JP2016115436A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】起動時及び発電時における燃焼部での着火性及び燃焼安定性を確保できると共に、小型化及び低コスト化を実現できる燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】燃焼部９０は、起動時には改質部６０にて未反応の原燃料ガス及び酸化剤ガスを含み燃料電池セルスタック１０を通過したスタック排ガス１６５を燃焼し、発電時には燃料電池セルスタック１０にて発電に供されなかった改質ガス及び酸化剤ガスを含むスタック排ガス１６５を燃焼する。この燃焼部９０には、オリフィス部材１７２と燃焼器ノズル１８２が設けられている。オリフィス部材１７２は、スタック排ガス１６５が流入し混合される一つのオリフィス１７６を有する。燃焼器ノズル１８２は、オリフィス１７６にて混合されたスタック排ガス１６５が流入する多数の噴出孔１８４を有すると共に、多数の噴出孔１８４から噴出されたスタック排ガス１６５の燃焼により生じた火炎を保持する。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

従来、燃料電池セルスタックと、原燃料ガスを改質し燃料電池セルスタックに供給される改質ガスを生成する改質部と、燃料電池セルスタックから排出されたスタック排ガスを燃焼する燃焼部とを備えた燃料電池モジュールが知られている。

また、この種の燃料電池モジュールには、燃焼部が単一の燃焼器で構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池モジュールでは、起動時に改質部にて未反応の原燃料ガス及び酸化剤ガスを含み燃料電池セルスタックを通過したスタック排ガスが燃焼器で燃焼され、発電時には燃料電池セルスタックにて発電に供されなかった改質ガス及び酸化剤ガスを含むスタック排ガスが起動時と同じ燃焼器で燃焼される。

このように、燃焼部が単一の燃焼器で構成された場合、起動時と発電時とで組成の異なる二種類のスタック排ガスが単一の燃焼器で燃焼される。しかしながら、このような構成の場合には、起動時における未反応の原燃料ガスが着火しにくく吹き消えを起こしやすいなど、燃焼器での着火性及び燃焼安定性に課題がある。

そこで、燃焼部を一対の燃焼器で構成し、一方の燃焼器で起動時にて未反応の原燃料ガス及び酸化剤ガスを含むスタック排ガスを燃焼し、他方の燃焼器で発電時に燃料電池セルスタックにて発電に供されなかった改質ガス及び酸化剤ガスを含むスタック排ガスを燃焼する燃料電池モジュールが提案されている（例えば、特許文献２，３）。

ところが、燃焼部が一対の燃焼器で構成された場合、一対の燃焼器に対して二系統のガス供給経路が必要になるため、燃焼部及びその周辺の構造が複雑化し、大型化及び高コスト化の要因となる。

特開２０１１−２２２１３６号公報 特開２０１４−７８３４８号公報 特開２０１４−７２０２６号公報

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、起動時及び発電時における燃焼部での着火性及び燃焼安定性を確保できると共に、小型化及び低コスト化を実現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。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の燃料電池モジュールは、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルスタックと、原燃料ガスを改質し前記燃料ガスとしての改質ガスを生成する改質部と、前記燃料電池セルスタックの起動時には前記改質部にて未反応の前記原燃料ガス及び前記酸化剤ガスを含み前記燃料電池セルスタックを通過したスタック排ガスを燃焼し、前記燃料電池セルスタックの発電時には前記燃料電池セルスタックにて発電に供されなかった前記改質ガス及び前記酸化剤ガスを含むスタック排ガスを燃焼する燃焼部と、前記燃焼部に設けられ、前記燃料電池セルスタックから排出された前記スタック排ガスが流入し混合される一つのオリフィスを有するオリフィス部材と、前記燃焼部に設けられ、前記オリフィスにて混合された前記スタック排ガスが流入する多数の噴出孔を有すると共に、前記多数の噴出孔から噴出された前記スタック排ガスの燃焼により生じた火炎を保持する燃焼器ノズルと、を備える。

この燃料電池モジュールでは、起動時及び発電時において、スタック排ガスは、単一の燃焼部で燃焼される。ここで、この単一の燃焼部には、一つのオリフィスを有するオリフィス部材と、多数の噴出孔を有する燃焼器ノズルとが設けられている。

そして、一つのオリフィスには、起動時及び発電時において燃料電池セルスタックから排出されたスタック排ガスが流入する。これにより、起動時と発電時とでスタック排ガスの組成が異なっていても、均一に混合されたスタック排ガスを燃焼器ノズルに供給することができる。

また、多数の噴出孔には、オリフィスにて混合されたスタック排ガスが流入し、この多数の噴出孔からは、均一に混合されたスタック排ガスが噴出される。そして、この多数の噴出孔から噴出されたスタック排ガスは、安定して燃焼され、この燃焼により生じた火炎は、燃焼器ノズルで保持される。

以上より、起動時においては、未反応の原燃料ガスを安定して着火できると共に吹き消えを抑制して未反応の原燃料ガスを安定して燃焼させることができる。また、発電時においても、改質ガスを安定して着火及び燃焼させることができる。つまり、起動時と発電時とでスタック排ガスの組成が異なっていても、この組成の異なる二種類のスタック排ガスを安定して着火し燃焼させることができる。これにより、起動時及び発電時における燃焼部での着火性及び燃焼安定性を確保することができる。

また、上述のように単一の燃焼部を用いることにより、燃焼部へのスタック排ガスの供給経路が一系統で済むので、燃焼部及びその周辺の構造を簡素化でき、小型化及び低コスト化を実現することができる。

なお、請求項２に記載のように、請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記オリフィスの開口面積は、前記多数の噴出孔の合計開口面積よりも小さくても良い。

この燃料電池モジュールによれば、オリフィスの開口面積は、多数の噴出孔の合計開口面積よりも小さいので、オリフィスを通じて燃焼器ノズル側へ流れるスタック排ガスに対してオリフィスで圧力損失を生じさせることができると共に、スタック排ガスの流速を高めることができる。これにより、スタック排ガスをより効果的に混合させることができる。

また、請求項３に記載のように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記多数の噴出孔は、均一な大きさ及び間隔で形成されていても良い。

この燃料電池モジュールによれば、多数の噴出孔は、均一な大きさ及び間隔で形成されているので、この多数の噴出孔により多数の再循環流を均一に形成することができる。これにより、スタック排ガスの燃焼により生じた火炎をより安定して燃焼器ノズルで保持することができる。

また、請求項４に記載のように、請求項１〜請求項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、前記オリフィスと前記多数の噴出孔との間に位置し前記オリフィスにて混合された前記スタック排ガスが通過する多数の通過孔を有する多孔部材をさらに備えていても良い。

この燃料電池モジュールによれば、オリフィスと多数の噴出孔との間には、多孔部材に形成された多数の通過孔が位置するので、この多数の通過孔にスタック排ガスを通すことで、オリフィスと多数の噴出孔との間で、スタック排ガスを効果的に整流させることができる。

また、請求項５に記載のように、請求項４に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼器ノズルは、前記オリフィス部材と反対側に膨出するドーム状に形成されていても良い。

この燃料電池モジュールによれば、燃焼器ノズルは、オリフィス部材と反対側に膨出するドーム状に形成されているので、燃焼器ノズル上に形成される火炎の放射角を広げることができる。これにより、スタック排ガスをより効率的に燃焼させることができる。また、火炎の放射角が広がることで、燃焼室と改質流路との隔壁である筒状壁の延長下部まで火炎が届き、改質触媒層への熱伝達が促進される。この結果、改質流路の出口部の温度を効果的に昇温でき、改質転化率を向上させることができる。

また、請求項６に記載のように、請求項１〜請求項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、前記燃焼器ノズルは、前記オリフィスと対向する多孔部材により構成されていても良い。

この燃料電池モジュールによれば、燃焼器ノズルは、オリフィスと対向する多孔部材により構成されているので、スタック排ガスの混合、整流、燃焼を効率的に行うことができる。また、オリフィスと対向する多孔部材を燃焼器ノズルとして用いるので、多孔部材の他に専用の燃焼器ノズルを用いる場合に比して、燃焼部の構造を簡素化することができると共に、燃焼部を小型化することができる。

また、請求項７に記載のように、請求項１〜請求項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、前記オリフィスの入口の周囲には、前記オリフィスを中心に渦巻き放射状に配置された複数の旋回誘導板が設けられていても良い。

この燃料電池モジュールによれば、オリフィスの入口の周囲には、オリフィスを中心に渦巻き放射状に配置された複数の旋回誘導板が設けられているので、この複数の旋回誘導板によりスタック排ガスをオリフィスに誘導することができる。そして、スタック排ガスに渦流を作り出すことにより、スタック排ガスの混合を促進することができる。また、旋回流によりスタック排ガスに遠心力が働き、多数の噴出孔から噴出されたスタック排ガスを外周側つまり燃焼室と改質流路との隔壁である筒状壁の延長下部方向に押しやる効果があり、改質触媒層への熱伝達が促進される。この結果、改質流路の出口部の温度を効果的に昇温でき、改質転化率を向上させることができる。

また、請求項８に記載のように、請求項１〜請求項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、前記オリフィスの入口の周囲には、複数の乱流突起が設けられていても良い。

この燃料電池モジュールによれば、オリフィスの入口の周囲には、複数の乱流突起が設けられているので、この複数の乱流突起によりスタック排ガスに乱流を生じさせることができる。これにより、スタック排ガスの混合を促進することができる。

また、請求項９に記載のように、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記多数の噴出孔における出口側には、前記多数の噴出孔から噴出された前記スタック排ガスを着火させる点火電極が設けられ、前記オリフィス及び前記点火電極は、前記多数の噴出孔の中心部と同軸上に設けられていても良い。

この燃料電池モジュールによれば、オリフィスは、多数の噴出孔の中心部と同軸上に設けられているので、オリフィスを通過したスタック排ガスを多数の噴出孔にバランス良く供給することができる。また、点火電極も、多数の噴出孔の中心部と同軸上に設けられているので、多数の噴出孔から噴出されたスタック排ガスをバランス良く着火することができる。以上より、多数の噴出孔から噴出されたスタック排ガスをより一層安定して燃焼させることができる。

また、請求項１０に記載のように、請求項９に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記点火電極は、火炎電流検知用のフレームロッドを兼ねていても良い。

この燃料電池モジュールによれば、点火電極は、火炎電流検知用のフレームロッドを兼ねるので、例えば、点火電極とは別に火炎電流検知用のフレームロッドが設けられる場合に比して、点火電極の周辺部における構造を簡素化することができる。

また、請求項１１に記載のように、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記オリフィス部材は、前記燃料電池セルスタックの上面と対向すると共に前記オリフィスが形成された対向壁部と、前記対向壁部の周囲に形成されると共に前記燃料電池セルスタックの上面から遠ざかるに従って拡径するテーパ部と、を有し、前記対向壁部及び前記テーパ部と前記燃料電池セルスタックの上面との間には、前記オリフィスに向けて前記スタック排ガスが流れる流路が形成されていても良い。

この燃料電池モジュールによれば、オリフィス部材は、オリフィスが形成された対向壁部の周囲に、燃料電池セルスタックの上面から遠ざかるに従って拡径するテーパ部を有する。従って、オリフィスに向けてスタック排ガスが流れる流路の一部に、テーパ部によってテーパ部の径方向外側から内側（オリフィス側）に向けて徐々に狭まるテーパ状の流路が形成される。これにより、対向壁部及びテーパ部と燃料電池セルスタックの上面との間の流路をオリフィスに向けてスタック排ガスが流れるときには、このテーパ部によって形成されたテーパ状の流路により、スタック排ガスに対して圧力損失を生じさせることができると共に、スタック排ガスの流速を高めることができる。この結果、スタック排ガスをより効果的に混合させることができる。

また、請求項１２に記載のように、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼部は、前記燃料電池セルスタックの上方に設けられると共に、円筒状又は楕円筒状に形成され、前記オリフィス部材及び前記燃焼器ノズルを収容する周壁部を有し、前記改質部は、前記燃焼部の上方に前記周壁部と同軸上に設けられると共に、互いの間に隙間を有する少なくとも三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、且つ、該三重の筒状壁における内側及び筒状壁の間に、断熱空間、前記燃焼部から排出された燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから前記改質ガスを生成するための改質触媒層が設けられた改質流路をそれぞれ有し、前記改質部の上方には、互いの間に隙間を有する少なくとも三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該三重の筒状壁における内側及び筒状壁の間に、断熱空間、原燃料を気化して前記原燃料ガスを生成する気化流路、及び、前記原燃料に対して気化熱を与える前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路をそれぞれ有する気化部が前記改質部と同軸上に設けられていても良い。

この燃料電池モジュールによれば、燃焼部、気化部、及び、改質部は、互いに同軸上の筒状壁によってそれぞれ形成されているので、燃焼部、気化部、及び、改質部の構造を簡素化することができると共に、燃焼部、気化部、及び、改質部を小型化することができる。これにより、燃料電池モジュールをより低コスト化できる。

以上詳述したように、本発明の燃料電池モジュールによれば、起動時及び発電時における燃焼部での着火性及び燃焼安定性を確保できると共に、小型化及び低コスト化を実現できる。

燃料電池モジュールの縦断面図である。 燃料電池モジュールの要部拡大図である。 燃料電池モジュールの要部拡大図である。 燃料電池モジュールの要部拡大図である。 ガス混合部材、ガス整流部材、及び、ノズル部材の分解斜視図である。 ガス整流部材の断面を含む斜視図である。 ガス混合部材及びガス整流部材の分解斜視図である。 ガス混合部材の第一変形例を示す斜視図である。 ガス混合部材の第二変形例を示す斜視図である。 ガス混合部材の第三変形例を示す上方から見た斜視図である。 ガス混合部材の第三変形例を示す下方から見た斜視図である。 燃焼器ノズルの変形例を示す斜視図である。 燃焼部の第一変形例を示す要部拡大図である。 燃焼部の第二変形例を示す要部拡大図である。 燃焼部の第二変形例を示す要部拡大図である。

以下、本発明の一実施形態について説明する。

＜燃料電池モジュール＞
図１に示されるように、本実施形態に係る燃料電池モジュールＭは、燃料電池セルスタック１０と、容器２０と、断熱層１３０と、断熱材１４０とを備える。

＜燃料電池セルスタック＞
燃料電池セルスタック１０には、一例として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が適用されている。この燃料電池セルスタック１０は、一例として、鉛直方向に積層された複数の平板形のセル１２と、マニホールド１４と有している。各セル１２は、燃料極（アノード極）、電解質層、空気極（カソード極）を有する。

各セル１２の燃料極には、燃料ガスが供給され、各セル１２の空気極には、酸化剤ガスが供給される。各セル１２は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電すると共に、発電に伴い発熱する。

＜容器＞
容器２０は、同心状に配置された複数（九個）の管材２１〜２９により構成されている。この複数の管材２１〜２９は、いずれも横断面が真円形状である円筒状に形成され、伝熱性の高い金属で形成される。この複数の管材２１〜２９は、容器２０の内側から外側に順に配置されている。

一番目の管材２１は、燃料電池セルスタック１０の上方から容器２０の上端部に亘って設けられている。二番目の管材２２及び三番目の管材２３は、一番目の管材２１の上部に対応する長さで形成されており、二番目の管材２２は、一番目の管材２１の外側から管材２１の上部に接合されている。四番目の管材２４は、容器２０の高さ方向の中央部に設けられており、五番目の管材２５及び六番目の管材２６は、容器２０の下端部から上端部に亘って設けられている。七番目の管材２７、八番目の管材２８、及び、九番目の管材２９は、容器２０の高さ方向の中央部から上端部に亘って設けられている。

六番目の管材２６と七番目の管材２７とは、水平方向に延びる連結部３１を介して連結され、五番目の管材２５と八番目の管材２８とは、水平方向に延びる連結部３２を介して連結されている。また、九番目の管材２９の上端部は、水平方向に延びる連結部３３を介して三番目の管材２３の上端部に固定されている。

五番目の管材２５の下端部は、底壁部３４に接合されており、六番目の管材２６の下端部は、底壁部３５に接合されている。底壁部３４には、燃料電池セルスタック１０が載置されており、また、底壁部３４と底壁部３５とは、スペーサ３６により固定されている。

この複数の管材２１〜２９によって構成される容器２０は、機能別には、気化部４０と、改質部６０と、燃焼部９０と、予熱部１００（収容部）と、熱交換部１１０とを有する。

＜気化部＞
気化部４０は、四重の筒状壁４１〜４４によって構成されている。四重の筒状壁４１〜４４のうち最も内側に位置する筒状壁４１は、一番目の管材２１の上部と、二番目の管材２２とによって構成され、四重の筒状壁４１〜４４のうち内側から二番目の筒状壁４２は、三番目の管材２３によって構成されている。また、四重の筒状壁４１〜４４のうち内側から三番目の筒状壁４３は、五番目の管材２５の上部によって構成され、四重の筒状壁４１〜４４のうち最も外側の筒状壁４４は、六番目の管材２６の上部によって構成されている。

この四重の筒状壁４１〜４４によって構成された気化部４０は、後述する改質部６０の上方に改質部６０と同軸上に設けられている。図２に示されるように、この気化部４０を構成する四重の筒状壁４１〜４４は、互いの間に隙間を有しており、この四重の筒状壁４１〜４４の内側から外側には、断熱空間４５、気化流路４６、燃焼排ガス流路４７、及び、酸化剤ガス流路４８が順に形成されている。

つまり、一番目の筒状壁４１の内側の空間は、断熱空間４５として形成され、一番目の筒状壁４１と、二番目の筒状壁４２との間の隙間は、気化流路４６として形成されている。また、二番目の筒状壁４２と、三番目の筒状壁４３との間の隙間は、燃焼排ガス流路４７として形成され、三番目の筒状壁４３と、四番目の筒状壁４４との間の隙間は、酸化剤ガス流路４８として形成されている。図２において、断熱空間４５は、空洞とされているが、この断熱空間４５には、断熱材４９が充填されても良い。

気化流路４６の上端部には、容器２０の径方向外側に延びる原燃料供給管５０が接続されている。この気化流路４６には、原燃料供給管５０から供給された原燃料１６１が鉛直方向上側から下側に流れる。原燃料供給管５０から供給される原燃料１６１としては、例えば、都市ガス等の炭化水素系ガス又は炭化水素系液体である炭化水素系燃料に改質用の水が混合されたものが使用される。

この気化流路４６には、気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材５１が設けられており、この螺旋部材５１により、気化流路４６は、気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。

図３に示されるように、燃焼排ガス流路４７の下端部は、後述する改質部６０に形成された燃焼排ガス流路６６を介して燃焼部９０に形成された燃焼室９４（図４参照）と連通されている。この燃焼排ガス流路４７には、燃焼部９０から排出されると共に改質部６０の燃焼排ガス流路６６を通じて供給された燃焼排ガス１６６が鉛直方向下側から上側に流れる。

図２に示されるように、燃焼排ガス流路４７の上端部には、この燃焼排ガス流路４７の周方向に沿って環状に形成された整流板５２が設けられている。この整流板５２には、周方向に間隔を空けて複数のオリフィス５３が形成されている。この複数のオリフィス５３は、整流板５２の板厚方向に貫通している。なお、この整流板５２は、省かれても良い。

酸化剤ガス流路４８の上端部は、後述する熱交換部１１０に形成された酸化剤ガス流路１１７と連通されている。この酸化剤ガス流路４８には、熱交換部１１０の酸化剤ガス流路１１７から供給された酸化剤ガス１６４が鉛直方向上側から下側に流れる。

＜改質部＞
図１に示されるように、改質部６０は、上述の気化部４０の下方に気化部４０と同軸上に設けられており、四重の筒状壁６１〜６４によって構成されている。四重の筒状壁６１〜６４のうち最も内側に位置する筒状壁６１は、一番目の管材２１の下部によって構成され、四重の筒状壁６１〜６４のうち内側から二番目の筒状壁６２は、四番目の管材２４によって構成されている。また、四重の筒状壁６１〜６４のうち内側から三番目の筒状壁６３は、五番目の管材２５における高さ方向の中央部によって構成され、四重の筒状壁６１〜６４のうち最も外側の筒状壁６４は、六番目の管材２６における高さ方向の中央部によって構成されている。

図３に示されるように、この改質部６０を構成する四重の筒状壁６１〜６４は、互いの間に隙間を有している。そして、この四重の筒状壁６１〜６４の内側から外側には、断熱空間６５、燃焼排ガス流路６６、改質流路６７、及び、酸化剤ガス流路６８が順に形成されている。

つまり、一番目の筒状壁６１の内側の空間は、断熱空間６５として形成され、一番目の筒状壁６１と、二番目の筒状壁６２との間の隙間は、燃焼排ガス流路６６として形成されている。また、二番目の筒状壁６２と、三番目の筒状壁６３との間の隙間は、改質流路６７として形成され、三番目の筒状壁６３と、四番目の筒状壁６４との間の隙間は、酸化剤ガス流路６８として形成されている。

断熱空間６５は、上述の気化部４０の断熱空間４５と連通している。図３において、断熱空間６５は、空洞とされているが、この断熱空間６５には、断熱材６９が充填されても良い。燃焼排ガス流路６６の下端部は、後述する燃焼部９０に形成された燃焼室９４（図４参照）と連通されている。この燃焼排ガス流路６６には、後述する燃焼部９０から排出された燃焼排ガス１６６が鉛直方向下側から上側に流れる。

＜混合部及び分散部＞
改質部６０の上端部には、鉛直方向上側に延長された混合部８０が形成されている。この混合部８０は、気化部４０と改質部６０との間、すなわち、より具体的には、改質部６０の上側且つ気化部４０の下端部の径方向外側に位置する。気化部４０の下端部における周方向の一部からは、連結管８１が径方向外側に延びている。

連結管８１は、混合部８０における気化部４０との接続部を構成しており、この連結管８１の内側は、水平方向に貫通するオリフィス８２として形成されている。連結管８１（オリフィス８２）は、気化流路４６の径方向外側に位置しており、気化流路４６の下端部と連通する。混合部８０は、連結管８１（オリフィス８２）を一つのみ有する。この混合部８０には、オリフィス８２に対する改質流路６７側（径方向外側）に位置しオリフィス８２と対向する対向壁部８６が設けられている。

改質流路６７の入口（上端）は、混合部８０及び連結管８１を介して気化流路４６と連通されている。この改質流路６７には、気化流路４６から供給された原燃料ガス１６２が鉛直方向上側から下側に流れる。

この改質流路６７の入口には、改質流路６７の周方向に沿って環状に形成された仕切板８３が設けられている。この仕切板８３には、周方向に一定の間隔を空けて複数のオリフィス８４が形成されている。この複数のオリフィス８４は、仕切板８３の板厚方向（鉛直方向）に貫通しており、改質流路６７には、複数のオリフィス８４を通じて原燃料ガス１６２が流入する。この仕切板８３は、鉛直方向に間隔を空けて複数設けられていても良い。

改質流路６７の入口の径方向外側には、酸化剤ガス流路６８が位置している。改質流路６７には、原燃料ガス１６２から燃料ガス（改質ガス）を生成するための改質触媒層７０が改質流路６７の周方向及び軸方向の全長に亘って設けられている。改質触媒層７０には、例えば、活性金属としてニッケル、ルテニウム、白金、ロジウム等の金属を担持した粒状触媒又はハニカム触媒等が用いられる。

酸化剤ガス流路６８の上端部は、上述の気化部４０に形成された酸化剤ガス流路４８と連通されている。この酸化剤ガス流路６８には、気化部４０の酸化剤ガス流路４８から供給された酸化剤ガス１６４が鉛直方向上側から下側に流れる。

＜燃焼部＞
図１に示されるように、燃焼部９０は、上述の改質部６０の下方に設けられており、周壁部９１と、点火電極９２と、隔壁部９３とを有する。周壁部９１は、上述の改質部６０を構成する四重の筒状壁６１〜６４のうち最も内側の筒状壁６１を除く残りの筒状壁６２〜６４に一体に形成されている。

つまり、四重の筒状壁６１〜６４のうち最も内側の筒状壁６１を除く残りの筒状壁６２〜６４は、内側の筒状壁６１に対して下方に延びている。そして、この筒状部６２〜６４における下方に延びた延長部分は、燃焼部９０の周壁部９１として形成されている。図４に示されるように、この周壁部９１を構成する三重の筒状壁６２〜６４において、筒状壁６２と筒状壁６３との間には、改質部６０の改質流路６７が延長して形成されており、筒状壁６３と筒状壁６４との間には、改質部６０の酸化剤ガス流路６８が延長して形成されている。

この周壁部９１は、燃料電池セルスタック１０の上方に位置すると共に、後述する燃料電池セルスタック１０の周囲を囲う予熱部１００と同軸上に設けられている。この周壁部９１の内側は、燃焼室９４として形成されており、この燃焼室９４は、後述する予熱部１００の内側空間１０４と、上述の改質部６０の燃焼排ガス流路６６とに連通されている。

周壁部９１の内側には、テーパ部９５が設けられている。このテーパ部９５は、上述の改質部６０を構成する四重の筒状壁６１〜６４のうち最も内側の筒状壁６１の下端部に一体に形成されている。このテーパ部９５は、改質部６０の側から燃焼部９０の側に突出すると共に、燃焼部９０の側から改質部６０の側に向かうに従って拡径するテーパ状に形成されている、

点火電極９２は、テーパ部９５の先端部（下端部）から燃焼室９４内に突出されており、燃焼室９４の中心部に配置されている。この点火電極９２は、燃料電池セルスタック１０の上方に燃料電池セルスタック１０と離間して設けられている。また、この点火電極９２は、火炎電流検知用のフレームロッドを兼ねている。点火電極９２が火炎電流検知用のフレームロッドを兼ねる技術には、例えば、特公平７−１１７２４１号公報に記載の技術が適用される。

上述の気化部４０及び改質部６０を構成する一番目の管材２１の内側には、パイプ１５０が収容され、このパイプ１５０の内側には、点火電極９２と接続され碍子で絶縁された導電部１５１が挿入されている。図１に示されるように、パイプ１５０及び導電部１５１の上端部には、パイプ１５０と導電部１５１との間をシールするシール部材１４６が設けられている。シール部材１４６は、シール板１４７及びベース部材１４８を有する。シール板１４７及びベース部材１４８の間には、Ｏリングが配置される。

隔壁部９３は、周壁部９１の内周面に沿って環状に形成されており、点火電極９２と燃料電池セルスタック１０との間に位置する。この隔壁部９３には、ガス整流部材１７０、ノズル部材１８０、及び、ガス混合部材１９０が設けられている。

＜ガス整流部材、ノズル部材、及び、ガス混合部材＞

ガス整流部材１７０は、図５，図６に示されるように、円環板１７１と、オリフィス部材１７２と、パンチングメタル１７３とを有する。円環板１７１は、鉛直方向を板厚方向として配置されており、オリフィス部材１７２は、逆さ円錐台状に形成され、円環板１７１の下面に一体に設けられている。オリフィス部材１７２は、底壁部を構成する対向壁部１７４と、周壁部を構成するテーパ部１７５とを有する。対向壁部１７４の中央部には、鉛直方向に貫通する一つのオリフィス１７６が形成されている。

オリフィス１７６は、真円形状とされている。図４に示されるように、このオリフィス１７６には、燃料電池セルスタック１０から排出された燃料極排ガス及び空気極排ガスを含むスタック排ガス１６５が流入する。オリフィス１７６は、スタック排ガス１６５を混合させるためのものであり、スタック排ガス１６５の混合に適した内径で形成される。

円環板１７１は、鉛直方向上側から隔壁部９３に重ね合わされて接合されており、オリフィス部材１７２は、環状に形成された隔壁部９３の内側を通じて隔壁部９３よりも鉛直方向下側に突出している。対向壁部１７４は、燃料電池セルスタック１０の上面１０Ａと隙間を有して対向しており、この対向壁部１７４の周囲に形成されたテーパ部１７５は、燃料電池セルスタック１０の上面１０Ａから遠ざかるに従って拡径するテーパ状とされている。対向壁部１７４及びテーパ部１７５と燃料電池セルスタック１０の上面１０Ａとの間には、オリフィス１７６に向けてスタック排ガス１６５が流れる流路２００が形成されている。

パンチングメタル１７３は、「多孔部材」の一例である。図５，図６に示されるように、このパンチングメタル１７３は、円形平板状に形成されており、鉛直方向下側から円環板１７１の中央部に重ね合わされて接合され、この円環板１７１の内孔を塞いでいる。パンチングメタル１７３は、パンチング加工されることにより形成された多数の通過孔１７７を有している。

多数の通過孔１７７は、いずれも真円形状であり、略均一な大きさ及び間隔で形成されている。この多数の通過孔１７７は、円環板１７１の内側に配置されている。この多数の通過孔１７７の中心部と上述のオリフィス１７６とは、互いに同軸上に位置する。この多数の通過孔１７７は、後述する燃焼器ノズル１８２に形成された多数の噴出孔１８４とオリフィス１７６との間に位置しており、この多数の通過孔１７７には、オリフィス１７６にて混合されたスタック排ガス１６５（図４参照）が通過し整流される。

図５に示されるように、ノズル部材１８０は、ホルダ板１８１と、燃焼器ノズル１８２とを有する。ホルダ板１８１は、鉛直方向を板厚方向として配置されている。このホルダ板１８１の中央部には、鉛直方向上側に延びる円筒部１８３が形成されており、この円筒部１８３の上端部には、燃焼器ノズル１８２が取り付けられている。

燃焼器ノズル１８２は、例えば、メタルニット（金属織布）で構成されており、鉛直方向上側に膨出するドーム状に形成されている。メタルニットを構成する複数の線材間の隙間は、それぞれ噴出孔１８４として形成されており、燃焼器ノズル１８２は、多数の噴出孔１８４を有する。この多数の噴出孔１８４は、略均一な大きさ及び間隔で形成されている。上述のオリフィス１７６の開口面積は、多数の噴出孔１８４の合計開口面積よりも小さい値に設定されている。

図４に示されるように、ノズル部材１８０のホルダ板１８１は、鉛直方向上側からガス整流部材１７０の円環板１７１に重ね合わされて接合されており、この円環板１７１を介して隔壁部９３に固定されている。ノズル部材１８０が円環板１７１を介して隔壁部９３に固定された状態において、燃焼器ノズル１８２は、オリフィス部材１７２と反対側に膨出する。

この燃焼器ノズル１８２及び円筒部１８３は、多数の通過孔１７７の中心部、及び、オリフィス１７６と同軸上に配置されている。燃焼器ノズル１８２を保持する円筒部１８３の内径は、パンチングメタル１７３が設けられた円環板１７１の内径と略等しくなっている。また、多数の噴出孔１８４における出口側（上側）には、上述の点火電極９２が設けられている。この点火電極９２及びオリフィス１７６は、多数の噴出孔１８４の中心部と同軸上に設けられている。

パンチングメタル１７３に形成された多数の通過孔１７７を通過したスタック排ガス１６５は、燃焼器ノズル１８２の多数の噴出孔１８４に流入し、この多数の噴出孔１８４から噴出される。この多数の噴出孔１８４から噴出されたスタック排ガス１６５は、点火電極９２とパイプ１５０等との間に形成されるスパークによって点火される。

燃焼器ノズル１８２は、多数の噴出孔１８４から噴出されたスタック排ガス１６５の燃焼により生じた火炎を保持する機能を有している。スタック排ガス１６５の燃焼により燃焼室９４にて発生した燃焼排ガス１６６は、上方（燃料電池セルスタック１０と反対側）に排出され、テーパ部９５に沿って改質部６０の燃焼排ガス流路６６に流入する。

ガス混合部材１９０は、図５，図７に示されるように、円環状のベース板１９１と、複数の旋回誘導板１９２を有する。ベース板１９１は、鉛直方向を板厚方向として配置されている。図４に示されるように、ベース板１９１は、鉛直方向下側から隔壁部９３に重ね合わされて接合されている。ガス混合部材１９０が隔壁部９３に固定された状態において、円環状に形成されたベース板１９１の内側には、オリフィス部材１７２が挿入されている。

複数の旋回誘導板１９２は、それぞれ湾曲して形成されており、オリフィス１７６の入口の周囲に設けられている。この複数の旋回誘導板１９２は、オリフィス１７６を中心に渦巻き放射状に配置されている。つまり、複数の旋回誘導板１９２は、オリフィス１７６の周方向に並ぶと共に、オリフィス１７６の径方向に対してそれぞれ傾斜して設けられている。この複数の旋回誘導板１９２は、燃料電池セルスタック１０から排出されたスタック排ガス１６５（燃料極排ガス及び空気極排ガス）をオリフィス１７６に誘導する役割を有している。

＜予熱部＞
図１に示されるように、予熱部１００（収容部）は、上述の燃焼部９０の下方に設けられており、二重の筒状壁１０１，１０２によって構成されている。二重の筒状壁１０１，１０２のうち内側の筒状壁１０１は、五番目の管材２５の下部によって構成され、二重の筒状壁１０１，１０２のうち外側の筒状壁１０２は、六番目の管材２６の下部によって構成されている。

この予熱部１００は、燃料電池セルスタック１０の周囲に設けられており、燃料電池セルスタック１０を収容している。予熱部１００の内側には、内側空間１０４が形成されており、予熱部１００を構成する二重の筒状壁１０１，１０２の間には、予熱流路１０５が形成されている。

図４に示されるように、この予熱流路１０５には、予熱部１００の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材１０６が設けられており、この螺旋部材１０６により、予熱流路１０５は、予熱部１００の軸方向回りに螺旋状に形成されている。

この予熱流路１０５の上端部は、上述の改質部６０の酸化剤ガス流路６８と連通され、予熱流路１０５の下端部は、図１に示される底壁部３４と底壁部３５との間に形成された導入路３７を通じて燃料電池セルスタック１０の酸化剤ガス取入口１５と連通されている。

また、予熱部１００の内側には、上述の改質流路６７と、燃料電池セルスタック１０の燃料ガス取入口１６（図１参照）とを接続する燃料ガス配管１０７が設けられている。図４に示されるように、上述の隔壁部９３の外周部には、水平方向に延在する仕切板９７が一体に形成されており、この仕切板９７には、鉛直方向に貫通するオリフィス９８が仕切板９７の周方向に間隔を空けて複数形成されている。改質流路６７と燃料ガス配管１０７の内側とは、オリフィス９８を通じて連通されている。

＜熱交換部＞
図１に示されるように、熱交換部１１０は、上述の気化部４０及び改質部６０の周囲に設けられており、三重の筒状壁１１１〜１１３によって構成されている。三重の筒状壁１１１〜１１３における内側の筒状壁１１１は、七番目の管材２７によって構成され、三重の筒状壁１１１〜１１３における中央の筒状壁１１２は、八番目の管材２８によって構成され、三重の筒状壁１１１〜１１３における外側の筒状壁１１３は、九番目の管材２９によって構成されている。

図２に示されるように、この熱交換部１１０を構成する三重の筒状壁１１１〜１１３は、互いの間に隙間を有している。そして、内側の筒状壁１１１と中央の筒状壁１１２との間には、酸化剤ガス流路１１７が形成され、外側の筒状壁１１３と中央の筒状壁１１２との間には、燃焼排ガス流路１１８が形成されている。

酸化剤ガス流路１１７には、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材１２０が設けられており、この螺旋部材１２０により、酸化剤ガス流路１１７は、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。同様に、燃焼排ガス流路１１８には、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材１２１が設けられており、この螺旋部材１２１により、燃焼排ガス流路１１８は、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。

酸化剤ガス流路１１７の下端部には、容器２０の径方向外側に延びる酸化剤ガス供給管１２２（図１参照）が接続されている。連結部３１と連結部３２との間の隙間は、容器２０の径方向に延びる連結流路３８として形成されており、酸化剤ガス流路１１７の上端部は、連結流路３８を介して上述の気化部４０に形成された酸化剤ガス流路４８と連通されている。この酸化剤ガス流路１１７には、酸化剤ガス供給管１２２（図１参照）から供給された酸化剤ガス１６４が鉛直方向下側から上側に流れる。

また、連結部３２と連結部３３との間の隙間は、容器２０の径方向に延びる連結流路３９として形成されており、燃焼排ガス流路１１８の上端部は、連結流路３９を介して上述の気化部４０に形成された燃焼排ガス流路４７と連通されている。この燃焼排ガス流路１１８の下端部には、容器２０の径方向外側に延びるガス排出管１２３（図１参照）が接続されており、燃焼排ガス流路１１８には、気化部４０の燃焼排ガス流路４７から供給された燃焼排ガス１６６が鉛直方向上側から下側に流れる。

＜断熱層及び断熱材＞
図１に示されるように、気化部４０及び改質部６０と、熱交換部１１０とは、容器２０の径方向に離間しており、この気化部４０及び改質部６０と熱交換部１１０との間（つまり、熱交換部１１０を構成する三重の筒状壁１１１〜１１３の内側に形成された断熱空間１１５）には、円筒状の断熱層１３０が充填されている。

断熱材１４０は、円筒状の本体部１４１と、円盤状の上部１４２及び下部１４３とを有し、容器２０を覆っている。つまり、本体部１４１は、容器２０の周囲に設けられており、容器２０を外側から覆っている。上部１４２は、本体部１４１を鉛直方向上側から覆うと共に、容器２０の上部の周囲に設けられている。上部１４２は、鉛直方向上側から固定部材１４４により固定されている。下部１４３は、容器２０及び本体部１４１を鉛直方向下側から覆っている。この断熱材１４０の表面は、被覆シート１４５によって覆われている。

次に、本実施形態に係る燃料電池モジュールＭの動作について説明する。

図２に示される原燃料供給管５０を通じて気化流路４６に原燃料１６１（炭化水素系燃料に改質用の水が混合されたもの）が供給されると、この原燃料１６１は、螺旋状に形成された気化流路４６を鉛直方向上側から下側へ流れる。このとき、気化部４０では、燃焼部９０（図４参照）から排出された燃焼排ガス１６６が燃焼排ガス流路４７を鉛直方向下側から上側に流れる。気化流路４６に隣接する燃焼排ガス流路４７に燃焼排ガス１６６が流れると、気化流路４６を流れる原燃料１６１と燃焼排ガス１６６との間で熱交換される（燃焼排ガス１６６から原燃料１６１に気化熱が与えられる）。そして、気化流路４６では、原燃料１６１が気化されて原燃料ガス１６２（図３参照）が生成される。

図３に示されるように、気化流路４６で気化された原燃料ガス１６２は、連結管８１の内側に形成されたオリフィス８２を通り、改質部６０の上方に形成された混合部８０の内側空間８５に流入する。このとき、気化流路４６で気化された原燃料ガス１６２は、連結管８１の内側のオリフィス８２を通過する際に流速が高められて噴流となり、混合部８０における径方向外側の対向壁部８６に衝突する。そして、原燃料ガス１６２が対向壁部８６に衝突することにより乱流が生じ、原燃料ガス１６２に含まれる炭化水素系ガス及び水蒸気が混合される。

このようにして混合された原燃料ガス１６２は、対向壁部８６に衝突することにより径方向外側から鉛直方向下側に向きを変え、改質流路６７の入口に形成された複数のオリフィス８４を通じて改質流路６７に流入する。複数のオリフィス８４は、改質流路６７の周方向に一定の間隔を空けて並んでいるので、この複数のオリフィス８４を通過することで、改質流路６７には、原燃料ガス１６２が周方向に分散して流入する。

また、このとき、改質部６０では、燃焼部９０（図４参照）から排出された燃焼排ガス１６６が燃焼排ガス流路６６を鉛直方向下側から上側に流れる。改質流路６７に隣接する燃焼排ガス流路６６に燃焼排ガス１６６が流れると、改質流路６７を流れる原燃料ガス１６２と燃焼排ガス１６６との間で熱交換される。そして、改質流路６７では、燃焼排ガス１６６の熱を利用して改質触媒層７０により原燃料ガス１６２から燃料ガス１６３（改質ガス）が生成される。

改質流路６７にて生成された燃料ガス１６３は、図４に示されるように、仕切板９７に形成されたオリフィス９８を通過し、燃料ガス配管１０７の内側に流入する。そして、この燃料ガス１６３は、燃料ガス配管１０７を通じて燃料電池セルスタック１０の燃料ガス取入口１６（図１参照）に供給される。

一方、このとき、図２に示される熱交換部１１０では、酸化剤ガス供給管１２２（図１参照）を通じて酸化剤ガス流路１１７に酸化剤ガス１６４が供給される。この酸化剤ガス１６４は、螺旋状に形成された酸化剤ガス流路１１７を鉛直方向下側から上側に流れる。このとき、熱交換部１１０では、燃焼部９０（図４参照）から排出された燃焼排ガス１６６が燃焼排ガス流路１１８を鉛直方向上側から下側に流れる。この燃焼排ガス１６６は、図１に示されるガス排出管１２３を通じて燃料電池モジュールＭの外部に排出される。

図２に示されるように、酸化剤ガス流路１１７に隣接する燃焼排ガス流路１１８に燃焼排ガス１６６が流れると、酸化剤ガス流路１１７を流れる酸化剤ガス１６４と燃焼排ガス１６６との間で熱交換される。そして、燃料電池モジュールＭの外部へ排出される燃焼排ガス１６６の温度が低下され、燃料電池モジュールＭの外部への放熱が抑制される。一方、酸化剤ガス１６４は、燃焼排ガス１６６の熱を吸収し、予熱される。この熱交換部１１０にて予熱された酸化剤ガス１６４は、連結流路３８を通じて気化部４０の酸化剤ガス流路４８に流入し、その後、気化部４０の酸化剤ガス流路４８及び改質部６０の酸化剤ガス流路６８（図３参照）を鉛直方向上側から下側に流れる。

図３に示される気化部４０では、上述の通り、燃焼部９０（図４参照）から排出された燃焼排ガス１６６が燃焼排ガス流路４７を鉛直方向下側から上側に流れる。酸化剤ガス流路４８に隣接する燃焼排ガス流路４７に燃焼排ガス１６６が流れると、酸化剤ガス流路４８を流れる酸化剤ガス１６４と燃焼排ガス１６６との間で熱交換され、酸化剤ガス１６４がさらに予熱される。

同様に、改質部６０では、燃焼部９０（図４参照）から排出された燃焼排ガス１６６が燃焼排ガス流路６６を鉛直方向下側から上側に流れる。改質流路６７を挟んだ酸化剤ガス流路６８と反対側の燃焼排ガス流路６６に燃焼排ガス１６６が流れると、酸化剤ガス流路６８を流れる酸化剤ガス１６４と燃焼排ガス１６６とが改質流路６７（改質触媒層７０）を介して熱交換し、このことによっても、酸化剤ガス１６４が予熱される。

このように酸化剤ガス流路４８，６８を流れることで予熱された酸化剤ガス１６４は、図４に示される予熱流路１０５に流入し、この螺旋状に形成された予熱流路１０５を鉛直方向上側から下側に流れる。この予熱流路１０５を流れる酸化剤ガス１６４は、燃料電池セルスタック１０の熱によってさらに予熱される。そして、この予熱流路１０５にて予熱された酸化剤ガス１６４は、燃料電池セルスタック１０の酸化剤ガス取入口１５（図１参照）に供給される。

以上のようにして、図１に示される燃料電池セルスタック１０の燃料ガス取入口１６に燃料ガスが供給されると共に、燃料電池セルスタック１０の酸化剤ガス取入口１５に酸化剤ガスが供給されると、燃料電池セルスタック１０では、各セル１２において、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する。また、各セル１２は、発電に伴い発熱する。

図４に示されるように、燃料電池セルスタック１０の発電時に、燃料電池セルスタック１０からは、燃料極排ガス及び空気極排ガスを含むスタック排ガス１６５が排出される。このスタック排ガス１６５は、複数の旋回誘導板１９２によってオリフィス１７６に誘導される。そして、スタック排ガス１６５は、オリフィス１７６に流入し混合される。

オリフィス１７６にて混合されたスタック排ガス１６５は、パンチングメタル１７３に形成された多数の通過孔１７７を通過することで整流され、多数の通過孔１７７を通過した後、燃焼器ノズル１８２に形成された多数の噴出孔１８４に流入し、この多数の噴出孔１８４から噴出される。この多数の噴出孔１８４から噴出されたスタック排ガス１６５には、燃料電池セルスタック１０にて発電に供されなかった燃料ガス（改質ガス）及び酸化剤ガスが含まれており、この多数の噴出孔１８４から噴出されたスタック排ガス１６５は、点火電極９２とパイプ１５０等との間に形成されるスパークによって点火され、燃焼により生じた火炎が燃焼器ノズル１８２上で保持される。

点火電極９２、燃焼器ノズル１８２、及び、パンチングメタル１７３は、燃料電池セルスタック１０と鉛直方向に離間しているため、スタック排ガス１６５は、燃料電池セルスタック１０から離れた位置で燃焼される。

そして、このようにして燃焼室９４においてスタック排ガス１６５が燃焼されると、燃焼室９４にて燃焼排ガス１６６が発生する。この燃焼室９４にて発生した燃焼排ガス１６６は、上方（燃料電池セルスタック１０と反対側）に排出され、テーパ部９５に沿って改質部６０の燃焼排ガス流路６６に流入する。また、この燃焼部９０から排出され改質部６０の燃焼排ガス流路６６に流入した燃焼排ガス１６６は、上述の通り、改質部６０の燃焼排ガス流路６６、気化部４０の燃焼排ガス流路４７（図３参照）、連結流路３９及び熱交換部１１０の燃焼排ガス流路１１８（図２参照）を流れた後、図１に示されるガス排出管１２３を通じて燃料電池モジュールＭの外部に排出される。

なお、以上の説明は燃料電池モジュールＭの発電時の動作であり、燃料電池モジュールＭの起動時には、改質部６０にて未反応の原燃料ガス及び酸化剤ガスが燃料電池セルスタック１０に供給される。このため、燃料電池セルスタック１０にて発電がされず、改質部６０にて未反応の原燃料ガス及び酸化剤ガスは、そのまま燃料電池セルスタック１０を通過する。

この燃料電池セルスタック１０を通過したスタック排ガス１６５（図４参照）は、上述の発電時の場合と同様に、複数の旋回誘導板１９２によってオリフィス１７６に誘導されると共に、オリフィス１７６に流入し、混合される。また、オリフィス１７６にて混合されたスタック排ガス１６５は、パンチングメタル１７３に形成された多数の通過孔１７７を通過することで整流され、多数の通過孔１７７を通過した後、燃焼器ノズル１８２に形成された多数の噴出孔１８４に流入し、この多数の噴出孔１８４から噴出される。

この多数の噴出孔１８４から噴出されたスタック排ガス１６５には、上述の通り改質部６０にて未反応の原燃料ガス及び酸化剤ガスが含まれており、この多数の噴出孔１８４から噴出されたスタック排ガス１６５は、点火電極９２とパイプ１５０等との間に形成されるスパークによって点火される。

また、この多数の噴出孔１８４から噴出されたスタック排ガス１６５の燃焼により生じた火炎は、燃焼器ノズル１８２上で保持される。

そして、起動時においても、燃焼室９４でスタック排ガス１６５が燃焼されると、燃焼室９４にて燃焼排ガス１６６が発生し、この燃焼排ガス１６６は、上方（燃料電池セルスタック１０と反対側）に排出された後、テーパ部９５に沿って改質部６０の燃焼排ガス流路６６に流入し、その後、図１に示されるガス排出管１２３を通じて燃料電池モジュールＭの外部に排出される。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。

以上詳述したように、本実施形態に係る燃料電池モジュールＭでは、起動時及び発電時において、スタック排ガス１６５（図４参照）は、単一の燃焼部９０で燃焼される。ここで、この単一の燃焼部９０には、一つのオリフィス１７６を有するオリフィス部材１７２と、多数の噴出孔１８４を有する燃焼器ノズル１８２とが設けられている。

そして、一つのオリフィス１７６には、起動時及び発電時において燃料電池セルスタック１０から排出されたスタック排ガス１６５が流入する。これにより、起動時と発電時とでスタック排ガス１６５の組成が異なっていても、均一に混合されたスタック排ガス１６５を燃焼器ノズル１８２に供給することができる。

また、多数の噴出孔１８４には、オリフィス１７６にて混合されたスタック排ガス１６５が流入し、この多数の噴出孔１８４からは、均一に混合されたスタック排ガス１６５が噴出される。そして、この多数の噴出孔１８４から噴出されたスタック排ガス１６５は、安定して燃焼され、この燃焼により生じた火炎は、燃焼器ノズル１８２で保持される。

以上より、起動時においては、未反応の原燃料ガスを安定して着火できると共に吹き消えを抑制して未反応の原燃料ガスを安定して燃焼させることができる。また、発電時においても、燃料ガス（改質ガス）を安定して着火及び燃焼させることができる。つまり、起動時と発電時とでスタック排ガス１６５の組成が異なっていても、この組成の異なる二種類のスタック排ガス１６５を安定して着火し燃焼させることができる。これにより、起動時及び発電時における燃焼部９０での着火性及び燃焼安定性を確保することができる。

また、上述のように単一の燃焼部９０を用いることにより、燃焼部９０へのスタック排ガス１６５の供給経路が一系統で済むので、燃焼部９０及びその周辺の構造を簡素化でき、小型化及び低コスト化を実現することができる。

また、オリフィス１７６の開口面積は、多数の噴出孔１８４の合計開口面積よりも小さいので、オリフィス１７６を通じて燃焼器ノズル１８２側へ流れるスタック排ガス１６５に対してオリフィス１７６で圧力損失を生じさせることができると共に、スタック排ガス１６５の流速を高めることができる。これにより、スタック排ガス１６５をより効果的に混合させることができる。

また、多数の噴出孔１８４は、略均一な大きさ及び間隔で形成されているので、この多数の噴出孔１８４により多数の再循環流を均一に形成することができる。これにより、スタック排ガス１６５の燃焼により生じた火炎をより安定して燃焼器ノズル１８２で保持することができる。

また、オリフィス１７６と多数の噴出孔１８４との間には、パンチングメタル１７３に形成された多数の通過孔１７７が位置するので、この多数の通過孔１７７にスタック排ガス１６５を通すことで、オリフィス１７６と多数の噴出孔１８４との間で、スタック排ガス１６５を効果的に整流させることができる。

また、燃焼器ノズル１８２は、オリフィス部材１７２と反対側に膨出するドーム状に形成されているので、燃焼器ノズル１８２上に形成される火炎の放射角を広げることができる。これにより、スタック排ガス１６５をより効率的に燃焼させることができる。また、火炎の放射角が広がることで、燃焼室９４と改質流路６７との隔壁である筒状壁６２の延長下部まで火炎が届き、改質触媒層７０への熱伝達が促進される。この結果、改質流路６７の出口部の温度を効果的に昇温でき、改質転化率を向上させることができる。

また、オリフィス１７６の入口の周囲には、オリフィス１７６を中心に渦巻き放射状に配置された複数の旋回誘導板１９２が設けられているので、この複数の旋回誘導板１９２によりスタック排ガス１６５をオリフィス１７６に誘導することができる。これにより、スタック排ガス１６５の混合を促進することができる。そして、スタック排ガス１６５に渦流を作り出すことにより、スタック排ガス１６５の混合を促進することができる。また、旋回流によりスタック排ガス１６５に遠心力が働き、多数の噴出孔１８４から噴出されたスタック排ガス１６５を外周側つまり燃焼室９４と改質流路６７との隔壁である筒状壁６２の延長下部方向に押しやる効果があり、改質触媒層７０への熱伝達が促進される。この結果、改質流路６７の出口部の温度を効果的に昇温でき、改質転化率を向上させることができる。

さらに、燃焼室９４には、テーパ部９５が設けられており、このテーパ部９５によって燃焼排ガス１６６を燃焼室９４と改質流路６７との隔壁である筒状壁６２に触れさせることができる。従って、このことによっても、改質触媒層７０への熱伝達が促進され、改質転化率を向上させることができる。

また、オリフィス１７６は、多数の噴出孔１８４の中心部と同軸上に設けられているので、オリフィス１７６を通過したスタック排ガス１６５を多数の噴出孔１８４にバランス良く供給することができる。また、点火電極９２も、多数の噴出孔１８４の中心部と同軸上に設けられているので、多数の噴出孔１８４から噴出されたスタック排ガス１６５をバランス良く着火することができる。以上より、多数の噴出孔１８４から噴出されたスタック排ガス１６５をより一層安定して燃焼させることができる。

また、点火電極９２は、火炎電流検知用のフレームロッドを兼ねるので、例えば、点火電極９２とは別に火炎電流検知用のフレームロッドが設けられる場合に比して、点火電極９２の周辺部における構造を簡素化することができる。

また、オリフィス部材１７２は、オリフィス１７６が形成された対向壁部１７４の周囲に、燃料電池セルスタック１０の上面１０Ａから遠ざかるに従って拡径するテーパ部１７５を有する。従って、オリフィス１７６に向けてスタック排ガス１６５が流れる流路２００の一部に、テーパ部１７５によってテーパ部１７５の径方向外側から内側（オリフィス１７６側）に向けて徐々に狭まるテーパ状の流路が形成される。

これにより、対向壁部１７４及びテーパ部１７５と燃料電池セルスタック１０の上面１０Ａとの間の流路２００をオリフィス１７６に向けてスタック排ガス１６５が流れるときには、このテーパ部１７５によって形成されたテーパ状の流路により、スタック排ガス１６５に対して圧力損失を生じさせることができると共に、スタック排ガス１６５の流速を高めることができる。この結果、スタック排ガス１６５をより効果的に混合させることができる。

また、燃焼部９０、気化部４０、及び、改質部６０は、互いに同軸上の筒状壁によってそれぞれ形成されているので、燃焼部９０、気化部４０、及び、改質部６０の構造を簡素化することができると共に、燃焼部９０、気化部４０、及び、改質部６０を小型化することができる。これにより、燃料電池モジュールＭをより低コスト化できる。

次に、本実施形態の変形例について説明する。

上記実施形態において、複数の旋回誘導板１９２は、それぞれ湾曲して形成されているが、図８に示されるように、複数の旋回誘導板１９２は、それぞれ直線状に形成されていても良い。そして、この直線状に形成された複数の旋回誘導板１９２が、オリフィス１７６を中心に渦巻き放射状に配置されても良い。

また、図９に示されるように、ガス混合部材１９０の下面には、オリフィス１７６の入口の周囲に位置するように、複数の乱流突起１９３が突出して設けられていても良い。複数の乱流突起１９３は、図９に示されるように、それぞれ平板状に形成されていても良く、また、図１０，図１１に示されるように、例えばプレス加工により円錐状に形成されていても良い。

このように、オリフィス１７６の入口の周囲に複数の乱流突起１９３が設けられていると、この複数の乱流突起１９３によりスタック排ガス１６５（図４参照）に乱流を生じさせることができる。これにより、スタック排ガス１６５の混合を促進することができる。また、複数の乱流突起１９３がプレス加工により形成されると、部品点数を削減できるので、低コスト化できる。

また、上述の複数の旋回誘導板１９２は、単一の形状で形成されているが、異なる複数種類の形状で形成されていても良い。同様に、複数の乱流突起１９３も、異なる複数種類の形状で形成されていても良い。また、複数の旋回誘導板１９２は、渦巻き放射状に配置されることでオリフィス１７６に流入するスタック排ガス１６５を旋回させることができれば、どのような形状でも良く、複数の乱流突起１９３も、オリフィス１７６に流入するスタック排ガス１６５に乱流を生じさせ得る形状であれば、どのような形状でも良い。

また、上記実施形態において、燃焼器ノズル１８２は、ドーム状に形成されているが、図１２に示されるように、平面状に形成されていても良い。このように、燃焼器ノズル１８２が平面状に形成されていると、燃焼器ノズル１８２を有する燃焼部９０（図４参照）を鉛直方向に小型化することができ、ひいては、燃料電池モジュールＭを高さ方向に小型化することができる。

また、上記実施形態において、燃焼部９０には、ガス整流部材１７０、ノズル部材１８０、及び、ガス混合部材１９０が設けられているが、図１３に示されるように、燃焼部９０からノズル部材１８０（図４参照）が省かれても良い。そして、オリフィス１７６と対向するパンチングメタル１７３が「燃焼器ノズル」として用いられても良い。また、この場合に、パンチングメタル１７３に形成された多数の通過孔１７７がスタック排ガス１６５を噴出する噴出孔として用いられても良い。

このように、オリフィス１７６と対向するパンチングメタル１７３が「燃焼器ノズル」として構成されていると、スタック排ガス１６５の混合、整流、燃焼を効率的に行うことができる。また、パンチングメタル１７３を燃焼器ノズルとして用いるので、パンチングメタル１７３の他に専用の燃焼器ノズルを用いる場合に比して、燃焼部９０の構造を簡素化することができると共に、燃焼部９０を小型化することができる。また、点火電極９２をパンチングメタル１７３に近づけて配置することができるので、燃料電池モジュールＭを高さ方向に小型化することができる。

また、上記実施形態では、「多孔部材」の一例として、パンチングメタル１７３が用いられているが、このパンチングメタル１７３の代わりに、メタルニット（金属織布）、メタルファイバー（金属不織布）、多孔質金属焼結体、多孔質セラミック焼結体、セラミックプレート、金属網等が用いられても良い。

また、上記実施形態では、燃焼器ノズル１８２の一例としてメタルニットが用いられているが、このメタルニットの代わりに、パンチングメタル、メタルファイバー（金属不織布）、多孔質金属焼結体、多孔質セラミック焼結体、セラミックプレート、金属網等が用いられても良い。

また、上記実施形態において、パンチングメタル１７３、オリフィス部材１７２、燃焼器ノズル１８２、及び、複数の旋回誘導板１９２は、隔壁部９３とは別に設けられた部材（円環板１７１、ホルダ板１８１、ベース板１９１）を取付部材として利用して隔壁部９３に固定されている。しかしながら、図１４に示されるように、隔壁部９３に円筒部１８３が形成され、この円筒部１８３の下側の開口部にパンチングメタル１７３及びオリフィス部材１７２が直接固定され、円筒部１８３の上側の開口部に燃焼器ノズル１８２が固定されても良い。また、隔壁部９３の下面に複数の旋回誘導板１９２が直接固定されても良い。

このように、パンチングメタル１７３、オリフィス部材１７２、燃焼器ノズル１８２、及び、複数の旋回誘導板１９２が、隔壁部９３に直接固定されていると、部材点数を削減して燃焼部９０の構造を簡素化することができると共に、燃焼部９０を小型化することができる。

また、図１４に示される変形例において、燃焼部９０には、円筒部１８３、燃焼器ノズル１８２、及び、複数の旋回誘導板１９２が設けられているが、図１５に示されるように、燃焼部９０からは、円筒部１８３、燃焼器ノズル１８２、及び、複数の旋回誘導板１９２（図１４参照）が省かれても良い。また、この図１５に示されるように、隔壁部９３がオリフィス１７６を有する「オリフィス部材」として形成されると共に、このオリフィス１７６と対向するパンチングメタル１７３が「燃焼器ノズル」として用いられても良い。

このように構成されていると、燃焼部９０の構造をより簡素化することができる。また、パンチングメタル１７３を隔壁部９３に溶接するだけで済み、オリフィス１７６を有する隔壁部９３はプレス加工で形成することができるので、低コスト化できる。

また、上記実施形態において、燃焼部９０の周壁部９１、予熱部１００、改質部６０、気化部４０、及び、熱交換部１１０等を構成する複数の筒状壁は、いずれも横断面が真円形状である円筒状に形成されている。しかしながら、これらの筒状壁は、いずれも横断面が楕円形状である楕円筒状に形成されていても良い。

また、予熱部１００、燃焼部９０の周壁部９１、改質部６０、気化部４０、及び、熱交換部１１０等を構成する複数の筒状壁は、円筒状に形成されたものと、楕円筒状に形成されたものの両方を含んでいても良い。

また、上記実施形態において、気化部４０は、四重の筒状壁４１〜４４の内側から外側に順に、断熱空間４５、気化流路４６、燃焼排ガス流路４７、及び、酸化剤ガス流路４８を有するが、四重の筒状壁４１〜４４の内側から外側に順に、断熱空間４５、燃焼排ガス流路４７、気化流路４６、及び、酸化剤ガス流路４８を有しても良い。

また、熱交換部１１０は、内側の筒状壁１１１と中央の筒状壁１１２との間に酸化剤ガス流路１１７を有し、外側の筒状壁１１３と中央の筒状壁１１２との間に燃焼排ガス流路１１８を有する。しかしながら、熱交換部１１０は、内側の筒状壁１１１と中央の筒状壁１１２との間に燃焼排ガス流路１１８を有し、外側の筒状壁１１３と中央の筒状壁１１２との間に酸化剤ガス流路１１７を有するように構造が変更されても良い。

また、酸化剤ガス１６４が流れる酸化剤ガス流路は、熱交換部１１０、気化部４０、及び、改質部６０に亘って形成されている。しかしながら、熱交換部１１０、気化部４０、及び、改質部６０から酸化剤ガス流路が省かれても良い。また、この場合に、気化部４０及び改質部６０は、三重の筒状壁によってそれぞれ構成されても良く、また、酸化剤ガス供給管１２２は、予熱流路１０５の上端部に接続されても良い。

また、燃料電池モジュールＭは、熱交換部１１０を備えるが、この熱交換部１１０は、省かれても良い。

また、予熱部１００は、二重の筒状壁１０１，１０２によって構成されているが、三重の筒状壁によって構成されても良い。また、この場合に、予熱部１００を構成する三重の筒状壁の間には、酸化剤ガスが流れる予熱流路１０５と、改質流路６７と連通し燃料ガスが流れる燃料ガス流路とが形成されても良い。

また、燃料電池セルスタック１０には、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が適用されているが、その他の形式の燃料電池が適用されても良い。また、燃料電池セルスタック１０のセルの形状も、平板形、円筒形、円筒平板形など、どのような形状でも良い。

また、上記実施形態では、原燃料に含まれる炭化水素系燃料として、都市ガスが用いられているが、都市ガスの代わりにメタンガスなど水素を主成分とするガスが用いられても良い。また、炭化水素系燃料は、炭化水素系液体でも良い。

また、上記複数の変形例のうち組み合わせ可能な変形例は、適宜、組み合わされて実施されても良い。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

Ｍ…燃料電池モジュール、１０…燃料電池セルスタック、１０Ａ…上面、４０…気化部、４１〜４４…筒状壁、４５…断熱空間、４６…気化流路、４７…燃焼排ガス流路、４８…酸化剤ガス流路、５０…原燃料供給管、６０…改質部、６１〜６４…筒状壁、６５…断熱空間、６６…燃焼排ガス流路、６７…改質流路、６８…酸化剤ガス流路、７０…改質触媒層、９０…燃焼部、９１…周壁部、９２…点火電極、９３…隔壁部、９４…燃焼室、１００…予熱部、１０１，１０２…筒状壁、１０５…予熱流路、１０７…燃料ガス配管、１１０…熱交換部、１１１〜１１３…筒状壁、１１５…断熱空間、１１７…酸化剤ガス流路、１１８…燃焼排ガス流路、１２２…酸化剤ガス供給管、１２３…ガス排出管、１５０…パイプ、１６１…原燃料、１６２…原燃料ガス、１６３…燃料ガス（改質ガス）、１６４…酸化剤ガス、１６５…スタック排ガス、１６６…燃焼排ガス、１７０…ガス整流部材、１７２…オリフィス部材、１７３…パンチングメタル（多孔部材）、１７４…対向壁部、１７５…テーパ部、１７６…オリフィス、１７７…通過孔、１８０…ノズル部材、１８２…燃焼器ノズル、１８４…噴出孔、１９０…ガス混合部材、１９２…旋回誘導板、１９３…乱流突起

Claims (12)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルスタックと、
   原燃料ガスを改質し前記燃料ガスとしての改質ガスを生成する改質部と、
   前記燃料電池セルスタックの起動時には前記改質部にて未反応の前記原燃料ガス及び前記酸化剤ガスを含み前記燃料電池セルスタックを通過したスタック排ガスを燃焼し、前記燃料電池セルスタックの発電時には前記燃料電池セルスタックにて発電に供されなかった前記改質ガス及び前記酸化剤ガスを含むスタック排ガスを燃焼する燃焼部と、
   前記燃焼部に設けられ、前記燃料電池セルスタックから排出された前記スタック排ガスが流入し混合される一つのオリフィスを有するオリフィス部材と、
   前記燃焼部に設けられ、前記オリフィスにて混合された前記スタック排ガスが流入する多数の噴出孔を有すると共に、前記多数の噴出孔から噴出された前記スタック排ガスの燃焼により生じた火炎を保持する燃焼器ノズルと、
   を備える燃料電池モジュール。
2. 前記オリフィスの開口面積は、前記多数の噴出孔の合計開口面積よりも小さい、
   請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記多数の噴出孔は、均一な大きさ及び間隔で形成されている、
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記オリフィスと前記多数の噴出孔との間に位置し前記オリフィスにて混合された前記スタック排ガスが通過する多数の通過孔を有する多孔部材をさらに備える、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記燃焼器ノズルは、前記オリフィス部材と反対側に膨出するドーム状に形成されている、
   請求項４に記載の燃料電池モジュール。
6. 前記燃焼器ノズルは、前記オリフィスと対向する多孔部材により構成されている、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
7. 前記オリフィスの入口の周囲には、前記オリフィスを中心に渦巻き放射状に配置された複数の旋回誘導板が設けられている、
   請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
8. 前記オリフィスの入口の周囲には、複数の乱流突起が設けられている、
   請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
9. 前記多数の噴出孔における出口側には、前記多数の噴出孔から噴出された前記スタック排ガスを着火させる点火電極が設けられ、
   前記オリフィス及び前記点火電極は、前記多数の噴出孔の中心部と同軸上に設けられている、
   請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
10. 前記点火電極は、火炎電流検知用のフレームロッドを兼ねる、
    請求項９に記載の燃料電池モジュール。
11. 前記オリフィス部材は、
    前記燃料電池セルスタックの上面と対向すると共に前記オリフィスが形成された対向壁部と、
    前記対向壁部の周囲に形成されると共に前記燃料電池セルスタックの上面から遠ざかるに従って拡径するテーパ部と、
    を有し、
    前記対向壁部及び前記テーパ部と前記燃料電池セルスタックの上面との間には、前記オリフィスに向けて前記スタック排ガスが流れる流路が形成されている、
    請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
12. 前記燃焼部は、前記燃料電池セルスタックの上方に設けられると共に、円筒状又は楕円筒状に形成され、前記オリフィス部材及び前記燃焼器ノズルを収容する周壁部を有し、
    前記改質部は、前記燃焼部の上方に前記周壁部と同軸上に設けられると共に、互いの間に隙間を有する少なくとも三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、且つ、該三重の筒状壁における内側及び筒状壁の間に、断熱空間、前記燃焼部から排出された燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから前記改質ガスを生成するための改質触媒層が設けられた改質流路をそれぞれ有し、
    前記改質部の上方には、互いの間に隙間を有する少なくとも三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該三重の筒状壁における内側及び筒状壁の間に、断熱空間、原燃料を気化して前記原燃料ガスを生成する気化流路、及び、前記原燃料に対して気化熱を与える前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路をそれぞれ有する気化部が前記改質部と同軸上に設けられている、
    請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。