(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-06-20
(45)【発行日】2023-06-28
(54)【発明の名称】燃焼器、及び、燃料電池モジュール
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20230621BHJP
H01M 8/0612 20160101ALI20230621BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20230621BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 N
H01M8/0612
H01M8/12 102A
H01M8/12 101
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2019157602
(22)【出願日】2019-08-30
(65)【公開番号】P2021036489
(43)【公開日】2021-03-04
【審査請求日】2022-03-22
(73)【特許権者】
【識別番号】519322392
【氏名又は名称】森村ＳＯＦＣテクノロジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【氏名又は名称】松下 満
(74)【代理人】
【識別番号】100098475
【弁理士】
【氏名又は名称】倉澤 伊知郎
(74)【代理人】
【識別番号】100130937
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100170634
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 航介
(72)【発明者】
【氏名】坪井 文雄
(72)【発明者】
【氏名】松尾 卓哉
(72)【発明者】
【氏名】田中 修平
【審査官】笹岡 友陽
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２００７／０００３８９６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－２１２２０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１４７２２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０３３６５２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／０４
Ｈ０１Ｍ ８／０６１２
Ｈ０１Ｍ ８／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池セルにおける発電反応に使用されなかった残余燃料ガスと酸化剤ガスが供給され、前記酸化剤ガスとともに前記残余燃料ガスを燃焼させるための燃焼器であって、上方に向かって延びる側壁を有し、上端の燃料ガス噴出ポートから前記残余燃料ガスを噴出する燃料ガス噴出部を備え、
前記酸化剤ガスは前記燃料ガス噴出ポートの下方において噴出され、
前記酸化剤ガスは前記燃料ガス噴出部の前記側壁に沿うような向きに案内され、
さらに、内部空間に酸化剤ガスが供給され、供給された前記酸化剤ガスを案内する酸化剤ガス案内部を備え、
前記酸化剤ガス案内部は、前記燃料ガス噴出部を形成する前記側壁に向かって前記酸化剤ガスを案内する、
ことを特徴とする燃焼器。
【請求項2】
前記燃料ガス噴出ポートの開口面積よりも、前記酸化剤ガスが前記内部空間から噴出される酸化剤ガス噴出ポートの開口面積の方が大きい、請求項１に記載の燃焼器。
【請求項3】
前記噴出された酸化剤ガスは、前記燃料電池セルにおける発電反応に使用されなかった残余酸化剤ガスである、請求項１又は２に記載の燃焼器。
【請求項4】
前記燃料ガス噴出部に供給される前記残余燃料ガスは、燃料電池セルにおける発電反応に使用されなかった残余燃料ガスに酸化剤ガスが予混合されていない、請求項１～３の何れか１項に記載の燃焼器。
【請求項5】
前記燃料ガス噴出部には、複数の燃料ガス噴出ポートが一列に並ぶように設けられている、請求項１～４の何れか１項に記載の燃焼器。
【請求項6】
燃料電池セルと、前記燃料電池セルにおける発電反応に使用されなかった残余燃料ガスを酸化剤ガスとともに燃焼させる請求項１～５の何れか１項に記載の燃焼器と、
前記燃焼器の上方に配置され、前記燃焼器の燃焼熱により、原燃料ガスを改質して前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成する改質器と、を備える、
燃料電池モジュール。
【請求項7】
さらに、前記燃焼器及び前記改質器が収容されたハウジングを有し、前記燃料電池セルは前記ハウジングと独立して前記ハウジングの外部に配置されている、
請求項６に記載の燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃焼器、及び、燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電する燃料電池モジュールにおいて、燃料電池セルにおいて発電に使用されなかった残余燃料ガスを燃焼器において燃料させさる構成が知られている。
【0003】
例えば、特許文献１には、このような燃料電池モジュールにおける燃焼器の構成として、燃料電池セルで使用されなかった残燃料ガスを先端から噴出する燃料路管と、燃料路管よりも上方において酸素含有ガスを燃料路管の上方に案内する分離壁とを備えた燃焼器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１８－１６９０８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１に記載された構成では、酸化剤含有ガスを分離壁により急峻な角度で燃焼路管の上方に案内するため、案内される酸素含有ガスの流速が高く、燃焼器における燃焼が不安定になるという問題がある。
【0006】
本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、安定した燃焼が実現できる燃焼器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の燃焼器は、燃料電池セルにおける発電反応に使用されなかった残余燃料ガスと酸化剤ガスが供給され、酸化剤ガスとともに残余燃料ガスを燃焼させるための燃焼器であって、上方に向かって延び、上端の燃料ガス噴出ポートから残余燃料ガスを噴出する燃料ガス噴出部を備え、酸化剤ガスは燃料ガス噴出ポートと同じ高さ又は下方において噴出され、酸化剤ガスは燃料ガス噴出部の側壁に沿うような向きに案内される、ことを特徴とする。
【0008】
上記構成の本発明によれば、酸化剤ガスが燃料ガス噴出部の側壁に沿うような向きに案内されるため、酸化剤ガスが燃料ガス噴出部の炎に直接吹き付けられることを抑止でき、安定した燃焼が実現される。
【0009】
本発明において、好ましくは、さらに、内部空間に酸化剤ガスが供給され、供給された酸化剤ガスを案内する酸化剤ガス案内部を備え、酸化剤ガス案内部は、燃料ガス噴出部を形成する側壁に向かって酸化剤ガスを案内する。
【0010】
上記構成の本発明によれば、酸化剤ガス案内部に案内された酸化剤ガスは燃料ガス噴出部に衝突した後、燃料ガス噴出部の側壁に沿うような向きに流れる。これにより、酸化剤ガスを燃料ガス噴出部の側壁に沿うような向きに案内することが可能になる。
【0011】
また、本発明において、好ましくは、燃料ガス噴出ポートの開口面積よりも、酸化剤ガスが内部空間から噴出される酸化剤ガス噴出ポートの開口面積の方が大きい。
上記構成の本発明によれば、酸化剤ガスが十分に供給されるため、安定した燃焼が実現される。
上記構成の本発明によれば、酸化剤ガスが十分に供給されるため、安定した燃焼が実現される。
【0012】
また、本発明において、好ましくは、噴出された酸化剤ガスは、燃料電池セルにおける発電反応に使用されなかった残余酸化剤ガスである。
上記構成の本発明によれば、新たに外部から酸化剤ガスを供給するための構成（配管等）を設ける必要がなくなる。
上記構成の本発明によれば、新たに外部から酸化剤ガスを供給するための構成（配管等）を設ける必要がなくなる。
【0013】
また、本発明において、好ましくは、燃料ガス噴出部に供給される残余燃料ガスは、燃料電池セルにおける発電反応に使用されなかった残余燃料ガスに酸化剤ガスが予混合されていない。
上記構成の本発明によれば、燃料ガスのが濃度が高い状態で燃料ガス噴出ポートから噴出されるため、より安定した燃焼が実現される。
上記構成の本発明によれば、燃料ガスのが濃度が高い状態で燃料ガス噴出ポートから噴出されるため、より安定した燃焼が実現される。
【0014】
また、本発明において、このましくは、燃料ガス噴出部には、複数の燃料ガス噴出ポートが一列に並ぶように設けられている。
上記構成の本発明によれば、列方向に均一な燃焼を実現することができるとともに、燃焼器で発生した熱をより効率よく、改質器の加熱等に利用することができる。
上記構成の本発明によれば、列方向に均一な燃焼を実現することができるとともに、燃焼器で発生した熱をより効率よく、改質器の加熱等に利用することができる。
【0015】
本発明の燃料電池モジュールは、燃料電池セルと、燃料電池セルにおける発電反応に使用されなかった残余燃料ガスを酸化剤ガスとともに燃焼させる上記の燃焼器と、燃焼器の上方に配置され、燃焼器の燃焼熱により、原燃料ガスを改質して燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成する改質器と、を備える。
上記構成の本発明によれば、燃焼器における安定した燃焼が実現されるため、改質器において確実に原燃料ガスの改質を行うことができる。
上記構成の本発明によれば、燃焼器における安定した燃焼が実現されるため、改質器において確実に原燃料ガスの改質を行うことができる。
【0016】
本発明において、好ましくは、さらに、燃焼器及び改質器が収容されたハウジングを有し、燃料電池セルはハウジングと独立してハウジングの外部に配置されている。
上記構成の本発明によれば、燃料電池セルに対する燃焼器による熱影響を低減できる。
上記構成の本発明によれば、燃料電池セルに対する燃焼器による熱影響を低減できる。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、安定した燃焼が実現できる燃焼器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの概略構成を示す図である。
【図5】本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの燃焼器における残余燃料ガス及び残余酸化剤ガスの流れを示す鉛直断面図である。
【図6】本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの改質・加熱器の鉛直断面図である。
【図9】本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの燃焼器における残余燃料ガス及び残余酸化剤ガスの流れを示す鉛直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールをの図面を参照しながら、詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの概略構成を示す図である。なお、図１において、燃料ガス（原燃料ガス及び残余燃料ガスを含む）の流れを一点鎖線で示し、空気（残余酸化剤ガスを含む）の流れを実線で示し、排気ガスの流れを破線で示す。
図１に示すように、本発明の実施形態による燃料電池モジュール１は、発電反応を行う燃料電池セルスタック２と、この燃料電池セルスタック２に、原燃料ガスを改質した燃料ガス、及び加熱した酸化剤ガスである空気を供給する流体供給装置４と、を有する。流体供給装置４は、蒸発器４ａ及び改質・加熱器４ｂから構成されている。
以下、本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールをの図面を参照しながら、詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの概略構成を示す図である。なお、図１において、燃料ガス（原燃料ガス及び残余燃料ガスを含む）の流れを一点鎖線で示し、空気（残余酸化剤ガスを含む）の流れを実線で示し、排気ガスの流れを破線で示す。
図１に示すように、本発明の実施形態による燃料電池モジュール１は、発電反応を行う燃料電池セルスタック２と、この燃料電池セルスタック２に、原燃料ガスを改質した燃料ガス、及び加熱した酸化剤ガスである空気を供給する流体供給装置４と、を有する。流体供給装置４は、蒸発器４ａ及び改質・加熱器４ｂから構成されている。
【0020】
蒸発器４ａには、水を供給するための水供給用配管２０と、原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給配管２２と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管２３が接続されている。また、蒸発器４ａには、改質・加熱器４ｂのハウジング６から蒸発器４ａへ排気ガスを供給する排気ガス配管２６と、蒸発器４ａから改質器１０へ混合ガスを供給する混合ガス導管２８とが接続されている。
【0021】
蒸発器４ａは、排気ガス配管２６を通じて供給された排気ガスの熱により、水供給用配管２０から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に、この水蒸気を原燃料ガス供給配管２２から供給された原燃料ガスと混合するように構成されている。蒸発器４ａにおいて水蒸気と混合された原燃料ガスは、混合ガス導管２８を通じて改質器１０に供給される。なお、水を加熱した排気ガスは排気ガス排出管２３を通じて外部に排出される。
【0022】
改質・加熱器４ｂはハウジング６を備えており、このハウジング６が燃料電池セルスタック２の上方に鉛直方向に並べて配置されている。これらの燃料電池セルスタック２、及びハウジング６は、断熱材８によって包囲されているとともに、燃料電池セルスタック２とハウジング６との間にも断熱材８が設けられているため、燃料電池セルスタック２は、ハウジング６（流体供給装置４）から熱的に隔離されている。この燃料電池セルスタック２及びハウジング６を包囲している断熱材８は、燃料電池モジュール１の最表面を構成しており、断熱材８の外側を覆う金属製の容器等は設けられていてもよいが、設けられていなくてもよい。また、ハウジング６によって密閉された空間内には、改質器１０、燃焼器１２が収容されている。
【0023】
ハウジング６は、二重壁構造となっており内壁と外壁の間に空気流路６Ａが形成されている。ハウジング６の天面には空気供給パイプ２４が接続されており、外部から空気供給パイプ２４を通じて酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気流路６Ａに供給された空気（酸化剤ガス）は、空気流路６Ａを流れる間に、燃焼器１２の燃焼熱により加熱される。空気流路６Ａ内において加熱された空気は、酸化剤ガス供給通路３２を介して燃料電池セルスタック２に供給される。
【0024】
改質・加熱器４ｂと燃料電池セルスタック２との間には、改質器１０から燃料電池セルスタック２の燃料ガスを供給する燃料供給通路３０が設けられ、ハウジング６の空気流路６Ａから加熱された空気を燃料電池セルスタック２に供給する酸化剤ガス供給通路３２が設けられている。また、改質・加熱器４ｂと燃料電池セルスタック２との間には、燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかったオフガスである残燃料ガスを燃焼器１２に供給するための燃料排出通路３４と、燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった酸化剤ガスを燃焼器１２に供給するための酸化剤ガス排出通路３６が接続されている。
【0025】
改質器１０には、改質触媒（図示せず）が充填されており、蒸発器４ａから混合ガス導管２８を通じて水蒸気が混合された原燃料ガスが供給され、燃焼器１２の燃焼熱により原燃料ガスを水蒸気改質して、水素を豊富に含む燃料ガスを生成するように構成されている。改質器１０において生成された燃料ガスは燃料電池セルスタック２に送られ、燃料電池セルスタック２において発電に使用される。この燃料ガスは、改質器１０と燃料電池セルスタック２の間に延びる燃料供給通路３０を介して燃料電池セルスタック２に供給される。ここで、改質器１０はハウジング６内に収容され、ハウジング６は断熱材８によって包囲されているので、燃料ガスを供給する燃料供給通路３０は、ハウジング６及び断熱材８を貫通して燃料電池セルスタック２へ延びている。
【0026】
燃焼器１２は、燃料電池セルスタック２において発電に使用されずに残った残余燃料ガス及び残余空気を燃焼させるように構成されている。燃料電池セルスタック２において発電に使用されずに残った燃料は、燃焼器１２と燃料電池セルスタック２の間に延びる燃料排出通路３４を介して燃焼器１２へ排出される。この燃料排出通路３４も、ハウジング６及び断熱材８を貫通して燃料電池セルスタック２から燃焼器１２へ延びている。燃焼器１２へ排出された残余燃料は、燃焼器１２によって燃焼され、燃焼器１２の上方に配置された改質器１０を加熱する。これにより、改質器１０内の改質触媒（図示せず）が水蒸気改質可能な温度に加熱される。
【0027】
一方、発電用の酸化剤ガスである空気も外部から空気供給パイプ２４を通じてハウジング６に供給され、空気流路６Ａを通る間に燃焼器１２の燃焼熱によって加熱され、高温になった状態で燃料電池セルスタック２へ供給される。流体供給装置４において加熱された発電用の空気は、ハウジング６から延びる酸化剤ガス供給通路３２を介して燃料電池セルスタック２に供給される。この酸化剤ガス供給通路３２も、ハウジング６を包囲する断熱材８を貫通してハウジング６から燃料電池セルスタック２へ延びている。
【0028】
燃料電池セルスタック２は、平板型セルスタックであり、複数の長方形の平板型燃料電池セルを積層して構成されている。燃料電池セルスタック２は、ハウジング６の外部に独立して設けられている。各燃料電池セルは、酸化物イオン導電体で構成された平板状の電解質の両面に、燃料極及び空気極（酸化剤ガス極）の電極を夫々設けることにより構成され、各燃料電池セルの間にはセパレータが配置されている。各燃料電池セルには、燃料供給通路３０及び酸化剤ガス供給通路３２を通じて燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、燃料電池セルによる発電が行われる。
【0029】
燃料電池セルスタック２に供給され、発電に使用されずに残った残余の燃料ガスは、上述の通り、燃料排出通路３４を介して燃焼器１２へ排出される。また、燃料電池セルスタック２に供給され、発電に使用されずに残った残余の空気は、酸化剤ガス排出通路３６を介して燃焼器１２へ排出される。この酸化剤ガス排出通路３６も、ハウジング６を包囲する断熱材８を貫通して燃料電池セルスタック２から燃焼器１２へ延びている。燃焼器１２へ排出された残余空気は、燃焼器１２における燃焼に使用される。燃焼により生成された燃焼ガスは、排気ガスとして排気ガス配管２６を通じて蒸発器４ａに排出される。蒸発器４ａに排出された排気ガスは、水を蒸発するのに用いられた後に、排気ガス排出管２３から外部に排出される。
【0030】
次に、本実施形態における燃焼器１２の構成について説明する。図２は、図１に示す燃料電池モジュールの改質・加熱器の鉛直断面図である。また、図３及び図４は図１に示す燃料電池モジュールの燃焼器を示し、図３は斜視図、図４は分解斜視図である。なお、図２～図４においてハウジング６の空気流路６Ａ（外壁）は省略しており、また、図３及び図４ではハウジングの底部のみを示す。
図２～図４に示すように、燃焼器１２は残余燃料ガス及び残余酸化剤ガスを噴出するマニホールドからなり、このマニホールドは、ハウジング６の底面６ａ上に配置された第１の燃焼器形成部材４２及び第２の燃焼器形成部材４４により構成される。ハウジング６の底面６ａには、酸化剤ガス排出通路３６が接続される酸化剤ガス開口６Ｂと、燃料排出通路３４が接続される燃料開口６Ｃとが形成されている。
図２～図４に示すように、燃焼器１２は残余燃料ガス及び残余酸化剤ガスを噴出するマニホールドからなり、このマニホールドは、ハウジング６の底面６ａ上に配置された第１の燃焼器形成部材４２及び第２の燃焼器形成部材４４により構成される。ハウジング６の底面６ａには、酸化剤ガス排出通路３６が接続される酸化剤ガス開口６Ｂと、燃料排出通路３４が接続される燃料開口６Ｃとが形成されている。
【0031】
第１の燃焼器形成部材４２は、長方形状の平板部４２Ａと、平板部４２Ａに下方に向かって立設された管状部４２Ｂとを有する。管状部４２Ｂは平板部４２Ａの中央に形成された開口に接続されている。なお、第１の燃焼器形成部材４２の管状部４２Ｂは、燃料排出通路３４の一部を構成する。
【0032】
第２の燃焼器形成部材４４は、平坦な矩形の環状の縁部４９と、縁部４９から上方に向かって突出する酸化剤ガス案内部４６と、酸化剤ガス案内部４６の幅方向中央に長手方向に延びるように形成された燃料ガス噴出部４８と、を有する。
縁部４９は平坦であり、外形がハウジング６の底面６ａと略等しくなっている。
縁部４９は平坦であり、外形がハウジング６の底面６ａと略等しくなっている。
【0033】
酸化剤ガス案内部４６は、縁部の内側において平面視矩形状に上方に向かって立設された側壁部４６Ａと、側壁部４６Ａの上方を閉鎖する平板状の平板部４６Ｂとを有する。側壁部４６Ａと平板部４６Ｂとの角部は湾曲状に面取りされている。また、平板部４６Ｂの幅方向の両側には、それぞれ上方に向かって突出するように酸化剤ガス噴出部４７が形成されている。酸化剤ガス噴出部４７は、平板部４６Ｂから矩形状に上方に突出する部分である。酸化剤ガス噴出部４７は、中央側の燃料ガス噴出部４８に対向する部分が開口しており、酸化剤ガス噴出ポート４７Ａが形成されている。本実施形態では、燃料ガス噴出部４８の両側に複数の（５つの）酸化剤ガス噴出部４７が長手方向に等間隔で整列するように設けられている。
【0034】
燃料ガス噴出部４８は、酸化剤ガス案内部４６の平板部４６Ｂから上方に突出する側壁部４８Ａと、側壁部４８Ａの上方を閉鎖する天面部４８Ｂとを備える。燃料ガス噴出部４８は、ハウジング６の内部空間の長手方向に略全長にわたって延びている。側壁部４８Ａは、長手方向に延びるような細長形状の環状に形成されている。側壁部４８Ａは、平板部４６Ｂに対して垂直に立設されている。天面部４８Ｂには、幅方向の中央に一列に並設された円形の開口部が形成されている。各開口部の周縁には円筒状の円筒側壁部４８Ｄが形成されており、この円筒側壁部４８Ｄの上端に燃料ガス噴出ポート４８Ｃが形成されている。燃料ガス噴出ポート４８Ｃは長手方向に等間隔に設けられている。
【0035】
各燃料ガス噴出ポート４８Ｃの周縁には円筒状の円筒側壁部４８Ｄが形成されている。なお、燃料ガス噴出部４８の側壁部４８Ａは、本実施形態では鉛直になっている。
【0036】
第２の燃焼器形成部材４４は、縁部４９がハウジング６の底面６ａに当接するように配置されており、縁部４９とハウジング６の底面６ａとが溶接接続されている。また、第１の燃焼器形成部材４２は、管状部４２Ｂがハウジング６の底面６ａの燃料開口６Ｃを貫通するように配置されている。さらに、第１の燃焼器形成部材４２の平板部４２Ａが、第２の燃焼器形成部材４４の平板部４６Ｂの燃料ガス噴出部４８の周囲に溶接接続されている。
【0037】
このような構成により、ハウジング６の底面６ａと、第２の燃焼器形成部材４４の酸化剤ガス案内部４６との間には、内部空間として酸化剤ガス供給空間５０が形成される。酸化剤ガス供給空間５０は、底面６ａの酸化剤ガス開口６Ｂを通じて、酸化剤ガス排出通路３６と連通している。また、酸化剤ガス供給空間５０は、酸化剤ガス噴出ポート４７Ａを通じてハウジング６の内部空間と連通している。酸化剤ガス噴出ポート４７Ａの開口面積（総開口面積）は、燃料ガス噴出ポート４８Ｃの開口面積（総開口面積）よりも大きくなっている。なお、本実施形態では、酸化剤ガス供給空間５０には、酸化剤ガス排出通路３６を介して燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった残余酸化剤ガスが供給されるが、これに限らず、外部から直接酸化剤ガスを供給することも可能である。
【0038】
また、第１の燃焼器形成部材４２の平板部４２Ａと、第２の燃焼器形成部材４４の燃料ガス噴出部４８との間には、燃料ガス供給空間５２が形成される。燃料ガス供給空間５２は、燃料排出通路３４と連通している。また、燃料ガス供給空間５２は、燃料ガス噴出ポート４８Ｃを通じてハウジング６の内部空間と連通している。燃料ガス噴出部４８は酸化剤ガス案内部４６の平板部４６Ｂに対して上方に向かって延びており、上端の燃料ガス噴出ポート４８Ｃは、酸化剤ガス噴出ポート４７Ａよりも上方に位置している。
【0039】
全体として、第１の燃焼器形成部材４２及び第２の燃焼器形成部材４４は、幅方向の中心を対称面として面対称な構成となっている。そして、燃料ガス噴出ポート４８Ｃは対称面に沿うように一列に配置されている。なお、本実施形態では、燃料ガス噴出ポート４８Ｃは対称面に沿うように一列に配置されているが、これに限らず、例えば、ジグザグの線上に一列に配置してもよい。要するに本実施形態における一列とは、幅方向の同じ断面内に複数の燃料ガス噴出ポートが位置することがない状態をいう。
【0040】
図５は、本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの燃焼器における残余燃料ガス及び残余酸化剤ガスの流れを示す鉛直断面図である。燃料ガス供給空間５２には、燃料排出通路３４を通じて燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった残余燃料ガスが供給される。図５に示すように、燃料ガス供給空間５２に供給された残余燃料ガスは、燃料ガス噴出部４８の上端の燃料ガス噴出ポート４８Ｃから鉛直上方に向かってハウジング６の内部空間に噴出される。
【0041】
これに対して、酸化剤ガス供給空間５０には、酸化剤ガス排出通路３６を通じて燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった残余酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガス排出通路３６を通じて酸化剤ガス供給空間５０に供給された残余酸化剤ガスは、第１の燃焼器形成部材４２の平板部４２Ａに衝突し、水平方向に外方に向かって流れる。そして、酸化剤ガスは、酸化剤ガス案内部４６の側壁部４６Ａ及び平板部４６Ｂにより酸化剤ガス噴出部４７に送られる。そして、酸化剤ガスは、酸化剤ガス噴出部４７により案内されて、酸化剤ガス噴出ポート４７Ａから燃料ガス噴出部４８の側壁部４８Ａに向かってハウジング６の内部空間に噴出される。酸化剤ガス噴出ポート４７Ａから燃料ガス噴出部４８の側壁部４８Ａに向かって噴出された残余酸化剤ガスは側壁部４８Ａに衝突する。そして、残余酸化剤ガスは、側壁部４８Ａに沿うように上方に向かって案内される。側壁部４８Ａに沿って流れる残余酸化剤ガスの流速は、酸化剤ガス噴出ポート４７Ａの開口面積を変更するなどの方法により調整することができる。
【0042】
このようにして噴出された残余燃料ガスは、着火装置（図示せず）により着火され、残余酸化剤ガスとともに燃焼する。そして、残余燃料ガスが燃焼することにより発生した燃焼熱により、改質器１０が加熱され、また、ハウジング６の空気流路６Ａを流れる空気が加熱される。
【0043】
以上説明したように、第１実施形態によれば以下の効果が奏される。
本実施形態によれば、残余酸化剤ガスは燃料ガス噴出ポート４８Ｃの下方において噴出され、噴出された酸化剤ガスが、燃料ガス噴出部４８の側壁部４８Ａに沿うような向きに案内される。このように酸化剤ガスが燃料ガス噴出部４８の側壁部４８Ａに沿うような向きに案内されるため、酸化剤ガスが燃料ガス噴出部４８の炎に直接吹き付けられることを抑止でき、安定した燃焼が実現される。
本実施形態によれば、残余酸化剤ガスは燃料ガス噴出ポート４８Ｃの下方において噴出され、噴出された酸化剤ガスが、燃料ガス噴出部４８の側壁部４８Ａに沿うような向きに案内される。このように酸化剤ガスが燃料ガス噴出部４８の側壁部４８Ａに沿うような向きに案内されるため、酸化剤ガスが燃料ガス噴出部４８の炎に直接吹き付けられることを抑止でき、安定した燃焼が実現される。
【0044】
また、本実施形態によれば、酸化剤ガス案内部４６が、燃料ガス噴出部４８を形成する側壁部４８Ａに向かって酸化剤ガスを案内するため、酸化剤ガス案内部４６に案内された酸化剤ガスが燃料ガス噴出部４８に衝突した後、燃料ガス噴出部４８の側壁部４８Ａに沿うような向きに流れる。これにより、酸化剤ガスを燃料ガス噴出部４８の側壁部４８Ａに沿うような向きに案内することが可能になる。
【0045】
また、本実施形態によれば、燃料ガス噴出ポート４８Ｃの開口面積よりも、酸化剤ガス噴出ポート４７Ａの開口面積の方が大きい。これにより、酸化剤ガスが十分に供給されるため、安定した燃焼が実現される。
【0046】
また、本実施形態によれば、酸化剤ガス噴出ポート４７Ａから噴出された酸化剤ガスが、燃料電池セルスタック２における発電反応に使用されなかった残余酸化剤ガスであるため、新たに外部から酸化剤ガスを供給するための構成（配管等）を設ける必要がなくなる。
【0047】
また、本実施形態では、燃料ガス噴出部４８に供給される残余燃料ガスは、燃料電池セルスタック２における発電反応に使用されなかった残余燃料ガスに酸化剤ガスが予混合されていないため、残余燃料ガスの濃度が高い状態で燃料ガス噴出ポート４８Ｃから噴出されるため、より安定した燃焼が実現される。
【0048】
また、本実施形態では、燃料ガス噴出部４８には、複数の燃料ガス噴出ポート４８Ｃが一列に並ぶように設けられているため、列方向に均一な燃焼を実現することができるとともに、燃焼器１２で発生した熱をより効率よく、改質器１０の加熱等に利用することができる。
【0049】
また、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、燃焼器１２における安定した燃焼が実現されるため、改質器１０において確実に原燃料ガスの改質を行うことができる。
【0050】
また、本実施形態では、燃料電池セルスタック２がハウジング６と独立してハウジング６の外部に配置されているため、燃料電池セルスタック２に対する燃焼器１２による熱影響を低減できる。
【0051】
＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールについて説明する。第２実施形態による燃料電池モジュールの構成は、燃焼器の構成のみが第１実施形態と異なっている。なお、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
以下、本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールについて説明する。第２実施形態による燃料電池モジュールの構成は、燃焼器の構成のみが第１実施形態と異なっている。なお、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【0052】
図６は、本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの改質・加熱器の鉛直断面図である。また、図７及び図８は図６に示す燃料電池モジュールの燃焼器を示し、図７は斜視図、図８は分解斜視図である。なお、図６～図８においてハウジング６の空気流路６Ａ（外壁）は省略しており、また、図７及び図ではハウジングの底部のみを示す。
【0053】
図６～図８に示すように、燃焼器１１２は残余燃料ガス及び残余酸化剤ガスを噴出するマニホールドからなり、このマニホールドは、ハウジング６の底面６ａ上に配置された第１の燃焼器形成部材１４２及び第２の燃焼器形成部材１４４により構成される。ハウジング６の底面６ａには、酸化剤ガス排出通路３６が接続される酸化剤ガス開口６Ｂと、燃料排出通路３４が接続される燃料開口６Ｃとが形成されている。
【0054】
第１の燃焼器形成部材１４２は、長方形状の平板部１４２Ａと、平板部１４２Ａに下方に向かって立設された管状部１４２Ｂと、平板部１４２Ａを覆うように設けられた燃料ガス噴出部１４８と、平板部１４２Ａの長手方向両端部の下面に設けられた台座部１４３と、を有する。管状部１４２Ｂは平板部１４２Ａの中央に形成された開口に接続されている。なお、第１の燃焼器形成部材１４２の管状部１４２Ｂは、燃料排出通路３４を構成する。燃料ガス噴出部１４８は、平板部１４２Ａの周縁に沿って立設された側壁部１４８Ａと、側壁部１４８Ａの上面を覆うように設けられた天面部１４８Ｂと、を備える。側壁部１４８Ａは、平板部１４２Ａに対して垂直に立設されている。幅方向両側の側壁部１４８Ａと天面部１４８Ｂの角部は面取りされている。天面部１４８Ｂには、幅方向の中央に一列に並設された円形の開口部が形成されている。各開口部の周縁には円筒状の円筒側壁部１４８Ｄが形成されており、この円筒状の円筒側壁部１４８Ｄの上端に燃料ガス噴出ポート１４８Ｃが形成されている。これら燃料ガス噴出ポート１４８Ｃは長手方向に等間隔に設けられている。なお、燃料ガス噴出部１４８の側壁部１４８Ａ及び円筒側壁部１４８Ｄは、本実施形態では鉛直になっている。
【0055】
第２の燃焼器形成部材１４４は、平坦な環状の縁部１４９と、縁部１４９から上方に向かって突出する酸化剤ガス案内部１４６と、を有する。
縁部１４９は平坦であり、外形がハウジング６の底面６ａと略等しくなっている。
縁部１４９は平坦であり、外形がハウジング６の底面６ａと略等しくなっている。
【0056】
酸化剤ガス案内部１４６は、縁部の内側において平面視矩形状に上方に向かって立設された側壁部１４６Ａと、側壁部１４６Ａの上方を閉鎖する平板状の平板部１４６Ｂとを有する。幅方向両側の側壁部１４６Ａと平板部１４６Ｂとの角部は面取りされている。また、平板部１４６Ｂの幅方向中央には、複数の酸化剤ガス噴出開口１４７が形成されている。酸化剤ガス噴出開口１４７は、平板部１４６Ｂの幅方向の中央に長手方向に等間隔で一列に整列するように設けられている。各酸化剤ガス噴出開口１４７は、幅方向に延びる長孔形状となっており、酸化剤ガス噴出開口１４７の幅及び長さは、燃料ガス噴出ポート１４８Ｃの直径よりも大きくなっている。また、酸化剤ガス噴出開口１４７は、燃料ガス噴出ポート１４８Ｃに対応する位置に形成されている。
【0057】
第２の燃焼器形成部材１４４は、縁部１４９がハウジング６の底面６ａに当接するように配置されており、縁部１４９とハウジング６の底面６ａとが溶接接続されている。第１の燃焼器形成部材１４２は台座部１４３がハウジング６の底面６ａに接地されている。第１の燃焼器形成部材１４２は、管状部１４２Ｂがハウジング６の底面６ａの燃料開口６Ｃを貫通するように配置されている。このように配置した状態において、各燃料ガス噴出ポート１４８Ｃは、対応する酸化剤ガス噴出開口１４７の中央に位置している。燃料ガス噴出ポート１４８Ｃの円筒状の円筒側壁部１４８Ｄの上端の高さは、第２の燃焼器形成部材１４４の平板状の平板部１４６Ｂの高さと等しくなっている。酸化剤ガス噴出開口１４７と、燃料ガス噴出ポート１４８Ｃの円筒状の円筒側壁部１４８Ｄの間の隙間が、酸化剤ガスが噴出される酸化剤ガス噴出ポート１４７Ａとして機能する。また、燃料ガス噴出部１４８の天面部１４８Ｂと、第２の燃焼器形成部材１４４の平板状の平板部１４６Ｂとの間には隙間が形成されている。
【0058】
このような構成により、ハウジング６の底面６ａと、第２の燃焼器形成部材１４４の酸化剤ガス案内部１４６との間には、内部空間として酸化剤ガス供給空間１５０が形成される。酸化剤ガス供給空間１５０は、底面６ａの酸化剤ガス開口６Ｂを通じて、酸化剤ガス排出通路３６と連通している。また、酸化剤ガス供給空間１５０は、酸化剤ガス噴出ポート１４７Ａを通じてハウジング６の内部空間と連通している。酸化剤ガス噴出ポート１４７Ａの開口面積（総開口面積）は、燃料ガス噴出ポート１４８Ｃの開口面積（総開口面積）よりも大きくなっている。なお、本実施形態では、酸化剤ガス供給空間１５０には、酸化剤ガス排出通路３６を介して燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった残余酸化剤ガスが供給されるが、これに限らず、外部から直接酸化剤ガスを供給することも可能である。
【0059】
また、第１の燃焼器形成部材１４２の平板部１４２Ａと、燃料ガス噴出部１４８との間には、燃料ガス供給空間１５２が形成される。燃料ガス供給空間１５２は、燃料排出通路３４と連通している。また、燃料ガス供給空間１５２は、燃料ガス噴出ポート１４８Ｃを通じてハウジング６の内部空間と連通している。燃料ガス噴出部１４８の燃料ガス噴出ポート１４８Ｃの円筒側壁部１４８Ｄは上方に向かって延びており、上端の燃料ガス噴出ポート１４８Ｃは、酸化剤ガス噴出ポート１４７Ａと同じ高さに位置している。全体として、第１の燃焼器形成部材１４２及び第２の燃焼器形成部材１４４は、幅方向の中心を対称面として面対称な構成となっている。そして、燃料ガス噴出ポート１４８Ｃは対称面に沿うように一列に配置されている。
【0060】
図９は、本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの燃焼器における残余燃料ガス及び残余酸化剤ガスの流れを示す鉛直断面図である。燃料ガス供給空間１５２には、燃料排出通路３４を通じて燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった残余燃料ガスが供給される。図９に示すように、燃料ガス供給空間１５２に供給された残余燃料ガスは、燃料ガス噴出部１４８の上端の燃料ガス噴出ポート１４８Ｃから鉛直上方に向かってハウジング６の内部空間に噴出される。
【0061】
これに対して、酸化剤ガス供給空間１５０には、酸化剤ガス排出通路３６を通じて燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった残余酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガス排出通路３６を通じて酸化剤ガス供給空間１５０に供給された残余酸化剤ガスは、第１の燃焼器形成部材１４２の平板部１４２Ａに衝突し、水平方向に外方に向かって流れる。そして、酸化剤ガスは、酸化剤ガス案内部１４６の側壁部１４６Ａ及び平板部１４６Ｂにより酸化剤ガス噴出ポート４７Ａに向かって案内される。酸化剤ガス案内部１４６により案内された残余酸化剤ガスは、燃料ガス噴出部１４８の円筒側壁部１４８Ｄに衝突する。そして、残余酸化剤ガスは、燃料ガス噴出部１４８の円筒側壁部１４８Ｄに沿うように上方に向かって案内され、酸化剤ガス噴出ポート１４７Ａからハウジング６の内部空間に噴射される。燃料ガス噴出部１４８の円筒側壁部１４８Ｄに沿って流れる残余酸化剤ガスの流速は、酸化剤ガス噴出ポート４７Ａの開口面積を変更するなどの方法により調整することができる。
【0062】
このようにして噴出された残余燃料ガスは、着火装置（図示せず）により着火され、残余酸化剤ガスとともに燃焼する。そして、残余燃料ガスが燃焼することにより発生した燃焼熱により、改質器１０が加熱され、また、ハウジング６の空気流路６Ａを流れる空気が加熱される。
【0063】
以上説明したように、第２実施形態によれば以下の効果が奏される。
本実施形態によれば、残余酸化剤ガスは燃料ガス噴出ポート１４８Ｃと同じ高さから噴出され、残余酸化剤ガスは燃料ガス噴出部１４８の側壁部４８Ａに沿うような向きに案内される。このように酸化剤ガスが燃料ガス噴出部１４８の円筒側壁部１４８Ｄに沿うような向きに案内されるため、酸化剤ガスが燃料ガス噴出部１４８の炎に直接吹き付けられることを抑止でき、安定した燃焼が実現される。
本実施形態によれば、残余酸化剤ガスは燃料ガス噴出ポート１４８Ｃと同じ高さから噴出され、残余酸化剤ガスは燃料ガス噴出部１４８の側壁部４８Ａに沿うような向きに案内される。このように酸化剤ガスが燃料ガス噴出部１４８の円筒側壁部１４８Ｄに沿うような向きに案内されるため、酸化剤ガスが燃料ガス噴出部１４８の炎に直接吹き付けられることを抑止でき、安定した燃焼が実現される。
【0064】
また、本実施形態によれば、酸化剤ガス案内部１４６が、燃料ガス噴出部１４８の円筒側壁部４８Ｄに向かって酸化剤ガスを案内するため、酸化剤ガス案内部１４６に案内された酸化剤ガスが燃料ガス噴出部１４８に衝突した後、燃料ガス噴出部１４８の円筒側壁部１４８Ｄに沿うような向きに流れる。これにより、酸化剤ガスを燃料ガス噴出部１４８の円筒側壁部１４８Ｄに沿うような向きに案内することが可能になる。
【0065】
また、本実施形態によれば、燃料ガス噴出ポート１４８Ｃの開口面積よりも、酸化剤ガス噴出ポート１４７Ａの開口面積の方が大きい。これにより、酸化剤ガスが十分に供給されるため、安定した燃焼が実現される。
【0066】
また、本実施形態によれば、酸化剤ガス噴出ポート１４７Ａから噴出された酸化剤ガスが、燃料電池セルスタック２における発電反応に使用されなかった残余酸化剤ガスであるため、新たに外部から酸化剤ガスを供給するための構成（配管等）を設ける必要がなくなる。
【0067】
また、本実施形態では、燃料ガス噴出部１４８に供給される残余燃料ガスは、燃料電池セルスタック２における発電反応に使用されなかった残余燃料ガスに酸化剤ガスが予混合されていないため、残余燃料ガスの濃度が高い状態で燃料ガス噴出ポート１４８Ｃから噴出されるため、より安定した燃焼が実現される。
【0068】
また、本実施形態では、燃料ガス噴出部１４８には、複数の燃料ガス噴出ポート１４８Ｃが一列に並ぶように設けられているため、列方向に均一な燃焼を実現することができるとともに、燃焼器１１２で発生した熱をより効率よく、改質器１０の加熱等に利用することができる。
【0069】
また、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、燃焼器１１２における安定した燃焼が実現されるため、改質器１０において確実に原燃料ガスの改質を行うことができる。
【0070】
また、本実施形態では、燃料電池セルスタック２がハウジング６と独立してハウジング６の外部に配置されているため、燃料電池セルスタック２に対する燃焼器１１２による熱影響を低減できる。
【符号の説明】
【0071】
１ 燃料電池モジュール
２ 燃料電池セルスタック
４ 流体供給装置
４ａ 蒸発器
４ｂ 改質・加熱器
６ ハウジング
６Ａ 空気流路
６Ｂ 酸化剤ガス開口
６Ｃ 燃料開口
６ａ 底面
８ 断熱材
１０ 改質器
１２ 燃焼器
２０ 水供給用配管
２２ 原燃料ガス供給配管
２３ 排気ガス排出管
２４ 空気供給パイプ
２６ 排気ガス配管
２８ 混合ガス導管
３０ 燃料供給通路
３２ 酸化剤ガス供給通路
３４ 燃料排出通路
３６ 酸化剤ガス排出通路
４２ 第１の燃焼器形成部材
４２Ａ 平板部
４２Ｂ 管状部
４４ 第２の燃焼器形成部材
４６ 酸化剤ガス案内部
４６Ａ 側壁部
４６Ｂ 平板部
４７ 酸化剤ガス噴出部
４７Ａ 酸化剤ガス噴出ポート
４８ 燃料ガス噴出部
４８Ａ 側壁部
４８Ｂ 天面部
４８Ｃ 燃料ガス噴出ポート
４８Ｄ 円筒側壁部
４９ 縁部
５０ 酸化剤ガス供給空間
５２ 燃料ガス供給空間
１１２ 燃焼器
１４２ 第１の燃焼器形成部材
１４２Ａ 平板部
１４２Ｂ 管状部
１４３ 台座部
１４４ 第２の燃焼器形成部材
１４６ 酸化剤ガス案内部
１４６Ａ 側壁部
１４６Ｂ 平板部
１４７ 酸化剤ガス噴出開口
１４７Ａ 酸化剤ガス噴出ポート
１４８ 燃料ガス噴出部
１４８Ａ 側壁部
１４８Ｂ 天面部
１４８Ｃ 燃料ガス噴出ポート
１４８Ｄ 円筒側壁部
１４９ 縁部
１５０ 酸化剤ガス供給空間
１５２ 燃料ガス供給空間
２ 燃料電池セルスタック
４ 流体供給装置
４ａ 蒸発器
４ｂ 改質・加熱器
６ ハウジング
６Ａ 空気流路
６Ｂ 酸化剤ガス開口
６Ｃ 燃料開口
６ａ 底面
８ 断熱材
１０ 改質器
１２ 燃焼器
２０ 水供給用配管
２２ 原燃料ガス供給配管
２３ 排気ガス排出管
２４ 空気供給パイプ
２６ 排気ガス配管
２８ 混合ガス導管
３０ 燃料供給通路
３２ 酸化剤ガス供給通路
３４ 燃料排出通路
３６ 酸化剤ガス排出通路
４２ 第１の燃焼器形成部材
４２Ａ 平板部
４２Ｂ 管状部
４４ 第２の燃焼器形成部材
４６ 酸化剤ガス案内部
４６Ａ 側壁部
４６Ｂ 平板部
４７ 酸化剤ガス噴出部
４７Ａ 酸化剤ガス噴出ポート
４８ 燃料ガス噴出部
４８Ａ 側壁部
４８Ｂ 天面部
４８Ｃ 燃料ガス噴出ポート
４８Ｄ 円筒側壁部
４９ 縁部
５０ 酸化剤ガス供給空間
５２ 燃料ガス供給空間
１１２ 燃焼器
１４２ 第１の燃焼器形成部材
１４２Ａ 平板部
１４２Ｂ 管状部
１４３ 台座部
１４４ 第２の燃焼器形成部材
１４６ 酸化剤ガス案内部
１４６Ａ 側壁部
１４６Ｂ 平板部
１４７ 酸化剤ガス噴出開口
１４７Ａ 酸化剤ガス噴出ポート
１４８ 燃料ガス噴出部
１４８Ａ 側壁部
１４８Ｂ 天面部
１４８Ｃ 燃料ガス噴出ポート
１４８Ｄ 円筒側壁部
１４９ 縁部
１５０ 酸化剤ガス供給空間
１５２ 燃料ガス供給空間
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】