JP2000164239A - 電気化学セルユニット及び電気化学セル - Google Patents
電気化学セルユニット及び電気化学セルInfo
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Abstract
た際の、隔壁破損による燃料ガスの接触などのない、簡
易かつ高効率のガス供給構造を具えたハニカム型の電気
化学セルユニットを提供する。 【解決手段】気密質の固体電解質と気密質のインターコ
ネクタとからなるハニカム型の構造体1中に、一方のガ
スの流路5及び他方のガスの流路6をハニカム型の構造
体1の側壁1Bと略平行になるように形成し、前記他方
のガスの流路5を前記ハニカム型の構造体1を貫通さ
せ、これによってハニカム型の構造体1の主面1Aに形
成された一方のガスの導入孔2から、一方のガスを前記
他方のガスの流路5に導入するとともに、他方のガスを
ハニカム型の構造体1の側壁1Bに形成された他方のガ
スの導入孔3から、他方のガスの分配流路4を介して他
方のガスの流路6に導入する。
Description
ット及び電気化学セルに関し、特に、固体電解質型燃料
電池、水蒸気セル、酸素ポンプ、及びノックス分解セル
などの好適に使用することのできる電気化学セルユニッ
ト及び電気化学セルに関する。
下、SOFCと略す場合がある)として、いわゆる平板
型と円筒型とが提唱されている。このうち、円筒型SO
FCは実用化に最も近い状態にあるが、単位面積当たり
の出力密度が低いという問題がある。また、平板型SO
FCは比較的高い出力密度が得られるものの、シール方
法などが困難であるという問題がある。一方、米国のア
ルゴンヌ国立研究所によって一体型(モノリス型)SO
FCが提案されている。このSOFCは8kW/kg程
度の極めて高い出力密度の発生が期待されているが、S
OFCを構成する空気極、燃料極、固体電解質、及びイ
ンターコネクタの各グリーンシートを積層成形し、一括
焼結して好適な特性を有するSOFCを得ることは極め
て困難な状況にある。
率の高いSOFCを製造すべく研究を続けたところ、気
密質の固体電解質と気密室のインターコネクタとを一体
化してハニカム型の構造体を作製し、ハニカムの各開孔
内の壁面に電極を設けることにより、上記SOFCが得
られることを見いだした。このようなSOFCでは、ハ
ニカムの構造体中に形成された各開口ごとにガスを導入
する、あるいは排気するためのマニホールドが必要とな
る。
孔数が増大すると、マニホールドを前記ハニカム型の構
造体に設置した際に、構造体の表面に露出した前記開孔
の隔壁の一部が欠けてしまうということが度々生じてい
た。このため、前記開孔内にガスを導入して発電させよ
うとすると、上記SOFCでは水素用の孔と空気用の孔
とが隣接しているため、隔壁の欠けた部分からガスが漏
れてしまい、前記水素と空気との反応によって生じる熱
によって前記構造体全体が破壊されてしまうという問題
があった。
易かつ高効率のガス供給構造を具えた電気化学セルユニ
ット及び電気化学セルを提供することを目的とする。
電解質と気密質のインターコネクタとからなるハニカム
型の構造体を具え、前記ハニカム型の構造体中に前記ハ
ニカム型の構造体の側壁と略平行に延びる複数の一方の
ガスの流路及び複数の他方のガスの流路が形成されてお
り、前記一方のガスの流路と前記他方のガスの流路とが
それぞれ前記固体電解質と前記インターコネクタとによ
って包囲されており、前記構造体の前記一方のガスの流
路に面する壁面に陽極が形成されており、前記ハニカム
型の構造体の前記他方のガスの流路に面する壁面に陰極
が形成されている電気化学セルユニットであって、一方
のガスを前記ハニカム型の構造体中の前記一方のガスの
流路に導入するための一方のガスの導入孔を、前記一方
のガスの流路を前記ハニカム型の構造体中を貫通させる
ことによって、前記一方のガスの流路が貫通した前記ハ
ニカム型の構造体の主面に形成し、他方のガスを前記ハ
ニカム型の構造体中の前記他方のガスの流路に導入する
ための他方のガスの導入孔を、前記ハニカム型の構造体
の側壁に形成したことを特徴とする、電気化学セルユニ
ットである。
説明するための斜視図である。図2は図1に示す電気化
学セルユニットをI−I線を含む水平面に沿って切った
際の断面図である。なお、各図においては説明を明瞭に
すべく、一方のガスの流路5及び他方のガスの流路6の
数及びハニカム型の構造体1を含めた全体の尺度につい
ては、実際のものと異って描いており、気密質の固体電
解質とインターコネクタについてはその区別の記載を省
略している。また、一方のガスの流路5と他方のガスの
流路6とは図1に示すハニカム型の構造体1の上下方向
において互いに重なるようにして隣接している。
ハニカム型の構造体1中に貫通させて、一方のガスの導
入孔2をハニカム型の構造体1の主面1Aに形成し、他
方のガスの導入孔3をハニカム型の構造体1の側壁1B
に形成することにより、一方のガスの導入孔2と他方の
ガスの導入孔3とが隣接して存在しなくなる。したがっ
て、かかる導入孔にそれぞれマニホールドを取り付けて
それそれのガスを導入する際に、前記一方のガスの流路
5及び前記他方のガスの流路6の隔壁の、ハニカム型の
構造体1の表面に露出した部分、すなわち、主面1A及
び側壁1Bに露出した部分は、主面1A及び側面1Bを
なす壁と接合しており欠けにくい。また、セルピッチの
大小に関わらず、簡単な構造のマニホールドを使用する
ことで足りる。特に、ガスを平行流で供給した場合に
は、セルピッチが小さいほどマニホールドに細かいガス
の分配構造が必要になり、複雑なマニホールド構造とな
るが、本発明の場合、セル自身が分配構造を持つため、
かかる問題をも回避することができる。
明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。本発
明の電気化学セルは、ハニカム型の構造体1の側壁1B
と略平行に延びる一方のガスの流路5が前記ハニカム型
の構造体1を貫通して、前記一方のガスの流路5へ一方
のガスを導入するための一方のガスの導入孔2が前記ハ
ニカム型の構造体1の主面1Aに形成され、他方のガス
の流路6へ他方のガスを導入するための他方のガスの導
入孔3が前記ハニカム型の構造体1の側壁1Bに形成さ
れていることが必要である。
れず、用途に応じてあらゆる形状のものを使用すること
ができる。また、一方のガス導入孔2及び他方のガスの
導入孔3の形状も特に限定されるものではなく、図1に
示すような正方形の外に、二等辺三角形、正三角形、長
方形、正六角形などのハニカム型の構造体1の断面形状
を効率よく使用できるいかなる形状をも採用することが
できる。さらには、正三角形及び正六角形などの相異な
る形状を隣接させて用いても良い。
型の構造体1の側壁1B上であれば特に限定されるもの
ではないが、本発明の電気化学セルユニットをSOFC
などに使用する場合においては、発電効率を向上させる
ために、一方のガスの流路5及び他方のガスの流路6
を、その相当部分が重なるようにして隣接させる必要が
あることから、図1に示すように、一方のガスの導入孔
2が形成されたハニカム型の構造体1の主面1Aの近傍
において、隣接した前記一方のガスの導入孔2の中間部
分に形成することが好ましい。
きさは縦・横それぞれ10〜300mmであり、長さが5
0〜2000mmである。一方のガスの導入孔2及び他方
のガスの導入孔3の大きさは縦・横それぞれ1〜20mm
であるため、前記他方のガスの導入孔3は、前記ハニカ
ム型の構造体1の主面1Aの端部からの距離hが0.1
〜50mmとなるような位置に形成する。
入孔2を通じて一方のガスの流路5に導入され、この一
方のガスの流路5中を通過して、前記ハニカム型の構造
体1の主面1Aの反対側の主面1Cに形成された一方の
ガスの排気孔7から、ハニカム型の構造体1の外部に排
気される。他方のガスは、図2の矢印で示すように、他
方のガスの導入孔3を通じて、他方のガスの分配流路4
に一旦導入された後、この他方のガスの分配流路4から
前記他方のガスの流路6のそれぞれに分配され、この他
方のガスの流路6中を通過した後、前記ハニカム型の構
造体1の主面1Cに形成された他方のガスの排気孔8か
ら、ハニカム型の構造体1の外部に排気される。
ニットをSOFCなどに用いた場合は、固体電解質を挟
んで隣接している一方のガスの流路5及び他方のガスの
流路6の各々の中を、上記したように一方のガスである
空気及び他方のガスである水素が通過している間に、前
記隣接したガスの流路の間のそれぞれにおいて発電が生
じるため、極めて高い発電効率を得ることができる。
型の構造体1中を貫通させることなく、図2に示すよう
に、ハニカム型の構造体1の主面1A側においては前記
ハニカム型の構造体1中に形成された他方のガスの分配
流路4の部分で留めるようにしている。
のガスの流路を簡易に形成するという観点からは、図3
に示すように、前記一方のガスの流路5に加えて、前記
他方のガスの流路6をもハニカム型の構造体1中を貫通
させ、次いで、図4及び5に示すように、ハニカム型の
構造体1の主面1Aに形成された前記他方のガスの開孔
9を封じるための突起部12、及び前記一方のガスの導
入孔2を通じて前記一方のガスの流路5へ、前記一方の
ガスを導入するガス導入部13が形成された外部マニホ
ールド11を、前記ハニカム型の構造体1の主面1Aに
設けることが好ましい。
ハニカム型の構造体1の主面1Aに形成された他方のガ
スの開孔9は封じられて、ハニカム型の構造体1の側壁
1Bに形成された他方のガスの導入孔3から前記他方の
ガスを他方のガスの流路6に導入することができるとと
もに、一方のガスは、前記外部マニホールド11に形成
されたガス導入部13を通じ、前記一方のガスの導入孔
2から一方のガスの流路5に導入されるので、本発明の
目的についても十分に達せられる。なお、図3及び4
は、図2と同様に、図1の電気化学セルユニットにおけ
る、IーI線を含む水平面に沿って切った際の断面に相
当する部分を示した断面図であり、図5はハニカム型の
外部マニホールド11を設けた電気化学セルユニットの
概略を示した斜視図である。
5に示すように、一方のガスの流路5中及び他方のガス
の流路6中のぞれぞれを通過した一方のガス及び他方の
ガスを、ハニカム型の構造体1の主面1Cに形成された
一方のガスの排気孔7及び他方のガスの排気孔8からハ
ニカム型の構造体1の外部へ排気しており、排気の際及
び排気の後において、これらのガスを分離することは要
求されないが、未燃ガスを回収するべく、排気の際に外
部マニホールドなどを用いて、これらのガスを分離でき
るように本発明の電気化学セルユニットを構成すること
が好ましい。
おいて、他方のガスの排気孔をハニカム型の構造体1の
側壁1Dに設けた場合を示したものである。図7は、図
2と同様に、ハニカム型の構造体中での他方のガスの流
路を明確にすべく、図6に示した電気化学セルユニット
をIIーII線を含む水平面に沿って切った場合の断面図を
示したものである。
ニカム型の構造体1の外部へ排気するための他方のガス
の排気孔14を、ハニカム型の構造体1の側壁1Dに設
けることにより、外部マニホールドを用いて一方のガス
及び他方のガスを分離する際においても、上述したよう
な隔壁の破壊による一方のガス及び他方のガスの接触を
防止することができ、構造体1の熱破壊を防止すること
ができる。
も、他方のガスの導入孔3の場合と同様の理由から、そ
の形成位置は他方のガスの導入孔3と同様の位置に形成
することが好ましく、特に、ハニカム型の構造体1の主
面1Cの端部からの距離Hについては、他方のガスの導
入孔3の形成位置におけるhと同様に設定することが好
ましい。
の排気孔14を、他方のガスの導入孔3が形成されたハ
ニカム型の構造体1の側壁1Bと反対側の側壁Dに形成
しているが、必ずしもこのように反対側の側壁に形成す
る必要はなく、他方のガスの導入孔3と同じハニカム型
の構造体1の側壁1Bに形成することもできる。
カム型の構造体1の側壁1Dに形成した場合、他方のガ
スの導入孔3から導入された他方のガスは、図中矢印で
示すように、他方のガスの流路6中を通過した後、他方
のガスの回収流路15に一旦導入され、次いで、この他
方のガスの回収流路15を通過した後、他方のガスの排
気孔14からハニカム型の構造体1の外部に排気され
る。
ム型の構造体1中へのガスの流路の形成を容易にするた
めには、図3に示すようなハニカム型の構造体1中を貫
通した他方のガスの流路6を形成した後、図4及び5に
示すような外部マニホールド13を、ガスの導入側及び
ガスの排気側であるハニカム型の構造体1の主面1A及
び主面1Cに設けることが好ましい。これによって、他
方のガスの流路6のハニカム型の構造体1の主面1A及
び1Cにおける開孔は封じられ、前記他方のガスの導入
孔3から前記他方のガスを導入できるとともに、前記他
方のガスの排気孔14から前記他方のガスを排気するこ
とができる。
気孔14からの、他方のガスの導入及び排気の手段につ
いては、特に限定されるものではなく、外部マニホール
ドなどのいかなる手段をも使用することができる。
ットを用いた電気化学セルの好ましい態様について示し
たものである。図8はかかる態様の電気化学セルを示す
斜視図であり、図9は図8に示す電気化学セルを中心線
III ーIII に沿った矢印方向、すなわちハニカム型の構
造体1の面に平行になるように切った場合の断面図であ
る。なお、図においては、理解を容易にすべく、一方の
ガスの流路及び他方のガスの流路などの詳細については
記載を省略している。
ニホールド11が設けられた電気化学セルユニットを、
他方のガスの供給孔22が形成されたSUSなどからな
る容器21中に設置している。また、容器21と電気化
学セルユニットを構成する構造体1及び外部マニホール
ド11とのすき間には、図9に示すように、好ましく
は、アルミナ繊維などの絶縁物23を充填する。さら
に、図8及び9では、外部マニホールド11に形成され
たガス導入部13が容器21の外部へ突出しており、ハ
ニカム型の構造体1中の一方のガスの流路へ一方のガス
を導入できるように構成されている。
21に形成された他方のガスの供給孔22から、容器2
1とハニカム型の構造体1及び外部マニホールド11と
のすき間に他方のガスが導入され、このすき間を充填し
た後、ハニカム型の構造体1の側壁に形成された他方の
ガスの導入孔3からハニカム型の構造体1中の他方のガ
スの流路6に導入され、前記他方のガスの流路6を通過
した後、ハニカム型の構造体1の外部へ排気される。
されたガス導入部から、ハニカム型の構造体1中の一方
のガスの流路5へ直接導入された後、この一方のガスの
流路5を通過してハニカム型の構造体1の外部へ排気さ
れる。
気化学セルをSOFCなどに適用した場合、上述したよ
うな利点と、本発明のハニカム型構造に起因した高い発
電効率とを得ることができるとともに、本発明の電気化
学セルは、一方のガスの流路と他方のガスの流路とが、
それぞれ固体電解質及びインターコネクタによって包囲
された形態に構成されているので、容器21とハニカム
型の構造体1及び外部マニホールド11とのすき間に充
填された前記他方のガスが前記ガスの流路内に形成され
た電極と反応することなく、熱交換媒体となって熱交換
性能を向上させる。したがって、ハニカム型の構造体1
から発生した熱を効率よく外部へ放出することができ、
温度上昇に伴う発電効率の低下などを防止することがで
きる。さらに、ガス供給用のマニホールドが不要となる
ので、容器21内に複数のハニカム型の構造体を配置し
た場合において、複数のマニホールドを省くことができ
るため、電気化学セルユニットの構造を簡略化すること
ができる。
をさらに向上させるべく、前記すき間に熱交換用フイン
を設けることもできる。また、図8及び9では、外部マ
ニホールドを構造体のガス導入側に設けた場合について
示しているが、本態様は、上述したような構造体のガス
排気側に外部マニホールドを設けた場合についても適用
できる。さらに、図4及び5に示す外部マニホールド1
1の代わりに、他方のガスの開孔9を閉じる突起部12
を有せず、ガス供給構造のみを具えた通常の外部マニホ
ールドを、図1及び2に示すような電気化学セルユニッ
トとともに用いることもできる。
詳細に示す断面図である。一方のガスの流路5の壁面に
は陽極33が形成されており、他方のガスの流路6の壁
面には陰極34が形成されている。そして、これら一方
のガスの流路5及び他方のガスの流路6は、ハニカム型
の構造体1中にハニカム型の構造体1の側壁1Bと略平
行に形成されているとともに、インターコネクタ31と
固体電解質32とによって包囲されている。
のできる材料は、電子伝導性を有するものであれば特に
限定されるものではないが、耐熱性の理由からランタン
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、さらには耐熱性、耐酸化性、及び耐還元性の観
点からランタンクロマイトであることが好ましい。
る材料はイオン導電性を有するものであれば特に限定さ
れるものではないが、酸素イオン導電率が高いという理
由からイットリア安定化ジルコニア又はイットリア部分
安定化ジルコニアを用いることがが好ましい。 さら
に、NOx分解セルの場合には酸化セリウムを使用する
こともできる。
に限定されるものでなく、酸素の還元性が高いという理
由から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、さらにはランタンマンガナイト
又はランタンコバルタイトが好ましい。これらランタン
クロマイト及びランタンンマンガナイトは、それぞれ単
独で用いることもできるが、熱膨張の整合性の理由か
ら、ストロンチウム、カルシウム、クロム(ランタンマ
ンガンナイトの場合)、コバルト、鉄、ニッケル、アル
ミニウムなどをドープすることもできる。また、パラジ
ウム、白金、ルテニウム、白金−ジルコニア混合粉末、
パラジウムージルコニア混合粉末、ルテニウムージルコ
ニア混合粉末、白金−酸化セリウム混合粉末、ルテニウ
ムー酸化セリウム混合粉末などを使用することもでき
る。
は、酸化触媒であれば特に限定されないが、酸素イオン
の酸化活性が高いという理由から、ニッケル、パラジウ
ム、白金、ニッケルージルコニア混合粉末、白金−ジル
コニア混合粉末、パラジウムージルコニア混合粉末、ニ
ッケルー酸化セリウム混合粉末、白金−酸化セリウム混
合粉末、パラジウムー酸化セリウム混合粉末、ルテニウ
ム、ルテニウムージルコニア混合粉末などを使用するこ
とが好ましい。
初に、所定量のポリビニルアルコールと水などとを加
え、ニーダーを用いることにより混練して得たインター
コネクタ及び固体電解質用の杯土を、二軸プランジャー
のシリンダーの中に充填した後、押出して所定の成形体
を得、次いで、乾燥・焼結の工程を経ることによって形
成する。さらに、陽極33及び陰極34については、こ
れらを構成する材料粉末にアルコールを加えて形成した
スラリーを、上述のようにして形成した構造体1の内側
壁面に塗布した後、乾燥・焼結させることによって形成
する。
O−Al2 O3 スピネル、ジルコニア、及びAl2 O3
からなる群より選ばれた少なくとも1種より形成するこ
とが好ましい。これにより、本発明の電気化学セルユニ
ットをSOFCなどとして実際に使用した場合において
も、熱膨張差に起因したシール部分からの燃料のリーク
などを防止することができる。
て詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定さ
れるものではなく、本発明の範疇においていかなる変形
及び変更も行うことができる。
セルユニットによれば、外部マニホールドなどによる隔
壁の損傷によって、燃料ガスなどが反応することなく、
簡易かつ高効率のガス供給構造を具えた電気化学セルを
提供することができる。さらに、ガス導入孔をハニカム
型の構造体の主面と側壁とに分割して形成しているの
で、セルピッチの大小に関わらずマニホールド構造を簡
略化することができる。
視図である。
含む水平面に沿って切った場合の断面図である。
断面図である。
を示す断面図である。
の概略を示す斜視図である。
を示す斜視図である。
含む水平面に沿って切った場合の断面図である。
る。
沿って矢印方向に切った場合の断面図である。
の詳細を示す断面図である。
他方のガスの導入孔、4 他方のガスの分配流路、5
一方のガスの流路、6 他方のガスの流路、7 一方
のガスの排気孔、8,14 他方のガスの排気孔、9
他方のガスの開孔、 11 外部マニホールド、12
突起部、13 ガス導入部、15 他方のガスの回収流
路、21 容器、22 他方のガスの供給孔、23 絶
縁物、31 インターコネクタ、32 固体電解質、3
3 陽極、34 陰極
Claims (7)
- 【請求項1】気密質の固体電解質と気密質のインターコ
ネクタとからなるハニカム型の構造体を具え、前記ハニ
カム型の構造体中に前記ハニカム型の構造体の側壁と略
平行に延びる複数の一方のガスの流路及び複数の他方の
ガスの流路が形成されており、前記一方のガスの流路と
前記他方のガスの流路とがそれぞれ前記固体電解質と前
記インターコネクタとによって包囲されており、前記構
造体の前記一方のガスの流路に面する壁面に陽極が形成
されており、前記ハニカム型の構造体の前記他方のガス
の流路に面する壁面に陰極が形成されている電気化学セ
ルユニットであって、一方のガスを前記ハニカム型の構
造体中の前記一方のガスの流路に導入するための一方の
ガスの導入孔を、前記一方のガスの流路を前記ハニカム
型の構造体中を貫通させることによって、前記一方のガ
スの流路が貫通した前記ハニカム型の構造体の主面に形
成し、他方のガスを前記ハニカム型の構造体中の前記他
方のガスの流路に導入するための他方のガスの導入孔
を、前記ハニカム型の構造体の側壁に形成したことを特
徴とする、電気化学セルユニット。 - 【請求項2】前記他方のガスの流路は前記ハニカム型の
構造体中を貫通しており、前記一方のガスの導入孔が形
成された前記ハニカム型の構造体の主面には、前記一方
のガスの導入孔から前記一方のガスの流路のそれぞれに
前記一方のガスを供給するとともに、前記ハニカム型の
構造体の主面に形成された前記他方のガスの流路の開孔
を封じるようにしたハニカム型の外部マニホールドを設
けたことを特徴とする、請求項1に記載の電気化学セル
ユニット。 - 【請求項3】前記ハニカム型の構造体中の前記他方のガ
スの流路中を通過した前記他方のガスを、前記ハニカム
型の構造体の外部へ排気するための他方のガスの排気孔
を、前記ハニカム型の構造体の側壁に形成したことを特
徴とする、請求項1に記載の電気化学セルユニット。 - 【請求項4】前記他方のガスの流路は前記ハニカム型の
構造体中を貫通しており、前記一方のガスの導入孔が形
成された前記ハニカム型の構造体の主面には、前記一方
のガスの導入孔から前記一方のガスの流路のそれぞれに
前記一方のガスを供給するとともに、前記ハニカム型の
構造体の主面に形成された他方のガスの流路の開孔を封
じるようにしたハニカム型の外部マニホールドを設け、
前記ハニカム型の構造体の主面と反対側の主面には、前
記一方のガスの流路中を通過した前記一方のガスを前記
ハニカム型の構造体の外部へ排気するとともに、前記他
方のガスの流路の開孔を封じるようにしたハニカム型の
外部マニホールドを設けたことを特徴とする、請求項3
に記載の電気化学セルユニット。 - 【請求項5】前記ハニカム型に外部マニホールドは、M
gO−Al2 O3 スピネル、ジルコニア、及びAl2 O
3 から選ばれる少なくとも1種からなることを特徴とす
る、請求項1〜4のいずれか一に記載の電気化学セルユ
ニット。 - 【請求項6】請求項1〜5のいずれか一に記載の電気化
学セルユニットは、他方のガスの供給孔が形成された容
器内に設置され、前記他方のガスの供給孔から供給され
た他方のガスによって、前記電気化学セルユニットと前
記容器とのすき間が充填されるとともに、前記ハニカム
型の構造体の側壁に形成された前記他方のガスの導入孔
を通じて、前記他方のガスを前記ハニカム型の構造体中
の前記他方のガスの流路に導入するようにしたことを特
徴とする、電気化学セル。 - 【請求項7】前記容器には、前記他方のガスを前記容器
の外部に排気するための他方のガスの排気孔が形成さ
れ、前記ハニカム型の構造体中の前記他方のガスの流路
を通過した前記他方のガスは、前記他方のガスの排気孔
を通じて前記容器の外部に排気されるようにしたことを
特徴とする、請求項6に記載の電気化学セル。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33983598A JP4374086B2 (ja) | 1998-11-30 | 1998-11-30 | 電気化学セルユニット及び電気化学セル |
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