(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードに供給される酸化剤ガスとアノードに供給される改質ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを収容するとともに、その収容空間内を該燃料電池スタックのカソードから排出されたカソードオフガスが流通する燃料電池スタック容器と、
前記燃料電池スタック容器内に設けられ、前記カソードオフガスを集合させる空間であるカソードオフガス集合部と、
前記燃料電池スタックのアノードから排出されたアノードオフガスを流通させるアノードオフガス経路と、
前記カソードオフガス集合部に集合した前記カソードオフガスと前記アノードオフガス経路を流通する前記アノードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、を備え、
前記燃焼部は、
前記アノードオフガスと前記カソードオフガスとを混合させ、燃焼させる空間である燃焼室と、
前記アノードオフガス経路に接続されており、前記アノードオフガスを前記燃焼室に噴出させる噴出部と、
前記噴出部を中心として該噴出部を囲うように配置されており、前記カソードオフガス集合部に集合した前記カソードオフガスを前記燃焼室に噴出させる拡散板と、を有し、
前記噴出部は、前記アノードオフガスを前記燃焼室に噴出させる、複数のアノードオフガス噴出孔を備え、
前記拡散板は、前記カソードオフガス集合部に集合させた前記カソードオフガスを、前記アノードオフガス噴出孔から噴出した前記アノードオフガスの噴流方向と略対向するように噴出させる、複数のカソードオフガス噴出孔を備える高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記燃料電池スタック容器は、前記燃料電池スタックのカソードに供給する前の酸化剤ガスと、燃料電池スタック容器内を流通する前記カソードオフガスとの間で熱交換させる空気熱交換部を備える請求項１に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記燃料電池スタック容器の側壁は、内壁と外壁とを備えており、
前記空気熱交換部は、前記内壁と、前記外壁と、該内壁と該外壁との間に形成された空間であって前記酸化剤ガスを流通させる流通路とから構成され、該内壁を介して該酸化剤ガスと前記カソードオフガスとの熱交換を行う請求項２に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項４】
供給された燃料を改質反応により改質させて改質ガスを生成する改質部を備え、
前記燃焼室において前記アノードオフガスと前記カソードオフガスとを混合させ、燃焼させて生成した排ガスの有する熱により前記改質部を加熱する請求項１から３のいずれか１項に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記改質部と、前記燃料電池スタックとの間に、前記燃焼部が設けられる請求項４に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記燃料電池スタック容器は、前記拡散板を囲むように設けられた燃焼部外周壁を備え、該燃焼部外周壁と前記拡散板とによって囲まれた空間に前記カソードオフガス集合部が設けられており、
前記燃料電池スタックは、前記燃料電池スタック容器内であって、かつ、前記燃焼室における燃焼により形成された火炎の放出方向とは反対側となる位置に設置されている請求項１から５のいずれか１項に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記燃焼室における燃焼により形成された火炎の放出方向が鉛直方向上向きとなるように該燃焼室の開口が設けられており、前記燃料電池スタックは、該燃焼室の下側に設けられる請求項１から５のいずれか１項に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記カソードオフガス集合部は、前記燃料電池スタック容器内を流通する前記カソードオフガスを流入させるための開口部を備え、該開口部の投影面積が前記燃料電池スタックの投影面積よりも小さくなるように構成される請求項１から７のいずれか１項に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項９】
前記カソードオフガス集合部は、前記燃料電池スタック容器内を流通する前記カソードオフガスを流入させるための開口部を備え、前記開口部でのカソードオフガスが通過する開口面積が、前記開口部を通過するまでのカソードオフガスが流れる流路の流路断面積よりも小さくなるように構成される、請求項１から７のいずれか１項に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項１０】
前記カソードオフガス集合部の前記開口部は狭隘になっており、
前記燃料電池スタック容器内を流通する前記カソードオフガスは、狭隘な前記開口部を通じて前記カソードオフガス集合部内に流入する請求項８または９に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項１１】
前記カソードオフガス集合部の前記開口部に設けられ、該開口部を通じて前記カソードオフガス集合部に流入する前記カソードオフガスの流れを整流させる整流板を備える、請求項８から１０のいずれか１項に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項１２】
前記噴出部は円筒形をしており、前記噴出部の中心軸を中心にして該噴出部を囲むように前記拡散板が配置されており、
前記燃料電池スタックおよび前記燃料電池スタック容器それぞれの幅方向における中点を通る中心線と前記噴出部の中心軸とが一致するように該燃料電池スタックおよび該燃料電池スタック容器が配置されている請求項１から１０のいずれか１項に記載の高温動作型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、高温で作動する高温動作型燃料電池スタックを用いた高温動作型燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、小型でも発電効率が高く、また発電時に発生する熱、若しくは燃料電池から排出されたオフガスを燃焼させて得た熱などを利用することができるため、総合効率を高めることができる。例えば、燃料電池から排出されたオフガスをバーナで燃焼させ、得られた熱により改質部での改質反応に必要な熱を賄うことで効率を高めることができる。このように、燃料電池から排出されたオフガスの燃焼熱を、例えば改質反応などに利用する構成の場合、オフガスを効率よく燃焼できるバーナが必要となる。このようなバーナとして例えば、特許文献１、２に開示されたバーナが提案されている。
【０００３】
特許文献１では、炭化水素系物質を主として含む天然ガス等の燃料ガスを、燃焼空間に噴出するための複数の燃料噴出孔を有する燃料ディストリビュータと、燃料ディストリビュータを囲むように配置され、燃焼空間に空気を噴出するための複数の空気噴出孔を有する空気噴出部材を備えたバーナが開示されている。特許文献１のバーナでは、空気噴出孔からほぼ等しい流量で空気が供給され、安定した火炎を形成することができる。
【０００４】
また、特許文献２では、燃焼室に対して都市ガスおよびオフガスを噴出させるための上段ガス噴出孔を有するディストリビュータを備えた水素生成装置用バーナが開示されている。この水素生成装置用バーナでは、燃焼室の側壁に、燃焼用空気を燃焼室内に噴出させるための空気噴出孔が形成されており、この空気噴出孔は上段ガス噴出孔と略対向する位置に配されている。特許文献２の水素生成装置用バーナでは、燃料ガスおよびオフガスの噴流と燃焼用空気の噴流とを衝突させることによって燃料ガスおよびオフガスと、燃焼用空気との混合を促進させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１５６８９５号公報
【特許文献２】特開２００３−２５４５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、一例として、燃焼部における燃焼性を向上させ、発電効率を高めることができる高温動作型燃料電池モジュールを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る高温動作型燃料電池モジュールの一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、カソードに供給される酸化剤ガスとアノードに供給される改質ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容するとともに、その収容空間内を該燃料電池スタックのカソードから排出されたカソードオフガスが流通する燃料電池スタック容器と、前記燃料電池スタック容器内に設けられ、前記カソードオフガスを集合させる空間であるカソードオフガス集合部と、前記燃料電池スタックのアノードから排出されたアノードオフガスを流通させるアノードオフガス経路と、前記カソードオフガス集合部に集合した前記カソードオフガスと前記アノードオフガス経路を流通する前記アノードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、を備え、前記燃焼部は、前記アノードオフガスと前記カソードオフガスとを混合させ、燃焼させる空間である燃焼室と、前記アノードオフガス経路に接続されており、前記アノードオフガスを前記燃焼室に噴出させる噴出部と、前記噴出部を中心として該噴出部を囲うように配置されており、前記カソードオフガス集合部に集合した前記カソードオフガスを前記燃焼室に噴出させる拡散板と、を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、燃焼部における燃焼性を向上させ、発電効率を高めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュールの概略構成の一例を示す側面図である。
【図２】図１の高温動作型燃料電池モジュールが備える燃焼部の概略構成の一例を示す側面図である。
【図３】図１に示す本発明の実施の形態１の変形例１に係る高温動作型燃料電池モジュールが備える燃焼部の概略構成の一例を示す側面図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る高温動作型燃料電池モジュールの概略構成の一例を示す側面図である。
【図５】本発明の実施の形態３における高温動作型燃料電池モジュールの概略構成の一例を示す側面図である。
【図６】本発明の実施の形態１〜３に係る高温動作型燃料電池モジュールが備える燃焼部の拡散板の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
本発明者らは、高温な排熱を有効に利用できる高温動作型燃料電池の一例として固体酸化物形燃料電池システム（以下、ＳＯＦＣシステム）に関して鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。すなわち、ＳＯＦＣシステムでは、例えば、６００℃近傍以上の高温で動作しており、発電時に発生する排熱を有効利用することができる。さらに総合効率を向上させるために、アノードから排出されたアノードオフガスに着火し、カソードから排出されたカソードオフガスとともに燃焼させて排ガスを生成し、この排ガスが有する熱を有効利用することもできる。例えば、排ガスが有する熱を有効利用する構成として、ＳＯＦＣスタック、改質部、酸化剤ガスおよび改質ガスと排ガスとの熱交換を行う熱交換部等を一体の構成として容器内に収める燃料電池システムが考えられる。この様な構成の場合、酸化剤ガス若しくはカソードオフガス、または改質ガス若しくはアノードオフガス等の流体を流通させるための経路が長く複雑になりやすく、それぞれの経路を流通している間に放熱ロスが発生する場合があることに気が付いた。
【００１１】
また、ＳＯＦＣシステムでは、高い燃料利用率（Ｕｆ）で運転するとアノードオフガス中に含まれる水素が減るため、燃焼部における燃焼量が小さくなり、燃焼が不安定になる。ここで、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、発電量に応じて、改質ガスの供給量と酸化剤ガスの供給量との関係が決まる構成である。このため、例えば、特許文献１、２に開示された水素生成装置のように、改質ガスの供給量および酸化剤ガスの供給量を変更させ、燃焼部における燃焼量を制御することができない。このため、高い燃料利用率で運転する場合であっても、燃焼部において必要な燃焼量を確保するためには、アノードオフガスとカソードオフガスとの燃焼性を向上させる必要があることに気が付いた。
【００１２】
そこで、本発明者らは、運転中（特に高い燃料利用率での運転中）においても、燃焼部において安定した燃焼性を確保できるＳＯＦＣシステムについて検討し、その結果、本発明に至った。そして本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。
【００１３】
本発明の第１の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、上記した課題を解決するために、カソードに供給される酸化剤ガスとアノードに供給される改質ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容するとともに、その収容空間内を該燃料電池スタックのカソードから排出されたカソードオフガスが流通する燃料電池スタック容器と、前記燃料電池スタック容器内に設けられ、前記カソードオフガスを集合させる空間であるカソードオフガス集合部と、前記燃料電池スタックのアノードから排出されたアノードオフガスを流通させるアノードオフガス経路と、前記カソードオフガス集合部に集合した前記カソードオフガスと前記アノードオフガス経路を流通する前記アノードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、を備え、前記燃焼部は、前記アノードオフガスと前記カソードオフガスとを混合させ、燃焼させる空間である燃焼室と、前記アノードオフガス経路に接続されており、前記アノードオフガスを前記燃焼室に噴出させる噴出部と、前記噴出部を中心として該噴出部を囲うように配置されており、前記カソードオフガス集合部に集合した前記カソードオフガスを前記燃焼室に噴出させる拡散板と、を有する。
【００１４】
上記構成によると、カソードオフガス集合部が設けられているため、燃料電池スタック容器内において燃料電池スタックから排出されたカソードオフガスを、一度、該カソードオフガス集合部内に集合させることができる。また、集合させたカソードオフガスを、噴出部を囲うように配置された拡散板から燃焼室に向かって噴出させることができる。このため、燃焼室に向かって噴出させるカソードオフガスの分散性を向上させることができる。それ故、燃焼室において、拡散板から噴出されたカソードオフガスと噴出部から噴出されたアノードオフガスとの混合性を改善させることができ、その結果、燃焼室における燃焼性を向上させることができる。
【００１５】
特に、燃焼室における燃焼性が悪化する、高い燃料利用率（Ｕｆ）での運転時であっても拡散板から噴出させたカソードオフガスの分散性を向上させ、カソードオフガスとアノードオフガスとの混合性を改善することができるので、燃焼室において安定した燃焼性を確保できる。また、カソードオフガス集合部が燃料電池スタック容器内に設けられ、カソードオフガス集合部に集合させたカソードオフガスを燃焼部の燃焼室に噴出させる構成であるため、高温のカソードオフガスを燃焼部の燃焼室に導入できる。このため、カソードオフガスの熱ロスを抑制し、燃焼温度の高温化を図ることができ、高い燃料利用率（Ｕｆ）での運転時であっても、燃焼温度を維持でき良好な燃焼性が確保できる。
【００１６】
よって本発明の第１の態様に係る水素生成システムは、燃焼部における燃焼性を向上させ、発電効率を高めることができるという効果を奏する。
【００１７】
また、本発明の第２の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、上記した第１の態様において、前記燃料電池スタック容器は、前記燃料電池スタックのカソードに供給する前の酸化剤ガスと、燃料電池スタック容器内を流通する前記カソードオフガスとの間で熱交換させる空気熱交換部を備える構成であってもよい。
【００１８】
上記構成によると燃料電池スタック容器内において空気熱交換部を備えるため、高温のカソードオフガスの熱の一部を酸化剤ガスによって回収し、燃料電池スタックに供給することができる。このため、燃料電池スタックの温度維持に、排熱（カソードオフガスの有する熱）を有効に活用することができる。
【００１９】
また、本発明の第３の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、上記した第２の態様において、前記燃料電池スタック容器の側壁は、内壁と外壁とを備えており、前記空気熱交換部は、前記内壁と、前記外壁と、該内壁と該外壁との間に形成された空間であって前記酸化剤ガスを流通させる流通路とから構成され、該内壁を介して該酸化剤ガスと前記カソードオフガスとの熱交換を行う構成であってもよい。
【００２０】
上記構成によると、空気熱交換部は、燃料電池スタック容器の側壁を形成する内壁と、外壁と、内壁と外壁との間に形成された流通路から構成されている。つまり、燃料電池スタック容器は、その側壁部分が内壁と外壁との２重壁となっており、内壁と外壁との間に空気層が設けられた構成と考えることができる。このため、燃料電池スタック容器からの放熱を抑制することができる。
【００２１】
また、本発明の第４の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、上記した第１から３の態様のいずれか１つの態様において、前記噴出部は、前記アノードオフガスを前記燃焼室に噴出させる、複数のアノードオフガス噴出孔を備え、前記拡散板は、前記カソードオフガス集合部に集合させた前記カソードオフガスを、前記アノードオフガス噴出孔から噴出した前記アノードオフガスの噴流方向と略対向するように噴出させる、複数のカソードオフガス噴出孔を備える構成であってもよい。
【００２２】
このため、カソードオフガスとアノードオフガスとの混合性を向上させることができる。したがって、高い燃料利用率での運転時においても、燃焼室において安定した燃焼性を確保できる。よって、本発明の第４の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、高い燃料利用率での運転時であっても、安定して発電運転できる。
【００２３】
また、本発明の第５の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、上記した第１から４の態様のいずれか１つの態様において、供給された燃料を改質反応により改質させて改質ガスを生成する改質部を備え、前記燃焼室において前記アノードオフガスと前記カソードオフガスとを混合させ、燃焼させて生成した排ガスの有する熱により前記改質部を加熱する構成であってもよい。
【００２４】
上記構成によるとカソードオフガスとアノードオフガスとの燃焼により生成された排ガスが有する熱により改質部での改質反応に必要な熱を賄うことができるため、高温動作型燃料電池モジュールの総合効率を高めることができる。
【００２５】
また、本発明の第６の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、上記した第５の態様において、前記改質部と、前記燃料電池スタックとの間に、前記燃焼部が設けられる構成であってもよい。
【００２６】
上記構成によると改質部と燃料電池スタックとによって、高温となる燃焼部をはさみこむ構成となり、熱を有効利用することができる。
【００２７】
また、本発明の第７の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、上記した第１から６の態様のいずれか１つの態様において、前記燃料電池スタック容器は、前記拡散板を囲むように設けられた燃焼部外周壁を備え、該燃焼部外周壁と前記拡散板とによって囲まれた空間に前記カソードオフガス集合部が設けられており、前記燃料電池スタックは、前記燃料電池スタック容器内であって、かつ、前記燃焼室における燃焼により形成された火炎の放出方向とは反対側となる位置に設置された構成であってもよい。
【００２８】
上記構成によると、燃料電池スタックが燃料電池スタック容器内であって燃焼室における燃焼により形成された火炎の放出方向とは反対側となる位置に設置されている。このため、高温なカソードオフガスが燃料電池スタック容器内を対流効果によって上昇し、拡散板を介して燃料電池スタックよりも上方に設けられた燃焼室に噴出することができる。このように構成することによって、燃焼室に噴出させるカソードオフガスの分散性を改善させることができる。
【００２９】
また、本発明の第８の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、上記した第１から６の態様のいずれか１つの態様において、前記燃焼室における燃焼により形成された火炎の放出方向が鉛直方向上向きとなるように該燃焼室の開口が設けられており、前記燃料電池スタックは、該燃焼室の下側に設けられる構成であってもよい。
【００３０】
また、本発明の第９の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、上記した第１から８の態様のいずれか１つの態様において、前記カソードオフガス集合部は、前記燃料電池スタック容器内を流通する前記カソードオフガスを流入させるための開口部を備え、該開口部の投影面積が前記燃料電池スタックの投影面積よりも小さくなるように構成されてもよい。
【００３１】
上記構成によると、カソードオフガス集合部の開口部の投影面積が、燃料電池スタックの投影面積よりも小さくなるため、燃料電池スタック容器内に排出されたカソードオフガスが、カソードオフガス集合部で集約されて整流される。このため、拡散板から燃焼室に向かって噴出されるカソードオフガスの分散性を向上させることができる。
また、本発明の第１０の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、上記した第１から８の態様のいずれか１つの態様において、前記燃料電池スタック容器内を流通する前記カソードオフガスを流入させるための開口部を備え、前記開口部でのカソードオフガスが通過する開口面積が、前記開口部を通過するまでのカソードオフガスが流れる流路の流路断面積よりも小さくなるように構成されてもよい。
【００３２】
また、本発明の第１１の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、上記した第９または１０の態様において、前記カソードオフガス集合部の前記開口部は狭隘になっており、前記燃料電池スタック容器内を流通する前記カソードオフガスは、前記狭隘な前記開口部を通じて前記カソードオフガス集合部内に流入するように構成されていてもよい。
【００３３】
また、本発明の第１２の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、上記した第９から１０のいずれか１つの態様において、前記カソードオフガス集合部の前記開口部に設けられ、該開口部を通じて前記カソードオフガス集合部に流入する前記カソードオフガスの流れを整流させる整流板を備える構成であってもよい。
【００３４】
上記構成によると整流板を備えるため、拡散板から噴出させるカソードオフガスの分散性を改善することができる。
【００３５】
また、本発明の第１３の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、上記した第１から１２の態様のいずれか１つの態様において前記噴出部は円筒形をしており、前記噴出部の中心軸を中心にして該噴出部を囲むように前記拡散板が配置されており、前記燃料電池スタックおよび前記燃料電池スタック容器それぞれの幅方向における中点を通る中心線と前記噴出部の中心軸とが一致するように該燃料電池スタックおよび該燃料電池スタック容器が配置されている構成であってもよい。
【００３６】
上記構成によると、カソードオフガスは、燃料電池スタックから排出された後、噴出部の中心軸に対して対称となるように流れて、カソードオフガス集合部に集合し、集合したカソードオフガスが拡散板から噴出させられる。このため、燃焼室に噴出させられるカソードオフガスの分散性を向上させることができる。
【００３７】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３８】
［実施の形態１］
（高温動作型燃料電池モジュールの構成）
まず、図１を参照して、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００の概略構成の一例を示す側面図である。図１では、高温動作型燃料電池モジュール１００を側面側から見たときの要部構成を示しており、高温動作型燃料電池モジュール１００は、紙面における下方を底面、上方を上面とする中空の円筒体または柱体として構成することができる。
【００３９】
なお、実施の形態１では、高温動作型燃料電池モジュール１００として発電部に固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を有するＳＯＦＣシステムを例に挙げて説明するがこれに限定されるものではない。例えば、高温動作型燃料電池モジュール１００は、発電部に溶融炭酸形燃料電池（ＭＣＦＣ）を有するＭＣＦＣシステムなどであってもよく、高温な排熱を有効活用できる燃料電池システムであればよい。
【００４０】
高温動作型燃料電池モジュール１００は、外部から供給された、例えば空気などの酸化剤ガス（カソードガス）と、外部から供給された例えば天然ガス等の燃料を改質して得られた改質ガス（アノードガス）との電気化学的な反応により発電する。高温動作型燃料電池モジュール１００は、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック容器２と、改質部５と、燃焼部７と、アノードオフガス経路１１と、改質ガス経路１３と、容器外空気熱交換部１４と、第１空気経路１５と、排ガス排出口１６と、容器内空気熱交換部（空気熱交換部）２３と、第２空気経路２４と、カソードオフガス集合部２６と、を備える。なお、図１における水平方向を、高温動作型燃料電池モジュール１００の幅方向とし、垂直方向を高温動作型燃料電池モジュール１００の高さ方向とする。
【００４１】
燃料電池スタック１は、外部から供給された酸化剤ガスと改質部５における改質反応により生成された改質ガスとを利用して発電する燃料電池の単セルを、例えば複数、積層し、直列に接続して形成されている。燃料電池スタック１は、複数の平板形の燃料電池セルを積層して形成されていてもよいし、複数の円筒形の燃料電池セルを積層して形成してもよい。実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００では、燃料電池スタック１は、６００℃近傍以上の高温で作動する。なお、燃料電池スタック１には、特に図示しないが該燃料電池スタック１の動作温度を検出する温度検出器、および該燃料電池スタック１において発電した電流を取り出す電極などが設けられている。燃料電池スタック１の構成は一般的な燃料電池スタックと同等であるため、詳細な構成の説明は省略する。
【００４２】
燃料電池スタック容器２は、燃料電池スタック１を収容する容器である。燃料電池スタック容器２における燃料電池スタック１の収容空間内を該燃料電池スタック１のカソードから排出されたカソードオフガスが流通する構成となっている。燃料電池スタック容器２の側壁は、図１に示すように内壁２０と外壁２１とから構成されており、該内壁２０の内側の空間、換言すると内壁２０と底面と上面とによって囲まれた空間内に、燃料電池スタック１が収められている。
【００４３】
また、燃料電池スタック容器２の側壁部分は、燃料電池スタック１のカソード側に供給する酸化剤ガスを、燃料電池スタック１から排出されたカソードオフガスの有する熱により予熱することができる容器内空気熱交換部２３となっている。なお、容器内空気熱交換部２３は、本発明の空気熱交換部に相当する。つまり、容器内空気熱交換部２３は、内壁２０、外壁２１、該内壁２０と該外壁２１との間に形成された空間であって酸化剤ガスを流通させる流通路２２から構成されている。容器外空気熱交換部１４および第１空気経路１５を通じて外部から供給された酸化剤ガスがこの流通路２２を流通する。容器内空気熱交換部２３では、酸化剤ガスが、内壁２０と外壁２１との間に形成された流通路２２を流通する際に、燃料電池スタック容器２内を流通するカソードオフガスと内壁２０を介して熱交換を行い、予熱される。容器内空気熱交換部２３は、酸化剤ガスの流れ方向における上流側の端部で、第１空気経路１５と接続され、下流側の端部で第２空気経路２４と接続されている。そして、容器内空気熱交換部２３を流通した酸化剤ガスは、第２空気経路２４を介して燃料電池スタック１のカソードに供給される。カソードに供給された酸化剤ガスは、カソードオフガスとして燃料電池スタック１から燃料電池スタック容器２の内壁２０に向かって排出される。そして、排出されたカソードオフガスと容器内空気熱交換部２３内を流れる酸化剤ガスとの間で熱交換し、酸化剤ガスが予熱される構成となっている。その後、カソードオフガスは、燃料電池スタック容器２内に設けられたカソードオフガス集合部２６に導かれ、燃焼部７における燃焼に利用される。
【００４４】
カソードオフガス集合部２６は、燃料電池スタック容器２内に設けられ、カソードオフガスを集合させる空間である。図１に示すように燃料電池スタック容器２の上方でかつ、拡散板９を囲むように、カソードオフガス集合部２６が形成されている。カソードオフガス集合部２６には、燃料電池スタック１から排出され、容器内空気熱交換部２３を流通する酸化剤ガスとの熱交換により保有する熱の一部を失ったカソードオフガスが集められる。本実施の形態１では、アノードオフガスを噴出するための噴出部８が燃料電池スタック容器２の上面における中心部分に設けられており、燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスはアノードオフガス経路１１を流通し、噴出部８に供給される。噴出部８を中心にその周りを取り囲むように拡散板９が配置されており、さらに燃料電池スタック容器２内において拡散板９を取り囲むようにカソードオフガス集合部２６が設けられている。
【００４５】
図１に示すように、燃料電池スタック容器２の上面の中央部分は、上面から底面に向かって先細りとなったテーパ形状となるように窪んでいる。そして、この窪みによってアノードオフガスとカソードオフガスとの燃焼空間である燃焼室１０を形成している。窪みの底部における中心には噴出部８が、燃料電池スタック容器２の上面に対して垂直方向でかつ上向に突出するように設けられている。噴出部８は、円筒形状をしており、その側面にアノードオフガスを噴出するための複数のアノードオフガス噴出孔８１が設けられている。そして、円筒形状の噴出部８の中心軸оから径方向に向かってアノードオフガスがアノードオフガス噴出孔８１から噴出されるように構成されている。また、噴出部８の中心軸оの軸周りに、該噴出部８を取り囲むように、カソードオフガスを噴出させる拡散板９が設けられている。つまり、拡散板９によってテーパ形状の窪み（燃焼室１０）の斜面部分の壁面を形成する構成となっている。なお、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００は水平面上に載置されているため、噴出部８の突出方向は鉛直方向と一致することとなる。
【００４６】
また、上記した噴出部８、拡散板９、および燃焼室１０によって本実施の形態１に係る燃焼部７を構成する。燃焼部７の詳細な構成については後述する。
【００４７】
改質部５は、外部から供給された天然ガス等の燃料と水とを利用して改質反応を進行させ、水素含有ガスである改質ガスを生成させる。改質部５には改質触媒として、例えばＲｕ系の改質触媒が充填されている。改質部５において生成した改質ガスは、改質ガス経路１３を流通して燃料電池スタック１に供給される構成となっている。なお、図１では図示していないが、改質部５には外部から燃料を供給するための供給経路と、外部から水を供給するための水経路とが接続されている。改質部５は、水蒸気改質反応により燃料から改質ガスを生成する一般的な改質部と同様な構成を有するため詳細な構成の説明は省略する。
【００４８】
（高温動作型燃料電池モジュールにおける流体の流れ）
ここで、高温動作型燃料電池モジュール１００における流体（酸化剤ガス、カソードオフガス、改質ガス、およびアノードオフガス）の流れについて説明する。
【００４９】
高温動作型燃料電池モジュール１００では、外部から燃料と水とが改質部５に供給される。供給された水は、燃焼部７の燃焼室１０で発生させた排ガスの有する熱で水蒸気となり、原料と混合された混合ガスの状態で改質部５の改質触媒に供給される。そして、供給された混合ガスを利用して改質触媒で改質反応を進行させて改質ガス（アノードガス）を生成し、生成された改質ガスは改質ガス経路１３介して燃料電池スタック容器２内に収容されている燃料電池スタック１に供給される。つまり、改質部５における改質反応で必要となる熱は、排ガスの有する熱により賄う構成となっている。
【００５０】
また、高温動作型燃料電池モジュール１００では、外部から酸化剤ガスとして空気が容器外空気熱交換部１４に供給される。容器外空気熱交換部１４では、該容器外空気熱交換部１４を流通する酸化剤ガスと、改質部５において保有する熱の一部が利用された排ガスとの間で熱交換され、酸化剤ガスが予熱される。酸化剤ガスとの熱交換によりさらに保有する熱の一部を失った排ガスは、排ガス排出口１６を介して外部に排出される。
【００５１】
一方、容器外空気熱交換部１４において予熱された酸化剤ガスは、第１空気経路１５を介して燃料電池スタック容器２内に流入して容器内空気熱交換部２３に送られる。容器内空気熱交換部２３では、容器外空気熱交換部１４で予熱された酸化剤ガスと燃料電池スタック１から排出されたカソードオフガスとの間で熱交換し、酸化剤ガスをさらに予熱する。さらに予熱された酸化剤ガスは、第２空気経路２４を通して燃料電池スタック１に送られる。
【００５２】
燃料電池スタック１では、供給された改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学的な反応により発電する。燃料電池スタック１からは、発電に未利用の酸化剤ガスを含むカソードオフガスおよび発電に未利用の改質ガスを含むアノードオフガスが排出される。カソードオフガスは燃料電池スタック１から燃料電池スタック容器２内に排出され、上記したように容器内空気熱交換部２３を流通する酸化剤ガスと熱交換をし、その後カソードオフガス集合部２６に導かれる。そして、カソードオフガス集合部２６に導かれたカソードオフガスは、拡散板９から燃焼室１０に噴出される。一方、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス経路１１を通じて噴出部８に供給され、噴出部８から燃焼室１０に噴出される。そして、燃焼室１０において不図示の着火部によってアノードオフガスに着火し、カソードオフガスとともに燃焼させられる。
【００５３】
（燃焼部の構成）
次に、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００が有する燃焼部７の構成について図２を参照して詳細に説明する。なお、上記したように、燃焼部７は、燃料電池スタック容器２の上面に設けられており、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合させ、燃焼させる部分である。図２は、図１の高温動作型燃料電池モジュール１００が備える燃焼部７の概略構成の一例を示す側面図である。
【００５４】
図２に示すように、燃焼部７では、燃料電池スタック容器２の上面と平行となる燃焼室１０の底部に対して垂直方向でかつ該底部から上向きに噴出部８が突出して設けられている。この噴出部８は、円筒形状をしており、その側面の所定の位置に複数のアノードオフガス噴出孔８１が設けられている。そして、噴出部８は、アノードオフガス噴出孔８１からアノードオフガスを燃焼室１０に向かって噴出させることができる。噴出部８の基端部側にアノードオフガス経路１１が接続されており、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスはこのアノードオフガス経路１１を通じて噴出部８に供給されるように構成されている。
【００５５】
燃焼部７では、燃焼室１０において、噴出部８を中心にして、該噴出部８を囲うように拡散板９が設けられている。ここで燃料電池スタック容器２内にある拡散板９の面を内側面とし、燃料電池スタック容器２の外側にある拡散板９の面を外側面としたき、拡散板９の内側面の側にカソードオフガス集合部２６が設けられ、外側面の側に燃焼室１０が設けられる。燃料電池スタック容器２内では、拡散板９を取り囲むようにカソードオフガス集合部２６が形成されている。拡散板９には、カソードオフガス集合部２６と、燃焼室１０とを連通させ、カソードオフガス集合部２６に集められたカソードオフガスを燃焼室１０に向かって噴出させるためのカソードオフガス噴出孔９１が複数、設けられている。
【００５６】
上記したように、燃焼部７では、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスが噴出部８に設けられるアノードオフガス噴出孔８１を通して燃焼室１０に噴出され、カソードオフガスが、拡散板９に設けられるカソードオフガス噴出孔９１を通して、燃焼室１０に噴出される。また、本実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００では、カソードオフガス噴出孔９１は、拡散板９を水平方向に貫通するように設けられており、アノードオフガス噴出孔８１は、噴出部８の側面を水平方向に貫通するように設けられている。つまり、カソードオフガス噴出孔９１は、アノードオフガス噴出孔８１と略対向する位置に設けられ、拡散板９は、カソードオフガス集合部２６に集合させたカソードオフガスを、アノードオフガス噴出孔８１から噴出したアノードオフガスの噴流方向と略対向するように噴出させる、このため、アノードオフガス噴出孔８１から噴出されたアノードオフガスの噴流とカソードオフガス噴出孔９１から噴出されたカソードオフガスの噴流とが衝突し、その結果、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合が促進される。なお、図２では、特に図示していないが、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスに着火する着火部および燃焼部７における燃焼状態を検知するための燃焼検知部をさらに備えた構成であってもよい。着火部および燃焼検知部は一般的に知られている公知の着火部および燃焼検知部を利用することができるため、その詳細な説明は省略する。
【００５７】
また、燃焼部７における燃焼室１０は、上記したように燃料電池スタック容器２の上面の中央部分が底面側に向かって先細りとなったテーパ形状の燃焼室１０を形成しており、燃焼室１０の底部の中心にはアノードオフガスを噴出するための噴出部８が、燃料電池スタック容器２の上面に対して垂直方向でかつ燃焼室１０の底部から上方に向かって突出するように設けられた構成であった。そして、火炎の形成方向が鉛直方向上向きとなるように、燃焼室１０の上方に開口が設けられた構成となっている。このように、燃焼室１０の形状が火炎の形成方向に向かうにしたがって幅広となるテーパ形状となってなるため、燃焼排ガスの流速が火炎の形成方向に向かって連続的に減少させることができるため、燃焼室１０内での燃焼の安定性を確保することができる。
【００５８】
また、カソードオフガス集合部２６は、図２に示すように、燃料電池スタック容器２の上面に対して垂直方向下向きに延伸した縦壁２６ａ１と、燃料電池スタック容器２内に向かって窪んだ位置にある燃焼室１０の底部に沿って燃料電池スタック容器２の幅方向（水平方向）に突出した水平壁２６ｂと、拡散板９とによって囲まれた空間として形成されている。また、縦壁２６ａ１と水平壁２６ｂとの間に間隙が設けられており、この間隙によってカソードオフガスをカソードオフガス集合部２６へと流入させるための開口部２６ｃを形成している。なお、縦壁２６ａ１と水平壁２６ｂとによって、拡散板９を囲むように設けられた本発明の燃焼部外周壁を構成する。したがって、カソードオフガス集合部２６は、燃焼部外周壁と拡散板９とによって囲まれた空間に設けられているともいえる。
開口部２６ｃでのカソードオフガスが通過する開口面積が、開口部２６ｃを通過するまでのカソードオフガスが流れる流路の流路断面積よりも小さいことが望ましい。この構成により、開口部２６ｃでカソードオフガスが集約されて一度整流されるので、カソードオフガス噴出孔９１から噴出されるカソードオフガスの分散性を向上させることができる。
【００５９】
なお、開口部２６ｃの真上から見た投影面積が、燃料電池スタック１を真上から見た投影面積よりも小さくなる関係にある。本実施の形態１では、縦壁２６ａ１と水平壁２６ｂとによって開口部２６ｃの寸法が狭隘となるように設計しており、これら２つの壁部の配置によって開口部２６ｃの投影面積を調整することができるようになっている。
【００６０】
また、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００では、燃焼室１０における燃焼により生成された排ガスの有する熱によって効率よく改質部５を加熱できるようにするため、改質部５は、燃料電池スタック容器２の上面上に燃焼室１０を囲うように配置されている。そして、改質部５と、燃料電池スタック１との間であって、燃料電池スタック容器２の上面に燃焼部７が設けられた構成となっている。また、燃焼部７の燃焼室１０での火炎形成方向が鉛直方向上向きになるように燃焼室１０の開口が設けられた構成となっている。つまり、燃料電池スタック１は、燃料電池スタック容器２内であって、かつ燃焼室１０における燃焼により形成された火炎の放出方向とは反対側となる位置に配置されている。
【００６１】
なお、図１、２において特に図示していないが、高温動作型燃料電池モジュール１００の外周は断熱材によって覆われた構成としてもよい。
【００６２】
（高温動作型燃料電池モジュールの構成上の特徴）
次に、上記した構成を有する実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００の構成上の特徴について説明する。
【００６３】
上述したように、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス経路１１を通じて燃焼部７の噴出部８に送られる。また、燃料電池スタック１から排出されたカソードオフガスは、燃料電池スタック容器２内に排出され、カソードオフガス集合部２６に集められる。
【００６４】
ここで、燃料電池スタック容器２内にカソードオフガス集合部２６が設けられていない構成の場合、カソードオフガスは、燃料電池スタック容器２の内壁２０に沿って上方に流れやすくなる。このため、カソードオフガスは、拡散板９の上方側に設けられたカソードオフガス噴出孔９１から噴出されるカソードオフガスの流量の方が拡散板９の下方側に設けられたカソードオフガス噴出孔９１から噴出されるカソードオフガスの流量よりも大きくなる傾向がある。それ故、拡散板９から噴出されるカソードオフガスの流量が不均一となる。
【００６５】
これに対して、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００では、燃料電池スタック容器２内において、拡散板９を取り囲むようにカソードオフガス集合部２６が形成されている。そして、カソードオフガス集合部２６に集合させられたカソードオフガスが拡散板９のカソードオフガス噴出孔９１を介して燃焼室１０に噴出させられる構成である。このように、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００では、カソードオフガス集合部２６に一度カソードオフガスを集合させる構成であるため、カソードオフガス噴出孔９１から噴出させるカソードオフガスの分散性を改善することができる。このため、燃焼室１０において、噴出部８のアノードオフガス噴出孔８１から噴出されたアノードオフガスとの混合性を改善させることができ、その結果、燃焼室１０における燃焼性を向上させることができる。
【００６６】
特に、高い燃料利用率（Ｕｆ）での運転では、アノードオフガスに含まれる水素が希薄となる。その上、カソードオフガス噴出孔９１からカソードオフガスが不均一に噴出されると、噴出されるカソードオフガスの流量が小さい部分における、アノードオフガスとカソードオフガスの混合ガスは、他の部分における混合ガスよりも含有される水素がさらに希薄となり、燃焼室１０における燃焼性の悪化要因となる。
【００６７】
これに対して、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００の構成では、上記したように拡散板９から噴出させたカソードオフガスの分散性を向上させることができるため、燃焼室１０において安定した燃焼性を確保できる。
【００６８】
また、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００では、噴出部８には複数のアノードオフガス噴出孔８１が一定の間隔で設けられている。また、拡散板９には、アノードオフガス噴出孔８１から噴出させたアノードオフガスに略対向するように噴出させる複数のカソードオフガス噴出孔９１が、拡散板９全体に渡って一定の間隔で設けられている。このように、噴出部８および拡散板９それぞれにおいて複数の噴出孔が設けられた構成であるため、燃焼室１０においてカソードオフガスとアノードオフガスとの混合空間を広く取ることができる。また、カソードオフガスとアノードオフガスとを略対向するように噴出させ構成であるため、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合性を向上させることができる。したがって、高い燃料利用率（Ｕｆ）での運転時においても、燃焼室１０において安定した燃焼性を確保できる。
【００６９】
したがって、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００は、高い燃料利用率（Ｕｆ）での運転時であっても、安定して発電運転でき、投入する燃料に対して得られる発電エネルギーが高く、総合効率の高い構成とすることができる。
【００７０】
また、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００では、カソードオフガス集合部２６の開口部２６ｃの投影面積が、燃料電池スタック１の投影面積よりも小さくなる構成であった。このような構成により、燃料電池スタック容器２内に排出されたカソードオフガスが、カソードオフガス集合部２６で集約されて整流されるので、カソードオフガス噴出孔９１から噴出されるカソードオフガスの分散性を向上させることができる。
【００７１】
また、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００では、燃料電池スタック１および燃料電池スタック容器２の幅方向における中点を通る中心線を、噴出部８の中心軸оと一致させるように各部を配置している。このため、燃料電池スタック１から排出されたカソードオフガスが上記した中心軸оに対して対称となるように流れてカソードオフガス集合部２６に集合し、集合したカソードオフガスが、カソードオフガス噴出孔９１から噴出させられる。このため、燃焼室１０に噴出させられるカソードオフガスの分散性を向上させることができる。
【００７２】
また、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００では、燃料電池スタック容器２の上面部分に燃焼部７の拡散板９が設けられた構成である。ここで燃料電池スタック１は高温で作動するため、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガス、ならびに燃料電池スタック容器２内も高温となる。実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００では、カソードオフガスは拡散板９を介して燃焼部７の燃焼室１０に供給される。換言すると、燃料電池スタック容器２内から直接的に燃焼室１０に供給されている。このように、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００は、カソードオフガスが燃焼室１０へ至る路長を短くすることができる構成であるため、カソードオフガスを、配管などを流通させて燃焼室１０へ供給させる構成と比較して、燃焼室１０に至るまでの放熱ロスを防ぐことができ、熱を有効に利用できる。またカソードオフガスの放熱ロスの抑制による熱の有効利用の観点からだけではなく、さらに以下の観点からも実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００は有利となる。
【００７３】
すなわち、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００では、カソードオフガスを高温な状態で燃焼室１０へ供給させることができるため、該燃焼室１０における燃焼反応維持に必要な熱量を維持することができる。それ故、高い燃料利用率となる運転条件時のように燃焼熱が小さくなる燃焼条件下であっても、燃焼を安定化させることができる。
【００７４】
また、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００は、上記したように、燃料電池スタック容器２の側壁部分に容器内空気熱交換部２３が設けられた構成であった。つまり、燃料電池スタック容器２は、その側壁部分が内壁２０と外壁２１との２重壁となっており、内壁２０と外壁２１との間に空気層が設けられた構成と考えることができる。このため、燃料電池スタック容器２からの放熱を抑制することができる。また、容器内空気熱交換部２３において酸化剤ガスをカソードオフガスの有する熱により予熱し、燃料電池スタック１に供給することができる構成であった。つまり、高温のカソードオフガスの熱の一部を酸化剤ガスによって回収し、燃料電池スタック１に供給することができる構成である。このため、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００では、燃料電池スタック１の温度維持に、排熱（カソードオフガスの有する熱）を有効に活用することができる構成となっている。
【００７５】
また、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００は、上記したように、改質部５と、燃料電池スタック１との間であって、燃料電池スタック容器２の上面に燃焼部７を設ける構成であった。このため、改質部５と燃料電池スタック１とによって、高温となる燃焼部７をはさみこむ構成となり、熱を有効利用することができる。また、燃焼部７の燃焼室１０での火炎形成方向が鉛直方向上向きになるように燃焼室１０の開口が設けられていた。また、燃料電池スタック１は、燃焼部７の下側に設けられた構成となっていた。このため、高温なカソードオフガスが燃料電池スタック容器２内を対流効果によって上昇し、拡散板９を介して燃料電池スタック１よりも上方に設けられた燃焼室１０に噴出することができる。このように構成することによって、カソードオフガス噴出孔９１から燃焼室１０に噴出させるカソードオフガスの分散性を改善させることができるとともに、カソードオフガスが有する熱の利用も向上させることができる。
【００７６】
（変形例１）
次に、図１、２に示した実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００の変形例１について図３を参照して説明する。図３は、図１に示す本発明の実施の形態１の変形例１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００が備える燃焼部７の概略構成の一例を示す側面図である。
【００７７】
実施の形態１の変形例１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００が備える燃焼部７は、図３に示すように、整流板２７と、カソードオフガスをアノードオフガスの噴出方向に対して略直交するように噴出させる下部噴出孔９２とをさらに備える点で実施の形態１に係る燃焼部７の構成と異なるが、それ以外は同様な構成を有する。このため、同様な部材には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００７８】
整流板２７は、カソードオフガス集合部２６内に流入するカソードオフガスの流れを整流させるための板部材である。整流板２７は、開口部２６ｃの開口面積を狭めることでカソードオフガス集合部２６に流入するカソードオフガスの圧力損失を高め、流入してくるカソードオフガスの流速を早める。これによってカソードオフガス集合部２６内に流入するカソードオフガスを整流することができる。実施の形態１の変形例１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００では、整流板２７は、縦壁２６ａ１の先端部において該縦壁２６ａ１に対して垂直となるように設けられている。しかしながら、整流板２７はこれに限定されるものではなく水平壁２６ｂ側に設けられていてもよい。整流板２７は、カソードオフガス集合部２６に流入するカソードオフガスの圧力損失を高め、カソードオフガスを整流することができるものであればよく、設置位置、設置個数、および形状は任意である。このように、実施の形態１の変形例１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００は、整流板２７を備えるため、カソードオフガス噴出孔９１から噴出させるカソードオフガスの分散性を改善することができる。
【００７９】
下部噴出孔９２は、燃焼室１０の底部から噴出部８の突出方向に沿って上方に向かって、カソードオフガスを噴出させるための噴出孔である。下部噴出孔９２は、燃焼室１０の底部に対して垂直方向に貫通し、カソードオフガス集合部２６と燃焼室１０とが連通するように設けられている。このように、下部噴出孔９２から噴出されるカソードオフガスの噴流方向は、噴出部８から噴出されるアノードオフガスの噴流方向と略直交するようになっている。このため、燃焼室１０において、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合をさらに促進することができる。
【００８０】
（実施の形態２）
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２に係る高温動作型燃料電池モジュール２００の構成について説明する。図４は、本発明の実施の形態２に係る高温動作型燃料電池モジュール２００の概略構成の一例を示す側面図である。図４では、高温動作型燃料電池モジュール２００を側面側から見たときの要部構成を示しており、高温動作型燃料電池モジュール２００は、紙面における下方を底面、上方を上面とする中空の円筒体または柱体として構成することができる。
【００８１】
実施の形態２に係る高温動作型燃料電池モジュール２００は、燃焼部７の構成が異なる点を除けば実施の形態１に係る高温動作型燃料電池モジュール１００と同様な構成となるため、同様な部材には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００８２】
実施の形態１に係る燃焼部７が、燃料電池スタック容器２の上面に対して垂直方向下向きに延伸した縦壁２６ａ１を有しているのに対して、実施の形態２に係る燃焼部７は、図４に示すように、該上面に対して垂直方向上向きに延伸した縦壁２６ａ２を備えている点で異なる。また、実施の形態１に係る燃焼部７では、燃焼室１０は、その底部が燃料電池スタック容器２の上面よりも下方に位置しており窪んだ形状であったのに対して、実施の形態２に係る燃焼部７では、燃焼室１０は、その底部が燃料電池スタック容器２の上面と同じ位置となっている点でも異なる。さらにまた、実施の形態１に係る燃焼部７では、拡散板９が燃料電池スタック容器２の上面と燃焼室１０の底部との間に拡散板９が配置されていたのに対して、実施の形態２に係る燃焼部７では、縦壁２６ａ２の先端部と燃焼室１０の底部との間に拡散板９が配置される点で異なっている。すなわち、実施の形態２に係る燃焼部７の構成は、カソードオフガス集合部２６を燃料電池スタック容器２の上面からその上方（改質部５が設置される側）に向かって張り出させ、拡散板９を囲うように設けた点で実施の形態１に係る燃焼部７の構成と異なる。
【００８３】
実施の形態２に係る高温動作型燃料電池モジュール２００では、燃焼部７において、上記したように、カソードオフガス集合部２６を改質部５が設置される側に張り出させる構成であるため、燃料電池スタック容器２の上面の高さを低く抑えることができる。このため、燃料電池スタック容器２内を流通するカソードオフガスの放熱を小さくすることができ、高温動作型燃料電池モジュール２００の熱効率を向上させることができる。
【００８４】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における高温動作型燃料電池モジュール３００の概略構成の一例を示す側面図である。実施の形態３に係る高温動作型燃料電池モジュール３００は、実施の形態２に係る高温動作型燃料電池モジュール２００と同様な構成を有するが、燃料電池スタック１に対するカソードオフガス集合部２６、燃焼部７、および改質部５それぞれとの配置関係が異なっている。また、実施の形態２に係る高温動作型燃料電池モジュール２００では容器外空気熱交換部１４が改質部５の側部と上部とを覆うように配置されていたが、実施の形態３に係る高温動作型燃料電池モジュール３００では、容器外空気熱交換部１４が、改質部５および燃料電池スタック容器２の上方に位置するように配置されている点で異なる。
【００８５】
より具体的には、実施の形態３に係る高温動作型燃料電池モジュール３００は、燃焼部７を、燃料電池スタック１の鉛直方向の上方でなく、側面に位置するように設け、改質部５をその燃焼室１０を囲うように設けるように各部が配置されている。また、容器外空気熱交換部１４は、燃料電池スタック容器２と改質部５の上部を覆う形状となっている。
【００８６】
このように各部を配置した構成とすることで、高温動作型燃料電池モジュール３００の高さ方向を低くすることができる。このため、高さ方向に制限のある設置場所であっても、比較的容易に高温動作型燃料電池モジュール３００を設置することができる。
【００８７】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【００８８】
例えば、上記した高温動作型燃料電池モジュール１００、２００、３００が有する燃焼室１０の形状は、拡散板９が該燃焼室１０の底部に向かって先細りとなるテーパ形状をしていたが拡散板９の形状はこれに限定されるものではない。燃焼室１０の開口側の所定区間では、拡散板９はテーパ形状とならず垂直方向にまっすぐ平行に延びた形状となっていてもよい。あるいは、図６に示すように、拡散板９は階段状に形成され、底部に向かって先細りとなる形状であってもよい。図６は、本発明の実施の形態１〜３に係る高温動作型燃料電池モジュール１００、２００、３００が備える燃焼部７の拡散板９の変形例を示す図である。図６に示すように、拡散板９が階段上に形成される構成の場合、拡散板９が有する水平面に下部噴出孔９２が形成され、該水平面に対して垂直に交わる垂直面にカソードオフガス噴出孔９１が形成される構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明に係る高温動作型燃料電池モジュールは、高い燃料利用率の運転条件で運転中の場合であっても、カソードオフガスとアノードオフガスとの燃焼性を安定化させることができ、発電時に発生する排熱も有効に利用することができるので、総合効率の高い燃料電池システムとして有用である。
【符号の説明】
【００９０】
１      燃料電池スタック
２      燃料電池スタック容器
５      改質部
７      燃焼部
８      噴出部
９      拡散板
１０      燃焼室
１１      アノードオフガス経路
１３      改質ガス経路
１４      容器外空気熱交換部
１５      第１空気経路
１６      排ガス排出口
２０      内壁
２１      外壁
２２      流通路
２３      容器内空気熱交換部
２４      第２空気経路
２６      カソードオフガス集合部
２６ａ１  縦壁
２６ａ２  縦壁
２６ｂ    水平壁
２６ｃ    開口部
２７      整流板
８１      アノードオフガス噴出孔
９１      カソードオフガス噴出孔
９２      下部噴出孔
１００      高温動作型燃料電池モジュール
２００      高温動作型燃料電池モジュール
３００      高温動作型燃料電池モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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