KR101717300B1 - 연료 전지 장치 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지 장치(10 등), 및 시스템을 제공한다. 특정 양태에서, 연료 전지 장치(10 등), 및 시스템은 길이, 너비, 및 두께를 갖고 길이방향이 열 팽창의 우세한 방향인 세라믹 지지 구조(29)를 포함한다. 내부에 하나 이상의 활성 층을 갖는 반응 영역(32)은 제1 말단(11a)으로부터 이격되고, 활성 제1 및 제2 기체 통로(815, 821), 및 전해질(28)과 연합된, 제1 및 제2의 대향하는 전극(24, 26)을 포함한다. 활성 제1 기체 통로(815)는 y 방향으로 연장되고 x 방향으로 이격된 하부-통로를 포함한다. 동맥 유동 통로(814)는 길이를 따라 제1 말단(11a)로부터 반응 영역(32)으로 연장되고 제1 기체 통로(815)의 하부-통로에 유체적으로 커플링된다. 동맥 유동 통로(814)의 두께는 하부-통로의 두께보다 크다. 다른 양태에서, 연료 전지 장치는 활성 제2 기체 통로(821) 및 이에 커플링된 제2 동맥 유동 통로(820)를 위한 제2 하부-통로를 포함하며, 제1 말단(11a) 또는 제2 말단(11b) 중의 하나로부터 반응 영역(32)로 연장되는 제2 하부-통로를 포함한다. 여전히 다른 양태에서, 연료 전지 장치(10 등)의 하나 또는 두개의 전극(24, 26)은 세그멘트화된다.

Description

연료 전지 장치 및 시스템{FUEL CELL DEVICE AND SYSTEM}

관련 출원에 대한 상호 참조

37 C.F.R. § 1.78(a)(4)에 의거하여, 본 출원은 "연료 전지 장치 및 시스템"이라는 명칭으로 2008년 10월 28일자로 출원되어 동시 계류중인 가 특허원 제61/109,107호(대리인 문서 번호 제DEVOFC-13P호)의 이익 및 우선권을 청구한다.

본 출원은 또한 각각 2009년 3월 6일, 2008년 11월 7일 및 2008년 5월 8일자로 출원되고 각각의 발명의 명칭이 "연료 전지 장치 및 시스템"이며 이들의 기재내용의 전문이 본원에서 참조문헌으로 삽입된 계류중인 미국 특허원 제12/399,732호, 제12/267,439호 및 제12/117,622호(대리인 문서 번호: 각각 DEVOFC-09US, DEVOFC-06US 및 DEVOFC-05US1)에 관한 것이다. 본 출원은 또한, 각각이 "고체 산화물 연료 전지 장치 및 시스템"이라는 명칭으로, 이들 전문이 본원에 참조로 인용되어 있는, 둘 다 2007년 5월 10일자로 출원된 동시 계류중인 미국 특허원 제11/747,066호 및 제11/747,073호(대리인 문서 번호 DEVOFC-03US1 및 DEVOFC-03US2)에 관한 것이다. 또한, 본 출원은 "고체 산화물 연료 전지 장치 및 시스템"이라는 명칭으로 각각 동시 계류중인 미국 가 특허원 제11/557,894호, 제11/557,901호 및 제11/557,935호(대리인 문서 번호 DEVOFC-04US1, DEVOFC-04US2 및 DEVOFC-04US3), 및 "고체 산화물 연료 전지 장치 및 시스템, 및 사용방법 및 제조방법"이라는 명칭의 제11/557,934호(대리인 문서 번호 DEVOFC-04US4)에 관한 것으로, 이들은 모두 2006년 11월 8일자로 출원되었고, 전문이 본원에 참조로 인용되어 있다.

발명의 분야

본 발명은 연료 전지 장치 및 시스템, 및 당해 장치의 제조방법에 관한 것이다.

세라믹 튜브가 고체 산화물 연료 전지(SOFC)의 제조에 사용되는 것으로 밝혀졌다. 연료 전지에는 몇 가지 유형이 있는데, 각각은 연료와 공기를 변환하여 연소없이 전기를 생산하는 상이한 메카니즘을 제공한다. SOFC에서, 연료와 공기 사이의 차단 층("전해질")은 세라믹 층이며, 산소 원자가 이러한 층을 통하여 이동하여 화학 반응을 완성하도록 한다. 세라믹은 실온에서 산소 원자의 불량한 전도체이기 때문에, 연료 전지는 700℃ 내지 1000℃에서 작동하며, 세라믹 층은 가능한 한 얇게 만들어진다.

초기의 관형 SOFC는 길고 상당히 큰 직경을 가진 지르코니아 세라믹의 압출 튜브를 사용하여 웨스팅하우스 코포레이션(Westinghouse Corporation)에 의해 제조되었다. 전형적인 튜브 길이는 수 피트이고, 튜브의 직경은 1/4 인치 내지 1/2 인치의 범위이다. 연료 전지의 완성된 구조는 전형적으로 대략 10개의 튜브를 함유한다. 시간이 지나면서, 연구자들과 산업 관계자 그룹은 8몰%의 Y₂O₃를 함유하는 지르코니아 세라믹에 대한 구조식(formula)을 정립하였다. 이 물질은 다른 것들 중에서 일본의 토소(Tosoh)에 의해 제품 TZ-8Y로서 제조되었다.

SOFC를 만드는 다른 방법은 다른 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)와 함께 적층된 지르코니아의 평판(flat plate)을 사용하여 연료 전지 구조를 달성하는 것이다. 웨스팅하우스에 의해 계획된 크고 좁은 장치와 비교하여, 이러한 평판 구조는 전체가 함께 적층되도록 고정된 클램핑 메카니즘(clamping mechanism)을 가진, 모서리가 6 내지 8인치인 큐브(cube) 모양일 수 있다.

매우 얇은 벽을 가진 직경이 작은 튜브를 다량으로 사용하는 새로운 방법이 여전히 계획된다. 얇은 벽을 가진 세라믹의 사용은 산소 이온의 이동 속도가 거리와 온도에 의해 제한되기 때문에 SOFC에서 매우 중요하다. 보다 얇은 층의 지르코니아가 사용되는 경우, 최종 장치는 동일한 효능을 유지하면서 낮은 온도에서 작동될 수 있다. 문헌에는 150μm 이하의 벽 두께에서 세라믹 튜브를 만드는 것이 필요하다고 기재되어 있다.

SOFC의 성공적인 수행을 방해하는 몇 가지의 주된 기술적 문제점들이 있다. 이러한 문제점들 중의 하나는 가열 동안 세라믹 요소들의 열분해를 방지할 필요가 있다는 것이다. 이를 위해, 관형 SOFC 방법이 경쟁적 "스택(stack)" 유형(큰 평판 세라믹으로 만들어짐)보다 더 양호한데, 그 이유는 튜브가 본질적으로 1차원이기 때문이다. 튜브는, 예를 들어, 중간에서 점점 뜨거워질 수 있고, 팽창되지만 균열되지는 않는다. 예를 들어, 튜브 로(tube furnace)는 직경이 4"이고 길이가 36"인 알루미나 튜브를 가열할 수 있고, 중심에서는 빨갛게 가열되고, 말단에서는 만질 수 있을 정도로 충분히 냉각될 것이다. 튜브가 중간 구획에서 고르게 가열되기 때문에, 중간 구획이 팽창하여 튜브를 더 길게 만들 수 있지만 균열되지는 않는다. 단지 중심만 가열된 세라믹 플레이트는, 중심은 팽창되지만 외부는 동일한 사이즈로 유지되기 때문에, 빠르게 산산 조각난다. 튜브의 중요한 본질은 이것이 단축(uniaxial) 또는 1차원이라는 것이다.

두 번째 중요한 본질은 SOFC에 접촉되도록 만드는 것이다. SOFC는 이상적으로는 고온(전형적으로 700-1000℃)에서 작동하지만, 또한 공기와 연료를 외계에 연결할 필요가 있고 또한 전기적 연결을 만들 필요가 있다. 이상적으로는, 실온에서 연결시킨다. 유기 물질이 사용될 수 없기 때문에 고온에서 연결하는 것은 문제를 일으키고, 따라서 유리 또는 기계적 밀봉부(seal)를 사용해야 한다. 이러한 것들은 팽창 문제 때문에 부분적으로는 신뢰할 수 없다. 또한, 이들은 고가일 수 있다.

따라서, 이전 SOFC 시스템은 적어도 상기한 두 개 이상의 문제점들을 갖는 어려움을 가진다. 플레이트 기술은 또한 가스 포트(gas port)를 밀봉하는 데 있어서 플레이트의 가장자리에 어려움을 가지고 있으며 빠른 가열 뿐만 아니라 크래킹(cracking)에 어려움이 따른다. 상기 튜브 접근법은 크래킹 문제를 해결하지만 여전히 다른 문제들을 가진다. SOFC 튜브는 단지 가스 용기로서 유용하다. 실행하기 위해서는 더 큰 공기 용기 내에서 사용해야 한다. 이것은 부피가 크다. 튜브를 사용하는 중요한 본질은 튜브 바깥으로 열과 공기를 모두 적용시키고, 반응을 위해 O₂를 제공하도록 공기를 적용시키며, 반응을 촉진시키기 위해 열을 적용해야 한다는 것이다. 통상적으로, 열은 연료를 연소시킴으로써 적용되고, 따라서 20% O₂를 가진 공기(일반적임)를 적용하는 것 대신에, 공기는 실제로 부분적으로 감소되며(부분적으로 열을 제공하기 위해 연소됨), 이것은 전지의 전동력을 낮춘다.

SOFC 튜브는 또한 확장성(scalability)에 있어서 제한된다. 더 큰 kV 출력을 달성하기 위해서, 더 많은 튜브들이 추가되어야 한다. 각 튜브는 단일 전해질 층이기 때문에, 부피가 커진다. 고체 전해질 튜브 기술은 달성할 수 있는 전해질 박층화(thinness)의 측면에서 추가로 제한된다. 전해질이 얇을수록 더욱 효율적이다. 2μm 또는 심지어 1μm 두께의 전해질이 고 전력을 위해 최적이겠지만, 고체 전해질 튜브에서는 달성하기가 매우 어렵다. 단일 연료 전지 영역이 약 0.5 내지 1 볼트를 생산하지만(이는 본래 화학 반응의 구동력 때문이며, 같은 방식에서 배터리(battery)가 1.2 볼트를 방출함), 전류 및 이에 따라 전력은 몇 가지 요소에 의존한다. 주어진 시간내에 전해질을 통해 더 많은 산소를 이동시키는 요소로부터 더 높은 전류가 생성될 것이다. 이러한 요소에는 고온, 더 얇은 전해질 및 더 넓은 면적이 있다.

한 가지 양태에서, 본 발명은 연료 포트와 공기 포트가 하나의 모놀리식 구조(monolithic structure)로 이루어진 SOFC 장치 및 시스템을 제공한다. 한 가지 양태에서, SOFC 장치는 신장 구조이며, 본질적으로는 길이가 너비 또는 두께보다 상당히 더 크고 비교적 평평하거나 또는 직사각형의 스틱[따라서, 연료 전지 Stick^TM 장치(Fuel Cell Stick^TM Device)라고 함]이다. 연료 전지 스틱(Stick)^TM 장치는 냉각 말단을 가질 수 있지만 중심은 고온이다(냉각 말단은 300℃ 미만이고; 가열 중심은 400℃ 초과이며; 대개 700℃ 초과임). 세라믹의 느린 열 전도는 고온 중심이 보다 저온인 말단을 충분히 가열하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 말단은 이에 도달하는 어떠한 열도 빠르게 방사(radiating)한다. 본 발명은 연결을 위해 냉각 말단을 가짐으로써 애노드, 캐소드, 연료 투입구와 H₂O CO₂ 출구, 및 공기 투입구와 공기 출구로의 보다 용이한 연결을 실현함(realization)을 포함한다. 관형 연료 전지 구조가 또한 가열 중심을 갖는 냉각 말단을 가질 수 있지만, 선행 기술에서는 세라믹 튜브의 이러한 장점을 이용하지 않고, 그 대신에 고온 연결이 필요하도록, 로, 또는 가열 영역에 전체 튜브를 배치한다. 선행 기술은 연료 투입구의 고온 납땜 연결을 만드는 비용과 복잡성을 인식하였으나, 본원에 제시된 해결책을 인식하지는 못하였다. 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치는 길고 얇아서 위에서 토의한 열 특성 장점을 가지고 있어서 중심은 가열되고 말단은 여전히 냉각되도록 한다. 이것은 온도에 대하여 구조적으로 안전하고, 연료, 공기, 및 전극을 연결하는데 비교적 용이하게 한다. 연료 전지 Stick^TM 장치는 본질적으로 독립 시스템으로, 전기를 생산하기 위해 단지 열, 연료, 및 공기가 추가로 필요할 뿐이다. 이러한 구조는 이들이 쉽게 부착될 수 있도록 설계된다.

본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치는 다층 구조이며 다층 동시-소성법(multi-layer co-fired approach)을 사용하여 제조될 수 있고, 이러한 방법은 다른 몇 가지 장점을 제공한다. 첫째, 장치가 모놀리식이어서 구조적으로 안전하도록 돕는다. 둘째, 장치는 콘덴서 칩(capacity chip)의 MLCC(다층 동시-소성 세라믹) 생산에서 사용되는 것과 같은 종래의 고 용적 제조 기술에 적합하다. (다층 콘덴서 생산은 공업용 세라믹의 최대 용도이며, 기술은 고 용적 생산을 입증하는 것으로 믿어진다.) 셋째, 얇은 전해질 층이 추가 비용 또는 복잡성 없이 구조 내에서 달성될 수 있다. 2μm 두께의 전해질 층은 MLCC 접근법을 사용하여 가능한 반면, 60μm 미만의 전해질 벽 두께를 가진 SOFC 튜브는 상상하기 힘들다. 따라서, 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치는 SOFC 튜브보다 약 30배 더 효율적일 수 있다. 마지막으로, 본 발명의 다층 연료 전지 Stick^TM 장치는 각각 수백개 또는 수천개의 층을 가질 수 있으며, 이것은 최대 면적과 최고 밀도를 제공한다.

선행 기술의 SOFC 튜브 대 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치의 표면적을 고려해 보자. 예를 들어, 0.25" 직경 튜브 대 0.25" x 0.25" 연료 전지 Stick^TM 장치를 고려해 보자. 튜브에서, 원주는 3.14xD, 또는 0.785"이다. 0.25" 연료 전지 Stick^TM 장치에서, 한 층의 사용가능한 너비는 약 0.2 인치이다. 따라서, 하나의 튜브와 동일한 면적을 제공하기 위해서는 약 4개의 층이 필요하다. 최신식 일본 다층 콘덴서는 현재 2μm 두께의 600개 층이다. 일본은 1000개의 층 부분의 생산에 곧 착수할 것으로 보이며, 현재 실험실에서 생산하고 있다. 600개 층을 가진 이러한 칩 콘덴서는 단지 0.060"(1500μm)이다. 2μm의 전해질 두께를 가지고 10μm 두께의 각각의 캐소드/애노드를 가진 공기/연료 통로를 가지는 0.25"장치에서 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치에 이 제조 기술을 적용함으로써 529개 층을 가진 단일 장치를 생산할 수 있다. 이것은 132개 튜브와 등가물이다. 선행 기술은 더 많은 튜브를 부가하거나, 직경을 늘리고/늘리거나 튜브의 길이를 늘려, 고 전력 출력으로 매우 큰 구조물을 이룬 결과로, 더 많은 전력을 얻는다. 다른 한편으로, 본 발명은 단일 연료 전지 Stick^TM 장치로 더 많은 층을 부가하여 더 많은 전력을 얻고/얻거나 장치에 더 얇은 층 또는 통로를 사용함으로써 SOFC 기술을 소형화하는 것을 가능하게 한다. 게다가, 본 발명의 장점은 콘덴서에서와 같은 자승 효과(squared effect)이다. 전해질 층이 절반 두께로 제조되는 경우, 전력이 배가되며, 이후에 장치 내에 더 많은 층을 장착시켜 다시 전력을 배가시킬 수 있다.

본 발명의 다른 핵심 특징은 내부적으로 층을 연결하는 것을 쉽게 하여 연료 전지 Stick^TM 장치의 출력 전압을 증가시키는 것이다. 1층당 1 볼트(volt)라고 가정한다면, 12 그룹을 함께 연결하는 비아 홀(via hole)을 사용하여 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치에 의해 12 볼트 출력을 얻을 수 있다. 이후에, 추가 연결로 병렬로 12 그룹을 연결하여 더 높은 전류를 얻을 수 있다. 이는 콘덴서 칩 기술에서 사용되는 현존 방법으로 수행할 수 있다. 결정적 차이점은 본 발명은 다른 기술에서 사용해야만 하는 납땜 및 복잡한 배선들을 극복했다는 점이다.

본 발명은 또한 선행 기술과 비교하여 더 다양한 전극 선택을 제공한다. 귀금속이 애노드와 캐소드 둘 다에 유용할 것이다. 은(silver)이 저렴하지만, 고온에서는 Pd, Pt 또는 Au와의 블렌드가 필요하며, Pd가 가능하게는 세개 중에서 가장 저렴하다. 많은 연구들이 비-귀금속 전도체에 집중하고 있다. 연료 면에서, 니켈을 사용하려는 시도가 이루어지고 있으나, 산소에 노출시 고온에서 금속을 산화시킬 것이다. 전도성 세라믹이 또한 공지되어 있으며, 본 발명에서 사용될 수 있다. 간략하게, 본 발명은 소결될 수 있는 모든 종류의 애노드/캐소드/전해질 시스템을 이용할 수 있다.

본 발명의 하나의 양태에서, 큰 면적의 2μm 테잎(tape)이 양면에서 공기/가스로 지지되지 않는 경우, 층은 부서질 수 있다. 갭을 가로질러 기둥(pillar)을 남기도록 한다. 이것은 종유석과 종유석이 만나는 동굴에서의 기둥과 같아 보인다. 이들은 균일하고 빈번하게 간격을 두고 위치될 수 있으며 구조물에 훨씬 더 양호한 강도를 제공할 수 있다.

가스와 공기 공급기의 부착을 위해서, 고온 가요성 실리콘 튜브 또는 라텍스 고무 튜브가 예를 들어, 연료 전지 Stick^TM 장치에 부착하는데 사용될 수 있도록 말단 온도를 300℃ 이하, 예를 들면, 150℃ 이하로 한다. 이 가요성 튜브들은 장치의 말단을 넘어서 간단하게 신장될 수 있고, 이에 의해 밀봉부를 형성할 수 있다. 이러한 물질들은 표준 맥매스터 카탈로그(standard McMaster catalog)에서 이용가능하다. 실리콘은 실리콘의 특징을 잃지 않으면서 150℃ 이상에서 오븐 개스킷(oven gasket)으로서 통상적으로 사용된다. 멀티-스틱 연료 전지 Stick^TM 시스템의 다수의 실리콘 또는 라텍스 고무 튜브는 바브(barb) 연결을 가진 공급기에 연결될 수 있다.

애노드 물질 또는 캐소드 물질 또는 전극 물질 둘 다는 금속 또는 합금일 수 있다. 애노드와 캐소드에 적합한 금속과 합금은 당해 분야의 통상의 숙련가들에게 공지되어 있다. 대안적으로, 전극 물질 중의 하나 또는 둘 다는 전기전도성 그린 세라믹(green ceramic)일 수 있으며, 이 또한 당해 분야의 통상의 숙련가들에게 공지되어 있다. 예를 들어, 애노드 물질은 이트리아-안정화된 지르코니아로 피복된 부분 소결된 금속성 니켈일 수 있고, 캐소드 물질은 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가진 개질된 아망간산란탄일 수 있다.

또 다른 양태에서, 전극 물질 중의 하나 또는 둘 다는 복합체에 전도성을 부여하는 데 충분한 양으로 존재하는 전도성 금속 및 그린 세라믹의 복합체일 수 있다. 일반적으로, 세라믹 매트릭스는 금속 입자가 닿기 시작하는 경우 전기전도성으로 된다. 복합체 매트릭스에 전도성을 부여하기에 충분한 금속의 양은 주로 금속 입자 형태에 따라 변할 것이다. 예를 들어, 금속의 양은 금속 박편보다는 구형 분말 금속의 경우에 일반적으로 더 많이 필요할 것이다. 예시적 양태에서, 복합체는 그린 세라믹의 매트릭스와 그 내부에 분산된 약 40 내지 90%의 전도성 금속 입자를 포함한다. 그린 세라믹 매트릭스는 전해질 층에 사용되는 그린 세라믹 물질과 동일하거나 상이할 수 있다.

전극 물질 중의 하나 또는 둘 다가 세라믹, 즉 전기전도성 그린 세라믹 또는 복합체를 포함하는 양태에서, 전극 물질 중의 그린 세라믹과 전해질용 그린 세라믹 물질은 가교결합 가능한 유기 결합제를 함유할 수 있어서 적층 동안에 층들 사이에 중합체 분자 쇄를 연결할 뿐만 아니라 층내 유기 결합제를 가교결합시킬 정도로 압력이 충분하다.

본 발명은 연료 전지 장치 및 시스템, 및 당해 장치의 제조방법, 보다 특히, 다층 모놀리식 연료 전지 Stick^TM 형태의 연료 전지 장치를 제공한다.

첨부한 도면은 본 명세서에 인용되고, 본 명세서의 일부를 구성하며, 본 발명의 양태를 예시하고, 위에 제시된 본 발명의 일반적인 설명 및 아래 제시된 상세한 설명과 함께 본 발명을 설명하기 위한 것이다.
도 1과 도 1a는 각각 단일 애노드 층, 캐소드 층 및 전해질 층, 및 두 개의 말단 냉각 영역 사이의 가열 영역을 가지는 본 발명의 기본적인 연료 전지 Stick^TM 장치의 한 가지 양태를 나타내는 측단면도 및 상부단면도이다.
도 2는 연료 공급 튜브가 연결되어 있는 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치의 한 가지 양태의 제1 말단을 나타내는 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 한 가지 양태에 따르지만, 변형된 말단을 가지는 연료 전지 Stick^TM 장치를 나타내는 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 장치의 변형된 한쪽 말단에 연결된 연료 공급 튜브를 나타내는 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 한 가지 양태에 따라 양전압 노드(positive voltage node)와 음전압 노드(negative voltage node)에 전기적 연결을 만들기 위한 다수의 연료 전지 Stick^TM 장치의 야금술적(metallurgical) 결합 부착 수단을 나타내는 사시도이고, 도 4b는 본 발명의 한 가지 양태에 따라 각각의 연료 전지 Stick^TM 장치가 다수의 애노드와 캐소드를 포함하는 다수의 연료 전지 Stick^TM 장치 사이의 연결을 나타내는 도식적인 말단도이다.
도 5는 본 발명의 한 가지 양태에 따라 양전압 노드와 음전압 노드에 전기적 연결을 만들기 위한 기계적 부착 수단을 나타내는 도식적인 말단도이다.
도 6a와 도 6b는 연료 및 공기 공급 튜브가 부착된 연료 전지 Stick^TM 장치의 한 말단에 단일 냉각 영역을 갖고 가열 영역에 다른 말단을 갖는 또 다른 양태를 나타내는 사시도이다.
도 7a와 도 7b는 각각 본 발명의 한 가지 양태에 따라 공기 및 연료 통로 내 다수의 지지 기둥(support pillar)을 나타내는 측단면도 및 상부단면도이고, 도 7c와 도 7d는 본 발명의 또 다른 양태에 따라 지지 기둥으로서의 연료 및 공기 통로 내 구형 볼의 사용을 나타내는 현미경 사진이다.
도 8a는 외부에 병렬로 연결된 두 개의 연료 전지를 함유하는 본 발명의 한 가지 양태를 나타내는 횡단면도이고, 도 8b는 도 8a와 유사하지만, 비아(via)의 사용을 통해 내부에 병렬로 연결된 두 개의 연료 전지를 갖는 본 발명의 또 다른 양태를 나타내는 횡단면도이다.
도 9a와 도 9b는 애노드와 캐소드를 공유하는 본 발명의 양태에 따른 다중-연료 전지 구조를 나타내는 횡단면도이며, 여기서, 도 9a는 병렬로 연결된 세 개의 연료 전지 층을 나타내고, 도 9b는 직렬로 연결된 세 개의 연료 전지를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 한 가지 양태에 따라 장치의 냉각 말단에 연결된 연료 공급 튜브와 가열 영역 내에서 장치로의 가열된 공기의 공급을 위해 공기 통로로 가열 영역 내 개방된 장치의 측면을 가지는 연료 전지 Stick^TM 장치를 나타내는 도식적인 측면도이고, 도 10a는 가열 영역이 대향하는 냉각 말단 사이에 위치하는, 도 10의 양태의 변화를 나타내는 도식적인 측면도이고, 도 10b는 라인 10B-10B를 따라 나타낸 도 10a의 연료 전지 Stick^TM 장치의 상부단면도이다.
도 11 내지 도 24는 본 발명의 다양한 양태를 도식적으로 나타내며, 여기서, 도 11은 도 12 내지 24에 나타낸 부재들에 대한 설명을 제공한다.
도 25a와 도 27a는 도식적인 상부 평면도이며, 도 27b는 한쪽 냉각 말단에는 신장 구획을 가지고 대향하는 가열 말단에는 표면적이 큰 구획을 가진 팬핸들(panhandle) 구조를 갖는 본 발명의 한 가지 양태에 따른 연료 전지 Stick^TM 장치를 나타내는 도식적인 측면도이고, 도 25b와 도 26a는 도식적인 상부 평면도이며, 도 26b는 중심 가열 영역에 중심의 표면적이 큰 구획을 갖고 대향하는 냉각 단면에는 두 개의 신장 구획을 가진 팬핸들 구조의 또 다른 양태를 나타내는 도식적인 측면도이다.
도 28a 내지 도 28d는 나선형 또는 롤링된(rolled), 관형 형상을 가진 본 발명의 한 가지 양태에 따른 연료 전지 Stick^TM 장치를 나타내며, 여기서, 도 28a 내지 도 28c는 각각 롤링되지 않은 구조를 나타내는 도식적인 상부도, 말단도 및 측면도이며, 도 28d는 나선형 또는 롤링된, 관형 형상을 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 29a 내지 도 29g는 연료 전지 Stick^TM 장치가 관형 동심 형태를 갖는 본 발명의 또 다른 대안적 양태를 나타내며, 도 29a는 장치를 나타내는 동일 크기의 개략도이고, 도 29b 내지 도 29e는 도 29a로부터 작성한 횡단면도이며, 도 29f는 공기 투입 말단에서의 말단도를 나타내며, 도 29g는 연료 투입 말단에서의 말단도를 나타낸다.
도 30a는 가열 영역에서 활성 영역 이전에 통합된 예열 영역을 가지는 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치의 양태를 나타내는 도식적인 측단면도이고, 도 30b와 도 30c는 각각 30B-30B 라인 및 30C-30C 라인을 따라 나타낸 도 30a의 장치의 도식적인 횡단면도이다.
도 31a 내지 도 31c는 도 30a 내지 도 30c와 유사하지만, 중심 가열 영역을 가진 두 개의 냉각 영역을 나타낸다.
도 32a 및 도 32b는 각각 도 32a의 32B-32B 라인을 따라 나타낸 도식적인 측단면도 및 도식적인 상부 단면도이며, 도 31a 내지 도 31c에서 나타난 것과 유사한 양태이지만, 연료 투입구와 연료 통로 사이 및 공기 투입구와 공기 통로 사이에서 연장되는 예열 체임버를 추가로 포함하고, 각각의 예열 체임버는 냉각 영역에서부터 가열 영역의 예열 영역으로 연장된다.
도 33a 내지 도 33c는 공기와 연료를 예열하기 위한 본 발명의 또 다른 양태를 나타내고, 여기서, 도 33a는 연료 전지 Stick^TM 장치의 세로 중심을 지나는 도식적인 측단면도이고, 도 33b는 도 33a의 라인 33B-33B를 따라 나타낸 도식적인 상부 단면도이며, 도 33c는 도 33a의 라인 33C-33C를 따라 나타낸 도식적인 저면 단면도이다.
도 34a와 도 34b는 각각 외부에 직렬로 상호 연결된 다수의 애노드와 캐소드를 갖는 본 발명의 양태를 나타내는 도식적인 경사 정면도 및 도식적인 측면도이다.
도 35는 직렬-병렬 구조를 제공하는 금속 스트라이프에 의해 외부에 연결된 두 개의 구조로 배가된 도 34b의 구조를 나타내는 도식적인 측면도이다.
도 36a와 도 36b는 가열 영역에서 직렬 및/또는 병렬로 애노드와 캐소드를 연결하는 금속 스트라이프와, 냉각 영역에서 양전압 및 음전압 노드로 저온 연결을 위해 가열 영역에서부터 냉각 영역으로 연장되는 긴 금속 스트라이프를 포함하는 본 발명의 또 다른 양태를 나타내는 도식적인 측면도 및 사시도이다.
도 37은 도 36b와 유사하지만 공기와 연료 공급 연결과 전압 노드 연결을 위해 단일 냉각 영역을 가진 양태를 나타내는 동일 크기의 개략도이다.
도 38a와 도 38b는 구조 내에 통로를 형성하는데 사용되는 유기 물질의 베이크-아웃(bake out)을 위해 장치의 측면을 따라 다수의 배출 갭(gap)을 갖는 본 발명의 양태를 나타내는 도식적인 측단면도이다.
도 39는 연료 전지 Stick^TM 장치의 애노드-지지된 버젼(anode-supported version)이라고 하는, 애노드 물질이 지지 구조로서 사용되는 본 발명의 또 다른 양태를 나타내는 도식적인 말단 단면도이다.
도 40a와 도 40b는 각각 장치를 통해 연료를 이동하는 기능을 수행하는 다공성 애노드를 위해 개방 연료 통로가 제거되어 있는 또 다른 양태에 따르는 애노드-지지된 버젼을 나타내는 도식적인 말단 단면도 및 도식적인 측단면도이다.
도 41a와 도 41b는 각각 다수의 공기 통로가 애노드-지지된 구조 내에 제공되고 단일 연료 통로가 다수의 공기 통로에 수직으로 제공되어 있는 애노드-지지된 버젼의 또 다른 양태를 나타내는 도식적인 말단 단면도 및 도식적인 상부 단면도이다.
도 42a 내지 도 42c는 본 발명의 한 가지 양태에 따른 연료 전지 Stick^TM 장치의 통로에 전극 층을 형성하는 방법을 나타내는 도식적인 횡단면도이다.
도 43과 도 44는 전극 층을 수용하는데 이용 가능한 표면적을 증가시키기 위해 전해질 층에 불균일한 표면 형태가 제공되어 있는 본 발명의 또 다른 양태를 나타내는 도식적인 측단면도이다.
도 45a는 도식적인 상부도를 나타내며, 도 45b는 장치의 좌측면과 우측면 각각에 다수의 연료 전지를 갖고, 좌측면과 우측면 사이에 브릿징(bridging) 부분을 가지는 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치의 한 가지 양태를 가열 영역을 통해 나타내는 횡단면도이다.
도 46a와 도 46b는 각각 전자가 장치의 냉각 말단으로 이동하는데 크거나 넓은 경로의 낮은 저항을 제공하기 위해서 큰 외부 접촉 패드를 갖는 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치의 또 다른 양태를 나타내는 도식적인 사시도 및 도식적인 횡단면도이다.
도 47은 소모된 연료와 공기 둘 다를 위한 단일 배출 통로를 갖는 본 발명의 또 다른 양태에 따르는 연료 전지 Stick^TM 장치를 나타내는 도식적인 측단면도이다.
도 48a 내지 도 48c는 두꺼운 부분과 얇은 롤링된 부분을 가지는 "말단-롤링된 연료 전지 Stick^TM 장치"로서 언급되는 대안적 양태를 나타내며, 여기서, 도 48a는 롤링되지 않은 장치를 나타내는 사시도이고, 도 48b는 롤링된 장치를 나타내는 측단면도이며, 도 48c는 롤링된 장치를 나타내는 사시도이다.
도 49a는 2개의 세라믹 층 사이의 와이어를 사용하여 연료 전지 Stick^TM 장치를 제작하는 한 가지 양태를 나타내는 도식적인 측단면도이고, 도 49b는 적층 후의 도 49a의 장치를 나타내는 도식적인 사시도이고, 도 49c는 와이어가 제거된 후의 도 49b의 장치를 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 50a 내지 도 50c는 와이어 및 갭-형성 테잎의 조합을 사용하여 연료 전지 Stick^TM 장치를 제작하는 또 다른 양태를 나타내는 도식적인 횡단면도이다.
도 51 및 도 52a는 로 벽을 통과하는 연료 전지 Stick^TM 장치를 나타내는 도식적인 사시도이고, 도 52b는 로 벽의 경계 내에서 도 52b의 연료 전지 Stick^TM 장치의 부분을 나타내는 도식적인 사시도이며, 도 52c는 로 벽을 통과하는 관형 연료 전지 Stick^TM 장치의 일부를 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 53은 다층으로 이루어진 로 벽을 통과하는 연료 전지 Stick^TM 장치를 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 54는 다층 및 공기 갭으로 이루어진 로 벽을 통과하는 연료 전지 Stick^TM 장치를 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 55a 내지 도 55e는 유동 전류 수집기를 갖는 연료 전지 Stick^TM 장치의 조립을 나타내는 도식적인 횡단면도이다.
도 56a 및 도 56b는 유동 전류 수집기를 지지하는 지르코니아 볼을 나타내는 현미경 사진이다.
도 57a 및 도 57b는 애노드 또는 캐소드를 형성하기 위해 점성 유동체에 현탁된 애노드 또는 캐소드 입자를 갖는 도 55d의 구조물을 역충전(backfilling)하는 것을 나타내는 도식적인 횡단면도이다.
도 58a, 도 58b, 및 도 58c는 통로의 폐쇄를 대부분 야기하는 전류 수집기를 나타내는 현미경 사진이다.
도 59는 애노드 및 캐소드의 표면 상에서 전류 수집기를 나타내는 도식적인 횡단면도이고, 도 60은 애노드 및 캐소드의 표면에서 매장된 전류 수집기를 나타내는 도식적인 횡단면도이다.
도 61a 내지 도 61c는 애노드 또는 캐소드에서 매장되는 전류 수집기의 방법을 나타낸다.
도 62는 2개의 두께를 갖는 전해질의 각각의 층을 달성하는 방법을 나타내는 도식적인 횡단면도이고, 도 62a는 도 62의 상세한 도면이다.
도 63은 햇치 패턴(hatch pattern)으로 전류 수집기의 상부도를 나타내는 현미경 사진이고, 도 64 및 도 65는 다공성 애노드 또는 캐소드에 대한 전류 수집기의 측면도 및 각진 단면도를 나타내는 현미경 사진이다.
도 66a는 연료 전지 Stick^TM 장치의 말단에서 미끄러진 튜브의 도식적인 횡단면도이고, 도 66b는 도 66a의 장치의 말단의 도식적인 사시도이다.
도 67a는 연료 전지 Stick^TM 장치의 말단에 배치되고, 스프링 전기적 접촉을 포함하는 커넥터의 도식적인 횡단면도이고, 도 67b는 도 67a의 커넥터의 도식적인 사시도이다.
도 68a 및 도 68b는 4개의 배출 지점을 갖는 연료 전지 Stick^TM 장치를 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 69는 다공성 애노드 또는 캐소드 내로 들어가는 전류 수집기 흔적을 나타내는 현미경 사진이고, 도 70은 탄소-왁스 희생 물질을 제거한 후 남겨진 갭을 나타내는 현미경 사진이다.
도 71은 하나의 양태에 따른 2개의 전극 사이에 비아 연결부(via connection)를 나타내는 도식적인 횡단면도이다.
도 72는 하나의 양태에 따른 2개의 상호연결된 전극을 나타내는 도식적인 횡단면도이다.
도 73a 및 도 73b는 다른 양태에 따른 2개의 전극을 상호연결하는 방법을 나타내는 사시도 및 도식적인 횡단면도이다.
도 74a 내지 도 74d는 중첩(overlapping) 방법을 사용하여 전지 사이의 직렬 연결을 나타내는 하나의 양태의 도식적인 횡단면도이다.
도 75a 내지 도 75e는 플런징 전도체 방법(plunging conductor method)을 사용하여 전지 사이의 직렬 상호연결을 생성하기 위한 다른 양태의 방법을 나타내는 사시도 및 도식적인 횡단면도이다.
도 76은 복식 플런징 전도체를 사용하여 직렬 상호연결의 다른 양태를 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 77은 도 75a 내지 도 76 중의 어느 하나의 양태에 따라 직렬 연결하는 복식 전지를 나타내는 횡단면도이다.
도 78a 내지 도 78c는 플런징 전도체 방법의 변형을 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 79a 내지 도 79d는 비아를 사용하여 직렬 상호연결을 나타내는 도식적인 횡단면도 및 사시도이다.
도 80 내지 도 81은 단일 층 직렬 연결 사이에서 다수 층 병렬 연결의 하나의 양태를 나타내는 도식적인 횡단면도, 및 개략도이다.
도 82는 도 74c의 직렬 구조를 삽입하는 단일 층 연료 전지 Stick^TM 장치를 나타내는 도식적인 횡단면도이고, 도 83a 내지 도 83b는 도 82의 장치에 대한 직렬-병렬 조합의 하나의 양태를 도식적으로 나타낸다.
도 84a 및 도 84b는 동일한 가스 경로 위에 존재하는 2개의 전극 사이에서 병렬 연결을 제공하는 다른 양태를 나타내는 도식적인 사시도 및 도식적인 횡단면도이다.
도 85a 및 도 85b는 직렬 구조를 갖는 나선형 권취(spiral wound) 다층 관형 연료 전지 Stick^TM 장치의 하나의 양태를 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 86a 및 도 86b는 나선형 권취 다층 관형 연료 전지 Stick^TM 장치의 다른 양태를 나타내는 도식적인 사시도이고, 도 87a 및 도 87b는 도 86a 및 도 86b의 양태의 도식적인 상세한 횡단면도이다.
도 88a 및 도 88b는 관형 연료 전지 Stick^TM 장치의 전기적 연결을 제공하기 위한 하나의 양태를 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 89는 가스 유동 경로의 구조를 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 90은 접힌 경로를 사용하는, 직렬 전지의 개략도이다.
도 91 내지 도 92b는 접힌 스택 구조를 사용하여, 직렬로 다수의 층을 갖는 연료 전지 Stick^TM 장치의 하나의 양태를 나타내는 도식적인 사시도 및 횡단면도이다.
도 93a 및 도 93b는 접힌 스택 구조를 부착하여 자유 유동 영역을 제공하기 위한 양태를 나타내는 상세하게 도식적인 횡단면도이다.
도 94a 내지 도 94d는 장치의 한 측면에 연결되고, 장치의 다른 측면에 자유 유동하는 병렬 활성 층을 나타내는 말단도 및 상부도이다.
도 95 내지 도 97은 사이에 차단 층과 직렬 연결하는 2개의 캐소드를 나타내는 도식적인 횡단면도이다.
도 98a 및 도 98b는 전력 연결의 하나의 양태를 나타내는 횡단면도 및 도식적인 사시도이다.
도 99는 저 저항 연결(low resistance connection)을 위한 하나의 양태를 나타내는 도식적인 횡단면도이다.
도 100a 내지 도 103b는 영구적으로 부착된 말단 튜브 연결부를 갖는 연료 전지 장치를 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 104는 세라믹의 예비-소결된 코어의 몇 가지 형태를 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 105a 및 도 105b는 지지 부재와 채널(channel)을 갖는 편평한 튜브(flat tube)를 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 106은 선행 기술의 방법에 사용된 편평한 튜브를 나타내는 도식적인 횡단면도이다.
도 107a, 도 107b 및 도 108은 본 발명의 양태에 따른 편평한 튜브 채널의 용도를 나타내는 부분 사시도이다.
도 109 및 도 110은 편평한 튜브로부터 다층 활성 구조의 층으로 가스 분포의 양태를 나타내는 도식적인 횡단면도이다.
도 111 내지 도 114는 편평한 튜브의 연결을 위한 다수의 양태를 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 115a는 마이크로튜브(microtube)를 형성하는 섬유의 500x 배율로 촬영한 현미경사진이다.
도 115b는 마이크로튜브를 형성하는 섬유의 200x 배율로 촬영한 현미경사진이다.
도 116a 내지 도 116c는 소성된 전극에서 형성된 마이크로튜브를 나타내는 현미경사진이다.
도 117 및 도 118은 내부에 마이크로튜브를 갖는 전극을 교차하는 가스 유동 경로의 양태를 나타내는 도식적인 횡단면도이다.
도 119는 전극을 통해 다른 가스 통로 내로 가스가 유동하는 직렬 구조를 나타내는 상하 도식적인 횡단면도이다.
도 120은 소형 크기의 연료 전지 Stick^TM 장치의 하나의 양태의 측면도이고, 도 121a 및 도 121b는 도 120의 장치의 양태를 나타내는 상부도 및 사시도이다.
도 122는 장치 위에 안정화 지점(stabilization point)을 갖는, 도 120의 연료 전지 Stick^TM 장치의 도식적인 측면도이다.
도 123은 가스 통로가 활성 영역에서 더 얇아지는 양태를 나타내는 도식적인 횡단면도이다.
도 124a 및 도 124b는 상이한 활성 층에서 몇개의 활성 유동 통로를 공급하는 동맥 유동 통로를 갖는 하나의 양태에 따른 연료 전지 Stick^TM 장치를 나타내는 사시도이고, 도 124c는 단일 활성 층에서 몇몇의 활성 유동 통로를 공급하는 동맥 유동 통로를 갖는 하나의 양태를 나타내는 상부도이다.
도 125a 및 도 125b는 각각 동맥 유동 통로 및 활성 유동 통로를 갖는 장치를 제조하는 그린 어셈블리 방법(green assembly method)을 나타내는 도식적인 사시도 및 도식적인 횡단면도이고, 도 125c는 도 125b의 방법으로 제조한 장치를 나타내는 사시도이다.
도 126a 내지 도 126c는 성형된 에지(edge) 및 성형된 동맥 유동 통로를 갖는 양태를 나타내는 사시도이다.
도 127은 상이한 가스 유동 통로를 갖는 하나의 양태를 나타내는 사시도이다.
도 128a 내지 도 128b는 각각 다른 양태에 따른 가스 유동 경로에 대한 입구 및 출구 구조를 나타내는 사시도 및 도식적인 상부도이다.
도 129a는 연료 및 공기 유동 둘 다에 대해 단일 활성 유동 통로 역할을 하는 단일 동맥 유동 통로를 갖는 이중 동맥 장치를 나타내는 도식적인 횡단면도이고, 도 129b 및 도 129c는 하나의 가스 유동에 대해 각각 단일 활성 층 장치, 및 다층 활성 층 장치의 양태를 나타내는 사시도이며, 도 130은 129c의 도면과 유사하지만, 2개의 가스 유동을 도시하는 장치를 나타내는 사시도이다.
도 131a 내지 도 131c는 성형된 이중 동맥 연료 전지 Stick^TM 장치의 양태를 나타내는 사시도이다.
도 132a 및 도 132b는 각각 수직 가스 출구 홀을 갖는 이중 동맥 연료 전지 Stick^TM 장치를 나타내는 도식적인 말단도, 및 도식적인 내부 상하부도이고, 도 133은 직렬 구조에서 각각의 전지에 대한 수직 출구 홀을 갖는 이중 동맥 연료 전지 Stick^TM 장치의 사시도이다.
도 134a 및 도 134b는 하나의 양태에 따른 직렬로 상호연결된 애노드 및 캐소드를 갖는 하나의 활성 층의 각각의 도식적인 상부도 및 부분 횡단면도이고, 도 135a는 도 134a의 구조를 생성하기 위해 갭 형성 물질로 적층된 도 134b의 성분의 부분 분해 횡단면도이며, 도 135b는 양태에 대한 전자 유동의 도식적인 대표도이다.
도 136 및 137은 양태에 따른 다층 직렬 병렬 장치의 추가 양태를 나타내는 사시도이고, 도 136a 내지 도 136g 및 도 137a 내지 도 137g는 각각 도 136 및 도 137의 장치를 따라 다수의 지점 A 내지 G를 나타내는 횡단면도이다.
도 139는 다른 양태에 따른 직렬-병렬 구조의 전자 유동의 도식적인 대표도이다.
도 140a 및 도 140b는 직렬 구조인 애노드 및 캐소드를 상호연결하기 위한 양태를 나타내는 상부 횡단면도이다.
도 141a 내지 도 141b는 각각 다른 양태에 따른 표면 동맥에 의해 연료 전지 Stick^TM 장치를 나오는 연료를 나타내는 횡단면도 및 사시도이다.
도 142는 다른 양태에 따른 가스의 입구 및 출구에 대한 4개의 표면 동맥을 나타내는 횡단면도이다.
도 143a 내지 도 143c는 도식적인 사시도이고, 도 14d는 다양한 양태에 따른 가스 유동에 대한 배출 지점 위에서의 변화를 나타내는 도식적인 측면도이다.
도 144는 다양한 양태에 사용하기 위한 전도성 볼을 나타내는 횡단면도이다.
도 145는 연료 전지 Stick^TM 장치와 사용하기 위한 공기-연료-전력 플러그를 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 146a 및 도 146b는 양태에 따른 이중-전력 공급 연료 전지 Stick^TM 장치의 양태를 나타내는 도식적인 상부도이다.
도 147a 내지 도 147c는 도 147c에서 잘 보여지는 바와 같이 비정렬(misalignment)이 갭을 야기할 수 있는 활성 영역 및 인접한 지역의 빌드업(buildup)을 나타내고, 도 147d 내지 도 147f는 각각 비정렬을 방지하는 픽처 프레임 접근을 나타내는 분해 사시도 및 단면도이다.
도 148a 내지 148b는 유동 통로를 형성시키기 위한 다중 와이어를 사용하기 위한 단면 양태를 나타낸다.
도 149는 냉각 영역으로 돌출되는 말단을 갖는 양태의 도식적 평면도를 나타내고, 도 150은 냉각 말단을 제거하기 위한 장치의 수정의 도식적 평면도를 타나낸다.
도 151a 내지 151c는 한 개 또는 두개의 포크형 말단을 갖는 도식적인 평면도 양태를 나타낸다.
도 152a 내지 152c는 기체 유동 통로의 정렬을 위한 하나의 양태의 도식적인 사시도를 나타낸다.
도 153a 및 153b는 각각 세그멘트화되지 않은 전극의 도식적인 평면도 및 측면도를 나타내며, 도 154a 내지 154c는 각각 세그멘트화된 전극과 동일한 전극 면적의 도식적인 평면도, 측면도 및 단면도를 나타낸다.
도 155a 및 155b는 도 154b의 세그멘트화된 전극 위에 전류 수집기를 위치시키기 위한 단면도 양태를 나타낸다.
도 156은 상이한 전극 두께를 갖는 단면도 양태를 나타내고, 도 157은 도 155b 및 156의 양태들의 조합인 단면도 양태를 나타낸다.
도 158 및 159는 장치의 세라믹 지지체 구조물 중의 도 156의 전극 구조무에 부착하기 위한 단면도 양태를 나타낸다.
도 160a 내지 160f는 적층된 장치의 3개의 예를 위한 도식적인 상부 분해도 및 말단도를 나타낸다.
도 161은 신장 활성 본체로부터 90도 배향된 말단을 갖는 양태의 도식적인 상부 및 하부도이다.
도 162는 얇은 활성 부분을 갖는 장치의 도식적인 측면도이다.
도 163은 감소하는 면적/용적을 갖는 유동 통로의 도식적인 평면도이다.
도 164는 본 발명의 장치를 제조하기 위한 양태의 사시도를 나타낸다.

이제, 유사한 성분들을 나타내기 위해 전반에 걸쳐 유사한 번호가 사용되는 도면을 참조할 것이다. 이들 도면에서 사용된 도면 부호는 다음과 같다:

10 전체 전지 Stick^TM 장치

11a 제1 말단

11b 제2 말단

12 연료 투입구

13 연료 예열 체임버

14 연료 통로

14a 두꺼운 연료 통로

14b 얇은 연료 통로

16 연료 출구

18 공기 투입구

19 공기 예열 체임버

20 공기 통로

21 배출 통로

22 공기 출구

24 애노드 층(Anode layer)/애노드

25 노출된 애노드 부분

26 캐소드 층(Cathode layer)/캐소드

27 노출된 캐소드 부분

28 전해질 층/전해질

29 세라믹

30 냉각 영역(또는 제2 온도 영역)

31 전이 영역

32 가열 영역/가열된 영역/제1 온도 영역

33a 예열 영역/비-활성 영역

33b 활성 영역

34 연료 공급기

36 공기 공급기

38 음전압 노드

40 양전압 노드

42 와이어

44 접촉 패드

46 납땜 연결

48 스프링 클립(spring clip)

50 공급 튜브

52 타이 랩(Tie wrap)

54 지지 기둥(support pillar)

56 제1 비아(First via)

58 제2 비아

60 차단 피복물(Barrier coating)

62 표면 입자

64 텍스쳐드 표면 층(Textured surface layer)

66 애노드 현탁액(Anode suspension)

70 개구

72(a,b) 유기 물질/희생 층

80 좌측면

82 우측면

84 브릿징 부분(Bridging portion)

90 브릿지

92 와이어/물리적 구조

94 갭-형성 테잎

96, 96', 96'' 로 벽

98a,b,c 절연

100 연료 전지 Stick^TM 장치

102 신장 구획

104 넓은 표면적 구획

106 신장 구획

120 공기 갭

122 전류 수집기

123 갭

124 전극 입자

126 점성 유동체

128 임시 기판

130 세라믹 테잎

132 만입부

134 커넥터

136 전기 콘택트

138 가스 유동 경로

140 O-링

142 큰 구멍(세라믹 테잎 내)

144 전극의 다공성 영역

146 전극의 비다공성 영역

148 커넥터 전극(전도체 테잎)

150 슬릿(slit)

152 제1 전도체

154 제2 전도체

156 장방형 비아(oblong via)

158a,b,c,d 플러그(비아에서)

160 에지 연결부

162 중심 연결부(center connect)

164 홀(갭 테잎 내)

166 개별 전지

167 공통 경로

168 굴대

170a,b 전도성 말단

172 접힌 스택

174 차단 층

176 절연 층

178 LSM 테잎

180 내부 연료 채널

182 니켈 전도체

184 말단 튜브

186 랩핑된 말단 튜브(wrapped end tube)

190 원통형 말단부

192 말단 홀

194 직사각형 말단부

196 직사각형 튜브

198 형태 전이 말단 튜브

200 나선 관형 연료 전지 Stick^TM 장치

300 동심 관형 연료 전지 Stick^TM 장치

400 말단-롤링된 연료 전지 Stick^TM 장치

401 연료 전지 스틱^TM 장치

402 두꺼운 부분

404 얇은 부분

410 노(furnace)

500 연료 전지 Stick^TM 장치

600 연료 전지 Stick^TM 장치

610 플레이트

612 직사각형 플레이트

614 원형 튜브

616 편평한 튜브

618 지지 부재

620 수직 립

622 델타 립(delta rib)

624 채널

624a 연료 채널

624b 공기 채널

626 커버

628 비아 경로

630 고온 매니폴드(high temperature manifold)

632 좁아지는 편평한 튜브

634 섬유

636 직물

638 마이크로튜브

642 디바이더(divider)

700 연료 전지 Stick^TM 장치

702a,b 스틱 입구

704 큰 영역

706 안정화 지점

708 스파인(spine)

710 더 큰 연결부

800 연료 전지 Stick^TM 장치

814, 820 동맥 유동 통로

815, 821 활성 유동 통로

817, 823 수직 배출 홀

829, 829a,b 그린 세라믹 시트(green ceramic sheet)

837, 839 표면 동맥

868 인터커넥트(interconnect)

872 동맥 갭-형성 물질

874 얇은 갭-형성 물질

878 고정된 플레이트

900 연료 전지 Stick^TM 장치

902 배출 영역

904 내부 코너

910 연료 전지 Stick^TM 장치

912 코너

914 곡선 경로

916 장치의 말단

918 좁은 말단 영역

920 연료 전지 Stick^TM 장치

922 상부 배출 돌출부

930 전도성 볼(conductive ball)

932 세라믹 볼

934 외부 피복

940 로(furnace)

950 AFP 플러그

952 연료 통로

954 공기 통로

956 전도체

960 연료 전지 Stick^TM 장치

962a,b 연료 유입 지점

964a,b 공기 유입 지점

966 그루브 또는 홈(groove)

968a,b 말단 구획

970a,b 말단 구획

976 에지(edge)

978 갭

980 여분의 물질

982 컷-아웃(cut-out)

1000 연료 전지 Stick^TM 장치

1002 튜브

1010 홈

1012a,b 포크형 말단

1014a,b 포크형 말단

1015 비-포크형 말단

1022 공극(void)

1030 3중 층 구조물

1040 적층물

1042 튜브

1050 지지체 부재

용어 "영역", "구역", 및 "영역(region)"은 본원 전반에 걸쳐 상호교환가능하게 사용될 수 있고, 동일한 의미를 갖는 것으로 의도된다. 유사하게, 용어 "통로", "채널", 및 "경로(path)"는 본원 전반에 걸쳐 상호교환가능하게 사용될 수 있으며, 용어 "출구" 및 "배출구"도 전반에 걸쳐 상호교환가능하게 사용될 수 있다.

도 1과 도 1a는 각각 단일 애노드 층(24), 캐소드 층(26) 및 전해질 층(28)을 갖는 본 발명의 기본 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 한 가지 양태를 나타내는 측단면도 및 상부 단면도이며, 상기 장치(10)는 모놀리식이다. 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 연료 투입구(12), 연료 출구(16) 및 이들 사이의 연료 통로(14)를 포함한다. 장치(10)는 공기 투입구(18), 공기 출구(22) 및 이들 사이의 공기 통로(20)를 추가로 포함한다. 연료 통로(14)와 공기 통로(20)는 대향하는 병렬 관계에 있으며, 연료 공급기(34)로부터 연료 통로(14)를 통한 연료의 유동은 공기 공급기(36)로부터 공기 통로(20)를 통한 공기의 유동과는 반대 방향이다. 전해질 층(28)은 연료 통로(14)와 공기 통로(20) 사이에 배치된다. 애노드 층(24)은 연료 통로(14)와 전해질 층(28) 사이에 배치된다. 유사하게, 캐소드 층(26)은 공기 통로(20)와 전해질 층(28) 사이에 배치된다. 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 나머지는 세라믹(29)을 포함하며, 이것은 전해질 층(28)과 동일한 물질이거나 또는 상이하지만 상용성인 세라믹 물질일 수 있다. 전해질 층(28)은, 파선으로 나타낸 바와 같이, 애노드(24)와 캐소드(26)의 상반되는 영역 사이에 놓인 세라믹의 일부인 것으로 간주된다. 전해질 층(28)에서 산소 이온은 공기 통로로부터 연료 통로로 통과한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 공기 공급기(36)로부터의 O₂는 공기 통로(20)를 통해 이동하고 캐소드 층(26)에 의해 이온화되어 2O^-를 형성하고, 이것이 전해질 층(28) 및 애노드(24)를 통해 연료 통로(14) 내로 이동하여, 여기서 이것은 연료, 예를 들어, 연료 공급기(34)로부터의 탄화수소와 반응하여 먼저 일산화탄소와 H₂를 형성하고 나서 H₂O와 CO₂를 형성한다. 도 1은 탄화수소를 연료로 사용하는 반응을 도시하지만, 본 발명이 이에 제한되지는 않는다. SOFC에 통상적으로 사용되는 어떠한 종류의 연료라도 본 발명에 사용될 수 있다. 연료 공급기(34)는, 예를 들어, 어떠한 탄화수소 공급원 또는 수소 공급원일 수 있다. 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈) 및 부탄(C₄H₁₀)이 탄화수소 연료의 예이다.

반응이 일어나도록 하기 위해, 열을 연료 전지 Stick^TM 장치(10)에 적용해야 한다. 본 발명에 따르면, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 길이는 장치를 장치의 중심에 있는 가열 영역(32; 또는 가열된 영역)과 장치(10)의 각 말단(11a 및 11b)에 있는 냉각 영역(30)으로 분리할 수 있도록 충분히 길다. 가열 영역(32)과 냉각 영역(30) 사이에, 전이 영역(31)이 존재한다. 가열 영역(32)은 전형적으로 400℃ 이상에서 작동할 것이다. 예시적 양태에서, 가열 영역(32)은 600℃ 초과, 예를 들면, 700℃ 초과의 온도에서 작동할 것이다. 냉각 영역(30)은 열 공급원에 노출되지 않으며, SOFC Stick^TM 장치(10)의 길이 및 세라믹 물질의 열 특성 장점으로 인해 열을 가열 영역 외부로 발산하여 가열 영역(30)은 300℃ 미만의 온도를 갖는다. 세라믹의 길이 아래의 가열 영역으로부터 냉각 영역의 말단으로의 열 전이는 느린 반면, 가열 영역 외부의 세라믹 물질롤부터 공기 중으로의 열 전이는 상대적으로 더 빠르다. 따라서, 가열 영역에 투입된 열의 대부분은 이것이 냉각 영역의 말단에 도달하기 전에 (주로 전이 영역에서) 공기로 손실된다. 본 발명의 예시적 양태에서, 냉각 영역(30)은 150℃ 미만의 온도를 가진다. 추가의 예시적 양태에서, 냉각 영역(30)은 실온이다. 전이 영역(31)은 가열 영역(32)의 작동 온도와 냉각 영역(30)의 작동 온도 사이의 온도를 가지며, 전이 영역(31) 내에서 상당한 양의 열 소산이 일어난다.

우성 열 팽창 계수(CTE)가 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 길이를 따라 있기 때문에 본질적으로 1-차원적이므로, 열 분해 없이 중심의 빠른 가열이 허용된다. 예시적 양태에서, 장치(10)의 길이는 장치의 너비와 두께보다 적어도 5배 더 크다. 추가의 예시적 양태에서, 장치(10)의 길이는 장치의 너비와 두께보다 적어도 4배 더 크다. 다른 추가의 예시적 양태에서, 장치(10)의 길이는 장치의 너비와 두께보다 적어도 15배 더 크다. 추가로, 예시적 양태에서, 너비가 두께보다 더 크며, 이것은 더 큰 면적을 제공한다. 예를 들어, 너비는 두께의 적어도 2배일 수 있다. 추가로 예를 들자면, 0.2 인치 두께의 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 0.5 인치의 너비를 가질 수 있다. 도면은 실제 크기가 아니라 단순히 상대적 치수의 일반적인 관념을 제공한다는 것을 인지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 애노드(24) 및 캐소드(26)로의 전기적 연결은 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 냉각 영역(30)에서 이루어진다. 하나의 예시적 양태에서, 애노드(24)와 캐소드(26)는 냉각 영역(30)에서 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 외부면에 각각 노출되어 전기적 연결이 이루어지도록 할 것이다. 음전압 노드(38)는 와이어(42)를 통해, 예를 들어, 노출된 애노드 부분(25)에 연결되고, 양전압 노드(40)는 와이어(42)를 통해, 예를 들어, 노출된 캐소드 부분(27)에 연결된다. 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 장치의 각각의 말단(11a)과 말단(11b)에 냉각 영역(30)을 가지기 때문에, 저온 고정 전기적 연결이 만들어질 수 있고, 이는 일반적으로 전기적 연결을 만드는데 고온 납땜 방법을 필요로 하는 선행 기술을 능가하는 의미 있는 장점이다.

도 2는 타이 랩(52)으로 고정되고 말단(11a) 위에 부착된 공급 튜브(50)를 가진 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 제1 말단(11a)을 나타내는 사시도이다. 연료 공급기(34)로부터의 연료는 이후에 공급 튜브(50)를 통해 연료 투입구(12)로 공급될 것이다. 제1 말단(11a)이 냉각 영역(30)에 있는 결과로, 가요성 플라스틱 튜빙 또는 다른 저온 타입 연결 물질을 사용하여 연료 공급기(34)를 연료 투입구(12)에 연결할 수 있다. 연료 연결을 만들기 위한 고온 납땜은 본 발명에 의해 불필요하게 되었다.

도 3a는 도 1에 나타낸 바와 유사하지만 변형된 제1 말단(11a) 및 제2 말단(11b)을 가지는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)를 나타내는 사시도이다. 말단(11a 및 11b)은 연료 공급기(34)와 공기 공급기(36)의 연결을 용이하게 하기 위해 원통형 말단 부분을 형성하도록 가공된다. 도 3b는 연료 공급기(34)로부터 연료 투입구(12)로 연료를 공급하기 위해 제1 말단(11a)에 연결된 공급 튜브(50)를 나타내는 사시도이다. 예를 들어, 공급 튜브(50)는 탄성에 의해 제1 말단(11a)에 조밀한 밀봉부를 형성하는 실리콘 또는 라텍스 고무 튜브일 수 있다. 공급 튜브(50)의 가요성과 탄성은, 진동의 영향을 받는 모바일 기기에서 사용되는 경우, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)를 위한 충격-흡수 홀더를 제공할 수 있음을 인지할 수 있다. 선행 기술에서는, 튜브 또는 플레이트를 단단하게 납땜하며, 이에 따라 동적 환경에 사용되는 경우, 깨지는 등 고장나기 쉬웠다. 따라서, 진동 댐퍼(damper)로서의 공급 튜브(50)의 추가적 기능은 선행 기술과 비교하여 독특한 장점을 제공한다.

다시 도 3a를 참고하면, 접촉 패드(44)는 노출된 애노드 부분(25) 및 노출된 캐소드 부분(27)과의 연결을 만들기 위해 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 외부면에 제공된다. 접촉 패드(44)용 재료는 전압 노드(38,40)를 각각의 애노드(24) 및 캐소드(26)에 전기적으로 연결하기 위해서 전기전도성이어야 한다. 접촉 패드(44)를 형성하는데에는 어떠한 적합한 방법이라도 사용될 수 있음을 인지할 수 있다. 예를 들어, 금속 패드를 소결된 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 외부면에 프린팅(printing)할 수 있다. 와이어(42)를 예를 들어, 신뢰할만한 연결을 유지시키기 위해 납땜 연결(46)에 의해 접촉 패드(44)에 고정한다. 납땜은 저온 물질로, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 냉각 영역(30)에 위치시켜 사용할 수 있다. 예를 들어, 통상의 10Sn88Pb2Ag 납땜이 사용될 수 있다. 본 발명은 고온 전압 연결에 대한 필요성을 제거하여 저온 연결 물질 또는 수단에 대한 가능성을 증가시킨다.

또한, 도 3a의 사시도에는 연료 출구(16)와 공기 출구(22)가 도시되어 있다. 연료는 냉각 영역(30) 내 제1 말단(11a)에서 연료 투입구(12)를 통해 유입되고, 제2 말단(11b)에 인접한 출구(16)를 통해 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 측면으로 배출된다. 공기는 냉각 영역(30) 내 제2 말단(11b)에 위치한 공기 투입구(18)를 통해 유입되고, 제1 말단(11a)에 인접한 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 측면에서 공기 출구(22)로부터 배출된다. 출구(16, 22)는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 동일한 측면에 있는 것으로 도시되어 있지만, 예를 들어, 도 4a에서 아래 나타낸 바와 같이 마주보는 측면에 위치될 수 있음을 인지할 수 있다.

연료 투입구(12)와 공기 출구(22)를 인접하게 하고[및 유사하게, 공기 투입구(18)와 연료 출구(16)를 인접하게 함] 중첩되는 층(애노드, 캐소드, 전해질)에 아주 인접하게 함으로써, 공기 출구(22)는 열 교환기로서, 연료 투입구(12)를 통해 장치(10)로 유입되는 연료를 유용하게 예열시키는 작용을 한다[및 유사하게, 연료 출구(16)는 공기 투입구(18)를 통해 유입되는 공기를 예열함]. 열 교환기는 시스템의 효율을 향상시킨다. 전이 영역(30)은 소모된 공기와 새 연료(및 소모된 연료와 새로운 공기)가 중첩되는 영역을 가지고 있어, 이 열은 새 연료(새 공기)가 가열 영역에 도달하기 이전에 전이된다. 따라서, 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 내장된 열 교환기를 포함하는 모노리식 구조물이다.

도 4a와 관련하여, 이는 노출된 애노드 부분(25)에 연결된 각각의 접촉 패드(44)를 라이닝하고 음전압 노드(38)에 연결된 와이어(42)를 각각의 접촉 패드(44)에 납땜(46에서)함으로써 다수의 연료 전지 Stick^TM 장치(10), 이 경우에는 두개의 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 연결을 나타내는 사시도이다. 유사하게, 가상으로 부분적으로 도시한 바와 같이, 노출된 캐소드 부분(27)에 연결된 접촉 패드(44)를 라이닝하고, 양전압 노드(40)를 연결하는 와이어(42)를 각각의 라이닝된 접촉 패드(44)에 납땜(46에서)한다. 인지할 수 있는 바와 같이, 연결은 냉각 영역(30)에서 이루어지고 비교적 간단한 연결이기 때문에, 멀티-연료 전지 Stick^TM 시스템 또는 조립체 중의 하나의 연료 전지 Stick^TM 장치(10)를 교체할 필요가 있는 경우, 하나의 장치(10)에 대한 납땜 연결을 파괴하고, 그 장치를 새 장치(10)로 교체하여, 와이어(42)를 새로운 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 접촉 패드와 재납땜하는 것을 단지 필요로 한다.

도 4b는 각 연료 전지 Stick^TM 장치(10)가 다수의 애노드(24)와 캐소드(26)를 포함하는 다수의 멀티-연료 전지 Stick^TM 장치(10) 사이에서의 연결을 나타내는 말단도이다. 예를 들어, 도 4b에서 나타낸 특정 양태는 마주보는 애노드(24)와 캐소드(26)의 세 개의 세트를 포함하는데, 각 애노드(24)는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 우측면에 노출되고, 각 캐소드는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 좌측면에 노출된다. 이후에 접촉 패드(44)를 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 각 면에 배치하여, 각각의 노출된 애노드 부분(25)과 노출된 캐소드 부분(25)을 접촉시킨다. 애노드(24)가 노출되는 우측면에서는, 와이어(42)를 납땜 연결(46)을 통해 접촉 패드(44)에 고정함으로써 노출된 애노드 부분(25)에 음전압 노드(38)를 연결한다. 유사하게, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 좌측면에서는, 와이어(42)를 납땜 연결(46)을 통해 접촉 패드(44)에 고정함으로써 노출된 캐소드 부분(27)에 양전압 노드(40)를 전기적으로 연결한다. 따라서, 도 1 내지 도 4a가 단일 캐소드(26)에 대향하는 단일 애노드(24)를 나타내고 있지만, 도 4b에 나타낸 바와 같이 각각의 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 다수의 애노드(24) 및 캐소드(26)를 포함할 수 있고, 이들 각각은 각각의 전압 노드(38 또는 40)로 연결하기 위해 외부면에 적용된 접촉 패드(44)에 의해 전기적 연결을 위해 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 외부면에 노출된다. 상기 구조에서 대향하는 애노드와 캐소드의 수는 수십개, 수백개, 심지어 수천개일 수 있다.

도 5는 와이어(42)와 접촉 패드(44) 사이의 전기적 연결을 만드는 기계적 부착을 나타내는 말단도이다. 당해 양태에서, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 전극의 한 세트가 각각의 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 상부면에 노출되도록 배향된다. 접촉 패드(44)는 냉각 영역(30) 내 하나의 말단(예를 들면, 11a 또는 11b)에서 각 상부면에 적용된다. 스프링 클립(48)을 사용하여 와이어(42)에 접촉 패드(44)로 탈부착 가능하게 고정할 수 있다. 따라서, 도 3a, 도 4a 및 도 4b에 나타낸 바와 같이, 야금술적 결합을 사용하여 전기적 연결을 만들거나, 도 5에 나타낸 바와 같이, 기계적 연결 수단을 사용할 수 있다. 적합한 부착 수단을 선택하는 데 있어서의 가요성은 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치(10)내 냉각 영역(30) 덕분에 가능하다. 스프링 클립 또는 기타의 기계적 부착의 사용은 멀티-스틱 조립체에서 단일 연료 전지 Stick^TM 장치(10)를 교체하는 공정을 더욱 간소화시킨다.

도 6a와 도 6b는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 제1 말단(11a)에 단일 냉각 영역(30)을 가지고, 가열 영역(32)에 제2 말단(11b)을 갖는 또 다른 양태를 나타내는 사시도이다. 도 6a에서, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 병렬로 세 개의 연료 전지를 포함하는 반면, 도 6b의 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 단일 연료 전지를 포함한다. 따라서, 본 발명의 양태는 단일 전지 구조(design) 또는 멀티-전지 구조를 포함할 수 있다. 연료와 공기 둘 다의 단일 말단 투입을 가능하게 하기 위해, 공기 투입구(18)는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 측면에서 제1 말단(11a)에 인접하도록 배향한다. 공기 통로(20; 나타내지 않음)는 다시 연료 통로(14)와 평행하게 이어지지만, 그러나 이 양태에서, 공기의 유동은 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 길이를 통한 연료의 유동과 동일한 방향이다. 장치(10)의 제2 말단(11b)에서, 공기 출구(22)는 연료 출구(16)와 인접하게 위치한다. 연료 출구(16) 또는 공기 출구(22) 중의 하나 또는 둘 다는 말단면에서라기 보다는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 측면으로부터 빠져나갈 수 있음을 인지할 수 있다.

도 6b에 도시된 바와 같이, 공급 튜브(50)의 측면을 통해 홀을 만들고, 측면 홀을 통해 장치(10)를 미끄러지게 하여 공기 공급기(36)용 공급 튜브(50)가 연료 공급기(34)용 공급 튜브(50)에 수직하도록 함으로써 공기 공급기(36)용 공급 튜브(50)를 형성한다. 다시, 실리콘 고무 튜브 등을 당해 양태에서 사용할 수 있다. 결합 물질을 튜브(50)와 장치(10) 사이의 조인트(joint) 주위에 적용시켜 밀봉부를 형성할 수 있다. 전기적 연결은 또한 냉각 영역(30) 내에 제1 말단(11a)에 인접하게 만들어진다. 도 6a 및 도 6b는 각각, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 한면에서 만들어진 양전압 연결 및 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 반대면에서 만들어진 음전압 연결을 나타낸다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않음을 인지할 수 있다. 단일 말단 투입 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 장점은 두 전이 영역(31) 대신에 하나의 냉각-가열간 전이(cold-to-hot transition)가 있어서, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)를 더 짧게 만들 수 있다는 것이다.

본 발명의 하나의 장점은 활성 층을 매우 얇게 만들 수 있는 능력이며, 이로써 연료 전지 Stick^TM 장치(10)가 단일 장치 내에 다수의 연료 전지를 삽입할 수 있다. 활성 층이 얇아질수록, 연료 전지 Stick^TM 장치의 제조 동안에 생긴 공기 통로(20) 또는 연료 통로(14)의 함몰 기회는 더 많아져, 통로(14 및/또는 20)를 통한 유동을 차단하게 된다. 따라서, 도 7a와 도 7b에 나타낸 본 발명의 한 가지 양태에서, 다수의 세라믹 기둥(54)을 통로(14와 20)에 제공하여, 통로(14, 20)의 차단과 전해질 층(28)의 뒤틀림을 방지한다. 도 7a는 측단면도인 반면, 도 7b는 공기 통로(20)를 통한 상부 횡단면도이다. 테잎 캐스팅 방법(tape casting method)을 사용하는 본 발명의 하나의 방법에 따르면, 희생 테잎 층(sacrificial tape layer)이 사용될 수 있으며, 희생 층에는 물질의 레이저 제거에 의해 다수의 홀이 형성될 수 있다. 이후에, 세라믹 물질은, 예를 들면, 희생 테잎 층 위에 세라믹 슬러리를 사포하여 홀에 침투시킴으로써 구멍을 채우는데 사용된다. 다양한 층을 함께 조립한 후에, 희생 층의 희생 물질을, 예를 들면, 용매의 사용에 의해 제거하면, 세라믹 기둥(54)이 남는다.

세라믹 기둥(54)을 형성하기 위한 또 다른 양태에서, 예비-소결된 세라믹의 큰 입자를 유기 비히클, 예를 들면, 용매에 용해된 플라스틱에 첨가하고, 교반하여 랜덤 혼합물을 형성할 수 있다. 제한되지 않지만 예를 들자면, 큰 입자는 직경 0.002 인치의 볼과 같은 구형일 수 있다. 이후, 랜덤 혼합물을, 예를 들면, 연료 통로(14)와 공기 통로(20)를 배치하고자 하는 영역에서 프린팅함으로써 그린 구조물에 적용시킨다. 소결[베이크(bake)/연소(fire)] 공정 동안에, 유기 비히클은 구조물을 떠남으로써(예를 들면, 연소됨) 통로(14, 20)를 형성하고, 세라믹 입자는 잔류하여 물리적으로 통로(14, 20)를 개방된 채로 유지하는 기둥(54)을 형성한다. 수득된 구조물은 도 7c와 도 7d의 현미경 사진에서 보여진다. 기둥(54)은 랜덤하게 위치하며, 평균 거리는 유기 비히클에서 세라믹 입자의 로딩(loading)의 함수이다.

도 8a는 두 개의 연료 전지를 병렬로 함유하는 본 발명의 한 가지 양태를 나타내는 횡단면도이다. 각 활성 전해질 층(28)은 한면에 공기 통로(20) 및 캐소드 층(26a 또는 26b)를 가지고, 반대면에는 연료 통로(14) 및 애노드 층(24a 또는 24b)을 가진다. 하나의 연료 전지의 공기 통로(20)는 세라믹 물질(29)에 의해 제2 연료 전지의 연료 통로(14)로부터 분리된다. 노출된 애노드 부분(25)은 와이어(42)를 통해 음전압 노드(38)에 각각 연결되고, 노출된 캐소드 부분(27)은 와이어(42)를 통해 양전압 노드(40)에 각각 연결된다. 이후에, 단일 공기 공급기(36)를 사용하여 각각의 다수의 공기 통로(20)에 공급할 수 있고, 단일 연료 공급(34)기를 사용하여 각각의 다수 연료 통로(14)에 공급할 수 있다. 이러한 활성 층의 배열에 의해 정립된 전기 회로가 도면의 우측에 나타나 있다.

도 8b의 횡단면도에서, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 도 8a에 나타낸 바와 유사하지만, 다수의 노출된 애노드 부분(25)과 다수의 노출된 캐소드 부분(27)을 갖는 대신에, 단지 하나의 애노드 층(24a)이 다수의 노출된 애노드 부분(25)에 노출되고 단지 하나의 캐소드 층(26a)이 노출된 캐소드 부분(27)에 노출된다. 제1 비아(56)는 캐소드 층(26a)을 캐소드 층(26b)에 연결하고, 제2 비아(58)는 애노드 층(24a)을 애노드 층(24b)에 연결한다. 예로서, 레이저 방법을 그린 층을 형성하는 동안 사용하여 개방된 비아를 생성할 수 있으며, 이후에 이를 전기전도성 물질로 충전하여 비아 연결을 형성할 수 있다. 도 8b의 우측에 회로로 나타낸 바와 같이, 도 8a의 연료 전지 Stick^TM 장치(10)에서와 같이 동일한 전기적 경로가 도 8b의 연료 전지 Stick^TM 장치(10)에서 형성된다.

도 9a와 도 9b는 또한 애노드와 캐소드를 공유하는 멀티-연료 전지 구조를 나타내는 횡단면도이다. 도 9a의 양태에서, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 두 개의 연료 통로(14)와 두 개의 공기 통로(20)를 포함하며, 두 개의 연료 전지를 갖는 대신에 이 구조물은 세 개의 연료 전지를 포함한다. 제1 연료 전지는 중간에 전해질 층(28)을 가지는 애노드 층(24a)과 캐소드 층(26a) 사이에서 형성된다. 애노드 층(24a)은 연료 통로(14)의 한면에 있고, 연료 통로(14)의 반대면에는 제2 애노드 층(24b)이 있다. 제2 애노드 층(24b)은 제2 캐소드 층(26b)과 대향하고 애소드와 캐소드 층 사이에 다른 전해질 층(28)을 가짐으로써 제2 연료 전지를 형성한다. 제2 캐소드 층(26b)은 공기 통로(20)의 한면에 있고, 제 3 캐소드 층(26c)은 공기 통로(20)의 반대면에 있다. 제 3 캐소드 층(26c)은 제 3 애노드 층(24c)과 대향하고 애소드 층과 캐소드 층 사이에 전해질 층(28)이 있어, 제 3 연료 전지를 제공한다. 애노드 층(24a)에서 캐소드 층(26c)까지의 장치(10)의 부분이 장치 내에서 수차례 반복되어 공유된 애노드와 캐소드를 제공함으로써 단일 연료 전지 Stick^TM 내에서 연료 전지의 수를 증가시킬 수 있다. 각 애노드 층(24a, 24b, 24c)은 노출된 애노드 부분(25)을 포함하며, 예를 들어 이에 대한 전기적 연결이 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 외부면에서 만들어져 와이어(42)를 통해 음전압 노드(38)에 연결될 수 있다. 유사하게, 각 캐소드 층(26a, 26b, 26c)은 노출된 캐소드 부분(27)을 포함하며, 예를 들어 외부면에서 와이어(42)를 통해 양전압 노드(38)에 연결될 수 있다. 단일 공기 공급기(36)는 하나의 냉각 말단에서 각 공기 통로(20)를 공급하도록 제공될 수 있으며, 단일 연료 공급기(34)는 반대쪽 냉각 말단에서 각 연료 통로(14)를 공급하도록 제공될 수 있다. 이 구조물에 의해 형성된 전기 회로가 도 9a의 우측면에 제공되어 있다. 이러한 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 세 개의 연료 전지 층을 병렬로 함유하여 이용가능한 전력을 3배로 되게 한다. 예를 들어, 각 층이 1 볼트와 1 암페어(1 amp)를 생산하는 경우, 각 연료 전지 층은 1 와트의 출력(볼트 x 암페어 = 와트)을 생산한다. 따라서, 이러한 3층 배치는 1 볼트와 3 암페어로 총 3 와트의 전력 출력을 생산한다.

도 9b에서, 도 9a의 구조물을, 도 9b의 우측면에서 회로로 나타낸 바와 같이, 각 전압 노드에 단일 전기적 연결을 제공하여 세 개의 연료 전지를 직렬로 생성하도록 변형한다. 양전압 노드(40)는 노출된 캐소드 부분(27)에서 캐소드 층(26a)에 연결된다. 애노드 층(24a)은 비아(58)를 통해 캐소드 층(26b)에 연결된다. 애노드 층(24b)은 비아(56)를 통해 캐소드 층(26c)에 연결된다. 이후에, 애노드 층(24c)은 노출된 애노드 부분(25)에서 음전압 노드(38)에 연결된다. 따라서, 1층당 동일한 1 암페어/1 볼트를 사용한다고 가정하여, 이러한 3개 전지 구조물은 3 볼트와 1 암페어로 총 3 와트의 전력 출력을 생산한다.

본 발명의 다른 양태는 도 10의 측면도를 나타낸다. 당해 양태에서, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 제1 말단(11a)에 단일 냉각 영역(30)을 가지고, 제2 말단(11b)에 가열 영역(32)을 가진다. 다른 양태에서와 같이, 연료 투입구(12)는 제1 말단(12a)에 있고, 공급 튜브(50)에 의해 연료 공급기(34)에 연결된다. 당해 양태에서, 연료 통로(14)는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 길이를 연장하며, 연료 출구(16)는 제2 말단(11b)에 있다. 따라서, 연료 공급 연결은 냉각 영역(30)에서 만들어지고, 연료 반응물(예: CO₂ 및 H₂O)을 위한 출구는 가열 영역(32)에 있다. 유사하게, 애노드는 와이어(42)를 통해 음전압 노드(38)에 연결하기 위해 냉각 영역(30)에 노출된 애노드 부분(25)을 갖는다.

도 10의 양태에서, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 하나 이상의 면, 및 잠재적으로 대향하는 양면에서 개방되어, 가열 영역(32)에 공기 투입구(18)와 공기 통로(20) 둘 다를 제공한다. 지지하는 세라믹 기둥(54)을 사용하는 것은 당해 양태에서 공기 통로(20) 내에서 특히 유용할 수 있다. 공기 출구는, 나타낸 바와 같이, 제2 말단(11b)에 있을 수 있다. 대안적으로, 도시되어 있지 않지만, 통로(20)가 너비를 통해 연장되고 공기 공급이 투입구 내부로만 향하는 경우, 또는 통로(20)가 너비를 통해 연장하지 않는 경우, 공기 출구는 공기 투입구 면으로부터 반대면에 놓일 수 있다. 이러한 양태에서, 가열 영역(32)으로 열만 제공하는 대신에, 공기도 또한 제공한다. 다시 말해, 가열 영역(32)에서 장치(10)의 측면은, 압력을 받은 공기 튜브를 통해 공기를 공급하는 대신에, 가열된 공기로 개방된다.

도 10a는 도 10에서 도시된 양태의 변형을 보여주는 측면도이다. 도 10a에서, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 전이 영역(31)에 의해 냉각 영역(30)으로부터 분리된 중심 가열 영역(32)과 대향하는 냉각 영역(30)을 포함한다. 공기 투입구(18)는 중심 가열 영역(32), 적어도 이의 일부에서 제공되어 가열된 공기를 수용한다. 그러나, 당해 양태에서, 공기 통로(20)는 도 10에서와 같이 상당한 길이에 대해 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 측면으로 완전하게 개방되지는 않는다. 오히려, 도 10b에서 더 선명하게 나타낸 바와 같이, 공기 통로(20)는 가열 영역(32)의 일부에서 개방되고 이후에 나머지 길이에 대해 측면에서 폐쇄된 다음 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 제2 말단(11b)에 있는 공기 출구(22)에서 배출된다. 이러한 양태는 가열된 공기가 압력을 받은 공기 공급 튜브보다는 가열 영역(32)에 공급되도록 하고, 또한 연료와 공기가 냉각 영역(30)에서 장치(10)의 한쪽 말단(11b)에서 배출되도록 한다.

특정 양태가 상세하게 도시하고 설명해왔지만, 본 발명의 범위가 이에 제한되어서는 안된다. 본 발명의 보다 일반적인 양태가 아래 설명되고, 도 11 내지 도 24에 도시된 개략도를 참고하여 보다 충분히 이해될 수 있다. 도 11은 도 12 내지 도 24에서 도식적으로 나타낸 구성 요소에 대한 설명을 제공한다. 연료(F) 또는 공기(A)가 연료 전지 Stick^TM 장치로 진행되는 화살표로 나타내어져 있는 경우, 이것은 투입 접근 포인트(input access point)로 연결된 튜브를 통한 것과 같은 강제 유동(forced flow)을 가리킨다. 공기 투입이 나타나 있지 않은 경우, 이것은 가열된 공기가 강제 유동 연결 이외의 수단에 의해 가열 영역에서 공급되고 연료 전지 Stick^TM 장치가 가열 영역 내에 접근 포인트에서 공기 통로로 개방되는 것을 가리킨다.

본 발명의 한 가지 양태는 하나 이상의 연료 통로 및 결합된 애노드, 하나 이상의 산화제 경로 및 결합된 캐소드, 및 이들 사이의 전해질을 포함하는 연료 전지 Stick^TM 장치이고, 여기서, 전지는 너비 또는 두께보다 상당히 길어서, 하나의 우성 축에 CTE를 가지며, 약 400℃ 이상의 온도를 가진 가열 영역에서 이의 부분이 작동한다. 당해 양태에서, 연료 전지 Stick^TM 장치는 우성 CTE 방향에 따라 장치의 하나의 말단에 공기와 연료 투입구 둘 다, 또는 우성 CTE 방향에 따라 하나의 말단에 공기 투입구 및 다른 말단에 연료 투입구를 위한 통합된 접근 포인트를 가지며, 공기 및 연료 투입구는 가열 영역 바깥에 위치한다. 예를 들면, 도 20과 도 24를 참조한다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 연료 전지는 제1 온도 영역과 제2 온도 영역을 가지고, 여기서, 제1 온도 영역은 가열 영역으로, 연료 전지 반응을 수행하기에 충분한 온도에서 작동하고, 제2 온도 영역은 가열 영역의 외부에 있으며, 제1 온도 영역보다 낮은 온도에서 작동한다. 제2 온도 영역의 온도는, 전극에 대한 저온 연결 및 적어도 연료 공급을 위한 저온 연결을 허용할 수 있을 정도로 충분히 낮다. 연료 전지 구조물은 부분적으로 제1 온도 영역으로 연장되고 제2 온도 영역으로 부분적으로 연장된다. 예를 들면, 도 12, 13 및 17을 참조한다.

본 발명의 하나의 양태에서, 연료 전지는 가열된 영역인 제1 온도 영역 및 300℃ 이하의 온도에서 작동하는 제2 온도 영역을 포함한다. 공기와 연료 연결은 고무 튜빙 등을 사용하여 저온 연결처럼 제2 온도 영역에서 만들어진다. 저온 납땜 연결 또는 스프링 클립은 애노드와 캐소드에 전기적 연결을 만들어 이들을 각각 음성과 양전압 노드에 연결하는 데 사용된다. 추가로, 이산화탄소와 물을 위한 연료 출구와 고갈된 산소용 공기 출구는 제1 온도 영역, 즉 가열 영역에서 위치된다. 예를 들면, 도 17을 참조한다.

또 다른 양태에서, 연료 전지 구조물은 가열 영역인 중심 제1 온도 영역을 가지고, 연료 전지의 각각의 말단은 300℃ 이하에서 작동하는 제2 온도 영역에서 제1 온도 영역 외부에 위치한다. 연료 및 공기 투입구는 애노드와 캐소드에 전기적 연결을 위한 납땜 연결 또는 스프링 클립과 같이 제2 온도 영역에 위치한다. 마지막으로, 이산화탄소, 물 및 고갈된 산소용 출구는 제2 온도 영역에 위치한다. 예를 들면, 도 19, 20 및 24를 참조한다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 연료 투입구는 300℃ 이하에서 작동하는 제2 온도 영역에서 우성 CTE 방향에 따라 각 말단에서 제공될 수 있으며, 이때 제1 온도 영역은 대향하는 제2 온도 영역들 사이의 중심에 제공되는 가열 영역이다. 이산화탄소, 물 및 고갈된 산소용 출구는 중심 가열 영역에 위치할 수 있다. 예를 들면, 도 16과 19를 참조한다.

또 다른 양태에서, 연료 및 공기 투입구 접근 포인트 둘 다는 300℃ 이하에서 작동하는 제2 온도 영역에서 가열 영역인 제1 온도 영역 바깥에 위치하고, 이로써 공기 및 연료 공급용 고무 튜빙과 같은 저온 연결의 사용을 가능하게 한다. 또한, 납땜 연결 또는 스프링 클립은 애노드 및 캐소드에 전압 노드를 연결하기 위해 제2 온도 영역에 사용된다. 하나의 양태에서, 연료 및 공기 투입구는 둘 다 우성 CTE 방향에 따라 한쪽 말단에 있으며, 연료 전지 Stick^TM 의 다른 말단은 제1 가열 온도 영역에 있고 이산화탄소, 물 및 고갈된 산소용 출구는 가열 영역에 있다. 예를 들면, 도 17을 참조한다. 따라서, 연료 전지 Stick^TM 은 하나의 가열 말단과 하나의 비-가열 말단을 가진다.

또 다른 양태에서, 연료 및 공기는 가열 영역 바깥으로 우성 CTE 방향을 따라 한쪽 말단으로 투입되고, 또한 가열 영역 바깥의 다른 말단에서 배출되어, 가열 영역은 두 개의 대향하는 제2 온도 영역 사이에 있다. 예를 들면, 도 20을 참조한다. 다른 대안으로, 연료 및 공기는 제2 온도 영역에 위치한, 대향하는 말단 둘 다에 투입되고, 연료 및 공기 출구는 중심 가열 영역에 있다. 예를 들면, 도 18을 참조한다.

여전히 다른 대안으로, 연료 및 공기는 제2 온도 영역에 위치한 대향하는 말단 둘 다에 투입되고 각각의 출구는 투입구로부터 반대 말단에서 제2 온도 영역 내에 있다. 예를 들면, 도 19를 참조한다. 따라서, 연료 전지는 중심 가열 영역과 가열 영역 외부의 대향하는 말단을 가지며, 연료 및 공기는 둘 다 각각의 반응 출구를 갖는 제1 말단으로 투입되어 인접 제2 말단으로 빠져나가고 연료 및 공기 둘 다는 제2 말단 및 반응 출구로 투입되어 인접 제1 말단을 빠져나간다.

여전히 다른 양태에서, 연료 투입구는 가열 영역 외부의 한쪽 말단에 있을 수 있고, 공기 투입구는 가열 영역 외부의 반대 말단에 있을 수 있다. 예를 들면, 도 21 내지 도 24를 참조한다. 당해 양태에서, 공기 및 연료 둘 다로부터의 반응 출구는 가열 영역(도 21 참조) 내에 있을 수 있거나, 또는 이둘 둘 다 각각의 투입구로부터 반대 말단에 인접한 가열 영역 외부에 있을 수 있다(도 24 참조). 대안적으로, 이산화탄소와 물 출구는 가열 영역 내에 있을 수 있는 반면, 고갈된 산소 출구는 가열 영역 바깥에 있거나(도 22 참조), 또는 반대로, 고갈된 산소 출구는 가열 영역 내에 있을 수 있고 이산화탄소와 물 출구는 가열 영역 바깥에 있을 수 있다(도 23 참조). 도 22와 도 23에 나타난 연료 및 공기 출구에 대한 변형은 또한 예를 들어, 도 18 내지 도 20에서 나타난 양태에서 적용될 수 있다.

도 25a와 27a에 상부 평면도로 나타내어져 있고 도 27b에 측면도로 나타내어져 있는 본 발명의 또 다른 양태에서, 연료 전지 Stick^TM 장치(100)에는 팬핸들 구조(panhandle design)로서 언급될 수 있는 것이 제공된다. 연료 전지 Stick^TM 장치(100)는 신장 구획(102)을 가지고, 이것은 이전 양태에서 나타낸 연료 전지 Stick^TM 장치(10)와 크기에 있어서 유사할 수 있으며 하나의 우성 축에 CTE를 가진다(즉, 너비 또는 두께보다 길이가 상당히 더 크다). 연료 전지 Stick^TM 장치(100)는 추가로 길이와 매우 근접하게 매치되는 너비를 가진 큰 표면적 구획(104)을 갖는다. 구획(104)은 정사각형 표면적 또는 직사각형 표면적을 가질 수 있지만, 너비는 길이보다 상당히 더 작지는 않아서, CTE는 구획(104)에서 단일 우성 축을 가지지 않고, 오히려 길이 방향 및 너비 방향으로 CTE 축을 가진다. 큰 표면적 구획(104)은 가열 영역(32)에 위치하는 반면, 신장 구획(102)은 가열 영역(30)과 전이 영역(31)에 적어도 부분적으로 위치한다. 예시적 양태에서, 신장 구획(102)의 일부는 가열 영역(32)으로 연장되지만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 예를 들면, 연료 및 공기 공급기(34, 36)는 도 6b에서 나타낸 방식으로 뿐만 아니라 전기적 연결로 신장 구획(102)에 연결될 수 있다.

도 25a, 도 27a 및 도 27b에 도시된 바와 유사하지만, 두 개의 신장 구획(102 및 106) 사이에 큰 표면적 구획(104)이 위치하도록 신장 구획(102) 반대편에 제2 신장 구획(106)을 추가로 가진 대안적인 양태에 대해 도 25b와 도 26a에는 상부 평면도가 제공되어 있고, 도 26b에는 측면도가 제공되어 있다. 신장 구획(106)은 또한 냉각 영역(30)과 전이 영역(31)에 적어도 부분적으로 위치한다. 당해 양태에서, 연료는 신장 구획(102) 내로 투입될 수 있고, 공기는 신장 구획(106) 내로 투입될 수 있다. 예를 들면, 이후에 공기 공급기(36) 및 연료 공급기(34)가 도 2 또는 도 3에 나타낸 방식으로 각각 신장 구획(106) 및 신장 구획(102)에 연결될 수 있다. 도 25b에 나타낸 바와 같이, 공기 출구는 연료 투입구에 인접한 신장 구획(102)에 위치할 수 있고, 연료 출구는 공기 투입구에 인접한 신장 구획(106)에 위치할 수 있다. 대안적으로, 공기 및 연료 출구 중의 하나 또는 둘 다는, 도 26a와 도 26b에서 각각 상부도 및 측면도로 나타낸 바와 같이, 가열 영역(32)에서 큰 표면적 구획(104)에 위치할 수 있다. 도 25a와 도 25b의 양태에서, 개재된 전해질을 갖는 대향하는 애노드와 캐소드의 표면적이 가열 영역(32)에서 증가하여 반응 영역을 증가시킴으로써 연료 전지 Stick^TM 장치(100)에 의해 발생하는 전력을 증가시킬 수 있는 것으로 인지될 수 있다.

본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치(10, 100)의 또 다른 장점은 경량이라는 것이다. 전형적인 연소 기관은 전력 kW당 18 내지 30 파운드 정도로 칭량된다. 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치(10, 100)는 전력 kW당 0.5 파운드 정도의 중량으로 제조될 수 있다. 도 28a 내지 도 28d는 나선형 또는 롤링된, 관형 형상을 가진 본 발명의 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)의 대안적 양태를 나타낸다. 도 28a는 롤링되지 않은 위치에서의 장치(200)의 상부 개략도이다. 장치(200)의 롤링되지 않은 구조는 롤링된 관형 연료 전지 Stick^TM 장치 또는 나선 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)의 길이에 상응하는 동일한 길이(L)의 제1 말단(202)과 제2 말단(204)을 가진다. 연료 투입구(12)와 공기 투입구(18)는 제1 말단(202)에 인접한 반대면에서 보여진다. 도 28b에서 장치(200)의 롤링되지 않은 구조의 말단 개략도와 도 28c에서 장치(200)의 롤링되지 않은 구조의 측면 개략도에서 추가로 보여지는 바와 같이, 연료 통로(14)와 공기 통로(20)가 장치(200)의 롤링되지 않은 구조의 너비를 따라 제2 말단(204)으로 연장하여 연료 출구(16)와 공기 출구(22)는 제2 말단(204)에 있다. 연료 통로(14)와 공기 통로(20)는, 연료와 공기의 유동이 최대로 되도록 장치(200)의 롤링되지 않은 구조의 길이(L)에 가깝게 연장되는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명이 이에 제한되지는 않는다. 나선 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)를 형성하기 위해, 제1 말단(202)이 제2 말단(204)을 향해 롤링되어 도 28d의 도식적인 사시도에서 나타난 장치(200)의 나선 튜브 구조를 형성한다. 공기 공급기(36)는 공기 투입구(18)로의 투입을 위해 나선 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)의 한쪽 말단에 위치할 수 있는 반면, 연료 공급기(34)는 연료 투입구(12)로 연료를 투입하기 위해 나선 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)의 반대편 말단에 위치할 수 있다. 이후에, 공기와 연료는 연료 출구(16)와 공기 출구(22)를 통해 장치(200)의 길이(L)를 따라 나선 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)에서 배출될 것이다. 전압 노드(38, 40)를 나선 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)의 대향하는 말단에 형성되거나 말단에 인접한 접촉 패드(44)에 납땜할 수 있다.

도 29a 내지 도 29g는 연료 전지 Stick^TM 장치가 관형 동심 형태인 본 발명의 대안적 양태를 나타낸다. 도 29a는 동심 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(300)와 동일한 크기의 개략도를 나타낸다. 도 29b 내지 도 29e는 도 29a의 동심 장치(300)의 횡단면도를 나타낸다. 도 29f는 장치(300)의 공기 투입구 말단에서의 말단도를 나타내고, 도 29g는 장치(300)의 연료 투입구 말단에서의 말단도를 나타낸다. 나타낸 특정 양태는 세 개의 공기 통로(20)를 포함하는데, 하나는 관형 구조의 중심에 있고 다른 두 개는 서로 간격을 두고 떨어져 있으며 서로 중심이 같다. 동심 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(300)는 또한 두 개의 연료 통로(14)를 가지며 이들은 공기 통로(20)와 중심이 같다. 도 29a 내지 도 29d에서 나타낸 바와 같이, 동심 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(300)는 한쪽 말단에 연료 통로(14)를 연결하는 연료 출구(16)를 포함하고, 각각의 입구 반대쪽의 다른 말단에 공기 통로(20)를 연결하는 공기 출구(22)를 포함한다. 각각의 공기 통로(20)는 캐소드(26)와 라이닝되고, 각각의 연료 통로(14)는 애노드(24)와 라이닝되며, 전해질(28)이 대향하는 애노드와 캐소드를 분리한다. 도 29a 내지 도 29b와 도 29f 내지 도 29g에서 나타낸 바와 같이, 전기적 연결은 동심 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(300)의 대향하는 말단에서 노출된 애노드(25)와 노출된 캐소드(27)에 대해 이루어질 것이다. 접촉 패드(44)는 노출된 애노드(25)와 노출된 캐소드(27)를 연결하기 위해 말단에 적용될 수 있으며, 도시되어 있지는 않지만, 접촉 패드(44)는 말단보다는, 장치(300)의 길이를 따라 포인트에서 전기적 연결이 이루어질 수 있도록 장치(300)의 외부를 따라 작동할 수 있다. 동심 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(300)는 구조적 지지를 위해 공기 통로(14)와 연료 통로(20) 내에 위치한 기둥(54)을 포함할 수 있다.

한쪽 말단에 공기 투입구와 연료 출구가 있고 반대쪽 말단에 연료 투입구와 공기 출구가 있는 대향하는 말단(11a와 11b)에 두 개의 냉각 영역(30)을 갖는 본 발명의 양태에서, 소모된 연료 또는 공기는 중심 가열 영역(32)을 빠져나감에 따라 가열된 상태로 존재한다. 가열된 공기와 연료는 이들이 전이 영역(31)을 통해 냉각 영역(30)으로 이동함에 따라 냉각된다. 전극 및/또는 세라믹/전해질의 얇은 층은 평행 연료 통로로부터 공기 통로를 분리하고, 반대로 공기 통로로부터 연료 통로를 분리한다. 하나의 통로에서, 가열된 공기는 가열 영역을 빠져나가고, 인접한 평행 통로에서, 연료는 가열 영역으로 유입되며, 그 반대도 가능하다. 가열된 공기는, 열 교환 원리를 통해, 인접한 평행 통로에서 유입되는 연료를 가열시킬 것이며, 그 반대도 가능하다. 따라서, 열 교환을 통해 공기와 연료가 약간 예열된다. 그러나, 가열 영역 외부로의 열의 빠른 손실로 인해, 앞서 논의한 바와 같이, 열 교환은, 가열 영역에서 활성 영역으로 들어가기 전에 공기와 연료를 최적 반응 온도로 예열시키기에 충분하지 않을 수 있다. 또한, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)가 하나의 냉각 말단과 하나의 가열 말단을 포함하는 양태에서, 연료와 공기는 동일한 냉각 말단으로 투입되고, 동일한 대향하는 가열 말단을 통해 배출되므로, 열-교환을 위한 연료와 공기의 교차-유동이 발생하지 않는다. 투입되는 연료와 공기에 대한 단지 제한된 열 교환은 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 전극 및 세라믹 물질로부터 이용가능하다.

도 30a 내지 도 33c는 연료와 공기가 애노드(24)와 캐소드(26)가 대향하는 관계에 있는 활성 영역(33b)으로 들어가기 전에 연료와 공기를 가열하기 위한 통합된 예열 영역(33a)을 가진 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 다양한 양태를 나타낸다. 당해 양태는 두 개의 냉각 말단이 있고 중간에 가열 영역이 있으며 연료 및 공기 투입구가 대향하는 냉각 말단에 있는 연료 전지 Stick^TM 장치(10), 및 하나의 가열 말단과 하나의 냉각 말단이 있고 연료 및 공기 투입구 둘 다가 단일 냉각 말단에 있는 연료 전지 Stick^TM 장치를 포함한다. 이들 양태에서, 사용된 전극 물질의 양은 활성 영역(33b)에 제한될 수 있으며, 단지 소량만이 전압 노드(38, 40)에 대한 외부 연결을 위해 냉각 영역으로 도달한다. 추후 더 자세히 기술되는, 이 양태에서의 다른 장점은, 전극이 외부 전압 연결로의 이동을 위한 가능한 최단 경로를 가지므로 낮은 저항을 제공한다는 점이다.

도 30a는 하나의 냉각 영역(30) 및 통합된 예열 영역(33a)이 있는 하나의 대향하는 가열 영역(32)을 가진 연료 전지 Stick^TM 장치의 제1 양태의 도식적인 측단면도를 나타낸다. 도 30b는 공기 통로를 향해 내려다보는 애노드(24)를 통해 나타낸 횡단면도이고, 도 30c를 연료 통로를 향해 올려다보는 캐소드를 통해 나타낸 횡단면도이다. 도 30a와 도 30b에 나타낸 바와 같이, 연료 공급기(34)로부터의 연료는 연료 투입구(12)를 통해 들어가고, 연료 통로(14)를 통해 장치(10)의 길이를 따라 연장되고, 연료 출구(16)를 통해 장치(10)의 대향하는 말단으로부터 배출된다. 냉각 영역(30)은 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 제1 말단(11a)에 있고, 가열 영역(32)은 대향하는 제2 말단(11b)에 있다. 가열 영역과 냉각 영역 사이에는 전이 영역(31)이 있다. 가열 영역(32)은 연료가 처음 이동하는 초기 예열 영역(33a), 및 공기 통로(14)에 인접한 애노드(24)를 포함하는 활성 영역(33b)을 포함한다. 도 30b에 나타낸 바와 같이, 애노드(24)의 단면적은 활성 영역(33b)에서 넓게 차지한다. 애노드(24)는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 한쪽 에지로 연장되고, 외부 접촉 패드(44)는 음전압 노드(38)로의 연결을 위해 장치(10)의 외측을 따라 냉각 영역(30)으로 연장된다.

유사하게, 도 30a와 도 30c에 나타낸 바와 같이, 공기 공급기(36)로부터의 공기는 냉각 영역(30)에 위치한 공기 투입구(18)를 통해 들어가고, 공기는 공기 통로(20)를 통해 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 길이를 따라 연장되고, 공기 출구(22)를 통해 가열 영역(32)으로부터 배출된다. 공기와 연료가 동일한 말단에서 들어가고 동일한 방향으로 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 길이를 따라 이동하기 때문에, 가열 영역(32) 이전에 열 교환에 의한 공기와 연료의 예열은 제한된다. 캐소드(26)는 애노드(24)와 대향하는 관계에 있는 활성 영역(33b)에 위치하고 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 반대면으로 연장되며, 여기서 양전압 노드(40)로의 연결을 위해 활성 가열 영역(33b)으로부터 냉각 영역(30)으로 연장되어 있는 외부 접촉 패드(44)에 노출되고 연결된다. 그러나, 노출된 캐소드(27)가 노출된 애노드(25)와 마찬가지로 장치(10)의 반대면에 있을 필요는 없다. 노출된 애노드(25)와 노출된 캐소드(27)는 장치의 동일면에 있을 수 있고 접촉 패드(44)는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 측면 아래에 스트라이프(stripe)로서 형성될 수 있다. 이 구조에 의해, 공기와 연료는 먼저 예열 영역(33a)에서 가열되는데, 여기서는 아무 반응이 일어나지 않으며, 대부분의 애노드와 캐소드 물질은 활성 영역(33b)에 제한되는데, 여기서 가열된 공기와 연료가 들어가고 대향하는 애노드 층(24)과 캐소드 층(26)에 의해 반응한다.

도 31a 내지 도 31c에 나타낸 양태는 하나의 가열 말단(32)과 하나의 냉각 영역 말단(30)을 갖는 것을 제외하고는 도 30a 내지 도 30c에 나타낸 바와 유사하며, 도 31a 내지 도 31c의 양태는 중심 가열 영역(32)을 갖는 대향하는 냉각 영역(30)을 포함한다. 연료 공급기(34)로부터의 연료는 냉각 영역(30) 내 연료 투입구(12)를 지나 장치(10)의 제1 말단(11a)을 통해 들어가고, 대향하는 냉각 영역(30)에 위치한 연료 출구(16)를 통해 반대쪽 제2 말단(11b)으로부터 배출된다. 유사하게, 공기 공급기(36)로부터의 공기는 공기 투입구(18)를 지나 반대쪽 냉각 영역(30)을 통해 들어가고 공기 출구(22)를 통해 제1 냉각 영역(30)에서 배출된다. 연료는 가열 영역(32)으로 들어가고, 예열 영역(33a)에서 예열되는 반면, 공기는 가열 영역(32)의 반대면으로 들어가고 다른 예열 영역(33a)에서 예열된다. 따라서, 연료와 공기는 교차-유동된다. 애노드(24)는 가열 영역(32)의 활성 영역(33b) 내 캐소드(26)와 대향하고, 반응은 예열된 연료와 공기를 포함하는 활성 영역(33b)에서 일어난다. 다시, 대부분의 전극 물질은 활성 영역(33b)에 제한된다. 애노드(24)는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 한쪽 가장자리에 노출되고, 캐소드(26)는 장치(10)의 다른쪽 측면에서 노출된다. 외부 접촉 패드(44)는 가열 영역(32) 내의 노출된 애노드(25)와 접촉하고, 음전압 노드(38)로의 연결을 위해 제1 냉각 말단(11a)을 향해 연장된다. 유사하게, 외부 접촉 패드(44)는 가열 영역(32) 내의 노출된 캐소드(27)와 접촉하고, 양전압 노드(40)로의 연결을 위해 제2 냉각 말단(11b)을 향해 연장된다.

예열 영역(33a)은 가스가 활성 영역으로 도달하기 전에 최적 반응 온도로 가스를 충분히 가열시키는 장점을 제공한다. 연료가 최적 온도보다 더 낮은 경우, 연료 전지 Stick^TM 장치의 효율은 더 낮아질 것이다. 공기와 연료가 경로에서 진행됨에 따라, 이들이 가온된다. 가온됨에 따라, 전해질의 효율은 이 영역에서 증가한다. 연료, 공기 및 전해질이 로(furnace)의 최고 온도에 도달하고 나면, 전해질은 최적 효율하에 작동한다. 귀금속으로 만들어질 수 있는 애노드와 캐소드의 비용을 절약하기 위해, 금속은 여전히 최적 온도 이하의 영역에서 제거될 수 있다. 예열 영역의 양은, 길이 또는 다른 치수의 측면에서, 로에서 연료 전지 Stick^TM 장치로 및 연료 전지 Stick^TM 장치에서 연료 및 공기로의 열 이동량 뿐만 아니라 연료와 공기의 교차-유동으로 인해 열교환이 일어나는지의 여부에 따라 좌우된다. 치수는 추가로 연료와 공기의 유동 속도에 따라 좌우되며, 연료 또는 공기가 연료 전지 Stick^TM 장치의 길이 아래에서 빠르게 이동하는 경우에는 더 긴 예열 영역이 유리할 것이며, 반면 유동 속도가 느린 경우에는 예열 영역이 더 짧을 수 있다.

도 32a와 도 32b는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)가, 더 좁은 연료 통로(14)를 통해 활성 영역(33b)으로 통과하기 전에 큰 용적의 연료를 예열 영역(33a)에서 예열하기 위해 가열 영역(32)으로 연장되는 예열 체임버(13)를 연료 투입구(12)와 연료 통로(14) 사이에 포함하는 것을 제외하고는 도 31a 내지 도 31c에 나타낸 바와 유사한 양태를 나타낸다. 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 유사하게, 더 좁은 공기 통로(20)를 통해 활성 영역(33b)으로 통과하기 전에 큰 용적의 공기를 예열 영역(33a)에서 예열하기 위해 가열 영역(32)으로 연장되는 예열 체임버(19)를 공기 투입구(18)와 공기 통로(20) 사이에 포함한다. 상기 양태에서 기재된 바와 같이, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 다수의 연료 통로(14)와 공기 통로(20)를 포함할 수 있고, 이들 각각은 각각의 예열 체임버(13, 19)로부터의 유동을 수용할 것이다.

예열 채널 대신의 고-용적 예열 체임버(13, 19)와 관련하여, 단지 예를 들자면, 공기의 분자를 최적 온도까지 가열하는데 5초가 소요되는 경우, 공기 분자가 1초당 1 인치로 연료 전지 Stick^TM 장치(10)를 이동하는 경우, 연료 전지 Stick^TM 장치는 공기가 활성 영역(33b)으로 들어가기 전에 길이가 5인치인 예열 채널이 필요한 것으로 생각할 수 있다. 그러나, 큰 용적의 체임버가 채널 대신 제공되는 경우, 용적로 인해 보다 더 좁은 채널에서 활성 영역으로 들어가기 전에 분자가 캐비티(cavity)에서 추가의 시간을 소모할 수 있어 공기 분자가 체임버에서 가열되고, 짧은 길이의 채널은 가열된 공기 분자를 활성 영역으로 공급하는데 사용될 수 있다. 이러한 캐비티 또는 예열 체임버(13, 19)는 그린(즉, 소결 이전) 조립체를 형성하고 조립체의 말단에 구멍을 뚫어 체임버를 형성함을 포함하는 다수의 상이한 방식으로 제조될 수 있거나, 또는 형성된 그대로의 그린 스택 내에 다량의 유기 물질을 혼입하여 소결 동안 유기 물질을 연료 전지 Stick^TM 장치에서 베이크-아웃시킴으로써 제조될 수 있다.

도 33a 내지 도 33c는 공기와 연료가 활성 영역(33b)에 도달하기 전에 공기와 연료를 예열하는 다른 양태를 나타낸다. 도 33a는 본질적으로 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 종방향 중심을 통한 도식적인 횡단면도이다. 도 33b는 연료 통로(14)와 애노드(24)가 교차하는 라인 33B-33B를 따라 나타낸 상부 횡단면도인 반면, 도 33c는 공기 통로(20)가 캐소드(26)와 교차하는 라인 33C-33C을 따라 나타낸 저면 횡단면도이다. 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 두 개의 대향하는 냉각 영역(30)과 중심 가열 영역(32)을 가지고, 각 냉각 영역(30)과 가열 영역(32) 사이에 전이 영역(31)이 있다. 연료 공급기(34)로부터의 연료는 연료 투입구(12)를 통해 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 제1 말단(11a)으로 들어가고 연료 통로(14)를 통해 이동하며, 연료 통로(14)는 가열 영역(32)의 대향하는 말단을 향해 연장되는데, 여기서 유-턴(U-turn)하여 제1 말단(11a)의 냉각 영역(30)으로 되돌아 이동하며, 여기서 소모된 연료는 연료 출구(16)를 통해 배출된다. 유사하게, 공기 공급기(36)로부터의 공기는 공기 투입구(18)를 통해 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 제2 말단(11b)으로 들어가고, 공기 통로(20)를 통해 이동하며, 공기 통로(20)는 가열 영역(32)의 대향하는 말단을 향해 연장되는데, 여기서 유-턴하여 제2 말단(11b)으로 되돌아 이동하며, 여기서 공기는 공기 출구(22)를 통해 냉각 영역(30)으로부터 배출된다. 이러한 유-턴된 통로에 의해, 초기 입구에서 밴드(bend; U-turn)를 통해 가열 영역(32)까지의 연료 통로(14)와 공기 통로(20)의 부분이 연료와 공기를 가열시키기 위한 예열 영역을 구성한다. 밴드 또는 유-턴 이후에, 통로(14, 20)에서, 통로는 대향하는 관계인 각각의 애노드(24) 또는 캐소드(26)와 라이닝되고, 이들 사이의 전해질(28)을 가지며, 이들 영역이 가열 영역(32) 내 활성 영역(33b)을 구성한다. 따라서, 연료및 공기는 활성 영역(33b)으로 들어가기 전에 예열 영역(33a)에서 가열되어 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 효율을 증가하고 전극 물질의 사용을 최소화한다. 애노드(24)는 음전압 노드(38)로의 연결하기 위해 냉각 영역(30)에서 장치(10)의 외부로 연장된다. 유사하게, 캐소드(26)는 양전압 노드(40)로의 전기적 연결을 위해 장치(10)의 외부로 연장된다. 연료 및 공기 출구(16 및 22)는 또한 냉각 영역(30)으로부터 빠져나올 수 있다.

앞서 나타내고 기재한 많은 양태들에서, 애노드(24)와 캐소드(26)는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 층 내에서, 본질적으로 각 층의 중심 영역에서, 즉, 장치의 내부 안에서, 이들이 장치의 말단에 도달할 때까지, 이동한다. 이 지점에서, 애노드(24)와 캐소드(26)는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 외부에 지정되고(tab), 여기서, 노출된 애노드(25)와 노출된 캐소드(27)는, 예를 들면, 은 페이스트(silver paste)를 적용함으로써 접촉 패드로 금속화되며, 이후에 와이어는 접촉 패드로 납땜한다. 예를 들면, 도 4a 내지 도 4b를 참조한다. 그러나, 예를 들면, 도 8a 내지 도 9b에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)에 층을 더 높은 전압 결합으로 쌓는 것이 바람직할 수 있다. 1KW의 전력을 생산하는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)를 제조하는 것이 바람직한 경우, 전력은 전압과 전류 사이에서 분리된다. 한가지 표준은 83 암페어가 총 1KW의 전력을 생산하는데 필요하도록 12 볼트를 사용하는 것이다. 도 8b와 9b에서, 비아는 전극 층을 상호 연결하여 병렬 또는 직렬 결합을 형성하는 데 사용되었다.

전극 층들을 상호 연결하는 대안적 양태가 도 34a 내지 도 37에 나타나 있다. 이러한 대안적 양태는, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 내부에서 전극 층을 상호 연결하기보다는, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 측면을 따라 외부 스트라이프(exterior stripes; 좁은 접촉 패드), 예를 들면, 은 페이스트로 이루어진 것, 특히 다수의 작은 스트라이프를 사용한다. 스트라이프 기술을 사용하여, 필요한 전류/전압 비율을 성취하기 위해 직렬 및/또는 병렬 결합을 제공할 수 있는 단순 구조를 형성한다. 게다가, 외부 스트라이프는 내부 비아와 비교하여 느슨한 기계적 허용오차를 가짐으로써 제조를 단순화시킬 것이다. 또한, 외부 스트라이프는 비아보다 낮은 저항(또는 등가의 직렬 저항)을 가질 수 있다. 전도체 경로에서 낮은 저항은 경로를 따라 낮은 전력 손실을 초래하므로, 외부 스트라이프는 낮은 전력 손실로 연료 전지 Stick^TM 장치(10)로부터 전력을 제거하는 능력을 제공한다.

이제 도 34a와 도 34b를 구체적으로 참고하면, 직렬의 외부 애노드/캐소드 인터커넥트가 나타나 있다. 도 34a는 교류 애노드(24a, 24b, 24c)와 캐소드 (26a), (26b), (26c)의 도식적인 경사진 정면도를 제공한다. 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 길이를 따라, 애노드(24a, 24b, 24c)와 캐소드(26a, 26b, 26c)는 장치(10)의 에지 외부로 탭을 포함하여 노출된 애노드(25)와 노출된 캐소드(27)를 제공한다. 외부 접촉 패드(44)(또는 스트라이프)는 도 34b의 도식적인 측면도에 가장 잘 나타나 있는 바와 같이, 연료 전지 Stick^TM 장치의 외부에 노출된 애노드(25)와 캐소드(27)에 걸쳐 위에 제공된다. 3쌍의 대향하는 애노드(24a, 24b, 24c) 및 캐소드(26a, 26b, 26c)를 직렬로 연결함으로서, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 3 볼트와 1 암페어를 제공한다. 도 35에서, 이 구조가 이중으로 되어 있으며, 두개의 구조는 장치(10)의 측면 아래에서 긴 스트라이프에 의해 연결되고, 이로써 3 볼트와 2 암페어를 제공하는 직렬 병렬 구조로 외부 애노드/캐소드 인터커넥트를 제공한다.

도 36a와 도 36b는 낮은 전력 손실을 제공하기 위한 낮은 등가 직렬 저항 경로(low equivalent seires resistance path)에 대한 양태를 제공한다. 당해 양태에서, 가열 영역(32)은 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 중심에 있고, 제1 말단(11a)과 제2 말단(11b)은 냉각 영역(30)에 있다. 연료는 제1 말단(11a)에서 연료 투입구(12)를 통해 투입되고, 공기는 제2 말단(11b)에서 공기 투입구(18)를 통해 투입된다. 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 활성 영역인 가열 영역(32) 내에서, 애노드(24)와 캐소드(26)는 장치의 측면에 노출되는데, 애노드(24)는 한쪽면에 노출되고, 캐소드(26)는 반대면에 노출된다. 접촉 패드(44)(또는 스트라이프)는 노출된 애노드(25)와 캐소드(27)에 전반에 걸쳐 도포된다. 이때, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 에지는, 금속화가 냉각 영역(30)에 도달할 때까지, 장치(10)의 측면의 길이를 따라 금속화되고, 여기서 저온 납땜 연결이 음전압 노드(38)와 양전압 노드(40)에 대해 이루어진다. 애노드(24)와 캐소드(26)는 이들이 다른 기능을 가지기 때문에 단지 낮은 저항에 대해서만 최적화될 수 없다. 예를 들어, 전극은 공기 또는 연료가 전해질을 통해 통과하도록 다공성이어야 하고, 다공성은 저항을 증가시킨다. 추가로, 전극은 다층 연료 전지 Stick^TM 장치(10)에서 우수한 층 밀도를 허용하도록 얇아야하며, 전극이 얇을수록 저항이 높다. 연료 전지 Stick^TM 장치의 에지(측면)에 보다 두꺼운 접촉 패드(44)를 가함으로써, 납땜 연결(46)을 향해 낮은 저항 경로를 제공할 수 있다. 접촉 패드(44)가 두꺼울수록, 저항은 낮아진다. 예를 들어, 전자가 전극 층 내 모든 기공(void)을 지나 연료 전지 Stick^TM 장치(10) 내 전극 아래로 10인치 이동해야만 하는 경우, 예를 들어, 최소 저항의 경로가 장치(10)의 측면 에지로 0.5인치를 이동하고, 이후에 외부 비-다공성 접촉 패드(44) 아래로 10인치 이동한다. 따라서, 연료 전지 Stick^TM 장치의 외부를 따라 냉각 영역(30)으로 연장되는 긴 접촉 패드(44)는 낮은 저항 전도체 경로를 제공함으로써 전력을 낮은 손실로 연료 전지 Stick^TM 장치(10)로부터 제거할 수 있다. 따라서, 스트리핑 기술이 직렬 및 병렬 연결하여 전력을 증가시키기 위해 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 활성 영역(가열 영역; 32)에 사용될 수 있고, 장치의 아래에서 냉각 말단으로 긴 스트라이프는 전력을 연료 전지 Stick^TM 장치(10)로부터 효율적으로 제거되도록 할 수 있다.

도 37은 도 36b에서 나타낸 바와 유사하지만 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 제1 말단(11a)에 단일 냉각 영역(30)을 가지고, 장치(10)의 제2 말단(11b)에 가열 영역(32)을 가지는 양태를 나타내는 동일 크기의 개략도이다. 다수의 수직 스트라이프 또는 접촉 패드(44)가 가열 영역(32) 내에 제공되어 직렬 및/또는 병렬 연결을 이루고, 양전압 노드(40)와 음전압 노드(38)에 저온 납땜 연결(46)을 이루기 위해 장치(10)의 측면 아래의 수평 긴 스트라이프(44)가 가열 영역(32)에서 냉각 영역(30)까지 제공되어 있다.

연료 통로(14)와 공기 통로(20)를 형성하는 하나의 방법은, 이후에 추후 소결 단계 동안에 베이크 아웃(bake-out)될 수 있는 층상 그린 구조물(green, layered structure) 내에 유기 물질을 배치하는 것이다. 1KW 또는 10KW 출력과 같은 높은 전력 출력을 가진 개별 연료 전지 Stick^TM을 생산하기 위해서는, 연료 전지 Stick^TM 장치가 길고 넓어야 하며 높은 층 수(high layer count)를 가져야 한다. 예를 들면, 연료 전지 Stick^TM 장치는 길이가 약 12인치 내지 18인치일 수 있다. 세라믹을 소결하고 유기 물질을 제거하기 위해 그린 구조물을 베이킹하는 경우, 연료 통로(14)를 형성하는데 사용된 유기 물질은, 각각 연료 투입구와 연료 출구를 형성하는 개구(12 및 16)를 통해 배출해야 한다. 유사하게, 공기 통로(20)를 형성하는데 사용된 유기 물질은, 각각 공기 투입구와 공기 출구를 형성하는 개구(18 및 22)를 통해 베이킹 아웃되어야 한다. 장치가 더 길고 더 넓어짐에 따라, 유기 물질이 이러한 개구로부터 배출되기가 더 어려워진다. 장치가 베이킹-아웃 동안에 너무 빨리 가열되는 경우, 유기 물질의 분해가 물질이 구조물을 빠져나갈 수 있는 것보다 빠르게 발생하기 때문에 박리(delaminate)될 수 있다.

도 38a와 도 38b는 유기 물질(72)의 베이킹-아웃을 위한 다수의 배출 갭을 제공하는 또 다른 양태를 나타내는 도식적인 측 횡단면도이다. 도 38a에서 보여지는 바와 같이, 다수의 개구(70)는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 한면에 제공되어 구조물에서 배출되는 유기 물질(72)을 위한 다수의 베이킹-아웃 경로를 제공한다. 도 38b에서 나타낸 바와 같이, 베이킹-아웃 후에, 다수의 개구(70)는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 측면에 차단 피복물(60)을 적용시킴으로서 밀폐된다. 예를 들면, 차단 피복물은 유리 피복물(glass coating)일 수 있다. 또 다른 예에서, 차단 피복물은 세라믹 충전재(filler)를 함유하는 유리일 수 있다. 또 다른 양태에서, 차단 피복물(60)은 예를 들어, 페이스트로 충전된 접촉 패드(44)일 수 있고, 또한 발생된 전력을 위한 낮은 저항 경로로서 역할을 할 수 있다. 은 페이스트는 또한 증가된 접착성을 위해 유리를 함유할 수 있다. 예시적 양태에서, 캐소드용 베이크-아웃 경로는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 한면으로 배출되고, 애노드용 베이크-아웃 경로는 장치(10)의 반대면으로 배출되어 대향하는 전극 사이가 단축되는 것을 막는다.

연료 전지 Stick^TM 장치(10, 100, 200, 300)의 대안적 양태에서, 캐소드(26) 또는 애노드(24)와 각각 라이닝된 개방 공기 통로(20)와 연료 통로(14)를 가지는 것이 아니라, 공기 또는 연료의 유동을 허용하는 다공성 전극 물질의 사용을 통해 캐소드와 공기 채널이 결합될 수 있고, 애노드와 연료 채널이 결합될 수 있다. 캐소드와 애노드는 반응이 일어날 수 있도록 다공성이어야 하고, 따라서 강제된 공기 및 연료 투입구와 함께 연료 전지 Stick^TM 를 통해 충분한 유동이 달성될 수 있어 전력 발생 반응이 일어날 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태는 도 39의 도식적인 말단 횡단면도이다. 당해 양태는 본질적으로 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 애노드-지지된 버젼(version)이다. 다른 양태과 같이, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 가열 말단과 냉각 말단 또는 중간 가열 영역을 가진 두 개의 냉각 말단을 가질 수 있다. 세라믹(29)에 의해 지지된 장치(10)를 가지는 것이 아니라, 애노드-지지된 버젼은 지지 구조로서 애노드 물질을 사용한다. 애노드 구조 내에, 연료 통로(14)와 공기 통로(20)가 대향하는 관계로 제공된다. 공기 채널(20)은 전해질 층(28)과 라이닝되어 있으며, 이후에 캐소드 층(26)과 라이닝된다. 화학적 증착을 사용하여 내부 층들을 침착시키거나, 또는 점성 페이스트의 용액을 사용할 수 있다.

도 40a와 도 40b에서, 추가의 양태는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 애노드-지지된 버젼으로 나타내어진다. 당해 양태에서, 별도의 개방 연료 통로(14)가 제거되어, 다공성 애노드(24)가 또한 연료 통로(14)로서 역할을 한다. 또한, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 차단 피복물(60), 예를 들면, 유리 피복믈 또는 세라믹 피복물로 피복되어, 연료가 장치(10)의 측면으로 배출되는 것을 막는다. 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 경우에 따라 애노드 구조 내에 결합된 전해질 및 캐소드만큼 많은 공기 통로를 가질 수 있다. 도 40b에 나타낸 바와 같이, 연료 공급기(34)로부터의 연료는 다공성 애노드(24)를 통해 제1 말단(11a)으로 들어가는데, 이것은 연료 통로(14)로서 역할을 하며 전해질 층(28)과 캐소드(26)를 통해 통과하여 공기 공급기(36)로부터의 공기와 반응하고, 이후에 소모된 공기와 연료는 공기 출구(22)로부터 배출될 수 있다.

도 41a의 도식적인 말단 횡단면도와 도 41b의 도식적인 상부 횡단면도에서 나타난 또 다른 양태에서, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 애노드-지지된 구조 내에 제공된 다수의 공기 통로(20), 및 연료 공급기(34)에서부터 단일 연료 투입구(12)를 통해 다수의 공기 통로(20)로 연료를 공급하기 위해 다수의 공기 통로에 수직인 단일 연료 통로(14)를 포함할 수 있다. 다시, 공기 통로(20)는 먼저 전해질 층(28)과 라이닝되고 이후에 캐소드(26)와 라이닝된다. 연료는 단일 연료 통로(14)로부터 애노드 구조(24), 전해질(28)을 지나고, 캐소드(26)를 지나서 공기 통로(20)에서 공기와 반응하며, 소모된 연료와 공기는 공기 출구(22)로부터 배출된다. 소모된 연료는 또한 차단 피복물(60)을 포함하지 않는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 측면으로 스며나올 수 있고, 피복되지 않은 측면은 단일 연료 통로(14)의 배향(orientation)으로부터 장치의 반대면에 위치할 수 있다.

애노드-지지된 구조물에 부속한 양태에서, 구조물은 캐소드-지지된 구조물로 본질적으로 역전될 수 있는 것으로 인지할 수 있다. 전해질 층 및 애노드 층으로 피복된 연료 통로가 이후에 캐소드 구조 내에 제공될 수 있다. 별도의 공기 채널 또는 다수의 공기 채널이 또한 제공될 수 있거나, 또는 캐소드의 기공이 공기 유동을 위해 사용될 수 있다.

도 42a 내지 도 42c는 공기 및 연료 통로 내에 전극을 형성하는 방법을 나타낸다. 연료 통로(14)와 애노드(24)를 예를 들어 보면, 본 발명에서는 그린 세라믹 층과 금속 테잎 층을 사용하거나 인쇄 금속화에 의해 그린 구조를 층별로 축척하기 보다는, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)가 먼저 전극없이 형성된다. 다시 말하면, 그린 세라믹 물질을 사용하여 연료 전지 Stick^TM의 전해질 및 세라믹 지지 부분을 형성하고, 유기 물질을 사용하여 연료 통로(14)와 같은 통로를 형성한다. 연료 전지 Stick^TM 장치는 소결된 후, 연료 통로(14)는 애노드 페이스트 또는 용액으로 충전된다. 페이스트는 프린팅 잉크처럼 농후할 수 있거나, 또는 고-용량 수용액과 같이 흐를 수 있다. 진공을 통한 흡입, 모세관 힘 또는 공기 압력을 통한 압박과 같은 바람직한 수단에 의해 애노드 물질을 연료 통로(14)에 충전할 수 있다.

대안적으로, 도 42a 내지 도 42c에 나타낸 바와 같이, 애노드 물질을 용액에 용해시키고 연료 통로(14) 내부로 유동시킨 다음 침전시킨다. 예를 들어, pH의 변화를 통해, 애노드 입자가 침전될 수 있고, 용액이 인출될 수 있다. 또 다른 대안에서, 애노드 입자는 간단하게 침강될 수 있고, 상기 액체는 건조되거나 또는 연료 통로(14) 외부로 베이킹될 수 있다. 따라서, 이러한 침강은, 예를 들어, 낮은 점도로 인해 연장된 기간의 시간 동안 현탁액에 입자를 유지시키지 못하는 잉크 또는 액체 담체를 생성함으로서 성취될 수 있다. 원심분리가 또한 침강시키는 데 사용될 수 있다. 원심 분리는 연료 통로(14)의 한면으로의 대부분의 입자의 우선적인 침강을 쉽게 허용하여 전극 물질을 보존하고 연료 통로(14)의 한면만이 전해질로서 작용하도록 할 수 있다.

도 42a에 나타낸 바와 같이, 애노드 입자-함유 용액(66)은 도 42b에 나타낸 바와 같이 통로(14)가 완전히 충전될 때까지, 연료 통로(14) 내부로 당겨진다. 그후, 입자는 도 42c에 나타낸 바와 같이 통로(14)의 바닥에 침강되어 애노드 층(24)을 형성한다. 용액(66)의 플러딩-인(flooding-in)은 표준 모세관력과 비교하여, 중력, 진공 또는 원심분리에 의해 가속화될 수 있다. 물론, 애노드(24)와 연료 통로(14)가 한 예로 사용되었지만, 이러한 대안적 양태는 또한 캐소드 페이스트 또는 용액으로 사용될 수 있어 공기 통로(20) 내 캐소드 층(26)을 형성할 수 있다.

또 다른 대안에서, 세라믹 전극 물질(애노드 또는 캐소드)은 액체 졸-겔 상태에서 통로(연료 또는 공기) 내부로 주입될 수 있고, 이후에 통로 내부에 침착될 수 있다. 충전 작업을 다수 반복하거나(액체내 목적하는 전극 물질의 농도가 낮은 경우에서), 또는 전극에 특성들의 구배를 제공하거나(전해질로부터 멀리 떨어져 있는 전극에서 YSZ의 양에 대한 전해질과 가까운 전극에서의 YSZ의 상이한 양을 제공하는 것과 같음), 또는 유사하지 않은 물질의 다층을 함께 배치하는 것이 바람직한 경우(전해질 근처의 LSM 및 이후에 더 나은 전도력을 위해 LSM의 상부 위의 은으로 만들어진 캐소드와 같음) 또한 가능하다.

세라믹 구체 또는 볼을 사용하여 공기 및 연료 통로(20과 14)에 구조적 지지를 제공하는 도 7c 내지 도 7d로 돌아가 언급하면, 세라믹 입자를 사용하여 또한 더 큰 반응 영역을 위해 효율적인 표면적을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 고 출력을 제공할 수 있다. 전극 층을 적용하기 이전에 매우 미세한 크기의 세라믹 볼 또는 입자를 공기 통로(20)와 연료 통로(14) 내부에 사용할 수 있다. 도 43의 도식적인 측면도에 나타낸 바와 같이, 표면 입자(62)들은 통로(14)에 라이닝되어, 전극 층을 수용하는 데 이용 가능한 표면적을 증가시키는 불균일한 형태를 가진 전해질 층(28)을 제공한다. 이후에 표면 입자(62) 주위를 모두 피복하는 애노드 물질을 가진 불균일한 형태 위에 애노드(24)를 적용하여 반응 면적을 증가시킨다.

도 44에서 도식적인 측면 횡단면도에 나타낸 대안적 양태에서, 예를 들면, V-형태의 패턴을 가지는 정교한 그레이딩(grading)에 그린 전해질 층을 압축시킴으로써 불균일한 형태 또는 텍스쳐드 표면 층(64)을 제공하도록 전해질 층(28)을 적층시킬 수 있으며, 이후에 패턴은 전해질 층(28)에 부여된다. 전해질 층(28)을 소결시켜 세라믹 및 텍스쳐드 표면 층(64)을 고화시킨 후, 예를 들면, 도 42a 내지 도 42c에서 앞서 기재한 역충전(backfill) 공정을 사용함으로써 애노드 층(24)을 적용하여 높은 반응 면적을 가진 애노드를 제공할 수 있다.

*본 발명의 또 다른 양태가 도 45a와 도 45b에 나타나 있다. 도 45a는 공기와 연료 통로를 통한 공기 및 연료 유동 및 전극의 배열을 나타내는 도식적인 상부도이고, 도 45b는 가열 영역(32)을 통한 횡단면도이다. 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 길이를 따라, 장치는 좌측면(80)과 우측면(82)으로 나뉘어지고 이들 사이에 중간 부분 또는 브릿징 부분(84)을 가진다. 다수의 공기 통로(20L)는 좌측면(80)을 통해 길이를 따라 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 제1 말단(11a)으로부터 연장되고, 제2 말단(11b)에 인접한 좌측면(80)으로 빠져나가며, 다수의 공기 통로(20R)는 우측면(82)을 통해 길이를 따라 제1 말단(11a)으로 연장되고, 제2 말단(11b)에 인접한 우측면에서 연료 전지 Stick^TM 장치를 빠져나간다. 도 45b에 잘 나타낸 바와 같이, 공기 통로(20L)는 공기 통로(20R)로부터 상쇄된다. 다수의 연료 통로(14L)는 좌측면(80)을 통해 길이를 따라 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 제2 말단(11b)으로부터 연장되고 제1 말단(11a)에 인접한 좌측면(80)에서 빠져나가며, 다수의 연료 통로(14R)는 우측면(82)을 통한 길이를 따라 제2 말단(11b)으로부터 연장되고 제1 말단(11a)에 인접한 우측면(82)을 빠져나간다. 연료 통로(14L)는 연료 통로(14R)로부터 상쇄된다. 또한, 하나의 연료 통로와 하나의 공기 통로를 제외하고, 각 연료 통로(14L)는 공기 통로(20R)와 짝을 이루고 이로부터 약간 상쇄되며, 각 공기 통로(20L)는 공기 통로(14R)와 짝을 이루고 이로부터 약간 상쇄된다. 연료 통로(14L)와 공기 통로(20R)의 각각의 상쇄 짝을 위해, 좌측면(80)에서부터 우측면(82)으로 각 연료 통로(14L)를 따라 금속화가 연장되고, 이것은 이후에 약간 상쇄된 공기 통로(20R)를 따라 연장된다. 유사하게, 연료 통로(14R)와 공기 통로(20L)의 각각의 상쇄 짝을 위해, 좌측면(80)으로부터 우측면(82)까지 각 공기 통로(20L)를 따라 금속화가 연장되고, 이것은 이후에 약간 상쇄된 연료 통로(14R)를 따라 연장된다. 금속화가 연료 통로(14L 또는 14R)를 따라 연장되는 경우, 이것은 애노드(24L 또는 24R)로서 역할을 하고, 금속화가 공기 통로(20L 또는 20R)를 따라 연장되는 경우, 이것은 캐소드(26L 또는 26R)로서 역할을 한다. 금속화가 어떠한 공기 또는 연료 통로를 따라 연장되지 않는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 브릿징 부분(84)에서, 금속화는 단순하게 애노드와 캐소드 사이에서 브릿지(90)로서 역할을 한다. 본 발명의 한 가지 양태에서, 금속화는 길이를 따라 동일한 물질을 포함할 수 있어, 애노드(24L 또는 24R), 브릿지(90) 및 캐소드(26L 또는 26R)는 각각 동일한 물질을 포함한다. 예를 들어, 금속화는 애노드 또는 캐소드 중의 어느 하나로서 양호하게 작용하는 백금 금속을 각각 포함할 수 있다. 대안적으로, 금속화는 상이한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐소드(26R 또는 26L)는 란탄 스트론튬 아망간산염(LSM)을 포함할 수 있는 반면에, 애노드(24R 또는 24L)는 니켈, NiO 또는 NiO+YSZ를 포함한다. 브릿지(90)는 팔라듐, 백금, LSM, 니켈, NiO 또는 NiO+YSZ을 포함할 수 있다. 본 발명은 캐소드 또는 애노드, 또는 이들 사이의 브릿징 물질로서 사용하기에 적합한 물질의 어떠한 조합 또는 유형도 고려하며, 본 발명은 앞서 정의된 특정 물질에 제한되지 않는다.

우측면(82)에 나타낸 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 한 면에, 연료 채널(14R)이 결합된 애노드(24R)에 제공되며, 이것은 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 우측 에지로 연장되어 외부 노출된 애노드(25)를 제공한다. 이러한 연료 통로(14R)와 결합된 상쇄 공기 통로(20L)는 없으며, 애노드(24R)는 좌측면(80)으로 연장할 필요가 없다. 도 45a에 나타낸 바와 같이, 외부 접촉 패드(44)를 노출된 애노드(25) 위에 적용하고, 냉각 영역(30) 내로 연료 전지 Stick^TM 장치의 길이를 따라 연장한다. 음전압 노드(38)는 이후에 와이어(42) 및 납땜 연결(46)에 의해 접촉 패드(44)에 연결될 수 있다. 애노드(24R)는, 나타낸 바와 같이, 가열 영역(32) 전반에 걸쳐 우측 에지로 연장할 수 있거나, 또는 사용된 전극 물질의 양을 줄이기 위해 작은 탭 부분에서만 연장할 수 있다. 또한, 이러한 양태가 전극 물질의 불필요한 사용을 포함할지라도, 애노드(24R)는 연료 통로(14R)의 길이를 따라 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 우측 에지로 연장할 수 있다.

유사하게, 좌측면(80)에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 다른 면위에, 단일 공기 통로(20L)가 결합된 캐소드(26L)에 제공되며, 이것은 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 좌측면으로 연장되어 노출된 캐소드(27)를 형성한다. 이러한 공기 통로(20L)는 상쇄 연료 통로(14R)와 결합되지 않고, 캐소드(26L)는 우측면(82)으로 연장할 필요가 없다. 접촉 패드(44)는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 좌측면(80)의 외부를 따라 노출된 캐소드(27)로부터 냉각 말단(30)으로 적용될 수 있으며, 여기서 양전압 노드(40)는 와이어(42) 및 납땜 연결(46)을 통해 접촉 패드(44)에 연결될 수 있다.

도 45b에서, 단일 연료 통로(14R) 및 결합된 애노드(24R)는 우측면(82)의 상부에서 보여지는 반면에, 단일 공기 통로(20L) 및 결합된 캐소드(26L)는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 좌측면(80)의 하부에서 보여진다. 그러나, 본 발명은 이러한 배열에 제한되지 않는다. 예를 들어, 공기 통로(20L) 및 결합된 캐소드(26L)는 또한, 단일 연료 통로(14R) 및 결합된 애노드(24R)와 유사한 상쇄 방식으로 좌측면(80) 위의 장치(10)의 상부에 제공될 수 있지만, 금속화는 좌측면(80)으로부터 브릿징 부분(84)을 지나 우측면(82)으로 이어지지는 않는다. 오히려, 브릿지(90)는 부재하여 애노드(24R)가 캐소드(26L)로부터 전기적으로 분리된다. 추가 배열이 고려되며, 여기서, 직렬로 연결된 전지를 가진 연료 전지 Stick^TM 장치 내에 두 개의 독특한 공기 경로 스택과 두 개의 독특한 연료 경로 스택이 연료 전지 Stick^TM 장치(10)에 제공될 수 있다. 도 45a와 도 45b에서 나타난 양태는 전류를 증가시키지 않고 낮은 저항을 유지하면서 전압을 증가시키는 장점을 가진다. 추가로, 당해 양태는 연료 전지 Stick^TM 장치(10) 내에 고밀도를 제공한다.

도 46a와 도 46b에는 대안적 양태가 각각 도식적인 사시도 및 도식적인 횡단면도로 나타나 있다. 상기 양태(예: 도 37)는 가열 영역(32)에서부터 냉각 영역(30)으로 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 외부면 또는 에지를 따라 외부 스트라이프를 제공하여 냉각 말단으로 전자가 이동하는데 낮은 저항의 경로를 제공하였다. 도 46a와 도 46b의 양태에서, 장치(10)의 측면 또는 에지의 하부의 스트라이프 대신에, 접촉 패드(44)가 애노드(24)로의 외부 연결을 위해 한면 및 상부면과 하부면 중의 하나를 따라 적용되고, 다른 접촉 패드(44)가 캐소드(26)로의 외부 연결을 위해 반대면 및 상부면과 하부면 중의 다른 하나를 따라 적용된다. 따라서, 전자는 이들이 이동하는 크거나 또는 넓은 경로를 가지며, 이로써 더 낮은 저항을 제공한다. 두 개의 인접한 표면에 적용되는 이러한 큰 전도체 패드(44)는 본원에 기재된 어떤 양태에서도 사용될 수 있다.

도 47의 도식적인 횡측단면도에서, 열 교환 원리를 이용하는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 또 다른 양태가 도시되어 있다. 가열된 공기 및 연료가 가열 영역(32)의 활성 영역(33b)(즉, 애노드(24)가 캐소드(26)와 대향하는 관계에 있고 이들 사이의 전해질을 가지는 가열 영역(32)의 부분)을 통해 통과한 후에, 연료 통로(14)와 공기 통로(20)는 단일 배출 통로(21)로 합류한다. 미반응 연료는 가열된 공기와 배합되는 경우 연소되어, 추가의 열을 발생할 것이다. 배출 통로(21)는 활성 영역(33b)에 인접한 냉각 영역(30)을 향하여 다시 이동하고, 이때 배기가스(소모된 연료와 공기)의 유동 방향은 인접한 연료 및 공기 통로(14, 20) 내로 들어오는 연료 및 공기와는 상반되는 방향이다. 배출 통로(21)에서 발생된 추가의 열은 인접한 통로(14, 20)로 이동하여 들어오는 연료와 공기를 가열한다.

도 48a 내지 도 48c는 도 48a에 나타낸 바와 같이 얇은 부분(404)보다 더 큰 두께를 가지는 두꺼운 부분(402)을 갖는 "말단-롤링된 연료 전지 Stick^TM 장치(400)"를 나타낸다. 연료 및 공기 투입구(12, 18)는 두꺼운 부분(402)의 말단에 있는 제1 말단(11a)에 인접하여 위치하고, 나타나지는 않았으나, 공기 및 연료 출구(16, 22)는 얇은 부분(404)의 말단에 있는 대향하는 제2 말단(11b)에 인접한 장치(400)의 측면에 제공될 수 있다. 두꺼운 부분(402)은 기계적인 강도를 제공하기에 충분히 두꺼울 수 있다. 이것은 연료 및 공기 투입구(12, 18)에 인접한 주위에 두꺼운 세라믹(29)을 제공함으로서 달성할 수 있다. 얇은 부분(404)은 활성 영역(33b)(도시하지 않음)을 포함하며, 활성 영역은 캐소드(도시하지 않음)와 대향하는 관계인 애노드(도시하지 않음), 이 사이에 전해질(도시하지 않음)을 포함할 수 있다(이전 양태와 같음). 도 48b에 나타낸 바와 같이, 얇은 부분(404)은 그린(연소되지 않은) 상태에서 롤링되도록 충분히 얇아야 한다. 얇은 부분(404)을 목적하는 경도(tightness)로 롤링한 후, 장치(400)를 연소시킨다. 이후에, 롤링된 얇은 부분(404)을 가열하여 반응을 일으키도록 할 수 있으며, 다른 양태에서 토의한 바와 같이, 두꺼운 부분(402)은 냉각 말단이다. 말단-롤링된 연료 전지 Stick^TM 장치(400)는 표면적이 큰 장치로 얇은 부분(404)의 롤링에 의해 작은 공간에 적합할 수 있다. 게다가, 얇은 부분(404) 내 활성 영역(33b)의 작은 횡단면은 세라믹을 따라 열 이동을 감소시키며 온도 순환 성능을 양호하게 한다.

애노드(24)와 캐소드(26)가 활성 (반응) 영역(32 및/또는 33b)에서 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 가장자리(측면)에 노출되어 있는 양태에서, 장치(10)의 상부 또는 하부에 있는 세라믹(29)은 활성 영역(32 및/또는 33b)의 구역에서 오목해질 수 있다. 이로 인해 전기적 연결을 만들기 위해 상부 및/또는 하부로부터 캐소드(26)와 애노드(24) 둘 다에 접근할 수 있다. 이어서, 접촉 패드(44)(예를 들면, 금속화 스트라이프)를 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 상부 표면을 따라 활성 영역(32 및/또는 33b)으로부터 냉각 영역(들)까지 적용하여 가열 영역 체임버/로(chamber/furnace)의 외부로 연결을 제공할 수 있다.

연료 전지 Stick^TM 장치(10)가 대향하는 말단(11a, 11b)에 두 개의 냉각 영역(30)을 포함하고 중심에 가열 영역(32)을 포함하는 또 다른 양태에서, 애노드(들)(24) 및/또는 캐소드(들)(26)를 위한 접촉 패드(들)(44)(예를 들면, 금속화 스트라이프)가, 예를 들면, 도 36b에 도시된 바와 같이 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 가열 영역(32)으로부터 두 개의 말단(11a, 11b)을 향해 이어질 수 있다. 이어서, 애노드(들)(24) 및 캐소드(들)(26)의 각각에 두 개의 별도의 전기적 연결을 만들 수 있다. 예를 들면, 제한하는 것은 아니지만, 한 세트의 연결은 전지로부터의 전압 출력을 모니터링하는 데 사용될 수 있는 반면에, 다른 세트의 연결은 부하를 연결시키고 전류를 허용할 수 있다. 전지 자체에서 전압을 별도로 측정할 수 있는 능력은 전지로부터의 총 전력 출력의 보다 양호한 아이디어를 제공하는 잇점을 갖는다.

*접촉 패드(44)(예를 들면, 금속화 스트라이프)를 위해, 당업계의 통상의 숙련가들에게 공지된 적합한 전도성 물질을 사용할 수 있다. 예는 은, LSM 및 NiO를 포함한다. 물질의 배합물을 사용할 수도 있다. 한 가지 양태에서, 가열 영역(32)에서 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 표면을 따라 비-귀금속 재료를 사용할 수 있다. 예를 들면, LSM은 가열 영역 체임버/로의 대기가 산화성인 경우에 사용할 수 있다. 예를 들면, NiO는 가열 영역 체임버/로의 대기가 환원성인 경우에 사용할 수 있다. 그러나, 어느 하나의 경우에, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)가 가열 영역 체임버/로를 빠져나가기 직전에 금속화 물질이 귀금속 또는 내식성 물질로 변화되도록 물질이 가열 영역 체임버/로 외부로 연장된다면 비-귀금속 물질은 전도성을 상실한다. 은 페이스트가 통상적인 귀금속 물질이다. 추가로 설명하자면, LSM과 같은 특정 물질은 반응 온도에서 실온으로 온도가 강하함에 따라 비전도성으로 되며, 니켈과 같은 기타의 물질은 장치(10)의 냉각 말단(30)에서 공기에 노출되는 경우 비전도성으로 된다. 따라서, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 냉각 말단 영역(30)에서 접촉 패드(44)를 위한 금속화 물질은 공기(즉, 보호 대기 부재) 및 저온에서 전도성이어야 한다. 은과 같은 귀금속은 온도/대기 변이 영역을 가로질러 작동하여, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)가 가열 영역 체임버/로를 빠져나가기 전에 금속화 물질이 귀금속으로 변화될 수 있도록 한다. 물질의 배합물을 사용하면 가열 영역(32)에서의 특정 컨덕턴스 요구 대 냉각 영역(30)에서의 특정 컨덕턴스 요구를 기초로 하여 물질을 선택할 수 있고 사용된 고가의 귀금속의 양을 감소시킴으로써 비용을 절감할 수 있다.

도 49a 내지 49c에 도시된 바와 같이, 와이어(92) 또는 기타의 물리적 구조는 미가공 층(green layer)의 구축 과정 동안 장치에 배치하며(도 49a), 이후에 층을 적소에서 와이어(92)와 적층시킨 다음(도 49b), 와이어(92)를 적층 후 제거한다(도 49c). 이것은, 예를 들면, 연료 또는 공기의 입구 지점(entrance point)에서 유용하며, 여기서, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 가스 유동 통로(gas flow passage)(14, 20)가 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 가열 영역(32)(반응 영역)으로 들어오기 전에 몇 인치의 길이를 가질 수 있다. 통로를 형성하기 위해 공정에서 서서히 베이크 아웃(bake out)시켜야 하는 중합체를 인쇄하는 대신에, 와이어 공정을 사용하여 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 해당 부분의 베이크-아웃 문제를 제거할 수 있다. 제한하지 않으면서 예를 들자면, 쉽게 잡아당겨지는 직경이 0.010인치인 와이어(92)가 사용될 수 있다. 와이어(92)는 또한 평평하게 압연되어 와이어와 유사한 용적을 갖지만 단면적은 보다 작은 리본형 물리적 구조를 형성할 수 있다. 리본은 보다 큰 표면적을 갖기 때문에, 이형제를 이의 표면에 적용하여 적층 동안 이것이 세라믹 층에 달라붙지 않도록 할 수 있다. 따라서, 용어 "와이어"는 단면이 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형 등이든간에 길면서도 좁은 각종 물리적 구조를 광범위하게 포함하는 것으로 의도된다.

도 50a 내지 50c는 1층 연료 전지 Stick^TM 장치(10)에 대한 입구 채널의 형성 예를 나타낸다. 이러한 예에서, 전체 연료 및 산화제 통로(14, 20)를 형성하기 위해 갭-형성 테잎(94)(예를 들면, 중합체 또는 왁스 테잎)을 사용하기 보다는, 갭-형성 테잎(94)은 단지 활성 영역(33b)에서, 즉 애노드(24) 및 캐소드(26)가 그 사이에 있는 전해질(28)과 대향하는 관계로 위치하는 영역에서만 사용된다. 연료 및 산화제 통로(14, 20)가 결합된 대향하는 애노드(24) 및 캐소드(26)를 갖지 않는 비-활성 영역에서는, 갭-형성 테잎(94) 대신에 와이어(92)가 사용된다. 도시된 바와 같이, 와이어(92)는 와이어(92)와 갭-형성 테잎(94)에 의해 형성된 통로(14, 20)가 투입구(12, 18)에서 출구(16, 22)(도시되지 않음)까지 연속하도록 갭-형성 테잎(94)과 접촉하거나 중첩된다.

연료 전지 Stick^TM 장치(10)가 점점 더 복잡해짐에 따라, 이러한 와이어 개념을 사용하는 것이 점점 더 유용해질 수 있으며, 예를 들면, 다층 연료 전지 Stick^TM 장치(10)(예를 들면, 50층)의 복잡한 베이크-아웃 문제가 간소화될 수 있다. 이것은 부분적으로, 특히 복잡한 구조에서 결합제 제거에 대한 문제 때문이며, 결합제 베이크-아웃 생성물은 (중합체의 분해로부터) 이들이 생성된 위치에서부터 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 외부로 이동하기 때문이다. 그러나, 와이어(92)를 구조로부터 빼낸 후, 이러한 기공을 따른 경로는 자유롭고 투명하다. 와이어(92)(또는 기타의 적합한 물리적 구조)를 복잡한 구조에 끼워넣었다가 빼내면, 이에 의해 발생된 보이드가 베이크-아웃 생성물을 위한 구조 내의 다수의 영역이 구조로부터 경로를 신속하게 찾도록 할 수 있다.

와이어 개념을 위한 또 다른 유용한 목적은 연료 전지 Stick^TM 장치(10) 내의 압력 분배를 도와줄 수 있다는 것이다. 단일 튜브가 공기 또는 연료를 연료 전지 Stick^TM 장치(10)로 공급하는 경우, 연료 전지 Stick^TM 장치(10) 내에서 다수의 통로/채널을 따라 상이한 유동 속도가 존재할 수 있다. 예를 들면, 50개의 활성 층에 상응하는 50개의 공기 통로(20)가 연료 전지 Stick^TM 장치(10)에 있다면, 약간 더 큰 단면적을 갖는 한 개의 통로와 약간 더 작은 단면적을 갖는 한 개의 통로가 있을 수 있다. 이것은 갭-형성 물질의 치수에 있어서의 랜덤한 변화로부터 야기될 수 있다. 하나의 해결책은 각각의 층으로부터 출구의 단면적을 제한하는 것이다. 각각의 층으로부터의 배출 지점의 단면을 이러한 단면적이 동일하도록 정확하게 만들 수 있다면, 배출 지점의 단면적이 유동 채널의 면적보다 작다면, 그리고 이러한 모든 배출 지점의 면적이 투입 튜브의 단면적보다 작다면, 유동은 각 층에 대해 동일할 것이다. 이것은 가스 및 유체 유동의 실용성과 부합된다. 와이어 개념은 이러한 해결책을 가능케 한다. 각 층의 배출 지점에서, 외계로의 가스의 최종 통로를 만들기 위해 와이어(92)가 외계로 삽입된다. 50개 층의 경우, 50개의 짧은 와이어 조각이 삽입된다. 이들을 빼내는 경우, 각각의 층은 정밀 출구 치수(예를 들면, 5밀(mil) 직경 통로)를 갖는다.

따라서, 본 발명은 각 층의 배출 지점의 단면적이 유동 경로 단면적 자체보다 더 작은 다층 연료 전지 Stick^TM 장치(10)를 고려한다. 추가로, 본 발명은 각 층의 배출 지점이 일부 소정의 위치에서 정확하게 동일한 단면적을 갖도록 정밀 기계가공되는 다층 연료 전지 스틱 장치(10)를 고려한다. 본 발명은 추가로, 합한 모든 출구 면적이 투입구의 단면적보다 작은 다층 연료 전지 Stick^TM 장치(10)를 고려한다. 이러한 양태에서, 배출 지점의 단면적은 층의 활성부의 말단을 넘어서지만 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 말단 출력 지점 이전에 있는 유동 경로의 일부 위치에 있는 것으로 정의된다. 즉, 유동 경로에서 이러한 넥다운 지점(neckdown point)은 연료 전지 Stick^TM 장치(10)로부터 정확하게 배출 지점에 있을 필요는 없으며, 단지 활성 영역으로부터 하류 어딘가에 있으면 된다.

이전의 양태에서, 가열 영역(32) 및 가열 영역 체임버가 논의된 바 있다. 가열 영역 체임버를 또한 로(furnace)라고 할 수 있다. 냉각 영역 또는 냉각 말단 영역(30)이 로의 바깥에 위치한다. 전이 영역(31)은 로의 내부의 영역과 인접한 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 영역이다. 도 51에 도시된 바와 같이, 로 벽(96)은 총 두께 T를 갖는다. 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는 이러한 로 벽(96)을 통해 통과한다. 벽(96)에서 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 길이는 X 치수이며, 두께 T와 동일하다. 연료 전지 Stick^TM 장치(10)가 벽(96)을 통해 통과함에 따라 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 너비는 Y 치수이다. 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 두께는 Z 치수이다. 이러한 양태의 목적을 위해, Z는 Y 이하이다.

본 발명의 양태에 따르면, 최적의 조건을 위해, 로 벽 두께 T는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)가 벽(96)을 통해 통과함에 따라 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 너비 Y보다 커야 한다. T가 Y보다 작으면, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)가 벽(96)을 통해 통과함에 따라 연료 전지 Stick^TM 장치(10)에 대한 응력이 너무 높을 수 있으며, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)가 균열될 수 있다.

도 52a 내지 52c에 도시된 또 다른 양태에서, 치수 L은 연료 전지 Stick^TM 장치가 로 벽(96)을 통해 통과하는 부위에서 연료 전지 Stick^TM 장치(10)(100, 200, 300 또는 400)의 장치(10)의 길이 방향에 수평인 평면(즉, Y-Z 평면)의 최대 치수이다. 직사각형 연료 전지 Stick^TM 장치(10)(100, 400)의 경우, 최대 치수 L은 도 52b에 도시된 바와 같이 대각선일 수 있다. 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200, 300)의 경우, 최대 치수 L은 직경일 수 있다. 최적의 조건을 위해, 치수는 T > ½L로 되도록 해야 한다.

벽 두께 T는 하나의 균일한 물질(절연재)(98)로부터 이루어질 수 있다. 대안적으로, 도 53에 도시된 바와 같이, 벽 두께 T는 또한 열 전달 특성이 각 층에서 최적화되어 최상의 가능한 온도 전이 결과를 제공하도록 다수의 등급화된 절연 층, 예를 들면, 3개의 절연 층(98a, 98b, 98c)으로부터 이루어질 수 있다. 다층 로 벽(96')의 경우, 합한 모든 층의 총 두께 T는 Y보다 크고/크거나 ½L 이상이어야 하지만, 벽(96')의 한 층의 두께는 Y보다 작고/작거나 ½L 미만일 수 있다.

도 54에 도시된 또 다른 양태에서, 다수의 절연 층(98a, 98c)이 공기 갭(120)에 의해 분리될 수 있는 다층 로 벽(96")이 제공된다. 이러한 구조에서, 가열 영역(32) 가까이에 고온 절연 층(98c)이 있고 냉각 영역(30) 가까이에 저온 절연 층(98a)이 있을 수 있다. 예를 들면, 전이 영역(31) 또는 예열 영역(33a)에 상응하는 중간 온도 영역이 두 개의 절연 층(98a 및 98c) 사이에 있다. 이러한 양태는 로의 최고온 영역을 더 크게 만들 필요없이 연료 전지 Stick^TM 장치(10)로 유동하는 공기를 위한 더 긴 예열 영역을 가능케 할 수 있다. 이러한 양태에서, 벽(96")의 한 층의 두께는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)가 벽(96")을 통해 통과함에 따라 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 Y 치수보다 작고/작거나 ½L보다 작도록 만들 수 있다. 그러나, 층(98a 및 98c)과 공기 갭(120)을 포함한 벽(96")의 총 치수 T는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 Y 치수보다 크고/크거나 ½L 이상일 것이다. 이러한 양태는 2개 이상의 절연 층을 추가로 고려한다.

먼저 애노드와 캐소드 없이 연료 전지 Stick^TM 장치(10)를 제조한 다음 이후에 이들 부재를 역충전(backfilling)하는 아이디어가 앞서 논의되어 있다. 이를 수행하는 이유는 특정 애노드 또는 캐소드 물질이 Zr의 소결 온도에서 너무 많이 조밀하기 때문이며, 이것이 지나치게 조밀하면, 우수한 반응이 불가능해질 것이다. 즉, 보다 일반적으로 말해서, 시스템의 상이한 성분들을 동일한 온도 프로파일로 최적으로 소결시키는 것을 원치 않는다면 역충전이 필요할 수 있다.

그러나, 애노드 또는 캐소드의 상부 부분 위에 전류 수집기를 제공하는 것은 보다 어렵다. 아래에 논의된 도 55a 내지 55e에 도시된 바와 같이 전류 수집기(122)는 애노드 또는 캐소드의 표면 부분으로서 위치된 고밀도 전극인 것으로 당해 기술분야의 숙련가들에게 공지되어 있다. 이것은 일반적으로 전자를 수집하여 이들이 도달할 필요가 있는 곳으로 이것을 이동시킬 수 있는, 미세 와이어와 같은 고도의 전기전도성 층 또는 매트릭스이다. 전류 수집기(122)는 NiO 또는 LSM, 또는 몇몇 다른 저렴한 물질, 또는 심지어 귀전극(precious electrode)으로 이루어질 수 있다. 애노드 및 캐소드를 형성하기 위한 역충전 공정에 따라, 정밀 전류 수집기를 균일한 방식으로 넣기는 어렵다. 그러나, 전류 수집기의 문제는 애노드 또는 캐소드의 문제보다 더 어렵다. 애노드 및 캐소드는 다공성인 것이 바람직하며, 이것은 과발화(over-firing)의 위험을 야기하는 반면; 전류 수집기는 바람직하게는 조밀하여(우수한 전도성을 위해), 잠재적으로는 Zr와 동시-발화될 수 있다. 전류 수집기(122)를 역-충전 전에 전해질(28)에 배치하여, 전류 수집기가 애노드 및 캐소드 아래에서 전해질(28)과 접촉하도록 할 수 있지만, 이러한 정렬은 전해질(28) 상의 활성 영역을 차단하여 활성 영역을 불필요하게 낭비한다.

본 발명의 양태에 따르면, 도 55a 내지 55e에 도시된 바와 같이, 전류 수집기(122)는 이들이 연료 전지 Stick^TM 장치(10) 내의 공간에 부유하도록 배치되고 동시-발화된다. 이것은 도 55a에 도식적으로 도시된 바와 같이 희생 제1 유기 층(72a)(예를 들면, 중합체)의 상부에 전류 수집기(122)를 인쇄한 다음 전류 수집기(122)의 상부 위에 희생 제2 유기 층(72b)(예를 들면, 중합체)을 피복시킴으로써 달성할 수 있다. 이에 의해, 전류 수집기(122)는 도 55b에 도시된 바와 같이 2개의 희생 유기 층(72a, 72b) 사이에 샌드위칭된다. 도 55c에 도시된 바와 같이 세라믹 지지 구조(29) 내에 희생 층/전류 수집기 구조를 배치함을 포함하여 연료 전지 Stick^TM 장치(10)를 제조한 다음 소결시킴으로써 희생 유기 층(72a, 72b)을 소멸시켜 갭(123)을 형성하고, 도 55d에 도시된 바와 같이 전류 수집기(122)는 갭(123) 내의 공간에 부유한채로 있게 된다. 애노드 또는 캐소드 형성을 완료하기 위해 다공성 애노드 또는 캐소드를 갭(123)에 역충전하는 것은 용이하다. 상기한 바와 같은 지지 기둥(support pillar)(54)을 또한 사용하여, 부유 전류 수집기(122)가 도 55e에 도시된 바와 같이 지지 기둥(54)에 체류하고 있어 기계적 지지를 제공하거나 위치를 표준화할 수 있다. 이를 달성하기 위해, 주기적인 비아 홀(periodic via hole) 또는 작은 갭을 중합체의 제1 희생 층(72a)에 생성시켜, 전류 수집기 물질이 주기적으로 홀로 인쇄되도록 할 수 있다. 결합제 제거 후, 이러한 충전된 홀이 지지 기둥(54)이 된다. 대안적으로, 지르코니아 볼을 희생 중합체 갭 물질에 첨가할 수 있다. 희생 중합체가 용해됨에 따라, 전류 수집기(122)가 볼에 달라붙고, 볼이 도 56a 및 56b에 도시된 바와 같이 세라믹 지지 구조(29)에 달라붙어 지지체를 제공한다. 이어서, 다공성 애노드(24) 또는 캐소드(26)를 도 57a 및 57b에 도시된 바와 같이 공간으로 역충전시킬 수 있으며, 이때 전극 입자(124)는 역충전을 위한 점성 액체(126)에 보유되며, 그후 장치를 건조시키고, 입자를 침강시키고 소결시켜 애노드(24) 또는 캐소드(26)를 형성한다. 애노드 또는 캐소드 입자는, 이것이 (중력에 의해 또는 원심분리에 의해) 유용하다면, 한면에 선택적으로 침착시킬 수 있다.

인쇄된 햇치 라인(hatch line)을 사용하는 전류 수집기 스타일의 경우, 통로가 전류 수집기(122)에 끼이거나 차단되게 하는 공기 또는 연료 통로(14, 20)의 갭 치수에 있어 약간의 변화가 있을 수 있다. 이러한 변화는 소결 동안의 랜덤한 치수 변화로 인해 발생한다. 도 58a 내지 58c는 대개 통로(14, 20)의 차단을 야기하는 전류 수집기(122)의 예를 보여주는 현미경 사진이다. 통로(14, 20)의 목적은 완전히 유동되도록 하는 것이다. 통로를 더 크게 만들 수도 있지만, 이것은 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 밀도를 불필요하게 감소시킬 것이다(통로가 두꺼울수록 및 층이 두꺼울수록 다층 장치의 전력 밀도는 더 낮다). 본 발명의 하나의 양태에 따르면, 통로(14, 20)가 전류 수집기(122)에서 차단될 가능성을 감소시키기 위해, 전류 수집기 라인을 다공성 애노드(24) 및 캐소드(26) 내에 매몰시킬 수 있다. 도 59 및 60(여기서, 도 59는 애노드(24) 및 캐소드(26) 표면 위의 전류 수집기(122)를 보여주고, 도 60은 애노드(24) 및 캐소드(26)의 표면에 매몰된 전류 수집기(122)를 보여준다)에 도시된 바와 같이, 전류 수집기(122)가 다공성 애노드 및 캐소드(24, 26)의 두께에 매몰되는(또는 애노드/캐소드에 실질적으로 매몰되는) 경우 전류 수집기(122)는 가스 유동의 경로를 덜 차단시킬 것이다. 도 69는 다공성 애노드 또는 캐소드로 오목하게 들어가 있는 실제 전류 수집기 트레이스를 보여준다.

전류 수집기(122)를 매몰시키는 방법이 도 61a 내지 61c에 도시되어 있다. 먼저, 전류 수집기(122)를 임시 기판(128)에 분배 또는 인쇄한다. 이어서, 페이스트를 인쇄하거나 전극 입자(124)를 함유하는 점성 액체(126)로 역충전하고 건조시킴으로써 이러한 전류 수집기(122)를 전극 물질로 피복시킨다. 최종적으로, 임시 기판(128)을 제거한다. 임시 기판(128)은, 건조된 플라스틱 상의 전극(electrode-on-plastic)이 뒤집어지고 플라스틱이 박리될 수 있도록 건조 후 전극 물질에 대해 단지 적당한 접착성만을 갖는 플라스틱 조각일 수 있다. 동일하거나 유사한 결과는 전류 수집기(122) 및 애노드/캐소드(24,26)를 스택에 삽입된 갭-형성 테잎(94)에 배치함으로써 달성할 수 있으며, 베이크-아웃 및 소결 동안, 갭-형성 테잎(94)이 소멸되어 동일한 최종 결과를 남기게 될 것이다.

애노드(24) 또는 캐소드(26)를 전류 수집기(122)의 상부 위에서 인쇄하는 경우, 전류 수집기(122)가 약간 용해되어 퍼지는 경향이 있다면, 상이한 용해도를 갖는 물질이 사용될 수 있다(극단적인 경우에, 전류 수집기(122)는 극성 용매에 가용성인 수지 물질을 함유할 수 있고, 다공성 전극 잉크는 비극성 용매에 가용성인 수지 물질을 가질 수 있다). 전류 수집기(122)의 너무 지나친 확산(speading)은 다공성 애노드(24) 또는 캐소드(26)로의 가스 확산을 감소시키도록 작용하기 때문에 이러한 확산을 제한하는 것이 바람직하다. 그래서, 전류 수집기(122)의 약간의 확산이 일어날 수는 있지만 전류 수집기(122)의 적어도 일부는 다공성 물질에 매몰되는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명은 연료 통로(14) 또는 공기 통로(20)로의 전류 수집기(122)의 돌출을 감소시키기 위해 전류 수집기(122)의 일부분이 다공성 애노드(24) 또는 캐소드(26)로 오목하게 들어가 있는 전류 수집기 경로를 고려한다.

다층 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 활성 영역(33b)에서, 전해질(28)은 가능한 얇은, 예를 들면, 10㎛인 것이 좋다. 그러나, 초박형(super-thin) 전해질은 장치의 공기 및 연료 면 사이의 누출 가능성을 증가시킨다. 보다 얇은 전해질은 보다 높은 전력을 제공할 수 있지만, 너무 얇으면 균열 또는 누출을 야기하고, 층으로부터 제로 출력(zero output)을 제공할 것이다. 본 발명의 하나의 양태에 따르면, 활성 영역(33b)에서 전해질(28)의 허용 가능한 최소 두께에 대한 주안점은 애노드 및 캐소드 두께 또한 총 두께에 기여하고, 이에 따라 총 강도에 기여한다는 것이다. 제한하지 않고 단지 예를 들자면, 균열을 방지하기 위해 100㎛의 두께가 요구되고, 각각의 애노드(24) 및 캐소드(26)가 45㎛로 측정되는 경우, 10㎛ 전해질 두께이면 잘 작용할 것이다(45+45+10=100).

다층 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 비활성 영역(passive area)(대향하는 애노드 및 캐소드가 없는 영역)에서는 상이한 두께가 요구된다. 이러한 비활성 영역은 공기 및 연료의 분포를 책임진다. 이것은 중첩되는 연료 및 연료 분포 통로로서 여러 도면에 도시되어 있다. 여기서의 요건은, 또한 균열을 방지하기 위해 특정한 두께를 갖는 것이지만, 애노드(24) 및 캐소드(26) 없이, 세라믹(29)은 활성 영역(33b)에서의 세라믹 전해질 층(28)보다 더 두꺼워야 한다. 그래서, 상기 예에서, 비활성 영역에서의 세라믹(29)은 100㎛인 반면, 활성 영역(33b)에서의 세라믹 전해질 층(28)은 10㎛와 같이 더 얇을 수 있다.

본 발명의 양태에 따르면, 2개의 두께를 갖는 세라믹 전해질(28, 29)의 개별 층을 달성하기 위한 방법이 제공된다: 비활성 가스 통과 영역에서의 세라믹(29)은 더 두껍고 활성 영역(33b)에서의 세라믹 전해질(28)은 더 얇다. 도 62-62a에 도시된 방법은 3개 조각의 세라믹 테잎(130)을 사용하여 비활성 가스 유동 영역에 세람기(29)을 생성하며, 여기서, 2개의 테잎 조각(130a, 130c) 말단 및 단지 중간 층(130b)이 활성 영역(33b)으로 연장되어 대향하는 애노드(24) 및 캐소드(26) 사이에서 세라믹 전해질(29)로서 작용한다.

다수의 아이디어들이 저온 연결(low temperature connection)을 위해 로에 존재하는 신장 구조와 관련하여 앞서 제시되어 있다. 그러나, 아이디어들의 대부분은 또한 로를 빠져나가지 않고/않거나 플레이트 형태 등을 갖는 다층 연료 전지 장치에 사용될 수 있다. 본 발명에서 달성할 수 있는 장치의 밀도는, 로에서 가열 연료 전지 장치에 연결되는 다른 연료 전지 장치 및 시스템에서 달성될 수 있다. 예를 들면, 다른 연료 전지 장치에 사용될 수 있는 본원에 기재된 개념은 중합체 테잎, 라운드 볼(round ball)로 충전된 중합체 테잎, 출구 또는 입구 통로를 형성하는 데 사용되는 와이어(여기서, 하나의 통로는 2개의 전극을 작용시킨다), 중력 또는 원심분리를 사용하여 한면쪽으로 전극 현탁액을 건조시키는 패들형 장치, 종말화(termination)를 위한 사이드 갭 및 일련의 구조를 포함한다.

전류 수집기(122)는 전극(애노드(24) 및 캐소드(26))에서 생산되거나 소모되는 전자가 로드(load)(전압 노드(voltage node)(38, 40))로 가는 도중에 저-저항 경로로 이동하도록 하는 목적을 갖는다. 최적의 전극 구조는 그다지 전도성이지 않은데, 그 이유는 이것은 몇 가지 일이 한꺼번에 발생하도록 해야 하기 때문이다: 가스가 유동하도록 하는 기공이 있고, 산소 이온이 전해질 쪽으로 유동하도록 하는 전극에서의 세라믹이 있으며, 전자가 유동하도록 하는 전자 도체가 있다. 기공 및 세라믹의 존재는 전체 전극이 이것이 단지 전자 도체로만 이루어진 경우보다 더 높은 저항을 가짐을 의미한다.

일단 전자가 유리되면, 이것이 높은 전도율 경도로 이동하도록 하는 것이 중요하다. 전류 수집기를 위한 현존하는 구조는 도체로부터 전해질 세라믹을 제거하되 다공도를 그대로 유지하는 것을 기초로 한다. 이것은 보다 전도성인 층을 생성한다. 이것을 전체 애노드 또는 캐소드 위에 인쇄한다. 다층 구조에서의 이러한 구조의 한가지 단점은, 애노드/캐소드 물질이 소결 후 첨가되어야 하는 경우, 상기한 바와 같은 두 개의 별개의 층을 생성하기가 곤란할 수 있다는 것이다. 전류 수집기 동시-발화의 잇점은 앞서 기재되어 있다.

본 발명의 양태에 따르면, 햇치 패턴으로 인쇄되는 고밀도 도체 물질을 포함하는 전류 수집기(122)가 사용될 수 있다(즉, 전체 애노드(24) 또는 캐소드(26) 위에 인쇄되는 경우에 반응을 억제하도록 기공이 거의 없거나 전혀 없음). 하나의 양태에서, 전류 수집기는 햇치 패턴이라고도 하는 직선 패턴(rectilinear pattern)으로 인쇄되어 가스가 투과하기 위해 햇치 마크 사이에 개방 공간을 남긴다. 다공성 애노드(24) 및 캐소드(26)에서의 가스 투과도는 햇치 라인 사이에 다공성 물질을 도입하는 가스가 또한 햇치 라인 아래에서 유동하도록 하는 정도이다. 라인마다 피치를 변화시키고 라인 너비 자체를 변화시킴으로써, 최적의 기하학적 형태를 찾을 수 있다. 예를 들자면, 0.006" 라인 너비 및 0.030" 라인 피치가 사용될 수 있다. 도 63은 햇치 패턴을 갖는 전류 수집기(122)의 상부도를 도시한다. 도 64는 다공성 애노드 또는 캐소드 위에서의 전류 수집기(122)의 측면도를 도시한다. 도 65는 상부에서 하부 순서로 전류 수집기 햇치, 상부 다공성 전극, 전해질, 하부 전극(파손 때문에 전해질로부터 빠져나옴)을 나타내는 각진 도면(angled view)을 도시한다. 활성 영역이 점점 커짐에 따라, 상이한 영역에서 라인 너비를 변화시키는 것도 가능하다. 보다 작은 도체 라인을 보다 큰 도체 라인에 공급할 수 있고, 보다 큰 라인을 더 큰 도체 라인에 공급할 수 있다.

가요성 공급 튜브(50)가 연료 및 공기 공급기(34,36)를 연료 전지 Stick^TM 장치(10)에 연결하기 위해 앞서 기재되어 있다. 공급 튜브(50)를 개방된 채로 신장시킴으로써, 이것이 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 말단(11a,11b) 중의 하나 위로 미끄러질 수 있다. 접착제가 이것을 적소에 유지시킬 수 있다. 본 발명의 하나의 양태에 따르는 대안은 연료 전지 Stick^TM 장치(10)가 공급 튜브(50)를 적소에 기계적으로 유지시키도록 도 66a 내지 66b에 도시된 바와 같이 측면에 만입부(indentation)(132)를 갖는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 말단(11a)(및/또는 11b)을 형성하는 것이다. 이것은 연료 전지 Stick^TM 장치(10)를 라우터(router) 또는 엔드 밀(end mill)을 사용하여 기계가공함으로써 미가공 상태에서 가장 편리하게 달성된다.

이를 기초로 하여, 각각 상부 개략 단면도 및 사시도로 도 67a-67b에 도시된 바와 같은, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 말단(11a)(및/또는 11b)에 클램핑될 수 있는 커넥터(134)가 또한 사용될 수 있다. 커넥터(134)는 일체식 전기 콘택트(integrated electrical contact)(136) 및 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 구조에 따라 하나 또는 두 개의 가스 유동 경로(138), 및 o-링(140) 형태와 같은 기밀 밀봉재(gas-tight seal), 및 접촉 패드(들)(44)를 접촉시키기 위한 1개 또는 2개의 전기 콘택트(136)를 갖는 성형된 플라스틱일 수 있다. 연료 전지 Stick^TM 장치(10)가 하나의 양극성이 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 각 말단에서 연료 전지 Stick^TM 장치(10)를 빠져나가도록 하는 양-종단(two ended) 연료 전지 Stick^TM 장치(10)인 경우, 보다 낮은 저항 접촉을 제공하기 위해 커넥터(134)는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 각 말단에서 여전히 2개 이상의 전기 콘택트(136)를 가질 수 있다. 전기 콘택트(136)는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 측면에 있거나 또는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 상부 및 바닥에 있을 수 있으며, 후자의 경우 접촉이 보다 넓기 때문에 보다 낮은 저항을 제공한다.

도시되어 있지 않지만, 커넥터(134)는 2개의 o-링을 가짐으로써 커넥터(134) 내에 2개의 밀봉 구획을 제공할 수 있다: 하나는 공기용이고, 다른 하나는 연료용이다. 이러한 커넥터는 단일-종단(single-ended) 연료 전지 Stick^TM 장치(10)에서 단일 커넥터로서 사용될 수 있으며, 이것은 양성 및 음성 접촉 및 공기와 연료 전달을 제공한다.

앞서 기재된 양태들은 장치에 대해 2개의 대향하는 말단(11a, 11b)을 포함한다. 그러나, 상기한 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 개념은 로를 떠나는 2개 이상의 말단 또는 배출 지점을 갖는 장치(500)에 적용할 수 있다. 예를 들면, 도 68a 내지 68b는 4개 배출 지점을 갖는 장치를 도시한다. 4개의 위치가 공기 투입구(18), 공기 출구(22), 연료 투입구(12), 연료 출구(16)를 제공할 수 있다. 이것은 연소되지 않은 연료가 로 가열 작업으로 재순환되는 것을 보다 용이하게 할 수 있다. 2 및 4 이외의 배출 지점, 예를 들면, 3 또는 6이 사용될 수 있다.

지지체 볼(도 7c 내지 7d 참조)의 사용은 연료 전지 Stick^TM 장치(10) 이외의 연료 전지 장치, 예를 들면, 정방형 플레이트 장치에서 사용될 수 있다. 지지체 볼은 상이한 층들을 서로 붕괴시키지 않으면서 보다 큰 영역이 다층 구조에 생성될 수 있도록 한다. 장치는 일반적인 다층 플레이트 내에 큰 개방 영역을 가질 수 있다. 또는, 장치는 영역을 충전하는 너비가 0.5 인치이고 길이가 수 인치인 경로를 가질 수 있다. 어느 경우에도, 본원에 기재된 볼 기술은 유리할 것이다.

볼의 주요 아이디어는 이들이 둥글어서 천공을 방지할 수 있다는 것이다. 전해질, 애노드 및 캐소드를 (밀도를 위해 및 보다 높은 성능을 위해) 얇게 만들 필요성이 있기 때문에, 천공이 불규칙적으로 성형된 물질의 사용으로부터 야기될 수 있다. 모래 또는 자갈이 전해질내로 파고들어 누출을 야기할 수 있다. 다른 한편으로, 전해질은 누출 또는 인열(tear)을 야기하지 않으면서 볼 주위에서 온화하게 변형시킬 수 있다. 유사하게는, 도 7a 내지 7b의 기둥 개념이 연료 전지 Stick^TM 장치(10) 형태 이외의 다층 연료 전지 구조에서 사용될 수 있다.

도 38a 내지 38b에서는, 이후에 밀봉될 수 있는 다중 베이크-아웃 포트의 사용이 도시되어 있다. 이것은 SOFC 또는 다른 연료 전지 장치에 대한 다층 접근법에 유리한 개념이다. 다시, 대형 플레이트와 관련하여, 설계자들은 생성되는 큰 면적의 가스 통로 및 이러한 공간을 충전하는 유기 물질의 제거 필요성을 갖게 될 것이다. 그러나, 전형적으로, 단지 하나의 연료 입구 지점과 하나의 연료 배출 지점이 있다. 이것은 공기 측면에도 적용된다. 배출 지점에는 거의 없지만 이러한 큰 면적의 유기 물질의 경우, 최대 제조 문제 중의 하나가 박리(delamination)를 피하는 것일 가능성이 있다.

이의 해결책은 베이크-아웃 가스 또는 액체(왁스가 사용되는 경우)가 전체 구조에서 최소의 응력으로 구조로부터 빠져나오도록 할 수 있는 작은 개구부인 다수의 베이크-아웃 지점을 생성하는 것이다. 다층 구조를 소결시킨 후, 작은 베이크-아웃 지점을 이후에 복귀시키고 누출을 막기 위한 고체 물질(예를 들면, 유리-세라믹 조합물)로 충전하는 것은 쉽다.

와이어(92) 개념은 상기한 베이크-아웃 포트 개념과 많이 유사하며, 다층 구조에 매우 유용하다. 플레이트에 20개 내지 50개의 활성 층을 갖는 4인치 정방형 플레이트를 만든다고 생각해보라. 여러분은 유기 물질을 보다 용이하게 제거하기 위해 베이크-아웃 포트를 생성하고자 할 것이다. 그러나, 이러한 편리한 베이크-아웃 포트가 플레이트의 중심에까지 도달할 수 있다면 훨씬 더 좋을 것이다. 와이어(92)를 삽입한 다음 적층 후 이를 빼냄으로써, 이를 달성할 수 있다. 와이어(92)는, 플레이트의 중간과 외계 사이에 매우 긴 간격을 가질 수 있는 몇 개의 영역을 가로질러 절단할 수 있다. 개념은 앞서 논의한 바와 같이 정확하게 와이어일 필요는 없다. 그것은, 이것이 작은 표면적을 갖기 때문에, 가장 통상적인 형태일 뿐이다. 물리적 조각은 평평할 수 있으며, 예를 들면, 두께 0.002" × 너비 0.200"일 수 있다. 이 경우, 층이 달라붙는 것을 막기 위해 이형제로 피복시킬 필요가 있다. 그럼에도 불구하고, 아이디어는 유기 물질 제거를 촉진시키기 위해 구조에 삽입되었다가 제거되는 물리적 조각이다.

또 다른 양태에서, 왁스를 갖는 카본 테이프가 갭-형성 테잎(94)으로서 사용된다. 문제는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)에서 분할 또는 박리를 야기하지 않으면서 갭-형성 물질을 균일하게 배출시키는 것이다. 애노드(24)와 캐소드(26) 및 전해질(28) 중의 다른 중합체 물질이 베이크 아웃되도록 개방 채널을 남기면서 물질이 제때에 마술같이 사라질 수 있다면 더 좋을 것이다. 하나의 방법은 왁스를 사용하는 것이다. 정밀 주조(investment casting)(로스트 왁스법(lost wax method)이라고도 함)에 사용되는 왁스는 다층 구조를 적층시키는 데 사용되는 적층 온도보다 높지만 150 내지 300℃의 결합제 번 아웃(burn out) 온도보다 낮은 대략 90℃에서 잘 용융된다. 그러나, 여러분이 2밀 두께 시트로 주조한다면, 목적하는 강도를 갖지 못하기 때문에, 왁스가 이상적이지는 않다. 이것은 건드리면 부서진다. 왁스는 얇은 구획에서 더 강해야 한다. 이에 대한 해결책은 왁스를 이에 강도를 제공하는 일종의 섬유와 조합하는 것이다. 한 가지 선택은 탄소 섬유이다. 탄소 섬유는 매트(mat)라고 불리는 랜덤한 섬유 형태로 또는 실제 천와 닮은 직포 형태로 구입할 수 있다. 다른 섬유 또한 가능할 수 있다. 왁스를 탄소 섬유에 함침시킴으로써, 최적의 특성이 수득될 수 있다. 탄소/왁스 복합체를 다층 구조에 넣어 갭을 형성할 수 있다. 적층 후, 온도를 왁스의 융점으로 상승시키며, 이후 왁스는 액체로 되어 연료 전지 Stick^TM 장치(10)로부터 흘러나온다. 이것은 탄소 섬유 내에 개방-공기 경로를 남기며, 이것이 구조 내에서 주변 중합체 물질의 베이크-아웃을 용이하게 할 수 있다. 탄소 섬유는 온도가 750℃ 가까이 될 때까지 휘발되지(CO₂로 되지) 않는다. 따라서, 결합제 번-아웃이 발생하기 전에 주요 갭 형성 물질 중의 하나가 소멸하여 결합제 제거를 위한 완전한 경로를 남기는 구조를 제조할 수 있다. 그 후, 중간 온도에서, 중합체 자체가 휘발할 수 있다. 최종적으로, 고온에서, 탄소 섬유가 소멸할 수 있다. 도 70은 이러한 탄소-왁스 조합물을 사용하여 소결시킨 후 왁스 및 탄소 섬유가 지나가고 남은 갭의 영상이다.

다층 장치 내에 고 전류 연결(high current connection)을 달성하는 것이 바람직하다. 다층 장치에서 상호연결하는 하나의 방법은 비아 홀(via hole)을 사용하는 것이다. 비아 홀은 세라믹 테잎(130)의 조각을 통해 구멍을 내고, 이후에, 도 71에 도시된 바와 같이 비아(56)를 형성하기 위해 구멍을 채움으로써 제조할 수 있거나, 또는 절연체의 프린트된 층을 통해 제조할 수 있지만, 건조 후 효과는 동일하다. 도 71에서, 2개의 전극[애노드(24) 또는 캐소드(26) 중의 하나]을 함께 연결하는 비아(56) 연결이 도시되어 있다. 다음의 기재에서, 간결성을 위해서, 2개의 애노드(24)의 하나의 양태가 사용될 것이다. 비아(56)는 전기 신호, 예를 들면, 데이타 전송을 운반하는 것에 유용하지만, 전력 또는 고 전류를 운반하는 것은 이상적이지 않다. 전력 또는 고 전류를 위해서, 병렬로 된 다수의 비아(56)가, 총 저항을 저하시키는 효과를 가지기 위해 필요할 것이다. 본 발명의 하나의 양태에 따라, 전압 또는 고 전류를 운반하기 위한 향상된 방법은 흥미있는 전도체를 분리하는데 사용된 그린 테잎의 전체 영역을 제거하는 것이다. 당해 방법을 사용하여, 상호연결은 넓은 영역을 기초로할 수 있다. 도 72에서, 상호연결은, 2개의 전극(애노드(24)) 사이의 세라믹 테잎(130) 또는 물질을 완전히 제거함으로써 2개의 전극(애노드(24)) 사이에 도시된다. 층이 그린 상태에서 유연해지기 때문에 변형이 발생한다(테잎 층 또는 프린트된 층으로서 하나). 필요하거나 목적하는 경우, 빌드업 공정 동안 세라믹의 전체 평평함을 유지하기 위해서 상호연결 영역 위에 여유분의 세라믹 물질을 놓을 수 있다.

약간의 변형은 도 73a에 도시된 바와 같이, 그린 세라믹 테잎(130)의 조각에 큰 홀(142)을 만든 다음, 다층 빌드업 내로 세라믹 테잎(130)을 삽입하거나, 또는 대안적으로, 내부에 큰 홀(142)을 갖는 절연 층을 프린트하고, 이후에, 상부 위로 전도체를 프린트하는 것이다. 다층 방법에서, 도 73b에 도시된 바와 같이 넓은 접촉 영역을 생성하면서, 위로부터의 전극은 홀(142) 내로 아래로 편향된다(또한, 아래로부터의 전극은 홀(142) 내로 윗 방향으로 편향될 수 있다). 당해 양태는 영역 내 작은 비아 홀에서 하나의 비아 홀과는 별개이고, 독립적으로 채워져야만 한다. 또한, 비아 홀과, 위 아래에 있는 전극은 홀 내로 왜곡되지 않는다.

따라서, 본 발명의 양태는 전기 상호연결이 절연 물질을 제거하거나, 또는 다른 방법으로는 절연 물질이 없는 영역을 제거함으로써 제조되는 다층 연료 전지 Stick^TM 장치를 고려하고, 여기서, 절연 물질의 어느 한 면(예를 들면, 위 및 아래) 위의 전도체는 서로 접촉하는 공극 영역 내로 왜곡된다. 전도체가 만나는 공극 영역은 장치의 연료 전지 Stick^TM 장치의 모든 방향의 내부에서부터 장치의 에지로 연장할 수 있다. 절연 영역은 예를 들면, 홀을 만들거나 직사각형과 같은 특정 형태를 절단시킴으로써 특정 영역에서 제거할 수 있다.

다른 양태에 따르면, 전지의 직렬 연결은 단일 층을 지나 제조되는데, 이는 연료 전지 Stick^TM 장치의 전압 출력을 증가시키는데 유용하고, 생산된 전력이 작업을 수행하는 것을 더 용이하도록 한다. 예를 들면, 스틱이 1 KW의 전력을 생산하는 경우, 전자를 설계하고, 1000A에서 1V보다는 오히려 1A에서 1000V를 처리할 수 있는 플랜트의 균형을 설계하는 것이 더 쉽다. 도 74a에서 소규모로 도식적으로 도시된 바와 같이, 그린 세라믹(예를 들면, 지르코니아) 테잎(130)의 구획이 중심에서 사용되고, 상부와 하부에는 애노드(24)와 캐소드(26)가 사용된다. 이전 도면에 애노드(24)와 캐소드(26)에 대해 사용된 바와 동일하게, 단일-햇치 패턴은 애노드(24)와 캐소드(26)에서 다공성을 나타내지만, 교차-햇치 패턴은 비-다공성 전도체(예를 들면, 전도체 세라믹, 귀금속, 또는 비-산화 금속 합금)를 나타낸다. 전지는 비-다공성 영역(146)이 연료 또는 공기로 접근하지 않기 때문에 단일-햇치 패턴에 의해 도시된 바와 같이 단지 다공성 영역(144) 사이에서 존재한다.

도 74b는 다수의 조각이 어떻게 함께 놓이는지(이들은 적층 후 도시된 바와 같이 경사지는 것으로 유지되지 않을 것이기 때문에 개념적이지만, 개념 묘사는 설계의 오퍼랩핑 특성을 보여주는 것으로 의도된다)를 개념적으로 도시한다. 3개의 전지의 당해 그룹에서, 제한하지 않은 논의의 목적을 위해, 각각의 전지(또는 구획)의 상부는 애노드(24)를 함유할 수 있고, 각각의 전지(또는 구획)의 하부는 캐소드(26)를 함유할 수 있다. 각각의 전지는 작은 배터리로서 가시화되는 경우, 3개 전지의 스트링이 직렬로 된 3개의 배터리로서 나타날 수 있다. 연료 공급(34)은 애노드(24)가 상부 위에 있는 상부에, 당해 직렬 설계의 한 면 위에 존재할 수 있고, 공기 공급(36)은 다른 면, 캐소드(26)가 하부 위에 있는 하부에 존재할 수 있다. 가스 누전은 한 면으로부터 다른 면으로 방지되어야만 하고, 이는 각각의 전지(또는 구획)의 말단에서 비-다공성 영역(146)을 제공함으로써 달성할 수 있다. 다수의 전지(또는 구획)는 이러한 방식으로 목적하는 임의의 전압을 달성하기 위해서 함께 놓여질 수 있다.

도 74c는 적층한 후 층의 보다 정확한 버젼을 나타낸다. 이들은 실질적으로 평평하지만, 중첩 지점에서 여유분의 두께를 가질 것이다. 도 74d는 3개의 전지(또는 구획) 설계의 개념 개요도를 나타낸다. 각각의 수직 화살표는 양극성을 한정하는 화살표의 방향을 갖는 하나의 전지를 나타낸다. 화살촉이 없는 라인은 임의의 전압을 발생하지 않는 상호연결을 나타낸다. 하부를 따른 수평 화살표는 전류 유동의 전체 방향을 나타낸다. 본 발명은 3개 전지 구조에 제한되지는 않는다. 중첩 방법으로서 본원에 언급되는 도 74a 내지 도 74d에 도시된 양태를 사용하여 2개 이상의 전지, 예를 들면, 5개 이상 전지, 10개 이상 전지, 또는 20개 이상 전지 등을 직렬로 결합시킬 수 있다.

도 75a 내지 도 75e는 플런징 전도체 방법으로서 본원에 언급되는, 직렬 설계의 생성을 나타내는 대안적인 방법이다. 세라믹 테잎(130)을 구획 내로 절단하고 구획을 중첩하여서 직렬 전지를 형성하는 것 대신에, 세라믹 테잎(130)의 연속 시트를 사용하여 한 면 위에 애노드(24), 및 다른 면 위에 대향하는 캐소드(26)의 영역을 가진다. 시트 형태(또한 상호연결 조각, 전도체 테잎, 또는 플런징 전도체로서 언급됨)의 커넥터 전극(148)(예를 들면, 전도체 세라믹, 귀금속, 또는 비-산화 금속 합금)을 세라믹 테잎(130)을 통해 삽입한다. 전도체 테잎(148)은 예를 들면, LSM으로 제조된 그린 테잎의 조각일 수 있다. 슬릿(150)은 도 75a에 도시된 바와 같이, 세라믹 테잎(130)으로 제조되고, 전도체 테잎의 단 구획은 세라믹 테잎(130)을 통해 중간에 삽입된다.

도 75b에서, 세라믹 테잎(130)의 연속 시트의 측면도가 도시된다. 당해 논의에서, 용어 "전해질 시트" 또는 "전해질 테잎"은 세라믹 테잎(130)으로서 동일한 것으로 이해된다. 전해질 시트(130)의 상부 표면 위에 애노드(24)의 2개의 구획이 존재한다. 전해질 시트의 하부 표면 위에 애노드(24)의 2개의 구획에 각각 대응하는 캐소드(26)의 2개의 구획이 존재한다. 2개의 구획을 직렬로 연결하고, 도 75a 및 도 75b를 참조하여, 먼저, 전도체 테잎(148)을 전해질 테잎(130) 내 슬릿(150)을 통해 삽입함으로써, 전해질을 통해 플런지하도록 할 수 있다. 다음으로, 도 75c에 도시된 바와 같이, 전도체 테이프는 하나의 구획(또는 전지)의 애노드(24) 위, 및 다른 구획(또는 전지)의 캐소드(26) 위로 굽어진다. 이후에, 도 75d에 도시된 바와 같이, 커넥터 전극은 애노드(24) 및 캐소드(26)에 대해 즉, 전지가 직렬로 적층되도록 가압된다. 도 75e는 오버랩(overlap)의 전체 영역을 보다 확실하게 나타내기 위해서, 적층된 전지 직렬을 나타내는 상부 사시도이다. 하나의 전지에서 다음 전지로의 저항을 감소시키기 위해서, 짧고, 넓은 구획으로부터 제조될 수 있는 각각의 전지를 가지는 것이 이익이 될 수 있다.

다른 양태에 따라, 몇몇 구획으로 분해된 상호연결 조각(148)(전도체 테잎)을 갖는 것이 유용할 수 있다. 그린 전해질 테잎(130)에서 단일 슬릿(150) 대신에 복식의 더 짧은 슬릿(150)을, 도 76에 도시된 바와 같이 전도체 테잎(148)이 각각 삽입된 몇몇 구획을 통해 사용할 수 있다. 따라서, 복식 플런징 전도체를 제공하고 있다.

도 75a 내지 도 75e 및 도 76에서, 전해질을 통해 플런지하는 전도체 상호연결 물질은 전해질의 한 면에서부터 다른 면으로 가스가 유동하는 것을 방지하거나 지연시키는 비-다공성 특성이어야 한다. 반면, 애노드(24)와 캐소드(26)는 비-다공성 영역 없이 완전히 다공성이거나, 또는 상호연결 조각(148)이 중첩되는 말단에서 비-다공성 영역(146)을 가질 수 있는 다공성일 수 있다. 완전히 다공성인 애노드(24)와 캐소드(26)를 가지는 것은 더 간단할 수 있어서, 공정 단계가 거의 없이도 물질을 생산할 수 있다. 도 77은 도 75a 내지 도 75e 및 도 76의 양태에 따른, 전지를 전해질을 통해 삽입된 상호연결 조각(148)과 결합시킴으로써 직렬로 연결된 4개의 구획(또는 전지)을 도식적으로 나타내는 측면도이다. 따라서, 상호연결 조각(148)을 사용하여 2개 이상의 전지, 예를 들면, 5개 이상의 전지, 10개 이상의 전지, 20개 이상의 전지 등을 포함하여, 임의의 수의 전지를 직렬로 결합할 수 있다.

도 78a 내지 도 78c는 다층 전지의 단일 층을 따라 직렬로 전지를 연결하기 위한 상기 플런징 전도체 기술의 변형을 나타낸다. 당해 양태에서, 도 78a에 도시된 바와 같이, 애노드(24)와 캐소드(26) 구획 각각은 연료와 공기 유동 경로로부터 떨어진 연료 전지 Stick^TM 장치의 측면으로 연장한 비-다공성 영역(146)을 가진다. 전해질 테잎(130) 내 슬릿(150)은 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 주변부 내 대신에 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 측면 내에 제조된다. 이후에, 애노드(24)와 캐소드(26)를 전해질 테잎(130)을 통해 연결하는 전도체 테잎(148)은 도 78b에 도시된 바와 같이 적층되기 전과 도 78c에 도시된 바와 같이 적층된 후, 유동 경로로부터 떨어진 측면 가장자리에만 위치할 수 있다.

이전 양태는, 예를 들면, 도 71은 그린 세라믹 테잎(130)의 조각에 비아 홀을 생성시키고, 전극을 프린트하여 홀을 채움으로써 형성된 비아(56)의 용도를 설명한다. 도 79a에 나타낸 다층 구조의 단일 층을 따라 애노드(24)와 캐소드(26)를 직렬로 연결하기 위한 본 발명의 대안적인 양태는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 한 면 위에서 하나의 전지 또는 구획에서 채워진 비아(56)로부터 전극[예를 들면, 애노드(24)]으로 제1 전도체(152)를 프린트할 수 있고, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 다른 면 위에서 인접한 전지 또는 구획에서 채워진 비아(56)로부터 대향하는 전극[예를 들면, 캐소드(26)]으로 제2 전도체(154)를 프린트할 수 있다. 채워진 비아(56)를 전극에 사용된 물질 이외의 물질로 채울 수 있다. 도시된 양태에서, 비아(56)는 비다공성 전도체로 채워진다.

플런징 전극에 대한 대안은 도 79b에 도시된 바와 같이 와이드 비아(wide via), 또는 장방형 비아(156)이고, 이는 전해질 테잎(130)에서 장방형 비아 홀을 형성함으로써 생성할 수 있다. 장방형 비아(156)는 전통적인 비아 홀이 원형인 정상 비아(normal via)(56)와는 상이하다. 장방형 비아 홀은 예를 들면, 도 75e 또는 도 76에 도시된 플런징 전극(148)에 대해 슬릿(150)으로서 동일한 규모로 필요한 만큼 넓게 제조될 수 있다. 장방형 비아(156)는 전해질 층의 한 면에서 다른 면으로 가스가 유동하도록 하지 않는 방식으로 채워져야 한다.

비아 홀이 갖는 잠재적인 문제점은 홀 내 물질의 수축이 불균일할 수 있거나, 테잎 물질의 수축보다 더 클 수 있고, 이것이 한 면에서 다른 면으로 가스가 유동하도록 할 것이라는 점이다. 따라서, 대안적인 또는 추가의 양태는, 비아 홀이, 원형이거나 장방형이든 간에, 상부 및/또는 하부 위의 플러그를 포함하여서 누전 저항을 향상시키는 것이다. 플러그를 갖는 향상된 비아의 예는 도 79c에 도시된다. 플러그(158a 및 158b)에서와 같이, 플러그는 단지 하나의 측면, 예를 들면, 상부 위에 여유 실(seal)을 생성할 수 있거나, 또는 플러그(158c 및 158d)에서와 같이 두 개의 면 위에 여유 실을 생성할 수 있다. 플러그(158a,b,c,d)는 하나 이상의 프린트 단계, 또는 분산 작동을 통해 달성될 수 있다. 예시적인 양태에서, 비아 플러그를 위한 물질은 다공성이 아닌 물질로서 가스 전달을 멈추지 않는다. 다공성 애노드(24) 및 캐소드(26)와 혼합하는 경우, 최종 구획은 단단히 햇치된 물질이 비-다공성이고, 이전 형태로 햇치함으로써 인식한 물질은 다공성인 도 79d에 도시된 바와 같이 보여질 수 있다.

단일 층을 직렬로 연결하기 위한 위의 양태에 확장하여, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 다층을 사용하여 병렬-직렬 연결을 형성할 수 있다. 도 80은 직렬로 연결된 단일 층의 스택된 그룹을 나타내고, 여기서, 스택된 층은 또한, 서로 병렬로 연결되고, 병렬 전기 연결은 애노드와 캐소드의 몇몇 쌍 사이의 수직선(160)으로 나타낸다. 플런징 전도체(148)는 직렬 연결을 위해 도시되지만, 다른 연결 수단이 사용될 수 있다. 도시된 특정 양태에서, 4개의 전지(구획)로 제조된 각각이 직렬인 3개의 활성 층이 존재한다. 따라서, 총 12개의 전지가 도시된다. 하나의 연료 경로를 사용하여 증가된 밀도를 달성하여서 2개의 상이한 전지 경로를 공급하도록 할 수 있다. 전지의 양극성은 층에서 층으로 대향한다: 상부 층과 하부 층에서, 캐소드로부터 애노드로의 방향은 상향 방향의 화살표일 것이고; 중간 층에서, 캐소드로부터 애노드로의 방향은 하향 방향의 화살표일 것이다. 일반적인 연료 채널을 사용하여 전극의 쌍을 제공하는 층에서 층으로의 양극성의 역방향의 이러한 특성은 이러한 양태, 및 다른 양태에서, 고밀도 연료 전지 Stick^TM 장치를 달성하기 위한 수단을 제공한다.

2개의 캐소드(26) 또는 2개의 애노드(24) 사이의 병렬 연결은 도 80의 라인 80A-80A를 따라 취해진 도 80a의 횡단면, 및 도 80b의 사시도로 도시된다. 애노드 또는 캐소드의 쌍을, 쌍이 연료 채널 또는 공기 채널의 에지에서 접촉하도록 함으로써 쉽게 결합하여 에지 연결부(160)를 생성할 수 있다. 도 80의 수직선은 에지 연결부(160)를 나타낸다. 도 80a에서 도시된 양태에서, 에지 연결부(160)는 2개의 면(도 80a의 좌면, 우면) 위에 존재하지만, 단지 하나의 면 위에 연결된 것이 또한 전기적 연결을 달성할 것이다. 당해 연결은 2개의 애노드(24) 또는 캐소드(26)를 전기적으로 병렬로 놓는다. 비아 연결 또는 기타 연결 수단이 또한 사용될 수 있다. 도 80의 점 B에서 점 B로의 경로를 참조하면, 점 B는 전도체에 의해 연결되어서, 경로 B가 동일한 전위로 모두 존재하게 된다. 도 81에서, 경로 B는 직선으로서 나타낸다. 도 80, 도 80a, 및 도 80b에서 전지의 배열의 넷 효과(net effect)는 도 81에 도식적으로 도시된 바와 같이, 대규모의 직렬과 병렬 조합이다. 이러한 배열은 장치 내 하나의 전지 또는 상호연결이 실패하기 시작하는 경우 전력을 전환시키는데 유용할 수 있다. 전류와 전압은 손상되거나 저하된 영역 주위에서 다른 작동하는 전지로 유동할 수 있다.

도 82는 앞서 도 74c에 보다 상세하게 나타낸 바와 같이, 중첩 층의 직렬 구조를 갖는 단일 층 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 횡단면을 도식적으로 도시한다. 세라믹(29)은 상부와 하부 커버를 형성하고, 이상적인 공기 통로(20) 및 이상적인 연료 통로(14)가 도시되어 있다. 도 1에서와 같이, 공기 출구(22) 및 연료 출구(16)는 도면의 수평면이 전형적이다. 또한, 도 83a 내지 도 83b에 도식적으로 도시된 바와 같이, 당해 장치는 도 80 내지 도 81에 도시된 이전의 양태에서와 마찬가지로, 대규모의 직렬-병렬 조합으로 함께 놓일 수 있다. 도 83a에서, 점선은 도 80a 및 도 80b에 도시된 바와 같이, 공기 및 연료 채널 에지 연결부(160)로부터 제조될 수 있다. 다시 말하면, 전지가 화살표로 도시된 바와 같이, 전지의 층 사이의 양극성을 교류하면서 직렬과 병렬 둘 다로 존재하고, 이로써, 특정 전지가 실패하는 경우, 도 83b에 도시된 바와 같이, 전지 주위의 경로로 전류 유동을 수행할 수 있는 이점을 가지는 고-밀도 구조물이 제공된다.

도 84a 및 도 84b에서, 동일한 가스 경로에 있는 2개의 전극 사이의 편리한 병렬 연결을 제공하기 위해 다른 양태가 도시된다. 이는 연료 통로(14) 또는 공기 통로(20)의 어느 한 쪽 면에서 각각 2개의 애노드(24) 또는 2개의 캐소드(26) 중의 하나에 대해 수행될 수 있다. 도 84b에서, 2개의 애노드(24)의 예가 사용된다. 애노드(24)는 도 80a에서 도시되었던 바와 같이, 통로(14)의 측면에서만이 아니라, 연료 통로(14)의 중심 지역에도 연결된다. 중심 연결부(162)는 사용된 희생 갭 테잎(94)에서 홀 또는 갭(164)을 위치시킴으로써 쉽게 제조하여 가스 통로를 형성할 수 있다. 홀은 원형 또는 길 수 있고(예를 들면, 도 84a에 도시된 슬릿), 다수일 수 있다. 적층하고 소성한 후, 상부 및 하부 캐소드 또는 애노드는 갭(164)이 존재하는 지역에서 접촉할 것이다. 이롭게도, 중심 연결부(162)가 형성되어서 연료 전지 영역의 활성 영역을 상당히 감소시키지 않게 된다.

도 28a 내지 도 28d와 관련되어 일반적으로 상기 논의한, 직렬 구조가 사용된 다층 나선형 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)에 대해, 나선형 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)의 외면에 발생한 2개의 전기적 연결을 갖는 것은 유익하다. 이는 애노드와 캐소드 점으로부터 냉각 영역으로 가장 쉬운 접근을 허용한다. 나선형 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)가 랩핑되어서 직렬 그룹의 하나의 말단이 랩의 외면에 있고, 하나의 말단이 내면에 있는 경우, 내부 연결부는 보다 다루기 어렵게 된다. 이는 가스 연결 튜브가 나선형 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)말단 위에 위치하지만, 전기적 연결이 내부에 있도록 하는 것이 필요하기 때문이다. 즉, 전기 연결부 둘 다가 외부에 있을 수 있는 경우가 더 낫다. 롤링되지 않은 구성으로 도식적으로 나선형 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)을 도시하는 도 85a에서, 직렬 연결(또한, 화살표로 도식적으로 도시됨)은 랩핑된 영역의 외면에서 직렬 구조 시작과 끝을 가짐으로써 달성되고, 이후에 안쪽으로 이동한 다음, U-턴을 형성한다.

개별 전지(166)들은 별개의 직사각형 블록으로 도시된다. 블록은 길이가 짧고 넓어서 낮은 저항성(말단에서 말단으로 짧은 전도 길이지만, 넓은 영역은 전지당 보다 많은 전류를 허용한다)을 가지게 된다. 이러한 구조는 위에서 기재된(중첩 구획, 또는 전해질 층을 통해 이동하는 플런징 전도체(들)를 가짐) 직렬 연결을 형성하는 2가지 방법에 적합하다. 연료 통로(14)와 공기 통로(20)의 레이아웃에 대해, 면에서부터 시작하는 경로를 제조한 후 도시된 바와 같이 일반적인 경로(164)를 따라 함께 출구까지 결합하는 것이 가장 편리할 수 있다. 굴대(168) 위로 연료 전지 Stick^TM 장치(200)가 롤링되는 것이 도시되어 있다. 이 굴대(168)는 희생 왁스를 덮은 다음, 왁스를 적층하고 융융한 후 제거할 수 있다. 도 85b에 도시된 최종 형태에서, 나선형 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)는 중심을 향해 외면으로부터 이동한 다음, 뒤로 다시 나오는 직렬 연결 경로를 가질 것이다. 이는 개별 전지(166)를 나타내는 화살표로 도시된다.

직렬 연결을 갖는 나선형 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)를 형성하기 위한 다른 방법은 관형 나선형 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)의 길이를 배열하는 직렬을 형성하는 것이다. 직렬 경로는 도 86a에 도시된 롤링되지 않은 구조에서 화살표에 의해 도식적으로 도시되는 바와 같다. 활성 영역이 매우 넓기 때문에, 롤링한 후, 특정 전지(166)는 튜브의 내부로부터 외면으로 연장할 것이다. 당해 양태에서, 직렬 연결은 전해질을 통해 플런지하는 다수의 단 전도체(short conductor)(148)를 사용하여 제조된다. 별개의 플런징 전도체(148)는 형성, 롤링 및 적층 단계 동안 전해질 층에서 더 강한 강도를 허용한다. 그러나, 또한, 도 74c에 도시된 바와 같은 중첩 구획을 사용하여 직렬 연결부를 형성할 수 있다. 도 86b는 최종 롤링된 형태의 당해 양태를 도식적으로 도시한다. 도 85b와 같이, 화살표는 개별 전지(166)를 나타낸다.

특히, 당해 롤링된 설계에 대해, 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)의 용적 밀도를 증가시키기 위해서 직렬로 2개의 층을 사용하는 것이 유용할 것이다. 그러나, 층이 자체로 뒤로 접혀지는 방식으로 인하여 병렬로 된 2개 이상의 층을 가지는 것이 필요하지 않을 수 있다. 도 87a는 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하는 도 86b의 하나의 긴 개별 전지(166)의 도식적인 측면도이다. 도 87b에 도시된 바와 같이, 2-층 구성물(2개의 전해질 층(28), 2개의 캐소드(26), 2개의 애노드(24), 하나의 공기 통로(20), 하나의 연료 통로(14))이 자체로 롤링되는 경우, 하부 캐소드(26)는 상부 위의 공기 통로(20)와 접촉한다. 따라서, 2개를 초과하는 임의의 층은 여유가 있을 것이다. 당해 분야의 숙련가는 상기한 양태의 내용을 근거로 하여, 다수의 직렬 설계와 병렬의 조합을 함유하는 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200)를 가지는 것이 가능할 수 있음을 인식할 수 있다.

나선형 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200) 또는 동심형 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(300)에 전기적 연결을 제공하기 위한 본 발명의 다른 양태에 따라, 연료 전지 Stick^TM 장치의 전체 말단(들)은 도 88a의 롤링되지 않은 도식적 구조물, 및 도 88b의 롤링되고, (예를 들면) 나선형 관형 구조물에 도시된 바와 같이, 전도성 말단(170a, 170b)으로 제조될 수 있다. 이를 달성하기 위해서, 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200), (300)의 말단에서 절연 세라믹 물질을 대신하여 전도체 물질로 대체한다. 이러한 전도체 물질은 햇치된 영역으로 도시되고, 예를 들면, 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200), (300)의 대다수를 포함하는 세라믹(29)을 소결하는 동안의 수축과 더 잘 조화할 수 있는, 2개 이상의 독립 물질의 조합물인 LSM 또는 수축 조화된 물질, 예를 들면, LSM 및 YSZ 조합물일 수 있다. 특히, 직렬 설계로 된 제1 전지 및 최종 전지에 대해, 와인드된 전극의 중심은 외부 세계에 대한 연결부, 뿐만 아니라 전지의 가장 바깥의 와인드 부분과 접촉할 수 있어야 한다. 해칭으로 도시된, 전도성 말단 영역(170a, 170b)은 연결부가 제조되는 것을 효율적으로 가능하도록 할 것이다. 내부 전극 구획과 접촉하는 대안적인 방법(도시되지 않음)은 연료 전지 Stick^TM 장치 내로 구멍을 뚫고 전도체 물질로 다시 채워 넣는 것이다.

도 86a 및 도 88a의 양태에 대해, 가스 유동 경로(14, 22)에 대한 레이아웃은 도 89에 도시된 바와 같을 수 있다. 활성 영역을 공급하기 위해서, 가스는 흡입구(12, 18)의 스틱으로 들어가서 큰 공통 경로(167)로 유입된 다음, 각각의 개별 전지(166)를 수행하도록 분화할 수 있다. 도 89에서, 가스는 공통 경로(167)로 유입되고, 다수의 작은 가지(branch)에서 유출되며, 도 85a에서, 이는 반대이다.

직렬로 구획(또는 전지(166))을 함유하는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)에서, 하나의 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 길이로 쉽게 알맞을 고 전압(더 많은 구획)을 가지는 것이 유용할 수 있다. 이 경우에, 본 발명의 다른 양태에 따라, 직렬 구획은, 외부 세계로 전력을 공급하도록 스틱을 두기 전에, 스틱의 길이를 따라 앞뒤로 두배로 배향될 수 있다. 도 90은 2개의 장소에서 경로를 본질적으로 폴딩함으로써 직렬로 연결된 15개의 구획(전지(166))이 어떻게 하나의 장치 내로 놓일 수 있는 지를 도식적으로 도시하는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 측면도이다. 또한, 서로 병렬로 되어 있는 15개의 그룹이 존재하도록, 하나의 연료 전지 Stick^TM 장치(10) 내로 이와 같은 복식 구획을 놓는 것이 가능할 것이다.

다른 양태에 따라, 접힌 설계는 다수의 층이 직렬로 된 연료 전지 Stick^TM 장치(10)를 제조하는 다른 방법을 제공한다. 도 91은 직렬로 된 6개의 전지(166)를 갖는 전해질 층(29)을 나타내는 사시도이다. 이들 전지를, 도시된 중첩 방법 또는 플런징 전도체 방법 중의 하나로 직렬로 연결할 수 있다. 연료 전지 Stick^TM 장치(10) 내로 당해 시트 구조물을 맞추기 위해서, 전해질 층(29)은 폴드, 예를 들면, 아코디언의 방식으로 접힌다. 말단의 시트 구조물을 보면, 도 92a는 화살표로 도시된, 전지(166) 사이의 벤드 포인트(bend point)를 나타낸다. 화살표를 따라 구부러지면서, 전지 그룹은 도 92b의 좌측에 도시된 접힌 스택을 형성하기 시작한다. 폴드를 더 많이 진보적으로 압축하면서, 압축된 폴드 스택(172)은 도 92b의 우측에 도시된 바와 같이 형성된다. 이후에, 당해 압축된 폴드 스택(172)이 연료 전지 Stick^TM 장치 또는 다층 연료 전지 내로 편리하게 위치할 수 있다. 직렬 전지의 수는 설계자의 기호에 의해서만 제한된다. 복식 접힌 스택(172)은 그룹을 수평 또는 수직으로 배열함으로써, 병렬(즉, 전기적으로 병렬인)로 연료 전지 Stick^TM 장치(10)에 배열할 수 있다. 갭-형성 물질, 예를 들면, 갭-형성 테잎(94)은 애노드(24)와 캐소드(26) 위에 위치한 다음, 희생적으로 제거되어 공기 통로(20)와 연료 통로(14)를 형성하게 될 것이다.

열 팽창 계수(CTE) 일치 목적을 위해서, 부착으로부터 주위 장치 물질(상부 커버 또는 면 가장자리)까지 자유로운 접힌 스택(172)의 하나 또는 두 개의 면을 가져서 자유 유동 영역(free floating area)이 존재하게 되는 것이 유용할 수 있다. 접힌 스택 설계의 당해 양태에서, 접힌 스택(172)의 제1 및 마지막 전지는 스틱의 상부 및 하부 커버에서 또는 근처에 부착되지만, 스택의 중간부의 모든 또는 일부는 부착으로부터 자유롭다. 도 93a 및 도 93b에서, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 횡단면이 도시된다. 도 93a는 접힌 스택(172)의 좌측면이 장치의 좌측 벽에 부착되는 것이 자유롭지만, 접힌 스택(172)의 우측면이 중간 벤드 영역에서 우측 벽에 매달리는 설계를 도시한다. 이는 벽으로부터 층이 멀어지는 것을 수락할 수 있어서, 장치가 소결되면, 접힌 층은 커버 물질보다 상이한 비율로 수축하게 된다. 도 93b에서, 접힌 스택(172)이 접힌 스택(172)의 2개의 말단 전지 이외에서 스틱의 우측 벽 및 좌측 벽 둘 다로부터 부착되는 것이 자유로운 것을 제외한 유사한 구조가 도시된다. 두 개의 양태에서, 이점은 가스(공기 또는 연료)를 한번에 다수의 전극으로 제공하는 능력이다. 도 93a 및 도 93b는 접힌 하나의 큰 지속 활성 영역(large continuous active area), 즉, 접힌 스택(172)을 도시하지만, 상기한 직렬 및 병렬 전지 양태를 사용하여 동일하거나 유사한 효과를 달성할 수 있음을 인식할 수 있다. 도 93a는 연속 애노드(24) 및 연속 캐소드(26)를 도시하는 반면, 도 93b는 다수의 이격된 애노드(24) 및 캐소드(26)를 도시하여서 벤드 영역에서 전극 물질이 거의 없게 된다. 도 92b와 같이, 도 93b는 이격된 전극을 전기적으로 연결하고, 이에 따라, 벤드 영역에서 전해질(28)을 통과하는 플런징 전도체(148)를 사용하여 직렬로 전지(166)를 연결한다. 예를 들면, 연속 전극 또는 이격된 전극 중의 하나의 양태를, 자유 유동 설계를 위해 사용할 수 있다.

자유 유동 층에 대한 이점은 애노드와 캐소드를 가진 혼합된 구조물의 CTE가 본체의 나머지(측 가장자리, 상부 및 하부 커버)의 CTE와는 상당히 상이한 경우, 자유 유동 영역이 물리적 비연결을 허용하게 된다는 점이다. 접힌 구조 외에 기타 연료 전지 Stick^TM 장치(10) 구조를 이러한 자유-유동 배출구로 제조될 수 있음을 인식할 것이다. 도 94a는 측면에서 자유로운, 병렬(도 93a 및 도 93b의 직렬과 대향함)인 2개의 활성 층(각각의 층은 애노드(24), 전해질 층(28), 캐소드(26)를 포함함)을 횡단면으로 도시한다. 도 94b는 3개의 측면을 따라 자유롭고, 장치의 한 측면에 고정된 활성 층을 도시하는, 도 94a의 라인 94B-94B를 따라 취해진 연료 전지 Stick^TM 장치를 나타내는 상부단면도이다. 이러한 형상은 부동 층의 외부의 공기 통로(14) 내 가스의 유동 경로에 대한 복잡성을 가하지 않았지만, 유동 층 내의 공기 통로(20) 내 가스의 유동 경로에 대한 복잡성을 가한다. 이러한 복잡성은 도 94c 및 도 94d에 도시된 바와 같이, 세라믹(29)에서 에지를 따라 공기 통로(20)를 가져온 다음, 내부 공간에 맞추고, 애노드(26)를 지나 세라믹(29) 내로 다시 돌아감으로써 대처할 수 있다.

위의 다양한 양태들은 공기 또는 연료 통로를 분배하는 이점을 가지고, 이는 밀도에서 개선점을 제공한다. 가스 유동 경로가 평행으로 작동하는 애노드 또는 캐소드를 제공하는 경우, 이러한 애노드 또는 캐소드는 영역의 중심에서 영역의 에지 또는 다수의 지점 중의 하나에서 접촉할 수 있다. 그러나, 다른 양태에서, 직렬로 작동하는 애노드 또는 캐소드를 제공하는 하나의 공기 또는 연료 통로를 갖는 것이 유용할 수 있고, 이들 양태에서, 애노드 또는 캐소드는 전기적으로 분리시켜 장치에서 단락(shorting)을 방지해야 한다. 이러한 하나의 예는 도 90의 양태에서 도시되고, 이는 전극이 단락되는 것을 방지하지만, 상부와 하부에서 전극을 제공하는 하나의 가스 유동 경로를 가지는 것이 바람직하다. 이를 위해서, 2개의 캐소드(26)에 대해 도 95의 횡단면에서 도시된 바와 같이, 물질의 차단 층(174)이 가스 유동 경로 내에 위치하여서 하나의 전극과 다른 전극 사이의 기계적이고 전기적인 분리를 제공할 수 있다. 차단 층(174)은 연속적일 수 있거나 틈이 있어서 가스가 하나의 측면에서 다른 측면으로 통과하도록 한다. 차단 층은 활성 애노드(24) 및 캐소드(26)의 영역에만 존재할 수 있거나, 또는 다층 구조에서 유동 경로를 따라 추가로 연장할 수 있다. 차단 층(174)은 하나의 전극과 다른 전극 사이에서 단락을 방지한다. 차단 층(174)은 매우 얇을 수 있고, 이는 전기 분리를 유지하는 한 일부 변형을 생성할 수 있다. 예를 들자면, 차단 층(174)의 두께는 약 5㎛과 약 50㎛ 사이일 수 있다. 비-전도성 입자, 예를 들면, 지르코니아 또는 희생 유기 물질(72)로 된 예비-소결된 세라믹 구면을 가하여, 도 7b, 도 7c, 및 도 7d를 참조하여 기둥(54)에 의해 다른 층을 지지하기 위해 앞서 기재된 바와 유사한 방식으로 차단 층(174) 지지체를 제공할 수 있다.

직렬로 된 2개의 애노드(24) 또는 캐소드(26) 사이의 단락을 방지하기 위한 대안적인 양태는 도 96에 도시된 바와 같이, 애노드(24) 또는 캐소드(26)의 상부 위의 절연 층(176)을 위치시키는 것이다. 절연 층(176)은 예를 들면, 지르코니아 또는 전극 물질로 제조될 수 있다. 절연 층(176)은 다공성이어서 가스가 절연 층(176)을 통해 애노드(24) 또는 캐소드(26) 내로 통과하도록 해야하고, 또한, 비-전도성이어야 한다. 이러한 다공성 절연 층(176) 아래에, 애노드(24) 또는 캐소드(26)는 이들이 다공성, 전도성, 및 화학 반응 부위를 정상적으로 가지는 모든 특성들을 가지는 것이 여전히 필요할 것이다. 예를 들자면, 절연 층(176)의 두께는 약 1㎛과 약 25㎛ 사이일 수 있다.

다층 연료 전지의 개선된 적용에서, 전해질, 애노드(24)와 캐소드(26)는 소결 후의 변형이 물질의 특성이 될 정도로 충분히 얇다. 위의 설계가 변형을 나타내고, 절연 층(176)이 제 역할을 수행하는 경우에, 위의 구조가 도 97에 도시된 바와 같이 나타날 수 있다. 이 경우에 연료 통로(14) 또는 공기 통로(20)는 이들이 너비를 따라 어디선가 개방되기 때문에 죄어서 완전히 폐쇄되지 않게 된다. 이러한 결과는 애노드(24) 또는 캐소드(26)가 접촉하지만, 이들이 절연 층(176) 중의 하나 이상이 접촉 지점에서 완전하기 때문에 서로 단락(즉, 전기적으로 접촉됨)되지 않는다.

뜨거운 연료 전지 Stick^TM 장치(10)로부터 전력을 제거하는 것과 관련하여, 표면 전도체로서 LSM의 사용은 금속만큼 전도적이지 않을 수 있다. 장거리(다수의 인치)에 대한 전력을 전달하기 위해, LSM의 저항은 전력의 손실시킬 수 있다. 이러한 전력 손실은 LSM 전도체 후판을 제조함으로써 극복할 수 있다. 이를 위해서는, 스크린-프린팅 보다는, 도 98a와 도 98b에서 각각 횡단면과 사시도로 도시된 바와 같이, LSM 테잎(178)으로서 LSM을 주조한 후, LSM 테잎(178)을 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 상부 및/또는 하부 위의 구조로 제조하는 것이 보다 유용할 수 있다. 이러한 방식으로, 두께는 몇 마일 두께(.001”-.005”) 내지 수천 마일(.01”-.05”)로 변화할 수 있고, 스틱의 전체 너비를 덮을 수 있다. LSM의 CTE는 하나의 물질의 두께 층을 다른 물질과 공-소성(co-firing)하는 경우, LSM이 YSZ(캐소드에서와 마찬가지로)와 혼합하여 전체 스틱의 CTE와 보다 근접하게 조화할 수 있는 경우에, 도전과제일 수 있다. 또한, LSM은 저온인 경우 전도적이지 않아서, 귀금속, 예를 들면, 은, 또는 다른 저온 전도 물질은 로의 외부에 놓일 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 영역에서 LSM의 상부 위로 위치해야 한다. LSM이 논의되었지만, 본 발명이 극히 제한되지는 않음을 인식할 수 있다. 임의의 전도 세라믹, 비-산화 합금 또는 귀금속을 LSM을 인용한 곳에 사용할 수 있고, 따라서, LSM 테잎(178)은 실제로 LSM 이외의 물질로 제조할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따라, 낮은 저항 연결을, 니켈을 전도체로서 사용하여 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 말단으로 제조할 수 있다. 그러나, 니켈은 공기가 존재할 때마다 산화된 상태로 존재하고, 산화된 니켈은 비-전도적이다. 연료 전지 Stick^TM 장치(10)는, 로가 공기로 공기 대기와 작동하는 경우, 전체 시스템이 더 간단하고 더 저렴해지기 때문에 공기 중에 이롭게 사용된다. 따라서, 니켈을 전도체로서 사용하는 과제는 니켈이 환원된 상태로 유지되어야만 한다. 이에 따라, 니켈의 산화 문제를 극복하기 위해서, 니켈 전도체(182)를 함유하는 내부 채널(180)이 사용되어 장치의 말단으로 이동하고, 내부 채널(180)은 도 99에 도시된 바와 같이 산화를 방지하도록 연료가 공급된다. 니켈은 둘레가 6 μohm-cm인 백금보다 더 낮은 전도성을 가져서, 이용가능한 최고의 전도체(구리, 은)의 등급의 순서 내에 존재한다. 따라서, 니켈 전도체가 연료로 공급된 내부 채널(180) 내의 공간을 차지하도록 제조함으로써, 니켈이 환원된 상태로 유지하게 됨으로써 이의 사용을 허용할 것이다. 도 99를 추가로 참조하면, 니켈 전도체(182)의 말단에서, 튜브 연결 근처에, 니켈 전도체(182)는 이전 도면에서 도시된 바와 같이, 전기적 연결, 예를 들면, 접촉 패드(44) 및 커넥터(134)에 대한 장치에서 빠져나올 수 있다. 예를 들자면, 여기에 은을 사용하여 환원 대기에서 공기 대기로 변환할 수 있다. 이러한 양태는 도 67a 내지 도 67b를 참조하여 앞서 기재된 바와 같이 커넥터(134)와 조합하여 도시되었지만, 이러한 도면으로 어떠한 방식으로도 제한하려는 것은 아니다.

본 발명의 다른 양태에 따라, 그린 세라믹 기술을 사용하여 다층 세라믹 연료 전지 구조, 연료 전지 Stick^TM 장치(10, 100, 400, 500), 또는 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200, 300) 중의 하나, 또는 다른 다층 장치를 제조할 수 있고, 이후에, 말단 튜브(184)를 영구적으로 부착할 수 있다. 말단 튜브(184)는 가열 영역에서 말단 영역으로 납땜할 수 있어서 배관 또는 가스 수송의 다른 형태, 예를 들면, 공급 튜브(50)를 부착할 수 있다. 대안적으로, 말단 튜브(184)는 연료와 공기 공급으로 납땜할 수 있거나, 공급 튜브(50)를 사용하지 않고 시설을 제거하는데 소모할 수 있다. 다층 장치(예를 들면, 10, 100, 200, 300)는 가열 영역에 위치할 것이고, 고정 방식으로 부착된 말단 튜브(184)는 냉각 영역 외부로 이동한다. 도 100a 및 도 100b에 도시된 바와 같이, 다층 (관형) 연료 전지 Stick^TM 장치(10, 100, 400, 500)(관형: 200, 300) 또는 다층 공기 및 연료 채널을 가진 임의의 다른 연료 전지 구조가 말단 튜브(184)의 하나의 양태인 특별히 포장된 말단 튜브(186)와 제공된다. 장치(10, 100, 200, 300, 400, 500)의 활성 구조물, 즉, 애노드, 캐소드, 전해질 및 연료 통로는 본원에 기재된 임의의 다양한 방법들을 사용한 후, 포장된 말단 튜브(186) 연결부를 가함으로써 제조된다. 포장된 말단 튜브(186)를 튜브를 테잎으로 제조하는 포장 기술에 가한 후, 테이프를 충분히 강한 두게를 제공하도록 충분히 회전시켜 스틱의 말단 주위를 포장하고, 이러한 회전을 지속하여 말단 튜브(184)에 대해 목적하는 길이를 제공한다. 굴대는 포장된 말단 튜브(186)의 지지되지 않은 구획 내에 필요할 수 있고, 이 경우에, 이형제와 왁스로 덮힌 임시 굴대를 사용할 수 있다. 튜브의 층을 적층하여 전체 강도와 밀도를 달성할 수 있다. 적층한 후, 굴대를 제거할 수 있다. 고정 말단 튜브(184)는 활성 구조에 기계적이고 전기적인 부착을 제공할 수 있다. 고정적으로 부착된 말단 튜브(184) 연결부는 공-소결에 의해 활성 구조와 실질적으로 모놀리식이다. 이는 구조에 내구성을 제공한다. 따라서, 최종 장치를 공-소성함으로써, 부착된 말단 튜브(184)를 다층 장치(예를 들면, 10, 100, 200, 300, 400, 500) 위로 소결하여서 이들이 실질적으로 모놀리식으로 되도록 한다.

말단 튜브(184)는 전도성 세라믹, 예를 들면, LSM, 또는 산화 니켈로 제조될 수 있다. 냉각 영역 또는 공기 대기로 전이부에서, 말단 튜브(184)를 전도성 금속 또는 합금으로 덮을 수 있다. 이러한 금속 또는 합금 및 최종 튜브 구조의 냉각 영역을 페인트 또는 포장된 테잎으로서 적용할 수 있다. 대안적으로, 포장된 말단 튜브(186) 대신에, 예를 들면, 말단 튜브(184)가 롤링 또는 사출 성형함으로써 제조된 것일 수 있다. 말단 튜브(184)가 그린 상태로 유연한 경우, 이는 세라믹에 세라믹을 결합하여 적층함으로써 부착할 수 있다. 예를 들면, LSM인 경우, LSM은 YSZ와 블렌딩되어서 CTE와 조화하도록 돕고, 순수한 YSZ의 특성을 소결시킨다.

다층 장치의 복합 활성 구조를 제조한 후, 이를 소결시킨 다음, 고정 말단 튜브(184)를 말단에 부착하여 제조하는 것이 바람직할 수 있지만, 이는 물리적 과제를 제공한다. 장치(10)(또한, 비-고정 튜브 부착에 대해 도 3a 및 도 3b를 참조하여 원통형 말단 부분으로서 기재됨)에 대해 도 101에 도시된 바와 같이 튜브 연결부를 즉시 수용하도록 장치의 말단을 형상하는 것이 이로울 것이다. 활성 장치(10)의 외부 말단은 예를 들면, 기계가공(machining)(바람직하게는, 그린 상태로)에 의해 형상화되어서 세라믹 말단 튜브(184)에 즉시 적합한 원통형 말단부(190)을 형성하여서 축 방향으로 부착을 제공할 수 있다. 말단 튜브(184)의 축 부착은 더 큰 시스템에서 연료 전지 Stick^TM 장치(10)(또는 100, 200, 300, 400, 500)의 밀폐 패킹(tight packing)에 최적이다.

대안적으로, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 말단(11a, 11b)의 내부는 도 102a 및 도 102b에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 말단 튜브(184)가 삽입될 수 있는 하나 이상의 말단 구멍(192)을 형성하도록 기계가공할 수 있다. 나란히 삽입된 2개 이상의 말단 튜브(184)는 다수의 구조에서 이로울 수 있다. 복식 삽입된 말단 튜브(184)는 장치 구조의 균형에서 축소화(예를 들면, 소형 장치), 또는 단일성에 있어서 편리성을 허용할 수 있다.

말단 튜브(184)의 고정 부착은 두 조각(활성 장치(10)와 말단 튜브(184))이 그린이어서 이들이 공-소결될 수 있거나, 또는 두 조각이 별개로 소결된 후, 또는 하나가 그린이고, 하나가 이미 소결된 경우 발생할 수 있다. 부착 발생시 두 개가 이미 소결되는 경우, 유리 또는 유리 세라믹(또는 저 소성 세라믹, 예를 들면, 알루미나와 같이 소결 보조 세라믹을 갖는 YSZ)을 사용하여 결합을 형성할 수 있다. 조각들이 함께 그린으로 놓인 경우, 적층 방법 또는 상기 결합 물질이 사용될 수 있다. 하나가 그린이고, 하나가 이미 소성한 경우, 모든 이들 점착 방법이 사용될 수 있다.

도 103a의 도식적인 사시도에 도시된 고정 튜브 부착에 대한 다른 양태에 따라, 직사각형 말단부(194)가 활성 장치의 말단에 제공될 수 있고, 대응 직사각형 튜브(196)가 로로부터 출구에 대해 부착되기 위해 사용된다. 또한, 대응 조각이 부착 말단에서 직사각형이고, 다른 말단에서 원형인 말단 튜브(184)를 갖는 것이 가능할 것이다. 도 103b에 도시된 이러한 형태-전이 말단 튜브(198)는 주조 또는 주형으로 제조될 수 있다. 특히, 형태-전이 말단 튜브(198)는 순응한 형태로 주형된 세라믹 조각으로서 제조할 수 있다. 직사각형 말단은 직사각형 말단부(194) 위로 쉽게 적층할 수 있고, 이러한 세라믹 조각은 모양이 로의 외부에 조각의 변화에 대해 원형 또는 기타 성형된 튜브로 변화할 수 있다. 다시 말하면, 이들 튜브와 출구 경로는 전도성 물질로 제조할 수 있어서, 전기 연결부로서 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 성분의 수를 줄이고, 이들 성분을 하나 이상의 기능을 수행하도록 함으로써 이들이 시스템의 최종 설계를 단순화시키는 가스 연결부로서 수행할 수 있다.

그린 테잎의 사용은 다양한 양태에 기재된 구조를 제조하기 위해 기재되어 있다. 그러나, 그린 테이프를 사용하는 것이 필수적인 것은 아니다. 대안으로는 구조에 사용된 물질 모두를 스크린 프린팅하는 것이다. 이것은 테잎의 사용을 제거하지만, 레이아웃에서 매우 유사해 보이는 최종 그린 장치를 제공한다. 실제로, 스크린-프린팅 기술로 납작하게 만드는 지르코니아의 층과 테잎 시트로서 납작하게 만드는 층 사이의 차이점을 설명하는 것은 매우 어려울 것이다. 다른 변형은 물질을 인쇄하기 위해 디스펜서를 사용하는 것이다. 이를 위한 정확한 방법이 시간이 지나고, 소형에 대한 필요성이 지속됨에 따라, 당해 분야의 숙련가에 의해 인식될 바와 같이 보다 정교해지게 될 것이지만, 가장 간단한 형태로, 이것은 펜과 같이 물질을 적는 튜브일 수 있다. 서법(writing method)과 함께, 복잡한 구조가 작은 채널과 보다 복잡한 3D 구조와 함께 제조될 수 있다. 그러나, 실제로, 이들 방법은 다층 세라믹 기술보다 덜 유용할 수 있다. 인쇄 헤드의 동일한 수와 함께, 구조물이 더 작게 제조됨에 따라, 큰 장치를 제조하는데 필요한 시간의 양도 더 길어진다. 이러한 방법은 생산성 문제를 기초로 하여 자체로 실패할 수 있다. 현재 축전기 생산 방법으로 입증되는 바와 같이, 테잎과 프린팅 방법으로 장치를 제조하는 것은 훨씬 더 실용적이며, 이는 하나의 공장이 주당 각각이 400개 이상의 층을 갖는 10억 개의 작은 칩을 생산할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치를 제조하기 위한 이러한 수단이 고려된다.

또한, 다층 장치 내에, 층을 대신하여 미세소관이 사용될 수 있다. 소관은 합하는 경우 더 큰 영역을 제공할 수 있다. 다층 장치가 수천개의 미세소관을 함유하는 경우, 이들 튜브는 말단에서 말단까지, 또는 나란히 연결시킴으로써, 또는 제조 공정 동안 층을 더 큰 그룹으로 만들어서 전압을 증가시키기 위해 합해질 수 있다. 그러나, 다시 인쇄하는 복잡성은 생산성을 저하시키는 요소가 될 수 있다. 그러나, 전반적으로 본 발명에 따른 "윌링 형태(willing form)"를 사용하여 본 설계를 작업하도록 허용된다. "윌링 형태"는 전체 구조 목포를 향해 기꺼이 협력하는 물질 시스템 내에 물리적 구조를 갖는 본 발명의 장치를 나타낸다. 물리적 구조는 물질 특성을 조화롭게 수행하기 때문에, 이러한 장치는 저온과 저비용 연결 지점을 허용하고, 구성을 단순화하고, 내구성을 증가시키면서, 장치의 길이를 따라 놀라운 온도 차이를 수용할 수 있다.

위에 기재한 다양한 양태에서, 애노드, 캐소드, 전해질 및 갭의 다층은 SOFC 또는 다른 연료 전지 장치를 위한 "윌링 형태" 구조에 사용된다. 이러한 "윌링 형태" 구조는 또한, 연료 전지 Stick^TM 장치(10, 100, 200, 300)의 다층 활성 구조가 세라믹(산화 니켈, YSZ, LSM, 또는 임의의 기타 바람직한 물질)의 예비-소결된 코어(pre-sintered core) 위로 빌드업되고, 예를 들면, 도 104에 기재된 바와 같이, 플레이트(610), 긴 플레이트(612), 튜브(614) 또는 편평한 튜브(flat tube)(616) 구성을 가지는 곳에 사용될 수 있다. 최종 형태는 앞서 기재된 설계와 유사해 보이지만, 제조 방법은 물질 아래의 고체(610, 612, 614, 또는 616)로 시작한 다음, 여기에 두꺼운 필름 층(두꺼운 필름은 페이스트의 층에 프린팅, 딥핑, 또는 인쇄 중의 하나를 적용시키는 것을 지칭함)을 가하는 것이다.

현존하는 편평한 튜브(616) 또는 원형 튜브(614) 설계를 사용하면, 튜브의 중심은 하나의 가스를 함유하고, 튜브의 외부 표면은 다른 가스에 노출된다. 다층 설계에 대한 편평한 튜브(616) 또는 원형 튜브(614) 설계를 변화하기 위해서, 가스를 튜브 내에 조절하는 것이 요구된다. 편평한 튜브는 추가의 논의에 대한 예로서 사용될 것이다. 현존하는 용도에서, 편평한 튜브는 공기 또는 연료 중의 하나의 유동을 조절하기 위해서 내부에 지지 부재를 가질 수 있다. 편평한 튜브는 다공성이어서, 이의 가스가 외부로 전극(24, 26)과 전해질(28)을 확산시키도록 한다. 지지 부재의 하나의 양태는 도 105a에 도시된 수직 구성(수직 립(620)) 또는 도 105b에 도시된 각진 델타 립(622) 구성 중의 하나로 구조적 강도를 제공하는 립(rib)이다. 립을 가지는 것에도 불구하고, 편평한 튜브(616)의 인테리어는 단지 채널(624)의 하나의 가스 형태를 포함한다. 선행 기술로서 명백하게 표지된 도 106은 편평한 튜브가 현재 사용되어 하나의 전극으로 하나의 가스를 공급하는 방법을 도시한다. 곡선 화살표는 제1 전극(또한, 전극이 편평한 튜브의 양 측면 위에 제조된 경우, 아래로 확산될 수 있음)을 향해 위로 튜브의 다공성 세라믹을 통해 가스가 확산되는 방법을 도시한다.

본 발명에 따라, 도 107a 내지 도 107b에 도시된 바와 같이, 립(620)을 사용하여 채널(624)을 2개의 교류 세트(624a, 624b)로 분배하여서, 일부는 연료를 운반(연료 채널(624a))하고, 일부는 공기를 운반(공기 채널(624b))한다. 이들 편평한 튜브는 저비용을 위해 사출 성형할 수 있고, 따라서 교류 채널(624a, 624b)은 각각의 말단(11a, 11b)에서 밀봉해서 가스의 교류 유동을 반대 방향으로 허용할 수 있다. 밀봉은 고온 물질, 예를 들면, 유리 또는 세라믹으로 수행할 수 있거나, 또는 편평한 튜브의 냉각 영역에 있는 경우, 유기물 또는 실리콘과 같은 저온 물질로 수행할 수 있다. 대안적으로, 튜브를 제조 동안 교류 채널을 밀봉하는 방식으로 주조할 수 있다. 도 108에 도시된 바와 같이, 목적하는 경우, 모든 채널(624a, 624b)은 제1 말단(11a)에서 개방할 수 있어서 공기 및 연료 둘 다가 유입되고, 근처 채널(624a, 624b)을 통해 동일한 방향으로 이동하게 된다. 이 경우에, 립은 비다공성이고, 2개의 가스가 혼합되도록 하는 결함이 없도록 하는 것이 요구된다. 이후에, 커넥터를 사용하여, 도 108에 도시된 바와 같이, 교정 가스를 단일 말단(11a) 위의 교정 채널(624a 또는 624b)로 유도할 수 있다.

또한, 커버(626)(예를 들면, 유리 또는 밀집 세라믹)를 적용하여, 도 107b에 도시된 바와 같이, 다공성 튜브를 통해 가스 유동을 조절하기 위해서, 일부 영역에서 편평한 튜브를 밀봉할 수 있다. 이후에, 덮이지 않은 다공성 표면은 적절한 가스가 다층 활성 구조에서 적절한 경로로 위를 향하여 확산시키도록 할 수 있다. 2단계-다공성 튜브의 표면을 밀봉하는 단계, 및 이의 적절한 가스를 올바른 영역 내로 확산시키는 다공성 영역을 허용하는 단계를 임의로 조합하여 삽입할 수 있다.

대안적으로, 편평한 튜브(616)는 이러한 설계로 수행하기 위해서, 선행 분야의 한층 편평한 다공성 튜브와 대향하면서 다공성일 필요는 없다. 대신에, 가스가 채널(624a, 624b)을 나오도록 해서 다층 활성 구조 내로 이동하도록 홀(도 109를 참조하여 후에 논의되는 하나의 양태)을 생성할 수 있다. 이들 홀은 그린 상태 또는 연소된 상태에서 편평한 튜브(616)에 가할 수 있다. 편평한 튜브(616)는 도 111에 도시된 바와 같이, 로의 외부로 연장할 수 있어서 하나의 말단(11a)이 하나의 가스에 대해 냉각 영역에서 쉽게 집배되고, 다른 말단(11b)이 다른 가스(저온에서 다시)로 다른 말단에서 집배된다. 대안적으로, 하나의 말단 편평한 튜브(예를 들면, 도 108에서와 같음)는 로를 빠져나갈 수 있고, 공기와 연료 둘 다는 하나의 냉각 말단(11a)에서 채널(624a, 624b) 내로 제공될 수 있다. 복합 커넥터는 튜브(11b)의 말단(11a)과 만나고, 공기와 연료 둘 다를 적절한 채널(624a, 624b) 내로 제공하도록 사용할 수 있다. 로에서, 편평한 튜브(616) 내의 홀은 가스가 다층 활성 구조 내로 위를 향하여 이동하도록 할 수 있다. 공기 채널(624b)은 다층 활성 구조 내로 공기가 유동하도록 할 수 있고, 연료 채널(624b)은 동일한 방식으로 연료를 유동하도록 할 수 있다. 각각의 홀은 개별 층을 제공하도록 할 수 있거나, 또는 하나의 홀은 복식 층을 제공할 수 있다.

다층 활성 구조 내에, 이전 도면에 기재된 바와 같이, 직렬 또는 병렬 구조의 임의의 조합을 제조하는 것이 가능하다. 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치(600)에 대해 도 109에 도시된 바와 같이, 적절한 층으로 가스를 취하기 위해서, 유동 가스를 편평한 튜브 내로부터 비아 경로(628)로 유입시키는 것이 가능하다. 다양한 기술과 설계, 예를 들면, 칼럼, 벽 돌출부, 오프셋 통로 등이 사용될 수 있어서, 비아 경로(628)를 비아 경로에 남아 있는 유동 가스가 없도록 유지시킬 수 있다. 볼드체의 수직 곡선이 동일한 평평한 횡단면에서 모두 도시되지는 않음을 가리키는 도해 기술(illustration technique)임을 주목해야 한다. 도 110에 도시된 대안적인 방법은 이의 면적의 측면 영역에서 비틀어진 가스 통로(14, 20)를 가져서 가스 경로가 아래로 와서 편평한 튜브(616)와 만나게 되는 것이다. 이 방법은 더 간단할 수 있고, 두꺼운 필름 물질을 편평한 튜브(616)의 표면에 가하여 다층 활성 구조를 빌드업할 방식을 제공할 수 있다.

도 111은 말단이 로의 외부, 보다 구체적으로, 편평한 튜브(616)가 냉각 영역(30) 내로 나타나는 대향하는 말단(11a, 11b)(대안적으로, 냉각 영역 내로 나타나는 하나의 말단일 수 있음), 편평한 튜브(616) 위로 빌드업된 다층 활성 구조, 및 가스가 다층 활성 구조물 내로 확산되는 경로(628)를 갖는 가열 영역(32)에 위치한 편평한 튜브(616)에 연장하는 윌링 형태의 연료 전지 Stick^TM 장치(600)를 나타내는 사시도이다. 대안적으로, 도 112에 도시된 바와 같이, 편평한 튜브(616)의 말단(11a, 11b)은 로의 내부에서, 가스 전달을 위해 고온 매니폴드(630)에 부착할 수 있다.

본 발명에 따른 윌링 형태의 편평한 튜브(616)의 변형은 폭이 좁은 편평한 튜브(632)일 것이고, 여기서, 너비는 도 113에 도시된 바와 같이 로 벽(96)을 통해 통과하는 영역에서 점점 좁아지게 될 것이다. 폭이 좁은 편평한 튜브(632)의 내부 설계는 다양한 방식으로 튜브의 중심 영역을 가지고 좁아지는 말단을 채택할 수 있다. 예를 들면, 립은 협소 말단으로부터 중심 말단으로 분산되어서 모든 또는 일부 채널(624)이 크기가 증가하거나, 또는 추가의 립(620, 622)이 내부에 있어서, 추가의 채널(624) 내로 유동이 분배되어서 더 넓은 영역을 공급하게 된다. 로를 떠나는 좁아지는 편평한 튜브(632)의 너비를 더 좁게 제조함으로써 크래킹하는 것이 덜 수월하도록 할 것이다.

본원에 기재된 편평한 튜브 양태에서, 도 114에 도시된 바와 같이, 매니폴드(630)에 대한 대안으로서 말단 구멍(192)에서 편평한 튜브(616)와 일치시키기 위해서 로 안으로 각각의 말단 튜브(184)를 삽입할 수 있다. 튜브(184)를 공-소성할 수 있고, 영구적으로 부착할 수 있거나, 또는 임시적으로 유리 또는 기계적 압착으로 점착시킬 수 있다.

SOFC는 고온, 통상적으로 800℃에서 잘 작동한다. 본 발명의 하나의 양태에 따라, 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치(10, 100, 200, 300, 400, 500, 600)의 작동에 대해 소위 투명한 로(see-through furnace)가 사용되는 것이 편리할 수 있다. 하나의 투명한 로는 Thermcraft, Inc.에 의해 제조된 Trans Temp^TM 로이다. 튜브 로는 튜브 내부에 가열 요소와 개방 말단을 가진 절연 튜브이다. 튜브 로의 중심은 작동 온도로 빨리 가열할 수 있다. 투명 로에서, 절연 튜브는 석영 및/또는 유리 튜브의 다층, 일반적으로 2개지만 가능한 많은 층으로 제조하고, 석영 층은 사람이 내부를 보도록 하면서도 로를 충분히 절연할 수 있다. 일반적으로, 석영 튜브 중의 하나는 정교한 양의 반사 금속, 예를 들면, 금으로 내부 위를 피복시켜 추가의 열을 로 내로 다시 반사시킨다. Trans Temp^TM 로는 로 내에 나선 전기 코일로 전력을 공급한다. 또한, Trans Temp^TM 로는 다른 수단, 예를 들면, 가스-연소 구조물에 의해 가열할 수 있다. 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치를 작동시키기 위한 포맷으로서 투명 로를 사용하여 튜브 로 내에 작동하는 연료 전지 Stick^TM 장치를 쉽게 검사하게 될 것이다.

예를 들자면, 자전거를 SOFC 기술로 전력을 공급할 수 있고, 여기서, 튜브 로는 가스 탱크에 전형적으로 사용되는 영역에서 위치한다. 또한, 자동차도 이러한 방식으로 전력을 공급할 수 있다. 사람들이 엔진을 볼 수 있도록 새로운 페라리 자동차 구조의 엔진에 대한 유리 패널을 사용하는 개념과 유사하게, 투명한 SOFC 로와 함께, 사람들은 SOFC 엔진 내부를 볼 수 있다. 또는 집에서, SOFC는 전체 집에 전력을 공급하고, 투명한 로를 사용할 수 있다. 1세기 전에, 벽난로는 가열과 요리의 중심으로서 집의 중심에서 존재하였고; 현대의 집에서는, 투명한 SOFC 로가 집의 심리학적 중심일 수 있다. 차 구조에서, 하나 이상의 투명한 로 요소가 존재할 수 있다. 이들은 4개가 나란히 될 수 있다. 또는, 4개의 요소가 "+"의 형태일 수 있다. 심미성에서 벗어나, SOFC에 대한 투명한 로 구조의 기능적 요소는 로가 작동하고, 기능적으로 적절한지를 바라보는 능력이다. 구조의 예술적인 요소는 더 큰 제품 또는 상황의 다른 설계 측면에 대한 정보를 제공할 수 있다.

Trans Temp^TM 로는 금으로 피복되거나, 피복되지 않는 경우, 로의 색이 실질적으로 옐로우-오렌지이다. 본 발명에 따라, 상이한 요소를 사용하여 실리카(석영)의 내부를 피복시키거나, 또는 실리카 튜브를 도핑함으로써 색이 파란색, 녹색 또는 임의의 다른 상상가능한 색으로 변화할 수 있다.

따라서, 본 발명은 가열 영역(32)이 투명한 벽(96, 96', 또는 96'')을 가지는 로 구조를 제공하는 연료 전지 Stick^TM 장치를 고려한다. 또한, 가열 영역 벽(96)은 가열 영역(32)이 오렌지가 아닌 색(예를 들면, 파란색)으로 실질적으로 빛을 내도록 하는 요소로 피복 또는 도핑할 수 있다. 로(가열 영역)(32)는 연소 연료 또는 저항 전선으로 가열할 수 있다. 또한, SOFC에 대한 가열 영역(32)이, 하나의 투명한 로, 또는 다수의 투명한 로를 사용하여 생성되는 SOFC에 의해 전체 또는 부분적으로 전력을 공급하는 비히클(vehicle)이 고려된다. 또한, 본원에 기재된 바와 같이 적어도 부분적으로 연료 전지 Stick^TM 장치에 의해 전력이 공급되는 투명한 벽(96, 96', 96'')을 갖는 홈 가열 로(home heating furnace)가 고려된다. 관형 연료 전지 Stick^TM 장치를 포함하는 연료 전지 Stick^TM 장치에 대한 위의 모든 양태들은 투명한 가열 영역(32)을 포함할 수 있다.

위의 양태들은 SOFC와 관련지어 상세하게 기재되어 있다. 그러나, 또한, 이러한 양태들은 용융된 탄산염 연료 전지(MCFC)에 적용할 수 있다. 이러한 개념에서 주요 차이점은 전해질이 지르코니아로부터 용융된 탄산염(예를 들면, 탄산리튬 또는 탄산나트륨)으로 변화한다는 점이다. 탄산염은 고온에서 용융되고, 접촉하는 산소 이온(CO₃의 형태로)을 전도할 수 있다. 용융된 탄산염은 모세관에서 다공성 세라믹, 예를 들면, LiAlO₂로 유지된다. 애노드와 캐소드는 둘 다 SOFC에서 일반적으로 사용된 LSM 보다는 MCFC에서의 니켈을 기준으로 한다. SOFC에 대한 구조적 지르코니아는 구멍에서 탄산염을 가진 다공성 LiAlO₂로 대체된다. 그리고, CO₂를 공기 유동과 함께 가한다. 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치에 대한 전체 구조인 윌링 형태는 MCFC를 위해 채택할 수 있다.

본 발명은 추가로 연료 전지 Stick^TM 장치에 대한 연료로서 암모니아(NH₃)를 사용하는 것을 고려한다. 암모니아는 애노드 면 위에서, H+ 이온, 즉, 탄화수소 또는 H₂를 공급한다. 암모니아를 사용하는 이점은 H₂와 마찬가지로, 어떠한 CO₂도 방출하지 않는다. 그러나, 연료로서 NH₃의 단점은 독성이다.

또한, 본 발명은 전기 엔진 구성을 넘어서 제트 엔진으로 변화시키는 연료 전지 Stick^TM 장치의 사용을 고려하고, 이로 인해 고연료 효율성을 수득하는 것이 가능하다. 엔진 전력을 발생하기 위한 연료 전지 Stick^TM 장치의 사용은 연료 소비를 감소시키고, 또한, 비행에 필요한 연료 하중을 감소시킨다. 제트 엔진이라 불리우는 것 대신에, 추진 장치는 덕티드 팬(ducted fan), 또는 외부 엔진 덮개가 없으면 단지 팬으로 불리워진다. 덕티드 팬은 10 MW의 전력이 가능한 경우, 보잉 737(Boeing 737) 상의 제트 엔진을 대체할 수 있는 것으로 판단된다. 연료 전지 Stick^TM 장치 조립체에 대해 1 MW/ft³의 개선된 밀도 목표를 사용하여, 비행기에서 이러한 종류의 전력을 발생시키는 것이 합리적이다. 복식 분리 유닛을 사용하여 10 MW, 특히, 가능하게는 각각이 1 MW를 발생시키는 10개의 모듈을 발생시킬 수 있다. 날개에는 전력 발생 모듈을 가짐으로써, 이들은 엔진에 가능한 근접할 수 있어서, 날개 내의 저항성 손실이 감소하게 된다. 날개에서 SOFC를 가지는 교류 설계는 동체에서 날개를 가지게 될 것이다. 동체의 진동이 날개의 진동보다 적게됨에 따라 동체가 더 나은 위치임을 입증시킬 수 있다. 동체로부터 날개로 전력을 전달하는 전도성의 문제는 전력을 전달시 고전압으로 작동시킴으로써 극복할 수 있다. 그렇지 않으면, 이러한 거리를 이동하는 고온 세라믹 초전도체를 사용하는 것이 유용할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라, 비행기는, 전기 추진 시스템을 가동하는데 발생한 전력이 복식 SOFC 모듈에서 생산되는, 전기 추진 시스템을 사용하여 제공된다. 전기 추진 시스템의 하나의 양태는 덕티드 또는 비덕티드(unducted) 중의 하나인 팬일 것이다. 또한, 이들 모듈은 비행기의 날개에 위치할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따라, 마이크로 또는 나노 크기의 튜브를 사용하여, 공기 채널과 캐소드는 합해지고/지거나 연료 채널과 애노드가 합해진다. 이들 특징을 합함으로써, 연료 전지 Stick^TM 장치는 더 높은 전력 밀도(KW/L)와 더 불균일한 설계로 제조할 수 있다. 애노드(24) 및 캐소드(26)에 각각 인접한 공기 및 연료 유동을 위해 공기 통로(14, 20)를 갖는 것 대신에, 애노드와 캐소드 내에 마이크로튜브 또는 나노튜브(집합적으로 마이크로/나노 튜브로서 지칭함)를 제공함으로써 유동 갭이 발생하게 된다. 이는 애노드와 캐소드 내의 가스 분포를 상당히 개선시킬 수 있다. 일반적으로 애노드와 캐소드는 다공성이고, 가스는 이들 구멍의 전체에 걸쳐 확산된다. 실제로, 가스는, 구멍이 랜덤하게 분포되어 있어서 가스 유동이 뒤틀린 경로를 항해해야만 하기 때문에 빠르게 확산할 수 없다. 랜덤 구멍 자체보다 상당히 더 직선이고 더 긴 애노드(24)와 캐소드(26) 내에 경로 또는 채널로서 한정하는 마이크로/나노 튜브를 가짐으로써, 개선된 연료를 이용하는 것을 달성할 수 있다.

실제로, 섬유(634)는 애노드 및/또는 캐소드 물질 내로 삽입할 수 있다. 예를 들자면, 탄소 섬유 물질이 사용될 수 있다. 섬유는 매트형 직물(636)일 수 있어서, 도 115a(500x 배율)의 현미경 사진에 도시된 바와 같이, 섬유가 길이가 상대적으로 짧고, 랜덤하게 분포되며, 얇은 시트로 압착 또는 압축하게 될 수 있다. 임의의 형태의 유기 직물 또는 직물(weave)이 사용될 수 있음이 기대된다. 대안적으로, 긴 입자를 전극 페이스트 내에 분포시켜 소성후 긴 공간을 제공할 수 있다. 탄소 능직물(carbon twill weave)은, 섬유의 대다수가 바람직한 유동 방향으로 쉽게 배향될 수 있기 때문에 특히 유용할 수 있다.

도 115a 및 115b에서, 섬유(634)의 직경은 5 내지 10 ㎛이다. 섬유가 훨씬 더 작은, 즉, 나노 크기로 영역당 더 많은 수의 섬유를 가지는 것이 가능할 것이다. 예를 들자면, 직경이 1 내지 100 nm의 범위를 갖는 나노튜브가 사용될 수 있다. 대안적으로, 0.1 내지 100 ㎛의 범위의 직경을 갖는 마이크로튜브가 사용될 수 있다. 일반적으로, 튜브는 약 1 nm 이하만큼 작고, 약 100 ㎛ 만큼 큰 직경, 예를 들면, 50 nm 내지 50 ㎛의 범위의 직경을 가질 수 있다.

이후에, 섬유(634)는 전극 페이스트로 함침(impregnating)시킬 수 있다. 이러한 페이스트는 이미 다공성 특징을 갖고, 흑연 분말을 포함하여서 규모가 0.5 내지 3 ㎛인 추가의 구멍을 제공하도록 한다. 베이크-아웃하고 소결한 후, 도 115a 및 도 115b에 도시된 섬유 및 흑연 분말은 가스 분포를 증가시킬 수 있는 전극 내의 구멍과 마이크로/나노 튜브의 네트워크를 제공할 것이다. 탄소 섬유의 경우, 소성 프로파일 동안 약 750℃ 이후에 사라질 것이다. 도 116a 내지 116c는 소성된 전극에서 형성된 마이크로튜브(638), 특이적으로, 직경이 5 내지 10 ㎛의 탄소 섬유를 베이크-아웃함으로써 애노드(24)에서 형성된 3개의 상이한 채널을 증가한 배율로 도시하는 현미경 사진이다.

이러한 양태는 애노드(24)와 캐소드(26) 내에 연료와 공기를 양호하게 분포시킴을 제공하고, 애노드와 캐소드의 영역에서 연료와 공기 유동 통로(14, 20)를 제거하게 되는데, 이는 연료와 공기가 애노드와 캐소드를 통해 유동할 수 있는 경우, 애노드와 캐소드에 대해 유동하는 연료와 공기를 가질 필요가 없기 때문이다. 또한, 애노드와 캐소드에 대한 갭이 제거되면, 애노드와 캐소드가 다층 구조에 상당히 개선된 강도를 제공하면서, 다층 구조의 다음 전해질(28)과 접촉할 수 있다.

마이크로/나노 튜브(638)를 사용하여 가열 영역에서부터 냉각 영역으로 이동하는 윌링 형태를 갖는 구조물이든지 아니든지 관계없이 임의의 다층 연료 전지 구조의 용도를 발견할 수 있음을 인식할 수 있다. 이러한 양태는 정사각형 플레이트, 또는 튜브의 표면 위에서 사용될 수 있다. 사실상 다층이거나, 설계에 대해 3D 크기를 갖는 시스템을 설계하는 경우, 특히 유리하다.

다층 연료 전지 Stick^TM 장치에서, 샘플은, 예를 들면, 전해질에서 전해질로 전지의 성공적인 층, 즉, 0.010”사이에서 0.010”피치와 유사하게 제조되어 진다. 이러한 10 밀은 연료 또는 공기의 유동에 대해 약 2 밀의 갭을 포함한다. 본 발명에 따라 2 밀의 가스 유동 두께를 제거함으로써, 전력 밀도(KW/L)가 20%까지 상당히 증가할 수 있다. 그러나, 애노드 및/또는 캐소드에서 마이크로/나노 튜브(638)를 공기/연료 통로(갭)와 조합하여 사용하여 갭을 제거하는 수단이라기보다는 유동을 증가시킬 수 있음을 인식할 수 있다.

가열 영역(32) 및 하나 이상의 냉각 영역(30)을 갖는 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치에 대한 다른 양태에 따라, 연료 및 공기 통로(14, 20)를 제조하는 방법은 냉각 영역에서 가열 영역으로의 경로의 영역에서 동일하게 유지될 것이고, 가열 영역에서, 연료 유동은 전극에서 구멍 및 마이크로 나노 튜브(638)를 통해 발생할 것이다. 개방 채널(14, 20), 예를 들면, 2 밀(.002”) 채널은 가스가 유입하는데 편리하고, 낮은 유동 저항성을 제공한다. 이들 경로가 애노드(24) 및 캐소드(26)와 동일한 두께이기 때문에, 개방 가스 유동 채널(14, 20)이 도 117에 도시된 바와 같이, 가열 영역(32)에서 애노드(24)와 캐소드(26)의 에지 이하로 올 수 있다. 채널(14, 20)은 공기와 연료를 목적하는 만큼 측면으로부터 애노드(24) 또는 캐소드(26)에 유입되도록 배향할 수 있다. 도 117에서, 애노드(24) 또는 캐소드(26)는 평행 도면으로 애노드(24) 또는 캐소드(26)의 위와 아래의 2개의 전해질(28)을 제공한다. 직렬 구조를 위해, 디바이더(divider)(642)가 도 118에 도시된 바와 같이, 애노드(24) 또는 캐소드(26)의 2개의 부분 사이에 위치할 수 있다. 디바이더(642)는 절연체, 예를 들면, 지르코니아 또는 전해질 물질일 것이다.

커넥터 전극(148)을 사용하는 직렬 구조와 같이, 보다 복잡한 형식에서, 예를 들면, 이러한 방법을 사용하여 많은 애노드(24) 또는 캐소드(26)를 한번에 공급할 수 있다. 저항성을 줄이기 위해서, 각각의 전지가 짧고 넓은 것이 최적이다. 이러한 관점에서, 튜브가 큰 갭이 가지는 것보다 더 높은 유동 저항성을 가지기 때문에, 마이크로/나노 튜브(638)를 사용하여 전지의 짧고 넓은 상태가 잘 수행되어서 임의의 연료 전지의 주된 목표들 중의 하나인 충분한 가스 유동 및 개선된 연료 이용을 허용하도록 할 수 있다. 직렬 구조의 탑 다운 개략도(top down schematic view)는 전지 내부와 외부로 가스의 유동을 강조하면서 도 119에 도시되어 있다. 명확하게 기재하기 위해, 연료 측면의 예가 사용될 것이다. 이는 탑 다운 도면이기 때문에, 보여지는 표면이 애노드(24)의 표면이다. 전해질(28) 및 캐소드(26)가 도면에서 도시되어 있지 않다. 화살표는 애노드(24) 내로 유동하는 연료를 나타낸다. 연료는 애노드(24)의 측면으로 유입된 다음, 일부는 전해질을 향해 돌아가지만, 일부는 애노드를 통해 연료 출구(16)를 향해 유지된다. 다시 말하면, 가스 유동 및 애노드 또는 캐소드의 혼합된 영역의 두께는 동일하고, 연료 통로(14)가 애노드(24)의 위가 아니라 옆에 있기 때문에 최소화된다.

또한, 저 전력 생산을 위한 작은 장치가 연료 전지의 분야에 바람직하다. 예를 들면, 100 시간 동안 20W를 제공하는 소형 전력 공급기를 군대에 사용할 수 있다. 이러한 목적으로, 연료 전지 Stick^TM 장치(700)에 대한 하나의 설계는 도 120의 측면도에 도시된 바와 같이, 둘 다 동일한 측면으로부터이지만, 소형 장치의 넓은 영역(704) 내로 유입하는 2개의 스틱-성형된 입구(702a, b)를 가지는 것이다. 하나의 스틱 입구(702a)는 공기를 취급하고, 다른 스틱 입구(702b)는 연료를 취급한다. 큰 영역(704)은 가열 영역(32)에 위치한 활성 영역이다. 동일한 측면으로부터 2개의 가스가 유입되도록 함으로써, 전체 용적은, 연료 전지 Stick^TM 장치(700)의 각각의 측면 위의 하나의 입구를 가지는 것과 비교하여 감소한다. 추가로, 이러한 영역은, 공기와 연료에 대한 순차적인 입구와 함께, 단일 더 긴 입구 경로를 갖는 것과 비교하는 경우 또한 감소한다. 도 120에 도시된 장치(700)의 크기(정사각형 면적의 경우)는 예를 들면, 1”정사각형, 또는 3”x 3”일 수 있다.

다른 양태에 따라, 연료 전지 Stick^TM 장치의 큰 영역(704)은 복식 구획으로 분할된다. 연료 전지 Stick^TM 장치가 각각이 도 120에 도시된 큰 영역으로 채워진 20개의 활성 층으로 설계되는 경우, 열 이동이 영역을 분할하는 것이 이로울 수 있다. 분할된 영역은 책의 페이지와 같을 것이다. 가스 공급 튜브가 유입되는 책의 스파인(spine)은 각각 도 121a 및 121b의 상부도 및 사시도에 도시된 바와 같이, 완전히 고체이거나, 완전히 분할되거나, 부분 분할될 수 있다.

최종적으로, 휴대가능하도록 고안된 연료 전지 Stick^TM 장치(700)에서, 도 122에 도시된 바와 같이, 장치의 안정화 지점(706)을 가지는 것이 유용할 것이다. 이들은 장치로부터 나타나는 스파인(708)의 형태를 취할 수 있을 뿐만 아니라 소형 로의 절연체(98) 내로 연장하도록 제공됨으로써 진동을 무디게 하고 연료 전지 Stick^TM 장치(700)를 안정하게 유지시킬 수 있다. 스파인(708)은 다양한 형태를 취할 수 있지만, 이상적으로 작은 횡단면일 수 있어서 이들이 장치로부터 열을 전도하지 않게 될 수 있다. 이들은 연료 전지 Stick^TM 장치(700)의 본체에서 큰 연결부(710)와 함께 강도가 약해질 수 있다. 또한, 장치가 휴대용일 것인지에 관계없이, 본원에 기재된 임의의 양태에서 안정 스파인(708)을 사용할 수 있다.

연료 전지 Stick^TM 장치의 크기가 더 커짐에 따라, 더 높은 전력을 성취하기 위해서, 하나의 가능한 과제는 가스 및/또는 공기 유동이 좁은 통로(유동 채널) 내에서 제한될 수 있다는 것이다. 유동 통로가 더 좁고, 더 얇고 더 길어짐에 따라, 유동율은 감소할 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 유동율 감소는 점성 효과인 듯하다. 또한, 특정 횡단면에서 가스 및/또는 공기 유동은 온도가 증가함에 따라 감소할 수 있다.

다른 고려할 점은 연료 유동의 특정한 양이 각각의 와트초의 전력을 달성하는데 요구된다는 점이다. 단지 예를 들고 추정하자면, 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치의 수소 가스가 11 와트초/밀리리터 이상으로 생산할 수 있음이 예비 조사로 밝혀졌다. H₂의 0.1 ml/s 유동율에서, 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치는 1.1 와트를 생산할 수 있다. 이러한 조사를 근거로 하여, 더 높은 전력은 더 높은 유동율을 요구한다.

또 다른 고려할 점은 연료 전지 Stick^TM 장치의 전체 밀도(kW/l)가 유동 통로를 포함하여, 다양한 성분의 두께에 의존한다는 점이다. 더 높은 전력 장치를 위해 유동 통로를 더 두껍게 만들기 위한 임의의 시도는 작은 장치의 밀도 달성을 오프셋하고, 설계의 전체적인 성공을 감소시킬 것이다. 따라서, 더 높은 전력을 위한 연료 전지 Stick^TM 장치의 전체 크기를 감소시키지만 밀도를 희생하지 않는 경우, 양호한 유동율을 제공할 필요성이 존재한다.

짧은 연료 전지 Stick^TM 장치, 예를 들면, 길이가 2 인치 내지 6 인치의 예에서, 층당 와트량은 영역에 의해 제한되고, 따라서, 얇은 유동 통로가 허용가능하다. 또한, 더 두꺼운 유동 통로(14a)(또는 예비-가열 체임버(13))가 활성 영역(33b)으로 유도된 다음, 도 123의 횡단면에 도식적으로 도시된 바와 같이, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)에 추가의 두께를 가하지 않지만 유동율을 극대화시키기 위해서, 더 얇은 유동 통로(14b)(또는 마이크로튜브(638))가 활성 영역(33b)을 통해 연장되는 양태가 기재되어 있다. 예를 들면, 활성 영역(33b)에서, 연료 통로(14b)가 1 밀이고, 애노드(24)가 2 밀(총 3밀, 또는 0.003”)인 경우, 3밀 연료 통로(14a)는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 전체 밀도를 희생하지 않고 활성 영역(33b)으로 유도할 수 있다. 3밀 연료 통로(14a)는 활성 영역(33b)에서 연료 통로(14b)의 1밀 두께보다 더 큰 유동율(유동하는데 더 작은 저항성을 가짐)을 허용할 것이다. 따라서, 한 층에 제공되는데 필요한 가스 유동의 초당 밀리리터가 크지 않은, 각각의 층 위의 개별 갭을 갖는 짧은 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 경우에, 층 수, 즉, 100 층을 증가시킴으로써 연료 전지 Stick^TM 장치(10)당 높은 전력 출력을 가지는 것이 여전히 가능하다.

반면, 훨씬 더 긴 장치, 예를 들면, 20 인치 이상을 가지는 것이 가능하고, 여기서, 총 층의 수가 더 적은, 즉, 20 층이고, 층당 총 전력이 훨씬 더 높다. 이러한 경우, 유동 통로로의 상이한 접근은 밀도를 희생하지 않고 필요한 유동율을 제공하는데 있어서 유용할 것이다.

하나의 양태에 따라, 연료 전지 Stick^TM 장치는 연료 전지 Stick^TM 장치의 길이(즉, x 방향으로)를 따라 일반적으로 이동하는 활성 영역의 외부에 더 큰 유동 통로, 및 짧은 방향(즉, 너비 또는 y 방향)으로 활성 영역을 통과하는 보다 짧은 유동 경로를 제공한다. 더 큰 유동 통로는 연료 전지 Stick^TM 장치에 대한 주된 동맥을 제공하고, 이에 따라, 본원에 동맥 유동 통로로서 언급되지만, 나란히 있는 통로는 활성 영역을 공급하고, 이에 따라, 본원에 전체 밀도를 향상시키는 얇은 횡단면 갭을 갖는 활성 유동 통로로 언급된다. 동맥 유동 통로는 횡단면(즉, 두께 또는 z 방향, 및 너비 또는 y 방향)으로 충분히 커서, 얼마나 많은 유동이 연료 전지 Stick^TM 장치에 전력을 공급하는데 바람직한지를 근거로 하여 유동하기에 충분한 제한을 받지 않게 된다. 연료 전지 Stick^TM 장치를 통과하는 활성 유동 통로의 얇은 횡단면은 가스 유동에 대한 낮은 저항성을 제공하는 2개의 방식, 즉, 거리가 짧고(y 방향으로), 횡단면이 넓은(x 및 z 방향으로) 방식으로 유용하다.

이전에 기재되고, 도 41a 내지 41b에 도시된 양태에서, 유사한 개념이 기재되고, 여기서, 단일 연료 통로(14)가 다수 공기 통로(20)의 반작용을 공급한다. 또한, 관형 연료 전지 Stick^TM 장치(200, 300) 및 위에 기재된 직렬 구조에서, 도 89 및 도 119는 다수 지점 통로를 공급하는 단일 공동 연료 공급 통로를 나타낸다.

도 124a 내지 도 124c는 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 한 측면 아래에 메인 동맥 유동 통로(814)를 이용하는 유동 경로, 및 대향하는 측면에 활성 영역(33b)을 거쳐 개별 활성 유동 통로(815) 또는 복식 활성 유동 통로(815)를 갖는 다른 양태에 따른 연료 전지 Stick^TM 장치(800)을 도시한다. (2개의 가스, 연료 및 공기 중의 단지 하나에 대한 통로가 간결성을 위해 도시된다. 이후의 양태에서, 2개의 가스에 대한 통로가 도시될 것이고, 여기서, 도면 번호(820)가 제2 가스의 동맥 유동 통로를 위해 사용될 것이고, 도면 부호(821)가 제2 가스의 활성 유동 통로를 위해 사용될 것이다.) 본 발명의 이러한 양태에 따라, 하나의 큰 동맥 유동 통로(814)가 복식 활성 층 위의 활성 유동 통로(815)에 적합할 수 있고(예를 들면, 도 124a의 사시도에 도시된 바와 같음), 하나의 활성 층 위에, 동맥 유동 통로(814)가 나란히 있고(예를 들면, 도 124c의 상부도에 도시된 바와 같음), x 방향으로 이격된 복식 활성 유동 통로(815)에 적합할 수 있다. 유동 저항의 감소는 모든 나란히 있는 통로(815)의 유효한 너비와 비례된다. 가스 유동에서 평행으로 가동중인 많은 활성 유동 통로(815)를 갖는 이점이 존재하는 것으로 기대된다: 가스 유동은 장치의 너비를 따라 가동중인, 각각이 길이가 1 인치이고, 너비가 0.5 인치인 10개의 활성 유동 통로를 통해 유동하는 것과 비교하여 장치의 활성 길이를 따라 가동중인, 길이가 10 인치이고, 너비가 0.5 인치인 얇은 단일 활성 유동 통로(815)에서 더 느린 것으로 기대된다. 고려된 설계는 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 길이의 x 방향으로 가동중인 동맥 유동 통로(814), 및 짧은 y 방향으로 연료 전지 Stick^TM 장치(800)를 지나 가동중인 하나 이상의 활성 유동 통로(815)를 가질 것이지만; 그러나, 본 발명은 다른 배열들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 가능한 만큼 특정 배열에 제한되지는 않는다. 또한, 복식 활성 유동 통로(815)는 독립적으로 작동하는 이점을 가져서, 결함, 예를 들면, 활성 유동 통로(815) 중의 하나에서 균열이 발생하는 경우, 다른 것들은 작동을 계속한다. 따라서, 전력이 전체를 손실하는 것보다 부분적인 전력 손실이 존재할 것이다.

도 124a 내지 도 124b는 동맥 유동 통로(814)를 형성하는 반원형 갭을 도시하고, 도 124b의 사시도에 가장 명확히 도시된 바와 같이, 그린 세라믹 시트(829)의 하나의 층을 연료 전지 Stick^TM 장치(800) 주위에 랩핑하여서 갭 주위의 쉘(shell)을 형성하도록 한다. 랩핑 기술 없이 이와 동일한 설계를 달성하는 다른 방법은, 그린 세라믹의 내부 시트가 덜 넓거나, 내부 시트의 일부가 제거되는 영역에서 연료 전지 Stick^TM 장치 내로 갭-형성 물질을 삽입하는 것이다. 도 125a 내지 도 125c를 고려하면, 상이한 크기의 그린 세라믹 시트를 갭 형성 물질과 함께 사용하여 그린 구조물을 제조할 수 있다.

도 125a(일부가 그린, 조립된 사시도)에서, 제한하지 않은 단지 예로 들자면, 1인치 너비 연료 전지 Stick^TM 장치(800)에 대해, 다수의 1인치 너비 그린 세라믹 시트(829)가, 장치(800)의 상부와 하부, 즉, 동맥 유동 통로(814)의 위 아래 부분에 대한 전 너비에 사용될 수 있다. 예를 들면, 각각이 2 밀(mil) 두께인 10개의 시트가, 각각의 부분이 20 밀 두께에 대한 각각의 상부와 하부(단지 3개 시트가 도시되어 있음)에 사용될 수 있다. 중심부에서, 0.15 인치 구획을 다수의 그린 세라믹 시트(829) 각각으로부터 제거하여 0.1 인치 구획(829a)과 0.75 인치 구획(829b)을 남겨서 너비가 0.15 인치인 동맥 갭-형성 물질(872)의 하나의 면 위에 위치할 수 있다. 예를 들면, 두께가 각각 2 밀인 40개의 시트를, 동맥 유동 통로(814)의 각각의 면 위에서 중심이 80 밀 두께에 대한 중심부(단지 10 시트가 도시되어 있음)를 위해 사용할 수 있다. 하나 이상의 0.75 인치 시트(829b)를 대신하여, 얇은 갭-형성 물질(874)을 사용하여 활성 유동 통로(815)(2개가 도시되어 있음)를 형성할 수 있다. 적층과 소성시, 동맥 및 얇은 갭-형성 물질(872, 874)을 장치(800)의 외부로 번아웃시켜 길이 아래의 큰 면 동맥 유동 통로(814)와 너비를 지나는 활성 유동 통로(815)를 형성한다.

부분 그린, 조립된 횡단면도와 도식적인 적층된, 소성 사시도를 각각 도기하는 도 125b 및 도 125c에서, 유사한 접근법을 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 상부와 하부에 대해 사용하고, 중심부에는, 다수의 0.75 인치 그린 세라믹 시트(829b)를 동맥 갭-형성 물질(872)의 한 측면(우측면 위에 도시됨)에 위치시키고, 세라믹 물질을 다른 측면에는 위치시키지 않는다. 적층시, 상부(및/또는 하부, 도시되지 않았음)로부터 그린 세라믹 시트(829)는 동맥 갭-형성 물질(872)(좌측면에 도시됨) 주위에 형성되어 대향하는 하부 시트(829)의 0.1 인치 에지 부분과 만난다. 소성시, 윤곽을 나타내는 연료 전지 Stick^TM 장치(800)가 성형된 동맥 유동 통로(814)와 함께 형성된다.

동맥 유동 통로(814)로부터 개별 활성 유동 통로(815)를 상호연결하는 것을 달성하기 위해서, 또한, 도 125a 및 도 125b에서, 동맥 갭-형성 물질(872)로부터 중심부에서 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 대향하는 측면으로 연장하는 갭-형성 물질(874)의 얇은 스트립이 도시된다. 모든 갭-형성 물질(872, 874)이 사라지면, 유동 연결이 만들어진다. 동맥 유동 통로(814)와 활성 유동 통로(815) 둘 다에 대한 갭-형성 물질(872, 874)이 위에 논의되고, 예를 들면, 유기물(플라스틱 포함함), 탄소, 왁스, 또는 왁스로 피복된 고체 조각이 적층후 제거된다.

도 126a는 삼각형의 동맥 유동 통로(814)를 도시하는 부분 사시도이다. 이러한 형태는 적층력이 상부로부터 내려오고, 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 아래면이 고정 플레이트에 의해 지지되는 적층 공정으로 달성할 수 있다. 이러한 힘은 기계적인 압착 또는 유체 정역학(평형) 적층에 일반적이다. 도 126b는 유사한 삼각형 동맥 유동 통로(814)를 도시하는 부분 사시도이지만, 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 최종 형태가 변형된 도면이다. 성형된 고정 플레이트(878)로 압착함으로서, 대칭적이고, 더 나은 구조 강도를 제공하는 최종 장치 형태를 생성하는 것이 가능하다.

도 126c는, 최종 형태의 추가 변형을 도시하는 부분 사시도로, 예를 들면, 연료 전지 Stick^TM 장치(800)를 기계가공, 성형 또는 주의깊게 적층함으로써 모든 에지를 둥글게 만든다. 완전히 둥근 에지 형태는 기계 압력을 감소시키고, 균열의 위험을 감소시킬 수 있다.

일부 양태에서, 동맥 유동 통로 설계는 다수의 이전 양태에 기재된 바와 같이, 단지 하나의 가스, 예를 들면, 더 낮은 유동율(더 높은 외관 점성율)을 가지는 가스의 유동을 돕는 반면, 더 빨리 유동하는 다른 가스는 직선 통로를 사용한다. 도 127의 사시도에 도시된 바와 같이, 예를 들면, 수소는 동등하게 규격된 통로에서 공기보다 더 빠르게 유동하여서, 공기를 동맥 유동 통로(820)를 통해 활성 유동 통로(821)로 유동하지만, 연료는 직선 연료 통로(14)를 통해 유동한다.

추가의 양태에서, 출구(정맥) 경로가, 입구 동맥 유동 통로(814)와 유사하게 제공된다. 이는, 목적하는 경우, 가스의 추가 조절을 허용한다. 도 128a 내지 도 128b(각각, 사시도와 도식적인 상부도)는 입구와 출구 설계(간결성을 위해 단지 하나의 가스 유형이 도시됨)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 가스 유동은 동맥 유동 통로(814)를 통해 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 한 측면의 길이를 따라 활성 영역(33b)으로 진행된 다음, 장치(800)의 다른 측면의 길이를 따라 출구 경로(816)를 통해 진행된다. 배출 지점은 임의의 목적하는 위치에서 연료 전지 Stick^TM 장치(800)로부터 나타나는 가열 영역 내부 또는 외부에서 발생할 수 있다.

도식적인 횡단면도인 도 129a에 도시된 다른 양태에서, 더 작은 동맥 유동 통로(814, 820)가 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 전체 밀도를 감소시키지 않으면서 활성 층 위에 개별적으로 위치한다. 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 활성 영역(33b)에서, 전해질(28)의 한 측면 위에서, 애노드(24)의 두께가 3 밀(0.003″)이고, 연료 통로(14)(활성 유동 통로(815))의 두께가 1 밀(0.001″)인 경우, 이들 2개의 특징부의 총 두께는 4 밀(0.004″)이다. 측면 가장자리에서, 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 전체 두께를 가하지 않고 총 두께가 4 밀인 가스 동맥 유동 통로(814)를 제공한다. 유사하게, 캐소드(26)와 공기 통로(20)(활성 유동 통로(821))는 총 두께를 가지고, 동등한 총 두께로 동맥 유동 통로(820)를 제공한다. 유체 유동의 간단한 원리를 근거로 하여, 측면 위의 4 밀 동맥 유동 통로(814, 820)는 1 밀 활성 유동 통로(815, 821)(연료 통로(14) 및 공기 통로(20))보다 더 높은 유동율(더 낮은 저항)을 가질 것이고, 따라서, 연료 전지 Stick^TM 장치(800)에서 나란히 이동하는 1 밀 활성 유동 통로(815, 821)의 더 큰 영역을 제공할 것이다. 도 129b 및 도 129c는, 당해 양태를, 단일 활성 층을 공급하는 단일 동맥 유동 통로(814), 및 복식 활성 층을 공급하는 복식 동맥 유동 통로(814)를 각각(대향하는 유동 통로는 간결성을 위해 도시하지 않음) 도시하는 도식적인 사시도를 추가로 도시한다.

당해 양태를 실시함에 있어서, 8 밀 동맥 유동 통로(814)를 제공하는 2개 활성 층, 또는 하나의 12 밀 통로(814)를 제공하는 3개 층을 가지는 것이 유용할 수 있다. 실제로, 하나의 동맥 유동 통로(814)가 하나의 활성 층을 제공하고, 하나의 동맥 유동 통로(814)가 모든 활성 층(주어진 유형의, 애노드 또는 캐소드)을 제공하며, 수십 층, 또는 백 층일 수 있는, 도 129c의 설계 사이의 절충 설계일 수 있다.

위의 개념을 고려하여, 2개의 가스 물질이 동맥 개념의 더 높은 수용 유동율로부터 이익이 될 수 있음을 고려할 수 있다. 이중 동맥 연료 전지 Stick^TM 장치(800)가 도 130에서 사시도로 도시되어 있다. 제1 동맥 유동 통로(814)는 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 제1 말단(11a)으로부터 유입되고, 제2 동맥 유동 통로(820)는 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 제2 말단(11b)으로부터 유입된다. 2개의 유동이 측면으로 빠져나간다. 이전 양태에 설명한 바와 같이, 기하학의 임의의 조합, 예를 들면, 2개의 가스가 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 하나의 말단 또는 2개의 말단으로부터 유입되는 설계가 가능하다.

위에 기재된 도 25a 내지 도 27b에서, 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 성형이 더 큰 활성 영역(104)(더 넓은 스틱)을 허용하지만, 여전히 로로부터 나온 좁은 연장 구획을 고려하는 것이 기재되어 있다. 이러한 설계는 동맥 개념과 사용할 수 있다. 전체 시스템에 간결성을 제공하는 하나의 방법/장치에서, 도 131a 내지 도 131c(일정한 비율이 아님)의 사시도에 도시된 바와 같이, 동맥 유동 통로(814, 820)가 직선이고, 연료 전지 Stick^TM 장치(800)가 상이한 영역에서 성형된다. 예를 들면, 기계가공으로 성형을 달성할 수 있다. 도 131b의 연료 전지 Stick^TM 장치(800)를 성형하여 회전 대칭으로 비대칭 형태를 제공한다. 동맥 유동 통로(814, 820)는 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 중심 또는 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 한 면 위에 존재할 수 있다. 동맥 유동 통로(814, 820)의 위치는 연료 전지 Stick^TM 장치(800) 내의 활성 영역을 증가시킬 수 있고, 일부 양태에서, 도 131c에 도시된 바와 같이, 2개의 면 위의 활성 영역을 제공하고, 동맥 유동 통로(814, 820)가 중심을 누르는 것이 이로울 수 있다. 하나의 양태에 따라, 장치(800)의 곡선부가 활성 영역(32)에 유지되고, 단지 좁은 말단 영역(11a, 11b)이 로로부터 빠져나오고 냉각 영역으로서 제공된다. 따라서, 상대적으로 짧고 넓은 장치로서 도시되지만, 도면은 일정한 비율이 아니며, 실제 장치는 성형된 부분이 길고 좁게 구성되어서 넓은 활성부가 로 내에 완전히 존재하고, 좁은 말단부가 로의 외부에 넓게 존재하게 될 것이다.

넓은 동맥 유동 통로(814, 820)를 갖는 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 배치를 설계함에 있어서, 출구 설계를 주의깊게 고려해야 한다. 측면 동맥 유동 통로(814)가 큰 경우, 예를 들면, 도 124a 내지 도 124c의 하나의 양태에서, 출구 경로가 대향하는 가스 동맥 유동 통로(820)와 교차하기 때문에, 활성 유동 통로(815)가 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 대향하는 측면을 통해 빠져나오도록 하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 특정 연료 전지 Stick^TM 장치(800)에 대한 이러한 문제점을 해결하기 위해서, 도 132a(도식적인 말단도) 및 도 132b(도식적인 내부 상-하부도)에 도시된 바와 같이, 제3 치수(수직 z 방향)를 유동 경로에 가하여서 활성 유동 통로(815, 821)가 수직 가스 출구 홀(817, 823)로 종결되며, 또한, 수직 유동 채널로서 지칭된다.

수직 가스 출구 홀(817)은 대향하는 가스 동맥 유동 통로(820)와 교차해서는 안되며, 대향하는 가스 활성 유동 통로(821)와 교차해서는 안된다(반대도 같음). 도 132a 내지 b에서, 애노드와 캐소드를 공급하는 2개의 가스 유동 경로는 회전 대칭을 갖는다.

이들 수직 출구 홀(817, 823)은 그린 테잎으로 구멍을 뚫은 전형적인 비아와 유사하고, 스택되어 표면에 경로를 제공할 수 있다. 대안적으로, 수직 출구 홀(817, 823)은 완성된 그린 연료 전지 Stick^TM 장치(800) 안으로 간단히 구멍을 뚫을 수 있다. 이러한 설계를 기준으로 하여, 서로에 대해 균일하게 스택된 활성 영역을 갖는, 하부에서 상부로 정렬되도록 전지 층을 적층하여서, 각각의 구멍 뚫린 구멍이 복식 가스 배출 지점과 교차할 수 있도록 하는 것이 유용할 수 있다.

도 133은 다수의 수직 출구 홀(817, 823)을 갖는 도 126c의 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 외부 사시도를 도시한다. 줄지은 각각의 홀은 다른 전지와 직렬인 개별 전지와 관련될 수 있다. 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 한 측면 위에는 애노드 가스(연료 측면) 출구 홀(817)이 있고, 다른 측면 위에는 캐소드 가스(공기 측면) 출구 홀(823)이 있다.

도 132a 내지 도 133의 가스 유동과 출구 경로 설게는 연료 전지 Stick^TM 장치(800) 내에 직렬 전지 설계에 있어 매우 유용하게 된다. 이러한 기술을 사용하는 하나의 방법은 연료 전지 Stick^TM 장치(800) 내에 동일한 활성 수준으로 공기와 연료가 유동하도록 하는 방법이다. 도 134a 내지 도 134b에서, 연료 전지 Stick^TM 장치(800) 내에 한 수준을 도시하고, 여기서, 전해질(28)은 동일한 층(도 134a는 다층 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 빌드업에서, 개별 전해질 시트 위를 바라보고 있음) 위의 교류하는 애노드(24)와 캐소드(26)를 가진다. 이전의 특정 양태에서, 예를 들면, 도 80, 92, 및 119에 도시된 양태에서, 단지 공기 통로(20), 또는 연료 통로(14)를 포함한 전해질(28)의 한 측면, 및 전해질(28)의 상부에서 하부로 연결되는 복식 방법이 입증되었다. 도 134a 내지 b의 양태에서, 공기/캐소드(26) 및 연료/애노드(24)가 전해질(28)의 동일한 면 위에서 교류할 것이어서, 도 134b의 도식적인 횡단면도에 도시된 바와 같이(단지, 단일 전해질 층(28)과 대향하는 애노드(24)와 캐소드(26)를 도시함), 인터커넥트(868)가 전해질(28)의 한 면 위에 유지될 수 있고, 전해질(28)을 통해 갈 필요가 없다. 따라서, 대향하는 애노드(24)와 캐소드(26)의 쌍은, 도 134b에 명백히 보여질 수 있는 바와 같이, 전해질(28)의 한면에서 다른 면으로 교류 형식으로 인터커넥트(868)에 의해 전기적으로 연결된 인접한 쌍을 갖는 전해질(28)을 따라 양극성으로 교류한다.

이러한 설계로부터, 본원의 물리적 구조와 조금 상이하지만, 도 81 및 도 83에 도시된 대규모의 직렬 및 병렬 구조가 가능해진다. 도 135a는 부분 조립도로 도시되고, 갭 형성 물질(94)을 갖는 도 134b의 다수의 구조를 스태킹하여서 활성 유동 통로(815, 821)를 생성하여 도 134a의 일반적인 설계를 갖는 다층 구조를 형성한다. 애노드(24)와 캐소드(26)에 대한 보통의 가스 유동 경로의 사용(활성 영역에서 하나의 가스 유동 경로는 2개의 애노드(24) 또는 캐소드(26), 상부와 하부를 제공함을 의미한다), 및 전지 사이의 인터커넥트(868)는 한 층에서 다음 층으로 접촉을 제공할 수 있음을 주의한다. 인터커넥트(868)는, 구조물이 압축시 갭 형성 물질(94) 사이에서 서로 쇼트됨에 따라 인접한 층의 전지가 서로 인터커넥트(868)가 대향하는 곳으로 쇼트된다. 도 135b는 전지의 생성된 전기 배열, 및 음극에서 양극으로의 전자 유동을 도해한 대표도이다. 도 135a에 도시된 층을 함께 압축시 생성되는 결과는 두께가 상이할 수 있다. 두께의 이러한 차이점은 추가의 물질, 예를 들면, 스크린-프린팅 세라믹 잉크에 의해 세라믹 테잎의 구획을 가하거나, 또는 다른 물질을 테잎 캐스트함으로써 현탁물을 더 깊은 위치로 채우도록 하여서 극복할 수 있다. 여분의 물질을 가하여 다수의 층을 평평하게 만드는 다른 방법이 고려될 수 있다.

도 136 및 도 137은 각각 동맥 유동 통로(814, 820) 및 활성 유동 통로(815, 821)를 사용하여 다층 직렬-병렬 연료 전지 Stick^TM 장치의 추가의 양태를 나타내는 사시도이다. 도 136a 내지 g 및 도 137a 내지 g는 각각 도 136 및 도 137의 연료 전지 Stick^TM 장치(800)를 따라 다양한 지점 A 내지 G에서의 횡단면도를 나타낸다. 각각의 장치는 활성 층당 3개의 전지, 총 6개의 전지를 갖는 2개의 활성 층을 포함한다. 도 136 및 도 136a 내지 g에서, 연료와 공기에 대한 출구 경로는 3 연료 동맥 및 활성 유동 통로(814, 815) 및 3 공기 동맥 및 활성 유동 통로(820, 821)인, 상응하는 공기 또는 연료 동맥 유동 통로(820, 814)에 의해 공급된 각각의 공기와 연료 활성 유동 통로(821, 815)를 갖는 장치(800)의 측면 에지를 따른다. 도 137 및 도 137a 내지 g에서, 연료와 공기에 대한 출구 경로는 단일 공기 동맥 유동 통로(820)에 의해 공급된 각각의 3 공기 활성 유동 통로(821) 및 수직 출구 경로(823), 및 단일 연료 동맥 유동 통로(814)에 의해 공급된 각각의 3 연료 활성 유동 통로(815) 및 수직 출구 경로(817)를 갖는, 장치(800)의 상부와 수직이다. 한층의 활성 유동 통로(815, 821)가 다른 층의 활성 유동 통로(815, 821)와 정렬되거나 엇갈리게 배열될 수 있음을 이해할 수 있다. 이것은 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 설계에 자유로운 정도의 추가를 허용한다. 도 138은 도 136 및 도 137의 연료 전지 Stick^TM 장치(800)에서 전극 배열 및 상호연결을 달성한 직렬-병렬 조합의 도식적인 대표도이다. 도 139는 유사한 전극 배열 및 상호연결 되지만, 각각이 직렬로 4개의 전지를 가지고, 총 16개의 전지를 가지는 4개의 활성 층을 가지는 것으로 달성된 직렬-병렬 조합의 도식적인 대표도이다. 말단 연결은 도시되지 않지만, 구조의 말단에서부터 보통의 연결 지점으로 전도체를 가져옴으로써 이전 도면에 도시된 바와 같이 제조될 수 있다.

애노드(24)와 캐소드(26)를 상호연결하는 방법을 참조하여(즉, 한 배터리의 양극과 다음 배터리의 음극 사이의 접촉인 애노드(24)와 캐소드(26) 사이의 직렬 연결을 제공함), 전도체 물질의 한 층은, 도 140a의 도식적인 상부 횡단면도에 도시된 바와 같이, 애노드(24)와 캐소드(26) 사이의 전체 영역을 지나 인터커넥트(868)로서 프린트할 수 있다. 애노드(24)와 캐소드(26) 사이의 전기적 연결을 제공하기 때문에 인터커넥트(868)라고 불리우는 전도체 물질은, 앞서 기재된 다수의 물질, 예를 들면, 전도성 세라믹, 귀금속, 및 고온 합금을 포함하는 비귀금속으로 제조할 수 있다.

허용가능하지만, 이들 구조물이 개선되야 할 몇 가지 이유가 존재한다. 하나의 이유는 인터커넥트(868)가 소성된 구조물에서 전해질(28)로부터 위와 아래에 짙게 소성되고, 박리되지 않아야만 한다. 인터커넥트(868)는 공기와 연료 영역을 분리하는 밀폐된 영역을 지나 이동하지만, 인터커넥트(868)의 전도성 물질이 전해질(28)의 세라믹 물질과 동일하지 않기 때문에, 소성된 상태로 양호한 점착성을 가질 수 없다. YSZ 세라믹을 전도체 물질에 가함으로써 점착성을 증가시킬 수 있지만, 예를 들면, 이는 물질의 전도성을 저하시킨다. 이에 추가하여, 인터커넥트(868)는 다층, 예를 들면, 내부 층으로서 순수한 LSM, 및 상층과 하층에서 LSM-YSZ를 갖는 3층 샌드위치로 제조됨으로써 YSZ-함유 전해질(28)에 대해 상하부 위의 양호한 점착성 및 3층의 중심에서 양호한 전도성을 제공할 수 있다. 그러나, 이러한 해법은 과도하게 복잡할 수 있다. 큰 인터커넥트(868)를 갖는 다른 가능한 단점은 비용이 들 수 있다는 점이다. 귀금속을 사용하여 인터커넥트(868)를 제조하는 것이 편리할 것이다. 이러한 비용은 팔라듐, 또는 팔라듐-은을 사용하고 Pd 및 Ag의 합금을 사용하기 위해서 첨가제를 소결하여 YSZ의 상대적으로 낮은 소성 온도를 이용함으로써 최소화시킬 수 있다. 그러나, 여전히, 귀금속 사용을 줄이는 것이 전체적으로 최고일 것이다.

이러한 문제를 고려하여, 인터커넥트(868)가 도 140b의 상부 횡단면도에 도식적으로 도시되어 있다. 애노드(24)와 캐소드(26) 사이의 전체 갭을 지나 전도성 물질을 대신하여, 스트라이프된 인터커넥트(868)가 갭을 지나 위치한다. 순수 금속(귀금속 또는 비귀금속)으로부터와 같이, 스트라이프가 높은 전도성을 가지는 경우, 감소된 영역은, 생성되는 저항성 손실 없이 여전히 충분하다. 그렇지 않으면, 더 높은 저항성을 갖는 전도성 세라믹 LSM의 경우, 스트라이프는, 밀폐된 영역을 지나 애노드(24)로부터 캐소드(26)의 거리가 충분히 짧은 경우, 여전히 잘 수행될 수 있다. 제한하지 않고 예를 들자면, 애노드(24)와 캐소드(26) 사이의 0.2 인치 거리는 충분하지만, 낮은 저항 손실을 제공하기 위해서 가능한 짧게 제조되어야 한다.

추가의 양태에 따라, 스트라이프된 인터커넥트(868)는 프린트되거나 분배되어서 애노드(24)와 캐소드(26) 위로 중첩된다. 결과적으로, 적층하는 세라믹에 대한 각각의 스트라이프 주위의 많은 수용력이 존재하게 된다. (스트라이프가 좁아서, 스트라이프 두 측면 위의 세라믹 층 사이에 양호한 점착성이 존재하는 경우, 세라믹으로부터 인터커넥트(868)로의 높은 점착성에 대한 필요성이 감소하게 된다.) 또한, 스트라이프 기술은, 애노드(24)와 캐소드(26) 사이의 전체 영역이 전도성 물질로 피복되는 경우보다 더 적은 물질이 사용되고, 이는 고가일 수 있는 물질의 사용을 감소시키는 결과를 가져온다. 또한, 도 140b의 이러한 스트라이프 인터커넥트 구조는 "빗 인터커넥트(comb interconnect)" 구조로서 지칭할 수 있다.

도 134a 내지 도 139에 기재된 직렬-병렬 조합을 참조하여, 내부 전극(애노드(24)와 캐소드(26))은 전압 공급원과 연결하기 위해 냉각 말단 영역에서 외부 표면 접촉과 커플링해야만 한다. 예를 들면, 활성 구조의 시작과 끝에서, 전도체는 표면 전도체와 접촉한 다음, 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 에지를 따라 냉각 말단으로 이동할 수 있다. 많은 가능한 방식이 설계될 수 있고, 이전 양태, 예를 들면, 비아 홀; 표면에 대해 넓은 전도체 경로; 표면이 랩핑된 측면에 대한 전도체; 및 기타로 기재되어 있다.

구멍 뚫은 홀 출구와 비아 구멍 출구 위의 변형이 도 141a 내지 도 141b(각각, 횡단면도 및 사시도)에 도시되어 있다. 조절되지 않은 방식으로 연료 전지 Stick^TM 장치(800)로부터 빠져나온 과량의 연료가 단점이 될 수 있다. 연료가 가열 영역(32)에서 빠져나가는 경우, 열을 방출하면서 산화하는 대기에 중에 즉시 연소될 것이다. 과량의 연료의 양이 많은 경우, 열 또한 많아질 것이고; 이러한 과량의 열은 지역적 팽창으로 인하여 장치(800)에 기계적인 응력을 야기할 수 있고, 이후에, 장치(800)의 균열을 잠재적으로 유도할 수 있다. 수직 출구 홀(817, 823)의 경우에 이러한 잠재적인 부정적 발생과 동등한 것으로, 본 발명의 하나의 양태는 표면 채널 또는 동맥(837, 839)을 사용하여 빠져나오는 과량 또는 소모된 연료와 공기를 로의 외부, 또는 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 상이한 지점 위의 목적하는 출구 위치로 유도한다. 이러한 양태는 각각의 유형의 내부 동맥 유동 통로(814, 820)에 대해 하나 이상의 표면 동맥(837, 839)을 가함으로써 주요 동맥의 수를 증가시킨다. 제한하지 않고 예를 들자면, 표면 동맥(837, 839)은 수직 출구 홀(817, 823) 위의 예를 들면, 반원형의 동맥 갭-형성 물질(872)(참조: 도면 125b)을 오버라잉한 다음, 물질을 그린 세라믹 테잎으로 씌움으로써 형성할 수 있다. 적층 및 소성시, 오버라잉한 그린 세라믹 테이프가, 동맥 갭-형성 물질(872)이 표면 동맥(837, 839)을 남기면서 번아웃하는 동안, 동맥 갭-형성 물질(872)의 측면 중의 하나에 장치(800)의 언더라잉 세라믹(29)과 결합한다.

도 142의 횡단면에 도시된 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 다른 양태에서, 장치는 4개의 대칭 동맥으로 둘러싸이고, 이 중의 2개는 활성 유동 통로(815, 821)에 연료와 공기를 공급하기 위한 입구 동맥 유동 통로(814, 820)이고, 이 중의 2개는 소모된(과량) 연료와 공기에 대한 출구 표면 동맥(837, 839)이다.

도 141a 내지 도 142에서, 입구와 출구 유동의 레이아웃이 반대가 될 수 있음을 고려해야 한다. 구체적으로, 표면 동맥(837, 839)(연료와 공기)은 출구 경로 대신에 입구 경로가 될 수 있다. 역의 양태에서, 표면 동맥(837, 839)은 가열 영역(32)의 외부로, 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 최말단(11a, 11b)(또는, 최말단 근처에)으로 연장할 것이다. 또한, 당해 양태에서, 내부 동맥 유동 통로(814, 820)가 사용된 공기와 연료에 대한 출구 경로가 될 것이다. 도 141 및 도 142의 조합으로 기대되는 변형에서, 연료와 공기에 대한 입구와 출구 경로가 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 중심으로 유입되고 나오기 위해 공기와 연료에 대한 접근을 제공하는 구멍 뚫린 홀(817, 823)을 가진, 연료 전지 Stick^TM 장치(도 141a, 도 141b에 도시된 유형 중의)의 표면 위의 표면 동맥(837, 839)(채널)을 통해 모두 발생할 수 있음이 가능하다. 최종적으로, 도 141의 변형에서, 장치(800)는 구멍 뚫린 홀 또는 비아 홀을 통해 만들어진 내부 연결과 함께, 장치의 상부에 4개의 표면 동맥을 가질 수 있고, 내부 동맥 유동 통로를 모두에서 가지지 않을 수 있거나; 또는 다시 모두에서 내부 동맥 유동 통로를 가지지 않거나, 구멍 뚫린 홀 또는 비아 홀을 통해 만들어진 내부 연결과 함께, 장치의 상부면 위에 2개의 표면 동맥, 및 장치의 하부 면 위에 2개의 표면 동맥을 가질 수 있다.

위에 기재된 본 발명의 특정 양태에서, 과량의 연료를, 이로써 발생된 과량의 열이 상대적으로 좋은 위치로 유도하기 위한 노력이 이루어진다. 하나의 양태에서, 장치의 측면으로부터 갭이 발생하는 연료 전지 Stick^TM 장치(10, 100, 800)의 측면 에지를 따르는 출구가 잘 수행된다(참조: 예를 들면, 도 1, 3a, 18-19, 21-24, 25b-27b, 32a-b, 130 및 136). 도 143a의 도식적인 사시도에 도시된 본 발명의 다른 양태에서, 출구 영역(902)은 연료 전지 Stick^TM 장치(900)의 측면 에지에서 형성되어서 장치(900)의 나머지로부터 튀어나오게 된다. 예시적인 양태에서, 본 측면 에지 돌출부의 내부 코너(904)는 샤프 코너가 아닌 반경을 가진다. 출구 영역(902), 즉, 연료가 빠져나가는 측면 에지 돌출부는 더 뜨거워지지만, 연료 전지 Stick^TM 장치(900)로부터 떨어진 외부로의 팽창을 야기할 것이고, 장치(900)에 대한 약간의 원하지 않은 응력이 존재할 것이다. 제한하지 않고 예를 들자면, 길이가 9 인치인 연료 전지 Stick^TM 장치(900)에서, 크기의 많은 조합이 가능하지만, 출구 영역(902)이 0.25 인치 돌출되도록 하는 것이 유용할 수 있다.

도 143b의 도식적인 사시도에 도시된 다른 양태에서, 과량의 가스가 성형된 연료 전지 Stick^TM 장치(910)의 코너(912) 또는 곡선 경로(914)에서 빠져나온다. 보다 구체적으로, 도시된 구체적 양태에 따라, 연료 전지 Stick^TM 장치(910)의 말단(916)이 곡선 경로(914)를 따라 제1 너비 W₁(장치(910)의 대부분의 너비) 내지 제2의 더 작은 너비 W₂로 테이퍼화되어서 좁은 말단 영역(918)을 제공한다. 과량의 가스는 곡선 경로(914) 또는 제1 너비 W₁과 곡선 경로(914)(도시된 바와 같음) 사이에 형성된 코너(912) 중의 하나를 따라 빠져나온다. 다시 말하면, 도 143a에 대해 논의된 팽창 원리는 이러한 설계가 또한 왜 이로운지를 설명한다. 또한, 다시 말하면, 장치(910)가 일정한 비율로 도시되지 않았지만, 로에 이롭게 존재하는 곡선 경로, 및 로의 외부로 장치(910)가 이동한 좁은 말단 영역(918)을 가지고, 길고 좁게 고려된다.

도 143c(도식적인 사시도) 및 도 143d(도식적인 측면도)에 도시된 또 다른 양태에 따라, 연료 전지 Stick^TM 장치(920)로부터 위로 분기하는 탈출 경로를 제공하는 상부 출구 돌출부(922)를 가지는 것이 유용할 수 있다. 실제로, 이러한 양태는 연료 전지 Stick^TM 장치(920)가 내부 기하학 구조 제한으로 인하여, 하나 또는 매우 적은 활성 층을 가지는 것이 가장 유용한 것으로 여겨진다.

다른 양태에 따르면, 전도성 볼(930)이 연료 전지 Stick^TM 장치(10)(100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 910, 920)(이후, "장치(10)(등)") 내에 사용된다. 도 144는 임의의 전도성 금속일 수 있는 내부와 외부 피복물(934)에서 세라믹 볼(932)을 포함하는, 본 발명에 사용하기 위한 전도성 볼(930)을 도시한다. 본 발명에 사용하기 위한 전도성 볼(930)을 제조하는 다양한 방법들이 존재한다. 하나의 방법은 세라믹 볼(932)을 피복하는 것이다. 편리성을 위해, 세라믹 볼(932)을 캐소드 전도체, 예를 들면, LSM, 또는 애노드 전도체, 예를 들면, 산화 니켈로 피복할 수 있다. 다른 방법은 고체 캐소드 전도체, 또는 애노드 전도체, 또는 귀금속으로 만든 전도성 볼(930)이다. 또 다른 방법은 전기도금, 스퍼터링(sputtering), 또는 두꺼운 필름 적용, 또는 다수의 기타 금속 피복 방법을 통해 금속으로 세라믹 볼(932)을 피복하는 방법이다.

전도성 볼(930)의 유용함은, 예를 들면, 도 135a, 136a 및 137a에 도시된 직렬 병렬 조합으로 인식할 수 있다. 전지의 활성 유동 통로(815, 821)로 적용한 전도성 볼(930)은 단일 활성 유동 통로(815 또는 821) 위로 마주하는 2개의 애노드(24) 또는 캐소드(26)와 연결할 수 있다. 이는 직렬-병렬 구조를 형성하는 것을 돕는다. 또한, 전도성 볼(930)을 사용하여 실제로 서로 접촉하는 인터커넥트(868)를 가지는 필요성을 제거한다. 전도성 볼(930)을 사용하는 것이 본질적이지는 않지만, 연료 전지 Stick^TM 장치(800)의 설계자에게 자유로운 추가를 제공한다.

본 발명의 다른 양태에 따라, 나노크기의 분말을 사용하여 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치(10)(들)의 성능을 증가 또는 개선시킬 수 있다. 세라믹의 일반적인 분야에서, 나노크기 분말의 사용은 다수의 이익을 제공한다. 미세한 입자 크기는 고압 파괴 강도와 더 높은 기계적 강도를 제공할 수 있다. 미세한 입자 크기는 또한, 역반응과 이동 현상이 제한된 표면 영역에서 보조할 수 있는 더 높은 표면 영역을 제공할 수 있다. 또한, 미세한 입자 크기는 세라믹의 요구된 소결 온도를 저하할 수 있다. 세라믹의 이러한 이점 모두는 일반적으로, 총 전력, 전력 밀도, 및/또는 효율성, 또는 성능과 특성의 다양한 기타 측면의 관점에서, 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치(10)(들)의 증가된 이점으로 전환시킬 수 있다.

예를 들자면, 입자 크기 25 nm 및 50 nm을 가진 전해질 분말이 사용될 수 있다. 도 43 및 도 44에 도시되고 위에 기재된 바와 같이, 미세한 미립자 물질을 전해질(28)의 표면의 표면 입자(62)를 위해 사용하여 전해질(28) 내로 이온이 이동하는 것을 증가시킬 수 있다. 이러한 미세 미립자 물질은 나노 크기 입자일 수 있다. 또한, 나노 크기 입자는 전해질(28)의 표면 위의 입자의 프랙탈형(fractal-type) 배열의 일부일 수 있다. 이러한 구조에서, 도 43에 도시된 바와 같은 작은 전해질 특징은 더 작은 전해질 특징으로 덮을 수 있고, 역으로, 심지어 더 작은 전해질 특성으로, 나아가, 가장 미세한 나노 크기 입자로 덮을 수 있다. 이러한 프랙탈 표면 배열은 전해질(28) 내로 이온의 더 높은 이동을 생성할 수 있다.

유사하게, 나노 크기 입자가, 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치(10)(등)의 애노드(24)와 캐소드(26)에 유용하다. 애노드(24)와 캐소드(26)는 화학적 반응을 수행하는데 필요하고, 트리플 지점(즉, 전자, 이온, 및 가스가 만나는 점)의 수를 증가시킨 다음, 주어진 물질의 반응성을 증가시킴으로써 미세한 크기 입자가 이것을 촉진시킬 것임을 이해할 수 있다.

다층 그린-세라믹 제조방법은 본 발명의 연료 전지 Stick^TM 장치(10)(들)을 제조하기 위한 가장 효율적인 비용과 유동적인 수단이 될 수 있다. 다층 세라믹은 측정가능성과 생산성의 관점에서 다른 방법과 다른 우수성을 입증하였다. 이러한 이유에 대해, 본원에 논의된 양태들은 다층 그린-세라믹 접근법에 주로 집중하고 있다. 그러나, 다른 기술을 사용하여 동일한 최종 목표를 달성할 수 있다. 하나의 이러한 기술은 펜의 물질을 특정 형태와 3차원 기하학으로 분산시키는 직접 인쇄이다. 다른 기술은 3-D 프린팅이다. 여전히 다른 기술은 모든 물질이 페이스트 형태로 프린팅된 전통적인 두께-필름 프린팅을 사용하는 것이다. 위의 기술의 일부로서, 직접 인쇄 또는 다양한 분배 기술을 사용하여 분배시 존재하는 코어와 쉘을 가지는 소관, 예를 들면, 전해질의 애노드 내부, 또는 전해질의 캐소드 내부를 분배할 수 있다. 직접 인쇄 또는 분배된 소관을 사용하는 것은 연료 전지 Stick^TM 장치(10)(등)에 도시된 설계에 대한 고려된 변형이다. 최종 구조에서, 소관은 간략하게 횡단면적 용적에서 더 작은 채널일 수 있다. 층에서 다수의 가스 통로를 함께 형성하면서, 한 층 위에 다수의 이들 소관이 존재할 수 있고, 이는 주어진 층 위의 하나 이상의 채널을 도시하는 상기한 구조와 유사하다. 유사하게, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)(들) 대신 위치하는 소관은 직렬-병렬 전기 구조로 조합할 수 있음이 예상된다.

고체 산화 연료 전지(SOFC) 및 용융된 탄소 연료 전지(MCFC)의 분야에서 연료 전지 Stick^TM 장치(10)(들)의 사용이 위에 기재되어 있다. 그러나, 또한, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)(들)가 고체 산 연료 전지(SAFC)에 유용할 수 있다. 이러한 새로운 연료 전지 유형에서, 전해질은 양성자를 수행하는 고체이다. 하나의 구조에서, SAFC 전해질은 CsSO₄로 이루어진다. 이러한 물질은 염과 산 둘 다와 유사한 특성을 가지는 것으로 기재되어 있다. 더 높은 온도에서, 100℃와 300℃ 사이에 작동하는 것으로 기재된 온도로 양성자를 잘 수행할 수 있다. SAFC 구조는, 애노드, 캐소드, 전해질 및 가스 경로가 유사한 기능을 수행하지만, 성분 물질이 변화하는 연료 전지 Stick^TM 장치의 전체 구조로부터 이로울 수 있는 것으로 기대된다. 실제로, 연료 전지의 다른 새로운 유형이, 물질이 변화하지만, 전체 개념은 동일하게 유지되어 발명하기 쉽고, 또한, 새로운 전지 유형이 연료 전지 Stick^TM 장치(10)(들)에 대해 본원에 기재된 기술 혁신으로 이로울 것이다.

도 67a 내지 b와 관련 논의에 추가하여, 도 145는 로(940) 외부에 단일 냉각-말단(11a)을 갖는 연료 전지 Stick^TM 장치(10)에 대한 공기-연료-전력(AFP) 플러그(950)로서 지칭되는 단일 플러그 구조를 도시한다. AFP 플러그(950)는 연료 통로(952)와 공기 통로(954)를 제공하면서, 뿐만 아니라, 전기 부착을 위한 2개의 전도체(956)를 제공함으로써 공기와 연료 둘 다를 전달하는 기능을 수행한다. 따라서, 가스와 전기를 수송하기 위해 플러그(950)에 부착하는 4개의 경로가 존재한다. AFP 플러그(950)는 스프링 접촉을 포함하여서 전도체(956)에 대한 기계적 접촉을 단단히 할 수 있고, 이는 o-링과 같이 밀봉 장치를 포함하여서 가스를 밀봉할 수 있다. 또한, 도 66a 내지 b를 참조하여 논의된 바와 같이, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)의 말단(11a)을 성형하는 것이 이익이 된다. 인덴테이션(indentation)(132)은 AFP 플러그(950)에 대한 여분의 능력을 제공하여서 위치에 유지되도록 할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 단일 연료 전지 Stick^TM 장치가 작동을 위한 2개 이상의 별개의 전력 수준을 갖도록 제공된다. 예를 들면, 연료 전지 Stick^TM 장치는 20 와트 모드 또는 200 와트 모드로 작동할 수 있다. 낮은(예를 들면, 20와트) 전력 공급을 가지지만, 총 더 높은 전력(예를 들면, 200 와트)을 생산할 수 있는 여분의 능력을 가지는 것이 바람직한 적용이 될 수 있다. 제한하지 않고 예를 들자면, 군대에 적용하는 경우, 이중-전력 공급 능력은 다른 장치에 대한 배터리를 충전시키고 일부 전기 장치를 작동함으로써 전력 수준 변화를 필요한 군인에게 유용할 수 있다. 또 다른 예는 무인 항공 차량이며, 여기서는 고도를 획득하기 위해서 더 큰 힘이 필요할 수 있고, 이후에 위치를 유지하기 dln해 더 적은 힘이 필요할 수 있다. 이러한 힘 수준들은 각각 100W 및 10W일 N 있지만, 이보다 더 높거나 낮을 수 있다.

도 146a는 연료와 공기 둘 다에 대한 이중 입구를 갖는 이중-전력 공급 연료 전지 Stick^TM 장치(960)의 하나의 예에 따라, 각각이 10 와트인 20개의 활성 층이 존재할 수 있다. 20 와트 모드에 대해, 단지 2개의 활성 층을 수행하는 연료와 공기 입구 지점(962a, 964a)이 존재할 것이다. 더 높은 전력이 요구되는 경우, 추가의 층을 수행하는 별개의 입구 지점(962a, 964b)이 존재할 것이다. 총 전력이 바람직한 상황에서, 공기와 연료는 2개의 위치를 통해 각각 유입될 것이다. 도 146b는 각각의 말단이 2개의 입구 지점(962a 및 962b), (964a 및 964b), 및 경로를 분리함으로써 각각이 커넥터를 마주칠 수 있는 4개의 말단 구획(968a,b 및 970a,b)을 한정하는 그루브(966)를 포함하는 변형을 측면도로 도식적으로 도시한다. 최종 시스템의 욕구를 충족시키기 위해 기타 기하학을 고려할 수 있다.

이중-전력 공급 장치로서 지칭하지만, 실제로 장치는, 하나의 별개 전력 구획이 다른 별개 전력 구획(더 낮은 와트량)보다 더 많은 활성 층(더 높은 와트량)을 가지는 경우, 3개의 별개의 전력 수준인 저, 중, 고에서 작동할 수 있다. 저 전력 수준은 연료와 공기를, 더 적은 활성 층을 갖는 별개의 전력 구획을 수행하는 연료와 공기 입구 지점(962a, 964a)으로 공급함으로써 작동한다. 중 전력 수준은 연료와 공기를, 더 많은 활성 층을 갖는 별개의 전력 구획을 수행하는 연료와 공기 입구 지점(962a, 962b)으로 공급함으로써 작동한다. 고 전력 수준은 연료와 공기를, 별개의 전력 구획 둘 다를 수행하여서 모든 활성 층에 전력을 공급하도록 하는 연료와 공기 입구 지점(962a, 964a 및 962b, 964b)으로 공급함으로써 작동한다. 따라서, 상기 예에서, 각각이 10 와트인 20개의 활성층과 함께, 제1 별개의 전력 구획이 활성 층 중의 5개를 포함하고, 제2 별개의 전력 구획이 활성 층 중의 15개를 포함하는 경우, 장치는 50 와트, 150 와트, 또는 200 와트의 전력 수준으로 작동가능하다.

다른 양태에 따라, 2개 이상의 별개의 전력 구획이 존재할 수 있다. 예를 들면, 모든 활성 층을 공급하는 하나의 공기 연결부, 및 활성 층의 상이한 그룹에 대한 별개의 연료 연결부가 존재할 수 있다. 따라서, 장치는 복식 전력 수준으로 작동할 수 있다. 추가의 양태에서, 하나의 AFP(공기-연료-전력) 플러그(950)는 복식 흡입구를 제공할 수 있고, 예를 들면, 도 146a의 장치에서와 같이, 하나의 플러그로부터 2개의 연료 또는 공기 흡입구를 제공할 것이다.

희생 물질(72, 94, 872, 874)을 사용하여 유동 통로(14, 20, 814, 815, 820, 821)를 형성하는 양태가 위에 기재되어 있다. 유기 물질을 사용하여 더 두꺼운 통로, 예를 들면, 동맥 유동 통로(814, 820)를 형성하는 경우, 이들 유기 물질의 베이크-아웃은 보다 어렵게 된다. 두꺼운 통로의 경우, 더 느린 베이크-아웃 프로파일은 장치(10)(등) 내에 박리를 방지하도록 천천히 유기물을 제거할 필요가 있다. 형성 방법 중의 하나의 변형에서, 왁스로 로딩된 탄소 매트(탄소의 불규칙적으로 배향된 섬유) 또는 탄소 직물(전통적인 직물로 직조된 탄소 섬유)가 사용되지만, 이러한 탄소-왁스 물질의 두꺼운 구획은 일부 박리를 야기시킬 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 용융시, 그린 세라믹 테잎으로 일부를 압착시켜 왁스를 확장하는 것은 박리를 야기시킬 수 있다.

왁스에 의해 야기된 박리를 방지하는 하나의 양태는 왁스를 사용하지 않고 자체로 탄소 매트/직물을 사용하는 것이다. 이로써 통로가 형성되고, 심지어 적층한 후에 구조물 내에 개방된 채로 유지된다. 적층 동안 견고한 지지와 기하학적 구조를 제공하는 왁스를 사용하지 않고, 탄소 섬유는 개방 통로를 여전히 제공하지만, 소성된 통로의 상하부의 세라믹 표면은 섬유로부터 인덴테이션을 가질 것이다. 여전히, 그린 세라믹 테이프가, 적층시, 탄소 섬유 안으로 압착하지 않고, 통로를 폐쇄할 것이다. 기본적으로, 탄소 섬유는 적층 공정(전형적으로 3000 내지 5000 psi) 동안 목적하는 통로를 개방하도록 받치는 발판을 제공한다.

위의 공정에서 변형은, 발판으로 작용하는 탄소 섬유를 가지는 관점에서, 그린 세라믹 테이프가 섬유 사이의 간격으로 압착하는 것을 방지하는 특정 견고함을 가진다. 테잎의 이러한 견고성은 테잎 형성에서 변형을 통해 조절할 수 있다: 더 높은 세라믹 로딩 및 더 적은 가소제 양이 더 높은 견고성을 제공하고, 반대도 마찬가지이다. 동일한 원리가 활성 영역의 애노드와 캐소드 층에 적용될 것이다: 전극에 대한 당해 방법을 선택하여 전극이 활성 영역의 통로(즉, 활성 유동 통로)를 개방하도록 유지하기 위해 섬유의 매트릭스 내로 압착하는 것을 방지하는 적절한 견고성을 제공할 수 있다. 또한, 이러한 개념은 탄소 직물 및 매트에 제한되지 않지만, 섬유 조성물에 관계없이 또는 어떻게 섬유가 구조에 위치하는지에 관계없이 임의의 희생적 섬유 성분으로 연장한다.

연료 전지 Stick^TM 장치(10)(등)을 제조하는 다층 테잎 방식을 사용함으로써, 장치가 큰 웨이퍼로 논리적으로 제조될 수 있고, 웨이퍼는 그린 상태에서 형성되고 적층한 후 절연(dice)되어서 각각의 유닛을 제공할 것임을 이해해야 한다. 따라서, 연료 전지 Stick^TM 장치(10)(등)가 단일 유닛으로서 도시되는 사실은 웨이퍼로부터 장치를 제조한 후 절연된 다음, 필요에 따라 성형하는 방법을 배제하는 것으로 해석되어서는 안된다.

본 발명의 다른 양태에 따라, 다층 구조를 제조하는데 있어서, 성분이 환원 대기 중에 소성할 수 있다. 예를 들면, 산화 니켈을 애노드(24)로서 사용할 수 있다. 연료가 고온에서 가해지는 경우, 애노드(24)는 니켈 금속으로 환원되고, 이는 높은 전도성을 지닌다. 지르코니아가 산소에 대해 높은 친화성을 가지기 때문에, 지르코니아를 손상시키지 않고 환원 대기 조건하에 연료 전지 Stick^TM 장치(10)(등)을 소결시키고, 따라서, 산화 니켈 대신에 니켈 금속을 사용하는 장치를 제조하는 것이 가능하다. 또한, 환원 대기하에 소결하는 것은 고온 합금의 사용을 용이하게 할 수 있다. 고온 특수 합금을 포함하여, 산화에 저항적인 인터커넥트 금속이 존재하지만, 이들 합금을 소결시키기 위해서, 금속 입자의 표면이 산화하지 못하도록 하는 것이 필요하고, 이는 환원 대기하에 소결시킴으로써 달성할 수 있다.

얇은 층을 사용하는 경우, 전해질(28) 자체는 매우 얇아서 완전한, 무균열 및/또는 누설이 없이 유지하는 강도를 가질 수 없게 될 수 있다. 그러나, 활성 층(33b)의 매우 얇은 전해질(28)은, 도 147a의 횡단면도에 도시된 바와 같이, 애노드(24)와 캐소드(26)가 전해질(28)에 대해 두께를 가하여 활성 영역(33b)에서 총 두께를, 가공과 사용하는 동안 무균열을 유지하는 강도를 갖는 수준으로 증가시키기 때문에 허용가능할 수 있다. 그러나, 완전한 장치를 제조하기 위해서, 전해질(28)의 두께는 활성 영역(33b)에 인접한 영역에서 증가해야만 하고, 그렇지 않으면, 활성 층(33b)은 에지(976)에서 두꺼운 활성 영역(33b)에서부터 얇은 전해질(28)로 이동하는 균열이 발생할 수 있다. 따라서, 도 147b의 횡단면에 도시된 바와 같이, 추가의 세라믹 전해질 물질(29), 예를 들면, 지르코니아 테잎의 여분의 층을 사용하거나, 또는 일부 다른 불활성 물질을 사용하여 활성 영역(33b) 옆의 전해질(28)에 두께를 가할 수 있다. 전극(24, 26)과 여분의 두께 물질(29)을 쌓아 올리는데 있어서 비정렬(misalignment)이 발생하는 경우, 도 147c의 횡단면에 도시된 바와 같이, 얇은 스팟 또는 갭(978)이 활성 영역(33b) 근처의 에지(976)를 따라 발생할 수 있고, 이는 결함을 생성할 수 있다.

비정렬의 가능성을 방지 또는 감소시키기 위해서, 여분의 물질(980)을, 활성 영역(33b) 위로 중첩되는 방식으로 본 발명의 하나의 양태에 따라 가할 수 있다. 예를 들면, 도 147d 및 도 147e의 분해 사시도와 횡단면도에 각각 도시된 바와 같이, 여분의 물질(980)은 사진 프레임처럼 전극(24, 26)의 위에 위치할 수 있다. 여분의 물질(980)에서 컷아웃(cutout)(982)은 전극(24, 26)보다 조금 작지만 동일한 형태이다. 이후에, 여분의 물질(980)이 활성 영역(33b) 위로 위치하는 경우(전극(24, 26) 위에 위치한 컷아웃(982)을 가짐), 컷-아웃(982)에 인접한 여분의 물질(980)이 모든 측면 위로 활성 영역(33b)의 에지(976) 위로 중첩되고, 비정렬로 인하여 활성 영역(33b)의 에지(976)에서 얇은 스팟이 존재하지 않음이 확실해 진다. 적층시, 여분의 물질(980)은 전극(24, 26)에 대해 단단히 압착된다. 장치(10)(등)를 그린 층으로 제조하는 이러한 사진-프레임 접근법은 비정렬을 용인한다. 도 147d 및 147e에 대한 대안은 먼저 여분의 물질(980)(즉, 픽쳐 프레임 조각)을 아래로 위치시킨 다음, 이의 상부에 전극(24,26)을 위치시킨다(컷아웃(982) 위에 위치한 전극(24,26)을 지님). 컷아웃(982)에 인접한 전극 물질(24,26)은 여분의 물질(980) 위로 중첩되고, 적층되는 경우, 전극(24,26)은 도 14fF에 나타낸 바와 같이 여분의 물질(980)에 대하여 강하게 압착되는데, 이는 비정렬이 없음을 보장한다.

위의 다양한 양태에서 논의한 바와 같이, 본원의 도면은 반드시 일정한 비율로 도시되지는 않는다. 예를 들면, 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)의 길이는 종종, 길고 좁은 장치보다 상대적으로 짧고 넓은 장치의 외형을 제공하면서, 페이지 위의 장치를 맞추도록 감소하게 된다. 본 발명의 장치의 치수는 도시된 비율로 제한되지 않고, 너비 또는 두께가 몇 배 이상으로 긴 장치가 특히 고려되며, 추가된 이익을 제공할 수 있음을 인식해야 한다. 예를 들면, 장치는 너비가 (최대 넓은 지점에서) 6 내지 20배로 길 수 있다. 추가로, 너비(및 길이)와 비례하여 장치의 두께는, 장치의 특징을 명확히 도시하는 목적을 위해 종종 과장되어 있지만, 너비보다 얇은 장치, 예를 들면, 두께보다 너비가 몇 배 더 큰 장치가 특히 고려되고, 추가의 이점을 제공할 수 있음이 이해되어야 한다. 각각의 양태에서, 길이, 너비 및 두께는 구조, 제조, 비용, 및 성능 수요를 충족시키는데 조절가능하고, 이에 따라, 특허청구범위 및/또는 명세서에서 극히 제한되는 의도로 명확히 언급되지 않는 한, 본원에 기재된 양태는 임의의 특정 치수에 제한되어서는 안된다.

도 49 및 50과 관련지어 위에서 토의한 것은, 와이어(92)(또는 기타 물리적 구조물)이 미가공 층들의 적층 동안에 장치에 위치하고, 적층 후에 제거되어 가스 통로를 형성하는 기술이다. 다중 와이어가 사용될 수 있으며, 각각은 가스 통로를 형성한다. 한가지 특별한 이점은, 와이어 위에 왁스 코팅이 필요하지 않다는 점이다. 예를 들면, 피아노 와이어 또는 스테인레스 강 와이어를 사용할 수 있으며, 박리제를 단순히 분무 코팅하여 소결 후의 와이어의 제거를 촉진시킨다. 예를 들면, 하나의 양태에서, 와이어는 TFE 또는 PTFE 금형 박리를 사용하여 분무한다. 박리제는 금속 표면의 균열부 속에 단순히 충전하는 것으로 생각되며, 표면에 대한 적층된 테이프의 접착성을 감소시켜서, 와이어가 플라이어(plier)로 가해진 힘과 같은 수 파운드만의 힘으로 밖으로 끌어당겨질 수 있도록 한다.

도 148a 및 148b에 도시된, 본 발명의 추가의 양태에 따라, 다중 와이어(92)를 사용하여 단일 가스 통로[예를 들면, 나타낸 바와 같은 동맥 유동 통로(814)]를 형성할 수 있다. 이것은 보다 작은 활성 유동 통로(815,821)를 공급하는 큰 동맥 유동 통로(814,820)를 갖는 일련의 설계 및 설계들에서 특히 유용할 수 있다. 예를 들면, 도 148a에 나타낸 바와 같은 다중 와이어(92)의 단일 층을 사용하여 동맥 유동 통로(814)와 같은 가스 통로를 형성시킬 수 있다. 나타낸 바와 같은 갭 형성 물질(874), 또는 단일 와이어(92)를 사용하여 주 동맥 유동 통로(814)를 분지시키는 활성 유동 통로(815)를 형성할 수 있다. 추가의 예로서, 0.020" 와이어를 사용할 수 있지만, 이보다 더 크거나 작은 와이어가 고려된다. 와이어 크기가 커짐에 따라, 세라믹(29)에 대한 와이어(92)의 부착은 각각의 와이어(92) 위의 큰 표면으로 인하여 증가할 것이기 때문에, 통로를 형성시키기 위하여 다중 소형 와이어(92)를 장치(10) 내로 위치시키는 것이 유용할 수 있다. 도 148a의 설계에서, 3개의 와이어가 나란하게 나타나 있지만, 2개 이상, 예를 들면, 3개, 4개 또는 5개를 사용할 수 있다. 이는 유동을 위한 용적의 3배를 제공하지만, 여전히 용이한 와이어 제거를 허용한다.

도 148b에 도시된 또다른 기술은 동맥 유동 통로(814)와 같은 가스 통로를 형성하기 위해 다발 형태로 다중 와이어(92)를 사용하는 것이다. 유동의 직경은 매우 클 것이지만, 와이어 제거는 여전히 단순할 것이다. 나타낸 실시예에서, 7개의 와이어가 다발로 만들어지지만, 어떠한 수의 와이어, 특히 3개 이상의 와이어가 고려된다. 조합된 양태에서, 다발 형태의 다중 와이어(92)를 사용하여 동맥 유동 통로(814)를 형성할 수 있지만, 다중 와이어(92)의 단일 층을 사용하여 주 동맥 유동 통로(814)를 분지하는 활성 유동 통로(815)를 형성할 수 있다. 따라서, 이러한 다발은 높이 및 너비 방향 둘 다로 더 큰 용적을 갖는 동맥 유동 통로(814)를 제공할 것이지만, 단일 와이어 양태와 비교하여, 단일 층 내의 다중 와이어는 너비 방향으로 더 큰 용적을 갖지만 높이 방향으로는 그렇치 않은 활성 유동 통로(815)를 제공할 것이다.

다중 와이어 기술은 또한 도 32a에서 더 협소한 가스 통로(14,20)를 공급하는 고용적 예열 체임버(13,19)를 형성하는 데 유용할 수 있다. 가스 통로(14, 20)를 형성하는 더 긴 와이어(92) 및 예열 체임버(13, 19)를 형성하기 위한 다발형 또는 나란한 형태의 더 짧은 와이어(92)와 함께, 2개의 상이한 길이의 와이어(92)를 사용할 수 있었다.

도 33a 내지 33c에 기술된 가스를 예열하기 위한 U-턴 개념에서, 가스는, 전체 시간 동안 가열하는, 가열 영역(32)에서 연료 전지 스틱^TM 장치(10)의 전체 길이 밑으로 유동한 다음, 주변으로 돌고 활성 영역(33b)로 돌아온다. U-턴 통로의 이점은, 활성 영역(33b)에 도달하는 경우 가스(공기 또는 연료)가 반응 온도로 완전히 가열되지 않는 기회가 더 낮아진다는 점이다. 통로를 형성하기 위한 와이어 개념을 사용하는 경우, 통로 다운 및 백(한가지 유형의 가스를 위한 장치의 한쪽 면)은 와이어(92)를 사용하여 제조할 수 있으며, 이는 적층 후에 밖으로 끌어낸다. 다운 방향과 백 방향 사이의 교차 연결, 즉 굽힘 또는 U-턴은 베이킹 아웃하는 유기 물질을 사용하거나 측 방향으로부터 다운 및 백 와이어 둘 다를 터치하는 와이어를 사용하여 제조할 수 있다. 특히 측면 연결 와이어가 사용되는 경우, 연결 지점에서 장치(10)로부터의 바람직하지 않은 누출 점이 존재할 수 있다. 이러한 누출 점들 방지하기 위한 해결책은, 와이어(92)가 제거된 후에, 누출 구멍을 틀어막는 것이다. 이것은 소결 전 또는 후에 수행할 수 있으며, 세라믹, 유리 또는 적합한 온도 특성을 갖는 수개의 물질(예: 유리-세라믹)들의 조합물을 사용하여 수행할 수 있다.

연료 전지 스틱^TM 장치(10)가, 예를 들면, 도 149에 나타낸 바와 같이, 가열 영역(32) 및 하나 이상의 냉각 영역(30)을 갖는 많은 양태들이 위에 기술되었다. 그러나, 이러한 양태들 중의 다수는 냉각 영역으로서 작용하는 연료전지 장치의 일부 없이도 다층 설계로부터의 이점일 수 있다. 도 150에서, 도 149로부터의 이 장치(10)는 개량되어 이 장치의 냉각 말단을 제거함으로써 가열 영역(32)에서만 잔류하는 다층 연료 전지 스틱^TM 장치(10)를 제공한다. 연료 및 전기적 연결은 공기 및 연료를 공급하기 위한 가열 영역(32) 내로 도달하는 튜브(1002)를 사용하여 제조할 수 있다. 본 발명에 따라, 동맥 유동 통로(814, 820)는 여전히 가스를 고용적으로 활성 층에 전달하고, 상기 장치(100)의 짧은 치수를 가로질러 이동하는 활성 층은 평행하고 나란해서 유동에 대한 내성이 최소로 된다. 동일한 수준의 공기 및 연료 통로의 내부 레이아웃(layout)은 여전히 상기한 양태들에 따를 수 있다. 추가로, 직렬 및 병렬 전기적 연결은 여전히 앞서의 양태들에 따라 제조할 수 있다. 하나의 양태에서, 상기 장치(1000)은 신장되며, 즉, 이는 동맥 유동 통로(814, 820)의 방향을 따른 더 긴 길이, 및 활성 통로(815, 821)의 방향을 따른 더 짧은 너비를 갖는다. 이러한 긴 길이는 우세한 팽창 방향을 갖는다는 면에서, 장치 기능에 도움이 되는데, 그 이유는 상기 장치(1000)가 균열 없이 상기 장치(1000)의 신속한 가열을 더 쉽게 허용할 수 있기 때문이다.

추가의 양태에 따라, 공기와 연료의 두 연결부는 나타낸 반대면 대신에 동일한 면으로부터 제조할 수 있거나, 또는 장치(1000)에 연결되는 특정한 수의 외부 튜브(1002)일 수 있다. 예를 들면, 4개 이상의 튜브(1002)가 존재할 수 있으며, 이들은 4개의 측면들 중의 어느 하나로부터 또는 그 상부 및 하부로부터의 장치(1000)에 부착될 수 있다. 튜브(1002)는 금속성이어서 튜브가 공기 또는 연료 연결을 제공하는 것과 동시에 전기적 연결을 제공할 수 있거나, 또는 튜브는 전도체로 피복되는 세라믹으로 제조될 수 있다. 앞선 양태들(예: 도 100a 내지 103b)에서 토의한 바와 같이, 연결 튜브(1002)는 물리적 및 전기적 기능 둘 다를 제공할 수 있다. 또한 앞서 기술한 바와 같이(예를 들면, 도 101 및 102a-b), 다층 장치(1000)가 연결 튜브(1002)를 접수하는 조화 영역(mating area)과 함께 제공될 수 있다. 예를 들면, 튜브(1002)는 장치(1000) 내의 함몰부 속에 맞출 수 있거나, 돌출부 위에 맞출 수 있다.

본 발명의 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)의 특정 양태에서, 가스의 특성을 측정하기 위하여 노(furnace)를 완전히 빠져나가는 가스 출구를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 이를 성취하기 위하여, 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)을 도 151a에서 평면도에 도식적으로 나타낸 바와 같은, 스플리트 또는 포크형 말단(1012a,b 및 1014a,b)을 형성하는, 당해 장치(10)(등)의 긴 중앙 축(CA)을 따라 작은 물질 제거 또는 홈(1010)을 갖도록 형성시킬 수 있다. 이러한 스플리트-말단 설계를 사용하는 경우, 조절된 방식으로 노를 빠져나가는 나머지 가스(반응 후)를 갖는 것이 쉽다. 이러한 기술을 사용하여, 일부 형태가 상기 장치의 동일한 포크형 말단(1012a, 1012b) 상의 공기 및 연료 엔터(fuel enter)를 가진 다음, 도 151b에 도식적으로 나타낸 바와 같이, 상기 장치(10)(등)의 반대편 포크형 말단(1014a, 1014b) 위로 배출되는 것이 유용할 수도 있다. 도 151c에 도식적으로 나타낸 여전히 또다른 대안에서, 공기 및 연료는 포크형 말단(1012a, 1012b)으로부터 공급된 다음, 비-포크형 말단(1015)에서 배출되어서 어떠한 탭 또는 분리 말단도 다른 말단에서 노에서 배출되지 않도록 할(즉, 단지 하나의 말단이 분리됨) 수 있다. 이러한 배출 유동은 가열 영역(32)에서 종결되는 상기 장치(10)(등)의 비-포크형 말단(1015)에서 나란하게 발생할 수 있었다. 이러한 배출 유동은 또한 정확한 모서리에서 배출되어, 하나의 지점에서 불균일하게 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)을 과열시키지 않는 과량의 연료를 갖도록 할 수 있었다.

도 141a 및 141b에 도시된 양태에 대한 변형인 또다른 양태에서, 하나의 가스에 대한 공급 통로 및 다른 가스에 대한 배출 통로는, 도 152a 내지 152c에 도식적으로 타나낸 바와 같이, 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)의 동일한 측면 및 말단에서 발생한다. 도 152a는 동맥 유동 통로(820)을 따라 운행하고 상기 장치(10)의 우측 면의 수직 배출 구멍(823)을 통해 위에서 배출 통로, 예를 들면, 표면 동맥(839)로 배출(이의 출구(22)는 제2 말단(11b)에서 상기 장치(10)의 우측 면에 있다)되는, 제1 말단(11a) 내의 공기 출구(18)에서 상기 장치(10)의 좌측 면으로 공급되는 공기를 위한 통로를 도식적으로 도시한다. 상기 장치(10)의 좌측 면으로부터 우측 면으로 활성 구조물을 가로질러 운행하는 활성 유동 통로(821)는 나타내지 않았다. 도 152b는 동맥 유동 통로(814)를 따라 운행하고 상기 장치(10)의 좌측 면에서 수직 배출 구멍(817)을 통해 위로부터 배출 통로, 예를 들면, 표면 동맥(837)으로 배출(이의 출구(16)는 제1 말단(11a)에서 상기 장치의 좌측 면에 있다)되는 연료를 위한 통로를 도식적으로 도시한다. 다시, 상기 장치(10)의 좌측 면으로부터 우측 면으로 활성 구조물을 가로질러 운행하는 활성 유동 통로(815)는 나타내지 않았다. 도 152c에 사시도로 나타낸 바와 같이, 공기 출구(18) 및 연료 출구(16)는 각각 제1 말단(11a)에서 상기 장치의 좌측에 위치하고 있으며, 연료 입구(12) 및 공기 출구(22)는 각각 제2 말단(11b)에서 상기 장치의 우측 면에 위치한다. 따라서, 공기 출구 통로(예: 표면 동맥(839))는 연료 입구 통로(예: 동맥 유동 통로(814))를 따라 편리하게 발생할 수 있으며, 그 반대의 경우는, 수직 배출 구멍(817,823)의 사용으로 인해, 통로가 상기 장치(10)의 표면 위에 또는 근처에 생성되도록 한다. 이러한 통로는 입력 통로의 표면을 따라 노의 외부를 포함하는, 어떠한 방향에서도 바람직하게 진행될 수 있다.

애노드/전해질/캐소드 구조와 같은, 유사하지 않는 물질을 사용한 다층 구조물을 생성하는 한 가지 과제(challenge)는, 상이한 물질들 사이의 부조화의 영향을 제한하는 것이다. 이러한 부조화는 소결시의 수축으로 인한 부조화 또는 팽창계수로 인한 부조화를 포함하는, 수개의 형태로 올 수 있다. 본 발명의 하나의 양태에 따라, 이에 대한 하나의 해결책은 세그먼트화된 형식으로 애노드 또는 캐소드의 큰 영역들을 프린팅하는 것이다. 예를 들면, 도 153a 및 153b(애노드(24)를 도시하고 있음)에서 평면도 및 측면도로 나타낸, 1cm x 3cm의 프린팅된 영역을 갖는 애노드 및 캐소드에 있어서, 작은 전극 영역(24s)의 그룹은 프린팅된 영역, 예를 들면, 도 154a 및 154b에서 평면도 및 측면도로 나타낸 바와 같은, 0.25cm x 0.25cm의 치수를 갖는 각각의 정사각형 영역(24) 내에 프린팅된다. 전극들을 세그멘팅함으로써, 소정의 영역에서 가능한 전체 응력은 영향을 받은 영역의 전체 치수를 제한함으로써 제한된다. 서로에 대하여 다음에 있는 전극 영역(24s)은 독립적으로 물리적 응력을 격을 수 있다.

세그멘트화된 방식으로 단지 애노드(24), 또는 단지 캐소드(26), 또는 이들 둘 다를 제조할 수 있다. 예를 들면, 실시에 있어서, 애노드(24) 위에 이러한 세그멘트화된 접근법을 사용하면서 캐소드(26)를 고체 형태로 남겨두는 것이 유리할 수 있지만, 바람직한 접근법은 각각의 성분에 대해 사용된 특별한 물질에 따라 상이할 수 있다. 세그멘트화된 전극 영역(24s)들 사이의 실제 갭(gap)은 매우 작을 수 있는데, 그 이유는 단지 매우 작은 갭이 전체 전극 영역에 걸쳐 변형률을 감소시키는 데 도움이 될 필요가 있기 때문이다. 실제로, 세그멘트화된 전극 영역(24s)은 이러한 효과를 성취하기 위해 도 154c에 도식적으로 나타낸 바와 같은, 전극(예: 애노드) 층(24)의 바로 밑에서 터치할 수도 있었다.

세그멘트화된 전극(애노드(24) 또는 캐소드(26))에 의해 제공된 과제는 전류 수집기(122)에 전기적 접촉을 제조할 필요성이다. 세그멘트화되는 애노드(24)는 전해질(28)로 또는 이로부터 이온을 전도하는 능력을 가지며, 가스가 통과하도록 하는 다공성을 가지며, 이의 자체 영역 내에 전기 전도성을 갖지만, 장치 외부로 전기적으로 연결되지는 않는다. 당해 산업에서는 전해질(28)을 터치하는 애노드(24) 또는 캐소드(26)의 정확한 조성과는 상이한 전류 수집기 조성을 갖는 것이 일반적이다. 예를 들면, 애노드가 NiO와 일부 양의 YSZ 세라믹의 혼합물로 제조되는 경우, 애노드 전류 수집기(122)는 NiO와 더 적은 비율의 YSZ의 혼합물일 수 있거나, 또는 순수한 NiO로 제조될 수도 있다. 이러한 차이가 있는 이유는 전류 수집기(122)의 상이한 기능이다. 다공성이어서 가스가 통과하도록 할 필요가 있으며, 전도성이어서 전자가 유동되도록 할 필요가 있지만, 전해질(28) 근처의 애노드(24)와 같이 동일하게 높은 비율(전혀인 경우)로 이온 전도성이도록 할 필요는 없다. 기능 및 조성에 있어서의 이러한 차이는, 소결시 수축 또는 팽창계수, 또는 일부 기타 특성과 같은, 상기한 물리적 특성을 변화시키는 방식으로 전류 수집기(122)를 변형시키는 것을 자유롭게 한다. 전류 수집기(122)의 물리적 특성을 변화시키는 한 가지 예는, 소결된 밀도 및 소결로 인한 힘을 감소시키기 위하여, 전해질(28) 근처의 애노드(24)에서 사용된 것보다 NiO에 대해 더 큰 입자크기를 사용하도록 한다. 이러한 자유도를 사용하여, 전해질 테이프에 가장 근접하게 프린팅되는 애노드 또는 캐소드 영역 보다 상이한 물리적 특성을 갖는 전류 수집기(122)를 제공할 수 있다. 또다른 실시예에서, 전극(예: Ni와 상이한 전극)에서 사용된 것과 상이한 금속을 전류 수집기(122)에서 사용할 수 있다. 예를 들면, 백금 금속을 전류 수집기용 다수 화합물로서 사용할 수 있고, 이에 더하여 소량의 YSZ 세라믹을 사용할 수 있다. 이 혼합물은 전류 수집기(122)의 물리적 특성을 극적으로 변화시키는 상기한 목표를 달성하는데, 그 이유는 Pt의 소결 특성은 NiO와 상이하기 때문이다. 전극과 이의 전류 수집기(122) 사이의 상이한 물리적 및 물질 특성을 제공하는 목표로 많은 상이한 물질 및 이의 조합물이 가능하다.

도 155a 및 155b는 세그멘트화된 애노드(24) 또는 캐소드 위에 전류 수집기(122)를 적용하는 2가지 방법을 나타낸다. 전류 수집기(122)는 도 155a에 나타낸 바와 같이, 전극 영역(24)들 사이에 및 밑에 존재하는 공간에서 개방 기공(1022)을 생성할 수 있거나, 또는 도 155b에 나타낸 바와 같이, 세그멘트화된 전극 영역(24s)들 사이의 공간 속으로 프린팅할 수 있다. 도 155a에 나타낸 바와 같이 전극 영역(24s)들 사이에 기공(1022)을 남기는 것이 바람직한 경우, 이는 유기 물질을 공간 속으로 프린팅하는 것을 포함하는 수개의 수단으로 성취할 수 있어서, 수집기는 거기서 유동할 수 없으며, 여기서 이러한 유기 물질은 베이킹 및 소결시 사라질 것이다.

세그멘트화된 전극 양태는 단지 2개의 별도의 물질로 한정되지 않으며, 이보다는 3개 이상의 물질을 기본으로 하는 애노드(24) 또는 캐소드(26)에 적용할 수 있었다. 이러한 생각은 일반적으로 큰 전극 내에 작은 세그먼트를 생성시킴으로써, 및 가능하게는 개방 기공으로서의 세그멘트들 사이에 공간을 남김으로써 물리적 특성을 조절하거나 영향을 준다.

프린팅된 전극 영역(24s)의 크기는 힘을 조절하기 위한 시스템의 물리적 필요성에 좌우되어, 필요에 따라 크거나 작게 만들 수 있다. 예를 들면, 0.005" 제곱(0.13mm x 0.13mm)의 치수 또는 이보다 더 작은 치수를 갖는 정사각형을 프린팅할 수 있거나, 또는 이 치수는 위에서 언급한 0.25cm 예보다 더 클 수 있었다. 크기에 무관하게, 이들 정사각형은 하나의 애노드(24) 또는 캐소드(26)의 작은 부분으로 분해되는 것을 나타내며, 이들 더 작은 부분들은 나란하며 동일한 전압 전위에 있다. 또한, 애노드(24) 또는 캐소드(26)에 대한 세그멘트화된 전극 영역(24s)은 정사각형일 필요가 없다. 상기 영역(24s)은 직사각형 또는 임의의 다른 형태일 수 있다. 또한, 프린팅된 세그멘트화된 영역은 프린팅 스크린의 와이어 치수에 의해 한정될 수 있다. 이는 특정한 스크린을 사용하여 프린팅하고, 불량한 유동 특성을 갖는 프린팅 잉크를 사용하여, 프린팅 후에 페이스트가 함께 유동하지 않도록 하며, 와이어 또는 메쉬에 의해 창출된 패턴을 유지하도록 성취하게 된다. 이러한 방식으로, 스크린의 메수는 미세 스케일 위에 세그멘트화된 형태를 제공한다.

본원의 다수의 설명에서, 애노드(24) 및 캐소드(26)는 유사한 치수를 갖는 것으로 나타난다. 비대칭 애노드 및 캐소드 두께는 도 156에 도시된 바와 같이, 3중 층 구조물(1030)(즉, 애노드 24/전극 28/캐소드 26)에 대하여 사용할 수 있다. 전해질(28)의 두께는 가능한 한 얇아서 이온 전도성에 대한 내성이 가장 작도로 하는 것이 유리하다. 애노드(24)와 같이, 캐소드(26) 및 전해질(28)은 더 얇아지게 되며, 셀(cell)의 큰 비지지 영역(unsupported area)을 갖는 다는 점에서, 물리적 강도는 감소될 수 있다. 그래서, 전해질(28)이 소정의 설계에서 더 얇아지는 경우, 애노드(24) 또는 캐소드(26)가 두껍게 남아있거나, 또는 얇은 전해질(28)에 있어서는 더 두껍게 제조되는 것이 유용할 수 있다. 도 156에서 단면으로 나타낸 한 가지 양태에 따라, 더 두꺼운 캐소드(26)가 사용되는 반면, 더 얇은 전해질(28) 및 더 얇은 애노드(24)를 유지시킨다. 이들 조건은 역전될 수 있으며, 애노드(24)는 초과로 두껍게 만들 수 있다. 더 두꺼운 캐소드(26)의 이점은, 캐소드(26)가 나타낸 바와 같이 매우 얇은 전해질(28) 및 비교적 얇은 애노드(24)를 지지할 것이라는 점이다. 면적당 전체 전력 출력은 결과적으로 증가할 수 있다. 하나의 예에서, 캐소드(26)에 대하여 0.014" (0.356mm) 두께, 전해질(28)에 대하여 0.002" (0.051mm) 두께, 및 애노드(24)에 대하여 0.003" (0.076mm) 두께의 치수를 갖는 샘플을 제조하였다. 이러한 치수는 제한적인 것을 의미하지는 않치만, 단순히 예로서 제공된다.

도 157에 도시된 또 다른 양태에서, 더 두꺼운 캐소드(26)는 더 얇지만 세그멘트화된 애노드(24)(24s)와 함께 사용한다. 이러한 2개의 설계를 조합하고 전해질(28)의 두께를 감소시킴으로써, 3중 층 구조물(1030)(애노드 24/전해질 28/캐소드 26)의 물질 복합체 위의 응력은 상당히 감소된다. 하기 시스템의 물리적 특성은 전해질(28) 또는 애노드(24)에 의해 단지 작은 영향으로 캐소드(26)에 의해 좌우된다.

가장자리(976)에서의 기계적 구조물의 안정성에 가하기 위한 애노드(24) 또는 캐소드(26) 주변의 전해질(28)의 픽쳐 프레임(picture frame)의 형태에서 여분의 물질(980)의 사용이 기술되어 왔다[참조:도 147a-f]. 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)의 베이킹, 소결 또는 작동 동안에 구조물에 물리적 안정성을 제공하기 위한 상이한 기술이 두꺼운 전극 설계에 의해 제공된다. 더 두꺼운 캐소드(24) 및 더 얇은 전해질(28) 및 애노드(24)를 갖는, 위에서 도식적으로 나타낸 3중 층 구조물을 사용하여, 도 158에 도시된 바와 같이, 구성을 위한 상이한 양태가 이러한 3중 층 구조물(1030)을 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)의 측면 여백 내로 연장시킨다. 즉, 3중 층 구조물(1030)이 제조된 후에, 이러한 갭 또는 가스 통로(14, 20)는 3중 층 구조물(1030)의 전체 영역을 덮지는 않는다. 이 결과는, 3중 층 구조물(1030)이 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)의 측면 구조물 속으로 연장되어, 3중 층 구조물(1030)이 전체 장치 기계적 설계에 잘 맞도록 하는 것으로 보인다. 이러한 설계는 애노드(24) 또는 캐소드(26)가 더 얇은 경우 또는 둘 다가 얇은 경우에 사용될 수 있다. 또 다른 양태에서, 3중 층 구조물(1030)은, 애노드(24) 및 캐소드(26)가 둘다 가능한 한 얇은 경우에도, 전체 장치에 더 큰 강도를 제공하기 위하여, 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)의 측면 여백 속으로 연장시킬 수 있다.

여전히 또 다른 양태에서, 더 두꺼운 전해질은 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)의 외부면으로 모든 방식으로 연장될 수 있다. 이는 도 159에 도시된 바와 같이 단지 캐소드(26)일 수 있거나, 또는 전체 3중 층 구조물(1030)일 수 있다. 도 159에 도시된 양태에서, 더 두꺼운 캐소드(26)는 구조물의 품질 검사가 가능하도록 하기 위해 편의상, 및 최대 구조적 지지를 위해 측면으로 모든 방식으로 연장된다.

본 발명의 하나의 양태에서, 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)은 당해 장치의 전해질(28) 및 물리적 주변 구조물, 세라믹(29)(예: 커버, 측면 여백)으로서 YSZ과 함께 제작된다. 일반적으로 8% Y가, 최대 가능한 이온 전도성을 제공하기 위하여, 지르코니아 중의 이트리아의 비(8% YSZ으로 언급됨)로서 사용된다. 대안적인 양태에서, 2개의 상이한 유형의 YSZ을 사용하여, 예를 들면, 장치 전반의 물리적 강도를 증진시키기 위하여, 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)을 제조한다. 예를 들면, 8% YSZ을 전해질(28)에 대해 사용하여 당해 전해질에서 고 이온 전도성을 제공하며, 3% YSZ을 주변 구조물 세라믹(29)에 대해 사용하여 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)의 물리적 구조물에 더 큰 물리적 강도를 제공한다. 이러한 아이디어는 정확하게 3%Y를 사용하는 것에 제한되지 않지만, 3%는 단지 예로서 제공되는 것이다.

2개 유형의 YSZ을 사용함에 있어서, 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)의 베이킹, 소결 또는 사용에서 분명할 수 있는 물리적 부조화의 일부 양이 존재할 수 있다. 이러한 복합체를 형성하는 기술은 이러한 문제점들을 고려할 수 있다. 가장 간단한 방법은 2개 유형의 미가공 테이프의 층을 사용하는 것이며, 이 층의 중요한 특성(최대 강도, 또는 최대 전도도)에 좌우되어 2개의 유형들 사이에 교호적이다. 대안에서, 테이프의 단일 전이 층을 사용하는 데, 이는, 예를 들면, 1:1의 비(예를 들면, 2개 분말들의 동일한 부분은, 예를 들면, 테이프 캐스팅 전에 슬러리와 함께 혼합되어 2개의 분말들의 균일한 혼합물을 생성한다)로 각각 8Y 및 3Y의 비율을 갖는다. 8Y 영역과 3Y 영역 사이에서 전이되는 경우, 전이 층, 예를 들면, 혼합된 테이프가 제공될 수 있다. 또한, 다중 혼합된 테이프를 사용할 수 있으며, 각각은 2개 물질의 상이한 비인 2:1; 1:1; 1:2로 사용될 수 있다. 이 방식에서, 전이는 부조화 문제점들을 피하기 위해 더 점진적으로 수행할 수 있다.

연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)은 비대칭 입력/출력부로 제조될 수 있어서 가열 영역(32) 내에 다중 장치(10)(등)의 적층물 중에 치밀하게 쌓을 수 있지만 이는 또한 적층물 중의 각각의 장치(10)(등)에 제조될 냉각 영역 연결부를 위한 충분한 공간을 갖는다. 도 160a 내지 160f는 다중 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)의 비대칭 또는 엇갈린 적층물(1040)의 3가지 예를 위한 상부 분해도 및 말단도를 도시한다. 장치(10)(등)의 말단의 튜브(1042) 또는 연결부는 벌키할 수 있어서, 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)가 가능한 한 적층물(1040)에서 서로에 대하여 물리적으로 근접하도록 하기 위해서는 엇갈린 접근법이 또한 유용하다.

또한, 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)의 말단이 0도 또는 90도 이외의 각도에서 본체로부터 떨어지는 각도를 갖는 것이 가능하며, 예를 들면, 당해 장치(10)(등)의 설계에서 30도 및 60도 각도를 사용하여 장치 적층물(1040)에서 튜브(1042)의 부착물을 위한 이러한 여분의 공간을 제공할 수 있다.

적은 수의 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)이 필요한 힘을 제공하는 것이 필요한 작은 제품에서 사용하기 위해, 도 161에서 도식적 상부 하부도에 나타낸 바와 같이, 상기 장치 내로 통합된 지지체 부재를 갖는 것이 유용할 수 있다. 나타낸 바와 같이, 신장 장치(10)(등)의 말단 부분(11a, 11b)은 본질적으로 90도로 굽혀져서, 상기 장치(10)(등)가 본질적으로 C-형태(정사각형화된 가장자리를 갖고, 후방으로 나타냄)를 갖는 것으로 재구성되도록 한다. 공기 입력 말단(11b) 및 연료 입구 말단(11a)은 냉각 영역(30)에서 서로에 대하여 평행하게 배향되며 공기 및 연료 입구 말단(11a, 11b)에 수직으로 배향된 장치의 활성 영역 부분(33b)에 의해 가열 영역(32)에서 연결된다. 이후에, 지지체 부재(1050)는 냉각 영역(30)에서 가해져서 입력 말단(11a, 11b)을 연결하여 시스템 내의 장치(10)(등)의 처리 및 설치를 위한 강도를 가한다. 지지체 부재(1050)는 협소하거나, 얇거나 또는 커브로 제조하여 상기 장치(10)(등)의 가열 부분의 팽창으로 인한 응력을 피하도록 한다. 지지체 부재는 세라믹(29)과 동일한 물질을 포함할 수 있거나, 또는 상이할 수 있다.

아주 작은 크기의 무인 공중 차량과 같은 저동력 적용을 위한 경량 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)을 제조하는 것이 유용할 수 있다. 이러한 장치(400)는 도 48a에 도시되어 있다. 얇은 부분(404)은 장치(400)의 활성 구조를 포함하지만, 두꺼운 부분(402)은 가스 연결 영역을 포함한다. 이러한 설계는 급속 가열을 촉진시키고, 전체 시스템 중량을 절감하며, 저중량으로 인한 가열 요건을 감소시킨다. 얇은 부분(404)을 말단-롤링(end-rolling)시키기 보다는, 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)의 이러한 양태에서, 상기 장치(401)의 얇은 부분(404)은 길고 편평하게 남아있다. 이러한 작은 장치(401)는 도 162에 도시된 바와 같이, 작은 크기의 가열 부재 및 노(410) 내로 들어갈 수 있다.

연료 또는 공기 통로 내에서, 하나의 목표는 가능한 한 최대 효율을 획득하는 것이다. 가스가 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)의 활성 영역(33b)으로 공급된 직후에, 연료 또는 산소가 가장 풍부하지만, 활성 영역(33b)의 말단 근처에서, 대부분의 연료 또는 산소가 제거된다. 연료 또는 산소가 고갈되는 경우, 시스템은 단위 면적당 동일한 힘을 발생시키기 위해서는 더 높은 유동속도를 필요로 할 것이다. 이러한 문제점을 최소화하기 위하여, 및 본 발명의 양태에 따라, 가스 통로(14, 20)의 형태는 활성 영역(33b)에서 변해서, 산소 또는 연료의 비율이 감소함에 따라 가스 유동속도가 증가하도록 한다. 도 163은 활성 영역(33b)에서의 이러한 가스 통로(14, 20)의 도식적인 평면도를 나타낸다. 가스 통로(14, 20)의 면적을 더 작게 만듦으로써, 가스의 유동속도는 이러한 면적에서 증가될 것이다. 이는 화살표로 나타낸다. 도 163에 도시된 양태에서, 가스 통로(14, 20)의 면적/용적은 가스 유동 방향에 따라 점진적으로 및 연속적으로 감소해서, 가스 통로(14, 20)의 유동속도를 점진적으로 및 연속적으로 증가시킨다. 예를 들면, 면적/용적의 일정 단면들 사이의 면적/용적에서 하나 이상의 단계적 또는 점진적 감소와 같은 변형이 가능하다는 것이 이해될 수 있다.

본 발명의 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)를 베이킹 및 연소(firing)하는 경우, 이 장치는, 가능하게는 상부에서 하부를 포함하는, 상기 장치 내의 유기 물질의 큰 질량 및 일부 불균일한 베이크 아웃으로 인하여 감기는 경향을 가질 수 있다. 일부 경우에, 이 장치는 이러한 차이점들로 인하여 중앙에서 높은 지점을 발현할 수 있다. 이러한 높은 지점은, 루트(root)가 저온에서 발생할 수 있는 경우에도 장치가 소결의 최고 온도를 통해서 가공될 때까지 가시적이지 않다. 본 발명의 양태에 따라, 높은 지점을 생성하는 감기(wraping)는 베이킹 및 연소 동안에 유지되는 캐리어 기재와 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등) 사이에 섬유상 세라믹 시트를 위치시킴으로써 크게 극복할 수 있다. 예를 들면, 지르코니아로 제조된 펠트 물질(felt material)을 사용할 수 있지만, 기타 유형의 펠트 또는 세라믹 직물도 고려된다. 도 164는 세라믹 천, 펠트 또는 섬유상 "양모(wool)"인 섬유상 세라믹 시트(1062)로 피복된 캐리어 기재(1060) 위의 베이크-아웃 및 연소를 위해 제조된 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)을 도시한다. 또한, 지르코니아 펠트 또는 다른 섬유상 세라믹 시트(1062)를 사용하면 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)의 조성과 기타 경우에 비상용성(화학적으로)인 캐리어 기재(1060)을 선택하는 것이 자유롭게 되는데, 그 이유는 이것이 지르코니아계 장치와 외부 캐리어 기재 물질 사이의 완충재로서 작용하기 때문이다. 최종적으로, 연료 전지 스틱^TM 장치(10)(등)은 너무 무거워서 소결 동안에 캐리어 기재 물질에 들러붙을 수 있지만, 섬유상 물질의 연성 및 순응성(compliance)은 상기 장치(10)(등)이 캐리어 기재(1060)에 대하여 결합하지 않고 수축하도록 할 수 있다.

본 발명을 이의 하나 이상의 양태의 설명으로 기재하였고, 이러한 양태들을 상당히 상세하게 기술하였지만, 이들은 첨부된 특허청구범위의 영역을 이러한 상세한 사항들로 제한하거나 어떤 방식으로든지 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 추가의 이점과 변형이 당해 분야의 숙련가들에게 즉시 명백해질 것이다. 따라서, 더 넓은 국면에서 본 발명은 나타내고 기술한 구체적인 상세한 설명, 대표적인 장치와 방법 및 예시적 실시예에 제한되지 않는다. 따라서, 일반적인 본 발명의 개념의 범위로부터 벗어나지 않고 이러한 상세한 설명으로부터 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (41)

1. 연료 전지 시스템에 있어서,
   상기 연료 전지 시스템은 복수의 연료 전지 장치를 포함하는데, 각 연료 장치는,
   x 방향으로 제1 말단으로부터 제2 말단으로의 길이, y 방향으로 제1 측면으로부터 제2 측면으로의 너비, 및 z 방향으로 상부 표면으로부터 하부 표면으로의 두께를 갖는 세라믹 지지체 구조물로서, 상기 길이가 너비 또는 두께보다 더 크고, 이에 따라 세라믹 지지체 구조물의 x 방향이 열 팽창의 우세한 방향인 세라믹 지지체 구조물;
   제1 말단으로부터 이격된 길이의 제1 부분을 따라 위치하고, 대향하는 제2 전극으로부터 제1 전극을 분리하는 전해질, 제1 전극에 인접한 활성 제1 가스 통로, 및 제2 전극에 인접한 활성 제2 가스 통로를 포함하는 세라믹 지지체 구조물 내의, 내부에 하나 이상의 활성 층을 갖는 반응 영역으로서, 각각의 활성 제1 가스 통로와 활성 제2 가스 통로는 z 방향으로 두께를 가지며, 활성 제1 가스 통로는 y 방향으로 연장되고 x 방향으로 이격된 복수의 제1 하부-통로를 포함하는, 반응 영역; 및
   x 방향으로 제1 말단으로부터 반응 영역 내로 연장하고, z 방향으로 두께를 가지며, 복수의 제1 하부-통로의 각각에 유동적으로 커플링되는 제1 동맥 유동 통로(first artery flow passage)로서, 복수의 제1 하부-통로는 제1 동맥 유동 통로로부터 y 방향으로 제1 또는 제2 측면 중의 하나 이상을 향해 연장하고, 제1 동맥 유동 통로의 두께는 활성 제1 가스 통로의 복수의 제1 하부-통로 각각의 두께보다 더 큰, 제1 동맥 유동 통로를 포함하며,
   상기 연료 전지 시스템은 또한
   가열 영역 체임버 내부에 완전히 위치한 상기 복수의 연료 전지 장치 및 가열 영역 체임버와 커플링된 열 공급원을 포함하고, 내부 온도를 상승시켜 상기 복수의 연료 전지 장치들을 작동 온도로 가열하도록 구성된 가열 영역 체임버;
   상기 가열 영역 체임버 외부에 위치한 가스 공급 시스템; 및
   가열 영역 체임버 내의 복수의 연료 전지 장치의 제1 말단에 커플링되고, 가스를 가열 영역 체임버 내로 공급하여 제1 동맥 유동 통로로 공급하기 위한 가열 영역 체임버 외부의 가스 공급 시스템에 커플링된 하나 이상의 유체 도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   제1 동맥 유동 통로가 제1 측면에 인접한 길이를 따라 연장하고, 복수의 제1 하부-통로가 제2 측면을 향해 y 방향으로 제1 동맥 유동 통로로부터 연장하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   제2 측면에 인접한 길이를 따라 x 방향으로 제1 말단으로부터 반응 영역 내로 연장하고, z 방향으로 두께를 갖는 제2 동맥 유동 통로를 추가로 포함하고, 제2 동맥 유동 통로가, x 방향으로 이격되고 제1 측면을 향해 y 방향으로 연장되는 복수의 제2 하부-통로를 포함하는 활성 제2 가스 통로에 유동적으로 커플링되고, 여기서, 제2 동맥 유동 통로의 두께가 활성 제2 가스 통로의 복수의 제2 하부-통로 각각의 두께보다 더 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   복수의 제1 하부-통로 각각이 제1 동맥 유동 통로와 제2 측면 사이의 면적 또는 용적에서 감소되고, 복수의 제2 하부-통로 각각이 제2 동맥 유동 통로와 제1 측면 사이의 면적 또는 용적에서 감소되며, 여기서 각각의 복수의 제1 및 제2 하부-통로에 대한 면적 또는 용적의 감소가 연속적인 감소이거나 계단식 감소인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
5. 제3항에 있어서,
   제1 말단이 제1 측면과 제2 측면 사이에서 x 방향으로 연장되는 홈(groove)을 포함함으로써 제1 말단을 제1 측면 말단 부분 및 제2 측면 말단 부분으로 나누고, 여기서 제1 동맥 유동 통로가 제1 측면에 인접한 길이를 따라 제 1측면 말단 부분으로부터 반응 영역 내로 연장되며, 여기서 제2 동맥 유동 통로가 제2 측면에 인접한 길이를 따라 제2 측면 말단 부분으로부터 반응 영역으로 연장되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   제2 말단이 제1 측면 말단과 제2 측면 사이에서 x 방향으로 연장되는 홈을 포함함으로써 제2 말단을 제1 측면 말단 부분 및 제2 측면 말단 부분으로 나누고, 여기서 다수의 제1 하부-통로가 제2 측면에 인접한 길이를 따라 반응 영역으로부터 제2 말단의 제2 측면 말단 부분으로 연장되는 제1 동맥 배출 통로에 유체적으로 커플링되고 다수의 제2 하부-통로가 제1 측면에 인접한 길이를 따라 반응 영역으로부터 제2 말단의 제1 측면 말단 부분으로 연장되는 제2 동맥 배출 통로로 유체적으로 커플링되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   길이의 제1 부분을 따라 위치한 반응 영역이 제2 말단으로부터 이격되고, 여기서 활성 제2 가스 통로가 y 방향으로 연장되고 x 방향으로 이격되는 복수의 제2 하부-통로를 포함하고; x 방향으로 제2 말단으로부터 반응 영역으로 연장되고 z 방향으로 두께를 갖고, 복수의 제2 하부-통로 각각에 유체적으로 커플링되는 제2 동맥 유동 통로를 추가로 포함하고, 여기서 복수의 제2 하부-통로는 제1 또는 제2 측면들 중의 하나 이상을 향하여 y 방향으로 제2 동맥 유동 통로로부터 연장되며, 여기서 제2 동맥 유동 통로의 두께가 활성 제2 가스 통로의 복수의 제2 하부-통로 각각의 두께보다 더 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
8. 제3항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
   하나 이상의 활성 층이 복수의 활성 층을 포함하고, 여기서 제1 동맥 유동 통로가 각각의 활성 제1 가스 통로에 커플링되고, 제2 동맥 유동 통로가 각각의 활성 제2 가스 통로에 커플링되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   각각의 복수의 제1 하부-통로로부터 제2 측면 위의 제2 동맥 유동 통로에 인접하지만 교차하지 않는 상부 또는 하부 표면 중의 하나를 향해 z 방향으로 연장하는 복수의 제1 수직 유동 채널, 및 각각의 복수의 제2 하부-통로로부터 제1 측면 위의 제1 동맥 유동 통로에 인접하지만 교차하지 않는 상부 또는 하부 표면 중의 하나를 향해 z 방향으로 연장하는 복수의 제2 수직 유동 채널을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    각각의 복수의 제1 수직 유동 채널에 유체적으로 커플링되는 상부 또는 하부 표면 중의 하나 위의 또는 하나에 인접하고 목적하는 제1 출구 지점으로 제2 말단을 향하여 x 방향으로 연장되는 제1 출구 유동 채널, 및
    각각의 복수의 제2 수직 유동 채널에 유체적으로 커플링되는 상부 또는 하부 표면 중의 하나 위의 또는 하나에 인접하고 목적하는 제2 출구 지점으로 제1 말단을 향하여 x 방향으로 연장되는 제2 출구 유동 채널을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
11. 제7항에 있어서,
    제1 및 제2 말단이 각각 제1 측면과 제2측면 사이에서 x 방향으로 연장됨으로써 각각의 제1 및 제2 말단을 제1 및 제2 측면 말단 부분으로 분리하는 홈을 포함하고, 여기서 제1 동맥 유동 통로가 제1 측면에 인접한 길이를 따라 제1 말단의 제1 측면 말단 부분으로부터 반응 영역으로 연장되고, 여기서 제2 동맥 유동 통로가 제2 측면에 인접한 길이를 따라 제2 말단의 제2 측면 말단 부분으로부터 반응 영역으로 연장되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
12. 제11항에 있어서,
    복수의 제1 하부-통로가 반응 영역으로부터 제2 말단의 제2 측면 말단 부분으로 제2 측면에 인접한 길이를 따라 연장되는 제1 동맥 배출 통로에 유체적으로 커플링되고, 복수의 제2 하부-통로가 반응 영역으로부터 제1말단의 제1 측면 말단 부분으로 제1 측면에 인접한 길이를 따라 연장되는 제2 동맥 배출 통로에 유체적으로 커플링되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
13. 제7항에 있어서,
    각각의 복수의 제1 및 제2 하부-통로가 각각의 제1 및 제2 동맥 유동 통로 및 제1 또는 제2 측면들 중의 하나 이상의 사이의 면적 또는 용적에서 감소되고, 여기서 각각의 복수의 제1 및 제2 하부-통로에 대한 면적 또는 용적의 감소가 연속적인 감소이거나 계단식 감소인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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