(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池を形成する複数のセルが形成された筒形状とされた複数のセルスタックと、
前記複数のセルスタックの内部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給室と、
前記複数のセルスタックの外部に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給室とを備え、
前記複数のセルスタックは、
前記複数のセルスタックが配置されているセル配置領域のうちの中央領域に並べられる複数の中央セルスタックと、
前記セル配置領域のうちの前記中央領域を囲む外側領域に並べられる複数の外側セルスタックとを含み、
前記酸化性ガスが前記中央領域を流れる流量の平均が、前記酸化性ガスが前記外側領域を流れる流量の平均より多くなるように、形成され、
前記複数のセルスタックは、平面上に一定の間隔を置いて規則的に配列された複数の仮想格子点のうちの前記外側領域に配置される複数の外側領域格子点の全部に前記複数の外側セルスタックがそれぞれ重なるように、かつ、前記複数の仮想格子点のうちの前記中央領域に配置される複数の中央領域格子点の少なくとも１つの間引格子点に重ならないように、かつ、前記複数の中央領域格子点のうちの前記間引格子点を除く複数のセル配置格子点に前記複数の中央セルスタックがそれぞれ重なるように、配置される燃料電池カートリッジ。
【請求項２】
前記複数のセルスタックがそれぞれ挿通される複数の孔が形成される断熱ボードをさらに備え、
前記複数のセルスタックの外部には、前記複数の孔の内面と前記複数のセルスタックの外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間を介して前記酸化性ガスが供給され、
前記複数の孔のうちの前記複数の中央セルスタックが挿入される複数の中央孔の前記酸化性ガス供給隙間は、前記複数の孔のうちの前記複数の外側セルスタックが挿入される複数の外側孔の前記酸化性ガス供給隙間より大きい請求項１に記載される燃料電池カートリッジ。
【請求項３】
固体酸化物形燃料電池を形成する複数のセルが形成された筒形状とされた複数のセルスタックと、
前記複数のセルスタックの内部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給室と、
前記複数のセルスタックの外部に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給室と、
前記複数のセルスタックがそれぞれ挿通される複数の孔が形成される断熱ボードとを備え、
前記複数のセルスタックは、
前記複数のセルスタックが配置されているセル配置領域のうちの中央領域に並べられる複数の中央セルスタックと、
前記セル配置領域のうちの前記中央領域を囲む外側領域に並べられる複数の外側セルスタックとを含み、
前記酸化性ガスが前記中央領域を流れる流量の平均が、前記酸化性ガスが前記外側領域を流れる流量の平均より多くなるように、形成され、
前記複数のセルスタックの外部には、前記複数の孔の内面と前記複数のセルスタックの外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間を介して前記酸化性ガスが供給され、
前記複数の孔のうちの前記複数の中央セルスタックが挿入される複数の中央孔の前記酸化性ガス供給隙間は、前記複数の孔のうちの前記複数の外側セルスタックが挿入される複数の外側孔の前記酸化性ガス供給隙間より大きい燃料電池カートリッジ。
【請求項４】
前記複数のセルスタックがそれぞれ挿通される複数の孔が形成される断熱ボードをさらに備え、
前記複数のセルスタックの外部には、前記複数の孔の内面と前記複数のセルスタックの外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間を介して前記酸化性ガスが供給され、
前記断熱ボードのうちの前記複数の中央セルスタックが挿通される複数の中央孔が形成される部分の厚さは、前記断熱ボードのうちの前記複数の外側セルスタックが挿通される複数の外側孔が形成される部分の厚さより薄い請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載される燃料電池カートリッジ。
【請求項５】
請求項１から４のうちのいずれか一項に記載される燃料電池カートリッジを備える燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池の燃料電池カートリッジおよび燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有する燃料電池が知られている。このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  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、都市ガス、天然ガス、石炭ガス化ガスなどの燃料を改質して生成される水素及び一酸化炭素を用いて発電する。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池として、例えば、円筒形状である複数のセルスタックを垂直に並列配置したセルスタック群をカートリッジ内に設置する方式が採用される。固体酸化物形燃料電池では、健全性確保のためセルスタックの過昇温を防止する必要がある。しかし、セルスタック群に生じた水平面内の温度分布が拡大すると、ピーク温度低下のために空気量を増加する等により全体温度を低く抑える操作を行う必要性が生じ、低温部分が発生する。温度の低い領域では、セルの発電性能が低下するため、空気流量の偏分配が生じると、結果的に電池全体としての性能が低下してしまう。
そのため、固体酸化物形燃料電池は、効率低下防止のため、複数のセルスタックが配置される発電室内部の温度分布を均一にすることが望まれている。
【０００４】
特許文献１には、複数のセルスタックと平行な方向に設けた仕切り壁を備えることによりカートリッジ間を仕切り、発電室に配置される複数のセルスタックの周囲を上昇する空気流れの流量を低減し、発電室内部のセルスタック群部に供給される空気流れを増加して局所的な過昇温を防止し温度分布を均一にして効率よく発電することができる燃料電池モジュールが開示されている。さらに、特許文献２には、カートリッジ下部の断熱ボードにセルスタックが通過する孔を施工し、その孔の内面とセルスタック外面からなる狭流路を空気が下側から上側に通過する際の圧力損失により流量の均一化を図る燃料電池モジュールが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１１０８５７号公報
【特許文献２】特開２０１４−６７６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
円筒型セルスタックを用いた固体酸化物形燃料電池は、出力密度を増加してコンパクト化を図るため、複数のセルスタックをカートリッジ内に密充填することが望まれている。しかしながら、複数のセルスタックを密充填すると、カートリッジ内を下から上に向かって流れる空気流において、カートリッジ内に設置されたセルスタック群の間の隙間を流れる空気の流路面積が減少するため、セルスタック群の周囲（最外周セルスタックとカートリッジの側壁との隙間あるいは隣接するカートリッジ間の隙間）を流れる空気流量が増加する。最外周セルスタックがセルスタック群の周囲を流れる空気により冷却され、中央のセルスタックが外周部に比べ放熱し難いことにより、水平面内の温度分布が拡大するという問題がある。
【０００７】
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、その目的とするところは、複数のセルスタックからなるセルスタック群全体の温度分布を低減する燃料電池カートリッジおよび燃料電池モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池カートリッジおよび燃料電池モジュールは以下の手段を採用する。
本発明による燃料電池カートリッジは、固体酸化物形燃料電池を形成する複数のセルが形成された筒形状とされたセルスタックと、前記複数のセルスタックの内部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給室と、前記複数のセルスタックの外部に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給室とを備えている。前記複数のセルスタックは、前記複数のセルスタックが配置されているセル配置領域のうちの中央領域に並べられる複数の中央セルスタックと、前記セル配置領域のうちの前記中央領域を囲む外側領域に並べられる複数の外側セルスタックとを含み、前記酸化性ガスが前記中央領域を流れる流量の平均が、前記酸化性ガスが前記外側領域を流れる流量の平均より多くなるように、形成され、前記複数のセルスタックは、平面上に一定の間隔を置いて規則的に配列された複数の仮想格子点のうちの前記外側領域に配置される複数の外側領域格子点の全部に前記複数の外側セルスタックがそれぞれ重なるように、かつ、前記複数の仮想格子点のうちの前記中央領域に配置される複数の中央領域格子点の少なくとも１つの間引格子点に重ならないように、かつ、前記複数の中央領域格子点のうちの前記間引格子点を除く複数のセル配置格子点に前記複数の中央セルスタックがそれぞれ重なるように、配置される。
【０００９】
このような燃料電池カートリッジは、中央領域を流れる酸化性ガスの流量が、外側領域を流れる酸化性ガスの流量より多いことにより、酸化性ガスにより中央セルスタックを外側セルスタックよりも冷却することができる。これにより、中央領域と外側領域との温度差が低減され、複数のセルスタックからなるセルスタック群全体の温度分布を低減することができる。中央領域は、たとえば、発電室のうちの複数のセルスタックが並べられている領域の中心から縁を線分で結んだときに、その線分を１：２に内分する点の軌跡の内側である。
【００１１】
このような燃料電池カートリッジは、複数の中央セルスタックの間隔の平均を複数の外側セルスタックの間隔の平均より広くすることにより、中央領域を流れる酸化性ガスの流量を、外側領域を流れる酸化性ガスの流量より多くし、酸化性ガスにより複数の中央セルスタックを複数の外側セルスタックより冷却することができ、複数のセルスタックからなるセルスタック群全体の温度分布を低減することができる。
【００１３】
このような燃料電池カートリッジは、一定の間隔を置いて規則的に配列された複数のセルスタックのうちの少なくとも１つが中央領域で間引かれていることにより、中央領域のうちの中央セルスタックが間引かれた領域に酸化性ガスが多く流れ、酸化性ガスにより複数の中央セルスタックを間引かない場合よりも冷却することができる。
【００１４】
本発明による燃料電池カートリッジは、前記複数のセルスタックがそれぞれ挿通される複数の孔が形成される断熱ボードをさらに備えている。前記複数のセルスタックの外部には、前記複数の孔の内面と前記複数のセルスタックの外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間を介して前記酸化性ガスが供給されている。このとき、前記複数の孔のうちの前記複数の中央セルスタックが挿入される複数の中央孔の前記酸化性ガス供給隙間は、前記複数の孔のうちの前記複数の外側セルスタックが挿入される複数の外側孔の前記酸化性ガス供給隙間より広い。
【００１５】
このような燃料電池カートリッジは、複数の中央セルスタックが挿入される複数の中央孔の酸化性ガス供給隙間が複数の外側セルスタックが挿入される複数の外側孔の酸化性ガス供給隙間より広くすることにより、複数の中央孔の酸化性ガス供給隙間を酸化性ガスが流れる圧力損失を、複数の外側孔の酸化性ガス供給隙間を酸化性ガスが流れる圧力損失より小さくすることができる。このため、このような燃料電池カートリッジは、中央領域を流れる酸化性ガスの流量を、外側領域を流れる酸化性ガスの流量より多くすることができ、酸化性ガスにより中央セルスタックを外側セルスタックよりも冷却することができ、端部から遠く高温となり易い中央部の冷却を強化することで、複数のセルスタックからなるセルスタック群全体の温度分布を低減することができる。なお、中央部と外周部で、セルスタックの外径は基本的に同じであり、断熱材貫通部でのセルスタックは円筒状、断熱材貫通孔は円柱状である。
【００１６】
本発明による燃料電池カートリッジは、前記複数のセルスタックがそれぞれ挿通される複数の孔が形成される断熱ボードをさらに備えている。このとき、前記複数のセルスタックの外部には、前記複数の孔の内面と前記複数のセルスタックの外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間を介して前記酸化性ガスが供給されている。前記断熱ボードのうちの前記複数の中央セルスタックが挿通される複数の中央孔が形成される部分の厚さは、前記断熱ボードのうちの前記複数の外側セルスタックが挿通される複数の外側孔が形成される部分の厚さより薄い。
【００１７】
このような燃料電池カートリッジは、断熱ボードのうちの複数の中央セルスタックが挿通される複数の孔が形成される部分の厚さを、断熱ボードのうちの複数の外側セルスタックが挿通される複数の孔が形成される部分の厚さよりも薄くすることにより、複数の中央孔の酸化性ガス供給隙間を酸化性ガスが流れる圧力損失を、複数の外側孔の酸化性ガス供給隙間を酸化性ガスが流れる圧力損失より小さくすることができる。このため、このような燃料電池カートリッジは、中央領域を流れる酸化性ガスの流量を、外側領域を流れる酸化性ガスの流量より多くすることができ、酸化性ガスにより中央セルスタックを外側セルスタックよりも冷却することができ、複数のセルスタックからなるセルスタック群全体の温度分布を低減することができる。なお、中央部と外周部で、セルスタックの外径及び孔の内径は基本的にそれぞれ同じであり、断熱材貫通部でのセルスタックは円筒状、断熱材貫通孔は円柱状である。
【００１８】
本発明による燃料電池モジュールは、本発明による燃料電池カートリッジを備えている。
このような燃料電池モジュールは、燃料電池カートリッジが複数のセルスタックの温度分布の拡大を抑制することが可能となり、高効率に発電することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による燃料電池カートリッジおよび燃料電池モジュールは、複数のセルスタックからなるセルスタック群全体の温度分布を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃料電池モジュールを示す分解斜視図である。
【図２】ＳＯＦＣカートリッジを示す断面図である。
【図３】セルスタックを示す断面図である。
【図４】第１実施形態の燃料電池カートリッジにおける発電室を示す横断面図である。
【図５】図４の発電室を示す縦断面図であり、酸化性ガスの流量分布と複数のセルスタックの温度分布とを示す図である。
【図６】比較例の発電室を示す縦断面図であり、比較例の発電室の酸化性ガスの流量分布と比較例の発電室に配置される複数のセルスタックの温度分布とを示す図である。
【図７】第２実施形態の燃料電池カートリッジにおける発電室を示す横断面図である。
【図８】第３実施形態の燃料電池カートリッジにおける発電室を示す横断面図である。
【図９】第４実施形態の燃料電池カートリッジにおける下部断熱体を拡大して示した縦断面図である。
【図１０】第５実施形態の燃料電池カートリッジにおける下部断熱体を拡大して示した縦断面図である。
【図１１】第６実施形態の燃料電池カートリッジにおける下部断熱体を拡大して示した縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の実施形態にかかる燃料電池カートリッジについて図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
第１実施形態の燃料電池カートリッジ（以下、「ＳＯＦＣカートリッジ」と記載される）は、燃料電池モジュール２０１に設けられている。燃料電池モジュール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２０５とを有する。また、燃料電池モジュール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。また燃料電池モジュール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、燃料電池モジュール２０１は、さらに、図示されていない酸化性ガス供給管と複数の酸化性ガス供給枝管と酸化性ガス排出管と複数の酸化性ガス排出枝管とを備える。
【００２２】
燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、燃料電池モジュール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（図示しない）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、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する。
【００２３】
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。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の外部に導く。
【００２４】
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。
【００２５】
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図２に示されているように、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。
【００２６】
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、複数のセル１０５が形成されたセルスタック１０１が複数配置され、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の複数のセルスタック１０１の長手方向の中央部付近での温度は、燃料電池モジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。
【００２７】
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に形成された燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通される。また、燃料ガス供給室２１７には、複数のセルスタック１０１の一方の端部が配置され、複数のセルスタック１０１の一方の端部を介してセルスタック１０１の内部が燃料ガス供給室２１７に対して開放されている。この燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、セルスタック１０１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。
【００２８】
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に形成された燃料ガス排出孔２３１ｂによって、燃料ガス排出枝管２０９ａと連通される。また、燃料ガス排出室２１９には、複数のセルスタック１０１の他方の端部が配置され、複数のセルスタック１０１の他方の端部を介してセルスタック１０１の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放されている。この燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に排出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。
【００２９】
酸化性ガス供給管には、外部から酸化性ガスが供給され、燃料電池モジュール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複数の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、複数の酸化性ガス供給枝管と連通される。この酸化性ガス供給室２２１は、複数の酸化性ガス供給枝管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、酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導く。
【００３０】
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、複数の酸化性ガス排出枝管と連通される。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を介して複数の酸化性ガス排出枝管に導く。複数の酸化性ガス排出枝管は、酸化性ガス排出管に連通している。酸化性ガス排出管は、複数の酸化性ガス排出枝管から排出される排酸化性ガスを外部に排気する。
【００３１】
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の側板に固定される。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられる複数のセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔には複数のセルスタック１０１が挿入される。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。
【００３２】
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の側板に固定される。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられる複数のセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔には複数のセルスタック１０１が挿入される。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。
【００３３】
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に備えられる複数のセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられる。この孔の直径は複数のセルスタック１０１の外径よりも大きく設定される。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通された複数のセルスタック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。
【００３４】
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が高温化することによる強度低下を抑制し、上部管板２２５ａが高温化することにより酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が上部管板２２５ａに発生しやすくなることを抑制する。
【００３５】
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複数のセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる。このことにより、排酸化性ガスは、セルスタック１０１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され、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に排出される。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、ヒーター等を用いず、発電に適した温度に昇温した燃料ガスを発電室２１５に供給できる。
【００３６】
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、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定される。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられる複数のセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられる。この孔の直径は複数のセルスタック１０１の外径よりも大きく設定される。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通された複数のセルスタック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。
【００３７】
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が高温化することによる強度低下を抑制し、下部管板２２５ｂが高温化することにより酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が下部管板２２５ｂに発生しやすくなることを抑制する。
【００３８】
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複数のセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる。このことにより、セルスタック１０１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、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室２１５に供給できる。
【００３９】
複数のセルスタック１０１は、図３に示されるように、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とを積層して形成される。また、複数のセルスタック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。
【００４０】
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。
【００４１】
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Ｈ２Ｏ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。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。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンＯ２−から放出される電子によって発電する。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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の固体電解質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。リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及び複数のセルスタック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複数のセルスタック１０１の端部付近まで導く。
【００４５】
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により複数のセルスタック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、燃料電池モジュール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。インバータは、燃料電池モジュール２０１から外部に流れる電流を所定の電流に、出力制御する。
【００４６】
複数のセルスタック１０１は、図４に示されるように、水平面上で格子状に規則的に配置され、複数のセルスタック１０１の各々が、水平面上に一定の間隔を置いて規則的に仮想的に配列された複数の仮想格子点のいずれかに複数のセルスタック１０１の各々が重なるように、配置されている。ここで、水平面とは、各セルスタック１０１の長手方向に直交する平面を意味する。詳細には、その複数の仮想格子点は、水平面上に一定の間隔を置いて配列された複数の平行線と、その平行線に垂直であり、かつ、その平行線の間隔と等しい一定の間隔を置いて配列された他の複数の平行線とが交差する複数の点から形成されている。
【００４７】
発電室２１５は、セルスタック１０１の長手方向に平行な面により分割された中央領域１とセル周囲領域２と外側領域３とから形成されている。中央領域１は、発電室２１５の中心を含み、複数のセルスタック１０１のうちの定常運転時に高温となりやすいセルスタックが配置される領域であり、たとえば、発電室２１５のうちの複数のセルスタック１０１が配置されているセル配置領域の中心線と縁とを結ぶ線分を１：２に内分する点の軌跡の内側を示している。セル周囲領域２は、発電室２１５の縁に沿って配置される領域であり、発電室２１５のうちの複数のセルスタック１０１が配置されていない領域である。外側領域３は、中央領域１とセル周囲領域２とに挟まれ、セル配置領域のうちの中央領域１を囲む領域であり、セル周囲領域２に囲まれるように形成されている。
【００４８】
複数のセルスタック１０１は、複数の外側セルスタック５と複数の中央セルスタック６とを含んでいる。複数の外側セルスタック５は、複数のセルスタック１０１のうちの外側領域３に配置されたものであり、発電室２１５に配列された前述の複数の仮想格子点のうちの外側領域３に配置された複数の外側領域格子点の全部にそれぞれ重なるように配置されている。複数の中央セルスタック６は、複数のセルスタック１０１のうちの中央領域１に配置されたものである。複数の中央セルスタック６の各々は、発電室２１５に配列された前述の複数の仮想格子点のうちの中央領域１に配置された複数の中央領域格子点のいずれかに配置されている。このとき、複数の中央セルスタック６は、複数の中央領域格子点のうちのいくつかの間引格子点に重ならないように、かつ、複数の中央領域格子点のうちの間引格子点を除く複数のセル配置格子点の全部にそれぞれ重なるように、配置されている。すなわち、中央領域１は、図５に示されるように、複数の中央セルスタック６が欠落している複数の間引き部７が分散されて配置されている。このとき、複数の間引き部７は、互いに隣り合わないように配置されている。
【００４９】
次いで、燃料電池モジュール２０１の動作を説明する。
燃料電池モジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａとを介して燃料ガスと水蒸気との混合ガスを燃料ガス供給室２１７に供給することにより、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内側の流路に混合ガスを供給する。燃料電池モジュール２０１は、さらに、酸化性ガス供給管と複数の酸化性ガス供給枝管とを介して酸化性ガス供給室２２１に酸化性ガスを供給することにより、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の外側の発電室２１５に酸化性ガスを供給する。
【００５０】
複数のセルスタック１０１は、燃料ガスと水蒸気との混合ガスを基体管１０３の内部に供給することにより、基体管１０３の上部部分で、次の化学反応式：
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ
により表現される改質反応を主に進行させ、水素Ｈ２と一酸化炭素ＣＯとを生成する。この改質反応は、吸熱反応であるので、基体管１０３の上部部分の温度上昇が抑制される。
【００５１】
複数のセルスタック１０１は、改質反応により得られる水素Ｈ２及び一酸化炭素ＣＯと、発電室２１５に供給される酸素イオンＯ２−を電気化学的に反応させて水Ｈ２Ｏ及び二酸化炭素ＣＯ２を生成し、発電する。基体管１０３は、この反応が発熱反応であることにより温度上昇する。基体管１０３から排出された排燃料ガスは、燃料ガス排出室２１９に供給され、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａと燃料ガス排出管２０９とを介して燃料ガス排出室２１９から排出される。
【００５２】
発電室２１５を流れた排酸化性ガスは、複数のセルスタック１０１の基体管１０３のうちの上部部分において、基体管１０３を介して混合ガスと熱交換し、排酸化性ガスの顕熱低下は、混合ガスの改質吸熱と顕熱上昇に変換される。基体管１０３の上部部分で温度低下した排酸化性ガスは、酸化性ガス排出室２２３に供給される。酸化性ガス排出室２２３に供給された排酸化性ガスは、複数の酸化性ガス排出枝管と酸化性ガス排出管とを介して排出される。
【００５３】
基体管１０３は、温度上昇することにより、放射熱により隣接する他の基体管１０３を加熱する。このため、複数のセルスタック１０１のうちの発電室２１５の中央に配置されるセルスタックの基体管１０３は、周辺の他のセルスタックから放射加熱されるので、発電室２１５の端部に配置されるセルスタックの基体管１０３より温度上昇する。
【００５４】
図５は、発電室２１５を流れる酸化性ガスの水平面内における流量分布を示している。流量分布１１は、発電室２１５の外側領域３を流れる酸化性ガスの流量の分布に偏りがなく、外側領域３のうちの各位置を流れる酸化性ガスの流量が概ね等しいことを示している。流量分布１１は、さらに、発電室２１５のセル周囲領域２を流れる酸化性ガスの流量が、外側領域３を流れる酸化性ガスの流量より大きいことを示している。流量分布１１は、さらに、中央領域１のうちの間引き部７を流れる酸化性ガスの流量が、外側領域３を流れる酸化性ガスの流量より大きいことを示し、中央領域１のうちの間引き部７を除く領域を流れる酸化性ガスの流量が、外側領域３を流れる酸化性ガスの流量と概ね等しいことを示している。
【００５５】
図５は、さらに、複数のセルスタック１０１からなるセルスタック群の水平面内における温度分布を示している。温度分布１２は、発電室２１５の外側領域３に配置される複数の外側セルスタック５の温度が発電室２１５の中央に近づくほど高くなっていることを示し、複数の外側セルスタック５の温度がセル周囲領域２に近づくほど低くなっていることを示している。温度分布１２は、さらに、中央領域１に配置される複数の中央セルスタック６の温度が間引き部７に間引き部７に近づくほど低くなっていることを示している。温度分布１２は、さらに、複数のセルスタック１０１の最高温度から最低温度を減算した温度差ΔＴが比較的小さいことを示している。
【００５６】
図６は、比較例の燃料電池カートリッジにおける発電室を示している。比較例の発電室３０１は、セル配置領域３０２とセル周囲領域３０３とを含んでいる。セル配置領域３０２は、比較例の発電室３０１の中心を含む領域であり、複数のセルスタック３０４が間引かれず格子状に規則的に配置される領域である。セル周囲領域３０３は、セル配置領域３０２を囲むように発電室３０１の縁に沿って配置される領域であり、複数のセルスタック３０４が配置されていない領域である。
【００５７】
図６は、さらに、比較例の発電室３０１を流れる酸化性ガスの水平面内における流量分布を示している。流量分布３１１は、発電室３０１のセル配置領域３０２を流れる酸化性ガスの流量の分布に偏りがなく、セル配置領域３０２のうちの各位置を流れる酸化性ガスの流量が概ね等しいことを示している。セル周囲領域３０３を流れる酸化性ガスの流量が、セル配置領域３０２を流れる酸化性ガスの流量より大きいことを示している。
【００５８】
図６は、さらに、比較例の燃料電池カートリッジにおける複数のセルスタック３０４からなるセルスタック群の水平面内における温度分布を示している。温度分布３１２は、複数のセルスタック３０４の温度が発電室３０１の中央に近づくほど高くなっていることを示し、複数のセルスタック３０４の温度がセル周囲領域３０３に近づくほど低くなっていることを示している。
【００５９】
図５の温度分布１２と図６の温度分布１２とは、さらに、第１実施形態の複数のセルスタック１０１の最高温度から最低温度を減算した温度差ΔＴが、比較例の複数のセルスタック３０４の最高温度から最低温度を減算した温度差ΔＴより小さいことを示している。以上のことから、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、複数のセルスタック１０１のうちの発電室２１５の中央領域１に配置されるセルスタックのいくつかを間引くことにより、中央領域１を流れる酸化性ガスの流量を多くして、中央領域１に配置されるセルスタックの温度上昇を抑制することができ、複数のセルスタック１０１の温度分布を低減し、効率よく発電することができる。
【００６０】
［第２実施形態］
第２実施形態の燃料電池カートリッジは、既述の第１実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３における複数のセルスタック１０１が、図７に示されるように、千鳥状に配列されている。複数のセルスタック１０１は、さらに、既述の第１実施形態の複数のセルスタック１０１と同様にして、外側領域３では間引かれないで並べられ、中央領域１では複数の間引き部７に配置されないように間引かれて並べられている。このため、第２実施形態の燃料電池カートリッジは、既述の第１実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３と同様にして、中央領域１に配置されるセルスタックの温度上昇を抑制することができ、複数のセルスタック１０１の温度分布を低減することができる。すなわち、複数のセルスタック１０１は、格子状と異なる規則性で並べられた場合でも、中央領域１にセルスタックが間引かれて配置されることにより、中央領域１に配置されるセルスタックの温度上昇を抑制することができ、複数のセルスタック１０１の温度分布を低減することができる。
【００６１】
［第３実施形態］
第３実施形態の燃料電池カートリッジは、既述の第１実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３における複数のセルスタック１０１が、図８に示されるように、中央領域１と外側領域３とに格子状に並べられ、中央領域１に配列された複数の中央セルスタック６のピッチが外側領域３に配列された複数の外側セルスタック５のピッチより大きくなるように、並べられている。このため、複数のセルスタック１０１は、中央領域１を流れる酸化性ガスの流量を大きくすることができる。このとき、複数のセルスタック１０１は、複数の中央セルスタック６のピッチの平均を、複数の外側セルスタック５のピッチの平均より例えば１０〜２０％程度大きくすることにより、複数の中央セルスタック６が複数の外側セルスタック５より効果的に冷却されるように、酸化性ガスを中央領域１と外側領域３とに流すことができる。第３実施形態の燃料電池カートリッジは、複数の中央セルスタック６の間隔を複数の外側セルスタック５の間隔より大きくし、酸化性ガスにより複数の中央セルスタック６を複数の外側セルスタック５より効果的に冷却することにより、中央領域１に配置されるセルスタックの温度上昇を抑制することができ、複数のセルスタック１０１の温度分布を低減することができる。すなわち、複数のセルスタック１０１は、規則的に並べられたものから間引かれない場合でも、中央領域１に配置されるセルスタックのピッチの平均が、外側領域３に配置されるセルスタックのピッチの平均より大きくなるように、配置されることにより、中央領域１に配置されるセルスタックの温度上昇を抑制することができ、複数のセルスタック１０１の温度分布を低減することができる。
【００６２】
［第４実施形態］
第４実施形態の燃料電池カートリッジは、既述の第１実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３における下部断熱体２２７ｂが他の下部断熱体２１（断熱ボード）に置換されており、それ以外は、既述の第１実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３と同様に形成されている。下部断熱体２１は、下部断熱体２２７ｂと同様にして、発電室２１５と酸化性ガス供給室２２１とを隔てている。下部断熱体２１は、図９に示されるように、外側領域３に面する外側部分２２と、中央領域１に面する中央部分２３とを備えている。外側部分２２には、複数の外側セルスタック５がそれぞれ挿入される複数の孔２４が形成されている。孔２４の直径は、外側セルスタック５の外径よりも大きくなるように設定され、外側セルスタック５の外面と孔２４の内面との間に外側酸化性ガス供給隙間２５が形成されている。中央部分２３には、複数の中央セルスタック６がそれぞれ挿入される複数の孔２６が形成されている。孔２６の直径は、中央セルスタック６の外径よりも大きくなるように設定され、中央セルスタック６の外面と孔２６の内面との間に中央酸化性ガス供給隙間２７が形成されている。このとき、下部断熱体２１は、中央酸化性ガス供給隙間２７の幅が外側酸化性ガス供給隙間２５の幅より大きくなるように、形成されている。
【００６３】
第４実施形態の燃料電池カートリッジは、中央酸化性ガス供給隙間２７の幅が外側酸化性ガス供給隙間２５の幅より大きくなるように下部断熱体２１が形成されていることにより、酸化性ガスが中央酸化性ガス供給隙間２７を流れる圧力損失を酸化性ガスが外側酸化性ガス供給隙間２５を流れる圧力損失より小さくすることができる。第４実施形態の燃料電池カートリッジは、中央酸化性ガス供給隙間２７の圧力損失を外側酸化性ガス供給隙間２５の圧力損失より小さくすることにより、中央領域１を流れる酸化性ガスの流量の平均を、外側領域３を流れる酸化性ガスの流量の平均より多くすることができる。このとき、下部断熱体２１は、中央酸化性ガス供給隙間２７の幅を外側酸化性ガス供給隙間２５の幅より例えば１．３〜２倍程度に大きくすることにより、複数の中央セルスタック６が複数の外側セルスタック５より効果的に冷却されるように、酸化性ガスを中央領域１と外側領域３とに供給することができる。第４実施形態の燃料電池カートリッジは、中央酸化性ガス供給隙間２７の幅を外側酸化性ガス供給隙間２５の幅より多くして、複数の中央セルスタック６を複数の外側セルスタック５より効果的に冷却することにより、中央領域１に配置される複数の中央セルスタック６の温度上昇を抑制することができる。第４実施形態の燃料電池カートリッジは、さらに、外側領域３を流れる酸化性ガスの流量の平均を比較的遅くすることにより、セル周囲領域２と外側領域３とを流れる酸化性ガスの流量の平均を遅くすることができ、セル周囲領域２と外側領域３とを流れる酸化性ガスにより複数の外側セルスタック５の温度低下を抑制することができる。このため、第４実施形態の燃料電池カートリッジは、中央領域１に配置されるセルスタックの温度上昇を抑制し、外側領域３に配置されるセルスタックの温度低下を抑制することにより、複数のセルスタック１０１の温度分布を低減することができる。
【００６４】
［第５実施形態］
第５実施形態の燃料電池カートリッジは、既述の第１実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３における下部断熱体２２７ｂが他の下部断熱体３１（断熱ボード）に置換されており、それ以外は、既述の第１実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３と同様に形成されている。下部断熱体３１は、下部断熱体２２７ｂと同様にして、発電室２１５と酸化性ガス供給室２２１とを隔て、図１０に示されるように、外側領域３に面する外側部分３２と、中央領域１に面する中央部分３３とを備えている。外側部分３２には、複数の外側セルスタック５がそれぞれ挿入される複数の孔３４が形成されている。孔３４の直径は、外側セルスタック５の外径よりも大きくなるように設定され、外側セルスタック５の外面と孔３４の内面との間に外側酸化性ガス供給隙間３５が形成されている。中央部分３３には、複数の中央セルスタック６がそれぞれ挿入される複数の孔３６が形成されている。孔３６の直径は、中央セルスタック６の外径よりも大きくなるように設定され、中央セルスタック６の外面と孔３６の内面との間に中央酸化性ガス供給隙間３７が形成されている。このとき、下部断熱体３１は、中央酸化性ガス供給隙間３７の幅が外側酸化性ガス供給隙間３５の幅と等しくなるように、形成されている。
【００６５】
第５実施形態の燃料電池カートリッジは、中央部分３３の厚さが外側部分３２の厚さより薄くなるように下部断熱体３１が形成されていることにより、酸化性ガスが中央酸化性ガス供給隙間３７を流れる圧力損失を酸化性ガスが外側酸化性ガス供給隙間３５を流れる圧力損失より小さくすることができる。第５実施形態の燃料電池カートリッジは、中央酸化性ガス供給隙間３７の圧力損失を外側酸化性ガス供給隙間３５の圧力損失より小さくすることにより、中央酸化性ガス供給隙間３７を介して中央領域１に供給される酸化性ガスの流量を、外側酸化性ガス供給隙間３５を介して外側領域３に供給される酸化性ガスの流量より大きくすることができる。このとき、下部断熱体３１は、中央部分３３の厚さを外側部分３２の厚さより例えば５０〜７５％程度に薄くすることにより、複数の中央セルスタック６が複数の外側セルスタック５より効果的に冷却されるように、酸化性ガスを中央領域１と外側領域３とに供給することができる。このため、第５実施形態の燃料電池カートリッジは、中央部分３３の厚さを外側部分３２の厚さより薄くして、複数の中央セルスタック６を複数の外側セルスタック５より効果的に冷却することにより、中央領域１に配置される複数の中央セルスタック６の温度上昇を抑制することができる。第５実施形態の燃料電池カートリッジは、さらに、外側領域３に供給される酸化性ガスの流量を比較的小さくすることにより、セル周囲領域２と外側領域３とを流れる酸化性ガスの流量を低減することができ、セル周囲領域２と外側領域３とを流れる酸化性ガスにより複数の外側セルスタック５の温度低下を抑制することができる。このため、第５実施形態の燃料電池カートリッジは、中央領域１に配置されるセルスタックの温度上昇を抑制し、外側領域３に配置されるセルスタックの温度低下を抑制することにより、複数のセルスタック１０１の温度分布を低減することができる。
【００６６】
［第６実施形態］
第６実施形態の燃料電池カートリッジは、既述の第５実施形態の燃料電池カートリッジにおける下部断熱体３１（断熱ボード）に形成される複数の孔３４が他の複数の孔４４に置換されており、それ以外は、既述の第５実施形態の燃料電池カートリッジと同様に形成されている。孔４４は、外側セルスタック５の外面と孔２４の内面との間に外側酸化性ガス供給隙間４５の幅が中央酸化性ガス供給隙間３７の幅より小さくなるように、形成されている。
【００６７】
第６実施形態の燃料電池カートリッジは、中央部分３３の厚さが外側部分３２の厚さより薄くなるように、かつ、中央酸化性ガス供給隙間３７の幅が外側酸化性ガス供給隙間４５の幅より大きくなるように、下部断熱体２１が形成されていることにより、酸化性ガスにより複数の中央セルスタック６が複数の外側セルスタック５より効果的に冷却されるように、酸化性ガスを中央領域１と外側領域３とに供給することができる。第６実施形態の燃料電池カートリッジは、複数の中央セルスタック６を複数の外側セルスタック５より効果的に冷却することにより、中央領域１に配置される複数の中央セルスタック６の温度上昇を抑制することができ、複数のセルスタック１０１の温度分布を低減することができる。
【００６８】
なお、第３〜６実施形態の燃料電池カートリッジでは、複数のセルスタック１０１が規則的に並べられたものから間引かれないで、複数のセルスタック１０１の全部が一定の間隔を置いて規則的に配列されてもよい。第３〜６実施形態の燃料電池カートリッジは、複数のセルスタック１０１が間引かれないで一定の間隔を置いて規則的に配列された場合でも、中央領域１を流れる酸化性ガスの流量の平均を、セル周囲領域２と外側領域３とを流れる酸化性ガスの流量の平均より多くすることにより、複数のセルスタック１０１の温度分布を低減することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１    ：中央領域
２    ：セル周囲領域
３    ：外側領域
５    ：外側セルスタック
６    ：中央セルスタック
１１  ：流量分布
１２  ：温度分布
２１  ：下部断熱体（断熱ボード）
２２  ：外側部分
２３  ：中央部分
２４  ：孔
２５  ：外側酸化性ガス供給隙間
２６  ：孔
２７  ：中央酸化性ガス供給隙間
３１  ：下部断熱体（断熱ボード）
３２  ：外側部分
３３  ：中央部分
３４  ：孔
３５  ：外側酸化性ガス供給隙間
３６  ：孔
３７  ：中央酸化性ガス供給隙間
４４  ：孔
４５  ：外側酸化性ガス供給隙間
１０１：セルスタック
１０３：基体管
２０１：燃料電池モジュール
２０３：ＳＯＦＣカートリッジ
２１５：発電室
【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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