負極集電部と前記第２正極集電部とを電気的に接続することにより、前記第１セルスタック群と前記第２セルスタック群とが直列接続された経路を形成し、
    前記複数のセルスタックが配置される前記水平面内の配置領域は、長辺と短辺とを有する矩形状であり、
    前記第１領域は前記配置領域の長辺方向の中央部分と短辺方向の中央部分とを含む領域であり、前記第２領域は前記第１領域の周辺の領域である燃料電池装置。
  2. 正極と負極とを有する燃料電池を構成する筒状の複数のセルスタックと、
    該複数のセルスタックのそれぞれを該セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数のセルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給室を形成する第１筐体と、
    前記複数のセルスタックのそれぞれを該セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数のセルスタックから排出される排燃料ガスを集約する燃料ガス排出室を形成する第２筐体と、
    前記複数のセルスタックのうち前記水平面内の第１領域に配置される第１セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第１負極集電部と、
    前記複数のセルスタックのうち前記水平面内の第２領域に配置される第２セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第２負極集電部と、
    前記複数のセルスタックのうち前記第１セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第１正極集電部と、
    前記複数のセルスタックのうち前記第２セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第２正極集電部とを備え、
    前記第１負極集電部と前記第２負極集電部とを電気的に分離して前記第１負極集電部と前記第２正極集電部とを電気的に接続することにより、前記第１セルスタック群と前記第２セルスタック群とが直列接続された経路を形成し、
    前記第１領域に配置される前記セルスタックの数が、前記第２領域に配置される前記セルスタックの数よりも多い燃料電池装置。
  3. 前記複数のセルスタックのうち前記水平面内の第３領域に配置される第３セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第３負極集電部と、
    前記複数のセルスタックのうち前記第３セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第３正極集電部とを備え、
    前記第１負極集電部と前記第３負極集電部とを電気的に分離して前記第１負極集電部と前記第３正極集電部とを電気的に接続し、前記第２負極集電部と前記第３負極集電部とを電気的に接続することにより、前記第２セルスタック群と前記第３セルスタック群とが並列接続された経路を形成した請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
  4. 前記複数のセルスタックが配置される前記水平面内の配置領域は、長辺と短辺とを有する矩形状であり、
    前記第１領域および前記第２領域は、前記配置領域の長辺方向に分割された領域である請求項２に記載の燃料電池装置。
  5. 前記複数のセルスタックのうち前記水平面内の第３領域に配置される第３セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第３負極集電部と、
    前記複数のセルスタックのうち前記水平面内の第４領域に配置される第４セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第４負極集電部と、
    前記複数のセルスタックのうち前記第３セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第３正極集電部と、
    前記複数のセルスタックのうち前記第４セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第４正極集電部とを備え、
    前記第３負極集電部と前記第４負極集電部とを電気的に分離して前記第３負極集電部と前記第４正極集電部とを電気的に接続することにより、前記第３セルスタック群と前記第４セルスタック群とが直列接続された経路を形成し、
    前記第１負極集電部と前記第４負極集電部とを電気的に接続するとともに前記第２正極集電部と前記第３正極集電部とを電気的に接続することにより、前記第１セルスタック群と前記第２セルスタック群とを直列接続した第１経路と前記第３セルスタック群と前記第４セルスタック群とを直列接続した第２経路とを並列接続した経路を形成した請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
  6. 第１燃料電池装置と第２燃料電池装置とを有する燃料電池システムであって、
    前記第１燃料電池装置が、
    正極と負極とを有する燃料電池を構成する筒状の複数の第１セルスタックと、
    該複数の第１セルスタックのそれぞれを該第１セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数の第１セルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給室を形成する第１筐体と、
    前記複数の第１セルスタックのそれぞれを該第１セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数の第１セルスタックから排出される排燃料ガスを集約する燃料ガス排出室を形成する第２筐体と、
    前記複数の第１セルスタックのうち前記水平面内の第１領域に配置される第１セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第１負極集電部と、
    前記複数の第１セルスタックのうち前記水平面内の第２領域に配置される第２セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第２負極集電部と、
    前記複数の第１セルスタックのうち前記第１セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第１正極集電部と、
    前記複数の第１セルスタックのうち前記第２セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第２正極集電部とを有し、
    前記第２燃料電池装置が、
    正極と負極とを有する燃料電池を構成する筒状の複数の第２セルスタックと、
    該複数の第２セルスタックのそれぞれを該第２セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数の第２セルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給室を形成する第３筐体と、
    前記複数の第２セルスタックのそれぞれを該第２セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数の第２セルスタックから排出される排燃料ガスを集約する燃料ガス排出室を形成する第４筐体と、
    前記複数の第２セルスタックのうち前記第１領域に配置される第３セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第３筐体に配置される第３負極集電部と、
    前記複数の第２セルスタックのうち前記第２領域に配置される第４セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第３筐体に配置される第４負極集電部と、
    前記複数の第２セルスタックのうち前記第３セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第４筐体に配置される第３正極集電部と、
    前記複数の第２セルスタックのうち前記第４セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第４筐体に配置される第４正極集電部とを有し、
    前記第１負極集電部と前記第２負極集電部とを電気的に分離して前記第１正極集電部と前記第３負極集電部とを電気的に接続することにより、前記第１セルスタック群と前記第３セルスタック群とが直列接続された第１経路を形成し、
    前記第２負極集電部と前記第１負極集電部とを電気的に分離して前記第２正極集電部と前記第４負極集電部とを電気的に接続することにより、前記第２セルスタック群と前記第４セルスタック群とが直列接続された第２経路とを形成し、
    前記複数の第１セルスタック及び前記複数の第２セルスタックが配置される前記水平面内の配置領域は、長辺と短辺とを有する矩形状であり、
    前記第１領域は前記配置領域の長辺方向の中央部分と短辺方向の中央部分とを含む領域であり、前記第２領域は前記第１領域の周辺の領域である燃料電池システム。
  7. 第１燃料電池装置と第２燃料電池装置とを有する燃料電池システムであって、
    前記第１燃料電池装置が、
    正極と負極とを有する燃料電池を構成する筒状の複数の第１セルスタックと、
    該複数の第１セルスタックのそれぞれを該第１セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数の第１セルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給室を形成する第１筐体と、
    前記複数の第１セルスタックのそれぞれを該第１セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数の第１セルスタックから排出される排燃料ガスを集約する燃料ガス排出室を形成する第２筐体と、
    前記複数の第１セルスタックのうち前記水平面内の第１領域に配置される第１セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第１負極集電部と、
    前記複数の第１セルスタックのうち前記水平面内の第２領域に配置される第２セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第１筐体に配置される第２負極集電部と、
    前記複数の第１セルスタックのうち前記第１セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第１正極集電部と、
    前記複数の第１セルスタックのうち前記第２セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第２筐体に配置される第２正極集電部とを有し、
    前記第２燃料電池装置が、
    正極と負極とを有する燃料電池を構成する筒状の複数の第２セルスタックと、
    該複数の第２セルスタックのそれぞれを該第２セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数の第２セルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給室を形成する第３筐体と、
    前記複数の第２セルスタックのそれぞれを該第２セルスタックの中心軸が鉛直方向に延びかつ水平面内で隣接した状態で配置されるように支持するとともに前記複数の第２セルスタックから排出される排燃料ガスを集約する燃料ガス排出室を形成する第４筐体と、
    前記複数の第２セルスタックのうち前記第１領域に配置される第３セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第３筐体に配置される第３負極集電部と、
    前記複数の第２セルスタックのうち前記第２領域に配置される第４セルスタック群の前記負極同士を電気的に接続するとともに前記第３筐体に配置される第４負極集電部と、
    前記複数の第２セルスタックのうち前記第３セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第４筐体に配置される第３正極集電部と、
    前記複数の第２セルスタックのうち前記第４セルスタック群の前記正極同士を電気的に接続するとともに前記第４筐体に配置される第４正極集電部とを有し、
    前記第１負極集電部と前記第２負極集電部とを電気的に分離して前記第１正極集電部と前記第３負極集電部とを電気的に接続することにより、前記第１セルスタック群と前記第３セルスタック群とが直列接続された第１経路を形成し、
    前記第２負極集電部と前記第１負極集電部とを電気的に分離して前記第２正極集電部と前記第４負極集電部とを電気的に接続することにより、前記第２セルスタック群と前記第４セルスタック群とが直列接続された第２経路とを形成し、
    前記第１領域に配置される第１セルスタックの数が、前記第２領域に配置される第１セルスタックの数よりも多く、前記第１領域に配置される第２セルスタックの数が、前記第２領域に配置される第２セルスタックの数よりも多い燃料電池システム。
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