JP2012507121A - 燃料電池デバイス及びシステム - Google Patents

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Abstract

燃料電池デバイス（１０等）及びシステムを提供する。特定の実施形態では、デバイス（１０等）はセラミック支持構造（２９）を含む。その長さ方向が熱膨張の主方向である。少なくとも一つのアクティブ層を有する反応ゾーン（３２）は、第一の端部（１１ａ）から間隔が空けられ、第一及び第二の対向電極（２４、２６）と、第一及び第二のアクティブガス通路（８１５、８２１）と、電解質（２８）を含む。第一のアクティブガス通路（８１５）は、ｙ方向に延伸しｚ方向に間隔の空けられた複数のサブ通路を含む。幹線フロー通路（８１４）は第一の端部（１１ａ）から長さ方向に沿って反応ゾーン（３２）内に延伸し、第一のアクティブガス通路（８１５）のサブ通路に流体的に結合される。幹線フロー通路（８１４）の厚さはサブ通路の厚さよりも大きい。

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、連邦規則（Ｃ．Ｆ．Ｒ．）第３７巻１．７８（ａ）（４）により、２００８年１０月２８日に出願した“Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ”という名称の同時係属中の米国仮出願第６１／１０９１０７号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−１３Ｐ）の利益及び優先権を主張する。
また、本願は、それぞれ２００９年３月６日、２００８年１１月７日、２００８年５月８日に出願され、各々“Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ”という名称の米国特許出願第１２／３９９７３２号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０９ＵＳ）、第１２／２６７４３９号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０６ＵＳ）、第１２号／１１７６２２号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０５ＵＳ１）にも係り、それらの開示全体は参照として本願に組み込まれる。また、本願は、両方とも２００７年５月１０日に出願され、“Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ”という名称の同時係属中の米国特許出願第１１／７４７０６６号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０３ＵＳ１）及び第１１／７４７０７３号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０３ＵＳ２）にも係り、それらの開示全体は参照として本願に組み込まれる。また、本願は、全て２００６年１１月８日に出願され、各々“Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ”という名称の同時係属中の米国特許出願第１１／５５７８９４号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０４ＵＳ１）、第１１／５５７９０１号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０４ＵＳ２）及び第１１／５５７９３５（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０４ＵＳ３）、並びに“Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｕｓｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ”という名称の第１１／５５７９３４号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０４ＵＳ４）にも係り、それらの開示全体は参照として本願に組み込まれる。
本発明は、燃料電池デバイス及びシステム、並びにそのデバイスを製造する方法に係る。
セラミックチューブは、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ，Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）の製造における使用が見出されている。いくつかのタイプの燃料電池が存在していて、各々が、燃焼を伴わずに電気を生成するための異なる燃料及び空気変換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”）は、層を介した酸素原子の移動を許容して化学反応を完成させるセラミック層である。セラミックは、室温では酸素原子の伝導体として優れないため、燃料電池は７００℃から１０００℃で動作し、また、セラミック層は可能な限り薄く製造される。
初期のチューブ状ＳＯＦＣは、長くて極めて直径の大きなジルコニアセラミックの押出しチューブを使用してウェスティングハウス（Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ）社によって製造された。典型的なチューブの長さは数フィートの長さであり、チューブの直径は１／４インチから１／２インチまでの範囲であった。燃料電池のための完全な構造には、通常、大体１０本のチューブが含まれていた。その後、研究者や産業グループは、８モル％のＹ２Ｏ３を含有したジルコニアセラミックの化学式を発見した。この材料は、特に日本の東ソーが製品ＴＺ−８Ｙとして製造している。
ＳＯＦＣを製造する他の方法では、燃料電池構造を得るために他のアノード及びカソードと共に積み重ねられたジルコニアの平らなプレートが用いられる。ウェスティングハウス社が想定した、長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インチから８インチの立方体形状にすることができる。
更に新しい方法では、直径が小さくて、壁の厚さが極めて薄いチューブをより多量に使用することが想定されている。酸素イオンの移動速度は、距離及び温度によって制限されるので、薄い壁のセラミックを使用することが、ＳＯＦＣにおいて重要である。使用されるジルコニアの層が薄いほど、同じ効率を維持しながら、より低温で最終デバイスを動作させることができる。文献には、セラミックチューブを１５０μｍ以下の壁厚で製造する必要性が記載されている。
ＳＯＦＣの実現の成功を遅らせている主な技術的な問題はいくつかある。問題の一つは、加熱中におけるセラミック素子のひび割れを防止する必要性である。このためには、チューブが本質的に一次元であるので、競合する“スタック”タイプ（大きくて平らなセラミックプレートから製造される）よりも、チューブ状ＳＯＦＣのアプローチの方が優れている。チューブは、例えば中間部分を熱くして、ひび割れを生じさせずに膨張することができる。例えば、チューブ状炉は、長さ３６インチ、直径４インチのアルミナチューブを加熱することができ、チューブは、中央部分が赤熱し、また、その端部部分は、触れることができるほど十分に冷たくなる。チューブは中央セクションが均一に加熱されるので、その中央セクションが膨張してチューブをより長くするが、ひび割れは生じない。中央部分のみが加熱されるセラミックプレートは、中央部分が膨張する一方で外側が同じサイズを維持するため、すぐに粉々になる。チューブの重要な特性は、チューブが一軸性であること、つまり一次元であることである。
第二の重要な課題は、ＳＯＦＣへの接触である。ＳＯＦＣは理想的には高温（典型的には７００〜１０００℃）で動作するが、空気及び燃料用に外界に接続しなければならず、また、電気接続する必要がある。理想的には室温での接続が期待される。有機材料を使用することは不可能であるので、高温での接続が問題となり、ガラスシールや機械的シールを使用しなければならない。これらは、一部には膨張問題のため、信頼性に欠け、また、高価であり得る。
国際公開第２００３／００５４６２号 国際公開第２００９／１１１７７１号 米国特許出願公開第２００７／２６４５４２号明細書 欧州特許出願公開第０７５６３４７号明細書
従って、従来のＳＯＦＣシステムは、上述の少なくとも二つの問題についての困難性を有する。また、プレート技術は、ガスポートを密閉する点に関して、プレートの縁についての困難性を有し、また、高速加熱並びにひび割れについて困難性を有する。チューブアプローチはひび割れの問題を解決するが、依然として他の問題を有する。ＳＯＦＣチューブは、ガスコンテナとしてのみ有用である。その動作のためには、より大きい空気コンテナの中で使用しなければならない。これは嵩張る。チューブの使用に対する重要な課題は、熱及び空気の両方、つまり反応用のＯ２を提供する空気、反応を加速させる熱をチューブの外部に適用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加えられるので、Ｏ２が２０％（典型値）の空気を適用する代わりに、空気は実際に部分的に還元され（熱を提供するために部分的に燃焼される）、電池の駆動電位が低下する。
また、ＳＯＦＣチューブは、そのスケーラビリティが制限されている。より大きなｋＶ出力を達成するためには、より多くのチューブを追加しなければならない。各チューブは単一の電解質層であり、その増加は嵩張る。固体電解質チューブ技術は、更に、達成可能な電解質の薄さに関して制限されている。より薄い電解質の方が、より効率的である。より大きな電力のためには、２μｍ、更には１μｍの厚さの電解質が最適であるが、固体電解質チューブでは、達成することが非常に難しい。単一の燃料電池領域は、略０．５ボルトから１ボルトを生成するが（これは、電池が１．２ボルトを出力するのと同様、化学反応の推進力により固有である）、電流、従って電力は、いくつかの要因に依存することに留意されたい。より大きな電流は、所定の時間内により多くの酸素イオンが電解質を横切って移動するようにする要因に起因する。これらの要因は、より高い温度、より薄い電解質及びより広い面積である。
本明細書に組み込まれその一部をなしている添付図面は、以上の一般的な説明及び以下の詳細な説明と共に、本発明を説明するものである。
単一のアノード層、カソード層及び電解質層、並びに二つの端部低温ゾーン間の高温ゾーンを有する本発明の基本的なＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を示す垂直断面図である。 単一のアノード層、カソード層及び電解質層、並びに二つの端部低温ゾーン間の高温ゾーンを有する本発明の基本Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を水平断面図で示す。 燃料供給チューブが接続された本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態の第一の端部を斜視図で示す。 本発明の一実施形態によるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスであって、修正された端部を有するものの斜視図を示す。 図３Ａのデバイスの修正された一方の端部に接続された燃料供給チューブを斜視図で示す。 本発明の一実施形態による正及び負の電圧ノードに電気接続するための複数のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスに対する金属結合取り付け手段を斜視図で示す。 本発明の一実施形態による複数のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス間の接続であって、各Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスが複数のアノード及びカソードを含む接続を概略的な端面図で示す。 本発明の一実施形態による正及び負の電圧ノードに電気接続するための機械的取り付け手段の概略的な端面図を示す。 燃料供給チューブ及び空気供給チューブが取り付けられるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一方の端部に単一の低温ゾーンを有し、他方の端部が高温ゾーンである一代替実施形態の斜視図を示す。 燃料供給チューブ及び空気供給チューブが取り付けられるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一方の端部に単一の低温ゾーンを有し、他方の端部が高温ゾーンである一代替実施形態の斜視図を示す。 一実施形態による空気通路及び燃料通路内の複数の支柱を垂直断面図で示す。 一実施形態による空気通路及び燃料通路内の複数の支柱を水平断面図で示す。 他の実施形態による燃料通路及び空気通路内における支柱としての球状ボールの使用を示す顕微鏡写真である。 他の実施形態による燃料通路及び空気通路内における支柱としての球状ボールの使用を示す顕微鏡写真である。 外部で並列に接続された二つの燃料電池を含んだ本発明の一実施形態の断面図である。 図８Ａと同様の本発明の他の実施形態であって、ビアを使用して内部で並列に接続された二つの燃料電池を有するものの断面図を示す。 共有されたアノード及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であって、三つの燃料電池層が並列に接続されたものの断面図を示す。 共有されたアノード及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であって、三つの燃料電池が直列に接続されたものの断面図を示す。 デバイスの低温端部に接続された燃料供給チューブ、及び、加熱された空気を高温ゾーンにおいてデバイスに供給するための空気通路に高温ゾーンで通じているデバイスの側面を有する、本発明の一実施形態によるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す概略的な側面図である。 図１０の実施形態の変形例であって、対向する低温端部間に高温ゾーンが配置されているものを概略的な側面図で示す。 線１０Ｂ−１０Ｂに沿った図１０ＡのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す水平断面図である。 図１２〜図２４に示される構成要素用のキーを提供する。 本発明の実施形態を概略的に示す。 本発明の実施形態を概略的に示す。 本発明の実施形態を概略的に示す。 本発明の実施形態を概略的に示す。 本発明の実施形態を概略的に示す。 本発明の実施形態を概略的に示す。 本発明の実施形態を概略的に示す。 本発明の実施形態を概略的に示す。 本発明の実施形態を概略的に示す。 本発明の実施形態を概略的に示す。 本発明の実施形態を概略的に示す。 本発明の実施形態を概略的に示す。 本発明の実施形態を概略的に示す。 一方の低温端部に細長いセクションを有し、反対側の高温端部に広い表面積の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Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを概略的な上面図で示す。 両端の低温端部に二つの細長いセクションを有し、中央の高温ゾーンに広い表面積の中央セクションを有するパンハンドル設計の代替実施形態を示す概略的な上面図である。 両端の低温端部に二つの細長いセクションを有し、中央の高温ゾーンに広い表面積の中央セクションを有するパンハンドル設計の代替実施形態を示す概略的な上面図である。 両端の低温端部に二つの細長いセクションを有し、中央の高温ゾーンに広い表面積の中央セクションを有するパンハンドル設計の代替実施形態を示す概略的な側面図である。 一方の低温端部に細長いセクションを有し、反対側の高温端部に広い表面積の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Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを概略的な上面図で示す。 一方の低温端部に細長いセクションを有し、反対側の高温端部に広い表面積の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Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを概略的な側面図で示す。 螺旋つまり巻かれたチューブ状構成を有する本発明の一実施形態によるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示し、その巻かれていない構造が概略的な上面図で示されている。 螺旋つまり巻かれたチューブ状構成を有する本発明の一実施形態によるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示し、その巻かれていない構造が概略的な上面図で示されている。 螺旋つまり巻かれたチューブ状構成を有する本発明の一実施形態によるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示し、その巻かれていない構造が概略的な上面図で示されている。 螺旋つまり巻かれたチューブ状構成を有する本発明の一実施形態によるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示し、その螺旋つまり巻かれたチューブ状構成が概略的な斜視図で示されている。 Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスがチューブ状の同心形態を有する本発明の他の代替実施形態を示し、デバイスが概略的な等角図で示されている。 Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスがチューブ状の同心形態を有する本発明の他の代替実施形態を示し、図２９Ａからの断面図が示されている。 Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスがチューブ状の同心形態を有する本発明の他の代替実施形態を示し、図２９Ａからの断面図が示されている。 Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスがチューブ状の同心形態を有する本発明の他の代替実施形態を示し、図２９Ａからの断面図が示されている。 Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスがチューブ状の同心形態を有する本発明の他の代替実施形態を示し、図２９Ａからの断面図が示されている。 Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスがチューブ状の同心形態を有する本発明の他の代替実施形態を示し、空気投入端部の端面図が示されている。 Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスがチューブ状の同心形態を有する本発明の他の代替実施形態を示し、燃料投入端部の端面図が示されている。 高温ゾーンのアクティブゾーンの前に統合予熱ゾーンを有する本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの実施形態を概略的な垂直断面図で示す。 図３０Ａのデバイスの線３０Ｂ−３０Ｂに沿った概略的な断面図を示す。 図３０Ａのデバイスの線３０Ｃ−３０Ｃに沿った概略的な断面図を示す。 図３０Ａと類似するが中央の高温ゾーンを備えた二つの低温ゾーンを示す。 図３０Ｂと類似するが中央の高温ゾーンを備えた二つの低温ゾーンを示す。 図３０Ｃと類似するが中央の高温ゾーンを備えた二つの低温ゾーンを示す。 図３１Ａ〜図３１Ｃに示される実施形態と同様の実施形態を概略的な垂直断面図で示すが、更に、燃料インレットと燃料通路との間、及び空気インレットと空気通路との間に延伸する予熱チャンバを含み、各予熱チャンバが低温ゾーンから高温ゾーンの予熱ゾーン内へ延伸している。 図３２Ａの線３２Ｂ〜３２Ｂに沿った概略的な水平断面図で示す。 空気及び燃料を予熱するための本発明の他の実施形態をＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの長手方向の中心に沿った概略的な垂直断面図で示す。 図３３Ａの線３３Ｂ〜３３Ｂに沿った概略的な上面水平断面図である。 図３３Ａの線３３Ｃ〜３３Ｃに沿った概略的な底面水平断面図である。 外部で直列に相互接続された複数のアノード及びカソードを有する実施形態を概略的な正面斜視図で示す。 外部で直列に相互接続された複数のアノード及びカソードを有する実施形態を概略的な側面図で示す。 直列‐並列設計を提供するために、金属帯状体によって外部接続された二つの構造で二倍にされた図３４Ｂの構造を概略的な側面図で示す。 高温ゾーン内でアノード及びカソードを直列及び／又は並列に接続するための金属帯状体と、低温ゾーン内で正及び負の電圧ノードに低温接続するために高温ゾーンから低温ゾーンまで延伸する長い金属帯状体とを含んだ本発明の他の実施形態を概略的な側面図で示す。 高温ゾーン内でアノード及びカソードを直列及び／又は並列に接続するための金属帯状体と、低温ゾーン内で正及び負の電圧ノードに低温接続するために高温ゾーンから低温ゾーンまで延伸する長い金属帯状体とを含んだ本発明の他の実施形態を概略的な斜視図で示す。 図３６Ｂの実施形態と同様の実施形態を概略的な等角図で示すが、空気及び燃料供給源の接続用に、及び電圧ノードの接続用に単一の低温ゾーンを有する。 構造内に通路を形成するのに使用される有機材料を焼き出すための複数の出口ギャップをデバイスの側面に沿って有する本発明の実施形態を概略的な垂直断面図で示す。 構造内に通路を形成するのに使用される有機材料を焼き出すための複数の出口ギャップをデバイスの側面に沿って有する本発明の実施形態を概略的な垂直断面図で示す。 Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのアノード支持バージョンと称される、支持構造としてアノード材料が使用される他の実施形態を概略的な端部断面図で示す。 デバイスを介して燃料を運ぶ機能を果たす多孔性アノードによって開放燃料通路が除去されている他の実施形態によるアノード支持バージョンを概略的な端部断面図で示す。 デバイスを介して燃料を運ぶ機能を果たす多孔性アノードによって開放燃料通路が除去されている他の実施形態によるアノード支持バージョンを概略的な垂直断面図で示す。 複数の空気通路がアノード支持構造内に提供され、単一の燃料通路がこれらの複数の空気通路に対して直角に提供されているアノード支持バージョンの他の実施形態を概略的な端部断面図で示す。 複数の空気通路がアノード支持構造内に提供され、単一の燃料通路がこれらの複数の空気通路に対して直角に提供されているアノード支持バージョンの他の実施形態を概略的な水平断面図で示す。 一実施形態による、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ 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概略的な断面図で示す。 一実施形態による、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ 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概略的な断面図で示す。 一実施形態による、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ 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概略的な断面図で示す。 電解質層に、電極層を受け入れるために利用可能な表面積を広くするための非一様なトポグラフィが提供されている代替実施形態を概略的な垂直断面図で示す。 電解質層に、電極層を受け入れるために利用可能な表面積を広くするための非一様なトポグラフィが提供されている代替実施形態を概略的な垂直断面図で示す。 デバイスの左側及び右側の各々に複数の燃料電池を有し、それらの間に橋絡部分を有する、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの実施形態を概略的な上面図で示す。 デバイスの左側及び右側の各々に複数の燃料電池を有し、それらの間に橋絡部分を有する、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの実施形態を高温ゾーンに沿った断面図で示す。 デバイスの低温端部へ移動する電子に低抵抗の大きな又は幅の広い経路を提供するために大きな外部コンタクトパッドを有する、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの他の実施形態を概略的な斜視図で示す。 デバイスの低温端部へ移動する電子に低抵抗の大きな又は幅の広い経路を提供するために大きな外部コンタクトパッドを有する、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの他の実施形態を概略的な断面図で示す。 使用済みの燃料及び空気の両方用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Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを概略的な垂直断面図で示す。 厚い部分及び薄くて巻かれた部分を有する“エンドロールＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス”と称される一代替実施形態を、巻かれていないデバイスの斜視図で示す。 厚い部分及び薄くて巻かれた部分を有する“エンドロールＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス”と称される一代替実施形態を、巻かれたデバイスの垂直断面図で示す。 厚い部分及び薄くて巻かれた部分を有する“エンドロールＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス”と称される一代替実施形態を、巻かれたデバイスの斜視図で示す。 二つのセラミック層の間に１本のワイヤを使用してＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを構築するための一実施形態を概略的な垂直断面図で示す。 積層後の図４９Ａのデバイスを概略的な斜視図で示す。 ワイヤが除去された後の図４９Ｂのデバイスを概略的な斜視図で示す。 ワイヤ及びギャップ形成テープの組合せを使用してＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを構築するための他の実施形態を概略的な断面図で示す。 ワイヤ及びギャップ形成テープの組合せを使用してＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを構築するための他の実施形態を概略的な断面図で示す。 ワイヤ及びギャップ形成テープの組合せを使用してＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを構築するための他の実施形態を概略的な断面図で示す。 炉壁を貫通するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを概略的な斜視図で示す。 炉壁を貫通するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを概略的な斜視図で示す。 炉壁の境界内の図５２ＢのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一部を概略的な斜視図で示す。 炉壁を貫通することになるチューブ状Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一部を概略的な斜視図で示す。 複数の層で構築された炉壁を貫通するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを概略的な斜視図で示す。 複数の層及びエアギャップで構築された炉壁を貫通するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを概略的な斜視図で示す。 フローティング集電体を有するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのアセンブリを概略的な断面図で示す。 フローティング集電体を有するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのアセンブリを概略的な断面図で示す。 フローティング集電体を有するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのアセンブリを概略的な断面図で示す。 フローティング集電体を有するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのアセンブリを概略的な断面図で示す。 フローティング集電体を有するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのアセンブリを概略的な断面図で示す。 フローティング集電体を支持しているジルコニアボールを示す顕微鏡写真である。 フローティング集電体を支持しているジルコニアボールを示す顕微鏡写真である。 アノード又はカソードを形成する粘性液の中に懸濁したアノード粒子又はカソード粒子の図５５Ｄの構造への充填を概略的な断面図で示す。 アノード又はカソードを形成する粘性液の中に懸濁したアノード粒子又はカソード粒子の図５５Ｄの構造への充填を概略的な断面図で示す。 通路をほぼ遮断している集電体を示す顕微鏡写真である。 通路をほぼ遮断している集電体を示す顕微鏡写真である。 通路をほぼ遮断している集電体を示す顕微鏡写真である。 アノード及びカソードの表面上の集電体を概略的な断面図で示す。 アノード及びカソードの表面に埋め込まれた集電体を概略的な断面図で示す。 アノード又はカソードの中に集電体を埋込む方法を示す。 アノード又はカソードの中に集電体を埋込む方法を示す。 アノード又はカソードの中に集電体を埋込む方法を示す。 二つの厚さを有する電解質の個々の層を達成する方法を示す概略的な断面図である。 図６２の詳細図である。 ハッチパターンの集電体の上面図を示す顕微鏡写真である。 多孔性アノード又はカソード上方の集電体の側面を示す顕微鏡写真である。 多孔性アノード又はカソード上方の集電体の角度が付いた断面図を示す顕微鏡写真である。 Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの端部に被せたチューブの概略的な断面図である。 図６６Ａのデバイスの端部の概略的な斜視図である。 Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの端部に配置された、ばね電気コンタクトを含むコネクタの概略的な断面図である。 図６７Ａのコネクタの概略的な斜視図である。 四つの出口点を有するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す概略的な斜視図である。 四つの出口点を有するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す概略的な斜視図である。 多孔性アノード又はカソード中にリセスされた集電体トレースを示す顕微鏡写真である。 炭素‐ワックス犠牲材料を除去した後に残されるギャップを示す顕微鏡写真である。 一実施形態による二つの電極間のビア接続を概略的な断面図で示す。 一実施形態による二つの相互接続電極を概略的な断面図で示す。 他の実施形態による二つの電極を相互接続する方法を斜視図で示す。 他の実施形態による二つの電極を相互接続する方法を概略的な断面図で示す。 重畳方法を用いた電池間の直列接続の一実施形態を概略的な断面図で示す。 重畳方法を用いた電池間の直列接続の一実施形態を概略的な断面図で示す。 重畳方法を用いた電池間の直列接続の一実施形態を概略的な断面図で示す。 重畳方法を用いた電池間の直列接続の一実施形態を概略的な断面図で示す。 プランジングコンダクタ方法を使用して電池間の直列相互接続を形成するための方法の他の実施形態を斜視図で示す。 プランジングコンダクタ方法を使用して電池間の直列相互接続を形成するための方法の他の実施形態を概略的な断面図で示す。 プランジングコンダクタ方法を使用して電池間の直列相互接続を形成するための方法の他の実施形態を概略的な断面図で示す。 プランジングコンダクタ方法を使用して電池間の直列相互接続を形成するための方法の他の実施形態を概略的な断面図で示す。 プランジングコンダクタ方法を使用して電池間の直列相互接続を形成するための方法の他の実施形態を斜視図で示す。 複数のプランジングコンダクタを使用した直列相互接続の他の実施形態を概略的な斜視図で示す。 図７５Ａ〜図７６の実施形態のうちいずれか一つに従って直列に接続された複数の電池を断面図で示す。 プランジングコンダクタ方法の変形例を概略的な斜視図で示す。 プランジングコンダクタ方法の変形例を概略的な斜視図で示す。 プランジングコンダクタ方法の変形例を概略的な斜視図で示す。 ビアを用いた直列相互接続用の実施形態を概略的な断面図で示す。 ビアを用いた直列相互接続用の実施形態を概略的な斜視図で示す。 ビアを用いた直列相互接続用の実施形態を概略的な断面図で示す。 ビアを用いた直列相互接続用の実施形態を概略的な断面図で示す。 単一層直列接続のうちの並列複数層接続の一実施形態を概略的な断面図で示す。 単一層直列接続のうちの並列複数層接続の一実施形態を概略的な断面図で示す。 単一層直列接続のうちの並列複数層接続の一実施形態を概略図で示す。 単一層直列接続のうちの並列複数層接続の一実施形態を概略図で示す。 図７４Ｃの直列構造を組み込んだ単一層Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを概略的な断面図で示す。 図８２のデバイス用の直列‐並列組み合わせの一実施形態を概略的に示す。 図８２のデバイス用の直列‐並列組み合わせの一実施形態を概略的に示す。 同じガス通路上に存在している二つの電極間の並列接続を提供するための他の実施形態を概略的な斜視図で示す。 同じガス通路上に存在している二つの電極間の並列接続を提供するための他の実施形態を概略的な断面図で示す。 直列設計を有する、螺旋状に巻かれた多層Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を概略的な斜視図で示す。 直列設計を有する、螺旋状に巻かれた多層Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を概略的な斜視図で示す。 螺旋状に巻かれた多層Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの他の実施形態を概略的な斜視図で示す。 螺旋状に巻かれた多層Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの他の実施形態を概略的な斜視図で示す。 図８６Ａ及び図８６Ｂの実施形態の概略的な詳細断面図である。 図８６Ａ及び図８６Ｂの実施形態の概略的な詳細断面図である。 Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス内の電気接続を提供するための一実施形態を概略的な斜視図で示す。 Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス内の電気接続を提供するための一実施形態を概略的な斜視図で示す。 ガスフロー通路のレイアウトを概略的な斜視図で示す。 折り畳まれた通路を使用した直列電池の概略図である。 折り畳まれたスタック設計を使用して直列に接続された多数の層を備えたＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を概略的な斜視図で示す。 折り畳まれたスタック設計を使用して直列に接続された多数の層を備えたＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を概略的な断面図で示す。 折り畳まれたスタック設計を使用して直列に接続された多数の層を備えたＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を概略的な断面図で示す。 自由フローティングエリアを提供するための折り畳まれたスタック設計の取り付け用の実施形態を概略的な断面図で詳細に示す。 自由フローティングエリアを提供するための折り畳まれたスタック設計の取り付け用の実施形態を概略的な断面図で詳細に示す。 デバイスの一方の側に接続された並列アクティブ層、及びデバイスの他方の側の自由フローティングを示す端部断面図である。 デバイスの一方の側に接続された並列アクティブ層、及びデバイスの他方の側の自由フローティングを示す水平断面図である。 デバイスの一方の側に接続された並列アクティブ層、及びデバイスの他方の側の自由フローティングを示す端部断面図である。 デバイスの一方の側に接続された並列アクティブ層、及びデバイスの他方の側の自由フローティングを示す水平断面図である。 直列接続の二つのカソードとそれらの間の障壁層を概略的な断面図で示す。 直列接続の二つのカソードとそれらの間の障壁層を概略的な断面図で示す。 直列接続の二つのカソードとそれらの間の障壁層を概略的な断面図で示す。 電力接続の一実施形態を断面図で示す。 電力接続の一実施形態を概略的な斜視図で示す。 低抵抗接続用の一実施形態を概略的な断面図で示す。 永久的に取り付けられた端部チューブ接続を備えた燃料電池デバイスの実施形態を概略的な斜視図で示す。 永久的に取り付けられた端部チューブ接続を備えた燃料電池デバイスの実施形態を概略的な斜視図で示す。 永久的に取り付けられた端部チューブ接続を備えた燃料電池デバイスの実施形態を概略的な斜視図で示す。 永久的に取り付けられた端部チューブ接続を備えた燃料電池デバイスの実施形態を概略的な斜視図で示す。 永久的に取り付けられた端部チューブ接続を備えた燃料電池デバイスの実施形態を概略的な斜視図で示す。 永久的に取り付けられた端部チューブ接続を備えた燃料電池デバイスの実施形態を概略的な斜視図で示す。 永久的に取り付けられた端部チューブ接続を備えた燃料電池デバイスの実施形態を概略的な斜視図で示す。 セラミックの予備焼結済みコアの形態をいくつか概略的な斜視図で示す。 支持部材及びチャネルを有する平坦なチューブを概略的な斜視図で示す。 支持部材及びチャネルを有する平坦なチューブを概略的な斜視図で示す。 従来技術の方法で使用される平坦なチューブを概略的な断面図で示す。 本発明の実施形態による平坦なチューブチャネルの使用を部分斜視図で示す。 本発明の実施形態による平坦なチューブチャネルの使用を部分斜視図で示す。 本発明の実施形態による平坦なチューブチャネルの使用を部分斜視図で示す。 平坦なチューブから多層アクティブ構造の層へのガス分配の実施形態を概略的な断面図で示す。 平坦なチューブから多層アクティブ構造の層へのガス分配の実施形態を概略的な断面図で示す。 平坦なチューブの接続についての実施形態を概略的な斜視図で示す。 平坦なチューブの接続についての実施形態を概略的な斜視図で示す。 平坦なチューブの接続についての実施形態を概略的な斜視図で示す。 平坦なチューブの接続についての実施形態を概略的な斜視図で示す。 マイクロチューブを形成するための繊維の倍率５００倍の顕微鏡写真である。 マイクロチューブを形成するための繊維の倍率２００倍の顕微鏡写真である。 焼成電極中に形成されたマイクロチューブを示す顕微鏡写真である。 焼成電極中に形成されたマイクロチューブを示す顕微鏡写真である。 焼成電極中に形成されたマイクロチューブを示す顕微鏡写真である。 マイクロチューブをその中に有する電極が交差するガスフロー経路の実施形態の詳細の概略的な断面図である。 マイクロチューブをその中に有する電極が交差するガスフロー経路の実施形態の詳細の概略的な断面図である。 ガスが電極を通って他のガス通路へ流入する直列設計を上から見下ろした概略的な断面図である。 小型サイズのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態の側面図である。 図１２０のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの実施形態を示す上面図である。 図１２０のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの実施形態を示す斜視図である。 安定化ポイントをその上に有する、図１２０のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの概略的な側面図である。 フロー通路がアクティブエリアにおいて細くなっている実施形態を概略的な断面図で示す。 異なる複数のアクティブ層の複数のアクティブフロー通路に対して供給を行なう幹線フロー通路を有する実施形態によるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを斜視図で示す。 異なる複数のアクティブ層の複数のアクティブフロー通路に対して供給を行なう幹線フロー通路を有する実施形態によるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを斜視図で示す。 単一のアクティブ層の複数のアクティブフロー通路に対して供給を行なう幹線フロー通路を有する実施形態を上面図で示す。 幹線フロー通路及びアクティブフロー通路を有するデバイスを製造するための未焼結アセンブリ法を概略的な斜視図で示す。 幹線フロー通路及びアクティブフロー通路を有するデバイスを製造するための未焼結アセンブリ法を概略的な断面図で示す。 図１２５Ｂの方法の結果としてのデバイスを斜視図で示す。 成形縁部及び成形幹線フロー通路を有する実施形態を斜視図で示す。 成形縁部及び成形幹線フロー通路を有する実施形態を斜視図で示す。 成形縁部及び成形幹線フロー通路を有する実施形態を斜視図で示す。 異なる複数のガスフロー通路を有する実施形態を斜視図で示す。 他の実施形態によるガスフロー通路用の入口及び出口の設計を斜視図で示す。 他の実施形態によるガスフロー通路用の入口及び出口の設計を概略的な上面図で示す。 燃料及び空気の流れの両方について、単一のアクティブフロー通路に対して作用する単一の幹線フロー通路を有する二重幹線デバイスを概略的な断面図で示す。 一つのガスフローに対する単一アクティブ層デバイスの実施形態を斜視図で示す。 一つのガスフローに対する多数アクティブ層デバイスの実施形態を斜視図で示す。 図１２９Ｃと同様のデバイスであるが、両方のガスフローを示すものを斜視図で示す。 成形された二重幹線Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの実施形態を斜視図で示す。 成形された二重幹線Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの実施形態を斜視図で示す。 成形された二重幹線Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの実施形態を斜視図で示す。 垂直ガス出口ホールを有する二重幹線Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの概略的な端部図を示す。 垂直ガス出口ホールを有する二重幹線Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの概略的な内部の上面から下面への図を示す。 直列設計における各電池に対する垂直出口ホールを有する二重幹線Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの斜視図である。 一実施形態による直列の相互接続されたアノード及びカソードを有する一つのアクティブ層の概略的な上面図である。 一実施形態による直列の相互接続されたアノード及びカソードを有する一つのアクティブ層の概略的な部分断面図である。 図１３４Ａの構造を形成するためにギャップ形成材料を備えて積層された図１３４Ｂの構成要素の部分分解断面図である。 一実施形態による電子の流れのダイヤグラム図である。 一実施形態による多層直列‐並列デバイスの更なる実施形態を斜視図で示す。 図１３６のＡに沿った断面図である。 図１３６のＢに沿った断面図である。 図１３６のＣに沿った断面図である。 図１３６のＤに沿った断面図である。 図１３６のＥに沿った断面図である。 図１３６のＦに沿った断面図である。 図１３６のＧに沿った断面図である。 一実施形態による多層直列‐並列デバイスの更なる実施形態を斜視図で示す。 図１３７のＡに沿った断面図である。 図１３７のＢに沿った断面図である。 図１３７のＣに沿った断面図である。 図１３７のＤに沿った断面図である。 図１３７のＥに沿った断面図である。 図１３７のＦに沿った断面図である。 図１３７のＧに沿った断面図である。 一実施形態による直列‐並列設計の電子の流れのダイヤグラム図である。 他の実施形態による直列‐並列設計の電子の流れのダイヤグラム図である。 直列設計のアノード及びカソードを相互接続するための実施形態の水平断面図である。 直列設計のアノード及びカソードを相互接続するための実施形態の水平断面図である。 他の実施形態による表面幹線によってＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスから出て行く燃料を示す断面図である。 他の実施形態による表面幹線によってＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスから出て行く燃料を示す斜視図である。 他の実施形態によるガスの入口及び出口用の四つの表面幹線を示す断面図である。 一実施形態によるガスフロー用の出口ポイントに対する変形例を示す概略的な斜視図である。 一実施形態によるガスフロー用の出口ポイントに対する変形例を示す概略的な斜視図である。 一実施形態によるガスフロー用の出口ポイントに対する変形例を示す概略的な斜視図である。 一実施形態によるガスフロー用の出口ポイントに対する変形例を示す概略的な側面図である。 多様な実施形態において使用される導電性ボールを概略的な断面図で示す。 Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスに対して使用される空気‐燃料‐電力プラグを概略的な斜視図で示す。 一実施形態による二重電力供給Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの実施形態の概略的な上面図である。 一実施形態による二重電力供給Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの実施形態の概略的な上面図である。 ずれがギャップ（図１４７Ｃに最もよく示される）を生じさせる可能性のあるアクティブエリア及び隣接領域の構築を示す。 ずれがギャップ（図１４７Ｃに最もよく示される）を生じさせる可能性のあるアクティブエリア及び隣接領域の構築を示す。 ずれがギャップ（図１４７Ｃに最もよく示される）を生じさせる可能性のあるアクティブエリア及び隣接領域の構築を示す。 ずれを防止する額縁方法を分解図で示す。 ずれを防止する額縁方法を断面図で示す。 ずれを防止する額縁方法を断面図で示す。 フロー通路を形成するための複数のワイヤの使用に対する実施形態の断面図を示す。 フロー通路を形成するための複数のワイヤの使用に対する実施形態の断面図を示す。 低温ゾーン内に突出している端部を備えた実施形態を概略的な上面図で示す。 低温端部を排除するデバイスの変更例を概略的な上面図で示す。 二つのフォーク状端部を有する実施形態を概略的な上面図で示す。 二つのフォーク状端部を有する実施形態を概略的な上面図で示す。 一つのフォーク状端部を有する実施形態を概略的な上面図で示す。 ガスフロー通路の配置に対する一実施形態を概略的な斜視図で示す。 ガスフロー通路の配置に対する一実施形態を概略的な斜視図で示す。 ガスフロー通路の配置に対する一実施形態を概略的な斜視図で示す。 分割されていない電極を概略的な上面図で示す。 分割されていない電極を概略的な側面図で示す。 分割された電極に対する同じ電極領域を概略的な上面図で示す。 分割された電極に対する同じ電極領域を概略的な側面図で示す。 分割された電極に対する同じ電極領域を概略的な断面図で示す。 図１５４Ｂの分割された電極上に集電体を配置するための実施形態を断面図で示す。 図１５４Ｂの分割された電極上に集電体を配置するための実施形態を断面図で示す。 厚さの異なる電極の一実施形態を断面図で示す。 図１５５Ｂ及び図１５６の実施形態の組み合わせである実施形態を断面図で示す。 デバイスのセラミック支持構造に図１５６の電極構造を固定するための実施形態を断面図で示す。 デバイスのセラミック支持構造に図１５６の電極構造を固定するための実施形態を断面図で示す。 積層デバイスの三つの例のうち一つの概略的な上部分解図を示す。 積層デバイスの三つの例のうち一つの概略的な端部図を示す。 積層デバイスの三つの例のうち一つの概略的な上部分解図を示す。 積層デバイスの三つの例のうち一つの概略的な端部図を示す。 積層デバイスの三つの例のうち一つの概略的な上部分解図を示す。 積層デバイスの三つの例のうち一つの概略的な端部図を示す。 細長のアクティブ本体に対して９０度にされた端部を有する実施形態の概略的な上面図である。 薄いアクティブ部を有するデバイスの概略的な側面図である。 面積／体積が減少しているフロー通路の概略的な上面図である。 本発明のデバイスを作製するための一実施形態を斜視図で示す。
一実施形態では、本発明は、燃料ポート及び空気ポートが一つのモノリシック構造で製造されるＳＯＦＣデバイス及びシステムを提供する。一実施形態では、ＳＯＦＣデバイスは、本質的には、比較的平坦又は長方形のスティックである細長い構造であり（ゆえにＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスと称される）、その長さは、幅又は厚さより顕著に長くなっている。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、低温端部を有することができる一方で、中央部分は熱い（低温端部は３００℃未満であり、高温の中央部分は４００℃より高く、大抵は７００℃よりも高温である）。セラミックの遅い熱伝導は、高温の中央部分がより低温の端部を完全に加熱するのを防止することができる。更に、これらの端部は、そこに到達するあらゆる熱を速やかに発散させる。本発明は、接続用の低温端部を有することにより、アノード、カソード、燃料インレット及びＨ２Ｏ ＣＯ２アウトレット、並びに空気インレット及び空気アウトレットへの接続をより容易にすることを実現することができる。また、チューブ状燃料電池構造も、低温端を有することができる一方で、中央部分が熱いが、従来技術では、セラミックチューブのこの利点が利用されておらず、代わりに、高温接続が必要である場合には、チューブ全体が炉又は高温ゾーンの中に置かれる。従来技術において、燃料入口用の高温ろう付け接続が、複雑で、コストが掛かることは認識されているが、本願で示されている解決法については認識されていない。本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、長くて、薄いため、上述の中央部分を加熱することができ、かつ、依然として低温端部を有することができる熱特性の利点を有する。これによって、温度に対してＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを構造的に頑丈にし、また、燃料、空気及び電極の接続を比較的容易にしている。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、本質的に独立型システムであり、発電のために加える必要があるのは、熱、燃料及び空気のみである。構造は、これらのものを容易に取り付けることができるように設計されている。
本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは多層構造であり、複数の他の利点を提供する多層共焼成方法を使用して製造することができる。第一に、本デバイスはモノリシックであり、デバイスを構造的に頑丈にするのに役立っている。第二に、本デバイスは、キャパシタチップのＭＬＣＣ（多層共焼成セラミック，ｍｕｌｔｉ−ｌａｙｅｒ ｃｏ−ｆｉｒｅｄ ｃｅｒａｍｉｃ）生産に使用されているものなどの従来の大量製造方法によるものである（多層キャパシタの生産には、最大量の工業用セラミックが使用されていると考えられ、また、大量生産用の技術が立証されている）。第三に、追加のコストや複雑性なく、構造中に薄い電解質層を達成することができる。ＭＬＣＣ方法を使用して厚さ２μｍの電解質層が可能であるが、電解質の壁厚が６０μｍ未満のＳＯＦＣチューブは想像し難い。従って、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、ＳＯＦＣチューブより略３０倍以上効率的である。最後に、本発明の多層Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、それぞれ数百又は数千の層を有することができて、最大の面積及び最大の密度が提供される。
従来技術のＳＯＦＣチューブの表面積と本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの表面積について検討してみる。例えば、直径０．２５インチのチューブと０．２５インチ×０．２５インチのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスについて検討してみる。チューブでは、円周は３．１４×Ｄつまり０．７８５インチである。０．２５インチのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスでは、一つの層の使用可能な幅は略０．２インチである。従って、一本のチューブの面積と同じ面積を得るためには略四層が必要である。これらの形状は、キャパシタ技術用の形状とは劇的に異なっている。日本の多層キャパシタの最新技術は、現在、６００層であり、厚さは２μｍである。日本では、まもなく１０００層パーツの生産を開始されると予想され、現在、研究室レベルで製造している。６００層のこれらのチップキャパシタは、僅か０．０６０インチ（１５００μｍ）である。この製造技術を本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスに適用することによって、厚さ２μｍの電解質を有し、かつ、厚さ１０μｍの対応する個々のカソード／アノードを備える空気／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。それは１３２本のチューブと等価である。従来技術の戦略は、大きな電力を出力するために構造が非常に大きくなろうとも、より多くのチューブを追加して直径を大きくするか、及び／又は、チューブの長さを長くしてより多くの電力を得るかのいずれかである。一方、本発明は、単一のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスにより多くの層を追加してより多くの電力を得るか、及び／又はより薄い層又は通路をデバイスに使用するかのいずれかによって、ＳＯＦＣ技術に対する小型化を可能にしている。更に、本発明における利点は、キャパシタの場合と全く同様に、二乗化効果である。電解質層の厚さが半分になると電力が二倍になり、より多くの層をデバイス中に適合させて更に電力を２倍にすることができる。
本発明の他の重要な特徴は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの出力電圧を高くするために、層を内部で容易にリンクさせることができることである。１層当たり１ボルトであると仮定すると、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ている本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスによって１２ボルトの出力を得ることができる。そして、他の接続によって１２個のグループを並列にリンクさせることにより、より大きな電流を達成することができる。これは、キャパシタチップ技術に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。決定的な相違点は、本発明は、他の技術が使用しなければならないろう付け及び複雑な配線を克服することである。
また、本発明は、従来技術と比較して、より広範囲にわたる多様な電極オプションを提供する。貴金属は、アノード及びカソードのいずれでも機能する。銀は、より安価ではあるが、より高い温度に対しては、Ｐｄ、Ｐｔ又はＡｕとのブレンドが必要であり、これら３つのうちでは、Ｐｄとのブレンドが最も安価であると考えられる。研究の多くは非貴金属導体に集中していた。燃料サイドに対しては、ニッケルの使用が試行されてきたが、高温で少しでも酸素に晒されると金属が酸化される。また、導電性セラミックも知られており、本発明で使用可能である。要するに、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、両側に空気／ガスが存在し、面積の広い２μｍのテープが支持されていない場合、層が脆くなる可能性がある。ギャップの両端間に柱を残すことが考えられる。これらは、洞窟の中の、鍾乳石と石筍が一緒になった柱か何かのように見える。これらの柱は、一様且つ高い頻度で間隔を隔てて配置され得て、はるかに良好な強度を構造に付与する。
ガス及び空気供給源の取り付けについて、例えば高温フレキシブルシリコーンチューブ又はラテックスゴムチューブを使用してＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスに取り付けることができるように、端部の温度は３００℃未満、例えば１５０℃未満であると想定される。これらのフレキシブルチューブは、デバイスの端部で単純に引き伸ばすことができ、それによりシールを形成する。これらの材料は、標準的なＭｃＭａｓｔｅｒのカタログの中から入手可能である。シリコーンは、オーブンガスケットとして１５０℃以上の温度で、その特性を失うことなく一般的に使用される。バーブ接続を使用して、多重スティックＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）システムの多くのシリコーンチューブ又はラテックスゴムチューブを供給源に接続することができる。
アノード材料若しくはカソード材料又は両方の電極材料は、金属又は合金であり得る。アノード及びカソード用の適切な金属及び合金は当業者には既知である。代わりに、一方又は両方の電極材料は、同じく当業者には既知である、電子的に導電性の未焼結セラミックであり得る。例えば、アノード材料は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）がコーティングされた部分焼結金属ニッケルであり得て、また、カソード材料は、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であり得る。
他の実施形態では、電極材料のうちの一方又は両方は、未焼結セラミックと、複合物を導電性にするのに十分な量で存在している導電性金属との複合物であり得る。一般的に、セラミックマトリクス（セラミック基質）は、金属粒子が接触し始めると、電子的に導電性になる。複合物マトリクスを導電性にするのに十分な金属の量は、主に金属粒子の形態学に応じて変化する。例えば、金属の量は、球面粉末金属の場合、一般的には金属薄片の場合より多くしなければならない。例示的な実施形態では、複合物は、略４０〜９０％の導電性金属粒子が中に分散している未焼結セラミックのマトリクスを含む。未焼結セラミックマトリクスは、電解質層用に使用される未焼結セラミック材料と同じであっても、異なってもよい。
一方又は両方の電極材料がセラミック、つまり電子的に導電性の未焼結セラミック又は複合物を含む実施形態では、電極材料中の未焼結セラミック及び電解質用の未焼結セラミック材料は、架橋可能な有機バインダを含むことができて、積層中に、その圧力が有機バインダを層中で架橋させるのに十分で、また、層間のポリマー分子鎖をリンクさせるのに十分なようにする。
以下、全体にわたって同様の参照符号を用いて同様の構成要素を指称している図面を参照する。図面中の参照符号については、符号の説明を参照。
“ゾーン”、“エリア”、“リージョン”及び“領域”という用語は、全体にわたって交換可能に使用され得て、また、同じ意味を有することが意図されている。同様に、“通路”、“チャネル”及び“経路”という用語も、全体にわたって交換可能に使用され得て、また、“アウトレット”及び“出口”という用語も、全体にわたって交換可能に使用することができる。
図１及び図１Ａはそれぞれ、単一のアノード層２４、カソード層２６及び電解質層２８を有する本発明の基本的なＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一実施形態の垂直断面図及び水平断面図を示し、デバイス１０はモノリシックである。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０には、燃料インレット１２、燃料アウトレット１６及びそれらの間の燃料通路１４が含まれる。デバイス１０には、更に、空気インレット１８、空気アウトレット２２及びそれらの間の空気通路２０が含まれる。燃料通路１４及び空気通路２０は、対向し且つ平行な関係にあり、また、燃料供給源３４から燃料通路１４を通る燃料の流れは、空気供給源３６から空気通路２０を通る空気の流れと逆方向である。電解質層２８は、燃料通路１４と空気通路２０と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と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。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の残りの部分は、セラミック２９を備え、電解質層２８と同じ材料であるか、又は異なるが適合性のあるセラミック材料であり得る。電解質層２８は、破線で示されているように、アノード２４及びカソード２６の対向する領域間に位置しているセラミックの部分であると考えられる。酸素イオンが空気通路２０から燃料通路１４へ通過するのは電解質層２８の中である。図１に示されるように、空気供給源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て２Ｏ−が形成され、この２Ｏ−が電解質層２８及びアノード２４を通って燃料通路１４の中へ移動し、そこで燃料供給３４からの燃料、例えば炭化水素と反応して最初にＣＯ及びＨ２が形成され、次に、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２が形成される。図１は、炭化水素を燃料として使用した反応を示すが、本発明はそれに限定されるものではない。本発明では、ＳＯＦＣに通常使用されているあらゆるタイプの燃料を使用することができる。燃料供給源３４は、例えば炭化水素源又は水素源であり得る。炭化水素燃料の例として、メタン（ＣＨ４）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）及びブタン（Ｃ４Ｈ１０）が挙げられる
反応が生じるためには、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に熱を印加しなければならない。本発明によると、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さは十分に長く、デバイスを、デバイス１０の中央の高温ゾーン３２（つまり加熱されるゾーン）と、デバイス１０の各端部１１ａ及び１１ｂの低温ゾーン３０とに分割することができる。高温ゾーン３２と低温ゾーン３０との間には移行ゾーン３１が存在している。高温ゾーン３２は、通常、４００℃より高い温度で動作する。例示的な実施形態では、高温ゾーン３２は、６００℃より高い温度、例えば７００℃より高い温度で動作する。低温ゾーン３０は、熱源に露出されることはなく、また、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さ及びセラミック材料の熱特性の利点のため、高温ゾーン３２の外部へ熱が散逸して、低温ゾーン３０の温度が３００℃未満になる。高温ゾーン３２からセラミックの長さ方向に沿った低温ゾーン３０の端部までの熱伝達は低速である一方、高温ゾーン３２の外側のセラミック材料から空気中への熱伝達は比較的高速であると考えられる。従って、高温ゾーン３２に投入される熱の大半は、低温ゾーン３０の端部に到達する前に、空気中に失われる（主に移行ゾーン３１において）。本発明の例示的な実施形態では、低温ゾーン３０の温度は１５０℃未満である。更なる例示的な実施形態では、低温ゾーン３０は室温である。移行ゾーン３１の温度は、高温ゾーン３２の動作温度と低温ゾーン３０の温度との間であり、熱の相当量が散逸するのは、この移行ゾーン３１においてである。
主な熱膨張率（ＣＴＥ，ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さ方向に沿っていて、従って本質的に一次元であるので、ひび割れが生じずに中央を高速加熱することができる。例示的な実施形態では、デバイス１０の長さは、デバイスの幅及び厚さより少なくとも五倍長い。更なる例示的な実施形態では、デバイス１０の長さは、デバイスの幅及び厚さより少なくとも１０倍長い。更に他の例示的な実施形態では、デバイス１０の長さは、デバイスの幅及び厚さより少なくとも１５倍長い。更に、例示的な実施形態では、厚さよりも幅の方が広く、より広い面積を提供する。例えば、幅は、厚さの少なくとも二倍である。更なる例として、厚さ０．２インチのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、０．５インチの幅を有し得る。図面は、縮尺通りには示されておらず、単に相対的な寸法の一般的なアイディアを示すだけであることは理解されたい。
本発明によると、アノード２４及びカソード２６への電気接続は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の低温ゾーン３０でなされる。例示的な実施形態では、アノード２４及びカソード２６をそれぞれ、電気接続できるようにするために、低温ゾーン３０においてＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外部表面に露出することができる。負の電圧ノード３８は、ワイヤ４２を介して、例えば露出したアノード部分２５に接続され、また、正の電圧ノード４０は、ワイヤ４２を介して、例えば露出したカソード部分２７に接続される。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、デバイスの各端部１１ａ、１１ｂに低温ゾーン３０を有するので、低温のリジッドな電気接続を行うことができ、これは、電気接続を行うために一般的には高温のろう付け方法を必要とする従来技術に対する顕著な利点である。
図２は、端部１１ａの上に供給チューブ５０が取り付けられて、タイラップ５２で固定されたＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第一の端部１１ａの斜視図を示す。そして、燃料供給源３４からの燃料が供給チューブ５０を介して燃料インレット１２に供給される。第一の端部１１ａが低温ゾーン３０に存在している結果として、フレキシブルなプラスチック配管又は他の低温タイプの接続材料を使用して燃料供給源３４を燃料インレット１２に接続することができる。本発明によって、燃料を接続するための高温ろう付けの必要性が無くなる。
図３Ａは、図１に示されるものと同様のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０であるが、修正された第一及び第二の端部１１ａ、１１ｂを有するものの斜視図を示す。端部１１ａ、１１ｂは、燃料供給源３４及び空気供給源３６の接続を容易にするためのシリンダー状端部を形成するように機械加工されている。図３Ｂは、燃料供給源３４から燃料インレット１２へ燃料を供給するために第一の端部１１ａに接続された供給チューブ５０の斜視図を示す。例として、供給チューブ５０は、第一の端部１１ａに対するその弾性によって緊密なシールを形成するシリコーンチューブや、ラテックスゴムチューブであり得る。供給チューブ５０のフレキシブル性及び弾性は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が振動にさらされる携帯デバイスに使用される場合に、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に緩衝ホルダを提供することができることは理解されたい。従来技術では、チューブ又はプレートはリジッドにろう付けされていて、動的環境で使用されるとひび割れが生じる。従って、従来技術と比較して、振動ダンパーとしての供給チューブ５０の追加機能は独自の利点を提供する。
図３Ａに戻ると、露出したアノード部分２５及び露出したカソード部分２７に接触するために、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外部表面にコンタクトパッド４４が提供される。電圧ノード３８、４０をそれぞれアノード２４及びカソード２６に電気接続するために、コンタクトパッド４４用の材料は導電性でなければならない。適切な方法を使用してコンタクトパッド４４を形成可能であることは理解されたい。例えば、焼結されたＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ 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。コンタクトパッド４４には、信頼性の高い接続を確立するために、例えばはんだ接続４６によってワイヤ４２が固定されている。はんだは、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の低温ゾーン３０に配置されることにによって使用可能な低温材料である。例えば、一般的な１０Ｓｎ８８Ｐｂ２Ａｇはんだが使用可能である。本発明によると高温電圧接続の必要性が無くなることによって、低温接続材料又は手段に対する可能性が広がる。
また、図３Ａには、燃料アウトレット１６及び空気アウトレット２２も斜視図で示されている。燃料は、一方の低温ゾーン３０にある第一の端部１１ａの燃料インレット１２から流入し、第二の端部１１ｂに隣接するアウトレット１６を通ってＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面から流出する。空気は、低温ゾーン３０にある第二の端部１１ｂに位置する空気インレット１８から流入し、第一の端部１１ａに隣接するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面の空気アウトレット２２から流出する。アウトレット１６及び２２は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の同じ側面に存在するものとして示されているが、例えば、以下の図４Ａに示されるように、反対側に位置し得ることは理解されたい。
燃料インレット１２の近くに空気アウトレット２２を有することによって（同様に、空気インレット１８の近くに燃料アウトレット１６を有することによって）、また、重畳する層（アノード、カソード、電解質）が近接していることによって、空気アウトレット２２は熱交換器として機能し、燃料インレット１２からデバイス１０に流入する燃料を予熱するのに役立つ（同様に、燃料アウトレット１６は、空気インレット１８から流入する空気を予熱する）。熱交換器は、システムの効率を改善する。移行ゾーン３１は、新しい燃料（新しい空気）が高温ゾーン３２に到達する前に熱が伝達されるよう、使用済みの空気と新しい燃料（及び使用済みの燃料と新しい空気）が重畳するエリアを有している。従って、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、内蔵熱交換器を含むモノリシック構造である。
図４Ａには、露出したアノード部分２５に接続された各コンタクトパッド４４を整列させて、また、負の電圧ノード３８に接続されたワイヤ４２を各コンタクトパッド４４にはんだ付けすること（参照符号４６の箇所で）による複数のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、この場合は二つのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の接続が斜視図で示されている。同様に、部分的に仮想線で示されているように、露出したカソード部分２７に接続されるコンタクトパッド４４が整列され、正の電圧ノード４０を接続しているワイヤ４２が、これらの整列したコンタクトパッド４４の各々にはんだ付けされる（参照符号４６の箇所で）。接続が低温ゾーン３０においてであり、また、比較的単純な接続であるので、多重Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）システム又はアセンブリ内の一つのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を交換する必要が生じた場合、必要なのは、その一つのデバイス１０に対するはんだ接続を外して、デバイスを新しいデバイス１０に交換して、ワイヤ４２を新しいＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のコンタクトパッド４４にはんだ付けし直すことだけであることは理解されたい。
図４Ｂは、複数のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０間の接続を端面図で示し、各Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が複数のアノード２４及びカソード２６を含む。例えば、図４Ｂに示される特定の実施形態は、三組の対向するアノード２４及びカソード２６を含み、各アノード２４は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の右側に露出し、各カソード２６は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の左側に露出している。そして、コンタクトパッド４４は、対応する露出したアノード部分２５及び露出したカソード部分２７に接触するために、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の各側面に配置される。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、ワイヤ４２をはんだ接続４６を介してコンタクトパッド４４に固定することによって、露出したアノード部分２５に接続される。同様に、正の電圧ノード４０は、ワイヤ４２をはんだ接続４６を介してコンタクトパッド４４に固定することによって、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の左側で露出したカソード部分２７に電気接続される。従って、図１〜図４Ａには、単一のカソード２６と対向している単一のアノード２４が示されているが、図４Ｂに示されるように、各Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が、複数のアノード２４及びカソード２６を含むことができ、その各々が、対応する電圧ノード３８又は４０への接続のために外部表面に適用されるコンタクトパッド４４を用いた電気接続用に、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外部表面に露出していることは理解されたい。構造中の対向するアノード２４及びカソード２６の数は、数十個、数百個、更には数千個になり得る。
図５は、ワイヤ４２とコンタクトパッド４４との間を電気接続するための機械的取り付けを端面図で示す。この実施形態では、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、一組の電極が各Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の上面に露出するように配向されている。コンタクトパッド４４は、低温ゾーン３０の一方の端部（例えば１１ａ又は１１ｂ）において各上面に適用されている。そして、ばねクリップ４８を使用して、ワイヤ４２をコンタクトパッド４４に取り外し可能に固定することができる。従って、図３Ａ、図４Ａ及び図４Ｂに示されているように金属結合を使用して電気接続することができ、又は図５に示されているように機械的接続手段を使用することができる。本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０における低温ゾーン３０のおかげで、適切な取り付け手段を柔軟に選択することができる。ばねクリップ４８又は他の機械的取り付け手段を使用することによって、多重スティックアセンブリにおける単一のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を交換するプロセスが更に単純化される。
図６Ａ及び図６Ｂは、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第一の端部１１ａに単一の低温ゾーン３０を有し、第二の端部１１ｂが高温ゾーン３２である代替実施形態を斜視図で示す。図６Ａでは、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、三つの燃料電池が並列を含む一方、図６ＢのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、単一の燃料電池を含む。従って、本発明の実施形態は、単一電池設計又は多重電池設計を含み得る。燃料及び空気の両方の単一端部投入を可能にするために、空気インレット１８は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面で第一の端部１１ａに隣接するように再配向されている。空気通路２０（図示せず）は、この場合も燃料通路１４と平行に通っているが、本実施形態では、空気の流れは、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さ方向にわたる燃料の流れと同じ方向である。デバイス１０の第二の端部１１ｂにおいて、空気アウトレット２２は、燃料アウトレット１６に隣接して配置されている。両方とも端部表面から出るのではなく、燃料アウトレット１６又は空気アウトレット２２のいずれか一方又は両方が、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面から出ることができることは理解されたい。
図６Ｂに示されるように、空気供給源３６用の供給チューブ５０は、供給チューブ５０の側面を貫通する孔を穿ち、かつ、空気供給源３６用の供給チューブ５０が、燃料供給源３４用の供給チューブ５０と垂直になるように、この側孔を通してデバイス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、シリコーンゴムチューブ等をこの実施形態に使用し得る。供給チューブ５０とデバイス１０の間の継ぎ目の周囲に結合材料を適用して、シールを形成することができる。また、低温ゾーン３０の第一の端部１１ａに隣接して電気接続されている。図６Ａ及び図６Ｂはそれぞれ、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の側面でなされている正の電圧接続と、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の反対側でなされている負の電圧接続を示す。しかしながら、本発明がそれに限定されないことは理解されたい。単一端部投入Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の利点は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０をより短く製造することができるように、二つの移行ゾーン３１の代わりに単一の低温から高温への移行しか存在しないことである。
本発明の利点の一つは、アクティブ層を非常に薄くすることができることによって、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が、単一デバイス内に複数の燃料電池を組み込むことを可能にする性能である。アクティブ層が薄いほど、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の製造中に空気通路２０又は燃料通路１４が陥没する機会が増加することによって、通路１４及び／又は２０を通る流れが塞がれる。従って、図７Ａ及び図７Ｂに示される本発明の一実施形態では、電解質層２８の歪み及び通路１４、２０の塞ぎを防止するために、複数の支柱５４、例えばセラミック支柱が、通路１４及び２０内に設けられている。図７Ａは垂直断面図であり、一方、図７Ｂは、空気通路２０に沿った水平断面図である。テープ鋳造方法を用いる本発明の一方法によると、犠牲テープ層を使用し得て、材料のレーザ除去等によってその犠牲層に複数の孔が形成される。次に、セラミック材料を使用して、例えば犠牲テープ層の上方にセラミックスラリを拡散させてこれらの孔に浸透させること等によって、これらの孔を充填する。様々な層が互いにアセンブリされた後に、溶媒の使用等によって犠牲層の犠牲材料が除去され、支柱５４が残る。
支柱５４を形成するための他の実施形態では、プレ焼結されたセラミックの大きな粒子を、溶媒中に溶解されたプラスチック等の有機ビークルに添加して、ランダムな混合物を形成するために撹拌する。非限定的な例として、これらの大きな粒子は、直径０．００２インチのボール等の球体であり得る。そして、燃料通路１４及び空気通路２０が配置されるエリア内への印刷等によって、未焼結（ｇｒｅｅｎ）構造にランダムな混合物が加えられる。焼結（焼付／焼成）プロセスの間に、有機ビークルが構造から除去される（例えば燃焼される）ことによって、通路１４、２０が形成され、また、セラミック粒子が残留して、通路１４、２０を開いた状態に物理的に保持する支柱５４が形成される。図７Ｃ及び図７Ｄの顕微鏡写真は、結果物の構造を示す。支柱５４はランダムに配置されており、その平均距離は、有機ビークル中のセラミック粒子の積載量の関数である。
図８Ａは、二つの並列な燃料電池を含む本発明の一実施形態を断面図で示す。各アクティブ電解質層２８は、一方の面に空気通路２０及びカソード層２６ａ又は２６ｂを有し、反対側の面に燃料通路１４及びアノード層２４ａ又は２４ｂを有する。一方の燃料電池の空気通路２０は、セラミック材料２９によって第二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、ワイヤ４２を介して負の電圧ノード３８に接続されていて、露出したカソード部分２７はそれぞれ、ワイヤ４２を介して正の電圧ノード４０に接続されている。そして、単一の空気供給源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、単一の燃料供給源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。図の右側に、アクティブ層のこの構成によって確立される電気回路を示す。
図８Ｂの断面図において、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、図８Ａに示されるものと同様であるが、複数の露出したアノード部分２５及び複数の露出したカソード部分２７を有する代わりに、アノード層２４ａのみが２５で露出し、一つのカソード層２６ａのみが２７で露出している。第一のビア５６は、カソード層２６ａをカソード層２６ｂに接続し、第二のビア５８は、アノード層２４ａをアノード層２４ｂに接続している。例として、貫通ビアを生成するために未焼結層を形成している間、レーザ方法を使用することができ、この貫通ビアに、ビア接続を形成するために引き続いて導電性材料が充填される。図８Ｂの右側の回路によって示されるように、図８ＢのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０には、図８ＡのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に形成されるのと同じ電気経路が形成される。
図９Ａ及び図９Ｂも、多重燃料電池設計の断面図を示すが、アノード及びカソードが共有されている。図９Ａの実施形態では、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、二つの燃料通路１４及び二つの空気通路２０を含むが、この構造は、二つの燃料電池を有するのではなく、三つの燃料電池を含む。第一の燃料電池は、中間電解質層２８を備えたアノード層２４ａとカソード層２６ａとの間に形成されている。アノード層２４ａは燃料通路１４の一方の側に存在しており、また、その燃料通路１４の反対側に第２のアノード層２４ｂが存在する。第二のアノード層２４ｂは第二のカソード層２６ｂと対向し、それらの間に他の電解質層２８を備えることによって、第二の燃料電池を形成する。第二のカソード層２６ｂは、空気通路２０の一方に側に存在しており、また、第三のカソード層２６ｃは、その空気通路２０の反対側に存在している。第三のカソード層２６ｃは第三のアノード層２４ｃと対向し、それらの間に電解質層２８を備えることによって、第三の燃料電池を提供する。アノード層２４ａからカソード層２６ｃまでのデバイス１０の部分は、共有アノード及びカソードを提供するためにデバイス１０内で何回も繰り返し可能であり、それによって、単一のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内の燃料電池の数を増やすことができる。各アノード層２４ａ、２４ｂ、２４ｃは露出したアノード部分２５を含み、その部分にＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ 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、例えば、ワイヤ４２を介して負の電圧ノード３８へ接続する。同様に、各カソード層２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、例えばワイヤ４２を介した正の電圧ノード４０への接続のために外部表面に露出したカソード部分２７を含む。一方の低温端部に単一の空気供給源３６を提供して各空気通路２０に供給することができ、また、反対側の低温端部に単一の燃料供給源３４を提供して各燃料通路１４に供給することができる。図９Ａの右側に、この構造によって形成される電気回路を示す。このＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０には、三つの燃料電池層が並列に含まれていて、三倍の電力を利用することができる。例えば、各層が１ボルト、１アンペアを生成する場合、各燃料電池層は１ワットの出力を生成する（ボルト×アンペア＝ワット）。従って、この三層レイアウトは、合計３ワットの出力のために１ボルト、３アンペアを生成する。
図９Ｂでは、図９Ｂの右側の回路によって示されるように、各電圧ノードに単一の電気接続を提供して、直列の三つの燃料電池を生成するように、図９Ａの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に接続される。そして、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に接続される。従って、層毎に同じｌアンペア／１ボルトを使用すると、この三つの電池構造は、合計３ワットの出力のために３ボルト、１アンペアを生成する。
図１０に、本発明の他の実施形態を側面図で示す。本実施形態では、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、第一の端部１１ａに単一の低温ゾーン３０を有し、第二の端部１１ｂは高温ゾーン３２に存在している。他の実施形態の場合、燃料インレット１２は第一の端部１１ａに存在し、供給チューブ５０によって燃料供給源３４に接続されている。本実施形態では、燃料通路１４は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さ方向に延伸して、燃料アウトレット１６は第二の端部１１ｂに存在する。従って、燃料供給接続は低温ゾーン３０の中でなされ、燃料反応物（例えばＣＯ２及びＨ２Ｏ）用のアウトレットは、高温ゾーン３２に存在する。同様に、アノードは、ワイヤ４２を介した負の電圧ノード３８への接続のために、露出したアノード部分２５を低温ゾーン３０に有している。
図１０の実施形態では、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、空気インレット１８及び空気通路２０の両方を高温ゾーン３２に提供するために、少なくとも一方の側が開いており、場合によっては両側が開いている。この実施形態では、空気通路２０内の支柱５４の使用が特に有用になり得る。空気アウトレットは、図に示されるように第２の端部１１ｂに配置され得る。代わりに、図示されていないが、通路２０が幅方向にわたって延伸し、かつ、空気供給が投入側へ向かってのみ向けられる場合、又は通路２０が幅方向全体にわたって延伸していない場合、空気アウトレットを、空気インレット側の反対側に配置し得る。本実施形態では、熱のみを高温ゾーン３２に提供する代わりに、空気も提供される。つまり、強制的な空気チューブを介して空気を供給する代わりに、高温ゾーン３２のデバイス１０の両側が加熱された空気に開放される。
図１０Ａは、図１０に示される実施形態の一変形例を側面図で示す。図１０Ａでは、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、両側の低温ゾーン３０を含み、中央の加熱ゾーン３２は、移行ゾーン３１によって低温ゾーン３０から分離されている。空気インレット１８は、中央の加熱ゾーン３２に提供されていて、その少なくとも一部で加熱空気が受け取られる。しかしながら、本実施形態では、空気通路２０は、図１０のように適切な長さに対してＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面で完全には開いていない。むしろ、図１０Ｂにより明確に示されるように、空気通路２０は、高温ゾーン３２の一部において開き、そして、残りの長さに対して側面で閉じて、そして、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第二の端部１１ｂの空気アウトレット２２で外に出る。本実施形態では、加熱された空気を、強制的な空気供給チューブではなくて、高温ゾーン３２に供給することができるが、低温ゾーン３０のデバイス１０の一方の端部１１ｂから燃料及び空気を流出させることもできる。
特定の実施形態について、図示し、詳細に説明してきたが、本発明の範囲はそれらに限定されるものではない。本発明のより一般的な実施形態を、以下説明し、図１１〜図２４に示される概略図を参照して、より完全に理解することができる。図１１は、図１２〜図２４に概略的に示される構成要素用のキーを提供する。燃料（Ｆ）又は空気（Ａ）がＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス（例えばＳＯＦＣ Ｓｔｉｃｋ）に流入する矢印で示されている場合、例えば投入アクセスポイントに接続されたチューブを通る流れ等の強制的な流れを示す。空気の投入が示されていない場合、加熱された空気が、強制的な流れの接続以外の手段によって高温ゾーンに供給されて、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスが高温ゾーン内のアクセスポイントで空気通路に対して開いていることを示す。
本発明の一実施形態は、少なくとも一つの燃料通路及び関連するアノード、少なくとも一つの酸化剤通路及び関連するカソード、並びにそれらの間の電解質を含んだＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスであり、電池は、一つの主軸方向にＣＴＥを有し、また、その一部が略４００℃より高い温度を有する加熱ゾーン内で動作するように、その幅又は厚さより実質的に長くなっている。本実施形態では、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、主なＣＴＥ方向に従って、デバイスの一方の端部における空気投入及び燃料投入の両方のための統合アクセスポイントを有しているか、又は主なＣＴＥ方向に従って一方の端部における空気投入及びもう一方の端部における燃料投入のための統合アクセスポイントを有していて、空気入口及び燃料入口は、加熱ゾーンの外側に配置されている。例えば、図２０及び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、第一の温度ゾーン及び第二の温度ゾーンを有し、第一の温度ゾーンは、燃料電池の反応を行うのに十分な温度で動作する高温ゾーンであり、第二の温度ゾーンは、加熱ゾーンの外側に位置していて、第一の温度ゾーンより低い温度で動作する。第二の温度ゾーンの温度は、電極への低温接続を可能にするのに十分な低さの温度であり、また、少なくとも燃料供給用の低温接続を可能にするのに十分な低さの温度である。この燃料電池構造は、部分的に第一の温度ゾーン内に延伸し、また、部分的に第二の温度ゾーン内に延伸する。例えば、図１２、図１３及び図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一の温度ゾーン、及び３００℃未満の温度で動作する第二の温度ゾーンを含む。空気接続及び燃料接続は、低温接続としてゴム配管等を使用して、第二の温度ゾーンでなされる。低温はんだ接続又はばねクリップを使用して、アノード及びカソードへの電気接続がなされ、アノード及びカソードをそれぞれ負及び正の電圧ノードに接続する。更に、第一の温度ゾーン、つまり加熱ゾーンには、二酸化炭素及び水用の燃料アウトレットと、使い果たされた酸素用の空気アウトレットとが配置されている。例えば、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一の温度ゾーンを有し、燃料電池の各端部は、第一の温度ゾーンの外側の、３００℃未満で動作する第二の温度ゾーンに配置されている。燃料入口及び空気入口は、アノード及びカソードへの電気接続用のはんだ接続又はばねクリップの場合と同様、第二の温度ゾーンに配置されている。最後に、第二の温度ゾーンには、二酸化炭素、水及び使い果たされた酸素用の出口が配置されている。例えば、図１９、図２０及び図２４を参照されたい。
本発明の他の実施形態では、主なＣＴＥ方向に従って、３００℃未満で動作する第二の温度ゾーン内の各端部に燃料入口を提供することができ、対向する第二の温度ゾーン間の中央に、加熱ゾーンである第一の温度ゾーンを提供することができる。中央の加熱ゾーンには、二酸化炭素、水及び使い果たされた酸素用の出口を配置することができる。例えば、図１５及び図１８を参照されたい。代わりに、第二の温度ゾーン、つまり加熱ゾーンの外側に、二酸化炭素、水及び使い果たされた酸素用の出口を配置することもできる。例えば、図１６及び図１９を参照されたい。
他の実施形態では、燃料投入アクセスポイント及び空気投入アクセスポイントの両方が、加熱ゾーンである第一の温度ゾーンの外側の、３００℃未満で動作する第二の温度ゾーンに配置されることによって、空気供給及び燃料供給用のゴム配管等の低温接続を使用することができる。更に、電圧ノードをアノード及びカソードに接続するために、はんだ接続又はばねクリップが第二の温度ゾーンで使用される。一実施形態では、燃料入口及び空気入口の両方が、主なＣＴＥ方向に従って一方の端部に配置されて、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの他方の端部が、第一の加熱温度ゾーンに存在していて、二酸化炭素、水及び使い果たされた酸素の出口が、加熱ゾーンに存在している。例えば、図１７を参照されたい。従って、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、一つの加熱端部及び一つの非加熱端部を有する。
他の実施形態では、燃料及び空気は、対向する二つの第二の温度ゾーン間に加熱ゾーンが位置するように、主なＣＴＥ方向に従って、加熱ゾーンの外側の一方の端部で投入されて、加熱ゾーンの外側の反対側の端部から出て行く。例えば、図２０を参照されたい。更に他の代替例では、燃料及び空気は、第二のの温度ゾーンに配置された、対向する端部の両方に投入されて、燃料及び空気の出口は、中央の加熱ゾーンに存在する。例えば、図１８を参照されたい。
更に他の代替例では、燃料及び空気は、第二の温度ゾーンに配置されている対向する両方の端部に投入され、各出口は、第２の温度ゾーン内の、入口とは反対側の端部に配置されている。例えば、図１９を参照されたい。従って、燃料電池は、中央の加熱ゾーンと、加熱ゾーンの外側の対向する端部とを有し、燃料及び空気の両方が、第一の端部に投入され、各反応物出口は、第二の端部に隣接して外側に出て、燃料及び空気の両方が、第二の端部に投入され、反応物出口は、第一の端部に隣接して外側に出る。
更に他の実施形態では、加熱ゾーンの外側の一方の端部に燃料入口が配置され、加熱ゾーンの外側の反対側の端部に空気入口が配置される。例えば、図２１〜図２４を参照されたい。本実施形態では、空気及び燃料の両方からの反応物出口は、加熱ゾーンにあるか（図２１を参照）、又は、両方とも、各入口とは反対側の端部に隣接する加熱ゾーンの外側にあり得る（図２４を参照）。代わりに、二酸化炭素及び水の出口を高温ゾーンに配置する一方で、使い果たされた酸素の出口を高温ゾーンの外側に配置することができ（図２２を参照）、又はその逆に、使い果たされた酸素の出口を高温ゾーンに配置し、また、二酸化炭素及び水の出口を高温ゾーンの外側に配置することができる（図２３を参照）。図２２及び図２３に示される燃料出口及び空気出口に対する変形例を、例えば図１８〜図２０に示される実施形態に適用することもできる。
図２５Ａ及び図２７Ａに平面図で示され、図２７Ｂに側面図で示される本発明の他の実施形態では、パンハンドル設計と称されるものを有するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１００が提供される。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１００は細長いセクション１０２を有していて、その細長いセクション１０２は、上述の実施形態に示される、一つの主な軸方向にＣＴＥを有するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０と同様の寸法であり得て、つまり、幅又は厚さより実質的に長さが長い。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１００は、更に、長さにより整合している幅を有する広い表面積のセクション１０４を有している。セクション１０４は、正方形の表面積又は長方形の表面積を有することができるが、幅は、実質的に長さより小さくなるのではなく、ＣＴＥがセクション１０４内に単一の主な軸を有するのではなく、長さ方向及び幅方向にＣＴＥ軸を有するようにする。広い表面積のセクション１０４は高温ゾーン３２に配置されている一方、細長いセクション１０２は、少なくとも部分的に低温ゾーン３０及び移行ゾーン３１に配置されている。例示的な実施形態では、細長いセクション１０２の一部が高温ゾーン３２内へ延伸しているが、これは本質的ではない。例として、燃料供給源３４及び空気供給源３６は、図６Ｂに示されるように細長いセクション１０２に接続され、かつ、電気接続もすることができる。
図２５Ｂ及び図２６Ａに、図２５Ａ、図２７Ａ及び図２７Ｂに示される実施形態と同様の代替実施形態の上面図が示され、図２６Ｂに、その側面図が示されているが、細長いセクション１０２の反対側に第二の細長いセクション１０６を更に有して、広い表面積のセクション１０４が、二つの細長いセクション１０２と１０６との間に位置している。細長いセクション１０６も、少なくとも部分的に低温ゾーン３０及び移行ゾーン３１に配置されている。本実施形態では、細長いセクション１０２に燃料を投入し、また、細長いセクション１０６に空気を投入し得る。例として、図２又は図３Ｂに示されるように、空気供給源３６及び燃料供給源３４をそれぞれ、細長いセクション１０６及び１０２に接続することができる。図２５Ｂに示されるように、空気出口は、燃料入口に隣接して、細長いセクション１０２に位置し得て、燃料出口は、空気入口に隣接して、細長いセクション１０６に位置し得る。代わりに、図２６Ａ及び２６Ｂにそれぞれ上面図及び側面図で示されているように、空気出口及び燃料出口のうち一方又は両方を高温ゾーン３２内の広い表面積のセクション１０４に配置し得る。図２５Ａ及び図２５Ｂの実施形態では、介在する電解質２８を備えた対向するアノード２４及びカソード２６の表面積が、高温ゾーン３２内で広くなり、反応エリアを広くすることによって、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１００によって発生する電力を大きくすることができることは理解されたい。
本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、１００の他の利点は、軽量なことである。典型的な燃焼機関の重量は、１ｋＷの電力当たり１８〜３０ポンドのオーダである。本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、１００は、１ｋＷの電力当たり０．５ポンドのオーダの重量で製造することができる。図２８Ａ〜図２８Ｄは、螺旋、つまり巻かれたチューブ状構成を有する本発明のＴｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の代替実施形態を示す。図２８Ａは、巻かれていない状態におけるデバイス２００の概略的な上面図である。デバイス２００の巻かれていない構造は、同じ長さＬの第一の端部２０２及び第二の端部２０４を有しており、この長さＬは、巻かれた、つまり螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の長さに対応する。燃料インレット１２及び空気インレット１８は、第一の端部２０２に隣接して両側に示されている。そして、図２８Ｂのデバイス２００の巻かれていない構造の概略的な端面図に更に示されるように、また、図２８Ｃのデバイス２００の巻かれていない構造の概略的な側面図に更に示されるように、燃料通路１４及び空気通路２０は、燃料アウトレット１６及び空気アウトレット２２が第二の端部２０４にあるように、デバイス２００の巻かれていない構造の幅方向に沿って第二の端部２０４まで延伸する。燃料通路１４及び空気通路２０は、燃料及び空気の流れを最大にするように、デバイス２００の巻かれていない構造のほぼ長さＬにわたって延伸するものとして示されているが、本発明はこれに限定されるものではない。そして、螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００を形成するために、第一の端部２０２が第二の端部２０４に向けて巻かれ、図２８Ｄの概略的な斜視図に示されるデバイス２００の螺旋チューブ構造が形成される。そして、空気インレット１８に投入するために空気供給源３６を螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の一方の端部に配置する一方、燃料を燃料インレット１２に投入するために燃料供給源３４を螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の反対側の端部に配置し得る。そして、空気及び燃料が、デバイス２００の長さＬに沿って、燃料アウトレット１６及び空気アウトレット２２を介して螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００から出て行く。電圧ノード３８、４０を、螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の両端に形成された又は両端に隣接して形成されたコンタクトパッド４４にはんだ付けすることができる。
図２９Ａ〜図２９Ｇは、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスがチューブ状の同心形態である本発明の代替実施形態を示す。図２９Ａは、同心Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００を概略的な等角図で示す。図２９Ｂ〜図２９Ｅは、図２９Ａの同心デバイス３００の断面図を示す。図２９Ｆは、デバイス３００の空気投入端部の端面図を示し、図２９Ｇは、デバイス３００の燃料投入端部の端面図を示す。図示されている特定の実施形態は、三つの空気通路２０を含み、一つはチューブ状構造の中心に存在し、他の二つは、それから間隔を空けて、同心状になっている。また、同心Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００は、これらの空気通路２０の間に同心状に二つの燃料通路１４も有する。図２９Ａ〜図２９Ｄに示されるように、同心Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００は、各インレット１２、１８の反対側において、一方の端部で燃料通路１４を接続している燃料アウトレット１６と、他方の端部で空気通路２０を接続している空気アウトレット２２とを含む。各空気通路２０はカソード２６で覆われ、また、各燃料通路１４はアノード２４で覆われ、電解質２８が、対向するアノード及びカソードを分離している。図２９Ａ〜図２９Ｂ及び図２９Ｆ〜図２９Ｇに示されるように、電気接続は、同心Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００の両端部で、露出したアノード２５及び露出したカソード２７に対してなされ得る。これらの端部に、露出したアノード２５及び露出したカソード２７を接続するためのコンタクトパッド４４を適用することができ、また、図示されていないが、デバイス３００の外側に沿ってコンタクトパッド４４を走らせることもでき、端部においてではなく、デバイス３００の長さ方向に沿ったポイントで電気接続することができる。Ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００は、構造支持体として、空気通路及び燃料通路１４、２０内に配置される支柱５４を含むことができる。
両端部１１ａ、１１ｂに二つの低温ゾーン３０を有し、空気入口及び燃料出口を一方の端部に、燃料入口及び空気出口を反対側の端部に備える本発明の実施形態では、使用済みの燃料又は空気は、中央の高温ゾーン３２から出て行くので、加熱状態にある。加熱された空気及び燃料は、移行ゾーン３１を通って低温ゾーン３０へ移動するので、冷める。電極及び／又はセラミック／電解質の薄い層は、空気通路２０を平行な燃料通路１４から分離していて、又はその逆である。一つの通路内で、加熱された空気が高温ゾーン３２から出て行き、隣接する平行な通路内で、燃料が高温ゾーン３２に入り、又はその逆である。加熱された空気は、熱交換原理により、隣接する平行な通路に流入する燃料を加熱し、又はその逆である。従って、熱交換によって空気及び燃料がある程度予熱される。しかしながら、上述のように、高温ゾーン３２の外側において熱は急速に失われるため、熱交換は、空気及び燃料が高温ゾーン３２内のアクティブ領域に入る前にそれらを最適な反応温度に予熱するには不十分となり得る。更に、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が一つの低温端部（低温ゾーン３０）及び一つの高温端部（高温ゾーン３２）を含む実施形態では、熱交換用の燃料及び空気の交差流が生じないように、燃料及び空気は、同じ低温端部３０に投入されて、反対側の同じ高温端部３２から流出する。流入する燃料及び空気に対する限られた熱交換が、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の電極材料及びセラミック材料から利用可能である。
図３０Ａ〜図３３Ｃは、アノード２４及びカソード２６が対向しているアクティブゾーン３３ｂに燃料及び空気が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Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の多様な実施形態を示す。これらの実施形態には、中間の高温ゾーン３２を備えた二つの低温端部３０が存在し、対向する低温端部３０に燃料入口及び空気入口が存在しているＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０と、一つの高温端部３２及び一つの低温端部３０が存在し、単一の低温端部３０に燃料及び空気入口を両方とも備えたＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０とが含まれる。これらの実施形態では、使用される電極材料の量をアクティブゾーン３３ｂに限定し、電圧ノード３８、４０への外部接続用にその少量のみが低温ゾーン３０へとつながっている。これらの実施形態の他の利点は、後述のように、電子が低い抵抗を提供する外部電圧接続へ移動するのに考えられる最短経路を有することである。
図３０Ａは、統合予熱ゾーン３３ａを備えた一つの低温ゾーン３０と反対側の一つの高温ゾーン３２とを有するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第一の実施形態の概略的な垂直断面図を示す。図３０Ｂは、燃料通路１４を見上げるアノード２４を介した断面図を示し、また、図３０Ｃは、空気通路２０を見下ろすカソード２６を介した断面図を示す。図３０Ａ及び図３０Ｂに示されるように、燃料供給源３４からの燃料は、燃料インレット１２から入り、燃料通路１４を通ってデバイス１０の長さ方向に沿って伝わり、燃料アウトレット１６を介してデバイス１０の反対側の端部から出て行く。低温ゾーン３０は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第一の端部１１ａにあり、高温ゾーン３２は、反対側の第二の端部１１ｂにある。高温ゾーンと低温ゾーンの間に移行ゾーン３１がある。高温ゾーン３２は、燃料が最初に通過する初期予熱ゾーン３３ａと、燃料通路１４に隣接するアノード２４を含むアクティブゾーン３３ｂとを含む。図３０Ｂに示されるように、アノード２４の断面積は、アクティブゾーン３３ｂで広くなる。アノード２４は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の縁まで延伸していて、外部コンタクトパッド４４は、負の電圧ノード３８への接続用に、デバイス１０の外側に沿って低温ゾーン３０まで延伸する。
同様に、図３０Ａ及び図３０Ｃに示されるように、空気供給源３６からの空気は、低温ゾーン３０に位置する空気インレット１８から入り、空気は、空気通路２０を通ってＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さ方向に沿って伝わり、空気アウトレット２２を介して高温ゾーン３２から出て行く。空気及び燃料が、同じ端部から入って、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さ方向に沿って同じ方向に移動しているので、高温ゾーン３２の前の熱交換による空気及び燃料の予熱が限られる。カソード２６は、アノード２４に対向してアクティブゾーン３３ｂ内に位置していて、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の反対側まで延伸し、そこで露出し、正の電圧ノード４０への接続用にアクティブ高温ゾーン３３ｂから低温ゾーン３０まで延伸する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が露出したアノード２５に対してデバイス１０の反対側にある必要はない。露出したアノード２５及び露出したカソード２７は、デバイス１０の同じ側に存在することができて、コンタクトパッド４４を、帯状体（ｓｔｒｉｐｅ）としてＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の下方に形成することができる。この構造によって、空気及び燃料は、反応が生じない予熱ゾーン３３ａで最初に加熱され、アノード材料及びカソード材料の大部分は、アクティブゾーン３３ｂ内に限定されて、そのアクティブゾーン３３ｂに、加熱された空気及び燃料が流入して、対向するアノード層２４及びカソード層２６によって反応する。
図３１Ａ〜図３１Ｃに示される実施形態は、図３０Ａ〜図３０Ｃに示されるものと同様であるが、図３１Ａ〜図３１Ｃの実施形態は、一つの高温端部３２及び一つの低温端部３０を有するのではなく、中央の高温ゾーン３２を備えた対向する低温ゾーン３０を含む。燃料供給源３４からの燃料は、低温ゾーン３０の燃料インレット１２を介してデバイス１０の第一の端部１１ａから入り、反対側の低温ゾーン３０に位置する燃料アウトレット１６を介して反対側の第二の端部１１ｂから出て行く。同様に、空気供給源３６からの空気は、空気インレット１８を介して反対側の低温ゾーン３０から入り、空気アウトレット２２を介して第一の低温ゾーン３０から出て行く。燃料は、高温ゾーン３２に入り、予熱ゾーン３３ａで予熱される一方、空気は、高温ゾーン３２の反対側から入り、他の予熱ゾーン３３ａで予熱される。従って、燃料及び空気の交差流が存在している。アノード２４は、高温ゾーン３２のアクティブゾーン３３ｂ内でカソード２６と対向し、予熱された燃料及び空気を含むアクティブゾーン３３ｂで反応が生じる。この場合も、電極材料の大部分は、アクティブゾーン３３ｂに限定される。アノード２４は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の縁で露出して、カソード２６は、デバイス１０の反対側で露出している。外部コンタクトパッド４４は、高温ゾーン３２において露出したアノード２５と接触し、負の電圧ノード３８への接続用に、第一の低温端部１１ａに向けて延伸する。同様に、外部コンタクトパッド４４は、高温ゾーン３２において露出したカソード２７と接触し、正の電圧ノード４０への接続用に、第二の低温端部１１ｂに向けて延伸する。
予熱ゾーン３３ａは、ガスがアクティブ領域に到達する前にそのガスを最適反応温度まで完全に加熱するという利点を提供する。燃料が最適温度より冷たい場合、ＳＯＦＣシステムの効率が低下する。空気及び燃料は、それらの経路を辿り続けると、温かくなる。空気及び燃料が温かくなると、その領域の電解質２８の効率が高くなる。燃料、空気及び電解質２８が炉の完全な温度に到達すると、電解質２８は、その最適効率のもとで動作する。貴金属製であり得るアノード２４及びカソード２６に対する金額を節約するため、依然として最適温度未満である領域の金属を省略することができる。長さ又は他の寸法に関して、予熱ゾーン３３ａの量は、炉からＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０への熱伝達の量、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から燃料及び空気への熱伝達の量に依存して、また、燃料及び空気の交差流による熱交換が生じるか否かに依存する。これらの寸法は、更に、燃料及び空気の流量に依存し、燃料又は空気がＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さ方向に高速で移動している場合には、より長い予熱ゾーンが有利である一方、流量が少ない場合には、予熱ゾーン３３ａはより短くなり得る。
図３２Ａ及び３２Ｂは、図３１Ａ〜３１Ｃに示される実施形態と同様の実施形態を示すが、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が、燃料インレット１２と燃料通路１４との間の予熱チャンバ１３を含み、燃料がより狭い燃料通路１４を通ってアクティブゾーン３３ｂ内へ通過する前に予熱ゾーン３３ａの中で大量の燃料を予熱するために、その予熱チャンバ１３が高温ゾーン３２へ延伸する。同様に、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、空気インレット１８と空気通路２０との間の予熱チャンバ１９を含み、空気がより狭い空気通路２０を通ってアクティブゾーン３３ｂ内へ通過する前に、予熱ゾーン３３ａの中で大量の空気を予熱するために、その予熱チャンバ１９は、高温ゾーン３２へ延伸する。上述の実施形態で説明したように、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、複数の燃料通路１４及び空気通路２０を含むことができ、それらの各々が各予熱チャンバ１３、１９から流れを受け取る。
予熱チャネルに代わる大容量予熱チャンバ１３、１９について、単に一例として、例えば空気の分子を最適温度まで加熱するのに５秒かかり、また、空気の分子がＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を毎秒１インチで移動していると考えると、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０には、空気がアクティブゾーン３３ｂに入る前に長さ５インチの予熱チャネルが必要となる。しかしながら、チャネルの代わりに大容量チャンバが提供されると、その体積によって、アクティブゾーン３３ｂへのより狭いチャネルに入る前に分子が余分の時間をキャビティ内で費やし、空気分子がチャンバ内で加熱され、短い長さのチャネルを用いて、加熱された空気分子をアクティブゾーン３３ｂに供給できるようにする。このようなキャビティ、つまり予熱チャンバ１３、１９は、未焼結（つまり焼結前の）アセンブリを取ってそのアセンブリの端部にドリル加工で穴を開けてチャンバを形成するか、又は、未焼結スタックを形成する際に大量の有機材料をその未焼結スタック中に組み込み、焼結中にＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスからその有機材料を燃き出す等の多様な方法で設けることができる。
図３３Ａ〜図３３Ｃは、空気及び燃料がアクティブゾーン３３ｂに到達する前にその空気及び燃料を予熱するための更に他の実施形態を示す。図３３Ａは、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長手方向の中心に実質的に沿った概略的な垂直断面面図である。図３３Ｂは、線３３Ｂ〜３３Ｂに沿った、燃料通路１４及びアノード２４が交差している上面水平断面図であり、図３３Ｃは、線３３Ｃ〜３３Ｃに沿った、空気通路２０がカソード２６と交差している底面水平断面図である。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、二つの対向する低温ゾーン３０及び中央の高温ゾーン３２を有し、各低温ゾーン３０と高温ゾーン３２の間に移行ゾーン３１を備える。燃料供給源３４からの燃料は、燃料インレット１２からＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第１の端部１１ａに入り、高温ゾーン３２の反対側の端部に向けて延伸する燃料通路１４を伝わり、そこでＵターンして、第一の端部１１ａの低温ゾーン３０に戻り、そこで使用済み燃料が燃料アウトレット１６から出て行く。同様に、空気供給源３６からの空気は、空気インレット１８からＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第二の端部１１ｂに入り、高温ゾーン３２の反対側の端部に向けて延伸する空気通路２０を伝わり、そこでＵターンして、第二の端部１１ｂに戻り、そこで空気アウトレット２２を介して低温ゾーン３０から空気が出て行く。これらのＵターン通路を用いて、湾曲（Ｕターン）を介した初期流入から高温ゾーン３２への燃料通路１４及び空気通路２０の部分が、燃料及び空気を加熱するための予熱ゾーンを構成する。通路１４、２０内で湾曲、つまりＵターン部の後で、これらの通路は、それらの間に電解質２８を備えた対向するアノード２４又はカソード２６で覆われる。この領域は、高温ゾーン３２内のアクティブゾーン３３ｂを構成する。従って、燃料及び空気は、アクティブゾーン３３ｂへの流入の前に予熱ゾーン３３ａで加熱されて、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の効率を高め、電極材料の使用を最小化する。アノード２４は、負の電圧ノード３８への接続用に、低温ゾーン３０においてデバイス１０の外部へ延伸している。同様に、カソード２６は、正の電圧ノード４０への電気接続用に、デバイス１０の外部へ延伸している。また、燃料アウトレット１６及び空気アウトレット２２も、低温ゾーン３０から出すことができる。
図示した上述の実施形態の多くでは、アノード２４及びカソード２６は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の層の中、本質的には各層の中央領域の中、つまりデバイス内部を、デバイスの端部に到達するまで伝わる。このポイントにおいて、アノード２４及びカソード２６は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外側にタブ化されて、露出したアノード２５及び露出したカソード２７が、例えば銀ペーストを塗布することによってコンタクトパッド４４で金属化され、そして、コンタクトパッド４４にワイヤがはんだ付けされる。例えば、図４Ａ〜図４Ｂを参照されたい。しかしながら、例えば、図８Ａ〜図９Ｂに示されるように、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の中に層を積み重ねてより高い電圧の組合せにすることが望ましくなり得る。１ｋＷの電力を発生するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を製造することが望まれる場合、電圧と電流の間で電力が分けられる。規格の１つでは、１２ボルトが使用されて、合計１ｋＷの電力を発生するためには８３アンペアが必要になる。図８Ｂ及び図９Ｂでは、並列又は直列の組合せを形成するために、ビアを使用して電極層が相互接続されている。
図３４Ａから図３７は、電極層を相互接続するための代替実施形態を示す。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ 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、これらの代替実施形態には、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の両側に沿って、例えば銀ペーストの外部帯状体（細いコンタクトパッド）が使用され、特に、複数の小さな帯状体が使用されている。帯状にする方法を使用することによって、必要な電流／電圧比を達成するための直列及び／又は並列の組合せを提供することができる単純な構造が形成される。更に、外部帯状体は、内部ビアと比較して緩い機械公差を有することができるので、製造が単純化される。また、外部帯状体は、ビアより小さな抵抗（すなわち等価直列抵抗）を有する傾向がある。導体経路の抵抗が小さいほど、その経路に沿った電力損失が小さくなり、これらの外部帯状体が、より小さな電力損失でＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から電力を取り出す能力を提供する。
次に、特に図３４Ａ及び図３４Ｂを参照すると、直列の外部アノード／カソード相互接続が示されている。図３４Ａは、交互に配置されたアノード２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及びカソード２６ａ、２６ｂ、２６ｃの概略的な正面斜視図を示す。露出したアノード２５及び露出したカソード２７を提供するために、アノード２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及びカソード２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さ方向に沿って、デバイス１０の縁から突出しているタブを含む。そして、図３４Ｂの概略的な側面図に最もよく示されるように、露出したアノード２５及びカソード２７の上のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外側に外部コンタクトパッド４４（すなわち帯状体）が提供される。対向する三対のアノード２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及びカソード２６ａ、２６ｂ、２６ｃを直列に接続することによって、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、３ボルト、１アンペアを提供する。図３５では、構造が二倍になっていて、デバイス１０の側面を下る長い帯状体によって二つの構造が接続されていることによって、３ボルト、２アンペアを提供する直列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及び図３６Ｂは、低電力損失を提供するための低等価直列抵抗経路用の実施形態を示す。本実施形態では、高温ゾーン３２は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の中央にあり、第一の端部１１ａ及び第二の端部１１ｂは低温ゾーン３０にある。燃料は、第一の端部１１ａの燃料インレット１２から投入され、空気は、第二の端部１１ｂの空気インレット１８から投入される。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のアクティブエリアである高温ゾーン３２内では、アノード２４及びカソード２６がデバイス１０の側面に露出しており、一方の側面にアノード２４が露出し、反対側にカソード２６が露出している。コンタクトパッド４４（すなわち帯状体）が露出したアノード２５及びカソード２７の上に加えられる。そして、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の縁が、デバイス１０の側面の長さ方向に沿って、そのメタライゼーションが低温ゾーン３０に達するまで金属化されて、そこで負の電圧ノード３８及び正の電圧接ノード４０への低温はんだ接続４６がなされる。アノード２４及びカソード２６は、他の機能を有しているので、抵抗を低下させるためだけに最適化することはできない。例えば、空気又は燃料を電解質２８へ通すために電極は多孔性でなければならないが、その多孔性は抵抗を上昇させる。更に、多層Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０中の良好な層密度を可能にするために電極は薄くなければならないが、電極が薄いほど、抵抗が大きくなる。より厚いコンタクトパッド４４をＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の縁（側面）に加えることによって、はんだ接続４６に向けて低抵抗経路を提供することができる。コンタクトパッド４４が厚いほど、抵抗が小さくなる。例えば、電子がＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内の電極を、電極層中のすべてのボイドを通過して１０インチ移動しなければならない場合、最小抵抗の経路の長さは、例えばデバイス１０の側端まで０．５インチであり、外部非多孔性コンタクトパッド４４まで１０インチである。従って、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外側に沿って低温ゾーン３０まで延伸する長いコンタクトパッド４４は、より低い抵抗の導体経路を提供することによって、より低い損失でＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から電力を取り出すことを可能にする。従って、帯状にする方法をＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のアクティブエリア（高温ゾーン３２）に使用して、直列及び並列接続を設けて電力を大きくすることができ、また、デバイス１０の側面に沿って低温端部３０まで長い帯状体を使用することによって、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から効率的に電力を取り出すことができる。
図３７は、図３６Ｂに示される実施形態と同様の実施形態を概略的な等角図で示すが、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第一の端部１１ａに単一の低温ゾーン３０を有し、高温ゾーン３２がデバイス１０の第二の端部１１ｂにある。直列接続及び／又は並列接続をなすための複数の垂直帯状体又はコンタクトパッド４４が高温ゾーン３２内に提供されていて、また、正の電圧ノード４０及び負の電圧ノード３８への低温はんだ接続４６を設けるために、デバイス１０の側面に沿った水平の長い帯状体又はコンタクトパッド４４が、高温ゾーン３２から低温ゾーン３０まで提供されている。
燃料通路１４及び空気通路２０を形成する方法の一つは、後続の焼結ステップの間に焼き出すことができる未焼結の層状構造内に、有機材料を犠牲層として配置することである。１ｋＷ出力又は１０ｋＷ出力等の大きい電力を出力する個々のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を構築するためには、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を長くて幅が広くなければならず、また、層の数を多くしなければならない。例として、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、１２インチから１８インチのオーダの長さにすることができる。未焼結構造を焼いてセラミックを焼結させ、犠牲有機材料を除去する際に、燃料通路１４を形成するのに使用される有機材料は、それぞれ燃料インレット及び燃料アウトレットを形成する開口１２及び１６から出て行かなければならない。同様に、空気通路２０を形成するのに使用される有機材料は、それぞれ空気インレット及び空気アウトレットを形成する開口１８及び２２から焼き出さなければならない。デバイスが長くて幅が広いほど、有機材料がこれらの開口から出て行くことが困難になる。焼き出し中にデバイスが急速加熱され過ぎると、有機材料が構造から出て行くよりも早く有機材料の分解が生じるので、様々な層が層間剥離する可能性がある。
図３８Ａ及び図３８Ｂは、有機材料（犠牲層）７２を焼き出すための複数の出口ギャップを提供する代替実施形態を概略的な水平断面図で示したものである。図３８Ａに示されるように、有機材料７２が構造から出て行くための複数の焼き出し経路を提供するために、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の側面に複数の開口７０が提供されている。図３８Ｂに示されるように、焼き出しの後、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のその側面に障壁コーティング６０を加えることによってこれらの複数の開口７０が密閉される。例として、障壁コーティング６０はガラスコーティングであり得る。他の例では、障壁コーティング６０は、セラミック充填剤を含有したガラスであり得る。更に他の実施形態では、障壁コーティング６０は、例えばペーストが充填されたコンタクトパッド４４であり得て、発生する電力用の低抵抗経路としても機能することになる。銀ペーストは、接着力を強化するためにガラスを含有することもできる。例示的実施形態では、カソード２６用の焼き出し経路は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の側面に通気されていて、また、アノード２４用の焼き出し経路は、対向する電極間の短絡を回避するために、デバイス１０の反対側に通気されている。
Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、１００、２００、３００の代替実施形態では、それぞれカソード２６又はアノード２４で覆われた開放空気通路２０及び燃料通路１４を有する代わりに、空気又は燃料の流れを許容する多孔性電極材料を使用して、カソードと空気チャネルを結合し、また、アノードと燃料チャネルを結合することができる。カソード及びアノードは、反応を生じさせるためには必ず多孔性でなければならないので、強制的な空気及び燃料の投入と組み合わせることにより、電力生成反応を生じさせるのに十分な流れをＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを介して達成することができる。
図３９は、本発明の他の実施形態を概略的な端部断面図で示す。本実施形態は本質的に、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のアノード支持バージョンである。他の実施形態と同様、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、高温端部３２及び低温端部３０を有し得て、又は中間高温ゾーン３２を備えた二つの低温端部３０を有し得る。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では、アノード材料を支持構造として使用する。アノード構造内には、燃料通路１４及び空気通路２０が対向して提供されている。空気通路２０は電解質層２８で覆われていて、そしてカソード層２６で覆われている。化学気相成長を使用して内部層を堆積させることができ、又は粘性ペーストの溶液を使用する。
図４０Ａ及び図４０Ｂは、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ 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す。本実施形態では、個別の開放燃料通路１４が無くなっていて、多孔性アノード２４が燃料通路１４ａとしても作用する。更に、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、デバイス１０の側面から燃料が流出するのを防止するために、ガラスコーティング又はセラミックコーティング等の障壁コーティング６０でコーティングされている。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、関連する電解質２８及びカソード２６と共に必要に応じた数の空気通路１４をアノード構造内に有し得る。図４０Ｂに示されるように、燃料供給源３４からの燃料は、燃料通路１４として作用する多孔性アノード２４を介して第１の端部１１ａの中へ強制的に通され、電解質層２８及びカソード２６を通過して空気供給源３６からの空気と反応した後、使用済みの空気及び燃料が、空気アウトレット２２から出て行く。
図４１Ａに概略的な端部断面図で、また、図４１Ｂに概略的な水平断面図で示される他の実施形態では、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、アノード支持構造内に提供されている複数の空気通路２０と、これらの複数の空気通路２０に対して直角な単一の燃料通路１４であって、燃料を燃料供給源３４から単一の燃料インレット１２を介して複数の空気通路２０へ供給するための単一の燃料通路１４とを含み得る。この場合も、空気通路２０は、最初に電解質層２８で覆われ、次にカソード２６で覆われる。燃料は、単一の燃料通路１４からアノード構造２４、電解質２８及びカソード２６を通過して空気通路２０の中で空気と反応し、空気アウトレット２２から使用済みの燃料及び空気が出て行く。使用済みの燃料は、障壁コーティング６０を含まないＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面（このコーティングされていない側面は、デバイス１０の単一の燃料通路１４の配向とは反対側に配置される）からも除去可能である。
アノード支持構造に関連する実施形態では、その構造は本質的に、カソード支持構造になるように逆にすることができることは理解されたい。電解質層２８及びアノード層２４でコーティングされた燃料通路１４は、カソード構造内に提供される。また、個別の空気通路２０又は複数の空気通路２０を提供することもでき、又はカソード２６の多孔性を空気流のために使用することができる。
図４２Ａ〜図４２Ｃは、空気通路２０及び燃料通路１４内に電極を形成するための方法を示す。一例として燃料通路１４及びアノード２４を取り上げると、未焼結セラミックの層及び金属テープ層を使用して一層ずつ未焼結構造を積み重ねたり、メタライゼーションを印刷したりする代わりに、本実施形態では、電極のないＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が最初に構築される。言い換えると、未焼結セラミック材料を使用してＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の電解質２８及びセラミック支持部分２９が形成され、また、有機材料を使用して燃料通路１４等の通路が形成される。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を焼結した後に、燃料通路１４にアノードペースト又は溶液を充填する。このペーストは、印刷インキの場合のように濃くすることも、あるいは高濃度水溶液の場合のように薄くすることも可能である。アノード材料は、真空による吸込み、毛細管力、空気圧による強制等の所望の手段によって燃料通路１４に充填可能である。
代わりに、図４２Ａ〜図４２Ｃに示されるように、アノード材料を溶液中に溶解して、燃料通路１４に流し込み、そして、沈殿させる。例えば、ｐＨ変化によってアノード粒子を沈殿させ、溶液を取り除くことができる。他の代替例では、単純にアノード粒子を沈殿させ、そして、液体を乾燥させるか、又は燃料通路１４から焼き出すこともできる。この沈殿は、例えば低粘性によって長期間にわたって粒子を懸濁状態に維持しないインキ又は液体キャリア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沈殿を強制することも可能である。遠心分離機は、容易に、ほとんどの粒子を燃料通路１４の一表面に優先的に沈殿させることができ、それによって、電極材料を節約して、燃料通路１４の一方の表面のみが電解質として作用することを保証する。
図４２Ａに示されるように、アノード粒子含有溶液６６は、図４２Ｂに示されるように、通路１４が完全に充填されるまで燃料通路１４内に引き込まれる。そして、図４２Ｃに示されるように、粒子は通路１４の底に沈殿し、アノード層２４が形成される。溶液６６の注入は、通常の毛細管力と比較して、重力、真空又は遠心分離機によって加速することができる。一例としてアノード２４及び燃料通路１４を使用したが、勿論、これらの代替実施形態では、カソードペースト又は溶液と共に使用して空気通路２０の中にカソード層２６を生成することもできる。
他の代替例では、セラミック電極材料（アノード又はカソード）を液体ゾル・ゲル状態で通路（燃料又は空気）内に注入し、そして通路の内側に堆積させることができる。また、例えば液体中における所望の電極材料の濃度が低い場合や、特性の勾配を電極に提供する場合（例えば、電解質に近い電極のＹＳＺの量を、電解質から遠い電極のＹＳＺの量と異ならせる場合等）や、異なる材料の複数の層を一緒にすることが望ましい場合（良好な導電性のために、電解質の近くにＬＳＭ製のカソードを置き、次にＬＳＭの頂部の上方に銀を置くことが望ましい場合等）等に、充填動作を複数回にわたって繰り返すことも可能である。
セラミック球つまりボールを使用して構造的な支持を空気通路２０及び燃料通路１４に提供する図７Ｃ及び図７Ｄをもう一度参照すると、セラミック粒子を使用して有効表面積を広くして、反応エリアをより広くすることもできて、より大きな出力が得られる。電極層を加える前に、超微細セラミックボールつまり粒子を燃料通路１４及び空気通路２０の内側に使用することができる。図４３に概略的な垂直断面図で示されるように、表面粒子６２は通路１４を覆って、電極層を受け入れるために利用可能な表面積を広くする非一様なトポグラフィを電解質層２８に提供する。そして、非一様なトポグラフィの上方にアノード２４が加えられ、表面粒子６２の全周囲をアノード材料がコーティングすることによって、反応エリアを広くする。
図４４に概略的な垂直断面図で示される代替実施形態では、非一様なトポグラフィすなわち織り目加工された（テクスチャ化された）表面層６４が提供されるように、電解質層２８に付与されるＶ字形パターンを有する微細グレーディングに対する未焼結電解質層の押し付け等によって電解質層２８を積層することができる。電解質層２８が焼結されて、セラミック及び織り目が付けられた表面層６４が凝固した後に、反応エリアが広いアノードを提供するために、図４２Ａ〜図４２Ｃに関連して上述した充填プロセスの使用等によってアノード層２４を加えることができる。
図４５Ａ及び４５Ｂは、本発明の更に他の実施形態を示す。図４５Ａは、空気通路及び燃料通路を通る空気及び燃料の流れと、電極の配置とを示す概略的な上面図であり、図４５Ｂは、高温ゾーン３２に沿った断面図である。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、その長さ方向に沿って左側８０及び右側８２に分割されていて、それらの間に中間すなわち架橋部分８４を備える。複数の空気通路２０ＬがＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第一の端部１１ａから左側８０を通ってその長さ方向に沿って延伸し、第二の端部１１ｂに隣接する左側８０から出て行き、また、複数の空気通路２０Ｒが第一の端部１１ａから右側８２を通ってその長さ方向に沿って延伸し、第二の端部１１ｂに隣接する右側８２でＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から出て行く。空気通路２０Ｌは、図４５Ｂに最も良く示されるように空気通路２０Ｒからずらされている。複数の燃料通路１４ＬがＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第二の端部１１ｂから左側８０を通ってその長さ方向に沿って延伸し、第一の端部１１ａに隣接する左側８０から出て行き、また、複数の燃料通路１４Ｒが第二の端部１１ｂから右側８２を通ってその長さ方向に沿って延伸し、第一の端部１１ａに隣接する右側８２から出て行く。燃料通路１４Ｌは、燃料通路１４Ｒからずらされている。更に、一つの燃料通路及び一つの空気通路を除き、各燃料通路１４Ｌは、一つの空気通路２０Ｒと対をなしその空気通路２０Ｒから若干ずらされていて、また、各空気通路２０Ｌは、一つの燃料通路１４Ｒと対をなしその燃料通路１４Ｒから若干ずらされている。燃料通路１４Ｌ及び空気通路２０Ｒのずらされた各対に対して、メタライゼーションが各燃料通路１４Ｌに沿って左側８０から右側８２へ延伸していて、右側８２では、メタライゼーションは、若干ずらされた空気通路２０Ｒに沿って延伸している。同様に、燃料通路１４Ｒ及び空気通路２０Ｌのずらされた各対に対して、メタライゼーションが各空気通路２０Ｌに沿って左側８０から右側８２へ延伸していて、右側８２では、メタライゼーションは、若干ずらされた燃料通路１４Ｒに沿って延伸している。メタライゼーションが燃料通路１４Ｌ又は１４Ｒに沿って延伸している場合、メタライゼーションは、アノード２４Ｌ又は２４Ｒとして作用し、また、メタライゼーションが空気通路２０Ｌ又は２０Ｒに沿って延伸している場合、メタライゼーションは、カソード２６Ｌ又は２６Ｒとして作用する。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の架橋部分８４では、メタライゼーションがどの空気通路又は燃料通路に沿っても延伸しておらず、そのメタライゼーションは、アノードとカソードとの間のブリッジ９０として単純に作用する。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又は２４Ｒ、ブリッジ９０、カソード２６Ｌ又は２６Ｒがそれぞれ同じ材料を備えるように、その長さ方向に沿って同じ材料を備えることができる。例えば、メタライゼーションは、それぞれ、アノード又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を備えることができる。代わりに、メタライゼーションは異なる材料を備えることができる。例えば、カソード２６Ｒ又は２６Ｌは、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ，ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｍａｎｇａｎｉｔｅ）を備えることができる一方、アノード２４Ｒ又は２４Ｌは、ニッケル、ＮｉＯ又はＮｉＯ＋ＹＳＺを備える。ブリッジ９０は、パラジウム、白金、ＬＳＭ、ニッケル、ＮｉＯ又はＮｉＯ＋ＹＳＺを備えることができる。本発明には、カソード若しくはアノード又はそれらの間の架橋材料としての使用に適した材料の組み合わせやタイプが考えられ、本発明は、上記特定の材料に限定されるものではない。
燃料通路１４Ｒは、露出した外部アノード２５を提供するためにＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の右側の縁まで延伸している関連するアノード２４Ｒと共に、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の側（ここでは右側８２に示される）に提供されている。この燃料通路１４Ｒに関連するずらされた空気通路２０Ｌは存在せず、また、アノード２４Ｒが左側８０へ延伸する必要はない。図４５Ａに示されるように、外部コンタクトパッド４４は、露出したアノード２５の上方に加えられて、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さ方向に沿って低温ゾーン３０内へ延伸している。そして、ワイヤ４２及びはんだ接続４６によって負の電圧ノード３８をコンタクトパッド４４に接続することができる。図示されるように、アノード２４Ｒは、高温ゾーン３２を横切って右側の縁まで延伸し得るが、使用される電極材料の量を少なくするために、小さなタブ部分まで延伸することも可能である。また、アノード２４Ｒは、燃料通路１４Ｒの長さ方向に沿ってＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の右側の縁まで延伸し得るが、このような実施形態では、不必要な電極材料の使用が必要になる。
同様に、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Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の左側まで延伸している関連するカソード２６Ｌと共に、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の他方の側（ここでは左側８０に示される）に提供されている。この空気通路２０Ｌは、ずらされた燃料通路１４Ｒに関連せず、カソード２６Ｌが右側８２へ延伸する必要はない。コンタクトパッド４４は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ 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から低温端部３０まで加えることができ、そこで正の電圧ノード４０をワイヤ４２及びはんだ接続４６を介してコンタクトパッド４４に接続することができる。
図４５Ｂには、単一の燃料通路１４Ｒ及び関連するアノード２４Ｒが右側８２の一番上に示されている一方、単一の空気通路２０Ｌ及び関連するカソード２６Ｌは、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ 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、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、単一の燃料通路１４Ｒ及びそれに関連するアノード２４Ｒと同様にずらして、空気通路２０Ｌ及び関連するカソード２６Ｌを左側８０のデバイス１０の一番上に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から架橋部分８４を通って右側８２まで走らない。むしろ、アノード２４Ｒがカソード２６Ｌから電気的に分離されるように、ブリッジ９０が存在しない。二つの独自の空気通路スタック及び二つの独自の燃料通路スタックを単一のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内に備え、電池が直列に接続されたＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を提供することのできる追加構成が考えられる。図４５Ａ及び図４５Ｂに示される実施形態は、電流を上げずにに電圧を上げる一方で、低抵抗を維持する利点を有する。更に、本実施形態は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内に高密度を提供する。
図４６Ａ及び４６Ｂは、代替実施形態をそれぞれ概略的な斜視図及び概略的な断面図で示す。これまでの実施形態（例えば図３７）には、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外面又は縁に沿って、高温ゾーン３２から一又は複数の低温ゾーン３０まで外部帯状体が提供されていて、電子が低温端部まで移動するための低抵抗経路を提供していた。図４６Ａ及び図４６Ｂの実施形態では、デバイス１０の側面又は縁に沿った帯状体の代わりに、アノード２４への外部接続のためのコンタクトパッド４４が、一方の側面と、頂部表面及び底部表面のうち一方とに沿って加えられていて、また、カソード２６への外部接続のための他のコンタクトパッド４４が、反対側の側面と、反対側の頂部表面及び底部表面のうち一方に沿って加えられている。従って、電子が、電子が移動するための大きな又は幅の広い経路を有していることによって、更に低い抵抗が提供される。二つの隣接する表面に加えられるこれらの大きなコンタクトパッド４４は、本明細書において説明される全ての実施形態において使用することができる。
図４７は、熱交換原理を利用しているＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の更に他の実施形態を概略的な垂直断面図で示す。加熱された空気及び燃料が高温ゾーン３２のアクティブゾーン３３ｂ（つまり、高温ゾーン３２の一部であって、アノード２４がカソード２６と対向していて、それらの間に電解質２８を備えている部分）を通過した後、燃料通路１４及び空気通路２０が、単一の排気通路２１に結合されている。非反応燃料は、加熱された空気と結合すると燃焼して、追加の熱を生成する。排気通路２１は、アクティブゾーン３３ｂに隣接している低温ゾーン３０に向かって戻り、排気（使用済み燃料及び空気）の流れる方向は、隣接する燃料通路１４及び空気通路２０に流入する燃料及び空気の方向とは逆方向である。排気通路２１の中で生成される追加の熱は、流入する燃料及び空気を加熱するために隣接する通路１４、２０に伝達される。
図４８Ａ〜図４８Ｃは、図４８Ａに示されるように、薄い部分４０４よりも厚い厚さを有する厚い部分４０２を有する“エンドロールＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス”４００を示す。燃料インレット１２及び空気インレット１８は、厚い部分４０２の端部に位置している第一の端部１１ａに隣接して配置されている一方、図示されていないが、空気アウトレット及び燃料アウトレット（１６、２２）は、薄い部分４０４の端部に位置している反対側の第２の端部１１ｂに隣接して、デバイス４００の側面に提供され得る。厚い部分４０２は、機械的強度を提供するのに十分厚くなければならない。これは、隣接する燃料インレット１２及び空気インレット１８の周りに厚いセラミック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、アクティブゾーン３３ｂ（図示せず）を含み、そのアクティブゾーン３３ｂは、カソード（図示せず）と対向するアノード（図示せず）を含み、それらの間に電解質（図示せず）を備える（これまでの実施形態の場合と同様に）。薄い部分４０４は、図４８Ｂに示されるように、未焼結（非焼成）状態にある間に巻くことができるのに十分薄くなければならない。薄い部分４０４を所望のきつさで巻いた後、デバイス４００が焼成される。そして、巻かれた薄い部分４０４を加熱して反応を生じさせることができるようになる一方、厚い部分４０２は、他の実施形態で説明したように低温端部である。エンドロールＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス４００は、薄い部分４０４を巻くことによって小さな空間に適合可能な広い表面積のデバイスである。更に、薄い部分４０４のアクティブゾーン（３３ｂ）の断面が薄いため、セラミックに沿った熱伝達が低下して、良好な温度サイクル性能が得られる。
アノード２４及びカソード２６がアクティブ（反応）ゾーン３２及び／又は３３ｂのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の縁（側面）で露出している実施形態の場合、デバイス１０の頂部のセラミック２９は、アクティブゾーン３２及び／又は３３ｂのエリアでリセスされ得る。これによって、電気接続するために頂部からカソード２６及びアノード２４の両方にアクセスすることができる。そして、高温ゾーンチャンバ／炉の外部への接続を提供するために、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の頂部表面に沿って、アクティブゾーン３２及び／又は３３ｂから一又は複数の低温ゾーン３０まで、コンタクトパッド４４（例えばメタライゼーション帯状体）を加えることができる。
Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が、対向する端部１１ａ、１１ｂに二つの低温ゾーン３０を含み、中央に高温ゾーン３２を含む他の実施形態では、一又は複数のアノード２４、及び／又は、一又は複数のカソード２６のための一又は複数のコンタクトパッド４４（例えばメタライゼーション帯状体）を、例えば、図３６Ｂに示されるように、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の高温ゾーン３２から両方の端部１１ａ、１１ｂに向かって延伸させることができる。そして、これらの一又は複数のアノード２４及び一又は複数のカソード２６の各々に対する二つの別々の電気接続を実施することができる。非制限的な一例として、一つの接続セットを使用して、電池から出力される電圧をモニタリングすることができ、一方で、他の接続セットは、負荷を接続して電流を流すことができる。電池自体で電圧を個別に測定する性能には、電池から出力される総電力に対するより良いアイディアが得られるという利点がある。
コンタクトパッド４４（例えばメタライゼーション帯状体）には、当業者に知られている適切な導電性材料を使用することができる。例として、銀、ＬＳＭ及びＮｉＯが挙げられる。材料の組合せを使用することもできる。一実施形態では、高温ゾーン３２のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の表面に沿って非貴金属材料を使用することができる。高温ゾーンチャンバ／炉の大気が酸化している場合、例えばＬＳＭを使用することができる。高温ゾーンチャンバ／炉の大気が還元している場合、例えばＮｉＯを使用することができる。しかしながら、いずれの場合においても、材料が高温ゾーンチャンバ／炉の外側に延伸している場合には、非貴金属材料は導電性を失うので、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が高温ゾーンチャンバ／炉から出て行く直前において、メタライゼーション材料を貴金属又は耐食性材料に移行させなければならない。銀ペーストは便利な貴金属材料である。更なる説明として、ＬＳＭ等の特定の材料は、温度が反応温度から室温まで降下すると非導電性になり、また、ニッケル等の他の材料は、デバイス１０の低温端部３０で空気に露出されると非導電性になる。従って、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の低温端部領域３０のコンタクトパッド４４用のメタライゼーション材料は、空気（つまり非保護性大気）中及び低温で導電性でなければならない。銀等の貴金属は、温度／大気移行エリア全体で動作して、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が高温ゾーンチャンバ／炉から出て行く前に、メタライゼーション材料を貴金属に移行させることができるようにする。材料の組合せを使用することによって、低温ゾーン３０に対する高温ゾーン３２内のコンダクタンスの特定の要求に基づいて材料を選択することができ、また、使用される高価な貴金属の量を減少させることによってコストを下げることができる。
図４９Ａ〜図４９Ｃに示されているように、未焼結層を積み上げるプロセスの間に、ワイヤ９２又は他の物理構造がデバイスの中に配置され（図４９Ａ）、次に、所定の位置にワイヤ９２を備えた状態でこれらの層が積層され（図４９Ｂ）、次に、積層後にワイヤ９２が除去される（図４９Ｃ）。例えば、ガスフロー通路１４、２０がＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の高温ゾーン３２（反応領域）に入る前に、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が数インチの長さを有することができる燃料又は空気の入口点において、これが有用である。通路を形成するプロセスにおいてゆっくりと焼き出さなければならないポリマーを印刷する代わりに、ワイヤプロセスを使用することによって、焼き出しの課題をＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のその部分から排除することができる。非制限的な例として、容易に引っぱり出すことができる直径０．０１０インチのワイヤ９２を使用することができる。また、ワイヤ９２を平らに巻いて、ワイヤと同様の体積を有するが、断面がより短いリボン状の物理的構造を形成することもできる。リボンは、より広い表面積を有しているので、その表面に離型剤を加えることにより、積層中、セラミック層への粘着を避けることができる。従って、“ワイヤ”という用語には、断面が円形であれ、楕円形であれ、正方形であれ、あるいは矩形等であれ、細長い多様な物理的構造を広義に含むものである。
図５０Ａ〜図５０Ｃは、１層Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０用の入口チャネルを形成する一例を示す。本例では、ギャップ形成テープ９４（例えばポリマーテープ又はワックステープ）を使用して燃料通路１４及び酸化剤通路２０全体を形成する代わりに、ギャップ形成テープ９４は、アクティブゾーン３３ｂ、つまりアノード２４及びカソード２６が対向して配置され、それらの間に電解質２８を備えた領域にのみ使用されている。燃料通路１４及び酸化剤通路２０が、関連した対向アノード２４及びカソード２６を有していない非アクティブ領域では、ギャップ形成テープ９４の代わりにワイヤ９２が使用されている。図示されるように、ワイヤ９２及びギャップ形成テープ９４によって形成される通路１４、２０が、インレット１２、１８からアウトレット１６、２２（図示せず）まで連続するように、ワイヤ９２は、ギャップ形成テープ９４に接触しているか、又は重畳する。
このワイヤコンセプトの使用は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が複雑になるほど、有用になり得て、例えば、多層Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（例えば５０層）の複雑な焼き出しの課題を単純化することができる。これは、一部には、特に複雑な構造におけるバインダ除去のための課題は、バインダ焼き出し生成物をそれらが生成される場所から（ポリマーが分解する場所から）Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外部へ移動させなければならないことによるものである。しかしながら、ワイヤ９２が構造から引っぱり出された後、このボイドに沿った経路には、何も存在していない。ワイヤ９２（又は他の適切な物理的構造）を複雑な構造にし、かつ、引っぱり出すことができる場合、それによって生成されるボイドのため、焼出し生成物用の構造内部の多くの領域は、その構造の外部への経路を速やかに見出すことができる。
ワイヤコンセプトの他の有用な目的は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内の圧力分布を補助することである。単一のチューブがＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に空気又は燃料を供給している場合、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内部の多くの通路／チャネルに沿って異なる流量が存在し得る。例えば、５０個のアクティブ層に対応する５０個の空気通路２０がＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内に存在している場合、若干大きな断面積を有する一つの通路と、若干小さな断面積を有する一つ通路が存在し得る。これは、ギャップ形成材料の寸法のランダムな変化によって生じ得る。一つの解決策は、各層からの出口の断面積を制限することである。これらの断面積が等しくなるように、各層からの出口点の断面を正確に作ることができる場合、出口点の断面積がフローチャネルの面積より小さい場合、また、全ての出口点の面積が入口チューブの断面積より小さい場合、流れは各層で等しくなる。これは、ガス及び流体の流れの実用性に対応している。ワイヤコンセプトがこの解決策を可能にする。各層の出口点において、外界へのガスの最終通路を構築するために、ワイヤ９２が挿入される。５０層の場合、５０本の短いワイヤ片が挿入される。それらが引っぱり出されると、各層が正確な出口寸法を有する（例えば、直径５ミルの通路）。
従って、本発明には、各層の出口点の断面積がフロー経路の断面積自体より小さい多層Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が考えられる。本発明には、更に、各層の出口点が所定の位置で正確に同じ断面積を有するように、各層の出口点が正確に機械加工される多層Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が考えられる。また、本発明には、更に、一緒にされる全ての出口面積が入口の断面積より小さい多層Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が考えられる。これらの実施形態では、出口点の断面積は、層のアクティブ部分の端部を越えるが、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の端部出口点の前のフロー経路内の位置に存在するものとして画定されている。言い換えると、フロー経路内のこのネックダウン点は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０からの出口点に正確に存在する必要はなく、アクティブエリアから下流側のどこかにある。
これまでの実施形態では、高温ゾーン３２及び高温ゾーンチャンバについて考察してきた。高温ゾーンチャンバは、炉と称することも可能である。低温ゾーン又は低温端部領域３０は、炉の外側に配置されている。移行ゾーン３１は、炉の内側の領域に隣接するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の領域である。図５１に示されるように、炉壁９６は、全厚さＴを有している。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、この炉壁９６を貫通している。炉壁９６内におけるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さは、寸法Ｘであり、厚さＴに等しい。炉壁９６を貫通する際のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の幅は寸法Ｙである。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の厚さは寸法Ｚである。この実施形態については、ＺはＹ以下である。
本発明の一実施形態によると、最適条件のためには、炉壁の厚さＴは、炉壁９６を貫通する際のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の幅Ｙより大きくなければならない。ＴがＹ未満だと、炉壁９６を通過する際のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に対する応力が高くなり過ぎて、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０がひび割れる可能性がある。
図５２Ａ〜図５２Ｃに示される他の実施形態では、寸法Ｌは、炉壁９６を貫通する部分におけるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、（１００、２００、３００又は４００）のデバイス１０の長さ方向に対して横方向の平面（つまり、Ｙ−Ｚ平面）における最大寸法である。矩形のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（１００、４００）の場合、最大寸法Ｌは、図５２Ｂに示されるように対角線であり得る。チューブ状Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００、３００の場合、最大寸法Ｌは直径であり得る。最適条件のためには、寸法は、Ｔ≧（１／２）Ｌになるようにしなければならない。
壁の厚さＴは、一つの一様な材料（絶縁体）９８からなり得る。代わりに、図５３に示されるように、壁の厚さＴは、、三つの絶縁層９８ａ、９８ｂ、９８ｃ等の複数の段階的な絶縁層からもなり得て、熱伝達特性が各層で最適化されて、考えられる最良の温度移行結果が得られるようにする。多層炉壁９６’の場合、一緒にされる全ての層の全厚さＴは、Ｙよりも大きく、及び／又は、（１／２）Ｌ以上にしなければならないが、炉壁９６’の一つの層の厚さは、Ｙ未満及び／又は（１／２）Ｌ未満であってもよい。
図５４に示される他の実施形態では、多層炉壁９６”が、エアギャップ１２０によって分離できる複数の絶縁層９８ａ、９８ｃとして提供される。この設計の場合、高温ゾーン３２の近傍に高温絶縁層９８ｃが存在し得て、また、低温ゾーン３０の近傍に低温絶縁層９８ａが存在し得る。そして、二つの絶縁層９８ａと９８ｃの間に、中間（中央）温度ゾーンが存在して、例えば移行ゾーン３１又は予熱ゾーン３３ａに対応する。この実施形態は、炉の最も熱いエリアを広くせずに、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に流入する空気用のより長い予熱エリアを可能にする。この実施形態では、炉壁９６”の一つの層の厚さを、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のＹ寸法未満、及び／又は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が炉壁９６”を貫通する際の（１／２）Ｌ未満にすることができる。しかしながら、層９８ａ及び９８ｃ並びにエアギャップ１２０を含む炉壁９６”の全寸法Ｔは、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のＹ寸法より長く、及び／又は、１／２Ｌ以上になる。本実施形態には、さらに、二つよりも多くの絶縁層が考えられる。
上記考察は、アノード及びカソードなしのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を最初に製造し、次に、後でこれらのエレメントを充填するというアイディアである。そのようにする理由は、特定のアノード材料又はカソード材料の濃度がＺｒの焼結温度で濃くなり過ぎることがあり、濃くなり過ぎると、良好な反応が得られないことによる。あるいは、より一般的に言うと、システムの異なる構成要素を同じ温度プロファイルで最適に焼結させたくない場合に、充填が必要となり得る。
しかしながら、アノード又はカソードの頂部の上に集電体を提供することはより困難である。後述の図５５Ａ〜図５５Ｅに示されるような集電体１２２は、アノード又はカソードの表面部分として配置された高密度電極になることが当業者に知られている。集電体１２２は、通常、微細ワイヤのように、高導電性の層又はマトリクスであり、電子を収集て、必要とする場所へ移動させることができる。集電体１２２は、ＮｉＯやＬＳＭ、又は他の低コスト材料で製造することができ、さらには高価な電極であってもよい。アノード及びカソードを形成するための充填プロセスに続いて、一様な方法で集電体を正確に配置することは困難である。しかしながら、集電体の課題は、アノード又はカソードの課題とは異なる。アノード及びカソードについては、多孔性にすることが望ましく、過剰焼成の危険を伴う一方、集電体は稠密であることが望ましく（良好な導電率のために）、可能性としては、Ｚｒと共に共焼成可能である。集電体１２２は、充填の前に、電解質２８の上に置くことができて、集電体がアノード及びカソードの下方に存在して、電解質２８と接触するようになるが、この構成は、電解質２８の上のアクティブエリアをブロックして、アクティブエリアが不必要に無駄になる。
本発明の一実施形態によると、図５５Ａ〜図５５Ｅに示されるように、集電体１２２は、それらがＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内の空間にフローティングするように配置されて、共焼成される。これは、図５５Ａに概略的に示されるように、第一の犠牲有機層７２ａ（例えばポリマー）の頂部の上に集電体１２２を印刷し、次に、第二の犠牲有機層７２ｂ（例えばポリマー）を集電体１２２の頂部の上方にコーティングすることによって達成することができる。従って、集電体１２２は、図５５Ｂに示されるように、二つの犠牲有機層７２ａと７２ｂとの間に挟まれている。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の構築は、図５５Ｃに示されるように、犠牲層／集電体構造をセラミック支持構造２９内に配置し、次に、図５５Ｄに示されるように、焼結させることによって犠牲有機層７２ａ、７２ｂが消滅して、ギャップ１２３を形成して、そのギャップ１２３内の空間に集電体１２２をフローティングさせることを含む。次に、多孔性アノード又はカソードをギャップ１２３内に簡単に充填することができて、アノード又はカソードの形成を完成させる。上述のような支柱５４を使用することによって、図５５Ｅに示されるように、フローティング集電体１２２を支柱５４の上に載せることも可能であり、機械的な支持を提供したり、又は位置を標準化する。これを達成するために、ポリマーの第１の犠牲層７２ａの中に周期的なビアホール又は小さなギャップを生成し得て、集電体材料が周期的に孔の中に印刷されるようにする。バインダの除去の後に、この充填された孔が支柱５４になる。代わりに、犠牲ポリマーギャップ材料内に酸化ジルコニウムボールを加えることもできる。犠牲ポリマーが溶解すると、図５６Ａ及び図５６Ｂに示されるように、これらのボールに集電体１２２が粘着し、また、これらのボールがセラミック支持構造２９に粘着して、支持体が提供される。次に、図５７Ａ及び図５７Ｂに示されるように、多孔性アノード２４又はカソード２６を空間の中に充填することができ、その中に電極粒子が１２４が充填用の粘性液１２６の中で保持され、次に、デバイスが乾燥されて、粒子が沈殿し、焼結されて、アノード２４又はカソード２６が形成される。アノード粒子又はカソード粒子は、そうすることが有用である場合、一方の面に選択的に堆積可能である（重力によって、又は遠心分離機によって）。
印刷ハッチラインを使用している集電体スタイルの場合、空気通路１４又は燃料通路２０のギャップ寸法にある程度の変化が存在することがあり、通路が集電体１２２によって締め付けられるか、又は遮断されることになる。この変化は、焼結中のランダムな寸法変化によって生じる。図５８Ａ〜図５８Ｃは、通路１４、２０をほぼ遮断している集電体１２２の一例を示す顕微鏡写真である。通路１４、２０の目標は、クリアな流れを有することである。通路をより大きくすることは可能であるが、そのためにＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の密度が不必要に減少する（通路が厚いほど、また、層が厚いほど、多層デバイスの出力密度が小さくなる）。本発明の一実施形態によると、通路１４、２０が集電体１２２で遮断される可能性を下げるために、集電体のラインを多孔性アノード２４及びカソード２６内部に埋め込むことができる。図５９は、アノード２４及びカソード２６の表面の集電体１２２を示し、図６０は、アノード２４及びカソード２６の表面に埋め込まれた集電体１２２を示すが、これらの図５９及び図６０に示されるように、集電体１２２が多孔性アノード及びカソード２４、２６の厚みの中に埋め込まれると（又はアノード／カソード内に実質的に埋め込まれると）、集電体１２２がガス流の経路を遮断し難くなる。図６９は、多孔性アノード又はカソードの中にリセスされた実際の集電体トレースを示す。
図６１Ａ〜図６１Ｃは、集電体１２２を埋め込む方法を示す。最初に、集電体１２２が一時基板１２８の上に分配又は印刷される。次に、ペーストの印刷又は電極粒子１２４を含有する粘性液１２６の充填及び乾燥等によって、この集電体１２２を電極材料で覆う。最後に、一時基板１２８を除去する。一時基板１２８は、乾燥後の電極材料への接着が緩いプラスチック片であり得て、乾燥したプラスチック・オン・電極を引っくり返してプラスチックを剥がすことができる。スタック内に挿入されるギャップ形成テープ９４の上に集電体１２２及びアノード／カソード２４、２６を置くことによって、同一又は同様の結果を達成することができ、焼き出し及び焼結中にギャップ形成テープ９４が消滅して、同じ最終結果となる。
集電体１２２の頂部の上方にアノード２４又はカソード２６を印刷する場合、集電体１２２に多少溶解して広がる傾向があると、溶解度が異なる材料を使用することができる（極端な場合、集電体１２２は、極性溶媒中に溶解可能な樹脂材料を含有することができ、多孔性電極インキは、非極性溶媒中に溶解可能な樹脂材料を有することができる）。集電体１２２の過剰な広がりは、多孔性アノード２４又はカソード２６中へのガスの拡散を抑制するように働くため、この広がりを制限することが望ましい。従って、集電体１２２のある程度の広がりが生じる可能性があるが、集電体１２２の少なくとも一部を、多孔性材料内に埋め込むことが望ましい。従って、本発明には、燃料通路１４又は空気通路２０中への集電体１２２の突出を減じるために、集電体１２２の或る部分が多孔性アノード２４又はカソード２６の中にリセスされている集電体経路が考えられる。
多層Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のアクティブゾーン３３ｂでは、電解質２８を可能な限り薄くし、例えば１０μｍにすることが好ましい。しかしながら、超薄型の電解質の場合、デバイスの空気側と燃料側の間に漏れを有する可能性が高くなる。より薄い電解質ほど、より大きな電力を提供することができるが、薄過ぎると、ひびや漏れが生じて、層からの電力がゼロになる。本発明の一実施形態によると、アクティブゾーン３３ｂの電解質２８の最小許容厚さに対する重要な点は、アノード及びカソードの厚さも全厚さにも寄与していて、全体的な強度にも寄与している点である。非限定的な単なる一例として、ひび割れを防止するために１００μｍの厚さが望ましく、また、アノード２４及びカソード２６がそれぞれ４５μｍである場合、厚さ１０μｍの電解質で良好に動作する。（４５＋４５＋１０＝１００）。
多層Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のパッシブエリア（対向するアノード及びカソードが存在しないエリア）では、異なる厚さが必要とされる。このパッシブエリアは、空気及び燃料の分配に関与する。これは、重畳する空気分配通路及び燃料分配通路として多くの図面に示されている。ここで要求されるのも、ひび割れを防止するために特定の厚さを有することであるが、アノード２４及びカソード２６が存在せず、ここでは、セラミック２９をアクティブゾーン３３ｂのセラミック電解質層２８よりも厚くしなければならない。従って、上記例では、パッシブエリアのセラミック２９は１００μｍでなければならない一方、アクティブゾーン３３ｂのセラミック電解質層２８は、１０μｍ等より薄くなり得る。
本発明の一実施形態によると、二つの厚さのセラミック電解質２８、２９の個々の層を達成するための方法が提供されて、つまり、パッシブガス通路エリア内のより厚いセラミック２９と、アクティブゾーン３３ｂ内のより薄いセラミック電解質２８とである。図６２〜図６２Ａに示されるこの方法には、パッシブガスフロー領域にセラミック２９を生成するために三片のセラミックテープ１３０が使用され、対向するアノード２４とカソード２６との間のセラミック電解質２８として作用するために、二つのテープ片１３０ａ、１３０ｃの端部と、中央のテープ１３０ｂのみとがアクティブゾーン３３ｂの中へ続いている。
上記の多くのアイディアは、低温接続用に炉から出ている細長い構造の文脈において示されている。しかしながら、これらアイディアの多くは、炉から出ていない及び／又はプレート形状等を有する多層燃料電池デバイスに使用することもできる。本発明において達成可能なデバイスの密度は、他の燃料電池デバイスや、接続が炉の中の熱い燃料電池デバイスに対して為されているシステムでも達成することができる。例えば、他の燃料電池デバイスにおいて使用可能である本願開示のコンセプトには、ポリマーテープ、丸いボールが充填されたポリマーテープ、出口通路又は入口通路を形成するのに使用されるワイヤ、二つの電極に対して作用する１つの通路、パドル状デバイス、重力又は遠心分離機を使用することによっての一方の面に向かう電極懸濁液の乾燥、終端用のサイドギャップ、及び直列設計が含まれる。
集電体１２２は、電極（アノード２４及びカソード２６）の中で生成又は消費される電子が負荷（電圧ノード３８、４０）へ向かう途中で低抵抗経路内を移動することを可能にする目的を有する。最適な電極設計は極端に導電性というものではなく、というのも、複数の事柄が同時に発生することを許容しなければならないためであり、即ち、ガスを流すための細孔が存在し、酸素イオンを電解質に向けて流すためのセラミックが電極中に存在し、そして、電子を流すための電子伝導体が存在している。細孔及びセラミックの存在は、電極全体が、それが電子伝導体のみでできている場合よりも高い抵抗を有することになることを意味する。
電子が解放されると、解放された電子が高導電率経路上を移動することを可能にすることが重要になる。集電体用の既存の設計は、導体から電解質セラミックを除去することに基づいているが、依然として多孔性が残っている。そのため、より導電性の高い層が生成される。これは、アノード又はカソード全体にわたって印刷される。多層構造におけるこの設計の欠点の一つは、焼結後にアノード／カソード材料を加えなければならない場合、上述のように、二つの別々の層の生成が困難になり得ることである。集電体を共焼成する利点については、上述した。
本発明の一実施形態によると、高密度導体材料（つまり、アノード２４又はカソード２６全体にわたって印刷されると反応を禁止することになるように、ほとんど又は全く多孔性ではない）を備えて、ハッチパターンで印刷される集電体１２２を使用することができる。一実施形態では、集電体は、直線パターン（ハッチパターンとも称される）で印刷され、ガスを浸透させるための開放空間がハッチマーク間に残される。多孔性アノード２４及びカソード２６中におけるガス浸透性は、ハッチライン間の多孔性材料に流入するガスが、ハッチラインの下方も流れるようにされる。ラインからラインまでのピッチを変化させ、また、ライン幅自体を変化させることによって、最適な幾何学的形状を見つけることができる。例として、０．００６インチのライン幅、０．０３０インチのラインピッチを使用することができる。図６３は、ハッチパターンを備えた集電体１２２の上面図を示す。図６４は、多孔性アノード又はカソードの上方の集電体１２２の側面図を示す。図６５は、上から下の順に、集電体ハッチ、頂部多孔性電極、電解質、底部電極（破砕のため、電解質から突出している）を示す、角度が付いた図を示す。また、アクティブエリアが大きくなると、異なる領域でライン幅を変化させることもできる。細い導体ラインをより太い導体ラインに送り込み、また、より太いラインを更に太い導体ラインに送り込むことができる。
上記では、燃料供給源３４及び空気供給３６をＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に接続するためのフレキシブル供給チューブ５０について説明した。供給チューブ５０を開いて引き伸ばすことによって、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の端部１１ａ、１１ｂの一方に被らせることできる。接着剤を使用してチューブを定位置に保持することができる。本発明の一実施形態による代替案は、図６６Ａ〜図６６Ｂに示されるように、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が供給チューブ５０を定位置に機械的に保持することができるように、両側にくぼみ１３２を備えたＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の端部１１ａ（及び／又は１１ｂ）を形成することである。これは、ルータ又はエンドミルでＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を機械加工することによって、未焼結状態で最も簡易に達成される。
これに基づいて、図６７Ａ〜図６７Ｂにそれぞれ概略的な水平断面図、概略的な斜視図で示されるように、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の端部１１ａ（及び／又は１１ｂ）にクランプすることができるコネクタ１３４を使用することもできる。コネクタ１３４は、集積された電気コンタクト１３６を備えた成形プラスチックであり得て、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の設計に応じて一つ又は２二つのいずれかであるガスフロー経路１３８、Ｏリング１４０状等のガス気密シール、コンタクトパッド４４を接続するための一つ又は二つのいずれかの電気コンタクト１３６を備える。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が、二端Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０であり、一つの極性がＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の各端部でＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から出て行くようになっている場合、コネクタ１３４は、より低抵抗のコンタクトを得るために、依然として二つ以上の電気コンタクト１３６をＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の各端部で有することができる。電気コンタクト１３６は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側部に配置することも、又はＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の頂部及び底部に配置することも可能であり、後者の場合、コンタクトがより広くなるため、より低い抵抗が得られる。
図示されていないが、コネクタ１３４は二つのＯリングを有することができ、それによって、一つは空気用、もう一つは燃料用の二つの密閉セクションがコネクタ１３４内に提供される。このようなコネクタは、単一端Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０で、単一のコネクタとして使用することができて、正及び負のコンタクトを提供し、空気及び燃料を運ぶ。
上述の実施形態は、デバイスに対して、二つの対向する末部１１ａ、１１ｂを含んでいた。しかしながら、上述のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のコンセプトは、炉から離れる二つよりも多くの端部又は出口点を有するデバイス５００に適用可能である。例えば、図６８Ａ〜６８Ｂは、四つの出口点を有するデバイスを示す。４つの位置が、空気インレット１８、空気アウトレット２２、燃料インレット１２、燃料アウトレット１６を提供することができる。これは、炉加熱動作への未燃焼燃料のリサイクルをより容易にすることができる。三つ又は六つ等の二つ及び四つ以外の出口点を使用することもできる。
支持ボール（図７Ｃ〜図７Ｄ参照）を、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０以外の燃料電池デバイス、例えば正方形プレートデバイスに使用することができる。支持ボールを使用することにより、異なる層が互いにつぶれることなく、多層構造内に大きな領域を生成することができる。デバイスは、汎用多層プレート内に、広くて開放された領域を有することができる。又は、デバイスは、幅は０．５インチであるが、長さが数インチで、その領域を占める経路を有することができる。いずれの場合においても、本願で開示されているボール技術が有利である。
ボールの重要なアイディアは、それらが丸くて、穴開きを防止することができることである。電解質、アノード及びカソードを、薄くする必要があるため（密度のため、及びより高性能のため）、不規則な形状の材料を使用することに起因する穴開きの可能性がある。砂や小砂が電解質中に混入し、漏れの原因となり得る。一方、電解質は、漏れ又は裂けを生じさせることなく、ボールの周囲で緩やかに変形することができる。同様に、図７Ａ〜図７Ｂの柱コンセプトを、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０形態以外の多層燃料電池構造に使用することができる。
図３８Ａ〜図３８Ｂには、後でその上方を密閉することができる複数の焼き出しポートの使用が示されている。これは、ＳＯＦＣ又は他の燃料電池デバイスについての多層方法にとって有利なコンセプトである。この場合も、大型プレートに関して、設計者は、面積が広いガス通路を作り、これらの空間を充填している有機材料を除去する必要がある。しかしながら、一般的には、一つの燃料入口点及び一つの燃料出口点のみが存在している。空気側についても同じである。有機材料の面積がこのように広く、かつ、出口点が非常に少ない場合、最大の製造課題の一つは、層間剥離を回避することになり得る。
この課題に対する解決策は、多数の焼き出し点、つまり、構造全体に対する最小の応力でガス又は液体（ワックスが使用される場合）が構造から出て行くように焼き出すことができる小さな開口部を生成することである。多層構造が焼結された後、漏れを防止するために、これらの小さな焼出し点を、後に固体材料で復旧して充填することは簡単である（ガラスとセラミックの組合せなど）。
ワイヤ９２のコンセプトは、上記焼き出しポートのコンセプトに極めて似ていて、多層構造に対して非常に有用である。４インチ平方のプレートであって、そのプレートに２０層又は５０層のアクティブ層を備えたものを製造する場合を想像されたい。有機材料の除去をより容易にするために焼き出しポートの生成が考えられる。しかしながら、これらの便利な焼き出しポートをプレートの中央部分に到達させることができる場合、更に良好となる。これは、ワイヤ９２を挿入し、積層が完了した後にそれを引っぱり出すことによって達成することができる。ワイヤ９２は、さもなければプレートの中央部分と外界との間に到達するまで極めて長い距離を有することになるいくつかのエリアを横切ることができる。このコンセプトは、上述のような厳密なワイヤである必要はない。ワイヤは、表面積が小さいため、単に最も便利な形態にすぎない。物理的な片は平坦でもよく、例えば厚さ０．００２インチ×幅０．２００インチである。その場合、層がくっつくのを防止するために、物理的な片を離型剤で覆う必要があり得る。それにもかかわらず、アイディアは、有機除去を容易にするために構造の中に挿入され、次に、除去される物理的な片というものである。
他の実施形態では、ワックス付き炭素テープがギャップ形成テープ９４として使用される。課題は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に裂けや層間剥離を生じさせることなく、ギャップ形成材料が一様に出て行くようにすることである。アノード２４及びカソード２６及び電解質２８中の他のポリマー材料を焼き出すことができるように、材料を適切な時間内に魔法のように消滅させ、開放チャネルを残すことができればそれに越したことはない。一つの手法はワックスを使用することである。インベストメント鋳造法（いわゆるロストワックス法）用に使用されるワックスは、略９０℃で良好に融解し、多層構造を積層するために使用される積層温度より高くて、１５０〜３００℃のバインダのバーンアウト温度よりは低い。しかしながら、ワックスは、例えばそれを厚さ２ミルのシートに鋳造する場合、そのシートが望ましい強度を有していないため、理想的ではない。ワックスは、触れると壊れやすい。ワックスは、薄いセクションではより強力でなければならない。このための解決策は、ワックスを何らかの種類の繊維と組み合わせて、ワックスに強度を付与することである。選択肢の一つは炭素繊維である。炭素繊維は、マットと呼ばれるランダムな繊維の構成で購入することも、又は実際の布に似ている織込み済み繊維の構成で購入することもできる。他の繊維も可能である。ワックスを炭素繊維に浸み込ませることによって、最適な特性を得ることができる。炭素／ワックス複合材は、それを多層構造にしてギャップを形成することができる。積層の後、ワックスの融点まで温度が上げられ、ワックスが液体に戻って、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から消滅する。これによって、炭素繊維内に開放空気通路が残され、構造の内側に存在している周囲のポリマー材料を容易に焼き出すことができる。炭素繊維は、温度が７５０℃に近くなるまで揮発しない（ＣＯ２に戻らない）。従って、バインダのバーンアウトが生じる前に主要なギャップ形成材料のうち一つが消滅することによって、バインダを除去するためのクリアな経路が残される構造を構築することができる。次に、中間温度でポリマー自体を揮発させることができる。最後に、高温で炭素繊維を消滅させることができる。図７０は、この炭素−ワックスの組合せを使用した焼結後において、ワックス及び炭素繊維が消滅した際に残されるギャップの画像である。
多層デバイス内で高電流接続が達成されることが望ましい。多層デバイス内で相互接続する方法の一つは、ビアホールを使用することである。ビアホールは、セラミックテープ１３０の片を貫通する孔を穿ち、次に、図７１に示されているようにその孔を充填してビア５６を形成することによって構築することができ、又は絶縁体の印刷層を介して構築することができるが、乾燥後の効果は同じである。図７１には、２つの電極（アノード２４又はカソード２６のいずれか）を互いに接続するビア５６の接続が示されている。以下の説明では、簡単のため、二つのアノード２４の実施形態を用いる。ビア５６は、データ伝送等の電気信号を運ぶのには良好であるが、電力や高電流を運ぶのには理想的ではない。電力又は高電流の場合、全抵抗を低下させる効果を有するために、並列の複数のビア５６が必要とされる。本発明の一実施形態によると、電力又は高電流を運ぶ用の改良された方法は、対象の導体を分離するために使用される未焼結テープのエリア全体を除去することである。この方法では、相互接続は、大面積に基づくことができる。図７２には、二つの電極（アノード２４）の間のセラミックテープ１３０又は材料を完全に除去することによる二つの電極（アノード２４）の間の相互接続が示されている。これらの層は未焼結状態（テープ層又は印刷層のいずれかとして）では軟らかいため、変形が生じる。必要に応じて、又は所望の場合、構築プロセスの間、セラミックの全体的な平坦さを維持するために、相互接続エリアの上方に追加のセラミック材料を配置することができる。
若干の変形例は、図７３Ａに示されるように、未焼結セラミックテープ１３０の片に大きな孔１４２を穿ち、次に、多層構築物にこのセラミックテープ１３０を挿入することであり、又は代わりに、大きな孔１４２を備えた絶縁層を印刷し、次に、その頂部の上方に導体を印刷することである。多層方法の場合、上方からの電極が孔１４２の中へ偏向し、図７３Ｂに示されるように大面積のコンタクトが生成される（下方からの電極を上に向かって孔１４２の中へ偏向させることも可能である）。本実施形態は、ビアホールの面積が小さくて、個別に充填しなければならない点で、ビアホールとは全く異なっている。更に、ビアホールの場合、頂部及び底部の電極が孔の中へ歪むことはない。
従って、本発明の実施形態では、絶縁材料を除去することによって、あるいは絶縁材料の欠けたボイドエリアを提供することによって電気相互接続が実施される多層Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０において、絶縁材料の両側（例えば上方及び下方）の導体がボイドエリアの中へ歪んで互いに接触することが考えられている。導体同士が出会うボイドエリアは、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの内部からデバイスの縁まで全体にわたって延伸し得る。絶縁エリアは、孔を穿つことや、長方形等の特定の形状を切り出すこと等によって、特定のエリアにおいて除去され得る。
他の実施形態によると、電池の直列接続が単一の層にわたってなされ、これは、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの電圧出力を高くするのに有用であり、また、生成される電力を更に容易に共に働かせる。例えば、スティックが１ｋＷの電力を生成している場合、電子機器の設計がより容易になり、また、１０００Ａで１Ｖではなくて、１Ａで１０００Ｖを扱うことができるプラントのバランスの設計がより容易になる。図７４Ａに小規模で概略的に示されるように、未焼結セラミック（例えばジルコニア）テープ１３０のセクションが中央に使用されており、また、その頂部及び底部に、アノード２４及びカソード２６が存在している。これまでの図のアノード２４及びカソード２６に使用されているパターンと同じ単一ハッチングパターンは、アノード２４及びカソード２６の多孔性を表している一方、交差ハッチングパターンは、非多孔性導体（例えば導電性セラミックや、貴金属や、非酸化性金属合金）を表している。非多孔性エリア１４６は、燃料又は空気へのアクセスを有していないので、電池は、単一ハッチングパターンで示されるように、多孔性エリア１４４間に存在している。
図７４Ｂは、どのようにして複数の部品を一緒にすることができるかを概念的に示す（概念的というのは、それらの部品が、積層後は図示されているようには傾斜していないためであるが、この概念的な描写は、設計の重畳の性質を示すことを意図している）。三つの電池のこのグループでは、限定的ではない考察のため、各電池（又はセクション）の上面がアノード２４を含み、各電池（又はセクション）の底面がカソード２６を含むとする。各電池が小型バッテリーとして視覚化されると、三つの電池のストリングを、三つの直列バッテリーと見なすことができる。燃料供給源３４は、この直列設計の一方の側の頂部（その頂部にはアノード２４が存在する）に存在し、空気供給源３６は、この直列設計の反対側の底部（その底部にはカソード２６が存在する）に存在することになる。一方の側から他方へのガス漏れを回避しなければならないが、これは、各電池（又はセクション）の端部に非多孔性エリア１４６を提供することによって達成することができる。この方法で多くの電池（又はセクション）を一緒にして、所望の電圧を達成することができる。
図７４Ｃは、積層後の層のより正確なバージョンを示す。これらの層は実質的に平らであるが、重畳する点で厚さが増えている。図７４Ｄは、３電池（又はセクション）設計の概念図を示す。垂直方向の矢印はそれぞれ、一つの電池を表していて、その矢印の方向は極性を定義している。矢の頭がない線は、電圧を生成しない相互接続を表している。底面に沿った水平方向の矢印線は、電流の全体的な方向を表している。本発明は３電池設計に限定されるものではない。図７４Ａ〜図７４Ｄに示される、本願で重畳方法と称される実施形態を使用して、二つ以上の電池、例えば五つ以上の電池、１０個以上の電池、２０個以上の電池等を直列に結合することができる。
図７５Ａ〜図７５Ｅは、本願でプランジングコンダクタ（差し込み導体）方法と称される直列設計を生成するための一代替方法を示す。セラミックテープ１３０をセクションに切断し、これらのセクションを重畳させて直列の電池を形成する代わりに、一方の側のアノード２４のエリアと、他方の側の対向するカソード２６のエリアとを有するセラミックテープ１３０の連続シートが使用される。シート形状（相互接続片、導体テープ又はプランジングコンダクタとも称される）のコネクタ電極１４８（例えば、導電性セラミック、貴金属、又は非酸化性金属合金）が、セラミックテープ１３０を貫通して挿入される。導体テープ１４８は、例えばＬＳＭで製造された未焼結テープ片であってもよい。図７５Ａに示されるように、セラミックテープ１３０にスリット１５０が設けられ、導体テープの短いセクションがセラミックテープ１３０を貫通して途中まで挿入される。
図７５Ｂには、セラミックテープ１３０の連続シートの側面図が示されている。この考察では、“電解質シート”や“電解質テープ”との用語は、セラミックテープ１３０と同じであると理解されたい。電解質シート１３０の上面には、アノード２４の二つのセクションが存在している。電解質シートの底面には、アノード２４の二つのセクションのそれぞれと対向するカソード２６の二つのセクションが存在している。これらの二つのセクションを直列に接続するために、図７５Ａ及び図７５Ｂを参照すると、最初に導体テープ１４８が電解質テープ１３０中のスリット１５０を貫通して挿入されるので、このことを、電解質を貫通してプランジングする（差し込む）と言うこともできる。次に、図７５Ｃに示されるように、導体テープが一方のセクション（又は電池）のアノード２４の上方及びもう一方のセクション（又は電池）のカソード２６の上方で曲げられる。次に、図７５Ｄに示されるように、コネクタ電極がアノード２４及びカソード２６に押し付けられ、つまり電池が直列に積層される。図７５Ｅは、重畳エリア全体をより明確に示すために、直列に積層された電池を上面からの斜視図で示す。電池間の抵抗を低下させるため、短くて、幅の広いセクションでできた個々の電池を有することが有利であり得る。
他の実施形態によると、複数のセクションに分割された相互接続片１４８（導体テープ）を有することが有用となり得る。未焼結電解質テープ１３０中の単一のスリット１５０の代わりに、図７６に示されるように複数のより短いスリット１５０を使用し、それらを介して導体テープ１４８の複数のセクションがそれぞれ挿入される。従って、複数のプランジングコンダクタが提供される。
図７５Ａ〜図７５Ｅ及び図７６では、電解質を貫通して差し込む導電性相互接続材料は、ガスが電解質の一方の側から他方へ流れることを防止又は妨げるために、非多孔性の性質のものでなければならない。一方、アノード２４及びカソード２６は多孔性であり得て、非多孔性エリアがない完全な多孔性であっても、又は相互接続片１４８が重畳する端部に非多孔性エリア１４６を有してもよい。アノード２４及びカソード２６を完全な多孔性にすることがより単純であり得て、より少ないプロセスステップで材料を製造することができる。図７７は、図７５Ａ〜図７５Ｅ及び図７６の実施形態に従って、電解質を貫通して挿入された相互接続片１４８で電池を結合することによって直列に接続された４つのセクション（又は電池）の側面図を概略的に示す。従って、相互接続片１４８を使用して、あらゆる数（二つ以上の電池を含む）の電池を直列に結合することができて、例えば五つ以上の電池、十個以上の電池、二十個以上の電池が直列に結合される。
図７８Ａ〜図７８Ｃは、多層電池の単一の層に沿って電池を直列に接続するための上記プランジングコンダクタ方法の一変形例を示す。本実施形態では、図７８Ａに示されるように、アノード２４のセクション及びカソード２６のセクションはそれぞれ、燃料フロー経路及び空気フロー経路から離れてＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面まで延伸している非多孔性エリア１４６を有している。電解質テープ１３０中のスリット１５０は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の周囲の内側ではなくて、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面に設けられている。そして、積層前の図７８Ｂ及び積層後の図７８Ｃに示されるように、電解質テープ１３０を介してアノード２４及びカソード２６を接続する導体テープ１４８を、フロー経路から離れたサイドマージンの中にちょうど配置することができる。
これまでの実施形態、例えば図７１では、未焼結セラミックテープ１３０の片の中にビアホールを形成して、そのホールを充填するために電極を印刷することによって形成されるビア５６の使用について詳述した。図７９Ａに示される、多層構造の単一の層に沿ってアノード２４及びカソード２６を直列に接続するための本発明の代替実施形態では、一つの電池又はセクションの中で、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の側の充填済みビア５６から電極（例えばアノード２４）まで第一の導体１５２を印刷することができ、また、隣接する電池又はセクションの中で、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のもう一方の側の充填済みビア５６から反対側の電極（例えばカソード２６）まで第二の導体１５４を印刷することができる。充填済みビア５６は、電極に使用される材料以外の材料で充填され得る。図示されている実施形態では、ビア５６には非多孔性導体が充填されている。
差し込み電極の代替例は、図７９Ｂに示されるように、幅広のビア、つまり長円ビア１５６であり、電解質テープ１３０に長円ビアホールを形成することによって設けることができる。長円ビア１５６は、従来のビアホールが円形である点で、通常のビア５６とは区別される。長円ビアホールは、例えば図７５Ｅ又は図７６に示されている差し込み電極１４８用のスリット１５０と同じスケールで、必要な広さの幅で設けることができる。長円ビア１５６は、ガスが電解質層の一方の側から他方の側へ流れることを許容しない方法で充填されなければならない。
ビアホールについて考えられる問題は、ホール中の材料の収縮が不均一であり得て、又はテープ材料の収縮より大きくて、ガスが一方の側から他方の側へ通過することを許容し得る点である。従って、代替実施形態又は更なる実施形態では、円形であっても、長円であっても、ビアホールは、漏れ抵抗を改善するためのプラグを頂部及び／又は底部に含む。図７９Ｃは、プラグを備えた改良型ビアの例を示す。プラグは、プラグ１５８ａ及び１５８ｂの場合のように、一方の側、例えば頂部のみに追加のシールを形成すること、又はプラグ１５８ｃ及び１５８ｄの場合のように両側に追加のシールを形成することができる。プラグ１５８ａ、ｂ、ｃ、ｄは、一以上の印刷ステップで得ることができ、又は分配工程を介して得ることができる。例示的な実施形態によると、ビアプラグ用の材料は、多孔性ではない材料のようにガスの移動を止めるものである。多孔性アノード２４及びカソード２６と組み合わせる場合、最後のセクションは、図７９Ｄに示されるようになり得て、ここで、密にハッチングされた材料が非多孔性であり、また、これまでの図のようなハッチングによって識別されている材料が多孔性である。
単一の層を直列に接続するための上記実施形態を拡張し、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内の複数の層を用いて、並列−直列接続を形成することができる。図８０は、直列に接続された単一の層が積層されたグループを示し、積層された層も互いに並列に接続されていて、並列電気接続は、アノード及びカソードのいくつかの対の間の垂直線１６０によって示されている。直列接続用のプランジングコンダクタ１４８が示されているが、他の接続手段を使用することもできる。図示されている特定の実施形態では、三つのアクティブ層が存在し、その各々が直列の四つの電池（セクション）からなる。従って、合計１２個の電池が示されている。一つの燃料経路を使用して二つの異なる電池経路に供給することによって、密度を増大させることができる。これらの電池の極性は、層毎に反転している： 頂部層及び底部層では、カソードからアノードへの方向は、上向きの矢印であり、中間層では、カソードからアノードへの方向は、下向きの矢印である。電極の対のために用いられる共通の燃料チャネルを使用して層から層の極性の方向を反転させるというこの特徴によって、この実施形態及び他の実施形態では、より高い密度のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを達成するための手段が提供される。
図８０の線８０Ａ−８０Ａに沿った図８０Ａの断面図と、図８０Ｂの斜視図とは、二つのカソード２６間又は二つのアノード２４間の並列接続を示す。アノード又はカソードの対を、これらの対をそれぞれ燃料チャネル又は空気チャネルのエッジで接触させることによって、エッジ接続１６０を形成して、容易に結合することができる。図８０の垂直線は、エッジ接続１６０を表している。図８０Ａに示される実施形態では、エッジ接続１６０は両側（図８０Ａの左側及び右側）に存在しているが、一方の側のみ接続されても電気接続を達成することができる。この接続によって、二つのアノード２４又はカソード２６を電気的に並列に配置する。ビア接続又は他の接続手段を使用することもできる。図８０の点Ｂから点Ｂまでの経路を参照すると、これらの点Ｂは導体によって接続されて、経路Ｂが全て同じ電位になっている。図８１では、経路Ｂは直線として示されている。図８０、図８０Ａ及び図８０Ｂの電池の構造の正味の効果は、図８１に概略的に示されるように、大規模な直列及び並列の組み合わせである。この構成は、デバイス内の一つの電池又は相互接続が故障し始めた場合に、電力を迂回させるのに有用であり得る。電流及び電圧は、損傷又は劣化したエリアを迂回し、機能している他の電池へ流れることができる。
図８２は、図７４Ｃで既により詳細に示したような、重畳層の直列構造を備えた単一層のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の断面を概略的に示す。セラミック２９は、頂部カバー及び底部カバーを形成し、また、理想的な空気通路２０及び理想的な燃料通路１４が示されている。図１の場合のように、空気アウトレット２２及び燃料アウトレット１６は、紙面に垂直である。図８３Ａ〜図８３Ｂに概略的に示されるように、本デバイスも、図８０〜図８１に示されるこれまでの実施形態の場合と全く同様に、大規模な直列‐並列の組合せで一緒にすることができる。図８３Ａでは、破線は、図８０Ａ及び８０Ｂに示されているような、空気及び燃料チャネルのエッジ接続１６０からなり得る。この場合も、高密度構造が提供されて、電池が直列及び並列の両方で存在して、矢印で示されるように極性が電池の層毎に交互に反転することによって、図８３Ｂに示されるように、特定の電池が故障した場合に、その電池を迂回する経路によって電流が流れるという利点を有する。
図８４Ａ及び図８４Ｂは、同じガス通路上の二つの電極間の便利な並列接続を提供するための他の実施形態を示す。これは、それぞれ燃料通路１４又は空気通路２０の両側の二つのアノード２４又は二つのカソード２６のいずれかに対して為すことができる。図８４Ｂでは、二つのアノード２４の例が用いられている。アノード２４は、図８０Ａに示されるような通路１４の側部においてではなくて、燃料通路１４の中央領域で接続されている。中央接続１６２は、ガス通路を形成するために使用される犠牲ギャップテープ９４に孔又はギャップ１６４を設けることによって、容易に為すことができる。孔は円形であっても、長くてもよく（例えば図８４Ａに示されるようなスリット）、また、それらが多数存在していてもよい。積層及び焼成の後で、頂部及び底部のカソード又はアノードが、ギャップ１６４が存在していた領域で接触することになる。有利には、中央接続１６２は、燃料電池エリアのアクティブエリアを顕著に減少させないように形成される。
図２８Ａ〜図２８Ｄに関連して一般的に上述した、直列設計が使用されている多層螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００について、両方の電気接続を螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の外部で生じさせることが有利である。これによって、アノード点及びカソード点から低温ゾーンへの最も容易なアクセスが可能になる。直列グループの一方の端部が巻きの外部に存在し、一方の端部が巻きの内部に存在するように螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００が巻かれる場合、内部の接続の方が扱い辛い。これは、ガス接続チューブは螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の端部の上方に配置されるが、電気接続が内部に存在する必要があるためである。従って、両方の電気接続が外部に存在することが望ましい。図８５Ａは、巻かれていない構成の螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００を概略的に示し、直列接続（同じく矢印によって概略的に示されている）は、直列設計を巻かれているエリアの外部で開始及び終了させて、また、内側へ移動させてＵ−ターンさせることによって達成される。
個々の電池１６６は、個別の矩形ブロックとして示されている。これらのブロックは、短くて、幅が広いので、低い抵抗を有している（端から端までの導電性の長さが短いが、面積がより広いことによって、電池当たりの電流をより大きくすることができる）。この設計は、上述の直列接続を形成する両方の方法（セクションを重畳させる方法、又は電解質層を貫通する一つ又は複数のプランジングコンダクタを用いる方法）と両立可能である。燃料通路１４及び空気通路２０のレイアウトに対して、図示されているように、これらの通路を、側面から入れて、合流させて、共通通路１６７に沿ってまとめて外に出すようにすることが最も便利となり得る。螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）２００デバイスがその上方に巻かれることになるマンドレル１６８が示されている。このマンドレル１６８を、犠牲ワックスで覆うことができ、積層及びワックスの融解の後に除去することができる。図８５Ｂに示される最終形態では、螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）２００デバイスは、外側から中心に向かい、そして、外側に戻って来る直列接続経路を有する。これは、個々の電池１６６を表す矢印によって示されている。
直列接続を備えた螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００を形成するための他の方法は、Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の長さ方向に沿って直列ストリングを形成することである。この直列経路は、図８６Ａに示される巻かれていない構造の矢印によって概略的に示されているようなものである。巻いた後のアクティブエリアが非常に広いので、特定の電池１６６は、チューブの内部から外部まで延伸することができる。本実施形態では、直列接続は、電解質に差し込む複数の短い導体１４８を使用して為される。個別のプランジングコンダクタ１４８を使用することによって、形成ステップ、巻きステップ及び積層ステップの間、電解質層により大きな強度を得ることができる。しかしながら、図７４Ｃに示されるような重畳セクションを使用して直列接続を形成することもできる。図８６Ｂは、巻かれた最終形態の本実施形態を概略的に示す。図８５Ｂの場合と同様、矢印は個々の電池１６６を表している。
特にこの巻かれた設計の場合、Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の体積密度を増大させるためには、二つの層を直列に使用することが有用である。しかしながら、層が自らの上に折り返される方法であるため、二つよりも多くの層を並列に有する必要はない。図８７Ａは、左側から右側に向かう、図８６Ｂの一つの長い個々の電池１６６の概略的な側面図である。図８７Ｂに示されるように、二層構造（二つの電解質層２８、二つのカソード２６、二つのアノード２４、一つの空気通路２０、一つの燃料通路１４）が自らの上に巻かれると、底部のカソード２６が頂部の空気通路２０に接触する。従って、二つよりも多くの層は無駄である。上述の実施形態の教示に基づいて、Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）２００デバイス設計が、並列に動作する多数の直列設計の組み合わせを含むようにすることが可能であることを、当業者は理解されたい。
螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００又は同心Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００に電気接続を提供するための本発明の他の実施形態によると、図８８Ａの巻かれていない概略的な構造及び図８８Ｂの巻かれた螺旋（例えば）チューブ状構造に示されるように、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一つ又は複数の端部全体を導電性端部１７０ａ、１７０ｂにすることができる。これを達成するために、Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００、３００の端部の絶縁セラミック材料を、導電性材料に置き換える。この導電性材料は、ハッチングされたエリアとして示されていて、例えばＬＳＭ、又は、Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００、３００の大部分であるセラミック２９を焼結させる間の収縮により良好に整合する二つ以上の別々の材料の組み合わせ（ＬＳＭとＹＳＺの組み合わせ等）である収縮整合材料であり得る。特に、直列設計の最初と最後の電池について、巻かれた電極の中心部分は、その電池の最も外側の巻きと全く同様、外界への接続に接触できなければならない。ハッチングで示されるこの導電性端部エリア１７０ａ、１７０ｂによって、この接続を効果的に為すことができる。内部電極セクションに接触するための一代替方法（図示せず）は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス内にドリル加工で穴を開け、次に、導電性材料で充填することである。
図８６Ａ及び図８８Ａの実施形態について、ガスフロー通路１４、２２用のレイアウトは、図８９に示されているようなものであり得る。アクティブエリアに供給するために、ガスは、インレット１２、１８からスティックに流入し、大きな共通通路１６７に向かい、次に分岐して、個々の電池１６６の各々に対して使用される。図８９では、ガスは、共通通路１６７に流入し、複数の小さな分岐から流出している一方、図８５Ａでは、その逆になっている。
直列のセクション（又は電池１６６）を含むＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０では、一つのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さに安易に適合させるよりも、より高い電圧（より多くのセクション）を有する方が有用であり得る。その場合、本発明の他の実施形態によると、直列セクションを、外界に電力を供給するためにスティックから出て行く前に、スティックの長さに沿って二回前後するように配向することができる。図９０は、直列に接続された１５個のセクション（電池１６６）を、通路を本質的に二箇所で折り畳むことによって一つのデバイス内に配置する方法を概略的に示す、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面図である。また、互いに並列の１５のグループが存在するように、このような複数のセクションを一つのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内に配置することも可能である。
他の実施形態によると、折り畳まれた設計によって、多数の層を直列に備えたＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を製造するための他の方法が提供される。図９１は、直列の六つの電池１６６を備えた電解質層２９を斜視図で示す。これらの電池は、図示されているように、重畳方法又はプランジングコンダクタ方法のいずれかを使用して直列に接続することができる。このシート構造をＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に適合させるために、電解質層２９は、例えばアコーディオンのように、折り畳まれる。端部のシート構造を見てみると、図９２Ａでは、矢印で示されるように、電池１６６間の湾曲点が示されている。矢印に沿って湾曲させることによって、電池グループは、図９２Ｂの左側に示される折り畳まれたスタックを形成し始める。折り畳みをさらに連続的に圧縮すると、図９２Ｂの右側に示されるように、圧縮された折り畳まれたスタック１７２が形成される。そして、この圧縮された折り畳まれたスタック１７２は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス又は多層燃料電池内に便利に配置することができる。直列の電池の数は、設計者の好みによってのみ制限される。グループを水平方向又は垂直方向のいずれかに配置するかによって、複数の折り畳まれたスタック１７２をＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内に並列に（つまり電気的に並列に）配置することができる。ギャップ形成材料、例えばギャップ形成テープ９４をアノード２４及びカソード２６の上に配置し、次に、犠牲的に除去して空気通路２０及び燃料通路１４を形成することができる。
熱膨張率（ＣＴＥ）を整合させる目的で、自由フローティングエリアが存在するように、折り畳まれたスタック１７２の一方の側又は両側を、周囲のデバイス材料（つまり頂部カバー又はサイドマージン）への取り付けから自由にすること（周囲のデバイス材料に取り付けないこと）が有用であり得る。折り畳まれたスタック設計の本実施形態では、折り畳まれたスタック１７２内の最初及び最後の電池は、スティックの頂部及び底部カバー又はそれらの近傍に取り付けられているが、スタックの中間部分の全て又は一部は、取り付けられていない。図９３Ａ及び図９３Ｂには、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の断面が示されている。図９３Ａは、折り畳まれたスタック１７２の左側がデバイスの左側の壁への取り付けられていない一方、折り畳まれたスタック１７２の右側の中間湾曲エリアが右側の壁に固定されている設計を示す。これによって、壁から離れた層のコンプライアンスが許容されて、デバイスを焼結させる際に、折り畳まれた層が、カバー材料とは異なる速度で収縮することができる。図９３Ｂには、同じ様な構成が示されているが、折り畳まれたスタック１７２が、折り畳まれたスタック１７２の両端の電池を除いて、スティックの左側及び右側の両方の壁に取り付いていない点が異なる。両方の実施形態において、利点は、ガス（空気又は燃料）を多数の電極に同時に提供する性能である。図９３Ａ及び図９３Ｂには、折り畳まれた一つの大きな連続的アクティブエリア、つまり折り畳まれたスタック１７２が示されているが、上述の直列及び並列電池の実施形態を利用して、同一又は同様の効果を達成することができることは理解されたい。図９３Ａは、連続的なアノード２４及び連続的なカソード２６を示す一方、図９３Ｂは、湾曲エリアに電極材料が存在しないように、複数の間隔の空いたアノード２４及びカソード２６を示す。図９２Ｂと同様に、図９３Ｂでは、湾曲エリア中の電解質２８を貫通するプランジングコンダクタ１４８を使用して、間隔の空いた電極、つまりは電池１６６を電気的に直列に接続する。いずれの実施形態（例えば、連続的な電極、又は間隔の空いた電極）も、自由フローティング設計用に使用することができる。
自由フローティング層の利点は、アノード及びカソードを組み合わせた構造のＣＴＥがボディの残りの部分（サイドマージン、頂部カバー及び底部カバー）のＣＴＥと著しく異なる場合に、自由フローティングエリアによって物理的断絶が許容されることである。この自由フローティングの成果を使用して、折り畳まれた構造に加えて他のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０構造を形成することができることは理解されたい。図９４Ａは、側面が自由である並列（図９３Ａ及び９３Ｂの直列とは対照的に）の二つのアクティブ層（各層は、アノード２４、電解質層２８及びカソード２６を備える）を断面図で示す。図９４Ｂは、図９４Ａの線９４Ｂ−９４Ｂに沿ったＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの水平断面図を示し、三面に沿って自由であり、デバイスの一方の面に固定されたアクティブ層を示す。この幾何学的構造では、フローティング層の外側の空気通路１４内のガスフロー経路に対してはその複雑性が増大することはないが、フローティング層内の空気通路２０内のガスフローの複雑性が増大する。その複雑性は、図９４Ｃ及び図９４Ｄに示されるように、空気通路２０をセラミック２９内の縁に沿って導入し、次に、カソード２６にわたって内部空間に向け、そして、再びセラミック２９内に戻すことによって対処することができる。
上述の多様な実施形態は、空気通路又は燃料通路の共有という利点を有し、密度の改善を提供する。ガスフロー経路が並列で動作しているアノード又はカソード用に使われる場合、エリアの縁において、又はエリアの中央部分の複数のポイントにおいて、これらのアノード又はカソードが接触することができる。しかしながら、他の実施形態では、直列で動作しているアノード又はカソード用に使われる一つの空気通路又は燃料通路を有することが有用であり得て、これらの実施形態では、アノード又はカソードは、デバイス内における短絡を防止するために電気的に絶縁されなければならない。この一例が図９０に示されていて、頂部及び底部の電極用に用いられる一方で電極の短絡を防止する一つのガスフロー経路を有することが望ましい。このため、図９５に二つのカソード２６に対する断面図で示されるように、一方の電極ともう一方の電極の間に機械的及び電気的な絶縁を提供するために、材料の障壁層１７４をガスフロー経路内に配置することができる。障壁層１７４は、連続していても、又は一方の側からもう一方の側へのガスの通過を許容するためにガスフロー経路内で分割されていてもよい。障壁層を、アクティブアノード２４及びカソード２６の領域にのみ存在させることができ、又は多層構造の中をフロー経路に沿ってさらに延伸させることができる。障壁層１７４は、一方の電極ともう一方の電極の間の短絡を防止する。障壁層１７４を、若干の歪みが生じることはあっても、電気的な絶縁が維持される限りは非常に薄くすることができる。例として、障壁層１７４の厚さは、略５μｍから略５０μｍの間であり得る。障壁層１７４に支持を与えるために、図７Ｂ、図７Ｃ及び図７Ｄを参照して上述した柱５４によって他の層を支持するのと同様の方法で、犠牲有機材料７２中のジルコニアや予備焼結済みセラミック球等の非導電性粒子を加えることができる。
直列の二つのアノード２４又はカソード２６の間の短絡を防止するための一代替実施形態は、図９６に示されるように、アノード２４又はカソード２６の頂部に絶縁層１７６を配置することである。絶縁層１７６は、例えばジルコニアや電解質材料から構築され得る。絶縁層１７６は、ガスが絶縁層１７６を介してアノード２４又はカソード２６内へ通過することを許容するために多孔性でなければならず、また、非導電性でなければならない。この多孔性絶縁層１７６の下において、アノード又はカソードは、通常有している全ての特性を有する必要があり、つまり、多孔性、導電性及び化学反応サイトである。例として、絶縁層１７６の厚さは、略１μｍから略２５μｍの間であり得る。
多層燃料電池の更なる応用では、電解質、アノード２４及びカソード２６は、焼結後の歪みが材料の特徴になるように十分に薄い。上記設計が歪みを示し、かつ、絶縁層１７６がその役目を果たしている場合、上記構造は、図９７に示されるようになり得る。この場合、燃料通路１４又は空気通路２０は、その幅方向に沿ったどこかで開放されているので、完全に締め付けられて閉じられていることはないと仮定される。従って、絶縁層１７６のうち少なくとも１つが接触点で無傷であるので、アノード２４又はカソード２６は、互いに接触しているが短絡（つまり電気的接触）はしないことになる。
熱いＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０からの電力の取り出しに関して、表面導体としてのＬＳＭの使用は、金属のような導電性ではない可能性がある。長距離（数インチ）にわたって電力を輸送する場合、ＬＳＭの抵抗が電力の損失に寄与し得る。この電力損失は、ＬＳＭ導体をより厚くすることによって克服することができる。このため、スクリーン印刷ではなく、それぞれ図９８Ａ及び９８Ｂに断面図及び斜視図で示されるように、ＬＳＭをＬＳＭテープ１７８として鋳造し、次に、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の頂部及び／又は底部の構造の中にそのＬＳＭテープ１７８を構築することがより有用であり得る。このようにして、厚さを、数ミルの厚さ（０．００１インチ〜０．００５インチ）から数十ミル（０．０１インチ〜０．０５インチ）まで変えることができ、また、スティックの幅全体を覆うことができる。ＬＳＭのＣＴＥは、或る一つの材料の厚い層を他の層に共焼成する場合に課題になることがあり、その場合、ＬＳＭを、ＹＳＺと混合して（カソードの場合と全く同様に）、スティック全体のＣＴＥにより密に整合させることができる。更に、ＬＳＭは低温では導電性ではなく、貴金属（銀等）又は他の低温導電性材料を、炉の外側に位置することになるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のエリアのＬＳＭの頂部に、配置しなければならない。ＬＳＭについて検討してきたが、本発明がそれに限定されないことは理解されたい。ＬＳＭについて言及されている箇所では、任意の導電性セラミック、非酸化性合金又は貴金属を使用することができ、従って、ＬＳＭテープ１７８は、実際にはＬＳＭ以外の材料製であり得る。
本発明の他の実施形態によると、ニッケルを導体として使用してＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の端部に低抵抗接続を設けることができる。しかしながら、ニッケルは空気の存在下では常に酸化状態であり、また、酸化ニッケルは非導電性である。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、空気雰囲気を使用した炉動作の場合、システム全体がより単純で、より安価であるので、空気中で有利に使用される。従って、ニッケルを導体として使用するための課題は、ニッケルを還元状態に維持しなければならないことである。そこで、ニッケルの酸化の問題を解決するために、図９９に示されるように、ニッケル導体１８２を含む内部チャネル１８０が使用されて、デバイスの端部まで延伸し、その内部チャネル１８０には、酸化を防止するために燃料が供給される。ニッケルは、白金よりも小さな略６μオーム・ｃｍの導電率を有していて、その導電率は、入手可能な最良の導体（銅、銀）のオーダ内である。従って、燃料が供給される内部チャネル１８０内の空間をニッケル導体が占めることによって、ニッケルが還元状態に維持させることによって、その使用が許容される。図９９を更に参照すると、ニッケル導体１８２は、これまでの図に示されるようなコンタクトパッド４４及びコネクタ１３４等での電気接続用に、チューブ接続の付近ニッケル導体１８２の端部でデバイスから外に出て行くことができる。例として、ここでは銀を使用して還元雰囲気から空気雰囲気へ移行させることができる。この実施形態は、図６７Ａ〜６７Ｂを参照して上述したコネクタ１３４と組み合わせて示されているが、この図によって限定されるものではない。
本発明の他の実施形態によると、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、１００、４００、５００であれ、Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００、３００であれ、又は他の多層デバイスであれ、多層セラミック燃料電池構造は、未焼結セラミック技術を用いて製造することができ、次に、端部チューブ１８４を永久的に取り付けることができる。端部チューブ１８４は、高温ゾーンから低温ゾーンまで通すことができ、そこで供給チューブ５０等の他の形態の配管又はガス輸送機構を取り付けることができる。代わりに、供給チューブ５０を使用せずに、端部チューブ１８４を、燃料供給源及び空気供給源まで、又は排気除去設備まで通すこともできる。多層デバイス（例えば１０、１００、２００、３００）は高温ゾーン内に存在し、また、永久的な方法で取り付けられている端部チューブ１８４は、低温ゾーンへ移行させることができる。図１００Ａ及び図１００Ｂに示されるように、多層（Ｔｕｂｕｌａｒ）Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、１００、４００、５００（２００、３００）、又は複数の空気チャネル及び燃料チャネルを備えた他の燃料電池構造には、端部チューブ１８４の一実施形態である特別にラッピングされた端部チューブ１８６が設けられている。デバイス１０、１００、２００、３００、４００、５００のアクティブ構造、つまりアノード、カソード、電解質及び燃料通路は、本願において説明される多様な方法のうちのいずれかによって作られ、次に、ラッピング端部チューブ１８の接続が加えられる。ラッピングされた端部チューブ１８６は、ラッピング技法を使用して加えられるが、このラッピング技法では、チューブはテープ製であり、そして、そのテープは、スティックの端部の周囲において、適切な強度の厚みを与えるのに十分な巻き数でラッピングされて、その巻き数は、端部チューブ１８４に所望の長さを与えるように続けられる。ラッピングされた端部チューブ１８６の支持されていないセクション内部に、マンドレルが必要となり得るが、その場合には、離型剤又はワックスで覆われた一時的なマンドレルを使用することができる。チューブの層は、完全な強度及び密度が得られるまで積層可能である。積層後に、マンドレルを除去することができる。永久的な端部チューブ１８４は、アクティブ構造に機械的及び電気的な取り付けの両方を提供することができる。永久的に取り付けられた端部チューブ１８４の接続は、共焼結のおかげで、アクティブ構造を備えた実質的にモノリシックなものである。これは、設計に耐久性を提供する。従って、最終的なデバイスを共焼成することによって、取り付けられた端部チューブ１８４が多層デバイス（例えば１０、１００、２００、３００、４００、５００）の上に焼結されて、実質的にモノリシックになる。
端部チューブ１８４は、ＬＳＭなどの導電性セラミック製、又は酸化ニッケル製とすることができる。低温ゾーンへの移行部分又は空気雰囲気への移行部分において、端部チューブ１８４を導電性の金属又は合金で覆うことができる。この金属又は合金及び最終的なチューブ設計の低温端部をペイントとして、又はラッピングされたテープとして加えることができる。代わりに、ラッピングされた端部チューブ１８６に代えて、端部チューブ１８４が、例えば圧延又は押し出しによって製造されたものであり得る。端部チューブ１８４が未焼結状態で軟らかい場合、セラミック同士を結合させる積層によって、取り付けることができる。ラッピングされたチューブ１８６、又は加えられた端部チューブ１８４は、二つ以上の材料の複合材であってもよい。例えばＬＳＭの場合、ＬＳＭをＹＳＺと混合して、純ＹＳＺのＣＴＥ及び焼結特性に整合させることを促進する。
複雑なアクティブ構造の多層デバイスを製造し、次に、それを焼結して、次に、永久的な端部チューブ１８４を端部に取り付けることが望ましくなり得るが、これには物理的な課題がある。デバイス１０に対して図１０１に示されるように（また、非永久的なチューブ取り付けに対して図３Ａ及び図３Ｂを参照して、シリンダー状端部として説明されているように）、デバイスの端部を、チューブ接続を受け入れ易い形にすることが有利であり得る。アクティブデバイス１０の外側の端部を、機械加工等によって成形し（好ましくは未焼結状態）、セラミック端部チューブ１８４に容易に適合して軸方向の取り付けを提供するシリンダー状端部１９０を形成することができる。端部チューブ１８４の軸方向の取り付けは、より大きなシステムにおいてＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（又は１００、２００、３００、４００、５００）を密封するのに最適である。
代わりに、図１０２Ａ及び図１０２Ｂに示されるように、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の端部１１ａ、１１ｂの内側を機械加工して、一つ又は複数の端部チューブ１８４を挿入することができる一つ又は複数の端部孔１９２を形成することができる。隣り合わせで挿入される複数の端部チューブ１８４は、多くの設計で有利であり得る。複数の端部チューブ１８４を挿入することによって、小型化に便利となり得（例えば携帯デバイスにおける）、又はプラント設計のバランスを単純化することができる。
端部チューブ１８４は、両方の部品（アクティブデバイス１０及び端部チューブ１８４）を共焼結することができるようにそれらが未焼結である間に、又は両方の部品を個別に焼結した後に、又は一方が未焼結で、もう一方が焼結済みである間に永久的に取り付けられ得る。両方が焼結済みである場合、取り付けられると、ガラス又はガラスセラミック（又はアルミナ等の焼結促進セラミックが添加されたＹＳＺ等のより低い焼成セラミック）を使用して結合を形成することができる。これらの部品を一緒に未焼結にする場合、積層方法又は上記結合材料を使用することができる。一方が未焼結で、もう一方が焼成済みである場合、これらの接着方法を全て使用することができる。
図１０３Ａに概略的な斜視図で示される永久的なチューブ取り付け用の他の実施形態によると、アクティブデバイスの端部に矩形の端部１９４を提供することができ、また、矩形のはめ合わせチューブ１９６が、炉から出すための取り付け用に使用される。又はめ合わせ部品が取り付け端部において矩形であり、他方の端部においてが丸い端部チューブ１８４を有することも考えられる。図１０３Ｂに示されるこのような形状移行端部チューブ１９８は、鋳造又は成形によって製造することができる。特に、形状移行端部チューブ１９８は、適合形状の成形セラミック片として製造可能である。その矩形の端部は、矩形の端部１９４上に容易に積層可能であり、そして、炉の外への移行用に、このセラミック片を丸い又は他の形のチューブに形を変えることができる。この場合も、これらのチューブ及び出口経路を導電性材料から製造することができて、コンポーネントの数を少なくしてそれらに複数の機能を持たせることによって、電気接続並びにガス接続として機能させて、システムの最終的な設計を単純化する。
未焼結テープの使用については、多様な実施形態で説明されている構造を構築することについて既に説明してある。しかしながら、未焼結テープの使用は要求されるものではない。一代替例は、構造に使用される全ての材料をスクリーン印刷することである。これによって、テープの使用が省略されるが、レイアウトが極めて同じ様に見える最終的な未焼結デバイスが得られる。実際に、スクリーン印刷技法で配置されるジルコニアの層と、テープのシートとして配置される層との間の見分けは、ほとんどつかない。他の変形例は、ディスペンサを使用して材料を描画することである。最も単純な形態では、これは、ペンのように材料を描画するチューブであり得るが、当業者には理解されるように、材料を描画するための厳密な方法は、時間と共に、また、小型化が求められ続ける限り、ますます精巧になるものである。この描画方法を使用することによって、小さなチャネル及びより複雑な３Ｄ構造を備えた複雑な構造を製造することができる。しかしながら、実際には、これらの方法は、多層セラミック技術よりも有用ではないことがある。描画ヘッドの数をそのままにして構造が益々小さくなると、大きなデバイスを製造するのに必要な時間が長くなる。この方法では、その生産性が問題になる。各チップが４００以上の層を備える小型チップを一つの工場が一週間に十億個製造することができる現在のコンデンサ製造方法によって立証されているように、テープ及び印刷方法でデバイスを構築する方がはるかに現実的である。しかしながら、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを構築するためのこのような手段も考えられるものである。
また、層の代わりに微小管を多層デバイス内に使用することも可能である。微小管は、それらを組み合わせることによって広いエリアを得ることができる。多層デバイスが数千個の微小管を含む場合、それらをエンドツーエンド又はサイドツーサイドで接続することによって、あるいは構築プロセス中により大きな層状構造のグループに接続することによって電圧を上昇させるために、これらの微小管を組み合わせることができる。しかしながら、この場合も、描画の複雑さが生産速度を遅くする要因になる可能性がある。しかしながら、総合的には、本発明による“自発形態（ｗｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒｍ）”の使用によって、この設計を機能させることができる。“自発形態”とは、或る物理的構造であって、その中で材料システムが総合的な設計の目標に向けて充分に協働する物理的構造を有する本発明のデバイスを称する。その物理的構造は材料特性と調和して作用するので、デバイスは、デバイスの長さ方向に沿った急激な温度差に適応することができて、低温及び低コスト接続点、構成の単純化及び耐久性の向上を可能にしている。
上述の多様な実施形態では、アノード、カソード、電解質及びギャップの複数の層は、ＳＯＦＣ又は他の燃料電池デバイス用の“自発形態”設計に使用されている。また、この“自発形態”設計は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、１００、２００、３００の多層アクティブ構造が、例えば図１０４に示されるように、プレート６１０、長いプレート６１２、チューブ６１４又な平坦なチューブ６１６の構成を有するセラミック（酸化ニッケル、ＹＳＺ、ＬＳＭ、又は他の好ましい材料）の予備焼結済みコアの上に構築される場合にも使用することができる。最終的な形態は、これまで説明した設計に似ているが、その製造方法は、固体の下部材料６１０、６１２、６１４又は６１６で開始して、次に、それに厚膜層が加えられる（厚膜層とは、印刷、ディップ又は描画のいずれかによるペースト層の塗布を意味している）。
平坦なチューブ６１６又は丸いチューブ６１４の設計の既存の使用では、チューブの中央に一つのガスが含まれており、また、チューブの外部表面は他のガスに露出されている。平坦なチューブ６１６又は丸いチューブ６１４の設計を多層設計に変更するためには、ガスをチューブ内部で制御する必要がある。平坦なチューブを、更なる説明用の例として用いる。既存の使用では、平坦なチューブは、空気又は燃料のいずれかの流れを制御するための支持部材をその内部に有することができる。平坦なチューブは多孔性であり、そのガスを外側に向かって電極２４、２６及び電解質２８まで拡散させることができる。支持部材の一実施形態は、平坦なチューブに構造的強度を付与するリブであり、図１０５Ａに示される垂直構成（垂直リブ６２０）であるか、又は図１０５Ｂに示される角度が付いたデルタリブ６２２構成のリブのいずれかである。リブを有してはいるが、平坦なチューブ６１６の内部は、チャネル６２４内に一種類のガスしか含まない。従来技術と明記されている図１０６は、平坦なチューブの現状の使用方法を示したもので、一つの電極に一つのガスを供給している。湾曲した矢印は、ガスが第１の電極に向けて上方に、チューブの多孔性セラミックを介して拡散する様子を示す（また、電極が平坦なチューブの両側に構築されている場合、ガスは下方にも拡散することができる）。
本発明によると、図１０７Ａ〜図１０７Ｂに示されるように、リブ６２０を使用してチャネル６２４を二つの交互のセット６２４ａ、６２４ｂに分割し、一部が燃料を運び（燃料チャネル６２４ａ）、また、一部が空気を運ぶ（空気チャネル６２４ｂ）ようにする。これらの平坦なチューブを低コストのために押し出すことができ、交互のチャネル６２４ａ、６２４ｂを各端部１１ａ、１１ｂで密閉し、ガスを交互に反対方向に流すことができる。密閉は、ガラス又はセラミック等の高温材料を使用して実施することができ、又は平坦なチューブの低温領域に存在している場合は、有機物又はシリコーンなどの低温材料を使用して密閉することができる。代わりに、製造時に交互のチャネルを密閉する方法でチューブを成形することができる。図１０８に示されるように、必要に応じて、空気及び燃料の両方が流入して、隣接するチャネル６２４ａ、６２４ｂを通って同じ方向に伝わるように、全てのチャネル６２４ａ、６２４ｂを第一の端部１１ａで開放することができる。この場合、リブは、非多孔性であり、これらの二つのガスが混ざるような欠陥が存在しないものである必要がある。そして、コネクタを用いて、図１０８に示されるように、正しいガスを単一の端部１１ａで正しいチャネル６２４ａ又は６２４ｂに導くことができる。
更に、図１０７Ｂに示されるように、平坦なチューブのいくつかのエリアを密閉するカバー６２６（例えばガラスや、稠密セラミック）を加えて、多孔性チューブを通過して上昇するガスの流れを制御することができる。そして、カバーで覆われていない多孔性表面によって、適切なガスを、多層アクティブ構造内の適切な通路へと上方に拡散させる。多孔性チューブの表面を密閉すること、及び、多孔性エリアが、適切なガスを適切なエリアへと上方に拡散させることは、任意に組み合わせることができる。
代わりに、従来技術の一層の平坦な多孔性チューブとは対照的に、平坦なチューブ６１６は、この設計で動作するために多孔性でなければならないわけではない。代わりに、孔を設けて、ガスをチャネル６２４ａ、６２４ｂから流出させて、多層アクティブ構造内へと上方に伝えることができる（この孔の一実施形態について、図１０９を参照して後述する）。これらの孔は、未焼結状態又は焼成状態において平坦なチューブ６１６に加えることができる。平坦なチューブ６１６は、炉の外部へ延伸することができて、図１１１に示されるように、一方の端部１１ａが、一つのガス用に低温エリア内で容易にマニホルド化されて、他方の端部１１ｂは、他のガス（この場合も低温）で他の端部においてマニホルド化される。代わりに、一端の平坦なチューブ（例えば図１０８の場合）が炉から出て行き、その一つの低温端部１１ａにおいて、空気及び燃料の両方をチャネル６２４ａ、６２４ｂに提供することができる。チューブの端部１１ａに合致する複雑なコネクタを使用することができて、空気及び燃料の両方を適切なチャネル６２４ａ、６２４ｂに提供する。炉の中では、平坦なチューブ６１６内の孔によって、ガスを多層アクティブ構造内へと上方に伝えることができる。空気チャネル６２４ｂによって、多層アクティブ構造への空気の流れを許容することができ、また、燃料チャネル６２４ａも同じ様に燃料の流れを許容することができる。個々の孔は、個々の層用に使用されるか、又は、一つの孔が、複数の層用に使用される。
多層アクティブ構造内には、これまでの図面で説明したように、任意の組み合わせの直列構造又は並列構造を構築することができる。本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス６００に対して図１０９に示されるように、適切な層へ向けてガスを上昇させるために、平坦なチューブ内部からの供給ガスをビア経路６２８に流入させることができる。流れるガスがビア経路から漏れることなくビア経路６２８を連続させることができるように、コラム、壁の突起、オフセット通路等の多様な方法及び設計を使用することができる。垂直方向の太い湾曲した線は、図が同じ平面断面内の全てではないことを示すためのものであることは留意されたい。図１１０に示される代替方法は、ガス経路が下に向いて平坦なチューブ６１６と合致するように、ガス通路１４、２０をそれらの範囲の側面領域で歪ませることである。この方法は、より単純であり得て、平坦なチューブ６１６の表面に厚膜材料を加えて多層アクティブ構造を構築する方法が得られる。
図１１１は、自発形態のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス６００を斜視図で示し、端部が炉の外、より具体的には、より低温のゾーン３０に現れる対向した端部１１ａ、１１ｂ（代わりに、より低温のゾーンに現れる一つの端部であり得る）を備え高温ゾーン３２に配置された平坦なチューブ６１６の外へ延伸し、多層アクティブ構造が、平坦なチューブ６１６と、ガスを多層アクティブ構造内へと上方に拡散させるための経路６２８との上に構築される。代わりに、図１１２に示されるように、平坦なチューブ６１６の端部１１ａ、１１ｂが炉の内側に存在し、ガスを運ぶための高温マニホルド６３０に取り付けることも可能である。
本発明による自発形態の平坦なチューブ６１６の変形例は、先細りする平坦なチューブ６３２であり、図１１３に示されるように、炉壁９６を貫通する領域で幅が狭くなっている。先細りする平坦なチューブ６３２の内部設計は、多様な方法で、そのより細い端部をチューブの主なエリアに適合させることができる。例えば、リブは、細い端部から主なエリアまで広がることができて、全て又は一部のチャネル６２４のサイズが大きくなり、又は、追加リブ６２０、６２２が内部に存在して、流れを追加チャネル６２４内に分割して、より多くのエリアに供給することができる。先細りする平坦なチューブ６３２の幅を、炉から出て行く部分で更に狭くすることによって、ひび割れが生じ難くなる。
本願で説明される平坦なチューブの実施形態では、マニホルド６３０の代わりに、図１１４に示されるように、個々の端部チューブ１８４を炉の中に挿入して、端部の孔１９２において平坦なチューブ６１６（６３２）とはめ合わせることができる。チューブ１８４は、共焼成可能であり、永久的に取り付け可能であり、又は、ガラスや機械的圧力を用いて一時的に接着可能である。
ＳＯＦＣは、伝統的には８００℃の高温で良好に動作する。本発明の一実施形態によると、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス（１０、１００、２００、３００、４００、５００、６００）の動作用に、いわゆるシースルー炉を使用することが便利となり得る。シースルー炉の１つは、サームクラフト（Ｔｈｅｒｍｃｒａｆｔ）社製のＴｒａｎｓ Ｔｅｍｐ（商標）炉である。このチューブ炉は絶縁チューブであり、チューブ内部に発熱体を備えて、また、開放端部を備える。チューブ炉の中央は、動作温度まで急速加熱することができる。シースルー炉では、絶縁チューブは、石英及び／又はガラスチューブの複数の層（通常は二つであるが、それ以上も考えられる）からできていて、石英の層は炉を適切に絶縁しながら、人が内部を見られるようにする。通常、水晶チューブのうち一つは、付加的な熱を反射して炉の中に戻すために、金等の微少量の反射性金属で内部がコーティングされている。Ｔｒａｎｓ Ｔｅｍｐ（商標）炉は、炉内の螺旋電気コイルによって電力供給される。更に、ガス燃焼構造等の他の手段によってＴｒａｎｓ Ｔｅｍｐ（商標）炉を加熱することができる。本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの動作用の形式としてシースルー炉を使用することによって、チューブ炉内で動作しているＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを容易に検査することができる。
例として、通常はガスタンク用に使用されるエリアにチューブ炉が配置されているＳＯＦＣ技術によって、オートバイに電力供給することができる。また、この方法で自動車に電力供給することもできる。フェラーリの新しい自動車設計では、人がエンジンを見ることができるように、エンジンの上にガラスパネルが使用されているが、その概念と同様、シースルーＳＯＦＣ炉によって、人がＳＯＦＣエンジン内を見ることができる。又は、家の中で、ＳＯＦＣは、家全体に電力供給することができ、また、シースルー炉を使用することができる。一世紀前、暖炉は、暖房及び調理の中心として家の中心であったが、近代の家では、シースルーＳＯＦＣ炉が家の精神的な中心となり得る。自動車設計では、一つよりも多くのシースルー炉要素が存在し得る。隣同士で四つのシースルー炉要素が存在し得る。又は、四つの要素は、“＋”字型であり得る。見栄えだけではなく、ＳＯＦＣ用のシースルー炉設計の機能的要素は、炉が動作中であり、適切に機能していることを観察できる性能である。この設計の審美的要素は、より大きな製品又は状況の他の設計側面を伝えることができる。
Ｔｒａｎｓ Ｔｅｍｐ（商標）炉が金でコーティングされている場合、又はコーティングされていない場合、炉の色は実質的に黄色−オレンジ色である。本発明によると、異なる元素を使用してシリカ（水晶）の内側をコーティングし、又はシリカチューブにドーピングすることができ、それによって、色を青色、緑色又は他の考えられる色に変えることができる。
従って、本発明では、透明な（シースルー）壁９６、９６’又は９６”を有する炉構造によって高温ゾーン３２が提供されるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスが考えられる。更に、実質的にオレンジ色ではない色（例えば青色）で高温ゾーン３２を輝かせる元素で高温ゾーンの壁９６をコーティングするか、又はドープすることができる。炉（高温ゾーン）３２は、燃焼燃料で、又は抵抗線で加熱可能である。また、全て又は一部の電力がＳＯＦＣによって供給される車両も考えられて、ＳＯＦＣ用の高温ゾーン３２が一つのシースルー炉又は複数のシースルー炉を用いて形成される。更に、シースルー壁９６、９６’又は９６”を備えた家庭用加熱炉も考えられて、本願で説明されるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスによって少なくとも部分的に電力供給される。チューブ状Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを含むＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス用の上述の全ての実施形態は、シースルー高温ゾーン３２を含むことができる。
上述の実施形態は、ＳＯＦＣに関連して詳述されている。しかしながら、これらの実施形態は、溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ，ｍｏｌｔｅｎ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）に適用することも可能である。コンセプトの主な相違点は、電解質がジルコニアから溶融炭酸塩（例えば、炭酸リチウムや、炭酸ナトリウム）に変わっている点である。炭酸塩は、より高い温度で溶融状態になり、酸素イオンを全体にわたって導くことができる（ＣＯ３の形態で）。溶融炭酸塩は、ＬｉＡｌＯ２等の多孔性セラミック内の毛細管内に保持される。アノード及びカソードはいずれも、ＳＯＦＣに広く使用されているＬＳＭではなく、ＭＣＦＣ中のニッケルに基づいている。ＳＯＦＣ用の構造ジルコニアは、多孔性ＬｉＡｌＯ２に置き換わっており、炭酸塩は細孔の中に存在している。また、ＣＯ２が空気流と共に加えられる。本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス用の全体構造である自発形態を、ＭＣＦＣ用に採用することができる。
本発明では、更に、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス用の燃料としてのアンモニア（ＮＨ３）の使用が考えられる。炭化水素又はＨ２の場合と全く同様、アンモニアによってアノード側にＨ＋イオンが供給される。アンモニアを使用する利点は、Ｈ２と同様、ＣＯ２を放出しないことである。しかしながら、燃料としてのＮＨ３の欠点は、毒性であることである。
また、本発明では、ジェットエンジンを電気エンジン構成に変換するためのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの使用が考えられ、それによって、より高い燃料効率を得ることができる。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを使用してエンジン出力を発生させることによって、燃料消費を少なくし、また、飛行に必要な燃料積載量を少なくする。ジェットエンジンが外部カウリングを有していない場合、ジェットエンジンと呼ぶ代わりに、この推進デバイスをダクテッドファン又は単にファンと称する。１０ＭＷの電力が利用可能である場合、ダクテッドファンは、ボーイング７３７に搭載されているジェットエンジンに取って代わることができると予測されている。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスアセンブリに対する１ＭＷ／ｆｔ３の先進的な密度目標を使用すると、航空機上でこの種の電力を生成することは理に適っている。複数の個別ユニットを使用して１０ＭＷを発生させることができ、特に、それぞれ１ＭＷを発生させるモジュールを１０個使用することが想定される。翼の上に発電モジュールを有することにより、それらを可能な限りエンジンに近づけることができ、配線内における抵抗損失が減少する。翼の中にＳＯＦＣを有することに対する代替設計は、それらを胴体の中に置くことである。胴体内の振動は、翼の中の振動より少ないので、胴体は、より良好な場所であると考えられる。胴体から翼に電力を伝える際の導電性の問題は、電力を伝える際により高い電圧で動作させることによって解決することができる。或いは、高温セラミック超伝導体を使用してその距離を伝えさせることも有用であり得る。従って、本発明によると、電気推進システムを使用している航空機が提供され、電気推進システムを作動させるために発生される電力が複数のＳＯＦＣモジュールの中で生じる。電気推進システムの一実施形態はファンであり、ダクテッドファン又は非ダクテッドファンのいずれかである。さらに、これらのモジュールは、航空機の翼の中に配置することも可能である。
本発明の他の実施形態によると、マイクロサイズ又はナノサイズのチューブを使用して空気チャネルとカソードが組み合わされ、及び／又は、燃料チャネルとアノードが組み合わされる。これらの特徴を組み合わせることによって、より高い電力密度（ＫＷ／Ｌ）及びより頑丈な設計でＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを製造することができる。それぞれアノード２４及びカソード２６に隣接する燃料及び空気の流れ用の燃料通路１４及び空気通路２０を有する代わりに、アノード及びカソード内にマイクロチューブ又はナノチューブ（まとめてマイクロ／ナノチューブと指称する）を提供することによって、アノード及びカソード内にフローギャップが生じる。これによって、アノード及びカソード内におけるガス分布を著しく改善することができる。現状では、アノード及びカソードが多孔性であり、ガスはこれらの細孔全体に拡散する。実際には、恐らく細孔はランダムに分布していて、ガスフローが入り組んだ経路を通り抜けなければならないので、ガスは速やかに拡散することはできない。ランダムな細孔自体より件書に直線的で長いアノード２４及びカソード２６内の経路又はチャネルとして画定されるマイクロ／ナノチューブを有することによって、改善された燃料利用を達成することができる。
実際には、繊維６３４をアノード材料及び／又はカソード材料の中に挿入することができる。一例として、炭素繊維材料を使用することができる。繊維は、図１１５Ａの顕微鏡写真（倍率５００倍）及び図１１５Ｂの顕微鏡写真（倍率２００倍）に示されるように、その長さが比較的短くなり、薄いシート中にランダムに分布し、押しつぶされるか又は圧縮されるように、マットタイプの布６３６であり得る。任意のタイプの有機布又は織物を使用することができると期待される。代わりに、焼成後に長いボイドを提供するために、電極ペースト中に長い粒子を分布させることもできる。炭素斜文織は、繊維の大部分を好ましい流れ方向に容易に配向させることができるので、特に有用であり得る。
図１１５Ａ及び図１１５Ｂでは、繊維６３４の直径は５〜１０μｍである。それらをはるかに小さく、つまりナノサイズにして、面積当たりの繊維の数を多くすることが可能である。例として１〜１００ｎｍの範囲の直径を有するナノチューブを使用することができる。代わりに、０．１〜１００μｍの範囲の直径を有するマイクロチューブを使用することも可能である。一般的に、これらのチューブは、略１ｎｍ以下程度の小さい直径、及び」約１００μｍ程度の大きい直径、例えば５０ｎｍから５０μｍの範囲の直径を有することができる。
そして、繊維６３４を電極ペーストに浸漬させることができる。このペーストは、もともとその性質が多孔性であり、スケールが０．５〜３μｍの追加的な細孔の提供を促進する黒鉛粉末を含有している。焼出し及び焼結の後に、図１１５Ａ及び図１１５Ｂに示される繊維と、黒鉛粉末とによって、ガス分布を増大させることのできる細孔及びマイクロ／ナノチューブのネットワークが電極内に提供される。炭素繊維の場合、それらは、焼成プロファイルの間の略７５０℃後に消失する。図１１６Ａ〜図１１６Ｃは、倍率を大きくした顕微鏡写真であり、焼成された電極に形成されたマイクロチューブ６３８、具体的には、直径５〜１０μｍの炭素繊維の焼出しによってアノード２４に形成された三つの異なるチャネルを示している。
本実施形態によって、アノード２４及びカソード２６内の燃料及び空気の良好な分布が得られ、また、燃料及び空気をアノード及びカソードを通して流すことができる場合、アノード及びカソードの上方を流れる燃料及び空気が必要ないので、アノード及びカソードの領域の燃料フロー通路１４及び空気フロー通路２０を除去することができる。更に、アノード及びカソードの上方のギャップが除去されると、アノード及びカソードを多層構造内の隣の電解質２８に接触させることができ、多層構造に劇的に改善された強度が付与される。
高温から低温へ伝わる自発形態を備えた構造であろうとなかろうと、マイクロ／ナノチューブ６３８の使用は、あらゆる多層燃料電池構造における使用を見出すことができることは理解されたい。本実施形態は、正方形プレートの上で又はチューブの表面上で使用することができる。本実施形態は、その性質が多層である又は設計に対して３Ｄスケールを有しているシステムの設計の場合に特に強力である。
多層Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスでは、例えば、電池の連続する層と層の間のピッチが０．０１０インチ程度、つまり電解質から電解質まで０．０１０インチ程度であるサンプルを作製した。この１０ミルには、燃料又は空気の流れ用の略２ミルのギャップが含まれている。本実施形態に従ってこの２ミルのガスフロー厚さを除去することによって、電力密度（ＫＷ／Ｌ）を２０％高くすることができるが、これは劇的なものである。しかしながら、アノード及び／又はカソード内のマイクロ／ナノチューブ６３８を、ギャップを除去するための手段としてではなく、流量を多くするために空気／燃料通路（ギャップ）と組み合わせて使用することができることは理解されたい。
高温ゾーン３２及び少なくとも一つの低温ゾーン３０を有する本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス用の他の実施形態によると、燃料通路１４及び空気通路２０を製造する方法は、低温から高温までの経路の領域及び高温ゾーンにおける方法と同じ方法を維持することができ、電極内の細孔及びマイクロ／ナノチューブ６３８を介して燃料を流すことができる。開放チャネル（１４、２０）、例えば２ミル（０．００２インチ）のチャネルにより、ガスが流入するための便利な低流動抵抗経路が提供される。これらの経路は、アノード２４及びカソード２６の厚さと同程度の厚さであるため、開放ガスフローチャネル（１４、２０）を、図１１７に示されるように、高温ゾーン３２のアノード２４及びカソード２６の縁まで直接到達させることができる。チャネル（１４、２０）は、必要に応じて、側面からアノード２４又はカソード２６への空気及び燃料の流入を許容するように配向することができる。図１１７では、アノード２４又はカソード２６は、一方がアノード２４又はカソード２６の上側で、もう一方が下側である２つの電解質２８に並列図式で供給している。直列設計の場合、図１１８に示されるように、アノード２４又はカソード２６の２つの部分の間に隔離体６４２を置くことができる。隔離体６４２は、ジルコニア又は電解質材料などの絶縁体であり得る。
例えば、コネクタ電極１４８を使用した直列設計等のより複雑な形式では、この方法を使用して多くのアノード２４又はカソード２６に一度に供給することができる。抵抗を低くするためには、個々の電池を短くし、かつ、幅を広くすることが最適である。その点に関して、マイクロ／ナノチューブ６３８を使用することができる。何故ならば、そうしたチューブは、大きいギャップよりも高い流動抵抗を有しているので、短くて幅が広い電池の性質が良好に働いて適切なガスフローを許容し、また、あらゆる燃料電池の主要な目標の１つである燃料利用が改善されるようになるからである。図１１９は、直列設計を上から見下ろした概略図を示し、電池に流入し、電池から流出するガスの流れが強調されている。説明を分かり易くするために、燃料側の例を用いる。図１１９は上から見下ろした図であるため、見えている表面は、アノード２４の表面である。電解質２８及びカソード２６は、図から隠れている。矢印は、アノード２４に流入する燃料を表している。燃料は、アノード２４の両側から流入し、次に燃料の一部が電解質に向かって方向を変える一方、燃料の一部は、引き続いてアノードを通って燃料アウトレット１６へ向かう。この場合も、燃料通路１４は、アノード２４の上方ではなく、アノードに沿っているため、ガスフローの領域及びアノード又はカソードを組み合わせた厚さは同じであり、かつ、最小化される。
また、燃料電池の分野では、低電力発電用の小型デバイスも望ましいものである。例えば、１００時間にわたって２０Ｗを提供する小型電源を、軍隊が使用することができる。そのために、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス７００用の設計の１つは、図１２０に側面図で示されているように、小型デバイスの広いエリア７０４にいずれも同じ側から入る２つのスティック形入口７０２ａ、ｂを有するものである。一方のスティック入口７０２ａは空気を取り扱い、もう一方のスティック入口７０２ｂは燃料を取り扱っている。広いエリア７０４は、高温ゾーン３２に配置されたアクティブエリアである。両方のガスを同じ側から流入させることにより、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス７００の各側に１つの入口を有する場合と比較すると、全体積が小さくなる。更に、空気及び燃料用の連続する入口を備えた単一のより長い入口経路を有する場合と比較しても面積が狭くなる。図１２０に示されるデバイス７００のサイズ（平方面積でのサイズ）は、例えば１平方インチ又は３インチ×３インチであり得る。
他の実施形態によると、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの広いエリア７０４は、複数のセクションに分割されている。例えば、図１２０に示される広いエリアをそれぞれ満たす２０個のアクティブ層を使用してＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを設計する場合、熱伝達用にそのエリアを分割することが有利である。分割されたエリアは、本のページのようなものである。ガス供給チューブが入る本の背は、完全に一体であるか、又は、それぞれ図１２１Ａ及び図１２１Ｂに上面図及び斜視図で示されているように、完全な分割や部分的な分割も可能である。
最後に、携帯型にすることが意図されているＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス７００の場合、図１２２に示されるように、デバイスの上に安定化ポイント７０６を有することが有用である。これらは、デバイスから出現する背骨７０８の形を取ることができるが、小型炉の絶縁体９８の中に延伸する役割しか担っていないため、振動を減衰させてＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス７００を安定した状態に保持する。背骨７０８は、様々な形を取ることができるが、断面が小さく、したがってデバイスから熱を伝達しない形であることが理想的である。背骨７０８は、強度のために先を尖らすことができ、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス７００のメインボディ部分での接続７１０をより大きくすることができる。さらに、安定化背骨７０８は、デバイスを携帯型にするかどうかにかかわらず、本願で説明されている全ての実施形態に使用可能である。
より大きな電力を達成するように、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのサイズが大きくなると、考えられる課題の一つが、ガス及び／又は空気の流れが、狭い通路（フローチャネル）内に閉じ込められてしまい得ることである。フロー通路が、狭くて、薄くて、長くなると、流量が減少し得る。理論に縛られる訳ではないが、流量の減少は、粘性効果であると考えられる。更に、温度が上昇すると、特定の断面内のガス及び／又は空気の流れが減少し得る。
他の検討事項は、電力の毎ワット秒を達成するために特定量の燃料流が必要とされる点である。例示及び概算のみを目的とするものではあるが、予備調査で、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス中の水素ガスは、少なくとも１１ワット秒／ミリリットルのオーダを生じさせることができると分かっている。０．１ｍｌ／ｓの流量のＨ２では、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、１．１ワットを生じさせることができる。この調査に基づくと、より高い電力には、より大きな流量が必要である。
更に他の検討事項は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの全体的な密度（ｋＷ／ｌ）がフロー通路を含む多様な構成要素の厚さに依存する点である。より高電力のデバイスのためにフロー通路を太くしようとする試みは、より小型のデバイスの密度達成度と相殺されてしまい、設計が全体的にうまくいかなくなる。従って、より高電力用のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの全体的なサイズを増大させる際に、密度を犠牲にせずに、良好な流量を提供する必要がある。
短いＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス（例えば、長さ２インチから長さ６インチ）の例では、１層当たりのワット数は面積によって制限されるので、細いフロー通路が許容可能である。更に、図１２３に断面図で概略的に示されるように、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に追加的な厚さを足すことなく、流量を最大化するために、より太いフロー通路１４ａ（又は予熱チャンバ１３）がアクティブ３３ｂに繋がり、そして、より細いフロー通路１４ｂ（又はマイクロチューブ６３８）がアクティブゾーン３３ｂを通り抜けて延伸している実施形態について、既に説明している（例えば、図３２Ａ〜図３２Ｂ、図１１７〜図１１８）。例えば、アクティブエリア３３ｂにおいて、燃料通路１４が１ミルで、アノード２４が２ミルである場合（合計３ミル、つまり０．００３インチ）、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の全体的な密度を犠牲にすることなく、３ミルの燃料通路１４ａが、アクティブエリア３３ｂに繋がることができる。３ミルの燃料通路１４ａは、アクティブエリア３３ｂにおいて、厚さ１ミルの燃料通路１４ｂよりもより大きな流量（流れに対してより小さな抵抗を有すること）を可能にする。各層に個々のギャップを有する短いＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の場合、一つの層に対して必要とされるミリリットル／秒単位でのガスフローは大きくなく、層の数を増やすことによって（例えば１００層）、１つのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０当たりに対して高電力の出力とすることが更に可能である。
一方、より長いデバイス（例えば２０インチ以上）とすることが可能であり、層の総数は小さくて（例えば２０層）、１層当たりの総出力を、はるかに高くする。この場合、密度を犠牲にせずに所望の流量を提供するには、フロー通路に対する別の方法が有用となる。
一実施形態によると、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスに、アクティブ領域の外側でより広いフロー通路が設けられ、その広いフロー通路は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの長さ方向（つまり、ｘ方向）に沿っておおまかには伝わり、短方向（つまり、幅方向又はｙ方向）では、より細いフロー通路がアクティブ領域にわたって設けられる。広い燃料通路は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスに幹線（動脈）を提供するので、本願では幹線フロー通路と称される一方、一側から一側への（サイド・ツー・サイドの）通路は、アクティブエリアに対して供給を行うので、本願ではアクティブフロー通路と称され、小さな断面のギャップが全体的な密度を改善する。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスに供給するのにどれ位の量の流れが必要とされるのかに応じて、幹線フロー通路は、流れに対する顕著な制約を受けないように、断面（つまり厚さ又はｚ方向及び幅又はｙ方向）が十分に大きい。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスにわたるアクティブフロー通路の小さな断面は、二つの点で有用であり、具体的には、距離（ｙ方向）が短く、断面（ｘ方向及びｚ方向）が大きく、ガスフローに対する抵抗を低くする。
図４１Ａ〜図４１Ｂについて上述した実施形態において、同様のコンセプトが説明されていて、単一の燃料通路１４が、複数の空気通路２０の反応に対して供給を行なう。また、上述のチューブ状Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００、２００及び直列設計では、図８９及び図１１９が、複数の分岐通路に対して供給を行なう単一の共通燃料供給通路を示している。
図１２４Ａ〜図１２４Ｃは、他の実施形態によるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００を示し、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の一側に沿った幹線フロー通路８１４と、反対側に向けてアクティブエリア３３ｂを横切る個々のアクティブフロー通路８１５又は複数のアクティブフロー通路８１５とを用いたフロー経路を有している。（二種のガス（燃料、空気）のうち一つに対する通路のみが簡単のために示されている。後述の実施形態では、両方のガス用の通路が示され、参照符号８２０が、第二のガスの幹線フロー通路に用いられ、参照符号８２１が第二のガスのアクティブフロー通路に用いられている。）本発明のこの実施形態によると、一つの大きな幹線フロー通路８１４が、複数のアクティブ層に対するアクティブフロー通路８１５に作用して（例えば、図１２４Ａに斜視図で示される）、また、一つのアクティブ層に対して、幹線フロー通路８１４は、隣り合わせで存在し（例えば、図１２４Ｃに上面図で示される）ｘ方向に間隔の空けられた複数のアクティブフロー通路８１５に作用する。フロー抵抗の減少は、隣り合わせの通路８１５全ての有効幅に比例する。ガスフローに関して平行に走る多数のアクティブフロー通路８１５を有することには以下の利点があると予想される：ガスフローは、デバイスの幅方向に沿って走る各々長さ１インチで幅０．５インチの１０本のアクティブフロー通路を通る流れと比較して、デバイスのアクティブな長さ方向に沿って走る長さ１０インチで幅０．５インチの単一の細いアクティブフロー通路８１５において遅いと予想される。想定される設計では、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の長さ方向であるｘ方向に走る幹線フロー通路８１４と、短いｙ方向に対してＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００に沿って走る一つ又は複数のアクティブフロー通路８１５とを有する；しかしながら、本発明は、その特定の構成に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、他の構成も可能である。更に、複数のアクティブフロー通路８１５は、独立して機能するという利点を有して、アクティブフロー通路８１５のうち一つに故障（ひび割れ等）が生じた場合でも、他のものは機能し続ける。従って、電力の全体的な損失ではなくて、部分的な損失となる。
図１２４Ａ〜図１２４Ｂは、幹線フロー通路８１４を形成する半円ギャップと、ギャップ周囲のシェルを形成するためにＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の周囲をラッピングする未焼結セラミックシートの層８２９とを示し、図１２４Ｂの斜視図に最も明確に示されている。ラッピング法を用いずにこれと同じ設計を得るための他の方法は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス内の未焼結セラミックの内部シートの幅が狭いエリア、又は、内部シートの一部が除去されているエリアに、ギャップ形成材料を挿入することである。図１２５Ａ〜図１２５Ｃを参照すると、異なるサイズの複数の未焼結セラミックシートを一緒に用いて、ギャップ形成材料と共に、未焼結構造を構築することができる。
図１２５Ａ（未焼結でアセンブリされたものの部分的な斜視図）では、非限定的な例として、幅１インチのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００に対して、デバイス８００の頂部及び底部、つまり、幹線フロー通路８１４の上方及び下方の部分において、幅１インチの未焼結セラミックシート８２９を複数用いることができる。例えば、それぞれ厚さ２ミルの１０枚のシートを、頂部及び底部のそれぞれに用いて（図では三枚のシートのみ示されている）、各部分の厚さを２０ミルにする。中心部分では、複数の未焼結セラミックシート８２９の各々から、０．１５インチの部分を除去して、０．１インチの部分８２９ａと、０．７５インチの部分８２９ｂを、幅０．１５インチの幹線ギャップ形成材料８７２の両側に配置することができる。例えば、それぞれ厚さ２ミルの４０枚のシートを中心部分に用いることができて（図では１０枚のシートのみ示されている）、幹線フロー通路８１４の両側の中心部分で厚さ８０ミルとなる。一又は複数の０．７５インチのシート８２９ｂの代わりに、薄いギャップ形成材料８７４を用いて、アクティブフロー通路８１５（図には二つ示されている）を形成することができる。積層及び焼成において、幹線ギャップ形成材料８７２及び薄いギャップ形成材料８７４はデバイス８００から焼き出されて、長さ方向に沿った側方の大きな幹線フロー通路８１４と、幅方向にわたるアクティブフロー通路８１５が形成される。
図１２５Ｂ及び図１２５Ｃにはそれぞれ、未焼結でアセンブリされたものの部分的な断面図と、積層されて焼成されたものの概略的な斜視図が示されていて、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の頂部及び底部に対しては同様の手法が用いられるが、中心部分において、複数の０．７５インチの未焼結セラミックシート８２９ｂが、幹線ギャップ形成材料８７２の一側（図では右側）に配置され、他側にはセラミックが配置されない。積層において、頂部からの（及び／又は底部からの（図示せず））の未焼結セラミックシート８２９が、幹線ギャップ形成材料８７２（左側に示される）の周囲を取り囲み、対向する底部シート８２９の０．１インチの縁部に合わさる。焼成において、成形された幹線フロー通路８１４を備えた輪郭のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００が形成される。
図１２５Ａ及び図１２５Ｂに示されるように、幹線フロー通路８１４から個々のアクティブフロー通路８１５への相互接続を得るため、中心部分において、ギャップ形成材料の薄いストリップ８７４が、幹線ギャップ形成材料８７２からＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の反対側へと延伸している。全てのギャップ形成材料８７２、８７４が無くなると、フロー接続ができる。幹線フロー通路８１４及びアクティブフロー通路８１５の両方に対するギャップ形成材料８７２、８７４については、上述してあり、例えば、有機物（プラスチックを含む）、炭素、ワックス、積層後に除去されるワックスでコーティングされた固体片が挙げられる。
図１２６Ａは、三角形幹線フロー通路８１４を部分的な斜視図で示す。この形状は、積層の力を頂部から下に向ける一方、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の下側を固定プレートで支持する積層プロセスで得ることができる。この力は、機械的プレス又は静水圧（等方圧とも称される）積層において、一般的である。図１２６Ｂは、同じような三角形幹線フロー通路８１４を部分的な斜視図で示すが、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の最終的な形状が変更されている。成形されている固定プレート８７８でプレスすることによって、最終的なデバイスの形状を対称にすることができ、より良い構造強度が得られる。
図１２６Ｃは、最終的な形状の更なる変更を部分的な斜視図で示し、全ての縁を丸くするように、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００を、例えば機械加工、成形、又は注意深く積層することによるものである。完全に丸みを帯びた縁の形状は、機械的応力を低減し、ひび割れの危険性を低下することができる。
一部実施形態では、幹線フロー通路の設計は、一種類のガス、例えば流速の遅い（見かけ粘度の高い）ガスの流れのみを補助するものであり、より速く流れる他のガスには、これまでの多くの実施形態で説明したように、直線の通路が用いられる。例えば、図１２７に斜視図で示されるように、等価なサイズの通路では、水素が空気よりも速く流れるので、幹線フロー通路８２０を介してアクティブフロー通路８２１へと空気が流れる一方で、燃料は直線の燃料通路１４を流れることが有用になり得る。
更なる実施形態では、入口の幹線フロー通路８１４と同様の出口（静脈）通路が設けられる。これによって、必要であれば、ガスの更なる制御が可能になる。図１２８Ａ〜図１２８Ｂ（それぞれ斜視図と概略的な上面図）は、入口及び出口の設計を示す（簡単のため、一種類のガスのみを示す）。図示されるように、ガスフローは、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の一側の長さ方向に沿って、幹線フロー通路８１４を通って、アクティブエリア３３ｂへと流れ、幅方向にわたって一又は複数のアクティブフロー通路８１５を流れ、デバイス８００の他側の長さ方向に沿って出口通路８１６を流れる。出口ポイントは、高温ゾーンの内側又は外側に生じ得て、所望の位置においてＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００から出る。
他の実施形態では、図１２９Ａに概略的な断面図で示されるように、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の全体的な密度を低下させることなく、より小さな幹線フロー通路８１４、８２０が、アクティブ層に対して個別に配置される。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００のアクティブ領域３３ｂにおいて、電解質２８の一側に対しては、アノード２４は厚さ３ミル（０．００３インチ）であり、燃料通路１４（アクティブフロー通路８１５）は厚さ１ミル（０．００１インチ）であり、これら二つの特徴部の合計の厚さは４ミル（０．００４インチ）である。サイドマージンにおいて、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の全体的な厚さを加算することなく、ガス幹線フロー通路８１４が、全厚４ミルで設けられる。同様に、カソード２６及び空気通路２０（アクティブフロー通路８２１）には、同じ全厚の幹線フロー通路８２０が用いられる。流体の流れの基本原理に基づき、側部の４ミルの幹線フロー通路８１４、８２０は、１ミルのアクティブフロー通路８１５、８２１（燃料通路１４及び空気通路２０）よりも高い流量（低い抵抗）を有するので、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の一側から他側へと伝わる１ミルのアクティブフロー通路８１５、８２１の広いエリアに対して作用することができる。更に、図１２９Ｂ及び図１２９Ｃはそれぞれ、単一のアクティブ層に対して供給を行なう単一の幹線フロー通路８１４、複数のアクティブ層に対して供給を行なう複数の幹線フロー通路８１４を示す（簡単のため、逆側のフロー通路は示さず）。
本実施形態の実施においては、８ミルの幹線フロー通路８１４が使用される二つのアクティブ層、又は１２ミルの通路８１４が使用される三つのアクティブ層が有用となり得る。実際には、一つの幹線フロー通路８１４が一つのアクティブ層に対して作用する図１２９Ｃの設計と、一つの幹線フロー通路８１４が全てのアクティブ層（所定のタイプのアクティブ層であり、アノード又はカソード）に対して作用する図１２４Ａの設計（アクティブ層の数は数十層、又は百層となり得る）との間で適切な設計となり得る。
上述のコンセプトを念頭において、ガス状物質が両方とも幹線コンセプトのより高い毛細管流量の恩恵を受けることが考えられる。図１３０は、二重幹線Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００を斜視図で示す。第一の幹線フロー通路８１４は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の第一の端部１１ａから始まり、第二の幹線フロー通路８２０は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の第二の端部１１ｂから始まる。流れは両方とも側部から流出する。これまでの実施形態のように、任意の幾何学構造の組み合わせが考えられ、両方のガスが、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の一方の端部又は両方の端部から流入する設計等が考えられる。
上述の図２５Ａ〜図２７Ｂでは、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１００を、広いアクティブエリア１０４（幅広のスティック）と、炉から出て行く細長いセクション１０２、１０６とを有するように成形することについて、説明した。この設計は、幹線コンセプトにおいても使用可能である。全システムを簡略化する一つの方法／デバイスでは、幹線フロー通路８１４、８２０は直線で、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００が、図１３１Ａ〜図１３１Ｃ（縮尺通りではない）に斜視図で示されるように、異なる領域に対して成形される。その成形は、例えば機械加工による。図１３１ＢのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００は、回転対称性を有するように左右不同に成形される。幹線フロー通路８１４、８２０は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の中心、又は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の側部に存在し得る。幹線フロー通路８１４、８２０の配置は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス内部のアクティブエリアを増大させることが可能であり、一部実施形態では、図１３１Ｃに示されるように、両側のアクティブエリアに対して使用されるように、中心に沿って幹線フロー通路８１４、８２０を有することが有利になり得る。一実施形態によると、デバイス８００の湾曲部は高温ゾーン３２内にあり、細い端部領域１１ａ、１１ｂのみが、炉から出て行き、低温端部として機能する。従って、比較的短くて幅広のデバイスとして図示されているが、これら図面は縮尺通りのものではなく、実際のデバイスは、完全に炉の内部に存在している幅広のアクティブ部分と、炉の外側に大きく存在する細い端部を有するように構成された成形部分を備えるように、細長なものである。
広い幹線フロー通路８１４を備えたＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００のレイアウトの設計において、出口の設計は慎重に行なわなければならない。例えば、図１２４Ａ〜図１２４Ｃの実施形態のように、側部の幹線フロー通路８１４が広い場合、出口経路が、反対側のガス幹線フロー通路８２０と交差してしまうので、アクティブフロー通路８１５がＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の反対側を通って出て行くことができない可能性がある。特定のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００に対してこの問題を解決するため、第三の寸法（垂直なｚ方向）をフロー経路に追加して、図１３２Ａ（概略的な端部図）及び図１３２Ｂ（概略的な上面図）に示されるように、アクティブフロー通路８１５、８２１が、垂直ガス出口ホール８１７，８２３で終端していて、これは、垂直フローチャネルとも称される。
垂直ガス出口ホール８１７は、反対側のガス幹線フロー通路８２０と交差してはならず、また、反対側のガスアクティブフロー通路８２１と交差してはならない（その逆も同様である）。図１３２Ａ〜図１３２Ｂのアノード及びカソードに対して供給を行なう二つのガスフロー通路の形状は、回転対称性を有する。
垂直出口ホール８１７、８２３は、表面に経路を提供するために未焼結テープに穿たれて積層された従来のビアと同様である。代わりに、垂直出口ホール８１７、８２３は、完成した未焼結のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００に、単純にドリル加工で設けることができる。この設計に基づいて、互いに均一に積層されたアクティブエリアを備えて、電池層の積層体が下から上まで整列されて、ドリル加工された各ホールが、複数のガス排出ポイントを横切るようにすることが有用である。
図１３３は、複数の垂直出口ホール８１７、８２３を備えた図１２６ＣのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の外見の斜視図である。列の各ホールは、直列になっている個々の電池に対応するものであり得る。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の一側に対して、アノードガス（燃料サイド）出口ホール８１７が存在し、他側に対して、カソードガス（空気サイド）出口ホール８２３が存在する。
図１３２Ａ〜図１３３のガスフロー及び出口通路の設計は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００内部の直列電池の設計に非常に有用となる。この方法の使用は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００内部の同一アクティブレベル（階層）に空気及び燃料フローを有する方法の一つである。図１３４Ａ〜図１３４Ｂには、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００内の一つのレベルが示されていて、同一の層に対して、電解質２８が交互にアノード２４とカソード２６を有する（図１３４Ａは、多層Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の構築における、個々の電解質シートを見下ろしたものである）。図８０、図９２及び図１１９に示されるような、これまでの特定の実施形態では、電解質２８の一側が、空気又は燃料通路２０、１４のみを含み、電解質２８の頂部から底部への相互接続の複数の方法について示してきた。図１３４Ａ〜図１３４Ｂの実施形態では、空気／カソード２６及び燃料／アノード２４が、電解質２８の同じ側において交互になっていて、図１３４Ｂの概略的な断面図（単一の電解質層２８と対向するアノード２４及びカソード２６のみを示す）に示されるように、相互接続８６８が、電解質２８の一方の側に存在することができて、電解質２８を貫通する必要がない。対向するアノード２４及びカソード２６の対は、図１３４Ｂから明らかなように、電解質に沿って極性が交互に反転していて、隣接する対は、電解質の一側から他側に向けて、交互に相互接続８６８によって電気的に接続されている。
この設計から、図８１及び図８３に示されるような多数の直列及び並列の構成が考えられる（物理的構造は若干異なるが）。図１３５Ａの部分分解図は、アクティブフロー通路８１５、８２１を形成して、図１３４Ａの一般的な設計を有する多層構造を形成するためのギャップ形成材料９４を備えた、複数の図１３４Ｂの構造の積層体を示す。アノード２４及びカソード２６用の共通ガスフロー通路の使用（アクティブエリア内の一つのガスフロー通路が、二つのアノード２４又はカソード２６（頂部及び下部）に対して作用することを意味する）と、電池間の相互接続８６８が、一つの層から次の層へのコンタクトを提供することができる点とには留意されたい。この構造が圧縮されると、ギャップ形成材料９４の間において相互接続８６８が互いに短絡して、相互接続８６８が対向している箇所において、隣接する層の電池が互いに短絡する。図１３５Ｂは、その結果としての電池の電気的構成のダイヤグラム図であり、電子は負から正へと流れる。図１３５Ａに示される層を互いに圧縮する結果として、厚さがばらつく可能性がある。こうした厚さのばらつきは、追加材料を加えることによって解消可能であり、例えば、セラミックテープ片を加えることによって、セラミックインクをスクリーン印刷することによって、または、スラリーがより深部に充填するように他の材料に対してテープキャスティングすることによる。追加材料を加えることによって、多様な層のレベル化（階層化）を補助する他の方法も考えられる。
図１３６及び図１３７はそれぞれ、幹線フロー通路８１４、８２０及びアクティブフロー通路８１５、８２１を用いた多層直列‐並列Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの更なる実施形態を斜視図で示す。図１３６Ａ〜図１３６Ｇ及び図１３７Ａ〜図１３７Ｇはそれぞれ、図１３６、図１３７のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００のＡ〜Ｇに沿った断面図を示す。各デバイスは二つのアクティブ層を含み、アクティブ層毎に三つの電池を備え、合計六つの電池となる。図１３６及び図１３６Ａ〜図１３６Ｇにおいて、燃料及び空気の出口通路は、デバイス８００の側縁部に沿っていて、空気アクティブフロー通路８２１及び燃料アクティブフロー通路８１５にはそれぞれ、対応する空気幹線フロー通路８２０、燃料幹線アクティブフロー通路８１４によって供給が行なわれ、三つの燃料幹線フロー通路８１４、３つの燃料アクティブフロー通路８１５、三つの空気幹線フロー通路８２０、３つの空気アクティブフロー通路８２１が存在する。図１３７及び図１３７Ａ〜図１３７Ｇでは、燃料及び空気用の出口通路が、デバイス８００の頂面に対して垂直になっていて、三つの空気アクティブフロー通路８２１及び垂直出口通路８２３のそれぞれに対して、単一の空気幹線フロー通路８２０によって供給が行なわれ、三つの燃料アクティブフロー通路８１５及び垂直出口通路８１７のそれぞれに対して、単一の燃料幹線フロー通路８１４によって供給が行なわれる。一つの層内のアクティブフロー通路８１５、８２１は、他の層のアクティブフロー通路８１５、８２１と整列されるか、又は互い違いにされる。これによって、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の設計者に更なる自由度が与えられる。図１３８は、図１３６及び図１３７のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の電極配置及び相互接続によって得られる直列‐並列の組み合わせのダイヤグラム図である。図１３９は、同様の電極配置及び相互接続によって得られる直列‐並列の組み合わせのダイヤグラム図であるが、四つのアクティブ層を備え、その各々が四つの電池を直列に備え、合計１６個の電池となっている。端部の接続は図示されていないが、構造の端部から共通接続ポイントに導体を這わせることによって、これまでの図面に示されるように設けることができる。
アノード２４及びカソード２６を相互接続する方法（つまり、一つの電池の正極を隣の電池の負極に接触させるように、アノード２４とカソード２６との間の直列接続を提供する方法）に関して、図１４０Ａの水平断面図に概略的に示されるように、アノード２４とカソード２６との間の全領域にわたって、導体層を相互接続８６８として印刷することができる。導体（アノード２４とカソード２６との間の電気接続を提供するので相互接続８６８と称することにする）は、上述のような多様な材料製であり、例えば、導電性セラミック、貴金属、非貴金属、高温合金等が挙げられる。
許容範囲ではあるが、いくつかの理由により、この構造には改善の余地がある。理由の一つは、相互接続８６８を稠密に焼成しなければならず、焼成された構造においてその上下の電解質から剥離してはならない点である。相互接続８６８は、空気領域及び燃料領域を分離する密封領域にわたって延伸するが、相互接続８６８の導体は、電解質のセラミック材料と同じものではないので、焼成された状態においてその接着性が優れない可能性がある。例えば、導体にＹＳＺセラミックを加えることによって、接着性を向上させることができるが、これは材料の導電性を低下させる。このため、相互接続８６８を多層にして、例えば、三層のサンドイッチ状にして、内部層として純ＬＳＭ、上部及び下部層としてＬＳＭ‐ＹＳＺとすることによって、上部及び下部にＹＳＺ含有電解質２８対する優れた接着性を与え、三層の中心において優れた導電性を与える。しかしながら、この方法は非常に複雑となり得る。大きな相互接続８６８に関する他の不利な点はコストであり得る。相互接続８６８を形成するには貴金属を使用することが便利である。パラジウム、又はパラジウム‐銀を用いることによって、そのコストを最小化することができ、Ｐｄ及びＡｇの合金を使用するために、焼結添加剤を用いて、ＹＳＺの比較的低い焼成温度の利点を活かす。しかしながら、貴金属の使用量を減らすことが何よりも最良である。
これらの懸念事項を念頭において、図１４０Ｂは、相互接続８６８を概略的な水平断面図で示す。アノード２４とカソード２６との間のギャップ全体にわたって導体を配置する代わりに、ギャップに対して、ストライプ状の相互接続８６８が堆積されている。純金属（貴金属又は非貴金属）による高い導電性をストライプが有するのであれば、この減少した面積でも十分であり、抵抗損失は生じない。又は、より高い抵抗率を有する導電性セラミックＬＳＭの場合、密閉エリアにわたるアノード２４からカソード２６までの距離が十分に短ければ、このストライプは十分に機能する。非限定的な例として、アノード２４とカソード２６の間の距離は０．２インチであるのが適切であるが、低抵抗損失とするために、可能な限りその距離を短くすることが望ましい。
更なる実施形態によると、ストライプ状相互接続８６８が、アノード２４及びカソード２６の上に重なるように印刷又は分配される。結果として、各ストライプの周囲に、セラミックを積層させるためのより大きな空間が存在することになる（ストライプは細いので、ストライプの両側のセラミック層間に優れた接着性が得られるならば、セラミックから相互接続８６８までの高い接着力に対する要求が低下する）。また、ストライプ法では、アノード２４とカソード２６との間の全エリアを導体でコーティングする場合よりも使用される材料が少ないので、高価なものであり得る材料の使用量が減る。図１４０Ｂのこのストライプ状相互接続構造は、“櫛状相互接続”とも称される。
図１３４Ａ〜図１３９で説明された直列‐並列の組み合わせに関して、内部電極（アノード２４及びカソード２６）を、電圧源への接続のために、低温端部領域において、外部の表面コンタクトに結合しなければならない。例えば、アクティブ構造の始点及び終点において、導体が出て来て、表面導体に接触し、その表面導体がＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の縁に沿って低温端部へと延伸する。多様な設計が考えられ、これまでの実施形態で説明したように、例えば、ビアホール、表面に対する幅広の導体経路、側部に対する導体であって表面を包み込むもの等が挙げられる。
ドリル加工されたホール出口及びビアホール出口に対する変形例が図１４１Ａ〜図１４１Ｂ（それぞれ断面図、斜視図）に示されている。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００から制御不能に流出する過剰燃料は問題となり得る。燃料が高温ゾーン３２において流出すると、その燃料は酸化雰囲気において瞬時に燃焼し、熱を放出する。過剰燃料の量が多い場合、熱も多くなり、その過剰熱は、局所的な膨張によってデバイス８００に対して機械的応力を発生させ、デバイス８００にひび割れを生じさせる可能性がある。垂直出口ホール８１７、８２３の場合において、この負の可能性を相殺するため、本発明の一実施形態では、表面チャネル又は幹線８３７、８３９を用いて、出て行く過剰又は使用済みの燃料及び空気を所望の出口位置に向ける。その出口位置は、炉の外側であるか、又はＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の別のポイントである。本実施形態では、各タイプの内部の幹線フロー通路８１４、８２０に対して少なくとも一つの表面幹線８３７、８３９を追加することによって、主な幹線の数が増加している。非限定的な例として、表面幹線８３７、８３９は、例えば、半円形の幹線ギャップ形成材料８７２を垂直出口ホール８１７、８２３の上方に配置して、その上を未焼結セラミックテープで覆うことによって形成可能である（図１２５Ｂを参照）。積層及び焼成において、覆っている未焼結セラミックテープが、幹線ギャップ形成材料８７２の両側において、デバイス８００の下方のセラミック２９に結合する一方、幹線ギャップ形成材料８７２が焼き出されて、表面幹線８３７、８３９が残る。
図１４２の断面図に示されるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の他の実施形態では、デバイスが、四つの対称な幹線によって囲まれていて、その内の二つは、アクティブフロー通路８１５、８２１に燃料及び空気を供給するための入口幹線フロー通路８１４、８２０であり、他の二つは、使用済み（過剰）燃料及び空気用の出口表面幹線８３７、８３９である。
図１４１Ａ〜図１４２において、入口及び出口フローの配置を逆することが考えられる。特に、表面幹線８３７、８３９（燃料、空気）が、出口経路ではなくて、入口経路となり得る。この逆配置実施形態では、表面幹線８３７，８３９が、高温ゾーン３２の外へ延伸して、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の最終端部に（又は最終端部近傍に）向かう。また、本実施形態では、内部幹線フロー通路８１４、８２０が、使用済みの空気及び燃料用の出口通路となり得る。図１４１及び図１４２の組み合わせによって考えられる一変形例では、燃料及び空気用の入口及び出口経路が全て、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス（図１４１Ａ、図１４１Ｂに示される形状）の表面上の表面幹線８３７、８３９（チャネル）を介して出現し、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の中心に出入りする空気及び燃料用のアクセスを提供するドリル加工ホール８１７、８２３が備わる。最後に、図１４１の一変形例では、デバイス８００が、デバイスの頂部に四つの表面幹線を有して、内部幹線フロー通路を全く有さず、ドリル加工ホール又はビアホールを介して設けられた相互接続を備え； 又は、デバイスが、デバイスの頂部側に二つの表面幹線を備え、デバイスの底部側に二つの表面幹線を備え、内部幹線フロー通路はここでも全く有さず、ドリル加工されたホール又はビアホールを介して設けられた相互接続を備える。
上述の本発明の実施形態では、過剰燃料を、発生する過剰な熱が比較的穏やかな箇所に向けるように工夫されている。一実施形態では、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、１００、８００のサイドエッジに沿った出口が適切に機能し、ギャップがデバイスの側部から出ている（例えば、図１、図３Ａ、図１８〜図１９、図２１〜図２４、図２５Ｂ〜図２７Ｂ、図３２Ａ〜図３２Ｂ、図１３０、図１３６を参照）。本発明の他の実施形態では、図１４３Ａの概略的な斜視図に示されるように、出口領域９０２が、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス９００のサイドエッジに形成されていて、デバイス９００の残りの部分から突出している。例示的な実施形態では、このサイドエッジ突出部の内角９０４は、尖っておらず、円くなっている。燃料が出て行く出口領域９０２、つまり、サイドエッジ突出部は、高温になるが、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス９００から離れるように外に向かって膨張するので、デバイス９００に対する望ましくない応力が小さくなる。非限定的な例として、長さ９インチのＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス９００に対して、０．２５インチ外に突出する出口領域９０２を有することが有用であるが、寸法の多くの組み合わせが考えられる。
他の実施形態では、図１４３Ｂに概略的な斜視図で示されるように、過剰ガスが、成形されたＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス９１０の角９１２又は湾曲した通路９１４から出て行く。より具体的には、図示される特定の実施形態によると、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス９１０の端部９１６は、湾曲した通路９１４に沿って、第一の幅Ｗ１（デバイス９１０の大部分の幅）から、より小さな第二の幅Ｗ２へとテーパ加工されて、細い端部領域９１８が提供される。過剰ガスは、湾曲した通路９１４に沿って、又は第一の幅Ｗ１と湾曲した経路９１４との間に形成された角９１２（図示されるような）において、流出する。この場合も、図１４３Ａについて上述した膨張原理が、この設計が有用となる理由になる。また、デバイス９１０は、縮尺通りになっておらず、細長になることが考えられ、湾曲した通路が有利に炉の中に存在し、デバイス９１０に対して、細い端部領域９１８が、炉の外へと移行していく。
更に他の実施形態によると、図１４３Ｃ（概略的な斜視図）及び図１４３Ｄ（概略的な側面図）に示されるように、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス９２０から上方に発散する出口通路を提供する頂部出口突出部９２２を有することが有用となり得る。実際、本実施形態は、内部の幾何学的形状の設計の制限により、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス９２０が一つ又は非常に少ない数のアクティブ層を有する場合に、非常に有用であると考えられる。
他の実施形態によると、導電性ボール９３０を、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、９１０、９２０）（以下、“デバイス１０（等）”とする）内に使用することができる。図１４４は、本発明において使用される導電性ボール９３０を示し、内側のセラミックボール９３２と、外側のコーティング９３４（導電性金属であり得る）を備える。本発明で使用される導電性ボール９３０の製造方法としては、多様なものがある。方法の一つは、セラミックボール９３２をコーティングすることである。利便性のため、セラミックボール９３２は、カソード導体（ＬＳＭ等）や、アノード導体（酸化ニッケル等）でコーティング可能である。他の方法は、固体カソード導体、アノード導体、又は貴金属で導電性ボール９３０を製造することである。更に他の方法は、電気メッキ、スパッタリング、厚膜の適用、他の多様な金属コーティング方法によって、セラミックボール９３２をコーティングすることである。
導電性ボール９３０の有用性は、例えば、図１３５Ａ、図１３６Ａ及び図１３７Ａに示される直列並列の組み合わせにおいて明らかとなる。導電性ボール９３０は、電池のアクティブフロー通路８１５、８２１に適用されて、単一のアクティブフロー通路８１５又は８２１上で向き合う二つのアノード２４又はカソード２６を接続することができる。これは、直列‐並列構造を形成するのに役立つ。また、導電性ボール９３０の使用は、相互接続８６８が互いに実際に接触するようにする必要性を排除する。導電性ボール９３０の使用は必須ではないが、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス８００の設計者に更なる自由度を与える。
本発明の更なる実施形態によると、ナノサイズ粉末を使用して、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）の性能を向上又は改善させることができる。セラミックの分野一般において、ナノスケール粉末を使用して、多様な利点を提供することができる。粒子サイズがより微小になると、より高い電圧破壊強度及びより高い機械強度を与えることができる。また、粒子サイズがより微小になると、より大きな表面積を与えることができ、表面エリアにおける限定された反応及び輸送現象を補助することができる。更に、粒子サイズがより微小になると、セラミックの必要とされる焼結温度を下げることができる。これらの全ての利点は、一般的に、全電力、電力密度、及び／又は、効率、又は、性能及び特性に関する多様な他の側面に関して、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）における向上した利点に当てはめることができる。
例として、２５ｎｍ及び５０ｎｍの粒子サイズの電解質粉末を用いることができる。図４３及び図４４に示されるように、微粒子材料を、電解質２８の表面上の表面粒子６２として用いて、電解質２８内へのイオンの輸送を向上させることができる。この微粒子材料がナノサイズ粒子であり得る。また、ナノサイズ粒子は、電解質２８の表面上の粒子のフラクタル型配置の一部となり得る。この設計では、図４３に示されるもののような小型電解質特徴部が、より小型の電解質特徴部で覆われて、そして、そのより小型の電解質特徴部が更に小型の電解質特徴部で覆われて、最も微小なナノサイズ粒子まで続く。このフラクタル表面配置は、電解質２８内へのより高いイオン輸送をもたらすことができる。
同様に、ナノサイズ粒子は、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）のアノード２４及びカソード２６にも有用である。アノード２４及びカソード２６は化学反応を行なう必要があり、より微小なサイズの粒子は、三重点の数（つまり、電子、イオン、気体の出会い）を増加させて、所定の材料の反応性を増大させることによって、この化学反応を促進すると考えられる。
多層未焼結セラミック製造方法が、最もコスト的に優れて、本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）を製造するための柔軟性のある手段であり得る。多層セラミックは、拡張性及び生産性に関して、他の方法よりも優れていることが証明されている。そのため、本願で説明される実施形態は主に、多層未焼結セラミック方法に関するものであった。しかしながら、他の方法を用いて、同じ目的を達成することが可能である。こうした技術の一つは、直接描画であり、ペンが、特定形状及び三次元の幾何学的形状に材料を分配する。他の技術は３次元印刷である。更に他の方法は、全ての材料がペースト状に印刷される従来の厚膜印刷の使用である。上述の技術の一部として、直接描画又は多様な分配技術を用いて、分配の際に存在しているコア及びシェル（電解質の内側のアノードや、電解質の内側のカソード等）を有するチューブを分配することができる。直接描画された又は分配されたチューブの使用は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）に対して示された設計において考えられる変形例である。最終的な設計において、チューブは単純に、断面の体積がより小さなチャネルとなる。一つの層上に多数のチューブが存在し得て、共にその層の多数のガス通路を形成するが、これは、所定の層上に一つよりも多くのチャネルを示す上述の設計と同様のものである。同様に、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）の内部に配置されたチューブを、直列‐並列電気構造内に組み合わせることが考えられる。
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）及び溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）分野におけるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）の使用について、上述してきた。しかしながら、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）は、固体酸燃料電池（ＳＡＦＣ，Ｓｏｌｉｄ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）においても有用となり得る。この新しいタイプの燃料電池において、電解質は、陽子を伝導させる固体である。一設計では、ＳＡＦＣ電解質はＣｓＳＯ４製である。この材料は、塩及び酸の両方に対して同様の特性を有するものであると、説明されている。高温において、この材料は陽子を良く伝導させて、１００℃から３００℃の間の温度で動作すると説明されている。ＳＡＦＣ構造は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの全体的な設計からの恩恵を受けるものであると考えられ、アノード、カソード、電解質及びギャップ通路が同様の機能を果たすが、成分材料が異なる。実際、他の新しいタイプの電池も、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）に対して本願で説明した革新的な技術からの恩恵を受けるものである。
上述の図６７Ａ〜図６７Ｂに関して、図１４５は、炉９４０の外側に単一の低温端部１１ａを有するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）に対して、単一のプラグ設計を示す。この設計を、空気‐燃料‐電力（ＡＦＰ，ａｉｒ−ｆｕｅｌ−ｐｏｗｅｒ）プラグ９５０と称する。ＡＦＰプラグ９５０は、燃料通路９５２及び空気通路９５４を提供することによって、空気及び燃料の輸送機能を両方とも果たし、更に、電気接続用の二つの導体９５６を提供する。従って、プラグ９５０に対して四つの経路が取り付けられて、ガス及び電気を運ぶ。ＡＦＰプラグ９５０は、導体９５６に対する確実な機械的接触を可能にするばねコンタクトを含み得て、また、ガスを密閉するためのＯリング等の密閉デバイスを含み得る。また、図６６Ａ〜図６６Ｂに関して説明したように、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）の端部を成形することが有利となり得る。くぼみ１３２によって、ＡＦＰプラグ９５０がその位置に留まる性能が更に提供される。
本発明の他の実施形態によると、動作用の二つ又はそれ以上の離散電力レベルを有する単一のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が提供される。例えば、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、２０ワットモード又は２００ワットモードで動作可能である。低電力供給（例えば２０ワット）を有することが望ましいが、より高い電力（例えば２００ワット）を合計で生じさせる追加性能を備えることが望ましいという応用が存在し得る。非限定的な例として、軍事応用では、二重電力供給性能が兵士にとって有用となり得て、いくつかの電子デバイスを操作し、他のデバイス用のバッテリーを充電するのに、電力レベルの変更が求められる。他の例は、無人飛行機におけるものであり、高度を上げるためにより高い電力が必要とされ、位置を維持するのにはあまり電力が必要とされない。これらの電力はそれぞれ１００Ｗ、１０Ｗであり得るが、より高く又はより低くなり得る。
図１４６Ａは、燃料及び空気の両方に対する二重入口を有する二重電力供給Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス９６０の側面図を概略的に示す。二重電力供給Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス９６０の一例によると、それぞれ１０ワットの２０個のアクティブ層が存在している。２０ワットモードに対しては、燃料及び空気の入口ポイント９６２ａ、９６４ａが、二つのアクティブ層にのみ作用する。より高出力が必要になると、別の入口ポイント９６２ｂ、９６４ｂが追加の層に作用する。全電力が必要な状況では、空気及び燃料がそれぞれ二つの位置から流入する。図１４６Ｂに概略的に側面図で示される変形例では、各端部が、二つの入口ポイント９６２ａ及び９６２ｂ、９６４ａ及び９６４ｂと通路を分離する溝９６６を含むことによって、四つの端部９６８ａ、ｂ及び９７０ａ、ｂが画定されて、そのそれぞれが、コネクタに合致する。最終的なシステムの要求に合致する他の幾何学的形状も考えられる。
二重電力供給デバイスと称してはいるが、実際には、デバイスは、三つの離散電力レベル（低、中、高）で動作可能であり、一つの離散電力セクション（高ワット数）が、他の離散電力セクション（低ワット数）よりも多くのアクティブ層を有する。低電力レベルは、アクティブ層の数が少ない離散電力セクションに作用する燃料及び空気入口ポイント９６２ａ、９６４ａに燃料及び空気を供給することによって動作する。中電力レベルは、より多くのアクティブ層を備えた離散電力セクションに作用する燃料及び空気入口ポイント９６２ｂ、９６４ｂに燃料及び空気を供給することによって動作する。高電力レベルは、全てのアクティブ層が作動するように両方の離散電力セクションに作用する燃料及び空気入口ポイント９６２ａ、９６４ａ、９６２ｂ、９６４ｂに燃料及び空気を供給することによって動作する。そうすると、上述の例において、２０個のアクティブ層でそれぞれ１０ワットとして、第一の離散電力セクションが五つのアクティブ層を含み、第二の離散電力セクションが１５個のアクティブ層を含むと、デバイスが、５０ワット、１５０ワット、２００ワットで動作可能となる。
他の実施形態によると、二つよりも多くの離散電力セクションが存在し得る。例えば、全てのアクティブ層に対して供給を行なう一つの空気接続と、異なるグループのアクティブ層に対する複数の離散燃料接続が存在し得る。従って、デバイスは、多重電力レベルで動作可能である。更なる実施形態では、一つのＡＦＰ（空気‐燃料‐電力）プラグ９５０が複数の入口に作用して、例えば、図１４６Ａのデバイスにおいて、一つのプラグから二つの燃料又は空気入口に作用する。
上述の実施形態では、犠牲材料７２、９４、８７２、８７４を用いて、フロー通路１４、２０、８１４、８１５、８２０、８２１が形成されていた。有機材料を用いてより太い通路（幹線フロー通路８１４、８２０等）を形成しようとすると、これらの有機材料の焼き出しがより大きな課題となる。より太い通路に対しては、より遅い焼き出しプロファイルが、デバイス１０（等）内の剥離を防止するために有機物をより遅く除去するのに必要となる。一変形例の形成方法では、炭素マット（ランダムに配向した炭素繊維）や、炭素布（一般的な布へと織られた炭素繊維）にワックスを加えて用いるが、この炭素‐ワックス材料のより太い部分が、ある程度の剥離を生じさせ得る。理論に縛られる訳ではないが、融解の際に、ワックスが膨張して、未焼結セラミックテープにある程度の圧力を与え、剥離を生じさせ得ると考えられる。
ワックスのよって生じる剥離を防止するための一実施形態では、ワックスを使わずに、炭素マット／布をそのまま使用する。これによって、通路を形成すると、積層後においても、構造内に隙間がある。積層中にフィルム支持及び幾何学的構造を提供するワックスがないと、炭素繊維は隙間通路を与え得るが、焼成された頂部及び底部のセラミック表面は、繊維からのくぼみを有する。更に、積層において、未焼結セラミックテープは炭素繊維内に入り込まず、通路を閉じる。基本的に、炭素繊維は、積層プロセス（典型的には３０００から５０００ｐｓｉ）中に、所望の通路を開けたままにする骨組みを提供する。
骨組みとして機能する炭素繊維を有する上述のプロセスの変形例では、未焼結セラミックテープは、繊維間の隙間に入り込むことを防止する特定の剛性を有する。このテープの剛性は、テープ形成における変数を介して制御可能である： セラミック添加量がより多く、可塑剤量がより少ないと、剛性がより高くなり、又は、その逆である。同一の原理が、アクティブエリアのアノード及びカソード層に当てはまり、電極のレシピは、電極が繊維マトリクス内に入り込むことを防止して、アクティブエリア内の通路（つまりアクティブフロー通路）を開いたままにする適切な剛性を提供するように、選択される。更に、このコンセプトは、炭素布及びマットに限定されるものではなく、繊維の組成に関わらず、また、繊維がどのように構造内に配置されるかに関わらず、あらゆる犠牲繊維の構成要素に拡張される。
Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）を構築する多層テープ方法を用いることによって、デバイスを大型ウェーハ内に論理的に形成可能であること、また、ウェーハが、未焼結状態において形成及び積層後にダイシングされて、個々のユニットを提供することは理解されたい。従って、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）が単一のユニットとして示されている点は、ウェーハからデバイスを作成して、必要に応じてダイシング及び成形するという方法を排除するものではない。
本発明の他の実施形態によると、多層構造の構築において、構成要素を還元雰囲気で焼成可能である。例えば、酸化ニッケルがアノード２４として使用される。燃料が高温で加えられると、アノード２４は金属ニッケルに還元して、高導電性をもたらす。ジルコニアは酸素に対する高い親和力を有するので、ジルコニアを損傷することなく、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）を還元雰囲気で焼結させることが可能であり、酸化ニッケルの代わりに金属ニッケルを使用したデバイスが構築される。また、還元雰囲気での焼結は、高温合金の使用を容易にする。酸化耐性を有する相互接続金属として、高温特殊合金が挙げられるが、こうした合金を焼結するには、金属粒子の表面を酸化しないようにする必要があり、これは、還元雰囲気で焼結することによって達成可能である。
より薄い層を使用する場合、電解質２８自体が非常に薄いので、無傷で、ひび割れが無く、及び／又は漏れが無いようにする強度を有さない可能性がある。しかしながら、図１４７Ａの断面図に示されるように、アノード２４及びカソード２６が電解質２８に対して厚さを追加して、処理及び使用中においてひび割れが無いようにする強度を有するレベルへと、アクティブエリア３３ｂの全厚さが増大するので、アクティブエリア３３ｂにおける非常に薄い電解質２８が許容可能になる。しかしながら、完全なデバイスを構築するためには、厚いアクティブエリア３３ｂから薄い電解質２８への移行が生じる箇所である、アクティブエリア３３ｂに隣接する領域、又は、アクティブ層３３ｂが縁９７６にひびを生じさせ得る領域において、電解質２８の厚さを増大させなければならない。そこで、図１４７Ｂに断面図で示されるように、追加のセラミック電解質材料２９（例えば、追加のジルコニアテープ層）を用いたり、他の不活性材料を用いたりして、アクティブエリア３３ｂの隣りで、電解質２８に厚さを加えることができる。電極２４、２６及び追加厚さの材料２９の積層においてずれが生じると、図１４７Ｃに断面図で示されるように、小さなスポット又はギャップ９７８が、アクティブ領域３３ｂ付近の縁９７６に沿って生じ得て、欠陥となる。
ずれの可能性を防止又は低減するため、追加材料９８０を、アクティブエリア３３ｂ上に重畳するような方法で、本発明の実施形態により、追加することができる。例えば、図１４７Ｄ及び図１４７Ｅの分解斜視図、断面図に示されるように、追加材料９８０を、額縁のように、電極２４、２６の上に配置することができる。追加材料９８０のカットアウト９８２は電極２４、２６と同じ形状であるが、僅かに小さい。追加材料９８０をアクティブエリア３３ｂの上に配置する際（カットアウト９８２が電極２４、２６の上に配置されるようにして）、カットアウト９８２に隣接する追加材料９８０が、全ての辺に対してアクティブエリア３３ｂの縁９７６の上に重畳して、ずれによるアクティブエリア３３ｂの縁９７６における小さなスポットが存在しないことを確実なものにする。積層において、追加材料９８０は電極２４、２６に対して確実に押さえ付けられる。未焼結層を備えたＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）の構築におけるこの額縁方法は、ずれに対する耐性を有する。図１４７Ｄ及び図１４７Ｅに対する代替例は、追加材料９８０（つまり額縁片）をまず下に配置して、その上に電極２４、２６を配置すること（電極２４、２６をカットアウト９８２上に配置すると共に）である。カットアウト９８２に隣接する電極材料２４、２６は、追加材料９８０の上に重畳し、積層されると、図１４７Ｆに示されるように、電極２４、２６は追加材料９８０に対してしっかりと押し付けられて、ずれが生じないことを保証する。
上述の多様な実施形態において説明したように、本願の図面は、必ずしも縮尺通りではない。例えば、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）の長さは、デバイスが紙面に入るように短くしてあることが多く、その見た目が、細長のデバイスではなくて、比較的短くて、幅広のデバイスとなっている。本発明のデバイスの寸法は、図示されている縮尺に限定されるものではなく、幅又は厚さよりも少なくとも数倍その長さが長いデバイスが、特に考えられ、追加的な利点を提供し得ることは理解されたい。例えば、デバイスの長さは、幅（最も幅広のポイントにおける）よりも６〜２０倍長いものであり得る。更に、幅（及び長さ）に対する相対的なデバイスの厚さは、デバイスの特徴を明確に示すために誇張されている場合が多くあるが、幅よりも厚さが薄くて、例えば、幅が厚さの数倍であるデバイスが、特に考えられ、追加的な利点を提供し得ることは理解されたい。各実施形態において、長さ、幅、厚さは、設計、製造、コスト、性能の要求に合うように調整可能であり、本願で説明される実施形態は、特許請求の範囲及び／又は明細書でそのように限定される旨が明記されていない限り、特定の寸法に限定されるものではない。
図４９及び図５０に関して上述した方法では、ワイヤ９２（又は他の物理的構造）は、未焼結層の構築中にデバイス内に配置され、ガス通路を形成するための積層後に除去される。多数のワイヤが使用可能であり、その各々がガス通路を形成する。特に大きな利点の一つは、ワイヤ上へのワックスコーティングが必要とされない点である。例えば、ピアノワイヤやステンレス鋼ワイヤが使用可能であり、焼結後のワイヤの除去を容易にするための離型剤の単純なスプレーコーティングがされる。例えば、一実施形態では、ワイヤに、ＴＦＥ又はＰＴＦＥの離型剤がスプレーされる。離型剤は、金属の表面上のキャビティを単純に充填し、積層されたテープのその表面への接着力を低減することによって、ワイヤを数ポンドの力（ペンチで加える力等）で引き出すことができるようにすると考えられる。
図１４８Ａ及び図１４８Ｂに示される本発明の更なる実施形態によると、複数のワイヤ９２を用いて、単一のガス通路（例えば、図示されている幹線フロー通路８１４）を形成することができる。これは、直列設計、及び小さなアクティブフロー通路８１５、８２１に供給を行う大きな幹線フロー通路８１４、８２０を有する設計において特に有用である。例えば、図１４８Ａに示されるような単一層の複数のワイヤ９２を用いて、幹線フロー通路８１４等のガス通路を形成することができる。図示されているようなギャップ形成材料８７４又は単一のワイヤを用いて、主要な幹線フロー通路８１４から分岐するアクティブフロー通路８１５を形成することができる。例えば、０．０２０インチのワイヤを使用することができるが、より太い又は細いワイヤも想定される。ワイヤのサイズが大きくなると、セラミック２９に対するワイヤ９２の接着力が、各ワイヤ９２の大きな表面によって増大するので、複数の小さなワイヤ９２をデバイス１０内に配置して通路を形成することが有用になり得る。図１４８Ａの設計では、三本のワイヤが隣り合って図示されているが、二本又はそれ以上、例えば三本、四本、五本が使用可能である。これは流れ用の体積を三倍にするが、簡単なワイヤの除去も可能にしている。
図１４８Ｂに示される他の方法では、幹線フロー通路８１４等のガス通路を形成するために、束になった複数のワイヤ９２が使用されている。流れの直径は非常に大きいが、ワイヤの除去は単純である。図示される例では、七本のワイヤが束にされているが、あらゆる数のワイヤ、特に三本以上が想定される。実施形態を組み合わせて、束になった複数のワイヤ９２を用いて、幹線フロー通路８１４を形成する一方で、複数のワイヤ９２の単一層を用いて、主要な幹線フロー通路８１４から分岐するアクティブフロー通路８１５を形成することができる。従って、単一のワイヤの実施形態と比較して、束が、高さ方向及び幅方向の両方においてより大きな体積で幹線フロー通路８１４を提供する一方で、単一の層の複数のワイヤが、高さ方向ではなくて幅方向においてより大きな体積でアクティブフロー通路８１５を提供する。
複数ワイヤの方法は、図３２Ａの狭いガス通路１４、２０に供給を行う大容量予熱チャンバ１３、１９を形成する際にも有用である。長さの異なる二本のワイヤ９２を用いて、長い方のワイヤ９２でガス通路１４、２０を形成し、短い方のワイヤ９２を束にして又は隣り合わせにして、予熱チャンバ１３、１９を形成することができる。
図３３Ａ〜図３３Ｃで説明したガスの予熱用のＵターンコンセプトでは、ガスは、高温領域３２内においてＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の全長にわたって流れ、全時間にわたって加熱し、方向転換して、アクティブ領域３３ｂに戻る。Ｕターン通路の利点は、アクティブ領域３３ｂに達した際にガス（空気又は燃料）が反応温度へと完全に加熱されない機会が減ることである。通路形成用のワイヤコンセプトでは、通路の下り及び戻り（デバイスの一側において、一方の種類のガスに対して）をワイヤ９２を用いて設けることができ、そのワイヤ９２は積層後に引き出される。下り方向と戻り方向との間の交差接続部（つまり、曲がり、Ｕターン）を、焼き出される有機材料を用いて、又は横方向から下りのワイヤ及び戻りのワイヤの両方に接触するワイヤを用いて設けることができる。特に横接触ワイヤを用いる場合には、接触点におけるデバイス１０からの望ましくない漏洩点が存在し得る。このような漏洩点を防止する解決策は、ワイヤ９２を除去した後に漏れ穴を塞ぐことである。これは、焼結の前又は後に行うことができ、セラミック、ガラス、又は適切な温度特性を有する複数の材料の組み合わせ（ガラス‐セラミック等）を用いて行うことができる。
例えば図１４９に示されるように、一つの高温ゾーン３２及び少なくとも一つの低温ゾーン３０を有するＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の多数の実施形態について上述してきた。しかしながら、これらの実施形態の多くは、低温ゾーンとして機能する燃料電池デバイスの一部分を有さないとしても、多層設計からの利点を受けるものである。図１５０では、図１４９からデバイス１０が、デバイスの低温端部を除去するように変更されて、高温ゾーン３２においてのみ存在する多層Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０００が提供される。燃料及び電気接続は、高温ゾーン３２内に到達して空気及び燃料を供給するチューブ１００２によって設けられ得る。本発明によると、幹線フロー通路８１４、８２０は、大容量でアクティブ層にガスを運び、デバイス１０００の短寸法を横切るアクティブ層が、隣り合って並列とされて、流れに対する抵抗が最小化される。同一レベルでの空気通路及び燃料通路の内部レイアウトは、前述の実施形態に従ったものとすることができる。更に、直列及び並列の電気接続を、前述の実施形態に従って設けることができる。一実施形態では、デバイス１０００は細長であり、つまり幹線フロー通路８１４、８２０の方向に沿った長い長さ、及びアクティブフロー通路８１５、８２１の方向に追った短い幅を有する。この長い長さは、デバイス１０００がひび割れを生じさせずにデバイス１０００の急速加熱を可能にするようになるので、主な膨張方向を有するという点においてデバイスの機能にとって有用である。
追加の実施形態によると、空気及び燃料の両方の接続が、図示されているような両側ではなくて、同一の側からなされ得るか、デバイス１０００に接続するあらゆる数の外部チューブ１００２が存在し得る。例えば、四本以上のチューブ１００２が存在し得て、四つの側部のいずれかからデバイス１０００に取り付けられ、又は頂部又は底部から取り付けられる。チューブ１００２は、空気又は燃料接続を提供するのと同一レベルで電気接続を提供するために金属であり得て、又はチューブは導体でコーティングされたセラミック製であり得る。前述の実施形態（例えば図１００Ａ〜図１０３Ｂ）において説明したように、接続チューブ１００２は、物理的機能及び電気的機能の両方を果たすことができる。また、前述のように（例えば図１０１及び図１０２Ａ〜図１０２Ｂ）、多層デバイス１０００に、接続チューブ１００２を受け入れるための嵌合領域を設けることができる。例えば、チューブ１００２をデバイス１０００のくぼみ内に、又は突起上に嵌めることができる。
本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）の特定の実施形態では、ガスの性質を測定するために、ガス出力が完全に炉の外に出ることが望まれる。このため、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）が、デバイス１０（等）の長い中心軸ＣＡに沿って小さな材料除去部又は溝１０１０を有するように形成されて、図１５１Ａの上面図に概略的に示されるように、分裂した又はフォーク状の端部１０１２ａ、１０１２ｂ、１０１４ａ、１０１４ｂが形成される。この分裂した端部設計では、制御された方法で残留ガス（反応後のもの）が炉を出て行くようにすることが簡単になる。この方法では、図１５１Ｂに概略的に示されるように、デバイスの同一のフォーク状の端部１０１２ａ、１０１２ｂに対して空気及び燃料の入口を有し、デバイス１０（等）の反対側のフォーク状の端部１０１４ａ、１０１４ｂに対して隣り合った出口を有する一部構成に対して有用である。図１５１Ｃに概略的に示される更に他の代替例では、空気及び燃料が同じフォーク状の端部１０１２ａ、１０１２ｂから入り、フォーク状ではない端部１０１５から出て行き、タブや分裂した端部が他端において炉から出て行かない。つまり、一方の端部のみが分裂している。出口フローは、高温ゾーン３２において終端しているデバイス１０（等）のフォーク状ではない端部１０１５において隣り合って生じ得る。また、出口フローは、過剰燃料が或る点において不均一にＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）を過熱することがないように、ちょうど角に生じ得る。
図１４１Ａ及び図１４１Ｂに示される実施形態の変形例である他の実施形態では、図１５２Ａ〜図１５２Ｃに概略的に示されるように、一方のガス用の入口通路及び他方のガス用の出口通路が、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）の同じ側部及び端部に生じる。図１５２Ａは、第一の端部１１ａの空気入口１８におけるデバイス１０の左側に入り、幹線フロー通路８２０に沿って伝わり、デバイス１０の右側において垂直出口ホール８２３を介して出口通路に出て行く空気用の通路（例えば表面幹線８３９）を概略的に示し、その表面幹線８３９の出口２２は、第二の端部１１ｂにおいてデバイス１０の右側に存在している。図示されていないアクティブフロー通路８２１は、アクティブ構造を横切ってデバイス１０の左側から右側に伝わる。図１５２Ｂは、第二の端部１１ｂの燃料入口１２においてデバイス１０の右側に入り、幹線フロー通路８１４に沿って伝わり、デバイス１０の左側において垂直出口ホール８１７を介して出口通路に出て行く燃料用の通路（例えば表面幹線８３７）を概略的に示し、その表面幹線８３７の出口１６は第一の端部１１ａにおいてデバイスの左側に存在している。ここでも、図示されていないアクティブフロー通路８１５は、アクティブ構造を横切ってデバイス１０の右側から左側に存在している。図１５２Ｃの斜視図に示されるように、空気入口１８及び燃料出口１６がそれぞれ第一の端部１１ａにおいてデバイスの左側に配置されていて、燃料入口１２及び空気出口２２がそれぞれ第二の端部１１ｂにおいてデバイスの右側に配置されている。従って、空気出口通路（例えば表面幹線８３９）が、燃料入口通路（例えば幹線フロー通路８１４）に沿って便利に生じ、又はその逆となり得るが、これは、デバイス１０の表面近く又は表面上に通路を設けることを可能にする垂直出口ホール８１７、８２３の使用によるものである。その通路は、所望のどの方向にも向かい得て、入口通路の表面に沿って炉の外に出る場合も含まれる。
異なる材料で多層構造（アノード／電解質／カソード構造等）を形成することの一つの課題は、異なる材料間の不整合の効果を制限することである。この不整合は、いくつかの形となり生じ得て、焼結における収縮による不整合や、膨張率による不整合が挙げられる。本発明の一実施形態によると、これに対する解決策は、大面積のアノード又はカソードを分割して印刷することを含む。例えば、図１５３Ａ及び図１５３Ｂ（アノード２４を示す）の上面図及び側面図に示される１ｃｍ×３ｃｍの印刷領域を有するアノード及びカソードに対して、小さな電極領域２４ｓのグループをその印刷領域内に印刷して、例えば、図１５４Ａ及び図１５４Ｂの上面図及び側面図に示されるように、その各々が０．２５ｃｍ×０．２５ｃｍの寸法を有する正方形の領域２４ｓを有する。電極を分割することによって、所定の領域内に可能性のある応力全体を、その影響を受ける領域の全寸法を制限することによって、制限する。隣り合う電極領域２４ｓは独立的に物理的な応力を受けることができる。
分割されたアノード２４のみ、カソード２６のみ、又はその両方を形成することができる。例えば、実際には、アノード２４に対してこの分割方法を使用し、カソード２６はソリッドなままにした方が有用となり得るが、望まれる方法は、各構成要素に対して使用される特定の材料に応じて、異なり得る。分割された電極領域２４ｓ間の実際のギャップは、極めて小さい物であり得るが、これは、電極領域全体に対するひずみを低減するのには非常に小さなギャップしか必要とされないからである。実際、分割された電極領域２４ｓは、その効果を達成するため、図１５４Ｃに概略的に示されるように、電極（例えばアノード）層２４の最低部においてでは接触することもできる。
分割された電極（アノード２４又はカソード２６）の課題は、集電体１２２に対する電気コンタクトを設ける必要性である。分割されたアノード２４は、電解質２８とイオンをやり取りする性能を有し、ガスを通過させる多孔性を有し、それ自体の領域内部に導電性を有するが、デバイス外部に対する電気接続は有さない。当該分野において、電解質２８に接触しているアノード２４又はカソード２６の厳密な組成とは異なる集電体の組成を有することが一般的である。例えば、アノードがＮｉＯ及びある程度の量のＹＳＺセラミックの混合物製であれば、アノード集電体１２２は、ＮｉＯ及び更に低いパーセンテージのＹＳＺの混合物製、又は純ＮｉＯ製であり得る。この違いの理由は、集電体１２２の機能の違いである。集電体は、ガスを通過させるように多孔性である必要があり、電子を流すように伝導性である必要があるが、電解質２８近くのアノード２４（仮にそのような存在があるとして）と同じような高い比率でのイオン導電性を必要としない。この機能及び組成の違いは、集電体１２２が、焼結時の収縮や膨張率等の上述の物理的特性又は他の性質を変更するように、その集電体１２２を変更する自由度を与える。集電体１２２の物理的特性を変更する一例は、焼結密度及び焼結による力を低減するために、電解質２８近くのアノード２４に使用されているよりも大きな粒径のＮｉＯを使用することである。この自由度を用いて、電解質テープに近接して印刷されているアノード又はカソード領域とは異なる物理的特性を有する集電体１２２を提供することができる。他の例では、電極に使用されているのとは異なる（例えばＮｉとは異なる）金属を集電体１２２に使用可能である。例えば、白金族金属を、集電体化合物の大部分として使用して、ある程度の量のＹＳＺセラミックを加える。この混合物は集電体１２２の物理的特性を劇的に変更するという上述の目標を達成するが、これはＰｔの焼結特性がＮｉＯのものとは異なるからである。電極及びその集電体１２２の間に異なる物理的特性及び材料特性を与えることについて、多数の材料及びそれらの組み合わせが考えられる。
図１５５Ａ及び図１５５Ｂは、分割されたアノード２４又はカソードの上方に集電体１２２を適用する二つの方法を示す。集電体１２２は、図１５５Ａに示されるようにその下と電極領域２４ｓ間との空間に開放ボイド１０２２を形成することができ、又は図１５５Ｂに示されるように分割された電極領域２４ｓ間の空間内に印刷可能である。図１５５Ａに示されるように電極領域２４ｓ間にボイド１０２２を残しておきたい場合、これは、空間内に有機材料を印刷して集電体がそこに流れないようにして、焼成及び焼結の際に有機材料が消失するようにするといった複数の手段によって達成可能である。
分割された電極の実施形態は、二種の別個の材料に限定されるものではなく、三種以上の材料をベースにしたアノード２４又はカソード２６にも適用可能なものである。このアイディアは一般的に、大きな電極内に小さな分割部分を形成することによって、また場合によっては分割部分間の空間を開放ボイドとして残すことによって物理的特性を制御し又は影響を与えるものである。
印刷された電極領域２４ｓのサイズは、力を制御するシステムの物理的必要性に応じて、大きくも小さくもできる。例えば、０．００５インチ四方（０．１３ｍｍ×０．１３ｍｍ）の寸法若しくはそれ以下の正方形が印刷可能であり、又は寸法は例えば上述のように０．２５ｃｍ以上となり得る。サイズに関係なく、その正方形は、一つのカソード２４又はアノード２６の小さな部分への分割を表し、それらの小さな部分は隣り合って等電位で存在している。更に、アノード２４又はカソード２６用の分割された電極領域２４ｓは正方形である必要はない。領域２４ｓは矩形又は他の形状であり得る。また、印刷され分割された領域は、印刷スクリーンのワイヤの寸法によって画定可能である。これは、特定のスクリーンで印刷し、流れ難い印刷インクを使用して、印刷後にペーストが流れ出さず、ワイヤ又はメッシュによって形成されたパターンを維持するようにすることによって達成される。このように、スクリーンのメッシュは、微細スケールでの分割形状を提供する。
本願の多くの説明において、アノード２４及びカソード２６は同様の寸法のものとされているが、これは必要とされるものでない。図１５６に示されるように、非対称なアノードの厚さ及びカソードの厚さを、三層構造１０２０（つまりアノード２４／電解質２８／カソード２６）に対して使用可能である。有利には、電解質２８の厚さは、イオン伝導性に対する最小抵抗を与えるために可能な限り薄くされる。アノード２４、カソード２６及び電解質２８が薄くなると、電池の支持されていない領域が大きくなるという点において、物理的強度が低下し得る。そこで、電解質２８が所定の設計において薄くなる場合に、アノード２４又はカソード２６を厚いままにしておく、又は薄い電解質２８を補うために更に厚くすることが有用となり得る。図１５６の断面図に示される一実施形態によると、厚いカソード２６が使用されている一方で、薄い電解質２８及び薄いアノード２４が維持されている。これらの状態は逆にすることができ、アノード２４を追加的に厚くすることができる。厚いカソード２６の利点は、図示されるようにカソード２６が非常に薄い電解質２８及び比較的薄いアノード２４を支持する点である。結果として領域毎の全出力が増大可能である。一例では、カソード２６の厚さ０．０１４インチ（０．３５６ｍｍ）、電解質２８の厚さ０．００２インチ（０．０５１ｍｍ）、及びアノード２４の厚さ０．００３インチ（０．０７６ｍｍ）のサンプルを作製した。これらの寸法は限定的なものではなく、単に例示目的のものである。
図１５７に示される他の実施形態では、厚いカソード２６が、薄くて分割されたアノード２４（２４ｓ）と組み合わせて使用されている。これら二つの設計を組み合わせ、電解質２８の厚さを減少させることによって、三層構造１０３０（アノード２４／電解質２８／カソード２６）の複合材料に対する応力が顕著に減少する。下方のシステムの物理的特性は、カソード２６によって支配され、電解質２８又はアノード２４による影響は小さい。
アノード２４又はカソード２６の周りに電解質２８の額縁状の追加材料９８０を使用して、縁９７６における機械構造に安定性を与えることについては上述している（図１４７Ａ〜図１４７Ｆ）。Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）の焼成、焼結又は動作中の構造に物理的安定性を与える他の方法は、厚い電極設計とすることである。上述の厚いカソード２６、薄い電解質２８及びアノード２４の三層構造１０３０を用いて、他の構造の実施形態では、図１５８に示されるように、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）のサイドマージン内にその三層構造１０３０を延伸させる。つまり、三層構造１０３０を構築した後において、ギャップ又はガス通路１４、２０が三層構造１０３０の領域を完全には覆わない。その結果は、三層構造１０３０がＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）の側部構造内に延伸しているように見えて三層構造１０３０がデバイスの機械的設計全体に対してしっかりと固定されているようになるというものである。この設計は、アノード２４又はカソード２６のどちらかが厚い場合又は両方が厚い場合にも使用可能である。代替実施形態では、デバイス全体により強度を与えるために、アノード２４及びカソード２６の厚さが両方が可能な限り薄い場合でも、三層構造１０３０をＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）のサイドマージン内に延伸させ得る。
更に他の実施形態では、厚い電極が、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）の外側に端から端まで延伸し得る。これは、図１５９に示されるようにカソード２６だけであり得て、又は三層構造１０３０全体であり得る。図１５９に示される実施形態では、厚いカソード２６が、構造の品質チェックを便利に行えるように、又は最大の構造支持のために、端から端まで延伸されている。
本発明の一実施形態では、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）が、電解質２８としての、及びデバイスの物理的周囲構造セラミック２９（例えばカバー、サイドマージン）としてのＹＳＺで構築される。可能な最高のイオン伝導性を与えるために、一般的に８％のＹが、ジルコニア中のイットリアの割合として使用される（８％ＹＳＺと称する）。代替実施形態では、例えばデバイス全体の物理的強度を改善するために、異なる二種類のＹＳＺを用いて、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）を構築する。例えば、８％ＹＳＺを、電解質中の高いイオン伝導性を与えるために電解質２８に対して使用し、３％ＹＳＺを、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）の物理的構造に対する高い機械的強度を与えるために周囲構造セラミック２９に対して使用する。このアイディアは、正確に３％のＹの使用に限定されるものではなく、３％は単に一例として挙げられている。
二種類のＹＳＺを使用する際に、ある程度の物理的不整合が存在し得て、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）の焼成、焼結又は使用時に生じ得る。その複合材を形成する方法では、こうした問題を考慮することができる。最も単純な方法は、二種類の未焼結テープを使用して、層の重要な特徴（最大強度、最大伝導率）に応じて二種類を交互にすることである。代替例では、単一の移行層テープが使用されて、そのテープは、８Ｙ及び３Ｙのパーセンテージを例えば１：１の比率で有する（例えば、テープキャスティング前に二種の粉末が等しい割合でスラリーと混合されて、二種の粉末の均一な混合物が得られる）。８Ｙの領域から３Ｙの領域に移行する際に、移行層（例えば混合テープ）を提供することができる。更に、複数の混合テープが使用可能であり、その各々が二種の材料を２：１、１：１、１：２の異なる比率で有する。このように、不整合の問題を避けるために、その移行をより段階的なものにすることができる。
Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）１０（等）を、非対称な入力／出力を有するように形成することができ、高温ゾーン３２内部に複数のデバイス１０（等）の積層体を密にパッケージングする一方で、その積層体中の各デバイス１０（等）に対する低温ゾーン接続用の余地が設けられるようにすることができる。図１６０Ａ〜図１６０Ｆは、複数のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）の非対称又は互い違いの積層体１０４０の三つの例に対する分解図及び端部図を示す。デバイス１０（等）の端部におけるチューブ１０４２又はコネクタは嵩張る可能性があるので、互い違いとする方法が、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）を積層体１０４０中で互いに可能な限り物理的に近づけるのに有用となり得る。
また、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）の端部を本体に対して０度又は９０度以外の角度で角度付けすることも可能であり、例えば３０度及び６０度の角度を、デバイス１０（等）の設計において使用して、デバイスの積層体１０４０中にチューブ１０４２を取り付けるための追加の空間を与えることができる。
必要な電力を供給するのに少数のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）しか必要とされない小型製品の使用に対しては、図１６１の概略的な上面図に示されるように、デバイスに集積された支持部材を有することが有用となり得る。図示されるように、細長のデバイス１０（等）の端部１１ａ、１１ｂは実質的に９０度に曲げられて、デバイス１０（等）が実質的にＣ字型（裏から見た場合、角型のエッジを備える）になるように再構成される。空気入力端部１１ｂ及び燃料入力端部１１ａは、低温ゾーン３０において互いに平行にされて、高温ゾーン３２においてその空気入力端部１１ｂ及び燃料入力端部１１ａに垂直なデバイスのアクティブゾーン部３３ｂによって接続されている。支持部材１０５０が低温領域３０において追加されて、入力端部１１ａ、１１ｂを接続して、システムにおけるデバイス１０（等）の取り扱い及び取り付けに対する強度を与える。支持部材１０５０は、デバイス１０（等）の高温部の膨張による応力を回避するために、細く、薄く、又は曲率を有するように形成可能である。支持部材は、セラミック２９と同じ材料、又は異なる材料を備え得る。
小型無人飛行機等の低出力応用に対して軽量型のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを製造することが有用となり得る。このようなデバイス４００が図４８Ａに示されている。薄い部分４０４がデバイス４００のアクティブ構造を含む一方、厚い部分４０２がガス接続領域を含む。この設計は、その軽量によって、急速加熱を促進し、システム全体の重量を抑え、加熱要求を低減することができる。薄い部分４０４をエンドロールするのではなくて、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス４０１の本実施形態では、デバイス４０１の薄い部分４０４は長くて平坦なままである。このような小型デバイス４０１は、図１６２に示されるように、小型の加熱素子及び炉４１０内に入れることができる。
燃料又は空気通路内において、一つの目標は、可能な最高効率を得ることである。ガスがＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）のアクティブゾーン３３ｂに入った直後において、そのガスは燃料又は酸素が最も豊富であり、アクティブゾーン３３ｂの端部付近において、燃料又は酸素の大半は除去されている。燃料又は酸素が足りなくなると、システムは、単位面積当たりの同じ電力を発生させるためにより高い流量を必要とする。この問題を最小化するため、本発明の一実施形態によると、ガス通路１４、２０の形状をアクティブゾーン３３ｂにおいて変更して、酸素又は燃料のパーセンテージが低下するにつれて、ガス流量が増大するようにする。図１６３は、アクティブゾーン３３ｂ内のこうしたガス通路１４、２０の概略的な上面図を示す。ガス通路１４、２０の領域を小さくすることによって、その領域におけるガスの流量を増大させる。この様子は矢印で示されている。図１６３に示される実施形態では、ガス通路１４、２０の面積／体積が、ガスフローの方向に沿って徐々に且つ連続的に減少していることによって、ガス通路１４、２０に沿ったガスの流量が徐々に且つ連続的に増大している。多様な変更例が考えられ、例えば、面積／体積が一定の部分の間における一つ以上のステップ状又は段階的な減少が考えられることは理解されたい。
本発明のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）を焼付及び焼成する際に、そのデバイス中の有機材料の大きな質量及び不均一な焼き出しによって、デバイスが撓む（上から下へ等）傾向を有し得る。場合によっては、こうした違いによって、デバイスがその中心に高い点を有し得る。その高い点は、低温においてそのもとになる部分が生じ得たりはするが、高温焼結によってデバイスが処理されるまでは眼に見えない。本発明の一実施形態によると、高い点を生じさせる撓みを、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）と担持基板（焼付及び焼成中にデバイス１０を保持する）との間に繊維状セラミックシートを配置することによって、大幅に改善することができる。例えば、ジルコニア製のフェルト材が使用可能であるが、他のタイプのフェルト又はセラミック繊維も想定される。図１６４は、セラミック布、フェルト、又は繊維状“ウール”である繊維状セラミックシート１０６２で覆われた担持基板１０６０上での焼き出し及び焼成用に準備されたＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）を示す。更に、ジルコニアフェルト又は他の繊維状セラミックシート１０６２の使用は、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）の組成に（化学的に）適合しない担持基板１０６０を選択する自由度を与えるが、これは、そのシート１０６２が、ジルコニアベースのデバイスと異種の担持基板材料との間のバッファとして機能するからである。最後に、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（等）が非常に重くて、焼結中に担持基板材料に貼り付く可能性があるが、繊維状材料の柔軟性及び適合性によって、デバイス１０（等）が担持基板１０６０に付着せずに収縮することができる。
本発明について、本発明の一つ又は複数の実施形態の説明によって例示し、また、これらの実施形態についてかなり詳細に説明してきたが、これらは、特許請求の範囲をこのような詳細に限定することを意図したものではない。当業者には追加的な利点及び修正が自明である。従って、そのより広義の側面における本発明は、図示され、説明されている特定の詳細、代表的な装置及び方法並びに実施例に限定されるものではない。従って、一般的な本発明のコンセプトの範囲を逸脱することなく、このような詳細から逸脱することができる。
１０ Ｆｕｌｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
１１ａ 第一の端部
１１ｂ 第二の端部
１２ 燃料インレット
１３ 燃料予熱チャンバ
１４ 燃料通路
１４ａ 太い燃料通路
１４ｂ 細い燃料通路
１６ 燃料アウトレット
１８ 空気インレット
１９ 空気予熱チャンバ
２０ 空気通路
２１ 排気通路
２２ 空気アウトレット
２４ アノード層
２５ 露出したアノード部分
２６ カソード層／カソード
２７ 露出したカソード部分
２８ 電解質層／電解質
２９ セラミック
３０ 低温ゾーン（又は第二の温度）
３１ 移行ゾーン
３２ 高温ゾーン／加熱ゾーン／第一の温度ゾーン
３３ａ 予熱ゾーン／非アクティブゾーン
３３ｂ アクティブゾーン
３４ 燃料供給源
３６ 空気供給源
３８ 負の電圧ノード
４０ 正の電圧ノード
４２ ワイヤ
４４ コンタクトパッド
４６ はんだ接続
４８ ばねクリップ
５０ 供給チューブ
５２ タイラップ
５４ 支柱
５６ 第一のビア
５８ 第二のビア
６０ 障壁コーティング
６２ 表面粒子
６４ テクスチャ化された表面層
６６ アノード懸濁液
７０ 開口
７２（ａ、ｂ） 有機材料／犠牲層
８０ 左側
８２ 右側
８４ 架橋部分
９０ ブリッジ
９２ ワイヤ／物理構造
９４ ギャップ形成テープ
９６、９６’、９６” 炉壁
９８ａ、ｂ、ｃ 絶縁体
１００ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
１０２ 細長のセクション
１０４ 大きな表面積のセクション
１０６ 細長のセクション
１２０ エアギャップ
１２２ 集電体
１２３ ギャップ
１２４ 電極粒子
１２６ 粘性流体
１２８ 一時的な基板
１３０ セラミックテープ
１３２ くぼみ
１３４ コネクタ
１３６ 電気コンタクト
１３８ ガスフロー通路
１４０ Ｏリング
１４２ 大きな孔（セラミックテープ中の）
１４４ 電極の多孔性エリア
１４６ 電極の非多孔性エリア
１４８ コネクタ電極（導体テープ）
１５０ スリット
１５２ 第一の導体
１５４ 第二の導体
１５６ 長円ビア
１５８ａ、ｂ、ｃ、ｄ プラグ（ビアの）
１６０ エッジ接続
１６２ 中央接続
１６４ 孔（ギャップテープ中の）
１６６ 個別の電池
１６７ 共通通路
１６８ マンドレル
１７０ａ、ｂ 導電性端部
１７２ 折り畳まれたスタック
１７４ 障壁層
１７６ 絶縁層
１７８ ＬＳＭテープ
１８０ 内部燃料チャネル
１８２ ニッケル導体
１８４ 端部チューブ
１８６ ラッピングされた端部チューブ
１９０ シリンダー状の末部
１９２ 端部孔
１９４ 矩形の端部
１９６ 矩形のチューブ
１９８ 形状移行端部チューブ
２００ 螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
３００ 同心Ｔｕｂｕｌａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
４００ エンドロールＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
４０１ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
４０２ 厚い部分
４０４ 薄い部分
４１０ 炉
５００ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
６００ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
６１０ プレート
６１２ 矩形プレート
６１４ 丸いチューブ
６１６ 平坦なチューブ
６１８ 支持部材
６２０ 垂直リブ
６２２ デルタリブ
６２４ チャネル
６２４ａ 燃料チャネル
６２４ｂ 空気チャネル
６２６ カバー
６２８ ビア経路
６３０ 高温マニホルド
６３２ 先細りしている平坦なチューブ
６３４ 繊維
６３６ 布
６３８ マイクロチューブ
６４２ 隔離体
７００ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
７０２ａ、ｂ スティック入口
７０４ 広いエリア
７０６ 安定化ポイント
７０８ 背骨
７１０ より大きな接続
８００ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
８１４、８２０ 幹線（動脈）フロー通路
８１５、８２１ アクティブフロー通路
８１７、８２３ 垂直出口ホール
８２９、８２９ａ、ｂ 未焼結セラミックシート
８３７、８３９ 表面幹線
８６８ 相互接続
８７２ 幹線ギャップ形成材料
８７４ 薄いギャップ形成材料
８７８ 固定プレート
９００ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
９０２ 出口領域
９０４ 内角
９１０ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
９１２ 角
９１４ 湾曲した通路
９１６ デバイス端部
９１８ 細い端部領域
９２０ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
９２２ 頂部の出口突出部
９３０ 導電性ボール
９３２ セラミックボール
９３４ 外部コーティング
９４０ 炉
９５０ ＡＦＰプラグ
９５２ 燃料通路
９５４ 空気通路
９５６ 導体
９６０ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
９６２ａ、ｂ 燃料入口ポイント
９６４ａ、ｂ 空気入口ポイント
９６６ 溝
９６８ａ、ｂ 端部
９７０ａ、ｂ 端部
９７６ 縁
９７８ ギャップ
９８０ 追加材料
９８２ カットアウト
１０００ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
１００２ チューブ
１０１０ 溝
１０１２ａ、ｂ フォーク状の端部
１０１４ａ、ｂ フォーク状の端部
１０１５ フォーク状ではない端部
１０２２ ボイド
１０３０ 三層構造
１０４０ 積層体
１０４２ チューブ
１０５０ 支持部材

Claims (41)

  1. 第一の端部から第二の端部までのｘ方向の長さと、第一の側部から第二の側部までのｙ方向の幅と、頂面から底面までのｚ方向の厚さとを有するセラミック支持構造体であって、前記長さが前記幅又は前記厚さよりも大きいことによって前記セラミック支持構造体の前記ｘ方向が熱膨張の主方向である、セラミック支持構造体と、
    前記第一の端部から間隔を空けて前記長さの第一の部分に沿って配置された反応ゾーンであって、前記セラミック支持構造体内において第一の電極を対向する第二の電極から離隔する電解質と、前記第一の電極に隣接する第一のアクティブガス通路と、前記第二の電極に隣接する第二のアクティブガス通路とを備えた少なくとも一つアクティブ層を有する反応ゾーンであって、前記第一のアクティブガス通路及び前記第二のアクティブガス通路の各々が、前記ｚ方向の厚さを有し、前記第一のアクティブガス通路が、前記ｙ方向に延伸して前記ｘ方向に間隔の空けられた複数の第一のサブ通路を備える、反応ゾーンと、
    前記ｘ方向において前記第一の端部から前記反応ゾーン内に延伸していて、前記ｚ方向の厚さを有し、前記複数の第一のサブ通路の各々に流体的に結合されている第一の幹線フロー通路であって、前記複数の第一のサブ通路が、前記ｙ方向において前記第一の幹線フロー通路から前記第一の側部及び前記第二の側部のうち少なくとも一方に向けて延伸していて、前記第一の幹線フロー通路の厚さが、前記第一のアクティブガス通路の前記複数の第一のサブ通路の各々の厚さよりも大きい、第一の幹線フロー通路と、を備えた燃料電池デバイス。
  2. 前記第一の幹線フロー通路が、前記第一の側部に隣接して前記長さに沿って延伸していて、前記複数の第一のサブ通路が、前記ｙ方向において前記第一の幹線フロー通路から前記第二の側部に向けて延伸している、請求項１に記載の燃料電池デバイス。
  3. 前記ｘ方向において前記第一の端部から前記第二の側部に隣接して前記長さに沿って前記反応ゾーン内に延伸していて、前記ｚ方向の厚さを有する第二の幹線フロー通路を更に備え、
    前記第二の幹線フロー通路が、複数の第二のサブ通路を備える前記第二のアクティブガス通路に流体的に結合されていて、前記複数の第二のサブ通路が前記ｘ方向において間隔が空けられていて前記ｙ方向において前記第一の側部に向けて延伸していて、前記第二の幹線フロー通路の厚さが、前記第二のアクティブガス通路の前記複数の第二のサブ通路の各々の厚さよりも大きい、請求項２に記載の燃料電池デバイス。
  4. 前記複数の第一のサブ通路の各々の面積及び／又は体積が、前記第一の幹線フロー通路と前記第二の側部との間で減少し、前記複数の第二のサブ通路の各々の面積及び／又は体積が、前記第二の幹線フロー通路と前記第一の側部との間で減少し、前記複数の第一のサブ通路及び前記複数の第二のサブ通路の各々の面積及び／又は体積の減少が、連続的な減少又はステップ状の減少である、請求項３に記載の燃料電池デバイス。
  5. 前記第一の端部が、前記第一の側部と前記第二の側部との間において前記ｘ方向に延伸していることによって前記第一の端部を第一の側端部及び第二の側端部に分割している溝を含み、前記第一の幹線フロー通路が、前記第一の側端部から前記第一の側部に隣接して前記長さに沿って前記反応ゾーン内に延伸していて、前記第二の幹線フロー通路が前記第二の側端部から前記第二の側部に隣接して前記長さに沿って前記反応ゾーン内に延伸している、請求項３に記載の燃料電池デバイス。
  6. 前記第二の端部が、前記第一の側部と前記第二の側部との間において前記ｘ方向に延伸していることによって前記第二の端部を第一の側端部及び第二の側端部に分割している溝を含み、前記複数の第一のサブ通路が、前記第二の側部に隣接して前記長さに沿って前記反応ゾーンから前記第二の端部の第二の側端部に延伸している第一の幹線排気通路に流体的に結合されていて、前記複数の第二のサブ通路が、前記第一の側部に隣接して前記長さに沿って前記反応ゾーンから前記第二の端部の第一の側端部に延伸している第二の幹線排気通路に流体的に結合されている、請求項５に記載の燃料電池デバイス。
  7. 前記長さの第一の部分に沿って配置された前記反応ゾーンが前記第二の端部から間隔を空けられていて、前記第二のアクティブガス通路が、前記ｙ方向に延伸していて前記ｘ方向に間隔が空けられている複数の第二のサブ通路を備え、前記燃料電池デバイスが、前記ｘ方向において前記第二の端部から前記反応ゾーン内に延伸していて前記ｚ方向の厚さを有する第二の幹線フロー通路を更に備え、前記第二の幹線フロー通路が前記複数の第二のサブ通路の各々に流体的に結合されていて、前記複数の第二のサブ通路が、前記ｙ方向において前記第二の幹線フロー通路から前記第一の側部及び前記第二の側部のうち少なくとも一方に向けて延伸していて、前記第二の幹線フロー通路の厚さが、前記第二のアクティブガス通路の複数の第二のサブ通路の各々の厚さよりも大きい、請求項１に記載の燃料電池デバイス。
  8. 前記少なくとも一つのアクティブ層が複数のアクティブ層を備え、前記第一の幹線フロー通路が前記第一のアクティブガス通路の各々に結合されていて、前記第二の幹線フロー通路が前記第二のアクティブガス通路の各々に結合されている、請求項３から７のいずれか一項に記載の燃料電池デバイス。
  9. 前記ｚ方向において前記複数の第一のサブ通路の各々から前記頂面及び前記底面のうち一方に向けて前記第二の側部上において前記第二の幹線フロー通路に隣接するが交差せずに延伸している複数の第一の垂直フローチャネルと、前記ｚ方向において前記複数の第二のサブ通路の各々から前記頂面及び前記底面のうち一方に向けて前記第一の側部上において前記第一の幹線フロー通路に隣接するが交差せずに延伸している複数の第二の垂直フローチャネルと、を更に備えた請求項８に記載の燃料電池デバイス。
  10. 前記頂面及び前記底面のうち一方の上に又は隣接して前記複数の第一の垂直フローチャネルの各々に流体的に結合されていて且つ前記ｘ方向において前記第二の端部に向けて所望の第一の出口点に延伸している第一の出口フローチャネルと、前記頂面及び前記底面のうち一方の上に又は隣接して前記複数の第二の垂直フローチャネルの各々に流体的に結合されていて且つ前記ｘ方向において前記第一の端部に向けて所望の第二の出口点に延伸している第二の出口フローチャネルと、を更に備えた請求項９に記載の燃料電池デバイス。
  11. 前記第一の端部及び前記第二の端部がそれぞれ、前記第一の側部と前記第二の側部との間において前記ｘ方向に延伸していることによって前記第一の端部及び前記第二の端部の各々を第一の側端部及び第二の側端部に分割している溝を含み、前記第一の幹線フロー通路が、前記第一の端部の第一の側端部から前記第一の側部に隣接して前記長さに沿って前記反応ゾーン内に延伸していて、前記第二の幹線フロー通路が、前記第二の端部の第二の側端部から前記第二の側部に隣接して前記長さに沿って前記反応ゾーン内に延伸している、請求項７に記載の燃料電池デバイス。
  12. 前記複数の第一のサブ通路が、前記第二の側部に隣接して前記長さに沿って前記反応ゾーンから前記第二の端部の第二の側端部に延伸している第一の幹線排気通路に流体的に結合されていて、前記複数の第二のサブ通路が、前記第一の側部に隣接して前記長さに沿って前記反応ゾーンから前記第一の端部の第一の側端部に延伸している第二の幹線排気通路に流体的に結合されている、請求項１１に記載の燃料電池デバイス。
  13. 前記複数の第一のサブ通路及び前記複数の第二のサブ通路の各々の面積及び／又は体積が、それぞれ前記第一の幹線フロー通路及び前記第二の幹線フロー通路と前記第一の側部及び前記第二の側部のうち少なくとも一方との間で減少していて、前記複数の第一のサブ通路及び前記複数の第二のサブ通路の各々の面積及び／又は体積の減少が連続的な減少又はステップ状の減少である、請求項７に記載の燃料電池デバイス。
  14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の燃料電池デバイスを複数備えた燃料電池システムであって、
    複数の前記燃料電池デバイス及び熱源を有する高温ゾーンチャンバであって、複数の前記燃料電池デバイスが前記高温ゾーンチャンバ内に配置されていて、前記熱源が、前記高温ゾーンチャンバに結合されていて且つ複数の前記燃料電池デバイスを動作温度に加熱するために前記高温ゾーンチャンバ内の温度を上昇させるように構成されている、高温ゾーンチャンバと、
    前記高温ゾーンチャンバの外側に配置されたガス供給システムと、
    前記高温ゾーンチャンバ内の複数の前記燃料電池デバイスの前記第一の端部に結合されていて且つ前記高温ゾーンチャンバの外側の前記燃料供給システムに結合されていて、ガスを前記高温ゾーンチャンバ内において前記第一の幹線フロー通路に供給する一つ以上の導管と、を更に備えた燃料電池システム。
  15. 請求項３に記載の燃料電池デバイスを複数備えた燃料電池システムであって、
    複数の前記燃料電池デバイス及び熱源を有する高温ゾーンチャンバであって、複数の前記燃料電池デバイスが前記高温ゾーンチャンバ内に配置されていて、前記熱源が、前記高温ゾーンチャンバに結合されていて且つ複数の前記燃料電池デバイスを動作温度に加熱するために前記高温ゾーンチャンバ内の温度を上昇させるように構成されている、高温ゾーンチャンバと、
    前記高温ゾーンチャンバの外側に配置されたガス供給システムと、
    前記高温ゾーンチャンバ内の前記燃料電池デバイスの前記第一の端部に流体的に結合されていて且つ前記高温ゾーンチャンバの外側の前記ガス供給システムに流体的に結合されていて、第一のガス及び第二のガスをそれぞれ前記高温ゾーンチャンバ内において前記第一の幹線フロー通路、前記第二の幹線フロー通路に供給する一つ以上の導管と、を更に備えた燃料電池システム。
  16. 請求項５に記載の燃料電池デバイスを複数備えた燃料電池システムであって、
    複数の前記燃料電池デバイスの反応ゾーン及び熱源を有する高温ゾーンチャンバであって、複数の前記燃料電池デバイスが前記高温ゾーンチャンバ内に配置されていて、分割された前記第一の端部の少なくとも一部分が前記高温ゾーンチャンバの外側に延伸していて、前記熱源が、前記高温ゾーンチャンバに結合されていて且つ前記反応ゾーンを動作温度に加熱するために前記高温ゾーンチャンバ内の温度を上昇させるように構成されている、高温ゾーンチャンバと、
    前記高温ゾーンチャンバの外側に配置されたガス供給システムと、
    前記高温ゾーンチャンバの外側において前記燃料電池デバイスの前記第一の端部の第一の側端部に結合されていて、前記第一の幹線フロー通路を介して前記高温ゾーンチャンバ内の前記反応ゾーンに第一のガスを供給する一つ以上の第一の流体導管と、
    前記高温ゾーンチャンバの外側において前記燃料電池デバイスの前記第一の端部の第二の側端部に結合されていて、前記第二の幹線フロー通路を介して前記高温ゾーンチャンバ内の前記反応ゾーンに第二のガスを供給する一つ以上の第二の流体導管と、を更に備えた燃料電池システム。
  17. 請求項６に記載の燃料電池デバイスを複数備えた燃料電池システムであって、
    複数の前記燃料電池デバイスの反応ゾーン及び熱源を有する高温ゾーンチャンバであって、複数の前記燃料電池デバイスが前記高温ゾーンチャンバ内に配置されていて、分割された前記第一の端部及び前記第二の端部の少なくとも一部分が前記高温ゾーンチャンバの外側に延伸していて、前記熱源が、前記高温ゾーンチャンバに結合されていて且つ前記反応ゾーンを動作温度に加熱するために前記高温ゾーンチャンバ内の温度を上昇させるように構成されている、高温ゾーンチャンバと、
    前記高温ゾーンチャンバの外側に配置されたガス供給システムと、
    前記高温ゾーンチャンバの外側において前記燃料電池デバイスの前記第一の端部の第一の側端部に結合されていて、前記第一の幹線フロー通路を介して前記高温ゾーンチャンバ内の前記反応ゾーンに第一のガスを供給する一つ以上の第一の流体導管と、
    前記高温ゾーンチャンバの外側において前記燃料電池デバイスの前記第一の端部の第二の側端部に結合されていて、前記第二の幹線フロー通路を介して前記高温ゾーンチャンバ内の前記反応ゾーンに第二のガスを供給する一つ以上の第二の流体導管と、
    前記高温ゾーンチャンバの外側において前記第二の端部の第一の側端部及び第二の側端部に結合されていて、前記第一の幹線排気通路及び前記第二の幹線排気通路から排気ガスを受け取る排気ガス受け取りシステムと、を更に備えた燃料電池システム。
  18. 請求項７に記載の燃料電池デバイスを複数備えた燃料電池システムであって、
    複数の前記燃料電池デバイス及び熱源を有する高温ゾーンチャンバであって、複数の前記燃料電池デバイスが前記高温ゾーンチャンバ内に配置されていて、前記熱源が、前記高温ゾーンチャンバに結合されていて且つ複数の前記燃料電池デバイスを動作温度に加熱するために前記高温ゾーンチャンバ内の温度を上昇させるように構成されている、高温ゾーンチャンバと、
    前記高温ゾーンチャンバの外側に配置されたガス供給システムと、
    前記高温ゾーンチャンバ内の前記燃料電池デバイスの前記第一の端部に結合されていて且つ前記高温ゾーンチャンバの外側の前記ガス供給システムに結合されていて、前記高温ゾーンチャンバ内において前記第一の幹線フロー通路に第一のガスを供給する一つ以上の第一の流体導管と、
    前記高温ゾーンチャンバ内の前記燃料電池デバイスの前記第二の端部に結合されていて且つ前記高温ゾーンチャンバの外側の前記ガス供給システムに結合されていて、前記高温ゾーンチャンバ内において前記第二の幹線フロー通路に第二のガスを供給する一つ以上の第二の流体導管と、を更に備えた燃料電池システム。
  19. 請求項１２に記載の燃料電池デバイスを複数備えた燃料電池システムであって、
    複数の前記燃料電池デバイスの反応ゾーン及び熱源を有する高温ゾーンチャンバであって、複数の前記燃料電池デバイスが前記高温ゾーンチャンバ内に配置されていて、分割された前記第一の端部及び前記第二の端部の少なくとも一部分が前記高温ゾーンチャンバの外側に延伸していて、前記熱源が、前記高温ゾーンチャンバに結合されていて且つ前記反応ゾーンを動作温度に加熱するために前記高温ゾーンチャンバ内の温度を上昇させるように構成されている、高温ゾーンチャンバと、
    前記高温ゾーンチャンバの外側に配置されたガス供給システムと、
    前記高温ゾーンチャンバの外側において前記燃料電池デバイスの前記第一の端部の第一の側端部に結合されていて、前記第一の幹線フロー通路を介して前記高温ゾーンチャンバ内の前記反応ゾーンに第一のガスを供給する一つ以上の第一の流体導管と、
    前記高温ゾーンチャンバの外側において前記燃料電池デバイスの前記第二の端部の第二の側端部に結合されていて、前記第二の幹線フロー通路を介して前記高温ゾーンチャンバ内の前記反応ゾーンに第二のガスを供給する一つ以上の第二の流体導管と、
    前記高温ゾーンチャンバの外側において前記第一の端部の第二の側端部及び前記第二の端部の第一の側端部に結合されていて、前記第一の幹線排気通路及び前記第二の幹線排気通路から排気ガスを受け取る排気ガス受け取りシステムと、を更に備えた燃料電池システム。
  20. 第一の端部から第二の端部までのｘ方向の長さと、第一の端部から第二の端部までのｙ方向の幅と、頂面から底面までのｚ方向の厚さとを有するセラミック支持構造体であって、前記長さが前記幅又は前記厚さよりも大きいことによって前記セラミック支持構造体の前記ｘ方向が熱膨張の主方向である、セラミック支持構造体と、
    前記長さの第一の部分に沿った反応ゾーンであって前記反応ゾーンを動作反応温度に加熱するために熱源に晒されるように構成されている反応ゾーンと、前記長さの第二の部分に沿った少なくとも一つの低温ゾーンであって前記反応ゾーンが加熱された際に前記動作反応温度未満の低温を維持するために前記熱源から遮断されるように構成されている少なくとも一つの低温ゾーンと、
    前記セラミック支持構造体内の少なくとも一つの燃料通路であって、前記少なくとも一つの低温ゾーンから前記反応ゾーンに延伸していて、前記セラミック支持構造内の前記反応ゾーン内にアノードを有する少なくとも一つの燃料通路と、
    前記セラミック支持構造体内の少なくとも一つの酸化剤通路であって、前記少なくとも一つの低温ゾーンから前記反応ゾーンに延伸していて、前記セラミック支持構造内の前記反応ゾーン内に前記アノードに対向して配置されたカソードを有する少なくとも一つの酸化剤通路と、
    前記反応ゾーン内の対向する前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質と、を備え、
    前記アノード及び前記カソードのうち一方又は両方が、領域及び厚さを有する分割された電極であり、前記分割された電極が、前記領域内において間隔の空けられたパターンの複数の電極材料分割部分を含み、前記分割された電極の前記厚さの少なくとも一部分に延伸しているギャップによって分離されていて、
    前記分割された電極上に連続的に延在している集電体を更に備えた燃料電池デバイス。
  21. 前記集電体が前記ギャップの上方に配置されていて前記電極材料分割部分の間にボイドを形成している、請求項２０に記載の燃料電池デバイス。
  22. 前記集電体が前記電極材料分割部分の間の前記ギャップを充填している、請求項２０に記載の燃料電池デバイス。
  23. 前記アノードが分割された電極であり、前記カソードが分割されておらず前記アノードよりも厚い、請求項２０から２２のいずれか一項に記載の燃料電池デバイス。
  24. 前記分割された電極が前記集電体とは異なる物理的特性及び／又は材料特性を有する、請求項２０から２２のいずれか一項に記載の燃料電池デバイス。
  25. 前記分割された電極が前記集電体とは異なる組成を有する、請求項２４に記載の燃料電池デバイス。
  26. 前記集電体が前記分割された電極とは異なる金属を備える、請求項２４に記載の燃料電池デバイス。
  27. 第一の端部から第二の端部までのｘ方向の長さと、第一の側部から第二の側部までのｙ方向の幅と、頂面から底面までのｚ方向の厚さとを有するセラミック支持構造体であって、前記長さが前記幅又は前記厚さよりも大きいことによって前記セラミック支持構造体の前記ｘ方向が熱膨張の主方向である、セラミック支持構造体と、
    前記長さの第一の部分に沿った反応ゾーンであって前記反応ゾーンを動作反応温度に加熱するために熱源に晒されるように構成されている反応ゾーンと、前記長さの第二の部分に沿った少なくとも一つの低温ゾーンであって前記反応ゾーンが加熱された際に前記動作反応温度未満の低温を維持するために前記熱源から遮断されるように構成されている少なくとも一つの低温ゾーンと、
    前記セラミック支持構造体内において前記長さの前記第一の部分に沿っていて、第一の電極を対向する第二の電極から離隔する電解質を備えた少なくとも一つのアクティブ層であって、前記第一の電極が前記ｚ方向において前記第二の電極よりも厚い、少なくとも一つのアクティブ層と、
    前記セラミック支持構造体内において前記長さの前記第一の部分に沿って前記第一の電極に隣接している第一のガス通路と、前記セラミック支持構造体内において前記長さの前記第一の部分に沿って前記第二の電極に隣接している第二のガス通路と、を備え、
    前記少なくとも一つのアクティブ層が、前記ｙ方向において前記第一のガス通路及び前記第二のガス通路よりも大きな幅で前記第一の側部及び前記第二の側部の両方に向けて延伸している、燃料電池デバイス。
  28. 前記第一の電極が前記第一の端部及び前記第二の端部の各々に延伸している、請求項２７に記載の燃料電池デバイス。
  29. 前記第二の電極が領域及び厚さを有する分割された電極であり、前記分割された電極が前記領域内において間隔の空けられたパターンの複数の電極材料分割部分を含み、前記分割された電極の前記厚さの少なくとも一部分に延伸しているギャップによって分離されている、請求項２７又は２８に記載の燃料電池デバイス。
  30. 前記分割された電極の上方に連続的に延在していて且つ前記ギャップの上方に配置されていて前記電極材料分割部分の間にボイドを形成している集電体を更に備えた請求項２９に記載の燃料電池デバイス。
  31. 前記分割された電極の上方に連続的に延在していて前記電極材料分割部分の間の前記ギャップを充填している集電体を更に備えた請求項２９に記載の燃料電池デバイス。
  32. 前記分割された電極が前記集電体とは異なる物理的特性及び／又は材料特性を有する、請求項２９に記載の燃料電池デバイス。
  33. 前記第一のガス通路及び／又は前記第二のガス通路の体積及び／又は面積が、前記反応ゾーンのガス入力端部から前記反応ゾーンのガス出力端部に向けて減少している、請求項２７に記載の燃料電池デバイス。
  34. 第一の端部部材と、第二の端部部材と、中心アクティブ部材とを有するセラミック支持構造体であって、前記中心アクティブ部材が第一の端部から第二の端部までのｘ方向寸法と、第一の側部から第二の側部までのｙ方向寸法と、頂面から底面までのｚ方向寸法とを有し、前記第一の端部部材及び前記第二の端部部材が前記ｙ方向寸法において前記第一の側部から平行にそれぞれ前記第一の端部及び前記第二の端部から延伸していて、前記ｙ方向寸法が前記ｘ方向寸法又は前記ｚ方向寸法よりも大きいことによって前記第一の端部部材及び前記第二の端部部材の前記ｙ方向寸法が熱膨張の主方向である、セラミック支持構造体と、
    前記中心アクティブ部材内に存在していて、第一の電極を対向する第二の電極から分離する電解質と、前記第一の電極に隣接する第一のアクティブガス通路と、前記第二の電極に隣接する第二のアクティブガス通路とを備えた少なくとも一つのアクティブ層であって、前記中心アクティブ部材が前記少なくとも一つのアクティブ層を動作反応温度に加熱するように熱源に晒すための高温ゾーンに配置されるように構成されていて、前記第一の端部部材及び前記第二の端部部材が、前記高温ゾーンから低温ゾーンに延伸するように構成されていて、前記低温ゾーンが、前記少なくとも一つのアクティブ層が加熱された際に前記動作反応温度未満の低温を維持するために前記熱源から遮断されるように構成されている、少なくとも一つのアクティブ層と、
    それぞれ前記第一の端部部材、前記第二の端部部材を介して前記低温ゾーンから前記高温ゾーンに延伸していて、前記第一のアクティブガス通路に結合されていて、前記少なくとも一つのアクティブ層に対して第一のガスを出し入れする第一及び第二の非アクティブ第一ガス通路と、
    それぞれ前記第一の端部部材、前記第二の端部部材を介して前記低温ゾーンから前記高温ゾーンに延伸していて、前記第二のアクティブガス通路に結合されていて、前記少なくとも一つのアクティブ層に対して第二のガスを出し入れする第一及び第二の非アクティブ第二ガス通路と、
    前記低温ゾーンにおいて前記第一の端部部材及び前記第二の端部部材を接続するセラミック支持部材と、を備えた燃料電池デバイス。
  35. 前記第一の端部部材中の前記第一の非アクティブ第一ガス通路が、前記第一のアクティブガス通路のｚ方向寸法よりも大きなｚ方向寸法を有する入力通路である、請求項３４に記載の燃料電池デバイス。
  36. 前記第二の端部部材中の前記第二の非アクティブ第二ガス通路が、前記第二のアクティブガス通路のｚ方向寸法よりも大きなｚ方向寸法を有する入力通路である、請求項３５に記載の燃料電池デバイス。
  37. 前記第一のアクティブガス通路の体積及び／又は面積が、前記中心アクティブ部材の前記第一の端部から前記第二の端部に向けて減少していて、前記第二のアクティブガス通路の体積及び／又は面積が、前記中心アクティブ部材の前記第二の端部から前記第一の端部に向けて減少している、請求項３６に記載の燃料電池デバイス。
  38. 前記中心アクティブ部材のｘ方向寸法が前記中心アクティブ部材のｙ方向寸法又はｚ方向寸法よりも大きいことによって、前記中心アクティブ部材のｘ方向寸法が熱膨張の主方向である、請求項３４に記載の燃料電池デバイス。
  39. 請求項３４に記載の燃料電池デバイスを複数備えた燃料電池システムであって、
    複数の前記燃料電池デバイスの前記中心アクティブ部材を有する高温ゾーンチャンバであって、複数の前記燃料電池デバイスが前記高温ゾーンチャンバ内に配置されていて、前記第一の端部部材及び前記第二の端部部材が前記高温ゾーンチャンバの外側に延伸していて、前記セラミック支持部材が前記高温ゾーンチャンバの外側に配置されている、高温ゾーンチャンバと、
    前記高温ゾーンチャンバに接続されていて、前記アクティブ層を動作温度に加熱するために前記高温ゾーンチャンバ内の温度を上昇させるように構成されている熱源と、
    前記高温ゾーンチャンバの外側に配置されていて、複数の前記燃料電池デバイスの前記第一の端部部材及び前記第二の端部部材に結合されていて、前記第一及び第二の非アクティブ第一ガス通路及び前記第一及び第二の非アクティブ第二ガス通路に対してガスの供給及び収集を行うガス供給及び排出システムと、を更に備えた燃料電池システム。
  40. 第一の長さ方向部分及び第二の長さ方向部分を含む第一の端部から第二の端部までのｘ方向の長さと、第一の側部から第二の側部までのｙ方向の幅と、頂面から底面までのｚ方向の厚さとを有するセラミック支持構造体であって、前記長さが前記幅又は前記厚さよりも大きいことによって前記セラミック支持構造体のｘ方向が熱膨張の主方向であり、前記第一の長さ部分の厚さが前記第二の長さ部分の厚さよりも大きい、セラミック支持構造体と、
    前記第二の長さ方向部分に配置された反応ゾーンであって、前記セラミック支持構造体内の前記反応ゾーン内において、第一の電極を対向する第二の電極から分離する電解質と、前記第一の電極に隣接する前記第二の長さ方向部分中の第一のアクティブガス通路と、前記第二の電極に隣接する前記第二の長さ方向部分の第二のアクティブガス通路とを有する少なくとも一つのアクティブ層を有する反応ゾーンであって、前記第一のアクティブガス通路及び前記第二のアクティブガス通路の各々がｚ方向の厚さを有する、反応ゾーンと、
    前記第一の長さ方向部分において前記ｘ方向に延伸していて、前記第一のアクティブガス通路及び前記第二のアクティブガス通路の厚さよりも大きな前記ｚ方向の厚さを有する第一の幹線フロー通路及び第二の幹線フロー通路と、を備え、
    前記第一の幹線フロー通路が前記第一のアクティブガス通路に流体的に結合されていて、前記第二の幹線フロー通路が前記第二のアクティブガス通路に流体的に結合されていて、
    前記第二の長さ方向部分中の前記反応ゾーンが、前記反応ゾーンを動作反応温度に加熱するために熱源に晒されるように構成されていて、前記第一の長さ方向部分が、前記反応ゾーンが加熱された際に前記動作反応温度未満の低温を維持するために前記熱源から遮断されるように構成されている、燃料電池デバイス。
  41. 請求項４０に記載の燃料電池デバイスを複数備えた燃料電池システムであって、
    複数の前記燃料電池デバイスの反応ゾーン及び熱源を有する高温ゾーンチャンバであって、複数の前記燃料電池デバイスが前記高温ゾーンチャンバ内に配置されていて、前記熱源が、前記高温ゾーンチャンバに結合されていて且つ前記反応ゾーンを動作温度に加熱するために前記高温ゾーンチャンバ内の温度を上昇させるように構成されている、高温ゾーンチャンバと、
    前記高温ゾーンチャンバの外側に配置されていて、複数の前記燃料電池デバイスの前記第一の長さ方向部分に結合されていて、前記第一の幹線フロー通路及び前記第二の幹線フロー通路にガスを供給するガス供給システムと、を更に備えた燃料電池システム。
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