(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の最外層の間に、複数のアノード用内部電極層と複数のカソード用内部電極層とが固体電解質層を介して交互に積層され、一体焼結してある素子本体を有する固体酸化物形燃料電池であって、
前記アノード用内部電極層およびカソード用内部電極層の少なくともいずれか一方が、前記素子本体の外表面に露出する第１端と、前記第１端と異なる位置で前記素子本体の外表面に露出する第２端とを有する
固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記第１端および前記第２端の少なくともいずれか一方には、前記素子本体の外表面に形成してある外部電極が接続してある請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記第１端および前記第２端の少なくとも一方は、２以上である請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
２以上の前記第１端または前記第２端が、前記素子本体の対向する二面にそれぞれ形成してある請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記第１端と前記第２端とは、前記素子本体の対向する二面にそれぞれ露出している請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
前記第１端と前記第２端とは、前記素子本体の隣接する二面にそれぞれ露出している請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池に関する。
【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。燃料電池には、固体高分子形燃料電池（以下、ＰＥＦＣ（Polymer  Electrolyte  Fuel  Cell））、りん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ(Phosphoric  Acid  Fuel  Cell））、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ（Molten  Carbonate  Fuel  Cell））等、様々な方式がある。その中で、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣ（Solid  Oxide  Fuel  Cell）ということがある）はエネルギー効率が高く、また、触媒として貴金属を使用しなくとも動作可能であるので、低コストで製造できるといった利点がある。【０００３】
その固体酸化物形燃料電池の構成の一例としては、電解質としての平板状の固体酸化物基板の一面にカソード電極層が、その反対面にアノード電極層が形成され、固体酸化物基板、カソード電極層及びアノード電極層によって、一つの固体酸化物形燃料電池セルが構成される。また、発電効率を向上させるために、固体酸化物形燃料電池セルを複数層積層することが知られている。しかし、固体酸化物形燃料電池セルを複数層積層することにより、各電極の取り回しが複雑化し、また、小型化することが困難となることが懸念されていた。これらを解決するために、例えば、特許文献１には、固体酸化物形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形燃料電池が提案されている。【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形燃料電池に、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ためには、燃料供給装置及び空気供給装置がそれぞれ必要になる。さらに、固体酸化物形燃料電池は、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形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供給する場合、燃料と空気とが直接反応してしまい発電効率は低下する。【０００５】
これらの課題を解決するために、本願出願人は、特許文献２に示す固体酸化物形燃料電池を提案している。しかしながら、この先の提案に係る発明では、固体酸化物形燃料電池の素子本体の内部に積層してある各アノード及び各カソードの一端のみが、固体酸化物形燃料電池素子の外表面に引き出されて露出している構造である。そのためか、各アノード及び各カソードの内部でガスが停滞しやすく、新鮮なガスを導入して水や窒素など不要なガスを排出するガス交換が生じにくく、発電効率が十分でなく、さらに発電効率を向上させるための工夫が求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２５３０９０号公報
【特許文献２】特開２０１１−０３４６８８号公報（特願２００９−１７６９４３号）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、固体酸化物形燃料電池を小型化するとともに、単位体積あたりの発電効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するために、本発明の第1の観点に係る固体酸化物形燃料電池は、
一対の最外層の間に、固体電解質層を介してアノード用内部電極層とカソード用内部電極層とが積層され、一体焼結してある素子本体を有する固体酸化物形燃料電池であって、
前記アノード用内部電極層およびカソード用内部電極層の少なくともいずれか一方が、前記素子本体の外表面に露出する第１端と、前記第１端と異なる位置で前記素子本体の外表面に露出する第２端とを有する。【０００９】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池では、同一の電極層が、第１端以外に第２端を有するために、たとえば第１端をガスの入口端とし、第２端をガスの出口端とすることが可能になる。あるいは出入口が２箇所になることで、ガスの出入りを２箇所に分担させることが出来る。その結果、素子本体の内部におけるガスの流れがスムーズになり、各アノード用内部電極層およびカソード用内部電極層の内部で新鮮なガスを導入し、水や窒素など不要なガスを排出するガス交換が生じ易くなり、素子本体を小型化しても、単位体積あたりの発電効率を向上させることが可能になる。【００１０】
第１端および前記第２端の少なくともいずれか一方には、前記素子本体の外表面に形成してある外部電極が接続してあってもよい。外部電極を通して、アノード用内部電極層では、酸素イオンが保持していた電子を外部回路に放出し、カソード用内部電極層では、投入された酸素に外部回路から電子を獲得して酸素イオンとなる。外部電極は、前記第１端および前記第２端の少なくともいずれか一方の少なくとも一部を外部から覆うように形成しても良い。【００１１】
アノード用内部電極層およびカソード用内部電極層の少なくともいずれか一方は、ガス透過性であることが好ましい。また、固体電解質層はガス透過性でないことが好ましい。各アノード用内部電極層およびカソード用内部電極層の内部での燃料ガスおよび酸素ガスの流通を良好にするためである。また、外部電極もガス透過性であることが好ましい。外部電極を通しての各アノード用内部電極層およびカソード用内部電極層の内部へのガス流入またはガス流出を可能にするためである。【００１２】
前述した第１端および第２端は、同一の電極層に対して、それぞれ１つでも良いが、第１端および前記第２端の少なくとも一方は、２以上であってもよい。このように構成することで、ガスの入口端または出口端を２以上にすることができ、素子本体へのガスの流入効率または排出効率が良くなる。【００１３】
さらに、２以上の前記第１端または前記第２端は、前記素子本体の対向する二面にそれぞれ形成しても良く、または隣接する二面、あるいはその他の二面にそれぞれ形成しても良く、あるいは、同一の外表面にそれぞれ形成しても良い。【００１４】
前記第１端と前記第２端とは、前記素子本体の対向する二面にそれぞれ露出して形成しても良いし、前記素子本体の隣接する二面にそれぞれ露出して形成しても良いし、あるいは同一の外表面にそれぞれ形成しても良い。さらに前記第１端および前記第２端の少なくとも一方は、２以上の外表面に沿って連続して形成してあってもよい。【００１５】
さらにまた、前記第１端と前記第２端とは、前記素子本体の曲面状の外表面で、それぞれ異なる位置に形成してあってもよい。本発明において、第１端と第２端とは、電極層の端縁に断続的に形成しても良く、連続的に形成しても良い。第１端と第２端とのいずれか一方がガスの入口端となり、他方が出口端となる。【００１６】
また、第１端または第２端は、必ずしも電極層の端縁に形成することなく、いずれか一方は、たとえば下記に示すように、電極層に接続される柱状電極の端部に形成しても良い。たとえば本発明の一態様の固体酸化物形燃料電池は、前記最外層に接する前記アノード用内部電極層およびカソード用内部電極層の内の少なくとも一方が、同一平面上に広がる主電極層と、前記素子本体の積層方向に前記最外層を貫通する柱状電極とを有し、
前記柱状電極が前記素子本体の外表面に露出する端部が、前記第１端または前記第２端を構成してもよい。【００１７】
さらに、前記アノード用内部電極層およびカソード用内部電極層の内の少なくとも一方が、同一平面上で２以上分離して配置してある電極層を有してもよい。【００１８】
好ましくは、前記アノード用内部電極層およびカソード用内部電極層は、それぞれ、積層方向から見て、相互に重なる重なり部と、相互には重ならない非重なり部とを有する。【００１９】
本発明の好適な態様では、
前記アノード用内部電極の前記第１端または第２端を含む位置で、前記素子本体に、燃料ガスを含む炎が当てられ、
前記カソード用内部電極の前記第１端および第２端の少なくとも一方が、前記炎の側部外側に位置する。【００２０】
このような態様の固体酸化物形燃料電池では、炎が当てられた側の第１端（たとえば）が、燃料ガスの入口端となり、第２端（たとえば）が、ガスの出口端となることができる。また、炎は、上昇気流を生じさせることから、炎の側部外側では、炎に向けて空気を引き込むことから、カソード用内部電極の第１端または第２端から素子本体の内部（炎の内部）に向けて空気が引き込まれる。そのため、燃料ガス供給装置の他に酸素ガス供給装置を設けることなく、炎を素子本体に当てるだけで、素子本体の内部に燃料ガスを供給できると共に、その燃料ガス供給位置とは別の位置から、酸素を含む空気を素子本体の内部に引き込むことができる。【００２１】
本発明の第２の観点に係る固体酸化物形燃料電池は、
アノードとカソードとが固体電解質を介して交互に複数積層される素子本体を有し、
前記アノードと前記カソードとが、それらの積層方向から見て、それぞれの一部が重ならない非重なり部を有しており、
前記非重なり部において積層方向に隣接する前記固体電解質同士を接続する仕切り部が前記非重なり部に設けられて、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焼成されて前記素子本体が構成され、
前記アノードと前記カソードとの少なくとも一方は、前記素子本体の外表面の第１所定位置から、前記第１所定位置とは異なる前記素子本体の外表面の第２所定位置までの前記素子本体内を貫通するように配置してあることを特徴とする。【００２２】
前記複数のアノードと前記複数のカソードとは、それぞれ前記固体電解質を介して交差して積層されることが好ましい。【００２３】
前記複数のアノードと前記複数のカソードとは、一方が前記素子本体の異なる２箇所の外表面の間を貫通するように配置され、他方が前記素子本体の異なる３箇所の外表面の間で素子本体内を貫通するように配置してあっても良い。【００２４】
前記複数のアノードと前記複数のカソードとは、前記素子本体の異なる３箇所の外表面の間で素子本体内を貫通するように配置してあっても良い。【００２５】
前記複数のアノードは、前記素子本体の異なる２箇所の外表面の間で素子本体内を貫通するように素子本体の内部に配置され、前記複数のカソードは、前記複数のアノードが引き出される２箇所位置とは異なる２箇所の外表面の間で素子本体内を貫通するように配置されていてもよい。【００２６】
前記素子本体の内部に積層してある前記複数のアノードのうち前記素子本体の表面に最も近いアノードは、前記アノードの平面から設けられて一端部が前記素子本体の表面に引き出されるアノード用貫通体を有し、
前記素子本体の内部に積層してある前記複数のカソードのうち前記素子本体の表面に最も近いカソードは、前記カソードの平面から設けられて一端部が前記素子本体の表面に引き出されるカソード用貫通体を有してもよい。【００２７】
本発明では、固体酸化物形燃料電池を小型化することができると共に、単位体積あたりの発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、燃料電池の概念図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施形態１に係る固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣ（Solid  Oxide  Fuel  Cell）という）の斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本実施形態１に係るＳＯＦＣの一部切り欠き斜視図である。
【図３】図３は、本実施形態１に係るＳＯＦＣの平面図である。
【図４】図４は、本実施形態１に係るＳＯＦＣの正面図である。
【図５】図５は、図２ＡのＢ−Ｂ断面図である。
【図６】図６は、図２ＡのＣ−Ｃ断面図である。
【図７】図７は、本実施形態１に係るＳＯＦＣのアノードとカソードとの重なり状態を示す透視図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本実施形態１に係るＳＯＦＣの燃料及び酸素の流れを示す模式図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本実施形態１に係るＳＯＦＣの燃料及び酸素の流れを示す要部断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本実施形態１に係るＳＯＦＣがガスバーナー等の炎を燃料源として発電する例を示す模式図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａの正面側模式図である。
【図１０】図１０は、本実施形態１に係るＳＯＦＣの製造方法の工程例を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、本実施形態１に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図（平面図）である。
【図１２】図１２は、本実施形態１に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図（側面図）である。
【図１３】図１３は、本実施形態１に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図（平面図）である。
【図１４】図１４は、本実施形態１に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図（側面図）である。
【図１５】図１５は、本実施形態１に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図（側面図）である。
【図１６】図１６は、本実施形態１に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図（側面図）である。
【図１７】図１７は、本実施形態１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１に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施形態２に係るＳＯＦＣのアノードとカソードとの重なり状態を示す透視図である。
【図２０】図２０は、本実施形態２に係るＳＯＦＣが有するカソードの平面図である。
【図２１】図２１は、本実施形態２に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。
【図２２】図２２は、本発明の実施形態３に係るＳＯＦＣのアノードとカソードとの重なり状態を示す透視図である。
【図２３】図２３は、本実施形態３に係るＳＯＦＣが有するアノードの平面図である。
【図２４】図２４は、本実施形態３に係るＳＯＦＣが有するカソードの平面図である。
【図２５Ａ】図２５Ａは、本実施形態３に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れの一例を示す模式図である。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは、本実施形態３に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れの他の例を示す模式図である。
【図２６】図２６は、本発明の実施形態４に係るＳＯＦＣのアノードとカソードとの重なり状態を示す透視図である。
【図２７】図２７は、本実施形態４に係るＳＯＦＣが有するアノードの平面図である。
【図２８】図２８は、本実施形態４に係るＳＯＦＣが有するカソードの平面図である。
【図２９】図２９は、本実施形態４に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。
【図３０】図３０は、本実施形態４に係る別のＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。
【図３１Ａ】図３１Ａは、本発明の実施形態５に係るＳＯＦＣの内部構造を示す断面図である。
【図３１Ｂ】図３１Ｂは、本実施形態５に係るＳＯＦＣの内部構造を示す一部断面斜視図である。
【図３２】図３２は、本実施形態５に係るＳＯＦＣが有するアノードの平面図である。
【図３３】図３３は、本実施形態５に係るＳＯＦＣが有するカソードの平面図である。
【図３４】図３４は、本実施形態５に係るＳＯＦＣの平面図である。
【図３５】図３５は、本実施形態５に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。
【図３６】図３６は、本実施形態５に係るＳＯＦＣを用いて炎から電力を得る状態を示す模式図である。
【図３７】図３７は、比較例に係るＳＯＦＣの断面図である。
【図３８】図３８は、評価方法の説明図である。
【図３９】図３９は、本発明の実施形態６に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。
【図４０】図４０は、本発明の実施形態７に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。
【図４１】図４１は、本発明の実施形態８に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。
【図４２】図４２は、本実施形態８の変形例に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。
【図４３】図４３は、本実施形態８の別の変形例に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。さらに、下記の実施形態における構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
【００３０】
（実施形態１）
図１は、燃料電池の概念図である。図１を用いて、燃料電池の一般的な動作原理を説明する。本実施形態で対象とする燃料電池ＦＣは固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ（Solid  Oxide  Fuel  Cell）」という）である。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と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（空気）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、負荷Ｌを通って反対側のカソードＣａに流れる。電子ｅ−  の流れる方向と反対方向に電流Ｉが流れる。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：（１／２）Ｏ２ ＋２ｅ− →Ｏ２−
アノード：Ｏ２−＋Ｈ２ →Ｈ２ Ｏ＋２ｅ− 
全体：（１／２）Ｏ２ ＋Ｈ２ →Ｈ２ Ｏ
となる。なお、ＳＯＦＣは、Ｈ２ 以外（例えば、ＣＯ）も燃料として使用できる。
【００３１】
ＳＯＦＣは、他の方式の燃料電池に比べて発電効率が高いという特徴がある。ＳＯＦＣは、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。
【００３２】
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て単位体積あたりの発電効率を向上させるとともに、小型化を図るものである。さらに、本実施形態に係るＳＯＦＣは、電極（アノードとカソードとの少なくとも一方）が、ＳＯＦＣの素子本体の表面における異なる位置の間で素子本体の内部を貫通させている。
【００３３】
これにより、新鮮なガスを導入し、水や窒素など不要なガスを排出する、すなわち、燃料の少なくなったガスと燃料の多いガスとの交換、及び酸素の少なくなったガスと酸素の多いガスとの交換（以下、ガス交換という）を促進して、単位体積あたりの発電効率を向上させるものである。次に、本実施形態に係るＳＯＦＣについて詳細に説明する。
【００３４】
図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ実施形態１に係るＳＯＦＣの斜視図および一部切り欠き斜視図である。図３は、実施形態１に係るＳＯＦＣの平面図である。図４は、実施形態１に係るＳＯＦＣの正面図である。
【００３５】
ＳＯＦＣ１は、アノード用内部電極層２とカソード用内部電極層３と固体電解質層４とが交互に積層された積層構造である。ＳＯＦＣ１の内部の構造は後に詳述する。ＳＯＦＣ１が有する複数のアノード用内部電極層２と複数のカソード用内部電極層３とが積層される方向をＺ方向、Ｚ方向と直交する方向をＸ方向及びＹ方向という。この実施形態では、Ｘ方向は酸素（本実施形態では空気、以下同様）の流れる方向と平行な方向であり、Ｙ方向はＸ方向と直交する方向である。図２Ａ中の矢印Ａは、ＳＯＦＣ１に供給される空気（酸素）の流れを概念的に示し、同図中の矢印Ｆは、ＳＯＦＣ１に供給される燃料（水素）の流れを概念的に示す。図示する矢印Ａおよび矢印Ｆの向きは、酸素及び燃料の流れる向きの一例を見かけ上示すものであって、すべてが同じ方向に流れるものではなく、逆方向に流れる場合や内部電極層内を反転する場合もある。
【００３６】
ＳＯＦＣ１では上述したような反応が起きている。アノード用内部電極層２に燃料（水素）ガスを導入すると固体電解質層４を挟んだ反対側のカソード用内部電極層３との間に酸素ポテンシャル勾配が生じる。この状態になると、カソード用内部電極層３内の空気中の酸素が酸素イオンとなって固体電解質層４を通過してアノード用内部電極層２側に移動する。酸素の選択的移動によって、カソード用内部電極層３内では大気中より酸素濃度が低い状態になり、同時に負圧が生じる。この状態になると、新鮮な空気（大気）が外部から流れ込んでくる。併せて酸素の選択的移動により、カソード用内部電極層３内の空気は大気中よりも窒素濃度が高い状態になって窒素富化する。これによって、カソード用内部電極層３内の窒素富化した空気と外から流入した新鮮な空気との拡散作用により酸素導入され、カソード用内部電極層３内で富化した窒素は見かけ上ＳＯＦＣ１の外部に排出される。
【００３７】
一方、アノード用内部電極層２では導入された燃料（水素）ガスが固体電解質層４を通過した酸素イオンと接触し酸化して酸化ガス（水蒸気）を生成する。併せて電子を放出する。ここで生じた酸化ガスは継続して燃料ガスが導入されることによりＳＯＦＣ１の外部に排出される。したがって、取り入れられる空気の成分とＳＯＦＣ１を介して排出される空気の成分とはそれぞれ異なっている。同様に、取り入れられる燃料の成分とＳＯＦＣ１を介して排出される燃料の成分とはそれぞれ異なっている。このアノード用内部電極層２とカソード用内部電極層３の双方でのガス交換が連動・循環することで継続的に発電される。
【００３８】
ＳＯＦＣ１は、複数のアノード用内部電極層２と複数のカソード用内部電極層３とを、両者の間に固体電解質層４を介在させて交互に積層してから一体化して焼成した素子本体１０を含む。また、素子本体１０は、複数のアノード用内部電極層２に電気的に接続される第１外部電極１１と、複数のカソード用内部電極層３に電気的に接続される第２外部電極１２とを有する。
【００３９】
ＳＯＦＣ１が発生した電力は、第１外部電極１１と第２外部電極１２とから取り出される。ここで、第１外部電極１１及び第２外部電極１２は、いずれも多孔質の導電体であり、気体を通過させることができる。ＳＯＦＣ１は、第１外部電極１１側から燃料（例えば、水素）が供給され、また、第２外部電極１２側から酸素（本実施形態では空気）が供給されることにより作動して、電力を発生する。発生した電力は、負荷に供給される。
【００４０】
図３及び図４に示すように、本実施形態のＳＯＦＣ１が有する素子本体１０は、互いに直交する６個の外表面となる面１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆを有し、各面が長方形（正方形を含む）形状である六面体（すなわち直方体）の形状を持つ。６個の面１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆは、素子本体１０の外表面となる。
【００４１】
第１外部電極１１は、素子本体１０の面１０Ｂに設けられ、第２外部電極１２は、素子本体１０の面１０Ａに設けられる。
【００４２】
図２Ｂに示すように、第１外部電極１１は複数のアノード用内部電極層２の第１端２ＴＢに電気的に接続してある。第１外部電極１１は、素子本体１０の表面のうち、複数のアノード用内部電極層２が露出している表面に設けることができる。本実施形態において、面１０Ｂと対向する面１０Ｄにも複数のアノード用内部電極層２の第２端２ＴＤが露出している。なお、第１外部電極１１は、面１０Ｄにも設けられていてもよい。
【００４３】
第２外部電極１２は、複数のカソード用内部電極層３の第１端３ＴＡに電気的に接続してある。第２外部電極１２は、素子本体１０の表面のうち、複数のカソード用内部電極層３が露出している表面に設けることができる。本実施形態において、面１０Ａと対向する面１０Ｃにも複数のカソード用内部電極層３の第２端３ＴＣが露出している。第２外部電極１２は、面１０Ｃにも設けられていてもよい。
【００４４】
素子本体１０は、対向する面１０Ｂ、１０Ｄ及び対向する面１０Ａ、１０Ｃにそれぞれ直交するとともに、対向する面１０Ｅ、１０Ｆを備える。面１０Ｅ、１０Ｆの形状は、たとえば長方形であり、素子本体１０が有する複数のアノード用内部電極層２及び複数のカソード用内部電極層３と平行な表面である。対向する面１０Ｅ、１０Ｆの形状はこれに限定されるものではなく、例えば、平行四辺形又は台形又は菱形であってもよい。次に、素子本体１０の内部の構造を詳細に説明する。
【００４５】
図５は、図２ＡのＢ−Ｂ断面図である。図６は、図２ＡのＣ−Ｃ断面図である。図７は、本実施形態に係るＳＯＦＣのアノード用内部電極層とカソード用内部電極層との重なり状態を示す透視図である。
【００４６】
図５および図６に示すように、ＳＯＦＣ１の素子本体１０は、複数のアノード用内部電極層２と、複数のカソード用内部電極層３と、少なくともアノード用内部電極層２とカソード用内部電極層３との間に配置される固体電解質層４と、積層方向に隣接する固体電解質層４同士の間に配置される仕切り部５とを含む。仕切り部５は、電子を絶縁し、ガスタイト（気体を透過させないこと）であればよい。素子本体１０において、積層方向の最も外側には、最外層としての固体電解質層（最外固体電解質層）４が積層される。最外層は、仕切り部５と同様に、電子を絶縁し、ガスタイト（気体を透過させないこと）であればよく、固体電解質材料でなくても良い。
【００４７】
本実施形態において、複数のアノード用内部電極層２と、複数のカソード用内部電極層３と、固体電解質層４と、仕切り部５とは、一体で焼成されてＳＯＦＣ１の素子本体１０を構成する。本実施形態において、ＳＯＦＣ１は、複数のアノード用内部電極層２と電気的に接続される第１外部電極１１と、複数のカソード用内部電極層３と電気的に接続される第２外部電極１２とをさらに有する。このように、ＳＯＦＣ１は、素子本体１０の表面に第１外部電極１１及び第２外部電極１２をさらに含んでいてもよい。アノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層３は、いずれも多孔質の導電体であり、気体を通過させることができる。
【００４８】
図５および図６に示すように、ＳＯＦＣ１の素子本体１０が有する複数のアノード用内部電極層２及び複数のカソード用内部電極層３は、それぞれ固体電解質層４の厚みに由来する所定間隔を設けて対向して配置される。また、アノード用内部電極層２とカソード用内部電極層３とは、交差するように配置される。これにより、アノード用内部電極層２とカソード用内部電極層３とは、互いにそれぞれの一部が（積層方向から見て）重ならない非重なり部６を有する。
【００４９】
図５および図６に示すように、固体電解質層４は、少なくともアノード用内部電極層２とカソード用内部電極層３との間に配置される。また、非重なり部６において、積層方向に隣接する固体電解質層４同士の間に仕切り部５が設けられる。隣接して配置される固体電解質層４と仕切り部５とによって、アノード用内部電極層２又はカソード用内部電極層３は取り囲まれて、分離されている。
【００５０】
図７に示すように、アノード用内部電極層２は、素子本体１０の対向する面１０Ｂ，１０Ｄの間で素子本体１０を貫通する。また、カソード用内部電極層３は、面１０Ｂ、１０Ｄと直交する素子本体１０の対向する面１０Ａ、１０Ｃの間で素子本体１０を貫通する。
【００５１】
このため、アノード用内部電極層２が素子本体１０を貫通する方向と、カソード用内部電極層３が素子本体１０を貫通する方向とは直交する。この場合、アノード用内部電極層２を通過する燃料の進行方向と、カソード用内部電極層３を通過する酸素の進行方向は直交する。
【００５２】
なお、アノード用内部電極層２が素子本体１０を貫通する方向と、カソード用内部電極層３が素子本体１０を貫通する方向とは交差（立体交差）していればよく、必ずしも直交していなくてもよい。この場合、複数のアノード用内部電極層２と複数のカソード用内部電極層３とは、それぞれ交差して積層される。
【００５３】
複数のアノード用内部電極層２と複数のカソード用内部電極層３との少なくとも一方は、素子本体１０の表面の所定位置からこの所定位置とは異なる位置の間で、素子本体１０の内部を貫通している。すなわち、複数のアノード用内部電極層２と複数のカソード用内部電極層３との少なくとも一方は、その一端（第１端）のそれぞれと他端（第２端）のそれぞれとが、素子本体１０の外表面の異なる位置に引き出され、素子本体１０の内部を貫通している。
【００５４】
より具体的には、図５に示すように、複数のカソード用内部電極層３は、素子本体１０の表面の一部である、対向する面１０Ａと面１０Ｃとの間で、素子本体１０を貫通している。こうすることにより、カソード用内部電極層３の両端（第１端および第２端）３ＴＡおよび３ＴＣが、面１０Ａ、１０Ｃにそれぞれ露出する。複数のカソード用内部電極層３は、一方の第１端（本実施形態では面１０Ａに露出する端縁）３ＴＡが第２外部電極１２に電気的に接続されている。
【００５５】
また、図６に示すように、複数のアノード用内部電極層２は、素子本体１０の表面の一部である、対向する面１０Ｂと面１０Ｄとの間で素子本体１０を貫通している。こうすることにより、アノード用内部電極層２の両端（第１端および第２端）２ＴＢおよび２ＴＤが、面１０Ｂおよび１０Ｄにそれぞれ露出する。複数のアノード用内部電極層２は、一方の第１端（本実施形態では面１０Ｂに露出する端縁）２ＴＢが第１外部電極１１に電気的に接続されている。
【００５６】
このように、本実施形態では、複数のアノード用内部電極層２と複数のカソード用内部電極層３との両方が、素子本体１０の表面の異なる位置（本実施形態では異なる面）で、素子本体１０を貫通している。すなわち、面１０Ｂと面１０Ｄとが、あるいは面１０Ａと面１０Ｃとが素子本体１０の表面の異なる位置に相当する。しかし、複数のアノード用内部電極層２又は複数のカソード用内部電極層３のいずれかのみが、素子本体１０の表面の異なる位置間で、素子本体１０を貫通していてもよい。
【００５７】
また、本実施形態では、素子本体１０の表面のうち、異なる２つの面の間でアノード用内部電極層２とカソード用内部電極層３との少なくとも一方が貫通している。アノード用内部電極層２とカソード用内部電極層３との少なくとも一方は、素子本体１０の表面の異なる位置であれば、同じ面に引き出されるように、素子本体１０の内部を貫通していてもよい。
【００５８】
ＳＯＦＣ１は、複数のアノード用内部電極層２と複数のカソード用内部電極層３とが、それぞれ素子本体１０の表面の異なる位置の間で、素子本体１０を貫通する。そして、複数のアノード用内部電極層２の両端２ＴＢ，２ＴＤはそれぞれ面１０Ｂ，１０Ｄに露出し、複数のカソード用内部電極層３の両端３ＴＡ，３ＴＣは、それぞれ面１０Ａ、１０Ｃに露出する。
【００５９】
複数のアノード用内部電極層２を電気的に接続する第１外部電極１１と、複数のカソード用内部電極層３を電気的に接続する第２外部電極１２とは、いずれも気体を通過させることができる多孔質の導電体である。このため、複数のアノード用内部電極層２は、第１外部電極１１の側（面１０Ｂ側）と、一方の端縁（第２端）２ＴＤが露出している面１０Ｄ側とのいずれからでも、燃料を取り込むこと又は排出することができる。また、複数のカソード用内部電極層３は、第２外部電極１２の側（面１０Ａ側）と、一方の端縁（第２端）３ＴＣが露出している面１０Ｃ側とのいずれからでも、酸素を取り込むこと又は排出することができる。
【００６０】
図８Ａは、本実施形態に係るＳＯＦＣの燃料及び酸素の流れの一例を示す模式図である。図８Ｂは、本実施形態に係るＳＯＦＣの燃料及び酸素の流れの一例を示す要部断面図である。このような構造により、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、ＳＯＦＣ１の素子本体１０内において、アノード用内部電極層２に供給された燃料は、図示する矢印Ｆのように燃料ガスの供給側の端縁から、前記端縁とは反対側の端縁へ向かって移動する。一方、カソード用内部電極層３に供給された空気は、酸素成分がＳＯＦＣ１の素体本体１０内で消費され、負圧となりＳＯＦＣ１の素子本体１０の周囲に存在する大気から供給されることになるため、図示する矢印Ａのように両端縁から新鮮な空気が流入する。
【００６１】
そして酸素成分が消費され窒素富化した空気と新鮮な空気とのガス拡散あるいは対流により窒素成分が見かけ上逆流するようにＳＯＦＣ１の外へ排出される。空気の流れは、すべてが矢印Ａのみではなく、一端から他端への流れやその逆方向の流れも想定できる。このとき、アノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層３は、それらの両端が素子本体１０の表面に解放されて、取り込むガス及び排出するガスの入口および出口となる。このため、燃料及び酸素が移動しやすくなる。
【００６２】
ここで、先に提案したようなアノード用内部電極層及びカソード用内部電極層の一方の端縁が素子本体の表面に露出していない（すなわち、異なる表面の間を貫通していない）ＳＯＦＣの場合には、ガスの入口のみで出口がなく行き止まりになっているため、残存ガスを排出するようなガスの流れが生じ難く、ガス交換は気体成分の拡散のみに依存する。
【００６３】
しかしながら本実施形態のＳＯＦＣ１では、アノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層３の両端が素子本体１０の表面に露出して解放されている。このためガスの流れが生じ易く、ガス交換は気体成分の拡散のみではなくなる。その結果、本実施形態のＳＯＦＣ１では、ガス交換が促進されるので、単位体積あたりの発電効率が向上する。
【００６４】
図８Ａは、本実施形態に係るＳＯＦＣの燃料及び酸素の供給状態（流れの一例）を示す平面図である。この図は、ＳＯＦＣ１の素子本体１０が有する第１外部電極１１側から燃料が供給され、第２外部電極１２側と面１０Ｃ側の端縁から酸素が供給された例を示している。アノード用内部電極層２は、素子本体１０の対向する面１０Ｂ，１０Ｄの間で素子本体１０を貫通する。また、カソード用内部電極層３は、面１０Ｂ、１０Ｄと直交する素子本体１０の対向する面１０Ａ、１０Ｃの間で素子本体１０を貫通する。
【００６５】
このため、アノード用内部電極層２が素子本体１０を貫通する方向と、カソード用内部電極層３が素子本体１０を貫通する方向とは直交する。この場合、図８Ａに示すように、アノード用内部電極層２を通過する燃料の進行方向（矢印Ａ）と、カソード用内部電極層３を通過する酸素の進行方向（矢印Ａ）は直交する。図示する矢印Ｆおよび矢印Ａは、燃料及び酸素の流れる向きを代表する一例であって、すべてが同じ方向に流れるものではない。
【００６６】
なお、アノード用内部電極層２が素子本体１０を貫通する方向と、カソード用内部電極層３が素子本体１０を貫通する方向とは交差（立体交差）していればよく、必ずしも直交していなくてもよい。この場合、複数のアノード用内部電極層２と複数のカソード用内部電極層３とは、それぞれ交差して積層される。
【００６７】
図９Ａおよび図９Ｂは、本実施形態に係るＳＯＦＣがガスバーナー等の炎を燃料源として発電する例を示す模式図である。熱、振動、電磁波等、様々な形態で環境中に存在するエネルギーを電力に変換するエネルギーハーベスティングと呼ばれる手法がある。エネルギーハーベスティングにおいては、これまで利用が考えられてこなかったガスバーナー、ガスコンロ又はろうそく等、家庭やレジャーで使用される炎から電力を得ることができれば、これらもエネルギーハーベスティングとして利用することが可能である。例えば、ガスバーナー等の炎は単なる高熱の場ではなく、未燃焼の可燃性ガスが残存しており、安定して供給される燃料ガス源でもあるため、原理的にＳＯＦＣでの発電は十分可能である。
【００６８】
ＳＯＦＣ１は、発電する際に燃料及び酸素が必要である。燃料は炎の中にあり、その近傍には酸素を十分に含む新鮮な空気が存在している。ＳＯＦＣ１は小型であるため、ガスバーナー等の炎を燃料源として発電を行う際には好適である。例えば、図９Ａおよび図９Ｂに示すように、第１外部電極１１を下向き（鉛直方向）にした状態で、ＳＯＦＣ１をガスバーナーＮの炎ＦＬ（内芯部が好ましい）に当てる。
【００６９】
この場合、未燃焼ガスを豊富に含む拡散炎を用いることが好ましい。酸素の入口となる第２外部電極１２及び面１０Ｃは、炎ＦＬの外側に配置されることが好ましい。このようにすることで、第１外部電極１１から燃料が、図５および図６に示すアノード用内部電極層２に供給され、第２外部電極１２及び面１０Ｃから酸素が、図５および図６に示すカソード用内部電極層３に供給されて、ＳＯＦＣ１が発電する。
【００７０】
本実施形態において、図７に示すように、ＳＯＦＣ１では、アノード用内部電極層２が素子本体１０を貫通する方向と、カソード用内部電極層３が素子本体１０を貫通する方向とは直交する。このため、燃料の取り入れ口又は排出口となる面１０Ｂ，１０Ｄと、酸素の取り入れ口又は排出口となる面１０Ａ，１０Ｃとが直交する。そして、ＳＯＦＣ１は、アノード用内部電極層２が素子本体１０を貫通する方向の両側に、カソード用内部電極層３の酸素の取り入れ口又は排出口となる面１０Ａ，１０Ｃが配置される。また、ＳＯＦＣ１は、カソード用内部電極層３が素子本体１０を貫通する方向の両側に、アノード用内部電極層２の燃料の取り入れ口又は排出口となる面１０Ｂ，１０Ｄが配置される。
【００７１】
このような構造により、ＳＯＦＣ１は、燃料の取り入れ口から炎ＦＬの未燃焼ガスを取り入れ、さらに炎ＦＬの上昇気流に乗ってアノード用内部電極層２の内部へのガスの流入と拡散が促される。この配置は、ＳＯＦＣ１の上部を開放状態としているので、よりガスの流入と拡散が促される。このように、ＳＯＦＣ１は、炎ＦＬを利用した発電に有用である（以下の実施形態でも同様）。
【００７２】
なお、ＳＯＦＣ１は、小型化、高耐熱性、単位体積あたりの発電効率が高い等の特徴を有していることから、エネルギーハーベスティング的な活用以外の用途、例えば、複数のＳＯＦＣ１を組み合わせた燃料電池モジュールを用いた発電システム等にも極めて有用である（以下の実施形態でも同様）。
【００７３】
次に、ＳＯＦＣ１のアノード用内部電極層２、カソード用内部電極層３、固体電解質層４及び仕切り部５の材料について説明する。
【００７４】
本実施形態において、固体電解質層４は、Ｃｅ０．８５Ｓｍ０．１５Ｏ２−δ  に示すようなサマリアドープセリア（ＳＤＣ）等のセリア系、Ｚｒ０．８１Ｙ０．１９Ｏ２−δ  に示すようなイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の安定化ジルコニア系、Ｌａ０．８  Ｓｒ０．２  Ｇａ０．８  Ｍｇ０．２  Ｏ３−δに示すようなＬＳＧＭ等の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、固体電解質層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。
【００７５】
本実施形態において、アノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層３の材料は、電子伝導材料となる白金（Ｐｔ）である。好ましくは電子伝導材料と固体電解質、例えば上述したＹＳＺとのコンポジット材である。電子伝導材料だけでは固体電解質層４とアノード用内部電極層２またはカソード用内部電極層３との界面にしか三相界面を形成できない。コンポジット材とすることによりアノード用内部電極層２またはカソード用内部電極層３の内部にも三相界面を形成することが出来るようになる。
【００７６】
アノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層３は、たとえば白金とＹＳＺとのコンポジット材であり、かつ、多孔質体で構成してある。また、第１外部電極１１及び第２外部電極１２の材料は、アノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層３と同じ電子伝導材料となる、白金と固体電解質（例えばＹＳＺ）とのコンポジット材である。
【００７７】
第１外部電極１１及び第２外部電極１２は、三相界面を形成する必要が無く、必ずしも固体電解質とのコンポジット材である必要はない。上述したように、第１外部電極１１及びアノード用内部電極層２、第２外部電極１２及びカソード用内部電極層３は、いずれも多孔質体であることが好ましい。
【００７８】
このようにすることで、第１外部電極１１側から供給された燃料及び第２外部電極１２側から供給された酸素をアノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層３の内部に行き渡らせることができる。そして、燃料及び酸素がアノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層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。
【００７９】
また、アノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層３は、ＳＯＦＣ１の素子本体１０の異なる表面の間で素子本体１０を貫通しているので、ガス交換が促進されて、さらに多くの電力を取り出すことができる。なお、アノード用内部電極層２又はカソード用内部電極層３のいずれかが、素子本体１０の異なる表面の間で素子本体１０を貫通していれば、ガス交換が促進される効果は得られる。好ましくは両方が貫通することにより、前記効果はより大きくなる。
【００８０】
アノード用内部電極層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、ニッケル（Ｎｉ）、上述したＳＤＣやＹＳＺ等の固体電解質とニッケル（Ｎｉ）とのサーメット等がある。ここで、ＳＤＣとは、Ｃｅ０．８５Ｓｍ０．１５Ｏ２−δ  に示すような材料であり、ＹＳＺとは、Ｚｒ０．８１Ｙ０．１９Ｏ２−δに示すような材料である。また、カソード用内部電極層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。
【００８１】
このような材料としては、例えば、ＣｏＦｅ２  Ｏ４  、ＭｎＦｅ２  Ｏ４  、ＮｉＦｅ２  Ｏ４  、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）の酸化物である。なお、アノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層３の材料は、上述したものに限定されるものではなく、ＳＯＦＣ１のアノード用内部電極層２、カソード用内部電極層３として適用可能な材料全般を使用することができる。
【００８２】
なお、アノード用内部電極層２は燃料を、カソード用内部電極層３は酸素をそれぞれの内部に行き渡らせ、固体電解質層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、アノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層３は多孔質でなくてもよい。例えば、アノード用内部電極層２又はカソード用内部電極層３が気体通路を持つ構造とすることができる。この場合、アノード用内部電極層２又はカソード用内部電極層３のいずれか一方には気体通路を持つ構造を用い、他方に多孔質材料を用いてもよい。
【００８３】
また、本実施形態では、アノード用内部電極層２とカソード用内部電極層３とを同じ材料（多孔質の白金とＹＳＺのコンポジット材）としたが、アノード用内部電極層２とカソード用内部電極層３とは異なる材料であってもよい。さらに、第１外部電極１１は、複数のアノード用内部電極層２を電気的に接続していればよく、第２外部電極１２は、複数のカソード用内部電極層３を電気的に接続していればよい。このため、第１外部電極１１とアノード用内部電極層２とを異なる材料とし、第２外部電極１２とカソード用内部電極層３とを異なる材料としてもよい。これによって、アノード用内部電極層２や第１外部電極１１等に、より適切な材料を用いることができる。
【００８４】
図５および図６に示したように、本実施形態において、仕切り部５は、積層方向に隣接する固体電解質層４同士の間に設けられて、固体電解質層４同士を接続する。このようにすることで、ＳＯＦＣ１に第１外部電極１１及び第２外部電極１２が形成されると、それぞれのカソード用内部電極層３と第１外部電極１１との間及びアノード用内部電極層２と第２外部電極１２との間に仕切り部５が配置されることになる。
【００８５】
ここで、アノード用内部電極層２とカソード用内部電極層３との間で電子や気体（燃料や酸素）の漏れが発生すると、ＳＯＦＣ１の単位体積あたりの発電効率が低下する。このため、アノード用内部電極層２とカソード用内部電極層３との間にある固体電解質層４及び仕切り部５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。
【００８６】
本実施形態では、仕切り部５を、それぞれのカソード用内部電極層３と第１外部電極１１との間及びそれぞれのアノード用内部電極層２と第２外部電極１２との間に配置するとともに、仕切り部５が、隣接する固体電解質層４を接続する。このような構造により、ＳＯＦＣ１は、アノード用内部電極層２とカソード用内部電極層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５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。本実施形態において、仕切り部５は、固体電解質層４と同じ材料である。このようにすることで、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。
【００８７】
固体電解質層４と仕切り部５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。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。なお、固体電解質層４と仕切り部５とは異なる材料であってもよい。
【００８８】
仕切り部５に用いることができる材料としては、固体電解質層４よりも電子伝導度が低い材料とすることが単位体積当たりの発電効率を向上させる観点から好ましい。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、Ａｌ２  Ｏ３  ）、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、このような材料のなかでも、ジルコニアが好ましい。これらの材料は素子本体１０の最外層の材料として使用しても良い。
【００８９】
固体電解質層４の厚みは、できる限り小さい方が好ましく、１μｍ〜５０μｍ程度が好ましく、５μｍ〜３５μｍ程度とすることができる。後述する評価例で作製したサンプルにおいては、２５μｍとした。また、アノード用内部電極層２の厚み及びカソード用内部電極層３の厚みは、燃料や酸素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ため、１０μｍ〜１５０μｍ程度が好ましく、２５μｍ〜５０μｍ程度とすることができる。後述する評価例で作製したサンプルにおいては、４０μｍとした。さらに、仕切り部５は、アノード用内部電極層２の厚み及びカソード用内部電極層２の厚みと同等にすればよい。
【００９０】
ＳＯＦＣ１は、例えば、固体電解質層４のグリーンシート表面上に、アノード用内部電極層２又はカソード用内部電極層３を印刷し、仕切り部５をアノード用内部電極層２又はカソード用内部電極層３の余白部（非重なり部６）に印刷し、これらを必要数積層した後、焼成することにより得られる。したがって、固体電解質層４の厚み、アノード用内部電極層２の厚み及びカソード用内部電極層３の厚みの制御及び薄膜化は比較的容易である。なお、このような製造プロセスにより、固体電解質層４はアノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層３と密着し、一体となっている。
【００９１】
ＳＯＦＣ１では、一つのアノード用内部電極層２と、一つのカソード用内部電極層３と、両者の間の固体電解質層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、複数のアノード用内部電極層２及び複数のカソード用内部電極層３を備える。それぞれのアノード用内部電極層２は第１外部電極１１で電気的に接続され、それぞれのカソード用内部電極層３は第２外部電極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。
【００９２】
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外部電極１１で電気的に接続された複数のアノード用内部電極層２と、第２外部電極１２で電気的に接続された複数のカソード用内部電極層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なすことができる。
【００９３】
ＳＯＦＣ１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、アノード用内部電極層２とカソード用内部電極層３とが重なり合う部分の面積である。ＳＯＦＣ１は、発電単位を複数（図５および図６に示す例では３個）有する。このため、重なり合う部分の面積をＳ２とすると、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、図５および図６に示す例ではｎ＝３となる。
【００９４】
ＳＯＦＣ１は、複数の発電単位を積層した構造である。このような構造によって、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、単位体積あたりの発電効率を向上させることが可能になる。
【００９５】
また、ＳＯＦＣ１は、それぞれ厚さが数十μｍのアノード用内部電極層２と、カソード用内部電極層３と、固体電解質層４とを積層したものである。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、ＳＯＦＣ１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。
【００９６】
また、ＳＯＦＣ１は、アノード用内部電極層２と、カソード用内部電極層３と、固体電解質層４と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、固体電解質層４を薄くしたとしても、複数のアノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層３により、ＳＯＦＣ１全体の強度を確保できる。このように、ＳＯＦＣ１は、固体電解質層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。その結果、ＳＯＦＣ１は、全体の強度を確保しつつ固体電解質層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。
【００９７】
また、ＳＯＦＣ１において、アノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層３を多孔質とした場合には、加熱時において、空隙が熱膨張を吸収し、固体電解質層４を介してアノード用内部電極層２とカソード用内部電極層３との間に働く応力を緩和する。ゆえに、アノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層３を多孔質とした場合、アノード用内部電極層２と、カソード用内部電極層３と、固体電解質層４とのそれぞれの材料の線膨張係数がある程度ばらついていても、アノード用内部電極層２、カソード用内部電極層３、および固体電解質層４の割れ等を抑制できる。
【００９８】
さらに、ＳＯＦＣ１は、アノード用内部電極層２と、カソード用内部電極層３と、固体電解質層４とをそれぞれ複数層積層させた構造なので、加熱時において、素子本体１０は、全体的には均一に熱膨張し、局所的に大きな変形が発生しにくくなる。このような構造によって、熱膨張を均一化できるので、全体の反りを抑制できる。これらの作用によって、ＳＯＦＣ１は、耐熱衝撃性に優れるという利点がある。このように、ＳＯＦＣ１は、耐熱衝撃性に優れるため、急な温度上昇に曝すことが可能となり、迅速な起動が可能になるという利点もある。次に、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法を説明する。
【００９９】
図１０は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の工程例を示すフローチャートである。図１１〜図１８は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。いずれも部品単位での説明となる。図１２は、図１１のＤ−Ｄ断面図であり、図１４は、図１３のＥ−Ｅ断面図である。図１５は、単位シートをアノード用内部電極層１０２の端が露出する側から見た状態を示し、図１６は、単位シートをカソード用内部電極層１０３の端が露出する側から見た状態を示している。
【０１００】
図２Ａに示すＳＯＦＣ１を製造する場合、まず、図２Ａに示す固体電解質層４を形成するための固体電解質グリーンシートに、アノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層３を形成するための電極層及び仕切り部５を形成するための余白層を形成した単位シートを作製する。
【０１０１】
複数のＳＯＦＣ１を同時に作製するために、この単位シートには所定の形状の電極層を縦横に複数個並ぶように間隔をおいて形成する。余白層はこれら電極層の間隙に形成する。そして、アノード用内部電極層２とカソード用内部電極層３とが交互に交差するように向きを整えながらこの単位シートを複数枚積層して積層体を形成した後、部品単位に積層体を切断する。そして、脱バインダー処理後の積層体を焼成することにより、ＳＯＦＣ１が作製される。
【０１０２】
まず、固体電解質層４を形成するためのスラリー（固体電解質用スラリー）と、アノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層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、固体電解質層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時間〜２０時間混合して得られる。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。アノード用内部電極層２およびカソード用内部電極層３の内部に三相界面を形成するためには、導電性粉末粒子だけでなく、固体電解質の原料粉末を混合したコンポジット材料とするとよい。この場合には導電性粉末粒子と固体電解質の原料粉末との体積比を３０体積％〜７０体積％対７０体積％〜３０体積％とするとよい。
【０１０５】
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層４の材料粉末であり、導電性粉末粒子は、上述したアノード用内部電極層２及びカソード用内部電極層３の材料粉末である。
【０１０６】
本実施形態では、固体電解質層４には固体電解質の原料となる粉末としてＹＳＺの粉末を用い、アノード用内部電極層２、カソード用内部電極層３には共に、導電性粉末粒子として白金の粉末と固体電解質としてＹＳＺの粉末とのコンポジット粉末（体積比としてＰｔ：ＹＳＺ＝７０：３０）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、多孔質のアノード用内部電極層２やカソード用内部電極層３を簡単に作製できる。
【０１０７】
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図１２および図１４に示す固体電解質グリーンシート（未焼成シート）１０４を作製する（ステップＳ１０２）。例えば、固体電解質用スラリーをポリエステルフィルム等の支持体上に、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〜１００μｍの固体電解質グリーンシート１０４を作製することができる。
【０１０８】
次に、得られた固体電解質グリーンシート１０４上に、両端縁を残して電極層、すなわち図１１および図１２に示すカソード用内部電極層１０３を形成するとともに、図１３および図１４に示すアノード用内部電極層１０２を形成する（ステップＳ１０３）。例えば、固体電解質グリーンシート１０４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〜２００μｍのアノード用内部電極層１０２及びカソード用内部電極層１０３を作製する。固体電解質グリーンシート１０４上にアノード用内部電極層１０２、またはカソード用内部電極層１０３が形成されていない部分が余白部分になる。
【０１０９】
次に、図１１および図１２に示すように、固体電解質グリーンシート１０４上であってカソード用内部電極層１０３の両側に、余白層１０５を形成する。この余白層１０５は、図５に示す第２外部電極１２側（面１０Ａ側）と面１０Ｃ側とにある非重なり部６となる部分である。同時に、または別のタイミングで、図１３および図１４に示すように、固体電解質グリーンシート１０４上であってアノード用内部電極層１０２の両側に、余白層１０５を形成する（ステップＳ１０４）。この余白層１０５は、図６に示す第１外部電極１側（面１０Ｂ側）と面１０Ｄ側とにある非重なり部６となる部分である。
【０１１０】
これらの余白層１０５は、図５および図６に示す仕切り部５を形成するとともに、アノード用内部電極層１０２とカソード用内部電極層１０３との段差を減少させるために設けられる。余白層１０５は、余白層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。
【０１１１】
本実施形態において、仕切り部５が、図５および図６に示す固体電解質層４と同じ材料で構成される場合には、余白層用スラリーは、固体電解質用スラリーを用いる。余白部分への印刷においては、余白層１０５として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。
【０１１２】
このようにして図１１〜図１４に示すように、固体電解質グリーンシート１０４上にカソード用内部電極層１０３及び余白層１０５が形成された単位シート１０１Ｃと、固体電解質グリーンシート１０４上にアノード用内部電極層１０２及び余白層１０５が形成された単位シート１０１Ａとが作製される。単位シート１０１Ｃと単位シート１０１Ａとは、それぞれ複数枚作製される（ステップＳ１０５）。
【０１１３】
次に、図１５および図１６に示すように、単位シート１０１Ｃと単位シート１０１Ａとを交互に積層して、最後に固体電解質グリーンシート１０４のみを積層して、図１７に示す積層体１００を作製する（ステップＳ１０６）。本実施形態のＳＯＦＣ１を作製するために、アノード用内部電極層２とカソード用内部電極層３とが交互に交差するように向きを整えながら単位シート１０１Ａと１０１Ｃとを複数枚積層する。
【０１１４】
図１７に示すように、積層体１００では、２つの面に複数のアノード用内部電極層１０２の端縁が露出し、アノード用内部電極層１０２の端縁が露出した面と直交する２つの面に複数のカソード用内部電極層１０３の端縁が露出している。そして、アノード用内部電極層１０２とカソード用内部電極層１０３との間には固体電解質グリーンシート１０４が介在するとともに、積層方向に隣接する固体電解質グリーンシート１０４の間には余白層１０５が配置される。アノード用内部電極層１０２及びカソード用内部電極層１０３は、それぞれ積層体１００に露出している２つの端縁を除いて、積層方向に隣接する固体電解質グリーンシート１０４と余白層１０５とで囲まれる。
【０１１５】
次に、図１７に示す積層体１００を積層方向（図１７の矢印Ｋで示す方向）に向かって加圧する（ステップＳ１０７）。この処理によって、複数の単位シート１０１Ｃと単位シート１０１Ａとを圧着して一体化させる。加圧後の積層体１００は、部品単位に切断される（ステップＳ１０８）。
【０１１６】
次に、切断後の積層体１００に脱バインダー処理を施す（ステップＳ１０９）。そして、脱バインダー処理をした積層体１００を焼成することにより（ステップＳ１１０）、積層体１００の焼結体が得られる。積層体１００は、アノード用内部電極層、カソード用内部電極層、固体電解質層、仕切り部が焼結されて一体となった焼結体である。
【０１１７】
積層体１００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アノード用内部電極及びカソード用内部電極の材料で異なる。例えば、アノード用内部電極層１０２及びカソード用内部電極層１０３に含まれる導電性粒子を白金の粒子とした場合、積層体１００を大気中で４００℃〜６００℃の温度範囲で１時間から２時間加熱保持すればよい。このような条件で、積層体１００からバインダーを除去することができる。
【０１１８】
その後、大気中で１２００℃〜１５００℃で３時間〜５時間、積層体１００を焼成し、焼結体を得る。積層体１００の焼結体は、必要に応じて後処理が施される（ステップＳ１１１）。後処理は、ニッケル（Ｎｉ）の粒子を用いた場合には、例えば、還元雰囲気中における電極還元処理である。なお、白金の粒子を用いた場合には、後処理を必要としない。
【０１１９】
このような手順で、図１８に示すように、アノード用内部電極層２と固体電解質層４とカソード用内部電極層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層４の間に設けられる仕切り部５とが焼結によって一体化された積層構造を有する素子本体１０（ＳＯＦＣ１）が完成する（ステップＳ１１２）。
【０１２０】
なお、上記手順では、図２Ａに示す第１外部電極１１及び第２外部電極１２は形成されないので、素子本体１０のアノード用内部電極層２が露出している面１０Ｂとカソード用内部電極層３が露出している面１０Ａとに、それぞれ第１外部電極１１及び第２外部電極１２を形成する。これは、例えば、上述した電極用スラリーを素子本体１０の面１０Ａ、１０Ｂに塗布して、乾燥及び脱バインダー処理を施した後、所定の条件で焼成することで得られる。
【０１２１】
この場合、面１０Ａと面１０Ｂとは互いに隣接しているので、第１外部電極１１と第２外部電極１２とが互いに接続しないように注意する。このような処理によって、複数のアノード用内部電極層２を電気的に接続する第１外部電極１１と、複数のカソード用内部電極層３を電気的に接続する第２外部電極１２とが焼結によって一体化されて、第１外部電極１１と第２外部電極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、小さいデバイスでも製造しやすいので、低コストで小型のＳＯＦＣ１を作製できる。
【０１２２】
（実施形態２）
図１９は、実施形態２に係るＳＯＦＣのアノード用内部電極層とカソード用内部電極層との重なり状態を示す透視図である。図２０は、実施形態２に係るＳＯＦＣが有するカソード用内部電極層の平面図である。図２１は、実施形態２に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。
【０１２３】
本実施形態のＳＯＦＣ１ａは、実施形態１のＳＯＦＣ１（図２Ａ、図２Ｂ、図５、図６等参照）と同様である。しかしながら、複数のカソード用内部電極層３ａの形状が異なる点で相違する。本実施形態では、アノード用内部電極層２ａが素子本体１０ａの異なる２箇所の外表面間で素子本体１０ａを貫通し、カソード用内部電極層３ａが素子本体１０ａの異なる３箇所の外表面間で素子本体１０ａを貫通する点に特徴がある。
【０１２４】
すなわち、本実施形態では、アノード用内部電極層２ａが素子本体１０ａの対向する２箇所の外表面である面１０Ｂａおよび１０Ｄａで端縁（第１端および第２端）が露出し、カソード用内部電極層３ａが素子本体１０ａの隣接する３箇所の外表面である面１０Ａａ，１０Ｄａ，１０Ｃａで端縁（２つの第１端と１つの第２端）が露出している。
【０１２５】
本実施形態において、アノード用内部電極層２ａは、実施形態１のＳＯＦＣ１と同様に、素子本体１０ａの面１０Ｂａと面１０Ｄａとの間で素子本体１０ａを貫通している。このように、アノード用内部電極層２ａは、素子本体１０ａの異なる２箇所の外表面の間で素子本体１０ａを貫通している。
【０１２６】
図２０に示すように、カソード用内部電極層３ａは、平面視が凸形状であり、素子本体１０ａの面１０Ａａと面１０Ｃａと面１０Ｄａとの間とを貫通している。このように、カソード用内部電極層３ａは、素子本体１０ａの異なる３箇所の外表面の間で素子本体１０ａを貫通している。
【０１２７】
第１外部電極１１は、素子本体１０ａの面１０Ｂａに設けられ、第２外部電極１２は、素子本体１０ａの面１０Ａａに設けられる。なお、第２外部電極１２は、素子本体１０ａの面１０Ｃａに設けてもよいし、面１０Ａａおよび１０Ｃａの両方に設けてもよい。ただし、面１０Ｄａでは、アノード用内部電極層２ａの一方の端縁（たとえば第２端）が、カソード用内部電極層３ａの端縁（たとえば第２端）と重なる面となるので、第２外部電極１２を形成しない。
【０１２８】
図１９に示すように、このＳＯＦＣ１ａでは、第１外部電極１１側（面１０Ｂａ側）と面１０Ｄａ側とに非重なり部６が形成される。また、第２外部電極１２側（面１０Ａａ側）と面１０Ｃａ側とに非重なり部６が形成される。そこで、図２０においては、平面視でカソード用内部電極層３ａの第１外部電極１１側（面１０Ｂａ側）と面１０Ｄａ側とに仕切り部５を形成する。
【０１２９】
第１外部電極１１側の仕切り部５は、面１０Ａａから面１０Ｃａまで連続しているのに対し、面１０Ｄａ側の仕切り部５は、カソード用内部電極層３ａの凸状の部分で分断されている。また、実施形態１のＳＯＦＣ１と同様にアノード用内部電極層２ａの第２外部電極１２側（面１０Ａａ側）と面１０Ｃａ側とに仕切り部５が形成される。この仕切り部５は、それぞれ面１０Ｂａから面１０Ｄａまで連続している。
【０１３０】
このような構造により、ＳＯＦＣ１ａは、図２１に示すように、燃料の入出口が第１外部電極１１（面１０Ｂａ）と、面１０Ｄａとの２箇所となり、酸素の入出口が第２外部電極１２（面１０Ａａ）と、面１０Ｃａと、面１０Ｄａとの３箇所となる。ＳＯＦＣ１ａを用いて炎から電力を得ようとする場合、第１外部電極１１（面１０Ｂａ）を下方に向けて炎の内芯に当て、カソード用内部電極層３ａ側の第２外部電極１２（面１０Ａａ）と面１０Ｂａとを炎の外に配置する。
【０１３１】
このようにすると、図２１に示すように、燃料は、第１外部電極１１（面１０Ｂａ）からアノード用内部電極層２ａ内に流入し、面１０Ｄａから排出される（矢印Ｆ）。酸素は、第２外部電極１２（面１０Ａａ）及び面１０Ｃａからカソード用内部電極層３ａ内に流入し、面１０Ｄａから排出される（矢印Ａ）。
【０１３２】
このようにすることで、２箇所から酸素がカソード用内部電極層３ａに供給されるので、ＳＯＦＣ１ａには十分な酸素が供給される。また、酸素の出口となる面１０Ｄａは、上方（炎から離れる方向）になるので、対流を利用して酸素を効率的にカソード用内部電極層３ａ内に導入することができる。
【０１３３】
（実施形態３）
図２２は、実施形態３に係るＳＯＦＣのアノード用内部電極層とカソード用内部電極層との重なり状態を示す透視図である。図２３は、実施形態３に係るＳＯＦＣが有するアノード用内部電極層の平面図である。図２４は、実施形態３に係るＳＯＦＣが有するカソード用内部電極層の平面図である。図２５Ａおよび図２５Ｂは、実施形態３に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。
【０１３４】
本実施形態のＳＯＦＣ１ｂは、実施形態２のＳＯＦＣ１ａ（図１９参照）と同様である。しかしながら、複数のアノード用内部電極層２ｂと複数のカソード用内部電極層３ｂとは、いずれも素子本体１０ｂの異なる３箇所の外表面間で素子本体１０ｂを貫通する点で異なる。
【０１３５】
すなわち、本実施形態では、アノード用内部電極層２ｂが素子本体１０ｂの隣接する３つの外表面である面１０Ａｂ，１０Ｂａおよび１０Ｃａで端縁（第１端と第２端のいずれかが２つ）が露出し、カソード用内部電極層３ｂが素子本体１０ｂの隣接する３つの外表面である面１０Ａｂ，１０Ｄｂ，１０Ｃｂで端縁（第１端と第２端のいずれかが２つ）が露出している。
【０１３６】
本実施形態において、アノード用内部電極層２ｂは、図２３に示すように、平面視が凸形状であり、素子本体１０ｂの面１０Ｂｂと面１０Ａｂと面１０Ｃｂとの間で素子本体１０ｂを貫通している。このように、アノード用内部電極層２ｂは、素子本体１０ｂの異なる３箇所の間で素子本体１０ｂを貫通している。
【０１３７】
図２４に示すように、カソード用内部電極層３ｂは、平面視が凸形状であり、素子本体１０ｂの面１０Ａｂと面１０Ｃｂと面１０Ｄｂとで素子本体１０ｂを貫通している。このように、カソード用内部電極層３ｂは、素子本体１０ｂの異なる３箇所の外表面の間で素子本体１０ｂを貫通している。
【０１３８】
第１外部電極１１は、素子本体１０ｂの面１０Ｂｂに設けられ、第２外部電極１２は、素子本体１０ｂの面１０Ｄｂに設けられる。第１外部電極１１と第２外部電極１２とは、素子本体１０ｂの相互に対向する面に設けられる。このＳＯＦＣ１ｂでは、第１外部電極１１側（面１０Ｂｂ側）及び第２外部電極１２側（面１０Ｄｂ側）に非重なり部６が形成される。そこで、図２３、図２４においては、アノード用内部電極層２ｂあるいはカソード用内部電極層３ｂが存在しない部分に仕切り部５が現れている。
【０１３９】
すなわち、図２４に示すように、平面視でカソード用内部電極層３ｂの第１外部電極１１側（面１０Ｂｂ側）と第２外部電極１２側（面１０Ｄｂ側）とに仕切り部５が形成される。第１外部電極１１側の仕切り部５は、面１０Ａｂから面１０Ｂｂまで連続しているのに対し、第２外部電極１２側（面１０Ｄｂ側）の仕切り部５は、カソード用内部電極層３ｂの凸状の部分で分断されている。
【０１４０】
また、同様に図２３に示すように、アノード用内部電極層２ｂの第１外部電極１１側（面１０Ｂｂ側）と第２外部電極１２側（面１０Ｄｂ側）に仕切り部５が形成される。第２外部電極１２側（面１０Ｄｂ側）の仕切り部５は、面１０Ａｂから面１０Ｂｂまで連続しているのに対し、第１外部電極１１側（面１０Ｂｂ側）の仕切り部５は、アノード用内部電極層２ｂの凸状の部分で分断されている。
【０１４１】
このような構造により、ＳＯＦＣ１ｂでは、図２５Ａに示すように、燃料の入口が第１外部電極１１（面１０Ｂｂ）となり、出口が面１０Ａｂと面１０Ｃｂとの２箇所となる。また、酸素の入口が面１０Ａｂと面１０Ｃｂとの２箇所となり、出口が第２外部電極１２（面１０Ａｂ）となる。ＳＯＦＣ１ｂを用いて炎から電力を得ようとする場合、アノード用内部電極層２ｂ側の第１外部電極１１（面１０Ｂｂ）を下方に向けて炎の内芯に当て、カソード用内部電極層３ｂ側の面１０Ａｂ、１０Ｃｂを炎の外に配置する。
【０１４２】
このようにすると、図２５Ａに示すように、燃料は、第１外部電極１１（面１０Ｂｂ）からアノード用内部電極層２ｂ内に流入し、面１０Ａｂ及び面１０Ｃｂから排出される（矢印Ｆ）。酸素は、面１０Ａｂ、１０Ｃｂからカソード用内部電極層３ｂ内に流入し、第２外部電極１２（面１０Ａｂ）から排出される（矢印Ａ）。このようにすることで、２箇所から酸素がカソード用内部電極層３ｂに供給されるので、ＳＯＦＣ１ｂには十分な酸素が供給される。また、酸素の出口となる面１０Ｄｂは、上方になるので、対流を利用して酸素を効率的にカソード用内部電極層３ｂ内に導入することができる。
【０１４３】
また、本実施形態では、その他のガスの流れになることも考えられる。たとえば図２５Ｂに示すように、燃料の入口が第１外部電極１１（面１０Ｂｂ）となり、出口が面１０Ａｂと面１０Ｃｂとの２箇所となる。また、酸素の入口が第２外部電極１２（面１０Ａｂ）となり、出口が面１０Ｃｂと面１０Ｄｂとの２箇所となってもよい。
【０１４４】
このようにすると、図２５Ｂに示すように、燃料は、第１外部電極１１（面１０Ｂｂ）からアノード用内部電極層２ｂ内に流入し、面１０Ａｂ及び面１０Ｃｂから排出される（矢印Ｆ）。酸素は、面１０Ｄｂからカソード用内部電極層３ｂ内に流入し、第２外部電極１２（面１０Ａｂ）及び面１０Ｃｂから排出される（矢印Ａ）。このようにすることで、燃料の排出面と、酸素の排出面とを同じ面にすることができ、ガスの流れが良くなる。
【０１４５】
（実施形態４）
図２６は、実施形態４に係るＳＯＦＣのアノード用内部電極層とカソード用内部電極層との重なり状態を示す透視図である。図２７は、実施形態４に係るＳＯＦＣが有するアノード用内部電極層の平面図である。図２８は、実施形態４に係るＳＯＦＣが有するカソード用内部電極層の平面図である。図２９は、実施形態４に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。図３０は、実施形態４に係る別のＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。
【０１４６】
本実施形態のＳＯＦＣ１ｃでは、複数のアノード用内部電極層２ｃが、素子本体１０ｃの隣接する２つの外表面の間で素子本体１０ｃを貫通し、複数のカソード用内部電極層３ｃが、複数のアノード用内部電極層２ｃが引き出される面とは別の隣接する２つの外表面の間で素子本体１０ｃを貫通する。
【０１４７】
すなわち、本実施形態では、アノード用内部電極層２ｃが、素子本体１０ｃの隣接する２つの外表面である面１０Ｂｃおよび１０Ｃｃで端縁（第１端と第２端）が露出し、カソード用内部電極層３ｃが素子本体１０ｃの隣接する２つの外表面である面１０Ａｃ，１０Ｄｃで端縁（第１端と第２端）が露出している。
【０１４８】
本実施形態において、アノード用内部電極層２ｃは、図２７に示すように、平面視が略Ｌ字形状であり、素子本体１０ｃの面１０Ｂｃと面１０Ｃｃとの間で素子本体１０ｃを貫通している。このように、アノード用内部電極層２ｃは、素子本体１０ｃの異なる２つの外表面の間で素子本体１０ｃを貫通している。
【０１４９】
図２８に示すように、カソード用内部電極層３ｃは、平面視が略Ｌ字形状であり、素子本体１０ｃの面１０Ａｃと面１０Ｄｃとの間を貫通している。このように、カソード用内部電極層３ｃは、アノード用内部電極層２ｃの端縁が露出している面とは別の２つの面で素子本体１０ｃを貫通している。
【０１５０】
第１外部電極１１は、素子本体１０ｃの面１０Ｂｃに設けられ、第２外部電極１２は、素子本体１０ｃの面１０Ｄｃに設けられる。第１外部電極１１と第２外部電極１２とは、素子本体１０ｃの異なる面に設けられる。
【０１５１】
図２６に示すように、このＳＯＦＣ１ｃでは、第１外部電極１１側（面１０Ｂｃ側）と第２外部電極１２側（面１０Ｄｃ側）と面１０Ａｃ側と面１０Ｃｃ側とに非重なり部６が形成される。そこで、図２７および図２８においては、アノード用内部電極層２ｃあるいはカソード用内部電極層３ｃの両方が存在しない部分に仕切り部５が現れている。
【０１５２】
すなわち、図２８に示すように、平面視でカソード用内部電極層３ｃの面Ｂｃと面Ｃｃ側とに、略Ｌ字状に連続して仕切り部５が形成されている。これに対し、第２外部電極１２側（面１０Ｄｃ側）の仕切り部５は、カソード用内部電極層３ｃで分断されている。同様に、図２７に示すように、アノード用内部電極層２ｃの面Ａｃと面Ｄｃとの両側に、略Ｌ字状に連続して仕切り部５が形成されている。これに対し、第１外部電極１１側（面１０Ｂｃ側）の仕切り部５は、アノード用内部電極層２ｃで分断されている。
【０１５３】
このような構造により、ＳＯＦＣ１ｃは、燃料の入出口が第１外部電極１１（面１０Ｂｃ）と面１０Ｃｃとの２箇所となり、酸素の入出口が第２外部電極１２（面１０Ｄｃ）と面１０Ａｃとの２箇所となる。ＳＯＦＣ１ｃを用いて炎から電力を得ようとする場合、第１外部電極１１（面１０Ｂｃ）を下方に向けて炎の内芯に当て、カソード用内部電極層３ｃ側の面１０Ａｃを炎の外に配置する。
【０１５４】
燃料は、図２９に示すように、第１外部電極１１（面１０Ｂｃ）からアノード用内部電極層２ｃ内に流入し、面１０Ｃｃから排出される（矢印Ｆ）。酸素は、面１０Ａｃからカソード用内部電極層３ｃ内に流入し、面１０Ｄｃから排出される（矢印Ａ）。このようにすると、酸素の出口となる面１０Ｄｃは、上方になるので、対流を利用して酸素を効率的にカソード用内部電極層３ｃ内に導入することができる。
【０１５５】
また、本実施形態では、その他のガスの流れになることも考えられる。たとえば図３０に示すように、ＳＯＦＣ１ｃの第１外部電極１１が設けられている面１０Ｂｃと第２外部電極１２が設けられている面１０Ｄｃとの間に、素子本体１０ｃの外表面にガスの流れを遮断する仕切り２０，２１を設けてもよい。仕切り２０，２１は、ＳＯＦＣ１ｃとは異なる構造体で構成しても良い。このように、ＳＯＦＣ１ｃの外周部の３箇所を仕切ることで、燃料の導入通路２３と、酸素の導入通路２４とを形成することができる。
【０１５６】
すなわち、素子本体１０ｃの面１０Ｂｃから面１０Ｄｃへのガスの流れ（またはその逆の流れ）を遮断できるので、仕切り２０と仕切り２１とで囲まれる通路が燃料と酸素の両方の出口となる。この場合、燃料は、図３０に示すように、第１外部電極１１（面１０Ｂｃ）からアノード用内部電極層２ｃ内に流入し、面１０Ｃｃから排出される（矢印Ｆ）。酸素は、第２外部電極１２（面１０Ｄｃ）からカソード用内部電極層３ｃ内に流入し、面１０Ａｃから排出される（矢印Ａ）。
【０１５７】
このように、ＳＯＦＣ１ｃは、比較的簡単な構造で燃料の導入通路２３と、酸素の導入通路２４とを設けることができるので、例えば、複数のＳＯＦＣ１ｃを組み合わせ、燃料電池モジュールとして用いる場合には好適である。
【０１５８】
（実施形態５）
図３１Ａは、実施形態５に係るＳＯＦＣの内部構造を示す断面図である。図３１Ｂは、実施形態５に係るＳＯＦＣの内部構造を示す一部断面斜視図である。図３２は、実施形態５に係るＳＯＦＣが有するアノード用内部電極層の平面図である。図３３は、実施形態５に係るＳＯＦＣが有するカソード用内部電極層の平面図である。図３４は、実施形態５に係るＳＯＦＣの平面図である。図３５は、実施形態５に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。図３６は、実施形態５に係るＳＯＦＣを用いて炎から電力を得る状態を示す模式図である。
【０１５９】
実施形態５のＳＯＦＣ１ｄでは、複数のアノード用内部電極層２ｄのうち素子本体１０ｄの積層方向の外表面（面１０Ｅｄ）に最も近いアノード用内部電極層２ｄは、アノード用内部電極層２ｄの平面に設けられて一端部が素子本体１０ｄの積層方向の外表面（面１０Ｅｄ）に引き出されるアノード用貫通体（柱状電極）２Ｃを有する。この一端部が他の実施形態と同様に端縁として機能する。また、複数のカソード用内部電極層３ｄのうち素子本体１０ｄの積層方向の外表面（面１０Ｆｄ）に最も近いカソード用内部電極層３ｄは、カソード用内部電極層３ｄの平面に設けられて一端部が素子本体１０ｄの積層方向の外表面（面１０Ｆｄ）に引き出されるカソード用貫通体（柱状電極）３Ｃを有する。この一端部が他の実施形態と同様に端縁として機能する。
【０１６０】
図３１Ａに示すように、アノード用内部電極層２ｄとカソード用内部電極層３ｄとは、両者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。アノード用内部電極層２ｄとカソード用内部電極層３ｄとの間には、固体電解質層４が配置される。
【０１６１】
複数のアノード用内部電極層２ｄの一端（たとえばガスの入口または出口となる第１端）は、素子本体１０ｄの面１０Ｃｄに露出しており、面１０Ｃｄに設けられる第１外部電極１１に電気的に接続されている。また、複数のカソード用内部電極層３ｄの一端（たとえばガスの入口または出口となる第１端）は、素子本体１０ｄの面１０Ａｄに露出しており、面１０Ａｄに設けられる第２外部電極１２によって電気的に接続されている。そして、第１外部電極１１とカソード用内部電極層３ｄとの間及び第２外部電極１２とアノード用内部電極層２ｄとの間に、仕切り部５が設けられる。
【０１６２】
このような構造により、アノード用内部電極層２ｄの他端は第２外部電極１２と絶縁され、カソード用内部電極層３ｄの他端は第１外部電極１１と絶縁される。図３２および図３３に示すように、平面視においては、長方形形状のアノード用内部電極層２ｄ及びカソード用内部電極層３ｄの３辺を、仕切り部５が取り囲むようになっている。
【０１６３】
素子本体１０ｄの表面に最も近いアノード用内部電極層２ｄ及びカソード用内部電極層３ｄの表面には、最外層となる固体電解質層４が積層される。素子本体１０ｄの積層方向の外表面（面１０Ｅｄ）に最も近いアノード用内部電極層２ｄは、同一平面上に広がる主電極層と、素子本体１０ｄの積層方向の最外層となる固体電解質層４を貫通する柱状電極２Ｃとを有し、柱状電極２Ｃが素子本体１０ｄの外表面に露出する頂端が、たとえばガスの入口または出口となる第２端を構成してある。図３４は、面１０Ｅｄに露出したアノード用柱状電極２Ｃの頂端（第２端）を示している。この例では、６個のアノード用柱状電極２Ｃが面１０Ｅｄに現れている。
【０１６４】
また、素子本体１０ｄの積層方向の外表面（面１０Ｆｄ）に最も近いカソード用内部電極層３ｄは、同一平面上に広がる主電極層と、素子本体１０ｄの積層方向の最外層となる固体電解質層４を貫通する柱状電極３Ｃとを有し、柱状電極３Ｃが素子本体１０ｄの外表面に露出する頂端が、たとえばガスの入口または出口となる第２端を構成してある。
【０１６５】
アノード用内部電極層２ｄにおける主電極層とアノード用柱状電極２Ｃとは、両者の間で少なくとも気体が通過するように接続されている。同様に、カソード用内部電極層３ｄにおける主電極層とカソード用柱状電極３Ｃとは、両者の間で少なくとも気体が通過するように接続されている。
【０１６６】
図３５に示すように、第１外部電極１１からは供給された燃料は、図３１Ａに示す素子本体１０ｄの積層方向の外表面（面１０Ｅｄ）に最も近いアノード用内部電極層２ｄ及びアノード用柱状電極２Ｃを通って、面１０Ｅｄから排出される（矢印Ｆ）。また、第２外部電極１２から供給された酸素は、図３１Ａに示す素子本体１０ｄの積層方向の外表面（面１０Ｆｄ）に最も近いカソード用内部電極層３ｄ及びカソード用柱状電極３Ｃを通って、面１０Ｅｄから排出される（矢印Ａ）。なお、これ以外の（アノード用柱状電極２Ｃ又はカソード用柱状電極３Ｃが形成されていない）アノード用内部電極層２ｄ又はカソード用内部電極層３ｄにおけるガス交換は、拡散のみによって行われる。
【０１６７】
ＳＯＦＣ１ｄを用いて炎から電力を得ようとする場合、図３６に示すように、図３１Ａに示すアノード用内部電極層２ｄ側の第１外部電極１１を炎の内芯に当て、図３１Ａに示すカソード用内部電極層３ｄ側の第２外部電極１２を炎の外に配置する。この場合、カソード用柱状電極３Ｃが上方を向くようにする。このようにすると、酸素の出口となるカソード用柱状電極３Ｃの端部は上方になるので、この端部が他の実施形態と同様に端縁として機能することとなり、対流を利用して酸素を効率的にカソード用内部電極層３ｄ内から排出することができる。図示していないが、燃料の出口となるアノード用柱状電極２Ｃの端部は下方になる。これによって、燃料をアノード用内部電極層２ｄ内から排出することができる。
【０１６８】
（評価例）
上述した実施形態１〜実施形態５に係るＳＯＦＣ１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを製作し、発電性能を評価した。比較例として、アノード用内部電極層とカソード用内部電極層との各々の一方の端縁がＳＯＦＣの素子本体を貫通しない（露出していない）ものを作製し、発電性能を評価した。実施形態１〜実施形態５及び比較例のサンプルは、厚みが２５μｍの固体電解質を介在させながら、両内部電極層（アノード用内部電極層及びカソード用内部電極層）の厚みが４０μｍのものを交互に積層して作製した。両内部電極層は交互に２層ずつ４層と、それらの間に固体電解質層が３層となるようにした。両内部電極層の重なり合う面積、すなわち、電極有効面積は１層あたり６．７ｍｍ２  となるようにした。
【０１６９】
図３７は、比較例に係るＳＯＦＣの断面図である。比較例に係るＳＯＦＣ２００は、複数のアノード用内部電極層２０２と複数のカソード用内部電極層２０３とが固体電解質２０４を介して積層されている。複数のアノード用内部電極層２０２の一端は、素子本体２１０の外表面に露出して端縁となり、第１外部電極２１１に電気的に接続され、複数のカソード用内部電極層２０３の一端は、素子本体２１０の別の外表面に露出して端縁となり、第２外部電極２１２に電気的に接続される。
【０１７０】
複数のアノード用内部電極層２０２の他端は、それぞれ第２外部電極２１２と向き合って絶縁され、複数のカソード用内部電極層２０３の他端は、それぞれ第１外部電極２１１と向き合って絶縁されている。すなわち、複数のアノード用内部電極層２０２及び複数のカソード用内部電極層２０３の他端は固体電解質層４内に埋め込まれるため、これらの両内部電極層２０２および２０３は、ＳＯＦＣ２００の素子本体２１０を貫通しない。あるいは、これらの両内部電極層２０２および２０３は、それぞれ一端のみが素子本体２１０の外表面に露出していると言うこともできる。
【０１７１】
図３８は、評価方法の説明図である。外径３ｍｍ、内径２ｍｍの銅パイプ３１を燃料噴射口とし、燃料としてブタンガスを毎分４ｍＬ流して得られる拡散炎の炎ＦＬに評価対象のＳＯＦＣ１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、２００を配置した。このとき、評価対象のＳＯＦＣ１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、２００は、これらのアノード用内部電極層と接続される第１外部電極１１あるいは２１１が炎ＦＬの内芯部に当たるように、かつこれらのカソード用内部電極層と接続される第２外部電極１２あるいは２１２が炎の外部になるように保持させた。
【０１７２】
そして、それぞれのＳＯＦＣ１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、２００から最も高い電力が得られるようにこれらの位置を調整した。この状態で、ＳＯＦＣ１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、２００からの電流Ｉと端子電圧Ｖとを計測器（電力計）３０で計測し、それぞれが発生した最大の電力（最大出力）を求めた。最大出力が大きいほど、ＳＯＦＣの単位体積あたりの発電効率は高くなる。結果を表１に示す。
【表１】
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【０１７３】
評価例１は実施形態１のＳＯＦＣ１に対応し、評価例２は実施形態２のＳＯＦＣ１ａに対応し、評価例３は実施形態３のＳＯＦＣ１ｂに対応し、評価例４は実施形態４のＳＯＦＣ１ｃに対応し、評価例５は実施形態５のＳＯＦＣｄに対応する。比較例は、上述したＳＯＦＣ２００に対応する。この評価結果から分かるように、アノード用内部電極層及びカソード用内部電極層をＳＯＦＣの素子本体の内部で貫通させるように配置させることで、貫通させない場合（比較例）に対して最大出力が増加することが確認できた。
【０１７４】
最大出力を増減させる以下のような要因が考えられる。燃料ガス流れのドライビングフォースとして、火炎自体の上昇気流があげられ、アノードへの燃料ガスの流入の要因となる。また、空気流れのドライビングフォースとして、Ｏ２−イオン移動によるカソード内の負圧発生があげられ、周辺空気の引き込みの要因となる。あるいは、窒素富化空気のガス拡散が上げられ、新鮮な空気とのガス交換の要因となる。また、火炎の燃焼があげられ、周辺空気の対流（上昇気流）や周辺空気の引き込みの要因となる。さらに、ガス比重の違い（Ｏ２  ＝３２：Ｎ２  ＝２８）があげられ、低比重ガスの上昇（排出）の要因となる。そのほか、燃料と空気の分離として、出入口を近接させない等があげられる。
【０１７５】
このような因子の組合せによって結果が得られた。評価例２、すなわち実施形態２（図１９〜図２１）のＳＯＦＣ１ａは、最大出力が最も大きい。これは、ＳＯＦＣ１ａは、カソード用内部電極層３ａの２箇所の端縁から酸素が供給されるので、酸素の入口が大きいからであると考えられる。また、酸素の出口となる面（端縁）が上方（炎から離れる方向）になるので、対流を利用して酸素を効率的にカソード用内部電極層３ａ内に導入できると考えられる。
【０１７６】
評価例１、すなわち実施形態１のＳＯＦＣ１は、評価例２に次いで最大電力が大きい。これは、ＳＯＦＣ１は、ＳＯＦＣ１ａに次いで燃料及び酸素の出入口が大きいからであると考えられる。ただし、酸素の出口となる面（端縁）が上方（炎から離れる方向）に無く、対流を利用して酸素を導入しづらいと考えられる。
【０１７７】
評価例４、すなわち実施形態４のＳＯＦＣ１ｃは、最大出力が３番目である。これは、ＳＯＦＣ１ｃは、燃料及び酸素の通路が略Ｌ字形状であるため、曲がりによって燃料及び酸素の通過が抑制される傾向にあると考えられる。その結果、ＳＯＦＣ１ｃは、ガス交換の促進が他の実施形態と比較して抑制される傾向にあるためであると考えられる。
【０１７８】
評価例５、すなわち実施形態５のＳＯＦＣ１ｄは、４番目である。これは、ＳＯＦＣ１ｄは、素子本体１０ｄを貫通しないアノード用内部電極層２ｄ及びカソード用内部電極層３ｄを有しているため、燃料及び酸素の通過の促進が抑制される傾向は、ＳＯＦＣ１ｃよりもさらに低くなるからであると考えられる。
【０１７９】
しかし、ＳＯＦＣ１ｄは、比較例に対しては高い最大出力である。これは、ＳＯＦＣ１ｄは、素子本体１０ｄを貫通する柱状電極を備えるアノード用内部電極層２ｄ及びカソード用内部電極層３ｄを有しているからであると考えられる。
【０１８０】
評価例３、すなわち実施形態３のＳＯＦＣ１ｂは、実施形態の中で最大出力が最も小さい。これは、燃料及び酸素の出入口が複数個所に設けられ開口面積が大きいながら、燃料の排出口と酸素の取り入れ口が同じ外表面に形成されており、燃料と空気の分離が十分に出来ないと考えられる。あるいは、酸素の取り入れ口が上方に配置されているため酸素の導入が難しいと考えられる。それでも、ＳＯＦＣ１ｂは、比較例に対しては高い最大出力である。これは、ＳＯＦＣ１ｂは、素子本体１０ｂを貫通するアノード用内部電極層２ｂ及びカソード用内部電極層３ｂを有しており、出入口が備わっているからであると考えられる。
【０１８１】
これらの評価結果から、ＳＯＦＣは、アノード用内部電極層とカソード用内部電極層とのいずれか一方が素子本体を貫通していれば、アノード用内部電極層及びカソード用内部電極層が素子本体を貫通していない場合と比較して、最大出力は大きくなると推定できる。
【０１８２】
（実施形態６）
図３９は、本発明の実施形態６に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。図３９に示す実施形態６に係るＳＯＦＣ１ｅは、以下に示す以外は、前述した実施形態１〜５のＳＯＦＣと同様である。この実施形態に係るＳＯＦＣ１ｅの素子本体１０ｅでは、アノード用内部電極層２ｅが素子本体１０ｅの同一の外表面である面１０Ｂｅに第１端２ｅ１と第２端２ｅ２とで露出している。また、カソード用内部電極層３ｅが素子本体１０ｅの同一の外表面である面１０Ｄｅに第１端３ｅ１と第２端３ｅ２とで露出している。
【０１８３】
アノード用内部電極層２ｅの第１端２ｅ１は、面１０Ｂｅの一部に形成してある第１外部電極１１の少なくとも一部で覆われ、それに接続してある。アノード用内部電極層２ｅの第２端２ｅ２は、第１外部電極１１で覆われておらず、面１０Ｂｅに露出している。カソード用内部電極層３ｅの第２端３ｅ２は、面１０Ｄｅの一部に形成してある第２外部電極１２の少なくとも一部で覆われ、それに接続してある。カソード用内部電極層３ｅの第１端３ｅ１では、第２外部電極１２で覆われておらず、面１０Ｄｅに露出している。面１０Ｂｅと面１０Ｄｅは対向しており、面１０Ａｅと面１０Ｃｅとも対向している。
【０１８４】
効率を高めるために、アノード用内部電極層２ｅとカソード用内部電極層３ｅとは、実際には、互いにそれぞれの一部が積層方向から見て重なる面積が大きくなるように決定される。しかしながら、図３９（ほかの図も同様）では、図示の容易化のために、必ずしもそうはなっていない。
【０１８５】
本実施形態では、図３９に示すように、第１外部電極１１が炎の内芯部に当たるように、かつ第２外部電極１２が炎の外部になるようにＳＯＦＣ１ｅを保持する。燃料は、第１外部電極１１（面１０Ｂｅ）からアノード用内部電極層２ｅ内に流入し、同じ面１０Ｂｅから排出される（矢印Ｆ）。酸素は、第２外部電極１２（面１０Ｄｅ）からカソード用内部電極層３ｅ内に流入し、同じ面１０Ｄｅから排出される（矢印Ａ）。すなわち本実施形態では、燃料および酸素は、積層方向から見て相互に異なるＵ字形状の流れがそれぞれ形成され、電極層２ｅおよび３ｅの重複部においてガス交換がなされる。各電極層２ｅおよび３ｅは、素子本体１０ｅの内部においてＵ字形状に貫通していると言うこともできる。
【０１８６】
本実施形態では、第１端２ｅ１と第２端２ｅ２とは、素子本体１０ｅの同一の外表面である面１０Ｂｅで離れた位置に形成してある。これらの第１端２ｅ１と第２端２ｅ２とは、素子本体１０ｅの同一の外表面である面１０Ｂｅで連続して形成しても良い。第１端２ｅ１と第２端２ｅ２とを、素子本体１０ｅの同一の外表面である面１０Ｂｅで連続して形成する場合には、第１電極１１で覆われ部分が第１端となり、覆われない部分が、第２端となる。
【０１８７】
（実施形態７）
図４０は、本発明の実施形態７に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。図４０に示す実施形態７に係るＳＯＦＣ１ｆは、以下に示す以外は、前述した実施形態１〜６のＳＯＦＣと同様である。この実施形態に係るＳＯＦＣ１ｆの素子本体１０ｆでは、アノード用内部電極層２ｆが素子本体１０ｆの対向する２つの外表面である面１０Ｂｆおよび１０Ｄｆに、それぞれ第１端２ｆ１と第２端２ｆ２とで露出している。また、カソード用内部電極層３ｆが素子本体１０ｆの対向する２つの外表面である面１０Ａｆおよび１０Ｃｆに、それぞれ第１端３ｆ１と第２端３ｆ２とで露出している。
【０１８８】
アノード用内部電極層２ｆの第１端２ｆ１は、面１０Ｂｆの一部に形成してある第１外部電極１１の少なくとも一部で覆われ、それに接続してある。アノード用内部電極層２ｆの第２端２ｆ２は、電極で覆われておらず、面１０Ｄｆに露出している。カソード用内部電極層３ｆの第１端３ｆ１は、面１０Ａｆの一部に形成してある第２外部電極１２の少なくとも一部で覆われ、それに接続してある。カソード用内部電極層３ｆの第２端３ｆ２では、電極で覆われておらず、面１０Ｃｆに露出している。面１０Ｂｆと面１０Ｄｆは対向しており、面１０Ａｆと面１０Ｃｆとも対向している。
【０１８９】
本実施形態では、図４０に示すように、積層方向から見て、アノード用内部電極層２ｆとカソード用内部電極層３ｆとは斜めに交差している。
【０１９０】
第１外部電極１１が炎の内芯部に当たるように、かつ第２外部電極１２が炎の外部になるようにＳＯＦＣ１ｆを保持する。燃料は、第１外部電極１１（面１０Ｂｆ）からアノード用内部電極層２ｆ内に流入し、対向する面１０Ｄｆから排出される（矢印Ｆ）。酸素は、第２外部電極１２（面１０Ａｆ）からカソード用内部電極層３ｆ内に流入し、対向する面１０Ｃｆから排出される（矢印Ａ）。
【０１９１】
すなわち本実施形態では、燃料および酸素は、積層方向から見て相互に斜めに交差する流れがそれぞれ形成され、アノード用内部電極層２ｆおよびカソード用内部電極層３ｆの重複部においてガス交換がなされる。各内部電極層２ｆおよび３ｆは、素子本体１０ｆの内部において相互に斜めに交差する方向に貫通していると言うこともできる。
【０１９２】
（実施形態８）
図４１は、本発明の実施形態８に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。図４２は、本実施形態８の変形例に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。図４３は、本実施形態８の別の変形例に係るＳＯＦＣにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。図４１に示す実施形態８に係るＳＯＦＣ１ｇは、以下に示す以外は、前述した実施形態１〜７のＳＯＦＣと同様である。この実施形態に係るＳＯＦＣ１ｇの素子本体１０ｇでは、アノード用内部電極層２ｇが素子本体１０ｇの隣接する３つの外表面である面１０Ｂｇ、１０Ａｇおよび１０Ｄｇに、それぞれ単一の第１端２ｇ１と２つの第２端２ｇ２とで露出している。アノード用内部電極層２ｇは、面１０Ｃｇには露出しないようになっている。また、カソード用内部電極層３ｇは素子本体１０ｇの隣接する３つの外表面である面１０Ｃｇ、１０Ｄｇおよび１０Ａｇに、それぞれ単一の第１端３ｇ１と２つの第２端３ｇ２とで露出している。カソード用内部電極層３ｇは、面１０Ｂｇには露出しないようになっている。
【０１９３】
アノード用内部電極層２ｇの第１端２ｇ１は、面１０Ｂｇの少なくとも一部に形成してある第１外部電極１１の少なくとも一部で覆われ、それに接続してある。アノード用内部電極層２ｇの２つの第２端２ｇ２は、電極で覆われておらず、面１０Ａｇおよび１０Ｄｇに連続的に露出している。カソード用内部電極層３ｇの第１端３ｇ１は、面１０Ｃｇの一部に形成してある第２外部電極１２の少なくとも一部で覆われ、それに接続してある。カソード用内部電極層３ｇの２つの第２端３ｇ２では、電極で覆われておらず、面１０Ｄｇおよび１０Ｃｇに連続的に露出している。面１０Ｂｇと面１０Ｄｇは対向しており、面１０Ａｇと面１０Ｃｇとも対向している。
【０１９４】
本実施形態では、図４１に示すように、積層方向から見て、アノード用内部電極層２ｇとカソード用内部電極層３ｇとは、隣接する２つの面１０Ａｇおよび１０Ｄｇに露出する第２端２ｇ２および３ｇ２を有するように相互に重複している。
【０１９５】
第１外部電極１１が炎の内芯部に当たるように、かつ第２外部電極１２が炎の外部になるようにＳＯＦＣ１ｇを保持する。燃料は、第１外部電極１１（面１０Ｂｇ）からアノード用内部電極層２ｇ内に流入し、面１０Ｂｇと隣接する面１０Ａｇおよび対向する面１０Ｄｆから排出される（矢印Ｆ）。酸素は、第２外部電極１２（面１０Ａｇ）からカソード用内部電極層３ｇ内に流入し、面１０Ｃｇと隣接する面１０Ｄｇおよび対向する面１０Ａｆから排出される（矢印Ａ）。
【０１９６】
すなわち本実施形態では、燃料および酸素は、積層方向から見て相互に隣接する面１０Ｂｇおよび１０Ｃｇから入り込み、それらの外表面とは異なる隣接する２つの面１０Ａｇおよび１０Ｄｇの２箇所から排出される流れがそれぞれ形成され、各電極層２ｇおよび３ｇの重複部においてガス交換がなされる。各電極層２ｇおよび３ｇは、素子本体１０ｇの内部において相互に直交する２つの方向に排出される方向に貫通していると言うこともできる。
【０１９７】
上述の実施形態では、アノード用内部電極層２ｇおよびカソード用内部電極層３ｇがそれぞれ、３つの外表面に露出している。
【０１９８】
本実施形態の変形例として別の内部電極層との組合せが考えられる。実施形態２のアノード用内部電極層２ａと同様に、図４２に示すように、アノード用内部電極層２ｈは２つの外表面である面１０Ｂｈおよび１０Ｄｈに露出させてもよい。この場合、アノード用内部電極層２ｈは、面１０Ａｈおよび１０Ｃｈには露出しない。
【０１９９】
こうすることによって、実施形態２と同様に、燃料は、第１外部電極１１（面１０Ｂｈ）からアノード用内部電極層２ｈ内に流入し、面１０Ｄｈから排出される。酸素は、第２外部電極１２（面１０Ｃｈ）及び面１０Ａｈからカソード用内部電極層３ｈ内に流入し、面１０Ｄｈから排出される。したがって、２箇所から酸素がカソード用内部電極層３ｈに供給されるので、ＳＯＦＣ１ｈには十分な酸素が供給される。また、酸素の出口となる面１０Ｄｈは、上方（炎から離れる方向）になるので、対流を利用して酸素を効率的にカソード用内部電極層３ｈ内に導入することができる。
【０２００】
本実施形態の別の変形例としてさらに別の内部電極層との組合せが考えられる。図４３に示すように、アノード用内部電極層２ｉは２つの外表面である面１０Ａｉおよび１０Ｂｉに露出してもよい。この場合、アノード用内部電極層２ｉは、面１０Ｃｉおよび１０Ｄｉには露出しない。一方、カソード用内部電極層３ｉは２つの外表面である面１０Ｃｉおよび１０Ｄｉに露出してもよい。この場合、カソード用内部電極層３ｉは、面１０Ａｉおよび１０Ｂｉには露出しない。
【０２０１】
こうすることによって、燃料は、第１外部電極１１（面１０Ｂｉ）からアノード用内部電極層２ｉ内に流入し、面１０Ａｉから排出される。酸素は、第２外部電極１２（面１０Ｃｉ）からカソード用内部電極層３ｉ内に流入し、面１０Ｄｉから排出される。したがって、酸素の入口を燃料の入口並びに出口と分離できるので、ＳＯＦＣ１ｉには十分な酸素が供給できる。また、酸素の出口となる面１０Ｄｉは、上方（炎から離れる方向）になるので、対流を利用して酸素を効率的にカソード用内部電極層３ｉ内に導入することができる。
【０２０２】
本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲内で種々に改変することができる。たとえば上述した実施形態では、素子本体１０〜１０ｉの内部において、Ｘ−Ｙ平面に広がる電極層２〜２ｉおよび３〜３ｉが単一である。相互に絶縁されている２以上の電極層２〜２ｉおよび３〜３ｉとしても良い。また、素子本体１０〜１０ｉの形状は、直方体、円柱に限らず、角柱、楕円柱、その他の多角体であっても良く、素子本体１０〜１０ｉの内部に固体電解質層４を介して積層される各電極層２〜２ｉおよび３〜３ｉの形状や寸法などは、素子本体１０〜１０ｉの形状に合わせて種々に変形することが可能である。
【０２０３】
上述した実施形態においては、各電極層２〜２ｉおよび３〜３ｉの第１端の側から燃料または酸素が入り込み、第２端の側から排出されるように構成してある。その逆の構成であっても良い。また、外部電極１１、１２は、第１端の側に形成するように構成してあるが、第２端の側に形成しても良く、第１端および第２端の双方に形成しても良い。
【産業上の利用可能性】
【０２０４】
以上のように、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物形燃料電池を小型化するとともに、単位体積あたりの発電効率を向上させることに有用である。
【符号の説明】
【０２０５】
１、１ａ〜１ｉ、２００  ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）
２、２ａ〜２ｉ、２０２  アノード用内部電極層
２Ｃ  アノード用貫通体（柱状電極）
２ＴＢ、２ＴＤ  アノード用内部電極層の第１端または第２端
３、３ａ〜３ｉ、２０３  カソード用内部電極層
３Ｃ  カソード用貫通体（柱状電極）
３ＴＡ、３ＴＣ  カソード用内部電極層の第１端または第２端
４  固体電解質層
５  仕切り部
６  非重なり部
１０、１０ａ〜１０ｉ、２１０  素子本体
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ａａ、１０Ｂａ、１０Ｃａ、１０Ｄａ、１０Ａｂ、１０Ｂｂ、１０Ｃｂ、１０Ｄｂ、１０Ａｃ、１０Ｂｃ、１０Ｃｃ、１０Ｄｃ、１０Ａｄ、１０Ｂｄ、１０Ｃｄ、１０Ｄｄ、１０Ｅｄ、１０Ｆｄ、１０Ａｅ，１０Ｂｅ、１０Ｃｅ、１０Ｄｅ、１０Ａｆ、１０Ｂｆ、１０Ｃｆ、１０Ｄｆ、１０Ａｇ、１０Ｂｇ、１０Ｃｇ、１０Ｄｇ、１０Ａｈ、１０Ｂｈ、１０Ｃｈ、１０Ｄｈ、１０Ａｉ、１０Ｂｉ、１０Ｃｉ、１０Ｄｉ  面
１１、２１１  第１外部電極
１２、２１２  第２外部電極
２０、２１  仕切り
２３、２４  導入通路
３０  計測器
３１  銅パイプ
１００  積層体
１０１Ａ、１０１Ｃ  単位シート
１０２  アノード用内部電極層
１０３  カソード用内部電極層
１０４  固体電解質グリーンシート
１０５  余白層
Ａｎ  アノード
Ｃａ  カソード
Ａ  酸素（空気）の流れ
Ｆ  燃料の流れ
ＦＣ  燃料電池
Ｅ  電解質
Ｎ  ガスバーナー
ＦＬ  炎
Ｋ  積層方向
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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