JP2020007200A - 燃焼器、及び、燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器において燃料ガスの燃焼性を向上させる。【解決手段】内側筒壁２０４には、燃料ガスノズル２１０が形成されている。燃料ガスノズル２１０は、周方向に間隔を空けて複数形成されている。筒状壁部２３２には、燃料ガスノズル２１０に対応する位置に酸化剤ガスノズル２５２が形成されている。燃料ガスノズル２１０の中心軸Ｓ１は、酸化剤ガスノズル２５２の中心軸Ｓ２よりも下側に配置されている。燃料ガスノズル２１０を中心軸Ｓ１方向から見ると、燃料ガスノズル２１０の下部に酸化剤ガスノズル２５２と重複しない部分ができる。【選択図】図６

Description

本発明は、燃焼器、及び、燃焼器を備えた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器とを備えた燃料電池モジュールが知られている。

特開２０１６−２４８７１号公報

この燃料電池モジュールの燃焼器では、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させるために、酸化剤ガス（空気）を用いる。スタック排ガスと酸化剤ガスをどのように燃焼室へ供給するかによって燃焼性に影響が出る。燃焼室への供給の仕方によっては、スタック排ガスの燃焼が不十分となり、スタック排ガスが燃焼されないまま燃焼器から排出されたり、燃焼器内において火炎が消失してしまったりすることが考えられる。

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、燃焼器において燃料ガスの燃焼性を向上させる燃焼器、及び、この燃焼器を備えた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、本発明の請求項１に係る燃焼器は、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筒状の燃焼室周壁の内側に形成された燃焼室と、前記燃焼室の筒軸の一端側と隣接され外部から前記酸化剤ガスが供給され、酸化剤ガス室仕切壁で前記燃焼室と区画された酸化剤ガス室と、前記酸化剤ガス室の径方向内側に配置され、外部から前記燃料ガスが供給され、燃料ガス室仕切壁で前記酸化剤ガス室と区画された燃料ガス室と、前記酸化剤ガス室仕切壁を貫通し、前記燃焼室と前記酸化剤ガス室とを連通させる酸化剤ガスノズルと、前記燃料ガス室仕切壁を貫通し、前記貫通方向において前記酸化剤ガスノズルと重複する重複部と、前記酸化剤ガスノズルと非重複の非重複部を有し、前記燃料ガスを前記酸化剤ガス室へ吐出させる燃料ガスノズルと、を備えている。

この燃焼器では、径方向内側の燃料ガス室に供給された燃料ガスは、燃料ガスノズルから酸化剤ガス室へ噴出される。また、酸化剤ガス室に供給された酸化剤ガスは、燃料ガスノズルからの燃料ガスと共に酸化剤ガスノズルから燃焼室へ噴出される。燃料ガスノズルは、酸化剤ガスノズルと重複しない非重複部を有しているので、燃料ガスノズルを通過した燃料ガスの一部は、酸化剤ガス仕切壁に当たり、乱流を生じさせる。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスの混合が促進され、酸化剤ガスノズルから燃焼室へ噴出された混合ガスの燃焼器における燃焼性を向上させることができる。

請求項２に係る燃焼器は、前記燃料ガスノズルと前記酸化剤ガスノズルとは、非同軸とされている。

このように、燃料ガスノズルと酸化剤ガスノズルとを非同軸に配置することにより、燃料ガスノズルと酸化剤ガスノズルの大小関係に係わらず、容易に燃料ガスノズルに重複部と非重複部とを形成することができる。

請求項３に係る燃焼器は、前記酸化剤ガス室仕切壁は、前記燃焼室周壁と同軸に配置された筒状の筒状壁部と、前記筒状壁部の外周下部から前記燃焼室周壁へ拡径され前記燃焼室が前記一端側へ凸となるようにテーパー状とされたテーパー壁部と、を有し、
前記酸化剤ガスノズルは、前記筒状壁部に形成され、前記テーパー壁部には、前記テーパー壁部を貫通して前記酸化剤ガス室と前記燃焼室とを連通させる複数のテーパー壁連通孔が形成されている。

請求項３に記載の燃焼器では、筒状壁部に形成された酸化剤ガスノズルから噴出された燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを、テーパー壁部に沿って径方向内側から径方向外側へ拡散させることができ、燃焼器における火炎の長さを短くすることができる。

請求項４に係る燃焼器は、前記燃料ガス室仕切壁が、前記筒状壁部の内側に配置された筒状の内側筒壁、及び、前記内側筒壁の先端を覆う天面壁を含んで形成され、前記燃料ガスノズルは前記内側筒壁に形成されている。

請求項４に係る燃焼器では、燃料ガス室仕切壁を筒状の内側筒壁と内側筒壁の先端を覆う天面壁を含んで形成することにより、燃料ガス室を筒内側の空間で構成することができる。

請求項５に係る燃焼器は、前記テーパー壁連通孔は、前記燃焼室の径方向に同一幅の同心環状帯において、径方向内側よりも径方向外側の方が前記酸化剤ガスの前記テーパー壁連通孔の透過流量が多くなるように形成されている。

請求項５に係る燃焼器では、前記燃焼室の径方向内側よりも径方向外側の方が酸化剤ガスのテーパー壁連通孔の透過流量が多い。したがって、酸化剤ガスへ供給された酸化剤ガスのうち燃焼室の径方向外側に供給される流量が増え、燃料ガスに混合される流量が減少するため、燃焼ガスの燃焼速度を下げることができる。これにより、燃焼器の筒軸付近への火炎集中が抑制され、局所加熱による焼損、劣化を抑制することができる。また、燃焼器へ供給される空気比が高い場合には、燃焼に寄与せず排気させることができるため、燃焼性を向上させることができる。

請求項６に係る燃焼器は、記テーパー壁連通孔は、同心円状に複数列形成され、径方向内側の列の前記テーパー壁連通孔の個数よりも径方向外側の列の前記テーパー壁連通孔の個数が多いことを特徴とする。

このように、径方向内側の列のテーパー壁連通孔の個数よりも、径方向外側の列のテーパー部連通孔の個数を多くすることにより、燃焼室の径方向内側よりも径方向外側の酸化剤ガスの透過流量を多くすることができる。したがって、燃焼ガスの燃焼速度を下げることができると共に、燃焼器へ供給される空気比が高い場合でも燃焼性を向上させることができる。

請求項７に係る燃焼器は、前記テーパー壁連通孔は、同心円状に複数列形成され、径方向内側の列の前記テーパー壁連通孔の開口サイズよりも径方向外側の列の前記テーパー壁連通孔の開口サイズが大きいことを特徴とする。

このように、径方向内側の列のテーパー壁連通孔の開口サイズよりも、径方向外側の列のテーパー部連通孔の開口サイズを大きくすることにより、燃焼室の径方向内側よりも径方向外側の酸化剤ガスの透過流量を多くすることができる。したがって、燃焼ガスの燃焼速度を下げることができると共に、燃焼器へ供給される空気比が高い場合でも燃焼性を向上させることができる。

請求項８に係る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８のいずれか１項に記載の燃焼器と、を備えている。

請求項８に係る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。

請求項８に係る燃料電池モジュールは、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９に係る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。

以上説明したように、本発明によれば、燃焼器において燃料ガスの燃焼性を向上させることができる。

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１実施形態に係る燃焼器の縦断面を含む斜視図である。 第１実施形態に係る燃焼器を一部拡大した上面図（Ａ）と、縦断面図（Ｂ）である。 第１実施形態に係る酸化剤ガスノズル、燃料ガスノズル付近を拡大した断面図である。 第１実施形態の変形例に係る酸化剤ガスノズル、燃料ガスノズル付近を拡大した断面図である。 第１実施形態に係る燃焼器と比較例に係る燃焼器の、燃焼空気比と燃焼排ガスの一酸化炭素濃度の関係を示すグラフである。 第２実施形態に係る燃焼器を一部拡大した上面図（Ａ）と、縦断面図（Ｂ）である。 第２実施形態の変形例に係る燃焼器を一部拡大した上面図（Ａ）と、縦断面図（Ｂ）である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について説明する。なお、図中において、水平方向を矢印Ｘで示し、鉛直方向を矢印Ｚで示している。

＜燃料電池モジュール＞
図１に示されるように、第１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。なお、本実施形態では、一例として九個の管材２１〜２９により容器２０を構成しているが、他の個数（８個以下、１０個以上）の管材により容器を構成してもよい。

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、３にも示されるように、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。
なお、本実施形態では、一例として四重の筒状壁４１〜４４により気化部４０を構成しているが、他の個数（３個以下、５個以上）の筒状壁により気化部を構成してもよい。

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、３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。
なお、本実施形態では、一例として四重の筒状壁６１〜６４により改質部６０を構成しているが、他の個数（３個以下、５個以上）の筒状壁により改質部を構成してもよい。

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が形成されている。燃焼器２００は、燃焼室周壁２０１と、燃焼室内壁２０２と、整流部２０３と、燃料ガス室仕切壁としての内側筒壁２０４と、酸化剤ガス室仕切壁としての筒状壁部２３２、テーパー壁部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、後述する燃料ガスと、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。

内側筒壁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。この内側筒壁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内側筒壁２０４における燃焼室２０７側の開口は、天面壁２２２で覆われて閉鎖されている。天面壁２２２により、燃料ガス室２０８は、燃焼室２０７から区画されている。

内側筒壁２０４の先端部（燃焼室２０７側の端部）の径方向外側には、筒状壁部２３２が設けられ、筒状壁部２３２の燃焼室２０７側の開口は、天面壁２２２で覆われている。すなわち、天面壁２２２は、筒状壁部２３２及び内側筒壁２０４の先端部を覆っている。筒状壁部２３２と内側筒壁２０４の間には、外周酸化剤ガス室２４２が形成されている。外周酸化剤ガス室２４２は、環状とされ、酸化剤ガス室２０９と連通されている。筒状壁部２３２の筒軸方向の長さは、内側筒壁２０４よりも短く、筒状壁部２３２の下端から径方向外側へ向かってテーパー壁部２０５が延出形成されている。

図５にも示されるように、内側筒壁２０４には、燃料ガスノズル２１０が形成されている。燃料ガスノズル２１０は、周方向に間隔を空けて複数形成されている。燃料ガスノズル２１０は、内側筒壁２０４を径方向に貫通した円形の孔とされている。この複数の燃料ガスノズル２１０は、等間隔で配列されている。

図６（Ａ）（Ｂ）に示されるように、筒状壁部２３２には、燃料ガスノズル２１０に対応する位置に酸化剤ガスノズル２５２が形成されている。酸化剤ガスノズル２５２は、筒状壁部２３２を径方向に貫通した円形の孔とされている。酸化剤ガスノズル２５２は、燃料ガスノズル２１０よりも大径とされている。また、周方向に隣り合う酸化剤ガスノズル２５２の間には、酸化剤ガスノズル２５２Ａが形成されている。酸化剤ガスノズル２５２Ａは、燃料ガスノズル２１０が形成されていない位置に設けられている。

燃料ガスノズル２１０の中心軸Ｓ１は、酸化剤ガスノズル２５２の中心軸Ｓ２よりも下側に配置されている。燃料ガスノズル２１０を中心軸Ｓ１方向から見ると、燃料ガスノズル２１０の下部に酸化剤ガスノズル２５２と重複しない部分ができる（図７参照）。以下、燃料ガスノズル２１０の当該非重複の部分を「非重複部２１０Ａ」と称し、酸化剤ガスノズル２５２と重複する部分を「重複部２１０Ｂ」と称する。

なお、本実施形態では、燃料ガスノズル２１０の中心軸Ｓ１を酸化剤ガスノズル２５２の中心軸Ｓ２よりも下側に配置して中心軸Ｓ１と中心軸Ｓ２をずらしたが、中心軸Ｓ１を中心軸Ｓ２よりも上側に配置してもよい。また、中心軸Ｓ１と中心軸Ｓ２を水平方向にずらしてもよい。

また、図８に示されるように、燃料ガスノズル２１０を酸化剤ガスノズル２５２よりも大径とし、中心軸Ｓ１と中心軸Ｓ２を一致させて、燃料ガスノズル２１０と酸化剤ガスノズル２５２を同軸配置してもよい。この場合には、燃料ガスノズル２１０の酸化剤ガスノズル２５２よりも大径となる部分が非重複部となる。

燃料ガス室２０８に供給された燃料ガス１６５は、燃料ガスノズル２１０から外周酸化剤ガス室２４２へ噴出される。外周酸化剤ガス室２４２へ噴出された燃料ガス１６５は、非重複部２１０Ａにおいて、噴出先の筒状壁部２３２に当たり、乱流を発生させる。これにより、外周酸化剤ガス室２４２において、酸化剤ガス１６６と燃料ガス１６５とが撹拌混合され、混合された混合ガスＭＧが、酸化剤ガスノズル２５２、２５２Ａから燃焼室２０７へ噴出される。

テーパー壁部２０５は、筒状壁部２３２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。このテーパー壁部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ー状に形成されている。

テーパー壁部２０５には、複数のテーパー壁連通孔２１１が形成されている。複数のテーパー壁連通孔２１１は、テーパー壁部２０５の厚さ方向に貫通する孔によって形成されている。複数のテーパー壁連通孔２１１は、燃焼室２０７の軸を中心にした同心円状に、且つ、放射状に配列されている。つまり、複数のテーパー壁連通孔２１１は、テーパー壁部２０５の径方向に複数のテーパー壁連通孔２１１が並ぶ径方向ノズル列と、テーパー壁部２０５の周方向に間隔を空けて複数のテーパー壁連通孔２１１が並ぶ周方向ノズル列と、を形成している。

各径方向ノズル列では、テーパー壁部２０５の径方向内側に位置する複数のテーパー壁連通孔２１１の間隔よりもテーパー壁部２０５の径方向外側に位置する複数のテーパー壁連通孔２１１の間隔の方が狭くなっている。これにより、径方向に同一幅の同心環状帯において、径方向内側よりも径方向外側の方が酸化剤ガスのテーパー壁連通孔２１１の透過流量が多くなる。

図４に示されるように、テーパー壁連通孔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。テーパー壁連通孔２１１から噴出された酸化剤ガス１６６は、前述の酸化剤ガスノズル２５２、２５２Ａから噴出され、筒状壁部２３２の径方向内側から外側に拡散する混合ガスＭＧと混合される。

図４に示されるように、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。

＜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、前述の改質流路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。
なお、本実施形態では、一例として三重の筒状壁１１１〜１１３により熱交換部１１０を構成しているが、他の個数（２個以下、４個以上）の筒状壁により熱交換部を構成してもよい。

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１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４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が外周酸化剤ガス室２４２へ噴出される。燃料ガスノズル２１０から噴出された燃料ガス１６５は、一部（非重複部２１０Ａを通過する燃料ガス１６５）が噴出先の筒状壁部２３２に当たり、乱流を発生させる。これにより、外周酸化剤ガス室２４２において、酸化剤ガス１６６と燃料ガス１６５とが撹拌混合され、混合された混合ガスＭＧが、酸化剤ガスノズル２５２、２５２Ａから燃焼室２０７へ噴出される。混合ガスＭＧは、酸化剤ガスノズル２５２、２５２Ａから径方向外側へ向かって噴出され、燃焼室２０７の径方向内側から外側に拡散される。

また、複数のテーパー壁連通孔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。複数のテーパー壁連通孔２１１から噴出された酸化剤ガス１６６は、テーパー壁部２０５の径方向内側から外側に拡散する混合ガスＭＧと混合される。この燃焼室２０７における混合ガスは、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、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、酸化剤ガスノズル２５２、２５２Ａに近い位置で燃焼室２０７へ噴出された混合ガスが燃焼され、火炎１６７が生じる。テーパー壁部２０５の径方向外側に位置するテーパー壁連通孔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と混合され、燃焼室２０７から排出される。

一方、燃料ガス１６５の流量が多く空気比が低い場合には、複数のテーパー壁連通孔２１１のうちテーパー壁部２０５の径方向内側に位置するテーパー壁連通孔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、テーパー壁部２０５の径方向内側から外側にかけて設けられたテーパー壁連通孔２１１から噴出された酸化剤ガス１６６と、酸化剤ガスノズル２５２から噴出された混合ガスＭＧとが混合されて燃焼されることで、テーパー壁部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１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、燃焼を維持するように火炎部分が変化するようになっている。

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１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１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、一部（非重複部２１０Ａを通過する燃料ガス１６５）が噴出先の筒状壁部２３２に当たる。これにより、外周酸化剤ガス室２４２において、乱流を発生させ、酸化剤ガス１６６と燃料ガス１６５とが撹拌混合され、混合された混合ガスＭＧが、酸化剤ガスノズル２５２、２５２Ａから燃焼室２０７へ噴出される。噴出された混合ガスＭＧは、酸化剤ガス１６６と燃料ガス１６５との混合が促進されているので、燃焼性が高い。

また、酸化剤ガスノズル２５２から径方向外側へ向かって噴出された混合ガスＭＧは、燃焼室２０７の径方向内側から外側に拡散される。したがって、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、酸化剤ガスノズル２５２、２５２Ａに近い位置で燃焼室２０７へ噴出された混合ガスＭＧが燃焼され、火炎１６７が生じる。一方、燃料ガス１６５の流量が多く空気比が低い場合には、未燃焼の混合ガスＭＧが、径方向外側へ移動しつつテーパー壁連通孔２１１から噴出された酸化剤ガス１６６と混合されて燃焼されることで、テーパー壁部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、空気比が変化しても、燃焼を維持するように火炎部分が変化することにより、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。

燃料電池モジュールＭは、前述の燃焼器２００が適用されているので、空気比の変動がある場合でも、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。

［試験例］
本実施形態の燃焼器２００と、比較例の燃焼器Ｃ１において、供給する燃料ガスと酸化剤ガス（空気）の比を変えて、排出される燃焼排ガスの一酸化炭素濃度を測定した。比較例の燃焼器Ｃ１は、燃料ガスノズル２１０と酸化剤ガスノズル２５２とが同軸に配置されており、その点だけが、本実施形態（非同軸）と異なっており、その他の構成は同一である。図９のグラフに示されるように、本実施形態の燃焼器２００では、比較例の燃焼器Ｃ１と比べて、広い範囲の燃焼空気比において、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度が０となっており、燃焼性が良好であることがわかる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。

図１０には、本発明の第２実施形態に係る燃焼器２２０の一部上面図（Ａ）及び縦断面図（Ｂ）が示されている。第２実施形態に係る燃焼器２２０は、第１実施形態に係る燃焼器２００（図６参照）に対し、テーパー壁部２０５に形成されたテーパー壁連通孔２１１のうち、径方向の最外の周方向に形成されたテーパー壁連通孔２１１Ａ、及び、テーパー壁連通孔２１１Ａに隣接しテーパー壁連通孔２１１Ａよりも径方向内側の周方向に形成されたテーパー壁連通孔２１１Ｂの開口サイズが異なる。テーパー壁連通孔２１１Ｂの開口サイズは、その径方向内側の周方向に形成されたテーパー壁連通孔２１１Ｃよりも大きく、酸化剤ガスノズル２１Ａの開口サイズは、テーパー壁連通孔２１１Ｂの開口サイズよりも大きくなっている。

このように、テーパー壁連通孔２１１の開口サイズを径方向内側を小さく、径方向外側を大きくすることにより、燃焼室２０７の径方向外側から噴出される酸化剤ガスの流量が多くなる。これにより、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、燃焼に不要な酸化剤ガスを火炎から遠い位置で燃焼排ガスと共に排出させ、火炎の消失を抑制することができる。

また、空気比が低い場合には、燃焼室２０７の径方向内側の酸化剤ガスノズル２５２に近い位置において、酸化剤ガスの供給量を少なくして、燃焼速度を下げることができる。これにより、火炎の集中による燃焼器２２０の局所過熱で、燃焼器２２０が劣化することを抑制することができる。

なお、本実施形態では、テーパー壁連通孔２１１の開口サイズを変えることにより、燃焼室２０７の径方向外側から噴出される酸化剤ガスの流量が多くなるようにしたが、開口サイズを変えず、図１１に示すように、径方向の最外の周方向に形成されたテーパー壁連通孔２１１Ａの個数を、多くしてもよい。図１１では、テーパー壁連通孔２１１Ａの個数をテーパー壁連通孔２１１Ｂ、２１１Ｃの２倍としている。この場合でも、空気比が高い場合には、燃焼に不要な酸化剤ガスを火炎から遠い位置で燃焼排ガスと共に排出させ、火炎の消失を抑制することができる。また、空気比が低い場合には、酸化剤ガスノズル２５２に近い位置において燃焼速度を下げ、燃焼器２２０の局所過熱で、燃焼器２２０が劣化することを抑制することができる。

なお、前述の第１、第２実施形態に係る燃焼器２００、２２０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、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、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
４０ 気化部、 ４１、４２、４３ 筒状壁
４５ 断熱空間、 ４６ 気化流路
４７ 燃焼排ガス流路、 ６０ 改質部、 ６１、６２、６３ 筒状壁
６５ 断熱空間、 ６６ 気化流路、 ６７ 燃焼排ガス流路
２００、２２０ 燃焼器、 ２０１ 燃焼室周壁
２０５ テーパー壁部
２０４ 内側筒壁（燃料ガス室仕切壁）
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、 ２１０Ａ 非重複部、 ２１０Ｂ 重複部
２１１ テーパー壁連通孔、 ２２２ 天面壁
２３２ 筒状壁部（酸化剤ガス室仕切壁）
２４２ 外周酸化剤ガス室（酸化剤ガス室）
２５２ 酸化剤ガスノズル

Claims (9)

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筒状の燃焼室周壁の内側に形成された燃焼室と、
   前記燃焼室の筒軸の一端側と隣接され外部から前記酸化剤ガスが供給され、酸化剤ガス室仕切壁で前記燃焼室と区画された酸化剤ガス室と、
   前記酸化剤ガス室の径方向内側に配置され、外部から前記燃料ガスが供給され、燃料ガス室仕切壁で前記酸化剤ガス室と区画された燃料ガス室と、
   前記酸化剤ガス室仕切壁を貫通し、前記燃焼室と前記酸化剤ガス室とを連通させる酸化剤ガスノズルと、
   前記燃料ガス室仕切壁を貫通し、前記貫通方向において前記酸化剤ガスノズルと重複する重複部と、前記酸化剤ガスノズルと非重複の非重複部を有し、前記燃料ガスを前記酸化剤ガス室へ吐出させる燃料ガスノズルと、
   を備えた燃焼器。
2. 前記燃料ガスノズルと前記酸化剤ガスノズルとは、非同軸とされている請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記酸化剤ガス室仕切壁は、前記燃焼室周壁と同軸に配置された筒状の筒状壁部と、前記筒状壁部の外周下部から前記燃焼室周壁へ拡径され前記燃焼室が前記一端側へ凸となるようにテーパー状とされたテーパー壁部と、を有し、
   前記酸化剤ガスノズルは、前記筒状壁部に形成され、前記テーパー壁部には、前記テーパー壁部を貫通して前記酸化剤ガス室と前記燃焼室とを連通させる複数のテーパー壁連通孔が形成されている、請求項１または請求項２に記載の燃焼器。
4. 前記燃料ガス室仕切壁は、前記筒状壁部の内側に配置された筒状の内側筒壁、及び、前記内側筒壁の先端を覆う天面壁を含んで形成され、前記燃料ガスノズルは前記内側筒壁に形成されている、請求項３に記載の燃焼器。
5. 前記テーパー壁連通孔は、前記燃焼室の径方向に同一幅の同心環状帯において、径方向内側よりも径方向外側の方が前記酸化剤ガスの前記テーパー壁連通孔の透過流量が多くなるように形成されている、請求項３または請求項４に記載の燃焼器。
6. 前記テーパー壁連通孔は、同心円状に複数列形成され、径方向内側の列の前記テーパー壁連通孔の個数よりも径方向外側の列の前記テーパー壁連通孔の個数が多いことを特徴とする、請求項３〜請求項５のいずれか１項に記載の燃焼器。
7. 前記テーパー壁連通孔は、同心円状に複数列形成され、径方向内側の列の前記テーパー壁連通孔の開口サイズよりも径方向外側の列の前記テーパー壁連通孔の開口サイズが大きいことを特徴とする、請求項３〜請求項６のいずれか１項に記載の燃焼器。
8. 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、
   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７のいずれか１項に記載の燃焼器と、
   を備える燃料電池モジュール。
9. 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８に記載の燃料電池モジュール。