JP7175871B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電し、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを排出する燃料電池を備える燃料電池モジュールに関する。

例えば、安定化ジルコニア等の固体酸化物を電解質として用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を備える燃料電池モジュールでは、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給することで電気化学反応を生じさせて発電を行う。燃料ガスとしては、都市ガスやプロパンガス等の炭化水素を主体とする原燃料を改質器で改質して得られる水素含有ガスが挙げられる。また、酸化剤ガスとしては、空気等の酸素含有ガスが挙げられる。

電気化学反応で消費されなかった燃料ガスや酸化剤ガスの未消費分は、燃料排ガス及び酸化剤排ガスとして燃料電池から排出される。例えば、特許文献１に示されるように、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを排ガス燃焼室の内部で燃焼させて燃焼排ガスとする燃焼器を備える燃料電池モジュールが知られている。このように燃焼器において酸化剤排ガスを用いて燃料排ガスを燃焼させることで、熱エネルギーを得ることができ、しかも、未消費の燃料ガスが燃料電池モジュールの外部に排気されることを容易に抑制できる。

具体的には、特許文献１の燃料電池モジュールは、平板状の発電セルを複数積層したスタックの形態の燃料電池を備える。この燃料電池は、複数の発電セルの積層方向両端部にエンドプレートが設けられている。このエンドプレートの一方に排ガス燃焼室が隣接するように、燃料電池と排ガス燃焼室とが上下方向に重ねられ、該排ガス燃焼室の内部に燃焼器が設けられている。エンドプレートの内部には、燃料電池で生じた燃料排ガス及び酸化剤排ガスのそれぞれを燃焼器に導く燃料排ガス流路及び酸化剤排ガス流路が形成されている。これらの燃料排ガス流路及び酸化剤排ガス流路は、燃焼室の上壁に設けられた貫通孔を介して燃焼器に連通し、燃焼器に燃料排ガス及び酸化剤排ガスを供給する。

燃焼器により燃料排ガス及び酸化剤排ガスの燃焼反応を生じさせることで、排ガス燃焼室が高温になるとともに、高温の燃焼排ガスが生成される。この排ガス燃焼室の側壁と熱交換すること、及び排ガス燃焼室から排出された燃焼排ガスと熱交換することが可能となるように改質器が設けられる。その結果、燃焼器で得られる熱エネルギーを、高温域で動作する改質器の加熱等に利用することができる。

特開２０１６－１５２４号公報

この種の燃料電池モジュールでは、燃料排ガスの燃焼により生じる火炎が、酸化剤排ガスによって吹き消されることを抑制しつつ、排ガス燃焼室の内部に燃料排ガス及び酸化剤排ガスを供給して燃焼反応を良好に生じさせることが好ましい。

そこで本発明は、燃料排ガス及び酸化剤排ガスの燃焼反応を良好に生じさせることが可能な燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電し、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを排出する燃料電池と、前記酸化剤排ガスが供給される流路空間、及び該流路空間と流路壁により区画された燃焼空間を有する排ガス燃焼室と、前記燃焼空間の内部で、前記燃料排ガス及び前記酸化剤排ガスを燃焼させる燃焼器と、を備える燃料電池モジュールであって、前記燃焼器は、前記燃料排ガスが供給される燃料排ガスノズルと、前記燃料排ガスノズルに設けられ且つ前記燃焼空間に前記燃料排ガスを噴出する燃料排ガス噴出孔と、前記流路壁に設けられ且つ前記燃焼空間に前記酸化剤排ガスを噴出する酸化剤排ガス噴出孔と、前記酸化剤排ガスが通過可能に前記酸化剤排ガス噴出孔を覆う整流部と、を有し、前記燃料排ガスノズルは、前記流路壁に設けられた挿通孔に挿通されて、前記燃焼空間を前記酸化剤排ガス噴出孔の軸方向に沿って延在し、前記酸化剤排ガス噴出孔は、前記挿通孔の周囲に配置され、前記整流部は、前記燃焼空間を前記酸化剤排ガス噴出孔側から前記燃料排ガス噴出孔側に流通する前記酸化剤排ガスの流通方向を調整し、該流通方向の前記酸化剤排ガス噴出孔側よりも前記燃料排ガス噴出孔側を前記燃料排ガスノズルの軸心から離間させる。

この燃料電池モジュールでは、燃焼空間を流通する酸化剤排ガスの流通方向が、酸化剤排ガス噴出孔を覆う整流部によって調整されることで、該流通方向の酸化剤排ガス噴出孔側よりも燃料排ガス噴出孔側が燃料排ガスノズルの軸心から離間する。これによって、酸化剤排ガスが燃料排ガス噴出孔に向かって吹き付けられることを回避できる。このため、燃料排ガス噴出孔から噴出された燃料排ガスが燃焼して生じる火炎が、酸化剤排ガスで吹き消されることを抑制しつつ、排ガス燃焼室の燃焼空間に酸化剤排ガス及び燃料排ガスを供給して、燃焼反応を良好に生じさせることが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの全体構成図である。 図１の燃料電池モジュールにおける流体の流れを説明するためのブロック図である。 補機ケースの内部及び排ガス燃焼室の内部を説明する要部断面図である。 補機ケース及び排ガス燃焼室の全体を説明する斜視図である。 蒸発器収容室の内部を説明する斜視図である。 区画壁を説明する斜視図である。 改質器収容室の内部を説明する斜視図である。 第３室を説明する斜視図である。 酸化剤排ガス噴出孔を説明する要部平断面図である。 図１０Ａは、図９のＸＡ－ＸＡ線矢視断面図であり、図１０Ｂは、図１０ＡのＸＢ－ＸＢ線矢視断面図であり、図１０Ｃは、図１０ＡのＸＣ－ＸＣ線矢視断面図である。 図１１Ａは、変形例に係る整流部の斜視図であり、図１１Ｂは、図１１Ａの整流部が流路空間に配設された例を説明する要部断面図であり、図１１Ｃは、図１１Ａの整流部が燃焼空間に配設された例を説明する要部断面図である。 変形例に係る燃料電池モジュールの要部概略図である。

本発明に係る燃料電池モジュールについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の図において、同一又は同様の機能及び効果を奏する構成要素に対しては同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する場合がある。

図１に示すように、本実施形態では、燃料電池モジュール１０が定置用である場合を例に挙げて説明するが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、車載用等の種々の用途に用いることができる。燃料電池モジュール１０は、全体として略直方体形状に構成された燃料電池ユニット１２と、該燃料電池ユニット１２を収容するケーシング１４とを備える。また、燃料電池ユニット１２とケーシング１４との間には断熱層（不図示）が設けられている。

燃料電池ユニット１２では、熱交換器１６と、蒸発器１８と、改質器２０と、燃焼器２２と、燃料電池２４とが、上下方向（矢印Ｘ方向）の下側（矢印Ｘ１側）から上側（矢印Ｘ２側）に向かって概ねこの順に配設されている。また、燃料電池ユニット１２は、燃焼器２２を収容する排ガス燃焼室２６と、蒸発器１８及び改質器２０を収容する補機ケース２８とをさらに備える。

図４に示すように、排ガス燃焼室２６は、上下方向視の燃料電池ユニット１２の略中央に配設される。また、図１に示すように、排ガス燃焼室２６は、燃料電池ユニット１２の上下方向において燃料電池２４と熱交換器１６との間に配設される。さらに、排ガス燃焼室２６と燃料電池２４とは上下方向に隣接するように重ねられる。つまり、本実施形態では、排ガス燃焼室２６と燃料電池２４との並び方向は上下方向に沿う。

具体的には、排ガス燃焼室２６は、互いに連通する第１室３０と、第２室３２と、第３室３３とを有する。第１室３０と、第２室３２と、第３室３３とは、上下方向の下側（矢印Ｘ１側）から上側（矢印Ｘ２側）に向かってこの順に並ぶ。

本実施形態では、図３及び図５に示すように、第１室３０を形成する第１壁３０ａは、上面が開口し下面が閉塞された筐体状である。つまり、第１壁３０ａは、第１外周壁３０ｂと、第１底壁３０ｃとを有する。図５に示すように、第１外周壁３０ｂを形成する４個の外壁面のうちの３個は、蒸発器１８と間隔を置いて対向している。このため、上下方向視において、蒸発器１８は、第１外周壁３０ｂの３個の外壁面を囲うコの字形状（Ｃ字形状、Ｕ字形状）である。

図３に示すように、第１底壁３０ｃの外周縁部には、該第１底壁３０ｃの熱変形を吸収する凹凸部３１ａが設けられている。本実施形態では、凹凸部３１ａは、第１室３０（排ガス燃焼室２６）の内部側に陥没するように、第１底壁３０ｃの外周縁部に沿って設けられた溝形状であることとする。しかしながら、特にこれに限定されるものではなく、凹凸部３１ａは、第１底壁３０ｃ等が温度変化しても、熱応力が生じることを抑制可能となるような形状であればよい。これは、以下に説明する全ての凹凸部３１ｂ～３１ｉにおいて同様であり、凹凸部３１ｂ～３１ｉは、それぞれが設けられた壁部に関し、温度変化による熱応力の発生を抑制可能となる形状であればよい。なお、図３を除く図面では、凹凸部３１ａ～３１ｉの図示を省略している。

図１及び図３に示すように、第１室３０（第１壁３０ａ）及び蒸発器１８は、補機ケース２８の底部に設けられた蒸発器収容室３４に収容されている。第１室３０の第１外周壁３０ｂの下端には、第１底壁３０ｃよりも下側に突出する突部３０ｄが、部分的（例えば、上下方向視の四隅等）に設けられている。

突部３０ｄが補機ケース２８の底壁２８ａに当接することで、第１室３０の第１底壁３０ｃと、補機ケース２８の底壁２８ａとの間には、空間３６が形成されている。第１底壁３０ｃと補機ケース２８とは、突部３０ｄを介して互いに相対移動可能に当接するのみであり接続（接合）はされていない。補機ケース２８の底壁２８ａには、突部３０ｄが当接する部分の内周縁部と、該底壁２８ａの外周縁部とのそれぞれに、補機ケース２８の熱変形を吸収する凹凸部３１ｂ、３１ｃが設けられている。

図５に示すように、補機ケース２８（蒸発器収容室３４の周壁）は、蒸発器１８の外周を、間隔を置いて囲む。また、補機ケース２８の底壁２８ａに対しては、蒸発器１８の底部の一部のみが当接している。補機ケース２８の底壁２８ａと蒸発器１８の底部の一部とは、互いに相対移動可能に当接するのみであり、接続（接合）はされていない。後述するように蒸発器１８に接続される原燃料導入配管１００と、補機ケース２８（蒸発器収容室３４）の側壁（周壁）との接続箇所である第１接続部３７ａのみによって、蒸発器１８と補機ケース２８とは接続されている。

本実施形態では、図３及び図７に示すように、第２室３２を形成する第２壁３２ａは、上面及び下面が開口した略角筒形状である。また、図７に示すように、第２壁３２ａの周方向の一部には、上下方向（矢印Ｘ方向）に沿ったスリット状の燃焼室出口３８が設けられている。第２壁３２ａの全体は、改質器２０と共有の共有壁４０である。つまり、第２壁３２ａ（共有壁４０）は、排ガス燃焼室２６の第２室３２を形成するとともに改質器２０の内周壁を形成する。

このため、本実施形態の改質器２０は、上下方向視で、燃焼室出口３８を除く第２室３２の外周を囲む方向に延在する枠形状（コの字形状、Ｃ字形状、Ｕ字形状）である。また、改質器２０の延在方向（周方向）の両端部は互いに離間し、該両端部同士の間に燃焼室出口３８が設けられている。図３に示すように、改質器２０の底壁の周縁部及び上壁の周縁部のそれぞれには、改質器２０の壁部の熱変形を吸収する凹凸部３１ｄ、３１ｅが設けられている。

図３及び図７に示すように、第２室３２及び改質器２０は、補機ケース２８の内部に設けられた改質器収容室４２に収容されている。補機ケース２８の内部を区画壁４４によって上下方向の上下に区画した下側に蒸発器収容室３４が形成され、上側に改質器収容室４２が形成されている。

図６に示すように、区画壁４４は、上下方向視の略中央に第２室３２（図７）及び第１室３０を連通させる開口４４ａが設けられた枠形状である。つまり、図３に示すように、改質器収容室４２には、第１室３０よりも外周側の底部に区画壁４４が設けられている。区画壁４４には、改質器収容室４２（図３、図７）と蒸発器収容室３４とを連通する収容室連通口４４ｂ（図６）が設けられている。図３に示すように、区画壁４４の外周縁部には、該区画壁４４の熱変形を吸収する凹凸部３１ｆが設けられている。

図３及び図４に示すように、改質器収容室４２の上部は、上壁４６で閉塞されている。このため、改質器収容室４２は、上下方向視で、該第２室３２を除く部分が、枠形状の上壁４６によって覆われる。図３に示すように、補機ケース２８の上壁４６の内周縁部及び外周縁部のそれぞれには、該上壁４６の熱変形を吸収する凹凸部３１ｇ、３１ｈが設けられている。

改質器収容室４２の内部において、改質器２０の共有壁４０を除く外壁面（外底面２０ａ、外周面２０ｂ、外上面２０ｃ）と、改質器収容室４２の内壁面（内底面４２ａ、内周面４２ｂ、内上面４２ｃ）とが離間して配設されることで、互いの間に空間が形成されている。つまり、補機ケース２８（改質器収容室４２の周壁）は、改質器２０の外周を、間隔を置いて囲む。

補機ケース２８の上端側（矢印Ｘ２側）には、第３室３３を形成する第３壁３３ａ（燃焼室壁）の下端側（矢印Ｘ１側）が連結されている。第３壁３３ａは、下面が開口し上面が閉塞された筐体状である。具体的には、第３壁３３ａは、燃料電池２４に臨む対向壁３３ｂ（上壁）と、上下方向に延在する接続壁３３ｃ（上下を除く周壁、側壁）とを有する。なお、接続壁３３ｃは、上下方向に対して、例えば、９０°より小さい角度で傾斜していてもよい、また、不図示の湾曲部や傾斜部等が設けられていてもよい。接続壁３３ｃの下端部（矢印Ｘ１側端部）が、枠形状の上壁４６の内周縁部（開口周縁部）に接続される。これによって、第３壁３３ａ内の第３室３３と第２壁３２ａ内の第２室３２とが連通する。

図３に示すように、第３壁３３ａの対向壁３３ｂの外周縁部には、該対向壁３３ｂの熱変形を吸収する凹凸部３１ｉが設けられている。また、第３室３３の接続壁３３ｃには、後述する酸化剤排ガス配管８０が接続される酸化剤排ガス導入口８０ａと、後述する燃料排ガス配管７８が挿通される燃料排ガス導入口７８ａとが設けられている。

本実施形態では、第３室３３（排ガス燃焼室２６）の内部が、流路壁８４で上下に仕切られている。この流路壁８４よりも下方（矢印Ｘ１側）に第２室３２と連通する燃焼空間８６が形成される。また、流路壁８４よりも上方（矢印Ｘ２側）に酸化剤排ガス配管８０よりも断面積が大きい部分を有する流路空間８２が形成される。つまり、本実施形態では、流路壁８４と、第３壁３３ａの流路壁８４よりも上側の部分とが、流路空間８２を形成する壁部となる。第３室３３の内部には、燃焼器２２等が配設されるが、その詳細については後述する。

排ガス燃焼室２６内には、第３室３３側から第２室３２を経て第１室３０側まで、上下方向に延在するガイド壁５４が設けられている。なお、図５～図７では、ガイド壁５４の図示を省略している。本実施形態では、排ガス燃焼室２６の内部であって、燃焼室出口３８（図４及び図７）の近傍に１個のガイド壁５４が設けられることとするが、ガイド壁５４が設けられる場所や個数は特に限定されるものではなく、ガイド壁５４は複数設けられていてもよい。また、ガイド壁５４は全体として上下方向に延在していればよく、不図示の湾曲部や傾斜部等が設けられていてもよい。

図３に示すように、補機ケース２８の内部において、第１壁３０ａの上端及び第２壁３２ａの下端の間と、第２壁３２ａの上端及び第３壁３３ａの下端の間とのそれぞれには遮断部材５６ａ、５６ｂが設けられている。これらの遮断部材５６ａ、５６ｂは、排ガス燃焼室２６の内部と補機ケース２８の内部との連通を遮断する。また、第１壁３０ａの上端及び第２壁３２ａの下端の間に設けられた遮断部材５６ａは、改質器２０の外底面２０ａと、改質器収容室４２の内底面４２ａ（区画壁４４の上面）との間にも介在する。これによって、改質器２０の外底面２０ａと、改質器収容室４２の内底面４２ａとが離間した状態で維持される。

図１に示すように、第３室３３よりも上側（矢印Ｘ２側）には、該第３室３３の対向壁３３ｂ（図３）に隣接して燃料電池２４が配設されている。燃料電池２４は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、本実施形態では、平板状の発電セル６０を上下方向（矢印Ｘ方向）に複数積層することで形成されたスタックの形態からなる。なお、燃料電池２４は、複数の円筒状の発電セル（不図示）を電気的に接続して形成されてもよい。

発電セル６０は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質６２の両面に、カソード電極６４及びアノード電極６６が設けられた電解質・電極接合体６８（ＭＥＡ）を備える。電解質・電極接合体６８の両側には、カソードセパレータ７０とアノードセパレータ７２とが配設される。カソードセパレータ７０には、カソード電極６４に空気等の酸素（Ｏ₂）含有ガスである酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス系流路７４の一部が形成される。アノードセパレータ７２には、アノード電極６６に水素（Ｈ₂）含有ガスである燃料ガスを供給する燃料ガス系流路７６の一部が形成される。

燃料電池２４では、燃料ガス系流路７６を介してアノード電極６６に供給された燃料ガスと、酸化剤ガス系流路７４を介してカソード電極６４に供給された酸化剤ガスとが電気化学反応により消費され、発電が行われる。電気化学反応で消費されなかった残余の燃料ガスである燃料排ガスは、燃料排ガス流路５２の一部を形成する燃料排ガス配管７８に排出される。電気化学反応で消費されなかった残余の酸化剤ガスである酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス流路５０の一部を形成する酸化剤排ガス配管８０に排出される。

図３に示すように、酸化剤排ガス配管８０の下流側は、酸化剤排ガス導入口８０ａを介して接続壁３３ｃを略水平方向に貫通し、該第３室３３内の流路空間８２に開口する。このため、燃料電池２４（図１）から排出された酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス配管８０を介して第３室３３の流路空間８２に供給される。以下では、酸化剤排ガス導入口８０ａに排ガス燃焼室２６を挟んで対向する接続壁３３ｃを反対側壁３３ｄともいう。

一方、燃料排ガス配管７８の下流側は、燃料排ガス導入口７８ａを介して接続壁３３ｃ（本実施形態では、反対側壁３３ｄ）を略水平方向に貫通し、該第３室３３内の流路空間８２に延在する。また、図３、図４、図８に示すように、燃料排ガス配管７８は、排ガス燃焼室２６（流路空間８２）内に延在する部分の少なくとも一部の断面が上下方向に薄い扁平形状となっている。

なお、例えば、第３壁３３ａが角筒状（本実施形態では四角筒状）であり、接続壁３３ｃが複数設けられる場合、何れの接続壁３３ｃに酸化剤排ガス配管８０及び燃料排ガス配管７８が接続されてもよい。また、第３壁３３ａは不図示の円筒状であってもよく、この場合、１個の接続壁３３ｃの何れの箇所に酸化剤排ガス配管８０及び燃料排ガス配管７８が接続されてもよい。

燃焼器２２は、排ガス燃焼室２６（第１室３０、第２室３２、第３室３３の燃焼空間８６）の内部で、酸化剤排ガス及び燃料排ガスを燃焼させて燃焼排ガスを生成するものであり、燃料排ガス噴出部２２ａ及び酸化剤排ガス噴出部２２ｂと、不図示の着火器とを有する。

燃料排ガス噴出部２２ａは、燃料排ガスノズル８７と、燃料排ガス噴出孔８８とを有する。本実施形態では、燃料排ガスノズル８７は、流路空間８２で燃料排ガス配管７８の下流側の端部と接続されている。つまり、燃料電池２４から排出された燃料排ガスは、燃料排ガス配管７８を介して燃料排ガスノズル８７に供給される。

流路壁８４には、上下方向を軸方向として挿通孔８４ａが貫通形成され、該挿通孔８４ａに燃料排ガスノズル８７が挿通されている。これによって、燃料排ガスノズル８７は、流路空間８２と燃焼空間８６とに亘って上下方向に延在し、燃料排ガスノズル８７の下流側が燃焼空間８６に配設される。なお、燃料排ガスノズル８７の外径と、流路壁８４の挿通孔８４ａの径とが略同じに設定されること等によって、燃料排ガスノズル８７の外周面と、流路壁８４の挿通孔８４ａの内周面との間は気密となっている。

燃料排ガスノズル８７は、下端部が閉塞された筒状である。また、燃料排ガスノズル８７の燃焼空間８６に配設された部分には、その周壁を貫通する複数の燃料排ガス噴出孔８８が形成されている。このため、図３に実線の矢印で示すように、燃料排ガス配管７８内の燃料排ガス流路５２から燃料排ガスノズル８７に供給された燃料排ガスは、燃料排ガス噴出孔８８から燃焼空間８６の内部に略水平方向に噴出される。

図１０Ａ～図１０Ｃに示すように、本実施形態では、燃料排ガスノズル８７の周壁には、その周方向（挿通孔８４ａの周方向）に間隔を置いて燃料排ガス噴出孔８８が複数設けられている。これらの複数の燃料排ガス噴出孔８８は、燃料排ガスノズル８７の周壁を周回する列８８ａ、８８ｂを形成する。図１０Ａに示すように、燃料排ガス噴出孔８８の列８８ａ、８８ｂは、上下方向に隣接するように複数（本実施形態では２列）設けられる。また、図１０Ｂ及び図１０Ｃに示すように、上下方向に隣接する列８８ａ、８８ｂのそれぞれを形成する燃料排ガス噴出孔８８は、上下方向視において互いの周方向の位置が異なることが好ましい。

図３に示すように、酸化剤排ガス噴出部２２ｂは、流路空間８２を流通した酸化剤排ガスを燃焼空間８６に噴出するべく流路壁８４に貫通形成された酸化剤排ガス噴出孔９０と、酸化剤排ガスが通過可能に酸化剤排ガス噴出孔９０を覆う整流部８９とを有する。酸化剤排ガス噴出孔９０の軸方向（本実施形態では上下方向、矢印Ｘ方向）に沿って、燃料排ガスノズル８７は燃焼空間８６を延在する。以下では、酸化剤排ガス噴出孔９０の軸方向（燃料排ガスノズル８７の軸方向）を単に「軸方向」ともいう。

酸化剤排ガス噴出孔９０は、流路壁８４の挿通孔８４ａよりも外周側の周縁部に、周方向に互いに間隔を置いて複数設けられ、流路空間８２と燃焼空間８６とを連通させる。図９に示すように、酸化剤排ガス噴出孔９０は、上下方向視で、挿通孔８４ａから離間する側に比して、挿通孔８４ａに近接する側の曲率半径が小さいオーバル形状（卵形、長円形、楕円形）となっていることが好ましい。なお、図９では、整流部８９の図示を省略している。

また、上下方向視における、燃料排ガス噴出孔８８と、酸化剤排ガス噴出孔９０との位置関係は、図１０Ｂ及び図１０Ｃに示すように設定されることが好ましい。すなわち、複数の燃料排ガス噴出孔８８のそれぞれは、上下方向視で酸化剤排ガス噴出孔９０同士の間に配置されることが好ましい。この場合、例えば、２列８８ａ、８８ｂの燃料排ガス噴出孔８８が設けられているとき、各列８８ａ、８８ｂを形成する燃料排ガス噴出孔８８の個数（本実施形態では６個）は、酸化剤排ガス噴出孔９０の個数（本実施形態では１２個）の半分となる。また、上下方向視において、燃料排ガス噴出孔８８は、上側の列８８ａと下側の列８８ｂとで、周方向に互い違いに配置されることが好ましい。なお、燃料排ガス噴出孔８８の列８８ａ、８８ｂの数、燃料排ガス噴出孔８８の個数、酸化剤排ガス噴出孔９０の個数のそれぞれは特に限定されるものではなく、燃料電池モジュール１０の仕様等に応じて適宜設定することができる。

図３、図８、図９に示すように、酸化剤排ガス噴出孔９０は、流路壁８４に対し、挿通孔８４ａの径方向の外側に、該挿通孔８４ａと間隔を置いて配設されている。このため、流路壁８４の挿通孔８４ａと酸化剤排ガス噴出孔９０との間には板状部８４ｂが設けられている。

ここで、図４及び図８に示すように、流路壁８４には、酸化剤排ガス導入口８０ａと酸化剤排ガス噴出孔９０との間に、燃焼空間８６側に陥没する陥没部８４ｃが設けられている。この陥没部８４ｃの底部の酸化剤排ガス導入口８０ａ側は、例えば、酸化剤排ガス導入口８０ａの下側縁部に沿って湾曲する。また、陥没部８４ｃの底部には、酸化剤排ガス導入口８０ａ側から酸化剤排ガス噴出孔９０側に近づくに連れて、流路空間８２側（上側）に隆起する隆起部８４ｄが設けられている。隆起部８４ｄの少なくとも一部は、酸化剤排ガス導入口８０ａに対して、間隔を置いて対向する。

上記のように隆起部８４ｄが設けられることで、図３及び図８に一点鎖線の矢印で示すように、酸化剤排ガス導入口８０ａから流路空間８２に供給された酸化剤排ガスは、隆起部８４ｄに接触して、その流通方向が分散される。これによって、酸化剤排ガスが、第３室３３（排ガス燃焼室２６）の酸化剤排ガス導入口８０ａから反対側壁３３ｄに向かう略水平方向の流れが減少する。

図８に示すように、酸化剤排ガス噴出孔９０から噴出された酸化剤排ガスは、燃焼空間８６を酸化剤排ガス噴出孔９０側（矢印Ｘ２側）から燃料排ガス噴出孔８８側（矢印Ｘ１側）に向かって流通する。整流部８９は、該整流部８９の内部に酸化剤排ガスを通過させることで、酸化剤排ガスの流通方向を調整する。整流部８９で調整された酸化剤排ガスの流通方向は、酸化剤排ガス噴出孔９０側よりも燃料排ガス噴出孔８８側が燃料排ガスノズル８７の軸心から離間する。

具体的には、整流部８９は、流路空間８２で酸化剤排ガス噴出孔９０を覆うことにより、流路壁８４との間に整流室９１を形成する整流カバー９２を有する。整流カバー９２は、酸化剤排ガス噴出孔９０と上下方向に間隔を置いて対向する環状部９２ｃと、環状部９２ｃの外周縁部と流路壁８４との間に設けられ、環状部９２ｃから流路壁８４に向かうに連れて拡径するテーパ状部９２ｂと、テーパ状部９２ｂの下端の外周縁部から径方向の外側に延在して流路壁８４に当接するフランジ部９２ａとを有する。なお、フランジ部９２ａ、テーパ状部９２ｂ、環状部９２ｃは同一材料から一体に形成されてもよいし、別部材から形成された後に一体化されてもよい。

フランジ部９２ａの下面は、流路壁８４の酸化剤排ガス噴出孔９０よりも外周側に当接する。環状部９２ｃの径方向の中心に設けられた開口には、燃料排ガスノズル８７が挿通される。環状部９２ｃの開口の径は、燃料排ガスノズル８７の外径よりも大きく設定されている。このため、燃料排ガスノズル８７の外周面と、環状部９２ｃの開口の内周面との間には、酸化剤排ガス入口９２ｄが形成されている。

酸化剤排ガス入口９２ｄは、流路空間８２内の酸化剤排ガスを、整流カバー９２と流路壁８４との間の整流室９１に流入可能とする。つまり、酸化剤排ガス入口９２ｄを介して流路空間８２から整流室９１に流入した酸化剤排ガスが、酸化剤排ガス噴出孔９０から燃焼空間８６に噴出される。

上下方向視で酸化剤排ガス噴出孔９０の全体は、酸化剤排ガス入口９２ｄの径方向の外側に設けられる。換言すると、上下方向視で、酸化剤排ガス入口９２ｄは、酸化剤排ガス噴出孔９０よりも挿通孔８４ａ側に配設され、板状部８４ｂに臨む。このため、酸化剤排ガス入口９２ｄから流入した酸化剤排ガスは、テーパ状部９２ｂの傾斜方向に沿って径方向の外側に向かいながら下側に流通する。その結果、図３及び図８に一点鎖線の矢印で示すように、酸化剤排ガス噴出孔９０から燃焼空間８６に噴出される酸化剤排ガスは、燃料排ガスノズル８７の径方向の外側に向かいながら下側へと末広がりに（略円錐形状に）流通する。すなわち、燃焼空間８６における酸化剤排ガスの流通方向は、酸化剤排ガス噴出孔９０側よりも燃料排ガス噴出孔８８側が燃料排ガスノズル８７の軸心から離間する。

着火器は、燃焼空間８６の燃料排ガス噴出孔８８及び酸化剤排ガス噴出孔９０の近傍に配設される。また、着火器は、燃料排ガス噴出孔８８から噴出された燃料排ガス及び酸化剤排ガス噴出孔９０から噴出された酸化剤排ガスに、例えば、燃料電池モジュール１０の起動時等に着火させて燃焼反応を開始させる。なお、着火器としては、点火装置や、点火ヒータ等を用いることができる。

上記のようにして、燃焼器２２では、排ガス燃焼室２６内の火炎に酸化剤排ガス及び燃料排ガスが供給されることで、酸化剤排ガス及び燃料排ガスを燃焼させる。その結果、排ガス燃焼室２６の温度が、例えば、約７００℃の高温に上昇するとともに、高温の燃焼排ガスが生成される。

この燃焼排ガスは、図３に破線の矢印で示すように、ガイド壁５４によって、排ガス燃焼室２６内を第３室３３側から第２室３２を経て第１室３０の内部に流通した後に、第２室３２の第２壁３２ａに設けられた燃焼室出口３８（図４及び図７）へと導かれる。燃焼室出口３８を介して排ガス燃焼室２６から排出された燃焼排ガスは、上記の通り、改質器２０の外壁面と改質器収容室４２の内壁面との間に形成された空間を流通することで、改質器２０と熱交換し、改質器２０を加熱する。

改質器収容室４２で改質器２０と熱交換した燃焼排ガスは、補機ケース２８の区画壁４４に設けられた収容室連通口４４ｂ（図６）を介して蒸発器収容室３４に流入する。蒸発器収容室３４の内部では、第１室３０及び蒸発器１８と、燃焼排ガスとが熱交換することで、排ガス燃焼室２６が保温されるとともに蒸発器１８が加熱される。

蒸発器収容室３４の内部で第１室３０及び蒸発器１８と熱交換した燃焼排ガスは、図４～図７に示すように、補機ケース２８の底壁２８ａに設けられた燃焼排ガス出口９４を介して蒸発器収容室３４から排出される。図１、図４～図７に示すように、燃焼排ガス出口９４には、燃焼排ガス配管９６が接続されている。図１に示すように、燃焼排ガス配管９６は、補機ケース２８と熱交換器１６とを接続する。つまり、蒸発器収容室３４から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス配管９６を介して熱交換器１６に供給される。

熱交換器１６は、酸化剤ガス供給源（不図示）から供給された酸化剤ガスと、上記のように燃焼排ガス配管９６を介して供給された燃焼排ガスとを熱交換させる。これによって、燃料電池２４に供給する前の酸化剤ガスを予熱（加熱）する。つまり、熱交換器１６で予熱された酸化剤ガスが、酸化剤ガス系流路７４の一部を形成する酸化剤ガス供給配管９８を介して燃料電池２４に供給される。

一方、蒸発器１８は、燃料ガス供給源（不図示）から、例えば、都市ガスやプロパンガス等の炭化水素を主体とする原燃料が供給されるとともに、水供給源（不図示）から水が供給される。なお、原燃料及び水は共通の原燃料導入配管１００（図１、図４～図７）を介して蒸発器１８の内部に供給される。蒸発器１８は、上記のように蒸発器収容室３４内において燃焼排ガスと熱交換することにより、原燃料を予熱するとともに水を蒸発させて水蒸気とする。蒸発器１８の動作温度は、例えば、１００℃～２００℃である。

図４～図７に示すように、原燃料導入配管１００は、補機ケース２８（蒸発器収容室３４）の側壁（周壁）を貫通して延在する。この貫通部分において原燃料導入配管１００と補機ケース２８とが接続されて第１接続部３７ａが形成されている。

図１、図４及び図７に示すように、蒸発器１８で得られた水蒸気及び予熱された原燃料は、蒸発器１８と改質器２０とを接続する接続管１０２を介して改質器２０の内部に供給される。蒸発器１８と改質器２０とは、接続管１０２を介した第２接続部３７ｂのみによって接続されている。また、接続管１０２は、区画壁４４に設けられた貫通孔４４ｃ（図４、図６及び図７）に挿通されることで、蒸発器収容室３４と改質器収容室４２とに亘って延在するが、接続管１０２と区画壁４４とは接続（接合）されていない。

改質器２０では、水蒸気及び原燃料から水素を生成する水蒸気改質反応を生じさせて、燃料ガスを生成する。改質器２０及び該改質器２０の内部に設けられた改質触媒（不図示）が、例えば、約６００℃～７００℃の高温である場合に安定して水蒸気改質反応を生じさせることができる。つまり、改質器２０は高温域で動作する。また、水蒸気改質反応は、吸熱反応である。従って、改質器２０で良好に燃料ガスを生成するためには、該改質器２０の外部から継続的に熱を加えることが好ましい。

本実施形態では、上記の通り、改質器収容室４２の内部における燃焼排ガスとの熱交換により改質器２０に外部から継続的に熱を加えることができる。また、改質器２０と排ガス燃焼室２６とが共有の共有壁４０とを有することにより、排ガス燃焼室２６の熱を改質器２０に継続的に加えることができる。これらによって、水蒸気改質反応を良好に生じさせて、燃料ガスを得ることができる。

また、改質器２０と排ガス燃焼室２６とが共有の共有壁４０とを有することにより、上記のように改質器２０を加熱することができるとともに、高温域で動作する改質器２０の熱を共有壁４０を介して排ガス燃焼室２６に伝えることができる。このため、排ガス燃焼室２６を形成する壁部（特に、第２壁３２ａ）の温度を高温に維持できる。

改質器２０で得られた燃料ガスは、改質器２０と燃料電池２４とを接続して燃料ガス系流路７６の一部を形成する燃料ガス供給配管１０４を介して燃料電池２４に供給される。

図１に示すように、燃料ガス供給配管１０４の上流側（燃料電池２４と反対側）は、改質器収容室４２の内部で改質器２０に接続される。また、燃料ガス供給配管１０４の下流側は、補機ケース２８の外側且つケーシング１４の内側で燃料電池２４に接続される。図１、図３、図４、図７に示すように、燃料ガス供給配管１０４の上流側と下流側の間は、補機ケース２８（改質器収容室４２）の側壁（周壁）を貫通し、この貫通部分において燃料ガス供給配管１０４と補機ケース２８とが接続されている。燃料ガス供給配管１０４と、補機ケース２８の側壁との接続箇所である第３接続部３７ｃのみによって、改質器２０と補機ケース２８とが接続されている。

基本的には上記のように構成される燃料電池モジュール１０の動作について、燃料電池ユニット１２を流通する流体の流れに沿って説明する。

図２に示すように、燃料電池モジュール１０の運転時には、酸化剤ガス供給源から不図示の酸化剤ガス導入配管を介して熱交換器１６に酸化剤ガスが供給される。また、燃料ガス供給源からの原燃料と、水供給源からの水とが原燃料導入配管１００を介して蒸発器１８の内部に供給される。

熱交換器１６に供給された酸化剤ガスは、燃焼排ガスとの熱交換により加熱された後、図１に示すように、酸化剤ガス供給配管９８を通って燃料電池２４の各発電セル６０に設けられた酸化剤ガス系流路７４にそれぞれ供給される。

一方、蒸発器１８の内部に供給された原燃料及び水は、蒸発器収容室３４において、蒸発器１８の壁部を介して燃焼排ガスと熱交換することにより加熱される。これによって昇温した原燃料と、水が蒸発して生成された水蒸気とは、接続管１０２を通って改質器２０の内部に供給される。

改質器２０では、原燃料及び水蒸気を水蒸気改質反応させることにより燃料ガスを生成する。この際、改質器２０は、改質器収容室４２において燃焼排ガスと熱交換することや、共有壁４０を介して排ガス燃焼室２６の熱が伝えられることにより、好適な動作温度に維持されている。また、上記の通り蒸発器１８で加熱された原燃料が水蒸気とともに改質器２０に供給されるため、未加熱の原燃料が供給される場合に比して、改質器２０の温度を良好に高温に維持することができる。改質器２０で得られた燃料ガスは、燃料ガス供給配管１０４を通って燃料電池２４の各発電セル６０に設けられた燃料ガス系流路７６にそれぞれ供給される。

燃料電池２４の各発電セル６０では、熱交換器１６を介して酸化剤ガス供給配管９８から供給された酸化剤ガスと、蒸発器１８及び改質器２０を介して燃料ガス供給配管１０４から供給された燃料ガスとを電気化学反応させて発電する。また、電気化学反応で消費されなかった酸化剤ガスを酸化剤排ガスとして酸化剤排ガス配管８０に排出し、電気化学反応で消費されなかった燃料ガスを燃料排ガスとして燃料排ガス配管７８に排出する。

燃料排ガス配管７８に排出された燃料排ガスは、図３に示すように、排ガス燃焼室２６の流路空間８２の内部に設けられた燃料排ガス配管７８の下流側を通って燃料排ガスノズル８７に供給される。燃料排ガスノズル８７は、燃料排ガス噴出孔８８から燃焼空間８６の内部に略水平方向に燃料排ガスを噴出する。

一方、酸化剤排ガス配管８０に排出された酸化剤排ガスは、排ガス燃焼室２６の流路空間８２に供給される。この酸化剤排ガスは、隆起部８４ｄに接触することや、流路空間８２内を流通することにより、酸化剤排ガス導入口８０ａから反対側壁３３ｄに向かう方向の流れが分散された後、整流カバー９２に設けられた酸化剤排ガス入口９２ｄを介して整流室９１に流入する。そして、酸化剤排ガスは、流路壁８４に設けられた酸化剤排ガス噴出孔９０を介して燃焼空間８６に噴出される。この際、燃焼空間８６における酸化剤排ガスの流通方向は、酸化剤排ガス噴出孔９０側よりも燃料排ガス噴出孔８８側が燃料排ガスノズル８７の軸心から離間する。

上記のようにして、燃料排ガス噴出孔８８から噴出された燃料排ガスと、酸化剤排ガス噴出孔９０から噴出された酸化剤排ガスとは、排ガス燃焼室２６内を下方に向かって流通しながら燃焼することによって燃焼排ガスとなる。排ガス燃焼室２６の内部には、上記の通り、第３室３３側から第１室３０側まで上下方向に延在するガイド壁５４が設けられている。

このガイド壁５４によって、燃料排ガス及び酸化剤排ガスは、排ガス燃焼室２６の上側（第３室３３の燃焼空間８６及び第２室３２側）から下側の第１室３０に向かって流通するように導かれながら燃焼する。つまり、ガイド壁５４は、例えば、燃料排ガス噴出孔８８から噴出された燃料排ガスと、酸化剤排ガス噴出孔９０から噴出された酸化剤排ガスが、第２室３２の燃焼室出口３８（図４、図７）に直接向かうことを抑制する。この場合、排ガス燃焼室２６の空間を有効に利用して、燃料排ガス及び酸化剤排ガスが燃焼しながら排ガス燃焼室２６内を流通して燃焼室出口３８から排出されるまでの経路を長く設けることができる。これによって、燃料排ガス及び酸化剤排ガスの燃焼反応を十分に進行させることが可能になる。

排ガス燃焼室２６で生じた燃焼排ガスは、図４及び図７に示す第２室３２の燃焼室出口３８から、改質器２０の外壁面と改質器収容室４２の内壁面との間に排出される。改質器収容室４２の内部において、燃焼排ガスは、改質器２０の外壁面と改質器収容室４２の内壁面との間に形成された空間を流通する。これによって、図３の改質器２０の共有壁４０を除く外壁面（外底面２０ａ、外周面２０ｂ、外上面２０ｃ）を介して改質器２０と燃焼排ガスとが熱交換されるため、改質器２０が効率的に加熱される。

改質器収容室４２を流通した燃焼排ガスは、区画壁４４の収容室連通口４４ｂを介して蒸発器収容室３４に流入する。図３に示すように、蒸発器収容室３４の内部では、第１室３０の第１外周壁３０ｂと蒸発器１８との間や、第１室３０の第１底壁３０ｃと補機ケース２８の底壁２８ａとの間の空間３６を燃焼排ガスが流通する。これによって、燃焼排ガスと第１壁３０ａとが熱交換して、排ガス燃焼室２６が保温される。また、蒸発器１８が燃焼排ガスとの熱交換により加熱され、これによって、上記の通り、蒸発器１８の内部で原燃料が加熱されるとともに水蒸気が生成する。

蒸発器収容室３４を流通した燃焼排ガスは、補機ケース２８の底壁２８ａに設けられた燃焼排ガス出口９４から燃焼排ガス配管９６を通って、図１の熱交換器１６に供給される。熱交換器１６において酸化剤ガスと熱交換し、該酸化剤ガスを加熱した後の燃焼排ガスは、例えば、不図示の凝縮器に供給され、該燃焼排ガスに含まれる水分が回収された後、燃料電池モジュール１０の外部に排気される。

この際、上記の通り、燃焼排ガスは、酸化剤排ガスと燃料排ガスとを良好に燃焼反応させて生成されたものであり、未消費の燃料ガス（燃料排ガス）の含有量が十分に低くなっている。このため、燃焼排ガスとともに未消費の燃料ガスが排気されることを容易に抑制できる。

以上から、本実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、燃焼空間８６を流通する酸化剤排ガスの流通方向が、酸化剤排ガス噴出孔９０を覆う整流部８９によって調整されることで、該流通方向の酸化剤排ガス噴出孔９０側よりも燃料排ガス噴出孔８８側が燃料排ガスノズル８７の軸心から離間する。これによって、酸化剤排ガスが燃料排ガス噴出孔８８に向かって吹き付けられることを回避できる。このため、燃料排ガス噴出孔８８から噴出された燃料排ガスが燃焼して生じる火炎が、酸化剤排ガスで吹き消されることを抑制しつつ、排ガス燃焼室２６の燃焼空間８６に酸化剤排ガス及び燃料排ガスを供給して、燃焼反応を良好に生じさせることが可能になる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、整流部８９は、流路空間８２で酸化剤排ガス噴出孔９０を覆うことにより、流路壁８４との間に整流室９１を形成する整流カバー９２を有し、整流カバー９２は、流路空間８２から整流室９１に酸化剤排ガスを流入可能とする酸化剤排ガス入口９２ｄが設けられ、酸化剤排ガス入口９２ｄは、軸方向（上下方向）視で、酸化剤排ガス噴出孔９０よりも挿通孔８４ａ側に配設され、酸化剤排ガス噴出孔９０は、流路空間８２から整流室９１に流入した酸化剤排ガスを燃焼空間８６に噴出することとした。

この場合、整流室９１では、上下方向視で挿通孔８４ａに近い側に設けられた酸化剤排ガス入口９２ｄから、該酸化剤排ガス入口９２ｄよりも挿通孔８４ａから遠い側に設けられた酸化剤排ガス噴出孔９０に向かって酸化剤排ガスが流通する。このため、酸化剤排ガス噴出孔９０から燃焼空間８６に噴出される酸化剤排ガスは、燃料排ガスノズル８７の径方向の外側に向かいながら下側へと末広がりに流通する。

これによって、酸化剤排ガス噴出孔９０から燃料排ガス噴出孔８８の周囲に略均等に酸化剤排ガスを噴出することができる。また、酸化剤排ガスが燃料排ガス噴出孔８８に向かって吹き付けられることを回避できるため、燃料排ガス噴出孔８８において燃料排ガスの燃焼により生じる火炎が、酸化剤排ガスによって吹き消されることを抑制できる。その結果、酸化剤排ガス及び燃料排ガスを一層良好に燃焼させることが可能になる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、整流カバー９２は、酸化剤排ガス噴出孔９０と軸方向（上下方向）に間隔を置いて対向する環状部９２ｃと、環状部９２ｃの外周縁部と流路壁８４との間に設けられ、環状部９２ｃから流路壁８４に向かうに連れて拡径するテーパ状部９２ｂと、を有し、環状部９２ｃの開口に、該開口の径よりも外径が小さい燃料排ガスノズル８７が挿通され、開口の内周面と燃料排ガスノズル８７の外周面との間に酸化剤排ガス入口９２ｄが形成され、軸方向（上下方向）視で酸化剤排ガス噴出孔９０の全体が、酸化剤排ガス入口９２ｄの径方向の外側に設けられることとした。

この場合、簡単な構成の整流カバー９２により、上記の通り、燃料排ガスの周りに略均等に酸化剤排ガスを噴出すること及び酸化剤排ガスを末広がり形状とすることができる。このため、燃料電池モジュール１０を一層簡単で低コストに構成することができるとともに、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを良好に燃焼させることが可能になる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０の流路壁８４には、挿通孔８４ａの周方向に間隔を置いて複数の酸化剤排ガス噴出孔９０が設けられることとした。この場合、酸化剤排ガス噴出孔９０から燃料排ガス噴出孔８８の周りに略均等に酸化剤排ガスを噴出し易くなり、燃料排ガス及び酸化剤排ガスをより良好に燃焼させることが可能となる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、整流カバー９２を有する整流部８９を備えることとしたが、特にこれに限定されるものではない。例えば、燃料電池モジュール１０は、図３及び図８等に示す整流部８９に代えて、図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃに示す整流部１０６を備えてもよい。

図１１Ｂに示すように、整流部１０６は、流路空間８２で酸化剤排ガス噴出孔９０を覆うとともに燃料排ガスノズル８７が挿通される本体部１０７を有する。なお、図１１Ｃに示すように、整流部１０６は、燃焼空間８６で酸化剤排ガス噴出孔９０を覆ってもよい。また、不図示ではあるが、整流部１０６は、流路空間８２及び燃焼空間８６のそれぞれに配置されることで、流路空間８２及び燃焼空間８６の両方で酸化剤排ガス噴出孔９０を覆ってもよい。

本実施形態では、本体部１０７は、円筒状であり、該本体部１０７の軸心に沿って燃料排ガスノズル８７が挿通されている。なお、燃料排ガスノズル８７の外径と、本体部１０７の内径とが略同じに設定されること等によって、燃料排ガスノズル８７の外周面と、本体部１０７の内周面との間は気密となっている。本体部１０７には、燃料排ガスノズル８７の周囲に、該本体部１０７の周方向に間隔を置いて複数の整流流路１０８が形成されている。本実施形態では、整流流路１０８の個数は、酸化剤排ガス噴出孔９０の個数と同数となっている。また、整流流路１０８の延在方向に直交する断面形状は、酸化剤排ガス噴出孔９０の上下方向視の形状と同じに設定されている。しかしながら、整流流路１０８の個数や、断面形状は、特に上記に限定されるものではない。

整流流路１０８は、本体部１０７の上側（矢印Ｘ２側）から下側（矢印Ｘ１側）に向かって、該本体部１０７の内部に酸化剤排ガスを通過させる。各整流流路１０８は、上流側から下流側に向かうに連れて、燃料排ガスノズル８７の軸心から離間する方向に延在する。なお、図１１Ｂに示すように、流路空間８２に設けられた本体部１０７では、各整流流路１０８の下端が、酸化剤排ガス噴出孔９０に対向する。一方、図１１Ｃに示すように、燃焼空間８６に設けられた本体部１０７では、各整流流路１０８の上端が、酸化剤排ガス噴出孔９０に対向する。

上記のように構成される本体部１０７を備える燃料電池モジュール１０であっても、酸化剤排ガスが整流流路１０８を流通することで、燃焼空間８６を流通する酸化剤排ガスの流通方向が調整され、該流通方向の酸化剤排ガス噴出孔９０側よりも燃料排ガス噴出孔８８側が燃料排ガスノズル８７の軸心から離間する。これによって、燃料排ガス噴出孔８８から噴出された燃料排ガスが燃焼して生じる火炎が、酸化剤排ガスで吹き消されることを抑制できるため、燃料排ガス及び酸化剤排ガスの燃焼反応を良好に生じさせることが可能になる。

図９に示すように、上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、酸化剤排ガス噴出孔９０の軸方向（上下方向）視の形状は、挿通孔８４ａから離間する側に比して挿通孔８４ａに近接する側の曲率半径が小さいオーバル形状であることとした。

この場合、例えば、真円形状や多角形状の酸化剤排ガス噴出孔（不図示）とは異なり、各酸化剤排ガス噴出孔９０の面積を維持しつつ、複数の酸化剤排ガス噴出孔９０同士の間に、互いの距離Ｌ（図９）が極端に小さくなる箇所が生じることを回避できる。このため、各酸化剤排ガス噴出孔９０から噴出される酸化剤排ガスの流量を十分に維持できるとともに、流路壁８４の強度が低下することを抑制できる。

また、酸化剤排ガス噴出孔９０の挿通孔８４ａに近接する側の面積が小さく、挿通孔８４ａから離間する側の面積が大きくなることから、酸化剤排ガス噴出孔９０から噴出される酸化剤排ガスを上記のように末広がりとすることが容易になり、酸化剤排ガス及び燃料排ガスを一層良好に燃焼させることが可能になる。なお、酸化剤排ガス噴出孔９０の軸方向（上下方向）視の形状は、特に上記のオーバル形状に限定されるものではなく、種々の形状とすることが可能である。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０の燃料排ガスノズル８７の周壁には、周方向に間隔を置いて燃料排ガス噴出孔８８が複数設けられ、軸方向視で、複数の燃料排ガス噴出孔８８は、複数の酸化剤排ガス噴出孔９０同士の間に配置されることとした。この場合、酸化剤排ガス噴出孔９０から噴出された酸化剤排ガスが燃料排ガス噴出孔８８に向かって吹き付けられることを回避できる。このため、燃料排ガス噴出孔８８において燃料排ガスの燃焼により生じる火炎が、酸化剤排ガスによって吹き消されることを抑制できる。その結果、酸化剤排ガス及び燃料排ガスを一層良好に燃焼させることが可能になる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０の燃料排ガスノズル８７の周壁には、該周壁を周回して配設される複数の燃料排ガス噴出孔８８からなる列８８ａ、８８ｂが、軸方向に複数設けられ、軸方向に隣接する列８８ａ、８８ｂを形成する燃料排ガス噴出孔８８は、互いの周方向の位置が異なることとした。この場合、燃焼空間８６内において、燃料排ガスと酸化剤排ガスとを良好に混合させることが可能となり、互いの燃焼反応を促すことができる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、燃料電池２４と排ガス燃焼室２６は、並び方向に並んで配置され、排ガス燃焼室２６を形成する燃焼室壁（第３壁３３ａ）は、燃料電池２４に臨む対向壁３３ｂ、及び並び方向（上下方向）に延在する接続壁３３ｃを有し、酸化剤排ガスを燃焼器２２へと導く酸化剤排ガス配管８０と、燃料排ガスを燃焼器２２へと導く燃料排ガス配管７８とのそれぞれは、排ガス燃焼室２６の外側から接続壁３３ｃに接続されることとした。

この場合、例えば、燃料電池２４に備えられる不図示のエンドプレート等の板状部材の内部に流路を設ける構成に比して、簡単且つ低コストに設けられる燃料排ガス配管７８及び酸化剤排ガス配管８０によって、燃料電池２４から燃焼器２２へと燃料排ガス及び酸化剤排ガスを導くことができる。

また、燃料排ガス配管７８及び酸化剤排ガス配管８０は、上下方向（燃料電池２４と排ガス燃焼室２６との並び方向）に延在する接続壁３３ｃに排ガス燃焼室２６の外側から接続される。このため、排ガス燃焼室２６の対向壁３３ｂと、燃料電池２４との間に、酸化剤排ガス配管８０及び燃料排ガス配管７８が介在することを回避できる。

これらから、燃料電池２４と排ガス燃焼室２６との並び方向に燃料電池モジュール１０が大型化することを抑制しつつ、該燃料電池モジュール１０を簡単な構成とすることができる。

ところで、上記のように接続壁３３ｃに接続された酸化剤排ガス配管８０から流路空間８２に対して、単純に酸化剤排ガスを供給すると、酸化剤排ガスの供給方向が酸化剤排ガス噴出孔９０の軸方向と交差してしまう。この場合、燃料排ガス噴出孔８８の周囲に略均等に酸化剤排ガスを供給し難くなることから、燃料排ガス及び酸化剤排ガスの燃焼反応を良好に生じさせることが困難となる懸念がある。

しかしながら、この燃料電池モジュール１０では、整流部８９、１０６によって燃焼空間８６における酸化剤排ガスの流通方向を上記のように調整することが可能である。このため、燃料電池モジュール１０の並び方向の小型化を図るべく、接続壁３３ｃに接続された酸化剤排ガス配管８０から流路空間８２に酸化剤排ガスを供給しても、燃料排ガス噴出孔８８の周囲に略均等に酸化剤排ガスを供給することができ、ひいては、燃料排ガス及び酸化剤排ガスの燃焼反応を良好に生じさせることができる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、流路空間８２は、酸化剤排ガス配管８０よりも断面積が大きい部分を有し、酸化剤排ガス配管８０は、接続壁３３ｃに設けられた酸化剤排ガス導入口８０ａを介して流路空間８２に酸化剤排ガスを供給し、燃料排ガス配管７８は、接続壁３３ｃに設けられた燃料排ガス導入口７８ａに挿通されて排ガス燃焼室２６内で燃料排ガスノズル８７と接続されることとした。

この場合、酸化剤排ガス配管８０内の酸化剤排ガスが、酸化剤排ガス導入口８０ａから、酸化剤排ガス配管８０よりも断面積が大きい部分を有する流路空間８２に供給される。この酸化剤排ガスは、流路空間８２を流通することで流れの方向が分散された後に、流路壁８４に設けられた酸化剤排ガス噴出孔９０から燃焼空間８６へと噴出される。

このため、酸化剤排ガスが、排ガス燃焼室２６の酸化剤排ガス導入口８０ａから反対側壁３３ｄに向かう略水平方向の流れのまま、酸化剤排ガス噴出孔９０を介して燃焼空間８６に供給されることを抑制できる。これによって、燃料排ガスの周囲に略均等に酸化剤排ガスを噴出することができ、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを良好に燃焼させることが可能になる。

流路空間８２は、流路壁８４等を介して燃焼空間８６の熱が伝えられることで高温となる。このため、酸化剤排ガスは、流路空間８２を流通することで加熱された状態で酸化剤排ガス噴出孔９０から噴出される。また、燃料排ガスは、流路空間８２を延在する燃料排ガス配管７８を流通することで加熱された後に燃料排ガス噴出孔８８から噴出される。これらによっても、燃焼空間８６で酸化剤排ガス及び燃料排ガスを良好に燃焼させることができる。

従って、この燃料電池モジュール１０によれば、燃料電池２４と排ガス燃焼室２６との並び方向に大型化することを抑制しつつ、簡単な構成とすることができ、しかも、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを良好に燃焼させることが可能である。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、流路壁８４は、酸化剤排ガス導入口８０ａ側から酸化剤排ガス噴出孔９０側に近づくに連れて、流路空間８２側に隆起する隆起部８４ｄを有し、隆起部８４ｄの少なくとも一部は、酸化剤排ガス導入口８０ａに間隔を置いて対向することとした。

この場合、図３及び図８に一点鎖線の矢印で示すように、酸化剤排ガス導入口８０ａから流路空間８２に供給された酸化剤排ガスは、隆起部８４ｄに接触する。これによって、酸化剤排ガス導入口８０ａから反対側壁３３ｄに向かう酸化剤排ガスの流れを一層効果的に分散させることができる。その結果、燃料排ガスノズル８７の周方向に対して、排ガス燃焼室２６の反対側壁３３ｄ側に偏って酸化剤排ガスが噴射されること等を抑制して、燃料排ガス噴出孔８８の周囲に略均等に酸化剤排ガスを噴出することができる。ひいては、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを良好に燃焼させることが可能になる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、流路壁８４は、酸化剤排ガス導入口８０ａと酸化剤排ガス噴出孔９０との間に燃焼空間８６側に陥没する陥没部８４ｃが設けられ、陥没部８４ｃの底部の酸化剤排ガス導入口８０ａ側は、酸化剤排ガス導入口８０ａの縁部に沿って湾曲し、隆起部８４ｄは、陥没部８４ｃの底部に設けられることとした。

陥没部８４ｃの低部に隆起部８４ｄを設けることで、酸化剤排ガス導入口８０ａを介して供給された酸化剤排ガスを隆起部８４ｄに効果的に接触させることができるとともに、流路壁８４に流路空間８２側に隆起する隆起部８４ｄを設けても、流路空間８２の容積が低減することを抑制できる。このため、流路空間８２内で、酸化剤排ガスの流れを十分に分散させて、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを良好に燃焼させることが可能になる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、流路壁８４が排ガス燃焼室２６を仕切ることで、流路壁８４よりも軸方向（上下方向）の一方（下）側に燃焼空間８６が形成され、且つ他方（上）側に流路空間８２が形成され、燃料排ガス配管７８は、燃料排ガス導入口７８ａから流路空間８２に挿通されることとした。

この場合、排ガス燃焼室２６を流路壁８４で仕切る簡単な構成により、排ガス燃焼室２６内のスペースを有効に利用して流路空間８２を大きく形成することができる。このため、流路空間８２内で、酸化剤排ガスの流れを十分に分散させて、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを良好に燃焼させることが可能になる。

しかしながら、上記のように、流路壁８４よりも軸方向の一方側に燃焼空間８６が形成され、且つ他方側に流路空間８２が形成されることに限定されるものではない。例えば、図１２に示す変形例に係る燃料電池モジュール１１０のように、排ガス燃焼室２６の内部において、流路空間１１２の少なくとも軸方向（上下方向、矢印Ｘ方向）の両側に燃焼空間１１４を配設してもよい。

この燃料電池モジュール１１０では、排ガス燃焼室２６内に、図３の流路壁８４に代えて、該流路壁８４よりも上下方向（軸方向）視における外形寸法が小さい図１２の流路壁１１６が設けられている。つまり、流路壁１１６の外周縁部と、接続壁３３ｃとの間には、燃焼排ガス等が流通可能な隙間が形成されている。なお、図３の流路壁８４と、図１２の流路壁１１６とは上記の外形寸法が異なることを除いて略同様に構成することができる。

図１２に示すように、流路空間１１２を形成する壁部は、流路壁１１６と、被覆壁１１８とを有する。被覆壁１１８が流路壁１１６の上面を覆うことで、互いの間に流路空間１１２が形成される。また、被覆壁１１８と、対向壁３３ｂとは上下方向に離間して配設される。なお、流路壁１１６と被覆壁１１８とは別部材から構成された後に一体化されてもよいし、同一部材から一体に形成されてもよい。流路空間１１２は、軸方向（並び方向、上下方向）に薄い扁平形状であることが好ましい。

また、この燃料電池モジュール１１０では、燃料排ガス配管７８が、燃料排ガス導入口７８ａから燃焼空間１１４に挿通され、流路空間１１２よりも上方で、燃料排ガスノズル８７と接続される。被覆壁１１８には、燃料排ガスノズル８７が挿通される貫通孔１１８ａが形成されている。つまり、燃料排ガスノズル８７は、被覆壁１１８の貫通孔１１８ａと流路壁１１６の挿通孔８４ａとを介して、流路空間１１２を軸方向（上下方向）に貫通する。

燃焼空間１１４では、燃料排ガスと酸化剤排ガスとの燃焼反応により高温の燃焼排ガスが生じる。上記のように構成される流路空間１１２では、少なくとも上下方向の両側に燃焼空間１１４が配設されるため、該燃焼空間１１４及び燃焼排ガスの熱を、流路壁１１６及び被覆壁１１８を介して流路空間１１２に効果的に伝えることができる。また、燃料排ガス配管７８が燃焼空間１１４内に配設されるため、燃焼空間１１４及び燃焼排ガスの熱を、燃料排ガス配管７８の内部（燃料排ガス流路５２）に効果的に伝えることができる。これらによって、酸化剤排ガス及び燃料排ガスを十分に昇温させた状態で、酸化剤排ガス噴出孔９０及び燃料排ガス噴出孔８８のそれぞれから噴射することができるため、一層良好に燃焼反応を生じさせることが可能になる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０、１１０では、並び方向及び軸方向は上下方向であり、排ガス燃焼室２６の上に燃料電池２４が配置されることとした。これによって、上下方向の燃料電池モジュール１０、１１０の小型化を効果的に図ることができる。しかしながら、特にこれには限定されず、排ガス燃焼室２６の下に燃料電池２４が配置されることとしてもよい。また、排ガス燃焼室２６と燃料電池２４との並び方向を、例えば、水平方向に沿う方向としてもよい。この場合、燃料電池モジュール１０、１１０について、水平方向に沿う並び方向の小型化を図ることが可能となる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０、１１０では、燃料排ガス配管７８は、排ガス燃焼室２６内に延在する部分の少なくとも一部の断面が並び方向（上下方向）に薄い扁平形状であることとした。この場合、例えば、断面が真円形状の燃料排ガス配管（不図示）等に比して、燃料排ガス配管７８の外壁から中心までの最短距離を小さくすることができる。これによって、燃料排ガス配管７８内の燃料排ガスを効率的に加熱することが可能となり、ひいては、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを良好に燃焼させることが可能になる。また、燃料排ガス配管７８を並び方向に薄くすることで、燃料電池モジュール１０、１１０を並び方向に一層小型化し易くなる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

例えば、酸化剤排ガス配管８０及び燃料排ガス配管７８の少なくとも一方は、排ガス燃焼室２６の対向壁３３ｂに接続されてもよい。また、燃料電池モジュール１０、１１０は、酸化剤排ガス配管８０及び燃料排ガス配管７８を備えることに代えて、例えば、燃料電池２４に備えられる不図示のエンドプレート等の板状部材の内部に、燃料電池２４から燃焼器２２へと燃料排ガス及び酸化剤排ガスを導くことが可能な不図示の流路を設けてもよい。これらの場合であっても、排ガス燃焼室２６の内部で、整流部８９、１０６が酸化剤排ガス噴出孔９０を覆うことにより、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを良好に燃焼させることが可能である。

１０、１１０…燃料電池モジュール ２２…燃焼器
２４…燃料電池 ２６…排ガス燃焼室
３３ｃ…接続壁 ７８…燃料排ガス配管
７８ａ…燃料排ガス導入口 ８０…酸化剤排ガス配管
８０ａ…酸化剤排ガス導入口 ８２、１１２…流路空間
８４、１１６…流路壁 ８４ａ…挿通孔
８４ｄ…隆起部 ８６、１１４…燃焼空間
８７…燃料排ガスノズル ８８…燃料排ガス噴出孔
８９、１０６…整流部 ９０…酸化剤排ガス噴出孔
９１…整流室 ９２…整流カバー
９２ｂ…テーパ状部 ９２ｃ…環状部
９２ｄ…酸化剤排ガス入口 １０７…本体部
１０８…整流流路

Claims (15)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電し、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを排出する燃料電池と、前記酸化剤排ガスが供給される流路空間、及び該流路空間と流路壁により区画された燃焼空間を有する排ガス燃焼室と、前記燃焼空間の内部で、前記燃料排ガス及び前記酸化剤排ガスを燃焼させる燃焼器と、を備える燃料電池モジュールであって、
   前記燃焼器は、前記燃料排ガスが供給される燃料排ガスノズルと、前記燃料排ガスノズルに設けられ且つ前記燃焼空間に前記燃料排ガスを噴出する燃料排ガス噴出孔と、前記流路壁に設けられ且つ前記燃焼空間に前記酸化剤排ガスを噴出する酸化剤排ガス噴出孔と、前記酸化剤排ガスが通過可能に前記酸化剤排ガス噴出孔を覆う整流部と、を有し、
   前記燃料排ガスノズルは、前記流路壁に設けられた挿通孔に挿通されて、前記燃焼空間を前記酸化剤排ガス噴出孔の軸方向に沿って延在し、
   前記酸化剤排ガス噴出孔は、前記挿通孔の周囲に配置され、
   前記整流部は、前記燃焼空間を前記酸化剤排ガス噴出孔側から前記燃料排ガス噴出孔側に流通する前記酸化剤排ガスの流通方向を調整し、該流通方向の前記酸化剤排ガス噴出孔側よりも前記燃料排ガス噴出孔側を前記燃料排ガスノズルの軸心から離間させる、燃料電池モジュール。
2. 請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、
   前記整流部は、前記流路空間で前記酸化剤排ガス噴出孔を覆うことにより、前記流路壁との間に整流室を形成する整流カバーを有し、
   前記整流カバーは、前記流路空間から前記整流室に前記酸化剤排ガスを流入可能とする酸化剤排ガス入口が設けられ、
   前記酸化剤排ガス入口は、前記軸方向視で、前記酸化剤排ガス噴出孔よりも前記挿通孔側に配設され、
   前記酸化剤排ガス噴出孔は、前記流路空間から前記整流室に流入した前記酸化剤排ガスを前記燃焼空間に噴出する、燃料電池モジュール。
3. 請求項２記載の燃料電池モジュールにおいて、
   前記整流カバーは、前記酸化剤排ガス噴出孔に対し、前記軸方向に間隔を置いて対向する環状部と、前記環状部の外周縁部と前記流路壁との間に設けられ、前記環状部から前記流路壁に向かうに連れて拡径するテーパ状部と、を有し、
   前記環状部の開口に、該開口の径よりも外径が小さい前記燃料排ガスノズルが挿通され、前記開口の内周面と前記燃料排ガスノズルの外周面との間に前記酸化剤排ガス入口が形成され、
   前記軸方向視で前記酸化剤排ガス噴出孔の全体が、前記酸化剤排ガス入口の径方向の外側に設けられる、燃料電池モジュール。
4. 請求項１～３の何れか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
   前記流路壁には、前記挿通孔の周方向に間隔を置いて複数の前記酸化剤排ガス噴出孔が設けられる、燃料電池モジュール。
5. 請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、
   前記整流部は、前記流路空間及び前記燃焼空間の少なくとも一方で前記酸化剤排ガス噴出孔を覆うとともに前記燃料排ガスノズルが挿通される本体部を有し、
   前記本体部には、前記酸化剤排ガスが通過する整流流路が形成され、
   前記整流流路は、上流側から下流側に向かうに連れて、前記燃料排ガスノズルの軸心から離間する方向に延在する、燃料電池モジュール。
6. 請求項５記載の燃料電池モジュールにおいて、
   前記流路壁には、前記挿通孔の周方向に間隔を置いて複数の前記酸化剤排ガス噴出孔が設けられ、
   前記本体部には、前記酸化剤排ガス噴出孔のそれぞれに連通する複数の整流流路が設けられる、燃料電池モジュール。
7. 請求項４又は６記載の燃料電池モジュールにおいて、
   前記酸化剤排ガス噴出孔の前記軸方向視の形状は、前記挿通孔から離間する側に比して前記挿通孔に近接する側の曲率半径が小さいオーバル形状である、燃料電池モジュール。
8. 請求項４、６、７の何れか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
   前記燃料排ガスノズルの周壁には、前記周方向に間隔を置いて前記燃料排ガス噴出孔が複数設けられ、
   前記軸方向視で、複数の前記燃料排ガス噴出孔は、複数の前記酸化剤排ガス噴出孔同士の間に配置される、燃料電池モジュール。
9. 請求項８記載の燃料電池モジュールにおいて、
   前記燃料排ガスノズルの前記周壁には、該周壁を周回して配設される複数の前記燃料排ガス噴出孔からなる列が、前記軸方向に複数設けられ、
   前記軸方向に隣接する前記列を形成する前記燃料排ガス噴出孔は、互いの前記周方向の位置が異なる、燃料電池モジュール。
10. 請求項１～９の何れか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
    前記燃料電池と前記排ガス燃焼室は、並び方向に並んで配置され、
    前記排ガス燃焼室を形成する燃焼室壁は、前記燃料電池に臨む対向壁、及び前記並び方向に延在する接続壁を有し、
    前記酸化剤排ガスを前記燃焼器へと導く酸化剤排ガス配管と、前記燃料排ガスを前記燃焼器へと導く燃料排ガス配管とのそれぞれは、前記排ガス燃焼室の外側から前記接続壁に接続される、燃料電池モジュール。
11. 請求項１０記載の燃料電池モジュールにおいて、
    前記流路空間は、前記酸化剤排ガス配管よりも断面積が大きい部分を有し、
    前記酸化剤排ガス配管は、前記接続壁に設けられた酸化剤排ガス導入口を介して前記流路空間に前記酸化剤排ガスを供給し、
    前記燃料排ガス配管は、前記接続壁に設けられた燃料排ガス導入口に挿通されて前記排ガス燃焼室内で前記燃料排ガスノズルと接続される、燃料電池モジュール。
12. 請求項１１記載の燃料電池モジュールにおいて、
    前記流路壁は、前記酸化剤排ガス導入口側から前記酸化剤排ガス噴出孔側に近づくに連れて、前記流路空間側に隆起する隆起部を有し、
    前記隆起部の少なくとも一部は、前記酸化剤排ガス導入口に間隔を置いて対向する、燃料電池モジュール。
13. 請求項１１又は１２記載の燃料電池モジュールにおいて、
    前記流路壁が前記排ガス燃焼室を仕切ることで、前記流路壁よりも前記軸方向の一方側に前記燃焼空間が形成され、且つ他方側に前記流路空間が形成され、
    前記燃料排ガス配管は、前記燃料排ガス導入口から前記流路空間に挿通される、燃料電池モジュール。
14. 請求項１１又は１２記載の燃料電池モジュールにおいて、
    前記排ガス燃焼室の内部では、前記流路空間の少なくとも前記軸方向の両側に前記燃焼空間が配設され、
    前記燃料排ガス配管は、前記燃料排ガス導入口から前記燃焼空間に挿通され、
    前記燃料排ガスノズルは、前記流路空間を前記軸方向に貫通する、燃料電池モジュール。
15. 請求項１０～１４の何れか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
    前記燃料排ガス配管は、前記排ガス燃焼室内に延在する部分の少なくとも一部の断面が前記並び方向に薄い扁平形状である、燃料電池モジュール。

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