JP2017050072A - 燃焼器及び燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】混合ガスの性状や組成等が異なる場合でも、混合ガスを安定して燃焼させることができると共に、小型化及び低コスト化を実現できる燃焼器を提供する。
【解決手段】燃焼器２００において、燃焼室周壁２１０の内側は、燃焼室２０７と、燃料ガス室２０８と、酸化剤ガス室２０９とに区画されている。燃料ガスノズル２１０は、燃焼室２０７と燃料ガス室２０８とを区画する燃料ガス室仕切壁２０８における燃焼室２０７側の開口によって形成されており、燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５は、燃焼室２０７と酸化剤ガス室２０９とを区画する酸化剤ガス室仕切壁２０５の全周に亘って酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側から外側に拡散される。酸化剤ガス室仕切壁２０５には、複数の酸化剤ガスノズル２１１が放射状に形成されており、複数の酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６は、燃料ガス１６５と混合される。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃焼器及び燃料電池モジュールに関する。

従来、固体酸化物形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、起動時には改質部にて未改質の原燃料ガス及び酸化剤ガスを含む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性状や組成等の異なる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、起動時における未改質の原燃料ガスが着火しにくく火炎の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改質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２，３参照）。

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。

また、燃焼器の下流側に未燃分の改質ガスを完全燃焼させる触媒燃焼器を備える燃料電池モジュール（例えば、特許文献４参照）も提案されているが、触媒燃焼器を備える分、構造の複雑化及び高コスト化の要因となる。

したがって、起動時と発電時とで性状や組成等の異なるスタック排ガスを単一の燃焼器で安定して燃焼させることができることが理想である。なお、以上は、燃料電池モジュールにおける燃焼器の課題であるが、上記課題は、燃料電池モジュール以外の機器における燃焼器においても生じ得るものである。

特開２０１１−２２２１３６号公報 特開２０１４−７８３４８号公報 特開２０１４−７２０２６号公報 特開２００２−８３６２０号公報

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、その目的は、燃料ガス及び酸化剤ガスが混合された混合ガスの性状や組成等が異なる場合でも、混合ガスを安定して燃焼させることができると共に、小型化及び低コスト化を実現することができる燃焼器を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、燃焼器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燃料電池モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の燃焼器は、燃料ガス及び酸化剤ガスが混合された混合ガスが燃焼される燃焼室と、前記燃焼室の軸方向一方側に前記燃焼室と隣接され外部から前記燃料ガスが供給される燃料ガス室と、前記燃料ガス室の周囲に設けられ外部から前記酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス室とを内側に有する筒状の燃焼室周壁と、前記燃焼室周壁の内側に前記燃焼室周壁と同軸に設けられ、前記燃料ガス室と前記酸化剤ガス室とを区画する筒状の燃料ガス室仕切壁と、前記燃料ガス室仕切壁の周囲に環状に設けられ、前記燃焼室と前記酸化剤ガス室とを区画する酸化剤ガス室仕切壁と、前記燃料ガス室仕切壁における前記燃焼室側の端部に設けられ、前記燃料ガスを前記燃焼室に噴出して前記燃料ガスを前記酸化剤ガス室仕切壁の全周に亘って前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側から外側に拡散させる燃料ガスノズルと、前記酸化剤ガス室仕切壁に形成されると共に、前記燃焼室の中心軸を中心に放射状に配列され、前記酸化剤ガスを前記燃焼室に噴出して前記酸化剤ガスを前記燃料ガスと混合させる複数の酸化剤ガスノズルと、を備え、前記複数の酸化剤ガスノズルのうち前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側に位置する酸化剤ガスノズルから噴出された前記酸化剤ガスで前記混合ガスの燃焼に必要な酸素が足りる場合には、前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側に位置する前記酸化剤ガスノズルから噴出された前記酸化剤ガスと、前記燃料ガスノズルから噴出された前記燃料ガスとが混合されることで前記混合ガスが生成され、前記複数の酸化剤ガスノズルのうち前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側に位置する酸化剤ガスノズルから噴出された前記酸化剤ガスでは前記混合ガスの燃焼に必要な酸素が不足する場合には、前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側から外側にかけて設けられた前記酸化剤ガスノズルから噴出された前記酸化剤ガスと、前記燃料ガスノズルから噴出された前記燃料ガスとが混合されることで前記混合ガスが生成される。

この燃焼器によれば、燃料ガスノズルから噴出された燃料ガスの噴流は、酸化剤ガス室仕切壁の全周に亘って酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側から外側に拡散される。この酸化剤ガス室仕切壁には、燃焼室の中心軸を中心に放射状に配列された複数の酸化剤ガスノズルが形成されており、酸化剤ガス室仕切壁に沿って拡散された燃料ガスの噴流は、複数の酸化剤ガスノズルから噴出された酸化剤ガスの噴流に巻き込まれるので、燃料ガス及び酸化剤ガスを効果的に混合させることができる。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスが混合された混合ガスの性状や組成等が異なる場合でも、混合ガスを安定して燃焼させることができる。

また、例えば、空気比が高く、酸化剤ガスの流量が燃料ガスの流量に対して過剰な場合には、複数の酸化剤ガスノズルのうち酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側に位置する酸化剤ガスノズルから噴出された酸化剤ガスで混合ガスの燃焼に必要な酸素が足りる。この場合には、酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側に位置する酸化剤ガスノズルから噴出された酸化剤ガスと、燃料ガスノズルから噴出された燃料ガスとが混合されることで混合ガスが生成され、混合ガスが燃焼される。なお、酸化剤ガス室仕切壁の径方向外側に位置する酸化剤ガスノズルから噴出された酸化剤ガスの噴流は、混合ガスの燃焼によって生ずる燃焼排ガスに混合され、燃焼室から排出される。

一方、燃料ガスの流量が多く燃焼量が多い場合には、複数の酸化剤ガスノズルのうち酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側に位置する酸化剤ガスノズルから噴出された酸化剤ガスでは混合ガスの燃焼に必要な酸素が不足する。この場合には、酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側から外側にかけて設けられた酸化剤ガスノズルから噴出された酸化剤ガスと、燃料ガスノズルから噴出された燃料ガスとが混合されることで混合ガスが生成され、混合ガスが燃焼される。

このように、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合領域が酸化剤ガス室仕切壁の表面に広く形成され、火炎が酸化剤ガス室仕切壁の表面に定着するため、火炎が燃焼室の径方向に広がり、燃焼室の軸方向における火炎の長さを短くすることができる。そのため、燃焼室の軸方向の長さを短縮することができるので、燃焼器の小型化及び低コスト化を図ることができる。

しかも、空気比及び燃焼量が変化しても、最適な燃焼を維持するように燃料ガスと酸化剤ガスとの混合領域及び火炎面積が変化して対応するため、通常の空気比（理論空気比）から高空気比（例えばλ＝５程度）までの広い空気比の範囲で火炎が吹き消えず安定な短炎燃焼を得ることができる。

なお、本発明の燃焼器において、前記燃料ガスノズルは、筒状の前記燃料ガス室仕切壁における前記燃焼室側の開口によって形成されていても良い。

この燃焼器によれば、燃料ガスノズルは、筒状の燃料ガス室仕切壁における燃焼室側の開口によって形成されているので、燃料ガスノズルの構造を簡素化することができ、より一層低コスト化することができる。

また、本発明の燃焼器において、前記燃料ガスノズルと隙間を有して対向する燃料ガス室天面仕切壁をさらに備えていても良い。

この燃焼器によれば、燃料ガスノズルと隙間を有して対向する燃料ガス室天面仕切壁によって、燃料ガスノズルから噴出された燃料ガスの噴流の向きを酸化剤ガス室仕切壁の径方向外側に的確に向けることができる。これにより、燃料ガスを酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側から外側へより効果的に拡散させることができる。

また、本発明の燃焼器において、前記燃料ガス室仕切壁における前記燃焼室側の端部には、前記酸化剤ガス室仕切壁に対して前記燃焼室側に突出する筒状突出壁が形成され、前記筒状突出壁の突出端部には、前記燃焼室と前記燃料ガス室とを区画する燃料ガス室天面仕切壁が設けられ、前記燃料ガスノズルは、前記筒状突出壁の周方向に間隔を空けて前記筒状突出壁に複数形成されていても良い。

この燃焼器によれば、燃料ガスノズルが、筒状突出壁の周方向に間隔を空けて筒状突出壁に複数形成されているので、この複数の燃料ガスノズルから酸化剤ガス室仕切壁の径方向外側に向けて燃料ガスを噴出することができる。これにより、燃料ガスの噴出方向を燃料ガスの噴流が酸化剤ガスの噴流に直接当たらないようにすると共に、燃料ガスノズルの圧力損失を利用して燃料ガスの流速を速めて、燃料ガスを酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側から外側のより遠方へ、拡散させることができる。

また、本発明の燃焼器において、前記複数の酸化剤ガスノズルは、前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向に複数の前記酸化剤ガスノズルが並ぶ酸化剤ガスノズル列を前記酸化剤ガス室仕切壁の周方向に複数形成し、複数の前記燃料ガスノズルの各々は、前記酸化剤ガス室仕切壁の周方向に隣り合う前記酸化剤ガスノズル列の間に配置されていても良い。

この燃焼器によれば、複数の燃料ガスノズルの各々が、酸化剤ガス室仕切壁の周方向に隣り合う酸化剤ガスノズル列の間に配置されているので、酸化剤ガス室仕切壁に沿って拡散された燃料ガスの噴流を、複数の酸化剤ガスノズルから噴出された酸化剤ガスの噴流により一層効果的に巻き込むことができる。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスをより一層効果的に混合させることができる。

また、本発明の燃焼器において、前記酸化剤ガス室と連通され、前記酸化剤ガス室から前記酸化剤ガスが供給されると共に、前記酸化剤ガス室から供給された前記酸化剤ガスを、前記燃料ガスノズルから噴出された前記燃料ガスに混合させる酸化剤ガス混合流路と、前記燃料ガスノズルから噴出されると共に前記酸化剤ガス混合流路により前記酸化剤ガスが混合された前記燃料ガスを、前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向外側へ向けて噴出するガス噴出ノズルとを備えていても良い。

この燃焼器によれば、ガス噴出ノズルからは、酸化剤ガス混合流路により酸化剤ガスが混合された燃料ガスが噴出されるので、燃料ガスに酸化剤ガスが混合された分、燃料ガスの噴出速度を高めることができる。これにより、混合ガスの燃焼性を高めることができると共に、火炎及び燃焼排ガスを燃焼室の外周側へ流れ易くすることができるので、例えば、燃焼器の周囲に流路が設けられた場合には、この流路を流れるガスに燃焼排ガスの熱を効率良く伝達することができる。

また、本発明の燃焼器において、前記燃焼室周壁の内側に設けられると共に、前記燃焼室の軸方向他方側に配置され、前記燃焼室周壁とで、前記燃焼室で生じた燃焼排ガスが流入する燃焼排ガス流路の入口部を形成する燃焼室内壁と、前記燃焼室内壁から前記燃焼室の軸方向一方側に向けて延出されると共に、前記燃焼室の軸方向他方側に向かうに従って拡径する円錐又はドーム状に形成された整流部とを備えていても良い。

この燃焼器によれば、燃焼室内壁の軸方向一方側の端部には、燃焼室の軸方向一方側に向けて延出する整流部が形成されている。この整流部は、燃焼室の軸方向他方側（下流側）に向かうに従って拡径する円錐又はドーム状に形成されている。これにより、火炎及び燃焼排ガスを燃焼室の外周側へ流れ易くすることができるため、燃焼室の軸方向における火炎の長さを短くすることができる。そのため、燃焼室の軸方向の長さを短縮することができるので、燃焼器の小型化及び低コスト化を図ることができる。

また、本発明の燃焼器において、前記酸化剤ガス室仕切壁は、前記燃焼室の軸方向一方側から他方側に向かうに従って拡径するテーパ状に形成されていても良い。

この燃焼器によれば、酸化剤ガス室仕切壁が、燃焼室の軸方向一方側から他方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ので、燃料ガスノズルから噴出された燃料ガスの噴流を、酸化剤ガス室仕切壁の表面に沿って燃焼室の径方向に拡散することができる。これにより、燃焼室の軸方向における火炎の長さを短くすることができる。

また、本発明の燃焼器において、前記酸化剤ガス室仕切壁は、前記燃料ガス室仕切壁から前記燃焼室の径方向外側へ向けて拡がる内側壁部と、前記内側壁部の外周部から前記燃焼室の軸方向他方側へ向けて延びる外側壁部とを有していても良い。

この燃焼器によれば、酸化剤ガス室仕切壁は、燃料ガス室仕切壁から燃焼室の径方向外側へ向けて拡がる内側壁部と、内側壁部の外周部から燃焼室の軸方向他方側へ向けて延びる外側壁部とを有する。これにより、例えば、燃焼量が少なく燃料ガスの噴流の流速が遅い場合には、内側壁部の酸化剤ガスノズルから噴出された酸化剤ガスと燃料ガスが十分に混合しない状態であっても、外側壁部の酸化剤ガスノズルから噴出された酸化剤ガスによって燃料ガスと酸化剤ガスの混合が促進されることで混合ガスが生成され、火炎が吹き消えず安定な短炎燃焼が得られる。

また、本発明の燃焼器において、前記酸化剤ガス室仕切壁は、前記燃焼室の径方向に沿って延びていても良い。

この燃焼器によれば、酸化剤ガス室仕切壁は、燃焼室の径方向に沿って延びるので、酸化剤ガス室仕切壁の軸方向の寸法を小さくすることができ、ひいては、燃焼器を軸方向に小型化することができる。

また、本発明の燃焼器において、前記複数の酸化剤ガスノズルは、前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向に複数の前記酸化剤ガスノズルが並ぶ酸化剤ガスノズル列を前記酸化剤ガス室仕切壁の周方向に複数形成し、各前記酸化剤ガスノズル列では、前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側に位置する複数の前記酸化剤ガスノズルの間隔よりも前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向外側に位置する複数の前記酸化剤ガスノズルの間隔の方が狭くても良い。

この燃焼器によれば、各酸化剤ガスノズル列では、酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側に位置する複数の酸化剤ガスノズルの間隔よりも酸化剤ガス室仕切壁の径方向外側に位置する複数の酸化剤ガスノズルの間隔の方が狭くなっている。したがって、燃焼室の径方向外側を負圧にすることができるので、燃料ガス、火炎、及び、燃焼排ガスを燃焼室の外周側へ流れ易くすることができる。これにより、例えば、燃焼器の周囲に流路が設けられた場合には、この流路を流れるガスに燃焼排ガスの熱を効率良く伝達することができる。

また、本発明の燃焼器において、前記酸化剤ガスノズルは、前記燃焼室の径方向外側かつ軸方向他方側に向けて開口されていても良い。

この燃焼器によれば、酸化剤ガスノズルは、燃焼室の径方向外側かつ軸方向他方側に向けて開口されているので、この酸化剤ガスノズルから噴出される酸化剤ガスの噴流により、火炎及び燃焼排ガスを燃焼室の外周側へ流れ易くすることができる。これにより、例えば、燃焼器の周囲に流路が設けられた場合には、この流路を流れるガスに燃焼排ガスの熱を効率良く伝達することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池セルスタックと、原燃料が気化されて原燃料ガスが生成される気化部と、前記原燃料ガスから前記燃料ガスが生成される改質部と、前記燃料電池セルスタックの燃料極から排出された燃料極排ガスである燃料ガスと、前記燃料電池セルスタックの空気極から排出された空気極排ガスである酸化剤ガスとが混合されたスタック排ガスを燃焼させる、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の燃焼器とを備える。

この燃料電池モジュールによれば、上述の燃焼器が適用されているので、起動時や発電時に燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスであるスタック排ガスの性状や組成等が異なる場合でも、スタック排ガスを単一の燃焼器で安定して燃焼させることができる。これにより、燃焼器及びその周辺の構造を簡素化できるので、燃料電池モジュールの小型化及び低コスト化を図ることができる。

なお、本発明の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼器は、前記燃料電池セルスタックの上方に設けられ、前記改質部は、前記燃焼器の上方に前記燃焼器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筒状壁によって構成され、かつ、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、前記燃焼器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前記原燃料ガスが改質されて前記燃料ガスが生成される改質流路をそれぞれ有し、前記気化部は、前記改質部の上方に前記改質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、かつ、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、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記燃焼排ガスとの熱交換により前記原燃料が気化されて前記原燃料ガスが生成される気化流路をそれぞれ有していても良い。

この燃料電池モジュールによれば、気化部及び改質部は、少なくとも三重の筒状壁によってそれぞれ形成されているので、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、気化部及び改質部を小型化することができる。また、燃焼器、改質部、気化部は、同軸上に配置されているので、燃料電池モジュールを径方向に小型化することができる。

以上詳述したように、本発明の燃焼器によれば、燃料ガス及び酸化剤ガスが混合された混合ガスの性状や組成等が異なる場合でも、混合ガスを安定して燃焼させることができると共に、小型化及び低コスト化を実現することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールによれば、燃焼器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。

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。 第一実施形態に係る燃焼器の縦断面を含む斜視図である。 第一実施形態に係る燃焼器において燃料ガスと酸化剤ガスとが混合される様子を説明する図である。 第一実施形態に係る燃焼器において酸化剤ガスの流量が燃料ガスの流量に対して過剰な場合の燃焼状態を示す図である。 第一実施形態に係る燃焼器において燃料ガスの流量が多く燃焼量が多い場合の燃焼状態を示す図である。 第二実施形態に係る燃焼器の縦断面を含む斜視図である。 第三実施形態に係る燃焼器の縦断面を含む斜視図である。 第三実施形態に係る燃焼器において酸化剤ガスの流量が燃料ガスの流量に対して過剰な場合の燃焼状態を示す図である。 第三実施形態に係る燃焼器において燃料ガスの流量が多く燃焼量が多い場合の燃焼状態を示す図である。 第三実施形態に係る燃焼器において酸化剤ガスノズルから噴出された酸化剤ガスの噴流に再循環流が生じている状態を示す図である。 第三実施形態に係る燃焼器の噴流の流れを示す斜視図である。 第三実施形態に係る燃焼器の第一変形例を示す斜視図である。 第三実施形態に係る燃焼器の第二変形例を示す斜視図である。 第三実施形態に係る燃焼器の第三変形例を示す斜視図である。 第三実施形態に係る燃焼器の第四変形例を示す斜視図である。 第三実施形態に係る燃焼器の第五変形例を示す縦断面図である。 第三実施形態に係る燃焼器の第六変形例を示す斜視図である。 第三実施形態に係る燃焼器の第七変形例を示す斜視図である。 第三実施形態に係る燃焼器の第八変形例を示す斜視図である。 第三実施形態に係る燃焼器の第九変形例を示す斜視図である。

［第一実施形態］
以下、本発明の第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、第一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、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。セル１２の形状は、平板形以外に、円筒形、円筒平板形など、どのような形状でも良い。各セル１２は、燃料極、電解質層、空気極を有する。

各セル１２の燃料極には、燃料ガス（改質ガス）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、燃料ガスと酸化剤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、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。

容器２０の内側から一番目の管材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に固定されており、六番目の管材２６の下端部は、底壁部３５に固定されている。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と、熱交換部１１０とを有する。

＜気化部＞
気化部４０は、図２，図３に示されるように、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。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。原燃料供給管５０は、連結部３１〜３３の上方に位置する。気化流路４６は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、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。この原燃料供給管５０から供給される原燃料１６１としては、炭化水素燃料に改質用水が混合されたものが使用される。また、この原燃料１６１に含まれる炭化水素燃料としては、例えば、都市ガスが好適に用いられるが、プロパンなどの炭化水素を主成分とするガスが用いられても良く、また、炭化水素系液体が用いられても良い。

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。

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６７を介して燃焼器２００に形成された燃焼室２０７（図４，図５参照）と連通されている。燃焼排ガス流路４７は、鉛直方向下側を上流側として形成されており、この燃焼排ガス流路４７には、燃焼器２００から排出されると共に改質部６０の燃焼排ガス流路６７を通じて供給された燃焼排ガス１６８が鉛直方向下側から上側に流れる。

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１１８と連通されている。この酸化剤ガス流路４８は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、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１１８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３に示されるように、改質部６０は、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。

この四重の筒状壁６１〜６４によって構成された改質部６０は、後述する燃焼器２００（図４参照）の上方に燃焼器２００と同軸上に設けられている。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６７、改質流路６６、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６７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６６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６７の下端部は、後述する燃焼器２００に形成された燃焼室２０７（図４，図５参照）と連通されている。燃焼排ガス流路６７は、鉛直方向下側を上流側として形成されており、この燃焼排ガス流路６７には、後述する燃焼器２００から排出された燃焼排ガス１６８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。混合部８０には、オリフィス８２に対する改質流路６６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６６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。改質流路６６は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この改質流路６６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６６の入口には、改質流路６６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６６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６６には、原燃料ガス１６２から燃料ガス１６３を生成するための改質触媒層７０が改質流路６６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は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、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４に示されるように、燃焼部９０は、上述の改質部６０の下方に改質部６０と同軸上に設けられている。この燃焼部９０の内部には、図５に示される燃焼器２００が適用されている。燃焼器２００は、燃焼室周壁２０１と、燃焼室内壁２０２と、整流部２０３と、燃料ガス室仕切壁２０４と、酸化剤ガス室仕切壁２０５とを有する。

燃焼室周壁２０１は、上述の改質部６０を構成する四重の筒状壁６１〜６４のうち内側から二番目の筒状壁６２を下方へ延長することにより形成されている（図４参照）。なお、図５に示される燃焼器２００では、燃焼室周壁２０１に段部２０１Ａが形成されているが、図１の燃料電池モジュールＭは、段部２０１Ａが省かれた状態で示されている。燃焼室周壁２０１は、筒状に形成されており、この燃焼室周壁２０１の内側には、燃焼室２０７が形成されている。燃焼室２０７は、鉛直方向を軸方向として形成されている。この燃焼室２０７では、後述する燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガスと、酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガスとが混合された混合ガスが燃焼される。

燃焼室内壁２０２は、燃焼室周壁２０１よりも小径であり、燃焼室周壁２０１の内側に設けられている。この燃焼室内壁２０２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の下端部によって形成されている（図４参照）。図５に示されるように、燃焼室内壁２０２は、燃焼室２０７の上側に配置されている。燃焼室周壁２０１と燃焼室内壁２０２との間の隙間は、上述の改質部６０に形成された燃焼排ガス流路６７の入口部６７Ａとして形成されている。燃焼室２０７で生じた燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路６７の入口部６７Ａから燃焼排ガス流路６７に流入する。

この燃焼室内壁２０２の下端部には、燃焼室２０７の下側に向けて延出する整流部２０３が形成されている。この整流部２０３は、燃焼室２０７の上側（下流側）に向かうに従って拡径する円錐状に形成されている。この整流部２０３の内側及び燃焼室内壁２０２の内側は、一例として、空洞とされている。なお、整流部２０３の内側には、断熱材が充填されても良い。

燃焼室内壁２０２及び整流部２０３は、上述の容器２０を構成する複数の管材２１〜２９のうち最も内側の管材２１（図１も参照）に形成されている。この管材２１の軸芯部には、パイプ１５０が設けられている。パイプ１５０は、管材２１に固定されており、このパイプ１５０の内側には、点火プラグ１５１が挿入されている。図１に示されるように、パイプ１５０の上端部は、管材２１における整流部２０３側と反対側の端部（上端部）から上方に導出されており、点火プラグ１５１は、パイプ１５０の上端側の開口を通じてパイプ１５０の内側に挿抜可能に挿入されている。

点火プラグ１５１は、導電性の芯材１５２と、芯材１５２を被覆する絶縁材１５３とを有する。芯材１５２の先端部（下端部）は、点火電極１５４として形成されており、芯材１５２の先端部よりも上側の部分は、導電部１５５として形成されている。パイプ１５０及び絶縁材１５３の下端部は、整流部２０３の先端部から突出されている。また、点火電極１５４は、パイプ１５０及び絶縁材１５３の下端部から突出されており、燃焼室２０７の中心軸線上に配置されている。なお、この点火電極１５４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。

燃焼室周壁２０１の内側には、燃焼室２０７に加えて、燃料ガス室２０８及び酸化剤ガス室２０９が形成されている。燃料ガス室２０８は、燃焼室２０７の下側に燃焼室２０７と隣接して設けられている。この燃料ガス室２０８には、燃料電池セルスタック１０（図４参照）の燃料極から排出された燃料極排ガスが燃料ガスとして供給される。酸化剤ガス室２０９は、燃料ガス室２０８の周囲に設けられている。この酸化剤ガス室２０９には、燃料電池セルスタック１０（図４参照）の空気極から排出された空気極排ガスが酸化剤ガスとして供給される。

燃料ガス室仕切壁２０４は、筒状に形成されており、燃焼室周壁２０１の内側に燃焼室周壁２０１と同軸に設けられている。この燃料ガス室仕切壁２０４は、燃料ガス室２０８と酸化剤ガス室２０９とを区画している。この筒状に形成された燃料ガス室仕切壁２０４における燃焼室２０７側の開口は、燃料ガスノズル２１０として形成されている。

図６に示されるように、この燃料ガスノズル２１０からは、燃料ガス室２０８に供給された燃料ガス１６５が噴出される。燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５は、酸化剤ガス室仕切壁２０５の全周に亘って酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側から外側に拡散される。この燃焼器２００では、燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５が、酸化剤ガス室仕切壁２０５の全周に亘って酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側から外側に拡散されるように、燃料電池セルスタック１０の燃料極から排出された燃料極排ガスである燃料ガスの流量や流速等に応じて、燃料ガスノズル２１０の孔径や燃料ガス室仕切壁２０４の形状が設定されている。

図５に示されるように、酸化剤ガス室仕切壁２０５は、燃料ガス室仕切壁２０４の周囲に環状に設けられており、燃焼室２０７と酸化剤ガス室２０９とを区画している。この酸化剤ガス室仕切壁２０５は、燃焼室２０７の下側から上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。

この酸化剤ガス室仕切壁２０５には、複数の酸化剤ガスノズル２１１が形成されている。複数の酸化剤ガスノズル２１１は、酸化剤ガス室仕切壁２０５の厚さ方向に貫通する孔によって形成されている。この複数の酸化剤ガスノズル２１１は、燃焼室２０７の中心軸を中心に放射状に配列されている。つまり、複数の酸化剤ガスノズル２１１は、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向に複数の酸化剤ガスノズル２１１が並ぶ酸化剤ガスノズル列２１２を酸化剤ガス室仕切壁２０５の周方向に間隔を空けて複数形成している。

各酸化剤ガスノズル列２１２では、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側に位置する複数の酸化剤ガスノズル２１１の間隔よりも酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向外側に位置する複数の酸化剤ガスノズル２１１の間隔の方が狭くなっている。

図６に示されるように、酸化剤ガスノズル２１１からは、酸化剤ガス室２０９に供給された酸化剤ガス１６６が噴出される。酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６は、上述の燃料ガスノズル２１０から噴出され酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側から外側に拡散する燃料ガス１６５と混合される。

図４に示されるように、上述の燃焼器２００の周囲には、改質部６０の改質流路６６及び酸化剤ガス流路６８が形成されている。つまり、四重の筒状壁６１〜６４のうち内側から三番目及び四番目の筒状壁６３，６４は、下方へ延長されている。そして、筒状壁６２と筒状壁６３との間には、改質部６０の改質流路６６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。

また、燃料ガス室２０８の底部には、燃料ガス室底壁２１３が設けられ、この燃料ガス室底壁２１３の中央部には、燃料電池セルスタック１０側（下側）に突出する筒状の連結壁２１４が形成されている。燃料電池セルスタック１０の燃料極から排出された燃料極排ガスである燃料ガス１６５は、連結壁２１４の内側に形成された連通路２１５を通じて燃料ガス室２０８に流入する。

また、酸化剤ガス室２０９の外周部には、酸化剤ガス室周壁２１６が設けられ、酸化剤ガス室２０９の底部には、酸化剤ガス室底壁２１７が設けられている。酸化剤ガス室底壁２１７には、連通孔２１８が形成されており、燃料電池セルスタック１０の空気極から排出された空気極排ガスである酸化剤ガス１６６は、連通孔２１８を通じて酸化剤ガス室２０９に流入する。

なお、第一実施形態において、燃焼室２０７の下側は、本発明における「燃焼室の軸方向一方側」に相当し、燃焼室２０７の上側は、本発明における「燃焼室の軸方向他方側」に相当する。

＜予熱部＞
図４に示されるように、予熱部１００（収容部）は、燃焼部９０の下方に設けられた二重の筒状壁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。

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。図４に示されるように、予熱流路１０５は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この予熱流路１０５には、改質部６０の酸化剤ガス流路６８を通じて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。

また、予熱部１００の内側には、上述の改質流路６６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。改質流路６６と燃料ガス配管１０７の内側とは、改質流路６６の下端部に設けられたオリフィス９８を通じて連通されている。

＜熱交換部＞
図２に示されるように、熱交換部１１０は、上述の改質部６０及び気化部４０の周囲に設けられた三重の筒状壁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。

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１１８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１１７が形成されている。

酸化剤ガス流路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、酸化剤ガス流路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。同様に、燃焼排ガス流路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、燃焼排ガス流路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。

酸化剤ガス流路１１８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１１８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。酸化剤ガス流路１１８は、鉛直方向下側を上流側として形成されており、この酸化剤ガス流路１１８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１１７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１１７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）が接続されている。燃焼排ガス流路１１７は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この燃焼排ガス流路１１７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１６８が鉛直方向上側から下側に流れる。

＜断熱層＞
図１に示されるように、改質部６０及び気化部４０と、熱交換部１１０とは、容器２０の径方向に離間しており、この改質部６０及び気化部４０と熱交換部１１０との間には、円筒状の断熱層１３０が介在されている。この断熱層１３０は、気化部４０及び改質部６０を外側から覆っている。

＜断熱材＞
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。

＜燃料電池モジュールの動作＞
次に、第一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１に示される原燃料供給管５０を通じて図２に示される気化流路４６に原燃料１６１（原燃料及び改質用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、燃焼器２００（図４参照）から排出された燃焼排ガス１６８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１６８が流れると、気化流路４６を流れる原燃料１６１と燃焼排ガス１６８との間で熱交換される。そして、気化流路４６では、原燃料１６１が気化され、図３に示される原燃料ガス１６２が生成される。

この気化流路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６６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６６に流入する。複数のオリフィス８４は、改質流路６６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６６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、燃焼器２００（図４参照）から排出された燃焼排ガス１６８が燃焼排ガス流路６７を鉛直方向下側から上側に流れる。改質流路６６に隣接する燃焼排ガス流路６７に燃焼排ガス１６８が流れると、改質流路６６を流れる原燃料ガス１６２と燃焼排ガス１６８との間で熱交換される。そして、改質流路６６では、燃焼排ガス１６８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が生成される。

改質流路６６にて生成された燃料ガス１６３は、図４に示されるように、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１１８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１１８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、燃焼器２００（図４参照）から排出された燃焼排ガス１６８が燃焼排ガス流路１１７を鉛直方向上側から下側に流れる。この燃焼排ガス１６８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１１８に隣接する燃焼排ガス流路１１７に燃焼排ガス１６８が流れると、酸化剤ガス流路１１８を流れる酸化剤ガス１６４と燃焼排ガス１６８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１６８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１６８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，図４参照）を鉛直方向上側から下側に流れる。

図２に示される気化部４０では、上述の通り、燃焼器２００（図４参照）から排出された燃焼排ガス１６８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１６８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１６８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、図３に示されるように、改質部６０では、燃焼器２００（図４参照）から排出された燃焼排ガス１６８が燃焼排ガス流路６７を鉛直方向下側から上側に流れる。改質流路６６を挟んだ酸化剤ガス流路６８と反対側の燃焼排ガス流路６７に燃焼排ガス１６８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１６８とが改質流路６６（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（改質ガス）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、燃料ガスと酸化剤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。

このように燃料電池セルスタック１０が起動すると、燃料電池セルスタック１０の燃料極からは、燃料極排ガスが排出され、燃料電池セルスタック１０の空気極からは、空気極排ガスが排出される。燃料極排ガスには、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が含まれ、同様に、空気極排ガスには、燃料電池セルスタック１０にて発電に供されなかった酸化剤ガスが含まれる。

図４に示されるように、燃料電池セルスタック１０の燃料極から排出された燃料極排ガスは、燃焼器２００の燃料ガス室２０８に燃料ガスとして供給され、燃料電池セルスタック１０の空気極から排出された空気極排ガスは、燃焼器２００の一対の酸化剤ガス室２０９に酸化剤ガスとしてそれぞれ供給される。

そして、図６に示されるように、燃料ガスノズル２１０からは、燃料ガス室２０８に供給された燃料極排ガスである燃料ガス１６５が噴出される。燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５は、酸化剤ガス室仕切壁２０５の全周に亘って酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側から外側に拡散される。

また、複数の酸化剤ガスノズル２１１からは、酸化剤ガス室２０９に供給された空気極排ガスである酸化剤ガス１６６が噴出される。複数の酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６は、酸化剤ガス室仕切壁２０５の全周に亘って酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側から外側に拡散する燃料ガス１６５と混合され、混合ガスが生成される。この燃焼室２０７にて混合された混合ガスは、点火電極１５４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て燃焼される。

ここで、図７に示されるように、例えば、空気比が高く、酸化剤ガス１６６の流量が燃料ガス１６５の流量に対して過剰な場合には、複数の酸化剤ガスノズル２１１のうち酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側に位置する酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６で混合ガスの燃焼に必要な酸素が足りる。この場合には、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側に位置する酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６と、燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５とが混合されることで混合ガスが生成される。そして、この混合ガスが燃焼されることで、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側に火炎１６７が生じる。

なお、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向外側に位置する酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６の噴流は、混合ガスの燃焼によって生ずる燃焼排ガス１６８に混合され、燃焼室２０７から排出される。

一方、図８に示されるように、燃料ガス１６５の流量が多く燃焼量が多い場合には、複数の酸化剤ガスノズル２１１のうち酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側に位置する酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６では混合ガスの燃焼に必要な酸素が不足する。この場合には、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側から外側にかけて設けられた酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６と、燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５とが混合されることで混合ガスが生成される。そして、この混合ガスが燃焼されることで、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側から外側にかけて火炎１６７が生じる。

このように、第一実施形態に係る燃焼器２００では、空気比及び燃焼量が変化しても、最適な燃焼を維持するように燃料ガス１６５と酸化剤ガス１６６との混合領域及び火炎面積が変化して対応するため、通常の空気比（理論空気比）から高空気比（例えばλ＝５程度）までの広い空気比の範囲で火炎が吹き消えず安定な短炎燃焼が得られる。

そして、このようにして燃焼室２０７に燃焼反応が生じ、この燃焼反応にて発生した燃焼排ガス１６８は、図４に示される整流部２０３に沿って燃焼排ガス流路６７の入口部６７Ａに流入する。この燃焼排ガス流路６７の入口部６７Ａに流入した燃焼排ガス１６８は、上述の通り、改質部６０の燃焼排ガス流路６７、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１１７（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。

次に、本発明の第一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、第一実施形態の燃焼器２００によれば、図６に示されるように、燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５の噴流は、酸化剤ガス室仕切壁２０５の全周に亘って酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側から外側に拡散される。この酸化剤ガス室仕切壁２０５には、燃焼室２０７の中心軸を中心に放射状に配列された複数の酸化剤ガスノズル２１１が形成されており、酸化剤ガス室仕切壁２０５に沿って拡散された燃料ガス１６５の噴流は、複数の酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６の噴流に巻き込まれるので、燃料ガス１６５及び酸化剤ガス１６６を効果的に混合させることができる。これにより、燃料ガス１６５及び酸化剤ガス１６６が混合された混合ガスの性状や組成等が異なる場合でも、混合ガスを安定して燃焼させることができる。

また、図７に示されるように、例えば、空気比が高く、酸化剤ガス１６６の流量が燃料ガス１６５の流量に対して過剰な場合には、複数の酸化剤ガスノズル２１１のうち酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側に位置する酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６で混合ガスの燃焼に必要な酸素が足りる。この場合には、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側に位置する酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６と、燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５とが混合されることで混合ガスが生成される。そして、この混合ガスが燃焼されることで、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側に火炎１６７が生じる。

なお、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向外側に位置する酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６の噴流は、混合ガスの燃焼によって生ずる燃焼排ガス１６８に混合され、燃焼室２０７から排出される。

一方、図８に示されるように、燃料ガス１６５の流量が多く燃焼量が多い場合には、複数の酸化剤ガスノズル２１１のうち酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側に位置する酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６では混合ガスの燃焼に必要な酸素が不足する。この場合には、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側から外側にかけて設けられた酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６と、燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５とが混合されることで混合ガスが生成される。そして、この混合ガスが燃焼されることで、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側から外側にかけて火炎１６７が生じる。

このように、燃料ガス１６５と酸化剤ガス１６６との混合領域が酸化剤ガス室仕切壁２０５の表面に広く形成され、火炎１６７が酸化剤ガス１６６仕切壁の表面に定着するため、火炎１６７が燃焼室２０７の径方向に広がり、燃焼室２０７の軸方向における火炎１６７の長さを短くすることができる。そのため、燃焼室２０７の軸方向の長さを短縮することができるので、燃焼器２００の小型化及び低コスト化を図ることができる。

しかも、空気比及び燃焼量が変化しても、最適な燃焼を維持するように燃料ガス１６５と酸化剤ガス１６６との混合領域及び火炎面積が変化して対応するため、通常の空気比（理論空気比）から高空気比（例えばλ＝５程度）までの広い空気比の範囲で火炎が吹き消えず安定な短炎燃焼を得ることができる。

また、第一実施形態の燃焼器２００によれば、燃料ガスノズル２１０は、筒状の燃料ガス室仕切壁２０４における燃焼室２０７側の開口によって形成されているので、燃料ガスノズル２１０の構造を簡素化することができ、より一層低コスト化することができる。

また、燃焼室内壁２０２の下端部には、燃焼室２０７の下側に向けて延出する整流部２０３が形成されている。この整流部２０３は、燃焼室２０７の上側（下流側）に向かうに従って拡径する円錐状に形成されている。これにより、火炎及び燃焼排ガスを燃焼室２０７の外周側へ流れ易くすることができるため、燃焼室の軸方向における火炎の長さを短くすることができる。そのため、燃焼室の軸方向の長さを短縮することができるので、燃焼器の小型化及び低コスト化を図ることができる。

また、酸化剤ガス室仕切壁２０５は、燃焼室２０７の下側から上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ので、燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５の噴流を、酸化剤ガス室仕切壁２０５の表面に沿って燃焼室２０７の径方向に拡散することができる。これにより、燃焼室２０７の軸方向における火炎の長さを短くすることができる。

また、図５に示されるように、各酸化剤ガスノズル列２１２では、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側に位置する複数の酸化剤ガスノズル２１１の間隔よりも酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向外側に位置する複数の酸化剤ガスノズル２１１の間隔の方が狭くなっている。したがって、燃焼室２０７の径方向外側を負圧にすることができるので、燃料ガス、火炎、及び、燃焼排ガスを燃焼室２０７の外周側へ流れ易くすることができる。これにより、燃焼器２００の周囲に設けられた流路（図２〜図４に示される改質流路６６、改質部６０の酸化剤ガス流路６８、熱交換部１１０の酸化剤ガス流路１１８）を流れるガスに燃焼排ガス１６８の熱を効率良く伝達することができる。

また、図１〜図４に示される燃料電池モジュールＭによれば、上述の燃焼器２００が適用されているので、起動時や発電時に燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスであるスタック排ガスの性状や組成等が異なる場合でも、スタック排ガスを単一の燃焼器２００で安定して燃焼させることができる。これにより、燃焼器２００及びその周辺の構造を簡素化できるので、燃料電池モジュールＭの小型化及び低コスト化を図ることができる。

また、気化部４０及び改質部６０は、多重の筒状壁によってそれぞれ形成されているので、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、気化部４０及び改質部６０を小型化することができる。また、燃焼器２００、改質部６０、気化部４０は、同軸上に配置されているので、燃料電池モジュールＭを径方向に小型化することができる。

なお、上述の燃料電池モジュールＭには、以下の変形例が適用されても良い。

すなわち、上記実施形態において、予熱部１００、燃焼部９０、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、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１１８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１１７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１１７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１１８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、上記実施形態において、整流部２０３は、円錐状に形成されているが、ドーム状に形成されていても良い。

このように構成されていても、図４に示されるように、整流部２０３によって燃焼排ガス１６８を燃焼室２０７の外周側に集めて整流することができるので、燃焼器２００の周囲に設けられた流路（図２〜図４に示される改質流路６６、改質部６０の酸化剤ガス流路６８、熱交換部１１０の酸化剤ガス流路１１８）を流れるガスに燃焼排ガス１６８の熱を効率良く伝達することができる。

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、熱交換部１１０は、気化部４０及び改質部６０の径方向外側に設けられているが、気化部４０の上方に気化部４０と同軸上に設けられても良い。

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６６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、予熱部１００の代わりに燃料電池セルスタック１０を単に収容する収容部（流路を有しない収容部）が設けられても良い。また、予熱部１００の代わりに収容部が設けられる場合に、改質流路６６及び酸化剤ガス流路６８と燃料電池セルスタック１０とは、配管等により接続されても良い。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。

図９には、本発明の第二実施形態に係る燃焼器２２０が示されている。この第二実施形態に係る燃焼器２２０は、上述の第一実施形態に係る燃焼器２００（図５参照）に対し、燃料ガス室天面仕切壁２２２が追加されている。燃料ガス室天面仕切壁２２２は、燃料ガスノズル２１０の上方に設けられており、燃料ガスノズル２１０と隙間を有して対向されている。この燃料ガス室天面仕切壁２２２は、燃料ガス室仕切壁２０４の内周面に固定された支持部材２２４によって支持されている。

このように構成されていると、燃料ガスノズル２１０と隙間を有して対向する燃料ガス室天面仕切壁２２２によって、燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５の噴流の向きを酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向外側に的確に向けることができる。これにより、燃料ガス１６５を酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側から外側へより効果的に拡散させることができる。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について説明する。

図１０には、本発明の第三実施形態に係る燃焼器２３０が示されている。この第三実施形態に係る燃焼器２３０は、上述の第二実施形態に係る燃焼器２２０に対し、次のように構造が変更されている。

すなわち、燃料ガス室仕切壁２０４における燃焼室２０７側の端部（上端部）には、酸化剤ガス室仕切壁２０５に対して燃焼室２０７側に突出する筒状突出壁２３２が形成されている。また、筒状突出壁２３２の突出端部には、燃焼室２０７と燃料ガス室２０８とを区画する燃料ガス室天面仕切壁２２２が設けられており、燃料ガスノズル２１０は、筒状突出壁２３２の周方向に間隔を空けて筒状突出壁２３２に複数形成されている。この複数の燃料ガスノズル２１０は、筒状突出壁２３２の周方向に等間隔で配列されている。

このように構成されていると、この複数の燃料ガスノズル２１０から酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向外側に向けて燃料ガス１６５を噴出することができる。これにより、燃料ガス１６５の噴出方向を燃料ガス１６５の噴流が酸化剤ガスの噴流に直接当たらないようにすると共に、燃料ガスノズル２１０の圧力損失を利用して燃料ガス１６５の流速を速めて、燃料ガス１６５を酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側から外側のより遠方へ、拡散させることができる。

なお、図１１には、第三実施形態に係る燃焼器２３０において、例えば、空気比が高く、酸化剤ガス１６６の流量が燃料ガス１６５の流量に対して過剰な場合の燃焼状態が示されている。この場合にも、第一実施形態と同様に、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側に位置する酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６と、燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５とが混合されることで混合ガスが生成され、混合ガスが燃焼される。なお、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向外側に位置する酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６の噴流は、混合ガスの燃焼によって生ずる燃焼排ガス１６８に混合され、燃焼室２０７から排出される。

また、図１２には、第三実施形態に係る燃焼器２３０において、燃料ガス１６５の流量が多く燃焼量が多い場合の燃焼状態が示されている。この場合にも、第一実施形態と同様に、複数の酸化剤ガスノズル２１１のうち酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側に位置する酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６では混合ガスの燃焼に必要な酸素が不足する。このため、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側から外側にかけて設けられた酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６と、燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５とが混合されることで混合ガスが生成され、混合ガスが燃焼される。

このように、筒状突出壁２３２に複数の燃料ガスノズル２１０が形成された例においても、空気比及び燃焼量が変化した場合には、最適な燃焼を維持するように燃料ガス１６５と酸化剤ガス１６６との混合領域及び火炎面積が変化して対応するため、通常の空気比（理論空気比）から高空気比（例えばλ＝５程度）までの広い空気比の範囲で火炎が吹き消えず安定な短炎燃焼が得られる。

また、図１３には、第三実施形態に係る燃焼器２３０において、酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６の噴流に再循環流２３４が生じている状態が示されている。このように、酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６の噴流には、再循環流２３４が生じていると考えられ、混合ガスの燃焼により生じた火炎は、この再循環流２３４により保炎されると考察される。

また、図１４に示されるように、第三実施形態に係る燃焼器２３０において、複数の燃料ガスノズル２１０の各々は、酸化剤ガス室仕切壁２０５の周方向に隣り合う酸化剤ガスノズル列２１２の間に配置されている。また、複数の酸化剤ガスノズル列２１２の各々の間には、燃料ガスノズル２１０が配置されている。

このように構成されていると、酸化剤ガス室仕切壁２０５に沿って拡散された燃料ガス１６５の噴流を、複数の酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６の噴流により一層効果的に巻き込むことができる。これにより、燃料ガス１６５及び酸化剤ガス１６６をより一層効果的に混合させることができる。

なお、第三実施形態に係る燃焼器２３０には、以下の変形例が適用されても良い。

すなわち、図１５に示されるように、第三実施形態に係る燃焼器２３０において、酸化剤ガス室仕切壁２０５は、燃料ガス室仕切壁２０４から燃焼室２０７の径方向外側へ向けて拡がる内側壁部２３６と、内側壁部２３６の外周部から燃焼室２０７の上側へ向けて延びる外側壁部２３８とを有していても良い。

このように構成されていると、例えば、燃焼量が少なく燃料ガスの噴流の流速が遅い場合には、内側壁部２３６の酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６と燃料ガス１６５が十分に混合しない状態であっても、外側壁部２３８の酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６によって燃料ガス１６５と酸化剤ガス１６６の混合が促進されることで混合ガスが生成され、火炎が吹き消えず安定な短炎燃焼が得られる。

また、図１６に示されるように、第三実施形態に係る燃焼器２３０において、酸化剤ガス室仕切壁２０５は、燃焼室２０７の径方向（燃焼室２０７の水平方向）に沿って延びていても良い。

このように構成されていると、酸化剤ガス室仕切壁２０５の軸方向の寸法を小さくすることができるので、燃焼器２３０を軸方向に小型化することができる。

また、図１７に示されるように、第三実施形態に係る燃焼器２３０において、点火プラグ１５１（点火電極１５４）は、燃焼室２０７の中心から径方向にずれた位置に配置されていても良い。また、この場合に、点火プラグ１５１（点火電極１５４）は、混合ガスの燃焼により生じる火炎の形状に応じて火炎の最も大きくなる場所に配置されても良い。

このように構成されていると、火炎電流検知用のフレームロッドを兼ねる点火電極１５４によって着火及び火炎の検知を正確に行うことができる。

また、図１８に示されるように、第三実施形態に係る燃焼器２３０では、複数の酸化剤ガスノズル列２１２の間に一つおきに燃料ガスノズル２１０が配置されていても良い。

このように構成されていても、酸化剤ガス室仕切壁２０５に沿って拡散された燃料ガス１６５の噴流を、複数の酸化剤ガスノズル２１１から噴出された酸化剤ガス１６６の噴流により一層効果的に巻き込むことができる。これにより、燃料ガス１６５及び酸化剤ガス１６６をより一層効果的に混合させることができる。

なお、図１８に示される例では、複数の酸化剤ガスノズル列２１２の間に一つおきに燃料ガスノズル２１０が配置されているが、このように燃料ガスノズル２１０の数を半減させても、均等な火炎形状を維持することができる。

また、第三実施形態において、酸化剤ガスノズル２１１は、酸化剤ガス室仕切壁２０５の厚さ方向に沿って貫通して形成されているが、図１９に示されるように、酸化剤ガスノズル２１１は、燃焼室２０７の径方向外側かつ上側（軸方向他方側）に向けて開口されていても良い。

このように構成されていると、酸化剤ガスノズル２１１から噴出される酸化剤ガス１６６の噴流により、火炎及び燃焼排ガスを燃焼室２０７の外周側へ流れ易くすることができる。これにより、燃焼器２３０の周囲に設けられた流路（図２〜図４に示される改質流路６６、改質部６０の酸化剤ガス流路６８、熱交換部１１０の酸化剤ガス流路１１８）を流れるガスに燃焼排ガスの熱を効率良く伝達することができる。

また、第三実施形態に係る燃焼器２３０において、燃料ガスノズル２１０の周辺部は、次のように構成されても良い。すなわち、図２０に示される変形例では、燃料ガス室仕切壁２０４の周囲に、酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向内側の端部から上側に延出する周囲壁２４０が設けられている。周囲壁２４０の上端は、燃料ガス室天面仕切壁２２２と接続されている。燃料ガス室仕切壁２０４と周囲壁２４０との間の隙間は、酸化剤ガス混合流路２４２として形成されている。

酸化剤ガス混合流路２４２は、酸化剤ガス室２０９と連通されており、酸化剤ガス混合流路２４２には、酸化剤ガス室２０９から酸化剤ガス１６６が供給される。この酸化剤ガス混合流路２４２では、酸化剤ガス室２０９から供給された酸化剤ガス１６６が、燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５に混合される。

また、周囲壁２４０には、各燃料ガスノズル２１０と同軸上に複数のガス噴出ノズル２５２が形成されている。そして、この燃焼器２３０では、燃料ガスノズル２１０から噴出されると共に酸化剤ガス混合流路２４２により酸化剤ガス１６６が混合された燃料ガス１６５は、ガス噴出ノズル２５２を通じて酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向外側へ向けて噴出される。

このように構成されていると、ガス噴出ノズル２５２からは、酸化剤ガス混合流路２４２により酸化剤ガス１６６が混合された燃料ガス１６５が噴出されるので、燃料ガス１６５に酸化剤ガス１６６が混合された分、火炎の燃焼特性は予混合火炎の特性に近くなり、燃焼範囲は通常の空気比（理論空気比）からやや高い空気比（例えばλ＝１．５程度）に狭められてしまうが、燃料ガス１６５の噴出速度を高めることができる。これにより、混合ガスの燃焼性を高め、排ガス中の未燃分濃度を抑制することができると共に、火炎及び燃焼排ガスを燃焼室の外周側へ流れ易くすることができるので、燃焼器２３０の周囲に設けられた流路（図２〜図４に示される改質流路６６、改質部６０の酸化剤ガス流路６８、熱交換部１１０の酸化剤ガス流路１１８）を流れるガスに燃焼排ガスの熱を効率良く伝達することができる。

また、図２１に示されるように、第三実施形態に係る燃焼器２３０において、ガス噴出ノズル２５２は、周囲壁２４０に形成された酸化剤ガスノズル２６２と一つおきに交互に配置されていても良い。

このように構成されていると、酸化剤ガス室仕切壁２０５の表面には、周囲壁２４０に形成された酸化剤ガスノズル２６２から噴出される酸化剤ガス１６６の噴流と、ガス噴出ノズル２５２から噴出された混合ガスによって生じた火炎１６７が交互に存在するため、酸化剤ガスノズル２１１から噴出される酸化剤ガス１６６の噴流からだけでなく、酸化剤ガスノズル２６２から噴出される酸化剤ガス１６６の噴流からも火炎１６７に酸素が供給されるため、混合ガスの燃焼性を高めることができる。また、空気比が高く、酸化剤ガスの流量が燃料ガスの流量に対して過剰な場合には、酸化剤ガスノズル２６２から噴出された酸化剤ガス１６６の噴流は、混合ガスの燃焼によって生ずる燃焼排ガスに混合され、燃焼室から排出されるため、より高い空気比（例えばλ＝２．０程度）まで火炎が吹き消えず安定な短炎燃焼が得られる。

また、図２２に示される変形例では、燃料ガス室仕切壁２０４に段部２５４が形成されており、この段部２５４には、段部２５４から上側へ向けて延びる複数の細管部２５６が形成されている。この複数の細管部２５６の出口部は、燃料ガスノズル２１０として形成されている。また、段部２５４と燃料ガス室天面仕切壁２２２との間の空間（複数の細管部２５６の周辺の空間）は、酸化剤ガス混合流路２４２として形成されている。

酸化剤ガス混合流路２４２は、酸化剤ガス室２０９と連通されており、酸化剤ガス混合流路２４２には、酸化剤ガス室２０９から酸化剤ガス１６６が供給される。また、燃料ガス室天面仕切壁２２２には、段部２５４を上方から覆う庇部２５８が形成されている。この庇部２５８には、燃料ガスノズル２１０と対応する位置に半管状の膨出部２６０が形成されている。この半管状の膨出部２６０は、燃焼室２０７の径方向外側に向けて開口されており、膨出部２６０の出口部は、ガス噴出ノズル２５２として形成されている。

そして、この変形例では、酸化剤ガス混合流路２４２に供給された酸化剤ガス１６６は、膨出部２６０の内側において、燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５と混合され、この酸化剤ガス１６６が混合された燃料ガス１６５は、ガス噴出ノズル２５２を通じて酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向外側へ向けて噴出される。

このように構成されていても、ガス噴出ノズル２５２からは、酸化剤ガス混合流路２４２により酸化剤ガス１６６が混合された燃料ガス１６５が噴出されるので、燃料ガス１６５に酸化剤ガス１６６が混合された分、燃料ガス１６５の噴出速度を高めることができる。

また、図２３に示されるように、燃料ガスノズル２１０が形成された細管部２５６の上端部は、燃焼室２０７の径方向外側に向けて屈曲されていても良い。このように構成されていても、膨出部２６０の内側において、酸化剤ガス混合流路２４２に供給された酸化剤ガス１６６を燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５に混合させることができ、この酸化剤ガス１６６が混合された燃料ガス１６５を、ガス噴出ノズル２５２を通じて酸化剤ガス室仕切壁２０５の径方向外側へ向けて噴出させることができる。

なお、上述の第三実施形態に係る変形例のうち、組み合わせ可能な変形例は、適宜、組み合わされても良い。

また、上述の第三実施形態に係る変形例のうち、上述の第一実施形態及び第二実施形態に適用可能な変形例は、上述の第一実施形態及び第二実施形態に適用されても良い。

また、上述の第一乃至第三実施形態に係る燃焼器２００，２２０，２３０は、より好ましくは、燃料電池モジュールに適用されるが、例えば、燃料電池モジュール以外の機器に適用されても良い。また、上述の第一乃至第三実施形態に係る燃焼器２００，２２０，２３０は、例えば、バイオガスなどの低カロリーガスを燃焼させるための燃焼器として利用されても良い。

また、上述の第一乃至第三実施形態に係る燃焼器２００，２２０，２３０は、より好ましくは、燃焼室２０７の軸方向が鉛直方向となるように配置されるが、燃焼室２０７の軸方向が水平方向となるように配置されても良い。

以上、本発明の第一乃至第三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、２０…容器、２１〜２９…管材、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…改質流路、６７…燃焼排ガス流路、６７Ａ…入口部、６８…酸化剤ガス流路、７０…改質触媒層、９０…燃焼部、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、１１１，１１２…筒状壁、１１７…燃焼排ガス流路、１１８…酸化剤ガス流路、１２２…酸化剤ガス供給管、１２３…ガス排出管、１５０…パイプ、１５１…点火プラグ、１５４…点火電極、１６１…原燃料、１６２…原燃料ガス、１６３…燃料ガス、１６４…酸化剤ガス、１６５…燃料ガス、１６６…酸化剤ガス、１６８…燃焼排ガス、２００，２２０，２３０…燃焼器、２０１…燃焼室周壁、２０２…燃焼室内壁、２０３…整流部、２０４…燃料ガス室仕切壁、２０５…酸化剤ガス室仕切壁、２０７…燃焼室、２０８…燃料ガス室、２０９…酸化剤ガス室、２１０…燃料ガスノズル、２１１…酸化剤ガスノズル、２１２…酸化剤ガスノズル列、２２２…燃料ガス室天面仕切壁、２３２…筒状突出壁、２３４…再循環流、２３６…内側壁部、２３８…外側壁部、２４０…周囲壁、２４２…酸化剤ガス混合流路、２５２…ガス噴出ノズル

Claims (14)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスが混合された混合ガスが燃焼される燃焼室と、前記燃焼室の軸方向一方側に前記燃焼室と隣接され外部から前記燃料ガスが供給される燃料ガス室と、前記燃料ガス室の周囲に設けられ外部から前記酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス室とを内側に有する筒状の燃焼室周壁と、
   前記燃焼室周壁の内側に前記燃焼室周壁と同軸に設けられ、前記燃料ガス室と前記酸化剤ガス室とを区画する筒状の燃料ガス室仕切壁と、
   前記燃料ガス室仕切壁の周囲に環状に設けられ、前記燃焼室と前記酸化剤ガス室とを区画する酸化剤ガス室仕切壁と、
   前記燃料ガス室仕切壁における前記燃焼室側の端部に設けられ、前記燃料ガスを前記燃焼室に噴出して前記燃料ガスを前記酸化剤ガス室仕切壁の全周に亘って前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側から外側に拡散させる燃料ガスノズルと、
   前記酸化剤ガス室仕切壁に形成されると共に、前記燃焼室の中心軸を中心に放射状に配列され、前記酸化剤ガスを前記燃焼室に噴出して前記酸化剤ガスを前記燃料ガスと混合させる複数の酸化剤ガスノズルと、
   を備え、
   前記複数の酸化剤ガスノズルのうち前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側に位置する酸化剤ガスノズルから噴出された前記酸化剤ガスで前記混合ガスの燃焼に必要な酸素が足りる場合には、前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側に位置する前記酸化剤ガスノズルから噴出された前記酸化剤ガスと、前記燃料ガスノズルから噴出された前記燃料ガスとが混合されることで前記混合ガスが生成され、
   前記複数の酸化剤ガスノズルのうち前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側に位置する酸化剤ガスノズルから噴出された前記酸化剤ガスでは前記混合ガスの燃焼に必要な酸素が不足する場合には、前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側から外側にかけて設けられた前記酸化剤ガスノズルから噴出された前記酸化剤ガスと、前記燃料ガスノズルから噴出された前記燃料ガスとが混合されることで前記混合ガスが生成される、
   燃焼器。
2. 前記燃料ガスノズルは、筒状の前記燃料ガス室仕切壁における前記燃焼室側の開口によって形成されている、
   請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記燃料ガスノズルと隙間を有して対向する燃料ガス室天面仕切壁をさらに備える、
   請求項２に記載の燃焼器。
4. 前記燃料ガス室仕切壁における前記燃焼室側の端部には、前記酸化剤ガス室仕切壁に対して前記燃焼室側に突出する筒状突出壁が形成され、
   前記筒状突出壁の突出端部には、前記燃焼室と前記燃料ガス室とを区画する燃料ガス室天面仕切壁が設けられ、
   前記燃料ガスノズルは、前記筒状突出壁の周方向に間隔を空けて前記筒状突出壁に複数形成されている、
   請求項１に記載の燃焼器。
5. 前記複数の酸化剤ガスノズルは、前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向に複数の前記酸化剤ガスノズルが並ぶ酸化剤ガスノズル列を前記酸化剤ガス室仕切壁の周方向に複数形成し、
   複数の前記燃料ガスノズルの各々は、前記酸化剤ガス室仕切壁の周方向に隣り合う前記酸化剤ガスノズル列の間に配置されている、
   請求項４に記載の燃焼器。
6. 前記酸化剤ガス室と連通され、前記酸化剤ガス室から前記酸化剤ガスが供給されると共に、前記酸化剤ガス室から供給された前記酸化剤ガスを、前記燃料ガスノズルから噴出された前記燃料ガスに混合させる酸化剤ガス混合流路と、
   前記燃料ガスノズルから噴出されると共に前記酸化剤ガス混合流路により前記酸化剤ガスが混合された前記燃料ガスを、前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向外側へ向けて噴出するガス噴出ノズルとを備える、
   請求項４又は請求項５に記載の燃焼器。
7. 前記燃焼室周壁の内側に設けられると共に、前記燃焼室の軸方向他方側に配置され、前記燃焼室周壁とで、前記燃焼室で生じた燃焼排ガスが流入する燃焼排ガス流路の入口部を形成する燃焼室内壁と、
   前記燃焼室内壁から前記燃焼室の軸方向一方側に向けて延出されると共に、前記燃焼室の軸方向他方側に向かうに従って拡径する円錐又はドーム状に形成された整流部とを備える、
   請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の燃焼器。
8. 前記酸化剤ガス室仕切壁は、前記燃焼室の軸方向一方側から他方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、
   請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の燃焼器。
9. 前記酸化剤ガス室仕切壁は、
   前記燃料ガス室仕切壁から前記燃焼室の径方向外側へ向けて拡がる内側壁部と、
   前記内側壁部の外周部から前記燃焼室の軸方向他方側へ向けて延びる外側壁部と、
   を有する、
   請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の燃焼器。
10. 前記酸化剤ガス室仕切壁は、前記燃焼室の径方向に沿って延びる、
    請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の燃焼器。
11. 前記複数の酸化剤ガスノズルは、前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向に複数の前記酸化剤ガスノズルが並ぶ酸化剤ガスノズル列を前記酸化剤ガス室仕切壁の周方向に複数形成し、
    各前記酸化剤ガスノズル列では、前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向内側に位置する複数の前記酸化剤ガスノズルの間隔よりも前記酸化剤ガス室仕切壁の径方向外側に位置する複数の前記酸化剤ガスノズルの間隔の方が狭い、
    請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の燃焼器。
12. 前記酸化剤ガスノズルは、前記燃焼室の径方向外側かつ軸方向他方側に向けて開口されている、
    請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の燃焼器。
13. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池セルスタックと、
    原燃料が気化されて原燃料ガスが生成される気化部と、
    前記原燃料ガスから前記燃料ガスが生成される改質部と、
    前記燃料電池セルスタックの燃料極から排出された燃料極排ガスである燃料ガスと、前記燃料電池セルスタックの空気極から排出された空気極排ガスである酸化剤ガスとが混合されたスタック排ガスを燃焼させる、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の燃焼器と、
    を備える燃料電池モジュール。
14. 前記燃焼器は、前記燃料電池セルスタックの上方に設けられ、
    前記改質部は、前記燃焼器の上方に前記燃焼器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筒状壁によって構成され、かつ、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、前記燃焼器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前記原燃料ガスが改質されて前記燃料ガスが生成される改質流路をそれぞれ有し、
    前記気化部は、前記改質部の上方に前記改質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、かつ、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、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記燃焼排ガスとの熱交換により前記原燃料が気化されて前記原燃料ガスが生成される気化流路をそれぞれ有する、
    請求項１３に記載の燃料電池モジュール。