(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質ガスと酸化剤空気との電気化学反応により発電する燃料電池セルスタックと、
原燃料及び改質用水を含む炭化水素燃料が供給されると共に、前記炭化水素燃料が気化されて炭化水素ガスが生成される気化流路と、
前記炭化水素ガスが供給されると共に、改質触媒層が設けられ、前記炭化水素ガスが水蒸気改質されて前記改質ガスが生成される改質流路と、
前記気化流路及び前記改質流路の少なくとも一方と伝熱壁を介して隣接され、前記酸化剤空気が流れる酸化剤空気流路と、
前記改質流路の入口部での前記炭化水素ガスの温度を検出する入口温度検出部と、
前記改質流路の出口部での前記改質ガスの温度を検出する出口温度検出部と、
前記酸化剤空気流路における前記酸化剤空気の流量を調節する空気量調節部と、
前記改質流路の入口部での前記炭化水素ガスの温度が該炭化水素ガスの熱分解反応を起こさない温度以下となるように、前記入口温度検出部の検出結果に基づいて前記空気量調節部を制御するモードと、前記燃料電池セルスタックの発電時に前記改質流路の入口部での前記炭化水素ガスの温度が該炭化水素ガスの熱分解反応を起こさない温度以下である場合に、前記改質流路の出口部での前記改質ガスの温度が、該温度が低いことにより前記燃料電池セルスタックの発電性能低下が起こらない温度以上となるように、前記出口温度検出部の検出結果に基づいて前記空気量調節部を制御するモードと、を有し、前記気化流路の出口部及び前記改質流路の入口部の少なくとも一方での前記炭化水素ガスから前記酸化剤空気への伝熱量を調節する制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池セルスタックの周囲に設けられた円筒状又は楕円筒状の収容部と、
前記燃料電池セルスタックの上方に前記収容部と同軸上に設けられた円筒状又は楕円筒状の周壁部を有すると共に、前記燃料電池セルスタックから排出され前記周壁部の内側に供給されたスタック排ガスを燃焼し、燃焼排ガスを上方に排出する燃焼部と、
前記燃焼部の上方に前記周壁部と同軸上に設けられると共に、互いの間に隙間を有する四重の円筒状又は楕円筒状の伝熱壁によって構成され、且つ、該四重の伝熱壁の間に、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、前記改質流路、及び、前記酸化剤空気流路が形成された改質部と、
前記改質部の上方に前記改質部と同軸上に設けられると共に、互いの間に隙間を有する四重の円筒状又は楕円筒状の伝熱壁によって構成され、且つ、該四重の伝熱壁の間に、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、前記気化流路、及び、前記酸化剤空気流路が形成された気化部とを備え、
前記収容部、前記周壁部、前記改質部、及び、前記気化部は、燃料電池モジュールの容器を構成する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
改質ガスと酸化剤空気との電気化学反応により発電する燃料電池セルスタックと、
原燃料及び改質用水を含む炭化水素燃料が供給されると共に、前記炭化水素燃料が気化されて炭化水素ガスが生成される気化流路と、
前記炭化水素ガスが供給されると共に、改質触媒層が設けられ、前記炭化水素ガスが水蒸気改質されて前記改質ガスが生成される改質流路と、
前記気化流路及び前記改質流路の少なくとも一方と伝熱壁を介して隣接され、前記酸化剤空気が流れる酸化剤空気流路と、
前記改質流路の入口部での前記炭化水素ガスの温度を検出する入口温度検出部と、
前記酸化剤空気流路における前記酸化剤空気の流量を調節する空気量調節部と、
前記改質流路の入口部での前記炭化水素ガスの温度が該炭化水素ガスの熱分解反応を起こさない温度以下となるように、前記入口温度検出部の検出結果に基づいて前記空気量調節部を制御するモードを有し、前記気化流路の出口部及び前記改質流路の入口部の少なくとも一方での前記炭化水素ガスから前記酸化剤空気への伝熱量を調節する制御部と、
前記燃料電池セルスタックの周囲に設けられた円筒状又は楕円筒状の収容部と、
前記燃料電池セルスタックの上方に前記収容部と同軸上に設けられた円筒状又は楕円筒状の周壁部を有すると共に、前記燃料電池セルスタックから排出され前記周壁部の内側に供給されたスタック排ガスを燃焼し、燃焼排ガスを上方に排出する燃焼部と、
前記燃焼部の上方に前記周壁部と同軸上に設けられると共に、互いの間に隙間を有する四重の円筒状又は楕円筒状の伝熱壁によって構成され、且つ、該四重の伝熱壁の間に、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、前記改質流路、及び、前記酸化剤空気流路が形成された改質部と、
前記改質部の上方に前記改質部と同軸上に設けられると共に、互いの間に隙間を有する四重の円筒状又は楕円筒状の伝熱壁によって構成され、且つ、該四重の伝熱壁の間に、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、前記気化流路、及び、前記酸化剤空気流路が形成された気化部と、
を備え、
前記収容部、前記周壁部、前記改質部、及び、前記気化部は、燃料電池モジュールの容器を構成する、
燃料電池システム。
【請求項４】
前記気化流路に供給される前記炭化水素燃料に含まれる前記改質用水の量を調節する水量調節部をさらに備え、
前記制御部は、前記改質流路の入口部での前記炭化水素ガスの温度が該炭化水素ガスの熱分解反応を起こさない温度以下となるように、前記入口温度検出部の検出結果に基づいて前記空気量調節部及び水量調節部を制御するモードを有し、前記気化流路の出口部及び前記改質流路の入口部の少なくとも一方での前記炭化水素ガスから前記酸化剤空気への伝熱量を調節する、
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記気化流路及び前記改質流路の少なくとも一方と、前記酸化剤空気流路とは、流れの向きが同じである、
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【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関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池セルスタックと、原燃料及び改質用水を含む炭化水素燃料を気化させて炭化水素ガスを生成する気化部と、気化部で気化された炭化水素ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部とを備えた燃料電池システムがある。
【０００３】
また、この種の燃料電池システムのなかには、改質部の温度を調節するために、気化部の内部又は改質部の入口に設けられた温度検出部と、温度検出部の検出結果に基づいて気化部に供給される改質用水の量を制御する制御部とを備えた燃料電池システムがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、その他の燃料電池システムとしては、燃料電池セルスタックから排出されたスタック排ガスを燃焼させる燃焼室と、改質部、燃料電池セルスタック、及び、燃焼室に関連する二箇所の温度を検出する温度検出部と、温度検出部の検出結果に基づいて原燃料、改質用水、及び、酸化剤空気のいずれか二つの流量を制御する制御部とを備えた燃料電池システムがある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１５００４４号公報
【特許文献２】特開２０１１−２２２４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の燃料電池システムでは、改質部に供給される炭化水素ガスの温度が高い場合、改質部に設けられた改質触媒層において炭素析出が起きる可能性がある。一方、改質部に供給される炭化水素ガスの温度を低下させるために、改質部に供給される炭化水素ガス中の水蒸気量を増加させる場合、気化部において改質用水を気化させるための過大な気化熱が必要となり、燃料電池システムにおける熱効率の低下を招く虞がある。また、炭化水素ガス中の水蒸気量の増加により炭化水素ガスの組成（スチームカーボン比）が変わると、燃料電池セルスタックにおける発電効率が低下する虞がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、改質触媒層における炭素析出を抑制しつつ、燃料電池システムにおける熱効率及び燃料電池セルスタックにおける発電効率の低下を抑制できる燃料電池システム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】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池システムは、改質ガスと酸化剤空気との電気化学反応により発電する燃料電池セルスタックと、原燃料及び改質用水を含む炭化水素燃料が供給されると共に、前記炭化水素燃料が気化されて炭化水素ガスが生成される気化流路と、前記炭化水素ガスが供給されると共に、改質触媒層が設けられ、前記炭化水素ガスが水蒸気改質されて前記改質ガスが生成される改質流路と、前記気化流路及び前記改質流路の少なくとも一方と伝熱壁を介して隣接され、前記酸化剤空気が流れる酸化剤空気流路と、前記改質流路の入口部での前記炭化水素ガスの温度を検出する入口温度検出部と、前記改質流路の出口部での前記改質ガスの温度を検出する出口温度検出部と、前記酸化剤空気流路における前記酸化剤空気の流量を調節する空気量調節部と、前記改質流路の入口部での前記炭化水素ガスの温度が該炭化水素ガスの熱分解反応を起こさない温度以下となるように、前記入口温度検出部の検出結果に基づいて前記空気量調節部を制御するモードと、前記燃料電池セルスタックの発電時に前記改質流路の入口部での前記炭化水素ガスの温度が該炭化水素ガスの熱分解反応を起こさない温度以下である場合に、前記改質流路の出口部での前記改質ガスの温度が、該温度が低いことにより前記燃料電池セルスタックの発電性能低下が起こらない温度以上となるように、前記出口温度検出部の検出結果に基づいて前記空気量調節部を制御するモードと、を有し、前記気化流路の出口部及び前記改質流路の入口部の少なくとも一方での前記炭化水素ガスから前記酸化剤空気への伝熱量を調節する制御部と、を備える。
【０００９】
この燃料電池システムによれば、改質流路の入口部での炭化水素ガスの温度が入口温度検出部によって検出され、この入口温度検出部の検出結果に基づいて空気量調節部が制御される。また、空気量調節部が制御されると、酸化剤空気流路を流れる酸化剤空気の流量が調節され、気化流路の出口部及び改質流路の入口部の少なくとも一方での炭化水素ガスから酸化剤空気への伝熱量が調節される。そして、このようにして炭化水素ガスから酸化剤空気への伝熱量が調節されることにより、改質流路の入口部での炭化水素ガスの温度が該炭化水素ガスの熱分解反応を起こさない温度以下とされる。これにより、改質流路に供給される炭化水素ガスの熱分解を抑制できるので、改質部に設けられた改質触媒層における炭素析出を抑制することができる。
【００１０】
しかも、炭化水素ガスから酸化剤空気への伝熱量を調節するために、改質流路に供給される炭化水素ガス中の水蒸気量を調節するのではなく、酸化剤空気流路を流れる酸化剤空気の流量を調節する。従って、改質流路に供給される炭化水素ガス中の水蒸気量を増加させないことにより、気化流路において改質用水を気化させるための気化熱の増大を抑制できるので、燃料電池システムにおける熱効率の低下を抑制することができる。
【００１１】
また、改質流路に供給される炭化水素ガス中の水蒸気量を増加させないことにより、炭化水素ガスの組成（スチームカーボン比）が変わることを抑制することができるので、燃料電池セルスタックにおける発電効率が低下することを抑制することができる。
【００１２】
なお、請求項４に記載のように、燃料電池システムにおいて、前記気化流路に供給される前記炭化水素燃料に含まれる前記改質用水の量を調節する水量調節部をさらに備え、前記制御部は、前記改質流路の入口部での前記炭化水素ガスの温度が該炭化水素ガスの熱分解反応を起こさない温度以下となるように、前記入口温度検出部の検出結果に基づいて前記空気量調節部及び水量調節部を制御するモードを有し、前記気化流路の出口部及び前記改質流路の入口部の少なくとも一方での前記炭化水素ガスから前記酸化剤空気への伝熱量を調節しても良い。
【００１３】
この燃料電池システムによれば、炭化水素ガスから酸化剤空気への伝熱量を調節するために、酸化剤空気流路を流れる酸化剤空気の流量を調節することに加え、気化流路に供給される炭化水素燃料に含まれる改質用水の量を調節する。従って、改質用水の量を調節する分、酸化剤空気の流量のみを調節する場合に比して、改質流路の入口部での炭化水素ガスの温度をより迅速且つ大幅に調節することができる。
【００１４】
請求項１の燃料電池システムでは、前記改質流路の出口部での前記改質ガスの温度を検出する出口温度検出部をさらに備え、前記制御部は、前記燃料電池セルスタックの発電時に、前記改質流路の入口部での前記炭化水素ガスの温度が該炭化水素ガスの熱分解反応を起こさない温度以下である場合に、前記改質流路の出口部での前記改質ガスの温度が、該温度が低いことにより前記燃料電池セルスタックの発電性能低下が起こらない温度以上となるように、前記出口温度検出部の検出結果に基づいて前記空気量調節部を制御するモードを有し、前記気化流路の出口部及び前記改質流路の入口部の少なくとも一方での前記炭化水素ガスから前記酸化剤空気への伝熱量を調節する。
【００１５】
この燃料電池システムによれば、改質流路の出口部での改質ガスの温度が出口温度検出部によって検出され、この出口温度検出部の検出結果に基づいて空気量調節部が制御される。また、空気量調節部が制御されると、酸化剤空気流路を流れる酸化剤空気の流量が調節され、気化流路の出口部及び改質流路の入口部の少なくとも一方での炭化水素ガスから酸化剤空気への伝熱量が調節される。そして、このようにして炭化水素ガスから酸化剤空気への伝熱量が調節されることにより、改質流路の出口部での改質ガスの温度が、該温度が低いことにより燃料電池セルスタックの発電性能低下が起こらない温度以上とされる。これにより、改質ガスの改質率を確保できるので、燃料電池セルスタックの発電性能を維持することができる。
【００１６】
また、請求項５に記載のように、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記気化流路及び前記改質流路の少なくとも一方と、前記酸化剤空気流路とは、流れの向きが同じとされても良い。
【００１７】
この燃料電池システムによれば、気化流路及び改質流路の少なくとも一方と、酸化剤空気流路とは、流れの向きが同じであるので、炭化水素ガスと酸化剤空気との間で、入口から出口に向かって、低温から高温の温度勾配をつけて熱交換させることができる。
【００１８】
また、請求項２に記載のように、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池セルスタックの周囲に設けられた円筒状又は楕円筒状の収容部と、前記燃料電池セルスタックの上方に前記収容部と同軸上に設けられた円筒状又は楕円筒状の周壁部を有すると共に、前記燃料電池セルスタックから排出され前記周壁部の内側に供給されたスタック排ガスを燃焼し、燃焼排ガスを上方に排出する燃焼部と、前記燃焼部の上方に前記周壁部と同軸上に設けられると共に、互いの間に隙間を有する四重の円筒状又は楕円筒状の伝熱壁によって構成され、且つ、該四重の伝熱壁の間に、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、前記改質流路、及び、前記酸化剤空気流路が形成された改質部と、前記改質部の上方に前記改質部と同軸上に設けられると共に、互いの間に隙間を有する四重の円筒状又は楕円筒状の伝熱壁によって構成され、且つ、該四重の伝熱壁の間に、前記燃焼排ガス流路、前記気化流路、及び、前記酸化剤空気流路が形成された気化部とを備え、前記収容部、前記周壁部、前記改質部、及び、前記気化部は、燃料電池モジュールの容器を構成しても良い。
請求項３に記載の燃料電池システムは、改質ガスと酸化剤空気との電気化学反応により発電する燃料電池セルスタックと、原燃料及び改質用水を含む炭化水素燃料が供給されると共に、前記炭化水素燃料が気化されて炭化水素ガスが生成される気化流路と、前記炭化水素ガスが供給されると共に、改質触媒層が設けられ、前記炭化水素ガスが水蒸気改質されて前記改質ガスが生成される改質流路と、前記気化流路及び前記改質流路の少なくとも一方と伝熱壁を介して隣接され、前記酸化剤空気が流れる酸化剤空気流路と、前記改質流路の入口部での前記炭化水素ガスの温度を検出する入口温度検出部と、前記酸化剤空気流路における前記酸化剤空気の流量を調節する空気量調節部と、前記改質流路の入口部での前記炭化水素ガスの温度が該炭化水素ガスの熱分解反応を起こさない温度以下となるように、前記入口温度検出部の検出結果に基づいて前記空気量調節部を制御するモードを有し、前記気化流路の出口部及び前記改質流路の入口部の少なくとも一方での前記炭化水素ガスから前記酸化剤空気への伝熱量を調節する制御部と、前記燃料電池セルスタックの周囲に設けられた円筒状又は楕円筒状の収容部と、前記燃料電池セルスタックの上方に前記収容部と同軸上に設けられた円筒状又は楕円筒状の周壁部を有すると共に、前記燃料電池セルスタックから排出され前記周壁部の内側に供給されたスタック排ガスを燃焼し、燃焼排ガスを上方に排出する燃焼部と、前記燃焼部の上方に前記周壁部と同軸上に設けられると共に、互いの間に隙間を有する四重の円筒状又は楕円筒状の伝熱壁によって構成され、且つ、該四重の伝熱壁の間に、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、前記改質流路、及び、前記酸化剤空気流路が形成された改質部と、前記改質部の上方に前記改質部と同軸上に設けられると共に、互いの間に隙間を有する四重の円筒状又は楕円筒状の伝熱壁によって構成され、且つ、該四重の伝熱壁の間に、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、前記気化流路、及び、前記酸化剤空気流路が形成された気化部と、を備え、前記収容部、前記周壁部、前記改質部、及び、前記気化部は、燃料電池モジュールの容器を構成する。
【００１９】
この燃料電池システムによれば、収容部、燃焼部の周壁部、改質部、及び、気化部は、互いに同軸上に設けられており、この収容部、燃焼部の周壁部、改質部、及び、気化部によって燃料電池モジュールの容器が構成されている。従って、燃料電池モジュールが径方向に拡がることを抑制できるので、燃料電池モジュールを径方向に小型化することができる。
【００２０】
しかも、改質部及び気化部は、それぞれ四重の円筒状又は楕円筒状の伝熱壁によって構成されている。従って、改質部及び気化部における構造を簡素化できると共に、改質部及び気化部の組立が容易になるので、燃料電池モジュールを低コスト化することができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上詳述したように、本発明の燃料電池システムによれば、改質触媒層における炭素析出を抑制しつつ、燃料電池システムにおける熱効率及び燃料電池セルスタックにおける発電効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第一実施形態に係る燃料電池モジュールの縦断面を含む斜視図である。
【図２】図１に示される燃料電池モジュールの縦断面図である。
【図３】図２の要部拡大図である。
【図４】図２の要部拡大図である。
【図５】図２の要部拡大図である。
【図６】第一実施形態に係る燃料電池モジュールを用いた燃料電池システムの全体構成図である。
【図７】燃料電池モジュールの起動時における制御部の動作を示すフローチャートである。
【図８】燃料電池モジュールの発電時における制御部の動作を示すフローチャートである。
【図９】燃料電池モジュールの発電時における制御部の動作の変形例を示すフローチャートである。
【図１０】第二実施形態に係る燃料電池モジュールの縦断面図である。
【図１１】図１０の要部拡大図である。
【図１２】図１０の要部拡大図である。
【図１３】図１０の要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［第一実施形態］
はじめに、本発明の第一実施形態について説明する。
【００２４】
＜燃料電池モジュール＞
図１，図２に示されるように、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１は、燃料電池セルスタック１０と、容器２０と、断熱層１３０と、断熱材１４０とを備える。
【００２５】
＜燃料電池セルスタック＞
燃料電池セルスタック１０には、一例として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が適用されている。この燃料電池セルスタック１０は、一例として、鉛直方向に積層された複数の平板形のセル１２と、マニホールド１４と有している。各セル１２は、燃料極、電解質層、空気極を有する。
【００２６】
各セル１２の燃料極には、改質ガスが供給され、各セル１２の空気極には、酸化剤空気が供給される。各セル１２は、改質ガスと酸化剤空気との電気化学反応により発電すると共に、発電に伴い発熱する。
【００２７】
＜容器＞
容器２０は、複数（九個）の管材２１〜２９により構成されている。この複数の管材２１〜２９は、いずれも横断面が真円形状である円筒状に形成され、伝熱性の高い金属で形成される。この複数の管材２１〜２９は、容器２０の内側から外側に順に配置されている。
【００２８】
一番目の管材２１は、燃料電池セルスタック１０の上方から容器２０の上端部に亘って設けられている。二番目の管材２２及び三番目の管材２３は、一番目の管材２１の上部に対応する長さで形成されており、二番目の管材２２は、一番目の管材２１の外側から管材２１の上部に接合されている。四番目の管材２４は、容器２０の高さ方向の中央部に設けられており、五番目の管材２５及び六番目の管材２６は、容器２０の下端部から上端部に亘って設けられている。七番目の管材２７、八番目の管材２８、及び、九番目の管材２９は、容器２０の高さ方向の中央部から上端部に亘って設けられている。
【００２９】
六番目の管材２６と七番目の管材２７とは、水平方向に延びる連結部３１を介して連結され、五番目の管材２５と八番目の管材２８とは、水平方向に延びる連結部３２を介して連結されている。また、九番目の管材２９の上端部は、水平方向に延びる連結部３３を介して三番目の管材２３の上端部に固定されている。
【００３０】
五番目の管材２５の下端部は、底壁部３４に固定されており、六番目の管材２６の下端部は、底壁部３５に固定されている。底壁部３４には、燃料電池セルスタック１０が載置されており、また、底壁部３４と底壁部３５とは、スペーサ３６により固定されている。
【００３１】
この複数の管材２１〜２９によって構成される容器２０は、機能別には、気化部４０と、改質部６０と、燃焼部９０と、予熱部１００（収容部）と、熱交換部１１０とを有する。
【００３２】
＜気化部＞
気化部４０は、図２〜図４に示されるように、四重の伝熱壁４１〜４４（伝熱壁）によって構成されている。四重の伝熱壁４１〜４４のうち最も内側に位置する伝熱壁４１は、一番目の管材２１の上部と、二番目の管材２２とによって構成され、四重の伝熱壁４１〜４４のうち内側から二番目の伝熱壁４２は、三番目の管材２３によって構成されている。また、四重の伝熱壁４１〜４４のうち内側から三番目の伝熱壁４３は、五番目の管材２５の上部によって構成され、四重の伝熱壁４１〜４４のうち最も外側の伝熱壁４４は、六番目の管材２６の上部によって構成されている。
【００３３】
この四重の伝熱壁４１〜４４によって構成された気化部４０は、後述する改質部６０の上方に改質部６０と同軸上に設けられている。図３に示されるように、この気化部４０を構成する四重の伝熱壁４１〜４４は、互いの間に隙間を有しており、この四重の伝熱壁４１〜４４の内側から外側には、断熱空間４５、気化流路４６、燃焼排ガス流路４７、及び、酸化剤空気流路４８が順に形成されている。
【００３４】
つまり、一番目の伝熱壁４１の内側の空間は、断熱空間４５として形成され、一番目の伝熱壁４１と、二番目の伝熱壁４２との間の隙間は、気化流路４６として形成されている。また、二番目の伝熱壁４２と、三番目の伝熱壁４３との間の隙間は、燃焼排ガス流路４７として形成され、三番目の伝熱壁４３と、四番目の伝熱壁４４との間の隙間は、酸化剤空気流路４８として形成されている。図３において、断熱空間４５は、空洞とされているが、この断熱空間４５には、断熱材４９が充填されても良い。
【００３５】
気化流路４６の上端部には、容器２０の径方向外側に延びる炭化水素燃料供給管５０が接続されている。炭化水素燃料供給管５０は、連結部３１〜３３の上方に位置する。気化流路４６は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この気化流路４６には、炭化水素燃料供給管５０から供給された炭化水素燃料１６３が鉛直方向上側から下側に流れる。この炭化水素燃料供給管５０から供給される炭化水素燃料１６３としては、原燃料に改質用水が混合されたものが使用される。この炭化水素燃料１６３に含まれる原燃料としては、例えば、都市ガスや、メタンガスなど水素を主成分とするガス等の炭化水素系ガス、又は、炭化水素系液体が使用される。
【００３６】
この気化流路４６には、気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材５１が設けられており、この螺旋部材５１により、気化流路４６は、気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。
【００３７】
燃焼排ガス流路４７の下端部は、後述する改質部６０に形成された燃焼排ガス流路４７を介して燃焼部９０に形成された燃焼室９４（図５参照）と連通されている。燃焼排ガス流路４７は、鉛直方向下側を上流側として形成されており、この燃焼排ガス流路４７には、燃焼部９０から排出されると共に改質部６０の燃焼排ガス流路４７を通じて供給された燃焼排ガス１６８が鉛直方向下側から上側に流れる。
【００３８】
燃焼排ガス流路４７の上端部には、この燃焼排ガス流路４７の周方向に沿って環状に形成された整流板５２が設けられている。この整流板５２には、周方向に間隔を空けて複数のオリフィス５３が形成されている。この複数のオリフィス５３は、整流板５２の板厚方向に貫通している。なお、この整流板５２は、省かれても良い。
【００３９】
酸化剤空気流路４８の上端部は、後述する熱交換部１１０に形成された酸化剤空気流路１１７と連通されている。この酸化剤空気流路４８は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この酸化剤空気流路４８には、熱交換部１１０の酸化剤空気流路１１７から供給された酸化剤空気１６６が鉛直方向上側から下側に流れる。
【００４０】
＜改質部＞
改質部６０は、上述の気化部４０の下方に設けられた四重の伝熱壁６１〜６４（伝熱壁）によって構成されている。四重の伝熱壁６１〜６４のうち最も内側に位置する伝熱壁６１は、一番目の管材２１の下部によって構成され、四重の伝熱壁６１〜６４のうち内側から二番目の伝熱壁６２は、四番目の管材２４によって構成されている。また、四重の伝熱壁６１〜６４のうち内側から三番目の伝熱壁６３は、五番目の管材２５における高さ方向の中央部によって構成され、四重の伝熱壁６１〜６４のうち最も外側の伝熱壁６４は、六番目の管材２６における高さ方向の中央部によって構成されている。
【００４１】
この四重の伝熱壁６１〜６４によって構成された改質部６０は、後述する燃焼部９０（図５参照）の上方に燃焼部９０と同軸上に設けられている。この改質部６０を構成する四重の伝熱壁６１〜６４は、互いの間に隙間を有している。そして、この四重の伝熱壁６１〜６４の内側から外側には、断熱空間４５、燃焼排ガス流路４７、改質流路６７、及び、酸化剤空気流路４８が順に形成されている。
【００４２】
つまり、一番目の伝熱壁６１の内側の空間は、断熱空間４５として形成され、一番目の伝熱壁６１と、二番目の伝熱壁６２との間の隙間は、燃焼排ガス流路４７として形成されている。また、二番目の伝熱壁６２と、三番目の伝熱壁６３との間の隙間は、改質流路６７として形成され、三番目の伝熱壁６３と、四番目の伝熱壁６４との間の隙間は、酸化剤空気流路４８として形成されている。改質流路６７と酸化剤空気流路４８とは、三番目の伝熱壁６３を介して隣接されている。
【００４３】
断熱空間４５は、上述の気化部４０の断熱空間４５と連通している。図４において、断熱空間４５は、空洞とされているが、この断熱空間４５には、断熱材４９が充填されても良い。燃焼排ガス流路４７の下端部は、後述する燃焼部９０に形成された燃焼室９４（図５参照）と連通されている。燃焼排ガス流路４７は、鉛直方向下側を上流側として形成されており、この燃焼排ガス流路４７には、後述する燃焼部９０から排出された燃焼排ガス１６８が鉛直方向下側から上側に流れる。
【００４４】
＜混合部及び分散部＞
改質部６０の上端部には、鉛直方向上側に延長された混合部８０が形成されている。この混合部８０は、気化部４０と改質部６０との間、すなわち、より具体的には、改質部６０の上側且つ気化部４０の下端部の径方向外側に位置する。気化部４０の下端部における周方向の一部からは、連結管８１が径方向外側に延びている。連結管８１は、混合部８０における気化部４０との接続部を構成しており、この連結管８１の内側は、水平方向に貫通するオリフィス８２として形成されている。連結管８１（オリフィス８２）は、気化流路４６の径方向外側に位置しており、気化流路４６の下端部と連通する。混合部８０は、連結管８１（オリフィス８２）を一つのみ有する。混合部８０には、オリフィス８２に対する改質流路６７側（径方向外側）に位置しオリフィス８２と対向する対向壁部８６が設けられている。
【００４５】
改質流路６７の入口（上端）は、混合部８０及び連結管８１を介して気化流路４６と連通されている。改質流路６７は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この改質流路６７には、気化流路４６から供給された炭化水素ガス１６４が鉛直方向上側から下側に流れる。
【００４６】
この改質流路６７の入口には、改質流路６７の周方向に沿って環状に形成された仕切板８３が設けられている。この仕切板８３には、周方向に一定の間隔を空けて複数のオリフィス８４が形成されている。この複数のオリフィス８４は、仕切板８３の板厚方向（鉛直方向）に貫通しており、改質流路６７には、複数のオリフィス８４を通じて炭化水素ガス１６４が流入する。この仕切板８３は、鉛直方向に間隔を空けて複数設けられていても良い。
【００４７】
この改質流路６７の入口の径方向外側には、酸化剤空気流路４８が位置している。改質流路６７には、炭化水素ガス１６４から改質ガス１６５を生成するための改質触媒層７０が改質流路６７の周方向及び軸方向の全長に亘って設けられている。改質触媒層７０には、例えば、活性金属としてニッケル、ルテニウム、白金、ロジウム等の金属を担持した粒状触媒又はハニカム触媒等が用いられる。
【００４８】
酸化剤空気流路４８の上端部は、上述の気化部４０に形成された酸化剤空気流路４８と連通されている。この酸化剤空気流路４８は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この酸化剤空気流路４８には、気化部４０の酸化剤空気流路４８から供給された酸化剤空気１６６が鉛直方向上側から下側に流れる。
【００４９】
＜燃焼部＞
図５に示されるように、燃焼部９０は、上述の改質部６０の下方に設けられており、周壁部９１と、点火電極９２と、隔壁部９３とを有する。周壁部９１は、上述の改質部６０を構成する四重の伝熱壁６１〜６４のうち最も内側の伝熱壁６１を除く残りの伝熱壁６２〜６４に一体に形成されている。
【００５０】
つまり、四重の伝熱壁６１〜６４のうち最も内側の伝熱壁６１を除く残りの伝熱壁６２〜６４は、内側の伝熱壁６１に対して下方に延びている。そして、この筒状部６２〜６４における下方に延びた延長部分は、燃焼部９０の周壁部９１として形成されている。この周壁部９１を構成する三重の伝熱壁６２〜６４において、伝熱壁６２と伝熱壁６３との間には、改質部６０の改質流路６７が延長して形成されており、伝熱壁６３と伝熱壁６４との間には、改質部６０の酸化剤空気流路４８が延長して形成されている。
【００５１】
この周壁部９１は、燃料電池セルスタック１０の上方に位置すると共に、後述する燃料電池セルスタック１０の周囲を囲う予熱部１００と同軸上に設けられている。この周壁部９１の内側は、燃焼室９４として形成されており、この燃焼室９４は、後述する予熱部１００の内側空間１０４と、上述の改質部６０の燃焼排ガス流路４７とに連通されている。
【００５２】
周壁部９１の内側には、テーパ部９５が設けられている。このテーパ部９５は、上述の改質部６０を構成する四重の伝熱壁６１〜６４のうち最も内側の伝熱壁６１の下端部に一体に形成されている。このテーパ部９５は、改質部６０の側から燃焼部９０の側に突出すると共に、燃焼部９０の側から改質部６０の側に向かうに従って拡径するテーパ状に形成されている、
【００５３】
点火電極９２は、テーパ部９５の先端部（下端部）から燃焼室９４内に突出されており、燃焼室９４の中心部に配置されている。この点火電極９２は、燃料電池セルスタック１０の上方に燃料電池セルスタック１０と離間して設けられている。上述の気化部４０及び改質部６０を構成する一番目の管材２１の内側には、パイプ１５０が収容され、このパイプ１５０の内側には、点火電極９２と接続され碍子で絶縁された導電部１５１が挿入されている。
【００５４】
隔壁部９３は、周壁部９１の内周面に沿って環状に形成されている。この隔壁部９３は、点火電極９２と燃料電池セルスタック１０との間に開口する絞り孔９６を有している。この絞り孔９６には、燃料電池セルスタック１０から排出されたスタック排ガス１６７が通過する。絞り孔９６を通過したスタック排ガス１６７は、点火電極９２とパイプ１５０等との間に形成されるスパークによって点火される。燃焼室９４にて発生した燃焼排ガス１６８は、上方（燃料電池セルスタック１０と反対側）に排出され、テーパ部９５に沿って改質部６０の燃焼排ガス流路４７に流入する。
【００５５】
＜予熱部＞
予熱部１００（収容部）は、上述の燃焼部９０の下方に設けられた二重の伝熱壁１０１，１０２によって構成されている。二重の伝熱壁１０１，１０２のうち内側の伝熱壁１０１は、五番目の管材２５の下部によって構成され、二重の伝熱壁１０１，１０２のうち外側の伝熱壁１０２は、六番目の管材２６の下部によって構成されている。
【００５６】
この予熱部１００は、燃料電池セルスタック１０の周囲に設けられており、燃料電池セルスタック１０を収容している。予熱部１００の内側には、内側空間１０４が形成されており、予熱部１００を構成する二重の伝熱壁１０１，１０２の間には、予熱流路１０５が形成されている。
【００５７】
この予熱流路１０５には、予熱部１００の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材１０６が設けられており、この螺旋部材１０６により、予熱流路１０５は、予熱部１００の軸方向回りに螺旋状に形成されている。
【００５８】
この予熱流路１０５の上端部は、上述の改質部６０の酸化剤空気流路４８と連通され、予熱流路１０５の下端部は、図２に示される底壁部３４と底壁部３５との間に形成された導入路３７を通じて燃料電池セルスタック１０の酸化剤空気取入口１５と連通されている。図５に示されるように、予熱流路１０５は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この予熱流路１０５には、改質部６０の酸化剤空気流路４８を通じて供給された酸化剤空気１６６が鉛直方向上側から下側に流れる。
【００５９】
また、予熱部１００の内側には、上述の改質流路６７と、燃料電池セルスタック１０の改質ガス取入口１６（図２参照）とを接続する改質ガス配管１０７が設けられている。上述の隔壁部９３の外周部には、水平方向に延在する仕切板９７が一体に形成されており、この仕切板９７には、鉛直方向に貫通するオリフィス９８が仕切板９７の周方向に間隔を空けて複数形成されている。改質流路６７と改質ガス配管１０７の内側とは、オリフィス９８を通じて連通されている。
【００６０】
＜熱交換部＞
図３に示されるように、熱交換部１１０は、上述の改質部６０及び気化部４０の周囲に設けられた三重の伝熱壁１１１〜１１３によって構成されている。三重の伝熱壁１１１〜１１３における内側の伝熱壁１１１は、七番目の管材２７によって構成され、三重の伝熱壁１１１〜１１３における中央の伝熱壁１１２は、八番目の管材２８によって構成され、三重の伝熱壁１１１〜１１３における外側の伝熱壁１１３は、九番目の管材２９によって構成されている。
【００６１】
この熱交換部１１０を構成する三重の伝熱壁１１１〜１１３は、互いの間に隙間を有している。そして、内側の伝熱壁１１１と中央の伝熱壁１１２との間には、酸化剤空気流路１１７が形成され、外側の伝熱壁１１３と中央の伝熱壁１１２との間には、燃焼排ガス流路１１８が形成されている。
【００６２】
酸化剤空気流路１１７には、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材１２０が設けられており、この螺旋部材１２０により、酸化剤空気流路１１７は、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。同様に、燃焼排ガス流路１１８には、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材１２１が設けられており、この螺旋部材１２１により、燃焼排ガス流路１１８は、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。
【００６３】
酸化剤空気流路１１７の下端部には、容器２０の径方向外側に延びる酸化剤空気供給管１２２（図２参照）が接続されている。連結部３１と連結部３２との間の隙間は、容器２０の径方向に延びる連結流路３８として形成されており、酸化剤空気流路１１７の上端部は、連結流路３８を介して上述の気化部４０に形成された酸化剤空気流路４８と連通されている。酸化剤空気流路１１７は、鉛直方向下側を上流側として形成されており、この酸化剤空気流路１１７には、酸化剤空気供給管１２２（図２参照）から供給された酸化剤空気１６６が鉛直方向下側から上側に流れる。
【００６４】
また、連結部３２と連結部３３との間の隙間は、容器２０の径方向に延びる連結流路３９として形成されており、燃焼排ガス流路１１８の上端部は、連結流路３９を介して上述の気化部４０に形成された燃焼排ガス流路４７と連通されている。この燃焼排ガス流路１１８の下端部には、容器２０の径方向外側に延びるガス排出管１２３（図２参照）が接続されている。燃焼排ガス流路１１８は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この燃焼排ガス流路１１８には、気化部４０の燃焼排ガス流路４７から供給された燃焼排ガス１６８が鉛直方向上側から下側に流れる。
【００６５】
＜断熱層＞
図２に示されるように、改質部６０及び気化部４０と、熱交換部１１０とは、容器２０の径方向に離間しており、この改質部６０及び気化部４０と熱交換部１１０との間には、円筒状の断熱層１３０が介在されている。この断熱層１３０は、気化部４０及び改質部６０を外側から覆っている。
【００６６】
＜断熱材＞
断熱材１４０は、円筒状の本体部１４１と、円盤状の上部１４２及び下部１４３とを有し、容器２０を覆っている。つまり、本体部１４１は、容器２０の周囲に設けられており、容器２０を外側から覆っている。上部１４２は、本体部１４１を鉛直方向上側から覆うと共に、容器２０の上部の周囲に設けられている。上部１４２は、鉛直方向上側から固定部材１４４により固定されている。下部１４３は、容器２０及び本体部１４１を鉛直方向下側から覆っている。この断熱材１４０の表面は、被覆シート１４５によって覆われている。
【００６７】
＜燃料電池モジュールの動作＞
次に、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１の動作について説明する。
【００６８】
図２に示される炭化水素燃料供給管５０を通じて図３に示される気化流路４６に炭化水素燃料１６３（原燃料及び改質用水が混合されたもの）が供給されると、この炭化水素燃料１６３は、螺旋状に形成された気化流路４６を鉛直方向上側から下側へ流れる。このとき、気化部４０では、燃焼部９０（図５参照）から排出された燃焼排ガス１６８が燃焼排ガス流路４７を鉛直方向下側から上側に流れる。気化流路４６に隣接する燃焼排ガス流路４７に燃焼排ガス１６８が流れると、気化流路４６を流れる炭化水素燃料１６３と燃焼排ガス１６８との間で熱交換される。そして、気化流路４６では、炭化水素燃料１６３が気化されて炭化水素ガス１６４（図４参照）が生成される。
【００６９】
図４に示されるように、気化流路４６で気化された炭化水素ガス１６４は、連結管８１の内側に形成されたオリフィス８２を通り、改質部６０の上方に形成された混合部８０の内側空間８５に流入する。このとき、気化流路４６で気化された炭化水素ガス１６４は、連結管８１の内側のオリフィス８２を通過する際に流速が高められて噴流となり、混合部８０における径方向外側の対向壁部８６に衝突する。そして、炭化水素ガス１６４が対向壁部８６に衝突することにより乱流が生じ、炭化水素ガス１６４に含まれる炭化水素系ガス及び水蒸気が混合される。
【００７０】
このようにして混合された炭化水素ガス１６４は、対向壁部８６に衝突することにより径方向外側から鉛直方向下側に向きを変え、改質流路６７の入口に形成された複数のオリフィス８４を通じて改質流路６７に流入する。複数のオリフィス８４は、改質流路６７の周方向に一定の間隔を空けて並んでいるので、この複数のオリフィス８４を通過することで、改質流路６７には、炭化水素ガス１６４が周方向に分散して流入する。
【００７１】
また、このとき、改質部６０では、燃焼部９０（図５参照）から排出された燃焼排ガス１６８が燃焼排ガス流路４７を鉛直方向下側から上側に流れる。改質流路６７に隣接する燃焼排ガス流路４７に燃焼排ガス１６８が流れると、改質流路６７を流れる炭化水素ガス１６４と燃焼排ガス１６８との間で熱交換される。そして、改質流路６７では、燃焼排ガス１６８の熱を利用して改質触媒層７０により炭化水素ガス１６４から改質ガス１６５が生成される。
【００７２】
改質流路６７にて生成された改質ガス１６５は、図５に示されるように、仕切板９７に形成されたオリフィス９８を通過し、改質ガス配管１０７の内側に流入する。そして、この改質ガス１６５は、改質ガス配管１０７を通じて燃料電池セルスタック１０の改質ガス取入口１６（図２参照）に供給される。
【００７３】
一方、このとき、図３に示される熱交換部１１０では、酸化剤空気供給管１２２（図２参照）を通じて酸化剤空気流路１１７に酸化剤空気１６６が供給される。この酸化剤空気１６６は、螺旋状に形成された酸化剤空気流路１１７を鉛直方向下側から上側に流れる。このとき、熱交換部１１０では、燃焼部９０（図５参照）から排出された燃焼排ガス１６８が燃焼排ガス流路１１８を鉛直方向上側から下側に流れる。この燃焼排ガス１６８は、図２に示されるガス排出管１２３を通じて燃料電池モジュールＭ１の外部に排出される。
【００７４】
図３に示されるように、酸化剤空気流路１１７に隣接する燃焼排ガス流路１１８に燃焼排ガス１６８が流れると、酸化剤空気流路１１７を流れる酸化剤空気１６６と燃焼排ガス１６８との間で熱交換される。そして、燃料電池モジュールＭ１の外部へ排出される燃焼排ガス１６８の温度が低下され、燃料電池モジュールＭ１の外部への放熱が抑制される。一方、酸化剤空気１６６は、燃焼排ガス１６８の熱を吸収し、予熱される。この熱交換部１１０にて予熱された酸化剤空気１６６は、連結流路３８を通じて気化部４０の酸化剤空気流路４８に流入し、その後、気化部４０の酸化剤空気流路４８及び改質部６０の酸化剤空気流路４８（図４，図５参照）を鉛直方向上側から下側に流れる。
【００７５】
図４に示される気化部４０では、上述の通り、燃焼部９０（図５参照）から排出された燃焼排ガス１６８が燃焼排ガス流路４７を鉛直方向下側から上側に流れる。酸化剤空気流路４８に隣接する燃焼排ガス流路４７に燃焼排ガス１６８が流れると、酸化剤空気流路４８を流れる酸化剤空気１６６と燃焼排ガス１６８との間で熱交換され、酸化剤空気１６６がさらに予熱される。
【００７６】
同様に、改質部６０では、燃焼部９０（図５参照）から排出された燃焼排ガス１６８が燃焼排ガス流路４７を鉛直方向下側から上側に流れる。改質流路６７を挟んだ酸化剤空気流路４８と反対側の燃焼排ガス流路４７に燃焼排ガス１６８が流れると、酸化剤空気流路４８を流れる酸化剤空気１６６と燃焼排ガス１６８とが改質流路６７（改質触媒層７０）を介して熱交換し、このことによっても、酸化剤空気１６６が予熱される。
【００７７】
このように酸化剤空気流路４８を流れることで予熱された酸化剤空気１６６は、図５に示される予熱流路１０５に流入し、この螺旋状に形成された予熱流路１０５を鉛直方向上側から下側に流れる。この予熱流路１０５を流れる酸化剤空気１６６は、燃料電池セルスタック１０の熱によってさらに予熱される。そして、この予熱流路１０５にて予熱された酸化剤空気１６６は、燃料電池セルスタック１０の酸化剤空気取入口１５（図２参照）に供給される。
【００７８】
以上のようにして、図２に示される燃料電池セルスタック１０の改質ガス取入口１６に改質ガスが供給されると共に、燃料電池セルスタック１０の酸化剤空気取入口１５に酸化剤空気が供給されると、燃料電池セルスタック１０では、各セル１２において、酸化剤空気と改質ガスとの電気化学反応により発電する。また、各セル１２は、発電に伴い発熱する。
【００７９】
図５に示されるように、燃料電池セルスタック１０からは、燃料極排ガス及び空気極排ガスを含むスタック排ガス１６７が排出される。この燃料電池セルスタック１０から排出されたスタック排ガス１６７は、隔壁部９３に形成された絞り孔９６を通じて燃焼部９０の内側に形成された燃焼室９４に流入する。このとき、燃料極排ガス及び空気極排ガスを含むスタック排ガス１６７は、絞り孔９６を通過することで混合される。
【００８０】
この燃焼室９４に流入したスタック排ガス１６７には、各セル１２において未反応の水素及び酸素が含まれており、この水素を含むスタック排ガス１６７は、点火電極９２とパイプ１５０等との間に形成されるスパークによって点火される。点火電極９２は、燃料電池セルスタック１０と鉛直方向に離間しているため、スタック排ガス１６７は、燃料電池セルスタック１０から離れた位置で燃焼される。
【００８１】
そして、このようにして燃焼室９４においてスタック排ガス１６７が燃焼されると、燃焼室９４にて燃焼排ガス１６８が発生する。この燃焼室９４にて発生した燃焼排ガス１６８は、上方（燃料電池セルスタック１０と反対側）に排出され、テーパ部９５に沿って改質部６０の燃焼排ガス流路４７に流入する。また、この燃焼部９０から排出され改質部６０の燃焼排ガス流路４７に流入した燃焼排ガス１６８は、上述の通り、改質部６０の燃焼排ガス流路４７、気化部４０の燃焼排ガス流路４７（図４参照）、連結流路３９及び熱交換部１１０の燃焼排ガス流路１１８（図３参照）を流れた後、図２に示されるガス排出管１２３を通じて燃料電池モジュールＭ１の外部に排出される。
【００８２】
＜燃料電池システムＳの全体構成＞
次に、上述の燃料電池モジュールＭ１を用いた燃料電池システムＳについて説明する。
図６には、上述の燃料電池モジュールＭ１を用いた燃料電池システムＳの全体構成が示されている。この図６では、燃料電池モジュールＭ１が模式的に示されている。また、図６では、燃料電池モジュールＭ１において燃料電池セルスタック１０、気化部４０、及び、改質部６０以外の構成要素（図１，図２に示される燃焼部９０、予熱部１００、熱交換部１１０等）の図示が省略されている。
【００８３】
この図６に示されるように、燃料電池システムＳは、燃料電池モジュールＭ１に加えて、入口温度検出部１７０、出口温度検出部１７２、原燃料送出部１７４、水ポンプ１７６（水量調節部）、空気ブロワ１７８（空気量調節部）、Ａ／Ｄ変換器１８０，１８２、及び、制御部１８４を備える。
【００８４】
入口温度検出部１７０は、改質流路６７の入口部（改質流路６７の入口側の部分）での炭化水素ガス１６４の温度を検出するためのものであり、改質流路６７の入口部に対応して設けられている。この入口温度検出部１７０は、改質流路６７内に設けられていても良く、また、改質流路６７と接する伝熱壁に設けられていても良い。この入口温度検出部１７０は、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度に応じたアナログ信号を出力する。この入口温度検出部１７０には、Ａ／Ｄ変換器１８０を介して制御部１８４が接続されている。
【００８５】
出口温度検出部１７２は、改質流路６７の出口部（改質流路６７の出口側の部分）での改質ガス１６５の温度を検出するためのものであり、改質流路６７の出口部に対応して設けられている。この出口温度検出部１７２は、改質流路６７内に設けられていても良く、また、改質流路６７と接する伝熱壁に設けられていても良い。この出口温度検出部１７２は、改質流路６７の出口部での改質ガス１６５の温度に応じたアナログ信号を出力する。この出口温度検出部１７２には、Ａ／Ｄ変換器１８２を介して制御部１８４が接続されている。
【００８６】
燃料電池モジュールＭ１に設けられた炭化水素燃料供給管５０の入口側は、原燃料供給管１８６及び改質用水供給管１８８に分岐されており、原燃料送出部１７４は、原燃料供給管１８６に接続され、水ポンプ１７６は、改質用水供給管１８８に接続されている。原燃料送出部１７４は、原燃料１６１を供給するためのものである。原燃料１６１として気体燃料が用いられた場合、原燃料送出部１７４には、ブロワが用いられ、原燃料１６１として液体燃料が用いられた場合、原燃料送出部１７４には、ポンプが用いられる。原燃料１６１の流量は、原燃料送出部１７４の回転数が変更されることにより調節される。水ポンプ１７６は、改質用水１６２を供給するためのものであり、改質用水１６２の量は、水ポンプ１７６の回転数が変更されることにより調節される。
【００８７】
空気ブロワ１７８は、酸化剤空気供給管１２２に接続されている。この空気ブロワ１７８は、酸化剤空気供給管１２２を介して酸化剤空気流路４８に酸化剤空気１６６を供給する。酸化剤空気流路４８における酸化剤空気１６６の流量は、空気ブロワ１７８の回転数が変更されることにより調節される。
【００８８】
制御部１８４は、例えば電子回路等によって構成されており、入口温度検出部１７０及び出口温度検出部１７２からＡ／Ｄ変換器１８０，１８２を通じて出力された信号等に基づいて、上述の空気ブロワ１７８、ガスブロワ、及び、水ポンプ１７６を制御する。
【００８９】
＜燃料電池システムＳの動作＞
次に、上述の燃料電池システムＳの動作について説明する。
図７には、燃料電池モジュールＭ１の起動時における制御部１８４の動作の流れが示されており、図８には、燃料電池モジュールＭ１の発電時における制御部１８４の動作の流れが示されている。なお、以下の説明において、燃料電池システムＳの構成については、図６を参照し、制御部１８４の処理を示すステップ番号及びその内容については、図７，図８を参照することにする。
【００９０】
燃料電池モジュールＭ１の起動時に、制御部１８４は、空気ブロワ１７８及び水ポンプ１７６を制御し、燃料電池モジュールＭ１の起動時の条件における酸化剤空気１６６の流量及び改質用水１６２の量に調節する（ステップＳ１）。なお、図７において特に示されないが、制御部１８４は、原燃料１６１の量についても燃料電池モジュールＭ１の起動時の条件に合うように調節する。
【００９１】
原燃料送出部１７４、空気ブロワ１７８、及び、水ポンプ１７６が作動すると、燃料電池モジュールＭ１に原燃料１６１、改質用水１６２、及び、酸化剤空気１６６が供給される。原燃料供給管１８６を通じて供給された原燃料１６１、及び、改質用水供給管１８８を通じて供給された改質用水１６２は、原燃料供給管１８６及び改質用水供給管１８８の接続部で混合され、炭化水素燃料１６３とされる。この炭化水素燃料１６３は、炭化水素燃料供給管５０を通じて気化流路４６に供給される。
【００９２】
気化流路４６に供給された炭化水素燃料１６３は、上述の燃料電池モジュールＭ１の動作において説明した通り、燃焼排ガス１６８から供給される熱により気化され、これにより、炭化水素ガス１６４が生成される。この気化流路４６にて生成された炭化水素ガス１６４は、改質流路６７に供給される。
【００９３】
改質流路６７では、改質触媒層７０の作用により燃焼排ガス１６８からの熱を利用して炭化水素ガス１６４が水蒸気改質されて改質ガス１６５が生成される。この改質ガス１６５は、燃料電池セルスタック１０に供給される。また、空気ブロワ１７８から供給された酸化剤空気１６６は、気化部４０及び改質部６０の酸化剤空気流路４８を通じて燃料電池セルスタック１０に供給される。
【００９４】
燃料電池セルスタック１０に改質ガス１６５及び酸化剤空気１６６が供給されると、燃料電池セルスタック１０が発電する。また、燃料電池セルスタック１０から排出されたスタック排ガスが燃焼されることにより生じた燃焼排ガス１６８は、気化部４０及び改質部６０の燃焼排ガス流路４７を通じて燃料電池モジュールＭ１の外部に排出される。
【００９５】
上述のように改質流路６７に炭化水素ガス１６４が供給されると、入口温度検出部１７０は、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度に応じたアナログ信号を出力する。この入口温度検出部１７０から出力されたアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器１８０でＡ／Ｄ変換され、このＡ／Ｄ変換で変換されたデジタル信号は、制御部１８４に入力される。Ａ／Ｄ変換で変換されたデジタル信号が制御部１８４に入力されることにより、制御部１８４において、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が検知される（ステップＳ２）。
【００９６】
そして、制御部１８４は、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が所定温度よりも高いか否かを判断する（ステップＳ３）。この場合の所定温度は、炭化水素ガス１６４の熱分解反応を起こさない温度（上限温度）とされる。炭化水素ガス１６４が例えばメタンガスである場合、熱分解反応は、「CH4(g)＝C(s) + 2H2(g)」で示される。
【００９７】
ここで、制御部１８４が、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が所定温度よりも高いと判断した場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、制御部１８４は、モードＡ，モードＢ，モードＣのいずれかを選択する（ステップＳ４）。
【００９８】
このステップＳ４において、モードＡは、空気ブロワ１７８の回転数を増加させて酸化剤空気１６６の流量を増加させるモードである。また、モードＢは、空気ブロワ１７８の回転数を増加させて酸化剤空気１６６の流量を増加させると共に、水ポンプ１７６の回転数を増加させて改質用水１６２の量を微増させるモードである。また、モードＣは、空気ブロワ１７８の回転数を増加させて酸化剤空気１６６の流量を増加させると共に、水ポンプ１７６の回転数を増加させて改質用水１６２の量を増加させるモードである。
【００９９】
制御部１８４は、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度と所定温度との差に応じてモードＡ，モードＢ，モードＣを適宜選択し、例えば、差が小さい場合にはモードＡを選択し、差が中程度である場合にはモードＢを選択し、差が大きい場合にはモードＣを選択する。
【０１００】
モードＡが選択され、空気ブロワ１７８の回転数を増加されると、改質部６０に形成された酸化剤空気流路４８における酸化剤空気１６６の流量が増加される。改質部６０において改質流路６７と酸化剤空気流路４８とは伝熱壁を介して隣接されているので、酸化剤空気１６６の流量が増加されると、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６への伝熱量が増加され、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が低下する。
【０１０１】
また、モードＢ，Ｃが選択された場合には、酸化剤空気１６６の流量が増加されることに加えて、炭化水素燃料１６３に含まれる改質用水１６２の量が微増又は増加される。従って、モードＢ，Ｃが選択された場合には、炭化水素ガス１６４中の水蒸気量が増加する分、改質流路６７の入口部で気化流路４６では気化熱が増えることにより炭化水素ガス１６４の温度が下がり、改質流路６７では水蒸気の顕熱により熱が奪われるため、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度がより大きく低下される。
【０１０２】
制御部１８４は、上述のステップＳ４の処理を実行した後、ステップＳ２の処理に戻る。制御部１８４は、ステップＳ３において、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が所定温度以下と判断するまで、上述のステップＳ２〜ステップＳ４の処理を繰り返し実行する。
【０１０３】
このようにして、ステップＳ２〜ステップＳ４の処理が繰り返し実行されると、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が徐々に低下し、やがて改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が所定温度以下となる。
【０１０４】
なお、炭化水素ガス１６４が高温であれば、改質反応がより進行するため、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度は、熱分解反応が起こらない範囲で高温であることが望ましい。
【０１０５】
制御部１８４は、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が所定温度以下と判断した場合（ステップＳ３：ＮＯ）には、続いて、燃料電池モジュールＭ１の運転条件や入口温度検出部１７０から出力された信号等に基づいて、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が継続的に低下するか否かを判断する（ステップＳ５）。
【０１０６】
ここで、制御部１８４は、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が継続的に低下すると判断した場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、モードａ，モードｂ，モードｃのいずれかを選択する（ステップＳ６）。
【０１０７】
このステップＳ６において、モードａは、空気ブロワ１７８の回転数を微減させて酸化剤空気１６６の流量を微減させるモードである。また、モードｂは、空気ブロワ１７８の回転数を微減させて酸化剤空気１６６の流量を微減させると共に、水ポンプ１７６の回転数を極微減させて改質用水１６２の量を極微減させるモードである。また、モードｃは、空気ブロワ１７８の回転数を微減させて酸化剤空気１６６の流量を微減させると共に、水ポンプ１７６の回転数を微減させて改質用水１６２の量を微減させるモードである。
【０１０８】
制御部１８４は、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度の低下の割合に応じてモードａ，モードｂ，モードｃを適宜選択し、例えば、低下の割合が小さい場合にはモードａを選択し、低下の割合が中程度である場合にはモードｂを選択し、低下の割合が大きい場合にはモードｃを選択する。このように、ステップＳ６においてモードａ，モードｂ，モードｃが選択されて実行されると、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６への伝熱が抑制され、また、水の顕熱により熱が奪われるため、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度の継続的な低下が抑制される。
【０１０９】
制御部１８４は、上述のステップＳ６の処理を実行した後、ステップＳ２の処理に戻る。制御部１８４は、ステップＳ５において、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が継続的に低下しないと判断するまで、上述のステップＳ２，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ６の処理を繰り返し実行する。
【０１１０】
このようにして、上述のステップＳ２，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ６の処理が繰り返し実行されると、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６への伝熱量が徐々に減少し、やがて改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が一定に保たれるようになる。改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が一定に保たれるようになると、制御部１８４は、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が継続的に低下しないと判断し（ステップＳ５：ＮＯ）、酸化剤空気１６６の流量と改質用水１６２の量が一定に保持されるように、空気ブロワ１７８及び水ポンプ１７６の回転数を一定に保持する（ステップＳ７）。
【０１１１】
そして、制御部１８４は、燃料電池モジュールＭ１の起動時に、上述の図７に示されるステップＳ２〜ステップＳ７の処理を繰り返し実行する。
【０１１２】
一方、燃料電池モジュールＭ１が発電状態になると、制御部１８４は、空気ブロワ１７８及び水ポンプ１７６を制御し、燃料電池モジュールＭ１の発電時の条件における酸化剤空気１６６の流量及び改質用水１６２の量に調節する（ステップＳ１１）。そして、制御部１８４は、図８に示されるステップＳ１２〜ステップＳ１７の処理を繰り返し実行する。このステップＳ１２〜ステップＳ１７の処理は、上述のステップＳ２〜ステップＳ７の処理と同様である。
【０１１３】
このように、燃料電池システムＳでは、燃料電池モジュールＭ１の起動時及び発電時に、空気ブロワ１７８、又は、空気ブロワ１７８及び水ポンプ１７６の両方が制御されることにより、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６への伝熱量が調整される。そして、炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６への伝熱量が調整されることにより、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が該炭化水素ガス１６４の熱分解反応を起こさない温度以下とされる。
【０１１４】
なお、以上は、制御部１８４が改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度の検出結果にのみ基づいて動作する例であるが、燃料電池モジュールＭ１の発電時に、制御部１８４は、以下に示すように、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度の検出結果に加えて、改質流路６７の出口部での改質ガス１６５の温度の検出結果に基づいて動作しても良い。
【０１１５】
図９には、燃料電池モジュールＭ１の発電時における制御部１８４の動作の変形例が示されている。なお、以下の説明において、燃料電池システムＳの構成については、図６を参照し、制御部１８４の処理を示すステップ番号及びその内容については、図９を参照することにする。
【０１１６】
この制御部１８４の動作の変形例において、図９に示されるステップＳ２１の処理は、上述の図８に示されるステップＳ１１の処理と同様である。また、図９に示されるステップＳ２２〜ステップＳ２４の処理は、上述の図７に示されるステップＳ２〜ステップＳ４の処理（図８に示されるステップＳ１２〜ステップＳ１４の処理）と同様である。
【０１１７】
上述の図７に示されるステップＳ２〜ステップＳ４の処理が繰り返し実行されるのと同様に、ステップＳ２２〜ステップＳ２４の処理が繰り返し実行されると、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が徐々に低下する。
【０１１８】
制御部１８４は、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が所定温度以下と判断した場合（ステップＳ２３：ＮＯ）には、出口温度検出部１７２から出力された信号に基づいて、改質流路６７の出口部での改質ガス１６５の温度が所定温度よりも低いか否かを判断する（ステップＳ２５）。この場合の所定温度は、改質ガス１６５の温度が低いことにより燃料電池セルスタック１０の発電性能低下が起こらない温度（下限温度）とされる。仮にこの所定温度よりも改質ガス１６５の温度が低下した場合には、燃料電池セルスタック１０の燃料極において改質反応が起こり、燃料電池セルスタック１０の燃料上流側の温度が低下し、発電性能が低下する。
【０１１９】
ここで、制御部１８４は、改質流路６７の出口部での改質ガス１６５の温度が所定温度よりも低いと判断した場合（ステップＳ２５：ＹＥＳ）、モードａ，モードｂ，モードｃのいずれかを選択する（ステップＳ２６）。このモードａ，モードｂ，モードｃは、図７に示されるステップＳ６及び図８に示されるステップＳ１６におけるモードａ，モードｂ，モードｃと同様である。
【０１２０】
すなわち、モードａは、空気ブロワ１７８の回転数を微減させて酸化剤空気１６６の流量を微減させるモードである。また、モードｂは、空気ブロワ１７８の回転数を微減させて酸化剤空気１６６の流量を微減させると共に、水ポンプ１７６の回転数を極微減させて改質用水１６２の量を極微減させるモードである。また、モードｃは、空気ブロワ１７８の回転数を微減させて酸化剤空気１６６の流量を微減させると共に、水ポンプ１７６の回転数を微減させて改質用水１６２の量を微減させるモードである。
【０１２１】
制御部１８４は、改質流路６７の出口部での改質ガス１６５の温度と所定温度との差に応じてモードａ，モードｂ，モードｃを適宜選択し、例えば、差が小さい場合にはモードａを選択し、差が中程度である場合にはモードｂを選択し、差が大きい場合にはモードｃを選択する。
【０１２２】
制御部１８４は、上述のステップＳ２６の処理を実行した後、ステップＳ２２の処理に戻る。制御部１８４は、ステップＳ２５において、改質流路６７の出口部での改質ガス１６５の温度が所定温度以上と判断するまで、上述のステップＳ２２，Ｓ２３，Ｓ２５，Ｓ２６の処理を繰り返し実行する。
【０１２３】
このようにして、上述のステップＳ２２，Ｓ２３，Ｓ２５，Ｓ２６の処理が繰り返し実行されると、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６への伝熱量が徐々に減少し、改質流路６７の出口部での改質ガス１６５の温度が徐々に上昇する。そして、改質流路６７の出口部での改質ガス１６５の温度が徐々に上昇すると、やがて改質流路６７の出口部での改質ガス１６５の温度が所定温度以上となる。
【０１２４】
なお、改質ガス１６５が低温であれば、燃料電池セルスタック１０における材料の高温劣化を抑制できるため、改質流路６７の出口部での改質ガス１６５の温度は、燃料電池セルスタック１０の発電性能低下を起こさない範囲で低温であることが望ましい。このステップＳ２２〜ステップＳ２６の処理には、燃料電池セルスタック１０の発電性能を上げる目的で改質流路６７の出口部での改質ガス１６５の温度を上昇させる場合も含まれる。
【０１２５】
制御部１８４は、改質流路６７の出口部での改質ガス１６５の温度が所定温度以上と判断した場合（ステップＳ２５：ＮＯ）には、酸化剤空気１６６の流量と改質用水１６２の量が一定に保持されるように、空気ブロワ１７８及び水ポンプ１７６の回転数を一定に保持する（ステップＳ２７）。
【０１２６】
そして、制御部１８４は、燃料電池モジュールＭ１の発電時に、上述の図９に示されるステップＳ２２〜ステップＳ２７の処理を繰り返し実行する。
【０１２７】
このように、空気ブロワ１７８、又は、空気ブロワ１７８及び水ポンプ１７６の両方が制御されることにより、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６への伝熱量が調整され、これにより、改質流路６７の出口部での改質ガス１６５の温度が、該温度が低いことにより燃料電池セルスタック１０の発電性能低下が起こらない温度以上とされても良い。
【０１２８】
次に、本発明の第一実施形態の作用及び効果について説明する。
【０１２９】
以上詳述したように、本発明の第一実施形態によれば、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が入口温度検出部１７０によって検出され、この入口温度検出部１７０の検出結果に基づいて空気ブロワ１７８が制御される。また、空気ブロワ１７８が制御されると、酸化剤空気流路４８を流れる酸化剤空気１６６の流量が調節され、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６への伝熱量が調節される。
【０１３０】
そして、このようにして炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６への伝熱量が調節されることにより、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度が該炭化水素ガス１６４の熱分解反応を起こさない温度以下とされる。これにより、改質流路６７に供給される炭化水素ガス１６４の熱分解を抑制できるので、改質部６０に設けられた改質触媒層７０における炭素析出を抑制することができる。
【０１３１】
しかも、炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６への伝熱量を調節するために、改質流路６７に供給される炭化水素ガス１６４中の水蒸気量を調節するのではなく、酸化剤空気流路４８を流れる酸化剤空気１６６の流量を調節する。従って、改質流路６７に供給される炭化水素ガス１６４中の水蒸気量を増加させないことにより、気化流路４６において改質用水１６２を気化させるための気化熱の増大を抑制できるので、燃料電池システムＳ（燃料電池モジュールＭ１）における熱効率の低下を抑制することができる。
【０１３２】
また、改質流路６７に供給される炭化水素ガス１６４中の水蒸気量を増加させないことにより、炭化水素ガス１６４の組成（スチームカーボン比）が変わることを抑制することができるので、燃料電池セルスタック１０における発電効率が低下することを抑制することができる。
【０１３３】
また、図７のステップＳ４及び図８のステップ１４において、モードＢ，モードＣが選択された場合には、炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６への伝熱量を調節するために、空気ブロワ１７８に加えて水ポンプ１７６の回転数が制御される。そして、これにより、酸化剤空気流路４８を流れる酸化剤空気１６６の流量が調節されることに加え、気化流路４６に供給される炭化水素燃料１６３に含まれる改質用水１６２の量が調節される。従って、改質用水１６２の量を調節する分、酸化剤空気１６６の流量のみを調節する場合に比して、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度をより迅速且つ大幅に調節することができる。
【０１３４】
また、図９のステップＳ２１〜ステップＳ２７の処理が実行された場合には、改質流路６７の出口部での改質ガス１６５の温度が出口温度検出部１７２によって検出され、この出口温度検出部１７２の検出結果に基づいて空気ブロワ１７８が制御される。また、空気ブロワ１７８が制御されると、酸化剤空気流路４８を流れる酸化剤空気１６６の流量が調節され、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６への伝熱量が調節される。
【０１３５】
そして、このようにして炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６への伝熱量が調節されることにより、改質流路６７の出口部での改質ガス１６５の温度が、該温度が低いことにより燃料電池セルスタック１０の発電性能低下が起こらない温度以上とされる。これにより、改質ガス１６５の改質率を確保できるので、燃料電池セルスタック１０の発電性能を維持することができる。
【０１３６】
また、燃料電池モジュールＭ１では、改質触媒層７０が設けられ熱伝達率の高い改質流路６７と、酸化剤空気流路４８とが伝熱壁６３（図４参照）を介して隣接されている。従って、例えば、酸化剤空気流路４８が気化流路４６と伝熱壁を介して隣接される場合に比して、炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６への熱交換効率を向上させることができる。
【０１３７】
しかも、燃料電池モジュールＭ１において、改質流路６７と酸化剤空気流路４８とは、流れの向きが同じであるので、炭化水素ガス１６４と酸化剤空気１６６との間で、入口から出口に向かって、低温から高温の温度勾配をつけて熱交換させることができる。
【０１３８】
また、燃料電池システムＳに用いられた燃料電池モジュールＭ１では、予熱部１００、燃焼部９０の周壁部９１、改質部６０、及び、気化部４０が、互いに同軸上に設けられており、この予熱部１００、燃焼部９０の周壁部９１、改質部６０、及び、気化部４０によって燃料電池モジュールＭ１の容器２０が構成されている。従って、燃料電池モジュールＭ１が径方向に拡がることを抑制できるので、燃料電池モジュールＭ１を径方向に小型化することができる。
【０１３９】
また、改質部６０及び気化部４０は、それぞれ四重の円筒状又は楕円筒状の伝熱壁によって構成されている。従って、改質部６０及び気化部４０における構造を簡素化できると共に、改質部６０及び気化部４０の組立が容易になるので、燃料電池モジュールＭ１を低コスト化することができる。
【０１４０】
ここで、以下の表１には、上述の原燃料１６１、酸化剤空気１６６、及び、改質用水１６２を変更させた場合における、改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度、及び、改質流路６７の出口部での改質ガス１６５の温度を測定した結果が示されている。この表１には、酸化剤空気１６６のみを増加させて改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度を下げる場合と、改質用水１６２を増加させると共に酸化剤空気１６６を減少させて改質流路６７の入口部での炭化水素ガス１６４の温度を下げる場合について測定した結果が示されている。
【０１４１】
【表１】
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※１  改質流路の入口部での炭化水素ガスの温度が、所定温度範囲で高温の場合
※２  改質流路の入口部での炭化水素ガスの温度が、所定温度範囲で低温の場合
【０１４２】
表１より、酸化剤空気のみを増加させることで改質流路の入口部での炭化水素ガスの温度を低下させることが可能である。また、改質用水を増加させると、酸化剤空気を減少させても、改質流路の入口部での炭化水素ガスの温度が著しく低下する。ただし、改質用水の流量の変更は、燃料電池セルスタックの発電性能への影響が懸念される。
【０１４３】
次に、本発明の第一実施形態の変形例について説明する。
【０１４４】
上記実施形態において、燃料電池セルスタック１０には、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が適用されているが、その他の形式の燃料電池が適用されても良い。また、燃料電池セルスタック１０のセルの形状も、平板形、円筒形、円筒平板形など、どのような形状でも良い。
【０１４５】
また、上記実施形態において、気化部４０、改質部６０、燃焼部９０、予熱部１００、及び、熱交換部１１０は、モジュール化されているが、モジュール化されずに独立して設けられていても良い。
【０１４６】
また、例えば、気化部４０及び改質部６０がモジュール化されずに独立して設けられる場合に、気化部４０及び改質部６０のいずれか一方から酸化剤空気流路４８が省かれても良い。すなわち、燃料電池システムＳにおいて、酸化剤空気流路４８は、気化流路４６及び改質流路６７のいずれか一方のみと伝熱壁を介して隣接されていても良い。そして、酸化剤空気流路４８が気化流路４６及び改質流路６７のいずれか一方のみと伝熱壁を介して隣接されることにより、気化流路４６の出口部及び改質流路６７の入口部のいずれか一方のみにおいて炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６への伝熱量が調節されても良い。
【０１４７】
また、上記実施形態において、気化部４０は、四重の伝熱壁４１〜４４の内側から外側に順に、断熱空間４５、気化流路４６、燃焼排ガス流路４７、及び、酸化剤空気流路４８を有するが、四重の伝熱壁４１〜４４の内側から外側に順に、断熱空間４５、燃焼排ガス流路４７、気化流路４６、及び、酸化剤空気流路４８を有しても良い。
【０１４８】
また、このように四重の伝熱壁４１〜４４の内側から外側に順に、断熱空間４５、燃焼排ガス流路４７、気化流路４６、及び、酸化剤空気流路４８が形成されることにより、気化流路４６及び改質流路６７の両方と酸化剤空気流路４８とが伝熱壁を介して隣接されていても良い。そして、これにより、気化流路４６の出口部及び改質流路６７の入口部の両方において炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６への伝熱量が調節されても良い。
【０１４９】
なお、気化流路４６の出口部及び改質流路６７の入口部の両方において炭化水素ガス１６４と酸化剤空気１６６との間で熱交換させる場合、気化流路４６の伝熱面積を過剰にしてしまうと、燃料電池モジュールＭ１の運転状態によっては、気化流路４６の温度が下がりすぎて気化が不安定になることが懸念される。従って、気化流路４６については気化の安定性が損なわれない程度に温度を下げて、改質流路６７の入口部でも炭化水素ガス１６４と酸化剤空気１６６との間で熱交換させることでさらに炭化水素ガス１６４の温度を下げることが望ましい。
【０１５０】
また、上記実施形態では、「酸化剤空気流路における酸化剤空気の流量を調節する空気量調節部」の一例として、回転数を変更可能な空気ブロワ１７８が用いられているが、例えば流量調整弁等のその他の調節機構が用いられても良い。
【０１５１】
また、上記実施形態では、「気化流路に供給される炭化水素燃料に含まれる改質用水の量を調節する水量調節部」の一例として、回転数を変更可能な水ポンプ１７６が用いられているが、例えば流量調整弁等のその他の調節機構が用いられても良い。
【０１５２】
また、上記実施形態において、燃焼部９０の周壁部９１、予熱部１００、改質部６０、気化部４０、及び、熱交換部１１０等を構成する複数の伝熱壁は、いずれも横断面が真円形状である円筒状に形成されている。しかしながら、これらの伝熱壁は、いずれも横断面が楕円形状である楕円筒状に形成されていても良い。
【０１５３】
また、予熱部１００、燃焼部９０の周壁部９１、改質部６０、気化部４０、及び、熱交換部１１０等を構成する複数の伝熱壁は、円筒状に形成されたものと、楕円筒状に形成されたものの両方を含んでいても良い。
【０１５４】
また、熱交換部１１０は、内側の伝熱壁１１１と中央の伝熱壁１１２との間に酸化剤空気流路１１７を有し、外側の伝熱壁１１３と中央の伝熱壁１１２との間に燃焼排ガス流路１１８を有する。しかしながら、熱交換部１１０は、内側の伝熱壁１１１と中央の伝熱壁１１２との間に燃焼排ガス流路１１８を有し、外側の伝熱壁１１３と中央の伝熱壁１１２との間に酸化剤空気流路１１７を有するように構造が変更されても良い。
【０１５５】
また、燃料電池モジュールＭ１は、熱交換部１１０を備えるが、この熱交換部１１０は、省かれても良い。また、熱交換部１１０が省かれると共に、気化部４０から酸化剤空気流路４８が省かれても良い。
【０１５６】
また、熱交換部１１０は、気化部４０及び改質部６０の径方向外側に設けられているが、気化部４０の上方に気化部４０と同軸上に設けられても良い。
【０１５７】
また、予熱部１００は、二重の伝熱壁１０１，１０２によって構成されているが、三重の伝熱壁によって構成されても良い。そして、予熱部１００を構成する三重の伝熱壁の間に、酸化剤空気１６６が流れる予熱流路１０５と、改質流路６７と連通し改質ガス１６５が流れる改質ガス流路とが形成されても良い。
【０１５８】
また、予熱部１００の代わりに燃料電池セルスタック１０を単に収容する収容部（流路を有しない収容部）が設けられても良い。また、予熱部１００の代わりに収容部が設けられる場合、改質流路６７及び酸化剤空気流路４８と燃料電池セルスタック１０とは、配管等により接続されても良い。
【０１５９】
なお、上記複数の変形例のうち組み合わせ可能な変形例は、適宜組み合わされて実施されても良い。
【０１６０】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。
【０１６１】
上述の燃料電池システムＳには、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１の代わりに、図１０に示される第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２が用いられても良い。この第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２は、上述の第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１に対し、次のように構造が変更されている。
【０１６２】
すなわち、第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２において、容器２０は、上述の第一実施形態よりも二つ少ない七個の管材２１〜２７により構成されている。一番目の管材２１及び二番目の管材２２は、燃料電池セルスタック１０の上方から容器２０の上端部に亘って設けられており、三番目の管材２３及び四番目の管材２４は、容器２０の高さ方向の中央部から上端部に亘って設けられている。
【０１６３】
図１１に示されるように、一番目の管材２１から四番目の管材２４の上部には、鉛直方向上側に向かうに従って縮径する縮径部２２１〜２２４がそれぞれ形成されている。この複数の縮径部２２１〜２２４のうち、二番目から四番目の管材２２〜２４に形成された縮径部２２２〜２２４の上方には、円筒状の接続部２２５〜２２７がそれぞれ形成されている。
【０１６４】
一番目の管材２１に形成された縮径部２２１の上端部、及び、二番目の管材２２に設けられた接続部２２５の上端部は、パイプ１５０の上部にそれぞれ固定されている。また、三番目の管材２３に設けられた接続部２２６の上端部は、二番目の管材２２に設けられた接続部２２５の上端部に固定され、四番目の管材２４に設けられた接続部２２７の上端部は、三番目の管材２３に設けられた接続部２２６の上端部に固定されている。また、この接続部２２５〜２２７のうち、三番目の管材２３及び四番目の管材２４に設けられた接続部２２６，２２７には、蛇腹状のベローズ２２８，２２９がそれぞれ形成されている。
【０１６５】
図１０に示されるように、五番目の管材２５及び六番目の管材２６は、三番目の管材２３及び四番目の管材２４の下方から容器２０の下端部に亘って設けられており、七番目の管材２７は、二番目の管材２２の下方で燃料電池セルスタック１０と五番目の管材２５のとの間に設けられている。二番目の管材２２の下端部は、七番目の管材２７の上端部に固定され、五番目の管材２５の下端部、六番目の管材２６の下端部、及び、七番目の管材２７の下端部は、容器２０の下壁部を構成するマニホールド１４に固定されている。
【０１６６】
熱交換部１１０は、気化部４０の上方に気化部４０と同軸上に設けられており、容器２０の上部に設けられた四重の伝熱壁１１１〜１１４によって構成されている。四重の伝熱壁１１１〜１１４のうち最も内側に位置する伝熱壁１１１は、一番目の管材２１の上部によって構成され、四重の伝熱壁１１１〜１１４のうち内側から二番目の伝熱壁１１２は、二番目の管材２２の上部によって構成されている。また、四重の伝熱壁１１１〜１１４のうち内側から三番目の伝熱壁１１３は、三番目の管材２３の上部によって構成され、四重の伝熱壁１１１〜１１４のうち最も外側に位置する伝熱壁１１４は、四番目の管材２４の上部によって構成されている。
【０１６７】
図１１に示されるように、この熱交換部１１０を構成する四重の伝熱壁１１１〜１１４は、互いの間に隙間を有しており、この四重の伝熱壁１１１〜１１４の内側から外側には、断熱空間４５、燃焼排ガス流路１１８、原燃料流路１１６、及び、酸化剤空気流路１１７が順に形成されている。
【０１６８】
つまり、一番目の伝熱壁１１１の内側の空間は、断熱空間４５として形成され、一番目の伝熱壁１１１と、二番目の伝熱壁１１２との間の隙間は、燃焼排ガス流路１１８として形成されている。また、二番目の伝熱壁１１２と、三番目の伝熱壁１１３との間の隙間は、原燃料流路１１６として形成され、三番目の伝熱壁１１３と、四番目の伝熱壁１１４との間の隙間は、酸化剤空気流路１１７として形成されている。
【０１６９】
燃焼排ガス流路１１８の上端部は、パイプ１５０と接続部２２５との間に形成された接続流路２３１と連通され、この接続流路２３１の上端部には、容器２０の径方向外側に延びるガス排出管１２３が接続されている。燃焼排ガス流路１１８は、鉛直方向下側を上流側として形成されており、この燃焼排ガス流路１１８には、気化部４０の燃焼排ガス流路４７（図１２参照）から供給された燃焼排ガス１６８が鉛直方向下側から上側に流れる。
【０１７０】
原燃料流路１１６の上端部は、接続部２２５と接続部２２６との間に形成された接続流路２３２と連通され、この接続流路２３２の上端部には、容器２０の径方向外側に延びる炭化水素燃料供給管５０が接続されている。原燃料流路１１６は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この原燃料流路１１６には、炭化水素燃料供給管５０から接続流路２３２を通じて供給された炭化水素燃料１６３が鉛直方向上側から下側に流れる。原燃料流路１１６の下端部は、気化流路４６（図１２参照）と連通されている。
【０１７１】
酸化剤空気流路１１７の上端部は、接続部２２６と接続部２２７との間に形成された接続流路２３３と連通されている。この接続流路２３３の上端部には、容器２０の径方向外側に延びる酸化剤空気供給管１２２が接続されており、酸化剤空気流路１１７の下端部は、気化部４０に形成された酸化剤空気流路４８（図１２参照）と連通されている。酸化剤空気流路１１７は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この酸化剤空気流路１１７には、酸化剤空気供給管１２２から接続流路２３３を通じて供給された酸化剤空気１６６が鉛直方向上側から下側に流れる。
【０１７２】
原燃料流路１１６には、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材１１９が設けられており、この螺旋部材１１９により、原燃料流路１１６は、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。同様に、酸化剤空気流路１１７には、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材１２０が設けられており、この螺旋部材１２０により、酸化剤空気流路１１７は、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。同様に、燃焼排ガス流路１１８には、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材１２１が設けられており、この螺旋部材１２１により、燃焼排ガス流路１１８は、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。
【０１７３】
図１０に示されるように、気化部４０は、四重の伝熱壁４１〜４４によって構成されている。四重の伝熱壁４１〜４４のうち最も内側に位置する伝熱壁４１は、一番目の管材２１の高さ方向の中央部によって構成され、四重の伝熱壁４１〜４４のうち内側から二番目の伝熱壁４２は、二番目の管材２２の高さ方向の中央部によって構成されている。また、四重の伝熱壁４１〜４４のうち内側から三番目の伝熱壁４３は、三番目の管材２３の下部によって構成され、四重の伝熱壁４１〜４４のうち最も外側に位置する伝熱壁４４は、四番目の管材２４の下部によって構成されている。
【０１７４】
図１２に示されるように、この気化部４０を構成する四重の伝熱壁４１〜４４は、互いの間に隙間を有しており、この四重の伝熱壁４１〜４４の内側から外側には、断熱空間４５、燃焼排ガス流路４７、気化流路４６、及び、酸化剤空気流路４８が順に形成されている。
【０１７５】
気化流路４６、酸化剤空気流路４８、及び、燃焼排ガス流路４７には、螺旋部材１１９，１２０，１２１が設けられており、この螺旋部材１１９，１２０，１２１により、気化流路４６、酸化剤空気流路４８、及び、燃焼排ガス流路４７は、気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。
【０１７６】
図１０に示されるように、改質部６０は、四重の伝熱壁６１〜６４によって構成されている。四重の伝熱壁６１〜６４のうち最も内側に位置する伝熱壁６１は、一番目の管材２１の下部によって構成され、四重の伝熱壁６１〜６４のうち内側から二番目の伝熱壁６２は、二番目の管材２２の下部によって構成されている。また、四重の伝熱壁６１〜６４のうち内側から三番目の伝熱壁６３は、五番目の管材２５の上部によって構成され、四重の伝熱壁６１〜６４のうち最も外側に位置する伝熱壁６４は、六番目の管材２６の上部によって構成されている。
【０１７７】
図１２に示されるように、改質部６０を構成する四重の伝熱壁６１〜６４は、互いの間に隙間を有しており、この四重の伝熱壁６１〜６４の内側から外側には、断熱空間４５、燃焼排ガス流路４７、改質流路６７、及び、酸化剤空気流路４８が順に形成されている。
【０１７８】
改質流路６７の入口（上端）には、改質部６０の周方向に沿って環状に形成された一対の仕切板２３４が設けられている。この一対の仕切板２３４は、鉛直方向に並んでいる。各仕切板２３４には、周方向に一定の間隔を空けて複数のオリフィス２３５が形成されている。オリフィス２３５は、仕切板２３４の板厚方向（鉛直方向）に貫通しており、改質流路６７には、複数のオリフィス２３５を通じて炭化水素ガス１６４が流入する。
【０１７９】
一対の仕切板２３４の外周部は、改質部６０を構成する四重の伝熱壁６１〜６４のうち内側から三番目の伝熱壁６３と僅かな隙間を有して離間されている。なお、一対の仕切板２３４の内周部が、改質部６０を構成する四重の伝熱壁６１〜６４のうち内側から二番目の伝熱壁６２と僅かな隙間を有して離間されていても良い。
【０１８０】
複数のオリフィス２３５は、改質流路６７の周方向に一定の間隔を空けて並んでいるので、この複数のオリフィス２３５を通過することで、改質流路６７には、原改質ガスが分散して流入する。なお、仕切板２３４は、一枚でも良い。
【０１８１】
図１０に示されるように、予熱部１００は、三重の伝熱壁１０１〜１０３によって構成されている。三重の伝熱壁１０１〜１０３における内側の伝熱壁１０１は、七番目の管材２７によって構成され、三重の伝熱壁１０１〜１０３における中央の伝熱壁１０２は、五番目の管材２５の下部によって構成され、三重の伝熱壁１０１〜１０３における外側の伝熱壁１０３は、六番目の管材２６の下部によって構成されている。
【０１８２】
図１３に示されるように、この熱交換部１１０を構成する三重の伝熱壁１０１〜１０３は、互いの間に隙間を有している。そして、内側の伝熱壁１０１と中央の伝熱壁１０２との間には、改質ガス流路１０８が形成され、外側の伝熱壁１０３と中央の伝熱壁１０２との間には、予熱流路１０５が形成されている。改質ガス流路１０８の上端部は、改質流路６７と連通されている。
【０１８３】
また、改質ガス流路１０８の下端部は、マニホールド１４（図１０参照）に形成された流路を通じて燃料電池セルスタック１０の改質ガス取入口と連通され、予熱流路１０５の下端部は、マニホールド１４（図１０参照）に形成された流路を通じて燃料電池セルスタック１０の酸化剤空気取入口と連通されている。
【０１８４】
この第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２は、上記以外は、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１と同様の構造であり、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１と同様に動作する。また、第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２が上述の燃料電池システムＳに適用された場合においても、燃料電池システムＳは、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１が適用された場合と同様に動作する。
【０１８５】
ただし、この第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２では、改質流路６７に加えて、気化流路４６も酸化剤空気流路４８と伝熱壁４３を介して隣接されている。従って、この第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２が上述の燃料電池システムＳに適用された場合には、空気ブロワ１７８が制御されて酸化剤空気流路４８を流れる酸化剤空気１６６の流量が調節されることにより、気化流路４６の出口部から改質流路６７の入口部に亘って炭化水素ガス１６４から酸化剤空気１６６へ伝熱される。
【０１８６】
なお、この第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２のように、熱交換部１１０が気化部４０の上方に設けられていると、一番目から四番目の管材２１〜２４を容器２０の上側へ直線状に延長することにより、この一番目から四番目の管材２１〜２４の上部で熱交換部１１０を構成することができる。これにより、容器２０の製造が容易になると共に容器２０を構成する管材の数を減らすことができるので、コストダウンすることができる。
【０１８７】
また、熱交換部１１０が気化部４０の上方に気化部４０と同軸上に設けられているので、この燃料電池モジュールＭ２によれば、径方向により一層小型化することができる。
【０１８８】
また、図１１に示されるように、熱交換部１１０では、燃焼排ガス流路１１８と並んで原燃料流路１１６が形成されているので、原燃料流路１１６を流れる炭化水素燃料１６３を、燃焼排ガス流路１１８を流れる燃焼排ガス１６８との間で熱交換させることができ、これにより、炭化水素燃料１６３を予熱することができる。
【０１８９】
また、熱交換部１１０の内側には、断熱空間４５が形成されている。従って、熱交換部１１０については、径方向の厚さを薄くすることで、容積に対して伝熱面積を大きく確保することができる。これにより、熱交換部１１０を径方向及び軸方向に小型化することができる。
【０１９０】
また、三番目の管材２３及び四番目の管材２４に設けられた接続部２２６，２２７にベローズ２２８，２２９がそれぞれ形成されているので、一番目から四番目の管材２１〜２４に温度差による熱膨張差が生じても、ベローズ２２８，２２９が伸縮することにより熱膨張差に伴う応力を吸収して緩和することができる。
【０１９１】
以上、本発明の第一及び第二実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【０１９２】
Ｓ…燃料電池システム、Ｍ１，Ｍ２…燃料電池モジュール、１０…燃料電池セルスタック、４０…気化部、４１〜４４…伝熱壁、４６…気化流路、４７…燃焼排ガス流路、４８…酸化剤空気流路、６０…改質部、６１〜６４…伝熱壁、６７…改質流路、７０…改質触媒層、９０…燃焼部、９１…周壁部、１００…予熱部（収容部）、１２２…酸化剤空気供給管、１２３…ガス排出管、１６１…原燃料、１６２…改質用水、１６３…炭化水素燃料、１６４…炭化水素ガス、１６５…改質ガス、１６６…酸化剤空気、１６７…スタック排ガス、１６８…燃焼排ガス、１７０…入口温度検出部、１７２…出口温度検出部、１７４…原燃料送出部、１７６…水ポンプ（水量調節部）、１７８…空気ブロワ（空気量調節部）、１８４…制御部
【図１】
0006402049.tif 000003
【図２】
0006402049.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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