CN101855759A - 涉及陶瓷支撑结构的多层固体氧化物燃料电池装置 - Google Patents

涉及陶瓷支撑结构的多层固体氧化物燃料电池装置 Download PDF

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Abstract

燃料电池装置(10)，该燃料电池装置包括一个或多个活性层(24a，26a，24b，26b)，该一个或多个活性层容纳有电并联的活性电池。所述燃料电池装置(10)包括细长的陶瓷支撑结构(29)，该陶瓷支撑结构的长度为最大的尺寸，以使得热膨胀系数仅具有与所述长度共同延伸的一个主轴线。

Description

涉及陶瓷支撑结构的多层固体氧化物燃料电池装置
相关申请的交叉引用
根据美国联邦法典(C.F.R)之37.§1.78(a)(4)，本申请要求于2007年11月8日申请的标题为“Fuel Cell Device and System”的共同未决临时申请No.60/986,368(代理人案号DEVOFC-06P)的优先权。本申请还涉及于2008年5月8日申请的标题为“Fuel Cell Device and System”共同未决美国专利申请No.12/117,622(代理人案号DEVOFC-05US1)，其公开的内容通过参考而整体地结合于此，本申请还涉及同为2007年5月10日申请的标题均为“Solid Oxide Fuel Cell Device and System”的共同未决美国专利申请No.11/747,066(代理人案号DEVOFC-03US1)和No.11/747,073(代理人案号DEVOFC-03US2)，其公开的内容通过参考而整体地结合于此。本申请还涉及同于2006年11月8日申请的标题均为“Solid Oxide Fuel Cell Device andSystem”的共同未决美国专利申请No.11/557,894(代理人案号DEVOFC-04US1)、No.11/557,901(代理人案号DEVOFC-04US2)以及No.11/557,935(代理人案号DEVOFC-04US3)，此外，本申请还涉及于2006年11月8日申请的标题为“Solid Oxide Fuel Cell Device and System，andMethod of Using and Method of Making”的共同未决美国专利申请No.11/557,934(代理人案号DEVOFC-04US4)，以上各申请所公开的内容通过参考而整体地结合于此。
技术领域
本发明涉及燃料电池装置和系统、以及该燃料电池装置的制造方法，更具体地，涉及一种多层整体燃料电池棒TM(Fuel Cell StickTM)形式的燃料电池装置。
背景技术
已经发现将陶瓷管应用于制造固体氧化物燃料电池(SOFC)。燃料电池有多种类型，每种类型具有在不燃烧的情况下转化燃料和空气以产生电能的不同机理。在SOFC中，燃料与空气之间的阻挡层(“电解质”)是陶瓷层，它可使氧原子移动通过该陶瓷层以完成化学反应。因为陶瓷在室温下是一种氧原子的不良导体，因此燃料电池工作于700℃至1000℃，并且陶瓷层做得尽可能薄。
早期，西屋公司(Westinghouse Corporation)使用长的、直径相当大的氧化锆陶瓷挤压管生产管状SOFC。通常，管长度为几英尺长，管的直径为1/4英寸到1/2英寸。燃料电池的整套结构通常包括大约十根管。随时间发展，研究人员和工业团体确定了含有8mol％的Y2O3的氧化锆陶瓷配方。除了其它生产厂商之外，这种材料由日本的Tosoh生产，产品为TZ-8Y。
制造SOFC的另一种方法是使用氧化锆平板，该氧化锆平板与其他阳极和阴极堆叠在一起以形成燃料电池结构。与西屋公司所想到的长而窄的装置相比，这种平板结构可以为立方体形状，边长为6到8英寸，并使用夹持机构将整个堆叠物保持在一起。
另一种较新的方法是利用大量直径较小的、壁非常薄的管。在SOFC中使用薄壁陶瓷是非常重要的，因为氧离子的传输速率受到距离和温度的限制。如果使用较薄的氧化锆层，则形成的装置可以在保持相同效率的情况下工作在较低的温度下。文献中描述了需要将陶瓷管的壁厚做到150μm或更小。
妨碍SOFC的成功实施有几个主要技术问题。一个问题是需要防止陶瓷元件在加热过程中开裂。为此，管状SOFC方案优于与之竞争的“堆叠”式方案(由大而平的陶瓷板制成)，因为管基本是一维的。例如，管能够在中部加热，并膨胀但不开裂。例如，管式炉能加热长为36”、直径为4”的氧化铝管，并且氧化铝管的中部被加热到赤热，但端部冷到能够触摸。因为管在中部段被均匀加热，该中部段膨胀，使管变长，但不开裂。但是，陶瓷板仅在中部加热会快速破碎成小片，因为中部膨胀而外侧尺寸保持不变。管的关键性质是，它是单轴向的或一维的。
第二个重要挑战是与SOFC形成接触。SOFC理想情况下工作在高温(通常700-1000℃)下，但它还需要连接到外界以获取空气和燃料，以及还需要形成电连接。理想地，人们希望在室温下连接。由于不能使用有机材料，因此在高温下连接是有问题的，其必须使用玻璃密封或机械密封。这些密封是不可靠的，这部分是因为膨胀问题。而且它们价格也高。
因此，现有的SOFC系统的困难至少涉及上面所述的两个问题。此外，平板技术的困难还涉及到板边缘在气体端口密封方面的问题，以及快速加热和开裂的问题。管的方案解决了开裂问题，但仍存在其他问题。SOFC管仅用作气体容器。为了工作，它必须在更大的空气容器内使用。这是比较庞大笨重的。使用管的主要问题在于，必须将热量和空气供应到管的外部；空气为反应提供O2，热量用于加速反应。通常，热量通过燃烧燃料来提供，因此提供的并不是具有20％O2(通常值)的空气，空气实际上会部分地减少(部分燃烧以提供热量)，这会降低电池的驱动电压。
SOFC管的数量也存在限制。为了实现较大的千伏电压输出，必须增加更多的管。每根管是单独的电解质层，从而明显增大了体积。固体电解质管技术在能够实现的电解质薄度方面也存在限制。电解质越薄越有效。为获得高功率，最佳的电解质厚度为2μm或者甚至1μm，但这在固体电解质管中非常难以实现。需要注意的是，单个燃料电池区域产生大约0.5到1伏的电压(与电池产生1.2伏电压的方式相同，这是因化学反应的驱动力所固有的)，但是电流以及由此获得的功率则取决于多个因素。较高的电流取决于使得更多的氧离子在给定时间内迁移通过电解质的多个因素。这些因素包括较高的温度、较薄的电解质以及较大的面积。
发明内容
本发明涉及燃料电池装置和系统、使用该装置和系统的方法、以及制造该装置的方法。根据本发明的一种实施方式，一种燃料电池装置包括陶瓷支撑结构，该陶瓷支撑结构具有反应区，该反应区构造为被加热到工作反应温度，并且在该反应区中具有第一活性层和第二活性层。第一活性电池位于所述第一活性层中，该第一活性电池包括第一阳极、第一阴极和位于该第一阳极与第一阴极之间的第一电解质，第二活性电池位于所述第二活性层中，该第二活性电池包括第二阳极、第二阴极和位于该第二阳极与第二阴极之间的第二电解质。一对相同电极之间具有相互电连接件，其中，该对相同电极为所述第一阳极和第二阳极或者为所述第一阴极和第二阴极，并且其中，该对相同电极包括平行部和弯曲部，该对相同电极的平行部物理地间隔开，该对相同电极的弯曲部部物理地电接触，所述弯曲部形成所述电连接件，从而将所述第一活性电池和第二活性电池并联。还提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统具有热区室，多个所述装置的反应区布置在所述热区室中，每个冷区延伸到所述热区室的外部。热源连接于所述热区室，以用于将所述反应区加热到所述工作反应温度，所述冷区中设置有分别与所述阳极和阴极电接触的负电压连接件和正电压连接件。
在另一种实施方式中，一种燃料电池装置包括陶瓷支撑结构，该陶瓷支撑结构具有反应区，该反应区构造为被加热到工作反应温度，并且在该反应区中至少具有第一活性层。所述第一活性层中具有第一活性电池，该第一活性电池包括第一阴极和第一阳极，该第一阳极包括第一无孔阳极部分和与所述第一阴极相对的第一多孔阳极部分。所述第一活性层中还具有第二活性电池，该第二活性电池邻近于所述第一活性电池，并包括第二阳极和第二阴极，所述第二阴极包括第二无孔阴极部分和与所述第二阳极相对的第二多孔阴极部分。所述第一活性层中设置有陶瓷电解质，该陶瓷电解质位于所述第一阳极与所述第一阴极之间和所述第二阳极与所述第二阴极之间。所述第一无孔阳极部分与所述第二无孔阴极部分在所述陶瓷支撑结构内电连接，从而将所述第一活性电池和所述第二活性电池在所述第一活性层中串联。还提供了一种燃料电池系统，如上所述，该燃料电池系统包括多个该实施方式中的装置。
在另一种实施方式中，一种燃料电池装置包括陶瓷支撑结构，该陶瓷支撑结构具有反应区，该反应区构造为被加热到工作反应温度，并且在该反应区中至少具有第一活性层。所述第一活性层包括陶瓷电解质层、位于所述陶瓷电解质层的第一侧的多个间隔开的第一电极、以及位于所述陶瓷电解质层的第二侧的多个间隔开的第二电极，其中，所述第一电极的极性与所述第二电极的极性相反，分别选择为阳极或阴极，并且其中，所述多个间隔开的第一电极中的每个与所述多个间隔开的第二电极中的相应一个相对，并且所述陶瓷电解质层位于相对的该第一电极与第二电极之间。每个相对的第一电极和第二电极形成活性电池，从而在所述第一活性层上分布有多个间隔开的活性电池。在所述多个间隔开的活性电池之间延伸有多个导电件，其中所述多个导电件中的每个与一个活性电池的第一电极物理接触，并延伸穿过与该一个活性电池邻近的空间中的所述陶瓷电解质层，并且与相邻间隔的活性电池的第二电极物理接触，从而将所述多个活性电池在所述第一活性层中串联。还提供了一种燃料电池系统，如上所述，该燃料电池系统包括多个该实施方式中的装置。
在本发明的另一种实施方式中，一种燃料电池装置包括陶瓷支撑结构，该陶瓷支撑结构具有顶盖部分和底盖部分，并具有反应区，该反应区构造为被加热到工作反应温度。该装置还包括连续活性层，该连续活性层包括第一电极层，该第一电极层通过陶瓷电解质层与极性相反的第二电极层相分隔，并且以Z字形形式从第一端延伸至第二端，所述第一端连接在所述顶盖部分上或位于所述顶盖部分附近，所述第二端连接在所述底盖部分上或位于所述底盖部分附近，并且所述第一端与第二端之间的中间部分包括位于第一弯曲部和第二弯曲部之间的活性电池部分。第一气体通道位于活性电池部分之间并与所述第一电极层相邻，第二气体通道位于活性电池部分之间并与所述第二电极层相邻，其中，所述第一弯曲部或所述第二弯曲部中的至少一个未与所述顶盖部分和所述底盖部分之间的陶瓷支撑结构连接。
在又一种实施方式中，一种燃料电池装置包括陶瓷支撑结构，该陶瓷支撑结构中具有至少一个活性层，并构造为在腔室中以反应温度工作，其中所述至少一个活性层包括阳极、阴极、所述阳极和阴极之间的电解质、与所述阳极相邻的燃料通道以及与所述阴极相邻的氧化剂通道。设置有至少一个细长陶瓷端管，该至少一个细长陶瓷端管具有冷端和热端，所述冷端构造为位于腔室外以便以低于所述反应温度的温度工作，所述热端永久地连接于所述陶瓷支撑结构的端部，所述陶瓷端管构造用于将气体供应到所述燃料通道和氧化剂通道中的一者或两者，并且所述陶瓷端管具有最大尺寸的长度，以使得热膨胀系数仅具有与所述长度共同延伸的一个主轴线。所述陶瓷端管通过以下方法中的一者或者以下方法的结合而永久地连接于所述陶瓷支撑结构：将所述至少一个细长的陶瓷端管与所述陶瓷支撑结构在生坯状态下共同烧结，将生坯状态的所述至少一个细长陶瓷端管烧结到已烧结状态的所述陶瓷支撑结构上，将生坯状态的所述陶瓷支撑结构烧结到已烧结状态的所述至少一个细长陶瓷端管上，或者在已烧结状态的所述至少一个细长陶瓷端管与已烧结状态的所述陶瓷支撑结构之间施加玻璃粘接剂或玻璃陶瓷粘接剂并且烧结该两者之间的所述粘接剂。
在另一种实施方式中，一种燃料电池装置包括细长陶瓷扁管，该细长陶瓷扁管的宽度大于高度，并沿细长方向在第一端与第二端之间延伸有多个燃料通路和多个氧化剂通路，该通路由内部的肋分隔，并构造为防止燃料和氧化剂在通路之间混合。多层活性结构连接到所述细长陶瓷扁管的平面上，该多层活性结构包括至少两个活性层，每个活性层包括至少一个活性电池，该活性电池具有阳极、阴极、所述阳极和阴极之间的电解质、与所述阳极相邻的燃料通道和与所述阴极相邻的氧化剂通道，其中每个活性电池的所述燃料通道流体连通到所述细长陶瓷扁管的多个燃料通路中的一个，并且其中每个活性电池的所述氧化剂通道流体连通到所述细长陶瓷扁管的多个氧化剂通路中的一个，从而燃料气体和氧化剂气体配置为分别被供应至所述燃料通路和氧化剂通路，然后分别进入所述燃料通道和氧化剂通道。
在另一种实施方式中，一种燃料电池装置包括多层活性电池结构，该多层活性电池结构具有：与多个阴极层交替堆叠的多个阳极层，每个所述阳极层中包括多个第一微管和/或纳米管通道，每个所述阴极层包括多个第二微管和/或纳米管通道；以及将各个阳极层与各个交替的阴极层分离的电解质层，从而所述多层活性电池结构的内部中的所述阳极层和阴极层各自用于两个相邻的电解质层。
在另一种实施方式中，一种燃料电池装置包括陶瓷支撑结构，该陶瓷支撑结构包括多层活性电池结构，该多层活性电池结构具有多个阳极层、多个阴极层、将各个阳极层与各个阴极层分离的电解质层、与各个阳极层形成为一体的活性燃料通道、以及与各个阴极层形成为一体的活性氧化剂通道，所述陶瓷支撑结构还具有从所述多层活性电池结构的一个边缘向外延伸的第一细长件和第二细长件，所述第一细长件具有连接于所述活性燃料通道的燃料供应通道，所述第二细长件具有连接于所述活性氧化剂通道的氧化剂供应通道。还提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统具有热区室，该热区室具有腔室壁；并且所述多层活性电池结构设置在所述热区室内，所述第一细长件和所述第二细长件延伸穿过所述腔室壁并延伸到所述热区室外部。多个稳定件从围绕所述多层活性电池结构的所述陶瓷支撑结构延伸至所述腔室壁内，热源连接到所述热区室，并适于将位于所述热区室内的所述多层活性电池结构加热到工作反应温度。
附图说明
包括在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的实施方式，并与上面给出的本发明的总体描述以及下面给出的详细描述一起用于解释本发明。
图1和图1A分别以侧剖视图和俯视剖视图示出了本发明基本的燃料电池棒TM(Fuel Cell StickTM)装置的一种实施方式，该实施方式具有单个阳极层、阴极层和电解质层、以及位于两个端部冷区之间的热区；
图2以透视图示出了本发明的燃料电池棒TM装置的一种实施方式的连接有燃料供应管的第一端；
图3A以透视图示出了根据本发明的一种实施方式的燃料电池棒TM装置，其具有改进的端部；
图3B以透视图示出了连接到图3A的装置的一个改进的端部的燃料供应管；
图4A以透视图示出了根据本发明的一种实施方式的用于与正电压节点和负电压节点形成电连接的多个燃料电池棒TM装置的冶金结合连接结构；
图4B以示意性端部视图示出了根据本发明一种实施方式的多个燃料电池棒TM装置之间的连接，其中每个燃料电池棒TM装置包括多个阳极和阴极；
图5以示意性端部视图示出了根据本发明的一种实施方式的、用于与正电压节点和负电压节点形成电连接的机械连接结构；
图6A和图6B以透视图示出了可选实施方式，其中，燃料电池棒TM装置的连接有燃料和空气供应管的一端具有单个冷区，另一端处于热区中；
图7A和图7B分别以侧剖视图和俯视剖视图示出了根据本发明的一种实施方式的空气和燃料通道中的多个支撑柱；
图7C和图7D是示出了根据本发明的另一种实施方式的在燃料和空气通道中的用作支撑柱的球体的显微图；图8A以剖视图示出了根据本发明的一种实施方式，其中包括外部并联的两个燃料电池；
图8B以剖视图示出了类似于图8A的本发明的另一种实施方式，但两个燃料电池在内部利用通路并联；
图9A和图9B以剖视图示出了根据本发明的一种实施方式的具有共用的阳极和阴极的多燃料电池设计，其中图9A示出了并联的三个燃料电池层，图9B示出了串联的三个燃料电池；
图10以示意性侧视图示出了根据本发明的一种实施方式的燃料电池棒TM装置，其中，燃料供应管连接到装置的冷端，装置一侧在热区中对空气通道开放，以用于将热空气在热区中供应到装置；
图10A以示意性侧视图示出了图10的实施方式的一种变型，其中，热区位于相对的冷端之间；
图10B示出了图10A的燃料电池棒TM装置沿线10B-10B所作的俯视剖视图；
图11至图24示意性地示出了本发明的不同实施方式，其中，图11提供了图12至24中所示的各个部分的索引；
图25A至图27A以示意性俯视图以及图27B以示意性侧视图示出了根据本发明的一种实施方式的具有柄形设计的燃料电池棒TM装置，其中，细长区位于一个冷端部处，大表面积区位于相对的热端部处；
图25B和图26A以示意性俯视图以及图26B以示意性侧视图示出了柄形设计的可选实施方式，其中，两个细长区位于相对的冷端部，中部大表面积区位于中部热区中；
图28A至图28D示出了本发明的根据本发明的一种实施方式的具有螺旋的或卷绕的管状结构的燃料电池棒TM装置，其中，图28A至图28C分别以示意性俯视图、端部视图和侧视图示出了未卷绕的结构，图28D以示意性透视图示出了螺旋的或卷绕的管状结构；
图29A至图29G示出了本发明的另一个可选实施方式，其中，燃料电池棒TM装置具有管状同心结构，图29A以示意性等测视轴图示出了该装置，图29B至图29E示出了图29A的剖视图，图29F示出了空气输入端的端部视图，图29G示出了燃料输入端的端部视图；
图30A以示意性侧剖视图示出了本发明燃料电池棒TM装置的一种实施方式，其中在热区的活性区之前具有集成的预热区，图30B和图30C是图30A的装置分别沿线30B-30B和30C-30C所作的示意性剖视图；
图31A至图31C类似于图30A至图30C，但示出了两个冷区以及中部热区；
图32A至图32B分别是沿图32A的线32B-32B所作的示意性侧剖视图和示意性俯视剖视图，示出了与图31A至图31C所示的类似的一种实施方式，但它还包括在燃料入口和燃料通道之间延伸以及在空气入口和空气通道之间延伸的预热室，每个预热室从冷区延伸到热区的预热区；
图33A至图33C示出了用于对空气和燃料进行预热的本发明的另一种实施方式，其中，图33A是经过燃料电池棒TM装置的纵向中部的示意性侧剖视图，图33B是沿图33A的线33B-33B所作的示意性俯视剖视图，图33C是沿图33A的线33C-33C所作的示意性仰视剖视图；
图34A和34B分别以示意性前斜视图和示意性侧视图示出了本发明的一种实施方式，它具有在外部相互串联的多个阳极和阴极；
图35以示意性侧视图示出了图34B的两个结构，这两个结构在外部通过金属条带连接，以形成串-并联设计；
图36A和36B以示意性侧视图和透视图示出了本发明的另一种实施方式，包括在热区中用于串联和/或并联连接阳极和阴极的金属带、以及长金属带，所述长金属带从热区延伸到冷区，用于在冷区中形成连接到正和负电压节点的低温连接；
图37以示意性等视轴图示出了与图36B的实施方式类似的一种实施方式，但它具有单个冷区，所述单个冷区用于空气和燃料供应件连接、以及电压节点连接；
图38A和38B以示意性侧剖视图示出了本发明的一种实施方式，其具有沿着装置的侧面的多个排出间隙，以便将结构内的用于形成通道的有机材料烧除；
图39以示意性端部剖视图示出了本发明的另一种实施方式，其中，阳极材料用作支撑结构，称为燃料电池棒TM装置的阳极支撑型式；
图40A和图40B分别以示意性端部剖视图和示意性侧剖视图示出了根据本发明的燃料电池棒TM装置的另一种实施方式的阳极支撑型式，其中，利用多孔阳极起到输送燃料经过装置的功能，从而不再需要开放的燃料通道；
图41A和图41B分别以示意性端部剖视图和示意性俯视剖视图示出了根据本发明燃料电池棒TM装置的阳极支撑型式的另一种实施方式，其中，多个空气通道设在阳极支撑结构内，单个燃料通道垂直于多个空气通道设置；
图42A至42C以示意性剖视图示出了根据一种实施方式的用于本发明的燃料电池棒TM装置的通道中形成电极层的方法；
图43以示意性侧剖视图示出了本发明的另一种实施方式，其中，电解质层设有不平的形貌，以用于增大接收电极层的表面积；
图44以示意性侧剖视图示出了本发明的用于在电解质层上提供不平的形貌的可选实施方式；
图45A以示意性俯视视图以及图45B以通过热区的剖视图示出了本发明的燃料电池棒TM装置的一种实施方式，该实施方式在装置的左、右侧均具有多个燃料电池，左、右侧之间具有桥接部分；
图46A和图46B以示意性透视图和示意性剖视图示出了本发明的燃料电池棒TM装置的另一种实施方式，该实施方式具有大的外部接触垫，以便提供大或宽的低电阻路径而使电子传导到装置的冷端部；
图47以示意性侧剖视图示出了本发明的另一种实施方式的燃料电池棒TM装置，其具有用于耗用过的燃料和空气的单个排放通道；
图48A至图48C示出了称为“端部卷绕燃料电池棒TM装置”的可选实施方式，其具有厚部分和薄卷绕部分，其中，图48A以透视图示出了未卷绕的装置，图48B以侧剖视图示出了卷绕的装置，图48C以透视图示出了卷绕的装置。
图49A以示意性侧剖视图示出了使用两个陶瓷层之间的导线来构建燃料电池棒TM装置的一种实施方式；
图49B以示意性透视图示出了层压后的图49A所示的装置；
图49C以示意性透视图示出了去除导线后的图49B所示的装置；
图50A至图50C以示意性剖视图示出了使用导线和间隙形成带的组合来构建燃料电池棒TM装置的另一种实施方式；
图51和图52A以示意性透视图示出了穿过炉壁的燃料电池棒TM装置；
图52B以示意性透视图示出了位于炉壁范围内的燃料电池棒TM装置部分；
图52C以示意性透视图示出了将穿过炉壁的管状燃料电池棒TM装置部分；
图53以示意性透视图示出了穿过由多层构成的炉壁的燃料电池棒TM装置；
图54以示意性透视图示出了穿过有多层和空气间隙构成的炉壁的燃料电池棒TM装置；
图55A至图55E以示意性剖视图示出了具有悬浮集电器的燃料电池棒TM装置组件；
图56A和图56B是显示用于支撑悬浮集电器的氧化锆球的显微图；
图57A和图57B以示意性剖视图示出了用悬浮在粘性液体中的阳极颗粒或阴极颗粒回填图55D所示的结构以形成阳极或阴极；
图58A、图58B和图58C是显示基本堵塞通道的集电器的显微图；
图59以示意性剖视图示出了在阳极和阴极表面上的集电器；
图60以示意性剖视图示出了埋设在阳极和阴极表面中的集电器；
图61A至图61C示出了将集电器填埋设在阳极或阴极中的方法；
图62以示意性剖视图示出了实现具有两个厚度的单层的方法；
图62A是图62的细节图；
图63是显示具有阴影图案的集电器的俯视微观图；
图64和图65是显示多孔阳极或阴极上的集电器的侧视图和斜视剖视图的微观图；
图66A是滑动安装在燃料电池棒TM装置端部的管的示意性剖视图；
图66B是图66A所示的燃料电池棒TM装置的端部的示意性透视图；
图67A是位于燃料电池棒TM装置端部的包括弹簧电触件的连接件的示意性剖视图；
图67B是图67A的连接件的示意性透视图；
图68A和图68B是显示具有四个出口的燃料电池棒TM装置的示意性透视图；
图69是显示已凹入多孔阳极或阴极中的集电器形迹的显微图；
图70是显示去除碳-蜡牺牲材料后留下间隙的显微图；
图71以示意性剖视图显示了根据一种实施方式的两个电极之间的通路连接；
图72以示意性剖视图显示了根据一种实施方式的两个相互连接的电极；
图73A和图73B以透视图和示意性剖视图示出了根据另一种实施方式的将两个电极相互连接的方法；
图74A至图74D以示意性剖视图显示了使用搭接方法在电池之间进行串联的一种实施方式；
图75A至图75E以透视图和示意性剖视图示出了使用插入导体方法在电池之间实现串联的方法的另一种实施方式；
图76以示意性透视图示出了使用多个插入导体进行串联的另一种实施方式；
图77以剖视图示出了根据图75A至图76所示的任一种实施方式进行串联的多个电池；
图78A至图78C以示意性透视图示出了插入导体方法的一种变型；
图79A至图79D以示意性剖视图和透视图示出了使用通路进行串联的实施方式；
图80至图81以示意性剖视图和示意性视图示出了在单层串联中的多层并联的一种实施方式；
图82以示意性剖视图显示了结合有图74C所示的串联结构的单层燃料电池棒TM装置；
图83A至图83B示意性地示出了图82所示装置的串-并联结合的实施方式；
图84A和图84B以示意性透视图和示意性剖视图显示了用于在位于同一气体路径中的两个电极之间进行并联的另一种实施方式；
图85A和图85B以示意性透视图显示了具有串联设计的螺旋缠绕多层的管状燃料电池棒TM装置的实施方式；
图86A和图86B以示意性透视图显示了螺旋缠绕多层管状燃料电池棒TM装置的另一种实施方式；
图87A和图87B是图86A和图86B的实施方式的示意性细节剖视图；
图88A和图88B以示意性透视图示出了用于在管状燃料电池棒TM装置中提供电连接的实施方式；
图89以示意性透视图示出了气体流路径的布局；
图90是使用折叠路径的串联电池的示意图；
图91至图92B以示意性透视图和剖视图示出了使用折叠堆设计的具有多层串联的燃料电池棒TM装置的实施方式；
图93A和图93B以示意性剖视细节图显示了用于连接折叠堆设计以提供自由悬浮区域的实施方式；
图94A至图94D以端部剖视图和俯视剖视图示出了连接至所述装置的一侧并在该装置的另一侧自由悬浮的平行活性层；
图95至图97以示意性剖视图示出了串联的两个阴极，在该两个阴极之间连接有阻挡层；
图98A和图98B以剖视图和示意性透视图示出了电力连接的实施方式；
图99以示意性剖视图示出了用于低电阻连接的实施方式；
图100A至图103B以示意性透视图示出了具有永久性连接的端管连接件的燃料电池装置的各种实施方式；
图104以示意性透视图示出了预烧结的陶瓷芯的多种形式；
图105A和图105B以示意性透视图示出了具有支撑件和通路的扁管；
图106以示意性剖视图示出了在现有技术的方法中应用的扁管；
图107A、图107B和图108以局部透视图示出了根据本发明的实施方式的扁管通路的应用；
图109和图110以示意性剖视图示出了从扁管至多层活性结构的各层的气体分布的实施方式；
图111以示意性透视图示出了将扁管连接在热区外部的实施方式；
图112以示意性透视图示出了将扁管连接在热区中的实施方式；
图113以示意性透视图示出了将扁管过渡到热区外部的实施方式；
图114以示意性透视图示出了用于连接至热区的扁管内的单独的管的实施方式；
图115A是用于形成微管的纤维的放大500倍的显微图；
图115B是用于形成微管的纤维的放大200倍的显微图；
图116A至图116C是显示形成在烧结后的电极内的微管的显微图；
图117和图118是与内部具有微管的电极相交的气体流路径的实施方式的示意性细节剖视图；
图119是串联设计的示意性俯视剖视图，其中气体流穿过电极进入其它气体通道；
图120是小型燃料电池棒TM装置的实施方式的侧视图；
图121A和图121B以俯视图和透视图示出了如图120所示的燃料电池棒TM装置的实施方式；
图122是如图120所示的燃料电池棒TM装置的示意性侧视图，其中该装置上具有稳定点。
下面将参考附图，其中相同的附图标记在全文中表示相同的部件。图中所用的附图标记如下所示：
10燃料电池棒TM装置
11a第一端
11b第二端
12燃料入口
13 燃料预热室
14 燃料通道
16 燃料出口
18 空气入口
19 空气预热室
20 空气通道
21 排放通道
22 空气出口
24 阳极层
25 露出的阳极部分
26 阴极层
27 露出的阴极部分
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 燃料供应件
36 空气供应件
38 负电压节点
40 正电压节点
42 电线
44 接触垫
46 焊接连接部
48 弹簧夹
50 供应管
52 绑带
54 支撑柱
56 第一通路
58 第二通路
60 阻隔涂层
62 表面颗粒
64 纹理表面层
66 阳极悬浮液
70 开口
72(a，b) 有机材料/牺牲带层
80 左侧
82 右侧
84 桥接部
90 桥接件
92 导线(物理)结构
94 间隙形成带
96 炉壁
96’多层炉壁
96”带有空气间隙的多层炉壁
98a，b，c 绝缘体
100 燃料电池棒TM装置
102 细长区
104 大表面积区
106 细长区
120 空气间隙
122 集电器
123 间隙
124 电极颗粒
126 粘性流体
128 临时基体
130 陶瓷带
132 凹口
134 连接件
136 电触点
138 气体流动路径
140 O型圈
142 大孔(陶瓷带中)
144 电极的多孔区域
146 电极的无孔区域
148 连接件电极(导体带)
150 狭缝
152 第一导体
154 第二导体
156 长方形通路
158a、158b、158c、158d 柱塞(通路处)
160 边缘连接部
162 中部连接件
164 孔(间隙带中)
166 单独的电池
167 共用通道
168 芯轴
170a、170b 导电端
172 折叠堆(floded stack)
174 阻挡层
176 绝缘层
178 LSM带
180 内部燃料通路
182 镍导体
184 端管
186 卷绕端管
190 圆柱端部
192 端孔
194 矩形端部
196 矩形管
198 形状过渡端管
200 螺旋管状燃料电池棒TM装置
300 同心管状燃料电池棒TM装置
400 端部卷绕燃料电池棒TM装置
402 厚部
404 薄部
500 燃料电池棒TM装置
600 燃料电池棒TM装置
610 板
612 矩形板
614 圆管
616 扁管
618 支撑件
620 垂直肋
622 三角肋
624 通路
624a 燃料通路
624b 空气通路
626 盖
628 通孔路径
630 高温歧管
632 窄扁管
634 纤维
636 布
638 微管
642 分隔件
700 燃料电池棒TM装置
702a、702b 棒状入口
704 大区域
706 稳定点
708 脊
710 较大的连接件
具体实施方式
在一种实施方式中，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形成在一个整体结构中。在一种实施方式中，SOFC装置是一种细长结构，基本上为一种相对扁平的棒或矩形棒(因此，称为燃料电池棒TM装置)，其中，SOFC装置的长度明显大于宽度或厚度。燃料电池棒TM装置可以具有冷端部，而中部是热的(冷端部的温度＜300℃，热中部＞400℃，一般＞700℃)。陶瓷的慢热导性可防止热中部充分地加热较冷的端部。另外，该冷端部能够使到达该端部的任何热量快速散失。本发明包括以下实施措施：通过使冷端部用于连接，可以更容易地连接到阳极、阴极、燃料入口和H2O、CO2出口、以及空气入口和空气出口。虽然管状燃料电池结构也可以具有冷端部和热中部，但现有技术不能发挥陶瓷管的这种优点，相反，其将整个管置于炉中或者热区中，从而需要进行高温连接。现有技术认识到燃料入口的高温钎焊(brazed)连接的复杂性和成本，但未想到本发明给出的解决方案。本发明的燃料电池棒TM装置长而细，从而具有上面所述的热性能优点，使其在中部加热但仍具有冷端部。这使其结构上能满足温度要求，且连接燃料、空气和电极相对容易。燃料电池棒TM装置基本上是一种独立系统，为了发电仅仅需要加入热量、燃料和空气。此结构的设计使这些事情可以容易解决。
本发明的燃料电池棒TM装置是多层结构，并可以利用多层共同烧结(co-fired)方法制造，由此得到其他几个优点。首先，此装置是整体的，这有助于使其结构稳固合理。第二，此装置本身适合常规的大批量制造工艺，例如电容器片的MLCC(多层共同烧结陶瓷)生产中使用的工艺。(可以相信，多层电容器生产是工业陶瓷的最大批量的应用，且该技术被证明适于大批量生产>。第三，在不增加额外成本或复杂性的条件下在此结构内可以实现薄的电解质层。利用MLCC方法可以达到2μm厚的电解质层，但SOFC管的电解质壁厚很难小于60μm。因此，本发明的燃料电池棒TM装置的效率可以比SOFC管高出大约30倍。最后，本发明的多层燃料电池棒TM装置中的每个可以具有几百或几千层，这提供了最大面积和最大密度。
考虑现有技术的SOFC管与本发明的燃料电池棒TM装置的表面积。例如，考虑直径0.25″的管与0.25″×0.25″的燃料电池棒TM装置。对于管，其周长是3.14×D或者0.785″。对于0.25″的燃料电池棒TM装置，一层的可用宽度为大约0.2英寸。因此，需要大约4层达到与一根管相同的面积。这些数据与电容器技术中的那些数字差别很大。日本多层电容器的工艺状态目前是600个2μm厚的层。日本不久在生产中可能会出现1000层产品，现在是在实验室中制造。这些600层的片式电容器仅仅为0.060″(1500μm)。将此制造技术应用于本发明的燃料电池棒TM装置，在电解质厚度为2μm以及空气/燃料通道具有相应的10μm厚的阴极/阳极的0.25″装置中，可以生产529层的单个装置。这等同于132根管。为了得到更高功率，现有技术的策略是增加更多的管，增大直径，和/或增大管长度，这导致高功率输出的结构非常大。另一方面，为得到更高功率，本发明在单个燃料电池棒TM装置中增加更多的层，和/或在装置中使用较薄的层或通道，从而使SOFC技术小型化。此外，本发明的优势是平方效应，就像电容器一样。当电解质层制成一半厚度时，功率加倍，且此时可以在装置中配备更多的层，从而功率再次加倍。
本发明的另一个关键特征是，其容易在内部连接各层来增大燃料电池棒TM装置的输出电压。假设每层1伏，则利用通路将十二层一组连接在一起，本发明的燃料电池棒TM装置可以得到12伏输出。然后，进一步的连接可以将多个十二层一组并联连接，以得到较高的电流。这可以利用目前电容器片技术中使用的方法完成。关键差别在于，本发明克服了其他技术必须使用的钎焊和复杂连线。
与现有技术相比，本发明还提供了更多种的电极选择。贵重金属可以应用于阳极和阴极。银比较便宜，但对于较高的温度，需要含有Pd、Pt或Au的混合物，Pd可能是三种材料中价格最低的。很多研究已关注价廉的金属导体。在燃料侧，已努力尝试使用镍，但高温下在氧气中的任何暴露将使该金属氧化。导电陶瓷也是公知的，且可以在本发明中应用。总之，本发明可以使用能烧结的任何种类的阳极/阴极/电解质系统。
在本发明的一种实施方式中，可能出现以下情况：当大面积的2μm的带未得到支撑且在其两侧具有空气/气体时，该层会变得易碎。可以想到在间隙内设置柱。这些柱看上去有点像钟乳石和石笋接触的洞穴中的柱。它们均匀地和密集地间隔开，为结构提供了更好的强度
为了连接气体和空气供应件，可以想到，端部温度低于300℃，例如低于150℃，从而，高温柔性硅胶管或胶乳橡胶管例如可以用于连接到燃料电池棒TM装置。这些柔性管可以简单地伸展套到装置的端部上，从而形成密封。这些材料在标准McMaster目录中可以得到。硅树脂通常在150℃或更高的温度下用作炉垫，而不会丧失其性能。多棒燃料电池棒TM装置系统的很多硅胶管或乳胶橡胶管可利用倒钩连接件(barb connection)连接到所述气体供应件。
阳极材料或阴极材料，或者两个电极材料可以是金属或合金。阳极和阴极所用的适合的金属和合金是本领域一般技术人员公知的。可选地，一个或两个电极材料可以是导电的生坯陶瓷(即未火烧陶瓷，green ceramic)，这也是本领域一般技术人员公知的。例如，阳极材料可以是涂覆有氧化钇稳定氧化锆的部分烧结的金属镍，阴极材料可以是改性的亚锰酸镧，其具有钙钛矿结构。
在另一种实施方式中，一个或两个电极材料可以是生坯陶瓷和导电金属的复合材料，其中金属的含量足以使复合材料导电。一般地，当金属颗粒开始接触时，陶瓷基体变成导电的。足以使复合材料基体导电的金属量主要取决于金属颗粒的形态。例如，一般，球形粉末金属比金属片所需要的金属量高。在一个示例性实施方式中，复合材料包括生坯陶瓷基体以及分散生坯陶瓷基体中的40-90％的导电金属颗粒。生坯陶瓷基体可以是与电解质层所用的生坯陶瓷材料相同或不同。
在一个或两个电极材料包括陶瓷(即导电的生坯陶瓷)或复合材料的实施方式中，电极材料中的生坯陶瓷以及电解质所用的生坯陶瓷材料可以含有可交联的有机粘结剂，从而在层压过程中，压力足以使各层内的有机粘结剂交联以及在各层之间使聚合物分子链链结。
术语“区域”、“区”和“区段”在全文中可以换用，用于表示相同的意思。类似地，术语“通道”、“通路”和“路径”在全文中可以换用，术语“出口”和“出路”在全文中可以换用。
图1和图1A分别以侧剖视图和俯视剖视图的形式示出了本发明基本的燃料电池棒TM装置10的一种实施方式，该燃料电池棒TM装置具有单层阳极层24、阴极层26和电解质层28，其中该装置是整体的。燃料电池棒TM装置10包括燃料入口12、燃料出口16和位于二者之间的燃料通道14。装置10还包括空气入口18、空气出口22和位于二者之间的空气通道20。燃料通道14和空气通道20处于相对且平行的关系，从燃料供应件34经过燃料通道14的燃料流与从空气供应件36经过空气通道20的空气流的方向相对。电解质层28处于燃料通道14和空气通道20之间。阳极层24处于燃料通道14和电解质层28之间。类似地，阴极层26处于空气通道20与电解质层28之间。燃料电池棒TM装置10的其余部分包括陶瓷29，陶瓷29可以是与电解质层28相同的材料，或者可以是与电解质层28不同的但兼容的陶瓷材料。电解质层28可以被看作是处于阳极24和阴极26的相对区域之间的一部分陶瓷，如虚线所示。在电解质层28中，氧离子从空气通道20传递到燃料通道14。如图1所示，来自空气供应件36的O2经过空气通道20，并被阴极层26离子化成2O-(双氧负离子)，2O-通过电解质层28以及阳极层24进入燃料通道14，在此与来自燃料供应件34的燃料例如碳氢化合物反应，从而首先形成CO和H2，接着形成H2O和CO2。虽然图1示出了利用碳氢化合物作为燃料进行反应，但本发明不限于此。SOFC中通常使用的任何类型燃料可都以应用于本发明。燃料供应件34可以是例如任何碳氢化合物源或氢气源。碳氢化合物燃料的例子有甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)和丁烷(C4H10)。
为了发生反应，必须对燃料电池棒TM装置10加热。根据本发明，燃料电池棒TM装置10的长度足够长，使该装置可以分成位于装置中部的热区32(或加热区)以及位于装置10的两端11a和11b处的冷区30。在热区32和冷区30之间具有过渡区31。热区32通常工作在400℃以上。在示例性实施方式中，热区32工作的温度＞600℃，例如＞700℃。冷区30不暴露在热源下，且由于燃料电池棒TM装置10的长度以及陶瓷材料的热性能优点，热量在热区32以外散失，从而冷区30的温度＜300℃。可以相信，热量从热区32沿陶瓷长度传递到冷区30端是缓慢的，而热量从热区32之外的陶瓷材料传递到空气中是相当快的。因此，输入热区32的大多数热量在到达冷区30端之前散失到空气中(主要在过渡区)。在本发明示例性实施方式中，冷区30的温度＜150℃。在另一个示例性实施方式中，冷区30处于室温。过渡区31的温度在热区32的工作温度与冷区30的温度之间，并且在过渡区31内大量热量产生散失。
因为主热膨胀系数(CTE)是沿着燃料电池棒TM装置10的长度的，且由此大致是一维的，因此，允许中部的快速加热而不会开裂。在示例性实施方式中，装置10的长度比装置的宽度和厚度大至少5倍。在进一步的示例性实施方式中，装置10的长度是装置的宽度和厚度的至少10倍。在更进一步的示例性实施方式中，装置10的长度是装置的宽度和厚度的至少15倍。另外，在示例性实施方式中，宽度大于厚度，由此提供较大的面积。例如，宽度可以是厚度的至少两倍。作为进一步的例子，0.2英寸厚的燃料电池棒TM装置10可以具有0.5英寸的宽度。可以理解的是，附图未按比例表示，而仅仅给出相关尺寸的一般概念。
根据本发明，与阳极24(即阳极层)和阴极26(即阴极层)的电连接在燃料电池棒TM装置10的冷区30进行。在一个示例性实施方式中，阳极24和阴极26均在冷区30露出在燃料电池棒TM装置10的外表面，以允许进行电连接。负电压节点38经由电线42连接到例如露出的的阳极部分25，正电压节点40经由电线42连接到例如露出的阴极部分27。因为燃料电池棒TM装置10在装置的两端11a、11b处具有冷区30，因此可以进行低温刚性电连接，这比一般需要高温钎焊方法进行电连接的现有技术具有明显优势。
图2以透视图示出了燃料电池棒TM装置10的第一端11a，供应管50装在该第一端11a上并用绑带52固定。从而，来自燃料供应件34的燃料可以经过供应管50输送到燃料入口12。由于第一端11a处于冷区30，可以使用柔性塑料管或其他低温类型的连接材料将燃料供应件34连接到燃料入口12。本发明不需要使用高温钎焊进行燃料连接。
图3A以透视图示出了燃料电池棒TM装置10，这类似于图1所示的装置，但具有改进的第一和第二端11a、11b。端部11a、11b已被加工成圆柱形端部，以便于燃料供应件34和空气供应件36的连接。图3B以透视图示出了供应管50连接到第一端11a，以用于将燃料从燃料供应件34输送到燃料入口12。作为例子，供应管50可以是硅胶管或胶乳橡胶管，从而利用其弹性与第一端11a形成紧密密封。可以理解的是，供应管50的柔性和弹性在应用于易受振动影响的移动设备时可以形成燃料电池棒TM装置的振动吸收保持器。在现有技术中，管或板是刚性钎焊的，从而如果应用于动态环境，则易于开裂失效。因此，供应管50作为减振器的额外功能，比现有技术具有独特的优势。
请再参见图3A，在燃料电池棒TM装置10的外表面上设有接触垫44，以与露出的的阳极部分25和露出的的阴极部分27接触。接触垫44的材料应该是导电的，从而将电压节点38、40电连接到相应的阳极24和阴极26。可以理解的是，可以使用任何适合的方法形成接触垫44。例如，金属垫可以印刷在烧结的燃料电池棒TM装置10的外表面上。电线42例如通过焊接连接部46固定在接触垫44上，以形成可靠连接。焊料是低温材料，由于处于燃料电池棒TM装置10的冷区30，因此焊料可以采用低温材料。例如，可以使用常用的10Sn88Pb2Ag焊料。本发明消除了进行高温电压连接的需要，从而可以扩展使用任何低温连接材料或方法。
在图3A的透视图中还示出了燃料出口16和空气出口22。燃料通过处于一个冷区30的第一端11a上的燃料入口12进入，通过与第二端11b邻近的出口16从燃料电池棒TM装置10的侧面排出。空气通过位于冷区30的第二端11b中的空气入口18进入，从燃料电池棒TM装置10的与第一端11a邻近的一侧的空气出口22排出。虽然出口16和22表示为处于燃料电池棒TM装置10的同一侧面，但可以理解的是，它们可以处于相对侧面，例如，如下面图4A所示的。
通过使空气出口22靠近燃料入口12(类似地，燃料出口16靠近空气入口18)、以及通过使得重叠层(阳极层、阴极层、电解质层)的紧密靠近，空气出口22起到热交换器的功能，有利地预热了经过燃料入口12进入装置10的燃料(类似地，燃料出口16预热经过空气入口18进入的空气)。热交换器提高了系统的效率。过渡区具有耗用过的空气和新鲜燃料(以及耗用过的燃料和新鲜空气)的重叠区，使在新鲜燃料(新鲜空气)到达热区之前传递热量。因此，本发明的燃料电池棒TM装置10是包括内置热交换器的整体结构。
参见图4A，以透视图示出了多个燃料电池棒TM装置10(在该情形中是两个燃料电池棒TM装置)的连接，是通过使得连接于露出的的阳极部分25的各个接触垫44对齐并将连接到负电压节点38的电线42焊接(在附图标记46处)到各个接触垫44实现的。类似地，连接到露出的的阴极部分27的接触垫44被对齐，并将连接正电压节点40的电线42焊接(在附图标记46处)到各个对齐的接触垫44上，如同虚线部分表示。可以理解的是，因为连接位于冷区30，并且是相对简单的连接，因此，如果需要更换多燃料电池棒TM系统或组件中的一个燃料电池棒TM装置10，则仅仅需要断开一个装置10的焊接连接，将该装置更换为新装置10，再将电线42焊接到新燃料电池棒TM装置10的接触垫44上。
图4B以端视图示出了多个燃料电池棒TM装置10之间的连接，其中，每个燃料电池棒TM装置10包括多个阳极和阴极。例如，图4B所示的具体实施方式包括三组相对的阳极24和阴极26，每个阳极露出在燃料电池棒TM装置10的右侧，每个阴极露出在燃料电池棒TM装置10的左侧。因此，接触垫44设置于燃料电池棒TM装置10的两侧，以接触相应的露出的的阳极部分25和露出的的阴极部分27。在右侧，在阳极24露出的的位置，通过焊接连接部46将电线42固定在接触垫44上，从而将负电压节点38连接到露出的的阳极部分25上。类似地，通过焊接连接部46将电线42固定到接触垫44上，从而在燃料电池棒TM装置10左侧将正电压节点40电连接到露出的的阴极部分27上。因此，尽管图1至图4A示出了一个阳极24与一个阴极26相对，但可以理解的是，如图4B所示，每个燃料电池棒TM装置10可以包括多个阳极24和阴极26，并使得每个阳极24和阴极26露出的到燃料电池棒TM装置10的外表面，以便利用设置到外表面的接触垫44形成电连接，以用于连接到相应的电压节点38或40。在该结构中相对的阳极24和阴极26的数量可以是几十、几百甚至几千。
图5以端视图示出了在电线42和接触垫44之间形成电连接的机械连接结构。在此实施方式中，燃料电池棒TM装置10被定位成使得一组电极在燃料电池棒TM装置10的顶面露出的。接触垫44可以在一个端部(例如，11a或11b)的冷区30处设置到各个顶面上。然后，可以用弹簧夹48将电线42可拆卸地固定到接触垫44上。因此，可以使用冶金结合方法形成电连接，例如图3A、图4A和图4B所示；或者可以使用机械连接方法，如图5所示。选择适合的连接机方法的灵活性得益于本发明的燃料电池棒TM装置的冷区30。使用弹簧夹或其他机械连接结构进一步简化了更换多棒组件中的单个燃料电池棒TM装置10的过程。
图6A和图6B以透视图示出了在燃料电池棒TM装置10的第一端11a处具有单个冷区30且在第二端11b具有热区32的一种可选择的实施方式。在图6A中，燃料电池棒TM装置10包括并联的三个燃料电池，而图6B的燃料电池棒TM装置10包括单个燃料电池。因此，本发明的实施方式可以包括单个电池的设计或多个电池的设计。为了能够利用一个端部同时输入燃料和空气，空气入口18被重新定位在燃料电池棒TM装置10侧面上并与第一端11a邻近。空气通道20(未图示)还是与燃料通道14平行，但在此实施方式中，空气流动按照与燃料流过燃料电池棒TM装置10的长度的方向相同的方向。在装置10的第二端11b处，空气出口22与燃料出口16邻近。可以理解的是，燃料出口16或空气出口22，或者二者可以从燃料电池棒TM装置10侧面排出，而不是均在端面排出。
如图6B所示，空气供应件36的供应管50以如下方式形成，即通过形成穿过空气供应件36的供应管50的侧面的孔并将装置10滑动穿过该侧面的孔，从而使得空气供应件36的供应管50垂直于燃料供应件34的供应管50。再者，硅胶管或类似物可以用于此实施方式。粘结材料可以应用在管50和装置10之间的接头周围以形成密封。也可以在冷区30中邻近于第一端11a进行电连接。图6A和图6B均示出了正电压连接形成在燃料电池棒TM装置10的一侧，而负电压连接形成在燃料电池棒TM装置10的相对侧。然而，可以理解的是，本发明并不限于此。单端输入式燃料电池棒TM装置10的优点在于，仅仅存在一个冷热过渡区，而不是两个过渡区31，从而燃料电池棒TM装置可以缩短。
本发明的一个优点是能将活性层做得很薄，从而使燃料电池棒TM装置能将多个燃料电池结合在单个装置中。活性层越薄，空气通道20或燃料通道14在燃料电池棒TM装置10的制造过程中塌陷的可能性就越大，从而阻挡经过所述通道的流动。因此，在本发明的一种实施方式中，如图7A和图7B所示，在通道14和20中提供多个支撑柱54，例如陶瓷支撑柱，以防止电解质层变形和通道阻塞。图7A是侧剖视图，图7B是穿过空气通道20的俯视剖视图。根据本发明的一种方法，通过使用带铸造方法(tape casting)，可以使用牺牲带层，在牺牲带层中例如通过激光去除材料法形成多个孔。然后将陶瓷材料填充在孔中，例如通过将陶瓷浆铺设在牺牲带层上以进入这些孔中。当各个层组装在一起后，例如通过溶剂去除牺牲带层的牺牲材料，留下支撑柱54。
在形成支撑柱54的另一种实施方式中，大颗粒预烧结陶瓷可加入有机载体(例如溶解在溶剂中的塑料)中，并搅拌形成随机混合物。作为例子而非限制性的，大颗粒可以是球形，例如直径为0.002英寸的球。然后，将随机混合物施加到生坯结构上，例如通过在需要形成燃料和空气通道14和20的区域印刷。在烧结(焙烧/烧制)过程中，有机载体脱离结构(例如，烧掉)，从而形成通道，且陶瓷颗粒留下形成在结构上以保持通道通畅的支撑柱54。得到的结构示出在图7C和图7D的显微图中。支撑柱54随机定位，平均距离是有机载体中陶瓷颗粒的装载量的函数。
图8A以剖视图示出了含有两个并联燃料电池的本发明的一种实施方式。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、以及位于相对侧的燃料通道14和阳极层24a或24b。一个燃料电池的空气通道20通过陶瓷材料29与第二燃料电池的燃料通道14分开。露出的的阳极部分25分别通过电线42连接到负电压节点38，露出的阴极部分27分别通过电线42连接到正电压节点40。然后，可以使用单个空气供应件36为多个空气通道20中的每一个供应空气，使用单个燃料供应件34为多个燃料通道14中的每一个供应燃料。由活性层的上述结构建立的电路表示在图的右侧。
在图8B的剖视图中，燃料电池棒TM装置10类似于图8A所示的装置，但没有多个露出的阳极部分25和多个露出的阴极部分27，而是仅仅在附图标记25处露出一个阳极层24a，以及仅仅在附图标记27处露出一个阴极层26a。第一通路56连接阴极层26a和阴极层26b，第二通路58连接阳极层24a和阳极层24b。作为例子，在形成生坯层过程中使用激光法得到开口通路孔，然后填充导电材料形成通路连接。如图8B右侧的电路所示，在图8B的燃料电池棒TM装置10中形成与图8A的燃料电池棒TM装置10相同的电路。
图9A和图9B也以剖视图示出了多个燃料电池设计，但具有共用的阳极和阴极。在图9A的实施方式中，燃料电池棒TM装置10包括两个燃料通道14和两个空气通道20，但不是两个燃料电池，此结构包括三个燃料电池。第一燃料电池形成在阳极层24a与阴极层26a之间，该阳极层24a与阴极层26a中间是电解质层28。阳极层24a在燃料通道14的一侧，在此燃料通道14的相对侧是第二阳极层24b。第二阳极层24b与第二阴极层26b相对，二者之间是另一个电解质层28，从而形成第二燃料电池。第二阴极层26b在空气通道20的一侧，第三阴极层26c在空气通道20的相对侧。第三阴极层26c与第三阳极层24c相对，二者之间是电解质层28，从而形成第三燃料电池。装置10从阳极层24a到阴极层26c的部分可以在装置内重复多次以形成共用阳极和阴极，从而在单个燃料电池棒TM装置内使燃料电池数量增多。每个阳极层24a、24b、24c包括露出的阳极部分25，该露出的阳极部分25可以在燃料电池棒TM装置的外表面上形成电连接，以例如通过电线42连接到负电压节点38。类似地，每个阴极层26a、26b、26c包括至外表面的露出的阴极部分27，以例如通过电线42连接到正电压节点40。在一个冷端处可以设置单个的空气供应件36，以便为每个空气通道20供应空气；在相对的冷端部处可以设置单个燃料供应件34，以便为每个燃料通道14供应燃料。此结构形成的电路表示在图9A的右侧。燃料电池棒TM装置10具有并联的三个燃料电池层，可以得到三倍的功率。例如，如果每一层产生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，这种三层结构将产生1伏和3安，总共3瓦的功率输出。
在图9B中，图9A的结构被修改成提供了与每个电压节点的单一电连接，以形成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在露出的阴极部分27处连接到阴极层26a。阳极层24a通过通路58连接到阴极层26b。阳极层24b通过通路56连接到阴极层26c。阳极层24c进而在露出的阳极部分25连接到负电压节点38。因此，利用相同的每层1安/1伏的假设，这三节电池结构产生3伏和1安，总共3瓦的功率输出。
本发明的另一种实施方式示出于图10的侧视图中。在此实施方式中，燃料电池棒TM装置10在第一端11a处具有单个冷区30，并且第二端11b处在热区32中。像其他实施方式一样，燃料入口12处在第一端11a处，并通过供应管50连接到燃料供应件34。在此实施方式中，燃料通道14沿燃料电池棒TM装置10的长度延伸，并使得燃料出口16处于第二端11b处。因此，燃料供应连接是在冷区30中进行的，燃料反应物(例如，CO2和H2O)的出口处在热区32中。类似地，阳极在冷区30中具有露出的阳极部分25，以便通过电线42连接到负电压节点38。
在图10所示的实施方式中，燃料电池棒TM装置10在至少一侧是开放的，也可以在两个相对侧都开放，以便在热区32形成空气入口18和空气通道20。在此实施方式中，在空气通道20内使用支撑柱54特别有用。空气出口22可以位于第二端11b处，如图所示。可选地，虽然未图示，但是，如果通道20延伸穿过宽度且空气供应件仅仅朝向输入侧，或者如果通道20不延伸穿过宽度，则空气出口可以处于空气入口侧的相对侧。在此实施方式中，不是仅仅对热区32提供热量，还提供空气。换句话说，装置10在热区32的侧面是向加热空气开放的，而不是经过压力空气管供应空气。
图10A以侧视图示出了图10所示实施方式的变型。在图10A中，燃料电池棒TM装置10包括相对的冷区30，中部加热区32通过过渡区31与冷区30分开。空气入口18设置在中部加热区32的至少一部分上，用于接收加热空气。然而，在此实施方式中，空气通道不是像图10一样在显著大的长度上在燃料电池棒TM装置10的侧面完全敞开。相对，更清楚地如图10B所示，空气通道20在一部分热区32上敞开，然后在其余长度的侧面上封闭，随后在燃料电池棒TM装置10的第二端11b的空气出口22处排出。此实施方式允许加热空气在热区32供应，而不是靠压力空气供应管供应，但还允许燃料和空气从处于冷区30中的装置10的一个端部11b排出。
虽然已经详细图示和描述了具体的实施方式，但本发明的范围并不局限于此。下面将描述本发明更一般的实施方式，并且参考图11至图24所示的示意图可以更加完全地理解它们。图11提供了图12至图24中示意地表示的构件的图例索引。在燃料F或空气A以进入燃料电池棒TM装置的箭头表示的情况下，这表示强制流动，例如通过连接到输入口位置的管。在空气输入未示出的情况下，这表示加热空气通过强制流动连接以外的措施供应到热区，且燃料电池棒TM装置在热区内的进入点处使空气通道敞开。
本发明的一种实施方式是燃料电池棒TM装置，所述燃料电池棒TM装置包括至少一个燃料通道和相应的阳极，至少一个氧化剂通道和相应的阴极，以及阳极和阴极之间的电解质，其中电池长度明显大于宽度或厚度，从而具有沿一个主轴线的CTE，并且其热区的一部分的工作温度大于大约400℃。在此实施方式中，燃料电池棒TM装置根据主CTE方向在装置的一个端部处具有用于空气和燃料输入的集成式进入点；或者根据主CTE方向在一个端部处具有空气入口，而在另一个端部处具有燃料入口，并且空气和燃料输入处于热区之外。例如，参见图20和图24。
在本发明的另一种实施方式中，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，其工作温度足以进行燃料电池反应；第二温度区在热区外部，工作在比第一温度区低的较低温度下。第二温度区的温度足够低，以允许与电极形成低温连接并且允许至少燃料供应件的低温连接。燃料电池结构部分地伸入第一温度区，并且部分地伸入第二温度区。例如，参见图12、图13和图17。
在本发明的一种实施方式中，燃料电池包括处于加热区的第一温度区以及工作在300℃以下的温度下的第二温度区。空气和燃料连接作为低温连接利用橡胶管或类似物在第二温度区形成。低温焊接连接部或弹簧夹用于形成阳极和阴极的电连接，以便将它们连接到相应的负电压节点和正电压节点。此外，用于二氧化碳和水的燃料出口以及用于耗用过的氧气的空气出口位于第一温度区，即加热区。例如，参见图17。
在另一种实施方式中，燃料电池结构具有作为加热区的中部第一温度区，燃料电池的每一端部位于第一温度区之外的工作温度低于300℃的第二温度区中。燃料和空气入口处于第二温度区，用于电连接到阳极和阴极的焊接连接部或弹簧夹也在此区。最后，用于二氧化碳、水和耗用过的氧气的出口可处于第二温度区。例如，参见图19、图20和图24。
在本发明的另一种实施方式中，燃料入口可设置在根据主CTE方向的每一个端部处的、工作温度低于300℃的第二温度区中，第一温度区是加热区，且处于相对的第二温度区之间的中部。二氧化碳、水和耗用过的氧气的出口可以处于中部加热区中。例如，参见图15和图18。可选地，二氧化碳、水和耗用过的氧气的出口可以在第二温度区中，即在加热区之外。例如，参见图16和图19。
在另一种实施方式中，燃料和空气入口进入点都处于作为加热区的第一温度区之外的、工作温度低于300℃的第二温度区中，从而允许使用低温连接，例如用于空气和燃料供应的橡胶管。另外，在第二温度区中使用焊接连接部或弹簧夹，以用于将电压节点连接到阳极和阴极。在一种实施方式中，燃料和空气入口都在根据主CTE方向的一个端部处，燃料电池棒TM装置的另一个端部处于第一加热温度区，二氧化碳、水和耗用过的氧气的出口可以在加热区中。例如，参见图17。因此，燃料电池棒TM装置具有一个加热端部和一个未加热端部。
在另一种实施方式中，燃料和空气输入到位于加热区之外的根据主CTE方向的一个端部中，且也在加热区之外的相对端部处排出，从而加热区处于两个相对的第二温度区之间。例如，参见图20。在另一个可选的实施方式中，燃料和空气输入到第二温度区中的两个相对端部，燃料和空气出口处于中部加热区中。例如，参见图18。
在另一个可选的实施方式中，燃料和空气输入到处于第二温度区的两个相对端部中，且使相应的出口处于与入口相对的端部处的第二温度区中。例如，参见图19。因此，燃料电池具有中部加热区、以及位于加热区之外的相对端部，燃料和空气都输入第一端，相应的反应产物邻近于第二端排出，并且燃料和空气输入到第二端，反应产物邻近于第一端排出。
在另一种实施方式中，燃料入口可以在加热区之外的一个端部处，空气入口可以在加热区之外的相对的端部处。例如，参见图21至图24。在此实施方式中，空气和燃料的反应物可以在加热区(参见图21)输出，或者它们都可以在加热区之外，并邻近于与相应的入口相对的端部处(参见图24)。可选地，二氧化碳和水出口可以在热区中，而耗用过的氧气出口可以在热区之外(参见图22)，或者相对，耗用过的氧气出口可以在加热区中，而二氧化碳和水出口处在加热区之外(参见图23)。与图22和图23所示的燃料和空气出口相关的变型也可以应用于例如图18至图20所示的实施方式中。
在本发明的另一种实施方式中，其示出于图25A和图27A的俯视图以及图27B的侧视图中，所提供的燃料电池棒TM装置100具有可以称为柄形设计的结构。燃料电池棒TM装置100具有细长区102，该细长区尺寸上可以类似于前面实施方式中所示的燃料电池棒TM装置，细长区102具有沿一个主轴线的CTE，即其长度明显大于宽度或厚度。燃料电池棒TM装置100还具有大表面积区104，其宽度更加接近其长度。大表面积区104可以是正方形表面区域或长方形表面区域，但该长方形表面区域的宽度不是明显小于长度，使CTE在大表面积区104中不是具有单一主轴线，而是具有沿长度方向和宽度方向的CTE轴线。大表面积区104位于热区32中，而细长区102至少部分位于冷区30和过渡区31中。在一个示例性实施方式中，一部分细长区102延伸到热区32中，但这不是必须的。作为例子，燃料和空气供应件可以按图6B所示的方式连接到细长区102，电连接也是如此。
在图25B和图26A的俯视图和图26B的侧视图中提供了一种类似于图25A、图27A和图27B所示的另一个可选实施方式，但其还具有与细长区102相对的第二细长区106，从而将大表面积区104定位在两个细长区102和106之间。细长区106也至少部分地处于冷区30和过渡区31中。在此实施方式中，燃料可以输入细长区102，空气可以输入细长区106。作为例子，此时空气供应件36和燃料供应件34可以按照图2或图3B所示的方式分别相应地连接到细长区106和102。如图25B所示，空气出口可以邻近燃料输入在细长区102中，燃料输出可以邻近于处在细长区106中的空气入口。可选地，空气和燃料输出中的一者或二者可以处于热区32的大表面积区104中，分别如俯视图26A和侧视图26B所示。可以理解的是，在图25A和25B所示的实施方式中，中间具有电解质28的相对的阳极24和阴极26的表面积可以在热区32中增大，以便增大反应区域，从而增大燃料电池棒TM装置100产生的功率。
本发明的燃料电池棒TM装置10、100的另一个优势是重量轻。典型的内燃机重量在每kW功率18-30lbs(磅)的水平上。本发明的燃料电池棒TM装置10、100可以做到重量在每kW功率对应0.5lbs的水平上。图28A至图28D示出了本发明的管状燃料电池棒TM装置200的可选实施方式，其具有螺旋或卷绕的管状结构。图28A是装置200处于未卷绕位置的示意性俯视图。装置200的未卷绕结构具有相等长度L的第一端202和第二端204，该长度L对应于卷绕或螺旋管状燃料电池棒TM装置200的长度。燃料入口12和空气入口18表示为处在邻近于第一端202在相对侧。燃料通道14和空气通道20沿装置200的未卷绕结构的宽度延伸到第二端204，从而燃料出口16和空气出口22处于第二端204，此外，如图28B中的装置200的未卷绕结构的示意性端视图以及图28C中的装置200的未卷绕结构的示意性侧视图所示。燃料通道14和空气通道20表示为几乎延伸有装置200的未卷绕结构的长度L，从而使燃料和空气流动最大化，但本发明并不限于此。为了形成螺旋管状燃料电池棒TM装置200，第一端202朝第二端204卷绕以形成图28D的示意性透视图所示的装置200的螺旋管结构。接着可将空气供应件36定位在螺旋管状燃料电池棒TM装置200的一个端部处，以用于将空气输入到空气入口18，而燃料供应件34可以定位在螺旋管状燃料电池棒TM装置200的相对端部，以用于将燃料输入到燃料入口12。接着，空气和燃料沿装置200的长度L经过燃料出口16和空气出口22排出螺旋管状燃料电池棒TM装置200。电压节点38、40可以焊接到接触垫44上，接触垫44形成在螺旋管状燃料电池棒TM装置200的相对的端部上或邻近于相对的端部。
图29A至图29G示出了本发明的可选实施方式，其中燃料电池棒TM装置是管状同心形状。图29A以示意性等轴测视图示出了同心管状燃料电池棒TM装置300。图29B至图29E以剖视图示出了图29A的同心装置300。图29F示出了装置300的空气入口端部的端视图，图29G示出了装置300的燃料入口端部的端视图。图示的特具体实施方式包括三个空气通道20，一个处于管状结构的中部，其他两个彼此分开并且是同心的。同心管状燃料电池棒TM装置300还具有位于空气通道20之间且与空气通道20同心的两个燃料通道14。如图29A至图29D所示，同心管状燃料电池棒TM装置300在一个端部处包括连接于燃料通道14的燃料出口16，在与空气通道的相应入口12，18相对的另一端部处包括连接于空气通道20的空气出口22。每个空气通道20衬设有阴极26，每个燃料通道14衬设有阳极24，电解质28将相对的阳极和阴极分开。如图29A至图29B以及图29F至图29G所示，可以在同心管状燃料电池棒TM装置300的相对端部实现与露出的阳极25和露出的阴极27的电连接。接触垫44可以设置在端部上，以连接露出的阳极25和露出的阴极27，尽管未图示，但接触垫44可以沿装置300的外部延伸，以便允许在沿装置300的长度的一个点处而不是在端部处形成电连接。同心管状燃料电池棒TM装置300可以包括位于空气和燃料通道14、20内的支撑柱54，以用于结构支撑。
在相对端部11a、11b具有两个冷区30的本发明的实施方式中，在一个端部处具有空气入口和燃料出口，在相对的端部具有燃料入口和空气出口，使用过的燃料或空气在其流出中部热区32时处于加热状态。加热空气和燃料在其流过过渡区31到达冷区30时冷却。电极和/或陶瓷/电解质的薄层将空气通道20与平行的燃料通道14分开，反之亦然。在一个通道中，加热空气流出热区32，在邻近的平行通道中，燃料进入热区32，反之亦然。利用热交换原理，加热空气将邻近平行通道中的进入燃料加热，反之亦然。因此，通过热交换使空气和燃料得到一些预热。但是，由于在热区之外热量快速散失，如上所述，热交换可能不足以将空气和燃料在其进入热区的活性区域之前加热到最佳的反应温度。另外，在燃料电池棒TM装置10包括一个冷端部(冷区30)和一个热端部(热区32)的实施方式中，燃料和空气输入相同的冷端部，并通过相同的相对热端部排出，从而不会出现进行热交换的燃料和空气的交叉流动。通过燃料电池棒TM装置的电极和陶瓷材料仅可得到有限的进入燃料和空气的热交换。
图30A至图33C示出了燃料电池棒TM装置10的各种不同实施方式，其中，在燃料和空气进入处于相对关系的阳极24和阴极26的活性区33b之前具有集成的预热区33a，以用于加热燃料和空气。这些实施方式包括：具有两个冷端部和中间热区的燃料电池棒TM装置，其中，燃料和空气入口位于相对的冷端部：以及具有一个热端部和一个冷端部的燃料电池棒TM装置，其中，燃料和空气输入均在单个冷端部。在这些实施方式中，所用的电极材料量可限制于活性区33b，仅有少量延伸到冷区，以用于外部连接到电压节点38、40。这些实施方式的另一个优点是，电子传导到外部电压连接的路径可以最短，从而提供了低电阻，这将在下面更详细描述。
图30A示出了燃料电池棒TM装置10的第一实施方式的示意性侧剖视图，其中具有一个冷区30和一个相对的热区32以及集成的预热区33a。图30B示出了经过阳极24向上朝空气通道看的剖视图，图30C示出了经过阴极向下朝燃料通道观察的剖视图。如图30A和图30B所示，来自燃料供应件34的燃料经过燃料入口12进入，并经过燃料通道14沿装置10的长度流动，从装置10的相对端部流出燃料出口16。冷区30处于燃料电池棒TM装置10的第一端11a处，热区32处于相对的第二端11b处。过渡区31处于热和冷区之间。热区32包括燃料首先经过的初始预热区33a、以及包括与燃料通道14邻近的阳极24的活性区33b。如图30B所示，阳极24的截面积在活性区33b中较大。阳极24延伸到燃料电池棒TM装置10的一个边缘，外部接触垫44沿装置10的外侧延伸到冷区30，以用于连接到负电压节点38。
类似地，如图30A和图30C所示，来自空气供应件36的空气经过位于冷区30中的空气入口18进入，并通过空气通道20沿燃料电池棒TM装置10的长度流动，进而从热区32经过空气出口22排出。由于空气和燃料在同一端部处进入并沿相同方向沿燃料电池棒TM装置10的长度行进，因此在热区32之前，通过热交换对空气和燃料进行有限的预热。阴极26位于活性区33b，其与阳极24处于相对关系，并延伸到燃料电池棒TM装置10的相对侧，它在此露出的并连接到从活性热区33b延伸到冷区30的外部接触垫44，以用于连接到正电压节点40。然而，露出的阴极27与露出的阳极25处于装置10的相对侧不是必需的。露出的阳极25和露出的阴极27可以处于装置的相同侧，并且接触垫44可以沿着燃料电池棒TM装置10的侧面形成为条带。利用此结构，空气和燃料首先在预热区33a加热，在此处不发生反应，阳极材料和阴极材料的大部分限制在活性区33b，此处是加热空气和燃料进入的位置，且在此由于相对的阳极层和阴极层24、26而发生反应。
图31A至图31C中所示的实施方式类似于图30A至图30C中所示的实施方式，但不具有一个热端部和一个冷端部，图31A至图30C所示的实施方式包括相对的冷区30和中部热区32。来自燃料供应件34的燃料在装置10的第一端11a处经过冷区30的燃料入口12进入，并在相对的第二端11b处经过定位在相对冷区30中的燃料出口16排出。类似地，来自空气供应件36的空气在相对冷区30经过空气入口18进入，并在第一冷区30经过空气出口22排出。燃料进入热区32并在预热区33a预热，空气在热区32的相对侧进入并在另一预热区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中与阴极26相对，且在包含预热燃料和空气的活性区33b发生反应。再者，电极材料的大部分限制在活性区33b。阳极在燃料电池棒TM装置10的一个边缘处露出，阴极在装置10的另一侧露出。外部接触垫44接触热区32中露出的阳极25，并朝第一冷端部11a延伸，以用于连接到负电压节点38。类似地，外部接触垫44接触热区32中的露出的阴极27，并朝第二冷区11b延伸，以用于连接到正电压节点40。
预热区33a的优点是，在气体达到活性区之前将气体充分加热到最佳反应温度。如果燃料的温度比最佳温度低，则会降低SOFC系统的效率。当空气和燃料在它们路径上行进时，它们被加热。由于它们被加热，电解质的效率在该区域增大。当燃料、空气和电解质达到炉的充分的温度时，电解质在其最佳效率下工作。为了节约可能由贵金属制成的阳极和阴极的成本，在仍低于最佳温度的那些区域可以不使用金属。预热区的大小，在长度和其他尺寸方面，取决于从炉子传递到燃料电池棒TM装置的热量、从燃料电池棒TM装置传递到燃料和空气的热量、以及是否由于燃料和空气的交叉流动而出现任何热交换。尺寸还取决于燃料和空气的流动速率；如果燃料或空气沿燃料电池棒TM装置10长度快速流动，则较长的预热区33a是有利的，而如果流动速率慢，则预热区33a可以较短。
图32A和图32B说明了一种与图31A至图31C中所示类似的实施方式，但燃料电池棒TM装置10包括位于燃料入口12和延伸到热区32的燃料通道14之间的预热腔室13，以用于在大量燃料穿过较窄的燃料通道14进入活性区33b之前在预热区33a对该大量燃料进行预热。燃料电池棒TM装置10类似地包括位于空气入口18和延伸到热区32的空气通道20之间的预热腔室19，以用于在大量空气穿过更窄的空气通道20进入活性区33b之前在预热区33a对该大量空气进行预热。如在上述实施方式中公开的那样，燃料电池棒TM装置10可以包括多个燃料通道14和多个空气通道20，每个燃料通道14和空气通道20可以从各自的预热腔室13、19接收流体。
关于使用大容量预热腔室13、19替代预热通道(pre-heat channel)，可以想像(仅作为举例)：如果空气分子需要5秒来加热到最佳温度，然后如果空气分子沿着燃料电池棒TM装置10以每秒1英寸的速度移动，则在空气进入活性区33b之前燃料电池棒TM装置10需要长度为5英寸的预热通道。但是，如果设置大容量腔室来代替通道，则该容量允许分子在进入更窄的通道以到达活性区33b之前在空腔内度过额外的时间，使得空气分子在所述腔室中加热并且然后可以使用长度较短的通道以将加热的空气分子供给到活性区33b。可以通过多种方式形成这种空腔或预热腔室13、19，包括采用生坯(green)(即烧结前)组件并在该组件的端部钻孔以形成所述腔室，或者通过在形成生坯堆层(green stack)之前在该生坯堆层内结合大块的有机材料，从而使所述有机材料在烧结过程中焙烧出所述燃料电池棒TM装置。
图33A至图33C显示了在空气和燃料到达活性区33b之前对空气和燃料进行预热的另一实施方式。图33A是基本经过燃料电池棒TM装置10的纵向中心的示意性横截面侧视图。图33B是沿燃料通道14和阳极24相交的线33B-33B截取的横截面俯视图，图33C是沿空气通道20和阴极26相交的线33C-33C截取的横截面仰视图。燃料电池棒TM装置10具有两个相对的冷区30和中部热区32，每个冷却30和热区32之间具有过渡区31。从燃料供给件34提供的燃料通过燃料入口12进入燃料电池棒TM装置10的第一端11a并穿过燃料通道14移动，该燃料通道14朝向热区32的相对的端部延伸，燃料在该相对的端部进行U形转向并移动回到第一端11a的冷区30，耗用过的燃料通过燃料出口16排出。类似地，从空气供给件36提供的空气通过空气入口18进入燃料电池棒TM装置10的第二端11b并穿过空气通道20移动，该空气通道20朝向热区32的相对的端部延伸，空气在该相对的端部进行U形转向并移动回到第二端11b，空气通过空气出口22离开冷区30。通过这些U形转向通道，燃料通道14和空气通道20的从初始进入热区32至弯曲处(U形转向)的部分形成用于加热燃料和空气的预热区。经过该弯曲处或U形转向后，在通道14、20中，该通道衬设有相应的阳极24或阴极26，阳极24和阴极26相对于处在它们之间的电解质以相对关系设置，电解质区在热区32中形成活性区33b。因此，燃料和空气在进入活性区之前被加热，以提高燃料电池棒TM装置10的效率，并最大限度地减少电极材料的使用。冷区30中的阳极24延伸至所述装置10的外部以连接负电压节点38。类似地，阴极26延伸至所述装置10的外部以电连接正电压节点40。燃料出口16和空气出口22也可以处于冷区30之外。
在上述显示和说明的多种实施方式中，阳极24和阴极26在燃料电池棒TM装置10的层内移动，主要在每个层的中部区域内移动，即所述装置的内部，直到其到达所述装置的端部。在该端部，阳极24和阴极26突出到燃料电池棒TM装置10的外部，露出的阳极25和露出的阴极27在该处金属化(例如通过涂敷银膏)连接于接触垫44，然后将电线焊接于该接触垫44。例如，参见图4A至图4B。但是，可能需要将燃料电池棒TM装置10中的层构造成具有更高的电压组合(higher voltage combination)，如图8A至图9B所示。如果需要制作产生1KW功率的燃料电池棒TM装置10，该功率等于电压和电流的乘积。标准之一是使用12伏电压，从而需要83安培的电流来产生1KW电力。在图8B和图9B中，使用通路(via)相互连接电极层以形成并联或串联结合。
在图34A至图37中说明了使电极层相互连接的可选择的实施方式。这些可选择的实施方式使用了沿燃料电池棒TM装置10的侧部的外部带(窄接触垫)，例如银膏，特别是使用多个小带，而没有在燃料电池棒TM装置10的内部相互连接所述电极层。通过该带技术(striping technique)，形成了能够提供串联和/或并联结合以得到任意所需的电流/电压比的简单结构。另外，与内部通路相比，所述外部带具有更宽松的机械容许误差，从而加工简单。此外，所述外部带可能具有比内部通路低的电阻(或相同的串联电阻)。导电通路中的低电阻会使得沿该通路的电力损耗更低，从而所述外部带提供了使电力较低损耗地从燃料电池棒TM装置10转移的性能。
现在具体参照图34A和图34B，说明了以串联方式相互连接的外部阳极/阴极。图34A提供了交替设置的阳极24a、24b、24c以及阴极26a、26b、26c的示意性斜前视图。沿燃料电池棒TM装置10的长度，阳极24a、24b、24c以及阴极26a、26b、26c包括伸出所述装置10的边缘的突片，以提供露出的阳极25和露出的阴极27。然后将外部接触垫(或带)44设置在燃料电池棒TM装置10的外侧并覆盖在露出的阳极25和阴极27上，最好参照图34B的示意性侧视图。通过将三对相对设置的阳极24a、24b、24c以及阴极26a、26b、26c串联，燃料电池棒TM装置10提供3伏电压和1安培电流。图35中，具有两个该结构，并且该两个结构通过沿着所述装置10的侧部延伸的长带连接，从而提供以串、并联设计相互连接的外部阳极/阴极，该串并联设计能够提供3伏电压和2安培电流。
图36A和图36B提供了一种用于低的等同串联电阻通路以提供低电力损耗的实施方式。在该实施方式中，热区32位于燃料电池棒TM装置10的中部，第一端11a和第二端11b位于冷区30内。燃料通过第一端11a上的燃料入口12输入，空气通过第二端11b上的空气入口18输入。在热区32内(热区32是燃料电池棒TM装置10的活性区)，阳极24和阴极26露出于所述装置10的侧部，其中阳极24露出于一侧，阴极26露出于相对侧。接触垫(或带)44设置为覆盖在露出的阳极25和阴极27上。然后，沿燃料电池棒TM装置10的侧部的长度使燃料电池棒TM装置10的边缘金属化(metallized)，直到该金属化部分到达冷区30，在该处将负电压节点38和正电压节点40连接到低温焊接连接部46。不能仅仅为了得到低电阻而优化阳极24和阴极26，因为它们还有其他功能，例如电极必须为多孔的，以允许空气或燃料穿过并到达电解质28，而多孔性会增大电阻。另外，电极必须薄，以允许在多层燃料电池棒TM装置10中得到良好的层密度，而电极越薄，电阻越高。通过对燃料电池棒TM装置10的边缘(侧部)增加较厚的接触垫44，能够通往焊接连接部46提供低电阻通道。接触垫44越厚，电阻越低。如果电子必须在燃料电池棒TM装置10中例如沿着电极移动10英寸，穿过电极层的所有孔隙(void)，最低电阻通道例如为移动0.5英寸即到达所述装置10的边缘，然后沿外部无孔接触垫44移动10英寸。因此，通过提供低电阻导电通路，沿燃料电池棒TM装置10外部的、长的、延伸到冷区30的接触垫44允许低损耗地从燃料电池棒TM装置10转移电力。因此，可以在燃料电池棒TM装置10的活性区域(热区32)中使用所述带技术，用于形成串\并联连接，以增大功率，而且沿所述装置10的侧部延伸到冷区30的长带允许电力从燃料电池棒TM装置10高效地转移。
图37显示了与图36B中所示相似的实施方式的示意性透视图，但在燃料电池棒TM装置10的第一端11a具有一个冷区30，并且热区32位于所述装置10的第二端11b。热区32内设置有多个垂直带或接触垫44，以形成串联和/或并联连接，从热区32至冷区30，设置有沿所述装置10的侧部延伸的水平长带或接触垫44，以形成用于连接到正电压节点40和负电压节点38的低温焊接连接部46。
一种用于形成燃料通道14和空气通道20的方法是将有机材料作为牺牲层放置在生坯层状结构中，该牺牲层能够随后在后续的烧结步骤中通过焙烧排出。为了制作具有高功率输出的燃料电池棒TM装置10，例如1KW或10KW的输出功率，燃料电池棒TM装置10必须长、宽并具有很多的层数。例如，所述燃料电池棒TM装置的长可以为12英寸至18英寸。当焙烧所述生坯结构以烧结陶瓷并去除牺牲有机材料时，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的有机材料必须焙烧并通过分别形成空气入口和空气出口的开口18和22排出。所述装置越长且越宽，就越难使所述有机材料通过这些开口排出。如果在焙烧过程中加热过快，由于所述有机材料的分解快于所述材料排出所述结构，各个层会发生分层(delaminate)。
图38A和图38B显示了一种可选择的实施方式的示意性截面俯视图，该实施方式提供了用于将所述有机材料(牺牲层)72焙烧排出的多个出口缝隙。如图38A所示，在燃料电池棒TM装置10的一侧上设置有多个开口70，以提供用于使有机材料72排出所述结构的多个焙烧通道。如图38B所示，焙烧排出后，通过对燃料电池棒TM装置10的该侧涂覆隔离涂层60来封闭多个开口70。例如，隔离涂层60可以是含有陶瓷填料的玻璃。另一个例子中，隔离涂层60可以是例如填充有膏(paste)的接触垫44，该接触垫44随后还可以用作产生电力的低电阻通道。银膏还可以包括玻璃，以提高粘附力。在典型的实施方式中，用于阴极26的焙烧通道通到燃料电池棒TM装置10的一侧，用于阳极24的焙烧通道通到燃料电池棒TM装置10的相对侧，以避免相对的电极之间短路。
在燃料电池棒TM装置10、100、200、300的可选择的实施方式中，开放的空气通道20和燃料通道14未衬设有阴极26或阳极24，而是通过使用允许空气或燃料流过的多孔电极材料，所述阴极可以和空气通道结合，并且所述阳极可以和燃料通道结合。所述阴极和阳极必须是多孔的，以允许反应进行，因而结合加压空气和燃料的输入，可以通过所述燃料电池棒TM装置得到足够的流体，以允许发生产生电力的反应。
本发明的另一种实施方式显示在图39中的示意性的横截面端视图中。该实施方式主要是阳极支撑型燃料电池棒TM装置10。与其他实施方式相同，燃料电池棒TM装置10可以具有热端32和冷端30，或者两个冷端30和中间热区32。未采用陶瓷29支撑所述装置10，该阳极支撑型使用阳极材料作为支撑结构。在该阳极结构中，燃料通道14和空气通道20以相对关系设置。空气通道20衬设有电解质层28，并进而衬设有阴极层26。可以使用化学气相沉积以沉积内层，或者通过使用粘性膏溶液(solutions ofviscous paste)。
图40A和图40B中，显示了用于阳极支撑型燃料电池棒TM装置10的另一种实施方式。在该实施方式中，去掉了单独的开放的燃料通道14，从而多孔的阳极24还用作燃料通道14。另外，燃料电池棒TM装置10涂覆有隔离涂层60，例如玻璃涂层或陶瓷涂层，以防止燃料从所述装置的侧部排出。根据需要，燃料电池棒TM装置10可以具有与该阳极结构中的电解质28和阴极26相关联的多个空气通道14。如图40B所示，燃料从燃料供给件34通过多孔的阳极24(多孔的阳极24用作燃料通道14)强制供给到第一端11a，并经过电解质28和阴极26以与来自空气供给件36的空气反应，并且用过的空气和燃料能够随后离开空气出口22。
另一种实施方式的示意性横截面端视图显示于图41A中，其示意性俯视图显示于图41B中，燃料电池棒TM装置10可以包括设置在所述阳极支撑结构内的多个空气通道20，以及一个燃料通道14，该燃料通道14与多个空气通道20垂直，以用于从燃料供给件34通过一个燃料入口12对多个空气通道20供给燃料。同样地，空气通道20首先衬设有电解质层28，然后衬设有阴极26。燃料从所述一个燃料通道14穿过阳极结构24，穿过电解质28并穿过阴极26，以与空气通道20内的空气反应，并且用过的燃料和空气从空气出口22排出。用过的燃料还可以渗出不包括隔离涂层60的燃料电池棒TM装置10的侧部，该未涂覆的侧部可以相对于所述一个燃料通道14而定位为位于燃料电池棒TM装置10的相对侧。
在涉及阳极支撑结构的实施方式中，可以理解的是，该结构可以基本上转用于阴极支撑结构。燃料通道14涂覆有电解质层28，然后可以在所述阴极结构内设置阳极层24。还可以设置单独的空气通道20或多个空气通道20，或者可以将阴极26的孔用于空气流动。
图42A至图42C显示了在空气通道20和燃料通道14内形成电极的方法。以燃料通道14和阳极24为例，不是通过使用生坯陶瓷层和金属带层以一层接一层的方式或通过印刷金属(print metallization)形成生坯结构，本发明中，首先形成没有电极的燃料电池棒TM装置10。换言之，使用生坯陶瓷材料形成燃料电池棒TM装置10的电解质28和陶瓷支撑部29，而且使用有机材料形成所述通道，例如燃料通道14。在烧结燃料电池棒TM装置10之后，对燃料通道14填充阳极膏(anode paste)或溶液。所述膏可以像印刷油墨一样稠，或者像高含量水溶液一样稀(runny)。所述阳极材料可以通过适当的方式填充到燃料通道14中，例如通过真空吸入、通过毛细作用力、或通过空气压力压入。
可选择地，如图42A至图42C所示，所述阳极材料溶于溶液中，流入燃料通道14，然后沉淀。例如，通过改变PH值，能够使阳极颗粒沉淀，而且使溶液流出。作为另一种选择，可以简单地允许所述阳极颗粒沉淀(settling)，然后烘干液体或使液体焙烧排出燃料通道14。这种沉淀能够通过形成油墨或液体载体来实现，该油墨或液体载体不能例如因低粘度而使所述颗粒以延长的时间保持悬浮。还可以使用离心机进行强制沉淀。该离心机能够容易地允许大多数颗粒择优沉淀在燃料通道14的一个表面上，从而保持电极材料并确保仅将燃料通道14的一个表面用作电解质。
如图42A所示，将包含阳极颗粒的溶液66吸入燃料通道14，直到完全填满该通道14，如图42B所示。然后所述颗粒沉积到通道14的底部以形成阳极层24，如图42C所示。与正常的毛细作用力相比，可以通过重力、真空或离心力加速溶液66的流入。当然，例如当阳极24和燃料通道14时，还可以使用任意一个可选择的实施方式的阴极膏或溶液来形成空气通道20中的阴极层26。
在另一种选择中，可以将液体溶胶(sol-gel)状态的陶瓷电极(阳极或阴极)材料注入(燃料或空气)通道中，然后使该陶瓷电极材料沉淀在所述通道的内侧。例如在所述液体中的所需电极材料的浓度较低的情况下，可以多次重复所述注入操作，或者可以在电极中形成性能梯度(gradient ofproperty)(以相对于离电解质较远的电极中的YSZ的量而在离电解质近的电极和提供不同量的YSZ(钇稳定氧化锆)，或者如果需要将不同材料制成的多个层放置在一起(例如由LSM(亚锰酸镧锶)制成的阴极靠近电解质，然后用覆盖在LSM的顶部以得到更好的导电性)。
再参照图7C和图7D，其中，使用陶瓷球体或球对空气通道20和燃料通道14提供结构支撑，还可以使用陶瓷颗粒增大有效表面区域以得到更好的反应区域，从而得到更高的输出。在涂敷电极层之前，可以在燃料通道14和空气通道20内侧使用尺寸非常细小的陶瓷球或颗粒。如图43的示意性横截面侧视图中所示，表面颗粒62沿通道14排列，以提供表面形貌不均匀的电解质层28，不均匀的表面形貌增加了可用于接收电极层的表面区域。然后通过完全围绕表面颗粒62涂敷阳极材料，将阳极24设置在不均匀的表面形貌上，从而增大反应区域。
在一种可选择的实施方式中，如图44的示意性横截面侧视图中所示，可以层压电解质层28，从而提供不均匀的表面形貌或纹理表面层64，例如通过使生电解质层压在具有V形形状的细粒(fine grading)上，该形状将附加在电解质层28上。在烧结电解质层28以使陶瓷和纹理表面层64凝固之后，继而可以涂敷阳极层24(如通过使用上述图42A至图42C中所述的回填(backfill)工序)，以提供具有较大反应区域的阳极。
在图45A和图45B显示了本发明的还另一种实施方式。图45A是说明气流和燃料流过空气通道和燃料通道以及电极布置的示意性俯视图，图45B是穿过热区32的横截面视图。沿燃料电池棒TM装置10的长度，所述装置被划分为左侧80和右侧82，以及位于左侧80和右侧82之间的中间或桥接(bridging)部84。多个空气通道20L从燃料电池棒TM装置10的第一端11a沿长度方向延伸穿过左侧80并从邻近左侧80的第二端11b伸出，而且多个空气通道20R从第一端11a沿长度方向延伸穿过右侧82并在邻近于右侧82的第二端11b伸出燃料电池棒TM装置10。空气通道20L偏离空气通道20R设置，如图45B所示。多个燃料通道14L从燃料电池棒TM装置10的第二端11b沿长度方向延伸穿过左侧80并从邻近左侧80的第一端11a伸出，而且多个燃料通道14R从第二端11b沿长度方向延伸穿过右侧82并从邻近右侧82的第一端11a伸出(exit)。燃料通道14L偏离燃料通道14R设置。另外，除了一个燃料通道和一个空气通道以外，每个燃料通道14L与空气通道20R成对并稍微偏移设置，并且每个空气通道20L与燃料通道14R成对并稍微偏移设置。对于每对偏移设置的燃料通道14L和空气通道20R，金属化部分(metallization)沿每个燃料通道14L从左侧80延伸至右侧82，然后该涂敷金属化部分沿稍微偏移的空气通道20R延伸。类似地，对于每对偏移设置的燃料通道14R和空气通道20L，金属化部分(metallization)沿每个空气通道20L从左侧80延伸至右侧82，然后该金属化部分沿稍微偏移的燃料通道14R延伸。当所述金属化部分沿燃料通道14L或14R延伸时，所述金属化部分用作阳极24L或24R，当所述金属化部分沿空气通道20L或20R时，所述金属化部分用作阴极26L或26R。燃料电池棒TM装置10的桥接部84中，所述金属化部分不沿任何空气或燃料通道延伸，所述金属化部分简单地用作阳极和阴极之间的桥接件(bridge)90。在本发明的一种实施方式中，所述金属化部分沿其长度可以包括同一种材料，例如阳极24L或24R、桥接件90以及阴极26L或26R各自包括同一种材料。例如，各金属化部分可以各自包括铂金属，其能够良好地用作阳极或阴极。可选择地，所述金属化部分可以包括不同的材料。例如，阴极26L或26R可以包括亚锰酸镧锶(LSM)，而阳极24L或24R包括镍、NiO或NiO+YSZ。桥接件90可以包括钯、铂、LSM、镍、NiO或NiO+YSZ。本发明涉及适于用作阴极或阳极的任意材料类型或组合，或阳极和阴极之间的连接材料，本发明不仅限于上述列出的具体材料。
在燃料电池棒TM装置10的一侧(在此显示为右侧82)，燃料通道14R设置有相关联的阳极24R，该阳极24R延伸至燃料电池棒TM装置10的右边缘以提供外部露出的阳极25。空气通道20L与相对于其偏移设置燃料通道14R没有关联，因此阳极24R无需延伸到左侧80。如图45A所示，外部接触垫44覆盖在露出的阳极25上并沿燃料电池棒TM装置10的长度延伸至冷区30。然后可以通过电线42和焊接连接部46将负电压节点38连接于接触垫44。阳极24R可以穿过热区32延伸(如图所示)至右边缘，或者可以仅在小突片部内延伸以减少使用的电极材料的量。另外，阳极24R可以沿燃料通道14R的长度延伸至燃料电池棒TM装置10的右边缘，但这种实施方式会引起电极材料的非必须使用。
类似地，在燃料电池棒TM装置10的另一侧(在此显示为左侧80)，一个空气通道20L设置有相关联的阴极26L，该阴极26L延伸至燃料电池棒TM装置10的左边缘以提供外部露出的阴极27。该空气通道20L与相对于其偏移设置的燃料通道14R不相关联，阴极26L无需延伸到右侧82。接触垫44可以沿燃料电池棒TM装置10的左侧80的外部从露出的阴极27延伸至冷端30，在该冷端30可以通过电线42和焊接连接部46将正电压节点40连接于接触垫44。
在图45B中，一个燃料通道14R和相关联的阳极24R显示为位于右侧82的顶部，而一个空气通道20L和相关联的阴极26L显示为位于燃料电池棒TM装置10的左侧80的底部。但是，本发明不仅限于这种布置。例如，空气通道20L和相关联的阴极26L也可以设置在所述装置10的顶部而位于左侧80，与之类似地，一个燃料通道14R和其相关联的阳极24R偏移设置，但金属化部分并不从左侧80穿过连接部84延伸到右侧82。而是缺少桥接件90，使得阳极24R基本上与阴极26L分隔开。设计额外的布置，其中，燃料电池棒TM装置10可以设置有位于单独的燃料电池棒TM装置10内的两个单独的空气通道组(stack)和两个单独的燃料通道组，并且电池串联连接。图45A和图45B所示的实施方式有利于在不增大电流的情况下增大电压，同时保持低电阻。另外，该实施方式在燃料电池棒TM装置10内提供了高密度。
图46A和图46B中分别显示了一种可选择的实施方式的示意性透视图和示意性截面图。前述的实施方式(例如图37)沿燃料电池棒TM装置10的外侧或外边缘从热区32至冷区30设置有外部带，以提供低电阻通道，使电子移动到冷端。在图46A和图46B所示的实施方式中，未设置沿所述装置10的侧部或边缘延伸的带，而是沿一侧以及顶表面和底表面中的一个设置有接触垫44，以用于外部连接阳极24，另一个接触垫44沿相对侧以及顶表面和底表面中的另一个设置，以用于外部连接阴极26。因此，电子得到了更大或更宽的移动通道，从而提供更低的电阻。这些设置在两个相邻表面上的大接触垫44可以用于在此公开的任一实施方式。
图47中显示了利用热交换原理的燃料电池棒TM装置10的又一种实施方式的示意性截面侧视图。在加热的空气和燃料穿过热区23的活性区33b(即热区32的阳极24和阴极26相对且阳极24和阴极26之间设置电解质28的部分)之后，将燃料通道14和空气通道20连接到单独的排放通道21。任何未反应的燃料都会在与加热的空气结合时燃烧，从而产生额外的热量。排放通道21邻近于活性区33b并向后朝向冷区30延伸，排放物(用过的燃料和空气)的流动方向与相邻的燃料通道14和空气通道20内的流入燃料和空气的流动方向相反。在排放通道21中产生的额外的热量传递到相邻的通道14和20，以加热流入的燃料和空气。
图48A至图48C显示了一种“端部卷绕燃料电池棒TM装置”400，该装置具有厚部402，该厚部402的厚度远大于薄部404，如图48A所示。燃料入口12和空气入口18邻近第一端11a设置，该第一端11a位于厚部402的端部，虽然未显示，但空气出口16和燃料出口22可以设置在所述装置400的邻近于相对的第二端11b的侧部，该侧部为薄部404的端部。厚部402应当足够厚，以提供机械强度。这可以通过在相邻的燃料入口12和空气入口18周围设置厚陶瓷29来实现。薄部404包括活性区33b(未显示)，该活性区33b包括与阴极(未显示)相对设置的阳极(未显示)，且所述阳极和阴极之间具有电解质(未显示)(与前面的实施方式相同)。薄部404应当足够薄，以允许在生坯(未经焙烧的)状态下卷绕，如图48B所示。在将薄部404卷绕至所需的紧密度之后，焙烧所述装置400。然后可以加热卷绕的薄部404以引起反应，但厚部402为冷端，与在其它实施方式中说明的相同。该端部卷绕燃料电池棒TM装置400为能够通过卷绕薄部404而安装在小空间内的大表面积装置。另外，薄部404中的活性区33b的薄横截面减少了热量沿所述陶瓷向外传递并允许良好的温度循环性。
在阳极24和阴极26露出于燃料位于活性区(即反应区)32和或33b内的电池棒TM装置10的边缘(侧部)的实施方式中，位于所述装置10的顶部的陶瓷29会在活性区32和/或33b凹进。这允许阴极26和阳极24均能够得以从顶部接触，以形成电连接。然后可以从活性区32和/或33b至冷区30沿燃料电池棒TM装置10的顶表面设置接触垫44(例如金属带)，以提供对热区腔室/炉的外侧提供连接。
在另一种实施方式中，燃料电池棒TM装置10包括位于相对端11a、11b的两个冷区30和位于中部的热区32，用于阳极24和/或阴极26的接触垫44(例如金属层带)能够从热区32向外朝向燃料电池棒TM装置10燃料电池棒TM装置10的两个端部11a、11b延伸，例如如图36B所示。然后可以对每个阳极24和阴极26形成两个单独的电连接。作为举例而不是限制，可以使用一组电连接来监控电池的电压输出，同时另一组连接能够连接负载并允许电流流动。电池自身具有单独检测电压的性能，具有提供一种用于电池的总电力输出的更好的理念的优点。
对于接触垫44(例如金属带)，可以使用本领域技术人员公知的任意一种适当的导电材料。具体例子包括银、LSM和NiO，也可以使用结合材料。在一种实施方式中，在热区32中可以沿燃料电池棒TM装置10的表面使用非贵重金属材料。LSM例如可以用于热区腔室/炉内的空气发生氧化反应的地方。NiO例如可以用于热区腔室/炉内的空气发生还原反应的地方。但是，无论在哪种情况下，如果非贵重金属材料延伸到热区腔室/炉外侧，该非贵重金属材料的导电性会减弱，使得所述金属层材料必须在燃料电池棒TM装置10离开热区腔室/炉之前过渡到贵重金属或抗腐蚀材料。银膏是较合适的贵重金属材料。进一步说明，一些材料例如LSM会在温度从反应温度降低至室温时变为不导电，而其他材料例如镍会在露出于所述装置10的冷端30的空气时变为不导电。因此，用于燃料电池棒TM装置10的冷端区域30的接触垫44的所述金属层(metallization)材料必须在空气中(即没有保护空气)和在低温下能够导电。贵重金属例如银穿过温度/空气过渡区工作，使得所述金属层材料能够在燃料电池棒TM装置10离开热区腔室/炉之前过渡到贵重金属。使用材料结合可以允许根据热区32和与之相对的冷区32的特殊导电性需要来选择材料，并允许通过减少所使用的贵重金属量来降低成本。
如图49A至图49C所示，在形成生坯的过程中，在所述装置中设置导线92或其他物理结构(图49A)，然后层压各个所述层而使得导线92定位(图49B)，然后在层压后去掉导线92(图49C)。这是有用的，例如，在燃料或空气入口处，在空气流动通道14、20进入燃料电池棒TM装置10的热区32(反应区)之前，燃料电池棒TM装置10可以具有几英寸的长度。代替通过涂覆(printing)聚合物并使其在焙烧工艺中慢慢焙烧出去以形成所述通道，可以使用所述导线工艺从燃料电池棒TM装置10的该部分解决焙烧中出现的问题。作为举例而不是限制，可以使用直径为0.010英寸的导线，该导线容易拔出。导线92也可以被轧平，以形成带状物理结构，该带状物理结构具有相似于导线的体积，但横截面更小。因为带具有更大的表面积，可以在该带的表面上涂覆脱模剂(release agent)，以防止所述带在层压时粘附陶瓷层。因此，用语“导线”用于广延地包括各种长而窄的物理结构，而横截面可以为圆形、椭圆形、正方形、矩形等。
图50A至图50C显示了一种形成一层燃料电池棒TM装置10的入口通道的实施方式。在该实施方式中，没有使用间隙形成带94(例如聚合物或蜡带)来形成全部的燃料通道14和氧化剂通道20，间隙形成带94仅用于活性区33b，即阳极24和阴极26相对设置并在其之间设置电解质28的区域。在燃料通道14和氧化剂通道20不具有相应的相对的阳极24和阴极26的非活性区中，使用导线92代替间隙形成带94。如图所示，导线92接触或搭接间隙形成带94，使得由导线92和间隙形成带94形成的通道14、20从入口12、18连续延伸至出口16、22(未显示)。
当燃料电池棒TM装置10越复杂，使用这种导线原理会越有益，例如，其能够简化多层燃料电池棒TM装置10复杂的焙烧问题。部分原因在于去除粘结剂，特别是在复杂结构中的粘结剂，问题在于粘结剂焙烧产品必须从其产生(聚合物的分解)位置移动到燃料电池棒TM装置10的外部。但是，在将导线92抽出所述结构之后，沿间隙延伸的通道是空而清洁的。如果导线92(或者其他适当的物理结构)能够放入复杂结构并随后从中抽出，则因而产生的间隙能够允许所述结构内的很多区域的焙烧产品迅速找到离开所述结构的通道。
所述导线原理的另一个有益目的是有助于分散燃料电池棒TM装置10内的压力。当单独的管对燃料电池棒TM装置10供给空气或燃料时，沿燃料电池棒TM装置10内的多个通道存在不同的流动速度。例如，如果燃料电池棒TM装置10内具有50条空气通道20(对应于50个活性层)，则可能有一个通道具有稍大一些的横截面积，并且有一个通道具有稍小一些的横截面积。这可能是由间隙形成材料的尺寸的随机变化引起的。一种解决方案是限制每层出口的横截面积。如果每层出口的横截面积能够精确制作，使得这些出口横截面积相同，以及如果这些出口的横截面积都小于输入管的横截面积，则每层的流动将相同。这与空气流和燃料流的实用情况相符。所述导线原理能够实现这种解决方案。在每层的出口，插入导线92以形成连通外部环境的最终空气通道。对于50层来说，插入50条短导线。当抽出这些导线时，每层具有精确的出口尺寸(例如，直径为5mil(即千分之一英寸)的通道)。
因此，本发明设计的燃料电池棒TM装置10中，每层的出口的横截面积小于流动通道自身的横截面积。本发明还设计了一种多层燃料电池棒TM装置10，其中，每层的出口精确加工，使得这些出口在给定位置上具有精确相同的横截面积。本发明还设计了一种多层燃料电池棒TM装置10，其中所有出口面积之和小于入口的横截面积。在这些实施方式中，出口的横截面积被限定为位于所述流动通道的某些位置，但这些位置位于所述层的活性部分的端部之后，但位于燃料电池棒TM装置10的输出端之前。换言之，所述流动通道的这些出口并不必须精确地位于燃料电池棒TM装置10的出口，只需要位于活性区下游的某些位置。
在前述的实施方式中已经说明了热区32和热区腔室。热区腔室还可以表述为炉。冷区或冷端区30位于所述炉的外部。过渡区31是燃料电池棒TM装置10的区域，该区域邻近于所述炉内的区域。如图51所示，炉壁96的总厚度为T。燃料电池棒TM装置10穿过该炉壁96。燃料电池棒TM装置10在该炉壁96内的长度为X尺寸并等于厚度T。燃料电池棒TM装置10的穿过壁96的宽度为Y尺寸。燃料电池棒TM装置10的厚度为Z尺寸。本实施方式的目的为，Z小于或等于Y。
根据本发明的一种实施方式，在优化的情况下，由于燃料电池棒TM装置10的穿过炉壁96，因此炉壁厚度T应当大于燃料电池棒TM装置10的宽度Y。如果T小于Y，则当燃料电池棒TM装置10穿过壁96时，作用在燃料电池棒TM装置10上的应力可能会太高，燃料电池棒TM装置10可能开裂。
在另一种实施方式中，如图52A至图52C所示，尺寸L为在横向于燃料电池棒TM装置10(100、200、300或400)的长度方向的平面(即Y-Z平面)内的所述装置10穿过炉壁96的部分的最大尺寸。对于矩形燃料电池棒TM装置10(100、400)来说，最大尺寸L可以是对角线，如图52B所示。对于管状燃料电池棒TM装置200、300来说，最大尺寸L可以是直径。在优化的情况下，所述尺寸应使得T≥1/2L。
厚度T可以由同一种材料(绝缘)98制成。可选择地，如图53所示，壁厚度T也可以由多个划分的绝缘层形成，例如三个绝缘层98a、98b、98c，使得传热性在每层中得到优化，以得到尽可能最佳的温度过渡结果。在具有多层炉壁96’的情况下，所有的层放在一起的总厚度T应当大于Y和/或大于或等于1/2L，但壁96’的单层厚度可以小于Y和/或小于1/2L。
在另一种实施方式中，如图54所示设置有多层炉壁96”，其中，多个绝缘层98a、98c可以通过空气间隙120分隔开。在这种设计中，可以使高温绝缘层98c靠近热区32，并使较低温绝缘层98a靠近冷区30。然后在两个绝缘层98a和98c之间设置中间温度区，例如对应于过渡区31或预热区33a。该实施方式使流入燃料电池棒TM装置10的空气得到更长的预热区，同时不必扩大所述炉的最热区域。在该实施方式中，壁96”的单层厚度可以小于燃料电池棒TM装置10穿过壁96”时的Y尺寸和/或小于1/2L。但是，壁96”的总尺寸T(包括层98a、98c和空气间隙120)应当大于燃料电池棒TM装置10的Y尺寸和/或大于或等于1/2L。本实施方式还设计了多于两个的绝缘层。
上述说明的是在没有阳极和阴极的情况下首先形成燃料电池棒TM装置10，并且随后回填这些部件的方法。这样做的原因在于，某些阳极或阴极材料会在Zr(锆)的烧结温度下过于密实(densify)，而如果密度过大，则不能得到良好的反应。或者，更普遍地，如果所述系统的不同部件不能使用同一温度变化曲线得以最佳烧结，则回填必不可少。
但是，更难的是在阳极或阴极的顶部提供电流集电器。本领域技术人员公知的，集电器122(如下文说明的图55A至图55E所示)是作为阳极或阴极的表面部分的高密度电极。其通常是高电的导电层或基体(类似于细电线)，能够集中电子并将电子移动到所需的位置。集电器122可以由NiO或LSM或其他低成本材料或甚至贵重电极制成。但是在用于形成阳极和阴极的回填工艺之后，很难以常规方式设置精确的集电器。但集电器的问题与阳极或阴极不同。需要使阳极和阴极多孔，这导致过热的危险；而集电器需要致密(为了得到良好的导电性)，因而本质上能够与Zr一起烧结。虽然可以在回填之前将集电器122设置在电解质28上，使得所述集电器位于阳极和阴极下方并接触电解质28，但这种布置阻碍了位于电解质28上的活性区，不可避免地造成活性区的浪费。
根据本发明的一种实施方式，如图55A至图55E所示，设置并一起烧结集电器122，使得集电器122悬浮在燃料电池棒TM装置10内的空间中。这可以通过将集电器122印刷(print)在第一牺牲有机层72a(例如聚合物)的顶部，然后覆盖集电器122的顶部涂覆第二牺牲有机层72b(例如聚合物)，如图55A的示意性显示。因此，集电器122夹在两个牺牲有机层72a和72b之间，如图55B所示。形成燃料电池棒TM装置10，包括在陶瓷支撑结构29内设置牺牲层/集电器结构，如图55C所示，然后烧结，从而使牺牲有机层72a、72b消失，以形成间隙123并使集电器122悬浮地留在间隙123内，如图55D所示。然后容易将多孔的阳极或阴极回填到间隙123内，以形成阳极或阴极。还可以使用支撑柱54(如上所述)，使得悬浮的集电器122支撑在支撑柱54上，如图55E所示，以提供机械支撑或使定位标准化。为此，可以在聚合物制成的第一牺牲层72a中形成间歇的通孔或小间隙，从而集电器材料可以间歇地向下印刷到通孔内。去除粘结剂后，该填充孔形成支撑柱54。可选择地，可以在牺牲聚合物间隙材料中加入锆球。当牺牲聚合物溶解后，集电器122会与这些锆球粘结，并且这些锆球会粘结于支撑结构29，如图56A和图56B所示，从而提供支撑。然后可以将多孔的阳极24或阴极26回填到该空间内，如图57A和图57B所示，其中，电极颗粒124保持在用于回填的粘性液体126中，然后将所述装置干燥，而且所述颗粒沉淀并经烧结，以形成阳极24或阴极26。如果有益，可以选择性地使所述阳极或阴极沉淀在一侧(通过重力或离心作用)。
通过使用印刷阴影线(printed hatch line)的集电器类型，空气通道20或燃料通道14的间隙尺寸可以发生一些变化，使得所述通道在集电器122处箍缩(pinch)或堵塞。由于烧结过程中随机的尺寸改变导致了这种变化。图58A至图58C是显示几乎导致通道14、20堵塞的集电器122的例子的显微照片。通道14、20的作用是使流动通畅。虽然可以使通道形成为更大，但这会不必要地降低燃料电池棒TM装置10的密度(较厚的通道和较厚的层会降低多层装置的功率密度)。根据本发明的一种实施方式，为了降低在集电器122处堵塞通道14、20的可能性，可以将集电器埋设在多孔的阳极24和阴极26中。如图59和图60所示，图59显示了集电器122位于阳极24和阴极26的表面上，图60显示了集电器122埋设在阳极24和阴极26的表面中，如果集电器122埋设在多孔的阳极24和阴极26的厚度中(或基本上埋设在阳极/阴极中)，则然后集电器122堵塞气流通道的可能性会减小。图69显示了实际的集电器形迹，该集电器已经凹入多孔的阳极或阴极中。
图61A至图61C中显示了一种埋设集电器122的方法。首先，将集电器122分配或印刷在临时基片128上。然后，用电极材料覆盖该集电器122，例如通过印刷膏或回填含有电极颗粒124的粘性液体126并使其干燥。最后，去掉临时基片128。临时基片128可以是在干燥后仅通过适当的粘附力粘附于电极材料的塑料片，使得能够翻动干燥的塑料上的电极并使塑料剥离。也可以通过将集电器122和阳极24/阴极26放置在插入所述叠层(stack)中的间隙形成带94上来实现相同或类似的结果，而且在焙烧和烧结过程中，间隙形成带94会消失，得到相同的最终结果。
在将阳极24或阴极26印刷在集电器122的顶部上时，如果集电器122有稍微溶化或伸展的倾向，则可以使用不同溶解度的材料(在极端的情况下，集电器122可以含有溶于极性溶剂的树脂材料，而多孔的电极墨可以具有溶于非极性溶剂的树脂材料)。优选地限制这种伸展，因为集电器122铺展过多会降低空气在多孔的阳极24或阴极26内的扩散。因此，集电器122可能发生一定的铺展，但集电器122的至少一部分应当埋设在所述多孔材料中。因此，本发明设计的集电器通道中，集电器122的一部分凹入多孔的阳极24或阴极26，从而减少集电器122突出到燃料通道14或空气通道20内的情况。
在多层燃料电池棒TM装置10的活性区33b中，应当使电解质28尽可能薄，例如10μm。但超薄的电解质会增大在所述装置的空气侧和燃料侧之间发生泄漏的可能性。较薄的电解质能够提供更高的功率，但太薄会导致开裂或泄漏并从所述层提供零输出。根据本发明的一种实施方式，确定活性区33b中的电解质28的允许厚度的最小值的关键在于阳极厚度和阴极厚度对总厚度的印象，因而对总强度也有影响。作为举例而不是限制，如果需要100μm的厚度来防止开裂，而且每个阳极24和阴极26的厚度为45μm，则10μm厚的电解质即可良好工作。45μm+45μm+10μm＝100μm。
在多层燃料电池棒TM装置10的非活性区(passive area)(即不具有相对的阳极和阴极的区域)中，需要不同的厚度。该非活性区用于分配空气和燃料。这在多个附图中显示为空气和燃料分配通道相互交叠。此处仍需要具有一定的厚度以防止开裂，但没有阳极24和阴极26，这里的陶瓷29必须比活性区33b中的陶瓷电解质层28更厚。所以，在上述实施方式中，非活性区中的陶瓷29必须为100μm，而活性区33b中的陶瓷电解质层28可以较薄，例如10μm。
根据本发明的一种实施方式，提供一种得到具有两个厚度的单独的电解质层28、29的方法：非活性空气通道区域中具有更厚的陶瓷29，以及活性区33b中具有更薄的陶瓷电解质28。如图62至图62A所示，该方法使用三片陶瓷带130b在非活性空气流动区域中形成陶瓷29，其中，两个带片130a、130c终止而仅中部带130b继续延伸至活性区33b，以用作相对的阳极24和阴极26之间的陶瓷电解质28。
上文中说明了伸出用于低温连接的炉的细长结构中的多种设计。但是，很多设计也可以用于不伸出所述炉的多层燃料电池棒TM装置和/或具有板状或类似形状的多层燃料电池棒TM装置。在炉中对热燃料电池装置形成连接的其它燃料电池装置和系统中可以实现本发明中可实现的装置的密度。例如，在此公开的原理可以用于其它燃料电池装置，所述原理包括聚合物带、填充有圆球的聚合物带、用于形成出口通道的导线、用于两个电极的一个通道、叶片状装置、通过使用重力或离心力时电极悬浮液朝向一侧干燥、用于终端的侧部间隙以及串联设计。
集电器122用于允许在所述电极(阳极24和阴极26)中产生或消耗的电子沿低电阻通道移动至负载(电压节点38、40)。理想的电极设计的导电性并不是非常良好，因为必须允许一些现象同时发生：具有孔以允许空气流动，所述电极中具有陶瓷以允许氧离子朝向电解质流动，以及具有电子导体(electronic conductor)以允许电子流动。比起仅由电子导电体制成的电极，孔和陶瓷的存在意味着所述电极整体上具有更高的电阻。
电子一旦被释放，允许电子沿高导电性通道移动是非常重要的。集电器的现有设计是基于从导体去除电解质陶瓷，但仍留有孔隙。这产生了导电性更好的层。该层印刷在整个阳极或阴极上。在多层结构中，这种设计的一个缺点在于，如果必须在烧结后增加阳极/阴极材料，则很难产生两个明显的层，如上所述。上文中已经说明了使集电器一起烧结的优点。
根据本发明的一种实施方式，可以使用包括高密度导体材料(即孔隙少或无孔隙，从而如果在整个阳极24或阴极26上印刷，则会阻止反应进行)的集电器122，该高密度导体材料印刷在阴影图案(hatch pattern)中。在一种实施方式中，所述集电器印刷在直线图案(也即阴影图案)中，并在用于供空气穿透的阴影标记之间留有开放空间。多孔的阳极24和阴极26中的透气性使得进入位于阴影线之间的多孔材料的空气还能够在阴影线下方流动。通过改变线与线之间的距离和线自身的宽度，能够得到优化的几何形状。例如，可以使用0.006”线宽和0.030”线距。图63显示了具有阴影图案的集电器122的俯视图。图64显示了多孔阳极或阴极上的集电器122的侧视图。图65是显示斜视图(angled view)，显示了从上向下的顺序为：集电器阴影、顶部多孔电极、电解质、底部电极(由于断裂而从电解质突出(stick out))。当活性区变大时，可以改变不同区域中的线宽。较小的导体线可以融入较大的导体线，较大的导体线可以融入更大的导体线。
上文中已经说明了用于将燃料供给件34和空气供给件36连接至燃料电池棒TM装置10的柔性供给管50。通过使供给管50伸展开，供给管50能够在燃料电池棒TM装置10的端部11a、11b中的一个上滑动。可以通过粘结剂将其固定。可选择地，根据本发明的一种实施方式，使燃料电池棒TM装置10形成端部11a(和/或11b)并在侧部具有凹口(identation)132，如图66A至图66B所示，从而燃料电池棒TM装置10会自动将供给管50保持在适当的位置上。这最方便通过刳刨机(router)或立铣床在生坯状态下加工燃料电池棒TM装置10来实现。
基于此，如图67A至图68B的顶部示意性截面图和透视图中所示，也可以使用能够夹持燃料电池棒TM装置10的端部11a(和/或11b)的连接件134。连接件134可以(根据燃料电池棒TM装置10的设计)与电触点(contact)136和空气流动通道138中的一个或两个、气密密封(例如O形圈140)以及一个或两个接触所述接触垫44的电触点136注塑为一体。如果燃料电池棒TM装置10为具有两端的燃料电池棒TM装置10，则燃料电池棒TM装置10的每端为一个极性，然后在燃料电池棒TM装置10的每端，连接件134仍然可以具有两个或更多的电触点136，以提供低电阻接触。电触点136可以位于燃料电池棒TM装置10的侧部或位于燃料电池棒TM装置10的顶部和底部，因为位于燃料电池棒TM装置10的底部的所述电触点更宽，因而能够提供更低的电阻。
虽然图中未显示，但连接件134可以具有两个O形圈，从而在连接件134内提供两个密封区域：一个用于空气，另一个用于燃料。这种连接件可以用作单端(single-ended)燃料电池棒TM装置10的单独的连接件，提供正极和负极电触点并输送空气和燃料。
上述实施方式包括用于所述装置的两个相对的端部11a、11b。但是，上述说明的燃料电池棒TM装置10的原理也可以用于具有多于两个伸出所述炉的端部或出口的装置500。例如，图68A至图68B说明了具有4个出口的装置。该四个位置可以设置空气入口18、空气出口22、燃料入口12和燃料出口16。这使得将未燃烧的燃料循环至炉加热操作中更加容易。可以使用多于二个和四个出口点，例如三个或六个。
支撑球(参见图7C至图7D)还可以用于燃料电池棒TM装置10之外的其它燃料电池棒TM装置，例如矩形板装置。所述支撑球允许在多层结构中产生更大的区域，而不会使不同的层相互交叠。所述装置可以类似多层板中具有大的开放区域。或者，所述装置可以具有占据在所述区域中的、0.5英寸宽、多英寸长的通道。无论哪种情况，在此公开的球技术都是有利的。
所述球方案的关键点在于球是圆形的，其能够防止击穿。因为需要制作薄的电解质、阳极和阴极(出于密度考虑，以及为了更高的性能)，所以可能会因使用非规则形状的材料而出现击穿。沙粒或砂粒进入电解质并会导致泄漏。另一方面，电解质能够平缓地围绕所述球发生变形，而不会导致泄漏或撕裂。类似地，图7A至图7B所示的支撑柱原理能够用于多层燃料电池结构，而不仅限于燃料电池棒TM装置10的形式。
在图38A至图38B中，显示了使用多个焙烧出口，该多个焙烧出口能够在用后密封。这对于SOFC或其它燃料电池装置的任何多层研究来说都是有利的。另外，考虑到大型板，设计者会为空气通道设计很大的区域，并且需要去掉填充这些空间的有机材料。但是，通常来说，只有一个燃料入口和一个燃料出口。对于空气的入口和出口来说也是一样。较大区域具有有机材料，但出口却很少，这可能使得制造所面对的最大问题之一在于如何避免分层。
解决该问题的方案是增加能够允许将空气或液体(使用蜡的情况)焙烧出所述结构并在整个结构上形成最小应力的多个焙烧口、小开口。烧结多层结构之后，很容易回复到这种状态(come back)并在这些小的焙烧口中填充固体材料(例如玻璃-陶瓷复合物)，以防止泄漏。
导线92的原理与上述焙烧原理很相似，对多层结构非常有益。设想制作边长4英寸的正方板，板中具有20或50个活性层。你会想要形成用于更容易去除有机材料的焙烧口。但如果这些方便的焙烧口能够到达所述板的中部，则会更好。这可以通过插入导线92并在层压后将其拔出来实现。导线92能够横贯多个区域，如果没有通过线92横切，在所述板的中部与外界之间会存在很长的距离。该原理并不必须是上述的导线。导线只是最方便的形式，因为其具有较小的表面积。实际的部件可以是扁平的，例如0.002”厚、0.200”宽。在这种情况下，可能需要涂敷脱模剂，以防止层与层之间粘结。但是，该方法是将实际的部件插入所述结构并随后将其去除，从而便于去除有机材料。
在另一种实施方式中，使用碳带(carbon tape)作为间隙形成带94。问题在于使间隙形成材料均匀排出而不会致使燃料电池棒TM装置10中出现开裂或分层。如果该材料能够适时消失并留下开放通道则会更好，从而使阳极24、阴极26和电解质28中的其它聚合物材料能够焙烧出去。一种方法是使用蜡。精密铸造所使用的蜡工作良好，在90℃左右熔化，该温度高于时所述多层结构分层的分层温度，但低于粘结剂焙烧温度的150-300℃。但蜡并不理想，因为如果用蜡铸造2mil厚的薄片，蜡的强度不够。一触即碎。薄部的蜡应当强度更高。解决该问题的方案是在蜡中混入某种纤维以获得一定强度。碳纤维是一种选择。碳纤维可以从随机的纤维结构(即垫)或纺织纤维结构(类似于布)中获得。也可以使用其它纤维。通过将蜡浸入碳纤维可以得到最佳的性能。可以将该碳/蜡复合物置入所述多层结构以形成间隙。层压后，温度升至蜡的熔点，然后蜡变为液态并流出燃料电池棒TM装置10。这会在碳纤维中留下开放的空气通道，允许周围的、位于所述结构内的聚合物材料能够容易地焙烧出去。碳纤维在温度达到750℃之前不会挥发(变为CO2)。因此，能够形成一种结构，其中，主要的间隙形成材料在焙烧出粘结剂之前消失，从而为去除粘结剂留下间隙通道。然后，在中间温度时，聚合物自身挥发。最终，在高温时，碳纤维消失。图70是使用这种碳-蜡复合物进行烧结后消除蜡和碳纤维时留下间隙的图片。
优选在多层装置中实现高电流连接。在多层装置中实现相互连接的一种方法是使用通路孔(via hole)。可以通过在陶瓷带130上钻孔，然后填充该通路孔，以形成图71中所示的通路56，或者可以穿过印刷的绝缘层形成通路，但烘干后效果是一样的。图71中显示了通路56形成的连接，该连接将两个电极(阳极24或阴极26)连接在一起。下文说明中，为了简便起见，使用具有两个电极24的实施方式。通路56有利于传送电信号，例如数据传输，但对于传送电力或高电流来说不太理想。为了用于电力或高电流，需要多个平行的通路56以具有降低总电阻的效果。根据本发明的一种实施方式，改进的用于传送电力或高电流的方法是去除用于分隔导体的生坯带的整个区域。采用这种方法，相互连接可以基于很大的区域。在图72中，相互连接显示为位于两个电极(阳极24)之间，通过在两个电极(阳极24)之间完全去除陶瓷带或材料130。因为所述层(无论是带层还是印刷层)在生坯状态下是柔软的，所以所述层会发生变形。如果需要，可以在上述相互连接的区域设置额外的陶瓷材料，从而在组合过程中保持陶瓷的整体平坦。
细微的改变是在生坯陶瓷带130中冲孔出大孔142，如图73A所示，然后将陶瓷带130插入多层组件，或者可选择地，印刷具有大孔142的绝缘层并随后将导体印刷到顶部上。在多层方法中，所述电极下垂到大孔142中，形成较大的接触区域，如图73B所示(位于下方的电极也可以朝上偏移到孔142中)。该实施方式与上述通路孔的区别在于，通路孔的区域很小且必须单独填充该区域。另外，具有通路孔，顶部和底部的电极都不会变形偏移到所述孔中。
因此，本发明的实施方式设想了一种燃料电池棒TM装置10，其中，通过去除绝缘材料或者提供无绝缘材料的区域来形成相互的电连接，其中，位于绝缘材料的每侧(例如上侧和下侧)上的导体变形并偏移到无绝缘材料的空腔区域(voided area)中，以相互接触。导体在该空腔区域中接触，该空腔区域可以从燃料电池棒TM装置的内部一直延伸到所述装置的边缘。可以在特定区域将绝缘区域去除，例如通过冲压出孔或切割出特殊形状，例如矩形。
根据另一种实施方式，在一个层上形成电池的串联连接，这有利于增大燃料电池棒TM装置的电压输出，并更容易通过所产生的电力工作。例如，如果电池棒产生1KW电力，更容易设计电子产品并更容易设计工厂的平衡，使其能够处理1000V、1A，而不是1V、1000A。如图74A中小比例的示意性显示，中部使用了生坯陶瓷(例如锆)带130的一部分，顶部和底部为阳极24和阴极26。单独的阴影图案(与用于前面图中阳极24和阴极26的相同)表示阳极24和阴极26中的气孔，交叠的阴影图案表示无孔导体(例如导电陶瓷、贵重金属或非氧化金属合金)。所述电池仅存在于多孔区域144之间，如单独的阴影图案所示，因为无孔区域146不能接触到燃料或空气。
图74B从原理上显示了多个部件如何设置在一起(称其为原理上是因为在层压后不会保持倾斜，但原理上的说明用于显示该设计的搭接性)。在该组三个电池中，为了说明而不是限制，每个单元(或部分)的顶侧包括阳极24，每个单元(或部分)的底侧包括阴极26。如果将每个单元看作小电池，则三个单元形成的串可以看作串联的三个电池。该串联设计的一侧上可以具有燃料供给件34，顶部上具有阳极24，另一侧上具有空气供给件36，底部上具有阴极26。可以防止空气从一侧向另一侧泄漏，这可以通过在每个单元(或部分)的端部设置无孔区域146来实现。通过这种方法可以将多个单元(或部分)设置在一起，以获得所需的任意电压。
图74C显示了所述层在层压后的更准确的视图。所述层基本上是平的，但在搭接处具有额外的厚度。图74D显示了三个电池(或部分)设计的原理示意图。每个垂直的箭头表示一个电池，箭头方向限定极性。没有箭头的线表示不产生任何电压的相互连接。沿底部的水平箭头表示电流的大致方向。本发明不仅限于三个电池(cell)设计。图74A至图74D中所示的实施方式，在此称为搭接方法，可以用于串联连接两个或多个(例如5个或多个电池，10个或多个电池，20个或多个电池等)电池。
图75A至图75E显示了形成串联设计的可选择的方法，在此称为插入导体(plunging conductor)方法。代替将陶瓷带130切割成多个部分并搭接这些部分以形成串联电池，该方法使用了形成连续的陶瓷带130的片，该陶瓷带130的片的一侧具有一个部分的阳极24，另一侧具有相对的阴极26。片形(也称为相互连接件、导电带或插入导体)的导体电极148(例如导电陶瓷、贵重金属或非氧化金属合金)穿过陶瓷带130插入。导体带148可以是例如由LSM制成的生坯带件。在陶瓷带130中形成狭缝150，如图75A所示，导电带的一小段插入穿过陶瓷带130的中间位置。
图75B中显示了连续的陶瓷带130的侧视图。在本说明中，术语“电解质片”或“电解质带”都应理解为陶瓷带130。电解质片130的顶表面是两个部分的阳极24。该电解质片的底表面是分别相对于两个部分的阳极24的两个部分的阴极26。为了将两个部分串联，参照图75A和图75B，第一导体带148穿过狭缝150插入电解质带130，从而可以认为第一导体带148穿过电解质插入。接下来，如图75C所示，导体带148弯曲覆盖一个部分(或电池)的阳极24和另一个部分(或电池)的阴极26。然后，如图75D所示，使连接电极按压到阳极24和阴极26，即电池以串联形式进行层压。图75E说明了层压串联电池的顶部透视图，更清楚地显示了交叠的整个区域。有利地，每个电池由短、宽的部分制成，从而降低从一个电池到相邻电池的电阻。
根据另一种实施方式，将相互连接件(导体带)148分为多个部分是有益的。代替生坯电解质带130中的单独的狭缝150，可以使用多个短狭缝15，导体带148的多个部分分别穿过多个短狭缝150插入，如图76所示。从而提供多个插入导体。
在图75A至图75E和图76中，插入电解质的导电的相互连接材料应该是无孔的，以防止或阻止空气从电解质的一侧流动到另一侧。另一方面，阳极24和阴极26可以是多孔的，其既可以是没有无孔区域的完全多孔，也可以在与相互连接件148搭接的端部具有无孔区域146。使阳极24和阴极26完全多孔会更容易，从而能够以更少的工艺步骤制得材料。图77示意性地显示了通过相互连接件148连接所述电池而串联连接的四个部分(或电池)的侧视图，根据图75A至图75E和图76的实施方式，通过穿过插入电解质的相互连接件148连接各电池。因此，可以使用相互连接件148串联任意数量的电池，包括两个或多个，例如五个或多个电池、十个或多个电池、二十个或多个电池等。
图78A至图78C显示了对上述的用于沿多层电池的单层串联连接电池的插入导体技术的改变。在该实施方式中，如图78A所示，阳极24和阴极26部分各自具有延伸至燃料电池棒TM装置10侧部的远离燃料流动通道和空气流动通道的无孔区域146。电解质带30中的狭缝150形成为位于燃料电池棒TM装置10的侧部上，而不是燃料电池棒TM装置10的周缘上。穿过电解质带130连接阳极24和阴极26的导体带148能够仅放置在侧部边缘(margin)中并远离所述流动通道，层压前如图78B所示，层压后如图78C所示。
前述的实施方式(例如图71)，详细说明了通过在生坯陶瓷带130中形成通路孔并通过印刷电极填充该孔而形成的通路56的用途。在本发明的用于沿多层结构的单层串联连接阳极24和阴极26的实施方式中，如图79A所示，第一导体152可以从填充通路56到一个电池或部分的电极(例如阳极24)印刷在燃料电池棒TM装置的一侧上，第二导体154可以从填充通路56到相邻电池或部分的相对电极(例如阴极26)印刷在该燃料电池棒TM装置的另一侧上。除了用于电极的材料，也可以在填充通路56中填充其它材料。在图示的实施方式中，通路56填充有无孔导体。
插入电极的另一种选择是宽通路或长方形的通路156，如图79B所示，可以通过在电解质带130中形成长方形的通路孔来形成该通路156。该长方形的通路156与普通通路56的区别在于，普通的通路孔是圆的。该长方形的通路孔可以根据需要形成为宽的，例如与图75E或图76所示的用于插入电极148的狭缝150具有相同的尺寸。可以通过这种方式填充长方形的通路156，使得其允许空气从电解质层的一侧流动到另一侧。
使用通路孔的潜在问题是，材料在孔中的收缩可能不均匀或者大于带材料的收缩，这会允许空气从一侧移动到另一侧。因此，可选择的或其它实施方式中，通路孔(无论是圆的还是长方的)包括位于顶部和/或底部的柱塞以改善泄漏电阻(leak resistance)。具有柱塞的改善的通路的例子显示于图79C中。当具有柱塞158a和158b时，柱塞会仅在一侧(例如顶部)产生额外的密封，当具有柱塞158c和158d时，两侧都产生额外的密封。柱塞158a、158b、158c和158d可以通过一个或多个印刷步骤得到，或者通过分配操作得到。根据典型的实施方式，用于通路柱塞的材料为该材料能够阻止空气传送，如同在无孔材料中一样。当结合多孔阳极24和阴极26时，最终部分如图79D所示，其中，密实阴影材料是无孔的，而由阴影限定的材料与前面的图中一样，是多孔的。
作为上述以串联方式连接单层的实施方式的拓展，使用燃料电池棒TM装置10中的多层可以形成并联连接。图80显示了一组叠放的、串联连接的单层，其中，叠放的层还相互并联，并联电连接通过数对的阳极和阴极之间的垂直线160显示。虽然一些串联连接显示为插入导体148，但也可以使用其它连接部件。在图示的具体实施方式中，存在三个活性层，每个活性层由四个电池(部分)串联形成。因此，图示中共有12个电池。可以通过一个燃料通道供给两个不同的电池通道，以增大密度。层与层的电池极性相对：顶层和底层中，阴极到阳极的方向为朝上的箭头；中间层中，阴极到阳极的方向为朝下的箭头。在本实施方式和其它实施方式中，这种将公共的燃料通道用于电极对、使层与层的极性方向相对的特征提供了得到更高密度的燃料电池棒TM装置的方法。
图80A中显示了两个阴极26或两个阳极24之间的并联连接沿图80的80A-80A线截取的截面，图80B显示了透视图。阳极或阴极对可以简单地通过允许阳极或阴极对分别在燃料通道或空气通道的边缘接触以形成边缘连接160而进行连接。图80中的垂直线表示边缘连接160。在图80A所示的实施方式中，边缘连接160位于两侧(图80A中的左侧和右侧)；但是，仅在一侧连接也能够实现电连接。该连接使得两个阳极24或阴极26并联电连接。还可以使用通路连接或其它连接方法。参照图80中的点B到点B的通道，点B通过导体连接，使得通道B具有相同的电位。在图81中，通道B表示为直线。图80、80A、80B中的电池布置的净效应是大量的串联和并联结合，如图81所示。如果所述装置内的一个电池或相互连接件失效，这种布置对于变换电力是有益的。电流和电压能够围绕损坏或变劣区域流动到另一功能电池。
图82示意性地显示了具有搭接层的串联结构的单层燃料电池棒TM装置10的横截面，如前面在图74C中更详细的说明。陶瓷29形成顶盖和底盖，而且显示了理想的空气通道20和理想的燃料通道14。图1中，空气出口22和燃料出口16垂直于图示的平面。如图83A至图83B中的示意性显示，该装置还可以通过大量串-并混联方式结合，如前面在图80至图81中所示的实施方式所说明的那样。图83A中，可以从空气通道和燃料通道边缘连接部160作出虚线，如图80A和图80B所示。另外，提供了高密度结构，其中，电池可以是串联也可以是并联，电池的层之间极性交替，如箭头所示，并因此具有如下优点，即如果某个电池失效，则电流可以通过该电池周围的通道输送，如图83B所示。
图84A和图84B中说明了另一种在位于同一个空气通道上的两个电极之间提供方便的并联连接的实施方式。这可以分别在燃料通道14或空气通道20的两侧上的两个阳极24或两个阴极26做出。图84B中使用了两个阳极24的例子。阳极24连接于燃料通道14的中部区域，而不像图80A那样仅连接于通道14的侧部。可以通过在用于形成空气通道的牺牲间隙带94中设置孔或间隙164来简单地形成中部连接部162。该孔可以为圆形或长方形(例如图84A中所示的狭缝)，并且可以设置多个孔。层压和烧结后，顶部和底部阳极或阴极会接触到存在有间隙164的区域。有利地，中部连接部162形成为使得该中部连接部162不会显著减小燃料电池区域的活性(active)区域。
对于主要参照图28A至图28D说明的采用串联设计的多层螺旋管燃料电池棒TM装置200，在螺旋管燃料电池棒TM装置200的外侧形成两个电连接是有利的。这允许最简便地从阳极点和阴极点连接到冷区。如果螺旋管燃料电池棒TM装置200缠绕为使得该串联组的一端位于缠绕卷的外侧，另一端位于内侧，则会更难处理内侧连接。这是因为气体连接管设置在螺旋管燃料电池棒TM装置200的端部上，但电连接需要位于内侧。因此，如果两个电连接都位于外侧会更好。图85A中示意性地显示了非卷绕结构的螺旋管燃料电池棒TM装置200，串联连接(也通过箭头示意性显示)是通过使串联设计起始和终止于卷绕区域的外侧，并向内延伸且形成U形转向来实现的。
单独的电池166用单独的矩形块体显示。该块体短而宽，从而具有低电阻(每个电池的端与端的导电长度短，但更宽的区域允许更大的电流)。这种设计与上述形成串联连接的两种方法(搭接部分，或具有穿过电解质层的插入导体)可以结合使用。就燃料通道14和空气通道20的布置结构而言，最方便的是使得这些通道从侧部进入并随后连接而沿公共通道167一起引出。图中显示了用于卷绕螺旋管燃料电池棒TM装置200的芯轴168。可以用牺牲蜡涂敷芯轴168，然后在层压并且蜡熔化之后去除。最终形状如图85B所示，螺旋管燃料电池棒TM装置200具有从外侧朝向中心部延伸、并进而再从中心部朝向外侧退出的串联通道。图中用箭头表示单个电池166。
用于形成螺旋管燃料电池棒TM装置200的串联连接的另一种方法是沿管燃料电池棒TM装置200的长度形成串联线。在图86A所示的未卷绕结构中可以用箭头示意性地显示串联通道。因为活性区域非常宽，所以卷绕后电池166会从管的内侧延伸到外侧。本实施方式中，使用多个穿过电解质插入的短导体148形成串联连接。单独的插入导体148允许在成型、卷绕和层压步骤中使得电解质层具有更高的强度。但是，也可以用图74C中所示的搭接部分形成串联连接。图86B示意性地显示了本实施方式的最终卷绕形状。如图85B所示，箭头表示单个电池166。
在这种特殊的卷绕设计中，使用两个串联的层以增大管燃料电池棒TM装置200的体积密度是有利的。但是，并不必须具有两个以上的并联层，因为所述层本身能够折叠。图87A是图86B中的一个长的单个电池166的示意性侧视图，显示为该电池从左向右延伸。当两个层结构(两个电解质层28、两个阴极26、两个阳极24、一个空气通道20、一个燃料通道14)卷绕在其自身上，如图87B所示，底部阴极26的顶部接触空气通道20。因此，多于两层是多余的。本领域技术人员应该理解的是，通过上述实施方式的教导，可以使管燃料电池棒TM装置200设计为包括以并联方式工作的多个串联设计的结合。
根据本发明的另一种用于对螺旋管燃料电池棒TM装置200或集中管燃料电池棒TM装置300提供电连接的实施方式，燃料电池棒TM装置的整个端部可以制成导电端170a、170b，如图88A的未卷绕示意性结构和图88B的卷绕、螺旋形(例如)管结构所示。为此，在管燃料电池棒TM装置200、300的端部用导电材料代替绝缘陶瓷材料。该导电材料用阴影区域显示，并且可以是例如LSM或由两种或多种独立材料混合的收缩匹配材料，例如LSM和YSZ混合物，这在包括大部分管燃料电池棒TM装置200的陶瓷29的烧结过程中会更好地匹配收缩。具体地，在串联设计的第一个电池和最后一个电池中，卷绕的电极的中部必须能够与连接于外界的连接件接触，如同该电池的最外层。用阴影显示的导电区域170a、170b有效地允许形成这种连接。接触内部电极部分的可选择的方法(未显示)是在燃料电池棒TM装置中钻孔并回填导电材料。
图86A和图88A所示的实施方式的气体流动通道14、22的布置可以如图89所示。为了供给活性区域，气体可以在入口12、18进入电池棒并到达较大的公共通道167，然后分支以用于每个单独的电池166。图89中，气体进入公共通道167并从多个小分支离开，但图85A中是相反的。
在包括串联部分(或电池166)的燃料电池棒TM装置10中，与容易地安装在一个燃料电池棒TM装置10的长度中相比，具有更高的电压(更多部分)是有用的。在这种情况下，根据本发明的另一种实施方式，这些串联部分在离开电池棒以对外界提供电力之前可以定位为沿电池棒的长度双重往复设置。图90是燃料电池棒TM装置的示意性侧视图，显示了如何将串联的十五个部分(电池166)设置在一个装置中，主要是通过将通道在两个位置折叠。也可以将多个这种部分设置在一个燃料电池棒TM装置10中使得十五个部分相互并联。
根据另一种实施方式，折叠设计提供了以串联的多层形成燃料电池棒TM装置10的另一种方法。图91以透视图显示了具有串联的六个电池166的电解质层29。这些电池既可以通过搭接方法也可以通过图示的插入导体方法连接。为了将该片结构安装在燃料电池棒TM装置10中，可以通过例如折叠方式折叠电解质层29。观察片结构的端部，图92A说明了电池166之间的弯曲处，该弯曲处用箭头显示。沿箭头弯曲，电池组开始形成图92B左侧所示的折叠堆。进一步压紧折叠堆，则形成图92B右侧所示的压紧的折叠堆172。然后可以将压紧的折叠堆172方便地放置在燃料电池棒TM装置或多层燃料电池中。串联的电池数量仅由设计者的意愿限定。通过垂直或水平地布置组，多层折叠堆172可以并联(即电并联)放置在燃料电池棒TM装置10中。间隙形成材料(例如间隙形成带94)可以设置在阳极24和阴极26上，然后作为牺牲材料从气体通道22和燃料通道14中去除。
为了匹配热膨胀系数(CTE)，使折叠堆172的一侧或两侧不连接于周围的装置材料(也就是顶盖或侧边缘)是有益的，从而具有自由悬浮区域。在折叠堆设计的实施方式中，折叠堆172中的第一个电池和最后一个电池连接于所述电池棒的顶盖和底盖，但不连接所述折叠堆的中部的全部或一部分。图93A和图93B中显示了燃料电池棒TM装置10的横截面。图93A显示的设计中，折叠堆172的左侧不连接所述装置的左壁，但在中间弯曲区域，折叠堆172的右侧锚接于所述装置的右壁。这能够允许所述层远离所述壁，从而在烧结所述装置时，允许折叠的层以与盖的材料(cover material)不同的速率收缩。图93B中显示了类似的结构，区别在于除了折叠堆172的两个端电池，折叠堆172与电池棒的左壁和右壁都不连接。在这两种实施方式中，优点在于能够一次性将气体(空气或燃料)提供给多个电极。虽然图93A和图93B显示了一个较大连续的、折叠的活性区域(即折叠堆172)，但可以理解的是，可以使用上述串联和并联电池实施方式实现相同或类似的效果。图93A显示了连续的阳极24和连续的阴极26，而图93B显示了多个间隔开的阳极24和阴极26，使得弯曲区域没有电极材料。与图92B相同，图93B电连接间隔开的电极并因而使用在弯曲区域穿过电解质28的插入导体148串联电池166。每种实施方式(例如连续电极或间隔开的电极)都可以用于自由悬浮设计。
自由悬浮层的优点在于如果具有阳极和阴极的复合结构的CTE与主体的其余部分(边缘、顶盖和底盖)的CTE明显不同，则自由悬浮区域允许断开物理连接。可以理解的是，除了折叠结构之外，其它燃料电池棒TM装置10结构也可以由该自由悬浮结构形成。图94A显示了两个并联(与图93A和图93B中的串联相反)活性层(每个层包括阳极24、电解质层28和阴极26)的横截面，该活性层的侧部自由。图94B显示了沿图94A的94B-94B线截取的燃料电池棒TM装置的俯视截面图，显示了活性层沿三个侧部自由并锚固在所述装置的一侧。这种几何结构不会增加气体在悬浮层外侧的空气通道14中的流动路径的复杂性，但会增加气体在悬浮层内的空气通道20中的流动路径的复杂性，该复杂度可以通过使气体按照如图94C和图94D那样沿陶瓷29的边缘引入空气通道20并随后转入内部空间、穿过阴极26并回到陶瓷29而解决。
上述各种实施方式具有共用空气或燃料通道的优点，这改善了密度。当气体流动通道用于并联工作的阳极或阴极时，可以在边缘区域或中部区域的多处接触这些阳极或阴极。但是，在其它实施方式中，具有用于串联工作的阳极或阴极的空气或燃料通道可能是有益的，并且在这些实施方式中，阳极或阴极应该电绝缘，以防止所述装置短路。为此，可以在所述气体流动通道内设置阻挡层174的材料，以在一个电极与另一个电极之间提供机械的电绝缘如图95中两个阴极26的横截面所示。阻挡层174可以是连续的或具有缺口，以允许气体从一侧移动到另一侧。所述阻挡层可以仅存在于活性阳极24和阴极26的区域，或者所述阻挡层可以在多层结构中进一步沿所述流动通道延伸。阻挡层174防止了电极之间的短路。阻挡层174可以非常薄，这会导致一些变形，但只要其能够保持电绝缘即可。例如，阻挡层174的厚度可以在约5μm至50μm之间。可以添加非导电颗粒(例如氧化锆或烧结前牺牲有机材料72中的陶瓷球体)以支撑阻挡层174，这与参照图7B、图7C和图7D所述的通过柱体54支撑其它层的方式类似。
用于防止串联的两个阳极24或阴极26之间短路的可选择实施方式是，在阳极24或阴极26的顶部设置绝缘层176，如图96所示。例如，绝缘层176可以由例如氧化锆或电解质材料制成。绝缘层176必须是多孔的，以允许气体穿过绝缘层176进入阳极24或阴极26，并且必须是不导电的。在该多孔的绝缘层176下方，阳极24或阴极26仍需要具有其应有的性能：气孔、导电性和化学反应位置。例如，绝缘层176的厚度可以在约1μm至25μm之间。
在多层燃料电池的高端应用中，电解质、阳极24和阴极26足够薄，使得烧结后的变形成为材料的一种特性。在上述设计发生变形并且绝缘层176起到作用的情况下，则上述结构如图97所示。在该情况下，因为燃料通道14或空气通道20沿其宽度的其它某一些些位置开放，因而燃料通道14或空气通道20没有完全收缩封闭。这导致阳极24或阴极26接触，但因为至少一个绝缘层176处于接触位置，所以阳极24或阴极26不会发生短路(即电接触)。
为了从热的燃料电池棒TM装置10传送电力，用LSM作为表面导体，其导电性不会像金属那样。为了长距离(几英寸)传送电力，LSM的电阻有助于减少电力损耗。这种电力损耗可以通过形成较厚的LSM导体来克服。为此，没有采用丝网印刷(screen-printing)，将LSM铸造成LSM带178更有益，然后将LSM带178组装燃料电池棒TM装置10的顶部和/或底部所述结构中，，分别如图98A的横截面视图和图98B的透视图所示。通过这种方法，厚度可以在几mil(.001”-.005”)至几十(.01”-.05”)mil(密耳，即千分之一英寸)厚之间改变，并能够覆盖所述电池棒的整个宽度。使一种较厚层与其它层一起烧结时，LSM的CTE会存在问题，在该情况下，可以在LSM中混入YSZ(与阴极中相同)，以更紧密地匹配整个电池棒的CTE。另外，LSM在低温时不导电，因而应当在燃料电池棒TM装置10的位于炉外部的区域上的LSM的顶部设置贵重金属(例如银)或其它低温导电材料。虽然说明的是LSM，但可以理解的是，本发明不仅限于此。提及LSM时，任意导电材料、非氧化物金属或贵重金属都可以使用，因此，LSM带178实际上可以由LSM以外的材料制成。
根据本发明的另一种实施方式，可以用镍作为导体形成燃料电池棒TM装置10端部的低电阻连接。但是，只要存在空气，镍就会处于氧化状态而氧化镍是不导电的。燃料电池棒TM装置10优选在空气中使用，因为当炉与大气配合使用时能够使整个系统更加简化且成本更低。因此，使用镍作为导体的问题在于必须使其处于还原状态。所以，为了克服镍氧化的问题，使用了延伸到所述装置的端部的容纳有镍导体182的内部通道180，并且内部通道180供给有燃料以防止氧化，如图99所示。镍的导电性低于铂，大约是6μohm-cm(欧姆-厘米)，因此镍在可获得的最好的导体(铜、银)的范围内。因此，通过使镍导体在通有燃料的内部通道180内占据一定空间，会使镍处于还原状态，从而允许其使用。进一步参照图99，在镍导体182的端部(管连接的附近)，镍导体182可以伸出所述装置，以与如前面图中所示的接触垫44和连接件134电连接。例如，这里可以使用银从还原空气过渡到环境空气。本实施方式结合前面参照图67A至图67B所述的连接件134予以说明，但并不限于此。
根据本发明的另一种实施方式，多层陶瓷燃料电池结构，无论是燃料电池棒TM装置10、100、400、500还是管燃料电池棒TM装置200、300，或者其它多层装置，都可以使用生坯陶瓷技术制作，并且随后永久连接端管184。端管184可以从热区延伸到冷区，在冷区可以连接其它形式的管或空气输送件(例如供给管50)。可选择地，端管184可以连接燃料和空气供给或排放去除设施，而无需使用供给管50。多层装置(例如装置10、100、200、300)位于热区，端管184永久连接过渡到冷区。如图100A和图100B所示，多层(管)燃料电池棒TM装置10、100、400、500(200、300)或任意其它具有多个空气和燃料通道的燃料电池结构设置有特殊的卷绕端管186，该卷绕端管186是端管184的一种实施方式。装置10、100、200、300、400、500(即阳极、阴极、电解质和燃料通道)通过在此说明的各种方法形成，然后增加卷绕端管186连接。通过卷绕技术增加卷绕端管186，其中，所述管由带制成，然后将带围绕所述电池棒的端部卷绕足够的圈数以提供足够的厚度，然后继续卷绕以得到所需长度的端管184。在卷绕端管186的未得到支撑部分内需要设置芯轴，在这种情况下，可以使用涂敷有脱模剂或蜡的临时芯轴。可以对所述管的层进行层压，以获得足够的强度和密度。层压后可以去除芯轴。永久连接的端管184能够对活性结构提供机械和电连接。永久连接的端管184通过一起烧结而基本上与活性结构一体连接。这为该设计提供了耐用性。因此，通过一起烧结最终的装置，连接的端管184能够烧结在多层装置(例如10、100、200、300、400、500)上，从而基本上一体形成。
端管184可以由导电陶瓷制成，例如LSM，或由氧化镍制成。在过渡到冷区或空气的位置上，端管184可以涂覆有导电金属或合金。可以像作画或卷绕带那样涂敷该金属或合金和最终管设计的冷端。可选择地，代替卷绕端管186，端管184可以通过例如轧制或挤压制成。如果端管184在生坯状态下是柔软的，则可以通过层压连接陶瓷。卷绕端管186或增加的端管184也可以是两种或多种材料的组合物。例如，在使用LSM的情况下，可以在LSM中掺入YSZ以有助于匹配CTE和纯YSZ的烧结性能。
理想地可以形成多层装置的复杂活性结构并随后烧结，然后将端管184永久连接到端部，但这存在实际困难。使所述装置的端部形成为容易接受管连接件的形状将是有利的，如图101所示的装置10(该装置还参照图3A和图3B的用于非永久管连接的圆柱端部进行了说明)。可以成型(例如通过机加工)(优选在生坯状态下加工)活性装置10的外侧端部，以形成容易安装陶瓷端管184的圆柱端部190，从而提供轴向连接。对于紧密安装在较大的系统中的燃料电池棒TM装置10(或100、200、300、400、500)来说，端管184的轴向连接是理想的。
可选择地，燃料电池棒TM装置10的端部11a、11b的内侧可以机加工为形成可以插入一个或多个端管184的一个或多个端孔192，如图102A和图102B所示。在很多设计中，并排插入两个或多个端管184是有利的。多个插入的端管184可以为小型化(例如用于手持装置)带来方便，或便于发电站的简约设计。
可以在两个部件(活性装置10和端管184)为生坯时形成端管184的永久连接，从而能够一起烧结，或者在该两个部件分别烧结后永久连接，或者在一个已经烧结而另一个处于生坯时永久连接。如果进行连接时两个部件已经烧结，则可以使用玻璃或玻璃陶瓷(或低烧结陶瓷，例如添加有烧结辅助陶瓷如铝土的YSZ)形成连接。如果两个部件在生坯时连接在一起，则可以使用层压方法或上述连接材料。如果一个部件是生坯而另一个部件已经烧结，则这些连接方法都可以使用。
根据另一种用于永久管连接的实施方式(显示于图103A的透视图中)，可以在活性装置的一端设置矩形端部194，并使用连接于该端部的匹配的矩形管196，以伸出所述炉。另外，可以使与匹配件匹配的端管184的连接端为矩形而另一端为圆形。这种形状过渡端管198显示于图103B中，可以通过铸造或模塑制成。具体地，该形状过渡端管198可以制成符合形状要求的模塑陶瓷件。所述矩形端很容易层压在矩形端部194上，然后该陶瓷件可以将形状改变为圆形或其它形状的管，以过渡到炉外。另外，这些管和出口通道可以由导电材料制成，从而可以在实现电连接的同时实现气体连接，以通过减少部件的数量并使这些部件起到多于一种作用而简化所述系统的最终设计。
已经在所说明的各种实施方式中说明了用生坯带构造所述结构。但是，不是必须使用生坯带。另一种选择是网丝印刷所述结构中使用的所有材料。这无需带的使用，但得到了看上去布置非常相似的最终生坯装置。实际上，很难区别出通过网丝印刷技术设置的氧化锆层和设置为带片的氧化锆。另一变型是采用分配器来书写所述材料。在最简单的形式中，可以是像笔一样书写材料的管，但本领域技术人员应该理解的是，随着时间推移和小型化的继续发展，实现这种目的的精确方法会更加成熟。使用书写方法可以形成复杂的结构，具有较小的槽和更复杂的3D结构。但是，实际上，这些方法不如多层陶瓷技术有用。当结构越来越小时，使用相同数量的书写头，形成较大装置的时间会变长。该方法自身存在生产率的问题。使用带方法或印刷方法来制造所述装置更实用，如同电流电容器制造方法一样，其中，一个工厂每周生产10亿小芯片，每个芯片具有400个以上的层。但是，本发明已经想到了这种制造本发明的燃料电池棒TM装置的方法。
在多层装置中，也可以用微管代替层。结合时管能够提供较大的面积。如果多层装置包括成千上万的微管，则可以在构建过程中通过将这些微管端对端连接、并排连接或形成较大的层组来结合这些管，以得到电压。但是，书写的复杂性再次成为降低生产率的因素。但是，总之，使用根据本发明的“构思形式”允许该设计工作。该“构思形式”表示具有实际结构的本发明的装置，其中的材料系统能够朝实现整体设计目标的方向使用。因为物理结构与材料性能配合良好，所述装置能够允许沿所述装置的长度的剧烈的温度变化，允许低温和低成本连接，简化了结构并增加了耐用性。
在上述各种实施方式中，在用于SOFC或其它燃料电池装置的“构思形式”中使用了多层阳极、阴极、电解质和间隙。该“构思形式”还用于在预烧结的陶瓷芯(氧化镍、YSZ、LSM或任意其它优选的材料)上构建的燃料电池棒TM装置10、100、200、300的多层活性结构，从而具有例如板610、长板612、管614或扁管616结构，如图104所示。最终形状与前述设计相似，但制作方法从固体材料610、612、614、616开始，然后在这些固体材料上增加厚膜的层(厚膜指的是涂敷膏层，可以通过印刷、浸入或书写涂敷)。
在使用现有的扁管616或圆管614设计时，管的中部容纳一种气体，管的外侧表面露出于其它气体。将扁管616或圆管614设计改变为多层设计要求气体应当被控制在管中。扁管作为用于附加说明的举例。在现有的使用中，扁管内可以具有支撑件，以控制空气或燃料流动。扁管为多孔的，使得其允许气体向外扩散到阳极24、阴极26和电解质28。支撑件的一种实施方式为提供结构强度的肋，可以是图105A所示的垂直结构(垂直肋620)或图105B所示的三角肋622。除了具有肋，扁管616的内部在通道624内仅容纳一种气体。如现有技术中清楚地说明的那样，图106显示了目前如何使用扁管将一种气体供给到一个电极。弯曲的箭头显示了气体如何穿过所述管的多孔陶瓷向上朝第一电极扩散(如果电极位于扁管的两侧，也可以朝下扩散)。
根据本发明，肋620用于将通道624分为两个交替组624a、624b，使得一些运送燃料(燃料通道624a)和一些运送空气(空气通道624b)，如图107A至图107B所示。为了降低成本，这些扁管可以挤压制成，因而交替通道624a、624b可以在每个端部11a、11b密封，以允许气体沿相对方向交替流动(alternating flow)。可以通过高温材料密封例如玻璃或陶瓷，或者如果在扁管的冷区，可以用低温材料例如有机材料或硅密封。可选择地，可以通过模塑制作所述管，在制作的同时密封交替通道。如图108所示，如果需要，可以使每个通道624a、624b的第一端11a开放，从而空气和燃料沿相同的方向进入和穿过相邻的通道624a、624b。在这种情况下，所述肋需要是无孔的，并且不能存在允许两种气体混合的缺陷。可以在一端11a使用连接件将正确的气体引导至正确的通道624a或624b，如图108所示。
此外，可以涂敷涂层626(例如玻璃或致密陶瓷)，以密封扁管的部分区域，从而控制气体穿过多孔管流动，如图107B所示。未涂覆的多孔表面则允许适当的气体向上扩散到多层活性结构的适当通道中。密封多孔管的表面和允许多孔表面向适当的区域扩散适当的气体，这两种方式可以任意组合。
可选择地，不一定必须是多孔的扁管616才能用于这种设计，这与现有技术中的单层扁平多孔管不同。替代地，可以形成孔(下文参照图109说明的实施方式)，该孔允许气体离开通道624a、624b并向上移动到多层活性结构中。可以在扁管616处于生坯状态或烧结状态时增加这些孔。扁管616可以延伸到所述炉外，使得一端11a容易在冷区折叠以用于一种气体，而另一端11b在另一端折叠以用于其它气体(也在低温下)，如图111所示。可选择地，扁管的一端(例如图108)可以伸出所述炉，空气和燃料都可以在冷端11a供给到通道624a、624b内。可以使用匹配管11b的端部11a的复杂连接件，并将空气和燃料提供到适当的通道624a、624b中。在所述炉中，扁管616中的孔可以允许气体向上移动到多层活性结构中。气体通道624b可以允许气体流动到多层活性结构中，而燃料通道624a可以允许燃料以类似方式流动。单独的孔可以用于单独的层，或者一个孔可以用于多个层。
在多层活性结构中，可以组建串联或并联结构的任意结合，如图前面的附图所示。图109所示的本发明的燃料电池棒TM装置600中，可以使从扁管中供给的气体进入通孔路径628，以使气体上升到适当的层。可以使用各种技术和设计，例如支柱(column)、壁凸、偏移通道等，从而通孔路径628能够在流动气体不离开该通道的情况下延伸。应该注意的是，垂直弯曲的粗实线是表示图示的内容并不位于同一平面横截面的显示方式。图110显示了一种可选择的方法，使气体通道14、20在其延伸的侧部区域变形，从而使得气体通道向下汇合扁管616。如果将厚膜材料添加到扁管616的表面以构建多层活性结构，则可以更简单。
图111显示了构思形式的燃料电池棒TM装置600的透视图，其中，端部伸出所述炉，更具体地，扁管616位于热区32中，并且其相对端11a、11b的端部11a、11b进入冷区30(也可以选择使一端进入冷区)，在扁管616上构建有多层活性结构，通孔路径628用于使气体向上扩散到多层活性结构中。可选择地，如图112所示，扁管616的端部11a、11b可以位于炉内部并连接于用于输送气体的高温歧管630。
根据本发明的构想形式的扁管616的变化是窄扁管632，其中，在扁管穿过炉壁96的区域，该扁管的宽度减小，如图113所示。可以通过各种方式使窄扁管632的内部设计能够使得较窄的端部匹配管的主要区域。例如，可以使肋从窄端到主要区域铺开，从而所有或一些通道624的尺寸增加，或者可以使增加的肋620、622位于内部，从而使流体分流到增加的通道624中，以供给更多的区域。通过使窄扁管632的离开炉的部分的宽度更窄，更不容易开裂。
在这里说明的扁管实施方式中，作为歧管630的替代方案，可以将单独的端管184插入炉内，以在端孔192处匹配扁管616(632)，如图114所示。管184可以一起烧结，可以永久连接，或者可以临时并通过玻璃或机械压力连接。
SOFC在高温(通常为800℃)下运作良好。根据本发明的一种实施方式，可以方便地使用所谓的透明炉(see-through furnace)来操作本发明的燃料电池棒TM装置(10、100、200、300、400、500、600)。透明炉可以是由Thermacraft公司制造的Trans TempTM炉。管炉是管内具有加热元件并具有开放端部的绝缘管。管炉的中部能够迅速加热到操作温度。在该透明炉中，绝缘管由多层石英和/或玻璃管制成，通常是两层但也可以用更多层，石英层能够使炉充分地绝缘并允许人看到内部。通常，石英管的内侧具有少量反射材料(例如金)涂层，以将多余的热量反射回炉内。Trans TempTM炉由炉内的螺旋电圈提供电力。另外，Trans TempTM炉可以通过其它方式加热，例如气体燃烧结构。使用Trans TempTM炉作为操作本发明的燃料电池棒TM装置的操作形式使得容易观察在管炉内操作的燃料电池棒TM装置。
例如，摩托车可以通过SOFC技术提供电力，其中，管炉位于通常用于气体箱的区域。也可以通过这种方法为汽车提供电力。与在新法拉利汽车设计的发动机上使用玻璃板以使人能够看到发动机的原理相似，使用透明SOFC炉也可以使得人们可以看到SOFC发动机。或者在房屋中，SOFC可以对整个房子提供电力并使用透明炉。一个世纪以前，壁炉位于房子的中央，作为加热和烹饪的中心；在现代房子中，透明SOFC炉可以位于房子的心理中部。在汽车设计中，可以具有一个以上的透明炉元件。可以并排设置四个。或者四个元件可以形成“+”形状。除了审美，用于SOFC的透明炉设计的功能因素是能够观察到炉在正常工作的能力。该设计的美术因素能够对更大的产品或场所的其它设计方面产生积极影响。
当Trans TempTM炉涂覆有金时，或者在未涂覆有涂层时，炉的颜色基本上是橙黄色。根据本发明，可以用不同物质涂敷二氧化硅(石英)的内侧，或者涂敷二氧化硅管，从而可以使颜色变为蓝色、绿色或任意其它所能想象的颜色。
因此，本发明设计的燃料电池棒TM装置中，通过具有透明壁96、96’或96”的炉结构提供热区32。另外，可以用使热区32发出不是橙黄色的颜色(例如蓝色)的元素来涂敷热区壁96或掺杂到热区壁96中。可以通过燃烧燃料或通过电阻丝加热炉(热区)32。另外设计的是完全或部分通过SOFC提供电力的汽车，其中，使用透明炉或多个透明炉形成SOFC的热区32。另外设计的是具有透明壁96、96’或96”的、至少部分由本文的燃料电池棒TM装置提供电力的房屋加热炉。上述所有关于燃料电池棒TM装置的实施方式(包括管燃料电池棒TM装置)都可以包括透明热区32。
已经参照SOFC详细说明了上述实施方式。但是，这些实施方式也可以用于熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)。原理上的主要区别在于电解质由氧化锆改为熔融碳酸盐(例如碳酸锂或碳酸钠)。碳酸盐在更高的温度下熔融并能够传导(以CO3的形式)氧离子。熔融碳酸盐保持在多孔陶瓷(例如LiAlO2)中的毛细管内。阳极和阴极都以MCFC中的镍为基础，而不是通常用于SOFC中的LSM。用多孔LiAlO2代替用于SOFC的结构氧化锆并使碳酸盐位于所述孔内。并且在气流中加入CO2。这种构思形式，即根据本发明的用于燃料电池棒TM装置的全部结构都可以用于MCFC。
本发明还设计使用氨(NH3)作为燃料电池棒TM装置的燃料。氨能够像碳氢化合物或氢气一样在阳极侧提供H+离子。使用氨的优点在于，与氢气类似，不会排放任何CO2。但是，使用NH3的缺点在于有毒。
本发明还设计使用燃料电池棒TM装置将喷气发动机转变为电动机结构，这可以获得更高的燃料效率。使用燃料电池棒TM装置产生发动机动力可以减少燃料消耗和用于飞行所必须的燃料负载。其不再称为喷气发动机，该推进发动机可以称为内外函喷气发动机(ducted fan)，或者如果没有外部引擎罩则可以称为风机(fan)。据估计，如果可实现10MW电力，则内外函喷气发动机可以代替波音737的喷气发动机。使用密度值更高的1MW/ft3燃料电池棒TM装置组件，可以产生这种飞机动力。可以使用多个单独的单元来产生10MW，具体地，可以使用10个模块，每个模块产生1MW。通过在机翼上具有动力产生模块，这些模块可以尽可能地靠近发动机，从而能够减少电线中的电阻损耗。使SOFC位于机翼的可选择设计是使SOFC位于机身。机身的振动小于机翼的振动，因此机身是更合适的位置。从机身向机翼传递电力的导电问题可以通过在传递电力时在更高的电压下操作来予以克服。或者，使用高温陶瓷超导体传导这段距离是有益的。因此，根据本发明，提供一种使用电推进系统的飞机，其中，通过多个SOFC模块产生驱动该电推进系统的电力。电推仅系统的一种实施方式是风机(有引擎罩的或无引擎罩的都可以)。另外，这些模块可以定位在飞机的机翼内。
根据本发明的另一种实施方式，使用微米尺寸或纳米尺寸的管结合气体通道和阴极，和/或结合燃料通道和阳极。通过结合这些特征，可以制作更高电力密度(KW/L)且更坚固的燃料电池棒TM装置。代替分别使得用于气体和燃料流动的气体通道14、20邻近于阳极24和阴极26，通过在阳极和阴极内设置微管或纳米管(统一称为的微/纳米管)可以产生流动间隙。这能够显著改善气体在阳极和阴极内的扩散。目前，阳极和阴极是多孔的，气体穿过这些孔扩散。实际上，气体不会迅速扩散，这可能是因为这些孔随机分布，因而气流必须穿过曲折的通道。通过设置被限定为阳极24和阴极26内的通道或路径的微/纳米管，其显然能够比阳极24和阴极26自身的随机分布的孔更直且更长，因而能够改善燃料利用。
实际上，可以在阳极和/或阴极材料中插入纤维634。例如，可以使用碳纤维材料。纤维可以是垫型布料636，从而纤维的长度相对短，分布随机并能够按入或压入薄片中，如图115A(放大500倍)和图115B(放大200倍)的显微照片所示。理想地，可以使用任意类型的有机布料或织物。可选择地，可以在电极膏中分布长的颗粒，以在烧结后得到长孔。碳斜纹织物尤其有益，因为能够容易使大部分纤维沿优选的流动方向定位。
在图115A和图115B中，纤维634的直径为5-10μm。可以通过使得单位面积的纤维数量更多而使该直径更小(即纳米级尺寸)。例如，可以使用直径为1-100nm的纳米管。可选择地，可以使用直径为0.1-100μm的微管。通常，管的直径可以小至1nm或以下，大至约100μm，例如50nm至50μm。
然后，可以使用电极膏浸润纤维634。该电极膏已经是多孔的，并且包括石墨粉以有助于提供尺寸为0.5-3μm的额外的孔。焙烧和烧结后，图115A和图115B所示的纤维和石墨粉会在电极内形成能够增加间隙分布的网状孔和微/纳米管。对于碳纤维来说，会在烧结轮廓过程中在750℃以后消失。图116A至图116C是放大显示形成在烧结后的电极内的微管638的显微照片，通过焙烧直径为5-10μm的碳纤维，在阳极24中形成三个不同的通道。
本实施方式能够在阳极24和阴极26中获得良好分布的燃料和空气，并允许在阳极和阴极区域内去除燃料通道14和空气通道20，因为如果燃料和空气能够穿过阳极和阴极流动则无需使燃料和空气在阳极和阴极上方流动。另外，如果去除了阳极和阴极上方的间隙，则阳极和阴极能够接触到多层结构中邻近的电解质28，从而显著提高了多层结构的强度。
应该理解的是，可以在任意多层燃料电池结构中使用微/纳米管638，无论该结构是否具有从热区延伸到冷区的构思形式。本实施方式可以用在方板上，或者用在管表面上。当设计具有多层性质的系统或设计3D尺寸时尤其有效。
在所述多层燃料电池棒TM装置中，可以将试样形成为例如使得电池的连续的层之间的距离为0.010”，即电解质与电解质之间距离为0.010”。即10mil包括2mil的间隙，以用于燃料或空气流动。根据本实施方式，通过去除这2mil的气体流动厚度，可以使电力密度(KW/L)显著增加20％。但是，应该理解的是，阳极和/或阴极中的微/纳米管638可以与空气/燃料通道(间隙)结合，以增加流动，而不会成为去除所述间隙的手段。
根据本发明的具有热区32和至少一个冷区30的燃料电池棒TM装置的另一种实施方式，形成燃料通道14和空气通道20的方法使燃料通道14和空气通道20位于从冷区到热区的通道内，在热区，会产生穿过电极内的气孔和微/纳米管638燃料流。开放的通道14、20(例如2mil(.002”)的通道)提供了用于使气体进入的、方便的、低流动阻力的通道。因为这些通道的厚度与阳极24和阴极26的厚度级别相同，因而开放的气体流动通道(14、20)能够正好延伸到热区32内的阳极24和阴极26的边缘，如图117所示。如果需要，可以将通道14、20定位为允许空气和燃料从侧部进入阳极24或阴极26。图117中，阳极24或阴极26用于图示平行的两个电解质28，一个电解质28位于阳极24或阴极26上方，另一个位于下方。串联设计中，可以在阳极24或阴极26的两部分之间设置分隔件642，如图118所示。分隔件642可以是绝缘体，例如氧化锆或电解质材料。
在更复杂的形式中，例如使用连接电极148的串联设计中，该方法可以用于一次供给多个阳极24或阴极26。优选使单个电池短而宽，从而降低电阻。为此可以使用微/纳米管638，因为微/纳米管638比大的间隙具有更高的流动阻力，从而该短而宽的电池能够工作良好，以允许足够的气体流动并提高燃料的利用，这是所有燃料电池的一个主要目标。图119显示了一种串联设计的俯视示意图，主要说明气体流入和流出电池。为了更清楚地说明，可以使用燃料侧举例说明。因为是俯视图，所以看到的表面是阳极24的表面。电解质28和阳极26从图中无法看到。箭头表示燃料流入阳极24。燃料进入阳极24的侧部，然后其中一部分燃料转向电解质，而一些燃料继续穿过阳极朝向燃料出口16流动。另外，气流和阳极或阴极结合的区域的厚度相同并最小化，因为燃料通道14与阳极24一起设置，而不是位于阳极24上方。
燃料电池领域也需要用于低电力生产的小型装置。例如，军队可以使用连续100小时提供20W的微型电源。为此，燃料电池棒TM装置700的一种设计是具有两个棒状入口702a、702b，该棒状入口702a、702b延伸至所述微型装置的较大区域704，但棒状入口702a、702b都从同一侧延伸，如图120的侧视图所示。一个棒状入口702a用于空气，另一个棒状入口702b用于燃料。较大区域704是位于热区32内的活性区。与在两侧各具有一个出口的燃料电池棒TM装置700相比，通过使气体都从同一侧进入，可以减少整体体积。另外，与具有单独的较长的入口通道和与其连接的用于空气和燃料的入口的情况相比，该区域也是减小的。图120中所示的装置700的尺寸(面积)可以是例如1平方英寸，或3”×3”。
根据另一种实施方式，燃料电池棒TM装置的较大区域704划分为多个部分。如果燃料电池棒TM装置设置有二十个活性层，则每个活性层填充图120所示的较大区域，然后这有利于传递热量，以划分该区域。划分的区域可以类似于书的页。书的书脊(气体供给管从该处进入)可以完全是一体的，或者完全分开，或者部分分开，分别如图121A和图121B的俯视图和透视图所示。
最后，用于携带的燃料电池棒TM装置700中，在所述装置上具有稳定点706，如图122所示。稳定点可以是从所述装置中显露出来的脊708的形状，但仅用于延伸至微型炉的绝缘体98内，并因而缓冲了振动并稳定地支撑燃料电池棒TM装置700。脊708可以形成各种形状，但理想地，形成小横截面，从而脊708不会将热量传导出所述装置。脊708可以为针状以提高强度，并且在燃料电池棒TM装置700的主体上具有较大的连接件710。另外，稳定脊708可以用于本文说明的任意一种实施方式中，无论所述装置是否是便携装置。
虽然通过说明一种或多种实施方式说明了本发明，并且对这些实施方式进行了相当详细的说明，但这些说明并不用于限制或以任何方式将附带的权利要求的范围限定为上述实施方式的细节。对于本领域技术人员来说，额外的优点和修改是显而易见的。因此，本发明宽泛的方面在于不限于图示和所说明的具体细节、典型设备和方法以及阐述的实施例。因此，在不脱离本发明基本原理的范围的情况下可以脱离这些细节。

Claims (59)

1.一种燃料电池装置，该燃料电池装置包括：
陶瓷支撑结构，该陶瓷支撑结构具有反应区，该反应区构造为被加热到工作反应温度，并且在该反应区中具有第一活性层和第二活性层；
所述第一活性层中的第一活性电池，该第一活性电池包括第一阳极、第一阴极和位于该第一阳极与第一阴极之间的第一电解质；
所述第二活性层中的第二活性电池，该第二活性电池包括第二阳极、第二阴极和位于该第二阳极与第二阴极之间的第二电解质；以及
一对相同电极之间的电连接件，其中，该对相同电极为所述第一阳极和第二阳极或者为所述第一阴极和第二阴极，并且其中，该对相同电极包括平行部和弯曲部，该对相同电极的平行部物理地间隔开，该对相同电极的弯曲部物理地电接触，所述弯曲部形成所述电连接件，从而将所述第一活性电池和第二活性电池并联。
2.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述陶瓷支撑结构为细长基体，该细长基体的长度为最大尺寸，以使得该细长基体的热膨胀系数仅具有与所述长度共同延伸的一个主轴线。
3.根据权利要求2所述的燃料电池装置，其中，所述反应区沿所述长度的第一部分设置，并且其中，所述陶瓷支撑结构还包括至少一个冷区，该至少一个冷区沿所述长度的第二部分设置，并且该至少一个冷区构造为保持在低于所述反应区被加热时的工作反应温度的温度。
4.根据权利要求3所述的燃料电池装置，其中，所述第一阳极、第二阳极和第一阴极、第二阴极各自具有延伸至所述至少一个冷区的电通路，以在低于所述工作反应温度的低温下电连接。
5.根据权利要求1所述的燃料电池装置，该燃料电池装置还包括：
所述第二活性层中的第三活性电池，该第三活性电池包括第三阳极、第三阴极和位于该第三阳极与第三阴极之间的第三电解质；以及
串联连接件，该串联连接件包括位于一对相异电极之间的导电材料，其中该对相异电极为所述第二阳极和第三阴极或者为所述第二阴极和第三阳极，从而将所述第二活性电池和第三活性电池在所述第二活性层中串联。
6.根据权利要求1所述的燃料电池装置，该燃料电池装置还包括气体通道，该气体通道在所述平行部处将所述一对相同电极分隔开。
7.一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：
热区室；
多个根据权利要求4所述的燃料电池装置，每个所述燃料电池装置定位为使得所述第一部分位于所述热区室中，并且所述至少一个冷区延伸到所述热区室外部；
热源，该热源连接到所述热区室，并适于在所述热区室内将所述反应区加热到所述工作反应温度；
负电压连接件，该负电压连接件位于所述至少一个冷区中，并与所述第一阳极和第二阳极的电通路电接触；以及
正电压连接件，该正电压连接件位于所述至少一个冷区中，并与所述第一阴极和第二阴极的电通路电接触。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，该燃料电池系统还包括：
燃料通道，该燃料通道与所述多个燃料电池装置中的每个燃料电池装置的第一阳极和第二阳极连接，所述燃料通道从所述至少一个冷区延伸穿过所述反应区；
氧化剂通道，该氧化剂通道与所述多个燃料电池装置中的每个燃料电池装置的第一阴极和第二阴极连接，所述氧化剂通道从所述至少一个冷区延伸穿过所述反应区；
燃料供应件，该燃料供应件在所述热区室外部连接至所述至少一个冷区中的每个冷区，并与所述燃料通道流体连通，以将燃料流供应至所述燃料通道中；
空气供应件，该空气供应件在所述热区室外部连接至所述至少一个冷区中的每个冷区，并与所述氧化剂通道流体连通，以将空气流供应至所述氧化剂通道中。
9.一种燃料电池装置，该燃料电池装置包括：
陶瓷支撑结构，该陶瓷支撑结构具有反应区，该反应区构造为被加热到工作反应温度，并且在该反应区中至少具有第一活性层；
所述第一活性层中的第一活性电池，该第一活性电池包括第一阴极和第一阳极，该第一阳极包括第一无孔阳极部分和与所述第一阴极相对的第一多孔阳极部分；
所述第一活性层中的第二活性电池，该第二活性电池邻近于所述第一活性电池，并包括第二阳极和第二阴极，所述第二阴极包括第二无孔阴极部分和与所述第二阳极相对的第二多孔阴极部分；
所述第一活性层中的陶瓷电解质，该陶瓷电解质位于所述第一阳极与所述第一阴极之间以及所述第二阳极与所述第二阴极之间；
其中，所述第一无孔阳极部分与所述第二无孔阴极部分在所述陶瓷支撑结构内电连接，从而将在所述第一活性层中的所述第一活性电池和所述第二活性电池串联。
10.根据权利要求9所述的燃料电池装置，其中，所述陶瓷支撑结构为细长基体，该细长基体的长度为最大尺寸，以使得该细长基体的热膨胀系数仅具有与所述长度共同延伸的一个主轴线。
11.根据权利要求10所述的燃料电池装置，其中，所述反应区沿所述长度的第一部分设置，并且其中，所述陶瓷支撑结构还包括至少一个冷区，该至少一个冷区沿所述长度的第二部分设置，并且该至少一个冷区构造为保持在低于所述反应区被加热时的工作反应温度的温度。
12.根据权利要求11所述的燃料电池装置，其中，所述第一阳极、第二阳极和第一阴极、第二阴极各自具有延伸至所述至少一个冷区的电通路，以在低于所述工作反应温度的低温下电连接。
13.根据权利要求9所述的燃料电池装置，其中，所述第一无孔阳极部分还与所述第二无孔阴极部分直接物理接触。
14.根据权利要求9所述的燃料电池装置，其中，所述第一活性电池和所述第二活性电池在所述第一活性层中隔开，并且所述陶瓷电解质在所述第一活性电池和所述第二活性电池之间延伸以作为中间支撑结构，并且其中，所述电连接由导电通路形成，该导电通路延伸穿过所述第一无孔阳极部分和所述第二无孔阴极部分之间的所述中间支撑结构。
15.根据权利要求9所述的燃料电池装置，其中，所述第一活性电池和所述第二活性电池在所述第一活性层中隔开，并且所述陶瓷电解质在所述第一活性电池和所述第二活性电池之间延伸以作为中间支撑结构，并且其中，所述电连接由导电件形成，该导电件延伸穿过所述第一无孔阳极部分和所述第二无孔阴极部分之间的所述中间支撑结构中的狭缝。
16.一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：
热区室；
多个根据权利要求12所述的燃料电池装置，每个该燃料电池装置定位为使得所述第一部分位于所述热区室中，并且所述至少一个冷区延伸到所述热区室外部；
热源，该热源连接到所述热区室，并适于在所述热区室内将所述反应区加热到所述工作反应温度；
负电压连接件，该负电压连接件位于所述至少一个冷区中，并与所述第一阳极和第二阳极的电通路电接触；以及
正电压连接件，该正电压连接件位于所述至少一个冷区中，并与所述第一阴极和第二阴极的电通路电接触。
17.根据权利要求16所述的燃料电池系统，该燃料电池系统还包括：
燃料通道，该燃料通道与所述多个燃料电池装置中的每个燃料电池装置的第一阳极和第二阳极连接，所述燃料通道从所述至少一个冷区延伸穿过所述反应区；
氧化剂通道，该氧化剂通道与所述多个燃料电池装置中的每个燃料电池装置的第一阴极和第二阴极连接，所述氧化剂通道从所述至少一个冷区延伸穿过所述反应区；
燃料供应件，该燃料供应件在所述热区室外部连接至所述至少一个冷区中的每个冷区，并与所述燃料通道流体连通，以将燃料流供应至所述燃料通道中；以及
空气供应件，该空气供应件在所述热区室外部连接至所述至少一个冷区中的每个冷区，并与所述氧化剂通道流体连通，以将空气流供应至所述氧化剂通道中。
18.一种燃料电池装置，该燃料电池装置包括：
陶瓷支撑结构，该陶瓷支撑结构具有反应区，该反应区构造为被加热到工作反应温度，并且在该反应区中至少具有第一活性层；
所述第一活性层中的陶瓷电解质层；
所述第一活性层中的间隔开的多个第一电极，该多个第一电极位于所述陶瓷电解质层的第一侧；
所述第一活性层中的间隔开的多个第二电极，该多个第二电极位于所述陶瓷电解质层的第二侧，其中，所述第一电极的极性与所述第二电极的极性相反，分别为阳极或阴极，并且其中，所述间隔开的多个第一电极中的每个与所述间隔开的多个第二电极中的相应一个相对，并且所述陶瓷电解质层位于该相对的第一电极与第二电极之间，每对相对的第一电极和第二电极形成活性电池，从而在所述第一活性层上分布有多个间隔开的活性电池；
多个导电件，该多个导电件在所述多个间隔开的活性电池之间延伸，其中，所述多个导电件中的每个与一个活性电池的第一电极物理接触，并延伸穿过邻近于该一个活性电池的空间中的所述陶瓷电解质层，并且与相邻间隔的活性电池的第二电极物理接触，从而将所述第一活性层中的所述多个活性电池串联。
19.根据权利要求18所述的燃料电池装置，该燃料电池装置还包括一个或多个额外的活性层，该额外的活性层与所述第一活性层相同，并且以间隔关系极性交替地层叠在该第一活性层上，其中，第一气体通道与所述多个间隔开的第一电极中的每个相邻，第二气体通道与所述多个间隔开的第二电极中的每个相邻，从而形成间隔关系，其中，相邻活性层的多个间隔开的第一电极与其间共享的第一气体通道相对，并且相邻活性层的多个间隔开的第二电极与其间共享的第二气体通道相对。
20.根据权利要求19所述的燃料电池装置，该燃料电池装置还包括第一电连接件和第二电连接件，所述第一电连接件位于相邻活性层的相对的多个间隔开的第一电极中的每对之间，所述第二电连接件位于相邻活性层的相对的多个间隔开的第二电极中的每对之间，从而将所述第一活性层和所述额外的活性层并联。
21.根据权利要求20所述的燃料电池装置，其中，所述第一电极和第二电极以及所述第一电连接件和第二电连接件是多孔的，所述第一导电件和第二导电件是无孔的。
22.根据权利要求21所述的燃料电池装置，其中，每个所述第一电连接件包括相邻活性层的相对的多个间隔开的第一电极中的每个的一部分，该第一电极的一部分延伸至所述共享的第一气体通道中并在该第一气体通道中进行物理接触，并且其中，每个所述第二电连接件包括相邻活性层的相对的多个间隔开的第二电极中的每个的一部分，该第二电极的一部分延伸至所述共享的第二气体通道中并在该第二气体通道中进行物理接触。
23.根据权利要求18所述的燃料电池装置，其中，所述陶瓷支撑结构为细长基体，该细长基体的长度为最大尺寸，以使得该细长基体的热膨胀系数仅具有与所述长度共同延伸的一个主轴线。
24.根据权利要求23所述的燃料电池装置，其中，所述反应区沿所述长度的第一部分设置，并且其中，所述陶瓷支撑结构还包括至少一个冷区，该至少一个冷区沿所述长度的第二部分设置，并且该至少一个冷区构造为保持在低于所述反应区被加热时的工作反应温度的温度。
25.根据权利要求24所述的燃料电池装置，其中，所述第一电极和第二电极各自具有延伸至所述至少一个冷区的电通路，以在低于所述工作反应温度的低温下电连接。
26.根据权利要求18所述的燃料电池装置，其中，所述陶瓷支撑结构为细长的螺旋卷绕管状结构，该螺旋卷绕管状结构具有在第一端和第二端之间延伸的长度，并且具有外卷绕边缘和内卷绕边缘，其中，在所述第一活性层中串联的所述活性电池布置在所述第一部分和第二部分中，所述第一部分与所述第一端邻近，所述第二部分与所述第二端邻近，所述第一部分和第二部分中的每个包括在所述外卷绕边缘和所述内卷绕边缘之间间隔开的活性电池，并且其中，用于所述活性电池的电通路从所述外卷绕边缘沿着活性电池的第一部分以螺旋方式向内延伸到所述内卷绕边缘，然后沿着所述活性电池的第二部分以螺旋方式向外延伸到所述外卷绕边缘。
27.根据权利要求26所述的燃料电池装置，该燃料电池装置还包括：
多个第一气体通道，该多个第一气体通道沿所述长度从所述第一端延伸至与所述第二端相邻的第一排放通道，每个所述第一气体通道将第一气体通过所述第一端输送至各个第一部分和第二部分中的活性电池的所述第一电极，所述第一排放通道从与所述内卷绕边缘相邻的所述第一气体通道延伸至所述外卷绕边缘，以排出所述第一气体；以及
多个第二气体通道，该多个第二气体通道沿所述长度从所述第二端延伸至与所述第一端相邻的第二排放通道，每个所述第二气体通道将第二气体通过所述第二端输送至各个第一部分和第二部分中的活性电池的所述第二电极，所述第二排放通道从与所述内卷绕边缘相邻的所述第二气体通道延伸至所述外卷绕边缘，以排出所述第二气体。
28.根据权利要求18所述的燃料电池装置，其中，所述陶瓷支撑结构为细长的螺旋卷绕管状结构，该螺旋卷绕管状结构具有在第一端和第二端之间延伸的长度，并且具有外卷绕边缘和内卷绕边缘，其中，在所述第一活性层中串联的所述活性电池在所述外卷绕边缘与所述内卷绕边缘之间延伸，并且在所述第一端与第二端之间间隔开，并且其中，所述活性电池的电通路从所述第一端延伸至所述第二端。
29.根据权利要求28所述的燃料电池装置，该燃料电池装置还包括与所述陶瓷支撑结构的第一端一体的第一导电端部和与所述陶瓷支撑结构的第二端一体的第二导电端部，其中，所述电通路还延伸至所述第一导电端部和第二导电端部。
30.根据权利要求28所述的燃料电池装置，该燃料电池装置还包括：
第一入口通道，该第一入口通道从与所述内卷绕边缘相邻的所述第一端沿着所述长度延伸至与所述第二端相邻，多个第一气体通道从所述第一入口通道延伸至所述外卷绕边缘，所述第一入口通道将第一气体供应至所述第一气体通道，每个所述第一气体通道将所述第一气体供应至各个活性电池的第一电极，并且在所述外卷绕边缘处排出；以及
第二入口通道，该第二入口通道从与所述内卷绕边缘相邻的所述第二端沿着所述长度延伸至与所述第一端相邻，多个第二气体通道从所述第二入口通道延伸至所述外卷绕边缘，所述第二入口通道将第二气体供应至所述第二气体通道，每个所述第二气体通道将所述第二气体供应至各个活性电池的第二电极，并且在所述外卷绕边缘处排出。
31.一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：
热区室；
多个根据权利要求25所述的燃料电池装置，每个该燃料电池装置定位为使得所述第一部分位于所述热区室中，并且所述至少一个冷区延伸到所述热区室外部；
热源，该热源连接到所述热区室，并适于将位于所述热区室内的所述反应区加热到所述工作反应温度；
负电压连接件，该负电压连接件位于所述至少一个冷区中，并与作为阳极的所述第一电极或第二电极的电通路电接触；以及
正电压连接件，该正电压连接件位于所述至少一个冷区中，并与作为阴极的所述第一电极或第二电极的电通路电接触。
32.根据权利要求24所述的燃料电池系统，该燃料电池系统还包括：
燃料通道，该燃料通道与所述多个燃料电池装置中的每个燃料电池装置的作为阳极的第一电极或第二电极连接，所述燃料通道从所述至少一个冷区延伸穿过所述反应区；
氧化剂通道，该氧化剂通道与所述多个燃料电池装置中的每个燃料电池装置的作为阴极的第一电极或第二电极连接，所述氧化剂通道从所述至少一个冷区延伸穿过所述反应区；
燃料供应件，该燃料供应件在所述热区室外部连接至所述至少一个冷区中的每个冷区，并与所述燃料通道流体连通，以便将燃料流供应至所述燃料通道；以及
空气供应件，该空气供应件在所述热区室外部连接至所述至少一个冷区中的每个冷区，并与所述氧化剂通道流体连通，以将空气流供应至所述氧化剂通道。
33.一种燃料电池装置，该燃料电池装置包括：
陶瓷支撑结构，该陶瓷支撑结构具有顶盖部分和底盖部分，并具有反应区，该反应区构造为被加热到工作反应温度；
连续活性层，该连续活性层包括第一电极层，该第一电极层通过陶瓷电解质层与极性相反的第二电极层相分隔，并且以Z字形方式从第一端延伸至第二端，所述第一端连接在所述顶盖部分上或位于所述顶盖部分附近，所述第二端连接在所述底盖部分上或位于所述底盖部分附近，并且所述第一端与第二端之间的中间部分包括位于第一弯曲部和第二弯曲部之间的活性电池部分；
第一气体通道和第二气体通道，该第一气体通道位于活性电池部分之间并与所述第一电极层相邻，所述第二气体通道位于活性电池部分之间并与所述第二电极层相邻；
其中，所述第一弯曲部或所述第二弯曲部中的至少一者未与所述顶盖部分和所述底盖部分之间的陶瓷支撑结构连接。
34.根据权利要求33所述的燃料电池装置，其中，每个所述第一弯曲部和第二弯曲部均未与所述陶瓷支撑结构连接。
35.根据权利要求33所述的燃料电池装置，其中，所述第一弯曲部未与所述陶瓷支撑结构连接，所述第二弯曲部与所述顶盖部分和底盖部分之间的陶瓷支撑结构连接。
36.根据权利要求33所述的燃料电池装置，其中，所述第一电极层和第二电极层各自包括多个间隔开的电极，该多个间隔开的电极以相对关系沿所述活性电池部分中的陶瓷电解质层设置，并且所述第一弯曲部和第二弯曲部设置在所述间隔开的电极之间的空间中，其中，还包括多个导电件，其中，每个导电件与一个活性电池部分的第一电极物理接触，并延伸穿过在相邻的第一弯曲部或第二弯曲部中的陶瓷电解质层，并且与相邻的活性电池部分的第二电极物理接触，从而将所述多个活性电池部分串联。
37.一种燃料电池装置，该燃料电池装置包括：
陶瓷支撑结构，该陶瓷支撑结构中具有至少一个活性层，并构造为在处于反应温度的腔室中工作，其中，所述至少一个活性层包括阳极、阴极、所述阳极和阴极之间的电解质、与所述阳极相邻的燃料通道和与所述阴极相邻的氧化剂通道；以及
至少一个细长陶瓷端管，该至少一个细长陶瓷端管具有冷端和热端，所述冷端构造为位于腔室外以便以低于所述反应温度的温度工作，所述热端永久地连接于所述陶瓷支撑结构的端部，所述至少一个细长陶瓷端管构造用于将气体供应到所述燃料通道和氧化剂通道中的一者或两者，并且所述至少一个细长陶瓷端管的长度为最大尺寸，以使得热膨胀系数仅具有与所述长度共同延伸的一个主轴线，
其中，所述至少一个细长陶瓷端管通过以下一种方法或其结合而永久地连接于所述陶瓷支撑结构：
将所述至少一个细长陶瓷端管与所述陶瓷支撑结构在生坯状态下共同烧结，
将所述至少一个细长陶瓷端管从生坯状态烧结到已烧结状态的所述陶瓷支撑结构，
将所述陶瓷支撑结构从生坯状态烧结到已烧结状态的所述至少一个细长陶瓷端管，或者
在已烧结状态的所述至少一个细长陶瓷端管与已烧结状态的所述陶瓷支撑结构之间施加玻璃粘接剂或玻璃陶瓷粘接剂，并且烧结该两者之间的所述粘接剂。
38.根据权利要求37所述的燃料电池，其中，通过将陶瓷带缠绕到所述陶瓷支撑结构的端部和细长的临时心轴上，并将该陶瓷带缠绕物层压到该端部和临时心轴上且烧结，从而从生坯状态形成所述至少一个细长陶瓷端管。
39.根据权利要求38所述的燃料电池，其中，所述端部在所述缠绕过程中处于生坯状态，从而所述陶瓷带缠绕物和所述端部是共同烧结的，以在两者之间形成整体的永久性连接。
40.根据权利要求37所述的燃料电池，其中，通过将生坯状态的陶瓷材料模塑或铸造成所需形状来形成所述至少一个细长陶瓷端管，并且所述至少一个细长陶瓷端管的热端具有配合形状，该配合形状与所述陶瓷支撑结构的端部的相应的配合形状相匹配，其中所述永久性连接包括连接所述配合形状。
41.根据权利要求37所述的燃料电池，其中，所述至少一个细长陶瓷端管包括导电件，该导电件足以提供与所述阳极和/或阴极的电连接。
42.根据权利要求37所述的燃料电池，其中，所述至少一个细长陶瓷端管包括构造为用于向所述燃料通道提供燃料的燃料供应端管和构造为用于向所述氧化剂通道提供含氧气体的氧化剂供应端管。
43.根据权利要求42所述的燃料电池，其中，所述燃料供应端管包括阳极导电件，该阳极导电件从所述热端延伸到所述冷端，并足以提供与所述阳极的电连接，所述氧化剂供应端管包括阴极导电件，该阴极导电件从所述热端延伸到所述冷端，并足以提供与所述阴极的电连接。
44.一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：
热区室；
多个根据权利要求33所述的燃料电池装置，每个所述燃料电池装置定位为使得所述至少一个细长陶瓷端管的包括所述热端在内的第一部分和所述陶瓷支撑结构位于所述热区室内，所述至少一个细长陶瓷端管的包括所述冷端在内的第二部分延伸到所述热区室外部；
热源，该热源连接到所述热区室，并适于将位于所述热区室内的所述至少一个活性层加热到所述工作反应温度；
燃料供应件和氧化剂供应件，该燃料供应件和氧化剂供应件在所述热区室外部连接到所述至少一个细长陶瓷端管的所述冷端，并且所述燃料供应件与所述燃料通道流体连通以便将燃料流供应至所述燃料通道，所述氧化剂供应件与所述氧化剂通道流体连通以便将空气流供应至所述氧化剂通道。
45.一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：
热区室；
多个根据权利要求43所述的燃料电池装置，每个所述燃料电池装置定位为使得所述燃料供应端管的包括所述热端在内的第一部分、所述氧化剂供应端管的包括所述热端在内的第一部分以及所述陶瓷支撑结构位于所述热区室内，并且所述燃料供应端管的包括所述冷端在内的第二部分和所述氧化剂供应端管的包括所述冷端在内的第二部分延伸到所述热区室外部；
热源，该热源连接到所述热区室，并适于在所述热区室内将所述至少一个活性层加热到所述工作反应温度；
燃料供应件，该燃料供应件在所述热区室外部连接于所述燃料供应端管的所述冷端，并与所述燃料通道流体连通以便将燃料流供应至所述燃料通道；
氧化剂供应件，该氧化剂供应件在所述热区室外部连接于所述氧化剂供应端管的所述冷端，并与所述氧化剂通道流体连通以便将氧化剂流供应至所述氧化剂通道；
负电压连接件，该负电压连接件在所述燃料供应端管的冷端连接于所述阳极导电件；以及
正电压连接件，该正电压连接件在所述氧化剂供应端管的冷端连接于所述阴极导电件。
46.一种燃料电池装置，该燃料电池装置包括：
细长陶瓷扁管，该细长陶瓷扁管的宽度大于高度，并具有沿细长方向在第一端与第二端之间延伸的多个燃料通路和多个氧化剂通路，该通路由内部肋分离，该内部肋构造为防止燃料和氧化剂在所述通路之间混合；
多层活性结构，该多层活性结构连接到所述细长陶瓷扁管的平面上，该多层活性结构包括至少两个活性层，每个活性层包括至少一个活性电池，该活性电池具有阳极、阴极、所述阳极和阴极之间的电解质、与所述阳极相邻的燃料通道和与所述阴极相邻的氧化剂通道，
其中，每个活性电池的所述燃料通道流体连通到所述细长陶瓷扁管的多个燃料通路中的一个，并且其中，每个活性电池的所述氧化剂通道流体连通到所述细长陶瓷扁管的多个氧化剂通路中的一个，从而燃料气体和氧化剂气体配置为分别被供应至所述燃料通路和氧化剂通路，然后分别进入所述燃料通道和氧化剂通道。
47.根据权利要求46所述的燃料电池装置，其中，所述燃料通路和氧化剂通路分别与所述燃料通道和氧化剂通道之间的所述流体连通包括位于所述细长陶瓷扁管的平面上的多孔陶瓷材料，该多孔陶瓷材料允许燃料气体和氧化剂气体从各个燃料通路和氧化剂通路分别扩散至燃料通道和氧化剂通道。
48.根据权利要求46所述的燃料电池装置，其中，所述燃料通路和氧化剂通路分别与所述燃料通道和氧化剂通道之间的所述流体连通包括通过所述细长陶瓷扁管的平面的流通路径。
49.根据权利要求46所述的燃料电池装置，其中，所述细长陶瓷扁管包括位于所述第一端和所述第二端之间的中间部分，所述多层活性结构连接在所述中间部分上，并且所述中间部分构造为在腔室中被加热至反应温度，并且其中，所述第一端和所述第二端中的至少一个构造为延伸至所述腔室的外部，以在低于所述反应温度的温度下连接至燃料气体供应件和氧化剂气体供应件。
50.根据权利要求49所述的燃料电池装置，其中，所述第一端和所述第二端中的每个构造为延伸至所述腔室的外部，以在低于所述反应温度的温度下将所述第一端连接至燃料供应件，并在低于所述反应温度的温度下将所述第二端连接至氧化剂供应件。
51.根据权利要求50所述的燃料电池装置，其中，所述第一端和所述第二端中的每个的宽度尺寸在该第一端和第二端配置为伸到所述腔室外部的区域变窄。
52.根据权利要求46所述的燃料电池装置，该燃料电池装置还包括多个独立的细长管，每个管构造为一端连接至所述多个燃料通路和氧化剂通路中的一个，而另一端连接至相应的燃料供应件或氧化剂供应件，所述独立的管构造为穿过腔室的腔室壁，所述腔室适于将所述多层活性结构加热至反应温度。
53.根据权利要求52所述的燃料电池装置，其中，所述独立的管为永久连接至各个燃料通路和氧化剂通路的陶瓷管，所述永久连接通过将所述陶瓷管与所述细长陶瓷扁管共同烧结以形成整体的管结构来实现。
54.一种燃料电池装置，该燃料电池装置包括多层活性电池结构，该多层活性电池结构具有：与多个阴极层交替堆叠的多个阳极层，每个所述阳极层中包括多个第一微管和/或纳米管通道，每个所述阴极层包括多个第二微管和/或纳米管通道；以及将每个阳极层与每个交替的阴极层隔开的电解质层，从而在所述多层活性电池结构的内部中的所述阳极层和阴极层各自用于两个相邻的电解质层。
55.根据权利要求54所述的燃料电池装置，该燃料电池装置还包括：陶瓷支撑结构，该陶瓷支撑结构包括所述多层活性电池结构；燃料通道，该燃料通道延伸穿过所述陶瓷支撑结构且延伸至所述多层活性电池结构，并连接于所述阳极层，以将燃料供应至所述多个第一微管和/或纳米管通道；以及氧化剂通道，该氧化剂通道延伸穿过所述陶瓷支撑结构且延伸至所述多层活性电池结构，并连接于所述阴极层，以将氧化剂气体供应至所述多个第二微管和/或纳米管通道。
56.根据权利要求55所述的燃料电池装置，其中，所述陶瓷支撑结构是细长结构，该细长结构具有至少一个冷端部分和设置有所述多层活性电池结构的热区部分，其中，所述燃料通道和氧化剂通道从所述至少一个冷端部分延伸至所述热区部分。
57.根据权利要求54所述的燃料电池装置，其中，所述多个第一微管和/或纳米管通道以及所述多个第二微管和/或纳米管通道通过以下方法形成，即在牺牲材料的纤维片中注入各个多孔阳极材料或阴极材料，焙烤该纤维片以烧掉所述牺牲材料，然后进行烧结。
58.一种燃料电池装置，该燃料电池装置包括陶瓷支撑结构，该陶瓷支撑结构包括多层活性电池结构，该多层活性电池结构具有多个阳极层、多个阴极层、将每个阳极层与每个阴极层隔开的电解质层、与每个阳极层形成为一体的活性燃料通道以及与每个阴极层形成为一体的活性氧化剂通道，所述陶瓷支撑结构还具有从所述多层活性电池结构的一个边缘向外延伸的第一细长件和第二细长件，所述第一细长件具有连接于所述活性燃料通道的燃料供应通道，所述第二细长件具有连接于所述活性氧化剂通道的氧化剂供应通道。
59.一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：
热区室，该热区室具有腔室壁；
根据权利要求58所述的燃料电池装置，该燃料电池装置定位为使得所述多层活性电池结构位于所述热区室内，并且所述第一细长件和所述第二细长件延伸穿过所述腔室壁并延伸到所述热区室外部；
多个稳定件，该多个稳定件从围绕所述多层活性电池结构的所述陶瓷支撑结构延伸至所述腔室壁内；
热源，该热源连接到所述热区室，并适于将位于所述热区室内的所述多层活性电池结构加热到工作反应温度。
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