JP6016520B2

JP6016520B2 - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP6016520B2
Application number: JP2012183198A
Authority: JP
Inventors: 後藤　征司; 征司後藤; 眞竹　徳久; 徳久眞竹; 小阪　健一郎; 健一郎小阪
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2032-08-22
Also published as: JP2014041751A

Description

本発明は、セル集合体が圧力容器内に収納されている燃料電池モジュールに関する。

燃料電池は、低公害で発電効率が高いため、近年、各種分野での利用が期待されている。燃料電池は、一般的に、水素や炭化水素系ガス等を含む燃料ガスを触媒作用により改質する燃料極と、空気等の酸化剤ガスから酸素イオンを生成する空気極と、この空気極で生成された酸素イオンを燃料極に移動させる固体電解質とを有する。燃料極と固体電解質との界面付近では、燃料極で改質された燃料ガスと固定電解質からの酸素イオンとが電気化学反応して発電が行われる。この燃料電池は、排気ガスがクリーンであることから、例えば、病院や工場等の分散電源として利用されている。

このような燃料電池を備えた燃料電池モジュールの一例として、例えば、以下の特許文献１に開示されているものがある。

この燃料電池モジュールは、上下方向に延びる円筒形状の圧力容器と、この圧力容器内に配置される複数のカートリッジと、各カートリッジに燃焼ガスや酸化剤ガスを供給等するための配管と、を備えている。カートリッジは、セル集合体であるセルチューブ（又はセルスタック）の束で、角柱形状を成している。セルチューブは、複数の電池セルと、多孔質材料で形成されている円筒形状の基体管とを有している。電池セルは、前述の燃料極、固体電解質及び空気極を有して構成されている。複数の電池セルは、円筒形状の基体管の外周面に形成されている。

複数の角柱形状のカートリッジは、両端部が上下方向を向き、水平方向で互いに隣接して、圧力容器内に配置されている。水平方向で互いに隣接している複数のカートリッジは、カートリッジ群を形成している。このカートリッジ群は、カートリッジ自体と同様、角柱形状を成している。外部からの燃焼ガスや酸化剤ガスを各カートリッジに供給等するための配管は、圧力容器内であって、角柱形状のカートリッジ群の外周側を通っている。

特許第４１１９７２４号公報

上記特許文献１に記載の燃料電池モジュールは、事業用や商用の大規模な発電用のものとして極めて有効なものである。ところで、このような燃料電池モジュールは、都市部での設置が多くなることが想定されることから、圧力容器における単位体積当たりの発電量の増加が望まれている。

そこで、本発明は、単位体積当たりの発電量の増加を図ることができる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための発明の一態様としての燃料電池モジュールは、容器中心軸を中心として、容器中心軸方向に延びる円筒形状の圧力容器と、前記圧力容器内に配置され、前記容器中心軸方向に延びる円筒状のセル集合体が複数組み付けられて、該容器中心軸方向に延びる柱状の形状を成す複数のカートリッジと、前記圧力容器内に配置され、前記複数のカートリッジに接続されている配管と、を備え、前記複数のカートリッジは、前記容器中心軸に対して垂直な仮想面内の方向で互いに隣接してカートリッジ群を形成しており、前記カートリッジ群は、前記容器中心軸方向に並んで複数群配置されており、前記容器中心軸方向で互いに隣接する２つのカートリッジ群のうち、第一カートリッジ群を構成する複数のカートリッジには、前記配管として燃料ガス供給のための第一配管が接続され、前記第一カートリッジ群と第二カートリッジ群の間には、前記第一カートリッジ群を構成する複数のカートリッジを通過して排出された燃料ガスを第二カートリッジ群を構成する複数のカートリッジに供給するための第二配管が配置されていることを特徴とする。

当該燃料電池モジュールでは、容器中心軸に対して垂直な仮想面内の方向で互いに隣接している複数のカートリッジの相互間に、配管中の軸方向延在部を配置しているため、圧力容器内の空間を有効利用できる。この結果、当該燃料電池モジュールでは、圧力容器内に配置できるセル集合体の総容積を増加させることができ、圧力容器における単位体積当たりの発電量を増加させることができる。

また、上記目的を達成するための発明の他の態様としての燃料電池モジュールは、容器中心軸を中心として、容器中心軸方向に延びる円筒形状の圧力容器と、前記圧力容器内に配置され、前記容器中心軸方向に延びる円筒状のセル集合体が複数組み付けられて、該容器中心軸方向に延びる柱状の形状を成す複数のカートリッジと、前記圧力容器内に配置され、前記複数のカートリッジに接続されている配管と、を備え、前記複数のカートリッジは、前記容器中心軸に対して垂直な仮想面内の方向で互いに隣接してカートリッジ群を形成しており、前記カートリッジ群は、前記容器中心軸方向に並んで複数群配置されており、前記容器中心軸方向で互いに隣接する２つのカートリッジ群のうち、第一カートリッジ群を構成する複数のカートリッジと第二カートリッジ群を構成する複数のカートリッジとは、前記容器中心軸方向における向きが逆向きとなるように交互に配置されており、これら向きが異なる２つのカートリッジ群の燃料額供給側である第１カートリッジヘッダが互いに対面しているカートリッジ群の間には、第一カートリッジ群を構成する複数のカートリッジと第二カートリッジ群を構成する複数のカートリッジとに燃料ガスを供給するための一部が共有化された配管が配置されており、前記向きが異なる２つのカートリッジ群の燃料ガス回収側である第２のカートリッジヘッダが互いに対面しているカートリッジ群の間には、前記２つのカートリッジ群から排出された燃料ガスを回収する一部が共有化された配管が配置されていることを特徴とする。

また、前記燃料電池モジュールにおいて、前記複数のカートリッジ群を形成している各カートリッジに接続されている配管には、燃料ガスを供給する配管の他に、酸化剤を供給するための酸化剤供給配管を有している。

また、前記燃料電池モジュールにおいて、前記複数のカートリッジは、円柱形状を成してもよいし、正多角柱形状を成してもよい。

また、前記燃料電池モジュールにおいて、前記複数のカートリッジのそれぞれは、いずれも、前記仮想面内の方向で２以上のカートリッジと隣接することが好ましい。

当該電池モジュールでは、圧力容器内に配置されるカートリッジの数量が増加し、圧力容器における単位体積当たりの発電量を増加させることができる。

この場合、前記複数のカートリッジのそれぞれは、いずれも、前記仮想面内の方向で２個のカートリッジと隣接し、互いに該仮想面内の方向で隣接し合う３個のカートリッジにおける各カートリッジ中心軸は、二等辺三角形の頂点上に位置していてもよい。

また、前記燃料電池モジュールにおいて、前記複数のカートリッジは、前記容器中心軸に垂直な断面における内接円の直径寸法は、前前記圧力容器の内径寸法の１／３未満であることが好ましい。

当該燃料電池モジュールでは、比較的多くの数量のカートリッジを容器内に配置することができるので、圧力容器における単位体積当たりの発電量を増加させることができる。

また、前記燃料電池モジュールにおいて、前記圧力容器内には、前記仮想面内の方向で隣接している複数の前記カートリッジで構成される複数のカートリッジ群が、前記容器中心軸方向に並んで配置され、前記容器中心軸方向で互いに隣接する２つのカートリッジ群のうち、第一カートリッジ群を構成する複数のカートリッジには、前記配管として第一配管が接続され、第二カートリッジ群を構成する複数のカートリッジには、前記配管として前記第一配管と同じガスが流れる第二配管が接続されていてもよい。

この場合、前記第一カートリッジ群を構成する複数の前記カートリッジと、前記第二カートリッジ群を構成する複数の前記カートリッジとは、前記容器中心軸方向における向きが逆向きであり、前記容器中心軸方向における前記第一カートリッジ群と前記第二カートリッジ群との間には、前記第一配管の一部と前記第二配管の一部とが配置され、前記第一配管の前記一部と前記第二配管の前記一部とは、互いに共有していることが好ましい。

当該燃料電池モジュールでは、配管を部分的に共有化しているため、圧力容器を小型化することができる。このため、当該燃料電池モジュールでは、圧力容器における単位体積当たりの発電量を増加させることができる。

また、前記電池モジュールにおいて、前記容器中心軸方向は、上下方向であることが好ましい。

当該燃料電池モジュールでは、円筒状のセル集合体の長手方向が上下方向になり、セル集合体の長手方向に垂直な方向の撓みを小さくすることができる。

本発明によれば、圧力容器内の空間を有効利用できるので、圧力容器内に配置できるセル集合体の総容積を増加させることができ、圧力容器における単位体積当たりの発電量を増加させることができる。

参考例としての燃料電池モジュールの概略構成を示す模式図である。本発明に係る第一実施形態におけるセルスタックの要部断面図である。本発明に係る第一実施形態におけるカートリッジの断面図である。本発明に係る第一実施形態におけるカートリッジの斜視図である。本発明に係る第一実施形態における燃料電池モジュールの横断面である。本発明に係る第一実施形態における燃料電池モジュールの縦断面である。本発明に係る第一実施形態における燃料電池モジュールの要部斜視図ある。参考例としての燃料電池モジュールの横断面図である。本発明に係る第二実施形態における燃料電池モジュールの縦断面図である。本発明に係る第二実施形態の変形例における燃料電池モジュールの模式図である。本発明に係る燃料電池モジュールの第一変形例におけるカートリッジ群の断面図である。本発明に係る燃料電池モジュールの第二変形例におけるカートリッジ群の断面図である。本発明に係る燃料電池モジュールの第三変形例におけるカートリッジ群の断面図である。

以下、本発明に係る燃料電池モジュールの各種実施形態及び各種変形例について、図面を参照して詳細に説明する。

「第一実施形態」
まず、本発明に係る燃料電池モジュールの第一実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。

図１に示す参考例としての燃料電池モジュールＭは、図１に示すように、容器中心軸Ａｖを中心として容器中心軸方向Ｄｖに延びる円筒形状の圧力容器１０と、この圧力容器１０内に配置されている複数のカートリッジ２０１及び複数の各種配管３００と、を備えている。

配管３００としては、燃料ガス供給源１からの燃料ガスＧｆを圧力容器１０内の各カートリッジ２０１に導く燃料ガス供給配管３１０と、各カートリッジ２０１を通過した燃料ガスＧｆを圧力容器１０外に導く燃料ガス排出配管３２０と、酸化剤ガス供給源２からの酸化剤ガスＧｏを圧力容器１０内の各カートリッジ２０１に導く酸化剤ガス供給配管３３０と、各カートリッジ２０１を通過した酸化剤ガスＧｏを圧力容器１０外に導く酸化剤ガス排出配管３４０とがある。

燃料ガスＧｆとしては、例えば、水素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素系ガス、石炭等の炭素質原料のガス化により得られたガス、又は、これらの２以上の成分を含むガス等が利用される。また、酸化剤ガスＧｏとしては、例えば、酸素を１５〜３０vol％含むガス等が利用される。代表的な酸化剤ガスＧｏとしては、空気であるが、燃焼排気ガスと空気との混合ガスや、酸素と空気との混合ガスを利用してもよい。

圧力容器１０は、例えば、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約５ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用される。このため、この圧力容器１０は、耐圧性を考慮して、円筒形状の胴部１１と、胴部１１の中心軸方向における両端部に形成されている半球状の鏡部１２とを有している。この圧力容器１０は、全体として円筒形状を成し、その容器中心軸Ａｖが上下方向に延びるよう設置されている。また、この圧力容器１０は、耐圧性と共に、酸化剤ガスＧｏ中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性も要求されるため、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス系材で形成されている。

次に、本発明の第一実施態様について説明する。本発明の第一実施態様は、先に説明した参考例と配管の仕方は異なるものの、圧力容器１０やこの圧力容器内に配置されている複数のカートリッジ並びに配管を通して送られる燃料ガスＧｆや酸化剤ガスＧｏそのものは同じである。そして、前記圧力容器内に配置されているカートリッジ２０１は、複数のセルスタックの束で構成されている。図２に示すように、セル集合体であるセルスタック１０１は、円筒形状（又は管形状）の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されているインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１１２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。セルスタック１０１は、さらに、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５のうちで、基体管１０３の軸方向において最も端に形成されている燃料電池セル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ているリード膜１１５を有する。

本実施形態では、この円筒形状（又は管形状）のセルスタック１０１の内周側に燃料ガスＧｆが通り、外周側に酸化剤ガスＧｏが通る。

基体管１０３は、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、Ｙ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ₂（ＹＳＺ）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等のいずれかで形成されている多孔質体である。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とを支持する役目を担っている。さらに、この基体管１０３は、内周側に供給された燃料ガスＧｆ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電池セル１０５に拡散させる役目も担っている。

燃料極１１２は、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で形成されている。この場合、燃料極１１２は、燃料極１１２の成分であるＮｉが燃料ガスＧｆに対して触媒として作用する。この触媒としての作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガスＧｆ中に、例えば、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気とが含まれている場合、これら相互を反応させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する作用である。

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で形成されている。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される酸化剤ガスＧｏ中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成する。

固体電解質１１１は、例えば、主としてＹＳＺで形成されている。このＹＳＺは、ガスを通しにくい気密性と、高温下での高い酸素イオン導電性とを有している。この固体電解質１１１は、空気極１１３で生成された酸素イオン（Ｏ^２−）を燃料極１１２に移動させる。

前述の燃料極１１２では、固体電解質１１１との界面付近において、改質により得られた水素（H_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ^２−）とが反応し、水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。この燃料電池セル１０５では、この反応過程で酸素イオンから電子が放出されて、発電が行われる。

インターコネクタ１０７は、例えば、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ_１−ｘＬ_ｘＴｉＯ_３（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で形成されている。このインターコネクタ１０７は、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが混合しないように緻密な膜で、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１１２とを電気的に接続する。つまり、このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５同士を電気的に直列接続する。

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、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で形成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により電気的に直列接続されてい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る役目を担っている。

カートリッジ２０１は、図３及び図４に示すように、複数のセルスタック１０１と、複数のセルスタック１０１の束の一方の端部を覆う第一カートリッジヘッダ２２０ａと、複数のセルスタック１０１の束の他方の端部を覆う第二カートリッジヘッダ２２０ｂと、を有している。複数のセルスタック１０１は、互いに平行で且つその長手方向における互いの位置が揃って、全体として円柱形状を成している。また、第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、円柱形状を成している複数のセルスタック１０１の束の外径よりわずかに大きな外径の円筒形状を成している。このため、カートリッジ２０１は、全体として、セルスタック１０１の長手方向に長い円柱形状を成している。

第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、いずれも、複数のセルスタック１０１の束の端部が開口２２８から内部に入り込む円筒形状のケーシング２２９ａ，２２９ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの開口２２８を塞ぐ断熱体２２７ａ，２２７ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの内部空間をセルスタック１０１の長手方向で２つの空間に仕切る管板２２５ａ，２２５ｂと、を有している。管板２２５ａ，２２５ｂ等は、インコネル（ニッケル基合金に対するスペシャルメタルズ社の登録商標）等の高温耐久性のある金属材料で形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂ及び断熱体２２７ａ，２２７ｂには、複数のセルスタック１０１の端部のそれぞれが挿通可能な貫通孔が形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂは、その貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の端部をシール部材又は接着剤２３７を介して支持する。このため、この管板２２５ａ，２２５ｂには貫通孔が形成されているものの、この管板２２５ａ，２２５ｂを基準にしてケーシング２２９ａ，２２９ｂ内の一方の空間に対する他方の空間の気密性が確保されている。断熱体２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内径は、ここに挿通されるセルスタック１０１の外径よりも大きく形成されている。つまり、断熱体２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の外周面との間には隙間２３５ａ，２３５ｂが存在する。

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、燃料ガスＧｆが供給される燃料ガス供給室２１７を形成している。このケーシング２２９ａには、燃料ガス供給配管３１０（３１３ａ，３１３ｂ）からの燃料ガスＧｆを燃料ガス供給室２１７に導くための燃料ガス供給孔２３１ａが形成されている。この燃料ガス供給室２１７内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。燃料ガス供給配管３１０から燃料ガス供給室２１７に導かれた燃料ガスＧｆは、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に流れ込む。この際、燃料ガスＧｆは、燃料ガス供給室２１７により、複数のセルスタック１０１の各基体管１０３に対してほぼ均等流量に配分される。このため、複数のセルスタック１０１における各発電量の均一化を図ることができる。

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、セルスタック１０１の基体管１０３内を通過した燃料ガスＧｆが流れ込む燃料ガス排出室２１９を形成している。このケーシング２２９ｂには、燃料ガス排出室２１９に流れ込んだ燃料ガスＧｆを燃料ガス排出配管３２０（３２３ａ，３２３ｂ）に導くための燃料ガス排出孔２３１ｂが形成されている。この燃料ガス排出室２１９内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。複数のセルスタック１０１の各基体管１０３内を通過した燃料ガスＧｆは、前述したように、燃料ガス排出室２１９に流入した後、燃料ガス排出配管３２０を通って、圧力容器１０外へ排出される。

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと断熱体２２７ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、酸化剤ガス供給室２１６を形成している。このケーシング２２９ｂには、酸化剤ガス供給配管３３０（３３３ａ，３３３ｂ）からの酸化剤ガスＧｏを酸化剤ガス供給室２１６に導くための酸化剤ガス供給孔２３３ｂが形成されている。この酸化剤ガス供給室２１６内に導かれた酸化剤ガスＧｏは、断熱体２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ｂから、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５へと流出する。

第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５には、複数のセルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置されている。このため、この発電室２１５では、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが電気化学的反応して、発電が行われる。なお、この発電室２１５で、セルスタック１０１の長手方向における中央部付近の温度は、燃料電池モジュールＭ２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気になる。また、この発電室２１５は、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間であって、外周側が後述の内側断熱材１６で囲まれた空間である。

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと断熱体２２７ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、発電室２１５を通った酸化剤ガスＧｏが流入する酸化剤ガス排出室２１８を形成している。このケーシング２２９ａには、酸化剤ガス排出室２１８に流れ込んだ酸化剤ガスＧｏを酸化剤ガス排出配管３４０（３４３ａ，３４３ｂ）に導くための酸化剤ガス排出孔２３３ａが形成されている。発電室２１５中の酸化剤ガスＧｏは、断熱体２２７ａの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ａから酸化剤ガス排出室２１８内に流入した後、酸化剤ガス排出配管３４０を通って、圧力容器１０外へ排出される。

発電室２１５の高温化に伴って、各カートリッジヘッダ２２０ａ，２２０ｂの管板２２５ａ，２２５ｂが高温化する。第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂの断熱体２２７ａ，２２７ｂは、この管板２２５ａ，２２５ｂが高温化による強度低下や酸化剤ガスＧｏ中に含まれている酸化剤による腐食を抑える。さらに、この断熱体２２７ａ，２２７ｂは、管板２２５ａ，２２５ｂの熱変形も抑える。

前述したように、発電室２１５中の酸化剤ガスＧｏと、この発電室２１５に配置されている複数のセルスタック１０１の内側を通る燃料ガスＧｆとは、セルスタック１０１における複数の燃料電池セル２０５で電気化学反応する。この結果、複数の燃料電池セル２０５で発電が行われる。

複数の燃料電池セル２０５での発電で得られた直流電流は、複数の燃料電池セル２０５相互間に設けられているインターコネクタ１０７を経て、セルスタック１０１の端部側へ流れ、このセルスタック１０１のリード膜１１５に流れ込む。そして、この直流電流は、リード膜１１５から、集電板（不図示）を介して、カートリッジ２０１の集電棒（不図示）に流れ、カートリッジ２０１外部へ取り出される。複数の集電棒は、互いに直列及び／又は並列接続されている。集電棒のうち、最も下流側の集電棒は、例えば、図示されていないインバータに接続されている。カートリッジ２０１外部に取り出された直流電流は、直列及び／又は並列接続されている複数の集電棒を経て、例えば、インバータに流れ、ここで交流電流に変換されて、電力負荷へと供給される。

セルスタック１０１の内周側を流れる燃料ガスＧｆとセルスタック１０１の外周側を流れる酸化剤ガスＧｏとは、このセルスタック１０１を介して熱交換する。この結果、燃料ガスＧｆは、酸化剤ガスＧｏにより加熱され、酸化剤ガスＧｏは、逆に燃料ガスＧｆにより冷却される。本実施形態では、これら燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる。このため、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとの熱交換率が高まり、燃料ガスＧｆによる酸化剤ガスＧｏの冷却効率、及び酸化剤ガスＧｏによる燃料ガスＧｆの加熱効率が高まる。よって、本実施形態において、酸化剤ガスＧｏは、第一カートリッジヘッダ２２０ａを形成する管板２２５ａ等が座屈変形等しない温度に冷却されてから、この第一カートリッジヘッダ２２０ａの酸化剤ガス排出室２１８に流れ込む。また、本実施形態において、燃料ガスＧｆは、発電室２１５内のセルスタック１０１内で、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る。

なお、本実施形態では、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる、つまり燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが逆向きに流れるが、必ずしもこの必要はなく、例えば、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとがセルスタック１０１の内周側と外周側で同じ向きに流れてもよいし、酸化剤ガスＧｏが燃料ガスＧｆの流れに対して直交する方向に流れてもよい。

円柱形状の複数のカートリッジ２０１は、図５〜図７に示すように、いずれも、カートリッジ中心軸Ａｃが圧力容器１０の容器中心軸Ａｖと平行になるよう、圧力容器１０内に配置されている。つまり、本実施形態では、カートリッジ中心軸Ａｃは、容器中心軸Ａｖと同様、上下方向に延びている。本実施形態において、所定数のカートリッジ２０１は、容器中心軸方向Ｄｖ（上下方向）における位置が互いに同じ位置になり、且つ容器中心軸Ａｖに対して垂直な仮想面を含む方向で互いに隣接するよう配置されて、カートリッジ群２００を構成している。本実施形態の燃料電池モジュールＭは、このカートリッジ群２００を２つ備えている。２つのカートリッジ群２００は、圧力容器１０内で容器中心軸方向Ｄｖに並んでいる。

１つのカートリッジ群２００を構成するカートリッジ２０１の数量は、３以上であり、本実施形態の場合、７個である。７個のカートリッジ２０１のうち、一のカートリッジ２０１は、容器中心軸Ａｖ上に配置され、残りの６個のカートリッジ２０１は、一のカートリッジ２０１を囲むように、容器中心軸Ａｖを中心として周方向に並んで配置されている。また、容器中心軸Ａｖ上に配置されている一のカートリッジ２０１を基準にして対称な位置に、残りの６個のカートリッジ２０１のうちの２個が配置されている。つまり、一のカートリッジ２０１を含む３個のカートリッジ２０１の各カートリッジ中心軸Ａｃは、容器中心軸Ａｖに対する放射方向に直線上に並んでいる。このように本実施形態では、容器中心軸Ａｖに対する放射方向に３個のカートリッジ２０１が直線状に並ぶ関係上、円柱形状のカートリッジ２０１の直径（＝カートリッジ２０１の内接円の直径）は、円筒形状の圧力容器１０の内径の１／３未満である。また、互いに隣り合っているカートリッジ２０１の各カートリッジ中心軸Ａｃの相互間隔は、いずれの組合せでも同一である。よって、本実施形態において、互いに隣り合っている３個のカートリッジ２０１の各カートリッジ中心軸Ａｃは、正三角形の頂点上に位置している。

２つのカートリッジ群２００のうち、上側に配置されている第一カートリッジ群２００ａを構成する複数のカートリッジ２０１、及び下側に配置されている第二カートリッジ群２００ｂを構成する複数のカートリッジ２０１は、いずれも、第一カートリッジヘッダ２２０ａを上側に向け、第二カートリッジヘッダ２２０ｂを下側に向けて配置されている。

燃料ガス供給配管３１０、燃料ガス排出配管３２０、酸化剤ガス供給配管３３０、酸化剤ガス排出配管３４０には、いずれも、図５、６に示すように第一カートリッジ群２００ａ用の配管３１０ａ，３２０ａ，３３０ａ，３４０ａと第二カートリッジ群２００ｂ用の配管３１０ｂ，３２０ｂ，３３０ｂ，３４０ｂとがある。さらに、燃料ガス供給配管３１０、燃料ガス排出配管３２０、酸化剤ガス供給配管３３０、酸化剤ガス排出配管３４０は、いずれも、本管と、カートリッジ群２００を構成する複数のカートリッジ２０１の数量分（又はこの数量の倍数分）だけ本管から分岐した分岐管とを有している。燃料ガス供給配管３１０、燃料ガス排出配管３２０、酸化剤ガス供給配管３３０、酸化剤ガス排出配管３４０における各本管は、本実施形態の場合、いずれも、圧力容器１０の上部鏡部１２から下方に延びている。
前記参考例では、この円筒形状（又は管形状）のセルスタック１０１の内周側に燃料ガスＧｆが通り、外周側に酸化剤ガスＧｏが通る。

第一カートリッジ群２００ａ用の燃料ガス供給本管３１１ａは、図１に示す参考例と同様に圧力容器１０の上部鏡部１２（図１）から下方へ第一カートリッジ群２００ａの手前まで延びている。この燃料ガス供給本管３１１ａの下端には、図５，６に示すように、７（又は７×ｎ）本の燃料ガス供給分岐管３１３ａが接続され、各燃料ガス供給分岐管３１３ａは、第一カートリッジ群２００ａを構成する７個のカートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａ内の燃料ガス供給室２１７（図３）と連通している。

また、第二カートリッジ群２００ｂ用の燃料ガス供給本管３１１ｂは、圧力容器１０の上部鏡部１２から下方へ第一カートリッジ群２００ａと第二カートリッジ群２００ｂとの間の位置まで延びている。この燃料ガス供給本管３１１ｂで、第一カートリッジ群２００ａと第二カートリッジ群２００ｂとの間の位置には、７（又は７×ｎ）本の燃料ガス供給分岐管３１３ｂが接続され、各燃料ガス供給分岐管３１３ｂは、第二カートリッジ群２００ｂを構成する７個のカートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａ内の燃料ガス供給室２１７（図３）と連通している。

第一カートリッジ群２００ａ用の燃料ガス排出本管３２１ａは、圧力容器１０の上部鏡部１２から下方へ第一カートリッジ群２００ａと第二カートリッジ群２００ｂとの間の位置まで延びている。この燃料ガス排出本管３２１ａで、第一カートリッジ群２００ａと第二カートリッジ群２００ｂとの間の位置には、７（又は７×ｎ）本の燃料ガス排出分岐管３２３ａ（図６）が接続され、各燃料ガス排出分岐管３２３ａは、第一カートリッジ群２００ａを構成する７個のカートリッジ２０１の第二カートリッジヘッダ２２０ｂ内の燃料ガス排出室２１９（図３）と連通している。

また、第二カートリッジ群２００ｂ用の燃料ガス排出本管３２１ｂは、圧力容器１０の上部鏡部１２から下方へ第二カートリッジ群２００ｂの下方の位置まで延びている。この燃料ガス排出本管３２１ｂの下端には、７（又は７×ｎ）個の燃料ガス排出分岐管３２３ｂ（図６）が接続され、各燃料ガス排出分岐管３２３ｂは、第二カートリッジ群２００ｂを構成する７個のカートリッジ２０１の第二カートリッジヘッダ２２０ｂ内の燃料ガス排出室２１９（図３）と連通している。

第一カートリッジ群２００ａ用の燃料ガス排出本管３２１ａ中で、上下方向、つまり容器中心軸方向Ｄｖに延びる軸方向延在部３２２ａは、第一カートリッジ群２００ａを構成する複数のカートリッジ２０１のうち、容器中心軸Ａｖを基準として最も外側に配置されているカートリッジ２０１であって、容器中心軸Ａｖを基準として周方向で互いに隣接する２個のカートリッジ２０１間に配置されている。また、第二カートリッジ群２００ｂ用の燃料ガス供給本管３１１ｂ中の軸方向延在部３１２ｂ（図５、図６）も、第一カートリッジ群２００ａを構成する複数のカートリッジ２０１のうち、容器中心軸Ａｖを基準として最も外側に配置されているカートリッジ２０１であって、容器中心軸Ａｖを基準として周方向で互いに隣接する２個のカートリッジ２０１間に配置されている。また、第二カートリッジ群２００ｂ用の燃料ガス排出本管３２１ｂ中の軸方向延在部３２２ｂ（図５、図６）は、第一カートリッジ群２００ａを構成する複数のカートリッジ２０１のうち、容器中心軸Ａｖを基準として最も外側に配置されているカートリッジ２０１であって、容器中心軸Ａｖを基準として周方向で互いに隣接する２個のカートリッジ２０１間に配置されている。さらに、この軸方向延在部３２２ｂは、第二カートリッジ群２００ｂを構成する複数のカートリッジ２０１のうち、容器中心軸Ａｖを基準として最も外側に配置されているカートリッジ２０１であって、容器中心軸Ａｖを基準として周方向で互いに隣接する２個のカートリッジ２０１間に配置されている。

第一カートリッジ群２００ａ用の酸化剤ガス供給本管３３１ａ及び酸化剤ガス排出本管３４１ａは、いずれも、図５〜７に示すように圧力容器１０の上部鏡部１２（図１）から下方へ第一カートリッジ群２００ａの手前まで延びている。酸化剤ガス供給本管３３１ａの下端には、７（又は７×ｎ）本の酸化剤ガス供給分岐管３３３ａが接続されている。各酸化剤ガス供給分岐管３３３ａは、第一カートリッジ群２００ａを構成する７個のカートリッジ２０１の第二カートリッジヘッダ２２０ｂ内の酸化剤ガス供給室２１６（図３）と連通している。また、酸化剤ガス排出本管３４１ａの下端には、７（又は７×ｎ）本の酸化剤ガス排出分岐管３４３ａが接続されている。各酸化剤ガス排出分岐管３４３ａは、第一カートリッジ群２００ａを構成する７個のカートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａ内の酸化剤ガス排出室２１８（図３）と連通している。

第二カートリッジ群２００ｂ用の酸化剤ガス供給本管３３１ｂ及び酸化剤ガス排出本管３４１ｂは、いずれも、圧力容器１０の上部鏡部１２から下方へ第一カートリッジ群２００ａと第二カートリッジ群２００ｂとの間の位置まで延びている。酸化剤ガス供給本管３３１ｂの下端には、７本（又は７×ｎ）の酸化剤ガス供給分岐管３３３ｂ（図６）が接続されている。各酸化剤ガス供給分岐管３３３ｂは、第二カートリッジ群２００ｂを構成する７個のカートリッジ２０１の第二カートリッジヘッダ２２０ｂ内の酸化剤ガス供給室２１６（図３）と連通している。また、酸化剤ガス排出本管３４１ｂの下端には、７（又は７×ｎ）本の酸化剤ガス排出分岐管３４３ｂ（図６）が接続されている。各酸化剤ガス排出分岐管３４３ｂは、第二カートリッジ群２００ｂを構成する７個のカートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａ内の酸化剤ガス排出室２１８（図３）と連通している。

第一カートリッジ群２００ａ用の複数の酸化剤ガス供給分岐管３３３ａ中の軸方向延在部３３４ａ、及び、第一カートリッジ群２００ａ用の複数の酸化剤ガス排出分岐管３４３ａ中の軸方向延在部３４４ａは、第一カートリッジ群２００ａを構成する複数のカートリッジ２０１のうち、容器中心軸Ａｖを基準として周方向で互いに隣接する２個のカートリッジ２０１間に、又は、容器中心軸Ａｖに対する放射方向で互いに隣接する２個のカートリッジ２０１間に配置されている。

また、第二カートリッジ群２００ｂ用の酸化剤ガス供給本管３３１ｂ中の軸方向延在部３３２ｂ、及び、第二カートリッジ群２００ｂ用の酸化剤ガス排出本管３４１ｂ中の軸方向延在部３４２ｂも、第一カートリッジ群２００ａを構成する複数のカートリッジ２０１のうち、容器中心軸Ａｖを基準として周方向で互いに隣接する２個のカートリッジ２０１間に、又は、容器中心軸Ａｖに対する放射方向で互いに隣接する２個のカートリッジ２０１間に配置されている。

また、第二カートリッジ群２００ｂ用の複数の酸化剤ガス供給分岐管３３３ｂ中の軸方向延在部３３４ｂ（図６）、及び、第二カートリッジ群２００ｂ用の複数の酸化剤ガス排出分岐管３４３ｂ中の軸方向延在部３４４ｂ（図６）は、第二カートリッジ群２００ｂを構成する複数のカートリッジ２０１のうち、容器中心軸Ａｖを基準として周方向で互いに隣接する２個のカートリッジ２０１間に、又は、容器中心軸Ａｖに対する放射方向で互いに隣接する２個のカートリッジ２０１間に配置されている。

本実施形態の燃料電池モジュールＭは、さらに、圧力容器１０内の第一カートリッジ群２００ａを支える第一支持台１４ａ（図６）と、圧力容器１０内の第二カートリッジ群２００ｂを支える第二支持台１４ｂ（図６）と、圧力容器１０の内周面に沿い且つ第一カートリッジ群２００ａ及び第二カートリッジ群２００ｂの外周側に配置されている円筒形状の外側断熱材１５（図５）と、第一カートリッジ群２００ａを構成する複数のカートリッジ２０１の相互間及び第二カートリッジ群２００ｂを構成する複数のカートリッジ２０１の相互間に充填されている内側断熱材１６（図５）と、を備えている。各断熱材１５，１６は、例えば、アルミナシリカ系の材料で形成されている。

本実施形態では、カートリッジ群２００を構成する複数のカートリッジ２０１の相互間に配管３００中の軸方向延在部を配置しているため、圧力容器１０内の空間を有効利用できる。この結果、本実施形態では、圧力容器１０内に配置できるセルスタック１０１の数量（又はセルスタックの総容積）を増加させることができ、つまり、圧力容器１０内へのセルスタック１０１の装填率を高めることができ、圧力容器１０における単位体積当たりの発電量を増加させることができる。

なお、圧力容器１０内へのセルスタック１０１の充填率を高める方法として、例えば、図８に示すように、円柱形状を成し、圧力容器１０の内径よりも僅かに小さい外径の一つのカートリッジ２０１ａを圧力容器１０内に配置する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、圧力容器１０の内周面と一つのカートリッジ２０１ａの外周側との間に配管の軸方向延在部３０１ａを配置する環状の空間を確保する必要がある。このため、この方法では、一つのカートリッジ２０１ａの外径をあまり大きくすることができず、結果として、上記実施形態よりも、圧力容器１０内へのセルスタック１０１の充填率が低くなる。さらに、この方法では、一つのカートリッジ２０１ａ中に含まれるセルスタック１０１の数量が多くなるため、各セルスタック１０１に対して均等にガスを供給することが難しい。

したがって、圧力容器１０内へのセルスタック１０１の装填率を高める方法として、本実施形態のように、複数のカートリッジ２０１の相互間に配管３００中の軸方向延在部を配置させることが好ましい。但し、カートリッジ群２００を構成する複数のカートリッジ２０１の数量は、３以上であることが好ましく、さらに、容器中心軸Ａｖに対して垂直な一直線上に３以上のカートリッジ２０１が並ぶ数量であることがより好ましい。これは、カートリッジ２０１の数量が少ない場合、圧力容器１０内で、カートリッジ２０１及び配管３００が占める空間以外の余分な空間の体積が大きくなり、圧力容器１０内へのセルスタック１０１の装填率が低くなるからである。

「第二実施形態」
次に、本発明に係る燃料電池モジュールの第二実施形態について、図９を参照して説明する。

本実施形態の燃料電池モジュールＭｃは、第一実施形態における圧力容器１０と同一形状で同一サイズの圧力容器１０と、第一実施形態におけるカートリッジ２０１と同一形状で同一サイズのカートリッジ２０１を備えている。さらに、本実施形態の燃料電池モジュールＭｃは、第一実施形態と同様、複数のカートリッジ２０１で構成される第一カートリッジ群２００ｃ及び第二カートリッジ群２００ｄを備えている。

但し、第一実施形態では、第一カートリッジ群２００ａを構成する複数のカートリッジ２０１と、第二カートリッジ群２００ｂを構成する複数のカートリッジ２０１とは、容器中心軸方向Ｄｖ（上下方向）における向きが同じであるが、本実施形態では、第一カートリッジ群２００ｃを構成する複数のカートリッジ２０１と、第二カートリッジ群２００ｄを構成する複数のカートリッジ２０１とは、容器中心軸方向Ｄｖにおける向きが逆向きである。

具体的に、第一カートリッジ群２００ｃを構成する複数のカートリッジ２０１は、各カートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａを下側に向け、第二カートリッジヘッダ２２０ｂを上側に向けて配置されている。また、第二カートリッジ群２００ｄを構成する複数のカートリッジ２０１は、各カートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａを上側に向け、第二カートリッジヘッダ２２０ｂを下側に向けて配置されている。よって、本実施形態では、第一カートリッジ群２００ｃを構成する複数のカートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａと、第二カートリッジ群２００ｄを構成する複数のカートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａとが、上下方向で対向している。

また、本実施形態では、前述したように、第一実施形態と異なり、第一カートリッジ群２００ｃを構成する複数のカートリッジ２０１と、第二カートリッジ群２００ｄを構成する複数のカートリッジ２０１とは、容器中心軸方向Ｄｖにおける向きが逆向きであるため、圧力容器１０内の各配管の取り回しも、第一実施形態と異なっている。

具体的に、本実施形態では、上下方向で互いに対向している第一カートリッジ群２００ｃを構成する複数のカートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａと、第二カートリッジ群２００ｄを構成する複数のカートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａとに接続される配管の一部を共有化している。

本実施形態では、各カートリッジ群２００ｃ，２００ｄを構成する複数のカートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａに接続される燃料ガス供給配管３１０ｃの一部を共有化している。さらに、各カートリッジ群２００ｃ，２００ｄを構成する複数のカートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａに接続される酸化剤ガス排出配管３４０ｃの一部を共有化している。

燃料ガス供給配管３１０ｃは、第一カートリッジ群２００ｃ及び第二カートリッジ群２００ｄを構成する全カートリッジ２０１に供給する燃料ガスＧｆを供給する燃料ガス供給本管３１１ｃと、この燃料ガス供給本管３１１ｃの端部に接続され、一つのカートリッジ群を構成するカートリッジ２０１の数量分の本数分（７本）の第一燃料ガス供給分岐管３１５と、この第一燃料ガス供給分岐管３１５の端部に接続され、カートリッジ群２００ｃ，２００ｄの数量分の本数分（２本）に分岐している第二燃料ガス供給分岐管３１３ｃ，３１３ｄと、を有している。

本実施形態における燃料ガス供給本管３１１ｃには、２つのカートリッジ群２００ｃ，２００ｄを構成する全のカートリッジ２０１に供給する燃料ガスＧｆが通る。各第一燃料ガス供給分岐管３１５には、第一カートリッジ群２００ｃ中の一つのカートリッジ２０１に供給する燃料ガスＧｆと、この一つのカートリッジ２０１に対向する第二カートリッジ群２００ｄ中の一つのカートリッジ２０１に供給する燃料ガスＧｆとが通る。各第二燃料ガス供給分岐管３１３ｃ，３１３ｄには、一つのカートリッジ２０１に供給する燃料ガスＧｆが通る。

すなわち、本実施形態では、第一カートリッジ群２００ｃの全カートリッジ２０１に燃料ガスＧｆを供給する配管と、第二カートリッジ群２００ｄの全カートリッジ２０１に供給する配管とを共有化し、燃料ガス供給本管３１１ｃとしている。さらに、本実施形態では、第一カートリッジ群２００ｃの一のカートリッジ２０１に燃料ガスＧｆを供給する配管と、第二カートリッジ群２００ｄの一のカートリッジ２０１に供給する配管とを共有化し、第一燃料ガス供給分岐管３１５としている。

酸化剤ガス排出配管３４０ｃは、第一カートリッジ群２００ｃ及び第二カートリッジ群２００ｄを構成する全カートリッジ２０１から排出された酸化剤ガスＧｏが通る酸化剤ガス排出本管３４１ｃと、この酸化剤ガス排出本管３４１ｃの端部に接続され、第一カートリッジ群２００ｃ用の酸化剤ガス排出分岐管３４３ｃと、同じく、この酸化剤ガス排出本管３４１ｃの端部に接続され、第二カートリッジ群２００ｄ用の酸化剤ガス排出分岐管３４３ｄと、を有している。第一カートリッジ群２００ｃ用の酸化剤ガス排出分岐管３４３ｃ、及び第二カートリッジ群２００ｄ用の酸化剤ガス排出分岐管３４３ｄは、いずれも、各カートリッジ群２００ｃ，２００ｄを構成するカートリッジ２０１の数量（７個）分の本数（１４）又はその倍数分の本数（１４×ｎ）分ある。

本実施形態における各酸化剤ガス排出分岐管３４３ｃ，３４３ｄには、一つのカートリッジ２０１から酸化剤ガスＧｏが排出される。酸化剤ガス排出本管３４１ｃには、全酸化剤ガス排出分岐管３４３ｃ，３４３ｄからの酸化剤ガスＧｏが通る。

すなわち、本実施形態では、第一カートリッジ群２００ｃの全カートリッジ２０１からの酸化剤ガスＧｏが通る配管と、第二カートリッジ群２００ｄの全カートリッジ２０１からの酸化剤ガスＧｏが通る配管とを共有化し、酸化剤ガス排出本管３４１ｃとしている。

以上のように、本実施形態では、各種配管の一部を共有化しているため、各種配管の総配管全長を短くすることができ、各種配管の施工を含めたコストを抑えることができる。

また、本実施形態でも、第一実施形態と同様に、複数のカートリッジ２０１の相互間に配管中の軸方向延在部を配置している。このため、本実施形態でも、圧力容器１０内へのセルスタック１０１の装填率を高めることができる。

さらに、本実施形態では、上下方向で互いに対向している第一カートリッジ群２００ｃを構成する複数のカートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａと、第二カートリッジ群２００ｄを構成する複数のカートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａとの間に配置される配管の一部を共有化しているため、上下方向における第一カートリッジ群２００ｃと第二カートリッジ群２００ｄとの間隔を狭めることができる。このため、本実施形態では、圧力容器１０の上下方向の寸法、つまり容器中心軸方向Ｄｖの寸法を短くすることができ、結果として、第一実施形態よりも、圧力容器１０における単位体積当たりの発電量を増加させることができる。

なお、本実施形態では、第一カートリッジ群２００ｃを構成する複数のカートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａと、第二カートリッジ群２００ｄを構成する複数のカートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａとを上下方向で対向させている。しかしながら、第一カートリッジ群２００ｃを構成する複数のカートリッジ２０１の第二カートリッジヘッダ２２０ｂと、第二カートリッジ群２００ｄを構成する複数のカートリッジ２０１の第二カートリッジヘッダ２２０ｂとを上下方向で対向させてもよい。この場合、各カートリッジ群２００ｃ，２００ｄを構成する複数のカートリッジ２０１の第二カートリッジヘッダ２２０ｂに接続される燃料ガス排出配管の一部が共有化されると共に、酸化剤ガス供給配管の一部が共有化されることになる。

また、本実施形態では、２個のカートリッジ群２００ｃ，２００ｄを容器中心軸方向Ｄｖに並べ、一方のカートリッジ群２００ｃを構成するカートリッジ２０１と他方のカートリッジ群２００ｄを構成するカートリッジ２０１の向きを逆向きにしたものである。しかしながら、図１０に示すように、３以上のカートリッジ群２００ｅ〜２００ｈを容器中心軸方向Ｄｖに並べ、容器中心軸方向Ｄｖで互いに隣接する２個のカートリッジ群のうちで、一方のカートリッジ群を構成するカートリッジ２０１と他方のカートリッジ群を構成するカートリッジ２０１の向きを逆向きにしてもよい。この場合も、上記実施形態と同様に、容器中心軸方向Ｄｖで互いに隣接する２個のカートリッジ群のカートリッジ２０１に接続される配管が共有化される。

また、第一実施形態及び本実施形態の各種配管は、いずれも、圧力容器１０の一方の鏡部１２（図１）のみに接続されているが、いずれかの配管を他方の鏡部１２に接続してもよいし、全ての各種配管又はいずれかの配管を圧力容器１０の胴部１１（図１）に接続してもよい。

「カートリッジ群の第一変形例」
次に、図１１を参照して、カートリッジ群の第一変形例について説明する。

以上で説明した各実施形態のカートリッジ群を構成する各カートリッジ２０１は、セルスタックの長手方向に長い円柱形状を成しているが、本変形例のカートリッジ群２００ｊを構成する各カートリッジ２０１ｊは、セルスタック１０１の長手方向に長い正六角柱形状を成している。

正六角柱形状の複数のカートリッジ２０１ｊは、いずれも、上記各実施形態と同様、カートリッジ中心軸Ａｃが容器中心軸Ａｖと平行になるよう、圧力容器１０内に配置されている。本変形例において、カートリッジ群２００ｊを構成するカートリッジ２０１ｊの数量は、上記実施形態と同様、７個である。７個のカートリッジ２０１ｊのうち、一のカートリッジ２０１ｊは、容器中心軸Ａｖ上に配置され、残りの６個のカートリッジ２０１ｊは、一のカートリッジ２０１ｊを囲むように、容器中心軸Ａｖを中心として周方向に並んで配置されている。また、容器中心軸Ａｖ上に配置されている一のカートリッジ２０１ｊを基準にして対称な位置には、残りの６個のカートリッジ２０１ｊのうちの２個が配置されている。つまり、一のカートリッジ２０１ｊを含む３個のカートリッジ２０１ｊの各カートリッジ中心軸Ａｃは、容器中心軸Ａｖに対する放射方向に直線上に並んでいる。このように本変形例でも、容器中心軸Ａｖに対する放射方向に３個のカートリッジ２０１ｊが直線状に並ぶ関係上、正六角柱形状のカートリッジ２０１ｊの内接円の直径は、円筒形状の圧力容器１０の内径の１／３未満である。また、互いに隣り合っているカートリッジ２０１ｊの各カートリッジ中心軸Ａｃの相互間隔は、いずれの組合せでも同一である。よって、本変形例においても、互いに隣り合っている３個のカートリッジ２０１ｊの各カートリッジ中心軸Ａｃは、正三角形の頂点に位置している。

本変形例では、各種配管の軸方向延在部３０１ｊは、いずれも、容器中心軸Ａｖを基準として最も外側に配置されているカートリッジ２０１ｊであって、容器中心軸Ａｖを基準として周方向で互いに隣接する２個のカートリッジ２０１ｊ間に配置されている。

よって、本変形例でも、上記各実施形態と同様、圧力容器１０内に配置できるセルスタック１０１の数量を増加させることができ、圧力容器１０における単位体積当たりの発電量を増加させることができる。

「カートリッジ群の第二変形例」
次に、図１２を参照して、カートリッジ群の第二変形例について説明する。

本変形例のカートリッジ群２００ｋを構成する各カートリッジ２０１ｋは、セルスタック１０１の長手方向に長い正四角柱形状を成している。

正四角柱形状の複数のカートリッジ２０１ｋは、いずれも、上記各実施形態及び第一変形例と同様、カートリッジ中心軸Ａｃが容器中心軸Ａｖと平行になるよう、圧力容器１０内に配置されている。本変形例において、カートリッジ群２００ｋを構成するカートリッジ２０１ｋの数量は、上記実施形態及び第一変形例と同様、７個である。７個のカートリッジ２０１ｋのうち、一のカートリッジ２０１ｋは、容器中心軸Ａｖ上に配置され、残りの６個のカートリッジ２０１ｋは、容器中心軸Ａｖ上に配置されている一のカートリッジ２０１ｋを囲むように、容器中心軸Ａｖを中心として周方向に並んで配置されている。また、容器中心軸Ａｖ上に配置されている一のカートリッジ２０１ｋを基準にして対称な位置には、残りの６個のカートリッジ２０１ｋのうちの２個が配置されている。つまり、一のカートリッジ２０１ｋを含む３個のカートリッジ２０１ｋの各カートリッジ中心軸Ａｃは、容器中心軸Ａｖに対する放射方向に直線上に並んでいる。このように本変形例でも、容器中心軸Ａｖに対する放射方向に３個のカートリッジ２０１ｋが直線状に並ぶ関係上、正六角柱形状のカートリッジ２０１ｋの内接円の直径は、円筒形状の圧力容器１０の内径の１／３未満である。また、本変形例において、互いに隣り合っている３個のカートリッジ２０１ｋの各カートリッジ中心軸Ａｃは、二等辺三角形の頂点に位置している。

本変形例も、第一変形例と同様、各種配管の軸方向延在部３０１ｋは、いずれも、容器中心軸Ａｖを基準として最も外側に配置されているカートリッジ２０１ｋであって、容器中心軸Ａｖを基準として周方向で互いに隣接する２個のカートリッジ２０１ｋ間に配置されている。

なお、本変形例のカートリッジ２０１ｋの形状は、正四角柱形状であるが、断面が長方形の四角柱形状であってもよい。また、以上では、カートリッジの形状として、円柱形状、六角柱形状、四角柱形状を例示したが、セルスタック１０１の長手方向に長い柱形状であれば、基本的に、いかなる形状であってもよい。

「カートリッジ群の第三変形例」
次に、図１３を参照して、カートリッジ群の第三変形例について説明する。

本変形例のカートリッジ群２００ｍを構成する各カートリッジ２０１ｍも、第二変形例のカートリッジ２０ｋと同様、セルスタック１０１の長手方向に長い正四角柱形状を成している。

正四角柱形状の複数のカートリッジ２０１ｍは、いずれも、上記各実施形態及び上記各変形例と同様、カートリッジ中心軸Ａｃが容器中心軸Ａｖと平行になるよう、圧力容器１０内に配置されている。本変形例において、互いに隣り合っている３個のカートリッジ２０１ｍの各カートリッジ中心軸Ａｃは、いずれの組合せでも、直角二等辺三角形の頂点上に位置している。このため、本変形例では、上記各実施形態及び上記各変形例と異なり、容器中心軸Ａｖに垂直な仮想面内の第一方向に複数のカートリッジ２０１ｍが直線状に隣接して並んでいると共に、この仮想面内で第一方向に垂直な第二方向にも複数のカートリッジ２０１ｍが直線状に隣接して並んでいる。なお、本変形例で第一方向に直線状に並んでいるカートリッジ２０１ｍの最大数量は４個であり、第二方向に直線状に並んでいるカートリッジ２０１ｍの最大数量も４個である。このため、正四角柱形状のカートリッジ２０１ｍの内接円の直径は、円筒形状の圧力容器１０の内径の１／４未満である。

本変形例も、上記各変形例と同様、各種配管の軸方向延在部３０１ｍは、いずれも、容器中心軸Ａｖを基準として最も外側に配置されているカートリッジ２０１ｍであって、容器中心軸Ａｖを基準として周方向で互いに隣接する２個のカートリッジ２０１間に配置されている。

なお、本変形例のカートリッジ２０１ｍの形状は、正四角柱形状であるが、前述したように、セルスタック１０１の長手方向に長い柱形状であれば、基本的に、いかなる形状であってもよい。

「その他の変形例」
上記各実施形態及び上記各変形例は、容器中心軸方向Ｄｖが上下方向であるが、この容器中心軸方向Ｄｖは他の方向、例えば、水平方向であってもよい。但し、圧力容器１０内の全てのセルスタック１０１の長手方向が容器中心軸方向Ｄｖと同じである関係上、容器中心軸方向Ｄｖが水平方向である場合、セルスタック１０１の長手方向も水平方向になるため、セルスタック１０１は重力の影響により、その長手方向に対して垂直な方向に撓み易くなる。よって、セルスタック１０１の長手方向の寸法が比較的長い場合には、その長手方向に対して垂直な方向の撓みを抑えるために、容器中心軸方向Ｄｖは上下方向であることが好ましい。

１：燃料ガス供給源、２：酸化剤ガス供給源、１０：圧力容器、１５：外側断熱材、ｋ１６：内側断熱材、１０１：セルスタック（セル集合体）、１０３：基体管、１０５：燃料電池セル、２００,２００ａ〜２００ｈ，２００ｊ，２００ｋ，２００ｍ：カートリッジ群、２０１，２０１ａ，２０１ｊ，２０１ｋ，２０１ｍ：カートリッジ、２１５：発電室、２１６：酸化剤ガス供給室、２１７：燃料ガス供給室、２１８：酸化剤ガス排出室、２１９：燃料ガス排出室、２２０ａ：第一カートリッジヘッダ、２２０ｂ：第二カートリッジヘッダ、３００：配管、３１０：燃料ガス供給配管、３２０：燃料ガス排出配管、３３０：酸化剤ガス供給配管、３４０：酸化剤ガス排出配管、３０１ａ，３０１ｊ，３０１ｋ，３０１ｍ，３１２ｂ，３２２ａ，３２２ｂ，３３２ｂ，３３４ａ，３３４ｂ，３４２ｂ，３４４ａ，３４４ｂ：軸方向延在部

Claims

容器中心軸を中心として、容器中心軸方向に延びる円筒形状の圧力容器と、
前記圧力容器内に配置され、前記容器中心軸方向に延びる円筒状のセル集合体が複数組み付けられて、該容器中心軸方向に延びる柱状の形状を成す複数のカートリッジと、
前記圧力容器内に配置され、前記複数のカートリッジに接続されている配管と、
を備え、
前記複数のカートリッジは、前記容器中心軸に対して垂直な仮想面内の方向で互いに隣接してカートリッジ群を形成しており、
前記カートリッジ群は、前記容器中心軸方向に並んで複数群配置されており、
前記容器中心軸方向で互いに隣接する２つのカートリッジ群のうち、第一カートリッジ群を構成する複数のカートリッジには、前記配管として燃料ガス供給のための第一配管が接続され、
前記第一カートリッジ群と第二カートリッジ群の間には、前記第一カートリッジ群を構成する複数のカートリッジを通過して排出された燃料ガスを第二カートリッジ群を構成する複数のカートリッジに供給するための第二配管が配置されている
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
容器中心軸を中心として、容器中心軸方向に延びる円筒形状の圧力容器と、
前記圧力容器内に配置され、前記容器中心軸方向に延びる円筒状のセル集合体が複数組み付けられて、該容器中心軸方向に延びる柱状の形状を成す複数のカートリッジと、
前記圧力容器内に配置され、前記複数のカートリッジに接続されている配管と、
を備え、
前記複数のカートリッジは、前記容器中心軸に対して垂直な仮想面内の方向で互いに隣接してカートリッジ群を形成しており、
前記カートリッジ群は、前記容器中心軸方向に並んで複数群配置されており、
前記容器中心軸方向で互いに隣接する２つのカートリッジ群のうち、第一カートリッジ群を構成する複数のカートリッジと第二カートリッジ群を構成する複数のカートリッジとは、前記容器中心軸方向における向きが逆向きとなるように交互に配置されており、
これら向きが異なる２つのカートリッジ群の燃料ガス供給側である第１カートリッジヘッダが互いに対面しているカートリッジ群の間には、第一カートリッジ群を構成する複数のカートリッジと第二カートリッジ群を構成する複数のカートリッジとに燃料ガスを供給するための一部が共有化された配管が配置されており、
前記向きが異なる２つのカートリッジ群の燃料ガス回収側である第２のカートリッジヘッダが互いに対面しているカートリッジ群の間には、前記２つのカートリッジ群から排出された燃料ガスを回収する一部が共有化された配管が配置されている
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項１又は２に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記複数のカートリッジ群を形成している各カートリッジに酸化剤を供給するための酸化剤供給配管を備える、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記複数のカートリッジは、円柱形状を成す、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記複数のカートリッジは、正多角柱形状を成す、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記複数のカートリッジのそれぞれは、いずれも、前記仮想面内の方向で２以上のカートリッジと隣接する、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記複数のカートリッジは、前記容器中心軸に垂直な断面における内接円の直径寸法は、前記圧力容器の内径寸法の１／３未満である、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記容器中心軸方向は、上下方向である、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。