CN101449416A - 包括具有热部和冷部的细长基板的固体氧化物燃料电池装置 - Google Patents

Abstract

一种固体氧化物燃料电池装置具有细长管(29)，该管包括沿着第一纵向部分构造成将被加热至工作反应温度的反应区(31)和沿着第二纵向部分构造成当反应区被加热时保持在低于工作反应温度的低温的至少一个冷区(30)。设有环形通道(14、20)用于输送燃料和氧化剂。燃料电池系统可以设有多个燃料电池装置，每个装置被定位成使其反应区位于热区容室中并且具有延伸于热区容室外侧第一和第二冷端区域。使用所述装置和系统的方法也被提供。在各种实施方式中，固体氧化物燃料电池装置可以具有细长基板(29)，其最大尺寸为其长度，从而细长基板的热膨胀系数只有一个沿长度方向延伸的主轴线。此外，所述装置可以包括多层阳极－阴极结构，该结构包括在细长基板内在反应区中与多个阴极相对的多个阳极以及布置在每对相对的阳极和阴极之间的电解质(28)。

Description

包括具有热部和冷部的细长基板的固体氧化物燃料电池装置

相关申请的交叉引用

[0001]本申请要求先前在2006年5月11日提交的共同未决的美国临时申请No.60/747,013的权益和优先权，并且是都在2006年11月8日提交的美国专利申请No.11/557,894、11/557,901、11/557,934、和11/557,935的继续申请，这些申请均着重地整体上以引入方式并入本申请。本申请还涉及都在2007年5月10日提交的美国临时申请No.60/917,262以及美国专利申请No.11/747,066和11/747,073，这些申请也着重地整体上以引入方式并入本申请。

技术领域

[0002]本发明涉及固体氧化物燃料电池装置和系统以及装置制造方法，特别涉及多层单块式SOFC Stick^TM形式的固体氧化物燃料电池装置。

背景技术

[0003]陶瓷管已被发现可用于制造固体氧化物燃料电池(SOFC)。现有多种类型的燃料电池，每种燃料电池可以提供不同的机制来在不燃烧的状态下转化燃料和空气以产生电力。在SOFC中，燃料和空气之间的隔离层(电解质)为陶瓷层，其允许氧原子迁移通过该层以完成化学反应。由于陶瓷在室温下是氧原子的不良导体，因此燃料电池操作于700℃至1000℃，并陶瓷层被制作成尽可能薄。

[0004]早期的管状SOFC由Westinghouse Corporation使用长的、直径非常大的氧化锆陶瓷挤出管来制造。典型的管长度为几英尺，管直径范围在从1/4英寸至1/2英寸。燃料电池的完整结构典型地包含大约十根管。之后，研究人员和工业组织致力于包含8摩尔％Y₂O₃的氧化锆陶瓷的配方。这种材料包括日本的Tosoh公司制造的产品TZ-8Y等等。

[0005]另一制作SOFC的方法使用了氧化锆平板，其与其它阳极和阴极堆叠在一起，以实现燃料电池结构。与Westinghouse构想出来的高且窄的装置相比，这种平板结构可以是立方体形状的，边缘尺寸为6至8，并且用夹持机构将整个堆叠体保持在一起。

[0006]另一种新的方法构思使用大量的具有非常薄的壁的小直径管。使用薄壁陶瓷对于SOFC而言是重要的，这是因为氧离子的传导率受到距离和温度的限制。如果更薄层的氧化锆被使用，则最终的装置可以操作于更低的温度，同时维持相同的效率。文献描述了需要将陶瓷管制造成具有150μm或以下的壁厚。

[0007]存在几个主要技术问题妨碍SOFC的成功应用。一个问题是需要防止陶瓷元件在加热过程中破裂。为此，管状SOFC方案优于竞争对手堆叠型(由达到平坦陶瓷板制成)，这是由于管基本上是一维的。管可能会在例如中部变热并且膨胀，但不会破裂。例如，管炉可以加热36＂长、直径4＂的氧化铝管，并且会在中央变得红热，而在端部温度低至可用手摸。由于管在中央区域被均匀地加热，因此中央区域膨胀，这使得管可以更长，但不会破裂。在中央加热的陶瓷板会迅速破裂成碎块，这是由于在中央膨胀时外部保持相同的尺寸。管的关键性能是，它是单轴或一维的。

[0008]第二个关键性的挑战是接触SOFC。SOFC理想地操作于高温(典型地700-1000℃)，同时还需要与外界相连而传输空气和燃料，并且还要实现电连接。理想地，希望在室温下进行连接。在高温下连接会引起问题，这是由于有机材料不能被使用，因此，必须使用玻璃密封或机械密封。这些都不可靠，部分地由于膨胀问题。此外，它们可能是昂贵的。

[0009]因此，以前的SOFC系统至少在前面描述的两个问题上会遇到困难。板技术也会遇到板边缘需要密封气体端口的问题，并且具有快速加热的困难，以及破裂问题。管方案解决了破裂问题，但仍存在其它问题。SOFC管只能被用作气体容器。为了工作，它必须用在空气容器内。这导致体积庞大。使用管的关键性挑战在于，必须向管外部施加热量和空气二者；空气用于提供O₂以实现反应热量用于加速反应。通常，热量可通过燃烧燃料而提供，因此，除了施加具有20％O₂(典型)的空气以外，空气实际上被部分地还原(部分燃烧以提供热量)，这会降低电池的驱动势能。

[0010]SOFC管还受限于其规模生产性。为实现更高的kV输出，需要添加更多的管。每个管为单一的电解质层，因此增加数量导致体积庞大。固体电解质管技术进一步受限于可实现的电解质薄度。更薄的电解质效率更高。电解质厚度为2μm或甚至1μm对于高功率来说是最佳的，但非常难以实现于固体电解质管中。应指出，单一的燃料电池区域产生大约0.5至1伏(由于化学反应的驱动力的因素，这一点是故有，这与供应1.2伏电压的干电池方式相同)，但电流，以及因此功率，取决于多种因素。在给定时间内使得更多氧离子迁移跨越电解质的因素将导致更高的电流。这些因素包括更高的温度，更薄的电解质，以及更大的面积。

发明内容

[0011]本发明提供了一种固体氧化物燃料电池装置，其具有：细长管，其具有沿着第一纵向部分构造成将被加热至工作反应温度的反应区，以及沿着第二纵向部分构造成当反应区被加热时保持在低于工作反应温度的低温的至少一个冷区。多个燃料通道和氧化剂通道沿着每个第一和第二纵向部分的至少一部分从相应的燃料入口和氧化剂入口纵向延伸至相应的燃料出口和氧化剂出口。至少在反应区中阳极与每个燃料通道相关联、阴极与每个氧化剂通道相关联，所述阳极和阴极彼此相对地定位。固体电解质设置在相对的阳极和阴极之间。

[0012]在一个实施方式中，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池装置，其包括：螺旋卷绕的细长管，其具有限定在第一管端和相反的第二管端之间的管长度，靠近第一管端的第一冷端区域，靠近第二管端的第二冷端区域，和位于第一和第二冷端区域之间的反应区。反应区被构造成将被加热至工作反应温度，第一和第二冷端区域被构造成保持在低于工作反应温度的低温。细长管还包括设在第一冷端区域中的燃料入口和设在反应区中的相应的燃料出口，燃料入口和燃料出口之间连接着细长燃料通道，所述燃料通道至少部分地延伸通过细长管内的反应区；设在第二冷端区域中的氧化剂入口和设在反应区中的相应的氧化剂出口，氧化剂入口和氧化剂出口之间连接着细长氧化剂通道，所述氧化剂通道至少部分地延伸通过细长管内的反应区，并且与细长燃料通道平行且相对。阳极在细长管内的反应区中靠近燃料通道并且电连接着细长管上的位于第一和第二冷端区域中的至少一个中的第一外部接触面；阴极在细长管内的反应区中靠近氧化剂通道并且电连接着细长管上的位于第一和第二冷端区域中的至少一个中的第二外部接触面；以及固体电解质位于阳极和阴极之间。

[0013]在另一实施方式中，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池装置，其包括：细长管，其具有限定在第一管端和相反的第二管端之间的管长度，靠近第一管端的第一冷端区域，靠近第二管端的第二冷端区域，和位于第一和第二冷端区域之间的反应区。反应区被构造成将被加热至工作反应温度，并且第一和第二冷端区域被构造成保持在低于工作反应温度的低温。细长管还包括多个彼此相隔的同心环形燃料通道，它们从第一管端开始至少部分地通过反应区朝向第二管端延伸；多个彼此相隔的同心环形氧化剂通道，它们以与所述多个燃料通道交替和同心的方式从第二管端开始至少部分地通过反应区朝向第二管端延伸。燃料出口位于反应区和第二冷端区域之一中，其从所述多个燃料通道中最内侧的一个延伸至细长管的外表面，并且相对于每个所述多个燃料通道流体开通和相对于所述多个氧化剂通道流体关闭；氧化剂出口位于反应区和第一冷端区域之一中，其从所述多个氧化剂通道中最内侧的一个延伸至细长管的外表面，并且相对于每个所述多个氧化剂通道流体开通和相对于所述多个燃料通道流体关闭。阳极在反应区和第一冷端区域中镶衬于每个所述多个燃料通道上，并且在第一冷端区域中电连接着细长管上的第一外部接触面；阴极在反应区和第二冷端区域中镶衬于每个所述多个氧化剂通道上，并且在第二冷端区域中电连接着细长管上的第二外部接触面。环形固体电解质层位于每对相邻的燃料通道和氧化剂通道之间，以分开相对的阳极和阴极。

[0014]本发明还提供了一种燃料电池系统，其采用了多个前述实施方式中任一所述的燃料电池装置，每个燃料电池装置被定位成使其反应区位于热区容室中，并且第一和第二冷端区域延伸于热区容室外侧。热源连接着热区容室，并且被设置成在热区容室中将反应区加热至工作反应温度。所述系统进一步包括燃料和空气供应件，其在热区容室的外侧连接着相应的第一和第二冷端区域，用于将燃料和空气流供应到燃料和空气通道中。使用上述装置和系统的方法也被提供。

[0015]本发明还在一个实施方式中提供了一种固体氧化物燃料电池装置，其包括：细长基板，其最大尺寸为其长度，从而细长基板的热膨胀系数只有一个沿长度方向延伸的主轴线，沿着长度方向的彼此相反的第一和第二侧，沿着所述长度的第一部分的反应区，其构造成将被加热至工作反应温度，和沿着所述长度的第二部分的至少一个冷区，其构造成当反应区被加热时保持在低于工作反应温度的低温。装置进一步包括：第一多层阳极-阴极结构，其包括在细长基板内在反应区中与多个阴极相对的多个阳极，和布置在每对相对的阳极和阴极之间的电解质。所述多个阳极和阴极中的每个具有一或多个突片部分，其从细长基板内延伸至所述彼此相反的第一和第二侧之一以在相应的多个暴露的阳极和阴极表面上形成电路径；多个外部接触垫位于彼此相反的第一和第二侧之一或二者上的、设在暴露的阳极和阴极表面上面，用于串联和/或并联地电连接阳极和阴极。

[0016]在另一实施方式中，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池装置，其包括：细长基板，其最大尺寸为其长度，从而细长基板的热膨胀系数只有一个沿长度方向延伸的主轴线，反应区，其沿着所述长度的第一部分构造成将被加热至工作反应温度，和至少一个冷区，其沿着所述长度的第二部分构造成当反应区被加热时保持在低于工作反应温度的低温。装置还包括多孔支撑电极材料，其形成细长基板的支撑结构；位于多孔支撑电极材料中的一或多个第一流体通道，其连接着所述至少一个冷区中的第一流体入口，并且至少部分地通过反应区延伸至位于反应区和相反的冷区之一中的第一流体出口。电解质镶衬于一或多个第一流体通道，第一电极材料镶衬于电解质，从而电解质将一或多个第一流体通道中的第一电极材料与周围多孔支撑电极材料分开。多孔支撑电极材料为阳极材料和阴极材料之一，第一电极材料为阳极材料和阴极材料中的另一种。第一电接触面电连接着第一电极材料，并且存在于所述至少一个冷区的第一外表面上，第二电接触面电连接着多孔支撑电极材料，并且存在于所述至少一个冷区的第二外表面上，每个电接触面用于在低于工作反应温度的低温进行电连接。

本发明还提供了一种燃料电池系统，其采用了多个如前述实施方式中任一所述的燃料电池装置，每个燃料电池装置被定位成使其反应区位于热区容室中，并且所述至少一个冷区延伸于热区容室外侧。热源连接着热区容室，并且被设置成在热区容室中将反应区加热至工作反应温度。所述系统还包括燃料和空气供应件，其在热区容室的外侧连接至所述至少一个冷区，用于将燃料和空气流供应到燃料和空气通道中。

使用上述装置和系统的方法也被提供了。

附图说明

[0017]组合于此并且构成说明书一部分的附图示出了本发明的实施方式，并且与前面的本发明总体描述和下面的详细描述一起用来解释本发明。

[0018]图1和1A分别以剖切侧视图和剖切俯视图显示了本发明的基本SOFC Stick^TM装置的一个实施方式，其具有单一的阳极层、阴极层和电解质层，以及位于两端冷区之间的热区。

[0019]图2以透视图示出了本发明的SOFC Stick^TM装置的一个实施方式的第一端部，其连接着燃料供应管。

[0020]图3A以透视图示出了根据本发明的一个实施方式的SOFC Stick^TM装置，但具有改型端部。

[0021]图3B以透视图示出了燃料供应管连接至图3A所示装置的一个改型端部。

[0022]图4A以透视图示出了根据本发明的一个实施方式的连接到多个SOFC Stick^TM装置的冶金结合连接结构，以实现电连接至正和负电压节点。

[0023]图4B以示意性端视图示出了根据本发明的一个实施方式的多个SOFC Stick^TM装置之间的连接，其中每个SOFC Stick^TM装置包括多个阳极和阴极。

[0024]图5以示意性端视图示出了根据本发明的一个实施方式的机械连接结构，用于实现电连接至正和负电压节点。

[0025]图6A和6B以透视图示出了一个替代性实施方式，其在SOFC Stick^TM装置的一端具有单一的冷区，该端连接着燃料和空气供应管，另一端位于热区中。

[0026]图7A和7B分别为剖切侧视图和俯视图，示出了根据本发明的一个实施方式的位于空气和燃料通道中的多个支撑柱。

[0027]图7C和7D为微观照片，示出了根据本发明的另一实施方式在燃料和空气通道中将球体用作支撑柱。

[0028]图8A以剖视图示出了本发明的一个实施方式，其中包含两个从外部并联连接的燃料电池。

[0029]图8B以剖视图示出了类似于图8A的本发明另一实施方式，但具有通过使用通路孔而从内部并联连接的两个燃料电池。

[0030]图9A和9B以剖视图示出了根据本发明的一个实施方式的具有共用阳极和阴极的多燃料电池设计，其中图9A示出了并联连接的三个燃料电池层，图9B示出了串联连接的三个燃料电池。

[0031]图10以示意性侧视图示出了根据本发明的一个实施方式的SOFC Stick^TM装置，其燃料供应管连接至装置冷端，且装置的一侧在热区中开通于空气通道，以在热区中将加热了的空气供应至装置。

[0032]图10A以示意性侧视图示出了图10中的实施方式的改型，其中热区定位在彼此相反的冷端之间。

[0033]图10B示出了图10A中的SOFC Stick^TM装置沿着线10B-10B所作的剖切俯视图。

[0034]图11-24示意性示出了各种本发明的实施方式，其中图11提供了图12-24所示各个元件的图例。

[0035]图25A和27A以示意性俯视图、图27B以示意性侧视图示出了根据本发明的一个实施方式的SOFC Stick^TM装置，其具有锅柄设计，其中细长段设在冷端，大表面面积段设在相对的热端。

[0036]图25B和26A以示意性俯视图、图26B以示意性侧视图示出了锅柄设计的替代性实施方式，其具有位于彼此相反的冷端的两个细长段和位于中央热区的中央大表面面积段。

[0037]图28A-28D示出了根据本发明的一个实施方式的SOFCStick^TM装置，其具有螺旋或卷绕的管状结构，其中图28A-28C分别以示意性俯视图、端视图和侧视图示出了未卷绕结构，图28D以示意性透视图示出了螺旋或卷绕的管状结构。

[0038]图29A-29G示出了本发明的另一替代性实施方式，SOFCStick^TM装置具有管状同心形式，其中图29A以示意性等轴测视图示出了装置，图29B-29E示出了从图29A所取的剖视图，图29F示出了空气输入端的端视图，图29G示出了燃料输入端的端视图。

[0039]图30A以示意性剖切侧视图示出了本发明的一个实施方式的SOFC Stick^TM装置，其具有位于热区中的活性区上游的组合预热区，图30B和30C分别示出了图30A中的装置沿着线30B-30B和30C-30C所作的示意性剖视图。

[0040]图31A-31C是类似于图30A-30C的视图，但示出了两个冷区及中央热区。

[0041]图32A-32B分别以示意性剖切侧视图和沿着图32A中的线32B-32B所作的示意性剖切俯视图示出了一个实施方式，其类似于图31A-31C所示的实施方式，但还包括延伸在燃料入口和燃料通道之间以及空气入口和空气通道之间的预热容室，每个预热容室从冷区延伸到热区的预热区中。

[0042]图33A-33C示出了本发明的另一实施方式，用于预热空气和燃料，其中图33A为通过SOFC Stick^TM装置纵向中心所作的示意性剖切侧视图，图33B为沿着图33A中的线33B-33B所作的示意性剖切俯视图，图33C为沿着图33A中的线33C-33C所作的示意性剖切仰视图。

[0043]图34A和34B分别以示意性倾斜前视图和示意性侧视图示出了本发明的一个实施方式，其具有通过外部串联而互联的多阳极和阴极。

[0044]图35以示意性侧视图示出了图34B的加倍结构，其中两个结构通过金属带在外部连接，以提供串联-并联设计。

[0045]图36A和36B以示意性侧视图和透视图示出了本发明的另一实施方式，其包括金属带以在热区中串联和/或并联地连接阳极和阴极，以及长金属带从热区延伸至冷区以在冷区产生连接至正和负电压节点的低温连接部。

[0046]图37以示意性等轴测视图示出了类似于图36B的实施方式，但具有单一的冷区用于空气和燃料供应件的连接和用于电压节点连接。

[0047]图38A和38B以示意性剖切侧视图示出了本发明的一个实施方式，其具有沿着装置侧面的多个排放间隙，用于烘烤有机材料以在结构中形成通道。

[0048]图39以示意性剖切端视图示出了本发明的另一实施方式，其中阳极材料被用作支撑结构，称作阳极支撑型SOFC Stick^TM装置。

[0049]图40A和40B分别以示意性剖切端视图和示意性剖切侧视图示出了根据本发明的另一实施方式的阳极支撑型SOFC Stick^TM装置，其中开式燃料通道被消除，以有利于用于输送燃料通过装置的多孔阳极。

[0050]图41A和41B分别以示意性剖切端视图和示意性剖切俯视图示出了本发明的另一实施方式的阳极支撑型SOFC Stick^TM装置，其中多重空气通道设置在阳极支撑结构内，并且单一的燃料通道被设置成垂直于多重空气通道。

[0051]图42A-42C以示意性剖视图示出了根据一个实施方式在本发明的SOFC Stick^TM装置的通道中形成电极层的方法。

[0052]图43以示意性剖切侧视图示出了本发明的另一实施方式，其中电解质层设有不平坦表面形态，以增大可用于接收电极层的表面面积。

[0053]图44以示意性剖切侧视图示出了本发明的替代性实施方式，用于在电解质层上提供不平坦表面形态。

[0054]图45A以示意性俯视图示出了、图45B以穿过热区的剖视图示出了本发明的一个实施方式的SOFC Stick^TM装置，其具有分别位于装置左右侧的多个燃料电池，桥接部分位于它们之间。

[0055]图46A和46B分别以示意性透视图和示意性剖视图示出了本发明的另一实施方式的SOFC Stick^TM装置，其具有大的外部接触垫以提供大的或宽的低电阻路径，以使电子运行至装置的冷端。

[0056]图47以示意性剖切侧视图示出了根据本发明的另一实施方式的SOFC Stick^TM装置，其具有单一的排放通道，用于用过的燃料和空气。

[0057]图48A-48C示出了一种替代性实施方式，称作＂端部卷绕SOFC Stick^TM装置＂，其具有厚部分和薄卷绕部分，其中，图48A示出了以透视图未卷绕的装置，图48B示出了以剖切侧视图卷绕的装置，图48C以透视图示出了卷绕的装置。

具体实施方式

[0058]在一个实施方式中，本发明提供了一种SOFC装置和系统，其中燃料端口和空气端口制作于一个单块式结构中。在一个实施方式中，SOFC装置为细长结构，大体上为相对平坦或矩形的棒状(因此称作SOFC Stick^TM装置)，其长度显著大于宽度或厚度。SOFCStick^TM装置可以具有冷端，而中央是热的(冷端为<300℃；热的中央为>400℃、更可能>700℃)。陶瓷的缓慢导热性可防止热的中央充分加热较冷的端部。另外，端部可快速散掉任何到达它们的热量。本发明包括实现下述结构，即通过设置用于连接的冷端，可以更容易地连接至阳极、阴极、燃料入口和H₂O-CO₂出口、空气入口和空气出口。尽管管状燃料电池结构也可以具有冷端和热的中央，但现有技术没有利用上陶瓷管的上述优点，相反，将整个管放置在炉或热区中，因而需要高温条件。现有技术认识到了制作用于燃料输入的高温钎焊连接部的复杂性和高成本，但没有认识到本申请所提出的解决方案。本发明的SOFC Stick^TM装置是长且薄的，从而具有前面讨论过的热学性质优点，以允许其在中央被加热，同时具有冷的端部。这使得其在结构上稳定以适应于温度，并且使得其相对容易连接燃料、空气和电极。SOFC Stick^TM装置是基本上独立的系统，只需要添加热量、燃料和空气以便产生电力。所述结构被设计成可容易连接这些物质。

[0059]本发明的SOFC Stick^TM装置为多层结构，并且可以利用多层共同焙烧途径获得，以提供多项附加优点。第一，装置是单块式的，这有助于使得它在结构上稳定。第二，装置本身适合于传统大规模制造技术，例如制造电容芯片的MLCC(多层共同焙烧陶瓷)工艺中使用的技术。(可以认为多层电容制造技术是应用工艺陶瓷量最大的，并且该技术已被证明可实现大规模制造。)第三，薄电解质层可以位于该结构中获得，而不会提高成本和复杂性。2μm厚度的电解质层可通过使用MLCC技术获得，但难以想象SOFC管可具有小于60μm的电解质壁厚。因此，本发明的SOFC Stick^TM装置的效率可以比SOFC管高大约30倍。最后，每个本发明的多层SOFC Stick^TM装置可以具有几百或几千层，这可以提供最大的面积和最高的密度。

[0060]下面考察现有技术的SOFC管与本发明的SOFC Stick^TM装置的表面面积的比较。例如，考察0.25＂直径的管与0.25＂×0.25＂的SOFC Stick^TM装置。对于管，周长为3.14×D，即0.785＂。对于0.25＂的SOFC Stick^TM装置，一层的可用宽度为大约0.2英寸。因此，大约4层可以获得与一个管大致相同的面积。这些数据显著不同于电容技术。日本现有技术的多层电容目前一般具有600个2μm厚度的层。日本不久就要制造高达1000层的部件，这种部件已经处在实验室阶段了。这些600层的芯片电容只有0.060＂(1500μm)厚。将这种制造技术应用于本发明的SOFC Stick^TM装置，在0.25＂的装置中，具有2μm的电解质厚度和空气/燃料通道，相应的阴极/阳极具有10μm的厚度，可以产生具有529层的单一装置。这等效于132个管。现有技术为获得更高功率采取的策略是添加更多的管，增大直径，和/或增加管长度，其结果是为了高功率输出不得不使用大的结构。另一方面，本发明可以向单一的SOFC Stick^TM装置添加更多的层以获得更高功率，和/或在装置中使用更薄的层或通道，从而使得SOFC技术实现最小化。另外，本发明的益处可以产生成平方提高的效果，正如电容中那样。当电解质层厚度减半时，功率会加倍，并且能够向装置中装配更多的层，以使得功率再次加倍。

[0061]本发明的另一关键特征是容易实现内部连结各层，以增大SOFC Stick^TM装置的输出电压。假定每层1伏，本发明的SOFC Stick^TM装置使用通路孔将一组12层连结在一起，12伏输出可以获得。接下来，进一步的连接部可以将多个12层的组连结以实现更高的电流。这可以通过电容芯片技术中的现有方法实现。关键的不同之处在于，本发明取消了其它技术中必须使用的钎焊和复杂的引线接合。

[0062]本发明还提供了一种同现有技术相比更多样性的电极可选方案。贵金属将用于形成阳极和阴极。银的价格较低，但对于更高的温度，银需要混合Pd、Pt或Au，其中Pd可能是这三种材料中价格最低的。更多的研究集中在非贵金属导体。在燃料侧，曾有人试图使用镍，但在高温下任何暴露于氧的金属都会被氧化。导电性陶瓷也是已知的，并且可以用于本发明。简而言之，本发明可以采用任何种类的可以烧结的阳极/阴极/电解质系统。

[0063]在本发明的一个实施方式中，当大面积的2μm料带未被支撑时，空气/气体位于其两侧，所述层可能会变脆。可以设想，可留下横跨间隙的柱。这看上去优点像山洞中钟乳石和石笋相会处的石柱。这些柱可以均匀且以一定频率相隔，以使得结构具有更高的强度。

[0064]为了连接气体和空气供应部，可以设想，端部温度低于300℃，例如，低于150℃，从而例如高温柔性硅酮管或乳胶管可以被使用而连接在SOFC Stick^TM装置上。这些柔性管可以简单地牵伸到装置的端部上，并因此而形成密封。这些材料可由标准McMaster产品目录获得。作为烤箱垫圈的硅酮通常被用在150℃或以上，而不损失其性能。多棒型SOFC Stick^TM系统的众多硅酮或乳胶管可以通过倒钩形连接件连接至供应部。

[0065]阳极材料或阴极材料，或这两种电极材料，可以是金属或合金。用于阳极和阴极的适宜的金属和合金对于本领域普通技术人员来说是公知的。或者，电极材料之一或二者可以是电子传导性生料陶瓷，这也是本领域普通技术人员公知的。例如，阳极材料可以是部分地烧结的金属镍，涂覆有钇稳定氧化锆，阴极材料可以是改性的亚锰酸镧，其具有钙钛矿结构。

[0066]在另一实施方式中，电极材料之一或二者可以是生料陶瓷和导电性金属的复合材料，导电性金属的量足以使得复合材料具有导电性。一般来说，当金属颗粒开始接触时陶瓷基体变成电子传导性的。金属的量足以使得复合材料基体导电性主要随金属颗粒形态而变化。例如，球形粉末金属中金属的量通常要高于金属薄片中金属的量。在代表性实施方式中，复合材料包括生料陶瓷基体，大约40-90％导电性金属颗粒散布于其中。生料陶瓷基体用于电解质层的生料陶瓷材料可以与相同或不同。

[0067]在电极材料之一或二者包括陶瓷即电子传导性生料陶瓷或复合材料的实施方式中，电极材料中的生料陶瓷和用于电解质的生料陶瓷材料可以含有可交联的有机粘合剂，从而在层合过程中，压力足以使得有机粘合剂在层中交联，并将层间的聚合物分子联结。

[0068]现在参看附图，其中相同的附图标记在所有图中表示相同的部件。图中出现的附图标记包括：

10  SOFC Stick^TM装置

11  第一端部

11b 第二端部

12  燃料入口

13  燃料预热容室

14  燃料通道

16  燃料出口

18  空气入口

19  空气预热容室

20  空气通道

21  排放通道

22  空气出口

24  阳极层

25  暴露的阳极部分

26  阴极层

27  暴露的阴极部分

28  电解质层

29  陶瓷

30  冷区(或第二温度区)

31  过渡区

32  热区(或加热区或第一温度区)

33a 预热区

33b 活性区

34  燃料供应部

36  空气供应部

38  负电压节点

40  正电压节点

42  电线

44  接触垫

46  焊料连接部

48  弹簧夹

50  供应管

52  系结带

54  陶瓷柱

56  第一通路孔

58  第二通路孔

60  隔离涂层

62  表面颗粒

64  纹理表面层

66  阳极悬挂体

70  开口

72  有机材料

80   左侧

82   右侧

84   桥接部分

90   桥

100  SOFC Stick^TM装置

102  细长段

104  大表面面积段

106  细长段

200  螺旋管状SOFC Stick^TM装置

300  同心管状SOFC Stick^TM装置

400  端部卷绕的SOFC Stick^TM装置

402  厚部分

404  薄部分

[0069]图1和1A分别以剖切侧视图和剖切俯视图示出了本发明的一个实施方式的基本SOFC Stick^TM装置10，其具有单一的阳极层24、阴极层26和电解质层28，其中，装置是单块式的。SOFC Stick^TM装置10包括燃料入口12、燃料出口16和位于它们之间的燃料通道14。装置10还包括空气入口18、空气出口22和位于它们之间的空气通道20。燃料通道14和空气通道20处在彼此相对且平行的关系，从燃料供应件34通过燃料通道14的燃料流的方向与从空气供应件36通过空气通道20的空气流相反。电解质层28布置在燃料通道14和空气通道20之间。阳极层24布置在燃料通道14和电解质层28之间。类似地，阴极层26布置在空气通道20和电解质层28之间。SOFC Stick^TM装置10的其余部分包括陶瓷29，其可以与作为电解质层28的材料相同，或者可以是不同但相容的陶瓷材料。电解质层28被认为是位于阳极24和阴极26的对置区域之间的陶瓷部分，如虚线所示。在电解质层28中，氧离子从空气通道移动至燃料通道。如示于图1，O₂从空气供应件36运行通过空气通道20并被阴极层26电离(离子化)以形成2O^-，后者运行通过电解质层28并且通过阳极24到燃料通道14中，在此与来自燃料供应件34的燃料例如碳氢化合物发生反应，以首先形成CO和H₂然后形成H₂O和CO₂。尽管图1示出了反应使用碳氢化合物作为燃料，但本发明并不局限于此。通常用于SOFC的任何类型的燃料可以用于本发明。燃料供应件34可以是例如任何碳氢化合物源或氢源。甲烷(CH₄)、丙烷(C₃H₈)和丁烷(C₄H₁₀)是碳氢化合物燃料的例子。

[0070]为了发生反应，热量必须施加到SOFC Stick^TM装置10。根据本发明，SOFC Stick^TM装置10的长度足够大，从而装置可以划分为位于装置中央的热区32(或加热区)和位于装置10的每个端部11a和11b的冷区30。在热区32和冷区30之间，存在过渡区31。热区32典型地在400℃以上操作。在代表性实施方式中，热区32的工作温度>600℃，例如>700℃。冷区30不暴露于热源，并且由于SOFC Stick^TM装置10的长度和陶瓷材料的热学性质优点，热量在热区外面耗散，从而使得冷区30的温度<300℃。可以认为从热区一直传送通过陶瓷的长度而到达冷区端部的热量很低，而热量从热区外侧的陶瓷材料传送到空气相对快速。因此，在可以到达冷区端部之前，输入热区的热量的大部分将损失在空气中(主要在过渡区)。在本发明的代表性实施方式中，冷区30的温度<150℃。在进一步的代表性实施方式中，冷区30在室温下。过渡区31的温度在热区32的工作温度和冷区30的温度之间，并且在过渡区31中发生大量的热量耗散。

[0071]由于主热膨胀系数(CTE)沿着SOFC Stick^TM装置10的长度，并且因此是大体上一维的，因此可以对中央快速加热而不破裂。在代表性实施方式中，装置10的长度为装置宽度和厚度的至少5倍。在进一步的代表性实施方式中，装置10的长度为装置宽度和厚度的至少10倍。在进一步的代表性实施方式，装置10的长度为装置宽度和厚度的至少15倍。另外，在代表性实施方式中，宽度大于厚度，以提供更大的面积。例如，宽度可以是厚度的至少两倍。作为进一步的例子，0.2英寸厚的SOFC Stick^TM装置10可以具有宽度0.5英寸。可以理解，附图不是按比例绘制的，而是仅仅给出了相对尺寸的一般概念。

[0072]根据本发明，连接到阳极和阴极上的电连接部形成在SOFC Stick^TM装置10的冷区30。在代表性实施方式中，阳极24和阴极26分别在相应的冷区30暴露于SOFC Stick^TM装置10的外表面，以允许产生电连接部。负电压节点(negative voltage node)38通过例如电线42连接至暴露的阳极部分25，正电压节点(positive voltage node)40例如通过电线42连接至暴露的阴极部分27。由于SOFC Stick^TM装置10在装置的每个端部11a、11b具有冷区30，因此低温硬质电连接部可以实现，其显著优于现有技术，现有技术通常要求高温钎焊方法来形成电连接部。

[0073]图2以透视图示出了SOFC Stick^TM装置10的第一端部11a，其中供应管50连接在该端部上并且利用系结带52紧固。然后，来自燃料供应件34的燃料可以通过供应管50供给并进入燃料入口12。作为第一端部11位于冷区30的结果，柔性塑料管件或其它低温型连接材料可以被使用以连接燃料供应件34至燃料入口12。本发明消除了利用高温钎焊形成燃料连接部的需要。

[0074]图3A以透视图示出了SOFC Stick^TM装置10，其类似于示于图1的装置，但具有改型第一和第二端部11a、11b。端部11a、11b被机加工以形成圆柱形末端部分，以便于连接燃料供应件34和空气供应件36。图3B以透视图示出了供应管50连接至第一端部11a，用于从燃料供应件34进给燃料至燃料入口12。举例来说，供应管50可以是硅酮或乳胶管，其利用自身弹性形成紧密封于第一端部11a上。可以理解，当用在承受振动的移动装置中时，供应管50的柔性和弹性可以提供SOFC Stick^TM装置的冲击吸收保持器。在现有技术中，管或板被硬钎焊，因此如果用于动态环境，可能会产生破裂故障。因此，同现有技术相比，供应管50用作振动缓冲器的附加功能可提供独特的益处。

[0075]回来参看图3A，接触垫44设置在SOFC Stick^TM装置10的外表面上，以便形成与暴露的阳极部分25和暴露的阴极部分27之间的接触。用于接触垫44的材料应当具有导电性，以便用于将电压节点38、40电连接至它们相应的阳极24和阴极26。可以理解，任何适宜的方法可以用于形成接触垫44。例如，金属垫可以印刷在烧结SOFCStick^TM装置10的外表面上。电线42通过例如焊料连接部46固定在接触垫44上，以建立可靠的连接。焊料是低温材料，其可以通过定位在SOFC Stick^TM装置10的冷区30而被使用。例如，普通的10Sn88Pb2Ag焊料可被使用。本发明消除了对高温电压连接部的需要，从而将可行性扩展到任何低温连接材料或部件。

[0076]图3A还以透视图示出了燃料出口16和空气出口22。燃料通过位于一个冷区30的第一端部11a的燃料入口12进入，并且通过靠近第二端部11b的出口16从SOFC Stick^TM装置10的侧面排出。空气通过位于冷区30处的第二端部11b的空气入口18进入，并且从靠近第一端部11a的SOFC Stick^TM装置10侧面的空气出口22排出。虽然出口16和22被示出为位于SOFC Stick^TM装置10的相同侧，但可以理解，它们可以定位在相反两侧，例如，在后面图4A中示出的。

[0077]通过具有接近燃料入口12的空气出口22(以及类似地接近空气入口18的燃料出口16)，并且通过使得重叠的各层(阳极，阴极，电解质)紧密相邻，空气出口22可用作热交换器，用于预热通过燃料入口12进入装置10的燃料(类似地，燃料出口16预热通过空气入口18进入的空气)。热交换器提高了系统的效率。过渡区具有用过的空气和新鲜燃料(以及用过的燃料和新鲜空气)的重叠区域，从而在新鲜燃料(新鲜空气)到达热区之前热量被传导。因此，本发明的SOFC Stick^TM装置10为包括内置式热交换器的单块式结构。

[0078]针对图4A，其以透视图示出了多个SOFC Stick^TM装置10之间的连接(本例中为两个SOFC Stick^TM装置)，所述连接是这样形成的：将连接至暴露的阳极部分25的每个接触垫44对正，并对连接至负电压节点38的电线42进行焊料焊接(在46)以使之连接至每个接触垫44。类似地，连接至暴露的阴极部分27的接触垫44被对正，连接至正电压节点40的电线42被焊料焊接(在46)以使之连接至每个对正的接触垫44，如部分地以虚线所示。可以理解，由于连接部形成在冷区30，并且是相对简单的连接，因此，如果多SOFC Stick^TM系统或组件中的一个SOFC Stick^TM装置10需要更换，则只需要将该一个装置10上的焊料连接部弄断，将该装置换成新的装置10，并且重新焊料焊接电线42至新的SOFC Stick^TM装置10的接触垫。

[0079]图4B以端视图示出了多SOFC Stick^TM装置10之间的连接，其中每个SOFC Stick^TM装置10包括多个阳极和阴极。例如，示于图4B的特定实施方式包括三组对置的阳极24和阴极26，每个阳极24暴露在SOFC Stick^TM装置10的右侧，每个阴极暴露在SOFC Stick^TM装置10的左侧。接触垫然后安置在SOFC Stick^TM装置10的每侧以接触相应的暴露的阳极部分25和暴露的阴极部分27。在右侧，其中阳极24被暴露，通过借助于焊料连接部46将电线42固定至接触垫44，负电压节点38连接至暴露的阳极部分25。类似地，在SOFC Stick^TM装置10的左侧，通过借助于焊料连接部46将电线42固定至接触垫44，正电压节点40电连接至暴露的阴极部分27。因此，虽然图1-4示出了单一的阳极24对置着单一的阴极26，但可以理解，如示于图4B，每个SOFC Stick^TM装置10可以包括多阳极24和阴极26，每个电极暴露于SOFC Stick^TM装置10的外表面，以借助于施加于外表面接触垫44形成电连接部，从而连接至相应的电压节点38或40。结构中相对的阳极和阴极的数量可以是几十，几百甚至几千。

[0080]图5以端视图示出了用于在电线42和接触垫44之间形成电连接部的机械安装结构。在这种实施方式中，SOFC Stick^TM装置10被定向为使得一组电极暴露在每个SOFC Stick^TM装置10的顶表面上。接触垫44已经在冷区30在一端(例如11a或11b)被施加于每个顶表面。弹簧夹48可以然后被用于将电线42可移除地紧固在接触垫44上。因此，冶金结合可以被用于形成电连接部，例如示于图3A、4A和4B；或者机械连接装置可以被使用，如示于图5。通过本发明的SOFCStick^TM装置中的冷区30，使得在选择适宜的连接结构是具有灵活性。使用弹簧夹或其它机械连接结构进一步简化了在多棒型组件中更换单一的SOFC Stick^TM装置10的过程。

[0081]图6A和6B以透视图示出了一种替代性实施方式，其具有位于SOFC Stick^TM装置10的第一端部11a的单一的冷区30，第二端部11b位于热区32中。在图6A，SOFC Stick^TM装置10包括并联的三个燃料电池，而图6B中的SOFC Stick^TM装置10包括单一的燃料电池。因此，本发明的各种实施方式可以包括单电池单元设计或多电池单元设计。为实现用单一的端部输入燃料和空气二者，空气入口18被重新定向为靠近位于SOFC Stick^TM装置10的侧表面的第一端部11a。空气通道20(未示出)还是平行于燃料通道14延伸，但在这种实施方式中，空气流沿着与燃料流相同的方向通过SOFC Stick^TM装置10的长度。在装置10的第二端部11b，空气出口22被布置成靠近燃料出口16。可以理解，燃料出口16和空气出口22之一或二者可以从SOFCStick^TM装置10的侧表面引出，而不是都形成在端部表面处。

[0082]如示于图6B，用于空气供应件36的供应管50被这样形成：制作穿过供应管50侧面的孔，滑动装置10通过侧面的孔，从而使得用于空气供应件36的供应管50垂直于用于燃料供应件34的供应管50。同样，硅酮橡胶管或类似物可以用于这种实施方式。粘合材料可以围绕管50和装置10之间的接合部施加以形成密封。电连接部也靠近第一端部11a在冷区30中形成。图6A和6B分别示出了正电压连接部被形成在SOFC Stick^TM装置10的一侧、负电压连接部被形成在SOFC Stick^TM装置10的相反侧。然而，可以理解，本发明并不局限于此。单一端部输入型SOFC Stick^TM装置10的优点在于，只存在一个冷热过渡区，而非两个过渡区31，从而SOFC Stick^TM可以被制作的更短。

[0083]本发明的一个益处是能够形成非常薄的活性层，从而使得SOFC Stick^TM能够将多燃料电池包含在单一的装置中。活性层越薄，空气通道20或燃料通道14在制造SOFC Stick^TM装置10的过程中出现崩塌的可能性越大，从而阻碍通过通道的流动。因此，在本发明的一个实施方式中，如示于图7A和7B，多个陶瓷柱54被设置在通道14和20中，用于防止电解质层变形和通道受阻。图7为剖切侧视图，图7B为穿过空气通道20剖切俯视图。根据本发明的一种方法，使用流延成型(tape casting)方法，牺牲料带层可以被使用，多个孔形成在牺牲层中，例如通过激光去除材料的方式。陶瓷材料然后被填充在孔中，例如通过喷射陶瓷浆料到牺牲料带层上以渗入孔中。在各层被组装在一起后，构成牺牲层的牺牲材料被移除，例如通过使用溶剂，而陶瓷柱54被留下。

[0084]在用于形成陶瓷柱54的另一实施方式中，预烧结陶瓷的大颗粒可以添加到有机载体，例如溶解在溶剂中的塑料中，并且搅拌以形成随机混合物。举例来说，但不是局限于此，大颗粒可以是球面体，例如0.002英寸直径的球。随机混合物然后施加于生料结构，例如通过在将要设置燃料和空气通道14和20的区域中进行印刷。在烧结(被烧/烧制)过程中，有机载体离开结构(例如被烧掉)，从而形成通道，陶瓷颗粒被保留以形成柱54，用于物理地保持通道通畅。所产生的结构显示在图7C和7D中的微观照片中。柱54是随机定位的，它们之间的平均距离为陶瓷颗粒在有机载体中的充填量的函数。

[0085]图8A以剖视图示出了本发明的一个实施方式，其包含两个并联的燃料电池。每个活性电解质层28具有位于一侧的空气通道20和阴极层26a或26b，和位于相反侧的燃料通道14和阳极层24a或24b。通过陶瓷材料29，一个燃料电池的空气通道20与第二燃料电池的燃料通道14分开。暴露的阳极部分25分别通过电线42连接至负电压节点38，暴露的阴极部分27分别通过电线42连接至正电压节点40。单一的空气供应件36然后可以被用于向多重空气通道20中的每个进行供应，单一的燃料供应件34可以被用于向多燃料通道14中的每个进行供应。通过这种活性层的配置而建立的电路示出在该图的右侧。

[0086]在图8B的剖视图中，SOFC Stick^TM装置10类似于示于图8A的，但不是具有多暴露的阳极部分25和多暴露的阴极部分27，而是只有阳极层24a暴露在25、只有一个阴极层26a暴露在27。第一通路孔56将阴极层26a连接至阴极层26b，第二通路孔58将阳极层24a连接至阳极层24b。举例来说，在形成生料层的过程中，激光方法可以被使用，以产生开通的通路孔，通路孔随后被充填导电性材料以形成通路孔连接部。如图8B中右侧的电路所示，与图8A中的SOFCStick^TM装置10相同的电路径被形成在图8B所示的SOFC Stick^TM装置10中。

[0087]图9和9B还以剖视图示出了多燃料电池设计，但具有共用的阳极和阴极。在图9A中的实施方式中，SOFC Stick^TM装置10包括两个燃料通道14和两个空气通道20，但不是具有两个燃料电池，这种结构包括三个燃料电池。第一燃料电池形成在阳极层24a和阴极层26a之间，电解质层28夹在二者之间。阳极层24a位于燃料通道14的一侧，第二阳极层24b位于燃料通道14的相反侧。第二阳极层24b与第二阴极层26b相对，另一电解质层夹在二者之间，从而形成第二燃料电池。第二阴极层26b位于空气通道20的一侧，第三阴极层26c位于空气通道20的相反侧。第三阴极层26c与第三阳极层24c相对，电解质层28位于它们之间，从而提供出第三燃料电池。装置10的从阳极层24a至阴极层26c的部分可以在装置中重复多次，以提供出共用阳极和阴极，从而使单一的SOFC Stick^TM中燃料电池的数量增加多倍。每个阳极层24a、24b、24c包括暴露的阳极部分25，在其上电连接部可以形成于SOFC Stick^TM装置10的外表面上，以通过例如电线42连接至负电压节点38。类似地，每个阴极层26a、26b、26c包括暴露于外侧表面的暴露的阴极部分27，以便通过例如电线42连接至正电压节点40。单一的空气供应件36可以提供在一个冷端，以便向每个空气通道20进行供应，单一的燃料供应件34可以提供在相反的冷端，以便向每个燃料通道14进行供应。通过这种结构形成的电路提供在图9A的右侧。这种SOFC Stick^TM装置10包含三个并联的燃料电池层，以使可提供的功率增加到三倍。例如，如果每个层产生1伏和1安，则每个燃料电池层产生1瓦的功率输出(伏×安＝瓦)。因此，这种三层布局可以产生1伏和3安、总共3瓦的功率输出。

[0088]在图9B中，图9A的结构被修改以提供出单一的电连接部，其连接至每个电压节点以产生串联的三个燃料电池，如图9B的右侧的电路所示。正电压节点40在暴露的阴极部分27连接至阴极层26a。阳极层24a通过通路孔58连接至阴极层26b。阳极层24b通过通路孔56连接至阴极层26c。阳极层24c然后在暴露的阳极部分25连接至负电压节点38。因此，使用每层假定相同的1安/1伏，这种三个电池单元结构将产生3伏和1安、总共3瓦的功率输出。

[0089]本发明的另一实施方式示于图10的侧视图中。在这种实施方式中，SOFC Stick^TM装置10具有位于第一端部11a的单一冷区30，第二端部11b位于热区32。与其它实施方式中一样，燃料入口12位于第一端部11a并且通过供应管50连接至燃料供应件34。在这种实施方式中，燃料通道14延伸通过SOFC Stick^TM装置10的长度，燃料出口16位于第二端部11b。因此，燃料供应件连接形成在冷区30，用于燃料反应物(例如CO₂和H₂O)的出口位于热区32。类似地，阳极具有位于冷区30的暴露的阳极部分25，用于通过电线42连接至负电压节点38。

[0090]在图10中的实施方式中，SOFC Stick^TM装置10至少在一侧敞开、并且可能在相反两侧敞开，以在热区32中提供空气入口18和空气通道20二者。在这种实施方式中，在空气通道20中使用支撑陶瓷柱54可能特别有用。空气出口可以位于第二端部11b，如图所示。或者，尽管未示出，如果通道20延伸通过宽度且空气供应件被定向为只朝向输入侧，或者如果通道20不延伸通过宽度，则空气出口可以位于与空气入口侧相反的一侧。在这种实施方式中，除了只向热区32提供热量以外，空气也被提供。换言之，位于热区32的装置10侧面被开通于加热了的空气，而非通过强制空气管供应空气。

[0091]图10A以侧视图示出了图10所示实施方式的变化。在图10A中，SOFC Stick^TM装置10包括与中央加热区32彼此相反的冷区30，加热区通过过渡区31与冷区30分开。空气入口18提供在中央加热区32中，位于其至少一部分中，以接收加热了的空气。然而，在这种实施方式中，空气通道并不像图10那样以很大的长度完全开通于SOFC Stick^TM装置10的侧面。相反，如图10B中更详细显示，空气通道20开通于热区32的一部分中，然后使其长度的其余部分接近于侧面，然后在SOFC Stick^TM装置10的第二端部11b以空气出口22引出。这种实施方式允许加热了的空气被供应于热区32中而非强制空气供应管，但还允许燃料和空气在装置10的位于冷区30的一端11b排出。

[0092]虽然特定实施方式被示出了和详细描述，但本发明的范围并不局限于此。本发明的更广泛的实施方式将在下面描述，并且可以参照示于图11-24中的示意图而更充分理解。图11提供了示意性示于图12-24的各个部件的图例。在燃料(F)或空气(A)通过箭头显示为进入SOFC Stick^TM装置的地方，表示强制流，例如通过管连接至输入引入点。在空气输入未被示出的地方，表示加热了的空气借助于除强制流之外的连接方式而被供应于热区，且SOFC Stick^TM在热区中的引入点开通于空气通道。

[0093]本发明的一个实施方式为SOFC Stick^TM装置，其包括至少一个燃料通道和相关的阳极，至少一个氧化剂通路和相关的阴极，以及位于它们之间的电解质，其中电池单元显著长于其宽度或厚度，以便沿着一个主轴线形成CTE，并且在其操作时，其位于加热区的部分的温度高于大约400℃。在这种实施方式中，SOFC Stick^TM装置具有位于根据主CTE方向的装置一端的空气输入部和燃料输入部组合引入点，或者根据主CTE方向空气输入部在一端、燃料输入部在另一端，并且空气输入部和燃料输入部设置在加热区之外。例如，见图20和24。

[0094]在本发明的另一实施方式中，燃料电池具有第一温度区和第二温度区，其中，第一温度区是热区，其操作时的温度足以实现燃料电池反应，第二温度区位于加热区外侧并且操作于比第一温度区低的温度。第二温度区的温度足够低以允许在电极上形成低温连接部，并且至少为燃料供应部产生低温连接。燃料电池结构部分地延伸到第一温度区中和部分地延伸到第二温度区中。例如，见图12、13和17。

[0095]在本发明的一个实施方式中，燃料电池包括第一温度区，其为加热区，和第二温度区，其操作于低于300℃的温度。使用橡胶管件或类似物，空气和燃料连接部形成于第二温度区中作为低温连接部。低温焊料连接部或弹簧夹用于实现电连接部至阳极和阴极，已将它们连接至相应的负和正电压节点。此外，用于二氧化碳和水的燃料出口和用于耗用的氧的空气出口设置于第一温度区，即加热区。例如，见图17。

[0096]在另一实施方式中，燃料电池结构具有中央第一温度区，其为加热区，并且燃料电池的每端在第一温度区之外设置在低于300℃操作的第二温度区中。燃料输入部和空气输入部设置于第二温度区中，与用于电连接至阳极和阴极的焊料连接部或弹簧夹一样。最后，用于二氧化碳、水和耗用的氧的输出部设置于第二温度区中。例如，见图19、20和24。

[0097]在本发明的另一实施方式中，燃料输入部可以在根据主CTE方向的每端提供于低于300℃操作的第二温度区，第一温度区为加热区，在彼此相反的第二温度区之间设置在中央。用于二氧化碳、水和耗用的氧的输出部可以设置在中央加热区。例如，见图15和18。或者，用于二氧化碳、水和耗用的氧的输出部可以设置在第二温度区中，即，位于加热区外侧。例如，见图16和19。

[0098]在另一实施方式中，燃料和空气二者的输入引入点在作为加热区的第一温度区外侧设置在低于300℃操作的第二温度区中，从而允许使用低温连接部例如橡胶管件用于空气和燃料供应部。另外，焊料连接部或弹簧夹用在第二温度区中，用于连接电压节点至阳极和阴极。在一个实施方式中，燃料输入部和空气输入部都位于根据主CTE方向的一端，SOFC Stick^TM的另一端部位于第一加热温度区，二氧化碳、水和耗用的氧的输出部位于加热区。例如，见图17。因此，SOFCStick^TM具有一个加热端部和一个非加热端部。

[0099]在另一实施方式中，燃料和空气被输入到根据主CTE方向位于加热区外侧的一端中，并且在也是位于加热区外侧的相反端部排出，从而加热区位于两个彼此相反的第二温度区之间。例如，见图20。在另一替代性，燃料和空气被输入到都位于第二温度区的相反两端中，燃料和空气输出部位于中央加热区。例如，见图18。

[0100]在另一替代性方式中，燃料和空气被输入到都位于第二温度区的相反两端中，相应的输出部在与输入部相反的端部位于第二温度区。例如，见图19。因此，燃料电池具有中央加热区和位于加热区外侧的相反两端，燃料和空气均输入到第一端部中，相应的反应输出靠近第二端部排出，并且燃料和空气被输入到第二端部中，反应输出靠近第一端部排出。

[0101]在另一实施方式中，燃料输入部可以设在位于加热区外侧的一端，空气输入部可以在热区外侧位于相反端部。例如，见图21-24。在这种实施方式中，空气和燃料二者的反应输出部可以是在加热区中(见图21)，或它们均可以是位于加热区外侧靠近与相应输入部相反的端部(见图24)。或者，二氧化碳和水的输出部可以是在热区，而耗用的氧的输出部位于热区外侧(见图22)，或者相反，耗用的氧的输出部可以位于加热区中，二氧化碳和水的输出位于加热区外侧(见图23)。示于图22和23的燃料和空气输出部的各种变化也可以应用在例如图18-20所示的实施方式中。

[0102]在本发明的另一实施方式中，如以俯视图在图25和27A和以侧视图在图27B中所示，SOFC Stick^TM装置100被设置成具有可以称作锅柄的设计。SOFC Stick^TM装置100具有细长段102，其尺寸可以类似于前面实施方式所示Stick^TM装置，即具有沿一个主轴线的CTE，即其长度显著大于宽度或厚度。SOFC Stick^TM装置100进一步具有大表面面积段104，其宽度更接近于长度。段104可以具有正方形表面区域或矩形表面区域，但宽度不显著小于小于长度，从而使得CTE在段104中不是具有单一的主轴线，而是具有位于长度方向和宽度方向上的CTE轴线。大表面面积段104设置在热区32，而细长段102至少部分地设置在冷区30和过渡区31。在代表性实施方式中，细长段102的一部分延伸进入热区32，但这一点并非必须的。举例来说，燃料和空气供应件可以通过图6B所示的方式连接至细长段102，电连接部也是这样。

[0103]图25B和26A中的俯视图和图26B中的侧视图提供了替代性实施方式，类似于图25A、27A和27B中所示的，但还具有与细长段102相对的第二细长段106，以便将大表面面积段104安置在两个细长段102和106之间。细长段106还至少部分地设置在冷区30和过渡区31中。在这种实施方式中，燃料可以输入到细长段102中，空气输入到细长段106中。举例来说，空气供应件和燃料供应件然后可以分别以图2或图3B所示的方式连接至细长段106和102。如示于图25B，空气输出部可以靠近燃料输入部设置在细长段102中，燃料输出部可以靠近空气输入部设置在细长段106中。或者，空气和燃料输出部之一或二者可以在热区32设置在大表面面积段104，如分别以俯视图和侧视图示于图26A和26B。可以理解，在图25和25B所示的实施方式中，夹着电解质的相对的阳极和阴极的表面区域可以在热区增大，以增大反应面积，从而增加由SOFC Stick^TM装置100产生的功率。

[0104]本发明的SOFC Stick^TM装置10、100的另一益处是重量小。典型的燃烧发动机的重量在每kW功率18-30磅左右。本发明的SOFCStick^TM装置10、100的重量可以为每kW功率0.5磅左右。

[0105]图28A-D示出了本发明的一种替代性实施方式的管状SOFC Stick^TM装置200，其具有螺旋或卷绕的管状结构，图28A为装置200的示意性俯视图，处在未卷绕位置。装置200的未卷绕结构具有第一端部202和第二端部204，二者具有相等的长度L，该长度对应于卷绕或螺旋管状SOFC Stick^TM装置200的长度。燃料入口12和空气入口18被显示在相反两侧靠近第一端部202。接下来，燃料通道14和空气通道20沿着装置200的未卷绕结构的宽度延伸至第二端部204，从而燃料出口16和空气出口22位于第二端部204，如图28B的装置200的未卷绕结构的示意性端视图以及图28C的装置200的未卷绕结构的示意性侧视图进一步显示。燃料通道14和空气通道20被显示为几乎延伸经过装置200的未卷绕结构的长度L，以便最大化燃料和空气流，但本发明并不局限于此。为形成螺旋管状SOFC Stick^TM装置200，第一端部202随后朝向第二端部204卷绕，以形成装置200的螺旋管结构，如图28D的示意性透视图所示。空气供应件36然后可以被定位在螺旋管状SOFC Stick^TM装置200的一端，用于输入进入空气入口18，而燃料供应件34可以布置在螺旋管状SOFC Stick^TM装置200的相反端部以将燃料输入到燃料入口12中。空气和燃料然后沿着装置200的长度L通过燃料出口16和空气出口22从螺旋管状SOFCStick^TM装置200引出。电压节点38、40可以焊接至接触垫44，所述接触垫形成螺旋管状SOFC Stick^TM装置200的相反两端上或附近。

[0106]图29A-29G示出了一种替代性本发明的实施方式，其中SOFC Stick^TM装置采用管状同心形式。图29A以示意性等轴测视图示出了同心管状SOFC Stick^TM装置300。图29B-29E示出了图29A中的同心装置300的剖视图。图29F示出了装置300的空气输入端的端视图，图29G示出了装置300的燃料输入端的端视图。所示的特定实施方式包括三个空气通道20，即一个位于中央的管状结构和另外两个与中央管状结构相隔并且同心的管状结构。同心管状SOFC Stick^TM装置300还具有两个位于空气通道20之间并且与其同心的燃料通道14。如示于图29A-29D，同心管状SOFC Stick^TM装置300包括燃料出口16，其在一端连接着燃料通道14，以及空气出口22，其在与相应入口相反的另一端连接着空气通道20。每个空气通道20镶衬着阴极26，每个燃料通道14镶衬着阳极24，电解质28分开相对的阳极和阴极。如示于图29A-29B和29F-29G，电连接部可以在同心管状SOFC Stick^TM装置300的相反两端形成在暴露的阳极25和暴露的阴极27上。接触垫44可以施加于端部，以连接暴露的阳极25和暴露的阴极27，并且尽管未示出，接触垫44可以沿着装置300的外侧延伸，以允许电连接部沿着装置300长度的点形成，而非形成在端部。同心管状SOFC Stick^TM装置300可以包括柱54，其设置在空气和燃料通道14、20中，用于结构支撑。

[0107]在本发明的实施方式中，具有设在相反端11a、11b的两个冷区30，其中空气输入部和燃料输出部在一端，燃料输入部和空气输出部在相反端，用过的燃料或空气以加热了的状态排出中央热区32。随着它们运行通过过渡区31至冷区30，加热了的空气和燃料被冷却。电极和/或陶瓷/电解质的薄层将空气通道与平行的燃料通道分开，反之亦然。在一个通道中，加热了的空气离开热区，并且在靠近的平行通道中，燃料进入热区，反之亦然。加热了的空气，通过热交换原理，加热靠近的平行通道中引入的燃料，反之亦然。因此，通过热交换对空气和燃料进行一定程度的预热，然而，由于在热区外侧快速损失热量，如前面讨论过的，热交换可以不足以在空气和燃料进入热区中的活性区域之前预热空气和燃料至最佳反应温度。另外，在SOFC Stick^TM装置10包括一个冷端和一个热端的实施方式中，燃料和空气被输入到相同的冷端中并且通过相同的对置热端排出，从而没有燃料和空气的交叉流动来发生热交换。从SOFC Stick^TM装置的电极和陶瓷材料只能向引入的燃料和空气提供有限的热交换。

[0108]图30A-33C示出了SOFC Stick^TM装置10的各种实施方式，其具有组合预热区33a，用于在燃料和空气进入活性区33b之前加热燃料和空气，其中阳极24和阴极26处在相对的关系。这些实施方式包括这样的SOFC Stick^TM装置，其中设有两个冷端和中间热区，并且燃料输入部和空气输入部设在相反的冷端，以及这样的SOFC Stick^TM装置，其中设有一个热端和一个冷端，燃料输入部和空气输入部位于单一的冷端。在这些实施方式中，所用电极材料的量可以局限在活性区33b，只有少量延伸到冷区，以形成用于电压节点38、40的外部连接。这些实施方式的另一益处是，如后文中详细描述，电子到达外部电压连接部的最短可行路径运行，这可以提供低电阻。

[0109]图30A示出了SOFC Stick^TM装置10的第一实施方式的示意性剖切侧视图，该装置具有一个冷区30和一个相对的热区32，热区具有组合预热区33a。图30B以剖视图示出了穿过阳极24朝空气通道向下看的视图，图30C以剖视图示出了穿过阴极朝向燃料通道向上看的视图。如示于图30A和30B，燃料从燃料供应件34进入燃料入口12，沿着装置10的长度延伸通过燃料通道14，并且通过燃料出口16从装置10的相反端部排出。冷区30位于SOFC Stick^TM装置10的第一端部11a，热区32位于相反的第二端部11b。热区和冷区之间是过渡区31。热区32包括初步预热区33a，燃料首先运行通过该初步预热区，以及活性区33b，其包括靠近燃料通道14的阳极24。如示于图30B，阳极24的横截面面积在活性区33b大。阳极24延伸至SOFCStick^TM装置10的一个边缘，外部接触垫44沿着装置10的外侧延伸至冷区30，用于连接至负电压节点38。

[0110]类似地，如示于图30A和30C，空气从空气供应件36进入布置在冷区30的空气入口18，然后空气沿着SOFC Stick^TM装置10的长度运行通过空气通道20，并且通过空气出口22从热区32排出。由于空气和燃料由相同的端部进入，并且沿相同方向沿着SOFCStick^TM装置10的长度运行，因此在热区32之前可通过热交换对空气和燃料进行预热。阴极26以与阳极24相对的关系定位于活性区33b中，并且延伸至SOFC Stick^TM装置10的相反侧，在此暴露并且连接到从活性热区33b延伸至冷区30的外部接触垫44，用于连接至正电压节点40。然而，并不是必须使得暴露的阴极27相对于暴露的阳极25而言位于装置10的另一侧。暴露的阳极25和暴露的阴极27可以位于装置的相同侧，并且接触垫44可以形成为SOFC Stick^TM装置10的下侧的条带。通过这种结构，空气和燃料首先在预热区33a加热，其中不会发生反应，并且阳极和阴极材料的主要部分局限在活性区33b，加热了的空气和燃料进入这里并且借助于相对的阳极和阴极层24、26进行反应。

[0111]示于图31A-31C的实施方式类似于示于图30A-30C的，但不是具有一个热端和一个冷端，图31A-C中的实施方式包括彼此相反的冷区30及中央热区32。燃料从燃料供应件34通过冷区30中的燃料入口12进入装置10的第一端部11a，并且通过布置在相对冷区30的燃料出口16从相反的第二端部11b排出。类似地，空气从空气供应件36通过空气入口18进入相对冷区30，并且在第一冷区30通过空气出口22排出。燃料进入热区32并且在预热区33a预热，而空气进入热区32的相反侧，并且在另一预热区33a预热。因此存在燃料和空气的交叉流动。阳极24在热区32的活性区33b与阴极26相对，并且利用预热的燃料和空气在活性区33b发生反应。同样，电极材料的主要部分局限在活性区33b。阳极暴露在SOFC Stick^TM装置10的一个边缘，阴极暴露在装置10的另一侧。外部接触垫44在热区32接触暴露的阳极25并且朝向第一冷端11a延伸，用于连接至负电压节点38。类似地，外部接触垫44在热区32接触暴露的阴极27并且朝向第二冷区11b延伸，用于连接至正电压节点40。

[0112]预热区33a可提供这样的优点，即在气体到达活性区域之前加热气体至最佳反应温度。如果燃料的温度低于最佳温度，SOFC系统的效率较低。随着空气和燃料在它们的路径中运行，它们被逐渐加热。随着它们被加热，电解质的效率在该区域中提高。当燃料、空气和电解质达到炉的最高温度后，电解质以其最佳效率工作。为了降低可能由贵金属形成的阳极和阴极的成本，可以在仍低于最佳温度的那些区域消除金属。预热区的长度或其它尺寸方面量值取决于从炉传送至SOFC Stick^TM装置以及从SOFC Stick^TM装置传送至燃料和空气的热量值，以及是否由于燃料和空气的交叉流动产生任何热交换。尺寸还取决于燃料和空气的流率；如果燃料或空气快速移动通过SOFCStick^TM装置的长度，更长的预热区是有利的，而如果流率低，预热区可以较短。

[0113]图32A和32B示出了一种实施方式，类似于图31A-31C所示的，但SOFC Stick^TM装置10包括燃料入口12和燃料通道14之间的预热容室13，其延伸到热区32，用于在燃料通过更窄的燃料通道14进入活性区33b之前在预热区33a预热大量的燃料。SOFC Stick^TM装置10类似地包括空气入口18和空气通道20之间的预热容室19，其延伸到热区32，用于在空气通过更窄空气通道20到达活性区33b之前在预热区33a预热大量的空气。如上述实施方式所公开，SOFCStick^TM装置10可以包括多重燃料通道14和空气通道20，每个通道将从相应的预热容室13、19接收燃料或空气流。

[0114]在除预热通道之外的大容积预热容室方面，可以设想，仅仅作为示例，如果需要用5秒来使空气分子加热到最佳温度，空气分子以每秒1英寸的速度运行通过SOFC Stick^TM装置10，则SOFCStick^TM装置在空气进入活性区33b之前将需要5英寸长的预热通道。然而，如果设置大容积容室而非通道，则该容积使得分子在通过更窄通道进入活性区之前在容室中消耗额外的时间，从而空气分子在容腔中被加热，然后短长度的通道可以用于将加热了的空气分子进给至活性区。这样的容腔或预热容室可以以多种不同的方式制备，包括准备生料(即，烧结之前)组件，并且钻设组件的端部以形成容室，或通过将大量的有机材料添加在所形成的生料堆叠体，从而在烧结过程中有机材料被从SOFC Stick^TM装置烧掉。

[0115]图33A-33C示出了另一实施方式，用于在空气和燃料到达活性区33b之前预热空气和燃料。图33A为大体上穿过SOFC Stick^TM装置10纵向中心的示意性剖切侧视图。图33B为沿着燃料通道14和阳极24相交处的线33B-33B所作的剖切俯视图，图33C为沿着空气通道20与阴极26相交处的线33C-33C所作的剖切仰视图。SOFCStick^TM装置10具有两个彼此相反的冷区30以及中央热区32，每个冷区30和热区32之间具有过渡区31。燃料从燃料供应件34通过燃料入口12进入SOFC Stick^TM装置10的第一端部11a并且运行通过朝向热区32的相反端部延伸的燃料通道14，在此形成U形转弯，并且运行回到第一端部11a的冷区30，其中用过的燃料通过燃料出口16排出。类似地，空气从空气供应件36通过空气入口18进入SOFC Stick^TM装置10的第二端部11b并且运行通过朝向热区32的相反端部延伸的空气通道20，在此形成U形转弯，并且运行回到第二端部11b，其中空气通过空气出口22从冷区30排出。借助于这些U形转弯通道，燃料通道14和空气通道20从初始进入热区32开始经过弯曲部(U形转弯)的部分构成预热区，用于加热燃料和空气。在弯曲部或U形转弯之后，在通道14、20中，通道被镶衬处在相对关系的相应阳极24或阴极26，电解质28位于它们之间，该区域构成热区32中的活性区33b。因此，燃料和空气在进入活性区33b之前在预热区33a中被加热，以增大SOFC Stick^TM装置10的效率，并且最小化电极材料的用量。阳极24在冷区30延伸至装置10的外部，用于连接至负电压节点38。类似地，阴极26延伸至装置10的外部，用于电连接至正电压节点40。燃料和空气出口16和22还可以从冷区30引出。

[0116]在许多前面显示和描述的实施方式中，阳极24和阴极26在SOFC Stick^TM装置10的各层中延伸，大体上在每个层的中央区域，即，位于装置内，直至它们达到装置的端部。在该点处，阳极24和阴极26以突片的形式到达SOFC Stick^TM装置10的外侧，在此暴露的阳极25和暴露的阴极27被金属化成接触垫，例如通过施加银膏，然后电线被焊接至接触垫。例如，见图4A-4B。然而，可能希望将SOFCStick^TM装置10中的各层累积为更高的电压组合，例如示于图8A-9B。如果希望形成可产生1KW功率的SOFC Stick^TM装置，功率可以分解为电压和电流。一个标准是使用12伏，从而需要83安来产生1KW的总功率。在图8B和9B中，通路孔被用于互联电极层，以形成并联或串联组合。

[0117]用于互联电极层的替代性实施方式示于图34A至37。不是在SOFC Stick^TM装置10的内部互联电极层，这些替代性实施方式使用沿着SOFC Stick^TM装置10的侧面的外部条带(窄接触垫)，例如由银膏形成，特别是多个小条带。使用条带技术，简单的结构被形成，其可以提供串联和/或并联组合，以实现所需的任何电流/电压比率。另外，外部条带同内部通路孔相比可具有宽的机械公差，从而可简化制造。此外，外部条带容易比通路孔具有更低的电阻(或等效串联电阻)。导体路径中的低电阻将导致沿路径的低损耗，从而使得外部条带提供从SOFC Stick^TM装置10低功率损耗输出功率的能力。

[0118]现在特别参看图34A和34B，示出了串联互联的外部阳极/阴极。图34A提供了交替的阳极24a、24b、24c和阴极26a、26b、26c的示意性倾斜前视图。沿着SOFC Stick^TM装置10的长度，阳极24a、24b、24c和阴极26a、26b、26c包括延伸到装置10的边缘之外的突片，以提供暴露的阳极25和暴露的阴极27。外部接触垫44(或条带)然后在SOFC Stick^TM装置的外侧设置在暴露的阳极25和阴极27上，如图34B的示意性侧视图所示。通过串联连接三对相对的阳极24a、24b、24c和阴极26a、26b、26c，SOFC Stick^TM装置10可提供3伏和1安。在图35中，该结构被加倍，这两个结构通过长条带一直连接到装置10的侧面，从而形成互联的串联并联外部阳极/阴极设计，以提供3伏和2安。

[0119]图36A和36B提供了一种可提供低功率损耗的低等效串联电阻路径实施方式。在这种实施方式中，热区32位于SOFC Stick装置10的中央，第一端部11a和第二端部11b位于冷区30。燃料通过第一端部11a的燃料入口12被输入，空气通过第二端部11b的空气入口18被输入。在作为SOFC Stick^TM装置10的活性区域的热区32中，阳极24和阴极26暴露于装置的侧面，阳极24暴露于一侧，阴极26暴露与相反侧。接触垫44(或条带)施加于暴露的阳极25和阴极27上。接下来，SOFC Stick^TM装置10的边缘沿着装置10的侧面的长度被金属化，直至金属化部分到达冷区30，在此低温焊料连接部46形成负电压节点38和正电压节点40。阳极24和阴极26并不是仅仅为了低电阻而最优化，因为它们还具有其它功能。例如，电极必须多孔以允许空气或燃料从中经过而到达电解质，哦孔隙度导致电阻增加。此外，电极必须薄以允许在多层SOFC Stick^TM装置10中具有良好的层密度，并且电极越薄，电阻越高。通过向SOFC Stick^TM装置的边缘(侧面)添加更厚的接触垫44，可以提供朝向焊料连接部46的低电阻路径。接触垫44越厚，电阻越低。如果电子穿过电极层中的所有孔隙需要运行例如10英寸才能到达SOFC Stick^TM装置10中的电极，则最低电阻的路径将允许只运行例如0.5英寸而到达装置10的边缘，然后运行10英寸到达外部非多孔型接触垫44。因此，通过提供低电阻导体路径，沿着SOFC Stick^TM装置的外部延伸至冷区30的长接触垫44允许功率从SOFC Stick^TM装置10以低损耗输出。因此，条带技术可以用于SOFC Stick^TM装置10的活性区域(热区32)，用于形成串联和并联连接部以增大功率，并且在装置的侧面延伸至冷端的长条带允许高效率地从SOFC Stick^TM装置10输出功率。

[0120]图37以示意性等轴测视图示出了一个实施方式，其类似于示于图36B，但具有位于SOFC Stick^TM装置10的第一端部11a的单一的冷区30，热区32位于装置10的第二端部11b。多个竖直条带或接触垫44设置在热区32内，以形成串联和/或并联连接部，沿着装置10的侧面的水平长条带44被设置成从热区32延伸至冷区30，以产生连接至正电压节点40和负电压节点38的低温焊料连接部46。

[0121]一种用于形成燃料通道14和空气通道20的方法包括将有机材料放入生料中，分层结构然后可以在后面的烧结步骤中烧制。为了使得SOFC Sticks^TM具有高功率输出，例如1KW或10KW输出，SOFC Stick^TM必须长、宽，并且具有大的层数。举例来说，SOFC Stick^TM装置可以为12英寸至18英寸左右长。当焙烧生料结构以烧结陶瓷并且去除有机材料时，用于形成燃料通道14的有机材料必须通过分别形成燃料入口和燃料出口的开口12和16排出。类似地，用于形成空气通道20的有机材料必须通过分别形成空气入口和空气出口的开口18和22烧掉。装置越长和越宽，有机材料越难通过这些开口排出。如果装置在烘烤过程中被加热得太快，则由于有机材料的分解速度大于材料可由结构排出的速度，各层可能会发生离层现象。

[0122]图38A和38B以示意性剖切侧视图示出了一种替代性实施方式，其提供了多排放间隙用于烘烤有机材料72。如示于图38A，多个开口70设置在SOFC Stick^TM装置10的一侧，以提供多个烘焙路径，以使有机材料72由结构排出。如示于图38B，在烘烤后，多个开口70然后通过施加隔离涂层60于SOFC Stick^TM装置10的侧面而被关闭。举例来说，隔离涂层可以是玻璃涂层。在另一实施例中，隔离涂层可以是包含陶瓷填料的玻璃。在另一实施方式中，隔离涂层60可以是接触垫44，例如充填膏，其然后还用作所产生电力的低电阻路径。银膏可以还包含玻璃以提高粘结性。在代表性实施方式中，用于阴极的烘焙路径通向SOFC Stick^TM装置10的一侧，用于阳极的烘焙路径通向装置10的相反侧，以避免对置电极之间短路。

[0123]在SOFC Stick^TM装置10、100、200、300的替代性实施方式中，不是具有分别镶衬着阴极26或阳极24的开式空气通道20和燃料通道14，而是通过使用允许空气或燃料流动的多孔电极材料，阴极和空气通道可以组合，阳极和燃料通道可以组合。阴极和阳极不论如何必须是多孔的以允许发生反应，因而在与强制空气和燃料输入部相组合时，可由SOFC Stick^TM装置实现足够的流动，以允许发生发电反应。

[0124]在图39中以示意性剖切端视图示出了本发明的另一实施方式。这种实施方式大体上为阳极支撑型SOFC Stick^TM装置10。与其它实施方式类似，SOFC Stick^TM装置10可以具有热端和冷端，或两个冷端及中间热区。不是形成由陶瓷29支撑的装置10，阳极支撑型装置使用阳极材料作为支撑结构。在阳极结构中，燃料通道14和空气通道20被以相对的关系设置。空气通道20镶衬着电解质层28，然后镶衬着阴极层26。化学蒸气沉积可被用于沉积内部层，或通过使用粘性膏的溶液沉积。

[0125]在图40A和40B中，阳极支撑型SOFC Stick^TM装置10的另一实施方式被显示。在这种实施方式中，单独的开式燃料通道14被消除，从而使得多孔阳极24还用作燃料通道14。另外，SOFC Stick^TM装置10被涂覆有隔离涂层60，例如玻璃涂层或陶瓷涂层，用于防止燃料从装置10的侧面排出。SOFC Stick^TM装置10可以具有位于阳极结构中的根据需要任意多的空气通道及相关的电解质和阴极。如示于图40B，燃料从燃料供应件34通过用作燃料通道14的多孔阳极24被强制进入第一端部11a，并且移动经过电解质层28和阴极26，以与来自空气供应件36的空气起反应，用过的空气和燃料然后由空气出口22排出。

[0126]在图41A中以示意性剖切端视图、在图41B中以示意性剖切俯视图示出了另一实施方式，其中SOFC Stick^TM装置10可以包括设于阳极支撑结构中的多个空气通道20，单一的燃料通道14垂直于多重空气通道20用于通过单一的燃料入口12从燃料供应件34进给燃料至多重空气通道20。同样，空气通道20首先被镶衬电解质层28，然后被镶衬阴极26。燃料从单一的燃料通道14移动通过阳极结构24，通过电解质28，并且通过阴极26，以与空气通道20中的空气发生反应，用过的燃料和空气从空气出口22排出。用过的燃料还可以从SOFCStick^TM装置10的不包括隔离涂层60的侧面渗出，该非涂覆侧面相对于单一的燃料通道14的定向而言位于装置的相反侧。

[0127]可以理解，在属于阳极支撑结构的实施方式中，支撑结构可以基本上逆变而形成阴极支撑结构。这样，涂覆有电解质层和阳极层的燃料通道被设于阴极结构中。还可以设置单独的空气通道或多空气通道，或者阴极的孔隙性可被用于空气流。

[0128]图42A-42C示出了一种用于在空气和燃料通道中形成电极的方法。以燃料通道14和阳极24为例，不是通过使用生料陶瓷层和金属带层的层建立生料结构层，或印刷金属化部分，在本实施方式中，SOFC Stick^TM装置10首先被建造而不带电极。换言之，生料陶瓷材料被用于形成SOFC Stick^TM的电解质和陶瓷支撑部分，有机材料被用于形成通道，例如燃料通道14。在SOFC Stick^TM装置已经被烧结后，燃料通道14被充填阳极膏或溶液。膏可以是稠的，类似于打印油墨，或是稀的，类似于高浓度水溶液。阳极材料可以通过任何希望的方式充填到燃料通道中14，例如通过真空吸入，通过毛细力，或通过空气压力强迫其进入。

[0129]作为替代性方案，如示于图42A-42C，阳极材料被溶解于溶液，流到燃料通道中14，然后凝聚。例如，通过改变pH值，阳极颗粒可以凝聚而溶液被抽出。在另一替代性，可以简单地允许阳极颗粒沉淀，然后液体被干燥掉或通过焙烧排出燃料通道14。沉淀可以通过下述方式实现，即产生油墨或液体载体，其在任何延长时段中不再以悬浮形式承载颗粒，例如，由于低粘度。离心方式也可被用于强制沉淀。离心方式可以容易地使大多数颗粒按期望沉积到燃料通道14的一个表面上，从而保存下电极材料，并且确保燃料通道14只有一个表面用作电解质。

[0130]如示于图42A，包含阳极颗粒的溶液66被引到燃料通道14中直至通道14被完全充填，如示于图42B。颗粒然后沉淀到通道14的底部以形成阳极层24，如示于图42C。同常规毛细力相比，通过重力、真空或离心方式，溶液66的流入可以加速。当然，虽然阳极24和燃料通道14被用作实施例，但任何替代性实施方式可以也可以采用阴极膏或溶液以在空气通道20中产生阴极层26。

[0131]在另一替代性方式中，陶瓷电极材料(阳极或阴极)可以以溶胶-凝胶状态浸渍到通道(燃料或空气)上，然后沉积在通道内。还可以重复充填操作多次，例如在期望的电极材料在液体中的浓度低时，或为了在电极中提供性能梯度(例如为了使得电极中接近电解质处的YSZ的量与电极中远离电解质处的YSZ的量不同)，或如果期望将多层不相似材料组合在一起(例如阴极靠近电解质处由LSM形成，然后银覆盖在LSM上面以具有更好的导电率)。

[0132]回来参看图7C和7D，其中陶瓷球面体或球被用于为空气和燃料通道20、14提供结构支撑，陶瓷颗粒还可以被用于增大有效表面面积以产生更大的反应面积，因此给出更高的输出。非常精细尺寸的陶瓷球或颗粒可以在施加电极层之前用于燃料通道14和空气通道20内。如图43以示意性剖切侧视图所示，表面颗粒62镶衬通道14以提供具有不平坦表面形态的电解质层28，从而增大可用于接收电极层的表面面积。阳极24然后施加在不平坦表面形态上，其中阳极材料涂层全部围绕表面颗粒62，从而增大反应面积。

[0133]图44以示意性剖切侧视图示出了一种替代性实施方式，其中电解质层28可以被层合以便提供不平坦表面形态或纹理表面层64，例如通过将生料电解质层挤压在具有V形轮廓的精细分级结构上，该轮廓然后施加在电解质层28上。在电解质层28被烧结以固化陶瓷和纹理表面层64后，阳极层24然后可以被施加，例如通过使用前面在图42A-42C中描述的回填过程，以提供具有大反应面积的阳极。

[0134]本发明的另一实施方式示于图45A和45B。图45A为示意性俯视图，示出了空气和燃料流通过空气和燃料通道以及电极结构，图45B为穿过热区32的剖视图。沿着SOFC Stick^TM装置10的长度，装置被划分为左侧80和右侧82，中间或桥接部分84位于它们之间。多个空气通道20L从SOFC Stick^TM装置10的第一端部11a沿着长度延伸通过左侧80，并且靠近第二端部11b由左侧80引出，多个空气通道20R从第一端部11a沿着长度延伸通过右侧82，并且在右侧靠近第二端部11b由SOFC Stick^TM装置10引出。空气通道20L相对于空气通道20R偏置，如最佳显示于图45B。多个燃料通道14L从SOFCStick^TM装置10的第二端部11b沿着长度延伸通过左侧80，并且在左侧80靠近第一端部11a引出，多个燃料通道14R从第二端部11b沿着长度延伸通过右侧82，并且靠近第一端部11a由右侧82引出。燃料通道14L相对于燃料通道14R偏置。另外，除了一个燃料通道和一个空气通道意外，每个燃料通道14L与相应的空气通道20R配对并且略微偏置，每个空气通道20L与相应的燃料通道14R配对并且略微偏置。对于每对彼此偏置的燃料通道14L和空气通道20R，金属化部分沿着每个燃料通道14L从左侧80延伸至右侧82，然后其沿着略微偏置的空气通道20R延伸。类似地对于每对彼此偏置的燃料通道14R和空气通道20L，金属化部分沿着每个空气通道20L从左侧80延伸至右侧82，然后其沿着略微偏置的燃料通道14R延伸。当金属化部分延伸沿着燃料通道14L或14R时，金属化部分用作阳极24L或24R，当金属化部分延伸沿着空气通道20L或20R时，金属化部分用作阴极26L或26R。在SOFC Stick^TM装置10的桥接部分84中，其中金属化部分不沿着任何空气或燃料通道延伸，金属化部分简单地用作阳极和阴极之间的桥90。在本发明的一个实施方式中，金属化部分可以包括沿着其长度的相同的材料，从而阳极24L或24R、桥90和阴极26L或26R分别包括相同的材料。例如，金属化部分可以分别包括金属铂，其能够良好地用作阳极或阴极。或者，金属化部分可以包括不同材料。例如，阴极26R或26L可以包括锰酸镧锶(LSM)，而阳极24R或24L包括镍、NiO或NiO+YSZ。桥90可以包括钯、铂、LSM、镍、NiO或NiO+YSZ。本发明预期可以采用适宜用作阴极或阳极或位于它们之间的桥接材料的任何材料组合和材料类型，并且本发明不局限在前面列举的特定材料。

[0135]在SOFC Stick^TM装置10的一侧，这里显示为右侧82，燃料通道14R设有相关的阳极24R，其延伸至SOFC Stick^TM装置10的右侧边缘，以提供外部暴露的阳极25。没有偏置的空气通道20L与该燃料通道14R相关联，并且阳极24R不需要延伸到左侧80。如示于图45A，外部接触垫44施加在暴露的阳极25上，并且沿着SOFC Stick^TM装置的长度延伸到冷区30中。负电压节点38然后可以通过电线42和焊料连接部46连接至接触垫44。阳极24R可以如图所示穿过热区32延伸至右侧边缘，或者可以延伸形成小的突片部分，以减小电极材料的用量。此外，阳极24R可以沿着燃料通道14R的长度延伸至SOFCStick^TM装置10的右侧边缘，尽管这种实施方式会涉及不必要地使用电极材料。

[0136]类似地，在SOFC Stick^TM装置10的另一侧，显示为左侧80，单一的空气通道20L设有相关的阴极26L，其延伸至SOFC Stick^TM装置10的左侧，以形成暴露的阴极27。该空气通道20L不与偏置的燃料通道14R相关联，并且并不是必须使得该阴极26L延伸至右侧82。接触垫44可以沿着SOFC Stick^TM装置10的左侧80外部从暴露的阴极27至冷端30施加，其中正电压节点40可以通过电线42和焊料连接部46连接至接触垫44。

[0137]在图45B，单一的燃料通道14R和相关的阳极24R被显示在SOFC Stick^TM装置10的右侧82上方，而单一的空气通道20L和相关的阴极26L被显示在SOFC Stick^TM装置10的左侧80下方。然而，本发明并不局限于这种配置。例如，以与单一的燃料通道14R和其相关的阳极24R类似的偏置方式，空气通道20L和相关的阴极26L也可以设置在装置10的左侧80上方，但金属化部分不从左侧80通过桥接部分84延伸至右侧82。相反，桥90被省略，从而阳极24R与阴极26L电分离。附加的结构是可以预期的，其中SOFC Stick^TM装置10可以设有两个单独的空气通路堆叠体和两个单独的燃料通路堆叠体，它们设在单一的SOFC Stick^TM装置10中，其中电池元件串联连接。示于图45A和45B的实施方式具有下述优点，即可升高电压而不升高电流，同时维持低电阻。此外，这种实施方式在SOFC Stick^TM装置10中提供了高密度。

[0138]在图46A和46B中，分别以示意性透视图和示意性剖视图示出了一种替代性实施方式。前面的实施方式(例如图37)沿着SOFCStick^TM装置10的外侧或边缘从热区32至一或多个冷区30设有外部条带，以提供使得电子向冷端运行的低电阻路径。在图46A和46B的实施方式中，除了条带沿着装置10的侧面或边缘延伸以外，接触垫44沿着一侧以及顶和底表面之一施加，以实现外部连接至阳极24，另一接触垫44沿着相反侧以及顶和底表面中另一施加，以实现外部连接至阴极26。因此，电子沿着大或宽的路径运行，从而提供更低的阻。这些施加在两个相邻表面上的大的导体垫44可以用于这里公开的任何实施方式中。

[0139]图47以示意性剖切侧视图示出了SOFC Stick^TM装置10的另一实施方式，其利用了热交换原理的优点。在加热了的空气和燃料移动通过热区32的活性区33b(即，热区32的一部分，在此阳极24与阴极26位于相对的关系，电解质位于它们之间)之后，燃料通道14和空气通道20会合为单一的排放通道21。任何未反应燃料在与加热了的空气组合时都会燃烧，因此提供额外的热量。排放通道21靠近活性区33b朝向冷区30向回运行，废气(用过的燃料和空气)的流动方向与燃料和空气在相邻燃料和空气通道14、20引入的方向相反。在排放通道21中产生的额外热量被传导至相邻通道14、20以加热引入的燃料和空气。

[0140]图48A-48C示出了一种＂端部卷绕SOFC Stick^TM装置＂400，其包括具有比薄部分404更大厚度的厚部分402，如示于图48A。燃料和空气入口12、18被布置成靠近第一端部11a，第一端部位于厚部分402的端部，并且尽管未示出，空气和燃料出口(16、22)可以提供在装置400的侧面靠近相对的第二端部11b，第二端部位于薄部分404的端部。厚部分402应当足够厚以提供机械强度。这可以通过围绕相邻燃料和空气入口12、18提供厚陶瓷29而实现。薄部分404包括活性区33b(未示出)，活性区中包括与阴极(未示出)处在相对关系的阳极(未示出)，电解质(未示出)位于它们之间(与前面实施方式一样)。薄部分404应当足够薄，以允许其在生料(未烧结)状态可被卷绕，如示于图48B。在薄部分404被卷绕成预期的紧密度后，装置400被焙烧。这样，卷绕薄部分404可以被加热至引起反应，而厚部分402为冷端，如其它实施方式中所讨论。端部卷绕型SOFC Stick^TM装置400为大表面面积装置，其可以通过卷绕薄部分404而装配在小空间中。另外，在薄部分404中活性区(33b)的薄横截面可减小热量沿着陶瓷向外传送，并且允许良好的温度周期性能。

[0141]在阳极24和阴极26在活性(反应)区32和/或33b中暴露于SOFC Stick^TM装置10的边缘(侧面)的实施方式中，设在装置10顶部或底部的陶瓷29可以在活性区32和/或33b的区域内凹入。这允许从顶部和/或底部触及阴极26和阳极24二者，以便制作电连接部。接触垫44(例如金属化部分条带)然后可以沿着SOFC Stick^TM装置10的顶表面和/或底表面从活性区32和/或33b被施加至一或多个冷区，以提供连接部到热区容室/炉的外部。举例来说，阳极可以以凹入陶瓷罩的形式暴露在SOFC Stick^TM装置10的顶部，阴极可以以凹入陶瓷罩的形式暴露在装置的棒底部，这将允许在棒装置中具有更大的金属化部分条带，并因此而降低条带中的电阻性损耗。

[0142]在另一实施方式中，其中SOFC Stick^TM装置10包括位于相反端部11a、11b的两个冷区30和位于中间的热区32，用于一或多个阳极24和/或一或多个阴极26的一或多个接触垫44(例如金属化部分条带)可以从热区32朝向SOFC Stick^TM装置10的两个端部11a、11b延伸，例如如示于图36B。然后各有两个单独的电连接部可以被形成为连接至每个阳极24和阴极26。举例来说，但不是局限于此，一组连接部可被用于监视电池单元的电压输出，而另一组连接部可以连接至负载并且允许电流流动。在电池本身处单独地测量电压a具有下述优点，即更好地了解电池单元的总功率输出。

[0143]对于接触垫44(例如金属化部分条带)，本领域普通技术人员公知的任何适宜的导电材料可以使用。其例子包括银、LSM和NiO。材料的组合也可以使用。在一个实施方式中，非贵金属材料可以沿着SOFC Stick^TM装置10的表面在热区32中使用。在热区容室/炉中具有氧化气氛的地方，LSM作为示例可以被使用。在热区容室/炉中具有还原气氛的地方，NiO作为示例可以被使用。然而，在任何情况下，如果材料延伸于热区容室/炉的外侧，则非贵金属材料会损失导电率，因此恰在SOFC Stick^TM装置10由热区容室/炉引出之前，金属化部分材料必须过渡到贵金属或耐蚀材料。银膏为便利的贵金属材料。作为进一步解释，某些材料例如LSM随着温度从反应温度下降至室温将变为非导电性的，其它材料例如镍当在棒装置的冷端暴露于空气时将变为非导电性的。因此，在SOFC Stick^TM装置10的冷端区域用于接触垫的金属化部分材料必须在空气(即，无保护性气氛)中和在低温下具有导电性。贵金属例如银可跨越温度/气氛过渡区域工作，从而使得金属化部分材料可以在SOFC Stick^TM装置10由热区容室/炉引出之前过渡到贵金属。使用材料的组合允许基于在热区和冷区对导电性的特定需要了选择材料，并且允许减小高价贵金属的用量而降低成本。

[0144]尽管前面通过描述一或多个实施方式而解释了本发明，并且所述实施方式被非常详细地描述，但所述实施方式并不以任何方式将权利要求的范围局限于这些细节。本领域技术人员容易理解本发明的附加优点和改型。因此，本发明在其广阔方面不局限在特定细节、代表性装置和方法以及这里显示和描述的例子。因此，在不脱离总体发明思想的前提下，可以脱离这些细节。

Claims (80)

1、一种固体氧化物燃料电池装置，包括：

细长管，其具有沿着第一纵向部分的反应区，所述反应区被构造成将被加热至工作反应温度，以及沿着第二纵向部分的至少一个冷区，所述冷区被构造成当反应区被加热时保持在低于工作反应温度的低温；

多个燃料通道和氧化剂通道，它们沿着每个第一和第二纵向部分的至少一部分从相应的燃料入口和氧化剂入口纵向延伸至相应的燃料出口和氧化剂出口；

至少在反应区中与每个燃料通道相关联的阳极和与每个氧化剂通道相关联的阴极，所述阳极和阴极彼此相对地定位；以及

设置在相对的阳极和阴极之间的固体电解质。

2、如权利要求1所述的燃料电池装置，进一步包括：细长管上的位于所述至少一个冷区中的第一外部接触面，其电连接着阳极，细长管上的位于所述至少一个冷区中的第二外部接触面，其电连接着阴极，与第一外部接触面连接的第一电连接部，和与第二外部接触面连接的第二电连接部。

3、如权利要求1所述的燃料电池装置，其中，细长管在横截面中具有螺旋结构。

4、如权利要求1所述的燃料电池装置，其中，细长管在横截面中具有同心结构。

5、如权利要求1所述的燃料电池装置，进一步包括：

燃料供应件，其连接着燃料入口，用于将燃料流供应到燃料通道中；以及

空气供应件，其连接着氧化剂入口，用于将空气流供应到氧化剂通道中。

6、如权利要求5所述的燃料电池装置，其中，燃料供应件和空气供应件分别连接着紧固于所述至少一个冷区的柔性橡胶或塑料管。

7、一种固体氧化物燃料电池系统，包括：

热区容室；

多个如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池装置，每个燃料电池装置被定位成使其反应区位于热区容室中，并且所述至少一个冷区延伸于热区容室外侧；

热源，其连接着热区容室，并且被设置成在热区容室中将反应区加热至工作反应温度；

燃料供应件，其在热区容室的外侧连接至所述至少一个冷区，并与燃料入口流体连通，用于将燃料流供应到燃料通道中；以及

空气供应件，其在热区容室的外侧连接至所述至少一个冷区，并与氧化剂入口流体连通，用于将空气流供应到氧化剂通道中。

8、如权利要求7所述的燃料电池系统，进一步包括：位于热源与所述至少一个冷区之间的绝热区域，其被设置成将所述至少一个冷区维持在低于工作反应温度的低温。

9、如权利要求7所述的燃料电池系统，进一步包括：在所述至少一个冷区中与第一外部接触面连接的第一电连接部，其与阳极电接触，和在所述至少一个冷区中与第二外部接触面连接的第二电连接部，其与阴极电接触。

10、一种使用权利要求2所述装置的方法，包括：

定位细长管，使其反应区位于热区容室中，并且所述至少一个冷区延伸于热区容室外侧；

将燃料供应件连接于热区容室外侧，使其与燃料入口流体连通；

将空气供应件连接于热区容室外侧，使其与氧化剂入口流体连通；

在热区容室中施加热量，以将反应区加热至高于400℃的工作温度，同时将第一和第二冷端区域维持在低于300℃的低温；

通过相应的燃料入口和氧化剂入口供应燃料和空气至加热了的反应区中的相应燃料通道和氧化剂通道，从而燃料和空气起反应并且产生电子，所述电子运行至相应的第一和第二外部接触面并且运行至相应的第一和第二电连接部。

11、一种使用权利要求9所述系统的方法，包括：

在热区容室中施加热量，以将反应区加热至高于400℃的工作温度，同时将所述至少一个冷区维持在低于300℃的低温；

将燃料和空气从相应的燃料和空气供应件供应到相应的燃料和空气通道中以到达加热了的反应区，以使燃料和空气起反应并且产生电子，所述电子运行至相应的第一和第二外部接触面并且运行至相应的第一和第二电连接部。

12、一种固体氧化物燃料电池装置，包括：

螺旋卷绕的细长管，其具有限定在第一管端和相反的第二管端之间的管长度，靠近第一管端的第一冷端区域，靠近第二管端的第二冷端区域，和位于第一和第二冷端区域之间的反应区，其中，反应区被构造成将被加热至工作反应温度，第一和第二冷端区域被构造成保持在低于工作反应温度的低温；

设在第一冷端区域中的燃料入口和设在反应区中的相应的燃料出口，燃料入口和燃料出口之间连接着细长燃料通道，所述燃料通道至少部分地延伸通过细长管内的反应区；

设在第二冷端区域中的氧化剂入口和设在反应区中的相应的氧化剂出口，氧化剂入口和氧化剂出口之间连接着细长氧化剂通道，所述氧化剂通道至少部分地延伸通过细长管内的反应区，并且与细长燃料通道平行且相对；

阳极，其在细长管内的反应区中靠近燃料通道并且电连接着细长管上的位于第一和第二冷端区域中的至少一个中的第一外部接触面；

阴极，其在细长管内的反应区中靠近氧化剂通道并且电连接着细长管上的位于第一和第二冷端区域中的至少一个中的第二外部接触面；以及

位于阳极和阴极之间的固体电解质。

13、如权利要求12所述的燃料电池装置，其中，细长管由未卷绕结构形成，所述未卷绕结构包括：

第一未卷绕端和第二未卷绕端，每个未卷绕端具有对应于管长度的长度；

第一侧和相反的第二侧，每侧延伸在第一和第二未卷绕端之间，其中，通过将第一未卷绕端朝向第二未卷绕端卷绕，第一侧形成第一管端，第二侧形成第二管端；

其中，燃料入口靠近第一未卷绕端定位于第一侧中，燃料出口定位于第二未卷绕端中，细长燃料通道沿着未卷绕结构延伸在第一和第二侧之间；并且

氧化剂入口靠近第一未卷绕端定位于第二侧中，氧化剂出口定位于第二未卷绕端中，细长氧化剂通道沿着未卷绕结构延伸在第一和第二侧之间。

14、如权利要求12所述的燃料电池装置，进一步包括：与第一外部接触面连接的第一电连接部和与第二外部接触面连接的第二电连接部。

15、如权利要求12所述的燃料电池装置，进一步包括：

施加于第一外部接触面上的第一金属接触垫，其与阳极的电路径电接触，和位于第一金属接触垫和第一电压节点之间的第一电连接部；以及

施加于第二外部接触面上的第二金属接触垫，其与阴极的电路径电接触，和位于第二金属接触垫和第二电压节点之间的第二电连接部。

16、如权利要求15所述的燃料电池装置，其中，第一和第二电连接部是焊接至相应的第一和第二金属接触垫的电线。

17、如权利要求15所述的燃料电池装置，其中，第一和第二电连接部是机械连接至相应的第一和第二金属接触垫的电线。

18、如权利要求12所述的燃料电池装置，进一步包括：

燃料供应件，其连接着燃料入口用于将燃料流供应到燃料通道中；以及

空气供应件，其连接着氧化剂入口用于将空气流供应到氧化剂通道中。

19、如权利要求18所述的燃料电池装置，其中，燃料供应件和空气供应件分别连接着紧固在相应的第一和第二管端上的柔性橡胶或塑料管。

20、如权利要求12所述的燃料电池装置，进一步包括：

热源，其定位于第一和第二冷端区域之间，以将反应区加热至工作反应温度；以及

位于热源和第一冷端区域之间的第一绝热区域，和位于热源和第二冷端区域之间的第二绝热区域，第一和第二绝热区域被设置成将第一和第二冷端区域维持在低于工作反应温度的低温。

21、如权利要求12所述的燃料电池装置，其中，细长管的长度远大于细长管的直径，从而细长管的热膨胀系数只有一个沿长度方向延伸的主轴线。

22、一种固体氧化物燃料电池系统，包括：

热区容室；

多个如权利要求12所述的固体氧化物燃料电池装置，每个燃料电池装置被定位成使其反应区位于热区容室中，并且第一和第二冷端区域延伸于热区容室外侧；

热源，其连接着热区容室，并且被设置成在热区容室中将反应区加热至工作反应温度；

燃料供应件，其在热区容室的外侧连接至第一冷端区域，并与燃料通道流体连通，用于将燃料流供应到燃料通道中；以及

空气供应件，其在热区容室的外侧连接至第二冷端区域，并与氧化剂通道流体连通，用于将空气流供应到氧化剂通道中。

23、如权利要求22所述的燃料电池系统，进一步包括：位于热源和第一冷端区域之间的第一绝热区域，和位于热源和第二冷端区域之间的第二绝热区域，它们被设置成将第一和第二冷端区域维持在低于工作反应温度的低温。

24、如权利要求22所述的燃料电池系统，进一步包括：与第一外部接触面连接的第一电连接部和与第二外部接触面连接的第二电连接部。

25、如权利要求22所述的燃料电池系统，其中，第一和第二电连接部包括第一和第二电线，它们焊接至施加于相应的第一和第二外部接触面上的相应的第一和第二金属接触垫，并且与阳极和阴极的相应电路径电接触。

26、如权利要求24所述的燃料电池系统，其中，第一和第二电连接部包括第一和第二电线，它们机械连接至施加于相应的第一和第二外部接触面上的相应第一和第二金属接触垫，并且与阳极和阴极的相应电路径电接触。

27、如权利要求22所述的燃料电池系统，其中，燃料和空气供应件分别连接着紧固在相应的第一和第二冷端区域上的柔性橡胶或塑料管。

28、一种使用权利要求14所述装置的方法，包括：

定位细长管，使其反应区位于热区容室中，并且第一和第二冷端区域延伸于热区容室外侧；

将燃料供应件在热区容室外侧连接至第一冷端区域以与燃料入口流体连通；

将空气供应件在热区容室外侧连接至第二冷端区域以与氧化剂入口流体连通；

在热区容室中施加热量，以将反应区加热至高于400℃的工作温度，同时将第一和第二冷端区域维持在低于300℃的低温；

通过相应的燃料入口和氧化剂入口供应燃料和空气至加热了的反应区中的相应燃料通道和氧化剂通道，从而燃料和空气起反应并且产生电子，所述电子运行至相应的第一和第二外部接触面并且运行至相应的第一和第二电连接部。

29、一种使用权利要求24所述系统的方法，包括：

在热区容室中施加热量，以将反应区加热至高于400℃的工作温度，同时将第一和第二冷端区域维持在低于300℃的低温；

将燃料和空气从相应的燃料和空气供应件供应到相应的燃料和空气通道中以到达加热了的反应区，以使燃料和空气起反应并且产生电子，所述电子运行至相应的第一和第二外部接触面并且运行至相应的第一和第二电连接部。

30、一种固体氧化物燃料电池装置，包括：

细长管，其具有限定在第一管端和相反的第二管端之间的管长度，靠近第一管端的第一冷端区域，靠近第二管端的第二冷端区域，和位于第一和第二冷端区域之间的反应区，其中，反应区被构造成将被加热至工作反应温度，并且第一和第二冷端区域被构造成保持在低于工作反应温度的低温；

多个彼此相隔的同心环形燃料通道，它们从第一管端开始至少部分地通过反应区朝向第二管端延伸；

多个彼此相隔的同心环形氧化剂通道，它们以与所述多个燃料通道交替和同心的方式从第二管端开始至少部分地通过反应区朝向第二管端延伸；

位于反应区和第二冷端区域之一中的燃料出口，其从所述多个燃料通道中最内侧的一个延伸至细长管的外表面，并且相对于每个所述多个燃料通道流体开通和相对于所述多个氧化剂通道流体关闭；

位于反应区和第一冷端区域之一中的氧化剂出口，其从所述多个氧化剂通道中最内侧的一个延伸至细长管的外表面，并且相对于每个所述多个氧化剂通道流体开通和相对于所述多个燃料通道流体关闭；

阳极，其在反应区和第一冷端区域中镶衬于每个所述多个燃料通道上，并且在第一冷端区域中电连接着细长管上的第一外部接触面；

阴极，其在反应区和第二冷端区域中镶衬于每个所述多个氧化剂通道上，并且在第二冷端区域中电连接着细长管上的第二外部接触面；以及

位于每对相邻的燃料通道和氧化剂通道之间的环形固体电解质层，以分开相对的阳极和阴极。

31、如权利要求30所述的燃料电池装置，进一步包括：与第一外部接触面连接的第一电连接部和与第二外部接触面连接的第二电连接部。

32、如权利要求31所述的燃料电池装置，其中，第一和第二电连接部是焊接至相应的第一和第二外部接触面的电线。

33、如权利要求31所述的燃料电池装置，其中，第一和第二电连接部是机械连接至相应的第一和第二外部接触面的电线。

34、如权利要求30所述的燃料电池装置，进一步包括：

燃料供应件，其连接着第一管端，用于将燃料流供应到所述多个燃料通道中；以及

空气供应件，其连接着第二管端，用于将空气流供应到所述多个氧化剂通道中。

35、如权利要求34所述的燃料电池装置，其中，燃料供应件和空气供应件分别连接着紧固在相应的第一和第二管端上的柔性橡胶或塑料管。

36、如权利要求30所述的燃料电池装置，进一步包括：

热源，其定位于第一和第二冷端区域之间，以将反应区加热至工作反应温度；以及

位于热源和第一冷端区域之间的第一绝热区域，和位于热源和第二冷端区域之间的第二绝热区域，第一和第二绝热区域被设置成将第一和第二冷端区域维持在低于工作反应温度的低温。

37、如权利要求30所述的燃料电池装置，其中，细长管的长度远大于细长管的直径，从而细长管的热膨胀系数只有一个沿长度方向延伸的主轴线。

38、如权利要求30所述的燃料电池装置，进一步包括：位于所述多个燃料通道和氧化剂通道中的多个支撑柱。

39、一种固体氧化物燃料电池系统，包括：

热区容室；

多个如权利要求30所述的固体氧化物燃料电池装置，每个燃料电池装置被定位成使其反应区位于热区容室中，并且第一和第二冷端区域延伸于热区容室外侧；

热源，其连接着热区容室，并且被设置成在热区容室中将反应区加热至工作反应温度；

燃料供应件，其在热区容室的外侧连接至第一冷端区域，并与所述多个燃料通道流体连通，用于将燃料流供应到所述多个燃料通道中；以及

空气供应件，其在热区容室的外侧连接至第二冷端区域，并与所述多个氧化剂通道流体连通，用于将空气流供应到所述多个氧化剂通道中。

40、如权利要求39所述的燃料电池系统，进一步包括：位于热源和第一冷端区域之间的第一绝热区域，和位于热源和第二冷端区域之间的第二绝热区域，它们被设置成将第一和第二冷端区域维持在低于工作反应温度的低温。

41、如权利要求39所述的燃料电池系统，进一步包括：与第一外部接触面连接的第一电连接部，和与第二外部接触面连接的第二电连接部。

42、如权利要求39所述的燃料电池系统，其中，燃料和空气供应件分别连接着紧固在相应的第一和第二冷端区域上的柔性橡胶或塑料管。

43、一种使用权利要求31所述装置的方法，包括：

定位细长管，使其反应区位于热区容室中，并且第一和第二冷端区域延伸于热区容室外侧；

将燃料供应件在热区容室外侧连接至第一冷端区域，以与所述多个燃料通道流体连通；

将空气供应件在热区容室外侧连接至第二冷端区域，以与所述多个氧化剂通道流体连通；

在热区容室中施加热量，以将反应区加热至高于400℃的工作温度，同时将第一和第二冷端区域维持在低于300℃的低温；

通过相应的多个燃料通道和氧化剂通道向加热了的反应区中供应燃料和空气，从而燃料和空气起反应并且产生电子，所述电子运行至相应的第一和第二外部接触面并且运行至相应的第一和第二电连接部。

44、一种使用权利要求41所述系统的方法，包括：

在热区容室中施加热量，以将反应区加热至高于400℃的工作温度，同时将第一和第二冷端区域维持在低于300℃的低温；

将燃料和空气从相应的燃料和空气供应件供应到相应的燃料和空气通道中以到达加热了的反应区，以使燃料和空气起反应并且产生电子，所述电子运行至相应的第一和第二外部接触面并且运行至相应的第一和第二电连接部。

45、一种固体氧化物燃料电池装置，包括：

细长基板，其最大尺寸为其长度，从而细长基板的热膨胀系数只有一个沿长度方向延伸的主轴线，沿着长度方向的彼此相反的第一和第二侧，沿着所述长度的第一部分的反应区，其构造成将被加热至工作反应温度，和沿着所述长度的第二部分的至少一个冷区，其构造成当反应区被加热时保持在低于工作反应温度的低温；

第一多层阳极-阴极结构，其包括在细长基板内在反应区中与多个阴极相对的多个阳极，和布置在每对相对的阳极和阴极之间的电解质，所述多个阳极和阴极中的每个具有一或多个突片部分，其从细长基板内延伸至所述彼此相反的第一和第二侧之一以在相应的多个暴露的阳极和阴极表面上形成电路径；

位于彼此相反的第一和第二侧之一或二者上的、设在暴露的阳极和阴极表面上面的多个外部接触垫，用于串联和/或并联地电连接阳极和阴极。

46、如权利要求45所述的燃料电池装置，其中，阳极的一或多个突片部分延伸至第一侧，阴极的一或多个突片部分延伸至第二侧，并且，纵向第一金属化部分被施加于第一侧，并与反应区中的阳极电接触且延伸至所述至少一个冷区，纵向第二金属化部分被施加于第二侧，并与反应区中的阴极电接触且延伸至所述至少一个冷区。

47、如权利要求46所述的燃料电池装置，进一步包括：在所述至少一个冷区中连接至第一金属化部分的第一电连接部和在所述至少一个冷区中连接至第二金属化部分的第二电连接部。

48、如权利要求46所述的燃料电池装置，其中，所述至少一个冷区包括彼此相反的第一和第二冷区，它们设置在细长基板的相应第一和第二端部，反应区定位在第一和第二冷区之间，其中，纵向第一和第二金属化部分分别包括相应的一对第一和第二金属化部分，每对中的一个从反应区延伸至第一冷区，每对中的另一个从反应区延伸至第二冷区，并且所述燃料电池装置进一步包括：连接至每个第一金属化部分的第一电连接部和连接至每个第二金属化部分的第二电连接部。

49、如权利要求48所述的燃料电池装置，其中，每个阳极与从第一冷区中的燃料入口延伸至第二冷区中的燃料出口的燃料通道相关联，每个阴极与从第二冷区中的氧化剂入口延伸至第一冷区中的氧化剂出口的氧化剂通道相关联。

50、如权利要求46所述的燃料电池装置，其中，所述至少一个冷区包括定位在细长基板第一端部的单一的冷区，所述反应区定位在细长基板的相反第二端部。

51、如权利要求45所述的燃料电池装置，其中，所述多个外部接触垫包括施加在成对的暴露的相对阳极和阴极表面上的接触垫，以串联连接第一多层阳极-阴极结构的阳极和阴极。

52、如权利要求45所述的燃料电池装置，进一步包括：一或多个重复多层阳极-阴极结构，其靠近第一多层阳极-阴极结构叠加并且构造成与第一多层阳极-阴极结构相同，所述多个阳极在细长基板内在反应区中与所述多个阴极相对，电解质布置在每对相对的阳极和阴极之间，每个所述多个阳极和阴极使其突片部分从在细长基板内延伸至所述彼此相反的第一和第二侧之一，以在相应的多个暴露的阳极和阴极表面上形成电路径，并且

所述多个外部接触垫包括在第一以及一或多个重复多层阳极-阴极结构中施加在相应的成对相对暴露的阳极和阴极表面上的接触垫，用于在每个第一以及重复多层阳极-阴极结构中串联地电连接阳极和阴极，并且并联在第一以及重复多层阳极-阴极结构之间。

53、如权利要求45所述的燃料电池装置，其中，每个阳极与从所述至少一个冷区中的燃料入口延伸到反应区中的燃料通道相关联，每个阴极与从所述至少一个冷区中的氧化剂入口延伸到反应区中的氧化剂通道相关联。

54、如权利要求53所述的燃料电池装置，进一步包括：

燃料供应件，其连接着燃料入口，用于将燃料流供应到燃料通道中；以及

空气供应件，其连接着氧化剂入口，用于将空气流供应到氧化剂通道中。

55、如权利要求54所述的燃料电池装置，其中，燃料供应件和空气供应件分别连接着紧固在相应的燃料入口和氧化剂入口上的柔性橡胶或塑料管。

56、如权利要求45所述的燃料电池装置，进一步包括：

热源，其靠近第一部分定位，以将反应区加热至工作反应温度；以及

位于热源与所述至少一个冷区之间的绝热区域，其被设置成将所述至少一个冷区维持在低于工作反应温度的低温。

57、一种固体氧化物燃料电池系统，包括：

热区容室；

多个如权利要求45所述的固体氧化物燃料电池装置，每个燃料电池装置被定位成使其反应区位于热区容室中，并且所述至少一个冷区延伸于热区容室外侧；

热源，其连接着热区容室，并且被设置成在热区容室中将反应区加热至工作反应温度；

第一电压连接部，其连接着所述至少一个冷区中的接触垫中的至少一个，并与阳极的电路径中的至少一个电接触；以及

第二电压连接部，其连接着所述至少一个冷区中的接触垫中的至少一个，并与阴极的电路径中的至少一个电接触。

58、如权利要求57所述的燃料电池系统，进一步包括：位于热源与所述至少一个冷区之间的绝热区域，其被设置成将所述至少一个冷区维持在低于工作反应温度的低温。

59、如权利要求57所述的燃料电池系统，其中，每个阳极与从所述至少一个冷区中的燃料入口延伸到反应区中的燃料通道相关联，每个阴极与从所述至少一个冷区中的氧化剂入口延伸到反应区中的氧化剂通道相关联。

60、如权利要求59所述的燃料电池系统，进一步包括：

燃料供应件，其连接着燃料入口，用于将燃料流供应到燃料通道中；以及

空气供应件，其连接着氧化剂入口，用于将空气流供应到氧化剂通道中。

61、一种使用权利要求45所述装置的方法，包括：

定位细长基板，使其反应区位于热区容室中，并且所述至少一个冷区延伸于热区容室外侧；

在热区容室中施加热量，以将反应区加热至高于400℃的工作温度，同时将所述至少一个冷区维持在低于300℃的低温；

供应燃料和空气至加热了的反应区，从而燃料和空气起反应并且产生电子，所述电子沿着阳极和阴极的电路径运行至相应的接触垫。

62、一种使用权利要求46所述装置的方法，包括：

定位细长基板，使其反应区位于热区容室中，并且所述至少一个冷区延伸于热区容室外侧；

在所述至少一个冷区中将第一电压连接至纵向第一金属化部分；以及

在所述至少一个冷区中将第二电压连接至纵向第二金属化部分；

在热区容室中施加热量，以将反应区加热至高于400℃的工作温度，同时将所述至少一个冷区维持在低于300℃的低温；

供应燃料和空气至加热了的反应区，从而燃料和空气起反应并且产生电子，所述电子沿着阳极和阴极的电路径运行至相应的第一和第二电压连接部。

63、一种使用权利要求57所述系统的方法，包括：

在热区容室中施加热量，以将反应区加热至高于400℃的工作温度，同时将第一和第二冷端区域维持在低于300℃的低温；

供应燃料和空气至加热了的反应区，以使燃料和空气起反应并且产生电子，所述电子运行至相应的第一和第二外部接触面，并运行至相应的第一和第二电压连接部。

64、一种固体氧化物燃料电池装置，包括：

细长基板，其最大尺寸为其长度，从而细长基板的热膨胀系数只有一个沿长度方向延伸的主轴线，反应区，其沿着所述长度的第一部分构造成将被加热至工作反应温度，和至少一个冷区，其沿着所述长度的第二部分构造成当反应区被加热时保持在低于工作反应温度的低温；

多孔支撑电极材料，其形成细长基板的支撑结构；

位于多孔支撑电极材料中的一或多个第一流体通道，其连接着所述至少一个冷区中的第一流体入口，并且至少部分地通过反应区延伸至位于反应区和相反的冷区之一中的第一流体出口；

镶衬于一或多个第一流体通道上的电解质和镶衬于电解质上的第一电极材料，从而电解质将一或多个第一流体通道中的第一电极材料与周围多孔支撑电极材料分开，并且，多孔支撑电极材料为阳极材料和阴极材料之一，第一电极材料为阳极材料和阴极材料中的另一种；

第一电接触面，其电连接着第一电极材料，并且存在于所述至少一个冷区的第一外表面上，和第二电接触面，其电连接着多孔支撑电极材料，并且存在于所述至少一个冷区的第二外表面上，每个电接触面用于在低于工作反应温度的低温进行电连接。

65、如权利要求64所述的燃料电池装置，其中，多孔支撑电极材料为阳极材料，第一电极材料为阴极材料。

66、如权利要求65所述的燃料电池装置，进一步包括：燃料供应件，其连接着所述至少一个冷区，用于通过多孔支撑阳极材料供应燃料流，和空气供应件，其连接着所述至少一个冷区，并与一或多个第一流体通道流体连通，用于将空气流供应到一或多个第一流体通道中。

67、如权利要求66所述的燃料电池装置，进一步包括：位于多孔支撑阳极材料的外表面上的隔离涂层，用于防止燃料通过装置的外表面排出；用过的空气和燃料通过第一流体出口从反应区排出。

68、如权利要求65所述的燃料电池装置，进一步包括：位于多孔支撑阳极材料中的一或多个第二流体通道，其连接着所述至少一个冷区中的第二流体入口，并且至少部分地通过反应区延伸至反应区和相反的冷区之一中的第二流体出口。

69、如权利要求68所述的燃料电池装置，进一步包括：燃料供应件，其连接着所述至少一个冷区，并与一或多个第二流体通道流体连通，用于将燃料流供应到一或多个第二燃料通道中。

70、如权利要求69所述的燃料电池装置，其中，所述至少一个冷区包括定位在细长基板的相应第一和第二端部的第一和第二冷区，反应区定位在第一和第二冷区之间，其中，第一流体入口定位于第一冷区中，第一流体出口定位于第二冷区中，并且，第二流体入口定位于第二冷区中，第二流体出口定位于第一冷区中。

71、如权利要求64所述的燃料电池装置，进一步包括：位于多孔支撑电极材料中的一或多个第二流体通道，其连接着所述至少一个冷区中的第二流体入口，并且至少部分地通过反应区延伸至反应区和相反的冷区之一中的第二流体出口。

72、如权利要求71所述的燃料电池装置，其中，一或多个第二流体通道包括垂直于多个第一流体通道定向的单一的第二流体通道。

73、如权利要求72所述的燃料电池装置，进一步包括：靠近第二流体通道施加于装置外表面的隔离涂层。

74、如权利要求64所述的燃料电池装置，其中，多孔支撑电极材料为阴极材料，第一电极材料为阳极材料。

75、如权利要求74所述的燃料电池装置，进一步包括：空气供应件，其连接着所述至少一个冷区，用于通过多孔支撑阳极材料供应空气流，和燃料供应件，其连接着所述至少一个冷区，与一或多个第一流体通道流体连通，用于将燃料流供应到一或多个第一流体通道中。

76、一种固体氧化物燃料电池系统，包括：

热区容室；

多个如权利要求64所述的固体氧化物燃料电池装置，每个燃料电池装置被定位成使其反应区位于热区容室中，并且所述至少一个冷区延伸于热区容室外侧；

热源，其连接着热区容室，并且被设置成在热区容室中将反应区加热至工作反应温度；

第一电连接部，其在所述至少一个冷区中连接至第一电接触面；以及

第二电连接部，其在所述至少一个冷区中连接至第二电接触面。

77、如权利要求76所述的燃料电池系统，进一步包括：位于热源与所述至少一个冷区之间的绝热区域，其被设置成将所述至少一个冷区维持在低于工作反应温度的低温。

78、一种使用权利要求65所述装置的方法，包括：

定位细长基板，使其反应区位于热区容室中，并且所述至少一个冷区延伸于热区容室外侧；

在热区容室中施加热量，以将反应区加热至高于400℃的工作温度，同时将所述至少一个冷区维持在低于300℃的低温；

供应燃料和空气至加热了的反应区，从而燃料和空气起反应并且产生电子，所述电子沿着阴极材料和阳极材料的电路径运行至相应的第一和第二电接触面。

79、一种使用权利要求74所述装置的方法，包括：

定位细长基板，使其反应区位于热区容室中，并且所述至少一个冷区延伸于热区容室外侧；

在热区容室中施加热量，以将反应区加热至高于400℃的工作温度，同时将所述至少一个冷区维持在低于300℃的低温；

供应燃料和空气至加热了的反应区，从而燃料和空气起反应并且产生电子，所述电子沿着阳极材料和阴极材料的电路径运行至相应的第一和第二电接触面。

80、一种使用权利要求76所述系统的方法，包括：

在热区容室中施加热量，以将反应区加热至高于400℃的工作温度，同时将所述至少一个冷区维持在低于300℃的低温；

供应燃料和空气至加热了的反应区，以使燃料和空气起反应并且产生电子，所述电子运行至第一和第二外部接触面，并运行至相应的第一和第二电连接部。

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