(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質の基体管および該基体管上で前記基体管の軸方向に沿って並ぶ電気的に接続された複数の燃料電池セルを備えたセルスタックと、複数の前記セルスタックの一端部が配置され前記セルスタックに燃料ガスが供給される燃料ガス供給部と、複数の前記セルスタックの他端部が配置され前記セルスタックに供給された燃料ガスが排出される燃料ガス排出部と、を有する燃料電池カートリッジを備え、
前記基体管の気孔率が前記一端部側に対して前記他端部側が大きく、
前記燃料電池カートリッジは、
前記一端部側が正極であり前記他端部側が負極である複数の第１セルスタックを第１集電部材で電気的に並列接続してなる複数の第１セルスタック群と、前記一端部側が負極であり前記他端部側が正極である複数の第２セルスタックを第２集電部材で電気的に並列接続してなる複数の第２セルスタック群とを含み、
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電気的に直列接続されている燃料電池。
【請求項２】
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同一の前記燃料電池カートリッジ内で交互に並び、かつ電気的に直列接続されている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池カートリッジから出る正極と負極のターミナルが、前記燃料電池カートリッジの同一側に配置されている請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１セルスタックおよび前記第２セルスタックの軸方向において、前記第１集電部材と前記第２集電部材との位置がずれている請求項２または請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１集電部材の端部、前記第２集電部材の端部、または前記第１集電部材および前記第２集電部材の端部が、隣の集電部材の端部から離れる方向に向けて曲がり、かつ前記隣の集電部材とは相互に反対の方向へ曲がっている請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池カートリッジは、第１燃料電池カートリッジまたは第２燃料電池カートリッジとして構成され、
前記第１燃料電池カートリッジは複数の前記第１セルスタック群で構成され、
前記第２燃料電池カートリッジは複数の前記第２セルスタック群で構成され、
前記燃料電池内にて前記第１燃料電池カートリッジおよび前記第２燃料電池カートリッジが交互になり隣り合って配置されている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
発電出力調整部を備え、
同一の燃料電池カートリッジ内に並ぶ複数のセルスタック群は電気的に分離されており、
前記第１燃料電池カートリッジが備えるセルスタック群の数と前記第２燃料電池カートリッジが備えるセルスタック群の数は同一であり、
前記第１燃料電池カートリッジの任意の位置にある前記第１セルスタック群と、前記第２燃料電池カートリッジで前記任意の位置に対応する位置にある第２セルスタック群とが電気的に直列接続されて集電群を構成し、
前記発電出力調整部が前記集電群に対応付けて接続され、前記集電群毎に発電出力を制御できる請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
正極側よりも負極側の気孔率が大きい基体管を基材とする複数の第１セルスタックを第１集電部材で電気的に並列接続した第１セルスタック群と、
負極側よりも正極側の気孔率が大きい基体管を基材とする複数の第２セルスタックを第２集電部材で電気的に並列接続した第２セルスタック群と、
を、前記第１セルスタックの負極側および前記第２セルスタックの正極側が、燃料ガスの流れ方向の下流側に向けて交互に隣り合わせて配置し、前記第１セルスタック群および前記第２セルスタック群を前記第１セルスタック群と前記第２セルスタック群のそれぞれ同一側で電気的に直列接続する燃料電池の電気的接続方法。
【請求項９】
燃料電池カートリッジは前記第１セルスタック群と、前記第２セルスタック群とを含み、
前記燃料電池カートリッジから出る正極と負極とのターミナルを、前記燃料電池カートリッジの同一側となるように配置する請求項８に記載の燃料電池の電気的接続方法。
【請求項１０】
第１燃料電池カートリッジ内に複数の前記第１セルスタック群を電気的に分離した状態で並べ、
第２燃料電池カートリッジ内に複数の前記第２セルスタック群を電気的に分離した状態で並べ、
前記第１燃料電池カートリッジおよび前記第２燃料電池カートリッジを交互に隣り合うように配置し、
前記第１燃料電池カートリッジの任意の位置にある前記第１セルスタック群と、前記第２燃料電池カートリッジで前記任意の位置に対応する位置にある第２セルスタック群とを電気的に直列接続して集電群を形成し、
前記集電群の発電出力を調整できる発電出力調整部を前記集電群に対応付けて接続する請求項８に記載の燃料電池の電気的接続方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および燃料電池の電気的接続方法に関するものである。本発明は、特に、円筒形で多孔質の基体管上に燃料電池セルが形成されたセルスタックを備えた燃料電池および燃料電池の電気的接続方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極に燃料ガスを、空気極に酸素を含む流体（空気）を供給し、電気化学反応によって電力が取り出される発電装置である。燃料電池の１つとして、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）がある（参照：特許文献１から特許文献４）。
【０００３】
円筒状のセルスタックを用いたＳＯＦＣでは、一方の側に電池の極性が揃うよう複数のセルスタックが略平行に並べられ、各セルスタックの両端部が集電部材などで支持されたカートリッジ構造をとる。
【０００４】
セルスタックは、多孔質の基体管を有し、該基体管の外周面上に、燃料極、固体電解質及び空気極が順に積層された燃料電池セルを備えている。燃料電池セルは、基体管の長手方向（軸方向）の中間部分に、軸方向に沿って複数形成され、隣接する燃料電池セル同士は、インターコネクタを介して電気的に直列接続されている。
【０００５】
燃料ガスは、基体管の一端から基体管の内部に導入されて基体管の他端から外部へ排出される。一方、酸素を含む酸化剤ガス（例えば空気）は、基体管の外部に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−７１７１０号公報（請求項１、段落［０００１］）
【特許文献２】特開２０１４−１１６１９９号公報（請求項１、段落［００１９］−［００２１］）
【特許文献３】特許第５１０６８８４号公報（請求項１、図２）
【特許文献４】特許第５５３９４１７号公報（請求項１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
セルスタックにおいて複数の燃料電池セルは直列接続されているため、各燃料電池セルを流れる電流量（発電反応）は等しく、各燃料電池セルの電圧は異なる。各燃料電池セルを流れる電流量は基体管の長手方向（軸方向）で等しいため、電流量は燃料供給側の燃料電池セルに比べ、発電反応のポテンシャルが低い燃料排出側の燃料電池セルで律速する。
【０００８】
基体管の一端より供給された燃料ガスは、基体管の内部を通り、他端側より排出される。セルスタックの発電部（燃料電池セル）にて燃料ガス中の反応寄与成分（Ｈ２、ＣＯ）が消費されるため、燃料ガスが排出される側に近いほど、反応寄与成分の濃度は薄くなる。このため、燃料ガスが供給される側の燃料電池セルに比べ、燃料ガスが排出される側の燃料電池セルは性能（電圧）が低くなる。また、基体管の燃料ガスが排出される側では、燃料ガスが供給される側よりも基体管内部を流通した分、圧力損失が生じる。そのため、基体管の燃料ガスが排出される側では、燃料ガスが供給される側よりも燃料ガスの分圧が低く、発電反応が起こりにくい。したがって、セルスタックの電流量は、燃料ガスが排出される側にある燃料電池セルの電流量にて律速する。
【０００９】
燃料ガスが排出される側の燃料電池セルは性能（電圧）が低くなる、または、電流量が発電反応のポテンシャルが低い燃料電池セルで律速されると、燃料電池セルが直列接続されたセルスタックの発電量も低く抑えられてしまい、燃料電池の発電効率を上げられない。
【００１０】
また従来のカートリッジ構造では、電池の電流の流れがカートリッジ内において同一方向であり、また、カートリッジ間の集電線を配線する際には、カートリッジは直列に接続するため、カートリッジ上部から隣のカートリッジの下部へ配線する必要がある。そのため、カートリッジ間の集電の取り回しが長く、部品コストと作業工数がかかるという課題がある。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、集電にかかるコストおよび作業工数を低減させ、燃料電池セルの発電量を増加させることのできる燃料電池および燃料電池の電気的接続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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池および燃料電池の電気的接続方法は以下の手段を採用する。
本発明は、多孔質の基体管および該基体管上で前記基体管の軸方向に沿って並ぶ電気的に接続された複数の燃料電池セルを備えたセルスタックと、複数の前記セルスタックの一端部が配置され前記セルスタックに燃料ガスが供給される燃料ガス供給部と、複数の前記セルスタックの他端部が配置され前記セルスタックに供給された燃料ガスが排出される燃料ガス排出部と、を有する燃料電池カートリッジを備え、前記基体管の気孔率が前記一端部側に対して前記他端部側が大きく、前記燃料電池カートリッジは、前記一端部側が正極であり前記他端部側が負極である複数の第１セルスタックを第１集電部材で電気的に並列接続してなる複数の第１セルスタック群と、前記一端部側が負極であり前記他端部側が正極である複数の第２セルスタックを第２集電部材で電気的に並列接続してなる複数の第２セルスタック群とを含み、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電気的に直列接続されている燃料電池を提供する。
【００１３】
第１セルスタックと第２セルスタックとは極性が反転しており、極性が反転した状態で並べても基体管の軸方向における気孔率分布傾向は同じである。基体管の気孔率の大きい方（第１セルスタックの負極側および第２セルスタックの正極側）を燃料ガスが排出される側（下流側）に配置することで、セルスタック下流側での発電反応を促進できる。それにより、セルスタックの電流を律速していた下流側での発電反応量が増加するため、セルスタック全体の発電能力を上げることができる。
【００１４】
上記発明の一態様において、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同一の前記燃料電池カートリッジ内で交互に並び、かつ電気的に直列接続されることができる。
【００１５】
極性が逆転したセルスタック群を交互に並べると、セルスタック群同士の直列配線が容易となる。
【００１６】
上記発明の一態様において、前記燃料電池カートリッジから出る正極と負極のターミナルが、前記燃料電池カートリッジの同一側に配置されるとよい。
【００１７】
同一の燃料電池カートリッジ内に極性を反転させたセルスタック群を交互に並べることで、カートリッジから最終的に出る＋と−のターミナルをカートリッジの上側に共通化して設置可能となる。それにより、モジュール内でカートリッジ間の結線が容易となる。
【００１８】
上記発明の一態様では、前記第１セルスタックおよび前記第２セルスタックの軸方向において、前記第１集電部材と前記第２集電部材との位置がずれていてもよい。
【００１９】
１つの燃料電池カートリッジ内に多くのセルスタックが充填される場合、セルスタック群間の距離が近くなる。上記発明の一態様によれば、極性が異なるセルスタック群同士が隣り合って配置されたとしても各セルスタックの集電部材の位置がずれているため、集電部材の端部間距離を離すことができる。集電部材の端部間は所定の距離以上離れていることが好ましい。集電部材の端部を離すことで集電部材の端部接触による耐電圧の低下を防止できる。
【００２０】
上記発明の一態様において、前記第１集電部材の端部、前記第２集電部材の端部、または前記第１集電部材および前記第２集電部材の端部が、隣の集電部材の端部から離れる方向に向けて曲がり、かつ前記隣の集電部材とは相互に反対の方向へ曲がっているとよい。
【００２１】
集電部材の端部を曲げることで、更に隣り合う集電部材の端部間距離を離すことができる。
【００２２】
上記発明の一態様において、前記燃料電池カートリッジは、第１燃料電池カートリッジまたは第２燃料電池カートリッジとして構成され、前記第１燃料電池カートリッジは複数の前記第１セルスタック群で構成され、前記第２燃料電池カートリッジは複数の前記第２セルスタック群で構成され、前記燃料電池（モジュール）内にて前記第１燃料電池カートリッジおよび前記第２燃料電池カートリッジが交互になり隣り合って配置されてもよい。
【００２３】
上記発明の一態様によれば、燃料電池カートリッジ内で同じ種類のセルスタックで構成されたセルスタック群が並べられているため、電流の流れる方向がカートリッジ内で統一される。それにより、燃料電池カートリッジ内の各セルスタック群間で過電圧が印加されることはない。そのため、クリープ等で隣り合う集電部材同士が接触した場合でも、各セルスタック群間で過電圧が印加されることはない。
【００２４】
上記発明の一態様において、発電出力調整部を備え、同一の燃料電池カートリッジ内に並ぶ複数のセルスタック群は電気的に分離されており、前記第１燃料電池カートリッジが備えるセルスタック群の数と前記第２燃料電池カートリッジが備えるセルスタック群の数は同一であり、前記第１燃料電池カートリッジの任意の位置にある前記第１セルスタック群と、前記第２燃料電池カートリッジで前記任意の位置に対応する位置にある第２セルスタック群とが電気的に直列接続されて集電群を構成し、前記発電出力調整部が前記集電群に対応付けて接続され、前記集電群毎に発電出力を制御できることが好ましい。
【００２５】
同一カートリッジ内のセルスタック群同士は電気的に分離されている。集電群はカートリッジ毎に集電されるものではなく、交互に配置されたカートリッジを区分けしている枠を超えて極性が反転している第１セルスタック群と第２セルスタック群が直列接続されている。上記発明の一態様によれば、カートリッジ内の中央に配置されたセルスタック群同士、カートリッジ内の外列に配置されたセルスタック群同士を電気的につなげて集電できる。そのような燃料電池は、並べられたセルスタック群の中央と外列との温度差を小さくできる。
【００２６】
また本発明は、正極側よりも負極側の気孔率が大きい基体管を基材とする複数の第１セルスタックを第１集電部材で電気的に並列接続した第１セルスタック群と、負極側よりも正極側の気孔率が大きい基体管を基材とする複数の第２セルスタックを第２集電部材で電気的に並列接続した第２セルスタック群と、を、前記第１セルスタックの負極側および前記第２セルスタックの正極側が、燃料ガスの流れ方向の下流側に向けて交互に隣り合わせて配置し、前記第１セルスタック群および前記第２セルスタック群を前記第１セルスタック群と前記第２セルスタック群のそれぞれ同一側で電気的に直列接続する燃料電池の電気的接続方法を提供する。
【００２７】
上記発明の一態様において、燃料電池カートリッジは前記第１セルスタック群と、前記第２セルスタック群とを含み前記燃料電池カートリッジから出る正極と負極とのターミナルを、前記燃料電池カートリッジの同一側となるように配置できる。
【００２８】
上記発明の一態様において、第１燃料電池カートリッジ内に複数の前記第１セルスタック群を電気的に分離した状態で並べ、第２燃料電池カートリッジ内に複数の前記第２セルスタック群を電気的に分離した状態で並べ、前記第１燃料電池カートリッジおよび前記第２燃料電池カートリッジを交互に隣り合うように配置し、前記第１燃料電池カートリッジの任意の位置にある前記第１セルスタック群と、前記第２燃料電池カートリッジで前記任意の位置に対応する位置にある第２セルスタック群とを電気的に直列接続して集電群を形成し、前記集電群の発電出力を調整できる発電出力調整部を前記集電群に対応付けて接続してもよい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、燃料電池の発電能力を向上させるとともに、集電にかかるコストおよび作業工数を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態に係るセルスタックの側面図である。
【図２】図１（Ａ）のＸ−Ｘの矢視断面図である。
【図３】図１（Ａ）のＹ−Ｙの矢視断面図である。
【図４】図１（Ｂ）のＸ−Ｘの矢視断面図である。
【図５】図１（Ｂ）のＹ−Ｙの矢視断面図である。
【図６】焼成時のＡタイプセルスタックおよびＢタイプセルスタックの概略側面図である。
【図７】第１実施形態に係る燃料電池カートリッジの概略構成図である。
【図８】集電部材について説明する図である。
【図９】第１実施形態に係る燃料電池の概略構成図である。
【図１０】第２実施形態に係る燃料電池の概略構成図である。
【図１１】第２実施形態に係る燃料電池カートリッジの概略縦断面図である
【図１２】第２実施形態に係る燃料電池モジュールの概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下に、本発明に係る燃料電池および燃料電池の電気的接続方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３２】
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。以下においては、基体管の長手方向（軸方向）の距離を「長さ」と呼ぶ。
【００３３】
〔第１実施形態〕
図１から図５を参照して本実施形態に係るセルスタックについて説明する。図１は、本実施形態に係るセルスタックの側面図である。同図において（Ａ）はＡタイプセルスタックの側面図、（Ｂ）はＢタイプセルスタックの側面図である。図２は、図１（Ａ）の正極側の矢印Ｘ−Ｘの矢視断面図である。図３は、図２（Ａ）の負極側の矢印Ｙ−Ｙの矢視断面図である。図４は、図２（Ｂ）の負極側の矢印Ｘ−Ｘの矢視断面図である。図５は、図２（Ｂ）の正極側の矢印Ｙ−Ｙの矢視断面図である。
【００３４】
複数のセルスタックには、Ａタイプセルスタック（第１セルスタック）１０１ａと、Ｂタイプセルスタック（第２セルスタック）１０１ｂとがある。はじめに、各セルスタックに共通する点について説明する。
セルスタック（１０１ａ，１０１ｂ）は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面上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。
【００３５】
セルスタック（１０１ａ，１０１ｂ）は、基体管１０３の外周面上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に電気的に接続されたリード部１１４（１１４ａ，１１４ｂ）を有する。リード部１１４（１１４ａ，１１４ｂ）は、電気的に接続された複数の燃料電池セル１０５の両端部にある。基体管１０３の一端部側にあるリード部１１４ａの長さは、他端部側にあるリード部１１４ｂよりも長い。リード部１１４（１１４ａ，１１４ｂ）は、燃料電池セル１０５に電気的に接続されたリード膜１１５（１１５ａ，１１５ｂ）と、リード膜１１５上に形成された保護膜１１７とを含んでいる。リード膜１１５は、基体管上に形成されており、一端が燃料電池セル１０５に電気的に接続され、他端は基体管１０３の端部に向けて延びている。リード膜１１５は、基体管１０３の端部側で上面が露出されている。リード膜１１５を覆う保護膜１１７の上には、適宜シール接合膜１１９が積層されていてもよい。リード膜１１５は、リード部１１４ａのリード膜１１５ａの長さ（Ｌａ）が、リード部１１４ｂのリード膜１１５ｂの長さ（Ｌｂ）よりも長い。
【００３６】
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。
【００３７】
基体管１０３は円筒型の長尺部材である。基体管１０３は軸方向（長手方向）に向けて気孔率分布を有している。基体管１０３の気孔率は、基体管１０３の一端部側に対して他端部側が大きくなる。
【００３８】
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。また、燃料極１０９は所定膜厚を得るために複数に分けて形成しても良い。
【００３９】
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。また、固体電解質１１１は所定機能を得るために複数に分けて形成しても良い。
【００４０】
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。
【００４１】
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。また、インターコネクタ１０７は所定機能を得るために複数に分けて形成しても良い。
【００４２】
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（１０１ａ，１０１ｂ）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。リード膜の材料は燃料極の材料を同じであってよい。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（１０１ａ，１０１ｂ）の端部付近まで導出すものである。
【００４３】
保護膜１１７は、固体電解質１１１と同じ材料で構成されている。保護膜１１７は、燃料ガスおよび酸化性ガスのリークを防止する役割と、リード膜１１５が酸化性ガスに曝されるのを防ぐ役割を果たす。
【００４４】
シール接合膜１１９は、セルスタック１０１と接着剤との接着強度を向上させるために表面粗度を高くするという役割を果たす膜である。シール接合膜１１９の材料は例えばＣａＴｉＯ３とＹＳＺの混合物である。シール接合膜１１９は、ローラー印刷で形成されるとよい。
【００４５】
次に、各セルスタックの特徴について説明する。
Ａタイプセルスタック１０１ａは、正極側に比べ負極側の基体管１０３の気孔率が大きいセルスタックである。Ａタイプセルスタック１０１ａにおいて、正極側に設けられたリード部１１４ａおよびリード膜１１５ａの長さ（Ｌａ）が、負極側に設けられたリード部１１４ｂおよびリード膜１１５ｂの長さ（Ｌｂ）よりも長い。Ａタイプセルスタック１０１ａにおいて、負極側にある燃料電池セル１０５ｂは正極側にある燃料電池セル１０５ａよりも長い。
【００４６】
Ｂタイプセルスタック１０１ｂは、負極側に比べ正極側の基体管１０３の気孔率が大きいセルスタックである。Ｂタイプセルスタック１０１ｂにおいて、負極側に設けられたリード部１１４ａおよびリード膜１１５ａの長さ（Ｌａ）が、正極側に設けられたリード部１１４ｂおよびリード膜１１５ｂの長さ（Ｌｂ）よりも長い。Ｂタイプセルスタック１０１ｂにおいて、正極側にある燃料電池セル１０５ｂは負極側にある燃料電池セル１０５ａよりも長い。
【００４７】
Ａタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂの少なくとも一方のセルスタックには、リード部上に識別部１２１が設けられているとよい。識別部１２１は、リード部上の形成される箇所に応じて各層の形成膜と同一の材料を用いて設置する。例えば、図４では識別部１２１を保護膜１１７上に形成しているが、この場合、識別部１２１の材料はシール接合膜１１９と同一の材料を用い、シール接合膜１１９を印刷するタイミングに合わせて成膜するとよい。例えば１１５ａ上に、保護膜１１７の端部と間隔をあけて形成する場合、識別部１２１は、保護膜１１７と同一な材料を用いて、保護膜１１７の形成に併せて容易に設置することができる（不図示）。
【００４８】
識別部１２１はＡタイプセルスタック１０１ａとＢタイプセルスタック１０１ｂとを外観で識別できるよう形成されたものである。例えば、Ｂタイプセルスタック１０１ｂの負極側のリード部１１４ａ上に環状ラインの識別部１２１が設けられるとよい。なお、Ａタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂの両方に識別部１２１を設ける場合には、識別部１２１の位置、形状などをパターン分けする。
【００４９】
識別部１２１は上記の環状ラインに限定されるものでなく、製造工程の中で併せて設けることができ、外観識別ができれば形状を適宜変更が可能である。
【００５０】
Ａタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂは以下のように製造することができる。図６に、吊り下げ焼成する際のＡタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂの概略側面図を示す。同図において（Ａ）は吊り下げ焼成する際のＡタイプセルスタック、（Ｂ）は吊り下げ焼成する際のＢタイプセルスタック、紙面上側が鉛直方向上である。簡略化のため図６では、未焼成の燃料電池セル１０５’、未焼成のリード部１１４ａ’,１１４ｂ’、および未焼成の識別部１２１’を表示している。
【００５１】
まず、カルシウム安定化ジルコニア（ＣＳＺ）などの材料を、押し出し成形法により円筒形である基体管１０３の形状に成形する（以降「成形した基体管」と呼ぶ）。次に、燃料極材料、固体電解質材料、インターコネクタ材料、リード膜材料、および保護膜材料それぞれ水系ビヒクルなどを混合し、スラリーを作製する。スクリーン印刷法を用いて、燃料極用スラリー、リード膜用スラリー、固体電解質用スラリー、保護膜用スラリー、およびインターコネクタ用スラリーを成形した基体管上に順に成膜する。
【００５２】
本実施形態では、燃料極１０９およびリード膜１１５、固体電解質１１１および保護膜１１７を同じ材料で構成する。よって、燃料極用スラリーおよびリード膜用スラリーを作製・印刷する工程は実質的に同じ工程である。また、固体電解質用スラリーおよび保護膜用スラリーを作製・印刷する工程も実質的に同じ工程である。リード膜用スラリーは、Ａタイプセルスタック１０１ａの正極側およびＢタイプセルスタック１０１ｂの負極側の方のリード膜１１５ａが、Ａタイプセルスタック１０１ａの負極側およびＢタイプセルスタック１０１ｂの正極側の方のリード膜１１５ｂよりも長くなるように印刷する。保護膜用スラリーは、リード膜１１５の上面が基体管１０３の端部で露出するよう、リード膜用スラリーの上に印刷する。
【００５３】
他端部側（リード膜が短い方）が鉛直方向上に向くよう成形した基体管を吊り下げる。Ａタイプセルスタック１０１ａは負極側、Ｂタイプセルスタック１０１ｂは正極側が鉛直方向上に向ける。Ａタイプセルスタック１０１ａは正極側、Ｂタイプセルスタック１０１ｂは負極側が鉛直方向下に向ける。大気中にて１３５０℃〜１５００℃、３時間〜５時間、一体焼成して、基体管１０３、燃料極１０９、リード膜１１５、固体電解質１１１、インターコネクタ１０７、および保護膜１１７を形成する。
【００５４】
次に、空気極材料に水系ビヒクルを混合して空気極用スラリーを作製する。焼成後のインターコネクタ１０７上に空気極用スラリーをスクリーン印刷する。また、シール接合膜材料に水系ビヒクルを混合してシール接合膜用スラリーを作製する。焼結後の保護膜１１７の上にシール接合膜用スラリーをローラー印刷する。識別部１２１を形成するための識別部用スラリーには、シール接合膜用スラリーを転用する。識別部用スラリーは、成膜したシール接合膜用スラリーの端部と間隔をあけるよう成膜した保護膜用スラリー上にスクリーン印刷する。その後、他端部側（リード膜が短い方）が鉛直方向上に向くよう基体管１０３を吊り下げ、大気中にて１１００℃〜１４００℃、１時間〜４時間で焼成し、空気極１１３を形成する。
【００５５】
上記のように製造したＡタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂは、極性のみが反転したセルスタックとなる。吊り下げ焼成すると、鉛直方向下側（下側）では基体管が収縮されるが、鉛直方向上側（上側）では自重により基体管が下側ほど収縮しない。そのため、焼成後の基体管では上側にあった方の気孔率が大きくなり、下側にあった方の気孔率が小さくなる。
【００５６】
また成形した基体管、燃料極材料、固体電解質材料などを吊り下げて一体焼成すると基体管の軸方向に自重がかかり、各素子（燃料極１０９、固体電解質１１１、インターコネクタ１０７などによる燃料電池セル）は基体管の軸方向で長さに違いが生じる。吊り下げた際に鉛直方向上側に配置された各素子は、鉛直方向下側に配置された各素子よりも長くなる。たとえば、鉛直方向上側に配置された素子は、鉛直方向下側に配置された素子に比べて素子長さが約８％長くなる。
【００５７】
識別部用スラリーは、成形した基体管を焼成する前に成膜されているため、一体焼成の際にセルスタックの吊り下げる向きを間違えにくくなる。リード部１１４ａおよびリード部１１４ｂの長さで吊り下げる向きを確認できるとともに、識別部１２１を設けることで、Ａタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂを外観で識別できる。
【００５８】
次に、本実施形態に係る燃料電池（ＳＯＦＣ）カートリッジについて説明する。図７は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの概略構成図である。ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、ケーシング２２９と、複数のセルスタック（Ａタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂ）と、発電室２１５と、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９とを有する。また、ＳＯＦＣカートリッジは、上部管板２２５ａと下部管板２２５ｂとを有する。
【００５９】
発電室２１５は、ケーシング２２９と上部管板２２５ａと下部管板２２５ｂとの間に形成された領域である。セルスタック（１０１ａ，１０１ｂ）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、燃料電池モジュールの定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。酸化性ガスは発電室２１５のセルスタック（１０１ａ，１０１ｂ）の外側に供給され、セルスタック（１０１ａ，１０１ｂ）の長手方向と直交する方向へ流れる。本説明では、酸化性ガスがセルスタック（１０１ａ，１０１ｂ）の長手方向と直交する方向へ流れるとして説明するが、酸化性ガスは後述するように燃料ガスの流れと対向してセルスタック（１０１ａ，１０１ｂ）の長手方向に流れるよう供給してもよい。
【００６０】
燃料ガス供給室２１７は、ケーシング２２９の上部と上部管板２２５ａとで囲まれた領域である。燃料ガス供給室２１７は、ケーシング２２９の上部に備えられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、図示しない燃料ガス供給枝管と連通されている。また、燃料ガス供給室２１７には、円筒形状であるセルスタック（１０１ａ，１０１ｂ）の一方の端部が燃料ガス供給室２１７に対して開放して配置されている。セルスタック１０１の一方の端部とは、基体管の気孔率が小さい方（吊り下げ焼成時に鉛直方向下を向いていた方）の端部であり、全てのセルスタック１０１について同様な方向で気孔率の小さい方が配置される。燃料ガス供給室２１７は、図示しない燃料ガス供給枝管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ものである。
【００６１】
燃料ガス排出室２１９は、ケーシング２２９の下部と下部管板２２５ｂとで囲まれた領域である。燃料ガス排出室２１９は、ケーシング２２９の下部に備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管と連通されている。また、燃料ガス排出室２１９には、円筒形状であるセルスタック（１０１ａ，１０１ｂ）の他方の端部が、燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。セルスタック（１０１ａ，１０１ｂ）の他方の端部とは、燃料ガス供給室２１７に対して開放している端部とは異なる、基体管の気孔率が大きくなる方（吊り下げ焼成時に鉛直方向上を向いていた方）の端部であり、全てのセルスタック１０１について同様な方向で気孔率の大きい方が配置される。燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック（１０１ａ，１０１ｂ）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を介して図示しない燃料ガス排出枝管に導くものである。
【００６２】
上部管板２２５ａは、ケーシング２２９の上部の側板に固定されている。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（１０１ａ，１０１ｂ）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（１０１ａ，１０１ｂ）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（１０１ａ，１０１ｂ）の一方の端部（上端部）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している。下部管板２２５ｂは、ケーシング下部の側板に固定されている。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（１０１ａ，１０１ｂ）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（１０１ａ，１０１ｂ）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（１０１ａ，１０１ｂ）の他方の端部（下端部）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している。
【００６３】
セルスタック（１０１ａ，１０１ｂ）には、上部管板２２５ａおよび下部管板２２５ｂとのシール部分にはシール接合膜１１９を設けて表面粗度を高くしてあり、セルスタック（１０１ａ，１０１ｂ）とシール部材及び接着部材との接着強度を向上させてある。
【００６４】
複数のセルスタックは、複数のＡタイプセルスタック１０１ａおよび複数のＢタイプセルスタック１０１ｂを含む。
複数のＡタイプセルスタック１０１ａは集電部材（上部集電部材２１１ａまたは下部集電部材２１２ａ）により電気的に並列接続されてＡタイプセルスタック群２１４ａを構成する。Ａタイプセルスタック群２１４ａにおいて、複数のＡタイプセルスタック１０１ａは、正極を燃料ガス供給室側（鉛直方向上側）に向け、負極を燃料ガス排出室側（鉛直方向下側）に向けて横に並べて配置されている。複数のＡタイプセルスタック１０１ａの正極側端部は、上部集電部材２１１ａで集合化されている。複数のＡタイプセルスタック１０１ａの負極側端部は、下部集電部材２１１ｂによって集合化されている。上部集電部材２１１ａおよび下部集電部材２１１ｂはそれぞれ導電性を有する。
【００６５】
複数のＢタイプセルスタック１０１ｂは集電部材（上部集電部材２１１ｂまたは下部集電部材２１２ｂ）により電気的に並列接続されてＢタイプセルスタック群２１４ｂを構成する。Ｂタイプセルスタック群２１４ｂにおいて、複数のＢタイプセルスタックは、負極を燃料ガス供給室側（鉛直方向上側）に向け、正極を燃料ガス排出室側（鉛直方向下側）に向けて横に並べて配置されている。複数のＢタイプセルスタック１０１ｂの負極側端部は、上部集電部材２１１ａで集合化されている。複数のＢタイプセルスタック１０１ｂの正極側端部は、下部集電部材２１１ｂによって集合化されている。
【００６６】
Ａタイプセルスタック群２１４ａおよびＢタイプセルスタック群２１４ｂは、１つのＳＯＦＣカートリッジ内で交互に並べて配置されている。隣り合うＡタイプセルスタック群２１４ａおよびＢタイプセルスタック群２１４ｂは、隣り合う集電部材（例えば２１１ａと２１１ｂ）が適宜つながれて電気的に直列接続されている。最端部のセルスタック群を集合化する集電部材（２１１ａ，２１１ｂ）には集電棒２１６がつながれている。
【００６７】
隣のセルスタック群と電気的に接続されていない集電部材（上部集電部材２１１ａ，２１１ｂまたは下部集電部材２１２ａ，２１２ｂ）は、相互集電部材間の異常放電を抑制するために、隣にある集電部材とセルスタックの軸方向において位置がずれていることが好ましい。例えば図８に示すように、Ａタイプセルスタック群２１４ａにおける集電部材を、Ｂタイプセルスタック群２１４ｂにおける集電部材よりもセルスタックの端部側（燃料ガスの流れ方向上流側）に所定距離以上ずらすとよい。「所定距離」は隣り合う集電部材の端部同士が接触しない距離であり、相互集電部材間の異常放電を抑制できる距離である。図８では、Ａタイプセルスタック群２１４ａにおける集電部材２２１ａと、Ｂタイプセルスタック群２１４ｂにおける集電部材２２１ｂとは、軸方向に３ｍｍ以上、例えば６ｍｍ程度ずらす。
【００６８】
また、相互集電部材間の異常放電をさらに抑制するために、異常放電の起点となり易い板部材の端部間の距離が離れるように、隣のセルスタック群と電気的に接続されていない集電部材（上部集電部材２１１ａ，２１１ｂまたは下部集電部材２１２ａ，２１２ｂ）の端部は、それぞれ隣りの集電部材から離れる方向に向けて曲がっているとよい。例えば図８に示すように、Ａタイプセルスタック群２１４ａにおける集電部材の端部が紙面上側に曲がっており、Ｂタイプセルスタック群２１４ｂにおける集電部材の端部が紙面下側（Ａタイプセルスタック群２１４ａにおける集電部材の端部とは逆の方向）に曲がっているとよい。
【００６９】
本実施形態によれば、ＳＯＦＣカートリッジ内に極性を反転させたＡタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂを配置することで、ＳＯＦＣカートリッジ内の配線をセルスタックの一方の端部側および他方の端部側において、一方向にまとめられる。それにより集電をセルスタックの一方の端部側から他方の端部側へと接続するための配線部材の取り回しが不要となり、Ａタイプセルスタック１０１ａとＢタイプセルスタック１０１ｂとの接続配線部材を短くでき、直列配線が容易となる。
【００７０】
従来のようにセルスタック間の直列接続にあたり、同一極性のセルスタックを上下で反転させて並べる前述のような効率的な直列配線を得ることが出来るが、基体管の軸方向の気孔率分布も上下で反転してしまうことで、上下反転したセルスタックの発電電流が異なるために、そのまま直列接続するとセルスタック全体の発電性能が低下する課題がある。本実施形態では、Ａタイプセルスタック１０１ａとＢタイプセルスタック１０１ａとは極性を反転させて並べた場合に、基体管の軸方向の気孔率分布は全てのセルスタックで同じ傾向を示すよう製造している。本実施形態によれば、気孔率の大きい方を同じ向きに配置して燃料ガス排出側に配置することができるため、セルスタックの電流を律速していた燃料ガスの流れ方向下流側での発電反応量を増加させ、セルスタック全体の発電能力を上げることができる。
【００７１】
またセルスタック（Ａタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂ）において、基体管の気孔率が大きくなる方（吊り下げ焼成時に鉛直方向上側を向いていた方）では、基体管の気孔率が小さくなる方よりも各素子（燃料電池セル）の長さが長くなっている。セルスタックの上側と下側において流れる電流は同じである。燃料電池セルが長いと電流の流れる面積が広くなり、単位面積当たりの電流が低くなる（電流密度が低下する）。そのため、長い燃料電池セルでは、短い燃料電池セルよりも実質的に電圧が高くなり、結果として燃料電池の性能が向上する。
【００７２】
ＳＯＦＣカートリッジ２０３において、基体管の気孔率が小さい側は、燃料ガスの流れ方向上流側であり、長いリード部１１４ａが必要な領域に配置されている。リード部では、発電がおこなわれないため基体管の気孔率が小さいことによる発電効率への影響は少ない。
【００７３】
次に、本実施形態に係る燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールおよび燃料電池について説明する。図９は、本実施形態に係る燃料電池の概略構成図である。燃料電池１は、ＳＯＦＣモジュールと、各ＳＯＦＣカートリッジに対応付けられるチョッパ２１８と、インバータ２２０と、制御部（不図示）とを備えている。
【００７４】
ＳＯＦＣモジュール２０１は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、複数のＳＯＦＣカートリッジを収納する圧力容器（不図示）とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管（不図示）と複数の燃料ガス供給枝管（不図示）とを有する。またＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス排出管（不図示）と複数の燃料ガス排出枝管（不図示）とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを有する。
【００７５】
燃料ガス供給管は、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に接続されている。この燃料ガス供給管は、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に分岐して複数のＳＯＦＣカートリッジへと導くものである。また、燃料ガス供給枝管は、燃料ガス供給管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は、燃料ガス供給管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。
【００７６】
燃料ガス排出枝管は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管に接続されている。この燃料ガス排出枝管は、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に導くものである。また、燃料ガス排出管は、複数の燃料ガス排出枝管に接続されると共に、一部が圧力容器の外部に配置されている。この燃料ガス排出管は、燃料ガス排出枝管から略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器の外部に導くものである。
【００７７】
圧力容器は、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。
【００７８】
ここで、本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。
【００７９】
チョッパ２１８は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３に対応付けて設けられている。チョッパ２１８は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の第１出力レベルを、第１出力レベルとは異なる第２出力レベルの発電出力に変換させる。各チョッパ２１８は制御部からの指示によって、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３からインバータ２２０へ流入する電流の大きさを制御できる。インバータ２２０は、チョッパ２１８で変換された出力を所定の交流電力へと変換する。図９では、複数のチョッパ２１８に対して１つのインバータ２２０が接続されているが、インバータ２２０はチョッパ２１８に対応付けてそれぞれ設けられてもよい。
【００８０】
上記実施形態では、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、保護膜１１７に覆われなく、リード膜１１５の上面が露出している基体管１０３の端部で集電部材（２１１、２１２）と電気的に接続される。ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒２１６に集電部材（２１１、２１２）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２１６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。
【００８１】
本実施形態によれば、従来、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部及び下部に配置していた正極と負極のターミナル（集電棒２１６）について、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えるセルスタック群を偶数個とすることで、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から最終的に出る正極と負極とのターミナルが、例えばＳＯＦＣカートリッジ２０３の上側に共通化して配置可能となるため、ＳＯＦＣモジュール内でのＳＯＦＣカートリッジ２０３間の結線が容易になる。
【００８２】
〔第２実施形態〕
本実施形態は、ＳＯＦＣカートリッジの構成および集電方法が第１実施形態と異なる。特に説明のない構成については、第１実施形態と同様である。図１０は、本実施形態に係る燃料電池の概略構成図である。図１１は、ＳＯＦＣカートリッジの概略縦断面図である。同図において、（Ａ）はＡタイプカートリッジ、（Ｂ）はＢタイプカートリッジである。図１２は、ＳＯＦＣモジュールの概略斜視図である。
【００８３】
燃料電池１０は、複数のＳＯＦＣカートリッジ（３０３ａ，３０３ｂ）を備えているＳＯＦＣモジュール３０１と、各ＳＯＦＣカートリッジ（３０３ａ，３０３ｂ）に対応付けられるチョッパ３１８と、インバータ３１９と、制御部（不図示）とを備えている。
【００８４】
まず、ＳＯＦＣカートリッジの構成について説明する。
複数のＳＯＦＣカートリッジは、タイプの異なる２種類のカートリッジ（Ａタイプカートリッジ３０３ａおよびＢタイプカートリッジ３０３ｂ）を含む。ＳＯＦＣカートリッジは、集電部材で複数のセルスタックを電気的に並列接続したセルスタック群を複数有している。１つのＳＯＦＣカートリッジは、１種類のセルスタック群のみを含む。１つのＳＯＦＣカートリッジに含まれる複数のセルスタック群は、極性の向きが揃っている。各ＳＯＦＣカートリッジに含まれるセルスタック群の数は、ＳＯＦＣカートリッジの種類によらず同じである。
【００８５】
Ａタイプカートリッジ３０３ａに含まれるセルスタック群は、Ａタイプセルスタック群３１４ａのみである。Ａタイプセルスタック群３１４ａは、複数のＡタイプセルスタック１０１ａを集電部材（３１１ａ，３１２ａ）で電気的に並列接続したセルスタック群である。Ａタイプセルスタック１０１ａは、第１実施形態と同様に正極側に比べ負極側の基体管の気孔率が大きくなるセルスタックである。Ａタイプセルスタック１０１ａでは、正極側のリード部が負極側のリード部よりも長い。Ａタイプセルスタック１０１ａでは、正極側の燃料電池セルよりも負極側の燃料電池セルの方が長い。
【００８６】
Ａタイプカートリッジ３０３ａでは、Ａタイプセルスタック１０１ａの正極が燃料ガスの流れ方向上流側に向き、負極が燃料ガスの流れ方向下流側に向くようＡタイプセルスタック群３１４ａが配置されている。Ａタイプカートリッジ３０３ａでは、複数のＡタイプセルスタック群の極性の向きは一方に揃っている。Ａタイプカートリッジ内にある複数のＡタイプセルスタック群３１４ａは、それぞれ電気的に分離されている。
【００８７】
Ｂタイプカートリッジ３０３ｂに含まれるセルスタック群は、Ｂタイプセルスタック群３１４ｂのみである。Ｂタイプセルスタック群３１４ｂは、複数のＢタイプセルスタック１０１ｂを集電部材（３１１ｂ，３１２ｂ）で電気的に並列接続したセルスタック群である。Ｂタイプセルスタック１０１ｂは、第１実施形態と同様に負極側に比べ正極側の基体管の気孔率が大きくなるセルスタックである。Ｂタイプセルスタック１０１ｂでは、負極側のリード部が正極側のリード部よりも長い。Ｂタイプセルスタック１０１ｂでは、負極側の燃料電池セルよりも正極側の燃料電池セルの方が長い。
【００８８】
Ｂタイプカートリッジ３０３ｂでは、Ｂタイプセルスタック１０１ｂの負極が燃料ガスの流れ方向上流側に向き、正極が燃料ガスの流れ方向下流側に向くようＢタイプセルスタック群３１４ｂが配置されている。Ｂタイプカートリッジ３０３ｂでは、複数のＢタイプセルスタック群３１４ｂの極性の向きは一方に揃っている。Ｂタイプカートリッジ３０３ｂの一方の極性は、Ａタイプカートリッジ３０３ａの一方の極性とは異なる。Ｂタイプカートリッジ内にある複数のＢタイプセルスタック群３１４ｂは、それぞれ電気的に分離されている。
【００８９】
次に、ＳＯＦＣモジュール３０１について説明する。ＳＯＦＣモジュール３０１は、複数のＳＯＦＣカートリッジを有する。複数のＳＯＦＣカートリッジはＡタイプカートリッジ３０３ａとＢタイプカートリッジ３０３ｂとから構成されている。
【００９０】
Ａタイプカートリッジ３０３ａおよびＢタイプカートリッジ３０３ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ内のＡタイプ，Ｂタイプの同一タイプのセルスタック群を並べたもので、Ａタイプカートリッジ３０３ａおよびＢタイプカートリッジ３０３ｂは、ＳＯＦＣモジュール内に交互に配置されている。図１０では電気的接続関係が判り易いように、一列に並べた模式図とすることで説明しているが、設置形態や配置形態そのものを限定している訳ではない。例えば、Ａタイプカーリッジ内で並んで集合させたＡタイプセルスタック群３１４ａと、該Ａタイプカートリッジ３０３ａの隣に配置されたＢタイプカートリッジ内で並んで集合させたＢタイプセルスタック群３１４ｂとは、隣接して並んでいる。
【００９１】
各ＳＯＦＣカートリッジ内でそれぞれ対応する位置に配置されたＡタイプセルスタック群３１４ａとＢタイプセルスタック群３１４ｂとはＳＯＦＣカートリッジ（３０３ａ，３０３ｂ）を区分けしている枠を超えて集電部材（３１６ａ，３１６ｂ，３１３）により電気的に直列接続されている。図１０では隣り合うＡタイプセルスタック群３１４ａとＢタイプセルスタック群３１４ｂとが直列接続されて、集電群（３２０，３２１，３２２，３２３）を構成している。集電群（３２０，３２１，３２２，３２３）は、ＳＯＦＣカートリッジ内で列の端部側のセルスタック群同士、および列の中央部分のセルスタック群同士で構成されるとよい。
【００９２】
チョッパ３１８は、各集電群（３２０，３２１，３２２，３２３）に対応付けて設けられている。チョッパ３１８は、各集電群（３２０，３２１，３２２，３２３）の第１出力レベルを、第１出力レベルとは異なる第２出力レベルの発電出力に変換させる。各チョッパは図示しない制御部からの指示によって、各集電群（３２０，３２１，３２２，３２３）からインバータ３１９へ流入する電流の大きさを制御できる。インバータ３１９は、チョッパ３１８で変換された出力を所定の交流電力へと変換する。図１０では、複数のチョッパ３１８に対して１つのインバータ３１９が接続されているが、インバータ３１９はチョッパ３１８に対応付けてそれぞれ設けられてもよい。
【００９３】
燃料電池１０は、カートリッジ内の各セルスタック群の温度を計測できる温度計測部１１を備えていることが好ましい。温度計測部１１は、カートリッジ内の空気温度を計測できるものである。温度計測部１１で計測された温度は、図示しない制御部へと出力される。制御部は、該出力された温度に基づいて、各セルスタック群の温度が均一になるようチョッパ３１８へと指示を出す。チョッパ３１８は、相対的に温度が低いセルスタック群を含む集電群に、相対的に温度が高いセルスタック群を含む集電群よりも大きな電流が流れるように調整する。
【００９４】
本実施形態によれば、各カートリッジで列の端部側にあるセルスタック群同士をつなげた集電群（３２０，３２３）と、中央部分にあるセルスタック群同士をつなげた集電群（３２１，３２２）とでそれぞれに電流を制御することが可能となる。それによって、端部側・中央部分の温度差が小さくなるように制御できる。
【００９５】
従来のようにセルスタック間の直列接続にあたり、同一極性のセルスタックを上下で反転させて並べると、前述のような効率的な直列配線を得ることが出来るが、基体管１０３の軸方向の気孔率分布も反転してしまうために、上下反転したセルスタックの発電電流が異なるために、そのまま直列接続するとセルスタック全体の発電性能が低下する。本実施形態では、ＡタイプセルスタックとＢタイプセルスタックとは極性を反転させて並べた場合に、基体管の軸方向の気孔率分布は同じ傾向を示すよう製造している。本実施形態によれば、気孔率の大きい方を同じ向きに配置して燃料ガス排出側に配置することができるため、セルスタックの電流を律速していた燃料ガスの流れ方向下流側での発電反応量を増加させ、セルスタック全体の発電能力を上げることができる。
【００９６】
またセルスタック（ＡタイプセルスタックおよびＢタイプセルスタック）において、基体管１０３の気孔率が大きくなる方（吊り下げ焼成時に鉛直方向上側を向いていた方）では、基体管１０３の気孔率が小さくなる方よりも各素子（燃料電池セル）の長さが長くなっている。セルスタックの上側と下側において流れる電流は同じである。燃料電池セル１０５が長いと電流の流れる面積が広くなり、単位面積当たりの電流が低くなる（電流密度が低下する）。そのため、長い燃料電池セル１０５では、短い燃料電池セル１０５よりも実質的に電圧が高くなり、結果として燃料電池の性能が向上する。
【００９７】
ＳＯＦＣカートリッジにおいて、基体管１０３の気孔率が小さい側は、燃料ガスの流れ方向上流側であり、長いリード膜が必要な領域に配置されている。そのため、発電効率への影響は少ない。
【００９８】
本実施形態では、１つのカートリッジ内には種類の異なるカートリッジが混在していない。カートリッジ内で各セルスタック群は同じ並列電流で並んでいるため、各セルスタック群間で過電圧が印加されない。よって、クリープ変形等でセルスタック群同士が接触した場合においても各セルスタック群間での電圧差は小さいので、燃料電池セル１０５が損傷するリスクを低減できる。
【００９９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更することができる。
【符号の説明】
【０１００】
１，１０  燃料電池
１１  温度計測部
１０１ａ  Ａタイプセルスタック（第１セルスタック）
１０１ｂ  Ｂタイプセルスタック（第２セルスタック）
１０３  基体管
１０５  燃料電池セル
１０７  インターコネクタ
１０９  燃料極
１１１  固体電解質
１１３  空気極
１１４，１１４ａ，１１４ｂ  リード部
１１４ａ’，１１４ｂ’  リード部（未焼成）
１１５，１１５ａ，１１５ｂ  リード膜
１１７  保護膜
１１９  シール接合膜
１２１  識別部
１２１’  識別部（未焼成）
２０１，３０１  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）
２１１ａ，２１１ｂ，３１１ａ，３１１ｂ  上部集電部材（第１集電部材の一部，第２集電部材の一部）
２１２ａ，２１２ｂ，３１２ａ，３１２ｂ  下部集電部材（第１集電部材の一部，第２集電部材の一部）
２１４ａ  Ａタイプセルスタック群（第１セルスタック群）
２１４ｂ  Ｂタイプセルスタック群（第２セルスタック群）
２１５  発電室
２１６  集電棒
２１７  燃料ガス供給室（燃料ガス供給部）
２１９  燃料ガス排出室（燃料ガス排出部）
２２５ａ  上部管板
２２５ｂ  下部管板
２２９  ケーシング
２３１ａ  燃料ガス供給孔
２３１ｂ  燃料ガス排出孔
２１８，３１８  チョッパ
２２０，３１９  インバータ
２１１，２１２，３１３，３１６ａ，３１６ｂ  集電部材
３０３ａ  Ａタイプカートリッジ（第１燃料電池カートリッジ）
３０３ｂ  Ｂタイプカートリッジ（第２燃料電池カートリッジ）
３２０，３２１，３２２，３２３  集電群
【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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【図１２】
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