CN101971398A - 燃料电池装置和系统 - Google Patents

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Abstract

提供了燃料电池装置和系统(10、100、200、300、400、500、600、700、800、900、910、920、960)。在某些实施例中，燃料电池装置和系统包括具有一定长度、宽度和厚度的陶瓷支撑结构(29)。沿着长度的一部分设置的反应区(32)配置为被加热至工作反应温度，且在反应区内具有至少一个活性层，活性层包括将第一电极与相对的第二电极(24、26)分隔开的电解质(28)和邻近相应的第一电极和第二电极(24、26)的活性第一气体通路和活性第二气体通路(815、821)。从第一端部(11a)沿着长度的另一部分设置的至少一个冷区域(30)配置为维持在低于工作反应温度。动脉流动通路(814)从第一端部(11a)沿着长度延伸通过冷区域(30)并进入反应区(32)并流体耦合至活性第一气体通路(815)，活性第一气体通路(815)从动脉流动通路(814)朝着至少一个侧面延伸。动脉流动通路(814)的厚度大于活性第一气体通路(815)的厚度。在其它实施例中，燃料电池装置(10、100、200、300、400、500、600、700、800、900、910、920、960)包括电解质(28)，其至少一部分包括由纳米尺度的粉末烧结而成的陶瓷材料。在另外其它的实施例中，冷区域(30)设置在每一端部(11a、11b)处，且反应区(32)在冷区域(30)之间并具有至少两个分离的功率部分，每一个具有一个或多个活性层，功率部分由分离的燃料通路(962a、b)供给以提供能够以高于一个功率水平操作的装置(960)和系统。

Description

燃料电池装置和系统
相关申请的交叉引用
根据37C.F.R.§1.78(a)(4)，本申请要求享有2008年3月7日提交且题目为“燃料电池装置和系统”的在审临时申请No.61/034,797(案号：DEVOFC-09P)的权益和优先权。
本申请还涉及2008年11月7日提交且题目为“燃料电池装置和系统”的在审美国专利申请No.12/267,439(案号DEVOFC-06US)、2007年5月10日提交的在审美国专利申请No.11/747,066(案号DEVOFC-03US1)和No.11/747,073(案号DEVOFC-03US2)以及2008年5月8日提交的在审美国专利申请No.12/117,622(案号DEVOFC-05US1)，其题目均为“固体氧化物燃料电池装置和系统”，这些专利的公开内容在此以引用方式全文并入。本申请还涉及在审美国专利申请No.11/557,894(案号DEVOFC-04US1)、No.11/557,901(案号DEVOFC-04US2)和No.11/557,935(案号DEVOFC-04US3)，其题目均为“固体氧化物燃料电池装置和系统”以及题目为“固体氧化物燃料电池装置和系统、以及使用方法和制造方法”的No.11/557,934号(案号DEVOFC-04US4)，所有这些专利于2006年11月8日提交，且这些专利的公开内容在此以引用方式全文并入
技术领域
本发明涉及燃料电池装置和系统，以及制造该装置的方法，且更具体而言，涉及呈多层单片Fuel Cell StickTM形式的燃料电池装置。
背景技术
已经发现陶瓷管用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的制造中。存在若干种类型的燃料电池，每一种都提供了无需燃烧就转化燃料和空气来产生电的不同机理。在SOFC中，燃料与空气之间的阻挡层(“电解质”)是陶瓷层，该陶瓷层允许氧原子迁移穿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，所以燃料电池在700℃到1000℃下进行操作，并且陶瓷层被制造得尽可能地薄。
早期的管状SOFC由Westinghouse Corporation使用长的、直径相当大的氧化锆陶瓷的挤出管来生产。典型的管长度是数英尺长，且管直径范围从1/4英寸到1/2英寸。燃料电池的完整结构通常包含大约10个管。经过一段时间，研究者和工业集团选定了包含8mol％Y2O3的氧化锆陶瓷的配方。除了别的之外，该材料由日本的Tosoh制造为产品TZ-8Y。
另一种制造SOFC的方法利用了与其它阳极和阴极堆叠在一起的氧化锆的平板以获得燃料电池结构。与由Westinghouse设想的高而窄的装置相比，这些平板结构可以被成形为立方体，在边缘上的6到8英寸用夹持机构将整个堆固定在一起。
更新的方法设想使用较大量的具有非常薄的壁的小直径管。由于氧离子的传输率受到距离和温度的限制，所以在SOFC中使用薄壁陶瓷是重要的。如果使用更薄的氧化锆层，那么最终的装置可以在更低的温度下操作，同时维持相同的效率。文献描述了制造150μm或更薄的壁厚度的陶瓷管。
存在若干技术问题防碍了SOFC的成功实施。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方案优于竞争的“堆”型(由大而平的陶瓷板制造)，这是因为管是基本上一维的。该管，例如在中部能够变热并膨胀，但是不会开裂。例如，管状炉可以加热36”长、直径为4”的铝管，且铝管在其中间将会变红热，并冷却足够至端部能够触摸。由于管在中间段被均匀加热，所以中间段膨胀，这使管变得更长，但是不会开裂。仅中间被加热的陶瓷板将会很快破裂成片，这是因为中间膨胀，而外部仍保持相同的尺寸。管的主要特性在于其是单轴的或一维的。
第二个关键的挑战是与SOFC形成接触。SOFC理想地在高温(通常700℃-1000℃)下操作，但也需要被连接至空气和燃料的外界以及还需要建立电连接。理想地，将在室温下连接。在高温下连接是成问题的，这是因为不能使用有机材料，因此必须使用玻璃密封或机械密封。这些密封是不可靠的，部分是因为膨胀问题。这些密封还可能是昂贵的。
因此，前面的SOFC系统存在至少两个上述问题的困难。就密封气体端口而言，板技术还存在板的边缘的困难，以及存在迅速加热以及开裂的困难。管方案解决了开裂问题，但仍存在其它问题。SOFC管仅被用作气体容器。为了发挥作用，SOFC管必须用在更大的空气容器内部。这是庞大的。使用管的主要挑战是必须将热和空气施用于管的外部；空气为反应提供O2，而热加快反应。通常来说，热将会通过燃烧燃料来施用，因此替代施用含20％O2的空气(典型的)，实际上部分减少了空气(部分燃烧以提供热)且这降低了电池的驱动电势。
SOFC管在其可缩放性(scalability)方面也受到限制。为了获得更高的kV输出，必须添加更多的管。每一个管是单电解质层，使得增加量是庞大的。就可实现的电解质薄度而言，固体电解质管技术被进一步限制。更薄的电解质更有效。2μm或甚至1μm的电解质厚度对高功率来说将是最佳的，但在固体电解质管中却非常难以实现。应注意，一燃料电池面积产生约0.5V到1V(这是固有的，因为化学反应的驱动力，同样电池产生1.2V)，但是电流且因此功率取决于若干因素。更高的电流将源于诸多因素，这使得更多的氧离子在给定的时间内在电解质两端迁移。这些因素是较高的温度、更薄的电解质和较大的面积。
附图说明
附图被并入说明中并且构成了此说明书的一部分，附图示出了本发明的实施例，并且连同上面给出的本发明的一般描述和下面给出的详细描述用于解释本发明。
图1和1A分别以侧面截面图和顶部截面图示出了本发明的基本的Fuel Cell StickTM装置的一个实施例，其具有单阳极层、阴极层和电解质层以及两端冷区域之间的热区域。
图2以透视图示出了本发明的Fuel Cell StickTM装置的一个实施例的第一端，且具有连接到第一端上的燃料供给管。
图3A以透视图示出了根据本发明的一个实施例的Fuel Cell StickTM装置，但具有改动的端部；并且图3B以透视图示出了连接到图3A的装置的一个改动端部的燃料供给管。
图4A以透视图示出了根据本发明一个实施例的到多个Fuel Cell StickTM装置的冶金粘结连接方式以建立到正电压节点和负电压节点的电连接；并且图4B以示意性端部视图示出了根据本发明一个实施例的多个Fuel Cell StickTM装置之间的连接，其中每一个Fuel Cell StickTM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个实施例的机械连接方式以便建立到正电压节点和负电压节点的电连接。
图6A和6B以透视图示出了在Fuel Cell StickTM装置的一个端部处具有燃料供给和空气供给连接到其上的单个冷区域，且另一端部在热区域内的替代实施例。
图7A和7B分别截面侧视图和俯视图，其阐释了根据一个实施例的空气通路和燃料通路内的多个支撑柱；且图7C和7D是显微照片，其根据另一实施例示出了在燃料通路和空气通路中使用球形球作为支撑柱。
图8A以截面图示出了本发明的包含在外部连接的平行的两个燃料电池的一个实施例。图8B以截面图示出了类似于图8A的另一实施例，但具有通过使用通孔(via)在内部连接的平行的两个燃料电池。
图9A和9B以截面图示出了根据本发明一个实施例的具有共用阳极和阴极的多燃料电池设计，其中图9A示出了平行连接的三个燃料电池层且图9B示出了串联连接的三个燃料电池。
图10以示意性侧视图示出了根据本发明一个实施例的Fuel Cell StickTM装置，其具有连接到装置的冷端部的燃料供给管且装置的侧面在热区域内对空气通路是敞开的以便将热区域内的加热的空气供给到装置；图10A以示意性侧视图示出了图10的实施例的变化形式，其中热区域被设置在相对的冷端部之间；以及图10B以沿线10B-10B取的顶部截面图示出了图10A的Fuel Cell StickTM装置。
图11-24示意性地示出了本发明的不同实施例，其中图11提供了图12-24中所示出的各部件的图例。
图25A和27A以示意性顶部平面图示出了且图27B以示意性侧视图示出了根据本发明的一个实施例的Fuel Cell StickTM装置100，其具有在一个冷端部处的细长部分和在相对的热端部处的大表面积的部分的锅柄状样式；以及图25B和26A以示意性顶部平面图示出了且图26B以示意性侧视图示出了在相对的冷端部处具有两个细长部分且在中心的热区域内具有中心的大表面积部分的锅柄状样式的可选择的实施例。
图28A-28D示出了根据本发明一个实施例的Fuel Cell StickTM装置，其具有螺旋的或卷曲的管状构型，其中图28A-28C分别以示意性俯视图、端部视图和侧视图示出了未卷曲的结构，而图28D以示意性透视图示出了螺旋的或卷曲的管状构型。
图29A-29G示出了本发明的另一个可选择的实施例，其中Fuel Cell StickTM装置是管状同心形式，且图29A以示意性等视轴图示出了该装置，图29B-29E示出了取自图29A的截面图，图29F示出了空气输入端部处的端部视图，且图29G示出了燃料输入端部处的端部视图。
图30A以示意性截面侧视图示出了根据本发明的Fuel Cell StickTM装置10的一个实施例，其在热区域内的活性区域之前具有集成的预热区域，且图30B和30C分别以沿线30B-30B和30C-30C取的示意性截面图示出了图30A的装置。
图31A-31C类似于图30A-30C，但示出了具有中间的热区域的两个冷区域。
图32A-32B分别以沿图32A的线32B-32B取的示意性截面侧视图和示意性截面俯视图示出了类似于图31A-31C中所示出的实施例，但还包括在燃料入口与燃料通路之间和在空气入口与空气通路之间延伸的预热室，每一个预热室从冷区域延伸到热区域的预热区域中。
图33A-33C示出了用于预热空气和燃料的本发明的另一个实施例，图33A是穿过Fuel Cell StickTM装置的纵向中心的示意性截面侧视图，图33B是沿图33A的线33B-33B取的示意性截面俯视图，而图33C是沿图33A的线33C-33C取的示意性截面仰视图。
图34A和34B分别以示意性非垂直的前视图和示意性侧视图示出了具有在外部串连互连的多个阳极和阴极的实施例。
图35以示意性侧视图示出了图34B的结构被加倍成具有通过提供串连-并联样式的金属条而在外部连接的两个结构。
图36A和36B以示意性侧视图和透视图示出了本发明的另一个实施方方案，其包括在热区域内串连和/或并联连接阳极和阴极的金属条和从热区域延伸至冷区域的长金属条以便在冷区域内建立至正电压节点和负电压节点的低温连接。
图37以示意性等视轴图示出了类似于图36B中示出的实施例，但具有单个冷区域以便建立空气供给和燃料供给连接和建立电压节点连接。
图38A和38B以示意性的截面视图示出了本发明的实施例，其具有沿着装置的侧面的多个出口间隙以便烘烤出有机材料，用于在结构内形成通路。
图39以示意性的截面端部视图示出了另一个实施例，其中阳极材料被用作支撑结构，被称为Fuel Cell StickTM装置的阳极支撑样式。
图40A和40B分别以示意性的截面端部视图和侧视图示出了根据另一个实施例的阳极支撑样式，其中消除了敞开的燃料通路以有利于多孔阳极起到将燃料输送穿过装置的作用。
图41A和41B分别以示意性的截面端部视图和俯视图示出了阳极支撑样式的另一个实施例，其中多个空气通路被设置在阳极支撑结构内，且单个燃料通路被设置成垂直于多个空气通路。
图42A-42C以示意性的截面图示出了根据一个实施例的在本发明的Fuel Cell StickTM装置的通路中形成电极层的方法。
图43和44以示意性的截面侧视图示出了可选择的实施例，其中电解质层被设置成不均匀的形貌以增大可用于容纳电极层的表面积。
图45A以示意性俯视图示出了且图45B以穿过热区域的截面图示出了本发明的Fuel Cell StickTM装置，其在该装置的左侧和右侧的每一个上具有多个燃料电池，且燃料电池中间是桥接部分。
图46A和46B分别以示意性透视图和示意性截面图示出了本发明的Fuel Cell StickTM装置的另一个实施例，其具有大的外部接触焊盘以提供低电阻的大路径或宽路径以便电子行进到装置的冷端部。
图47以示意性截面侧视图示出了根据本发明的另一个实施例的Fuel Cell StickTM装置，其具有用于废燃料和废空气的单个废弃物通路。
图48A-48C示出了被称为“端部卷曲的Fuel Cell StickTM装置”的可选择的实施例，其具有厚部分和薄的卷曲部分，其中图48A以透视图示出了未卷曲的装置，图48B以截面侧视图示出了卷曲的装置，而图48C以透视图示出了卷曲的装置。
图49A以示意性截面侧视图示出了在两个陶瓷层之间使用线来构建Fuel Cell StickTM装置的实施例；图49B以示意性透视图示出了层压之后的图49A的装置；以及图49C以示意性透视图示出了去除了线之后的图49B的装置。
图50A-50C以示意性截面图示出了使用线于间隙形成带的组合来构建Fuel Cell StickTM装置的另一个实施例。
图51和52A以示意性透视图示出了穿过炉壁的Fuel Cell StickTM装置；图52B以示意性透视图示出了52B的Fuel Cell StickTM装置在炉壁界限内的部分；以及图52C以示意性透视图示出了穿过炉壁的管状Fuel Cell StickTM装置的一部分。
图53以示意性透视图示出了穿过由多层形成的炉壁的Fuel Cell StickTM装置。
图54以示意性透视图示出了穿过由多层和空气间隙形成的炉壁的Fuel Cell StickTM装置。
图55A-55E以示意性截面图示出了具有浮动集电器的Fuel Cell StickTM装置的组件。
图56A和56B是示出了支撑浮动集电器的氧化锆球的显微照片。
图57A和57B以示意性截面图示出了用悬浮在粘性液体中的阳极或阴极颗粒以形成阳极或阴极来反填充图55D的结构。
图58A、58B和58C是示出了几乎造成通路堵塞的集电器的显微照片。
图59以示意性截面图示出了在阳极和阴极表面上的集电器；以及图60以示意性截面图示出了埋置在阳极和阴极的表面内的集电器。
图61A-61C示出了将集电器埋置在阳极或阴极内的方法。
图62是示意性的截面图，其示出了获得具有两个厚度的单个电解质层的方法；以及图62A是图62的放大视图。
图63是示出了呈窗格图案(hatch pattern)的集电器的俯视图的显微照片；以及图64和65是示出了多孔的阳极或阴极之上的集电器的侧部的和斜向的截面图。
图66A是在Fuel Cell StickTM装置的端部之上滑动的管的示意性截面图；以及图66B是图66A的装置的端部的示意性透视图。
图67A是连接器的示意性截面图，包括设置在Fuel Cell StickTM装置的端部上的弹簧电接触；以及图67B是图67A的连接器的示意性透视图。
图68A和68B是示出了具有四个出口点的Fuel Cell StickTM装置的示意性透视图。
图69是示出了下凹入多孔阳极或阴极内的集电器痕迹的显微照片；以及图70是示出了去除了碳-蜡牺牲材料之后的留下的间隙的显微照片。
图71以示意性截面图示出了根据一个实施方方案的两个电极之间的通孔连接。
图72以示意性截面图示出了根据一个实施例的两个互连电极。
图73A和73B以透视图和示意性截面图示出了根据另一个实施例的互连两个电极的方法。
图74A-74D以示意性截面图示出了使用覆盖方法在电池之间建立串连连接的一个实施例。
图75A-75E以透视图和示意性截面图示出了用于使用导体法在电池之间产生串连互连的方法的另一个实施例。
图76以示意性透视图示出了使用多个插入导体建立串连互连的另一个实施例。
图77以截面图示出了根据图75A-76的实施例中的任一个的呈串连连接的多个电池。
图78A-78C以示意性透视图示出了插入导体法的变化形式。
图79A-79D以示意性截面图和透视图示出了使用通孔进行串连互连的实施例。
图80-81以示意性截面图和示意图示出了在单层串连连接中的并联的多层连接的一个实施例。
图82以示意性截面图示出了引入图74C的串连结构的单层Fuel Cell StickTM装置；以及图83A-83B示意性地示出了图82的装置的串连-并联组合的实施例。
图84A和84B以示意性透视图和示意性截面图显示了用于在相同的气体路径上的两个电极之间提供并联连接的另一个实施例。
图85A和85B以示意性透视图显示了具有串连样式的旋转缠绕的多层管状Fuel Cell StickTM装置的实施例。
图86A和86B以示意性透视图显示了旋转缠绕的多层管状Fuel Cell StickTM装置的另一个实施例；以及图87A和87B是图86A和86B的实施例的放大的示意性截面图。
图88A和88B以示意性透视图示出了用于在管状Fuel Cell StickTM装置内提供电连接的实施例。
图89以透视示意图示出了气体流动路径的布置。
图90是使用折叠路径的呈串连的电池的示意图。
图91-92B以示意性透视图和截面图示出了具有使用折叠的堆样式的呈串连的许多层的Fuel Cell StickTM装置的实施例。
图93A和93B以放大的示意性截面图显示了用于连接折叠堆样式以提供自由浮动区域的实施例。
图94A-94D以截面端部视图和俯视图示出了连接到装置的其中一个侧面且自由浮动在装置的另一个侧面上的并联的活性层。
图95-97以示意性截面图示出了呈串连连接的两个阴极且中间是阻挡层。
图98A和98B以截面图和透视示意图示出了功率连接的实施例。
图99以示意性截面图示出了低电阻连接的实施例。
图100A-103B以示意性透视图示出了具有永久连接的端管连接的燃料电池装置的多个实施例。
图104以示意性透视图示出了陶瓷的若干形式的预烧核。
图105A和105B以示意性透视图示出了具有支撑构件和通道的扁平管。
图106以示意性截面图示出了使用在现有技术的方法中的扁平管。
图107A、图107B和图108以部分透视图示出了根据本发明的实施例的扁平管通道的使用。
图109和110以示意性截面图示出了从扁平管到多层活性结构的各层的气体分配的实施例。
图111-114以示意性透视图示出了用于连接扁平管的多个实施例。
图115A是形成微管的纤维的500x的显微照片。
图115B是形成微管的纤维的200x的显微照片。
图116A-116C是显示了形成在烧制电极中的微管的显微照片。
图117和118是与电极相交的气体流动路径的实施例的放大的截面示意图，气体流动路径内具有微管。
图119是串连样式的顶部向下的示意性截面图，其中气体流动通过电极进入其它气体通路。
图120是微型尺寸的Fuel Cell StickTM装置的实施例的侧视图；以及图121A和121B以俯视图和透视图示出了图120的装置的实施例。
图122是其上具有稳定点的图120的Fuel Cell StickTM装置的示意性侧视图。
图123以示意性截面图示出了流动通路在活性区域内是较薄的实施例。
图124A和124B以透视图示出了根据本发明的一个实施例的具有在不同的活性层内供给若干活性流动通路的动脉流动通路的Fuel Cell StickTM装置且图124B以俯视图示出了具有在单个活性层内供给若干活性流动通路的动脉流动通路的实施例。
图125A和125B分别以示意性透视图和示意性截面图示出了用于制造具有动脉流动通路和活性流动通路的装置的坯体组装法，且图125C以透视图示出了图125B的方法所得到的装置。
图126A-126C以透视图示出了具有成形的边缘和成形的动脉流动通路的实施例。
图127以透视图示出了具有不同的气体流动通路的实施例。
图128A-128B分别以示意性透视图和示意性俯视图示出了根据本发明的另一个实施例的用于气体流动路径的进口和出口样式。
图129A以示意性截面图示出了具有起到用于燃料和空气流动的单一活性流动通路作用的单个动脉流动通路的双动脉装置，以及图129B和129C以示意性透视图示出了分别呈用于一股气体流动的单一活性层装置和多个活性层装置的此实施例；以及图130以透视图示出了类似于图129C的装置，但显示了两股气体流动。
图131A-131C以透视图示出了成形的双动脉Fuel Cell StickTM装置的实施例。
图132A和132B分别以示意性端部视图和示意性内部的顶部向下的图示出了具有垂直气体出口孔的双动脉Fuel Cell StickTM装置；以及图133是具有用于串连设计中的每一个电池的垂直出口孔的双动脉Fuel Cell StickTM装置的透视图。
图134A和134B分别是根据一个实施例的一个活性层的示意性俯视图和部分截面图，该活性层具有串连的互连的阳极和阴极；图135A是图134B的与间隙形成材料堆叠来产生图134A的结构的部件的部分分解的截面图；以及图135B是用于此实施例的电子流动的示意性图示。
图136和137以透视图示出了根据本发明实施例的多层串连-并联装置的另外的实施例；图136A-G和图137A-G分别以截面图示出了沿着图136和137的装置的多个点A-G。
图139是根据另一个实施例的呈串连-并联样式的电子流动的示意性图示。
图140A和140B以顶部截面图示出了用于以串连样式互连阳极和阴极的实施例。
图141A-141B分别是示出了根据本发明的另一个实施例的通过表面动脉离开Fuel Cell StickTM装置的燃料的截面图和透视图。
图142是示出了根据另一个实施例的用于气体的进入和离开的四个表面动脉的截面图。
图143A-143C是示意性透视图且图143D是示意性侧视图，它们示出了根据多个实施例的用于气体流动的出口点的变化形式。
图144以截面图示出了使用在多个实施例中的传导球。
图145以示意性透视图示出了用于与Fuel Cell StickTM装置一起使用的空气-燃料-功率插塞。
图146A和146B是示出了根据实施例的双电供给的Fuel Cell StickTM装置的实施例的示意性俯视图。
图147A-147C示出了可能造成间隙的不对准的活性区域和邻近区域的累积，正如最佳地显示在图147C中；以及图147D和147E分别以分解透视图和截面图示出了防止不对准的图片框架法。
具体实施方式
在一个实施例中，本发明提供了SOFC装置和系统，其中燃料端口和空气端口都被制造在一个单片结构上。在一个实施例中，SOFC装置是细长的结构，基本上是相对平的或矩形的棒(stick)(因此，被称为Fuel Cell StickTM装置)，其中长度显著大于宽度或厚度。Fuel Cell StickTM装置能够具有冷端部，而中间是热的(冷端部＜300℃；热的中间＞400℃，且最可能＞700℃)；陶瓷的缓慢热传导可以防止热的中间完全加热冷端部。此外，端部快速辐射掉到达其上的任何热。本发明包括下面的实现结果：通过具有用于连接的冷端部，可以容易地连接至阳极、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能够具有热的中间部分的冷端部，但是现有技术并未能利用陶瓷管的该益处，而相反地，将整个管置于炉或热区域中，使得要求高温连接。现有技术认识到建立燃料输入的高温钎焊连接的复杂性和成本，但并没有认识到本文提供的解决办法。本发明的Fuel Cell StickTM装置是长而瘦的，使得其具有上面讨论的允许中间被加热而仍具有冷端部的热性能优势。这使得在结构上适合于高温，且相对容易连接燃料、空气和电极。Fuel Cell StickTM装置是基本上独立的系统，为了产生电只需要添加热、燃料和空气。该结构被设计成能够易于附接这些。
本发明的Fuel Cell StickTM装置是多层结构且可以采用多层共烧法来制备，这赋予了许多其它优势)。首先，该装置是单片，这有助于使该装置结构合理。第二，该装置适合于传统的大量制造技术，例如电容器片的MLCC(多层共烧陶瓷)生产中使用的那些。(认为多层电容器生产是技术陶瓷的大量使用，且该技术被证明用于大量制造。)第三，在该结构内可以无需额外的成本或复杂度就获得薄电解质层。2μm厚度的电解质层使用MLCC法是可能的，而难以设想具有小于60μm的电解质壁厚度的SOFC管。因而，本发明的Fuel Cell StickTM装置的效率可以是SOFC管的约30倍。最后，本发明的多层Fuel Cell StickTM装置的每一个可以具有数百层或数千层，这将提供最大的面积和最大的密度。
考虑现有技术的SOFC管的表面积与本发明的Fuel Cell StickTM装置相比。例如，考虑0.25”直径的管对0.25”×0.25”Fuel Cell StickTM装置。在管中，周长是3.14×D，或0.785”。在0.25”的Fuel Cell StickTM装置中，一层的可用宽度是约0.2英寸。因此，其需要约4层以得到与一个管相同的面积。这些图示意性地不同于电容器技术中的那些。日本多层电容器的现有技术状态目前是600个2μm厚度的层。日本在生产中将可能很快推出1000层部件，它们现在在实验室中制造了这些。这些具有600层的片电容器仅是0.060”(1500μm)。将此制造技术应用于本发明的Fuel Cell StickTM装置，该装置是0.25”的装置，具有2μm的电解质厚度且带各自阴极/阳极的空气/燃料通路是10μm厚度，这对生产具有529层的单个装置来说将是可行的。这将相当于132个管。现有技术中的策略是增加更多的管，增大直径和/或增加管长度以产生更大的功率，则结果是非常大的结构来用于高功率输出。另一方面，本发明向单个Fuel Cell StickTM装置增加更多的层以产生更大的功率和/或在装置中采用更薄的层或通路，由此使SOFC技术微型化。而且，本发明的益处是直截了当的效果，就像电容器中的一样。当电解质层被制造成一半的厚度，功率加倍，那么就能够在装置中安装更多的层，从而再次产生加倍的功率。
本发明的另一关键特征是其易于从内部连接各层以增大Fuel Cell StickTM装置的输出电压。假设每层1伏，那么经由孔将12组连接在一起，则通过本发明的Fuel Cell StickTM装置可以获得12伏输出。之后，进一步的连接可以并联地连接12组以获得更高的电流。这可以借助电容器片技术中使用的现有方法来实现。关键差别在于本发明克服了其它技术必须使用的钎焊和复杂的布线。
与现有技术相比，本发明还提供了更多种电极选择。贵金属将用作阳极和阴极。银是较便宜的，但对较高的温度来说，将需要与Pd、Pt或Au的混合物，且Pd可能是三种中价格最低的。许多研究已经集中在非贵金属导体上。在燃料方面，已经尝试使用镍，但任何暴露于氧的物质都将在高温下氧化金属。传导陶瓷也是已知的，且可以使用在本发明中。总之，本发明可以利用能够被烧结的任何种类的阳极/阴极/电解质系统。
在本发明的实施例中，当2μm的大面积带是未支撑的，其中空气/气体在两侧，那么层可能变脆，这是可能的。设想留下横跨间隙的柱。这些看起来像其中钟乳石和石笋相交的洞穴中的柱。它们被均匀地且频繁地间隔开，赋予结构更好的强度。
为了连接气体和空气供给，设想端部温度低于300℃，例如低于150℃，使得例如高温柔性硅树脂管或胶乳橡胶管可以用于连接至Fuel Cell StickTM装置。这些柔性管可以易于在装置的端部拉伸，且由此形成密封。这些材料可在标准的McMaster目录中获得。硅树脂通常作为炉衬垫使用在150℃下或高于150℃，而不会损失其性能。多棒Fuel Cell StickTM系统的许多硅树脂或胶乳橡胶管能够连接至具有倒刺钩连接的供给。
阳极材料或阴极材料，或两种电极材料可以是金属或合金。用于阳极和阴极的合适的金属和合金对本领域的技术人员来说是已知的。或者，一种或两种电极材料可以是导电的坯体陶瓷(green ceramic)，这对本领域的技术人员来说也是已知的。例如，阳极材料可以是涂覆有氧化钇稳定的氧化锆的部分烧结的金属镍，且阴极材料可以是具有钙钛矿结构的亚锰酸镧。
在另一实施例中，一种或两种电极材料可以是以足以赋予复合材料传导性的量存在的坯体陶瓷与传导金属的复合材料。一般而言，当金属颗粒开始接触时，陶瓷矩阵变得导电。足以赋予复合材料传导性的金属的量将主要根据金属颗粒形态来变化。例如，对球形粉末金属而言，金属的量通常将需要比金属片的高。在示例性的实施例中，复合材料包括其间散布有40％-90％的传导金属颗粒的坯体陶瓷的矩阵。坯体陶瓷矩阵可以与用于电解质层的坯体陶瓷材料相同或不同。
在一种或两种电极材料包括陶瓷，即导电的坯体陶瓷或复合材料的实施例中，电极材料中的坯体陶瓷和用于电解质的坯体陶瓷材料可以包含可交联的有机粘结剂，使得在层压过程中，压力足够交联层内的有机粘结剂以及连接分子之间的聚合物分子链。
现在将参考附图，其中在全文中使用相同的数字以指代相同的部件。使用在附图中的附图标记如下：
10     Fuel Cell StickTM装置   14b    薄的燃料通路
11a    第一端部                16     燃料出口
11b    第二端部                18     空气入口
12     燃料入口                19     空气预热室
13     燃料预热室              20     空气通路
14    燃料通路                      21             废弃物通路
14a   厚的燃料通路                  22             空气出口
24    阳极层/阳极                   130            陶瓷带
25    暴露的阳极部分                132            凹陷
26    阴极层/阴极                   134            连接器
27    暴露的阴极部分                136            电接触
28    电解质层/电解质               138            气体流动路径
29    陶瓷                          140            O型环
30    冷区域(或第二温度)            142            大孔(陶瓷带中)
31    过渡区域                      144            电极的多孔区域
32    热区/加热区/第一温度区        146            电极的非多孔区域
33a   预热区/非活性区               148            连接器电极(导体带)
33b   活性区                        150            狭缝
34    燃料供给                      152            第一导体
36    空气供给                      154            第二导体
38    负电压节点                    156            非垂直通孔
40    正电压节点                    158a、b、c、d  插塞(通孔处)
42    线                            160            边缘连接
44    接触焊盘                      162            中心连接
46    焊料连接                      164            孔(间隙带内)
48    弹簧夹                        166            单个电池
50    供给管                        167            共同的路径
52    束带(tiewarp)                 168            芯轴
54    支撑柱                        170a、b        传导端部
56    第一通孔                      172            折叠的堆
58    第二通孔                      174            阻挡层
60    阻挡涂层                      176            绝缘层
62    表面颗粒                      178            LSM带
64    织地粗糙的表面层              180            内部燃料通道
66    阳极悬浮物                    182            镍导体
70             开口                   184    端管
72(a、b)       有机材料/牺牲层        186    被缠绕的端管
80             左侧                   190    圆柱形端部部分
82             右侧                   192    端孔
84             桥接部分               194    矩形端部部分
90             桥接物                 196    矩形管
92             线/物理结构            198    形状过渡端管
94             间隙形成带             200    螺旋管状Fuel Cell StickTM装置
96、96’、96” 炉壁                   300    同心的Fuel Cell StickTM装置
98a、b、c      绝缘层                 400    端卷曲的Fuel Cell StickTM装置
100            Fuel Cell StickTM装置  402    厚部分
102            细长部分               404    薄部分
104            大表面积部分           500    Fuel Cell StickTM装置
106            细长部分               600    Fuel Cell StickTM装置
120            空气间隙               610    板
122            集电器                 612    矩形板
123            间隙                   614    圆形管
124            电极颗粒               878    固定板
126            粘性流体               900    Fuel Cell StickTM装置
128            临时基板               902    出口区域
616            扁平管                 904    内角
618            支撑构件               910    Fuel Cell StickTM装置
620            垂直肋                 912    角
622            三角形肋               914    弯曲路径
624            通道                   916    装置的端部
624a           燃料通道               918    窄端部区域
624b           空气通道               920    Fuel Cell StickTM装置
626            盖                     922    顶部出口突起
628            通孔路径               930    传导球
630            高温歧管               932    陶瓷球
632             窄扁平管                    934        外部涂层
634             纤维                        940        炉
636             布                          950        AFP插塞
638             微管                        952        燃料路径
642             间隔物                      954        空气路径
700             Fuel Cell StickTM装置       956        导体
702a、b         棒入口                      960        Fuel Cell StickTM装置
704             大区域                      962a、b    燃料入口点
706             稳定点                      964a、b    空气入口点
708             书脊(spine)                 966        沟槽
710             较大的连接                  968a、b    端部部分
800             Fuel Cell StickTM装置       970a、b    端部部分
814，820        动脉流动通路                976        边缘
815，821        活性流动通路                978        间隙
817，823        垂直出口孔                  980        额外的材料
829，829a、b    坯体陶瓷片                  982        剪切块
837，839        表面动脉
868             互连
872             动脉间隙形成材料
874             薄间隙形成材料
术语“区域(zone)”、“区域(area)”和“区域(region)”可以在全文中互换地使用，且旨在具有相同的意义。类似地，术语“通路(passage)”、“通道(channel)”和“路径(path)”可以在全文中互换地使用以及术语“出口(outlet)”和“出口(exit)”(“入口(inlet)”和“进口(entrance)”)可以在全文中互换地使用。
图1和1A分别以侧面截面图和顶部截面图示出了本发明的基本Fuel Cell StickTM装置10的一个实施例，其具有单阳极层24、阴极层26和电解质层28，其中装置10是单片的。Fuel Cell StickTM装置10包括燃料入口12、燃料出口16以及两者之间燃料通路14。装置10还包括空气入口18、空气出口22以及两者之间的空气通路20。燃料通路14和空气通路20呈相对的且平行的关系，燃料从燃料供给34通过燃料通路14的流动是在与空气从空气供给36通过空气通路20的流动相反的方向上。电解质层28被设置在燃料通路14与空气通路20之间。阳极层24被设置在燃料通路14与电解质层28之间。类似地，阴极层26被设置在空气通路20与电解质层28之间。Fuel Cell StickTM装置10的其余部分包括陶瓷29，其可以是与电解质层28相同的材料或可以是不同的但相容的陶瓷材料。电解质层28被认为是陶瓷的置于阳极24与阴极26的相对的区域之间的那部分，正如由虚线表示的。如图1所示，来自空气供给36的O2前行通过空气通路20且被阴极层26离子化以形成2O-，2O-前行通过电解质层28且通过阳极24进入燃料通路14，在燃料通路14中，2O-与燃料，例如来自燃料供给34的碳氢化合物反应以首先形成CO和H2，然后形成H2O和CO2。虽然图1示出了使用碳氢化合物作为燃料的反应，但是本发明并不因此受到限制。通常使用在SOFC中的任一种类型的燃料可以用在本发明中。燃料供给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示例。
对于将发生的反应，必须对Fuel Cell StickTM装置10施加热。根据本发明，Fuel Cell StickTM装置10的长度是足够长的，使得装置可以分成位于装置10的中心的热区域32(或被加热区域)和位于装置10的每一端部11a和11b处的冷区域30。在热区域32与冷区域30之间，存在过渡区域31。热区域32通常将在400℃之上进行操作。在示例性的实施例中，热区域32将在＞600℃，例如＞700℃的温度下操作。冷区域30并不暴露于热源，并且由于Fuel Cell StickTM装置10的长度和陶瓷材料的热性能优势，所以热消散在热区域32之外，使得冷区域30具有＜300℃的温度。认为从热区域32沿着陶瓷的长度向下至冷区域30的端部的热传递是缓慢的，而从热区域32之外的陶瓷材料进入空气中的热传递是相对较快的。因此，输入到热区域32中的大部分热在能够到达冷区域30的端部之前损耗到空气(主要在过渡区域31中)。在本发明的示例性实施例中，冷区域30具有＜150℃的温度。在另一示例性实施例中，冷区域30处于室温。过渡区域31温度处于热区域32的操作温度与冷区域30的温度之间，并且正是在过渡区域31内发生了大量的热消散。
由于主热膨胀系数(CTE)是沿着Fuel Cell StickTM装置10的长度，并且因此是基本上一维的，允许中心快速加热而不会开裂。在示例性的实施例中，装置10的长度是装置宽度和厚度的至少5倍。在另一示例性实施例中，装置10的长度是装置宽度和厚度的至少10倍。在又一示例性实施例中，装置10的长度是装置宽度和厚度的至少15倍。此外，在示例性的实施例中，宽度大于厚度，这提供了更大的区域。例如，宽度可以是厚度的至少两倍。通过另一示例，0.2英寸厚的Fuel Cell StickTM装置10可以具有0.5英寸的宽度。应该意识到，附图并不按比例示出，而仅是给出了相对尺寸的一般概念。
根据本发明，在Fuel Cell StickTM装置10的冷区域30内建立至阳极24和阴极26的电连接。在示例性实施例中，阳极24和阴极26均在冷区域30内暴露于Fuel Cell StickTM装置10的外表面以允许建立电连接。负电压节点38经由例如线42连接至暴露的阳极部分25，而正电压节点40经由例如线42连接至暴露的阴极部分27。由于Fuel Cell StickTM装置10在装置的每一个端部11a、11b处具有冷区域30，所以可以建立低温精密(rigid)电连接，这相比通常要求高温钎焊法来建立电连接的现有技术是明显的优势。
图2以透视图示出了Fuel Cell StickTM装置10的第一端部11a，其具有连接在端部11a上并用束带52固定的供给管50。接着，将来自燃料供给34的燃料输送通过供给管50并进入燃料入口12。由于第一端部11a处于冷区域30内，柔性的塑料管或其它低温类型的连接材料可以用于将燃料供给34连接至燃料入口12。通过本发明消除了高温钎焊来建立燃料连接的需要。
图3A以透视图示出了与图1中示出的类似Fuel Cell StickTM装置10，但具有改动的第一端部11a和第二端部11b。已经机械加工端部11a、11b以形成圆柱形的端部部分而有助于燃料供给34和空气供给36的连接。图3B以透视图示出了连接至第一端部11a的供给管50以便将来自燃料供给34的燃料输送至燃料入口12。作为示例，供给管50可以是硅树脂或胶乳橡胶，它们借助其对第一端部11a的弹性形成了紧密密封。应该意识到，当Fuel Cell StickTM装置10使用在遭受震动的移动装置中时，供给管50的柔性和弹性可以为FuelCell StickTM装置10提供吸收震动的稳定器。在现有技术中，管或板被刚性地钎焊，并且因而如果使用在动力环境中时，会遭受开裂失效。因此，与现有技术相比，供给管50作为减震器的额外功能提供了独特的优势。
返回参考图3A，接触焊盘44设置在Fuel Cell StickTM装置10的外表面上，以便与暴露的阳极部分25和暴露的阴极部分27形成接触。用于接触焊盘44的材料应该是导电的，以便将电压节点38、40电连接至它们各自的阳极24和阴极26。应该意识到，任何合适的方法可以用于形成接触焊盘44。例如，金属焊盘可以印刷到烧结的Fuel Cell StickTM装置10的外表面上。线42经由焊料连接46固定至接触焊盘44，例如以建立可靠的连接。焊料是低温材料，它们可以通过被设置在Fuel Cell StickTM装置10的冷区域30内而被使用。例如，可以使用常用的10Sn88Pb2Ag焊料。本发明消除了高温电压连接的需要，由此扩大了任何低温连接材料或方式的可能性。
在图3A中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域30内的第一端部11a处的燃料入口12进入，并且通过邻近第二端部11b的出口16从Fuel Cell StickTM装置10的侧面出来。空气通过处于冷区域30内的位于第二端部11b内的空气入口18进入，并且从邻近第一端部11a的Fuel Cell StickTM装置10的侧面内的空气出口22离开。虽然出口16和22被示出为在Fuel Cell StickTM装置10的相同侧面上，但是应该意识到，它们可以设置在例如相对的侧面上，如下面在图4A中所示出的。
通过具有靠近燃料入口12的空气出口22(以及类似地靠近空气入口18的燃料出口16)以及通过重叠层(阳极、阴极、电解质)的紧密接近，空气出口22起到换热器的作用，有用地预加热通过燃料入口12进入装置10的燃料(类似地，燃料出口16预加热通过空气入口18进入的空气)。换热器提高了系统的效率。过渡区域31具有废空气与新燃料(以及废燃料与新空气)的重叠区域，使得在新燃料(新空气)到达热区域32之行进行传热。因此，本发明的Fuel Cell StickTM装置10是包括内嵌的换热器的单片结构。
关于图4A，以透视图示出了多个Fuel Cell StickTM装置10的连接，在此情形中是两个Fuel Cell StickTM装置10，通过对齐均连接至暴露的阳极部分25的接触焊盘44并且将连接至负电压节点38的线42焊接到每一个接触焊盘44。类似地，连接至暴露的阴极部分27的接触焊盘44被对齐并且连接正电压节点40的线42(在46处)焊接到那些对齐的接触焊盘44中的每一个，部分以虚线显示。如同可以意识到，因为连接是在冷区域30内，并且是相对简单的连接，所以如果多Fuel Cell StickTM系统或组件中的一个Fuel Cell StickTM装置10需要替换，则只需要断开至那一个装置10的焊料连接，用新的装置10替换该装置并且将线42重新焊接至新的Fuel Cell StickTM装置10的接触焊盘44。
图4B以端部视图示出了多个Fuel Cell StickTM装置10之间的连接，其中每个Fuel Cell StickTM装置10包括多个阳极24和阴极26。例如，图4B所示出的特定实施例包括三组相对的阳极24和阴极26，并且每个阳极24在Fuel Cell StickTM装置10的右侧处是暴露的，而每个阴极26在Fuel Cell StickTM装置10的左侧处是暴露的。然后，将接触焊盘44设置于Fuel Cell StickTM装置10的每一个侧面上以分别接触暴露的阳极部分25和暴露的阴极部分27。在暴露阳极24的右侧上，通过经由焊料连接46将线42固定至接触焊盘44而将负电压节点38连接至暴露的阳极部分25。类似地，通过经由焊料连接46将线42固定至接触焊盘44而将正电压节点40连接至Fuel Cell StickTM装置10的左侧上的暴露的阴极部分27。因此，虽然图1-4A示出了与单个阴极26相对的单个阳极24，但是应该意识到，如图4B所示，每一个Fuel Cell StickTM装置10可以包括多个阳极24和阴极26，并且每一个暴露于Fuel Cell StickTM装置10的外表面以便通过应用到外表面的接触焊盘44连接至各自的电压节点38或40而进行电连接。结构中的相对的阳极24和阴极26的数量可以是数十个、数百个以及甚至数千个。
图5以端部视图示出了用于在线42与接触焊盘44之间建立电连接的机械连接。在该实施例中，Fuel Cell StickTM装置10被取向为使其中一组电极在每一个Fuel Cell StickTM装置10的顶表面处暴露。已经将接触焊盘44应用到冷区域30内的一个端部(如，11a或11b)处的每一个顶表面。弹簧夹48可以随后用于将线42可去除地固定至接触焊盘44。因此，冶金粘结(metallurgical bonding)可以用于建立电连接，例如示出在图3A、4A和4B中的，或可以使用机械连接方式，如示出在图5中的。选择合适的连接方式的灵活性是通过本发明的Fuel Cell StickTM装置10内的冷区域30来实现的。使用弹簧夹48或其它机械连接方式进一步简化了在多棒组件(multi-stick assembly)中替换单个Fuel Cell StickTM装置10的过程。
图6A和6B以透视图示出了在Fuel Cell StickTM装置10的第一端部11a处具有单个冷区域30的替代实施例，其中第二端部11b位于热区域32中。在图6A中，Fuel Cell StickTM装置10包括平行的三个燃料电池，而图6B的Fuel CellStickTM装置10包括单个燃料电池。因此，本发明的实施例可以包括单电池设计或多电池设计。为了实现燃料和空气的单个端部输入，空气入口18重新取向为邻近Fuel Cell StickTM装置10的侧表面处的第一端部11a。空气通路20(未示出)又平行于燃料通路14延伸，但在本实施例中，空气的流动是在与燃料通过Fuel Cell StickTM装置10的长度的流动相同的方向上。在装置10的第二端部11b处，空气出口22设置成与燃料出口16相邻。应该意识到，燃料出口16或空气出口22，或两者可以从Fuel Cell StickTM装置10的侧表面离开，而不是都在端部表面处离开。
如图6B所示出的，用于空气供给36的供给管50是通过形成穿过供给管50的侧面的孔并且将装置10滑动穿过侧面的孔来形成的，使得用于空气供给36的供给管50垂直于用于燃料供给34的供给管50。而且，硅树脂橡胶管或类似物可以在本实施例中使用。粘结材料可以应用到供给管50与装置10之间的接合处以形成密封。在冷区域30内的第一端部11a处附近也建立电连接。图6A和6B的每一个示出了在Fuel Cell StickTM装置10的一个侧面上建立的正电压连接和在Fuel Cell StickTM装置10的相对的侧面上建立的负电压连接。然而，应该意识到，本发明并不限于此。单个端部输入Fuel Cell StickTM装置10的优点在于只存在一个冷到热的过渡，而不是两个过渡区域31，使得Fuel Cell StickTM装置10能够制造得更短。
本发明的一个益处是使活性层非常薄的能力，从而使Fuel Cell StickTM装置10能够在单个装置中并入多个燃料电池。活性层越薄，在制造Fuel CellStickTM装置10的过程中，空气通路20或燃料通路14塌陷的机会越大，从而阻碍流动通过通路14和/或20。因此，在本发明的一个实施例中，示出在图7A和7B中，多个支撑柱54，例如陶瓷支撑柱设置在通路14和20内以防止电解质层28的变形和通路14、20的堵塞。图7A是侧面截面图，而7B是穿过空气通路20的顶部截面图。根据本发明的一个方法，使用流延成型(tape casting)法，可以使用牺牲带层，其中多个孔形成于牺牲层中，例如通过激光去除材料。陶瓷材料随后用于填充孔，例如通过将陶瓷浆料涂覆在牺牲带层上以渗透孔。在多个层组装在一起之后，去除牺牲层的牺牲材料，例如通过使用溶剂，留下剩余的支撑柱54。
在用于形成支撑柱54的另一实施例中，可以将大颗粒的预烧结陶瓷添加到有机载体中，例如溶解在溶剂中的塑料，并且搅拌以形成随机混合物。作为示例且并不是限制，大颗粒可以是球形的，例如直径为0.002英寸的球。然后，将随机混合物应用到坯体结构，例如通过印刷到将要设置燃料通路14和空气通路20的区域内。在烧结(烘烤/烧制)工艺过程中，有机载体离开结构(如，被烧掉)，从而形成通路14、20，并且陶瓷颗粒维持以形成物理保持通路14、20畅通的支撑柱54。最终的结构示出在图7C和7D的微观图中。支撑柱54随机设置，其中平均距离是有机载体中的陶瓷颗粒的负载的函数。
图8A以截面示出了本发明的包含平行的两个燃料电池的一个实施例。每个活性电解质层28在一侧上具有空气通路20和阴极层26a或26b，并且在相对侧上具有燃料通路14和阳极层24a或24b。陶瓷材料29将一个燃料电池的空气通路20与第二燃料电池的燃料通路14隔开。暴露的阳极部分25的每一个经由线42连接至负电压节点38并且暴露的阴极部分27的每一个经由线42连接至正电压节点40。单个空气供给36随后可以用于供应多个空气通路20中的每一个，并且单个燃料供给34可以用于供应多个燃料通路14中的每一个。由活性层的该布置建立的电路示出在该图的右侧处。
在图8B的截面图中，Fuel Cell StickTM装置10类似于示出在图8A中的，但不是具有多个暴露的阳极部分25和多个暴露的阴极部分27，而是仅有阳极层24a在25处暴露并且仅有一个阴极层26a在27处暴露。第一通孔56将阴极层26a连接至阴极层26b且第二通孔58将阳极层24a连接至阳极层24b，作为示例，在形成坯体层的过程中可以使用激光方法以产生开放的通孔，随后用导电材料填充通孔以形成通孔连接。如图8B的右侧处的电路所示出的，在图8B的Fuel Cell StickTM装置10中形成了与图8A中的Fuel Cell StickTM装置10相同的电路径。
图9A和9B还以截面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的实施例中，Fuel Cell StickTM装置10包括两个燃料通路14和两个空气通路20，而不是具有两个燃料电池，该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26b之间，具有中间的电解质层28。阳极层24a在燃料通路14的一个侧面上，并且在燃料通路14的相对的侧面上是第二阳极层24b。第二阳极层24b与第二阴极层26b相对，且另一电解质层28置于其间，从而形成第二燃料电池。第二阴极层26b在空气通路20的一个侧面上且第三阴极层26c在空气通路20的相对的侧面上。第三阴极层26c与第三阳极层24c相对且电解质层28置于其间，从而提供第三燃料电池。装置10的从阳极层24a到阴极层26c的部分能够在装置10内重复许多次以提供共用的阳极和阴极，从而增加单个Fuel Cell StickTM装置10内的燃料电池的数量。每一阳极层24a、24b、24c包括暴露的阳极部分25，可以在Fuel Cell StickTM装置10的外表面处建立到暴露的阳极部分25的电连接，以便例如经由线42连接至负电压节点38。类似地，每一阴极层26a、26b、26c包括暴露至外表面的阴极部分27，以便例如经由线42连接至正电压节点40。单个空气供给36可以设置在一个冷端部处以供应空气通路20中的每一个，并且单个燃料供给34可以设置在相对的冷端部处以供应燃料通路14中的每一个。从而通过该结构形成的电路设置在图9A的右侧。该Fuel Cell StickTM装置10包含平行的三个燃料电池层，使可获得的功率增加两倍。例如，如果每一层产生1伏和1安培，那么每一个燃料电池层产生1瓦的功率输出(伏×安培＝瓦)。因此，该三层布局将会产生1伏和3安培而得到总共3瓦的功率输出。
在图9B中，修改了图9A的结构以提供至每一个电压节点的单个电连接以产生串连的三个燃料电池，如图9B右侧的电路所示出。正电压节点40在暴露的阴极部分27处连接至阴极层26a。阳极层24a经由通孔58连接至阴极层26b。阳极层24b经由通孔56连接至阴极层26c。阳极层24c在暴露的阳极部分25处连接至负电压节点38。因此，使用相同的1安培/1伏每层的假设，该三电池结构将产生3伏和1安培以得到总共3瓦的功率输出。
在图10中以侧视图示出了本发明的另一实施例。在该实施例中，Fuel Cell StickTM装置10在第一端部11a处具有单个冷区域30并且第二端部11b位于热区域32内。就像在其它实施例中的，燃料入口12在第一端部11a处，并且通过供给管50连接至燃料供给34。在该实施例中，燃料通路14延伸Fuel Cell StickTM装置10的长度且燃料出口16处于第二端部11b处。因此，在冷区域30内建立燃料供给连接且燃料反应物(例如，CO2和H2O)的出口在热区域32内。类似地，阳极在冷区域30内具有暴露的阳极部分25，以便经由线42连接至负电压节点38。
在图10的实施例中，Fuel Cell StickTM装置10在至少一个侧面处是开放的，并且可能在两个相对的侧面处都是开放的以在热区域32内提供空气入口18和空气通路20。在该实施例中，支撑柱54的使用可能是特别使用在空气通路20中。空气出口可以如图所示位于第二端部11b处。或者，虽然未示出，但是如果通路20延伸穿过宽度并且空气供给仅被引导朝向输入侧，或如果通路20并未延伸穿过宽度，则空气出口可以位于与空气入口侧相对的侧面。与仅向热区域32提供热相反，在该实施例中，还提供空气。换句话说，装置10的在热区域32内的侧面对热空气是开放的，而不是通过强迫的空气管供应空气。
图10A以侧视图显示了示出在图10中的实施例的变化形式。在图10A中，Fuel Cell StickTM装置10包括相对的冷区域30和通过过渡区域31与冷区域30隔开的中心热区域32。空气入口18设置在中心热区域32内，在中心热区域32的至少一部分内以接收加热的空气。然而，在该实施例中，通路20对Fuel Cell StickTM装置10的侧面并不是完全开放的，而是为如图10所述的合适的长度。相反地，如图10B中更清楚示出的，空气通路20在热区域32的一部分内是开放的且沿长度的剩余部分终止于侧面，并且随后在Fuel Cell StickTM装置10的第二端部11b的空气出口22处离开。该实施例允许加热的空气供应在热区域32内，而不是强制空气供给管内，而且还允许燃料和空气在装置10的在冷区域30内的一端部11b处离开。
虽然已经详细示出和描述了具体的实施例，但是本发明的范围不限于此。下面描述了本发明的更普遍的实施例并且可以参考示出在图11-24中的示意图来更好地理解这些实施例。图11提供了示意性示出在图12-24中的部件的关键。箭头示出了燃料(F)或空气(A)进入Fuel Cell StickTM装置(例如，SOFC棒)中，这表明强制流动，例如通过连接至输入入口点(input access point)的管。其中未示出空气输入，这表明加热的空气通过非强制流动连接被供给在热区域内，并且Fuel Cell StickTM装置在热区域内的入口点处对空气通路是开放的。
本发明的一个实施例是Fuel Cell StickTM装置10，其包括至少一个燃料通路和相关联的阳极、至少一个氧化剂通路和相关联的阴极以及其间的电解质，其中电池是基本上长于其宽度或厚度的，以便在一个主轴线(dominant axis)上具有CTTE，并且电池的热区域内的一部分具有大于约400℃的温度。在该实施例中，Fuel Cell StickTM装置10在装置10的一端部处具有根据主CTE方向的用于空气输入和燃料输入的集成入口点，或根据主CTE方向在一端部处具有空气输入且在另一端部处具有燃料输入，以及空气输入和燃料输入都位于热区域的外部。例如，参见图20和24。
在本发明的另一实施例中，燃料电池具有第一温度区域和第二温度区域，其中第一温度区域是热区域，该热区域在足以执行燃料电池反应的温度下操作，第二温度区域在热区域的外部并且在比第一温度区域低的温度下操作。第二温度区域的温度是足够低以允许建立到电极的低温连接和用于至少燃料供给的低温连接。燃料电池结构部分延伸至第一温度区域内且部分延伸至第二温度区域内。例如，参见图12、13和17。
在本发明的一个实施例中，燃料电池包括是热区域的第一温度区域和在低于300℃的温度下操作的第二温度区域。使用橡胶管或类似物作为低温连接在第二温度区域内建立空气和燃料连接。低温焊料连接或弹簧夹用于建立至阳极和阴极的电连接，以便将阳极和阴极连接至各自的负电压节点和正电压节点。而且，用于二氧化碳和水的燃料出口和用于消耗的氧的空气出口位于第一温度区域内，即热区域内。例如，参见图17。
在另一实施例中，燃料电池结构具有是热区域的中心的第一温度区域，并且燃料电池的每一端部位于第一温度区域外部，在低于300℃下操作的第二温度区域内。燃料和空气输入位于第二温度区域内，焊料连接或弹簧夹以便电连接至阳极和阴极。最后，二氧化碳、水和消耗的氧的输出位于第二温度区域内。例如，参见图19、20和24。
在本发明的另一实施例中，燃料输入可以根据主CTE方向设置在低于300℃下操作的第二温度区域内的每一端部处，其中第一温度区域是被设置在相对的第二温度区域之间的中心内的热区域。二氧化碳、水和消耗的氧的输出可以位于中心热区域内。例如，参见图15和18。或者，二氧化碳、水和消耗的氧的输出可以位于第二温度区域内，即热区域的外部。例如，参见图16和19。
在另一实施例中，燃料输入和空气输入入口点都位于是热区域的第一温度区域的外部，在低于300℃下操作的第二温度区域内，从而允许使用低温连接，例如用于空气和燃料供给的橡胶管。此外，焊料连接或弹簧夹被使用在第二温度区域内以便将电压节点连接至阳极和阴极。在一个实施例中，燃料输入和空气输入都在根据主CTE方向的一端部处，并且Fuel Cell StickTM装置10的另一端部是在第一加热的温度区域内，其中二氧化碳、水和消耗的氧气的输出在热区域内。例如，参考图17。因而，Fuel Cell StickTM装置具有一个加热端和一个非加热端。
在另一实施例中，根据主CTE方向，燃料和空气输入到热区域外部的一端部中并且在也处于热区域外部的相对端部处离开，使得热区域在两个相对的第二温度区域之间。例如，参见图20。在又一替代中，燃料和空气输入到位于第二温度区域内的两个相对的端部内，其中燃料和空气输出都位于中心区域内。例如，参见图18。
在又一替代中，燃料和空气输入到位于第二温度区域内的两个相对的端部内，其中各自的输出在第二温度区域内的与输入相对的端部处。例如，参见图19。因此，燃料电池具有中心的加热区域和加热区域外部的相对的端部，其中燃料和空气都输入第一端部中，其中各自的反应出口存在于第二端部附近，燃料和空气都输入到第二端部，并且反应输出出口位于第一端部附近。
在又一实施例中，燃料输入可以是在加热区域外部的一端部处，而空气输入可以是在热区域外部的相对的端部处。例如，参见图21-24。在该实施例中，来自空气和燃料的反应输出可以在热区域内(参见图21)，或它们都可以在热区域外部邻近与各自的输入相对的端部(参见图24)。或者，二氧化碳和水输出可以是在热区域内，而消耗的氧输出是在热区域外部(参见图22)，或相反地，消耗的氧输出可以在加热区域内，而二氧化碳和水输出在加热区域外部(参见图23)。示出在图22和23中的关于燃料和空气输出的变化也可以适用于示出在图18-20中的实施例。
在本发明的另一实施例中，以顶部平面图在图25A和27A中和以侧视图在图27B中进行示出，提供了具有可以被称为锅柄状样式的Fuel Cell StickTM装置100。Fuel Cell StickTM装置100具有细长部分102，其尺寸可以类似于示出在先前实施例中的Fuel Cell StickTM装置10，细长部分102在一个主轴线上具有CTE，即其基本上是长于其宽度或厚度。Fuel Cell StickTM装置100还具有宽度更紧密匹配长度的大表面积部分104。部分104可以具有正方形的表面积或矩形的表面积，但是宽度并不是显著小于长度，使得CTE在部分104内并不具有单主轴线，而是在长度方向和宽度方向都具有CTE轴线。大表面积部分104位于热区域32内，而细长部分102至少部分位于冷区域30和过渡区域31内。在示例性的实施例中，细长部分102的一部分延伸到热区域32中，但这并不是必需的。例如，燃料和空气供给34、36可以按图6B中所示出的方式以及电连接被连接至细长部分102。
在图25B和26A中以顶部平面图且在图26B中以侧视图提供了类似于图25A、27A和27B中示出的替代实施例，但还具有与细长部分102相对的第二细长部分106，以便将大表面积部分104定位在两个细长部分102与106之间。细长部分106也至少部分位于冷区域30和过渡区域31内。在该实施例中，燃料可以输入到细长部分102内且空气输入到细长部分106内。例如，空气供给36和燃料供给34随后可以按照图2或图3B中示出的方式分别连接至细长部分106和102。如图25B所示，空气输出可以位于细长部分102内邻近燃料输入，而燃料输出可以位于细长部分106内邻近空气输入。或者，空气输出和燃料输出中的一个或两个可以位于热区域32内的大表面积部分104内，如图26A和26B分别以顶视图和侧视图所示出的。应该意识到，在图25A和25B的实施例中，相对的阳极24和阴极26以及介入的电解质28的表面积可以在热区域32内被增大以增大反应区域，从而提高由Fuel Cell StickTM装置100产生的功率。
本发明的Fuel Cell StickTM装置10、100的另一益处是低的重量。典型的内燃机重量在18-30lbs每kw功率的数量级。本发明的Fuel Cell StickTM装置10、100可以被制成重量在0.5lbs每kw功率的数量级。图28A-28D示出了本发明的管状Fuel Cell StickTM装置200的替代实施例，具有螺旋状、卷曲状或管状结构。图28A是装置200的示意性俯视图，处于未卷曲的位置。装置200的未卷曲的结构具有相同长度L的第一端部202和第二端部204，长度L对应于卷曲的或螺旋管状Fuel Cell StickTM装置200的长度。燃料入口12和空气入口18示出为处于第一端部202附近的相对的侧面上。燃料通路14和空气通路20沿着未卷曲结构的装置200的宽度延伸至第二端部204，使得燃料出口16和空气出口22处于第二端部204处，如图28B中的未卷曲结构的装置200的示意性端部视图和28C中的未卷曲结构的装置200的示意性侧视图进一步示出。燃料通路14和空气通路20示出为沿着接近未卷曲结构的装置200的长度L延伸，以便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Fuel Cell StickTM装置200，第一端部202朝第二端部204卷曲以形成以图28D的示意性透视图示出的螺旋管结构的装置200。空气供给36可以设置在螺旋管状Fuel Cell StickTM装置200的一端部处以便输入空气入口18中，而燃料供给34可以设置在螺旋管状Fuel Cell StickTM装置200的相对的端部处以便将燃料输入到燃料入口12中。空气和燃料将沿着装置200的长度L通过燃料出口16和空气出口22离开螺旋管状Fuel Cell StickTM装置200。电压节点38、40可以焊接到形成在螺旋管状Fuel Cell StickTM装置200的相对端部上或其附近的接触焊盘44。
图29A-29G示出了本发明的替代实施例，其中Fuel Cell StickTM装置是管状同心形式。图29A以示意性等视轴图示出了同心的管状Fuel Cell StickTM装置300。图29B-29E示出了图29A的同心装置300的截面图。图29F示出了装置300的空气输入端部处的端部视图，图29G示出了装置300的燃料输入端部处的端部视图。所示出的具体实施例包括三个空气通路20、一个位于管状结构的中心且另两个与这一个分隔开且与其同心。同心的管状Fuel CellStickTM装置300还具有位于空气通路20之间且与其同心的两个燃料通路14。如图29A-29D所示，同心的管状Fuel Cell StickTM装置300包括在与它们各自的入口12、18相对的一端部处连接燃料通路14的燃料出口16和另一端部处连接空气通路20的空气出口22。每一个空气通路20与阴极26成一直线且每一个燃料通路14与阳极24成一直线，电解质28使相对的阳极和阴极隔开。如图29A-29B和29F-29G所示出的，可以在同心的管状Fuel Cell StickTM装置300的相对端部处建立至暴露的阳极25和暴露的阴极27的电连接。接触焊盘44可以被应用到端部以连接暴露的阳极25和暴露的阴极27，尽管未示出，接触焊盘44可以沿着装置300的外部前行以允许在沿着装置300的长度的位置处而不是端部处建立电连接。同心的管状Fuel Cell StickTM装置300可以包括设置在空气通路14和燃料通路20内用于结构支撑的支撑柱54。
在本发明的在相对端部11a、11b处具有两个冷区域30，其中空气输入和燃料输出在一个端部而燃料输入和空气输出在相对端部的实施例中，当消耗的燃料或空气离开中心的热区域32时，其处于加热状态。当加热的空气和燃料前行穿过过渡区域31至冷区域30时，它们冷却。电极和/或陶瓷/电解质的薄层使空气通路20与平行的燃料通路14分开，反之亦然。在一个通路中，加热的空气离开热区域32，而在相邻的平行通路中，燃料进入热区域32中，且反之亦然。由于热交换原理，加热的空气将对相邻的平行通路中进入的燃料进行加热，且反之亦然。因此，存在通过热交换的一些预热的空气和燃料。然而，由于热区域32外部的热迅速损耗，如上所述，所以在空气和燃料进入热区域32中的活性区域之前，热交换可能不足以将空气和燃料预热至最佳的反应温度。此外，在Fuel Cell StickTM装置10包括一个冷端部(冷区域30)和一个热端部(热区域32)的实施例中，燃料和空气被输入到同一冷端部30中并通过同一个相对的热端部32离开，使得不会发生用于热交换的燃料和空气的横向流。从Fuel Cell StickTM装置10的电极和陶瓷材料仅可获得对进入的燃料和空气的有限的热交换。
图30A-33C示出了Fuel Cell StickTM装置10的具有集成的预热区域33a以便在燃料和空气进入活性区域33b之前加热它们的各种实施例，其中阳极24和阴极26呈相对的关系。这些实施例包括存在两个冷端部30且中间是热区域32以及燃料输入和空气输入在相对的冷端部30的Fuel Cell StickTM装置10，以及存在一个热端部32和一个冷端部30以及燃料输入和空气输入都在单个冷端部30的Fuel Cell StickTM装置10。在这些实施例中，所使用的电极材料的量可以被限制到活性区域33b且只有少量引至冷区域30以便外部连接至电压节点38、40。这些实施例中的另一益处(将在稍后更详细地描述)是电子具有前行至外部电压连接的可能最短的路径，这提供了低的电阻。
图30A示出了Fuel Cell StickTM装置10的第一实施例的示意性截面侧视图，其具有一个冷区域30和一个相对的热区域32以及集成的预热区域33a。图30B以截面图示出了通过阳极24向上朝燃料通路14看到的视图，图30C以截面图示出了通过阴极26向下朝空气通路20看到的视图。如图30A和30B所示，来自燃料供给34的燃料通过燃料入口12进入且沿着装置10的长度延伸通过燃料通路14，并且通过燃料出口16从装置10的相对端部离开。冷区域30位于Fuel Cell StickTM装置10的第一端部11a处且热区域32是在相对的第二端部11b。热区域和冷区域之间是过渡区域31。热区域32包括初始的预热区33a，所述燃料先前行穿过预热区33a，以及活性区域33b包括邻近燃料通路14的阳极24。如图30B所示的，阳极24的横截面积在活性区域33b中是大的。阳极24延伸至Fuel Cell StickTM装置10的一个边缘且外部的接触焊盘44沿着装置10的外部延伸至冷区域30以便连接至负电压节点38。
类似地，如图30A和30C所示，来自空气供给36的空气通过设置在冷区域30中的空气入口18进入，空气沿着Fuel Cell StickTM装置10的长度延伸穿过空气通路20，且通过空气出口22从热区域32离开。由于空气和燃料在相同端部处进入且在同一个方向上沿着Fuel Cell StickTM装置10的长度前行，所以在热区域32之前，存在通过热交换进行的空气和燃料的有限预热。阴极26在活性区域33b内与阳极24成相对关系设置并延伸至Fuel Cell StickTM装置10的相对侧，在该相对侧处，阴极26暴露并且连接至外部的接触焊盘44，接触焊盘44从活性热区域33b延伸至冷区域30以便连接至正电压节点40。然而，不需要暴露的阴极27在装置10的与暴露的阳极25相对的侧上。暴露的阳极25和暴露的阴极27能够在装置10的相同侧上且接触焊盘44可以形成为沿着Fuel Cell StickTM装置10的侧面的条。通过这种结构，空气和燃料在预热区域33a内首先被加热，在预热区域33a内不发生反应，且阳极材料和阴极材料的大部分限制到活性区域33b，在活性区域33b内，加热的空气和燃料进入并借助相对的阳极层24和阴极层26反应。
图31A-31C中示出的实施例类似于图30A-30C中示出的实施例，但不同的是具有一个热端部32和一个冷端部30，图31A-C的实施例包括相对的冷区域30和中间的热区域32。来自燃料供给34的燃料通过冷区域30内的燃料入口12进入装置10的第一端部11a且通过设置在相对的冷区域30内的燃料出口16从相对的第二端部11b离开。类似地，来自空气供给36的空气通过空气入口18进入相对的冷区域30且通过空气出口22在第一冷区域30处离开。燃料进入热区域32且在预热区域33a内被预热，而空气在热区域32的相对侧处进入且在另一预热区域33a内被预热。因而，存在燃料与空气的交叉流。阳极24在热区域32的活性区域33b内与阴极26相对且在活性区域33b内发生涉及预热的燃料与空气的反应。而且，大部分电极材料被限制到活性区域33b。阳极24在Fuel Cell StickTM装置10的一个边缘处被暴露，而阴极26在装置10的另一侧被暴露。外部接触焊盘44在热区域32内接触暴露的阳极25且朝第-冷端部11a延伸以便连接至正电压节点38。类似地，外部接触焊盘44在热区域32内接触暴露的阴极27且朝第二冷端部11b延伸以便连接至正电压节点40。
预热区域33a提供了在气体到达活性区域之前，将气体充分加热至最佳反应温度的优点。如果燃料比最佳温度冷，那么SOFC系统的效率就将会降低。当空气和燃料在它们的路径上继续时，它们被升温。当它们升温时，电解质28在那个区域内的效率就会提高。当燃料、空气和电解质28达到炉的全温时，那么电解质就将低于其最佳效率工作。为了节省可能由贵金属制造的阳极24和阴极26方面的成本，则在仍低于最佳温度的那些区域内去除金属。就长度或其它尺寸而言，预热区域33a的量取决于从炉到Fuel Cell StickTM装置10的传热，以及从Fuel Cell StickTM装置10到燃料和空气的传热，以及是否发生因燃料和空气的交叉流引起的任何热交换。该尺寸还取决于燃料和空气的流速；如果燃料或空气沿着Fuel Cell StickTM装置10的长度快速移动，则较长的预热区域33a将是有优势的，而如果流速缓慢，那么预热区域33a可以较短。
图32A和32B示出了类似于图31A-31C中示出的实施例，但Fuel Cell StickTM装置10包括燃料入口12与燃料通路14之间的预热室13，预热室13延伸至热区域32内以便在燃料穿过更窄的燃料通路14进入活性区域33b之前，在预热区域33a内预热大量的燃料。Fuel Cell StickTM装置10类似地包括空气入口18与空气通路20之间的预热室19，预热室19延伸入热区域32内以便在空气穿过更窄的空气通路20进入活性区域33b之前，在预热区域33a内预热大量的空气。如在上述实施例中所公开的，Fuel Cell StickTM装置10可以包括多个燃料通路14和空气通路20，这些通路中的每一个都接收来自各自的预热室13、19中的流。
相对于高容积的预热室13、19，而不是预热通道，仅作为示例，可以设想如果空气分子耗费5秒钟来加热到最佳温度的话，则如果空气分子每秒钟沿Fuel Cell StickTM装置10行进1英尺，空气在进入活性区域33b之前，Fuel Cell StickTM装置10将需要5英寸长的预热通道。然而，如果设置大容积的室代替通道，容积使得分子在进入更窄的通道至活性区域33b之前，在空腔内耗费额外的时间，使得空气分子在室内被加热且短长度的通道可以用于将加热的空气分子馈送至活性区域33b。这样的空腔或预热室13、19能够按照多种不同的方法来制造，包括取出坯体(即，烧结之前)组件并钻孔到组件的端部以形成室，或通过在保持其形成时的形式的坯体堆内引入大量的有机材料，由此有机材料在烧结过程中烘烤出Fuel Cell StickTM装置。
图33A-33C示出了用于在空气和燃料到达活性区域33b之前预热空气和燃料的又一实施例。图33A是示意性截面侧视图，基本上穿过Fuel Cell StickTM装置10的纵向中心。图33B是沿线33B-33B截取的截面俯视图，其中燃料通路14与阳极24相交，而图33C是沿线33C-33C截取的截面仰视图，其中空气通路20与阴极26相交。Fuel Cell StickTM装置10具有两个相对的冷区域30和中心的热区域32，以及每一个冷区域30与热区域32之间的过渡区域31。来自燃料供给34的燃料通过燃料入口12进入Fuel Cell StickTM装置10的第一端部11a并且行进通过燃料通路14，燃料通路14朝着热区域32的相对端部延伸，这形成U形转弯并行进回到冷区域30的第一端部11a，在这里，废燃料通过燃料出口16离开。类似地，来自空气供给36的空气通过空气入口18进入Fuel Cell StickTM装置10的第二端部11b并行进通过空气通路20，空气通路20朝着热区域32的相对端部延伸，这形成U形转弯并行进回到第二端部11b，在这里，空气通过空气出口22从冷区域30离开。借助这些U形转弯通路，原先通过弯曲(U形转弯)进入热区域32的燃料通路14和空气通路20的一部分构成了用于加热燃料和空气的预热区域。在通路14、20内的弯曲处或U形转弯之后，通路与各自的阳极24或阴极26成一直线，它们与阳极24与阴极26之间的电解质成相对的关系，此区域构成了热区域32内的活性区域33b。因此，燃料和空气在进入活性区域33b之前在预热区域33a内被加热以提高Fuel Cell StickTM装置10的效率，且使电极材料的使用最小化。阳极24在冷区域30内延伸至装置10的外部以便连接至负电压节点38。类似地，阴极26延伸至装置10的外部以便电连接至正电压节点40。燃料出口16和空气出口22也可以从冷区域30离开。
在上面示出和描述的许多实施例中，阳极24和阴极26在Fuel Cell StickTM装置10的层内行进，基本上在每一层的中心区域，即从内部到装置，直到到达装置的端部。之后，阳极24和阴极26固定至Fuel Cell StickTM装置10的外侧，暴露的阳极25和暴露的阴极27用接触焊盘44金属化，例如通过施加银浆，然后将线焊接到接触焊盘44。例如，参见图4A-4B。然而，可以期望在Fuel Cell StickTM装置10内使各层构建成更高的电压组合，如图8A-9B所示。如果期望制得产生1KW功率的Fuel Cell StickTM装置10，则该功率将被分配在电压与电流之间。一个标准是使用12伏，使得将需要83安培来产生总共1KW的功率。在图8B和9B中，通孔用于对电极层进行互连以形成并连或串连的组合。
图34A到37示出了用于对电极层进行互连的替代实施例。与在Fuel Cell StickTM装置10的内部对电极层进行互连相反，这些替代实施例沿着Fuel Cell StickTM装置10的侧面使用外部条(窄的接触焊盘)，如银浆，具体而言是多个小条。使用条技术，形成了简单的结构，该结构可以提供并连或串连的组合以实现所需的任何电流/电压比。而且，外部条将具有比内部通孔松散的机械公差，从而简化制造。而且，外部条将可能具有比通孔低的电阻(或等效的串连电阻)。导体路径内较低的电阻将导致沿着该路径的较低的功率损耗，使得外部条赋予了以较低的功率损耗从Fuel Cell StickTM装置10移除功率的能力。
现在具体参考图34A和34B，示出了串连互连的外部阳极/阴极。图34A提供了交替的阳极24a、24b、24c与阴极26a、26b、26c的示意性非垂直的前视图。沿着Fuel Cell StickTM装置10的长度，阳极24a、24b、24c与阴极26a、26b、26c包括伸出装置10的边缘的小片(tab)以提供暴露的阳极25和暴露的阴极27。外部的接触焊盘44(或条)然后设置在Fuel Cell StickTM装置10的外侧上，在暴露的阳极25和阴极27之上，如在图34B的示意性侧视图中最佳显示的。通过串联连接三对相对的阳极24a、24b、24c与阴极26a、26b、26c，Fuel Cell StickTM装置10提供了3伏和1安培。在图35中，该结构被加倍且两个结构通过沿着装置10的侧面的长条连接，从而提供了串并联设计的外部阳极/阴极互连，这提供了3伏和2安培。
图36A和36B提供了用于提供低功率损耗的低的等效串连电阻路径的实施例。在该实施例中，热区域32在Fuel Cell StickTM装置10的中间，且第一端部11a和第二端部11b在冷区域30内。燃料通过第一端部11a中的燃料入口输入且空气通过第二端部11b内的空气入口18输入。在热区域32(其是Fuel Cell StickTM装置10的活性区域)内，阳极24和阴极26暴露于装置10的侧面，其中阳极24暴露于一个侧面，而阴极26暴露于相对的侧面。接触焊盘44(或条)应用于暴露的阳极25和阴极27上。然后，Fuel Cell StickTM装置10的边缘沿着装置10的侧面的长度被金属化，直到金属化到达冷区域30，此处，建立低温焊料连接至负电压节点38和正电压节点40。阳极24和阴极26不能仅仅为了低电阻而进行优化，因为它们具有其它功能。例如，电极必须是多孔的以允许空气或燃料穿过至电解质28，且多孔性增大了电阻。而且，电极必须是薄的以允许多层Fuel Cell StickTM装置10内良好的层密度，且电极越薄，电阻越高。通过向Fuel Cell StickTM装置10的边缘(侧面)添加较厚的接触焊盘44，可以朝着焊料连接46提供低电阻路径。接触焊盘46越厚，电阻越低。如果电子必须沿着Fuel Cell StickTM装置10内的电极行进例如10英寸，通过电极层内的所有空穴，最低电阻的路径将是行进例如0.5英寸至装置10的侧面，然后沿着外部的非多孔性接触焊盘44行进10英寸。因而，沿着Fuel Cell StickTM装置10的外部的长接触焊盘44延伸至冷区域30，这允许通过提供较低电阻的导体路径以较低的损失从Fuel Cell StickTM装置10移除功率。因而，条技术(striping technique)可以使用在Fuel Cell StickTM装置10的活性区域(热区域32)内用于建立串联和并联的连接以增大功率，且沿着Fuel Cell StickTM装置10的侧面的长条允许从Fuel Cell StickTM装置10有效地移除功率。
图37以示意性的等视轴图示出了类似于图36B中示出的实施例，但在Fuel Cell StickTM装置10的第一端部11a处具有单个冷区域30，且热区域32在装置10的第二端部11b处。多个竖直条或接触焊盘44设置在热区域32内以建立串联的和/或并联的连接，且沿着装置10侧面的水平的长条或接触焊盘44从热区域32设置到冷区域30以便建立至正电压节点40和负电压节点38的低温焊料连接46。
用于形成燃料通路14和空气通路20的一种方法是将作为牺牲层的有机材料置于坯体、层状结构内，然后在稍后的烧结步骤中进行烘烤。为了制造具有高功率输出，例如1KW或10KW输出的单个Fuel Cell StickTM装置10，Fuel Cell StickTM装置10必须是长的、宽的且具有高的层数。例如，Fuel Cell StickTM装置的长可以在12英寸到18英寸的数量级。当烘烤坯体结构以烧结陶瓷并去除牺牲的有机材料时，用于形成燃料通路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离开。类似地，用于形成空气通路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烘烤掉。装置越长和越宽，有机材料通过这些开口离开越难。如果装置在烘烤过程中被加热得太快，那么多个层可以分层，这是因为有机材料的分解发生得比材料可以离开结构快。
图38A和38B以示意性的截面俯视图示出了替代实施例，其提供了用于烘烤出有机材料(牺牲层)72的多个出口间隙。如图38A所示，多个开口70设置在Fuel Cell StickTM装置10的一个侧面上以提供用于有机材料72离开结构的多个烘烤路径。如图38B所示出的，在烘烤之后，通过向Fuel Cell StickTM装置10的侧面应用阻挡涂层60而被闭合。例如，阻挡涂层60可以是玻璃涂层。在另一示例中，阻挡涂层60可以是包含陶瓷填料的玻璃。在又一实施例中，阻挡涂层60可以是接触焊盘44，如果用浆料填充，这对于产生的功率也起到低电阻路径的作用。银浆还可以包含玻璃以便增强粘合性。在示例性的实施例中，用于阴极26的烘烤路径被通至Fuel Cell StickTM装置10的一个侧面且用于阳极24的烘烤路径被通至装置10的相对侧，以避免相对的电极之间的短路。
在Fuel Cell StickTM装置10、100、200、300的替代实施例中，与具有分别与阴极26或阳极24成一直线的开放的空气通路20和燃料通路14相反，通过使用允许空气或燃料流动的多孔电极材料，可以组合阴极和空气通道并且可以组合阳极和燃料通道。阴极和阳极必须是多孔的以允许发生反应，因此在与强制空气和燃料输入的组合中，通过Fuel Cell StickTM装置可以实现足够的流动以允许发生发电反应。
本发明的另一实施例以示意性的截面端部视图示出在图39中。该实施例基本上是Fuel Cell StickTM装置10的阳极支撑样式。与其它实施例一样，Fuel Cell StickTM装置10可以具有热端部32和冷端部30，或两个冷端部30和中间的热区域32。与具有由陶瓷29支撑的装置10相反，阳极支撑的样式使用阳极材料作为支撑结构。在阳极结构内，燃料通路14和空气通路20设置成相对的关系。空气通路20与电解质层28成一直线，然后与阴极层26成一直线。化学气相沉积可以用于沉积内部层，或通过使用粘性糊的溶液。
在图40A和40B中，又一实施例示出了Fuel Cell StickTM装置10的阳极支撑样式。在该实施例中，消除了单独的开放的燃料通路14，使得多孔阳极24也用作燃料通路14。此外，Fuel Cell StickTM装置10涂覆有阻挡涂层60，例如玻璃涂层或陶瓷涂层，以防止燃料从装置10的侧面出来。如有需要，Fuel Cell StickTM装置10可以在阳极结构中具有许多与电解质28和阴极26相关的空气通路14。如图40B所示，来自燃料供给34的燃料被迫使通过多孔阳极24(其起到燃料通路14的作用)进入第一端部11a，然后穿过电解质层28和阴极26以与来自空气供给36的空气反应，然后废空气和燃料从空气出口22出来。
在以示意性的截面端部视图示出在图41中和以示意性的截面俯视图示出在图41B中的另一实施例中，Fuel Cell StickTM装置10可以包括设置在阳极支撑结构内的多个空气通路20，与多个空气通路20垂直的单个燃料通路14以便将来自燃料供给34的燃料通过单个燃料入口12供应至多个空气通路20。而且，空气通路20先与电解质层28成直线，然后与阴极26成直线。燃料从单个燃料通路14穿过阳极结构24，穿过电解质28阴极穿过阴极26以在空气通路20内与空气反应，以及废燃料和空气从空气出口22离开。废燃料还可以渗出不包括阻挡涂层60的Fuel Cell StickTM装置10的侧面，其未涂覆的侧面可以位于装置10的与单个燃料通路14的方位相对的侧面上。
在涉及阳极支撑结构的实施例中，应该意识到该结构可以基本上转变成阴极支撑结构。涂覆有电解质层28和阳极层14的燃料通路14将被设置在阴极结构中。单独的空气通路20或多个空气通路20也可以被设置，或阴极26的多孔性可以用于空气流动。
图42A-42C示出了在空气通路20和燃料通路14内形成电极的方法。以燃料通路14和阳极24为例，与在本实施例中使用多层坯体陶瓷和金属带层或印刷金属化来一层接一层地聚积坯体结构层相反，Fuel Cell StickTM装置10首先被构建成无电极。换句话说，坯体陶瓷材料用于形成Fuel Cell StickTM装置10的电解质28和陶瓷支撑部分29且有机材料用于形成通路，例如燃料通路14。在烧结Fuel Cell StickTM装置10之后，燃料通路14填充有阳极浆或溶液。浆可以是稠的，就像印刷油墨，或是流状的(runny)，就像高含量的水溶液。阳极材料可以通过任何期望的方式填充到燃料通路14中，例如经由真空、通过毛细管力吸入阳极材料，或经由空气压力迫使阳极材料进入。
或者，如图42A-42C所显示的，阳极材料溶解在溶液中，流入燃料通路14中，然后沉淀。例如，通过改变pH，阳极颗粒可以被沉淀，而溶液被抽吸出。在另一替代实施例中，阳极颗粒可以仅被允许沉降，然后从燃料通路14干燥或烘烤出液体。该沉降可以伴有产生油墨或液体载体，这将不会使颗粒保持悬浮达任何延长的时间段，例如因为低的粘度。离心机也可以用于迫使沉降。离心机可以易于允许大部分颗粒优先沉降到燃料通路14的一个表面上以由此保护电极材料并确保只有燃料通路14的一个表面用作电解质。
如图42A所示，包含阳极颗粒的溶液66被引入燃料通路14中，直到通路14完全被填充，如图42B所示出的。接着，颗粒沉降到通路14的底部以形成阳极层24，如图24C所示出的。与通常的毛细管力相比，溶液66的涌入可以依靠重力、真空或离心机进行加速。当然，虽然阳极24和燃料通路14被用作示例，但是这些替代实施例中的任一个也可以与阴极浆或溶液一起使用以在空气通路20内产生阴极层26。
在另一替代实施例中，陶瓷电极材料(阳极或阴极)可以在液体的溶胶-凝胶状态被注入通路(燃料或空气)，然后沉积在通路内部。还可以重复多次填充操作，例如在液体内的期望的电极材料的浓度低的情形中，或还可以在电极中提供性能的梯度(诸如在接近电解质的电极中提供不同量的YSZ对远离电解质的电极中的YSZ的量)，或如果期望将不类似材料的多层放置在一起(诸如，在电解质附近是LSM，然后为了更好的传导性在LSM之上是银来制造的阴极)。
返回参考图7C和7D，其中陶瓷球体或球用于为空气通路20和燃料通路14提供结构支撑，陶瓷颗粒还可以用于增大用于更大的反应面积的有效表面积，因而产生更高的输出。在涂覆电极层之前，非常细粒度的陶瓷球或球体可以使用在燃料通路14和空气通路20的内部。如在图43中以示意性的截面侧视图示出的，表面颗粒62填塞通路14以提供具有不均匀形貌的电解质层28，这增大了可用于接收电极层的表面积。阳极24随后被涂覆到不均匀的形貌上，且阳极材料到处涂覆表面颗粒62，由此增大反应面积。
在以示意性的截面侧视图示出在图44中的替代实施例中，电解质层28可以被层压，以便提供不均匀的形貌或织地粗糙的表面层(textured surface layer)46，例如通过靠着具有V形图案的细粒度(fine grading)挤压坯体电解质层，该图案随后被赋予电解质层28。在烧结电解质层28以固化陶瓷和织地粗糙的表面层之后，然后可以涂覆阳极层24，例如通过使用描述在上文的图42A-42C的回填工艺中，以提供具有高反应面积的阳极。
图45A和45B示出了本发明的又一实施例。图45A是示出了空气和燃料流过空气通路和燃料通路以及电极的布置的示意性俯视图，图45B是穿过热区域32的截面图。沿着Fuel Cell StickTM装置10的长度，该装置被分成左侧80和右侧82以及其间的中间物或桥接部分84。多个空气通路20L从Fuel Cell StickTM装置10的第一端部11a沿着长度延伸通过左侧80并从邻近第二端部11b的左侧80离开，以及多个空气通路20R从第一端部11a沿着长度延伸通过右侧82并从邻近第二端部11b的右侧82离开Fuel Cell StickTM装置10。空气通路20L偏离空气通路20R，正如图45B最佳显示的。多个燃料通路14L从Fuel Cell StickTM装置10的第二端部11b沿着长度延伸通过左侧80并从邻近第一端部11a的左侧80离开，以及多个空气通路14R从第二端部11b沿着长度延伸通过右侧82并从邻近第一端部11a的右侧82离开。燃料通路14L偏离燃料通路14R。此外，除了一个燃料通路和一个空气通路外，每一个燃料通路14L与空气通路20R成对并略微偏离其，且每一个空气通路20L与燃料通路14R成对并略微偏离其。对每一对偏离的燃料通路14L和空气通路20R来说，金属化沿着每一个燃料通路14L从左侧80延伸到右侧82，然后其沿着略微偏离的空气通路20R延伸。类似地，对每一对偏离的燃料通路14R和空气通路20L来说，金属化(metallization)沿着每一个空气通路20L从左侧80延伸到右侧82，然后其沿着略微偏离的燃料通路14R延伸。当金属化沿着燃料通路14L或14R延伸时，金属化起到阳极24L或24R的作用，而当金属化沿着空气通路20L或20R延伸时，金属化起到阴极26L或26R的作用。在Fuel Cell StickTM装置10的桥接部分84中，金属化并不沿着任何空气通路或燃料通路延伸，金属化仅仅起到阳极与阴极之间的桥接物90的作用。在本发明的一个实施例中，金属化可以包括沿着其长度的相同材料，使得阳极24L或24R、桥接物90以及阴极26L或26R的每一个包括相同的材料。例如，金属化可以包括铂金属，其作为阳极或阴极都表现良好。可选择地，金属化可以包括不同的材料。例如，阴极26R或26L可以包括亚锰酸镧锶(LSM)，而阳极24R或24L包括镍、NiO或NiO+YSZ。桥接物90可以包括钯、铂、LSM、镍、NiO或NiO+YSZ。本发明设想适于用作阴极或阳极，或其间的桥接材料的任意组合或类型的材料，且本发明并不限于上面确定的具体材料。
在Fuel Cell StickTM装置10的一个侧面上，此处示出为在右侧82上，燃料通路14R被设置有相配的阳极24R，其延伸至Fuel Cell StickTM装置10的右边缘以提供外部的暴露的阳极25。不存在与此燃料通路14R相配的偏离的空气通路20L，且阳极24R并不延伸到左侧80中。如图45A所示出的，外部的接触焊盘44被施用到暴露的阳极25上并沿着Fuel Cell StickTM装置10的长度延伸到冷区域30中。然后负电压节点38经由线42和焊料连接46被连接到接触焊盘44。如图所示，阳极24R可以延伸到右边缘贯穿热区域32，或可以仅延伸小的突出部分以减少所使用的电极材料的量。而且，阳极24R可以沿着燃料通路14R的长度延伸至Fuel Cell StickTM装置10的右侧，虽然这样的实施例将涉及电极材料的不必要的使用。
类似地，在Fuel Cell StickTM装置10的另一侧面上，示出为在左侧80上，单个空气通路20L被设置有相配的阴极26L，其延伸至Fuel Cell StickTM装置10的左侧以形成暴露的阴极27。此空气通路20L并不与偏离的燃料通路14R相配，且不需要阴极26L延伸至右侧82。接触焊盘44可以沿着Fuel CellStickTM装置10的左侧80的外部从暴露的阴极27到冷端部30被施用，在冷端部30处，正电压节点40可以经由线42和焊料连接46被连接至接触焊盘44。
在图45B中，单个燃料通路14R和相配的阳极24R显示为在右侧82的顶部处，而单个空气通路20L和相配的阴极26L显示为在Fuel Cell StickTM装置10的左侧的底部处。然而，本发明并不限于此布置。例如，空气通路20L和相配的阴极26L也可以在左侧80上被设置在装置10的顶部，按照与单个燃料通路14R和其相配的阳极24R类似的偏离方式，但金属化将不会从左侧80通过桥接部分84至右侧82。相反，桥接物90将不存在，使得阳极24R与阴极26L电分离。设想了另外的布置，其中Fuel Cell StickTM装置10可以在单个Fuel Cell StickTM装置10内被设置有两个独特的空气路径堆和两个独特的燃料路径堆，且电池成串连连接。图45A和45B所示出的实施例具有升高电压，而不会升高电流的优势，且同时维持低电阻。而且，此实施例在Fuel Cell StickTM装置10内提供了高密度。
在图46A和46B中，分别以示意性透视图和示意性截面图示出了可选择的实施例。前述实施例(如，图37)沿着Fuel Cell StickTM装置10的外侧面或边缘从热区域32到冷区域30设置了外部条以为电子行进到冷端部提供低电阻的路径。在图46A和46B的实施例中，与沿着装置10的侧面或边缘的条相反，接触焊盘44被沿着一个侧面和顶表面与底表面的其中一个施用以便外部连接至阳极24以及另一个接触焊盘44被沿着相对的侧面和顶表面与底表面中的另一个施用以便外部连接至阴极26。因而，电子具有大或宽的路径，电子沿着此路径行进，由此提供均匀的、较低的电阻。被施用到两个相邻表面上的这些大的接触焊盘44可以用在本文所公开的实施例中的任一个中。
在图47中，以示意性截面侧视图示出了利用热交换原理的Fuel Cell StickTM装置10的又一实施例。在加热的空气和燃料穿过热区域32的活性区域33b(即，热区域32的部分，在该部分中，阳极24与阴极26成相对的关系且中间是电解质28)之后，燃料通路14和空气通路20被连接成单个废弃物通路(exhaust passage)21。当与加热的空气组合时，任何未反应的燃料将燃烧，因而产生额外的热。废弃物通路21行进返回到邻近活性区域33b的冷区域30，废弃物(废燃料和空气)的流动方向与在相邻的燃料通路14和空气通路20中的加入的燃料和空气的方向是相反的。废弃物通路21中产生的额外的热被传递至相邻的通路14、20以加热加入的燃料和空气。。
图48A-48C示出了“端部卷曲的Fuel Cell StickTM装置”400，其具有厚部分402，厚部分402具有比薄部分404大的厚度，如图48A所示出的。燃料入口12和空气入口18被邻近第一端部11a设置，第一端部11a在厚部分402的端部处，且虽然未显示，但是空气出口和燃料出口(16、22)可以被设置在装置400的邻近相对的第二端部11b的侧面处，第二端部11b在薄部分404的端部处。厚部分402应该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周围提供厚陶瓷29来实现。薄部分404将包括活性区域33b(未显示)，其包括与阴极(未显示)成相对关系的阳极(未显示)且电解质(未显示)在阴极与阳极之间(就像现有实施例中的一样)。薄部分404应该足够薄以允许其处于坯体(未烧)状态时被卷曲，如图48B所示。在薄部分404被卷曲到期望的致密度之后，烧制装置400。卷曲的薄部分404可以被加热以引起反应，而厚部分402是冷端部，正如在其它实施例中讨论的。端部卷曲的Fuel Cell StickTM装置400是大表面积的装置，其可以通过卷曲薄部分404而被安装到小的空间内。而且，活性区域(33b)在薄部分404内的薄横截面减少了沿着陶瓷将热传出并允许良好的温度循环性能。
在阳极24和阴极26在活性(反应)区域32和/或33b内，在Fuel Cell StickTM装置10的边缘(侧面)处被暴露的实施例中，装置10的顶部处的陶瓷29可以被下凹入活性区域32和/或33b的区域内。这允许从顶部进入阴极26和阳极24以便进行电连接。接触焊盘44(如，金属化条)可以沿着Fuel Cell StickTM装置10的顶表面从活性区域32和/或33b到冷区域30被施用以提供至热区域室/炉的外侧的连接。
在Fuel Cell StickTM装置10包括相对的端部11a、11b处的两个冷区域30和中间的热区域32的另一实施例中，用于阳极24和/或阴极26的接触焊盘(如，金属化条)可以，如从热区域32出来朝Fuel Cell StickTM装置10的两个端部11a、11b前行，如图36B所示。可以建立至阳极24和阴极26的两个分开的电连接。举个例子且并不是限制，一组连接可以用于监测来自电池的电压输出，而另一组连接可以连接负载并允许电流流动。在电池本身处单独测量电压的能力具有给出了来自电池的总功率输出的更好构想的优势。
对于接触焊盘44(例如，金属化条)来说，可以使用本领域的技术人员已知的任何合适的传导材料。示例包括银、LSM和NiO。还可以使用材料的组合。在一个实施例中，非贵金属材料可以在热区域32内沿着Fuel Cell StickTM装置的表面被使用。例如，LSM可以被使用在减少了热区域室/炉的气氛中。然而，在任一种情形中，如果材料在热区域室/炉外侧延伸，非贵金属材料损失传导性，使得金属化材料必须在Fuel Cell StickTM装置正好离开热区域室/炉之前，过渡到贵金属或耐腐蚀材料。银浆是便利的贵金属材料。通过进一步的解释，当温度从反应温度降至室温时，诸如LSM的某些材料将会变成不传导的，当在装置10的冷端部30处暴露于空气时，诸如镍的其它材料将变成不传导的。因而，在Fuel Cell StickTM装置10的冷端部区域30内用于接触焊盘44的金属化材料在空气(非保护性气氛)中和低温下必须是传导的。诸如银的贵金属横跨温度/气氛过渡区域发挥作用，使得Fuel Cell StickTM装置10在离开热区域室/炉之前，金属化材料可以被过渡到贵金属。使用组合的材料允许基于热区域32对冷区域30内特定的传导性需要来选择，且允许通过减少所使用的昂贵的贵金属的量来降低成本。
如在图49A-49C中所示出的，在聚积坯体层的工艺过程中(图49A)，线92或其它物理结构被置于装置内，各层与线92被层压在合适的位置(图49B)且在层压之后去除线92(图49C)。这在，如燃料或空气的进入点处是有用的，在气体流动通路14、20进入Fuel Cell StickTM装置10的热区域32(反应区域)之前，Fuel Cell StickTM装置10可以具有数英寸的长度。与在印刷必须在形成通路的工艺中被缓慢烘烤出来(baked out)的聚合物相反，线工艺可以用于去除从Fuel Cell StickTM装置10的那部分烘烤出来的挑战。举个例子且并不是限制，可以使用具有0.010英寸直径的线92，这样将易于抽出线。线92还可以被平直地卷曲，以形成具有与线类似体积的带状物理结构，但横截面更短。由于带具有更大的表面积，因此脱模剂可以应用到带的表面以避免带在层压过程中粘附到陶瓷层。因而，术语“线”期望广义地包括各种物理结构，它们是长而窄的，无论横截面是圆形、椭圆形、正方形、矩形等。
图50A-50C示出了形成用于1层Fuel Cell StickTM装置10的入口通道的实施例。在此实施例中，与使用间隙形成带94(如，聚合物或蜡带)形成整个燃料通路14和氧化剂通路20相反，间隙形成带94仅仅被使用在活性区域33b内，即在阳极24和阴极26被设置成相对的关系且中间是电解质29的区域内。在燃料通路14和氧化剂通路20不具有相配的相对的阳极24和阴极26的非活性区域内，线92被使用，而不是间隙形成带94。如所显示的，线92接触或覆盖气体形成带94，使得通过线92和间隙形成带94形成的通路14、20从入口12、18到出口16、22(未显示)是连续的。
当Fuel Cell StickTM装置10变得越来越复杂，那么使用此线构想就可能变得越来越有用，例如，可以简化多层Fuel Cell StickTM装置10(如，50层)的复杂的烘烤出来的挑战。这部分是因为去除粘结剂，尤其在复杂的结构中去除粘结剂所面临的挑战是粘结剂烘烤出来的产物必须从它们被产生(因聚合物的分解)的位置处行进到Fuel Cell StickTM装置10的外部。然而，在线92被抽出结构之后，沿着此空位的路径是空置的和畅通的。如果线92(或其它合适的物理结构)可以被置于复杂的结构中，那么线被抽出后，由此产生的空位可以允许结构内的许多区域为烘烤出来的产物很快地找到从结构中出来的路径。
线构想的另一有用的目的是有助于Fuel Cell StickTM装置10内的压力分配。当单个管将空气或燃料供应至Fuel Cell StickTM装置10时，那么沿着Fuel Cell StickTM装置10内的许多通路/通道可以存在不同的流速。例如，如果在Fuel Cell StickTM装置10内存在50条空气通路20，相当于50个活性层，那么可以有一条截面积略微更大的通路，可以有一条截面积略微更小的通路。这可能是因为间隙形成材料的尺寸无规变化引起的。一个办法是限制每一层出口处的截面积。如果可以准确地形成每一层出口点处的截面积，使得那些截面积是相同的，且如果出口点处的截面积小于流动通道的面积，且如果所有那些出口点处的面积小于输入管的截面积，那么每一层上的流量将是相同的。这对进行气体流动和流体流动都是一致的。线构想能够实现此办法。在每一层的出口点处，线92被插入以建立气体到外部世界的最终通路。对50层来说，插入了50根短的线部件。当它们被抽出时，每一层都具有准确的出口尺寸(如，5mil直径的通路)。
因此，本发明设想多层Fuel Cell StickTM装置10，其中每一层的出口点的截面积小于其自身的流动路径截面积。本发明还设想多层Fuel Cell StickTM装置10，其中每一层的出口点被准确加工，使得它们在一些给定的位置处具有准确的相同的横截面积。本发明又设想了多层Fuel Cell StickTM装置10，其中所有出口面积加在一起小于输入的截面积。在这些实施例中，出口点的截面积被界定为是在流动路径内超出层的活性部分的端部，但在Fuel Cell StickTM装置10的端部输出点之前的一些位置处。换句话说，此流动路径内的点并不是准确地在Fuel Cell StickTM装置10的出口点处，而仅是在活性区域的稍微下游的位置。
在前面的实施例中，已经讨论了热区域32和热区域室。热区域室也可以被称为炉。冷区域或冷端部区域30被设置在炉之外。过渡区域31是Fuel Cell StickTM装置10的邻近炉内区域的区域。正如图51所示出的，炉壁96具有总厚度T。Fuel Cell StickTM装置10穿过此炉壁96。Fuel Cell StickTM装置10在壁96内的长度是X尺寸且等于厚度T。当Fuel Cell StickTM装置10穿过壁96时，其宽度是Y尺寸。Fuel Cell StickTM装置10的厚度是Z尺寸。基于此实施例的目的，Z小于或等于Y。
根据用于最佳条件的本发明的一个实施例，当Fuel Cell StickTM装置10穿过壁96时，炉壁厚度T应该大于Fuel Cell StickTM装置10的宽度Y。如果小于Y，那么当Fuel Cell StickTM装置10穿过壁96时，其上的应力可能太高，那么Fuel Cell StickTM装置10就可能开裂。
在另一个实施例中，正如示出在图52A-52C中的，在Fuel Cell StickTM装置10，(100、200、300或400)穿过炉壁96的部分处，尺寸L是在与Fuel Cell StickTM装置10，(100、200、300或400)的装置10的长度方向相交的平面上(即，在Y-Z平面上)的最大尺寸。对矩形的Fuel Cell StickTM装置10(100，400)来说，最大尺寸L可以是对角线，正如显示在图52B中的。对管状的Fuel Cell StickTM装置200、300来说，最大尺寸L可以是直径。对最佳条件来说，该尺寸应该是使T≥1/2L。
壁厚T可以由一种均匀的材料(绝缘)98制成。可选择地，正如图53中所示出的，壁厚度T还可以多个、分级的绝缘层制成，诸如三个绝缘层98a、98b、98c，使得每一层内的传热性能被优化以产生可能最好的温度过渡结果。在多层炉厚96’的情形中，所有层的总厚度T加在一起应该大于Y和/或大于或等于1/2L，但壁96’的一层的厚度可以小于Y和/或小于1/2L。。
在另一实施例中，正如示出在图54中，被设置了多层炉壁96”，其中多层的98a、98c可以被空气间隙120分隔开。在此设计中，可以是高温绝缘层98c靠近热区域32，而较低温度的绝缘层98a靠近冷区域30。中间的(中间的)温度区域，如位于两个绝缘层98a、98c之间，这相当于过渡区域31或预热区域33a。此实施例可以为流入Fuel Cell StickTM装置10的空气实现较长的预热区域，同时不会使炉的最热区域更大。在此实施例中，当Fuel Cell StickTM装置10穿过壁96”时，壁96”的一层的厚度可以被制成小于Fuel Cell StickTM装置10的Y尺寸和/或小于1/2L。但壁96”的总尺寸T包括层98a和98c，且空气间隙120将大于Fuel Cell StickTM装置10的Y尺寸和/或大于或等于1/2L。此实施例进一步设想了超过两个绝缘层。
上面的讨论是先制造没有阳极和阴极的Fuel Cell StickTM装置10，然后稍后再反填充那些元件。这样做的原因可能是某些阳极或阴极材料在Zr的烧结温度下会过度密实，而如果太密实的话，将不允许良好的反应。或者更通常地说，如果系统的不同部件不希望用相同的温度曲线来最佳地烧结，那么反填充可能是必要的。
然而，更难以提供在阳极或阴极的顶部部分上提供集电器。正如在下面讨论的图55A-55E中所显示的，本领域的技术人员已知集电器122是被设置成阳极或阴极的表面部分的高密度电极。集电器122通常是高度导电的层或基体，就像细线一样，其能够收集电子并使它们移动到它们需要去的地方。集电器122可以由NiO或LSM，或一些其它低成本材料，或甚至昂贵的电极。在用于形成阳极和阴极的反填充工艺之后，难以按照均匀的方式放上精确的集电器。但集电器的挑战不同于阳极或阴极的挑战。期望阳极和阴极是多孔的，这会造成过烧制的危险；而集电器是期望密实的(为了良好的传导率)，这样可以，集电器能够与Zr一起被供烧制。在反填充之前，当集电器122可以被放置到电解质28上时，使得集电器在阳极和阴极之下，接触电解质28，此布置在电解质28上阻塞活性区域，这不必要地浪费了活性区域。
根据本发明的实施例，且正如描述在图55A-55E中的，集电器122被设置并被共烧制，以便使它们浮动在Fuel Cell StickTM装置10内的空间中。这可以通过下述方式实现：将集电器122印刷到牺牲的第一有机层72a(如，聚合物)之上，然后在集电器122的顶部上涂覆牺牲的第二有机层72b(如，聚合物)，如图55A示意性显示的。集电器122由此被夹在两个牺牲的有机层72a、72b之间，如图55B所显示的。Fuel Cell StickTM装置10被构件，包括将牺牲层/集电器结构置于陶瓷支撑结构29内，如图55C所示，然后被烧结，由此牺牲的有机层72a、72b消失以形成间隙123且集电器122被留置浮动在间隙123内的空间中，如图55D所示。易于将多孔的阳极或阴极反填充到间隙123中，以完成阳极或阴极的形成。还可以使用使用如上所述的支撑柱54，使得浮动的集电器122置于支撑柱54上，如图55E所示，以提供机械支撑或使该位置标准化。为了实现此，可以在聚合物的第一牺牲层72a内产生周期性地通孔或小间隙，使得集电器材料将会周期性地向下印到孔内。在粘结剂去除之后，此填充的孔变成支撑柱54。可选择地，氧化锆球可以被添加到牺牲的聚合物间隙材料中。由于牺牲的聚合物溶解，所以集电器122将会粘附到那些球，且球将会粘附到陶瓷支撑结构29，如图56A和56B所示，因而提供了支撑。多孔的阳极24或阴极26可以反填充到空间内，如图57A和57B所示，电极颗粒124被固定在粘性液体126中以便反填充，随后该装置被干燥且颗粒沉降并被烧结以形成阳极24或阴极26。阳极或阴极颗粒可以被选择性地沉积到一个侧面，如果这是有用(通过重力或通过离心作用)的话。
就使用印刷窗格线的集电器形式来说，可以存在空气通路14或燃料通路20的间隙尺寸的一些变化，这导致通路在集电器122处被收缩或堵塞。由于烧结过程中随机的尺寸变化，所以发生了此变化。图58A-58C是显示了几乎造成通路14、20堵塞的集电器122的示例的显微照片。通路14、20的目的是具有畅通的流动。使通路更大是可能的，但这将不必要地降低Fuel Cell StickTM装置10的密度(通路越厚且层越厚，多层装置的功率密度越低)。根据本发明的一个实施例，为了降低通路14、20在集电器122处被堵塞的可能性，集电器线可以被埋置在多孔的阳极24和阴极26内。正如图59和60所示的，其中图59显示了集电器122在阳极24和阴极26的表面上，而图60显示了集电器122被埋置在阳极24和阴极26的表面内，如果集电器122被埋置在多孔的阳极24和阴极26(或基本上被埋置到阳极/阴极中)，那么集电器122将较不可能堵塞气体流动的路径。图69显示了已经被下凹到多孔的阳极或阴极中的实际的集电器痕迹。
埋置集电器122的方法显示在图61A-61C中。首先，将集电器122分配或印刷到临时基板128上。然后，用电极材料覆盖此集电器122，诸如通过印刷糊或用含有电极颗粒124的粘性液体126反填充并干燥。最后，去除临时基板128。临时基板128可以是一片塑料且在干燥之后仅适度地粘合到电极材料，使得干燥后的塑料上的电极可以被翻转并玻璃塑料。可以通过下述方式获得相同或类似的结果：将集电器122和阳极/阴极24、26印刷到已经被插入到堆中的间隙形成带94上，且在烘烤出和烧结过程中，间隙形成带94将消失，留下相同的最后结果。
当将阳极24或阴极26印刷到集电器122的顶部上时，如果集电器122倾向于稍微溶解并铺展，那么可以使用具有不同溶解度的材料(在极端情况下，集电器122可以包含溶于极性溶剂的树脂材料，且多孔的电极油墨可以具有溶于非极性溶剂的树脂材料)。期望限制此铺展，集电器122铺展得过大将会产生降低气体扩散入多孔的阳极24或阴极26中的作用。因此，将会发生集电器122的一些铺展是可能的，但集电器122的至少一部分被期望地埋置在多孔的材料中。因而，本发明设想集电器122的一些部分被下凹入多孔的阳极24或阴极26中的集电器路径，以便降低集电器122突起到燃料通路14或空气通路20中。
在多层Fuel Cell StickTM装置10的活性区域33b中，将可以具有尽可能薄的电解质28，如10μm。但超薄的电解质增加了装置的空气侧与燃料侧之间的渗漏的可能性。越薄的电解质可以产生越高的功率，但太薄的话将使得开裂或渗漏，且从层中产生零输出。根据本发明的一个实施例，使电解质28的可容许的厚度最小的关键是使阳极厚度和阴极厚度也促成了总的厚度，因此促成了总的强度。仅举个例子而不是限制，如果期望100μm的厚度来防止开裂，且每一个阳极24和阴极26测得为45μm，那么10μm的电极厚度将会工作良好。(45+45+10＝100)。
在多层Fuel Cell StickTM装置10的钝化区域(没有相对的阳极和阴极的区域)内，要求存在不同的厚度。此钝化区域担负分配空气和燃料的作用。这已经在许多附图中被显示为空气和燃料分配通路重叠。本文中的要求也是具有防止开裂的某一厚度，但没有阳极24和阴极26，本文中的陶瓷29必须比活性区域33b内的电解质层29厚。因此，在上文的实施例中，钝化区域内的陶瓷29必须是100μm，而活性区域33b内的电解质层28可以更薄，诸如10μm。
根据本发明的另一实施例，提供了用于获得具有两个厚度的陶瓷电解质28、29的单独层的方法：在钝化的气体通路区域内的较厚的陶瓷29和在活性区域33b内的较薄的陶瓷电解质28。示出在图62-62A中的此方法使用三个陶瓷带部件130以在钝化的气体流动区域内产生陶瓷29。带部件130a、130c中的两个终止且仅有中间的带130b继续到活性区域33b中以起到相对的阳极24和阴极26之间的陶瓷电解质28的作用。
以离开炉以便进行低温连接的细长的结构为背景，在上文呈现了许多构想。然而，许多构想也可以被使用在并不离开炉和/或具有板形状或类似形状的多层燃料电池装置中。本发明中可获得的装置的密度可以在其中在炉内建立了至热燃料电池装置的连接的其它燃料电池装置和系统中获得。例如，本文公开的可以使用在其它燃料电池装置中的构想包括聚合物带，填充了圆形球的聚合物带、用于形成出口或进入通路的线、起到两个电极作用的一个通路、桨形装置、干燥因重力或离心作用而朝一侧悬浮的电极、用于终止和串连样式的侧面间隙。
集电器122具有允许电极(阳极24和阴极26)中产生或消耗的电子在低电阻路径中按它们的方式行进到负载(电压节点38、40)。最佳的电极样式并不是非常传导的，这是因为其必须允许好几种情况同时发生：存在允许气体流动的孔，在电极中存在允许氧离子朝电解质流动的陶瓷以及存在允许电子流动的电子导体。存在孔和陶瓷意味着整个电极将具有比其仅由电子导体制成时高的电阻。
一旦释放电子，那么重要的是允许电子沿高传导率路径行进。现有的集电器的样式是基于从导体中去除电解质陶瓷，但仍保留孔隙率。这产生了传导性更强的层。这印刷在整个阳极或阴极上。在多层结构中此样式的一个优势是如果在烧结之后必须添加阳极/阴极材料的话，那么可能难以按照所描述的产生两个不同的层。上文描述了共烧制集电器的优势。
根据本发明的实施例，可以使用的集电器122包括按照窗格图案被印刷的高密度导体材料(即，很小的孔隙率或无孔隙率，使得如果集电器被印刷到整个阳极24或阴极26之上时，其将抑制反应)。在一个实施例中，集电器按照直线图案(也称为窗格图案)被印刷，在窗格标记之间留下敞开的空间以便气体渗透。多孔的阳极24和阴极26内的气体渗透率是使得进入窗格线之间的多孔材料的气体也将在窗格线之下流动。通过改变线到线的跨距以及线宽度本身，可以找到最佳的几何图形。举个例子，可以使用0.006”的线宽和0.030”的线距。图63示出了具有窗格图案的集电器122的俯视图。图64示出了多孔的阳极或阴极之上的集电器122的侧视图。图65示出了倾斜的视图，按照从顶部到底部的顺序显示了：集电器窗格、顶部的多孔的电极、电解质以及底部的电极(由于断裂，从电解质中突出)。随着活性区域变大，还将可以改变不同区域内的线宽度。小的导体线能够进给到较大的导体线中，而较大的线能够进给到更加大的导体线中。
上面描述了用于将燃料和空气供给34、36连接至Fuel Cell StickTM装置10的柔性的供给管50。通过拉伸供给管50扩张，可以使供给管50在Fuel Cell StickTM装置10的端部11a、11b的其中一个上滑动。粘合剂可以将供给管保持在合适的位置。根据本发明的一个实施例，备选方案是形成Fuel Cell StickTM装置10的端部11a(和/或11b)且在一侧上由凹陷132，正如图66A-66B所示出的，使得Fuel Cell StickTM装置10将供给管50机械固定在合适的位置。这得以通过用刳刨工具或立铣刀来机械加工Fuel Cell StickTM装置10而最方便地在坯体状态实现。
基于此，还可以使用连接器34，连接器34可以被夹到Fuel Cell StickTM装置10的一端部11a(和/或11b)上，正如图67A-67B中分别以顶部示意性截面图和透视图示出的。连接器134可以是模制塑料，且具有集成的电接触136和气体流动路径138，任一个或两个，这取决于Fuel Cell StickTM装置10的样式，和气密密封，诸如呈O型环的形式，以及任一个或两个用于连接接触焊盘44的电接触136。如果Fuel Cell StickTM装置10是双端部Fuel Cell StickTM装置10，使得一个极性是在Fuel Cell StickTM装置10的每一端部处离开Fuel Cell StickTM装置10，那么连接器134仍可以在Fuel Cell StickTM装置10的每一端部处具有两个或更多个电接触136，以便产生较低电阻的接触。电接触136可以是在Fuel Cell StickTM装置10的侧面上或在Fuel Cell StickTM装置10的顶部和底部上，由于接触更宽，在Fuel Cell StickTM装置10的顶部和底部上将产生较低的电阻。
虽然未示出，连接器34可以具有两个O型环，由此提供在连接器134内的两部分的密封：一个部分用于空气，另一个部分用于燃料。这样的连接器可以用作单端Fuel Cell StickTM装置10上的单个连接器，这提供了正接触和负接触，以及空气和燃料输送。
上文描述的实施例包括用于装置的两个相对的端部11a、11b。然而，上述Fuel Cell StickTM装置10的构想可以被应用到具有超过2个端部或出口点留在炉内的装置500。例如，图68A-68B示出了具有4个出口点的装置。四个位置可以提供空气入口18、空气出口22、燃料入口12和燃料出口16。这可以容易地将未燃烧的燃料循环到炉加热操作中。可以使用不是2和4的出口点，诸如3或6。
所使用的支撑球(参见图7C-7D)可以被使用在非在Fuel Cell StickTM装置10的燃料电池中，如正方形的板装置。支撑球允许在多层结构内产生大面积，而不会使不同的层在彼此上塌陷。该装置可以在通常的多层板内具有大的、敞开的区域。或者，该装置可以具有0.5英寸宽，但具有许多英寸长的路径来填充该区域。在任一种情形中，本文所公开的球技术将是有优势的。
球的关键构想是它们是圆的，这能够防止戳穿。由于存在使电解质、阳极和阴极薄(为了密度和为了更高的性能)的需求，所以因使用不规则形状的材料而可能产生戳穿。砂和砂砾能够戳进电解质中并造成渗漏。另一方面，电解质可以在球周围轻微变形而不会造成渗漏或撕裂。类似地，图7A-7B的柱构想可以被使用在非Fuel Cell StickTM装置10形式的多层燃料电池结构中。
在图38A-38B中，显示了使用多个烘烤出来的端口，它们稍后可以被密封。对SOFC或其它燃料电池装置的任何多层方法来说，这都是有优势的构想。而且，考虑到大板，设计者将产生具有大面积的气体通路，且需要去除填充那些空间的有机材料。然而，通常仅存在一个燃料入口点和一个燃料出口点。空气方面也是相同的情况。就这种大面积的有机材料，但太少的出口点来说，其中一个最大的制造挑战将可能是避免脱层。
脱层的解决办法是产生许多烘烤出来的点，小的开口，这可以允许烘烤出来气体或液体(在使用蜡的情形中)以对整个结构产生最小应力的方式从结构出来。在烧结多层结构之后，易于稍后返回并用固体材料填充那些小的烘烤出来的点以防止渗漏(诸如玻璃-陶瓷的组合)。
线92的构想非常像上面的烘烤出来的点的构想，且非常用于多层结构。假设制造4英寸的正方形板，且板内具有20或50个活性层。可以产生烘烤出来的端口以便更容易进行有机物去除。如果这些方便的烘烤出来的端口能够到达板的中心，那么这将甚至更好。这可以通过插入线92然后在层压之后抽出线92来实现。线92可以切割横跨若干区域，这些区域可以另外在板的中间与外部世界之间行进非常长的距离。此构想并不必须准确地是如上所述的线。那仅仅是最方便的形式，因为其具有低的表面积。物理部件可以是扁平的，如0.002”厚乘0.200”宽。在那种情形中，可能需要被脱膜剂覆盖以防止各层被粘附。不管怎样，该构想是被插入到结构中，然后被去除以便有利于有机物去除的物理部件。
在另一实施例中，含有蜡的碳带被用作间隙形成带94。挑战是使间隙形成材料均匀地出来而不会在Fuel Cell StickTM装置10内造成分裂或脱层。如果材料能够在正确的时间神奇地消失，留下敞开的通道，使得阳极24和阴极26以及电解质28内的其它聚合物材料能够烘烤出来，那将更好。一个方法是使用蜡。用于熔模铸造(所谓的脱蜡法)的蜡表现良好，在高于用于层压多层结构的层压温度之上，但在150℃-300℃的粘结剂燃烧掉的温度之下，约90℃下熔化。但蜡并不是理想的，因为如果将蜡铸造成2mil厚的片，它并未具有期望的强度。蜡摸起来很脆。蜡在薄部分应该更结实些。此问题的解决办法是将蜡与某种纤维组合以赋予蜡强度。一种选择是碳纤维。碳纤维可以以任意的纤维构型被购买。碳/蜡复合材料可以被置于多层结构中以形成间隙。在层压之后，将温度升高到蜡的熔点，于是蜡就转变成液体并流出Fuel Cell StickTM装置10。这在碳纤维内留下了对空气敞开的路径，允许易于烘烤出结构内部的周围的聚合物材料。在接近750℃的温度之前，碳纤维并不会挥发(转变成CO2)。因而，可以制造一种结构，在该结构中，在发生粘结剂燃烧掉之前，其中一种主要的间隙形成材料消失，由此留下畅通的路径以便去除粘结剂。于是，在中等温度下，聚合物本身可以挥发。最后，在高温下，碳纤维可以消失。图70是使用此碳-蜡组合，在烧结之后，当蜡和碳消失后留下的间隙的图像。
期望在多层装置内实现高电流连接。在多层装置内互连的一种方法是使用导通孔(via hole)。导通孔可以这样形成：通过将孔钻透一片陶瓷带130，然后填充它以形成通孔56，如图71所示，或导通孔可以通过非导体的印刷层来形成，但干燥之后，效果都是相同的。在图71中，显示了通孔56连接，将两个电极(阳极24或阴极26)连接在一起。在下面的描述中，为了简化，将采用两个阳极24的实施例。对传送电子信号，诸如数据传输来说，通孔56是胜任的，但对传送功率或高电流，通孔56就不理想。对功率或高电流来说，平行的多个通孔56是必须的以具有降低总电阻的效果。根据本发明的一个实施例，用于传送功率或高电流的改善的方法是去除用于分离感兴趣的导体的坯体带的整个区域。就此方法而言，互连可以是基于大面积。在图72中，显示了两个电极(阳极24)之间通过完全去除两个电极(阳极24)之间的陶瓷带130或材料的互连。由于呈坯体状态(带层或印刷层)时，层是软的，所以发生变形。如果需要或期望的话，额外的陶瓷材料可以被置于互连区域之上，以便在积累过程中维持陶瓷的整个扁平度。
略微变化是在一片坯体陶瓷带130内冲压大孔142，如图73A所示，然后将陶瓷带130插入多层积累中，或可选择地，在多层积累内印刷带大孔142的绝缘层，然后将导体印刷到顶部。在多层方法中，上面的电极向下偏转到孔142中，产生大面积的接触，如图73B所示(下面的电极也可以向上偏转到孔142中)。此实施例不同于导通孔，因为导通孔面积小且必须被独立填充。此外，借助导通孔，顶部和底部上的电极不会变形到孔内。
因此，本发明的实施例设想多层Fuel Cell StickTM装置10，通过去除绝缘材料，或以其它方式提供绝缘材料的区域空位来建立电互连，其中绝缘材料任一侧(如，之上和之下)上的导体变形到空的区域内以彼此接触。导体接触的空的区域可以从Fuel Cell StickTM装置10的内部一直延伸到装置的边缘。在特定的区域内可以去除绝缘区域，诸如通过冲孔或通过切割出具体的形状，诸如矩形。
根据另一实施例，电池的串联连接被制造成横跨单层，这用于增大FuelCell StickTM装置10的电压输出，且这使所产生的功率易于发挥作用。例如，如果棒产生1KW的功率，那么更易于设计电子设备和设计能够以1A处理1000V，而不是以1000A处理1V的配套设施。正如以小尺度在图74A中示意性显示的，坯体陶瓷(如，氧化锆)带130的一部分被使用在中心内，在顶部和底部上是阳极24和阴极26。与在前面的附图中用于阳极24和阴极26的相同的单影线图案表示阳极24和阴极26内的孔隙率，而交叉影线表示非多孔的导体(如，传导陶瓷、贵金属或非氧化性金属合金)。电池存在于仅多孔的区域144之间，正如由单影线图案所显示的，这是因为非多孔的区域146并不会进入燃料或空气。
图74B概念化地示出了多个部件如何被置于一起(此概念是因为它们在层压之后并不会像所显示的那样保持倾斜，但此概念化的描述期望显示样式的覆盖性质)。在此三个电池的组中，基于讨论而不是限制的目的，每一个电池(或部分)的顶部侧可以包含阳极24，而每一个电池(或部分)的底部侧可以包含阴极26。如果每一个电池被想像成小的蓄电池，那么三个电池的串可以被看作串联的三个蓄电池。燃料供给34将存在于此串联样式的一个侧面上，在顶部处，阳极24在顶部上，且空气供给36将在另一侧上，在底部处，阴极26在底部上。应该避免从一个侧面到另一个侧面的气体渗漏，通过在每一个电池(或部分)的端部处提供非多孔的区域146可以实现此避免。许多电池(或部分)可以这样被放置在一起，以获得任何期望的电压。
图74C示出了层压之后的各层的更准确的样式。这将是基本上平的，但在覆盖点处具有额外的厚度。图74D显示了3个电池(或部分)样式的概念化示意图。每一个垂直的箭头表示一个电池，且箭头的方向界定了极性。不带箭头的线表示不会产生任何电压的互连。沿着底部的水平的箭头线表示电流流动的总方向。本发明并不限于3个电池的样式。图74A-D中所示出的实施例在本文中称为覆盖法，该方法可以用于将两个或更多个电池、如5个或更多个电池、10个或更多个电池、20个或更多个电池等串联连接。
图75A-E示出了用于产生串连样式的可选择的方法，本文中称为插入导体法(plunging conductor method)。与将陶瓷带130切割成多个部分并使各部分重叠以形成串联的电池相反，使用连续的陶瓷带的片，其在一个侧面上具有阳极24的区域且在另一个侧面上具有相对的阴极26。呈片形式(也称为互连部件、导体带或插导体)连接器电极148(如，传导陶瓷、贵金属或非氧化性金属合金)被插入透过陶瓷带130。导体带148可以是，如由LSM制成的坯体带。狭缝150被制造在陶瓷带130中，如图75A所示，且导体带的短部分被插入到穿过陶瓷带130的一半处。
在图75B中，示出了连续的陶瓷带130的片的侧视图。在此讨论中，术语“电解质片”或“电解质带”被理解成与陶瓷带130相同。在电解质片130的顶表面上是阳极24的两个部分。在电解质片的底表面上是阴极26的分别与阳极24的两个部分相对的两个部分。为了串联连接两个部分且参考图75A和75B，首先将第一导体带148插入透过电解质带130内的狭缝150，由此可以被认为是插透了电解质。接着，如图75C所示，导体带被弯曲到一个部分(或电池)的阳极24之上和另一个部分(或电池)的阴极26之上。然后，如图75D所示，连接器电极被挤压贴住阳极24和阴极26，即电池被串联层压。图75E以顶部透视图示出了层压的电池串，以更清楚地显示重叠的整个区域。使单个电池由短的、宽的部分形成可能是有优势的，以便降低从一个电池到下一个的电阻。
根据另一实施例，可以用于使互连的部件148(导体带)断裂成若干部分。与坯体电解质带130内的单狭缝150相反，多个更短的狭缝150将被使用，若干个部分的导体带148被分别插入到多个狭缝150中，如图76所示。因而，提供了多个插入导体。
在图75A-E和76中，插透电解质的传导的互连材料应该是非多孔的性质，以防止或阻止气体从电解质的一个侧面流到另一个侧面。另一方面，阳极24和阴极26可以是多孔的，或者是完全多孔的而没有非多孔的区域或它们可以在互连部件148覆盖的端部处具有非多孔的区域146。使阳极24和阴极26是完全多孔的可能更简单些，使得借助非常少的工艺步骤就可以产生材料。图77以侧视图示意性地显示了根据图75A-E和76的实施例，通过将电池与插透电解质的互连部件148连接得到的串联连接的四个部分(或电池)。因而，互连部件148可以用于串联的任意数量的电池，包括两个或更多个电池，如5个或更多个电池、10个或更多个电池、20个或更多个电池等。
图78A-C显示了上面用于沿着多层电池的单层串联连接电池的插入导体技术的变化形式。在此实施例中，如图78A所示，阳极24和阴极26部分的每一个具有延伸至Fuel Cell StickTM装置10的侧面的非多孔的区域146，远离燃料和空气流动路径。电解质带130内的狭缝150被制造到Fuel Cell StickTM装置10的侧面内，而不是Fuel Cell StickTM装置10的外周内。通过电解质带130连接阳极24和阴极26的导体带148可以被置于正好在侧面边沿上，远离流动路径，在层压之前如图78B所示，而在层压之后如图78C所示。
现有的实施例，例如图71，详述了使用通过在一条坯体陶瓷带130内产生导通孔并印刷电极以填充孔而形成的通孔56。在本发明的用于沿着多层结构的单层串联连接阳极24和阴极26的可选择的实施例中，正如图79A所示出的，第一导体152可以从所填充的通孔56到一个电池或部分中的电极(如，阳极24)被印刷到Fuel Cell StickTM装置的一个侧面上，以及第二导体154可以从所填充的通孔56到相邻的电池或部分中的相对的电极(如，阴极26)被印刷到Fuel Cell StickTM装置的另一个侧面上。填充的通孔56可以被填充不是用于电极的材料。在所阐释的实施例中，通孔56被填充非多孔的导体。
插入导体的替代方案是宽的通孔或长椭圆形的通孔156，如图79B所示，这可以通过在电解质带130内形成长椭圆形的通孔156而产生。长椭圆形的通孔156不同于通常的通孔56，因为通常的导通孔是圆的。长椭圆形的导通孔可以被制成与需要的一样宽，如与用于图75E或图76显示的插入电极148的狭缝150同样尺度。长椭圆形的通孔156应该按照这样的方式被填充，即其不允许气体从电解质的一个侧面流到另一个侧面。
使用导通孔的可能的问题是孔内材料的收缩可能是不均匀的，或可能比带材料的收缩大，这将允许气体穿过一个侧面到达另一个侧面。因而，在可选择的或另外的实施例中，无论是圆的或长椭圆形的导通孔包括顶部和/或底部上的插塞以增大渗漏阻力。改善的带插塞的通孔的示例示出在图79C中。插塞可以仅在一个侧面上，如顶部上产生额外的密封，就像插塞158a和158b，或在两个侧面上的密封，就像插塞158c和158d。插塞158a、b、c、d可以在一个或多个印刷步骤中或通过分配操作获得。根据示例性的实施例，通孔插塞的材料是使其阻止气体传输，因为材料是非多孔的。当与多孔的阳极24和阴极26结合时，最终的部分可以看起来像示出在图79D中的，其中紧密影线的材料是非多孔的，而由影线标识的材料(就像在前面的附图中)是多孔的。
扩展上面用于串联连接单层的实施例，在Fuel Cell StickTM装置10内使用多层可以形成并联-串联连接。图80显示了串联连接的单层的堆叠的组，其中堆叠的各层还彼此并联连接，并联的电连接由一些对的阳极和阴极之间的垂直线160显示。插入导体148被描绘用于串联连接，但是可以使用其它连接。在所示的具体实施例中，存在三个活性层，每一个由串联的四个电池(部分)制成。因而，存在所示的总共12个电池。通过使用一个燃料路径来供给两个不同的电池路径可以获得增大的密度。电池的极性从一层到一层是相对的。在顶部层和底部层中，从阴极到阳极的方向将是向上方向的箭头；以及在中间层内，从阴极到阳极的方向将是向下方向的箭头。使用共用的燃料通道以起到成对电极的作用使极性从层到层是颠倒方向的特征提供了用于在此实施例和其它实施例中获得更高密度的Fuel Cell StickTM装置的方式。
图80A中以沿线80A-80A取的截面图和图80B以透视图显示了两个阴极26或两个阳极24之间的并联连接。成对的阳极或阴极可以易于通过允许该对分别在燃料或空气通道的边缘处接触而连接，产生了边缘连接160。图80中的垂直线表示边缘连接160。在图80A所示的实施例中，边缘连接160在两侧(在图80A的左和右)上；然而，仅在一个侧面上被连接也将实现电连接。此连接使两个阳极24或阴极26平行地、电放置。还可以使用通孔连接或其它连接方式。在图80中，参考从点B到点B的路径，点B被导体连接，使得路径B都处于相同的电势。在图81中，路径B被表示为直线。图80、80A和80B中的电池布置的净效应是大量的串联和并联组合，正如图81示意性显示的。如果装置内的一个电池或互连开始失效，那么此布置可以用于转移功率。电流和电压可以在受损的或降级的区域周围流到另一个起作用的电池。
图82以截面图示意性地显示了单层Fuel Cell StickTM装置10，且具有覆盖层的串联结构，正如先前在图74C中更详细显示的。陶瓷29形成顶部和底部覆盖，且显示了理想的空气通路20和理想的燃料通路14。正如在图1中，空气出口22和燃料出口16垂直于附图的平面。正如在图83A-83B中示意性显示的，此装置也可以按照大量的串联-并联组合被放置在一起，就像示出在图80-81中的先前的实施例。在图83A中，虚线可以由空气和燃料通道边缘连接160形成，正如图80A和80B所显示的。而且，提供了高密度的结构，其中电池既是串联的，又是并联的，且电池的各层之间是交替的极性，正如箭头所示的，且由此具有下述益处：如果特定的电池失效，那么电流可以被围绕该电池的路径传送，正如图83B所显示的。
在图84和84B中，示出了用于在两个处在相同的气体路径上的电极之间提供方便的并联连接的另一实施例。分别对燃料通路14或空气通路20的任一侧上的两个阳极24或两个阴极26来说，这可以实现。在图84中，使用了两个阳极24的示例。阳极24被连接在燃料通路14的中心区域内，而不是正好在通路14的侧面处，就像图80A所示的。通过将孔或间隙164置于用于形成气体通路的牺牲的气体带94内可以易于建立中心连接162。孔可以是圆形的或长的(如，图84A所示的狭缝)，且可以是它们中的许多。在层压和烧制之后，顶部和底部阴极或阳极将在存在间隙164的区域内接触。有利地是，形成中心连接162，使得其不会显著减少燃料电池区域的活性区域。
对多层螺旋的管状Fuel Cell StickTM装置200来说，上面关于图28A-28D通常讨论的，使用了串联样式，使两个电连接发生在螺旋的管状Fuel Cell StickTM装置200的外部上是有优势的。这允许最容易从阳极和阴极点进入冷区域。如果螺旋的管状Fuel Cell StickTM装置200被缠绕，使得串联组的一端在缠绕之外，且一端在内，那么内部连接更难以处置。这是因为气体连接管被置于螺旋的管状Fuel Cell StickTM装置200的端部之上。因而，如果两个电连接都可以在外部上，那么这更好。在图85A中，显示了为示意性未卷曲构型的螺旋的管状Fuel Cell StickTM装置200，通过使串联样式开始和终止于缠绕区域的外部，然后向内行进并形成U形转弯来实现串联连接(也由箭头示意性显示的)。
单独的电池166显示为分开的矩形块。块是短而宽的，使得它们具有低的电阻(从端部到端部的短的传导长度，但更宽的区域以允许每个电池更大的电流)。此样式与上述形成串连连接的两种方法(覆盖部分或采用插入导体行进通过电解质层)相适宜。对燃料通路14和空气通路20的布置来说，形成从一侧进入的路径，然后相连以沿着如图所示的共用路径167一起离开可能是最方便的。显示了芯轴168，螺旋的管状Fuel Cell StickTM200装置在芯轴168上被卷曲。此芯轴168可以被牺牲的蜡覆盖，然后在层压和蜡熔化之后被去除。在最终形式中，如图85B所示出的，螺旋的管状Fuel Cell StickTM装置200将具有从外部行进朝向中心，然后返回出来的串连连接路径。这由表示单独电池166的箭头所显示。
形成采用串连连接的螺旋的管状Fuel Cell StickTM装置200的另一种方法是沿着Fuel Cell StickTM装置200的长度形成串连串。串连路径将由示出在图86A中的未卷曲结构中的箭头示意性显示的。由于活性区域是非常宽的，在卷曲之后，特定的电池166将从管的内部延伸到外部。在此实施例中，使用插透电解质的多个短导体148建立串连连接。分开的插入导体148在形成、卷曲和层压步骤的过程中允许电解质层内更大的强度。然而，如示出在图74中的覆盖部分也可以用于形成串连连接。图86B示意性地示出了呈最终的卷曲形式的此实施例。正如在图85B中的，箭头表示单独的电池166。
对于该特定的卷曲样式来说，使用串联的两层将是有用的，以便增大螺旋的管状Fuel Cell StickTM装置200的容积密度。然而，可能不需要具有超过两个的并联的层，这是由于层折叠回到自身的方式。图87A是一个长的图86B的单独的电池166的示意性侧视图，从左到右。当两层结构(两个电解质层28、两个阴极26、两个阳极24、一个空气通路20、一个燃料通路14)被卷曲到其自身上时，如图87B所示，底部阴极26接触顶部上的空气通路20。因而，任何超过两层都将是多余的。基于上述实施例的教导，本领域的技术人员可以理解，具有包含许多串联样式的Fuel Cell StickTM200装置的样式并联工作可能是可行的。
根据本发明的用于提供至螺旋的管状Fuel Cell StickTM装置200或同心的管状Fuel Cell StickTM装置300的电连接的另一实施例，Fuel Cell StickTM装置的整个端部可以被制成传导的端部170a、170b，正如在图88A的未卷曲的示意性结果中和图88B的卷曲的、螺旋(如)的管状结构所显示的。为了实现此结果，在管状Fuel Cell StickTM装置200、300的端部处，用传导材料替换绝缘的陶瓷材料。此传导材料显示为影线区域，且可以是，如LSM或两种或更多种独立材料的组合的收缩匹配的材料，诸如LSM和YSZ的组合，这将在构成了管状Fuel Cell StickTM装置200、300的大部分的陶瓷29的烧结过程中更好地匹配收缩率。具体而言，对串联样式的第一个电池和最后一个电池来说，缠绕电极的中心必须能够接触到外部世界的连接，以及那个电池的最外部的缠绕。以影线显示的传导区域170a、170b将有效地允许建立此连接。接触内部电极部分的可选择的方法(未显示)将是钻孔入Fuel Cell StickTM装置中，然后用常规材料回填。
对图86A和88A的实施例来说，气体流动路径14、22的布置可以按照图89所示出的那样。为了供给活性区域，气体可以在入口12、18进入棒至大的共用路径167，然后支路起到每一个单独电池166的作用。在图89中，气体在共用路径167进入，并在多个小支路离开，而在图85A中，这是相反的。
在包含串联部分(或电池166)的Fuel Cell StickTM装置10中，具有较高的电压(更多部分)比易于安装到一个Fuel Cell StickTM装置10的长度内可能是有用的。在此情形中，根据本发明的另一个实施例，串联部分可以被定位成在离开棒之前，沿着棒的长度来回翻倍，以将功率供给外部世界。图90是Fuel Cell StickTM装置10的侧视图，其示意性地显示了通过在两个位置务必折叠路径，是如何能够将15个串联连接的部分(电池166)放置到一个装置内的。将多个类似此的部分放置到一个Fuel Cell StickTM装置10内也是可能的，使得存在彼此并联的15个的组。
根据另一实施例，折叠样式提供了制造具有串联的许多层的Fuel Cell StickTM装置10的另一种方法。图91以透视图显示了具有6个串联的电池166的电解质层29。这些电池可以用所示的覆盖法或插入导体法被串联连接。为了将此片结构安装到Fuel Cell StickTM装置10内，电解质层29被折叠，如按照手风琴的方式。看起来连续的片结构，图92A确认了电池166之间的弯曲点，由箭头显示。沿着箭头弯曲，电池组开始形成折叠堆，如图92B的左边所显示的。更大程度地逐渐压缩折叠物，形成了压缩的折叠堆172，如图92B的右侧所显示的。此压缩的折叠堆172随后可以被方便地置于Fuel Cell StickTM装置或多层燃料电池内。串联的电池的数量仅由设计者的喜好限制。多个折叠堆172可以被并联(即，电并联)地置于Fuel Cell StickTM装置10内，或者通过水平地或垂直地布置组。间隙形成材料，如间隙形成带94将被置于阳极24和阴极26上，然后被牺牲性地去除以形成空气通路20和燃料通路14。
基于热膨胀系数(CTE)匹配的目的，使折叠堆172的一侧或两侧不连接到周围的装置材料(意指顶部覆盖物或侧部边沿)可能是有用的，使得存在自由浮动的区域。在折叠堆样式的实施例中，折叠堆172内的第一个和最后一个电池被连接在棒的顶部和底部覆盖物处或其附近，但棒的中间部分的全部或一部分是不连接的。在图93A和93B中，显示了Fuel Cell StickTM装置10的横截面。图93A显示了一种样式，其中折叠堆172的左侧不连接到装置的左壁，而折叠堆172的右侧在中间的弯曲区域被锚固到右壁。这可以允许远离壁的层的顺应性，使得当装置烧结时，允许折叠层以不同于覆盖物材料的速率收缩。在图93B中，显示了类似的结构，除了折叠堆172不连接到棒的左壁和右壁，但折叠堆172的两端电池处除外。在两个实施例中，优势是同时为电极提供气体(空气或燃料)的能力。虽然图93A和93B示出了一个大的连续的活性区域被折叠，即折叠堆172，但是可以理解，上述串联和并联的电池的实施例都可以用于获得相同或类似的作用。图93A示出了连续的阳极24和连续的阴极26，而图93B示出了多个被分隔的阳极24和阴极26，使得弯曲的区域没有电极材料。与图92B一样，图93B电连接所分隔的电极且因而，使用插入导体148的串联的电池166在弯曲区域穿过电解质28。任一个实施例，如连续的电极或分隔开的电极，可以用于自由浮动样式。
自由浮动层的益处是如果与阳极和阴极的组合结构的CTE明显不同于主体的其余部分(侧边沿、顶部和底部覆盖物)的CTE，那么自由浮动区域允许物理断开。可以理解，除了折叠结构外的其它Fuel Cell StickTM装置10的结构可以被制造成具有此自由浮动结果。图94A以截面图示出了在侧面是自由的并联(与图93A和93B中的串联相反)的两个活性层(每一层包括阳极24、电解质层28和阴极26)。图94B示出了沿着图94A的线94B-94B取的Fuel Cell StickTM装置的顶部截面图，显示了活性层沿着装置的三个侧面是自由的，而被锚固在装置的一个侧面上。此几何形状并不会为浮动层外部上的空气通路14内的气体的流动路径增加复杂性，而是增大了浮动层内的空气通路20内的气体流动的复杂性。此复杂性可以通过沿着陶瓷29的边缘桥接空气通路20，然后转向内部空间，横跨阴极26并回到陶瓷29而得到解决，如图94C和94D所显示的。
上面的各种实施例具有共用空气或燃料路径的优势，这提供了增大的密度。当气体流动路径起到并联操作的阳极或阴极的作用时，那些阳极或阴极可以被接触，在该区域的边缘处或在该区域的中心内的多个点处。然而，在其它实施例中具有起到串联操作的阳极或阴极的作用的一个空气或燃料路径可能是有用的，且在这些实施例中，阳极或阴极应该被电隔离以防止装置内的短路。此示例见于图90的实施例中，其中期望具有一个气体流动路径起到顶部和底部上的电极的作用，同时防止电极短路。对此，可以将阻挡层174的材料置于气体流动路径内以提供一个电极与另一个电极之间的机械和电隔离，如在两个阴极26的图95中以横截面所显示的。阻挡层174可以是连续的或在其内具有断裂以允许气体从一侧到达另一侧。阻挡层可以仅存在于活性阳极24和阴极26的区域内，或其可以在多层结构内并沿着流动路径进一步延伸离开。阻挡层174防止一个电极与另一个电极之间的短路。阻挡层174可以是非常薄的，这可能造成一些变形，只要其保持电隔离。举个例子，阻挡层174的厚度可以在约5μm到约50μm之间。可以在牺牲的有机材料72内添加非传导的颗粒，诸如氧化锆或预烧结的陶瓷球以赋予阻挡层174支撑，以类似于前面参考图7B、7C和7D描述的用于通过柱54支撑其它层的方式。
用于防止在串联的两个阳极24或阴极26之间短路的替代实施例是将绝缘层176置于阳极24或阴极26之上，如图96所示。绝缘层176可由，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中，且也必须是非传导性的。在此多孔的绝缘层176之下，阳极24或阴极26仍将需要具有它通常拥有的所有特性：多孔性、传导性和化学反应位置。举个例子，绝缘层176的厚度可在约1μm到约25μm之间。
在多层燃料电池的高级应用中，电解质、阳极24和阴极26足够薄，使得在烧结之后的变形成为材料的特征。在上面的设计显示变形且绝缘层176完成其工作的情况下，于是上面的结构可如图97所示的出现。在这种情况下，燃料通路14或空气通路20被假定没有完全收缩、封闭，因为它在沿着其宽度的某个其它地方是敞开的。结果是，阳极24或阴极26接触，但它们彼此不短路(即，电连接)，因为至少一个绝缘层176在接近接触时是未受影响的。
关于功率从热Fuel Cell StickTM装置10的移除，LSM作为表面导体的使用可能不如金属一样有传导性。为了在长距离(很多英寸)上传输功率，LSM的电阻可能有助于功率损耗。该功率损耗可通过使LSM导体变得更厚来克服。为此目的，不是丝网印刷，将LSM铸造为LSM带178并接着将LSM带构造到Fuel Cell StickTM装置10的顶部和/或底部上的结构可能更有用，如分别在图98A和98B中的横截面和透视图中示出的。以这种方式，厚度可从几mil厚(.001”-.005”)到数十mil(.01”-.05”)变化，并可覆盖棒的全宽度。当将一种厚层材料共同烧制到另一种时，LSM的CTE可能成为挑战，在这种情况下LSM可与YSZ混合(正如它在阴极中一样)，以更紧密地匹配整个棒的CTE。此外，LSM当在低温时不是传导性的，所以贵金属例如银或其它低温传导材料应放置在将位于炉外部的Fuel CellStickTM装置10的区域中的LSM的顶部上。虽然讨论了LSM，可认识到，本发明并没有被如此限制。可在提到LSM的场合使用任何传导性陶瓷例如非氧化合金或贵金属，因而LSM带178可实际上由除了LSM以外的材料制成。
根据本发明的另一实施例，可使用镍作为导体产生与Fuel Cell StickTM装置10的低电阻连接。然而，每当空气存在且氧化镍是非传导性的时，镍处于氧化状态中。Fuel Cell StickTM装置10有利地在空气中被使用，因为当炉以空气大气操作时，总系统较简单和较便宜。因此，使用镍作为导体的挑战是，它必须保留在还原状态中。所以，为了克服镍的氧化的问题，使用包含移动到装置端部的镍导体182的内部通道，且给内部通道180供给燃料以防止氧化，如图99所示。镍具有低于铂的大约6欧姆-厘米的传导性，所以它在最佳可用导体(铜、银)的数量级内。所以通过使镍导体占据由燃料供给的内部通道180内的空间，镍将保留在还原状态中，从而允许其使用。进一步参考图99，在接近管连接的镍导体182的端部处，镍导体182可退出装置用于在例如接触焊盘44和连接物134处的电连接，如前面的附图所示的。作为例子，银可在本文中用于从还原性气氛过渡到空气气氛。这个实施例结合连接物134参考图67A-67B如前所述被显示，但绝不被该图示限制。
根据本发明的另一实施例，多层陶瓷燃料电池结构Fuel Cell StickTM装置10、100、400、500或管状Fuel Cell StickTM装置200、300或其它多层装置可使用生陶瓷技术来制造，且端管184可接着被永久连接。端管184可从热区域通到冷区域，在冷区域中可连接其它形式的管子或气体运输工具例如供给管50。可选地，端管184可通到燃料和空气供给或排气移除设施，而不使用供给管50。多层装置(例如，10、100、200、300)将位于热区域中，且以永久方式连接的端管184向外过渡到冷区域。如图100A和100B所示，具有多个空气和燃料通路的多层(管状)Fuel Cell StickTM装置10、100、400、500(200、300)或任何其它燃料电池结构设置有被特别缠绕的端管186，其是端管184的一个实施例。装置10、100、200、300、400、500的活性结构，即，阳极、阴极、电解质和燃料通路通过这里所述的各种方法中的任何一个制成，且接着被缠绕的端管186连接被添加。被缠绕的端管186使用缠绕技术被添加，其中管由带制成，且接着带缠绕在具有足够的匝数来提供足够强的厚度的棒的端部周围，且匝数继续给端管184提供期望长度。在被缠绕的端管186的未支撑段内可能需要心轴，在这种情况下可使用覆盖有脱模剂或蜡的临时心轴。管的层可被碾压以实现完全的强度和密度。在碾压之后，心轴可被移除。永久端管184可提供与活性结构的机械和电连接。永久连接的端管184连接借助于共同烧结实质上与活性结构是成整体的。这提供了对设计的持久性。因此，通过共同烧制最终装置，所连接的端管184被烧结到多层装置(例如，10、100、200、300、400、500)上，使得它们实质上是整体的。
端管184可从传导性陶瓷例如LSM或从氧化镍制成。在过渡到冷区域或空气大气时，端管184可覆盖有传导性金属或合金。该金属或合金以及最终管设计的冷端部可作为涂料或作为被缠绕的带来应用。可选地，不是被缠绕的端管186，端管184可为例如通过卷拢或挤压制成的管。如果端管184在未加工状态中是软的，则它可通过碾压到粘结陶瓷而连接到陶瓷。被缠绕的管186或添加的端管184也可为两种或多种材料的合成物。在LSM的情况下，例如LSM可与YSZ混合以帮助它匹配CTE和纯YSZ的烧结特性。
制造多层装置的复杂活性结构并接着烧结它，然后将永久端管184连接到端部可能是合乎需要的，但这提出了物理挑战。使装置的端部成形为容易接受管连接将是有利的，如在图101中对装置10所示的(且也参考图3A和3B对非永久管连接被描述为圆柱形端部部分)。活性装置10的外部端部可例如通过匹配(优选地在未加工状态中)被成形，以形成容易安装到陶瓷端管184中以在轴向方向上提供连接的圆柱形端部部分190。端管184的轴向连接对较大系统中的Fuel Cell StickTM装置10(或100、400、500、200、300)的紧密包装是最佳的。
或者，Fuel Cell StickTM装置10的端部11a、11b的内部可被机器加工以形成一个或多个端孔192，一个或多个端管184可插入端孔192中，如图102A和102B所示的。并排插入的两个或多个端管184可能在很多设计中是有利的。多个插入的端管184允许小型化中(例如，在手持装置中)的方便性或在工厂设计的平衡中的简单性。
当两个零件(活性装置10和端管184)是未加工的使得它们可被共同烧结时，或在两个零件被单独地烧结之后，或当一个零件是未加工的而一个零件已经被烧结时，端管184的永久连接可能出现。如果在连接出现时两个零件都已经被烧结，则玻璃或玻璃陶瓷(或较低烧制陶瓷，例如添加有烧结辅助陶瓷的YSZ，例如氧化铝)可用于形成结合。如果零件被放置在一起未加工，则可使用碾压方法或上面的接合材料。如果一个是未加工的而一个是已经烧制的，则可使用所有这些粘接方法。
根据在图103A中以示意性透视图示出的永久管连接的另一个实施例，矩形端部部分194可设置在活性装置的端部，且配合的矩形管196用于连接到其以从炉退出。此外，有端管184将是可能的，其中配合的零件在连接端部处是矩形的，而在另一端部处是圆形的。图103B所示的这样的形状过渡端管198可通过铸造或模制来制成。特别是，形状过渡端管198可被制造为以兼容形式的模制陶瓷零件。矩形端部可容易被碾压到矩形端部分194上，且接着该陶瓷零件可将形状改变成圆形或其它形状的管，有利于其从炉中的转移。再次，这些管和出口路径可由传导性材料制成，所以它们可表现为电连接以及气体连接，以通过减少部件的数量简化系统的最终设计并使它们执行更多的功能。
描述了坯体带的使用以建立在不同的实施例中描述的结构。然而，坯体带的使用是不需要的。可选方案是丝网印刷在该结构中使用的所有材料。这消除了带的使用，但提供了在布局上看起来非常相似的最终未加工的装置。实际上，区分开使用丝网印刷技术放下的一层氧化锆和作为一片带放下的一层氧化锆非常困难。另一变形是使用分配器来写材料。在最简单的形式中，这可为像笔一样写材料的管，虽然对此的确切方法随着时间的过去和对小型化的需要继续而将变得更复杂，如可被本领域技术人员认识到的。使用写方法，可制造具有小通道和更复杂的3D结构的复杂结构。然而，实际上，这些方法可能比多层陶瓷技术更没有用。当结构被制造得越来越小时，使用相同数量的写入头，于是制造大装置所需的时间的量变得更长。该方法可根据生产率问题战胜自己。构造具有带的装置和印刷方法实际得多，如通过当前电容器生产方法展示的，其中一个工厂每星期可生产十亿小芯片，每个芯片具有400层或更多。然而，设想了用于构造本发明的Fuel Cell StickTM装置的这样的方式。
也可在多层装置内使用微管而不是层。细管可在组合时提供大面积。如果多层装置包含数千微管，则这些管可组合，以便通过端部到端部或侧到侧或在组合过程期间以较大的层组连接它们来逐步增加电压。然而，写入的复杂性再次可能变成减慢生产的一个因素。然而，总的来说，根据本发明的“自愿形式”的使用允许该设计起作用。“自愿形式”指本发明的具有物理结构的装置，在该结构内材料系统满足于对总设计目标协作。因为物理结构与材料特性协调起作用，装置可适应沿着装置的长度的急剧的温度差异，允许低温和低成本连接点，简化结构并增加持久性。
在上述各种实施例中，多层阳极、阴极、电解质和间隙在SOFC或其它燃料电池装置的“自愿形式”设计中被使用。也可使用该“自愿形式”设计，其中Fuel Cell StickTM装置10、100、200、300的多层活性结构被建立在具有例如板610、长板612、管614或扁平管616配置的陶瓷(氧化镍、YSZ、LSM或任何其它优选材料)的预烧核上，如图104所示。最终形式看起来类似于前面描述的设计，但制造方法将以固态的下部材料610、612、614或616开始，并接着将厚膜层添加到其(厚膜指通过印刷、浸渍或写入涂浆料层)。
在扁平管616或圆管614设计的现有使用中，管的中心包含一种气体，而管的外表面被暴露给另一气体。将扁平管616或圆管614设计改变成多层设计需要气体在管内被控制。扁平管将用作对额外的讨论的例子。在现有使用中，扁平管可具有在内部的支撑构件，以便控制空气或燃料的流动。扁平管是多孔的，使得它允许其气体向外扩散到电极24、26以及电解质28。支撑构件的一个实施例是在图105A所示的垂直配置(垂直肋620)中或在图105B所示的有角度的三角形肋622配置中给它提供结构强度的肋。尽管有肋，扁平管616的内部只包括在通道624内的一种气体类型。清楚地标为现有技术的图106示出了目前如何使用将一种气体供给到一个电极的扁平管。弯曲箭头示出了气体如何通过管的多孔陶瓷向上扩散到第一电极(也可向下扩散，如果电极被构造在扁平管的两侧上)。
根据本发明，肋620用于将通道624分成两个交替的集合624a、624b，使得一些通道传送燃料(燃料通道624a)而一些通道传送空气(空气通道624b)，如图107A-107B所示。这些扁平管可为了低成本而被挤压，所以交替的通道624a、624b可在每端部11a、11b处被封锁，以允许气体在相反方向上的交替流动。密封可使用高温材料例如玻璃或陶瓷来完成，或如果在扁平管的冷区域中，则密封可使用低温材料例如有机物或硅树脂来完成。可选地，管能以在制造时封锁交替的通道的方式被模制。如图108所示，如果需要，每个通道624a、624b可在第一端部11a处是敞开的，使得空气和燃料进入并在同一方向上通过相邻通道624a、624b行进。在这种情况下，肋需要是非多孔的且没有允许两种气体混合的缺点。连接物可接着用于将正确的气体引导到单端11a上的正确通道624a或624b，如图108所示。
此外，盖626(例如玻璃或密度大的陶瓷)可被应用以密封在一些区域中的扁平管，以控制向上通过多孔管的气体流动，如图107B所示。被覆盖的多孔表面可接着允许适当的气体向上扩散到多层活性结构中适当的通路中。两种的任何组合可合并-封锁多孔管的表面、以及允许多孔区域将其适当的气体向上扩散到正确的区域中。
或者，扁平管616不必是多孔的，以便在该设计中起作用，与现有技术的一层扁平多孔管相反。替代地，可产生允许气体离开通道624a、624b并向上移动到多层活性结构中的孔(其实施例以后参考图109被讨论)。这些孔可被添加到在未加工状态或烧制状态中的扁平管616。扁平管616可从炉延伸出，使得一端部11a对一种气体容易在冷区域中形成支管，而另一端部11b对另一气体(再次在冷温度时)在另一端部处形成支管，如在图111中看到的。可选地，单端扁平管(例如，如在图108中的)可退出炉，而空气和燃料都可在该冷端部11a处被提供到通道624a、624b。可使用复杂的连接物，其与管11b的端部11a相接并将空气和燃料都提供到适当的通道624a、624b中。在炉中，扁平管616内的孔可允许气体向上移动到多层活性结构中。空气通道624b可允许气体流到多层活性结构中，而燃料通道624a可允许燃料以类似的方式流动。单独的孔可服务于单独的层，或一个孔可服务于多个层。
在多层活性结构内，可能构造串联或并联结构的任何组合，如在我们的前面附图中描述的。如在图109中对本发明的Fuel Cell StickTM装置600描述的，可能使来自扁平管内的供给气体进入通孔路径628，以将气体一直吸纳到适当的层。可使用各种技术和设计，例如柱、墙壁突出物、偏移通道等，以便在流动的气体不离开通孔路径的情况下通孔路径628可继续。应注意，黑体垂直弯曲线是图示技术，以指出该图示不全在相同的平面横截面中。图110所示的备用方法将使气体通路14、20在其长度的侧区域处扭曲，使得气体路径下来与扁平管616相接。这可能较简单，给出厚膜材料将被添加到扁平管616的表面以建立多层活性结构的方法。
图111示出了端部从炉延伸出的自愿形式的Fuel Cell StickTM装置600，且更具体地，位于热区域32中的具有出现在较冷区域30中的相对端部11a、11b(可以可选地为出现在较冷区域中的一端部)的扁平管616、在扁平管616上构造的多层活性结构以及气体向上扩散到多层活性结构中的路径628的透视图。可选地，如图112所示，扁平管616的端部11a、11b可在炉的内部，并连接到高温歧管630用于气体输送。
根据本发明的以自愿形式的扁平管616的变形将是窄扁平管632，其中宽度在它穿过炉壁96的区域中变得更小，如图113所示。窄扁平管632的内部设计可使较窄的端部以各种方法适合管的主区域。例如，肋可从窄端部到主区域变成展开的，使得所有或一些通道624在尺寸上增加，或额外的肋620、622可在内部中，将流量分离到额外的通道624中以供给更多的区域。通过使窄扁平管632的宽度在它离开炉的地方更窄，它可能较不易于破裂。
在这里所述的扁平管实施例中，单独的端管184可插入炉中以在端孔192处与扁平管616(632)配合，作为歧管630的可选方案，如图114所示。管184可被共同烧制，可被永久连接，或可使用玻璃或机械压力被临时粘结。
SOFC在高温时、传统上在800℃时工作得很好。根据本发明的实施例，使用用于本发明的Fuel Cell StickTM装置(10、100、200、300、400、500、600)的操作的称为看穿炉的东西可能是方便的。一种看穿炉是Thermcraft公司制造的Trans TempTM炉。管式炉是加热元件在管内并具有开口端的绝缘管。管式炉的中心可较快地加热到操作温度。在看穿炉中，绝缘管由多层石英和/或玻璃管制成，通常是两层但可能更多，且石英层可足够隔离炉，同时允许人看内部。通常，石英管之一使用少量的反射金属例如金被涂在内部上，以将额外的热反射回炉中。Trans TempTM炉由炉中的螺旋形电线圈供电。此外，Trans TempTM炉可由其它装置例如气体燃烧结构加热。使用看穿炉作为用于本发明的Fuel Cell StickTM装置的操作的格式将允许容易检查在管式炉内操作的Fuel Cell StickTM装置。
例如，摩托车可通过SOFC技术供电，其中管式炉位于一般用于气罐的区域中。汽车也可以这种方式被供电。类似于在新的费拉里机动车设计中在发动机上使用玻璃面板使得人们可看见发动机，使用看穿SOFC炉，人们可观察SOFC发动机。或者在房子中，SOFC可给整个房子供电并使用看穿炉。一个世纪以前，壁炉是房子的中心，作为加热和烹饪的中心；在现代房子中，看穿SOFC炉可为房子的心理中心。在汽车设计中，可能有多于一个的看穿炉元件。可能有并排的四个看穿炉元件。或者四个元件可在“+”的形状中。除了美观性以外，SOFC的看穿炉设计的功能元件是观察炉正开启并正确地运行的能力。该设计的艺术元件可告知较大的产品或情况的其它设计方面。
当Trans TempTM炉涂有金或未被涂覆时，则炉的颜色实质上是黄-桔黄的。根据本发明，不同的元件可用于涂覆硅石(石英)的内部，或给硅石管上涂料，由此颜色可变成蓝色、绿色或可想象的任何其它颜色。
因此，本发明设想了Fuel Cell StickTM装置，其中热区域32由具有清澈的(看穿)壁96、96’或96”的炉结构提供。此外，热区壁96可被包上或掺入使热区域32实质上以不是桔色(例如蓝色)的颜色发光的元件。炉(热区域)32可使用燃烧燃料或使用电阻导线被加热。还设想了全部或部分地由SOFC供电的车辆，其中SOFC的热区域32使用看穿炉或多个看穿炉被创建。还设想了具有看穿壁96、96’或96”的至少部分地由如这里所述的FuelCell StickTM装置供电的家庭加热炉。Fuel Cell StickTM装置的上面所有的实施例，包括管状Fuel Cell StickTM装置，可包括看穿热区域32。
关于SOFC详细描述了上面的实施例。然而，实施例也可适用于熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)。概念中的主要差异是电解质从氧化锆改变为熔融碳酸盐(例如，碳酸锂或碳酸钠)。碳酸盐在高温时变得熔化并能够将氧离子(以CO2的形式)传导到另一边。熔融碳酸盐在多孔陶瓷例如LiAIO2内保持在毛细管中。阳极和阴极都基于MCFC中的镍上，而不是通常在SOFC中使用的LSM。SOFC的结构氧化锆由在小孔中的有碳酸盐的多孔LiAIO2代替。而且，使用气流添加CO2。可对MCFC采用作为本发明的Fuel Cell StickTM装置的总结构的自愿形式。
本发明还设想使用氨(NH3)作为Fuel Cell StickTM装置的燃料。氨在阳极侧上提供H+离子，正如碳氢化合物或H2将这么做一样。使用氨的优点是，与H2一样，它不发射任何CO2。然而NH3作为燃料的缺点是毒性。
本发明还设想Fuel Cell StickTM装置将喷气发动机转变到电动机配置的使用，通过其可能获得较高的燃料效率。Fuel Cell StickTM装置产生发动机功率的使用将减少燃料消耗以及还有飞行所必需的燃料负载。不是被称为喷气发动机，推进装置将称为涵道风扇，或仅仅风扇，如果它们没有外部飞机引擎罩。可以估计，如果10MW的功率是可用的，涵道风扇可代替波音737上的喷气发动机。使用Fuel Cell StickTM装置组件的1MW/ft3的高级密度目标，在飞机上产生这种功率是合理的。多个单独的单元可用于产生10MW，特别是可能10个模块，每个模块产生1MW。通过在翼上有功率产生模块，它们可尽可能接近于发送机，使得配线内的电阻损失减小。在翼上有SOFC的备用设计是在机身中有它们。机身中的振动将小于翼中的振动，因而机身可证明是较好的位置。将功率从机身输送到翼的传导性问题可通过在传输功率时在较高的电压处操作来克服。或者，使用高温陶瓷超导体来行进过该距离可能是有用的。因此，根据本发明，提供了使用电推进系统的飞机，其中被产生来运行电推进系统的功率在多个SOFC模块中产生。电推进系统的一个实施例是涵道或非涵道风扇。此外，这些模块可位于飞机的翼中。
根据本发明的另一实施例，使用微米或纳米尺寸的管，空气通道和阴极被组合，和/或燃料通道和阳极被组合。通过组合这些特征，可使用较高功率密度(KW/L)和更粗糙的设计制造Fuel Cell StickTM装置。不是有用于空气和燃料的流动的分别相邻于阳极24和阴极26的空气通路14、20，流动间隙通过在阳极和阴极内提供微米管或纳米管(统称为微米/纳米管)而出现在阳极和阴极内。这可明显提高在阳极和阴极内的气体分布。目前阳极和阴极是多孔的，且气体在全部这些孔中扩散。实际上，气体可不很快扩散，可能因为孔随机地分布，所以气体流动必须通过曲折的路径。微米/纳米管被界定为阳极24和阴极26内的路径或通道，由于具有明显比随机的孔本身更直和更长的微米/纳米管，所以能够获得改善的燃料利用。
实际上，纤维634可插入阳极和/或阴极材料中。举个例子，可使用碳纤维材料。纤维可为垫子型布636，使得纤维在长度上相对短、被随机分布、并被压碎和挤压成薄片，如图115A(500x放大率)和115B(200x放大率)的显微照片所示的。预期可使用任何类型的有机布或织物。可选地，长粒子可分布在电极糊中以在烧制之后给出长空腔。碳斜纹布织物可能特别有用，因为大部分纤维可容易在优选的流动方向上被定向。
在图115A和115B中，纤维634的直径是5-10μm。使它们小得多，即，纳米尺寸是可能的，每面积有较大数量的纤维。作为例子，可使用具有在1-100nm范围内的直径的纳米管。可选地，可使用具有在1-100μm范围内的直径的微米管。通常，管可具有小至大约1nm或更小以及大至大约100μm，例如在50nm到50μm范围内的直径。
纤维634可接着充满电极糊。该糊已经具有多孔性质，并包括石墨粉末来帮助提供在0.5-3μm的规模上的额外的小孔。在烘干和烧结之后，图115A和115B中所示的纤维和石墨粉末将提供在电极内的小孔和微米、纳米管的网络，其可增加气体分布。对于碳纤维，它们将在烧制分布期间在750°之后消失。图116A-116C是以增加的放大率示出在烧制的电极中形成的微米管638的显微照片，特别是通过烘干5-10μm直径的碳纤维在阳极24中形成的三个不同的通道。
该实施例给出在阳极24和阴极26内燃料和空气的良好分布，并允许消除在阳极和阴极的区域中的燃料和空气流动通路14、20，因为如果燃料和空气可流经阳极和阴极，则不需要有在阳极和阴极上流动的燃料和空气。而且，如果在阳极和阴极上的间隙被消除，则阳极和阴极可接触在多层结构中的下一电解质28，提供多层结构的显著提高的强度。
应该意识到，微米/纳米管638的使用可在任何多层燃料电池结构中得到使用，不管它是否是具有从热移动到冷的自愿形式的结构。该实施例可在正方形板上或在管的表面上使用。当设计在本质上是多层或具有对设计的3D规模的系统时，它特别有效。
在多层Fuel Cell StickTM装置中，例如在连续的电池层之间为大约0.010”间距，即，从一个电解质到另一电解质的0.010”的样本被制造。该10mils对燃料或空气的流包括大约2mils的间隙。通过根据本发明消除2mils的气流厚度，功率密度(KW/L)可增加20％，这是显著的。然而，可以认识到，阳极和/或阴极中的微米/纳米管638可结合空气/燃料通路(间隙)使用以增加流量，而不是作为消除间隙的方式。
根据具有热区域32和至少一个冷区域30的本发明的Fuel Cell StickTM装置的另一个实施例，产生燃料和空气通路14、20的方法将在从冷到热的路径的区域中保持相同，且在热区域中，燃料流将通过电极中的小孔和微米/纳米管638出现。敞开通道(14、20)例如两mil(.002”)通道提供方便的低流阻路径以使气体进入。因为这些路径厚度大约与阳极24和阴极26相同，敞开的气流通道(14、20)可正好达到热区域32中阳极24和阴极26的边缘，如图117所示。如果需要，通道(14、20)可被定向为允许空气和燃料从侧面进入阳极24或阴极26中。在图117中，阳极24或阴极26服务于并行示意图中的两个电解质28，一个在阳极24或阴极26之上，而一个在阳极24或阴极26之下。对于串连样式，间隔物642可放置在阳极24或阴极26的两个部分之间，如图118所示。间隔物642将为绝缘层，例如氧化锆或电解质材料。
在更复杂的格式例如使用连接物电极148的串连样式中，例如该方法可用于立即供给很多阳极24或阴极26。使单独的电池短和宽是最佳的，以便减小电阻。微米/纳米管638可用在那个方面，因为管将具有比大间隙有的更高的流阻，使得电池的短、宽特性将很好地起作用，以允许足够的气流和提高的燃料利用，这是任何燃料电池的主要目标之一。串联样式的顶部向下示意图示出在图119中，强调气体进入电池和从电池出来的流动。为了更清楚的描述，将使用燃料侧的例子。因为这是顶部向下视图，所看到的表面是阳极24的表面。电解质28和阴极26从视图中隐藏。箭头表示流入阳极24的燃料。燃料进入阳极24的侧面，其中它的一部分接着转到电解质，而它的一些通过阳极继续到燃料出口16。再次，气流和阳极或阴极的组合区域的厚度是相同的，且它被最小化，因为燃料通路14与阳极14并排，而不在它们上面。
用于低功率产生的小设备在燃料电池的领域中也是合乎需要的。例如，在100小时内提供20W的微型电源可由军队使用。为此目的，Fuel Cell StickTM装置的一个设计是有进入微型装置的大区域704中的两个棒形入口702a、b，但都来自同一侧，如图120中的侧视图中所示的。一个棒入口702a处理空气，而另一个棒入口702b处理燃料。大区域704是位于热区域32中的活性区域。通过使两种气体从同一侧进入，与在Fuel Cell StickTM装置的每侧上有一个入口比较，大的总体积减小了。此外，当与单个较长的入口路径比较时，具有对空气和燃料的连续入口的区域也减小了。图120所示设备700的尺寸(按照平方面积)可为例如1”平方或3”×3”。
根据另一实施例，Fuel Cell StickTM装置的大区域704被分成多个部分。如果Fuel Cell StickTM装置被设计有20个活性层，每个层填充图120所示的大区域，则传热使区域分开是有利的。分离的区域可像书中的页。气体供给管进入书的书脊处，书脊可完全是固体的，或完全是分开的，或部分分开的，如分别在图121A和121B中以俯视图和透视图示出的。
最后，在被预期是便携式的Fuel Cell StickTM装置700中，在该装置上有稳定点706将是有用的，如图122所示。这些将采取从装置出现的书脊的形状，但只用于延伸到微型炉的绝缘层98中，从而使振动衰减并保持FuelCell StickTM装置稳定。书脊708可采取各种形状，但理想地将具有小横截面，以便它们不将热从装置传导走。它们可对强度非常突出，较大的连接710在Fuel Cell StickTM装置的主体处。此外，稳定书脊708可用在这里所述的任何实施例中，而不管装置是否是便携式的。
当Fuel Cell StickTM装置的尺寸变得更大以便获得较高的功率时，一个可能的挑战是气体和/或空气流动可能在窄通路(流动通道)中被限制。当流动通路变得较窄、较细和较长时，流率可能减小。在不希望被理论限制的情况下，流率减小看起来是粘性效应。此外，当温度增加时，某些横截面内的气体和/或空气流动可减小。
另一考虑因素是需要燃料流动的某个量来获得功率的每瓦-秒。仅作为例子和估计，初步研究发现，在本发明的Fuel Cell StickTM装置中的氢气可产生至少大约11瓦-秒/毫升。在H2的0.1ml/s流率时，本发明的Fuel Cell StickTM装置可产生1.1瓦。根据这个研究，较高的功率需要较高的流率。
又一考虑因素是Fuel Cell StickTM装置的总密度(kW/I)取决于各种部件包括流动通路的厚度。使流动通路对较高功率设备较厚的任何企图将使较小的设备的密度达到偏移并减小设计的总成功率。因此，当对较高的功率增加Fuel Cell StickTM装置的总尺寸而不牺牲密度时存在对提供良好流率的需要。
在例如2英寸长到6英寸长的短Fuel Cell StickTM装置的示例中，每层的瓦特数被面积限制，因此细流动通路是可接受的。此外，描述了较粗的流动通路14a(例如预热室13)通到活性区域33b且接着较细的流动通路14b(或微管638)延伸而通过活性区域33b的实施例(例如，图32A-33B、图117-118)，如在图123中以截面图示意性显示的，以便最大化流率，同时不将额外的厚度增加到Fuel Cell StickTM装置10。例如，在活性区域33b中，如果燃料通路14b是一mil，而阳极24是两mil(总共三mil或0.003”)，则三mil燃料通路14a可通到活性区域33b，而不牺牲Fuel Cell StickTM装置10的总密度。三mil燃料通路14a将允许比活性区域33b内的燃料通路14b的一mil厚度更大的流率(具有对流动的较小的电阻)。所以在每层上有单独的间隙的短Fuel Cell StickTM装置中，其中服务于一层所需的气流的每秒毫升不大，通过增加层数，比如100层，可能仍然有每Fuel Cell StickTM装置的高功率输出。
另一方面，可能有长得多的设备，例如20英寸或更长，其中总层数较低，比如20层，且每层的总功率高得多。在这种情况下，在提供所需的流率中流动通路的不同方法将是有用的，而不牺牲密度。
根据一个实施例，Fuel Cell StickTM装置设置有通常沿着Fuel Cell StickTM装置的长度(即，在x方向上)行进的在活性区域外部的较大的流动通路，以及在短方向(即，宽度或y方向)上越过活性区域的更窄的流动路径。大流动通路提供到Fuel Cell StickTM装置的主动脉，并因此在这里称为动脉流动通路，而从一侧面到另一侧面的通路供给活性区域，因此在这里被称为具有提高总密度的细横截面间隙的活性流动通路。根据需要多少流量来给Fuel Cell StickTM装置供电，主动脉流动通路在它没有遭受足够的流动限制的横截面上(即，在厚度或z方向以及宽度或y方向上)足够大。越过Fuel Cell StickTM装置的活性流动通路的细横截面在两个方法中是有用的，即，它们在距离上(在y方向上)是短的，且它们在横截面上(在x和z方向上)是宽的，对气体流动提供低电阻。
在前面所述和在图41A-B所示的实施例中，公开了类似的概念，其中单个燃料通路14支持多个空气通路20的反应。此外，在管状Fuel Cell StickTM装置200、300和上面公开的串连样式中，图89和119示出了供给多个分支通路的单个公共燃料供给通路。
图124A-124C显示了根据另一个实施例的Fuel Cell StickTM装置800，其具有利用沿着Fuel Cell StickTM装置800的一侧的主动脉流动通路814、并接着利用越过活性区域33b到相对侧的单独的活性流动通路815或多个活性流动通路815的流动路径。(为了简单起见，只显示了两种气体-燃料和空气之一的通路。在后面的实施例中，将显示这两种气体的通路，其中附图标记820将用于第二种气体的动脉流动通路，而附图标记821将用于第二种气体的活性流动通路。)根据本发明的这个实施例，一个较大的动脉流动通路814可用作在多个活性层上的活性流动通路815(例如，在图124A中以透视图所示的)，且在一个活性层上，动脉流动通路814可用作并排的(例如，在图124C中以俯视图所示的)并在x方向上间隔开的多个活性流动通路815。流动阻力的减小与所有并排通路815的有效宽度成比例。有根据气流并行延伸的很多活性流动通路815被预期是优点：与流经沿着装置的宽度延伸的每个为1英寸长和0.5英寸宽的10个活性流动通路相比，预期气流在沿着装置的有效长度延伸的10英寸长和0.5英寸宽的薄的单个活性流动通路815中较慢。所设想的设计将有在Fuel Cell StickTM装置800的长度方向x上延伸的动脉流动通路814，以及在短y方向上越过Fuel Cell StickTM装置800延伸的一个或多个活性流动通路815；然而，本发明不限于该特定的布置，因为其它布置是可能的，而不偏离本发明的范围。此外，多个活性流动通路815具有独立地操作的益处，使得如果在活性流动通路815之一中出现故障例如裂缝，其它流动通路继续起作用。因此有部分功率损耗而不是总功率损耗。
图124A-124B显示了形成动脉流动通路814的半圆间隙，以及缠绕在Fuel Cell StickTM装置800周围以帮助在间隙周围形成外壳的一层坯体陶瓷片829，如在图124B中的透视图中最清楚显示的。在没有包装技术的情况下实现这个相同的设计的另一方法是在内部坯体陶瓷片较不宽或内部片的某个部分被移除的区域中将间隙形成材料插入Fuel Cell StickTM装置中。考虑图125A-125C，不同尺寸的坯体陶瓷片可与间隙形成材料一起使用，以构造坯体结构。
在图125A(部分坯体，组装的透视图)中，仅举个例子而不是限制，对于1英寸宽的Fuel Cell StickTM装置800，可在装置800的顶部和底部部分，即，在动脉流动通路814之上或之下的部分的全宽度处使用多个1英寸宽的坯体陶瓷片829。例如，对在每个部分中20mil厚的每个顶部和底部(只显示了3个片)，可使用每个为2mil厚的10个片。在中央部分中，0.15英寸的段可从多个坯体陶瓷片829的每个移除，以留下0.1英寸的段829a和0.75英寸的段829b来放置在0.15英寸宽的动脉间隙形成材料825的任一侧上。例如，对于在动脉流动通路814的每侧上的中心中的80mil厚的中央部分，可使用每个为2mil厚的40个片(只显示了10个片)。代替一个或多个0.75英寸片829b，薄的间隙形成材料874可用于形成活性流动通路815(显示了两个)。当层压和烧制时，动脉和薄间隙形成材料872、874从装置800中燃烧以形成沿着长度的大侧面动脉流动通路814和越过宽度的活性流动通路815。
在图125B和125C中，分别示出了部分坯体的组合的截面图和示意性层压烧制的透视图，类似的方法用于Fuel Cell StickTM装置800的顶部和底部部分，但在中央部分中，多个0.75英寸坯体陶瓷片829b放置在动脉间隙形成材料872的一侧上(在右侧上显示了)，且没有陶瓷放置在另一侧上。当层压时，来自顶部(和/或底部，未显示了)的坯体陶瓷片829形成动脉间隙形成材料872(在左侧上显示了)，以与相对的底部片829的0.1英寸边缘部分相接。当烧制时，具有成形的动脉流动通路814的成形Fuel Cell StickTM装置800形成。
为了实现从动脉流动通路814到单独的活性流动通路815的互连，在图125A和125B中也显示了在中央部分中从动脉间隙形成材料872延伸到Fuel Cell StickTM装置800的相对侧的间隙形成材料874的细条。当所有间隙形成材料872、874用完时，接着产生流动连接。上面讨论了动脉流动通路814和活性流动通路815的间隙形成材料872、874，例如有机物(包括塑料)、碳、蜡或涂有在层压之后被移除的蜡的固体片。
图126A显示了三角动脉流动通路814的部分透视图。这个形状可在层压过程中实现，其中层压力从顶部下来，且其中Fuel Cell StickTM装置800的底侧由固定的板支撑。该力对机械挤压或流体静压(也称为等压)层压是共同的。图126B在部分透视图中显示了类似的三角动脉流动通路814，但为其中Fuel Cell StickTM装置800的形状被更改的通路。通过挤压进已成形的固定板878中，可能产生对称的最终装置，给出更好的结构强度。
图126C显示了例如通过匹配、成形或谨慎地层压Fuel Cell StickTM装置800以使所有边缘变圆的最终形式的进一步更改的部分透视图。完全变圆的边缘形状可减小机械应力并减小破裂的风险。
在一些实施例中，动脉流动通路只帮助一种气体的流动，例如，具有较慢的流动速率(较高的表面粘度)的气体，而流动得较快的气体使用直通路，如在很多现有实施例中所述的。如在图27的透视图中显示了的，例如，在相等尺寸的通路中，氢流动得比空气快，所以使空气通过动脉流动通路820流动到活性流动通路821可能是有益的，而燃料通过直的燃料通路14流动。
在另一实施例中，设置类似于入口动脉流动通路814的出口(静脉)通路。如果需要，这允许气体的进一步控制。图128A-128B(分别为透视图和示意性俯视图)显示了入口和出口设计(为了简单起见，只显示了一种气体类型)。如所示，气流通过动脉流动通路814在Fuel Cell StickTM装置800的一侧上沿着长度，接着越过宽度通过一个或多个活性流动通路815，并接着通过出口通路816在Fuel Cell StickTM装置800的另一侧上沿着长度行进到活性区域33b。出口点可出现在热区域内部或外部，热区域从Fuel Cell StickTM装置800在任何期望位置出现。
在图129A中以示意性截面图显示的另一实施例中，较小的动脉流动通路814、820单独地放置在活性层上，而不减小Fuel Cell StickTM装置800的总密度。如果Fuel Cell StickTM装置800的活性区域33b中，在电解质28的一侧上，阳极24是3mil(0.003”)厚而燃料通路14(活性流动通路815)是1mil(0.001”)厚，则这两个部件的总厚度是4mils(0.004”)。在侧边缘中，气体动脉流动通路814设置为总共4mil厚，而没有增加到Fuel Cell StickTM装置800的总厚度。类似地，阴极26和空气通路20(活性流动通路821)具有总厚度并由相等的总厚度的动脉流动通路814、820提供。根据液体流动的简单原理，在侧面上的4mil活性流动通路814、820将具有比1mil活性流动通路815、821(燃料通路14和空气通路20)高得多的流动速率(较低的阻力)，因此将能够用作在Fuel Cell StickTM装置800中并排延伸的1mil活性流动通路815、821的大区域。图129B和129C进一步在示意性透视图中显示了这个实施例，分别显示了通向单个活性层的单个动脉流动通路814和通向多个活性层的多个动脉流动通路814(为了简单起见，没有显示了相对的流动通路)。
在实践这个实施例中，有被8mil动脉流动通路814服务的两个活性层或被12mil通路814服务的两个层可能是有用的。实际上，在图120C中的设计和图124A的设计之间可能有折衷设计，在图129C中，一个动脉流动通路814服务于一个活性层，在图124A中，一个动脉流动通路814服务于所有的(给定类型的，阳极或阴极)活性层，其可能是数十个层或一百个层。
记住上面的概念，可设想两种气态材料可受益于动脉概念的较高容量流动速率。在图130中在透视图中显示了双动脉Fuel Cell StickTM装置800。第一动脉流动通路814从Fuel Cell StickTM装置800的第一端部11a进入，而第二动脉流动通路820从Fuel Cell StickTM装置800的第二端部11b进入。这两个通路都从侧面出来。如在现有的实施例中阐述的，几何结构的任何组合是可能的，例如两种气体从Fuel Cell StickTM装置800的一端或两端进入的设计。
在上面描述的图25A-27B中，Fuel Cell StickTM装置100的形状被描述为允许较大的活性区域104(较宽的棒)，同时仍然允许从炉出来的窄细长部分102、106。该设计可与动脉概念一起使用。在对总系统提供简单性的方法/装置中，动脉流动通路814、820是直的，而Fuel Cell StickTM装置800在不同的区域中成形，如图131A-131C中在透视图中显示了的(不按比例)。该成形可通过例如用机器加工来实现。图131B中的Fuel Cell StickTM装置800可在Fuel Cell StickTM装置800被成形为具有旋转对称的非对称形状。动脉流动通路814、820可在Fuel Cell StickTM装置800的中心或在Fuel Cell StickTM装置800的一侧上。动脉流动通路814、820的放置可增加在Fuel Cell StickTM装置800内的活性区域，且在一些实施例中，有从中心向下的服务于两侧上的活性区域的动脉流动通路814、820可能是有利的，如图131C所示。根据一个实施例，装置800的弯曲部分保持在热区域32中，且只有窄端部区域11a、11b从炉出来并充当冷端部。因此，虽然被描述为相对短和宽的装置，附图并不按比例，且现实中的装置可能是长和窄的，具有配置成允许宽活性部分完全存在于炉内的成形部分和大部分存在于炉外部的窄端部部分。
在设计具有大动脉流动通路814、820的Fuel Cell StickTM装置800的布局中，应对出口的设计给出谨慎的考虑因素。如果侧动脉流动通路814很大，例如在图124A-124C的实施例中，则使活性流动通路815通过Fuel Cell StickTM装置800的相对侧出来可能不是可能的，因为出口路径将与相对的气体动脉流动通路820相交。为了对某些Fuel Cell StickTM装置800解决这个问题，第三维(垂直的z方向)被添加到流动路径，使得活性流动通路815、821以垂直的气体出口孔817、823终止，如图132A(示意性端部视图)和132B(示意性内部自顶向下视图)中显示了的，并且也称为垂直流动通路。
垂直气体出口孔817必须不与相对的气体动脉流动通路820相交，且它必须不与相对的气体活性流动通路821相交(反之亦然)。提供图132A-B中的阳极和阴极的这两个气体流动通路的形状具有旋转对称性。
这些垂直出口孔817、823可类似于在坯体瓷带中穿孔并被堆叠以给出到表面的路径的传统通孔。可选地，垂直出口孔817、823可简单地被钻到最后加工的未处理的Fuel Cell StickTM装置800中。根据这个设计，有从底部到顶部对齐的电池层的堆叠是有用的，活性区域彼此均匀堆叠，使得每个钻出的孔可与多个气体逸出点相交。
图133显示了图126C的具有多个垂直出口孔817、823的Fuel Cell StickTM装置800的外部透视图。一排中的每个孔可相关于与其它电池串联的单独电池。在Fuel Cell StickTM装置800的一侧上是阳极气体(燃料侧)出口孔817，而另一侧上是阴极气体(空气侧)出口孔823。
图132A-133的气流和出口路径设计在Fuel Cell StickTM装置800内的串联电池设计中变得非常有用。使用该技术是在Fuel Cell StickTM装置800内有在同一活性水平上的空气和燃料流的一种方法。在图134A-134B中显示了了Fuel Cell StickTM装置800内的一个水平，其中电解质28具有在同一层上的交替的阳极24和阴极28(图134A是在多层Fuel Cell StickTM装置800的构造中在单独的电解质片上向下看)。在某些前面的实施例中，例如在图80、92和119所示的那些实施例，展示了只包含空气或燃料通路20、14的电解质28的一侧以及从电解质28的顶部到底部互连的多种方法。在图134A-B的实施例中，空气/阴极26和燃料/阳极24将在电解质28的同一侧上交替，所以互连868可保持在电解质28的一侧上且不必通过电解质28，如在图134B(只显示了单个电解质层28和相对的阳极24和阴极26)的示意性截面图中显示了的。相对的阳极24和阴极26对因此沿着电解质28交替地改变极性，相邻的对从电解质28的一侧到另一侧以交替的方式被互连868电连接，如可在图134B中清楚地看到的。
从这个设计中，在图81和83中看到的大规模串联和并联配置是可能的，虽然在这里物理结构稍微不同。图135A在部分分解图中显示了在图134B中的具有产生活性流动通路815、821的间隙形成材料94的多个结构的堆叠，以形成具有图134A的一般设计的多层结构。注意到对阳极24和阴极26的公共气体流动路径的使用(意味着在活性区域内的一个气体流动路径服务于顶部和底部的两个阳极24或阴极26)，以及在电池之间的互连868可提供从一层到下一层的接触。当结构被压缩时，在间隙形成材料94之间的互连868彼此短路，因而在互连868被相对放置的相邻层中的电池彼此短路。图135B是电池的因而产生的电布置以及从负到正的电子流动的图形表示。可能有在将图135A所示的层挤压在一起时导致的厚度差异。通过添加额外的材料，例如通过添加数段陶瓷带、通过丝网印刷陶瓷墨水或通过在其它材料上流延使得浆料填充较深的位置，可克服这些厚度差异。可设想帮助通过添加额外的材料来使不同的层置于同一水平上的其它方法。
图136和137每个在透视图中显示了使用动脉流动通路814、820和活性流动通路815、821的多层串联-并联的Fuel Cell StickTM装置800的额外的实施例。图136A-G和图137A-G分别显示了在沿着图136和137的Fuel Cell StickTM装置800的不同点A-G处的截面图。每个装置包括2个活性层，每个活性层有3个电池，总共6个电池。在图136和136A-G中，燃料和空气的出口路径沿着装置800的侧边缘，每个空气和燃料活性流动通路821、815由相应的空气或燃料动脉流动通路820、814提供，有三个燃料动脉和活性流动通路814、815以及三个空气动脉和活性流动通路820、821。在图137和137A-G中，燃料和空气的出口路径垂直于装置800的顶部，3个空气活性流动通路821和垂直出口通路823中的每个由单个空气动脉流动通路820提供，而3个燃料活性流动通路815和垂直出口通路817中的每个由单个燃料动脉流动通路814提供。可以理解，在一层中的活性流动通路815、821可与另一层中的活性流动通路815、821对齐或交错。这对Fuel Cell StickTM装置800的设计者允许额外的自由度。图138是由图136和137的Fuel Cell StickTM装置800中的电极布置和互连实现的串联-并联组合的图形表示。图139是由类似的电极布置和互连实现的串联-并联组合的图形表示，但有4个活性层，每个层有串联的4个电池，总共16个电池。端部连接未显示，但可如所示在早些时候的附图中通过将导体从结构的端带到公共连接点来产生。
关于使阳极24和阴极26互连(即，提供在阳极24和阴极26之间的串联连接，这与在同一个电池组的正侧和下一电池组的负侧之间的接触一样)的方法，一层传导材料可被压制为越过阳极24和阴极26之间的整个区域的互连868，如在图10A中在顶部截面图中示意性显示了的。因为提供在阳极24和阴极26之间的电连接而被称为互连868的传导材料可从如前所述的各种材料制成，例如传导陶瓷、贵金属和包括高温合金的非贵金属。
虽然是可接受的，存在为什么这个结构可能受到改进的几个原因。一个原因是，互连868必须致密地烧制，且在烧制的结构中不从在它之上和在它之下的电解质28分层。互连868越过分离空气和燃料区域的密封区行进，但因为互连868的传导材料与电解质28的陶瓷材料不相同，它可能在烧制状态中不是很好的粘接。例如通过将YSZ陶瓷添加到传导材料可增加粘接，但这降低了材料的传导性。对此进一步地，互连868可在多个层中产生，例如在三层夹层结构中，纯LSM作为内部层，LSM-YSZ在顶层和底层，从而在顶部和底部上提供对包含YSZ的电解质28的良好的粘接以及在三层的中心中的良好传导性。但这个解决方案可能过分复杂。大互连868的另一可能的缺点可能是成本。使用贵金属来产生互连868很方便。通过使用钯或钯-银、利用使用烧结的添加剂的YSZ的相对低的烧制温度以便使用Pd和Ag的合金可最小化成本。但总的来说减少贵金属的使用仍然是最佳的。
记住这些顾虑，在图140B中在顶部截面图中示意性显示了互连868。不是越过在阳极24和阴极26之间的整个间隙放置传导材料，条状互连868越过间隙被沉积。如果条具有高传导性，如来自纯金属(贵重或非贵重)的，则减小的区域仍然足够，而不产生电阻损失。或者，在具有较高的电阻系数的传导性陶瓷LSM的情况下，如果越过密封区的从阳极24到阴极26的距离足够短，条仍可执行得很好。作为例子而不是限制，在阳极24和阴极26之间的0.2英寸的距离足够了，但应使它尽可能短，以便提供低电阻损失。
根据另一实施例，条状互连868被压制或分配，使得它叠盖在阳极24和阴极26上。作为结果，对于待层压的陶瓷，在每个条周围有更多的空间(条很窄，以便如果在条的两侧上的陶瓷层之间有良好的粘接，则对从陶瓷到互连868的高粘接的要求减小了)。此外，与如果阳极24和阴极26之间的整个区域被涂有传导材料相比，分条技术使用更少的材料，且这导致可能昂贵的材料的减少的使用。图140B的该条状互连结构也可称为“梳状互连”结构。
关于图134A-139所述的串联-并联组合，内部电极(阳极24和阴极26)必须耦合到在冷端部区域中的外表面触头，以连接到电压源。例如，在活性结构的开头和末尾处，导体可出现以接触表面导体，其接着沿着Fuel Cell StickTM装置800的边缘延伸到冷端部。很多可能的方法可被设计并在现有实施例中被公开，例如通孔；到表面的宽导体路径；到接着被缠绕到表面的侧面的导体；和其它方法。
在钻孔出口和通孔出口上的变化在图141A-141B中显示了(分别是横截面和透视图)。可能有额外的燃料以非控制的方式从Fuel Cell StickTM装置800出来的缺点。如果燃料在热区域32中出来，它将在氧化大气中立即燃烧，释放热。在额外的燃料的量很大的情况下，于是热也很大；且这个过量的热可能由于局部膨胀而引起装置800上的机械应力，这又可能导致装置800中的裂缝。为了在垂直出口孔817、823的情况下抵制这个可能的消极事件，本发明的一个实施例使用表面通路或动脉837、839来将额外的或消耗的燃料和空气引导到期望出口位置，而不管是在炉外部还是在Fuel Cell StickTM装置800上的不同点上。这个实施例通过对每种类型的内部动脉流动通路814、820增加至少一个表面动脉837、839而增加了主动脉的数量。作为例子而不是限制，表面动脉837、839可通过将例如半圆形的动脉间隙形成材料872(见图125B)放置在垂直出口孔817、823上并接着用坯体陶瓷带覆盖其来形成。当层压和烧制时，覆盖的坯体陶瓷带在动脉间隙形成材料872的任一侧上粘接到装置800的下层陶瓷29，而动脉间隙形成材料872烧尽，留下表面动脉837、839。
在图142中在横截面中显示了的Fuel Cell StickTM装置800的另一实施例中，该装置由4个对称动脉包围，其中两个动脉是用于给活性流动通路815、821提供燃料和空气的入口动脉流动通路814、820，而其中两个是用于消耗的(额外的)燃料和空气的出口表面动脉837、839。
在图141A-142中，应设想，入口和出口流动的布局可被颠倒。特定地，表面动脉837、839(燃料和空气)可成为入口路径而不是出口路径。在那个颠倒的实施例中，表面动脉837、839将延伸出热区域32到Fuel Cell StickTM装置800的每端(或接近于每端)。此外在该实施例中，内部动脉流动通路814、820可能对所使用的空气和燃料变成出口路径。在图141和142的组合所预期的变形中，燃料和空气的入口和出口路径都可出现在(图141A、B所示类型的)Fuel Cell StickTM装置800的表面上的整个表面动脉837、839(通路)中是可能的，钻孔817、823提供对空气和燃料的通路以进入和退出Fuel Cell StickTM装置800的中心。最后，在图141的变形中，装置800可具有在装置顶部上的4个表面动脉，而根本没有内部动脉流动通路，互连在整个钻孔或通孔中产生；或者装置可具有在装置的顶侧上的两个表面动脉以及在装置的底侧上的两个表面动脉，再次根本没有内部动脉流通通路，且互连在整个钻孔或通孔中产生。
在上述发明的某些实施例中，努力将额外的燃料引导到所产生的额外的热由此相对有利的位置。在一个实施例中，沿着Fuel Cell StickTM装置10、100、800的侧边缘的出口工作良好(见例如，图1、3A、18-19、21-24、25B-27B、32A-B、130和136)，在出口处间隙从装置的侧面出现。在图143A中的示意性透视图中显示了的本发明的另一个实施例中，出口区域902在Fuel Cell StickTM装置900的侧边缘中形成，以便从装置900的其余部分突出。在示例性实施例中，该侧边缘突出物的内角904具有半径而不是锐角。燃料逸出的出口区域902，即，侧边缘突出物将变得更热，但将远离Fuel Cell StickTM装置900向外引起膨胀，且在装置900上将有很少的不希望有的应力。作为例子而不是限制，在9英寸长的Fuel Cell StickTM装置900上，使出口区域900突出0.25英寸可能是有用的，虽然尺寸的很多组合是可能的。
在图143B中的示意性透视图中显示了的另一实施例中，额外的气体在成形Fuel Cell StickTM装置910的角912处和/或弯曲路径914出来。更具体地，根据所示的特定实施例，Fuel Cell StickTM装置910的端部916沿着弯曲路径914从第一宽度W1(装置910的大部分的宽度)逐渐变细到第二较小的宽度W2，以便提供窄端部区域918。额外的气体沿着弯曲路径914或在第一宽度W1和弯曲路径914之间形成的角912出来(如所示)。再次，对图143A讨论的膨胀原理指示该设计为什么也是有益的。此外，再次，装置910没有按比例显示了，而是被设想为长和细的，弯曲路径有利地存在于炉中，且窄端部区域918从炉中越过装置910。
根据在图143C(示意性透视图)和143D(示意性侧视图)中显示的又一实施例，有顶部出口突起922可能是有用的，顶部出口突起922提供从Fuel Cell StickTM装置920向上分叉的逸出路径。实际上，由于内部几何结构设计限制，这个实施例被认为在Fuel Cell StickTM装置920具有一个或非常少的活性层的场合最有用。
根据另一实施例，在Fuel Cell StickTM装置10(100、200、300、400、500、600、700、800、900、910、920)(在下文中为“装置10(等)”中使用传导球930。图144显示了用在本发明中的传导球930，其包括在内部的陶瓷球932和可为任何传导金属的外部涂层934。存在制造在本发明中使用的传导球930的各种方法。一种方法是涂覆陶瓷球932。为了方便起见，陶瓷球932可涂有阴极导体例如LSM或阳极导体例如氧化镍。另一方法是从固态阴极导体或阳极导体或贵金属制造传导球930。又一方法是通过电镀、喷射或厚膜敷用或各种其它金属涂镀方法来涂覆陶瓷球932。
传导球930的有用性可能在例如图135A、136A和137A中所示的串联并联组合中被重视的。应用于电池的活性流动通路815、821的传导球930可连接贴到单个活性流动通路815或821上的两个阳极24或阴极26。这帮助形成串联-并联结构。传导球930的使用也消除了使互连868实际上彼此接触的需要。传导球930的使用不是必要的，但给Fuel Cell StickTM装置800的设计者提供了额外的自由度。
根据本发明的另一实施例，纳米尺寸的粉末的使用可增加或提高本发明的Fuel Cell StickTM装置10(等)的性能。在陶瓷的一般领域中，纳米级粉末的使用提供了各种益处。较细的颗粒尺寸可提供较高的电压击穿强度和较高的机械强度。较细的颗粒尺寸还可提供较高的表面积，这可有助于表面积限制的反应和传输现象。此外，较细的颗粒尺寸可降低陶瓷的所需烧结温度。依照总功率、功率密度和/或效率或性能和特性的各种其它方面，陶瓷的所有这些益处通常可转变成本发明的Fuel Cell StickTM装置10(等)的增加的益处。
例如，可以使用具有25nm和50nm的颗粒尺寸的电解质粉末。如上面对图43和44所示和描述的，细微粒材料可用于电解质28的表面上的表面颗粒62，以增加离子到电解质28中的传输。该细微粒材料可为纳米尺寸的颗粒。纳米尺寸的颗粒也可为电解质28的表面上的颗粒的分形布置的部分。在这个设计中，小电解质特征例如图43所示的那些特征将被覆盖有更小的电解质特征，且其又将被覆盖有甚至更小的电解质特征，一直到最细的纳米尺寸的颗粒。这个分形表面布置可导致离子到电解质28中的更高传输。
类似地，纳米尺寸的颗粒在本发明的Fuel Cell StickTM装置10(等)的阳极24和阴极26中是有用的。需要阳极24和阴极26来执行化学反应，且可理解，通过增加三元组点(即，电子、离子和气体的会合)的数量并通过增加给定材料的反应性，较细尺寸的颗粒将便于此。
多层坯体陶瓷制造方法可能是用于生产本发明的Fuel Cell StickTM装置10(等)的最成本有效和灵活的方法。多层陶瓷在可量测性和生产率方面已证明其优于其它方法的优越性。由于这个原因，这里讨论的实施例主要集中于多层坯体陶瓷方法。然而，其它技术可用于实现相同的最终目的。一种这样的技术是直接写入，其中笔将材料分配到某些性状和三维几何结构中。另一技术是3D印刷。又一技术是传统厚膜印刷的使用，其中所有材料以糊剂形式被印刷。作为上面技术的部分，应理解，直接写入或各种分配技术可用于分配细管，其具有在分配时存在的核和外壳，例如电解质的阳极内部或电解质的阴极内部。直接写入或分配的细管的使用是对Fuel Cell StickTM装置10(等)显示了的设计的所设想的变形。在最终设计中，细管仅仅是在横截面体积中较细的通路。在一层上可能有很多这些细管，在该层中共同形成很多气体通路，这类似于在给定层上显示了多于一个的通路的上面讨论的设计。类似地，可预料，置于Fuel Cell StickTM装置10(等)内部的细管可合并到串联-并联电子结构中。
上面描述了在固体氧化物燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的场内Fuel Cell StickTM装置10(等)的使用。然而，Fuel Cell StickTM装置10(等)在固体酸燃料电池(SAFC)中也可能是有用的。在这种新的燃料电池类型中，电解质是传导质子的固体。在一种设计中，SAFC电解质由CsSO4制成。材料被描述为具有类似于盐和酸的特性。在较高的温度时，它也可传导质子，温度被描述为在100℃和300℃之间操作。预期SAFC结构可受益于Fuel Cell StickTM装置的总体设计，其中阳极、阴极、电解质和气体通路提供类型的功能，但组成的材料改变。事实上，可能其它新类型的燃料电池将被发明，其中材料变化但总概念保持相同，且对于Fuel Cell StickTM装置10(等)那些新电池类型也将受益于这里所述的革新。
进一步到图67A-B和相关的讨论，图145显示了对具有在炉940外部的单个冷端部11a的Fuel Cell StickTM装置10的单个插塞设计，其称为空气-燃料-功率(AFP)插塞950。AFP插塞950通过提供燃料通路952和空气通路954以及为电连接提供两个导体956来提供空气和燃料输送功能。因此，存在到插塞950的连接的4条路径来传送气体和电。AFP插塞950可包括弹簧触头以允许对导体956的紧密机械接触，且它可包含密封装置如O形环以密封气体。使Fuel Cell StickTM装置10的端部11a成形也是有利的，如关于图66A-B所讨论的。沟槽132可提供AFP插塞950停留在适当位置的额外的能力。
根据本发明的另一实施例，提供了具有用于操作的两个或多个分立的功率水平的单个Fuel Cell StickTM装置。例如，Fuel Cell StickTM装置可在20瓦模式或200瓦模式中操作。可能存在期望有低(例如20瓦)电源但有总共产生较高功率(例如200瓦)的额外能力的应用。作为例子而不是限制，在军事应用中，双电源能力可能对操作一些电子装置并对其它装置的电池充电的士兵是有用的，从而需要功率水平变化。
图146A示意性显示了具有对燃料和空气的双输入的双电源Fuel Cell StickTM装置960。根据双电源Fuel Cell StickTM装置960的一个例子，可能有20个活性层，每个在10瓦。对于20瓦模式，将有只服务于两个活性层的燃料和空气入口点962a、964a。当需要较高的输出时，有服务于额外的层的燃料和空气入口点962b、964b。在总功率被期望的情况下，空气和燃料接着每个将进入而通过两个位置。图146B示意性显示了一种变形，其中每端包括分离开两个入口点962a和962b、964a和964b和通路的沟槽966，从而限定四个端部部分968a、b和970a、b，每个能够与连接器相接。可设想其它几何结构来满足最终系统的需要。
虽然被称为双电源装置，当一个分立的功率部分具有比其它分立的功率部分(较低的瓦特数)更多的活性层(较高的瓦特数)时，实际上装置可在三个分立的功率水平-低、中和高-处操作。低功率水平通过将燃料和空气馈送到燃料和空气入口点962a、964a来操作，入口点962a、964a给分立的功率部分提供较少的活性层。中间功率水平通过将燃料和空气馈送到燃料和空气入口点962a、964a来操作，入口点962a、964a给分立的功率部分提供较多的活性层。高功率水平通过将燃料和空气馈送到燃料和空气入口点962a、964a和962b、964b来操作，入口点962a、964a服务于分立的功率部分使得所有活性层被供电。所以，在上面的例子中，有20个活性层，每个在10瓦处，如果第一分立的功率部分包括5个活性层，而第二分立的功率部分包括15个活性层，则装置在50瓦、150瓦或200瓦的功率水平处是可操作的。
根据另一实施例，可能有多于两个分立的功率部分。例如，可能有供给所有活性层的一个空气连接，以及对不同组的活性层的分立的燃料连接。因此，装置在多个功率水平处可能是可操作的。在另一个实施例中，一个AFP(空气-燃料-功率)插塞950可服务于例如在图146A的装置上的多个入口，其中它可服务于来自一个插塞的两个燃料或空气入口。
上面讨论了牺牲材料72、94、872、874用于形成流动通路14、20、814、815、820、821的实施例。当使用有机材料形成较厚的通路例如动脉流动通路814、820时，那些有机材料的烘干变得更有挑战性。对于较厚的通路，需要较慢的烘干分布来缓慢移除有机物，以防止装置10(等)内的分层。在形成方法的一个变形中，使用装有蜡的碳垫(随机定向的碳纤维)或碳织物(编织成传统布的碳纤维)，但该碳-蜡材料的较厚部分可能引起一些分层。在没有被理论限制的情况下，蜡可能在融化时膨胀，将某个压力置于坯体陶瓷带上，这可能引起分层。
防止蜡所引起的分层的一个实施例是独立使用碳垫/织物，而不使用蜡。通路因而形成并在结构内保持敞开，甚至在层压之后。在层压期间蜡不提供坚固的支持和几何结构的情况下，碳纤维仍将提供敞开的通路，但烧制的通路的顶部和底部上的陶瓷表面将具有来自纤维的凹痕。坯体陶瓷带在层压时仍不压进碳纤维中并封锁通路。基本上，碳纤维提供在层压过程期间(一般是3000到5000psi)将期望通路支撑开的架子。
根据有碳纤维充当架子，上面过程中的一个变量是具有某个硬度的坯体陶瓷带，该硬度阻止它压进纤维之间的空隙中。带的这个硬度可通过带形成中的变量控制：较高的陶瓷装载和较低的增塑剂数量将提供较高的硬度，反之亦然。相同的原理将适用于活性区域中的阳极和阴极层：电极的制法可被选择成提供适当的硬度，其防止电极压进纤维的基质中以使活性区域中的通路(即，活性流动通路)保持敞开。此外，这个概念不限于碳织物和垫，而是延伸到任何牺牲纤维成分中，而不管纤维成分或不管纤维如何放置到结构中。
通过使用多层带来构造Fuel Cell StickTM装置10(等)，应该理解，装置可在逻辑上在大晶圆中制成，且晶圆将在未加工状态中形成和层压之后被切割成小片，以提供单独的单元。因此，Fuel Cell StickTM装置10(等)被示为单个单元的事实不应被解释为排除从晶圆制造装置的方法，晶圆接着按需要被切割成小片并成形。
根据本发明的另一实施例，在多层结构的构造中，成分可在还原的大气中被烧制。例如，氧化镍可用作阳极24。当燃料在高温时被添加时，阳极24被还原成镍金属，这导致高传导率。因为氧化锆具有对氧的高亲和力，可能在还原性气氛条件下烧结Fuel Cell StickTM装置10(等)，而不损害氧化锆，因此使用镍金属而不是氧化镍来构造装置。在还原性气氛中烧结也可便于高温金属的使用。存在抗氧化的互连金属，包括高温特制金属，但为了烧结这些合金，必须防止金属颗粒的表面氧化，这可通过在还原性气氛中烧结来实现。
当使用较薄的层时，电解质28本身可为薄的，使得它可没有保持完整无缺、无裂缝和/或无泄漏的强度。然而，活性区域33b中非常薄的电解质28可能是可接受的，因为阳极24和阴极26将厚度添加到电解质28，将活性区域33b中的总厚度提高到在处理和使用期间没有保持无裂缝的强度的水平，如在图147A中的截面中显示的。然而为了构造完整的装置，在电解质28的厚度必须在相邻于活性区域33b的区域中增加，或否则活性区域33b可能在边缘976处破裂，其中从厚活性区域33b到薄电解质28的过渡出现。所以，如图147B中的横截面中所示的，厚度可使用额外的陶瓷电解质材料29例如额外的氧化锆带层或使用某种其它惰性材料在活性区域33B附近被添加到电解质28。如果在堆叠电极24、26和额外的厚度材料29中出现未对准，细斑或间隙978可能沿着活性区域33b附近的边缘976出现，如图147C中的横截面中所示的，这可导致缺陷。
为了防止或减少未对准的可能性，可以根据本发明的实施例添加额外的材料980，以便它覆盖到活性区域33b上。例如，如在图147D和147E中分别以分解透视图和截面图所示出的，额外的材料980可像图片框架一样被置于电极24、26上。额外材料980中的剪切块(cutout)982是相同的形状，但比电极24、26稍小点。当额外的材料980置于活性区域33b上时(剪切块982放置在电极24、26上)，相邻于剪切块982的额外的材料980在所有侧面上覆盖在活性区域33b的边缘976上，确保不会因为未对准而在活性区域33b的边缘976处而产生细斑(thin spot)。当层压时，额外的材料980靠着电极24、26被压紧。在使用未加工层构造装置10(等)中的这个图片框架方法是容忍未对准的。
正如在上面的各种实施例中讨论的，本文中的附图并不一定按照比例绘制。例如，通常缩短了Fuel Cell StickTM装置10(等)的长度以将该装置放在该页面上，从而给出了相对短、宽的装置而不是长、瘦的装置的外观。应该理解，本发明装置的尺寸并不限制到所示出的比例，并且长度是宽度或厚度的至少好几倍的装置被设想且可以提供附加的益处。例如，装置的长度可以是宽度(在最宽的位置处)的6-20倍。而且，为了清楚地示出装置的部件的目的，通常相对于宽度(和长度)夸大了装置的厚度，但应该理解，比它们的宽度薄，如宽度是厚度的好几倍的装置被特别设想且可以提供额外的益处。在每一实施例中，长度、宽度和厚度是可调整的以满足设计、制造、成本和性能需求，因此，除非权利要求和/或说明书明确说明了这样限制的程度，否则本文描述的实施例并不应该被限制到任何具体的尺寸。
虽然通过描述本发明的一个或多个实施例已经阐释了本发明，并且虽然已经相当详细地描述了各实施例，但是它们不期望是将所附权利要求的范围限定或以任何方式限制到这样的细节。对本领域的技术人员来说，其它的优点和变型将是易于明显的。因此，本发明在其较宽的方面并不是被限制到所示出和描述的具体的细节、代表性的装置和方法以及示例性的示例。因此，可以偏离这样的细节而并不偏离本发明通常概念的范围。

Claims (44)

1.一种燃料电池装置，包括：
陶瓷支撑结构，所述陶瓷支撑结构在x方向上具有从第一端部到第二端部的长度，在y方向上具有从第一侧到第二侧的宽度，以及在z方向上具有从顶表面到底表面的厚度；
反应区，所述反应区沿着所述长度的第一部分设置，配置为加热至工作反应温度并且在所述反应区中具有至少一个活性层，所述活性层包括电解质、活性第一气体通路以及活性第二气体通路，所述电解质将第一电极与相对的第二电极分隔开，所述活性第一气体通路与所述第一电极相邻，所述活性第二气体通路与所述第二电极相邻，其中，所述活性第一气体通路和所述活性第二气体通路中的每一个在z方向上具有厚度；
至少一个冷区域，所述至少一个冷区域从所述第一端部沿着所述长度的第二部分设置，并且配置为当所述反应区被加热时维持在低于所述工作反应温度的温度；
第一动脉流动通路，所述第一动脉流动通路在所述x方向上从所述第一端部延伸穿过所述至少一个冷区域并且进入所述反应区，并且在所述z方向上具有厚度，所述第一动脉流动通路流体耦合至所述活性第一气体通路，其中，所述活性第一气体通路在所述y方向上从所述第一动脉流动通路朝所述第一侧或第二侧中的至少一个延伸，并且其中所述第一动脉流动通路的所述厚度大于所述活性第一气体通路的所述厚度。
2.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述陶瓷支撑结构是细长的基板，其中长度是最大的尺寸，从而所述细长的基板的热膨胀系数仅具有一个与所述长度共延伸的主轴线。
3.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述第一电极和所述第二电极均具有延伸至所述至少一个冷区域的电路径，用于在低于所述工作反应温度的低温下进行电连接。
4.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述第一动脉流动通路沿着邻近所述第一侧的长度延伸，并且所述活性第一气体通路在所述y方向上从所述第一动脉流动通路朝着所述第二侧延伸至所述第二侧上的第一气体出口。
5.如权利要求4所述的燃料电池装置，还包括第二动脉流动通路，所述第二动脉流动通路在所述x方向上沿着邻近所述第二侧的所述长度从所述第一端部延伸穿过所述至少一个冷区域并进入所述反应区，并且在所述z方向上具有厚度，所述第二动脉流动通路流体耦合至所述活性第二气体通路，其中，所述活性第二气体通路在所述y方向上从所述第二动脉流动通路朝着所述第一侧延伸至所述第一侧上的第二气体出口，并且其中所述第二动脉流动通路的所述厚度大于所述活性第二气体通路的所述厚度。
6.如权利要求5所述的燃料电池装置，其中，所述活性第一气体通路包括在所述x方向上间隔开并且在所述y方向上延伸至所述第二侧上的各自的第一气体出口的多个第一子通路，并且其中所述活性第二气体通路包括在所述x方向上间隔开并且在所述y方向上延伸至所述第一侧上的各自的第二气体出口的多个第二子通路。
7.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述第一动脉流动通路沿着邻近所述第一侧的所述长度延伸，并且所述活性第一气体通路在所述y方向上从所述第一动脉流动通路朝着所述第二侧延伸。
8.如权利要求7所述的燃料电池装置，其中，所述至少一个冷区域包括从所述第一端部沿着所述长度的所述第二部分设置的第一冷区域以及从所述第二端部沿着所述长度的第三部分设置的第二冷区域，其中所述反应区沿着所述长度的所述第一部分设置在所述第一冷区域与所述第二冷区域之间，并且还包括第二动脉流动通路，所述第二动脉流动通路在所述x方向上沿着邻近所述第二侧的所述长度从所述第二端部延伸穿过所述第二冷区域并进入所述反应区，并且在所述z方向上具有厚度，所述第二动脉流动通路流体耦合至所述活性第二气体通路，其中，所述活性第二气体通路在所述y方向上从所述第二动脉流动通路朝着所述第一侧延伸，并且其中所述第二动脉流动通路的所述厚度大于所述活性第二气体通路的所述厚度。
9.如权利要求8所述的燃料电池装置，其中，所述至少一个活性层包括多个活性层，并且其中所述第一动脉流动通路耦合至所述活性第一气体通路中的每一个，所述第二动脉流动通路耦合至所述活性第二气体通路中的每一个。
10.如权利要求9所述的燃料电池装置，还包括第一垂直流动通道和第二垂直流动通道，所述第一垂直流动通道在所述z方向上从每一个活性第一气体通路延伸至邻近所述第二侧上的所述第二动脉流动通路但不与其相交的所述顶表面或底表面中的一个，所述第二垂直流动通道在所述z方向上从每一个活性第二气体通路延伸至邻近所述第一侧上的所述第一动脉流动通路但不与其相交的所述顶表面或底表面中的一个。
11.如权利要求10所述的燃料电池装置，还包括位于所述顶表面或所述底表面中的一个上的第一表面流动通道和位于所述顶表面或所述底表面中的一个上的第二表面流动通道，所述第一表面流动通道流体耦合至所述第一垂直流动通道中的每一个且在所述x方向上沿着所述顶表面或底表面朝着所述第一端部延伸至期望的出口点，所述第二表面流动通道流体耦合至所述第二垂直流动通道中的每一个且在所述x方向上沿着所述顶表面或底表面朝着所述第二端延伸至期望的出口点。
12.如权利要求8所述的燃料电池装置，其中，所述至少一个活性层包括多个活性层，并且还包括相等的多个所述第一动脉流动通路和所述第二动脉流动通路，其中多个所述第一动脉流动通路中的每一个耦合至所述活性第一气体通路中的相应一个，并且多个所述第二动脉流动通路中的每一个耦合至所述活性第二气体通路中的相应一个。
13.如权利要求12所述的燃料电池装置，其中，所述活性第一气体通路中的每一个在所述y方向上从相应的第一动脉流动通路朝着所述第二侧延伸至所述第二侧上的第一气体出口，并且其中所述活性第二气体通路中的每一个在所述y方向上从相应的第二动脉流动通路朝着所述第一侧延伸至所述第一侧上的第二气体出口。
14.如权利要求12所述的燃料电池装置，还包括第一垂直流动通道和第二垂直流动通道，所述第一垂直流动通道在所述z方向上从每一个活性第一气体通路延伸至邻近所述第二侧上的所述第二动脉流动通路但不与其相交的所述顶表面或底表面中的一个，所述第二垂直流动通道在所述z方向上从每一个活性第二气体通路延伸至邻近所述第一侧上的所述第一动脉流动通路但不与其相交的所述顶表面或底表面中的一个。
15.如权利要求14所述的燃料电池装置，还包括位于所述顶表面或所述底表面中的一个上的第一表面流动通道和位于所述顶表面或所述底表面中的一个上的第二表面流动通道，所述第一表面流动通道流体耦合至所述第一垂直流动通道中的每一个且在所述x方向上沿着所述顶表面或底表面朝着所述第一端部延伸至期望的出口点，所述第二表面流动通道流体耦合至所述第二垂直流动通道中的每一个且在所述x方向上沿着所述顶表面或底表面朝着所述第二端延伸至期望的出口点。
16.如权利要求7所述的燃料电池装置，还包括第一垂直流动通道，所述第一垂直流动通道在所述z方向上从所述活性第一气体通路延伸至邻近所述第二侧的所述顶表面或底表面中的一个。
17.如权利要求16所述的燃料电池装置，还包括位于所述顶表面或所述底表面中的一个上的第一表面流动通道，所述第一表面流动通道流体耦合至所述第一垂直流动通道且沿着所述顶表面或底表面延伸至期望的出口点。
18.如权利要求7所述的燃料电池装置，还包括出口路径，所述出口路径流体耦合至所述活性第一气体通路并在所述x方向上从所述活性第一气体通路朝着所述第一端部延伸。
19.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述活性第一气体通路流体耦合至第一垂直流动通道，所述第一垂直流动通道在所述z方向上从所述活性第一气体通路延伸至所述顶表面或底表面中的一个。
20.如权利要求19所述的燃料电池装置，还包括位于所述顶表面或所述底表面中的一个上的第一表面流动通道，所述第一表面流动通道流体耦合至所述第一垂直流动通道且沿着所述顶表面或底表面延伸至期望的出口点。
21.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述活性第一气体通路包括多个第一子通路，所述多个第一子通路在所述y方向上延伸并在所述x方向上间隔开。
22.如权利要求1所述的燃料电池装置，还包括第二动脉流动通路，所述第二动脉流动通路在所述x方向上沿着所述长度从所述第一端部或第二端部中的一个延伸穿过所述至少一个冷区域并进入所述反应区，并且在所述z方向上具有厚度，所述第二动脉流动通路流体耦合至所述活性第二气体通路，其中，所述第二动脉流动通路的所述厚度大于所述活性第二气体通路的所述厚度，其中，所述第一动脉流动通路和所述第二动脉流动通路分别邻近所述第一侧和所述第二侧设置，并且其中所述活性第一气体通路和所述活性第二气体通路在所述y方向上分别从所述第一动脉流动通路和所述第二动脉流动通路分别朝着所述第二侧和所述第一侧延伸。
23.如权利要求22所述的燃料电池装置，其中，所述至少一个活性层包括多个成对的第一电极与相对的第二电极，该成对的第一电极和第二电极在所述x方向上间隔开且极性交替，从而所述电解质的第一侧包括交替的、间隔开的第一电极和第二电极，并且所述电解质的第二侧包括交替的、间隔开的第二电极和第一电极，其中，每一个所述第一电极具有与其邻近且流体耦合至所述第一动脉流动通路的相应的活性第一气体通路，并且每一个所述第二电极具有与其邻近且流体耦合至所述第二动脉流动通路的相应的活性第二气体通路，以及还包括传导互连，所述传导互连对从所述电解质的所述第一侧到所述电解质的所述第二侧呈交替方式的相邻对的第一电极与相对的第二电极进行电耦合。
24.如权利要求23所述的燃料电池装置，还包括第一垂直流动通道和第二垂直流动通道，所述第一垂直流动通道在所述z方向上从每一个活性第一气体通路延伸至邻近所述第二侧上的所述第二动脉流动通路但不与其相交的所述顶表面或底表面中的一个，所述第二垂直流动通道在所述z方向上从每一个活性第二气体通路延伸至邻近所述第一侧上的所述第一动脉流动通路但不与其相交的所述顶表面或底表面中的一个。
25.如权利要求24所述的燃料电池装置，其中，所述至少一个活性层包括多个活性层，并且其中所述第一动脉流动通路耦合至所述多个活性层的每一个中的所述活性第一气体通路中的每一个，并且所述第二动脉通路耦合至所述多个活性层的每一个中的所述活性第二气体通路中的每一个。
26.如权利要求25所述的燃料电池装置，其中，所述多个活性层对齐，使得在所述多个活性层的一个中的交替的、间隔开的第一电极和第二电极与在所述多个活性层中的相邻一个中的相应交替的、间隔开的第一电极和第二电极相对，从而对相邻的活性层之间的相对的第一电极和相邻的活性层之间的相对的第二电极提供所述相对的第一电极之间共用的活性第一气体通路和所述相对的第二电极之间共用的活性第二气体通路，并且还包括多个传导球，所述传导球设置在所述共用的活性第一气体通路和所述共用的活性第二气体通路中的每一个中以在相邻的活性层内提供相应的相对的第一电极与第二电极之间的电连接。
27.如权利要求26所述的燃料电池装置，其中，所述传导球包括固体传导金属、固体阳极导体、固体阴极导体、具有传导金属涂层的陶瓷内部结构、具有阳极导体涂层的陶瓷内部结构、或具有阴极导体涂层的陶瓷内部结构、或其任意组合。
28.如权利要求24所述的燃料电池装置，还包括位于所述顶表面或所述底表面中的一个上的第一表面流动通道和位于所述顶表面或所述底表面中的一个上的第二表面流动通道，所述第一表面流动通道流体耦合至所述第一垂直流动通道中的每一个，所述第二表面流动通道流体耦合至所述第二垂直流动通道中的每一个，其中，所述第一表面流动通道和所述第二表面流动通道沿着所述顶表面或所述底表面延伸至期望的出口点。
29.如权利要求23所述的燃料电池装置，其中，所述传导互连中的每一个包括多个传导材料的条，所述条在所述y方向上间隔开且在所述x方向上在第一电极与相对的第二电极的相邻对之间延伸。
30.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中，在所述y方向上从第一侧到第二侧的所述宽度包括在所述反应区内沿着所述长度的所述第一部分的第一宽度W1和在至少一个冷区域内沿着所述长度的所述第二部分的第二宽度W2，其中W2小于W1，以及还包括过渡区域和气体出口，所述过渡区域沿着所述长度的中间部分，所述中间部分位于从W1到W2的宽度减小的所述第一部分与所述第二部分的中间，所述气体出口耦合至设置在所述过渡区域或所述反应区与所述过渡区域的交叉处的所述活性第一气体通路。
31.一种燃料电池装置，包括：
细长的基板，所述基板的长度是最大的尺寸，从而所述细长的基板的热膨胀系数仅具有一个与所述长度共延伸的主轴线，沿着所述长度的第一部分的反应区配置为被加热至工作反应温度，并且沿着所述长度的第二部分的至少一个冷区域配置为当所述反应区被加热时维持在低于所述工作反应温度的低温
至少一个燃料通路，所述至少一个燃料通路在所述细长的基板中从所述至少一个冷区域延伸至所述反应区，并且在所述反应区内具有相关联的阳极；
至少一个氧化剂通路，所述至少一个氧化剂通路在所述细长的基板内从所述至少一个冷区域延伸至所述反应区，并且在所述反应区内具有与所述阳极设置成相对关系的相关联的阴极；以及
电解质，所述电解质设置在所述反应区中的相对的阳极与阴极之间，所述阳极和阴极均具有电路径，所述电路径延伸至所述至少一个冷区域的外表面，用以在所述工作反应温度之下的低温进行电连接，
其中，所述电解质至少包括纳米部分，所述纳米部分包括由纳米尺度的粉末烧结而成的陶瓷材料。
32.如权利要求31所述的燃料电池装置，其中，所述纳米部分是所述电解质的表面部分，其具有所述纳米尺度的粉末沿着所述电解质表面的分布产生的不均匀的形貌。
33.如权利要求31所述的燃料电池装置，其中，所述纳米尺度的粉末在所述电解质的表面上具有尺寸向外减小的分形布置。
34.一种燃料电池系统，包括：
热区域室；
多个如权利要求3所述的燃料电池装置，其每一个设置有在所述热区域室中的第一部分和在所述热区域室外部延伸的至少一个冷区域；
热源，耦合到所述热区域室且适于在所述热区域室内将所述反应区加热到工作反应温度；以及
第一电压连接和第二电压连接，在所述至少一个冷区域内与相应的第一电极和第二电极的电路径电接触。
35.如权利要求34所述的燃料电池系统，还包括：
第一气体供给，在所述热区域室外部耦合至所述至少一个冷区域中的每一个，与所述第一动脉流动通路流体相通，用以将燃料或空气中的一个供应至所述第一动脉流动通路；
第二气体供给，在所述热区域室外部耦合至所述至少一个冷区域中的每一个，与所述第二动脉流动通路流体相通，用以将燃料或空气中的另一个供应至所述第二动脉流动通路。
36.一种燃料电池系统，包括：
热区域室；
至少一个如权利要求5所述的燃料电池装置，其设置有在所述热区域室中的第一部分和在所述热区域外部延伸的至少一个冷区域，其中，所述第一电极和第二电极均具有延伸至所述至少一个冷区域相应的第一接触区域和第二接触区域的电路径；
热源，耦合到所述热区域室且适于在所述热区域室内将所述反应区加热到工作反应温度；以及
空气-燃料-功率(AFP)插塞，耦合到第一端部且具有第一气体路径、第二气体路径、第一导体元件和第二导体元件，所述第一气体路径与所述第一动脉流动通路流体相通，用以将燃料或空气中的一个供应至所述第一动脉流动通路中，所述第二气体路径与所述第二动脉流动通路流体相通，用以将燃料或空气中的另一个供应至所述第二动脉流动通路中，所述第一导体元件电耦合至所述第一接触区域，用以收集功率输出；以及所述第二导体元件电耦合至所述第二接触区域，用以收集功率输出。
37.一种燃料电池装置，包括：
细长的基板，所述基板的长度是最大的尺寸，从而所述细长的基板的热膨胀系数仅具有一个与所述长度共延伸的主轴线，所述基板具有邻近第一端部的第一冷端部区域、邻近第二端部的第二冷端部区域以及所述第一冷端部区域与所述第二冷端部区域之间的反应区，其中，所述反应区配置为被加热至工作反应温度，并且所述第一冷端部区域和所述第二冷端部区域配置为当所述反应区被加热时维持在低于所述工作反应温度的低温；
在所述反应区内的至少两个分离的功率部分，所述至少两个分离的功率部分中的每一个包括一个或多个具有阳极、相对的阴极以及所述阳极与所述阴极之间的电解质的活性层，所述阳极和所述阴极均具有延伸至所述第一冷端部区域或所述第二冷端部区域的电路径，用以在低于所述工作反应温度的低温进行电连接；
至少两个分离的燃料通路，在所述细长的基板内从所述第一冷端部区域延伸至所述反应区内的所述至少两个分离的功率部分的相应的阳极；以及
至少一个氧化剂通路，在所述细长的基板内从所述第二冷端部区域延伸至所述反应区内的所述至少两个分离的功率部分的阴极；
其中，所述燃料电池装置是通过使燃料选择性地流入所述至少两个分离的燃料通路中的一个或超过一个而以两个或更多个不同的功率水平进行操作。
38.如权利要求37所述的燃料电池装置，其中，所述至少一个氧化剂通路包括延伸至所述至少两个分离的功率部分的阴极的至少两个分离的氧化剂通路。
39.如权利要求38所述的燃料电池装置，具有第一分离的功率部分和第二分离的功率部分、第一分离的燃料通路和第二分离的燃料通路以及第一分离的氧化剂通路和第二分离的氧化剂通路，其中，所述第一冷端部区域和所述第二冷端部区域中的每一个包括第一输入部分和第二输入部分，所述第一冷端部区域的所述第一输入部分和所述第二输入部分向相应的所述第一分离的燃料通路和第二分离的燃料通路提供燃料输入，并且所述第二冷端部区域的所述第一输入部分和所述第二输入部分向相应的所述第一分离的氧化剂通路和第二分离的氧化剂通路提供氧化剂输入，从而所述燃料电池装置可操作地接收燃料和空气进入所述第一冷端部区域和所述第二冷端部区域的所述第一输入部分以在所述第一分离的功率部分内为所述一个或多个活性层供电，和/或接收燃料和空气进入所述第一冷端部区域和所述第二冷端部区域的所述第二输入部分以在所述第二分离的功率部分内为所述一个或多个活性层供电。
40.如权利要求39所述的燃料电池装置，其中，所述第一冷端部区域和所述第二冷端部区域均包括沟槽，所述沟槽将所述第一输入部分与所述第二输入部分分隔开。
41.如权利要求39所述的燃料电池装置，其中，所述第二分离的功率部分包括比所述第一分离的功率部分更多数量的活性层，从而所述燃料电池装置可操作地接收燃料和空气进入所述第一冷端部区域和所述第二冷端部区域的所述第一输入部分以在所述第一分离的功率部分内为所述活性层供以低功率供给，或接收燃料和空气进入所述第一冷端部区域和所述第二冷端部区域的所述第二输入部分以在所述第二分离的功率部分内向所述活性层供以中等功率供给，或所述燃料电池可操作地接收燃料和空气进入所述第一冷端部区域和所述第二冷端部区域的所述第一输入部分和所述第二输入部分以在所述第一分离的功率部分和所述第二分离的功率部分内向所述活性层供以高功率供给。
42.如权利要求37所述的燃料电池装置，其中，所述至少一个氧化剂通路流体耦合至在所述至少两个分离的功率部分的每一个中的阴极，从而所述燃料电池装置通过使空气流入所述至少两个分离的功率部分的每一个同时选择性地使燃料流入所述至少两个分离的燃料通路的一个或超过一个内而以两个或更多个不同的功率水平进行操作。
43.一种燃料电池系统，包括：
热区域室；
至少一个如权利要求37所述的燃料电池装置，设置在所述热区域室的所述反应区内，并且所述第一冷端部区域和第二冷端部区域延伸到所述热区域室外部；
热源，耦合至所述热区域室且适于在所述热区域室内将所述反应区加热到所述工作反应温度；
燃料-功率插塞，耦合至所述第一冷端部区域，所述第一冷端部区域具有至少两个分离的燃料输入路径和至少两个导体元件，所述至少两个分离的燃料输入路径与相应的所述至少两个分离的燃料通路流体相通，所述至少两个导体元件电耦合到所述至少两个分离的功率部分的阳极或阴极中的一个的电路径，用以收集功率输出；以及
空气-功率插塞，耦合到所述第二冷端部区域，所述第二冷部端区域具有至少一个空气输入路径和至少两个导体元件，所述至少一个空气输入路径与相应的所述至少一个氧化剂通路流体相通，所述至少两个导体元件电耦合到所述至少两个分离的功率部分的阳极或阴极中的另一个的电路径，用以收集功率输出。
44.一种燃料电池系统，包括：
热区域室；
至少一个如权利要求39所述的燃料电池装置，设置在所述热区域室的所述反应区内，并且所述第一冷端部区域和第二冷端部区域延伸到所述热区域室外部；
热源，耦合到所述热区域室且适于在所述热区域室内将所述反应区加热到工作反应温度；
燃料-功率插塞，耦合到所述第一冷端部区域，所述第一冷端部区域具有第一分离的燃料输入路径和第二分离的燃料输入路径以及第一导体元件和第二导体元件，所述第一分离的燃料输入路径和第二分离的燃料输入路径与相应的所述第一分离的燃料通路和第二分离的燃料通路流体相同，所述第一导体元件和第二导体元件电耦合到相应的所述第一分离的功率部分和第二分离的功率部分的阳极或阴极中的一个的电路径，用以收集功率输出；以及
空气-功率插塞，耦合到所述第二冷端部区域，所述第二冷端部区域具有第一分离的空气输入路径和第二分离的空气输入路径以及第一分离的导体元件和第二分离的导体元件，所述第一分离的空气输入路径和第二分离的空气输入路径与相应的所述第一分离的氧化剂通路和第二分离的氧化剂通路流体相同，所述第一导体元件和第二导体元件电耦合到相应的所述第一分离的功率部分和第二分离的功率部分的阳极或阴极中的另一个的电路径，用以收集功率输出。
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