JP2010177195A - ホット部分およびコールド部分を有する細長い基板を備えた固体酸化物燃料電池デバイス - Google Patents

ホット部分およびコールド部分を有する細長い基板を備えた固体酸化物燃料電池デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、固体酸化物燃料電池デバイスおよびシステムならびに該デバイスを製造する方法に関し、より詳細には、多層モノリシックＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）の形態の固体酸化物燃料電池デバイスに関する。
【解決手段】本発明によれば、固体酸化物燃料電池デバイスおよび複数の燃料デバイスを組み込んだ燃料電池システムが提供され、個々のデバイスは、長さの第１の部分に作動反応温度まで加熱するための反応ゾーンを有し、かつ、長さの第２の部分に、反応ゾーンが加熱された場合に作動反応温度未満の低温を維持する少なくとも１つのコールドゾーンを有する細長い基板を備えている。一実施形態では、電解質は、反応ゾーン内のアノードとカソードの間に配置されており、アノードおよびカソードは、それぞれ、低温で電気接続するための少なくとも１つのコールドゾーンの外部表面まで延在している電気経路を有している。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、固体酸化物燃料電池デバイスおよびシステムならびに該デバイスを製造する方法に関し、より詳細には、多層モノリシックＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）の形態の固体酸化物燃料電池デバイスに関する。
本出願は、３７ Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１．７８（ａ）（４）に従って、それぞれ参照により本明細書に明白に組み込まれている、２００５年１１月８日に出願した先行出願同時係属仮出願第６０／７３４，５５４号および２００６年５月１１日に出願した先行出願同時係属仮出願第６０／７４７，０１３号の利益および優先権を主張するものである。
セラミック管は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の製造にその用途が見出されている。燃料電池にはいくつかのタイプがあり、それぞれ、燃料および空気を変換して、燃焼を伴うことなく電気を生成するための異なる機構を提供している。ＳＯＦＣの場合、燃料と空気の間の障壁層（「電解質」）がセラミック層であり、このセラミック層は、化学反応を完成するべく、この層を介した酸素原子の移動を可能にしている。セラミックは室温では酸素原子をほとんど通さないため、燃料電池は７００℃ないし１０００℃で作動し、また、セラミック層は可能な限り薄い層でできている。
初期の管状ＳＯＦＣは、ウェスティングハウスコーポレーション社（Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって、ジルコニアセラミックの長く、かつ、極めて直径の大きい押出し管を使用して製造された。管の典型的な長さは数フィートの長さに及び、管の直径は、１／４インチから１／２インチまでの範囲に及んだ。燃料電池の完全な構造には、通常、約１０本の管が含まれていた。研究者らおよび業界団体は、長期に渡って、８モル％のＹ２Ｏ３を含有したジルコニアセラミックの製法を定着させた。この材料は、その他の間で、日本のトーショーにより製品ＴＺ−８Ｙとして製造されている。
ＳＯＦＣを製造するための他の方法には、燃料電池構造を得るために、他のアノードおよびカソードと共に一体に積み重ねられたジルコニアの平らなプレートが利用されている。ウェスティングハウスによって想定された、高く、かつ、細いデバイスと比較すると、これらの平らなプレート構造は、スタック全体を一体に保持するためのクランピング機構を備えた、一辺が６インチないし８インチの立方体の形にすることができる。
さらに新しい方法は、極めて薄い壁を有する、直径の小さいより大量の管の使用を想定している。ＳＯＦＣの場合、距離および温度によって酸素イオンの移動速度が制限されるため、薄い壁のセラミックを使用することは重要である。より薄いジルコニアの層を使用することにより、同じ効率を維持しつつ、より低い温度で最終デバイスを作動させることができる。文献には、壁の厚さが１５０μｍ以下のセラミック管を製造する必要性が記述されている。
ＳＯＦＣの実施成功を妨害しているいくつかの主要な技術的問題が存在している。問題の１つは、加熱中におけるセラミックエレメントのひび割れを防止する必要があることである。その点では、管は本質的に一次元であるため、管状ＳＯＦＣ手法の方が競合する「スタック」タイプ（大きく、かつ、平らなセラミックプレートから構築されている）より良好である。管は、たとえば中央部分で熱くなって膨張することがあるが、ひびが入ることはない。たとえば環状炉は、長さ３６インチ、直径４インチのアルミナ管を加熱することができ、中央部は赤熱し、先端部は触れることができるまでに十分ほど冷たい。その管は、その中央部分が均一に加熱されるため、その中央部分が膨張して管が長くなるが、それによってひびが入ることはない。中央部分のみが加熱されたセラミックプレートは、中央部分が膨張し、一方、外側は同じ大きさを維持するため、すぐに粉々に砕ける。その管の重要な特性は単軸つまり一次元性を有することである。
第２の主要課題は、ＳＯＦＣへの接触である。ＳＯＦＣは、高温（通常、７００〜１０００℃）で作動させることが理想的であるが、空気および燃料に対して外界に接続することも必要であり、電気接続も必要である。室温で接続することが理想的である。有機材料を使用することができないため、高温での接続は問題であり、したがってガラスシールまたはメカニカルシールを使用しなければならない。膨張の問題があるため、これらはいくぶん信頼性がない。これらは高価ともなりうる。
したがって、従来のＳＯＦＣシステムは、上で言及した少なくとも２つの問題で困難を抱えている。また、プレート技術も、ガスポートを密閉する点でプレートの縁に困難を抱えており、また、高速加熱ならびにひび割れの点でも困難を抱えている。管手法の場合、ひび割れの問題は解決されるが、依然として他の問題を抱えている。ＳＯＦＣ管が有用であるのは、ガスコンテナとしてのみである。ＳＯＦＣ管を作動させるためには、より大きい空気コンテナの内側で使用しなければならない。これは持て余すほど大きい。管を使用する事の主要課題は、反応のためのＯ２を提供するための空気と、反応を加速するための熱の両方を管の外側に印加しなければならないことである。通常、熱は、燃料を燃焼させることによって印加され、したがって２０％のＯ２（典型的には）を含有している空気を印加する代わりに、実際には空気が部分的に還元され（熱を提供するために部分的に燃焼される）、そのために電池の推進潜在能力を低くしている。
また、ＳＯＦＣ管は、そのスケーラビリティが制限されている。より大きいｋＶ出力を得るためには、もっと多くの管を追加しなければならない。個々の管は単一電解質層であり、したがって増大量は大きい。固体電解質管技術は、達成可能な電解質の薄さの点で、さらに制限されている。電解質は、薄いほど効率的である。大きい電力を得るためには、２μｍさらには１μｍの厚さの電解質が最適であるが、固体電解質管でそれを達成することは極めて困難である。単一の燃料電池面積は、約０．５ボルトないし１ボルトを生成している（これは、蓄電池が１．２ボルトを生成するのと同様、化学反応の推進力による固有のものである）が、電流延いては電力はいくつかの要因に依存していることに留意されたい。より多くの酸素イオンを所与の時間内に電解質を横切って移動させる要因からより大きい電流が得られる。これらの要因は、温度がより高いこと、電解質がより薄いこと、および面積がより広いことである。
米国仮出願第６０／７３４，５５４号 米国仮出願第６０／７４７，０１３号
一実施形態では、本発明により、最大寸法である長さを有する細長い基板を備え、細長い基板が、その長さと同一の広がりを持った一つの主軸のみを有する熱膨張率を有する固体酸化物燃料電池デバイスが提供される。反応ゾーンは、長さの第１の部分に沿って提供されており、作動反応温度まで加熱されるように構成されている。また、少なくとも１つのコールドゾーンは、長さの第２の部分に沿って提供されており、反応ゾーンが加熱される時に作動反応温度未満の低温を維持するように構成されている。電解質は、反応ゾーン内のアノードとカソードの間に配置されており、アノードおよびカソードは、それぞれ、少なくとも１つのコールドゾーンの外部表面まで延在している、作動反応温度未満の低温での電気接続のための電気経路を有している。本発明によれば、さらに、複数の燃料デバイスを組み込んだ燃料電池システムであって、デバイスの各々が、第１の部分と共にホットゾーンチャンバ内に配置され、かつ、ホットゾーンチャンバの外側に延在している少なくとも１つのコールドゾーンを有する燃料電池システムが提供される。熱源は、ホットゾーンチャンバに結合されており、デバイスの反応ゾーンをホットゾーンチャンバ内の作動反応温度まで加熱するように適応されている。システムは、さらに、複数のアノードのうちの少なくとも１つの電気経路と電気接触しているコールドゾーン内の外部表面の各々への接続と、複数のカソードの電気経路のうちの少なくとも１つと電気接触しているコールドゾーン内の外部表面の各々への接続と、を備えている。
他の実施形態によれば、本発明により、最大寸法である長さを有する細長い基板を備え、細長い基板が、その長さと同一の広がりを持った一つの主軸のみを有する熱膨張率を有する固体酸化物燃料電池デバイスが提供される。反応ゾーンは、長さの第１の部分に沿って提供されており、作動反応温度まで加熱されるように構成されている。また、少なくとも１つのコールドゾーンは、長さの第２の部分に沿って提供されており、反応ゾーンが加熱されたる時に作動反応温度未満の低温を維持するように構成されている。複数の燃料通路および酸化剤通路は、少なくとも１つのコールドゾーンから反応ゾーンまで延在している細長い基板の中に提供されており、燃料通路の各々は、反応ゾーンの中に関連するアノードを有しており、また、酸化剤通路の各々は、反応ゾーンの中に、関連する複数のアノードのうちのそれぞれ対応するアノードに対して反対側に配置された関連するカソードを有している。電解質は、反応ゾーン内の互いに対向するアノードとカソードの各々の間に配置されている。本発明によれば、さらに、複数の燃料デバイスを組み込んだ燃料電池システムであって、デバイスの各々が第１の部分と共にホットゾーンチャンバ内に配置され、かつ、少なくとも１つのコールドゾーンがホットゾーンチャンバの外側に延在している燃料電池システムが提供される。熱源は、ホットゾーンチャンバに結合されており、デバイスの反応ゾーンをホットゾーンチャンバ内の作動反応温度まで加熱するように適応されている。システムは、さらに、ホットゾーンチャンバの外側で、燃料通路と流体連通している少なくとも１つのコールドゾーンに結合された、燃料通路に燃料の流れを供給するための燃料サプライを備えている。
さらに他の実施形態によれば、本発明により、第１のエンドに隣接する第１のコールドエンド領域と、第２のエンドに隣接する第２のコールドエンド領域と、第１のコールドエンド領域と第２のコールドエンド領域の間のホット反応ゾーンとを有する細長い基板を備えた固体酸化物燃料電池デバイスであって、ホット反応ゾーンが作動反応温度まで加熱されるように構成され、かつ、第１および第２のコールドエンド領域が作動反応温度未満の低温を維持するように構成された固体酸化物燃料電池デバイスが提供される。燃料入口は、第１のコールドエンド領域に配置され、対応する燃料出口は、ホット反応ゾーンまたは第２のコールドエンド領域のいずれか一方に配置されている。また、燃料入口および燃料出口は、それらの間に、細長い基板内のホット反応ゾーンを通って少なくとも部分的に延在している細長い燃料通路によって結合されている。同様に、酸化剤入口は、第２のコールドエンド領域に配置され、対応する酸化剤出口は、ホット反応ゾーンまたは第１のコールドエンド領域のいずれか一方に配置されている。酸化剤入口および酸化剤出口は、それらの間に、少なくとも一部が細長い基板内のホット反応ゾーンを通って、細長い燃料通路に平行で、かつ、互いに対向する関係で延在している細長い酸化剤通路によって結合されている。アノードは、細長い基板内のホット反応ゾーン内に燃料通路に隣接して配置されており、第１および第２のコールドエンド領域のうちの少なくとも一方の細長い基板上の第１の外部接触表面に電気結合されている。カソードは、細長い基板内のホット反応ゾーン内に酸化剤通路に隣接して配置されており、第１および第２のコールドエンド領域のうちの少なくとも一方の細長い基板上の第２の外部接触表面に電気結合されている。固体電解質はアノードとカソードの間に配置されており、第１の外部接触表面は負に電気接続され、また、第２の外部接触表面は正に電気接続されている。本発明によれば、さらに、複数の燃料デバイスを組み込んだ燃料電池システムであって、デバイスの各々がホット反応ゾーンと共にホットゾーンチャンバ内に配置され、かつ、第１および第２のコールドエンド領域がホットゾーンチャンバの外側に延在している燃料電池システムが提供される。熱源は、ホットゾーンチャンバに結合されており、デバイスの反応ゾーンをホットゾーンチャンバ内の作動反応温度まで加熱するように適応されている。システムは、さらに、ホットゾーンチャンバの外側で、燃料通路と流体連通している第１のコールドエンド領域に結合された、燃料通路に燃料の流れを供給するための燃料サプライと、ホットゾーンチャンバの外側で、酸化剤通路と流体連通している第２のコールドエンド領域に結合された、酸化剤通路に空気の流れを供給するための空気サプライと、を備えている。
さらに他の実施形態によれば、本発明により、一定の長さを間に有する第１のエンドおよび反対側の第２のエンドと、第１のエンドに隣接する第１の部分の長さに沿ったコールドゾーンと、第２のエンドに隣接する第２の部分の長さに沿ったホット反応ゾーンとを有する細長い基板を備えた固体酸化物燃料電池デバイスであって、ホット反応ゾーンが作動反応温度まで加熱されるように構成され、かつ、コールドゾーンが作動反応温度未満の低温を維持するように構成された固体酸化物燃料電池デバイスが提供される。燃料入口は、細長い基板内のホット反応ゾーンを通って、第１のエンドに隣接している対応する燃料出口まで伸びる細長い燃料通路に結合されたコールドゾーンの中に配置されている。同様に、酸化剤入口は、細長い基板内のホット反応ゾーンを通って、第１のエンドに隣接している対応する酸化剤出口まで、細長い燃料通路に平行で、かつ、互いに対向する関係で延在している細長い酸化剤通路に結合されたコールドゾーンの中に配置されている。アノードは、細長い基板内のホット反応ゾーン内に燃料通路に隣接して配置されており、コールドゾーン内の細長い基板上の第１の外部接触表面に電気結合されている。カソードは、細長い基板内のホット反応ゾーン内に酸化剤通路に隣接して配置されており、コールドゾーン内の細長い基板上の第２の外部接触表面に電気結合されている。固体電解質はアノードとカソードの間に配置されており、第１の外部接触表面は負に電気接続され、また、第２の外部接触表面は正に電気接続されている。本発明によれば、さらに、複数の燃料デバイスを組み込んだ燃料電池システムであって、デバイスの各々がホット反応ゾーンと共にホットゾーンチャンバ内に配置され、かつ、コールドゾーンがホットゾーンチャンバの外側に延在している燃料電池システムが提供される。熱源は、ホットゾーンチャンバに結合されており、デバイスの反応ゾーンをホットゾーンチャンバ内の作動反応温度まで加熱するように適応されている。システムは、さらに、ホットゾーンチャンバの外側で、燃料通路と流体連通しているコールドゾーンに結合された、燃料通路に燃料の流れを供給するための燃料サプライと、ホットゾーンチャンバの外側で、酸化剤通路と流体連通しているコールドゾーンに結合された、酸化剤通路に空気の流れを供給するための空気サプライとを備えている。
他の実施形態によれば、本発明により、固体酸化物燃料電池デバイスを製造する方法が提供される。この方法には、最大寸法である長さを有する細長いモノリシック焼結セラミック基板を提供するステップが含まれており、細長い基板は、その長さと同じ空間に広がる唯一の主軸を有する熱膨張率を有している。また、細長い基板は、複数の第１の通路と、複数の第１の通路のうちの対応する１つと互いに対向する関係で配置された複数の第２の通路とを備えている。次に、これらの第１の通路に、アノード粒子および第１の液体を含有した流体アノード材料が充填され、引き続いて第１の液体が除去され、それにより第１の通路の各々の表面にアノード粒子の層が形成される。また、第２の通路に、カソード粒子および第２の液体を含有した流体カソード材料が充填され、引き続いて第２の液体が除去され、それにより第２の通路の各々の表面にカソード粒子の層が形成される。
本明細書に組み込まれ、かつ、本明細書の一部を成している添付の図面は、本発明の実施形態を示したものであり、上に示した本発明についての全体的な説明および以下の詳細な説明と共に、本発明を説明する一役を担っている。
単一のアノード層、カソード層および電解質層を有し、かつ、２つの末端コールドゾーンの間にホットゾーンを有する、本発明による基本ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態の側面断面図である。 図１に示す実施形態の上面断面図である。 燃料供給管が接続された本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態の第１のエンドの斜視図である。 改良されたエンドを有する本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの斜視図である。 図３Ａに示すデバイスの一方の改良エンドに接続された燃料供給管の斜視図である。 本発明の一実施形態による、正および負の電圧ノードに電気接続するための、複数のＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスに対する治金結合取付け手段の斜視図である。 ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの各々が複数のアノードおよびカソードを備えた、本発明の一実施形態による複数のＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス間の接続を示す略端面図である。 本発明の一実施形態による、正および負の電圧ノードに電気接続するための機械式取付け手段の略端面図である。 燃料供給管および空気供給管が取り付けられるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一方の末端に単一のコールドゾーンを有し、また、もう一方の末端がホットゾーン内に存在している別の実施形態の斜視図である。 燃料供給管および空気供給管が取り付けられるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一方の末端に単一のコールドゾーンを有し、また、もう一方の末端がホットゾーン内に存在している別の実施形態の他の斜視図である。 本発明の一実施形態による空気通路および燃料通路内の複数の支柱を示す側面断面図である。 本発明の一実施形態による空気通路および燃料通路内の複数の支柱を示す上面断面図である。 本発明の他の実施形態による、燃料通路および空気通路内における支柱としての球形ボールの使用を示すマイクログラフである。 本発明の他の実施形態による、燃料通路および空気通路内における支柱としての球形ボールの使用を示すマイクログラフである。 外部で並列に接続された２つの燃料電池を備えた本発明による一実施形態の断面図である。 ２つの燃料電池がビアを使用して外部で並列に接続された、図８Ａと同様の、本発明による他の実施形態の断面図である。 ３つの燃料電池層が並列に接続された、共有アノードおよびカソードを有する本発明の一実施形態による多重燃料電池設計を示す断面図である。 ３つの燃料電池が直列に接続された、共有アノードおよびカソードを有する本発明の一実施形態による多重燃料電池設計を示す断面図である。 燃料供給管がデバイスのコールドエンドに接続され、また、加熱された空気をホットゾーン内のデバイスに供給するために、デバイスの一方の側がホットゾーン内で空気通路に対して開いている、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの略側面図である。 ホットゾーンが両側のコールドエンド間に配置された、図１０に示す実施形態の変形形態の略側面図である。 図１０Ａに示すＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの、線１０Ｂ−１０Ｂに沿って取った上面断面図である。 図１２〜２４に示す本発明による様々な実施形態のコンポーネントのための手引きを提供する略図である。 本発明による一実施形態を示す略図である。 本発明による他の実施形態を示す略図である。 本発明による他の実施形態を示す略図である。 本発明による他の実施形態を示す略図である。 本発明による他の実施形態を示す略図である。 本発明による他の実施形態を示す略図である。 本発明による他の実施形態を示す略図である。 本発明による他の実施形態を示す略図である。 本発明による他の実施形態を示す略図である。 本発明による他の実施形態を示す略図である。 本発明による他の実施形態を示す略図である。 本発明による他の実施形態を示す略図である。 本発明による他の実施形態を示す略図である。 一方のコールドエンドに細長いセクションを備え、反対側のホットエンドに広い表面積セクションを備えたパンハンドル設計を有する、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの略平面図である。 対向するコールドエンドに２つの細長いセクションを有し、中央の広い表面積セクションが中央ホットゾーン内に存在するパンハンドル設計の別の実施形態の略平面図である。 対向するコールドエンドに２つの細長いセクションを有し、中央の広い表面積セクションが中央ホットゾーン内に存在するパンハンドル設計の別の実施形態の略平面図である。 図２６Ａに示す別の実施形態の略側面図である。 一方のコールドエンドに細長いセクションを備え、反対側のホットエンドに広い表面積セクションを備えたパンハンドル設計を有する、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの略平面図である。 図２７Ａに示すデバイスの略側面図である。 螺旋すなわちロール管状構成を有する本発明の一実施形態による、アンロール構造のＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの略上面図である。 図２８Ａに示すデバイスの略端面図である。 図２８Ａに示すデバイスの略側面図である。 螺旋すなわちロール管状構成を示す略斜視図である。 ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスが管状同心形態を有する本発明の他の代替実施形態によるデバイスを示す略等角図である。 図２９Ａから取った断面図である。 図２９Ａから取った他の断面図である。 図２９Ａから取った他の断面図である。 図２９Ａから取った他の断面図である。 ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスが管状同心形態を有する本発明の他の代替実施形態の空気入力端の端面図である。 ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスが管状同心形態を有する本発明の他の代替実施形態の燃料入力端の端面図である。 本発明による、ホットゾーン内の能動ゾーンの前段に統合予熱ゾーンを有するＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態の略側面断面図である。 図３０Ａに示すデバイスの、線３０Ｂ−３０Ｂに沿って取った略断面図である。 図３０Ａに示すデバイスの、線３０Ｃ−３０Ｃに沿って取った略断面図である。 ２つのコールドゾーンを中央ホットゾーンと共に示す、図３０Ａ〜３０Ｃと同様の図である。 ２つのコールドゾーンを中央ホットゾーンと共に示す、図３０Ａ〜３０Ｃと同様の図である。 ２つのコールドゾーンを中央ホットゾーンと共に示す、図３０Ａ〜３０Ｃと同様の図である。 図３１Ａ〜３１Ｃに示す実施形態と同様であるが、燃料入口と燃料通路の間および空気入口と空気通路の間を延在している予熱チャンバをさらに備え、予熱チャンバの各々がコールドゾーンからホットゾーンの予熱ゾーンの中へ延在している実施形態の略側面断面図である。 図３２Ａの線３２Ｂ−３２Ｂに沿って取った略上面断面図である。 空気および燃料を予熱するための本発明による他の実施形態を示す、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの縦方向の中心を通る略側面断面図である。 図３３Ａの線３３Ｂ−３３Ｂに沿って取った略上面断面図である。 図３３Ａの線３３Ｃ−３３Ｃに沿って取った略底面断面図である。 複数のアノードおよびカソードが外部で直列に相互接続された本発明による一実施形態の略正面斜視図である。 複数のアノードおよびカソードが外部で直列に相互接続された本発明による一実施形態の略側面図である。 直並列設計を提供するために金属条片によって外部接続された２つの構造で二重にされた図３４Ｂの構造を示す略側面図である。 アノードおよびカソードをホットゾーン内で直列および／または並列に接続するための金属細片、およびホットゾーンからコールドゾーンまで延在している、コールドゾーン内で正および負の電圧ノードに低温接続するための長い金属細片を備えた本発明による他の実施形態の略側面図である。 図３６Ａに示す実施形態の略斜視図である。 空気供給接続および燃料供給接続のため、および電圧ノード接続のための単一のコールドゾーンを有する、図３６Ｂに示す実施形態と同様の実施形態の略等角図である。 構造内に通路を形成するために使用される有機材料を焼き出すためのデバイスの側面に沿った複数の出口間隙を有する本発明の一実施形態の略側面断面図である。 図３８Ａに示す実施形態の他の略側面断面図である。 アノード材料が、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのアノード支持バージョンとして参照されている支持構造として使用されている本発明の他の実施形態の略端面断面図である。 デバイスを介して燃料を運ぶ機能を発揮する多孔性アノードの利点によって開放燃料通路が除去された本発明のＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの他の実施形態によるアノード支持バージョンの略端面断面図である。 図４０Ａに示すアノード支持バージョンの略側面断面図である。 複数の空気通路がアノード支持構造内に提供され、かつ、単一の燃料通路が複数の空気通路に対して直角に提供された本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのアノード支持バージョンの他の実施形態の略端面断面図である。 図４１Ａに示す実施形態の略上面断面図である。 一実施形態による、本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの通路内に電極層を形成するための方法を示す略断面図である。 一実施形態による、本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの通路内に電極層を形成するための方法を示す他の略断面図である。 一実施形態による、本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの通路内に電極層を形成するための方法を示す他の略断面図である。 電解質層が、電極層を受け入れるために利用することができる表面積を広くするために非一様なトポグラフィを備えた、本発明による他の実施形態の略側面断面図である。 電解質層の上に非一様なトポグラフィを提供するための本発明による代替実施形態の略側面断面図である。 デバイスの左右の側面の各々に複数の燃料電池を有し、左右の側面と側面の間に橋絡部分を備えた本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態の略上面図である。 図４５Ａに示す実施形態のホットゾーンを通る断面図である。 電子をデバイスのコールドエンドへ移動させるための抵抗の小さい大きい経路すなわち幅の広い経路を提供するための大きい外部導体パッドを有する本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの他の実施形態の略斜視図である。 図４６Ａに示す実施形態の略断面図である。 使用済みの燃料および空気の両方のための単一の排気通路を有する本発明の他の実施形態によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの略側面断面図である。 分厚い部分および薄いロール部分を有する「エンド−ロールＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス」として参照されている代替実施形態のアンロールデバイスの斜視図である。 分厚い部分および薄いロール部分を有する「エンド−ロールＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス」として参照されている代替実施形態のロールデバイスの側面断面図である。 図４８Ｂに示すデバイスの斜視図である。
一実施形態では、本発明により、燃料ポートおよび空気ポートが１つのモノリシック構造で構築されたＳＯＦＣデバイスおよびシステムが提供される。一実施形態では、ＳＯＦＣデバイスは、細長い構造、本質的には比較的平らなスティックまたは長方形のスティック（したがってＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスとして参照されている）であり、その長さは幅または厚さよりかなり大きい。ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスはコールドエンドを有することができ、一方、中央部分はホットである（コールドエンドは３００℃未満であり、ホットセンタは４００℃より高く、ほとんどの場合、７００℃より高くなることがある）。セラミックは熱伝導速度が遅いため、ホットセンタがコールドエンドの十分な加熱を防止することができる。また、コールドエンドは、コールドエンドに到達するあらゆる熱を速やかに放出する。本発明は、接続のためのコールドエンドを有することにより、アノード、カソード、燃料入口およびＨ２Ｏ ＣＯ２出口、ならびに空気入口および空気出口への接続をより容易にすることができる、という実現性を備えている。また、管状燃料電池構造は、ホットセンタを備えたコールドエンドを有することができるが、従来技術にはセラミック管のこの利点が利用されておらず、その代わりに、管全体が炉すなわちホットゾーンの中に置かれ、したがって高温接続が必要である。従来技術は、燃料入力のための高温ろう付け接続が複雑で、かつ、コストがかかることは認識しているが、本明細書において提供される解決法については認識していない。本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは細長く、したがって、上で説明した、中央部分を加熱することができ、尚かつコールドエンドを有することができる熱特性利点を有している。この熱特性利点が本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを構造的に熱に対して強固にしており、また、燃料、空気および電極の接続を比較的容易にしている。ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは本質的に独立型システムであり、電気を生成するために加える必要があるのは、熱、燃料および空気のみである。構造は、これらの熱、燃料および空気を容易に加えることができるように設計されている。
本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは多層構造であり、いくつかの他の利点を提供する多層共焼結手法を使用して製造することができる。第１に、デバイスはモノリシックであり、デバイスを構造的に強固にする一役を担っている。第２に、デバイスは、コンデンサチップのＭＬＣＣ（多層共焼結セラミック）製造に使用されているような従来の大量製造技法に適している（多層コンデンサの生産には、工業セラミックが最も大量に使用されていると考えられており、大量製造のための技術は立証済みである。）。第３に、コストまたは複雑性を増すことなく、構造の中に薄い電解質層を得ることができる。電解質壁の厚さが６０μｍ未満のＳＯＦＣ管を想像することは困難である一方で、ＭＬＣＣ手法を使用することにより厚さ２μｍの電解質層が可能である。したがって本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、ＳＯＦＣ管と比較すると、場合によっては約３０倍以上有効である。最後に、本発明による多層ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、それぞれ数百の層または数千の層を有することができ、それにより最大面積および最大密度が提供される。
本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスに対する従来技術のＳＯＦＣ管の表面積を考察されたい。たとえば０．２５インチ×０．２５インチのＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスに対する直径０．２５インチの管を考察されたい。管の場合、円周は３．１４×Ｄすなわち０．７８５インチである。０．２５インチのＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの場合、１つの層の使用可能幅は約０．２インチである。したがって、１本の管の面積と同じ面積を与えるためには約４つの層が必要である。これらの数字は、コンデンサ技術の場合の数字とは劇的に異なっている。日本の多層コンデンサの最新技術は、現在、２μｍの厚さで６００層である。日本人は、まもなく１０００層パーツの生産に入る模様であり、現在、研究所でそれらを製造している。６００層のこれらのチップコンデンサは、たったの０．０６０インチ（１５００μｍ）である。本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスにこの製造技術を適用することにより、厚さが２μｍの電解質および厚さが１０μｍの対応するカソード／アノードを備えた空気／燃料通路を有する０．２５インチデバイスの場合、５２９層の単一デバイスの製造が可能になる。これは、１３２本の管に匹敵することになる。従来技術の戦略の場合、より多くの電力を得るためにもっと多くの管を追加し、あるいは直径を大きくし、かつ／または管の長さを長くすると、大きい電力を出力するための構造が極めて大きくなる。一方、本発明の場合、より多くの電力を得るために単一のＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスにもっと多くの層を追加し、かつ／またはもっと薄い層または通路をデバイス内に使用することにより、ＳＯＦＣ技術のための小型化が可能である。また、本発明の利点は、コンデンサの場合と全く同様、二乗効果である。電解質層の厚さが半分になると電力が２倍になるため、より多くの層をデバイス内に適合させ、それにより電力をさらに２倍にすることができる。
本発明のもう１つの重要な特徴は、層を内部で容易にリンクさせることができ、それによりＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの出力電圧が高くなることである。１層当たり１ボルトと仮定すると、ビアホールを使用して１２個のグループを一体にリンクさせた本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスによって１２ボルトの出力が得られる。次に、別の接続によって１２個のグループを並列にリンクさせることにより、より大きい電流を得ることができる。これは、コンデンサチップ技術で使用されている既存の方法を使用して実施することができる。決定的な相違は、本発明は他の技術が使用しなければならないろう付けおよび複雑な配線を克服することである。
また、本発明によれば、従来技術と比較して、より多様性に富んだ電極オプションが提供される。貴金属は、アノードおよびカソードの両方に使用することができる。銀はより安価であるが、より高い温度に対しては、Ｐｄ、ＰｔまたはＡｕとの配合が必要であり、その３つの中ではＰｄが最も安価であると思われる。多くの研究が非貴金属導体に集中している。燃料に関してはニッケルの使用が試行されているが、いくらかの酸素への露出は高温で金属を酸化させる。また、導電性セラミックも知られており、本発明に使用することができる。つまり、本発明は、焼結させることができるあらゆる種類のアノード／カソード／電解質システムを利用することができる。
本発明の一実施形態では、広面積の２μｍテープが空気／ガスによって両側が支持されない場合、層が壊れ易くなる可能性がある。間隙の両端間に柱を残すことが想定されている。これらの柱は、幾分か、鍾乳石と石筍が合体した洞窟の柱のように見える。これらの柱は等間隔で配置することができ、しばしばはるかに良好な強度を構造に付与している。
ガスサプライおよび空気サプライを取り付けるために、末端の温度は、たとえば高温可撓性シリコーン管またはラテックスゴム管を使用してＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスに取り付けることができるよう、３００℃未満、たとえば１５０℃未満であることが想定されている。これらの可撓管は、デバイスの末端に容易に引き伸ばすことができ、それによりシールを形成すことができる。これらの材料は、標準のＭｃＭａｓｔｅｒカタログの中から利用することができる。シリコーンは、通常、１５０℃以上の温度で、その特性を失うことなくオーブンガスケットとして使用されている。多重スティックＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）システムの多くのシリコーン管またはラテックスゴム管は、バーブ接続を使用してサプライに接続することができる。
アノード材料またはカソード材料あるいはその両方の電極材料には、金属または合金を使用することができる。アノードおよびカソードに適した金属および合金は、当業者に知られている。あるいは、一方または両方の電極材料に、同じく当業者に知られている電子導電性未焼結（グリーン）セラミックを使用することも可能である。たとえば、イットリア安定化ジルコニアでコーティングされた部分焼結金属ニッケルをアノード材料に使用することができ、また、ペロブスカイト構造を有する改質ランタンマンガナイトをカソード材料に使用することができる。
他の実施形態では、一方または両方の電極材料に、未焼結セラミックと、複合導電性にするだけの十分な量で存在している導電性金属との複合物を使用することができる。通常、セラミックマトリクスは、金属粒子が接触を開始すると、電子導電性になる。複合マトリクス導電性にするだけの十分な金属の量は、主として金属粒子の形態によって変化する。たとえば、金属の量は、通常、金属薄片の量より球形粉末金属の量を多くしなければならない。例示的実施形態では、複合物は、未焼結セラミックのマトリクスを含有しており、その中に約４０〜９０％の導電性金属粒子が分散している。未焼結セラミックマトリクスは、電解質層に使用される未焼結セラミック材料と同じであっても、あるいはそれとは異なっていてもよい。
一方または両方の電極材料にセラミック、つまり電子導電性未焼結セラミックまたは複合物が含まれている実施形態では、電極材料中の未焼結セラミックおよび電解質のための未焼結セラミック材料は、積層中、層中で有機結合剤を交差結合させ、かつ、層と層の間で重合体分子連鎖を結合させるだけの十分な圧力になるよう、交差結合可能有機結合剤を含有することができる。
以下の説明では図面が参照されているが、すべての図面を通して、同様の構成要素には同様の数表示が使用されている。図の中で使用されている参照番号は、「符号の説明」に示す通りである。
図１および１Ａは、単一のアノード層２４、カソード層２６および電解質層２８を有する、本発明による基本ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一実施形態の側面断面図および上面断面図をそれぞれ示したもので、このデバイスはモノリシックである。ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、燃料入口１２、燃料出口１６およびそれらの間の燃料通路１４を備えている。デバイス１０は、さらに、空気入口１８、空気出口２２およびそれらの間の空気通路２０を備えている。燃料通路１４および空気通路２０は互いに対向しており、また、互いに平行の関係にある。燃料サプライ３４から燃料通路１４を通って流れる燃料の方向は、エアサプライ３６から空気通路２０を通って流れる空気の方向とは逆方向である。電解質層２８は、燃料通路１４と空気通路２０の間に配置されている。アノード層２４は、燃料通路１４と電解質層２８の間に配置されている。同様に、カソード層２６は、空気通路２０と電解質層２８の間に配置されている。ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の残りの部分は、電解質層２８の材料と同じ材料であっても、あるいはセラミック材料と両立する異なる材料であってもよいセラミック２９を備えている。電解質層２８は、ダッシュ線で示されているように、アノード２４とカソード２６の互いに対向する領域の間に位置しているセラミック部分であると見なされる。酸素イオンが空気通路から燃料通路へ通過するのは電解質層２８の中である。図１に示すように、エアサプライ３６からのＯ２は、空気通路２０を通って移動し、カソード層２６によってイオン化され、２Ｏ−を形成する。この２Ｏ−は、電解質層２８を通り、かつ、アノード２４を通って燃料通路１４へ移動し、そこで燃料サプライ３４からの燃料たとえば炭化水素と反応して、最初にＣＯおよびＨ２を形成し、次にＨ２ＯおよびＣＯ２を形成する。図１には、燃料として炭化水素を使用した反応が示されているが、本発明はそれには制限されない。本発明には、ＳＯＦＣに広く使用されている任意のタイプの燃料を使用することができる。燃料サプライ３４には、たとえば任意の炭化水素源または水素源を使用することができる。メタン（ＣＨ４）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）およびブタン（Ｃ４Ｈ１０）は、炭化水素燃料の一例である。
反応を引き起こすためには、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に熱を印加しなければならない。本発明によれば、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さは、デバイスをデバイスの中央部分のホットゾーン３２（または加熱ゾーン）とデバイス１０のそれぞれエンド１１ａおよび１１ｂのコールドゾーン３０に分割することができるだけの十分な長さである。ホットゾーン３２とコールドゾーン３０の間には移行ゾーン３１が存在している。ホットゾーン３２は、通常、４００℃を超える温度で作動する。例示的実施形態では、ホットゾーン３２は、６００℃を超える温度、たとえば７００℃を超える温度で作動する。コールドゾーン３０は熱源に露出されておらず、また、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さおよびセラミック材料の熱的特性の利点のため、ホットゾーンの外部へ熱が散逸し、したがってコールドゾーン３０の温度は３００℃未満である。ホットゾーンからセラミックの長さを経てコールドゾーンの末端までの熱伝達はその速度が遅く、一方、ヒートゾーンの外側のセラミック材料から空気中への熱伝達はその速度が比較的速いと考えられている。したがってホットゾーンに導入される熱の大部分は、コールドゾーンの末端に到達する前に空気中に散逸する（主として移行ゾーンで）。本発明の例示的実施形態では、コールドゾーン３０の温度は１５０℃未満である。他の例示的実施形態では、コールドゾーン３０は室温である。移行ゾーン３１の温度は、ホットゾーン３２の作動温度とコールドゾーン３０の温度の間であり、相当の量の熱散逸が生じるのはこの移行ゾーン３１の中である。
主要な熱膨張率（ＣＴＥ）はＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さに沿っており、したがって本質的に一次元であるため、中央部分は、ひび割れを伴うことなく高速加熱することができる。例示的実施形態では、デバイス１０の長さは、デバイスの幅および厚さより少なくとも５倍大きい。他の例示的実施形態では、デバイス１０の長さは、デバイスの幅および厚さより少なくとも１０倍大きい。さらに他の例示的実施形態では、デバイス１０の長さは、デバイスの幅および厚さより少なくとも１５倍大きい。また、例示的実施形態では、幅の方が厚さより大きく、より広い面積を提供している。たとえば、幅は少なくとも厚さの２倍にすることができる。他の実施例によれば、厚さが０．２インチのＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、０．５インチの幅を有することができる。図面の描写がスケール通りではなく、単に相対寸法の一般的な着想を示したものにすぎないことは理解されよう。
本発明によれば、アノードおよびカソードへの電気接続は、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のコールドゾーン３０で実施される。例示的実施形態では、アノード２４およびカソード２６は、それぞれ、電気接続を可能にするためにコールドゾーン３０のＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外部表面に露出させることができる。負の電圧ノード３８は、配線４２を介してたとえば露出したアノード部分２５に接続されており、また、正の電圧ノード４０は、配線４２を介してたとえば露出したカソード部分２７に接続されている。ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、デバイスの個々のエンド１１ａ、１１ｂにコールドゾーン３０を有しているため、低温剛体の電気的接続を実施することができ、これは、電気的接続を実施するために一般的に高温ろう付法を必要とする従来技術に優る著しい利点である。
図２は、供給管５０がエンドの上に取り付けられ、かつ、タイラップ５２で固着されたＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第１のエンド１１ａを斜視図で示したものである。次に、燃料サプライ３４からの燃料が供給管５０を介して燃料入口１２に供給されることになる。第１のエンド１１ａはコールドゾーン３０内に位置しているため、可撓性プラスチック配管または他の低温タイプの接続材料を使用して燃料サプライ３４を燃料入口１２に接続することができる。本発明によれば、燃料接続を実施するための高温ろう付けの必要が除去される。
図３Ａは、改良された第１および第２のエンド１１ａ、１１ｂを有する、図１に示すＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に類似したＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を斜視図で示したものである。エンド１１ａ、１１ｂは、燃料サプライ３４および空気サプライ３６の接続を容易にするための円筒状エンド部分を形成するべく機械加工されている。図３Ｂは、燃料を燃料サプライ３４から燃料入口１２へ供給するために第１のエンド１１ａに接続された供給管５０を斜視図で示したものである。一例として、供給管５０には、第１のエンド１１ａに対する弾性効果により堅固なシールを形成するシリコーンまたはラテックスゴム管を使用することができる。振動にさらされる移動装置に使用される場合、供給管５０の柔軟性および弾性により、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスに衝撃吸収ホルダが提供されることは理解されよう。従来技術の場合、管またはプレートが堅くろう付けされており、したがって動的な環境で使用される場合、ひび割れ故障の原因になっている。したがって、従来技術と比較すると、振動ダンパとしての供給管５０の追加機能は独自の利点を提供している。
もう一度図３Ａを参照すると、露出したアノード部分２５および露出したカソード部分２７に接触させるために、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外部表面に導体パッド４４が提供されている。電圧ノード３８、４０を対応するアノード２４およびカソード２６に電気接続するためには、導体パッド４４の材料は導電性でなければならない。適切な任意の方法を使用して導体パッド４４を形成することができることは理解されよう。たとえば、焼結されたＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外部表面に金属パッドを印刷することができる。配線４２は、信頼性の高い接続を確立するために、たとえばはんだ接続部４６によって導体パッド４４に固着されている。はんだは、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のコールドゾーン３０に位置していることによって使用することができる低温材料である。たとえば、一般的な１０Ｓｎ８８Ｐｂ２Ａｇはんだを使用することができる。本発明によれば、高温電圧接続の必要が除去され、したがって任意の低温接続材料または手段に対する可能性を広くしている。
また、図３Ａには、燃料出口１６および空気出口２２が斜視図で示されている。燃料は、一方のコールドゾーン３０に位置している第１のエンド１１ａの燃料入口１２を通って流入し、第２のエンド１１ｂに隣接している出口１６を通ってＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面へ流出する。空気は、コールドゾーン３０に位置している第２のエンド１１ｂに配置されている空気入口１８を通って流入し、第１のエンド１１ａに隣接しているＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面に位置している空気出口２２から流出する。出口１６および２２は、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の同じ側面に位置しているものとして示されているが、図４Ａに示すように、たとえば両側にそれらを配置することも可能であることは理解されよう。
空気出口２２を燃料入口１２の近くに（また、同様に燃料出口１６を空気入口１８の近くに）、重畳している層（アノード、カソード、電解質）の直ぐ近くを通って配置することにより、空気出口２２は熱交換器として機能し、燃料入口１２を通ってデバイス１０に流入する燃料を有効に予熱する（また、同様に燃料出口１６は、空気入口１８を通って流入する空気を予熱する）。これらの熱交換器はシステムの効率を改善している。移行ゾーンは、新鮮な燃料（新鮮な空気）がホットゾーンに到達する前に熱が伝達されるよう、使用済みの空気および新鮮な燃料（ならびに使用済みの燃料および新鮮な空気）が重畳する領域を有している。したがって、本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、内蔵熱交換器を備えたモノリシック構造である。
図４Ａを参照すると、露出したアノード部分２５に接続された個々の導体パッド４４を整列させ、かつ、負の電圧ノード３８に接続された配線４２を導体パッド４４の各々にはんだ付けする（４６で）ことによる、複数のＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、この場合、２つのＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの接続が斜視図で示されている。同様に、仮想線で部分的に示されているように、露出したカソード部分２７に接続された導体パッド４４が整列され、かつ、正の電圧ノード４０を接続している配線４２がこれらの整列した導体パッド４４の各々にはんだ付けされる（４６で）。理解されるように、コールドゾーン３０で接続され、また、比較的単純な接続であるため、多重ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）システムまたはアセンブリ内の１つのＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を交換する必要がある場合、必要なことは、その１つのデバイス１０に対するはんだ接続を破壊し、そのデバイスを新しいデバイス１０に交換し、かつ、配線４２をその新しいＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の導体パッドにもう一度はんだ付けすることのみである。
図４Ｂは、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の各々が複数のアノードおよびカソードを備えた、複数のＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０間の接続を端面図で示したものである。たとえば、図４Ｂに示す特定の実施形態は、３組の互いに対向しているアノード２４およびカソード２６を備えており、アノード２４の各々はＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の右側に露出し、また、カソードの各々はＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の左側に露出している。次に、露出したアノード部分２５および露出したカソード部分２７にそれぞれ接触させるための導体パッドがＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の両側に配置される。アノード２４が露出している右側では、負の電圧ノード３８が、配線４２をはんだ接続４６によって導体パッド４４に固着することによって、露出したアノード部分２５に接続されている。同様に、正の電圧ノード４０は、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の左側で、配線４２をはんだ接続４６によって導体パッド４４に固着することによって、露出したカソード部分２７に電気接続されている。したがって、図１〜４Ａには、互いに対向している単一のアノード２４および単一のカソード２６が示されているが、図４Ｂに示すように、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の各々は、その外部表面に加えられる、対応する電圧ノード３８または４０への接続のための導体パッド４４による電気接続のために、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外部表面にそれぞれ露出した複数のアノード２４およびカソード２６を備えることができることは理解されよう。構造内における互いに対向するアノードおよびカソードの数は、数十個、数百個さらには数千個にすることができる。
図５は、配線４２と導体パッド４４の間の電気接続のための機械的な取付けを端面図で示したものである。この実施形態では、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、１組の電極が個々のＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の頂部表面に露出するように配向されている。導体パッド４４は、コールドゾーン３０の一方のエンド（たとえば１１ａまたは１１ｂ）の個々の頂部表面に加えられている。次に、ばねクリップ４８を使用して配線４２を導体パッド４４に取外し可能に固着することができる。したがって、図３Ａ、４Ａおよび４Ｂに示すように治金的接合を使用して電気接続することができ、あるいは図５に示すように機械式接続手段を使用することも可能である。本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのコールドゾーン３０により、適切な取付け手段を柔軟に選択することができる。ばねクリップまたは他の機械式取付け手段を使用することにより、多重スティックアセンブリにおける単一のＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の交換プロセスがさらに単純化される。
図６Ａおよび６Ｂは、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第１のエンド１１ａに単一のコールドゾーン３０を有し、第２のエンド１１ｂがホットゾーン３２内に存在している別の実施形態を斜視図で示したものである。図６Ａでは、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は３つの燃料電池を並列に備えており、一方、図６Ｂに示すＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は単一の燃料電池を備えている。したがって本発明による実施形態は、単一電池設計または多重電池設計を備えることができる。燃料および空気の両方の単一エンド導入を可能にするために、空気入口１８は、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面で第１のエンド１１ａと隣接するように再配置されている。空気通路２０（図示せず）は、この場合も燃料通路１４と平行に走っているが、この実施形態では、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さにわたって空気が流れる方向と燃料が流れる方向は同じ方向である。空気出口２２は、デバイス１０の第２のエンド１１ｂに燃料出口１６と隣接して配置されている。燃料出口１６および空気出口２２の両方を末端表面に配置する代わりに、それらのいずれか一方または両方をＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面に配置することも可能であることは理解されよう。
図６Ｂに示すように、空気サプライ３６のための供給管５０は、空気サプライ３６のための供給管５０と燃料サプライ３４のための供給管５０が互いに直角になるよう、供給管５０の側面を貫通する孔を穿ち、かつ、該側孔を介してデバイス１０をスライドさせることによって形成されている。この場合も、シリコーンゴム管などをこの実施形態に使用することができる。シールを形成するために、管５０とデバイス１０の間の接合部の周囲に結合材を加えることができる。また、コールドゾーン３０の第１のエンド１１ａに隣接して電気接続が実施されている。図６Ａおよび６Ｂには、それぞれ、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の側で実施されている正の電圧接続、およびＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の反対側で実施されている負の電圧接続が示されている。しかしながら、本発明はそれには制限されないことは理解されよう。単一エンド導入ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の利点は、２つの移行ゾーン３１の代わりにコールド・ホット間遷移が１つしか存在していないため、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）をより短くすることができることである。
本発明の利点の１つは、極めて薄い複数の能動層を構築する能力であり、それによりＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）は、単一のデバイスの中に複数の燃料電池を組み込むことができる。能動層は、薄ければ薄いほど、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の製造中に空気通路２０または燃料通路１４がへこむ機会が多くなり、そのために通路を通る流れが妨害されることになる。したがって、図７Ａおよび７Ｂに示す本発明の一実施形態では、電解質層のひずみを防止し、また、通路の妨害を防止するために、通路１４および２０に複数のセラミック柱５４が提供されている。図７Ａは、空気通路２０を通る側面断面図であり、図７Ｂは、空気通路２０を通る上面断面図である。テープキャスティング法を使用した本発明の一手法によれば、犠牲テープ層を使用してもよく、たとえば材料をレーザ除去することによって犠牲層の中に複数の孔を形成することができる。次に、セラミック材料を使用して、たとえば犠牲テープ層の上にセラミックスラリーを塗布し、孔に浸透させることによってこれらの孔が充填される。様々な層が一体にアセンブルされると、たとえば溶媒を使用して犠牲層の犠牲材料が除去され、後にセラミック柱５４が残される。
セラミック柱５４を形成するための他の実施形態では、予備焼結されたセラミックの大型粒子を溶媒中に溶解したプラスチックなどの有機媒体に加え、かつ、かき混ぜることによってランダムな混合物を形成することができる。限定ではなく一例として、この大型粒子は、直径が０．００２インチのボールなどの球であってもよい。次に、たとえば燃料通路１４および空気通路２０が配置される領域に印刷することによって、未焼結（グリーン）構造にランダムな混合物が加えられる。焼結（焼付け／焼成）プロセスの間、有機媒体が構造から除去され（たとえば焼却され）、それにより通路が形成され、また、セラミック粒子が残留して、通路を物理的に開いた状態で保持する柱５４が形成される。図７Ｃおよび７Ｄのマイクログラフは、得られた構造を示したものである。柱５４は無作為に配置されており、平均距離は、有機媒体中のセラミック粒子の積載量の関数である。
図８Ａは、２つの並列燃料電池を備えた本発明による一実施形態を断面図で示したものである。能動電解質層２８の各々は、一方の側に空気通路２０およびカソード層２６ａまたは２６ｂを有しており、また、反対側に燃料通路１４およびアノード層２４ａまたは２４ｂを有している。一方の燃料電池の空気通路２０は、セラミック材料２９によって第２の燃料電池の燃料通路１４から分離されている。露出したアノード部分２５は、それぞれ配線４２を介して負の電圧ノード３８に接続されており、また、露出したカソード部分２７は、それぞれ配線４２を介して正の電圧ノード４０に接続されている。次に、単一の空気サプライ３６を使用して複数の空気通路２０の各々に供給することができ、また、単一の燃料サプライ３４を使用して複数の燃料通路１４の各々に供給することができる。図の右側は、能動層のこの構造によって確立される電気回路を示したものである。
図８Ｂの断面図では、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、図８Ａに示すＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０と類似しているが、露出した複数のアノード部分２５および露出した複数のカソード部分２７を有する代わりに、アノード層２４ａのみが２５に露出し、また、１つのカソード層２６ａのみが２７に露出している。第１のビアビア５６は、カソード層２６ａをカソード層２６ｂに接続しており、また、第２のビアビア５８は、アノード層２４ａをアノード層２４ｂに接続している。一例として、緑層を形成している間、レーザ方法を使用して開放ビアを生成することができる。これらの開放ビアは、引き続いて導電性材料が充填され、ビア接続が形成される。図８Ｂの右側の回路で示すように、図８Ａに示すＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の場合と同様、同じ電気経路が図８Ｂに示すＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に形成される。
また、図９Ａおよび９Ｂは、共有アノードおよびカソードを備えた多重燃料電池設計を断面図で示したものである。図９Ａに示す実施形態では、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、２つの燃料通路１４および２つの空気通路２０を備えているが、この構造は、２つの燃料電池ではなく３つの燃料電池を備えている。第１の燃料電池は、中間電解質層２８を使用して、アノード層２４ａとカソード層２６ａの間に形成されている。アノード層２４ａは、燃料通路１４の一方の側に位置しており、また、その燃料通路１４の反対側に第２のアノード層２４ｂが位置している。第２のアノード層２４ｂと第２のカソード層２６ｂは互いに対向しており、それらの間のもう１つの電解質層と共に第２の燃料電池を形成している。第２のカソード層２６ｂは、空気通路２０の一方の側に位置しており、また、その空気通路２０の反対側に第３のカソード層２６ｃが位置している。第３のカソード層２６ｃと第３のアノード層２４ｃは互いに対向しており、それらの間の電解質層２８と共に第３の電池を提供している。デバイス１０の、アノード層２４ａからカソード層２６ｃまでの部分は、共有アノードおよびカソードを提供し、それにより単一のＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）内の燃料電池の数を増やすべく、デバイス内で多数回にわたって繰り返すことができる。アノード層２４ａ、２４ｂ、２４ｃの各々は、たとえば配線４２を介して負の電圧ノード３８に接続するために、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外部表面で電気接続することができる露出したアノード部分２５を備えている。同様に、カソード層２６ａ、２６ｂ、２６ｃの各々は、たとえば配線４２を介して正の電圧ノード４０に接続するために、外部表面に露出したカソード部分２７を備えている。一方のコールドエンドに単一の空気サプライ３６を提供して空気通路２０の各々に供給することができ、また、反対側のコールドエンドに単一の燃料サプライ３４を提供して燃料通路１４の各々に供給することができる。この構造によって形成される電気回路が図９Ａの右側に提供されている。このＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、３つの燃料電池層を並列に備えており、利用可能な電力を３倍にしている。たとえば個々の層が１ボルトおよび１アンペアを生成すると仮定すると、個々の燃料電池層は１ワットの電力出力を生成する（ボルト×アンペア＝ワット）。したがってこの３層レイアウトは、１ボルトおよび３アンペアの合計３ワットの電力出力を生成することになる。
図９Ｂでは、図９Ｂの右側の回路で示すように、電圧ノードの各々に単一の電気接続を提供し、それにより直列の３つの燃料電池を生成するために、図９Ａに示す構造が修正されている。正の電圧ノード４０は、露出したカソード部分２７でカソード層２６ａに接続されている。アノード層２４ａは、ビア５８によってカソード層２６ｂに接続されている。アノード層２４ｂは、ビア５６によってカソード層２６ｃに接続されている。また、アノード層２４ｃは、露出したアノード部分２５で負の電圧ノード３８に接続されている。したがって、１層当たり同じ１アンペア／１ボルトの仮定を使用すると、この３電池構造は、３ボルトおよび１アンペアの合計３ワットの電力出力を生成することになる。
図１０は、本発明の他の実施形態を側面図で示したものである。この実施形態では、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、第１のエンド１１ａに単一のコールドゾーン３０を有しており、第２のエンド１１ｂはホットゾーン３２内に存在している。他の実施形態の場合と同様、燃料入口１２は第１のエンド１１ａに位置しており、供給管５０によって燃料サプライ３４に接続されている。この実施形態では、燃料通路１４は、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さにわたって延在しており、燃料出口１６は第２のエンド１１ｂに位置している。したがって燃料サプライ接続はコールドゾーン３０の中で実施され、燃料反応物（たとえばＣＯ２およびＨ２Ｏ）の出口はホットゾーン３２の中に存在している。同様に、アノードは、配線４２を介して負の電圧ノード３８に接続するための露出したアノード部分２５をコールドゾーン３０の中に有している。
図１０に示す実施形態の場合、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、ホットゾーン３２の中に空気入口１８および空気通路２０の両方を提供するために、少なくとも一方の側、場合によっては両側が開いている。支持セラミック柱５４の使用は、この実施形態では場合によっては空気通路２０内でとりわけ有用である。図に示すように、空気出口は第２のエンド１１ｂに配置することができる。別法としては、図には示されていないが、通路２０が幅全体にわたって延在し、また、空気サプライが導入側に向かってのみ導かれている場合、あるいは空気通路２０が幅全体にわたって延在していない場合、空気入口側とは反対側に空気出口を配置することも可能である。この実施形態の場合、ホットゾーン３２に熱のみを提供する代わりに、同じく空気も供給されている。つまり、強制空気管を介して空気を供給する代わりに、ホットゾーン３２内ではデバイス１０の両側が加熱空気に対して開いている。
図１０Ａは、図１０に示す実施形態の変形形態を側面図で示したものである。図１０Ａでは、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、両側にコールドゾーン３０を備えており、中央加熱ゾーン３２は、移行ゾーン３１によってコールドゾーン３０から分離されている。空気入口１８は、加熱空気を受け取るために、中央加熱ゾーン３２の少なくともその一部の中に提供されている。しかしながら、この実施形態では、空気通路は、図１０の場合のようにかなりの長さに対して、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面に完全には開いていない。むしろ、図１０Ｂにより明確に示すように、空気通路２０は、ホットゾーン３２の一部の中で開き、次にその長さの残りの部分に対して両側に閉じ、次に、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第２のエンド１１ｂの空気出口２２から出ている。この実施形態によれば、加熱された空気を強制空気供給管ではなくホットゾーン３２に供給することができ、かつ、燃料および空気をコールドゾーン３０内のデバイス１０の一方のエンド１１ｂから流出させることができる。
以上、特定の実施形態について、図に示し、かつ、詳細に説明したが、本発明の範囲はそれには制限されない。以下、本発明のより一般的な実施形態について説明するが、図１１〜２４に示す略図を参照することにより、より完全に理解されよう。図１１は、図１２〜２４に略図で示されているコンポーネントのための手引きを提供したものである。燃料（Ｆ）または空気（Ａ）がＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの中へ向かっている矢印で示されている場合、それは、たとえば入力アクセスポイントに接続された管を通って流れる強制流であることを示している。空気入力が示されていない場合、それは、加熱された空気が強制流接続以外の手段によってホットゾーンに供給され、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）が空気通路に対してホットゾーン内のアクセスポイントで開いていることを示している。
本発明の一実施形態は、少なくとも１つの燃料通路および関連するアノード、少なくとも１つの酸化剤通路および関連するカソード、ならびにそれらの間の電解質を備えたＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスであり、電池の長さはその幅または厚さより実質的に長く、したがって１つの主軸の方向にＣＴＥを有しており、その一部は、温度が約４００℃より高い加熱ゾーンの中で作動している。この実施形態では、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、主ＣＴＥ方向に従って、空気入力および燃料入力の両方のための統合アクセスポイントをデバイスの一方のエンドに有しているか、あるいは主ＣＴＥ方向に従って一方のエンドに空気入力を有し、もう一方のエンドに燃料入力を有しており、空気入力および燃料入力は加熱ゾーンの外側に配置されている。たとえば図２０および２４を参照されたい。
本発明の他の実施形態では、燃料電池は、第１の温度ゾーンおよび第２の温度ゾーンを有しており、第１の温度ゾーンは、燃料電池反応を遂行するだけの十分な温度で作動するホットゾーンであり、また、第２の温度ゾーンは、加熱ゾーンの外側に配置され、第１の温度ゾーンより低い温度で作動している。第２の温度ゾーンの温度は、電極に対する低温接続の実施を可能にし、また、少なくとも燃料サプライのための低温接続を可能にするだけの十分な低温である。燃料電池構造の一部は第１の温度ゾーンの中へ延在しており、また、燃料電池構造の一部は第２の温度ゾーンの中へ延在している。たとえば図１２、１３および１７を参照されたい。
本発明の一実施形態では、燃料電池は、加熱ゾーンである第１の温度ゾーン、および３００℃未満の温度で作動する第２の温度ゾーンを備えている。空気接続および燃料接続は、ゴム配管などを使用して、低温接続として第２の温度ゾーンの中で実施される。アノードおよびカソードを対応する負および正の電圧ノードに接続するために、低温はんだ接続またはばねクリップを使用してそれらに対する電気接続が実施される。また、二酸化炭素および水のための燃料出口ならびに減損酸素のための空気出口は、第１の温度ゾーンすなわち加熱ゾーンの中に配置されている。たとえば図１７を参照されたい。
他の実施形態では、燃料電池構造は、加熱ゾーンである中央の第１の温度ゾーンを有しており、燃料電池の個々のエンドは、３００℃未満で作動する第２の温度ゾーン内の第１の温度ゾーンの外側に配置されている。燃料導入および空気導入は、アノードおよびカソードへの電気接続のためのはんだ接続またはばねクリップの場合と同様、第２の温度ゾーンの中に配置されている。最後に、二酸化炭素、水および劣化酸素に対する排出は、第２の温度ゾーンの中に配置されている。たとえば図１９、２０および２４を参照されたい。
本発明の他の実施形態では、燃料導入は、主ＣＴＥ方向に従って、３００℃未満で作動する第２の温度ゾーン内の個々のエンドに提供することができ、加熱ゾーンである第１の温度ゾーンは、両側の第２の温度ゾーンの間の中央に提供される。二酸化炭素、水および劣化酸素に対する排出は、中央の加熱ゾーンの中に配置することができる。たとえば図１５および１８を参照されたい。別法としては、二酸化炭素、水および劣化酸素に対する排出は、第２の温度ゾーンすなわち加熱ゾーンの外側に配置することができる。たとえば図１６および１９を参照されたい。
他の実施形態では、燃料導入アクセスポイントおよび空気導入アクセスポイントの両方が、３００℃未満で作動する第２の温度ゾーン内の、加熱ゾーンである第１の温度ゾーンの外側に配置されており、したがって空気サプライおよび燃料サプライのためのゴム配管などの低温接続を使用することができる。また、電圧ノードをアノードおよびカソードに接続するために、はんだ接続またはばねクリップが第２の温度ゾーンの中で使用されている。一実施形態では、燃料導入および空気導入は、いずれも、主ＣＴＥ方向に従って一方のエンドに配置されており、また、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）のもう一方のエンドは第１の加熱温度ゾーンに配置され、二酸化炭素、水および劣化酸素の排出は加熱ゾーンに配置されている。たとえば図１７を参照されたい。したがってＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）は、１つの加熱エンドおよび１つの非加熱エンドを有している。
他の実施形態では、燃料および空気は、加熱ゾーンが両側の２つの第２の温度ゾーンの間に位置するよう、主ＣＴＥ方向に従って加熱ゾーンの外側の一方のエンドに入力され、同じく加熱ゾーンの外側の反対側のエンドから流出する。たとえば図２０を参照されたい。さらに他の代替では、燃料および空気は、第２の温度ゾーンの中に配置されている両側のエンドの両方に入力され、燃料出力および空気出力は中央の加熱ゾーンに配置されている。たとえば図１８を参照されたい。
さらに他の方法では、燃料および空気は、第２の温度ゾーンの中に配置されている両側のエンドの両方に入力され、対応する出力は、第２の温度ゾーン内の、入力とは反対側のエンドに配置されている。たとえば図１９を参照されたい。したがって燃料電池は、中央加熱ゾーンおよび加熱ゾーンの外側に対向するエンドを有しており、燃料および空気の両方が第１のエンドに導入され、隣接する第２のエンドから個々の反応排出が流出し、また、燃料および空気の両方が第２のエンドに入力され、隣接する第１のエンドから反応排出が流出する。
さらに他の実施形態では、加熱ゾーンの外側の一方のエンドに燃料導入を配置し、加熱ゾーンの外側の反対側のエンドに空気導入を配置することができる。たとえば図２１〜２４を参照されたい。この実施形態では、空気および燃料の両方からの反応排出は、加熱ゾーン内のものであっても（図２１参照）、あるいはそれらはいずれも、対応する導入とは反対側のエンドに隣接する加熱ゾーンの外側のものであってもよい（図２４参照）。または、二酸化炭素および水の排出はホットゾーン内のものであってもよく、一方、劣化酸素の排出はホットゾーンの外側のものである（図２２参照）。あるいはその逆に劣化酸素の排出はホットゾーン内のものであってもよく、また、二酸化炭素および水の排出はホットゾーンの外側のものである（図２３参照）。図２２および２３に示す燃料排出および空気排出に対する変形形態をたとえば図１８〜２０に示す実施形態に適用することも可能である。
図２５Ａおよび２７Ａに平面図で、また、図２７Ｂに側面図で示されている本発明の他の実施形態では、いわゆるパンハンドル設計を有するＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１００が提供される。ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１００は、上で説明した実施形態で示されているＳｔｉｃｋ（商標）デバイスの寸法と同様の寸法にすることができる、１つの主軸の方向にＣＴＥを有する細長いセクション１０２、つまりその幅または厚さより実質的に長いセクションを有している。ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１００は、さらに、その長さと厳密に一致する幅を有する広い表面積セクション１０４を有している。セクション１０４は、正方形の表面積または長方形の表面積を有することができるが、ＣＴＥがセクション１０４の中に単一の主軸を有するのではなく、その長さの方向および幅の方向にＣＴＥ軸を有するよう、幅はその長さより実質的に短くはない。広い表面積セクションはホットゾーン３２の中に配置されており、一方、細長いセクション１０２は、少なくともその一部がコールドゾーン３０および移行ゾーン３１の中に配置されている。例示的実施形態では、細長いセクション１０２の一部がホットゾーン３２の中へ延在しているが、これは重要ではない。一例として、燃料サプライおよび空気サプライは、図６Ｂに示す方法で細長いセクション１０２に接続し、かつ、電気接続することができる。
図２５Ｂおよび２６Ａは、細長いセクション１０２の反対側に第２の細長いセクション１０６をさらに有し、したがって広い表面積セクション１０４がこれらの２つの細長いセクション１０２と１０６の間に位置している、図２５Ａ、２７Ａおよび２７Ｂに示す実施形態に類似した別の実施形態の平面図を示したものであり、また、図２６Ｂはその側面図を示したものである。細長いセクション１０６も、少なくともその一部がコールドゾーン３０および移行ゾーン３１の中に配置されている。この実施形態の場合、細長いセクション１０２の中に燃料を導入し、また、細長いセクション１０６の中に空気を導入することができる。一例として、空気サプライおよび燃料サプライは、次に、図２または図３Ｂに示す方法でそれぞれ細長いセクション１０６および１０２に接続することができる。図２５Ｂに示すように、空気排出は、細長いセクション１０２の中に燃料導入に隣接して配置することができ、また、燃料排出は、細長いセクション１０６の中に空気導入に隣接して配置することができる。別法としては、それぞれ図２６Ａおよび２６Ｂの上面図および側面図で示すように、ホットゾーン３２内の広い表面積セクション１０４内に空気排出および燃料排出のうちの一方または両方を配置することも可能である。図２５Ａおよび２５Ｂに示す実施形態の場合、電解質が介在している互いに対向しているアノードおよびカソードの表面積をホットゾーン内で広くして反応面積を広くし、それによりＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１００によって生成される電力を大きくすることができることは理解されよう。
本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、１００のもう１つの利点は、重量が軽いことである。典型的な燃焼機関の重量は、１ｋＷの電力当たり１８〜３０ｌｂｓ程度である。本発明によるＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、１００は、１ｋＷの電力当たり０．５ｌｂｓ程度の重量にすることができる。
図２８Ａ〜Ｄは、螺旋すなわちロール管状構成を有する本発明による管状ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の別の実施形態を示したものである。図２８Ａは、アンロール位置におけるデバイス２００の略上面図である。デバイス２００のアンロール構造は、場合によってはロールすなわち螺旋管状ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の長さに対応し、等しい長さＬを有する第１のエンド２０２および第２のエンド２０４を有している。燃料入口１２および空気入口１８は、第１のエンドに隣接して互いに反対側に示されている。次に、燃料通路１４および空気通路２０は、図２８Ｂに示すデバイス２００のアンロール構造の略端面図および図２８Ｃに示すデバイス２００のアンロール構造の略側面図にさらに示すように、燃料出口１６および空気出口２２が第２のエンド２０４に位置するよう、デバイス２００のアンロール構造の幅に沿って第２のエンド２０４まで延在している。図に示されている燃料通路１４および空気通路２０は、ほぼデバイス２００のアンロール構造の長さＬまで延在しており、したがって燃料および空気の流れを最大化しているが、本発明はそれには制限されない。螺旋管状ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００を形成するために、次に、第１のエンド２０２が第２のエンド２０４に向かって巻かれ、それにより、図２８Ｄの略斜視図で示すデバイス２００の螺旋管構造が形成される。次に、螺旋管状ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の一方のエンドに、空気入口１８に導入するための空気サプライ３６を配置することができ、一方、螺旋管状ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の反対側のエンドに、燃料入口１２に燃料を導入するための燃料サプライ３４を配置することができる。次に、燃料出口１６および空気出口２２を介して、デバイス２００の長さＬに沿って螺旋管状ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００から空気および燃料を流出させることができる。電圧ノード３８、４０は、螺旋管状ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の両側のエンドの上または両側のエンドに隣接して形成された導体パッド４４にはんだ付けすることができる。
図２９Ａ〜２９Ｇは、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスが管状同心形態である本発明の別の実施形態を示したもので、図２９Ａは、同心管状ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００を略等角図で示したものである。図２９Ｂ〜２９Ｅは、図２９Ａに示す同心デバイス３００の断面図を示したものである。図２９Ｆは、デバイス３００の空気入力端の端面図を示したものである。図２９Ｇは、デバイス３００の燃料入力端の端面図を示したものである。図に示す特定の実施形態は、３つの空気通路２０を備えており、そのうちの１つは管状構造の中央に位置し、他の２つは互いに間隔を隔てており、かつ、同心である。同心管状ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００は、さらに、空気通路２０と空気通路２０の間に、空気通路２０と同心の２つの燃料通路１４を有している。図２９Ａ〜２９Ｄに示すように、同心管状ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００は、一方のエンドで燃料通路１４を接続している燃料出口１６、および対応する入口とは反対側のもう一方のエンドで空気通路２０を接続している空気出口２２を備えている。空気通路２０の各々はカソード２６と並んでおり、また、燃料通路１４の各々はアノード２４と並んでおり、電解質２８が互いに対向しているアノードおよびカソードを分離している。図２９Ａ〜２９Ｂおよび２９Ｆ〜２９Ｇに示すように、同心管状ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００の両側のエンドで、露出したアノード２５および露出したカソード２７に電気接続することができる。両側のエンドに導体パッド４４を加え、露出したアノード２５および露出したカソード２７を接続することができ、また、図には示されていないが、導体パッド４４をデバイス３００の外側に沿って走らせ、両側のエンドではなく、デバイス３００の長さに沿った一点で電気接続することも可能である。同心管状ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００は、空気通路および燃料通路１４、２０の中に配置された、構造を支持するための柱５４を備えることができる。
両側のエンド１１ａ、１１ｂに２つのコールドゾーン３０を有し、一方のエンドに空気入力および燃料出口を有し、かつ、反対側のエンドに燃料入力および空気出口を有する本発明の実施形態では、使用済みの燃料または空気は、中央のホットゾーン３２から流出する際には加熱された状態になっている。加熱された空気および燃料は、それらが移行ゾーン３１を通ってコールドゾーン３０へ移動する際に冷却される。電極および／またはセラミック／電解質の薄い層は、平行している燃料通路から空気通路を分離し、あるいはその逆に、平行している空気通路から燃料通路を分離している。一方の通路内では加熱された空気がホットゾーンから流出し、また、隣接する平行の通路内では燃料がホットゾーンに流入する。あるいはその逆に、一方の通路内では加熱された燃料がホットゾーンから流出し、また、隣接する平行の通路内では空気がホットゾーンに流入する。加熱された空気は、熱交換原理により、隣接する平行の通路内で流入する燃料を加熱し、あるいはその逆に、加熱された燃料は、熱交換原理により、隣接する平行の通路内で流入する空気を加熱することになる。したがって、熱交換を介した空気および燃料の若干の予熱が存在している。しかしながら、上で説明したように、ホットゾーンの外側の急激な熱損失のため、熱交換は、場合によっては、空気および燃料がホットゾーン内の能動領域に流入する前にそれらを最適反応温度まで予熱するほどには十分ではない。また、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が１つのコールドエンドおよび１つのホットエンドを備えた実施形態では、同じコールドエンドに燃料および空気が入力され、反対側の同じホットエンドから流出するため、熱交換が生じるための燃料および空気の交差流は存在しない。ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの電極およびセラミック材料から利用することができる、流入する燃料および空気に対する熱交換は、ごく限られている。
図３０Ａ〜３３Ｃは、燃料および空気が能動ゾーン３３ｂに流入する前にそれらを加熱するための統合予熱ゾーン３３ａを有するＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の様々な実施形態を示したもので、アノード２４およびカソード２６は互いに対向する関係で配置されている。これらの実施形態は、中間ホットゾーンを備えた２つのコールドエンドが存在し、かつ、両側のコールドエンドに燃料入力および空気入力が存在しているＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスと、１つのホットエンドおよび１つのコールドエンドが存在し、かつ、単一のコールドエンドに燃料入力および空気入力の両方が存在しているＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスとを備えている。これらの実施形態では、使用される電極材料の量を能動ゾーン３３ｂに限定することができ、また、電圧ノード３８、４０に外部接続するためのコールドゾーンへのリード線の量をごく微量にすることができる。追ってより詳細に説明するこれらの実施形態のもう１つの利点は、電子が、外部電圧接続へ移動するための抵抗の小さい最短可能経路を有していることである。
図３０Ａは、統合予熱ゾーン３３ａを備えた１つのコールドゾーン３０および対向する１つのホットゾーン３２を有するＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第１の実施形態の略側面断面図を示したものである。図３０Ｂは、アノード２４を介して空気通路に向かって見下ろした図を断面図で示したものであり、また、図３０Ｃは、カソードを介して燃料通路に向かって見上げた図を断面図で示したものである。図３０Ａおよび３０Ｂに示すように、燃料サプライ３４からの燃料は、燃料入口１２を通って流入し、燃料通路１４を通ってデバイス１０の長さに沿って延在し、デバイス１０の反対側のエンドから燃料出口１６を通って流出する。コールドゾーン３０はＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第１のエンド１１ａに配置されており、また、ホットゾーン３２は反対側の第２のエンド１１ｂに配置されている。ホットゾーンとコールドゾーンの間は移行ゾーン３１である。ホットゾーン３２は、燃料が最初に移動して通過する初期予熱ゾーン３３ａ、および燃料通路１４に隣接するアノード２４を備えた能動ゾーン３３ｂを備えている。図３０Ｂに示すように、アノード２４の断面積は、能動ゾーン３３ｂ内で広くなっている。アノード２４は、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の縁まで延在しており、また、外部コンタクトパッド４４は、負の電圧ノード３８に接続するために、デバイス１０の外側に沿ってコールドゾーン３０まで延在している。
同様に、図３０Ａおよび３０Ｃに示すように、空気サプライ３６からの空気は、コールドゾーン３０の中に配置されている空気入口１８を通って流入し、流入した空気は空気通路２０を通ってＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さに沿って延在し、ホットゾーン３２から空気出口２２を通って流出する。空気および燃料は同じエンドに流入し、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さに沿って同じ方向に移動するため、ホットゾーン３２の前段の熱交換による空気および燃料の予熱は限られている。カソード２６は、能動ゾーン３３ｂの中に、アノード２４と互いに対向する関係で配置されており、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の反対側まで延在している。カソード２６は、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の反対側で露出し、能動ホットゾーン３３ｂからコールドゾーン３０まで延在している、正の電圧ノード４０に接続するための外部コンタクトパッド４４に接続されている。しかしながら、露出したカソード２７を露出したアノード２５として必ずしもデバイス１０の反対側に設ける必要はない。露出したアノード２５および露出したカソード２７は、デバイスの同じ側に設けることができ、また、コンタクトパッド４４は、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面に沿って縞を作るように形成することができる。この構造によれば、空気および燃料は、最初に、反応が生じない予熱ゾーン３３ａ内で加熱されるため、アノード材料およびカソード材料の大半が、加熱された空気および燃料が流入し、互いに対向しているアノード層およびカソード層２４、２６によって反応する能動ゾーン３３ｂに限定される。
図３１Ａ〜３１Ｃに示す実施形態は、図３０Ａ〜３０Ｃに示す実施形態に類似しているが、図３１Ａ〜Ｃに示す実施形態は、１つのホットエンドおよび１つのコールドエンドを有する代わりに、両側のコールドゾーン３０および中央ホットゾーン３２を備えている。燃料サプライ３４からの燃料は、コールドゾーン３０内の燃料入口１２を通ってデバイス１０の第１のエンド１１ａから流入し、反対側のコールドゾーン３０の中に配置されている燃料出口１６を通って反対側の第２のエンド１１ｂから流出する。同様に、空気サプライ３６からの空気は、空気入口１８を通って反対側のコールドゾーン３０から流入し、空気出口２２を通って第１のコールドゾーン３０から流出する。燃料は、ホットゾーン３２に流入して予熱ゾーン３３ａの中で予熱され、一方、空気は、ホットゾーン３２の反対側から流入し、もう１つの予熱ゾーン３３ａの中で予熱される。したがって燃料および空気の交差流が存在している。アノード２４およびカソード２６は、ホットゾーン３２の能動ゾーン３３ｂの中で互いに対向しており、能動ゾーン３３ｂ内で反応を引き起こすためには、予熱された燃料および空気が必要である。この場合も、電極材料の大半が能動ゾーン３３ｂに限定される。アノードはＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の縁で露出し、カソードはデバイス１０のもう一方の側で露出している。外部コンタクトパッド４４は、ホットゾーン３２の中で露出したアノード２５と接触し、負の電圧ノード３８に接続するために第１のコールドエンド１１ａに向かって延在している。同様に、外部コンタクトパッド４４は、ホットゾーン３２の中で露出したカソード２７と接触し、正の電圧ノード４０に接続するために第２のコールドエンド１１ｂに向かって延在している。
予熱ゾーン３３ａは、ガスが能動領域に到達する前に最適反応温度まで完全に加熱する利点を提供している。燃料の温度が最適温度より低い場合、ＳＯＦＣシステムの効率が低下することになる。空気および燃料は、それぞれの経路内に存在し続けるため、加熱される。空気および燃料が加熱されると、その領域の電解質の効率が高くなる。燃料、空気および電解質の温度が完全に炉の温度に到達すると、電解質は、その最適効率の下で作動する。場合によっては貴金属から構築されるアノードおよびカソードにかかる金額を節約するために、依然として最適温度より低い領域の金属を除去することができる。長さまたは他の寸法の形での予熱ゾーンの量は、炉からＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスへの熱伝達の量、およびＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスから燃料および空気への熱伝達の量、ならびに燃料および空気の交差流による何らかの熱交換が生じるか否かによって決まる。これらの寸法は、さらに、燃料および空気の流速によって決まり、燃料または空気がＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの長さを高速で移動している場合、より長い予熱ゾーンが有利であり、一方、流速が遅い場合、予熱ゾーンをより短くすることができる。
図３２Ａおよび３２Ｂは、図３１Ａ〜３１Ｃに示す実施形態に類似した実施形態を示したものであるが、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、燃料入口１２と燃料通路１４の間に予熱チャンバ１３を備えている。この予熱チャンバは、ホットゾーン３２の中へ延在しており、より狭い燃料通路１４を通って能動ゾーン３３ｂへ通過する前に、大量の燃料を予熱ゾーン３３ａ内で予熱する。ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、同様に、空気入口１８と空気通路２０の間に予熱チャンバ１９を備えている。この予熱チャンバは、ホットゾーン３２の中へ延在している、より狭い空気通路２０を通って能動ゾーン３３ｂへ通過する前に、大量の空気を予熱ゾーン３３ａ内で予熱する。上の実施形態で説明したように、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、それぞれ対応する予熱チャンバ１３、１９から流れを受け取る複数の燃料通路１４および空気通路２０を備えることができる。
予熱通路に代わる体積の大きい予熱チャンバに関して、一例にすぎないが、空気の分子を最適温度まで加熱するのに５秒を要すると仮定し、また、空気の分子が毎秒１インチの速度でＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を移動すると仮定すると、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスには、空気が能動ゾーン３３ｂに流入する前に長さ５インチの予熱通路が必要になることを想像することができる。しかしながら、通路の代わりに体積の大きいチャンバが提供されると、分子は、能動ゾーンまでのより狭い通路に流入する前に、その体積によって余分の時間を空洞の中で費やすことができ、したがってチャンバの中で空気分子が加熱されるため、加熱された空気分子を長さが短い通路を使用して能動ゾーンへ供給することができる。このような空洞すなわち予熱チャンバは、多くの異なる方法で準備することができ、たとえば、未焼結（グリーン）（すなわち焼結前）アセンブリを取得し、アセンブリの末端を穿孔することによってチャンバを形成することができ、あるいは未焼結（グリーン）スタックを形成する際に、その中に大量の有機材料を組み込み、焼結中、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスから有機材料を焼き出すことによって準備することができる。
図３３Ａ〜３３Ｃは、空気および燃料が能動ゾーン３３ｂに到達する前に空気および燃料を予熱するためのさらに他の実施形態を示したものである。図３３Ａは、本質的にＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の縦方向の中心を通る略側面断面図である。図３３Ｂは、燃料通路１４とアノード２４が交差している線３３Ｂ−３３Ｂに沿って取った上面断面図であり、図３３Ｃは、空気通路２０とカソード２６が交差している線３３Ｃ−３３Ｃに沿って取った底面断面図である。ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、両側の２つのコールドゾーン３０および中央ホットゾーン３２を有しており、また、コールドゾーン３０の各々とホットゾーン３２の間に移行ゾーン３１を有している。燃料サプライ３４からの燃料は、燃料入口１２を通ってＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第１のエンド１１ａから流入し、ホットゾーン３２の反対側のエンドに向かって延在している燃料通路１４を通って移動し、ホットゾーン３２の反対側のエンドでＵ−ターンして第１のエンド１１ａのコールドゾーン３０に向かって移動して戻り、そこで使用済みの燃料が燃料出口１６を通って流出する。同様に、空気サプライ３６からの空気は、空気入口１８を通ってＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第２のエンド１１ｂから流入し、ホットゾーン３２の反対側のエンドに向かって延在している空気通路２０を通って移動し、ホットゾーン３２の反対側のエンドでＵ−ターンして第２のエンド１１ｂに向かって移動して戻り、そこで空気出口２２を通ってコールドゾーン３０から空気が流出する。これらのＵ−ターン通路により、ホットゾーン３２への初期エントリから湾曲部を通る燃料通路１４および空気通路２０は、燃料および空気を加熱するための予熱ゾーンを構成している。通路１４、２０内の湾曲すなわちＵ−ターンを通過した後は、通路は、それぞれ、電解質２８を間にはさんで互いに対向している関係にあるアノード２４またはカソード２６と並んでおり、この領域がホットゾーン３２内の能動ゾーン３３ｂを構成している。したがって、燃料および空気は、能動ゾーン３３ｂに流入する前に予熱ゾーン３３ａの中で加熱され、それによりＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の効率が高くなり、かつ、電極材料の使用が最少化される。アノード２４は、負の電圧ノード３８への接続のために、コールドゾーン３０内のデバイス１０の外側へ延在している。同様に、カソード２６は、正の電圧ノード４０への電気接続のために、デバイス１０の外側へ延在している。燃料出口１６および空気出口２２は、コールドゾーン３０から流出させることも可能である。
図に示し、かつ、上で説明した多くの実施形態では、アノード２４およびカソード２６は、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の層の内部、本質的には個々の層の中央領域、つまりデバイスの内部をデバイスの末端に到達するまで延在している。そのポイントでアノード２４およびカソード２６は、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外側にタブが施され、露出したアノード２５および露出したカソード２７がたとえば銀ペーストを塗布することによって導体パッドで金属化され、次に、導体パッドに配線がはんだ付けされる。たとえば図４Ａ〜４Ｂを参照されたい。しかしながら、場合によっては、たとえば図８Ａ〜９Ｂに示すように、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内の層をより高い電圧の組み合わせに構築することが望ましい。１ＫＷの電力を生成するＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの製造が望ましい場合、電力は電圧と電流の間で分割される。標準の１つは、合計１ＫＷの電力を生成するために８３アンペアが必要になるよう、１２ボルトを使用することである。図８Ｂおよび９Ｂには、並列または直列コンビネーションを形成するために、ビアを使用して電極層が相互接続されている。
図３４Ａないし図３７は、電極層を相互接続するための別の実施形態を示したものである。ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の内部で電極層を相互接続する代わりに、これらの別の実施形態には、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の両側に沿って、たとえば銀ペーストの外部細片（細い導体パッド）、詳細には複数の微小細片が使用されている。際片技法を使用することにより、必要な任意の電流／電圧比率を達成するための直列および／または並列コンビネーションを提供することができる単純な構造が形成される。さらに、外部細片は、内部ビアと比較すると機械公差を緩くすることができ、したがって製造を単純化することができる。また、外部細片は、ビアより小さい抵抗（あるいは等価直列抵抗）を有しているようである。導体経路の抵抗は、小さいほど、その経路に沿った電力損失を小さくすることができるため、外部細片は、より小さい電力損失でＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から電力を取り出す能力を提供している。
特に図３４Ａおよび３４Ｂを参照すると、外部アノード／カソード直列相互接続が示されている。図３４Ａは、交互に並ぶアノード２４ａ、２４ｂ、２４ｃおよびカソード２６ａ、２６ｂ、２６ｃの略正面斜視図を示したものである。アノード２４ａ、２４ｂ、２４ｃおよびカソード２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、露出したアノード２５および露出したカソード２７を提供するために、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さに沿って、デバイス１０の縁の外側にタブを備えている。次に、図３４Ｂの略側面図に最も良好に示されているように、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの外側の露出したアノード２５およびカソード２７の上に外部導体パッド４４（または細片）が提供される。互いに対向している３対のアノード２４ａ、２４ｂ、２４ｃおよびカソード２６ａ、２６ｂ、２６ｃを直列に接続することにより、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、３ボルトおよび１アンペアを提供する。図３５では、構造が二重になっており、デバイス１０の両側に沿った長い細片によって２つの構造が接続され、それにより、３ボルトおよび２アンペアを提供する直並列設計の外部アノード／カソード相互接続を提供している。
図３６Ａおよび３６Ｂは、低電力損失を提供するための低等価直列抵抗経路のための実施形態を示したものである。この実施形態では、ホットゾーン３２はＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の中央に位置しており、第１のエンド１１ａおよび第２のエンド１１ｂはコールドゾーン３０の中に位置している。燃料は、第１のエンド１１ａの燃料入口１２を介して導入され、また、空気は、第２のエンド１１ｂの空気入口１８を介して導入される。ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の能動領域であるホットゾーン３２内では、アノード２４およびカソード２６がデバイスの両側に露出しており、アノード２４が一方の側に露出し、カソード２６が反対側に露出している。露出したアノード２５およびカソード２７の上に導体パッド４４（または細片）が加えられている。次に、デバイス１０の両側の長さに沿って、メタライゼーション（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）がコールドゾーン３０に達するまでＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の縁が金属化され、コールドゾーン３０で負の電圧ノード３８および正の電圧ノード４０への低温はんだ接続４６が実施される。アノード２４およびカソード２６は、それらが他の機能を有しているため、抵抗を小さくするためにのみ最適化することはできない。たとえば、空気または燃料を電解質へ通過させるためには電極は多孔性でなければならないが、その多孔性によって抵抗が大きくなる。また、多層ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内における良好な層密度を可能にするためには電極を薄くしなければならないが、電極は薄いほど抵抗が大きくなる。より厚い導体パッド４４をＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの縁（両側）に加えることにより、はんだ接続４６に向かう低抵抗経路を提供することができる。導体パッド４４は厚いほど抵抗が小さくなる。電子がＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内の電極の下方へ、電極層中のあらゆるボイドを通り越して、たとえば１０インチ移動しなければならない場合、抵抗が最も小さい経路をデバイス１０の側縁までたとえば０．５インチ移動し、次に、外部非多孔性導体パッド４４の下方へ１０インチ移動することになる。したがって、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの外部に沿ってコールドゾーン３０まで延在している長い導体パッド４４を使用することによってより抵抗が小さい導体経路が提供され、したがってより小さい損失でＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から電力を取り出すことができる。したがって、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の能動領域（ホットゾーン３２）に細片技法を使用して直列および並列接続を構築し、それにより電力を大きくすることができ、また、デバイス１０の側面に沿ってコールドエンドまで延在している長い細片を使用することにより、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から有効に電力を取り出すことができる。
図３７は、図３６Ｂに示す実施形態に類似した実施形態を略等角図で示したものであるが、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第１のエンド１１ａに単一のコールドゾーン３０を有しており、ホットゾーン３２は、デバイス１０の第２のエンド１１ｂに位置している。直列および／または並列接続を構築するために、垂直方向の複数の細片またはコンタクトパッド４４がホットゾーン３２内に提供されており、また、デバイス１０の両側に沿った、正の電圧ノード４０および負の電圧ノード３８に低温はんだ接続４６を形成するための水平方向の長い細片４４がホットゾーン３２からコールドゾーン３０まで提供されている。
燃料通路１４および空気通路２０を形成するための方法の１つは、後で実施される焼結段階の間に焼き出すことができる有機材料を未焼結（グリーン）層状構造の中に配置することである。より大きい電力出力、たとえば１ＫＷ出力または１０ＫＷ出力を有する個々のＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）を構築するためには、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）の長さを長くし、かつ、幅を広くしなければならず、また、層の総数を多くしなければならない。一例として、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、１２インチないし１８インチ程度の長さにすることができる。セラミックを焼結し、かつ、有機材料を除去するために未焼結構造をベーキングする場合、燃料通路１４を形成するために使用される有機材料は、それぞれ燃料入口および燃料出口を形成している開口１２および１６から排出させなければならない。同様に、空気通路２０を形成するために使用される有機材料は、それぞれ空気入口および空気出口を形成している開口１８および２２から焼き出さなければならない。デバイスは、長いほど、また、幅が広いほど、これらの開口からの有機材料の排出が困難になる。焼出しの間、デバイスが急激に加熱されると、材料を構造から排出させることができる速度より速く有機材料の分解が生じるため、様々な層が層間剥離することがある。
図３８Ａおよび３８Ｂは、有機材料７２を焼き出すための複数の出口間隙を提供する別の実施形態を略側面断面図で示したものである。図３８Ａに示すように、有機材料７２を構造から排出させるための複数の焼出し経路を提供するために、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の側に複数の開口７０が提供されている。図３８Ｂに示すように、焼出し後、引き続いてＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のその面に障壁コーティング６０を塗布することによって複数の開口７０が閉ざされる。一例として、障壁コーティングはガラスコーティングであってもよい。他の実施例では、障壁コーティングは、セラミック充填材を含有したガラスであってもよい。さらに他の実施形態では、障壁コーティング６０は、たとえばペーストが充填された導体パッド４４であってもよく、このペーストも、同様に、生成される電力のための低抵抗経路としての働きをすることになる。銀ペーストは、粘着を強化するためにガラスを含有することも可能である。一例示的実施形態では、互いに対向している電極間の短絡を回避するために、カソードのための焼出し経路はＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の側に通気されており、また、アノードのための焼出し経路はデバイス１０の反対側に通気されている。
ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、１００、２００、３００の別の実施形態では、それぞれカソード２６またはアノード２４と並んだ開放空気通路２０および燃料通路１４を有する代わりに、空気または燃料の流れを許容する多孔性電極材料を使用してカソードと空気通路を結合し、かつ、アノードと燃料通路を結合することができる。反応を引き起こすためにはカソードおよびアノードはどうしても多孔性でなければならず、したがってＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、強制的な空気導入および燃料導入との組み合わせにより、電力生成反応を引き起こすだけの十分な流れを達成することができる。
図３９は、本発明の他の実施形態を略端面断面図で示したものである。この実施形態は、本質的に、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のアノード支持バージョンである。他の実施形態の場合と同様、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、１つのホットエンドおよび１つのコールドエンドを有することができ、あるいは中間ホットゾーンを備えた２つのコールドエンドを有することができる。セラミック２９によって支持されたデバイス１０を有する代わりに、このアノード支持バージョンにはアノード材料が支持構造として使用されている。アノード構造内には燃料通路１４および空気通路２０が互いに対向する関係で提供されている。空気通路２０は電解質層２８と並んでおり、次にカソード層２６と並んでいる。化学気相蒸着を使用して内部層を付着させることができ、あるいは粘着性ペーストの溶液を使用して内部層を付着させることができる。
図４０Ａおよび４０Ｂは、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のアノード支持バージョンの他の実施形態を示したものである。この実施形態では、多孔性アノード２４が燃料通路１４としての働きを兼ねているため、個別の開放燃料通路１４が除去されている。また、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、デバイスの両側からの燃料の流出を防止するために、ガラスコーティングまたはセラミックコーティングなどの障壁コーティング６０でコーティングされている。ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、必要に応じて、関連する電解質およびカソードを備えた多数の空気通路をアノード構造の中に有することができる。図４０Ｂに示すように、燃料サプライ３４からの燃料は、燃料通路１４としての働きをしている多孔性アノード２４を介して第１のエンド１１ａに強制され、電解質層２８およびカソード２６を通過して空気サプライ３６からの空気と反応し、使用済みの空気および燃料は、次に、空気出口２２から流出することができる。
図４１Ａに略端面断面図で示し、かつ、図４１Ｂに略上面断面図で示す他の実施形態では、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、アノード支持構造内に提供された複数の空気通路２０、およびこれらの複数の空気通路２０に対して直角の、燃料サプライ３４からの燃料を単一の燃料入口１２を介して複数の空気通路２０に供給するための単一の燃料通路１４を備えることができる。この場合も、空気通路２０は最初に電解質層２８と並んでおり、次にカソード層２６と並んでいる。燃料は、単一の燃料通路１４からアノード構造２４、電解質２８およびカソード２６を通過して空気通路２０内の空気と反応し、空気出口２２から使用済みの燃料および空気が流出する。使用済みの燃料は、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の障壁コーティング６０が施されていない方の側から流出させることも可能である。このコーティングが施されていない方の側は、デバイスの単一燃料通路１４の配向とは反対側に配置されることになる。
アノード支持構造に関する実施形態の場合、構造を本質的に逆にしてカソード支持構造にすることも可能であることを理解されたい。その場合、電解質層およびアノード層がコーティングされた燃料通路がカソード構造の中に提供されることになる。個別の空気通路または複数の空気通路を提供することも可能であり、あるいはカソードの多孔性を空気流のために使用することも可能である。
図４２Ａ〜４２Ｃは、空気通路および燃料通路内に電極を形成するための方法を示したものである。一例として燃料通路１４およびアノード２４を取り上げると、この実施形態では、未焼結セラミックの複数の層および複数の金属テープ層を使用した層によって緑構造層を構築する代わりに、あるいはメタライゼーションを印刷する代わりに、電極のないＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が最初に構築される。つまり、未焼結セラミック材料を使用して電解質およびＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）のセラミック支持部分が形成され、また、有機材料を使用して燃料通路１４などの通路が形成される。ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスが焼結されると、燃料通路１４にアノードペーストまたは溶液が充填される。このペーストは、印刷インクのペーストのように濃厚なものであっても、あるいは水の含有量が多い溶液のペーストのようにさらさらしたものであってもよい。アノード材料は、真空を使用した吸込みなどの所望する任意の手段によって、もしくは毛管力によって、または空気圧を使用して強制することによって燃料通路１４に充填することができる。
あるいは、図４２Ａ〜４２Ｃに示すように、溶液中にアノード材料が溶解され、燃料通路１４に流し込まれ、次に沈殿される。たとえば、ｐＨを変更することによってアノード粒子を沈殿させ、溶液を抜き取ることができる。他の選択肢として、アノード粒子を単純に定着させた後、液体を乾燥させるかあるいは燃料通路１４から焼き出すことができる。この定着は、たとえば粘性が小さいために長時間にわたって懸濁液内の粒子を維持しないインク担体または液体担体を生成することによって達成することができる。また、遠心分離機を使用して定着を強制させることも可能である。遠心分離機を使用することにより、容易にほとんどの粒子を燃料通路１４のある表面に優先的に定着させることができるため、電極材料を節約し、かつ、燃料通路１４のある表面のみを電解質として確実に作用させることができる。
図４２Ａに示すように、アノード粒子を含有した溶液６６が図４２Ｂに示すように完全に通路１４を充填するまで燃料通路１４の中に引き込まれる。次に、図４２Ｃに示すように通路１４の底に粒子が定着してアノード層２４が形成される。溶液６６の注入は、通常の毛管力と比較すると、重力、真空または遠心分離機によって加速させることができる。当然、アノード２４および燃料通路１４は一例として使用されたものにすぎず、これらの別の実施形態は、すべて、空気通路２０の中にカソード層２６を生成するべく、カソードペーストまたは溶液と共に使用することも可能である。
あるいは、セラミック電極材料（アノード材料またはカソード材料）を液体ゾル−ゲル状態で通路（燃料通路または空気通路）に注入し、次に、通路の内側に堆積させることができる。また、たとえば液体中の所望の電極材料の濃度が低い場合、複数回にわたって充填操作を繰り返すこと、もしくは特性勾配を電極に提供すること（たとえば、電解質から遠い電極のＹＳＺの量に対して、電解質に近い電極に異なる量のＹＳＺを提供すること）、あるいは必要に応じて異なる材料の複数の層をまとめて配置すること（たとえば、より良好な導電率を得るために、カソードを電解質に近いＬＳＭで構築し、次にＬＳＭの頂部を銀にすること）も可能である。
セラミック球すなわちボールを使用して空気通路および燃料通路２０、１４に構造サポートを提供している図７Ｃおよび７Ｄをもう一度参照すると、より大きな反応領域に対して実行表面積を増大させるためにセラミック粒子は用いられてもよく、それによって大きな出力を得る。電極層を加える前に、極めて微小なサイズのセラミックボールまたは粒子を燃料通路１４および空気通路２０の内部に使用することができる。図４３に略側面断面図で示すように、表面粒子６２は一様でないトポグラフィを有する電解質層２８を提供するため通路１４と並んでおり、このトポグラフィは電極層を受けることのできる表面積を増大させる。次に、この一様でないトポグラフィの上にアノード２４が加えられ、アノード材料によって表面粒子６２のすべての周囲がコーティングされ、それにより反応面積が広くなる。
図４４に略側面断面図で示す別の実施形態では、一様でないトポグラフィすなわちテクスチャー加工の表面層６４を提供するために、たとえばＶ字形パターンを有する微細グレーディングに未焼結（グリーン）電解質層を押し付けることによって電解質層２８を積層化することができ、次にこのパターンが電解質層２８に付与される。電解質層２８が焼結され、セラミックおよびテクスチャー加工の表面層６４が固体化されると、次に、たとえば図４２Ａ〜４２Ｃに関連して上で説明した充填プロセスを使用してアノード層２４を加え、反応面積の広いアノードを提供することができる。
図４５Ａおよび４５Ｂは、本発明のさらに他の実施形態を示したものである。図４５Ａは、空気通路および燃料通路を通って流れる空気および燃料ならびに電極の配置を略上面図で示したものであり、また、図４５Ｂは、ホットゾーン３２を通る断面図である。デバイスは、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さに沿って左側８０と右側８２に分割されており、その間に中間部分すなわち橋絡部分８４を備えている。複数の空気通路２０ＬがＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第１のエンド１１ａからその長さに沿って左側８０を通って延在し、第２のエンド１１ｂに隣接している左側８０から流出している。また、複数の空気通路２０Ｒが第１のエンド１１ａからその長さに沿って右側８２を通って延在し、第２のエンド１１ｂに隣接している右側８２でＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から流出している。空気通路２０Ｌは、図４５Ｂに最も良好に示されているように、空気通路２０Ｒからオフセットされている。複数の燃料通路１４ＬがＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第２のエンド１１ｂからその長さに沿って左側８０を通って延在し、第１のエンド１１ａに隣接している左側８０から流出している。また、複数の燃料通路１４Ｒが第２のエンド１１ｂからその長さに沿って右側８２を通って延在し、第１のエンド１１ａに隣接している右側８２から流出している。燃料通路１４Ｌは燃料通路１４Ｒからオフセットされている。さらに、１つの燃料通路および１つの空気通路を除き、燃料通路１４Ｌの各々は互いに対をなしており、空気通路２０Ｒから若干オフセットされている。また、空気通路２０Ｌの各々は互いに対をなしており、燃料通路１４Ｒから若干オフセットされている。燃料通路１４Ｌおよび空気通路２０Ｒのオフセットした個々の対に対して、メタライゼーションが個々の燃料通路１４Ｌに沿って左側８０から右側８２まで延在し、右側８２でメタライゼーションは今度は若干オフセットした空気通路２０Ｒに沿って延在している。同様に、燃料通路１４Ｒおよび空気通路２０Ｌのオフセットした個々の対に対して、メタライゼーションが個々の空気通路２０Ｌに沿って左側８０から右側８２まで延在し、右側８２でメタライゼーションは今度は若干オフセットした燃料通路１４Ｒに沿って延在している。メタライゼーションは、メタライゼーションが燃料通路１４Ｌまたは１４Ｒに沿って延在している場合はアノード２４Ｌまたは２４Ｒとして機能し、また、メタライゼーションは、メタライゼーションが空気通路２０Ｌまたは２０Ｒに沿って延在している場合はカソード２６Ｌまたは２６Ｒとして機能する。メタライゼーションがどの空気通路または燃料通路にも沿って延在していないＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の橋絡部分８４では、メタライゼーションは、単純に、アノードとカソードの間のブリッジ９０として機能している。本発明の一実施形態では、メタライゼーションは、アノード２４Ｌまたは２４Ｒ、ブリッジ９０およびカソード２６Ｌまたは２６Ｒがそれぞれ同じ材料からなるよう、その長さに沿って同じ材料から構成することができる。たとえば、メタライゼーションは、それぞれ、アノードまたはカソードのいずれかとして良好に機能する白金族金属から構成することができる。別法としては、異なる材料からメタライゼーションを構成することも可能である。たとえば、カソード２６Ｒまたは２６Ｌは、ランタン−ストロンチウム−亜マンガン酸塩（ＬＳＭ）から構成することができ、一方、アノード２４Ｒまたは２４Ｌは、ニッケル、ＮｉＯまたはＮｉＯ＋ＹＳＺからなっている。ブリッジ９０は、パラジウム、白金、ＬＳＭ、ニッケル、ＮｉＯまたはＮｉＯ＋ＹＳＺから構成することができる。本発明には、カソードまたはアノードあるいはそれらの間の橋絡材料としての使用に適した任意の組合せまたは任意のタイプの材料が意図されており、本発明は上で識別した特定の材料に制限されない。
ここでは右側８２に示されているＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の側では、燃料通路１４Ｒは、外部に露出したアノード２５を提供するためにＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の右端まで延在している関連するアノード２４Ｒを備えている。この燃料通路１４Ｒに結合されているオフセットした空気通路２０Ｌは存在しておらず、アノード２４Ｒを左側８０の中へ延在させる必要はない。図４５Ａに示すように、露出したアノード２５の上に外部導体パッド４４が加えられており、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの長さに沿ってコールドゾーン３０の中へ延在している。次に、配線４２およびはんだ接続４６によって負の電圧ノード３８を導体パッド４４に接続することができる。アノード２４Ｒは、図に示すように、ホットゾーン３２を通って右端まで延在させることも、あるいは使用される電極材料の量を少なくするために、微小タブ部分内のみを延在させることも可能である。また、アノード２４Ｒは、燃料通路１４Ｒの長さに沿ってＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の右端まで延在させることができるが、このような実施形態は、電極材料の不必要な使用が伴うことになる。
同様に、左側８０として示されているＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のもう一方の側では、単一の空気通路２０Ｌは、露出したカソード２７を形成するためにＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の左側まで延在している関連するカソード２６Ｌを備えている。この空気通路２０Ｌはオフセットした燃料通路１４Ｒに結合されておらず、したがってカソード２６Ｌを右側８２まで延在させる必要はない。ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の左側８０の外側に沿って、露出したカソード２７からコールドエンド３０まで導体パッド４４を加えることができ、コールドエンド３０で、配線４２およびはんだ接続４６を介して正の電圧ノード４０を導体パッド４４に接続することができる。
図４５Ｂには、単一の燃料通路１４Ｒおよび関連するアノード２４Ｒが右側８２の一番上に示されており、また、単一の空気通路２０Ｌおよび関連するカソード２６ＬがＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の左側８０の一番下に示されている。しかしながら、本発明はこの構造に制限されない。たとえば、左側８０のデバイス１０の頂部に、単一の燃料通路１４Ｒおよびその関連するアノード２４Ｒと同様のオフセット方法で空気通路２０Ｌおよび関連するカソード２６Ｌを提供することも可能であるが、メタライゼーションは、左側８０から橋絡部分８４を通って右側８２まで走らないことになる。したがってブリッジ９０が存在しないことになるため、アノード２４Ｒがカソード２６Ｌから電気的に分離される。ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が２つの独自の空気通路スタックおよび２つの独自の燃料通路スタックを単一のＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内に備えることができ、電池が直列に接続された追加構造が予期されている。図４５Ａおよび４５Ｂに示す実施形態は、電流を大きくすることなく電圧を高くし、かつ、小さい抵抗を維持する利点を有している。また、この実施形態によれば、ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内に高い密度が提供される。
図４６Ａおよび４６Ｂは、別の実施形態をそれぞれ略斜視図および略断面図で示したものである。上で説明した実施形態（たとえば図３７）は、ホットゾーン３２から１つまたは複数のコールドゾーン３０までＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外面または縁に沿った、電子をコールドエンドへ移動させるための低抵抗経路を提供するための外部条片を提供している。図４６Ａおよび４６Ｂに示す実施形態では、デバイス１０の面または縁に沿った細片の代わりに、アノード２４に外部接続するための導体パッド４４が、一方の面に沿って、また、頂部表面および底部表面のうちのいずれか一方に沿って加えられており、また、カソード２６に外部接続するための別の導体パッド４４が、反対側の面に沿って、また、頂部表面および底部表面のうちのもう一方の表面に沿って加えられている。したがって、電子は、電子が移動するための大きい経路あるいは幅の広い経路を有しており、したがってより小さい抵抗を提供している。隣接する２つの表面に加えられるこれらの大きい導体パッド４４は、本明細書において開示されているすべての実施形態に使用することができる。
図４７は、熱交換原理を利用したＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のさらに他の実施形態を略側面断面図で示したものである。加熱された空気および燃料がホットゾーン３２の能動ゾーン３３ｂ（つまりホットゾーン３２の、アノード２４がカソード２６に対して互いに対向している関係にあり、それらの間に電解質を備えた部分）を通過すると、燃料通路１４および空気通路２０が単一の排気通路２１に結合される。加熱された空気と結合するとすべての未反応燃料が燃焼し、したがって余分の熱が生成される。排気通路２１は、能動ゾーン３３ｂに隣接しているコールドゾーン３０へ向かって後方へ移動し、排気（使用済みの燃料および空気）が流れる方向は、隣接する燃料通路および空気通路１４、２０に流入する燃料および空気が流れる方向とは逆方向である。排気通路２１内で生成される余分の熱は、隣接する通路１４、２０へ伝達され、流入する燃料および空気を加熱する。
図４８Ａ〜４８Ｃは、図４８Ａに示すように、薄い部分４０４より厚さが厚い分厚い部分４０２を有する「エンド−ロールＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス」４００を示したものである。燃料入口および空気入口１２、１８は、分厚い部分４０２の末端に位置している第１のエンド１１ａに隣接して配置されており、また、図には示されていないが、空気出口および燃料出口（１６、２２）は、薄い部分４０４の末端にである反対側のに位置する第２のエンド１１ｂに隣接しているデバイス４００の両側に提供することができる。分厚い部分４０２は、機械的強度を提供するだけの十分な厚さでなければならない。これは、燃料入口および空気入口１２、１８に隣接する周囲に分厚いセラミック２９を提供することによって達成することができる。薄い部分４０４は、カソード（図示せず）に対して互いに対向する関係にあるアノード（図示せず）を備えた能動ゾーン３３ｂ（図示せず）を備えることができ、それらの間に電解質（図示せず）を備えている（上で説明した実施形態の場合と同様）。薄い部分４０４は、図４８Ｂに示すように、未焼結（未焼成）状態にある間に巻き込むことができるだけの十分な薄さでなければならない。薄い部分４０４が所望の緊密さまで巻き込まれると、デバイス４００が焼成される。次に、巻き込まれた薄い部分４０４を加熱して反応を引き起こすことができ、一方、分厚い部分４０２は、他の実施形態で説明したようにコールドエンドである。エンド−ロールＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス４００は、薄い部分４０４を巻き込むことによって微小空間に適合させることができる表面積の広いデバイスである。また、薄い部分４０４の能動ゾーン（３３ｂ）の薄い断面は、セラミックに沿って伝達される熱を少なくし、良好な温度サイクル性能を可能にしている。
以上、本発明について、本発明の１つまたは複数の実施形態を説明することによって実例で示し、また、それらの実施形態についてかなり詳細に説明したが、それらの実施形態には、特許請求の範囲をこのような詳細に限定し、あるいは制限することは一切意図されていない。他の利点および修正については、当業者には容易に明らかであろう。したがって本発明は、その広義の態様において、図に示し、かつ、説明した特定の詳細、代表的な実施形態および方法ならびに実例実施例に制限されない。したがって、一般的な本発明の概念の範囲を逸脱することなく、このような詳細からの逸脱が可能である。
１０ ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
１１ａ 第１のエンド
１１ｂ 第２のエンド
１２ 燃料入口
１３ 燃料予熱チャンバ
１４ 燃料通路
１６ 燃料出口
１８ 空気入口
１９ 空気予熱チャンバ
２０ 空気通路
２１ 排気通路
２２ 空気出口
２４ アノード層
２５ 露出したアノード部分
２６ カソード層
２７ 露出したカソード部分
２８ 電解質層
３０ コールドゾーン（または第２の温度）
３１ 移行ゾーン
３２ ホットゾーン（または加熱ゾーンあるいは第１の温度ゾーン）
３３ａ 予熱ゾーン
３３ｂ 能動ゾーン
３４ 燃料サプライ
３６ 空気サプライ
３８ 負の電圧ノード
４０ 正の電圧ノード
４２ 配線
４４ コンタクトパッド
４６ はんだ接続
４８ ばねクリップ
５０ 供給管
５２ タイラップ
５４ セラミック柱
５６ 第１のビアビア
５８ 第２のビアビア
６０ 障壁コーティング
６２ 表面粒子
６４ テクスチャード表面層
６６ アノード懸垂
７０ 開口
７２ 有機材料
８０ 左側
８２ 右側
８４ 橋絡部分
９０ ブリッジ
１００ ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
１０２ 細長いセクション
１０４ 広い表面積セクション
１０６ 細長いセクション
２００ 螺旋管状ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
３００ 同心管状ＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
４００ エンド−ロールＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
４０２ 分厚い部分
４０４ 薄い部分

Claims (35)

  1. 燃料電池デバイスであって、
    最大寸法である長さを有する細長い基板であって、前記長さと同一の広がりを持つただ一つの主軸を有する熱膨張率、前記長さの第１の部分に沿った、作動反応温度まで加熱されるように構成された反応ゾーン、および前記長さの第２の部分に沿った、前記反応ゾーンが加熱された場合に前記作動反応温度未満の低温を維持するように構成された少なくとも１つのコールドゾーンを有する細長い基板と、
    前記細長い基板内で前記少なくとも１つのコールドゾーンから前記反応ゾーンまで延在している複数の燃料通路であって、関連するアノードを前記反応ゾーンの中で個々に有する複数の燃料通路と、
    前記細長い基板内で前記少なくとも１つのコールドゾーンから前記反応ゾーンまで延在している複数の酸化剤通路であって、前記関連する複数のアノードのうちの対応する１つに対して互いに対向する関係で配置された関連するカソードを前記反応ゾーンの中で個々に有する複数の酸化剤通路と、
    前記反応ゾーン内の前記互いに対向している複数のアノードとカソードの各々の間に配置された電解質と
    を備えた燃料電池デバイス。
  2. 燃料電池システムであって、
    ホットゾーンチャンバと、
    請求項１に記載の複数の前記燃料電池デバイスであって、個々の燃料電池デバイスの前記第１の部分が前記ホットゾーンチャンバ内に配置され、前記少なくとも１つのコールドゾーンが前記ホットゾーンチャンバの外側に延在している複数の燃料電池デバイスと、
    前記ホットゾーンチャンバに結合された、前記反応ゾーンを前記ホットゾーンチャンバ内で前記作動反応温度まで加熱するように適合された熱源と、
    前記ホットゾーンチャンバの外側で、前記燃料通路と流体連通している前記少なくとも１つのコールドゾーンに結合された、前記燃料通路に燃料の流れを供給するための燃料サプライと
    を備えた燃料電池システム。
  3. 少なくとも１つのアノードが、露出したアノード部分を前記少なくとも１つのコールドゾーン内の前記細長い基板の第１の外部表面に備え、また、少なくとも１つのカソードが、露出したカソード部分を前記少なくとも１つのコールドゾーン内の前記細長い基板の第２の外部表面に備え、前記デバイスは、
    前記少なくとも１つのコールドゾーン内の前記第１の外部表面に形成されて、前記露出したアノード部分と電気接触している第１の金属導体パッド、および前記第１の金属導体パッドと負の電圧ノードとの間の第１の電圧接続と、
    前記少なくとも１つのコールドゾーン内の前記第２の外部表面に形成されて、前記露出したカソード部分と電気接触している第２の金属導体パッド、および前記第２の金属導体パッドと正の電圧ノードとの間の第２の電圧接続と
    をさらに備えた、請求項１または２に記載の燃料電池デバイス。
  4. 個々のアノードが、露出したアノード部分を前記細長い基板の外部表面に備え、また、個々のカソードが、露出したカソード部分を前記細長い基板の前記外部表面に備え、前記デバイスは、
    並列および／または直列電気接続を形成するために、前記外部表面に形成されて、１つまたは複数の露出したアノード部分および／または露出したカソード部分と電気接触している複数の金属被覆領域と、
    をさらに備えた、請求項１または２に記載の燃料電池デバイス。
  5. 前記複数のアノードは、それぞれ、対応するカソードに対して互いに対向する関係ではない非対向アノードセクションを備え、また、前記複数のカソードは、それぞれ、対応するアノードに対して互いに対向する関係ではない非対向カソードセクションを備え、
    前記非対向アノードセクションは、接続を介した導電性アノードによって前記細長い基板内で電気相互接続され、また、前記非対向カソードセクションは、接続を介した導電性カソードによって前記細長い基板内で電気相互接続され、
    前記複数のアノードのうちの１つが、露出したアノード部分を前記少なくとも１つのコールドゾーン内の前記細長い基板の第１の外部表面に備え、また、前記複数のカソードのうちの１つが、露出したカソード部分を前記少なくとも１つのコールドゾーン内の前記細長い基板の第２の外部表面に備え、前記デバイスが、
    前記少なくとも１つのコールドゾーン内の前記第１の外部表面に形成された、前記露出したアノード部分と電気接触している第１の金属導体パッド、および前記第１の金属導体パッドと負の電圧接続点との間の第１の電圧接続と、
    前記少なくとも１つのコールドゾーン内の前記第２の外部表面に形成された、前記露出したカソード部分と電気接触している第２の金属コンタクトパッド、および前記第２の金属導体パッドと正の電圧接続点との間の第２の電圧接続と
    をさらに備えた、請求項１または２に記載の燃料電池デバイス。
  6. 前記複数の燃料通路は、第１の燃料通路および１つまたは複数の第２の燃料通路を備え、また、前記複数の酸化剤通路は、第１の酸化剤通路および１つまたは複数の第２の酸化剤通路を備え、前記第２の燃料通路は前記第１の燃料通路と前記第１の酸化剤通路の間で前記第２の酸化剤通路と交互に入れ替わっている、請求項１または２に記載の燃料電池デバイス。
  7. 前記第１の燃料通路の前記関連するアノードは、隣接する第２の酸化剤通路に最も近い前記第１の燃料通路の表面に配置され、前記第１の酸化剤通路の前記関連するアノードは、第２の燃料通路に最も近い前記第１の酸化剤通路の表面に配置され、前記第２の複数の燃料通路の各々の前記関連するアノードは、第１および／または第２の酸化剤通路に隣接する前記第２の燃料通路の反対側の複数の表面の各々に複数のアノードを備え、前記第２の複数の酸化剤通路の各々の前記関連するカソードは、第１および／または第２の燃料通路に隣接する前記第２の酸化剤通路の反対側の複数の表面の各々に複数のカソードを備えた、請求項６に記載の燃料電池デバイス。
  8. 前記複数の燃料通路と流体連通している前記少なくとも１つのコールドゾーンに結合された、前記燃料通路に燃料の流れを供給するための燃料サプライをさらに備えた、請求項１に記載の燃料電池デバイス。
  9. 前記燃料サプライが、前記デバイスの末端に固着された可撓性ゴム管またはプラスチック管によって結合された、請求項２または８に記載の燃料電池デバイス。
  10. 前記複数の酸化剤通路と流体連通している前記少なくとも１つのコールドゾーンに結合された、前記酸化剤通路に空気の流れを供給するための空気サプライをさらに備えた、請求項１または２に記載の燃料電池デバイス。
  11. 前記空気サプライが、前記デバイスの末端に固着された可撓性ゴム管またはプラスチック管によって結合された、請求項１０に記載の燃料電池デバイス。
  12. 前記第１の部分が、前記少なくとも１つのコールドゾーンと前記反応ゾーンの間に予熱ゾーンをさらに備え、前記予熱ゾーンには互いに対向する関係のアノードおよびカソードが存在していない、請求項１または２に記載の燃料電池デバイス。
  13. 少なくとも１つのアノードが前記反応ゾーンの第１の外部表面まで延在し、第１の外部金属被覆が前記反応ゾーンの前記第１の外部表面から前記少なくとも１つのコールドゾーンの対応する外部表面まで延在し、少なくとも１つのカソードが前記反応ゾーンの第２の外部表面まで延在し、また、第２の外部金属被覆が前記反応ゾーンの前記第２の外部表面から前記少なくとも１つのコールドゾーンの対応する外部表面まで延在している、請求項１２に記載の燃料電池デバイス。
  14. 前記燃料通路および前記酸化剤通路が、それぞれ、少なくとも一部が前記予熱ゾーンの中へ延在している予熱チャンバを前記少なくとも１つのコールドゾーンの中にさらに備え、予熱チャンバの各々が前記反応ゾーン内の前記対応する燃料通路および酸化剤通路の体積より大きい体積を有する、請求項１２に記載の燃料電池デバイス。
  15. 前記燃料通路が、前記少なくとも１つのコールドゾーン内の燃料入口から前記第１の部分の中へ延在し、前記少なくとも１つのコールドゾーン内の燃料出口へ曲がって後方へ延在し、また、前記酸化剤通路が、前記少なくとも１つのコールドゾーン内の空気入口から前記第１の部分の中へ延在し、前記少なくとも１つのコールドゾーン内の空気出口へ曲がって後方へ延在し、前記アノードおよび前記カソードが、前記細長い基板の前記反応ゾーン内の前記屈曲と前記対応する燃料出口および空気出口との間で互いに対向する関係にあり、かつ、それらの間に前記電解質を備え、また、前記燃料通路および酸化剤通路には、対応する前記燃料入口および空気入口と前記屈曲との間に、それぞれ対応する関連したアノードおよびカソードが存在していない、請求項１または２に記載の燃料電池デバイス。
  16. 前記少なくとも１つのコールドゾーンが、前記細長い基板の対応する第１および第２のエンドに配置された第１および第２のコールドゾーンを備え、前記第１のコールドゾーンと第２のコールドゾーンの間に前記反応ゾーンが配置された、請求項１または２に記載の燃料電池デバイス。
  17. 前記燃料通路が、前記第１のコールドゾーン内の前記第１のエンドに隣接している燃料入口から前記反応ゾーンを通って前記第２のコールドゾーン内の前記第２のエンドに隣接している対応する燃料出口まで延在し、また、前記酸化剤通路が、前記第２のコールドゾーン内の前記第２のエンドに隣接している空気入口から前記第１のコールドゾーン内の前記第１のエンドに隣接している対応する空気出口まで延在している、請求項１６に記載の燃料電池デバイス。
  18. 前記燃料入口に結合された、前記燃料通路に燃料の流れを供給するための燃料サプライと、
    前記空気入口に結合された、前記酸化剤通路に空気の流れを供給するための空気サプライと
    をさらに備えた、請求項１７に記載の燃料電池デバイス。
  19. 前記燃料通路が、前記第１のコールドゾーン内の前記第１のエンドに隣接している燃料入口から前記反応ゾーンを通って前記第２のコールドゾーン内の前記第２のエンドに隣接している対応する燃料出口まで延在し、また、前記酸化剤通路が、前記反応ゾーン内の空気入口から前記第２のコールドゾーン内の前記第２のエンドに隣接している対応する空気出口まで延在している、請求項１６に記載の燃料電池デバイス。
  20. 前記燃料入口に結合された、前記燃料通路に燃料の流れを供給するための燃料サプライと、
    前記反応ゾーン内の、前記酸化剤通路に加熱された空気の流れを供給するための加熱空気源と
    をさらに備えた、請求項１９に記載の燃料電池デバイス。
  21. 前記少なくとも１つのコールドゾーンが、前記細長い基板の第１のエンドに配置された単一のコールドゾーンを備え、前記細長い基板の反対側の第２のエンドに前記反応ゾーンが配置された、請求項１または２に記載の燃料電池デバイス。
  22. 前記燃料通路が、前記単一のコールドゾーン内の前記第１のエンドに隣接している燃料入口から前記反応ゾーン内の前記第２のエンドに隣接している燃料出口まで延在し、また、前記酸化剤通路が、前記反応ゾーン内の空気入口から前記反応ゾーン内の対応する空気出口まで延在している、請求項２１に記載の燃料電池デバイス。
  23. 前記燃料入口に接続された、前記燃料通路に燃料の流れを供給するための燃料サプライと、
    前記反応ゾーン内の、前記酸化剤通路に加熱された空気の流れを供給するための加熱空気源と
    をさらに備えた、請求項２２に記載の燃料電池デバイス。
  24. 前記燃料通路が、前記単一のコールドゾーン内の前記第１のエンドに隣接している燃料入口から前記反応ゾーン内の前記第２のエンドに隣接している燃料出口まで延在し、また、前記酸化剤通路が、前記単一のコールドゾーン内の前記第１のエンドに隣接している空気入口から前記反応ゾーン内の前記第２のエンドに隣接している対応する空気出口まで延在している、請求項２１に記載の燃料電池デバイス。
  25. それぞれ一対の互いに対向している燃料通路および空気通路に結合され、かつ、それぞれ前記反応ゾーン内の反対側の前記第２のエンドに隣接する位置から前記長さの前記第２の部分の対応する排気出口まで延在している複数の排気通路をさらに備えた、請求項２１に記載の燃料電池デバイス。
  26. 前記第１の部分に隣接して配置された、前記反応ゾーンを前記作動反応温度まで加熱するための熱源と、
    前記熱源と前記少なくとも１つのコールドゾーンの間の、前記少なくとも１つのコールドゾーンを前記作動反応温度未満の低温に維持するように適合された絶縁領域と
    をさらに備えた、請求項１に記載の燃料電池デバイス。
  27. 前記少なくとも１つのコールドゾーンが、前記細長い基板の対応する第１および第２のエンドに配置された第１および第２のコールドゾーンを備え、前記第１のコールドゾーンと前記第２のコールドゾーンの間に前記反応ゾーンが配置され、
    前記細長い基板が、前記長さの方向に第１のサイド部分、第２のサイド部分およびそれらの間の中間部分に分割され、それぞれは前記第１のエンドと第２のエンドの間に延在しており、
    前記複数の燃料通路および前記複数の酸化剤通路は、第１のサイド部分において第１のコールドゾーンから第２のコールドゾーンまで延在している複数の第１の酸化剤通路と交互の関係にある複数の第１の燃料通路と、第２のサイド部分において第１のコールドゾーンから第２のコールドゾーンまで延在している複数の第２の酸化剤通路と交互の関係にある複数の第２の燃料通路と、を備え、前記デバイスが、
    複数の第１の電極であって、それぞれは第１のサイド部分における第１の燃料通路から中間部分を通って第２のサイド部分における隣接する第２の酸化剤通路まで延在しており、それぞれの第１の電極は第１のサイド部分においては関連するアノードであり、第２のサイド部分においては関連するカソードであり、中間部分においては第１の橋絡部材である、複数の第１の電極と、
    複数の第２の電極であって、それぞれは第１のサイド部分における第１の酸化剤通路から中間部分を通って第２のサイド部分における隣接する第２の燃料通路まで延在しており、それぞれの第２の電極は第１のサイド部分においては関連するカソードであり、第２のサイド部分においては関連するアノードであり、中間部分においては第２の橋絡部材である、複数の第２の電極と、
    をさらに備えた、請求項１または２に記載の燃料電池デバイス。
  28. 前記第１および第２の燃料通路が、前記第１のコールドゾーン内の前記第１のエンドに隣接している対応する第１および第２の燃料入口から前記反応ゾーンを通って前記第２のコールドゾーン内の前記第２のエンドに隣接している対応する第１および第２の燃料出口まで延在し、また、前記第１および第２の酸化剤通路が、前記第２のコールドゾーン内の前記第２のエンドに隣接している対応する第１および第２の空気入口から前記第１のコールドゾーン内の前記第１のエンドに隣接している対応する空気出口まで延在している、請求項２７に記載の燃料電池デバイス。
  29. 請求項１に記載の前記デバイスを使用する方法であって、
    前記第１の部分をホットゾーンチャンバ内に備え、かつ、前記第２の部分を前記ホットゾーンチャンバの外側に備えた前記細長い基板を配置する段階と、
    燃料サプライを前記ホットゾーンチャンバの外側の前記少なくとも１つのコールドゾーン内の前記複数の燃料通路に結合する段階と、
    空気サプライを前記ホットゾーンチャンバの外側の前記少なくとも１つのコールドゾーン内の前記複数の酸化剤通路に結合する段階と、
    前記少なくとも１つのコールドゾーンを３００℃未満の低温に維持しつつ前記反応ゾーンを４００℃を超える作動温度まで加熱するために前記ホットゾーンチャンバ内に熱を印加する段階と、
    対応する前記燃料サプライおよび空気サプライから対応する前記燃料通路および酸化剤通路に燃料および空気を供給し、延いては加熱された前記反応ゾーンに燃料および空気を供給する段階であって、それにより前記燃料と空気が反応する段階と
    を含む方法。
  30. 請求項２に記載の前記システムを使用する方法であって、
    前記少なくとも１つのコールドゾーンを３００℃未満の低温に維持しつつ前記反応ゾーンを４００℃を超える作動温度まで加熱するために前記ホットゾーンチャンバ内に熱を印加する段階と、
    前記酸化剤通路内の空気と反応させるために、前記燃料サプライから前記燃料通路に燃料を供給し、延いては加熱された前記反応ゾーンに燃料を供給する段階と
    を含む方法。
  31. 燃料電池を製造する方法であって、
    最大寸法である長さを有し、それにより前記長さと同一に広がるただ一つの主軸を有する熱膨張率を有する細長いモノリシック焼結セラミック基板を提供する工程であって、前記細長い基板が、複数の第１の通路と、前記複数の第１の通路のうちの対応する１つと互いに対向する関係で配置された複数の第２の通路とを備えた工程と、
    前記第１の通路にアノード粒子および第１の液体を含有した流体アノード材料を充填する工程と、
    前記第１の液体を除去し、前記第１の通路の各々の表面にアノード粒子の層を形成する工程と、
    前記第２の通路にカソード粒子および第２の液体を含有した流体カソード材料を充填する工程と、
    前記第２の液体を除去し、前記第２の通路の各々の表面にカソード粒子の層を形成する工程と
    を含む方法。
  32. 前記除去工程が、前記対応するアノード粒子およびカソード粒子を前記第１および第２の通路の前記対応する表面に沈殿させ、かつ、前記対応する第１および第２の液体を前記第１および第２の通路から抜き取るために、前記液体アノード材料のｐＨおよび前記液体カソード材料のｐＨを変更するステップを含む、請求項３１に記載の方法。
  33. 前記除去工程が、前記対応するアノード粒子およびカソード粒子を前記第１および第２の通路の前記対応する表面に定着させる工程と、引き続いて前記対応する第１および第２の液体を前記第１および第２の通路から乾燥させるかあるいは焼き出す工程とを含む、請求項３１に記載の方法。
  34. 前記定着させる工程が、前記対応するアノード粒子およびカソード粒子を前記第１および第２の通路の前記対応する表面に強制的に定着させるために遠心分離機を使用するステップを含む、請求項３３に記載の方法。
  35. 前記第１および第２の通路の前記表面が
    前記充填工程に先だって前記表面に沿って表面粒子を並べること；または
    前記表面にパターンを与えるための焼結に先立ち、前記表面の材料が未焼結（グリーン）状態である間にパターン化された物を押し付けること、及び、それに続く前記パターンを硬化させるための焼結；
    により非一様なトポグラフィを備えた、請求項３１に記載の方法。
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