以下、図1~図7に基づいて本発明に係る燃� ��電池の実施形態を説明する。

 図1は本発明が適用された固体酸化物形燃 料電池の内部構成を示す側面図、図2は燃料� �池スタックの要部構成を示す図、図3は水気� ��器を内缶体の側壁の外面に設けた状態を示� ��図、図4は水気化器の一構成例を示す図、図 5Aおよび図5Bは水気化器の内部を示す図、図6� ��水気化器を内缶体の天壁に設けた状態を示� ��図、図7は水気化器を内缶体の底壁に設けた 状態を示す図である。

 図1において、符号1は固体酸化物形燃料� �池を示し、符号2はSUS製の箱形の内缶体2a(容� ��)と、この内缶体2aを覆うアルミニウム製の� ��パネル2bで構成されるハウジングを示し、� �号3は積層方向を縦にして内缶体2aの中央に� �設された燃料電池スタックを示す。内缶体2a と外パネル2bの間には、断熱材18が層状に配� �されており、これにより、内缶体2a内の燃料 電池スタック3を高温度に保持しておくこと� �できる。

 上記燃料電池スタック3は、図2に示すよ� �に、固体電解質層4の両面に燃料極層5および 空気極層6を配した発電セル7と、燃料極層5の 外側の燃料極集電体8と、空気極層6の外側の� ��気極集電体9と、各集電体8、9の外側のセパ� ��ータ10を順番に多数積層した構造を有する� �

 固体電解質層4はイットリアを添加した安定 化ジルコニア(YSZ)等で構成され、燃料極層5は Ni等の金属、あるいはNi-YSZ等のサーメットで� ��成され、空気極層6はLaMnO ₃ 、LaCoO ₃ 等で構成され、燃料極集電体8はNi等のスポン ジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極 集電体9はAg等のスポンジ状の多孔質焼結金属 板で構成され、セパレータ10はステンレス等� ��構成されている。

 セパレータ10は、発電セル7間を電気的に� ��続すると共に、発電セル7に反応用ガスを供 給する機能を有し、燃料ガスマニホールド13� ��介して後述する改質器21から供給される改� �ガスをセパレータ10の外周面から導入してセ パレータ10の燃料極集電体8に対向するほぼ中 央部から吐出する燃料ガス通路11と、空気マ� ��ホールド14を介して後述する空気熱交換器22 から供給される空気をセパレータ10の外周面� ��ら導入してセパレータ10の空気極集電体9に� ��向する面のほぼ中央部から吐出する空気通� ��12を備えている。

 この固体酸化物形燃料電池1は、発電セル 7の外周部にガス漏れ防止シールを設けない� �ールレス構造を採用しており、発電反応で� �費されなかった残余のガス(排ガス)を発電セ ル7の外周部から外に自由に放出するように� �っている。そして、図1に示すように、ハウ� ��ング2の天井部には、内缶体2a内に放出され� ��排ガスを外部に排出するための排気口19が� �けられている。

 また、内缶体2a内には、上記燃料電池スタ� �ク3の他、外部から供給された燃料ガスを予� ��する燃料熱交換器20や、この燃料ガスを水� �気改質する改質器21や、外部から供給された 空気を予熱する空気熱交換器22等が配設され� ��いる。
 上記燃料熱交換器20の入口には、燃料ガス� �入用の燃料ガス供給管15が接続され、この燃 料熱交換器20の出口は、配管23により改質器21 の入口に接続され、改質器21の出口は、配管2 4により燃料電池スタック3内の燃料ガスマニ� ��ールド13に接続されている。また、空気熱� �換器22の入口には、空気導入用の空気供給管 16が接続され、この空気熱交換器22の出口は� �配管25により燃料電池スタック3内の空気マ� �ホールド14に接続されている。

 そして、これら熱交換器類20、22や改質器 21は燃料電池スタック3からの輻射熱を効率良 く受熱できるように、それぞれ燃料電池スタ ック3の近傍の適所に配設されている。特に� �本実施形態では、上述したようにシールレ� �構造の採用により、内缶体2a内に高温排ガス が自由に放出されるため、熱交換器による熱 回収は容易であり、且つ熱交換機構も簡略化 できる。

 他方、内缶体2aの側壁2a1には、外面(断熱材1 8側の面)に付随するように水蒸気生成用の水� ��化器30が配設されており、また、天壁2a2の� �面(断熱材18側の面)に水気化器30からの水蒸� �を一時的に滞留しておく水蒸気バッファタ� �ク31が配設されている。
 上記水気化器30の入口には、水導入用の給� �管17が接続され、出口は、配管26により水蒸� ��バッファタンク31の入口に接続され、その� �口が水蒸気配管27を介して燃料ガス供給管15� ��途上に接続されている。

 図1では、この水気化器30を内缶体2aの一側� �2a1(左側壁)に設けた場合を示したが、図1中� �一点鎖線で示すように、他の側壁2a1(右側壁) にも設けても良く、例えば、図示しないが、 前後左右の四側壁2a1の全てに水気化器30を設� ��ることも勿論可能である。
 また、水気化器30は、側壁2a1の外面でなく� �図3に示すように、内缶体2aの内面(燃料電池� ��タック3側の面)に設けても勿論構わない。

 上記水気化器30は、耐熱性、熱伝導性に� �れる金属板(例えば、SUS製)で構成される薄く 扁平な四角い箱体で成り、内部は導入された 水が底部33から上方に流通する水流通部32と� �っており、この水流通部32内の底部33には、� ��なくとも導入された水が気化できる高さま� ��伝熱性のセラミックビーズ(アルミナボール 、ジルコニアボール)34が充填されている。セ ラミックビーズの粒径は1~2mm程度である。

 本実施形態では、図5A、図5Bに示すように、 上記水流通部32の底部33を傾斜させた構造と� �、水流通部32内の水量が少なくなった時に、 水が底部33の低い部分に集中するようになっ� ��いる。
 図5Aは、底部33を片側に傾斜させた構造、図 5Bは、底部33をV字状に傾斜させた構造であり� ��水蒸気生成の安定性の面からは、図5Bの構� �が好ましい。

 また、図1では、水気化器30を内缶体2aの� �壁2a1に付設した場合を示したが、図6に示す� ��うに、内缶体2aの天壁2a2に設けても良く、� �いは、図7に示すように、底壁2a3に設けても� ��い。これらの場合では、図示のように、水� ��化器30の上面に水蒸気バッファタンク31を配 設することができる。

 また、図1、図3、図6、図7等においては、 水気化器30を内缶体2aの壁面に直接取り付け� �ようにしたが、支柱(図示せず)を介して壁面 に取り付けるようにしても良い。何れにして も、水が水流通部32内を内部缶体2aの壁面に� �って面方向に流通するように水気化器30が配 設されていることが、効率的な熱交換を行う 上で好ましい。

 また、係る水気化器30は、上述した扁平の� �体を用いなくても、図4に示すように、耐熱� ��、熱伝導性に優れる金属板35(例えば、SUS製) を用いて内缶体2aの壁面(例えば、側壁2a1)を2� ��構造とし、内缶体2aの壁面とこの金属板35、 36にて形成される空間部を水流通部32とする� �とによっても実現できる。符号37は補強用の リブであり、水流通部32の適所に設けられて� ��る。
 尚、上記構成の水気化器30は、内缶体2aの側 壁2a1だけでなく、天壁2a2や底壁2a3にも適用で きることは勿論である。

 上記構成の固体酸化物形燃料電池1では、 運転時、燃料ガス(例えば、都市ガス)、空気� ��水がそれぞれ、燃料ガス供給管15、空気供� �管16、給水管17を介して内缶体2a内に供給さ� �る。

 水は給水管17を介して水気化器30に導入され 、水流通部32内において、燃料電池スタック3 の高温排熱によって加熱されて気化し、水蒸 気となって水流通部32内を上昇し、配管26を� �して水蒸気バッファタンク31内に誘導されて 一時的に滞留される。水蒸気バッファタンク 31内の水蒸気は、タンク内においてさらに加� ��されて高温水蒸気となる。
 この高温水蒸気は、水蒸気配管27を介して� �料ガス供給管15に導入され、燃料ガス供給管 15内において燃料ガスと合流されて混合ガス� ��なる。混合ガスは、燃料熱交換器20内を上� �に流通する過程で燃料電池スタック3からの� ��射熱により昇温されて高温の混合ガスとな� ��、配管23を介して改質器21に導入されると共 に、改質器21内において改質触媒による水蒸� ��改質が行われ、水素リッチな燃料ガスに改� ��される。改質ガスは、配管24を介して燃料� �池スタック3内の燃料ガスマニホールド13に� �入される。

 一方、空気は空気供給管16を介して空気� �交換器22に導入され、空気熱交換器22内を上� ��に流通する過程で燃料電池スタック3からの 輻射熱により昇温され、配管25を介して燃料� ��池スタック3内の空気マニホールド14に導入� ��れる。そして、改質ガスと空気が各発電セ� ��7内に供給され、発電セル7内の各電極にお� �て既述した電極反応が行われる。

 ここで、本実施形態による固体酸化物形� ��料電池1では、水気化器30が内缶体2aの壁面� �付設されているので、水気化器30は、上記壁 面を伝熱面として、燃料電池スタック3から� �排熱を効率良く受熱して速やかに高温水蒸� �を生成することができ、且つ、その際の気� �熱による抜熱効果で、熱的余剰状態にある� �缶体2a内を好適運転温度に保持することがで きる。

 この際、水気化器30は、水流通部32内の水 が内缶体2aの壁面に沿って面方向に流通する� ��うに配設されているため、壁面からの伝導� ��を効率良く取り入れて熱交換することがで� ��る。

 また、上記水流通部32の底部33を傾斜させ ているので、水流通部32内の水量が少なくな� ��た時は、水が底部33の低い部分に集中し、� �まった水量にて安定した水の気化が行える� �加えて、上記水流通部32内に伝熱性のセラミ ックビーズ34が充填されているので、その熱� ��達効果により、水流通部32内の水を速やか� �気化させて、安定した水蒸気量を得ること� �できる。

 また、図1に示すように、水気化器30を内缶� ��2aの内面に設けた場合は、水気化器30は、内 缶体2aの壁面からの伝導熱とともに燃料電池� ��タック3からの直接的な輻射熱を受熱できる ため、単位面積当たりの水蒸気生成能力が向 上し、その分、水気化器30を小形化できると� ��うメリットがある。
 他方、図3に示すように、水気化器30を内缶� ��2aの外面に設けた場合は、単位面積当たり� �水蒸気生成能力は低下するものの、内缶体2a の壁面における断熱性能が向上し、内缶体2a� ��外側に配設される断熱材18を薄くすること� �可能になり、燃料電池の小形化が図れると� �うメリットがある。