JP7563012B2

JP7563012B2 - 固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP7563012B2
Application number: JP2020119060A
Authority: JP
Inventors: 祐介青山; 敬士市原; 明安武
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2024-10-08
Anticipated expiration: 2040-07-10
Also published as: JP2022015901A

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池に関する。

固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ。以下、単に「ＳＯＦＣ」という。）は、アノード層とカソード層との間に電解質層を挟持したセルを有する。ＳＯＦＣにおける発電性能は温度と正の相関があるため、ＳＯＦＣの発電出力を向上させるためには、セルの反応面全体を高温に保持する必要がある。燃料電池は、発電によって生じる熱の一部が供給ガスの熱伝達によって輸送されることから、ガスの供給方式（コフロー、カウンターフロー、クロスフロー）を問わず、反応面に温度分布が生じることは避けられない。反応面の最高温度は材料の耐熱温度より低温である必要がある。反応面内の温度差が大きいと、反応面全体を高温化できず、発電出力の向上が阻害される。

従来、セルの反応面の均熱を図ることによって、低電気抵抗、高出力を図る燃料電池のスタック構造が提案されている（特許文献１を参照）。このスタック構造は、正方形の内部マニホールド型セパレータを有し、正方形の４辺のそれぞれに、セルの中心に対して点対称位置に複数のアノードマニホールドおよびカソードマニホールドが形成されている。セパレータは、燃料電池の各段毎にセル中心に対して９０°回転して積層されている。これによって、各セルにおける燃料および酸化剤の供給方式をクロスフローとし、さらに１段毎に燃料の流れ方向を直交させ、酸化剤の流れ方向を直交させている。

特開平１１－６７２５９号公報

特許文献１に記載された技術は、セルごとにフロー方向を変えるために四辺にマニホールドが形成されており、１セル当たりマニホールドとマニホールドのシール部品等が最低４個必要となる。このように、マニホールドおよびマニホールドに付随する補機類の構造が複雑になり、実際に適用することが難しい。

そこで、本発明は、単純な構造によってガスの供給方式（コフロー、カウンターフロー、クロスフロー）を組み合わせることが可能な固体酸化物形燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、アノード層とカソード層との間に電解質層を挟持したセルを支持するセルフレームを有する固体酸化物形燃料電池である。前記セルフレームは、中空部を備える中空部材から形成された本体部と、前記本体部に接続され前記セルを支持するセル支持部とを有する。前記本体部は、入口側マニホールド部と、出口側マニホールド部と、前記入口側マニホールド部と前記出口側マニホールド部とを接続するフレーム部と、を有する。前記フレーム部は前記セル支持部に支持された前記セルの周囲を囲む４辺を有する矩形形状をなす。前記セルフレームはさらに、前記入口側マニホールド部に形成され
前記中空部に連通する入口側マニホールド連通部と、前記出口側マニホールド部に形成され前記中空部に連通する出口側マニホールド連通部と、前記フレーム部に形成され前記セルと前記中空部とを連通し前記中空部を流れる流体を前記セルに供給する供給側セル連通部と、前記フレーム部に形成され前記セルと前記中空部とを連通し前記セルを流れる流体を前記中空部に排出する排出側セル連通部とを有する。前記供給側セル連通部は前記フレーム部の４辺のうちいずれか１辺に形成され、前記排出側セル連通部は前記供給側セル連通部を形成した前記１辺と対称位置の他の辺に形成され、前記セルを流れる流体の流れ方向を前記いずれか１辺から前記他の辺に向かう方向に設定してなる。

本発明によれば、セルフレームの本体部を構成する中空部材の中空部をガスの流通路として使用する。セルフレームの本体部の基本構造を同じにしたまま、供給側セル連通部および排出側セル連通部の形成位置を変更することによって、ガスの流れ方向を選択できる。したがって、単純な構造によってガスの供給方式（コフロー、カウンターフロー、クロスフロー）を組み合わせることが可能となる。

固体酸化物形燃料電池のセルスタックアッセンブリを、スカート、断熱材、一対のエンドプレート、およびスタックに分解した状態を示す斜視図である。図１の断熱材およびスタックを示す平面図である。図１に示すスタックを、セルユニットに分解した状態を、ユニット間シールとともに示す斜視図である。図３に示すセルユニットを、セルフレームおよびセパレータに分解し、さらに、セルフレームを本体部とセルを支持したセル支持部とに分解した状態を、ユニット間シールとともに示す斜視図である。セルユニットを積層した状態の図４の５－５線に沿う断面図である。セルユニットとユニット間シールとを積層した状態の図４の６－６線に沿う断面図である。セルフレームを示す平面図である。図７Ａにおいて一点鎖線によって囲まれる７Ｂ部を拡大して示す斜視図である。図７Ａの７Ｃ－７Ｃ線に沿う断面図である。セルフレームの本体部を構成する２つの本体部構成体を分離した状態を示す斜視図である。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がコフローとカウンターフローとの組み合わせの場合におけるスタックの温度分布を模式的に示す図である。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式をコフローとしたセルフレームの本体部を示す斜視図である。図９Ａに示される上位側の第２本体部構成体を示す平面図である。図９Ａに示される下位側の第１本体部構成体を示す平面図である。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式をカウンターフローとしたセルフレームの本体部を示す斜視図である。図１０Ａに示される上位側の第２本体部構成体を示す平面図である。図１０Ａに示される下位側の第１本体部構成体を示す平面図である。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がクロスフローとクロスフローとの組み合わせの場合におけるスタックの温度分布を模式的に示す図である。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式をクロスフローとしたセルフレームの本体部を示す斜視図である。図１２Ａに示される上位側の第２本体部構成体を示す平面図である。図１２Ａに示される下位側の第１本体部構成体を示す平面図である。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式をクロスフローとし、さらに燃料ガスが流れる方向を図１２Ａに示される方向と逆方向としたセルフレームの本体部を示す斜視図である。図１３Ａに示される上位側の第２本体部構成体を示す平面図である。図１３Ａに示される下位側の第１本体部構成体を示す平面図である。変形例１に係るセルフレームを適用したスタックであって、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がコフローとカウンターフローとの組み合わせの場合のスタックを模式的に示す図である。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式をコフローとしたセルフレームの本体部を示す平面図である。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式をカウンターフローとしたセルフレームの本体部を示す平面図である。変形例１に係るセルフレームを適用したスタックであって、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がクロスフローとクロスフローとの組み合わせの場合のスタックを模式的に示す図である。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式をクロスフローとしたセルフレームの本体部を示す平面図である。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式をクロスフローとし、さらに燃料ガスが流れる方向を図１５Ｂに示される方向と逆方向としたセルフレームの本体部を示す平面図である。セルフレームの連通部の変形例を示す斜視図である。セルフレームの連通部の他の変形例を示す斜視図である。セルフレームの中空部材の変形例を示す平面図である。図１７Ａの１７Ｂ－１７Ｂ線に沿う断面図である。セルフレームの中空部材の変形例を示す図１７Ｂに相当する断面図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図を参照しつつ、実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）について説明する。以下の説明の便宜のため、ＸＹＺ直交座標系を図中に示す。Ｘ軸およびＹ軸は水平方向、Ｚ軸は上下方向にそれぞれ平行な軸を示す。

図１は、実施形態に係るＳＯＦＣのセルスタックアッセンブリ１０を、スカート１１、断熱材１２、上部エンドプレート１３ａ、下部エンドプレート１３ｂ、およびスタック１４に分解した状態を示す斜視図、図２は、断熱材１２およびスタック１４を示す平面図である。図３は、スタック１４を、セルユニット２０に分解した状態を、ユニット間シール３０とともに示す斜視図である。図４は、セルユニット２０を、セルフレーム１００およびセパレータ１１０に分解し、さらに、セルフレーム１００を本体部１２０とセル１３０を支持したセル支持部１４０とに分解した状態を、ユニット間シール３０とともに示す斜視図である。図５は、セルユニット２０を積層した状態の図４の５－５線に沿う断面図、図６は、セルユニット２０とユニット間シール３０とを積層した状態の図４の６－６線に沿う断面図である。

図１に示すように、実施形態に係るＳＯＦＣのセルスタックアッセンブリ１０は、スタック１４と、スタック１４を上下から挟み込む上部エンドプレート１３ａおよび下部エンドプレート１３ｂと、スタック１４の周囲を覆う断熱材１２と、断熱材１２の側面部を覆うスカート１１と、を有する。スカート１１は、上部エンドプレート１３ａおよび下部エンドプレート１３ｂに溶接またはボルト締結される。

図２に示すように、スタック１４と断熱材１２との間の閉空間１５、１６は、酸化剤ガスが流れる流路を形成する。図中左側の閉空間１５が酸化剤ガス用の入口側マニホールド部を構成し、図中右側の閉空間１６が酸化剤ガス用の出口側マニホールド部を構成する。酸化剤ガスは、Ｘ正方向に流れる。

図３に示すように、スタック１４は、複数のセルユニット２０がユニット間シール３０を介して積層されている。以下、図中にＺ軸で示すスタック１４の上下方向を「積層方向」とも称する。また、セルユニット２０を構成する各層の面方向は、ＸＹ面方向に相当する。

図４および図５に示すように、セルユニット２０は、セル１３０と、セル１３０を支持するセルフレーム１００と、流路部が形成されたセパレータ１１０と、を有する。セルユニット２０は、セル１３０を支持したセルフレーム１００にセパレータ１１０が封止固定されている。

セル１３０は、アノード層１３１と、カソード層１３２と、電解質層１３３と、を有する。電解質層１３３は、アノード層１３１とカソード層１３２との間に挟持される。カソード層１３２は、酸化剤極であって、酸化剤ガス（例えば空気に含まれる酸素）と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する。カソード層１３２の形成材料は、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等からなる酸化物が挙げられる。電解質層１３３は、燃料ガスと酸化剤ガスを分離する機能を有する。電解質層１３３は、カソード層１３２からアノード層１３１に向かって酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させない。電解質層１３３の形成材料は、特に限定されないが、例えば、希土類酸化物（例えば、Ｙ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等から選択される１種または２種以上）をドープした安定化ジルコニア、セリア系固溶体、ペロブスカイト型酸化物（例えば、ＳｒＣｅＯ_３、ＢａＣｅＯ_３、ＣａＺｒＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３等）等の固体酸化物セラミックスなどが挙げられる。アノード層１３１は、燃料極であって、燃料ガス（例えば水素）と酸化物イオンを反応させて、燃料ガスの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード層１３１の形成材料としては、例えば、ＮｉやＦｅ等の金属や、該金属と上記電解質層１３３の形成材料として挙げたセラミックスとのサーメットなどが挙げられる。アノード層１３１は、複数の空孔が形成された多孔体である。アノード層１３１内の空孔には、触媒が含浸される。アノード層１３１の触媒としては、例えば、ＮｉやＣｕ等の金属触媒を用いることができる。

セルフレーム１００は、セル１３０を支持する。セルフレーム１００は、中空部１２２を備える中空部材１２１から形成された本体部１２０と、本体部１２０に接続されセル１３０を支持するセル支持部１４０とを有する。

セルフレーム１００の本体部１２０は、入口側マニホールド部１５１と、出口側マニホールド部１５２と、入口側マニホールド部１５１と出口側マニホールド部１５２とを接続するフレーム部１５３と、を有する。本体部１２０は、中空部材１２１の中空部１２２を燃料ガスが流通する通路として利用する。フレーム部１５３は、矩形形状を有し、第１フレーム１６１、第２フレーム１６２、第３フレーム１６３、および第４フレーム１６４から構成される。第１フレーム１６１は、Ｘ方向左手前側に位置し、Ｙ方向に伸びている。第２フレーム１６２は、第１フレーム１６１からＸ正方向側に離れて第１フレーム１６１に対向し、Ｙ方向に伸びている。第３フレーム１６３は、Ｙ方向右手前側に位置し、Ｘ方向に伸びている。第４フレーム１６４は、第３フレーム１６３からＹ正方向側に離れて第３フレーム１６３に対向し、Ｘ方向に伸びている。図示例では、一対の入口側マニホールド部１５１は、第１フレーム１６１に、Ｙ方向に離れて配置されている。一対の出口側マニホールド部１５２は、第２フレーム１６２に、Ｙ方向に離れて配置されている。入口側マニホールド部１５１は、セル１３０に供給される燃料ガスが流通する。出口側マニホールド部１５２は、セル１３０から排出された燃料ガスが流通する。本体部１２０は、ガスを透過させない緻密な金属材料、例えば、ステンレスから形成される。セルフレーム１００の本体部１２０の詳細な構成については後述する。

セルフレーム１００のセル支持部１４０は、セル１３０を周囲から保持する。図５に示すように、セル支持部１４０は、薄板から形成され、セル１３０が配置される開口部１４１を有する。セル１３０のカソード層１３２は、セル支持部１４０の図中上面に接合される。セル支持部１４０は、ガスを透過させない緻密な金属材料、例えば、ステンレスから形成される。セル支持部１４０の表面は、絶縁処理が施されている。セル支持部１４０の外周部は、溶接またはろう付けなどによって本体部１２０の図中下面に接合される。なお、図５中の符号１４２は、セル１３０の外周縁部を覆ってシールするエッジシール１４２を示している。

セパレータ１１０は、ガスの流路を区画形成する流路部１１３を有する。図５に示すように、流路部１１３は凹凸形状を有する。図示例の流路部１１３は、一方向（Ｘ方向）に略直線状に伸びている。この形態の場合、流路部１１３に沿って流れるガスの流れ方向は、Ｘ方向となる。セパレータ１１０の外周部は、溶接またはろう付けなどによってセルフレーム１００の本体部１２０の図中上面に接合される。図４に示すように、セパレータ１１０は、セルフレーム１００の入口側マニホールド部１５１に連通する第１流路１１１と、出口側マニホールド部１５２に連通する第２流路１１２とを有する。第１流路１１１および第２流路１１２は、燃料ガスが流通する。上述したように、スタック１４は、複数のセルユニット２０が積層されている。スタック１４において、セパレータ１１０とセル１３０との間に酸化剤流路１１４と燃料流路１１５とが形成される。図５の下位側のセルユニット２０のセパレータ１１０に着目して、下位側のセル１３０におけるアノード層１３１との間の空間が燃料流路１１５であり、上位側のセル１３０におけるカソード層１３２との間の空間が酸化剤流路１１４である。

ユニット間シール３０は、セパレータ１１０の第１流路１１１および第２流路１１２から、酸化剤ガス用の流路に向かって燃料ガスが混入することを防止する。ユニット間シール３０は、例えば、耐熱性およびシール性を有するサーミキュライトからなる。

［セルフレーム１００の本体部１２０の構成］
次に、セルフレーム１００の本体部１２０の構成について説明する。図７Ａは、セルフレーム１００を示す平面図、図７Ｂは、図７Ａの７Ｂ部を拡大して示す斜視図、図７Ｃは、図７Ａの７Ｃ－７Ｃ線に沿う断面図である。図７Ｄは、セルフレーム１００の本体部１２０を構成する２つの本体部構成体２０１、２０２を分離した状態を示す斜視図である。

セルフレーム１００の本体部１２０は、上述したように、中空部材１２１の中空部１２２を燃料ガスが流通する通路として利用する。セルフレーム１００は、ガスの供給方式（コフロー、カウンターフロー、クロスフロー）を組み合わせることが可能な単純な構造を有する。なお、ガスの供給方式に関して、燃料ガスの流れる方向と酸化剤ガスの流れる方向とが平行の場合であって、同方向に流れる方式がコフローであり、逆方向に流れる方式がカウンターフローである。また、燃料ガスの流れる方向と酸化剤ガスの流れる方向とが垂直の場合がクロスフローである。

図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、および図７Ｄを参照して、セルフレーム１００の一態様を説明する。図７Ｄに示される破線は、入口側マニホールド連通部、出口側マニホールド連通部、供給側セル連通部、および排出側セル連通部を模式的に示している。

セルフレーム１００は、中空部１２２を燃料ガス通路として利用するため、中空部１２２と外部とを連通する複数の連通部を有する。連通部は、入口側マニホールド連通部１７１、出口側マニホールド連通部１７２、供給側セル連通部１７３、および排出側セル連通部１７４を有する。入口側マニホールド連通部１７１は、入口側マニホールド部１５１に形成され、中空部１２２に連通する。入口側マニホールド連通部１７１は、入口側マニホールド部１５１から燃料ガスを中空部１２２に流入させる。出口側マニホールド連通部１７２は、出口側マニホールド部１５２に形成され、中空部１２２に連通する。出口側マニホールド連通部１７２は、中空部１２２から燃料ガスを出口側マニホールド部１５２に流出させる。供給側セル連通部１７３は、フレーム部１５３に形成され、セル１３０と中空部１２２とを連通する。供給側セル連通部１７３は、中空部１２２を流れる燃料ガスをセル１３０に供給する。排出側セル連通部１７４は、フレーム部１５３に形成され、セル１３０と中空部１２２とを連通する。排出側セル連通部１７４は、セル１３０を流れた燃料ガスを中空部１２２に排出する。

図７Ｂ、図７Ｃ、および図７Ｄに示すように、本体部１２０は、入口側マニホールド部１５１、出口側マニホールド部１５２、およびフレーム部１５３を有する２つの本体部構成体２０１、２０２を積層して構成することができる。説明の便宜上、図中下位側に示される一方の本体部構成体２０１を第１本体部構成体２０１と言い、上位側に示される他方の本体部構成体２０２を第２本体部構成体２０２と言う。図７Ｄに示すように、第１本体部構成体２０１は、入口側マニホールド連通部１７１および供給側セル連通部１７３を有し、第２本体部構成体２０２は、出口側マニホールド連通部１７２および排出側セル連通部１７４を有する。第１本体部構成体２０１の入口側マニホールド連通部１７１は、入口側マニホールド部１５１の内周縁に形成される。第２本体部構成体２０２の出口側マニホールド連通部１７２は、出口側マニホールド部１５２の内周縁に形成される。第１本体部構成体２０１の供給側セル連通部１７３は、フレーム部１５３の第１フレーム１６１に、Ｘ正方向に向かって開口して形成される。第２本体部構成体２０２の排出側セル連通部１７４は、フレーム部１５３の第２フレーム１６２に、Ｘ負方向に向かって開口して形成される。このように、セルフレーム１００の本体部１２０は、第１本体部構成体２０１および第２本体部構成体２０２を、供給側セル連通部１７３および排出側セル連通部１７４がセル１３０に対して対称位置に配置された状態に積層される。

図７Ｃに示すように、第１本体部構成体２０１および第２本体部構成体２０２のそれぞれは、断面凹形状を有する一対のケース体２１０を有する。ケース体２１０は、例えば、本体部１２０の平面形状に対応したステンレスからなる枠材（厚さは例えば１ｍｍ程度）に、エッチング加工を施すことによって凹部が形成される。一対のケース体２１０は、凹部同士が向かい合わされ、溶接などによって固定される。その後、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、ケース体２１０の縁部に半円状の穴加工をＺ方向に施すことによって、連通部（図７Ａおよび図７Ｂにおいては、出口側マニホールド連通部１７２および排出側セル連通部１７４）が形成される。連通部は、所望の位置に、所望のピッチで形成できる。第１本体部構成体２０１および第２本体部構成体２０２は、連通部を形成する前の段階では、共通の構造を有する。第１本体部構成体２０１および第２本体部構成体２０２は、連通部を形成する位置が異なるだけである。図７Ｄから明らかなように、第１本体部構成体２０１および第２本体部構成体２０２がＸＹ平面において点対称の構造を有する場合には、第１本体部構成体２０１および第２本体部構成体２０２は、同一の本体部構成体をＸＹ平面において１８０度回転させて使用できる。

第１本体部構成体２０１および第２本体部構成体２０２のそれぞれは、ケース体２１０同士を固定する溶接部によって自身の剛性を確保できる。セルフレーム１００の本体部１２０は、積層した第１本体部構成体２０１および第２本体部構成体２０２が溶接などによって固定される。セルフレーム１００は、本体部１２０にセル支持部１４０（金属薄板）を接合することによって、全体の剛性を確保できる。

［コフローとカウンターフローとの組み合わせ］
次に、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がコフローとカウンターフローとの組み合わせの場合におけるスタック１４の温度分布について説明する。図８は、スタック１４の温度分布を模式的に示す図である。図９Ａは、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式をコフローとしたセルフレーム１００の本体部１２０を示す斜視図、図９Ｂは、上位側の第２本体部構成体２０２を示す平面図、図９Ｃは、下位側の第１本体部構成体２０１を示す平面図である。図１０Ａは、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式をカウンターフローとしたセルフレーム１００の本体部１２０を示す斜視図、図１０Ｂは、上位側の第２本体部構成体２０４を示す平面図、図１０Ｃは、下位側の第１本体部構成体２０３を示す平面図である。

各図において、実線矢印は燃料ガスの流れを示し、破線矢印は酸化剤ガスの流れを示している。図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃに示される破線は、入口側マニホールド連通部１７１、出口側マニホールド連通部１７２、供給側セル連通部１７３、および排出側セル連通部１７４を模式的に示している。

図８に示すように、このスタック１４において、図中上側から１段目、３段目、５段目のセルユニット２０内の燃料ガスはＸ正方向に流れ、２段目、４段目のセルユニット２０内の燃料ガスはＸ負方向に流れる。酸化剤ガスは、セルユニット２０間をＸ正方向に流れる。したがって、１段目、３段目、５段目のセルユニット２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がコフローとなる。２段目、４段目のセルユニット２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がカウンターフローとなる。

（ガスの供給方式がコフローのセルフレーム１００）
図９Ａ、図９Ｂ、および図９Ｃに示すように、第１本体部構成体２０１は、入口側マニホールド連通部１７１および供給側セル連通部１７３を有し、第２本体部構成体２０２は、出口側マニホールド連通部１７２および排出側セル連通部１７４を有する。第１本体部構成体２０１の入口側マニホールド連通部１７１は、入口側マニホールド部１５１の内周縁に形成される。第２本体部構成体２０２の出口側マニホールド連通部１７２は、出口側マニホールド部１５２の内周縁に形成される。第１本体部構成体２０１の供給側セル連通部１７３は、フレーム部１５３の第１フレーム１６１に、Ｘ正方向に向かって開口して形成される。第２本体部構成体２０２の排出側セル連通部１７４は、第２フレーム１６２に、Ｘ負方向に向かって開口して形成される。

図９Ａおよび図９Ｃに示すように、入口側マニホールド部１５１を流通する燃料ガスは、第１本体部構成体２０１の入口側マニホールド連通部１７１を通って中空部１２２に流入する。燃料ガスは、第１フレーム１６１内を流れ、供給側セル連通部１７３を通ってセル１３０に向けて供給される。燃料ガスは、セル１３０のアノード層１３１の上をＸ正方向に流れる。セパレータ１１０の燃料ガス用の流路部１１３は、Ｘ方向に略直線状に伸びている（図５を参照）。

図９Ａおよび図９Ｂに示すように、セル１３０を通過した燃料ガスは、第２本体部構成体２０２の排出側セル連通部１７４を通って中空部１２２に排出される。燃料ガスは、第２フレーム１６２内を流れ、出口側マニホールド連通部１７２を通って出口側マニホールド部１５２に流出する。

図９Ｂおよび図９Ｃに示すように、酸化剤ガス用の入口側マニホールド部１５は、燃料ガス用の一対の入口側マニホールド部１５１の間に形成され、酸化剤ガス用の出口側マニホールド部１６は、燃料ガス用の一対の出口側マニホールド部１５２の間に形成される（図２も参照）。酸化剤ガスは、セル１３０のカソード層１３２の上をＸ正方向に流れる。セパレータ１１０の酸化剤ガス用の流路部１１３は、Ｘ方向に略直線状に伸びている（図５を参照）。

このように、図９Ａ、図９Ｂ、および図９Ｃに示されるセルフレーム１００を備えることによって、燃料ガスはセルユニット２０内をＸ正方向に流れ、酸化剤ガスは積層方向に隣り合うセルユニット２０との間をＸ正方向に流れる。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式はコフローとなる。

（ガスの供給方式がカウンターフローのセルフレーム１００）
図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃに示すように、上述したセルフレーム１００と異なり、第１本体部構成体２０３の供給側セル連通部１７３は、第２フレーム１６２に、Ｘ負方向に向かって開口して形成される。第２本体部構成体２０４の排出側セル連通部１７４は、第１フレーム１６１に、Ｘ正方向に向かって開口して形成される。

図１０Ａおよび図１０Ｃに示すように、入口側マニホールド部１５１を流通する燃料ガスは、第１本体部構成体２０３の入口側マニホールド連通部１７１を通って中空部１２２に流入する。燃料ガスは、第３フレーム１６３および第４フレーム１６４内をＸ正方向に流れて第２フレーム１６２に達し、供給側セル連通部１７３を通ってセル１３０に向けて供給される。燃料ガスは、セル１３０のアノード層１３１の上をＸ負方向に流れる。セパレータ１１０の燃料ガス用の流路部１１３は、Ｘ方向に略直線状に伸びている（図５を参照）。

図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、セル１３０を通過した燃料ガスは、第２本体部構成体２０４の排出側セル連通部１７４を通って中空部１２２に排出される。燃料ガスは、第１フレーム１６１から第３フレーム１６３および第４フレーム１６４内をＸ正方向に流れて流れ、出口側マニホールド連通部１７２を通って出口側マニホールド部１５２に流出する。

図１０Ｂおよび図１０Ｃに示すように、酸化剤ガスは、セル１３０のカソード層１３２の上をＸ正方向に流れる。セパレータ１１０の酸化剤ガス用の流路部１１３は、Ｘ方向に略直線状に伸びている（図５を参照）。

このように、図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃに示されるセルフレーム１００を備えることによって、燃料ガスはセルユニット２０内をＸ負方向に流れ、酸化剤ガスは積層方向に隣り合うセルユニット２０との間をＸ正方向に流れる。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式はカウンターフローとなる。

（温度分布）
図８に示すように、同一のスタック１４内において、ガスの供給方式をセルユニット２０毎にコフローまたはカウンターフローに切り替えることができる。

１段目、３段目、５段目のセルユニット２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がコフローである。この場合、セルユニット２０の温度は、Ｘ正方向に沿って高くなる（温度分布３０１を参照）。２段目、４段目のセルユニット２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がカウンターフローである。この場合、セルユニット２０の温度は、Ｘ正方向に沿って高くなるが、ほぼ中央部分を超えると、Ｘ正方向に沿って低くなる（温度分布３０２を参照）。このように温度分布が異なるセルユニット２０を積層することによって、相互に伝熱して双方の温度ピークを打ち消し合う。このため、温度分布３０３のように、最高温度が低くなり、反応面内の温度勾配が減少する。反応面内の温度差を小さくできるため、温度分布３０４のように、反応面全体を高温化できる。その結果、発電出力の向上を図ることができる。さらに、反応面の出口付近が高温部となるため、セル温度の把握も容易となる。

［クロスフローとクロスフローとの組み合わせ］
次に、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がクロスフローとクロスフローとの組み合わせの場合におけるスタック１４の温度分布について説明する。図１１は、スタック１４の温度分布を模式的に示す図である。図１２Ａは、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式をクロスフローとしたセルフレーム１００の本体部１２０を示す斜視図、図１２Ｂは、上位側の第２本体部構成体２０６を示す平面図、図１２Ｃは、下位側の第１本体部構成体２０５を示す平面図である。図１３Ａは、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式をクロスフローとし、さらに燃料ガスが流れる方向を図１２Ａに示される方向と逆方向としたセルフレーム１００の本体部１２０を示す斜視図、図１３Ｂは、上位側の第２本体部構成体２０８を示す平面図、図１３Ｃは、下位側の第１本体部構成体２０７を示す平面図である。

図１１に示すように、このスタック１４において、図中上側から１段目、３段目、５段目のセルユニット２０内の燃料ガスはＹ負方向に流れ、２段目、４段目のセルユニット２０内の燃料ガスはＹ正方向に流れる。酸化剤ガスは、セルユニット２０間をＸ正方向に流れる。したがって、１段目、３段目、５段目のセルユニット２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がクロスフローであって、燃料ガスがＹ負方向に流れる。２段目、４段目のセルユニット２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がクロスフローであって、燃料ガスがＹ正方向に流れる。

（ガスの供給方式がクロスフローのセルフレーム１００（燃料ガスの流れ方向がＹ負方向））
図１２Ａ、図１２Ｂ、および図１２Ｃに示すように、第１本体部構成体２０５は、入口側マニホールド連通部１７１および供給側セル連通部１７３を有し、第２本体部構成体２０６は、出口側マニホールド連通部１７２および排出側セル連通部１７４を有する。第１本体部構成体２０５の入口側マニホールド連通部１７１は、入口側マニホールド部１５１の内周縁に形成される。第２本体部構成体２０６の出口側マニホールド連通部１７２は、出口側マニホールド部１５２の内周縁に形成される。第１本体部構成体２０５の供給側セル連通部１７３は、第４フレーム１６４に、Ｙ負方向に向かって開口して形成される。第２本体部構成体２０６の排出側セル連通部１７４は、第３フレーム１６３に、Ｙ正方向に向かって開口して形成される。

図１２Ａおよび図１２Ｃに示すように、入口側マニホールド部１５１を流通する燃料ガスは、第１本体部構成体２０５の入口側マニホールド連通部１７１を通って中空部１２２に流入する。燃料ガスの一部は、第１フレーム１６１内をＹ正方向に流れて第４フレーム１６４に達する。燃料ガスの残余は、第３フレーム１６３内をＸ正方向に流れ、第２フレーム１６２内をＹ正方向に流れて第４フレーム１６４に達する。燃料ガスは、供給側セル連通部１７３を通ってセル１３０に向けて供給される。燃料ガスは、セル１３０のアノード層１３１の上をＹ負方向に流れる。図示省略するが、セパレータ１１０の燃料ガス用の流路部１１３は、Ｙ方向に略直線状に伸びている。

図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、セル１３０を通過した燃料ガスは、第２本体部構成体２０６の排出側セル連通部１７４を通って中空部１２２に排出される。燃料ガスの一部は、第３フレーム１６３内をＸ正方向に流れ、出口側マニホールド連通部１７２に達する。燃料ガスの残余は、第３フレーム１６３内をＸ負方向に流れ、第１フレーム１６１内をＹ正方向に流れ、第４フレーム１６４をＸ正方向に流れ、出口側マニホールド連通部１７２に達する。燃料ガスは、出口側マニホールド連通部１７２を通って出口側マニホールド部１５２に流出する。

図１２Ｂおよび図１２Ｃに示すように、酸化剤ガスは、セル１３０のカソード層１３２の上をＸ正方向に流れる。セパレータ１１０の酸化剤ガス用の流路部１１３は、Ｘ方向に略直線状に伸びている（図５を参照）。

このように、図１２Ａ、図１２Ｂ、および図１２Ｃに示されるセルフレーム１００を備えることによって、燃料ガスはセルユニット２０内をＹ負方向に流れ、酸化剤ガスは積層方向に隣り合うセルユニット２０との間をＸ正方向に流れる。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式はクロスフローとなる（燃料ガスの流れ方向がＹ負方向）。

（ガスの供給方式がクロスフローのセルフレーム１００（燃料ガスの流れ方向がＹ正方向））
図１３Ａ、図１３Ｂ、および図１３Ｃに示すように、上述したセルフレーム１００と異なり、第１本体部構成体２０７の供給側セル連通部１７３は、第３フレーム１６３に、Ｙ正方向に向かって開口して形成される。第２本体部構成体２０８の排出側セル連通部１７４は、第４フレーム１６４に、Ｙ負方向に向かって開口して形成される。

図１３Ａおよび図１３Ｃに示すように、入口側マニホールド部１５１を流通する燃料ガスは、第１本体部構成体２０７の入口側マニホールド連通部１７１を通って中空部１２２に流入する。燃料ガスの一部は、第１フレーム１６１内をＹ負方向に流れて第３フレーム１６３に達する。燃料ガスの残余は、第４フレーム１６４内をＸ正方向に流れ、第２フレーム１６２内をＹ負方向に流れて第３フレーム１６３に達する。燃料ガスは、供給側セル連通部１７３を通ってセル１３０に向けて供給される。燃料ガスは、セル１３０のアノード層１３１の上をＹ正方向に流れる。図示省略するが、セパレータ１１０の燃料ガス用の流路部１１３は、Ｙ方向に略直線状に伸びている。

図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、セル１３０を通過した燃料ガスは、第２本体部構成体２０８の排出側セル連通部１７４を通って中空部１２２に排出される。燃料ガスの一部は、第４フレーム１６４内をＸ正方向に流れ、出口側マニホールド連通部１７２に達する。燃料ガスの残余は、第４フレーム１６４内をＸ負方向に流れ、第１フレーム１６１内をＹ負方向に流れ、第３フレーム１６３をＸ正方向に流れ、出口側マニホールド連通部１７２に達する。燃料ガスは、出口側マニホールド連通部１７２を通って出口側マニホールド部１５２に流出する。

図１３Ｂおよび図１３Ｃに示すように、酸化剤ガスは、セル１３０のカソード層１３２の上をＸ正方向に流れる。セパレータ１１０の酸化剤ガス用の流路部１１３は、Ｘ方向に略直線状に伸びている（図５を参照）。

このように、図１３Ａ、図１３Ｂ、および図１３Ｃに示されるセルフレーム１００を備えることによって、燃料ガスはセルユニット２０内をＹ正方向に流れ、酸化剤ガスは積層方向に隣り合うセルユニット２０との間をＸ正方向に流れる。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式はクロスフローとなる（燃料ガスの流れ方向がＹ正方向）。

（温度分布）
図１１に示すように、同一のスタック１４内において、ガスの供給方式をセルユニット２０毎にクロスフロー（燃料ガスの流れ方向がＹ負方向）またはクロスフロー（燃料ガスの流れ方向がＹ正方向）に切り替えることができる。

１段目、３段目、５段目のセルユニット２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がクロスフローである（燃料ガスの流れ方向がＹ負方向）。この場合、セルユニット２０の温度は、略同心円状に高くなり、ほぼ中央部分からＸ正方向およびＹ負方向に若干ずれた部分が最も高くなる（温度分布３０５を参照）。２段目、４段目のセルユニット２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がクロスフローである（燃料ガスの流れ方向がＹ正方向）。この場合、セルユニット２０の温度は、略同心円状に高くなり、ほぼ中央部分からＸ正方向およびＹ正方向に若干ずれた部分が最も高くなる（温度分布３０６を参照）。このように温度分布が異なるセルユニット２０を積層することによって、相互に伝熱して双方の温度ピークを打ち消し合う。このため、温度分布３０７のように、最高温度が低くなり、反応面内の温度勾配が減少する。反応面内の温度差を小さくできるため、反応面全体を高温化できる。その結果、発電出力の向上を図ることができる。さらに、反応面の出口付近が高温部となるため、セル温度の把握も容易となる。

［セルフレーム１００の変形例１］
上述したセルフレーム１００は、本体部１２０が２枚の本体部構成体２０１、２０２等を積層して構成されているが、この場合に限定されるものではない。セルフレーム１００は、本体部１２０が１層であってもよい。以下、変形例１に係るセルフレーム１００を適用して、コフローとカウンターフローとを組み合わせたスタック１４、およびクロスフローとクロスフローとを組み合わせたスタック１４のそれぞれを説明する。

［コフローとカウンターフローとの組み合わせ］
図１４Ａは、変形例１に係るセルフレーム１００を適用したスタック１４であって、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がコフローとカウンターフローとの組み合わせの場合のスタック１４を模式的に示す図である。図１４Ｂは、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式をコフローとしたセルフレーム１００の本体部２２１を示す平面図、図１４Ｃは、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式をカウンターフローとしたセルフレーム１００の本体部２２２を示す平面図である。

図１４Ａに示すように、このスタック１４において、図中上側から１段目、３段目、５段目のセルユニット２０内の燃料ガスはＸ正方向に流れ、２段目、４段目のセルユニット２０内の燃料ガスはＸ負方向に流れる。酸化剤ガスは、セルユニット２０間をＸ正方向に流れる。したがって、１段目、３段目、５段目のセルユニット２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がコフローとなる。２段目、４段目のセルユニット２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がカウンターフローとなる。

（ガスの供給方式がコフローのセルフレーム１００）
図１４Ｂに示すように、セルフレーム１００の本体部２２１は、入口側マニホールド部１５１と、出口側マニホールド部１５２と、入口側マニホールド部１５１と出口側マニホールド部１５２とを接続するフレーム部１５３と、を有する。セルフレーム１００はさらに、入口側マニホールド連通部１７１と、出口側マニホールド連通部１７２と、供給側セル連通部１７３と、排出側セル連通部１７４とを有する。１つの入口側マニホールド部１５１は、フレーム部１５３の第１フレーム１６１に、Ｙ負方向の端部に配置されている。１つの出口側マニホールド部１５２は、第２フレーム１６２に、Ｙ正方向の端部に配置されている。入口側マニホールド連通部１７１は、入口側マニホールド部１５１の内周縁に形成される。出口側マニホールド連通部１７２は、出口側マニホールド部１５２の内周縁に形成される。供給側セル連通部１７３は、第１フレーム１６１に、Ｘ正方向に向かって開口して形成される。排出側セル連通部１７４は、第２フレーム１６２に、Ｘ負方向に向かって開口して形成される。

本体部２２１は、第１フレーム１６１から第３フレーム１６３へのガス流れを遮断する第１仕切板２３１、第１フレーム１６１から第４フレーム１６４へのガス流れを遮断する第２仕切板２３２、第２フレーム１６２から第３フレーム１６３へのガス流れを遮断する第３仕切板２３３、第２フレーム１６２から第４フレーム１６４へのガス流れを遮断する第４仕切板２３４を有する。

入口側マニホールド部１５１を流通する燃料ガスは、入口側マニホールド連通部１７１を通って中空部１２２に流入する。燃料ガスは、第１フレーム１６１内を流れ、供給側セル連通部１７３を通ってセル１３０に向けて供給される。燃料ガスは、セル１３０のアノード層１３１の上をＸ正方向に流れる。セパレータ１１０の燃料ガス用の流路部１１３は、Ｘ方向に略直線状に伸びている（図５を参照）。

セル１３０を通過した燃料ガスは、排出側セル連通部１７４を通って第２フレーム１６２内に排出される。燃料ガスは、第２フレーム１６２内を流れ、出口側マニホールド連通部１７２を通って出口側マニホールド部１５２に流出する。

酸化剤ガスは、セル１３０のカソード層１３２の上をＸ正方向に流れる。セパレータ１１０の酸化剤ガス用の流路部１１３は、Ｘ方向に略直線状に伸びている（図５を参照）。

このように、図１４Ｂに示される本体部２２１を備えることによって、燃料ガスはセルユニット２０内をＸ正方向に流れ、酸化剤ガスは積層方向に隣り合うセルユニット２０との間をＸ正方向に流れる。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式はコフローとなる。

（ガスの供給方式がカウンターフローのセルフレーム１００）
図１４Ｃに示すように、上述したセルフレーム１００と異なり、供給側セル連通部１７３は、第２フレーム１６２に、Ｘ負方向に向かって開口して形成される。排出側セル連通部１７４は、第１フレーム１６１に、Ｘ正方向に向かって開口して形成される。

本体部２２２は、入口側マニホールド連通部１７１から第１フレーム１６１へのガス流れを遮断する第５仕切板２３５、第２フレーム１６２から出口側マニホールド連通部１７２へのガス流れを遮断する第６仕切板２３６を有する。

入口側マニホールド部１５１を流通する燃料ガスは、入口側マニホールド連通部１７１を通って中空部１２２に流入する。燃料ガスは、第３フレーム１６３内をＸ正方向に流れて第２フレーム１６２に達し、供給側セル連通部１７３を通ってセル１３０に向けて供給される。燃料ガスは、セル１３０のアノード層１３１の上をＸ負方向に流れる。セパレータ１１０の燃料ガス用の流路部１１３は、Ｘ方向に略直線状に伸びている（図５を参照）。

セル１３０を通過した燃料ガスは、排出側セル連通部１７４を通って第１フレーム１６１内に排出される。燃料ガスは、第１フレーム１６１から第４フレーム１６４内をＸ正方向に流れ、出口側マニホールド連通部１７２を通って出口側マニホールド部１５２に流出する。

このように、図１４Ｃに示される本体部２２２を備えることによって、燃料ガスはセルユニット２０内をＸ負方向に流れ、酸化剤ガスは積層方向に隣り合うセルユニット２０との間をＸ正方向に流れる。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式はカウンターフローとなる。

（温度分布）
図１４Ａに示すように、変形例１に係るセルフレーム１００を適用した場合においても、同一のスタック１４内において、ガスの供給方式をセルユニット２０毎にコフローまたはカウンターフローに切り替えることができる。

温度分布は図８に示した温度分布と同様であり、温度分布が異なるセルユニット２０を積層することによって、相互に伝熱して双方の温度ピークを打ち消し合う。このため、最高温度が低くなり、反応面内の温度勾配が減少する。反応面内の温度差を小さくできるため、反応面全体を高温化できる。その結果、発電出力の向上を図ることができる。さらに、反応面の出口付近が高温部となるため、セル温度の把握も容易となる。

［クロスフローとクロスフローとの組み合わせ］
図１５Ａは、変形例１に係るセルフレーム１００を適用したスタック１４であって、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がクロスフローとクロスフローとの組み合わせの場合のスタック１４を模式的に示す図である。図１５Ｂは、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式をクロスフローとしたセルフレーム１００の本体部２２３を示す平面図、図１５Ｃは、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式をクロスフローとし、さらに燃料ガスが流れる方向を図１５Ｂに示される方向と逆方向としたセルフレーム１００の本体部２２４を示す平面図である。

図１５Ａに示すように、このスタック１４において、図中上側から１段目、３段目、５段目のセルユニット２０内の燃料ガスはＹ負方向に流れ、２段目、４段目のセルユニット２０内の燃料ガスはＹ正方向に流れる。酸化剤ガスは、セルユニット２０間をＸ正方向に流れる。したがって、１段目、３段目、５段目のセルユニット２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がクロスフローであって、燃料ガスがＹ負方向に流れる。２段目、４段目のセルユニット２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式がクロスフローであって、燃料ガスがＹ正方向に流れる。

（ガスの供給方式がクロスフローのセルフレーム１００（燃料ガスの流れ方向がＹ負方向））
図１５Ｂに示すように、セルフレーム１００の本体部２２３は、入口側マニホールド部１５１と、出口側マニホールド部１５２と、入口側マニホールド部１５１と出口側マニホールド部１５２とを接続するフレーム部１５３と、を有する。セルフレーム１００はさらに、入口側マニホールド連通部１７１と、出口側マニホールド連通部１７２と、供給側セル連通部１７３と、排出側セル連通部１７４とを有する。１つの入口側マニホールド部１５１は、第１フレーム１６１に、Ｙ負方向の端部に配置されている。１つの出口側マニホールド部１５２は、第２フレーム１６２に、Ｙ正方向の端部に配置されている。入口側マニホールド連通部１７１は、入口側マニホールド部１５１の内周縁に形成される。出口側マニホールド連通部１７２は、出口側マニホールド部１５２の内周縁に形成される。供給側セル連通部１７３は、第４フレーム１６４に、Ｙ負方向に向かって開口して形成される。排出側セル連通部１７４は、第３フレーム１６３に、Ｙ正方向に向かって開口して形成される。

本体部２２３は、第１フレーム１６１から第３フレーム１６３へのガス流れを遮断する第７仕切板２３７、第４フレーム１６４から第２フレーム１６２へのガス流れを遮断する第８仕切板２３８を有する。

入口側マニホールド部１５１を流通する燃料ガスは、入口側マニホールド連通部１７１を通って中空部１２２に流入する。燃料ガスは、第１フレーム１６１から第４フレーム１６４内をＸ正方向に流れ、供給側セル連通部１７３を通ってセル１３０に向けて供給される。燃料ガスは、セル１３０のアノード層１３１の上をＹ負方向に流れる。図示省略するが、セパレータ１１０の燃料ガス用の流路部１１３は、Ｙ方向に略直線状に伸びている。

セル１３０を通過した燃料ガスは、排出側セル連通部１７４を通って第３フレーム１６３内に排出される。燃料ガスは、第３フレーム１６３内をＸ正方向に流れ、第２フレーム１６２内をＹ正方向に流れ、出口側マニホールド連通部１７２を通って出口側マニホールド部１５２に流出する。

このように、図１５Ｂに示される本体部２２３を備えることによって、燃料ガスはセルユニット２０内をＹ負方向に流れ、酸化剤ガスは積層方向に隣り合うセルユニット２０との間をＸ正方向に流れる。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式はクロスフローとなる（燃料ガスの流れ方向がＹ負方向）。

（ガスの供給方式がクロスフローのセルフレーム１００（燃料ガスの流れ方向がＹ正方向））
図１５Ｃに示すように、上述したセルフレーム１００と異なり、供給側セル連通部１７３は、第３フレーム１６３に、Ｙ正方向に向かって開口して形成される。排出側セル連通部１７４は、第４フレーム１６４に、Ｙ負方向に向かって開口して形成される。

本体部２２４は、入口側マニホールド連通部１７１から第１フレーム１６１へのガス流れを遮断する第９仕切板２３９、第３フレーム１６３から第２フレーム１６２へのガス流れを遮断する第１０仕切板２４０、第１フレーム１６１から第４フレーム１６４へのガス流れを遮断する第１１仕切板２４１、第４フレーム１６４から第２フレーム１６２へのガス流れを遮断する第１２仕切板２４２を有する。

入口側マニホールド部１５１を流通する燃料ガスは、入口側マニホールド連通部１７１を通って中空部１２２に流入する。燃料ガスは、第３フレーム１６３内をＸ正方向に流れ、供給側セル連通部１７３を通ってセル１３０に向けて供給される。燃料ガスは、セル１３０のアノード層１３１の上をＹ正方向に流れる。図示省略するが、セパレータ１１０の燃料ガス用の流路部１１３は、Ｙ方向に略直線状に伸びている。

セル１３０を通過した燃料ガスは、排出側セル連通部１７４を通って第４フレーム１６４内に排出される。燃料ガスは、第４フレーム１６４内をＸ正方向に流れ、出口側マニホールド連通部１７２を通って出口側マニホールド部１５２に流出する。

このように、図１５Ｃに示される本体部２２４を備えることによって、燃料ガスはセルユニット２０内をＹ正方向に流れ、酸化剤ガスは積層方向に隣り合うセルユニット２０との間をＸ正方向に流れる。燃料ガスと酸化剤ガスとの供給方式はクロスフローとなる（燃料ガスの流れ方向がＹ正方向）。

（温度分布）
図１５Ａに示すように、変形例１に係るセルフレーム１００を適用した場合においても、同一のスタック１４内において、ガスの供給方式をセルユニット２０毎にクロスフロー（燃料ガスの流れ方向がＹ負方向）またはクロスフロー（燃料ガスの流れ方向がＹ正方向）に切り替えることができる。

温度分布は図１１に示した温度分布と同様であり、温度分布が異なるセルユニット２０を積層することによって、相互に伝熱して双方の温度ピークを打ち消し合う。このため、最高温度が低くなり、反応面内の温度勾配が減少する。反応面内の温度差を小さくできるため、反応面全体を高温化できる。その結果、発電出力の向上を図ることができる。さらに、反応面の出口付近が高温部となるため、セル温度の把握も容易となる。

［セルフレーム１００の他の変形例］
次に、セルフレーム１００の他の変形例について説明する。

図１６Ａは、セルフレーム１００の連通部の変形例を示す斜視図、図１６Ｂは、セルフレーム１００の連通部の他の変形例を示す斜視図である。

セルフレーム１００の連通部は、半円状の穴加工をＺ方向に施すことによって形成する形態に限定されない。例えば、図１６Ａに示すように、連通部１７５は、貫通する穴加工をＸＹ平面に平行な方向に施すことによって形成できる。また、図１６Ｂに示すように、連通部１７６は、溝加工をＸＹ平面に平行な方向に施すことによって形成できる。

図１７Ａは、セルフレーム１００の中空部材１２３の変形例を示す平面図、図１７Ｂは、図１７Ａの１７Ｂ－１７Ｂ線に沿う断面図である。図１７Ｃは、セルフレーム１００の中空部材１２４の変形例を示す図１７Ｂに相当する断面図である。

セルフレーム１００の本体部１２０を形成する中空部材１２１は、一対のケース体２１０を溶接などによって固定する形態に限定されない。例えば、図１７Ａおよび図１７Ｂに示すように、中空部材１２３は、引抜加工または押出加工によって形成できる。また、図１７Ｃに示すように、中空部１２２を２段備える中空部材１２４も引抜加工または押出加工によって形成できる。図１７Ａおよび図１７Ｂの符号１７７は、中空部１２２と外部とを連通する連通部を示している。

１つのセルユニット２０毎の燃料ガスの供給方向が異なるスタック１４について例示した。しかしながら、スタック１４は、複数のセルユニット２０毎に燃料ガスの供給方向を異ならせることができる。

酸化剤ガスの供給方向が一定（Ｘ正方向）であるスタック１４について例示した。しかしながら、スタック１４は、複数のセルユニット２０毎に酸化剤ガスの供給方向を異ならせることができ、あるいは、１つのセルユニット２０毎に酸化剤ガスの供給方向を異ならせることができる。例えば、酸化剤ガスの入口を逆にすることによって、酸化剤ガスをＸ負方向に供給できる。

セルフレーム１００の本体部２２４を構成する中空部材１２１の中空部１２２を燃料ガスの流通路として使用したスタック１４について例示した。しかしながら、中空部材１２１の中空部１２２は、酸化剤ガスの流通路として使用できる。

２つの本体部構成体２０１、２０２を積層して本体部１２０を構成したセルフレーム１００について例示した。しかしながら、３つ以上の本体部構成体を積層して本体部１２０を構成できる。奇数個の本体部構成体を積層する場合、供給側セル連通部１７３を形成する層数と、排出側セル連通部１７４を形成する層数とを異ならせることができる。

以上、実施形態および種々の変形例を通して説明したように、固体酸化物形燃料電池は、以下の効果を奏する。なお、部材の符号については代表的な符号のみを付して説明する。

固体酸化物形燃料電池は、セル１３０を支持するセルフレーム１００を有し、セルフレーム１００は、中空部１２２を備える中空部材１２１から形成された本体部１２０と、本体部１２０に接続されセル１３０を支持するセル支持部１４０とを有する。本体部１２０は、入口側マニホールド部１５１と、出口側マニホールド部１５２と、入口側マニホールド部１５１と出口側マニホールド部１５２とを接続するフレーム部１５３と、を有する。セルフレーム１００はさらに、入口側マニホールド連通部１７１と、出口側マニホールド連通部１７２と、供給側セル連通部１７３と、排出側セル連通部１７４とを有する。

このように構成した固体酸化物形燃料電池は、セルフレーム１００の本体部１２０を構成する中空部材１２１の中空部１２２をガスの流通路として使用する。セルフレーム１００の本体部１２０の基本構造を同じにしたまま、供給側セル連通部１７３および排出側セル連通部１７４の形成位置を変更することによって、ガスの流れ方向を選択できる。したがって、単純な構造によってガスの供給方式（コフロー、カウンターフロー、クロスフロー）を組み合わせることが可能となる。セルフレーム１００の構造が単純になるため、セルフレーム１００の小型化を図ることができ、これを通して固体酸化物形燃料電池のスタック１４の小型化も図ることができる。セルフレーム１００の本体部１２０の基本構造を同じであることから、部品点数の低減も図ることができる。

上述した特許文献１にあっては、セルごとにフロー方向を変えるために四辺にマニホールドを形成する必要がある。一方、本件の固体酸化物形燃料電池は、供給側セル連通部１７３および排出側セル連通部１７４の形成位置を変更することによって、最低２辺にマニホールドを設置するだけでよい。

セルフレーム１００の本体部１２０は少なくとも２つの本体部構成体２０１、２０２を積層して構成され、一方の第１本体部構成体２０１は、入口側マニホールド連通部１７１および供給側セル連通部１７３を有し、他方の第２本体部構成体２０２は、出口側マニホールド連通部１７２および排出側セル連通部１７４を有する。そして、セルフレーム１００の本体部１２０は、少なくとも２つの本体部構成体２０１、２０２を、供給側セル連通部１７３および排出側セル連通部１７４がセル１３０に対して対称位置に配置された状態に積層されている。このように構成することによって、本体部構成体２０１、２０２の基本構造を同じにしたまま、供給側セル連通部１７３および排出側セル連通部１７４の形成位置を変更することによって、ガスの流れ方向を選択できる。したがって、単純な構造によってガスの供給方式を組み合わせることが可能となる。

セル１３０を支持したセルフレーム１００に、流路部１１３が形成されたセパレータ１１０を封止固定してなるセルユニット２０を有する。このように構成することによって、セルフレーム１００の本体部１２０の基本構造を同じにしたまま、供給側セル連通部１７３および排出側セル連通部１７４の形成位置を変更することによって、セルユニット２０内におけるガスの流れ方向を選択できる。

複数のセルユニット２０を積層し、セパレータ１１０とセル１３０との間に酸化剤流路１１４と燃料流路１１５とを形成したスタック１４を有する。このように構成することによって、同一のスタック１４内において、ガスの供給方式（コフロー、カウンターフロー、クロスフロー）を切り替えることができる。

スタック１４は、複数のセルユニット２０毎の燃料または酸化剤の供給方向が異なる。このように構成することによって、温度分布が異なるセルユニット２０が積層され、相互に伝熱して双方の温度ピークを打ち消し合う。このため、最高温度が低くなり、反応面内の温度勾配が減少する。反応面内の温度差を小さくできるため、反応面全体を高温化できる。その結果、発電出力の向上を図ることができる。さらに、反応面の出口付近が高温部となるため、セル温度の把握も容易となる。

スタック１４は、少なくとも１つのセルユニット２０毎の燃料の供給方向が異なる。このように構成することによって、温度分布が異なるセルユニット２０が１層毎に積層され、相互に伝熱して双方の温度ピークを打ち消し合う作用が顕著となる。このため、最高温度が低くなり、反応面内の温度勾配が減少する。反応面内の温度差をより小さくできるため、反応面全体をより高温化できる。その結果、発電出力のさらなる向上を図ることができる。

スタック１４は、少なくとも１つのセルユニット２０毎の酸化剤の供給方向が異なる。このように構成することによって、上記と同様に、温度分布が異なるセルユニット２０が１層毎に積層され、相互に伝熱して双方の温度ピークを打ち消し合う作用が顕著となる。その結果、発電出力のさらなる向上を図ることができる。

燃料および酸化剤の供給方式は、コフローとカウンターフローとの組み合わせ、または、燃料もしくは酸化剤の供給される向きが異なるクロスフローの組み合わせである。このように構成することによって、温度分布が異なるセルユニット２０を積層でき、相互に伝熱して双方の温度ピークを打ち消し合うことができる。その結果、発電出力の向上を図ることができる。さらに、反応面の出口付近が高温部となるため、セル温度の把握も容易となる。

セルフレーム１００は、本体部２２１、２２２、２２３、２２４における中空部１２２の一部が封止されてる。このように構成することによって、中空部１２２を利用してガスの流通路をより自由に設定できる。セルフレーム１００の本体部２２１、２２２、２２３、２２４の基本構造を同じにしたまま、中空部１２２を封止する位置、供給側セル連通部１７３および排出側セル連通部１７４の形成位置を変更することによって、ガスの流れ方向を選択できる。したがって、単純な構造によってガスの供給方式（コフロー、カウンターフロー、クロスフロー）を組み合わせることが可能となる。セルフレーム１００の本体部２２１、２２２、２２３、２２４は１層だけであり、本体部構成体２０１、２０２を積層して本体部１２０を構成する場合に比較して、部品点数の低減も図ることができる。

１４スタック、
２０セルユニット、
３０ユニット間シール、
１００セルフレーム、
１１０セパレータ、
１１３流路部、
１１４酸化剤流路、
１１５燃料流路、
１２０、２２１、２２２、２２３、２２４本体部、
１２１、１２３、１２４中空部材、
１２２中空部、
１３０セル、
１３１アノード層、
１３２カソード層、
１３３電解質層、
１４０セル支持部、
１４１開口部、
１５１入口側マニホールド部、
１５２出口側マニホールド部、
１５３フレーム部、
１６１第１フレーム、
１６２第２フレーム、
１６３第３フレーム、
１６４第４フレーム、
１７１入口側マニホールド連通部、
１７２出口側マニホールド連通部、
１７３供給側セル連通部、
１７４排出側セル連通部、
２０１、２０３、２０５、２０７第１本体部構成体（本体部構成体）、
２０２、２０４、２０６、２０８第２本体部構成体（本体部構成体）、
２３１～２４２第１仕切板～第１２仕切板。

Claims

アノード層とカソード層との間に電解質層を挟持したセルを支持するセルフレームを有する固体酸化物形燃料電池であって、
前記セルフレームは、中空部を備える中空部材から形成された本体部と、前記本体部に接続され前記セルを支持するセル支持部とを有し、
前記本体部は、入口側マニホールド部と、出口側マニホールド部と、前記入口側マニホールド部と前記出口側マニホールド部とを接続するフレーム部と、を有し、前記フレーム部は前記セル支持部に支持された前記セルの周囲を囲む４辺を有する矩形形状をなし、
前記セルフレームはさらに、前記入口側マニホールド部に形成され前記中空部に連通する入口側マニホールド連通部と、前記出口側マニホールド部に形成され前記中空部に連通する出口側マニホールド連通部と、前記フレーム部に形成され前記セルと前記中空部とを連通し前記中空部を流れる流体を前記セルに供給する供給側セル連通部と、前記フレーム部に形成され前記セルと前記中空部とを連通し前記セルを流れる流体を前記中空部に排出する排出側セル連通部とを有し、
前記供給側セル連通部は前記フレーム部の４辺のうちいずれか１辺に形成され、前記排出側セル連通部は前記供給側セル連通部を形成した前記１辺と対称位置の他の辺に形成され、前記セルを流れる流体の流れ方向を前記いずれか１辺から前記他の辺に向かう方向に設定してなる、固体酸化物形燃料電池。
前記セルフレームの前記本体部は、前記入口側マニホールド部、前記出口側マニホールド部、および前記フレーム部を有する少なくとも２つの本体部構成体を積層して構成され、
一方の前記本体部構成体は、前記入口側マニホールド連通部および前記供給側セル連通部を有し、他方の前記本体部構成体は、前記出口側マニホールド連通部および前記排出側セル連通部を有し、
前記セルフレームの前記本体部は、少なくとも２つの前記本体部構成体を、前記供給側セル連通部および前記排出側セル連通部が前記セルに対して対称位置に配置された状態に積層されてなる、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記セルを支持した前記セルフレームに、流路部が形成されたセパレータを封止固定してなるセルユニットを有する、請求項１または請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
複数の前記セルユニットを積層し、前記セパレータと前記セルとの間に酸化剤流路と燃料流路とを形成したスタックを有する、請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記スタックは、複数の前記セルユニット毎の燃料または酸化剤の供給方向が異なる、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記スタックは、少なくとも１つの前記セルユニット毎の燃料の供給方向が異なる、請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記スタックは、少なくとも１つの前記セルユニット毎の酸化剤の供給方向が異なる、請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池。
燃料および酸化剤の供給方式は、コフローとカウンターフローとの組み合わせ、または、燃料もしくは酸化剤の供給される向きが異なるクロスフローの組み合わせである、請求項６または請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記セルフレームは、前記本体部における中空部の一部が封止されてなる、請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池。