(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアノード電極層及び複数のカソード電極層が、前記アノード電極層と前記カソード電極層との一部が重ならない非重なり部を有して交互に積層されるとともに、
少なくとも前記アノード電極層と前記カソード電極層との間に配置される固体電解質層と、
隣接する前記固体電解質層同士の間であって前記非重なり部側に配置されて、前記固体電解質層同士を接続する仕切り部と、を含み、
前記複数のアノード電極層と前記複数のカソード電極層と前記固体電解質層と前記仕切り部とが一体で構成されることを特徴とする積層型固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
所定間隔を設けて配列される複数のアノード電極層と、
前記アノード電極層と対向し、かつ前記アノード電極層と交互に積層されて配置される複数のカソード電極層と、
前記複数のアノード電極層を電気的に接続する第１電極と、
前記第１電極と対向して配置されるとともに、前記複数のカソード電極層を電気的に接続する第２電極と、
少なくとも前記アノード電極層と前記カソード電極層との間に配置される固体電解質層と、
それぞれの前記カソード電極層と前記第１電極との間、及びそれぞれの前記アノード電極層と前記第２電極との間に配置される仕切り部と、
を含み、これらが一体で構成されることを特徴とする積層型固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
前記仕切り部は、隣接する前記固体電解質層同士を接続することを特徴とする請求項２に記載の積層型固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
前記仕切り部は、前記固体電解質層と同じ材料であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の積層型固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
前記仕切り部は、前記固体電解質層よりも電子伝導度が低い材料であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の積層型固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
前記アノード電極層と前記カソード電極層との少なくとも一方は多孔質であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の積層型固体酸化物型燃料電池。
【請求項７】
前記アノード電極層と前記カソード電極層との少なくとも一方には、気体を通過させる通路が設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の積層型固体酸化物型燃料電池。
【請求項８】
固体電解質用スラリー及び電極用スラリーを作製する工程と、
前記固体電解質用スラリーを塗布しグリーンシートを形成する工程と、
前記グリーンシートに余白部を残して前記電極用スラリーを塗布して部品単位の電極層を複数形成するとともに、前記余白部に仕切り部となる余白層を形成して、単位シートを形成する工程と、
前記単位シートを部品単位に交互にずらして積み重ねて積層体を形成する工程と、
前記積層体を加圧した後に前記電極層が積層方向に交互に露出するように裁断して、部品単位積層体を作製する工程と、
前記部品単位積層体を乾燥させる工程と、
乾燥後の前記部品単位積層体を焼成する工程と、
前記部品単位積層体の一方の端面に露出する前記電極層に前記第１電極を接続する工程と、
前記部品単位積層体の他方の端面に露出する前記電極層に前記第２電極を接続する工程と、
を含むことを特徴とする積層型固体酸化物型燃料電池の製造方法。
【請求項９】
前記電極用スラリーには、空隙形成剤が混入されることを特徴とする請求項８に記載の積層型固体酸化物型燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
焼成後の前記部品単位積層体に対して焼き鈍し処理を施すことを特徴とする請求項８又は９に記載の積層型固体酸化物型燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、環境調和型エネルギーとして注目され、燃料電池車、家庭用コージェネレーションシステム、携帯機器用小型電源等、幅広い用途に向けて実用化が期待されている。燃料電池は様々な形式があるが、その中で、固体酸化物型燃料電池はエネルギー効率が高く、また、貴金属を使用しないので低コストで製造できるといった利点がある。例えば、特許文献１には、固体酸化物型燃料電池を囲んで収納する収納部の上側から空気及び燃料を供給する固体酸化物型燃料電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２５３０９０号公報（００２２、図１、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１の図１に示すように、収納部に格納された複数の固体酸化物型燃料電池に、燃料及び空気を同じ方向からそれぞれのセルのアノード及びカソードに分けて供給すると、燃料供給装置及び空気供給装置が必要になる。固体酸化物型燃料電池は、固体電解質をアノードとカソードとで挟んだ構造であるため、接近したアノード及びカソードにそれぞれ別個に燃料と空気とを供給するためには、燃料及び空気の供給系統が複雑になり、小型化が困難である。一方、特許文献１の図２に示すように、収納部に格納された複数の固体酸化物型燃料電池のそれぞれのセルに、燃料と空気との混合ガスを同じ方向から供給する場合、発電効率は低下する。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、固体酸化物型燃料電池を小型化するとともに、発電効率の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る固体酸化物型燃料電池は、複数のアノード及び複数のカソードが、前記アノードと前記カソードとの一部が重ならない非重なり部を有して交互に積層されるとともに、少なくとも前記アノードと前記カソードとの間に配置される固体電解質と、隣接する前記固体電解質同士の間であって前記非重なり部側に配置されて、前記固体電解質同士を接続する仕切り部と、を含み、前記複数のアノードと前記複数のカソードと前記固体電解質と前記仕切り部とが一体で構成されることを特徴とする。
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る固体酸化物型燃料電池は、所定間隔を設けて配列される複数のアノードと、前記アノードと対向し、かつ前記アノードと交互に積層されて配置される複数のカソードと、前記複数のアノードを電気的に接続する第１電極と、前記第１電極と対向して配置されるとともに、前記複数のカソードを電気的に接続する第２電極と、少なくとも前記アノードと前記カソードとの間に配置される固体電解質と、それぞれの前記カソードと前記第１電極との間、及びそれぞれの前記アノードと前記第２電極との間に配置される仕切り部と、を含み、これらが一体で構成されることを特徴とする。
【０００８】
本発明の望ましい態様としては、前記固体酸化物型燃料電池において、前記仕切り部は、隣接する前記固体電解質同士を接続することが好ましい。
【０００９】
本発明の望ましい態様としては、前記固体酸化物型燃料電池において、前記仕切り部は、前記固体電解質と同じ材料であることが好ましい。
【００１０】
本発明の望ましい態様としては、前記固体酸化物型燃料電池において、前記仕切り部は、前記固体電解質よりも電子伝導度が低い材料であることが好ましい。
【００１１】
本発明の望ましい態様としては、前記固体酸化物型燃料電池において、前記アノードと前記カソードとの少なくとも一方は多孔質であることが好ましい。
【００１２】
本発明の望ましい態様としては、前記固体酸化物型燃料電池において、前記アノードと前記カソードとの少なくとも一方には、気体を通過させる通路が設けられることが好ましい。
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る固体酸化物型燃料電池の製造方法は、固体電解質用スラリー及び電極用スラリーを作製する工程と、前記固体電解質用スラリーを塗布しグリーンシートを形成する工程と、前記グリーンシートに余白部を残して前記電極用スラリーを塗布するとともに、前記余白部に余白層を形成して、単位シートを形成する工程と、前記単位シートを積み重ねて積層体を形成する工程と、前記積層体を加圧した後に裁断して、部品単位積層体を作製する工程と、前記部品単位積層体を乾燥させる工程と、乾燥後の前記部品単位積層体を焼成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明の望ましい態様としては、前記固体酸化物型燃料電池の製造方法において、前記電極用スラリーには、空隙形成剤が混入されることが好ましい。
【００１５】
本発明の望ましい態様としては、前記固体酸化物型燃料電池の製造方法において、焼成後の前記部品単位積層体に対して焼き鈍し処理を施すことが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、固体酸化物型燃料電池を小型化するとともに、発電効率の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、燃料電池の概略図である。
【図２】図２は、本実施形態に係るＳＯＦＣの構造を示す断面図である。
【図３】図３は、本実施形態に係るＳＯＦＣが備えるアノード及びカソードの構成を示す斜視図である。
【図４】図４は、本実施形態に係るＳＯＦＣの構造を示す一部断面図である。
【図５】図５は、本実施形態に係るＳＯＦＣにおいて、発電に寄与する面積を説明する図である。
【図６】図６は、本実施形態の変形例に係るＳＯＦＣの構造を示す平面図である。
【図７】図７は、本実施形態の変形例に係るＳＯＦＣの構造を示す断面図である。
【図８】図８は、図７のＸ−Ｘ断面図である。
【図９】図９は、本実施形態に係るＳＯＦＣを複数備えた発電ユニットの一例を示す図である。
【図１０】図１０は、図９のＹ−Ｙ断面図である。
【図１１】図１１は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の工程を示すフローチャートである。
【図１２−１】図１２−１は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１２−２】図１２−２は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１２−３】図１２−３は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１２−４】図１２−４は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１３】図１３は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１４】図１４は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１５】図１５は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１６】図１６は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１７】図１７は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１８】図１８は、本実施形態に係るＳＯＦＣの評価方法を説明する図である。
【図１９】図１９は、本実施形態に係るＳＯＦＣの斜視図であり、燃料又は酸素を供給する部分の面積を説明する図である。
【図２０】図２０は、本実施形態に係るＳＯＦＣの構造を示す一部断面図である。
【図２１】図２１は、本実施形態に係るＳＯＦＣが有する１個の発電単位を平板型ＳＯＦＣとみなしたものを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
【００１９】
図１は、燃料電池の概略図である。図１を用いて、燃料電池の一般的な動作原理を説明する。燃料電池ＦＣは、水の電気分解とは逆に燃料中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させ、燃料のもつ化学的なエネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。カソード（空気極）Ｃａでは、酸素Ａが外部回路から電子ｅ−を受け取り、酸素イオンＯ２−となって電解質Ｅを伝ってアノード（燃料極）Ａｎへ移動する。アノードＡｎでは、酸素イオンＯ２−と外部から供給された燃料Ｆ（水素Ｈ２）とが反応して、２個の電子ｅ−を電極へ送り出す。この電子ｅ−は、外部回路を通って反対側のカソードＣａに流れる。そして、水素Ｈ２は、負の電荷を帯びた酸素イオンＯ２−と結合し、水となる。これを化学式で示せば、
カソード：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
アノード：Ｏ２−＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
全体：１／２Ｏ２＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ
となる。なお、本実施形態で対象とする燃料電池は固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell）という）であるが、ＳＯＦＣは、Ｈ２以外（例えば、ＣＯ）も燃料として使用できる。
【００２０】
ＳＯＦＣは、発電効率が高いという特徴がある。一方、ＳＯＦＣは、８００℃〜１０００℃の高温作動時において、一般的に固体電解質のイオン伝導率が１０−１Ｓｃｍ−１程度と低く、電流を十分に取り出すためには電極有効面積の増加及び固体電解質の薄層化が必要とされている。本実施形態に係るＳＯＦＣは、単位体積あたりの電極有効面積を従来の平板型及び円筒型のＳＯＦＣと比較して大きくすることにより、大きな電流を取り出そうとするものである。このため、本実施形態に係るＳＯＦＣは、電極（アノード又はカソード）と固体電解質とを交互に積層して一体とした積層構造とすることにより、単位体積あたりの電極有効面積を増加させるとともに、小型化を図るものである。次に、本実施形態に係る燃料電池について詳細に説明する。
【００２１】
図２は、本実施形態に係るＳＯＦＣの構造を示す断面図である。図３は、本実施形態に係るＳＯＦＣが備えるアノード及びカソードの構成を示す斜視図である。図２に示すように、ＳＯＦＣ１は、複数のアノード２と、複数のカソード３と、少なくともアノード２とカソード３との間に配置される固体電解質４と、隣接する固体電解層同士の間に配置される仕切り部５ａ、５ｃとを含む。
【００２２】
本実施形態において、複数のアノード２と、複数のカソード３と、固体電解質４と、仕切り部５ａ、５ｃとは、一体で構成されてＳＯＦＣ１となる。ここで、本実施形態において、ＳＯＦＣ１は、複数のアノード２と電気的に接続される第１電極１１及び複数のカソード３と電気的に接続される第２電極１２とをさらに有する。このように、ＳＯＦＣ１は、第１電極１１及び第２電極１２をさらに含んでいてもよい。
【００２３】
図２、図３に示すように、ＳＯＦＣ１を構成する複数のアノード２及び複数のカソード３は、それぞれ所定間隔を設けて配列されるとともに、アノード２とカソード３との一部が重ならない非重なり部６を有して交互に積層される。また、アノード２とカソード３とは、対向して配置される。図２に示すように、固体電解質４は、少なくともアノード２とカソード３との間に配置される。また、ＳＯＦＣ１は、隣接する固体電解質４同士の間であって非重なり部６側に仕切り部５ａ、５ｃが配置される。ここで、仕切り部５ａは第１電極１１側の非重なり部６に設けられ、仕切り部５ｃは第２電極１２側の非重なり部６に設けられる。複数のアノード２は、第１電極１１と電気的に接続されており、複数のカソード３は、第２電極１２と電気的に接続されている。
【００２４】
このように、ＳＯＦＣ１は、仕切り部５ａ、５ｃでアノード２とカソード３とが分離されるとともに、第１電極１１で複数のアノード２が電気的に接続され、また第１電極１１と対向して配置される第２電極で複数のカソード３が電気的に接続される。このため、燃料Ｆは第１電極１１に、酸素Ａは第１電極１１とは反対側に配置される第２電極１２に供給すればよい。これによって、燃料Ｆの供給系統と酸素Ａの供給系統とを簡易に構成できる。
【００２５】
本実施形態において、それぞれのアノード２及びカソード３は、白金（Ｐｔ）で構成された多孔質体である。また、第１電極１１及び第２電極１２は、アノード２及びカソード３と同じ材料、すなわち白金で構成された多孔質体である。ＳＯＦＣ１は、第１電極１１側から燃料Ｆ（例えば、水素）が供給され、また、第２電極１２側から酸素Ａ（本実施形態では空気）が供給されることにより作動する。第１電極１１側から供給された燃料Ｆ及び第２電極１２側から供給された酸素Ａをアノード２及びカソード３の内部に行き渡らせ、固体電解質４まで到達させるため、第１電極１１及びアノード２、第２電極１２及びカソード３は、多孔質体で構成される。これによって、燃料Ｆ及び酸素Ａが確実に固体電解質４まで到達するので、ＳＯＦＣ１が確実に作動するとともに、燃料Ｆ及び酸素Ａがアノード２及びカソード３の全体に行き渡って反応するので、より多くの電力が取り出される。
【００２６】
アノード２は、白金の他、高温還元雰囲気で電子伝導性を示すものが使用できる。このような材料としては、ＮｉＯ（還元雰囲気でＮｉＯ表面又は内部まで金属化するもの）、Ｎｉ／ＳＤＣサーメット等がある。ここで、ＳＤＣとは、セリア系電解質材料であり、セリア（ＣｅＯ２）にサマリア（Ｓｍ２Ｏ３）をドープしたものである。また、カソード３は、白金の他、高温酸化雰囲気で電子伝導性を示すものが使用できる。このような材料としては、例えば、ＣｏＦｅ２Ｏ４、ＭｎＦｅ２Ｏ４、ＮｉＦｅ２Ｏ４、ＢＳＣＦ等がある。ここで、ＢＳＣＦとは、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）からなる化合物である。
【００２７】
なお、アノード２は燃料Ｆを、カソード３は酸素Ａをそれぞれの内部に行き渡らせ、固体電解質４まで到達させる機能を有していればよく、このような機能を有していれば、アノード２及びカソード３は多孔質でなくてもよい。例えば、アノード２に水素を通過させる水素透過性材料を用いたり、カソード３に酸素を通過させる酸素透過性材料（例えば、酸素透過膜）を用いたりすることができる。この場合、アノード２又はカソード３のいずれか一方に多孔質ではない水素透過性材料又は酸素透過性材料（例えば、酸素透過膜）を用い、他方に多孔質材料を用いてもよい。このように、本実施形態においては、アノード２とカソード３との少なくとも一方が多孔質であればよい。なお、アノード２及びカソード３の材料は、上述したものに限定されるものではなく、ＳＯＦＣのアノード、カソードとして適用可能な材料全般を使用できる。
【００２８】
また、本実施形態では、アノード２とカソード３とを同じ材料（多孔質のＰｔ）としたが、アノード２とカソード３とを異なる材料で構成してもよい。さらに、第１電極１１は、複数のアノード２を電気的に接続していればよく、第２電極１２は、複数のカソード３を電気的に接続していればよい。このため、第１電極１１とアノード２とを異なる材料で、第２電極１２とカソード３とを異なる材料で構成してもよい。これによって、アノード２や第１電極１１等に、より適切な材料を用いることができる。
【００２９】
固体電解質４は、Ｃｅ０．８５Ｓｍ０．１５Ｏ２−δ、Ｚｒ０．８１Ｙ０．１９Ｏ２−δ、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−δ等のセリア系、安定化ジルコニア系、ペロブスカイト型酸化物系の材料を用いることができる。なお、固体電解質４の材料は、上述したものに限定されるものではなく、ＳＯＦＣの固体電解質として適用可能な材料全般を使用できる。
【００３０】
上述したように、本実施形態において、仕切り部５ａ、５ｃは、隣接する固体電解質４同士の間であって非重なり部６側に設けられ、固体電解質４同士を接続する。これによって、ＳＯＦＣ１に第１電極１１及び第２電極１２が形成されると、それぞれのカソード３と第１電極１１との間に仕切り部５ａが配置され、それぞれのアノード２と第２電極１２との間に仕切り部５ｃが配置されることになる。ここで、アノード２とカソード３との間で電子や気体（燃料Ｆや酸素Ａ）の漏れが発生すると、ＳＯＦＣ１の発電効率が低下する。このため、アノード２とカソード３とは、電子を絶縁し、ガスタイト（気体を透過させないこと）であることが好ましい。
【００３１】
本実施形態では、仕切り部５ａ、５ｃを、それぞれのカソード３と第１電極１１との間、及びそれぞれのアノード２と第２電極１２との間に配置するとともに、仕切り部５ａ、５ｃが、隣接する固体電解質４を接続する。これによって、ＳＯＦＣ１は、アノード２とカソード３との間における電子の絶縁及びガスタイトが確保される。仕切り部５ａ、５ｃは、電子の絶縁及びガスタイトを確保できる材料で構成される。本実施形態では、固体電解質４と同じ材料で仕切り部５ａ、５ｃが構成される。これによって、電子の絶縁及びガスタイトを確保して、ＳＯＦＣ１の性能低下を抑制している。なお、仕切り部５ａ、５ｃは、電子の絶縁及びガスタイトが要求されるが、完全な電子の絶縁及びガスタイトでなくともよい。例えば、ＳＯＦＣ１が機能し、かつ性能が許容できる範囲であれば、電子や気体の多少の漏れは許容される。
【００３２】
ここで、固体電解質４と仕切り部５ａ、５ｃとを同じ材料とすることにより、ＳＯＦＣ１の製造が容易になるという利点がある。なお、固体電解質４と仕切り部５ａ、５ｃとは異なる材料で構成してもよい。これによって、より電子の絶縁やガスタイトを確保しやすい材料を用いて、ＳＯＦＣ１の性能低下をさらに効果的に抑制することも可能である。
【００３３】
仕切り部５ａ、５ｃに用いることができる材料としては、例えば、ジルコニア（二酸化ジルコニウム、ＺｒＯ２）、アルミナ（酸化アルミニウム、Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（二酸化ケイ素、ＳｉＯ２）、マグネシア（酸化マグネシウム、ＭｇＯ）を用いることができる。特に、仕切り部５ａ、５ｃは、固体電解質４よりも電子伝導度が低い材料で構成することが発電効率を向上させる観点から好ましく、このような材料としては、ジルコニアが好ましい。
【００３４】
図４は、本実施形態に係るＳＯＦＣの構造を示す一部断面図である。上述したように、固体電解質４の厚さｔ４（図４参照）は、できる限り小さい方が好ましい。本実施形態において作製したサンプルでは、ｔ４は、１０μｍ〜３５μｍ程度の大きさとすることができた。また、アノード２の厚さｔ２及びカソード３の厚さｔ３は、燃料Ｆや酸素Ａを通過させることから、あまり小さくすることができない。本実施形態において作製したサンプルでは、ｔ２、ｔ３は、２５μｍ〜４０μｍ程度の大きさとすることができた。
【００３５】
後述するように、ＳＯＦＣ１は、固体電解質４やアノード２、カソード３を構成するグリーンシートを印刷し、これを積層した後、焼成することにより得られる。したがって、固体電解質４の厚さｔ４やアノード２の厚さｔ２及びカソード３の厚さｔ３の制御や薄膜化が比較的容易である。なお、このような製造プロセスにより、固体電解質４はアノード２及びカソード３と密着し、一体となっている。
【００３６】
図５は、本実施形態に係るＳＯＦＣにおいて、発電に寄与する面積を説明する図である。ＳＯＦＣ１は、一つのアノード２と一つのカソード３と両者の間の固体電解質４との組み合わせ（以下、発電単位という）で電力を発生する。この発電単位の理論起電力は１．１４Ｖである。本実施形態において、ＳＯＦＣ１は、複数のアノード２及び複数のカソード３を備えるが、それぞれのアノード２は第１電極１１で電気的に接続され、それぞれのカソード３は第２電極１２で電気的に接続される。すなわち、ＳＯＦＣ１は、複数の発電単位を並列に接続したものとみなすことができる。このため、ＳＯＦＣ１での理論起電力は１．１４Ｖとなる。なお、ＳＯＦＣ１全体は、第１電極１１で電気的に接続された複数のアノード２と第２電極１２で電気的に接続された複数のカソード３との１ペアで構成されており、複数の発電単位間で、いわゆるインターコネクタに相当するものは有していない。このため、ＳＯＦＣ１は、一般的な燃料電池でいう単セル構造と見ることができる。
【００３７】
図５に示すＳＯＦＣ１では、一つの発電単位において発電に寄与する面積（電極有効面積という）は、アノード２とカソード３とが重なり合う部分の面積Ｓ２である。ＳＯＦＣ１は、発電単位を複数（本実施形態では３個）有する。このため、ＳＯＦＣ１の電極有効面積は、ｎ×Ｓ２となる。ここで、ｎは、ＳＯＦＣ１が有する発電単位の個数で、本実施形態ではｎ＝３となる。ＳＯＦＣ１は、複数の発電単位を積層した構造であり、これによって、ＳＯＦＣ１全体の電極有効面積を大きくすることができるので、ＳＯＦＣ１の体積に対して、ＳＯＦＣ１全体からは大きな電流（電力）を得ることができる。すなわち、ＳＯＦＣ１は、同じ体積であれば、平板型や円筒型等のＳＯＦＣと比較して、高い電力密度を実現できる。このため、ＳＯＦＣ１は、小型化を実現しつつ、発電効率を向上させることが可能になる。
【００３８】
また、ＳＯＦＣ１は、それぞれ厚さが数十μｍのアノード２、カソード３、固体電解質４を積層して構成される。したがって、ＳＯＦＣ１は、積層数を増加させても積層方向における寸法の増加は比較的小さい。このため、ＳＯＦＣは、平板型のＳＯＦＣや円筒型のＳＯＦＣと比較して、単位体積あたりにおける電極有効面積を大きくできるので、単位体積あたりの電力密度も大きくなる。その結果、ＳＯＦＣ１全体としての発電効率も向上する。
【００３９】
また、ＳＯＦＣ１は、アノード２、カソード３、固体電解質４が一体となって全体の強度を受け持つので、変形に対して強い構造となる。このため、固体電解質４を薄くしたとしても、複数のアノード２及びカソード３により、ＳＯＦＣ１全体の強度を確保できる。このように、ＳＯＦＣ１は、固体電解質４を薄くしやすい特性を有しているため、より大きな電流を取り出しやすい構造であるといえる。このため、ＳＯＦＣ１は、全体の強度を確保しつつ固体電解質４を薄くすることにより、作動温度を低下させることができるという効果も得られる。具体的には、ＳＯＦＣ１は、３００℃から６００℃でも十分に電流を取り出すことができる。
【００４０】
また、ＳＯＦＣ１は、それぞれ数十μｍのアノード２、カソード３、固体電解質４を積層して構成されるので、短い周期で熱膨張を吸収できる。これによって、アノード２、カソード３、固体電解質４の割れ等を効果的に抑制できる。特に、アノード２及びカソード３を多孔質とした場合には、空隙が熱膨張を吸収し、応力を緩和するので、熱膨張の吸収効果は大きくなる。また、アノード２及びカソード３を多孔質とした場合、熱膨張の吸収効果が大きくなることから、アノード２、カソード３、固体電解質４それぞれを構成する材料の線膨張係数がある程度ばらついていても、アノード２、カソード３、固体電解質４の割れ等を抑制できる。
【００４１】
さらに、ＳＯＦＣ１は、アノード２、カソード３、固体電解質４を積層させた構造なので、熱膨張によるこれらの反りが平均化されて、局所的に大きな変形が発生しにくくなる。また、ＳＯＦＣ１は、それぞれ数十μｍのアノード２、カソード３、固体電解質４を積層して構成されるため、積層数を大きくしても全体の厚さ（ＳＯＦＣ１の積層方向における寸法）は比較的薄くできる。これによって、ＳＯＦＣ１の厚さ方向における温度分布を小さくできるので、全体の反りを抑制できる。さらに、ＳＯＦＣ１は、アノード２、カソード３、固体電解質４を積層して構成され、また、グリーンシートを積層し、焼成するプロセスで製造できるので、個々の寸法を小さくできる。このため、ＳＯＦＣ１は、全体の温度分布を小さくできるので、温度分布に起因した変形をさらに小さくできる。これらによって、ＳＯＦＣ１は、熱膨張に対して強いという利点がある。また、ＳＯＦＣ１は、熱膨張に対して強く、また、寸法が小さいことから全体の温度が均一になりやすいため、温度応答性が高く、迅速な起動が可能になるという利点もある。
【００４２】
図６は、本実施形態の変形例に係るＳＯＦＣの構造を示す平面図である。図６に示すＳＯＦＣ１’は、平面形状が長方形である点で図５に示すＳＯＦＣ１と同様であるが、長辺側にそれぞれ第１電極１１’と第２電極１２’とが形成される点が異なる。図６に示すＳＯＦＣ１’は、長方形の長辺側に第１電極１１’と第２電極１２’とが設けられているので、第１電極１１’と第２電極１２’との距離は、図５に示すＳＯＦＣ１よりも短くできる。その結果、図６に示すＳＯＦＣ１’は、第１電極１１’から第２電極１２’へ向かう方向と平行な方向におけるアノード２及びカソード３の寸法を、図５に示すＳＯＦＣ１よりも小さくできる。これによって、図６に示すＳＯＦＣ１’は、第１電極１１’から供給される燃料Ｆが第２電極１２’に向かってアノード２内を進む距離、及び第２電極１２’から供給される酸素Ａが第１電極１１’に向かってカソード３内を進む距離を、図５に示すＳＯＦＣ１よりも小さくできる。その結果、図６に示すＳＯＦＣ１’は、図５に示すＳＯＦＣ１よりも燃料Ｆ及び酸素Ａをアノード２及びカソード３全体に行き渡らせやすくなり、より発電効率が向上する。
【００４３】
図７は、本実施形態の変形例に係るＳＯＦＣの構造を示す断面図である。図８は、図７のＸ−Ｘ断面図である。本変形例のＳＯＦＣ１ａは、上述したＳＯＦＣ１と略同様であるが、アノード２ａ及びカソード３ａに、それぞれ気体を通過させる通路（気体通路）１３、１４が設けられる点が異なる。他の構成は、上述したＳＯＦＣ１と同様である。
【００４４】
図７、図８に示すように、ＳＯＦＣ１ａのアノード２ａには複数の気体通路１３が設けられ、カソード３ａには複数の気体通路１４が設けられる。気体通路１３、１４は、いずれも第１電極１１ａから第２電極１２ａへ向かう方向と平行な方向に向かって形成される。本変形例において、気体通路１３、１４は、それぞれ第１電極１１ａとアノード２ａとが接続する部分、第２電極１２ａとカソード３ａとが接続する部分に開口し、第１電極１１ａ及び第２電極１２ａは貫通しない。しかし、気体通路１３、１４は、第１電極１１ａ及び第２電極１２ａを貫通してもよい。
【００４５】
アノード２ａ及びカソード３ａに気体通路１３、１４を設けることにより、燃料Ｆ及び酸素Ａがアノード２ａ及びカソード３ａ全体に行き渡るとともに、固体電解質４ａまで到達しやすくなる。これによって、ＳＯＦＣ１ａからは、より多くの電力が取り出されるとともに、ＳＯＦＣ１ａの発電効率が向上する。なお、例えば、アノード２ａとカソード３ａとを異なる材料や異なる条件で製造する場合、一方は気体通路を設けないでも燃料Ｆや酸素ＡをＳＯＦＣ１ａの内部まで行き渡らせることができることもある。この場合、気体通路はアノード２ａ又はカソード３ａのうち、必要な方にのみ設けてもよい。このようにすれば、気体通路を形成する手間が軽減される。したがって、本変形例において、気体通路は、アノード２ａとカソード３ａとの少なくとも一方に設ければよい。
【００４６】
図９は、本実施形態に係るＳＯＦＣを複数備えた発電ユニットの一例を示す図である。図１０は、図９のＹ−Ｙ断面図である。発電ユニット１００は、ＳＯＦＣ１を複数備えている。なお、発電ユニット１００は、図６に示すＳＯＦＣ１’や、図７、図８に示すＳＯＦＣ１ａを備えていてもよい。複数のＳＯＦＣ１は、基板１０１に取り付けられており、図１０に示すように、基板１０１の一方の面側に第１電極１１が配置され、その反対面側に第２電極１２が配置される。そして、複数のＳＯＦＣ１には、基板１０１の第１電極１１側から燃料Ｆが、第２電極１２側から酸素Ａが供給されて、複数のＳＯＦＣ１が作動して発電する。
【００４７】
ＳＯＦＣ１は、第１電極１１と第２電極１２とが対向して配置され、両者はＳＯＦＣ１の両端部に設けられるので、第１電極１１と第２電極１２との間に基板１０１を設ければ、ＳＯＦＣ１の燃料供給側と酸素供給側とを簡単に仕切ることができる。これによって、ＳＯＦＣ１のアノード側とカソード側とを簡単かつ確実に分離できるので、複数のＳＯＦＣ１を備えた発電ユニット１００を簡易に構成できる。その結果、燃料や酸素の供給系を簡単にすることができる。
【００４８】
また、燃料Ｆと酸素Ａとの混合も発生しにくいので、ＳＯＦＣ１の発電効率の低下は極めて小さい。さらに、複数のＳＯＦＣ１の密度を高くしても、燃料Ｆ及び酸素Ａは、基板１０１を隔てた両側からそれぞれ供給すればよいので、個々のＳＯＦＣ１に対して個別に燃料や酸素を供給する必要はない。このため、複数のＳＯＦＣ１で発電ユニット１００を構成する場合には、ＳＯＦＣ１の高密度化がしやすいという利点もある。次に、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法を説明する。
【００４９】
図１１は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の工程を示すフローチャートである。図１２−１〜図１７は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。図２に示すＳＯＦＣ１を作製する場合、まず、図２に示す固体電解質４を形成するためのグリーンシートに、アノード２及びカソード３を形成するための電極層、及び仕切り部５ａ、５ｃを形成するための余白層を形成した単シートを作製する。そして、この単位シートを複数枚積層して積層体を形成した後、ＳＯＦＣ１の１部品単位の寸法に積層体を裁断して乾燥させる。そして、乾燥後の積層体を焼成することにより、ＳＯＦＣ１が作製される。
【００５０】
まず、固体電解質４を形成するためのスラリー（固体電解質用スラリー）と、アノード２及びカソード３を形成するためのスラリー（電極用スラリー）とを作製する（ステップＳ１０１）。固体電解質用スラリーは、固体電解質４の原料となる粉末を粉砕用ボールとともにナイロン製ポットに入れ、これに溶剤、バインダー及び可塑剤を添加して１０〜２０時間混合して得られる。溶剤、バインダー及び可塑剤の含有量には制限はないが、例えば、溶剤の含有量は１０質量％以上５０質量％以下、バインダーの含有量は１質量％以上１０質量％以下程度の範囲で設定することができる。スラリー中には、必要に応じて分散剤等を１０質量％以下の範囲で含有させてもよい。
【００５１】
電極用スラリーは、導電性粉末粒子及び空隙形成剤を混合し、これに溶剤及びバインダーを添加して作製する。溶剤及びバインダーの含有量には制限はないが、例えば、溶剤の含有量は１０質量％以上５０質量％以下、バインダーの含有量は１質量％以上１０質量％以下程度の範囲で設定することができる。電極用スラリー中には、必要に応じて分散剤等を１０質量％以下の範囲で含有させてもよい。
【００５２】
固体電解質用スラリー及び電極用スラリーの作製に用いる溶剤としては、例えば、アセトン、トルエン、イソブチルアルコール、メチルエチルケトン、ターピネオール等の有機溶剤を用いることができる。また、バインダーとしては、例えば、ブチラール系樹脂、アクリル系樹脂等を用いることができる。固体電解質の原料となる粉末は、上述した固体電解質の材料の粉末であり、導電性粉末粒子は、上述したアノード及びカソードの材料の粉末である。本実施形態では、固体電解質の原料となる粉末としてＳＤＣの粉末を用い、導電性粉末粒子としてアノード、カソードともにＰｔの粉末を用いた。また、電極用スラリーに用いる空隙形成剤には、例えば、アクリル系のポリマー等、焼成時に消失するものを用いることができる。このように、焼成時に消失する空隙形成剤を用いることにより、多孔質のアノードやカソードを簡単に作製できる。
【００５３】
固体電解質用スラリー及び電極用スラリーが得られたら、固体電解質用スラリーを用いてグリーンシート（未焼成シート）を作製する（ステップＳ１０２）。例えば、固体電解質用スラリーを、図１２−１に示すポリエステルフィルム等の支持体３０上に、例えば、ドクターブレード法等で塗布した後乾燥させることにより、厚さ１μｍから１００μｍのグリーンシート２０を作製する。
【００５４】
次に、得られたグリーンシート２０上に、余白部２２を残して電極層２１を形成する（ステップＳ１０３）。例えば、図１２−１に示すグリーンシート２０の表面に電極用スラリーをスクリーン印刷等で印刷した後乾燥させて、厚さ１０μｍから１００μｍの電極層２１を作製する。本実施形態において、隣接する電極層２１間における余白部２２の寸法ｈは、図２に示す第１電極１１から第２電極１２へ向かう方向と平行な方向（以下、電極延出方向という）における仕切り部５ａ、５ｃの寸法の約２倍である。なお、図１２−１の矢印Ｎが、電極延出方向である。余白部２２は、少なくとも電極延出方向において設ければよい。なお、本実施形態において、余白部は、電極延出方向と直交する方向にも設けてある。
【００５５】
ここで、電極延出方向において隣接する電極層２１間の距離、すなわち余白部２２の寸法ｈの１／２は、電極延出方向における仕切り部５ａ、５ｃの寸法となる。仕切り部５ａ、５ｃは、後述するように、余白部２２に形成される余白層によって作製されるが、電極層２１や余白層はスクリーン印刷等により形成される。このため、余白層や電極層２１のエッジはシャープにならないので、電極延出方向における余白部２２の寸法ｈが小さいと、余白層及び仕切り部５ａ、５ｃの形成が不完全になるおそれがある。
【００５６】
これを回避するため、電極延出方向において隣接する電極層２１間における余白部２２の寸法ｈを、電極層２１の厚さの２倍以上とすることが好ましい。このようにすれば、電極延出方向における仕切り部５ａ、５ｃの寸法は、電極層２１の厚さ程度を確保できる。その結果、仕切り部５ａ、５ｃが確実に形成されて、アノードとカソードとの間における電子や気体の漏れをより確実に回避できる。
【００５７】
図１２−２〜図１２−４は、図７、図８に示すＳＯＦＣ１ａを構成するアノード２ａ、カソード３ａを作製する場合の工程の一例を示している。この場合、図１２−２に示すように、まず、気体通路を形成するための気体通路形成剤２７を、所定の本数グリーンシート２０の表面に載置する。気体通路形成剤２７は、空隙形成剤と同じ材料を用いることができる。気体通路形成剤２７は、気体通路の内形形状に沿った形状である。例えば、図８に示すように、気体通路の断面形状が円形である場合、気体通路形成剤２７は円柱とする。
【００５８】
次に、図１２−３、図１２−４に示すように、得られたグリーンシート２０上であって気体通路形成剤２７を載置した部分に、余白部２２を残して電極層２１を形成する。図１２―４は、図１２−３のＺ−Ｚ断面を示すが、気体通路形成剤２７上に電極層２１を形成することにより、電極層２１の内部に気体通路形成剤２７が埋め込まれる。気体通路形成剤２７は焼成時に喪失するものなので、アノードやカソードに気体通路を簡単に作製できる。
【００５９】
次に、図１３に示すように、余白部２２（図１２−１）に余白層２３を形成する（ステップＳ１０４）。これは、図２に示す仕切り部５ａ、５ｃを形成するとともに、電極層２１間の段差を減少させるためである。余白層２３は、余白用スラリーをスクリーン印刷等で印刷し乾燥させることにより形成される。本実施形態において、仕切り部５ａ、５ｃは、図２に示す固体電解質４と同じ材料で構成するので、余白用スラリーは、固体電解質用スラリーを用いる。余白部２２への印刷においては、余白層２３に必要な厚さに応じて、余白用スラリーの粘度やスクリーン印刷の製版や印刷回数等を調整することができる。
【００６０】
なお、仕切り部５ａ、５ｃを、固体電解質４とは異なる材料で構成する場合、余白用スラリーを固体電解質用スラリーとは別個に作製する。この場合、余白用スラリーは、仕切り部５ａ、５ｃの原料粉末粒子に溶剤及びバインダーを添加して作製する。溶剤及びバインダーの含有量には制限はないが、例えば、溶剤の含有量は１０質量％以上５０質量％以下、バインダーの含有量は１質量％以上１０質量％以下程度の範囲で設定することができる。余白用スラリーの作製に使用できる溶剤及びバインダーは、固体電解質用スラリーの作製に使用できるものと同じである。
【００６１】
このようにして、図１３に示すように、グリーンシート２０上に電極層２１及び余白層２３が形成された単位シート２５が作製される。ここで、単位シート２５は複数枚作製される（ステップＳ１０５）。次に、図１４に示すように、複数の単位シート２５−１、２５−２、２５−３、・・・２５−ｎを積層台３１上で積層して、図１５に示す積層体２６を作製する（ステップＳ１０６）。ここで、図１４の矢印Ｎは、電極延出方向である。また、単位シートを示す符号２５に付される数字１、２、３・・・ｎは、積層される単位シート２５の枚数を示す番号である。
【００６２】
複数の単位シート２５−１、２５−２等を積層する場合、電極延出方向Ｎに向かって隣接する単位シート２５−１、２５−２や、隣接する単位シート２５−２、２５−３の位置を交互にずらした態様で、積層体２６を構成する。なお、本実施形態において、最も上に載置されるもの、すなわち、単位シート２５を積層する工程で最後に積層される単位シート（図１５に示す例では単位シート２５−４）の上には、図１５に示すように、グリーンシート２０が載置される。
【００６３】
次に、図１５に示す積層体２６を積層方向（図１５の矢印Ｋで示す方向）に向かって加圧する（ステップＳ１０７）。これによって、複数の単位シート２５を圧着して一体化させる。その後、部品単位、すなわち、一つのＳＯＦＣ１単位で積層体２６を裁断する（ステップＳ１０８）。本実施形態においては、電極延出方向Ｎにおける余白層２３の中央部（図１５の点線）で裁断するとともに、電極延出方向Ｎとは直交する方向における余白層の中央部で裁断する。これによって、図１６に示す部品単位積層体２８が得られる。図１６に示すように、部品単位積層体２８は、電極層２１が電極延出方向Ｎにおける両側に、積層方向Ｋに向かって交互に露出する。そして、露出している側とは反対側が、余白層２３及びグリーンシート２０によって部品単位積層体２８の内部に封入されることになる。
【００６４】
次に、部品単位積層体２８を乾燥させ（ステップＳ１０９）、脱バインダー処理を施す（ステップＳ１１０）。そして、乾燥させて脱バインダー処理をした部品単位積層体２８を焼成することにより（ステップＳ１１１）、部品単位積層体２８の焼結体が得られる。部品単位積層体２８は、アノード、カソード、固体電解質、仕切り部材が焼結されて一体となった焼結体である。
【００６５】
部品単位積層体２８の脱バインダー処理及び焼成の条件は、使用する固体電解質の材料や電極の材料で異なるが、例えば、白金の粒子を電極層２１として部品単位積層体２８を焼成する場合、部品単位積層体２８を大気中で４００℃から６００℃で１時間から２時間加熱保持して部品単位積層体２８からバインダーを除去する。その後、大気中で１３５０℃から１５００℃で３時間から５時間、部品単位積層体２８を焼成し、焼結体を得る。部品単位積層体２８の焼結体は、必要に応じて後処理が施される（ステップＳ１１２）。後処理は、例えば、大気雰囲気中における焼き鈍し処理である。これによって、図１７に示すように、アノード２と固体電解質４とカソード３とが交互に積層され、かつこれらと隣接する固体電解質４の間に設けられる仕切り部とが焼結によって一体化された積層構造を有するＳＯＦＣ１が完成する（ステップＳ１１３）。
【００６６】
なお、上記手順では、図２に示す第１電極１１及び第２電極１２は形成されないので、図１７に示すように、ＳＯＦＣ１の電極延出方向Ｎの両側に第１電極１１及び第２電極１２を形成する。これは、例えば、上述した電極用スラリーをＳＯＦＣ１の電極延出方向Ｎの両側に塗布して、乾燥、脱バインダー処理を施した後、所定の条件で焼成する。これによって、複数のアノード２を電気的に接続する第１電極１１と、複数のカソード３を電気的に接続する第２電極１２とが焼結によって一体化されて、第１電極１１と第２電極１２とをさらに有するＳＯＦＣ１が完成する。本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法によれば、製造プロセスが比較的簡単であり、また、小さいデバイスも製造しやすいので、低コストで小型のＳＯＦＣ１を作製できる。
【００６７】
（発電試験）
図１８は、本実施形態に係るＳＯＦＣの評価方法を説明する図である。上述した本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法によって作製されたＳＯＦＣ１は、アノード側である第１電極１１側とカソード側である第２電極１２側とをそれぞれ異なる空間に配置して作動させる。ＳＯＦＣ１は、供試体支持板５０に取り付けられる。そして、供試体支持板５０には、第１電極１１側にアノード側カバー５２が取り付けられ、第２電極１２側にカソード側カバー５４が取り付けられる。アノード側カバー５２とカソード側カバー５４とは、供試体支持板５０によって仕切られる。第１電極１１側が燃料供給空間５１、第２電極１２側が酸素供給空間５３となる。また、ＳＯＦＣ１の外側にはヒーター５５が配置され、発電試験時にはヒーター５５によってＳＯＦＣ１が加熱される。
【００６８】
試験前に、まず、毎分５０ｃｃのＨｅガスを流通させてＳＯＦＣ１の雰囲気温度を８５０℃まで上昇させ、ＳＯＦＣ１と供試体支持板５０の接合部、及びＳＯＦＣ１のアノード側、すなわち第１電極１１側をガスシールした。アノード側のガス組成は、四重極型ガス質量分析器でモニタリングし、カソード側、すなわち第２電極１２側からの漏れが１００ｐｐｍ以下になることを確認した後、ＳＯＦＣ１の雰囲気温度（作動温度に等しい）を５００℃から６００℃に低下させた。試験温度に到達した後、アノード側にはアルゴン９５％と水素５％との混合ガスを燃料として毎分２０ｃｃで供給し、カソード側には空気を毎分１００ｃｃで供給し、ＳＯＦＣ１のカソード−アノード間電圧Ｖ及び電流Ｉを測定した。
【００６９】
ＳＯＦＣ１のカソード−アノード間電圧Ｖ及び電流Ｉを計測器５６により計測した。計測器５６は、ポテンショガルバノスタットを用いた。実際の測定では、開回路電流（電流を取り出さない状態におけるＳＯＦＣ１の起電力）を始めに測定し、その後、一定電流の条件の下、２５μＡ毎に電流値を増加させ、各電流値における電圧を測定した。試験温度は、５００℃、５５０℃、６００℃であり、いずれの温度でも電力が得られた。これにより、ＳＯＦＣ１が燃料電池として機能していることが確認された。
【００７０】
図１９は、本実施形態に係るＳＯＦＣの斜視図であり、燃料又は酸素を供給する部分の面積を説明する図である。図２０は、本実施形態に係るＳＯＦＣの構造を示す一部断面図である。ＳＯＦＣ１は、第１電極１１から燃料が、第２電極１２から酸素が供給される。したがって、ＳＯＦＣ１に燃料及び酸素を供給する部分の面積は、第１電極１１及び第２電極１２の面積Ｓ１となる。
【００７１】
図２０に示すように、ＳＯＦＣ１は、アノード２と固体電解質４とカソード３とで一つの発電単位Ｕを構成する。図２０のＳＯＦＣ１は、３個の発電単位Ｕを有する。このＳＯＦＣ１において、アノード２の厚さと固体電解質４の厚さとカソード３の厚さとをそれぞれａとする。ＳＯＦＣ１は、隣接する発電単位Ｕにおいては、アノード２又はカソード３のいずれかが共通するので、ＳＯＦＣ１の積層方向Ｋにおける寸法は、３×ａ＋２×ａ＋２×ａ＝７×ａとなる。発電単位Ｕの個数をｎとすると、ＳＯＦＣ１の積層方向Ｋにおける寸法は、３×ａ＋２×ａ×（ｎ−１）＝ａ×（２×ｎ＋１）となる。
【００７２】
ＳＯＦＣ１に燃料及び酸素を供給する部分の面積（ガス供給面積）Ｓ１は、図１９から、ｍ×ｃとなる。ここで、ｍはＳＯＦＣ１の積層方向Ｋにおける寸法に近似できるので、ｍ＝２×ａ×（ｎ＋１）となる。発電単位Ｕが発生する電力をＷとし、ＳＯＦＣ１がｎ個の発電単位Ｕを有しているとすると、ＳＯＦＣ１の発生する電力は、ｎ×Ｗとなる。したがって、ガス供給面積Ｓ１を基準とした場合におけるＳＯＦＣ１の電力密度Ｗρ１＝ｎ×Ｗ／Ｓ１は、式（１）のようになる。
Ｗρ１＝ｎ×Ｗ／（ａ×（２×ｎ＋１）×ｃ）・・（１）
【００７３】
図２１は、本実施形態に係るＳＯＦＣが有する１個の発電単位を平板型ＳＯＦＣとみなしたものを示す斜視図である。ＳＯＦＣ１が有する１個の発電単位Ｕの電極有効面積はＳ２＝ｂ×ｃである。これを平板型ＳＯＦＣとみなして、積層構造を有するＳＯＦＣ１の電力密度Ｗρ１と、平板型ＳＯＦＣの電力密度とを比較する。図２１に示す発電単位Ｕを平板型ＳＯＦＣ２００とすると、電極有効面積Ｓ２が、平板型ＳＯＦＣ２００に燃料及び酸素を供給する部分の面積（ガス供給面積）となる。上述したように、発電単位Ｕが発生する電力はＷなので、平板型ＳＯＦＣ２００が発生する電力はＷとなる。したがって、平板型ＳＯＦＣ２００の電力密度Ｗρ２は、式（２）のようになる。
Ｗρ２＝Ｗ／（ｂ×ｃ）・・（２）
【００７４】
Ｗρ１／Ｗρ２＝（ｂ／ａ）×（ｎ／（２×ｎ＋１））＝（ｂ／ａ）×（１／（２＋１／ｎ））となる。ｂ＝４０００μｍ、ａ＝５０μｍとすると、ｂ／ａ＝８０となる。ｎ＝３の場合、Ｗρ１／Ｗρ２＝８０／１／（２＋１／３）＝３４．３となる。この結果から、ガス供給面積を基準とした場合において、積層構造のＳＯＦＣ１は、平板型ＳＯＦＣ２００の３４．３倍の電力密度を有する。なお、電力単位Ｕの個数ｎが増加するほど１／（２＋１／ｎ）は１／２に近づくので、Ｗρ１／Ｗρ２は、ｂ×ａ／２に近づく。このように、ＳＯＦＣ１は、積層構造を有するので、平板型ＳＯＦＣ２００と比較して大きな電力密度を有する。
【００７５】
また、平板型ＳＯＦＣ２００で積層構造のＳＯＦＣ１と同じ大きさの電力密度を確保しようとすると、電極有効面積Ｓ２を大きくする必要がある。その結果、平板型ＳＯＦＣ２００は、曲げに対する強度が低下して、熱膨張や過大な入力に対して弱くなってしまう。一方、積層構造のＳＯＦＣ１は、平板型ＳＯＦＣと同じ電力密度であれば、全体の寸法を小さくできるので、その分曲げに対する強度も大きくなる。その結果、積層構造のＳＯＦＣ１は、平板型ＳＯＦＣ２００と同じ電力密度であれば、熱膨張や過大な入力に対して強くなる。
【００７６】
また、図１９に示すＳＯＦＣ１の体積Ｖ１は、Ｓ１×ｂ＝ａ×（２×ｎ＋１）×ｃ×ｂとなる。したがって、ＳＯＦＣ１の単位体積あたりにおける電力密度Ｗρｖ１＝ｎ×Ｗ／Ｖ１は、式（３）のようになる。
Ｗρｖ１＝ｎ×Ｗ／（ａ×（２×ｎ＋１）×ｃ×ｂ）・・（３）
【００７７】
また、図２１に示す平板型ＳＯＦＣ２００のアノード２、固体電解質４、カソード３の厚さは、それぞれａなので、平板型ＳＯＦＣ２００の体積Ｖ２は、Ｓ２×３×ａ＝３×ａ×ｂ×ｃとなる。したがって、平板型ＳＯＦＣ２００の単位体積あたりにおける電力密度Ｗρｖ２＝Ｗ／Ｖ２は、式（４）のようになる。
Ｗρｖ２＝Ｗ／（３×ａ×ｂ×ｃ）・・（４）
【００７８】
Ｗρｖ１／Ｗρｖ２＝３×ｎ／（２×ｎ＋１））＝３／（２＋１／ｎ）となる。ｎ＝３の場合、Ｗρｖ１／Ｗρｖ２＝９／７＝１．２９となる。この結果から、積層構造のＳＯＦＣ１の単位体積あたりにおける電力密度は、平板型ＳＯＦＣ２００の１．２９倍である。なお、電力単位Ｕの個数ｎが増加するほどＷρｖ１／Ｗρｖ２は３／２に近づく。このように、ＳＯＦＣ１は、積層構造を有するので、平板型ＳＯＦＣ２００と比較して単位体積あたりの電力密度が大きくなる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
以上のように、本発明に係る固体酸化物型燃料電池及び固体酸化物型燃料電池の製造方法は、固体酸化物型燃料電池を小型化するとともに、高い電力密度を得ることに有用である。
【符号の説明】
【００８０】
１  固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）
２、２ａ  アノード
３、３ａ  カソード
４、４ａ  固体電解質
５ａ、５ｃ  仕切り部
６  非重なり部  
１１、１１ａ  第１電極
１２、１２ａ  第２電極
１３、１４  気体通路
２０  グリーンシート
２１  電極層
２２  余白部
２３  余白層
２５  単位シート
２６  積層体
２７  気体通路形成剤
２８  部品単位積層体
３０  支持体
３１  積層台
１００  発電ユニット
１０１  基板
【図１】
0005435385.tif 000002
【図２】
0005435385.tif 000003
【図３】
0005435385.tif 000004
【図４】
0005435385.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005435385.tif 000009
【図９】
0005435385.tif 000010
【図１０】
0005435385.tif 000011
【図１１】
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【図１２−１】
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【図１２−２】
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【図１２−３】
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【図１２−４】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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