特許 7310519 燃焼器

(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】2023-07-10

(45)【発行日】2023-07-19

(54)【発明の名称】燃焼器

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20230711BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20230711BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 N

H01M8/12 101

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019183212

(22)【出願日】2019-10-03

(65)【公開番号】P2021061114

(43)【公開日】2021-04-15

【審査請求日】2022-01-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小島 隆義

(72)【発明者】

【氏名】吉田 優介

(72)【発明者】

【氏名】山下 勇人

(72)【発明者】

【氏名】植木 毅

(72)【発明者】

【氏名】▲瀬▼耒 徹朗

(72)【発明者】

【氏名】大島 健司

(72)【発明者】

【氏名】石田 翔平

(72)【発明者】

【氏名】小代 卓史

(72)【発明者】

【氏名】長田 康弘

【審査官】大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－１０６８４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１９５３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２１２２０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１１３９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２１２２０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１４７２２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１６９０８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１６６０７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池システム（１）に用いられ、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタック（２）で消費されなかった燃料ガスを含むオフ燃料と前記燃料電池スタックで消費されなかった酸化剤ガスを含むオフ空気とを燃焼させる燃焼器であって、
前記燃焼器の内部空間（５０）を形成する筐体（３２）と、
前記内部空間を第１室（５１）と第２室（５２）とに分割する分割部材（３３）と、
前記第１室にオフ空気を供給する第１オフ空気供給口（４１）と、
前記第２室にオフ空気を供給する第２オフ空気供給口（４２）と、
前記第２室にオフ燃料を供給するオフ燃料供給口（４３）と、
前記第２室のうちで前記オフ燃料供給口から吹き出されるオフ燃料が燃焼する燃焼領域（５３）またはその近傍に向けて前記第１室からオフ空気を排出するオフ空気排出口（４４）と、
前記第２オフ空気供給口から前記第２室に供給されたオフ空気が前記筐体の内壁に沿って流れてまたは直接的に前記燃焼領域に流入することを遮る遮蔽板（６０、６２）と、を備える燃焼器。

【請求項2】

前記遮蔽板は、前記第２オフ空気供給口から前記第２室に供給されたオフ空気の流れに対し、前記燃焼領域の少なくとも一部を囲うように設けられている、請求項１に記載の燃焼器。

【請求項3】

前記オフ空気排出口は、前記オフ燃料供給口に近い位置に設けられる第１オフ空気排出口（４４１）と、前記第１オフ空気排出口よりも前記オフ燃料供給口から遠い位置に設けられる第２オフ空気排出口（４４２）とを有している、請求項１または２に記載の燃焼器。

【請求項4】

前記第１オフ空気排出口は、前記第１オフ空気排出口の中心軸と前記オフ燃料供給口の中心軸とが交差しない位置に配置されている、請求項３に記載の燃焼器。

【請求項5】

前記第１オフ空気排出口は、オフ燃料が燃焼する火炎から離れた位置に向けてオフ空気を排出可能な位置に配置されており、
前記第２オフ空気排出口は、オフ燃料が燃焼する火炎に向けてオフ空気を排出可能な位置に配置されている、請求項３または４に記載の燃焼器。

【請求項6】

前記遮蔽板から突出して前記分割部材に当接するか、または、前記分割部材から突出して前記遮蔽板に当接するように構成された複数の突起部（６１）をさらに備える請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃焼器。

【請求項7】

前記遮蔽板は、前記分割部材から前記第２室側に突出し、前記オフ燃料供給口と前記燃焼領域を囲う複数の突出壁（６２）として構成されている、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃焼器。

【請求項8】

前記分割部材および前記遮蔽板のうち前記燃焼領域の周囲に配置される部位は、前記筐体に比べて単位面積当たりの熱容量が大きい構成とされている請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃焼器。

【請求項9】

燃料電池システム（１）に用いられ、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタック（２）で消費されなかった燃料ガスを含むオフ燃料と前記燃料電池スタックで消費されなかった酸化剤ガスを含むオフ空気とを燃焼させる燃焼器であって、
前記燃焼器の内部空間（５０）を形成する筐体（３２）と、
前記内部空間を第１室（５１）と第２室（５２）とに分割する分割部材（３３）と、
前記第１室にオフ空気を供給する第１オフ空気供給口（４１）と、
前記第２室にオフ空気を供給する第２オフ空気供給口（４２）と、
前記分割部材の前記筐体側の部位（３３３）から前記筐体の内壁に沿って延びるカバー部（７０）であって、前記筐体の内壁と前記カバー部との間に前記第１室に連通する扁平流路（７１）を形成する前記カバー部と、
前記筐体のうち前記扁平流路が形成される部位に設けられ、前記扁平流路にオフ燃料を供給するオフ燃料供給口（４３）と、
前記カバー部のうち前記オフ燃料供給口に対して前記カバー部の板厚方向に重なる位置に設けられ、前記第１室から前記扁平流路を流れるオフ空気と前記オフ燃料供給口から供給されるオフ燃料とを前記第２室に排出するオフ空気排出口（４４）と、を備え、
前記扁平流路の少なくとも一部は、前記オフ空気排出口の外側を囲い、前記オフ空気排出口の軸を中心とした周方向の一方から他方に向かい流路面積が次第に小さくなるように形成されている、燃焼器。

【請求項10】

燃料電池システム（１）に用いられ、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタック（２）で消費されなかった燃料ガスを含むオフ燃料と前記燃料電池スタックで消費されなかった酸化剤ガスを含むオフ空気とを燃焼させる燃焼器であって、
前記燃焼器の内部空間（５０）を形成する筐体（３２）と、
前記内部空間の一部を第１室（５１）と第２室（５２）とに分割する分割部材（３３）と、
前記第１室にオフ空気を供給する第１オフ空気供給口（４１）と、
前記第１オフ空気供給口に対して前記分割部材を挟んで設けられ、前記第２室にオフ空気を供給する第２オフ空気供給口（４２）と、
前記第１オフ空気供給口に対向する位置に設けられ、前記第１室にオフ燃料を供給するオフ燃料供給口（４３）と、を備え、
前記燃料電池スタックで消費されなかった酸化剤ガスを含むオフ空気は、前記第１オフ空気供給口と前記第２オフ空気供給口とから分かれて吹き出されるように構成されており、
前記第１オフ空気供給口から前記第１室に供給されるオフ空気と、前記オフ燃料供給口から前記第１室に供給されるオフ燃料とが衝突するように構成されており、
前記分割部材は、前記第１オフ空気供給口から前記第１室に供給されるオフ空気と前記オフ燃料供給口から前記第１室に供給されるオフ燃料とが衝突する箇所に対し、前記第２オフ空気供給口から前記第２室に供給されるオフ空気が直接流入しないように設けられており、
前記内部空間において前記分割部材が配置されていない箇所で前記第１室と前記第２室とが連通している燃焼器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに用いられる燃焼器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、燃料ガスと酸化剤ガス（例えば空気）との電気化学反応により発電する燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、燃料電池スタックで消費されずに排出されたオフ燃料とオフ空気とを燃焼器で燃焼させる。また、燃料電池システムは、燃焼器で燃焼した燃焼ガスの熱が、燃料電池システムが備える改質器、蒸発器および空気予熱器などで利用される構成とされている。

【0003】

特許文献１に記載の燃料電池システムが備える燃焼器は、オフ空気とオフ燃料とが互いに直交する方向に吹き出されて混合された混合気が燃焼するように構成されている。なお、特許文献１では、燃料電池システムは燃料電池モジュールと呼ばれ、オフ空気は酸化剤排ガスと呼ばれ、オフ燃料は燃料排ガスと呼ばれている。

【0004】

また、特許文献２に記載の燃料電池システムは、燃料電池スタックから排出されたオフ燃料と原燃料ガスとをエジェクタで合流し、改質器を通して再び燃料電池スタックに供給し、発電に使用する構成とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１６－１３４３７０号公報

【文献】特開２０１８－２０６６８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の発明者らは、燃料電池システムに関する検討の結果、次のような課題を見出した。すなわち、燃料電池システムでは、燃料電池スタックで燃料ガスと空気とが発電に消費され、燃焼器に供給されるオフ燃料中の燃料濃度とオフ空気中の酸素濃度が低くなると、失火などで燃焼が安定しなくなるといった課題がある。

【0007】

また、特許文献２に記載の燃料電池システムのように、燃料電池スタックから排出されるオフ燃料をリサイクルして再び発電に使用する構成の場合、燃焼器に供給されるオフ燃料中の燃料濃度がより低くなるため、その課題が顕著になるおそれがある。

【0008】

本発明は上記点に鑑みて、燃焼を安定化することの可能な燃焼器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するため、請求項１に記載の燃焼器は、燃料電池システム（１）に用いられ、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタック（２）で消費されなかった燃料ガスを含むオフ燃料と燃料電池スタックで消費されなかった酸化剤ガスを含むオフ空気とを燃焼させるものである。その燃焼器は、筐体（３２）、分割部材（３３）、第１オフ空気供給口（４１）、第２オフ空気供給口（４２）、オフ燃料供給口（４３）、オフ空気排出口（４４）および遮蔽板（６０、６２）を備える。筐体は、燃焼器の内部空間（５０）を形成する。分割部材は、燃焼器の内部空間を第１室（５１）と第２室（５２）とに分割する。第１オフ空気供給口は、第１室にオフ空気を供給する。第２オフ空気供給口は、第２室にオフ空気を供給する。オフ燃料供給口は、第２室にオフ燃料を供給する。オフ空気排出口は、第２室のうちでオフ燃料供給口から吹き出されるオフ燃料が燃焼する燃焼領域（５３）またはその近傍に第１室からオフ空気を排出する。遮蔽板は、第２オフ空気供給口から第２室に供給されたオフ空気が筐体の内壁に沿って流れてまたは直接的に燃焼領域に流入することを遮る。

【0010】

これによれば、第１オフ空気供給口から第１室に供給されるオフ空気（以下、「第１オフ空気」という）は、オフ空気排出口を経由して燃焼領域またはその近傍に供給される。また、オフ燃料は、オフ燃料供給口から燃焼領域に供給される。一方、第２オフ空気供給口から第２室に供給されるオフ空気（以下、「第２オフ空気」という）は、遮蔽板によって燃焼領域への流入が遮られる。そのため、燃焼領域では、第２オフ空気の流入による空気過剰率の増加（すなわち燃料リーン化）が防がれ、第１オフ空気とオフ燃料による空燃比（オフ空気の質量／オフ燃料の質量）が燃焼に適した範囲内に維持される。したがって、この燃焼器は、燃焼領域において燃焼を安定化することができる。その結果、この燃焼器を備えた燃料電池システムは、燃焼器から改質器への熱供給量の不足が防がれるので、改質器による燃焼ガスの生成が良好に行われ、発電効率を向上することができる。

【0011】

請求項９に記載の燃焼器は、燃料電池システム（１）に用いられ、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタック（２）で消費されなかった燃料ガスを含むオフ燃料と燃料電池スタックで消費されなかった酸化剤ガスを含むオフ空気とを燃焼させるものである。その燃焼器は、筐体（３２）、分割部材（３３）、第１オフ空気供給口（４１）、第２オフ空気供給口（４２）、カバー部（７０）、オフ燃料供給口（４３）およびオフ空気排出口（４４）を備える。筐体は、燃焼器の内部空間（５０）を形成する。分割部材は、燃焼器の内部空間を第１室（５１）と第２室（５２）とに分割する。第１オフ空気供給口は、第１室にオフ空気を供給する。第２オフ空気供給口は、第２室にオフ空気を供給する。カバー部は、分割部材の筐体側の部位（３３３）から筐体の内壁に沿って延びるものであり、そのカバー部と筐体の内壁との間に第１室に連通する扁平流路（７１）を形成する。オフ燃料供給口は、筐体のうち扁平流路が形成される部位に設けられ、扁平流路にオフ燃料を供給する。オフ空気排出口は、カバー部のうちオフ燃料供給口に対してカバー部の板厚方向に重なる位置に設けられ、第１室から扁平流路を流れるオフ空気とオフ燃料供給口から供給されるオフ燃料とを第２室に排出する。そして、扁平流路の少なくとも一部は、オフ空気排出口の外側を囲い、オフ空気排出口の軸を中心とした周方向の一方から他方に向かい流路面積が次第に小さくなるように形成されている。

【0012】

これによれば、扁平流路の第１オフ空気の流れが、オフ空気排出口の軸を中心とした旋回流となる。そのため、オフ燃料供給口から扁平流路に供給されるオフ燃料と扁平流路を流れる第１オフ空気との混合が促進されると共に、オフ空気排出口から第２室に排出される混合気の軸方向の移動速度を下げることが可能である。したがって、その混合気が燃焼する火炎の吹き消えを抑制し、燃料を安定化させることができる。

【0013】

請求項１０に記載の燃焼器は、燃料電池システム（１）に用いられ、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタック（２）で消費されなかった燃料ガスを含むオフ燃料と燃料電池スタックで消費されなかった酸化剤ガスを含むオフ空気とを燃焼させるものである。その燃焼器は、筐体（３２）、分割部材（３３）、第１オフ空気供給口（４１）、第２オフ空気供給口（４２）およびオフ燃料供給口（４３）を備える。筐体は、燃焼器の内部空間（５０）を形成する。分割部材は、燃焼器の内部空間の一部を第１室（５１）と第２室（５２）とに分割する。第１オフ空気供給口は、第１室にオフ空気を供給する。第２オフ空気供給口は、第１オフ空気供給口に対して分割部材を挟んで設けられ、第２室にオフ空気を供給する。オフ燃料供給口は、第１オフ空気供給口に対向する位置に設けられ、第１室にオフ燃料を供給する。燃料電池スタックで消費されなかった酸化剤ガスを含むオフ空気は、前記第１オフ空気供給口と前記第２オフ空気供給口とから分かれて吹き出されるように構成されている。そして、第１オフ空気供給口から第１室に供給されるオフ空気と、オフ燃料供給口から第１室に供給されるオフ燃料とが衝突するように構成されている。分割部材は、第１オフ空気供給口から第１室に供給されるオフ空気とオフ燃料供給口から第１室に供給されるオフ燃料とが衝突する箇所に対し、第２オフ空気供給口から第２室に供給されるオフ空気が直接流入しないように設けられている。そして、内部空間において分割部材が配置されていない箇所で第１室と第２室とが連通している。

【0014】

これによれば、第１オフ空気供給口から第１室に供給される第１オフ空気と、オフ燃料供給口から第１室に供給されるオフ燃料とが衝突することにより、第１オフ空気とオフ燃料の両方の流速が小さくなり、混合気の淀みが形成される。そのため、その混合気が燃焼する燃焼ガスの流速が燃焼速度より速くなることが防がれる。したがって、火炎リフトが生じることなく、燃焼を安定化させることができる。

【0015】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１実施形態に係る燃焼器が用いられる燃料電池システムの構成図である。

【図2】燃料電池システムが備えるホットモジュールの一部を示す断面図である。

【図3】第１実施形態に係る燃焼器の一部を示す斜視図である。

【図4】図３に一点鎖線ＩＶで示した面において、燃焼器とその近傍を示す断面図である。

【図5】図３に一点鎖線で示したＶ面において、燃焼器とその近傍を示す断面図である。

【図6】図４のＶＩ－ＶＩ線断面において、第１室から第２室に排出される第１オフ空気の流れを説明するための図である。

【図7】燃焼器の内部空間の第２オフ空気および燃焼ガスの流れを説明するための説明図である。

【図8】第１比較例の燃焼器に関し、図７にＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線で示した箇所における空気過剰率の分布を示すシミュレーション図である。

【図9】第１実施形態の燃焼器に関し、図７にＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線で示した箇所における空気過剰率の分布を示すシミュレーション図である。

【図10】第１実施形態の燃焼器と第１比較例の燃焼器に関し、図６に一点鎖線Ｘで示した箇所における混合ガスの流速を示すグラフである。

【図11】第２実施形態に係る燃焼器とその近傍を示す断面図である。

【図12】第２実施形態に係る燃焼器の一部を示す斜視図である。

【図13】図１１のＸＩＩＩ方向における燃焼器の一部を示す平面図である。

【図14】第３実施形態に係る燃焼器とその近傍を示す断面図である。

【図15】第３実施形態に係る燃焼器の一部を示す斜視図である。

【図16】図１４のＸＶＩ方向における燃焼器の一部を示す平面図である。

【図17】第４実施形態に係る燃焼器とその近傍を示す断面図である。

【図18】図１７のＸＶＩＩＩ－ＸＶＩＩＩ線における燃焼器の一部を示す平面図である。

【図19】燃焼器の扁平流路を流れる第１オフ空気の流れを説明するための図である。

【図20】第５実施形態に係る燃焼器とその近傍を示す断面図である。

【図21】第６実施形態に係る燃焼器とその近傍を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。

【0018】

（第１実施形態）
第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池スタック２、エジェクタ３、改質器４、蒸発器５、空気予熱器６、燃焼器７および暖機用燃焼器８などを備えている。なお、燃焼器７はオフガスバーナと呼ばれ、暖機用燃焼器８は暖機バーナと呼ばれることもある。

【0019】

燃料電池スタック２には、都市ガスなどの原燃料ガスを水蒸気改質して生成した燃料ガスと、酸化剤ガスとしての空気（詳細には、空気中の酸素）が供給される。

【0020】

都市ガスなどの原燃料ガスは、炭化水素（例えば、メタン）を含むガスである。原燃料ガスは、燃料用ブロア９の駆動により燃料供給経路１０を流れ、エジェクタ３を介して改質器４に導入される。その燃料供給経路１０のうち燃料用ブロア９とエジェクタ３との間に蒸発器５から延びる水蒸気経路１１が接続されている。蒸発器５には、ポンプ１２の駆動により水が供給される。蒸発器５に供給された水は、燃焼器７から排出される燃焼ガスの熱により加熱され、水蒸気となって燃料供給経路１０を流れる原燃料ガスと混合される。

【0021】

エジェクタ３は、入口１３、吸引口１４および吐出口１５を有している。エジェクタ３の入口１３には、原燃料ガスと水蒸気との混合ガスが供給される。エジェクタ３の吸引口１４には、リサイクル通路１６が接続されている。リサイクル通路１６には、燃料電池スタック２で消費されなかった燃料ガスを含むオフ燃料の一部が流れる。エジェクタ３の吐出口１５側の通路１７には改質器４が接続されている。エジェクタ３は、入口１３に供給される原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを駆動流として、リサイクル通路１６を流れるオフ燃料を吸引口１４から吸引し、それらを混合したガスを吐出口１５から改質器４へ吐出する。

【0022】

改質器４は、原燃料ガスとオフ燃料と水蒸気との混合ガスおよび触媒が、燃焼器７から排出される燃焼ガスの熱により、水蒸気改質反応が可能な温度に加熱される。そして、原燃料ガスと水蒸気は、改質器４の有する触媒の存在のもとで反応し、水素と一酸化炭素を含む燃料ガスに改質される。その燃料ガスは、燃料電池スタック２の図示しない燃料極に供給される。

【0023】

燃料電池スタック２に供給される酸化剤ガスとして用いられる空気は、空気用ブロア１８の駆動により外気から取り込まれる。その空気は、空気供給経路１９の途中に設けられた空気予熱器６を流れる際、燃焼器７から排出される燃焼ガスの熱により加熱される。空気予熱器６で加熱された空気は、燃料電池スタック２の図示しない空気極に供給される。

【0024】

燃料電池スタック２は、セルスタックとも呼ばれるものであり、図示しない複数の燃料電池セルの集合体である。燃料電池セルは、例えば、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であり、電解質を挟んで一方側の面に燃料極（すなわち、アノード）が形成され、他方の面に空気極（すなわち、カソード）が形成された構成となっている。燃料電池スタック２は、燃料極に供給される燃料ガスと、空気極に供給される酸化剤ガスとしての空気（詳細には、空気中の酸素）との電気化学反応により発電する。

【0025】

燃料電池スタック２で消費されなかった酸化剤ガスを含むオフ空気は、オフ空気通路２０を経由して燃焼器７に供給される。また、燃料電池スタック２で消費されなかった燃料ガスを含むオフ燃料は、オフ燃料通路２１を経由し、その一部が燃焼器７に供給される。

【0026】

オフ燃料通路２１の途中の部位とエジェクタ３の吸引口１４とは、上述したリサイクル通路１６により接続されている。そのため、オフ燃料通路２１を流れるオフ燃料の他の一部は、リサイクル通路１６を経由してエジェクタ３に吸い込まれる。すなわち、この燃料電池システム１は、エジェクタ３を備えることにより、燃料電池スタック２から排出されるオフ燃料をリサイクルして原燃料ガスと水蒸気と混合し、改質器４を通して再び燃料電池スタック２に供給することで発電に繰り返し使用する構成とされている。

【0027】

燃焼器７は、燃料電池スタック２から供給されるオフ燃料とオフ空気とを高温場で自着火により燃焼させるように構成されている。燃焼器７でオフ燃料とオフ空気とが燃焼して生成された燃焼ガスは、燃焼器７の燃焼ガス出口２２から燃焼ガス通路２３に排出される。燃焼器７および燃焼ガス通路２３は、改質器４、空気予熱器６および蒸発器５に対して燃焼ガスの熱を供給可能に設けられている。そのため、改質器４の有する触媒およびその触媒を流れる源燃料ガスや水蒸気、空気予熱器６を流れる空気、並びに、蒸発器５に供給される水は、燃焼器７および燃焼ガス通路２３を流れる燃焼ガスの熱により加熱される。

【0028】

暖機用燃焼器８は、燃料電池システム１の起動時に作動する。暖機用燃焼器８には、都市ガスと空気が供給される。暖機用燃焼器８は、都市ガスと空気との混合ガスを点火プラグ２４により着火して燃焼させ、その燃焼ガスの熱により燃料電池スタック２を加熱するものである。なお、暖機用燃焼器８は、燃料電池システム１の起動時に続く発電時には動作を停止する。

【0029】

本実施形態では、上述した燃料電池スタック２、改質器４、蒸発器５、エジェクタ３、空気予熱器６、燃焼器７および暖機用燃焼器８が、ホットモジュール２５として構成されている。

【0030】

次に、本実施形態の燃料電池システム１が備えるホットモジュール２５の具体的な構成について図２～図５を参照して説明する。なお、以下の説明において、「上」、「下」の用語は、説明の便宜上用いるものであり、各部材が設置される方向を限定するものではない。

【0031】

図２に示すように、ホットモジュール２５の中央部には、有底筒状に形成された暖機用燃焼器８が設けられている。暖機用燃焼器８では、燃料供給部２６に都市ガスが供給され、混合室２８に空気が供給される。その都市ガスと空気は混合室２８で混合された後、混合室から暖機用燃焼室２９に供給される。暖機用燃焼室２９では、点火プラグ２４の着火により混合ガスが燃焼する。暖機用燃焼室２９で燃焼した燃焼ガスは、暖機用燃焼ガス通路３０を通って燃料電池スタック２の周囲を流れ、燃料電池スタック２の暖機加熱に用いられる。

【0032】

暖機用燃焼器８の径方向外側に燃焼器７が設けられている。詳細には、暖機用燃焼器８の外縁を軸方向に延長した仮想円筒面（不図示）に対して径方向外側に燃焼器７が設けられている。その燃焼器７は、暖機用燃焼器８の径方向外側に環状に設けられている。

【0033】

暖機用燃焼器８の下側、且つ、燃焼器７の径方向内側には、燃料電池スタック２の空気極から排出されたオフ空気が流れるオフ空気通路２０が設けられている。また、燃焼器７の下側には、燃料電池スタック２の燃料極から排出されたオフ燃料が流れるオフ燃料通路２１が設けられている。

【0034】

オフ燃料通路２１から燃焼器７に供給されるオフ燃料と、オフ空気通路２０から燃焼器７に供給されるオフ空気とは、自着火により燃焼器７の内部空間５０で燃焼する。燃焼器７の上方には、燃焼器７の燃焼ガス出口２２に連通する筒状の燃焼ガス通路２３が設けられている。

【0035】

燃焼器７と燃焼ガス通路２３の径方向外側に改質器４が設けられている。改質器４には触媒が設けられている。改質器４では、エジェクタ３から供給される燃料ガスと水蒸気とが触媒を上から下へ流れるように構成されている。なお、燃焼器７の上側、且つ、燃焼ガス通路２３の径方向内側には、断熱材３１が設けられている。

【0036】

燃焼ガス通路２３および改質器４の上方には、蒸発器５が設けられている。ホットモジュール２５は、燃焼ガス通路２３を流れた燃焼ガスが、蒸発器５の下側の流路２７を流れた後、外気に排出されるように構成されている。

【0037】

図３～図５に示すように、燃焼器７は、筐体３２、分割部材３３、第１オフ空気供給口４１、第２オフ空気供給口４２、オフ燃料供給口４３、オフ空気排出口４４、および、遮蔽板６０などを有している。

【0038】

筐体３２は、燃焼器７の外殻を構成している。筐体３２の内側には、内部空間５０が形成されている。筐体３２は環状に形成されている。そのため、筐体３２の内部空間５０も環状に形成されている。

【0039】

本実施形態では、筐体３２の径方向外側の壁の外側（径方向外側）に、改質器４が設けられている。一方、筐体３２の径方向内側の壁の外側（径方向内側）に、オフ空気通路２０が設けられている。また、燃焼器７の下側の壁の外側（下側）に、オフ燃料通路２１が設けられている。そのため、以下の説明では、説明の便宜上、筐体３２の径方向外側の壁を「筐体３２の改質器４側の壁３４」といい、筐体３２の径方向内側の壁を「筐体３２のオフ空気通路２０側の壁３５」という。また、筐体３２の下側の壁を「筐体３２の下壁３６」といい、筐体３２の上側の壁を「筐体３２の上壁３７」という。

【0040】

内部空間５０には、内部空間５０を第１室５１と第２室５２とに分割する分割部材３３が設けられている。分割部材３３は、環状に形成された環状板３３１と、その環状板３３１の径方向外側の部位から曲折する筒部３３２とを有している。環状板３３１の径方向内側の部位は、筐体３２のオフ空気通路２０側の壁３５に接続している。筒部３３２は、環状板３３１の径方向外側の部位と、筐体３２の下壁３６とを接続している。

【0041】

内部空間５０の中で第１室５１は、分割部材３３の環状板３３１の下面と、筒部３３２の径方向内側の面と、筐体３２のオフ空気通路２０側の壁３５の一部と、筐体３２の下壁３６の一部とによって仕切られた空間である。一方、内部空間５０の中で第２室５２は、第１室５１以外の空間である。具体的には、第２室５２は、分割部材３３の環状板３３１の上面と、筒部３３２の径方向外側の面と、筐体３２の改質器４側の壁３４と、筐体３２の上壁３７と、筐体３２のオフ空気通路２０側の壁３５の一部と、筐体３２の下壁３６の一部とによって仕切られた空間である。

【0042】

筐体３２のオフ空気通路２０側の壁３５には、複数の第１オフ空気供給口４１と、複数の第２オフ空気供給口４２とが設けられている。複数の第１オフ空気供給口４１は、筐体３２のオフ空気通路２０側の壁３５のうち、環状板３３１が接続する位置よりも下側に設けられている。複数の第１オフ空気供給口４１は、燃焼器７の周方向に並んで設けられている。第１オフ空気供給口４１は、オフ空気通路２０と第１室５１とを連通している。そのため、第１オフ空気供給口４１は、オフ空気通路２０から第１室５１にオフ空気を供給することが可能である。なお、以下の説明では、第１オフ空気供給口４１から第１室５１に供給されるオフ空気を「第１オフ空気」という。

【0043】

複数の第２オフ空気供給口４２は、筐体３２のオフ空気通路２０側の壁３５のうち、環状板３３１が接続する位置よりも上側に設けられている。複数の第２オフ空気供給口４２も、燃焼器７の周方向に並んで設けられている。第２オフ空気供給口４２は、オフ空気通路２０と第２室５２とを連通している。そのため、第２オフ空気供給口４２は、オフ空気通路２０から第２室５２にオフ空気を供給することが可能である。第２オフ空気供給口４２の開口面積は、第１オフ空気供給口４１の開口面積より大きく形成されている。なお、以下の説明では、第２オフ空気供給口４２から第２室５２に供給されるオフ空気を「第２オフ空気」という。

【0044】

筐体３２の下壁３６には、複数のオフ燃料供給口４３が設けられている。複数のオフ燃料供給口４３は、筐体３２の下壁３６のうち、分割部材３３の筒部３３２が接続する位置よりも径方向外側に設けられている。言い換えれば、複数のオフ燃料供給口４３は、筐体３２の下壁３６のうち、分割部材３３の筒部３３２が接続する位置と、筐体３２の改質器４側の壁３４との間に設けられている。複数のオフ燃料供給口４３は、燃焼器７の周方向に並んで設けられている。オフ燃料供給口４３は、オフ燃料通路２１と第２室５２とを連通している。これにより、オフ燃料供給口４３は、オフ燃料通路２１から第２室５２にオフ空気を供給することが可能である。

【0045】

オフ燃料供給口４３から第２室５２に供給されたオフ燃料は、燃焼器７の内部空間５０の燃焼領域の温度が自着火温度以上であり、且つ、空燃比（オフ空気の質量／オフ燃料の質量）が燃焼可能な範囲にある場合、自着火により燃焼する。燃焼領域５３とは、第２室５２でオフ燃料が供給されて燃焼する領域をいう。図５では、燃焼領域５３を模式的に破線で示している。

【0046】

分割部材３３の筒部３３２には、複数のオフ空気排出口４４が設けられている。複数のオフ空気排出口４４は、複数の第１オフ空気排出口４４１と複数の第２オフ空気排出口４４２を有している。第１オフ空気排出口４４１と第２オフ空気排出口４４２はいずれも、燃焼領域５３またはその近傍と第１室５１とを連通している。そのため、第１オフ空気排出口４４１と第２オフ空気排出口４４２は、第１室５１から燃焼領域５３またはその近傍に第１オフ空気を供給することが可能である。第１室５１の第１オフ空気を第１オフ空気排出口４４１と第２オフ空気排出口４４２から分けて排出することで、第１オフ空気排出口４４１と第２オフ空気排出口４４２から個別に排出される第１オフ空気の流量を少なくすることが可能である。

【0047】

図３、図４および図６に示すように、複数の第１オフ空気排出口４４１は、筒部３３２の周方向に並んで設けられている。複数の第１オフ空気排出口４４１は、オフ燃料供給口４３に近い位置（すなわち、筐体３２の下壁３６に近い位置）に設けられている。複数の第１オフ空気排出口４４１は、オフ空気排出口４４の中心軸とオフ燃料供給口４３の中心軸とが交差しない位置に配置されている。言い換えれば、複数の第１オフ空気排出口４４１は、オフ燃料が燃焼する火炎から離れた位置に向けてオフ空気を排出可能な位置に配置されている。すなわち、複数の第１オフ空気排出口４４１は、第１室５１から燃焼領域５３の近傍に第１オフ空気を供給することが可能である。

【0048】

図６では、第１室５１から複数の第１オフ空気排出口４４１を通って燃焼領域５３の近傍に吹き出される第１オフ空気の流れを、複数の矢印によって模式的に示している。その複数の矢印に示したように、オフ空気排出口４４から吹き出された第１オフ空気は、オフ燃料供給口４３から燃焼領域５３に吹き出されるオフ燃料に対して直接当たることが防がれている。そのため、火炎の根元の燃料リーン化が抑制され、且つ、拡散燃焼を成立させることが可能となり、燃焼を安定化することができる。

【0049】

図３および図５に示すように、複数の第２オフ空気排出口４４２も、筒部３３２の周方向に並んで設けられている。複数の第２オフ空気排出口４４２は、複数の第１オフ空気排出口４４１よりもオフ燃料供給口４３から遠い位置に設けられている。複数の第２オフ空気排出口４４２は、オフ燃料が燃焼する火炎に向けてオフ空気を排出可能な位置に配置されている。詳細には、複数の第２オフ空気排出口４４２は、第２オフ空気排出口４４２の中心軸とオフ燃料供給口４３の中心軸とが交差する位置に配置されている。このように複数の第２オフ空気排出口４４２を配置することで、第２オフ空気排出口４４２から第１オフ空気を火炎中に供給することが可能となる。そのため、火炎中で酸欠が生じることなく燃焼効率を向上し、未燃燃料ガスの発生を低減することができる。

【0050】

さらに本実施形態の燃焼器７は、内部空間５０に遮蔽板６０を備えている。遮蔽板６０は、筒状に形成され、燃焼領域５３の径方向外側を囲うように設けられている。詳細には、遮蔽板６０は、筐体３２の下壁３６のうち、複数のオフ燃料供給口４３と筐体３２の改質器４側の壁３４との間の部位に設けられている。遮蔽板６０は、筐体３２の下壁３６から筐体３２の上壁３７側へ突出している。

【0051】

この遮蔽板６０は、第２オフ空気供給口４２から第２室５２に供給される第２オフ空気が筐体３２の内壁に沿って流れて燃焼領域５３に流入することを遮るものである。
図７では、第２オフ空気供給口４２から第２室５２に供給される第２オフ空気の主な流れ方向を矢印Ａと矢印Ｂで示している。また、燃焼領域５３でオフ燃料と第１オフ空気とが燃焼した燃焼ガスの主な流れを矢印Ｃで示している。

【0052】

矢印Ａに示したように、第２オフ空気供給口４２から第２室５２に供給された第２オフ空気の一部は、径方向外側に流れて筐体３２の改質器４側の壁３４に衝突し、その壁に沿って下側に流れた後、筐体３２の下壁３６側に沿って径方向内側に流れる。
ここで、遮蔽板６０は、第２オフ空気の流れに対し、燃焼領域５３の少なくとも一部を囲うように設けられている。すなわち、遮蔽板６０は、その第２オフ空気が燃焼領域５３に流入することを遮るように設けられている。そのため、筐体３２の下壁３６側に沿って径方向内側に流れる第２オフ空気は、遮蔽板６０によって燃焼領域５３に流入することが遮られ、遮蔽板６０の径方向外側の面に沿って上側に流れる。

【0053】

なお、矢印Ｂに示したように、第２オフ空気供給口４２から第２室５２に供給された第２オフ空気の他の一部は、径方向外側に流れて、燃焼ガス出口２２から燃焼ガス通路２３に流出する。また、矢印Ｃに示したように、燃焼領域５３で燃焼した燃焼ガスは、燃焼領域５３から上側に流れて第２オフ空気と混ざり合い、その一部が第２室５２を循環し、他の一部が燃焼ガス出口２２から燃焼ガス通路２３に流出する。

【0054】

このように本実施形態では、第２オフ空気供給口４２から第２室５２に供給される第２オフ空気は、遮蔽板６０によって燃焼領域５３への流入が遮られる。そのため、燃焼領域５３では、第２オフ空気の流入によって燃料ガスがリーン化することが防がれ、第１オフ空気とオフ燃料による空燃比が燃焼に適した範囲内に維持される。したがって、この燃焼器７は、燃焼領域５３において安定した燃焼状態を得ることが可能である。

【0055】

図８は、第１実施形態に係る燃焼器７に関し、図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線断面における空気過剰率λの分布を示すシミュレーション図である。一方、図９は、第１比較例の燃焼器に関し、図８と同じ箇所における空気過剰率λの分布を示すシミュレーション図である。
第１比較例の燃焼器は、第１実施形態に対して、オフ空気排出口４４を第１オフ空気排出口４４１と第２オフ空気排出口４４２といった多段に分けず、オフ空気排出口４４を１段のみとして周方向に連続するように形成したものである。

【0056】

図９に示すように、第１比較例の燃焼器では、燃焼領域５３で燃料リッチ（すなわち、空気過剰率λが小）となる箇所が存在している。このことは、第１比較例の構成では、火炎に対してオフ空気が十分に供給されていないことを示している。
これに対し、図８に示すように、第１実施形態の燃焼器７では、燃焼領域５３で燃料リッチとなる箇所が解消されている。このことは、第１実施形態の構成によれば、火炎に対してオフ空気が十分に供給されることを示している。

【0057】

図１０は、第１実施形態に係る燃焼器７と第１比較例の燃焼器に関し、図６に示したＸ－Ｘの箇所における混合ガスの流速を示すグラフである。
図１０の縦軸は混合ガスの流速を示している。図１０の横軸は、分割部材３３の筒部３３２と遮蔽板６０との間の位置を示している。図１０の実線Ｄは、第１実施形態において、その混合ガスの流速を示している。一方、図１０の実線Ｅは、第１比較例において、オフ燃料と第１オフ空気との混合ガスの流速を示している。

【0058】

この図１０のグラフに示されているように、第１実施形態の混合ガスの流速は、第１比較例の混合ガスの流速よりも遅くなっている。このように、第１実施形態では、オフ燃料供給口４３から燃焼領域５３に供給されるオフ燃料に第１オフ空気を直接当てないことで、混合ガスの流速が速くなることを防ぐことが可能である。したがって、第１実施形態の燃焼器７の構成により、火炎の吹き消えを防ぐことができる。

【0059】

以上説明した第１実施形態の燃焼器７は、次の作用効果を奏するものである。
（１）第１実施形態の燃焼器７は、第２オフ空気供給口４２から第２室５２に供給される第２オフ空気の流れに対し、燃焼領域５３の径方向外側を囲うように設けられた遮蔽板６０を備えている。この遮蔽板６０は、第２オフ空気供給口４２から第２室５２に供給されたオフ空気が筐体３２の内壁に沿って流れて燃焼領域５３に流入することを遮ることが可能である。
これにより、第２オフ空気は、燃焼領域５３への流入が遮蔽板６０によって遮られる。そのため、燃焼領域５３では、第２オフ空気の流入による空気過剰率λの増加（すなわち燃料リーン化）が防がれ、第１オフ空気とオフ燃料による空燃比が燃焼に適した範囲内に維持される。したがって、この燃焼器７は、燃焼領域５３において安定した燃焼状態を得ることができる。その結果、この燃焼器７を備えた燃料電池システム１は、燃焼器７から改質器４への熱供給量の不足が防がれるので、改質器４による燃焼ガスの生成が良好に行われ、発電効率を向上することができる。

【0060】

（２）第１実施形態では、オフ空気排出口４４は、複数の第１オフ空気排出口４４１と複数の第２オフ空気排出口４４２とを有している。複数の第１オフ空気排出口４４１は、オフ燃料供給口４３に近い位置に設けられている。複数の第２オフ空気排出口４４２は、第１オフ空気排出口４４１よりもオフ燃料供給口４３から遠い位置に設けられている。
これにより、第１室５１の第１オフ空気を第１オフ空気排出口４４１と第２オフ空気排出口４４２から分けて排出することで、第１オフ空気排出口４４１と第２オフ空気排出口４４２から個別に排出される第１オフ空気の流量を少なくすることが可能である。そのため、第１オフ空気排出口４４１から火炎の根元への第１オフ空気の供給量が少なくなるので、初期火炎が燃料リッチ状態に保たれ、燃焼を安定化することができる。さらに、第２オフ空気排出口４４２から第１オフ空気を火炎中に供給することで、火炎中で酸欠が生じることなく燃焼効率を向上し、未燃燃料ガスの発生を低減することができる。

【0061】

（３）第１実施形態では、第１オフ空気排出口４４１は、第１オフ空気排出口４４１の中心軸とオフ燃料供給口４３の中心軸とが交差しない位置に配置されている。これにより、オフ燃料供給口４３から燃焼領域５３に供給されるオフ燃料に対し第１オフ空気を直接当てないことで、火炎の根元の燃料リーン化が抑制され、燃焼を安定化することができる。
また、仮に、オフ燃料供給口４３から燃焼領域５３に供給されるオフ燃料に対し第１オフ空気を直接当てる構成とした場合、オフ燃料と第１オフ空気との混合ガスの流速が燃焼速度より速くなると、火炎が吹き消えるおそれがある。これに対し、第１実施形態では、オフ燃料供給口４３から燃焼領域５３に供給されるオフ燃料に第１オフ空気を直接当てず、燃焼領域５３の近傍に第１オフ空気を供給している。これにより、拡散燃焼を成立させると共に、火炎の吹き消えを防ぐことができる。

【0062】

（４）第１実施形態では、第１オフ空気排出口４４１は、オフ燃料が燃焼する火炎から離れた位置（すなわち、燃焼領域５３の近傍）に向けてオフ空気を排出可能な位置に配置されている。第２オフ空気排出口４４２は、オフ燃料が燃焼する火炎（すなわち、燃焼領域５３）に向けてオフ空気を排出可能な位置に配置されている。
これによれば、オフ燃料供給口４３から燃焼領域５３に供給されるオフ燃料に対し第１オフ空気を直接当てず、燃焼領域５３の近傍に第１オフ空気を供給することで、火炎の根元の燃料リーン化が抑制され、拡散燃焼を成立させることが可能となる。したがって、燃焼を安定化することができる。
さらに、第２オフ空気排出口４４２から第１オフ空気を火炎中に供給することで、火炎中で酸欠が生じることなく燃焼効率を向上し、未燃燃料ガスの発生を低減することができる。

【0063】

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態に対して、遮蔽板６０などの構成を変更したものであり、その他の構成については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0064】

図１１～図１３に示すように、第２実施形態の燃焼器７は、遮蔽板６０の一部から径方向内側に突出する複数の突起部６１を備えている。その突起部６１の先端は、分割部材３３の有する筒部３３２に当接している。なお、本明細書において、「当接」とは、複数の部材同士が接している状態に加え、複数の部材同士が接合されている状態も含んでいる。複数の突起部６１は、遮蔽板６０から径方向内側に突出する距離がいずれも同一となるように形成されている。また、複数の突起部６１は、遮蔽板６０の周方向にほぼ等間隔で設けられている。

【0065】

なお、第２実施形態では、分割部材３３の有する筒部３３２の下端と筐体３２の下壁３６との間に形成される空間が、第１室５１から燃焼領域５３およびその近傍に第１オフ空気を排出するオフ空気排出口４４に相当する。そのオフ空気排出口４４は、周方向に連続するように形成されている。

【0066】

第２実施形態では、遮蔽板６０と分割部材３３との距離が突起部６１の大きさによって正確に定められる。上述したように、複数の突起部６１は、遮蔽板６０から径方向内側に突出する距離がいずれも同一となるように形成されているので、遮蔽板６０と分割部材３３との距離は燃焼領域５３の各箇所で均一なものとなる。これにより、燃焼領域５３の各箇所において第１オフ空気およびオフ燃料の供給量を均一にすることが可能である。したがって、この燃焼器７は、燃焼領域５３の各箇所において、空気過剰率λが燃焼に適した範囲内となり、燃焼を安定化することができる。

【0067】

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。第３実施形態も、第１実施形態等に対して、遮蔽板６０などの構成を変更したものであり、その他の構成については第１実施形態等と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0068】

図１４～図１６に示すように、第３実施形態の燃焼器７では、遮蔽板６０は、分割部材３３の筒部３３２から第２室５２側に突出する複数の突出壁６２として構成されている。すなわち、遮蔽板６０としての複数の突出壁６２と、分割部材３３の筒部３３２とは一体に形成されている。その複数の突出壁６２の下端部と、筐体３２の下壁３６とは当接している。複数の突出壁６２はそれぞれ、オフ燃料供給口４３と燃焼領域５３を囲うように設けられている。そのため、複数の突出壁６２は、第２オフ空気供給口４２から第２室５２に供給される第２オフ空気が筐体３２の内壁に沿って流れて燃焼領域５３に流入することを遮る遮蔽板６０として機能する。なお、燃焼領域５３の上方は第２室５２に開放されている。複数の突出壁６２は、その形状および大きさがいずれも同一となるように形成されている。また、複数の突出壁６２は、分割部材３３の筒部３３２の周方向にほぼ等間隔に設けられている。

【0069】

第３実施形態では、複数の突出壁６２によって周方向に断続的となった筒部３３２同士間の隙間を経由して、第１室５１から燃焼領域５３またはその近傍に第１オフ空気が排出される。そのため、分割部材本体３８に設けられる筒部３３２同士間の隙間が、第１オフ空気を排出するオフ空気排出口４４に相当する。なお、図１４では、オフ空気排出口４４に相当する箇所を一点鎖線で示している。

【0070】

以上説明した第３実施形態では、遮蔽板６０としての複数の突出壁６２と分割部材３３とを一体に形成することで、部品点数を少なくすることが可能となる。したがって、製造コストを低減することができる。
また、分割部材３３から突出する複数の突出壁６２をいずれも同一形状とすることで、複数の突出壁６２により囲まれた複数の燃焼領域５３それぞれの容積が均一なものとなる。そのため、燃焼領域５３の各箇所において第１オフ空気およびオフ燃料の供給量を均一にすることが可能である。したがって、この燃焼器７は、複数の燃焼領域５３の各箇所において、空気過剰率λが燃焼に適した範囲内となり、燃焼を安定化することができる。

【0071】

（第４実施形態）
第４実施形態について説明する。第４実施形態は、第１実施形態等に対して、分割部材３３の形状を変更したものである。なお、第４実施形態では、第１実施形態等で説明した遮蔽板６０を廃止している。

【0072】

図１７および図１８に示すように、第４実施形態の燃焼器７は、分割部材３３のうち筐体３２の下壁３６側の部位３３３から、筐体３２の下壁３６に沿って径方向外側に延びるように形成されたカバー部７０を備えている。カバー部７０は、筐体３２の下壁３６に設けられたオフ燃料供給口４３の周囲を覆うように設けられている。筐体３２の下壁３６とカバー部７０との間には、扁平流路７１が形成されている。図１８では、その扁平流路７１の外縁を破線で示している。扁平流路７１の径方向内側（分割部材３３の筒部３３２側）に形成される開口７２は、第１室５１に連通している。

【0073】

オフ燃料供給口４３は、筐体３２の下壁３６のうち扁平流路７１が形成される部位に設けられている。そのため、オフ燃料供給口４３は、扁平流路７１にオフ燃料を供給する。
カバー部７０のうち扁平流路７１を形成する部位に、オフ空気排出口４４が設けられている。オフ空気排出口４４とオフ燃料供給口４３とは、カバー部７０の板厚方向に重なる位置に設けられている。そのため、オフ空気排出口４４は、第１室５１から扁平流路７１を流れるオフ空気と、オフ燃料供給口４３から供給されるオフ燃料とを第２室５２に排出することが可能である。

【0074】

扁平流路７１の少なくとも一部は、オフ空気排出口４４の外側を囲うように形成されている。そして、扁平流路７１は、オフ空気排出口４４の軸を中心とした周方向の一方から他方に向かい流路面積が次第に小さくなるように形成されている。これにより、図１９の矢印に示すように、扁平流路７１の第１オフ空気の流れは、オフ空気排出口４４の軸を中心とした旋回流となる。そして、オフ燃料供給口４３から扁平流路７１に供給されるオフ燃料と旋回流となった第１オフ空気とが混合され、オフ空気排出口４４から第２室５２に吹き出される。そして、第２室５２に吹き出された混合気は自着火により燃焼する。

【0075】

以上説明した第４実施形態の燃焼器７には、筐体３２の内壁に沿って延びるカバー部７０により扁平流路７１が形成されている。その扁平流路７１は、オフ空気排出口４４の軸を中心とした周方向の一方から他方に向かい流路面積が次第に小さくなる形状とされている。これにより、扁平流路７１を流れる第１オフ空気が旋回流となり、オフ燃料供給口４３から扁平流路７１に供給されるオフ燃料と第１オフ空気との混合を促進することができる。さらに、第４実施形態では、扁平流路７１を流れる第１オフ空気を旋回流とすることで、オフ空気排出口４４から第２室５２に排出される混合気の軸方向の移動速度を下げることが可能である。したがって、火炎の吹き消えを抑制し、燃料を安定化させることができる。

【0076】

（第５実施形態）
第５実施形態について説明する。第５実施形態は、第１実施形態等に対して、オフ燃料供給口４３の配置などを変更したものである。なお、第５実施形態でも、第１実施形態等で説明した遮蔽板６０を廃止している。

【0077】

図２０に示すように、第５実施形態の燃焼器７は、分割部材３３が、燃焼器７の内部空間５０の一部を第１室５１と第２室５２とに分割している。具体的には、分割部材３３は環状に形成されている。分割部材３３のうち径方向内側の部位と、筐体３２のオフ空気通路２０側の壁３５とが接続されている。一方、分割部材３３のうち径方向外側の外縁と、筐体３２の改質器４側の壁３４とは離れている。そのため、分割部材３３のうち径方向外側の外縁と、筐体３２の改質器４側の壁３４との間は、第１室５１と第２室５２とが連通する空間となっている。

【0078】

筐体３２のオフ空気通路２０側の壁３５には、複数の第１オフ空気供給口４１と、複数の第２オフ空気供給口４２とが設けられている。
複数の第１オフ空気供給口４１は、筐体３２のオフ空気通路２０側の壁３５のうち、分割部材３３が接続する位置よりも下側に設けられている。第１オフ空気供給口４１は、オフ空気通路２０から第１室５１にオフ空気を供給することが可能である。

【0079】

複数の第２オフ空気供給口４２は、筐体３２のオフ空気通路２０側の壁３５のうち、分割部材３３が接続する位置よりも上側に設けられている。第２オフ空気供給口４２は、オフ空気通路２０から第２室５２にオフ空気を供給することが可能である。

【0080】

燃焼器７は、筐体３２の下壁３６から上方に突出する凸壁部４５を有している。突出部の内側の空間には、オフ燃料通路２１が形成されている。凸壁部４５のうち径方向内側の部位に複数のオフ燃料供給口４３が設けられている。複数のオフ燃料供給口４３は、燃焼器７の周方向に並んで設けられている。オフ燃料供給口４３は、オフ燃料通路２１と第１室５１とを連通している。これにより、オフ燃料供給口４３は、オフ燃料通路２１から第１室５１にオフ空気を供給することが可能である。

【0081】

複数の第１オフ空気供給口４１と複数のオフ燃料供給口４３とは、互いに対向する位置に設けられている。そのため、第１オフ空気供給口４１から第１室５１に供給されるオフ空気と、オフ燃料供給口４３から第１室５１に供給されるオフ燃料とは、第１室５１で衝突する。これにより、第１オフ空気とオフ燃料の両方の流速が小さくなり、混合気の淀みが形成される。そのため、その混合気の流速が燃焼速度より速くなることが防がれる。したがって、火炎リフトが生じることなく、燃焼を安定化させることができる。

【0082】

なお、第５実施形態の燃焼器７は、燃料電池システム１の出力変動などによりオフ燃料の流量が変動する場合でも、第１オフ空気とオフ燃料とが衝突することで、混合気の淀みを第１室５１に形成することが可能である。したがって、その場合でも、火炎リフトが生じることなく、燃焼を安定化させることができる。

【0083】

（第６実施形態）
第６実施形態について説明する。第６実施形態は、第１実施形態等に対して、分割部材３３および遮蔽板６０の構成の一部を変更したものである。

【0084】

燃料電池システム１では、例えば燃料脈動などにより一時的にオフ燃料の供給が停止して燃焼領域５３で意図しない失火が生じた場合、次にオフ燃料の供給が再開しても、再着火するまでの間、発電ができなくなるおそれがある。

【0085】

そこで、図２１に示すように、第６実施形態の燃焼器７では、分割部材３３の筒部３３２のうち第２オフ空気排出口４４２より下側の部位３３２ａが、分割部材３３の他の部位や筐体３２に比べて単位面積当たりの熱容量が大きい構成とされている。また、遮蔽板６０も、分割部材３３の環状板３３１や筐体３２に比べて単位面積当たりの熱容量が大きい構成とされている。単位面積あたりの熱容量を大きくするための具体的構成として、その部材の厚みを厚くすることで質量を大きくしてもよく、または、比熱の大きい材料を使用してもよい。

【0086】

このように、分割部材３３および遮蔽板６０のうち燃焼領域５３の周囲に配置される部位の熱容量を大きくすることで、燃焼領域５３で意図しない失火が生じた場合、それらの部位から燃焼領域５３への放熱量を増加することが可能である。そのため、その失火した後にオフ燃料の供給が再開すると、燃焼領域５３のオフ燃料を早期に自着火させることができる。

【0087】

以上説明した第６実施形態の燃焼器７は、燃焼領域５３で意図しない失火が生じた場合でも、次にオフ燃料の供給が再開すると、発電モードに即座に復旧することができる。

【0088】

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

【0089】

（１）上記各実施形態では、燃料電池システム１の備える燃料電池スタック２が固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）により構成されるものとして説明したが、これに限るものではない。燃料電池スタック２は、例えば固体高分子形燃料電池（polymer electrolyte fuel cell：PEFC）など、種々の燃料電池を採用することが可能である。

【0090】

（２）上記各実施形態では、燃料電池システム１の備える燃焼器７は環状に形成されるものとして説明したが、これに限るものではない。燃焼器７の形状は、例えば直方体、立方体など、種々の形状のものを採用することが可能である。

【0091】

（３）上記各実施形態では、燃料電池システム１はエジェクタ３を備えることで、オフ燃料をリサイクルして繰り返し使用するものとして説明したが、これに限るものではない。本発明は、エジェクタ３を備えていない燃料電池システム１に適用することも可能である。

【0092】

（４）上記第１実施形態等では、遮蔽板６０は、第２オフ空気供給口４２から第２室５２に供給された第２オフ空気が筐体３２の内壁に沿って流れて燃焼領域５３に流入することを遮るものとして説明したが、これに限るものではない。例えば、遮蔽板６０は、第２オフ空気供給口４２から第２室５２に供給された第２オフ空気が直接的に燃焼領域５３に流入することを遮るものとしてもよい。
具体的には、例えば、筐体３２の上壁３７または筐体３２の改質器４側の壁３４に第２オフ空気供給口４２を設けた場合、その第２オフ空気供給口４２から供給される第２オフ空気は、直接的に燃焼領域５３に流入するおそれがある。その場合、第２オフ空気供給口４２と燃焼領域５３との間に遮蔽板６０を設けることで、その遮蔽板６０により、第２オフ空気の流れが直接的に燃焼領域５３に流入することを遮ることが可能である。

【0093】

（５）上記第２実施形態では、複数の突起部６１は、遮蔽板６０の一部が径方向内側に突出して分割部材３３に当接するものとして説明したが、これに限るものではない。例えば、複数の突起部６１は、分割部材３３の筒部３３２の一部が径方向外側に突出して遮蔽板６０に当接するように構成してもよい。このように構成した場合でも、分割部材３３の筒部３３２から複数の突起部６１が突出する距離をいずれも同一とすることで、分割部材３３の筒部３３２と遮蔽板６０との距離を燃焼領域５３の各箇所で均一にすることが可能である。

【0094】

（６）上記第６実施形態では、分割部材３３の一部と遮蔽板６０の両方の熱容量を大きくした構成について説明したが、これに限らず、分割部材３３の一部または遮蔽板６０の少なくとも一方の熱容量を大きくした構成としてもよい。

【0095】

（まとめ）
上述の実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、請求項１に記載の燃焼器は、燃料電池システムに用いられ、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタックで消費されなかった燃料ガスを含むオフ燃料と燃料電池スタックで消費されなかった酸化剤ガスを含むオフ空気とを燃焼させるものである。その燃焼器は、筐体、分割部材、第１オフ空気供給口、第２オフ空気供給口、オフ燃料供給口、オフ空気排出口および遮蔽板を備える。筐体は、燃焼器の内部空間を形成する。分割部材は、燃焼器の内部空間を第１室と第２室とに分割する。第１オフ空気供給口は、第１室にオフ空気を供給する。第２オフ空気供給口は、第２室にオフ空気を供給する。オフ燃料供給口は、第２室にオフ燃料を供給する。オフ空気排出口は、第２室のうちでオフ燃料供給口から吹き出されるオフ燃料が燃焼する燃焼領域またはその近傍に第１室からオフ空気を排出する。遮蔽板は、第２オフ空気供給口から第２室に供給されたオフ空気が筐体の内壁に沿って流れてまたは直接的に燃焼領域に流入することを遮る。

【0096】

第２の観点によれば、遮蔽板は、第２オフ空気供給口から第２室に供給されたオフ空気の流れに対し、燃焼領域の少なくとも一部を囲うように設けられている。
これによれば、第２オフ空気は、遮蔽板によって燃焼領域への流入が遮られる。そのため、燃焼領域では、第２オフ空気の流入による空気過剰率の増加が防がれ、第１オフ空気とオフ燃料による空燃比が燃焼に適した範囲内に維持される。したがって、この燃焼器は、燃焼領域において燃焼を安定化することができる。その結果、この燃焼器を備えた燃料電池システムは、燃焼器から改質器への熱供給量の不足が防がれるので、改質器による燃焼ガスの生成が良好に行われ、発電効率を向上することができる。

【0097】

第３の観点によれば、オフ空気排出口は、オフ燃料供給口に近い位置に設けられる第１オフ空気排出口と、その第１オフ空気排出口よりもオフ燃料供給口から遠い位置に設けられる第２オフ空気排出口とを有する。

【0098】

これによれば、第１室の第１オフ空気を第１オフ空気排出口と第２オフ空気排出口から分けて排出することで、第１オフ空気排出口と第２オフ空気排出口から個別に排出される第１オフ空気の流量を少なくすることが可能である。そのため、第１オフ空気排出口から火炎の根元への第１オフ空気の供給量が少なくなるので、初期火炎が燃料リッチ状態に保たれ、燃焼を安定化することができる。
さらに、第２オフ空気排出口から第１オフ空気を火炎中に供給することで、火炎中で酸欠が生じることなく燃焼効率を向上し、未燃燃料ガスの発生を低減することができる。

【0099】

第４の観点によれば、第１オフ空気排出口は、第１オフ空気排出口の中心軸とオフ燃料供給口の中心軸とが交差しない位置に配置されている。

【0100】

これによれば、オフ燃料供給口から燃焼領域に供給されるオフ燃料に対し第１オフ空気を直接当てないことで、火炎の根元の燃料リーン化が抑制され、燃焼を安定化することができる。
また、仮に、オフ燃料供給口から燃焼領域に供給されるオフ燃料に対し第１オフ空気を直接当てる構成とした場合、オフ燃料と第１オフ空気とが燃焼した燃焼ガスの流速が燃焼速度より速くなると、火炎が吹き消えるおそれがある。これに対し、オフ燃料供給口から燃焼領域に供給されるオフ燃料に第１オフ空気を直接当てず、燃焼領域の近傍に第１オフ空気を供給することで、拡散燃焼を成立させると共に、火炎の吹き消えを防ぐことができる。

【0101】

第５の観点によれば、第１オフ空気排出口は、オフ燃料が燃焼する火炎から離れた位置に向けてオフ空気を排出可能な位置に配置されている。一方、第２オフ空気排出口は、オフ燃料が燃焼する火炎に向けてオフ空気を排出可能な位置に配置されている。

【0102】

これによれば、オフ燃料供給口から燃焼領域に供給されるオフ燃料に対し第１オフ空気を直接当てず、燃焼領域の近傍に第１オフ空気を供給することで、火炎の根元の燃料リーン化が抑制され、拡散燃焼を成立させることが可能となる。したがって、燃焼を安定化することができる。
さらに、第２オフ空気排出口から第１オフ空気を火炎中に供給することで、火炎中で酸欠が生じることなく燃焼効率を向上し、未燃燃料ガスの発生を低減することができる。

【0103】

第６の観点によれば、遮蔽板から突出して分割部材に当接するか、または、分割部材から突出して遮蔽板に当接するように構成された複数の突起部をさらに備える。

【0104】

これによれば、遮蔽板と分割部材との距離が突起部の大きさによって定められるので、遮蔽板と分割部材との距離を燃焼領域の各箇所で均一にすることが可能である。そのため、燃焼領域の各箇所に対する第１オフ空気とオフ燃料の供給量を均一にすることが可能である。したがって、この燃焼器は、燃焼領域の各箇所において、空気過剰率が燃焼に適した範囲内となり、燃焼を安定化することができる。

【0105】

第７の観点によれば、遮蔽板は、分割部材から第２室側に突出し、オフ燃料供給口と燃焼領域を囲う複数の突出壁として構成されている。

【0106】

これによれば、遮蔽板としての複数の突出壁と分割部材とを一体に形成することで、部品点数を少なくすることが可能となる。したがって、製造コストを低減することができる。
また、分割部材から突出する複数の突出壁をいずれも同一形状とすることで、複数の突出壁により囲まれた複数の燃焼領域それぞれの容積が均一なものとなる。そのため、燃焼領域の各箇所において第１オフ空気およびオフ燃料の供給量を均一にすることが可能である。したがって、この燃焼器は、複数の燃焼領域の各箇所において、空気過剰率が燃焼に適した範囲内となり、燃焼を安定化することができる。

【0107】

ところで、燃料電池システムでは、例えば燃料脈動などにより一時的にオフ燃料の供給が停止して燃焼領域で意図しない失火が生じた場合、次にオフ燃料の供給が再開しても、再着火するまでの間、発電ができなくなるおそれがある。
そこで、第８の観点によれば、分割部材および遮蔽板のうち燃焼領域の周囲に配置される部位は、筐体に比べて単位面積当たりの熱容量が大きい構成とされている。

【0108】

これにより、燃焼領域で意図しない失火が生じた場合、分割部材または遮蔽板から燃焼領域への放熱量を増加させることで、オフ燃料の供給がされたときに早期に自着火させることが可能である。したがって、燃焼領域で意図しない失火が生じた場合でも、次にオフ燃料の供給が再開すると、発電モードに即座に復旧することができる。
なお、単位面積あたりの熱容量を大きくするための具体的構成として、その部材の厚みを厚くすることで質量を大きくしてもよく、または、比熱の大きい材料を使用してもよい。

【0109】

第９の観点によれば、燃焼器は、燃料電池システムに用いられ、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタックで消費されなかった燃料ガスを含むオフ燃料と燃料電池スタックで消費されなかった酸化剤ガスを含むオフ空気とを燃焼させるものである。その燃焼器は、筐体、分割部材、第１オフ空気供給口、第２オフ空気供給口、カバー部、オフ燃料供給口およびオフ空気排出口を備える。筐体は、燃焼器の内部空間を形成する。分割部材は、燃焼器の内部空間を第１室と第２室とに分割する。第１オフ空気供給口は、第１室にオフ空気を供給する。第２オフ空気供給口は、第２室にオフ空気を供給する。カバー部は、分割部材の筐体側の部位から筐体の内壁に沿って延びるものであり、そのカバー部と筐体の内壁との間に第１室に連通する扁平流路を形成する。オフ燃料供給口は、筐体のうち扁平流路が形成される部位に設けられ、扁平流路にオフ燃料を供給する。オフ空気排出口は、カバー部のうちオフ燃料供給口に対してカバー部の板厚方向に重なる位置に設けられ、第１室から扁平流路を流れるオフ空気とオフ燃料供給口から供給されるオフ燃料とを第２室に排出する。そして、扁平流路の少なくとも一部は、オフ空気排出口の外側を囲い、オフ空気排出口の軸を中心とした周方向の一方から他方に向かい流路面積が次第に小さくなるように形成されている。

【0110】

これによれば、扁平流路の第１オフ空気の流れが、オフ空気排出口の軸を中心とした旋回流となる。そのため、オフ燃料供給口から扁平流路に供給されるオフ燃料と扁平流路を流れる第１オフ空気との混合が促進されると共に、オフ空気排出口から第２室に排出される混合ガスの軸方向の移動速度を下げることが可能である。したがって、その混合気が燃焼する火炎の吹き消えを抑制し、燃料を安定化させることができる。

【0111】

第１０の観点によれば、燃焼器は、燃料電池システムに用いられ、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタックで消費されなかった燃料ガスを含むオフ燃料と燃料電池スタックで消費されなかった酸化剤ガスを含むオフ空気とを燃焼させるものである。その燃焼器は、筐体、分割部材、第１オフ空気供給口、第２オフ空気供給口およびオフ燃料供給口を備える。筐体は、燃焼器の内部空間を形成する。分割部材は、燃焼器の内部空間の一部を第１室と第２室とに分割する。第１オフ空気供給口は、第１室にオフ空気を供給する。第２オフ空気供給口は、第２室にオフ空気を供給する。オフ燃料供給口は、第１オフ空気供給口に対向する位置に設けられ、第１室にオフ燃料を供給する。そして、第１オフ空気供給口から第１室に供給されるオフ空気と、オフ燃料供給口から第１室に供給されるオフ燃料とが衝突するように構成されている。

【0112】

これによれば、第１オフ空気供給口から第１室に供給される第１オフ空気と、オフ燃料供給口から第１室に供給されるオフ燃料とが衝突することにより、第１オフ空気とオフ燃料の両方の流速が小さくなり、混合ガスの淀みが形成される。そのため、その混合ガスが燃焼する燃焼ガスの流速が燃焼速度より速くなることが防がれる。したがって、火炎リフトが生じることなく、燃焼を安定化させることができる。

【符号の説明】

【0113】

１：燃料電池システム、 ２：燃料電池スタック、
７：燃焼器、 ３２：筐体、
３３：分割部材、 ４１：第１オフ空気供給口、
４２：第２オフ空気供給口、 ４３：オフ燃料供給口、
４４：オフ空気排出口、 ５０：内部空間、
５１：第１室、 ５２：第２室、
５３：燃焼領域、 ６０、６２：遮蔽板。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】