JP2014029877A - 燃料電池装置及びシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、燃料電池装置（１０、１００、２００、３００、４００、５００）及び燃料電池システム、燃料電池装置及びシステムの使用方法、並びに、燃料電池装置（１０、１００、２００、３００、４００、５００）の製造方法を提供する。
【解決手段】燃料電池装置（１０、１００、２００、３００、４００、５００）は、長方形または管状の基板などの細長い基板を有し、熱膨張係数が、その長さと同延である唯一の主要な軸を有するように細長い基板の長さ最大の寸法である。さらに、又は、他の特定の実施形態によれば、反応領域（３２、３２ｂ）は、動作反応温度まで加熱されるための長さの第１の部分に沿って位置し、少なくとも１つの低温領域は、動作反応温度以下の温度で動作するための長さの第２の部分に沿って位置する。
【選択図】図１

Description

３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１．７８（ａ）（４）に従って、本出願は、２００７年５月１０日付けで出願された“固体酸化物燃料電池装置及びシステム”というタイトルの同時継続中の仮出願番号６０／９１７，２６２に対する利益及び優先権を主張する。
本出願は、共に２００７年５月１０日付けで出願され、“固体酸化物燃料電池装置及びシステム”というタイトルの同時継続中の米国特許出願番号１１／７４７，０６６（Ａｔｔｏｒｎｅｙ Ｄｏｃｋｅｔ Ｎｏ.ＤＥＶＯＦＣ−０３ＵＳ１）及び１１／７４７，０７３（Ａｔｔｏｒｎｅｙ Ｄｏｃｋｅｔ Ｎｏ．ＤＥＶＯＦＣ−０３ＵＳ２）にも関連し、その開示は、参照することによってここに完全に含まれる。
本発明は、全てが２００６年１１月８日付けで出願された、それぞれ“固体酸化物燃料電池装置及びシステム”というタイトルの同時継続中の米国特許出願番号１１／５５７，８９４（Ａｔｔｏｒｎｅｙ Ｄｏｃｋｅｔ Ｎｏ．ＤＥＶＯＦＣ−０４ＵＳ１）、１１／５５７，９０１（Ａｔｔｏｒｎｅｙ Ｄｏｃｋｅｔ Ｎｏ．ＤＥＶＯＦＣ−０４ＵＳ２）及び１１／５５７，９３５（Ａｔｔｏｒｎｅｙ Ｄｏｃｋｅｔ Ｎｏ．ＤＥＶＯＦＣ−０４ＵＳ３）、及び、“固体酸化物燃料電池装置及びシステム並びにその使用方法及び製造方法”というタイトルの米国特許出願番号１１／５５７，９３４（Ａｔｔｏｒｎｅｙ Ｄｏｃｋｅｔ Ｎｏ．ＤＥＶＯＦＣ−０４ＵＳ４）にも関連し、その開示は、参照することによってここに完全に含まれる。
本発明は、燃料電池装置及びシステム及びその装置の製造方法に関連し、特に、多層一体型の燃料電池スティックの形態の燃料電池装置に関連する。
セラミックチューブは、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の製造における使用が見出されている。燃焼なしに電気を生成するために燃料及び空気を変換する様々な機構を与える幾つかのタイプの燃料電池がある。ＳＯＦＣにおいて、燃料及び空気の間の障壁層（“電解質”）は、セラミック層であり、それは、化学反応を行うためにこの層を通って酸素原子が移動することを許容する。セラミックが室温において酸素原子の貧しい伝導体であるので、燃料電池は、７００℃から１０００℃で動作され、セラミック層は、できるだけ薄く形成される。
早期の管状のＳＯＦＣは、長くてかなり大きな直径のジルコニアセラミックの押出チューブを用いてウェスティングハウス社によって製造された。典型的なチューブの長さは、チューブの直径が１／４インチから１／２インチまでの範囲であるという状態で、数フィートの長さであった。燃料電池用の完成した構造体は、典型的にはおよそ１０本のチューブを含んでいた。長い間、研究者及び業界団体は、８モル％のＹ２Ｏ３を含むジルコニアセラミック用の式に決定した。この材料は、とりわけ、生成物ＴＺ−８Ｙとして日本の東ソー社によって作られる。
ＳＯＦＣを製造する他の方法は、燃料電池構造体を実現するために、他のアノード及びカソードが共に積層される、平坦なジルコニアのプレートを利用する。ウェスティングハウス社によって想像された高くて狭い装置と比較して、これらの平坦な構造体は、積層体全体を共に保持するための固定機構を有して、端部間が６から８インチの立方体形状であり得る。
さらに新しい方法は、非常に薄い壁部を有する、より多量の小径のチューブを用いることを想像する。酸素イオンの移動速度が距離及び温度によって制限されるので、薄い壁部のセラミックの使用はＳＯＦＣにおいて重要である。より薄いジルコニアの層が使用される場合、最終的な装置は、同一の効率を維持しながら、より低い温度で動作し得る。文献は、１５０μｍ以下の壁厚でセラミックチューブを形成する必要性を記載する。
ＳＯＦＣの成功的な実施を妨害している幾つかの主たる技術的な問題がある。１つの問題は、加熱中にセラミック要素のクラックを防止する必要性である。このために、チューブが本質的に１次元であるので、管状のＳＯＦＣの手法は、競合する“積層”タイプ（大きくて平坦なセラミックプレートから作られる）より良好である。チューブは、例えば中央において高温になり拡張するが、クラックを生じない。例えば、管状の炉は、直径が４インチで３６インチの長さのアルミナチューブを加熱し、それは、中心部で猛烈に熱くなり、端部において触れるのに十分なほど冷たくなるだろう。チューブが中心部分で均等に加熱されるので、その中心部分は拡張し、チューブがより長くなるようにするが、それは、クラックを生じない。外側が同一サイズのままである一方で、中心が拡張するので、中心部で加熱されたセラミックプレートのみが、複数の破片に急速に分裂する。チューブの鍵となる特性は、それが一軸性または一次元であるということである。
２番目の鍵となる挑戦は、ＳＯＦＣに対する接触部を形成することである。ＳＯＦＣは、理想的には高温（典型的には７００から１０００℃）で動作し、それは、空気及び燃料用の外側の世界に接続され、電気接続を形成する必要もある。理想的には、室温で接続することが望まれる。有機材料が使用され得ないので、高温で接続することは問題であり、そのため、ガラスシールまたは機械的なシールを使用しなければならない。これらは、拡張問題のために、部分的に信頼できない。それらは、高価でもあり得る。
従って、前述のＳＯＦＣシステムは、少なくとも前述の２つの問題に関する困難性を有する。このプレート技術は、気体口を密閉することに関して、プレートの端部に関する困難性を有し、クラックと同様に速い加熱に関する困難性を有する。チューブ手法は、クラック問題を解決するが、依然として他の問題を有する。ＳＯＦＣチューブは、ガス容器としてのみ有用である。それを作動することは、より大きな空気容器の中で使用されなければならい。これは大きい。チューブを使用することの鍵となる挑戦は、チューブの外側に、反応においてＯ２を提供するための空気と反応を加速するための熱とである熱及び空気の両方を提供しなければならないということである。通常、熱は、燃えている燃料によって提供され、従って、２０％のＯ２（典型的には）を有する空気を供給する代わりに、空気は、実際には部分的に低下され（熱を提供するために部分的に燃焼され）、これは、電池の駆動能力を低下させる。
ＳＯＦＣチューブはまた、その拡張性に制限される。より大きなｋＶ出力を実現するために、より多くのチューブが加えられなければならない。増加が大きくなるので、それぞれのチューブは単一の電解質層である。固体電解質チューブ技術は、達成可能な電解質厚さに関してさらに制限される。より薄い電解質は、より効率的である。２μｍ又は場合によっては１μｍの電解質の厚さは、高出力において最適であろうが、固体電解質チューブにおいて実現することは非常に困難である。単一の燃料電池領域がおよそ０．５から１ボルト（バッテリーが１．２ボルトを発するのと同じように、これは、化学反応の駆動力のために固有である）を生成することは留意すべきであるが、電流、従って電力は、幾つかの要因に依存する。より高い電流は、所定の時間内に電解質を横切ってより多くの酸素イオンを移動させる要因に起因するだろう。これらの要因は、より高い温度、より薄い電解質及びより大きな面積である。
本発明は、燃料電池装置及びシステム、その装置及びシステムの使用方法、並びに、その装置の製造方法に関連する。本発明の一実施形態によれば、燃料電池装置は、細長い基板を含み、その長さは、熱膨張係数がその長さと同延である唯一の主要な軸を有するような最長の寸法である。反応領域は、動作反応温度まで加熱するためにその長さの第１の部分に沿って位置し、少なくとも１つの低温領域は、その動作反応温度以下の温度で動作するためにその長さの第２の部分に沿って位置する。その細長い基板内に１つ又はそれ以上の燃料通路があり、各々は、その反応領域を通って低温領域の燃料注入口から延びる第１の燃料通路と、その反応領域から燃料排出口まで延びる第２の燃料通路と、を有する。その細長い基板内に１つ又はそれ以上の酸化剤通路があり、各々は、反応領域を通って低温領域の酸化剤注入口から延びる第１の酸化剤通路と、反応領域から酸化剤排出口まで延びる第２の酸化剤通路と、を有する。各々の第１の燃料通路及び各々の第１の酸化剤通路はそれぞれ、反応領域の関連するアノード又はカソードであって、反応領域のそれらの間に配置される電解質に関して対向して位置するアノード及びカソードを有する。燃料通路及び酸化剤通路の各々は、それぞれの第１の燃料通路及び酸化剤通路の断面積より小さい断面積を有するそれぞれの第２の燃料通路及び酸化剤通路にネックダウンポイントを含む。高温領域チャンバーの外側に延びる低温領域を有して、その装置の反応領域が配置される高温領域チャンバーを有する燃料電池システムがさらに提供される。熱源は、反応領域を動作反応温度まで加熱するために高温領域チャンバーに結合され、燃料供給部及び酸化剤供給部は、それぞれの気体を通路に供給するためにそれぞれの燃料供給口及び酸化剤供給口に結合される。さらに、低温領域が３００℃以下の温度に保たれる一方で、４００℃を超える温度まで反応領域を加熱するために高温領域に熱を供給する段階を含むこの装置の使用方法が提供される。燃料及び酸化剤気体は、それらが反応する加熱された反応領域の通路に供給される。グリーンセラミック、アノード、カソード及び犠牲材料を層状化する段階を含むこの装置の製造方法も提供される。除去可能な構造体は、犠牲層を覆うグリーンセラミック層の対応する側部に位置する。積層後、ワイヤは除去され、積層された構造体は、犠牲層をベークアウトするために加熱される。間隙は、第１の通路を形成するためにベークアウトされた犠牲材料を反応領域に残し、間隙は、より小さい断面積のネックダウンポイントを形成するために、除去可能な構造体を残した。
本発明の他の実施形態によれば、燃料電池装置の製造方法は、第１の細長いグリーンセラミック層の第１の側部にアノード層を、対向する第２の側部にカソード層を付ける段階であって、そのアノード層及びカソード層が、第１の細長いグリーンセラミック層の第１の部分内に概して位置する段階を提供することを含む。犠牲有機層は、アノード層及びカソード層の各々上に付けられ、少なくとも１つの除去可能な構造体は、それぞれの犠牲有機層を覆う第１の端部と、第１の細長いグリーンセラミック層の端部まで少なくとも延びる第２の端部と、を有する第１の細長いグリーンセラミック層の第１及び第２の側部の各々に位置する。次いで、第２の細長いグリーンセラミック層は、第１の細長いグリーンセラミック層に概して位置する第１及び第２の側部の各々上の犠牲有機層及び除去可能な構造体上に配置される。その層及び除去可能な構造体の全ては、積層された構造体を形成するために共に積層され、次いで、それぞれの端部とアノード層及びカソード層との間の非活性通路を形成するために、除去可能な構造体が除去される。最後に、積層された構造体は、アノード層及びカソード層に沿って活性通路を形成するために犠牲有機層を焼失するまで加熱される。
他の実施形態によれば、燃料電池装置の製造方法は、複数のセラミック層、アノード層、カソード層及び内部の犠牲有機層を含む積層された構造体を形成する段階であって、そのカソード層からアノード層を分離する介在するセラミック層と、その介在するセラミック層に対向するそのアノード層及びカソード層の各々に隣接するその内部の犠牲有機層と、を提供するように配置され、その犠牲有機層が、内部気体通路を提供するように採寸される段階を含む。除去可能な構造体は、犠牲勇気層と接触して配置され、積層された構造体の１つ又はそれ以上の端部まで延びる。積層された構造体は積層され、除去可能な構造体は、複数のベークアウト口を形成するために除去される。次いで、犠牲有機層は、犠牲有機層の材料をベークアウトするために、積層された構造体を加熱することによって、内部気体通路を形成するために除去され、ここで、材料は、複数のベークアウト口を通って出る。その後、ベークアウト口は、障壁材料で密閉される。
他の実施形態によれば、燃料電池システムは、厚さＴを有するチャンバー壁を有する高温領域チャンバーを備える。１つ又はそれ以上の燃料電池装置の各々は、最長の寸法である長さを有する細長い長方形または管状の基板であって、その熱膨張係数がその長さと同延である唯一の主要な軸を有する細長い長方形または管状の基板と、動作反応温度への露出のために高温領域チャンバーに位置するその長さの第１の部分に沿った反応領域と、動作反応温度以下の温度に維持するために高温領域チャンバーの外側に延びるその長さの第２の部分に沿った少なくとも１つの低温領域と、その反応領域のアノードとカソードとの間に配置される電解質と、を有する。厚さＴに等しい各々の燃料電池装置のその長さの第３の部分は、そのチャンバー壁内に位置し、その第３の部分が、その長さの方向に直交する平面において最大寸法Ｌを有し、Ｔ＞１／２×Ｌである。熱源は、高温領域チャンバー内において動作反応温度まで反応領域を加熱するために高温領域チャンバーに結合される。
他の実施形態によれば、燃料電池装置の製造方法は、第１の犠牲層上に集電板を形成する段階と、集電板上に第２の犠牲層を付ける段階と、第１及び第２の犠牲層をグリーンセラミックで実質的に囲う段階と、グリーンセラミックを焼結し、間隙内に位置する集電板を焼結されたセラミック内に残す第１及び第２の犠牲層を焼失するために熱を加える段階と、間隙通路として機能するための間隙の開口の第２の部分を維持しながら、集電板と焼結されたセラミックとに接触する間隙の第１の部分内に電解質を形成する段階と、を含む。
他の実施形態によれば、燃料電池装置は、最長の寸法である長さを有する細長い基板であって、その細長い基板が、その長さと同延である唯一の主要な軸を有する熱膨張係数と、動作反応温度まで加熱されるように構成されたその長さの第１の部分に沿った反応領域と、その反応領域が加熱される際にその動作反応温度以下の温度に保持するように構成されたその長さの第２の部分に沿った少なくとも１つの低温領域と、を有する細長い基板を有する。電解質は、反応領域内の多孔性のアノードと多孔性のカソードとの間に配置され、燃料通路は、多孔性のアノードに関連し、反応領域を通って少なくとも１つの低温領域から延び、酸化剤通路は、多孔性のカソードに関連し、反応領域を通って少なくとも１つの低温領域から延び、高密度の集電板は、多孔性のアノードと多孔性のカソードとの各々の表面部分に少なくとも部分的にリセスされて位置し、それぞれの燃料及び酸化剤通路で露出される。
他の実施形態によれば、燃料電池装置の製造方法は、燃料電池装置の活性電解質の部分として機能する第１の部分と、燃料電池装置の受動支持体の部分として機能する第２の部分と、を有する第１のグリーンセラミック層を提供する段階を含む。アノード層は、第１のグリーンセラミック層の第１の側部に、カソード層は、第１のグリーンセラミック層の第１の部分の対向する第２の側部を付けられ、第２のグリーンセラミック層は、第１のグリーンセラミック層の第１及び第２の側部の各々の第２の部分に付けられ、第２のグリーンセラミック層の厚さは、アノード層及びカソード層の厚さに略等しい。犠牲層は、アノード層及びカソード層の各々及び第２のグリーンセラミック層上に付けられ、第３のグリーンセラミック層は、犠牲層の各々の上に付けられる。積層された構造体は、受動支持部分においてそれらの間に厚い焼結されたセラミックを有する気体通路の対と、活性電解質部分においてそれらの間にアノード、薄い電解質及びカソードを形成するために、全ての層を焼結し、犠牲層を焼失するのに十分な温度まで加熱される。
他の実施形態によれば、燃料電池装置は、アノード、カソード及びそれらの間の電解質を有する活性中心部分と、活性中心部分から延びる少なくとも３つの細長い部分であって、その細長い部分の各々が、その長さと同延である主要な軸を有する熱膨張係数を有するように、各々が、横方向幅より実質的に大きい長さを有する部分と、第１の細長い部分の燃料注入口からアノードに関連する活性中心部分まで延びる少なくとも１つの燃料通路と、第２の細長い部分の酸化剤注入口からカソードに関連する活性中心部分まで延びる少なくとも１つの酸化剤通路と、第３の細長い部分の開口と活性中心部分との間に延びる少なくとも１つの気体通路と、を含む。
他の実施形態によれば、燃料電池装置は、アノード、カソード及びそれらの間の電解質を有する活性中心部分と、活性中心部分から延びる４つの細長い部分であって、その細長い部分の各々が、その長さと同延である主要な軸を有する熱膨張係数を有するように、各々が、横方向幅より実質的に大きい長さを有する部分と、を含む。燃料通路は、第１の細長い部分の注入口から、アノードに関連する活性中心部分、及び、第２の細長い部分の排出口まで延び、酸化剤通路は、第３の細長い部分の注入口から、カソードに関連する活性中心部分、及び、第４の細長い部分の排出口まで延び、活性中心部分が、４つの細長い部分の各々の面積より大きい面積を有する。
他の実施形態によれば、燃料電池装置の製造方法は、燃料電池装置内に気体通路を提供するために位置する複数の犠牲有機層と交互に位置する複数のグリーンセラミック層の積層された構造体を形成する段階であって、その犠牲層が、炭素繊維とワックスとの複合材を含み、そのグリーンセラミック層が、高分子結合剤を含む段階を含む。本発明は、炭素繊維または高分子結合剤を焼失することなくワックスをベークアウトするのに十分な第１の温度まで、次いで、高分子結合剤を焼失するために十分な第２の温度まで、次いで、グリーンセラミック層を焼結し、炭素繊維を焼失するために十分な焼結温度まで、積層された構造体を加熱する段階を含む。
単一のアノード層、カソード層、電解質、及び、２つの端部の低温領域間の高温領域を有する、本発明の基本的な燃料電池スティック装置の一実施形態を断面図で示す。 単一のアノード層、カソード層、電解質、及び、２つの端部の低温領域間の高温領域を有する、本発明の基本的な燃料電池スティック装置の一実施形態を上面図で示す。 結合された燃料供給チューブを有する本発明の燃料電池スティック装置の一端を斜視図で示す。 変更された端部を有する、本発明の一実施形態による燃料電池スティック装置を斜視図で示す。 図３Ａの装置の１つの変更された端部に結合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電圧ノードに対する電気接続を形成するための複数の燃料電池スティック装置に対する冶金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多数の燃料電池スティック装置間の接続を概略端面図で示し、ここで、各々の燃料電池スティック装置は、複数のアノード及びカソードを含む。 本発明の一実施形態による正及び負電圧ノードに対する電気接続を形成する機械的な取り付け手段を概略端面図で示す。 他端が高温領域であると共に、燃料及び供給チューブが取り付けられた、燃料電池スティック装置の一端部に単一の低温領域を有する代替案の実施形態を斜視図で示す。 他端が高温領域であると共に、燃料及び供給チューブが取り付けられた、燃料電池スティック装置の一端部に単一の低温領域を有する代替案の実施形態を斜視図で示す。 本発明の一実施形態による空気及び燃料通路の複数の支柱を示す側方断面図である。 本発明の一実施形態による空気及び燃料通路の複数の支柱を示す上面図である。 本発明の他の実施形態による支柱として燃料及び空気通路内の球形ボールの使用を示す顕微鏡写真である。 本発明の他の実施形態による支柱として燃料及び空気通路内の球形ボールの使用を示す顕微鏡写真である。 並列に外部に結合された２つの燃料電池を含む本発明の一実施形態を断面で示す。 ビアの使用を介して並列に外部に結合された２つの燃料電池を有することを除いて図８Ａと同様の本発明の他の実施形態を断面図で示す。 並列に結合された３つの燃料電池を示す、共有の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マルチ燃料電池設計を断面図で示す。 直列に結合された３つの燃料電池を示す、共有の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マルチ燃料電池設計を断面図で示す。 装置の低温領域に結合される燃料供給チューブと、高温領域において装置に対する加熱された空気の供給のための空気通路への高温領域における開放された装置の側部と、を有する、本発明の一実施形態による燃料電池スティック装置を概略側面図で示す。 高温領域が対向する低温端部間に位置する、図１０の実施形態の変形例を概略側面図で示す。 １０Ｂ−１０Ｂ線に沿って得られた上部断面図で図１０Ａの燃料電池スティック装置を示す。 本発明の様々な実施形態を概略的に示し、図１２から図２４に示される構成要素に対するキーを示す。 本発明の様々な実施形態を概略的に示す。 本発明の様々な実施形態を概略的に示す。 本発明の様々な実施形態を概略的に示す。 本発明の様々な実施形態を概略的に示す。 本発明の様々な実施形態を概略的に示す。 本発明の様々な実施形態を概略的に示す。 本発明の様々な実施形態を概略的に示す。 本発明の様々な実施形態を概略的に示す。 本発明の様々な実施形態を概略的に示す。 本発明の様々な実施形態を概略的に示す。 本発明の様々な実施形態を概略的に示す。 本発明の様々な実施形態を概略的に示す。 本発明の様々な実施形態を概略的に示す。 一低温端部に細長い部分と対向する高温端部に大きな表面積部分とを有するパンハンドルデザインを有する本発明の一実施形態による燃料電池スティック装置を概略上面図で示す。 中心の高温領域に中心の大きな表面積の部分を有する、対向する低温端部に２つの細長い部分を有するパンハンドルデザインの代替案の実施形態を概略上面図で示す。 中心の高温領域に中心の大きな表面積の部分を有する、対向する低温端部に２つの細長い部分を有するパンハンドルデザインの代替案の実施形態を概略上面図で示す。 中心の高温領域に中心の大きな表面積の部分を有する、対向する低温端部に２つの細長い部分を有するパンハンドルデザインの代替案の実施形態を概略側面図で示す。 一低温端部に細長い部分と対向する高温端部に大きな表面積部分とを有するパンハンドルデザインを有する本発明の一実施形態による燃料電池スティック装置を概略上面図で示す。 一低温端部に細長い部分と対向する高温端部に大きな表面積部分とを有するパンハンドルデザインを有する本発明の一実施形態による燃料電池スティック装置を概略側面図で示す。 螺旋状の又は巻き取られた環状の形状を有する、本発明の一実施形態による燃料電池スティック装置を示し、巻き取られた構造体を概略上面図で示す。 螺旋状の又は巻き取られた環状の形状を有する、本発明の一実施形態による燃料電池スティック装置を示し、巻き取られた構造体を概略端面図で示す。 螺旋状の又は巻き取られた環状の形状を有する、本発明の一実施形態による燃料電池スティック装置を示し、巻き取られた構造体を概略側面図で示す。 螺旋状の又は巻き取られた環状の形状を有する、本発明の一実施形態による燃料電池スティック装置を示し、螺旋状の又は巻き取られた環状の形状を概略斜視図で示す。 燃料電池スティック装置が管状の同心の形態を有する本発明の他の代替案の実施形態を概略等角図で示す。 燃料電池スティック装置が管状の同心の形態を有する本発明の他の代替案の実施形態を、図２９Ａから得られる断面図で示す。 燃料電池スティック装置が管状の同心の形態を有する本発明の他の代替案の実施形態を、図２９Ａから得られる断面図で示す。 燃料電池スティック装置が管状の同心の形態を有する本発明の他の代替案の実施形態を、図２９Ａから得られる断面図で示す。 燃料電池スティック装置が管状の同心の形態を有する本発明の他の代替案の実施形態を、図２９Ａから得られる断面図で示す。 燃料電池スティック装置が管状の同心の形態を有する本発明の他の代替案の実施形態を、空気入力端部における端面図で示す。 燃料電池スティック装置が管状の同心の形態を有する本発明の他の代替案の実施形態を、燃料入力端部における端面図で示す。 高温領域の活性領域の前にある集積された予熱領域を有する本発明の燃料電池スティック装置の実施形態を概略側方断面図で示す。 図３０Ａの装置を、３０Ｂ−３０Ｂ線に沿って得られた概略断面図で示す。 図３０Ａの装置を、３０Ｃ−３０Ｃ線に沿って得られた概略断面図で示す。 中心高温領域を有する２つの低温領域を示すことを除いて図３０Ａと同様の図を示す。 中心高温領域を有する２つの低温領域を示すことを除いて図３０Ｂと同様の図を示す。 中心高温領域を有する２つの低温領域を示すことを除いて図３０Ｃと同様の図を示す。 燃料注入口と燃料通路との間、及び、空気注入口と空気通路との間に延びる予熱チャンバーを含み、各々の予熱チャンバーが、低温領域から高温領域の予熱領域まで延びることを除いては、図３１Ａから図３１Ｃに示された実施形態と同様の実施形態を、図３２Ａの３２Ｂ−３２Ｂ線の沿って得られた概略側方断面図で示す。 燃料注入口と燃料通路との間、及び、空気注入口と空気通路との間に延びる予熱チャンバーを含み、各々の予熱チャンバーが、低温領域から高温領域の予熱領域まで延びることを除いては、図３１Ａから図３１Ｃに示された実施形態と同様の実施形態を、図３２Ａの３２Ｂ−３２Ｂ線の沿って得られた概略上部断面図で示す。 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示し、燃料電池スティック装置の長手方向の中心を通る概略断面図である。 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示し、図３３Ａの３３Ｂ−３３Ｂ線に沿って得られた概略断面図である。 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示し、図３３Ａの３３Ｃ−３３Ｃ線に沿って得られた概略断面図である。 直列に外部に相互接続された多数のアノード及びカソードを有する本発明の一実施形態を概略斜め前面図で示す。 直列に外部に相互接続された多数のアノード及びカソードを有する本発明の一実施形態を概略斜め側面図で示す。 直列−並列デザインを提供するために金属ストライプによって外部に結合された２つの構造体を兼ねる図３４Ｂの構造体を概略側面図で示す。 高温領域において直列及び／又は並列にアノード及びカソードを接続するための金属ストライプと、正及び負電圧ノードに対する低温領域の低温接続を形成するために高温領域から低温領域まで延びる長い金属ストライプと、を含む本発明の他の実施形態を概略側面図で示す。 高温領域において直列及び／又は並列にアノード及びカソードを接続するための金属ストライプと、正及び負電圧ノードに対する低温領域の低温接続を形成するために高温領域から低温領域まで延びる長い金属ストライプと、を含む本発明の他の実施形態を斜視図で示す。 空気及び燃料供給接続及び電圧ノード接続のための単一の低温領域を有することを除いて、図３６の実施形態と同様の実施形態を概略等角図で示す。 構造体内に通路を形成するために使用される有機材料のベークアウトにおける装置の側部に沿った多数の出口間隙を有する本発明の実施形態を概略断面図で示す。 構造体内に通路を形成するために使用される有機材料のベークアウトにおける装置の側部に沿った多数の出口間隙を有する本発明の実施形態を概略断面図で示す。 燃料電池スティック装置のアノード支持バージョンと呼ばれる、アノード材料が支持構造体として使用される本発明の他の実施形態を概略断面図で示す。 装置を通る燃料を運ぶ機能を果たす多孔質アノードを支持して開放燃料通路が取り除かれる、本発明の燃料電池スティック装置の他の実施形態によるアノード支持バージョンを概略断面端部図で示す。 装置を通る燃料を運ぶ機能を果たす多孔質アノードを支持して開放燃料通路が取り除かれる、本発明の燃料電池スティック装置の他の実施形態によるアノード支持バージョンを概略断面側部図で示す。 多数の空気通路がアノード支持構造体内に提供され、単一の燃料通路が多数の空気通路に対して垂直に提供される、本発明の燃料電池スティック装置のアノード支持バージョンの他の実施形態を概略断面端部図で示す。 多数の空気通路がアノード支持構造体内に提供され、単一の燃料通路が多数の空気通路に対して垂直に提供される、本発明の燃料電池スティック装置のアノード支持バージョンの他の実施形態を概略断面上部図で示す。 一実施形態による、本発明の燃料電池スティック装置の通路に電極層を形成する方法を概略断面側部図で示す。 一実施形態による、本発明の燃料電池スティック装置の通路に電極層を形成する方法を概略断面側部図で示す。 一実施形態による、本発明の燃料電池スティック装置の通路に電極層を形成する方法を概略断面側部図で示す。 電極層を受容するために利用される表面積を増加するために平らでない形状を電解質層が備える本発明の他の実施形態を概略断面側部図で示す。 電解質層に平らでない形状を提供するための本発明の代替案の実施形態を概略側面図で示す。 装置の左側及び右側の間にブリッジを有する、装置の左側及び右側の各々に複数の燃料電池を有する本発明の燃料電池スティック装置の他の実施形態を高温領域と通して概略上面図で示す。 装置の左側及び右側の間にブリッジを有する、装置の左側及び右側の各々に複数の燃料電池を有する本発明の燃料電池スティック装置の他の実施形態を高温領域と通して断面図で示す。 電子が装置の低温端部に移動するための低抵抗の大きな又は幅広い通路を提供するための大きな外部接触パッドを有する本発明の燃料電池スティック装置の他の実施形態を概略透視図で示す。 電子が装置の低温端部に移動するための低抵抗の大きな又は幅広い通路を提供するための大きな外部接触パッドを有する本発明の燃料電池スティック装置の他の実施形態を概略断面図で示す。 使用済みの燃料及び空気の両方のための単一の排気通路を有する本発明の他の実施形態による燃料電池スティック装置を概略側方断面図で示す。 厚い部分及び薄い巻かれた部分を有する“端部が巻かれた（エンドロールド）燃料電池スティック装置”と称される代替案の実施形態であって、透視図で巻かれていない装置を示す。 厚い部分及び薄い巻かれた部分を有する“端部が巻かれた（エンドロールド）燃料電池スティック装置”と称される代替案の実施形態であって、断面側部図で巻かれた装置を示す。 厚い部分及び薄い巻かれた部分を有する“端部が巻かれた（エンドロールド）燃料電池スティック装置”と称される代替案の実施形態であって、透視図で巻かれた装置を示す。 ２つのセラミック層間のワイヤを用いた燃料電池スティック装置を組み立てるための実施形態を概略側方断面図で示す。 積層後における図４９Ａの装置を概略透視図で示す。 ワイヤが除去された後における図４９Ｂの装置を概略透視図で示す。 ワイヤ及び間隙形成テープの組合せを用いた燃料電池スティック装置を組み立てるための他の実施形態を概略断面図で示す。 ワイヤ及び間隙形成テープの組合せを用いた燃料電池スティック装置を組み立てるための他の実施形態を概略断面図で示す。 ワイヤ及び間隙形成テープの組合せを用いた燃料電池スティック装置を組み立てるための他の実施形態を概略断面図で示す。 炉壁を通過する燃料電池スティック装置を概略透視図で示す。 炉壁を通過する燃料電池スティック装置を概略透視図で示す。 炉壁の境界内の５２Ｂの燃料電池スティック装置の部分を概略透視図で示す。 それが炉壁を通過する管状の燃料電池スティック装置を概略透視図で示す。 多数の層で作られる炉壁を通過する燃料電池スティック装置を概略透視図で示す。 多数の層及び空隙で作られた炉壁を通過する燃料電池スティック装置を概略透視図で示す。 浮遊集電体を有する燃料電池スティック装置の組立体を概略断面図で示す。 浮遊集電体を有する燃料電池スティック装置の組立体を概略断面図で示す。 浮遊集電体を有する燃料電池スティック装置の組立体を概略断面図で示す。 浮遊集電体を有する燃料電池スティック装置の組立体を概略断面図で示す。 浮遊集電体を有する燃料電池スティック装置の組立体を概略断面図で示す。 浮遊終電体を支持するジルコニアボールを示す顕微鏡写真である。 浮遊終電体を支持するジルコニアボールを示す顕微鏡写真である。 アノードまたはカソードを形成するための粘稠液に懸濁されたアノードまたはカソード粒子を有する図５５Ｄの構造体の埋め戻しを概略断面図で示す。 アノードまたはカソードを形成するための粘稠液に懸濁されたアノードまたはカソード粒子を有する図５５Ｄの構造体の埋め戻しを概略断面図で示す。 通路の閉塞をほぼ引き起こす集電体を示す電子顕微鏡である。 通路の閉塞をほぼ引き起こす集電体を示す電子顕微鏡である。 通路の閉塞をほぼ引き起こす集電体を示す電子顕微鏡である。 アノード及びカソードの表面に集電体を概略断面図で示す。 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断面図で示す。 アノード及びカソードに集電体を埋め込む方法を概略断面図で示す。 アノード及びカソードに集電体を埋め込む方法を概略断面図で示す。 アノード及びカソードに集電体を埋め込む方法を概略断面図で示す。 ２つの厚さを有する電解質の個々の層を実現する方法を概略断面図で示す。 図６２Ａの詳細図である。 ハッチパターンの集電体の上部を示す電子顕微鏡写真である。 多孔性のアノードまたはカソード上の集電体の側方断面図を示す顕微鏡写真である。 多孔性のアノードまたはカソード上の集電体の角度の付いた断面図を示す顕微鏡写真である。 燃料電池スティック装置の端部を滑るチューブの概略断面図である。 図６６Ａの燃料電池スティック装置の端部の概略断面図である。 燃料電池スティック装置の端部に位置し、スプリング電気接触部を含むコネクタの概略断念図である。 図６７Ａのコネクタの概略透視図である。 ４つの出口ポイントを有する燃料電池スティック装置を示す概略透視図である。 ４つの出口ポイントを有する燃料電池スティック装置を示す概略透視図である。 多孔性のアノードまたはカソードにリセスされている集電体チューブを示す顕微鏡写真である。 カーボンワックス犠牲材料を除去した後に残る間隙を示す顕微鏡画像である。
添付の図面は、明細書の一部を構成し、明細書に含まれるが、上に与えられた本発明の一般的な記載及び本発明を説明する機能を果たす以下に与えられる詳細な説明と共に本発明の実施形態を示す。
一実施形態において、本発明は、燃料口及び空気口が一体構造で作られるＳＯＦＣ装置及びシステムを提供する。一実施形態において、ＳＯＦＣ装置は、長さが幅または厚さよりかなり大きい、基本的に比較的平らであるか長方形の棒状である（従って、燃料電池スティック（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｉｃｋ（登録商標））装置と称される）、細長い構造体である。燃料電池スティック装置は、中心が高温である一方で、低温端部を有することができる（低温端部は、３００℃未満であり、高温中心は、４００℃を超える、おそらく７００℃を超える）。セラミックの遅い熱伝導は、高温中心が低温端部を完全に加熱することを防止することができる。さらに、その端部は、そこに来るあらゆる熱を急速に放射する。本発明は、接続のために低温端部を有することによって、アノード、カソード、燃料注入口、Ｈ２Ｏ排出口、ＣＯ２排出口、及び、空気注入口及び空気排出口に対する容易な接続を形成することが可能であるという認識を含む。管状の燃料電池構造体が高温中心を有する低温端部を有することもできる一方で、従来技術は、セラミックチューブのこの利点を利用せず、その代わりに、高温接続が必要とされたように、炉または高温領域にチューブ全体を配置する。従来の技術は、燃料入力における高温の真鍮の接続を形成する複雑さ及びコストを認識しているが、ここに提供される解決手段を認識していない。 本発明の燃料電池スティック装置は、それが中心部で加熱され、低温端部を有することも可能にする、上記で検討された熱特性の利点を有するように、長く皮質（スキニー）である。これは、温度でそれを構造上適切にし、燃料、空気及び電極を接続することを比較的容易にする。燃料電池スティック装置は、基本的に、電気を生成するために加えられる熱、燃料及び空気のみを必要とする独立型システムである。これらのものが容易に取り付けられ得るように、この構造体は設計される。
本発明の燃料電池スティック装置は、多層構造体であり、幾つかの他の利点を提供する多層の共焼成手法を用いて形成され得る。最初に、この装置は一体型であり、それは、構造上適切にするのに役立つ。第二に、この装置は、コンデンサーチップのＭＬＣＣ（多層の共焼成セラミック）製造で使用されるもののような伝統的な高容積の製造技術に適する（多層のコンデンサー製造が工業用セラミックの最大の体積の使用であり、この技術が高い体積製造において証明されると信じられる。）。第三に、薄い電解質層は、追加の費用及び複雑性なしにその構造体内に実現され得る。６０μｍ未満の電解質壁の厚さを有するＳＯＦＣチューブを想像することが困難であるのに対して、２μｍの厚さの電解質層は、ＭＬＣＣ手法を使用することで可能である。従って、本発明の燃料電池スティック装置は、ＳＯＦＣチューブより約３０倍効率的であり得る。最後に、本発明の多層の燃料電池スティック装置は、各々数百または数千の層を有することができ、それは、最も大きな領域と最も大きな密度を提供するだろう。
本発明の燃料電池スティック装置に対して、従来の技術のＳＯＦＣチューブの表面積を考えてみて下さい。例えば、０．２５”×０．２５”の燃料電池スティック装置に対して、０．２５％の直径のチューブを考えてみて下さい。このチューブにおいて、円周は、３．１４×Ｄ、すなわち、０．７８５”である。０．２５”の燃料電池スティックにおいて、１つの層の使用可能な幅は、約０．２インチである。従って、１つのチューブと同じ面積を与えるのにおよそ４つの層を要する。これらの数字は、コンデンサー技術におけるものと著しく異なる。日本の多層のコンデンサーにおける最先端は、現在、２μｍの厚さの６００層である。日本人は、間もなくおそらく生産中の１０００層の部品を販売し出すだろう。現在、彼らは、研究所でそれらを製造している。６００層を有するこれらのチップコンデンサーは、たった０．０６０”（１５００μｍ）である。この製造技術を、２μｍの厚さの電解質と、１０μｍの厚さの各々のカソード／アノードを有する空気／燃料通路とを有する０．２５”の装置である、本発明の燃料電池スティック装置に適用することによって、５２９層を有する単一の装置を製造することが可能であろう。それは、１３２個のチューブの同等物であろう。従来の技術は、結果物が高出力のために非常に大きな構造体になる、より多くのチューブを加えるか、直径を増やすか、及び／又は、より多くの出力を得るためにチューブの長さを増加させるという戦略を採る。一方、本発明は、より多くの出力を得るために、より多くの層を単一の燃料電池スティック装置に加え、及び／又は、より薄い層又は通路を装置で使用し、それによってＳＯＦＣ技術において小型化を可能にする。 さらに、本発明における利点は、コンデンサーにおけるのと同様に、平方効果である。電解質層が半分ぐらいの厚さにされると、力は２倍になり、それで、より多くの層が装置に適合し、力が再び２倍になる。
本発明のもう１つの重要な特徴は、燃料電池スティック装置の出力電圧を増加するために内部で層を連結することが容易であろうということである。一層あたり１ボルトと仮定すると、１２ボルトの出力が、１２個のグループを共に連結するためのビアホールを用いて本発明の燃料電池スティック装置によって得られ得る。その後に、さらなる接続が、より高い電流を達成するために並列に１２個のグループを連結し得る。これは、コンデンサーチップ技術で使用される既存の方法で行うことができる。重大な差異は、本発明が、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ワイヤリングを打開することである。
本発明は、従来の技術と比較して、より多くの多様な電極選択も提供する。貴金属は、アノード及びカソードの両方に有効であろう。銀はより安いが、より高温において、Ｐｄ、ＰｔまたはＡｕとの混合が必要とされ、Ｐｄは、おそらく３つの中で最も低価格である。多くの研究は、非貴金属の導電体に焦点を合わせている。燃料側において、ニッケルを使用する試みが行われているが、酸素に対する如何なる露出も高温において金属を酸化させるだろう。導電性セラミックも知られており、本発明で使用することができる。要するに、本発明は、焼結す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し得る。
本発明の一実施形態において、２μｍのテープの大きな領域が両側において空気／気体で支持されていない場合、この層は、壊れ易くなるかもしれない。間隙（ギャップ）を横切る柱を取り去ることが想定される。これらは、鐘乳石と石筍とが接触する洞窟内の柱のようなもののように見えるだろう。それらは、均等に頻繁に間隔を開けられ、その構造体により大きな強度を与える。
高温フレキシブルシリコーンチューブまたはラテックスゴムチューブが、例えば、燃料電池スティック装置に取り付けるために使用され得るように、気体供給部及び空気供給部の取り付けにおいて、その端部温度は３００℃以下、例えば１５０℃以下であることが想定される。これらのフレキシブルチューブは、簡単に装置の端部まで延びることができ、それによってシールを形成する。これらの材料は、標準的なマクマスターカタログで入手可能である。シリコーンは、その特性を失うことなく、オーブンガスケットとして１５０℃以上で一般に使用される。マルチスティックの燃料電池スティックシステムの多くのシリコーンまたはラテックスゴムチューブは、かかり接続を有する供給部に接続され得る。
アノード材料またはカソード材料、あるいは両方の電極材料は、金属または合金であり得る。アノード及びカソードにおける適切な金属または合金は、当業者に周知である。あるいは、一方又は両方の電極材料は、当業者に周知である導電性のグリーン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で被覆される部分的に焼結された金属ニッケルでありえ、カソード材料は、ペロブスカイト構造を有する、改質されたランタンマンガナイトであり得る。
他の実施形態において、電極材料の一方又は両方は、グリーンセラミックと、複合材に導電性を与えるのに十分な量で存在する導電金属との複合材であり得る。一般に、金属粒子が接触し始めると、セラミックスマトリクスは、電子電導性になる。複合材マトリクスに導電性を与えるのに十分な金属の量は、主に金属粒子形状に依存して変化するだろう。例えば、金属の量は、一般に金属薄片におけるよりも球形粉末金属においてより多く必要であるだろう。典型的な実施形態において、複合材は、そこに分散される約４０から９０％の導電性金属粒子を有するグリーンセラミックのマトリクスを含む。そのグリーンセラミックマトリクスは、電解質層において使用されるグリーンセラミック材料と同一または異なり得る。
一方又は両方の電極材料がセラミックすなわち導電性グリーンセラミックまたは複合材を含む実施形態において、積層中に、その圧力が、層間の高分子の分子鎖を架橋するのに加えて、層内の有機結合剤を架橋するために十分であるように、電極材料のグリーンセラミックと電解質のためのグリーンセラミックは、架橋可能な有機結合剤を含み得る。
同様の構成要素を示すために初めから終わりまで同様の符号が使用される図面が以下で参照されるだろう。図で使用される参照符号は、以下の通りである。
“領域（ゾーン）”、“領域（エリア）”及び“領域（リージョン）”は、全体にわたって同じ意味で使用され、同一の意味を有するものである。同様に、用語“通路（パッセージ）”、“流路（チャネル）”及び“通路（パス）”は、全体にわたって同一の意味で使用され、用語“排出口（アウトレット）”及び“出口（イグジット）”は、全体にわたって同一の意味で使用され得る。
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２８を有する、本発明の基本的な燃料電池スティック装置１０の一実施形態を側方断面図及び上方断面図で示し、この装置１０は、一体型である。燃料電池スティック装置１０は、燃料注入口１２、燃料排出口１６及びそれらの間に燃料通過１４を含む。装置１０は、空気注入口１８、空気排出口２２及びそれらの間に空気通路２０をさらに含む。燃料通過１４と空気通過２０は、対向及び平行な関係であり、燃料通路１４を通る、燃料供給部３４からの燃料の流れは、空気通路２０を通る、空気供給部３６からの空気の流れと反対の方向である。電解質層２８は、燃料通過１４と空気通過２０との間に配置される。アノード層２４は、燃料通過１４と電解質層２８との間に配置される。同様に、カソード層２６は、空気通路２０と電解質層２８との間に配置される。燃料電池スティック装置１０の残りの部分は、セラミック２９を含み、それは、電解質層２８と同一の材料からなり得るか、異なる材料からなり得るが適合性のあるセラミック材料であり得る。破線によって示されるように、電解質層２８は、アノード２４とカソード２６との対向する領域間に横たわ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過２０から燃料通過１４まで通過するのは電解質層２８である。図１に示されるように、空気供給部３６からのＯ２は、空気通路２０を通って移動し、カソード層２６によってイオン化され２Ｏ−を生成し、それは、電解質層２８を通って移動し、アノード２４を通って燃料通路１４に移動する。そこで、それは、燃料供給部３４からの燃料、例えば炭化水素と反応し、初めにＣＯ及びＨ２を生成し、次いで、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２を生成する。図１が燃料として炭化水素を用いた反応を示しているが、本発明は、これに限定されない。ＳＯＦＣにおいて一般的に使用されるあらゆるタイプの燃料が本発明で使用され得る。燃料供給部３４は、例えば、炭化水素源または水素源であり得る。メタン（ＣＨ４）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）及びブタン（Ｃ４Ｈ１０）は、炭化水素燃料の例である。
反応が起こるためには、燃料電池スティック装置１０に熱が加えられなければならない。本発明によれば、燃料電池スティック装置１０の長さは、装置１０の中心の高温領域３２（または加熱領域）と、装置１０の各々の端部１１ａ及び１１ｂにおける低温領域３０とに装置を分けることができるほど十分に長い。高温領域３２と低温領域３０との間に転移領域３１が存在する。高温領域３２は、４００℃を超える温度で典型的に動作する。例示的な実施形態において、高温領域３２は、６００℃を超える温度、例えば７００℃を超える温度において動作する。低温領域３０は、熱源にさらされないが、燃料電池スティック装置１０の長さとセラミック材料の熱特性の利点のために、熱は、高温領域３２の外側に分散し、低温領域３０が３００℃未満の温度を有するようになる。セラミックの長さにわたる高温領域３２から低温領域３０への熱移動は遅く、高温領域３２の外側におけるセラミック材料から空気への熱移動は比較的速いと考えられている。従って、高温領域３２に入力された熱のほとんどは、低温領域３０の端部に達する前に、空気に失われる（主に転移領域３１において）。本発明の典型的な実施形態において、低温領域３０は、１５０℃未満の温度を有する。さらなる典型的な実施形態において、低温領域３０は、室温である。転移領域３１は、高温領域３２の動作温度と、低温領域３０の温度との間の温度を有し、多量の熱分散が起こるのは転移領域３１内である。
主要な熱膨張係数（ＣＴＥ）が燃料電池スティック装置１０の長さに沿い、従って、それは基本的には一次元であるので、中心の速い熱は、クラックなしで許容される。典型的な実施形態において、装置１０の長さは、装置の幅及び厚さより少なくとも５倍大きい。さらなる典型的な実施形態において、装置１０の長さは、装置の幅及び厚さより少なくとも１０倍大きい。さらなる典型的な実施形態において、装置１０の長さは、装置の幅及び厚さより少なくとも１５倍大きい。さらに、典型的な実施形態において、幅は、厚さより大きく、それは、より大きな面積を提供する。例えば、幅は、少なくとも厚さの２倍であり得る。さらなる例を通して、０．２インチの厚さの燃料電池スティック装置１０は、０．５インチの幅を有し得る。当然のことながら、図面は、原寸に比例して示されておらず、単に相対的な寸法の一般的な概念を与えるだけである。
本発明によれば、アノード２４及びカソード２６に対する電気接続は、燃料電池スティック装置１０の低温領域３０に形成される。典型的な実施形態において、アノード２４及びカソード２６はそれぞれ、低温領域３０において、電気接続が形成されることを可能にするように、燃料電池スティック装置１０の外表面にさらされる。負電圧ノード３８は、ワイヤ４２を介して、例えば露出されたアノード部分２５に接続され、正電圧ノード４０は、ワイヤ４２を介して、例えば露出されたカソード部分２７に接続される。燃料電池スティック装置１０が装置の各々の端部１１ａ及び１１ｂに低温領域３０を有するので、低温の堅い電気接続が形成され得る。それは、電気接続を形成するために高温鍍金法を一般的に必要とする従来技術に対する重要な利点である。
図２は、タイラップ５２で固定され、端部１１ａ上に取り付けられた供給チューブ５０を有する燃料電池スティック装置１０の第１の端部１１ａを透視図で示す。次いで、燃料供給部３４からの燃料は、供給チューブ５０を通って燃料注入口１２に供給される。第１の端部１１ａが低温領域にある結果として、フレキシブルなプラスチックチューブまたは他の低温タイプの接続材料は、燃料供給部３４を燃料注入口１２に接続するために使用され得る。燃料接続を形成するための高温ろう付け（半田付け）における必要性は、本発明によって取り除かれる。
図３Ａは、図１に示されるものと同様であるが、修正された第１及び第２の端部１１ａ及び１１ｂを有する燃料電池スティック装置１０を透視図で示す。端部１１ａ、１１ｂは、燃料供給部３４及び空気供給部３６の接続を容易にするための円筒状の端部を形成するために機械加工されている。図３Ｂは、燃料供給部３４からの燃料を燃料注入口１２に供給するための第１の端部１１ａに接続される供給チューブ５０を透視図で示す。例を通して、供給チューブ５０は、第１の端部１１ａに対するその弾性によって密封を形成する、シリコーンまたはラテックスゴムチューブであり得る。当然ながら、その使用が振動にさらされる携帯装置である場合、供給チューブ５０の柔軟性及び弾性は、燃料電池スティック装置１０に対する衝撃吸収ホルダーを提供することができる。従来の技術において、チューブまたはプレートは堅くろう付けされ、従って、動的環境で使用される場合、クラック故障にさらされる。従って、振動ダンパーとしての供給チューブ５０の追加の機能は、従来の技術と比較して特有の利点を提供する。
図３Ａに戻って、露出されたアノード部分２５及び露出されたカソード部分２７を接続するために、接触パッド４４が燃料電池スティック装置１０の外表面に備えられる。接触パッド４４に対する材料は、電圧ノード３８、４０をそれらの各々のアノード及びカソード２６に接続するために導電性であるべきである。当然ながら、あらゆる適切な方法が接触パッド４４を形成するために使用され得る。例えば、金属パッドは、焼結された燃料電池スティック装置１０の外表面に印刷され得る。ワイヤ４２は、例えば信頼性の高い接続を確立するために、半田接続４６によって接触パッド４４に固定される。半田は、燃料電池スティック装置１０の低温領域３０に位置していることによって使用されることができる低温材料である。例えば、一般的な１０Ｓｎ８８Ｐｂ２Ａｇ半田が使用され得る。本発明は、高温電圧接続の必要性を排除し、それによってあらゆる低温接続材料または手段に対する可能性を拡大する。
燃料排出口１６及び空気排出口２２が、透視図で図３Ａにも示される。燃料は、一方の低温領域３０にある第１の端部１１において燃料注入口１２を通って進入し、第２の端部１１ｂに近接する排出口１６を通って燃料電池スティック装置１の側に出る。空気は、低温領域３０にある第２の端部１ｂに位置する空気注入口１８から進入し、第１の端部１１ａに近接する燃料電池スティック装置１０の側の空気排出口２２から出る。排出口１６及び２２は、燃料電池スティック装置１０の同じ側にあるように示されているが、当然ながら、それらは、例えば図４Ａにおいて以下に示されるように対応する側に位置し得る。
燃料注入口１２に近い空気排出口２２（及び、同様に空気注入口１８に近い燃料排出口１６）を有することによって、及び、オーバーラップ層（アノード、カソード、電解質）の近接近を通して、空気排出口２２は、熱交換器として機能し、燃料注入口１２を通って装置１０に進入する燃料を有効に予熱する（及び、同様に燃料排出口１６は、空気注入口１８を通って進入する空気を予熱する）。熱交換器は、このシステムの効率を改善する。未使用の燃料（未使用の空気）が高温領域３２に達するまでに熱が移動されるように、転移領域３１は、使用済み空気及び未使用の燃料（及び、使用済み燃料及び未使用の空気）の重畳領域を有する。従って、本発明の燃料電池スティック装置１０は、内蔵型熱交換機を含む一体型構造である。
図４Ａに関して、露出されたアノード部２５に接続される各々の接触パッド４４を位置あわせし、負電圧ノード３８に接続されるワイヤ４２を接触パッド４４の各々に半田付けする（４６において）ことによる、複数の燃料電池スティック装置１０の接続、この場合２つの燃料電池スティック装置１０の接続が透視図で示されている。同様に、部分的に透視して示されるように、露出されたカソード部２７に接続される接触パッド４４は位置合わせされ、正電圧ノード４０を接続するワイヤ４２は、それらの位置合わせされた接触パッド４４の各々に半田付け（４６において）される。当然ながら、この接続は低温領域３０におけるものであり、相対的に単純な接続であるので、マルチ燃料電池スティックシステムまたは組立体の１つの燃料電池スティック装置１０が置き換えることを必要とする場合、１つの装置１０に対する半田接続を破壊し、その装置を新しい装置１０で置換し、新しい燃料電池スティック装置１０の接触パッド４４にワイヤ４２を再半田付けすることのみが必要とされる。
図４Ｂは、多数の燃料電池スティック装置１０の間の接続を端面図で示し、ここで、各々の燃料電池スティック装置１０は、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、各々のアノード２４が燃料電池スティック装置１０の右側で露出され、各々のカソード２６が燃料電池スティック装置１０の左側で露出される、対向するアノード２４及びカソード２６の３つのセットを含む。次いで、接触パッド４４は、それぞれの露出されたアノード部２５及び露出されたカソード部２７を接触させる燃料電池スティック装置１０の各々の側に配置される。アノード２４が露出される右側において、負電圧ノード３８は、半田接続４６を用いて接触パッド４４にワイヤ４２を固定することによって、露出されたアノード部２５に接続される。同様に、正電圧ノード４０は、半田接続４６を用いて接触パッド４４にワイヤ４２を固定することによって、燃料電池スティック装置１０の左側の露出されたカソード部分２７に電気的に接続される。従って、図１から図４Ａが単一のカソード２６に対向する単一のアノード２４を示すが、当然ながら、図４Ｂに示されるように、各々の燃料電池スティック装置１０は、各々が、それぞれの電圧ノード３８または４０に対する接続用の外表面に適用される接触パッド４４を用いた電気的接続において燃料電池スティック装置１０の外表面に露出される、複数のアノード２４及びカソード２６を含み得る。この構造体における対向するアノード２４及びカソード２６の数は、数十、数百、場合によって数千でさえあり得る。
図５は、端面図において、ワイヤ４２と接触パッド４４との間の電気接続を形成するための機械的連結を示す。この実施形態において、燃料電池スティック装置１０は、一組の電極が各々の燃料電池スティック装置１０の上面に露出されるようには方向付けられる。接触パッド４４は、低温領域３０の一端（例えば、１１ａまたは１１ｂ）の各々の上表面に付けられる。次いで、スプリングクリップ４８は、接触パッド４４にワイヤ４２を着脱可能に固定するために使用され得る。従って、冶金結合は、図３Ａ、４Ａ及び４Ｂに示されるような電気接続を形成するために使用され、又は、機械的接続手段は、図５に示されるように使用され得る。適切な連結手段を選択することの柔軟性は、本発明の燃料電池スティック装置１０の低温領域３０によって可能である。スプリングクリップ４８または他の機械的連結手段の使用は、単一の燃料電池スティック装置１０をマルチスティック組立体に置換する工程をさらに単純化する。
図６Ａ及び図６Ｂは、第２の端部１１ｂが高温領域３２にある、燃料電池スティック装置１０の第１の端部１１ａに単一の低温領域３０を有する代替案の実施形態を透視図で示す。図６Ａにおいて、燃料電池スティック装置１０は、並列に３つの燃料電池を含むのに対して、図６Ｂの燃料電池スティック装置１０は、単一の燃料電池を含む。従って、本発明の実施形態は、単一のセル設計またはマルチセル設計を含み得る。燃料及び空気の両方の単一の端部の流入を可能にするために、空気注入口１８は、燃料電池スティック装置１０の側表面において隣接する第１の端部１１ａに近接して再位置付けされる。空気通路２０（図示されない）は、再び燃料通路１４に平行に走るが、この実施形態において、空気の流れは、燃料電池スティック装置１０の長さにわたって燃料の流れと同じ方向である。この装置１０の第２の端部１１ｂにおいて、空気排出口２２は、燃料排出口１６に隣接して位置する。当然ながら、燃料排出口１６または空気排出口２２、あるいはその両方は、両方が端部表面に出るのではなく、燃料電池スティック装置１０の側表面から出ることができる。
図６Ｂに示されるように、空気供給部３６用の供給チューブ５０が燃料供給部３４用の供給チューブ５０に垂直になるように、空気供給部３６用の供給チューブ５０は、供給チューブ５０の側部を通して孔を形成し、その側部の孔を通して装置１０をスライドすることによって形成される。再び、シリコーンゴムチューブまたはその同等物がこの実施形態で使用され得る。結合材料は、シールを形成するために供給チューブ５０と装置１０との接合部の周囲に付けられる。電気接続はまた、低温領域３０の第１の端部１１ａに近接して形成される。図６Ａ及び図６Ｂはそれぞれ、燃料電池スティック装置１０の一側に形成される正電圧接続、及び、燃料電池スティック装置１０の対向する側に形成される負電圧接続を示す。しかしながら、当然ながら、本発明は、これに限定されない。単一の端部の入力の燃料電池スティック装置１０の利点は、２つの転移領域の代わりに、唯一の低温−高温転移があることであり、燃料電池スティック装置１０がより短く形成され得るようになる。
本発明の１つの利点は、活性層を非常に薄くする能力であり、それによって、燃料電池スティック装置１０は、単一の装置内に複数の燃料電池を包含することを可能にする。活性層が薄くなればなるほど、燃料電池スティック装置１０の製造中に空気通路２０または燃料通路１４が崩れ落ちる機会がより多くなり、それによって、通路１４及び／又は２０を通る流れを妨害する。従って、図７Ａ及び図７Ｂに示される本発明の一実施形態において、複数の支柱５４、例えばセラミック支柱は、電解質層２８の歪み及び通路１４、２０の妨害を避けるために通路１４及び２０に提供される。図７Ａは、側方断面図であり、図７Ｂは、空気通路２０を通る上部断面図である。本発明の１つの方法によれば、テープキャスティング法を用いて、材料のレーザー除去等によって、犠牲層内に形成される複数の孔を有する犠牲テープ層が使用され得る。次いで、セラミック材料は、孔を突き刺すために犠牲テープ層上にセラミックスラリーを拡散する等によって、孔を埋めるために使用される。様々な層が共に組み立てられた後、犠牲層の犠牲材料は、支柱５４が残るように、溶剤の使用等によって除去される。
支柱５４を形成するための他の実施形態において、予備焼結されたセラミックスの大きな粒子は、溶剤に溶解されたプラスチックなどの有機ビヒクルに加えられ、ランダム混合物を形成するために攪拌され得る。限定されない例として、大きな粒子は、０．００２インチの直径のボールなどの球体であり得る。次いで、ランダムな混合物は、燃料及び空気通路１４及び２０が位置されるべき領域内で印刷する等によってグリーン構造体に付けられる。焼結（ベーク／焼成）工程中に、有機ビヒクルは、その構造体から出て行き（例えば、消失される）、それによって、通路１４、２０を形成し、セラミック粒子は、物理的に通路１４、２０を開口する支柱５４を形成するために残っている。結果として得られる構造体は、図７Ｃ及び図７Ｄの顕微鏡写真に示される。支柱５４は、平均距離が有機ビヒクル内のセラミック粒子の量の関数でありながら、任意に位置する。
図８Ａは、並列した２つの燃料電池を含む本発明の一実施形態を断面で示す。各々の活性電解質層２８は、空気通路２０と、一側のカソード層２６ａまたは２６ｂと、燃料通路１４と、他側のアノード層２４ａまたは２４ｂを有する。一方の燃料電池の空気通路２０は、セラミックス材料２９によって第２の燃料電池の燃料通路１４から分離される。露出されたアノード部２５はそれぞれ、負電圧ノード３８にワイヤ４２を用いて接続され、露出されたカソード部２７はそれぞれ、正電圧ノード４０にワイヤ４２を用いて接続される。次いで、単一の空気供給部３６は、複数の空気通路２０の各々を提供するために使用され、単一の燃料供給部３４は、多数の燃料通路１４の各々を供給するために使用され得る。活性層のこの配置によって構築される電気回路は、図の右側に示される。
図８Ｂの断面図において、燃料電池スティック装置１０は、図８Ａに示されるものと同様であり得るが、複数の露出されたアノード部２５及び多数の露出されたカソード部２７を有する代わりに、アノード層２４ａのみが、２５において露出され、カソード層２６ａのみが２７に露出される。第１のビア５６は、カソード層２６ｂにカソード層２６を結合し、第２のビア５８は、アノード層２４ｂにアノード層２４ａを結合する。例を通して、次いで後にビア接続を形成するために導電材料で満たされる開口ビアを形成するためにグリーン層の形成中にレーザー法が使用され得る。図８Ｂの右側の回路によって示されるように、同一の電気通路は、図８Ａの燃料電池スティック装置１０のように図８Ｂの燃料電池スティック装置１０に形成される。
図９Ａ及び図９Ｂは、共有のアノード及びカソードを有するマルチ燃料電池設計を断面図で示す。図９Ａの実施形態において、燃料電池スティック装置１０は、２つの燃料通路１４と２つの空気通路２０を含み、２つの燃料電池を有するというより、この構造体は、３つの燃料電池を含む。第１の燃料電池は、中間の電解質層２８を有して、アノード層２４ａとカソード層２６ａとの間に形成される。 アノード層２４ａは、燃料通路１４の一側にあり、その燃料通路１４の反対側には第２のアノード層２４ｂがある。第２のアノード層２４ｂは、それらの間に他の電解質層２８を有する第２のカソード層２６ｂに対向し、それによって第２の燃料電池を形成する。第２のカソード層２６ｂは、空気通路２０の一側にあり、第３のカソード層２６ｃは、その空気通路２０の反対側にある。第３のカソード層２６ｃは、それらの間に電解質層２８を有する第３のアノード層２４ｃに対向し、従って、第３の燃料電池を提供する。アノード層２４ａからカソード層２６ｃまでの装置１０の部分は、共有のアノード及びカソードを提供するために装置１０内で何回も繰り返され、それによって、単一の燃料電池スティック装置１０内の燃料電池の数を増やす。各々のアノード層２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、例えば、ワイヤ４２を用いて負電圧ノード３８に接続するために電気接続が単一の燃料電池スティック装置１０の外表面に形成されることができる露出されるアノード部２５を含む。同様に、各々のカソード層２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、例えば、ワイヤ４２を用いて正電圧ノード４０に対する接続用の外表面に対して露出されたカソード部２７を含む。単一の空気供給部３６は、空気通路２０の各々を提供するための一方の低温端部に供給され、単一の燃料供給部３４は、燃料通路１４の各々を提供するために反対の低温端部に提供され得る。この構造によって形成される電気回路は、図９Ａの右側に提供される。この燃料電池スティック装置１０は、利用可能な電力を３倍にする、並列な３つの燃料電池を含む。例えば、各々の層が１ボルト及び１アンペアを生成する場合、各々の燃料電池の層は、１ワットの出力（ボルト×アンペア＝ワット）を生成する。従って、この三層の配置は、合計で３ワットの出力用に１ボルト及び３アンペアを生成するだろう。
図９Ｂにおいて、図９Ａの構造体は、図９Ｂの右側の回路によって示されるように、直列の３つの燃料電池を生成するための電圧ノードの各々に単一の電気的接続を提供するように修正される。正電圧ノード４０は、露出されたカソード部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。次いで、アノード層２４ｃは、負電圧ノード３８に対して露出されたアノード部２５に接続される。従って、層毎に同一の１アンペア／１ボルトの仮定を用いて、この３つの電池構造は、合計で３ワットの出力用の３ボルト及び１アンペアを生成するだろう。
本発明の他の実施形態は、図１０において側面図で示される。この実施形態において、燃料電池スティック装置１０は、高温領域３２にある第２の端部１１ｂと共に、第１の端部１１ａにある単一の低温領域を有する。他の実施形態におけるように、燃料注入口１２は、第１の端部１１ａに位置し、供給チューブ５０によって燃料供給部３４に接続される。この実施形態において、燃料通路１４は、燃料出力部１６が第２の端部１１ｂに位置しながら、燃料電池スティック装置１０の長さを拡大する。従って、燃料供給接続は、低温領域３０で行われ、燃料反応物（例えば、ＣＯ２及びＨ２Ｏ）における排出口は、高温領域３２にある。同様に、アノードは、ワイヤ４２によって負電圧ノード３８を接続するために、低温領域に露出されたアノード部２５を有する。
図１０の実施形態において、燃料電池スティック装置１０は、高温領域３２に空気注入口１８及び空気通路２０の両方を提供するために、少なくとも一側で、潜在的には両方の対向側で開口する。支柱５４の使用は、この実施形態において、空気通路２０内で特に有用であり得る。空気排出口は、示されるように、第２の端部１１ｂに位置し得る。あるいは、示されていないが、通路２０が幅にわたって延び、空気供給部が入力側にのみ向けられる場合、又は、通路２０が幅にわたって延びない場合、空気排出口は、空気注入口側の対向する側に位置し得る。高温領域３２に対して熱のみを提供する代わりに、この実施形態において、空気も提供される。言い換えれば、高温領域３２の装置１０の側部は、強制空気チューブを通して空気を供給する代わりに、加熱された空気に対して開放されている。
図１０Ａは、図１０に示される実施形態の変化を側面図で示す。図１０Ａにおいて、燃料電池スティック装置１０は、転移領域３１によって低温領域３０から分離される中心の加熱領域３２を有する対向する低温領域３０を含む。空気注入口１８は、加熱空気を受容するために、少なくともその一部において、中心の加熱領域３２に提供される。しかしながら、この実施形態において、空気通路２０は、図１０のように感知可能な長さのために燃料電池スティック装置１０の側に完全に開放されている。むしろ、より明確に図１０Ｂに示されるように、空気通路２０は、高温領域３２の一部において開放し、次いで、その長さの残りの部分において側部に近接し、次いで、燃料電池スティック装置１０の第２の端部１１ｂの空気排出口２２に出る。この実施形態は、加熱空気が、強制空気供給チューブよりも高温領域３２に供給されることを可能にするが、燃料及び空気が、低温領域３０の装置１０の一端部１１ｂで出ることも可能にする。
特定の実施形態が詳細に示され記載されているが、本発明の範囲はこれに限定されない。本発明のさらなる一般的な実施形態は、以下に示され、図１１から図２４に示される概略図を参照して、より完全に理解され得る。図１１は、図１２から図２４で概略的に示される部品における鍵を提供する。燃料（Ｆ）または空気（Ａ）は、入力アクセスポイントに接続されるチューブを介する等して、強制的な流れを示す、燃料電池スティック装置（例えば、ＳＯＦＣスティック）に向かう矢印によって示される。ここで、強制された流れの接続以外の手段によって加熱された空気が高温領域に提供され、燃料電池スティック装置が高温領域内のアクセスポイントの空気通路に対して開放されることを示す空気入力部が示されない。
本発明の一実施形態は、少なくとも１つの燃料通路及び関連するアノード、少なくとも１つの酸化剤通路及び関連するカソード、及び、それらの間の電解質を含む燃料電池スティック装置であり、ここで、この電池は、一つの主要な軸でＣＴＥを有し、約４００℃より大きい温度を有する加熱領域内でその部分を用いて動作するように、その幅または厚さより十分に長い。この実施形態において、燃料電池スティック装置は、主要なＣＴＥ方向に従うこの装置の一端部における空気及び燃料入力部の両方、または、主要なＣＴＥ方向に従う一端部における空気入力部及び他端部における燃料入力部に対するインターデジタルなアクセスポイントを有し、空気及び燃料入力部は、加熱領域の外側に位置する。例えば、図２０及び図２４を参照して下さい。
本発明の他の実施形態において、燃料電池は、第１の温度領域及び第２の温度領域を有し、ここで、この第１の温度領域は、高温領域であり、それは、燃料電池反応を実行するために十分な温度で動作し、第２の温度領域は、加熱された領域の外側にあり、第１の温度領域より低い温度で動作する。第２の温度領域の温度は、電極に対して行われる低温接続、及び、少なくとも燃料供給部における低温接続を可能にするように十分に低い。燃料電池構造体は、部分的に第１の温度領域に延び、部分的に第２の温度領域に延びる。例えば、図１２、図１３及び図１７を参照して下さい。
本発明の一実施形態において、燃料電池は、加熱領域である第１の低温領域と、３００℃以下の温度で動作する第２の低温領域とを有する。空気及び燃料接続は、低温接続として、ゴムチューブまたはその同等物を用いて第２の温度領域で形成される。低温半田接続またはスプリングクリップは、各々の負電圧及び正電圧ノードにアノード及びカソードを接続するためにアノード及びカソードに対する電気接続を形成するために使用される。さらに、二酸化炭素及び水用の燃料排出口、及び、使い果たした酸素用の空気排出口は、第１の温度領域、すなわち加熱される領域に位置する。例えば、図１７を参照して下さい。
他の実施形態において、燃料電池構造体は、加熱領域である中心の第１の温度領域を有し、燃料電池の各々の端部は、３００℃以下で動作する第２の温度領域内で第１の温度領域外に位置する。燃料及び空気注入部は、第２の温度領域に位置し、アノード及びカソードに対する電気接続用の半田接続またはスプリングクリップである。最終的に、二酸化炭素、水及び使い尽くされた酸素のための排出口は、第２温度領域に位置する。例えば、図１９、図２０及び図２４を参照して下さい。
本発明の他の実施形態において、第１温度領域が、対向する第２の温度領域間の中心に提供される加熱領域に位置しながら、燃料入力部は、３００℃以下の温度で動作する第２の温度領域の主要なＣＴＥ方向に従う各々の端部に提供され得る。二酸化炭素、水及び使い尽くされた酸素のための排出口は、中心の加熱領域に位置し得る。例えば、図１５及び図１８を参照して下さい。あるには、二酸化炭素、水及び使い尽くされた酸素のための排出口は、第２の温度領域、すなわち、加熱領域の外側に位置し得る。例えば、図１６及び図１９を参照して下さい。
他の実施形態において、燃料及び空気の入力アクセスポイントの両方は、３００℃以下で動作する第２の温度領域内において、加熱領域である第１の温度領域の外側に位置し、それによって空気及び燃料供給用のゴムチューブなどの低温接続の使用を可能にする。さらに、半田接続またはスプリングクリップは、アノード及びカソードに電圧ノードを接続するための第２の温度領域に使用される。一実施形態において、加熱領域にある、二酸化炭素、水及び使い尽くされた酸素のための排出口を有して、加熱される第１の温度領域に燃料電池スティック装置の他端があると共に、燃料及び空気入力部は両方とも主要なＣＴＥ方向に従う一端部にある。例えば、図１７を参照して下さい。従って、燃料電池スティック装置は、加熱される１つの端部及び加熱されない１つの端部を有する。
他の実施形態において、加熱領域が、対向する２つの第２の温度領域間にあるように、燃料及び空気は、加熱領域の外側の主要なＣＴＥ方向に従う一端に入れられ、加熱領域の外側の対向する端部で出る。例えば、図２０を参照して下さい。さらに他の代替案において、燃料及び空気は、燃料及び空気出力部が中心の加熱領域に位置すると共に、第２の温度領域に位置する対向する端部の両方に入れられる。例えば、図１８を参照して下さい。
さらに他の代替案において、それぞれの出力部が、入力部からの対向する端部にある第２の温度領域にあると共に、燃料及び空気は、第２の温度領域に位置する対向する端部の両方に入れられる。例えば、図１９を参照して下さい。従って、燃料及び空気の両方が、第２の端部に近接して存在する各々の反応出力部を有する第１の端部に入れられ、燃料及び空気の両方が、第２の端部に入れられ、反応出力部が第１の端部に近接して存在すると共に、燃料電池は、中心の加熱領域、及び、加熱領域の外側の対向する端部を有する。
さらなる他の実施形態において、燃料入力部は、加熱領域の外側にありえ、空気入力部は、加熱領域の外側の対向端部にあり得る。例えば、図２１から図２４を参照して下さい。この実施形態において、空気及び燃料の両方からの反応生成物は、加熱領域内にありえ（図２１参照）、又は、それらは両方とも、各々の入力部からの対向端部に隣接する加熱領域の外側にあり得る（図２４参照）。あるいは、使い尽くされた酸素生成物が高温領域にある一方で、二酸化炭素及び水の生成物は高温領域にありえ（図２２参照）、又は、逆に、使い尽くされた酸素生成物が加熱領域にありえ、二酸化炭素及び水の生成物が加熱領域の外側にあり得る（図２３参照）。図２２及び図２３に示される燃料及び空気生成物に関する変形は、例えば、図１８から図２０に示される実施形態に適用され得る。
図２５Ａ及び図２７Ａに上部平面図で示され、図２７Ｂに側面図で示される本発明の他の実施形態では、燃料電池スティック装置１００は、パンハンドルデザインと称され得るものを有して提供される。燃料電池スティック装置１００は、１つの主要な軸におけるＣＴＥを有する、以前の実施形態に示される燃料電池スティック装置１０に対する寸法に類似し得る細長い部分１０２を有し、すなわち、それは、その幅及び厚さより十分に長い。燃料電池スティック装置１００は、より近くその長さに適合する幅を有する大きい表面積部分１０４をさらに有する。ＣＴＥが部分１０４の単一の主要な軸を有せず、むしろ長さ及び幅方向のＣＴＥ軸を有するように、部分１０４は、正方形の表面領域または長方形の表面領域を有し得るが、その幅は、その長さより十分に短い。大きい表面領域部分１０４は、高温領域３２に位置し、細長い部分１０２は、低温領域３０及び転移領域３１に少なくとも部分的に位置する。典型的な実施形態において、細長い部分１０２の一部は、高温領域３２に延びるが、これは必須ではない。例を通して、燃料及び空気供給部３４、３６は、電気接続と同様に、図６Ｂに示されるような方式で細長い部分１０２に接続され得る。
図２５Ｂ及び２６Ａにおいて、上部平面図が提供され、図２６Ｂにおいて、図２５Ａ、図２７Ａ及び図２７Ｂに示されるような実施形態と同様の代替案の実施形態の側面図が提供されるが、それは、２つの細長い部分１０２及び１０６の間に大きな表面積部分１０４を位置させるように、細長い部分１０２に対向する第２の細長い部分１０６をさらに有する。細長い部分１０６も低温領域３０及び転移領域３１に少なくとも部分的に位置する。この実施形態において、燃料は、細長い部分１０２に入れられ、空気は、細長い部分１０６に入れられ得る。例を通して、次いで、空気供給部３６及び燃料供給部３４は、図２または図３Ｂに示される方式でそれぞれ細長い部分１０６及び１０２に接続され得る。図２５Ｂに示されるように、空気出力部は、燃料入力部に近接する細長い部分に位置し、燃料出力部は、空気入力部に近接する細長い部分１０６に位置され得る。あるいは、空気及び燃料出力部の一方又は両方は、それぞれ上面図及び側面図で図２６Ａ及び図２６Ｂに示されるように、高温領域３２の大きな表面積部分１０４に位置し得る。当然ながら、図２５Ａ及び図２５Ｂの実施形態において、電解質２８を介在する、対向するアノード２４及びカソード２６の表面領域は、反応領域を増加するために高温領域３２において増加され、それによって、燃料電池スティック装置１００によって生成される出力を増加し得る。
本発明の燃料電池スティック装置１０、１００の他の利点は、低重量である。典型的な燃焼機関は、キロワットの出力あたり１８から３０ポンドのオーダーの重量である。本発明の燃料電池スティック装置１０、１００は、キロワットの出力あたり０．５ポンドのオーダーの重量で形成され得る。図２８Ａから図２８Ｄは、螺旋状の又は巻き取られた環状の形状を有する、本発明の環状の燃料電池スティック装置２００の代替案の実施形態を示す。図２８Ａは、巻かれていない位置における、装置２００の概略上面図である。装置２００の巻かれていない構造体は、螺旋状の又は巻き取られた環状の燃料電池スティック装置２００に相当する等しい長さＬの第１の端部２０２及び第２の端部２０４を有する。燃料注入口１２及び空気注入口１８は、第１の端部２０２に隣接して対向する側部に示される。次いで、燃料通路１４及び空気通路２０は、図２８Ｂに示される装置２００の巻かれていない構造体の概略端面図及び図２８Ｃの装置２００の巻かれていない構造体の概略側面図にさらに示されるように、燃料排出口１６及び空気排出口２２が第２の端部２０４にあるように、第２の端部２０４に対して装置２００の巻かれていない構造体の幅に沿って延びる。燃料通路１４及び空気通路２０は、燃料及び空気の流れを最小化するために、装置２００の巻かれていない構造体の長さＬの近くまで延びるように示されるが、本発明は、これに限定されない。螺旋状で管状の燃料電池スティック装置２００を形成するために、次いで、第１の端部２０２は、図２８Ｄの概略透視図で示される装置の螺旋状で管状の構造体を形成するために、第２の端部２０４に向かって巻かれる。次いで、空気供給部３６は、空気注入口１８への入力のために、螺旋状で管状の燃料電池スティック装置２００の一端部の位置し、燃料供給部３４は、燃料注入口１２への入力のために、螺旋状で管状の燃料電池スティック装置２００の対向する端部に位置し得る。次いで、空気及び燃料は、燃料排出口１６及び空気排出口２２を通して装置２００の長さＬに沿って螺旋状で管状の燃料電池スティック装置２００を出る。電圧ノード３８、４０は、螺旋状で管状の燃料電池スティック装置２００の対向する端部に形成されるか近接して形成される接触パッド４４に半田付けされ得る。
図２９Ａから２９Ｇは、燃料電池スティック装置が管状の同心の形態である本発明の代替案の実施形態を示す。図２９Ａは、同心の管状の燃料電池スティック装置３００を概略的な等角図法で示す。図２９Ｂから図２９Ｅは、図２９Ａの同心の装置３００の断面図を示す。図２９Ｆは、装置３００の空気入力端部における端面図を示し、図２９Ｇは、装置３００の燃料注入口における端面図を示す。示された特定の実施形態は、３つの空気通路２０を含み、１つは、管状構造体の中心にあり、他の２つは、離隔され、それとともに同心である。同心の管状の燃料電池スティック装置３００は、空気通路２０の間に、空気通路２０と同心である２つの燃料通路１４も有する。図２９Ａ−２９Ｄで示されるように、同心の管状の燃料電池スティック装置３００は、それらの各々の注入口１２、１８と対向して、一端に燃料通路１４に接続する燃料排出口１６と、他端に空気通路２０に接続する空気排出口２２とを含む。対向するアノード及びカソードを分離する電解質２８を有して、各々の空気通路２０は、カソード２６で覆われており、各々の燃料通路１４は、アノード２４で覆われている。図２９Ａ及び図２９Ｂ、及び、図２９Ｆ及び図２９Ｇに示されるように、電気接続は、同心の管状の燃料電池スティック装置３００の対向する端部における露出されたアノード及び露出されたカソード２７に対してなされ得る。接触パッド４４は、露出されたアノード２５及び露出されたカソード２７を接続するために端部に提供され、示されていないが、接触パッド４４は、端部におけるよりも、装置３００の長さに沿った点において電気接続がなされることを可能にするために装置３００の外側に沿って走ることができる。同心の管状の燃料電池スティック装置３００は、構造的な支持のために、空気及び燃料通路１４及び２０内に位置する支柱を含み得る。
一端に空気入力部及び燃料入力部、及び、他端に燃料入力部及び空気入力部を有する、対向する端部１１ａ、１１ｂにおける２つの低温領域３０を有する本発明の実施形態において、中心高温領域３２を出るとき、使用済みの燃料または空気は、加熱状態である。加熱された空気及び燃料は、それらが、転移領域を通って冷却領域３０に移動するに従って冷却する。電極及び／又はセラミックス／電解質の薄層は、空気通路２０を、平行な燃料通路１４と分離し、そして逆もまた同様である。１つの通路において、加熱された空気は、近接する平行な通路内で高温領域３２に出て、燃料は、高温領域３２に入り、そして逆もまた同様である。加熱された空気は、熱交換原理を用いて、近接する平行な通路の入ってくる燃料を加熱し、そして逆もまた同様である。従って、熱交換を通して空気及び燃料のいくらかの予熱がある。しかしながら、高温領域３２の外側の熱の急速な損失のために、上記で検討されたように、熱交換は、それが高温領域３２の活性領域に入る前は、最適な反応温度まで空気及び燃料を予熱するために十分ではあり得ない。さらに、燃料電池スティック装置１０が１つの低温領域（低温領域３０）及び１つの高温領域（高温領域３２）を含む実施形態において、生じる熱交換のための燃料及び空気の直交流がないように、燃料及び空気は、同一の低温端部３０に入り、同一の対向する高温端部３２を通って出る。入ってくる燃料及び空気に対する限定された熱交換のみが、燃料電池スティック装置１０の電極及びセラミックス材料から利用可能である。
図３０Ａから３３Ｃは、アノード２４及びカソード２６が対向する関係にある活性領域３３ｂに燃料及び空気が入る前に、燃料及び空気を加熱するために統合された予熱領域３３ａを有する、燃料電池スティック装置１０の様々な実施形態を示す。これらの実施形態は、中間の高温領域３２と、対向する低温端部３０にある燃料及び空気入力部と、を有する２つの低温端部３０がある燃料電池スティック装置１０、及び、１つの高温領域３２と、単一の低温端部３０にある燃料及び空気入力部の両方とがある燃料電池スティック装置３０を含む。これらの実施形態において、使用される電極材料の量は、活性領域３３ｂに対して電圧ノード３８、４０に対する外部接続のために低温領域３０にもたらされるほんの少量に制限される。これらの実施形態における他の利点は、より詳細に後に記載されるが、電子が、低抵抗を与える、外部電圧接続に対して移動するための最も短い可能な通路を有することである。
図３０Ａは、統合された予熱領域３３ａを有する、１つの低温領域３３及び１つの対向する高温領域３２を有する燃料電池スティック装置１０の第１の実施形態の概略側方断面図を示す。図３０Ｂは、空気通路２０を見下ろすアノード２４を通した図を断面的に示し、図３０Ｃは、燃料通路１４を見上げるカソード２６を通した図を断面的に示す。図３０Ａ及び図３０Ｂに示されるように、燃料供給部からの燃料は、燃料注入口１２を通って入り、燃料通路１４を通って装置１０の長さに沿って広がり、燃料排出口１６を通って装置１０の対向する端部から出る。低温領域３０は、燃料電池スティック装置１０の第１の端部１１ａにあり、高温領域３２は、対向する第２の端部１１ｂにある。高温及び低温領域間に転移領域３１がある。高温領域３２は、燃料が第１に移動する初期予備加熱領域３３ａ、及び、燃料通路１４に近接するアノード２４を含む活性領域３３ｂを有する。図３０Ｂに示されるように、アノード２４の断面積は、活性領域３３ｂにおいて大きい。負電圧ノード３８に対する接続のために、アノード２４は、燃料電池スティック装置１０の一端部まで延び、外部の接触パッド４４は、装置１０の外側に沿って、低温領域３０まで延びる。
同様に、図３０Ａ及び図３０Ｃに示されるように、空気供給部３６からの空気は、低温領域３０に位置する空気注入口１８を通って入り、その空気は、燃料電池スティック装置１０の長さに沿って空気通路２０を通って広がり、空気排出口２２を通って高温領域３２から出る。空気及び燃料が同一端部に入り、燃料電池スティック装置１０の長さに沿って同一に方向に移動するので、高温領域３２の前に熱交換によって空気及び燃料の制限された予熱がある。カソード２６はアノード２４に対向する関係で活性領域３３ｂに位置し、それが、正電圧ノード４０に対する接続のために、活性な高温領域３３ｂから低温領域３０まで延びる外部の接触パッド４４に露出され接続される燃料電池スティック装置１０の対向する側に延びる。しかしながら、露出されたカソード２７が、露出されたアノード２５のように装置１０の反対の側にあることは必要ではない。露出されたアノード２５及び露出されたカソード２７は、装置１０の同一側にありえ、接触パッド４４は、燃料電池スティック装置１０の側部の下方にストライプに形成される。この構造体によって、空気及び燃料は、第１に予熱領域３３ａで加熱され、ここで、反応は起こらず、アノード及びカソード材料の大部分は、加熱された空気及び燃料が入り、対向するアノード層及びカソード層２４，２６によって反応する活性領域３３ｂで制限される。
図３１Ａから図３１Ｃに示される実施形態は、１つの高温端部３２及び１つのい低温端部３０を有する以外は、図３０Ａから３０Ｃに示されるものと同様であり、図３１Ａから３１Ｃの実施形態は、中心高温領域３２を有する対向する低温領域３０を含む。燃料供給部３４からの燃料は、低温領域３０の燃料注入口１２を通って装置１０の第１の端部１１ａに入り、対向する低温領域３０に位置する燃料排出口１６を通って対向する第２の端部１１ｂから出る。同様に、空気供給部３６からの空気は、空気注入口１８を通って対向する低温領域３０に入り、空気排出口２２を通って第１の低温領域３０に出る。燃料は、高温領域３２に入り、予熱領域３３ａで予熱され、一方、空気は、高温領域３２の対向する側に入り、他の予熱領域３３ａで予熱される。従って、燃料及び空気の直交流がある。アノード２４は、高温領域３２の活性領域３３ｂのカソード２６に対向し、反応は、予熱された燃料及び空気を含む活性領域３３ｂで起こる。再び、電極材料の大部分は、活性領域３３ｂに限定される。アノード２４は、燃料電池スティック装置１０の一端部において露出し、カソード２６は、装置１０の他側において露出する。外部の接触パッド４４は、高温領域３２の露出されたアノード２５に接触し、負電圧ノード３８に対する接続のために、第１の低温端部１１ａに向かって延びる。同様に、外部の接触パッド４４は、高温領域３２の露出されたカソード２７に接触し、正電圧ノード４０に対する接続のために、第２の低温端部１１ｂに向かって延びる。
予熱領域３３ａは、気体が活性領域に達する前に、最適な反応温度に気体を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システムの効率はより低いだろう。空気及び燃料がそれらの通路上にあるので、それらは温められる。それらが温められると、電解質２８の効率は、その領域で増加する。燃料、空気及び電解質２８が炉の完全な温度に達する場合、電解質２８は、その最適な効率の下で動作する。貴金属から作られ得るアノード２４及びカソード２６に関する金を節約するために、金属は、依然として最適な温度以下にあるそれらの領域において排除されなければならい。予熱領域３３ａの量は、長さ又は他の寸法に関して、如何なる熱交換が燃料及び空気の直交流によって起こっているかに加えて、燃料電池スティック装置１０に対する炉、及び、燃料及び空気に対する燃料電池スティック装置１０からの熱移動の量に依存する。その寸法は、さらに燃料及び空気の流速に依存し、燃料又は空気が速く燃料電池スティック装置１０の長さにわたって下方に動く場合、より長い予熱領域３３ａが有利であり、流速が遅い場合、予熱領域３３ａはより短いかもしれない。
図３２Ａ及び図３２Ｂは、図３１Ａから図３１Ｃに示されるものと同様の実施形態を示すが、燃料電池スティック装置１０は、燃料注入口１２と、燃料が活性領域３３ｂに向かうより狭い燃料通路１４を通過する前に、予熱領域３３ａにおいて多量の燃料を予熱するための高温領域３２の延びる燃料通路１４との間に予熱チャンバーを含む。燃料電池スティック装置１０は、燃料注入口１８と、空気が活性領域３３ｂに向かうより狭い燃料通路２０を通過する前に、予熱領域３３ａにおいて多量の空気を予熱するための高温領域３２の延びる空気通路２０との間に予熱チャンバーを含む。上記の実施形態に示されるように、燃料電池スティック装置１０は、多数の燃料通路１４及び空気通路２０を含むことができ、それらの各々は、各々の予熱チャンバー１３、１９からの流れを受けるだろう。
予熱流路の代わりに高体積の予熱チャンバー１３、１９に関して、最適な温度まで加熱するために空気の一分子に対して５秒かかる場合、次いで、空気の分子が１秒毎に１インチだけ燃料電池スティック装置１０の下方に移動する場合、燃料電池スティック装置１０は、空気が活性領域３３ｂに入る前に、長さが５インチの予熱流路を必要とするだろうことが単に例として想像し得る。しかしながら、空気分子が、チャンバー内で加熱され、次いで、短い長さの流路が、加熱された空気分子を活性領域に供給するために使用され得るように、大体積のチャンバーが流路の変わりに提供される場合、この体積は、より狭い流路を活性領域３３ｂに入れる前に、分子がキャビティ内でさらなる回数だけ費やすことを許容する。このようなキャビティ又は予熱チャンバー１３、１９は、チャンバーを形成するためにグリーン（すなわち、焼結前の）組立体を使用し、組立体の端部に穴を開けることを含む多くの異なる方法で用意することができ、又は、それによってその有機材料が焼結中に燃料電池スティック装置から消失される、それが形成されるようにグリーン積層体内に多量の有機材料を含むことによって用意することができる。
図３３Ａから図３３Ｃは、空気及び燃料が活性領域３３ｂに達する前に空気及び燃料が予熱される他の実施形態を示す。図３３Ａは、燃料電池スティック装置１０の長手方向の中心を基本的に通った概略側方断面図である。図３３Ｂは、燃料通路１４及びアノード２４が交差する、３３Ｂ−３３Ｂ線に沿って得られる上部断面図であり、図３３Ｃは、空気通路２０がカソード２６に交差する、３３Ｃ−３３Ｃ線に沿って得られる底部断面図である。燃料電池スティック装置１０は、各々の低温領域３０と高温領域３２との間に転移領域３１を有する、２つの対向する低温領域３０及び中心の高温領域３を有する。燃料供給部３４からの燃料は、燃料注入口１２を通って燃料電池スティック装置１０の第１の端部１１ａに入り、高温領域３２の対向する端部に向かって延びる燃料通路１４を通って移動し、そこで、それは、Ｕターンし、第１の端部１１ａの低温領域３０に戻るように移動し、そこで、使用済みの燃料は、排出口１６を通って出る。同様に、空気供給部３６からの空気は、空気注入口１８を通って燃料電池スティック装置１０の第２の端部１１ｂに入り、高温領域３２の対向する端部に向かって延びる空気通路２０を通って移動し、そこで、それはＵターンし、第２の端部１１ｂに戻るように移動し、そこで、その空気は、空気排出口２２を通って低温領域３０から出る。これらのＵターンされる通路を用いて、屈曲部（Ｕターン）を通って高温領域３２に対する初期進入からの燃料通路１４の部分と空気通路２０は、燃料及び空気を予熱するための予熱領域を構成する。通路１４、２０における屈曲部又はＵターンの後に、この通路は、それらの間に電解質２８を有して対向する関係にある各々のアノード２４及びカソード２６に並んでおり、その領域は、高温領域３２の活性領域３３ｂを構成する。従って、燃料及び空気は、燃料電池スティック装置１０の効率を向上し、及び、電極材料の使用を最小にするために、活性領域３３ｂへの進入の前に予熱領域３３ａで加熱される。アノード２４は、負電圧ノード３８に対する電気接続のために、低温領域３０において装置１０の外側に延びる。同様に、カソード２６は、正電圧ノード４０に対する電気接続のために、装置１０の外側に延びる。燃料及び空気排出口１６及び２２も低温領域３０から出るかもしれない。
上記に示され記載された多くの実施形態において、アノード２４及びカソード２６は、それらが端部に達するまで、基本的に各々の層の中心領域で、すなわち装置の内側で、燃料電池スティック装置１０の層内を移動する。その点で、アノード２４及びカソード２６は、燃料電池スティック装置１０の外側にタブを付けられ、ここで、露出されたアノード２５及び露出されたカソード２７は、銀ペーストを付けることなどによって接触パッド４４と金属化され、次いで、ワイヤが接触パッド４４に半田付けされる。例えば、図４Ａ及び図４Ｂを参照して下さい。しかしながら、例えば図８Ａから９Ｂに示されるように、より高い電圧組み合わせに燃料電池スティック装置１０内の層を組み立てることが望ましいかもしれない。１キロワットの電力を生成する燃料電池スティック装置１０を形成することが望まれる場合、この出力は、電圧及び電流に割られる。１つの標準は、８３アンペアが１ＫＷの出力を生成するために必要とされるように、１２ボルトの電圧を使用することである。図８Ｂ及び図９Ｂにおいて、ビアは、並列な又は直列な組み合わせを形成するために電極層を相互接続するために使用された。
電極層を相互接続するための代替案の実施形態は、図３４Ａから３７に示される。燃料電池スティック装置１０の内部で電極層を相互接続するよりむしろ、これらの代替案の実施形態は、燃料電池スティック装置１０の側部に沿った、例えば銀ペーストからなる外部のストライプ（狭い電極パッド）、特に多数の小さなストライプを使用する。ストライプ技術を用いて、必要とされるあらゆる電流／電圧比を実現するための直列及び／又は並列の組み合わせを提供することができる単純な構造が形成される。さらに、外部のストライプは、内部のビアと比較して粘着性のない機械的な耐性を有し、それによって製造を単純化するだろう。また、外部のストライプは、ビアより低い抵抗（または等価な直列抵抗）をおそらく有する。外部のストライプがより低い電力の損失を有する燃料電池スティック装置１０からの電力を取り除くための能力を提供するように、導電通路のより低い抵抗は、その通路に沿ったより低い電力損失をもたらす。
ここで図３４Ａ及び図３４Ｂをより詳細に参照して、外部のアノード／カソードの直列の相互接続が示される。図３４Ａは、交互に配置されるアノード２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及びカソード２６ａ、２６ｂ、２６ｃの概略的な斜めの前面図を提供する。燃料電池スティック装置１０の長さに沿って、アノード２４ａ、２４ｂ、２４c及びカソード２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、露出されたアノード２５及び露出されたカソード２７を提供するために装置１０の端部に向かうタブを含む。次いで、図３４Ｂの概略側面図に最も良く示されるように、外部接触パッド４４（またはストライプ）が、露出されたアノード２５及びカソード２７上において、燃料電池スティック装置１０の外側に提供される。３対の対向するアノード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、燃料電池スティック装置１０は、３ボルト及び１アンペアを提供する。図３５において、この構造は、二倍になっており、この２つの構造体は、装置１０の側部の下方の長いストライプによって結合され、それによって、３ボルト及び２アンペアを提供する直接な平行設計の外部のアノード／カソード相互接続を提供する。
図３６Ａ及び図３６Ｂは、低い電力損失を提供するための低い等価な直列抵抗における実施形態を提供する。この実施形態において、高温領域３２は、第１の端部１１ａ及び第２の端部１１ｂが低温領域３０にある燃料電池スティック装置１０の中心にある。燃料は、第１の端部１１ａにおける燃料注入口１２を通って入り、空気は、第２の端部１１ｂにおける空気注入口を通って入る。燃料電池スティック装置１０の活性領域である高温領域３２内において、アノード２４及びカソード２６は、アノード２４が一側に露出され、カソード２６が対向する側に露出されながら、装置１０の側方に露出される。接触パッド４４（又はストライプ）は、露出されるアノード２５及びカソード２７上に付けられる。次いで、燃料電池スティック装置１０の端部は、金属被覆が低温領域３０に達するまで装置１０の側部の長さに沿って金属化され、ここで、低温半田接続部４６は、負電圧ノード３８及び正電圧ノード４０に形成される。アノード２４及びカソード２６は、それらが他の機能を有するので、低抵抗のためのみに最適化されることができない。例えば、電極は、空気又は燃料が電解質２８に向かって通過することを可能にするために多孔質でありえ、多孔度は、抵抗を増加させる。さらに、電極は多層の燃料電池スティック装置１０において良好な層密度を可能にするために薄いに違いなく、電極が薄ければ薄い程、抵抗は高くなる。より厚い接触パッドを燃料電池スティック装置１０の端部（側部）４４に付けることによって、半田接続４６に対する低抵抗通路を提供することが可能である。接触パッド４４が厚くなればなる程、抵抗は低くなる。例えば、電極層内の全てのボイドを過ぎて、燃料電池スティック装置１０内の電極の下に電子が１０インチ移動しなければならない場合、最小の抵抗の通路は、例えば、装置１０の側方端部に向かって０．５インチ移動し、次いで、外部の非多孔質の接触パッド４４の下方に１０インチだけ移動するだろう。従って、低温領域３０まで延びる燃料電池スティック装置１０の外部に沿った長い接触パッド４４は、より低抵抗の導電通路を提供することによって、より低い損失を有する燃料電池スティック装置１０から、電力が取り除かれることを可能にする。従って、ストライプ技術は、電力を増加するための直列及び並列接続を形成するために燃料電池スティック装置１０の活性領域（高温領域３２）で使用されえ、低温端部３０に対する装置１０の側部の下方への長いストライプは、燃料電池スティック装置１０から電力が効率的に取り除かれることを可能にする。
図３７は、高温領域３２が装置１０の第２の端部１１ｂにあると共に、燃料電池スティック装置１０の第１の端部１１ａにおける単一の低温領域３０を有することを除いて、図３６Ｂに示されるものと同様の実施形態を概略等角図法で示す。多数の垂直のストライプまたは接触パッド４４は、直列及び／又は並列な接続を形成するために高温領域内に提供され、装置１０の側部の下方の垂直な長いストライプまたは接触パッド４４は、正電圧ノード４０及び負電圧ノード３８に対する低温半田付け接続４６を形成するために高温領域３２から低温領域３０まで提供される。
燃料通路１４及び空気通路２０を形成するための１つの方法は、後の焼結工程中にベークアウトすることができる層状構造の有機材料をグリーン内に犠牲層として配置することである。１ＫＷまたは１０ＫＷの電力などの高い電力出力を有する個々の燃料電池スティック装置１０を組み立てるために、燃料電池スティック装置１０は、長く、幅広くなければならず、多い層数を有しなければならない。例を通して、燃料電池スティック装置は、１２インチから１８インチの長さのオーダーであり得る。セラミックを焼結し、犠牲の有機材料を取り除くためにグリーン構造体を焼成する場合、燃料通路１４を形成するために使用される有機材料は、それぞれ燃料注入口及び燃料排出口を形成する開口１２及び１６を通して出なければならない。同様に、空気通路２０を形成するために使用される有機材料は、それぞれ空気注入口及び空気排出口を形成する開口１８及び２２を通ってベークアウトしなければならない。装置がより長く、より幅広くなればなるほど、これらの開口を通して有機材料を出すことがより困難になる。装置がベークアウト中に非常に速く加熱されると、材料が構造体から出るより速く有機材料の分解が起こるので、様々な層は剥離し得る。
図３８Ａ及び図３８Ｂは、有機材料（犠牲層）７２のベークアウトにおける多数の出口間隙を提供する代替案の実施形態を概略上部断面図で示す。図３８Ａに示されるように、多数の開口７０は、構造体を出るための有機材料７２用の多数のベークアウト通路を提供するために、燃料電池スティック装置１０の一側に提供される。図３８Ｂに示されるように、ベークアウト後に、次いで、多数の開口７０は、燃料電池スティック装置１０の側部に障壁被覆６０を付けることによって閉じられる。例を通して、障壁被覆６０は、ガラス被覆であり得る。他の例において、障壁被覆６０は、セラミックファイバを含有するガラスであり得る。さらに他の実施形態において、障壁被覆６０は、次いで生成された電力用の低い抵抗通路として機能する、例えばペーストが充填された接触パッド４４であり得る。銀ペーストは、増加した接着性のためにガラスも含み得る。典型的な実施形態において、対向する電極間の短絡を防止するために、カソード２６用のベークアウト通路は、燃料電池スティック装置１０の一側に通じ、アノード２４用のベークアウト通路は、その装置１０の他側に通じる。
燃料電池スティック装置１０、１００、２００、３００における代替案の実施形態において、カソード２６またはアノード２４がそれぞれ内側を覆った開放空気通路２０及び燃料通路１４を有するよりむしろ、カソード及び空気流路は、結合され、アノード及び燃料流路は、空気または燃料の流れを許容する多孔性の電極材料の使用を介して結合され得る。カソード及びアノードは、反応が起こるのを許容するためにいずれにしても多孔性でなければならず、従って押込空気及び燃料入口と共に、十分な流れは、反応が起こることを生じさせる出力を許容するために、燃料電池スティック装置を用いて達成され得る。
本発明の他の実施形態は、図３９の概略断面端部図に示される。この実施形態は、基本的に燃料電池スティック装置１０のアノード支持バージョンである。他の実施形態と同じように、燃料電池スティック装置１０は、高温端部３２及び低温端部３０を有するか、中間の高温領域３２を有する２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装置１０を有するよりむしろ、アノード支持バージョンは、支持構造体としてアノード材料を使用する。アノード構造内に、燃料通過１４及び空気通路２０が対向する関係で提供される。空気通路２０は、電解質層２８で内側が覆われ、次いでカソード層２６で内側が覆われる。化学気相蒸着は、内層を堆積するために使用され、又は、粘着性のペーストの溶液を用いることによって使用される。
図４０Ａ及び図４０Ｂにおいて、さらなる実施形態が燃料電池スティック装置１０のアノード支持バージョンにおいて示される。この実施形態において、多孔性のアノード２４が燃料通路１４として機能するように別個の開放燃料通路は除去される。さらに、燃料電池スティック装置１０は、装置１０の側部の外側に燃料が出るのを防止するために、ガラス被覆あるいはセラミック被覆のような、障壁被覆６０で覆われる。燃料電池スティック装置１０は、アノード構造において関連する電解質２８及びカソード２６を有する望まれるほどの空気通路１４を有し得る。図４０Ｂに示されるように、燃料供給部３４からの燃料は、燃料通路として機能する多孔性のアノード２４を通って第１の端部１１ａに押し込まれ、空気供給部３６からの空気と反応するために電解質層２８及びカソード２６を通過し、次いで、使用済みの空気及び燃料は、空気排出口２２から出ることができる。
図４１Ａに概略断面端部図で示され、図４１Ｂに概略断面上面図で示される他の実施形態において、燃料電池スティック装置１０は、単一の燃料注入口１２を通して多数の空気通路２０に燃料供給部３４からの燃料を供給するために、アノード支持構造内に提供される複数の空気通路２０、及び、多数の空気通路２０に垂直な単一の燃料通路１４を含み得る。再び、空気通路２０は、電解質層２８で内側が覆われ、次いでカソード２６で内側が覆われる。燃料は、空気通路２０内の空気と反応するためにアノード２４を通って、電解質２８を通って、及び、カソード２６を通って単一の燃料通路１４から通過し、使用済みの燃料及び空気は、空気排出口２２から出る。使用済みの燃料は、被覆されない側部が、単一の燃料通路１４の位置から装置１０の反対の側部に位置する、障壁被覆６０を含まない燃料電池スティック装置１０の側部にしみ出ることもある。
アノード支持構造に関する実施形態において、当然ながら、この構造体は、カソード支持構造であるように基本的に逆にされるかもしれない。次いで、電解質層２８及びアノード層２４が被覆された燃料通路１４は、カソード構造体内に提供される。別個の空気通路２０又は多数の空気通路２０が提供されることもでき、又は、カソード２６の多孔性が空気流れ用に使用されることができる。
図４２Ａから図４２Ｃは、空気通路２０及び燃料通路１４内に電極を形成する方法を示す。例として燃料通路１４及びアノード２４を取ると、グリーンセラミックの層及び金属テープ層を用いた層、又は、印刷金属被覆によって、グリーン構造体層を形成するよりもむしろ、本実施形態において、燃料電池スティック装置１０は、電極なしに最初に組み立てられる。換言すれば、グリーンセラミック材料は、燃料電池スティック装置１０の電解質２８及びセラミック支持部分２９を形成するために使用され、有機材料は、燃料通路１４などの通路を形成するために使用される。燃料電池スティック装置１０が焼結された後、燃料通過１４は、アノードペーストまたは溶液で満たされる。このペーストは、印刷インクのように厚いか、又は、高含有量の溶液のように粘性が低いかもしれない。アノード材料は、毛細管力によって、又は、空気圧力中にそれを強制することによって真空中でそれを吸引するなどのあらゆる所望の手段によって燃料通路１４に満たされることができる。
あるいは、図４２Ａから図４２Ｃに示されるように、アノード材料は、溶液中に溶解され、燃料通路１４に流れ出て、次いで析出する。例えば、ｐＨの変化を通して、アノード粒子は析出されることができ、その溶液は、引き延ばされる。他の代替案において、アノード粒子は、沈殿することが単に許容されることができ、次いで、液体は、乾燥し、又は、燃料通路１４からベークアウトされる。この沈殿物は、低い粘性のために、例えばどんなに延長された期間にわたって粒子を懸濁液中に維持しないインク又は液体キャリアを生成することによって達成され得る。遠心分離機は、沈殿物を強制するために使われることもできる。遠心分離機は、それによって電極材料を節約し、燃料通路１４の一表面のみが電解質として機能することを保証する、燃料通路１４の一表面にほとんどの粒子の優先的な沈殿を容易に可能にすることができる。
図４２Ｂに示されるように、通路１４が完全に満たされるまで、図４２Ａに示されるように、アノード粒子含有溶液６６は、燃料通路１４に引っ張られる。次いで、図４２Ｃに示されるように、粒子は、アノード層２４を形成するために、通路１４の底に沈殿する。溶液６６の流れ込みは、通常の毛細管力と比較して、重力、真空、または、遠心分離機によって加速され得る。勿論アノード２４及び燃料通路１４が例として使用された一方で、これらの代替案の実施形態の何れも、空気通路２０内にカソード層２６を生成するためにカソードペーストまたは溶液を用いて使用され得る。
他の代替案において、セラミック電極材料（アノードまたはカソード）は、液体のゾル-ゲル状態でこの通路（燃料または空気）に注がれ、次いで、通路内に堆積され得る。液体の所望の電極材料の濃度が低い場合、または、電極内に特性の勾配を提供するために（電解質から離れた電極のＹＳＺの量に対して、電解質に近い電極内に異なる量のＹＳＺを提供するような）、または、異種の材料の多くの層が共に置かれることが望まれる場合（電解質の付近にＬＳＭで作られたカソード、及び、良好な導電性のためにＬＳＭの上部に対する銀など）などに、多数回充填作業を繰り返すことも可能である。
空気及び燃料通路２０、１４に対する構造的な支持体を提供するためにセラミック球またはボールが使用された図７Ｃ及び図７Ｄを参照すると、セラミック粒子は、より大きな反応領域に対する有効な表面積を増加するために使用され、それによって高い出力を与え得る。非常に微細なサイズのセラミックボール又は粒子は、電極層を適用する前に、燃料通路１４及び空気通路２０の内側に使用されることができる。概略的な側方断面図で図４３に示されるように、表面粒子６２は、電解質層を受容するために利用可能な表面積を増加する平坦でない形状を有する電解質層２８を提供するために、通路１４に整列する。次いで、アノード２４は、表面粒子６２付近全体を被覆するアノード材料を有する平坦ではない形状上に付けられ、それによって反応領域を増加する。
図４４に概略的な側方断面図で示される他の実施形態において、電解質層２８は、Ｖ形状のパターンを有する微細な傾斜に対してグリーン電解質層を加圧することなどによって、平坦でない形状またはテクスチャード加工された表面層６４を提供するために積層されえ、そのパターンが次いで電解質層２８に与えられる。電解質層２８がセラミック及びテクスチャード加工された表面層６４を固めるために焼結された後、高い反応領域を有するアノードを提供するために、図４２Ａから図４２Ｃで上記された埋め戻し（バックフィル）工程を用いるなどによって、アノード層２４が付けられ得る。
本発明のさらなる他の実施形態は、図４５Ａ及び図４５Ｂに示される。図４５Ａは、空気及び燃料通路を通る空気及び燃料、並びに、電極の配置を示す概略上面図であり、図４５Ｂは、高温領域３２を通る断面図である。燃料電池スティック装置１０の長さに沿って、装置は、それらの間に中間部またはブリッジ部８４を有する左側部８０及び右側部８２に分けられる。複数の空気通路２０Ｌは、左側部８０を通って長さに沿って燃料電池スティック装置１０の第１の端部１１ａから延び、第２の端部１１ｂに隣接する左側部８０から出て、複数の空気通路２０Ｒは、右側部８２を通って長さに沿って第１の端部１１ａから延び、第２の端部１１ｂに隣接する右側部８２において、燃料電池スティック装置１０を出る。空気通路２０Ｌは、最も良く図４５Ｂに示されるように、空気通路２０Ｒとオフセットされる。複数の燃料通路１４Ｌは、左側部８０を通って長さに沿って燃料電池スティック装置１０の第２の端部から延び、第１の端部１１ａに隣接する左側部８０に出て、複数の燃料通路１４Ｒは、右側部８２を通って長さに沿って第２の端部１１ｂから延び、第１の端部１１ａに隣接する右側部８２に出る。燃料通路１４Ｌは、燃料通路１４Ｒとオフセットされる。さらに、１つの燃料通路及び１つの空気通路の例外として、各々の燃料通路１４Ｌは、空気通路２０Ｒと対にされると共に若干オフセットされ、各々の空気通路２０Ｌは、燃料通路１４Ｒと対にされると共に若干オフセットされる。燃料通路１４Ｌ及び空気通路２０Ｒの各々のオフセット対において、金属被覆は、左側部８０から右側部８２まで各々の燃料通路１４Ｌに沿って延び、そこで、それは、若干オフセットされた空気通路２０Ｒに沿って延長する。同様に、燃料通路１４Ｒ及び空気通路２０Ｌの各々のオフセット対において、金属被覆は、左側部８０から右側部８２まで各々の空気通路２０Ｌに沿って延び、そこで、それは、若干オフセットされた燃料通路１４Ｒに沿って延びる。金属被覆が燃料通路１４Ｌまたは１４Ｒの沿って延びる場合、金属被覆はアノード２４Ｌまたは２４Ｒとして機能し、金属被覆が空気通路２０Ｌまたは２０Ｒに沿って延びる場合、金属被覆は、カソード２６Ｌまたは２６Ｒとして機能する。金属被覆が如何なる空気又は燃料通路に沿っても延びない、燃料電池スティック装置１０のブリッジ部８４において、金属被覆は、単にアノードとカソードとの間のブリッジ９０として機能する。本発明の一実施形態において、金属被覆は、アノード２４Ｌまたは２４Ｒ、ブリッジ９０、及び、カソード２６Ｌまたは２６Ｒの各々が同一材料を有するように、その長さに沿って同一の材料を含み得る。例えば、金属被覆はそれぞれ、アノードまたはカソードとして良好に機能する白金金属を含み得る。あるいは、金属被覆は、異なり材料を含み得る。例えば、カソード２６Ｒまたは２６Ｌは、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）を含み、一方、アノード２４Ｒまたは２４Ｌは、ニッケル、ＮｉＯ、またはＮｉＯ＋ＹＳＺを含み得る。ブリッジ９０は、パラジウム、白金、ＬＳＭ、ニッケル、ＮｉＯ、または、ＮｉＯ＋ＹＳＺを含み得る。本発明は、カソードまたはアノード、あるいはそれらの間のブリッジの材料として使用されるのに相応しい材料の組み合わせ又はタイプを意図し、本発明は、上記で特定された特定の材料に限定されない。
ここで右側部８２において示されるような、燃料電池スティック装置１０の一側において、燃料通路１４Ｒは、外部の露出されたアノード２５を提供するために燃料電池スティック装置１０の右端まで延びる、関連するアノード２４Ｒが備えられる。この燃料通路１４Ｒと関連するオフセット空気通路２０Ｌはなく、アノード２４Ｒは、左側部８０まで延びる必要がない。図４５Ａに示されるように、外部の接触パッド４４は、露出されたアノード２５上に付けられ、燃料電池スティック装置１０の長さに沿って低温領域３０まで延びる。次いで、負電圧ノード３８は、ワイヤ４２及び半田接続４６によって接触パッドに接続され得る。アノード２４Ｒは、示されるように、高温領域３２を通って右端まで延び、又は、使用される電極材料の量を低減するために小さなタブ部まで延びることができる。また、このような実施形態が電極材料の不必要な使用を伴うであろうけれども、アノード２４Ｒは、燃料通路１４Ｒの長さに沿って燃料電池スティック装置１０の右端まで延びることができる。
同様に、左側部８０として示されるような、燃料電池スティック装置１０の他の側部において、単一の空気通路２０Ｌは、露出されたカソード２７を形成するために燃料電池スティック装置１０の左側部まで延びる、関連するカソード２６Ｌが備えられる。この空気通路２０Ｌは、オフセット燃料通路１４Ｒと関連しないが、カソード２６Ｌが右側部８２まで延びることは必要ではない。接触パッド４４は、露出されたカソード２７から低温端部３０まで燃料電池スティック装置１０の左側部８０の外側に沿って付けられ、そこで、正電圧ノード４０は、ワイヤ４２及び半田接続４６を用いて接触パッド４４に接続され得る。
図４５Ｂにおいて、単一の燃料通路１４Ｒ及び関連するアノード２４Ｒは、右側部８２の上部に示され、一方、単一の空気通路２０Ｌ及び関連するカソード２６Ｌは、燃料電池スティック装置１０の左側部８０の底部に示される。しかしながら、本発明は、そのような配置に限定されない。例えば、空気通路２０Ｌ及び関連するカソード２６Ｌは、単一の燃料通路１４Ｒ及びその関連するアノード２４Ｒと同様のオフセット方式で、左側部８０において装置１０の上部にも提供され得るが、金属被覆は、ブリッジ部８４を介して左側部８０から右側部８２まで走らない。むしろ、ブリッジ９０は、アノード２４Ｒがカソード２６Ｌと電気的に分離されるように欠如するだろう。直列に接続される電池を有する、単一の燃料電池スティック装置１０内に２つの独特の空気通路積層体及び２つの独特の燃料通路積層体が備えられ得る燃料電池スティック装置１０である追加の配置が考えられる。図４５Ａ及び図４５Ｂに示される実施形態は、低抵抗を維持しながら、電流を増加させることなく電圧を増加させるという利点を有する。さらに、この実施形態は、燃料電池スティック装置１０内に高い密度を提供する。
図４６Ａ及び図４６Ｂにおいて、代替案の実施形態は、それぞれ概略斜視図及び概略断面図で示される。前述の実施形態（例えば、図３７）は、電子が低温端部まで移動するための低抵抗の通路を提供するために、高温領域３２から低温領域３０まで燃料電池スティック装置１０の外側の側部または端部の沿った外部ストライプを提供した。図４６Ａ及び図４６Ｂの実施形態において、装置１０の側部または端部の下のストライプの代わりに、接触パッド４４は、アノード２４に対する外部接続のために、一側並びに上部及び底部表面の一方に沿って付けられ、他の接触パッド４４は、カソード２６に対する外部接続のために、他側並びに上部及び底部表面の他方に沿って付けられる。従って、電子は、それに沿って移動するための大きな又は幅広い通路を有し、それによって均一なより低い抵抗を提供する。２つの隣接表面上に付けられるこれらの大きな接触パッド４４は、ここに開示された実施形態の何れにおいても使用され得る。
図４７において、熱交換原理の利点を有する燃料電池スティック装置１０の他の実施形態が概略断面側部で示される。加熱された空気及び燃料が高温領域３２の活性領域３３ｂ（すなわち、アノード２４が、アノード及びカソードの間に電解質２８を有してカソード２６に対して位置する高温領域３２の部分）を通過した後、燃料通路１４及び空気通路２０は、単一の排気通路２１に結合される。あらゆる未反応の燃料は、加熱空気と結合した際に燃焼し、従って、さらなる熱を生成する。排気通路２１は、排気（使用済みの燃料及び空気）の流れの方向が隣接する燃料及び空気通路１４、２０の入ってくる燃料及び空気の方向と反対であるように、活性領域３３ｂに隣接する低温領域３０に向かって移動する。排気通路２１において生成された追加の熱は、入ってくる燃料及び空気を加熱するために、隣接する通路１４、２０に移動される。
図４８Ａから図４８Ｃは、図４８Ａに示されるような、薄い部分４０４より大きい厚さを有する厚い部分４０２を有する“端部が巻かれた燃料電池スティック装置”４００を示す。燃料及び空気注入口１２、１８は、厚い部分４０２の端部にある第１の端部１１ａに隣接して位置し、示されないが、空気及び燃料排出口（１６、２２）は、薄い部分４０４の端部にある対向する第２の端部１１ｂに隣接する装置４００の側部に提供され得る。厚い部分４０２は、機械的強度を提供するために十分に厚くあるべきである。これは、隣接した燃料及び空気注入口１２、１８の周囲に厚いセラミック２９を提供することによって達成され得る。薄い部分４０４は、それらの間に（前の実施形態のように）電解質（示されない）を有するカソード（示されない）に対向する関係でアノード（示されない）を含む活性領域３３ｂ（示されない）を含む。薄い部分４０４は、それが、図４８Ｂに示されるように、グリーン（未焼成）状態にある間に巻かれることができるように十分薄くあるべきである。薄い部分４０４が所望の厚さに巻かれた後、装置４００は焼成される。次いで、巻かれた薄い部分４０４は、反応を起こすために加熱されえ、一方、厚い部分４０２は、他の実施形態において検討されたように低温端部である。端部が巻かれた燃料電池スティック装置４００は、薄い部分４０４を巻くことによって小さな空間に適合し得る大きな表面積の装置である。さらに、薄い部分４０４の活性領域（３３ｂ）の薄い断面は、セラミックに沿った外への熱移動を低減し、良好な温度サイクル性能を可能にする。
アノード２４及びカソード２６が活性（反応）領域３２及び／又は３３ｂにおいて燃料電池スティック装置１０の端部（側部）に露出される実施形態において、装置１０の上部のセラミック２９は、活性領域３２及び／又は３３ｂの領域にリセスされ得る。これは、電気接続を形成するために上部からカソード２６及びアノード２４の両方に対する接続を可能にする。次いで、接触パッド４４（例えば、金属被覆ストライプ）は、高温領域チャンバー／炉の外側に対する接続を提供するために、燃料電池スティック装置１０の上部表面に沿って活性領域３２及び／又は３３ｂから低温領域３０まで付けられ得る。
燃料電池スティック装置１０が、対向する端部１１ａ、１１ｂに２つの低温領域、及び、中央に高温領域を有する他の実施形態において、アノード２４及び／又はカソード２６における接触パッド４４（例えば、金属被覆ストライプ）は、例えば図３６Ｂに示されるように、燃料電池スティック装置１０の両方の端部１１ａ、１１ｂに対する外側の高温領域３２から進む。次いで、２つの別個の電気接続は、アノード２４及びカソード２６の各々に対してなされ得る。限定ではなく例として、一組の接続は、電池からの電圧出力を監視するために使用されえ、他の組みの接続は、負荷を接続し、電流が流れることを可能にすることができる。電池自体において個別に電圧を測定する能力は、電池からの全出力のより良いアイディアを与えるという利点を有する。
接触パッド４４（例えば、金属被覆ストライプ）において、当業者に周知のあらゆる適切な導電材料が使用され得る。例として、銀、ＬＳＭ及びＮｉＯが含まれる。材料の組み合わせも使用され得る。一実施形態において、非貴金属の材料は、高温領域３２において燃料電池スティック装置１０の表面に沿って使用され得る。ＬＳＭは、例えば、高温領域チャンバー／炉の雰囲気が酸化雰囲気である場合に使用され得る。ＮｉＯは、例えば、高温領域チャンバー／炉の雰囲気が還元雰囲気である場合に使用され得る。しかしながら、どちらの場合も、燃料電池スティック装置１０が高温領域チャンバー／炉を出る直前に、金属被覆材料が貴金属または腐食抵抗材料に遷移されなければならないので、材料が高温領域のチャンバー／炉の外側に延長する場合、非貴金属材料は導電性を失う。銀ペーストは、便利な貴金属材料である。さらなる説明として、ＬＳＭなどの特定の材料は、反応温度から室温まで温度が低下するので非導電性になり、ニッケルなどの他の材料は、装置１０の低温端部３０において空気にさらされる場合、非導電性になる。従って、燃料電池スティック装置１０の低温端部領域３０の接触パッド４４における金属被覆材料は、空気中（すなわち、非保護雰囲気）で低温において導電性でなければならない。金属被覆材料が、燃料電池スティック装置１０が高温領域チャンバー／炉を出る前に貴金属に遷移されることができるように、銀などの貴金属は、温度／雰囲気転移領域を超えて機能する。材料の組み合わせの使用は、低温領域に対する高温領域３２における導電性の特定の要求に依存する材料選択を可能にし、使用される高価な貴金属の量を低減させることによってコストを低減させることを可能にする。
図４９Ａから図４９Ｃに示されるように、ワイヤ９２又は他の物理的な構造体は、グリーン層を組み立てる工程中に装置に配置され（図４９Ａ）、次いで、これらの層は、配置されるワイヤ９２と積層され（図４９Ｂ）、次いでワイヤ９２は積層後に除去される（図４９Ｃ）。例えば、これは、ガス流路１４、２０が燃料電池スティック装置１０の高温領域３２（反応領域）に入る前に、燃料電池スティック装置１０が数インチの長さを有し得る、燃料又は空気の入口ポイントにおいて有用である。通路を形成するための工程中にゆっくりベークアウトしなければならない高分子を印刷する代わりに、ワイヤ工程は、燃料電池スティック装置１０のその部分からのベークアウト試みを取り除くために使用され得る。限定ではなく例として、直径０．０１０インチを有するワイヤが使用され、それは容易に引き出される。ワイヤ９２は、ワイヤと同様の体積を有するが断面が短いリボン状の物理的な構造体を形成するために平坦に巻かれ得る。リボンがより大きな表面積を有するので、離型剤は、積層中にセラミック層にそれが固着しないようにするためにその表面に付けられ得る。従って、“ワイヤ”という用語は、長くて細かったり、断面が円形、楕円形、正方形、長方形などの様々な物理的な構造体を広く含むものである。
図５０Ａから図５０Ｃは、１つの層の燃料電池スティック装置１０における入口流路を形成する例を示す。この例において、燃料及び酸化剤通路１４、２０全体を形成するために間隙形成テープ９４（例えば、高分子またはワックステープ）を用いるよりむしろ、間隙形成テープ９４は、活性領域３３ｂでのみ使用され、すなわち、アノード２４及びカソード２６がそれらの間に電解質２８を有して対向関係で位置する領域で使用される。燃料及び酸化剤通路１４、２０が関連する対向したアノード２４及びカソード２６を有しない非活性領域において、ワイヤ９２は、間隙形成テープ９４の代わりに使用される。示されるように、ワイヤ９２及び間隙形成テープ９４によって形成される通路１４、２０が注入口１２、１８から排出口１６、２２（示されない）まで連続するように、ワイヤ９２は、間隙形成テープに接触または間隙形成テープを覆う。
燃料電池スティック装置がますます複雑になるので、それは、このワイヤコンセプトを使用することはますます有用になり得る。例えば、多層の燃料電池スティック装置１０（例えば、５０層）の複雑なベークアウト焼失試みが単純化され得る。これは、部分的には、結合剤除去における試みが、特に複雑な構造体において、燃料電池スティック装置１０の外側にそれらが生成される（高分子の分解から）位置から結合剤ベークアウト生成物が移動しなければならないためである。しかしながら、ワイヤ９２が構造体から引っ張られた後、このボイドに沿った通路は何もない状態になる。ワイヤ９２（または、他の適切な物理的な構造体）が複雑な構造体に引き込まれ、次いで引っ張られる場合、それによって生成されたボイドは、ベークアウト生成物において構造体内の多くの領域が構造体の外側の通路を早急に見出すことを可能にする。
ワイヤコンセプトにおける他の有用な目的は、燃料電池スティック装置１０内の圧力分布を補助することである。単一のチューブが燃料電池スティック装置１０に空気または燃料を供給している場合、異なる流速は、燃料電池スティック装置１０内の多くの通路／流路に沿って存在し得る。例えば、５０個の活性層に対応する５０個の空気通路２０が燃料電池スティック装置１０内にある場合、若干大きな断面積を有する１つの通路、及び、若干小さな断面積を有する通路があり得る。これは、間隙形成材料の寸法のランダム変動によって引き起こる。１つの解決法は、各々の層の出口の断面積を制限することである。各々の層の出口ポイントの断面積が、それらの断面積が等しくなるように正確に形成された場合、及び、出口ポイントの面積が流れ流路の面積未満である場合、及び、それらの出口ポイント全ての面積が入口チューブの断面積未満である場合、流れは、各々の層において等しいだろう。これは、ガス流量及び液体流量の現実に一致する。ワイヤコンセプトは、この解決法を可能にする。各々の層の出口ポイントにおいて、ワイヤ９２は、外側の世界への気体の最終的な通路を形成するために挿入される。５０個の層に対して、５０個の短いワイヤ片が挿入される。それらが引き抜かれるとき、各々の層は、正確な出口寸法（例えば、５ミリの直径の通路）を有する。
従って、本発明は、各々の層の出口ポイントが流れ通路断面積自体より断面積で小さい、多層の燃料電池スティック装置１０を予期する。本発明は、さらに、各々の層の出口ポイントが幾つかの所定の場所に同一の断面積を正確に有するようにそれらが正確に機械加工された多層の燃料電池スティック装置１０を意図する。本発明は、さらに、合わせられた全ての出口の面積が入力部の断面積より小さい多層の燃料電池スティック装置１０を意図する。これらの実施形態において、出口ポイントの断面積は、層の活性部分の端部上であるが燃料電池スティック装置１０の出力ポイントの端部の前にある流れ通路の幾つかの場所にあると定義される。換言すれば、流路におけるこのネックダウンポイントは、活性領域からの下流のどこかである燃料電池スティック装置１０の出力ポイントにおいて正確である必要はない。
前の実施形態において、高温領域３２及び高温チャンバーが検討されている。高温領域チャンバーは、炉と称されるかもしれない。低温領域または低温端部領域３０は、炉の外側に位置する。転移領域３２は、炉の内側の領域に隣接する燃料電池スティック装置１０の領域である。図５１に示されるように、炉壁９６は、総厚Ｔを有する。燃料電池スティック装置１０は、この炉壁９６を通過する。壁９６において燃料電池スティック装置１０の長さは、Ｘ寸法であって、厚さＴに等しい。燃料電池スティック装置１０の幅は、それが壁９６を通過するので、Ｙ寸法である。燃料電池スティック装置１０の厚さは、Ｚ寸法である。この実施形態の目的において、ＺはＹ以下である。
本発明の一実施形態によれば、最適な条件において、炉壁厚さＴは、それが壁９６を通過するので、燃料電池スティック装置１０の幅Ｙより大きくあるべきである。ＴがＹ未満である場合、燃料電池スティック装置１０における圧力は、それが、壁９６を通過するので、非常に高くありえ、燃料電池スティック装置１０はクラックを生じ得る。
図５２Ａから図５２Ｃに示される他の実施形態において、寸法Ｌは、それが炉壁９６を通過する部分において燃料電池スティック装置１０（１００、２００、３００または４００）の装置の長さに垂直な方向に直交する平面（すなわち、Ｙ−Ｘ平面）の最大寸法である。長方形の燃料電池スティック装置１０（１００、４００）において、最大寸法Ｌは、図５２Ｂに示されるように対角線であり得る。管状の燃料電池スティック装置２００、３００において、最大寸法Ｌは、直径であり得る。最適条件において、寸法は、Ｔ＞ＶｉＬであるようにしなければならない。
壁厚Ｔは、１つの均一な材料（絶縁体）９８で形成し得る。あるいは、図５３に示されるように、起り得る最良の温度転移結果を与えるように各々の層において熱移動特性が最適化されるように、壁厚Ｔは、例えば３つの絶縁層９８ａ、９８ｂ、９８ｃなどの多数の等級の付けられた絶縁層で形成され得る。多層の炉壁９６’の場合、合わされた全ての層の総厚Ｔは、Ｙより大きく、及び／又は、ＶｉＬ以上でなければならないが、壁９６’の１つの層の厚さは、Ｙ未満であり、及び／又は、ＶｉＬ未満であり得る。
図５４に示される他の実施形態において、絶縁体９８ａ、９８ｃの多くの層が空隙１２０によって分離され得る多層の炉壁９６”が提供される。このデザインにおいて、高温領域３２に近い高温絶縁層９８ｃ、及び、低温領域３０に近い低温絶縁層９８ａがあり得る。次いで、中間の（中程度の）温度領域は、例えば、転移領域３１または予熱領域３３ａに対応する２つの絶縁層９８ａ及び９８ｃの間に位置する。この実施形態は、炉の最も高い温度の領域をより大きくすることなく、燃料電池スティック装置１０に流れる空気に対するより長い予熱領域を可能にする。この実施形態において、それが壁９６”を通過するので、壁９６”の１つの層の厚さは、燃料電池スティック装置１０のＹ寸法未満であり、及び／又は、ＶｉＬ未満であるようにされ得る。しかし、層９８ａ及び９８ｃ並びに空隙１２０を含む壁９６”の総寸法Ｔは、燃料電池スティック装置のＹ寸法より大きく、及び／又は、ＶｉＬ以上であるだろう。この実施形態は、さらに２を超える絶縁層を考慮する。
最初にアノード及びカソードなしで燃料電池スティック装置１０を形成し、次いで、それらの要素を後に埋め戻すアイディアが上記で検討された。これをする理由は、特定のアノードまたはカソード材料が、Ｚｒの焼結温度で圧縮し過ぎるためであり、密度が高すぎる場合、それは、良好な反応を許容しない。あるいは、より一般的に言えば、システムの異なった構成要素が同じ温度分布を有して最適に焼結されることを望まない場合、埋め戻しは必要であり得る。
しかしながら、アノードまたはカソードの上部に集電板を提供することはより困難である。以下に検討される図５５Ａから５５Ｅに示されるような集電板が、アノードまたはカソードの表面部分として位置する高密度の電極であることは当業者に周知である。それは、一般に、微細なワイヤのような、高導電性の層またはマトリクスであり、それは、電子を集めることができ、電子が移動することが必要とされる場所に電子を移動させることができる。集電板１２２は、ＮｉＯ、ＬＳＭ、または、幾つかの他の低コストの材料、場合によっては貴金属電極で作られ得る。アノード及びカソードを形成するための埋め戻し工程に続いて、同一の方法で正確な集電板に配置することは困難である。しかし、集電板の試みは、アノードまたはカソードの試みとは異なる。集電板は望ましくは密度が高い（良好な導電性のために）のに対して、アノード及びカソードが多孔性であることが望ましく、それは、過度の焼成の危険を引き起こす。従って、潜在的に、それは、Ｚｒと共焼成され得る。集電板は、アノード及びカソードの下にあり、電解質２８に接触するように、集電板１２２が埋め戻し前に電解質２８に配置されることができる一方で、この配置は、電解質２８上における活性領域を阻止し、それは、活性領域の不必要な浪費である。
図５５Ａから図５５Ｅに示される本発明の一実施形態によれば、集電板１２２は、燃料電池スティック装置１０内の空間にそれらが浮くように、位置され、共焼成される。これは、図５５Ａに概略的に示されるように、第１の犠牲有機層７２ａ（例えば、高分子）の上部に集電板１２２を印刷し、次いで、集電板１２２の上部にわたって第２の犠牲有機層７２ｂ（例えば、高分子）を被覆することによって達成され得る。集電板１２２は、図５５Ｂに示されるように、それによって２つの犠牲有機層７２ａ、７２ｂの間に挟まれる。燃料電池スティック装置１０は、図５５Ｃに示されるように、セラミック支持構造体２９内に犠牲層／集電板構造体を配置することを含んで組み立てられ、次いで焼結される。それによって、犠牲有機層７２ａ、７２ｂは、間隙１２３を形成するために消え、集電板１２２は、図５５Ｄに示されるように、間隙１２３内の空間に浮いたままになる。次いで、アノードまたはカソード形成を完成するために、多孔性のアノードまたはカソードを間隙１２３に埋め戻すことは容易である。支柱５４の使用は、上に記述されるように、機械的な支持を提供し、又は、その位置を標準化するために、図５５Ｅに示されるように、浮いている集電板１２２が、支柱５４に載るように使用され得る。これを達成するために、集電板材料がホールの下方に周期的に印刷するように、周期的なビアホールまたは小さな間隙は、高分子の第１の犠牲層７２ａ内に生成され得る。結合剤の除去の後に、この満たされたホールは、支柱５４になる。あるいは、ジルコニアボールは、犠牲高分子間隙材料に加えられ得る。犠牲高分子が溶解するので、集電板１２２は、それらのボールに固着し、このボールは、セラミック支持構造体２９に固着し、図５６Ａ及び図５６Ｂに示されるように、それによって支持体を提供するだろう。次いで、多孔性のアノード２４またはカソード２６は、図５７Ａ及び５７Ｂに示されるように、電極粒子１２４が埋め込みにおいて粘稠液１２６内に保持され、次いで、この装置が乾燥され、粒子が沈殿し、及び、アノード２４またはカソード２６を形成するために焼結されるその空間に埋め込まれ得る。アノード又はカソード粒子は、それが有用である場合、一側に選択的に堆積され得る（重量によって又は遠心分離機によって）。
印刷されたハッチラインを使う集電板に関して、集電板１２２において挟まれたまたは阻止されるようになる通路をもたらす空気または燃料通路１４、２０の間隙寸法の幾らかの変化があり得る。この変化は、焼結中のランダム寸法変化によって起こる。図５８Ａから図５８Ｃは、通路１４、２０の妨害をほとんど引き起こす集電板１２２の一例を示す顕微鏡写真である。通過１４、２０における目的は、明らか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、これは、不必要に燃料電池スティック装置１０の密度を増加させるだろう（通路が厚くなり、層が厚くなるほど、多層装置の電力密度が低くなる）。本発明の一実施形態によれば、通路１４、２０が集電板１２２において阻止される可能性を低下させるために、集電板ラインは、多孔性のアノード２４及びカソード２６内に埋め込まれ得る。図５９がアノード２４及びカソード２６の表面に集電板１２２を示し、図６０がアノード２４及びカソード２６の表面に埋め込まれる集電板１２２を示す、図５９及び図６０に示されるように、集電板１２２が多孔性のアノード及びカソード２４、２６の厚さに埋め込まれる（または、アノード／カソードに実質的に埋め込まれる）場合、集電板１２２は、気体の通路の流れを阻止する可能性が低いだろう。図６９は、多孔性のアノード及びカソードにリセスされている実際の集電板トレースを示す。
集電体１２２を埋め込む方法は、図６１Ａから図６１Ｃに示される。第１に、一時的な基板１２８に集電体１２２を分注し、又は、印刷する。次いで、ペーストを印刷し、又は、電極粒子１２４を含む粘稠液１２６で埋め込み、及び、乾燥することなどによって、集電体１２２を電極材料で覆う。最終的に、一時的な基板１２８を除去する。乾燥された電極−オン−プラスチックがひっくり返され、プラスチックが剥がされるように、一時的な基板１２８は、乾燥後に電極材料に対する適切な付着性のみを有する一片のプラスチック材料であり得る。同一又は同様の結果は、集電体１２２及びアノード／カソード２４、２６を、積層体に挿入される間隙形成テープ９４に置くことによって達成され、焼失及び焼結中に、間隙形成テープ９４は消え、同一の最終結果物を残す。
集電体１２２の上部にアノード２４またはカソード２６を印刷する場合、集電体１２２が少し溶解し広がる傾向があるので、異なる溶解度を有する材料が使用される（極端な場合、集電体１２２は、極性溶剤に溶解可能な樹脂材料を含み、多孔性電極インクは、非極性溶剤に溶解可能な樹脂材料を有することができる）。集電体１２２の余りに多くの広がりは、多孔性アノード２４またはカソード２６に対する気体の拡散を減少させるように作用するので、これが広がることを制限することは望ましい。従って、集電体１２２の幾らかの広がりは起こるが、集電体１２２の少なくとも一部は、望ましくは多孔性材料内に埋め込まれる。従って、本発明は、燃料通路１４または空気通路２０内への集電体１２２の突出を低減するために、集電体通路１２２の幾らかの部分が多孔性アノード２４またはカソード２６にリセスされる集電体通路を考慮する。
多層の燃料電池スティック装置１０の活性領域３３ｂにおいて、例えば１０μｍである、できるだけ薄い電解質２８を有することが望まれる。しかし、非常に薄い電解質は、装置の空気及び燃料側部間のリークを有する可能性を増加させる。より薄い電解質は、より高い出力を与え得るが、薄過ぎることは、クラックまたはリークをもたらし、その層からのゼロ出力を与える。この発明の一実施形態によれば、活性領域３３ｂの電解質２８の最小許容可能厚さに対する鍵は、アノード及びカソード厚さが総厚に寄与し、従って全体の強度に寄与するということである。限定ではない単なる例として、１００μｍの厚さがクラックを防止するために要求され、アノード２４及びカソード２６の各々が４５μｍである場合、１０μｍの電解質の厚さが良好に機能するだろう（４５＋４５＋１０＝１００）。
多層の燃料電池スティック装置１０の受動的な領域（対向するアノード及びカソードを有しない領域）において、必要とされる、異なる厚さがある。この受動的な領域は、空気及び燃料の分配に関与する。これは、空気及び燃料の分配通路が重畳するように、多くの図面において示されている。ここでこの要求は、クラックを防止するために特定の厚さを有することでもあるが、アノード２４及びカソード２６を有することなく、ここでセラミック２９は、活性領域３３ｂのセラミック電解質層２８より厚くなければならない。上記の例のように、受動的な領域のセラミック２９は、１００μｍでなければならず、一方、活性領域３３ｂのセラミック電解質が１０μｍなどのように薄くなければならない。
本発明の実施形態によれば、２つの厚さを有するセラミック電解質２８、２９：受動気体通路領域の厚いセラミック２９及び活性領域３３ｂの薄いセラミック電解質２８の個々の層を実現するための方法が提供される。この方法は、図６２から図６２Ａに示されるが、受動的な気体流領域にセラミック２９を生成するためにセラミックテープ１３の３つの片を使用し、ここで、対向するアノード２４及びカソード２６間のセラミック電解質２８として機能するために、テープの片１３０ａ、１３０ｃは途切れ、中心層１３０ｂのみが活性領域３３ｂまで連続する。
低温接続用の炉を出る細長い構造体に関連して多数のアイディアが提供される。しかしながら、アイディアの多くは、炉を出ない、及び／又は、プレート形状または類似物を有する多層の燃料電池装置にも使用され得る。本発明において達成可能な装置の密度は、接続が炉内の高温燃料電池装置に対してなされる他の燃料電池装置及びシステムで達成される。例えば、他の燃料電池装置で使用され得る、ここに開示されたコンセプトは、出口または入口通路、２つの電極に役立つ１つの通路、重力または遠心分離機を用いて一側に対する電極懸濁液を乾燥するパドル形状の装置、終点用の側部間隙、及び、シリーズデザインを形成するために使用される高分子テープ、丸いボールが満たされた高分子テープ、ワイヤを含む。
集電体１２２は、電極（アノード２４及びカソード２６）で生成され又は消費される電子が、負荷（電圧ノード３８、４０）に向かう途中で低抵抗通路内を移動することを可能にする目的を有する。最適な電極デザインは、それがいくつかのことがすぐに起きることを可能にしなくてはならないので、それほど導電性ではない：気体が流れることを可能にする微細孔があり、電解質に向かって酸素イオンが流れることを可能にするために電子伝導体がある。微細孔及びセラミックの存在は、電極全体が電子伝導体のみで作られる場合よりそれが高抵抗を有することを意味する。
電子が自由にされると、それが高伝導通路を移動することを可能にすることは重要である。集電体に対する既存のデザインは、多孔性を残したまま、導電体から電解質セラミックを除去することに基づく。これは、より伝導性が高い層を生成する。これは、アノードまたはカソード全体にわたって印刷される。多層構造体のこのデザインの１つの欠点は、アノード／カソード材料が焼結後に加えられなければならない場合、記載されるように２つの別の層を生成することが困難であり得るということである。集電体を共焼成することの利点は、上に記載される。
本発明の実施形態によれば、高密度の伝導材料（すなわち、それがアノード２４またはカソード２６全体にわたって印刷された場合、それが反応を抑制するように、多孔性がほとんどない又は全くない）を含む集電体１２２が使用され、それは、ハッチパターンで印刷される。一実施形態において、集電体は、ハッチパターンとも称される直線パターンで印刷され、中を通る気体用にハッチマーク間に空間を残す。多孔性のアノード２４及びカソード２６のガス透過率は、ハッチライン間の多孔性材料に入る気体がハッチラインの下にも流れるようなものである。ライン間のピッチとライン幅自体を変えることによって、最適な形状を見出すことが可能である。例として、０．００６インチの線幅と０．０３０インチのラインピッチが使用され得る。図６３は、ハッチパターンを有する集電体１２２の上面図を示す。図６４は、多孔性のアノードまたはカソード上の集電体１２２の側面図を示す。図６５は、上部から底部に向かって順に、集電体ハッチ、多孔性の上部電極、電解質、下部電極（破砕のために電解質から突き出ている）を示す、角度のついた図を示す。活性領域が大きくなるにつれて、異なる領域の線幅を変えることも可能になるだろう。小さい伝導体ラインは、より大きな伝導体ラインに合流することができ、より大きなラインは、さらにより大きな伝導体ラインに合流することができる。
燃料及び空気供給部３４、３６を燃料電池スティック装置１０に接続するためのフレキシブルな供給チューブ５０が上記されている。供給チューブ５０を伸縮して開放することによって、それは、燃料電池スティック装置１０の端部１１ａ、１１ｂの一方の上を滑ることができる。接着剤は、所定の場所にそれを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、燃料電池スティック装置１０が所定の場所に供給チューブ５０を機械的保持することができるように、図６６Ａ及び図６６Ｂに示されるように、側部上に刻み目１３２を有する燃料電池スティック装置１０の端部１１ａ（及び／又は１１ｂ）を形成することである。これは、ルーターまたはエンドミルを用いて燃料電池スティック装置１０を機械加工することによってグリーン状態で最も都合よく実現される。
これに基づいて、それぞれ上部概略断面図及び透視図において図６７Ａ及び図６７Ｂに示されるように、燃料電池スティック装置１０の端部１１ａ（及び／又は１１ｂ）上に固定することができるコネクタ１３４も使用されることができる。コネクタ１３４は、燃料電池スティック装置１０のデザインに依存して１つ又は２つである、統合された電気接触部１３６及び気体流路１３８、及び、接触パッド４４に接触するために１つ又は２つの電気接触部１３６であり、オーリング１４０の形態のような気密シールを有する成型プラスチックであり得る。１つの極性が燃料電池スティック装置１０の各々の端部において燃料電池スティック装置１０を出るように、燃料電池スティック装置１０が２つの端部を有する燃料電池スティック装置１０である場合、コネクタ１３４は、より低い抵抗の接触を与えるように、燃料電池スティック装置１０の各々の端部において２つ又はそれ以上の電気接触部１３６を依然として有することができる。電気接触部１３６は、燃料電池スティック装置１０の側部、又は、燃料電池スティック装置１０の上部及び底部にあり得る。その後者は、接触部が幅広であるためにより低い抵抗を与えるだろう。
示されていないが、コネクタ１３４は、２つのオーリングを有し、それによって、コネクタ１３４内に、一方が空気用であり、他方が燃料用である２つのシール部分を提供することができる。このようなコネクタは、シングルエンド燃料電池スティック装置１０として使用することができ、それは、正及び負の接触部、並びに、空気及び燃料供給を提供する。
上に記載された実施形態は、この装置において２つの対向する端部１１ａ、１１ｂを包含した。しかしながら、上に記載された燃料電池スティック装置１０のコンセプトは、炉を出る２つより多い端部または出口ポイントを有する装置５００に適用することができる。例えば、図６８Ａ及び図６８Ｂは、４つの出口ポイントを有する装置を示す。４つの場所は、空気注入口１８、空気排出口２２、燃料注入口１２、及び燃料排出口１６を提供し得る。これは、未燃の燃料を炉加熱作業に再利用することを容易にすることができる。３つ又は６つなどの、２つ及び４つ以外の出口ポイントが使用され得る。
支持ボールの使用（図７Ｃ及び図７Ｄを参照）は、例えば正方形のプレートの装置である、燃料電池スティック装置１０以外の燃料電池装置で使用し得る。支持ボールは、互いを崩壊させる異なる層を有することなく、より大きな領域が多層の構造体内に生成されることを可能にする。この装置は、一般的な多層のプレート内に大きな開放領域を有し得る。あるいは、この装置は、その領域を満たす、０．５インチ幅で、大きいインチである通路を有し得る。何れの場合も、ここに開示されたボール技術は有利であろう。
ボールのキーのアイディアは、それらが丸く、それが穴を防止することができるということである。電解質、アノード及びカソードを薄く形成する必要があるので（密度のために、及び、高性能のために）、不規則な形状の材料の使用から穴が生じる可能性がある。サンドまたはグリットは、電解質を掘り、リークを引き起こす。他方、電解質は、リークまたは裂け目を引き起こすことなくボールの周囲を穏やかに変形することができる。同様に、図７Ａ及び図７Ｂは、燃料電池スティック装置１０の形態以外の多層の燃料電池構造で使用され得る。
図３８Ａ及び図３８Ｂでは、我々は、後に密閉されることができる多層のベークアウト口の使用を示す。これは、ＳＯＦＣまたは他の燃料電池装置へのあらゆる多層の取り組みのための有利なコンセプトである。再び、大きいプレートに関して、設計者は、生成される大きな面積の気体通路、及び、それらの空間を満たす有機材料を除くための必要性を有するだろう。しかしながら、典型的には、たった１つの燃料入口ポイント及び１つの燃料出口ポイントがある。同じことが空気側についても言える。このような大きな面積を有するが、非常に少ない出口ポイントを有する有機材料に関して、最も大きな製造の試みの１つは層剥離を避けることでありそうである。
これに対する解決法は、多数のベークアウトポイント、ベークアウト気体又は液体（ワックスが使用される場合）が構造体全体における最小の圧力を有して構造体から出ることを可能にする小さい開口を生成することである。多層構造体が焼結された後、リークを防止するためにそれらの小さなベークアウトポイントに戻り、固体材料で満たすことが容易である。
ワイヤ９２のコンセプトは、上記のベークアウト口のコンセプトのように沢山あり、多層構造体において非常に有用である。プレート内に２０または５０の活性層がある４インチの正方形のプレートを形成することを想像して下さい。より容易な有機体の除去のためにベークアウト口を作ることを望むだろう。しかし、これらの都合が良いベークアウト口がプレートの中心に達することができるなら、さらに良いだろう。ワイヤ９２を挿入し、次いで積層後にそれを引っ張ることによって、これは、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と外の世界との間に行くために非常に長い距離を有するかもしれない幾つかの領域を切り込み得る。上記で検討されたように、このコンセプトは、正確にワイヤでなければならないものではない。それは、まさに最も都合が良い形態である。それは、それが低い表面積を有するからである。物質の小片は、平坦でありえ、例えば０．００２インチの厚さで０．２００インチの幅である。このような場合、それは、層が固着することを防止するために離型剤で覆われている必要があるかもしれない。とにかく、このアイディアは、有機体の除去を容易にするために、構造体内に挿入され、次いで除去される物質の小片である。
他の実施形態において、ワックスを有するカーボンテープは、間隙形成テープ９４として使用される。試みは、燃料電池スティック装置１０内に分裂または剥離を引き起こすことなく間隙形成材料が均等に出てくることである。アノード２４及びカソード２６内の他の高分子材料及び電解質２８がベークアウトし得るように開放流路を残しながら、魔法のように正確な時間に材料が消えるのであれば、より良いだろう。１つのアプローチは、ワックスを使用することである。焼き流し鋳造（所謂低ワックス法）で使用されるワックスは、多層の構造体を積層するために使用される積層温度を超えるが、１５０から３００℃の結合剤焼失温度以下である９０℃付近で良好に溶融する。しかし、２ミリの厚さのシートにそれを鋳造する場合、ワックスは理想的ではない。それは、所望の強度を有しない。それは接触に対して脆い。ワックスは、薄い部分でより強くあるべきである。これに対する解決法は、それに強度を与えるために、ワックスと数種類の繊維を結合することである。１つの選択肢は、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形状で、又は、織り込まれた繊維形状で購入されることができ、それは、実際の布に似ている。他の繊維も可能であり得る。炭素繊維にワックスをしみ込ませることによって、最適な特性が得られる。炭素／ワックス複合体は、間隙を形成するために多層の構造体に入れることができる。積層後に、温度は、ワックスの融点まで上昇し、次いで、ワックスは、液体に変わり、燃料電池スティック装置１０から出る。これは、炭素繊維内に開放空気通路を残し、それは、構造体内の周囲の高分子材料の容易なベークアウトを可能にする。炭素繊維は、７５０℃程度の温度まで揮発（ＣＯ２になる）しない。従って、それによって結合剤除去用の明確な通路を残す結合剤のベークアウトが起こる前に、主要な間隙形成材料の１つが消えない構造体を形成することが可能である。次いで、中間温度において、高分子自体は、揮発し得る。最終的に、高温において、炭素繊維は、消失し得る。図７０は、この炭素−ワックスの組合せを用いた焼結後にワックス及び炭素繊維が無くなった後の残された間隙の画像である。
本発明は、１つ又はそれ以上の実施形態の記載によって示されており、この実施形態がかなり詳細に示されているが、それらは、添付された特許請求の範囲の範囲をこのような具体例にどのような面においても制限し限定するものではない。さらなる利点及び修正は、当業者に容易であると思われる。従って、そのより広い側面において本発明は、示され記載された特定の具体例、代表的な装置及び方法、並びに、例示的な実施例に限定されない。従って、一般的な発明の概念から逸脱することなく、このような具体例からの逸脱がなされ得る。
１０ 燃料電池スティック装置
１１ａ 第１の端部
１１ｂ 第２の端部
１２ 燃料注入口
１３ 燃料予熱チャンバー
１４ 燃料通路
１６ 燃料排出口
１８ 空気注入口
１９ 空気予熱チャンバー
２０ 空気通路
２１ 排気通路
２２ 空気排出口
２４ アノード層
２５ 露出したアノード部
２６ カソード層
２７ 露出したカソード部
２８ 電解質層
２９ セラミック
３０ 低温領域（または第２の温度）
３１ 転移領域
３２ 高温領域（あるいは、加熱された領域または第１の温度領域）
３３ａ 予熱領域
３３ｂ 活性領域
３４ 燃料供給部
３６ 空気供給部
３８ 負電圧ノード
４０ 正電圧ノード
４２ ワイヤ
４４ 接触パッド
４６ 半田接続部
４８ スプリングクリップ
５０ 供給チューブ
５２ タイラップ
５４ 支柱
５６ 第１のビア
５８ 第２のビア
６０ 障壁被覆
６２ 表面粒子
６４ テクスチャード加工された表面層
６６ アノード懸濁液
７０ 開口
７２ａ、７２ｂ 有機材料／犠牲層
８０ 左側
８２ 右側
８４ ブリッジ部
９０ ブリッジ
９２ ワイヤ（物理的）構造
９４ 間隙形成テープ
９６ 炉壁
９６’ 多層の炉壁
９６” 空隙を有する多層の炉壁
９８ａ、９８ｂ、９８ｃ 絶縁体
１００ 燃料電池スティック装置
１０２ 細長い部分
１０４ 大きい表面積の部分
１０６ 細長い部分
１２０ 空隙
１２２ 集電体
１２３ 空隙
１２４ 電極粒子
１２６ 粘稠液
１２８ 一時的な基板
１３０ セラミックテープ
１３２ 刻み目
１３４ コネクタ
１３６ 電気接触部
１３８ 気体流路
１４０ オーリング
２００ 螺旋管状燃料電池スティック装置
３００ 同心管状燃料電池スティック装置
４００ 端部が巻かれた燃料電池スティック装置
４０２ 厚い部分
４０４ 薄い部分
５００ 燃料電池スティック装置

Claims (75)

  1. 最長の寸法である長さを有する細長い基板であって、前記細長い基板が、前記長さと同延である唯一の主要な軸を有する熱膨張係数と、動作反応温度まで加熱されるように構成された前記長さの第１の部分に沿った反応領域と、前記反応領域が加熱される際に前記動作反応温度以下の温度に保持するように構成された前記長さの第２の部分に沿った少なくとも１つの低温領域と、を有する細長い基板と、
    前記反応領域を通って前記少なくとも１つの低温領域の燃料注入口から延びる第１の燃料通路と、前記反応領域から燃料排出口まで延びる第２の燃料通路と、を各々が有し、各々の第１の燃料通路が前記反応領域の関連するアノードを有する、前記細長い基板内の１つ又はそれ以上の燃料通路と、
    前記反応領域を通って前記少なくとも１つの低温領域の酸化剤注入口から延びる第１の酸化剤通路と、前記反応領域から酸化剤排出口まで延びる第２の酸化剤通路と、を各々が有し、各々の第１の酸化剤通路が、前記関連するアノードのそれぞれの１つに関して対向して位置する前記反応領域に関連するカソードを有する、前記細長い基板内の１つ又はそれ以上の酸化剤通路と、
    前記反応領域の各々の対向するアノード及びカソード間に配置される電解質と、を含む燃料電池装置であって、
    前記１つ又はそれ以上の燃料通路及び酸化剤通路の各々が、前記それぞれの第１の燃料通路及び第１の酸化剤通路の断面積より小さい断面積を有する前記それぞれの第２の燃料通路及び第２の酸化剤通路にネックダウンポイントを含む、燃料電池装置。
  2. 前記より小さい断面積は、前記ネックダウンポイントから前記それぞれの燃料排出口及び酸化剤排出口まで延びる、請求項１に記載の燃料電池装置。
  3. 前記より小さい断面積は、前記第２の燃料通路の各々において値が等しい、請求項１に記載の燃料電池装置。
  4. 前記より小さい断面積は、前記第２の酸化剤通路の各々において値が等しい、請求項１に記載の燃料電池装置。
  5. 前記１つ又はそれ以上の燃料通路に燃料の流入口を提供するために前記燃料注入口に結合される燃料供給部と、
    前記１つ又はそれ以上の酸化剤通路に酸化剤の流入口を提供するために前記酸化剤注入口に結合される酸化剤供給部と、
    を含む、請求項１に記載の燃料電池装置。
  6. 前記第２の燃料通路の各々における前記より小さい断面積の合計が、前記燃料注入口の断面積未満である、請求項５に記載の燃料電池装置。
  7. 前記第２の酸化剤通路の各々における前記より小さい断面積の合計が、前記酸化剤流入口の断面積未満である、請求項５に記載の燃料電池装置。
  8. 前記より小さい断面積が前記第２の燃料通路の各々及び前記酸化剤通路の各々において値が等しく、前記第２の燃料通路の各々における前記より小さい断面積の合計が、前記燃料流入口の断面積未満であり、前記第２の酸化剤通路の各々における前記より小さい断面積の合計が、前記酸化剤流入口の断面積未満である、請求項５に記載の燃料電池装置。
  9. 前記燃料供給部及び空気供給部が、前記それぞれの燃料注入口及び酸化剤注入口に対して固定される軟質ゴムまたはプラスチックチューブによって結合される、請求項５に記載の燃料電池装置。
  10. 前記動作反応温度まで前記反応領域を加熱するために前記第１の部分に隣接して位置する熱源と、
    前記動作反応領域以下の温度に前記少なくとも１つの低温領域を維持するために構成される、前記熱源と前記少なくとも１つの低温領域との間の絶縁領域と、
    をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池装置。
  11. 前記アノード及びカソードの各々が、前記動作反応温度以下の温度における電気接続のために前記少なくとも１つの低温領域の外部表面まで延びる電気通路を有する、請求項１に記載の燃料電池装置。
  12. 前記アノードの電気通路に電気接触する前記少なくとも１つの低温領域の外部表面に付けられる第１の金属接触パッドと、前記第１の金属接触パッドと負電圧ノードとの間の第１の電圧接続と、
    前記カソードの電気通路に電気接触する前記少なくとも１つの低温領域の外部表面に付けられる第２の金属接触パッドと、前記第２の金属接触パッドと正電圧ノードとの間の第２の電圧接続と、
    をさらに含む、請求項１１に記載の燃料電池装置。
  13. 前記アノードの電気通路が、前記関連する第１の燃料通路から、前記反応領域の第１の外部表面まで、及び、前記少なくとも１つの低温領域のそれぞれの外部表面に対する前記反応領域の第１の外部表面に付けられる第１の外部金属被覆まで延び、前記カソードの電気通路が、前記関連する第１の酸化剤通路から、前記反応領域の第２の外部表面まで、及び、前記少なくとも１つの低温領域のそれぞれの外部表面に対する前記反応領域の第２の外部表面に付けられる第２の外部金属被覆まで延びる、請求項１２に記載の燃料電池装置。
  14. 前記少なくとも１つの低温領域が、第１及び第２の低温領域間に位置する前記反応領域を有する前記細長い基板のそれぞれの第１及び第２の端部に位置する前記第１及び第２の低温領域と、前記第１の低温領域に位置する前記燃料注入口と、前記第２の低温領域に位置する前記酸化剤注入口と、を含む、請求項１に記載の燃料電池装置。
  15. 高温領域チャンバーと、
    請求項１に記載の複数の燃料電池装置であって、各々が、前記高温領域チャンバーにおいて前記反応領域を有して位置し、前記少なくとも１つの低温領域が前記高温領域チャンバーの外側に延びる燃料電池装置と、
    前記高温領域チャンバーに結合され、前記高温領域チャンバー内において前記動作反応温度まで前記反応領域を加熱するために構成される熱源と、
    前記１つ又はそれ以上の燃料通路に燃料の流入口を提供するために前記燃料注入口に結合される燃料供給部と、
    前記１つ又はそれ以上の酸化剤通路に酸化剤の流入口を提供するために前記酸化剤注入口に結合される酸化剤供給部と、
    を含む燃料電池システム。
  16. 前記動作反応温度以下の温度に前記少なくとも１つの低温領域を維持するために構成される前記熱源と前記少なくとも１つの低温領域との間の絶縁領域をさらに含む、請求項１５に記載の燃料電池システム。
  17. 前記より小さい断面積が前記第２の燃料通路の各々及び前記第２の酸化剤通路の各々において値が等しく、前記第２の燃料通路の各々における前記より小さい断面積の合計が、前記燃料流入口の断面積未満であり、前記第２の酸化剤通路の各々における前記より小さい断面積の合計が、前記酸化剤流入口の断面積未満である、請求項１５に記載の燃料電池システム。
  18. 前記アノード及びカソードの各々が、前記動作反応温度以下の温度における電気接続のために前記少なくとも１つの低温領域の外部表面まで延びる電気通路を有し、
    前記システムが、
    前記アノードの電気通路に電気接触する前記少なくとも１つの低温領域の外部表面に対する第１の電圧接続と、
    前記カソードの電気通路に電気接触する前記少なくとも１つの低温領域の外部表面に対する第２の電圧接続と、
    をさらに含む、請求項１５に記載の燃料電池システム。
  19. 前記反応領域を有する前記細長い基板を、高温領域チャンバーと前記高温領域チャンバーの外側に延びる前記少なくとも１つの低温領域とに位置させる段階と、
    ３００℃以下の温度に前記少なくとも１つの低温領域を維持しながら、４００℃を超える動作温度まで前記反応領域を加熱するために前記高温領域チャンバーに熱を供給する段階と、
    燃料及び酸化剤を前記加熱された反応領域に供給し、それによって燃料及び酸化剤が反応する段階と、
    を含む、請求項１に記載の装置の使用方法。
  20. 前記反応領域を有する前記細長い基板を、高温領域チャンバーと、前記高温領域チャンバーの外側に延びる前記少なくとも１つの低温領域、及び、前記高温領域チャンバーの外側のそれぞれの燃料注入口及び酸化剤注入口に結合される前記燃料供給部及び酸化剤供給部とに位置させる段階と、
    ３００℃以下の温度に前記少なくとも１つの低温領域を維持しながら、４００℃を超える動作温度まで前記反応領域を加熱するために前記高温領域チャンバーに熱を供給する段階と、
    前記第１の燃料通路及び第１の酸化剤通路を通して燃料及び酸化剤を前記加熱された反応領域に供給し、それによって燃料及び酸化剤が反応する段階と、
    を含む、請求項８に記載の装置の使用方法。
  21. 前記細長い基板の長さを提供するように採寸された第１の細長いグリーンセラミック層を提供する段階と、
    前記第１の細長いグリーンセラミック層の第１の側部にアノード層を付け、前記第１の細長いグリーンセラミック層の対向する第１の側部にカソード層を付ける段階であって、前記アノード層及びカソード層が、前記細長い基板の反応領域に対応するように設計された領域内に概して位置する段階と、
    前記アノード及びカソードの各々の上に犠牲有機層を付ける段階と、
    前記それぞれの犠牲有機層を覆う各々の除去可能な構造体の第１の端部と、少なくとも前記第１の細長いグリーンセラミック層の端部まで延びる第２の端部と、を有する前記細長いグリーンセラミック層の第１及び第２の側部の各々の上に除去可能な構造体を位置させる段階であって、各々の除去可能な構造体が、前記第１の断面積未満の第２の断面積を有する段階と、
    前記第１の細長いグリーンセラミック層に概して位置する前記第１及び第２の側部の各々の上における前記犠牲有機層及び除去可能な構造体上に第２の細長いグリーンセラミック層を付ける段階と、
    積層された構造体を形成するために全ての前記層及び除去可能な構造体を積層する段階と、
    前記第２の燃料通路及び第２の酸化剤通路のネックダウンポイントを形成するために、前記積層された構造体から前記除去可能な構造体を除去する段階と、
    前記反応領域の前記第１の燃料通路及び酸化剤通路を形成するために前記犠牲有機層を焼失するために十分な温度まで前記積層された構造体を加熱する段階と、
    を含む、請求項１に記載の装置の製造方法
  22. 前記除去可能な構造体の各々の第２の端部が、前記それぞれの燃料排出口または酸化剤排出口の位置に対応する端部まで延び、前記除去可能な構造体を除去する段階が、前記第２の燃料通路、第２の酸化剤通路、第２の燃料排出口及び第２の酸化剤排出口を形成する、請求項２１に記載の方法。
  23. 前記犠牲有機層が、ベークアウト後に、前記注入口から前記反応領域までの前記燃料注入口及び酸化剤注入口並びに前記第１の燃料通路及び第１の酸化剤通路を形成するために、前記アノード及びカソードから前記第１の細長いグリーンセラミック層の端部まで前記第１の細長いセラミック層上にさらに付けられる、請求項２１に記載の方法。
  24. 焼失後に、前記注入口から前記反応領域までの前記燃料注入口及び酸化剤注入口並びに前記第１の燃料通路及び酸化剤通路を形成するために、それぞれの犠牲有機層を覆う各々の追加の除去可能な構造体の第１の端部と、前記第１の細長いグリーンセラミック層の他の端部まで延びる第２の端部と、を有する前記第１の細長いグリーンセラミック層の第１及び第２の側部の各々に追加の除去可能な構造体を位置させる段階をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
  25. 前記犠牲有機層が、ワックスマトリクス中に炭素繊維を含み、前記加熱が、前記グリーンセラミック層内の炭素繊維または高分子結合剤を焼失することなく前記ワックスを溶融するのに十分な第１の温度までであり、前記方法が、前記犠牲層のワックスをベークアウトするための加熱後に、前記高分子接着剤を焼失するのに十分な第２の温度まで前記温度を上昇させ、次いで、前記グリーンセラミック層を焼結し前記炭素繊維を焼失するのに十分な焼結温度まで昇温させる、請求項２１に記載の方法。
  26. ３００℃以下の低温に前記少なくとも１つの低温領域を維持しながら、４００℃を超える動作温度に前記反応領域を加熱するために前記高温チャンバーに熱を供給する段階と、
    前記燃料供給部からの燃料の流入と、前記酸化剤供給部からの酸化剤の流入とを、前記それぞれの第１の燃料通路及び第１の酸化剤通路を通して前記加熱された反応領域に供給し、それによって燃料及び酸化剤が反応する段階と、
    を含む、請求項１５に記載のシステムの使用方法。
  27. 前記より小さい断面積が前記第２の燃料通路の各々及び前記酸化剤通路の各々において値が等しく、前記第２の燃料通路の各々における前記より小さい断面積の合計が、前記燃料の流入口の断面積未満であり、前記第２の酸化剤通路の各々における前記より小さい断面積の合計が、前記酸化剤の流入口の断面積未満である、請求項２６に記載の方法。
  28. 第１の細長いグリーンセラミック層を提供する段階と、
    前記第１の細長いグリーンセラミック層の第１の側部にアノード層を付け、前記第１の細長いグリーンセラミック層の対向する第２の側部にカソード層を付ける段階であって、前記アノード層及びカソード層が、前記第１の細長いグリーンセラミック層の第１の部分内に概して位置する段階と、
    前記アノード層及びカソード層の各々に犠牲有機層を付ける段階と、
    前記それぞれの犠牲有機層を覆う各々の除去可能な構造体の第１の端部と、前記第１の細長いグリーンセラミック層の一端部まで少なくとも延びる第２の端部と、を有する前記第１の細長いグリーンセラミック層の第１及び第２の側部の各々に、少なくとも１つの除去可能な構造体を位置させる段階と、
    前記第１の細長いグリーンセラミック層に概して位置する前記第１及び第２の側部の各々における前記犠牲有機層及び除去可能な構造体に、第２の細長いグリーンセラミック層を付ける段階と、
    積層された構造体を形成するために前記層及び除去可能な構造体の全てを共に積層する段階と、
    前記それぞれの端部と前記アノード層及びカソード層との間の不活性通路を形成するために前記積層された構造体から前記除去可能な構造体を除去する段階と、
    前記アノード層及びカソード層に沿った活性通路を形成するために、前記犠牲有機層を焼失するために十分な温度まで前記積層された構造体を加熱する段階と、
    を含む、燃料電池装置の製造方法。
  29. 各々の除去可能な構造体が、前記それぞれの犠牲有機層の断面積未満である断面積を有する、請求項２８に記載の方法。
  30. 前記犠牲有機層が、ワックスマトリクス中に炭素繊維を含み、前記加熱が、前記グリーンセラミック層内の炭素繊維または高分子結合剤を焼失することなく前記ワックスを溶融するのに十分な第１の温度までであり、前記方法が、前記犠牲層のワックスをベークアウトするための加熱後に、前記高分子結合剤を焼失するのに十分な第２の温度まで前記温度を上昇させ、次いで、前記グリーンセラミック層を焼結し前記炭素繊維を焼失するのに十分な焼結温度まで昇温させる、請求項２８に記載の方法。
  31. 複数のセラミック層、アノード層、カソード層及び内部の犠牲有機層を含む積層された構造体を形成する段階であって、前記カソード層から前記アノード層を分離する介在するセラミック層と、前記介在するセラミック層に対向する前記アノード層及びカソード層の各々に隣接する前記内部の犠牲有機層と、を提供するように配置され、前記犠牲有機層が、内部気体通路を提供するように採寸される段階と、
    前記犠牲有機層に接触し、前記積層された構造体の１つ又はそれ以上の端部まで延びる複数の除去可能な構造体を提供する段階と、
    前記積層された構造体を積層する段階と、
    複数のベークアウト口を形成するために前記除去可能な構造体を除去する段階と、
    前記除去可能な構造体を除去した後に、前記犠牲有機層の前記材料をベークアウトするために前記積層された構造体を加熱することによって前記内部気体通路を形成するために前記犠牲有機層を除去する段階であって、前記材料が、前記複数のベークアウト口を介して出る段階と、
    その後、前記ベークアウト口を障壁材料で密閉する段階と、
    を含む、燃料電池の製造方法。
  32. 前記除去可能な構造体が、ワイヤまたは平坦なリボン状の物理的構造体の１つ又は組み合わせを含む、請求項３１に記載の方法。
  33. 前記除去可能な構造体を除去する段階は、各々の内部気体通路に結合される注入口及び排出口をさらに形成し、前記犠牲有機層の材料が、前記注入口及び排出口を介してさらに出る、請求項３１に記載の方法。
  34. 前記犠牲有機層が、追加のベークアウト口を提供するために、前記積層された構造体の１つ又はそれ以上の端部まで前記内部気体通路から延びる拡張部をさらに有し、前記密閉が、前記追加のベークアウト口を密閉する、請求項３１に記載の方法。
  35. 前記障壁材料が、ガラス被覆を含む、請求項３１に記載の方法。
  36. 前記複数の除去可能な構造体が、前記アノード層に隣接する前記犠牲有機層に接触する第１の大部分であって、前記第１の大部分及びアノード層の少なくとも一部が、前記積層された構造体の第１の端部まで延長する第１の大部分、及び、前記カソード層に隣接する前記犠牲有機層に接触する第２の大部分であって、前記第２の大部分及びカソード層の少なくとも一部が、前記積層された構造体の第２の端部まで延長する第２の大部分を含み、前記障壁材料が、前記アノード層の延ばされた部分及び前記第１の大部分から形成された前記ベークアウト口における第１の導電接触パッド、及び、前記カソード層の延ばされた部分及び前記第２の大部分から形成された前記ベークアウト口における第２の導電接触パッド、を含む、請求項３１に記載の方法。
  37. 前記積層された構造体が、最長の寸法である長さを有する細長い基板であって、前記長さと同延である唯一の主要な軸を有する熱膨張係数を有し、動作反応温度まで加熱されるように構成された前記長さの第１の部分に沿った反応領域を有し、前記反応領域のそれぞれの第１及び第２の端部まで延びる前記アノード層及びカソード層の拡びた部分に関して対向して位置するアノード層及びカソード層を有し、前記反応領域が加熱された際に前記動作反応温度以下の低温に維持するように構成された前記長さの第２の部分に沿った少なくとも１つの低温領域を有し、その中に形成される注入口を有し、前記第１及び第２の導電接触パッドが、前記動作反応温度以下の低温における電気接続のために前記反応領域から前記少なくとも１つの低温領域まで延びる、請求項３６に記載の方法。
  38. 前記犠牲有機層が、ワックスマトリクス中に炭素繊維を含み、前記除去する段階が、前記セラミック層内の前記炭素繊維または高分子結合剤を焼失することなく前記ワックスを溶融するために十分な第１の温度まで加熱する段階と、次いで、前記高分子結合剤を焼失するために十分な第２の温度まで加熱する段階と、次いで、前記セラミック層を焼結し前記炭素繊維を焼失するために十分な焼結温度まで昇温する段階と、を含む、請求項３１に記載の方法。
  39. 厚さＴを有するチャンバー壁を有する高温領域チャンバーと、
    各々が、最長の寸法である長さを有する細長い長方形または管状の基板であって、前記細長い長方形または管状の基板が、前記長さと同延である唯一の主要な軸を有する熱膨張係数と、動作反応温度への露出のために前記高温領域チャンバーに位置する前記長さの第１の部分に沿った反応領域と、前記動作反応温度以下の温度に維持するために前記高温領域チャンバーの外側に延びる前記長さの第２の部分に沿った少なくとも１つの低温領域と、前記反応領域のアノードとカソードとの間に配置される電解質と、前記チャンバー壁内に位置する厚さＴに等しい前記長さの第３の部分であって、前記第３の長さの部分が、前記長さの方向に直交する平面において最大寸法Ｌを有し、Ｔ＞１／２×Ｌである、細長い長方形または管状の基板を含む１つ又はそれ以上の燃料電池装置と、
    前記高温領域に結合され、前記高温領域チャンバー内で前記動作反応温度まで前記反応領域を加熱するように構成される熱源と、
    を含む、燃料電池システム。
  40. 前記基板が、細長い長方形の基板であり、前記最大寸法が、前記第３の部分の幅Ｙである、請求項３９に記載の燃料電池システム。
  41. Ｔ＞Ｙである、請求項４０に記載の燃料電池システム。
  42. 前記基板が、細長い管状の基板であり、前記最大寸法Ｌが、前記第３の部分の直径である、請求項３９に記載の燃料電池システム。
  43. 前記チャンバー壁が、各々が、異なる熱移動特性を有し、前記反応領域から前記少なくとも１つの低温領域まで最適な温度移動を提供するように構成された複数の絶縁層を含む、請求項３９に記載の燃料電池システム。
  44. 前記チャンバー壁が、空隙を介在させることによって分離される複数の絶縁層を含む、請求項３９に記載の燃料電池システム。
  45. 前記複数の絶縁層が、前記反応領域に隣接する第１の高温層と、前記少なくとも１つの低温領域に隣接する第２の低温層と、を含み、前記介在する空隙が、前記高温領域チャンバー内の前記動作反応温度と前記少なくとも１つの低温領域の温度との間の中間温度まで前記予熱領域を加熱するために構成された熱源を有する予熱領域である、請求項４４に記載の燃料電池システム。
  46. 前記１つ又はそれ以上の燃料電池装置の各々が、少なくとも前記反応領域において各々の燃料通路に関連する前記アノードと各々の酸化剤通路に関連する前記カソードとを有して、それぞれの燃料注入口及び酸化剤注入口からそれぞれの燃料排出口及び酸化剤排出口まで前記第１及び第２の長さの各々の少なくとも一部に沿って縦方向に延びる複数の燃料通路及び酸化剤通路を含み、前記アノード及びカソードが、それらの間に前記電解質を有して互いに対して対向して位置する、請求項３９に記載の燃料電池システム。
  47. 前記アノードに電気的に接続される前記少なくとも１つの低温領域の前記細長い長方形又は管状の基板上の第１の外部接触表面と、前記カソードに電気的に接続される前記少なくとも１つの低温領域の前記細長い長方形又は管状の基板上の第２の外部接触表面と、前記第１の外部接触表面に対する第１の電圧接続と、前記第２の外部接触表面に対する第２の電圧接続と、を含む、請求項４６に記載の燃料電池システム。
  48. 前記燃料通路に燃料流を提供するために前記燃料注入口に結合される燃料供給部と、
    前記酸化剤通路に空気流を提供するために前記酸化剤注入口に結合される燃料供給部と、
    を含む、請求項４６に記載の燃料電池システム。
  49. 第１の犠牲層上に集電板を形成する段階と、
    前記集電板上に第２の犠牲層を付ける段階と、
    前記第１及び第２の犠牲層をグリーンセラミックで実質的に囲う段階と、
    前記グリーンセラミックを焼結し、間隙内に位置する前記集電板を前記焼結されたセラミック内に残す前記第１及び第２の犠牲層を焼失するために熱を加える段階と、
    前記集電板と前記焼結されたセラミックとに接触する前記間隙の第１の部分内に電解質を形成し、前記間隙通路として機能するための前記間隙の開口の第２の部分を維持する段階と、
    を含む、燃料電池装置の製造方法
  50. 前記集電板を形成する前に前記第１の犠牲層に複数の穴を生成する段階をさらに含み、前記集電板を形成する段階が、集電板の材料を浸透しながら前記第１の犠牲層上の集電板の材料を前記複数の穴に印刷する段階をさらに含み、それによって焼失後に、前記集電板が、前記間隙内に位置し、前記浸透した集電板の材料によって形成される複数の支柱によって支持される、請求項４９に記載の方法。
  51. 前記第１の犠牲層が、複数のセラミックボールを含み、それによって焼失後に、前記集電板が、前記間隙内に位置し、前記複数のボールに支持される、請求項４９に記載の方法。
  52. 前記電極が、前記集電板を前記電極内に少なくとも部分的にリセスするように形成される、請求項４９に記載の方法。
  53. 前記電極が、前記間隙の第１の部分の焼結されたセラミック上に電極粒子を選択的に堆積するための重力または遠心力を加えながら、前記電極粒子を含有する溶液で前記間隙を充填し、前記溶液を除去することによって形成される、請求項５９に記載の方法。
  54. 最長の寸法である長さを有する細長い基板であって、前記細長い基板が、前記長さと同延である唯一の主要な軸を有する熱膨張係数と、動作反応温度まで加熱されるように構成された前記長さの第１の部分に沿った反応領域と、前記反応領域が加熱される際に前記動作反応温度以下の温度に保持するように構成された前記長さの第２の部分に沿った少なくとも１つの低温領域と、を有する細長い基板と、
    前記反応領域内の多孔性のアノードと多孔性のカソードとの間に配置される電解質と、
    前記多孔性のアノードに関連し、前記反応領域を通って前記少なくとも１つの低温領域から延びる燃料通路と、
    前記多孔性のカソードに関連し、前記反応領域を通って前記少なくとも１つの低温領域から延びる酸化剤通路と、
    前記多孔性のアノードと多孔性のカソードとの各々の表面部分に少なくとも部分的にリセスされて位置し、前記それぞれの燃料及び酸化剤通路で露出される高密度の集電板と、
    を含む、燃料電池装置。
  55. 前記多孔性のアノード及びその高密度の集電板と前記多孔性のカソード及びその高密度の集電板の各々が、前記動作反応温度以下の低温における電気接続のために前記少なくとも１つの低温領域のそれぞれの外部表面まで延びる、請求項５４に記載の燃料電池装置。
  56. 前記アノード及びその高密度の集電板の電気通路に電気的に接触する前記少なくとも１つの低温領域のそれぞれの外部表面に対する負電圧接続と、
    前記カソード及びその高密度の集電板の電気通路に電気的に接触する前記少なくとも１つの低温領域のそれぞれの外部表面に対する正電圧接続と、
    をさらに含む、請求項５５に記載の燃料電池装置。
  57. 前記反応領域のそれぞれの外部表面及び外部表面の金属被覆まで各々が延びる前記電気通路が、前記反応領域のそれぞれの外部表面と前記少なくとも１つの低温領域のそれぞれの外部表面との間の電気接触に位置する、請求項５６に記載の燃料電池装置。
  58. 前記高密度の集電板が、ライン間に開放空間を有する交差ラインのハッチパターンを有する、請求項５４に記載の燃料電池装置。
  59. 燃料電池装置の活性電解質の部分として機能する第１の部分と、前記燃料電池装置の受動支持体の部分として機能する第２の部分と、を有する第１のグリーンセラミック層を提供する段階と、
    前記第１のグリーンセラミック層の第１の側部の第１の部分にアノード層を付け、前記第１のグリーンセラミック層の対向する第２の側部の第１の部分にカソード層を付ける段階と、
    前記第１のグリーンセラミック層の第１及び第２の側部の各々の前記第２の部分に第２のグリーンセラミック層を付ける段階であって、前記第２のグリーンセラミック層の厚さが、前記アノード層及びカソード層の厚さに略等しい段階と、
    前記アノード層及びカソード層の各々及び第２のグリーンセラミック層上に犠牲層を付ける段階と、
    前記犠牲層の各々の上に第３のグリーンセラミック層を付ける段階と、
    前記受動支持部分においてそれらの間に厚い焼結されたセラミックを有する気体通路の対と、前記活性電解質部分においてそれらの間にアノード、薄い電解質及びカソードを形成するために、前記全ての層を焼結し、前記犠牲層を焼失するのに十分な温度まで加熱する段階と、
    を含む、燃料電池装置の製造方法。
  60. 前記犠牲層が、ワックスマトリクス中に炭素繊維を含み、前記加熱が、前記グリーンセラミック層内の炭素繊維または高分子結合剤を焼失することなく前記ワックスを溶融するのに十分な第１の温度まで、次いで、前記高分子結合剤を焼失するために十分な第２の温度まで、次いで、前記グリーンセラミック層を焼結し、前記炭素繊維を焼失するために十分な焼結温度までである、請求項５９に記載の方法。
  61. アノード、カソード及びそれらの間の電解質を有する活性中心部分と、
    前記活性中心部分から延びる少なくとも３つの細長い部分であって、前記細長い部分の各々が、その長さと同延である主要な軸を有する熱膨張係数を有するように、各々が、横方向幅より実質的に大きい長さを有する部分と、
    前記少なくとも３つの細長い部分の第１の細長い部分の燃料注入口から前記アノードに関連する前記活性中心部分まで延びる少なくとも１つの燃料通路と、
    前記少なくとも３つの細長い部分の第２の細長い部分の酸化剤注入口から前記カソードに関連する前記活性中心部分まで延びる少なくとも１つの酸化剤通路と、
    前記少なくとも３つの細長い部分の第３の細長い部分の開口と前記活性中心部分との間に延びる少なくとも１つの気体通路と、
    を含む、燃料電池装置。
  62. 前記少なくとも１つの気体通路が、使用済み気体用の、前記少なくとも１つの燃料通路及び酸化剤通路に結合された排気通路であり、前記少なくとも３つの細長い部分の前記第３の細長い部分の開口が、排気排出口である、請求項６１に記載の燃料電池装置。
  63. 前記少なくとも１つの気体通路が、前記少なくとも１つの燃料通路の拡張部であり、前記少なくとも３つの細長い部分の前記第３の細長い部分の開口が、燃料排出口である、請求項６１に記載の燃料電池装置。
  64. 前記少なくとも３つの細長い通路が、前記少なくとも１つの酸化剤通路の拡張部である少なくとも１つの気体通路と酸化剤排出口である開口部とを有する第４の細長い部分を含む、請求項６３に記載の燃料電池装置。
  65. 前記活性中心部分が、その長さと同延である主要な軸を有する熱膨張係数を有する細長い部分である、請求項６１に記載の燃料電池装置。
  66. 前記活性中心部分が、大きな表面積部分である、請求項６１に記載の燃料電池装置。
  67. 前記活性中心部分が、所定の反応温度で動作するために高温領域チャンバーに位置し、前記第１及び第２の細長い部分が、前記反応温度以下の温度の低温で動作するために前記高温領域の外側に延び、前記燃料注入口及び酸化剤注入口の各々が、それぞれの燃料供給部及び酸化剤供給部に対して低温で結合される、請求項６１に記載の燃料電池装置。
  68. アノード、カソード及びそれらの間の電解質を有する活性中心部分と、
    前記活性中心部分から延びる４つの細長い部分であって、前記細長い部分の各々が、その長さと同延である主要な軸を有する熱膨張係数を有するように、各々が、横方向幅より実質的に大きい長さを有する部分と、
    前記４つの細長い部分の第１の細長い部分の注入口から、前記アノードに関連する前記活性中心部分、及び、前記細長い４つの部分の第２の細長い部分の排出口まで延びる燃料通路と、
    前記４つの細長い部分の第３の細長い部分の注入口から、前記カソードに関連する前記活性中心部分、及び、前記細長い４つの部分の第４の細長い部分の排出口まで延びる酸化剤通路と、を含み、
    前記活性中心部分が、前記４つの細長い部分の各々の面積より大きい面積を有する、燃料電池装置。
  69. 前記活性中心部分が、その長さと同延である主要な軸を有する熱膨張係数を有する細長い部分である、請求項６８に記載の燃料電池装置。
  70. 前記活性中心部分が、所定の反応温度で動作するために高温領域チャンバーに位置し、前記第１及び第３の細長い部分が、前記反応温度以下の温度の低温で動作するために前記高温領域の外側に延び、前記燃料注入口及び酸化剤注入口の各々が、それぞれの燃料供給部及び酸化剤供給部に対して低温で結合される、請求項６８に記載の燃料電池装置。
  71. 前記燃料電池装置内に気体通路を提供するために位置する複数の犠牲有機層と交互に位置する複数のグリーンセラミック層を含む積層された構造体を形成する段階であって、前記犠牲層が、炭素繊維とワックスとの複合材を含み、前記グリーンセラミック層が、高分子結合剤を含む段階と、
    前記炭素繊維または高分子結合剤を焼失することなく前記ワックスを溶融するのに十分な第１の温度まで、次いで、前記高分子結合剤を焼失するために十分な第２の温度まで、次いで、前記グリーンセラミック層を焼結し、前記炭素繊維を焼失するために十分な焼結温度まで、前記積層された構造体を加熱する段階と、
    を含む、燃料電池装置の製造方法。
  72. 前記炭素繊維とワックスとの複合材が、ワックスを含浸させたランダムな炭素繊維マットまたは織り込まれた炭素繊維シートを含む、請求項７１に記載の方法。
  73. 前記アノード層を前記カソード層と前記介在するグリーンセラミック層に対向する前記アノード層及びカソード層の各々に隣接する犠牲有機層とから分離する介在するグリーンセラミック層を提供するように配置された前記積層された構造体内に１つ又はそれ以上のアノード層、及び、１つ又はそれ以上のカソード層を提供し、それによって、加熱後に、前記複数の気体通路の各々の少なくとも１つの関連するアノードまたはカソードを形成する段階をさらに含む、請求項７１に記載の方法。
  74. 加熱後に、前記複数の気体通路の各々の電極を、アノード及びカソードの交互の配置に付ける段階を含む、請求項７１に記載の方法。
  75. 前記電極が、前記気体通路内の前記焼結されたセラミック構造体に前記電極粒子を選択的に堆積するために重力又は遠心力を加えながら、前記気体通路の少なくとも一部を前記電極粒子の溶液で充填し、前記溶液を除去することによって付けられる、請求項７４に記載の方法。
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