(57)【要約】【課題】燃料電池や充電可能な二次電池あるいは水電解装置等における、酸化物イオン、電子、ガス等の物質輸送と電極内のイオン伝導体、金属、空隙間の界面反応を最適化して効率を高めることが可能な電気化学反応装置および電気化学反応装置の製造方法を提供する。【解決手段】固体酸化物形燃料電池(SOFC)８は、燃料極１、空気極２、電解質３の三層を有し、燃料極１は、電解質層部YSZ３の層面からイオン輸送方向に延びる柱状に形成されたYSZ柱部７Ａ、７Ｂと、Ni粒子６Ａを、YSZ柱部７Ａの側面の少なくとも一部に接触させるとともにイオン輸送方向に連続させて２列配置させたNi粒子配置部と、YSZおよびNi粒子が配置されていない空隙１８Ａと、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１物質を輸送する第１輸送媒体を少なくとも備える第１電極部と、前記第１輸送媒体と異なる媒体である第２輸送媒体を少なくとも備える第２電極部と、前記第１電極部と前記第２電極部との間に設けられ、前記第１物質と異なる中間物質を輸送する中間輸送媒体を少なくとも備える中間輸送媒体部とを有する電気化学反応装置において、
前記第１電極部には、
前記中間輸送媒体により構成され、前記中間輸送媒体部に接続され物質輸送方向に沿って柱状に形成された複数の中間輸送媒体柱部と、
前記第１輸送媒体を、前記中間輸送媒体柱部間に形成された空間に、前記中間輸送媒体柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向に連続させて配置された第１輸送媒体配置部と、
前記中間輸送媒体および前記第１輸送媒体により空隙として形成される第１空隙部と、
を備えることを特徴とする電気化学反応装置。
【請求項２】
前記中間輸送媒体柱部は、前記中間輸送媒体の代わりに、前記中間輸送媒体以外の他の輸送媒体により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電気化学反応装置。
【請求項３】
前記第１輸送媒体配置部は、前記第１輸送媒体により構成され、前記中間輸送媒体部に接続され物質輸送方向に沿って柱状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電気化学反応装置。
【請求項４】
前記複数の中間輸送媒体柱部の各々は、当該中間輸送媒体柱部の先端部に向かって先細りに構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電気化学反応装置。
【請求項５】
前記第１輸送媒体配置部は、前記中間輸送媒体柱部の先端部に前記第１輸送媒体がさらに配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電気化学反応装置。
【請求項６】
前記第２電極部には、
前記中間輸送媒体により構成され、前記中間輸送媒体部に接続され物質輸送方向に沿って柱状に形成された複数の第２中間輸送媒体柱部と、
前記第２輸送媒体を、前記第２中間輸送媒体柱部間に形成された空間に、前記第２中間輸送媒体柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向に連続させて配置された第２輸送媒体配置部と、
前記中間輸送媒体および前記第２輸送媒体により空隙として形成される第２空隙部と、
を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電気化学反応装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電気化学反応装置は、燃料電池、水電解装置、水素製造装置、二次電池、ガスセンサのうちいずれかであることを特徴とする電気化学反応装置。
【請求項８】
第１物質を輸送する第１輸送媒体を少なくとも備える第１電極部と、前記第１輸送媒体と異なる媒体である第２輸送媒体を少なくとも備える第２電極部と、前記第１電極部と前記第２電極部との間に設けられ、前記第１物質と異なる中間物質を輸送する中間輸送媒体を少なくとも備える中間輸送媒体部とを有する電気化学反応装置の製造方法において、
前記中間輸送媒体部を形成し、当該中間輸送媒体部の層面に、前記第１輸送媒体と異なる中間輸送媒体により複数の柱状の中間輸送媒体柱部を形成する第１工程と、
前記第１輸送媒体を、柱状に形成された前記中間輸送媒体柱部の少なくとも一部に接触させ、物質輸送方向に連続させて配置させる第２工程と、
柱状に形成された前記中間輸送媒体柱部および前記第１輸送媒体が配置された領域に前記第１電極部を構成させる第３工程と、
を備えることを特徴とする電気化学反応装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学反応を伴って物質が輸送・反応する装置に関し、特に、燃料電池や充電可能な二次電池あるいは水電解装置等における、酸化物イオン、電子、ガス等の物質輸送と、電極と電解質や空隙との界面反応を最適化して効率を高めることが可能な電気化学反応装置および電気化学反応装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と空気中の酸素から電力を取り出す燃料電池の開発が盛んに行われている。燃料電池は、発電時の排出物が水のみである為、環境に優れた発電方式であるだけでなく、水素や炭化水素の燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するためエネルギーの効率が高く、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として特に熱機関として期待されている。その中でも、固体酸化物形燃料電池SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)は最も発電効率が高いことが知られている（例えば、特許文献１参照）。SOFCは、電解質として固体酸化物のイオン伝導性セラミックスを用いて、空気極で生成した酸化物イオンが電解質を透過し、燃料極で水素、一酸化炭素、炭化水素、アルコールなどと反応することにより電気エネルギーを発生させるものである。
【０００３】
また、例えば、固体高分子形燃料電池PEFC（Polymer Electrolyte(Membrane) Fuel Cell）は、イオン交換膜を挟んで、正極に酸化剤を、負極に還元剤（燃料、専ら水素）を供給することにより発電する燃料電池として知られている。（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
一方、燃料電池とは逆の反応を起こすような電気化学反応装置としては、水を電気分解することで、水素や酸素を得るような水電解装置が知られており、例えば、高温水蒸気電解、アルカリ水電解、固体高分子形水電解などが知られている。また、還元ガスや酸化ガスの化学反応現象を用いた、酸素、酸化窒素（NOX）などの分圧を測定可能なガスセンサがある。
また、充電可能な二次電池として利用されているリチウムイオン電池やリチウムやマグネシウムなどの金属を燃料極に用いる空気電池においては、金属が酸化還元するイオン化傾向を利用して酸化還元電位を発生させ、酸化還元作用のある液体の電解質により電極同士を接続させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−５４６１６１号公報（第８頁、図２）
【特許文献２】特開２００９−９９４９１号公報（第８頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの電気分解を利用する電気化学反応装置では、電解質を介して各電極が接続されており、各電極内は、電極を構成する各物質の微粒子により構成され、例えば、酸化物イオン、電子、ガスがそれぞれ輸送されるとともに、界面において電気化学反応が生じる。このような電気化学反応装置においては、電気化学反応を起こす際に、それにより生じた物質の輸送や伝導が阻害されることで、界面反応と物質輸送を最適化することができず、効率が低下してしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、燃料電池や充電可能な二次電池あるいは水電解装置等における、酸化物イオン、水素イオン、金属イオン、電子、ガス等の物質輸送と電極と電解質や空隙との界面反応を最適化して効率を高めることが可能な電気化学反応装置及び電気化学反応装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明の電気化学反応装置は、
第１物質を輸送する第１輸送媒体を少なくとも備える第１電極部と、前記第１輸送媒体と異なる媒体である第２輸送媒体を少なくとも備える第２電極部と、前記第１電極部と前記第２電極部との間に設けられ、前記第１物質と異なる中間物質を輸送する中間輸送媒体を少なくとも備える中間輸送媒体部とを有する電気化学反応装置において、
前記第１電極部には、
前記中間輸送媒体により構成され、前記中間輸送媒体部に接続され物質輸送方向に沿って柱状に形成された複数の中間輸送媒体柱部と、
前記第１輸送媒体を、前記中間輸送媒体柱部間に形成された空間に、前記中間輸送媒体柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向に連続させて配置された第１輸送媒体配置部と、
前記中間輸送媒体および前記第１輸送媒体により空隙として形成される第１空隙部と、
を備える 
ことを特徴としている。
この特徴によれば、中間輸送媒体柱部は、電解質などの中間輸送媒体により構成され、中間輸送媒体部に接続され物質輸送方向に沿って柱状に形成され、これらが複数形成されることで、物質輸送方向に林立された中間輸送媒体柱部とすることができる。柱状としては、例えば、四角柱、多角柱、円柱、また、四角錐、多角錐、円錐、四角錐台、多角錐台、円錐台などの形状とすることができ、また、尾根状も含まれる。また、これらの柱または錘の側面は必ずしも直線の回転体である必要はなく、上に凸、または下に凸、またはこれらの組み合わせでも構わない。尾根状の形状としては、層面に対して垂直に立った構造で、非対称形状のものを指す。また、柱状や尾根状の形状としては、長手方向に、断面形状が一定である必要はない。中間輸送媒体柱部により、中間輸送媒体が途中で途切れることなく物質輸送方向に連続するため、屈曲度を理想的な１に近づけることができる。ここで、物質とは、導電イオン、電子、ガス、水などがあり、これらの物質を伝導させる媒体を輸送媒体という。輸送媒体は、さまざまな材質（material）で構成でき、相（phase）とし形成してもよい。この場合、第１物質は、例えば、電子とした場合、第１輸送媒体は、電子を伝導させる媒体であり、中間物質は、第１物質とは異なる物質であり、例えば、導電イオンとすることができ、中間輸送媒体は、導電イオンを伝導させる電解質などの輸送媒体である。中間輸送媒体柱部は、第１電極部において、中間輸送媒体により構成され、前記中間輸送媒体部に接続され物質輸送方向に沿って柱状に形成されるため、物質の伝導率または拡散係数を高くすることができ、物質の輸送ロスを低減することができる。例えば、中間物質が導電イオンの場合、中間輸送媒体柱部を備えることで導電イオンの伝導率を高くすることができ、導電イオンの輸送ロスを低減することができる。また、第１輸送媒体配置部は、中間輸送媒体柱部間に形成された空間に、中間輸送媒体柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向に連続させて配置され、第１空隙部は、中間輸送媒体および第１輸送媒体が配置されていない領域部分が空隙となることで中間輸送媒体および第１輸送媒体により形成される。中間輸送媒体柱部を構成する中間輸送媒体と、第１輸送媒体配置部に配置された第１輸送媒体と、空隙とにより三相界面を形成し、この三相界面で電気化学反応が起こり、電気化学反応により生成されたイオン、例えば酸化物イオン、電子、ガス等が、中間輸送媒体または第１輸送媒体を介して伝導される。また、第１空隙部を介して電気化学反応により生成されたガスなどの物質が伝導される。第１輸送媒体配置部が、中間輸送媒体柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向に連続させて配置されているため、第１物質の伝導率または拡散係数を高くすることができる。また、三相界面も、第１輸送媒体配置部が、中間輸送媒体柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向に連続させて第１輸送媒体が配置されているため、例えば中間輸送媒体柱部の側面と第１輸送媒体配置部の第１輸送媒体との接触部分を大きくすることで有効な三相界面の領域を大きくすることができ、界面反応を制御することができ��とともに、界面反応を最適化して効率を高めることができる。
【０００９】
本発明の電気化学反応装置は、前記中間輸送媒体柱部が、前記中間輸送媒体の代わりに、前記中間輸送媒体以外の他の輸送媒体により構成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、中間輸送媒体柱部は、中間輸送媒体以外の他の輸送媒体により構成してもよいため、中間輸送媒体部とは異なる輸送媒体で第１電極の中間輸送媒体柱部を形成することができる。
【００１０】
本発明の電気化学反応装置は、前記第１輸送媒体配置部は、前記第１輸送媒体により構成され、前記中間輸送媒体部に接続され物質輸送方向に沿って柱状に形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、第１輸送媒体配置部は、第１輸送媒体により構成され、中間輸送媒体部に接続され物質輸送方向に沿って柱状に形成され、これらが複数形成されることで、物質輸送方向に林立された第１輸送媒体柱部とすることができる。第１輸送媒体配置部を柱状に形成することで、第１輸送媒体が途中で途切れることなく連続するため、屈曲度を理想的な１に近づけることができ、導電イオンの伝導率を高くすることができ、導電イオンの輸送ロスを低減することができる。また、第１輸送媒体配置部を柱状に形成することで、中間輸送媒体柱部と、第１輸送媒体配置部とを物質輸送方向に林立させることができ、中間輸送媒体柱部の側面と第１輸送媒体柱部の側面とで接触部分を大きくすることで有効な三相界面の領域を大きくすることができ、界面反応を制御することができるとともに、界面反応を最適化して効率を高めることができる。
【００１１】
本発明の電気化学反応装置は、前記複数の中間輸送媒体柱部の各々は、当該中間輸送媒体柱部の先端部に向かって先細りに構成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、中間輸送媒体柱部の先端部に向かって先細りの形状とすることで、柱状の深さ方向で第１輸送媒体と接触しやすくなり、中間輸送媒体柱部の側面と第１輸送媒体との接触部分を大きくすることで有効な三相界面の領域を大きくすることができ、界面反応を制御することができるとともに、界面反応を最適化して効率を高めることができる。ここで、先細り形状の稜線は必ずしも直線である必要はない。
【００１２】
本発明の電気化学反応装置は、前記第１輸送媒体配置部は、前記中間輸送媒体柱部の先端部に前記第１輸送媒体がさらに配置されていることを特徴としている。
この特徴によれば、中間輸送媒体柱部の先端部に前記第１輸送媒体がさらに配置されているので、第１物質の輸送ロスをさらに低減することができる。
【００１３】
本発明の電気化学反応装置は、
前記第２電極部には、
前記中間輸送媒体により構成され、前記中間輸送媒体部に接続され物質輸送方向に沿って柱状に形成された複数の第２中間輸送媒体柱部と、
前記第２輸送媒体を、前記第２中間輸送媒体柱部間に形成された空間に、前記第２中間輸送媒体柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向に連続させて配置された第２輸送媒体配置部と、
前記中間輸送媒体および前記第２輸送媒体により空隙として形成される第２空隙部と、
を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、第１電極部だけでなく、第２電極部も同様に中間輸送媒体で柱状の構成とすることができる。この場合、第２中間輸送媒体柱部は、前記中間輸送媒体により構成され、中間輸送媒体部に接続され物質輸送方向に沿って柱状に形成され、これらが複数形成されることで、物質輸送方向に林立された第２中間輸送媒体柱部とすることができる。柱状の構成としては、上述した中間輸送媒体柱部と同様にできる。第２中間輸送媒体柱部により、中間輸送媒体が途中で途切れることなく連続するため、屈曲度を理想的な１に近づけることができ、物質の伝導率または拡散係数を高くすることができ、物質の輸送ロスを低減することができる。また、第２輸送媒体配置部は、第２中間輸送媒体柱部間に形成された空間に、第２中間輸送媒体柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向に連続させて配置され、第２空隙部は、中間輸送媒体および第２輸送媒体が配置されていない領域部分が空隙となることで中間輸送媒体および第２輸送媒体により形成される。第２中間輸送媒体柱部を構成する中間輸送媒体と、第２輸送媒体配置部に配置された第２輸送媒体と、空隙とにより三相界面を形成し、この三相界面で電気化学反応が起こり、電気化学反応により生成されたイオン、例えば酸化物イオン、電子、ガス等が、中間輸送媒体または第２輸送媒体を介して伝導される。また、第１空隙部を介して電気化学反応により生成されたガスなどの物質が伝導される。第２輸送媒体配置部が、第２中間輸送媒体柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向に連続させて配置されているため、第２物質の伝導率または拡散係数を高くすることができる。また、三相界面も、第２輸送媒体配置部が、第２中間輸送媒体柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向に連続させて配置されているため、例えば第２中間輸送媒体柱部の側面と第２輸送媒体配置部の第２輸送媒体との接触部分を大きくすることで有効な三相界面の領域を大きくすることができ、界面反応を制御することができるとともに、界面反応を最適化して効率を高めることができる。
【００１４】
本発明の電気化学反応装置は、
燃料電池、水電解装置、水素製造装置、二次電池、ガスセンサのうちいずれかであることを特徴としている。
この特徴によれば、電気化学反応装置は、例えば、燃料電池、水電解装置、水素製造装置、二次電池、ガスセンサ等とすることができ、電気化学反応における物質の輸送ロスを低減することで、これらの装置の電気化学反応を効率化することができる。
【００１５】
本発明の電気化学反応装置は、
第１物質を輸送する第１輸送媒体を少なくとも備える第１電極部と、前記第１輸送媒体と異なる媒体である第２輸送媒体を少なくとも備える第２電極部と、前記第１電極部と前記第２電極部との間に設けられ、前記第１物質と異なる中間物質を輸送する中間輸送媒体を少なくとも備える中間輸送媒体部とを有する電気化学反応装置の製造方法において、
前記中間輸送媒体部を形成し、当該中間輸送媒体部の層面に、前記第１輸送媒体と異なる中間輸送媒体により複数の柱状の中間輸送媒体柱部を形成する第１工程と、
前記第１輸送媒体を、柱状に形成された前記中間輸送媒体柱部の少なくとも一部に接触させ、物質輸送方向に連続させて配置させる第２工程と、
柱状に形成された前記中間輸送媒体柱部および前記第１輸送媒体が配置された領域に前記第１電極部を構成させる第３工程と、
を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、第１工程において、中間輸送媒体部を形成し、当該中間輸送媒体部の層面に、前記第１輸送媒体と異なる中間輸送媒体により複数の柱状の中間輸送媒体柱部を形成する。この工程により、中間輸送媒体柱部が複数形成される。第２工程では、第１輸送媒体を、柱状に形成された前記中間輸送媒体柱部の少なくとも一部に接触させ、物質輸送方向に連続させて配置させる。この工程により、第１輸送媒体配置部が複数形成され、中間輸送媒体および第１輸送媒体が配置されていない領域部分が空隙となることで中間輸送媒体および第１輸送媒体により第１空隙部が設けられる。第３工程では、柱状に形成された前記中間輸送媒体柱部および前記第１輸送媒体が配置された領域に前記第１電極部を構成させる。この工程により、第１電極部が、複数の中間輸送媒体柱部と、複数の第１輸送媒体配置部と、第１空隙部と、を備えることができ、上述した特徴を有する電気化学反応装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例１における燃料電池の構成を説明する説明図（ａ）と、従来の燃料電池の構成を説明する説明図（ｂ）である。
【図２】実施例１における燃料電池の燃料極の構成を説明する説明図（ａ）・（ｂ）である。
【図３】実施例１における燃料電池の燃料極の他の構成を説明する説明図である。
【図４】実施例１における燃料電池の製造方法を説明する説明図（１）〜（６）である。
【図５】実施例１における燃料電池の燃料極のＳＥＭ像を説明する説明図（ａ）〜（ｄ）である。
【図６】実施例１における燃料電池の燃料極の垂直断面のＳＥＭ像を説明する説明図（ａ）〜（ｄ）である。
【図７】実施例１における燃料電池の発電実験の構成を説明する説明図である。
【図８】実施例１における燃料電池の発電実験に基づく結果を示すグラフ（ａ）・（ｂ）である。
【図９】実施例１における燃料電池の発電実験に基づく燃料極の説明図である。
【図１０】実施例１における燃料電池の発電実験に基づく三相界面長さの比と最大パワー密度の関係を示すグラフである。
【図１１】実施例１における燃料電池と従来の構成を比較する説明図である。
【図１２】屈曲度を説明する説明図である。
【図１３】実施例２における燃料電池の構成を説明する説明図である。
【図１４】実施例２における燃料電池の製造方法を説明する説明図（ａ）〜（ｅ）である。
【図１５】実施例２における燃料電池の他の製造方法を説明する説明図（ｆ）〜（ｊ）である。
【図１６】実施例２における燃料電池の他の製造方法を説明する説明図（Ａ）及び（Ｂ）である。
【図１７】実施例２における燃料電池の他の製造方法を説明する説明図である。
【図１８】実施例２における燃料電池の他の製造方法を説明する説明図（ａ―３）〜（ｄ―３）である。
【図１９】実施例１または２における燃料電池の構成を２次元で示した説明図である。
【図２０】実施例１または２における燃料電池の燃料極を考察するための説明図である。
【図２１】YSZ体積比0.6の燃料極過電圧の分布図である。
【図２２】各体積比率のx方向のポテンシャルの分布図である。
【図２３】YSZ 体積比率と燃料極過電圧との関係を示すグラフである。
【図２４】実施例１または２における燃料電池の燃料極の構成による違いを説明する説明図である。
【図２５】実施例１または２における燃料電池の柱部の山形の構成を説明する説明図（ａ）・（ｂ）である。
【図２６】実施例１または２における燃料電池の柱部の台形の構成を説明する説明図（ａ）・（ｂ）である。
【図２７】実施例１または２における燃料電池の柱部の山形の構成におけるポテンシャル分布を示す分布図（ａ）・（ｂ）である。
【図２８】実施例１または２における燃料電池の柱部の台形の構成におけるポテンシャル分布を示す分布図（ａ）・（ｂ）である。
【図２９】実施例１または２における燃料電池の柱部の山形・台形の構成におけるアスペクト比に対する過電圧の関係を示すグラフ（ａ）・（ｂ）である。
【図３０】実施例１における電気化学反応装置の構成を模式的に示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係る電気化学反応装置を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。
【実施例１】
【００１８】
本発明における電気化学反応装置としては、例えば、燃料電池、水電解装置、水素製造装置、二次電池、ガスセンサ等とすることができる。実施例１においては、電気化学反応装置が、燃料電池である場合を例にする。燃料電池としては、固体高分子形燃料電池（PEFC：Polymer Electrolyte (Membrane) Fuel Cell）、リン酸形燃料電池（PAFC：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC：Molten Carbonate Fuel Cell）、固体酸化物形燃料電池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）などがあり、中間輸送媒体である電解層と二つの電極を有する全ての燃料電池に本発明を適用することは可能であるが、ここでは、特に、固体酸化物形燃料電池（SOFC）の場合を例にする。
【００１９】
以下、実施例１に係る電気化学反応装置としての燃料電池につき、図１〜図１１および図３０を参照して説明する。
【００２０】
図１（ａ）に、燃料電池の構成を説明する説明図を示す。固体酸化物形燃料電池(SOFC)８は、高い発電効率を有し、第１電極部のアノードである燃料極１、第２電極部のカソードである空気極２、電解質層部（中間輸送媒体部）である電解質３の三層を有している。中間輸送媒体の電解質３は、酸化物イオンの透過性が高い安定化ジルコニアやランタン、ガリウムのペロブスカイト酸化物などのイオン伝導性セラミックスを用いることができ、例えば、イットリア安定化ジルコニア(Yttria-Stabilized Zirconia :YSZ)やスカンジア安定化ジルコニア（Scandia Stabilized Zirconia :ScSZ）を用いることができる。燃料極１は、例えば、第１物質の電子を輸送する第１輸送媒体としてのニッケル（Ni）と、第１物質と異なる中間物質の酸素イオンを輸送する中間輸送媒体の電解質としてのイットリア安定化ジルコニア(Yttria-Stabilized Zirconia :YSZ)と、ガスである水素を移送する空隙の三相を備える。空気極２は、第１輸送媒体と異なる媒体である第２輸送媒体で構成され、酸素から酸化物イオン（O2-）を生成する。空気極２で生成した酸化物イオン（O2-）が電解質３を透過し、燃料極１で水素、一酸化炭素、炭化水素、またはアルコールと反応することにより電気エネルギーを電力部４で発生させている。
【００２１】
ここで、従来の燃料電池の構成を、図１（ｂ）を参照して説明する。図１（ｂ）に、従来のSOFCの燃料極の構成を模式的に示している。従来の燃料極１０は、１μｍ程度の大きさのNi粒子１６とYSZ粒子１７が分散されて構成されており、Ni粒子１６とYSZ粒子１７と空隙１８の三相が交わる三相界面（Triple-Phase Boundary：TPB）１９で反応した酸化物イオン（O2-）と水素ガスＨ２は、電子（e-）と水Ｈ２Ｏを生成し、Ni粒子１６、空隙１８を移動する。反応で生成された電子（e-）がNi粒子１６を介して輸送され、集電層１５へ伝導し、起電圧が得られる。SOFCの発電性能を向上させるためには、燃料極内の電子（e-）と酸化物イオン（O2-）の伝導抵抗の減少と、有効三相界面領域の増加が必要である。SOFCの運転温度である400〜1000℃において、酸化物イオン（O2-）の伝導抵抗は電子（e-）の伝導抵抗より106程度オーダが大きいことが知られており、燃料極１０全体の伝導抵抗減少にはYSZ体積比の十分な増加が有効であると考えられる。従来の燃料極１０は、YSZ粒子１７とNi粒子１６が不均一に混合しているため、YSZ粒子１７またはNi粒子１６が途切れる部分で酸化物イオン（O2-）と電子（e-）との伝導が阻害される。このため、生成した電子（e-）が全て集電されるとは限らず、エネルギー効率が低下してしまうという問題がある。
【００２２】
本発明は、有効な三相界面領域を増加させるべく、界面反応を最適化し、電気化学反応により生じた物質を輸送パスが途切れることなく最適に輸送することで、効率を高めることを目的としている。本発明では、従来と比較して有効な三相界面領域が増加し、かつYSZ体積比が増加した燃料極を実現する構造として、図３０に示すような構成とする。図３０では、本実施例１における電気化学反応装置１０８の構成を模式的に示している。図３０において、電気化学反応装置１０８は、第１物質１２０を輸送する第１輸送媒体１０６Ａを少なくとも備える第１電極部１０１と、第１輸送媒体１０６Ａと異なる媒体である第２輸送媒体１０９Ａを少なくとも備える第２電極部１０２と、第１電極部１０１と第２電極部１０２との間に設けられ、第１物質１２０と異なる中間物質１２１を輸送する中間輸送媒体１０３Ａを少なくとも備える中間輸送媒体部１０３とを有し、第１電極部１０１には、中間輸送媒体１０３Ａにより構成され、中間輸送媒体部１０３に接続され物質輸送方向１２１Ａに沿って柱状に形成された複数の中間輸送媒体柱部１０７Ａと、第１輸送媒体１０６Ａを、中間輸送媒体柱部１０７Ａ間に形成された空間に、中間輸送媒体柱部１０７Ａの側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向１２０Ａに連続させて配置された第１輸送媒体配置部１０６と、中間輸送媒体１０３Ａおよび第１輸送媒体１０６Ａにより空隙として形成される第１空隙部１１８Ａと、を備える。また、第２電極部１０２には、中間輸送媒体１０３Ａにより構成され、中間輸送媒体部１０３に接続され物質輸送方向１２１Ｂに沿って柱状に形成された複数の第２中間輸送媒体柱部１０７Ｂと、第２輸送媒体１０９Ａを、第２中間輸送媒体柱部１０７Ｂ間に形成された空間に、第２中間輸送媒体柱部１０７Ｂの側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向１２３Ａに連続させて配置された第２輸送媒体配置部１０９と、中間輸送媒体１０３Ａおよび第２輸送媒体１０９Ａにより空隙として形成される第２空隙部１１８Ｂと、を備えるようにしてもよい。また、中間輸送媒体柱部１０７Ａの先端側の上部には、集電層１０５を配置し、第２中間輸送媒体柱部１０７Ｂの先端側の下部には、集電層１３０を配置している。また、第１輸送媒体配置部１０６には、中間輸送媒体柱部１０７Ａの先端部に第１輸送媒体１０６Ｂをさらに配置するようにし、第２輸送媒体配置部１０９には、第２中間輸送媒体柱部１０７Ｂの先端部に第２輸送媒体１０９Ｂをさらに配置するようにしてもよい。また、中間輸送媒体柱部１０７Ａは、中間輸送媒体部１０３に接続されていて、物質輸送方向１２１Ａまたはこれと逆方向に沿っていればよい。中間輸送媒体柱部１０７Ａは、第１電極部１０１において、中間輸送媒体１０３Ａにより構成され、中間輸送媒体部１０３に接続され物質輸送方向１２１Ａに沿って柱状に形成されるため、中間物質１２１の伝導率または拡散係数を高くすることができ、中間物質１２１の輸送ロスを低減することができる。例えば、中間物質１２１が導電イオンの場合、中間輸送媒体柱部１０７Ａを備えることで導電イオンの伝導率を高くすることができ、導電イオンの輸送ロスを低減することができる。また、第１輸送媒体配置部１０６は、中間輸送媒体柱部１０７Ａ間に形成された空間に、中間輸送媒体柱部１０７Ａの側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向１２０Ａに連続させて配置され、第１空隙部１１８Ａは、中間輸送媒体１０３Ａおよび第１輸送媒体１０６Ａが配置されていない領域部分が空隙となることで中間輸送媒体１０３Ａおよび第１輸送媒体１０６Ａにより形成される。中間輸送媒体柱部１０７Ａを構成する中間輸送媒体１０３Ａと、第１輸送媒体配置部１０６に配置された第１輸送媒体１０６Ａと、第１空隙部１１８Ａとにより三相界面１１９を形成し、この三相界面１１９で電気化学反応が起こり、電気化学反応により生成されたイオン、例えば酸化物イオン、電子、ガス等が、中間輸送媒体１０３Ａまたは第１輸送媒体１０６Ａを介して伝導される。また、第１空隙部１１８Ａを介して電気化学反応により生成されたガスなどの物質が伝導される。第１輸送媒体配置部１０６が、中間輸送媒体柱部１０７Ａの側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向１２０Ａに連続させて配置されているため、第１物質１２０の伝導率または拡散係数を高くすることができる。また、三相界面１１９も、第１輸送媒体配置部１０６が、中間輸送媒体柱部１０７Ａの側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向１２０Ａに連続させて第１輸送媒体１０６Ａが配置されているため、例えば中間輸送媒体柱部１０７Ａの側面と第１輸送媒体配置部１０６の第１輸送媒体１０６Ａとの接触部分を大きくすることで有効な三相界面１１９の領域を大きくすることができ、界面反応を制御することができるとともに、界面反応を最適化して効率を高めることができる。実施例１において、電気化学反応装置として固体酸化物形燃料電池(SOFC)とする場合、中間輸送媒体１０３Ａとしては、電解質であるYSZを用い、中間輸送媒体部１０３としての電解質層の層面から物質輸送方向１２１Ａである伝導イオン輸送方向に沿って柱状に形成された複数の第１電解質柱部を中間輸送媒体柱部１０７Ａとして構成する。柱状としては、例えば、四角柱、多角柱、円柱、また、四角錐、多角錐、円錐、四角錐台、多角錐台、円錐台の形状とすることができ、また、尾根状も含まれる。また、これらの柱または錘の側面は必ずしも直線の回転体である必要はなく、上に凸、または下に凸、またはこれらの組み合わせでも構わない。尾根状の形状としては、層面に対して垂直に立った構造で、非対称形状のものを指す。また、柱状や尾根状の形状としては、長手方向に、断面形状が一定である必要はない。第１電解質柱部はYSZ（を主成分とする材料）が詰まった中空または多孔質の構成とする。なお、YSZは単結晶または多結晶とする。第１電解質柱部は、柱状の周面において、物質輸送方向１２１Ａに対しては中間物質１２１が連続して移送されるような連通部分を有している。本実施例においては、第１物質１２０は電子であり、第１輸送媒体１０６Ａは電子を伝導させる媒体のNiであり、中間物質１２１は、第１物質１２０とは異なる物質の導電イオンとすることができ、中間輸送媒体１０３Ａは、導電イオンを伝導させる電解質で構成され、中間輸送媒体部１０３は電解質層である。また、第１電極部１０１である燃���極が備える中間輸送媒体柱部１０７Ａの第１電解質柱部は、中間輸送媒体１０３Ａの電解質により構成され、中間輸送媒体部１０３の電解質層に接続され物質輸送方向１２１Ａに沿って柱状に形成される。第１輸送媒体配置部１０６は、第１輸送媒体１０６ＡのNiを、中間輸送媒体柱部１０７Ａの第１電解質柱部間に形成された空間に、中間輸送媒体柱部１０７Ａである第１電解質柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向１２０Ａに連続させて配置される。
【００２３】
実施例１における第１電解質柱部の構成例を図２および図３に示す。図２（ａ）・（ｂ）および図３に、実施例１における燃料電池の燃料極の構成を示している。図２（ａ）・（ｂ）および図３においては、電解質層部YSZ３の層面から伝導イオン輸送方向に沿って柱状に形成された第１電解質柱部であるYSZ柱部７Ａ、７Ｂを示している。図２（ａ）において、YSZ柱部７Ａと、隣接するYSZ柱部７Ａとの間の空隙１８Ａ部分には、Ni粒子６Ａを、YSZ柱部７Ａの側面の少なくとも一部に接触させるとともに伝導イオン輸送方向に連続させて２列配置させてNi粒子配置部としている。YSZ柱部７Ａの先端側の上部には、集電層５を配置している。図２（ｂ）および図３においては、YSZ柱部７Ｂと、隣接するYSZ柱部７Ｂとの間の空隙１８Ｂ部分には、Ni粒子６Ａを、YSZ柱部７Ａの側面の少なくとも一部に接触させるとともに伝導イオン輸送方向に連続させて１列配置させてNi粒子配置部としている。この場合、Ni粒子６Ａの伝導イオン輸送方向は、垂直方向に限らず、集電層５に向けて上方へ向かっていれば斜め方向でもよく、また、後述する実施例２で、Niを柱状に構成する場合を除いて、Ni粒子６Ａは部分的に連続していてもよい。YSZ柱部７Ｂの電解質と、Ni粒子６Ａと、空隙１８Ｂとにより三相界面を形成し、この三相界面で電気化学反応が起こり、電気化学反応により生成された電子（e-）が、Ni粒子６Ａを介して伝導される。Ni粒子６Ａが、YSZ柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに伝導イオン輸送方向に連続させて配置されているため、電子（e-）の伝導率を高くすることができる。また、三相界面も、Ni粒子配置部が、YSZ柱部７Ｂの側面の少なくとも一部に接触させるとともに伝導イオン輸送方向に連続させて配置されているため、例えばYSZ柱部７Ｂの側面とNi粒子６Ａとの接触部分を大きくすることで有効な三相界面の領域を大きくすることができ、界面反応を制御することができるとともに、界面反応を最適化して効率を高めることができる。
【００２４】
図２（ｂ）および図３においては、YSZ柱部７Ｂと、隣接するYSZ柱部７Ｂとの間のピッチを、図２（ａ）より狭くして微細化することで、YSZの体積分率を増加させることができるので、三相界面１９の接触点を増加させることができ、発電性能をより向上させることができる。また、図３においては、YSZ柱部７Ｂの先端部に接触するようにNi粒子６Ｂをさらに配置させて、燃料極１の上面側にNi層を設けている。この場合、集電層５にNi粒子６Ｂが接触するように配置しておくことができる。図３に示すような構成によれば、集電層５とNi粒子６Ｂの接触不足を解消することができ、電子（e-）の輸送ロスをさらに低減することができる。
【００２５】
また、第１電解質柱部であるYSZ柱部の構成としては、第１電解質柱部の先端部に向かって先細りの形状、例えば、四角錐状とするようにしてもよい。この場合の構成を図４または図５に示す。図４または図５に示すように、YSZ柱部７Ｃは、先端部に向かって先細りの形状で、空隙１８Ｃは、逆に奥に向かって先細りの形状となる。YSZ柱部７ＣとYSZを除去した空隙１８Ｃとの体積比は、例えば、５０:５０になるようにしておく。YSZ柱部７Ｃは、先端部に向かって先細りの形状であればよいので、例えば、図５に示すように四角錐台の形状とすることができる。二つの隣接するYSZ柱部７Ｃ間の先端部分のピッチＰと、YSZ柱部７Ｃの先端面の幅ａとは、図５に示すような寸法で構成できる。図５においては、実際に作成した燃料極１を走査型電子顕微鏡（SEM）で観察した画像を示し、図５の上段画像は、燃料極１の上面を観察したものであり、図５の下段画像は、燃料極１を上方斜め方向から斜視したものである。図５（ａ）においては、幅ａが４０μｍ、ピッチＰが５６μｍの場合を示し、図５（ｂ）においては、幅ａが２０μｍ、ピッチＰが２８μｍの場合、図５（ｃ）においては、幅ａが１０μｍ、ピッチＰが１４μｍの場合、図５（ｄ）においては、幅ａが５μｍ、ピッチＰが７μｍの場合をそれぞれ示している。YSZ柱部７Ｃは、先端部に向かって先細りの形状とすることで導電イオンの輸送ロスをさらに低減することができる。
【００２６】
つぎに、図５に示すYSZ柱部７Ｃの構成を用いて燃料極１を製造する場合の製造方法を、図４を参照して説明する。図４においては、電解質３の上面部分をレーザで除去加工することで円錐台のYSZ柱部７Ｃを形成している。
（１）まず、電解質３上にYSZ焼結体を作製する。YSZ粒子とバインダとを混合し、YSZ電解質上に塗布した後、1400°Cで３時間加熱して焼結する。電解質３とYSZ柱部７Ｃとが同材料である場合には、YSZ焼結体を作製し、底面側を電解質３とし、レーザで加工する上面側をYSZ柱部７Ｃとすればよい。
（２）つぎに、エキシマレーザで電解質３の上面部分を除去加工する。加工寸法としては、上述した図５に示すような５、１０、２０、４０μｍ四方のYSZ柱部７Ｃを作製する。NiとYSZの体積比が５０：５０となるようにしており、YSZ柱部７ＣのピッチＰはそれぞれ７、１４、２８、５６μｍとしている。テーパ角度は、約１０度としている。YSZ柱部７Ｃの高さは、例えば、幅ａの１倍〜１０倍ぐらいにして加工する。
（３）除去したYSZをきれいに取り除くことで、YSZ柱部７Ｃの加工が完了する。
（４）つぎに、真空下で平均粒径１μｍの酸化ニッケルNiOのスラリーを滴下させ、大気圧下でスキージを用いて含浸させる。スラリーは、酸化ニッケルNiOと、バインダとを混合することによって調製する。
（５）１４００℃で３時間NiOを焼結し、NiOをNiに還元する。これにより、柱状に加工されたYSZ柱部７Ｃの少なくとも一部にNi粒子６Ａを接触させ、伝導イオン輸送方向に連続させて配置させることができる。
（６）さらに、YSZ柱部７Ｃの先端部に接触するようにNi粒子６Ｂをさらに配置させるために、燃料極１の上面にNi層を作製し、集電層５とNi粒子の導通を確保することで燃料極１が完成する。
【００２７】
図４に示すような製造方法によれば、レーザを用いてYSZ柱部７Ｃの形状を作製することができるので、YSZ柱部７ＣとYSZを除去した空隙１８Ｃとの体積比と、YSZ柱部７Ｃのピッチおよびサイズの制御が容易となり、例えば、磁場によりNi粒子及びYSZ粒子を連続させて再配列させる手法よりも簡単に製造することができる。
【００２８】
図６に、図４に示すような製造方法により製造した燃料極１の垂直断面を走査型電子顕微鏡（SEM）で観察した画像を示す。図６（ａ）〜（ｄ）の各幅ａとピッチＰのサイズは、図５（ａ）〜（ｄ）のそれぞれに対応している。図６（ａ）〜（ｄ）においては、YSZ柱部７Ｃに接触して垂直方向にNi粒子６Ａが配置され、また、上面にNi粒子６Ｂが配置され、Ni層を構成しているのが観察できる。
【００２９】
つぎに、上述した製造方法で製造した燃料極１を利用した固体酸化物形燃料電池(SOFC)８の発電性能を示すべく評価試験装置を用いて発電実験を行ったので、その結果を図７〜図１０を参照して説明する。
【００３０】
図７に、発電実験における評価試験装置４０の構成を示している。図７に示すように、固体酸化物形燃料電池(SOFC)８は、燃料極１、空気極２、電解質３の三層と、燃料極１に集電層５Ａを備え、空気極２に集電層５Ｂを備え、電解質３より上方の空気極２側は、従来と同様の構成のものを用いている。集電層５Ａおよび集電層５Ｂのピッチは、２５０μｍのものを利用している。評価試験装置４０は、真空チャンパー３９内に、固体酸化物形燃料電池(SOFC)８を配置し、Ａｕリング２０を用いてシーリングした後に、真空状態とし、上側に酸素ガスＯ２を満たし、下側に水素ガスＨ２（H2O3%）を満たしている。また、空気極２の集電層５Ｂと、燃料極１の集電層５Ａとにそれぞれ電極を接続し、これらに可変抵抗３８を接続した。また、電解質３に白金（Ｐｔ）で参照極を接続した。その後、運転温度である８００℃にして、固体酸化物形燃料電池(SOFC)８で発電させ、上述した図５に示すYSZ柱部７Ｃの４つのサイズについて、電流密度Ｉ（A/cm2）と、燃料極１‐電解質３間の電位差Ｖ（V）との関係を計測した。また、測定結果から最大パワー密度を算出した。
【００３１】
YSZ柱部７ＣのサイズによらずNi粒子が同じように配置されていると仮定し、YSZ柱部７Ｃの高さを実測したところ、図９に示すように、各高さｈは８０、５５、３６、２２μｍであった。その値を用いてYSZ柱部７Ｃの側面積を求め、YSZ柱部７Ｃの側面積の比が、三相界面長さの比と同じとしている。ここで、三相界面長さとは、例えば、図１１（ｂ）に示す構成において、Ni粒子６ＡとYSZ柱部７Ｂと空隙１８Ｂの三相が交わる三相界面１９の領域における長辺部分の長さをいうものとする。図８（ａ）に、計測した電流密度に対する電位差の関係を示している。図８（ｂ）に、算出した電流密度に対するパワー密度の関係を示している。また、図１０に、三相界面長さの比と、最大パワー密度との関係を示している。図１０に示すように、三相界面長さの比が1：1.3：1.5：2.0と変化すると、最大パワー密度の比は1：1.1：1.6：1.8と変化していることから、三相界面長さと最大パワー密度には正の相関があることがわかる。また、従来と比較して，YSZ柱部７Ｃのサイズが5μｍの最大パワー密度が従来の１．１倍に増加したことから、YSZ柱部７Ｃのサイズをさらに微細化することで最大パワー密度をさらに向上させることができる。従って、上述したように、図２（ａ）と（ｂ）との構成において、YSZ柱部７Ｂと、隣接するYSZ柱部７Ｂとの間のピッチを、より狭くして微細化することで、YSZの体積分率を増加させることができ、三相界面１９の長さを増加させることができるため、発電性能をより向上させることができる。YSZ柱部７Ｃのサイズを微細化すると、O2-の伝導率は減少し、これに伴い発電性能が低下するとも考えられるが、この実験においては、三相界面長さの比と最大パワー密度とは比例していることから、それほど影響が出ていないと考えられる。
【００３２】
本実施例１によれば、第１電解質柱部のYSZ柱部により、電解質が途中で途切れることなく連続するため、屈曲度を理想的な１に近づけることができる。ここで屈曲度について図１２（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。屈曲度τは、物質の導電や拡散が抑制される程度を示す指標であり、構造で決定され、数１に示すような関係を有する。ここで、Dは、理論上の拡散係数、Deff は構造を考慮した有効拡散係数、εは体積分率、τは屈曲度、σは導電率、σeffは構造を考慮した有効導電率を示している。
【数１】
2015176774.tif 000003
【００３３】
図１２（ａ）の場合、屈曲度τ＝１であり、理想的な屈曲度となり、図１１（ｂ）に示すように本実施例１におけるYSZ柱部７Ｂは電解質３に対して垂直となるので、屈曲度τも１と考えることができる。また、本実施例１によれば、電子と、酸素イオンO2-の伝導率は高くなり、ガスの拡散係数もさらに高くなる。図１２（ｂ）の場合、YSZ柱部７が電解質に対して４５度傾いた場合、屈曲度τ＝１．４（√２）となる。また、図１２（ｃ）の場合、Ni粒子に磁場をかけることで垂直方向に並べた場合、屈曲度τ＝１にほぼ近似すると考えられる。図１２（ｄ）の場合、従来の構成で図１１（ａ）に示すように屈曲度τは大きくなり５〜１０になると考えられる。図１２（ｅ）の場合、YSZが途中で途切れているため、屈曲度τは無限大である。
【００３４】
本実施例１によれば、導電イオンの伝導率を高くすることができ、導電イオンの輸送ロスを低減することができる。また、Ni粒子配置部は、YSZ柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに伝導イオン輸送方向に連続させて配置され、空隙部は、YSZの電解質およびNi粒子が配置されていない領域部分が空隙となることで設けられる。YSZ柱部の電解質と、Ni粒子と、空隙とにより三相界面を形成し、この三相界面で電気化学反応が起こり、電気化学反応により生成されたイオン、例えば酸化物イオン、電子等が、電解質またはNi粒子を介して伝導される。また、空隙部を介して電気化学反応により生成されたガスなどの物質が伝導される。Ni粒子が、YSZ柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに伝導イオン輸送方向に連続させて配置されているため、導電イオンの伝導率を高くすることができる。また、三相界面も、Ni粒子配置部が、YSZ柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに伝導イオン輸送方向に連続させて配置されているため、例えばYSZ柱部の側面とNi粒子との接触部分を大きくすることで有効な三相界面の領域を大きくすることができ、界面反応を制御することができるとともに、界面反応を最適化して効率を高めることができる。また、YSZ柱部を垂直方向に構成することで屈曲度を理想的な１にすることができる。
【００３５】
また、実施例１においては、燃料極の構成のみを示したが、空気極においても、燃料極と同様に、YSZ柱部を設けるようにしてもよい。
【実施例２】
【００３６】
次に、実施例２に係る電気化学反応装置につき、図１３を参照して説明する。図１３に、実施例２における電気化学反応装置の構成例を示す。実施例２においても、実施例１と同様に、電気化学反応装置が、固体酸化物形燃料電池（SOFC）の場合を例にする。尚、前記実施例と同一構成で重複する構成の説明は省略する。
【００３７】
実施例２においては、実施例１に示した第１電解質柱部のYSZ柱部の周囲にNi粒子を配置させる代わりに、Niを、電解質層部YSZ３に接続され伝導イオン輸送方向に沿って柱状に形成し、図１３（ｂ）に示すように、燃料極にNi柱部６Ｄを設ける場合を例にしている。また、実施例２においては、燃料極と、空気極とに、YSZ柱部７Ｄを設ける場合を例にし、空気極において第２輸送媒体を柱状とする構成とする場合を例にしている。空気極の第２輸送媒体としては、LSM/La0.6Sr0.4MnO (lanthanum Strontium Manganite) 、LSC/La0.6Sr0.4CoO3 (Lanthanum Strontium Cobaltite)、SSC/Sm0.5Sr0.5CoO3（SSC）、LSCF /(La, Sr)(Co, Fe)O3などのMIEC（Mixed Ionic Electric Materials = 電子性混合伝導体）を使用することができ、ここでは、LSMを用いる場合を例とし、LSM柱部９Ｄを設ける場合を例にする。
【００３８】
図１３（ｂ）において燃料極では、YSZ柱部７Ｄと、隣接するYSZ柱部７Ｄとの間に、Ni柱部６Ｄを配置し、YSZ柱部７ＤとNi柱部６Ｄとの間に空隙１８Ｄが設けられる。YSZ柱部７ＤとNi柱部６Ｄとは少なくとも一部が接触させるように配置される。実施例２においては、各柱部の形状を円柱状としているため、YSZ柱部７ＤとNi柱部６Ｄとは側面において接線で接している。このため、三相界面もYSZ柱部７ＤとNi柱部６Ｄとの接線上に設けられることとなる。燃料極側では、YSZ柱部７Ｄの電解質と、Ni柱部６Ｄと、空隙１８Ｂとにより三相界面を形成し、この三相界面で電気化学反応が起こり、電気化学反応により生成された電子（e-）が、Ni柱部６Ｄを介して伝導される。Ni柱部６Ｄが、YSZ柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに伝導イオン輸送方向に連続させて配置されているため、電子（e-）の伝導率を高くすることができる。
【００３９】
同様に、図１３（ａ）において空気極では、図３０に示す第２中間輸送媒体柱部１０７ＢのYSZ柱部７Ｄと、隣接するYSZ柱部７Ｄとの間に、第２輸送媒体配置部１０９を柱状としたLSM柱部９Ｄを配置し、YSZ柱部７ＤとLSM柱部９Ｄとの間に空隙１８Ｄが設けられる。YSZ柱部７ＤとLSM柱部９Ｄとは少なくとも一部が接触させるように配置される。実施例２においては、各柱部の形状を円柱状としているため、YSZ柱部７ＤとLSM柱部９Ｄとは側面において接線で接している。このため、三相界面もYSZ柱部７ＤとLSM柱部９Ｄとの接線上に設けられることとなる。YSZ柱部７Ｄの電解質と、LSM柱部９Ｄと、空隙１８Ｂとにより三相界面を形成し、この三相界面で電気化学反応が起こり、電気化学反応により生成された酸化物イオン（O2-）が、LSM柱部９Ｄを介して伝導される。LSM柱部９Ｄが、YSZ柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに伝導イオン輸送方向に連続させて配置されているため、酸化物イオン（O2-）の伝導率を高くすることができる。
【００４０】
つぎに、図１３に示す構成を用いて燃料極１および空気極２を備える燃料電池を製造する場合の製造方法を、図１４および図１５を参照して説明する。図１４および図１５においては、ゲルキャスティングにより成形する製造方法をしている。このゲルキャスティング法によれば、各柱部の大きさをナノレベルとしたピラーを形成することができる。
【００４１】
図１４においては、YSZ柱部７Ｄの成形を行う場合の製造方法を示している。
（ａ）まず、厚さ５０μｍのYSZまたはＺｒ−Ｙ基板２２上に、金型をセットする。金型の形状は、上述したYSZ柱部７Ｄが形成されるように構成されている。例えば、YSZ柱部７Ｄの幅ａ（直径）はおよびピッチPは１００nm〜１００μｍとすることができる。YSZ柱部７Ｄの高さは、例えば、幅ａの１倍〜１０倍ぐらいにしておく。
（ｂ）つぎに、金型にYSZ粒子とバインダとを混合したスラリーを流し込む。バインダとしては、例えば、主成分である不飽和ポリエステル樹脂と有機過酸化物を、１０：１の割合で混合して作製することができる。
【００４２】
ただし、（ａ）と（ｂ）の順は逆でもかまわない。
（ｃ）そのまま１〜２０分間硬化させる。
（ｄ）十分に硬化した後に、金型を離型する。
（ｅ）余分なバインダを焼結により除去し、円柱状のYSZ柱部７Ｄが完成する。
【００４３】
つぎに、図１５に示すように、円柱状のYSZ柱部７Ｄに隣接するように、Ni柱部６ＤとLSM柱部９Ｄとの形成を行う。
（ｆ）図１４に示すような工程で製造された円柱状のYSZ柱部７Ｄと隣接するYSZ柱部７Ｄの間の空隙に、真空下で平均粒径１μｍの酸化ニッケルNiOまたは金属ニッケルNiのスラリーを滴下させ、大気圧下でスキージを用いて含浸させる。スラリーは、酸化ニッケルNiOと、バインダとを混合することによって調製する。バインダとしては、例えば、主成分であるテルピネオールとエチルセルロースを１００：３の割合で混合して作製することができる。
（ｇ）YSZ柱部７Ｄの下側に燃料極の集電層となるアノードサポート基板２１を配置し、YSZを高温焼結により結晶化させる。
（ｈ）さらに、YSZ柱部７Ｄの上側に円柱状のYSZ柱部７Ｄと隣接するYSZ柱部７Ｄの間の空隙に、真空下で平均粒径１μｍのLSMのスラリーを滴下させ、大気圧下でスキージを用いて含浸させる。スラリーは、LSMと、バインダとを混合することによって調製する。バインダとしては、例えば、主成分であるテルピネオールとエチルセルロースを１００：３の割合で混合しておくことができる。その後、空気極の集電層となる伝導体を塗布し、１２００℃で６時間焼結する。これにより、柱状に形成されたYSZ柱部７Ｄと隣接するYSZ柱部７Ｄの間に、LSM柱部９Ｄを形成することができる。LSM柱部９Ｄは、伝導イオン輸送方向に連続して配置されるため酸化物イオン（O2-）の伝導率を高くすることができる。
（ｉ）また、この焼結により、燃料極側のNiOがNiに還元される。これにより、柱状に形成されたYSZ柱部７Ｄと隣接するYSZ柱部７Ｄの間に、Ni柱部６Ｄを形成することができる。Ni柱部６Ｄは、Niが伝導イオン輸送方向に連続して配置されるため電子（e-）の伝導率を高くすることができる。
（ｊ）電極を実装し、集電層５との導通を確保することで電解質層部YSZ３、燃料極１および空気極２が完成し、燃料電池が完成する。
【００４４】
図１４および図１５に示すような製造方法によれば、ゲルキャスティングによりYSZ柱部７Ｄ、Ni柱部６Ｄ、LSM柱部９Ｄの形状を柱状にして製作することができる。YSZ柱部７ＤとNi柱部６Ｄ、LSM柱部９Ｄと空隙１８Ｄとの体積比と、これらのピッチおよびサイズの制御が容易となり、簡単に製造することができる。また、YSZ柱部７ＤとNi柱部６Ｄと空隙１８Ｄとによる三相界面、または、YSZ柱部７ＤとLSM柱部９Ｄと空隙１８Ｄとによる三相界面も、これらの接触部分を大きくすることで有効な三相界面の領域を大きくすることができ、界面反応を制御することができるとともに、界面反応を最適化して効率を高めることができる。
【００４５】
つぎに、図１４に示したYSZ柱部７Ｄの成形を行う場合の製造方法とは別の製造方法を、図１６を参照して説明する。図１６においては、ナノインプリントにより成形する製造方法をしている。このナノインプリント製造方法によれば、各柱部の大きさをナノレベルとしたピラーを形成することができる。
【００４６】
図１６（Ａ）においては、YSZ柱部７Ｄの成形を行う場合の製造方法を示している。
（ａ−２）まず、厚さ５０μｍのＺｒを主成分とする基板２２の上面と下面とに、アルミニウムＡｌを厚さ２０μｍで成膜する。
（ｂ−２）つぎに、ナノインプリント用の型を用意し、ナノインプリント用の型で、成膜したアルミニウムＡｌ表面をナノインプリントする。ナノインプリント用の型の形状は、上述したYSZ柱部７Ｄが形成されるように構成されている。例えば、YSZ柱部７Ｄの幅ａ（直径）は２２０ｎｍ、ピッチＰは４４０ｎｍとすることができる。YSZ柱部７Ｄの高さは、例えば、幅ａの０．０１倍〜１０倍ぐらいにしておく。なお、YSZ柱部７Ｄの幅ａ（直径）と、ピッチＰとは、１０〜２０００ｎｍの範囲のいずれかに設定できる。
（ｃ−２）ナノインプリントされたアルミニウムＡｌを基材としてたとえば０．５質量％のクエン酸水溶液をもちいて陽極酸化によるアルミナナノホールのテンプレートを作製する。
（ｄ−２）陽極酸化によるアルミナナノホールを鋳型にして、Zrを主成分とする基材を再陽極酸化によって円柱状のYSZ柱部７Ｄを生成する。
（ｅ−２）ＮａＯＨ水溶液によりアルミナを除去し、円柱状のYSZ柱部７Ｄが完成する。
【００４７】
これにより、YSZナノピラーが生成される。完成した円柱状のYSZ柱部７Ｄに対して、上述した図１６に示すような製造方法にてNi柱部６ＤとLSM柱部９Ｄとの形成を行うことができ、燃料電池を完成させることができる。また、図１６（Ｂ）に示す（ａ）〜（ｈ）においては、走査型電子顕微鏡（SEM）で観察した画像を示しているが、この画像は、図１６（Ａ）に示す製造方法と同様な工程で、Ｚｒを主成分とする基板２２の代わりに、タンタルＴａを主成分とする基板を用い、再陽極酸化によって、タンタラ（Ｔａ２Ｏ５）のナノピラーを形成した場合を示している。
【００４８】
つぎに、図１４および図１５に示した燃料電池の製造方法とは別の製造方法を、図１７を参照して説明する。図１７においては、レーザ加工により成形する製造方法をしている。
（１）まず、直方体状のYSZ焼結体５０を作製し、ポーラスYSZを形成する。
（２）つぎに、エキシマレーザでYSZ焼結体５０の上面から孔を掘るように除去加工する。加工寸法としては、例えば、２０、４０、８０μｍ四方ぐらいの柱状の孔部５１を作製する。孔部５１と孔部５１とのピッチＰはそれぞれ１０μｍぐらいにする。テーパ角度は５〜１０度としている。孔部５１の深さは、例えば、２０μｍ四方の１倍〜１０倍ぐらいにして加工する。なお、レーザの照射条件によって、テーパ角度を０度とすることもできる。
（３）除去したYSZをきれいに取り除き、その後、孔部５１にポーラス状のNi粒子を埋め込む。これにより、孔部５１にNi柱部６Ｇを形成することができ、その周囲をYSZ柱部７Ｇとすることができる。
【００４９】
図１７に示した製造工程で製造した工程（２）および工程（３）による様子を走査型電子顕微鏡（SEM）で観察した画像を（ａ−１）〜（ｃ−１）および（ａ−２）〜（ｃ−２）に示している。（ａ−１）は、２０μｍ四方の孔部５１を形成した場合の画像であり、（ａ−２）は、２０μｍ四方の孔部５１にNi粒子を埋め込んだ画像を示す。同様に、（ｂ−１）は、４０μｍ四方の孔部５１を形成した場合の画像であり、（ｂ−２）は、４０μｍ四方の孔部５１にNi６Ｇを埋め込んだ画像を示し、（ｃ−１）は、８０μｍ四方の孔部５１を形成した場合の画像であり、（ｃ−２）は、８０μｍ四方の孔部５１にNiを埋め込んだ画像を示す。このようなサイズの３つの燃料極１を作成し、それぞれの発電性能を上述した評価試験装置を用いて発電実験を行った結果を図１７（ｄ）および（ｅ）に示す。図１７（ｄ）に、算出した電流密度に対するパワー密度の関係を示している。また、図１７（ｅ）に、三相界面長さの比と、最大パワー密度との関係を示している。図１７（ｅ）に示すように、三相界面長さの比が１：２：４と変化すると、最大パワー密度の比は1：1.2：2.7と変化していることから、三相界面長さと最大パワー密度には正の相関があることがわかり、三相界面長さを大きくすることで、最大パワー密度を大きくすることができる。
【００５０】
このような製造方法によっても、柱状のYSZ柱部７Ｇと、Ni柱部６Ｇとを形成することができ、燃料極１を完成させることができる。また、Niを埋め込む代わりに、LSMを埋め込むことでLSM柱部９Ｇを形成することができ、空気極２を形成することができ、電解質３の上下面にこれらの燃料極１と空気極２とをそれぞれ作成し、集電層を形成することで、本発明における燃料電池を作成することができる。
【００５１】
つぎに、図１８を参照して実施例１または２における燃料電池を製造する場合の他の製造方法を説明する。図１８においては、スクリーン印刷を用いて実施例１または２における燃料電池を製造する場合の製造方法を示している。スクリーン印刷は、Tシャツの絵柄の印刷、プリント基板への銅、銀、金などの配線、さらにICチップを乗せる前工程の半田の印刷などに利用されている印刷方法であり、ステンシル（シルクスクリーン）またはマスクと呼ばれる、インキを転写させる部分が貫通した版を用い、ゴム製へら（スキージ）で版上のインキを貫通穴から版の下に設置された印刷物に転写させる方式であり、本実施例においては、ステンシル（シルクスクリーン）３２に、上述したような各柱部の柱状の形状に対応するような貫通孔を設けておき、インキの代わりに、YSZ、Ni、LSMなどの各物質を塗布していくことで、所望の形状に形成することができる。
（ａ−３）まず、厚さ５０μｍのＺｒ−Ｙ基板３３の上面側に、ステンシル（シルクスクリーン）３２を配置する。ステンシル（シルクスクリーン）３２の貫通孔の形状は、上述したYSZ柱部７Ａ〜７Ｇに示すような形状が形成されるように構成され、その厚さは、YSZ柱部７Ａ〜７Ｇの高さに対応している。
（ｂ−３）つぎに、YSZのスラリー３１をステンシル（シルクスクリーン）３２の貫通孔が形成されていない部分に載せ、ゴム製へら（スキージ）３０でスキージし、転写していく。スラリーは、YSZと、バインダとを混合することによって調製する。バインダとしては、例えば、主成分であるテルピネオールとエチルセルロースを１００：３の割合で混合して作製することができる。
（ｃ−３）ステンシル（シルクスクリーン）３２の貫通孔を介して、YSZのスラリー３１がＺｒ−Ｙ基板３３の上面に転写されるようにゴム製へら（スキージ）３０で押圧する。
（ｄ−３）その後、ステンシル（シルクスクリーン）３２を持ち上げて取り外す。これにより、Ｚｒ−Ｙ基板３３の上面にYSZ 柱部３５を形成することができる。このYSZ 柱部３５が、上述したような形状のYSZ柱部７Ａ〜７Ｇに対応している。
【００５２】
また、先細り形状の柱部を形成する場合には、柱部の高さによってステンシル（シルクスクリーン）３２の貫通孔の形状を異ならせ、上述した（ａ−３）〜（ｄ−３）の工程を繰り返し、Ｚｒ−Ｙ基板２２の上面側に重ねて転写していくことで形成させることができる。
【００５３】
さらに、LSM柱部９またはNi柱部６を形成する場合には、ステンシル（シルクスクリーン）３２の貫通孔の形状を、転写後に上述した円柱状や四角柱状などの形状となるように形成し、YSZ柱部７Ａ〜７Ｇが形成されていない部分の所定位置に、上述した（ａ−３）〜（ｄ−３）の工程を繰り返し、Ｚｒ−Ｙ基板３３の上面側に重ねて転写していくことで形成させることができる。
【００５４】
さらに、図３に示すような、YSZ柱部７Ｂの先端部に接触するようにNi粒子６Ｂをさらに配置させて、燃料極１の上面側にNi層を設けるような場合には、YSZ柱部７ＢとNi柱部６とを形成後に、それらの上面にNi層を設けるためにスクリーン印刷を行うことで簡単に形成することができる。
【００５５】
同様に、LSM柱部９においても、それらの上面にLSM層を設けるためにスクリーン印刷を行うことで簡単に形成することができる。
【００５６】
最後に、集電層を形成するために、集電層についてもスクリーン印刷を行い、アノードとカソードとを形成する。
【００５７】
このような製造方法によっても、柱状のYSZ柱部７と、Ni柱部６とを形成することができ、燃料極１を完成させることができる。また、柱状のYSZ柱部７と、LSM柱部９とを形成することができ、空気極２を形成することができ、電解質３の上下面にこれらの燃料極１と空気極２とをそれぞれ作成し、集電層を形成することで、本発明における燃料電池を作成することができる。
【００５８】
本実施例２によれば、Ni柱部６は、Niにより構成され、電解質３に接続され伝導イオン輸送方向に沿って柱状に形成され、これらが複数形成されることで、伝導イオン輸送方向に林立された第１輸送媒体柱部とすることができる。Ni柱部６を柱状に形成することで、Niが途中で途切れることなく連続するため、屈曲度を理想的な１に近づけることができ、導電イオンの伝導率を高くすることができ、導電イオンの輸送ロスを低減することができる。また、第１輸送媒体配置部を柱状に形成することで、YSZ柱部７と、Ni柱部６とを伝導イオン輸送方向に林立させることができ、YSZ柱部７の側面とNi柱部６との接触部分を大きくすることで有効な三相界面の領域を大きくすることができ、界面反応を制御することができるとともに、界面反応を最適化して効率を高めることができる。また、YSZ柱部とNi柱部６を垂直方向に構成することで屈曲度を理想的な１にすることができる。
【００５９】
つぎに、上述した実施例１および実施例２において、YSZ柱部７とNi柱部６との体積比率を変化させた場合に、発電性能にどのぐらいの影響があるのかを考察する。ここでは、SOFCの発電性能は過電圧と呼ばれる電圧降下に影響され、過電圧が小さいほど燃料電池の発電性能が高くなることから、格子ボルツマン法計算を用いた過電圧計算により、微細柱状構造を有する燃料極の過電圧を予測する。
【００６０】
簡単のためガスの拡散路である空隙を無視した二次元の柱状構造燃料極を対象とする。上述した燃料極１のYSZ柱部７とNi柱部６とを、図１９に示すように２次元の微細柱状構造とみなす。格子ボルツマン法(LBM)を用いた数値解析によりポテンシャル分布を求めることで燃料極１の過電圧を計算する。LBMは粒子の速度を有限個と仮定して拡散現象を表現する方法である。YSZ、Niそれぞれを完全なイオン伝導体、電子伝導体であると仮定する。YSZ内の酸化物イオン拡散方程式とNi内の電子拡散方程式は以下の数２式で表わされる。
【数２】
2015176774.tif 000004
σは伝導率、μ~は電気化学ポテンシャルである。右辺iは、反応によって発生した電流を表す。LBMでは拡散方程式を格子点上での速度分布関数ｆiであり、下記数３式で表現する。
【数３】
2015176774.tif 000005
【００６１】
ｒは格子点座標、iは粒子速度の種類、ｃiは粒子速度、τは粒子の緩和時間、ｆieqは平衡状態での速度分布関数、wは生成量を表す。
【００６２】
ここで、図２０に示すように、YSZ柱部７とNi柱部６の柱の幅をパラメータとしてYSZ柱部７とNi柱部６との体積比率を変化させる。また、ピッチと柱形状を固定することで三相界面長さを一定にする。柱長さ方向軸をx、柱法線方向軸をyと表記する。柱状構造モデルの大きさをx方向１０μｍ、y方向２．５μｍとし、−０．５＜x＜０を電解質、４＜x＜４．５を集電層とした。
【００６３】
電解質/燃料極界面における流入電流一定、および燃料極/集電層における流出電流一定の境界条件を課す。この条件下で物質拡散を計算することで燃料極内のポテンシャル分布が得られる。電解質‐燃料極境界面におけるポテンシャルμO2-,electrolyteと燃料極‐集電極境界面におけるポテンシャルμe-,collectorの差を燃料極全体の過電圧と定義する。前述の通りSOFCの作動温度においてNiの伝導率はYSZのそれより約106倍大きいため、YSZ柱部７とNi柱部６との体積比を106対1、つまりYSZの体積比率がほぼ1のときに燃料極全体のオーム過電圧が最小になると考えられる。また、電子の伝導率が非常に大きいことから、酸化物イオン拡散に比べて電子拡散の速さは大きいと考えられる。
【００６４】
従って収束にかかる時間は非常に小さく、Niの電子ポテンシャルは場所に依らず一定でありその値はYSZ内部の酸化物イオンポテンシャルの最小値と等しいと仮定する。 
【００６５】
YSZの体積比率が ０．２、０．４、０．６、０．８、０．９６の５種類の燃料極に対してポテンシャル計算を行った。電流密度は０．１A/cm2とした。
【００６６】
YSZ体積比率0．６のモデルポテンシャル分布の計算結果を図２１に示す。柱の根本付近のx=0μmにおいて、ポテンシャル変化が最大となった。またx=0付近では、yが小さいほど過電圧が大きくなった。また、図２２に示すグラフから得られた各体積比率と過電圧の関係を図２３に示す。YSZ体積比率を大きくするほど過電圧が低減される傾向がある一方、体積比率０．８以降体積比率を増やしても過電圧の変化がないことが分かった。酸化物イオンが電解質側から柱構造へ到達するための経路長が過電圧について支配的であるため、yの値が小さい領域で過電圧が発生していると考えられる。体積比率０．８以降では体積比率に対する伝導経路の変化量が小さいため、過電圧変化も小さいと考えられる。本実施例１、２では、ガスを無視した二次元微細柱状モデルにおいて、LBMを用いて拡散方程式の数値計算を行うことで燃料極の過電圧（Ａｒｂ．ｕｎｉｔ）の計算を行った。その結果、以下の知見が得られた。燃料極内のYSZ柱の体積比率を大きくすることで過電圧が低減されることを示した。また、YSZ体積比率を０．８にすることで過電圧を十分に低減できることが分かった。これにより、YSZ体積比率を０．８にすることで、過電圧低減のための燃料極微細構造の最適化を行うことができる。
【００６７】
つぎに、上述した実施例１および実施例２における各柱部の形状について考察する。上述したように、柱部の形状としては、例えば、四角柱、多角柱、円柱、また、四角錐、多角錐、円錐、四角錐台、多角錐台、円錐台の形状、また、尾根状等とすることができるが、これらの形状が発電性能にどのぐらいの影響があるのかを考察する。
【００６８】
計算モデルを図２４に示す。簡単のためガスの拡散路である空隙を無視した二次元の柱状構造燃料極を対象とする。ここで、図２４に示すように、柱長さ方向軸をx、柱法線方向軸をyと表記し、柱状構造モデルの大きさをx方向１２μｍ、ｙ方向３μｍとする。形状としては、四角錐または四角錐台の場合の縦断面を２次元で見た場合の山形形状と台形形状とを考える。電流密度0.1A/cm2とし、ガス相を無視し、YSZ柱部７の形状のアスペクト比（高さ／底辺）を変更して計算する。図２５に、実施例１または２における燃料電池の柱部の山形の構成を説明する説明図（ａ）・（ｂ）を示す。図２５（ａ）は、山形のYSZ柱部７Ｊのアスペクト比が４の場合を示し、図２５（ｂ）は、山形のYSZ柱部７Ｋのアスペクト比が８の場合を示す。計算では、アスペクト比が、２、４、６、８、１０の場合を求めている。図２７に、実施例１または２における燃料電池の柱部の山形の構成におけるアスペクト比４の場合のポテンシャル分布を示す分布図（ａ）と、ｙ方向について平均化したポテンシャル分布図（ｂ）とを示す。
【００６９】
また、図２６に、実施例１または２における燃料電池の柱部の台形の構成を説明する説明図（ａ）・（ｂ）を示す。図２６（ａ）は、台形のYSZ柱部７Ｌの傾斜部分のアスペクト比が４の場合を示し、図２６（ｂ）は、台形のYSZ柱部７Ｍのアスペクト比が８の場合を示す。計算では、アスペクト比が、２、４、６、８、１０の場合を求めている。図２８に、実施例１または２における燃料電池の柱部の山形の構成におけるアスペクト比４の場合のポテンシャル分布を示す分布図（ａ）と、ｙ方向について平均化したポテンシャル分布図（ｂ）とを示す。
【００７０】
図２７および図２８を参照すると、どちらのモデルでもx≦4の領域でポテンシャルが大きく変動している。また、アスペクト比による過電圧の変化を図２９（ａ）・（ｂ）に示している。図２９（ａ）には、図２５（ａ）・（ｂ）に示したような山形のYSZ柱部７のアスペクト比に対する過電圧を示しており、アスペクト比が大きく、ピッチＰが小さくなるに従って過電圧が小さくなることがわかる。また、図２９（ｂ）には、図２６（ａ）・（ｂ）に示したような台形のYSZ柱部７のアスペクト比に対する過電圧を示しており、この場合には、アスペクト比が過電圧に大きく影響を与えず、ピッチＰを変えずに、反応面積を変更しても過電圧が大きくは減少しないことがわかる。
【００７１】
従って、x=0付近での反応面を増加させることで、アスペクト比が無限大となり、燃料極の過電圧がより小さくなり、燃料電池の発電性能を高くすることができる。このため、台形よりは山形がより燃料電池の発電性能を高くすることができ、また、山形の場合には、アスペクト比（高さ／底辺）をより大きくするか、ピッチＰのサイズをより小さく微細にすることで、発電性能を高くすることができる。
【実施例３】
【００７２】
上述した実施例１および２では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例にして説明したが、他の電気化学反応装置に、上述した実施例１や実施例２に示したような柱部の形状を適用した場合を実施例３として説明する。他の電気化学反応装置としては、水電解装置に適用することができる。水電解装置としては、例えば、高温水蒸気電解、アルカリ水電解、固体高分子形水電解などがある。これらの水電解装置においても、図３０に示した構成とすることができる。水電解装置は、電解質層などの中間輸送媒体部１０３を挟んで、第１電極部１０１としての水素極と、第２電極部１０２としての酸素極とを有している。このため、水素極または酸素極において、電解質などの中間輸送媒体１０３Ａにより構成され、中間輸送媒体部１０３に接続され物質輸送方向１２１Ａ・１２１Ｂに沿って柱状に形成された複数の中間輸送媒体柱部１０７Ａ・１０７Ｂを構成するようにできる。この場合、水素極または酸素極において、第１輸送媒体１０６Ａを、中間輸送媒体柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向１２０Ａに連続させて配置させた第１輸送媒体配置部１０６と、中間輸送媒体１０３Ａおよび第１輸送媒体１０６Ａにより空隙として形成される第１空隙部１１８Ａと、を備えるようにする。中間輸送媒体柱部１０７Ａの具体的な構成としては、上述したような実施例１または２に示すような構成とすることができる。また、同様に、第１輸送媒体配置部１０６も柱部の構成にしてもよい。
【００７３】
また、他の電気化学反応装置としては、二次電池に適用することができる。二次電池としては、リチウムイオン電池やリチウム空気電池などがある。これらの二次電池においても、図３０に示した構成とすることができる。二次電池は、電解質層などの中間輸送媒体部１０３を挟んで、第１電極部１０１としての正極と、第２電極部１０２としての負極とを有している。このため、正極または負極において、中間輸送媒体１０３Ａにより構成され、酸化還元作用のある液体の電解質などの中間輸送媒体部１０３に接続され物質輸送方向１２０Ａに沿って柱状に形成された複数の中間輸送媒体柱部１０７Ａを構成するようにできる。この場合、正極または負極において、第１輸送媒体１０６Ａを、中間輸送媒体柱部１０７Ａの側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向１２０Ａに連続させて配置させた第１輸送媒体配置部と、中間輸送媒体１０３Ａおよび第１輸送媒体１０６Ａにより空隙として形成される第１空隙部１１８Ａと、を備えるようにする。中間輸送媒体柱部１０７Ａの構成としては、上述したような実施例１または２に示すような構成とすることができる。また、同様に、第１輸送媒体配置部１０６も柱部の構成にしてもよい。
【００７４】
さらに、他の電気化学反応装置としては、還元ガスや酸化ガスの化学反応現象を用いた、酸素、酸化窒素（NOX）などの分圧を測定可能なガスセンサにも適用できる。これらのガスセンサにおいても、同様に、図３０に示した構成とすることができる。
【００７５】
このように、本実施例１および２に示した構成は、電解質層などの中間輸送媒体部１０３を挟んで、第１電極部１０１と、第２電極部１０２とを有している様々な電気化学反応装置に適用することができる。様々な電気化学反応装置に適用した場合にも、上述した実施例１、２に示したような効果を奏することができ、物質の輸送ロスを低減することができるので、効率的な電気化学反応装置を提供することができる。
【００７６】
以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。
【００７７】
例えば、前記実施例１または２で示した製造方法は、一部のみを適用し、他の製造方法と組み合わせるようにしてもよい。
【００７８】
また、実施例１または２で示した電解層や、燃料極、空気極の具体的な物質は、上述した以外のものでもよく、適宜変更してもよい。例えば、中間輸送媒体柱部１０７Ａは、中間輸送媒体１０３Ａの代わりに、中間輸送媒体１０３Ａ以外の他の輸送媒体により構成されるようにしてもよい。この場合、例えば、低温型固体酸化物形燃料電池などの電気化学反応装置１０８の第１電極部１０１の空気極において、中間輸送媒体１０３ＡとしてYSZを用い、第１電極部１０１の中間輸送媒体柱部１０７Ａの輸送媒体としては、電解層であるYSZの代わりに、LSCF（La1-xSrxCoyFe1-yO3-σ）を用いることができる。この場合にも、中間輸送媒体柱部１０７Ａは、中間物質１２１の伝導率または拡散係数を高くすることができる。また、リチウムイオン電池などの電気化学反応装置の正極において、中間輸送媒体としてLiPF6（ヘキサフルオロリン酸リチウム）を用い、第１電極部１０１の中間輸送媒体柱部１０７Ａの輸送媒体としては、LiPF6の代わりに、Liとの合金酸化物であるLi1-xMnO2を用いることができる。ここで、LiイオンはMnO2（マンガン酸化物）の層状物の隙間に入り込むため、輸送媒体としてはMnO2となる。
【００７９】
さらに、上述した各実施例においては、中間物質としては、導電イオンを例としていたが、例えば、ガスなどを中間物質としてもよい。また、固体酸化物形燃料電池(SOFC)の場合、中間物質は、:酸化物イオンの場合を例としたが、固体高分子形燃料電池（PEFC）の場合には、中間物質は水素イオンとなり、リチウムイオン電池の場合には、中間物質はLiイオンとなり、ナトリウム・硫黄電池（NAS電池）の場合には、Naイオンとなる。
【符号の説明】
【００８０】
１        ：燃料極
２        ：空気極
３        ：電解質層部
４        ：電力部
５、５Ａ、５Ｂ  ：集電層
６、６Ｄ、６Ｇ  ：Ni柱部
６Ａ、６Ｂ、１６  ：Ni粒子
７、７Ａ〜７Ｍ  ：YSZ柱部
９、９Ｄ、９Ｇ  ：LSM柱部
１０      ：燃料極
１５      ：集電層
１７      ：YSZ粒子
１８、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ  ：空隙
１９      ：三相界面
２０      ：Ａｕリング
２１      ：アノードサポート基板
２２      ：Ｚｒ−Ｙ基板
３０      ：ゴム製へら（スキージ）
３１      ：スラリー
３２      ：ステンシル（シルクスクリーン）
３３      ：Ｚｒ−Ｙ基板
３５      ：YSZ柱部
３８      ：可変抵抗
３９      ：真空チャンパー
４０      ：評価試験装置
５０      ：YSZ焼結体
５１      ：孔部
１０１    ：第１電極部
１０２    ：第２電極部
１０３    ：中間輸送媒体部
１０３Ａ  ：中間輸送媒体
１０５、１３０  ：集電層
１０６    ：第１輸送媒体配置部
１０６Ａ、１０６Ｂ  ：第１輸送媒体
１０７Ａ  ：中間輸送媒体柱部
１０７Ｂ  ：第２中間輸送媒体柱部
１０８    ：電気化学反応装置
１０９    ：第２輸送媒体配置部
１０９Ａ、１０９Ｂ  ：第２輸送媒体
１１８Ａ  ：第１空隙部
１１８Ｂ  ：第２空隙部
１２０    ：第１物質
１２０Ａ、１２１Ａ、１２１Ｂ、１２３Ａ  ：物質輸送方向
１２１    ：中間物質
【図１】
2015176774.tif 000006
【図２】
2015176774.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図８】
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【図１０】
2015176774.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
2015176774.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
2015176774.tif 000015
【図１５】
2015176774.tif 000016
【図１８】
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【図１９】
2015176774.tif 000018
【図２０】
2015176774.tif 000019
【図２１】
2015176774.tif 000020
【図２２】
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【図２３】
2015176774.tif 000022
【図２４】
2015176774.tif 000023
【図２５】
2015176774.tif 000024
【図２６】
2015176774.tif 000025
【図２７】
2015176774.tif 000026
【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１６】
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【図１７】
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