JPH05303975A - 燃料電池 - Google Patents
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- JPH05303975A JPH05303975A JP5001896A JP189693A JPH05303975A JP H05303975 A JPH05303975 A JP H05303975A JP 5001896 A JP5001896 A JP 5001896A JP 189693 A JP189693 A JP 189693A JP H05303975 A JPH05303975 A JP H05303975A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
- H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
-
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
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- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 中心対称形の燃料電池のモジュールのＰＥＮ
の開口部を無くし、燃料供給部材によって燃料をモジュ
ール中心部へ供給することにより、モジュール中心部に
おいてガススペースと空気スペースとを確実に分離す
る。 【構成】 この中心対称形の燃料電池はモジュールを複
数個積重ねて構成される。それらモジュールは各々、電
気化学活性プレート又はＰＥＮ（２）、空気スペースと
燃料スペースとの間の気密隔壁（４）、ＰＥＮ（２）に
空気を接触させるように少なくとも１つの周縁部送給地
点（５）から空気をモジュール中心部へ送給する装備、
及び、ガス燃料の中心部供給地点（７１，６１）を備え
る。モジュール周縁部から中心部へ燃料供給部材（６）
が通され、この部材によって燃料がモジュール中心部へ
送給される。
の開口部を無くし、燃料供給部材によって燃料をモジュ
ール中心部へ供給することにより、モジュール中心部に
おいてガススペースと空気スペースとを確実に分離す
る。 【構成】 この中心対称形の燃料電池はモジュールを複
数個積重ねて構成される。それらモジュールは各々、電
気化学活性プレート又はＰＥＮ（２）、空気スペースと
燃料スペースとの間の気密隔壁（４）、ＰＥＮ（２）に
空気を接触させるように少なくとも１つの周縁部送給地
点（５）から空気をモジュール中心部へ送給する装備、
及び、ガス燃料の中心部供給地点（７１，６１）を備え
る。モジュール周縁部から中心部へ燃料供給部材（６）
が通され、この部材によって燃料がモジュール中心部へ
送給される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、特許請求の範囲の請求
項１の前文に記述する如き燃料電池に関する。燃料（以
下、簡単にガスと称す）が燃料電極へ運ばれて接触す
る。その燃料電極は、中心ガス供給部を備えた同じモジ
ュールの電気化学活性プレートに属するか、又はモジュ
ールの境界の定義の仕方によっては隣接のモジュールの
それに属する。モジュールの境界が気密の隔壁で形成さ
れる場合、その隔壁は２つの平行なプレートで構成さ
れ、その一方のプレートは１つのモジュールの蓋を形成
し、他方のプレートは隣接のモジュールの蓋を形成す
る。電気化学活性プレートは３つの層、即ち正（Ｐ）の
電極（空気側）、固体電（Ｅ）解質、及び負（Ｎ）の電
極（ガス側）で構成される。この構造は「ＰＥＮ」の名
称を与えられており、この用語は以下においても電気化
学活性プレートに対して使用されよう。
項１の前文に記述する如き燃料電池に関する。燃料（以
下、簡単にガスと称す）が燃料電極へ運ばれて接触す
る。その燃料電極は、中心ガス供給部を備えた同じモジ
ュールの電気化学活性プレートに属するか、又はモジュ
ールの境界の定義の仕方によっては隣接のモジュールの
それに属する。モジュールの境界が気密の隔壁で形成さ
れる場合、その隔壁は２つの平行なプレートで構成さ
れ、その一方のプレートは１つのモジュールの蓋を形成
し、他方のプレートは隣接のモジュールの蓋を形成す
る。電気化学活性プレートは３つの層、即ち正（Ｐ）の
電極（空気側）、固体電（Ｅ）解質、及び負（Ｎ）の電
極（ガス側）で構成される。この構造は「ＰＥＮ」の名
称を与えられており、この用語は以下においても電気化
学活性プレートに対して使用されよう。
【０００２】
【従来の技術】ＣＨ−ＰＳ６７８７７５（又はＥＰ−Ａ
−０４３７１７５）は、複数個のセル又はモジュールを
中心対称形のスタックの形状に直列に結合して成る燃料
電池を開示する。軸心のダクトを通してガスが供給され
る。そのダクトから分配ラインが各モジュールに通じて
いる。その中心ガスダクトの個所で隣合うモジュールど
うしの間にシールリングが備えられ、空気スペースとガ
ススペースとを分離する。空気は予熱されてから燃料電
池へ供給されるが、各モジュール内に組込まれた熱交換
器によって又更に加熱される。その内部熱交換器は同時
に、モジュール周縁部の送給地点から空気をモジュール
中心部へ送給する装備を形成する。空気とガスとはＰＥ
Ｎの各側にあって相互に平行に流れるようにして送られ
る。上記燃料電池の内部の空気熱交換器は本質的に、気
密隔壁と、この隔壁又はＰＥＮに平行な空気案内プレー
トとによって形成される。空気は隔壁と空気案内プレー
トとの間のスペース内を流れてモジュールの中心部の方
へ送られ、この中心部にＰＥＮの方へ行くための開口が
設けられている。そこで空気はそれら開口を通り、次い
でここからＰＥＮの表面に沿ってモジュール周縁部の方
へ戻っていく。モジュール中心部の方への空気の送給は
又、空気案内プレートではなしに、同じ様に熱交換器と
して働く例えばパイプによって行うこともできよう。
−０４３７１７５）は、複数個のセル又はモジュールを
中心対称形のスタックの形状に直列に結合して成る燃料
電池を開示する。軸心のダクトを通してガスが供給され
る。そのダクトから分配ラインが各モジュールに通じて
いる。その中心ガスダクトの個所で隣合うモジュールど
うしの間にシールリングが備えられ、空気スペースとガ
ススペースとを分離する。空気は予熱されてから燃料電
池へ供給されるが、各モジュール内に組込まれた熱交換
器によって又更に加熱される。その内部熱交換器は同時
に、モジュール周縁部の送給地点から空気をモジュール
中心部へ送給する装備を形成する。空気とガスとはＰＥ
Ｎの各側にあって相互に平行に流れるようにして送られ
る。上記燃料電池の内部の空気熱交換器は本質的に、気
密隔壁と、この隔壁又はＰＥＮに平行な空気案内プレー
トとによって形成される。空気は隔壁と空気案内プレー
トとの間のスペース内を流れてモジュールの中心部の方
へ送られ、この中心部にＰＥＮの方へ行くための開口が
設けられている。そこで空気はそれら開口を通り、次い
でここからＰＥＮの表面に沿ってモジュール周縁部の方
へ戻っていく。モジュール中心部の方への空気の送給は
又、空気案内プレートではなしに、同じ様に熱交換器と
して働く例えばパイプによって行うこともできよう。
【０００３】空気はモジュールの周縁部でガスと混合す
る。空気の酸素は一部しか消費されず、又ガスも電気化
学プロセスにおいて完全には反応していない。空気とガ
スの混合物は、空気を予熱するのに使える熱を作るため
に燃焼される。この燃焼は直接モジュール周縁部内にお
いてか、又は別個のアフターバーナにおいて行われよ
う。
る。空気の酸素は一部しか消費されず、又ガスも電気化
学プロセスにおいて完全には反応していない。空気とガ
スの混合物は、空気を予熱するのに使える熱を作るため
に燃焼される。この燃焼は直接モジュール周縁部内にお
いてか、又は別個のアフターバーナにおいて行われよ
う。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】中心対称形の燃料電池
の長所は、シールが各モジュールごとに１個だけでよい
ことである。しかしそのようなシールも、また満足すべ
き解決がなされていない重要な問題点をもっている。本
発明の目的は、モジュール中心部においてガススペース
と空気スペースとが相互に確実に分離されるような中心
対称形燃料電池を提供することである。
の長所は、シールが各モジュールごとに１個だけでよい
ことである。しかしそのようなシールも、また満足すべ
き解決がなされていない重要な問題点をもっている。本
発明の目的は、モジュール中心部においてガススペース
と空気スペースとが相互に確実に分離されるような中心
対称形燃料電池を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的は、特許請求の
範囲の請求項１の特徴部に記述する所によって解決され
る。この解決の仕方によってガスダクトシールはもはや
不要になる。
範囲の請求項１の特徴部に記述する所によって解決され
る。この解決の仕方によってガスダクトシールはもはや
不要になる。
【０００６】上記の解決は又ＰＥＮの製作に伴なうその
他の困難を無くす。ＰＥＮを環状ディスクの形に製作す
る場合、その内縁部に小さいひび割れの生じることが知
られている。ＰＥＮが開口をもたなければ、そのような
ひび割れは生じようがない。
他の困難を無くす。ＰＥＮを環状ディスクの形に製作す
る場合、その内縁部に小さいひび割れの生じることが知
られている。ＰＥＮが開口をもたなければ、そのような
ひび割れは生じようがない。
【０００７】従属請求項２から５までは、本発明による
ガス供給ラインの様々な形成方法を示す。更にそれらの
ガス供給ラインを「改質」用の触媒と組合せることもで
きる（請求項６及び７）。その「改質」によって、メタ
ンと水蒸気の混合物又はメタンと水蒸気と二酸化炭素の
混合物が吸熱プロセスで水素と一酸化炭素へ触媒転化さ
れる。メタンの代りに、主としてメタンで構成される天
然ガスを使用することもできよう。
ガス供給ラインの様々な形成方法を示す。更にそれらの
ガス供給ラインを「改質」用の触媒と組合せることもで
きる（請求項６及び７）。その「改質」によって、メタ
ンと水蒸気の混合物又はメタンと水蒸気と二酸化炭素の
混合物が吸熱プロセスで水素と一酸化炭素へ触媒転化さ
れる。メタンの代りに、主としてメタンで構成される天
然ガスを使用することもできよう。
【０００８】
【実施例】次に添付図面と関連して本発明を更に詳述す
る。図１に示される既知のモジュール１０は、ＰＥＮ
２、「インターコネクタ」３、気密の隔壁４、周縁部の
空気送給地点５、及び中心部のガスダクト６０を備え
る。このガスダクトは部材６０１と６０３が接合部６０
４において相互に上下にぴったり嵌合して構成される。
部材６０１は燃料分配ライン６０２を有し、モジュール
中心部の燃料供給地点を形成する。空気電極２ａ、電解
質２ｂ、及びガス電極２ｃで構成されるＰＥＮ２は、セ
ラミックの電導材料製のインターコネクタ３と共に焼結
される。インターコネクタ３の構造は、中央区域に開口
３１を有する連続的な層３０に、内部蓋としての中心リ
ング３２、及び層３０とＰＥＮ２との間のノブ状結合部
材３０を備えて構成される。層３０は、ＣＨ−ＰＳ６７
８７７５で知られるような燃料電池の空気案内プレート
の機能を有する。インターコネクタ３と隔壁４との間の
空気スペース４０は電導体４１を渡される。これらの電
導体は又隔壁４と隣接のモジュール（図示されず）のＰ
ＥＮとの間にも備えられる。それらの導体はいずれも図
示されていない。
る。図１に示される既知のモジュール１０は、ＰＥＮ
２、「インターコネクタ」３、気密の隔壁４、周縁部の
空気送給地点５、及び中心部のガスダクト６０を備え
る。このガスダクトは部材６０１と６０３が接合部６０
４において相互に上下にぴったり嵌合して構成される。
部材６０１は燃料分配ライン６０２を有し、モジュール
中心部の燃料供給地点を形成する。空気電極２ａ、電解
質２ｂ、及びガス電極２ｃで構成されるＰＥＮ２は、セ
ラミックの電導材料製のインターコネクタ３と共に焼結
される。インターコネクタ３の構造は、中央区域に開口
３１を有する連続的な層３０に、内部蓋としての中心リ
ング３２、及び層３０とＰＥＮ２との間のノブ状結合部
材３０を備えて構成される。層３０は、ＣＨ−ＰＳ６７
８７７５で知られるような燃料電池の空気案内プレート
の機能を有する。インターコネクタ３と隔壁４との間の
空気スペース４０は電導体４１を渡される。これらの電
導体は又隔壁４と隣接のモジュール（図示されず）のＰ
ＥＮとの間にも備えられる。それらの導体はいずれも図
示されていない。
【０００９】地点５に送給された空気はスペース４０内
で熱を吸収しながらモジュールの中心部の方へ流れ、そ
れから開口３１を通ってＰＥＮの方へ行き、ここで化学
反応用の酸素を供給しながら周縁部の方へ流れて戻って
いく。ガスはＰＥＮの反対側で空気と平行に流れ、この
間部分的に廃ガス成分の水と二酸化炭素に転化され、そ
して最終的に周縁部で空気と混合する。この空気の酸素
も一部しか消費されていない。
で熱を吸収しながらモジュールの中心部の方へ流れ、そ
れから開口３１を通ってＰＥＮの方へ行き、ここで化学
反応用の酸素を供給しながら周縁部の方へ流れて戻って
いく。ガスはＰＥＮの反対側で空気と平行に流れ、この
間部分的に廃ガス成分の水と二酸化炭素に転化され、そ
して最終的に周縁部で空気と混合する。この空気の酸素
も一部しか消費されていない。
【００１０】本発明の燃料電池を示す図２は、電導体４
２が隔壁４と隣接のモジュールとの間に形成される態様
を示す。それら電導体は通気性の金属フェルトで作られ
る閉鎖したリングである。
２が隔壁４と隣接のモジュールとの間に形成される態様
を示す。それら電導体は通気性の金属フェルトで作られ
る閉鎖したリングである。
【００１１】本発明の第１実施例（図２）において、ガ
スはモジュールの周縁部から半径方向ライン６を通して
モジュールの中心部の出口孔６ｉへと送給される。中心
ガスダクトに代って、例えばセラミック材料製のスペー
サ７が中心部に設置される。隔壁４と隣接モジュールの
ＰＥＮとの間の間隔を最小限にするため、燃料パイプ６
を入れる溝状凹部４５が隔壁に備えられる。その燃料供
給部材６はモジュール内へ半径方向に挿入できる。供給
部材６を通ってモジュール内へ流入したガスは中心部の
環状ダクト７１を通ってガススペース内へ分散する。フ
ェルトリング４２のもつ絞り作用によってガスは均等に
分布される。
スはモジュールの周縁部から半径方向ライン６を通して
モジュールの中心部の出口孔６ｉへと送給される。中心
ガスダクトに代って、例えばセラミック材料製のスペー
サ７が中心部に設置される。隔壁４と隣接モジュールの
ＰＥＮとの間の間隔を最小限にするため、燃料パイプ６
を入れる溝状凹部４５が隔壁に備えられる。その燃料供
給部材６はモジュール内へ半径方向に挿入できる。供給
部材６を通ってモジュール内へ流入したガスは中心部の
環状ダクト７１を通ってガススペース内へ分散する。フ
ェルトリング４２のもつ絞り作用によってガスは均等に
分布される。
【００１２】本発明の第２実施例を載せる図３はモジュ
ール１の下記諸成分、即ち、２つの電極２ａと２ｃをも
ったＰＥＮ２、電流導体部材３３をもったインターコネ
クタ３、ワイヤ状及びフェルト状の電流導体４１と４２
をもった気密隔壁４、空気送給地点５、ガス供給部材
６、及び中心部スペーサ７を示す。このスペーサは、隔
壁のポット形凹部と共に環状ダクト７１を形成する。隣
接のモジュールのフェルト状電導体４２′とスペーサ
７′が鎖線で示される。この第２実施例において燃料供
給部材６はモジュール内に堅く組込まれ、そしてモジュ
ール周縁部に結合パイプ６ｂの接続地点６ａが設けられ
る。結合パイプ６ｂはガス分配器（図示せず）につなが
る。供給部材６は空気スペース４０内に設置され、そし
てその中心部オリフィス６ｉが環状ダクト７１の個所で
隔壁４に堅く嵌合される。
ール１の下記諸成分、即ち、２つの電極２ａと２ｃをも
ったＰＥＮ２、電流導体部材３３をもったインターコネ
クタ３、ワイヤ状及びフェルト状の電流導体４１と４２
をもった気密隔壁４、空気送給地点５、ガス供給部材
６、及び中心部スペーサ７を示す。このスペーサは、隔
壁のポット形凹部と共に環状ダクト７１を形成する。隣
接のモジュールのフェルト状電導体４２′とスペーサ
７′が鎖線で示される。この第２実施例において燃料供
給部材６はモジュール内に堅く組込まれ、そしてモジュ
ール周縁部に結合パイプ６ｂの接続地点６ａが設けられ
る。結合パイプ６ｂはガス分配器（図示せず）につなが
る。供給部材６は空気スペース４０内に設置され、そし
てその中心部オリフィス６ｉが環状ダクト７１の個所で
隔壁４に堅く嵌合される。
【００１３】既に述べたようにモジュールの境界は変え
ることができる。例えばガス側の電導体４２′をＰＥＮ
に堅く結合し、そして隣接のモジュールに属するガス側
の電導体４２を単に気密隔壁４に押付けることでその隔
壁に電気接触させるようにすることもできる。
ることができる。例えばガス側の電導体４２′をＰＥＮ
に堅く結合し、そして隣接のモジュールに属するガス側
の電導体４２を単に気密隔壁４に押付けることでその隔
壁に電気接触させるようにすることもできる。
【００１４】図４の燃料電池の燃料供給部材６はコンテ
ナの形に作られ、そしてこのコンテナの中で触媒作用を
有する材料、例えばニッケルが多孔質体部８上に備えら
れて先述の改質を行う。コンテナの壁は隔壁４と第２の
壁６ｃとで形成される。第２実施例の場合と同様にガス
分配器の接続地点６ａが備えられる。燃料は改質プロセ
スを経た後、中心孔４６を通ってダクト６２を持った分
配器６１に流入する。この分配器６１は又スペーサ７の
役目もする。図４においてインターコネクタ３はＰＥＮ
と電導体４２を省略して示されている。この場合電導体
４１はインターコネクタ３を触媒コンテナの第２壁６ｃ
に結合する。
ナの形に作られ、そしてこのコンテナの中で触媒作用を
有する材料、例えばニッケルが多孔質体部８上に備えら
れて先述の改質を行う。コンテナの壁は隔壁４と第２の
壁６ｃとで形成される。第２実施例の場合と同様にガス
分配器の接続地点６ａが備えられる。燃料は改質プロセ
スを経た後、中心孔４６を通ってダクト６２を持った分
配器６１に流入する。この分配器６１は又スペーサ７の
役目もする。図４においてインターコネクタ３はＰＥＮ
と電導体４２を省略して示されている。この場合電導体
４１はインターコネクタ３を触媒コンテナの第２壁６ｃ
に結合する。
【００１５】改質は燃料電池の中で行われるので、その
改質プロセスに要するエネルギーはＰＥＮから直接的に
熱伝導によって得られる。そこでは電気エネルギーに加
えて、電気化学プロセスの間に大きい熱エネルギーも放
出される。
改質プロセスに要するエネルギーはＰＥＮから直接的に
熱伝導によって得られる。そこでは電気エネルギーに加
えて、電気化学プロセスの間に大きい熱エネルギーも放
出される。
【００１６】ガスの中央部供給地点はそれぞれの場合に
前記実施例のモジュールのスペーサと組合わされる。こ
れらのスペーサも、例えば周縁部の部材で形成すること
もできよう。この場合、中央部供給地点は、例えば、図
２と図３に示されるような供給部材６の出口孔６ｉとス
ペーサ７の無いポット状凹部とで構成されよう。又例え
ば供給部材６の端部を曲げてその出口孔６ｉをＰＥＮと
平行に向けるようにすることもできる。この場合モジュ
ール中心部のポット状凹部は不要になる。中心スペーサ
の無いそれらの場合、中心部供給地点は基本的に供給部
材６の出口孔６ｉで構成される。
前記実施例のモジュールのスペーサと組合わされる。こ
れらのスペーサも、例えば周縁部の部材で形成すること
もできよう。この場合、中央部供給地点は、例えば、図
２と図３に示されるような供給部材６の出口孔６ｉとス
ペーサ７の無いポット状凹部とで構成されよう。又例え
ば供給部材６の端部を曲げてその出口孔６ｉをＰＥＮと
平行に向けるようにすることもできる。この場合モジュ
ール中心部のポット状凹部は不要になる。中心スペーサ
の無いそれらの場合、中心部供給地点は基本的に供給部
材６の出口孔６ｉで構成される。
【図１】既知の燃料電池のモジュールの断面図。
【図２】本発明の第１実施例のモジュールの気密隔壁の
断面斜視図。
断面斜視図。
【図３】本発明の第２実施例のモジュールの断面図。
【図４】ガス供給ラインが触媒と組合わされる本発明の
第３実施例のモジュールの断面図。
第３実施例のモジュールの断面図。
１ モジュール ２ ＰＥＮ ３ インターコネクタ ４ 隔壁 ５ 空気供給地点 ６ ガス供給部材 ６ｃ 第２壁 ６ｉ 出口孔 ７ スペーサ ８ 触媒 ３３ 電導体 ４０ 空気スペース ４１ 電導体 ４２ 電導体 ６１ ガス分配器 ７１ 環状ダクト
Claims (8)
- 【請求項１】 １つの酸化物イオン導通固体電解質（２
ｂ）と２つの電極（２ａ，２ｃ）とで構成される中心対
称形の電気化学活性プレート（２）、空気スペースと燃
料スペースとの間の気密隔壁（４）、該電気化学活性プ
レートに空気を接触させるように少なくとも１つの周縁
部送給地点（５）から空気をモジュールの中心部へ送給
する装備、及び、ガス燃料の中心部供給地点（７１，６
１）をそれぞれに備えるモジュールを複数個積重ねて成
る燃料電池において、該電気化学活性プレート（２）が
開口部を有せず、そして燃料供給部材（６）が備えら
れ、この部材を通して燃料が各モジュール（１）の周縁
部の少なくとも１つの送給地点から中心部供給地点（７
１，６１）へ送給されることを特徴とする燃料電池。 - 【請求項２】 該燃料供給部材（６）が該モジュール内
に半径方向に挿入されるパイプであることを特徴とする
請求項１の燃料電池。 - 【請求項３】 該気密隔壁（４）がガススペース側に該
燃料パイプのための半径方向溝状凹部（４５）を備える
ことを特徴とする請求項２の燃料電池。 - 【請求項４】 該燃料供給部材（６）が該モジュール内
に堅く組込まれ、そしてモジュール周縁部にガス分配器
接続地点（６ａ）を備えることを特徴とする請求項１の
燃料電池。 - 【請求項５】 該燃料供給部材（６）が該空気スペース
（４０）内に設けられることを特徴とする請求項４の燃
料電池。 - 【請求項６】 該中心部供給地点が基本的に該供給部材
（６）の出口孔（６ｉ）で構成されることを特徴とする
請求項１から５までの燃料電池。 - 【請求項７】 該燃料供給部材（６）が触媒（８）をも
ったコンテナとして形成され、それによってメタンと水
蒸気の混合物又はメタンと水蒸気と二酸化炭素の混合物
を水素と一酸化炭素に転化することができることを特徴
とする請求項１から６までの燃料電池。 - 【請求項８】 該触媒（８）をもったコンテナの壁が本
質的に該気密隔壁（４）と第２の壁（６ｃ）とで形成さ
れることを特徴とする請求項４の燃料電池。
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