(57)【要約】【課題】発電効率の向上が可能な技術を提供することを目的とする。【解決手段】電気化学素子は、内側に内部流路Ａ１を有する板状支持体１０を備え、板状支持体１０は、内部流路Ａ１と板状支持体１０の外側とに亘って気体を透過できる気体通流許容部１Ａと、少なくとも膜状の電極層３１と膜状の電解質層３２と膜状の対極電極層３３とが、板状支持体１０の外面において、気体通流許容部１Ａの全部又は一部を被覆する状態で順に所定の積層方向に積層されて形成されている電気化学反応部３と、を有し、内部流路Ａ１には、還元性成分ガス及び酸化性成分ガスのうちの一方である第１ガスが通流し、かつ、第１ガスの乱流状態を形成する乱流形成体９０が設けられている。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側に内部流路を有する板状支持体を備え、
前記板状支持体は、
前記内部流路と前記板状支持体の外側とに亘って気体を透過できる気体通流許容部と、
少なくとも膜状の電極層と膜状の電解質層と膜状の対極電極層とが、前記板状支持体の外面において、前記気体通流許容部の全部又は一部を被覆する状態で順に所定の積層方向に積層されて形成されている電気化学反応部と、を有し、
前記内部流路には、還元性成分ガス及び酸化性成分ガスのうちの一方である第１ガスが通流し、かつ、前記第１ガスの乱流状態を形成する乱流形成体が設けられている、電気化学素子。
【請求項２】
前記内部流路は、前記板状支持体の板状面に沿う方向において第１方向に延び、かつ、前記板状面に沿う方向において前記第１方向と交差する第２方向に互いに離隔して延びる複数の副流路を有しており、
前記乱流形成体は、前記複数の副流路のうち少なくとも１つの副流路に配置されている、前記第１ガスの乱流状態を形成する乱流形成部を有している、請求項１に記載の電気化学素子。
【請求項３】
前記乱流形成体は、前記板状支持体の板状面に沿って前記内部流路に設けられた網状体である、請求項１又は２に記載の電気化学素子。
【請求項４】
前記乱流形成体は、前記内部流路に設けられた粒状体である、請求項１又は２に記載の電気化学素子。
【請求項５】
前記板状支持体が導電性材料を用いて形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気化学素子。
【請求項６】
前記板状支持体が金属材料を用いて形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気化学素子。
【請求項７】
前記乱流形成体が導電性材料を用いて形成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気化学素子。
【請求項８】
前記乱流形成体が金属材料を用いて形成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気化学素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気化学素子の複数が所定の積層方向に積層されている電気化学素子積層体と、
前記積層方向における前記電気化学素子積層体の第１平面を押圧する第１挟持体、及び前記第１平面とは反対の第２平面を押圧する第２挟持体を含む挟持体と、
を備える電気化学モジュール。
【請求項１０】
前記電気化学素子積層体は、複数の前記電気化学素子が前記第１ガスを通流するための環状シール部を介して前記積層方向に積層されている、請求項９に記載の電気化学モジュール。
【請求項１１】
前記板状支持体の内部流路には、前記環状シール部を介して前記第１ガスが導入され、
前記積層方向に隣接する電気化学素子間に、前記還元性成分ガス及び前記酸化性成分ガスのうちの他方である第２ガスが通流する通流部が形成されている、請求項１０に記載の電気化学モジュール。
【請求項１２】
複数の前記電気化学素子では、第１電気化学素子と第２電気化学素子とが互いに隣接して積層されており、
前記板状支持体の内部流路には、前記環状シール部を介して前記第１ガスが導入され、  前記第１電気化学素子を構成する前記板状支持体と、前記第２電気化学素子を構成する前記板状支持体とが対向する形態で、且つ、前記第１電気化学素子を構成する前記板状支持体における電気化学反応部が配置される外面と、前記第２電気化学素子を構成する前記板状支持体における前記電気化学反応部が配置される側とは別の外面とが電気的に接続されており、且つ、これら両外面どうしの隣接間に、当該両外面に沿って還元性成分ガス及び酸化性成分ガスのうちの他方である第２ガスが通流する通流部が形成されている、請求項１０又は１１に記載の電気化学モジュール。
【請求項１３】
各電気化学素子の板状支持体は、前記第１ガスが通流する供給路を形成する第１貫通部を有し、
各電気化学素子の第１貫通部は、隣接する電気化学素子の間に介在する環状シール部の環状孔と連通している、請求項１２に記載の電気化学モジュール。
【請求項１４】
前記通流部内において、前記両外面に夫々形成される前記第１貫通部を前記通流部と区画する前記環状シール部としての第１環状シール部を備え、
前記第１貫通部及び前記第１環状シール部により、前記内部流路との間に前記第１ガスを流通する前記供給路が形成される請求項１３に記載の電気化学モジュール。
【請求項１５】
前記板状支持体は、前記内部流路を通流する前記第１ガスを前記板状支持体の表面貫通方向外方と流通させる排出路を形成する第２貫通部を備え、
前記通流部内において、前記両外面に夫々形成される前記第２貫通部を前記通流部と区画する前記環状シール部としての第２環状シール部を備え、
前記第２貫通部及び前記第２環状シール部により、前記内部流路を通流する前記第１ガスが流通する前記排出路が形成される請求項１３又は１４に記載の電気化学モジュール。
【請求項１６】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気化学素子もしくは請求項９〜１５のいずれか１項に記載の電気化学モジュールと燃料変換器とを少なくとも有し、前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールに対して燃料変換器からの還元性成分ガスを流通する、あるいは前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールから燃料変換器に還元性成分ガスを流通する燃料供給部を有する電気化学装置。
【請求項１７】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気化学素子もしくは請求項９〜１５のいずれか１項に記載の電気化学モジュールと、前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールから電力を取り出すあるいは前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールに電力を流通する電力変換器とを少なくとも有する電気化学装置。
【請求項１８】
請求項１６または１７に記載の電気化学装置と、前記電気化学装置もしくは燃料変換器から排出される熱を再利用する排熱利用部とを有するエネルギーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学素子、電気化学素子積層体、電気化学モジュール、電気化学装置及びエネルギーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃料電池セルと、多孔質材で構成されたセパレータとが交互に積層された燃料電池スタックが開示されている。燃料電池セルは、電解質膜と、酸化剤極と、燃料極とを備えて構成されている。電解質膜の一方に酸化剤極が形成されており、他方の面に燃料極が形成されている。酸化剤極と面するセパレータには酸化剤ガス流路が平面方向に沿って形成されており、酸化剤ガスが当該酸化剤ガス通流路を通流する。同様に、燃料極と面するセパレータには燃料ガス流路が平面方向に沿って形成されており、燃料ガスが当該燃料ガス通流路を通流する。このように形成された積層体は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１８８２２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の燃料電池セルでは、電解質膜と、酸化剤極と、燃料極とが順に積層され、その平面方向に沿って酸化剤ガス及び燃料ガスが層流状態で通流する。層流状態では、流れの乱れが抑制された状態でガスが通流する。
【０００５】
近年、燃料電池セルにおける発電効率の向上のため、新たな積層体の構造も検討されている。さらに当該積層体により構成される燃料電池セル内の酸化剤ガス及び燃料ガス等のガスの通流状態の検討も期待されている。
【０００６】
そこで、本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、発電効率の向上が可能な技術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】
［構成］
本発明に係る電気化学素子の特徴構成は、
内側に内部流路を有する板状支持体を備え、
前記板状支持体は、
前記内部流路と前記板状支持体の外側とに亘って気体を透過できる気体通流許容部と、
少なくとも膜状の電極層と膜状の電解質層と膜状の対極電極層とが、前記板状支持体の外面において、前記気体通流許容部の全部又は一部を被覆する状態で順に所定の積層方向に積層されて形成されている電気化学反応部と、を有し、
前記内部流路には、還元性成分ガス及び酸化性成分ガスのうちの一方である第１ガスが通流し、かつ、前記第１ガスの乱流状態を形成する乱流形成体が設けられている点にある。
【０００８】
上記特徴構成によれば、板状支持体の内部流路を第１ガスが通流する。内部流路には第１ガスの乱流状態を形成する乱流形成体が設けられているため、第１ガスは内部流路内で乱流状態となり易い。乱流状態では、流体は、少なくともその一部が渦を巻いた状態で流路内を通流する。よって、乱流状態の流体は、流路内を主にその流路方向に沿って通流するとともに、流路方向とは異なる方向にも流れようとする。そのため、第１ガスは、内部流路を形成する板状支持体の平面に沿って進むとともに、板状支持体に形成された気体通流許容部を内部流路から外側に亘って透過し易くなる。これにより、板状支持体の外面に形成された電気化学反応部への第１ガスの供給効率が向上し、電気化学反応部での電気化学反応が促進され、発電効率が向上される。
【０００９】
特に、電気化学素子の小型化に伴い、内部流路が偏平となって幅や高さが狭まり、第１ガスが板状支持体の平面に沿って進む層流状態となる場合があるが、乱流形成体の存在によって第１ガスが乱流状態となり易い。また、電気化学反応部を備える電気化学素子の発電出力を低下させる場合には、内部流路への第１ガスの供給量が少なく調整される。このように内部流路内を通流する第１ガスが少ない場合、第１ガスは板状支持体の平面に沿って進む層流状態となる場合がある。しかし、乱流形成体の存在によって第１ガスが乱流状態となり易い。よって、第１ガスが内部流路から気体通流許容部を介して電気化学反応部へ供給される効率が向上する。
【００１０】
［構成］
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、
前記内部流路は、前記板状支持体の板状面に沿う方向において第１方向に延び、かつ、前記板状面に沿う方向において前記第１方向と交差する第２方向に互いに離隔して延びる複数の副流路を有しており、
前記乱流形成体は、前記複数の副流路のうち少なくとも１つの副流路に配置されている、前記第１ガスの乱流状態を形成する乱流形成部を有している点にある。
【００１１】
上記特徴構成によれば、板状支持体の内部流路には、板状支持体の板状面に沿う方向において第１方向に延びる複数の副流路が形成されている。複数の副流路の少なくとも１つには、乱流形成体を構成する乱流形成部が配置されている。乱流形成部が設けられている副流路では、第１ガスは、副流路内を板状支持体の平面に沿って第１方向に沿って層流状態で流れるだけでなく、乱流状態となり易い。よって、乱流状態の第１ガスは、内部流路を形成する板状支持体の平面に沿って進むだけでなく、板状支持体に形成された気体通流許容部を内部流路から外側に亘って透過し易くなる。これにより、電気化学反応部への第１ガスの供給効率が向上し、電気化学反応部での電気化学反応が促進され、発電効率が向上される。
【００１２】
［構成］
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、
前記乱流形成体は、前記板状支持体の板状面に沿って前記内部流路に設けられた網状体である点にある。
【００１３】
上記特徴構成によれば、乱流形成体は板状支持体の板状面に沿った網状体で構成することもできる。網状体を第１ガスが通流することで、第１ガスを乱流状態にすることができる。
【００１４】
網状体の乱流形成体としては、例えば金属メッシュ、エキスパンドメタル、ポーラスメタル（発泡金属）、金属フェルト、パンチングメタル、３Ｄファブリック等の部材を挙げることができる。
【００１５】
［構成］
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記乱流形成体は、前記内部流路に設けられた粒状体である点にある。
【００１６】
上記特徴構成によれば、乱流形成体は内部流路に設けられた粒状体で構成することもできる。第１ガスが粒状体と衝突することで、第１ガスを乱流状態にすることができる。
【００１７】
［構成］
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記板状支持体が導電性材料を用いて形成されている点にある。
【００１８】
上記特徴構成によれば、板状支持体が導電性材料を用いて形成されているため、電気化学反応部との電気の流れが円滑になり、電気化学素子の内部抵抗を小さくできる。結果として、高性能な電気化学素子を得ることができる。
【００１９】
［構成］
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記板状支持体が金属材料を用いて形成されている点にある。
【００２０】
上記特徴構成によれば、板状支持体が金属材料を用いて形成されているため、導電性を有する上に、強靭で加工性に優れる。よって、コンパクトで軽量、低コストな電気化学素子が得られる。
【００２１】
［構成］
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記乱流形成体が導電性材料を用いて形成されている点にある。
【００２２】
上記特徴構成によれば、乱流形成体が導電性材料を用いて形成されているため、電気化学反応部との電気の流れが円滑になり、電気化学素子の内部抵抗を小さくできる。結果として、高性能な電気化学素子を得ることができる。
【００２３】
［構成］
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記乱流形成体が金属材料を用いて形成されている点にある。
【００２４】
上記特徴構成によれば、乱流形成体が金属材料を用いて形成されているため、導電性を有する上に、強靭で加工性に優れる。よって、コンパクトで軽量、低コストな電気化学素子が得られる。
【００２５】
［構成］
本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は、
上記の電気化学素子の複数が所定の積層方向に積層されている電気化学素子積層体と、
前記積層方向における前記電気化学素子積層体の第１平面を押圧する第１挟持体、及び前記第１平面とは反対の第２平面を押圧する第２挟持体を含む挟持体と、
を備える点にある。
【００２６】
上記特徴構成によれば、上記電気化学素子積層体を第１挟持体と第２挟持体とにより挟み込んで電気化学モジュールを構成できる。
【００２７】
［構成］
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
前記電気化学素子積層体は、複数の前記電気化学素子が前記第１ガスを通流するための環状シール部を介して前記積層方向に積層されている点にある。
【００２８】
上記構成によれば、複数の電気化学素子が環状シール部を介して所定の積層方向に積層されているため、第１ガスが複数の電気化学素子間において漏洩するのを抑制できる。
【００２９】
［構成］
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
前記板状支持体の内部流路には、前記環状シール部を介して前記第１ガスが導入され、
前記積層方向に隣接する電気化学素子間に、前記還元性成分ガス及び前記酸化性成分ガスのうちの他方である第２ガスが通流する通流部が形成されている点にある。
【００３０】
上記特徴構成によれば、各電気化学素子は、板状支持体の内部に第１ガスが通流する内部流路が形成されており、隣接する電気化学素子間には第２ガスが通流する通流部が形成されている。よって、各電気化学素子は、内部流路から供給された第１ガスと通流部から供給された第２ガスとにより電気化学反応を行わせることができる。
【００３１】
より具体的には、電気化学素子を「燃料等の化学的エネルギーを電気エネルギーに変換する」燃料電池（電気化学発電セル）として機能させる場合には、第１ガスは、電気化学反応により消費される水素ガス等の還元性成分ガス及び空気等の酸化性成分ガスのうちの一方であり、第２ガスは他方である。
【００３２】
電気化学素子を「電気エネルギーを燃料等の化学的エネルギーに変換する」電解セルとして機能させる場合には、第１ガスは、電気化学反応により生成される水素ガス等の還元性成分ガス及び酸素等の酸化性成分ガスのうちの一方であり、第２ガスは他方である。
【００３３】
また、板状支持体は、板状支持体の内側である内部流路と外側とに亘って気体を透過できる気体通流許容部と、気体通流許容部の全部又は一部を被覆する状態で、電極層と電解質層と対極電極層と有する電気化学反応部とを備える。よって、電気化学素子を燃料電池（電気化学発電セル）として機能させる場合には、第１ガスと第２ガスとは、基板の外方側からの経路と、内部流路から板状支持体の気体通流許容部を通じる経路とから、電気化学反応部に達し、電極層および対極電極層において互いに反応することによって、たとえば電気を生成するなどの電気化学反応を生起することができる。
【００３４】
電気化学素子を電解セルとして機能させる場合には、電気化学反応部に電気を供給することにより、水などの電気分解反応により第１ガスと第２ガスとが生じ、板状支持体の外方側の経路と、板状支持体の気体通流許容部から内部流路を通じる経路から排出することができる。
【００３５】
［構成］
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
複数の前記電気化学素子では、第１電気化学素子と第２電気化学素子とが互いに隣接して積層されており、
前記板状支持体の内部流路には、前記環状シール部を介して前記第１ガスが導入され、  前記第１電気化学素子を構成する前記板状支持体と、前記第２電気化学素子を構成する前記板状支持体とが対向する形態で、且つ、前記第１電気化学素子を構成する前記板状支持体における電気化学反応部が配置される外面と、前記第２電気化学素子を構成する前記板状支持体における前記電気化学反応部が配置される側とは別の外面とが電気的に接続されており、且つ、これら両外面どうしの隣接間に、当該両外面に沿って還元性成分ガス及び酸化性成分ガスのうちの他方である第２ガスが通流する通流部が形成されている点にある。
【００３６】
上記特徴構成によれば、電気化学素子は、板状支持体の内部の内部流路を有しており、内部流路には第１ガスが通流する。一方、内部流路と区画された通流部には第２ガスが通流する。よって、第１ガスと第２ガスとを分配して通流させることができる。
【００３７】
［構成］
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
各電気化学素子の板状支持体は、前記第１ガスが通流する供給路を形成する第１貫通部を有し、
各電気化学素子の第１貫通部は、隣接する電気化学素子の間に介在する環状シール部の環状孔と連通している点にある。
【００３８】
上記特徴構成によれば、第１ガスは各電気化学素子の第１貫通部及び環状シール部を介して複数の電気化学素子が積層された積層体に供給される。
【００３９】
［構成］
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
前記通流部内において、前記両外面に夫々形成される前記第１貫通部を前記通流部と区画する前記環状シール部としての第１環状シール部を備え、
前記第１貫通部及び前記第１環状シール部により、前記内部流路との間に前記第１ガスを流通する前記供給路が形成される点にある。
【００４０】
第１環状シール部を設けることにより、積層体における互いに積層される電気化学素子の第１貫通部どうしを通流部と区画して連通接続することができる。そのため、隣接する電気化学素子の第１貫通部どうしを密に接続するだけの極めて簡単な構成で、それぞれの電気化学素子が第１ガス、第２ガスにより適正に動作する形態に接続することができ、作製容易かつ信頼性の高い電気化学モジュールとなり、電気化学モジュールを作製するにあたって、取り扱い容易な構造となる。
【００４１】
なお環状シール部は、貫通部どうしを連通させてガスの漏洩を防止できる構成であれば形状は問わない。つまり、環状シール部は、内部に貫通部に連通する開口部を有する無端状の構成で、隣接する電気化学素子どうしの間をシールする構成あればよい。環状シール部は例えば環状である。環状には、円形、楕円形、方形、多角形状等いかなる形状でもよい。
【００４２】
［構成］
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
前記板状支持体は、前記内部流路を通流する前記第１ガスを前記板状支持体の表面貫通方向外方と流通させる排出路を形成する第２貫通部を備え、
前記通流部内において、前記両外面に夫々形成される前記第２貫通部を前記通流部と区画する前記環状シール部としての第２環状シール部を備え、
前記第２貫通部及び前記第２環状シール部により、前記内部流路を通流する前記第１ガスが流通する前記排出路が形成される点にある。
【００４３】
すなわち、例えば、電気化学素子を燃料電池（電気化学発電セル）として機能させる場合には、第１貫通部から内部流路に進入した第１ガスは、内部流路を通って、気体通流許容部を介して電気化学反応部に流通されつつ、残部は排出路を形成する第２貫通部に通流することになる。排出路は第２貫通部が、第２ガスと区画された状態で形成されているので、第１ガスは、第２ガスと区別された状態で排出路から回収できる状態とすることができる。この排出路は第１貫通部における供給路と同様にシール部で構成されているから、隣接する電気化学素子の第２貫通部どうしを密に接続するだけの極めて簡単な構成で、通流部を区画した状態で連通接続でき、それぞれの電気化学素子が第１ガス、第２ガスにより適正に動作する形態に接続することができ、作製容易かつ信頼性の電気化学モジュールとなり、電気化学モジュールを作製するにあたって、取り扱い容易な構造となる。
【００４４】
［構成］
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、
上記の電気化学素子もしくは上記の電気化学モジュールと燃料変換器とを少なくとも有し、前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールに対して燃料変換器からの還元性成分ガスを流通する、あるいは前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールから燃料変換器に還元性成分ガスを流通する燃料供給部を有する点にある。
【００４５】
上記の特徴構成によれば、電気化学素子もしくは電気化学モジュールと燃料変換器とを有し電気化学素子もしくは電気化学モジュールと燃料変換器との間で還元性成分を含有するガスを流通する燃料供給部を有するので、電気化学素子もしくは電気化学モジュールを燃料電池として動作させる場合、都市ガス等の既存の原燃料供給インフラを用いて供給される天然ガス等より改質器などの燃料変換器により水素を生成する構成とすると、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学素子もしくは電気化学モジュールを備えた電気化学装置を実現することができる。また、電気化学素子もしくは電気化学モジュールから排出される未利用の燃料ガスをリサイクルするシステムを構築し易くなるため、高効率な電気化学装置を実現することができる。
【００４６】
電気化学素子もしくは電気化学モジュールを電解セルとして動作させる場合は、電極層に水蒸気や二酸化炭素を含有するガスが流通され、電極層と対極電極層との間に電圧が印加される。そうすると、電極層において電子ｅ−と水分子Ｈ2Ｏや二酸化炭素分子ＣＯ2が反応し水素分子Ｈ2や一酸化炭素ＣＯと酸素イオンＯ2-となる。酸素イオンＯ2-は電解質層を通って対極電極層へ移動する。対極電極層において酸素イオンＯ2-が電子を放出して酸素分子Ｏ2となる。以上の反応により、水分子Ｈ2Ｏが水素Ｈ2と酸素Ｏ2とに、二酸化炭素分子ＣＯ2を含有するガスが流通される場合は一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ2とに電気分解される。
水蒸気と二酸化炭素分子ＣＯ２を含有するガスが流通される場合は上記電気分解により電気化学素子もしくは電気化学モジュールで生成した水素及び一酸化炭素等から炭化水素などの種々の化合物を合成する燃料変換器を設けることができる。燃料供給部により、この燃料変換器が生成した炭化水素等を電気化学素子もしくは電気化学モジュールに流通したり、本システム・装置外に取り出して別途燃料や化学原料として利用することができる。
【００４７】
［構成］
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、
上記の電気化学素子もしくは上記の電気化学モジュールと、前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールから電力を取り出すあるいは前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールに電力を流通する電力変換器とを少なくとも有する点にある。
【００４８】
上記の特徴構成によれば、電力変換器は、電気化学素子もしくは電気化学モジュールが発電した電力を取り出し、あるいは、電気化学素子もしくは電気化学モジュールに電力を流通する。これにより、上記のように電気化学素子もしくは電気化学モジュールは、燃料電池として作用し、あるいは、電解セルとして作用する。よって、上記構成によれば、燃料等の化学的エネルギーを電気エネルギーに変換する、あるいは電気エネルギーを燃料等の化学的エネルギーに変換する効率を向上できる電気化学素子等を提供することができる。
なお、例えば、電力変換器としてインバータを用いる場合、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学素子もしくは電気化学モジュールから得られる電気出力を、インバータによって昇圧したり、直流を交流に変換したりすることができるため、電気化学素子もしくは電気化学モジュールで得られる電気出力を利用しやすくなるので好ましい。
【００４９】
［構成］
本発明に係るエネルギーシステムの特徴構成は、
上記の電気化学装置と、前記電気化学装置もしくは燃料変換器から排出される熱を再利用する排熱利用部とを有する点にある。
【００５０】
上記の特徴構成によれば、電気化学装置と、電気化学装置もしくは燃料変換器から排出される熱を再利用する排熱利用部を有するので、耐久性・信頼性および性能に優れ、かつエネルギー効率にも優れたエネルギーシステムを実現することができる。なお、電気化学装置もしくは燃料変換器から排出される未利用の燃料ガスの燃焼熱を利用して発電する発電システムと組み合わせてエネルギー効率に優れたハイブリットシステムを実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】電気化学モジュールの断面図である。
【図２】電気化学モジュールの上面図である。
【図３】電気化学モジュールの側面図である。
【図４】電気化学モジュールの概略図である。
【図５】電気化学素子の概略図である。
【図６】図５におけるＶＩ−ＶＩ断面図である。
【図７】図５におけるＶＩＩ−ＶＩＩ面図である。
【図８】図５におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。
【図９】図５におけるＩＸ−ＩＸ断面図である。
【図１０】図５におけるＸ−Ｘ断面図である。
【図１１】図５におけるＸＩ−ＸＩ断面図である。
【図１２】図５におけるＸＩＩ−ＸＩＩ断面図である。
【図１３】図５におけるＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ断面図である。
【図１４】電気化学反応部の要部拡大図である。
【図１５】エネルギーシステムの概略図である。
【図１６】別の乱流形成体を有する電気化学素子における、図９と同じ図５におけるＩＸ−ＩＸ断面図である。
【図１７】別の乱流形成体を有する電気化学素子における、図１０と同じ図５におけるＸ−Ｘ断面図である。
【図１８】別の乱流形成体を有する電気化学素子における、図１３と同じ図５におけるＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ断面図である。
【図１９】別の形態に係る電気化学モジュールの説明図である。
【図２０】別のエネルギーシステムの概略図である。
【図２１】別の電気化学素子の概略図である。
【図２２】図２１におけるＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ断面図である。
【図２３】図２１におけるＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ面図である。
【図２４】図２１におけるＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ断面図である。
【図２５】図２１におけるＸＸＶ−ＸＸＶ断面図である。
【図２６】図２１におけるＸＸＶＩ−ＸＸＶＩ断面図である。
【図２７】図２１におけるＸＸＶＩＩ−ＸＸＶＩＩ断面図である。
【図２８】図２１におけるＸＸＶＩＩＩ−ＸＸＶＩＩＩ断面図である。
【図２９】図２１におけるＸＸＩＸ−ＸＸＩＸ断面図である。
【図３０】図２１におけるＸＸＸ−ＸＸＸ断面図である。
【図３１】図２１におけるＸＸＸＩ−ＸＸＸＩ断面図である。
【図３２】図２１におけるＸＸＸＩＩ−ＸＸＸＩＩ断面図である。
【図３３】図２１におけるＸＸＸＩＩＩ−ＸＸＸＩＩＩ断面図である。
【図３４】図２１におけるＸＸＸＩＶ−ＸＸＸＩＶ断面図である。
【図３５】図２１におけるＸＸＸＶ−ＸＸＸＶ断面図である。
【図３６】図２１におけるＸＸＸＶＩ−ＸＸＸＶＩ断面図である。
【図３７】電気化学反応部の要部拡大図である。
【図３８】供給構造体及び排出構造体の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
〔実施形態〕
以下に、本発明の実施形態に係る電気化学モジュールＭ及び電気化学モジュールＭの組立方法について説明する。なお、層の位置関係などを表す際、例えば電極層から見て電解質層の側を「上」「上側」、第１板状体の側を「下」「下側」などと呼ぶ。また、本発明は電気化学モジュールＭを垂直あるいは水平方向に設置しても同じ効果が得られるため、「上」「下」をそれぞれ「左」「右」と読み替えても構わない。
【００５３】
（１）電気化学モジュールＭの全体構成
以下に、電気化学モジュールＭの全体構成を説明する。図１に示すように、電気化学モジュールＭは、電気化学素子積層体（積層体）Ｓと、電気化学素子積層体Ｓを内装する概ね直方体状の容器（筐体、第１挟持体、第２挟持体）２００とを備えている。電気化学素子Ａ（図４）は発電を行う素子であり、図１の断面視において紙面手前から紙面奥方向に沿って延びる板状に形成されている。そして、電気化学素子積層体Ｓは、複数の平板状の電気化学素子Ａが図１の断面視において上下の積層方向に積層されて構成されている。本実施形態では、電気化学素子ＡとしてＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell）を例に挙げて説明する。
【００５４】
また、電気化学モジュールＭは、容器２００の外部から、第１ガスを電気化学素子積層体Ｓに供給する第１ガス供給部６１と、電気化学素子積層体Ｓにおいて反応後の第１ガスを排出する第１ガス排出部６２とを備えている。
【００５５】
容器２００には、図１〜図３に示すように、第２ガス供給部７１が設けられており、容器２００の外部から電気化学素子積層体Ｓに第２ガスを供給する。電気化学素子積層体Ｓにおいて反応後の第２ガスは、容器２００に設けられた第２ガス排出部７２から外部に排出される。
【００５６】
ここでは、第１ガスは例えば燃料ガス等の還元性成分ガスであり、第２ガスは空気等の酸化性成分ガスである。
【００５７】
また、電気化学モジュールＭは、図１の断面視において、電気化学素子積層体Ｓの両側面に開口付板部材２４０を備えている。開口付板部材２４０は、電気化学素子積層体Ｓの両側面に対応して、電気化学素子Ａの積層方向に沿って延びる板状部材であり、電気化学モジュールＭにおける電気的短絡（ショート）を防止するため、マイカやアルミナなどの絶縁材料が好ましい。開口付板部材２４０には、電気化学素子積層体Ｓの平面方向に沿って貫通する複数の開口２４０ａが形成されている。
【００５８】
よって、電気化学素子積層体Ｓは、第１ガス供給部６１から燃料ガスの供給を受け、第２ガス供給部７１から開口付板部材２４０の開口２４０ａを介して空気の供給を受け、燃料ガス及び空気中の酸素を電気化学反応させて発電する。電気化学反応後の燃料ガスは第１ガス排出部６２から外部に排出される。また、電気化学反応後の空気は、開口付板部材２４０の開口２４０ａを介して第２ガス排出部７２に導かれ、第２ガス排出部７２から外部に排出される。
【００５９】
なお、ここでは、電気化学素子積層体Ｓの両側面に隣接して開口付板部材２４０が設けられているが、必須ではなく、いずれか一方が設けられていてもよいし、両方が省略されてもよい。
【００６０】
また、電気化学モジュールＭは、電気化学素子積層体Ｓの上部に、電気化学素子積層体Ｓ側から外側に向かって順に、上部絶縁体２１０Ｔ、上部プレート（第１挟持体）２３０Ｔを備えている。同様に、電気化学モジュールＭは、電気化学素子積層体Ｓの下部に、電気化学素子積層体Ｓ側から外側に向かって順に、下部絶縁体２１０Ｂ、下部プレート（第２挟持体）２３０Ｂを備えている。
【００６１】
電気化学素子積層体Ｓについては、後で詳述する。
【００６２】
（２）絶縁体、プレート及び容器
以下に、絶縁体（上部及び下部絶縁体２１０Ｔ及び２１０Ｂ）２１０、プレート（上部及び下部プレート２３０Ｔ及び２３０Ｂ）２３０、容器２００についてさらに説明する。
【００６３】
上部絶縁体２１０Ｔは、板状部材であり、電気化学素子積層体Ｓの上部平面（第１平面）を覆うように配置されている。上部絶縁体２１０Ｔは、例えば硬質マイカから形成されており、電気化学素子積層体Ｓを外部から電気的に絶縁している。
【００６４】
上部プレート２３０Ｔは、板状部材であり、上部絶縁体２１０Ｔの上部に配置されており、高温における曲げ強度の高いセラミックス系材料、例えば９９アルミナから形成されている。
【００６５】
上部プレート２３０Ｔは、下部プレート２３０Ｂとともに、容器２００から所定の締め付け圧力を受けて、電気化学素子積層体Ｓと、一対の上部及び下部絶縁体２１０Ｔ及び２１０Ｂとを挟みこんでいる。ここで、締め付け圧力とは、例えば１ｍｍ２当たり等の単位面積当たりの圧力である。
【００６６】
下部絶縁体２１０Ｂは、電気化学素子積層体Ｓの下部平面（第２平面）を覆うように配置されている。下部プレート２３０Ｂは下部絶縁体２１０Ｂの下部に配置されている。下部絶縁体２１０Ｂ及び下部プレート２３０Ｂは、それぞれ上部絶縁体２１０Ｔ及び上部プレート２３０Ｔと同様である。
【００６７】
電気化学素子積層体Ｓを内装する容器２００は、図１〜図３に示すように、概ね直方体状の容器である。容器２００は、下方が開口した箱状の上蓋（第１挟持体）２０１と、上方が開口した下蓋（第２挟持体）２０３とを含む。上蓋２０１の下蓋２０３と対向する端面には連結部２０２が設けられており、下蓋２０３の上蓋２０１と対向する端面には連結部２０５が設けられている。連結部２０２と連結部２０５とが、例えば溶接されることで、上蓋２０１と下蓋２０３とが連結され、内部に直方体状の空間が形成される。
【００６８】
本実施形態では、図１に示すように、下蓋２０３の上下方向（電気化学素子Ａの積層方向）の深さは、上蓋２０１の深さよりも深い。ただし、上蓋２０１及び下蓋２０３は、一体として内部に空間を形成できればよく、深さの関係はこれに限定されない。例えば、上蓋２０１の深さが下蓋２０３のよりも深くてもよい。
【００６９】
図１〜図３に示すように、容器２００の上下方向の中央部において、下蓋２０３の対向する一対の側壁それぞれに第２ガス供給部７１及び第２ガス排出部７２が形成されている。
【００７０】
なお、ここでは、下蓋２０３に第２ガス供給部７１及び第２ガス排出部７２が形成されている。しかし、第２ガス供給部７１及び第２ガス排出部７２の形成位置はこれに限定されず、容器２００のいずれの位置に形成されてもよい。第２ガス供給部７１及び第２ガス排出部７２は、例えば上蓋２０１に形成されてもよい。
【００７１】
上蓋２０１は、図１、図２に示すように、上蓋２０１の外縁よりも一回り小さい開口２０１ｃを有している。そして、図１の断面視において、開口２０１ｃに隣接して、電気化学素子積層体Ｓに面する内方側の端部が第１端部２０１ａ及び第２端部２０１ｂに分岐している。そして、第１端部２０１ａは容器２００の内方に向かって平面方向に所定長さで延びており、第２端部２０１ｂは、第１端部２０１ａから分岐して容器２００の下方に所定長さで延びている。第１端部２０１ａと第２端部２０１ｂとは、断面視において概ね９０°を成しており、Ｌ字状の角部を構成している。このＬ字の角部は、図２に示す上蓋２０１の上面視の外縁の内方側に、外縁に沿って形成されている。これにより、第１端部２０１ａの終端により、図１、図２に示すように前述の通り上蓋２０１の外縁よりも一回り小さい開口２０１ｃが上蓋２０１の上面に形成されている。
【００７２】
下蓋２０３は、上蓋２０１と同様に、図１に示す断面視において、概ね９０°を成すＬ字状の角部を構成する第１端部２０３ａ及び第２端部２０３ｂを有している。そして、第１端部２０３ａの終端により、図１に示すように、下蓋２０３の外縁よりも一回り小さい開口２０３ｃが形成されている。
【００７３】
図１に示すように、上蓋２０１の第１端部２０１ａ及び第２端部２０１ｂが形成するＬ字の角部には、一対の開口付板部材２４０の上端と、上部絶縁体２１０Ｔと、上部プレート２３０Ｔとが嵌め込まれている。具体的には、電気化学素子積層体Ｓの平面方向に沿う上部プレート２３０Ｔは、その外周端部の上面が第１端部２０１ａの下面（Ｌ字の角部の内面の一部）に接触して支持されている。また、電気化学素子積層体Ｓの側面沿った開口付板部材２４０は、その上端の外面が、第２端部２０１ｂの内方側面（Ｌ字の角部の内面の一部）に接触して支持されている。上部絶縁体２１０Ｔは、上部プレート２３０Ｔ及び開口付板部材２４０を介して、第１端部２０１ａ及び第２端部２０３ｂからなるＬ字の角部に支持されている。
【００７４】
同様に、下蓋２０３の平面方向に対向する一対のＬ字の角部には、一対の開口付板部材２４０の下端と、下部絶縁体２１０Ｂと、下部プレート２３０Ｂとが嵌め込まれている。
【００７５】
そして、電気化学素子積層体Ｓは、その上面が、上部プレート２３０Ｔ及び上部絶縁体２１０Ｔを介して上蓋２０１により支持されている。また、電気化学素子積層体Ｓは、その下面が、下部プレート２３０Ｂ及び下部絶縁体２１０Ｂを介して下蓋２０３により支持されている。
【００７６】
このような構成で、上蓋２０１及び下蓋２０３は、電気化学素子積層体Ｓ、上部及び下部絶縁体２１０Ｔ及び２１０Ｂ、上部及び下部プレート２３０Ｔ及び２３０Ｂ等を上部及び下部から挟み込んだ状態で、連結部２０２と連結部２０５とが、例えば溶接されて連結される。この連結の際に、上蓋２０１及び下蓋２０３は、電気化学素子積層体Ｓ等に所定の締め付け圧力を負荷して連結される。つまり、上蓋２０１及び下蓋２０３が連結された状態において、電気化学素子積層体Ｓ、上部及び下部絶縁体２１０Ｔ及び２１０Ｂ、上部及び下部プレート２３０Ｔ及び２３０Ｂには、所定の締め付け圧力が負荷されている。
【００７７】
なお、図３に示すように下蓋２０３の側面には、開口２０３ｅが形成されている。よって、開口２０３ｅからは、電気化学素子積層体Ｓの側面の一部が露出している。そして、前述の開口２０１ｃ、２０３ｃと、開口２０３ｅとが容器２００に形成されることで、容器２００を軽量化し、容器２００に必要な材料を削減できる。なお、電気化学素子積層体Ｓの側面と、上蓋２０１あるいは下蓋２０３または両方が接触することで電気的に短絡（ショート）する可能性がある場合は、マイカなどの材料で構成された側面絶縁体２４５が、電気化学素子積層体Ｓと上蓋２０１あるいは下蓋２０３の側面の間に設置される。
【００７８】
容器２００の下蓋２０３と上蓋２０１とは、それらが結合されることで、電気化学素子積層体Ｓに締め付け圧力を負荷する。このような容器２００の材料としては、例えば、フェライト系ステンレス、マルテンサイト系ステンレス、又はこれらとセラミックスとの複合体等が挙げられる。これらの材料はオーステナイト系ステンレスよりも熱膨張率が小さく、フェライト系ステンレスの熱膨張率はＳＵＳ４３０が約１１×１０−６／℃である。また、マルテンサイト系ステンレスの熱膨張率はＳＵＳ４０３及びＳＵＳ４２０Ｊ１が約１０．４×１０−６／℃であり、ＳＵＳ４１０及びＳＵＳ４４０Ｃが約１０．１×１０−６／℃である。また、容器２００は耐腐食性に優れる材料が選択されると好ましい。
【００７９】
電気化学素子積層体Ｓの材料は、容器２００と同様の材料であるのが好ましい。言い換えれば、電気化学素子積層体Ｓ及び容器２００の材料は、容器２００と同程度の熱膨張率であるのが好ましい。この場合、電気化学素子積層体Ｓの基板、容器２００が、例えば電気化学素子Ａが高温となる発電時において同程度に熱膨張する。よって、例えば、電気化学素子Ａの基板と容器２００との熱膨張差を小さく抑えることにより、電気化学素子Ｓの破損や容器２００との間での前記第１ガスや第２ガスの漏洩を抑制できる。
【００８０】
（３）電気化学モジュールＭの組立方法
次に、上記の電気化学モジュールＭの組立方法について説明する。
【００８１】
複数の電気化学素子Ａを積層して電気化学素子積層体Ｓを準備する。電気化学素子積層体Ｓの構成及び製造方法については後述する。
【００８２】
また、電気化学素子積層体Ｓを収容するための容器２００を準備する。容器２００は、これに限定されないが、例えばロストワックス鋳造法を用いて製造できる。ロストワックス鋳造法を用いる場合、例えば、蜜蝋や松脂等からなる熱可塑性物質により容器２００の外形に対応する空洞する模型を製造する。この模型をケイ砂や石灰粉末等からなる耐火材料で被覆する。その後、耐火材料で被覆された模型を加熱し、熱可塑性物質で構成された模型を溶出する。これにより、耐火材料内部に、容器２００の形状を模した模型に対応する空洞が形成される。この空洞に容器２００の材料を注入して固化させた後に耐火材料を取り除く。これにより、ロストワックス鋳造法により、上蓋２０１及び下蓋２０３を有する容器２００が製造される。なお、上蓋２０１及び下蓋２０３は別々に製造されてもよい。
【００８３】
次に、例えば、一対の開口付板部材２４０が電気化学素子積層体Ｓの両側面に配置され、絶縁体２１０及びプレート２３０が、電気化学素子積層体Ｓの上部平面及び下部平面に、順に配置された状態で下蓋２０３内に収容される。この下蓋２０３を上蓋２０１で覆い、電気化学素子積層体Ｓに所定の締め付け圧力が負荷されるように位置調整を行い、下蓋２０３と上蓋２０１とを溶接等して結合する。これにより、電気化学モジュールＭが組み立てられる。
【００８４】
上記のように、ロストワックス鋳造法を用いて容器２００を製造した場合には、薄肉化、精密化及び量産化による低コスト化を達成することができる。
【００８５】
また、箱状の容器２００を形成することで、本実施形態では、第２ガス供給部７１から電気化学素子積層体Ｓに供給する空気のマニホールドの空間を設けることができる。
【００８６】
（４）電気化学モジュールＭの具体的構成
次に、図１及び図４を用いて、電気化学モジュールＭの具体的構成について説明する。図１の電気化学素子積層体Ｓの詳細が図１に示されている。
【００８７】
図１及び図４に示すように、電気化学モジュールＭは、電気化学素子積層体Ｓを内装する容器２００（上蓋２０１及び下蓋２０３）と、容器２００の外部から供給路４を介して内部流路Ａ１に第１ガスを供給する第１ガス供給部６１と、反応後の第１ガスを排出する第１ガス排出部６２と、容器２００の外部から通流部Ａ２に第２ガスを供給する第２ガス供給部７１と、反応後の第２ガスを排出する第２ガス排出部７２と、電気化学反応部３における電気化学反応に伴う出力を得る出力部８とを備え、
容器２００内に、第２ガス供給部７１から供給される第２ガスを通流部Ａ２に分配供給する分配室９を備えている。
【００８８】
分配室９は、電気化学素子積層体Ｓに対して当該電気化学素子積層体Ｓへ第２ガスを供給する側に位置する空間であり、
通流部Ａ２は、空間側に開口形成されて当該空間と連通している。
【００８９】
電気化学素子積層体Ｓは、容器２００に対して、一対の集電体８１、８２に挟持された状態で内装されており、この集電体８１、８２に出力部８が延設され、容器２００外部の電力供給先に電力供給自在に接続されるとともに、集電体８１，８２は容器２００に対して少なくとも一方が電気的に絶縁され、かつ、第１ガスが容器２００に対して気密になるように収容されている。
【００９０】
これにより電気化学モジュールＭは、第１ガス供給部６１から燃料ガスを供給するとともに、第２ガス供給部７１から空気を供給することで、図１、４破線矢印に示すように燃料ガスが進入し実線矢印に示すように空気が進入する。
【００９１】
第１ガス供給部６１から供給された燃料ガス（第１ガスという場合もある）は、電気化学素子積層体Ｓの最上部の電気化学素子Ａの第１貫通部４１より供給路４に誘導され、第１環状シール部４２により区画される供給路４より、すべての電気化学素子Ａの内部流路Ａ１に通流する。また第２ガス供給部７１から供給された空気（第２ガスという場合もある）は、分配室９に一時流入したのち、各電気化学素子Ａ間に形成される通流部Ａ２に通流する。
【００９２】
ちなみに、第２板状体２（板状支持体１０の一部）を基準にすると、波板状の第２板状体２部分が第１板状体１（板状支持体１０の一部）から膨出する部分で第１板状体１と第２板状体２との間に内部流路Ａ１が形成されるとともに、隣接する電気化学素子Ａの電気化学反応部３に接触して電気接続可能にする。一方、波板状の第２板状体２が第１板状体１と接触する部分が第１板状体１と電気接続し、第２板状体２と隣接する電気化学素子Ａの電気化学反応部３との間に通流部Ａ２を形成する。
【００９３】
内部流路Ａ１には、内部流路Ａ１を通流する燃料ガスの乱流状態を形成する乱流形成体９０が設けられている。内部流路Ａ１は、分配部Ａ１２及び副流路Ａ１１を有するが（図４，図９等参照）、乱流形成体９０は副流路Ａ１１に設けられているのが好ましい。
【００９４】
そして、乱流形成体９０は、複数の副流路Ａ１１のうち少なくとも１つの副流路Ａ１１に設けられている乱流形成部９１から構成される。つまり、各副流路Ａ１１に設けられている乱流形成部９１を総称して乱流形成体９０というものとする。前述のように少なくとも１つの副流路Ａ１１に乱流形成部９１が設けられていればよいが、全ての副流路Ａ１１に乱流形成部９１設けられているのが好ましい。以下では、各副流路Ａ１１それぞれに、各副流路Ａ１１を通流する燃料ガスを乱流状態に形成する乱流形成部９１が設けられているものとする。
【００９５】
図１４の一部に内部流路Ａ１を含む断面の現れる電気化学素子Ａと、通流部Ａ２を含む断面の現れる電気化学素子Ａとを便宜的に並べて示す部分があるが、第１ガス供給部６１から供給された燃料ガスは、分配部Ａ１２に達し（図５，図７，図９参照）、分配部Ａ１２を介して一端部側の幅方向に沿って広がって流れ、内部流路Ａ１のうち各副流路Ａ１１に達する（図５，図７，図９参照）。この場合、分配部Ａ１２から複数の副流路Ａ１１に均等に第１ガスを分配でき、各電気化学素子において均等に電気化学出力を生成させることができる。
【００９６】
すると、各副流路Ａ１１に進入した燃料ガスは、乱流形成部９１（乱流形成体９０を構成する）により乱流状態となって各副流路Ａ１１を通流する。そして、燃料ガスは、気体通流許容部１Ａを介して電極層３１、電解質層３２に進入できる。また、燃料ガスは、電気化学反応済みの燃料ガスとともに、さらに内部流路Ａ１を進み、合流部Ａ１３、第２貫通部５１を介して、第２環状シール部５２によって形成される排出路５に進み、他の電気化学素子Ａからの電気化学反応済みの燃料ガスとともに第１ガス排出部６２より容器２００外に排出される。
【００９７】
一方、第２ガス供給部７１から供給された空気は、分配室９を介して通流部Ａ２に進入し、対極電極層３３、電解質層３２に進入できる。また、空気は、電気化学反応済みの空気とともに、さらに電気化学反応部３に沿って通流部Ａ２を進み第２ガス排出部７２より容器２００外に排出される。
【００９８】
この燃料ガス及び空気の流れに従って電気化学反応部３で生じた電力は、隣接する電気化学素子Ａの電気化学反応部３と第２板状体２との接触により集電体８１，８２どうしの間で直列に接続され、合成出力が出力部８より取り出される形態となる。
【００９９】
電気化学素子積層体Ｓの構成については、後で詳述する。
【０１００】
（５）電気化学素子積層体Ｓの具体的構成
次に、電気化学素子積層体Ｓの具体的構成を説明する。電気化学素子積層体Ｓは、複数の電気化学素子Ａが積層されて形成されている。
【０１０１】
図５〜図１４を用いて電気化学素子Ａについて説明する。
【０１０２】
（電気化学素子）
図５〜図１３に示すように、電気化学素子Ａは、第１板状体１と第２板状体２との対向面間に形成された内部流路Ａ１を有する板状支持体１０を備えている。
【０１０３】
板状支持体１０は、当該板状支持体１０を構成する第１板状体１及び第２板状体２の少なくとも一部において、当該板状支持体１０の内側である内部流路Ａ１と外側とに亘って気体を透過できる気体通流許容部１Ａと、気体通流許容部１Ａの全部又は一部を被覆する状態で、膜状の電極層３１と膜状の電解質層３２と膜状の対極電極層３３とを記載順に有する電気化学反応部３とを備える（図９〜図１３参照）。
【０１０４】
本実施形態では、内部流路Ａ１のうち副流路Ａ１１に乱流形成部９１（乱流形成体９０を構成する）が設けられている。
【０１０５】
また、板状支持体１０には、表面貫通方向外方から内部流路Ａ１にたとえば燃料ガス等の還元性成分ガス及びたとえば空気等の酸化性成分ガスのうちの一方である第１ガスを供給する供給路４を形成する第１貫通部４１を一端部側に備え、内部流路Ａ１を通流した第１ガスを板状支持体の表面貫通方向外方へ排出する排出路５を形成する第２貫通部５１を他端部側に備える（図５、図７，図１２，図１３参照、尚、供給路４等と排出路５等とは対称形にて同様の構造であることも理解される）。
【０１０６】
（板状支持体）
第１板状体１は、電極層３１と電解質層３２と対極電極層３３とを有する電気化学反応部３を支持して電気化学素子Ａの強度を保つ役割を担う。第１板状体１の材料としては、電子伝導性、耐熱性、耐酸化性および耐腐食性に優れた材料が用いられる。例えば、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、ニッケル基合金などが用いられる。特に、クロムを含む合金が好適に用いられる。本実施形態では、第１板状体１は、Ｃｒを１８質量％以上２５質量％以下含有するＦｅ−Ｃｒ系合金を用いているが、Ｍｎを０．０５質量％以上含有するＦｅ−Ｃｒ系合金、Ｔｉを０．１５質量％以上１．０質量％以下含有するＦｅ−Ｃｒ系合金、Ｚｒを０．１５質量％以上１．０質量％以下含有するＦｅ−Ｃｒ系合金、ＴｉおよびＺｒを含有しＴｉとＺｒとの合計の含有量が０．１５質量％以上１．０質量％以下であるＦｅ−Ｃｒ系合金、Ｃｕを０．１０質量％以上１．０質量％以下含有するＦｅ−Ｃｒ系合金であると特に好適である。
【０１０７】
第２板状体２は、第１板状体１と重ね合わされた状態で、周縁部１ａを溶接一体化されて板状支持体１０を構成する（図６〜図１３参照）。第２板状体２は、第１板状体１に対して複数に分割されていてもよく、逆に第１板状体１が第２板状体２に対して複数に分割された状態であってもよい。また、一体化するに際して、溶接に替え、接着、嵌合等他の手段を採用することができ、内部流路を外部と区画して形成できるのであれば、周縁部１ａ以外の部分で一体化してもよい。
【０１０８】
第１板状体１は、表側の面と裏側の面とを貫通して設けられる複数の貫通孔１１を多数設けてなる気体通流許容部１Ａを有する（図９〜図１３参照）。なお、例えば、貫通孔１１は、レーザー加工などにより、第１板状体１に設けることができる。貫通孔１１は、第１板状体１の裏側の面から表側の面へ気体を透過させる機能を有する。気体通流許容部１Ａは、第１板状体１における電極層３１が設けられる領域より小さい領域に設けられることが好ましい。
【０１０９】
第１板状体１にはその表面に、拡散抑制層としての金属酸化物層１２（後述、図１４参照）が設けられる。すなわち、第１板状体１と後述する電極層３１との間に、拡散抑制層が形成されている。金属酸化物層１２は、第１板状体１の外部に露出した面だけでなく、電極層３１との接触面（界面）にも設けられる。また、貫通孔１１の内側の面に設けることもできる。この金属酸化物層１２により、第１板状体１と電極層３１との間の元素相互拡散を抑制することができる。例えば、第１板状体１としてクロムを含有するフェライト系ステンレスを用いた場合は、金属酸化物層１２が主にクロム酸化物となる。そして、第１板状体１のクロム原子等が電極層３１や電解質層３２へ拡散することを、クロム酸化物を主成分とする金属酸化物層１２が抑制する。金属酸化物層１２の厚さは、拡散防止性能の高さと電気抵抗の低さを両立させることのできる厚みであれば良い。
【０１１０】
金属酸化物層１２は種々の手法により形成されうるが、第１板状体１の表面を酸化させて金属酸化物とする手法が好適に利用される。また、第１板状体１の表面に、金属酸化物層１２をスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、スパッタリング法やＰＬＤ法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。更に、金属酸化物層１２は導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。
【０１１１】
第１板状体１としてフェライト系ステンレス材を用いた場合、電極層３１や電解質層３２の材料であるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウムドープセリア、ＣＧＯとも呼ぶ）等と熱膨張係数が近い。従って、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合も電気化学素子Ａがダメージを受けにくい。よって、長期耐久性に優れた電気化学素子Ａを実現できるので好ましい。なお、第１板状体１は、表側の面と裏側の面とを貫通して設けられる複数の貫通孔１１を有する。なお、例えば、貫通孔１１は、機械的、化学的あるいは光学的穿孔加工などにより、第１板状体１に設けることができる。貫通孔１１は、第１板状体１の裏側の面から表側の面へ気体を透過させる機能を有する。第１板状体１に気体透過性を持たせるために、多孔質金属を用いることも可能である。例えば、第１板状体１は、焼結金属や発泡金属等を用いることもできる。
【０１１２】
板状支持体（第１板状体１、第２板状体２）１０の内部に内部流路Ａ１を有する。内部流路Ａ１は、第１板状体１と第２板状体２との間に形成される。内部流路Ａ１には、第１板状体１の気体通流許容部１Ａに対向する領域において、複数の副流路Ａ１１、Ａ１１………を備えている。複数の副流路Ａ１１、Ａ１１………は、第２板状体２を波板状に加工することで形成されている。複数の副流路Ａ１１、Ａ１１………は、板状支持体１０の板状面に沿う方向において、一端部側から他端部側（第１方向側）、つまり第１ガスの通流方向に沿って延びている。また、複数の副流路Ａ１１、Ａ１１………は、板状支持体１０の板状面に沿う方向において、一端部側から他端部側と交差する方向（第２方向）において互いに離隔している。
【０１１３】
また、第２板状体２は、表裏両面とも波板状に形成されており、内部流路Ａ１を区画形成する面の反対面は、隣接する電気化学素子Ａの電気化学反応部３に電気的に接続する。そして、波型形状の第２板状体２が第１板状体１と接触する部分の近傍に形成される通路が、通流部Ａ２として機能する。
【０１１４】
さらに説明すると、この副流路Ａ１１は長方形状に形成される板状支持体１０の長辺に沿って複数平行に設けられており、一端部に設けられる供給路４から他端部に設けられる排出路５に至る内部流路Ａ１を構成する。また、第１貫通部４１と内部流路Ａ１との接続箇所は、第１板状体１との接触部分から下方に膨出させてなり、第１貫通部４１ら供給される第１ガスを副流路Ａ１１の夫々に分配する分配部Ａ１２を備え（図５参照）、第２貫通部５１と内部流路Ａ１の接続箇所は、第１板状体１との接触部分から下方に膨出させてなり、副流路Ａ１１のそれぞれを通流した第１ガスを集約して第２貫通部５１に導く合流部Ａ１３を備える（図５，図７，図８，図１０〜図１３参照、尚、供給路４等と排出路５等とは対称形にて同様の構造であることも理解される）。また、第２板状体２の材料については、耐熱性の金属であることが好ましく、第１板状体１との熱膨張差の低減や、溶接などの接合性の信頼性確保の観点から、第１板状体１と同じ材料であれば、より好ましい。    
【０１１５】
（乱流形成体）
乱流形成体９０は、本実施形態では、図４、図９〜図１４、図１６〜図１８に示すように、内部流路Ａ１に設けられている。また、乱流形成体９０は、内部流路Ａ１のうち、副流路Ａ１１に設けられている乱流形成部９１により形成される。乱流形成部９１は、副流路Ａ１１を通流する第１ガスを乱流状態に形成する。
【０１１６】
ここで、本実施形態にいう乱流状態とは、流路内の流体の流れが流路内壁に対して平行ではない乱れた状態であることを言う。そして、乱流状態では、流体は、少なくともその一部が渦を巻いた状態となっている。一方、層流状態とは、乱流状態とは異なり、流路内の流体の流れが流路内壁に対して平行で概ね規則的な流線をもつ。
【０１１７】
流路内の流動状態はレイノルズ数によって表すこともでき、レイノルズ数が高い場合は乱流であり、低い場合は層流状態である。レイノルズ数（Ｒｅ）は下記式で定義される。
Ｒｅ＝Ｄ×ｕ×ρ／μ
ここで、Ｄは流路径（ｍ）、ｕ：流体の平均流速（ｍ／ｓｅｃ）、ρ：流体の密度（ｋｇ／ｍ３）、μは流体の粘（ｋｇ／（ｍ・ｓｅｃ））である。
【０１１８】
流体が、燃料ガス等の還元性成分ガス、空気等の酸化性成分ガスであることからすると、当該ガスが乱流状態である場合のＲｅは、Ｒｅ＞２８００程度であるが、この数値を常時上回ることは、コンパクトな設計をしようとすれば前記流路径Ｄが小さくなるため困難となる。
【０１１９】
乱流形成部９１は、図９〜図１４、図１６〜図１８に示すように、副流路Ａ１１において気体通流許容部１Ａの下面に隣接して設けられている。ただし、副流路Ａ１１を通流する第１ガスを、副流路Ａ１１の延びる方向に沿って通流させつつ、乱流状態に形成できればよく、乱流形成部９１の配置位置はこれに限定されない。例えば、乱流形成部９１は、副流路Ａ１１に面する第２板状体２の上面に沿って設けられていてもよい。また、乱流形成部９１は、気体通流許容部１Ａの下面と、副流路Ａ１１に面する第２板状体２の上面との間の中央部に設けられていてもよい。また、第１ガスが副流路Ａ１１の延びる方向に沿って通流できるのであれば、乱流形成部９１は、副流路Ａ１１内に充填される形態で設けられてもよい。
【０１２０】
乱流形成部９１としては、これに限定されないが、図９〜図１４に示すように、第１板状体１の平面に沿って副流路Ａ１１に設けられた網状体が挙げられる。網状体を第１ガスが通流することで、第１ガスを乱流状態に形成できる。なお、網状体は、第１ガスを乱流状態に形成できるだけでなく、第１ガスを副流路Ａ１１に沿って通流できるように構成されている。
【０１２１】
網状体としては、例えば、金属メッシュ、エキスパンドメタル、ポーラスメタル（発泡金属）、金属フェルト、パンチングメタル、３Ｄファブリック等を挙げることができる。エキスパンドメタルは、平板状の金属に切り込みを入れ、引き伸ばす方法で例えば菱形の網目を有するように加工される。ポーラスメタルは、網目を構成する気泡を有し、かさ比重が比較的に小さい金属である。金属フェルトは、金属のファイバーを積層して焼結して形成されており、ファイバー間により網目を有するように加工される。パンチングメタルは、金属の平板にパンチにより穴を形成して網目状に加工される。３Ｄファブリックは、例えば一対の平板状の網目を有する金属と、これらの間に波形状に編みこまれた金属とにより網目を有するように加工される。
網状体によって第１ガスを乱流状態にできればよく、その形状は特に限定されない。網状体は、例えば平板状である。平板状の網状体は、平板状の板状支持体１０に沿うように配置することができる。
【０１２２】
乱流形成部９１としては、これに限定されないが、図１６〜図１８に示すように、副流路Ａ１１に設けられた粒状体を挙げることができる。第１ガスが粒状体と衝突することで、第１ガスを乱流状態にすることができる。粒状体は、副流路Ａ１１内に規則的又は不規則的に配置される。なお、粒状体は、副流路Ａ１１内に挿入可能な大きさであるとともに、第１ガスが副流路Ａ１１の延びる方向に沿って通流できる大きさである。粒状体は、副流路Ａ１１内に充填したり、第２板状体２の上面に固定されてもよい。
【０１２３】
網状体及び粒状体等により形成される乱流形成部９１の材料としては、例えばＳＵＳ３１６やＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス、ＳＵＳ４３０などのフェライト系ステンレス、あるいは、ニクロム系の耐熱合金等が用いられる。また、乱流形成部９１の材料は板状支持体１０の材料と同種類及び同一であってもよい。さらに、平板により形成される場合は金属に限らず、たとえば導電性ガラスなどの導電性の無機材料であっても構わない。粒状体等により形成される場合は、金属、導電性材料のほか、セラミックなどの被導電性材料でも構わない。
【０１２４】
さらに、乱流形成体９０を構成する乱流形成部９１の材料としては、電子伝導性、耐熱性、耐酸化性および耐腐食性に優れた材料が用いることができる。例えば、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、ニッケル基合金などが用いられる。特に、クロムを含む合金が好適に用いられる。本実施形態では、第１板状体１は、Ｃｒを１８質量％以上２５質量％以下含有するＦｅ−Ｃｒ系合金を用いているが、Ｍｎを０．０５質量％以上含有するＦｅ−Ｃｒ系合金、Ｔｉを０．１５質量％以上１．０質量％以下含有するＦｅ−Ｃｒ系合金、Ｚｒを０．１５質量％以上１．０質量％以下含有するＦｅ−Ｃｒ系合金、ＴｉおよびＺｒを含有しＴｉとＺｒとの合計の含有量が０．１５質量％以上１．０質量％以下であるＦｅ−Ｃｒ系合金、Ｃｕを０．１０質量％以上１．０質量％以下含有するＦｅ−Ｃｒ系合金であると特に好適である。
【０１２５】
上記特徴構成によれば、第１板状体１と第２板状体２との間の副流路Ａ１１を第１ガスが通流する。副流路Ａ１１には第１ガスの乱流状態を形成する乱流形成部９１が設けられているため、第１ガスは副流路Ａ１１内において乱流状態となり易い。乱流状態では、流体は、少なくともその一部が渦を巻いた状態で流路内を通流する。よって、乱流状態の流体は、流路内を主にその流路方向に沿って通流するとともに、流路方向とは異なる方向にも流れようとする。そのため、第１ガスは、副流路Ａ１１内を、副流路Ａ１１を形成する第１板状体１の平面及び第２板状体２の平面に沿って進むとともに、第１板状体１に形成された気体通流許容部１Ａを副流路Ａ１１から外側に亘って透過し易くなる。これにより、板状支持体１０の外面に形成された電気化学反応部３への第１ガスの供給効率が向上し、電気化学反応部３での電気化学反応が促進され、発電効率が向上される。
【０１２６】
特に、電気化学素子Ａの小型化に伴い、副流路Ａ１１を形成する第１板状体１と第２板状体２との間が狭まって偏平となり、第１ガスが板状支持体１０の平面に沿って進む層流状態となる場合があるが、乱流形成部９１の存在によって第１ガスが乱流状態となり易い。また、電気化学反応部３を備える電気化学素子Ａの発電出力を低下させる場合には、副流路Ａ１１への第１ガスの供給量が少なく調整される。このように副流路Ａ１１内を通流する第１ガスが少ない場合、第１ガスは板状支持体１０の平面に沿って進む層流状態となる場合がある。しかし、乱流形成部９１の存在によって第１ガスが乱流状態となり易い。よって、第１ガスが副流路Ａ１１から気体通流許容部１Ａを介して電気化学反応部３へ供給される効率が向上される。
【０１２７】
（電気化学反応部）
【０１２８】
（電極層）
電極層３１は、図９〜図１４に示すように、第１板状体１の表側の面であって貫通孔１１が設けられた領域より大きな領域に、薄層の状態で設けることができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ〜５０μｍとすることができる。このような厚さにすると、高価な電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。貫通孔１１が設けられた領域の全体が、電極層３１に覆われている。つまり、貫通孔１１は第１板状体１における電極層３１が形成された領域の内側に形成されている。換言すれば、全ての貫通孔１１が電極層３１に面して設けられている。
【０１２９】
電極層３１は、気体透過性を持たせるため、その内部および表面に複数の細孔を有する。
【０１３０】
すなわち電極層３１は、多孔質な層として形成される。電極層３１は、例えば、その緻密度が３０％以上８０％未満となるように形成される。細孔のサイズは、電気化学反応を行う際に円滑な反応が進行するのに適したサイズを適宜選ぶことができる。なお緻密度とは、層を構成する材料の空間に占める割合であって、（１−空孔率）と表すことができ、また、相対密度と同等である。
【０１３１】
電極層３１の材料としては、例えばＮｉＯ−ＧＤＣ、Ｎｉ−ＧＤＣ、ＮｉＯ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＹＳＺ、ＣｕＯ−ＣｅＯ２、Ｃｕ−ＣｅＯ２などの複合材を用いることができる。これらの例では、ＧＤＣ、ＹＳＺ、ＣｅＯ２を複合材の骨材と呼ぶことができる。なお、電極層３１は、低温焼成法（例えば１１００℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法やパルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能なプロセスにより、例えば１１００℃より高い高温域での焼成を用いずに、良好な電極層３１が得られる。そのため、第１板状体１を傷めることなく、また、第１板状体１と電極層３１との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子Ａを実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
【０１３２】
（中間層）
中間層３４は、電極層３１を覆った状態で、電極層３１の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは４μｍ〜２５μｍ程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な中間層３４の材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。中間層３４の材料としては、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア）、ＹＤＣ（イットリウム・ドープ・セリア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）等を用いることができる。特にセリア系のセラミックスが好適に用いられる。
【０１３３】
中間層３４は、低温焼成法（例えば１１００℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば１１００℃より高い高温域での焼成を用いずに中間層３４が得られる。そのため、第１板状体１を傷めることなく、第１板状体１と電極層３１との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子Ａを実現できる。また、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
【０１３４】
中間層３４としては、酸素イオン（酸化物イオン）伝導性を有することが好ましい。また、酸素イオン（酸化物イオン）と電子との混合伝導性を有すると更に好ましい。これらの性質を有する中間層３４は、電気化学素子Ａへの適用に適している。
【０１３５】
（電解質層）
図９〜図１４に示すように、電解質層３２は、電極層３１および中間層３４を覆った状態で、前記中間層３４の上に薄層の状態で形成される。また、厚さが１０μｍ以下の薄膜の状態で形成することもできる。詳しくは、電解質層３２は、中間層３４の上と第１板状体１の上とにわたって（跨って）設けられる。このように構成し、電解質層３２を第１板状体１に接合することで、電気化学素子全体として堅牢性に優れたものとすることができる。
【０１３６】
また電解質層３２は、図９に示すように、第１板状体１の表側の面であって貫通孔１１が設けられた領域より大きな領域に設けられる。つまり、貫通孔１１は第１板状体１における電解質層３２が形成された領域の内側に形成されている。
【０１３７】
また電解質層３２の周囲においては、電極層３１および前記中間層（図示せず）からのガスのリークを抑制することができる。説明すると、電気化学素子ＡをＳＯＦＣの構成要素として用いる場合、ＳＯＦＣの作動時には、第１板状体１の裏側から貫通孔１１を通じて電極層３１へガスが供給される。電解質層３２が第１板状体１に接している部位においては、ガスケット等の別部材を設けることなく、ガスのリークを抑制することができる。なお、本実施形態では電解質層３２によって電極層３１の周囲をすべて覆っているが、電極層３１および前記中間層３４の上部に電解質層３２を設け、周囲にガスケット等を設ける構成としてもよい。
【０１３８】
電解質層３２の材料としては、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア）、ＹＤＣ（イットリウム・ドープ・セリア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）、ＬＳＧＭ（ストロンチウム・マグネシウム添加ランタンガレート）等の酸素イオンを伝導する電解質材料や、ペロブスカイト型酸化物等の水素イオンを伝導する電解質材料を用いることができる。特にジルコニア系のセラミックスが好適に用いられる。電解質層３２をジルコニア系セラミックスとすると、電気化学素子Ａを用いたＳＯＦＣの稼働温度をセリア系セラミックスや種々の水素イオン伝導性材料に比べて高くすることができる。例えば電気化学素子ＡをＳＯＦＣに用いる場合、電解質層３２の材料としてＹＳＺのような６５０℃程度以上の高温域でも高い電解質性能を発揮できる材料を用い、システムの原燃料に都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系の原燃料を用い、原燃料を水蒸気改質等によってＳＯＦＣのアノードガスとするシステム構成とすると、ＳＯＦＣのセルスタックで生じる熱を原燃料ガスの改質に用いる高効率なＳＯＦＣシステムを構築することができる。
【０１３９】
電解質層３２は、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ（化学気相成長）法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば１１００℃を越える高温域での焼成を用いずに、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層３２が得られる。そのため、第１板状体１の損傷を抑制し、また、第１板状体１と電極層３１との元素相互拡散を抑制することができ、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ａを実現できる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、スプレーコーティング法を用いると、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層が低温域で容易に得られやすいので更に好ましい。
【０１４０】
電解質層３２は、アノードガスやカソードガスのガスリークを遮蔽し、かつ、高いイオン伝導性を発現するために、緻密に構成される。電解質層３２の緻密度は９０％以上が好ましく、９５％以上であるとより好ましく、９８％以上であると更に好ましい。電解質層３２は、均一な層である場合は、その緻密度が９５％以上であると好ましく、９８％以上であるとより好ましい。また、電解質層３２が、複数の層状に構成されているような場合は、そのうちの少なくとも一部が、緻密度が９８％以上である層（緻密電解質層）を含んでいると好ましく、９９％以上である層（緻密電解質層）を含んでいるとより好ましい。このような緻密電解質層が電解質層の一部に含まれていると、電解質層が複数の層状に構成されている場合であっても、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層を形成しやすくできるからである。
【０１４１】
（反応防止層）
反応防止層３５は、電解質層３２の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは３μｍ〜１５μｍ程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な反応防止層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。前記反応防止層の材料としては、電解質層３２の成分と対極電極層３３の成分との間の反応を防止できる材料であれば良いが、例えばセリア系材料等が用いられる。また反応防止層３５の材料として、Ｓｍ、ＧｄおよびＹからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも１つを含有する材料が好適に用いられる。なお、Ｓｍ、ＧｄおよびＹからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも１つを含有し、これら元素の含有率の合計が１．０質量％以上１０質量％以下であるとよい。反応防止層３５を電解質層３２と対極電極層３３との間に導入することにより、対極電極層３３の構成材料と電解質層３２の構成材料との反応が効果的に抑制され、電気化学素子Ａの性能の長期安定性を向上できる。反応防止層３５の形成は、１１００℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、第１板状体１の損傷を抑制し、また、第１板状体１と電極層３１との元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ａを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
【０１４２】
（対極電極層）
図９〜図１４に示すように、対極電極層３３を、電解質層３２もしくは反応防止層３５の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ〜５０μｍとすることができる。このような厚さにすると、高価な対極電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。対極電極層３３の材料としては、例えば、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ等の複合酸化物、セリア系酸化物およびこれらの混合物を用いることができる。特に対極電極層３３が、Ｌａ、Ｓｒ、Ｓｍ、Ｍｎ、ＣｏおよびＦｅからなる群から選ばれる２種類以上の元素を含有するペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。以上の材料を用いて構成される対極電極層３３は、カソードとして機能する。
【０１４３】
なお、対極電極層３３の形成は、１１００℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、第１板状体１の損傷を抑制し、また、第１板状体１と電極層３１との元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ａを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＤＶ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
【０１４４】
このような電気化学反応部３を構成することで、電気化学反応部３を燃料電池（電気化学発電セル）として機能させる場合には、電気化学素子Ａを固体酸化物形燃料電池の発電セルとして用いることができる。例えば、第１板状体１の裏側の面から貫通孔１１を通じて第１ガスとしての水素を含む燃料ガスを電極層３１へ供給し、電極層３１の対極となる対極電極層３３へ第２ガスとしての空気を供給し、例えば７００℃程度の作動温度に維持する。そうすると、対極電極層３３において空気に含まれる酸素Ｏ２が電子ｅ−と反応して酸素イオンＯ２−が生成される。その酸素イオンＯ２−が電解質層３２を通って電極層３１へ移動する。電極層３１においては、供給された燃料ガスに含まれる水素Ｈ２が酸素イオンＯ２−と反応し、水Ｈ２Ｏと電子ｅ−が生成される。
電解質層３２に水素イオンを伝導する電解質材料を用いた場合には、電極層３１において流通された燃料ガスに含まれる水素Ｈ２が電子ｅ−を放出して水素イオンＨ＋が生成される。その水素イオンＨ＋が電解質層３２を通って対極電極層３３へ移動する。対極電極層３３において空気に含まれる酸素Ｏ２と水素イオンＨ＋、電子ｅ−が反応し水Ｈ２Ｏが生成される。
以上の反応により、電極層３１と対極電極層３３との間に電気化学出力として起電力が発生する。この場合、電極層３１は燃料電池の燃料極（アノード）として機能し、対極電極層３３は空気極（カソード）として機能する。
【０１４５】
また、図９〜図１３にて省略したが、図１４に示すように、本実施の形態では、電気化学反応部３は電極層３１と電解質層３２との間に中間層３４を備える。さらに、電解質層３２と対極電極層３３との間には反応防止層３５が設けられる。
【０１４６】
（乱流形成体を備える電気化学素子Ａの評価）
本実施形態の乱流形成体９０を備える１つの電気化学素子Ａにおいて、発電効率を評価した。比較例としては、乱流形成体９０を備えない１つの電気化学素子を用いた。
【０１４７】
本実施形態の電気化学素子Ａ及び比較例の電気化学素子ともに、１８Ｗの発電出力で１つの電気化学素子を作動させた。比較例の乱流形成体９０を備えない１つの電気化学素子では、燃料利用率が７２．５％であった。一方、本実施形態の乱流形成体９０を備える１つの電気化学素子Ａでは、燃料利用率が８０．０％であった。
【０１４８】
なお、燃料利用率は、電気化学素子に供給された燃料ガスに対して、電気化学素子での電気化学反応による発電によって消費された燃料ガスの割合から算出した。
【０１４９】
以上のとおり、乱流形成体９０を備える本実施形態の電気化学素子Ａでは、乱流形成体９０を備えない比較例の電気化学素子に比べて燃料利用率が向上している。これは、内部流路を通流する燃料ガスが、内部流路Ａ１の副流路Ａ１１から、気体通流許容部１Ａを介して電気化学反応部３へ供給できているからと考えられる。よって、乱流形成体９０を備えことで、電気化学素子での電気化学反応による発電効率を１割以上（１０．３％）向上できた。
【０１５０】
（電気化学反応部の製造方法）
次に、電気化学反応部３の製造方法について説明する。尚、図９〜図１３においては、下記中間層３４及び反応防止層３５を省略した記述としているので、ここでは、主に図１４を用いて説明する。
【０１５１】
（電極層形成ステップ）
電極層形成ステップでは、第１板状体１の表側の面の貫通孔１１が設けられた領域より広い領域に電極層３１が薄膜の状態で形成される。第１板状体１の貫通孔１１はレーザー加工等によって設けることができる。電極層３１の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、第１板状体１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
【０１５２】
電極層形成ステップを低温焼成法で行う場合には、具体的には以下の例のように行う。まず電極層３１の材料粉末と溶媒（分散媒）とを混合して材料ペーストを作成し、第１板状体１の表側の面に塗布し、８００℃〜１１００℃で焼成する。
【０１５３】
（拡散抑制層形成ステップ）
上述した電極層形成ステップにおける焼成工程時に、第１板状体１の表面に金属酸化物層１２（拡散抑制層）が形成される。なお、上記焼成工程に、焼成雰囲気を酸素分圧が低い雰囲気条件とする焼成工程が含まれていると元素の相互拡散抑制効果が高く、抵抗値の低い良質な金属酸化物層１２（拡散抑制層）が形成されるので好ましい。電極層形成ステップを、焼成を行わないコーティング方法とする場合を含め、別途の拡散抑制層形成ステップを含めても良い。いずれにおいても、第１板状体１の損傷を抑制可能な１１００℃以下の処理温度で実施することが望ましい。
【０１５４】
（中間層形成ステップ）
中間層形成ステップでは、電極層３１を覆う形態で、電極層３１の上に中間層３４が薄層の状態で形成される。中間層３４の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、第１板状体１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
【０１５５】
中間層形成ステップを低温焼成法で行う場合には、具体的には以下の例のように行う。
【０１５６】
まず、中間層３４の材料粉末と溶媒（分散媒）とを混合して材料ペーストを作成し、第１板状体１の表側の面に塗布する。そして中間層３４を圧縮成形し（中間層平滑化工程）、１１００℃以下で焼成する（中間層焼成工程）。中間層３４の圧延は、例えば、ＣＩＰ（Ｃｏｌｄ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ  、冷間静水圧加圧）成形、ロール加圧成形、ＲＩＰ（Ｒｕｂｂｅｒ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）成形などにより行うことができる。また、中間層３４の焼成は、８００℃以上１１００℃以下の温度で行うと好適である。このような温度であると、第１板状体１の損傷・劣化を抑制しつつ、強度の高い中間層３４を形成できるためである。また、中間層３４の焼成を１０５０℃以下で行うとより好ましく、１０００℃以下で行うと更に好ましい。これは、中間層３４の焼成温度を低下させる程に、第１板状体１の損傷・劣化をより抑制しつつ、電気化学素子Ａを形成できるからである。また、中間層平滑化工程と中間層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。
【０１５７】
なお、中間層平滑化工程は、ラップ成形やレベリング処理、表面の切削・研磨処理などを施すことによって行うことでもできる。
【０１５８】
（電解質層形成ステップ）
電解質層形成ステップでは、電極層３１および中間層３４を覆った状態で、電解質層３２が中間層３４の上に薄層の状態で形成される。また、厚さが１０μｍ以下の薄膜の状態で形成されても良い。電解質層３２の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、第１板状体１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
【０１５９】
緻密で気密性およびガスバリア性能の高い、良質な電解質層３２を１１００℃以下の温度域で形成するためには、電解質層形成ステップをスプレーコーティング法で行うことが望ましい。その場合、電解質層３２の材料を第１板状体１上の中間層３４に向けて噴射し、電解質層３２を形成する。  
【０１６０】
（反応防止層形成ステップ）
反応防止層形成ステップでは、反応防止層３５が電解質層３２の上に薄層の状態で形成される。反応防止層３５の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、第１板状体１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。なお反応防止層３５の上側の面を平坦にするために、例えば反応防止層３５の形成後にレベリング処理や表面を切削・研磨処理を施したり、湿式形成後焼成前に、プレス加工を施してもよい。
【０１６１】
（対極電極層形成ステップ）
対極電極層形成ステップでは、対極電極層３３が反応防止層３５の上に薄層の状態で形成される。対極電極層３３の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、第１板状体１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
【０１６２】
以上の様にして、電気化学反応部３を製造することができる。
【０１６３】
なお電気化学反応部３において、中間層３４と反応防止層３５とは、何れか一方、あるいは両方を備えない形態とすることも可能である。すなわち、電極層３１と電解質層３２とが接触して形成される形態、あるいは電解質層３２と対極電極層３３とが接触して形成される形態も可能である。この場合に上述の製造方法では、中間層形成ステップ、反応防止層形成ステップが省略される。なお、他の層を形成するステップを追加したり、同種の層を複数積層したりすることも可能であるが、いずれの場合であっても、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
【０１６４】
（電気化学素子積層体）
図４に示すように、電気化学素子積層体Ｓは、複数の電気化学素子Ａが所定の積層方向に積層されて構成されている。隣接する電気化学素子Ａに関して、一つの電気化学素子Ａ（第１電気化学素子Ａ）を構成する板状支持体１０と、他の一つの電気化学素子Ａ（第２電気化学素子Ａ）を構成する板状支持体１０とが対向する形態で配置されている。
【０１６５】
例えば、一つの電気化学素子Ａ（第１電気化学素子Ａ）は、電気化学反応部３が配置される第１板状体１と第２板状体２とを有する板状支持体１０を備えている。同様に、第１電気化学素子Ａの下方向（第１方向）及び上方向（第２方向）に隣接する第２電気化学素子Ａの板状支持体１０は、電気化学反応部３が配置される第１板状体１と第２板状体２とを有する板状支持体１０を備えている。
【０１６６】
第１電気化学素子Ａの第２板状体２の外面と、上方向に隣接する第２電気化学素子Ａの第１板状体１の外面とが電気的に接続される。また、第１電気化学素子Ａの第２板状体２の外面と上方向に隣接する第２電気化学素子Ａの第１板状体１の外面との間に、当該両外面に沿って第２ガスが通流する通流部Ａ２が形成される。
【０１６７】
また、第１電気化学素子Ａの第１板状体１の外面と、下方向に隣接する第２電気化学素子Ａの第２板状体２の外面とが電気的に接続される。また、第１電気化学素子Ａの第１板状体１の外面と下方向に隣接する第２電気化学素子Ａの第２板状体２の外面との間に、当該両外面に沿って第１ガスが通流する副流路Ａ１１（内部流路Ａ１の一部）が形成される。
電気的に接続させるためには、電気伝導性表面部同士を単純に接触させる他、接触面に面圧を印可したり、高電気伝導性の材料を介在させて接触抵抗を下げる方法などが採用可能である。
【０１６８】
この副流路Ａ１１には、上述の通り乱流形成部９１が設けられている。
【０１６９】
このような複数の電気化学素子Ａが積層配置されている。具体的には、長方形状の各電気化学素子が一端部の第１貫通部４１と他端部の第２貫通部５１とを揃えた状態で、それぞれの電気化学素子の電気化学反応部が上向きになる状態で整列されて積層される。そして、各第１貫通部４１どうしの間に第１環状シール部４２が介在し、第２貫通部５１どうしの間に第２環状シール部５２が介在している。
【０１７０】
板状支持体１０には、表面貫通方向外方から内部流路Ａ１に還元性成分ガス及び酸化性成分ガスのうちの一方である第１ガスを供給する供給路４を形成する第１貫通部４１が、長方形状の板状支持体１０の長手方向一端部側に備えられている。通流部Ａ２内において、板状支持体１０の両外面に夫々形成される第１貫通部４１が、通流部Ａ２と区画する環状シール部としての第１環状シール部４２を備えている。また、第１貫通部４１及び第１環状シール部４２により、第１ガスを内部流路Ａ１に供給する供給路４が形成される。尚、第１板状体１における第１環状シール部４２の接当する部位の周囲には第１板状体１における前記内部流路Ａ１とは反対側面に環状の膨出部aを設けており、第１環状シール部４２の第１板状体１の面に沿う方向での位置決めを容易にしてある。
【０１７１】
また、板状支持体１０には、内部流路Ａ１を通流した第１ガスを板状支持体１０の表面貫通方向外方へ排出する排出路５を形成する第２貫通部５１が他端部側に備えられている。第２貫通部５１は、第２ガスと区画された状態で第１ガスを通流させる構成である。第２貫通部５１は、通流部Ａ２内において、板状支持体１０の両外面に夫々形成される第２貫通部５１を通流部Ａ２と区画する環状シール部としての第２環状シール部５２を備えている。第２貫通部５１及び第２環状シール部５２により、内部流路Ａ１を通流した第１ガスを排出する排出路５が形成される。
【０１７２】
第１、第２環状シール部４２，５２は、アルミナなどのセラミクスア材料や、マイカ、もしくはこれらを被覆した金属等の絶縁性材料からなり、隣接する電気化学素子どうしを電気的に絶縁する絶縁シール部として機能する。
【０１７３】
（６）エネルギーシステム、電気化学装置
次に、エネルギーシステム、電気化学装置について図１５を用いて説明する。
【０１７４】
エネルギーシステムＺは、電気化学装置１００と、電気化学装置１００から排出される熱を再利用する排熱利用部としての熱交換器１９０とを有する。
【０１７５】
電気化学装置１００は、電気化学モジュールＭと、脱硫器１０１と改質器１０２からなる燃料変換器を有し、電気化学モジュールＭに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部１０３と、電気化学モジュールＭから電力を取り出す出力部８としてのインバータ（電力変換器の一例）１０４とを有する。
【０１７６】
詳しくは電気化学装置１００は、脱硫器１０１、改質水タンク１０５、気化器１０６、改質器１０２、ブロア１０７、燃焼部１０８、インバータ１０４、制御部１１０、および電気化学モジュールＭを有する。
【０１７７】
脱硫器１０１は、都市ガス等の炭化水素系の原燃料に含まれる硫黄化合物成分を除去（脱硫）する。原燃料中に硫黄化合物が含有される場合、脱硫器１０１を備えることにより、硫黄化合物による改質器１０２あるいは電気化学素子Ａに対する悪影響を抑制することができる。気化器１０６は、改質水タンク１０５から供給される改質水から水蒸気を生成する。改質器１０２は、気化器１０６にて生成された水蒸気を用いて脱硫器１０１にて脱硫された原燃料を水蒸気改質して、水素を含む改質ガスを生成する。
【０１７８】
電気化学モジュールＭは、改質器１０２から供給された改質ガスと、ブロア１０７から供給された空気とを用いて、電気化学反応させて発電する。燃焼部１０８は、電気化学モジュールＭから排出される反応排ガスと空気とを混合させて、反応排ガス中の可燃成分を燃焼させる。
【０１７９】
インバータ１０４は、電気化学モジュールＭの出力電力を調整して、商用系統（図示省略）から受電する電気と同じ電圧および同じ周波数にする。制御部１１０は電気化学装置１００およびエネルギーシステムＺの運転を制御する。
【０１８０】
改質器１０２は、燃焼部１０８での反応排ガスの燃焼により発生する燃焼熱を用いて原燃料の改質処理を行う。
【０１８１】
原燃料は、昇圧ポンプ１１１の作動により原燃料供給路１１２を通して脱硫器１０１に供給される。改質水タンク１０５の改質水は、改質水ポンプ１１３の作動により改質水供給路１１４を通して気化器１０６に供給される。そして、原燃料供給路１１２は脱硫器１０１よりも下流側の部位で、改質水供給路１１４に合流されており、容器２００外にて合流された改質水と原燃料とが気化器１０６に供給される。
【０１８２】
改質水は気化器１０６にて気化され水蒸気となる。気化器１０６にて生成された水蒸気を含む原燃料は、水蒸気含有原燃料供給路１１５を通して改質器１０２に供給される。改質器１０２にて原燃料が水蒸気改質され、水素ガスを主成分とする改質ガス（還元性成分を有する第１ガス）が生成される。改質器１０２にて生成された改質ガスは、燃料供給部１０３を通して電気化学モジュールＭに供給される。
【０１８３】
反応排ガスは燃焼部１０８で燃焼され、燃焼排ガスとなって燃焼排ガス排出路１１６から熱交換器１９０に送られる。燃焼排ガス排出路１１６には燃焼触媒部１１７（例えば、白金系触媒）が配置され、燃焼排ガスに含有される一酸化炭素や水素等の還元性成分を燃焼除去される。
【０１８４】
熱交換器１９０は、燃焼部１０８における燃焼で生じた燃焼排ガスと、供給される冷水とを熱交換させ、温水を生成する。すなわち熱交換器１９０は、電気化学装置１００から排出される熱を再利用する排熱利用部として動作する。
【０１８５】
なお、排熱利用部の代わりに、電気化学モジュールＭから（燃焼されずに）排出される反応排ガスを利用する反応排ガス利用部を設けてもよい。また、第１ガス排出部６２より容器２００外に流通される反応排ガスの少なくとも一部を図１５中の１００，１０１，１０３，１０６，１１２，１１３，１１５の何れかの部位に合流させリサイクルしても良い。反応排ガスには、電気化学素子Ａにて反応に用いられなかった残余の水素ガスが含まれる。反応排ガス利用部では、残余の水素ガスを利用して、燃焼による熱利用や、燃料電池等による発電が行われ、エネルギーの有効利用がなされる。
【０１８６】
〔他の実施形態〕
なお上述の実施形態（他の実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【０１８７】
（１）上記実施形態では、内部流路Ａ１に乱流形成体９０、より具体的には副流路Ａ１１に乱流形成部９１が設けられている。しかし、乱流形成体９０は、通流部Ａ２に設けられていてもよい。通流部Ａ２に乱流形成体９０が設けられることで、通流部Ａ２を流れる第２ガスを乱流状態とし、電極層３１との接触時間を長くすることができる。
【０１８８】
乱流形成体９０の配置の態様としては、乱流形成体９０が副流路Ａ１１にのみ設けられている場合、乱流形成体９０が通流部Ａ２にのみ設けられている場合、乱流形成体９０が副流路Ａ１１及び通流部Ａ２の両方に設けられている場合が挙げられる。
【０１８９】
（２）上記の実施形態では、電気化学素子Ａを電気化学装置１００としての固体酸化物形燃料電池に用いたが、電気化学素子Ａは、固体酸化物形電解セルや、固体酸化物を利用した酸素センサ等に利用することもできる。また、電気化学素子Ａは、電気化学素子積層体Ｓや電気化学モジュールＭとして複数組み合わせて用いるのに限らず、単独で用いることも可能である。
すなわち、上記の実施形態では、燃料等の化学的エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を向上できる構成について説明した。
つまり、上記の実施形態では、電気化学素子Ａ及び電気化学モジュールＭを燃料電池として動作させ、電極層３１に水素ガスが流通され、対極電極層３３に酸素ガスが流通される。そうすると、対極電極層３３において酸素分子Ｏ２が電子ｅ−と反応して酸素イオンＯ２−が生成される。その酸素イオンＯ２−が電解質層３２を通って電極層３１へ移動する。電極層３１においては、水素分子Ｈ２が酸素イオンＯ２−と反応し、水Ｈ２Ｏと電子ｅ−が生成される。以上の反応により、電極層３１と対極電極層３３との間に起電力が発生し、発電が行われる。
一方、電気化学素子Ａ及び電気化学モジュールＭを電解セルとして動作させる場合は、電極層３１に水蒸気や二酸化炭素を含有するガスが流通され、電極層３１と対極電極層３３との間に電圧が印加される。そうすると、電極層３１において電子ｅ−と水分子Ｈ２Ｏ、二酸化炭素分子ＣＯ２が反応し水素分子Ｈ２や一酸化炭素ＣＯと酸素イオンＯ２−となる。酸素イオンＯ２−は電解質層３２を通って対極電極層３３へ移動する。対極電極層３３において酸素イオンＯ２−が電子を放出して酸素分子Ｏ２となる。以上の反応により、水分子Ｈ２Ｏが水素Ｈ２と酸素Ｏ２とに、二酸化炭素分子ＣＯ２を含有するガスが流通される場合は一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２とに電気分解される。
水蒸気と二酸化炭素分子ＣＯ２を含有するガスが流通される場合は上記電気分解により電気化学素子Ａ及び電気化学モジュールＭで生成した水素及び一酸化炭素等から炭化水素などの種々の化合物などを合成する燃料変換器２５（図２０）を設けることができる。燃料供給部（図示せず）により、この燃料変換器２５が生成した炭化水素等を電気化学素子Ａ及び電気化学モジュールＭに流通したり、本システム・装置外に取り出して別途燃料や化学原料として利用することができる。
【０１９０】
図２０には、電気化学反応部３を電解セルとして動作させる場合のエネルギーシステムＺおよび電気化学装置１００の一例が示されている。本システムでは供給された水と二酸化炭素が電気化学反応部３において電気分解され、水素及び一酸化炭素等を生成する。更に燃料変換器２５において炭化水素などが合成される。図２０の熱交換器２４を、燃料変換器２５で起きる反応によって生ずる反応熱と水とを熱交換させ気化させる排熱利用部として動作させるとともに、図２０中の熱交換器２３を、電気化学素子Ａによって生ずる排熱と水蒸気および二酸化炭素とを熱交換させ予熱する排熱利用部として動作させる構成とすることにより、エネルギー効率を高めることが出来る。
また、電力変換器９３は、電気化学素子Ａに電力を流通する。これにより、上記のように電気化学素子Ａは電解セルとして作用する。
よって、上記構成によれば、電気エネルギーを燃料等の化学的エネルギーに変換する効率を向上できる電気化学装置１００及びエネルギーシステムＺ等を提供することができる。
【０１９１】
（３）上記の実施形態では、電極層３１の材料として例えばＮｉＯ−ＧＤＣ、Ｎｉ−ＧＤＣ、ＮｉＯ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＹＳＺ、ＣｕＯ−ＣｅＯ2、Ｃｕ−ＣｅＯ2などの複合材を用い、対極電極層３３の材料として例えばＬＳＣＦ、ＬＳＭ等の複合酸化物を用いた。このように構成された電気化学素子Ａは、電極層３１に水素ガスを供給して燃料極（アノード）とし、対極電極層３３に空気を供給して空気極（カソード）とし、固体酸化物形燃料電池セルとして用いることが可能である。この構成を変更して、電極層３１を空気極とし、対極電極層３３を燃料極とすることが可能なように、電気化学素子Ａを構成することも可能である。すなわち、電極層３１の材料として例えばＬＳＣＦ、ＬＳＭ等の複合酸化物を用い、対極電極層３３の材料として例えばＮｉＯ−ＧＤＣ、Ｎｉ−ＧＤＣ、ＮｉＯ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＹＳＺ、ＣｕＯ−ＣｅＯ2、Ｃｕ−ＣｅＯ2などの複合材を用いる。このように構成した電気化学素子Ａであれば、電極層３１に空気を供給して空気極とし、対極電極層３３に水素ガスを供給して燃料極とし、電気化学素子Ａを固体酸化物形燃料電池セルとして用いることができる。
【０１９２】
（４）上述の実施形態では、第１板状体１と電解質層３２との間に電極層３１を配置し、電解質層３２からみて第１板状体１と反対側に対極電極層３３を配置した。電極層３１と対極電極層３３とを逆に配置する構成も可能である。つまり、第１板状体１と電解質層３２との間に対極電極層３３を配置し、電解質層３２からみて第１板状体１と反対側に電極層３１を配置する構成も可能である。この場合、電気化学素子Ａへの気体の供給についても変更する必要がある。
【０１９３】
すなわち、電極層３１と対極電極層３３の順や第１ガス、第２ガスのいずれが還元性成分ガス及び酸化性成分ガスの一方または他方であるかについては、電極層３１と対極電極層３３に対して第１ガス、第２ガスが適正に反応する形態で供給されるよう配置されていれば、種々形態を採用しうる。
【０１９４】
（５）また、上述の実施形態では、気体通流許容部１Ａを覆って電気化学反応部３を、第１板状体１の第２板状体２とは反対側に設けたが、第１板状体１の第２板状体２側に設けてもよい。すなわち、電気化学反応部３は内部流路Ａ１に配置される構成であっても本発明は成り立つ。
【０１９５】
（６）上記実施の形態では、第１貫通部４１、第２貫通部５１を長方形状の板状支持体の両端部に一対設ける形態としたが、両端部に設ける形態に限らず、また、2対以上設ける形態であってもよい。また、第１貫通部４１、第２貫通部５１は、対で設けられている必要はない。よって、第１貫通部４１、第２貫通部５１それぞれが、１個以上設けられることができる。
【０１９６】
さらに、板状支持体は長方形状に限らず、正方形状、円形状等種々形態を採用することができる。
【０１９７】
（７）上記では、電気化学モジュールＭは、絶縁性を有する絶縁体２１０などの機能層が設けられている。電気化学モジュールＭは、上記に示す機能層に加えて、あるいは、代えて別途の機能層を設けてもよい。
【０１９８】
（８）上記では、下蓋２０３と上蓋２０１とは溶接により結合している。しかし、下蓋２０３と上蓋２０１との結合は溶接に限られず、例えば、ボルト等により結合されてもよい。
【０１９９】
（９）また、上記では、上蓋２０１には開口２０１ｃが形成されており、下蓋２０３には開口２０３ｃが形成されている。しかし、開口２０１ｃ及び開口２０３ｃは形成されていなくてもよい。ただし、第１ガス供給部６１及び第１ガス排出部６２が外部と連通可能な開口は、上蓋２０１に形成されている。開口２０１ｃ及び開口２０３ｃが設けられていないため、電気化学素子積層体Ｓは、上蓋２０１及び下蓋２０３からなる容器２００内に収容された状態で、第１ガス供給部６１及び第１ガス排出部６２を介して電気化学素子積層体Ｓに第１ガスが通流され、第２ガス供給部７１及び第２ガス排出部７２を介して電気化学素子積層体Ｓに第２ガスが通流される。
【０２００】
なお、この場合、第１ガス供給部６１に連通して上蓋２０１から突出する供給用突出部が形成されていてもよい。同様に、第１ガス排出部６２に連通して上蓋２０１から突出する排出用突出部が形成されていてもよい。
【０２０１】
（１０）上記では、容器（第１挟持体、第２挟持体）２００により電気化学素子積層体Ｓを挟持している。しかし電気化学素子積層体Ｓが挟持できれば、容器２００を用いる必要はない。例えば、エンドプレート（第１挟持体、第２挟持体）等で電気化学素子積層体Ｓを挟持してもよい。
【０２０２】
（１１）第１、第２環状シール部４２，５２は、第１、第２貫通部４１、５１どうしを連通させてガスの漏洩を防止できる構成であれば形状は問わない。つまり、第１、第２環状シール部４２，５２は、内部に貫通部に連通する開口部を有する無端状の構成で、隣接する電気化学素子Ａどうしの間をシールする構成あればよい。第１、第２環状シール部４２，５２は例えば環状である。環状には、円形、楕円形、方形、多角形状等いかなる形状でもよい。
【０２０３】
（１２）上記では、板状支持体１０は、第１板状体１及び第２板状体２により構成されている。ここで、第１板状体１と第２板状体２とは、別体の板状体から構成されていてもよいし、図１９に示すように一の板状体から構成されていてもよい。図１９の場合、一の板状体が折り曲げられることで、第１板状体１と第２板状体２とが重ね合される。そして、周縁部１ａが溶接等されることで第１板状体１と第２板状体２とが一体化される。なお、第１板状体１と第２板状体２とは一連の継ぎ目のない板状体から構成されていてもよく、一連の板状体が折り曲げられることで図１９のように成型されてもよい。
【０２０４】
また、後述しているが、第２板状体２が一の部材から構成されていてもよいし、２以上の部材から構成されていてもよい。同様に、第１板状体１が一の部材から構成されていてもよいし、２以上の部材から構成されていてもよい。
【０２０５】
（１３）上記の第２板状体２は、第１板状体１とともに内部流路Ａ１を形成する。内部流路Ａ１は、分配部Ａ１２、複数の副流路Ａ１１、合流部Ａ１３を有している。分配部Ａ１２に供給された第１ガスは、図５に示すように、複数の副流路Ａ１１それぞれに分配して供給され、複数の副流路Ａ１１の出口で合流部Ａ１３において合流する。よって、第１ガスは、分配部Ａ１２から合流部Ａ１３に向かうガス流れ方向に沿って流れる。
【０２０６】
複数の副流路Ａ１１は、第２板状体２のうち分配部Ａ１２から合流部Ａ１３以外の部分を波板状に形成することで構成されている。そして、図９に示すように、複数の副流路Ａ１１は、第１ガスのガス流れ方向に交差する流れ交差方向での断面視において波板状に構成されている。このような複数の副流路Ａ１１は、図５に示すガス流れ方向に沿って波板が延びて形成されている。複数の副流路Ａ１１は、分配部Ａ１２と合流部Ａ１３との間で一連の波状の板状体から形成されていてもよいし、２以上の波状の板状体から構成されていてもよい。複数の副流路Ａ１１は、例えば、ガス流れ方向に沿う方向に沿って分離した２以上の波状の板状体から構成されていてもよいし、流れ交差方向に沿う方向に沿って分離した２以上の波状の板状体から構成されていてもよい。
【０２０７】
また、複数の副流路Ａ１１は、図９に示すように同一形状の山及び谷が繰り返し形成されることで波形に構成されている。しかし、第２板状体２は、複数の副流路Ａ１１が形成される領域において板状部分を有していてもよい。例えば、複数の副流路Ａ１１は、板状部分と突状部分とが交互に形成されることで構成されていてもよい。そして、突状部分を第１ガス等の流体が通流する部分とすることができる。
【０２０８】
（１４）上記の第２板状体２において複数の副流路Ａ１１に相当する部分は、全面が波板状に形成されている必要はなく、少なくとも一部が波板状に形成されていればよい。第２板状体２は、例えば、分配部Ａ１２と合流部Ａ１３との間において、ガス流れ方向の一部が平板状であり、残りが波板状であってもよい。また、第２板状体２は、流れ交差方向の一部が平板状であり、残りが波板状であってもよい。
【０２０９】
（１５）上記の内部流路Ａ１には、発電効率の向上が可能な構造体を設けることができる。このような構成について以下に説明する。上記実施形態と重複する部分は記載を簡略化するか省略する。
【０２１０】
（Ｉ）電気化学モジュールＭの具体的構成
次に、図２１〜図３８等を用いて、電気化学モジュールＭの具体的構成について説明する。電気化学モジュールＭには図４に示す電気化学素子積層体Ｓが含まれる。
ここで、図２１〜図３８等に示すように、電気化学素子積層体Ｓの積層方向は＋Ｚ方向及び−Ｚ方向（Ｚ方向）である。また、第１板状体１及び第２板状体２の間において第１ガスが第１ガス供給部６１側から第１ガス排出部６２側に通流する方向、同様に第１板状体１及び第２板状体２の間において第２ガスが第２ガス供給部７１側から第２ガス排出部７２側に通流する方向は、＋Ｚ方向及び−Ｚ方向（Ｚ方向）に交差する＋Ｘ方向及び−Ｘ方向（Ｘ方向）である。また、＋Ｚ方向及び−Ｚ方向（Ｚ方向）及び＋Ｘ方向及び−Ｘ方向（Ｘ方向）に交差する方向は、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向（Ｙ方向）である。そして、ＸＺ平面とＸＹ平面とＹＺ平面とは互いに概ね直交している。
【０２１１】
図４及び図２１等に示すように、電気化学モジュールＭは、供給路４を介して内部流路Ａ１に第１ガスを供給する第１ガス供給部６１と、反応後の第１ガスを排出する第１ガス排出部６２と、外部から通流部Ａ２に第２ガスを供給する第２ガス供給部７１と、反応後の第２ガスを排出する第２ガス排出部７２と、電気化学反応部３における電気化学反応に伴う出力を得る出力部８とを備え、容器２００内に、第２ガス供給部７１から供給される第２ガスを通流部Ａ２に分配供給する分配室９を備えている。
【０２１２】
これにより電気化学モジュールＭは、第１ガス供給部６１から燃料ガス（第１ガスという場合もある）を供給するとともに、第２ガス供給部７１から空気（第２ガスという場合もある）を供給することで、図４、図２１等の破線矢印に示すように燃料ガスが進入し実線矢印に示すように空気が進入する。
【０２１３】
第１ガス供給部６１から供給された燃料ガスは、電気化学素子積層体Ｓの最上部の電気化学素子Ａの第１貫通部４１より供給路４に誘導され、第１環状シール部４２により区画される供給路４より、すべての電気化学素子Ａの内部流路Ａ１に通流する。また第２ガス供給部７１から供給された空気は、分配室９に一時流入したのち、各電気化学素子Ａ間に形成される通流部Ａ２に通流する。本実施形態では、燃料ガスが内部流路Ａ１を板状支持体１０の平面に沿って通流する通流方向は、＋Ｘ方向から−Ｘ方向に向かう方向である。同様に、空気が通流部Ａ２を板状支持体１０の平面に沿って通流する通流方向は、＋Ｘ方向から−Ｘ方向に向かう方向である。
【０２１４】
ちなみに、第２板状体２（板状支持体１０の一部）を基準にすると、波板状の第２板状体２部分が第１板状体１（板状支持体１０の一部）から膨出する部分で第１板状体１と第２板状体２との間に内部流路Ａ１が形成されるとともに、隣接する電気化学素子Ａの電気化学反応部３に接触して電気接続可能にする。一方、波板状の第２板状体２が第１板状体１と接触する部分が第１板状体１と電気接続し、第２板状体２と隣接する電気化学素子Ａの電気化学反応部３との間に通流部Ａ２を形成する。
【０２１５】
図３７等の一部に内部流路Ａ１を含む断面の現れる電気化学素子Ａと、通流部Ａ２を含む断面の現れる電気化学素子Ａとを便宜的に並べて示す部分があるが、第１ガス供給部６１から供給された燃料ガスは、分配部Ａ１２に達し（図２１〜図２４等参照）、分配部Ａ１２を介して一端部側の幅方向に沿って広がって流れ、内部流路Ａ１のうち各副流路Ａ１１に達する（図２１〜図２４等参照）。
【０２１６】
ここで、図２１等に示すように、内部流路Ａ１は、分配部Ａ１２と、複数の副流路Ａ１１と、後述の合流部Ａ１３とを有している。また、内部流路Ａ１は、分配部Ａ１２と複数の副流路Ａ１１との間の供給バッファ部１４４と、複数の副流路Ａ１１と合流部Ａ１３との間の排出バッファ部１５４とを有している。
この内部流路Ａ１は、第１板状体１と第２板状体２とが対向する空間により形成されている。本実施形態では、第１板状体１は平板状であり、後述の気体通流許容部１Ａが形成されている。第２板状体２は、積層方向に対して上方向に突出する部分と、下方向に凹む部分とを有している。よって、第１板状体１と第２板状体２とが対向して組み合わされることで、第２板状体２の上方向に突出する部分が第１板状体１と当接する。そして、第２板状体２の下方向に凹む部分と第１板状体１とにより、分配部Ａ１２、供給バッファ部１４４、複数の副流路Ａ１１、排出バッファ部１５４及び合流部Ａ１３等の各部が仕切られた空間が形成される。
【０２１７】
後で詳述するが、燃料ガスの通流方向に沿う方向（＋Ｘ方向及び−Ｘ方向（Ｘ方向））において、分配部Ａ１２と複数の副流路Ａ１１との間に供給構造体１４０が設けられている。供給構造体１４０は、分配部Ａ１２に燃料ガスを一時的に貯留させ、分配部Ａ１２から複数の副流路Ａ１１への燃料ガスの供給を制限する。
また、燃料ガスの通流方向に沿う方向において、複数の副流路Ａ１１と合流部Ａ１３との間に排出構造体１５０が設けられている。排出構造体１５０は、複数の副流路Ａ１１から合流部Ａ１３への燃料ガスの排出を制限する。
【０２１８】
燃料ガスは、第１ガス供給部６１、第１環状シール部４２、第１貫通部４１等を通流し、各電気化学素子Ａの分配部Ａ１２に供給される。分配部Ａ１２に供給され燃料ガスは、供給構造体１４０によって分配部Ａ１２に一時的に貯留される。その後、燃料ガスは、分配部Ａ１２から複数の副流路Ａ１１に導入される。
各副流路Ａ１１に進入した燃料ガスは、各副流路Ａ１１を通流するとともに、気体通流許容部１Ａを介して電極層３１、電解質層３２に進入する。また、燃料ガスは、電気化学反応済みの燃料ガスとともに、さらに副流路Ａ１１を進む。複数の副流路Ａ１１の通流方向の終端にまで到達した燃料ガスは、排出構造体１５０により合流部Ａ１３への通流が部分的に制限された状態で、合流部Ａ１３に進む。合流部Ａ１３に進んだ燃料ガスは、合流部Ａ１３、第２貫通部５１、第２環状シール部５２等を通流する。そして、他の電気化学素子Ａからの電気化学反応済みの燃料ガスとともに第１ガス排出部６２より外に排出される。
【０２１９】
一方、第２ガス供給部７１から供給された空気は、分配室９を介して通流部Ａ２に進入し、対極電極層３３、電解質層３２に進入できる。また、空気は、電気化学反応済みの空気とともに、さらに電気化学反応部３に沿って通流部Ａ２を進み第２ガス排出部７２より外に排出される。
【０２２０】
この燃料ガス及び空気の流れに従って電気化学反応部３で生じた電力は、隣接する電気化学素子Ａの電気化学反応部３と第２板状体２との接触により集電体８１，８２どうしの間で直列に接続され、合成出力が出力部８より取り出される形態となる。
電気化学素子積層体Ｓの構成については、後で詳述する。
【０２２１】
（ＩＩ）内部流路及び第２板状体の構成
第１板状体１と第２板状体２とが対向して形成される内部流路Ａ１の構成についてさらに説明する。
本実施形態では、平板状の第１板状体１と、積層方向に沿って上方（＋Ｚ方向）に突出するように、あるいは、積層方向に沿って下方（−Ｚ方向）に凹むように凹凸に形成された第２板状体２とが互いに対向して組み合わされた内面に内部流路Ａ１が形成される。内部流路Ａ１には、分配部Ａ１２、供給バッファ部１４４、複数の副流路Ａ１１、排出バッファ部１５４及び合流部Ａ１３が含まれる。また、内部流路Ａ１には、第１ガスが通過する、供給通過部１４１（供給構造体１４０の一部）及び排出通過部１５１（排出構造体１５０の一部）も含まれる。
【０２２２】
なお、第１ガス供給部６１、第１環状シール部４２、第１貫通部４１等が設けられている供給路４側と、第１ガス排出部６２、第２環状シール部５２、第２貫通部５１等が設けられている排出路５側とは対称の構造である。図２２〜図２４、図２６〜図２９等においては、第１ガス排出部６２、第２環状シール部５２、第２貫通部５１等が設けられている排出路５側の断面図を示している。一方、図３０〜図３６等においては、第１ガス供給部６１、第１環状シール部４２、第１貫通部４１等が設けられている供給路４側の断面図を示している。そして、図２２〜図２４、図２６〜図２９等の排出路５側の断面図では、第１ガスは複数の副流路Ａ１１から合流部Ａ１３を経て第２貫通部５１等に排出される方向に通流する。一方、図３０〜図３６等の供給路４側の断面図では、第１ガスは第１貫通部４１等を経て分配部Ａ１２から複数の副流路Ａ１１に供給される方向に通流する。
【０２２３】
分配部Ａ１２は、各電気化学素子Ａに対応して設けられている。分配部Ａ１２は、供給路４側に設けられており、各電気化学素子Ａに第１ガスを供給するためのバッファ部である。また、分配部Ａ１２は、第１ガスの通流方向（＋Ｘ方向から−Ｘ方向に向かう方向）において、内部流路Ａ１のうち複数の副流路Ａ１１の上流側に設けられている。図２１、図３８等に示すように、分配部Ａ１２には、通流方向との交差方向（＋Ｙ方向及び−Ｙ方向（Ｙ方向））及び通流方向（＋Ｘ方向及び−Ｘ方向（Ｘ方向））の概ね中央部に、第２板状体２を貫通する第１貫通部４１が形成されている。第１ガスは、第１ガス供給部６１、第１環状シール部４２、第１貫通部４１等を通流し、各電気化学素子Ａの分配部Ａ１２に供給される。
【０２２４】
第１板状体１と第２板状体２とは、図２２〜図３６等に示すように、第１板状体１の縁部と第２板状体２の縁部とが周縁部１ａにおいて溶接されることで一体化されている。分配部Ａ１２は、周縁部１ａよりも積層方向の下方（−Ｚ方向）に凹むように第２板状体２を加工することで形成されている。さらに言えば、分配部Ａ１２は、供給阻止部１４２（供給構造体１４０の一部）において積層方向において位置が異なるように形成されている。つまり、図３３等に示すように、積層方向において、分配部Ａ１２の上面は供給阻止部１４２の上面よりも下方に位置する。そして、供給阻止部１４２の上面は第１板状体１の下面に当接している。これにより、分配部Ａ１２に導入された第１ガスは、積層方向の上方に突出する供給阻止部１４２により分配部Ａ１２からの排出が制限され、凹状に形成された分配部Ａ１２に一時的に貯留される。
【０２２５】
また、分配部Ａ１２は、上面視において、図２１等に示すように＋Ｙ方向及び−Ｙ方向（Ｙ方向）に長い。そして、分配部Ａ１２のＹ方向の長さは、Ｙ方向に間隔をおいて平行に並んで配置されている複数の副流路Ａ１１の領域のＹ方向の長さに対応している。
【０２２６】
第１ガスが通流する複数の副流路Ａ１１は、図２１〜図３８等に示すように、通流方向に沿って、つまり＋Ｘ方向及び−Ｘ方向（Ｘ方向）に沿って延びている。そして、複数の副流路Ａ１１は、前述の通り、Ｙ方向に間隔をおいて平行に並んで配置されている。第２板状体２は、図２１〜図３８等に示すように、複数の副流路Ａ１１それぞれを形成する複数の副流路形成部１６０と、隣接する副流路形成部１６０の間に設けられ、隣接する副流路Ａ１１それぞれを仕切る複数の仕切部１６１とを有している。図３７等に示すように、副流路形成部１６０は底面を有する凹状に形成されており、仕切部１６１の上面は副流路形成部１６０の底面よりも積層方向の上方に位置している。そして、仕切部１６１の上面は第１板状体１の下面に当接している。これにより、各副流路Ａ１１が分離されており、各副流路Ａ１１内それぞれを第１ガスが通流方向に沿って通流する。
【０２２７】
なお、副流路Ａ１１は、図２１等では、供給構造体１４０の近傍から排出構造体１５０の近傍まで、通流方向に沿って延びている。しかしこれに限定されず、副流路Ａ１１は、供給構造体１４０の近傍から排出構造体１５０の近傍までの一部にのみ形成されていてもよい。つまり、副流路Ａ１１を形成する副流路形成部１６０は、供給構造体１４０の近傍から排出構造体１５０の近傍までの一部にのみ配置されていてもよい。
【０２２８】
図３７、図３８に示すように、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向（Ｙ方向、通流方向と交差する交差方向）において、仕切部１６１の長さＬ３は副流路形成部１６０の長さＬ４より小さい（Ｌ３＜Ｌ４）。Ｌ３＜Ｌ４の場合、図３７等に示すように、仕切部１６１の上面と第１板状体１の下面との当接面積を小さくできる。つまり、気体通流許容部１Ａが形成された第１板状体１に面する副流路Ａ１１の空間を大きくでき、副流路Ａ１１から電気化学反応部３に向かう第１ガスの量を多くできる。
【０２２９】
第２板状体２は、図２１、図３０〜図３８等に示すように、通流方向に沿う方向（＋Ｘ方向及び−Ｘ方向（Ｘ方向））において、分配部Ａ１２と複数の副流路Ａ１１との間に供給構造体１４０を有している。供給構造体１４０は、分配部Ａ１２に第１ガスを一時的に貯留させるとともに、分配部Ａ１２から複数の副流路Ａ１１への第１ガスの供給を制限する。
【０２３０】
供給構造体１４０は、複数の供給通過部１４１及び複数の供給阻止部１４２を有している。供給通過部１４１は、第１ガスを分配部Ａ１２から複数の副流路Ａ１１に通過させる。供給阻止部１４２は、第１ガスの分配部Ａ１２から複数の副流路Ａ１１への通過を阻止する。図３２等に示すように、供給阻止部１４２の上面は供給通過部１４１の上面よりも積層方向の上方に位置しており、第１板状体１の下面に当接している。よって、分配部Ａ１２内の第１ガスは、供給阻止部１４２によって通流方向への通流が阻止される一方、供給通過部１４１を介して通流方向に通流し、複数の副流路Ａ１１へ流れる。
【０２３１】
本実施形態では、各供給阻止部１４２は、例えば図２１、図３８等に示すように概ね長方形状に形成されている。そして、長方形状の各供給阻止部１４２は、長辺が＋Ｙ方向及び−Ｙ方向（Ｙ方向）に沿うようにＹ方向に沿って配置されている。隣接する供給阻止部１４２の間に供給通過部１４１が設けられている。つまり、供給通過部１４１は、隣接する供給阻止部１４２の短辺が対向する区間に設けられている。
【０２３２】
図３８に示すように、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向（Ｙ方向、通流方向と交差する交差方向）において、供給阻止部１４２の長さＬ２は供給通過部１４１の長さＬ１よりも大きい（Ｌ２＞Ｌ１）。また、供給通過部１４１の長さＬ１は、仕切部１６１の長さＬ３より小さいのが好ましい（Ｌ１＜Ｌ３）。これにより、分配部Ａ１２から供給通過部１４１を介して押し出された第１ガスを仕切部１６１の＋Ｘ方向側の端部に衝突させることでき、後述の供給バッファ部１４４に一時的に貯留させることができる、
Ｌ１とＬ２との関係は、例えば、分配部Ａ１２に単位時間に供給される第１ガスの量、複数の副流路Ａ１１に単位時間に供給すべき第１ガスの量、供給阻止部１４２の数、仕切部１６１のＹ方向の長さＬ３、副流路Ａ１１のＹ方向の長さＬ４等によって決まる。
【０２３３】
上述の通り、各副流路Ａ１１は各仕切部１６１によって仕切られている。通流方向（＋Ｘ方向及び−Ｘ方向（Ｘ方向））において、供給通過部１４１には、複数の仕切部１６１のうちいずれかの仕切部１６１が対応して配置されている。
また、通流方向において、供給阻止部１４２には、複数の副流路Ａ１１のうち少なくとも１つの副流路Ａ１１が対応して配置されている。
【０２３４】
ここで、第１ガスは、分配部Ａ１２から供給通過部１４１を経て複数の副流路Ａ１１に導かれる。上記構成によれば、通流方向において供給通過部１４１にはいずれかの仕切部１６１が対応して配置されているため、分配部Ａ１２から供給通過部１４１に押し出された第１ガスは、通流方向に沿って進むことで積層方向の上方に突出している仕切部１６１に衝突する。仕切部１６１との衝突によって、第１ガスは通流方向と交差する交差方向に進む。つまり、分配部Ａ１２から供給通過部１４１を経て通流してきた第１ガスは、即座に複数の副流路Ａ１１に導入されるのではなく、副流路Ａ１１の手前で仕切部１６１と衝突して交差方向に進む。さらに、交差方向に進んだ第１ガスは、積層方向の上方に突出している供給阻止部１４２によって分配部Ａ１２に戻らず、供給構造体１４０と複数の副流路Ａ１１との間で一時的に貯留される。その後、第１ガスは、分配部Ａ１２からの押し出しに沿って、複数の副流路形成部１６０が形成する複数の副流路Ａ１１に導入される。
なお、第１ガスが供給構造体１４０と複数の副流路Ａ１１との間で一時的に貯留される領域が、供給バッファ部１４４である。
【０２３５】
本実施形態では、通流方向において、１つの供給通過部１４１に対応して１つの仕切部１６１が配置されている。しかし、これに限定されず、１つの供給通過部１４１に対応して複数の仕切部１６１が配置されていてもよい。また、１つの供給通過部１４１に対応して仕切部１６１が配置されておらず、別の１つの供給通過部１４１に対応して仕切部１６１が配置されていてもよい。
【０２３６】
また、通流方向において、第１貫通部４１に対応して供給阻止部１４２が設けられている。これにより、第１貫通部４１から分配部Ａ１２に導入された第１ガスが即座に複数の副流路Ａ１１に向かうのを抑制できる。よって、分配部Ａ１２に第１ガスを一時的に貯留可能である。
【０２３７】
供給阻止部１４２の数は、これに限定されないが、例えば２個以上である。また、複数の副流路Ａ１１の数に応じて供給阻止部１４２の数が設定されるのが好ましい。
また、供給阻止部１４２は、上記では、通流方向の交差方向に一列に配置されている。しかし、第１ガスを分配部Ａ１２に一時的に貯留し、複数の副流路Ａ１１に概ね均一に第１ガスを供給できるのであれば、この配置に限定されない。例えば、複数の供給阻止部１４２は、交差方向からずれて配置されてもよい。また、複数の供給阻止部１４２が交差方向に沿って、あるいは交差方向からずれて配置されてもよい。
また、上記では、供給阻止部１４２は長方形状である。しかし、分配部Ａ１２から複数の副流路Ａ１１に均一にガスを供給できるのであれば、供給阻止部１４２の形状はこれに限定されない。例えば、供給阻止部１４２は、正方形状、円形状、楕円形状、三角形状など種々の形状に形成されていてもよい。
【０２３８】
また、これに限定されないが、図２１、図３８等の上記実施形態に示すように、複数の供給阻止部１４２のうち２つは、分配部Ａ１２の＋Ｙ方向の端部及び−Ｙ方向の端部に対応する位置にそれぞれ設けられているのが好ましい。第１ガスは、分配部Ａ１２の第１貫通部４１から分配部Ａ１２の空間を広がるように分配部Ａ１２に行き亘り、分配部Ａ１２の端面に衝突する。よって、分配部Ａ１２の端面に衝突した第１ガスは、端面で方向を変えて複数の副流路Ａ１１に向かって流れる場合がある。よって、分配部Ａ１２の端部に対応する位置に供給阻止部１４２を設けておくことで、分配部Ａ１２から複数の副流路Ａ１１に即座に第１ガスが流れ出るのを抑制できる。これにより、後述の通り、分配部Ａ１２から各副流路Ａ１１に概ね均一に第１ガスを供給できる。
【０２３９】
次に、合流部Ａ１３及び排出構造体１５０について説明する。合流部Ａ１３及び排出構造体１５０は、それぞれ分配部Ａ１２及び供給構造体１４０と同様の構成である。
合流部Ａ１３は、排出路５側に設けられており、複数の副流路Ａ１１を通流した第１ガスを排出するためのバッファ部である。合流部Ａ１３は、第１ガスの通流方向において、内部流路Ａ１のうち複数の副流路Ａ１１の下流側に設けられている。図２１、図３８等に示すように、合流部Ａ１３には、通流方向及びその交差方向の概ね中央部に、第２板状体２を貫通する第２貫通部５１が形成されている。複数の副流路Ａ１１を通過した第１ガスは、合流部Ａ１３に導入され、第２貫通部５１、第２環状シール部５２、第１ガス排出部６２等を介して外部に排出される。
【０２４０】
また、合流部Ａ１３は、排出阻止部１５２（排出構造体１５０の一部）において積層方向において位置が異なるように形成されている。つまり、図２６等に示すように、積層方向において、合流部Ａ１３の上面は排出阻止部１５２の上面よりも下方に位置する。そして、排出阻止部１５２の上面は第１板状体１の下面に当接している。これにより、複数の副流路Ａ１１から合流部Ａ１３に向かった第１ガスは、積層方向の上方に突出した排出阻止部１５２により合流部Ａ１３への排出が制限され、複数の副流路Ａ１１に一時的に貯留される。
【０２４１】
また、合流部Ａ１３は、上面視において、図２１等に示すように＋Ｙ方向及び−Ｙ方向（Ｙ方向）に長い。そして、合流部Ａ１３のＹ方向の長さは、Ｙ方向に間隔をおいて平行に並んで配置されている複数の副流路Ａ１１の領域のＹ方向の長さに対応している。
【０２４２】
第２板状体２は、図２１、図２５〜図２９、図３８等に示すように、通流方向に沿う方向（＋Ｘ方向及び−Ｘ方向（Ｘ方向））において、複数の副流路Ａ１１と合流部Ａ１３との間に排出構造体１５０を有している。排出構造体１５０は、複数の副流路Ａ１１から合流部Ａ１３への第１ガスの排出を制限する。
【０２４３】
排出構造体１５０は、複数の排出通過部１５１及び複数の排出阻止部１５２を有している。排出通過部１５１は、第１ガスを複数の副流路Ａ１１から合流部Ａ１３に通過させる。排出阻止部１５２は、第１ガスの複数の副流路Ａ１１から合流部Ａ１３への通過を阻止する。図２６等に示すように、排出阻止部１５２の上面は排出通過部１５１の上面よりも積層方向の上方に位置しており、第１板状体１の下面に当接している。よって、複数の副流路Ａ１１内の第１ガスは、排出阻止部１５２によって通流方向への通流が阻止される一方、排出通過部１５１を介して通流方向に通流し、合流部Ａ１３へ流れる。
【０２４４】
本実施形態では、排出阻止部１５２は、供給阻止部１４２と同様に、例えば図２１、図３８等に示すように概ね長方形状に形成されている。そして、長方形状の各排出阻止部１５２は、長辺が＋Ｙ方向及び−Ｙ方向（Ｙ方向）に沿うようにＹ方向に沿って配置されている。隣接する排出阻止部１５２の間に排出通過部１５１が設けられている。つまり、排出通過部１５１は、隣接する排出阻止部１５２の短辺が対向する区間に設けられている。
【０２４５】
図３８に示すように、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向（Ｙ方向、通流方向と交差する交差方向）において、排出阻止部１５２の長さＬ１２は排出通過部１５１の長さＬ１１よりも大きい（Ｌ１２＞Ｌ１１）。また、排出阻止部１５２の長さＬ１２は副流路形成部１６０の長さＬ４より大きいのが好ましい（Ｌ１２＞Ｌ３）。これにより、複数の副流路Ａ１１から合流部Ａ１３に向かう第１ガスを排出阻止部１５２に衝突させることでき、後述の排出バッファ部１５４に一時的に貯留させることができる、
Ｌ１１とＬ１２との関係は、例えば、複数の副流路Ａ１１に単位時間に供給される第１ガスの量、合流部Ａ１３から単位時間に排出すべき第１ガスの量、排出阻止部１５２の数、仕切部１６１のＹ方向の長さＬ３、副流路Ａ１１のＹ方向の長さＬ４等によって決まる。
【０２４６】
通流方向において、排出阻止部１５２には、複数の副流路Ａ１１のうち少なくとも１つの副流路Ａ１１が対応して配置されている。
また、通流方向において、排出通過部１５１には、複数の仕切部１６１のうちいずれかの仕切部１６１が対応して配置されている。
【０２４７】
上記構成によれば、複数の副流路Ａ１１から押し出された第１ガスは、通流方向に沿って進むことで積層方向の上方に突出している排出阻止部１５２に衝突する。排出阻止部１５２との衝突によって、第１ガスは通流方向と交差する交差方向に進む。つまり、複数の副流路Ａ１１から通流してきた第１ガスは、即座に合流部Ａ１３に導入されるのではなく、合流部Ａ１３の手前で排出阻止部１５２と衝突して交差方向に進む。その後、第１ガスは、複数の副流路Ａ１１からの押し出しに沿って、排出通過部１５１を通過して合流部Ａ１３に導入される。
なお、第１ガスが複数の副流路Ａ１１と排出構造体１５０との間で一時的に貯留される領域が、排出バッファ部１５４である。
【０２４８】
また、通流方向において、第２貫通部５１に対応して排出阻止部１５２が設けられている。これにより、複数の副流路Ａ１１を通流した第１ガスが即座に合流部Ａ１３に導入され、第２貫通部５１から排出されるのを抑制できる。よって、複数の副流路Ａ１１に第１ガスを一時的に貯留可能である。
【０２４９】
排出通過部１５１及び排出阻止部１５２の形状、大きさ、配置、数等は、供給通過部１４１及び供給阻止部１４２と同様である。例えば、図３８において、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向（Ｙ方向、通流方向と交差する交差方向）における、排出阻止部１５２の長さＬ１２及び排出通過部１５１の長さＬ１１は、上述の供給阻止部１４２の長さＬ１及び供給通過部１４１の長さＬ２と同一である。
ただし、排出通過部１５１及び排出阻止部１５２の形状、大きさ、配置、数等は、供給通過部１４１及び供給阻止部１４２と異ならせてもよい。例えば、排出通過部１５１の大きさを供給通過部１４１よりも大きくしてもよい。これにより、分配部Ａ１２から複数の副流路Ａ１１に第１ガスを供給する際の供給圧よりも、複数の副流路Ａ１１から合流部Ａ１３への排出圧を小さくしてもよい。分配部Ａ１２から複数の副流路Ａ１１にある程度の供給圧で第１ガスを供給して複数の副流路Ａ１１間での流れ分布を一定にしつつ、第１ガスを排出する際にはスムーズに合流部Ａ１３に導入できる。
【０２５０】
（ａ）供給構造体及び排出構造体の作用
（ａ１）供給構造体の作用
次に、供給構造体１４０の作用について説明する。
上記構成の供給構造体１４０の供給阻止部１４２は、分配部Ａ１２と複数の副流路Ａ１１との間に設けられており、分配部Ａ１２から複数の副流路Ａ１１への第１ガスの流れの障壁となる。よって、分配部Ａ１２から複数の副流路Ａ１１に通流する際の第１ガスの圧力損失が高くなり、分配部Ａ１２に導入された第１ガスは分配部Ａ１２に充満するように行き亘り、一時的に貯留される。そのため、分配部Ａ１２内全体が概ね均一な圧力（均圧）となる。つまり、分配部Ａ１２と複数の副流路Ａ１１それぞれとの差圧が略同一となる。その上で、分配部Ａ１２から供給通過部１４１を介して複数の副流路Ａ１１に第１ガスが供給されるため、第１ガスが各副流路Ａ１１に概ね均圧な状態で供給される。これにより、各副流路Ａ１１間において、通流方向に沿う第１ガスの流れ分布（流速、流量及び圧力等）が概ね均一となる。
また、第１ガスは、分配部Ａ１２から複数の副流路Ａ１１に分かれて流れる。このように複数の流路に分かれて流れることによる整流作用によっても、第１ガスは、複数の流路が形成されていない内部流路を流れる場合に比べて、流れ分布（流速、流量及び圧力等）が概ね一定となる。
【０２５１】
以上の通り、各副流路Ａ１１間において、通流方向に沿う第１ガスの流れ分布が概ね均一となる。例えば、各副流路Ａ１１間において通流方向のある一の位置を見た場合、当該一の位置に交差する交差方向では、各副流路Ａ１１の第１ガスの流速、流量及び圧力等が概ね一定である。これにより、電気化学反応部３において、第１ガスが不足する部分と、過剰に第１ガスが通流される部分との差を小さくし、電気化学素子Ａ全体における第１ガスの利用率を向上して電気化学反応の反応効率を向上できる。
【０２５２】
なお、上記の分配部Ａ１２、複数の副流路Ａ１１及び供給構造体１４０等の構成を採用しない場合、各副流路Ａ１１における第１ガスの流れ分布が異なり、ある副流路Ａ１１では第１ガスの流速が速く、別の副流路Ａ１１では第１ガスの流速が遅くなる場合がある。第１ガスの流速が遅い副流路Ａ１１では電気化学反応により第１ガスが消費され、第１ガスが不足する。これにより、第１ガスの濃度が低下してしまい、電気化学反応部３の電極層が酸化劣化し、電極性能や機械的強度が低下する恐れがある。一方、第１ガスの流速が速い副流路でＡ１１は第１ガスが電気化学反応において消費される前に排出される。つまり、第１ガスが水素等の燃料ガスである場合には、濃度が高いままの第１ガスが排出され、燃料利用率が低下する。ここで、第１ガスの流速が遅い副流路Ａ１１における第１ガスの不足に対して、各副流路Ａ１１に供給する第１ガスの供給量を増加させることも考えられる。しかし、この場合、第１ガスの流速が速い副流路Ａ１１では、電気化学反応において消費される前に排出される第１ガスの量がさらに増加し、燃料利用率がさらに低下してしまう。これらのことから、各副流路Ａ１１での第１ガスの流れ分布が異なる場合には、電気化学反応の反応効率が低下し、発電効率が低下してしまう。
（ａ２）排出構造体の作用
次に、排出構造体１５０の作用について説明する。
上記構成によれば、分配部Ａ１２から複数の副流路Ａ１１に第１ガスを概ね均一な流れ分布で供給するための供給構造体１４０だけでなく、複数の副流路Ａ１１から第１ガスを合流部Ａ１３に合流させる部分に排出構造体１５０が設けられている。複数の副流路Ａ１１が供給構造体１４０と排出構造体１５０とに挟まれているため、複数の副流路Ａ１１内での第１ガスの流れ分布（流速、流量及び圧力等）を概ね均一にしつつ、電気化学反応の反応効率を向上できる。
より具体的に説明すると、上記構成の排出構造体１５０の排出阻止部１５２は、複数の副流路Ａ１１と合流部Ａ１３との間に設けられており、副流路Ａ１１から合流部Ａ１３への第１ガスの流れの障壁となる。よって、複数の副流路Ａ１１から合流部Ａ１３に通流する際の第１ガスの圧力損失が高くなる。そのため、複数の副流路Ａ１１に導入された第１ガスは、複数の副流路Ａ１１から即座に合流部Ａ１３に導入されにくく、複数の副流路Ａ１１に充満するように行き亘る。これにより、各副流路Ａ１１間において、通流方向に沿う第１ガスの流れ分布（流速、流量及び圧力等）を概ね均一にできる。また、第１ガスが複数の副流路Ａ１１に充満するように行き亘るため、複数の副流路Ａ１１内において電気化学反応が十分に行われる。これらにより、電気化学反応の反応効率を向上できる。
【０２５３】
（１６）上記実施形態において、電気化学装置は、複数の電気化学素子Ａを備える電気化学モジュールＭを備えている。しかし、上記実施形態の電気化学装置は１つの電気化学素子を備える構成にも適用可能である。
【符号の説明】
【０２５４】
１        ：第１板状体
１Ａ      ：気体通流許容部
２        ：第２板状体
３        ：電気化学反応部
９        ：分配室
１０      ：板状支持体
３１      ：電極層
３２      ：電解質層
３３      ：対極電極層
４１      ：第１貫通部
４２      ：第１環状シール部
５１      ：第２貫通部
５２      ：第２環状シール部
９０      ：乱流形成体
９１      ：乱流形成部
１００    ：電気化学装置
２００    ：容器
２０１    ：上蓋
２０３    ：下蓋
２１０    ：絶縁体
２３０    ：プレート
Ａ        ：電気化学素子
Ａ        ：第１電気化学素子
Ａ        ：第２電気化学素子
Ａ１      ：内部流路
Ａ１１    ：副流路
Ａ１２    ：分配部
Ａ１３    ：合流部
Ａ２      ：通流部
Ｍ        ：電気化学モジュール
Ｓ        ：電気化学素子積層体
Ｚ        ：エネルギーシステム
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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