(57)【要約】【課題】部品点数を削減して低コスト化できる燃料電池モジュールを提供することが目的である。【解決手段】燃料電池モジュールＭ１は、燃料電池セルスタック１０と、燃料電池セルスタック１０の上方に設けられた燃焼部９０と、燃焼部９０の上方に設けられた燃料処理部１７０とを備える。燃料処理部１７０は、同心状に配置された複数の筒状壁を有して構成されている。この複数の筒状壁の間には、燃焼排ガス流路、気化流路、改質流路等が形成されている。燃料処理部１７０の内側の空間には、気化流路に供給される原燃料のもとになる炭化水素系燃料を脱硫する脱硫層１７１が充填されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと改質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から排出されたスタック排ガスを燃焼し、燃焼排ガスを排出する燃焼部と、
同心状に配置された複数の筒状壁を有して構成されると共に、前記複数の筒状壁の間に、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、前記燃焼排ガスとの熱交換により原燃料が気化されて燃料ガスが生成される気化流路、及び、前記気化流路と連通し前記燃焼排ガスの熱を利用して前記燃料ガスが改質され前記改質ガスが生成される改質流路を少なくとも有する燃料処理部と、
前記燃料処理部の内側の空間に充填され、前記気化流路に供給される前記原燃料のもとになる炭化水素系燃料を脱硫する脱硫層と、
を備える燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記燃焼部は、前記燃料電池セルスタックの上方に設けられ、
前記燃料処理部は、前記複数の筒状壁の軸方向を高さ方向として形成されると共に、前記燃焼部の上方に設けられ、
前記脱硫層は、加熱吸着脱硫剤又は水素化脱硫剤により形成され、
前記燃料処理部の内側の空間における前記脱硫層よりも下側には、断熱材が充填されている、
請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記脱硫層は、水素化脱硫剤により形成され、
前記燃料処理部の内側の空間における前記脱硫層よりも上側にも、断熱材が充填されている、
請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記気化流路の上流端には、改質用水を供給する水供給路が接続され、
前記気化流路の上流端は、前記脱硫層から供給された前記炭化水素系燃料と前記水供給路から供給された前記改質用水とが混合されて前記原燃料が生成される混合部とされている、
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記脱硫層は、前記気化流路を有する気化部、又は、前記燃焼排ガス流路に囲まれている、
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記気化流路は、前記脱硫層の径方向外側に位置し、
前記気化流路と前記脱硫層との間には、断熱層が設けられている、
請求項１〜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】
前記脱硫層は、前記気化流路を有する気化部よりも上側に位置し、
前記断熱材は、前記気化部の径方向内側に位置する、
請求項２又は請求項３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記気化流路を有する気化部の上方には、前記原燃料が流れる原燃料流路と、前記燃焼排ガス流路とを有する熱交換部が設けられ、
前記原燃料流路の上流端には、改質用水を供給する水供給路が接続され、
前記原燃料流路の上流端は、前記脱硫層から供給された前記炭化水素系燃料と前記水供給路から供給された前記改質用水とが混合されて前記原燃料が生成される混合部とされている、
請求項１〜請求項３、及び、請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】
前記気化流路を有する気化部の上方には、前記原燃料が流れる原燃料流路と、前記燃焼排ガス流路とを有する熱交換部が設けられ、
前記熱交換部は、前記脱硫層の径方向外側に位置する、
請求項１、請求項２、請求項３、請求項７、及び、請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１０】
前記脱硫層は、前記燃料処理部と同心状の筒状を成している、
請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１１】
前記脱硫層には、前記炭化水素系燃料が蛇行して流れる折返し流路が形成されている、
請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１２】
前記脱硫層は、水素化脱硫剤により形成され、
前記改質流路の下流端には、前記改質流路にて生成され水素を主成分とする前記改質ガスの一部を前記脱硫層に供給する水素供給路が接続されている、
請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１３】
前記燃料処理部は、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ると共に、該三重の筒状壁の間に前記気化流路及び前記燃焼排ガス流路を有する気化部と、
前記気化部の下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、該三重の筒状壁の間に前記改質流路及び前記燃焼排ガス流路を有する改質部とを備える、
請求項１〜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】
前記燃料処理部は、前記気化部及び前記改質部の径方向外側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、該三重の筒状壁の間に、前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路、及び、前記燃焼排ガス流路を有する熱交換部をさらに備える、
請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１５】
前記燃料処理部は、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、該三重の筒状壁の間に、前記原燃料が流れる原燃料流路、及び、前記燃焼排ガス流路を有する熱交換部をさらに備える、
請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１６】
前記燃料処理部の下方に前記燃料処理部と同軸上に設けられると共に、前記燃料電池セルスタックの周囲に設けられた少なくとも二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をさらに備える、
請求項１３〜請求項１５のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１７】
前記燃焼部は、前記予熱部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、
請求項１６に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１８】
前記燃料処理部、前記予熱部、及び、前記周壁部は、容器を構成している、
請求項１７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】
燃料電池セルスタックの発電には、例えば都市ガス等の炭化水素系燃料が用いられる。この炭化水素系燃料に含まれる硫黄成分（主に付臭剤成分）は、燃料電池セルスタックの前段に設けられた改質器内の触媒や燃料電池セルスタック内の電極触媒を被毒する。このため、炭化水素系燃料を脱硫する必要がある。この炭化水素系燃料を脱硫する方式としては、一般に、常温吸着脱硫方式、加熱吸着脱硫方式、及び、水素化脱硫方式がある。
【０００３】
また、気化器、改質器、及び、脱硫器等がモジュール化されて構成された燃料電池モジュール（ホットモジュール）内で脱硫を行う技術としては、特許文献１に記載の加熱脱硫方式や特許文献２に記載の水素化脱硫方式のものがある。なお、加熱脱硫及び水素化脱硫は、高温環境下にて行われる。参考として、特許文献３には、加熱脱硫剤の作動温度が開示され、特許文献４には、水素化脱硫剤の作動温度が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１８１２６８号公報
【特許文献２】特開２０１１−１５９４８５号公報
【特許文献３】特開平６−３１５６２８号公報
【特許文献４】特許第２９９３５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１，２に記載の従来の燃料電池モジュールでは、脱硫器としての個別の部屋が設けられている。このため、部品点数が増加し、高コストになる。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、部品点数を削減して低コスト化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】
【０００７】
上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、酸化剤ガスと改質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から排出されたスタック排ガスを燃焼し、燃焼排ガスを排出する燃焼部と、同心状に配置された複数の筒状壁を有して構成されると共に、前記複数の筒状壁の間に、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、前記燃焼排ガスとの熱交換により原燃料が気化されて燃料ガスが生成される気化流路、及び、前記気化流路と連通し前記燃焼排ガスの熱を利用して前記燃料ガスが改質され前記改質ガスが生成される改質流路を少なくとも有する燃料処理部と、前記燃料処理部の内側の空間に充填され、前記気化流路に供給される前記原燃料のもとになる炭化水素系燃料を脱硫する脱硫層と、を備える。
【０００８】
この燃料電池モジュールによれば、脱硫層を充填するために燃料処理部の内側の空間が利用されているので、脱硫層のための個別の部屋（脱硫器）が不要である。これにより、部品点数を削減することができるので、低コスト化することができる。
【０００９】
なお、請求項２に記載のように、請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼部は、前記燃料電池セルスタックの上方に設けられ、前記燃料処理部は、前記複数の筒状壁の軸方向を高さ方向として形成されると共に、前記燃焼部の上方に設けられ、前記脱硫層は、加熱吸着脱硫剤又は水素化脱硫剤により形成され、前記燃料処理部の内側の空間における前記脱硫層よりも下側には、断熱材が充填されていても良い。
【００１０】
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及び燃焼部からなる高温部と脱硫層との間を断熱材によって熱的に遮断することができるので、加熱吸着脱硫剤又は水素化脱硫剤により形成された脱硫層を適正な作動温度に調整することができる。
【００１１】
また、請求項３に記載のように、請求項２に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記脱硫層は、水素化脱硫剤により形成され、前記燃料処理部の内側の空間における前記脱硫層よりも上側にも、断熱材が充填されていても良い。
【００１２】
この燃料電池モジュールによれば、脱硫層の上側に充填された断熱材によって、脱硫層の外部（上方）への放熱を抑制することができ、脱硫層が必要以上に冷やされてしまうことを抑制することができる。これにより、脱硫層を形成する水素化脱硫剤を適正な温度領域に充填することが可能となり、水素化脱硫剤の充填量を低減することができる。
【００１３】
また、請求項４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モジュールにおいて、前記気化流路の上流端には、改質用水を供給する水供給路が接続され、前記気化流路の上流端は、前記脱硫層から供給された前記炭化水素系燃料と前記水供給路から供給された前記改質用水とが混合されて前記原燃料が生成される混合部とされていても良い。
【００１４】
この燃料電池モジュールによれば、気化流路の上流端には、改質用水を供給する水供給路が接続されており、脱硫層から供給された炭化水素系燃料と水供給路から供給された改質用水とは、気化流路の上流端の混合部にて混合される。従って、脱硫層を流れる炭化水素系燃料には、改質用水が含まれないので、水分を含まない状態で炭化水素系燃料の脱硫を行うことができる。従って、脱硫層が高い硫黄吸着性能を示し、脱硫剤の充填量を削減することができるので、より低コスト化することができる。
【００１５】
また、請求項５に記載のように、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記脱硫層は、前記気化流路を有する気化部に囲まれていても良い。
【００１６】
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負荷変動時にも一定の温度となる気化部に脱硫層が囲まれているので、脱硫層の温度も燃料電池セルスタックの負荷変動によらずに一定にすることができる。これにより、例えば、燃料電池セルスタックの負荷変動によって温度が変化する改質部等によって脱硫層が囲まれる場合に比して、脱硫層を安定して作動させることができる。
【００１７】
また、気化部は、燃料電池セルスタックの発電時に約１００℃になるが、燃料電池セルスタックの起動時には約３００℃近くになる場合もある。この場合には、脱硫層を囲う気化部が加熱手段を兼ねるので、例えば、脱硫器が別に設けられた場合のように脱硫器を適切な作動温度に保つための専用の加熱手段が必要になることを回避できる。これにより、部品点数をさらに削減することができるので、より低コスト化することができる。
【００１８】
また、請求項５に記載のように、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記脱硫層は、前記燃焼排ガス流路に囲まれていても良い。
【００１９】
この燃料電池モジュールによれば、脱硫層を囲う燃焼排ガス流路が加熱手段や断熱手段を兼ねるので、例えば、脱硫器が別に設けられた場合のように脱硫器を適切な作動温度に保つための専用の加熱手段や断熱手段が必要になることを回避できる。これにより、部品点数をさらに削減することができるので、より低コスト化することができる。
【００２０】
また、請求項６に記載のように、請求項１〜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、前記気化流路は、前記脱硫層の径方向外側に位置し、前記気化流路と前記脱硫層との間には、断熱層が設けられていても良い。
【００２１】
この燃料電池モジュールによれば、低温部である気化流路と脱硫層との間を断熱層によって熱的に遮断することができるので、加熱吸着脱硫剤又は水素化脱硫剤により形成された脱硫層を適正な作動温度に調整することができる。
【００２２】
また、請求項７に記載のように、請求項２又は請求項３に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記脱硫層は、前記気化流路を有する気化部よりも上側に位置し、前記断熱材は、前記気化部の径方向内側に位置していても良い。
【００２３】
この燃料電池モジュールによれば、低温部である気化部と脱硫層との間を断熱材によって熱的に遮断することができるので、加熱吸着脱硫剤又は水素化脱硫剤により形成された脱硫層を適正な作動温度に調整することができる。
【００２４】
また、請求項８に記載のように、請求項１〜請求項３、及び、請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記気化流路を有する気化部の上方には、前記原燃料が流れる原燃料流路と、前記燃焼排ガス流路とを有する熱交換部が設けられ、前記原燃料流路の上流端には、改質用水を供給する水供給路が接続され、前記原燃料流路の上流端は、前記脱硫層から供給された前記炭化水素系燃料と前記水供給路から供給された前記改質用水とが混合されて前記原燃料が生成される混合部とされていても良い。
【００２５】
この燃料電池モジュールによれば、熱交換部の原燃料流路の上流端には、改質用水を供給する水供給路が接続されており、脱硫層から供給された炭化水素系燃料と水供給路から供給された改質用水とは、原燃料流路の上流端の混合部にて混合される。従って、脱硫層を流れる炭化水素系燃料には、改質用水が含まれないので、水分を含まない状態で炭化水素系燃料の脱硫を行うことができる。従って、脱硫層が高い硫黄吸着性能を示し、脱硫剤の充填量を削減することができるので、より低コスト化することができる。
【００２６】
また、請求項９に記載のように、請求項１、請求項２、請求項３、請求項７、及び、請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記気化流路を有する気化部の上方には、前記原燃料が流れる原燃料流路と、前記燃焼排ガス流路とを有する熱交換部が設けられ、前記熱交換部は、前記脱硫層の径方向外側に位置していても良い。
【００２７】
この燃料電池モジュールによれば、脱硫層の径方向外側に位置する熱交換部が加熱手段や断熱手段を兼ねるので、例えば、脱硫器が別に設けられた場合のように脱硫器を適切な作動温度に保つための専用の加熱手段や断熱手段が必要になることを回避できる。これにより、部品点数をさらに削減することができるので、より低コスト化することができる。
【００２８】
また、請求項１０に記載のように、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記脱硫層は、前記燃料処理部と同心状の筒状を成していても良い。
【００２９】
この燃料電池モジュールによれば、脱硫層が燃料処理部と同心状の筒状を成しているので、燃料処理部の内側の空間を脱硫層の充填のために効率良く利用することができる。しかも、脱硫層が筒状に形成されることにより、脱硫層に均一に炭化水素系燃料を流通させることができるので、炭化水素系燃料の偏流を抑制することができる。これにより、脱硫層における硫黄吸着性能をより高めることができる。
【００３０】
また、請求項１１に記載のように、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記脱硫層には、前記炭化水素系燃料が蛇行して流れる折返し流路が形成されていても良い。
【００３１】
この燃料電池モジュールによれば、脱硫層に折返し流路が形成された分、炭化水素系燃料の流路長を長くすることができる。これにより、脱硫層における硫黄吸着性能をより高めることができる。
【００３２】
また、請求項１２に記載のように、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記脱硫層は、水素化脱硫剤により形成され、前記改質流路の下流端には、前記改質流路にて生成され水素を主成分とする前記改質ガスの一部を前記脱硫層に供給する水素供給路が接続されていても良い。
【００３３】
この燃料電池モジュールによれば、改質流路にて生成され水素を含む改質ガスの一部を、改質流路の下流端に接続された水素供給路を通じて脱硫層に供給することができる。これにより、水素化脱硫剤により形成された脱硫層に外部から水素を供給する必要が無いので、脱硫層に外部から水素を供給する場合に比して、構造を簡素化することができる。
【００３４】
また、請求項１３に記載のように、請求項１〜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、前記燃料処理部は、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ると共に、該三重の筒状壁の間に前記気化流路及び前記燃焼排ガス流路を有する気化部と、前記気化部の下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、該三重の筒状壁の間に前記改質流路及び前記燃焼排ガス流路を有する改質部とを備えていても良い。
【００３５】
この燃料電池モジュールによれば、気化部及び改質部が同軸上に設けられているので、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。しかも、気化部及び改質部は、それぞれ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、気化部及び改質部の構造を簡素化できると共に、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より低コスト化することができる。
【００３６】
また、請求項１４に記載のように、請求項１３に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料処理部は、前記気化部及び前記改質部の径方向外側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、該三重の筒状壁の間に、前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路、及び、前記燃焼排ガス流路を有する熱交換部をさらに備えていても良い。
【００３７】
この燃料電池モジュールによれば、燃料処理部は、熱交換部を備えており、この熱交換部にて酸化剤ガスと燃焼排ガスとが熱交換されるので、熱効率を向上させることができる。
【００３８】
しかも、熱交換部が気化部及び改質部の径方向外側に設けられているので、燃料電池モジュールを軸方向に小型化することができる。また、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、熱交換部の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より低コスト化することができる。
【００３９】
また、請求項１５に記載のように、請求項１３に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料処理部は、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、該三重の筒状壁の間に、前記原燃料が流れる原燃料流路、及び、前記燃焼排ガス流路を有する熱交換部をさらに備えていても良い。
【００４０】
この燃料電池モジュールによれば、燃料処理部は、熱交換部を備えており、この熱交換部にて原燃料と燃焼排ガスとが熱交換されるので、熱効率を向上させることができる。
【００４１】
しかも、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いるので、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。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ている。従って、熱交換部の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より低コスト化することができる。
【００４２】
また、請求項１６に記載のように、請求項１３〜請求項１５のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料処理部の下方に前記燃料処理部と同軸上に設けられると共に、前記燃料電池セルスタックの周囲に設けられた少なくとも二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をさらに備えていても良い。
【００４３】
この燃料電池モジュールによれば、予熱流路を通じて燃料電池セルスタックに供給される酸化剤ガスを、燃料電池セルスタックの熱を利用して効率的に予熱することができる。また、燃料電池セルスタックの熱を、予熱流路を流れる酸化剤ガスで吸収することにより燃料電池セルスタックの放熱を遮断することができるので、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。
【００４４】
しかも、予熱部は、燃料処理部の下方に燃料処理部と同軸上に設けられているので、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。
【００４５】
また、請求項１７に記載のように、請求項１６に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼部は、前記予熱部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しても良い。
【００４６】
この燃料電池モジュールによれば、燃焼部の周壁部は、予熱部の上方に予熱部と同軸上に設けられているので、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。
【００４７】
また、請求項１８に記載のように、請求項１７に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料処理部、前記予熱部、及び、前記周壁部は、容器を構成していても良い。
【００４８】
この燃料電池モジュールによれば、容器は、複数の筒状壁によって形成された燃料処理部、予熱部、及び、周壁部によって構成されているので、容器の構造を簡素化することができると共に、容器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。
【発明の効果】
【００４９】
以上詳述したように、本発明によれば、燃料電池モジュールの部品点数を削減して低コスト化できることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【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】第一実施形態に係る燃料電池モジュールの変形例を示す要部拡大図である。
【図６】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７】図６の要部拡大図である。
【図８】図６の要部拡大図である。
【図９】混合排出部を示す図である。
【図１０】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。
【図１４】第三実施形態に係る燃料電池モジュールの変形例を示す要部拡大図である。
【図１５】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１６】図１５の要部拡大図である。
【図１７】図１５の要部拡大図である。
【図１８】第一実施形態に係る燃料電池モジュールの運転時における燃料処理部内の温度分布を示す図である。
【図１９】第三実施形態に係る燃料電池モジュールの運転時における燃料処理部内の温度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
［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。
【００５２】
＜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、断熱層１３０と、断熱材１４０と、脱硫層１７１と、断熱材１７２とを備える。
【００５３】
＜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（アノード極）、電解質層、空気極（カソード極）を有する。
【００５４】
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、酸化剤ガスと改質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。
【００５５】
＜容器＞
容器２０は、同心状に配置された複数（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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
五番目の管材２５の下端部は、底壁部３４に接合されており、六番目の管材２６の下端部は、底壁部３５に接合されている。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。
【００５９】
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と、熱交換部１１０とを有する。
【００６０】
＜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の上部と、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の上部によって構成され、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の上部によって構成されている。
【００６１】
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の間には、内側から外側へ順に、気化流路４６、燃焼排ガス流路４７、及び、酸化剤ガス流路４８が形成されている。
【００６２】
つまり、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。
【００６３】
気化部４０の上端部には、容器２０の径方向外側に延びる水供給管５０が接続されている。この水供給管５０の内側は、水供給路５４として形成されており、この水供給路５４は、気化流路４６の上流端に接続されている。この水供給路５４から気化流路４６には、改質用水１６２が供給される。
【００６４】
この気化流路４６の上流端は、後述する脱硫層１７１から供給された炭化水素系燃料１６１と水供給路５４から供給された改質用水１６２とが混合（合流）されて原燃料１６３が生成される混合部５５とされている。この混合部５５にて混合された原燃料１６３は、気化流路４６を鉛直方向上側から下側に流れる。
【００６５】
また、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。
【００６６】
図３に示されるように、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。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１６８が鉛直方向下側から上側に流れる。
【００６７】
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と連通されている。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１６６が鉛直方向上側から下側に流れる。
【００６８】
＜改質部＞
図３に示されるように、改質部６０は、上述の気化部４０の下方に気化部４０と同軸上に設けられており、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の下部によって構成され、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における高さ方向の中央部によって構成され、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における高さ方向の中央部によって構成されている。
【００６９】
この改質部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の間には、内側から外側へ順に、燃焼排ガス流路６６、改質流路６７、及び、酸化剤ガス流路６８が形成されている。
【００７０】
つまり、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。
【００７１】
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。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１６８が鉛直方向下側から上側に流れる。また、一番目の筒状壁６１の下端部には、テーパ部６５が設けられている。このテーパ部６５は、鉛直方向上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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。この混合部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。
【００７４】
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。この改質流路６７には、気化流路４６から供給された燃料ガス１６４が鉛直方向上側から下側に流れる。
【００７５】
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を通じて燃料ガス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。
【００７６】
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、燃料ガス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。
【００７７】
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１６６が鉛直方向上側から下側に流れる。
【００７８】
＜燃焼部＞
図４に示されるように、燃焼部９０は、上述の燃料電池セルスタック１０の上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。
【００７９】
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、この筒状壁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。
【００８０】
この周壁部９１は、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の上方に予熱部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。
【００８１】
点火電極９２は、テーパ部６５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。
【００８２】
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６５に沿って改質部６０の燃焼排ガス流路６６に流入する。
【００８３】
＜予熱部＞
予熱部１００（収容部）は、上述の燃焼部９０の下方に設けられており、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。
【００８４】
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を構成する二重の筒状壁１０１，１０２の間には、予熱流路１０５が形成されている。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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の燃料ガス取入口１６（図１参照）とを接続する改質ガス配管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。
【００８８】
＜熱交換部＞
図２に示されるように、熱交換部１１０は、上述の気化部４０及び改質部６０の径方向外側に設けられており、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、七番目の管材２７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、八番目の管材２８によって構成され、三重の筒状壁１１１〜１１３における外側の筒状壁１１３は、九番目の管材２９によって構成されている。
【００８９】
この熱交換部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いる。そして、内側の筒状壁１１１と中央の筒状壁１１２との間には、酸化剤ガス流路１１７が形成され、外側の筒状壁１１３と中央の筒状壁１１２との間には、燃焼排ガス流路１１８が形成されている。
【００９０】
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部材１２０が設けられており、この螺旋部材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。
【００９１】
酸化剤ガス流路１１７の下端部には、容器２０の径方向外側に延びる酸化剤ガス供給管１２２（図１参照）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、酸化剤ガス流路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ガス流路４８と連通されている。この酸化剤ガス流路１１７には、酸化剤ガス供給管１２２（図１参照）から供給された酸化剤ガス１６６が鉛直方向下側から上側に流れる。
【００９２】
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１参照）が接続されており、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。
【００９３】
＜燃料処理部及びその内側に充填された脱硫層及び断熱材＞
以上のように構成された容器２０のうち、気化部４０、改質部６０、及び、熱交換部１１０は、燃料処理部１７０を構成している。この燃料処理部１７０は、上述の如く同心状に配置された複数の筒状壁（つまり、筒状壁４１，６１、筒状壁４２、筒状壁６２、筒状壁４３，６３、筒状壁４４，６４、筒状壁１１１、筒状壁１１２、筒状壁１１３）を有して構成されている。この燃料処理部１７０は、上述の複数の筒状壁の軸方向を高さ方向として形成されると共に、燃焼部９０の上方に設けられている。
【００９４】
この燃料処理部１７０の内側の空間（最も内側の筒状壁４１，６１の内側の空間）には、脱硫層１７１及び断熱材１７２が充填されている。脱硫層１７１は、加熱吸着脱硫剤により形成されており、より具体的には、燃料処理部１７０の内側の空間における中央部から上端部に亘って充填されている。一方、断熱材１７２は、燃料処理部１７０の内側の空間における脱硫層１７１よりも下側に位置し、燃料処理部１７０の内側の空間における中央部から下端部に亘って充填されている。
【００９５】
燃料処理部１７０の上部の軸芯部には、鉛直方向に延びる炭化水素系燃料配管１７３が設けられており、脱硫層１７１は、炭化水素系燃料配管１７３の周囲に充填されることにより、燃料処理部１７０と同心状の筒状を成している。この筒状を成す脱硫層１７１は、上述の気化部４０に囲まれている。
【００９６】
また、炭化水素系燃料配管１７３の内側には、上述のパイプ１５０が挿入されており、炭化水素系燃料配管１７３とパイプ１５０との間は、炭化水素系燃料１６１が流れる炭化水素系燃料流路１７４として形成されている。炭化水素系燃料配管１７３の上端部は、容器２０の外部に突出されており、この炭化水素系燃料配管１７３の上端部には、炭化水素系燃料供給管１７５が接続されている。炭化水素系燃料供給管１７５から供給される炭化水素系燃料１６１としては、例えば、都市ガス等の炭化水素系ガスが使用される。なお、炭化水素系燃料配管１７３は、パイプ１５０と同心状に設けられずに、燃料処理部１７０の軸芯部から外れた位置に設けられていても良い。
【００９７】
図１８には、燃料電池モジュールＭ１の運転時における燃料処理部１７０内の温度分布が示されている。燃料処理部１７０は、上部から下部に向かうに従って温度が上昇する。燃料処理部１７０の上部は、脱硫層１７１を構成する加熱吸着脱硫剤を使用できる温度範囲（約１００℃〜４００℃）となっており、脱硫層１７１は、加熱吸着脱硫剤を使用できる温度範囲の領域に充填されている。
【００９８】
＜容器の外側に設けられた断熱層及び断熱材＞
図２に示されるように、気化部４０及び改質部６０と、熱交換部１１０とは、容器２０の径方向に離間しており、この気化部４０及び改質部６０と熱交換部１１０との間（つまり、熱交換部１１０を構成する三重の筒状壁１１１〜１１３の内側に形成された断熱空間１１５）には、円筒状の断熱層１３０が充填されている。
【００９９】
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。
【０１００】
次に、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１の運転時の動作について説明する。
【０１０１】
炭化水素系燃料供給管１７５を通じて炭化水素系燃料１６１が炭化水素系燃料配管１７３とパイプ１５０との間の炭化水素系燃料流路１７４に供給されると、この炭化水素系燃料１６１は、炭化水素系燃料流路１７４を鉛直方向上側から下側に流れ、炭化水素系燃料流路１７４の下端から排出される。炭化水素系燃料流路１７４の下端から排出された炭化水素系燃料１６１は、脱硫層１７１に供給され、脱硫層１７１に供給された炭化水素系燃料１６１は、脱硫層１７１の周方向に亘って拡散し、脱硫層１７１を鉛直方向上側に向かって流れる。この際、炭化水素系燃料１６１に含まれる硫黄成分は、脱硫層１７１の加熱吸着脱硫剤によって加熱吸着される。
【０１０２】
この脱硫された炭化水素系燃料１６１は、図示しない連通口を通じて気化流路４６の上端部に供給される。このように、本実施形態では、燃料処理部１７０の内側に脱硫層１７１が充填されており、気化流路４６に供給される原燃料１６３のもとになる炭化水素系燃料１６１は、脱硫層１７１により脱硫される。
【０１０３】
また、水供給管５０を通じて気化流路４６に改質用水１６２が供給されると、気化流路４６の上流端の混合部５５では、炭化水素系燃料１６１と改質用水１６２とが混合されて原燃料１６３が生成される。この原燃料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４参照）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。
【０１０４】
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を流れる原燃料１６３と燃焼排ガス１６８との間で熱交換される（燃焼排ガス１６８から原燃料１６３に気化熱が与えられる）。そして、気化流路４６では、原燃料１６３が気化されて燃料ガス１６４（図３参照）が生成される。
【０１０５】
図３に示されるように、気化流路４６で気化された燃料ガス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で気化された燃料ガス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、燃料ガス１６４が対向壁部８６に衝突することにより乱流が生じ、燃料ガス１６４に含まれる炭化水素系ガス及び水蒸気が混合される。
【０１０６】
このようにして混合された燃料ガス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、燃料ガス１６４が周方向に分散して流入する。
【０１０７】
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１６８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１６８が流れると、改質流路６７を流れる燃料ガス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により燃料ガス１６４が改質され改質ガス１６５が生成される。
【０１０８】
改質流路６７にて生成された改質ガス１６５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、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の燃料ガス取入口１６（図１参照）に供給される。
【０１０９】
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１６６が供給される。この酸化剤ガス１６６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。
【０１１０】
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１６８が流れると、酸化剤ガス流路１１７を流れる酸化剤ガス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、酸化剤ガス１６６は、燃焼排ガス１６８の熱を吸収し、予熱される。
【０１１１】
この熱交換部１１０にて予熱された酸化剤ガス１６６は、連結流路３８を通じて気化部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２，図３参照）を鉛直方向上側から下側に流れる。
【０１１２】
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。酸化剤ガス流路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、酸化剤ガス流路４８を流れる酸化剤ガス１６６と燃焼排ガス１６８との間で熱交換され、酸化剤ガス１６６がさらに予熱される。
【０１１３】
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１６８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１６８が流れると、酸化剤ガス流路６８を流れる酸化剤ガス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、酸化剤ガス１６６が予熱される。
【０１１４】
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１６６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ガス１６６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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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６５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１６８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）、連結流路３９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。
【０１１９】
次に、第一実施形態の作用及び効果について説明する。
【０１２０】
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、燃料処理部１７０の内側の空間には、気化流路４６に供給される原燃料１６３のもとになる炭化水素系燃料１６１を脱硫する脱硫層１７１が充填されている。従って、脱硫層１７１を充填するために燃料処理部１７０の内側の空間が利用されているので、脱硫層１７１のための個別の部屋（脱硫器）が不要である。これにより、部品点数を削減することができるので、低コスト化することができる。
【０１２１】
また、燃料処理部１７０の内側の空間における脱硫層１７１よりも下側には、断熱材１７２が充填されている。従って、燃料電池セルスタック１０及び燃焼部９０からなる高温部と脱硫層１７１との間を断熱材１７２によって熱的に遮断することができるので、加熱吸着脱硫剤により形成された脱硫層１７１を適正な作動温度に調整することができる。
【０１２２】
また、気化流路４６の上流端には、改質用水１６２を供給する水供給路５４が接続されており、気化流路４６の上流端は、脱硫層１７１から供給された炭化水素系燃料１６１と水供給路５４から供給された改質用水１６２とが混合されて原燃料１６３が生成される混合部５５とされている。従って、脱硫層１７１を流れる炭化水素系燃料１６１には、改質用水１６２が含まれないので、水分を含まない状態で炭化水素系燃料１６１の脱硫を行うことができる。従って、脱硫層１７１が高い硫黄吸着性能を示し、脱硫剤の充填量を削減することができるので、より低コスト化することができる。
【０１２３】
また、燃料電池セルスタック１０の負荷変動時にも一定の温度となる気化部４０に脱硫層１７１が囲まれているので、脱硫層１７１の温度も燃料電池セルスタック１０の負荷変動によらずに一定にすることができる。これにより、例えば、燃料電池セルスタック１０の負荷変動によって温度が変化する改質部６０等によって脱硫層１７１が囲まれる場合に比して、脱硫層１７１を安定して作動させることができる。
【０１２４】
また、気化部４０は、燃料電池セルスタック１０の発電時に約１００℃になるが、燃料電池セルスタック１０の起動時には約３００℃近くになる場合もある。この場合には、脱硫層１７１を囲う気化部４０が加熱手段を兼ねるので、例えば、脱硫器が別に設けられた場合のように脱硫器を適切な作動温度に保つための専用の加熱手段が必要になることを回避できる。これにより、部品点数をさらに削減することができるので、より低コスト化することができる。
【０１２５】
また、脱硫層１７１が燃料処理部１７０と同心状の筒状を成しているので、燃料処理部１７０の内側の空間を脱硫層１７１の充填のために効率良く利用することができる。しかも、脱硫層１７１が筒状に形成されることにより、脱硫層１７１に均一に炭化水素系燃料１６１を流通させることができるので、炭化水素系燃料１６１の偏流を抑制することができる。これにより、脱硫層１７１における硫黄吸着性能をより高めることができる。
【０１２６】
また、燃料処理部１７０（気化部４０、改質部６０）、燃焼部９０の周壁部９１、及び、予熱部１００は、同軸上に設けられているので、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。
【０１２７】
また、燃料処理部１７０は、熱交換部１１０を備えており、この熱交換部１１０にて酸化剤ガス１６６又は原燃料１６３と燃焼排ガス１６８とが熱交換されるので、熱効率を向上させることができる。しかも、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ので、燃料電池モジュールＭ１を軸方向に小型化することができる。
【０１２８】
また、燃料電池セルスタック１０の周囲には、予熱流路１０５を有する予熱部１００が設けられているので、予熱流路１０５を通じて燃料電池セルスタック１０に供給される酸化剤ガス１６６を、燃料電池セルスタック１０の熱を利用して効率的に予熱することができる。また、燃料電池セルスタック１０の熱を、予熱流路１０５を流れる酸化剤ガス１６６で吸収することにより燃料電池セルスタック１０の放熱を遮断することができるので、燃料電池モジュールＭ１の発電効率を向上させることができる。
【０１２９】
また、容器２０は、複数の筒状壁によって形成された燃料処理部１７０、予熱部１００、及び、燃焼部９０の周壁部９１によって構成されているので、容器２０の構造を簡素化することができると共に、容器２０の組立が容易になるので、燃料電池モジュールＭ１をより低コスト化することができる。
【０１３０】
次に、本発明の第一実施形態の変形例について説明する。
【０１３１】
上述の第一実施形態において、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。しかしながら、これらの筒状壁は、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。
【０１３２】
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筒状壁は、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。
【０１３３】
また、第一実施形態において、気化部４０は、四重の筒状壁４１〜４４の内側から外側に順に、気化流路４６、燃焼排ガス流路４７、及び、酸化剤ガス流路４８を有するが、四重の筒状壁４１〜４４の内側から外側に順に、燃焼排ガス流路４７、気化流路４６、及び、酸化剤ガス流路４８を有しても良い。
【０１３４】
また、四重の筒状壁４１〜４４の内側から外側に順に、燃焼排ガス流路４７、気化流路４６、及び、酸化剤ガス流路４８を有する場合に、脱硫層１７１の径方向外側に位置する気化流路４６と脱硫層１７１との間の燃焼排ガス流路４７が断熱層として機能しても良い。また、気化流路４６と脱硫層１７１との間には、断熱材等によって形成された断熱層が設けられていても良い。
【０１３５】
このように構成されていると、低温部である気化流路４６と脱硫層１７１との間を断熱層によって熱的に遮断することができるので、加熱吸着脱硫剤又は水素化脱硫剤により形成された脱硫層１７１を適正な作動温度に調整することができる。
【０１３６】
また、四重の筒状壁４１〜４４の内側から外側に順に、燃焼排ガス流路４７、気化流路４６、及び、酸化剤ガス流路４８を有する場合に、脱硫層１７１を囲う燃焼排ガス流路４７が加熱手段や断熱手段を兼ねても良い。この場合には、例えば、脱硫器が別に設けられた場合のように脱硫器を適切な作動温度に保つための専用の加熱手段や断熱手段が必要になることを回避できる。これにより、部品点数をさらに削減することができるので、より低コスト化することができる。
【０１３７】
また、熱交換部１１０は、内側の筒状壁１１１と中央の筒状壁１１２との間に酸化剤ガス流路１１７を有し、外側の筒状壁１１３と中央の筒状壁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、内側の筒状壁１１１と中央の筒状壁１１２との間に燃焼排ガス流路１１８を有し、外側の筒状壁１１３と中央の筒状壁１１２との間に酸化剤ガス流路１１７を有するように構造が変更されても良い。
【０１３８】
また、酸化剤ガス１６６が流れる酸化剤ガス流路は、熱交換部１１０、気化部４０、及び、改質部６０に亘って形成されている。しかしながら、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省かれても良い。また、この場合に、気化部４０及び改質部６０は、三重の筒状壁によってそれぞれ構成されても良く、また、酸化剤ガス供給管１２２は、予熱流路１０５の上端部に接続されても良い。
【０１３９】
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。
【０１４０】
また、予熱部１００は、二重の筒状壁１０１，１０２によって構成されているが、三重の筒状壁によって構成されても良い。また、この場合に、予熱部１００を構成する三重の筒状壁の間には、酸化剤ガスが流れる予熱流路１０５と、改質流路６７と連通し改質ガスが流れる改質ガス流路とが形成されても良い。
【０１４１】
また、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。
【０１４２】
また、第一実施形態では、炭化水素系燃料の一例として、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、例えば灯油やメタノールなどの液体燃料でも良い。
【０１４３】
また、気化流路４６の上流端には、改質用水１６２を供給する水供給路５４が接続され、気化流路４６の上流端では、脱硫層１７１から供給された炭化水素系燃料１６１と水供給路５４から供給された改質用水１６２とが混合されて原燃料１６３が生成される。しかしながら、炭化水素系燃料１６１に改質用水１６２が混合され、この改質用水１６２を含む炭化水素系燃料１６１が気化流路４６の上流端に供給されても良い。そして、この気化流路４６の上流端に供給され改質用水１６２を含む炭化水素系燃料１６１が気化流路４６の上流端において原燃料１６３とされても良い。
【０１４４】
また、第一実施形態では、図５に示されるように、炭化水素系燃料配管１７３が脱硫層１７１の上端に接続されても良い。そして、炭化水素系燃料配管１７３から供給された炭化水素系燃料１６１が脱硫層１７１を上部から下部に向けて流通されても良い。さらに、脱硫層１７１に配管１８８が設けられ、脱硫層１７１の上部から下部に流れた炭化水素系燃料１６１が配管を通じて気化流路４６の上端部に供給されても良い。
【０１４５】
［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。
【０１４６】
図６〜図８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。
【０１４７】
すなわち、第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２では、上述の脱硫層１７１の代わりに、脱硫層１８１が用いられている。この脱硫層１８１は、水素化脱硫剤により形成されている。上述の第一実施形態では、加熱吸着脱硫剤により形成された脱硫層１７１が加熱吸着脱硫剤を使用できる温度範囲（約１００℃〜４００℃）の領域に充填されるが、第二実施形態では、水素化脱硫剤により形成された脱硫層１８１が水素化脱硫剤を使用できる温度範囲（約２５０℃〜４００℃）の領域に充填される。
【０１４８】
また、燃料処理部１７０の内側の空間には、脱硫層１８１の下側の断熱材１７２に加え、脱硫層１８１よりも上側に断熱材１８０が充填されている。
【０１４９】
また、断熱材１７２の上部には、混合排出部１８２が設けられており、炭化水素系燃料配管１７３の下端部は、混合排出部１８２に接続されている。さらに、燃料処理部１７０の内部には、水素供給管１８３が設けられている。この水素供給管１８３の下端部は、改質流路６７を構成する一対の筒状壁６２，６３のうち内側の筒状壁６２の下端部に接続されており、水素供給管１８３の上端部は、混合排出部１８２に接続されている。この水素供給管１８３の内側は、水素供給路１８４として形成されており、この水素供給路１８４の下端部は、筒状壁６２に形成された図示しない開口を介して改質流路６７の下流端と接続されている。
【０１５０】
図９に示されるように、混合排出部１８２は、ケース１８５、第一オリフィス部材１８６、及び、第二オリフィス部材１８７を有して構成されている。第一オリフィス部材１８６は、炭化水素系燃料配管１７３との接続部に設けられており、第二オリフィス部材１８７は、混合排出部１８２の出口側に設けられている。
【０１５１】
そして、この第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２において、炭化水素系燃料流路１７４から供給された炭化水素系燃料１６１は、第一オリフィス部材１８６の内側のオリフィスを通じて混合排出部１８２内に供給される。このとき、炭化水素系燃料流路１７４から供給された炭化水素系燃料１６１は、第一オリフィス部材１８６の内側のオリフィスを通過することで噴流とされる。
【０１５２】
このように炭化水素系燃料１６１が噴流とされると、この噴流により生じる負圧により、改質流路６７にて生成された改質ガス１６５の一部が水素供給路１８４を通じて混合排出部１８２内に吸い込まれる。そして、混合排出部１８２の内部では、炭化水素系燃料流路１７４から供給された炭化水素系燃料１６１に水素供給路１８４から供給され水素を主成分とする改質ガス１６５が混合される。
【０１５３】
また、この改質ガス１６５が混合された炭化水素系燃料１６１は、混合排出部１８２の出口から脱硫層１８１に供給される。そして、脱硫層１８１では、炭化水素系燃料１６１に含まれる改質ガス１６５（水素ガス）を利用して炭化水素系燃料１６１に含まれる硫黄成分が除去される。
【０１５４】
この第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２において、上記以外の構成、及び、運転時の動作は、上述の第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１と同様である。
【０１５５】
この第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２においても、上述の第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１と同様に、燃料処理部１７０の内側の空間には、気化流路４６に供給される原燃料１６３のもとになる炭化水素系燃料１６１を脱硫する脱硫層１８１が充填されている。従って、脱硫層１８１を充填するために燃料処理部１７０の内側の空間が利用されているので、脱硫層１７１のための個別の部屋（脱硫器）が不要である。これにより、部品点数を削減することができるので、低コスト化することができる。
【０１５６】
また、改質流路６７にて生成され水素を含む改質ガス１６５の一部は、改質流路６７の下流端に接続された水素供給路１８４を通じて脱硫層１８１に供給される。これにより、水素化脱硫剤により形成された脱硫層１８１に外部から水素を供給する必要が無いので、脱硫層１８１に外部から水素を供給する場合に比して、構造を簡素化することができる。
【０１５７】
また、燃料処理部１７０の内側の空間には、脱硫層１８１の下側の断熱材１７２に加え、脱硫層１８１よりも上側に断熱材１８０が充填されている。従って、この脱硫層１８１の上側に充填された断熱材１８０によって、脱硫層１８１の外部（上方）への放熱を抑制することができ、脱硫層１８１が必要以上に冷やされてしまうことを抑制することができる。これにより、脱硫層１８１を形成する水素化脱硫剤を適正な温度領域に充填することが可能となり、水素化脱硫剤の充填量を低減することができる。
【０１５８】
なお、この第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２において、上述の第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１と同様の構成については、上述の第一実施形態と同様の作用効果を奏する。
【０１５９】
また、この第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２において、上述の第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１と同様の構成については、上述の第一実施形態と同様の変形例を採用することが可能である。
【０１６０】
［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。
【０１６１】
図１０〜図１３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。
【０１６２】
すなわち、第三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一つ少ない八個の管材２１〜２８により構成されている。一番目の管材２１及び五番目の管材２５は、容器２０の上側へ延長されている。七番目の管材２７は、一番目の管材２１における上方への延長部分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。
【０１６３】
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ている。
【０１６４】
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。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。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。
【０１６５】
図１３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。
【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の上部に設けられている。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、図１１，図１２に示される如く、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。同様に、気化部４０は、三重の筒状壁４１〜４３によって構成され、図１３に示されるように、改質部６０は、三重の筒状壁６１〜６３によって構成されている。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。
【０１６７】
図１１，図１２に示されるように、この熱交換部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いる。そして、内側の筒状壁１１１と中央の筒状壁１１２との間には、原燃料流路１１６が形成され、外側の筒状壁１１３と中央の筒状壁１１２との間には、燃焼排ガス流路１１８が形成されている。
【０１６８】
この原燃料流路１１６及び燃焼排ガス流路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１１９，１２１がそれぞれ設けられており、この螺旋部材１１９，１２１により、原燃料流路１１６及び燃焼排ガス流路１１８は、熱交換部１１０の軸方向回りにそれぞれ螺旋状に形成されている。
【０１６９】
以上のように構成された容器２０のうち、気化部４０、改質部６０、及び、熱交換部１１０は、燃料処理部１９０を構成している。この燃料処理部１９０は、同心状に配置された複数の筒状壁（つまり、筒状壁４１，６１、筒状壁４２、筒状壁１１１、筒状壁１１２、筒状壁６２、筒状壁６３，１１３）を有して構成されている。この燃料処理部１９０は、上述の複数の筒状壁の軸方向を高さ方向として形成されると共に、燃焼部９０の上方に設けられている。
【０１７０】
この燃料処理部１９０の内側には、脱硫層１７１及び断熱材１７２が充填されている。脱硫層１７１は、加熱吸着脱硫剤により形成されており、より具体的には、燃料処理部１９０の内側の空間における上部に充填されている。一方、断熱材１７２は、燃料処理部１９０の内側の空間における脱硫層１７１よりも下側に位置し、燃料処理部１９０の内側の空間における中央部から下端部に亘って充填されている。また、脱硫層１７１は、気化部４０よりも上側に位置し、熱交換部１１０は、脱硫層１７１の径方向外側に位置している。
【０１７１】
図１９には、燃料電池モジュールＭ３の運転時における燃料処理部１９０内の温度分布が示されている。燃料処理部１９０は、上部から下部に向かうに従って温度が上昇する。燃料処理部１９０の上部は、脱硫層１７１を構成する加熱吸着脱硫剤を使用できる温度範囲（約１００℃〜４００℃）となっており、脱硫層１７１は、加熱吸着脱硫剤を使用できる温度範囲の領域に充填されている。
【０１７２】
熱交換部１１０の上端部には、容器２０の径方向外側に延びる水供給管５０が接続されている。この水供給管５０の内側は、水供給路５４として形成されており、この水供給路５４は、原燃料流路１１６の上流端に接続されている。この水供給路５４から原燃料流路１１６には、改質用水１６２が供給される。
【０１７３】
この原燃料流路１１６の上流端は、脱硫層１７１から供給された炭化水素系燃料１６１と水供給路５４から供給された改質用水１６２とが混合（合流）されて原燃料１６３が生成される混合部１２５とされている。この混合部１２５にて混合された原燃料１６３は、原燃料流路１１６を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。
【０１７４】
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１１参照）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１６８が鉛直方向下側から上側に流れる。
【０１７５】
そして、この第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３では、炭化水素系燃料供給管１７５を通じて炭化水素系燃料１６１が炭化水素系燃料配管１７３とパイプ１５０との間の炭化水素系燃料流路１７４に供給されると、この炭化水素系燃料１６１は、炭化水素系燃料流路１７４を鉛直方向上側から下側に流れ、炭化水素系燃料流路１７４の下端から排出される。炭化水素系燃料流路１７４の下端から排出された炭化水素系燃料１６１は、脱硫層１７１に供給され、脱硫層１７１に供給された炭化水素系燃料１６１は、脱硫層１７１の周方向に亘って拡散し、脱硫層１７１を鉛直方向上側に向かって流れる。この際、炭化水素系燃料１６１に含まれる硫黄成分は、脱硫層の加熱吸着脱硫剤によって加熱吸着される。
【０１７６】
この脱硫された炭化水素系燃料１６１は、図示しない連通口を通じて原燃料流路１１６の上流端に供給される。また、水供給管５０を通じて原燃料流路１１６に改質用水１６２が供給されると、原燃料流路１１６の上流端の混合部１２５では、炭化水素系燃料１６１と改質用水１６２とが混合されて原燃料１６３が生成される。この原燃料１６３は、螺旋状に形成された原燃料流路１１６を鉛直方向上側から下側に流れる。この際、原燃料１６３は、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１６８との間で熱交換される。そして、この熱交換された原燃料１６３は、気化流路４６に供給される。
【０１７７】
この第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３において、上記以外の構成、及び、運転時の動作は、上述の第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１と同様である。
【０１７８】
この第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３においても、上述の第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１と同様に、燃料処理部１９０の内側の空間には、原燃料流路１１６を通じて気化流路４６に供給される原燃料１６３のもとになる炭化水素系燃料１６１を脱硫する脱硫層１７１が充填されている。従って、脱硫層１７１を充填するために燃料処理部１９０の内側の空間が利用されているので、脱硫層１７１のための個別の部屋（脱硫器）が不要である。これにより、部品点数を削減することができるので、低コスト化することができる。
【０１７９】
また、燃料処理部１９０の内側の空間における脱硫層１７１よりも下側には、断熱材１７２が充填されている。従って、燃料電池セルスタック１０及び燃焼部９０からなる高温部と脱硫層１７１との間を断熱材１７２によって熱的に遮断することができるので、加熱吸着脱硫剤により形成された脱硫層１７１を適正な作動温度に調整することができる。
【０１８０】
また、脱硫層１７１は、気化部４０よりも上側に位置し、断熱材１７２は、気化部４０の径方向内側に位置する。従って、低温部である気化部４０と脱硫層１７１との間を断熱材１７２によって熱的に遮断することができるので、加熱吸着脱硫剤により形成された脱硫層１７１を適正な作動温度に調整することができる。
【０１８１】
また、熱交換部１１０の原燃料流路１１６の上流端には、改質用水１６２を供給する水供給路５４が接続されており、原燃料流路１１６の上流端は、脱硫層１７１から供給された炭化水素系燃料１６１と水供給路５４から供給された改質用水１６２とが混合されて原燃料１６３が生成される混合部１２５とされている。従って、脱硫層１７１を流れる炭化水素系燃料１６１には、改質用水１６２が含まれないので、水分を含まない状態で炭化水素系燃料１６１の脱硫を行うことができる。従って、脱硫層１７１が高い硫黄吸着性能を示し、脱硫剤の充填量を削減することができるので、より低コスト化することができる。
【０１８２】
また、熱交換部１１０は、脱硫層１７１の径方向外側に位置しており、この熱交換部１１０が加熱手段や断熱手段を兼ねるので、例えば、脱硫器が別に設けられた場合のように脱硫器を適切な作動温度に保つための専用の加熱手段や断熱手段が必要になることを回避できる。これにより、部品点数をさらに削減することができるので、より低コスト化することができる。
【０１８３】
なお、この第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３において、上述の第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１と同様の構成については、上述の第一実施形態と同様の作用効果を奏する。
【０１８４】
次に、本発明の第三実施形態の変形例について説明する。
【０１８５】
上述の第三実施形態では、図１４に示されるように、脱硫層１７１の軸方向に延びる複数の隔壁２０１が脱硫層１７１に互い違いに設けられることにより、この脱硫層１７１に折返し流路２０２が形成されていても良い。そして、この折返し流路２０２によって炭化水素系燃料１６１が脱硫層１７１を蛇行して流れても良い。
【０１８６】
このように構成されていると、脱硫層１７１に折返し流路２０２が形成された分、炭化水素系燃料１６１の流路長を長くすることができる。これにより、脱硫層１７１における硫黄吸着性能をより高めることができる。
【０１８７】
なお、特に図示しないが、脱硫層１７１の径方向に延びる複数の隔壁が脱硫層１７１に互い違いに設けられることにより折返し流路が形成されていても良い。また、このような折返し流路は、上述の第一及び第二実施形態に適用されても良い。
【０１８８】
また、第三実施形態において、気化部４０、改質部６０、及び、熱交換部１１０は、それぞれ三重の筒状壁によって構成されているが、管材２６が容器の上部まで延長されることで、気化部４０、改質部６０、及び、熱交換部１１０がそれぞれ四重の筒状壁によって構成されても良い。
【０１８９】
そして、気化部４０を構成する四重の筒状壁の間に内側から外側へ順に、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も良い。また、改質部６０を構成する四重の筒状壁の間に内側から外側へ順に、燃焼排ガス流路、改質流路、及び、酸化剤ガス流路が形成されても良い。また、熱交換部１１０を構成する四重の筒状壁の間に内側から外側へ順に、原燃料流路、燃焼排ガス流路、及び、酸化剤ガス流路が形成されても良い。
【０１９０】
また、気化部４０が四重の筒状壁によって構成される場合に、この気化部４０を構成する四重の筒状壁の間に内側から外側へ順に、燃焼排ガス流路、気化流路、及び、酸化剤ガス流路が形成されても良い。
【０１９１】
なお、この第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３において、上述の第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１と同様の構成については、上述の第一実施形態と同様の変形例を採用することが可能である。
【０１９２】
［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。
【０１９３】
図１５〜図１７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、上述の第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３に対し、次のように構造が変更されている。
【０１９４】
すなわち、第四実施形態に係る燃料電池モジュールＭ４では、上述の脱硫層１７１の代わりに、脱硫層１８１が用いられている。この脱硫層１８１は、水素化脱硫剤により形成されている。上述の第三実施形態では、加熱吸着脱硫剤により形成された脱硫層１７１が加熱吸着脱硫剤を使用できる温度範囲（約１００℃〜４００℃）の領域に充填されるが、第四実施形態では、水素化脱硫剤により形成された脱硫層１８１が水素化脱硫剤を使用できる温度範囲（約２５０℃〜４００℃）の領域に充填される。
【０１９５】
また、燃料処理部１９０の内側の空間には、脱硫層１８１の下側の断熱材１７２に加え、脱硫層１８１よりも上側に断熱材１８０が充填されている。
【０１９６】
また、断熱材１７２の上部には、混合排出部１８２が設けられており、炭化水素系燃料配管１７３の下端部は、混合排出部１８２に接続されている。さらに、燃料処理部１９０の内部には、水素供給管１８３が設けられている。この水素供給管１８３の下端部は、改質流路６７を構成する一対の筒状壁６２，６３のうち内側の筒状壁６２の下端部に接続されており、水素供給管１８３の上端部は、混合排出部１８２に接続されている。この水素供給管１８３の内側は、水素供給路１８４として形成されており、この水素供給路１８４の下端部は、筒状壁６２に形成された図示しない開口を介して改質流路６７の下流端と接続されている。混合排出部１８２は、上述の第二実施形態における混合排出部１８２（図９参照）と同様の構成である。
【０１９７】
そして、この第四実施形態に係る燃料電池モジュールＭ４では、混合排出部１８２の内部において、炭化水素系燃料流路１７４から供給された炭化水素系燃料１６１に水素供給路１８４から供給され水素を主成分とする改質ガス１６５が混合される。
【０１９８】
また、この改質ガス１６５が混合された炭化水素系燃料１６１は、混合排出部１８２の出口から脱硫層１８１に供給される。そして、脱硫層１８１では、炭化水素系燃料１６１に含まれる改質ガス１６５（水素ガス）を利用して炭化水素系燃料１６１に含まれる硫黄成分が除去される。
【０１９９】
この第四実施形態に係る燃料電池モジュールＭ４において、上記以外の構成、及び、運転時の動作は、上述の第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３と同様である。
【０２００】
この第四実施形態に係る燃料電池モジュールＭ４においても、上述の第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３と同様に、燃料処理部１９０の内側の空間には、原燃料流路１１６を通じて気化流路４６に供給される原燃料１６３のもとになる炭化水素系燃料１６１を脱硫する脱硫層１８１が充填されている。従って、脱硫層１８１を充填するために燃料処理部１９０の内側の空間が利用されているので、脱硫層１８１のための個別の部屋（脱硫器）が不要である。これにより、部品点数を削減することができるので、低コスト化することができる。
【０２０１】
また、改質流路６７にて生成され水素を含む改質ガス１６５の一部は、改質流路６７の下流端に接続された水素供給路１８４を通じて脱硫層１８１に供給される。これにより、水素化脱硫剤により形成された脱硫層１８１に外部から水素を供給する必要が無いので、脱硫層１８１に外部から水素を供給する場合に比して、構造を簡素化することができる。
【０２０２】
また、燃料処理部１９０の内側の空間には、脱硫層１８１の下側の断熱材１７２に加え、脱硫層１８１よりも上側に断熱材１８０が充填されている。従って、この脱硫層１８１の上側に充填された断熱材１８０によって、脱硫層１８１の外部（上方）への放熱を抑制することができ、脱硫層１８１が必要以上に冷やされてしまうことを抑制することができる。これにより、脱硫層１８１を形成する水素化脱硫剤を適正な温度領域に充填することが可能となり、水素化脱硫剤の充填量を低減することができる。
【０２０３】
なお、この第四実施形態に係る燃料電池モジュールＭ４において、上述の第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３と同様の構成については、上述の第三実施形態と同様の作用効果を奏する。
【０２０４】
また、この第四実施形態に係る燃料電池モジュールＭ４において、上述の第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３と同様の構成については、上述の第三実施形態と同様の変形例を採用することが可能である。
【０２０５】
以上、本発明の第一乃至第四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】
【０２０６】
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、４０…気化部、４１〜４４…筒状壁、４６…気化流路、４７…燃焼排ガス流路、４８…酸化剤ガス流路、５０…水供給管、５４…水供給路、５５…混合部、６０…改質部、６１〜６４…筒状壁、６５…テーパ部、６６…燃焼排ガス流路、６７…改質流路、６８…酸化剤ガス流路、７０…改質触媒層、９０…燃焼部、９１…周壁部、９４…燃焼室、１００…予熱部、１０１，１０２…筒状壁、１０５…予熱流路、１０７…改質ガス配管、１１０…熱交換部、１１２，１１３…筒状壁、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、１２５…混合部、１６１…炭化水素系燃料、１６２…改質用水、１６３…原燃料、１６４…燃料ガス、１６５…改質ガス、１６６…酸化剤ガス、１６７…スタック排ガス、１６８…燃焼排ガス、１７０，１９０…燃料処理部、１７１，１８１…脱硫層、１７２，１８０…断熱材、１７３…炭化水素系燃料配管、１７４…炭化水素系燃料流路、１７５…炭化水素系燃料供給管、１８２…混合排出部、１８３…水素供給管、１８４…水素供給路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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