JP5960072B2

JP5960072B2 - 燃料電池モジュール、及びその製造方法

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Publication number: JP5960072B2
Application number: JP2013019929A
Authority: JP
Inventors: 松田　直彦; 直彦松田; 後藤　征司; 征司後藤; 眞竹　徳久; 徳久眞竹
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: JP2014154210A

Description

本発明は、酸素を含む酸化剤ガスと燃料ガスとを用いて発電を行うセルスタックの束により柱状を成すカートリッジを複数備えている燃料電池モジュール、及びその製造方法に関する。

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料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、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。外部からの燃料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に間隔をおいて配置されている。

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。しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池モジュールでは、各カートリッジに接続される配管が、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に間隔をおいて配置されているため、角柱形状のカートリッジ群の外周側と圧力容器の内周側との間であって複数の配管相互間が有効利用させず、燃料電池モジュールが大型化してしまう、という問題点がある。さらに、上記特許文献１に記載の燃料電池モジュールでは、複数の配管を各配管毎に施工する必要があるため施工性があまりよくないという、問題点もある。

そこで、本発明は、小型化を図りつつも、施工性を向上させることができる燃料電池モジュール、及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記問題点を解決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、
圧力容器と、酸素を含む酸化剤ガスと燃料ガスとを用いて発電を行うセルスタックの束により柱状を成し、長手方向が互いに同じ方向を向いている複数のカートリッジと、前記圧力容器内に配置され、複数の前記カートリッジに接続されている複数の配管と、を備え、複数の前記配管の中で前記長手方向に延びる長手方向延在部の束が、前記圧力容器内の一部である配管集中空間に配置され、複数の前記カートリッジは、前記配管集中空間の周りに配置され、前記配管集中空間に配置される複数の前記配管の前記長手方向延在部の相互を連結する連結部材を備えていることを特徴とする。

当該燃料電池モジュールでは、複数のカートリッジの集まりであるカートリッジ群の外周側に、各種配管の長手方向延在部を周方向に配置するよりも、圧力容器内の空間中で無駄な空間が少なくなり、圧力容器内の空間を有効利用できる。このため、当該燃料電池モジュールによれば、燃料電池モジュールの小型化を図ることができる。

また、当該燃料電池モジュールでは、複数の配管の長手方向延在部の束をまとめて配置施工できる上に、各長手方向延在部を共通のブラケットで支持することもできる。さらに、圧力容器の特定の箇所からの圧力容器内の複数の配管の取り回しが単純化する。従って、当該燃料電池モジュールによれば、圧力容器内に配置する複数の配管の施工性を向上させることができる。

当該燃料電池モジュールでは、複数の配管の長手方向延在部相互を連結部材で連結し、複数の配管の長手方向延在部の束をユニット化することで、長手方向延在部の束を配置する際の施工性を向上させることができる。

また、前記連結部材を備えている前記燃料電池モジュールにおいて、前記連結部材は、前記複数のカートリッジに接続されていてもよい。

当該燃料電池モジュールでは、連結部材により、複数の配管と複数のカートリッジとが一体化するため、例えば、複数の配管及び複数のカートリッジを圧力容器内に収納する際に、これらを容易に収納することができる。

また、以上のいずれかの前記燃料電池モジュールにおいて、複数の前記配管は、前記カートリッジに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管と、前記カートリッジを通った前記燃料ガスである排燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管と、前記カートリッジに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管と、前記カートリッジを通った前記酸化剤ガスである排酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出配管と、有し、
前記配管集中空間中には、前記燃料ガス供給配管の前記長手方向延在部の少なくとも一部と、前記燃料ガス排出配管の前記長手方向延在部の少なくとも一部と、前記酸化剤ガス供給配管の前記長手方向延在部の少なくとも一部と、前記酸化剤ガス排出配管の前記長手方向延在部の少なくとも一部とが配置されていてもよい。

燃料ガス供給配管と燃料ガス排出配管と酸化剤ガス供給配管と酸化剤ガス排出配管とを有する前記燃料電池モジュールにおいて、前記圧力容器内には、前記燃料ガス供給配管を流れる前記燃料ガスと前記燃料ガス排出配管を流れる前記排燃料ガスとの間で互いに熱交換させる第一熱交換器と、前記酸化剤ガス供給配管を流れる前記酸化剤ガスと前記酸化剤ガス排出配管を流れる前記排酸化剤ガスとの間で互いに熱交換させる第二熱交換器と、前記燃料ガス供給配管を流れる前記燃料ガスと前記酸化剤ガス排出配管を流れる前記排酸化剤ガスとの間で互いに熱交換させる第三熱交換器と、前記燃料ガス排出配管を流れる前記排燃料ガスと前記酸化剤ガス供給配管を流れる前記酸化剤ガスとの間で互いに熱交換させる第四熱交換器とのうちの少なくともの一の熱交換器が配置されていてもよい。

当該燃料電池モジュールでは、前記一の熱交換器を圧力容器外に配置する場合と比べて、カートリッジに供給する供給ガスとカートリッジからのより高温の排ガスとで熱交換させることができる。したがって、当該燃料電池モジュールでは、供給ガスを効率的に予熱することができるため、一の熱交換器の小型化を図ることができる。しかも、当該燃料電池モジュールでは、一の熱交換器を圧力容器内の断熱材で覆うことができるため、これを圧力容器外に配置し、これを別途断熱材で覆うよりも、使用断熱材の量を少なくすることができると共に断熱材の施工コストを抑えることができる。さらに、当該燃料電池モジュールでは、一の熱交換器を圧力容器内に配置しているので、一の熱交換器を含む全体設備の小型化を図ることもできる。

また、以上のいずれかの前記燃料電池モジュールにおいて、前記圧力容器は、筒形状を成し、前記配管集中空間は、筒形状の前記圧力容器における容器中心軸を含む空間であり、前記カートリッジにおける前記長手方向は、前記容器中心軸が延びている容器軸方向であってもよい。

また、筒形状の前記圧力容器を備えている前記燃料電池モジュールにおいて、前記長手方向の位置が互い互いに揃っている複数の前記カートリッジを有して構成されるカートリッジ群を複数備え、複数の前記カートリッジ群は、前記容器軸方向に並んでいてもよい。

当該燃料電池モジュールでは、複数のカートリッジ群のうちで、例えば、第一カートリッジ群を構成する複数のカートリッジに接続される複数の配管の長手方向延在部と、第二カートリッジ群を構成する複数のカートリッジに接続される複数の配管の長手方向延在部とを配管集中空間に配置することで、圧力容器内の空間中で無駄な空間がより少なくなり、圧力容器内の空間をより有効利用できる。このため、当該燃料電池モジュールによれば、燃料電池モジュールの小型化をより図ることができる。

複数のカートリッジ群を備えている前記燃料電池モジュールにおいて、前記容器軸方向で互いに隣接する二つの前記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、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、前記容器軸方向における向きが逆向きであり、前記容器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、互いに共有していてもよい。

当該燃料電池モジュールでは、第一カートリッジ群用の第一配管と第二カートリッジ群用の第二配管との共有部分が多くなり、配管全長を短くすることができ、配管の施工コストを抑えることができる。

また、筒形状の前記圧力容器を備えているいずれかの前記燃料電池モジュールにおいて、前記容器軸方向は、上下方向であってもよい。

当該燃料電池モジュールでは、容器軸方向が上下方向であるため、カートリッジの長手方向も上下方向になる。このため、カートリッジにかかる重力の方向は、カートリッジの長手方向になる。したがって、当該燃料電池モジュールでは、重力によりカートリッジに発生する曲げ応力成分を小さくすることができ、長手方向に対して垂直な方向におけるカートリッジの撓みを小さくすることができる。

上記問題点を解決するための発明の一態様としての燃料電池モジュールの製造方法は、
圧力容器と、酸素を含む酸化剤ガスと燃料ガスとを用いて発電を行うセルスタックの束により柱状を成し、長手方向が互いに同じ方向を向いている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複数の配管と、を備えている燃料電池モジュールの製造方法において、複数の前記配管の中で前記長手方向に延びる長手方向延在部を集めて束とし、該長手方向延在部の束を所定位置に配置する配管配置工程と、前記所定位置に配置された前記長手方向延在部の束の周りに複数の前記カートリッジを配置するカートリッジ配置工程と、複数の前記配管と複数の前記カートリッジとを接続する配管接続工程と、前記長手方向延在部の束を基準として、該長手方向延在部の束の周りに配置されている複数の前記カートリッジの外側に断熱材を配置する断熱材配置工程と、複数の前記配管、複数の前記カートリッジ、及び前記断熱材を、それぞれ前記圧力容器内に収める容器内収納工程と、を実行し、前記配管配置工程では、複数の前記配管の前記長手方向延在部を相互に連結してユニット化した後、ユニット化した前記長手方向延在部を前記所定位置に配置することを特徴とする。

当該製造方法では、複数のカートリッジの集まりであるカートリッジ群の外周側に、各種配管の長手方向延在部を周方向に配置するよりも、圧力容器内の空間中で無駄な空間が少なくなり、圧力容器内の空間を有効利用できる。このため、当該燃料電池モジュールによれば、燃料電池モジュールの小型化を図ることができる。また、当該製造方法では、複数の配管の長手方向延在部の束をまとめて配置施工できる上に、各長手方向延在部を共通のブラケットで支持することもできる。さらに、圧力容器の特定の箇所からの圧力容器内の複数の配管の取り回しが単純化する。従って、当該製造方法によれば、圧力容器内に配置する複数の配管の施工性を向上させることができる。

当該製造方法では、長手方向延在部の束を配置する際の施工性を向上させることができる。

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、燃料電池モジュールの小型化を図ることができる。さらに、本発明によれば、圧力容器内に配置される複数の配管の施工性を向上させることができる。

本発明に係る一実施形態における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。図５におけるＶＩ矢視図である。本発明に係る一実施形態における燃料電池モジュールの製造手順を示す説明図ある。本発明に係る一実施形態の第一変形例における燃料電池モジュールの概略構成を示す模式図である。本発明に係る一実施形態の第二変形例における燃料電池モジュールの概略構成を示す模式図である。本発明に係る一実施形態の第三変形例における燃料電池モジュールの概略構成を示す模式図である。本発明に係る一実施形態の第四変形例における燃料電池モジュールの概略構成を示す模式図である。本発明に係る一実施形態の第五変形例における燃料電池モジュールの横断面図である。

以下、本発明に係る燃料電池モジュールの一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。

「実施形態」
まず、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。

本実施形態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Ａｖに平行な容器軸方向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と、複数のカートリッジ２０１に接続されている複数の各種配管３００と、各種配管３００中を流れるガス相互間で熱交換させる各種熱交換器４００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Ｆ１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である排燃料ガスＦ２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Ｏ１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である排酸化剤ガスＯ２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Ｆ１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Ｏ１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Ｏ１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の容器軸方向Ｄｖ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Ｏ１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。

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Ｆ１が通り、外周側に酸化剤ガスＯ１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Ｆ１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Ｆ１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Ｆ１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Ｏ１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と固体電解質１１１との界面付近では、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Ｆ１と酸化剤ガスＯ１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。従って、カートリッジ２０１の長手方向は、セルスタック１０１の長手方向の同じ方向である。

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を塞ぐ断熱仕切板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及び断熱仕切板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。断熱仕切板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、断熱仕切板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Ｆ１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（３１４ａ，３１４ｂ）からの燃料ガスＦ１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Ｆ１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Ｆ１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である排燃料ガスＦ２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に流れ込んだ排燃料ガスＦ２を燃料ガス排出配管３２０（３２４ａ，３２４ｂ）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内を通過した排燃料ガスＦ２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と断熱仕切板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（３３４ａ，３３４ｂ）からの酸化剤ガスＯ１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Ｏ１は、断熱仕切板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Ｆ１と酸化剤ガスＯ１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、外周側が断熱材１５で囲まれた空間である。この断熱材１５は、例えば、アルミナシリカ系の材料で形成されている。

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと断熱仕切板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である排酸化剤ガスＯ２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に流れ込んだ排酸化剤ガスＯ２を酸化剤ガス排出配管３４０（３４４ａ，３４４ｂ）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Ｏ１は、断熱仕切板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、排酸化剤ガスＯ２として酸化剤ガス排出室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の断熱仕切板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Ｏ１中に含まれている酸化剤による腐食を抑える。さらに、この断熱仕切板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Ｏ１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Ｆ１とは、セルスタック１０１における複数の燃料電池セル１０５で電気化学反応する。この結果、複数の燃料電池セル１０５で発電が行われる。

複数の燃料電池セル１０５での発電で得られた直流電流は、複数の燃料電池セル１０５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Ｆ１とセルスタック１０１の外周側を流れる酸化剤ガスＯ１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Ｆ１は、酸化剤ガスＯ１により加熱され、酸化剤ガスＯ１は、逆に燃料ガスＦ１により冷却される。本実施形態では、これら燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１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Ｆ１と酸化剤ガスＯ１との熱交換率が高まり、燃料ガスＦ１による酸化剤ガスＯ１の冷却効率、及び酸化剤ガスＯ１による燃料ガスＦ１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Ｏ１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Ｆ１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Ｆ１と酸化剤ガスＯ１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Ｆ１と酸化剤ガスＯ１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Ｆ１と酸化剤ガスＯ１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Ｏ１が燃料ガスＦ１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１に示すように、いずれも、カートリッジ２０１の長手方向Ｄｃが圧力容器１０の容器軸方向Ｄｖと同じ方向になるよう、言い換えると、カートリッジ中心軸Ａｃと容器中心軸Ａｖとが平行になるよう、圧力容器１０内に配置されている。従って、本実施形態では、カートリッジ２０１の長手方向Ｄｃは、圧力容器１０の容器軸方向Ｄｖと同様、上下方向である。本実施形態では、長手方向Ｄｃの位置が互いに揃っている所定数のカートリッジ２０１により、カートリッジ群２００が構成されている。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内で容器軸方向Ｄｖ（上下方向）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、図６に示すように、本実施形態の場合、６個である。６個のカートリッジ２０１は、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。このため、周方向に並んでいる６個のカートリッジ２０１の容器中心軸Ａｖ側には、カートリッジ２０１が配置されていない空間が存在することになる。この空間は、図１及び図５に示すように、容器中心軸Ａｖを含み、容器軸方向Ｄｖに長く、圧力容器１０内の上端から下端まで延びる柱状の配管集中空間Ｓを成す。

２つのカートリッジ群２００のうち、図５に示すように、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。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は、圧力容器１０の胴部１１の内面に固定されているサーポート（不図示）により支持されている。また、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も、圧力容器１０の胴部１１の内面に固定されているサーポート（不図示）により支持されている。

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、及び酸化剤ガス排出配管３４０は、いずれも、第一カートリッジ群２００ａ及び第二カートリッジ群２００ｂの共有配管３１１，３２１，３３１，３４１と、各共有配管３１１，３２１，３３１，３４１から分岐した第一カートリッジ群２００ａ用の配管と、第二カートリッジ群２００ｂ用の配管とを有している。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、及び酸化剤ガス排出配管３４０の共有配管３１１，３２１，３３１，３４１は、いずれも、圧力容器１０の上部鏡部１２から配管集中空間Ｓを通って下方に延びている。よって、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、及び酸化剤ガス排出配管３４０中の共有配管は、いずれも、カートリッジ２０１の長手方向Ｄｃに延びる長手方向延在部を成す。

燃料ガス供給配管３１０中の共有配管３１１は、図５及び図６に示すように、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の上端近くまで延びている。燃料ガス供給配管３１０中の第一カートリッジ群２００ａ用の配管は、第一カートリッジ群本配管３１２ａと第一カートリッジ群ヘッダ配管３１３ａと分岐管３１４ａとを有している。第一カートリッジ群本配管３１２ａは、共有配管３１１の下端部から容器軸方向Ｄｖとは垂直な容器径方向Ｄｒに延びている。第一カートリッジ群ヘッダ配管３１３ａは、第一カートリッジ群本配管３１２ａの容器径方向Ｄｒの端部に接続され、配管集中空間Ｓ内で容器中心軸Ａｖを中心として環状を成している。分岐管３１４ａは、第一カートリッジ群ヘッダ配管３１３ａから分岐して、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の各第一カートリッジヘッダ２２０ａに接続されている。各分岐管３１４ｂは、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。

燃料ガス供給配管３１０中の第二カートリッジ群２００ｂ用の配管は、図５に示すように、第二カートリッジ群本配管３１２ｂと第二カートリッジ群ヘッダ配管３１３ｂと分岐管３１４ｂとを有している。第二カートリッジ群本配管３１２ｂは、共有配管３１１の下端部から下方に延びた後に容器径方向Ｄｒに延びている。この第二カートリッジ群本配管３１２ｂ中で下方の延びる部分は、配管集中空間Ｓ内でカートリッジ２０１の長手方向Ｄｃに延びる長手方向延在部を成す。第二カートリッジ群ヘッダ配管３１３ｂは、第二カートリッジ群本配管３１２ｂの容器径方向Ｄｒの端部に接続され、配管集中空間Ｓ内で容器中心軸Ａｖを中心として環状を成している。分岐管３１４ｂは、第二カートリッジ群ヘッダ配管３１３ｂから分岐して、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の各第一カートリッジヘッダ２２０ａに接続されている。各分岐管３１４ａは、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。

燃料ガス排出配管３２０中の共有配管３２１は、圧力容器１０の上部鏡部１２から第一カートリッジ群と第二カートリッジ群との間の位置まで延びている。燃料ガス排出配管３２０中の第一カートリッジ群２００ａ用の配管は、第一カートリッジ群本配管３２２ａと第一カートリッジ群ヘッダ配管３２３ａと分岐管３２４ａとを有している。第一カートリッジ群本配管３２２ａは、共有配管３２１の下端部から容器径方向Ｄｒに延びている。第一カートリッジ群ヘッダ配管３２３ａは、第一カートリッジ群本配管３２２ａの容器径方向Ｄｒの端部に接続され、配管集中空間Ｓ内で容器中心軸Ａｖを中心として環状を成している。分岐管３２４ａは、第一カートリッジ群ヘッダ配管３２３ａから分岐して、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の各第二カートリッジヘッダ２２０ｂに接続されている。この分岐管３２４ａは、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。

燃料ガス排出配管３２０中の第二カートリッジ群２００ｂ用の配管は、第二カートリッジ群本配管３２２ｂと第二カートリッジ群ヘッダ配管３２３ｂと分岐管３２４ｂとを有している。第二カートリッジ群本配管３２２ｂは、共有配管３２１の下端部から下方に延びた後に容器径方向Ｄｒに延びている。この第二カートリッジ群本配管３２２ｂで下方の延びる部分は、配管集中空間Ｓ内でカートリッジ２０１の長手方向Ｄｃに延びる長手方向延在部を成す。第二カートリッジ群ヘッダ配管３２３ｂは、第二カートリッジ群本配管３２２ｂの容器径方向Ｄｒの端部に接続され、配管集中空間Ｓ内で容器中心軸Ａｖを中心として環状を成している。分岐管３２４ｂは、第二カートリッジ群ヘッダ配管３２３ｂから分岐して、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の各第二カートリッジヘッダ２２０ｂに接続されている。この分岐管３２４ｂは、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。

酸化剤ガス供給配管３３０中の共有配管３３１は、圧力容器１０の上部鏡部１２から第一カートリッジ群と第二カートリッジ群との間の位置まで延びている。酸化剤ガス供給配管３３０中の第一カートリッジ群２００ａ用の配管は、第一カートリッジ群本配管３３２ａと第一カートリッジ群ヘッダ配管３３３ａと分岐管３３４ａと、を有している。第一カートリッジ群本配管３３２ａは、共有配管３３１の下端部から容器径方向Ｄｒに延びている。第一カートリッジ群ヘッダ配管３３３ａは、第一カートリッジ群本配管３３２ａの容器径方向Ｄｒの端部に接続され、配管集中空間Ｓ内で容器中心軸Ａｖを中心として環状を成している。分岐管３３４ａは、第一カートリッジ群ヘッダ配管３３３ａから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の各第二カートリッジヘッダ２２０ｂに接続されている。この分岐管３３４ａは、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。

酸化剤ガス供給配管３３０中の第二カートリッジ群２００ｂ用の配管は、第二カートリッジ群本配管３３２ｂと第二カートリッジ群ヘッダ配管３３３ｂと分岐管３３４ｂとを有している。第二カートリッジ群本配管３３２ｂは、共有配管３３１の下端部から下方に延びた後に容器径方向Ｄｒに延びている。第二カートリッジ群本配管３３２ｂ中で下方の延びる部分は、配管集中空間Ｓ内でカートリッジ２０１の長手方向Ｄｃに延びる長手方向延在部を成す。第二カートリッジ群ヘッダ配管３３３ｂは、第二カートリッジ群本配管３３２ｂの容器径方向Ｄｒの端部に接続され、配管集中空間Ｓ内で容器中心軸Ａｖを中心として環状を成している。分岐管３３４ｂは、第二カートリッジ群ヘッダ配管３３３ｂから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の各第二カートリッジヘッダ２２０ｂに接続されている。この分岐管３３４ｂは、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。

酸化剤ガス排出配管３４０中の共有配管３４１は、図５及び図６に示すように、圧力容器１０の上部鏡部１２から第一カートリッジ群２００ａの上端近くまで延びている。酸化剤ガス排出配管３４０中の第一カートリッジ群２００ａ用の配管は、第一カートリッジ群本配管３４２ａと第一カートリッジ群ヘッダ配管３４３ａと分岐管３４４ａとを有している。第一カートリッジ群本配管３４２ａは、共有配管３４１の下端部から容器径方向Ｄｒに延びている。第一カートリッジ群ヘッダ配管３４３ａは、第一カートリッジ群本配管３４２ａの容器径方向Ｄｒの端部に接続され、配管集中空間Ｓ内で容器中心軸Ａｖを中心として環状を成している。分岐管３４４ａは、第一カートリッジ群ヘッダ配管３４３ａから分岐して、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の各第一カートリッジヘッダ２２０ａに接続されている。この分岐管３４４ａは、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。

酸化剤ガス排出配管３４０中の第二カートリッジ群２００ｂ用の配管は、図５に示すように、第二カートリッジ群本配管３４２ｂと第二カートリッジ群ヘッダ配管３４３ｂと分岐管３４４ｂとを有している。第二カートリッジ群本配管３4２ｂは、共有配管３４１の下端部から下方に延びた後に容器径方向Ｄｒに延びている。この第二カートリッジ群本配管３４２ｂ中で下方の延びる部分は、配管集中空間Ｓ内でカートリッジ２０１の長手方向Ｄｃに延びる長手方向延在部を成す。第二カートリッジ群ヘッダ配管３４３ｂは、第二カートリッジ群本配管３４２ｂの容器径方向Ｄｒの端部に接続され、配管集中空間Ｓ内で容器中心軸Ａｖを中心として環状を成している。分岐管３４４ｂは、第二カートリッジ群ヘッダ配管３４３ｂから分岐して、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の各第一カートリッジヘッダ２２０ａに接続されている。この分岐管３４４ｂは、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。

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、及び酸化剤ガス排出配管３４０で、配管集中空間Ｓ中に存在する長手方向延在部３６０は、図５に示すように、連結部材であるブラケット３７０で相互に接続されている。ブラケット３７０としては、容器軸方向Ｄｂにおいて、第一カートリッジ群２００ａの第一カートリッジヘッダ２２０ａの位置で、各配管の長手方向延在部３６１相互を連結する第一ブラケット３７１と、第一カートリッジ群２００ａの第二カートリッジヘッダ２２０ｂの位置で、各配管の長手方向延在部３６２相互を連結する第二ブラケット３７２と、第二カートリッジ群２００ｂの第一カートリッジヘッダ２２０ａの位置で、各配管の長手方向延在部３６３相互を連結する第三ブラケット３７３と、第二カートリッジ群２００ｂの第二カートリッジヘッダ２２０ｂの位置で、各配管の長手方向延在部３６４相互を連結する第四ブラケット３７４とがある。

第一ブラケット３７１及び第二ブラケット３７２は、いずれも、長手方向延在部である、燃料ガス供給配管３１０中の第二カートリッジ群本配管３１２ｂと、燃料ガス排出配管３２０中の共有配管３２１と、酸化剤ガス供給配管３３０中の共有配管３３１と、酸化剤ガス排出配管３４０中の第二カートリッジ群本配管３４２ｂとを相互に連結する。第一ブラケット３７１は、第一カートリッジ群２００ａの第一カートリッジヘッダ２２０ａに固定されている。また、第二ブラケット３７２は、第一カートリッジ群２００ａの第二カートリッジヘッダ２２０ｂに固定されている。

第三ブラケット３７３及び第四ブラケット３７４は、いずれも、長手方向延在部である、燃料ガス排出配管３２０中の第二カートリッジ群本配管３２２ｂと、酸化剤ガス供給配管３３０中の第二カートリッジ群本配管３３２ｂとを相互に連結する。第三ブラケット３７３は、第二カートリッジ群２００ｂの第一カートリッジヘッダ２２０ａに固定されている。また、第四ブラケット３７４は、第二カートリッジ群２００ｂの第二カートリッジヘッダ２２０ｂに固定されている。なお、各ブラケット３７１〜３７４は、圧力容器１０の胴部１１の内面に固定されていてもよい。

熱交換器４００としては、図１に示すように、燃料ガスＦ１と排燃料ガスＦ２とを熱交換させる燃料ガス予熱器４０１と、酸化剤ガスＯ１と排酸化剤ガスＯ２とを熱交換させる酸化剤ガス予熱器４０２とがある。燃料ガス予熱器４０１及び酸化剤ガス予熱器４０２は、いずれも、圧力容器１０内に配置されている。燃料ガス予熱器４０１は、燃料ガス供給配管３１０中の共有配管３１１内を流れる燃料ガスＦ１と燃料ガス排出配管３２０中の共有配管３２１内を流れる排燃料ガスＦ２とを熱交換させて、燃料ガスＦ１を加熱する。また、酸化剤ガス予熱器４０２は、酸化剤ガス供給配管３３０中の共有配管３３１内を流れる酸化剤ガスＯ１と酸化剤ガス排出配管３４０中の共有配管３４１内を流れる排酸化剤ガスガスＯ２とを熱交換させて、酸化剤ガスＯ１を加熱する。

燃料ガス予熱器４０１及び酸化剤ガス予熱器４０２は、いずれも、二重管式熱交換器である。但し、燃料ガス予熱器４０１及び酸化剤ガス予熱器４０２は、多管式熱交換器であってもよい。

燃料ガス供給源１からの燃料ガスＦ１は、燃料ガス予熱器４０１を通ることで、高温の排燃料ガスＦ２により加熱されてから、各カートリッジ２０１に流入する。また、酸化剤ガス供給源２からの酸化剤ガスＯ１は、酸化剤ガス予熱器４０２を通ることで、高温の排酸化剤ガスＯ２により加熱されてから、各カートリッジ２０１に流入する。

次に、以上で説明した燃料電池モジュールＭの製造手順について、図７を用いて説明する。

まず、以上で説明した複数のカートリッジ２０１、各種配管３００、断熱材１５、圧力容器１０をそれぞれ製造する。

次に、図７（ａ）に示すように、各種配管３００のうちで、カートリッジ２０１の長手方向Ｄｃに延びる長手方向延在部３６０を集めて束とし、各種配管３００の長手方向延在部３６０相互をブラケット３７０で連結し、各種配管３００の長手方向延在部３６０の束をユニット化する。そして、ユニット化した各種配管３００の長手方向延在部３６０の束を所定位置Ｐに配置する。以上で配管配置工程が終了する。なお、この配管配置工程では、各種配管３００の全ての部分を配置する必要はなく、例えば、各種配管３００の長手方向延在部３６０のみを配置し、他の部分を後述の配管接続工程で配置及び接続してもよし、各種配管３００の各種分岐管を除く部分を配置し、各種分岐管を後述の配管接続工程で配置及び接続してもよい。

次に、図７（ｂ）に示すように、所定位置Ｐに配置された各種配管３００の長手方向延在部３６０の束の周りに複数のカートリッジ２０１を配置する（カートリッジ配置工程）。カートリッジ配置工程が終了すると、各種配管３００と複数のカートリッジ２０１とを接続すると共に、ブラケット３７０の端をカートリッジ２０１に固定する（配管接続工程）。

次に、図７（ｃ）に示すように、長手方向延在部３６０の束を基準として、長手方向延在部３６０の束の周りに配置されている複数のカートリッジ２０１の外側に断熱材１５を配置する（断熱材配置工程）。

次に、所定位置に配置された各種配管３００、この回りに配置された複数のカートリッジ２０１、及びさらにその外側に配置された断熱材１５をまとめて、圧力容器１０内に収める（容器内収納工程）。この際、圧力容器１０は、胴部１１と２つの鏡部１２（図１）とは接続されておらず、各種配管３００、複数のカートリッジ２０１及び断熱材１５が胴部１１内に収めてから、この胴部の両端に鏡部１２を接続する。

なお、各種熱交換器４００は、各種配管３００を製造した段階で、この各種配管３００に接続してもよいし、配管接続工程、容器内収納工程等で各種配管３００に接続してもよい。また、ここでは、各種配管３００、複数のカートリッジ２０１、及び断熱材１５をまとめて、圧力容器１０内に収めるが、例えば、これらを個別に圧力容器１０内に収めつつ、これらを圧力容器１０内の特定の位置に配置するようにしてもよい。また、以上の配管配置工程、カートリッジ配置工程、配管接続工程を終了した段階で、各種配管３００、複数のカートリッジ２０１を圧力容器１０内に収め、その後、断熱材１５を圧力容器１０内に収めつつ、断熱材配置工程を実行してもよい。すなわち、配管配置工程、カートリッジ配置工程、配管接続工程をこの順序に実行するのであれば、他の工程は基本的にいかなるタイミングで実行してもよい。

以上のように、本実施形態では、周方向に並んで配置されている複数のカートリッジ２０１で構成されるカートリッジ群２００の内周側に、各種配管３００の長手方向延在部３６０の束を配置しているため、カートリッジ群２００の外周側に、各種配管３００の長手方向延在部３６０を周方向に配置するよりも、圧力容器１０内の空間中で無駄な空間が少なくなり、圧力容器１０内の空間を有効利用できる。このため、本実施形態では、燃料電池モジュールＭの小型化を図ることができる。

また、本実施形態では、各種配管３００の長手方向延在部３６０の束をまとめて配置施工できる上に、各長手方向延在部３６０を共通のブラケット３７０で支持することもできる。さらに、圧力容器１０の特定の箇所からの圧力容器１０内の各種配管３００の取り回しが単純化する。従って、圧力容器１０内に配置する各種配管３００の施工性を向上させることができる。しかも、各種配管３００の長手方向延在部３６０の束をそのまま圧力容器１０外に延長させることで、圧力容器１０外部の各種配管の施工性も向上させることができる。

特に、本実施形態では、各種配管３００の長手方向延在部３６０相互をブラケット３７０で連結し、各種配管３００の長手方向延在部３６０の束をユニット化してから、長手方向延在部３６０の束を配置している。このため、本実施形態では、長手方向延在部３６０の束を配置する際の施工性を向上させることができる上に、各種配管３００の長手方向延在部３６０が相互に移動しないので、その後のカートリッジ配置工程の施工性も向上させることができる。さらに、本実施形態では、各種配管３００の長手方向延在部３６０相互を連結するブラケット３７０の端は、カートリッジ２０１に固定されるので、各種配管３００とカートリッジ２０１とが一体化している状態で、容器内収納工程を実行でき、この容器内収納工程の施工性も向上させることができる。

また、本実施形態では、燃料ガス予熱器４０１及び酸化剤ガス予熱器４０２を圧力容器１０内に配置している。このため、燃料ガス予熱器４０１を圧力容器１０外に配置する場合と比べて、燃料ガスＦ１をより高温の排酸化剤ガスＯ２と熱交換させることができると共に、酸化剤ガスＯ１をより高温の排燃料ガスＦ２と熱交換させることができる。したがって、本実施形態では、燃料ガスＦ１及び酸化剤ガスＯ１を効率的に予熱することができるため、燃料ガス予熱器４０１及び酸化剤ガス予熱器４０２の小型化を図ることができる。しかも、燃料ガス予熱器４０１及び酸化剤ガス予熱器４０２を圧力容器１０内の断熱材で覆うことができるため、これらを圧力容器１０外に配置し、これらを別途断熱材で覆うよりも、使用断熱材の量を少なくすることができると共に断熱材の施工コストを抑えることができる。さらに、本実施形態では、燃料ガス予熱器４０１及び酸化剤ガス予熱器４０２を圧力容器１０内に配置しているので、燃料ガス予熱器４０１及び酸化剤ガス予熱器４０２を含む全体設備の小型化を図ることもできる。

「第一変形例」
次に、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態の第一変形例について、図８を参照して説明する。

本変形例の燃料電池モジュールＭ１は、酸化剤ガス供給配管３３０及び酸化剤ガス排出配管３４０と圧力容器１０との接続位置が上記実施形態と異なっていることを除いて、上記実施形態の燃料電池モジュールＭと基本的に同一である。

上記実施形態の燃料電池モジュールＭでは、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、及び酸化剤ガス排出配管３４０の共有配管３１１，３２１，３３１，３４１が、いずれも、圧力容器１０の上部鏡部１２から配管集中空間Ｓを通って下方に延びている。また、本変形例の燃料電池モジュールＭ１でも、燃料ガス供給配管３１０及び燃料ガス排出配管３２０の共有配管３１１，３２１は、上記実施形態と同様、圧力容器１０の上部鏡部１２から配管集中空間Ｓを通って下方に延びている。しかしながら、本変形例の燃料電池モジュールＭ１では、酸化剤ガス供給配管３３０及び酸化剤ガス排出配管３４０の共有配管３３１，３４１が、圧力容器１０の下部鏡部１２から配管集中空間Ｓを通って上方に延びている。このため、本変形例では、酸化剤ガス供給配管３３０中の共有配管３３１内を流れる酸化剤ガスＯ１と酸化剤ガス排出配管３４０中の共有配管３４１内を流れる排酸化剤ガスＯ２とを熱交換させる酸化剤ガス予熱器４０２は、圧力容器１０内で下側に配置されている第二カートリッジ群２００ｂよりも下方に配置されている。

本変形例においても、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、及び酸化剤ガス排出配管３４０の長手方向延在部３６０は、圧力容器１０内の配管集中空間Ｓ内に配置され、この配管集中空間Ｓの周りに複数のカートリッジ２０１が配置されている。よって、本変形例でも、上記実施形態と基本的に同様の効果を得ることができる。

「第二変形例」
次に、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態の第二変形例について、図９を参照して説明する。

本変形例の燃料電池モジュールＭ２は、燃料ガス排出配管３２０及び酸化剤ガス供給配管３３０と圧力容器１０との接続位置が上記実施形態と異なっていること、及び各種熱交換器における熱交換対象が異なっていることを除いて、上記実施形態の燃料電池モジュールＭと基本的に同一である。

本変形例の燃料電池モジュールＭ２では、燃料ガス供給配管３１０及び酸化剤ガス排出配管３４０の共有配管３１１，３４１は、上記実施形態と同様、圧力容器１０の上部鏡部１２から配管集中空間Ｓを通って下方に延びている。しかしながら、本変形例の燃料電池モジュールＭ２では、燃料ガス排出配管３２０及び酸化剤ガス供給配管３３０の共有配管３２１，３３１が、圧力容器１０の下部鏡部１２から配管集中空間Ｓを通って上方に延びている。このため、本変形例では、燃料ガス供給配管３１０及び酸化剤ガス排出配管３４０の共有配管３１１，３４１が圧力容器１０内の上部で容器径方向Ｄｒで相互に隣接し、燃料ガス排出配管３２０及び酸化剤ガス供給配管３３０の共有配管３２１，３３１が圧力容器１０内の下部で容器径方向Ｄｒで相互に隣接している。

本変形例の熱交換器における燃料ガス予熱器４０３は、圧力容器１０内で上側に配置されている第一カートリッジ群２００ａの上方に配置されている。この燃料ガス予熱器４０３は、上記実施形態の燃料ガス予熱器４０１と異なり、圧力容器１０内の上部で相互に隣接している燃料ガス供給配管３１０の共有配管３１１内を流れる燃料ガスＦ１と、酸化剤ガス排出配管３４０の共有配管３４１内を流れる排酸化剤ガスＯ２とを熱交換させる。また、本変形例の熱交換器における酸化剤ガス予熱器４０４は、圧力容器１０内で下側に配置されている第二カートリッジ群２００ｂの下方に配置されている。この酸化剤ガス予熱器４０４も、上記実施形態の酸化剤ガス予熱器４０２と異なり、圧力容器１０内の下部で相互に隣接している燃料ガス排出配管３２０の共有配管３２１内を流れる排燃料ガスＦ２と、酸化剤ガス供給配管３３０の共有配管３３１内を流れる酸化剤ガスＯ１とを熱交換させる。

本変形例においても、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、及び酸化剤ガス排出配管３４０の長手方向延在部３６０は圧力容器１０内の配管集中空間Ｓ内に配置され、この配管集中空間Ｓの周りに複数のカートリッジ２０１が配置されている。よって、本変形例でも、上記実施形態と基本的に同様の効果を得ることができる。

なお、上記実施形態における燃料ガス予熱器４０１を本変形例の燃料ガス予熱器４０３と同様、燃料ガス供給配管３１０の共有配管３１１内を流れる燃料ガスＦ１と、酸化剤ガス排出配管３４０の共有配管３４１内を流れる排酸化剤ガスＯ２とを熱交換させるものであってもよい。また、上記実施形態における酸化剤ガス予熱器４０２も本変形例の酸化剤ガス予熱器４０４と同様、燃料ガス排出配管３２０の共有配管３２１内を流れる排燃料ガスＦ２と、酸化剤ガス供給配管３３０の共有配管３３１内を流れる酸化剤ガスＯ１とを熱交換させるものであってもよい。

「第三変形例」
次に、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態の第三変形例について、図１０を参照して説明する。

本変形例の燃料電池モジュールＭ３は、上記実施形態と同様、圧力容器１０内で上下に配置されている第一カートリッジ群２００ａと第二カートリッジ群２００ｂとを備えている。但し、本変形例では、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、容器軸方向Ｄｖ（上下方向）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２００ａ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２００ｂ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、本変形例では、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の第一カートリッジヘッダ２２０ａ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、本変形例では、以上で説明したように、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とが、容器軸方向Ｄｖにおける向きが逆向きであるため、圧力容器１０内の各種配管の取り回しや各種熱交換器の配置も、上記実施形態と異なっている。

具体的に、本変形例では、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、及び酸化剤ガス排出配管３４０の共有配管３１１，３２１，３３１，３４１が、いずれも、圧力容器１０の上下方向の中間部から容器径方向Ｄｒに延びている。このため、本変形例では、これらの共有配管３１１，３２１，３３１，３４１は、長手方向延在部を成さない。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、及び酸化剤ガス排出配管３４０の共有配管３１１，３２１，３３１，３４１は、いずれも、配管集中空間Ｓ内で、第一カートリッジ群用の配管と第二カートリッジ群用の配管とに分岐している。本変形例では、第一カートリッジ群用の配管の部分であって配管集中空間Ｓ内でカートリッジ２０１の長手方向Ｄｃに延びている部分と、第二カートリッジ群用の配管の部分であって配管集中空間Ｓ内でカートリッジ２０１の長手方向Ｄｃに延びている部分とが、長手方向延在部３６０を成す。

本変形例では、燃料ガス供給配管３１０の共有配管３１１の一部が、配管集中空間Ｓ内で容器中心軸Ａｖを中心として環状を成し、第一カートリッジ群用と第二カートリッジ群用を兼ねるヘッダ配管（不図示）を成している。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の第一カートリッジヘッダ２２０ａに燃料ガスＦ１を供給する分岐管、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の第一カートリッジヘッダ２２０ａに燃料ガスＦ１を供給する分岐管は、このヘッダ配管から分岐している。また、本変形例では、酸化剤ガス排出配管３４０の共有配管３４１の一部が、配管集中空間Ｓ内で容器中心軸Ａｖを中心として環状を成し、第一カートリッジ群用と第二カートリッジ群用を兼ねるヘッダ配管（不図示）を成している。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の第一カートリッジヘッダ２２０ａからの排酸化剤ガスＯ２が流れる分岐管、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の第一カートリッジヘッダ２２０ａからの排酸化剤ガスＯ２が流れる分岐管は、このヘッダ配管から分岐している。

本変形例においても、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、及び酸化剤ガス排出配管３４０の長手方向延在部３６０は，圧力容器１０内の配管集中空間Ｓ内に配置され、この配管集中空間Ｓの周りに複数のカートリッジ２０１が配置されている。よって、本変形例でも、上記実施形態と基本的に同様の効果を得ることができる。

また、本変形例では、燃料ガス供給配管３１０における第一カートリッジ群用のヘッダ配管と第二カートリッジ群用のヘッダ配管とが共有化され、酸化剤ガス排出配管３４０における第一カートリッジ群用のヘッダ配管と第二カートリッジ群用のヘッダ配管とが共有化されているので、燃料ガス供給配管３１０の配管全長及び酸化剤ガス排出配管３４０の配管全長を短くすることができ、各種配管の施工コストを抑えることができる。

なお、本変形例では、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、第二カートリッジ群２００ｂ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を上側に向けている。しかしながら、以上とは、逆に、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の第二カートリッジヘッダ２２０ｂを下側に向け、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の第二カートリッジヘッダ２２０ｂを上側に向けてもよい。この場合、燃料ガス排出配管３２０における第一カートリッジ群用のヘッダ配管と第二カートリッジ群用のヘッダ配管とを供給化することが可能になり、酸化剤ガス供給配管３３０における第一カートリッジ群用のヘッダ配管と第二カートリッジ群用のヘッダ配管とを共有化することが可能になる。

また、本変形例では、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、及び酸化剤ガス排出配管３４０の共有配管３１１，３２１，３３１，３４１を、圧力容器１０の上下方向の中間部から容器径方向Ｄｒに延ばしている。しかしながら、上記実施形態や以上の各変形例と同様、これらの共有配管３１１，３２１，３３１，３４１を、圧力容器１０の上部から配管集中空間Ｓ内を下方に延ばしても、圧力容器１０の下部から配管集中空間Ｓ内を上方に延ばしてもよい。この場合、これらの共有配管３１１，３２１，３３１，３４１は、長手方向延在部を成すことになる。

「第四変形例」
次に、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態の第四変形例について、図１１を参照して説明する。

上記実施形態及び以上の各変形例の燃料電池モジュールは、いずれも、圧力容器１０内に、容器軸方向Ｄｖ（上下方向）に並ぶ二つのカートリッジ群２００ａ，２００ｂを有するものである。一方、本変形例の燃料電池モジュールＭ４は、圧力容器１０内に、容器軸方向Ｄｖ（上下方向）に並ぶ四つのカートリッジ群２００ａ，２００ｂ，２００ｃ，２００ｄを有するものである。すなわち、本発明において、圧力容器１０内のカートリッジ群の数は、二つに限定されるものではなく、一つでも、三つ以上でもよい。

なお、本変形例においても、上記実施形態及び以上の各変形例と同様、各種配管の長手方向延在部の束が配管収集空間Ｓ内に配置されている。

「第五変形例」
次に、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態の第五変形例について、図１２を参照して説明する。

上記実施形態及び以上の各変形例の燃料電池モジュールのカートリッジ２０１は、いずれも、円柱形状である。一方、本変形例の燃料電池モジュールＭ５のカートリッジ２０１ｘは、六角柱形状である。すなわち、本発明において、カートリッジの形状は、円柱形状に限定されるものではなく、六角柱形状や四角柱形状等の各柱形状であってもよい。

なお、本変形例においても、上記実施形態及び以上の各変形例と同様、各種配管３００の長手方向延在部３６０の束が配管収集空間Ｓ内に配置され、この配管集中空間Ｓの周りに複数のカートリッジ２０１ｘが配置されている。

「その他の変形例」
上記実施形態及び以上の各変形例は、容器軸方向Ｄｖが上下方向であるが、この容器軸方向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の長手方向が容器軸方向Ｄｖと同じにする場合、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：断熱材、１０１：セルスタック、１０３：基体管、１０５：燃料電池セル、２００,２００ａ〜２００ｄ：カートリッジ群、２０１，２０１ｘ：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、３６０：長手方向延在部、３７０：ブラケット、４００：熱交換器、４０１，４０３：燃料ガス予熱器、４０２，４０４：酸化剤ガス予熱器、Ｍ，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５：燃料電池モジュール、Ｆ１：燃料ガス、Ｆ２：排燃料ガス、Ｏ１：酸化剤ガス、Ｏ２：排酸化剤ガス

Claims

圧力容器と、
酸素を含む酸化剤ガスと燃料ガスとを用いて発電を行うセルスタックの束により柱状を成し、長手方向が互いに同じ方向を向いている複数のカートリッジと、
前記圧力容器内に配置され、複数の前記カートリッジに接続されている複数の配管と、
を備え、
複数の前記配管の中で前記長手方向に延びる長手方向延在部の束が、前記圧力容器内の一部である配管集中空間に配置され、
複数の前記カートリッジは、前記配管集中空間の周りに配置され、
前記配管集中空間に配置される複数の前記配管の前記長手方向延在部の相互を連結する連結部材を備えている、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記連結部材は、前記複数のカートリッジに接続されている、
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、
複数の前記配管は、前記カートリッジに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管と、前記カートリッジを通った前記燃料ガスである排燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管と、前記カートリッジに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管と、前記カートリッジを通った前記酸化剤ガスである排酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出配管と、有し、
前記配管集中空間中には、前記燃料ガス供給配管の前記長手方向延在部の少なくとも一部と、前記燃料ガス排出配管の前記長手方向延在部の少なくとも一部と、前記酸化剤ガス供給配管の前記長手方向延在部の少なくとも一部と、前記酸化剤ガス排出配管の前記長手方向延在部の少なくとも一部とが配置されている、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項３に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記圧力容器内には、前記燃料ガス供給配管を流れる前記燃料ガスと前記燃料ガス排出配管を流れる前記排燃料ガスとの間で互いに熱交換させる第一熱交換器と、前記酸化剤ガス供給配管を流れる前記酸化剤ガスと前記酸化剤ガス排出配管を流れる前記排酸化剤ガスとの間で互いに熱交換させる第二熱交換器と、前記燃料ガス供給配管を流れる前記燃料ガスと前記酸化剤ガス排出配管を流れる前記排酸化剤ガスとの間で互いに熱交換させる第三熱交換器と、前記燃料ガス排出配管を流れる前記排燃料ガスと前記酸化剤ガス供給配管を流れる前記酸化剤ガスとの間で互いに熱交換させる第四熱交換器とのうちの少なくともの一の熱交換器が配置されている、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記圧力容器は、筒形状を成し、
前記配管集中空間は、筒形状の前記圧力容器における容器中心軸を含む空間であり、
前記カートリッジにおける前記長手方向は、前記容器中心軸が延びている容器軸方向である、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項５に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記長手方向の位置が互い互いに揃っている複数の前記カートリッジを有して構成されるカートリッジ群を複数備え、
複数の前記カートリッジ群は、前記容器軸方向に並んでいる、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項６に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記容器軸方向で互いに隣接する二つの前記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、
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、前記容器軸方向における向きが逆向きであり、
前記容器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、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項５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。
圧力容器と、酸素を含む酸化剤ガスと燃料ガスとを用いて発電を行うセルスタックの束により柱状を成し、長手方向が互いに同じ方向を向いている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複数の配管と、を備えている燃料電池モジュールの製造方法において、
複数の前記配管の中で前記長手方向に延びる長手方向延在部を集めて束とし、該長手方向延在部の束を所定位置に配置する配管配置工程と、
前記所定位置に配置された前記長手方向延在部の束の周りに複数の前記カートリッジを配置するカートリッジ配置工程と、
複数の前記配管と複数の前記カートリッジとを接続する配管接続工程と、
前記長手方向延在部の束を基準として、該長手方向延在部の束の周りに配置されている複数の前記カートリッジの外側に断熱材を配置する断熱材配置工程と、
複数の前記配管、複数の前記カートリッジ、及び前記断熱材を、それぞれ前記圧力容器内に収める容器内収納工程と、
を実行し、
前記配管配置工程では、複数の前記配管の前記長手方向延在部を相互に連結してユニット化した後、ユニット化した前記長手方向延在部を前記所定位置に配置する、
ことを特徴とする燃料電池モジュールの製造方法。