(57)【要約】【課題】改質原料ガスと燃焼排ガスとの熱交換性能の確保と、改質触媒の熱劣化の抑制との両立を図る。【解決手段】燃料電池装置は、改質器１６と、燃焼排ガス流路とを備える。改質器１６は、改質触媒が配置された触媒配置空間Ｓ２２を備える。触媒配置空間Ｓ２２は、筒状に形成された改質器内周壁１６１と、改質器内周壁１６１の周方向全域を覆うように筒状に形成された改質器外周壁１６２との間に形成された環状の空間である。燃焼排ガス流路は、改質器内周壁１６１を挟んだ触媒配置空間Ｓ２２の向かい側に形成された内周側空間Ｓ２４と、改質器外周壁１６２を挟んだ触媒配置空間Ｓ２２の向かい側に形成された外周側空間Ｓ２５とを含む。触媒配置空間Ｓ２２では、下側から上側に向けて改質原料ガスが流れる。内周側空間Ｓ２４では、下側から上側に向けて燃焼排ガスが流れる。外周側空間Ｓ２５では、上側から下側に向けて燃焼排ガスが流れる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置であって、
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する燃料電池スタック（２）と、
改質原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成し、生成した前記燃料ガスを前記燃料電池スタックへ供給する改質器（１６）と、
前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスに含まれる前記燃料ガスと前記燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスに含まれる前記酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼排ガスを生成する燃焼器（４）と、
前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路（６）と、を備え、
前記改質器は、前記改質原料ガスを改質する改質触媒（１６５）と、前記改質触媒が配置され、かつ、前記改質原料ガスが流れる触媒配置部（Ｓ２２）と、を有し、
前記燃焼排ガス流路は、前記燃焼排ガス流路を流れる前記燃焼排ガスが、伝熱壁（１６１、１６２）を介した熱交換によって、前記触媒配置部を流れる前記改質原料ガスを加熱する加熱部（Ｓ２４、Ｓ２５）を有し、
前記触媒配置部は、軸線の周りに筒状に形成された前記伝熱壁としての第１伝熱壁（１６１）と、前記第１伝熱壁の周方向全域を覆うように筒状に形成された前記伝熱壁としての第２伝熱壁（１６２）との間に形成されており、
前記加熱部は、第１加熱部（Ｓ２４）と、前記第１加熱部よりも前記燃焼排ガス流れの下流側に位置する第２加熱部（Ｓ２５）とを含み、
前記第１加熱部は、前記第１伝熱壁を挟んだ前記触媒配置部の向かい側に形成されており、
前記第２加熱部は、前記第２伝熱壁を挟んだ前記触媒配置部の向かい側に形成されており、
前記触媒配置部では、前記第１伝熱壁の軸線方向の一方側から他方側に向けて前記改質原料ガスが流れ、
前記第１加熱部では、前記軸線方向の前記一方側から前記他方側に向かって前記燃焼排ガスが流れ、
前記第２加熱部では、前記軸線方向の前記他方側から前記一方側に向かって前記燃焼排ガスが流れる、燃料電池装置。
【請求項２】
前記酸化剤オフガスの一部を前記燃焼器に導く第１オフガス流路（８）と、
前記酸化剤オフガスの他の一部を、前記燃焼器を迂回させて、前記燃焼排ガス流路に導く第２オフガス流路（１０）と、をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記燃焼排ガス流路は、前記触媒配置部に対して前記軸線方向の前記他方側に、前記第１加熱部と前記第２加熱部とを連通させる連通部（Ｓ２６）を有し、
前記燃料電池装置は、
前記酸化剤オフガスの一部を前記燃焼器に導く第１オフガス流路（８、Ｓ２１）と、
前記酸化剤オフガスの他の一部を、前記燃焼器および前記第１加熱部を迂回させて、前記連通部に導く第２オフガス流路（１０、Ｓ２７）と、を備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記燃焼排ガス流路は、前記触媒配置部に対して前記軸線方向の前記他方側に、前記第１加熱部と前記第２加熱部とを連通させる連通部（Ｓ２６）を有し、
前記燃料電池装置は、
前記酸化剤オフガスの一部を前記燃焼器に導く第１オフガス流路（８、Ｓ２１）と、
前記酸化剤オフガスの他の一部を、前記燃焼器、前記第１加熱部および前記連通部を迂回させて、前記第２加熱部に導く第２オフガス流路（１０）と、を備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記燃焼器に供給される前記燃料オフガスに含まれる前記燃料ガスの量は、前記燃料電池スタックから排出される前記酸化剤オフガスに含まれる前記酸化剤ガスの全部と過不足なく反応させるのに必要な前記燃料ガスの量よりも少なくなっている、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記燃料電池装置は、
前記燃料オフガスの一部を前記燃焼器に導く燃焼器導入流路（１２）と、
前記燃料電池スタックから排出される前記燃料オフガスの他の一部を、前記燃料電池スタックに供給するための燃料リサイクル流路（１４）と、をさらに備える、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、燃料電池スタックと、改質器と、燃焼器とを備える燃料電池装置が開示されている。改質器は、改質原料ガスを改質して燃料電池スタックに供給する燃料ガスを生成する。改質器は、その内部に改質触媒を有する。改質反応が生じる温度とされた改質原料ガスが改質触媒に触れることで、改質反応が生じ、燃料ガスが生成される。燃焼器は、燃料電池スタックから排出される燃料オフガスと酸化剤オフガスとを燃焼させて燃焼排ガスを生成する。改質原料ガスは、燃焼排ガスによって加熱されることで、改質反応が生じる温度とされる。
【０００３】
特許文献１の燃料電池装置では、改質器は、燃焼器の周囲に配置されている。燃焼器から流出の燃焼排ガスは、改質器の内周側から外周側へ流れた後、改質器の外周側の流路を流れる。これにより、伝熱壁を介して燃焼排ガスと改質原料ガスとの熱交換によって、改質原料ガスが加熱される。このとき、改質器の外周側の流路を流れる燃焼排ガスの流れは、改質器内を流れる改質原料ガスの流れに対して、並流または向流である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１５２４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、本発明者が検討した結果、燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して並流の場合、熱交換性能が悪いため、改質器の出口での改質原料ガスの温度は、改質率が高い目標温度よりも低いことがわかった。このため、改質原料ガスの温度を目標温度に近づけられるほどの高い熱交換性能を確保することが求められる。
【０００６】
一方、燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して向流の場合、熱交換性能に優れるため、改質器の出口での改質原料ガスの温度を目標温度まで昇温させられる。しかしながら、この場合では、改質器内の改質触媒のうち伝熱壁近傍の部分の温度が高くなり、改質触媒の熱劣化が生じることが、本発明者によって見出された。このため、改質触媒の熱劣化を抑制することが求められる。
【０００７】
なお、改質触媒の熱劣化を抑制するために、燃焼器に酸化剤ガスを供給する流路を追加し、燃焼器に対して、酸化剤オフガスと、それとは別の酸化剤ガスとを供給することが考えられる。これによれば、燃焼器に供給される酸化剤ガスを増量させて燃焼温度を下げることで、燃焼排ガスの温度を下げることができる。しかしながら、この場合、燃焼排ガスと改質原料ガスとの温度差が小さくなり、熱交換性能が悪化してしまうので、好ましくない。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、改質原料ガスと燃焼排ガスとの間の高い熱交換性能の確保と、改質触媒の熱劣化の抑制との両立が可能な燃料電池装置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に記載の発明によれば、
燃料電池装置は、
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する燃料電池スタック（２）と、
改質原料ガスを改質して燃料ガスを生成し、生成した燃料ガスを燃料電池スタックへ供給する改質器（１６）と、
燃料電池スタックから排出される燃料オフガスに含まれる燃料ガスと燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼排ガスを生成する燃焼器（４）と、
燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路（６）と、を備え、
改質器は、改質原料ガスを改質する改質触媒（１６５）と、改質触媒が配置され、かつ、改質原料ガスが流れる触媒配置部（Ｓ２２）と、を有し、
燃焼排ガス流路は、燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスが、伝熱壁（１６１、１６２）を介した熱交換によって、触媒配置部を流れる改質原料ガスを加熱する加熱部（Ｓ２４、Ｓ２５）を有し、
触媒配置部は、軸線の周りに筒状に形成された伝熱壁としての第１伝熱壁（１６１）と、第１伝熱壁の周方向全域を覆うように筒状に形成された伝熱壁としての第２伝熱壁（１６２）との間に形成されており、
加熱部は、第１加熱部（Ｓ２４）と、第１加熱部よりも燃焼排ガス流れの下流側に位置する第２加熱部（Ｓ２５）とを含み、
第１加熱部は、第１伝熱壁を挟んだ触媒配置部の向かい側に形成されており、
第２加熱部は、第２伝熱壁を挟んだ触媒配置部の向かい側に形成されており、
触媒配置部では、第１伝熱壁の軸線方向の一方側から他方側に向けて改質原料ガスが流れ、
第１加熱部では、軸線方向の一方側から他方側に向かって燃焼排ガスが流れ、
第２加熱部では、軸線方向の他方側から一方側に向かって燃焼排ガスが流れる。
【００１０】
これによれば、第１加熱部の燃焼排ガスの流れは、触媒配置部の改質原料ガスの流れに対して並流である。第２加熱部の燃焼排ガスの流れは、触媒配置部の改質原料ガスの流れに対して向流である。これにより、加熱部の全域の燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して向流である場合と比較して、伝熱壁の温度上昇を抑制できる。このため、改質触媒の熱劣化を抑制することができる。さらに、加熱部の全域の燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して並流である場合と比較して、改質原料ガスの温度を高くできる。
【００１１】
さらに、これによれば、触媒配置部に対して内側と外側との両側に、燃焼排ガスから改質原料ガスへ伝熱する伝熱壁がある。これにより、触媒配置部の片側のみに伝熱壁がある場合と比較して、改質原料ガスへの伝熱面積を拡大させることができ、改質器の伝熱性能を向上させることができる。
【００１２】
よって、本発明によれば、改質原料ガスと燃焼排ガスとの間の高い熱交換性能の確保と、改質触媒の熱劣化の抑制との両立が可能である。
【００１３】
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】
【００１４】
【図１】第１実施形態における燃料電池装置が用いられる燃料電池システムの構成要素を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池装置の内部構造を示す断面模式図である。
【図３】第１実施形態の燃料電池装置と比較例１の燃料電池装置とのそれぞれにおいて、燃焼排ガスの図４中の各位置での温度および改質原料ガスの図４中の各位置での温度の測定結果を示す図である。
【図４】図２中の燃焼器、改質器およびそれらの周辺部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。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、同一符号を付して説明を行う。
【００１６】
（第１実施形態）
まず、燃料電池装置３０が適用される燃料電池システムＦＣＳについて説明する。図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池スタック２と、燃焼器４と、燃焼排ガス流路６と、第１オフガス流路８と、第２オフガス流路１０と、燃焼器導入流路１２と、燃料リサイクル流路１４と、改質器１６と、蒸発器１８と、脱硫器２０と、エジェクタ２２と、空気予熱器２４と、排熱回収器２６とを備える。本実施形態では、燃料電池スタック２、改質器１６、燃焼器４、燃焼排ガス流路６等は、後述の通り、モジュール化されており、燃料電池装置３０を構成している。
【００１７】
燃料電池スタック２は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する。本実施形態では、燃料ガスとして、改質器１６での水蒸気改質反応によって生成した水素ガスと一酸化炭素を含むガスが用いられる。酸化剤ガスとして空気が用いられる。燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学反応により電気エネルギが発生する。
【００１８】
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。各燃料電池セルは、固体酸化物形の燃料電池セル（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であって、平板状の固体電解質の一方側の面に燃料極（すなわち、アノード）が形成され、他方側の面に空気極（すなわち、カソード）が形成された構成となっている。燃料極および空気極は、いずれも導電性のセラミックスで形成された多孔質体である。燃料電池スタック２では、すべての燃料電池セルが上下方向に積層されており、これらが電気的に直列接続された状態となっている。
【００１９】
燃焼器４は、燃料オフガスに含まれる燃料ガスと酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼排ガスを生成する。燃料オフガスは、燃料電池スタック２から排出される燃料ガスを含むガスである。酸化剤オフガスは、燃料電池スタック２から排出される酸化剤ガスを含むガスである。本実施形態では、酸化剤ガスとして空気が用いられるため、以下では、酸化剤オフガスを空気オフガスとも呼ぶ。
【００２０】
燃焼排ガス流路６は、燃焼排ガスが流れる流路である。燃焼排ガス流路は、改質器１６、空気予熱器２４および蒸発器１８のそれぞれに隣接して配置されている。これにより、改質器１６、空気予熱器２４および蒸発器１８のそれぞれは、燃焼排ガスによって加熱される。なお、本実施形態では、改質器１６、空気予熱器２４および蒸発器１８の順に燃焼排ガスが流れるように、燃焼排ガス流路６が配置されている。燃焼排ガス流路６のうち蒸発器１８よりも下流側は、排熱回収器２６に接続されている。
【００２１】
第１オフガス流路８は、酸化剤オフガスの一部を燃焼器４に導く流路である。第２オフガス流路１０は、酸化剤オフガスの他の一部を、燃焼器４を迂回させて、燃焼排ガス流路６に導く流路である。本実施形態では、後述の通り、第２オフガス流路１０は、燃焼排ガス流路６のうち改質器１６を加熱する加熱部に、酸化剤オフガスを合流させる。
【００２２】
燃焼器導入流路１２は、燃料オフガスの一部を燃焼器４に導く流路である。燃料リサイクル流路１４は、燃料オフガスの他の一部を燃料電池スタック２に供給するための流路である。本実施形態では、燃料リサイクル流路１４の下流側端部は、エジェクタ２２の吸引口２２ｂに接続されている。すなわち、燃料リサイクル流路１４の下流側端部は、改質器１６へ改質原料ガスを供給する流路の途中に接続されている。燃料リサイクル流路１４は、改質器１６に供給される改質原料ガスに燃料オフガスを合流させる。
【００２３】
改質器１６は、改質原料ガスを改質して燃料ガスを生成する。改質器１６は、生成した燃料ガスを燃料電池スタック２の燃料極へ供給する。改質器１６には、改質原料ガスとして都市ガスと水蒸気との混合ガスが供給される。都市ガスは、炭化水素（例えば、メタン）を含むガスである。改質器１６では、燃焼排ガスとの熱交換によって、都市ガスおよび水蒸気が加熱される。
【００２４】
蒸発器１８は、燃焼排ガスとの熱交換によって水を加熱し、水蒸気を生成する。蒸発器１８は、生成した水蒸気を改質器１６へ供給する。脱硫器２０は、都市ガスに含まれる硫黄成分を除去する。脱硫器２０は、硫黄成分を除去した後の都市ガスを改質器１６へ供給する。
【００２５】
エジェクタ２２は、改質原料ガスを改質器１６へ供給するとともに、燃料オフガスを吸引して吸引した燃料オフガスを改質器１６へ供給する。エジェクタ２２は、入口２２ａと、吸引口２２ｂと、吐出口２２ｃとを有する。エジェクタ２２の入口２２ａには、都市ガスと水蒸気とが合流する合流部２１が接続されている。吸引口２２ｂには、燃料リサイクル流路１４が接続されている。吐出口２２ｃには、改質器１６が接続されている。エジェクタ２２は、エジェクタ２２の内部の図示しないノズルから燃料ガスを噴射することで、燃料リサイクル流路１４から燃料オフガスを吸引し、吸引した燃料オフガスを改質原料ガスとともに吐出する。
【００２６】
空気予熱器２４は、燃焼排ガスとの熱交換によって空気を加熱する。空気予熱器２４は、予め加熱した空気を燃料電池スタック２の空気極へ供給する。排熱回収器２６は、燃焼排ガスの熱を回収する。排熱回収器２６は、燃焼排ガスとの熱交換によって水を加熱して、給湯用の湯を生成する。
【００２７】
次に、燃料電池装置３０について説明する。図２に示すように、燃料電池装置３０は、ケーシング３２、ベースプレート３４、燃料電池スタック２、改質器１６、燃焼器４、燃焼排ガス流路６等を備えている。
【００２８】
ケーシング３２は、燃料電池スタック２、改質器１６、燃焼器４、燃焼排ガス流路６等を内部に収容する略円柱形状の筐体である。ケーシング３２の側面および上面は、図示しない断熱材により覆われている。
【００２９】
ケーシング３２は、第１筒状壁３６、第２筒状壁３８、第３筒状壁４０、第４筒状壁４２、第５筒状壁４４および第６筒状壁４６を有している。第１〜第６筒状壁３６〜４６は、いずれも、金属製であって、軸線の周りに円筒状に形成された壁である。第１〜第６筒状壁３６〜４６は、それぞれの軸線が同じ位置にあり、かつ、それぞれの軸線が上下方向に沿うように配置されている。なお、図２は、第１〜第６筒状壁３６〜４６の軸線に沿う平面を断面とする燃料電池装置３０の断面を示している。
【００３０】
ベースプレート３４は、ケーシング３２の内部に水平に配置された金属板である。ベースプレート３４は、ケーシング３２の内部空間を上下方向に並ぶ２つの空間に区画する。
【００３１】
第１筒状壁３６は、第１〜第５筒状壁３６〜４４の中で最も内側に位置している。第１筒状壁３６は、ベースプレート３４よりも上側に位置する。第１筒状壁３６の上端は、円形状の第１天板４８につながっている。第１筒状壁３６の内部空間Ｓ１１は、第１天板４８、ベースプレート３４等によって密閉されている。第１筒状壁３６の内部空間Ｓ１１に、燃料電池スタック２が収容されている。
【００３２】
第１筒状壁３６には、空気供給用開口部３６１が形成されている。空気供給用開口部３６１には、空気供給用配管５０が接続されている。空気供給用配管５０は、空気供給用開口部３６１から燃料電池スタック２の各燃料電池セルへ空気を供給するための配管である。
【００３３】
また、燃料電池スタック２からの空気オフガスが第１筒状壁３６の内部空間Ｓ１１に排出されるようになっている。第１筒状壁３６の内部空間Ｓ１１は、燃料電池スタック２から排出された空気オフガスが流れる流路の一部を構成している。
【００３４】
燃料電池スタック２は、支持部材５２によって支持されている。支持部材５２は、燃料電池スタック２とベースプレート３４との間に空間を形成するとともに、この空間と燃料電池スタック２の側方の空間とを連通させるように、燃料電池スタック２を持ち上げている。
【００３５】
第２筒状壁３８は、ベースプレート３４よりも上側の位置からベースプレート３４よりも下側の位置まで、上下方向に延びている。第２筒状壁３８の内径は、ベースプレート３４の外径と等しい。第２筒状壁３８の内部にベースプレート３４が配置された状態で、第２筒状壁３８とベースプレート３４とが固定されている。
【００３６】
第２筒状壁３８のうちベースプレート３４よりも上側の上側部分３８ａは、第１筒状壁３６の外側に位置し、第１筒状壁３６の周方向全域を覆っている。第１筒状壁３６の周方向全域にわたって、第１筒状壁３６と第２筒状壁３８の上側部分３８ａとの間に第１空間Ｓ１２が形成されている。
【００３７】
第３筒状壁４０は、第２筒状壁３８の外側に配置され、第２筒状壁３８の周方向全域を覆っている。第２筒状壁３８の周方向全域にわたって、第２筒状壁３８と第３筒状壁４０との間に第２空間Ｓ１３が形成されている。
【００３８】
第４筒状壁４２は、第３筒状壁４０の外側に配置され、第３筒状壁４０の周方向全域を覆っている。第３筒状壁４０の周方向全域にわたって、第３筒状壁４０と第４筒状壁４２との間に第３空間Ｓ１４が形成されている。
【００３９】
第２筒状壁３８の上端と第４筒状壁４２の上端とは、上下方向で同じ位置にある。第２筒状壁３８の上端は、円環状の第２天板５４の内周端につながっている。第４筒状壁４２の上端は、第２天板５４の外周端につながっている。
【００４０】
第３筒状壁４０の上端の位置は、第２筒状壁３８の上端および第４筒状壁４２の上端よりも低い位置にある。このため、第２空間Ｓ１３と第３空間Ｓ１４とは、第３筒状壁４０の上端側で連通している。第２空間Ｓ１３および第３空間Ｓ１４は、燃焼排ガス流路６の一部を構成している。
【００４１】
第５筒状壁４４は、第４筒状壁４２の外側に配置され、第４筒状壁４２の周方向全域を覆っている。第４筒状壁４２の周方向全域にわたって、第４筒状壁４２と第５筒状壁４４との間に第４空間Ｓ１５が形成されている。
【００４２】
第５筒状壁４４の上端は、第１筒状壁３６の上端よりも上側に位置する。第５筒状壁４４の上端は、円形状の第３天板５６につながっている。すなわち、第５筒状壁４４の上側は、第３天板５６で塞がれている。第３天板５６と第２天板５４との間に上側空間Ｓ１６が形成されている。第３天板５６と第１天板４８との間に上側空間Ｓ１７が形成されている。これらの上側空間Ｓ１６、Ｓ１７を介して、第１空間Ｓ１２と第４空間Ｓ１５とが連通している。本実施形態では、少なくとも第１空間Ｓ１２および第４空間Ｓ１５が、燃料電池スタック２に向かって空気が加熱されながら流れる空気流路、すなわち、空気予熱器２４を構成している。
【００４３】
第４筒状壁４２の下端側の内部には、円形状の第１底板５８が配置されている。第１底板５８は、第４筒状壁４２に固定されている。第３筒状壁４０の下端は、第１底板５８につながっている。このため、第２空間Ｓ１３と第３空間Ｓ１４とは、第３筒状壁４０の下端側で連通していない。
【００４４】
第４筒状壁４２の第１底板５８側の部分には、燃焼排ガス流路の一部を構成する燃焼排ガス配管６０の一端が接続されている。第３空間Ｓ１４の下端部は、燃焼排ガス配管６０の内部空間に連通している。この燃焼排ガス配管６０の他端側は、図１中の排熱回収器２６に接続されている。このため、第３空間Ｓ１４の下端部は、燃焼排ガス配管６０を介して、排熱回収器２６に連通している。
【００４５】
第５筒状壁４４の下端は、第１底板５８よりも上側に位置する。第５筒状壁４４の下端は、円環状の第２底板６２につながっている。第２底板６２によって、第４空間Ｓ１５の下端部が塞がれている。第５筒状壁４４の下端側には、空気用配管６４の一端が接続されている。空気用配管６４は、燃料電池スタック２へ供給される空気が流れる空気流路の一部を構成する。第４空間Ｓ１５の下端部は、空気用配管６４の内部空間に連通している。
【００４６】
第２筒状壁３８の下端は、第１底板５８よりも上側に位置する。このため、第２空間Ｓ１３と後述する第５空間Ｓ１８とは、第２筒状壁３８の下端側で連通している。
【００４７】
第６筒状壁４６は、第２筒状壁３８のうちベースプレート３４よりも下側の下側部分３８ｂの内側に配置されている。第６筒状壁４６は、ベースプレート３４の下面から下方向に延びている。
【００４８】
第６筒状壁４６の内部空間Ｓ２０に、燃焼器４が配置されている。燃焼器４は、円柱形状であり、ベースプレート３４の下面から下方向に延びている。燃焼器４の下端は、第６筒状壁４６の下端よりも上側に位置する。ベースプレート３４には、第１筒状壁３６の内部空間Ｓ１１と燃焼器４とを連通させる第１連通空間Ｓ２１が形成されている。この第１連通空間Ｓ２１を介して、燃料電池スタック２から排出された酸化剤オフガスの一部が、燃焼器４に供給される。したがって、本実施形態では、第１連通空間Ｓ２１が、第１オフガス流路８を構成している。
【００４９】
また、図示しないが、燃料電池スタック２には、燃料オフガスが流れる図示しない配管が接続されている。この配管の下流側の一部は、燃焼器４に接続されている。この配管の下流側の他の一部は、エジェクタ２２の吸引口２２ｂに接続されている。
【００５０】
燃焼器４では、図示しない着火器によって燃料オフガスと酸化剤オフガスとの混合ガスが着火される。これにより、燃料オフガスに含まれる燃料ガスと酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスとの燃焼が行われる。この燃焼によって高温の燃焼排ガスが生成する。
【００５１】
第２筒状壁３８の下側部分３８ｂは、第６筒状壁４６の外側に位置し、第６筒状壁４６の周方向全域を覆っている。第６筒状壁４６の周方向全域にわたって、第６筒状壁４６と第２筒状壁３８の下側部分３８ｂとの間に第５空間Ｓ１８が形成されている。第５空間Ｓ１８は、第６筒状壁４６の下端よりも下側の位置で、第６筒状壁４６の内部空間Ｓ２０と連通している。
【００５２】
第５空間Ｓ１８に、改質器１６が配置されている。改質器１６は、改質器内周壁１６１と、改質器外周壁１６２と、改質器天板１６３と、仕切壁１６４と、改質触媒１６５とを有する。
【００５３】
改質器内周壁１６１は、軸線の周りに円筒状に形成された壁であり、改質器１６の内周側に位置する。軸線は、壁が回転体形状である場合の中心線に相当する。改質器外周壁１６２は、軸線の周りに円筒状に形成された壁であり、改質器１６の外周側に位置する。なお、改質器内周壁１６１および改質器外周壁１６２は、円筒状ではなく、多角形等の筒状であってもよい。すなわち、改質器内周壁１６１および改質器外周壁１６２の軸線方向に垂直な断面での形状は、円形状でなく、多角形等の他の形状であってもよい。
【００５４】
改質器外周壁１６２は、改質器内周壁１６１の周方向全域を覆うように配置されている。より詳細には、改質器外周壁１６２の軸線が改質器内周壁１６１の軸線と同じ位置となり、改質器内周壁１６１の周方向全域にわたって、改質器内周壁１６１と改質器外周壁１６２との間に触媒配置空間Ｓ２２が形成されるように、改質器外周壁１６２が改質器内周壁１６１に対して配置されている。触媒配置空間Ｓ２２は、改質触媒１６５が配置され、かつ、改質原料ガスが流れる空間であり、触媒配置部に相当する。
【００５５】
改質器内周壁１６１の軸線方向および改質器外周壁１６２の軸線方向が上下方向に沿うように、改質器内周壁１６１および改質器外周壁１６２が配置されている。改質器内周壁１６１、改質器外周壁１６２のそれぞれの軸線方向は、改質器内周壁１６１、改質器外周壁１６２のそれぞれの高さ方向と同じ意味である。換言すると、改質器内周壁１６１および改質器外周壁１６２は、一方向に延伸している。この一方向は、上下方向である。
【００５６】
改質器内周壁１６１および改質器外周壁１６２は、第１底板５８からベースプレート３４に向かって延びている。改質器内周壁１６１の下端は、第１底板５８よりも上側に位置する。改質器外周壁１６２の下端は、第１底板５８に固定されている。改質器内周壁１６１の上端および改質器外周壁１６２の上端は、上下方向で同じ位置にあり、ベースプレート３４よりも下側に位置する。
【００５７】
改質器天板１６３は、円環状であり、水平方向に沿って延びている。改質器天板１６３は、改質器内周壁１６１の上端および改質器外周壁１６２の上端につながっている。改質器天板１６３は、触媒配置空間Ｓ２２の上端部を塞いでいる。
【００５８】
仕切壁１６４は、円形状であり、水平方向に沿って延びている。仕切壁１６４は、改質器内周壁１６１の下端につながっている。仕切壁１６４は、第１底板５８よりも上側の位置にある。仕切壁１６４は、第６筒状壁４６の内部空間Ｓ２０と、仕切壁１６４と第１底板５８との間に形成された入口空間Ｓ２３とを仕切る。入口空間Ｓ２３は、改質原料ガスが流入する空間である。
【００５９】
入口空間Ｓ２３は、触媒配置空間Ｓ２２と連通している。触媒配置空間Ｓ２２には、第１底板５８の上面から改質器天板１６３の下面にわたって改質触媒１６５が配置されている。改質触媒１６５は、改質原料ガスを改質する触媒である。改質触媒１６５としては、例えば、アルミナの球体の表面に、ニッケル等の触媒金属が担持されたものが用いられる。
【００６０】
図示しないが、改質器天板１６３には、燃料ガス供給用配管の一端が接続されている。燃料ガス供給用配管の他端は、燃料電池スタック２に接続されている。燃料ガス供給用配管は、改質器１６で改質された燃料ガスを燃料電池スタック２の各燃料電池セルへ供給するための配管である。
【００６１】
第５空間Ｓ１８は、改質器１６が配置されることによって、内周側空間Ｓ２４、外周側空間Ｓ２５および天板側空間Ｓ２６に区画されている。内周側空間Ｓ２４は、改質器内周壁１６１と第６筒状壁４６との間に形成されている。すなわち、内周側空間Ｓ２４は、改質器内周壁１６１を挟んだ触媒配置空間Ｓ２２の向かい側に形成されている。外周側空間Ｓ２５は、改質器外周壁１６２と第２筒状壁３８の下側部分３８ｂとの間に形成されている。すなわち、外周側空間Ｓ２５は、改質器外周壁１６２を挟んだ触媒配置空間Ｓ２２の向かい側に形成されている。天板側空間Ｓ２６は、改質器天板１６３とベースプレート３４との間に形成されている。内周側空間Ｓ２４と外周側空間Ｓ２５とは、天板側空間Ｓ２６とを介して連通している。本実施形態では、第６筒状壁４６の内部空間Ｓ２０、内周側空間Ｓ２４、外周側空間Ｓ２５および天板側空間Ｓ２６が、燃焼排ガス流路６の一部を構成している。
【００６２】
ベースプレート３４には、天板側空間Ｓ２６と第１筒状壁３６の内部空間Ｓ１１とを連通させる第２連通空間Ｓ２７が形成されている。この第２連通空間Ｓ２７を介して、燃料電池スタック２から排出された酸化剤オフガスの他の一部が、天板側空間Ｓ２６に供給される。したがって、本実施形態では、第２連通空間Ｓ２７が、第２オフガス流路１０を構成している。
【００６３】
なお、図２に示されていないが、燃料電池装置３０は、図１中の蒸発器１８およびエジェクタ２２を備えている。蒸発器１８は、ケーシング３２の内部に配置されている。エジェクタ２２は、ケーシング３２の内部に配置されている。
【００６４】
次に、図１、２を用いて、燃料電池システムＦＣＳの作動中の空気、燃料ガス等のガス流れについて説明する。
【００６５】
空気は、図１に示すように、空気予熱器２４で加熱された後、燃料電池スタック２の空気極に供給される。具体的には、図２に示すように、空気は、空気用配管６４からケーシング３２の内部に流入する。空気用配管６４から流入した空気は、第４空間Ｓ１５、第１空間Ｓ１２、空気供給用配管５０を順に流れた後、燃料電池スタック２の空気極に供給される。第４空間Ｓ１５および第１空間Ｓ１２を流れる空気は、第２空間Ｓ１３および第３空間Ｓ１４を流れる燃焼排ガスとの熱交換によって加熱される。
【００６６】
都市ガスは、図１に示すように、脱硫器２０で脱硫された後、合流部２１に向かって流れる。水は、図１に示すように、蒸発器１８で蒸発して水蒸気となる。図２には示されていないが、水は、ケーシング３２の内部で、燃焼排ガスとの熱交換によって加熱されることで、水蒸気となる。蒸発器１８で生成した水蒸気は、合流部２１に向かって流れる。合流部２１では、都市ガスと水蒸気とが合流して混合ガスとなる。都市ガスと水蒸気との混合ガスは、入口２２ａからエジェクタ２２に流入し、吐出口２２ｃから吐出される。
【００６７】
吐出口２２ｃから吐出された混合ガスは、改質器１６に流入する。改質器１６に流入した混合ガスは、改質器１６で改質されて燃料ガスとなる。改質器１６で改質された燃料ガスは、燃料電池スタック２の燃料極に供給される。
【００６８】
具体的には、吐出口２２ｃから吐出された混合ガス、すなわち、改質原料ガスは、図２に示すように、入口空間Ｓ２３に対して下方から流入する。入口空間Ｓ２３に流入した混合ガスは、入口空間Ｓ２３の中央部から放射状に、水平方向に沿って流れる。そして、混合ガスは、触媒配置空間Ｓ２２の下部に、水平方向から流入する。触媒配置空間Ｓ２２では、混合ガスは、上下方向の下側から上側に向かって流れる。このとき、混合ガスは、燃焼排ガスとの熱交換によって加熱される。混合ガスが水素改質反応が生じる温度とされるとともに、混合ガスが改質触媒１６５に触れることで、水蒸気改質反応が生じ、この水蒸気改質反応によって水素ガスおよび一酸化炭素が生成する。水蒸気改質反応は、吸熱反応である。水蒸気改質反応に必要な熱は、燃焼排ガスから供給される。このようにして、改質された燃料ガスは、触媒配置空間Ｓ２２の上部に接続された図示しない燃料ガス供給用配管を介して、燃料電池スタック２へ供給される。
【００６９】
このように、空気と燃料ガスとが燃料電池スタック２へ供給されることで、燃料電池スタック２は発電する。このとき、発電に使用されなかった燃料ガスを含む燃料オフガスが燃料電池スタック２から排出され、発電に使用されなかった空気を含む空気オフガスが燃料電池スタック２から排出される。
【００７０】
図１に示すように、燃料電池スタック２の空気極から排出された空気オフガスの一部は、第１オフガス流路８を介して、燃焼器４に供給される。具体的には、図２に示すように、燃料電池スタック２の空気極から第１筒状壁３６の内部空間Ｓ１１に、空気オフガスが排出される。内部空間Ｓ１１に配出された空気オフガスの一部は、第１オフガス流路８としての第１連通空間Ｓ２１を介して、燃焼器４に供給される。
【００７１】
また、図１に示すように、燃料電池スタック２の空気極から排出された空気オフガスの他の一部は、第２オフガス流路１０を介して、燃焼排ガス流路６に供給される。具体的には、図２に示すように、内部空間Ｓ１１に配出された空気オフガスの他の一部は、第２オフガス流路１０としての第２連通空間Ｓ２７を介して、天板側空間Ｓ２６に供給される。
【００７２】
図１に示すように、燃料電池スタック２の燃料極から排出された燃料オフガスの一部は、燃焼器導入流路１２を介して、燃焼器４に供給される。具体的には、図２中の矢印のように、燃料極の燃料出口側と燃焼器４とを接続する図示しない配管を介して、燃料オフガスの一部は、燃焼器４に供給される。
【００７３】
また、図１に示すように、燃料電池スタック２の燃料極から排出された燃料ガスの他の一部は、燃料リサイクル流路１４を介して、エジェクタ２２に吸引される。具体的には、図２中の矢印のように、燃料極の燃料出口側とエジェクタ２２の吸引口２２ｂ側とを接続する図示しない配管を介して、燃料オフガスの他の一部は、エジェクタ２２に吸引される。エジェクタ２２に吸引された燃料オフガスは、入口空間Ｓ２３に向かって流れる混合ガスに合流する。これにより、燃料オフガスの他の一部が燃料極へ供給される。
【００７４】
燃焼器４では、燃料オフガスに含まれる燃料ガスと酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスとの燃焼によって燃焼排ガスが生成する。生成した燃焼排ガスは、図１に示すように、改質器１６、空気予熱器２４、蒸発器１８の順に、燃焼排ガス流路６を流れる。
【００７５】
具体的には、図２に示すように、燃料電池装置３０の内部では、燃焼排ガスは、第６筒状壁４６の内部空間Ｓ２０から内周側空間Ｓ２４、天板側空間Ｓ２６、外周側空間Ｓ２５の順に流れる。内周側空間Ｓ２４では、上下方向の下側から上側に向かって燃焼排ガスが流れる。天板側空間Ｓ２６では、内側から外側に向かって燃焼排ガスが流れる。外周側空間Ｓ２５では、上下方向の上側から下側に向かって燃焼排ガスが流れる。本実施形態では、上下方向の下側が改質器内周壁１６１の軸線方向の一方側に相当し、上下方向の上側が改質器内周壁１６１の軸線方向の他方側に相当する。
【００７６】
このとき、内周側空間Ｓ２４を流れる燃焼排ガスは、改質器内周壁１６１を介した熱交換によって、触媒配置空間Ｓ２２を流れる改質原料ガスを加熱する。外周側空間Ｓ２５を流れる燃焼排ガスは、改質器外周壁１６２を介した熱交換によって、触媒配置空間Ｓ２２を流れる改質原料ガスを加熱する。
【００７７】
本実施形態では、改質器内周壁１６１および改質器外周壁１６２は、燃焼排ガスから改質原料ガスへ熱伝導によって熱を移動させる伝熱壁として機能する。改質器内周壁１６１は、第１伝熱壁に相当する。改質器外周壁１６２は、第２伝熱壁に相当する。内周側空間Ｓ２４および外周側空間Ｓ２５は、燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスが、伝熱壁を介した熱交換によって、触媒配置部を流れる改質原料ガスを加熱する加熱部に相当する。外周側空間Ｓ２５は、内周側空間Ｓ２４に対して燃焼排ガス流れの下流側に位置する。したがって、内周側空間Ｓ２４は第１加熱部に相当し、外周側空間Ｓ２５は第１加熱部よりも燃焼排ガス流れの下流側に位置する第２加熱部に相当する。
【００７８】
外周側空間Ｓ２５から流出した燃焼排ガスは、第２空間Ｓ１３、第３空間Ｓ１４の順に流れる。第２空間Ｓ１３では、上下方向の下側から上側に向かって燃焼排ガスが流れる。第３空間Ｓ１４では、上下方向の上側から下側に向かって燃焼排ガスが流れる。このとき、第２空間Ｓ１３を流れる燃焼排ガスは、第１筒状壁３６を介した熱交換によって、第１空間Ｓ１２を流れる空気を加熱する。第３空間Ｓ１４を流れる燃焼排ガスは、第４筒状壁４２を介した熱交換によって、第４空間Ｓ１５を流れる空気を加熱する。その後、燃焼排ガスは、燃焼排ガス配管６０を介して、排熱回収器２６に供給される。
【００７９】
以上の説明の通り、本実施形態の燃料電池装置３０は、燃料電池スタック２と、改質器１６と、燃焼器４と、燃焼排ガス流路６とを備えている。改質器１６は、改質触媒１６５と、触媒配置空間Ｓ２２とを有する。触媒配置空間Ｓ２２は、改質器内周壁１６１と改質器外周壁１６２との間に形成された環状の空間である。燃焼排ガス流路６は、燃焼排ガスが流れる内周側空間Ｓ２４および外周側空間Ｓ２５を含む。外周側空間Ｓ２５は、内周側空間Ｓ２４よりも燃焼排ガス流れの下流側に位置する。内周側空間Ｓ２４は、改質器内周壁１６１を挟んだ触媒配置空間Ｓ２２の向かい側に形成されている。外周側空間Ｓ２５は、改質器外周壁１６２を挟んだ触媒配置空間Ｓ２２の向かい側に形成されている。触媒配置空間Ｓ２２では、上下方向の下側から上側に向かって改質原料ガスが流れる。内周側空間Ｓ２４では、上下方向の下側から上側に向かって燃焼排ガスが流れる。外周側空間Ｓ２５では、上下方向の上側から下側に向かって燃焼排ガスが流れる。
【００８０】
これによれば、内周側空間Ｓ２４の燃焼排ガスの流れは、触媒配置空間Ｓ２２の改質原料ガスの流れに対して並流である。外周側空間Ｓ２５の燃焼排ガスの流れは、触媒配置空間Ｓ２２の改質原料ガスの流れに対して向流である。これにより、本実施形態と異なり、燃焼排ガス流路のうち改質原料ガスを加熱する加熱部の全域の燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して向流である場合と比較して、伝熱壁である改質器内周壁１６１および改質器外周壁１６２の温度上昇を抑制できる。このため、改質触媒１６５の熱劣化を抑制することができる。さらに、加熱部の全域の燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して並流である場合と比較して、改質原料ガスの温度を高くできる。
【００８１】
さらに、これによれば、内周側空間Ｓ２４は、改質器内周壁１６１を挟んだ触媒配置空間Ｓ２２の向かい側に形成されている。外周側空間Ｓ２５は、改質器外周壁１６２を挟んだ触媒配置空間Ｓ２２の向かい側に形成されている。このため、触媒配置空間Ｓ２２に対して内側と外側との両側に、燃焼排ガスから改質原料ガスへ伝熱する伝熱壁がある。これにより、触媒配置空間Ｓ２２の片側のみに伝熱壁がある場合と比較して、改質原料ガスへの伝熱面積を拡大させることができ、伝熱性能を向上させることができる。
【００８２】
よって、本実施形態によれば、改質原料ガスと燃焼排ガスとの間の高い熱交換性能の確保と、改質触媒の熱劣化の抑制との両立が可能である。
【００８３】
ここで、本実施形態の燃料電池装置３０は、燃焼器導入流路１２に加えて、燃料リサイクル流路１４を備える。本実施形態の燃料電池装置３０では、燃料電池装置３０が燃料リサイクル流路１４を備えていない場合と比較して、燃焼器４へ供給される燃料オフガスが減少する。例えば、燃料電池スタック２から排出された燃料オフガスの半分が燃料リサイクル流路１４を流れる場合、燃焼器４へ供給される燃料オフガスが半減する。このため、本実施形態の燃料電池装置３０では、燃料電池装置３０が燃料リサイクル流路１４を備えていない場合と比較して、燃焼器４で生成される燃焼排ガスの熱量が少ない。
【００８４】
したがって、本実施形態の燃料電池装置３０と異なり、燃焼排ガス流路６のうち改質原料ガスを加熱する加熱部の全域の燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して並流である場合では、熱交換性能が悪く、改質原料ガスの温度が目標温度よりも低いという問題が顕著となる。これに対して、本実施形態によれば、燃料リサイクル流路１４を備えていても、改質原料ガスと燃焼排ガスとの間の高い熱交換性能を確保でき、改質原料ガスの温度を目標温度に近づけることができる。
【００８５】
また、燃料電池装置３０が燃料リサイクル流路１４を備えていない状態で、燃焼器４へ供給される空気に対する燃料ガスの混合比が、燃料ガスと空気（より詳細には、空気中の酸素）とが過不足なく反応するように設定されているときに対して、燃料リサイクル流路１４を追加する場合を想定する。この混合比は質量比である。この場合、燃焼器４に供給される燃料ガスの量が、燃料電池スタック２から排出される空気オフガスに含まれる空気の全部と過不足なく反応するのに必要な燃料ガスの量よりも少ない状態となり、燃焼器４での燃焼が不安定となる。換言すると、燃焼器４に供給される空気と燃料ガスとの混合ガスに含まれる燃料ガスが希薄となり、炎が吹き消えてしまうという問題が生じる。
【００８６】
そこで、本実施形態の燃料電池装置３０は、空気オフガスの一部を燃焼器４に導く第１オフガス流路８に加えて、空気オフガスの他の一部を、燃焼器４を迂回させて、燃焼排ガス流路６に導く第２オフガス流路１０を備える。これによれば、第２オフガス流路１０を備えていない場合と比較して、燃焼器４へ供給される空気オフガスを減らすことができる。このため、燃焼器４での空気に対する燃料ガスの混合比が増大することで、燃焼器４での燃焼を安定させることができる。
【００８７】
さらに、これによれば、燃焼器４での空気に対する燃料ガスの混合比が増大することで、燃焼器４での燃焼温度を高くすることができる。このため、燃焼排ガスと改質原料ガスとの温度差を大きくでき、改質器１６の伝熱性能を向上させることができる。
【００８８】
また、本実施形態の燃料電池装置３０では、燃焼排ガス流路６は、内周側空間Ｓ２４と外周側空間Ｓ２５とを連通させる天板側空間Ｓ２６を有する。第２オフガス流路１０は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器４および内周側空間Ｓ２４を迂回させて、天板側空間Ｓ２６に導く。
【００８９】
これによれば、内周側空間Ｓ２４で放熱された燃焼排ガスに空気オフガスを合流させることで、合流後の燃焼排ガスの熱容量を増大させることができる。このため、図３に示すように、第２オフガス流路１０を備えていない場合と比較して、外周側空間Ｓ２５での燃焼排ガスの温度低下幅を抑制でき、触媒配置空間Ｓ２２の出口付近での改質原料ガスの温度を高くすることができる。これらの結果、本実施形態によれば、改質原料ガスの温度を改質率が高い目標温度に近づけることが可能となる。
【００９０】
図３は、本実施形態の燃料電池装置３０と比較例１の燃料電池装置とのそれぞれにおいて、燃焼排ガスの図４中の各位置での温度および改質原料ガスの図４中の各位置での温度の測定結果を示す図である。比較例１の燃料電池装置は、第２オフガス流路１０を備えていない点で、本実施形態の燃料電池装置３０と異なる。比較例１の燃料電池装置の他の構成は、本実施形態の燃料電池装置３０と同じである。
【００９１】
図４に示すように、位置Ｈ１での燃焼排ガスの温度は、燃焼器４で生成した燃焼排ガスの温度である。位置Ｈ２での燃焼排ガスの温度は、内周側空間Ｓ２４の出口付近での燃焼排ガスの温度である。位置Ｈ３での燃焼排ガスの温度は、外周側空間Ｓ２５の入口付近での燃焼ガスの温度である。位置Ｈ４での燃焼排ガスの温度は、外周側空間Ｓ２５の出口付近での燃焼ガスの温度である。位置Ｌ１での改質原料ガスの温度は、触媒配置空間Ｓ２２に流入する前の改質原料ガスの温度である。位置Ｌ２での改質原料ガスの温度は、触媒配置空間Ｓ２２の出口付近での改質原料ガスの温度である。
【００９２】
比較例１の燃料電池装置では、燃焼排ガスの温度および改質原料ガスの温度は、図３中の破線のように変化する。位置Ｈ１での燃焼排ガスの温度が９００℃のとき、位置Ｈ２、Ｈ３での燃焼排ガスの温度は７５０℃であり、位置Ｈ４での燃焼排ガスの温度は６００℃であった。この場合、外周側空間Ｓ２５を流れる燃焼排ガスの出口付近の温度と入口付近の温度の差である温度低下幅は、１５０℃であった。また、位置Ｌ１での改質原料ガスの温度が５００℃のとき、位置Ｌ２での改質原料ガスの温度は５７５℃であった。
【００９３】
これに対して、本実施形態の燃料電池装置３０では、燃焼排ガスの温度および改質原料ガスの温度は、図３中の実線のように変化する。位置Ｈ１での燃焼排ガスの温度が９００℃のとき、位置Ｈ２での燃焼排ガスの温度は７５０℃であった。第２オフガス流路１０から天板側空間Ｓ２６に流入する空気オフガスの温度が７００℃のとき、位置Ｈ３での燃焼排ガスの温度は７２５℃であり、位置Ｈ４での燃焼排ガスの温度は６５０℃であった。この場合、外周側空間Ｓ２５を流れる燃焼排ガスの温度低下幅は、７５℃であった。また、位置Ｌ１での改質原料ガスの温度が５００℃のとき、位置Ｌ２での改質原料ガスの温度は、比較例１よりも高い６００℃であった。
【００９４】
（第２実施形態）
第１実施形態では、第２オフガス流路１０は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器４および内周側空間Ｓ２４を迂回させて、天板側空間Ｓ２６に導くものであった。これに対して、本実施形態では、図示しないが、第２オフガス流路１０は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器４、内周側空間Ｓ２４および天板側空間Ｓ２６を迂回させて、外周側空間Ｓ２５に導く。これによっても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００９５】
（他の実施形態）
（１）第２オフガス流路１０は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器４を迂回させて、内周側空間Ｓ２４に導くものであってもよい。これによっても、第１実施形態と同様の効果が得られる。第１、第２実施形態およびこの実施形態のように、第２オフガス流路１０は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器４を迂回させて、燃焼排ガス流路６のうち改質原料ガスを加熱する加熱部に導くものであればよい。この場合、空気オフガスの熱を改質原料ガスの加熱に利用できる。
【００９６】
（２）第２オフガス流路１０は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器４、内周側空間Ｓ２４、天板側空間Ｓ２６、外周側空間Ｓ２５を迂回させて、燃焼排ガス流路６のうち外周側空間Ｓ２５よりも下流側の部分に導くものであってもよい。これによっても、第１実施形態の効果のうち、燃焼器４での空気に対する燃料ガスの混合比が増大することで、燃焼器４での燃焼を安定させることができるという効果が得られる。
【００９７】
（３）上記各実施形態では、燃料リサイクル流路１４の燃料オフガスの流れを形成するために、エジェクタ２２を備えていたが、これに限定されない。エジェクタ２２に替えて、燃料リサイクル流路１４にポンプを設けてもよい。
【００９８】
（４）上記各実施形態では、燃料電池装置３０が燃料リサイクル流路１４を備えていた。しかしながら、燃料電池装置３０が燃料リサイクル流路１４を備えていなくてもよい。燃料電池装置３０において、燃焼器４に供給される燃料オフガスに含まれる燃料ガスの量が、燃料電池スタック２から排出される酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスの全部と過不足なく反応させるのに必要な燃料ガスの量よりも少なくなっていればよい。この場合としては、燃料電池スタック２での燃料ガスの利用率が向上した場合などが挙げられる。この場合に、燃料電池スタック２から排出される酸化剤オフガスの全部が燃焼器４に供給されると、燃料ガスが希薄な状態となり、燃焼器４での燃焼が不安定となる。よって、このような場合に、上記各実施形態の構成（ただし、燃料リサイクル流路１４を除く）を採用することで、上記各実施形態と同様の効果が得られる。
【００９９】
（５）また、本発明は、燃焼器４に供給される燃料オフガスに含まれる燃料ガスの量が、燃料電池スタック２から排出される酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスの全部と過不足なく反応させるのに必要な燃料ガスの量よりも少なくなっている場合に限定されない。この場合でなくても、燃焼器での燃焼の安定化という効果を除き、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【０１００】
（６）上記各実施形態では、触媒配置空間Ｓ２２を上下方向の下側から上側に向かって改質原料ガスが流れ、内周側空間Ｓ２４を上下方向の下側から上側に向かって燃焼排ガスが流れ、外周側空間Ｓ２５を上下方向の上側から下側に向かって燃焼排ガスが流れる。しかしながら、燃料電池装置３０が上下反対に配置される等によって、触媒配置空間Ｓ２２を上下方向の上側から下側に向かって改質原料ガスが流れ、内周側空間Ｓ２４を上下方向の上側から下側に向かって燃焼排ガスが流れ、外周側空間Ｓ２５を上下方向の下側から上側に向かって燃焼排ガスが流れてもよい。この場合、上下方向の上側が改質器内周壁１６１の軸線方向の一方側に相当し、上下方向の下側が改質器内周壁１６１の軸線方向の他方側に相当する。
【０１０１】
（７）上記各実施形態では、燃料電池スタック２は、平板状の固定電解質を用いた燃料電池セルが複数積層された構造であったが、他の構造であってもよい。また、上記各実施形態では、燃料電池セルとして、固体酸化物形燃料電池セルを用いたが、上記各実施形態と同様の改質原料ガスを用いるものであれば、他の燃料電池セルを用いてもよい。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（MCFC：Molten Carbonate Fuel Cell）セルを用いてもよい。
【０１０２】
（８）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り、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。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、構成要素等の材質、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材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。
【０１０３】
（まとめ）
上記各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、燃料電池装置は、燃料電池スタック（２）と、改質器（１６）と、燃焼器（４）と、燃焼排ガス流路（６）と、を備える。改質器は、改質触媒（１６５）と、触媒配置部（Ｓ２２）と、を有する。燃焼排ガス流路は、燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスが、伝熱壁（１６１、１６２）を介した熱交換によって、触媒配置部を流れる改質原料ガスを加熱する加熱部（Ｓ２４、Ｓ２５）を有する。触媒配置部は、軸線の周りに筒状に形成された伝熱壁としての第１伝熱壁（１６１）と、第１伝熱壁の周方向全域を覆うように筒状に形成された伝熱壁としての第２伝熱壁（１６２）との間に形成されている。加熱部は、第１加熱部（Ｓ２４）と、第１加熱部よりも燃焼排ガス流れの下流側に位置する第２加熱部（Ｓ２５）とを含む。第１加熱部は、第１伝熱壁を挟んだ触媒配置部の向かい側に形成されている。第２加熱部は、第２伝熱壁を挟んだ触媒配置部の向かい側に形成されている。触媒配置部では、第１伝熱壁の軸線方向の一方側から他方側に向けて改質原料ガスが流れる。第１加熱部では、軸線方向の一方側から他方側に向かって燃焼排ガスが流れる。第２加熱部では、軸線方向の他方側から一方側に向かって燃焼排ガスが流れる。
【０１０４】
また、第２の観点によれば、第１の観点において、燃料電池装置は、酸化剤オフガスの一部を燃焼器に導く第１オフガス流路（８）と、酸化剤オフガスの他の一部を、燃焼器を迂回させて、燃焼排ガス流路に導く第２オフガス流路（１０）と、をさらに備える。これによれば、第２オフガス流路を備えていない場合と比較して、燃焼器へ供給される酸化剤オフガスを減らすことができる。これにより、燃焼器での酸化剤ガスに対する燃料ガスの混合比が増大することで、燃焼器での燃焼温度を高くすることができる。このため、燃焼排ガスと改質原料ガスとの温度差を大きくでき、改質器の伝熱性能を向上させることができる。
【０１０５】
また、第３の観点によれば、第１の観点において、燃焼排ガス流路は、触媒配置部に対して軸線方向の他方側に、第１加熱部と第２加熱部とを連通させる連通部（Ｓ２６）を有する。燃料電池装置は、酸化剤オフガスの一部を燃焼器に導く第１オフガス流路（８、Ｓ２１）と、酸化剤オフガスの他の一部を、燃焼器および第１加熱部を迂回させて、連通部に導く第２オフガス流路（１０、Ｓ２７）と、を備える。
【０１０６】
これによれば、第２の観点と同じ効果を奏する。さらに、これによれば、第１加熱部で放熱された燃焼排ガスに酸化剤オフガスを合流させることで、合流後の燃焼排ガスの熱容量を増大させることができる。このため、第２オフガス流路を備えていない場合と比較して、第２加熱部での燃焼排ガスの温度低下幅を抑制でき、熱交換後の改質原料ガスの温度を高くすることができる。
【０１０７】
また、第４の観点によれば、第１の観点において、燃焼排ガス流路は、触媒配置部に対して軸線方向の他方側に、第１加熱部と第２加熱部とを連通させる連通部（Ｓ２６）を有する。燃料電池装置は、酸化剤オフガスの一部を燃焼器に導く第１オフガス流路（８、Ｓ２１）と、酸化剤オフガスの他の一部を、燃焼器、第１加熱部および連通部を迂回させて、第２加熱部に導く第２オフガス流路（１０）と、を備える。
【０１０８】
これによれば、第２の観点と同じ効果を奏する。さらに、これによれば、第１加熱部で放熱された燃焼排ガスに酸化剤オフガスを合流させることで、合流後の燃焼排ガスの熱容量を増大させることができる。このため、第２オフガス流路を備えていない場合と比較して、第２加熱部での燃焼排ガスの温度低下幅を抑制でき、熱交換後の改質原料ガスの温度を高くすることができる。
【０１０９】
また、第５の観点によれば、第１〜第４の観点において、燃焼器に供給される燃料オフガスに含まれる燃料ガスの量は、燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスの全部と過不足なく反応させるのに必要な燃料ガスの量よりも少なくなっている。
【０１１０】
第５の観点の構成の場合に、第１〜４の観点の構成を採用することが、特に有効である。すなわち、第５の観点の構成の場合、燃焼器に供給される燃料オフガスに含まれる燃料ガスの量が、燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスの全部と過不足なく反応させるのに必要な燃料ガスの量と同じ場合と比較して、燃焼器で生成される燃焼排ガスの熱量が少ない。このため、燃焼排ガス流路のうち改質原料ガスを加熱する加熱部の全域での燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して並流である場合に、熱交換性能が低くなるという問題が顕著となる。そこで、第５の観点の構成の場合に、第１の観点の構成を採用することで、第１の観点によって得らえる効果が顕著となる。
【０１１１】
また、第５の観点の構成の場合に、燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスの全部が燃焼器に供給されると、燃料ガスが希薄な状態となり、燃焼器での燃焼が不安定となる。そこで、第５の観点の構成の場合に第２〜４の観点の構成を採用することで、第２オフガス流路を備えていない場合と比較して、燃焼器へ供給される酸化剤オフガスを減らすことができる。このため、燃焼器での酸化剤ガスに対する燃料ガスの混合比が増大することで、燃焼器での燃焼を安定させることができる。
【０１１２】
また、第６の観点によれば、燃料電池装置は、燃料オフガスの一部を燃焼器に導く燃焼器導入流路（１２）と、燃料電池スタックから排出される燃料オフガスの他の一部を、燃料電池スタックに供給するための燃料リサイクル流路（１４）と、をさらに備える。第５の観点の構成となる場合としては、第６の観点の構成を採用する場合が挙げられる。
【符号の説明】
【０１１３】
２      燃料電池スタック
４      燃焼器
６      燃焼排ガス流路
１６    改質器
１６５  改質触媒
Ｓ２２  触媒配置空間
１６１  改質器内壁
１６２  改質器外壁
Ｓ２４  内周側空間
Ｓ２５  外周側空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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