(57)【要約】      （修正有）【課題】セルの反りや変形に起因するセル割れを防止してガスリーク発生率を低減し、保持ピースの水平面を保持して積層時のセル間ピッチバラツキを低減する。【解決手段】一対の主面１０ａ、１０ｂと側面１０ｃとを有する板状のセラミックス製電気化学セル１０、及びセルを保持する板状の保持ピース２１を設ける。セルが、第１のガスと接触する第１の電極１６、固体電解質、及び第２のガスと接触する第２の電極２Ａを備える。第１のガスを流すガス流路７が第１の電極１６の内部に形成される。ガスの供給と排出との一方を行うためのガス流通孔３、４が形成される。保持ピースは、貫通孔２６が設けられている本体部分２７、及び本体部分から突出する一対の突出部２２とを備える。突出部間の空間２３と貫通孔とを連通する連通孔２４がある。セルが一対の突出部によって挟まれ、セルのガス流通孔と保持ピースの連通孔とが連通する。【選択図】図６
2010199059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に燃料ガスの内部流路が形成されるとともに前記燃料ガスと接触する燃料側電極と、固体電解質と、酸素を含むガスと接触する酸素側電極とを備えるとともに上下一対の主面と側面とを有する板状の複数の固体酸化物形燃料電池のセルと、
前記複数のセルを隣り合う２つの前記セルが上下方向に離間した状態で積み重なるように保持する保持部材であって外部から前記各セルの前記内部流路に前記燃料ガスをそれぞれ供給するための燃料供給路を内部に有する保持部材と、
を備え、前記隣り合う２つのセルの間に形成された空間が前記酸素を含むガスの流路として使用される固体酸化物形燃料電池のスタック構造体であって、
前記各セルの前記側面には、前記燃料供給路から前記燃料ガスが流入する流入口と前記燃料ガスが流出する流出口とが形成され、
前記保持部材は、各セルをそれぞれ保持する複数の保持ピースを備え、
前記各保持ピースは、上下方向に貫通する貫通孔が形成された本体部分と、前記本体部分から横方向に突出するとともに上下方向に離間した状態で互いに向き合う一対の突出部とを備えるとともに、前記一対の突出部の間に形成された空間と前記貫通孔とを連通する連通孔が形成されていて、
前記各セルの外縁部における前記流入口に対応する部分がシール材を介して前記保持ピースの前記一対の突出部により挟持されることで、前記流入口が外部から塞がれるとともに前記流入口と前記連通孔とが連通し、前記複数の保持ピースが上下方向に積層されて複数の前記貫通孔が上下方向に連通することで、上下方向に延びる前記燃料供給路が形成され、前記燃料供給路は、上下方向からみて前記各セルの外側に位置する、固体酸化物形燃料電池のスタック構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造体において、
前記一対の突出部が前記本体部分から横方向に突出する長さ（Ｌ）に対する、前記一対の突出部が上下方向に離間する距離（Ｈ２）から前記セルの外縁部の厚さ（Ｈ１）を減じた値（Ｈ２−Ｈ１）の割合（（Ｈ２−Ｈ１）／Ｌ）が０．００１〜０．５である、固体酸化物形燃料電池のスタック構造体。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造体において、
上下方向からみて前記各セルの輪郭において第１の直線部分が存在し、前記各保持ピースは、前記各セルの外縁部における前記第１の直線部分に対応する部分の一部であって且つ前記流入口に対応する部分を挟持するように構成された、固体酸化物形燃料電池のスタック構造体。
【請求項４】
請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造体において、
上下方向からみて前記各セルの輪郭において前記第１の直線部分と平行な第２の直線部分が存在し、
前記各セルの外縁部における前記第２の直線部分に対応する部分の一部であって且つ前記流出口に対応する部分が前記シール材を介して前記保持ピースの前記一対の突出部により挟持されることで、前記流出口が外部から塞がれるとともに前記流出口と前記連通孔とが連通し、前記複数の保持ピースが上下方向に積層されて複数の前記貫通孔が上下方向に連通することで、前記各セルの前記内部流路から外部へ前記燃料ガスをそれぞれ排出するための上下方向に延びる燃料排出路が前記保持部材の内部に形成され、前記燃料排出路は、上下方向からみて前記各セルの外側に位置する、固体酸化物形燃料電池のスタック構造体。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造体において、
前記シール材は、固体酸化物形燃料電池の作動温度よりも低い第１軟化点を有するガラスを含んで構成された、固体酸化物形燃料電池のスタック構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池などの電気化学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（セル）１枚当たりの電圧は１Ｖ程度であるので、大出力を得るには燃料電池を複数枚積層(スタック)しなければならない。そこで、いかに安定した構造で積層数を増やし大出力を得ることができるかが問題となってくる。
【０００３】
特許文献１の特に図１４では、セラミック製電気化学セルの例えば燃料極の内部に燃料流路を形成し、燃料極の上に固体電解質膜、空気極膜を形成する。そしてセルそのものにガス供給孔とガス排出孔とを設け、セルを直接に複数枚積層してスタックを形成する。このスタック形成の際、隣接する各セルのガス供給孔を連続させてガス供給路を形成し、各セルのガス排出孔を連続させることでガス排出路を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ  ２００７／０２９８６０  Ａ１
【特許文献２】ＰＣＴ  ＪＰ２００８／０５６６３６
【特許文献３】特願２００７−３２４５０８
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ＳＯＦＣ研究会、平成１８年１２月５日発行  「第１５回  ＳＯＦＣ研究発表会  講演要旨集」  第２１２〜２１５ページ  「流路内蔵セル・スタックの発電特性」
【発明の概要】
【０００６】
特許文献１記載のようなスタック（集合電池）では、ガス流路を内部に持つセルを固定部材に取り付け、これらをスタックする。しかし、この構造を備えたセルは構造部材としての役割も有するので、応力が加わりやすい。特にガス流路を内部に持つセルはガス流路を持たないセルよりも構造強度が弱いことから、セルに応力が加わらない構造が望ましい。
【０００７】
本出願人は、特許文献２、非特許文献１において、電気化学セルの内部に燃料ガス流路を形成し、複数の電気化学セルを互いに離間された状態でガス供給部材及びガス排出部材によって支持することを開示した。平板状セルを積層してスタックするのに際しては、セル間にリング状の連結部材を介在させ、連結部材とセルとを交互に積層することによって、燃料ガスあるいは酸化ガス用の流路を形成する。
【０００８】
また、本出願人は、特許文献３において、インターコネクタの中に各流路内蔵セルを収容し、この状態で複数のインターコネクタを積層してスタックを作ることを開示した。各セルの表面に導電部を形成し、各セルの導電部を、隣接するインターコネクタに対して電気的に直列接続する。平板状セルを積層してスタックするのに際しては、セル間にリング状の連結部材を介在させ、連結部材とセルとを交互に積層することによって、燃料ガスあるいは酸化ガス用の流路を形成する。
【０００９】
しかし、多数のセルを積層し、スタック化し、例えば８００°Ｃのような高温で稼働させると、一部のセルが割れ、単位体積当たりの出力が低下することがあった。これは、セルが反ったり、変形したりしたときに、一部のセル、特にスタックの下側のセルに部分的に過大な応力が加わり、微細な割れや剥離が発生し、ガスリークをもたらして発電出力を低下させるものと思われる。これに加え、セルが反ると連結部材の上下面の水平が確保できなくなるため、セル間の距離が一定に保てない問題があった。
【００１０】
本発明の課題は、セラミック製の電気化学セル（特に、固体酸化物形燃料電池のセル）をスタック化して稼働させるときに、セルの反りや変形に起因するガスリーク発生率を低減し、連結部材の水平面を確保してセル間ピッチバラツキを低減することである。
【００１１】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造体は、内部に燃料ガスの内部流路が形成されるとともに前記燃料ガスと接触する燃料側電極と、固体電解質と、酸素を含むガスと接触する酸素側電極とを備えるとともに上下一対の主面と側面とを有する板状の複数の固体酸化物形燃料電池のセルと、前記複数のセルを隣り合う２つの前記セルが上下方向に離間した状態で積み重なるように保持する保持部材であって外部から前記各セルの前記内部流路に前記燃料ガスをそれぞれ供給するための燃料供給路を内部に有する保持部材と、を備える。そして、前記隣り合う２つのセルの間に形成された空間が前記酸素を含むガスの流路として使用される。
【００１２】
前記各セルの前記側面には、前記燃料供給路から前記燃料ガスが流入する流入口と前記燃料ガスが流出する流出口とが形成される。前記保持部材は、各セルをそれぞれ保持する複数の保持ピースを備える。前記各保持ピースは、上下方向に貫通する貫通孔が形成された本体部分と、前記本体部分から横方向に突出するとともに上下方向に離間した状態で互いに向き合う一対の突出部とを備えるとともに、前記一対の突出部の間に形成された空間と前記貫通孔とを連通する連通孔が形成されている。
【００１３】
前記各セルの外縁部における前記流入口に対応する部分がシール材を介して前記保持ピースの前記一対の突出部により挟持されることで、前記流入口が外部から塞がれるとともに前記流入口と前記連通孔とが連通している。加えて、前記複数の保持ピースが上下方向に積層されて複数の前記貫通孔が上下方向に連通することで、上下方向に延びる前記燃料供給路が形成されている。この燃料供給路は、上下方向からみて前記各セルの外側に位置している。
【００１４】
セルと連結部品とを交互に積層することで一連のガス供給路、排出路を形成する方法（図７、図３２等を参照）では、或るセルの上に存在する全てのセルの荷重が累積されてそのセルに加わる。従って、下の段になればなるほど、セルに加わる累積荷重が大きくなる。特に、セルが反ったとき、そのセルの反りが連結部品を介して上下のセルに対して直接働く。即ち、連結部品の上下面が水平から傾き、この傾きによりセルには不均等な荷重が加わる。しかもその不均等の度合いは、下段のセルほど大きくなる。このため下の段になればなるほど、セル割れや接合面（セルと連結部品との間の接合面）の剥離の発生率が高くなる。
【００１５】
これに対して、本発明では、セル荷重が保持ピースの積層体である保持部材で受けられ、各セルは対応する保持ピースの一対の突出部によって保持される。そして、隣接するセルが互いに接触しないように配置される。なお、スタック全体の燃料供給路（及び、燃料排出路）は、保持部材の内部（セルの外側）に形成される。従って、多数のセルがスタックされた状態で、上の段のセルの荷重が下の段のセルに作用しない。この結果、セル割れの発生率が低減し、これに伴ってセルの反りや変形に起因するリーク発生率も低減する。
【００１６】
特に、セルは保持ピースの一対の突出部によって保持されているので、セルが反ったときでも、保持ピースの上下面の水平が確保され得る。このため、セル間距離は保持ピースの厚さによって規定され得る。一部のセルの反りがスタック全体に影響することが少なくて、セル間ピッチバラツキを低減できる。このように、本発明では、或るセルの上の段の全てのセルの荷重が累積されてそのセルに加わることがない。加えて、セルが反ったときにもリーク発生率を大きく低減できる。更には、保持ピースの上下面の水平が確保できるため、セル間ピッチバラツキが低減できる。
【００１７】
また、本発明では、保持部材が複数の保持ピースにセル毎に分割されている。従って、各セルに対して保持ピースを取り付けた後、保持ピースを積層することでスタック構造体が作製され得る。この結果、スタック構造体の作製前に、ガスの漏れを検出する試験（ガスリーク試験）が、保持ピースが取り付けられたセル毎に個別に実行され得る。従って、スタック構造体の作製前に、ガス漏れが発生しているセル（不良品）が発見され得、その不良品をガス漏れが発生していないセル（良品）と予め交換することができる。
【００１８】
これに対し、複数のセルに対して共通の連続した保持部材が採用される場合、この保持部材に対して複数のセルがそれぞれ取り付けられることでスタック構造体が作製され得る。この場合、スタック構造体の作製後でないと、ガスリーク試験が実行され得ない。換言すれば、スタック構造体の作製前では、不良品が発見され得ず、従って、不良品を良品と交換することができない。このように、本発明に係るスタック構造体では、複数のセルに対して共通の連続した保持部材が採用される場合に比して、ガスリーク試験が容易に実行され得、且つ、不良品を良品と交換することが容易となる。
【００１９】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造体では、前記一対の突出部が前記本体部分から横方向に突出する長さ（Ｌ）に対する、前記一対の突出部が上下方向に離間する距離（Ｈ２）から前記セルの外縁部の厚さ（Ｈ１）を減じた値（Ｈ２−Ｈ１）の割合（（Ｈ２−Ｈ１）／Ｌ、図２７を参照）が０．００１〜０．５であることが好適である。
【００２０】
これによれば、各セルの挟持箇所が、保持ピースの一対の突出部により確実に保持されつつ、同一対の突出部に対して相対的に或る程度自由に回動し得る。従って、複数のセルの一部又は全部に対して反りが発生している場合であっても、積層された複数の保持ピースの上下面のそれぞれが水平に維持され得る。この結果、スタック構造体の作製前、或いはスタック構造体の作製後においてセルに反りが発生している場合においても、セルが確実に保持されつつ、保持ピースの上下面の水平からの傾きに起因するリーク発生率の増大を抑制できる。
【００２１】
また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造体では、上下方向からみて前記各セルの輪郭において第１の直線部分が存在し、前記各保持ピースは、前記各セルの外縁部における前記第１の直線部分に対応する部分の一部であって且つ前記流入口に対応する部分を挟持するように構成されることが好適である。これによれば、前記各保持ピースが前記各セルの外縁部における前記第１の直線部分に対応する部分全域を挟持する場合に比して、セルの外縁部と保持ピースの突出部との接触面積が小さくされ得る。この結果、セルの反りや変形に起因するガスリーク発生率が低減される。
【００２２】
この場合、各セルの外縁部における流入口に対応する部分のみが保持ピースにより挟持され各セルの外縁部における流出口に対応する部分が保持ピースにより挟持されない構造（即ち、流出口が外部解放された、所謂、片持ち梁の構造）が採用されてもよい。しかしながら、この構造では、各セルの自重により、各セルの挟持箇所が比較的大きな曲げ応力を受け易い。
【００２３】
これに対し、上下方向からみて前記各セルの輪郭において前記第１の直線部分と平行な第２の直線部分が存在する場合、前記各セルの外縁部における前記第２の直線部分に対応する部分の一部であって且つ前記流出口に対応する部分が前記シール材を介して前記保持ピースの前記一対の突出部により挟持されることで、前記流出口が外部から塞がれるとともに前記流出口と前記連通孔とが連通し、前記複数の保持ピースが上下方向に積層されて複数の前記貫通孔が上下方向に連通することで、前記各セルの前記内部流路から外部へ前記燃料ガスをそれぞれ排出するための上下方向に延びる燃料排出路が前記保持部材の内部に形成され、前記燃料排出路は、上下方向からみて前記各セルの外側に位置することが好適である。
【００２４】
これによれば、各セルの外縁部における互いに向かい合う位置にある流入口・流出口に対応するそれぞれの部分が保持ピースにより挟持されて、各セルに対して一対の保持ピースによる両持ち梁の構造が得られる。従って、各セルの自重により各セルの挟持箇所が受ける曲げ応力が両側に分散され、各セルの挟持箇所が受ける曲げ応力を低減できる。
【００２５】
また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造体では、前記シール材は、固体酸化物形燃料電池の作動温度よりも低い第１軟化点を有するガラスを含んで構成されることが好適である。これによれば、固体酸化物形燃料電池の作動中において、シール材が軟化し得る。この結果、シール材のシール機能が維持されつつ、セルの挟持箇所が保持ピースに対して相対移動可能となる。従って、昇温に伴ってセルの変形量が変化するような場合等において、セルが保持ピースから受ける各種応力が緩和され得る。この結果、セル割れの発生率が低減され、これに伴ってセルの反りや変形に起因するリーク発生率も低減され得る。
【００２６】
他方、前記複数の保持ピースがシール材を介して上下方向に積層される場合、そのシール材は、前記第１軟化点よりも高い第２軟化点を有するガラス、又はセラミックスからなることが好適である。これによれば、固体酸化物形燃料電池の作動中において、このシール材が軟化し難い。この結果、このシール材のシール機能が維持されつつ、スタック構造体全体の形状が確実に維持され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】電気化学セル１０を示す斜視図である。
【図２】セルの内部を示す破断斜視図である。
【図３】他の形態のセル１を示す斜視図である。
【図４】（ａ）は、保持ピース２１を示す平面図であり、（ｂ）は、保持ピース２１のＩＶｂ−ＩＶｂ線断面図であり、（ｃ）は、保持ピース２１を矢印ＩＶｃ側から見た正面図である。
【図５】（ａ）は、電気化学セル１０の平面図であり、（ｂ）は、セル１０に保持ピース２１を取り付けている状態を示す平面図である。
【図６】保持ピース２１によってセル１０を保持している状態を示す断面図である。
【図７】従来例におけるセル５０と連結部品３５とのスタック構造を示す模式図である。
【図８】本発明例におけるセル１０と保持ピース２１とのスタック構造を示す模式図である。
【図９】（ａ）は、図７の例におけるセルの反りと連結部品との位置関係を示す模式図であり、（ｂ）は、図８の例におけるセルの反りと保持ピースとの位置関係を示す模式図である。
【図１０】（ａ）は、インターコネクタ１１の側面図であり、（ｂ）は、インターコネクタ１１をＸｂ側から見た正面図である。
【図１１】（ａ）は、インターコネクタ１１をＸＩａ側から見た平面図であり、（ｂ）は、インターコネクタ１１をＸＩｂ側から見た底面図である。
【図１２】セル１０にインターコネクタ１１をはめ込んだ状態を示す斜視図である。
【図１３】スタックにおける接続状態を模式的に示す断面図である。
【図１４】（ａ）は、主部４０を示す平面図であり、（ｂ）は、主部４０のＸＩＶｂ−ＸＩＶｂ線断面図であり、（ｃ）は、主部４０を矢印ＸＩＶｃ側から見た正面図である。（ｄ）は，主部から分離された突出部４２を示す平面図である。
【図１５】組み立てによって形成された保持ピース５０によってセルを保持している状態を示す断面図である。
【図１６】本発明の他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の斜視図である。
【図１７】図１６に示した燃料電池をｙ方向からみた図である。
【図１８】図１６に示した１８−１８線を含むとともにｘ−ｚ平面と平行な平面に沿って図１６に示した燃料電池を切断した燃料電池の断面図である。
【図１９】図１６に示した１９−１９線を含むとともにｘ−ｚ平面と平行な平面に沿って図１６に示した燃料電池を切断した燃料電池の断面図である。
【図２０】図１６に示した燃料電池においてインターコネクタを取り付ける前の状態を示す斜視図である。
【図２１】図１６に示したセルの斜視図である。
【図２２】図２１に示したセルをｘ，ｙ，及びｚ方向からみたそれぞれの図である。
【図２３】図２１に示した２３−２３線を含むとともにｘ−ｙ平面と平行な平面に沿って図２１に示したセルを切断した燃料極集電層の斜視図である。
【図２４】図２１に示したセルの流入口・流出口に対応する外縁部に保持ピースがそれぞれ取り付けられた状態を示した斜視図である。
【図２５】図２４に示した保持ピースの斜視図である。
【図２６】（ａ）は、図２４に示した保持ピースの平面図であり、（ｂ）は、その保持ピースの２６−２６線断面図であり、（ｃ）は、その保持ピースを矢印Ｑ側から見た正面図である。
【図２７】保持ピースによってセルが保持された状態を示す断面図である。
【図２８】図１６に示したインターコネクタの斜視図である。
【図２９】図２８に示したインターコネクタをｘ，ｙ，及びｚ方向からみたそれぞれの図である。
【図３０】図２４に示したセルにインターコネクタが取り付けられた状態を示した斜視図である。
【図３１】図１６に示した燃料電池における燃料と空気の流通を説明する図である。
【図３２】比較例に係る固体酸化物形燃料電池の斜視図である。
【図３３】図３２に示した燃料電池をｙ方向からみた図である。
【図３４】図３２に示した３４−３４線を含むとともにｘ−ｚ平面と平行な平面に沿って図３２に示した燃料電池を切断した燃料電池の断面図である。
【図３５】図３２に示した３５−３５線を含むとともにｘ−ｚ平面と平行な平面に沿って図３２に示した燃料電池を切断した燃料電池の断面図である。
【図３６】図３２に示した燃料電池においてインターコネクタを取り付ける前の状態を示す斜視図である。
【図３７】図３２に示したセルの貫通孔に対応する部分に連結部材が取り付けられた状態を示した斜視図である。
【図３８】図３７に示したセルにインターコネクタが取り付けられた状態を示した斜視図である。
【図３９】比較例に係るスタック構造体においてセルに反りが発生している場合を示す模式図である。
【図４０】本発明の実施形態に係るスタック構造体においてセルに反りが発生している場合を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明では、電気化学セルは板状である。ただし、平板状には限らず、湾曲した板や円弧状の板でもよい。電気化学セルは、第１のガスと接触する第１の電極、固体電解質、及び第２のガスと接触する第２の電極を備えている。
【００２９】
ここで、第１の電極、第２の電極は、アノード又はカソードから選択する。これらのうち一方がアノードである場合には、他方はカソードである。これと同様に、第１のガス、第２のガスは、酸化性ガス、還元性ガスから選択する。
【００３０】
酸化性ガスは、酸素イオンを固体電解質膜へと供給可能なガスであれば特に限定されないが、空気、希釈空気、酸素、希釈酸素が挙げられる。還元性ガスとしては、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４とこれらの混合ガスを例示できる。
【００３１】
本発明が対象とする電気化学セルは、電気化学反応を生じさせるためのセル一般を意味している。例えば、電気化学セルは、酸素ポンプ、高温水蒸気電解セルとして使用できる。高温水蒸気電解セルは、水素の製造装置に使用でき、また水蒸気の除去装置に使用できる。また、電気化学セルを、ＮＯｘ、ＳＯｘの分解セルとして使用できる。この分解セルは、自動車、発電装置からの排ガスの浄化装置として使用できる。この場合には、固体電解質膜を通して排ガス中の酸素を除去するのと共に、ＮＯｘを電解してＮ２とＯ２−とに分解し、この分解によって生成した酸素をも除去できる。また、このプロセスと共に、排ガス中の水蒸気が電解されて水素と酸素とを生じ、この水素がＮＯｘをＮ２へと還元する。また、好適な実施形態では、電気化学セルが、固体酸化物形燃料電池のセルである。
【００３２】
固体電解質の材質は特に限定されず、あらゆる酸素イオン伝導体を利用できる。例えば、イットリア安定化ジルコニア又はイットリア部分安定化ジルコニアであってよく、ＮＯｘ分解セルの場合には、酸化セリウムも好ましい。
【００３３】
カソードの材質は、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、ランタンマンガナイト又はランタンコバルタイトであることが更に好ましく、ランタンマンガナイトが一層好ましい。ランタンコバルタイト及びランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト（ランタンマンガナイトの場合）、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。
【００３４】
アノードの材質としては、ニッケル−マグネシアスピネル、ニッケル−ニッケルアルミナスピネル、ニッケル−ジルコニア、ニッケル−イットリア、白金−酸化セリウム、ルテニウム−ジルコニア等が好ましい。
【００３５】
各電気化学セルの形態は特に限定されない。電気化学セルは、アノード、カソード及び固体電解質層の３層からなっていてよい。或いは、電気化学セルは、アノード、カソード及び固体電解質層以外に、例えば多孔質体層を有していて良い。
【００３６】
本発明においては、第１のガスを流すガス流路、及びガスの供給と排出との一方を行うためのガス流通孔が形成されている。好ましくは、ガス供給孔とガス排出孔とが設けられている。ガス流路の形態、ガス供給孔の個数及び場所、ガス排出孔の個数及び場所は特に限定されない。しかし、ガス供給孔とガス排出孔とは分離されている必要がある。
【００３７】
保持ピースは、貫通孔が設けられている本体部分、及び本体部分から突出する一対の突出部を備えており、この突出部間の空間と貫通孔とを連通する連通孔が設けられている。保持ピースの本体部分は、平板状には限らず、湾曲した板であってよい。突出部の形状は、セルを保持、把持できる形状であれば限定されないが、好ましくは平板形状である。貫通孔は、本体部分の一対の主面の間に設けられている。
【００３８】
本発明では、電気化学セルが保持ピースの一対の突出部によって挟持されており、セルのガス流通孔と保持ピースの連通孔とを連通させる。これによって，セルのガス流路は、保持ピースの貫通孔と連通している。複数の保持ピースを積層し、各保持ピースの貫通孔を繋げることで、ガス供給路又はガス排出路が形成される。
【００３９】
好適な実施形態においては、セルに側面から凹む凹部が設けられており、この凹部が一対の突出部の間に位置する。これによって、セルと保持ピースの突出部との接触面積を小さくすることができる。
【００４０】
好適な実施形態においては、セルに、ガス供給用のガス流通孔とガス排出用のガス流通孔とが設けられており、各ガス流通孔に対応してそれぞれ保持ピースが設けられている。この場合には、一つのセルに対して少なくとも２つの保持ピースが取り付けられることになる。
【００４１】
また、好適な実施形態においては、複数のセルを備えており、各セルに対してそれぞれ保持ピースが取り付けられており、複数の保持ピースが積層されており、複数のセルが互いに離間された状態で配列されており、複数の保持ピースの貫通孔が連通する形でガス流通路を形成している。
【００４２】
本発明では、保持ピースと電気化学セルとをシールする方法は、特に限定されない。このシールないし気密封止には、例えば、ガラスやセラミックス製シール材や、機械的結合法、シール材を用いることが好ましい。このようなシール部材の材質は特に限定されないが、電気化学セルの作動温度において耐酸化性と耐還元性を有する必要がある。具体的には、シリカを主成分とするガラス及び結晶化ガラス、金属ろうなどを例示できる。また、Ｏリング、Ｃリング、Ｅリングやメタルジャケットガスケット、マイカガスケットなどのコンプレッションシールも例示できる。
【００４３】
隣接する保持ピースを互いに連結する方法は特に限定されず、この連結には、例えば、ガラスやセラミックス製シール材や、機械的結合法を利用できる。また、この気密シール方法は、特に限定されないが、上記したシール材を用いることが好ましい。
【００４４】
保持ピースの材質は、セルを構成するセラミックスよりも機械的強度が高ければ特に限定されないが、セルとの熱膨張係数差が２×１０−６(／Ｋ)以下の材料、例えばジルコニア、マグネシア、スピネルセラミックス、さらにこれらを複合した材料などを例示できる。また、電気化学セルの作動温度において耐酸化性及び耐還元性を有していれば金属であってもよく、純金属であっても合金であってもよいが、ニッケル、インコネル、ニクロムなどのニッケル基合金、ステンレスなどの鉄基合金、ステライトなどのコバルト基合金が好ましい。
【００４５】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電気化学セル１０を示す斜視図であり、図２は、電気化学セル１０を分解して示す分解斜視図である。図３は、他の実施形態に係るセル１を示す斜視図である。
【００４６】
電気化学セル１０の第１の電極１６の内部に、第１のガスを流すためのガス流路７が形成されている。第１の電極１６は平板状をなしており、第１の電極１６を覆うように固体電解質層６が設けられている。セル１０の両側の主面１０ａ、１０ｂ上には、それぞれ、第２の電極２Ａが形成されており、第２の電極２Ａが露出する。
【００４７】
図１の電気化学セル１０の側面１０ｃには、所定箇所に凹部６０Ａ、６０Ｂが設けられている。そして、各凹部６０Ａ、６０Ｂにそれぞれ連通孔３、４が形成されている。３はガス供給孔であり、４はガス排出孔である。図２に示すように、ガス供給孔３からセル内に流入した第１のガスは、矢印Ａ、Ｂ、Ｃのようにガス流路７内を流れ、排出孔４から排出される。第１のガスは、流路７を流れる間に電気化学反応に寄与する。図１の例では、セル１０の主面１０ａの外外縁部に、例えば４箇所に、導電部８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄが設けられている。
【００４８】
図３では、セル１の両側の主面１ａ、１ｂ上には、それぞれ、第２の電極２Ａ、２Ｂが形成されており、第２の電極２Ａ、２Ｂが露出する。セル１の側面１ｃには、所定箇所に凹部６０Ａ、６０Ｂが設けられている。そして、各凹部６０Ａ、６０Ｂにそれぞれ連通孔３、４が形成されている。セル１の中央部に、セル内側の第１の電極１６に電気的に導通する導電部５が露出している。
【００４９】
好適な実施形態においては、例えば図１に示すように、複数の導電部が、セル主面の外縁部に設けられている。ここで、セル主面とは、セルのうち面積の大きい面を指し、通常は相対向する２面である。主面の外縁部とは、主面の外縁エッジから１０ｍｍ以内の領域を指す。本発明の導電部は、この外縁部に、全体が包含されている必要はなく、導電部の一部が外縁部に包含されていればよい。
【００５０】
この実施形態では、セルごとの導電部の個数は２個以上であるが、３個以上が好ましく、４個以上がさらに好ましい。導電部の個数の上限は特にないが、８個以下が実用的である。
【００５１】
図４（ａ）は、本発明で使用できる保持ピース２１を示す平面図であり、（ｂ）は、保持ピース２１のＩＶｂ−ＩＶｂ線断面図であり、（ｃ）は、保持ピース２１を矢印ＩＶｃ側から見た正面図である。
【００５２】
保持ピース２１は、平板形状の本体部分２７と、本体部分２７から突出する一対の突出部２２とからなる。本体部分２７には、一対の主面間を貫通する貫通孔２６が設けられている。各突出部２２は平板状であり、平面的に見ると扇形をなしている。突出部２２間には空間２３が形成されており，空間２３に保持面２２ａが面している。空間２３は連通孔２４を介して貫通孔２６につながっている。
【００５３】
この保持ピースをセル１０（１）に対して取り付け、セルを保持する。例えば、図５（ａ）にセル１０の平面図を示す。この状態では、一対の凹部６０Ａ、６０Ｂが、対向する二辺にあり、向かい合っている。次いで、図（ｂ）に示すように、保持ピース２１を、それぞれ凹部２２を覆うように取り付ける。
【００５４】
この状態では、図５（ｂ）、図６に示すように、一対の突出部２２の間にセル１０の凹部回りのエッジが挟まれる。凹部６０Ａ、６０Ｂは、空間２３内に入る。そして、突出部２２の保持面２２ａとセル主面１０ａ、１０ｂとの間に接合材４０を介在させ、セルと保持ピースとの間を気密にシールする。この状態では、セル１０の内側のガス流路７が、空間２３、連通孔２４を通して、貫通孔２６に連通している。
【００５５】
ここで、仮に図７、図８に示すようにセル５０、１０を積層し、スタックしたものとする。この状態で、台座２８上にスタックを乗せ、最終的に矢印Ｅのように加圧する。
【００５６】
このとき、図７に示すように、セル５０と連結部材３５とを交互に積層したものとする。この場合には、各連結部材３５内にガス供給路又はガス排出路３１が形成されている。この状態では、各セル及び各連結部材３５に対して、矢印Ｄのように荷重による応力が加わる。しかし、この方法では、特に台座２８に近いセル５０に局所的に大きな応力が加わりやすい。まず、セルと連結部材自身の荷重が積算され、台座２８に近いセル５０ほど荷重による応力は大きくなる。さらに、図９（ａ）に示すように、セル５０に水平面Ｆからの反りが発生すると、セル５０上に載っている連結部材３５の表面も水平面Ｆに対して傾き、その下にあるセルには局所的に過大な応力が加わる。しかも、このような変形は、スタックの下方に向かうにつれて拡大する。連結部材とセルの接着面の水平が確保されないため、本来の接着強度より弱い応力が加わっても、応力集中により連結部材が剥離する確率が高くなる。以上の理由から、下の段で累積荷重が作用するため、積層時に連結部材が剥離しリーク発生する確率はさらに高くなる。
【００５７】
これに対して、本発明では、図８に示すように、圧力Ｄは、積層された保持ピース２１によって担持される。セル１０の端部は突出部２２によって保持されているが、上下に隣接するセルからの応力が累積されることはない。その上で、図９（ｂ）のようにセル１０に反りが発生した場合、セル１０の外縁部の突出部２２内での位置ズレが生じる。しかし保持ピース２１の水平は維持されるので、上下のセルの保持状態に影響を及ぼすこともない。そして、積層後に新たに荷重が加わることがないので、積層前にリーク発生の有無を確認すれば、積層時のリーク発生を容易に防ぐことができる。
【００５８】
保持ピースの材質は、セルを構成するセラミックスよりも機械的強度が高ければ特に限定されないが、セルとの熱膨張係数差が２×１０−６(／Ｋ)以下の材料、例えばジルコニア、マグネシア、スピネルセラミックス、さらにこれらを複合した材料などを例示できる。また、電気化学セルの作動温度において耐酸化性及び耐還元性を有していれば金属であってもよく、純金属であっても合金であってもよいが、ニッケル、インコネル、ニクロムなどのニッケル基合金、ステンレスなどの鉄基合金、ステライトなどのコバルト基合金が好ましい。
【００５９】
本発明において、隣接するセルのアノードとカソードとを直列接続する方法は特に限定されないが、インターコネクタを使用することが好ましく、インターコネクタ内にセルを収容することが特に好ましい。
【００６０】
好適な実施形態においては、インターコネクタが、電気化学セルの一部を収容する収容部と、収容部から突出する接続部とを備えている。収容部は、セルの外側から挿入することができ、セルをその両面側から挟み、セルと収容部との間に第２ガスの流路を形成するものである。また、収容部には、各導電部に対応する位置に貫通孔を形成する。
【００６１】
インターコネクタの材質は導電性である必要があり、また第２のガスに対してセルの稼働温度で耐久性がなければならない。具体的には、純金属であっても合金であってもよいが、ニッケル、インコネル、ニクロムなどのニッケル基合金、ステンレスなどの鉄基合金、ステライトなどのコバルト基合金が好ましい。また、導電性セラミックスであってもよい。この場合、ランタンクロマイト等が好ましい。
【００６２】
接続部は、弾性変形可能であることが好ましく、金属板から形成されていることが特に好ましい。金属の材質は、上記したインターコネクタ用材料を例示できる。
【００６３】
図１０（ａ）は、一実施形態に係るインターコクネター１１の側面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）をＸｂ側から見た正面図である。図１１（ａ）は、図１０（ａ）のインターコネクタを上側（Ｘ１ａ側）から見た平面図であり、図１１（ｂ）は、図１０（ａ）のインターコネクタを下側（Ｘ１ｂ側）から見た底面図である。
【００６４】
収容部２５は、上側板１１ａ、下側板１１ｂを備えており、上側板１１ａと下側板１１ｂとの間に空間１３が形成されている。下側板１１ｂから接続部１２Ａ、１２Ｂが突出している。本例では、接続部１２Ａ、１２Ｂは、複数の細長い平板を組み合わせたものである。このような接続部１２Ａ、１２Ｂは、金属平板の加工によって形成されている。
【００６５】
また、特に図１１（ａ）に示すように、上側板１１ａには、導電部に対応する位置に貫通孔１４が形成されている。１枚のインターコネクタに貫通孔１４を２つ形成し、１枚のセルを２枚のインターコネクタ内に収容する。これによって、各セルの４つの導電部を、それぞれ、各貫通子１４に位置合わせすることができる。図１１（ａ）に示すように、貫通孔１４は接続部１２Ａ、１２Ｂよりも大きいので、貫通孔１４を通して接続部１２Ａ、１２Ｂを上から見ることができる。
【００６６】
例えば上述したようなインターコネクタ１１を各セル１０に被せ、固定する。図１２に示すように、各セル１０の各電極２Ａを被覆するように、それぞれインターコネクタ１１の収容部を横からはめ込み、固定する。
【００６７】
この際、各インターコネクタと、対向する電極２Ａ（２Ｂ）との間には、第２のガスの流路が形成される。このガス流路内には、所定の導電性接続部材を収容し、導電性接続部材を電極及び収容部に接触させることによって、電極と収容部とを電気的に接続する。導電性接続部材の材質や形態は特に限定されず、公知のものを使用できるが，金属フェルト、メッシュを例示できる。
【００６８】
スタックを形成すると、最上部のセル１０の導電部８Ａ〜８Ｄと、最下部のセル１０のインターコネクタ１１とを結線する。これによって、複数のセルが直列接続される。
【００６９】
隣接するセルの接続状態を図１３に模式的に示す。まず、インターコネクタ１１の収容部をセル１０に横から被せてはめ込む。このとき、接続部１２Ａ、１２Ｂと、隣接するセルの導電部８Ａ、８Ｂとの間に、導電ペースト２０を介在させる。３０は、第２のガス流路である。
【００７０】
本発明においては、保持ピースを二つ以上の部品に分け、組み立て時に接合することができる。特に好ましくは、保持ピースの一対の突出部のうち一方の突出部をそれ以外の主部から分離し、組み立て時に一方の突出部を主部に接合することができる。図１４、図１５は、本実施形態に係るものである。
【００７１】
図１４（ａ）は、主部４０を示す平面図であり、（ｂ）は、主部４０のＸＩＶｂ−ＸＩＶｂ線断面図であり、（ｃ）は、主部４０を矢印ＸＩＶｃ側から見た正面図である。図１４（ｄ）は，主部から分離された突出部４２を示す平面図である。
【００７２】
主部４０は、平板形状の本体部分２７と、本体部分２７から突出する突出部２２とからなる。本体部分２７には、一対の主面間を貫通する貫通孔２６が設けられている。突出部２２は平板状であり、平面的に見ると扇形をなしている。突出部４２は主部から分離されており、主部の段差４１に対して取り付け可能となっている。
【００７３】
図１５に示すように、突出部２２上にセル１０を設置する。この際、セル１０の一面しか保持ピースによって拘束されていないことから、突出部２２上に接合材４０を介してセル１０を接合することが容易である。次いで、セル１０上に別の接合材４０を介して、分離された突出部４２を接合すると共に、突出部４２を主部４０の段差４１に対して取り付ける。これによって、保持ピース５０が組み立てられ、突出部２２間には空間２３が形成される。空間２３は連通孔２４を介して貫通孔２６につながっている。
【００７４】
本例では、突出部４２の主部への取り付け方法は限定されないが、例えば、ガラスやセラミックス製シール材や、機械的結合法、シール材を用いることが好ましい。このようなシール部材の材質は特に限定されないが、電気化学セルの作動温度において耐酸化性と耐還元性を有する必要がある。具体的には、シリカを主成分とするガラス及び結晶化ガラス、金属ろうなどを例示できる。また、Ｏリング、Ｃリング、Ｅリングやメタルジャケットガスケット、マイカガスケットなどのコンプレッションシールを例示できる。
【００７５】
［実施例］
図１、２、４、５、６、８、１０〜１３を参照しつつ説明した前記方法に従い、本発明例のスタックを作製した。
【００７６】
（発電用セルの作製）
燃料極を基板とする固体酸化物形燃料電池（セル）を作製した（図１、２参照）。
（燃料極基板の作製）
酸化ニッケル粉末とイットリア安定化ジルコニア(ＹＳＺ)を混合し、燃料極基板用粉末を得た。この粉末を金型プレス成形し、燃料極基板成形体を２枚製作した。
（流路形成部材の設置と燃料極基板との一体化＋電解質膜形成）
流路形成部材を燃料極基板成形体の間に挟み、プレスによって一体化した。
電解質にはＹＳＺ粉末にバインダーを添加したスラリーを用い、燃料極基板成形体上に塗布、乾燥後、電気炉で空気中１４００℃で２時間焼成して、固体電解質６／燃料極支持基板１６を得た。
【００７７】
（空気極及び導電板の形成）
ＬａＭｎＯ３粉末にバインダーと溶剤を加え、ペーストを作製した。このペーストを前記基板の２主面上にスクリーン印刷、乾燥後、電気炉で空気中１２００℃で１時間焼成して、空気極２Ａを形成した。また、電解質６の一部を剥離し、燃料極基板１６を表面に露出させ、この露出部に別途製作しておいたランタンクロマイトの厚み０．３ｍｍの導電板を導電性ペーストにて貼り付け、導電板８Ａ〜８Ｄの周囲をシール材で固定した。
【００７８】
こうして得られた焼結体に、凹部２０Ａ、２０Ｂ、燃料供給孔３、排出孔４を加工によって形成し、発電用セル１０を得た。作製したセルの形状は、長さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍであった。
【００７９】
（保持ピースの作製）
材質スピネル(ＭｇＡｌ２Ｏ４)とマグネシア(ＭｇＯ)の複合材を、図４の形状となるように加工した。この寸法は、長さ３０ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ３．５ｍｍである。
【００８０】
（スタックの作製）
セル１０と保持ピース２１とからなる２０段スタックを作製した(図８参照)。
（セルとセラミック連結部品の接合）
セルの燃料供給孔、排出孔に保持ピースを、１０００℃で軟化するガラスペースト４０を用いて取り付け、２０段積層し、電気炉で空気中１０００℃で１時間加熱して接合した。
【００８１】
(インターコネクタの取り付け)
材質ＳＵＳ４３０の板を、図１０、図１１に示す形状となるように加工し、インターコネクタ１１を得た。その寸法は、長さ６０ｍｍ、幅１０５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍである。各インターコネクタ内に、エンボス加工した集電メッシュを入れ、また金属インターコネクタの突起部に導電性ペーストを塗布し、各セルの左右からはめ込んだ。
【００８２】
（比較例）
セルの燃料供給孔、排出孔に、外径φ２４ｍｍ、内径φ９ｍｍ、厚み２ｍｍのセラミック連結部品３５を、１０００℃で軟化するガラスペーストを用いて取り付け、２０段積層し、電気炉で空気中１０００℃で１時間加熱して接合した。これによって、図７に示すスタックを得た。
【００８３】
（発電時のリーク性能評価）
性能評価をするため電気炉に前記スタックをセットし、スタック最上部のセルの導電部と最下部のインターコネクタの接続部との間に電圧線・電流線を接続した。燃料極側にＮ２、空気極側にＡｉｒを流しながら８００℃まで昇温し、８００℃に達した時点で燃料極側にＨ２を流して還元処理を行った。３時間の還元処理後、スタックの電流-電圧特性を測定した。その際、回収ガス流量を測定し、次式で定義するガス回収率でリーク性能を評価した。その結果を表１に示す。
ガス回収率＝回収ガス流量／投入ガス流量
【００８４】
【表１】
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【００８５】
本発明の実施例では、比較例よりセル割れ発生確率が低減され、ガス回収率は１００％、セル間ピッチバラツキは１ｍｍ以下と大幅に向上した。
【００８６】
このように、本発明は、積層時において下の段のセルに上の段のセルの累積荷重が作用せず、セルにかかる応力が分散され、リーク発生率が大きく低減され得る。加えて、セルに反りが発生しても、保持ピースの水平が確保できるため、セル間ピッチバラツキをも低減され得る。
【００８７】
（他の実施形態）
次に、図１６〜図３１を参照しながら、本発明の他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池について説明する。
【００８８】
（燃料電池の全体構造）
図１６は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（以下、単に「燃料電池」と称呼する。）１００を示す。図１７は、燃料電池１００をｙ軸方向からみた部分図であり、図１８は、図１６に示した１８−１８線を含むｘ−ｚ平面と平行な平面に沿って燃料電池を切断した図１７に対応する部分断面図であり、図１９は、図１６に示した１９−１９線を含むｘ−ｚ平面と平行な平面に沿って燃料電池を切断した図１７に対応する部分断面図である。図２０は、図１６に示した燃料電池においてインターコネクタ１３０を取り付ける前の状態を示した図である。なお、ｘ軸及びｙ軸は互いに直交する軸であり、ｚ軸は、ｘ−ｙ平面に垂直な軸である。以下、ｚ軸正方向を「上」方向、ｚ軸負方向を「下」方向と呼ぶこともある。また、図面に表される形状を見やすくするため、複数の図面間で対応する部材の形状（縦横比など）が異なっている場合もある。
【００８９】
図１６〜図２０から理解できるように、燃料電池１００は、複数の同型のセル１２０と、複数の同形のインターコネクタ１３０と、複数の同形の保持ピース１４０と、を備えている。セル１２０は、燃料電池１０の「単セル」とも称呼される。各セル１２０のｘ軸方向の両端の中央部には一対の保持ピース１４０が取り付けられている。これら一対の保持ピース１４０が積層されることで、隣り合う２つのセル１２０がｚ軸方向に離間した状態で複数のセル１２０が積層されている。即ち、燃料電池１００は、スタック構造を備えている。加えて、各セル１２０には、インターコネクタ１３０がそれぞれ取り付けられている。
【００９０】
以下、先ず、図１７〜図２３を参照しながら、セル１２０について説明する。セル１２０は、大略的にはｘ，ｙ，ｚ軸の方向に沿う辺を有する直方体状（ｚ軸方向に厚さ方向を有する薄板状）を呈していて、ｘ軸方向に沿う辺（長辺）の長さＡ１、ｙ軸方向に沿う辺（短辺）の長さＢ１、厚さＺ１はそれぞれ、本例では、３０〜３００ｍｍ、１５〜１５０ｍｍ、０．５〜５ｍｍである（図２２を参照）。ｘ−ｙ平面に平行な２つの面（上面、及び下面）が「主面」に対応し、ｘ−ｚ平面に平行な２つの面、並びに、ｙ−ｚ平面に平行な２つの面が「側面」に対応する。１つの主面の面積は１つの側面の面積よりも大きい。
【００９１】
セル１２０は、燃料極層１２１と、電解質層１２２と、一対の空気極層１２３とを備える。燃料極層１２１は、ｘ，ｙ，ｚ軸の方向に沿う辺を有する直方体状（ｚ軸方向に厚さ方向を有する薄板状）を呈する。燃料極層１２１は、基板である燃料極集電層１２１ａと、燃料極集電層１２１ａの上下面にそれぞれ形成された燃料極活性層１２１ｂとから構成される。
【００９２】
燃料極集電層１２１ａの内部には、燃料ガス（例えば、水素ガス）が流通する内部流路１２４が形成されている（特に、図２３を参照）。また、燃料極集電層１２１ａにおけるｙ−ｚ平面に平行な２つの側面の中央部には、流入口１２５ａ、及び流出口１２５ｂがそれぞれ形成されている。流入口１２５ａは、燃料極集電層１２１ａの内部において内部流路１２４を介して流出口１２５ｂと連通している（特に、図２１、図２３を参照）。
【００９３】
電解質層１２２は、燃料極層１２１の周囲（上下面及び側面）を囲むように燃料極層１２１の表面に形成された薄膜である。一対の空気極層１２３は、電解質層１２２における燃料極層１２１の上面（より具体的には、燃料極集電層１２１ａの上面に形成された燃料極活性層１２１ｂの上面）に形成された部分の上面及び電解質層１２２における燃料極層１２１の下面（より具体的には、燃料極集電層１２１ａの下面に形成された燃料極活性層１２１ｂの下面）に形成された部分の下面にそれぞれ形成されている。一対の空気極層１２３，１２３は、外部に露呈している。一対の空気極層１２３，１２３は、ｚ軸方向に厚さ方向を有する同形の薄板状を呈する。各空気極層１２３には、一対の保持ピース１４０，１４０との干渉を回避するために一対の切り欠き部１２３ａ，１２３ａが形成されている。
【００９４】
本例において、燃料極集電層１２１ａは、（上記還元処理後において）Ｎｉ、及びＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）からなる多孔質の焼成体である。燃料極活性層１２１ｂも、（上記還元処理後において）Ｎｉ及びＹＳＺからなる多孔質の焼成体であるが、燃料極集電層１２１ａに比して、ＹＳＺの含有割合が大きい。燃料極活性層１２１ｂは、後述する（２）式で表わされる反応の速度を高めるために主として使用され、燃料極集電層１２１ａは、後述する（２）式で表わされる反応で得られた電子（ｅ−）を後述する導電板１２６へ運ぶために主として使用される。燃料極活性層１２１ｂの厚さは燃料極集電層１２１ａの厚さに比して十分に小さい。燃料極活性層１２１ｂは省略され得る。燃料極層１２１は、燃料極電極（アノード電極）として機能する。
【００９５】
電解質層１２２はＹＳＺからなる緻密な焼成体である。各空気極層１２３は、ＬＳＣＦ（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３：ランタンストロンチウムコバルトフェライト）からなる多孔質の焼成体であり、空気極電極（カソード電極）として機能する。なお、電解質層１２２と空気極層１２３との間に、セリア（ＣｅＯ２）などの反応防止層が設けられても良い。セリアとしては、具体的には、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）等が挙げられる。セル１２０の全体としての常温から１０００℃での平均熱膨張率は、約１２．８ｐｐｍ／Ｋである。
【００９６】
また、セル１２０の上面の４隅には、セル１２０の内部の燃料極層１２１と電気的に接続された導体からなる導電板１２６がそれぞれ配設されている。導電板１２６の材質としては、例えば、耐熱金属が使用される。耐熱金属としては、燃料電池用のフェライト系ステンレスであるＺＭＧ材料（日立金属（株）製）等が好適である。或いは、導電板１２６の材質として、導電性セラミックが使用される。導電性セラミックとしては、ランタンクロマイト等が好適である。
【００９７】
各導電板１２６の上面（即ち、導体の上面）は、外部に露呈している。後述するように、上述したスタック状態において、これらの導電板１２６は、自身を収容するインターコネクタ１３０の上方に隣接するインターコネクタ１３０の後述する脚部１３４との電気的接続部として機能する。
【００９８】
次に、図１７〜図２０、並びに図２４〜図２７を参照しながら、保持ピース１４０について説明する。図２４に示すように、保持ピース１４０は、各セル１２０におけるｙ−ｚ平面に平行な２つの側面の中央部にそれぞれ取り付けられる部材である。
【００９９】
図２５、及び図２６に示すように、保持ピース１４０は、本体部分１４１と、本体部分１４１から突出する一対の突出部１４２，１４２とを備える。本体部分１４１には、上下方向に貫通する貫通孔１４３が形成されている。各突出部１４２は平板状を呈していて、一対の突出部１４２，１４２の一対の内側面（保持面）１４２ａ，１４２ａは、上下方向に離間した状態で互いに平行に向き合っている。一対の保持面１４２ａ，１４２ａの間の空間１４４は、連通孔１４５を介して貫通孔１４３と連通している。
【０１００】
図１９、及び図２７に示すように、セル１２０の外縁部における流入口１２５ａ（或いは、流出口１２５ｂ）に対応する部分が、シール材１５１を介して保持ピース１４０の一対の突出部１４２，１４２により挟持されている。これにより、流入口１２５ａ（或いは、流出口１２５ｂ）が気密的に塞がれるとともに、流入口１２５ａ（或いは、流出口１２５ｂ）は保持ピース１４０の連通孔１４５と連通している。即ち、流入口１２５ａ（或いは、流出口１２５ｂ）は保持ピース１４０の貫通孔１４３と連通している。
【０１０１】
図２７に示すように、一対の突出部１４２，１４２の本体部分から突出する長さをＬ、セル１２０の外縁部の厚さをＨ１、一対の保持面１４２ａ，１４２ａ間の距離をＨ２とすると、本例では、値（Ｈ２−Ｈ１）／Ｌが０．００１〜０．５に設定されている。この設定により、各セル１２０の挟持箇所が、保持ピース１４０の一対の突出部１４２，１４２により確実に保持されつつ、一対の突出部１４２，１４２に対して相対的に或る程度自由に回動し得る。
【０１０２】
保持ピース１４０は、例えば、ジルコニア、マグネシア、スピネルセラミックス等、セル１２０との熱膨張率差が２×１０−６(／Ｋ)以下の材料から構成されることが好適である。また、保持ピース１４０は、ニッケル、インコネル、ニクロムなどのニッケル基合金、ステンレスなどの鉄基合金、ステライトなどのコバルト基合金等から構成されてもよい。
【０１０３】
シール材１５１の材質は、流入口１２５ａ（或いは、流出口１２５ｂ）を気密的に塞ぐ機能が達成される限りにおいて限定されない。特に、シール材１５１は、固体酸化物形燃料電池の作動温度（６００〜９００℃）よりも低い軟化点（４００〜７００℃）を有するガラスから構成されることが好適である。これにより、固体酸化物形燃料電池の作動中において、シール材１５１が軟化し得る。この結果、シール材１５１のシール機能が維持されつつ、セル１２０の挟持箇所が保持ピース１４０に対して確実に相対移動可能となる。従って、昇温に伴ってセル１２０の変形量が変化するような場合等において、セル１２０が保持ピース１４０から受ける各種応力が緩和され得る。
【０１０４】
次に、図１７〜図１９、並びに図２８〜図３０を参照しながら、インターコネクタ１３０について説明する。インターコネクタ１３０は、本例では、ｙ軸方向中央のｘ−ｚ平面に平行な平面に対して対称な形状を有する第１部分１３０Ａ及び第２部分１３０Ｂに分割されている。以下、説明の便宜上、インターコネクタ１３０が第１、第２部分１３０Ａ，１３０Ｂからなる一体物として扱われる場合もある。
【０１０５】
インターコネクタ１３０は、大略的にはｘ，ｙ，ｚ軸の方向に沿う辺を有する直方体状（ｚ軸方向に厚さ方向を有する薄板状）を呈した導電体からなる枠体（筺体）である。ｘ軸方向に沿う辺（長辺）の長さＡ２、ｙ軸方向に沿う辺（短辺）の長さＢ２、高さＺ２はそれぞれ、本例では、４０〜３１０ｍｍ、２５〜１６０ｍｍ、３〜８ｍｍである（図２９を参照）。
【０１０６】
本例では、インターコネクタ１３０は、燃料電池用のフェライト系ステンレスであるＺＭＧ材料（日立金属（株）製）等から構成されている。インターコネクタ１３０の常温から１０００℃での平均熱膨張率は、約１２．５ｐｐｍ／Ｋである。従って、インターコネクタ１３０の熱膨張率は、セル１２０の熱膨張率と略等しい。この結果、燃料電池１００の温度が変化しても、セル１２０とインターコネクタ１３０との間にて伸縮量差が生じ難い。
【０１０７】
インターコネクタ１３０（即ち、枠体）の内部には、セル１２０を収容するためのｙ軸方向に開口する（貫通する）空間が形成されている。インターコネクタ１３０には、セル１２０が収容された状態においてセル１２０に取り付けられた一対の保持ピース１４０との干渉を回避するために一対の切り欠き部１３１，１３１が形成されている。
【０１０８】
インターコネクタ１３０を構成する枠における上面及び下面に対応する部分にはそれぞれ、小窓（貫通孔）の縁から下方及び上方に向けて突出する複数の突起部１３２が形成されている。後述するように、これらの突起部１３２は、インターコネクタ１３０の内部に収容されたセル１２０の空気極層１２３との電気的接続部として機能する。
【０１０９】
インターコネクタ１３０を構成する枠における上面に対応する部分の４隅であって、セル１２０が収容された状態においてｘ−ｙ平面上にて上述の導電板１２６の位置に対応する位置には、窓１３３（貫通孔）がそれぞれ形成されている。また、インターコネクタ１３０を構成する枠における下面に対応する部分の４隅であって、ｘ−ｙ平面上にて窓１３３の位置に対応する位置には、下方に突出する脚部１３４がそれぞれ形成されている。ｚ軸方向からみたとき、脚部１３４全体が窓１３３に含まれる。後述するように、上述したスタック状態において、これらの脚部１３４は、下方に隣接するインターコネクタ１３０内に収容されるセル１２０の導電板１２６との電気的接続部として機能する。
【０１１０】
燃料電池１００は、セル１２０に取り付けられた一対の保持ピース１４０が積層されることで複数のセル１２０が積層されたスタック構造を有する。即ち、隣り合う２つのセル１２０が、保持部材１４０の突出部１４２の厚さの２倍に相当する距離だけｚ軸方向に離間した状態で積み重なっている（特に、図１９を参照）。
【０１１１】
加えて、図１９に示すように、積層された複数の保持ピース１４０の貫通孔１４３がｚ軸方向に連続することで、各セル１２０の流入口１２５ａとそれぞれ接続するｚ軸方向に連続的に延びる１本の燃料供給路１４３ａと、各セル１２０の流出口１２５ｂとそれぞれ接続するｚ軸方向に連続的に延びる１本の燃料排出路１４３ｂと、が形成されている。燃料供給路１４３ａと燃料排出路１４３ｂとは、各セル１２０内の内部流路１２４を介して連通している。燃料供給路１４３ａと燃料排出路１４３ｂとは共に、ｚ軸方向からみてセル１２０の外側に位置している。燃料供給路１４３ａを内部に有する保持ピース１４０の積層体、並びに、燃料排出路１４３ｂを内部に有する保持ピース１４０の積層体は、前記「保持部材」に対応する。
【０１１２】
隣接する保持ピース１４０の間を接続するためのシール材の材質は、隣接する保持ピース１４０の間を気密的に塞ぐ機能が達成される限りにおいて限定されない。特に、このシール材は、シール材１５１の軟化点よりも高い軟化点（６００〜９００℃）を有するガラス、又はセラミックス（具体的には、結晶化ガラス、ガラスセラミックス等、結晶質を含む材料、非晶質と結晶質とが混在していてもよい）からなることが好適である。これによれば、固体酸化物形燃料電池の作動中において、このシール材が軟化し難い。この結果、このシール材のシール機能が維持されつつ、スタック構造体全体の形状が確実に維持され得る。
【０１１３】
また、各セル１２０の一対の空気極層１２３，１２３と、そのセル１２０を収容するインターコネクタ１３０の複数の突起部１３２とが、導電性のシール材１５２（導電性ペースト）により電気的に接続・固定されている（特に、図１８を参照）。また、或るインターコネクタ１３０の４つの窓１３３にそのインターコネクタ１３０の上方に隣接するインターコネクタ１３０の４つの脚部１３４がそれぞれ挿入されている。そして、或るセル１２０の導電板１２６（の上面）と、そのセル１２０を収容するインターコネクタ１３０の上方に隣接するインターコネクタ１３０の脚部１３４（の下面）とが、導電性のシール材１５３（導電性ペースト）により電気的に接続・固定されている（特に、図１８を参照）。
【０１１４】
これにより、隣り合う２つのセル１２０のうち上側のセル１２０の空気極層１２３と下側のセル１２０の燃料極層１２１とが上側のセル１２０を収容するインターコネクタ１３０を介して電気的に接続されている。即ち、燃料電池１００全体において、複数のセル１２０が電気的に直列に接続されている。
【０１１５】
また、隣り合う２つのセル１２０の間に形成された空間は、酸素を含むガス（例えば、空気）が流通する空気流路Ｓとして利用される。上述のように、セル１２０の電解質層１２２が燃料極層１２１の周囲を囲んでいる。従って、この空気流路Ｓと内部流路１２４とは、電解質層１２２のみにより区画されている。
【０１１６】
以上の構成を有する燃料電池１００に対して、図３１に示すように、ｙ軸方向から空気が供給されるとともに、燃料供給路１４３ａから燃料ガスが供給される。供給された空気は、空気流路Ｓを流通し、各セル１２０の一対の空気極層１２３，１２３と接触する。一方、供給された燃料ガスは、各セル１２０内の内部流路１２４をそれぞれ通過し、燃料排出路１４３ｂから排気される（図１９の矢印を参照）。このように、内部流路１２４に燃料ガスが供給され、且つ、空気流路Ｓに空気が供給されることで、燃料電池１００は、以下に示す化学反応式（１）及び（２）に基づく発電を行う。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−    （於：空気極層１２３）  …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−        （於：燃料極層１２１）  …（２）
【０１１７】
燃料電池（ＳＯＦＣ）１００は、電解質層１２２の酸素伝導度を利用して発電するので、燃料電池１００としての作動温度は最低６００℃以上であることが一般的である。このため、燃料電池１００は、常温から作動温度（例えば８００℃）まで外部の加熱機構（例えば、抵抗加熱ヒータ方式の加熱機構、或いは、燃料ガスを燃焼して得られる熱を利用する加熱機構等）により昇温された状態で使用される。
【０１１８】
以上、図１６〜図３１に示した本発明の他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造体によれば、セル１２０の荷重が保持ピース１４０の積層体である保持部材で受けられ、各セル１２０は対応する保持ピース１４０の一対の突出部１４２，１４２によって保持される。従って、多数のセルがスタックされた状態で、或るセルの上の段の複数のセルの累積荷重がそのセルに作用しない。この結果、セルの割れの発生率が低減し、これに伴ってセルの反りや変形に起因するリーク発生率も低減する。
【０１１９】
特に、上記実施形態では、セル１２０の反りや変形は、セルの焼成に起因して発生するのみならず、セル内の燃料極層の上記還元処理による燃料極層の収縮（還元収縮）、並びに、ランタンクロマナイトからなる導電板１２６の還元膨張にも起因して発生し得る。即ち、上記実施形態に使用されるセル１２０は、反りや変形が非常に発生し易いといえる。このように反りや変形が非常に発生し易いセルが使用される場合であっても、上記実施形態では、セルの反りや変形に起因するリーク発生率を効果的に低減することができる。
【０１２０】
また、上記値（Ｈ２−Ｈ１）／Ｌ（図２７を参照）が０．００１〜０．５に設定されていることから、各セル１２０の挟持箇所が、保持ピース１４０の一対の突出部１４２，１４２により確実に保持されつつ、同一対の突出部１４２，１４２に対して相対的に或る程度自由に回動し得る。従って、セル１２０が反ったときでも、保持ピース１４０の上下面の水平が確保され得る。このため、セル間距離は保持ピース１４０の突出部１４２の厚さによって規定され得る。
【０１２１】
この結果、スタック構造体の作製前、或いはスタック構造体の作製後においてセルに反りが発生している場合においても、セルが確実に保持されつつ、保持ピースの上下面の水平からの傾きに起因するリーク発生率の増大を抑制できる。加えて、一部のセルの反りがスタック全体に影響することが少なくて、セル間ピッチバラツキを低減できる。
【０１２２】
また、上記実施形態では、保持部材が複数の保持ピース１４０にセル１２０毎に分割されている。従って、各セル１２０に対して保持ピース１４０を取り付けた後、保持ピース１４０を積層することでスタック構造体が作製され得る。この結果、スタック構造体の作製前に、ガスの漏れを検出する試験（ガスリーク試験）が、保持ピース１４０が取り付けられたセル１２０毎に個別に実行され得る。従って、スタック構造体の作製前に、ガス漏れが発生しているセル（不良品）が発見され得、その不良品をガス漏れが発生していないセル（良品）と予め交換することができる。
【０１２３】
これに対し、複数のセルに対して共通の連続した保持部材が採用される場合、この保持部材に対して複数のセルがそれぞれ取り付けられることでスタック構造体が作製され得る。この場合、スタック構造体の作製後でないと、ガスリーク試験が実行され得ない。換言すれば、スタック構造体の作製前では、不良品が発見され得ず、従って、不良品を良品と交換することができない。以上、上記実施形態では、複数のセルに対して共通の連続した保持部材が採用される場合に比して、ガスリーク試験が容易に実行され得、且つ、不良品を良品と交換することが容易となる。
【０１２４】
また、上記実施形態では、保持ピース１４０が、セル１２０におけるｙ−ｚ平面に平行な側面（平面）の中央部のみを挟持するように取り付けられている。従って、保持ピース１４０が前記側面の全面を挟持するように取り付けられる場合に比して、セル１２０の外縁部と保持ピース１４０の突出部１４２との接触面積が小さい。この結果、セルの反りや変形に起因するガスリーク発生率が低減される。
【０１２５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、互いに向かい合う位置にあるセル１２０の流入口１２５ａ，流出口１２５ｂを覆うように一対の保持ピース１４０，１４０が取り付けられている。即ち、各セル１２０に対して一対の保持ピース１４０，１４０による両持ち梁の構造が達成されている。これに対し、セル１２０の流入口１２５ａを覆うように保持ピース１４０が取り付けられるとともにセル１２０の流出口１２５ｂが外部に開放された構造（即ち、１つの保持ピース１４０による片持ち梁の構造）が採用されてもよい。
【０１２６】
また、上記実施形態では、セル１２０において、電解質層１２２が、燃料極層１２１の周囲の全て（上下面及び側面）を囲むように燃料極層１２１の表面に形成されているが、電解質層が、燃料極層１２１の上下面のみに形成され、燃料極層の側面（４面）に形成されなくてもよい。この場合、空気流路Ｓと燃料流路１２４とを区画するため、燃料極層１２１の側面（或いは、セル１２０の側面全体）が、電解質層に代えて、空気流路Ｓと内部流路１２４とを区画する機能を発揮する側壁で覆われる必要がある。この場合、側壁としては、例えば、ガラス材料が使用され得る。
【０１２７】
以下、上記実施形態（図１６〜図３１を参照）では、セルの割れ、反り、変形等に起因するリーク発生率が小さいことについて付言する。このことを確認するため、ガスリーク試験が行われた。この試験では、比較例として図３２〜図３８に示す形態のものが導入された。比較例は、スタック構造体の各セル１２０を保持する部材として、上記一対の保持ピース１４０，１４０に代えて、一対のリング状の連結ピース１４０が使用されている点において、上記実施形態と異なる。
【０１２８】
一対の連結ピース１４０は、各セル１２０の上面における一対の貫通孔１２５，１２５に対応する位置にそれぞれ取り付けられている（図３４、図３５、図３７を参照）。各セル１２０の一対の貫通孔１２５，１２５は、内部流路１２４に接続している（図３４、図３５を参照）。一対の連結ピース１４０が取り付けられたセル１２０（図３７を参照）が積層されてスタック構造体が作製される（図３６を参照）。この結果、図３５に示すように、セル１２０の貫通孔１２５と連結ピース１４０の貫通孔とが交互に接続されることで、ｚ軸方向に連続的に延びる１本の燃料供給路と、ｚ軸方向に連続的に延びる１本の燃料排出路とが形成されている。この燃料供給路と燃料排出路とは各セル１２０内の内部流路１２４を介して連通している。
【０１２９】
このガスリーク試験では、上記実施形態（図１６〜図３１を参照）に対応する１０個の試験品と、上記比較例（図３２〜図３８を参照）に対応する１０個の試験品とが作製された。これらの試験品の作製手法は、上述した[実施例]の欄に記載した手法と同様であるので、ここではそれらの詳細な説明を省略する。これらの試験品のセルのサイズ（図２２に示す寸法Ａ１，Ｂ１，Ｚ１）は、１００×５０×２．０ｍｍである。
【０１３０】
ガスリーク試験の方法は、上述した（発電時のリーク性能評価）の方法と同様であるので、ここではそれらの詳細な説明を省略する。即ち、このガスリーク試験では、次式で定義されるガス回収率を用いてリーク性能が評価された。その結果を表２に示す。
ガス回収率＝回収ガス流量／投入ガス流量
【０１３１】
【表２】
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【０１３２】
表２に示すように、上記比較例に比して、上記実施形態では、ガス回収率が格段に大きい。即ち、上記比較例に比して、上記実施形態では、リーク発生率が非常に小さいことが分かる。
【０１３３】
以下、この差異について図３９、図４０を参照しながら分析する。図３９は、上記比較例に係るスタック構造体において一部のセル１２０に反りが発生している場合における燃料ガスの流れを示す（黒い矢印を参照）。白い矢印は、ガス漏れを表す。
【０１３４】
図３９に示すように、或るセル１２０に反りが発生している場合、そのセル１２０に取り付けられた連結ピース１４０そのものが水平から傾く。このことに起因して、傾いた連結ピース１４０の上面とその上に積層されたセル１２０の下面（水平）との間に隙間が発生し、この隙間からガス漏れが発生し得る（白い矢印を参照）。同様に、或るセル１２０に反りが発生している場合、そのセル１２０の下面が水平から傾く。このことに起因して、傾いたセル１２０の下面とそのセルの下に積層された連結ピース１４０の上面（水平）との間に隙間が発生し、この隙間からガス漏れが発生し得る（白い矢印を参照）。このように、上記比較例では、セルに反りが発生した場合にガス漏れが比較的発生し易い。
【０１３５】
これに対し、図４０は、上記実施形態に係るスタック構造体において一部のセル１２０に反りが発生している場合における燃料ガスの流れを示す（黒い矢印を参照）。図４０に示すように、上記実施形態では、或るセル１２０に反りが発生していても、そのセル１２０を挟持する保持ピース１４０は水平に維持され得る。従って、上記比較例のような隙間（図３９を参照）が発生し難い。従って、上記実施形態では、セルに反りが発生した場合であってもガス漏れが非常に発生し難いといえる。
【符号の説明】
【０１３６】
１、１０…電気化学セル、１ａ、１ｂ、１０ａ、１０ｂ…セルの主面、１ｃ、１０ｃ…セルの側面、２Ａ、２Ｂ…第２の電極、３…ガス供給孔、４…ガス排出孔、６…固体電解質、８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ…導電部、１１…インターコネクタ、１６…第１の電極、２１…保持ピース、２２…突出部、２２ａ…保持面、２３…空間、２４…連通孔、２６…貫通孔、２７…保持ピースの本体部分、４０…接合剤、６０Ａ、６０Ｂ…凹部、Ａ、Ｂ、Ｃ…第１のガスの流れ、Ｆ…水平面、１００…燃料電池、１２０…セル、１２１…燃料極層、１２１ａ…燃料極集電層、１２１ｂ…燃料極活性層、１２２…電解質層、１２３…空気極層、１２４…内部流路、１２６…導電板、１３０…インターコネクタ、１３２…突起部、１３４…脚部、１４０…保持ピース、１４１…本体部分、１４２…突出部、１４２ａ…保持面、１４３…貫通孔、１４４…空間、１４５…連通孔、１５１，１５２，１５３…シール材、Ｓ…空気流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2010199059.tif 000014
【図１１】
2010199059.tif 000015
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2010199059.tif 000018
【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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【図３９】
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【図４０】
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