JP7353226B2 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Description

本発明は、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。
複数の電池セルを積層した電池モジュールが開発されている。複数の電池セルに供給される燃料ガス及び酸化剤ガス等のガス漏れの抑制及び電池セル間の電気抵抗の抑制等のため、弾性体によってある程度の加圧力が複数の電池セルに加えられている。電池セルは高温で発電を行うが、温度変化によって膨張及び収縮を繰り返す。このような電池セルの膨張及び収縮が生じる場合であっても、弾性体による電池セルへの加圧力の変動が少ないことが好ましい。つまり、電池セルに用いられる弾性体は、電池セルからの膨張及び収縮による反力に比例せず、変位がある程度増加すると、バネ定数が低下するような非線形特性を有することが好ましい。特許文献１、２には、電池セルに安定した加圧力を加圧可能な弾性体が開示されている。
特開２０１５－１５３６７９号公報 特開２０１６－６２８５２号公報
特許文献１、２のような弾性体は、高温における強度やクリープ許容応力が大きい金属材料を用いて形成される。しかし、数年に及ぶ長期間の使用を考慮すると、金属材料で形成される弾性体におけるクリープ変形が避けられない。つまり、被加圧体に所望の加圧力を加えるために弾性体に所望の加圧力が加わっている場合、弾性体の内部には、断面二次モーメント等により表される、所望の加圧力に釣り合う応力（以下、内部発生応力という）が生じている。内部発生応力が大きくなった場合に使用温度と使用時間から制限されるクリープ許容応力を超える場合があり、特に５００℃を超える高温領域ではクリープ変形に対する耐久性に問題がある。クリープ変形が生じた場合には、弾性体からの加圧力が低下し、電池セルの膨張及び収縮に応じて必要となる加圧力が不足してしまう。
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、クリープ変形の影響を抑制して必要な加圧力を与えることが可能な熱膨張部材を備える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を提供することを目的とする。
[構成]
本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は、
電解質層と、前記電解質層の両側にそれぞれ配置されている第１電極及び第２電極とが、基板に沿って形成されている複数の電気化学素子が所定の積層方向に積層されている積層体と、
前記積層方向における前記積層体の第１平面、及び前記第１平面とは反対の第２平面の少なくとも一方に沿って配置されている熱膨張部材と、
前記積層方向において、前記第１平面に沿って配置されている平板状の第１挟持体、及び前記第２平面に沿って配置されている平板状の第２挟持体を含み、前記熱膨張部材を介して前記積層体を挟持する挟持体と、
前記熱膨張部材の前記積層方向と直交する前記第１平面又は前記第２平面に沿う平面方向の熱膨張を規制する規制部材とを備え、
前記熱膨張部材は、側面視において、前記積層方向のうち第１方向に向かって傾斜して延びる直線状の第１板状部と、前記第１板状部に連続しており、前記第１板状部から離れるほど前記積層方向のうち前記第１方向とは反対の第２方向に向かって傾斜して延びる直線状の第２板状部とを有する点にある。
上記特徴構成によれば、熱膨張部材は、側面視において、直線状の第１板状部とそれに連続する直線状の第２板状部とを有している。第１板状部は積層方向のうち第１方向に向かって傾斜して延びており、第２板状部は第１板状部から離れるほど第２方向に向かって傾斜して延びている。よって、第１板状部と第２板状部とは頂点において連結しており、Ｖ字状（又は逆Ｖ字状）に屈曲している。
ここで、電気化学モジュールは高温で発電を行い、温度変化によって積層体及び挟持体の少なくともいずれかが熱により膨張する。この場合、積層体と挟持体との間隔は、積層体等の膨張前後で変動し、積層体等に適切な荷重を負荷できない可能性がある。本特徴構成によれば、熱膨張部材は積層方向と直交する第１平面又は第２平面に沿う平面方向における熱膨張を規制部材によって規制されている。よって、第１板状部と第２板状部とが形成するＶ字の頂点において、第１板状部と第２板状部とが互いに押し合うように作用する。これにより、熱膨張部材が平面方向に熱膨張しようとする力が積層方向に変換され、第１板状部と第２板状部とが形成するＶ字の底部から頂点までの高さ方向の幅が積層方向に沿って拡大する。これが積層方向の押圧力となるため、熱膨張部材は、熱膨張により一対の挟持体の間において積層体等を積層方向に押圧して挟持することができる。
前述のように、熱膨張部材はＶ字の高さ方向の幅が積層方向に拡大するように膨張することで積層体等を積層方向に押圧する力を発生させており、当該押圧する力は、熱膨張部材の湾曲によって生じているわけではない。よって、熱膨張部材の湾曲等による熱膨張部材のクリープ変形が抑制され、長期間にわたって積層体等に適切な荷重を与えることができる。よって、電気化学モジュールにおいて、内部抵抗の増大を抑制し、反応ガスのシール性の低下を抑制できる。
また、積層体の第１平面及び第２平面の少なくとも一方と、挟持体の平面との間に、熱膨張部材を配置するという簡単な構成で、積層体等の膨張を考慮した小型、軽量かつ低コストな電気化学モジュールを構成できる。
なお、電解質層の両側に第１電極及び第２電極がそれぞれ配置されている構成には、第１電極が電解質層に接触して配置されている場合と、第１電極が介在層を介して電解質層に面して配置されている場合のいずれかの構成を含む。第２電極と電解質層との関係も同様である。介在層としては、例えば反応防止層及び中間層等が含まれる。
[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、
前記熱膨張部材は、前記電気化学素子が発電している時と、前記電気化学素子が発電していない時とにおける、前記積層体及び前記挟持体間の熱膨張差を、前記第１板状部及び前記第２板状部の線膨張により補償する点にある。
電気化学素子が発電していない低温時（例えば室温で約１５℃等の時）から、電気化学素子が発電している高温時（例えば約６５０℃～約９５０℃等の時）に変化すると、積層体及び挟持体等が膨張し、積層体と挟持体との間の間隔が変動し、積層体等に適切な荷重を負荷できない可能性がある。
本特徴構成によれば、熱膨張部材の第１板状部及び第２板状部が熱により線膨張する。つまり、第１板状部はその延びている方向に沿って線膨張し、第２板状部はその延びている方向に沿って線膨張する。熱膨張部材は平面方向における熱膨張を規制部材によって規制されているため、熱によって線膨張した第１板状部と第２板状部とがそれらが形成するＶ字の頂点において互いに押し合うように作用する。これにより、第１板状部と第２板状部とが形成するＶ字の底部から頂点までの高さ方向の幅が積層方向に沿って拡大し、積層体等を積層方向に押圧する力を生じさせる。よって、熱膨張部材は、熱膨張により一対の挟持体の間において積層体等を積層方向に押圧して挟持することができる。
[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、
前記熱膨張部材は、前記第１板状部及び前記第２板状部が延びている方向を主として熱膨張することによって前記積層体に荷重を負荷しうる厚みを有している点にある。
上記特徴構成によれば、熱膨張部材の第１板状部及び第２板状部は、その延びている方向を主として熱膨張する厚みを有している。よって、第１板状部及び第２板状部は、熱膨張の際に湾曲が抑制された状態で、その延びている方向に沿って線膨張する。線膨張した第１板状部と第２板状部とがそれらが形成するＶ字の頂点において互いに押し合うように作用し、Ｖ字の底部から頂点までの高さ方向の幅が積層方向に沿って拡大する。このようにして熱膨張部材は線膨張を利用して積層体等を積層方向に押圧する力を生じさせる。よって、湾曲等による熱膨張部材のクリープ変形が抑制される。
[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、前記規制部材は、前記積層体を取り囲む筐体の一部である点にある。
上記特徴構成によれば、規制部材は積層体を取り囲む筐体の一部であるため、熱膨張部材の平面方向の熱膨張を筐体によって規制できる。
[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、前記熱膨張部材は、前記平面方向の両端部の少なくとも一方から前記積層方向に延びる端部延長部を有している点にある。
上記特徴構成によれば、端部延長部は、熱膨張部材は平面方向の両端部の少なくとも一方から積層方向に延びている。よって、熱膨張部材は、端部延長部を介して規制部材から平面方向の熱膨張を規制される。端部延長部は積層方向に延びているため、規制部材との接触面積が大きくなり、熱膨張部材の平面方向の熱膨張の規制が向上する。
[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、
前記規制部材は、前記積層体を取り囲む筐体の一部であり、
前記規制部材である前記筐体の一部と前記熱膨張部材との間に配置された非硬質部材を備える点にある。
上記特徴構成によれば、端部延長部は、非硬質部材を介して筐体の一部である規制部材から平面方向の熱膨張を規制される。端部延長部と規制部材との間に非硬質部材が介在しているが、端部延長部と非硬質部材との接触面積が大きくなり、熱膨張部材の非硬質部材への食い込みが抑制され、ひいては平面方向の熱膨張の規制が向上する。
[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、前記熱膨張部材の熱膨張率は、前記挟持体を構成する部材の熱膨張率よりも大きい点にある。
例えば、熱膨張部材の熱膨張量が挟持体の熱膨張量よりも小さい場合には、熱膨張により積層体と挟持体との間の間隔が大きくなると、熱膨張部材は、その膨張を用いても積層体等に適切な荷重を付与できない場合がある。
本特徴構成によれば、熱膨張部材の熱膨張率は挟持体よりも大きい。そのため、熱膨張部材が熱膨することで、挟持体の熱膨張により拡大した積層体と挟持体の間隔を補完することができる。つまり、熱膨張により積層体と挟持体との間の間隔が大きく広がる方向に変動した場合でも、より大きく熱膨張する熱膨張部材によって、適切な荷重を積層体等に負荷できる。
[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、前記挟持体は、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から形成されている点にある。
本特徴構成によれば、挟持体に用いられる上記の材料は、比較的に熱膨張率が小さい。よって、上記の材料により挟持体を形成することで、例えば発電時に高温になった場合に、挟持体の熱膨張量を小さく抑えることができる。これにより、熱膨張部材による積層体と挟持体との間の間隔の広がりを小さく抑えることができる。よって、熱膨張部材の熱膨張率が比較的に大きくない場合であっても、前述の間隔が変動した後に適切な荷重を熱膨張部材により積層体に負荷できる。
また、挟持体の熱膨張量が小さいため、適切な積層体への荷重負荷により電気化学素子の基板等の位置ずれ及び破損等を抑制できる。
[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、前記熱膨張部材は、オーステナイト系ステンレスから形成されている点にある。
本特徴構成によれば、熱膨張部材に用いられる上記の材料は、比較的に熱膨張率が大きい。よって、熱膨張により積層体と挟持体との間の間隔が変動した場合でも、より大きく熱膨張する熱膨張部材によって、前述の間隔の変動を補完し、適切な荷重を積層体等に負荷できる。
[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、前記第１挟持体及び前記第２挟持体の少なくとも一方は、前記積層体を取り囲む筐体の一部である点にある。
本特徴構成によれば、第１及び第２挟持体の少なくとも一方が筐体の一部であるため、積層体の少なくとも一方を取り囲んで一体の電気化学モジュールとして容易に構成できる。
[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、
前記挟持体は、
前記積層方向において、前記第１平面に沿って配置されている平板状の第１プレート、及び前記第２平面に沿って配置されている平板状の第２プレートを含み、前記熱膨張部材を介して前記積層体を挟持するプレートと、
前記積層体、前記熱膨張部材及び前記プレートを収容する筐体とを有する点にある。
本特徴構成によれば、積層体が、第１平面側では熱膨張部材を介して第１プレートに挟持され、第２平面側では熱膨張部材を介して第２プレートに挟持された状態で、筐体内に収容されている。よって、電気化学モジュールを筐体内に収容した状態で、筐体で挟み込んだプレート及び熱膨張部材を介して積層体等に適切な荷重を負荷できる。
[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、前記電気化学素子は固体酸化物形燃料電池である点にある。
本特徴構成によれば、電気化学素子は固体酸化物形燃料電池であり、発電時には例えば約６５０℃～約９５０℃等の高温となる。よって、積層体及び挟持体等は、高温にさらされることで膨張する。このとき、積層体の熱膨張と挟持体の熱膨張との間に熱膨張差が生じると、積層体と挟持体との間の間隔が発電時と発電していない時とで異なる。
熱膨張部材は、内部空間の内容物の熱膨張によって積層体と挟持体との間隔が変動した場合でも、挟持体との間で積層体に適切な荷重を付与する。これにより、電気化学モジュールにおいて、内部抵抗の増大を抑制し、反応ガスのシール性の低下を抑制できる。
[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、前記電気化学素子は固体酸化物形電解セルである点にある。
上記の特徴構成によれば、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学素子が固体酸化物形電解セルとして電解反応によるガスの生成を行うことができるので、高耐久・高性能な固体酸化物形電解セルを得る事ができる。
[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、電気化学素子が金属支持体を有する点にある。
上記特徴構成によれば、電気化学素子が金属支持体を有するため、強度が高く、信頼性・耐久性に優れた電気化学素子を実現することができる。
[構成]
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上記の電気化学モジュールと、前記電気化学モジュールに還元性成分を含有するガスを流通する燃料変換器、あるいは前記電気化学モジュールで生成する還元性成分を含有するガスを変換する燃料変換器と、を少なくとも有する点にある。
上記の特徴構成によれば、電気化学モジュールと電気化学モジュールに還元性成分を含有するガスを流通する燃料変換器を有する。よって、電気化学モジュールを燃料電池として動作させる場合、改質器などの燃料変換器によって、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から水素を生成し、燃料電池に流通させる構成とすると、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。
更に、上記の特徴構成によれば、電気化学モジュールと電気化学モジュールで生成する還元性成分を含有するガスを変換する燃料変換器を有する。よって、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、例えば、水の電解反応によって生成する水素を燃料変換器で一酸化炭素や二酸化炭素と反応させてメタンなどに変換する電気化学装置とすることが出来るが、このような構成にすると、耐久性・信頼性および性能に優れた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。
[構成]
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上記の電気化学モジュールと、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。
上記の特徴構成によれば、電力変換器は、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モジュール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。
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。
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。
電気化学モジュールの断面図である。 電気化学モジュールの上面図である。 電気化学モジュールの側面図である。 熱膨張部材の側面図である。 電気化学モジュールの概略図である。 別の形態１に係る電気化学モジュールの断面図である。 別の形態２に係る電気化学モジュールの断面図である。 図７の電気化学モジュールの上面図である。 図７の電気化学モジュールの側面図である。 別の形態３に係る電気化学モジュールの断面図である。 熱膨張部材の側面図である。 電気化学素子の概略図である。 図１２におけるＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ断面図である。 図１２におけるＸＩＶ－ＸＩＶ面図である。 図１２におけるＸＶ－ＸＶ断面図である。 図１２におけるＸＶＩ－ＸＶＩ断面図である。 図１２におけるＸＶＩＩ－ＸＶＩＩ断面図である。 図１２におけるＸＶＩＩＩ－ＸＶＩＩＩ断面図である。 図１２におけるＸＩＸ－ＸＩＸ断面図である。 図１２におけるＸＸ－ＸＸ断面図である。 電気化学反応部の要部拡大図である。 エネルギーシステムの概略図である。 別の形態に係る電気化学モジュールの説明図である。 別のエネルギーシステムの概略図である。
〔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、電気化学装置及びエネルギーシステムについて説明する。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」、第一板状体の側を「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。
（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５）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。
また、電気化学モジュールＭは、容器２００の外部から、第一ガスを電気化学素子積層体Ｓに供給する第一ガス供給部６１と、電気化学素子積層体Ｓにおいて反応後の第一ガスを排出する第一ガス排出部６２とを備えている。
容器２００には、図１～図３に示すように、第二ガス供給部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に第二ガスを供給する。電気化学素子積層体Ｓにおいて反応後の第二ガスは、容器２００に設けられた第二ガス排出部７２から外部に排出される。
ここでは、第一ガスは例えば燃料ガス等の還元性成分ガスであり、第二ガスは空気等の酸化性成分ガスである。
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（非硬質部材）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。
よって、電気化学素子積層体Ｓは、第一ガス供給部６１から燃料ガスの供給を受け、第二ガス供給部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一ガス排出部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を介して第二ガス排出部７２に導かれ、第二ガス排出部７２から外部に排出される。
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。
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、上部熱膨張部材５００Ｔ、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、下部熱膨張部材５００Ｂ、下部プレート（第２挟持体）２３０Ｂを備えている。
電気化学素子積層体Ｓについては、後で詳述する。
（２）絶縁体、熱膨張部材、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、熱膨張部材（上部及び下部熱膨張部材５００Ｔ及び５００Ｂ）５００、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。
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、例えばセラミックスや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。
上部熱膨張部材５００Ｔは、上部絶縁体２１０Ｔの上部に配置されている。上部熱膨張部材５００Ｔは、図１、図４に示すように、断面視（図１、図４等における断面視であって、第二ガス供給部７１及び第二ガス排出部７２を第二ガスが通過する水平方向に沿って、開口付板部材２４０の複数の開口２４０ａの断面が見える断面視）において、積層方向における上方向及び下方向に屈曲して少なくとも１つのＶ字部分を有する板状部材から形成されている。具体的には、上部熱膨張部材５００Ｔは、平板状の第１板状部５０１Ｔａと、平板状の第２板状部５０１Ｔｂと、端部延長部５０３Ｔとにより構成されている。上部熱膨張部材５００Ｔは、第１板状部５０１Ｔａと第２板状部５０１Ｔｂとが交差する頂点５００Ｔａが上部絶縁体２１０Ｔ側に、頂点５００Ｔｂが上部プレート２３０Ｔ側になるように配置されている。
なお、上部熱膨張部材５００Ｔには、上面視において、第一ガス供給部６１及び第一ガス排出部６２に対応する部分にそれらが貫通可能な開口が設けられている。
図１に示すように、上部熱膨張部材５００Ｔは、開口付板部材２４０を介して容器２００の後述の第２端部２０１ｂ（規制部材）から、積層方向に直交する電気化学素子積層体Ｓの上部平面（第１平面）又は下部平面（第２平面）に沿う水平方向の熱膨張を規制される。なお、開口付板部材２４０は軟質マイカ等の非硬質の材料から形成されているため、上部熱膨張部材５００Ｔの水平方向の熱膨張は、主として第２端部２０１ｂによって規制される。ただし、開口付板部材２４０もまた上部熱膨張部材５００Ｔの水平方向の熱膨張の規制の一部を担うこともできる。
熱膨張部材（上部及び下部熱膨張部材５００Ｔ及び５００Ｂ）５００については後述する。
上部プレート２３０Ｔは、板状部材であり、上部熱膨張部材５００Ｔ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。上部プレート２３０Ｔは、上部熱膨張部材５００Ｔの少なくとも一部と接触可能である。本実施形態では、上部熱膨張部材５００Ｔは、熱膨張する前は上部プレート２３０Ｔと接触していないか、接触していても上部プレート２３０Ｔと電気化学素子積層体Ｓとの間において大きな荷重は受けていない。そして、上部熱膨張部材５００Ｔは、熱膨張した場合に、頂部５００Ｔｂが上部プレート２３０Ｔと接触し、電気化学素子積層体Ｓ等に膨張により荷重を負荷する。つまり、熱膨張部材５００は、荷重がほとんど負荷されていない状態から、熱が加わることにより膨張して電気化学素子積層体Ｓ等に荷重を負荷する。
上部プレート２３０Ｔは、下部プレート２３０Ｂとともに、容器２００から所定の荷重を受けて、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、上部及び下部熱膨張部材５００Ｔ及び５００Ｂとを挟みこんでいる。ここで、荷重とは、例えば１ｍｍ２当たり等の単位面積当たりの圧力である。
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。下部熱膨張部材５００Ｂは下部絶縁体２１０Ｂの下部に、下部プレート２３０Ｂは下部熱膨張部材５００Ｂの下部に配置されている。下部絶縁体２１０Ｂ、下部熱膨張部材５００Ｂ及び下部プレート２３０Ｂは、それぞれ上部絶縁体２１０Ｔ、上部熱膨張部材５００Ｔ及び上部プレート２３０Ｔと同様である。なお、下部熱膨張部材５００Ｂは、第１板状部５０１Ｂａと第２板状部５０１Ｂｂとが交差する頂点５００Ｂａが下部絶縁体２１０Ｂ側に、頂点５００Ｂｂが下部プレート２３０Ｂ側になるように配置されている。
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。
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の深さよりも深くてもよい。
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二ガス供給部７１及び第二ガス排出部７２が形成されている。
なお、ここでは、下蓋２０３に第二ガス供給部７１及び第二ガス排出部７２が形成されている。しかし、第二ガス供給部７１及び第二ガス排出部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。第二ガス供給部７１及び第二ガス排出部７２は、例えば上蓋２０１に形成されてもよい。
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。
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。
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。また、上部熱膨張部材５００Ｔは、上部絶縁体２１０Ｔと、上部プレート２３０Ｔとの間に位置するように配置されている。
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。下部熱膨張部材５００Ｂは、下部絶縁体２１０Ｂと、下部プレート２３０Ｂとの間に位置するように配置されている。
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、上部熱膨張部材５００Ｔ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、下部熱膨張部材５００Ｂ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。
この容器２００の熱膨張率は、熱膨張部材５００の熱膨張率よりも小さいと好ましい。容器２００は、プレート２３０を介して熱膨張部材５００に隣接して配置されている。そして、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、熱膨張部材５００を介して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。ただし、容器２００はこれに限定されず、熱膨張率が熱膨張部材５００よりも小さく、かつ耐腐食性に優れる材料が選択されると好ましい。
なお、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、基板が破損等するのを抑制できる。
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、上部及び下部熱膨張部材５００Ｔ及び５００Ｂ、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等に所定の荷重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、上部及び下部熱膨張部材５００Ｔ及び５００Ｂ、上部及び下部プレート２３０Ｔ及び２３０Ｂには、所定の荷重が負荷されて締め付けられている。
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（図示せず）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。
（３）熱膨張部材の構成及び作用
次に、熱膨張部材（上部及び下部熱膨張部材５００Ｔ及び５００Ｂ）５００の構成及び作用についてさらに説明する。
（３－１）熱膨張部材の構成
熱膨張部材５００の構成について図４を用いて説明する。熱膨張部材５００は、第１板状部５０１ａと、第２板状部５０１ｂと、端部延長部５０３とを有する。第１板状部５０１ａ及び第２板状部５０１ｂは平板状の板状部材である。そして、第１板状部５０１ａと第２板状部５０１ｂとが、プレート２３０と絶縁体２１０との間で交互に連続することで屈曲して複数のＶ字部分を形成している。熱膨張部材５００は、Ｖ字の屈曲の頂点として、絶縁体２１０側の頂点５００ａと、プレート２３０側の頂点５００ｂとを有している。
断面視において、第１板状部５０１ａと第２板状部５０１ｂとは、頂点５００ａを通って積層方向に延びる線を中心線として線対称となっている。そして、第１板状部５０１ａ及び第２板状部５０１ｂは、頂点５００ａを起点として、絶縁体２１０側からプレート２３０側に向かって傾斜している。また、第１板状部５０１ａ及び第２板状部５０１ｂは、頂点５００ｂを起点として、プレート２３０側から絶縁体２１０側に向かって傾斜している。そして、このような第１板状部５０１ａ及び第２板状部５０１ｂが交互に連続することで熱膨張部材５００の屈曲が構成されている。図４に示す本実施形態では、２セットの第１板状部５０１ａ及び第２板状部５０１ｂの組み合わせにより熱膨張部材５００の２つのＶ字からなる屈曲が構成されている。
さらに、断面視において、熱膨張部材５００の両端それぞれに端部延長部５０３が形成されている。端部延長部５０３は、熱膨張部材５００の端部において、開口付板部材２４０の積層方向に沿った面と同様に、積層方向に沿って延びるように形成されている。そして、端部延長部５０３は、開口付板部材２４０の積層方向に沿った面と当接可能となっており、開口付板部材２４０を介して容器２００（規制部材）から積層方向と直交する電気化学素子積層体Ｓの上部平面又は下部平面に沿う水平方向の熱膨張を規制されるようになっている。本実施形態では、端部延長部５０３は、開口付板部材２４０に当接可能となっているが、発電前の例えば室温１５℃においては容器２００から水平方向の熱膨張を規制されておらず、電気化学素子Ａが発電している際の７００℃においては容器２００から水平方向の熱膨張を規制される。
なお、端部延長部５０３は、積層方向に延びているため、容器２００（規制部材）との接触可能面積が大きくなり、熱膨張部材５００の水平方向の熱膨張の規制が向上する。また、ここでは、端部延長部５０３は、開口付板部材（非硬質部材）２４０を介して容器２００（規制部材）と当接可能であるが、端部延長部５０３が積層方向に延びているため、端部延長部５０３と開口付板部材２４０との接触面積が大きくなり、熱膨張部材５００の開口付板部材２４０への食い込みが抑制され、ひいては水平方向の熱膨張の規制が向上する。
上部及び下部熱膨張部材５００Ｔ及び５００Ｂのそれぞれについて説明すると、上部熱膨張部材５００Ｔの第１板状部５０１Ｔａ及び第２板状部５０１Ｔｂは、上部絶縁体２１０Ｔ側の頂点５００Ｔａを起点として、上部絶縁体２１０Ｔ側から上部プレート２３０Ｔ側に向かって傾斜している。つまり、第１板状部５０１Ｔａ及び第２板状部５０１Ｔｂは、頂点５００Ｔａを起点として、電気化学素子積層体Ｓから離れる側に傾斜している。
また、第１板状部５０１Ｔａ及び第２板状部５０１Ｔｂは、上部プレート２３０Ｔ側の頂点５００Ｔｂを起点として、上部プレート２３０Ｔ側から上部絶縁体２１０Ｔ側に向かって傾斜している。つまり、第１板状部５０１Ｔａ及び第２板状部５０１Ｔｂは、頂点５００Ｔｂを起点として、電気化学素子積層体Ｓに近づく側に傾斜している。
そして、このような第１板状部５０１Ｔａ及び第２板状部５０１Ｔｂが交互に連続することで上部熱膨張部材５００ＴのＶ字の屈曲が構成されている。
さらに、断面視において、上部熱膨張部材５００Ｔの両端それぞれに端部延長部５０３Ｔが形成されている。本実施形態では、端部延長部５０３Ｔは、上部熱膨張部材５００Ｔの両端が上部絶縁体２１０Ｔと接している部分から積層方向に沿って電気化学素子積層体Ｓから離れる方向に延びている。このように、積層方向に沿って延びている端部延長部５０３Ｔは、開口付板部材２４０の積層方向に沿った面と当接するとともに、容器２００の第２端部２０１ｂ（規制部材）にも当接可能となっている。
一方、下部熱膨張部材５００Ｂの第１板状部５０１Ｂａ及び第２板状部５０１Ｂｂは、下部絶縁体２１０Ｂ側の頂点５００Ｂａを起点として、下部絶縁体２１０Ｂ側から下部プレート２３０Ｂ側に向かって傾斜している。つまり、第１板状部５０１Ｂａ及び第２板状部５０１Ｂｂは、頂点５００Ｂａを起点として、電気化学素子積層体Ｓから離れる側に傾斜している。
また、第１板状部５０１Ｂａ及び第２板状部５０１Ｂｂは、下部プレート２３０Ｂ側の頂点５００Ｂｂを起点として、下部プレート２３０Ｂ側から下部絶縁体２１０Ｂ側に向かって傾斜している。つまり、第１板状部５０１Ｂａ及び第２板状部５０１Ｂｂは、頂点５００Ｂｂを起点として、電気化学素子積層体Ｓに近づく側に傾斜している。
そして、このような第１板状部５０１Ｂａ及び第２板状部５０１Ｂｂが交互に連続することで下部熱膨張部材５００ＢのＶ字の屈曲が構成されている。
さらに、断面視において、下部熱膨張部材５００Ｂの両端それぞれに端部延長部５０３Ｂが形成されている。本実施形態では、端部延長部５０３Ｂは、下部熱膨張部材５００Ｂの両端が下部絶縁体２１０Ｂと接している部分から積層方向に沿って電気化学素子積層体Ｓから離れる方向に延びている。このように、積層方向に沿って延びている端部延長部５０３Ｂは、開口付板部材２４０の積層方向に沿った面と当接するとともに、容器２００の第２端部２０３ｂ（規制部材）にも当接可能となっている。
以上のような上部熱膨張部材５００Ｔは、図１に示す断面視において水平方向を長手方向とし、上面視における奥行方向を短手方向として構成されている。そして、上部熱膨張部材５００Ｔは、上部絶縁体２１０Ｔに沿って奥行方向に複数個が配置される。下部熱膨張部材５００Ｂも同様に、図１に示す断面視において水平方向を長手方向とし、奥行方向を短手方向として構成されている。そして、下部熱膨張部材５００Ｂは、下部絶縁体２１０Ｂに沿って奥行方向に複数個が配置される。例えば、熱膨張部材５００は奥行方向に４個配置することができる。
熱膨張部材５００は、本実施形態では、熱により膨張する熱膨張部材から形成されている。熱膨張部材５００の熱膨張率は、電気化学素子積層体Ｓ及び容器２００等を構成する部材の熱膨張率よりも大きいと好ましく、例えば、約１２×１０－６／℃以上であると好ましい。このような熱膨張部材５００の材料としては、金属材料を挙げることができ、好ましくはステンレスなどの耐熱材料が挙げられる。一例であるが、熱膨張部材５００の材料としては、例えば、オーステナイト系ステンレスが挙げられる。
オーステナイト系ステンレスの熱膨張率は、比較的に大きい。例えば、アルミニウムの熱膨張率が約２３．８×１０－６／℃であるのに対して、オーステナイト系ステンレスの熱膨張率は、アルミニウムの熱膨張率等と同程度に大きい。オーステナイト系ステンレスの熱膨張率は、ＳＵＳ３０３及びＳＵＳ３０４が約１７．３×１０－６／℃であり、ＳＵＳ３１６が約１６×１０－６／℃である。ただし、熱膨張部材５００の材料はこれに限定されず、熱膨張率が容器２００等よりも大きく、かつ耐腐食性に優れる部材が選択されると好ましい。
そして、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及び上部及び下部絶縁体２１０Ｔ及び２１０Ｂは、上部及び下部熱膨張部材５００Ｔ及び５００Ｂを介して、所定の荷重を負荷されて上部及び下部プレート２３０Ｔ及び２３０Ｂに挟持されている。ただし、電気化学素子積層体Ｓ等において第一ガス及び第二ガスの漏れの抑制及び電気抵抗の低下等のために荷重を負荷するが、熱膨張部材５００には予め大きな荷重が負荷されている必要はない。
図４に示す熱膨張部材５００の寸法は、一例であるが、Ｌ１＝２１５ｍｍ、Ｌ２＝１２ｍｍ、Ｌ３＝７ｍｍ、Ｌ４＝２ｍｍ、Ｌ５＝３２ｍｍである。そして、第１板状部５０１ａ及び第２板状部５０１ｂのそれぞれの寸法はＬ１／４＝５３．７５ｍｍである。このように、本実施形態では、熱膨張部材５００の厚みがＬ４＝２ｍｍと厚く形成されている。第１板状部５０１ａ及び第２板状部５０１ｂは厚みが厚いため、熱膨張の際に湾曲が抑制され、第１板状部５０１ａ及び第２板状部５０１ｂが延びている方向に沿って線膨張する。つまり、第１板状部５０１ａ及び第２板状部５０１ｂは延びている方向以外の熱膨張よりも、延びている方向の線膨張が促進される。また、熱膨張部材５００は、開口付板部材２４０を介して容器２００の第２端部２０１ｂ（規制部材）から、積層方向に直交する水平方向の熱膨張を規制されている。よって、第１板状部５０１ａと第２板状部５０１ｂとが形成するＶ字の頂点において、第１板状部５０１ａと第２板状部５０１ｂとが互いに押し合うように作用する。これにより、熱膨張部材５００が水平方向に熱膨張しようとする力が積層方向に変換され、第１板状部５０１ａと第２板状部５０１ｂとが形成するＶ字の底部から頂点までの高さ方向の幅が積層方向に沿って拡大する。つまり、図４に示すように、熱膨張部材５００が熱膨張すると、頂点５００ａから頂点５００ｂまでの間隔が積層方向に沿って拡大する。図４では拡大前が実線、拡大後が二点鎖線で示されている。このようにして熱膨張部材５００は線膨張を利用して電気化学素子積層体Ｓ等を積層方向に押圧する力を生じさせる。よって、湾曲等による熱膨張部材５００のクリープ変形が抑制される。
図４に示す上記の寸法のオーステナイト系ステンレスで形成された熱膨張部材５００（Ｌ１＝２１５ｍｍ、Ｌ２＝１２ｍｍ、Ｌ４＝２ｍｍ、第１板状部５０１ａ及び第２板状部５０１ｂにより形成されるＶ字が２セット等）により被加圧体に与えることが可能な荷重について検討する。なお、熱膨張部材５００は、図１に示すように、開口付板部材２４０を介して容器２００に当接している。ここでは、開口付板部材２４０を無視して熱膨張部材５００が直接に容器２００に当接しているものとする。よって、熱膨張部材５００（Ｌ１＝２１５ｍｍ）は、フェライト系ステンレスで形成された容器２００に当接しており、熱膨張部材５００の水平方向の熱膨張は容器２００によって規制されているものとする。
オーステナイト系ステンレスで形成された熱膨張部材５００は、１５℃から７００℃への加熱によって、水平方向において以下の式の通り２．８６７ｍｍ膨張する。この膨張量について以下に説明する。
図４において、Ｌ１＝２１５ｍｍであるため、Ｌ１／４＝５３．７５ｍｍである。隣接する頂点５００ａから頂点５００ｂまでの斜面長ＬＳ（図４）は、ＬＳ２＝（Ｌ１／４）２＋（Ｌ２）２＝（５３．７５）２＋（１２）２であることから、５５．０７３ｍｍと求まる。
図４では、Ｖ字が２セットあるため、熱膨張部材５００の総斜面長ＬＳａｌｌ＝ＬＳ×４＝５５．０７３×４＝２２０．２９３ｍｍである。
ここで、オーステナイト系ステンレスの熱膨張係数は１９×１０－６／Ｋである。
よって、１５℃から７００℃への加熱によって、熱膨張部材５００は、（２２０．２９３）×（７００－１５）×（１９×１０－６）＝２．８６７ｍｍ水平方向に膨張する。
一方、フェライト系ステンレスで形成された容器２００の熱膨張係数は１１×１０－６／Ｋである。また、容器２００の水平方向の長さはＬ１＝２１５ｍｍとすると、容器２００は、（２１５）×（７００－１５）×（１１×１０－６）＝１．６２０ｍｍ水平方向に膨張する。
熱膨張部材５００の水平方向の熱膨張量（２．８６７ｍｍ）は、容器２００の水平方向の熱膨張量（１．６２０ｍｍ）よりも大きい。よって、熱膨張部材５００は、容器２００と当接することによって容器２００から水平方向の熱膨張を規制される。これにより、第１板状部５０１ａと第２板状部５０１ｂとが形成するＶ字の頂点において、第１板状部５０１ａと第２板状部５０１ｂとが互いに押し合うように作用する。これにより、熱膨張部材５００が水平方向に熱膨張しようとする力が積層方向に変換され、第１板状部５０１ａと第２板状部５０１ｂとが形成するＶ字の底部から頂点までの高さ方向の幅が積層方向に沿って拡大する。この時の積層方向の拡大量は次式の通り、１．４０６ｍｍと算出される。
積層方向に拡大した時のＶ字の底部から頂点までの高さ方向の幅をＨ（図４）とすると、三角法により、Ｈ２＋｛５３．７５＋（１．６２０／４）｝２＝｛５３．０７３＋（２．８６７／４）｝２と表すことができる。Ｈ＝１３．４０６ｍｍであることから、拡大前のＬ２＝１２ｍｍを差し引くと、拡大量は１．４０６ｍｍと算出される。
よって、熱膨張部材５００は、被加圧材を変位長１．４０６ｍｍまで押圧して、被加圧材に荷重をかけることができる。
なお、上記の例では、変位長１．４０６ｍｍで被加圧材を押圧できるが、熱膨張部材５００の積層方向の長さであるＬ２＝１２ｍｍを適宜変更することで変位長を変更可能である。
また、前述の通り、本実施形態において、電気化学素子積層体Ｓ等において第一ガス及び第二ガスの漏れの抑制及び電気抵抗の低下等のために荷重を負荷するが、熱膨張部材５００には予め荷重が負荷されている必要はない。よって、熱膨張部材５００は、ガス漏れ抑制等のための負荷以外はほとんど負荷がかけられていない状態において熱膨張し、座屈が抑制された状態で積層方向に変位して被加圧体、つまり電気化学素子積層体Ｓ等を押圧可能である。
なお、上記のような熱膨張部材５００は、例えば次のように定義することができる。熱膨張部材５００の総斜面長をＬＳａｌｌ、熱膨張後の高さをＨ（図４）とし、第１板状部５０１ａ及び第２板状部５０１ｂが形成するＶ字の数をＣとし、熱膨張部材５００１つの板状部材（第１板状部５０１ａ又は第２板状部５０１ｂ）の水平方向の規制長さをＤ（図４においては、Ｌ１／４）とすると、三角法により次の関係となる。
｛ＬＳａｌｌ／（Ｃ×２）｝２＝Ｈ２＋（Ｄ）２
よって、熱膨張後の熱膨張部材５００の高さＨを、熱膨張部材５００の総斜面長ＬＳａｌｌに対して大きくする場合には、Ｖ字の数Ｃを小さくすることが好ましい。
また、熱膨張部材５００の厚みＬ４は、上記ではＬ４＝２ｍｍとしているが、Ｌ４は、０．１ｍｍ以上が好ましい。より好ましくは、Ｌ４は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。
また、端部延長部５０３の積層方向の高さＬ３は、上記ではＬ３＝７ｍｍとしているが、Ｌ３の上限値は４０ｍｍであり、好ましくは２０ｍｍであり、より好ましくは１０ｍｍである。また、Ｌ３の下限値は１ｍｍであり、好ましくは２ｍｍであり、より好ましくは５ｍｍである。
（３－２）熱膨張部材の作用
ここで、例えば、電気化学素子積層体Ｓ及び容器２００等の少なくともいずれかは、電気化学素子Ａが発電していない低温（例えば室温で約１５℃等）の状態から、電気化学素子Ａが発電時に高温（例えば約６５０℃～約９５０℃等）の状態となると膨張する。このとき、電気化学素子積層体Ｓ及び容器２００間で熱膨張差が生じると、電気化学素子積層体Ｓと容器２００との間の間隔が発電時（高温時）と発電していない時（低温時）とで異なる。このため、電気化学素子積層体Ｓ等に適切な荷重を負荷できない可能性がある。
本実施形態において、熱膨張部材５００は、熱膨張部材５００の第１板状部５０１ａ及び第２板状部５０１ｂが熱により線膨張する。つまり、第１板状部５０１ａはその延びている方向に沿って線膨張し、第２板状部５０１ｂはその延びている方向に沿って線膨張する。ここで、熱膨張部材５００は水平方向における熱膨張を規制部材である容器２００によって規制されている。熱によって線膨張した第１板状部５０１ａと第２板状部５０１ｂとがそれらが形成するＶ字の頂点において互いに押し合うように作用する。これにより、第１板状部５０１ａと第２板状部５０１ｂとが形成するＶ字の底部から頂点までの高さ方向の幅が積層方向に沿って拡大し、電気化学素子積層体Ｓ等を積層方向に押圧する力を生じさせる。よって、熱膨張部材５００は、熱膨張により一対の上部プレート（第１挟持体）２３０Ｔ及び下部プレート（第２挟持体）２３０Ｂの間において電気化学素子積層体Ｓ等を積層方向に押圧して挟持することができる。
また、前述のように、熱膨張部材５００はＶ字の高さ方向の幅が積層方向に拡大するように膨張することで電気化学素子積層体Ｓ等を積層方向に押圧する力を発生させており、当該押圧する力は、熱膨張部材５００の湾曲によって生じているわけではない。よって、熱膨張部材５００の湾曲等による熱膨張部材５００のクリープ変形が抑制され、長期間にわたって電気化学素子積層体Ｓ等に適切な荷重を与えることができる。よって、電気化学モジュールＭにおいて、内部抵抗の増大を抑制し、反応ガスのシール性の低下を抑制できる。
また、電気化学素子積層体Ｓの上部平面及び下部平面と、一対のプレート２３０の平面との間に、熱膨張部材５００を配置するという簡単な構成で、電気化学素子積層体Ｓ等の膨張を考慮した小型、軽量かつ低コストな電気化学モジュールＭを構成できる。
特に、上記実施形態では、熱膨張部材５００の熱膨張率は、容器２００を構成する部材の熱膨張率よりも大きい。この関係を達成するため、熱膨張部材５００の材料として例えばオーステナイト系ステンレスが採用されており、容器２００の材料として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採用されている。また、電気化学素子積層体Ｓの材料としては、容器２００の材料と同一のものが採用されている。
ここで、前述の通り、電気化学素子積層体Ｓにおいて発電していない低温の状態から、発電時の高温の状態になると、電気化学素子積層体Ｓ及び容器２００の少なくともいずれかが熱膨張し、電気化学素子積層体Ｓの熱膨張量と容器２００の熱膨張量との差が生じる。そうすると、高温時の電気化学素子積層体Ｓと容器２００との間隔が、低温時よりも拡大する。例えば、容器２００の熱膨張量が比較的に大きい場合、電気化学素子積層体Ｓと容器２００との間隔はより拡大する。
本実施形態では、前述の通り、熱膨張部材５００の熱膨張率は容器２００を構成する部材の熱膨張率よりも大きい。よって、特に容器２００の膨張により拡大した電気化学素子積層体Ｓと容器２００との間隔を、熱膨張部材５００の熱膨張により補完することができる。つまり、熱膨張により電気化学素子積層体Ｓと容器２００との間の間隔が大きく広がる方向に変動した場合でも、さらに大きく熱膨張する熱膨張部材５００によって、前述の間隔を補完できる。
なお、容器２００の熱膨張率が比較的に小さい場合には、例えば発電時に高温になった場合に、容器２００の熱膨張量を小さく抑えることができる。これにより、熱膨張による電気化学素子積層体Ｓと容器２００との間の間隔の広がりを小さく抑えることができる。よって、熱膨張部材５００の熱膨張率が比較的に小さい場合であっても、前述の間隔が変動した後に適切な荷重を、電気化学素子積層体Ｓの平面に沿って概ね均一に負荷できる。
また、容器２００の熱膨張量が小さいため、適切な電気化学素子積層体Ｓへの荷重負荷により電気化学素子Ａの基板等の位置ずれ及び破損等を抑制できる。
（４）電気化学モジュールＭの具体的構成
次に、図１及び図５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。
図１及び図５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に第一ガスを供給する第一ガス供給部６１と、反応後の第一ガスを排出する第一ガス排出部６２と、容器２００の外部から通流部Ａ２に第二ガスを供給する第二ガス供給部７１と、反応後の第二ガスを排出する第二ガス排出部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、第二ガス供給部７１から供給される第二ガスを通流部Ａ２に分配供給する分配室９を備えている。
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へ第二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。
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、第一ガスが容器２００に対して気密になるように収容されている。
これにより電気化学モジュールＭは、第一ガス供給部６１から燃料ガスを供給するとともに、第二ガス供給部７１から空気を供給することで、図１、図５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。
第一ガス供給部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の第一貫通部４１より供給路４に誘導され、第一環状シール部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。また第二ガス供給部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。
ちなみに、第二板状体２（板状支持体１０（金属支持体の一例）の一部）を基準にすると、波板状の第二板状体２部分が第一板状体１（板状支持体１０（金属支持体の一例）の一部）から膨出する部分で第一板状体１と第二板状体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、波板状の第二板状体２が第一板状体１と接触する部分が第一板状体１と電気接続し、第二板状体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。
図２１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、第一ガス供給部６１から供給された燃料ガスは、分配部Ａ１２に達し（図１２，図１５，図１８参照）、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１２，図１４，図１８参照）。この場合、分配部Ａ１２から複数の副流路Ａ１１に均等に第一ガスを分配でき、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。
すると、内部流路Ａ１に進入した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、第二貫通部５１を介して、第二環状シール部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一ガス排出部６２より容器２００外に排出される。
一方、第二ガス供給部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を進み第二ガス排出部７２より容器２００外に排出される。
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と第二板状体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。
（５）熱膨張部材の変形例
（ａ）上記では、上部及び下部熱膨張部材５００Ｔ、５００Ｂが設けられているが、いずれか一方の熱膨張部材５００のみが設けられていてもよい。ただし、上部及び下部熱膨張部材５００Ｔ、５００Ｂが設けられている場合には、電気化学素子積層体Ｓに対して上部及び下部から熱膨張部材５００により荷重を負荷できるので、電気化学素子積層体Ｓの平面に対してより均一に荷重を負荷できるので好ましい。
（ｂ）上記では、熱膨張部材５００は、その両端それぞれに端部延長部５０３を有している。しかし、熱膨張部材５００は、その両端のうちいずれか一方にのみ端部延長部５０３を有していてもよい。
（ｃ）上記では、端部延長部５０３は、積層方向に沿って延びており、開口付板部材２４０を介して容器２００から水平方向の熱膨張を規制される。つまり、電気化学素子Ａが発電していない低温（例えば室温で約１５℃等）の状態においては、端部延長部５０３は容器２００と間接的に当接しておらず、電気化学素子Ａが発電時に高温（例えば約６５０℃～約９５０℃等）の状態において容器２００から水平方向の熱膨張を規制される。
しかし、端部延長部５０３は、電気化学素子Ａが発電していない低温（例えば室温で約１５℃等）の状態においても、容器２００から水平方向の熱膨張を規制されてもよい。そして、低温の状態から電気化学素子Ａが発電時に高温（例えば約６５０℃～約９５０℃等）の状態に至るまでにおいても、容器２００から水平方向の熱膨張を規制されてもよい。
（ｄ）また、上記では、熱膨張部材５００は、熱膨張する前はプレート２３０と接触していないか、接触していてもプレート２３０と電気化学素子積層体Ｓとの間において大きな荷重は受けていない。そして、熱膨張した場合に、頂部５００ａ、５００ｂがプレート２３０と接触する。つまり、上記では、熱膨張部材５００は、荷重が負荷されていない状態から、熱が加わることにより膨張することで電気化学素子積層体Ｓ等に荷重を負荷する。
しかし、熱膨張部材５００は、熱膨張する前から頂部５００Ｔａ及び頂部５００Ｔｂがプレート２３０と電気化学素子積層体Ｓと接触しており、これらから荷重を受けていてもよい。そして、熱膨張することにより頂部５００Ｔａ及び頂部５００Ｔｂがプレート２３０及び電気化学素子積層体Ｓとより大きな荷重を受けて接触することとなり、熱膨張部材５００が電気化学素子積層体Ｓ等に荷重を負荷するようにしてもよい。
（ｅ）上記では、熱膨張部材５００の熱膨張率は、容器２００を構成する部材の熱膨張率よりも大きい。しかし、熱膨張により生じた電気化学素子積層体Ｓと容器２００との間の間隔を、熱膨張部材５００の膨張により補完できればよく、このような熱膨張率の関係に限定されない。
例えば、熱膨張部材５００の熱膨張率は、容器２００を構成する部材の熱膨張率と同程度であってもよく、あるいは、小さくてもよい。
（ｆ）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。
（ｇ）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。
（ｈ）上記では、第１板状部５０１ａ及び第２板状部５０１ｂのＶ字の数は２つであるが、第１板状部５０１ａ及び第２板状部５０１ｂのクリープ変形を抑制しつつ電気化学素子積層体Ｓ等を押圧できるのであれば、Ｖ字の数はこれに限定されない。例えば、Ｖ字の数が１であってもよいし、３以上であってもよい。
また、熱膨張部材５００の奥行方向における配置個数も、クリープ変形を抑制しつつ電気化学素子積層体Ｓ等を押圧できるのであれば特に限定はない。
（６）別の形態の電気化学モジュールＭ
以下に、上記実施形態の電気化学モジュールＭとは異なる形態の電気化学モジュールＭについて別の形態１及び別の形態２を例に挙げて説明する。
（６－１）別の形態１
別の形態１に係る電気化学モジュールＭ１について、図６を用いて説明する。別の形態１に係る電気化学モジュールＭ１は、図１の電気化学モジュールＭとは、熱膨張部材５００に加えて、平板状部材３２０が設けられている点が異なる。
図６に示すように、電気化学モジュールＭ１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、上部平板状部材３２０Ｔ、上部熱膨張部材５００Ｔ、上部プレート２３０Ｔを備えている。同様に、電気化学モジュールＭ１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、下部平板状部材３２０Ｂ、下部熱膨張部材５００Ｂ、下部プレート２３０Ｂを備えている。
図６では、平板状部材３２０（上部及び下部平板状部材３２０Ｔ及び３２０Ｂ）は、例えばメタルハニカム形状の平板状部材である。平板状部材３２０は熱膨張部材であり、電気化学素子Ａが発電時に高温になることにより熱膨張する。よって、熱膨張により電気化学素子積層体Ｓと容器２００との間の間隔が変動した場合でも、平板状部材３２０は、プレート２３０を押圧面として、電気化学素子積層体Ｓに適切な荷重を負荷する。
つまり、熱膨張による電気化学素子積層体Ｓと容器２００との間の間隔の変動を、平板状部材３２０の熱膨張による変動により補完することができる。よって、前述の間隔が変動した後であっても、適切な荷重を電気化学素子積層体Ｓに負荷する。例えば、熱膨張により大きくなった電気化学素子積層体Ｓと容器２００との間の間隔を、平板状部材３２０が熱膨張することにより埋め合わせて、電気化学素子積層体Ｓに適切な荷重を負荷する。
そして、平板状部材３２０は、電気化学素子積層体Ｓの平面及びプレート２３０の平面に沿って配置されているため、前述の間隔が変動した後であっても、適切な荷重を電気化学素子積層体Ｓの平面に沿って概ね均一に付与する。よって、電気化学モジュールＭにおいて、電気化学素子Ａどうしの接触面積の低下を抑制し、内部抵抗を低下できる。また、電気化学素子Ａ間を適度に接触させて密閉性が保つことができるため、燃料ガス等が電気化学素子Ａの外部に漏出するのを抑制でき、反応ガスのシール性の低下を抑制できる。
熱膨張部材５００を備えることの作用効果は、図１の電気化学モジュールＭと同様である。また、電気化学モジュールＭ１のその他の構成は、図１の電気化学モジュールＭと同様であるので説明を省略する。
（６－２）別の形態２
別の形態２に係る電気化学モジュールＭ２について、図７を用いて説明する。別の形態２に係る電気化学モジュールＭ２は、図６の電気化学モジュールＭとは、容器２００に上面部２０１ｄ及び下面部２０３ｄが設けられている点、上部及び下部プレート２３０Ｔ及び２３０Ｂが省略されている点が主に異なる。
さらに、電気化学モジュールＭ２では、図８及び図９に示すように、下蓋２０３と上蓋２０１とがボルトにより結合されている点が図６の電気化学モジュールＭとは異なる。具体的には、下蓋２０３の縁部と上蓋２０１の縁部とが対向しており、縁部の複数箇所に複数の締結部材２５０が締結されている。締結部材２５０は、頭部及び軸部を有するボルト２５１とナット２５３とから構成されている。ボルト２５１の軸部が下蓋２０３の縁部及び上蓋２０１の縁部の貫通孔に挿通され、ナット２５３がボルト２５１に締結される。これにより、下蓋２０３の縁部と上蓋２０１とが結合されている。
ただし、下蓋２０３と上蓋２０１とは図６と同様に溶接により結合されていてもよい。
図７についてさらに説明すると、上蓋２０１は、電気化学素子積層体Ｓの平面方向に沿った上面部２０１ｄを有している。また、上蓋２０１は、図６の上蓋２０１と同様に、第１端部２０１ａ及び第２端部２０１ｂを有している。そして、第１端部２０１ａの内方側の終端から連続的に上面部２０１ｄが延びている。第１端部２０１ａと上面部２０１ｄとの間の所定箇所には、図７～図９に示すように第一ガス供給部６１及び第一ガス排出部６２をそれぞれ構成する筒状部２０１ｅが設けられている。図７の上蓋２０１のその他の構成は、図６の上蓋２０１と同様である。
一方、下蓋２０３は、電気化学素子積層体Ｓの平面方向に沿った下面部２０３ｄを有している。図９の下蓋２０３のその他の構成は、図８の下蓋２０３と同様である。
また、電気化学モジュールＭ２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、例えばメタルハニカム形状の上部平板状部材３２０Ｔ、上部熱膨張部材５００Ｔを備えている。
また、電気化学モジュールＭ２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、例えばメタルハニカム形状の下部平板状部材３２０Ｂ、下部熱膨張部材５００Ｂを備えている。
上蓋２０１の上面部２０１ｄは、電気化学素子積層体Ｓの上部平面に対向しており、下蓋２０３の下面部２０３ｄは、電気化学素子積層体Ｓの下部平面に対向している。そして、上蓋２０１と下蓋２０３とが結合されることで、電気化学素子積層体Ｓは、その平面に沿って概ね均一に、熱膨張部材５００、平板状部材３２０を介して上面部２０１ｄ及び下面部２０３ｄから荷重を受ける。
なお、上部及び下部平板状部材３２０と、上部及び下部熱膨張部材５００との少なくともいずれかが設けられている構成であってもよい。
（６－３）別の形態３
別の形態３に係る電気化学モジュールＭ３について、図１０を用いて説明する。別の形態３に係る電気化学モジュールＭ３は、図１の電気化学モジュールＭとは、開口付板部材（非硬質部材）２４０を介さずに熱膨張部材５００が直接に容器２００と当接している点と、熱膨張部材５００が端部延長部５０３を備えていない点が主に異なる。
図１０に示すように、上部熱膨張部材５００Ｔは、容器２００の第２端部２０１ｂ（規制部材）に直接に当接可能であり、第２端部２０１ｂから水平方向の熱膨張を規制される。同様に、下部熱膨張部材５００Ｂは、容器２００の第２端部２０３ｂ（規制部材）に直接に当接可能であり、第２端部２０３ｂから水平方向の熱膨張を規制される。
図１０の電気化学モジュールＭ３には、図１１に示す熱膨張部材５００が用いられている。図１１に示す熱膨張部材５００は、第１板状部５０１ａと、第２板状部５０１ｂとにより構成されている。よって、図４に示す熱膨張部材５００とは、端部延長部５０３を有していない点において異なる。図１１に示す熱膨張部材５００は、開口付板部材（非硬質部材）２４０を介さずに、直接に容器２００と当接可能であるので、開口付板部材２４０への食い込み防止のための端部延長部５０３を設けなくてもよい。
ただし、熱膨張部材５００に端部延長部５０３を設けるか否か、また、熱膨張部材５００が容器２００と直接に当接可能であるか、開口付板部材２４０を介して容器２００と間接的に当接可能かは適宜組み合わせ可能であってもよい。つまり、これらの組み合わせとしては、熱膨張部材５００が端部延長部５０３を有しており開口付板部材２４０を介して容器２００と間接的に当接可能である構成と、熱膨張部材５００が端部延長部５０３を有しておらず容器２００と直接に当接可能である上記の別の形態３の構成と、熱膨張部材５００が端部延長部５０３を有しており容器２００と直接に当接可能である構成と、熱膨張部材５００が端部延長部５０３を有しておらず開口付板部材２４０を介して容器２００と間接的に当接可能である構成とが考えられる。
（７）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。図１２～図２１を用いて電気化学素子Ａについて説明する。
（電気化学素子）
図１２～図２０に示すように、電気化学素子Ａは、導電性の第一板状体１と導電性の第二板状体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、板状支持体１０は、当該板状支持体１０を構成する第一板状体１及び第二板状体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１６～図２０参照）。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一ガスを供給する供給路４を形成する第一貫通部４１を一端部側に備え、内部流路Ａ１を通流した第一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を形成する第二貫通部５１を他端部側に備える（図１２、図１４，図１９，図２０参照、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）。
（板状支持体）
第一板状体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。第一板状体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、第一板状体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。
第二板状体２は、第一板状体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１３～図２０参照）。第二板状体２は、第一板状体１に対して複数に分割されていてもよく、逆に第一板状体１が第二板状体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、内部流路を外部特開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。
第一板状体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１６～図２０参照）。なお、例えば、貫通孔１１は、レーザー加工などにより、第一板状体１に設けることができる。貫通孔１１は、第一板状体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、第一板状体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。
第一板状体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２１参照）が設けられる。すなわち、第一板状体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、第一板状体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、第一板状体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、第一板状体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、第一板状体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。
金属酸化物層１２は種々の手法により形成されうるが、第一板状体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、第一板状体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。
第一板状体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、第一板状体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、第一板状体１に設けることができる。貫通孔１１は、第一板状体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。第一板状体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、第一板状体１は、焼結金属や発泡金属等を用いることもできる。
第二板状体２は、第一板状体１の気体通流許容部１Ａに対向する領域において、一端部側から他端部側に向かう複数の副流路Ａ１１、Ａ１１………を備えた内部流路Ａ１を形成する波板状に形成される（図１２，図１６参照）。また、第二板状体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に電気的に接続し、波型形状の第二板状体２が第一板状体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。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、第一貫通部４１と内部流路Ａ１との接続箇所は、第一板状体１との接触部分から下方に膨出させてなり、第一貫通部４１ら供給される第一ガスを副流路Ａ１１の夫々に分配する分配部Ａ１２を備え（図１２参照）、第二貫通部５１と内部流路Ａ１の接続箇所は、第一板状体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一ガスを集約して第二貫通部５１に導く合流部Ａ１３を備える（図１２，図１４，図１５，図１７～図２０参照、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、第二板状体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、第一板状体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、第一板状体１と同じ材料でれば、より好ましい。
以上のような第一板状体１及び第二板状体２からなる板状支持体１０（金属支持体の一例）は、電極層３１、電解質層３２及び対極電極層３３等がその上面に形成される。つまり、電極層３１、電解質層３２および対極電極層３３等が板状支持体１０に支持されることになり、強度が高く、信頼性・耐久性に優れた電気化学素子Ａを実現することができる。また、金属性の板状支持体１０は加工性に優れており好ましい。さらに、安価な金属を板状支持体１０に用いても強度の高い板状支持体１０ができるので、高価な電極層３１や電解質層３２等を薄層とすることが可能となり、材料コストや加工コストを抑制した低コストな電気化学素子Ａを実現でき好ましい。
（電気化学反応部）（（電極層））
電極層３１は、図１６～図２１に示すように、第一板状体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は第一板状体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。
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。
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。
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、第一板状体１を傷めることなく、また、第一板状体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。
（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。
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、第一板状体１を傷めることなく、第一板状体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。
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。
（（電解質層））
図１６～図２１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の上と第一板状体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を第一板状体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。
また電解質層３２は、図１６に示すように、第一板状体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は第一板状体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。
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、第一板状体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が第一板状体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。
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。
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、第一板状体１の損傷を抑制し、また、第一板状体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。
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。
（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、第一板状体１の損傷を抑制し、また、第一板状体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。
（（対極電極層））
図１６～図２１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。
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、第一板状体１の損傷を抑制し、また、第一板状体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。
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、第一板状体１の裏側の面から貫通孔１１を通じて第一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へ第二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。
また、図１６～図２０にて省略したが、図２１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。
（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１６～図２０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２１を用いて説明する。
（電極層形成ステップ）
電極層形成ステップでは、第一板状体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。第一板状体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、第一板状体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。
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、第一板状体１の表側の面に塗布し、８００℃～１１００℃で焼成する。
（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、第一板状体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、第一板状体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。
（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、第一板状体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。
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。
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、第一板状体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 ＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓｉｎｇ 、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、第一板状体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、第一板状体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。
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。
（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、第一板状体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。
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の材料を第一板状体１上の中間層３４に向けて噴射し、電解質層３２を形成する。
（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、第一板状体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。
（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、第一板状体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。
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。
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。
（電気化学素子積層体）
図５に示すように、電気化学素子積層体Ｓは、電気化学素子Ａを複数有し、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を構成する板状支持体１０と、他の一つの電気化学素子Ａを構成する板状支持体１０とが対向する形態で、且つ、一つの電気化学素子Ａを構成する板状支持体１０における電気化学反応部３が配置される第一板状体１とは別の第二板状体２の外面と、他の一つの電気化学素子Ａを構成する板状支持体１０における第一板状体１の外面とが電気的に接続される形態で、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第二ガスが通流する通流部Ａ２が形成される形態で、複数の電気化学素子Ａが積層配置されている。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。具体的には、長方形状の各電気化学素子が一端部の第一貫通部４１と他端部の第二貫通部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して、各第一貫通部４１、第二貫通部５１同士の間に第一環状シール部、第二環状シール部を介在して、積層されることにより、上記構成となる。
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一ガスを供給する供給路４を形成する第一貫通部４１を長方形状の板状支持体１０の長手方向一端部側に備え、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一貫通部４１を通流部Ａ２と区画する環状シール部としての第一環状シール部４２を備え、第一貫通部４１及び第一環状シール部４２により、第一ガスを内部流路Ａ１に供給する供給路４が形成される。尚、第一板状体１における第一環状シール部４２の接当する部位の周囲には第一板状体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を設けて第一環状シール部４２の第一板状体１の面に沿う方向での位置決めを容易にしてある。
また、板状支持体１０は、内部流路Ａ１を通流した第一ガスを板状支持体１０の表面貫通方向外方へ排出する排出路５を形成する第二貫通部５１を他端部側に備え、第二貫通部５１は、第二ガスと区画された状態で第一ガスを通流させる構成であり、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二貫通部５１を通流部Ａ２と区画する環状シール部としての第二環状シール部５２を備え、第二貫通部５１及び第二環状シール部５２により、内部流路Ａ１を通流した第一ガスを排出する排出路５が形成される。
第一、第二環状シール部４２，５２は、アルミナなどのセラミクス材料や、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。
（８）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２２を用いて説明する。
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。
電気化学装置１００は、電気化学モジュールＭと、燃料供給モジュールと、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。燃料供給モジュールは、脱硫器１０１、気化器１０６及び改質器１０２からなり、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とを有する。なお、この場合、改質器１０２が燃料変換器となる。
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。
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。
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。
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）から受電する電力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。
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。
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。
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一ガス）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。
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。
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。
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、第一ガス排出部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２２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。
〔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。
（１）上記実施形態では、電気化学素子ＡがＳＯＦＣである電気化学モジュールＭに熱膨張部材５００を適用した。しかし、上記の熱膨張部材５００は、ＳＯＥＣ（Solid Oxide Electrolyzer Cell）及び二次電池等にも適用可能である。
（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２４）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本システム・装置外に取り出して別途燃料として利用することができる。また、燃料変換器２５で水素や一酸化炭素を化学原料に変換して利用することもできる。
図２４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２４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２４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。
（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。
（４）上述の実施形態では、第一板状体１と電解質層３２との間に電極層３１を配置し、電解質層３２からみて第一板状体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、第一板状体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からみて第一板状体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。
すなわち、電極層３１と対極電極層３３の順や第一ガス、第二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に対して第一ガス、第二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。
（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、第一板状体１の第二板状体２とは反対側に設けたが、第一板状体１の第二板状体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。
（６）上記実施の形態では、第一貫通部４１、第二貫通部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、第一貫通部４１、第二貫通部５１は、対で設けられている必要はない。よって、第一貫通部４１、第二貫通部５１それぞれが、１個以上設けられることができる。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。
（７）第一、第二環状シール部４２，５２は、第一、第二貫通部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、第一、第二環状シール部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。第一、第二環状シール部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。
（８）上記では、板状支持体１０は、第一板状体１及び第二板状体２により構成されている。ここで、第一板状体１と第二板状体２とは、別体の板状体から構成されていてもよいし、図２３に示すように一の板状体から構成されていてもよい。図２３の場合、一の板状体が折り曲げられることで、第一板状体１と第二板状体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一板状体１と第二板状体２とが一体化される。なお、第一板状体１と第二板状体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２３のように成型されてもよい。
また、後述しているが、第二板状体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、第一板状体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。
（９）上記の第二板状体２は、第一板状体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に供給された第一ガスは、図１２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、第一ガスは、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。複数の副流路Ａ１１は、第二板状体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１６に示すように、複数の副流路Ａ１１は、第一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１２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。
また、複数の副流路Ａ１１は、図１６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、第二板状体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、突状部分を第一ガス等の流体が通流する部分とすることができる。
（１０）上記の第二板状体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。第二板状体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、第二板状体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。
（１１）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。
（１２）上記実施形態の図１において、電気化学素子積層体Ｓは、積層方向上側においては、上部絶縁体（板状部材）２１０Ｔを介して、上部熱膨張部材５００Ｔ、上部プレート２３０Ｔに挟まれている。また、電気化学素子積層体Ｓは、積層方向下側においては、下部絶縁体（板状部材）２１０Ｂを介して、下部熱膨張部材５００Ｂ、下部プレート２３０Ｂに挟まれている。そして、このように配置された電気化学素子積層体Ｓ、上部及び下部絶縁体２１０、上部及び下部熱膨張部材５００、上部及び下部プレート２３０は、容器２００に収容されている。特許請求の範囲における挟持体は、上部及び下部プレート２３０及び容器２００に相当する。
また、上記の図６において、電気化学素子積層体Ｓ、上部及び下部絶縁体２１０、上部及び下部平板状部材３２０、上部及び下部熱膨張部材５００、上部及び下部プレート２３０は、容器２００に収容されている。特許請求の範囲における挟持体は、上部及び下部プレート２３０及び容器２００に相当する。
また、上記の図７において、電気化学素子積層体Ｓ、上部及び下部絶縁体２１０、上部及び下部平板状部材３２０、上部及び下部熱膨張部材５００は、容器２００に収容されている。なお、上記図１及び図６とは異なり、上部及び下部プレート２３０は設けられていない。特許請求の範囲における挟持体は、容器２００に相当する。
２５ ：燃料変換器
３１ ：電極層
３２ ：電解質層
３３ ：対極電極層
９３ ：電力変換器
１００ ：電気化学装置
１０１ ：脱硫器
１０２ ：改質器
１０３ ：燃料供給部
１０４ ：インバータ
２００ ：容器
２３０ ：プレート
３２０ ：平板状部材
５００ ：熱膨張部材
５０１Ｂａ ：第１板状部
５０１Ｂｂ ：第２板状部
５０１Ｔａ ：第１板状部
５０１Ｔｂ ：第２板状部
５０１ａ ：第１板状部
５０１ｂ ：第２板状部
５０３ ：端部延長部
Ａ ：電気化学素子
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

Claims (17)

  1. 電解質層と、前記電解質層の両側にそれぞれ配置されている第１電極及び第２電極とが、基板に沿って形成されている複数の電気化学素子が所定の積層方向に積層されている積層体と、
    前記積層方向における前記積層体の第１平面、及び前記第１平面とは反対の第２平面の少なくとも一方に沿って配置されている熱膨張部材と、
    前記積層方向において、前記第１平面に沿って配置されている平板状の第１挟持体、及び前記第２平面に沿って配置されている平板状の第２挟持体を含み、前記熱膨張部材を介して前記積層体を挟持する挟持体と、
    前記熱膨張部材の前記積層方向と直交する前記第１平面又は前記第２平面に沿う平面方向の熱膨張を規制する規制部材とを備え、
    前記熱膨張部材は、側面視において、前記積層方向のうち第１方向に向かって傾斜して延びる直線状の第１板状部と、前記第１板状部に連続しており、前記第１板状部から離れるほど前記積層方向のうち前記第１方向とは反対の第２方向に向かって傾斜して延びる直線状の第２板状部とを有する、電気化学モジュール。
  2. 前記熱膨張部材は、前記電気化学素子が発電している時と、前記電気化学素子が発電していない時とにおける、前記積層体及び前記挟持体間の熱膨張差を、前記第１板状部及び前記第２板状部の線膨張により補償する、請求項１に記載の電気化学モジュール。
  3. 前記熱膨張部材は、前記第１板状部及び前記第２板状部が延びている方向を主として熱膨張することによって前記積層体に荷重を負荷しうる厚みを有している、請求項１又は２に記載の電気化学モジュール。
  4. 前記規制部材は、前記積層体を取り囲む筐体の一部である、請求項１～３のいずれか１項に記載の電気化学モジュール。
  5. 前記熱膨張部材は、前記平面方向の両端部の少なくとも一方から前記積層方向に延びる端部延長部を有している、請求項１～４のいずれか１項に記載の電気化学モジュール。
  6. 前記規制部材は、前記積層体を取り囲む筐体の一部であり、
    前記規制部材である前記筐体の一部と前記熱膨張部材との間に配置された非硬質部材を備える、請求項５に記載の電気化学モジュール。
  7. 前記熱膨張部材の熱膨張率は、前記挟持体を構成する部材の熱膨張率よりも大きい、請求項１～６のいずれか１項に記載の電気化学モジュール。
  8. 前記挟持体は、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から形成されている、請求項１～７のいずれか１項に記載の電気化学モジュール。
  9. 前記熱膨張部材は、オーステナイト系ステンレスから形成されている、請求項７又は８に記載の電気化学モジュール。
  10. 前記第１挟持体及び前記第２挟持体の少なくとも一方は、前記積層体を取り囲む筐体の一部である、請求項１～９のいずれか１項に記載の電気化学モジュール。
  11. 前記挟持体は、
    前記積層方向において、前記第１平面に沿って配置されている平板状の第１プレート、及び前記第２平面に沿って配置されている平板状の第２プレートを含み、前記熱膨張部材を介して前記積層体を挟持するプレートと、
    前記積層体、前記熱膨張部材及び前記プレートを収容する筐体とを有する、請求項１～１０のいずれか１項に記載の電気化学モジュール。
  12. 前記電気化学素子は固体酸化物形燃料電池である、請求項１～１１のいずれか１項に記載の電気化学モジュール。
  13. 前記電気化学素子は固体酸化物形電解セルである、請求項１～１１のいずれか１項に記載の電気化学モジュール。
  14. 前記電気化学素子が金属支持体を有する請求項１２又は１３に記載の電気化学モジュール。
  15. 請求項１～１４のいずれか１項に記載の電気化学モジュールと、
    前記電気化学モジュールに還元性成分を含有するガスを流通する燃料変換器、あるいは前記電気化学モジュールで生成する還元性成分を含有するガスを変換する燃料変換器と、を少なくとも有する電気化学装置。
  16. 請求項１～１４のいずれか１項に記載の電気化学モジュールと、前記電気化学モジュールから電力を取り出すあるい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。
  17. 請求項１５または１６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。
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