JP6246088B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

燃料電池モジュールとは別に設けられると共に原燃料を気化させて原燃料ガスを燃料電池モジュールに供給する気化装置としては、例えば、特許文献１に記載のものがある。

一方、気化部を備える燃料電池モジュールとしては、例えば、特許文献２に記載のように気化部としての螺旋管を備えるものや、特許文献３に記載のように渦巻き状の流路が形成された気化器を備えるものなどがある。これらの燃料電池モジュールでは、気化部としての個別の構造を有するため、部品点数が増加し高コストになる。

なお、このような気化部を備える燃料電池モジュールでは、気化部における気化の促進及び安定性を確保できることが望ましい。

特開２００３−２８２１１７号公報 特開２０１４−７８３４８号公報 特開２０１１−１７５８５３号公報 特開２０１０−１５７４９８号公報 特開２０１０−１２９４１１号公報 特開２０１１−１７８６２０号公報

本発明は、上記事情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と共に、気化部における気化の促進及び安定性を確保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。

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から排出されたスタック排ガスを燃焼し、前記燃焼排ガスを排出する燃焼部と、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、前記三重の筒状壁における内側の筒状壁及び外側の筒状壁のうちの一方と中央の筒状壁との間に炭化水素系燃料及び水を含む原燃料が投入される気化流路を有し、前記内側の筒状壁及び前記外側の筒状壁のうちの他方と前記中央の筒状壁との間に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、前記燃焼部よりも上側に配置された気化部と、を備える。

この燃料電モジュールによれば、気化部は、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ており、この三重の筒状壁によって気化流路及び燃焼排ガス流路が形成されている。従って、例えば、気化流路及び燃焼排ガス流路が別々の構造によって構成される場合に比して、部品点数を削減して低コスト化することができる。

請求項９のように、気化流路を前記気化部の軸方向回りに螺旋状に形成する螺旋形成部とすることにより、気化流路が螺旋状に形成された分、原燃料が気化流路を流れる時間を長くすることができると共に、気化流路における圧力損失も増えるので、気化部における気化の促進及び安定性を確保することができる。

なお、請求項１６に記載の燃料電池モジュールのように、燃料電池モジュールにおいて、前記気化部は、前記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、及び、前記燃焼排ガス流路を有していても良い。

この構成によれば、気化流路の内側に断熱空間が形成されているので、気化流路については、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、気化部を径方向及び軸方向に小型化しつつ、気化流路において原燃料を安定して気化させることができる。

また、請求項１７に記載の燃料電池モジュールのように、燃料電池モジュールにおいて、前記気化部は、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、前記燃焼排ガス流路、及び、前記燃焼排ガスとの間で熱交換され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。

この構成によれば、気化部は、四重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成されており、この四重の筒状壁によって断熱空間、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。従って、例えば、断熱空間、気化流路、燃焼排ガス流路、及び、酸化剤ガス流路が別々の構造によって構成される場合に比して、部品点数を削減して低コスト化することができる。

また、燃焼排ガス流路の径方向の両側に気化流路及び酸化剤ガス流路が形成されているので、燃焼排ガス流路の熱を、気化流路と酸化剤ガス流路とに振り分けることができる。これにより、気化流路の過昇温、ひいては、改質流路の入口の過昇温を抑制することができる。

また、請求項１８に記載の燃料電池モジュールのように、燃料電池モジュールにおいて、前記気化流路は、鉛直方向上側を上流側として形成されていても良い。

この構成によれば、気化流路は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この気化流路には、原燃料が鉛直方向上側から下側に流れる。従って、気化流路にて液溜りが生じることを抑制することができる。また、気化流路では、原燃料に含まれる水が水滴状態（表面積が大きい状態）で流れるので、この水を突沸させることなく静かに気化させることができる。

また、請求項１０に記載の燃料電池モジュールのように、燃料電池モジュールにおいて、前記螺旋形成部は、前記三重の筒状壁のうち前記気化流路を形成する一対の筒状壁の間に設けられると共に、前記気化部の軸方向回りに螺旋状に形成され、且つ、前記一対の筒状壁の少なくとも一方に密着された丸棒部材でも良い。

この構成によれば、気化流路を螺旋状に形成するために螺旋状の丸棒部材を用いているので、螺旋状の気化流路を簡単な構造で実現できるので、コストダウンすることができる。また、丸棒部材が気化流路を形成する一対の筒状壁の少なくとも一方に密着されているので、気化流路を流れる原燃料が丸棒部材と筒状壁との間をすり抜けること（ショートパスすること）を安価な構造で抑制することができる。

また、請求項１１に記載の燃料電池モジュールのように、燃料電池モジュールにおいて、前記螺旋形成部は、前記三重の筒状壁のうち前記気化流路を形成する一対の筒状壁の間に設けられると共に、前記気化部の軸方向回りに螺旋状に形成され、且つ、ワイヤー状のメッシュ材により形成されたワイヤーメッシュでも良い。

この構成によれば、気化流路に投入された原燃料に含まれる水の流れをワイヤーメッシュにより抑制することができるので、気化流路における水の滞留時間を延ばすことができると共に、水とメッシュ部（金属部）との接触面積（伝熱面積）を大きくすることができる。これにより、気化部における気化の促進及び安定性を向上させることができる。

また、請求項１２に記載の燃料電池モジュールのように、燃料電池モジュールにおいて、前記螺旋形成部は、前記三重の筒状壁のうち前記気化流路を形成する一対の筒状壁の間に設けられると共に、前記気化部の軸方向回りに螺旋状に形成され、且つ、前記一対の筒状壁の少なくとも一方に密着された丸棒部材と、前記一対の筒状壁の間に前記丸棒部材に沿って設けられると共に、前記丸棒部材によって支持され、且つ、ワイヤー状のメッシュ材により形成されたワイヤーメッシュとを有していても良い。

この構成によれば、丸棒部材が気化流路を形成する一対の筒状壁の少なくとも一方に密着されているので、気化流路を流れる原燃料が丸棒部材と筒状壁との間をすり抜けること（ショートパスすること）を安価な構造で抑制することができる。

また、気化流路に投入された原燃料に含まれる水の流れをワイヤーメッシュにより抑制することができるので、気化流路における水の滞留時間を延ばすことができると共に、水とメッシュ部（金属部）との接触面積（伝熱面積）を大きくすることができる。これにより、気化部における気化の促進及び安定性を向上させることができる。

さらに、ワイヤーメッシュが丸棒部材によって支持されているので、ワイヤーメッシュを位置決めすることができると共に、ワイヤーメッシュの変形を抑制することができる。

また、請求項１３に記載の燃料電池モジュールのように、燃料電池モジュールにおいて、前記螺旋形成部は、前記三重の筒状壁のうち前記気化流路を形成する一対の筒状壁の間に設けられると共に、前記気化部の軸方向回りに螺旋状に形成されたガイド部と、前記三重の筒状壁のうち前記気化流路を形成する一対の筒状壁の間に充填されると共に、前記ガイド部によって前記気化部の軸方向回りに螺旋状に配列された複数の球体とを有していても良い。

この構成によれば、気化流路に投入された原燃料に含まれる水の流れを複数の球体の間に形成された凹凸形状により抑制することができるので、気化流路における水の滞留時間を延ばすことができる。これにより、気化部における気化の促進及び安定性を向上させることができる。

また、請求項１４に記載の燃料電池モジュールのように、燃料電池モジュールにおいて、前記螺旋形成部は、前記三重の筒状壁のうち前記気化流路を形成する一対の筒状壁の少なくとも一方から膨出すると共に、前記気化部の軸方向回りに螺旋状に形成されたコルゲート部でも良い。

この構成によれば、螺旋形状部として、内側の筒状壁及び外側の筒状壁の少なくとも一方から膨出して形成されたコルゲート部が用いられているので、気化部の部品点数を削減することができる。

また、請求項１５に記載の燃料電池モジュールのように、燃料電池モジュールにおいて、前記螺旋形成部は、前記三重の筒状壁のうち前記気化流路を形成する一対の筒状壁における外側の筒状壁に形成されると共に、前記気化部の軸方向回りに螺旋状に形成された溶接金属でも良い。

この構成によれば、螺旋形状部として、外側の筒状壁に形成された溶接金属が用いられているので、螺旋状の気化流路を容易に形成することができる。

また、溶接金属が外側の筒状壁に一体に形成されているので、気化流路を流れる原燃料が溶接金属と外側の筒状壁との間をすり抜けること（ショートパスすること）を抑制することができる。

また、請求項２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から排出されたスタック排ガスを燃焼し、前記燃焼排ガスを排出する燃焼部と、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、前記三重の筒状壁における内側の筒状壁及び外側の筒状壁のうちの一方と中央の筒状壁との間に炭化水素系燃料及び水を含む原燃料が投入される気化流路を有し、前記内側の筒状壁及び前記外側の筒状壁のうちの他方と前記中央の筒状壁との間に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、前記燃料電池セルスタックよりも上側に配置された気化部と、前記気化部の下方且つ前記燃料電池セルスタックの上側に設けられると共に、前記気化流路と連通し前記気化流路にて生成された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、を備えても良い。

この燃料電モジュールによれば、気化部は、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ており、この三重の筒状壁によって気化流路及び燃焼排ガス流路が形成されている。従って、例えば、気化流路及び燃焼排ガス流路が別々の構造によって構成される場合に比して、部品点数を削減して低コスト化することができる。

また、請求項３に記載の燃料電池モジュールのように、燃料電池モジュールにおいて、前記気化部と前記改質部との間に設けられると共に、前記気化流路の下端部と連通するオリフィスと、前記オリフィスに対する前記改質流路側に設けられ前記オリフィスと対向する対向壁部とを有する混合部とをさらに備えていても良い。

この構成によれば、気化流路で気化された原燃料ガスは、オリフィスを通過する際に流速が高められて噴流となり、対向壁部に衝突する。従って、原燃料ガスが対向壁部に衝突することにより乱流を生じさせることができるので、原燃料ガスに含まれる炭化水素系ガス及び水蒸気を混合させることができる。

また、請求項４に記載の燃料電池モジュールのように、燃料電池モジュールにおいて、前記オリフィスは、水平方向に貫通し、前記オリフィスに対する下方には、前記気化流路の下端部と連通する空間を有する凹状のトラップ部が設けられていても良い。

この構成によれば、オリフィスに対する下方には、気化流路の下端部と連通する空間を有する凹状のトラップ部が設けられている。従って、気化流路において未蒸発の水滴が生じた場合でも、この水滴をトラップ部にて捕集することができるので、この水滴が改質流路に流入することを抑制することができる。これにより、この気化流路において未蒸発の水滴が改質触媒層に侵入して、改質触媒層の内部の改質触媒の表面で気化することを抑制することができるので、熱衝撃で改質触媒が損傷することを抑制することができる。

また、請求項５に記載の燃料電池モジュールのように、燃料電池モジュールにおいて、前記混合部は、前記オリフィスを一つのみ有していても良い。

この構成によれば、混合部は、オリフィスを一つのみ有するので、例えば、原燃料ガスの流量やスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ比）に変動があっても、原燃料ガスに含まれる炭化水素系ガス及び水蒸気をより一層効果的に混合させることができる。これにより、改質触媒層の転化率低下や改質触媒層内に局所的に温度が高くなる箇所が生じることによる改質触媒層の劣化を抑制することができる。

また、請求項６に記載の燃料電池モジュールのように、燃料電池モジュールにおいて、前記改質部は、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、前記改質流路を有し、前記オリフィスは、前記気化流路の径方向外側に位置していても良い。

この構成によれば、オリフィスは、気化流路の径方向外側に位置するので、このオリフィスを通じて気化流路と連通される改質流路を気化流路よりも径方向外側に拡大することができる。これにより、改質流路においてにおける伝熱面積を増加させることができる。

また、請求項７に記載の燃料電池モジュールのように、燃料電池モジュールにおいて、前記オリフィスは、水平方向に貫通し、前記改質流路の入口には、前記改質流路の周方向に間隔を空けて並び鉛直方向に貫通する複数のオリフィスを有する分散部が設けられていても良い。

この構成によれば、原燃料ガスは、対向壁部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、改質流路の入口に形成された複数のオリフィスを通じて改質流路に流入する。このとき、複数のオリフィスが改質流路の周方向に間隔を空けて並ぶことにより、原燃料ガスが周方向に分散される。従って、改質流路に流入する原燃料ガスの周方向への偏り（原燃料ガスの偏流）を抑制することができる。

また、燃料電池モジュールは、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、前記気化流路と連通し前記気化流路にて生成された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、前記改質流路の入口に設けられ、前記改質流路の周方向に間隔を空けて並び鉛直方向に貫通する複数のオリフィスを有する分散部とをさらに備えていても良い。

この構成によれば、原燃料ガスは、改質流路の入口に形成された複数のオリフィスを通じて改質流路に流入する。このとき、複数のオリフィスが改質流路の周方向に間隔を空けて並ぶことにより、原燃料ガスが周方向に分散される。従って、改質流路に流入する原燃料ガスの周方向への偏り（原燃料ガスの偏流）を抑制することができる。

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、前記改質流路の入口には、前記分散部が鉛直方向に間隔を空けて複数設けられていても良い。

この構成によれば、改質流路の入口には、分散部が鉛直方向に間隔を空けて複数設けられているので、改質流路の入口に形成された複数のオリフィスを通じて原燃料ガスを周方向により一層効果的に分散させることができる。

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、部品点数を削減して低コスト化できると共に、気化部における気化の促進及び安定性を確保できる。

第一実施形態に係る燃料電池モジュールの縦断面を含む斜視図である。 図１に示される燃料電池モジュールの縦断面図である。 図２の要部拡大図である。 図２の要部拡大図である。 図２の要部拡大図である。 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の要部拡大図である。 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８の要部拡大図である。 図８の要部拡大図である。 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１１の要部拡大図である。 図１１の要部拡大図である。 図１１の要部拡大図である。 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１５の要部拡大図である。 図１５の要部拡大図である。 第六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１８の要部拡大図である。 図１８の要部拡大図である。 図１８の要部拡大図である。 丸棒部材により気化流路を螺旋状に形成する例を示す図である。 ワイヤーメッシュにより気化流路を螺旋状に形成する例を示す図である。 丸棒部材及びワイヤーメッシュにより気化流路を螺旋状に形成する例を示す図である。 複数の球体により気化流路を螺旋状に形成する例を示す図である。 コルゲート部により気化流路を螺旋状に形成する例を示す図である。 一対のコルゲート部により気化流路を螺旋状に形成する例を示す図である。 溶接金属により気化流路を螺旋状に形成する例を示す図である。

［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。

＜燃料電池モジュール＞
図１，図２に示されるように、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１は、燃料電池セルスタック１０と、容器２０と、断熱層１３０と、断熱材１４０とを備える。

＜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。

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。

＜容器＞
容器２０は、複数（九個）の管材２１〜２９により構成されている。この複数の管材２１〜２９は、いずれも横断面が真円形状である円筒状に形成され、伝熱性の高い金属で形成される。この複数の管材２１〜２９は、容器２０の内側から外側に順に配置されている。

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。

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（第一連結部）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（第二連結部）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。

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から延びる出力線１７が貫通している。出力線１７が貫通する底壁部３４，３５の穴の内周と出力線１７の外周との間は、適宜シールされる。

この複数の管材２１〜２９によって構成される容器２０は、機能別には、気化部４０と、改質部６０と、燃焼部９０と、予熱部１００（収容部）と、熱交換部１１０とを有する。

＜気化部＞
気化部４０は、図２〜図４に示されるように、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。

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。

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。

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が接続されている。原燃料供給管５０は、連結部３１〜３３の上方に位置する。気化流路４６は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この気化流路４６には、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。

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。

図４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。

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（図４参照）を介して燃焼部９０に形成された燃焼室９４（図５参照）と連通されている。燃焼排ガス流路４７は、鉛直方向下側を上流側として形成されており、この燃焼排ガス流路４７には、燃焼部９０から排出されると共に改質部６０の燃焼排ガス流路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。

燃焼排ガス流路４７の上端部には、この燃焼排ガス流路４７の周方向に沿って環状に形成された整流板５２が設けられている。この整流板５２には、周方向に間隔を空けて複数のオリフィス５３が形成されている。この複数のオリフィス５３は、整流板５２の板厚方向に貫通している。なお、この整流板５２は、省かれても良い。

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。

＜改質部＞
改質部６０は、上述の気化部４０の下方に設けられた四重の筒状壁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。

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５参照）の上方に燃焼部９０と同軸上に設けられている。この改質部６０を構成する四重の筒状壁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。

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。

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４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５参照）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。

＜混合部及び分散部＞
改質部６０の上端部には、鉛直方向上側に延長された混合部８０が形成されている。この混合部８０は、気化部４０と改質部６０との間、すなわち、より具体的には、改質部６０の上側且つ気化部４０の下端部の径方向外側に位置する。気化部４０の下端部における周方向の一部からは、連結管８１が径方向外側に延びている。連結管８１は、混合部８０における気化部４０との接続部を構成しており、この連結管８１の内側は、水平方向に貫通するオリフィス８２として形成されている。連結管８１（オリフィス８２）は、気化流路４６の径方向外側に位置しており、気化流路４６の下端部と連通する。混合部８０は、連結管８１（オリフィス８２）を一つのみ有する。混合部８０には、オリフィス８２に対する改質流路６７側（径方向外側）に位置しオリフィス８２と対向する対向壁部８６が設けられている。

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。

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。

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。

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。

＜燃焼部＞
図５に示されるように、燃焼部９０は、上述の改質部６０の下方に設けられており、周壁部９１と、点火電極９２と、隔壁部９３とを有する。周壁部９１は、上述の改質部６０を構成する四重の筒状壁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。

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。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。

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。

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、

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。

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。

＜予熱部＞
予熱部１００（収容部）は、上述の燃焼部９０の下方に設けられた二重の筒状壁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。

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。

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。

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２に示される底壁部３４と底壁部３５との間に形成された導入路３７を通じて燃料電池セルスタック１０の酸化剤ガス取入口１５と連通されている。図５に示されるように、予熱流路１０５は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この予熱流路１０５には、改質部６０の酸化剤ガス流路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。

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２参照）とを接続する燃料ガス配管１０７が設けられている。上述の隔壁部９３の外周部には、水平方向に延在する仕切板９７が一体に形成されており、この仕切板９７には、鉛直方向に貫通するオリフィス９８が仕切板９７の周方向に間隔を空けて複数形成されている。改質流路６７と燃料ガス配管１０７の内側とは、オリフィス９８を通じて連通されている。

＜熱交換部＞
図３に示されるように、熱交換部１１０は、上述の改質部６０及び気化部４０の周囲に設けられた三重の筒状壁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。

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。

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。

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１１１，１１２の両方と接触しており、筒状壁１１１及び筒状壁１１２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。

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２参照）が接続されている。連結部３１と連結部３２との間の隙間は、容器２０の径方向に延びる連結流路３８として形成されており、酸化剤ガス流路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。酸化剤ガス流路１１７は、鉛直方向下側を上流側として形成されており、この酸化剤ガス流路１１７には、酸化剤ガス供給管１２２（図２参照）から供給された酸化剤ガス１６４が鉛直方向下側から上側に流れる。

また、連結部３２と連結部３３との間の隙間は、容器２０の径方向に延びる連結流路３９として形成されており、燃焼排ガス流路１１８の上端部は、連結流路３９を介して上述の気化部４０に形成された燃焼排ガス流路４７と連通されている。この燃焼排ガス流路１１８の下端部には、容器２０の径方向外側に延びるガス排出管１２３（図２参照）が接続されている。燃焼排ガス流路１１８は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この燃焼排ガス流路１１８には、気化部４０の燃焼排ガス流路４７から供給された燃焼排ガス１６６が鉛直方向上側から下側に流れる。

＜断熱層＞
図２に示されるように、改質部６０及び気化部４０と、熱交換部１１０とは、容器２０の径方向に離間しており、この改質部６０及び気化部４０と熱交換部１１０との間には、円筒状の断熱層１３０が介在されている。この断熱層１３０は、気化部４０及び改質部６０を外側から覆っている。

＜断熱材＞
断熱材１４０は、円筒状の本体部１４１と、円盤状の上部１４２及び下部１４３とを有し、容器２０を覆っている。つまり、本体部１４１は、容器２０の周囲に設けられており、容器２０を外側から覆っている。上部１４２は、本体部１４１を鉛直方向上側から覆うと共に、容器２０の上部の周囲に設けられている。上部１４２は、鉛直方向上側から固定部材１４４により固定されている。下部１４３は、容器２０及び本体部１４１を鉛直方向下側から覆っている。この断熱材１４０の表面は、被覆シート１４５によって覆われている。

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。

図２に示される原燃料供給管５０を通じて図３に示される気化流路４６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、螺旋状に形成された気化流路４６を鉛直方向上側から下側へ流れる。このとき、気化部４０では、燃焼部９０（図５参照）から排出された燃焼排ガス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。気化流路４６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、気化流路４６を流れる原燃料１６１と燃焼排ガス１６６との間で熱交換される（燃焼排ガス１６６から原燃料１６１に気化熱が与えられる）。そして、気化流路４６では、原燃料１６１が気化されて原燃料ガス１６２（図４参照）が生成される。

図４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。

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。

また、このとき、改質部６０では、燃焼部９０（図５参照）から排出された燃焼排ガス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。

改質流路６７にて生成された燃料ガス１６３は、図５に示されるように、仕切板９７に形成されたオリフィス９８を通過し、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２参照）に供給される。

一方、このとき、図３に示される熱交換部１１０では、酸化剤ガス供給管１２２（図２参照）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５参照）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２に示されるガス排出管１２３を通じて燃料電池モジュールＭ１の外部に排出される。

図３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、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４，図５参照）を鉛直方向上側から下側に流れる。

図４に示される気化部４０では、上述の通り、燃焼部９０（図５参照）から排出された燃焼排ガス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。

同様に、改質部６０では、燃焼部９０（図５参照）から排出された燃焼排ガス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。

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５に示される予熱流路１０５に流入し、この螺旋状に形成された予熱流路１０５を鉛直方向上側から下側に流れる。この予熱流路１０５を流れる酸化剤ガス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２参照）に供給される。

以上のようにして、図２に示される燃料電池セルスタック１０の燃料ガス取入口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。

図５に示されるように、燃料電池セルスタック１０からは、燃料極排ガス及び空気極排ガスを含むスタック排ガス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。

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。

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４参照）、連結流路３９及び熱交換部１１０の燃焼排ガス流路１１８（図３参照）を流れた後、図２に示されるガス排出管１２３を通じて燃料電池モジュールＭ１の外部に排出される。

次に、第一実施形態の作用及び効果について説明する。

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、予熱部１００と、燃焼部９０の周壁部９１と、改質部６０と、気化部４０とは、互いに同軸上に設けられている。また、改質部６０は、四重の筒状壁６１〜６４によって構成され、この四重の筒状壁６１〜６４に、改質部６０における断熱空間６５、燃焼排ガス流路６６、改質流路６７、及び、酸化剤ガス流路６８が形成されている。同様に、気化部４０は、四重の筒状壁４１〜４４によって構成され、この四重の筒状壁４１〜４４に、気化部４０における断熱空間４５、気化流路４６、燃焼排ガス流路４７、及び、酸化剤ガス流路４８が形成されている。さらに、改質部６０及び気化部４０の周囲に設けられた熱交換部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における酸化剤ガス流路１１７及び燃焼排ガス流路１１８が形成されている。以上より、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。

しかも、上述の通り、改質部６０、気化部４０、及び、熱交換部１１０は、多重の筒状壁によって構成されており、この多重の筒状壁によって各流路が形成されている。従って、例えば、各流路が別々の構造によって構成される場合に比して、部品点数を削減して低コスト化することができる。

また、気化流路４６は、螺旋凸部５１によって気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。従って、気化流路４６が螺旋状に形成された分、原燃料１６１が気化流路４６を流れる時間を長くすることができると共に、気化流路４６における圧力損失も増えるので、気化部４０における気化の促進及び安定性を確保することができる。

また、気化流路４６の内側には、断熱空間４５が形成されている。従って、気化流路４６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、気化部４０を径方向及び軸方向に小型化しつつ、気化流路４６において原燃料を安定して気化させることができる。

また、気化部４０では、燃焼排ガス流路４７の径方向の両側に気化流路４６及び酸化剤ガス流路４８が形成されている。従って、燃焼排ガス流路４７の熱を、気化流路４６と酸化剤ガス流路４８とに振り分けることができる。これにより、気化流路４６の過昇温、ひいては、改質流路６７の入口の過昇温を抑制することができる。

また、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１６１が鉛直方向上側から下側に流れる。従って、気化流路４６にて液溜りが生じることを抑制することができる。また、気化流路４６では、原燃料１６１に含まれる改質用の水が水滴状態（表面積が大きい状態）で流れるので、この改質用の水を突沸させることなく静かに気化させることができる。

また、気化流路４６で気化された原燃料ガス１６２は、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、対向壁部８６に衝突する。従って、原燃料ガス１６２が対向壁部８６に衝突することにより乱流を生じさせることができるので、原燃料ガス１６２に含まれる炭化水素系ガス及び水蒸気を混合させることができる。

また、オリフィス８２に対する下方には、気化流路４６の下端部と連通する空間を有する凹状のトラップ部５４が設けられている。従って、気化流路４６において未蒸発の水滴が生じた場合でも、この水滴をトラップ部５４にて捕集することができるので、この水滴が改質流路６７に流入することを抑制することができる。これにより、この気化流路４６において未蒸発の水滴が改質触媒層７０に侵入して、改質触媒層７０の内部の改質触媒の表面で気化することを抑制することができるので、熱衝撃で改質触媒が損傷することを抑制することができる。

また、混合部８０は、オリフィス８２を一つのみ有するので、例えば、原燃料ガス１６２の流量やスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ比）に変動があっても、原燃料ガス１６２に含まれる炭化水素系ガス及び水蒸気をより一層効果的に混合させることができる。これにより、改質触媒層７０の転化率低下や改質触媒層７０内に局所的に温度が高くなる箇所が生じることによる改質触媒層７０の劣化を抑制することができる。

また、オリフィス８２は、気化流路４６の径方向外側に位置するので、このオリフィス８２を通じて気化流路４６と連通される改質流路６７を気化流路４６よりも径方向外側に拡大することができる。これにより、改質流路６７における伝熱面積を増加させることができる。

また、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。このとき、複数のオリフィス８４が改質流路６７の周方向に間隔を空けて並ぶことにより、原燃料ガス１６２が周方向に分散される。従って、改質流路６７に流入する原燃料ガス１６２の周方向への偏り（原燃料ガスの偏流）を抑制することができる。

また、気化流路４６、予熱流路１０５、酸化剤ガス流路１１７、及び、燃焼排ガス流路１１８の各流路に設けられた螺旋凸部５１、１０６、１２０、１２１は、各流路の両側に位置する筒状壁間の間に介在するスペーサの役割を果たしている。従って、この螺旋凸部５１、１０６、１２０、１２１によって各流路の幅を維持することができ、各流路の周方向で温度差が生じることを抑制することができる。

［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。

図６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。

すなわち、第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２において、容器２０は、上述の第一実施形態よりも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、五番目の管材２５、及び、六番目の管材２６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。

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。

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。

図７に示されるように、この熱交換部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。

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７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。

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６参照）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。

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。

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６参照）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。

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６参照）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。

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が気化部４０の上方に設けられた以外は、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。

この第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２のように、熱交換部１１０が気化部４０の上方に設けられていると、五番目の管材２５と六番目の管材２６を容器２０の上側へ直線状に延長することにより、この五番目の管材２５の上部と六番目の管材２６の上部で熱交換部１１０の外周側の壁部を構成することができる。これにより、容器２０の製造が容易になると共に容器２０を構成する管材の数を減らすことができるので、コストダウンすることができる。

また、熱交換部１１０が気化部４０の上方に気化部４０と同軸上に設けられているので、この燃料電池モジュールＭ２によれば、径方向により一層小型化することができる。

［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。

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、上述の第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２に対し、次のように構造が変更されている。

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、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。

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９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１０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。

図１０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。

この第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３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、第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２と同様の構造であり、第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２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、第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２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。

この第三実施形態に係る燃料電池モジュールＭ３のように、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と、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の構造を簡素化することができるので、これにより、コストダウンすることができる。

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。

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Ｍ３の発電効率を向上させることができる。

［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。

図１１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、上述の第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２に対し、次のように構造が変更されている。

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、上述の第二実施形態よりもさらに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。

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。

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。

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。

図１２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。

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。

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、容器２０の内側を通る原燃料供給管５０が接続されている。気化流路４６は、原燃料１６１を気化させるために必要な長さを有する。

図１３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。

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（分散部）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（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。

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。

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。

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。

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を上方に延長に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を下方に延長にして形成されている。

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のうち内側から三番目の筒状壁４３を下方に延長に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。

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。

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、容器２０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。

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。

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。

図１４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。

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。

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。

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１６５が生成される。このスタック排ガス１６５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。

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、第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２と同様の構造であり、第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２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、第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２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。

この第四実施形態に係る燃料電池モジュールＭ４のように、熱交換部１１０が気化部４０の上方に設けられていると、三番目の管材２３、五番目の管材２５、及び、六番目の管材２６を容器２０の上側へ直線状に延長することにより、これらの管材２３，２５，２６で熱交換部１１０を構成することができる。これにより、容器２０の製造が容易になると共に容器２０を構成する管材の数を減らすことができるので、コストダウンすることができる。

また、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て噴流となり、対向壁部１９６に衝突する。従って、原燃料ガス１６２が対向壁部１９６に衝突することにより乱流を生じさせることができるので、原燃料ガス１６２に含まれる炭化水素系ガス及び水蒸気を混合させることができる。

また、混合部１９０は、オリフィス１９２を一つのみ有するので、例えば、原燃料ガス１６２の流量やスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ比）に変動があっても、原燃料ガス１６２に含まれる炭化水素系ガス及び水蒸気をより一層効果的に混合させることができる。これにより、改質触媒層７０の転化率低下や改質触媒層７０内に局所的に温度が高くなる箇所が生じることによる改質触媒層７０の劣化を抑制することができる。

また、オリフィス１９２は、気化流路４６の径方向外側に位置するので、このオリフィス１９２を通じて気化流路４６と連通される改質流路６７を気化流路４６よりも径方向外側に拡大することができる。これにより、改質流路６７における伝熱面積を増加させることができる。

また、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。このとき、複数のオリフィス１９４が改質流路６７の周方向に間隔を空けて並ぶことにより、原燃料ガス１６２が周方向に分散される。従って、改質流路６７に流入する原燃料ガス１６２の周方向への偏り（原燃料ガスの偏流）を抑制することができる。

また、改質流路６７の入口には、仕切板１９３が鉛直方向に間隔を空けて複数設けられているので、改質流路６７の入口に形成された複数のオリフィス１９４を通じて原燃料ガス１６２を周方向により一層効果的に分散させることができる。

また、気化流路４６は、二番目の管材２２及び三番目の管材２３によって形成されているが、二番目の管材２２の上端の位置は、容器２０の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（図１３参照）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。

また、改質部６０と気化部４０との間には、気化流路４６の内側に位置する燃焼排ガス流路６６と気化流路４６の外側に位置する燃焼排ガス流路４７とを連通させるための連通管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に接続されているが、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いるため、この連通管１９７と筒状壁３０２，３０３との接続部に応力が集中する虞がある。しかしながら、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。従って、連通管１９７の近傍にて筒状壁３０２の下端部３０２Ａが筒状壁６２の上端部６２Ａに結合されているので、連通管１９７と筒状壁３０２，３０３との接続部に応力が集中することを抑制することができる。

［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。

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、上述の第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２に対し、次のように構造が変更されている。

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、容器２０は、上述の第二実施形態よりもさらに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。

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。

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。

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。

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。

図１６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１５参照）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１５参照）が接続されている。

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。

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。

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。

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（分散部）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。

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。

図１７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。

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。

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。

この第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ５は、上記構成以外は、第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２と同様の構造であり、第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２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、第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２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。

この第五実施形態に係る燃料電池モジュールＭ５のように、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と、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の構造を簡素化することができるので、これにより、コストダウンすることができる。

また、原燃料ガス１６２は、改質流路６７の入口に形成された複数のオリフィス２１３を通じて改質流路６７に流入する。このとき、複数のオリフィス２１３が改質流路６７の周方向に間隔を空けて並ぶことにより、原燃料ガス１６２が周方向に分散される。従って、改質流路６７に流入する原燃料ガス１６２の周方向への偏り（原燃料ガスの偏流）を抑制することができる。

また、改質流路６７の入口には、仕切板２１２が鉛直方向に間隔を空けて複数設けられているので、改質流路６７の入口に形成された複数のオリフィス２１３を通じて原燃料ガス１６２を周方向により一層効果的に分散させることができる。

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。

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Ｍ５の発電効率を向上させることができる。

［第六実施形態］
次に、本発明の第六実施形態について説明する。

図１８に示される第六実施形態に係る燃料電池モジュールＭ６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。

すなわち、第六実施形態に係る燃料電池モジュールＭ６において、容器２０は、上述の第一実施形態よりも二つ少ない七個の管材２１〜２７により構成されている。一番目の管材２１及び二番目の管材２２は、燃料電池セルスタック１０の上方から容器２０の上端部に亘って設けられており、三番目の管材２３及び四番目の管材２４は、容器２０の高さ方向の中央部から上端部に亘って設けられている。

図１９に示されるように、一番目の管材２１から四番目の管材２４の上部には、鉛直方向上側に向かうに従って縮径する縮径部２２１〜２２４がそれぞれ形成されている。この複数の縮径部２２１〜２２４のうち、二番目から四番目の管材２２〜２４に形成された縮径部２２２〜２２４の上方には、円筒状の接続部２２５〜２２７がそれぞれ形成されている。

一番目の管材２１に形成された縮径部２２１の上端部、及び、二番目の管材２２に設けられた接続部２２５の上端部は、パイプ１５０の上部にそれぞれ固定されている。また、三番目の管材２３に設けられた接続部２２６の上端部は、二番目の管材２２に設けられた接続部２２５の上端部に固定され、四番目の管材２４に設けられた接続部２２７の上端部は、三番目の管材２３に設けられた接続部２２６の上端部に固定されている。また、この接続部２２５〜２２７のうち、三番目の管材２３及び四番目の管材２４に設けられた接続部２２６，２２７には、蛇腹状のベローズ２２８，２２９がそれぞれ形成されている。

図１８に示されるように、五番目の管材２５及び六番目の管材２６は、三番目の管材２３及び四番目の管材２４の下方から容器２０の下端部に亘って設けられており、七番目の管材２７は、二番目の管材２２の下方で燃料電池セルスタック１０と五番目の管材２５のとの間に設けられている。二番目の管材２２の下端部は、七番目の管材２７の上端部に固定され、五番目の管材２５の下端部、六番目の管材２６の下端部、及び、七番目の管材２７の下端部は、容器２０の下壁部を構成するマニホールド１４に固定されている。

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、一番目の管材２１の上部によって構成され、四重の筒状壁１１１〜１１４のうち内側から二番目の筒状壁１１２は、二番目の管材２２の上部によって構成されている。また、四重の筒状壁１１１〜１１４のうち内側から三番目の筒状壁１１３は、三番目の管材２３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、四番目の管材２４の上部によって構成されている。

図１９に示されるように、この熱交換部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、燃焼排ガス流路１１８、原燃料流路１１６、及び、酸化剤ガス流路１１７が順に形成されている。

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、燃焼排ガス流路１１８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、原燃料流路１１６として形成され、三番目の筒状壁１１３と、四番目の筒状壁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。

燃焼排ガス流路１１８の上端部は、パイプ１５０と接続部２２５との間に形成された接続流路２３１と連通され、この接続流路２３１の上端部には、容器２０の径方向外側に延びるガス排出管１２３が接続されている。燃焼排ガス流路１１８は、鉛直方向下側を上流側として形成されており、この燃焼排ガス流路１１８には、気化部４０の燃焼排ガス流路４７（図２０参照）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。

原燃料流路１１６の上端部は、接続部２２５と接続部２２６との間に形成された接続流路２３２と連通され、この接続流路２３２の上端部には、容器２０の径方向外側に延びる原燃料供給管５０が接続されている。原燃料流路１１６は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この原燃料流路１１６には、原燃料供給管５０から接続流路２３２を通じて供給された原燃料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（図２０参照）と連通されている。

酸化剤ガス流路１１７の上端部は、接続部２２６と接続部２２７との間に形成された接続流路２３３と連通されている。この接続流路２３３の上端部には、容器２０の径方向外側に延びる酸化剤ガス供給管１２２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（図２０参照）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から接続流路２３３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。

原燃料流路１１６には、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋凸部１１９が設けられており、この螺旋凸部１１９により、原燃料流路１１６は、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。同様に、酸化剤ガス流路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。

原燃料流路１１６のうち螺旋凸部１１９により螺旋状に形成された部分（螺旋流路）は、原燃料流路１１６の下流に位置する気化流路４６よりも螺旋のピッチが小さくなっている。螺旋凸部１１９は、原燃料流路１１６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。

なお、燃焼排ガス流路１１８のうち螺旋凸部１２１により螺旋状に形成された部分のピッチ（螺旋凸部１２１のピッチ）は、交換伝熱量に応じて変更することが可能である。また、伝熱量の多い気化部４０に形成された気化流路４６の螺旋のピッチ（螺旋凸部５１のピッチ）は、細かくすると好適である。

図１８に示されるように、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のうち内側から二番目の筒状壁４２は、二番目の管材２２の高さ方向の中央部によって構成されている。また、四重の筒状壁４１〜４４のうち内側から三番目の筒状壁４３は、三番目の管材２３の下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、四番目の管材２４の下部によって構成されている。

図２０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、燃焼排ガス流路４７、気化流路４６、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、酸化剤ガス流路４８、及び、燃焼排ガス流路４７には、螺旋凸部１１９，１２０，１２１が設けられており、この螺旋凸部１１９，１２０，１２１により、気化流路４６、酸化剤ガス流路４８、及び、燃焼排ガス流路４７は、気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。

図１８に示されるように、改質部６０は、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、二番目の管材２２の下部によって構成されている。また、四重の筒状壁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の上部によって構成され、四重の筒状壁６１〜６４のうち最も外側に位置する筒状壁６４は、六番目の管材２６の上部によって構成されている。

図２０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おり、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。

改質流路６７の入口（上端）には、改質部６０の周方向に沿って環状に形成された一対の仕切板２３４（分散部）が設けられている。この一対の仕切板２３４は、鉛直方向に並んでいる。各仕切板２３４には、周方向に一定の間隔を空けて複数のオリフィス２３５が形成されている。オリフィス２３５は、仕切板２３４の板厚方向（鉛直方向）に貫通しており、改質流路６７には、複数のオリフィス２３５を通じて原燃料ガス１６２が流入する。

一対の仕切板２３４の外周部は、改質部６０を構成する四重の筒状壁６１〜６４のうち内側から三番目の筒状壁６３と僅かな隙間を有して離間されている。なお、一対の仕切板２３４の内周部が、改質部６０を構成する四重の筒状壁６１〜６４のうち内側から二番目の筒状壁６２と僅かな隙間を有して離間されていても良い。

複数のオリフィス２３５は、改質流路６７の周方向に一定の間隔を空けて並んでいるので、この複数のオリフィス２３５を通過することで、改質流路６７には、原燃料ガスが分散して流入する。なお、仕切板２３４は、一枚でも良い。

図１８に示されるように、予熱部１００は、三重の筒状壁１０１〜１０３によって構成されている。三重の筒状壁１０１〜１０３における内側の筒状壁１０１は、七番目の管材２７によって構成され、三重の筒状壁１０１〜１０３における中央の筒状壁１０２は、五番目の管材２５の下部によって構成され、三重の筒状壁１０１〜１０３における外側の筒状壁１０３は、六番目の管材２６の下部によって構成されている。

図２１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１０１〜１０３は、互いの間に隙間を有している。そして、内側の筒状壁１０１と中央の筒状壁１０２との間には、燃料ガス流路１０８が形成され、外側の筒状壁１０３と中央の筒状壁１０２との間には、予熱流路１０５が形成されている。燃料ガス流路１０８の上端部は、改質流路６７と連通されている。

また、燃料ガス流路１０８の下端部は、マニホールド１４（図１８参照）に形成された流路を通じて燃料電池セルスタック１０の燃料ガス取入口と連通され、予熱流路１０５の下端部は、マニホールド１４（図１８参照）に形成された流路を通じて燃料電池セルスタック１０の酸化剤ガス取入口と連通されている。

この第六実施形態に係る燃料電池モジュールＭ６は、熱交換部１１０が気化部４０の上方に設けられた以外は、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。

この第六実施形態に係る燃料電池モジュールＭ６のように、熱交換部１１０が気化部４０の上方に設けられていると、一番目から四番目の管材２１〜２４を容器２０の上側へ直線状に延長することにより、この一番目から四番目の管材２１〜２４の上部で熱交換部１１０を構成することができる。これにより、容器２０の製造が容易になると共に容器２０を構成する管材の数を減らすことができるので、コストダウンすることができる。

また、原燃料ガス１６２は、改質流路６７の入口に形成された複数のオリフィス２３５を通じて改質流路６７に流入する。このとき、複数のオリフィス２３５が改質流路６７の周方向に間隔を空けて並ぶことにより、原燃料ガス１６２が周方向に分散される。従って、改質流路６７に流入する原燃料ガス１６２の周方向への偏り（原燃料ガスの偏流）を抑制することができる。

また、改質流路６７の入口には、仕切板２３４が鉛直方向に間隔を空けて複数設けられているので、改質流路６７の入口に形成された複数のオリフィス２３４を通じて原燃料ガス１６２を周方向により一層効果的に分散させることができる。

また、三番目の管材２３及び四番目の管材２４に設けられた接続部２２６，２２７にベローズ２２８，２２９がそれぞれ形成されているので、一番目から四番目の管材２１〜２４に温度差による熱膨張差が生じても、ベローズ２２８，２２９が伸縮することにより熱膨張差に伴う応力を吸収して緩和することができる。

次に、上述の第一乃至第六実施形態に共通の変形例について説明する。

上述の第一乃至第六実施形態では、例えば、気化流路４６を螺旋状に形成する螺旋形成部（螺旋凸部５１）として、図２２に示されるように、螺旋状に形成された金属製の丸棒部材３１１が用いられても良い。この丸棒部材３１１は、気化流路４６を形成する一対の筒状壁４１，４２の間に設けられると共に、気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。この丸棒部材３１１は、内側の筒状壁４１に巻回されており、この筒状壁４１に密着されている。

このように、気化流路４６を螺旋状に形成するために螺旋状の丸棒部材３１１が用いていると、螺旋状の気化流路４６を簡単な構造で実現できるので、コストダウンすることができる。また、丸棒部材３１１が気化流路４６を形成する内側の筒状壁４１に密着されているので、気化流路４６を流れる原燃料１６１が丸棒部材３１１と筒状壁４１との間をすり抜けること（ショートパスすること）を安価な構造で抑制することができる。

なお、丸棒部材３１１は、気化流路４６を形成する一対の筒状壁４１，４２のうち外側の筒状壁４２にのみ密着されていても良く、また、筒状壁４１，４２の両方に密着されていても良い。

また、気化流路４６は、以下の構造により、気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成されても良い。

すなわち、図２３に示される変形例では、螺旋形成部として、ワイヤー状のメッシュ材により形成されたワイヤーメッシュ３１２が用いられている。このワイヤーメッシュ３１２は、気化流路４６を形成する一対の筒状壁４１，４２の間に設けられると共に、気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成されており、内側の筒状壁４１に巻回されている。

このようにワイヤーメッシュ３１２が用いられていると、気化流路４６に投入された原燃料１６１に含まれる水の流れをワイヤーメッシュ３１２により抑制することができるので、気化流路４６における水の滞留時間を延ばすことができると共に、水とメッシュ部（金属部）との接触面積（伝熱面積）を大きくすることができる。これにより、気化部４０における気化の促進及び安定性を向上させることができる。

また、図２４に示される変形例では、上述の丸棒部材３１１及びワイヤーメッシュ３１２が組み合わされて用いられている。つまり、ワイヤーメッシュ３１２は、丸棒部材３１１に沿って設けられており、丸棒部材３１１によって鉛直方向下側から支持されている。

このように構成されていても、丸棒部材３１１が気化流路４６を形成する内側の筒状壁４１に密着されているので、気化流路４６を流れる原燃料１６１が丸棒部材３１１と筒状壁４１との間をすり抜けること（ショートパスすること）を安価な構造で抑制することができる。

また、気化流路４６に投入された原燃料１６１に含まれる水の流れをワイヤーメッシュ３１２により抑制することができるので、気化流路４６における水の滞留時間を延ばすことができると共に、水とメッシュ部（金属部）との接触面積（伝熱面積）を大きくすることができる。これにより、気化部４０における気化の促進及び安定性を向上させることができる。

さらに、ワイヤーメッシュ３１２が丸棒部材３１１によって支持されているので、ワイヤーメッシュ３１２を位置決めすることができると共に、ワイヤーメッシュ３１２の変形を抑制することができる。

なお、図２４に示される変形例においても、丸棒部材３１１は、気化流路４６を形成する一対の筒状壁４１，４２のうち外側の筒状壁４２にのみ密着されていても良く、また、筒状壁４１，４２の両方に密着されていても良い。

また、図２５に示される変形例では、螺旋形成部として、ガイド部３１３と、複数の球体３１４とが用いられている。ガイド部３１３には、例えば、上述の丸棒部材３１１（図２２参照）を適用することが可能である。このガイド部３１３は、気化流路４６を形成する一対の筒状壁４１，４２の間に設けられると共に、気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。

複数の球体３１４は、一対の筒状壁４１，４２の間に充填されている。複数の球体３１４の隙間は、気化流路４６として形成されており、複数の球体３１４は、気化流路４６が気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成されるように、ガイド部３１３によって気化部４０の軸方向回りに螺旋状に配列されている。この複数の球体３１４としては、例えば、セラミックボールが使用される。なお、ガイド部３１３として丸棒部材以外の構造が用いられても良い。

このように複数の球体３１４が用いられていると、気化流路４６に投入された原燃料に含まれる水の流れを複数の球体３１４の間に形成された凹凸形状により抑制することができるので、気化流路４６における水の滞留時間を延ばすことができる。これにより、気化部４０における気化の促進及び安定性を向上させることができる。

また、図２６に示される変形例では、螺旋形成部として、気化流路４６を形成する内側の筒状壁４１から膨出されたコルゲート部３１５が用いられている。このコルゲート部３１５は、コルゲート加工により気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成される。

また、図２７に示される変形例では、螺旋形成部として、気化流路４６を形成する内側の筒状壁４１から膨出されたコルゲート部３１５と、気化流路４６を形成する外側の筒状壁４２から膨出されたコルゲート部３１５とが用いられている。各コルゲート部３１５は、コルゲート加工により気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成されており、一方のコルゲート部３１５と、他方のコルゲート部３１５とは、互いの頂部にて接している。

このように、螺旋形状部として、コルゲート加工により筒状壁４１又は筒状壁４１，４２に一体に形成されたコルゲート部３１５が用いられていると、気化部４０の部品点数を削減することができる。

また、図２８に示される変形例では、螺旋形成部として、気化流路４６を形成する外側の筒状壁４２に形成された溶接金属３１６が用いられている。この溶接金属３１６の形成方法としては、気化流路４６を形成する一対の筒状壁４１，４２の間に粉体を充填した状態で、この一対の筒状壁４１，４２の外側からレーザを照射して粉体を溶かし、この溶けた粉体を冷却することにより形成される。この溶接金属３１６は、レーザを気化部４０の軸方向回りに螺旋状に相対移動させることにより、気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成される。このような溶接金属の形成方法には、例えば、特願２０１３−５９６８３に記載の技術が適用可能である。一対の筒状壁４１，４２の間に充填された粉体のうちレーザにより溶融されなかった粉体は、気化流路４６の上方から外部に排出される。

このように、螺旋形状部として、気化流路４６を形成する外側の筒状壁４２に形成された溶接金属３１６が用いられていると、螺旋状の気化流路４６を容易に形成することができる。

また、溶接金属３１６が外側の筒状壁４２に一体に形成されているので、気化流路４６を流れる原燃料１６１が溶接金属３１６と外側の筒状壁４２との間をすり抜けること（ショートパスすること）を抑制することができる。

この図２２〜図２８に示される螺旋形成部の例は、第一実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１だけでなく、第二乃至第六実施形態に係る燃料電池モジュールＭ２〜Ｍ６にも適用可能である。

なお、図２２〜図２８に示される螺旋形成部（丸棒部材３１１、ワイヤーメッシュ３１２、ガイド部３１３、複数の球体３１４、コルゲート部３１５、溶接金属３１６）が一対の筒状壁４１，４２の間に介在するスペーサとしての機能を果たすと、一対の筒状壁４１，４２の一方に対して他方を位置決めをすることができ、ひいては、気化流路４６の幅を保持することができる。

図２２に示される丸棒部材３１１、図２５に示されるコルゲート部３１５、及び、図２７に示される溶接金属３１６は、その頂部が外側の筒状壁４２に対して離間されているが、丸棒部材３１１、コルゲート部３１５、溶接金属３１６は、その頂部が外側の筒状壁４２に接していても良い。このように構成されていても、一対の筒状壁４１，４２の一方に対して他方を位置決めをすることができる。

また、第一乃至第六実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１〜Ｍ６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。

しかしながら、第一乃至第六実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１〜Ｍ６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。

また、第一乃至第六実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１〜Ｍ６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。

また、第一乃至第六実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１〜Ｍ６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。

また、第一乃至第六実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１〜Ｍ６において、燃料電池セルスタック１０には、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が適用されているが、その他の形式の燃料電池が適用されても良い。

また、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。

次に、評価試験について説明する。

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を例に温度測定を行う。温度測定は、気化流路の入口、気化流路の出口、改質流路の入口（周方向の４カ所）、及び、改質流路の出口（周方向の４カ所）について行う。炭化水素系ガスには、都市ガスを使用し、温度測定には、熱電対を使用する。表１には、測定結果が示されている。

表１により、気化流路の入口では１００℃以下になっているが、気化流路の出口では、３００℃を超えており、気化流路に投入された水の蒸発ができていることが確認できる。

また、改質流路の入口及び出口での周方向における温度のバラツキは２０℃以下であるが、以下の（１）、（２）の理由から、改質流路の入口における都市ガスと水蒸気の混合気体（原燃料ガス）の分散は良好であると判断できる。

（１）改質流路の出口における熱電対の測定誤差は約±５℃（素線種類はＫ、許容差はクラス２）であり、１０℃程度のバラツキは許容される。

（２）周方向の温度のバラツキが２０℃の場合では、メタン転化率は１％程度しか変わらず、発電に影響を与えない（この場合のメタン転化率とは、原燃料ガスから発電に利用できる水素をどれだけ取り出せているかを示す値である）。

以上、本発明の第一乃至第六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。

Ｍ１〜Ｍ６…燃料電池モジュール、１０…燃料電池セルスタック、１２…セル、１４…マニホールド、１５…酸化剤ガス取入口、１６…燃料ガス取入口、２０…容器、２１〜２９…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、５１…螺旋凸部（螺旋形成部）、５４…トラップ部、５５…螺旋凸部、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、８０…混合部、８１…連結管、８２…オリフィス、８３…仕切板（分散部）、８４…オリフィス、８５…内側空間、８６…対向壁部、９０…燃焼部、９１…周壁部、９２…点火電極、９３…隔壁部、９４…燃焼室、９５…テーパ部、１００…予熱部、１０１〜１０３…筒状壁、１０４…内側空間、１０５…予熱流路、１０６…螺旋凸部、１０７…燃料ガス配管、１０８…燃料ガス流路、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、１１９〜１２１…螺旋凸部、１２２…酸化剤ガス供給管、１２３…ガス排出管、１２４…断熱材、１３０…断熱層、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、１９０…混合部、１９２…オリフィス、１９６…対向壁部、１９７…連通管、３１１…丸棒部材（螺旋形成部）、３１２…ワイヤーメッシュ（螺旋形成部）、３１３…ガイド部、３１４…球体（螺旋形成部）、３１５…コルゲート部（螺旋形成部）、３１６…溶接金属（螺旋形成部）

Claims (18)

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、
   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、前記三重の筒状壁における内側の筒状壁及び外側の筒状壁のうちの一方と中央の筒状壁との間に炭化水素系燃料及び水を含む原燃料が投入される気化流路を有し、前記内側の筒状壁及び前記外側の筒状壁のうちの他方と前記中央の筒状壁との間に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、前記燃焼部よりも上側に配置された気化部と、
   を備える燃料電池モジュール。
2. 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、
   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、前記三重の筒状壁における内側の筒状壁及び外側の筒状壁のうちの一方と中央の筒状壁との間に炭化水素系燃料及び水を含む原燃料が投入される気化流路を有し、前記内側の筒状壁及び前記外側の筒状壁のうちの他方と前記中央の筒状壁との間に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、前記燃料電池セルスタックよりも上側に配置された気化部と、
   前記気化部の下方且つ前記燃料電池セルスタックの上側に設けられると共に、前記気化流路と連通し前記気化流路にて生成された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。
3. 前記気化部と前記改質部との間に設けられると共に、前記気化流路の下端部と連通するオリフィスと、前記オリフィスに対する前記改質流路側に設けられ前記オリフィスと対向する対向壁部とを有する混合部とをさらに備える、
   請求項２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記オリフィスは、水平方向に貫通し、
   前記オリフィスに対する下方には、前記気化流路の下端部と連通する空間を有する凹状のトラップ部が設けられている、
   請求項３に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記混合部は、前記オリフィスを一つのみ有する、
   請求項３又は請求項４に記載の燃料電池モジュール。
6. 前記改質部は、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、前記改質流路を有し、
   前記オリフィスは、前記気化流路の径方向外側に位置する、
   請求項４又は請求項５に記載の燃料電池モジュール。
7. 前記オリフィスは、水平方向に貫通し、
   前記改質流路の入口には、前記改質流路の周方向に間隔を空けて並び鉛直方向に貫通する複数のオリフィスを有する分散部が設けられている、
   請求項３〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
8. 前記改質流路の入口には、前記分散部が鉛直方向に間隔を空けて複数設けられている、
   請求項７に記載の燃料電池モジュール。
9. 前記気化流路を前記気化部の軸方向回りに螺旋状に形成する螺旋形成部、をさらに備える、
   請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
10. 前記螺旋形成部は、前記三重の筒状壁のうち前記気化流路を形成する一対の筒状壁の間に設けられると共に、前記気化部の軸方向回りに螺旋状に形成され、且つ、前記一対の筒状壁の少なくとも一方に密着された丸棒部材である、
    請求項９に記載の燃料電池モジュール。
11. 前記螺旋形成部は、前記三重の筒状壁のうち前記気化流路を形成する一対の筒状壁の間に設けられると共に、前記気化部の軸方向回りに螺旋状に形成され、且つ、ワイヤー状のメッシュ材により形成されたワイヤーメッシュである、
    請求項９に記載の燃料電池モジュール。
12. 前記螺旋形成部は、前記三重の筒状壁のうち前記気化流路を形成する一対の筒状壁の間に設けられると共に、前記気化部の軸方向回りに螺旋状に形成され、且つ、前記一対の筒状壁の少なくとも一方に密着された丸棒部材と、
    前記一対の筒状壁の間に前記丸棒部材に沿って設けられると共に、前記丸棒部材によって支持され、且つ、ワイヤー状のメッシュ材により形成されたワイヤーメッシュとを有する、
    請求項９に記載の燃料電池モジュール。
13. 前記螺旋形成部は、前記三重の筒状壁のうち前記気化流路を形成する一対の筒状壁の間に設けられると共に、前記気化部の軸方向回りに螺旋状に形成されたガイド部と、
    前記三重の筒状壁のうち前記気化流路を形成する一対の筒状壁の間に充填されると共に、前記ガイド部によって前記気化部の軸方向回りに螺旋状に配列された複数の球体とを有する、
    請求項９に記載の燃料電池モジュール。
14. 前記螺旋形成部は、前記三重の筒状壁のうち前記気化流路を形成する一対の筒状壁の少なくとも一方から膨出すると共に、前記気化部の軸方向回りに螺旋状に形成されたコルゲート部である、
    請求項９に記載の燃料電池モジュール。
15. 前記螺旋形成部は、前記三重の筒状壁のうち前記気化流路を形成する一対の筒状壁における外側の筒状壁に形成されると共に、前記気化部の軸方向回りに螺旋状に形成された溶接金属である、
    請求項９に記載の燃料電池モジュール。
16. 前記気化部は、前記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、及び、前記燃焼排ガス流路を有する、
    請求項１〜請求項１５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
17. 前記気化部は、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、前記燃焼排ガス流路、及び、前記燃焼排ガスとの間で熱交換される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有する、
    請求項１６に記載の燃料電池モジュール。
18. 前記気化流路は、鉛直方向上側を上流側として形成されている、
    請求項１〜請求項１７のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。

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