JP2018181840A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃焼器の燃料が希薄化した場合でも、燃焼の安定化を図ることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池排ガスを燃焼させる燃焼器２０は、アノードオフガスが噴出するアノードオフガス噴出口２２Ａと、カソードオフガスが噴出する第１カソードオフガス噴出口２１Ａおよび第２カソードオフガス噴出口２１Ｂとを備える。燃焼器２０を平面視した場合、各噴射出口が直線上に並んでいる部分の燃焼器の断面において、第１カソードオフガス噴出口２１Ａはカソードオフガスの噴出方向のベクトルがアノードオフガスの噴出方向のベクトルと第１鋭角θ１を成すようにアノードオフガス噴出口２２Ａの両側の一方に設けられ、第２カソードオフガス噴出口２１Ｂは前記カソードオフガスの噴出方向のベクトルがアノードオフガスの噴出方向のベクトルと第２鋭角θ２を成すようにアノードオフガス噴出口の両側の他方に設けられている。【選択図】図３

Description

本開示は燃料電池システムに関する。
燃料電池のアノードオフガスおよびカソードオフガスが燃焼する燃焼器における燃焼の安定性、耐久性に関する様々な技術が提案されている。
例えば、特許文献１では、図１２に示す如く、燃焼器中心部に燃料噴出部が設けられ、燃料噴出部を取り囲み、火炎流出方向に向かって幅広のテーパ状の燃焼空間が燃焼室により形成されている燃焼器が開示されている。
特許文献１の燃焼器は、アノードオフガスまたは都市ガスなどの燃料が、燃料噴出部の燃料噴出口から燃焼空間に水平に噴出すように構成されている。また、空気が、燃焼室の周囲に均等に設けられた複数の空気噴出口から燃焼空間に噴出すように構成されている。すると、両者のガスの少なくとも一部を衝突させることができるので、燃焼器の燃焼性が改善する。
また、特許文献１の燃焼器では、燃焼器を平面視した場合、空気噴出口と燃料噴出口が一直線上に並ぶように配置されている。これにより、燃焼空間中で燃料と空気とが適切に衝突し、両者の混合燃焼が促進される。
更に、特許文献１の燃焼器では、燃焼室の底部に設けられた空気噴出口からも空気が噴出する。この場合、燃焼速度が速い水素ガスは、ガス衝突位置よりもやや上方の位置で燃焼反応が完了する。燃焼速度が遅い都市ガスなどの炭化水素ガスは、空気の開口面積が拡大された下流域において燃焼反応が完了する。よって、水素ガス含有のアノードオフガスに、都市ガスなどの炭化水素系燃料を混合した混合ガスを燃料に利用する燃焼器において、有効な燃焼特性が得られる。
特許文献２では、図１３に示す如く、燃焼器の底壁の中央部に設けられた燃料噴出口から燃料が垂直に噴出するとともに、燃焼器の側壁の周囲に均等に設けられた複数の空気噴出口から水平に、燃料の流れに対して挟むように空気が噴出する燃焼器が開示されている。
特許文献２の燃焼器は、燃料噴出口は火炎流出方向に対して最下方の空気噴出口よりも下方に配置されている。よって、水素ガスおよび都市ガスなどの炭化水素ガスを含有する燃料が燃料噴出口から噴出した場合に、燃焼速度が速い水素ガスであっても、火炎が、空気および水素ガスが衝突混合した位置よりも上方で形成される。よって、燃焼器の底壁が赤熱するなどの可能性を抑制できるので、燃焼器の耐久性を向上することができる。
特開２００３−２５４５１４号公報 国際公開第２０１３／１６１１７９号
しかし、従来例は、燃焼器の燃料中の可燃成分（例えば、水素ガス）の濃度が低下することで燃料が希薄化した場合の対応については十分に検討されていない。
例えば、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣ）の発電効率向上のために燃料利用率を高くする場合、燃焼器の燃料として使用するアノードオフガスが希薄燃料化しやすい。なお、燃料利用率とは、燃料ガス中の発電に利用できる可燃成分のうち、燃料電池の発電に利用する割合（％）をいう。
本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃焼器の燃料が希薄化した場合でも、従来に比べて燃焼器における燃焼の安定化を図ることができる燃料電池システムを提供する。
上記課題を解決するため、本開示の一態様の燃料電池システムは、酸化剤および燃料を用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスと前記燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスとが燃焼する燃焼器と、を備え、前記燃焼器は、前記アノードオフガスが噴出するアノードオフガス噴出口と、前記カソードオフガスが噴出する第１カソードオフガス噴出口および第２カソードオフガス噴出口と、を備え、前記燃焼器を平面視した場合、前記第１カソードオフガス噴出口、前記アノードオフガス噴出口および前記第２カソードオフガス噴出口が直線上に並んでいる部分の前記燃焼器の断面において、前記第１カソードオフガス噴出口は、前記カソードオフガスの噴出方向のベクトルが前記アノードオフガスの噴出方向のベクトルと第１鋭角を成すように、前記アノードオフガス噴出口の両側の一方に設けられ、前記第２カソードオフガス噴出口は、前記カソードオフガスの噴出方向のベクトルが前記アノードオフガスの噴出方向のベクトルと第２鋭角を成すように、前記アノードオフガス噴出口の両側の他方に設けられている。
本開示の一態様の燃料電池システムは、燃焼器の燃料が希薄化した場合でも、従来に比べて燃焼器における燃焼の安定化を図ることができるという効果を奏する。
図１は、実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 図２は、実施形態の燃料電池システムの燃焼器の一例を示す図である。 図３は、実施形態の燃料電池システムの燃焼器の一例を示す図である。 図４は、可視化燃焼実験用のライン式燃焼実験機の一例を示す図である。 図５は、ライン式燃焼実験機の実験結果の一例を示す図である。 図６は、ライン式燃焼実験機の希薄水素燃焼（Ｕｆ＝８０％）の火炎を模式的に描いた図である。 図７は、図６のライン式燃焼実験機の中央壁面と傾斜壁面との間のコーナー部の流れ場の様子を模式的に描いた図である。 図８は、低発熱燃焼（希薄水素燃焼）および高発熱燃焼（炭化水素ガス燃焼）の火炎を模式的に描いた図である。 図９は、ライン式燃焼実験機の実験結果の一例を示す図である。 図１０は、実施形態の燃料電池システムの燃焼器の炭化水素ガス（都市ガス）燃焼試験の一例を示す図である。 図１１は、実施形態の燃料電池システムの燃焼器の希薄水素燃焼試験の一例を示す図である。 図１２は、従来例の燃料電池システムの燃焼器の一例を示す図である。 図１３は、従来例の燃料電池システムの燃焼器の一例を示す図である。 図１４は、従来例の燃焼器による希薄水素燃焼の火炎面の一例を模式的に示す図である。 図１５は、従来例の燃焼器による希薄水素燃焼の火炎面の一例を模式的に示す図である。
例えば、固体酸化物形燃料電池システム（以下、ＳＯＦＣシステム）の起動時には、都市ガスまたはプロパンガスなどの炭化水素ガスが燃焼器で燃焼される。そして、ホットボックス内の改質器が、燃焼熱により所定の適温に加熱されると、改質器に改質水が供給され、水蒸気改質反応によって水素が生成される。また、ホットボックス内の燃料電池が、燃焼熱により所定の適温（例えば、約６００℃〜７５０℃）に加熱されると、改質ガス中の水素および空気中の酸素から電気化学反応により発電を開始する。
ＳＯＦＣシステムの発電時には、改質ガス中の水素ガスのうちの約７０％以上の水素ガスは、燃料電池のアノードで発電に使用されて、水に変化した後、残りの約３０％の水素ガスとともにアノードオフガスとして排出される。このとき、空気中の酸素の一部は、燃料電池のカソードで発電に使用されて、カソードオフガスとして排出される。燃焼器では、これらのアノードオフガスおよびカソードオフガスが燃焼される。これにより、改質器および燃料電池の温度が適温に維持される。
以上のＳＯＦＣシステムの起動から発電までの過程において、起動時には、発熱量および必要酸素量が共に多い炭化水素ガス燃焼、発電時には、発熱量および必要酸素量が共に少なく、可燃成分が希薄な水素ガス（以下、希薄水素）燃焼、両者の過渡期では、炭化水素ガスおよび希薄水素の混合ガス燃焼が、燃焼器で発生する。このように、燃焼器に利用される燃料の成分が、ＳＯＦＣシステムの運転段階で変化する。つまり、ＳＯＦＣシステムでは、燃焼器の燃料成分が時々刻々と変化する場合でも、燃焼器における燃焼を安定化させる必要がある。なお、燃料成分の変化に対応して複数の燃焼器を使い分ける方法が提案されているが、本提案は、ＳＯＦＣシステムの製造コストが嵩み、実用的でない。
ところで、ＳＯＦＣシステムの発電中は、上記のとおり、燃焼器の燃料は希薄水素である。例えば、ＳＯＦＣの発電効率向上のために燃料利用率（Ｕｆ）を高くする程、アノードオフガス中の水素ガスの成分が減少する。場合によっては、燃焼器で、水素ガスの燃焼限界（一般に、約４％程度とされている）に近い状態で、希薄水素燃焼を維持することが必要となる。
なお、特許文献１（以下、第１従来例）に記載された発明および特許文献２（以下、第２従来例）に記載された発明は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）用の燃焼器を対象としており、ＳＯＦＣシステムの発電の際の希薄水素を燃焼器により燃焼することが想定されていない。よって、このような希薄水素燃焼に適切に対応すべく、第１従来例および第２従来例の燃焼器の設計を見直す必要がある。
まず、第１従来例の燃焼器の問題について説明する。
図１４は、第１従来例の燃焼器による希薄水素燃焼の火炎面の一例を模式的に示す図である。図１４（ａ）には、燃焼器の底壁に空気噴出口が設けられていない場合の火炎面が図示されている。図１４（ｂ）には、燃焼器の底壁に空気噴出口が設けられている場合の火炎面が図示されている。
本従来例では、水素噴出口から噴出する希薄水素（アノードオフガス）と、空気噴出口から噴出する空気（カソードオフガス）とが対向するように衝突する。このため、空気のほぼ全量が火炎領域で拡散され、希薄水素中の可燃成分の濃度の更なる低下を招き、希薄水素燃焼を維持することが困難であると考えられる。また、図１４（ａ）に示すように、両者の流れが衝突した後、希薄水素と空気の混合ガスの一部が下方に向かうような回り込み現象が起きる。すると、混合ガスが、再び、火炎面を通過するので、燃焼が不安定化しやすいと考えられる。また、火炎面が、上記の衝突部よりも上方に形成されるので、希薄水素燃焼に求められる燃焼器の保炎性能に乏しい。図１４（ｂ）に示す例では、燃焼器の底壁に設けられた空気噴出口からの空気により、火炎面が、図１４（ａ）の燃焼器の火炎面よりも更に上方に形成されるので、燃焼器の保炎性能の低下は避けられない。なお、図１４（ｂ）の燃焼器は、可燃成分を十分に含有する燃料を燃焼させる状況に対応して開発された装置であり、開発意図として、保炎よりも過昇温による構造体の信頼性低下を抑制することに重点が置かれていた。
次に、第２従来例の燃焼器の問題について説明する。
図１５は、第２従来例の燃焼器による希薄水素燃焼の火炎面の一例を模式的に示す図である。
本従来例では、第１従来例と同様に、保炎よりも過昇温度による構造体の信頼性低下の抑制に重点が置かれており、希薄水素燃焼にそのまま適用した場合、火炎面が水素噴出口から浮き上がり、保炎性能に欠け、場合によっては失火に至るという問題を内包している。
また、図１５に示すように、空気比が高くなると火炎面が振動し、燃焼を安定的に維持することが困難であると考えられる。なお、このような火炎面の振動は、後述のライン式燃焼実験機の可視化燃焼実験により確認されている。
そこで、発明者らは、燃焼器の燃料中の可燃成分（例えば、水素ガス）の濃度が低下することで燃料が希薄化した場合の対応について鋭意検討を行い、以下の本開示の一態様に想到した。
すなわち、本開示の第１の態様の燃料電池システムは、以上の知見に基づいて案出できたものであり、酸化剤および燃料を用いて発電する燃料電池と、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスと燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスとが燃焼する燃焼器と、を備え、燃焼器は、アノードオフガスが噴出するアノードオフガス噴出口と、カソードオフガスが噴出する第１カソードオフガス噴出口および第２カソードオフガス噴出口と、を備え、
燃焼器を平面視した場合、第１カソードオフガス噴出口、アノードオフガス噴出口および第２カソードオフガス噴出口が直線上に並んでいる部分の燃焼器の断面において、
第１カソードオフガス噴出口は、カソードオフガスの噴出方向のベクトルがアノードオフガスの噴出方向のベクトルと第１鋭角を成すように、アノードオフガス噴出口の両側の一方に設けられ、
第２カソードオフガス噴出口は、カソードオフガスの噴出方向のベクトルがアノードオフガスの噴出方向のベクトルと第２鋭角を成すように、アノードオフガス噴出口の両側の他方に設けられている。
本開示の第２の態様の燃料電池システムは、第１の態様の燃料電池システムにおいて、第１鋭角および第２鋭角は４５°以上、かつ７０°以下であってもよい。
以上の構成によると、本態様の燃料電池システムは、燃焼器の燃料が希薄化した場合でも、従来に比べて燃焼器における燃焼の安定化を図ることができる。
例えば、アノードオフガスとカソードオフガスとが対向するように衝突する第１従来例の場合と比べて、第１鋭角および第２鋭角を４５°以上、かつ７０°以下に設定することで、カソードオフガスの一部が火炎領域を通過した後、斜め上方に拡散するので、希薄水素中の可燃成分の濃度の更なる低下を抑制できる。
また、カソードオフガスが、アノードオフガスを挟むようにアノードオフガスに対して斜め下方から衝突することで、これらの混合ガスが上方にスムーズに拡散する。よって、第１従来例のような回り込み現象および第２従来例のような燃焼振動が抑制され、燃焼が不安定となる可能性を低減できる。
また、本態様の燃料電池システムでは、アノードオフガスの噴出速度を所望の範囲に設定することで、アノードオフガス噴出口と第１カソードオフガス噴出口との間の燃焼器の壁部の近傍およびアノードオフガス噴出口と第２カソードオフガス噴出口との間の燃焼器の壁部の近傍に、アノードオフガスおよびカソードオフガスの流速がほぼゼロとなる淀み領域が発生する。そして、本淀み領域の存在により、火炎面が下方に伸びて燃焼器の壁部に付着する（以下、火炎面の付着と略す場合がある）。すると、第１従来例および第２従来例の場合と比べて、燃焼器の保炎性能を向上し得る。よって、燃料の燃焼化学反応の促進により、希薄水素燃焼の場合であっても燃焼の安定化を図ることができる。なお、上記の淀み領域の存在は、後述の流体シミュレーションのガス流速分布可視化により確認されている。また、火炎面の付着は、後述のライン式燃焼実験機の可視化燃焼実験により確認されている。
本開示の第３の態様の燃料電池システムは、第２の態様の燃料電池システムにおいて、第１鋭角および第２鋭角は４５°であってもよい。
かかる構成によると、第１鋭角および第２鋭角を４５°に設定することで、燃焼器による希薄水素燃焼および炭化水素ガス燃焼の両方が安定化し得る。これは、後述のライン式燃焼実験機の可視化燃焼実験により検証されている。
本開示の第４の態様の燃料電池システムは、第１の態様の燃料電池システムにおいて、第１鋭角と第２鋭角とが等しくてもよい。
本開示の第５の態様の燃料電池システムは、第１の態様の燃料電池システムにおいて、燃焼器は、カソードオフガスが噴出する第３カソードオフガス噴出口および第４カソードオフガス噴出口を備え、
燃焼器を平面視した場合、第３カソードオフガス噴出口、第１カソードオフガス噴出口、アノードオフガス噴出口、第２カソードオフガス噴出口および第４カソードオフガス噴出口が直線上に並んでいる部分の燃焼器の断面において、 第３カソードオフガス噴出口は、カソードオフガスの噴出方向のベクトルがアノードオフガスの噴出方向のベクトルと第３鋭角を成すように、前記アノードオフガス噴出口の両側の一方において、第１カソードオフガス噴出口によりも上方に設けられ、
第４カソードオフガス噴出口は、カソードオフガスの噴出方向のベクトルがアノードオフガスの噴出方向のベクトルと第４鋭角を成すように、前記アノードオフガス噴出口の両側の他方において、第２カソードオフガス噴出口よりも上方に設けられ、
第３鋭角および前記第４鋭角は、第１鋭角および前記第２鋭角と異なっていてもよい。
本開示の第６の態様の燃料電池システムは、第５の態様の燃料電池システムにおいて、第３鋭角および第４鋭角は、第１鋭角および第２鋭角よりも大きくてもよい。
本開示の第７の態様の燃料電池システムは、第６の態様の燃料電池システムにおいて、第１鋭角および第２鋭角は４５°であり、第３鋭角および第４鋭角は７０°であってもよい。
以上の構成によると、本態様の燃料電池システムでは、単一の燃焼器が、発熱量が少ない希薄水素燃焼にも、発熱量が多い炭化水素ガス燃焼にも対応し得る。
例えば、第１鋭角および第２鋭角を４５°に設定するとともに、第３鋭角および第４鋭角を７０°に設定することで、燃焼器による希薄水素燃焼および炭化水素ガス燃焼の両方が安定化し得る。また、発熱量が多い炭化水素ガス燃焼を最適化できる。これは、後述のライン式燃焼実験機の可視化燃焼実験により検証されている。
本開示の第８の態様の燃料電池システムは、第５の態様−第７の態様のいずれかの燃料電池システムにおいて、第３カソードオフガス噴出口の開口面積および第４カソードオフガス噴出口の開口面積の合計値は、第１カソードオフガス噴出口の開口面積および第２カソードオフガス噴出口の開口面積の合計値よりも大きくてもよい。
かかる構成によると、本態様の燃料電池システムでは、第３カソードオフガス噴出口および第４カソードオフガス噴出口から噴出するカソードオフガス噴出量を、第１カソードオフガス噴出口および第２カソードオフガス噴出口から噴出するカソードオフガス噴出量よりも多くすることができる。すると、単一の燃焼器が希薄水素燃焼および炭化水素ガス燃焼の両方に対応する場合、燃焼器による炭化水素ガス燃焼において、十分な量のカソードオフガスを確保することができると同時に、第３カソードオフガス噴出口および第４カソードオフガス噴出口から噴出するカソードオフガスは、火炎が短炎化する希薄水素燃焼時には燃焼領域をバイパスするので、希薄水素燃焼の空気比を適切にすることができる。
本開示の第９の態様の燃料電池システムは、第１の態様−第８の態様のいずれかの燃料電池システムにおいて、アノードオフガス噴出口と第１カソードオフガス噴出口との第１最短距離およびアノードオフガス噴出口と第２カソードオフガス噴出口との第２最短距離は、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下であってもよい。
本開示の第１０の態様の燃料電池システムは、第９の態様の燃料電池システムにおいて、第１最短距離と第２最短距離とが等しくてもよい。
以上の構成によると、本態様の燃料電池システムは、第１最短距離および第２最短距離を、上記の所望の範囲に設定することで、燃焼器における燃焼を安定に保つことができる。
例えば、第１最短距離および第２最短距離が５ｍｍ未満であると、燃焼器の火炎が吹き飛ぶ可能性、火炎が隣のアノードオフガス噴出口に火移りしない可能性があるが、本態様の燃料電池システムは、上記の構成により、このような可能性を低減できる。また、例えば、第１最短距離および第２最短距離が１０ｍｍを超える場合、上記の淀み領域の消滅により、燃焼器の保炎性能が低下する可能性があるが、本態様の燃料電池システムは、上記の構成により、このような可能性を低減できる。
本開示の第１１の態様の燃料電池システムは、第１の態様−第１０の態様のいずれかの燃料電池システムにおいて、燃焼器は、複数のアノードオフガス噴出口が、円周方向に所定の間隔をあけて設けられている円環状のアノードオフガス壁面と、複数の第１カソードオフガス噴出口が、所定の間隔をあけて設けられている円環状の第１カソードオフガス壁面と、複数の第２カソードオフガス噴出口が、円周方向に所定の間隔をあけて設けられている円環状の第２カソードオフガス壁面と、を備えてもよい。
かかる構成によると、アノードオフガスがアノードオフガス噴出口から燃焼空間に流入する際に、アノードオフガスを適切に分散させることができる。また、カソードオフガスが第１カソードオフガス噴出口および第２カソードオフガス噴出口から燃焼空間に流入する際に、カソードオフガスを適切に分散させることができる。
本開示の第１２の態様の燃料電池システムは、第１１の態様の燃料電池システムにおいて、アノードオフガスの噴出方向のベクトルは、燃焼器の中心軸に向いていてもよい。
本開示の第１３の態様の燃料電池システムは、第１２の態様の燃料電池システムにおいて、アノードオフガスの噴出方向のベクトルと上記の燃焼器の中心軸のベクトルとがなす角は３０°以上、７０°以下であってもよい。
以上の構成によると、本態様の燃料電池システムは、上記のなす角を所定の範囲（３０°≦なす角≦７０°）に設定することで、燃焼器の壁部が、火炎により過昇温になることを抑制できるとともに、燃焼器の小型化を図ることができる。
例えば、上記のなす角が、３０°未満であると、燃焼器の壁部が火炎により過昇温する可能性があるが、本態様の燃料電池システムは、上記の構成により、このような可能性を低減できる。また、例えば、上記のなす角が、７０°を超える場合、燃焼器が大型化する可能性があるが、本態様の燃料電池システムは、上記の構成により、このような可能性を低減できる。
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態について説明する。以下で説明する実施形態は、本開示の一具体例を示すものである。つまり、以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、本開示を限定するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。
（実施形態）
［装置の全体構成］
図１は、実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
以下、燃料電池システムの具体例として、発電部に固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣ６）を備える固体酸化物形燃料電池システム（以下、ＳＯＦＣシステム１００）を例に挙げて説明するが、これに限定されない。燃料電池システムは、高温（例えば、６００℃以上）で動作する燃料電池システムであれば、どのような構成であっても構わない。例えば、このような高温動作形の燃料電池システムは、以下のＳＯＦＣシステム１００の他、発電部に溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）備える溶融炭酸塩形燃料電池システムなどであってもよい。
なお、図１において（他の図面も同じ）、便宜上、同図のように「上」および「下」が取られ、重力は上から下に作用するものとする。
図１に示す例では、ＳＯＦＣシステム１００は、改質器２と、蒸発器４と、酸化剤ガス供給経路５と、ＳＯＦＣ６と、酸化剤ガス熱交換器７と、アノードオフガス排出経路１１と、改質ガス供給経路１３と、混合ガス供給経路１４と、燃焼器２０と、を備える。
なお、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、ＳＯＦＣシステム１００の内部を改質器２、蒸発器４および燃焼器２０などが収容される上部領域５０Ａと、ＳＯＦＣ６などが収容される下部領域５０Ｂとに仕切る隔壁部５１が設けられている。
改質器２は、炭化水素系の原燃料を改質することで水素含有の改質ガスを生成する。本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、改質器２は、燃焼器２０の上方に配置されており、内壁２Ａと外壁２Ｂとで形成されている側壁部を備えるが、必ずしも、改質器２内を空間とする側壁部を備えなくても構わない。
但し、改質器２が側壁部を備え、側壁部の厚みが適切に設定されることで、改質器２の側壁部の改質触媒２Ｅの全体に対して燃焼排ガスの熱が伝わりやすくなる。
具体的には、改質器２の側壁部に改質触媒２Ｅを設けることで、改質触媒２Ｅの量を適量確保したうえで、燃焼排ガスの熱が改質触媒２Ｅの全体に十分に伝わるようにＳＯＦＣシステム１００を構成できる。本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、例えば、改質器２に改質触媒の量を必要量（例えば、約２００g程度）確保したうえで、燃焼排ガスから改質触媒２Ｅ全体へ熱が十分に伝わるように、内壁２Ａと外壁２Ｂとの間の間隔（つまり、側壁部の厚み）が、約１０ｍｍ程度に設定されている。なお、このような改質器２の具体例は例示であって、本例に限定されない。
ここで、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、改質器２の内壁２Ａおよび外壁２Ｂは、円筒体であるが、これに限らない。これらの内壁２Ａおよび外壁２Ｂは、例えば、矩形筒体でもよい。
但し、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００の如く、改質器２の内壁２Ａおよび外壁２Ｂを円筒体で構成することにより、これらを矩形筒体で構成する場合に比べ、製造時の溶接長さおよび箇所を削減できるので、改質器２の製造コストが低減する。また、ガス圧力への耐性、熱応力への耐性が向上し、円筒体の薄板化が可能となる。以上により、ＳＯＦＣシステム１００の低コスト化が図れる。
また、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、改質器２の側壁部の上端領域は上板部材２Ｕで覆われ、側壁部の下端領域は下板部材２Ｄで覆われている。なお、上板部材２Ｕの周辺部は、改質触媒２Ｅへ送るためのガスが通過する複数の開口部（図示せず）が形成されている。
図１に示すように、高温の燃焼排ガスが、改質器２の外壁２ＢとＳＯＦＣシステム１００の容器の内壁５４との間の空間を通過する。これにより、改質器２の改質触媒２Ｅが燃焼排ガスの熱で加熱されている。なお、このような燃焼排ガスを発生する燃焼器２０の詳細は後述する。
改質器２の内壁２Ａの下端部近傍には、折り返し部１６が設けられている。折り返し部１６は、内壁２Ａの周囲に沿って設けられた複数の開口部（図示せず）を備える。なお、この開口部は、改質触媒の触媒粒子の通過を阻止し、改質ガスの通気を許すような大きさ（例えば、直径１−３ｍｍ程度の丸穴）で内壁２Ａに形成されている。
また、改質ガス供給経路１３が、下板部材２Ｄを気密状態で貫通し、改質器２内の空間を鉛直上方に伸びている。なお、改質ガス供給経路１３の上端部は、改質器２内の空間から改質ガス供給経路１３への改質ガスの流入を阻害しない位置であって、上板部材２Ｕよりも下方に位置している。改質ガス供給経路１３の下端部は、ＳＯＦＣ６に接続されている。
改質器２の改質反応は、いずれの形態であってもよい。改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応および部分酸化反応などを挙げることができる。なお、改質触媒の触媒金属には、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈなどの貴金属系触媒およびＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種を用いることができる。図１には示されていないが、上記の改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、蒸発器４に水を供給する水供給器（例えば、ポンプ）などが設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、ＳＯＦＣシステム１００には、更に、改質器２に空気を供給する空気供給器（例えば、ブロア）などが設けられる。
なお、改質器２に送る原燃料としては、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含む炭化水素系の燃料ガスを用いてもよいし、アルコール、バイオ燃料、軽油などの炭化水素系の液体燃料を用いてもよい。
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、改質器２の改質反応として、水蒸気改質反応が行われている。そこで、改質器２の上板部材２Ｕの直上に、蒸発器４が設けられている。
蒸発器４は、内壁４Ａと外壁４Ｂとで形成されている側壁部と、改質器２の上板部材２Ｕと下板部材４Ｄとで形成されている底部４Ｅとを備える。蒸発器４の側壁部の上端領域は、ＳＯＦＣシステム１００の容器の上壁５２で覆われ、側壁部の下端領域は下板部材４Ｄで覆われている。よって、蒸発器４の側壁部および底部４Ｅの内部はいずれも空間となっている。そして、この側壁部内に、らせん状の流路を構成する流路部材４Ｃ（例えば、ワイヤー）が巻き付けられている。
なお、蒸発器４の外壁４Ｂと改質器２の外壁２Ｂは、同一筒体で構成されている。これにより、ＳＯＦＣシステム１００の部品点数を削減できる。
ここで、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、蒸発器４の内壁４Ａおよび外壁４Ｂは、円筒体であるが、これに限らない。これらの内壁４Ａおよび外壁４Ｂは、例えば、矩形筒体でもよい。
但し、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００の如く、蒸発器４の内壁４Ａおよび外壁４Ｂを円筒体で構成することにより、これらを矩形筒体で構成する場合に比べ、製造時の溶接長さおよび箇所を削減できるので、蒸発器４の製造コストが低減する。また、ガス圧力への耐性、熱応力への耐性が向上し、円筒体の薄板化が可能となる。以上により、ＳＯＦＣシステム１００の低コスト化が図れる。
図１に示すように、高温の燃焼排ガスは、蒸発器４の外壁４ＢとＳＯＦＣシステム１００の容器の内壁５４との間の空間を通過する。これにより、蒸発器４の側壁部内が燃焼排ガスの熱で加熱されている。
蒸発器４の内壁４Ａの下端部近傍には、折り返し部１７が設けられている。折り返し部１７は、内壁４Ａの周囲に沿って設けられた複数の開口部（図示せず）を備える。また、原燃料および水蒸気の混合ガスが流通する混合ガス供給経路１４が、下板部材４Ｄを気密状態で貫通し、蒸発器４内の空間を鉛直上方に伸びている。なお、混合ガス供給経路１４の上端部は、蒸発器４内の空間から混合ガス供給経路１４への混合ガスの流入を阻害しない位置であって、上壁５２よりも下方に位置している。混合ガス供給経路１４の下端部は、蒸発器４の底部４Ｅ内の空間から改質触媒２Ｅへの混合ガスの流入を阻害しない位置であって、上板部材２Ｕよりも上方に位置している。
なお、蒸発器４は、改質器２と接触して配置されていれば、どのような構成であっても構わない。例えば、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００の如く、蒸発器４と改質器２とが、上から下に向かう方向においてこの順に並んでおり、蒸発器４の側壁部と改質器２の側壁部とが、蒸発器４の底部４Ｅを介して接触する構成でもよいし、蒸発器の側壁部と改質器の側壁部とが、図示しない鉛直部材を用いて上下方向に所望の間隔をあけて接合されることで両者が接触してもよい。
以上により、蒸発器４を改質器２と接触して配置させることで、ＳＯＦＣシステム１００の構成が簡素化する。つまり、蒸発器４および改質器２を上下方向において並ぶように一体的に配置することで、例えば、蒸発器と改質器とを別体に設ける場合に比べ、ＳＯＦＣシステム１００を簡素に構成できる。
ＳＯＦＣ６は、酸化剤および燃料を用いて発電する。具体的には、ＳＯＦＣ６のカソードには、酸化剤ガス供給経路５を通じて酸化剤ガスが供給され、ＳＯＦＣ６のアノードには、改質ガス供給経路１３を通じて改質ガスが供給されている。ＳＯＦＣ６では、ＳＯＦＣ６の単セル（図示せず）を、例えば、複数個集合し、直列に接続している。ＳＯＦＣ６は、複数の平板形の単セルを積層して形成されていてもよいし、複数の円筒形の単セルを集合して形成されていてもよい。本実施形態では、ＳＯＦＣ６は、平板型の単セルおよびインターコネクタなどの部材を積層した平板型スタックで構成されている。なお、ＳＯＦＣシステム１００には、ＳＯＦＣ６の動作温度（例えば、６００℃以上）を検出する温度検知器（図示せず）、ＳＯＦＣ６の発電電流を取り出すための電極（図示せず）などが設けられている。ＳＯＦＣ６の構成は、一般的なＳＯＦＣと同様であるので詳細な説明は省略する。
酸化剤ガス供給経路５は、ＳＯＦＣ６のカソードに送るための酸化剤ガスが流通する流路である。具体的には、図示しない酸化剤ガス供給器（例えば、ブロアなど）により酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給経路５を供給された後、ＳＯＦＣ６へと送られる。酸化剤ガスとして、例えば、空気などを例示できる。
酸化剤ガス供給経路５は、ＳＯＦＣシステム１００の容器の内壁５４と外壁５３との間に形成され、内壁５４は、ＳＯＦＣシステム１００の容器の上壁５２からＳＯＦＣ６の下方へ延伸し、ＳＯＦＣ６の底部を覆っている。ＳＯＦＣシステム１００の運転温度が、高温（例えば、６００℃以上）となるので、ＳＯＦＣシステム１００の容器の周囲を、図示しない断熱材で覆い、外部への放熱を抑える構成を取ることが多い。
アノードオフガス排出経路１１は、ＳＯＦＣ６のアノードから排出されるアノードオフガスが流通する流路である。具体的には、ＳＯＦＣ６の発電に使用しなかった改質ガス（アノードオフガス）が、アノードオフガス排出経路１１に流入し、このアノードオフガス排出経路１１を通過した後、燃焼器２０へと送られる。本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、アノードオフガス排出経路１１は、ＳＯＦＣ６のアノードから下部領域５０Ｂおよび隔壁部５１を通過して、燃焼器２０のアノードオフガス噴出器２２（図３参照）へ至るように延伸している。なお、ここでは、アノードオフガス排出経路１１の本数は、２本であるが、これに限らない。燃焼器２０のアノードオフガス噴出器２２の構成は後で詳しく説明する。
カソードオフガス排出経路は、ＳＯＦＣ６のカソードから排出されるカソードオフガスが流通する流路である。具体的には、ＳＯＦＣ６の発電に使用しなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）が、このカソードオフガス排出経路を通過した後、燃焼器２０のカソードオフガス噴出器２１、２３、２４（図３参照）へ送られる。燃焼器２０のカソードオフガス噴出器２１、２３、２４の構成は後で詳しく説明する。
なお、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、カソードオフガス排出経路は、ＳＯＦＣ６の外殻と内壁５４との間の空間と、ＳＯＦＣ６の外殻と隔壁部５１との間の空間とで形成されている。
また、上記の改質ガス供給経路１３は、改質器２から、燃焼器２０を貫通してＳＯＦＣ６に至るように延伸している。
酸化剤ガス熱交換器７は、酸化剤ガス供給経路５を流れる酸化剤ガスと内壁５４内を流れる燃焼排ガスとが熱交換する。つまり、酸化剤ガス熱交換器７では、燃焼排ガスで曝される内壁５４の部分が伝熱面として機能する。これにより、常温の酸化剤ガス（空気）は、酸化剤ガス供給経路５を上から下へと流れるとき、内壁５４内を下から上へと流れる燃焼排ガスとの熱交換で、高温（例えば、約６００℃−７００℃程度）まで加熱される。更に、酸化剤ガスは、ＳＯＦＣ６の内部改質の反応熱を利用し、ＳＯＦＣ６の発電反応に必要な温度まで加熱され、ＳＯＦＣ６を収容する容器の下部からＳＯＦＣ６のカソードに供給される。なお、燃焼排ガスは、適温（例えば、約１００℃〜２００℃程度）まで冷却された後、ＳＯＦＣシステム１００外へ排出され、例えば、給湯用の温水を生成するための図示しない熱交換器へと送られる。
［燃焼器２０の構成］
以下、図面を参照しながら、実施形態のＳＯＦＣシステム１００の燃焼器２０の構成について詳しく説明する。
図２および図３は、実施形態の燃料電池システムの燃焼器の一例を示す図である。
図２には、燃焼器２０を上方から平面視した図が示されている。図３には、図２の直線２００の部分の燃焼器２０を断面視した図が示されている。
燃焼器２０は、カソードオフガス噴出器２１と、アノードオフガス噴出器２２と、カソードオフガス噴出器２３と、カソードオフガス噴出器２４と、着火器２６と、を備える。
燃焼器２０は、上記の改質器２を加熱する装置である。つまり、燃焼器２０は、燃焼器２０でアノードオフガスとカソードオフガスとが混合して両者が燃焼することで、火炎を、アノードオフガスの噴出方向のベクトル５００に沿って形成させる。すると、燃焼器２０の高温の燃焼排ガスにより、燃焼器２０の上方に設けられた改質器２を加熱することができる。なお、着火器２６は、燃焼器２０の着火動作を行うための装置である。着火器２６として、例えば、ヒーター、点火プラグなどを例示できる。
［燃焼器２０のパラメータの定義］
燃焼器２０では、様々な設計パラメータおよび動作パラメータが、燃焼器２０における燃焼性能に重要な影響を与える。そこで、これらのパラメータについて、図３の燃焼器２０および図４のライン式燃焼実験機１２０を参照しながら、まとめて定義する。
＜設計パラメータ＞
第１鋭角θ１：カソードオフガスの噴出方向のベクトル４０１とアノードオフガスの噴出方向のベクトル５００とがなす角（ライン式燃焼実験機１２０の傾斜角θ１に相当）
第２鋭角θ２：カソードオフガスの噴出方向のベクトル４０２とアノードオフガスの噴出方向のベクトル５００とがなす角（ライン式燃焼実験機１２０の傾斜角θ２に相当）
第３鋭角θ３：カソードオフガスの噴出方向のベクトル４０３とアノードオフガスの噴出方向のベクトル５００とがなす角
第４鋭角θ４：カソードオフガスの噴出方向のベクトル４０４とアノードオフガスの噴出方向のベクトル５００とがなす角
角度θ：アノードオフガスの噴出方向のベクトル５００と燃焼器２０の中心軸３００のベクトルとがなす角
第１最短距離Ｌ１：アノードオフガス噴出口２２Ａと第１カソードオフガス噴出口２１Ａとの間の最短の距離（ライン式燃焼実験機１２０の距離Ｌ１に相当）
第２最短距離Ｌ２：アノードオフガス噴出口２２Ａと第２カソードオフガス噴出口２１Ｂとの間の最短の距離（ライン式燃焼実験機１２０の距離Ｌ２に相当）
＜動作パラメータ＞
噴出速度Ｕ：標準条件（気温０℃、１気圧）における燃料（例えば、アノードオフガス）の噴出速度
トータル空気比λ：燃焼器２０の全てのカソードオフガス噴出口から噴出したカソードオフガの空気比
局所空気比λ１：図２および図３の燃焼器２０で例示すると、アノードオフガス噴出口２２Ａの両隣の第１カソードオフガス噴出口２１Ａおよび第２カソードオフガス噴出口２１Ｂから噴出したカソードオフガスの空気比
［燃焼器２０の詳細構成］
以下、燃焼器２０のアノードオフガス噴出器２２、カソードオフガス噴出器２１、カソードオフガス噴出器２３およびカソードオフガス噴出器２４の詳細な構成について順を追って説明する。
＜アノードオフガス噴出器２２＞
図２に示すように、アノードオフガス噴出器２２は、平面視において、カソードオフガス噴出器２１を囲み、中心軸３００を中心とする円環状部材で構成されている。
具体的には、図３に示すように、アノードオフガス噴出器２２は、円筒内壁１２２と、円筒外壁２２２と、上壁３２２と、を備える。円筒内壁１２２および円筒外壁２２２は、中心軸３００を中心とする同軸状に配置され、両者の間の空間が、アノードオフガス排出経路１１（図１参照）と連通するアノードオフガスの通過領域となっている。円筒外壁２２２の円形上端は、円筒内壁１２２の円形上端よりも上方にまで延伸している。そして、上壁３２２の円形内端と円筒内壁１２２の円形上端とが接続している。上壁３２２の円形外端と円筒外壁２２２の円形上端とが接続している。よって、上壁３２２は、上壁３２２の円形内端から外側に向かって上方に傾斜する円環状の傾斜部３２２Ａと、傾斜部３２２Ａから水平に延伸する円環状の平坦部３２２Ｂと、を備える。
ここで、上壁３２２の傾斜部３２２Ａの適所には、アノードオフガスが噴出するアノードオフガス噴出口２２Ａが設けられている。なお、アノードオフガス噴出口２２Ａの配置位置、形状、寸法、個数などの詳細は後で説明する。
このようにして、アノードオフガス排出経路１１（図１参照）を通過し、上方に拡散するアノードオフガスが、アノードオフガス噴出器２２のアノードオフガス噴出口２２Ａから燃焼空間に噴出される。
＜カソードオフガス噴出器２１＞
図２に示すように、カソードオフガス噴出器２１は、平面視において、改質ガス供給経路１３を構成する改質ガス供給配管１３Ａを囲み、中心軸３００を中心とする円環状部材で構成されている。
具体的には、図３に示すように、カソードオフガス噴出器２１は、有蓋の円筒部材１２１と、鍔付きの円錐台部材２２１と、円筒部材３２１と、を備える。なお、円筒部材１２１の円形の上蓋１２１Ａの中央部には、上記の改質ガス供給配管１３Ａを通すための開口が形成されている。つまり、上蓋１２１Ａの中央部を改質ガス供給配管１３Ａが上下方向に気密に貫通している。
これらの円筒部材１２１、円錐台部材２２１および円筒部材３２１はそれぞれ、この順番に、燃焼器２０の中心軸３００を沿って上から下に並ぶように、中心軸３００を中心とする同軸状に配置されている。そして、円筒部材１２１の円形下端と円錐傾斜部２２１Ａの円形上端とが接続している。円錐傾斜部２２１Ａの円形下端（円環鍔部２２１Ｂの根本部）と円筒部材３２１の円形上端とが接続している。円環鍔部２２１Ｂは、この根元部から水平に延伸しており、その先端部が、アノードオフガス噴出器２２に接続している。つまり、円環鍔部２２１Ｂの先端部は、アノードオフガス噴出器２２の円筒内壁１２２の円形上端付近に当接している。
なお、下方の円筒部材３２１の径は、上方の円筒部材１２１の径よりも大きい。よって、円錐台部材２２１の円錐傾斜部２２１Ａは、内側から外側に向かって下方に傾斜する中央部の開口が形成された傘状になっている。
ここで、円環鍔部２２１Ｂの適所には、カソードオフガスが噴出する第１カソードオフガス噴出口２１Ａが、カソードオフガスの噴出方向のベクトル４０１がアノードオフガスの噴出方向のベクトル５００と第１鋭角θ１を成すように、アノードオフガス噴出口２２Ａの両側の一方に設けられている。そして、アノードオフガス噴出口２２Ａと第１カソードオフガス噴出口２１Ａとは、第１最短距離Ｌ１だけ離れている。
また、円錐傾斜部２２１Ａの適所には、カソードオフガスが噴出する第３カソードオフガス噴出口２１Ｃが、カソードオフガスの噴出方向のベクトル４０３がアノードオフガスの噴出方向のベクトル５００と第３鋭角θ３を成すように、アノードオフガス噴出口２２Ａの両側の一方において、第１カソードオフガス噴出口２１Ａによりも上方に設けられている。
なお、第１カソードオフガス噴出口２１Ａおよび第３カソードオフガス噴出口２１Ｃの配置位置、形状、寸法、個数などの詳細は後で説明する。
このようにして、隔壁部５１（図１参照）の中央開口を通過し、上方に拡散するカソードオフガスが、カソードオフガス噴出器２１の第１カソードオフガス噴出口２１Ａおよび第３カソードオフガス噴出口２１Ｃから燃焼空間に噴出される。つまり、カソードオフガス噴出器２１およびアノードオフガス噴出器２２は、ＳＯＦＣ６から排出されるカソードオフガスのうち、アノードオフガス噴出器２２の内側を通過するカソードオフガスと、アノードオフガス噴出口２２Ａから噴出するアノードオフガスとを燃焼空間において混合および燃焼させる機能を備える。
なお、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、円筒部材１２１の周囲にも、図示しないカソードオフガス噴出口が設けられている。これにより、本カソードオフガス噴出口からカソードオフガスを噴出させることで、燃焼器２０の円錐台部材２２１などが火炎により過昇温しにくくなっている。
＜カソードオフガス噴出器２３＞
図２に示すように、カソードオフガス噴出器２３は、平面視において、アノードオフガス噴出器２２を囲み、中心軸３００を中心とする円環状部材で構成されている。
具体的には、図３に示すように、カソードオフガス噴出器２３は、円環上壁１２３と、円環下壁２２３と、円筒壁３２３と、を備える。そして、円環上壁１２３の円形内端と円筒壁３２３の円形上端とが接続している。円環下壁２２３の円形内端と円筒壁３２３の円形下端とが接続している。また、円環下壁２２３は、アノードオフガス噴出器２２の上壁３２２の平坦部３２２Ｂに支持（接続）されている。なお、下方の円環下壁２２３の内径と上方の円環上壁１２３の内径とはほぼ等しいので、円筒壁３２３は上下方向に延伸している。
ここで、円筒壁３２３の適所には、カソードオフガスが噴出する第２カソードオフガス噴出口２１Ｂが、カソードオフガスの噴出方向のベクトル４０２がアノードオフガスの噴出方向のベクトル５００と第２鋭角θ２を成すように、アノードオフガス噴出口２２Ａの両側の他方に設けられている。そして、アノードオフガス噴出口２２Ａと第２カソードオフガス噴出口２１Ｂとは、第２最短距離Ｌ２だけ離れている。
なお、第２カソードオフガス噴出口２１Ｂの配置位置、形状、寸法および個数などの詳細は後で説明する。
このようにして、隔壁部５１（図１参照）の周辺開口を通過し、上方に拡散するカソードオフガスが、カソードオフガス噴出器２３の第２カソードオフガス噴出口２１Ｂから燃焼空間に噴出される。つまり、カソードオフガス噴出器２３およびアノードオフガス噴出器２２は、ＳＯＦＣ６から排出されるカソードオフガスのうち、アノードオフガス噴出器２２の外側を通過するカソードオフガスの一部と、アノードオフガス噴出口２２Ａから噴出するアノードオフガスとを燃焼空間において混合および燃焼させる機能を備える。
＜カソードオフガス噴出器２４＞
図２に示すように、カソードオフガス噴出器２４は、平面視において、アノードオフガス噴出器２２を囲み、中心軸３００を中心とする円環状部材で構成されている。
図３に示すように、カソードオフガス噴出器２４は、円環上壁１２４と、円環下壁２２４と、円錐台壁３２４と、を備える。そして、円環上壁１２４の円形内端と円錐台壁３２４の円形上端とが接続している。円環下壁２２４の円形内端と円錐台壁３２４の円形下端とが接続している。なお、下方の円環下壁２２４の内径は上方の円環上壁１２４の内径よりも大きいので、円錐台壁３２４は、内側から外側に向かって下方に傾斜している。
ここで、カソードオフガス噴出器２４の円錐台壁３２４の適所には、カソードオフガスが噴出する第４カソードオフガス噴出口２１Ｄが、カソードオフガスの噴出方向のベクトル４０４がアノードオフガスの噴出方向のベクトル５００と第４鋭角θ４を成すように、アノードオフガス噴出口２２Ａの両側の他方において、第２カソードオフガス噴出口２１Ｂによりも上方に設けられている。
なお、第４カソードオフガス噴出口２１Ｄの配置位置、形状、寸法および個数などの詳細は後で説明する。
このようにして、隔壁部５１（図１参照）の周辺開口を通過し、上方に拡散するカソードオフガスが、カソードオフガス噴出器２４の第４カソードオフガス噴出口２１Ｄから燃焼空間に噴出される。つまり、カソードオフガス噴出器２４およびアノードオフガス噴出器２２は、ＳＯＦＣ６から排出されるカソードオフガスのうち、アノードオフガス噴出器２２の外側を通過するカソードオフガスの一部と、アノードオフガス噴出口２２Ａから噴出するアノードオフガスとを燃焼空間において混合および燃焼させる機能を備える。
以上のカソードオフガス噴出器２１、アノードオフガス噴出器２２、カソードオフガス噴出器２３およびカソードオフガス噴出器２４の構成は例示であって、本例に限定されない。
例えば、カソードオフガス噴出器２１、アノードオフガス噴出器２２、カソードオフガス噴出器２３およびカソードオフガス噴出器２４のそれぞれの構成要素の接続形態は、どのようなものであってもよい。これらの構成要素を適宜の曲げ加工などにより単一の金属板部材で構成しても、適宜の固定手段（例えば、溶接など）により別体の金属板部材で構成してもよい。
次に、燃焼器２０のアノードオフガス噴出口２２Ａ、第１カソードオフガス噴出口２１Ａ、第２カソードオフガス噴出口２１Ｂ、第３カソードオフガス噴出口２１Ｃ、第４カソードオフガス噴出口２１Ｄの詳細な構成について順を追って説明する。
＜アノードオフガス噴出口２２Ａ＞
上記のとおり、燃焼器２０のアノードオフガス噴出器２２は、アノードオフガス噴出口２２Ａが設けられている上壁３２２の傾斜部３２２Ａを備える。よって、この傾斜部３２２Ａが、複数のアノードオフガス噴出口２２Ａが、円周方向に所定の間隔をあけて設けられている円環状のアノードオフガス壁面を構成している。これにより、アノードオフガスが、アノードオフガス噴出口２２Ａから燃焼空間に流入する際に、アノードオフガスを適切に分散させることができる。
アノードオフガス噴出口２２Ａは、例えば、丸穴で形成されている。この場合、逆火が発生することを抑制するため、アノードオフガス噴出口２２Ａの直径は、例えば、約１．６ｍｍ−２．０ｍｍ程度に設定されている。
アノードオフガス噴出口２２Ａは、アノードオフガスの噴出方向のベクトル５００が、燃焼器２０の中心軸３００に向くように上壁３２２の傾斜部３２２Ａに設けられている。
これにより、燃焼器２０を小型に構成することができる。
図３に示す例では、アノードオフガスの噴出方向のベクトル５００と燃焼器２０の中心軸３００のベクトルとがなす角θが、約４５°程度に設定されている。この場合、上壁３２２の傾斜部３２２Ａは、約４５°傾斜しているので、アノードオフガス噴出口２２Ａは、アノードオフガスが傾斜部３２２Ａに対して垂直に噴出するように傾斜部３２２Ａに設けられている。
また、アノードオフガス噴出口２２Ａは、円環状の傾斜部３２２Ａの円周方向に、等間隔で、例えば、２４個−３２個程度、形成されている。アノードオフガス噴出口２２Ａの個数は、アノードオフガスの噴出速度Ｕの好適な値から決定することができる。本決定方法の詳細は後で説明する。
以上のアノードオフガス噴出口２２Ａの配置位置、形状、寸法および個数などの詳細は例示であって、本例に限定されない。
＜第１カソードオフガス噴出口２１Ａ＞
上記のとおり、燃焼器２０のカソードオフガス噴出器２１は、第１カソードオフガス噴出口２１Ａが設けられている円錐台部材２２１の円環鍔部２２１Ｂを備える。よって、この円環鍔部２２１Ｂが、複数の第１カソードオフガス噴出口２１Ａが、円周方向に所定の間隔をあけて設けられている円環状の第１カソードオフガス壁面を構成している。これにより、カソードオフガスが、第１カソードオフガス噴出口２１Ａから燃焼空間へ流入する際に、カソードオフガスを適切に分散させることができる。
第１カソードオフガス噴出口２１Ａの形状および大きさは、アノードオフガス噴出口２２Ａと同様の形状および大きさであってもよい。また、第１カソードオフガス噴出口２１Ａの配置位置（円周方向の穴間隔および配置周期）も、アノードオフガス噴出口２２Ａの配置位置（円周方向の穴間隔および配置周期）と同様であってもよい。よって、この場合、第１カソードオフガス噴出口２１Ａは、例えば、丸穴で形成されている。また、第１カソードオフガス噴出口２１Ａの直径は、例えば、約１．６ｍｍ−２．０ｍｍ程度に設定されている。
第１カソードオフガス噴出口２１Ａは、カソードオフガスの噴出方向のベクトル４０１が、燃焼器２０の中心軸３００と平行になるように円錐台部材２２１の円環鍔部２２１Ｂに設けられている。また、第１カソードオフガス噴出口２１Ａは、カソードオフガスが円環鍔部２２１Ｂに対して垂直に噴出するように円環鍔部２２１Ｂに設けられている。
以上の第１カソードオフガス噴出口２１Ａの配置位置、形状、寸法および個数などの詳細は例示であって、本例に限定されない。
＜第３カソードオフガス噴出口２１Ｃ＞
上記のとおり、カソードオフガス噴出器２１は、第３カソードオフガス噴出口２１Ｃが設けられている円錐台部材２２１の円錐傾斜部２２１Ａを備える。よって、この円錐傾斜部２２１Ａが、複数の第３カソードオフガス噴出口２１Ｃが、円周方向に所定の間隔をあけて設けられている円環状の第３カソードオフガス壁面を構成している。これにより、カソードオフガスが、第３カソードオフガス噴出口２１Ｃから燃焼空間へ流入する際に、カソードオフガスを適切に分散させることができる。
第３カソードオフガス噴出口２１Ｃの形状および大きさは、アノードオフガス噴出口２２Ａと同様の形状および大きさであってもよい。よって、この場合、第３カソードオフガス噴出口２１Ｃは、例えば、丸穴で形成されている。また、第３カソードオフガス噴出口２１Ｃの直径は、例えば、約１．６ｍｍ−２．０ｍｍ程度に設定されている。
本例では、第３カソードオフガス噴出口２１Ｃは、円錐傾斜部２２１Ａの傾斜方向において、等間隔に３段、設けられている。第３カソードオフガス噴出口２１Ｃの一段毎の円周方向の穴間隔は、アノードオフガス噴出口２２Ａの円周方向の穴間隔と同様であってもよい。但し、図２に示すように、二段目（真ん中）の第３カソードオフガス噴出口２１Ｃの円周方向の配置周期が、一段目および三段目の第３カソードオフガス噴出口２１Ｃの円周方向の配置周期に対して穴間隔の１／２だけずれている。そして、二段目（真ん中）の第３カソードオフガス噴出口２１Ｃの円周方向の配置周期を、アノードオフガス噴出口２２Ａの円周方向の配置周期と一致させている。つまり、一段目および三段目の第３カソードオフガス噴出口２１Ｃの円周方向の配置周期は、アノードオフガス噴出口２２Ａの円周方向の配置周期に対して穴間隔の１／２だけずれている。
また、第３カソードオフガス噴出口２１Ｃは、カソードオフガスの噴出方向のベクトル４０３が、燃焼器２０の中心軸３００に対して所望の角度となるように、円錐台部材２２１の円錐傾斜部２２１Ａに設けられている。
以上の第３カソードオフガス噴出口２１Ｃの配置位置、形状、寸法および個数などの詳細は例示であって、本例に限定されない。
＜第２カソードオフガス噴出口２１Ｂ＞
上記のとおり、燃焼器２０のカソードオフガス噴出器２３は、第２カソードオフガス噴出口２１Ｂが設けられている円筒壁３２３を備える。よって、この円筒壁３２３が、複数の第２カソードオフガス噴出口２１Ｂが、円周方向に所定の間隔をあけて設けられている円環状の第２カソードオフガス壁面を構成している。これにより、カソードオフガスが、第２カソードオフガス噴出口２１Ｂから燃焼空間へ流入する際に、カソードオフガスを適切に分散させることができる。
第２カソードオフガス噴出口２１Ｂの形状および大きさは、アノードオフガス噴出口２２Ａと同様の形状および大きさであってもよい。また、第２カソードオフガス噴出口２１Ｂの配置位置（円周方向の穴間隔および配置周期）も、アノードオフガス噴出口２２Ａの配置位置（円周方向の穴間隔および配置周期）と同様であってもよい。よって、この場合、第２カソードオフガス噴出口２１Ｂは、例えば、丸穴で形成されている。また、第２カソードオフガス噴出口２１Ｂの直径は、例えば、約１．６ｍｍ−２．０ｍｍ程度に設定されている。
第２カソードオフガス噴出口２１Ｂは、カソードオフガスの噴出方向のベクトル４０２が、燃焼器２０の中心軸３００と垂直になるように円筒壁３２３に設けられている。つまり、第２カソードオフガス噴出口２１Ｂは、カソードオフガスが円筒壁３２３に対して垂直に噴出するように円筒壁３２３に設けられている。
以上の第２カソードオフガス噴出口２１Ｂの配置位置、形状、寸法および個数などの詳細は例示であって、本例に限定されない。
＜第４カソードオフガス噴出口２１Ｄ＞
上記のとおり、燃焼器２０のカソードオフガス噴出器２４は、第４カソードオフガス噴出口２１Ｄが設けられている円錐台壁３２４を備える。よって、この円錐台壁３２４が、複数の第４カソードオフガス噴出口２１Ｄが、円周方向に所定の間隔をあけて設けられている円環状の第４カソードオフガス壁面を構成している。これにより、カソードオフガスが、第４カソードオフガス噴出口２１Ｄから燃焼空間へ流入する際に、カソードオフガスを適切に分散させることができる。
第４カソードオフガス噴出口２１Ｄの形状および大きさは、アノードオフガス噴出口２２Ａと同様の形状および大きさであってもよい。よって、この場合、第４カソードオフガス噴出口２１Ｄは、例えば、丸穴で形成されている。また、第４カソードオフガス噴出口２１Ｄの直径は、例えば、約１．６ｍｍ−２．０ｍｍ程度に設定されている。
本例では、第４カソードオフガス噴出口２１Ｄは、円錐台壁３２４の傾斜方向において、２段、設けられている。第４カソードオフガス噴出口２１Ｄの一段毎の円周方向の穴間隔は、アノードオフガス噴出口２２Ａの円周方向の穴間隔と同様であってもよい。但し、二段目（上側）の第４カソードオフガス噴出口２１Ｄの円周方向の配置周期が、一段目（下側）の第４カソードオフガス噴出口２１Ｄの円周方向の配置周期に対して穴間隔の１／２だけずれている。そして、二段目の第４カソードオフガス噴出口２１Ｄの円周方向の配置周期を、アノードオフガス噴出口２２Ａの円周方向の配置周期と一致させている。つまり、一段目の第４カソードオフガス噴出口２１Ｄの円周方向の配置周期は、アノードオフガス噴出口２２Ａの円周方向の配置周期に対して穴間隔の１／２だけずれている。
また、第４カソードオフガス噴出口２１Ｄは、カソードオフガスの噴出方向のベクトル４０４が、燃焼器２０の中心軸３００に対して所望の角度となるように、円錐台壁３２４に設けられている。
以上の第４カソードオフガス噴出口２１Ｄの配置位置、形状、寸法および個数などの詳細は例示であって、本例に限定されない。
このようにして、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、燃焼器２０を平面視した場合（図２参照）、二段目（真ん中）の第３カソードオフガス噴出口２１Ｃ、第１カソードオフガス噴出口２１Ａ、アノードオフガス噴出口２２Ａ、第２カソードオフガス噴出口２１Ｂ（図２では隠れているので図３参照）および二段目（上側）の第４カソードオフガス噴出口２１Ｄ（図２では隠れているので図３参照）が直線２００上に並んでいる。
これにより、アノードオフガスの噴出方向のベクトル５００に沿う火炎を適切に形成できる。つまり、第１カソードオフガス噴出口２１Ａおよび第２カソードオフガス噴出口２１Ｂと、アノードオフガス噴出口２２Ａとが、直線２００上に並ぶことにより、火炎が隣の第１カソードオフガス噴出口２１Ａに適切に火移し得る。また、第１カソードオフガス噴出口２１Ａおよび第２カソードオフガス噴出口２１Ｂから噴出したカソードオフガスによって火炎を挟み、アノードオフガスの噴出方向のベクトル５００に沿うように左右対称に乱れなく火炎を形成し得る。
ところで、以上の第１鋭角θ１と第２鋭角θ２、第３鋭角θ３と第４鋭角θ４、第１最短距離Ｌ１と第２最短距離Ｌ２、および、噴出速度Ｕなどのパラメータが、燃焼器２０における燃焼性能に重要な影響を与えることを、ライン式燃焼実験機１２０の可視化燃焼実験、流体シミュレーションのガス流速分布可視化により明らかにすることができた。
なお、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、第１鋭角θ１および第２鋭角θ２は約４５°程度に設定されている。また、第３鋭角θ３および第４鋭角θ４は約７０°程度に設定されている。また、第１最短距離Ｌ１および第２最短距離Ｌ２は、約７ｍｍ程度に設定されている。これらの設定値が、燃焼器２０における燃焼性能にとって好ましい値であることは後で詳しく説明する。但し、これらの設定値は、例示であって、本例に限定されない。
以下、ライン式燃焼実験機１２０を概説した後、燃焼器２０のパラメータの好適な範囲について順を追って説明する。
［ライン式燃焼実験機］
図４は、ライン式燃焼実験機の一例を示す図である。このライン式燃焼実験機１２０は、燃焼器２０における燃焼性能に影響を与える上記のパラメータの好適な範囲などを簡易な方法により見極めるための装置である。
ライン式燃焼実験機１２０は、水平に置かれた長方形の中央壁面１２０Ａと、中央壁面１２０Ａの両端のそれぞれから外側に向かって、傾斜角θ１および傾斜角θ２のそれぞれだけ、上方に傾倒させた一対の長方形の傾斜壁面１２０Ｂおよび傾斜壁面１２０Ｃとを備える。
中央壁面１２０Ａの長手方向（奥行き方向）には、燃料（例えば、アノードオフガスに相当）が中央壁面１２０Ａに対して垂直に噴出する複数の燃料噴出口が、所定の間隔をあけて並ぶように形成されている。
傾斜壁面１２０Ｂの長手方向（奥行き方向）には、空気（例えば、カソードオフガスに相当）が傾斜壁面１２０Ｂに対して垂直に噴出する複数の空気噴出口が、燃料噴出口と同じ間隔で並ぶように形成されている。傾斜壁面１２０Ｂの空気噴出口と中央壁面１２０Ａの燃料噴出口との最短距離は、距離Ｌ２である。
傾斜壁面１２０Ｃの長手方向（奥行き方向）には、空気（例えば、カソードオフガスに相当）が傾斜壁面１２０Ｃに対して垂直に噴出する複数の空気噴出口が、燃料噴出口と同じ間隔で並ぶように形成されている。傾斜壁面１２０Ｃの空気噴出口と中央壁面１２０Ａの燃料噴出口との最短距離は、距離Ｌ１である。
また、ライン式燃焼実験機１２０では、中央壁面１２０Ａの手前の領域は、図示しない耐熱ガラスで覆われている。よって、ライン式燃焼実験機１２０は、以上の傾斜角θ１、傾斜角θ２、距離Ｌ１および距離Ｌ２などを変更した場合の燃焼状態の変化を耐熱ガラス越しに可視化できるように構成されている。
ここで、図３の燃焼器２０の構成と図４のライン式燃焼実験機１２０の構成の対比から、傾斜角θ１が、燃焼器２０の第１鋭角θ１と同等の設計パラメータであり、傾斜角θ２が、燃焼器２０の第２鋭角θ２と同等の設計パラメータであることが容易に理解できる。また、距離Ｌ１が、燃焼器２０の第１最短距離Ｌ１と同等の設計パラメータであり、距離Ｌ２が、燃焼器２０の第２最短距離Ｌ２と同等の設計パラメータであることが容易に理解できる。
つまり、ライン式燃焼実験機１２０は、傾斜角θ１、傾斜角θ２、距離Ｌ１および距離Ｌ２を容易に変更し得ることで、燃焼器２０の設計パラメータの好適な範囲を可視化燃焼実験により推測し得る実験装置である。
また、ライン式燃焼実験機１２０は、燃焼器２０の設計パラメータを所定の値に固定した場合に、例えば、アノードオフガス噴出口２２Ａから噴出するアノードオフガスの噴出速度Ｕなどの動作パラメータの好適な範囲を可視化燃焼実験により推測し得る実験装置でもある。
［燃焼器２０のパラメータの決定］
ＳＯＦＣシステム１００は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）システムとは異なり、ＳＯＦＣ６の発電中の燃焼用の燃料には、アノードオフガスおよびカソードオフガスしか使用せず、アノードオフガス中の可燃成分（水素ガス、一酸化炭素ガス）の含有率が少ないという特性がある。また、カソードオフガスに関しては、ＳＯＦＣ６が高温（約６００〜７５０℃）で動作するので、ＳＯＦＣ６の温度制御方法、空気利用率（Ｕａ）により、カソードオフガスの流量が大幅に変動するという特性がある。よって、燃焼器２０は、必ずしも最適な空気比および最適な燃料含有率でない状態で燃焼を安定化させることが要求される。
また、上記のとおり、ＳＯＦＣシステム１００の起動時と発電時とでは、燃焼器２０の燃料の成分が異なる。例えば、燃焼器２０では、起動時には高発熱／高酸素量燃焼（以下、炭化水素ガス燃焼）、安定発電時には低発熱／低酸素量燃焼（以下、希薄水素燃焼）が行われる。よって、燃焼器２０は、これらの両方の燃焼を安定的に行い得ることが要求される。
また、近年の環境意識の高まりおよび省エネ要求から、ＳＯＦＣ６には高効率発電が求められているので、燃料利用率Ｕｆを高く設定する必要がある。燃料利用率Ｕｆを高く設定する程、ＳＯＦＣ６の発電効率は高くなるが、デメリットとして、可燃成分が希薄な燃料が燃焼器２０で使用されるので、燃焼器２０における失火などが発生しやすい。また、ＳＯＦＣ６の温度制御のために空気流量を変化させる制御が行われる場合、燃焼器２０における燃焼特性とは無関係に、カソードオフガス流量が変化するので、このことも燃焼器２０の失火要因となり得る。また、燃料が希薄化した場合、必要酸素量が減少するので、空気比が高い状態での燃焼が行われることが多い。よって、燃焼器２０は、このような希薄水素燃焼、空気比が高い状態での燃焼を安定的に行い得ることが要求される。
なお、現在、一般に利用されている家庭用のＳＯＦＣ６の燃料利用率Ｕｆは、様々な公開情報を元に推定すると、約６０〜７５％程度である。燃料利用率Ｕｆを現状の上限以上でも動作させる必要があるので、燃料利用率Ｕｆが７５％におけるアノードオフガスの組成を計算した。計算の結果、都市ガス流量が２．０８ＮＬＭで供給され、改質水がＳ/Ｃが２．５０となるように４．８８ｇ／ｍｉｎで供給され、改質器２における完全改質反応が行われると仮定すると、ＳＯＦＣシステム１００のＡＣ端で７００Ｗの発電が行われる場合、アノードオフガスは、約１６モル％程度の水素ガスを含有する。
そこで、以下、水素ガスが低濃度の希薄水素燃料（例えば、燃料利用率Ｕｆが約８０％程度の希薄水素燃料）を燃料とする場合の燃焼器２０のパラメータの好適な範囲について検討した。また、希薄水素燃焼および炭化水素ガス燃焼の両方を安定化し得る燃焼器２０のパラメータの好適な範囲について検討した。
＜燃料の噴出速度Ｕの好適な範囲＞
燃料の噴出速度Ｕ（ｍ／ｓ）と、希薄水素燃焼（Ｕｆ＝８０％）の安定性との関係を、ライン式燃焼実験機１２０を用いて実験的に検証した。
本実験では、ライン式燃焼実験機１２０の設計パラメータを以下の如く設定した。なお、傾斜角θ１および傾斜角θ２を４５°に設定した理由、および、距離Ｌ１および距離Ｌ２を７ｍｍに設定した理由は、後で説明する。
傾斜角θ１＝４５°（固定値）、距離Ｌ１＝７ｍｍ（固定値）
傾斜角θ２＝４５°（固定値）、距離Ｌ２＝７ｍｍ（固定値）
実験は、燃料利用率Ｕｆが８０％に相当する水素を含有する希薄水素（燃料）の噴出速度Ｕを徐々に変化させ、この噴出速度Ｕの変化の度に、火炎が失火しない空気比の範囲を確認することで行われた。
その結果、３．４（ｍ／ｓ）以上になると、火炎が吹き消えた。また、２．０（ｍ／ｓ）以下では、火炎が失火しない空気比の範囲が極めて狭いので、実用的ではなかった。
以上により、希薄水素燃料の噴出速度Ｕの好適な範囲は、以下の式（１）で示された範囲あることが明らかになった。なお、希薄水素燃焼ではなく、炭化水素ガス燃焼の事例にはあるが、理論的にも、燃料の噴出速度Ｕの好適な値が、２．０（ｍ／ｓ）程度であることが知られている。
２．０（ｍ／ｓ）＜噴出速度Ｕ（ｍ／ｓ）＜３．０（ｍ／ｓ）・・・式（１）ところで、ＳＯＦＣシステム１００の定格運転時（例えば、家庭用の燃料電池であれば、約ＡＣ７００Ｖ程度）の発電効率向上が市場において要求され、その運転条件で燃料として最も希薄な燃料を燃焼器２０で燃焼させる必要がある。
そこで、アノードオフガス噴出口２２Ａの個数は、以上の実験結果に基づいてＳＯＦＣシステム１００の定格発電の際に排出されるアノードオフガス流量において最適化される。具体的には、アノードオフガスの噴出速度Ｕが特定された場合、ＳＯＦＣシステム１００の定格発電の際に排出されるアノードオフガス流量とアノードオフガス噴出口２２Ａの開口面積とから、アノードオフガス噴出口２２Ａの個数を決定することができる。
＜第１鋭角θ１および第２鋭角θ２の好適な範囲＞
燃焼器２０の第１鋭角θ１および第２鋭角θ２と、希薄水素燃焼（Ｕｆ＝８０％）および炭化水素ガス燃焼のそれぞれの安定性との関係を、ライン式燃焼実験機１２０を用いて実験的に検証した。図５に、実験結果が示されている。
本実験では、ライン式燃焼実験機１２０の設計パラメータを以下の如く設定した。なお、距離Ｌ１および距離Ｌ２を７ｍｍに設定した理由は、後で説明する。
傾斜角θ１＝３０°、４５°、７０°、距離Ｌ１＝７ｍｍ（固定値）
傾斜角θ２＝３０°、４５°、７０°、距離Ｌ２＝７ｍｍ（固定値）
また、燃料の噴出速度Ｕは、上記の式（１）に従うように、２．７（ｍ／ｓ）に設定した（固定値）。
図５に示すように、傾斜角θ１（燃焼器２０の第１鋭角θ１に相当）および傾斜角θ２（燃焼器２０の第２鋭角θ２に相当）が約４５°程度であると、低発熱燃焼（希薄水素燃焼）および高発熱燃焼（炭化水素ガス燃焼）が両立（安定）することが分かった。
また、低発熱燃焼（希薄水素燃焼）のみを対象とする場合、傾斜角θ１および傾斜角θ２の好適な範囲は約４５°以上、約７０°以下の範囲にまで拡大することが分かった。つまり、傾斜角θ１および傾斜角θ２が約７０°の場合、低発熱燃焼（希薄水素燃焼）では、局所空気比λ１が１．５〜３．０の範囲において安定したが、高発熱燃焼（炭化水素ガス燃焼）では、燃焼振動により安定しなかった。これは、以下の理由による。
高発熱燃焼（炭化水素ガス燃焼）においては、必要とされる酸素の絶対量が多く、逆に、燃料が少ないので、傾斜角θ１および傾斜角θ２が約７０°の場合では、空気の壁が、噴出速度が小さい燃料の流れを塞ぐことで、燃焼振動が発生すると考えられる。傾斜角θ１および傾斜角θ２が約４５°の場合では、空気の壁が燃料の流れを塞ぐことが抑制されるので、高発熱燃焼（炭化水素ガス燃焼）が安定化すると考えられる。
なお、傾斜角θ１および傾斜角θ２が約３０°程度の場合、低発熱燃焼（希薄水素燃焼）および高発熱燃焼（炭化水素ガス燃焼）のいずれも安定しなかった。
以上の結果を踏まえ、希薄水素燃焼における燃焼領域の現象を、ライン式燃焼実験機１２０および流体シミュレーションを用いて詳細に検討した。
図６は、ライン式燃焼実験機の希薄水素燃焼（Ｕｆ＝８０％）の火炎を模式的に描いた図である。なお、このとき、傾斜角θ１、傾斜角θ２、距離Ｌ１および距離Ｌ２をそれぞれ、４５°、４５°、７ｍｍおよび７ｍｍに設定するとともに、燃料の噴出速度Ｕを、上記の式（１）に従うように２．７（ｍ／ｓ）に設定した。そして、局所空気比λ１を１．０〜５．０程度まで変化させ、燃焼の火炎を耐熱カラス壁越しに目視観察した。
観察の結果、図６に示すように、火炎面が下方に伸びて、ライン式燃焼実験機１２０の中央壁面１２０Ａに付着することが、ライン式燃焼実験機１２０の可視化燃焼実験により確認できた。なお、図示を省略するが、希薄水素燃焼が安定にならないようなライン式燃焼実験機１２０の設計パラメータでは、火炎面は、下方に伸びずに空間内で途切れて浮き上がることが、ライン式燃焼実験機１２０の可視化燃焼実験により確認できた。
このような火炎面の付着により、高温の火炎から燃料および空気へ熱の伝達を促すことができると考えられる。すると、燃焼化学反応が促進することで、希薄水素燃焼を安定させ得ると判断している。そして、このような火炎面の付着は、中央壁面１２０Ａと傾斜壁面１２０Ｂ、１２０Ｃとの間のコーナー部近傍に、燃料および空気の流速がほぼゼロとなる淀み領域６００の形成が関与しているのではないかと判断した。
図７は、図６のライン式燃焼実験機の中央壁面と傾斜壁面との間のコーナー部の流れ場の様子を模式的に描いた図である。図７では、流体シミュレーションでの燃料の速度ベクトルが実線矢印で示され、流体シミュレーションでの空気の速度ベクトルが点線矢印で示されている。
流れ場シミュレーションの結果、図７に示すように、拡散性の高い燃料（水素）は、燃料噴出口から噴出した後、コーナー部の方（横方向）にスプレー状に拡散する特性を備えることが分かった。そして、コーナー部において、反対側から拡散する空気と衝突し、両者が混合する様子を確認することができた。これにより、燃料および空気の流速がほぼゼロとなる淀み領域６００がコーナー部に形成されていることが、流体シミュレーションのモデル上で再現された。
以上により、アノードオフガス噴出口２２Ａの両隣の第１カソードオフガス噴出口２１Ａおよび第２カソードオフガス噴出口２１Ｂからカソードオフガスをアノードオフガスの噴出方向のベクトル５００に、所望の噴出範囲（例えば、４５°以上、７０°以下）で噴出させることが、希薄水素燃焼の安定化にとって有効であることが、ライン式燃焼実験機１２０の可視化燃焼実験および流体シミュレーションのガス流速分布可視化により検証された。
なお、燃料の噴出速度Ｕを変化させ、流体シミュレーションによりコーナー部の流れ場を再現したところ、淀み領域６００が形成されるのは、式（１）の範囲内であることも確認した。この理由は、燃料の噴出速度Ｕが、２．０（ｍ／ｓ）以上の値になると、燃料噴出部内の動圧が上がり、燃料の噴出時に広く拡散するようになるからであると考えられる。なお、このような動圧による燃料の拡散現象は、例えば、「一酸化炭素-水素-窒素同軸流拡散火炎の燃焼特性（日本燃焼学会誌 ２００６ 第４８巻１４３号 Ｐ１３６−１５０）」でも指摘されている。
以上により、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、上記のとおり、第１鋭角θ１および第２鋭角θ２を約４５°に設定している。
＜第１最短距離Ｌ１および第２最短距離Ｌ２の好適な範囲＞
燃焼器２０の第１最短距離Ｌ１および第２最短距離Ｌ２と、希薄水素燃焼（Ｕｆ＝８０％）の安定性との関係を、ライン式燃焼実験機１２０を用いて実験的に検証した。
本実験では、ライン式燃焼実験機１２０の設計パラメータを以下の如く設定した。
傾斜角θ１＝４５°（固定値）、距離Ｌ１（適宜の範囲で変更）
傾斜角θ２＝４５°（固定値）、距離Ｌ２（適宜の範囲で変更）
また、燃料の噴出速度Ｕは、式（１）に従うように、２．７（ｍ／ｓ）に設定した（固定値）。
実験の結果、距離Ｌ１（燃焼器２０の第１最短距離Ｌ１に相当）および距離Ｌ２（燃焼器２０の第２最短距離Ｌ２に相当）が５ｍｍ未満であると、燃焼器２０の火炎が吹き飛ぶ可能性、火炎が隣のアノードオフガス噴出口２２Ａに火移りしない可能性があることが分かった。また、距離Ｌ１および距離Ｌ２が１０ｍｍを超える場合、上記の淀み領域６００の消滅により、燃焼器２０の保炎性能が低下する可能性があることが分かった。
以上により、第１最短距離Ｌ１および第２最短距離Ｌ２は、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下である方がよい。
また、これらの第１最短距離Ｌ１および第２最短距離Ｌ２を等距離とすることで、穴間隔が左右対称となり、これらを等距離としない場合に比べて燃焼安定性が向上する。よって、第１最短距離Ｌ１と第２最短距離Ｌ２とは等しい方がよい。
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、上記のとおり、第１最短距離Ｌ１および第２最短距離Ｌ２を７ｍｍに設定している。
＜高発熱燃焼（炭化水素ガス燃焼）への対応＞
図８は、低発熱燃焼（希薄水素燃焼）および高発熱燃焼（炭化水素ガス燃焼）の火炎を模式的に描いた図である。図８（ａ）には、燃焼速度が速い希薄水素燃焼の火炎面が示されている。図８（ｂ）には、燃焼速度が遅い炭化水素ガス燃焼の火炎面が示されている。
図８に示すように、希薄水素燃焼の火炎は短炎化するが、炭化水素ガス燃焼になると、火炎の長さが、短炎から長炎に変化する。よって、アノードオフガス噴出口２２Ａに隣接する第１カソードオフガス噴出口２１Ａおよび第２カソードオフガス噴出口２１Ｂだけでは、高発熱燃焼（炭化水素ガス燃焼）の特徴（ＳＯＦＣシステム１００の起動時の速やかな昇温効果）を適切に活かすことができない。
そこで、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、単一の燃焼器２０が、発熱量が少ない希薄水素燃焼にも、発熱量が多い炭化水素ガス燃焼にも対応し得るように、本燃焼器２０は、上記のとおり、カソードオフガス噴出器２１、カソードオフガス噴出器２３およびカソードオフガス噴出器２４を備える。
つまり、燃焼器２０は、カソードオフガスの噴出構造を上下２段で構成している。カソードオフガス噴出器２１の第１カソードオフガス噴出口２１Ａおよびカソードオフガス噴出器２３の第２カソードオフガス噴出口２１Ｂが、図８の下段ガス噴出構造のカソードオフガス噴出口に相当する。カソードオフガス噴出器２１の第３カソードオフガス噴出口２１Ｃおよびカソードオフガス噴出器２４の第４カソードオフガス噴出口２１Ｄが、図８の上段ガス噴出構造のカソードオフガス噴出口に相当する。
図４のライン式燃焼実験機１２０において、下段ガス噴出構造に対応する傾斜壁面１２０Ｂ、１２０Ｃの上方に、上段ガス噴出構造に対応する傾斜壁面を組み込み、以下の如く、ライン式燃焼実験機１２０を用いて、下段ガス噴出構造のカソードオフガス噴出量（以下、下段ガス量）と上段ガス噴出構造のカソードオフガス噴出量（以下、上段ガス量）の好適な比率の決定、および、第３鋭角θ３および第４鋭角θ４の好適な値の決定を行った。
なお、ライン式燃焼実験機１２０の上段ガス噴出構造の詳細な説明および図示は省略するが、以下の説明では、ライン式燃焼実験機１２０の上段ガス噴出構造の傾斜角θ３および傾斜角θ４がそれぞれ、燃焼器２０の第３鋭角θ３および第４鋭角θ４と同等の設計パラメータであるとする。
＜下段ガス量と上段ガス量の比率＞
図３に示すように、上段ガス噴出構造（第３カソードオフガス噴出口２１Ｃおよび第４カソードオフガス噴出口２１Ｄ）から噴出するカソードオフガスは、火炎は短炎化する希薄水素燃焼の場合、この火炎形成領域よりも十分に上方の領域に噴出される。よって、このようなカソードオフガスにより、希薄水素の可燃ガス濃度の更なる低下、希薄水素燃焼の火炎の温度低下は生じないと考えられる。つまり、上段ガス量は、希薄水素燃焼の燃焼特性に影響を及ぼしにくいと考えられる。
よって、下段ガス量と上段ガス量の比率を、以下の式（２）の如く設定して、ライン式燃焼実験機１２０の可視化燃焼実験を行ったところ、局所空気比λ１が１．０〜４．０の範囲において希薄水素燃焼が安定することを確認することができた。
下段ガス量：上段ガス量＝２５：７５・・・式（２）
なお、上記の式（２）の比率は例示であって、本例に限定されない。
そこで、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、第３カソードオフガス噴出口２１Ｃの開口面積および第４カソードオフガス噴出口２１Ｄの開口面積の合計値を、第１カソードオフガス噴出口２１Ａの開口面積および第２カソードオフガス噴出口２１Ｂの開口面積の合計値よりも大きく設定している。
なお、図３の燃焼器２０では、第３カソードオフガス噴出口２１Ｃおよび第４カソードオフガス噴出口２１Ｄのトータル個数を、第１カソードオフガス噴出口２１Ａおよび第２カソードオフガス噴出口２１Ｂのトータル個数よりも多くすることで、上記の開口面積の関係を満たしている。これにより、燃焼器２０による炭化水素ガス燃焼において、十分な量のカソードオフガスを確保することができると同時に、また、第３カソードオフガス噴出口２１Ｃおよび第４カソードオフガス噴出口２１Ｄから噴出するカソードオフガスは、火炎が短炎化する希薄水素燃焼時には燃焼領域をバイパスするので、上記のとおり、希薄水素燃焼の局所空気比λ１を適切にすることができる。
＜第３鋭角θ３および第４鋭角θ４の好適な範囲＞
燃焼器２０の第３鋭角θ３および第４鋭角θ４と、炭化水素ガス燃焼の安定性との関係を、ライン式燃焼実験機１２０を用いて実験的に検証した。図９に、実験結果が示されている。
本実験では、ライン式燃焼実験機１２０の設計パラメータは以下の如く設定した。
・下段ガス噴出構造
傾斜角θ１＝４５°（固定値）、距離Ｌ１＝７ｍｍ（固定値）
傾斜角θ２＝４５°（固定値）、距離Ｌ２＝７ｍｍ（固定値）
・上段ガス噴出構造
傾斜角θ３＝５５°、７０°、９０°
傾斜角θ４＝５５°、７０°、９０°
また、燃料の噴出速度Ｕは、式（１）に従うように、２．７（ｍ／ｓ）に設定した（固定値）。また、下段ガス量と上段ガス量の比率は、上記の式（２）に従い設定した。
図９に示すように、傾斜角θ３（燃焼器２０の第３鋭角θ３に相当）および傾斜角θ４（燃焼器２０の第４鋭角θ４に相当）が約７０°程度であるとき、他の傾斜角の場合に比べて、炭化水素ガスの完全燃焼が行われる局所空気比λ１の範囲が最大化することが確認された。つまり、図９の点線で囲った領域は、実際の燃焼器２０で使用することを意図した局所空気比λ１の領域を表している。その結果、傾斜角θ３および傾斜角θ４を約７０°に設定することが最適であることが、本実験により検証された。
以上により、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、上記のとおり、第３鋭角θ３および第４鋭角θ４を約７０°に設定している。
［燃焼器２０における燃焼試験］
燃焼器２０の上記の様々なパラメータを、以下の好適な値に設定した上で、燃焼器２０における燃焼試験を行った。なお、比較例として、特許文献１（図１２）の燃焼器と同じ類の燃焼器（以下、従来の燃焼器）を製作し、従来の燃焼器における燃焼試験も行った。
・下段ガス噴出構造
第１鋭角θ１＝４５°、第１最短距離Ｌ１＝７ｍｍ
第２鋭角θ２＝４５°、第２最短距離Ｌ２＝７ｍｍ
・上段ガス噴出構造
第３鋭角θ３＝７０°
第４鋭角θ４＝７０°
・アノードオフガスの噴出速度Ｕ＝２．７（ｍ／ｓ）
・下段ガス量：上段ガス量＝２５：７５
図１０は、実施形態の燃料電池システムの燃焼器の炭化水素ガス（都市ガス）燃焼試験の一例を示す図である。図１０（ａ）には、従来の燃焼器による都市ガス燃焼試験の最適燃焼域が示され、図１０（ｂ）には、燃焼器２０による都市ガス燃焼試験の最適燃焼域が示されている。なお、図１０の横軸の投入発熱量は、燃料利用率Ｕｆに対応する量であり、投入発熱量が少ない程、燃料利用率Ｕｆが高くなる。
図１０に示すように、燃焼器２０による都市ガス燃焼試験の最適燃焼域は、従来の燃焼器による都市ガス燃焼試験の最適燃焼域よりも拡大していることが分かる。
図１１は、実施形態の燃料電池システムの燃焼器の希薄水素燃焼試験の一例を示す図である。図１１中の実線で囲まれた左側の領域が、希薄水素燃焼を確認できた領域である。図１１から理解できるとおり、発熱量が少ない希薄水素燃焼であっても、燃焼器２０における燃焼が適切に行われている。なお、図１１の横軸の約４００Ｋ（ｃａｌ／ｈ）あたりが、燃料利用率Ｕｆが７５％程度に相当する希薄水素の発熱量である。
以上のとおり、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、燃焼器２０の燃料が希薄化した場合でも、従来に比べ燃焼器２０における燃焼の安定化を図ることができる。
例えば、アノードオフガスとカソードオフガスとが対向するように衝突する第１従来例の場合と比べて、第１鋭角θ１および第２鋭角θ２を４５°以上、かつ７０°以下に設定することで、カソードオフガスの一部が火炎領域を通過した後、斜め上方へと拡散するので、希薄水素中の可燃成分の濃度の更なる低下を抑制できる。
また、カソードオフガスが、アノードオフガスを挟むようにアノードオフガスに対して斜めに衝突することで、これらの混合ガスが上方にスムーズに拡散する。よって、第１従来例のような回り込み現象および第２従来例のような燃焼振動が抑制され、燃焼が不安定となる可能性を低減できる。
また、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、アノードオフガスの噴出速度Ｕを所望の範囲（２．０（ｍ／ｓ）＜噴出速度Ｕ（ｍ／ｓ）＜３．０（ｍ／ｓ））に設定することで、アノードオフガス噴出口２２Ａと第１カソードオフガス噴出口２１Ａとの間の燃焼器２０の壁部の近傍およびアノードオフガス噴出口２２Ａと第２カソードオフガス噴出口２１Ｂとの間の燃焼器２０の壁部の近傍に、アノードオフガスおよびカソードオフガスの流速がほぼゼロとなる淀み領域６００が発生する。そして、本淀み領域６００の存在により、火炎面が下方に伸びて燃焼器２０の壁部に付着する。すると、第１従来例および第２従来例の場合と比べて、燃焼器２０の保炎性能を向上し得る。よって、燃料の燃焼化学反応の促進により、希薄水素燃焼の場合であっても燃焼の安定化を図ることができる。
また、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、第１鋭角θ１および第２鋭角θ２を４５°に設定することで、燃焼器２０による希薄水素燃焼および炭化水素ガス燃焼の両方が安定化し得る。
また、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、単一の燃焼器２０が、発熱量が少ない希薄水素燃焼にも、発熱量が多い炭化水素ガス燃焼にも対応し得る。
例えば、第１鋭角θ１および第２鋭角θ２を４５°に設定するとともに、第３鋭角θ３および第４鋭角θ４を７０°に設定することで、燃焼器２０による希薄水素燃焼および炭化水素ガス燃焼の両方が安定化し得る。また、発熱量が多い炭化水素ガス燃焼を最適化できる。
また、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、第３カソードオフガス噴出口２１Ｃおよび第４カソードオフガス噴出口２１Ｄから噴出するカソードオフガス噴出量を、第１カソードオフガス噴出口２１Ａおよび第２カソードオフガス噴出口２１Ｂから噴出するカソードオフガス噴出量よりも多くすることができる。すると、単一の燃焼器２０が希薄水素燃焼および炭化水素ガス燃焼の両方に対応する場合、燃焼器２０による炭化水素ガス燃焼において、十分な量のカソードオフガスを確保することができると同時に、第３カソードオフガス噴出口２１Ｃおよび第４カソードオフガス噴出口２１Ｄから噴出するカソードオフガスは、火炎が短炎化する希薄水素燃焼時には燃焼領域をバイパスするので、希薄水素燃焼の空気比を適切にすることができる。
また、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、第１最短距離Ｌ１および第２最短距離Ｌ２を、所望の範囲（５ｍｍ≦Ｌ１≦１０ｍｍ、５ｍｍ≦Ｌ２≦１０ｍｍ）に設定することで、燃焼器２０における燃焼を安定に保つことができる。
例えば、第１最短距離Ｌ１および第２最短距離Ｌ２が５ｍｍ未満であると、燃焼器２０の火炎が吹き飛ぶ可能性、火炎が隣のアノードオフガス噴出口２２Ａに火移りしない可能性があるが、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、上記の構成により、このような可能性を低減できる。また、例えば、第１最短距離Ｌ１および第２最短距離Ｌ２が１０ｍｍを超える場合、上記の淀み領域６００の消滅により、燃焼器２０の保炎性能が低下する可能性があるが、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、上記の構成により、このような可能性を低減できる。
（第１変形例）
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、アノードオフガスの噴出方向のベクトル５００と燃焼器２０の中心軸３００のベクトルとがなす角θ（図３参照）を４５°に設定したが、これに限定されない。なす角θは、例えば、３０°以上、７０°以下であってもよい。
以上により、本変形例のＳＯＦＣシステム１００は、なす角θを所定の範囲（３０°≦θ≦７０°）に設定することで、燃焼器２０の壁部が、火炎により過昇温になることを抑制できるとともに、燃焼器２０の小型化を図ることができる。
例えば、上記のなす角θが、３０°未満であると、燃焼器２０の壁部が火炎により過昇温する可能性があるが、本変形例のＳＯＦＣシステム１００は、上記の構成により、このような可能性を低減できる。また、例えば、上記のなす角θが、７０°を超える場合、燃焼器２０が大型化する可能性があるが、本変形例のＳＯＦＣシステム１００は、上記の構成により、このような可能性を低減できる。
本変形例のＳＯＦＣシステム１００は、上記特徴以外は、実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様に構成してもよい。
（第２変形例）
第３カソードオフガス噴出口２１Ｃの開口面積および第４カソードオフガス噴出口２１Ｄの開口面積の合計値を、第１カソードオフガス噴出口２１Ａの開口面積および第２カソードオフガス噴出口２１Ｂの開口面積の合計値よりも大きく設定する方法は、図３の燃焼器２０の構成に限定されない。
例えば、第３カソードオフガス噴出口２１Ｃおよび第４カソードオフガス噴出口２１Ｄの個々の開口面積を、第１カソードオフガス噴出口２１Ａおよび第２カソードオフガス噴出口２１Ｂの個々の開口面積よりも大きくすることで、上記の開口面積の関係を満たしてもよい。
また、第３カソードオフガス噴出口２１Ｃおよび第４カソードオフガス噴出口２１Ｄが設けられる円周の一段あたりの個数を、第１カソードオフガス噴出口２１Ａおよび第２カソードオフガス噴出口２１Ｂが設けられる円周の一段数あたりの個数よりも多くすることで、上記の開口面積の関係を満たしてもよい。
本変形例のＳＯＦＣシステム１００は、上記特徴以外は、実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様に構成してもよい。
なお、実施形態、第１変形例および第２変形例は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。
また、上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
本開示の一態様は、燃焼器の燃料が希薄化した場合でも、従来に比べて燃焼器における燃焼の安定化を図ることができる燃料電池システムに利用することができる。
２ ：改質器
２Ａ ：内壁
２Ｂ ：外壁
２Ｄ ：下板部材
２Ｅ ：改質触媒
２Ｕ ：上板部材
４ ：蒸発器
４Ａ ：内壁
４Ｂ ：外壁
４Ｃ ：流路部材
４Ｄ ：下板部材
４Ｅ ：底部
５ ：酸化剤ガス供給経路
６ ：燃料電池
７ ：酸化剤ガス熱交換器
１１ ：アノードオフガス排出経路
１３ ：改質ガス供給経路
１３Ａ ：改質ガス供給配管
１４ ：混合ガス供給経路
１６ ：折り返し部
１７ ：折り返し部
２０ ：燃焼器
２１ ：カソードオフガス噴出器
２１Ａ ：第１カソードオフガス噴出口
２１Ｂ ：第２カソードオフガス噴出口
２１Ｃ ：第３カソードオフガス噴出口
２１Ｄ ：第４カソードオフガス噴出口
２２ ：アノードオフガス噴出器
２２Ａ ：アノードオフガス噴出口
２３ ：カソードオフガス噴出器
２４ ：カソードオフガス噴出器
２６ ：着火器
５０Ａ ：上部領域
５０Ｂ ：下部領域
５１ ：隔壁部
５２ ：上壁
５３ ：外壁
５４ ：内壁
１００ ：ＳＯＦＣシステム
１２０ ：ライン式燃焼実験機
１２０Ａ ：中央壁面
１２０Ｂ ：傾斜壁面
１２０Ｃ ：傾斜壁面
１２１ ：円筒部材
１２１Ａ ：上蓋
１２２ ：円筒内壁
１２３ ：円環上壁
１２４ ：円環上壁
２００ ：中心軸
２２１ ：円錐台部材
２２１Ａ ：円錐傾斜部
２２１Ｂ ：円環鍔部
２２２ ：円筒外壁
２２３ ：円環下壁
２２４ ：円環下壁
３００ ：中心軸
３２１ ：円筒部材
３２２ ：上壁
３２２Ａ ：傾斜部
３２２Ｂ ：平坦部
３２３ ：円筒壁
３２４ ：円錐台壁
６００ ：淀み領域
Ｌ１ ：第１最短距離
Ｌ２ ：第２最短距離
θ ：なす角
θ１ ：第１鋭角
θ２ ：第２鋭角
θ３ ：第３鋭角
θ４ ：第４鋭角
λ ：トータル空気比
λ１ ：局所空気比

Claims (13)

  1. 酸化剤および燃料を用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスと前記燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスとが燃焼する燃焼器と、を備え、
    前記燃焼器は、前記アノードオフガスが噴出するアノードオフガス噴出口と、前記カソードオフガスが噴出する第１カソードオフガス噴出口および第２カソードオフガス噴出口と、を備え、
    前記燃焼器を平面視した場合、前記第１カソードオフガス噴出口、前記アノードオフガス噴出口および前記第２カソードオフガス噴出口が直線上に並んでいる部分の前記燃焼器の断面において、
    前記第１カソードオフガス噴出口は、前記カソードオフガスの噴出方向のベクトルが前記アノードオフガスの噴出方向のベクトルと第１鋭角を成すように、前記アノードオフガス噴出口の両側の一方に設けられ、
    前記第２カソードオフガス噴出口は、前記カソードオフガスの噴出方向のベクトルが前記アノードオフガスの噴出方向のベクトルと第２鋭角を成すように、前記アノードオフガス噴出口の両側の他方に設けられている燃料電池システム。
  2. 前記第１鋭角および前記第２鋭角は４５°以上、かつ７０°以下である請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記第１鋭角および前記第２鋭角は４５°である請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記第１鋭角と前記第２鋭角とが等しい請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃焼器は、前記カソードオフガスが噴出する第３カソードオフガス噴出口および第４カソードオフガス噴出口を備え、
    前記燃焼器を平面視した場合、前記第３カソードオフガス噴出口、前記第１カソードオフガス噴出口、前記アノードオフガス噴出口、前記第２カソードオフガス噴出口および前記第４カソードオフガス噴出口が直線上に並んでいる部分の前記燃焼器の断面において、
    前記第３カソードオフガス噴出口は、前記カソードオフガスの噴出方向のベクトルが前記アノードオフガスの噴出方向のベクトルと第３鋭角を成すように、前記アノードオフガス噴出口の両側の一方において、前記第１カソードオフガス噴出口によりも上方に設けられ、
    前記第４カソードオフガス噴出口は、前記カソードオフガスの噴出方向のベクトルが前記アノードオフガスの噴出方向のベクトルと第４鋭角を成すように、前記アノードオフガス噴出口の両側の他方において、前記第２カソードオフガス噴出口よりも上方に設けられ、
    前記第３鋭角および前記第４鋭角は、前記第１鋭角および前記第２鋭角と異なっている
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  6. 前記第３鋭角および前記第４鋭角は、前記第１鋭角および前記第２鋭角よりも大きい請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記第１鋭角および前記第２鋭角は４５°であり、前記第３鋭角および前記第４鋭角は７０°である請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記第３カソードオフガス噴出口の開口面積および前記第４カソードオフガス噴出口の開口面積の合計値は、前記第１カソードオフガス噴出口の開口面積および前記第２カソードオフガス噴出口の開口面積の合計値よりも大きい請求項５から７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記アノードオフガス噴出口と前記第１カソードオフガス噴出口との第１最短距離および前記アノードオフガス噴出口と前記第２カソードオフガス噴出口との第２最短距離は、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下である請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記第１最短距離と前記第２最短距離とが等しい請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記燃焼器は、複数の前記アノードオフガス噴出口が、円周方向に所定の間隔をあけて設けられている円環状のアノードオフガス壁面と、複数の前記第１カソードオフガス噴出口が、所定の間隔をあけて設けられている円環状の第１カソードオフガス壁面と、複数の前記第２カソードオフガス噴出口が、円周方向に所定の間隔をあけて設けられている円環状の第２カソードオフガス壁面と、を備える請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  12. 前記アノードオフガスの噴出方向のベクトルは、前記燃焼器の中心軸に向いている請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記アノードオフガスの噴出方向のベクトルと前記燃焼器の中心軸のベクトルとがなす角は３０°以上、７０°以下である請求項１２に記載の燃料電池システム。
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