WO2021201098A1

WO2021201098A1 - 環状パッキン材、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池及び固体酸化物形電解セル

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Publication number: WO2021201098A1
Application number: PCT/JP2021/013832
Authority: WO
Inventors: 神家規寿; 越後満秋; 真鍋享平; 大西久男; 依田将和; 曽木忠幸; 稲家章雄
Original assignee: 大阪瓦斯株式会社
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2021-10-07
Also published as: CN115362583A; US20230282844A1; JPWO2021201098A1

Abstract

熱により膨張する熱膨張部材からなる金属材料４２ａ，５２ａと、絶縁性の金属酸化物層４２ｂ，５２ｂとを備え、環状に形成された金属材料４２ａ，５２ａ及び金属酸化物層４２ｂ，５２ｂの内側に貫通孔４２ｃ，５２ｃが形成されている。

Description

環状パッキン材、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池及び固体酸化物形電解セル

　本発明は、例えば、電気化学モジュールなどに使用することのできる環状パッキン材、この環状パッキン材を備えた電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池及び固体酸化物形電解セルに関する。

　燃料電池セルスタックにおいては、複数の電気化学素子（発電セル）が積層されることにより積層体が構成されている。発電セル間には、反応ガスのシール性を維持するためのシール材が設けられている。

　従来のシール材としては、例えば、以下の特許文献１に示されるように、発電セル間の電子伝導を遮断して短絡の発生を防ぐために、バーミキュライトなどの絶縁材料を含むものが知られている。

特表２０１６－５１１５０６号公報

　燃料電池セルスタックは通常、発電時に５００℃以上の高温となるため、シール材には優れた耐熱性能が要求される。

　バーミキュライトなどの無機材料は優れた耐熱性を有するものの、高温に晒されると硬化し易い。そのため、燃料電池セルスタックの起動停止が繰り返されて温度変化が生じると、バーミキュライトなどで構成されるシール材は高温において硬化して、弾性低下により面圧力が低下する。その結果、シール材のシール性能が低下して、反応ガスが漏洩し易くなる。

　本発明の目的は、高温環境を含む温度変化に晒されたとしても、高いシール性と絶縁性を保持する環状パッキン材、この環状パッキン材を備えた電気化学モジュール、この電気化学モジュールを備えた電気化学装置、この電気化学装置を備えたエネルギーシステム、上記電気化学モジュールを備えた固体酸化物形燃料電池、及び上記電気化学モジュールを備えた固体酸化物形電解セルを提供することにある。

　上記目的を達成するための本発明に係る環状パッキン材の特徴構成は、熱により膨張する熱膨張部材からなる金属材料と、絶縁性の金属酸化物層とを備え、環状に形成された前記金属材料及び前記金属酸化物層の内側に貫通孔が形成されている点にある。

　上記特徴構成によれば、高温環境に晒された場合、金属材料の膨張張力によって面圧力が上昇することで、金属材料及び金属酸化物層の内側と外側との間（環の内外間）における高いシール性能が発揮される。また、金属材料は高温に晒されても硬化し難いため、高温環境を含む温度変化を伴う長期間の使用にも耐えうる。さらに、金属酸化物層によって絶縁性も保持される。

　本発明に係る環状パッキン材の更なる特徴構成は、前記金属材料の厚さ方向における少なくとも一方側に、前記金属酸化物層が配置されている点にある。

　上記特徴構成によれば、金属酸化物層によって絶縁性を保持できる。

　本発明に係る環状パッキン材の更なる特徴構成は、前記金属酸化物層が、アルミナ、シリカ、酸化マグネシウム、酸化鉄、酸化クロム及び酸化マンガンを何れか１つ以上含む点にある。

　上記特徴構成によれば、容易に入手可能な素材から金属酸化物層を構成することができる。

　本発明に係る環状パッキン材の更なる特徴構成は、前記金属材料が、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、インコネル、銅及びインバー材を何れか１つ以上含む点にある。

　上記特徴構成によれば、容易に入手可能な素材から金属材料を構成することができる。

　本発明に係る環状パッキン材の更なる特徴構成は、前記金属材料の断面形状が、内側に閉空間を備えた環形状である点にある。

　上記特徴構成によれば、高温環境に晒された場合に、環形状の内側に形成された閉空間（内部空間）に封じられた気体や液体が熱膨張することによってさらに金属材料の膨張が促進され、よって面圧力が上昇するように構成することができ、その結果さらにより高いシール性能が発揮される。

　本発明に係る環状パッキン材の更なる特徴構成は、前記金属材料が、バイメタルである点にある。

　上記特徴構成によれば、温度変化に応じて特有の形状に変化するように構成されるため、高温環境に晒された場合に形状変化によって面圧力が上昇するように構成することができ、その結果さらにより高いシール性能が発揮される。

　本発明に係る環状パッキン材の更なる特徴構成は、前記金属材料の断面形状が、平板形状、三角形状、のこ刃形状、波形形状、円形状、楕円形状、略Ｃ字形状及び略Ｄ字形状の何れか１つ以上を備える点にある。

　上記特徴構成によれば、金属材料の形状として種々の形状を採用することができ、用途が広くなる。

　上記目的を達成するための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電極とを備えた電気化学素子の複数が、前記電気化学素子間に金属基板を介して積層されており、隣接する金属基板の間に、上記環状パッキン材が配置されている点にある。

　上記特徴構成によれば、電気化学モジュールが高温を含んだ温度変化するような環境下におかれたとしても、金属材料が高温でも硬化し難いため長期間の使用に耐えることができ、更に、高温環境にさらされた場合に、金属材料の膨張力によって面圧力が上昇して高いシール性能が発揮されるため、隣接する金属基板間のシール性が十分に確保される。また、金属酸化物層が形成されているため、隣接する金属基板間の絶縁性も保持される。

　本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、前記金属材料の熱膨張係数と前記金属基板の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数である点にある。

　上記特徴構成によれば、高温環境に晒された場合に、金属基板と金属材料の熱膨張差によって生じる熱膨張力を利用することによって面圧力が上昇するように構成することができ、その結果さらにより高いシール性能が発揮される。

　本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、前記環状パッキン材は、その表面の少なくとも一部にセラミックペーストが塗布された状態で前記金属基板と前記環状パッキン材との間に配置されている点にある。

　上記特徴構成によれば、環状パッキン材と金属基板との間の微少な隙間がセラミックペーストにより塞がれる。その結果、更に高いシール性能が発揮される。

　本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、前記セラミックペーストが雲母を含有する点にある。

　上記特徴構成によれば、セラミックペーストが雲母を含有する。これにより、高いシール性が発揮されることが実験により確認されている。

　上記目的を達成するための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供給する還元性成分を生成する、或いは、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。

　上記特徴構成によれば、電気化学モジュールを燃料電池として動作させる場合、都市ガス等の既存の原燃料供給インフラを用いて供給される天然ガス等を基に、改質器などの燃料変換器により水素を生成するように構成でき、耐久性・信頼性及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できる。また、電気化学モジュールから流通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できる。
　一方、電気化学モジュールを電解セルとして動作させる場合は、電極層に水蒸気や二酸化炭素を含有するガスが流通され、電極層と対極電極層との間に電圧が印加される。そうすると、電極層において電子ｅ^－と水分子Ｈ_２Ｏや二酸化炭素分子ＣＯ_２が反応して、水素分子Ｈ_２や一酸化炭素ＣＯと酸素イオンＯ^２－となる。発生した酸素イオンＯ^２－は、電解質層を通って対極電極層へ移動する。そして、対極電極層において、酸素イオンＯ^２－が電子を放出して酸素分子Ｏ_２となる。以上の反応により、水蒸気を含有するガスが流通する場合には、水分子Ｈ_２Ｏが水素Ｈ_２と酸素Ｏ_２とに分解され、二酸化炭素分子ＣＯ_２を含有するガスが流通する場合には、一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ_２とに電気分解される。
　したがって、水蒸気と二酸化炭素分子ＣＯ_２と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モジュールで生成した水素及び一酸化炭素等から炭化水素などの種々の化合物を合成する燃料変換器を設けることができる。これにより、燃料変換器が生成した炭化水素等を電気化学モジュールに流通する、或いは本システム・装置外に取り出して別途燃料や化学原料として利用することが可能となる。

　上記目的を達成するための本発明に係る別の電気化学装置の特徴構成は、上記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、を有する点にある。

　上記特徴構成によれば、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装置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。また、電気分解に供する場合は、交流電源から直流を得て、電気化学素子もしくは電気化学モジュールへ直流の電力供給できる電気化学装置を構築できるので好ましい。

　上記目的を達成するための本発明に係るエネルギーシステムの特徴構成は、上記電気化学装置と、前記電気化学装置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。

　上記特徴構成によれば、電気化学装置と、電気化学装置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。

　上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、上記の電気化学モジュールを備え、前記電気化学モジュールで発電反応を生じさせる点にある。

　上記特徴構成によれば、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学モジュールを備えた固体酸化物形燃料電池として発電反応を行うことができるので、高耐久・高性能な固体酸化物形燃料電池を得る事ができる。なお、定格運転時に６５０℃以上の温度域で運転可能な固体酸化物形燃料電池であると、都市ガス等の炭化水素系ガスを原燃料とする燃料電池システムにおいて、原燃料を水素に変換する際に必要となる熱を燃料電池の排熱で賄うことが可能なシステムを構築できるため、燃料電池システムの発電効率を高めることができるので、より好ましい。また、定格運転時に９００℃以下の温度域で運転される固体酸化物形燃料電池であると、金属支持型電気化学素子からのＣｒ揮発の抑制効果が高められるのでより好ましく、定格運転時に８５０℃以下の温度域で運転される固体酸化物形燃料電池であると、Ｃｒ揮発の抑制効果を更に高められるので更に好ましい。

　上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形電解セルの特徴構成は、上記の電気化学モジュールを備え、前記電気化学モジュールで電解反応を生じさせる点にある。

　上記特徴構成によれば、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学素子を備えた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。

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。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６の電気化学モジュールの上面図である。図６の電気化学モジュールの側面図である。電気化学素子の概略図である。図９におけるＸ－Ｘ断面図である。図９におけるＸＩ－ＸＩ断面図である。図９におけるＸＩＩ－ＸＩＩ断面図である。図９におけるＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ断面図である。図９におけるＸＩＶ－ＸＩＶ断面図である。図９におけるＸＶ－ＸＶ断面図である。図９におけるＸＶＩ－ＸＶＩ断面図である。図９におけるＸＶＩＩ－ＸＶＩＩ断面図である。電気化学反応部の要部拡大図である。環状パッキン材の上面図である。環状パッキン材の縦断面図である。別形態の環状パッキン材の縦断面図である。別形態の環状パッキン材の加熱後の縦断面図である。別形態の環状パッキン材の縦断面図である。別形態の環状パッキン材の縦断面図である。別形態の環状パッキン材の縦断面図である。別形態の環状パッキン材の縦断面図である。別形態の環状パッキン材の縦断面図である。別形態の環状パッキン材の縦断面図である。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。変形例の環状パッキン材の縦断面図である。気体リーク量の測定結果を示す表である。

〔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４）は発電反応を利用して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、上部平板状部材２２０Ｔ、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、下部平板状部材２２０Ｂ、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、平板状部材、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、平板状部材（上部及び下部平板状部材２２０Ｔ及び２２０Ｂ）２２０、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。

　上部平板状部材２２０Ｔは、上部絶縁体２１０Ｔの上部に配置されている。上部平板状部材２２０Ｔは、弾性を有する部材であり、本実施形態では、例えば図１の断面視において波形の形状に形成されている。波形は、電気化学素子積層体Ｓの平面に沿って延びている。よって、上部平板状部材２２０Ｔは、波形の頂部が上部絶縁体２１０Ｔと接触するように配置されている。
　波形形状の上部平板状部材２２０Ｔの板厚は、これに限定されないが、例えば０．１ｍｍ～１ｍｍ程度である。また、波形の振幅（高さ）は、これに限定されないが、例えば１ｍｍ～１０ｍｍ程度である。
　上部平板状部材２２０Ｔの役割については後述する。

　上部プレート２３０Ｔは、板状部材であり、上部平板状部材２２０Ｔ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、上部平板状部材２２０Ｔの少なくとも一部と接触する。本実施形態では、上部平板状部材２２０Ｔの波形の頂部が上部プレート２３０Ｔと接触する。

　上部プレート２３０Ｔは、下部プレート２３０Ｂとともに、容器２００から所定の締め付け圧力を受けて、電気化学素子積層体Ｓと、一対の上部及び下部絶縁体２１０Ｔ及び２１０Ｂと、上部及び下部平板状部材２２０Ｔ及び２２０Ｂとを挟みこんでいる。ここで、締め付け圧力とは、例えば１ｍｍ^２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。下部平板状部材２２０Ｂは下部絶縁体２１０Ｂの下部に、下部プレート２３０Ｂは下部平板状部材２２０Ｂの下部に配置されている。下部絶縁体２１０Ｂ、下部平板状部材２２０Ｂ及び下部プレート２３０Ｂは、それぞれ上部絶縁体２１０Ｔ、上部平板状部材２２０Ｔ及び上部プレート２３０Ｔと同様である。なお、下部平板状部材２２０Ｂの波形の頂部が下部プレート２３０Ｂと接触し、頂部２２０Ｂｂが下部絶縁体２１０Ｂと接触する。

　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、上部平板状部材２２０Ｔ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。上部平板状部材２２０Ｔ及び上部絶縁体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。

　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、下部平板状部材２２０Ｂと、下部プレート２３０Ｂとが嵌め込まれている。
　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、上部平板状部材２２０Ｔ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、下部平板状部材２２０Ｂ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、上部及び下部平板状部材２２０Ｔ及び２２０Ｂ、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、上部及び下部平板状部材２２０Ｔ及び２２０Ｂ、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）平板状部材及びそれに関連する部材の構成及び作用
　次に、平板状部材（上部及び下部平板状部材２２０Ｔ及び２２０Ｂ）２２０及びそれに関連する部材の構成及び作用についてさらに説明する。

　上述の通り、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及び上部及び下部絶縁体２１０Ｔ及び２１０Ｂは、上部及び下部平板状部材２２０Ｔ及び２２０Ｂを介して、所定の締め付け圧力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。

（３－１）平板状部材及びそれに関連する部材の構成
　平板状部材２２０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。平板状部材２２０の熱膨張率（熱膨張係数、以下同様）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い。このような平板状部材２２０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、平板状部材２２０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。

　また、容器２００の熱膨張率は、平板状部材２２０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を介して平板状部材２２０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、平板状部材２２０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、熱膨張率が平板状部材２２０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。

　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。

（３－２）電気化学モジュールＭの組立方法及び組立時の平板状部材の圧縮変位
（ａ）電気化学モジュールＭの組立方法
　次に、上記の電気化学モジュールＭの組立方法について説明する。
　複数の電気化学素子Ａを積層して電気化学素子積層体Ｓを準備する。電気化学素子積層体Ｓの構成及び製造方法については後述する。

　また、電気化学素子積層体Ｓを収容するための容器２００を準備する。容器２００は、これに限定されないが、例えばロストワックス鋳造法を用いて製造できる。ロストワックス鋳造法を用いる場合、例えば、蜜蝋や松脂等からなる熱可塑性物質により容器２００の外形に対応する空洞する模型を製造する。この模型をケイ砂や石灰粉末等からなる耐火材料で被覆する。その後、耐火材料で被覆された模型を加熱し、熱可塑性物質で構成された模型を溶出する。これにより、耐火材料内部に、容器２００の形状を模した模型に対応する空洞が形成される。この空洞に容器２００の材料を注入して固化させた後に耐火材料を取り除く。これにより、ロストワックス鋳造法により、上蓋２０１及び下蓋２０３を有する容器２００が製造される。なお、上蓋２０１及び下蓋２０３は別々に製造されてもよい。

　次に、例えば、一対の開口付板部材２４０が電気化学素子積層体Ｓの両側面に配置され、絶縁体２１０、平板状部材２２０及びプレート２３０が、電気化学素子積層体Ｓの上部平面及び下部平面に、順に配置された状態で下蓋２０３内に収容される。この下蓋２０３を上蓋２０１で覆い、電気化学素子積層体Ｓに所定の締め付け圧力が負荷されるように位置調整を行い、下蓋２０３と上蓋２０１とを溶接等して結合する。これにより、電気化学モジュールＭが組み立てられる。

　上記のように、ロストワックス鋳造法を用いて容器２００を製造した場合には、薄肉化、精密化及び量産化による低コスト化を達成することができる。
　また、箱状の容器２００を形成することで、本実施形態では、第二ガス供給部７１から電気化学素子積層体Ｓに供給する空気のマニホールドの空間を設けることができる。

（ｂ）組立時の平板状部材の圧縮変位
　上記の電気化学モジュールＭの組立時には、下蓋２０３と上蓋２０１とを結合する際に電気化学素子積層体Ｓに所定の締め付け圧力を負荷する。この締め付け圧力は、平板状部材２２０に所定の圧縮変位Ｌを与えることで負荷される。

　以下にこの圧縮変位Ｌについて説明する。
　以下では、容器２００が所定の材料Ｙ１を用いて形成され、電気化学素子積層体Ｓが基板などの主要部が所定の材料Ｙ２を用いて形成され、平板状部材２２０が所定の材料Ｙ３を用いて形成されているものとする。材料Ｙ３の熱膨張率は、材料Ｙ１及び材料Ｙ２の熱膨張率よりも大きい。

　ここで平板状部材２２０は、室温（２０℃）においてばね定数がＫ２０である。ばね定数Ｋ２０は、平板状部材２２０の例えば板厚、波形形状の振幅（高さ）及び波のピッチ等を用いて算出される。
　また、電気化学素子Ａによる発電時の温度（例えば７００℃）においてばね定数がＫ７００である。なお、Ｋ７００は、Ｋ２０の例えば約７５％である。

　ここで、電気化学素子積層体Ｓが発電時（例えば７００℃）において必要とする、単位面積当たりの締め付け圧力をＰとする。ここで、Ｐはこれに限定されないが、例えば約１～３ｋｇｆ／ｃｍ^２である。電気化学素子積層体Ｓの面積をＳＢとすると、加重力Ｆは、Ｆ＝Ｐ×ＳＢである。

　また、室温（２０℃）から発電時の高温（例えば７００℃）まで温度が上昇した場合において、加重方向（ここでは、電気化学素子Ａの積層方向）では、容器２００の熱膨張長さをＬＡとし、電気化学素子積層体Ｓの熱膨張長さをＬＢとし、平板状部材２２０の熱膨張長さをＬＣとする。

　容器２００と電気化学素子積層体Ｓとの熱膨張長さの差分ΔＧは、ΔＧ＝ＬＡ－ＬＢである。ここで、熱膨張長さの差分ΔＧとして、容器２００、電気化学素子積層体Ｓ及び平板状部材２２０の熱膨張長さの差分を算出してもよい。この場合、ΔＧ＝ＬＡ－（ＬＢ＋ＬＣ）となる。以下では、平板状部材２２０が熱膨張しないと仮定することで、容器２００等が熱膨張した後も、組立時の平板状部材２２０の圧縮変位Ｌにより適切な締め付け圧力をより確実に負荷可能なようにΔＧ＝ＬＡ－ＬＢを用いる。

　ここで、発電時の高温（例えば７００℃）において、単位面積当たりの締め付け圧力Ｐを維持するために、平板状部材２２０の室温（２０）における圧縮変位Ｌは以下の数式で算出される。
　Ｌ＝Ｐ×ＳＢ／（Ｋ７００）＋ΔＧ

　以上より、電気化学素子積層体Ｓ及び平板状部材２２０等が容器２００内に収容された後、下蓋２０３と上蓋２０１とは、平板状部材２２０に上記で算出した圧縮変位Ｌを与えるように結合距離等が調整されて溶接等により封止される。これにより、電気化学素子積層体Ｓに所定の締め付け圧力を負荷することができる。

（３－３）平板状部材の作用
　上記のように、熱膨張部材からなる平板状部材２２０は、電気化学素子積層体Ｓの上部平面及び下部平面に配置されており、上部及び下部プレート２３０から所定の締め付け圧力を負荷されて、弾性的に電気化学素子積層体Ｓを支持している。

　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２０℃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。

　上記構成によれば、平板状部材２２０は熱膨張部材であるため、平板状部材２２０もまた、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２２０は、平板状部材２２０自体の熱膨張によって発生する弾性力とあらかじめ与えられた圧縮変位Ｌによる弾性力を利用して、プレート２３０を押圧面として、電気化学素子積層体Ｓに適切な締め付け圧力を負荷する。

　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２２０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、適切な締め付け圧力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２２０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に適切な締め付け圧力を負荷する。

　そして、平板状部材２２０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、適切な締め付け圧力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。

　このようにして、電気化学素子積層体Ｓ等が膨張した際にも、電気化学素子積層体Ｓ等を適切に締め付けることが可能な小型、軽量かつ低コストの電気化学モジュールを達成できる。

　特に、上記実施形態では、平板状部材２２０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、平板状部材２２０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、平板状部材２２０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、平板状部材２２０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平板状部材２２０によって、前述の間隔を補完できる。よって、この間隔が変動した後であっても、平板状部材２２０に予め与えられていた圧縮変位による弾性力と平板状部材２２０自身の熱膨張によって発生する弾性力により適切な締め付け圧力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。

　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、平板状部材２２０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締め付け圧力を、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場合、容器２００の膨張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。

　また、上記実施形態では、平板状部材２２０は波形形状に形成されている。よって、平板状部材２２０の波形の頂部が交互に、プレート２３０の平面と、絶縁体２１０を介して電気化学素子積層体Ｓの平面とに、分散された複数箇所で接触している。

　ここで、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の膨張により電気化学素子積層体Ｓと容器２００との間隔が変動すると、この間隔の変動に起因して平板状部材２２０に負荷される押圧力もまた変動する。この変動した押圧力は、平板状部材２２０を介して、電気化学素子積層体Ｓの平面及びプレート２３０の平面の概ね全体に沿って概ね均一に分散された状態で弾力的に受け止められる。これは、前述の通り、平板状部材２２０が、電気化学素子積層体Ｓの平面及びプレート２３０の平面と、分散された複数箇所で接触しているからである。また、平板状部材２２０が熱変動する場合には、電気化学素子積層体Ｓと容器２００との間隔の変動を、平板状部材２２０自身の熱膨張と弾性により前述の複数箇所において受け止める。

　よって、電気化学素子積層体Ｓ等の膨張により電気化学素子積層体Ｓ及び容器２００の間隔が変動しても、平板状部材２２０によって、積層方向の適度な締め付け圧力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できる。これにより、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、及び反応ガスのシール性の低下を抑制できるとともに、小型化及び軽量化を達成できる。

　また、本実施形態では、電気化学素子積層体Ｓは電気化学素子であるＳＯＦＣから構成されている。ＳＯＦＣは、発電時の温度が約６５０℃～約９５０℃等と高温となる。そのため、電気化学素子積層体Ｓ及び容器２００等の膨張量は、非発電時の低温（例えば室温で約２０℃等）の状態から、発電時の高温（例えば約６５０℃～約９５０℃等）の状態となることで、大きくなる。本実施形態では、平板状部材２２０は、平板状部材２２０自体の熱膨張による弾性力の変動を利用して、プレート２３０を押圧面として電気化学素子積層体Ｓに適切な締め付け圧力を負荷できる。よって、高温領域で発電が行われるＳＯＦＣ等においても、本実施形態を適用して電気化学素子積層体Ｓに適切な締め付け圧力を負荷できる。

　電気化学モジュールＭの小型化についてさらに説明する。例えば、一対の分厚い挟持板の周辺を締め付けて電気化学素子積層体Ｓに締め付け圧力を負荷する構成の場合には、締め付け部材として、電気化学モジュールＭの外部にスプリングを利用した大型の締め付けボルトを配置する必要がある。しかし、上記実施形態では、電気化学モジュールＭの内部に平板状部材２２０を配置するだけでよく、電気化学モジュールＭを小型化できる。

　また、大型の締め付けボルト等の突起体が電気化学モジュールＭの外部に配置されている場合には、このような電気化学モジュールＭの突起体によって発電時に放熱され易くなる。本実施形態の平板状部材２２０は電気化学モジュールＭの内部に配置されているため、放熱面を少なくでき、電気化学モジュールＭの発電効率を向上できる。

　また、本実施形態では、平板状部材２２０により締め付け圧力が調整されるため、大型の複数の締め付けボルト等を用いて電気化学素子積層体Ｓの締め付け圧力を調整する場合に比べて、締め付け圧力の調整に要する手間を大幅に削減できる。例えば、大型の複数の締め付けボルトを用いて電気化学素子積層体Ｓを締め付ける場合は、複数のボルトのトルクを管理しながら圧力の調整を行う必要がある。しかし、本実施形態の平板状部材２２０を用いる場合には、平板状部材２２０が電気化学素子積層体Ｓの平面に概ね均一に締め付け圧力を負荷するため、前述のような複雑なトルク管理が不要である。

（４）電気化学モジュールＭの具体的構成
　次に、図１及び図４を用いて、電気化学モジュールＭの具体的構成について説明する。図１の電気化学素子積層体Ｓの詳細が図１に示されている。

　図１及び図４に示すように、電気化学モジュールＭは、電気化学素子積層体Ｓを内装する容器２００（上蓋２０１及び下蓋２０３）と、容器２００の外部から供給路４を介して内部流路Ａ１に第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４破線矢印に示すように燃料ガスが進入し実線矢印に示すように空気が進入する。

　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、第一環状パッキン材４２（詳細については後述する）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（金属基板の一例）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（金属基板の一例）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１８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９，図１２，図１５参照）、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９，図１１，図１５参照）。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（第１電極）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、第二環状パッキン材５２（詳細については後述する）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（第２電極）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）平板状部材の変形例
（ａ）上記では、平板状部材２２０は、熱により膨張する熱膨張部材である。しかし、平板状部材２２０は、電気化学素子積層体Ｓ及び容器２００等の膨張及び収縮時等に、電気化学素子積層体Ｓの平面に概ね均一に締め付け圧力を負荷できる部材であればよく、熱膨張部材に限定されない。例えば、平板状部材２２０は、熱膨張率が小さいが、ある程度の弾性を有する部材であってもよい。

　弾性を有する平板状部材２２０は、電気化学素子積層体Ｓの上部平面及び下部平面に、その平面に沿って配置されている。そして、平板状部材２２０は、容器２００から上部及び下部プレート２３０を介して所定の締め付け圧力を負荷されて、弾性的に電気化学素子積層体Ｓを支持している。

　ここで、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膨張した際に、電気化学素子積層体Ｓと容器２００との間隔は、電気化学素子積層体Ｓ等の膨張前後で変動する可能性がある。平板状部材２２０は弾性力を有しているため、電気化学素子積層体Ｓと容器２００との間隔が変動した場合でも、その弾性力により容器２００内に電気化学素子積層体Ｓを弾性挟持する。つまり、平板状部材２２０は、容器２００から締め付け圧力を受けて一対のプレート２３０の間に電気化学素子積層体Ｓを弾性挟持する。

　より具体的には、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の膨張により電気化学素子積層体Ｓと容器２００との間隔が変動すると、この間隔の変動に起因して平板状部材２２０に負荷される押圧力もまた変動する。この変動した押圧力は、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た平板状部材２２０によって、電気化学素子積層体Ｓの平面及びプレート２３０の平面の概ね全体に沿って概ね均一に分散された状態で弾力的に受け止められる。

　よって、電気化学素子積層体Ｓ等の膨張により電気化学素子積層体Ｓ及び容器２００の間隔が変動しても、平板状部材２２０によって、積層方向の適度な締め付け圧力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できる。
　このように、電気化学素子積層体Ｓの平面と、プレート２３０の平面との間に、電気化学素子積層体Ｓ及びプレート２３０の平面に沿って平板状部材２２０を配置し、容器２００に収納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電気化学モジュールＭを構成できる。

　なお、平板状部材２２０が熱膨張率の小さい部材である場合には、容器２００に平板状部材２２０及び電気化学素子積層体Ｓ等を収容して組み立てる際に、平板状部材２２０が熱膨張率の大きい部材である場合よりも締め付け圧力を大きくするのが好ましい。この場合、組み立て時において、大きな締め付け圧力により平板状部材２２０には大きな反発力が生じている。よって、電気化学素子積層体Ｓ等の膨張により電気化学素子積層体Ｓ及び容器２００の間隔が広がり、締め付け圧力がある程度小さくなっても、電気化学素子積層体Ｓに適度な締め付け圧力を与えることができる。

（ｂ）上記では、上部及び下部平板状部材２２０Ｔ、２２０Ｂが設けられているが、いずれか一方の平板状部材２２０のみが設けられていてもよい。ただし、上部及び下部平板状部材２２０Ｔ、２２０Ｂ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平板状部材２２０により締め付け圧力を負荷できるので、電気化学素子積層体Ｓの平面に対してより均一に締め付け圧力を負荷できるので好ましい。

（ｃ）上記では、平板状部材２２０は波形形状であるが、これに限定されず、電気化学素子積層体Ｓ及びプレート２３０等と複数箇所において分散して接触する他の構成も採用できる。例えば、平板状部材２２０はメタルハニカム形状であってもよい。

　また、平板状部材２２０は、電気化学素子積層体Ｓの平面及びプレート２３０の平面のいずれかのみと、分散された複数箇所で接触してもよい。
　例えば、平板状部材２２０は、電気化学素子積層体Ｓの平面と、分散された複数箇所において接触しており、プレート２３０の平面とは面接触していることもできる。この場合、平板状部材２２０は、電気化学素子積層体Ｓと接触した部分で電気化学素子積層体Ｓ等の膨張による負荷力を分散して受け止める。

　また、例えば、平板状部材２２０は、電気化学素子積層体Ｓの平面と面接触しており、プレート２３０の平面と複数箇所において接触していることもできる。この場合、平板状部材２２０は、プレート２３０の平面と接触した部分で電気化学素子積層体Ｓ等の膨張による負荷力を分散して受け止める。

（ｄ）上記では、平板状部材２２０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、平板状部材２２０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、平板状部材２２０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。

（ｅ）上記では、平板状部材２２０は、膨張による電気化学素子積層体Ｓ及び容器２００間の間隔の変動を調整する場合について説明した。しかし、収縮による電気化学素子積層体Ｓ及び容器２００間の間隔の変動についても、平板状部材２２０を採用できる。

（ｆ）上記では、平板状部材２２０は、発電に伴う温度変化だけではなく、例えば、電気化学モジュールＭに加わる振動、外圧、湿度及び外気温等の変化によって生じる電気化学素子積層体Ｓ及び容器２００等の膨張及び収縮を受け止めることもできる。

（ｇ）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。

（ｈ）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。

（６）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９～図１８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９～図１７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１３～図１７参照）。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９、図１１，図１６，図１７参照）。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１０～図１７参照）。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、内部流路を外部と区画して形成できるのであれば、周縁部１ａ以外の部分で一体化してもよい。

　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１３～図１７参照）。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１８参照）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９，図１３参照）。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か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９参照）、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９，図１１，図１２，図１４～図１７参照、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１３～図１８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－気孔率）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－ＣｅＯ_２、Ｃｕ－ＣｅＯ_２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、ＣｅＯ_２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１３～図１８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１３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１３～図１８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Ｏ_２が電子ｅ^－と反応して酸素イオンＯ^２－が生成される。その酸素イオンＯ^２－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Ｈ_２が酸素イオンＯ^２－と反応し、水Ｈ_２Ｏ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Ｈ_２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Ｏ_２と水素イオンＨ^＋、電子ｅ^－が反応し水Ｈ_２Ｏ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１３～図１７にて省略したが、図１８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。

（電気化学素子積層体）
　図４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パッキン材４２、第二環状パッキン材５２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と区画する環状パッキン材としての第一環状パッキン材４２を備え、第一貫通部４１及び第一環状パッキン材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における第一環状パッキン材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を設けて第一環状パッキン材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と区画する環状パッキン材としての第二環状パッキン材５２を備え、第二貫通部５１及び第二環状パッキン材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。

（７）環状パッキン材
　次に、第一、第二環状パッキン材４２，５２について説明する。

　図１９及び図２０に示すように、本実施形態における各環状パッキン材４２，５２は、熱により膨張する熱膨張部材からなる金属材料４２ａ，５２ａと、絶縁性の金属酸化物層４２ｂ、５２ｂとを備え、上面視で環状に形成された金属材料４２ａ，５２ａ及び金属酸化物層４２ｂ，５２ｂの内側に貫通孔４２ｃ，５２ｃが形成されており、金属材料４２ａ，５２ａ及び金属酸化物層４２ｂ，５２ｂによりシールされるシール領域が環状である。この各環状パッキン材４２，５２は、貫通孔４２ｃ，５２ｃによって第一、第二貫通部４１，５１同士を連通し、隣接する電気化学素子Ａの間をシール領域によってシールする。

　図２に示すように、本実施形態の環状パッキン材４２，５２は、金属材料４２ａ，５２ａが円環状の平板で構成されており、金属材料４２ａ，５２ａの上面と下面を含む全表面が、金属酸化物層４２ｂ，５２ｂで覆われている。

　尚、環状パッキン材４２，５２は、その平面外形は円環状に限られず、環状であればどのような形状であってもよい。環状には、円形、楕円形、方形、多角形状等いかなる形状も含まれる。

　金属材料４２ａ，５２ａの構成素材としては、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、インコネル、銅、インバー材等が挙げられる。金属材料４２ａ，５２ａは、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、インコネル、銅、インバー材からなる群より選択される少なくとも一つを含むようにすると良い。

　また、金属材料４２ａ，５２ａは、図２１に示すように、熱膨張係数の小さい金属４２１ａ，５２１ａと、熱膨張係数の大きな金属４２２ａ，５２２ａとを、例えば圧延によって張り合わせたバイメタル４２０ａ，５２０ａであっても良い。バイメタル４２０ａ，５２０ａは、熱膨張率が異なる２種類の金属の板を貼り合わせたもので、温度変化に応じて特有の形状に変化するものである。

　金属材料４２ａ，５２ａとしてバイメタル４２０ａ，５２０ａを使用する場合、バイメタル４２０ａ，５２０ａ自体の温度が上昇するに伴って、例えば、図２１に示す平板状の形態から、図２２に示すように円弧状の反りが発生して厚み方向の幅が大きくなるように構成されていることが望ましい（Ｔ＞ｔ）。例えば、熱膨張係数の小さい金属４２１ａ，５２１ａとしてインバー材（熱膨張率０．２×１０^－５／℃）、熱膨張係数の大きな金属４２２ａ，５２２ａとしてＳＵＳ３１６（熱膨張率１．８×１０^－５／℃）を用い、ｔが０．５ｍｍのバイメタル４２０ａ，５２０ａであれば、バイメタル４２０ａ，５２０ａ自体の温度が７００℃に上昇した際に、Ｔが０．６８ｍｍとなる。

　また、環状パッキン材４２，５２の金属材料４２ａ，５２ａの縦断面形状は、平板形状（図２０参照）、波形形状（図２３参照）、三角形状（図２４参照）、円形状（図２５参照）、楕円形状（図示せず）、のこ刃形状（図２６参照）、略Ｃ字形状（図２７参照）、略Ｄ字形状（図２７参照）のうちのいずれか１つ以上を備えていることが好ましい。

　また、図２８に示すように、金属材料４２ａ，５２ａの縦断面形状が、内側に閉空間（内部空間）４２ｄ，５２ｄを備えた環形状であることが好ましい。つまり、金属材料４２ａ，５２ａは、縦断面視で、全周に亘って環形状に形成されており、環形状に形成された部分の内側に、外部と区画された閉空間４２ｄ，５２ｄが密閉状態で形成されている。なお、閉空間４２ｄ，５２ｄは、上面視で、金属材料４２ａ，５２ａの全周に亘って環状に形成されている。
　そして、閉空間４２ｄ，５２ｄ内には、気体や液体が封入されており、高温環境に晒された場合に、当該閉空間４２ｄ，５２ｄに封じられた気体や液体が熱膨張することによってさらに金属材料４２ａ，５２ａの膨張が促進され、よって面圧力が上昇するように構成することができ、その結果さらにより高いシール性能が発揮される。
　なお、図２８に示す金属材料４２ａ，５２ａの縦断面形状は、略Ｄ字形状に形成されているが、このような縦断面形状に限らず、例えば、円形状、楕円形状、三角形状、矩形状等に形成するようにしてもよい。

　金属酸化物層４２ｂ，５２ｂの構成素材としては、例えば、アルミナ、シリカ、酸化マグネシウム、酸化鉄、酸化クロム、及び酸化マンガン等が挙げられる。金属酸化物層４２ｂ，５２ｂは、アルミナ、シリカ、酸化マグネシウム、酸化鉄、酸化クロム、及び酸化マンガンからなる群より選択される少なくとも一つを含むようにすると良い。

　尚、金属酸化物層４２ｂ、５２ｂは、金属材料４２ａ，５２ａが平板形状、波形形状、のこ刃形状などの場合、金属材料４２ａ，５２ａの上面及び下面のうちの少なくともいずれか一方に設けられていれば良い。また、金属材料４２ａ，５２ａがその他の形状を有するものであっても、その絶縁性が確保されるのであれば、必ずしも金属材料４２ａ，５２ａの全体を覆うように金属酸化物層４２ｂ，５２ｂを設ける必要はなく、金属材料４２ａ，５２ａの厚さ方向における少なくとも一方側に設けるようにしても良い。

　尚、本実施形態に係る環状パッキン材４２，５２は、金属材料４２ａ，５２ａに対して金属酸化物を積層する公知の積層方法を用いて作成することができる。例えば、金属材料４２ａ，５２ａの表面をエッチングして金属材料４２ａ，５２ａの表面に酸化物を析出させることによって金属酸化物層４２ｂ，５２ｂを積層させる方法や、金属材料４２ａ，５２ａの表面に金属酸化物を塗布、接着、焼き付け、スプレーコート、又は溶射することによって金属酸化物層４２ｂ，５２ｂを積層させる方法等が挙げられる。なお、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法などにより金属材料４２ａ，５２ａに金属酸化物層４２ｂ，５２ｂを積層すると金属材料４２ａ，５２ａの劣化を抑制できるので好ましい。

　ＳＯＦＣにおいては、発電時と発電していない時とで大きな温度差があるため、ＳＯＦＣ中の電気化学素子積層体Ｓは、高温を含んだ温度変化するような環境下におかれる。本実施形態においては、上記のように、熱膨張部材からなる平板状部材２２０が、電気化学素子積層体Ｓの上部平面及び下部平面に配置されており、上部及び下部プレート２３０から所定の締め付け圧力を負荷されて、弾性的に電気化学素子積層体Ｓを支持しており、環状パッキン材４２，５２による面圧力が板状支持体１０に作用し、シール性が確保されている。しかしながら、温度変化が繰り返されることによって、例えば、金属酸化物層４２ｂ、５２ｂの弾性が低下して、環状パッキン材４２，５２と板状支持体１０との間にわずかな隙間が生じる場合がある。

　環状パッキン材４２，５２によれば、金属酸化物層４２ｂ、５２ｂの弾性が低下して、環状パッキン材４２，５２と板状支持体１０との間にわずかな隙間が生じたような場合であっても、ＳＯＦＣが発電中である場合において、金属材料４２ａ，５２ａの膨張張力によって面圧力が上昇して高いシール性が発揮される。したがって、隣接する板状支持体１０間において、金属材料４２ａ，５２ａ及び金属酸化物層４２ｂ、５２ｂの内側（即ち、供給路４や排出路５）と外側（即ち、通流部Ａ２）との間におけるシール性が十分に確保される。また、金属材料４２ａ，５２ａが高温でも硬化し難いため長期間の使用に耐えることができる。更に、環状パッキン材４２，５２が金属酸化物層４２ｂ、５２ｂを備えていることで、隣接する板状支持体１０間（即ち、電気化学素子Ａ間）の絶縁性も保たれる。

　また、板状支持体１０の第一板状体１や第二板状体２の熱膨張率と、金属材料４２ａ、５２ａの熱膨張率とが異なる熱膨張率となるような材料により形成されていると、高温に晒された場合に、第一板状体１や第二板状体２と金属材料４２ａ、５２ａとの熱膨張差によって生じる熱膨張力を利用することによって面圧力が上昇するように構成とすることができ、その結果さらにより高いシール性能が発揮される。
　具体的には、金属材料４２ａ、５２ａの熱膨張率を第一板状体１や第二板状体２の熱膨張率よりも大きくしたり、金属材料４２ａ、５２ａの熱膨張率を第一板状体１や第二板状体２の熱膨張率よりも小さくしたりすることができる。さらに具体的には、第一板状体１及び第二板状体２をフェライト系ステンレスとし、金属材料４２ａ、５２ａをオーステナイト系ステンレスとすることで、金属材料４２ａ、５２ａの熱膨張率を第一板状体１及び第二板状体２の熱膨張率よりも大きくすることができる。この場合、高温に晒された場合に、金属材料４２ａ、５２ａが第一板状体１及び第二板状体２よりも大きく熱膨張して、第一板状体１及び第二板状体２に対する金属材料４２ａ、５２ａの面圧力が上昇することで、より高いシール性能が発揮される。

（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２９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２９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。

〔環状パッキン材の変形例〕
　第一、第二環状パッキン材４２，５２の変形例について説明する。なお、上述の実施形態と同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

　図３２に示すように、本例の環状パッキン材４２，５２では、金属酸化物層４２ｂ、５２ｂが、金属材料４２ａ，５２ａの表面に沿って積層されている。換言すれば、金属酸化物層４２ｂ、５２ｂの厚みが、均一である。図示例では、金属材料４２ａ，５２ａの縦断面形状は波形形状である。金属酸化物層４２ｂ、５２ｂの断面形状（表面形状）も、波形形状である。そして、環状パッキン材４２，５２の縦断面形状も波形形状である。すなわち、環状パッキン材の縦断面形状が、金属材料４２ａ，５２ａの縦断面形状と同じであってよい。

　金属材料４２ａ，５２ａの断面形状が他の形状（例えば、三角形状（図２４参照）、のこ刃形状（図２６参照）、略Ｃ字形状（図２７参照）、略Ｄ字形状（図２７参照））の場合も、金属酸化物層４２ｂ、５２ｂの厚みが均一であってよいし、金属材料４２ａ，５２ａの縦断面形状と環状パッキン材４２，５２の縦断面形状とが同じであってよい。

　なお、図２４，図２６－２８に示すように、金属酸化物層４２ｂ、５２ｂの厚みが、均一でなくてもよい。環状パッキン材の縦断面形状が、金属材料４２ａ，５２ａの縦断面形状と異なってよい。

〔電気化学素子積層体及び電気化学モジュールの変形例〕
　電気化学素子積層体Ｓ及び電気化学モジュールＭにおいて、第一、第二環状パッキン材４２，５２が、その表面の少なくとも一部にセラミックペーストが塗布された状態で板状支持体１０（金属基板の一例）と環状パッキン材４２，５２との間に配置されてもよい。環状パッキン材４２，５２の表面全体にセラミックペーストが塗布されてもよい。環状パッキン材４２，５２の表側の面または裏側の面のみにセラミックペーストが塗布されてもよい。

　セラミックペーストは、接合部の気密性（シール性）を高めるペーストであって、例えばガスケットペーストである。セラミックペーストは、セラミックを主成分とし、粘調剤でペースト状にしたものである。セラミックペーストの主成分は、金属酸化物または無機高分子であってもよい。セラミックペーストの主成分が、雲母（マイカ）、シリカ、またはアルミナであってよい。セラミックペーストが水溶性であってよい。

　なお、電気化学モジュールＭにおいて、電気化学素子Ａが積層されていなくてもよい。換言すれば、電気化学モジュールＭにおいて、電気化学素子Ａが複数集合した状態で配置されてもよい。電気化学素子積層体Ｓにおいて、電気化学素子Ａが積層されていなくてもよい。換言すれば、電気化学素子積層体Ｓにおいて、電気化学素子Ａが複数集合した状態で配置されてもよい。この場合、電気化学素子積層体Ｓは、「電気化学素子集合体」と呼称されてもよい。

〔気体リーク量の測定試験結果〕
　上述の環状パッキン材４２，５２及びセラミックペーストを用いた場合の気体リーク量の測定試験の結果について、図３３の表を参照しながら説明する。

　１つの開口部を備える容積１リットルの密閉容器を作成する。開口部を試験用パッキン材で封止する。密閉容器に窒素を供給し、内圧を上昇させる。内圧が試験圧力に到達したら窒素供給を停止し、１０分経過後の圧力を測定する。試験圧力と測定圧力との差から、気体リーク量を算出する。試験は、室温及び７５０℃（実験例２のみ）の環境で行なった。試験圧力は約２３ｋＰａであり、電気化学素子積層体Ｓ及び電気化学モジュールＭにおける通常の使用時圧力の約１０倍である。

　試験用パッキンとして、以下の２種類を用いた。

〔実験例１〕
　実験例１の試験用パッキンは、バーミキュライト－ガラス系複合パッキンであり、市販品である。

〔実験例２〕
　実験例２の試験用パッキンは、図３２に示す環状パッキン材に、雲母を主成分とするセラミックペーストを塗布したものである。環状パッキン材の金属材料は、リング状のステンレス波板であり、その材質はＳＵＳ４３０である。金属材料の厚さは、０．１ｍｍである。環状パッキン材の金属酸化物層は、アルミナである。金属酸化物層の厚さは、１μｍから２μｍである。金属酸化物層は、スプレーコート法により金属材料の表面に積層される。

　気体リーク量の測定試験の結果が図３３に示される。室温では、実験例１の試験用パッキンでは、気体リーク量が２．１ｍｌ／ｍｉｎとなった。これに対し、実験例２の試験用パッキンでは、気体リーク量は０．０ｍｌ／ｍｉｎとなり、測定限界以下であった。７５０℃では、実験例２の試験用パッキンでは、気体リーク量は０．０ｍｌ／ｍｉｎとなり、測定限界以下であった。室温での気体リーク量が大きいため、実験例１の試験用パッキンについて７５０℃の試験は省略された。

　実験結果から、実験例２の試験用パッキンを用いることにより、室温でも７５０℃の高温でも、気体リーク量を極めて小さくできることが確認された。なお、実験例２の試験用パッキンは、本発明の実施例である。実験例１の試験用パッキンは、比較例である。

〔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に平板状部材２２０を適用した。しかし、上記の平板状部材２２０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Ｏ_２が電子ｅ^－と反応して酸素イオンＯ^２－が生成される。その酸素イオンＯ^２－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Ｈ_２が酸素イオンＯ^２－と反応し、水Ｈ_２Ｏ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Ｈ_２Ｏ、二酸化炭素分子ＣＯ_２が反応し水素分子Ｈ_２や一酸化炭素ＣＯと酸素イオンＯ^２－となる。酸素イオンＯ^２－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Ｏ^２－が電子を放出して酸素分子Ｏ_２となる。以上の反応により、水分子Ｈ_２Ｏが水素Ｈ_２と酸素Ｏ_２とに、二酸化炭素分子ＣＯ_２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Ｏ_２とに電気分解される。
　水蒸気と二酸化炭素分子ＣＯ_２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３１）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３１には、電気化学反応部３を電解セルとして動作させる（電気化学素子Ａで電解反応を生じさせる）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３１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３１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）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３０に示すように一の板状体から構成されていてもよい。図３０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３０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。

（８）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９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１３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９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１３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。

（９）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。

（１０）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。

　尚、上記の実施形態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、又、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。

　本発明は、環状パッキン材、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池及び固体酸化物形電解セルに関する技術の分野において好適に利用することができる。

２５　燃料変換器
３１　電極層
３２　電解質層
３３　対極電極層
４２　第１環状パッキン材
５２　第２環状パッキン材
４２ａ，５２ａ　金属材料
４２０ａ，５２０ａ　バイメタル
４２１ａ，５２１ａ　熱膨張係数の小さい金属
４２２ａ，５２２ａ　熱膨張係数の大きな金属
４２ｂ，５２ｂ　金属酸化物層
４２ｃ，５２ｃ　貫通孔
４２ｄ，５２ｄ　閉空間
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
２２０　平板状部材
２３０　プレート
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

　熱により膨張する熱膨張部材からなる金属材料と、絶縁性の金属酸化物層とを備え、環状に形成された前記金属材料及び前記金属酸化物層の内側に貫通孔が形成されている環状パッキン材。
　前記金属材料の厚さ方向における少なくとも一方側に、前記金属酸化物層が配置されている請求項１に記載の環状パッキン材。
　前記金属酸化物層が、アルミナ、シリカ、酸化マグネシウム、酸化鉄、酸化クロム及び酸化マンガンを何れか１つ以上含む請求項１または２に記載の環状パッキン材。
　前記金属材料が、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、インコネル、銅及びインバー材を何れか１つ以上含む請求項１から３の何れか１項に記載の環状パッキン材。
　前記金属材料の断面形状が、内側に閉空間を備えた環形状である請求項１から４の何れか１項に記載の環状パッキン材。
　前記金属材料が、バイメタルである請求項１から４の何れか１項に記載の環状パッキン材。
　前記金属材料の断面形状が、平板形状、三角形状、のこ刃形状、波形形状、円形状、楕円形状、略Ｃ字形状及び略Ｄ字形状の何れか１つ以上を備える請求項１から６の何れか１項に記載の環状パッキン材。
　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電極とを備えた電気化学素子の複数が、前記電気化学素子間に金属基板を介して積層されており、隣接する金属基板の間に、請求項１から７の何れか１項に記載の環状パッキン材が配置されている電気化学モジュール。
　前記金属材料の熱膨張係数と前記金属基板の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数である請求項８に記載の電気化学モジュール。
　前記環状パッキン材は、その表面の少なくとも一部にセラミックペーストが塗布された状態で前記金属基板と前記環状パッキン材との間に配置されている請求項８または９に記載の電気化学モジュール。
　前記セラミックペーストが雲母を含有する請求項１０に記載の電気化学モジュール。
　請求項８から１１の何れか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供給する還元性成分を生成する、或いは、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。
　請求項８から１１の何れか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、を有する電気化学装置。
　請求項１２または１３に記載の電気化学装置と、前記電気化学装置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。
　請求項８から１１の何れか１項に記載の電気化学モジュールを備え、前記電気化学モジュールで発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池。
　請求項８から１１の何れか１項に記載の電気化学モジュールを備え、前記電気化学モジュールで電解反応を生じさせる固体酸化物形電解セル。