(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルスタックと、
複数の前記燃料電池セルスタックの一端側に配置され、酸化性ガス供給管から供給された酸化性ガスを前記燃料電池セルスタックの周囲に供給する酸化性ガス供給ヘッダと、
前記燃料電池セルスタックの他端側に配置され、前記燃料電池セルスタックの周囲を通過した酸化性ガスを排出する酸化性ガス排出ヘッダと、
を備え、モジュール容器内に装備される燃料電池カートリッジであって、
前記酸化性ガス排出ヘッダの内部空間と、前記モジュール容器内側でかつ前記燃料電池カートリッジの外側の空間とを連通する連通孔と、
前記酸化性ガス供給管から前記酸化性ガス供給ヘッダへ供給される酸化性ガスの流れを利用したエゼクタ作用によって、前記モジュール容器内の酸化性ガスの少なくとも一部を前記酸化性ガス供給ヘッダ内に導入する周辺流体吸引具とが装備されている
ことを特徴とする燃料電池カートリッジ。
【請求項２】
前記周辺流体吸引具は、前記酸化性ガス供給管と前記酸化性ガス供給ヘッダとの間に装備されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項３】
前記酸化性ガス供給ヘッダは、
前記酸化性ガス供給管が接続された酸化性ガス供給ダクトと、
前記酸化性ガス供給ダクトに形成され、前記酸化性ガス供給ダクト内に供給された酸化性ガスを吹き出す複数の吹出孔と、
前記吹出孔から排出された酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間に通じる酸化性ガス供給空間に案内する案内面を有する壁部と、を備え、
前記周辺流体吸引具は、前記酸化性ガス供給管と前記酸化性ガス供給ダクトとの間に装備されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項４】
前記酸化性ガス供給ヘッダは、
前記酸化性ガス供給管が接続された酸化性ガス供給ダクトと、
前記酸化性ガス供給ダクトに形成され、前記酸化性ガス供給ダクト内に供給された酸化性ガスを吹き出す複数の吹出孔と、
前記吹出孔から吹き出された酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間に通じる酸化性ガス供給空間に案内する案内面を有する壁部と、を備え、
前記周辺流体吸引具は、前記複数の吹出孔の内の少なくとも一部の吹出孔と前記酸化性ガス供給空間との間に装備されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項５】
前記案内面を有する壁部には、前記モジュール容器内の酸化性ガスの少なくとも一部を前記酸化性ガス供給ヘッダの内部に酸化性ガスを導入する導入口が設けられていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項６】
前記周辺流体吸引具は、
前記酸化性ガス供給管から供給された酸化性ガスを噴射するノズル部と、
前記ノズル部の下流側に設けられ噴射された酸化性ガスが導入される開口を有するデュフューザ部と、
前記デュフューザ部の開口に前記モジュール容器内の酸化性ガスの少なくとも一部を吸入させる吸入室と、
を有することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項７】
モジュール容器内に、請求項１〜６の何れか一項に記載の燃料電池カートリッジを複数備えたことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項８】
燃料電池セルスタックと、
複数の前記燃料電池セルスタックの一端側に配置され、酸化性ガス供給管から供給された酸化性ガスを前記燃料電池セルスタックの周囲に供給する酸化性ガス供給ヘッダと、
前記燃料電池セルスタックの他端側に配置され、前記燃料電池セルスタックの周囲を通過した酸化性ガスを排出する酸化性ガス排出ヘッダと、
を備え、モジュール容器内に装備される燃料電池カートリッジにおいて、前記燃料電池セルスタックを冷却する方法であって、
前記酸化性ガス排出ヘッダの内部の酸化性ガスの一部を前記モジュール容器内側でかつ前記燃料電池カートリッジの外側の空間に排出させ、
前記酸化性ガス供給管から前記酸化性ガス供給ヘッダへ供給される酸化性ガスの流れを利用するエゼクタ作用によって、前記モジュール容器内に排出された酸化性ガスの少なくとも一部を前記酸化性ガス供給ヘッダ内に導入し、前記燃料電池セルスタックへ供給する前記酸化性ガスの流量を増加する
ことを特徴とする燃料電池セルスタックの冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池カートリッジ、及び、これを備えた燃料電池モジュール、並びに、燃料電池セルスタックの冷却方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと空気などの酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池が知られている。このうち、固体酸化物型燃料電池（So1id Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、例えば、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、都市ガス，天然ガス，石油，メタノール，石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスを燃料として運転される燃料電池である。このようなＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃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（特許文献１〜３参照）。
【０００３】
このようなＳＯＦＣを、例えばマイクロガスタービン（以下、「ＭＧＴ」と呼ぶ）等の内燃機関と組み合わせた複合発電システムが開発されている。このＭＧＴでは、圧縮機から吐出される圧縮空気を酸化性ガスとしてＳＯＦＣの空気極に供給するとともに、ＳＯＦＣから排出される高温の排燃料ガスを、ブロワを介してＭＧＴの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した燃焼ガスでＭＧＴのタービンを回転させて発電機を回転駆動させることで、発電効率の高い発電が可能とされている。
【０００４】
また、このようなＳＯＦＣを、ＧＴＣＣ（ガスタービンコンバインドサイクル）に組み合わせたトリプルコンバインドサイクルの開発も進められている。ＧＴＣＣは、ガスタービンの高い排ガスエネルギーを排ガスボイラと蒸気タービンで熱回収するシステムを有しており、ガスタービンと排ガスボイラ，蒸気タービンとを組み合わせたコンバインドサイクルがあり、高いプラント効率を達成することが可能とされている。このＧＴＣＣのトッピング側（ガスタービン側）にさらにＳＯＦＣを組み合わせてトリプルコンバインドサイクルとすることで、より高いプラント効率を達成することが可能とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−３２０７７３号公報
【特許文献２】特開２０１４−１６４９０３号公報
【特許文献３】特開２０１４−１９２１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ＳＯＦＣは、通常、断熱材を含むケーシング内に、複数の燃料電池カートリッジを備えた燃料電池モジュールとして構成される。燃料電池カートリッジは、複数の燃料電池セルスタックを燃料ガスや酸化性ガスの供給に対して互いに平行に配列して集合させ、これらの一端側に酸化性ガス供給ヘッダ及び燃料排出ヘッダを設け、他端側に酸化性ガス排出ヘッダ及び燃料供給ヘッダを設けて構成される。燃料を燃料電池セルスタックの内部の他端側から一端側に、酸化性ガスを燃料電池セルスタックの周囲の一端側から他端側に、それぞれ流通させながら、燃料と酸化性ガスとの反応により発電を行なう。
【０００７】
ＳＯＦＣでは、各燃料電池セルスタックの発電時における発電部の温度は、性能，耐久性の観点から一般的には７００〜１０００℃程度とされるが、燃料電池の発電反応は発熱反応である。このため、発電出力を向上させようとすれば、燃料電池セルスタックの発電部の温度上昇を更に招きながらセルスタックの各部温度が上昇するため、燃料電池カートリッジの各構成機器の温度が上昇して、各構成機器の破損を生じないように配慮する必要がある。
【０００８】
また、燃料電池カートリッジの各燃料電池セルスタックは、電気化学的な発電反応により発熱が加わり発電部の温度は上昇するが、燃料電池セルスタックの長手軸方向両端部分には発電部が無いために発熱が生じない。また、燃料電池セルスタック端部ほど燃料電池カートリッジの外部へと放熱されやすい。このため、燃料電池セルスタック長手軸方向の中央部は発電反応時の発熱が多く周囲へ放熱されにくいために相対的に高温となりやすく、燃料電池セルスタック長手軸方向で温度差が発生する一要因となる。
【０００９】
更に、燃料電池カートリッジ内では、燃料電池カートリッジの周囲への熱量の放散があるために、燃料電池カートリッジ並面方向中央付近の燃料電池セルスタックは、燃料電池カートリッジ内の周囲にある燃料電池セルスタックに比べると、放熱が少なくなり燃料電池セルスタック間での温度差が生じる一要因となる。
【００１０】
以上のように、燃料電池カートリッジの各燃料電池セルスタック間の温度分布に不均一が生じやすい。一方、燃料電池の電気化学的な発電反応は温度が高い領域の方が低い領域に比べて、内部抵抗が小さくなるために電気化学反応が進み易くなるが、逆に温度の低い領域では電気抵抗も大きくなり電気化学的反応が低下して発電量が減少する。すなわち、燃料電池カートリッジの各燃料電池スタックの温度分布を均一化させることで、発電出力を増加させることができる。
【００１１】
そこで、燃料電池カートリッジの発電出力を向上させつつ過度の温度上昇を防ぐためには、燃料電池カートリッジ内の温度分布の均一化が望まれており、燃料電池セルスタックの発電部の冷却を促進して、その温度を上記温度範囲の上限以内に抑えることが必要になる。
【００１２】
特許文献３には、空気用熱交換器をケーシング内の上部（燃料電池カートリッジの上部）に設置し、この空気用熱交換器により外部から導入した発電用空気（酸化性ガス）と、燃料と反応して高温になった燃焼ガス（排出酸化性ガス）との間で熱交換を行なって、発電用空気を予熱することが記載されている（段落００６６等）。
このことから、酸化性ガスや燃焼ガスの熱伝達に着目して、燃料電池セルスタックの発電部を冷却することを想起することができる。
【００１３】
つまり、燃料電池カートリッジにおいて、燃料電池セルスタックに供給される酸化性ガスの温度は、燃料電池セルスタックの発電部の温度よりも低いので、燃料電池カートリッジの発電部に供給される酸化性ガスは、発電反応における発熱を冷却する役割を果たしている。したがって、この酸化性ガスの供給量を増加すれば、発電部をより冷却することができるようになり、発電部の過度の温度上昇を防ぐことができるので、発熱部が所定の管理温度範囲の上限に達するまで燃料電池カートリッジの出力を向上することができ、システム出力及び効率を向上させることができる。
【００１４】
そこで、燃料電池セルスタックへの酸化性ガスの供給量を増加させる手段として、排出酸化性ガスを再循環させて、燃料電池セルスタックの酸化性ガス供給ヘッダに戻す再循環系統を構成することが考えられる。しかし、この場合、再循環用のブロワ等の補機が必要となり、設備コストアップ、ランニングコストの上昇やスペースの拡大、運転・制御の複雑化という新たな課題が発生するので、これらの課題を解決できる発電部の冷却技術の開発が要望されている。
【００１５】
本発明は、このような課題に鑑みて創案されたもので、コストアップやスペースの拡大、運転・制御の複雑化をできるだけ招かないようにしながら燃料電池セルスタックの発電部の冷却を促進することができるようにした、燃料電池カートリッジ、及び、これを備えた燃料電池モジュール、並びに、燃料電池セルスタックの冷却方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（１）上記目的を達成するために、本発明の燃料電池カートリッジは、燃料電池セルスタックと、複数の前記燃料電池セルスタックの一端側に配置され、酸化性ガス供給管から供給された酸化性ガスを前記燃料電池セルスタックの周囲に供給する酸化性ガス供給ヘッダと、前記燃料電池セルスタックの他端側に配置され、前記燃料電池セルスタックの周囲を通過した酸化性ガスを排出する酸化性ガス排出ヘッダと、を備え、モジュール容器内に装備される燃料電池カートリッジであって、前記酸化性ガス排出ヘッダの内部空間と、前記モジュール容器内側でかつ前記燃料電池カートリッジの外側の空間とを連通する連通孔と、前記酸化性ガス供給管から前記酸化性ガス供給ヘッダへ供給される酸化性ガスの流れを利用したエゼクタ作用によって、前記モジュール容器内の酸化性ガスの少なくとも一部を前記酸化性ガス供給ヘッダ内に導入する周辺流体吸引具とが装備されていることを特徴としている。
【００１７】
（２）前記周辺流体吸引具は、前記酸化性ガス供給管と前記酸化性ガス供給ヘッダとの間に装備されていることが好ましい。
【００１８】
（３）前記酸化性ガス供給ヘッダは、前記酸化性ガス供給管が接続された酸化性ガス供給ダクトと、前記酸化性ガス供給ダクトに形成され、前記酸化性ガス供給ダクト内に供給された酸化性ガスを吹き出す複数の吹出孔と、前記吹出孔から排出された酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間に通じる酸化性ガス供給空間に案内する案内面を有する壁部と、を備え、前記周辺流体吸引具は、前記酸化性ガス供給管と前記酸化性ガス供給ダクトとの間に装備されていることが好ましい。
【００１９】
（４）前記酸化性ガス供給ヘッダは、前記酸化性ガス供給管が接続された酸化性ガス供給ダクトと、前記酸化性ガス供給ダクトに形成され、前記酸化性ガス供給ダクト内に供給された酸化性ガスを吹き出す複数の吹出孔と、前記吹出孔から吹き出された酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間に通じる酸化性ガス供給空間に案内する案内面を有する壁部と、を備え、前記周辺流体吸引具は、前記複数の吹出孔の内の少なくとも一部の吹出孔と前記酸化性ガス供給空間との間に装備されていることが好ましい。
【００２０】
（５）前記案内面を有する壁部には、前記モジュール容器内の酸化性ガスの少なくとも一部を前記酸化性ガス供給ヘッダの内部に酸化性ガスを導入する導入口が設けられていることが好ましい。
【００２１】
（６）前記周辺流体吸引具は、前記酸化性ガス供給管から供給された酸化性ガスを噴射するノズル部と、前記ノズル部の下流側に設けられ噴射された酸化性ガスが導入される開口を有するデュフューザ部と、前記デュフューザ部の開口に前記モジュール容器内の酸化性ガスの少なくとも一部を吸入させる吸入室と、を有することが好ましい。
【００２２】
（７）本発明の燃料電池モジュールは、モジュール容器内に、（１）〜（６）の何れか一項に記載の燃料電池カートリッジを複数備えたことを特徴としている。
【００２３】
（８）本発明の燃料電池セルスタックの冷却方法は、燃料電池セルスタックと、複数の前記燃料電池セルスタックの一端側に配置され、酸化性ガス供給管から供給された酸化性ガスを前記燃料電池セルスタックの周囲に供給する酸化性ガス供給ヘッダと、前記燃料電池セルスタックの他端側に配置され、前記燃料電池セルスタックの周囲を通過した酸化性ガスを排出する酸化性ガス排出ヘッダと、を備え、モジュール容器内に装備される燃料電池カートリッジにおいて、前記燃料電池セルスタックを冷却する方法であって、前記酸化性ガス排出ヘッダの内部の酸化性ガスの一部を前記モジュール容器内側でかつ前記燃料電池カートリッジの外側の空間に排出させ、前記酸化性ガス供給管から前記酸化性ガス供給ヘッダへ供給される酸化性ガスの流れを利用するエゼクタ作用によって、前記モジュール容器内に排出された酸化性ガスの少なくとも一部を前記酸化性ガス供給ヘッダ内に導入し、前記燃料電池セルスタックへ供給する前記酸化性ガスの流量を増加することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、酸化性ガス排出ヘッダの内部の酸化性ガスの一部がモジュール容器内に排出され、酸化性ガス供給管から酸化性ガス供給ヘッダへ供給される酸化性ガスの流れを利用するエゼクタ作用によって、モジュール容器内に排出された酸化性ガスが酸化性ガス供給ヘッダ内に導入されるため、燃料電池セルスタックの周囲に供給される酸化性ガスの量を増加させることができ、酸化性ガスによって燃料電池セルスタックの発電部の冷却を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１，２実施形態に係る燃料電池モジュールを示す分解斜視図である。
【図２】第１，２実施形態に係る燃料電池カートリッジを示す断面図である。
【図３】第１，２実施形態に係る燃料電池セルスタックを示す断面図である。
【図４】第１，２実施形態に係る燃料電池カートリッジの燃料電池セルスタックの冷却手法の概念を説明する燃料電池モジュールの模式的断面図である。
【図５】第１実施形態に係る酸化性ガス供給ヘッダを示す斜視図である。
【図６】第１実施形態に係る酸化性ガス供給ヘッダを示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図〔一部は図６（ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図〕、（ｃ）はその横面図〔図６（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図〕である。
【図７】第１，２実施形態に係る酸化性ガス排出ヘッダを示す斜視図である。
【図８】第２実施形態に係る酸化性ガス供給ヘッダを示す斜視図である。
【図９】第２実施形態に係る酸化性ガス供給ヘッダを示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。
【図１０】第２実施形態に係る酸化性ガス供給ヘッダを示す断面図であり、（ａ）は図９（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、（ｂ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
ここでは、第１実施形態及び第２実施形態の２つの実施形態を説明するが、はじめに図１〜図３を参照して、各実施形態に共通する燃料電池モジュール，燃料電池カートリッジ及び燃料電池セルスタックについて説明する。その後、図２，図４を参照して、第１，２実施形態に共通する燃料電池カートリッジの燃料電池セルスタックの冷却手法の概念を説明し、更に、図５〜図７を参照して第１実施形態に係る酸化性ガス供給ヘッダの構成を、図８〜図１０を参照して第２実施形態に係る酸化性ガス供給ヘッダの構成を、それぞれ説明する。なお、第１実施形態及び第２実施形態に共通な構成の説明では、各実施形態を区別せずに、単に、実施形態と言う。
また、以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）について、燃料電池セルをＳＯＦＣセルと、燃料電池セルスタックをセルスタックと、燃料電池カートリッジをＳＯＦＣカートリッジと、燃料電池モジュールをＳＯＦＣモジュールとも言う。
【００２７】
［１．各実施形態のＳＯＦＣモジュール，ＳＯＦＣカートリッジ，セルスタック］
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。
また、以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。
【００２８】
（円筒形セルスタックの構造）
まず、図３を参照して各実施形態に係る円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図３は、各実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。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。
【００２９】
（セルスタックの各構成要素の材料と機能の説明）
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に拡散させるものである。
【００３０】
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。
【００３１】
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１０９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。
【００３２】
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１１１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。
【００３３】
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。
【００３４】
（ＳＯＦＣモジュールの構造と各要素の機能の説明）
次に、図１と図２とを参照して各実施形態に係るＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。
ＳＯＦＣモジュール２０１は、図１に示すように、例えば、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（モジュール容器）２０５とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給主管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、燃料ガス排出主管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、酸化性ガス供給主管（不図示）と酸化性ガス供給枝管２２０ａとを有する。図２には酸化性ガス供給枝管２２０ａの端部のみを示すが、ここでは、酸化性ガス供給主管と酸化性ガス供給枝管２２０ａとを合わせたものを酸化性ガス供給管２２０とする。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス排出主管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（本発明の酸化性ガス排出管）２２２ａとを有する。図２には酸化性ガス排出枝管２２２ａの端部のみを示すが、ここでは、酸化性ガス排出主管と酸化性ガス排出枝管２２２ａとを合わせたものを酸化性ガス排出管２２２とする。
【００３５】
燃料ガス供給主管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矢印Ｇで示すように供給する燃料ガス供給部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。この燃料ガス供給主管２０７は、上述の燃料ガス供給部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に分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給主管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、燃料ガス供給主管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。
【００３６】
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、燃料ガス排出主管２０９に接続されている。この燃料ガス供給枝管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主管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出主管２０９は、複数の燃料ガス供給枝管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。この燃料ガス排出主管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の外部に導くものである。
【００３７】
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。
【００３８】
ここで、各実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。
【００３９】
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、発電部２１５と、燃料ガス供給ヘッダ（燃料ガス供給室）２１７と、燃料ガス排出ヘッダ（燃料ガス排出室）２１９と、酸化性ガス供給ヘッダ（酸化性ガス供給室）２２１と、酸化性ガス排出ヘッダ（酸化性ガス排出室）２２３とを有する。複数のセルスタック１０１は並列に集合され装備される。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、各実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給ヘッダ２１７と燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とが図２に示す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、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック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の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
【００４０】
発電部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。この発電部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なう領域である。また、この発電部２１５のセルスタック１０１の長手方向の中間部分が発電を行なう発電部となり、セルスタック１０１の長手方向の中央部付近での温度は、発電による発熱によって、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００〜１０００℃程度の高温雰囲気となる。
【００４１】
燃料ガス供給ヘッダ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、燃料ガス供給ヘッダ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と連通されている。また、燃料ガス供給ヘッダ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１０５の内部が燃料ガス排出ヘッダ２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給ヘッダ２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａ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１０５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ものである。
【００４２】
燃料ガス排出ヘッダ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、燃料ガス排出ヘッダ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と連通されている。また、燃料ガス排出ヘッダ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１０５の内部が燃料ガス排出ヘッダ２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出ヘッダ２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０５の内部を通過して燃料ガス排出ヘッダ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に導くものである。
【００４３】
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２２０ａへと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ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と下部支持体２２７ｂとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス供給ヘッダ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、酸化性ガス供給管２２０の酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、酸化性ガス供給管２２０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を介して発電部２１５に導くものである。
【００４４】
酸化性ガス排出ヘッダ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と上部支持体２２７ａとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス排出ヘッダ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、酸化性ガス排出管２２２の酸化性ガス排出枝管２２２ａと連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、発電部２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して燃料ガス排出ヘッダ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管２２２の酸化性ガス排出枝管２２２ａに導くものである。
【００４５】
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、燃料ガス供給ヘッダ２１７と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを隔離するものである。
【００４６】
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、燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを隔離するものである。
【００４７】
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２２７ａ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。
【００４８】
この上部断熱体２２７ａは、発電部２１５と酸化性ガス排出ヘッダ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成るが、上部管板２２５ａ等が発電部２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ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、上部断熱体２２７ａは、発電部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ヘッダ２２３に導くものである。
【００４９】
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１０５の内部を通って発電部１０５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ヘッダ２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電部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、発電部２１５に供給される。その結果、ヒーター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部２１５に供給することができる。
【００５０】
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２２７ａ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。
【００５１】
この下部断熱体２２７ｂは、発電部２１５と酸化性ガス供給ヘッダ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、酸化性ガス供給ヘッダ２３３に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電部２１５に導くものである。
【００５２】
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１０５の内部を通って発電部２１５を通過した排燃料ガスは、発電部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ヘッダ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、発電部２１５に供給される。その結果、ヒーター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部２１５に供給することができる。
【００５３】
発電部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の集電棒（不図示）に集電板（不図示）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。前記集電棒によって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、図示しない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。
【００５４】
［２．各実施形態のＳＯＦＣカートリッジのセルスタックの冷却手法］
次に、各実施形態のＳＯＦＣカートリッジにおけるセルスタックの冷却手法の概念を説明する。
【００５５】
図２，図４に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３において、酸化性ガス排出ヘッダ２２３には、酸化性ガス排出孔２３３ｂとは別に、酸化性ガス排出ヘッダ２２３の内部と外部とを連通する連通孔２０が短辺部６０Ｓの外周壁６７の開口ジョイント部６１の付近に設けられている。また、酸化性ガス供給ヘッダ２２１の外部又は内部には、酸化性ガス供給管２２０から酸化性ガス供給ヘッダ２２１へ供給される酸化性ガスの流れを利用して、酸化性ガス排出ヘッダ２２３から連通孔２０を通じて圧力容器２０５内に排出された酸化性ガス（排酸化性ガス）を酸化性ガス供給ヘッダ２２１内に導入する周辺流体吸引具１０が装備されている。
【００５６】
この周辺流体吸引具１０は、酸化性ガス供給管２２０から供給された酸化性ガスを噴射するノズル部１１と、ノズル部１１の下流側に設けられ噴射された酸化性ガスが導入される入口側の開口１２ａを有するディフューザ部１２と、デュフューザ部１２の開口１２ａに圧力容器２０５内の酸化性ガスを吸入させる吸入室１３とをそなえた、いわゆるエゼクタである。周辺流体吸引具１０は、供給する酸化性ガスが自ら保有する圧力エネルギを利用するものであり、ポンプなど動力の付与が不要である。吸入室１３にはＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部の流体である酸化性ガスを吸入室１３内に導入する導入口１３ａが設けられている。ここでいう外部とは、断熱材やケーシングなどで囲まれたＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部側空間であるとともに、圧力容器２０５内部側である空間をいう。   本実施形態における「外部の流体」の具体的事例は、例えば、排出される排酸化性ガスにＳＯＦＣカートリッジ２０３に供給される酸化性ガスの一部が漏れ出したものが混在する気体であり、酸素を含む再循環する酸化性ガスとして使用可能な気体である。
【００５７】
図２ならびに図６に示すように、周辺流体吸引具１０のノズル部１１は、噴射口１１ａに向かって流路断面積が次第に小さくなる先細り状に形成されているので、酸化性ガス供給管２２０から供給されてノズル部１１の内部を流通する酸化性ガスが高速で噴射される。このノズル部１１から噴射された流体は、吸入室１３内で、その外部（圧力容器２０５内の吸入室１３外部）から再循環して導入された酸化性ガスを同伴混合し、速度を減じながらディフューザ部１２に進入する。ディフューザ部１２は、開口１２ａ付近は上流側に向けてやや拡径し噴射口１１ａから噴射される流体及び吸入室１３内の流体を吸引しやすくなっているが、この部分よりも下流側は、下流に向かって流路断面積が次第に大きくなっている。このため、酸化性ガスは、ディフューザ部１２内で流速を減少されながら、ほとんど損失なく圧力エネルギを回復してディフューザ部１２から下流に流出される。なお、図２，図４において、実線矢印は圧力容器２０５の外側から導入された酸化性ガスを示し、破線矢印は外部（圧力容器２０５の内側）で再循環する酸化性ガスを示す。
【００５８】
この結果、吸入室１３で同伴混合した再循環の酸化性ガス（排酸化性ガス）の流量増加により分だけ、酸化性ガス供給ヘッダ２２１から酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電部２１５内の各セルスタック１０１の周囲に導入される酸化性ガスの流量が増加する。セルスタック１０１の周囲に供給される酸化性ガスの温度は、セルスタック１０１の発電部の温度よりも低いので、発電部に供給される酸化性ガスは、発電反応における発熱を冷却する役割を果たし、特にセルスタック１０１の軸方向中間部付近の相対的に温度が高い領域は酸化性ガスとの温度差がおおきいことから、冷却効果が大きくなる。すなわち、酸化性ガスの流量増加分によりセルスタック１０１の冷却効果を高めることに有効となる。酸化性ガスの流量増加により、セルスタック１０１の軸方向中央部の温度の高い領域の冷却量が増加し、発電部における温度分布の均等化を促進される。
【００５９】
以下、この周辺流体吸引具１０を備えた酸化性ガス供給ヘッダ２２１及び連通孔２２０を有する酸化性ガス排出ヘッダ２２３の具体的な構成例を、第１実施形態及び第２実施形態として説明する。なお、第１実施形態では、周辺流体吸引具１０が酸化性ガス供給ヘッダ２２１に外付けされ、第２実施形態では、周辺流体吸引具１０が酸化性ガス供給ヘッダ２２１に内蔵される。
【００６０】
［３．第１実施形態］
（構成）
第１実施形態にかかる酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、図５，図６に示すように、酸化性ガス供給ダクト５０を備えている。この酸化性ガス供給ダクト５０は、酸化性ガスをＳＯＦＣカートリッジ２０３の周方向に均一に分配化させた後に各酸化性ガス供給隙間２３５ａに供給して、発電部２１５へ略均一に吹出して、供給する酸化性ガスを均一化させるためのものである。
【００６１】
図６に示すように、酸化性ガス供給ダクト５０は、酸化性ガス供給ヘッダ２２１の外周部分に配置され、酸化性ガス供給ヘッダ２２１の平面視の外周形状に沿うように、長辺部５０Ｌ，５０Ｌと短辺部５０Ｓ，５０Ｓとからなる長方形のフレーム形状に形成される。各短辺部５０Ｓ，５０Ｓには、周辺流体吸引具１０に接続される接続管１４が連通接続される開口ジョイント部５１がそれぞれ２つ設けられている。
【００６２】
酸化性ガス供給ダクト５０は、この開口ジョイント部５１が設けられている部分を除けば、長手方向に垂直方向の何れの横断面も図６（ｃ）に示すように形成される。つまり、酸化性ガス供給ダクト５０の内部には横断面が矩形の空間５２があり、この空間５２内を酸化性ガスが流通して充満する。空間５２の底壁５８には空間５２内の酸化性ガスを鉛直方向の下方側に吹き出す吹出孔５３が穿設されている。
【００６３】
この吹出孔５３は、図６（ａ）に示すように、長辺部５０Ｌ，５０Ｌ及び短辺部５０Ｓ，５０Ｓの各底壁５８に、直列状に配置して並んで多数形成されている。吹出孔５３は、ここでは、長辺部５０Ｌ，５０Ｌ及び短辺部５０Ｓ，５０Ｓの各端部近傍において密となり、長辺部５０Ｌ，５０Ｌ及び短辺部５０Ｓ，５０Ｓの中間部に向かって疎となるように配置されている。このような吹出孔５３の配置により、酸化性ガスをＳＯＦＣカートリッジ２０３の周方向に均一に分配化させた後に、各酸化性ガス供給隙間２３５ａに供給して、各セルスタック１０１への吹出し量を均一に最適化することができる。
【００６４】
また、図６（ｃ）に示すように、酸化性ガス供給ダクト５０の鉛直方向で下方の、吹出孔５３から酸化性ガスが吹き出される空間５５には、横断面がＬ字型の壁部５４が酸化性ガス供給ダクト５０に沿って形成されている。この壁部５４の内面５４ａは、吹出孔５３から吹き出された酸化性ガスを酸化性ガス供給ヘッダ２２１の内部空間である酸化性ガス供給空間５６に案内する案内面となっている。なお、酸化性ガス供給空間５６は、図２に示すように酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電部２１５と連通している。
【００６５】
また、図６（ｃ）には、酸化性ガス供給ダクト５０を酸化性ガス供給ヘッダ２２１として設置した際に周辺に位置する部材を二点鎖線で示しており、酸化性ガス供給ダクト５０は、下部断熱体２２７ｂと下部管板２２５ｂとの間に、下部ケーシング２２９ｂの側壁部に沿うように設置される。下部断熱体２２７ｂには、挿通されたセルスタック１０１の外面（リード部１１５）との間に酸化性ガス供給隙間２３５ａが形成されている（図２参照）。
【００６６】
本実施形態では、周辺流体吸引具１０は、酸化性ガス供給ダクト５０の各短辺部５０Ｓ，５０Ｓにおいて、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続される酸化性ガス供給管２２０の酸化性ガス供給枝管２２０ａと、酸化性ガス供給ダクト５０の開口ジョイント部５１との間に介装されている。なお、開口ジョイント部５１は各短辺部５０Ｓ，５０Ｓにそれぞれ２つ設けられているが、周辺流体吸引具１０は下流側が二股に分岐した接続管１４を介して各開口ジョイント部５１と接続されるので、周辺流体吸引具１０は各短辺部５０Ｓ，５０Ｓに１つのみ設置されている。なお、開口ジョイント部５１の数量は２つに限るものでなく、１つでも３つ以上でも良い。開口ジョイント部５１の数量に併せて分岐数を合わせた接続管１４を準備して接続する。
【００６７】
周辺流体吸引具１０は、既に説明したように、ノズル部１１と、ディフューザ部１２と、吸入室１３とをそなえ、ノズル部１１の上流端が酸化性ガス供給枝管２２０ａの下流端と接続され、ディフューザ部１２の下流端（出口側の開口端）が、接続管１４の上流端と連通接続されている。接続管１４の２つに分岐した各下流端は、それぞれ対応する開口ジョイント部５１に接続されている。なお、図５では吸入室１３の表示を省略している。
【００６８】
ノズル部１１は、噴射口１１ａに向かって流路断面積が次第に小さくなる先細り状に形成されている。ディフューザ部１２は、開口１２ａ付近は上流側に向けてやや拡径し噴射口１１ａから噴射される流体及び吸入室１３内の流体（酸化性ガス）を吸引しやすくなっているが、この部分よりも下流側は、下流に向かって流路断面積が次第に大きくなっている。また、吸入室１３には外部の流体（酸化性ガス）を吸入室１３内に導入する導入口１３ａが設けられている。
【００６９】
また、第１実施形態にかかる酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、図７に示すように、排酸化性ガス排出ダクト６０を備えている。この排酸化性ガス排出ダクト６０は、各酸化性ガス排出隙間２３５ｂから排酸化性ガスを周方向から均一化させて排出することにより、酸化性ガスの流れを整流化して、各セルスタック１０１へ供給する酸化性ガスの流量を均一化させるためのものである。
【００７０】
排酸化性ガス排出ダクト６０は、酸化性ガス排出ヘッダ２２３の外周部分に配置され、酸化性ガス排出ヘッダ２２３の平面視の外周形状に沿うように、長辺部６０Ｌ，６０Ｌと短辺部６０Ｓ，６０Ｓとからなる長方形のフレーム形状に形成される。各短辺部６０Ｓ，６０Ｓには、酸化性ガス排出管２２２の酸化性ガス排出枝管２２２ａと接続される開口ジョイント部６１がそれぞれ設けられている。
【００７１】
排酸化性ガス排出ダクト６０は、この開口ジョイント部６１が設けられている部分を除けば、何れの横断面も図７（ｂ）に示すように形成される。つまり、排酸化性ガス排出ダクト６０の内部には横断面が矩形の空間６２があり、排酸化性ガス排出ダクト６０の内側壁６７には、酸化性ガス排出ヘッダ２２３の内部空間６５と連通する排出孔６３が穿設されている。なお、内部空間６５は、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して発電部２１５と連通している。
【００７２】
この排出孔６３は、図７（ａ）に示すように、長辺部６０Ｌ，６０Ｌ及び短辺部６０Ｓ，６０Ｓの各内側壁６７に、列状に並んで多数形成されている。ここでは、排出孔６３は、長辺部６０Ｌ，６０Ｌ及び短辺部６０Ｓ，６０Ｓにほぼ等間隔に配置されているが、酸化性ガスの周方向における均一化をより最適化する上でより好ましい配置間隔があれば、それに応じて排出孔６３を配置すれば良い。
【００７３】
例えば、図６（ａ）で説明した酸化性ガス供給ダクト５０での吹出孔５３のように、排酸化性ガス排出ダクト６０においても排出孔６３を長辺部６０Ｌ，６０Ｌ及び短辺部６０Ｓ，６０Ｓの各端部近傍において密となり、長辺部６０Ｌ，６０Ｌ及び短辺部６０Ｓ，６０Ｓの中間部に向かって疎となるように配置することで、排酸化性ガスの排出量の周方向における均一化を最適化してもよい。
【００７４】
なお、図７（ｂ）には、排酸化性ガス排出ダクト６０を排酸化性ガス排出ヘッダ２２３として設置した際に周辺に位置する部材を二点鎖線で示しており、排酸化性ガス排出ダクト６０は、上部断熱体２２７ａとか上部管板２２５ａとの間に、上部ケーシング２２９ａの側壁部に沿うように設置される。上部断熱体２２７ａには、挿通されたセルスタック１０１の外面との間に酸化性ガス排出隙間２３５ｂが形成されている（図２参照）。
【００７５】
これにより、発電部２１５で発電に供された後の酸化性ガスは、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して内部空間６５に導入され、さらに、排出孔６３を介して空間６２内に導入されて、開口ジョイント部６１から酸化性ガス排出管２２２を経て圧力容器２０５の外部に排出される。開口ジョイント部６１は、内部空間６５に直接開口しておらず、内部空間６５は、排出孔６３及び排酸化性ガス排出ダクト６０を介して開口ジョイント部６１と連通しているので、各酸化性ガス排出隙間２３５ｂから酸化性ガスが周方向に均一化されて排出される。
【００７６】
そして、図７（ａ）に示すように、排酸化性ガス排出ダクト６０の外側壁６７には、排酸化性ガス排出ダクト６０の内部の空間６２と、外部（圧力容器２０５内部側でＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部側）の空間とを連通する連通孔２０が穿設されている。この連通孔２０は、ここでは、短辺部６０Ｓ，６０Ｓの各外側壁６７に、各１箇所形成されていて、多数設けられた排出孔６３の合計した排気面積と同等若しくはこれよりも少し大きくなるように径サイズが形成され、酸化性ガス排出ヘッダ２２３の内部空間６５からの均一な排気が行なわれるようにしている。
【００７７】
つまり、排酸化性ガス排出ダクト６０の空間６２内では、排出孔６３から導入された酸化性ガスが、主として開口ジョイント部６１から酸化性ガス排出管２２２を経て圧力容器２０５の外部に排出されるが、その一部が連通孔２０を経て酸化性ガス排出ヘッダ２２３の外部に導出されるようになっている。この連通孔２０から導出された酸化性ガス（排酸化性ガス）の一部は、圧力容器２０５内で周辺流体吸引具１０の吸入室１３へ流入し、再びＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部から内部に流入するように再循環するため、この再循環を円滑に行なえるように、連通孔２０を周辺流体吸引具１０の上方の短辺部６０Ｓ，６０Ｓのみに排出場所を制限するように設けられている。
【００７８】
（作用及び効果）
第１実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジ２０３は、このように、酸化性ガス供給ヘッダ２２１の入口部分に、周辺流体吸引具１０が装備されているので、周辺流体吸引具１０により、酸化性ガス供給ヘッダ２２１へ導入される酸化性ガスの流量が増大し、発電部２１５内の各セルスタック１０１の周囲に導入される酸化性ガスの流量が増加する。セルスタック１０１の周囲に供給される酸化性ガスの温度は、セルスタック１０１の発電部の温度よりも低いので、発電部に供給される酸化性ガスは、発電反応における発熱を冷却する役割を果たし、酸化性ガスの流量増加分によりセルスタック１０１の発電部の冷却効果が高められる。また流量増加によりセルスタック１０１の軸方向中央部の温度の高い領域の冷却量が増加し、発電部における温度分布の均等化を促進される。
【００７９】
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、温度が高い領域では内部抵抗が小さくなるために電気化学反応が進み易くなるが、逆に温度の低い領域では電気抵抗も大きくなり電気化学的反応が低下して発電量が減少するため、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の各ＳＯＦＣスタック１０１の発電部の温度分布をより均一化させることで、発電出力をより増加させることができる。
【００８０】
周辺流体吸引具１０は、供給する酸化性ガスが自ら保有する圧力エネルギを利用するものであり、ポンプなど動力の付与が不要であり、再循環用のブロワ等の補機も不要であるうえ、構造もシンプルで且つ僅かなスペースに設置することができる。したがって、コストアップやスペースの拡大、運転・制御の複雑化という新たな課題を招くことなく、セルスタック１０１の発電部の冷却効果を高めることができる。
つまり、ＳＯＦＣモジュール２０１外から供給する酸化性ガスの圧力エネルギによる流れを利用して圧力容器２０５内の排酸化性ガスを引き込むものであるため、発電部と圧力容器２０５内との温度差の伴う対流が小さく、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の鉛直方向下部から上部へと向かう煙突効果が小さい時でも、酸化性ガスの逆流を確実に防止できるので発電部の冷却効果が促進される。
【００８１】
また、酸化性ガス供給ヘッダ２２１により酸化性ガスをＳＯＦＣカートリッジ２０３下部からセルスタック１０１へと均等に供給し、酸化性ガス排出ヘッダ２２３により発電部２１５から酸化性ガスを均等に排出するので発電部における温度分布の均等化を図ることができる効果があるが、これに加えて、酸化性ガス排出ヘッダ２２３の連通孔２０から酸化性ガスを圧力容器２０５内に排酸性化ガスとして吐き出すことで、再びＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部から内部に流入するように再循環するため、発電部における酸性化ガスの流れが均一化され、発電部における温度分布の均等化を促進できる効果もある。
【００８２】
また、本実施形態の周辺流体吸引具１０は、酸化性ガス供給管２２０の酸化性ガス供給枝管２２０ａと、酸化性ガス供給ダクト５０の開口ジョイント部５１との間、即ち、酸化性ガス供給ヘッダ２２１の外部に、外付けされて装備されるので、既存のＳＯＦＣカートリッジ２０３に僅かな変更をするだけで実施することができ、コストアップを抑制できる。
【００８３】
［４．第２実施形態］
（構成）
第２実施形態にかかる酸化性ガス供給ヘッダ２２１も、図８〜図１０に示すように、第１実施形態の酸化性ガス供給ダクト５０と同様な酸化性ガス供給ダクト５０Ａを備えている。図８〜図１０において、図５，図６と同様な符号は同様な部材を示しているので、これらについては説明を簡略化し、本実施形態の酸化性ガス供給ダクト５０Ａに特有な構成を中心に説明する。
【００８４】
図８，図９に示すように、酸化性ガス供給ダクト５０Ａは、酸化性ガス供給ヘッダ２２１の外周部分に配置され、酸化性ガス供給ヘッダ２２１の平面視の外周形状に沿うように、長辺部５０Ｌ，５０Ｌと短辺部５０Ｓ，５０Ｓとからなる長方形のフレーム形状に形成される。
【００８５】
各短辺部５０Ｓ，５０Ｓには、酸化性ガス供給管２２０の酸化性ガス供給枝管２２０ａがそれぞれ連通接続される開口ジョイント部５１が２つずつ設けられている。なお、酸化性ガス供給枝管２２０ａが各短辺部５０Ｓ，５０Ｓに１本だけ配管される場合には、第１実施形態と同様に、下流が分岐した接続管１４を介して、酸化性ガス供給枝管２２０ａと開口ジョイント部５１とを接続する。
【００８６】
酸化性ガス供給ダクト５０Ａも、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、その内部には横断面が矩形の空間５２があり、この空間５２内を酸化性ガスが流通する。また、空間５２の底壁５８には空間５２内の酸化性ガスを下方に吹き出す吹出孔５３が穿設されている。
【００８７】
この吹出孔５３は、図９（ａ），図１０（ａ），（ｂ）に示すように、長辺部５０Ｌ，５０Ｌ及び短辺部５０Ｓ，５０Ｓの各底壁５８に、直列状に設置して並んで多数形成されている。吹出孔５３は、ここでは、長辺部５０Ｌ，５０Ｌ及び短辺部５０Ｓ，５０Ｓの各端部近傍において密となり、長辺部５０Ｌ，５０Ｌ及び短辺部５０Ｓ，５０Ｓの中間部に向かって疎となるように配置されている。このような吹出孔５３の配置により、酸化性ガスをＳＯＦＣカートリッジ２０３の周方向に均一に分配化させた後に、各酸化性ガス供給隙間２３５ａに供給して、各セルスタック１０１への吹出し量の均一性を最適化することができる。
【００８８】
図１０に示すように、酸化性ガス供給ダクト５０Ａの下方の、吹出孔５３から酸化性ガスが吹き出される空間５５に、横断面がＬ字型の壁部５４が酸化性ガス供給ダクト５０に沿って形成されている。この壁部５４の内面５４ａは、吹出孔５３から吹き出された酸化性ガスを酸化性ガス供給ヘッダ２２１の内部空間である酸化性ガス供給空間５６に案内する案内面となっている。なお、酸化性ガス供給空間５６は、酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電部２１５と連通している。
【００８９】
本実施形態では、図８〜図１０に示すように、空間５５内において、一部の吹出孔５３に対応する位置に、周辺流体吸引具１０Ａが装備され、出口側の開口１２ｂへと酸化性ガスの気流が流れるようになっている。
周辺流体吸引具１０Ａは、既に説明したように、ノズル部１１Ａと、ディフューザ部１２Ａと、吸入室１３Ａとをそなえている。
【００９０】
図１０（ａ），（ｂ）に示すように、ノズル部１１Ａは、その上流端が吹出孔５３と連通するように接続され、中間部は屈曲されて噴射口１１ａが酸化性ガス供給ヘッダ２２１の酸化性ガス供給空間５６の方向に向けられている。ディフューザ部１２は、噴射された酸化性ガスが導入される位置に入口側の開口１２ａが配置され、拡径する下流側が酸化性ガス供給空間５６に向けられ、出口側の開口１２ｂが酸化性ガス供給空間５６に開口している。また、空間５５と酸化性ガス供給空間５６との間は、ディフューザ部１２の下流側開口以外の箇所を仕切る壁部５９が設けられている。この壁部５９で仕切られると共に図示しない壁部で空間５５内が長手方向（図１０の紙面と直交する方向）にも仕切られて、吸入室１３Ａが形成されている。
【００９１】
吹出孔５３から出口側の開口１２ｂへと流通する酸化性ガスが、酸化性ガス供給ダクト５０Ａで均一に噴出して流通するように、吹出孔５３および出口側の開口１２ｂは細長いスリット状に形成されていてもよい。また吹出孔５３および出口側の開口１２ｂの配置も必ずしも等間隔である必要は無く、疎な部分と密な部分の配置を保有させて均一性を向上させてもよい。
【００９２】
また、空間５５を区画する壁部５４の側壁部の一部には、外部（圧力容器２０５内のＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部）の酸化性ガスを吸入室１３Ａ内に導入する導入口１５が設けられている。ここでは、図１０（ａ）に示すように、開口ジョイント部５１の紙面で下部に対応して設けられた周辺流体吸引具１０Ａのディフューザ部１２Ａの軸線上に導入口１５が設けられている。したがって、導入口１５は、各短辺部５０Ｓ，５０Ｓに２つずつ設けられる。
【００９３】
一方、各長辺部５０Ｌ，５０Ｌに設けられた周辺流体吸引具１０Ａは、図１０（ｂ）に示すように、導入口１５が付近に直接設けられていないが、酸化性ガス供給ダクト５０Ａの内側にある空間５５が長手方向に延在して連通しており、導入口１５から導入された排酸化性ガスが、周辺流体吸引具１０Ａの全周にわたり、導入が可能となっている。
【００９４】
また、第２実施形態にかかる酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、図７に示す第１実施形態にかかる酸化性ガス排出ヘッダ２２３と同様に排酸化性ガス排出ダクト６０を備えており、ここでは、説明を簡略化するが、酸化性ガス排出ヘッダ２２３の内部空間（排酸化性ガス排出ダクト６０の空間６２）と外部（圧力容器２０５内部側で、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部側）の空間とを連通する連通孔２０が穿設されている。
【００９５】
（作用及び効果）
本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジ２０３は、このように、酸酸化性ガス供給ヘッダ２２１の内部に、周辺流体吸引具１０Ａが装備されているので、周辺流体吸引具１０により排酸化性ガスの一部を再循環として取り込むことで、発電部２１５内の各セルスタック１０１の周囲に導入される酸化性ガスの流量が増加する。セルスタック１０１の周囲に供給される酸化性ガスの温度は、セルスタック１０１の発電部の温度よりも低いので、発電部２１５に供給される酸化性ガスは、発電反応における発熱を冷却する役割を果たし、酸化性ガスの流量増加分によりセルスタック１０１の発電部の冷却効果を高めることができる。また流量増加によりセルスタック１０１の軸方向中央部の温度の高い領域の冷却量が増加し、発電部における温度分布の均等化を促進される。ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、各ＳＯＦＣスタック１０１の発電部の温度分布をより均一化させることで、発電出力をより増加させることができる。
【００９６】
第１実施形態と同様に、周辺流体吸引具１０は、自ら保有する圧力エネルギを利用するものであり、ポンプなど動力の付与は不要であり、再循環用のブロワ等の補機も不要であるうえ、構造もシンプルで僅かなスペースに設置することができる。したがって、コストアップやスペースの拡大、運転・制御の複雑化という新たな課題招くことなく、セルスタック１０１の発電部の冷却効果を高めることができる。
【００９７】
また、本実施形態の周辺流体吸引具１０は、酸化性ガス供給ヘッダ２２１の内部に装備させることができるので、セルスタック１０１の外形を特別に大型化させることなく、セルスタック１０１の発電部の冷却効果を高め、複数のセルスタック１０１の温度分布を改善し、発電出力を増加することができる。
【００９８】
［５．その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施形態を適宜変更して実施することができる。
例えば、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせて実施することも有効である。
【００９９】
また、周辺流体吸引具は、酸化性ガス供給管から酸化性ガス供給ヘッダへ供給される酸化性ガスの流れを利用したエゼクタ作用によって周辺流体である排酸化性ガスを吸引して酸化性ガス供給ヘッダ内に導入できるものであればよく、上記実施形態のものに限定されない。
また、周辺流体吸引具の配置個所も、上記実施形態のものに限定されない。
【０１００】
また、例えば第２実施形態のように酸化性ガス供給ダクトを利用して、周辺流体吸引具を設置する場合を除いて、酸化性ガス供給ヘッダにおける酸化性ガス供給ダクトや酸化性ガス排出ヘッダにおける排酸化性ガス排出ダクトも必須ではなく、省略可能である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０  周辺流体吸引具
１１  ノズル部
１１ａ  ノズル部１１
１２  デュフューザ部
１２ａ  デュフューザ部１２の入口側の開口
１２ｂ  出口側の開口
１３  吸入室
１３ａ  導入口
１４  接続管
１５  導入口
２０  連通孔
５０，５０Ａ  酸化性ガス供給ダクト
５３  吹出孔
５４  案内面５４ａを有する壁部
５４ａ  案内面
５６  酸化性ガス供給空間
６０  排酸化性ガス排出ダクト
１０１  燃料電池セルスタック（セルスタック）
２０１  燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）
２０３  燃料電池カートリッジ（ＳＯＦＣカートリッジ）
２０５  圧力容器（モジュール容器）
２１５  発電部
２２０  酸化性ガス供給管
２２０ａ  酸化性ガス供給枝管
２２１  酸化性ガス供給ヘッダ（酸化性ガス供給室）
２２２  酸化性ガス排出管
２２２ａ  酸化性ガス排出枝管
２２３  酸化性ガス排出ヘッダ（酸化性ガス排出室）
２３５ａ  酸化性ガス供給隙間
２３５ｂ  酸化性ガス排出隙間
【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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