(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガス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、
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、円筒状又は楕円筒状とされ、且つ、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから前記燃料ガスを生成する改質部と、
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、円筒状又は楕円筒状とされ、且つ、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料を気化して前記原燃料ガスを生成する気化部と、
前記気化部の上方に前記気化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少なくとも三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、且つ、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記原燃料が投入される原燃料流路、及び、前記原燃料との間で熱交換する前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路を有する熱交換部と、
を備える燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記改質部は、互いの間に隙間を有する四重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該四重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから前記燃料ガスを生成するための改質触媒層が設けられた改質流路、及び、前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有し、
前記気化部は、互いの間に隙間を有する四重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該四重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記改質流路と連通し原燃料を気化して前記原燃料ガスを生成する気化流路、前記改質部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記原燃料に対して気化熱を与える前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記改質部の前記酸化剤ガス流路と連通し前記燃焼排ガスとの間で熱交換する前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有し、
前記熱交換部は、前記三重の筒状壁を含み互いの間に隙間を有する四重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該四重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記気化流路と連通する前記原燃料流路、前記気化部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記原燃料との間で熱交換する前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記気化部の前記酸化剤ガス流路と連通し前記燃焼排ガスとの間で熱交換する前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有する、
請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち最も外側に位置する筒状壁と、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち最も外側に位置する筒状壁と、前記熱交換部を構成する四重の筒状壁のうち最も外側に位置する筒状壁とは、一体に形成され、
前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち外側から二番目の筒状壁と、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち外側から二番目の筒状壁と、前記熱交換部を構成する四重の筒状壁のうち外側から二番目の筒状壁とは、一体に形成されている、
請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記収容部は、前記燃料電池セルスタックの周囲に設けられた二重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該二重の筒状壁の間に前記酸化剤ガス流路と連通し前記燃料電池セルスタックの排熱で予熱される前記酸化剤ガスが流れる予熱流路を有する予熱部であり、
前記周壁部は、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち最も内側の筒状壁を除く残りの筒状壁に一体に形成されると共に、前記四重の筒状壁のうち最も内側の筒状壁に対して下方に延び、
前記予熱部を構成する二重の筒状壁のうち外側の筒状壁と、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち最も外側に位置する筒状壁とは、一体に形成され、
前記予熱部を構成する二重の筒状壁のうち内側の筒状壁と、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち外側から二番目の筒状壁とは、一体に形成されている、
請求項３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記改質部は、互いの間に隙間を有する三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから前記燃料ガスを生成するための改質触媒層が設けられた改質流路を有し、
前記気化部は、互いの間に隙間を有する三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記改質流路と連通し原燃料を気化して前記原燃料ガスを生成する気化流路、及び、前記改質部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記原燃料に対して気化熱を与える前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路を有し、
前記熱交換部は、互いの間に隙間を有する三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記気化流路と連通する前記原燃料流路、及び、前記気化部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記原燃料との間で熱交換する前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路を有する、
請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記改質流路は、前記気化流路よりも径方向外側に位置し、
前記気化流路の下端部と前記改質流路の上端部とは、前記気化部の周方向の一部から径方向外側に延びる連結管によって接続されている、
請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記熱交換部、前記気化部、及び、前記改質部における前記断熱空間は、空洞である。
請求項２又は請求項５に記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記熱交換部、前記気化部、及び、前記改質部における前記断熱空間には、断熱材が充填されている。
請求項２又は請求項５に記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】
酸化剤ガスと燃料ガス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、
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、円筒状又は楕円筒状とされ、且つ、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから前記燃料ガスを生成する改質部と、
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筒状壁によって構成され、且つ、該四重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、原燃料を気化して前記原燃料ガスを生成する気化流路、前記原燃料に対して気化熱を与える前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記燃焼排ガスとの間で熱交換する前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有する気化部と、
前記気化部の上方に前記気化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三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、且つ、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記気化部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記気化部の前記酸化剤ガス流路と連通し前記燃焼排ガスとの間で熱交換する前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有する熱交換部と、
を備える燃料電池モジュール。
【請求項１０】
前記改質部は、互いの間に隙間を有する四重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該四重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記気化部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、前記気化流路と連通し前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから前記燃料ガスを生成するための改質触媒層が設けられた改質流路、及び、前記気化部の前記酸化剤ガス流路と連通し前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有する、
請求項９に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１１】
前記熱交換部を構成する三重の筒状壁のうち最も内側の筒状壁と、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち内側から二番目の筒状壁とは、共通の管材に形成され、
前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち最も内側の筒状壁は、前記管材の径方向内側に位置する、
請求項１０に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１２】
前記熱交換部の内側を通り、前記気化流路の上端部に接続された原燃料供給管をさらに備える、
請求項１１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１３】
前記改質部と前記気化部との間に前記改質部及び前記気化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五重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成された流路切替部をさらに備え、
前記流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から一番目の筒状壁は、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち内側から一番目の筒状壁を上方に延長して形成され、
前記流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から二番目の筒状壁は、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち内側から一番目の筒状壁を下方に延長して形成され、
前記流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から三番目の筒状壁は、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち内側から二番目の筒状壁を下方に延長して形成され、
前記流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から四番目の筒状壁は、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち内側から三番目の筒状壁と、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち内側から三番目の筒状壁とに連続して形成され、
前記流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から一番目の筒状壁と内側から二番目の筒状壁との間には、前記改質部の前記燃焼排ガス流路を上方に延長した上方延長排ガス流路が形成され、
前記流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から三番目の筒状壁と内側から四番目の筒状壁との間には、前記上方延長排ガス流路よりも径方向外側に位置し前記気化部の前記燃焼排ガス流路を下方に延長した下方延長排ガス流路が形成され、
前記流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から二番目の筒状壁と三番目の筒状壁には、前記流路切替部の周方向の一部に設けられ前記上方延長排ガス流路と前記下方延長排ガス流路とを連通する連通管が接続され、
前記流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から二番目の筒状壁の下端部は、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち内側から二番目の筒状壁の上端部に結合されている、
請求項１０〜請求項１２のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１４】
前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち最も外側に位置する筒状壁と、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち最も外側に位置する筒状壁と、前記熱交換部を構成する三重の筒状壁における外側の筒状壁とは、一体に形成され、
前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち外側から二番目の筒状壁と、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち外側から二番目の筒状壁と、前記熱交換部を構成する三重の筒状壁における中央の筒状壁とは、一体に形成されている、
請求項１０〜請求項１３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１５】
前記収容部は、前記燃料電池セルスタックの周囲に設けられた二重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該二重の筒状壁の間に前記酸化剤ガス流路と連通し前記燃料電池セルスタックの排熱で予熱される前記酸化剤ガスが流れる予熱流路を有する予熱部であり、
前記周壁部は、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち最も内側の筒状壁を除く残りの筒状壁に一体に形成されると共に、前記四重の筒状壁のうち最も内側の筒状壁に対して下方に延び、
前記予熱部を構成する二重の筒状壁のうち外側の筒状壁と、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち最も外側に位置する筒状壁とは、一体に形成され、
前記予熱部を構成する二重の筒状壁のうち内側の筒状壁と、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち外側から二番目の筒状壁とは、一体に形成されている、
請求項１４に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１６】
前記熱交換部の前記酸化剤ガス流路及び前記燃焼排ガス流路は、螺旋形成部によって前記熱交換部の軸方向回りに螺旋状に形成されている、
請求項２又は請求項９に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１７】
前記熱交換部の前記燃焼排ガス流路は、螺旋形成部によって前記熱交換部の軸方向回りに螺旋状に形成され、
前記気化流路は、螺旋形成部によって前記気化部の軸方向回りに螺旋状に形成され、
前記熱交換部の前記燃焼排ガス流路は、前記気化流路よりも螺旋のピッチが大きい、
請求項２又は請求項９に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１８】
前記熱交換部の前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れと、前記熱交換部の前記燃焼排ガス流路における前記燃焼排ガスの流れとは、前記熱交換部の軸方向に逆向きである、
請求項１６又は請求項１７に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１９】
前記収容部、前記周壁部、前記改質部、前記気化部、及び、前記熱交換部は、容器を構成し、
前記容器は、断熱材によって覆われている、
請求項１〜請求項１８のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項２０】
酸化剤ガスと燃料ガス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、
前記燃料電池セルスタックの周囲に設けられた二重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該二重の筒状壁の間に前記燃料電池セルスタックの排熱で予熱される前記酸化剤ガスが流れる予熱流路を有する予熱部と、
前記予熱部を構成する前記二重の筒状壁及び前記予熱流路の上方への延長部分を含むと共に前記燃料電池セルスタックの上方に前記予熱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し、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て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三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、且つ、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから前記燃料ガスを生成するための改質触媒層が設けられた改質流路を有する改質部と、
を備える燃料電池モジュール。
【請求項２１】
前記予熱流路の上端部には、前記予熱流路に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給管が接続されている、
請求項２０に記載の燃料電池モジュール。
【請求項２２】
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三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、且つ、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記改質流路と連通し原燃料を気化して前記原燃料ガスを生成する気化流路、及び、前記改質部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記原燃料に対して気化熱を与える前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路を有する気化部と、
前記気化部の上方に前記気化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三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、且つ、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記気化流路と連通し前記原燃料が投入される原燃料流路、及び、前記気化部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記原燃料との間で熱交換する前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路を有する熱交換部とをさらに備える、
請求項２０又は請求項２１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項２３】
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三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、且つ、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記改質部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記改質流路と連通し原燃料を気化して前記原燃料ガスを生成する気化流路を有する気化部をさらに備える、
請求項２０又は請求項２１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項２４】
前記予熱部、前記周壁部、前記改質部、及び、前記気化部は、容器を構成し、
前記気化部は、前記容器の上部を構成している、
請求項２３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項２５】
前記容器は、断熱材によって覆われている、
請求項２４に記載の燃料電池モジュール。
【請求項２６】
酸化剤ガスと燃料ガス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、
前記燃料電池セルスタックの周囲に設けられた二重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該二重の筒状壁の間に前記燃料電池セルスタックの排熱で予熱される前記酸化剤ガスが流れる予熱流路を有する予熱部と、
前記燃料電池セルスタックの上方に前記予熱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五重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、且つ、該五重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから前記燃料ガスを生成するための改質触媒層が設けられた改質流路、断熱空間、及び、前記予熱流路と連通し前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有する改質部と、
を備える燃料電池モジュール。
【請求項２７】
前記改質流路の径方向外側の前記断熱空間は、空洞である、
請求項２６に記載の燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池モジュールとしては、例えば、直方形の燃料電池モジュール（例えば、特許文献１参照）と、円筒形の燃料電池モジュール（例えば、特許文献２〜４参照）とがある。
【０００３】
また、円筒形の燃料電池モジュールとしては、例えば、燃料電池セルスタックと、改質器と、気化器と、熱交換器等とが径方向に並ぶ多層構造の燃料電池モジュールがある。このような径方向の多層構造では、複雑な構造となるためコストアップになると共に、燃料電池モジュールが径方向に大型化する。
【０００４】
一方、円筒形の燃料電池モジュールを径方向に小型化する例としては、燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックの上方に配置されると共に平面形状が円形状の改質部と、改質部の上方に配置された気化部とを備えた燃料電池モジュールがある（例えば、特許文献５参照）。
【０００５】
このような燃料電池モジュールでは、改質部及び気化部に複数の部屋が必要であり、さらに、気化部の中央から周縁側に原燃料ガスを流すための渦巻き状の流路が設置されているので、結果的に構造が複雑になり、コストアップとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００９／０１６８５７号パンフレット
【特許文献２】特表２０１０−５０４６０７号公報
【特許文献３】特開２０１４−７８３４８号公報
【特許文献４】特開２０１３−１８２７０７号公報
【特許文献５】特開２０１１−１７５８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、低コスト化と径方向の小型化とを両立できる燃料電池モジュール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】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池モジュールは、酸化剤ガスと燃料ガス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、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、円筒状又は楕円筒状とされ、且つ、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから前記燃料ガスを生成する改質部と、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、円筒状又は楕円筒状とされ、且つ、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料を気化して前記原燃料ガスを生成する気化部と、前記気化部の上方に前記気化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少なくとも三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、且つ、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記原燃料が投入される原燃料流路、及び、前記原燃料との間で熱交換する前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路を有する熱交換部と、を備える。
【０００９】
この燃料電池モジュールによれば、燃料電池セルスタックを収容する収容部と、燃焼部の周壁部と、改質部と、気化部と、熱交換部とが互いに同軸上に設けられている。また、熱交換部は、少なくとも三重の筒状壁によって構成され、この少なくとも三重の筒状壁に、熱交換部における断熱空間、原燃料流路、及び、燃焼排ガス流路が形成されている。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。
【００１０】
しかも、熱交換部は、少なくとも三重の筒状壁によって構成されている。従って、熱交換部における構造を簡素化できると共に、熱交換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。
【００１１】
特に、熱交換部が気化部の上方に気化部と同軸上に設けられており、収容部、周壁部、改質部、気化部、及び、熱交換部によって構成される容器がストレート状に延びる構造であるので、例えば、熱交換部が折り返されて改質部及び気化部の周囲に設けられる場合に比して、構造を簡素化できると共に、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。
【００１２】
また、熱交換部の内側には、断熱空間が形成されている。従って、熱交換部については、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、熱交換部を径方向及び軸方向に小型化することができる。
【００１３】
なお、請求項２に記載の燃料電池モジュールのように、請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記改質部は、互いの間に隙間を有する四重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該四重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから前記燃料ガスを生成するための改質触媒層が設けられた改質流路、及び、前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有し、前記気化部は、互いの間に隙間を有する四重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該四重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記改質流路と連通し原燃料を気化して前記原燃料ガスを生成する気化流路、前記改質部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記原燃料に対して気化熱を与える前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記改質部の前記酸化剤ガス流路と連通し前記燃焼排ガスとの間で熱交換する前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有し、前記熱交換部は、前記三重の筒状壁を含み互いの間に隙間を有する四重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該四重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記気化流路と連通する前記原燃料流路、前記気化部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記原燃料との間で熱交換する前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記気化部の前記酸化剤ガス流路と連通し前記燃焼排ガスとの間で熱交換する前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有していても良い。
【００１４】
この構成によれば、熱交換部が四重の筒状壁によって構成されることに加え、改質部及び気化部も四重の筒状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より低コスト化することができる。
【００１５】
また、熱交換部では、燃焼排ガス流路の径方向の両側に原燃料流路及び酸化剤ガス流路が形成されている。これにより、燃焼排ガス流路の熱を、原燃料流路と酸化剤ガス流路とに振り分けることができる。つまり、原燃料流路を流れる原燃料を気化させる構造と、酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスを予熱する構造とを一体化することができる。従って、このことによっても、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。
【００１６】
さらに、熱交換部の最も外側には、燃焼排ガスよりも温度の低い酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が形成されているので、この酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスで燃焼排ガスの熱を吸収することにより、熱交換部の放熱を抑制することができる。
【００１７】
また、請求項３に記載の燃料電池モジュールのように、請求項２に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち最も外側に位置する筒状壁と、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち最も外側に位置する筒状壁と、前記熱交換部を構成する四重の筒状壁のうち最も外側に位置する筒状壁とは、一体に形成され、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち外側から二番目の筒状壁と、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち外側から二番目の筒状壁と、前記熱交換部を構成する四重の筒状壁のうち外側から二番目の筒状壁とは、一体に形成されていても良い。
【００１８】
この構成によれば、改質部の外側の筒状壁と、気化部の外側の筒状壁と、熱交換部の外側の筒状壁とが一体に形成されると共に、改質部の外側から二番目の筒状壁と、気化部の外側から二番目の筒状壁と、熱交換部の外側から二番目の筒状壁とが一体に形成されているので、部品点数の増加を抑制することができると共に、改質部、気化部、及び、熱交換部の構造を簡素化することができる。
【００１９】
また、請求項４に記載の燃料電池モジュールのように、請求項３に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記収容部は、前記燃料電池セルスタックの周囲に設けられた二重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該二重の筒状壁の間に前記酸化剤ガス流路と連通し前記燃料電池セルスタックの排熱で予熱される前記酸化剤ガスが流れる予熱流路を有する予熱部であり、前記周壁部は、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち最も内側の筒状壁を除く残りの筒状壁に一体に形成されると共に、前記四重の筒状壁のうち最も内側の筒状壁に対して下方に延び、前記予熱部を構成する二重の筒状壁のうち外側の筒状壁と、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち最も外側に位置する筒状壁とは、一体に形成され、前記予熱部を構成する二重の筒状壁のうち内側の筒状壁と、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち外側から二番目の筒状壁とは、一体に形成されていても良い。
【００２０】
この構成によれば、予熱部の外側の筒状壁と、改質部の外側の筒状壁とが一体に形成されると共に、予熱部の内側の筒状壁と、改質部の外側から二番目の筒状壁とが一体に形成されているので、部品点数の増加を抑制することができると共に、予熱部及び改質部の構造を簡素化することができる。
【００２１】
また、請求項５に記載の燃料電池モジュールのように、請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記改質部は、互いの間に隙間を有する三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから前記燃料ガスを生成するための改質触媒層が設けられた改質流路を有し、前記気化部は、互いの間に隙間を有する三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記改質流路と連通し原燃料を気化して前記原燃料ガスを生成する気化流路、及び、前記改質部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記原燃料に対して気化熱を与える前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路を有し、前記熱交換部は、互いの間に隙間を有する三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記気化流路と連通する前記原燃料流路、及び、前記気化部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記原燃料との間で熱交換する前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路を有していても良い。
【００２２】
この構成によれば、熱交換部、気化部、及び、改質部が三重の筒状壁によって構成されている。従って、熱交換部、気化部、及び、改質部における構造を簡素化できると共に、熱交換部、気化部、及び、改質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。
【００２３】
また、請求項６に記載の燃料電池モジュールのように、請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記改質流路は、前記気化流路よりも径方向外側に位置し、前記気化流路の下端部と前記改質流路の上端部とは、前記気化部の周方向の一部から径方向外側に延びる連結管によって接続されていても良い。
【００２４】
この構成によれば、気化流路の下端部と改質流路の上端部とを接続する連結管は、気化部の周方向の一部から径方向外側に延びている。従って、改質流路と気化流路との間を改質部及び気化部の燃焼排ガス流路が通っていても、この燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスが連結管を避けて通ることで、改質部の燃焼排ガス流路から気化部の燃焼排ガス流路に燃焼排ガスを供給することができる。
【００２５】
また、気化流路の下端部と改質流路の上端部とを接続するために、気化部の下端部における周方向の一部から径方向外側に延びる連結管を用いているので、気化流路及び改質流路の接続構造を簡素化することができる。
【００２６】
また、請求項７に記載の燃料電池モジュールのように、請求項２又は請求項５に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱交換部、前記気化部、及び、前記改質部における前記断熱空間は、空洞でも良い。
【００２７】
この構成によれば、熱交換部、気化部、及び、改質部における断熱空間は、空洞であるので、熱交換部、気化部、及び、改質部の構造を簡素化することができる。
【００２８】
また、請求項８に記載の燃料電池モジュールのように、請求項２又は請求項５に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱交換部、前記気化部、及び、前記改質部における前記断熱空間には、断熱材が充填されていても良い。
【００２９】
この構成によれば、熱交換部、気化部、及び、改質部における断熱空間には、断熱材が充填されているので、熱交換部、気化部、及び、改質部の熱効率を向上させることができる。
【００３０】
また、請求項９に記載の燃料電池モジュールのように、酸化剤ガスと燃料ガス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、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、円筒状又は楕円筒状とされ、且つ、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから前記燃料ガスを生成する改質部と、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筒状壁によって構成され、且つ、該四重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、原燃料を気化して前記原燃料ガスを生成する気化流路、前記原燃料に対して気化熱を与える前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記燃焼排ガスとの間で熱交換する前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有する気化部と、前記気化部の上方に前記気化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三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、且つ、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記気化部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記気化部の前記酸化剤ガス流路と連通し前記燃焼排ガスとの間で熱交換する前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有する熱交換部と、を備えていても良い。
【００３１】
この燃料電池モジュールによれば、燃料電池セルスタックを収容する収容部と、燃焼部の周壁部と、改質部と、気化部と、熱交換部とが互いに同軸上に設けられている。また、気化部は、四重の筒状壁によって構成され、この四重の筒状壁に、気化部における断熱空間、気化流路、燃焼排ガス流路、及び、酸化剤ガス流路が形成されている。さらに、熱交換部は、三重の筒状壁によって構成され、この三重の筒状壁に、熱交換部における断熱空間、燃焼排ガス流路、及び、酸化剤ガス流路が形成されている。以上の構成より、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。
【００３２】
しかも、気化部は、四重の筒状壁によって構成され、熱交換部は、三重の筒状壁によって構成されている。従って、気化部及び熱交換部における構造を簡素化できると共に、気化部及び熱交換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。
【００３３】
特に、熱交換部が気化部の上方に気化部と同軸上に設けられており、収容部、周壁部、改質部、気化部、及び、熱交換部によって構成される容器がストレート状に延びる構造であるので、例えば、熱交換部が折り返されて改質部及び気化部の周囲に設けられる場合に比して、構造を簡素化できると共に、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。
【００３４】
また、熱交換部の内側には、断熱空間が形成されている。従って、熱交換部については、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、熱交換部を径方向及び軸方向に小型化することができる。
【００３５】
さらに、熱交換部の最も外側には、燃焼排ガスよりも温度の低い酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が形成されているので、この酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスで燃焼排ガスの熱を吸収することにより、熱交換部の放熱を抑制することができる。
【００３６】
また、熱交換部には原燃料流路が設けられておらず、この熱交換部では、原燃料と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われないので、熱交換部において燃焼排ガスを冷却し過ぎることを抑制することができる。これにより、燃焼排ガス流路の出口にて適切な燃焼排ガスの温度を実現でき、ひいては、燃料電池モジュール全体の温度バランスを適正化することができる。
【００３７】
また、請求項１０に記載の燃料電池モジュールのように、請求項９に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記改質部は、互いの間に隙間を有する四重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該四重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記気化部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、前記気化流路と連通し前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから前記燃料ガスを生成するための改質触媒層が設けられた改質流路、及び、前記気化部の前記酸化剤ガス流路と連通し前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有していても良い。
【００３８】
この構成によれば、気化部が四重の筒状壁によって構成され、熱交換部が三重の筒状壁によって構成されることに加え、改質部も四重の筒状壁によって構成されている。従って、改質部における構造を簡素化できると共に、改質部の組立が容易になるので、燃料電池モジュールをより低コスト化することができる。
【００３９】
また、請求項１１に記載の燃料電池モジュールのように、請求項１０に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱交換部を構成する三重の筒状壁のうち最も内側の筒状壁と、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち内側から二番目の筒状壁とは、共通の管材に形成され、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち最も内側の筒状壁は、前記管材の径方向内側に位置していても良い。
【００４０】
この構成によれば、熱交換部の内側の筒状壁と、気化部の内側から二番目の筒状壁とは、共通の管材に形成されており、気化部の最も内側の筒状壁（気化流路を構成する一対の筒状壁のうち内側の筒状壁）は、この共通の管材の径方向内側に位置する。従って、気化部の最も内側の筒状壁の上端の位置は、高さ方向の制約が無いので、これにより、気化流路の長さを容易に変更することができる。この結果、気化流路の長さを最適化することができるので、気化流路の下流側に位置する改質流路の入口を通過する原燃料ガスの温度が上昇し過ぎることを抑制することができる。
【００４１】
また、このように改質流路に流入する原燃料ガスの温度を下げることができるので、改質触媒層における炭素析出（コーキング）の発生を抑制することができる。
【００４２】
また、請求項１２に記載の燃料電池モジュールのように、請求項１１に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱交換部の内側を通り、前記気化流路の上端部に接続された原燃料供給管をさらに備えていても良い。
【００４３】
この構成によれば、気化流路へ原燃料を投入するための構造として、気化流路の上端部に接続された原燃料供給管が用いられている。従って、気化流路へ原燃料を投入するための構造を簡素化することができるので、コストダウンすることができる。
【００４４】
しかも、原燃料供給管は、熱交換部の内側を通るので、この原燃料供給管が熱交換部の径方向外側に張り出すことを抑制することができる。これにより、燃料電池モジュールの径方向への小型化を図ることができる。
【００４５】
また、請求項１３に記載の燃料電池モジュールのように、請求項１０〜請求項１２のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記改質部と前記気化部との間に前記改質部及び前記気化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五重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成された流路切替部をさらに備え、前記流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から一番目の筒状壁は、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち内側から一番目の筒状壁を上方に延長して形成され、前記流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から二番目の筒状壁は、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち内側から一番目の筒状壁を下方に延長して形成され、前記流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から三番目の筒状壁は、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち内側から二番目の筒状壁を下方に延長して形成され、前記流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から四番目の筒状壁は、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち内側から三番目の筒状壁と、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち内側から三番目の筒状壁とに連続して形成され、前記流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から一番目の筒状壁と内側から二番目の筒状壁との間には、前記改質部の前記燃焼排ガス流路を上方に延長した上方延長排ガス流路が形成され、前記流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から三番目の筒状壁と内側から四番目の筒状壁との間には、前記上方延長排ガス流路よりも径方向外側に位置し前記気化部の前記燃焼排ガス流路を下方に延長した下方延長排ガス流路が形成され、前記流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から二番目の筒状壁と三番目の筒状壁には、前記流路切替部の周方向の一部に設けられ前記上方延長排ガス流路と前記下方延長排ガス流路とを連通する連通管が接続され、前記流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から二番目の筒状壁の下端部は、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち内側から二番目の筒状壁の上端部に結合されていても良い。
【００４６】
この構成によれば、改質部の燃焼排ガス流路を上方に延長した上方延長排ガス流路と、気化部の燃焼排ガス流路を下方に延長した下方延長排ガス流路とは、流路切替部の周方向の一部に設けられた連通管によって接続されている。従って、上方延長排ガス流路と下方延長排ガス流路との間に気化流路の下方への延長流路が形成されていても、この延長流路を流れる原燃料ガスが連通管を避けて通ることができるので、気化流路からの原燃料ガスを改質流路に供給することができる。
【００４７】
また、流路切替部を構成する五重の筒状壁のうち内側から二番目の筒状壁の下端部は、改質部を構成する四重の筒状壁のうち内側から二番目の筒状壁の上端部に結合されている。従って、連通管の近くに流路切替部及び改質部の結合部が設けられているので、流路切替部及び改質部を構成する筒状壁が熱膨張した場合でも、連通管と筒状壁との接合部に応力が生じることを抑制することができる。
【００４８】
また、請求項１４に記載の燃料電池モジュールのように、請求項１０〜請求項１３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち最も外側に位置する筒状壁と、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち最も外側に位置する筒状壁と、前記熱交換部を構成する三重の筒状壁における外側の筒状壁とは、一体に形成され、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち外側から二番目の筒状壁と、前記気化部を構成する四重の筒状壁のうち外側から二番目の筒状壁と、前記熱交換部を構成する三重の筒状壁における中央の筒状壁とは、一体に形成されていても良い。
【００４９】
この構成によれば、改質部の外側の筒状壁と、気化部の外側の筒状壁と、熱交換部の外側の筒状壁とが一体に形成されると共に、改質部の外側から二番目の筒状壁と、気化部の外側から二番目の筒状壁と、熱交換部の中央の筒状壁とが一体に形成されているので、部品点数の増加を抑制することができると共に、改質部、気化部、及び、熱交換部の構造を簡素化することができる。
【００５０】
また、請求項１５に記載の燃料電池モジュールのように、請求項１４に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記収容部は、前記燃料電池セルスタックの周囲に設けられた二重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該二重の筒状壁の間に前記酸化剤ガス流路と連通し前記燃料電池セルスタックの排熱で予熱される前記酸化剤ガスが流れる予熱流路を有する予熱部であり、前記周壁部は、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち最も内側の筒状壁を除く残りの筒状壁に一体に形成されると共に、前記四重の筒状壁のうち最も内側の筒状壁に対して下方に延び、前記予熱部を構成する二重の筒状壁のうち外側の筒状壁と、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち最も外側に位置する筒状壁とは、一体に形成され、前記予熱部を構成する二重の筒状壁のうち内側の筒状壁と、前記改質部を構成する四重の筒状壁のうち外側から二番目の筒状壁とは、一体に形成されていても良い。
【００５１】
この構成によれば、予熱部の外側の筒状壁と、改質部の外側の筒状壁とが一体に形成され、予熱部の内側の筒状壁と、改質部の外側から二番目の筒状壁とが一体に形成されているので、部品点数の増加を抑制することができると共に、予熱部及び改質部の構造を簡素化することができる。
【００５２】
また、請求項１６に記載の燃料電池モジュールのように、請求項２又は請求項９に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱交換部の前記酸化剤ガス流路及び前記燃焼排ガス流路は、螺旋形成部によって前記熱交換部の軸方向回りに螺旋状に形成されていても良い。
【００５３】
この構成によれば、熱交換部の酸化剤ガス流路及び燃焼排ガス流路は、熱交換部の軸方向回りに螺旋状に形成されている。これにより、酸化剤ガス流路及び燃焼排ガス流路の全長が増加するので、酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスと、燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスとの間の熱交換効率を向上させることができる。
【００５４】
また、螺旋形成部が熱交換部の酸化剤ガス流路及び燃焼排ガス流路を形成する筒状壁間に介在するスペーサの役割を果たすので、酸化剤ガス流路及び燃焼排ガス流路の流路の幅を維持することができる。
【００５５】
また、請求項１７に記載の燃料電池モジュールのように、請求項２、又は請求項９に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱交換部の前記燃焼排ガス流路は、螺旋形成部によって前記熱交換部の軸方向回りに螺旋状に形成され、前記気化流路は、螺旋形成部によって前記気化部の軸方向回りに螺旋状に形成され、前記熱交換部の前記燃焼排ガス流路は、前記気化流路よりも螺旋のピッチが大きくても良い。
【００５６】
この構成によれば、熱交換部の燃焼排ガス流路は、気化流路よりも螺旋のピッチが大きいので、流量が多い燃焼排ガス流路における圧損を気化流路と同程度に低減することができる。これにより、燃焼排ガス流路における流体の圧送動力を低減することができる。
【００５７】
また、請求項１８に記載の燃料電池モジュールのように、請求項１６又は請求項１７に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱交換部の前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れと、前記熱交換部の前記燃焼排ガス流路における前記燃焼排ガスの流れとは、前記熱交換部の軸方向に逆向きでも良い。
【００５８】
この構成によれば、熱交換部では、酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの流れと、燃焼排ガス流路における燃焼排ガスの流れとが軸方向に逆向きであるので、酸化剤ガスと燃焼排ガスとの熱交換効率を向上させることができる。
【００５９】
また、請求項１９に記載の燃料電池モジュールのように、請求項１〜請求項１８のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記収容部、前記周壁部、前記改質部、前記気化部、及び、前記熱交換部は、容器を構成し、前記容器は、断熱材によって覆われていても良い。
【００６０】
この構成によれば、収容部、燃焼部の周壁部、改質部、気化部、及び、熱交換部を構成する容器は、断熱材によって覆われている。これにより、収容部、燃焼部の周壁部、改質部、気化部、及び、熱交換部からの放熱を抑制することができるので、熱効率を向上させることができる。
【００６１】
また、請求項２０に記載の燃料電池モジュールのように、酸化剤ガスと燃料ガス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、前記燃料電池セルスタックの周囲に設けられた二重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該二重の筒状壁の間に前記燃料電池セルスタックの排熱で予熱される前記酸化剤ガスが流れる予熱流路を有する予熱部と、前記予熱部を構成する前記二重の筒状壁及び前記予熱流路の上方への延長部分を含むと共に前記燃料電池セルスタックの上方に前記予熱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し、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て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三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、且つ、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから前記燃料ガスを生成するための改質触媒層が設けられた改質流路を有する改質部と、を備えていても良い。
【００６２】
この燃料電池モジュールによれば、予熱部と、燃焼部の周壁部と、改質部とが互いに同軸上に設けられている。また、改質部は、三重の筒状壁によって構成され、この三重の筒状壁に、改質部における断熱空間、燃焼排ガス流路、及び、改質流路が形成されている。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。
【００６３】
しかも、改質部は、上述の通り三重の筒状壁によって構成されている。従って、改質部における構造を簡素化できると共に、改質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。
【００６４】
さらに、改質部から酸化剤ガス流路が省かれているので、燃焼部から排出された燃焼排ガスの熱を酸化剤ガスで吸収することができないが、改質部の構造を簡素化することができるので、燃料電池モジュールをより低コスト化することができる。
【００６５】
また、改質部から酸化剤ガス流路が省かれているので、改質部の熱が酸化剤ガスにて直接吸収されない。そのため、改質触媒層の温度上昇を効率的に促すことができるので、改質触媒層での改質反応の転化率を向上させることができる。
【００６６】
また、改質部において、燃焼排ガスの熱は、改質触媒層の改質反応による吸熱と、原燃料に含まれる改質用水の気化熱、及び、原燃料の予熱のみに利用されるため、改質部の伝熱面積を小さくすることができると共に、改質部を簡素化及び小型化することができる。
【００６７】
また、請求項２１に記載の燃料電池モジュールのように、請求項２０に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記予熱流路の上端部には、前記予熱流路に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給管が接続されていても良い。
【００６８】
この構成によれば、改質部から酸化剤ガス流路が省かれて、予熱流路の上端部に酸化剤ガス供給管が接続されることにより、予熱流路を流れる酸化剤ガスの温度は、改質部に酸化剤ガス流路が設けられている場合に比して低くなる。従って、燃料電池セルスタックの放熱を、温度の低い酸化剤ガスで吸収することができるので、燃料電池セルスタックから外部への放熱を抑制でき、ひいては、燃料電池モジュールの発電効率を向上させることができる。
【００６９】
また、請求項２２に記載の燃料電池モジュールのように、請求項２０又は請求項２１に記載の燃料電池モジュールにおいて、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三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、且つ、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記改質流路と連通し原燃料を気化して前記原燃料ガスを生成する気化流路、及び、前記改質部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記原燃料に対して気化熱を与える前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路を有する気化部と、前記気化部の上方に前記気化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三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、且つ、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記気化流路と連通し前記原燃料が投入される原燃料流路、及び、前記気化部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記原燃料との間で熱交換する前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路を有する熱交換部とをさらに備えていても良い。
【００７０】
この構成によれば、改質部が三重の筒状壁によって構成されることに加え、気化部及び熱交換部も三重の筒状壁によって構成されている。従って、気化部及び熱交換部における構造を簡素化できると共に、気化部及び熱交換部の組立が容易になるので、燃料電池モジュールをより低コスト化することができる。
【００７１】
また、請求項２３に記載の燃料電池モジュールのように、請求項２０又は請求項２１に記載の燃料電池モジュールにおいて、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三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、且つ、該三重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記改質部の前記燃焼排ガス流路と連通し前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記改質流路と連通し原燃料を気化して前記原燃料ガスを生成する気化流路を有する気化部をさらに備えていても良い。
【００７２】
この構成によれば、改質部では燃焼排ガス流路が径方向内側に位置すると共に改質流路が径方向外側に位置し、気化部では燃焼排ガス流路が径方向内側に位置すると共に気化流路が径方向外側に位置する。従って、改質部の燃焼排ガス流路から気化部の燃焼排ガス流路に通じる流路と、気化流路から改質流路に通じる流路とが交差しないので、改質部及び気化部の構造を簡素化することができる。
【００７３】
また、請求項２４に記載の燃料電池モジュールのように、請求項２３に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記予熱部、前記周壁部、前記改質部、及び、前記気化部は、容器を構成し、前記気化部は、前記容器の上部を構成していても良い。
【００７４】
この構成によれば、気化部は、容器の上部を構成しており、この燃料電池モジュール（容器）からは熱交換部が省かれているので、燃料電池モジュールをより小型化及び低コスト化することができる。
【００７５】
また、請求項２５に記載の燃料電池モジュールのように、請求項２４に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記容器は、断熱材によって覆われていても良い。
【００７６】
この構成によれば、予熱部、燃焼部の周壁部、改質部、及び、気化部を構成する容器は、断熱材によって覆われている。これにより、予熱部、燃焼部の周壁部、改質部、及び、気化部からの放熱を抑制することができるので、熱効率を向上させることができる。
【００７７】
また、請求項２６に記載の燃料電池モジュールのように、酸化剤ガスと燃料ガス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、前記燃料電池セルスタックの周囲に設けられた二重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されると共に、該二重の筒状壁の間に前記燃料電池セルスタックの排熱で予熱される前記酸化剤ガスが流れる予熱流路を有する予熱部と、前記燃料電池セルスタックの上方に前記予熱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五重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、且つ、該五重の筒状壁の内側から外側へ順に、断熱空間、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから前記燃料ガスを生成するための改質触媒層が設けられた改質流路、断熱空間、及び、前記予熱流路と連通し前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有する改質部と、を備えていても良い。
【００７８】
この燃料電池モジュールによれば、燃料電池セルスタックの周囲に設けられた予熱部と、燃焼部の周壁部と、改質部とが互いに同軸上に設けられている。また、改質部は、五重の筒状壁によって構成され、この五重の筒状壁に、改質部における断熱空間、燃焼排ガス流路、改質流路、断熱空間、及び、酸化剤ガス流路が形成されている。以上の構成より、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。
【００７９】
しかも、改質部は、五重の筒状壁によって構成されている。従って、改質部における構造を簡素化できると共に、改質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。
【００８０】
また、五重の筒状壁のうち改質流路と酸化剤ガス流路との隔壁を形成する筒状壁は、二重の筒状壁によって構成されており、この二重の筒状壁の間は、断熱空間として形成されている。従って、改質部における酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスに改質触媒層から熱が奪われることを抑制することができる。これにより、改質触媒層の温度を効率的に上昇させることができる。
【００８１】
また、予熱流路を流れる酸化剤ガスの温度は、改質流路の径方向外側に断熱空間が無い場合と比較して低くなるので、燃料電池セルスタックの放熱を、温度の低い酸化剤ガスで吸収することができる。これにより、燃料電池セルスタックから外部への放熱を抑制することができる。
【００８２】
また、酸化剤ガスの予熱を燃料電池セルスタックの周囲のみで賄おうとすると、予熱量が不十分になる可能性があるが、改質部に酸化剤ガス流路を設けることにより、改質部において酸化剤ガスの予熱を行うことができるので、酸化剤ガスの予熱を燃料電池セルスタックの周囲のみで賄う場合と比較して、予熱量を確保することができる。
【００８３】
また、請求項２７に記載の燃料電池モジュールのように、請求項２６に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記改質流路の径方向外側の前記断熱空間は、空洞でも良い。
【００８４】
この構成によれば、改質流路の径方向外側の断熱空間は、空洞であるので、改質部の構造を簡素化することができる。
【発明の効果】
【００８５】
以上詳述したように、本発明の燃料電池モジュールによれば、低コスト化と径方向の小型化とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】第一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２】図１の要部拡大図である。
【図３】図１の要部拡大図である。
【図４】図１の要部拡大図である。
【図５】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６】図５の要部拡大図である。
【図７】図５の要部拡大図である。
【図８】第三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９】図８の要部拡大図である。
【図１０】図８の要部拡大図である。
【図１１】図８の要部拡大図である。
【図１２】第四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１３】図１２の要部拡大図である。
【図１４】図１２の要部拡大図である。
【図１５】第五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１６Ａ】燃料電池モジュールの第一変形例を示す縦断面図である。
【図１６Ｂ】図１６ＡのＦ１６Ｂ−Ｆ１６Ｂ線断面図である。
【図１７Ａ】燃料電池モジュールの第二変形例を示す縦断面図である。
【図１７Ｂ】図１７ＡのＦ１７Ｂ−Ｆ１７Ｂ線断面図である。
【図１８】平板形の燃料電池セルスタックの構成を説明する図である。
【図１９】円筒形の燃料電池セルスタックの構成を説明する図である。
【図２０】円筒平板形の燃料電池セルスタックの構成を説明する図である。
【図２１】第一実施形態に係る燃料電池モジュールを対象として行う第一の評価試験における測定箇所を説明する図である。
【図２２】第一実施形態に係る燃料電池モジュールを対象として行う第二の評価試験における測定箇所を説明する図である。
【図２３】第二実施形態に係る燃料電池モジュールを対象として行う第二の評価試験における測定箇所を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００８７】
［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。
【００８８】
＜燃料電池モジュール＞
図１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、断熱材１４０とを備える。
【００８９】
＜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。
【００９０】
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、酸化剤ガスが供給される。各セル１２は、酸化剤ガスと燃料ガス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。
【００９１】
＜容器＞
容器２０は、複数（八個）の管材２１〜２８により構成されている。この複数の管材２１〜２８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２１〜２８のうち管材２１〜２６は、容器２０の内側から外側に順に配置されている。
【００９２】
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の高さ方向の中央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の高さ方向の中央部に位置している。
【００９３】
四番目の管材２４は、二番目の管材２２及び三番目の管材２３よりも下側に設けられており、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は、一番目の管材２１の上部の外側に設けられており、八番目の管材２８は、七番目の管材２７と五番目の管材２５との間に設けられている。
【００９４】
七番目の管材２７の下端部は、二番目の管材２２の上端部に固定され、八番目の管材２８の下端部は、三番目の管材２３の上端部に固定されている。八番目の管材２８の上端部は、七番目の管材２７の上端部に固定され、五番目の管材２５の上端部は、八番目の管材２８の上端部に固定され、六番目の管材２６の上端部は、五番目の管材２５の上端部に固定されている。
【００９５】
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。底壁部３４，３５には、燃料電池セルスタック１０から延びる図示しない出力線が貫通している。出力線が貫通する底壁部３４，３５の穴の内周と出力線の外周との間は、適宜シールされる。
【００９６】
この複数の管材２１〜２８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。
【００９７】
＜気化部＞
気化部４０は、四重の筒状壁４１〜４４によって構成されている。四重の筒状壁４１〜４４のうち最も内側に位置する筒状壁４１は、一番目の管材２１と、二番目の管材２２とによって構成され、四重の筒状壁４１〜４４のうち内側から二番目の筒状壁４２は、三番目の管材２３によって構成されている。また、四重の筒状壁４１〜４４のうち内側から三番目の筒状壁４３は、五番目の管材２５によって構成され、四重の筒状壁４１〜４４のうち最も外側の筒状壁４４は、六番目の管材２６によって構成されている。
【００９８】
この四重の筒状壁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２，図３に示されるように、この気化部４０を構成する四重の筒状壁４１〜４４は、互いの間に隙間を有しており、この四重の筒状壁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、酸化剤ガス流路４８が順に形成されている。
【００９９】
つまり、一番目の筒状壁４１の内側の空間は、断熱空間４５として形成され、一番目の筒状壁４１と、二番目の筒状壁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、二番目の筒状壁４２と、三番目の筒状壁４３との間の隙間は、燃焼排ガス流路４７として形成され、三番目の筒状壁４３と、四番目の筒状壁４４との間の隙間は、酸化剤ガス流路４８として形成されている。図２，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。
【０１００】
気化流路４６の上流側に設けられた後述の原燃料流路１１６の上端部には、容器２０の径方向外側に延びる原燃料供給管５０（図１参照）が接続されている。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、原燃料供給管５０から供給された原燃料１６１（図２参照）が鉛直方向上側から下側に流れる。原燃料供給管５０から供給される原燃料１６１としては、例えば、都市ガス等の炭化水素系ガス又は炭化水素系液体である炭化水素系燃料に改質用の水が混合されたものが使用される。
【０１０１】
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凸部５１（螺旋形成部）が設けられており、この螺旋凸部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。螺旋凸部５１は、気化流路４６を形成する筒状壁４１，４２の両方と接触しており、筒状壁４１及び筒状壁４２の間に介在するスペーサの役割を果たしている。
【０１０２】
図３に示されるように、気化部４０の下端部には、トラップ部５４が設けられている。このトラップ部５４は、後述する連結管８１（オリフィス８２）に対する下方に位置している。このトラップ部５４は、気化流路４６の下端部と連通する空間を有する凹状に形成されている。気化流路４６の幅Ｗ１、すなわち、一番目の筒状壁４１と、二番目の筒状壁４２との間の隙間は、後述する改質部６０に形成された改質流路６７の幅Ｗ２よりも狭くなっている。
【０１０３】
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６６を介して燃焼部９０に形成された燃焼室９４（図４参照）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６６を通じて供給された燃焼排ガス１６６が鉛直方向下側から上側に流れる。
【０１０４】
酸化剤ガス流路４８の上端部は、後述する熱交換部１１０に形成された酸化剤ガス流路１１７（図２参照）と連通されている。この酸化剤ガス流路４８は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この酸化剤ガス流路４８には、熱交換部１１０の酸化剤ガス流路１１７から供給された酸化剤ガス１６４が鉛直方向上側から下側に流れる。
【０１０５】
＜改質部＞
図１に示されるように、改質部６０は、上述の気化部４０の下方に設けられた四重の筒状壁６１〜６４によって構成されている。四重の筒状壁６１〜６４のうち最も内側に位置する筒状壁６１は、一番目の管材２１によって構成され、四重の筒状壁６１〜６４のうち内側から二番目の筒状壁６２は、四番目の管材２４によって構成されている。また、四重の筒状壁６１〜６４のうち内側から三番目の筒状壁６３は、五番目の管材２５によって構成され、四重の筒状壁６１〜６４のうち最も外側の筒状壁６４は、六番目の管材２６によって構成されている。
【０１０６】
この四重の筒状壁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４参照）の上方に燃焼部９０と同軸上に設けられている。図３，図４に示されるように、改質部６０を構成する四重の筒状壁６１〜６４は、互いの間に隙間を有している。そして、この四重の筒状壁６１〜６４の内側から外側には、断熱空間６５、燃焼排ガス流路６６、改質流路６７、及び、酸化剤ガス流路６８が順に形成されている。
【０１０７】
つまり、一番目の筒状壁６１の内側の空間は、断熱空間６５として形成され、一番目の筒状壁６１と、二番目の筒状壁６２との間の隙間は、燃焼排ガス流路６６として形成されている。また、二番目の筒状壁６２と、三番目の筒状壁６３との間の隙間は、改質流路６７として形成され、三番目の筒状壁６３と、四番目の筒状壁６４との間の隙間は、酸化剤ガス流路６８として形成されている。
【０１０８】
断熱空間６５は、上述の気化部４０の断熱空間４５と連通している。図３において、断熱空間６５は、空洞とされているが、この断熱空間６５には、断熱材６９が充填されても良い。燃焼排ガス流路６６の下端部は、後述する燃焼部９０に形成された燃焼室９４（図４参照）と連通されている。燃焼排ガス流路６６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６６には、後述する燃焼部９０から排出された燃焼排ガス１６６が鉛直方向下側から上側に流れる。
【０１０９】
＜混合部及び分散部＞
図３に示されるように、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。
【０１１０】
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から供給された原燃料ガス１６２が鉛直方向上側から下側に流れる。
【０１１１】
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を通じて原燃料ガス１６２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。
【０１１２】
この改質流路６７の入口の径方向外側には、酸化剤ガス流路６８が位置している。改質流路６７には、原燃料ガス１６２から燃料ガス（改質ガス）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。
【０１１３】
酸化剤ガス流路６８の上端部は、上述の気化部４０に形成された酸化剤ガス流路４８と連通されている。この酸化剤ガス流路６８は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この酸化剤ガス流路６８には、気化部４０の酸化剤ガス流路４８から供給された酸化剤ガス１６４が鉛直方向上側から下側に流れる。
【０１１４】
＜燃焼部＞
図１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を構成する四重の筒状壁６１〜６４のうち最も内側の筒状壁６１を除く残りの筒状壁６２〜６４に一体に形成されている。
【０１１５】
つまり、四重の筒状壁６１〜６４のうち最も内側の筒状壁６１を除く残りの筒状壁６２〜６４は、内側の筒状壁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。図４に示されるように、周壁部９１を構成する三重の筒状壁６２〜６４において、筒状壁６２と筒状壁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、筒状壁６３と筒状壁６４との間には、改質部６０の酸化剤ガス流路６８が延長して形成されている。
【０１１６】
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６６とに連通されている。
【０１１７】
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を構成する四重の筒状壁６１〜６４のうち最も内側の筒状壁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、
【０１１８】
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。
【０１１９】
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１６５が通過する。絞り孔９６を通過したスタック排ガス１６５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燃焼される。燃焼室９４にて発生した燃焼排ガス１６６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６６に流入する。
【０１２０】
＜予熱部＞
図１に示されるように、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筒状壁１０１，１０２によって構成されている。二重の筒状壁１０１，１０２のうち内側の筒状壁１０１は、五番目の管材２５の下部によって構成され、二重の筒状壁１０１，１０２のうち外側の筒状壁１０２は、六番目の管材２６の下部によって構成されている。
【０１２１】
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。図４に示されるように、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を構成する二重の筒状壁１０１，１０２の間には、予熱流路１０５が形成されている。
【０１２２】
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凸部１０６が設けられており、この螺旋凸部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。螺旋凸部１０６は、予熱流路１０５を形成する筒状壁１０１，１０２の両方と接触しており、筒状壁１０１及び筒状壁１０２の間に介在するスペーサの役割を果たしている。
【０１２３】
この予熱流路１０５の上端部は、上述の改質部６０の酸化剤ガス流路６８と連通され、予熱流路１０５の下端部は、図１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の酸化剤ガス取入口１５と連通されている。図４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の酸化剤ガス流路６８を通じて供給された酸化剤ガス１６４が鉛直方向上側から下側に流れる。
【０１２４】
図１に示されるように、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の燃料ガス取入口１６とを接続する燃料ガス配管１０７が設けられている。図４に示されるように、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と燃料ガス配管１０７の内側とは、オリフィス９８を通じて連通されている。
【０１２５】
＜熱交換部＞
図１に示されるように、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筒状壁１１１〜１１４によって構成されている。四重の筒状壁１１１〜１１４のうち最も内側に位置する筒状壁１１１は、七番目の管材２７によって構成され、四重の筒状壁１１１〜１１４のうち内側から二番目の筒状壁１１２は、八番目の管材２８によって構成されている。また、四重の筒状壁１１１〜１１４のうち内側から三番目の筒状壁１１３は、五番目の管材２５の上部によって構成され、四重の筒状壁１１１〜１１４のうち最も外側に位置する筒状壁１１４は、六番目の管材２６の上部によって構成されている。
【０１２６】
図２に示されるように、熱交換部１１０を構成する四重の筒状壁１１１〜１１４は、互いの間に隙間を有しており、この四重の筒状壁１１１〜１１４の内側から外側には、断熱空間１１５、原燃料流路１１６、燃焼排ガス流路１１８、及び、酸化剤ガス流路１１７が順に形成されている。
【０１２７】
つまり、一番目の筒状壁１１１の内側の空間は、断熱空間１１５として形成され、一番目の筒状壁１１１と、二番目の筒状壁１１２との間の隙間は、原燃料流路１１６として形成されている。また、二番目の筒状壁１１２と、三番目の筒状壁１１３との間の隙間は、燃焼排ガス流路１１８として形成され、三番目の筒状壁１１３と、四番目の筒状壁１１１〜１１４との間の隙間は、酸化剤ガス流路１１７として形成されている。図２において、断熱空間１１５は、空洞とされているが、この断熱空間１１５には、断熱材１２４が充填されても良い。
【０１２８】
原燃料流路１１６の上端部には、容器２０の径方向外側に延びる原燃料供給管５０（図１参照）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、原燃料供給管５０から供給された原燃料１６１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と連通されている。
【０１２９】
気化流路４６の入口（上端）には、気化流路４６の周方向に沿って環状に形成された整流筒１７１が設けられている。この整流筒１７１によって、気化流路４６の入口には、連通路１７２が形成されている。なお、この整流筒１７１は、省かれても良い。
【０１３０】
酸化剤ガス流路１１７の上端部には、容器２０の径方向外側に延びる酸化剤ガス供給管１２２（図１参照）が接続されており、酸化剤ガス流路１１７の下端部は、気化部４０に形成された酸化剤ガス流路４８と連通されている。酸化剤ガス流路１１７は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この酸化剤ガス流路１１７には、酸化剤ガス供給管１２２から供給された酸化剤ガス１６４が鉛直方向上側から下側に流れる。
【０１３１】
燃焼排ガス流路１１８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（図１参照）が接続されており、燃焼排ガス流路１１８の下端部は、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。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から供給された燃焼排ガス１６６が鉛直方向下側から上側に流れる。
【０１３２】
酸化剤ガス流路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凸部１２０（螺旋形成部）が設けられており、この螺旋凸部１２０により、酸化剤ガス流路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凸部１２１（螺旋形成部）が設けられており、この螺旋凸部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。
【０１３３】
酸化剤ガス流路１１７及び燃焼排ガス流路１１８は、気化流路４６よりも螺旋のピッチが大きくなっている。螺旋凸部１２０は、酸化剤ガス流路１１７を形成する筒状壁１１３，１１４の両方と接触しており、筒状壁１１３及び筒状壁１１４の間に介在するスペーサの役割を果たしている。同様に、螺旋凸部１２１は、燃焼排ガス流路１１８を形成する筒状壁１１２，１１３の両方と接触しており、筒状壁１１２及び筒状壁１１３の間に介在するスペーサの役割を果たしている。
【０１３４】
＜断熱材＞
図１に示されるように、断熱材１４０は、有底円筒状に形成されており、容器２０の外周部と底部とを覆っている。断熱材１４０の上端部は、鉛直方向上側から固定部材１４４により固定されている。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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
図１に示される原燃料供給管５０を通じて図２に示される原燃料流路１１６に原燃料１６１（炭化水素系燃料に改質用の水が混合されたもの）が供給されると、この原燃料１６１は、原燃料流路１１６を鉛直方向上側から下側に流れる。このとき、熱交換部１１０では、燃焼部９０（図４参照）から排出された燃焼排ガス１６６が燃焼排ガス流路１１８を鉛直方向上側から下側に流れる。そして、原燃料流路１１６を流れる原燃料１６１は、燃焼排ガス流路１１８を流れる燃焼排ガス１６６との間で熱交換され予熱される。この原燃料流路１１６で予熱された原燃料１６１は、気化流路４６に供給される。
【０１３７】
気化流路４６に原燃料１６１が供給されると、この原燃料１６１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。気化流路４６を流れる原燃料１６１は、上述の熱交換部１１０の燃焼排ガス流路１１８と同様に燃焼排ガス流路４７を鉛直方向下側から上側に流れる燃焼排ガス１６６との間で熱交換される。そして、気化流路４６では、燃焼排ガス１６６から原燃料１６１に気化熱が与えられて原燃料１６１が気化され、原燃料１６１から原燃料ガス１６２（図３参照）が生成される。
【０１３８】
図３に示されるように、気化流路４６で気化された原燃料ガス１６２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で気化された原燃料ガス１６２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、原燃料ガス１６２が対向壁部８６に衝突することにより乱流が生じ、原燃料ガス１６２に含まれる炭化水素系ガス及び水蒸気が混合される。
【０１３９】
このようにして混合された原燃料ガス１６２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、原燃料ガス１６２が周方向に分散して流入する。
【０１４０】
また、このとき、改質部６０では、燃焼部９０（図４参照）から排出された燃焼排ガス１６６が燃焼排ガス流路６６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６６に燃焼排ガス１６６が流れると、改質流路６７を流れる原燃料ガス１６２と燃焼排ガス１６６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１６６の熱を利用して改質触媒層７０により原燃料ガス１６２から燃料ガス１６３（改質ガス）が生成される。
【０１４１】
改質流路６７にて生成された燃料ガス１６３は、図４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、燃料ガス配管１０７の内側に流入する。そして、この燃料ガス１６３は、燃料ガス配管１０７を通じて燃料電池セルスタック１０の燃料ガス取入口１６（図１参照）に供給される。
【０１４２】
一方、このとき、図２に示される熱交換部１１０では、酸化剤ガス供給管１２２（図１参照）を通じて酸化剤ガス流路１１７に酸化剤ガス１６４が供給される。この酸化剤ガス１６４は、螺旋状に形成された酸化剤ガス流路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４参照）から排出された燃焼排ガス１６６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１６６は、図１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。
【０１４３】
図２に示されるように、酸化剤ガス流路１１７に隣接する燃焼排ガス流路１１８に燃焼排ガス１６６が流れると、酸化剤ガス流路１１７を流れる酸化剤ガス１６４と燃焼排ガス１６６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１６６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、酸化剤ガス１６４は、燃焼排ガス１６６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ガス１６４は、気化部４０の酸化剤ガス流路４８に流入し、その後、気化部４０の酸化剤ガス流路４８及び改質部６０の酸化剤ガス流路６８（図３，図４参照）を鉛直方向上側から下側に流れる。
【０１４４】
このとき、気化部４０の酸化剤ガス流路４８から改質部６０の酸化剤ガス流路６８に供給される酸化剤ガス１６４により、改質触媒層７０の入口が冷却されるので、改質触媒層７０の入口における炭素析出（コーキング）の発生が抑制される。
【０１４５】
図３に示される気化部４０では、上述の通り、燃焼部９０（図４参照）から排出された燃焼排ガス１６６が燃焼排ガス流路４７を鉛直方向下側から上側に流れる。酸化剤ガス流路４８に隣接する燃焼排ガス流路４７に燃焼排ガス１６６が流れると、酸化剤ガス流路４８を流れる酸化剤ガス１６４と燃焼排ガス１６６との間で熱交換され、酸化剤ガス１６４がさらに予熱される。
【０１４６】
同様に、改質部６０では、燃焼部９０（図４参照）から排出された燃焼排ガス１６６が燃焼排ガス流路６６を鉛直方向下側から上側に流れる。改質流路６７を挟んだ酸化剤ガス流路６８と反対側の燃焼排ガス流路６６に燃焼排ガス１６６が流れると、酸化剤ガス流路６８を流れる酸化剤ガス１６４と燃焼排ガス１６６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、酸化剤ガス１６４が予熱される。
【０１４７】
このように酸化剤ガス流路４８，６８を流れることで予熱された酸化剤ガス１６４は、図４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を流れる酸化剤ガス１６４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ガス１６４は、燃料電池セルスタック１０の酸化剤ガス取入口１５（図１参照）に供給される。
【０１４８】
以上のようにして、図１に示される燃料電池セルスタック１０の燃料ガス取入口１６に燃料ガスが供給されると共に、燃料電池セルスタック１０の酸化剤ガス取入口１５に酸化剤ガスが供給されると、燃料電池セルスタック１０では、各セル１２において、酸化剤ガスと燃料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。
【０１４９】
図４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１６５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１６５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１６５は、絞り孔９６を通過することで混合される。
【０１５０】
この燃焼室９４に流入したスタック排ガス１６５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１６５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燃焼される。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１６５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。
【０１５１】
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１６５が燃焼されると、燃焼室９４にて燃焼排ガス１６６が発生する。この燃焼室９４にて発生した燃焼排ガス１６６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６６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６６に流入した燃焼排ガス１６６は、上述の通り、改質部６０の燃焼排ガス流路６６、気化部４０の燃焼排ガス流路４７（図３参照）、及び、熱交換部１１０の燃焼排ガス流路１１８（図２参照）を流れた後、図１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。
【０１５２】
次に、第一実施形態の作用及び効果について説明する。
【０１５３】
以上詳述したように、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１によれば、図１に示されるように、予熱部１００と、燃焼部９０の周壁部９１と、改質部６０と、気化部４０と、熱交換部１１０とは、互いに同軸上に設けられている。また、改質部６０、気化部４０、及び、熱交換部１１０は、四重の筒状壁によって構成され、この各四重の筒状壁によって、断熱空間及び各流路が形成されている。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、この燃料電池モジュールＭ１によれば、径方向に小型化することができる。
【０１５４】
しかも、上述の通り、改質部６０、気化部４０、及び、熱交換部１１０は、四重の筒状壁によって構成されている。従って、改質部６０、気化部４０、及び、熱交換部１１０における構造を簡素化できると共に、改質部６０、気化部４０、及び、熱交換部１１０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。
【０１５５】
このように、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１によれば、低コスト化と径方向の小型化とを両立することができる。
【０１５６】
特に、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おり、予熱部１００、周壁部９１、改質部６０、気化部４０、及び、熱交換部１１０によって構成される容器２０がストレート状に延びる構造であるので、例えば、熱交換部１１０が折り返されて改質部６０及び気化部４０の周囲に設けられる場合に比して、構造を簡素化できると共に、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。
【０１５７】
また、図２に示されるように、熱交換部１１０の内側には、断熱空間１１５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。
【０１５８】
また、図２に示されるように、熱交換部１１０では、燃焼排ガス流路１１８の径方向の両側に原燃料流路１１６及び酸化剤ガス流路１１７が形成されている。これにより、燃焼排ガス流路１１８の熱を、原燃料流路１１６と酸化剤ガス流路１１７とに振り分けることができる。つまり、原燃料流路１１６を流れる原燃料１６１を気化させる構造と、酸化剤ガス流路１１７を流れる酸化剤ガス１６４を予熱する構造とを一体化することができる。従って、このことによっても、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。
【０１５９】
さらに、熱交換部１１０の最も外側には、燃焼排ガス１６６よりも温度の低い酸化剤ガス１６４が流れる酸化剤ガス流路１１７が形成されているので、この酸化剤ガス流路１１７を流れる酸化剤ガス１６４で燃焼排ガス１６６の熱を吸収することにより、熱交換部１１０の放熱を抑制することができる。
【０１６０】
また、図１に示されるように、改質部６０の外側の筒状壁６４と、気化部４０の外側の筒状壁４４と、熱交換部１１０の外側の筒状壁１１４とが一体に形成されると共に、改質部６０の外側から二番目の筒状壁６３と、気化部４０の外側から二番目の筒状壁４３と、熱交換部１１０の外側から二番目の筒状壁１１３とが一体に形成されているので、部品点数の増加を抑制することができると共に、改質部６０、気化部４０、及び、熱交換部１１０の構造を簡素化することができる。
【０１６１】
また、予熱部１００の外側の筒状壁１０２と、改質部６０の外側の筒状壁６４とが一体に形成されると共に、予熱部１００の内側の筒状壁１０１と、改質部６０の外側から二番目の筒状壁６３とが一体に形成されているので、部品点数の増加を抑制することができると共に、予熱部１００及び改質部６０の構造を簡素化することができる。
【０１６２】
また、図３に示されるように、気化流路４６の下端部と改質流路６７の上端部とを接続する連結管８１は、気化部４０の周方向の一部から径方向外側に延びている。従って、改質流路６７と気化流路４６との間を改質部６０及び気化部４０の燃焼排ガス流路６６，４７が通っていても、この燃焼排ガス流路６６，４７を流れる燃焼排ガス１６６が連結管８１を避けて通ることで、改質部６０の燃焼排ガス流路６６から気化部４０の燃焼排ガス流路４７に燃焼排ガス１６６を供給することができる。
【０１６３】
また、気化流路４６の下端部と改質流路６７の上端部とを接続するために、気化部４０の下端部における周方向の一部から径方向外側に延びる連結管８１を用いているので、気化流路４６及び改質流路６７の接続構造を簡素化することができる。
【０１６４】
また、熱交換部１１０の酸化剤ガス流路１１７及び燃焼排ガス流路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。これにより、酸化剤ガス流路１１７及び燃焼排ガス流路１１８の全長が増加するので、酸化剤ガス流路１１７を流れる酸化剤ガス１６４と、燃焼排ガス流路１１８を流れる燃焼排ガス１６６との間の熱交換効率を向上させることができる。
【０１６５】
また、螺旋凸部１２０，１２１（螺旋形成部）が酸化剤ガス流路１１７を形成する筒状壁１１３，１１４、及び、燃焼排ガス流路１１８を形成する筒状壁１１２，１１３間に介在するスペーサの役割を果たすので、酸化剤ガス流路１１７及び燃焼排ガス流路１１８の流路の幅を維持することができる。
【０１６６】
また、熱交換部１１０の酸化剤ガス流路１１７及び燃焼排ガス流路１１８は、気化流路４６よりも螺旋のピッチが大きいので、流量が多い酸化剤ガス流路１１７及び燃焼排ガス流路１１８における圧損を気化流路４６と同程度に低減することができる。これにより、酸化剤ガス流路１１７及び燃焼排ガス流路１１８における流体の圧送動力を低減することができる。
【０１６７】
また、熱交換部１１０では、酸化剤ガス流路１１７における酸化剤ガス１６４の流れと、燃焼排ガス流路１１８における燃焼排ガス１６６の流れとが軸方向に逆向きであるので、酸化剤ガス１６４と燃焼排ガス１６６との熱交換効率を向上させることができる。
【０１６８】
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を構成する容器２０は、断熱材１４０によって覆われている。これにより、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からの放熱を抑制することができるので、熱効率を向上させることができる。
【０１６９】
なお、図２に示される熱交換部１１０、気化部４０、及び、改質部６０における断熱空間１１５，４５，６５が空洞であると、熱交換部１１０、気化部４０、及び、改質部６０の構造を簡素化することができる。一方、熱交換部１１０、気化部４０、及び、改質部６０における断熱空間１１５，４５，６５に断熱材１２４、４９、６９が充填されていると、熱交換部１１０、気化部４０、及び、改質部６０の熱効率を向上させることができる。
【０１７０】
［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。
【０１７１】
図５に示される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。
【０１７２】
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、六番目の管材２６は、鉛直方向の長さが縮められており、容器２０の下部にのみ設けられている。そして、予熱部１００を構成する二重の筒状壁１０１，１０２のうち内側の筒状壁１０１は、五番目の管材２５の下部によって構成され、二重の筒状壁１０１のうち外側の筒状壁１０２は、六番目の管材２６によって構成されている。
【０１７３】
六番目の管材２６が容器２０の下部にのみ設けられることにより、熱交換部１１０は、三重の筒状壁１１１〜１１３によって構成されている（図６も参照）。同様に、気化部４０は、三重の筒状壁４１〜４３によって構成され、改質部６０は、三重の筒状壁６１〜６３によって構成されている（図７も参照）。熱交換部１１０、気化部４０、及び、改質部６０がそれぞれ三重の筒状壁によって構成されることにより、熱交換部１１０、気化部４０、及び、改質部６０からは、酸化剤ガス流路がそれぞれ省かれている。
【０１７４】
また、予熱部１００を構成する二重の筒状壁１０１，１０２及び予熱流路１０５は、隔壁部９３まで上方へ延長されており、燃焼部９０の周壁部９１の下部（隔壁部９３よりも下側の部分）には、予熱部１００を構成する二重の筒状壁１０１，１０２及び予熱流路１０５の上方への延長部分が含まれている。
【０１７５】
図７に示されるように、予熱流路１０５の上端部には、容器２０の径方向外側に延びる酸化剤ガス供給管１２２が接続されている。予熱流路１０５を流れる酸化剤ガスの予熱は、燃料電池セルスタック１０からの輻射、燃料極及び空気極から排出された排ガスからの伝熱、及び、燃焼部９０からの伝熱によって賄われる。
【０１７６】
この第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２は、熱交換部１１０、気化部４０、及び、改質部６０から酸化剤ガス流路がそれぞれ省かれた以外は、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、この第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２は、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１と同様の構造については、この燃料電池モジュールＭ１と同様の作用及び効果を奏する。
【０１７７】
この第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２によれば、熱交換部１１０、気化部４０、及び、改質部６０が三重の筒状壁によって構成されているので、燃料電池モジュールＭ２が径方向に拡がることを抑制できる。これにより、燃料電池モジュールＭ２を径方向に小型化することができる。
【０１７８】
また、熱交換部１１０、気化部４０、及び、改質部６０から酸化剤ガス流路がそれぞれ省かれているので、燃焼部９０から排出された燃焼排ガス１６６の熱を酸化剤ガスで吸収することができないが、熱交換部１１０、気化部４０、及び、改質部６０の構造を簡素化できると共に、熱交換部１１０、気化部４０、及び、改質部６０の組立が容易になるので、燃料電池モジュールＭ２を低コスト化することができる。
【０１７９】
また、改質部６０から酸化剤ガス流路が省かれているので、改質部６０の熱が酸化剤ガスにて直接吸収されない。そのため、改質触媒層７０の温度上昇を効率的に促すことができるので、改質触媒層７０での改質反応の転化率を向上させることができる。
【０１８０】
また、改質部６０において、燃焼排ガス１６６の熱は、改質触媒層７０の改質反応による吸熱と、原燃料１６１に含まれる改質用水の気化熱、及び、原燃料１６１の予熱のみに利用されるため、改質部６０の伝熱面積を小さくすることができると共に、改質部６０を簡素化及び小型化することができる。
【０１８１】
また、気化部４０及び改質部６０から酸化剤ガス流路が省かれて、予熱流路１０５の上端部に酸化剤ガス供給管１２２が接続されることにより、予熱流路１０５を流れる酸化剤ガス１６４の温度は、気化部４０及び改質部６０に酸化剤ガス流路が設けられている場合に比して低くなる。従って、燃料電池セルスタック１０の放熱を、温度の低い酸化剤ガスで吸収することができるので、燃料電池セルスタック１０から外部への放熱を抑制でき、ひいては、燃料電池モジュールＭ２の発電効率を向上させることができる。
【０１８２】
また、改質部６０から酸化剤ガス流路が省かれることにより、吸熱反応を示す改質部６０から熱が奪われることを抑制することができるので、熱効率を向上させることができる。
【０１８３】
さらに、気化部４０及び改質部６０から酸化剤ガス流路が省かれることにより、気化部４０及び改質部６０では、燃焼排ガス１６６が改質反応と気化とに熱を奪われるのみであるので、これにより、熱交換部１１０、気化部４０、及び、改質部６０の伝熱面積を小さくすることができる。
【０１８４】
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について説明する。
【０１８５】
図８に示される第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３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。
【０１８６】
すなわち、第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３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六個の管材２１〜２６により構成されている。一番目の管材２１は、容器２０の高さ方向の中央部に設けられており、二番目の管材２２及び三番目の管材２３は、一番目の管材２１の上側且つ外側に配置されている。
【０１８７】
三番目の管材２３は、二番目の管材２２よりも上方に延びている。四番目の管材２４は、一番目の管材２１の外側で、且つ、二番目の管材２２及び三番目の管材２３よりも下側に配置されている。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の外側に配置され、容器２０の上端部から下端部に亘って設けられている。
【０１８８】
三番目の管材２３の上端部と、五番目の管材２５の上端部は、容器２０の上端部に設けられた天壁部１８１に固定され、六番目の管材２６の上端部は、五番目の管材２５の上端部に固定されている。
【０１８９】
熱交換部１１０は、三重の筒状壁１１１〜１１３によって構成されている。三重の筒状壁１１１〜１１３における内側の筒状壁１１１は、三番目の管材２３の上部によって構成され、三重の筒状壁１１１〜１１３における中央の筒状壁１１２は、五番目の管材２５の上部によって構成されている。また、三重の筒状壁１１１〜１１３における外側の筒状壁１１３は、六番目の管材２６の上部によって構成されている。
【０１９０】
図９に示されるように、熱交換部１１０を構成する三重の筒状壁１１１〜１１３は、互いの間に隙間を有しており、この三重の筒状壁１１１〜１１３の内側から外側には、断熱空間１１５、燃焼排ガス流路１１８、及び、酸化剤ガス流路１１７が順に形成されている。
【０１９１】
気化部４０は、四重の筒状壁４１〜４４によって構成されている。四重の筒状壁４１〜４４のうち最も内側に位置する筒状壁４１は、二番目の管材２２によって構成され、四重の筒状壁４１〜４４のうち内側から二番目の筒状壁４２は、三番目の管材２３によって構成されている。また、四重の筒状壁４１〜４４のうち内側から三番目の筒状壁４３は、五番目の管材２５の高さ方向の中央部によって構成され、四重の筒状壁４１〜４４のうち最も外側に位置する筒状壁４４は、六番目の管材２６の高さ方向の中央部によって構成されている。
【０１９２】
この気化部４０を構成する四重の筒状壁４１〜４４は、互いの間に隙間を有しており、この四重の筒状壁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、酸化剤ガス流路４８が順に形成されている。気化流路４６の上端部には、熱交換部１１０の内側を通る原燃料供給管５０が接続されている。
【０１９３】
熱交換部１１０を構成する三重の筒状壁１１１〜１１３のうち最も内側の筒状壁１１１と、気化部４０を構成する四重の筒状壁４１〜４４のうち内側から二番目の筒状壁４２とは、共通の管材２３に形成されており、気化部４０を構成する四重の筒状壁４１〜４４のうち最も内側の筒状壁４１は、この管材２３の径方向内側に位置している。この筒状壁４１の上方には、熱交換部１１０の断熱空間１１５が位置しており、筒状壁４１の上端の位置は、高さ方向の制約が無い。このため、本実施形態では、気化流路４６の長さを自由に設定することが可能であり、気化流路４６の長さは、気化流路４６が原燃料１６１を気化させるために必要な長さを有するように最適化されている。
【０１９４】
図１０に示されるように、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１９０が形成されている。この混合部１９０は、容器２０の高さ方向における気化部４０と改質部６０との間に位置する。混合部１９０には、混合部１９０の周方向に沿って環状に形成された整流筒１９１が設けられており、この整流筒１９１には、整流筒１９１の径方向（水平方向）に貫通するオリフィス１９２が形成されている。このオリフィス１９２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１９０は、オリフィス１９２を一つのみ有する。混合部１９０には、オリフィス１９２に対する改質流路６７側（径方向外側）に位置しオリフィス１９２と対向する対向壁部１９６が設けられている。
【０１９５】
改質流路６７の入口（上端）は、オリフィス１９２、及び、混合部１９０の内側空間１９５を介して気化流路４６と連通されている。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一対の仕切板１９３が設けられている。この一対の仕切板１９３は、鉛直方向に並んでいる。各仕切板１９３には、周方向に一定の間隔を空けて複数のオリフィス１９４が形成されている。この複数のオリフィス１９４は、仕切板１９３の板厚方向に貫通しており、改質流路６７には、複数のオリフィス１９４を通じて原燃料ガス１６２が流入する。なお、仕切板１９３は、一枚でも良い。
【０１９６】
気化流路４６で気化された原燃料ガス１６２は、オリフィス１９２を通り、改質部６０の上方に形成された混合部１９０の内側空間１９５に流入する。このとき、気化流路４６で気化された原燃料ガス１６２は、オリフィス１９２を通過する際に流速が高められ、混合部１９０における径方向外側の対向壁部１９６に衝突する。そして、原燃料ガス１６２が混合部１９０における径方向外側の対向壁部１９６に衝突することにより乱流が生じ、原燃料ガス１６２に含まれる炭化水素系ガス及び水蒸気が混合される。
【０１９７】
このようにして混合された原燃料ガス１６２は、対向壁部１９６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１９４を通じて改質流路６７に流入する。複数のオリフィス１９４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１９４を通過することで、改質流路６７には、原燃料ガス１６２が分散して流入する。
【０１９８】
また、改質部６０と気化部４０との間には、より具体的には、流路切替部３００が設けられている。流路切替部３００は、改質部６０及び気化部４０と同軸上に設けられると共に、互いの間に隙間を有する五重の筒状壁３０１〜３０５によって構成されている。
【０１９９】
この五重の筒状壁３０１〜３０５のうち内側から一番目の筒状壁３０１は、改質部６０を構成する四重の筒状壁６１〜６４のうち内側から一番目の筒状壁６１を上方に延長して形成されており、流路切替部３００を構成する五重の筒状壁３０１〜３０５のうち内側から二番目の筒状壁３０２は、気化部４０を構成する四重の筒状壁４１〜４４のうち内側から一番目の筒状壁４１を下方に延長して形成されている。
【０２００】
また、流路切替部３００を構成する五重の筒状壁３０１〜３０５のうち内側から三番目の筒状壁３０３は、気化部４０を構成する四重の筒状壁４１〜４４のうち内側から二番目の筒状壁４２を下方に延長して形成されており、流路切替部３００を構成する五重の筒状壁３０１〜３０５のうち内側から四番目の筒状壁３０４は、気化部４０を構成する四重の筒状壁４１〜４４のうち内側から三番目の筒状壁４３と、改質部６０を構成する四重の筒状壁６１〜６４のうち内側から三番目の筒状壁６３とに連続して形成されている。
【０２０１】
流路切替部３００を構成する五重の筒状壁３０１〜３０５のうち内側から一番目の筒状壁３０１と内側から二番目の筒状壁３０２との間には、改質部６０の燃焼排ガス流路６６を上方に延長した上方延長排ガス流路３０６が形成されており、流路切替部３００を構成する五重の筒状壁３０１〜３０５のうち内側から三番目の筒状壁３０３と内側から四番目の筒状壁３０４との間には、気化部４０の燃焼排ガス流路４７を下方に延長した下方延長排ガス流路３０７が形成されている。
【０２０２】
流路切替部３００を構成する五重の筒状壁３０１〜３０５のうち内側から二番目の筒状壁３０２と三番目の筒状壁３０３には、連通管１９７が接続されている。この連通管１９７は、流路切替部３００の周方向の一部に設けられており、流路切替部３００の径方向を軸方向として配置されている。上方延長排ガス流路３０６と下方延長排ガス流路３０７とは、連通管１９７の内側を通じて連通されており、改質部６０の燃焼排ガス流路６６を流れる燃焼排ガス１６６は、上方延長排ガス流路３０６、連通管１９７の内側、及び、下方延長排ガス流路３０７を通じて気化部４０の燃焼排ガス流路４７に流入する。
【０２０３】
流路切替部３００を構成する五重の筒状壁３００〜３０５のうち内側から二番目の筒状壁３０２の下端部３０２Ａは、改質部６０を構成する四重の筒状壁６１〜６４のうち内側から二番目の筒状壁６２の上端部６２Ａに例えば溶接等により結合されている。
【０２０４】
また、混合部１９０には、トラップ部１９８が設けられている。このトラップ部１９８は、上述のオリフィス１９２に対する下方に位置している。このトラップ部１９８は、気化流路４６の下端部と連通する空間を有する凹状に形成されている。
【０２０５】
図１１に示されるように、燃焼部９０には、ノズル部材２００が設けられている。このノズル部材２００は、燃料電池セルスタック１０の上面に設けられ、燃料極排ガスノズル２０１及び空気極排ガスノズル２０２を有する。ノズル部材２００は、点火電極９２と燃料電池セルスタック１０との間に位置する隔壁部２０３を有し、燃料極排ガスノズル２０１は、この隔壁部２０３の中心部に形成されている。
【０２０６】
燃料極排ガスノズル２０１は、燃料電池セルスタック１０における燃料極の排ガス排出口と連通され、空気極排ガスノズル２０２は、燃料電池セルスタック１０における空気極の排ガス排出口と連通されている。燃料極排ガスノズル２０１は、燃焼部９０における径方向の中心部に位置しており、空気極排ガスノズル２０２は、燃料極排ガスノズル２０１の周囲に複数設けられている。なお、燃料極排ガスノズル２０１は、例えば、円板状に形成された隔壁部２０３の径方向に並んで複数形成されていても良く、また、隔壁部２０３に分散して複数形成されていても良い。
【０２０７】
燃料極排ガスノズル２０１は、鉛直方向上側に開口し、空気極排ガスノズル２０２は、燃焼部９０の径方向内側に開口する。つまり、燃料極排ガスノズル２０１と空気極排ガスノズル２０２とは、互いに直交する方向に開口している。
【０２０８】
点火電極９２は、複数の空気極排ガスノズル２０２の中心部に燃料極排ガスノズル２０１と対向して配置されている。燃料極排ガスノズル２０１及び空気極排ガスノズル２０２から排出されたガスは、混合され、スタック排ガスが生成される。このスタック排ガスは、点火電極９２と隔壁部２０３との間に形成されるスパークによって燃焼される。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。
【０２０９】
この第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３は、上記構成以外は、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、この第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３は、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１と同様の構造については、この燃料電池モジュールＭ１と同様の作用及び効果を奏する。
【０２１０】
この第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３によれば、熱交換部１１０は、三重の筒状壁１１１〜１１３によって構成され、この三重の筒状壁１１１〜１１３に、熱交換部１１０における断熱空間１１５、燃焼排ガス流路１１８、及び、酸化剤ガス流路１１７が形成されている。従って、熱交換部１１０が四重の筒状壁によって構成される場合に比して、燃料電池モジュールＭ３の径方向への小型化を図ることができる。
【０２１１】
また、図９に示されるように、熱交換部１１０には原燃料流路が設けられておらず、この熱交換部１１０では、原燃料１６１と燃焼排ガス１６６との間で熱交換が行われないので、熱交換部１１０において燃焼排ガス１６６を冷却し過ぎることを抑制することができる。これにより、燃焼排ガス流路１１８の出口にて適切な燃焼排ガス１６６の温度を実現でき、ひいては、燃料電池モジュールＭ３全体の温度バランスを適正化することができる。
【０２１２】
また、熱交換部１１０の内側の筒状壁１１１と、気化部４０の内側から二番目の筒状壁４２とは、共通の管材２３に形成されており、気化部４０の最も内側の筒状壁４１（気化流路４６を構成する一対の筒状壁４１，４２のうち内側の筒状壁４１）は、この共通の管材２３の径方向内側に位置する。従って、気化部４０の最も内側の筒状壁４１の上端の位置は、高さ方向の制約が無いので、これにより、気化流路４６の長さを容易に変更することができる。この結果、気化流路４６の長さを最適化することができるので、気化流路４６の下流側に位置する改質流路６７の入口を通過する原燃料ガス１６２の温度が上昇し過ぎることを抑制することができる。
【０２１３】
また、このように改質流路６７に流入する原燃料ガス１６２の温度を下げることができるので、改質触媒層７０における炭素析出（コーキング）の発生を抑制することができる。
【０２１４】
また、図９に示されるように、気化流路４６へ原燃料１６１を投入するための構造として、気化流路４６の上端部に接続された原燃料供給管５０が用いられている。従って、気化流路４６へ原燃料１６１を投入するための構造を簡素化することができるので、コストダウンすることができる。
【０２１５】
しかも、原燃料供給管５０は、熱交換部１１０の内側を通るので、この原燃料供給管５０が熱交換部１１０の径方向外側に張り出すことを抑制することができる。これにより、燃料電池モジュールＭ３の径方向への小型化を図ることができる。
【０２１６】
また、図１０に示されるように、改質部６０の燃焼排ガス流路６６を上方に延長した上方延長排ガス流路３０６と、気化部４０の燃焼排ガス流路４７を下方に延長した下方延長排ガス流路３０７とは、流路切替部３００の周方向の一部に設けられた連通管１９７によって接続されている。従って、上方延長排ガス流路３０６と下方延長排ガス流路３０７との間に気化流路４６の下方への延長流路３０８が形成されていても、この延長流路３０８を流れる原燃料ガス１６２が連通管１９７を避けて通ることができるので、気化流路４６からの原燃料ガス１６２を改質流路６７に供給することができる。
【０２１７】
また、流路切替部３００を構成する五重の筒状壁３０１〜３０５のうち内側から二番目の筒状壁３０２の下端部３０２Ａは、改質部６０を構成する四重の筒状壁６１〜６４のうち内側から二番目の筒状壁６２の上端部６２Ａに結合されている。従って、連通管１９７の近くに流路切替部３００及び改質部６０の結合部が設けられているので、流路切替部３００及び改質部６０を構成する筒状壁が熱膨張した場合でも、連通管１９７と筒状壁３０２，３０３との接合部に応力が生じることを抑制することができる。
【０２１８】
また、図８に示されるように、改質部６０の外側の筒状壁６４と、気化部４０の外側の筒状壁４４と、熱交換部１１０の外側の筒状壁１１３とが一体に形成されると共に、改質部６０の外側から二番目の筒状壁６３と、気化部４０の外側から二番目の筒状壁４３と、熱交換部１１０の中央の筒状壁１１２とが一体に形成されているので、部品点数の増加を抑制することができると共に、改質部６０、気化部４０、及び、熱交換部１１０の構造を簡素化することができる。
【０２１９】
また、予熱部１００の外側の筒状壁１０２と、改質部６０の外側の筒状壁６４とが一体に形成され、予熱部１００の内側の筒状壁１０１と、改質部６０の外側から二番目の筒状壁６３とが一体に形成されているので、部品点数の増加を抑制することができると共に、予熱部１００及び改質部６０の構造を簡素化することができる。
【０２２０】
［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態について説明する。
【０２２１】
図１２に示される第四実施形態に係る燃料電池モジュールＭ４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。
【０２２２】
すなわち、第四実施形態に係る燃料電池モジュールＭ４において、容器２０は、上述の第一実施形態よりも三つ少ない五個の管材２１〜２５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、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おり、二番目の管材２２は、一番目の管材２１の外側に配置されている。
【０２２３】
三番目の管材２３及び四番目の管材２４は、二番目の管材２２の外側に配置されている。三番目の管材２３は、二番目の管材２２の上部に対応する長さで形成されている。四番目の管材２４は、容器２０の高さ方向の中央部から下端部に亘って設けられており、三番目の管材２３の下側に配置されている。五番目の管材２５は、四番目の管材２４の下部に対応する長さで形成され、四番目の管材２４の下部の外側に配置されている。
【０２２４】
一番目の管材２１の上端部と、二番目の管材２２の上端部は、容器２０の上端部に設けられた天壁部１８１に固定され、三番目の管材２３の上端部は、二番目の管材２２の上端部に固定されている。四番目の管材２４の下端部は、底壁部３４に固定され、五番目の管材２５の下端部は、底壁部３５に固定されている。
【０２２５】
容器２０からは、熱交換部が省かれており、この容器２０には、気化部４０と、改質部６０と、燃焼部９０と、予熱部１００（収容部）とが設けられている。
【０２２６】
気化部４０は、三重の筒状壁４１〜４３によって構成されている。三重の筒状壁４１〜４３における内側の筒状壁４１は、一番目の管材２１の上部によって構成され、三重の筒状壁４１〜４３における中央の筒状壁４２は、二番目の管材２２の上部によって構成されている。また、三重の筒状壁４１〜４３における外側の筒状壁４３は、三番目の管材２３によって構成されている。
【０２２７】
図１３に示されるように、この気化部４０を構成する三重の筒状壁４１〜４３は、互いの間に隙間を有しており、内側の筒状壁４１と中央の筒状壁４２との間には、燃焼排ガス流路４７が形成され、外側の筒状壁４３と中央の筒状壁４２との間には、気化流路４６が形成されている。燃焼排ガス流路４７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（図１２参照）が接続され、気化流路４６の上端部には、容器２０の径方向外側に延びる原燃料供給管５０（図１２参照）が接続されている。
【０２２８】
また、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凸部５１が設けられており、この螺旋凸部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。同様に、燃焼排ガス流路４７には、気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋凸部５５が設けられており、この螺旋凸部５５により、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。
【０２２９】
改質部６０は、三重の筒状壁６１〜６３によって構成されている。三重の筒状壁６１〜６３における内側の筒状壁６１は、一番目の管材２１の下部によって構成され、三重の筒状壁６１〜６３における中央の筒状壁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、三重の筒状壁６１〜６３における外側の筒状壁６３は、四番目の管材２４の上部によって構成されている。
【０２３０】
この改質部６０を構成する三重の筒状壁６１〜６３は、互いの間に隙間を有しており、内側の筒状壁６１と中央の筒状壁６２との間には、燃焼排ガス流路６６が形成され、外側の筒状壁６３と中央の筒状壁６２との間には、改質流路６７が形成されている。
【０２３１】
改質流路６７の入口には、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２１２が設けられている。この一対の仕切板２１２は、鉛直方向に並んでいる。各仕切板２１２には、周方向に一定の間隔を空けて複数のオリフィス２１３が形成されている。オリフィス２１３は、仕切板２１２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２１３を通じて原燃料ガス１６２が流入する。
【０２３２】
複数のオリフィス２１３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２１３を通過することで、改質流路６７には、原燃料ガス１６２が分散して流入する。なお、仕切板２１２は、一枚でも良い。
【０２３３】
図１４に示されるように、予熱部１００は、二重の筒状壁１０１，１０２によって構成されている。二重の筒状壁１０１，１０２のうち内側の筒状壁１０１は、四番目の管材２４の下部によって構成され、二重の筒状壁１０１，１０２のうち外側の筒状壁１０２は、五番目の管材２５によって構成されている。予熱流路１０５の上端部には、容器２０の径方向外側に延びる酸化剤ガス供給管１２２が接続されている。
【０２３４】
予熱流路１０５を流れる酸化剤ガス１６４の予熱は、燃料電池セルスタック１０からの輻射、燃料極及び空気極から排出された排ガスからの伝熱、及び、燃焼部９０からの伝熱によって賄われる。
【０２３５】
五番目の管材２５が容器２０の下部にのみ設けられることにより、上述の如く、気化部４０は、三重の筒状壁４１〜４３によって構成され、改質部６０は、三重の筒状壁６１〜６３によって構成されている。また、気化部４０及び改質部６０がそれぞれ三重の筒状壁によって構成されることにより、気化部４０及び改質部６０からは、酸化剤ガス流路がそれぞれ省かれている。
【０２３６】
この第四実施形態に係る燃料電池モジュールＭ４は、上記構成以外は、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、この第四実施形態に係る燃料電池モジュールＭ４は、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１と同様の構造については、この燃料電池モジュールＭ１と同様の作用及び効果を奏する。
【０２３７】
この第四実施形態に係る燃料電池モジュールＭ４によれば、気化部４０及び改質部６０が三重の筒状壁によって構成されているので、燃料電池モジュールＭ４が径方向に拡がることを抑制できる。これにより、燃料電池モジュールＭ４を径方向に小型化することができる。
【０２３８】
また、気化部４０及び改質部６０から酸化剤ガス流路がそれぞれ省かれているので、燃焼部９０から排出された燃焼排ガス１６６の熱を酸化剤ガスで吸収することができないが、気化部４０及び改質部６０の構造を簡素化できると共に、気化部４０及び改質部６０の組立が容易になるので、燃料電池モジュールＭ４を低コスト化することができる。
【０２３９】
また、改質部６０から酸化剤ガス流路が省かれているので、改質部６０の熱が酸化剤ガスにて直接吸収されない。そのため、改質触媒層７０の温度上昇を効率的に促すことができるので、改質触媒層７０での改質反応の転化率を向上させることができる。
【０２４０】
また、改質部６０において、燃焼排ガス１６６の熱は、改質触媒層７０の改質反応による吸熱と、原燃料１６１に含まれる改質用水の気化熱、及び、原燃料１６１の予熱のみに利用されるため、改質部６０の伝熱面積を小さくすることができると共に、改質部６０を簡素化及び小型化することができる。
【０２４１】
また、図１４に示されるように、気化部４０及び改質部６０から酸化剤ガス流路が省かれて、予熱流路１０５の上端部に酸化剤ガス供給管１２２が接続されることにより、予熱流路１０５を流れる酸化剤ガス１６４の温度は、気化部４０及び改質部６０に酸化剤ガス流路が設けられている場合に比して低くなる。従って、燃料電池セルスタック１０の放熱を、温度の低い酸化剤ガスで吸収することができるので、燃料電池セルスタック１０から外部への放熱を抑制でき、ひいては、燃料電池モジュールＭ４の発電効率を向上させることができる。
【０２４２】
また、改質部６０から酸化剤ガス流路が省かれることにより、吸熱反応を示す改質部６０から熱が奪われることを抑制することができるので、熱効率を向上させることができる。
【０２４３】
さらに、気化部４０及び改質部６０から酸化剤ガス流路が省かれることにより、気化部４０及び改質部６０では、燃焼排ガス１６６が改質反応と気化とに熱を奪われるのみであるので、これにより、気化部４０及び改質部６０の伝熱面積を小さくすることができる。
【０２４４】
また、図１３に示されるように、改質部６０では燃焼排ガス流路６６が径方向内側に位置すると共に改質流路６７が径方向外側に位置し、気化部４０では燃焼排ガス流路４７が径方向内側に位置すると共に気化流路４６が径方向外側に位置する。従って、改質部６０の燃焼排ガス流路６６から気化部４０の燃焼排ガス流路４７に通じる流路と、気化流路４６から改質流路６７に通じる流路とが交差しないので、改質部６０及び気化部４０の構造を簡素化することができる。
【０２４５】
また、図１２に示されるように、気化部４０は、容器２０の上部（改質部６０と容器２０の上端部（天壁部）との間）を構成しており、この燃料電池モジュールＭ４（容器２０）からは熱交換部（上記各実施形態の熱交換部１１０を参照）が省かれているので、燃料電池モジュールＭ４をより小型化及び低コスト化することができる。
【０２４６】
また、予熱部１００、燃焼部９０の周壁部９１、改質部６０、及び、気化部４０を構成する容器２０は、断熱材１４０によって覆われている。これにより、予熱部１００、燃焼部９０の周壁部９１、改質部６０、及び、気化部４０からの放熱を抑制することができるので、熱効率を向上させることができる。
【０２４７】
［第五実施形態］
次に、本発明の第五実施形態について説明する。
【０２４８】
図１５に示される第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ５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。
【０２４９】
すなわち、第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ５において、改質部６０を構成する四重の筒状壁６１〜６４のうち内側から三番目の筒状壁６３は、二重の筒状壁６３Ａ，６３Ｂにより構成されている。この筒状壁６３Ａと筒状壁６３Ｂとの間は、断熱空間７１として形成されている。
【０２５０】
なお、改質部６０は、互いの間に隙間を有する四重の筒状壁６１，６２，６３，６４によって構成されていると捉えられても良いし、互いの間に隙間を有する五重の筒状壁６１，６２，６３Ａ，６３Ｂ，６４，６５によって構成されていると捉えられても良い。
【０２５１】
改質部６０が、互いの間に隙間を有する四重の筒状壁６１，６２，６３，６４によって構成されていると捉えられる場合、この四重の筒状壁６１，６２，６３，６４の内側から外側には、断熱空間６５、燃焼排ガス流路６６、改質流路６７、及び、酸化剤ガス流路６８が順に形成されていると言える。
【０２５２】
一方、改質部６０が、互いの間に隙間を有する五重の筒状壁６１，６２，６３Ａ，６３Ｂ，６４，６５によって構成されていると捉えられる場合、この五重の筒状壁６１，６２，６３Ａ，６３Ｂ，６４の内側から外側には、断熱空間６５、燃焼排ガス流路６６、改質流路６７、断熱空間７１、及び、酸化剤ガス流路６８が順に形成されていると言える。
【０２５３】
周壁部９１は、改質部６０を構成する五重の筒状壁６１，６２，６３Ａ，６３Ｂ，６４，６５のうち最も内側の筒状壁６１を除く残りの筒状壁６２，６３Ａ，６３Ｂ，６４，６５の下方への延長部分を有する。この残りの筒状壁６２，６３Ａ，６３Ｂ，６４，６５は、より具体的には、隔壁部９３にまで延びている。
【０２５４】
二重の筒状壁６３Ａ，６３Ｂのうち外側の筒状壁６３Ｂの上端部は、改質部６０の内側から二番目の筒状壁６２の上端部と同様に、上方に延長されて混合部８０に設けられている。
【０２５５】
この第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ５は、筒状壁６３が二重の筒状壁６３Ａ，６３Ｂによって構成された以外は、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、この第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ５は、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１と同様の構造については、この燃料電池モジュールＭ１と同様の作用及び効果を奏する。
【０２５６】
この第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ５によれば、改質部６０は、五重の筒状壁６１，６２，６３Ａ，６３Ｂ，６４，６５（四重の筒状壁６１，６２，６３，６４）によって構成されている。従って、改質部６０における構造を簡素化できると共に、改質部６０の組立が容易になるので、燃料電池モジュールＭ５を低コスト化することができる。
【０２５７】
また、改質流路６７と酸化剤ガス流路６８との隔壁を形成する筒状壁６３は、二重の筒状壁６３Ａ，６３Ｂにより構成されており、この二重の筒状壁６３Ａ，６３Ｂの間は、断熱空間７１として形成されている。従って、改質部６０における酸化剤ガス流路６８を流れる酸化剤ガス１６４に改質触媒層７０から熱が奪われることを抑制することができる。これにより、改質触媒層７０の温度を効率的に上昇させることができる。
【０２５８】
また、予熱流路１０５を流れる酸化剤ガス１６４の温度は、改質流路６７の径方向外側に断熱空間７１が無い場合と比較して低くなるので、燃料電池セルスタック１０の放熱を、温度の低い酸化剤ガス１６４で吸収することができる。これにより、燃料電池セルスタック１０から外部への放熱を抑制することができる。
【０２５９】
また、酸化剤ガス１６４の予熱を燃料電池セルスタック１０の周囲のみで賄おうとすると、予熱量が不十分になる可能性があるが、改質部６０に酸化剤ガス流路６８を設けることにより、改質部６０において酸化剤ガス１６４の予熱を行うことができるので、酸化剤ガス１６４の予熱を燃料電池セルスタック１０の周囲のみで賄う場合と比較して、予熱量を確保することができる。
【０２６０】
また、改質流路６７の径方向外側の断熱空間７１は、空洞であるので、改質部６０の構造を簡素化することができる。
【０２６１】
次に、上述の第一乃至第五実施形態に共通の変形例について説明する。
【０２６２】
上述の第一乃至第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１〜Ｍ５において、燃料電池セルスタック１０は、より具体的には、図１８に示されるように、鉛直方向に積層された複数の平板形のセル１２を有する。各セル１２は、燃料極２７１、電解質層２７２、空気極２７３、一対のセパレータ２７４を有する。燃料極２７１には、燃料ガス１６３が供給され、空気極２７３には、酸化剤ガス１６４が供給される。
【０２６３】
しかしながら、第一乃至第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１〜Ｍ５において、燃料電池セルスタック１０のセル１２は、図１９に示されるように、円筒形に形成されても良い。この円筒形の各セル１２は、燃料極２８１、電解質層２８２、空気極２８３、インターコネクタ２８４を有する。燃料極２８１には、燃料ガス１６３が供給され、空気極２８３には、酸化剤ガス１６４が供給される。
【０２６４】
また、第一乃至第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１〜Ｍ５において、燃料電池セルスタック１０のセル１２は、図２０に示されるように、円筒平板形に形成されても良い。この円筒平板形の各セル１２は、燃料極２９１、電解質層２９２、空気極２９３、インターコネクタ２９４を有する。燃料極２９１には、燃料ガス１６３が供給され、空気極２９３には、酸化剤ガス１６４が供給される。
【０２６５】
図１６Ａ，図１６Ｂには、一例として、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１において、上述の図１９に示される複数の円筒形のセル１２を有する燃料電池セルスタック１０が搭載された例が示されている。また、図１７Ａ，図１７Ｂには、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１において、上述の図２０に示される複数の円筒平板形のセル１２を有する燃料電池セルスタック１０が搭載された例が示されている。円筒形のセル１２及び円筒平板形のセル１２のいずれも、セル１２が鉛直方向に沿って延びるように配置されている。
【０２６６】
なお、図１６Ａ〜図１７Ｂに示されるように、予熱部１００を構成する二重の筒状壁１０１，１０２のうち内側の筒状壁１０１の下端部には、予熱部１００の内側空間１０４と予熱流路１０５の下端部とを連通する酸化剤ガス供給口１０９が形成されている。酸化剤ガス供給口１０９は、予熱部１００の周方向に間隔を空けて複数形成されている。また、底壁部３４には、各セル１２に対応して一又は複数の燃料ガス取入口１６が形成されている。
【０２６７】
また、第一乃至第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１〜Ｍ５において、予熱部１００、燃焼部９０の周壁部９１、改質部６０を構成する複数の筒状壁、気化部４０を構成する複数の筒状壁、及び、熱交換部１１０等を構成する複数の筒状壁は、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（例えば、図１７Ｂの二点鎖線で示された予熱部１００を参照）。
【０２６８】
しかしながら、第一乃至第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１〜Ｍ５において、予熱部１００、燃焼部９０の周壁部９１、改質部６０を構成する複数の筒状壁、気化部４０を構成する複数の筒状壁、及び、熱交換部１１０等を構成する複数の筒状壁は、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（例えば、図１７Ｂの実線で示された予熱部１００を参照）。
【０２６９】
また、第一乃至第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１〜Ｍ５において、予熱部１００、燃焼部９０の周壁部９１、改質部６０を構成する複数の筒状壁、気化部４０を構成する複数の筒状壁、及び、熱交換部１１０等を構成する複数の筒状壁は、横断面が真円形状である円筒状に形成されたものと、横断面が楕円形状である楕円筒状に形成されたものの両方を含んでいても良い。
【０２７０】
また、第一乃至第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１〜Ｍ５では、燃料電池セルスタック１０の形状（例えば、燃料電池セルスタック１０が複数の円筒平板形のセル１２を有する場合）に応じて、予熱部１００のみ楕円筒状に形成されても良い（図１７Ｂ参照）。
【０２７１】
また、第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ５のように、改質部６０の筒状壁６３が互いの間に断熱空間７１を有する二重の筒状壁６３Ａ，６３Ｂによって構成された構造が、第二乃至第四実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２〜Ｍ４に適用されても良い。
【０２７２】
また、第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ５において、改質部６０の筒状壁６３は、互いの間に断熱空間７１を有する二重の筒状壁６３Ａ，６３Ｂによって構成されていたが、これと同様に、第一乃至第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１〜Ｍ５において、各部を構成する複数の筒状壁は、適宜、互いの間に断熱空間を形成する二重の筒状壁によって構成されても良い。
【０２７３】
また、第一乃至第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１〜Ｍ５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。
【０２７４】
また、原燃料に含まれる炭化水素系燃料として、都市ガスが用いられているが、都市ガスの代わりにメタンガスなど水素を主成分とするガスが用いられても良い。また、炭化水素系燃料は、炭化水素系液体でも良い。
【０２７５】
次に、第一の評価試験について説明する。
【０２７６】
第一の評価試験として、上述の第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１を例にシミュレーションを行う。
【０２７７】
表１には、シミュレーションにおける第一回目の結果が示されており、表２には、シミュレーションにおける第二回目の結果が示されている。図２１に示されるように、本シミュレーションにおいて、Ｑ１は、気化部４０における気化熱及び予熱を合わせた吸熱量、Ｑ２は、改質部６０の吸熱量、Ｑ３は、予熱部１００の予熱量、Ｑ４は、燃料電池セルスタック１０の発熱量、Ｑ５は、燃焼部９０の燃焼熱量、Ｑ６は、熱交換部１１０の回収熱量を示す。また、Ｅ１は、燃料電池セルスタックの発電量（ＤＣ出力）を示す。なお、符号５０は、原燃料供給管を示し、符号１２２は、酸化剤ガス供給管を示し、符号１２３は、ガス排出管を示す。炭化水素系ガスには、都市ガスが使用される。
【０２７８】
【表１】
0006259736.tif 000002
【０２７９】
【表２】
0006259736.tif 000003
【０２８０】
この第一の評価試験より、各部の温度を適正にするための交換熱量Ｑ１〜Ｑ６が求まる。この交換熱量Ｑ１〜Ｑ６を適正に熱交換する各部の伝熱面積を設定することにより、燃料電池モジュールの所定の性能が得られると言える。
【０２８１】
次に、第二の評価試験について説明する。
【０２８２】
第二の評価試験では、一例として、上述の第一実施形態に係る燃料電池モジュール、及び、第二実施形態に係る燃料電池モジュールについて、シミュレーション及び測定試験を行う。
【０２８３】
表３には、第二の評価試験の結果が示されている。第二の評価試験において、ＮＯ．１〜ＮＯ．１２は、図２２に示される第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１、及び、図２３に示される第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２の測定点番号を示す。
【０２８４】
ＮＯ．１では、原燃料供給管５０に供給される原燃料に含まれる都市ガスの流量が測定され、ＮＯ．２では、酸化剤ガス供給管１２２に供給される酸化剤ガスの流量が測定され、ＮＯ．３では、原燃料供給管５０に供給される水の流量が測定され、ＮＯ．４では、原燃料供給管５０に供給される原燃料の圧力が測定される。
【０２８５】
また、ＮＯ．５では、酸化剤ガス供給管１２２に供給される酸化剤ガスの圧力が測定され、ＮＯ．６では、熱交換部１１０の出口における燃焼排ガスの温度が測定され、ＮＯ．７では、燃料電池セルスタック１０に供給される燃料ガスの温度が測定され、ＮＯ．８では、燃料電池セルスタック１０に供給される酸化剤ガスの温度が測定される。
【０２８６】
また、ＮＯ．９では、燃料電池セルスタック１０の平均温度が測定され、ＮＯ．１０では、燃料電池セルスタック１０からのスタック排ガスの平均温度が測定され、ＮＯ．１１では、改質部６０の出口（改質流路の出口）における燃料ガス（改質ガス）の温度が測定され、ＮＯ．１２では、気化部４０の出口における原燃料ガスの温度が測定される。
【０２８７】
この第二の評価試験では、燃料電池セルスタック１０の代わりに、反応及び発電を伴わない模擬セルスタックが使用される。発電時に想定される原燃料ガスの流量から発電に使用される原燃料ガスの量を差し引いた量の原燃料ガスが原燃料供給管５０に投入されることで、発電時に想定される燃料電池モジュールの温度バランス状態が作り出される。
【０２８８】
第二の評価試験における試験条件は、次の通りである。すなわち、発電時に想定される原燃料ガスの流量は、2.0L/min(1370WLHV)である。シミュレーションにおいて発電量は820Wであり、実際に発電を行わない測定試験においては、発電相当熱量を差し引いた原燃料で燃料電池モジュール内部での発熱量を模擬する必要がある。つまり、発電模擬に使用される原燃料ガスの量は、1370Wから820Wを減じた熱量として、550WLHV（0.8L/min)を基準としている。水の流量、酸化剤ガスの流量は、燃料電池モジュール内部での吸熱量を模擬するためにシミュレーション通りの流量とする。以上の条件で各部の温度を測定する。そして、シミュレーション通りの熱交換が実施され、各部の温度が適正であるか否かを判断する。
【０２８９】
【表３】
0006259736.tif 000004
【０２９０】
この第二の評価試験より、第一及び第二実施形態において、シミュレーションに近い温度分布を実現することができると言える。
【０２９１】
以上、本発明の第一乃至第五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】
【０２９２】
Ｍ１〜Ｍ４…燃料電池モジュール、１０…燃料電池セルスタック、２０…容器、２３…共通の管材、４０…気化部、４１〜４４…筒状壁、４５…断熱空間、４６…気化流路、４７…燃焼排ガス流路、４８…酸化剤ガス流路、４９…断熱材、５０…原燃料供給管、６０…改質部、６１〜６４…筒状壁、６５…断熱空間、６６…燃焼排ガス流路、６７…改質流路、６８…酸化剤ガス流路、６９…断熱材、７０…改質触媒層、７１…断熱空間、８１…連結管、９０…燃焼部、９１…周壁部、１００…予熱部（収容部）、１０１，１０２…筒状壁、１０５…予熱流路、１０７…燃料ガス配管、１１０…熱交換部、１１１〜１１４…筒状壁、１１５…断熱空間、１１６…原燃料流路、１１７…酸化剤ガス流路、１１８…燃焼排ガス流路、１２２…酸化剤ガス供給管、１２３…ガス排出管、１２４…断熱材、１４０…断熱材、１６１…原燃料、１６２…原燃料ガス、１６３…燃料ガス、１６４…酸化剤ガス、１６５…スタック排ガス、１６６…燃焼排ガス、３００…流路切替部、３０１〜３０５…筒状壁、３０６…上方延長排ガス流路、３０７…下方延長排ガス流路
【図１】
0006259736.tif 000005
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0006259736.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
0006259736.tif 000018
【図１５】
0006259736.tif 000019
【図１６Ａ】
0006259736.tif 000020
【図１６Ｂ】
0006259736.tif 000021
【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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