KR20080069674A - 고체 산화물 연료 전지 및 시스템, 이의 사용 방법과 제조방법 - Google Patents

고체 산화물 연료 전지 및 시스템, 이의 사용 방법과 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수의 연료 장치를 통합한 고체 산화물 연료 전지 장치와 연료 전지 시스템을 제공하고, 각 장치는 작동 반응 온도로 가열하기 위한 길이의 제 1 부분에서 반응 영역을 가지고, 반응 영역이 가열된 경우, 작동 반응 온도 이하의 저온에서 머무르는 길이의 제 2 부분에서 하나 이상의 냉각 영역을 가지는 신장 기판을 포함한다. 한 양태에서, 전해질은 반응 영역에서 애노드와 캐소드 사이에서 배치되고, 상기 애노드와 캐소드 각각은 저온에서 전기적 연결을 위해 하나 이상의 냉각 영역의 외부 표면으로 연장하는 전기적 경로를 가진다. 다른 양태에서, 신장 기판의 길이는 최대 치수로, 신장 기판은 상기 길이와 동축으로 연장한 단지 하나의 우성 축만을 가지는 열 팽창 계수를 가진다. 또 다른 양태에서, 연료 및/또는 공기 공급은 신장 기판 내에 통로로 연료 및/또는 공기를 공급하기 위해 하나의 냉각 말단에서 장치와 결합한다. 본 발명의 시스템은 가열 영역 체임버의 제 1 부분과, 가열 영역 체임버 외부로 연장하는 냉각 영역으로 배치된 다수의 장치를 추가로 포함한다.
열 공급원은 작동 반응 온도로 반응 영역을 가열하는 가열 영역 체임버와 결합한다. 하나의 양태에 따라, 전기적 연결은 냉각 영역에서 애노드와 캐소드로 이루어진다. 사용 방법과 만드는 방법이 추가로 제공된다.
Figure P1020087013683
고체 산화물 연료 전지 장치, 고체 산화물 연료 전지 시스템, 가열 영역, 냉각 영역, 애노드, 캐소드

Description

고체 산화물 연료 전지 및 시스템, 이의 사용 방법과 제조 방법{SOLID OXIDE FUEL CELL DEVICE AND SYSTEM, METHOD OF USING AND METHOD OF MAKING}
37 C.F.R § 1.78(a)(4)에 따라, 본 출원은 2005년 11월 8일자로 출원한 동시 계류중인 미국 가출원 제60/734,554호, 및 2006년 5월 11일자로 선행 출원된 동시 계류중인 미국 가출원 제60/747,013호의 이익 및 우선권을 청구하고, 각각은 본원에 참조문헌으로써 표현되어 삽입된다.
본 발명은 고체 산화물 연료 전지 장치 및 시스템, 및 당해 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 다층 모놀리식(monolithic) SOFC StickTM의 형태의 고체 산화물 연료 전지 장치에 관한 것이다.
세라믹 튜브는 고체 산화물 연료 전지(SOFCs)의 생산에 있어서 용도가 발견되고 있다. 연료 전지의 몇 가지 유형이 있는데, 각각은 연료와 공기를 변환하여 연소없이 전기를 생산하는 상이한 메카니즘을 제공한다. SOFCs에서 연료와 전지 사이의 차단 층("전해질")은 세라믹 층이며, 산소 원자가 층을 통하여 이동하여 화학 반응을 완성하도록 한다. 세라믹은 실온에서 산소 원자의 불량한 전도체이기 때문에, 연료 전지는 700℃ 내지 1000℃에서 작용하고, 세라믹 층은 가능한 얇게 만들어 진다.
초기의 관형 SOFCs는 길고 꽤 큰 지름을 가진 지르코니아 세라믹의 압출 성형된 튜브를 사용하여 웨스팅하우스 코포레이션(Westinghouse Corporation)에 의해 제조되었다. 전형적인 튜브 길이는 길이가 수 미터였고, 튜브의 지름은 1/4 인치 내지 1/2 인치의 범위였다. 연료 전지의 완성된 구조는 전형적으로 대략 10개의 튜브를 함유했다. 시간이 지나면서, 연구원들과 산업 관계자 그룹은 8몰%의 Y2O3를 함유하는 지르코니아 세라믹에 대한 구조식(formula)을 정립했다. 이 물질은 다른 것들 중에서 생산물 TZ-8Y와 같이 일본의 토소(Tosoh)에 의해 만들어진다.
SOFCs를 만드는 다른 방법은 다른 애노드(anode)와 캐소드(cathode)를 함께 적층된 지르코니아의 플랫 플레이트(flat plate)들을 사용하여 연료 전지 구조를 완성한다. 웨스팅하우스에 의해 계획된 높고 얇은 장치와 비교하여, 이러한 플랫 플레이트 구조물은 전체가 함께 적층되도록 고정된 클램핑 메카니즘(clamping mechanism)을 가진 모서리가 6 내지 8인치인 큐브 모양일 수 있다.
여전히 새로운 방법이 매우 얇은 벽을 가진 작은 지름 튜브의 더 큰 양을 사용하여 계획된다. 얇게 둘러싼 세라믹의 용도는 산소 이온의 전환율이 거리와 온도에 의해 제한되기 때문에 SOFCs에서 매우 중요하다. 지르코니아의 얇게 하는 층이 사용되는 경우, 최종 장치는 동일한 효능을 유지하는 동안 낮은 온도에서 작동될 수 있다. 문헌은 150μm 또는 미만의 벽 두께에서 세라믹 튜브를 만드는 용도를 기재한다.
SOFCs의 성공적인 수행이 방해되는 몇 가지의 주된 기술적 문제들이 있다. 하나의 문제는 가열하는 동안 세라믹 요소들의 열분해를 방지할 필요성이다. 이를 위해, 관형 SOFC 접근은 튜브가 본질적으로 1-원이기 때문에 "스택" 유형(큰, 플랫 세라믹 플레이트로 만들어짐)과 비교하는 것보다 더 낫다. 튜브는 예를 들어, 중간에서 뜨거워질 수 있고 확장되지만 금이 가지는 않는다. 예를 들어, 튜브 용광로(furnace)는 지름이 4"이고 길이가 36"인 알루미나 튜브를 가열할 수 있고, 중심에서 빨갛게 가열되고, 끝 부분은 만질 수 있을 정도로 충분히 차게 될 것이다. 튜브가 중간 부분에서 고르게 가열되기 때문에, 중간 부분은 튜브를 더 길게 만들면서 확장되지만, 금이 가지는 않는다. 단지 중심만 가열된 세라믹 플레이트는 중심이 외부가 동일한 사이즈로 유지되는 동안 확장되기 때문에 빠르게 조각으로 부서진다. 튜브의 중요한 본질은 단축(uniaxial) 또는 1-원이다.
두 번째 중요한 본질은 SOFC에 접촉되도록 만드는 것이다. SOFC는 이상적으로 고온(전형적으로 700-1000℃)에서 작동하지만, 또한 공기와 연료를 바깥으로 연결할 필요가 있고 또한 전기적 연결을 만들 필요가 있다. 이상적으로는, 실온에서 연결하는 것이다. 고온에서 연결하는 것은 유기 물질이 사용될 수 없기 때문에 문제를 일으키고 따라서 유리 또는 기계 봉인(seals)을 사용해야만 한다. 이러한 것들은 팽창 문제 때문에 부분적으로 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 모서리에 어려움을 가지고 있으며 빠른 가열뿐만 아니라 크래 킹(cracking)에 어려움이 따른다. 상기 튜브 접근법은 균열되는 문제를 해결하지만 여전히 다른 문제들을 가진다. SOFC 튜브는 단지 가스 콘테이너로서 유용하다. 실행하기 위해서는 더 큰 공기 콘테이너 안에 사용되어져야 한다. 이것은 부피가 크다. 튜브를 사용하는 중요한 본질은 튜브 밖으로 열과 공기를 모두 적용시키고 공기는 반응을 위해 O2를 제공하고, 열은 반응을 촉진시킨다. 대개 열은 연료를 연소시키는데 적용되고 따라서 20% O2를 가진 공기(일반적임)를 적용하는 것 대신에 공기는 실제로 부분적으로 줄어들고(부분적으로 열을 제공하기 위해 연소됨) 이는 전지의 전동력을 낮춘다.
SOFC 튜브는 또한 확장성(scalability)에서 제한된다. 더 높은 kV를 성취하기 위해서, 더 많은 튜브들이 추가되어야 한다. 각 튜브는 단일 전해질 층이기 때문에, 부피가 커진다. 고체 전해질 튜브 기술은 성취할 수 있는 전해질 가늘기(thinness)의 면에서 추가로 제한된다. 전해질이 얇을수록 더욱 효율적이다. 2μm 또는 심지어 1μm 두께의 전해질은 고 전력을 위해 최적이겠지만, 고체 전해질 튜브를 성취하는 것은 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 따라서 전력은 몇 가지 요소에 의존한다. 주어진 시간에 전해질을 통해 더 많은 산소 이온을 이동시키는 요소로부터 더 높은 전류가 생성될 것이다. 이러한 요소에는 고온, 더 얇은 전해질 및 더 넓은 면적이 있다.
발명의 요약
하나의 양태에서, 본 발명은 신장 기판(elongate substrate)이 최대 치수인 길이를 가져서, 이 신장 기판이 상기 길이와 동축으로 연장되는(coextensive) 단지 하나의 우성 축(dominant axis)만을 갖는 열 팽창 계수를 갖는, 신장 기판을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 장치를 제공한다. 반응 영역은 길이의 제 1 부분을 따라 제공되고, 작동 반응 온도로 가열되도록 배치되고 하나 이상의 냉각 영역(cold zone)이 길이의 제 2 부분을 따라 제공되며, 반응 영역이 가열되는 경우 작동 반응 온도 이하의 저온에서 유지되도록 배치된다. 전해질은 반응 영역에서 애노드와 캐소드 사이에 배치되고, 애노드와 캐소드는 각각 작동 반응 온도 이하의 저온에서 전기적 연결을 위한 하나 이상의 냉각 영역의 외부 표면으로 신장하는 전기적 경로를 가진다. 본 발명은 추가로 다수의 연료 장치를 통합한 연료 전지 시스템을 제공하고, 각 장치는 가열 영역 체임버(hot zone chamber) 내에 제 1 부분을 가지고 위치하며, 이 가열 영역 체임버 외부로 신장하는 하나 이상의 냉각 영역을 가진다. 열 공급원은 가열 영역 체임버와 결합되고, 장치의 반응 영역을 가열 영역 체임버 내에 작동 반응 온도로 가열하도록 개조된다. 이 시스템은 애노드들 중의 하나 이상의 전기적 경로와 전기적 접촉하는 냉각 영역의 외부 표면 각각에 대한 연결, 및 하나 이상의 캐소드들의 전기 경로들 중의 하나 이상과 전기적 접촉하는 냉각 영역의 외부 표면 각각에 대한 연결을 포함한다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은 신장 기판이 최대 치수인 길이를 가져서, 당해 신장 기판이 상기 길이와 같이 동축으로 연장되는 단지 하나의 우성 축만을 갖 는 열 팽창 계수를 갖는 신장 기판을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 장치를 제공한다. 반응 영역은 길이의 제 1 부분을 따라 제공되고 작동 반응 온도로 가열되도록 배치되고 하나 이상의 냉각 영역이 길이의 제 2 부분을 따라 제공되며 반응 영역이 가열되는 경우 작동 반응 온도 이하의 저온에서 유지되도록 배치된다. 다수의 연료 통로와 산화제 통로는 하나 이상의 냉각 영역에서부터 반응 영역까지 연장되는 신장 기판에서 제공되는데, 각 연료 통로는 반응 영역에서 결합된 애노드를 가지고, 각 산화제 통로는 하나의 결합된 애노드와 반대로 위치한 반응 영역에서 결합된 캐소드를 가진다. 전해질은 반응 영역에서 각각의 반대되는 애노드와 캐소드 사이에 배치된다. 본 발명은 추가로 다수의 연료 장치를 통합한 연료 전지 시스템을 제공하고 각 장치는 가열 영역 체임버(hot zone chamber) 내에 제 부분을 가지고 위치하며 이 가열 영역 체임버 외부로 연장되는 하나 이상의 냉각 영역을 가진다. 열 공급원은 가열 영역 체임버와 결합되고, 장치의 반응 영역을 가열 영역 체임버 내에 작동 반응 온도로 가열하도록 개조된다. 시스템은 연료 통로 내부로 연료 유동을 제공하는 연료 통로를 가진 유체 연결에서 가열 영역 체임버 외부를 하나 이상의 냉각 영역과 결합하는 연료 공급원을 추가로 포함한다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은 제 1 말단과 인접한 제 1 냉각 말단 영역(region)을 가지고, 제 2 말단과 인접한 제 2 냉각 말단 영역을 가지며, 제 1과 제 2 냉각 말단 영역 사이의 가열 반응 영역을 가지는 신장 기판을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 장치를 제공하며, 여기서 가열 반응 영역은 작동 반응 온도로 가열되도록 배치되고, 제 1 및 제 2 냉각 말단 영역은 작동 반응 온도 이하의 저온에 서 유지하도록 배치한다. 연료 투입구는 제 1 냉각 말단 영역에 위치되고 각각의 연료 출구는 하나의 가열 반응 영역 또는 제 2 냉각 말단 영역에 위치되고 연료 투입구와 연료 출구는 신장 기판 내에 가열 반응 영역을 통해 적어도 부분적으로 연장되는 신장 연료 통로에 의해 이들 사이에 결합된다. 유사하게, 산화제 투입구는 제 2 냉각 말단 영역에 위치하고 각각의 산화제 출구는 하나의 가열 반응 영역 또는 제 1 냉각 말단 영역에 위치하며, 산화제 투입구와 산화제 출구는 신장 연료 통로에 대하여 반대로 평형하게 신장 기판 내에 가열 반응 영역을 통하여 적어도 부분적으로 연장하는 신장 산화제 통로에 의해 이들 사이에 결합된다. 애노드는 신장 기판 내에 가열 반응 영역에서 연료 통로와 인접하게 위치하며, 하나 이상의 제 1 및 제 2 냉각 말단 영역에서 신장 기판 위에 제 1 외부 접촉 표면과 전기적으로 결합된다. 캐소드는 신장 기판 내에 가열 반응 영역에서 산화제 통로와 인접하게 위치하고, 하나 이상의 제1 및 제2 냉각 말단 영역에서 신장 기판 위에 제 2 외부 접촉 표면과 전기적으로 결합된다. 고체 전해질은 애노드와 캐소드 사이에 위치하며, 음성 전기적 연결은 제 1 외부 접촉 표면으로 이루어지고, 양성 전기적 연결은 제 2 외부 접촉 표면으로 이루어진다. 본 발명은 추가로 다수의 연료 장치를 통합한 연료 전지 시스템을 제공하고, 각 장치는 가열 반응 영역을 가지고 가열 영역 체임버에 위치되며 제 1 및 제 2 냉각 말단 영역은 가열 영역 체임버 외부로 신장한다. 열 공급원은 가열 영역 체임버와 결합되고, 장치의 반응 영역을 가열 영역 체임버 내에 작동 반응 온도로 가열하도록 개조된다. 시스템은 연료 통로 내부로 연료 유동을 공급하는 연료 통로를 가진 유체 연결에서 제 1 냉각 말단 영역으로 가열 영역 체임버 외부와 결합된 연료 공급을 추가로 포함하고, 산화제 통로 내부로 공기 유동을 제공하는 산화제 통로를 가진 유체 연결에서 제 2 냉각 말단 영역으로 가열 체임버 외부에 결합된 공기 공급원을 추가로 포함한다.
여전히 다른 양태에서, 본 발명은 이들 사이에 인접한 길이를 가진 제 1 말단과 이와 반대편의 제 2 말단을 가진 신장 기판, 제 1 말단과 인접한 길이의 제 1 부분을 따른 냉각 영역, 및 제 2 말단과 인접한 길이의 제 2 부분을 따른 가열 반응 영역(여기에서, 가열 반응 영역은 작동 반응 온도로 가열되도록 배열되고, 냉각 영역은 작동 반응 온도 이하의 저온에서 유지되도록 배열됨)을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 장치를 제공한다. 연료 투입구는 제 1 말단에 인접한 각각의 연료 출구로 신장 기판 내에 가열 반응 영역을 통해 연장하는 신장 연료 통로와 결합한 냉각 영역에 위치된다. 유사하게, 산화제 투입구는 제 1 말단에 인접한 각각의 산화제 출구에 대한 신장 연료 통로에 대하여 평행 및 대향하는 신장 기판 내의 가열 반응 영역을 통해 연장되는 신장 산화제 통로에 결합된 냉각 영역에 위치한다. 애노드는 신장 기판 내에 가열 반응 영역에서 연료 통로와 인접하게 위치하며, 냉각 영역에서 신장 기판 위에 제 1 외부 접촉 표면과 전기적으로 결합된다. 캐소드는 신장 기판 내에 가열 반응 영역에서 산화제 통로와 인접하게 위치하고, 하나 이상의 제1과 제2 냉각 말단 영역에서 신장 기판 위에 제 2 외부 접촉 표면과 전기적으로 결합된다. 고체 전해질은 애노드와 캐소드 사이에서 위치하며, 음성 전기적 연결은 제 1 외부 접촉 표면으로 이루어지고 양성 전기적 연결은 제 2 외부 접촉 표면으로 이루어진다. 본 발명은 추가로 다수의 연료 장치를 통합한 연료 전지 시스 템을 제공하고, 각 장치는 가열 영역 체임버에 위치한 가열 반응 영역, 및 가열 영역 체임버 외부로 연장하는 냉각 영역과 함께 위치한다. 열 공급원은 가열 영역 체임버와 결합되고, 장치의 반응 영역을 가열 영역 체임버 내에 작동 반응 온도로 가열하도록 개조된다. 이 시스템은 연료 통로 내부로 연료 유동을 공급하는 연료 통로를 가진 유체 연결에서 냉각 영역으로 가열 영역 체임버 외부와 결합된 연료 공급원을 추가로 포함하고, 산화제 통로 내부로 공기 유동을 공급하는 산화제 통로를 가진 유체 연결에서 냉각 영역으로 가열 영역 체임버 외부에 결합된 공기 공급원을 추가로 포함한다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은 고체 산화물 연료 전지 장치의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은 가장 긴 치수인 길이를 가지는 신장 모놀리식 소결된 세라믹 기판(elongate monolithic sintered ceramic substrate)을 제공하는 것을 포함하고, 이 신장 기판은 상기 길이를 따라 같이 신장되는 단지 하나의 우성 축만을 갖는 열 팽창 계수를 갖고, 신장 기판은 다수의 제 1 통로와 다수의 제 1 통로들 중 하나의 각각에 대하여 반대로 위치한 다수의 제 2 통로를 포함한다. 제 1 통로는 이후에 애노드 입자와 제 1 액체를 포함하는 유체 애노드 물질로 충전시킨 다음, 제 1 액체를 제거시켜 제 1 통로의 각각의 표면에 애노드 입자의 층을 형성시킨다. 제 2 통로는 또한 캐소드 입자와 제 2 액체를 포함하는 유체 캐소드 물질로 충전시킨 다음, 제 2 액체는 제거시켜 제 2 통로의 각각의 표면에 애노드 입자의 층을 형성시킨다.
첨부한 도면은 본 명세서의 일부를 구체화하고 구성하며, 본 발명을 설명하기 위한, 위에 제시된 본 발명의 일반적인 설명과 아래 제시된 상세한 설명과 함께 본 발명의 양태를 설명한다.
도 1과 1A는 단일 애노드 층, 캐소드 층 및 전해질 층, 및 두 개의 말단 냉각 영역 사이의 가열 영역을 가지는 본 발명의 기본적인 SOFC StickTM 장치의 한 가지 양태를 나타내는 각각의 측단면도와 상부단면도이다.
도 2는 본 발명의 SOFC StickTM 장치의 양태의 제1 말단과, 이와 연결된 연료 공급 튜브를 나타내는 사시도이다.
도 3A는 본 발명의 양태에 따르지만, 변형된 말단을 가지는 SOFC StickTM 장치를 나타내는 사시도이다.
도 3B는 도 3A의 장치의 변형된 말단과 연결된 연료 공급 튜브를 나타내는 사시도이다.
도 4A는 본 발명의 양태에 따라 양성 전압과 음성 전압 노드에 전기적 연결을 하는 다수의 SOFC StickTM 장치의 야금술적(metallurgical) 결합 부착 방법을 나타내는 사시도이다.
도 4B는 본 발명의 양태에 따라 각 SOFC StickTM 장치가 다수의 애노드와 캐소드를 포함하는 다수의 SOFC StickTM 장치 사이에서 연결을 나타내는 개략적인 말 단도이다.
도 5는 본 발명의 양태에 따라 양전압과 음전압 노드에 전기적 연결을 만드는 기계적 부착 방법을 나타내는 개략적인 말단도이다.
도 6A와 6B는 가열 영역에 있는 다른 말단을 가지고 연료와 공기 공급 튜브가 부착된 SOFC StickTM 장치의 한 말단에서 단일 냉각 영역을 가진 다른 양태를 나타내는 사시도이다.
도 7A와 7B는 본 발명의 양태에 따라 공기와 연료 통로에서 다수의 공급 기둥(pillars)을 나타내는 측단면도와 상부단면도이다.
도 7C와 7D는 본 발명의 다른 양태에 따라 공급 기둥처럼 연료와 공기 통로에서 구형 볼의 용도를 나타낸 현미경 사진이다.
도 8A는 외부로 병렬로 연결된 두 연료 전지를 포함하는 본 발명의 양태를 나타내는 횡단면도이다.
도 8B는 비아(vias)의 사용을 통해 병렬로 내부 연결된 두 연료전지를 가지며, 도 8A와 유사한 본 발명의 다른 양태를 나타내는 횡단면도이다.
도 9A와 9B는 애노드와 캐소드를 공유하는 본 발명의 양태에 따른 다중-연료 전지 디자인을 나타내는 횡단면도이며, 도 9A는 병렬로 연결된 세 개의 연료 전지 층을 나타내고, 도 9B는 직렬로 연결된 세 개의 연료 전지를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 양태에 따라 장치의 냉각 말단에 연결된 연료 공급 튜브와 가열 영역 내 장치로 가열된 공기의 공급을 위해 공기 통로로 가열 영역 내 개 방된 장치의 측면을 가지는 SOFC StickTM 장치를 나타내는 개략적인 측면도이다.
도 10A는 대향하는 냉각 영역 사이에 위치된 가열 영역인 도 10의 양태의 변화를 나타내는 개략적인 측면도이다.
도 10B는 라인 10B-10B를 따라 형성된 도 10A의 SOFC StickTM 장치를 나타내는 상부단면도이다.
도 11-24는 본 발명의 다양한 양태를 개략적으로 나타내며, 도 11은 도 12 내지 24를 나타내는 중요한 요소를 제공한다.
도 25A와 27A는 개략적인 상부 평면도이며, 도 27B는 본 발명의 한 양태에 따라 한 냉각 말단에서 신장한 부분을 가지고 대향하는 가열 말단에서 넓은 표면 영역 단면을 가진 팬핸들(panhandle) 도면을 가지는 SOFC StickTM 장치를 나타내는 개략적인 측면도이다.
도 25B와 도 26A는 상부 개략도이며, 도 26B는 중앙 가열 영역에서 중앙 넓은 표면 영역 단면을 가진 대향하는 냉각 단면에서 두 개의 신장한 단면을 가진 팬핸들 도면의 다른 양태를 나타내는 개략적인 측면도이다.
도 28A 내지 28D는 본 발명의 양태에 따라 나선형 또는 롤링된(rolled), 관형 배열을 가진 SOFC StickTM 장치를 나타내며, 도 28A-28C는 전개된 구조를 나타내는 각각의 개략적인 상부도, 말단 개략도이자 개략적인 측면도이며, 도 28D는 나선형 또는 롤링된, 관형 배열을 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 29A 내지 29G는 SOFC StickTM 장치가 관형 동심 형태를 갖는 본 발명의 다른 대안적 양태를 나타내며, 도 29A는 장치를 나타내는 동일 크기의 개략도이고, 도 29B 내지 29E는 도 29A로부터 얻어진 횡단면도이며, 도 29F는 공기 투입 말단에서 말단도를 나타내며, 도 29G는 연료 투입 말단에서 말단도를 나타낸다.
도 30A는 가열 영역에서 활성 영역 이전에 통합된 예열 영역을 가지는 본 발명의 SOFC StickTM 장치를 나타내는 개략적인 횡단면도이고, 도 30B와 도 30C는 장치를 나타내는, B-30B 라인 및 30C-30C 라인을 각각 따르는 개략적인 횡단면도이다.
도 31A 내지 31C는 도 30A 내지도 30C와 유사하지만, 중앙 가열 영역을 가진 두 개의 냉각 영역을 나타낸다.
도 32A 내지 32B는 각각 도 31A 내지 도 31C에서 나타난 것과 유사한 양태를 나타내고, 도 32A의 32B-32B 라인을 따르는 개략적인 평단면도이고, 개략적인 평단면도이며, 추가로 연료 투입구와 연료 통로 사이와 공기 투입구와 공기 통로 사이에 예열 체임버를 포함하고, 각 예열 체임버는 냉각 영역에서부터 가열 영역의 예열 영역 내로 연장한다.
도 33A 내지 도 33C는 공기와 연료를 예열하는 본 발명의 다른 양태를 나타내고, 도 33A는 SOFC StickTM 장치의 세로 중심을 지나는 개략적인 측단면도이고, 도 33B는 도 33A의 라인(33B-33B)을 따라 얻어진 개략적인 평단면도이며, 도 33C는 도 33A의 라인(33C-33C)을 따라 얻어진 개략적인 횡단면 저면도이다.
도 34A와 도 34B는 각각 직렬로 외부로 상호 연결된 다수의 애노드와 캐소드를 가지는 본 발명의 양태를 나타내는, 개략적인 경사도와 개략적인 측단면도이다.
도 35는 직렬-병렬 구조를 제공하는 금속 스트라이프에 의해 외부로 연결된 두 구조물과 함께 더블된 도 34B를 나타내는 개략적인 측단면도이다.
도 36A와 도 36B는 본 발명의 다른 양태를 나타내는 개략적인 측면도이며 사시도로서, 가열 영역 내 직렬 및/또는 병렬로 애노드와 캐소드를 연결하는 금속 스트라이프와, 가열 영역에서부터 냉각 영역으로 긴 금속 스트라이프를 연장하여, 냉각 영역 내 양성 및 음성 전압 노드로 저온 연결을 만드는 것을 포함한다.
도 37은 도 36B와 유사한 양태를 나타내는 동일 크기의 개략도지만, 공기와 연료 공급 연결과 전압 노드 연결을 위해 단일 냉각 영역을 가진다.
도 38A와 도 38B는 본 발명의 양태를 나타내는 개략적인 횡단면도로 구조 내에 통로를 형성하는데 사용되는 유기 물질의 베이크-아웃(bake out)을 위한 장치의 측면을 따라 다수의 배출 갭(gap)을 가진다.
도 39는 본 발명의 다른 양태를 나타내는 개략적인 말단 단면도이고, 애노드 물질이 제공하는 구조물로 사용되며, SOFC StickTM 장치의 애노드-지지된 버젼(anode-supported version)으로 언급된다.
도 40A와 도 40B는 본 발명의 SOFC StickTM 장치의 다른 양태에 따라 애노드-지지된 버젼을 각각 개략적인 말단 단면도와, 개략적인 횡단면 측도로 나타나며, 개방 연료 통로는 장치를 통해 연료를 이동하는 기능을 수행하는 다공성 애노드를 위해 제거된다.
도 41A와 도 41B는 각각 본 발명의 SOFC StickTM 장치의 애노드-지지된 버젼의 다른 양태를 나타내는 개략적인 횡단면 말단도와 개략적인 평단면도이며 다수의 공기 통로는 애노드-지지된 구조물 내에 제공되며, 단일 연료 통로는 다수의 공기 통로와 평균으로 제공된다.
도 42A 내지 도 42C는 한 양태에 따른, 발명의 SOFC StickTM 장치의 통로에서 전극 층을 형성하는 방법을 나타내는 개략적인 횡단면도이다.
도 43은 본 발명의 다른 양태를 나타내는 개략적인 횡단면 측도이며 전해질 층은 전극 층을 수득하는데 이용가능한 표면적을 증가시키기 위해 불균일한 형태를 제공한다.
도 44는 본 발명의 대안적 양태를 나타내는 개략적인 측단면도이며 전해질 층에 불균일한 형태를 제공한다.
도 45A는 개략적인 평면도를 나타내며, 도 45B는 가열 영역을 통한 본 발명의 SOFC StickTM 장치의 양태를 나타내는 횡단면도이며 장치의 각각의 좌측면과 우측면, 이 사이에 브릿징 부분을 가지는 다수의 연료 전지를 가진다.
도 46A와 도 46B는 각각 본 발명의 SOFC StickTM 장치의 다른 양태를 나타내는 개략적인 사시도와 개략적인 횡단면도이며, 전극이 장치의 냉각 말단으로 이동하는 낮은 저항의 크거나 또는 넓은 경로를 제공하는 큰 외부 접촉 패드를 가진다.
도 47은 본 발명의 다른 양태에 따라 SOFC StickTM 장치를 나타내는 개략적인 측단면도이며 소모된 연료와 공기 모두를 위한 단일 배출 통로를 가진다.
도 48A 내지 도 48C는 두꺼운 부분과 얇은 롤링된 부분을 가지는 "말단 롤링된 SOFC StickTM 장치"로서 언급되는 대안적 양태를 나타내며, 도 48A는 사시도에서 롤링되지 않은 장치를 나타내고, 도 48B는 측단면도에서 롤링된 장치를 나타내고, 도 48C는 사시도에서 롤링된 장치를 나타낸다.
하나의 양태에서, 본 발명은 연료 포트와 공기 포트가 하나의 모놀리식 구조(monolithic structure)로 이루어진 SOFC StickTM 장치와 시스템을 제공한다. 하나의 양태에서, SOFC StickTM 장치는 신장한 구조이며, 본질적으로는 길이가 너비 또는 두께보다 상당히 더 길고 평평하거나 또는 직사각형의 스틱(따라서, SOFC StickTM 장치로 불리어짐)이다. SOFC StickTM 장치는 중앙이 뜨거운 동안(냉각 말단은 300℃ 미만이고; 가열 중심은 400℃ 초과이며; 대부분 700℃ 초과임)에는 냉각 말단을 가질 수 있다. 세라믹의 느린 열 전도는 더 차가운 말단을 완전하게 가열하는 것으로부터 가열 중심을 방지할 수 있다. 게다가, 말단은 도달하는 어떠한 열도 빠르게 전도한다. 본 발명은 연결을 위해 냉각 말단을 가짐으로써 애노드, 캐소드, 연료 투입구 및 H2O CO2 배출구 및 공기 투입구와 공기 배출구를 더 쉽게 연결하는 것을 실현함(realization)을 포함한다. 이전 기술에서는 세라믹 튜브의 이러한 장점을 이용하지 않는 대신, 관형 연료 전지 구조는 또한 가열 중심을 갖는 냉각 말단을 가질 수 있는 동안, 고온 연결이 필요한 용광로, 또는 가열 영역에서 전체 튜브를 배치한다. 이전 기술은 연료 투입구를 납땜 연결하는 고온을 만드는 비용과 복잡성을 인식하였으나, 본원에 제시된 해결책을 인식하지는 못하였다. 본 발명의 SOFC StickTM 장치는 길고 얇아서 위에서 토의한 열 특성 장점을 가지고 중앙에서 가열되고 차가운 말단을 가질 수 있도록 한다. 본 발명은 온도와 구조적으로 안전하고, 연료, 공기와 전극을 연결하는데 상대적으로 쉽도록 한다. SOFC StickTM 장치는 본질적으로 독립 시스템으로, 단지 열, 연료, 및 공기가 전기를 생산하기 위해 추가로 필요할 뿐이다. 이 구조물은 이러한 물건들이 쉽게 부착될 수 있도록 고안된다.
본 발명의 SOFC StickTM 장치는 다층 구조이며 다층 공동 발화된 접근(multi-layer co-fired approach)을 사용하여 완성될 수 있고, 이는 다른 장점을 제공한다. 첫째, 장치가 모놀리식으로 구조적으로 안전하도록 돕는다. 둘째, 장치는 콘덴서 칩의 MLCC(다층 공동-발화된 세라믹) 생산에서 사용되어지는 것과 같은 전통적 고 부피 제조 기술에 적합하다. (다층 콘덴서 생산은 기술 세라믹의 최대 부피 사용이며, 기술은 고 부피 생산으로 증명된다고 믿어진다.) 셋째, 얇은 전해질 층은 구조물 내에서 추가 비용 또는 복잡성 없이 성취될 수 있다. 2μm 두께의 전해질 층은, MLCC 접근을 사용하여야 가능한 반면, 60μm 미만의 전해질 벽 두께를 가진 SOFC 튜브를 상상하기 힘들다. 그러므로, 본 발명의 SOFC StickTM 장치는 SOFC 튜브보다 30배 더 효율적일 수 있다. 마지막으로, 다층 SOFC StickTM 장치는 각각 많은 수백, 또는 수천 층을 가지고 있으며, 최대 면적과 최고 밀도를 제공한다.
본 발명의 SOFC StickTM 장치에 대한 이전 기술의 SOFC 튜브의 표면적을 고려해 보자. 예를 들어, 0.25" x 0.25" SOFC StickTM 장치에 대한 0.25" 지름 튜브를 고려해 보자. 튜브에서, 원주는 3.14xD, 또는 0.785"이다. 0.25" SOFC StickTM 장치에서, 한 층의 사용가능한 너비는 0.2 인치이다. 그러므로, 약 4개의 층들이 하나의 튜브로서 같은 면적을 제공하는데 사용된다. 현재 일본 다층 콘덴서 기술에서는 현재 2μm 두께의 600층이다. 일본은 생산에 있어서 1000개의 층 일부를 곧 착수할 것이고, 이제 실험실 안에서 생산하고 있다. 600층을 가진 이 칩 콘덴서는 단지 0.060"(1500μm)이다. 2μm의 전해질 두께를 가지고 10μm 두께의 각각의 캐소드/애노드를 가진 공기/연료 통로를 가지는 0.25"장치 내 본 발명의 SOFC StickTM 장치에 이 제조 기술을 적용하는 것은 529 층을 가진 단일 장치를 생산하는 것과 같을 것이다. 132 튜브와 동일한 것과 같다. 이전 기술은 더 많은 튜브를 첨가하거나, 지름을 늘리거나, 및/또는 튜브의 길이를 늘려 고 전력 출력으로 매우 큰 구조물을 이룬 결과로, 더 많은 전력을 얻는다. 반면에, 본 발명은 단일 SOFC StickTM 장치로 더 많은 층을 첨가 및/또는 본 발명에서 더 얇은 층 또는 통로를 사용하여 많은 전력을 얻고, 이로써 SOFC 기술을 소형화하는 것을 가능하게 한다. 게다가, 본 발명의 장점은 콘덴서 내와 같은 명백한 효과이다. 전해질 층이 반 정도의 두께로 이루어진 경우, 전력은 2배로 되며, 이후에 장치 내 더 많은 층을 장착시켜 다시 전력을 2배로 한다.
본 발명의 다른 핵심 특징은 내부적으로 층을 연결하는 것을 쉽게 하여 SOFC StickTM 장치의 출력 전압을 증가시키는 것이다. 매 층마다 1 볼트(volt)라고 가정한다면, 12 볼트 출력은 본 발명의 SOFC StickTM 장치에 의해 12 그룹을 함께 연결하는 구멍(hole)을 통해 얻을 수 있다. 이후에, 추가 연결로 더 높은 전류를 얻기 위해 병렬로 12 그룹을 연결할 수 있다. 이는 콘덴서 칩 기술에서 사용되는 존재하는 방법을 가지고 완성될 수 있다. 결정적 차이점은 본 발명은 다른 기술에서 사용해야만 하는 납땜과 복잡한 배선들을 극복했다는 점이다.
본 발명은 또한 이전 기술과 비교하여 더 다양한 전극 선택을 제공한다. 귀금속은 애노드와 캐소드 모두 유용할 것이다. 은(silver)은 저렴하지만, 그러나 고온에서, 팔라듐, 백금, 또는 은과 혼합하는 것이 필요하며, 팔라듐과의 혼합은 세 개중의 최저 가격이 된다. 더 많은 연구가 비-귀금속 전도체에 집중되어진다. 연료 면에서, 니켈을 사용하는 시도가 이루어지고 있으나, 산소에 대한 노출은 고온에서 금속을 산화시킬 것이다. 전도 세라믹은 또한 공지되어 있고, 본 발명에서 사용될 수 있다. 간략하게, 본 발명은 소결될 수 있는 모든 종류의 애노드/캐소드/전극 시스템을 이용할 수 있다.
본 발명의 양태에서, 2μm 테잎의 넓은 영역이 양 측면에서 공기/가스와 함께 공급되지 않는 경우, 층은 부서질 수 있다. 틈을 지나 기둥을 남기도록 계획한다. 이것은 종유석과 종유석이 만나는 동굴에서 기둥과 같다. 고르고 빈번하게 위치될 수 있고 구조물에 더 좋은 강도를 제공할 수 있다.
가스와 공기 공급의 부착을 위해서, 말단 온도가 300℃ 이하의(예: 150℃ 이하) 고온 가요성 실리콘 튜브 또는 라텍스 고무 튜브가 예를 들어, SOFC StickTM 장치에 부착되도록 사용될 수 있도록 계획한다. 이 가요성 튜브들은 본 장치의 말단을 넘어서 간단하게 늘릴 수 있고, 실(seal)을 형성할 수 있다. 이러한 물질들은 표준 맥매스터 카탈로그(standard McMaster catalog)에서 이용가능하다. 실리콘은 실리콘의 특징을 잃지 않고 일반적으로 150℃ 또는 오븐 개스킷(oven gasket)으로 사용된다. 다-스틱 SOFC StickTM 시스템의 많은 실리콘 또는 라텍스 고무 튜브는 바브(barb) 연결을 가진 공급에 연결될 수 있다.
애노드 물질 또는 캐소드 물질, 또는 두 전극물질은 금속이거나 또는 합금일 수 있다. 애노드와 캐소드에 대한 적합한 금속과 합금은 당해 분야의 일반적인 숙련가들에게 공지되어 있다. 대안적으로, 하나 또는 두 전극 물질은 전기적으로 전도력있는 그린 세라믹(green ceramic)일 수 있고, 이 또한 당해 분야의 일반적인 숙련가들에게 공지되어 있다. 예를 들어, 애노드 물질은 산화이트륨-안정화된 지르코니아로 피복한, 부분 소결된 금속성 니켈일 수 있고, 캐소드 물질은 페로브스카이트(perovskite) 구조물을 가진 변형된 란탄 아망간산염일 수 있다.
다른 양태에서, 하나 또는 두 개의 전극 물질은 합성 전도체가 되는 충분한 양으로 존재하는 전도체 금속 및 그린 세라믹의 복합체일 수 있다. 일반적으로, 세라믹 매트릭스는 금속 입자가 닿기 시작하는 경우 전기적으로 전도성을 띠게 된다. 복합체 매트릭스 전도체가 되는 충분한 양의 금속은 주로 금속 입자 형태에 의존하여 다양해 질 것이다. 예를 들어, 금속의 양이 금속 박편용보다 구형 가루 금속용에 일반적으로 더 많이 필요할 것이다. 예시적 양태에서, 복합체는 그린 세라믹의 매트릭스와, 내부에 분산된 약 40 내지 90%의 전도체 금속 입자를 포함한다. 그린 세라믹 매트릭스는 전해질 층에 사용된 그린 세라믹 물질과 동일하거나 또는 다를 수 있다.
다른 양태에서, 하나 또는 두 가지 전극 물질들이 세라믹, 즉 전기적으로 전도성 있는 그린 세라믹 또는 복합체를 포함하고, 전극 물질 내 그린 세라믹과 전해질용 그린 세라믹 물질은 가교 결합할 수 있는 유기 교결제를 포함할 수 있고, 적층(lamination) 동안에, 층들 사이에서 중합체 분자 쇄가 연결될 뿐만 아니라 층 내 유기 교결제가 가교될 정도로 압력이 충분하다.
참고로, 이제 유사한 도면 부호들이 유사한 성분들을 언급하기 위해 전반에 걸쳐 사용되는 도면을 제공할 것이다. 이들 도면에서 사용된 도면 부호는 다음과 같다:
10 SOFC StickTM 장치
11a 제 1 말단
11b 제 2 말단
12 연료 투입구
13 연료 예열 체임버
14 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)
25 노출된 애노드 부분
26 캐소드 층(Cathode layer)
27 노출된 캐소드 부분
28 전해질 층
30 냉각 영역(또는 제 2 온도)
31 전이 영역
32 가열 영역(또는 가열된 영역 또는 제 1 온도)
33a 예열 영역
33b 활성 영역
34 연료 공급
36 공기 공급
38 음성 전압 노드
40 양성 전압 노드
42 와이어
44 접촉 패드
46 납땜 연결
48 스프링 클립(spring clip)
50 공급 튜브
52 타이 랩(Tie wrap)
54 세라믹 기둥(Ceramic pillars)
56 제 1 비아(First via)
58 제 2 비아
60 차단 피복(Barrier coating)
62 표면 입자
64 조직화된 표면 층(Textured surface layer)
66 애노드 현탁액(Anode suspension)
70 개구
72 유기 물질
80 좌측면
82 우측면
84 브릿징 부분(Bridging portion)
90 브릿지
100 SOFC StickTM 장치
102 신장 단면
104 넓은 표면적 영역 단면
106 신장 단면
200 나선 관형 SOFC StickTM 장치
300 동심 관형 SOFC StickTM 장치
400 말단 롤링된 SOFC StickTM 장치
402 두꺼운 부분
404 얇은 부분
도 1과 1A는 각각 본 발명의 기본 SOFC StickTM 장치의 하나의 양태를 나타내는 측단면도이자 상부단면도이며, 단일 애노드 층(24), 캐소드 층(26) 및 전해질 층(28)을 가지고 있는 모놀리식이다. SOFC StickTM 장치(10)는 연료 투입구(12), 연료 출구(16)를 포함하며, 이들 사이에 연료 통로(14)를 포함한다. 장치(10)는 또 공기 투입구(18)를 포함하며, 이들 사이에 공기 출구(22)와 공기 통로(20)를 포함한다. 연료 통로(14)와 공기 통로(20)는 대향하는 병렬 관계에 있으며, 연료 통로(14)를 통한 연료 공급(34)으로부터 연료의 유동은 공기 통로(20)를 통한 공기 공급(36)으로부터 공기의 유동과 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. SOFC StickTM 장치(10)의 잔류물은 세라믹(29)을 포함하며, 전해질 층(28)으로서 동일한 물질이 될 수 있거나 또는 상이하지만 양립할 수 있는 세라믹 물질일 수 있다. 전해질 층(28)은 파선에 의해 지시된, 애노드(24)와 캐소드(26)의 상반되는 영역 사이에 놓인 세라믹의 부분으로 고려된다. 전해질 층(28) 내로 공기 통로로부터 연료 통로로 산소 이온들이 이동한다. 도 1에서 나타나듯, O2는 공기 공급(36)으로부터 공기 통로(20)를 통해 이동하고 캐소드 층(26)에 의해 이온화되어 2O-를 형성하고, 이는 전해질 층(28), 및 연료 통로(14) 내부에 애노드(24)를 통하여 이동하고, 이것이 연료와 반응하는 경우, 예를 들어, 탄화 수소는 연료 공급(34)으로부터 일산화 탄소와 H2를 처음으로 형성하고 나서, 물과 이산화탄소를 형성한다. 도 1이 탄화 수소를 연료로 사용하는 반응을 보여준다고 해서, 본 발명이 제한되지는 않는다. SOFCs에 일반적으로 사용되는 연료의 어떤 종류도 본 발명에 사용될 수 있다. 연료 공급(34)은 예를 들어, 어떠한 탄화수소 공급원 또는 수소 공급원일 수 있다. 메탄(CH4), 프로판(C3H8), 및 부탄(C4H10)은 탄화수소 연료의 예가 된다.
반응이 일어나도록 하기 위해, 열을 SOFC StickTM 장치(10)에 적용해야한다. 본 발명에 따라, SOFC StickTM 장치(10)의 길이는 장치를 장치의 중심인 가열 영역(32; 또는 가열된 영역)과 장치(10)의 각 말단 11a와 11b에서 냉각 영역(30) 내로 분리할 수 있도록 충분히 길다. 가열 영역(32)과 냉각 영역(30) 사이에서, 전이 영역(31)이 존재한다. 가열 영역(32)은 전형적으로 400℃ 위에서 작동할 것이다. 예시적 양태에서, 가열 영역(32)은 600℃가 넘는 온도(예: 700℃ 초과)에서 작동된다. 냉각 영역(30)은 SOFC StickTM 장치(10)의 길이로 인해 열 공급원에 노출되지 않으며, 열 특성은 세라믹 물질을 이용하고 가열 영역 외부로 열을 방산하여, 가열 영역(30)은 300℃ 미만의 온도를 갖는다. 따라서, 가열 영역 내 입력된 대부분의 열은 냉각 영역의 말단에 도달할 수 있기 전(주로 전이 영역에서) 공기로 손실된다. 본 발명의 예시적 양태는, 냉각 영역(30)이 150℃ 미만의 온도를 가진다. 추가로 예시적 양태에서, 냉각 영역(30)은 실온에 있다. 전이 영역(31)은 가열 영역(32)의 작동 온도와 냉각 영역(30)의 작동 온도 사이에 온도를 가지고, 이 온도는 상당한 양의 열 소산이 발생하는 전이 영역(31) 내에 있다.
열 팽창의 우성 계수(CTE)가 SOFC StickTM 장치(10)의 길이를 따라가기 때문에, 열 분해 없이 본질적으로 1-차원적, 중심의 빠르게 가열하는 것이 허용된다. 예시적 양태에서, 장치(10)의 길이는 장치의 너비와 두께보다 적어도 5배 초과이다. 추가의 예시적 양태에서는, 장치(10)의 길이는 장치의 너비와 두께보다 적어도 10배 초과이다. 다른 추가의 예시적 양태에서는, 장치(10)의 길이는 자이의 너비와 두께보다 적어도 15배 초과이다. 추가로, 예시적 양태에서, 너비는 두께 이상으로, 더 큰 면적을 제공한다. 예를 들어, 너비는 두께의 2배 이상이 될 수 있다. 추가적 예를 들자면, 0.2 인치 두께의 SOFC StickTM 장치(10)는 0.5 인치의 너비를 가질 수 있다. 도면에서 크기를 보여주지는 않으나, 상대적 차원의 일반적인 생각을 제공하는 것으로 인식될 수 있다.
본 발명에 따르면, 애노드와 캐소드와의 전기적 연결은 SOFC StickTM 장치(10)의 냉각 영역(30)에서 이루어진다. 하나의 예시적 양태에서, 애노드(24)와 캐소드(26)는 냉각 영역(30) 내에 SOFC StickTM 장치(10)의 외부 표면에 각각 노출될 것이고, 전기적 연결이 이루어지도록 할 것이다. 음성 전압 노드(38)가 와이어(42)를 통해, 예를 들어, 노출된 애노드 부분(25)과 연결되고, 양성 전압 노드(40)는 와이어(42)를 통해, 예를 들어, 노출된 캐소드 부분(27)과 연결된다. SOFC StickTM 장치(10)는 장치의 각각의 말단(11a)과 말단(11b)에서 냉각 영역(30)을 가지기 때문에, 저온 고정 전기적 연결이 만들어질 수 있고, 이는 전기적 연결을 만드는데 일반적으로 고온 납땜 방법이 필요한 이전 기술을 넘어서는 의미 있는 장점이다.
도 2는 타이 랩(52)으로 고정되고 말단에 부착된, 공급 튜브(50)를 가진 SOFC StickTM 장치(10)의 제 1 말단(11a)을 나타내는 사시도이다. 연료 공급(34)으로부터 연료는 이후에 공급 튜브(50)를 통해 연료 투입구(12) 내로 충전된다. 냉각 영역(30)에서 제 1 말단(11a)의 결과로, 가요성 플라스틱 튜빙 또는 다른 저온 형태 연결 물질은 연료 공급(34)을 연료 투입구(12)와 연결되어 사용될 수 있다. 연료 연결을 만드는 고온 납땜은 본 발명에 의해 필요 없게 되었다.
도 3A는 도 1을 나타내는 것과 유사한 SOFC StickTM 장치(10)를 나타내는 사시도이며, 변형된 제 1 말단(11a) 및 제 2 말단(11b)을 가진다. 말단 11a와 11b는 연료 공급(34)과 공기 공급(36)의 연결을 용이하게 하기 위한 원통 모양의 말단 부분을 형성하도록 기계화되어 왔다. 도 3B는 연료 공급(34)로부터 연료 투입구(12)로 연료를 공급하는 제 1 말단(11a)에 연결된 공급 튜브(50)를 나타내는 사시도이다. 실시예로, 공급 튜브(50)는 실리콘 또는 라텍스 고무 튜브일 수 있으며, 탄성에 의해 제 1 말단(11a)으로 빈틈 없는 밀봉을 형성할 수 있다. 공급 튜브(50)의 가요성과 탄성은 진동의 영향을 받는 모바일 기기 내 용도인 경우, SOFC StickTM 장치(10)용 충격-흡수 홀더를 제공할 수 있는 것으로 인식될 수 있다. 선행 기술에서는, 튜브 또는 플레이트를 단단하게 납땜하고, 동적 환경에 사용되는 경우, 깨지는 등 고장나기 쉬웠다. 이로써, 진동 댐퍼(damper)로서 공급 튜브(50)의 추가적 기능은 이전 기술과 비교하여 유일한 장점을 제공한다.
도 3A로 돌아가서 참고하면, 접촉 패드(44)는 노출된 애노드 부분(25)과 노출된 캐소드 부분(27)과의 연결을 만들기 위해 SOFC StickTM 장치(10)의 외부 표면 상에 제공된다. 접촉 패드(44)용 재료는 전압 노드(38,40)를 각각 애노드(24)와 캐소드(26)로 전기적으로 연결하기 위해서 전기적으로 전도성이 있어야 한다. 특정 적합한 방법이 접촉 패드(44)를 형성하는데 사용되어 질 수 있다고 인식될 수 있다. 예를 들어, 금속 패드는 소결된 SOFC StickTM 장치(10)의 외부 표면상에 프린트될 수 있다. 와이어(42)를 예를 들어, 확실한 연결을 유지시키는 납땜 연결(46)에 의해 접촉 패드(44)에 고정한다. 납땜은 저온 물질로, SOFC StickTM 장치(10)의 냉각 영역(30)에 위치되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 일반적인 10Sn88Pb2Ag 납땜이 사용될 수 있다. 본 발명은 저온 연결 물질 또는 수단에 대한 가능성을 증가시킴으로써 고온 전압 연결에 대한 필요성이 제거한다.
또한 도 3A의 사시도에서 연료 출구(16)와 공기 출구(22)가 나타난다. 냉각 영역(30) 내 제 1 말단(11a)에서 연료 투입구(12)를 통해 연료가 들어가고, 제 2 말단(11b)에 인접한 출구(16)를 통해 SOFC StickTM 장치(10)의 측면으로 배출한다. 냉각 영역(30) 내 제 2 말단(11b)에 위치한 공기 투입구(18)를 통해 공기가 들어가고, 제 1 말단(11a)에 인접한 SOFC StickTM 장치(10)의 측면에서 공기 출구(22)로 배출한다. 출구(16, 22)는 SOFC StickTM 장치(10)의 동일한 측면에서 나타내지만, 마주보는 측면에 위치될 수 있고, 예를 들어, 도 4A에서 아래 나타내어진 것처럼 인정될 수 있다.
연료 투입구(12)와 공기 출구(22)를 인접하게 하고[및 유사하게, 공기 투입구(18)와 연료 출구(16)를 인접하게 함] 겹쳐지는 층(애노드, 캐소드, 전해질)에 아주 인접하게 함으로써, 공기 출구(22)는 열 교환기로서 연료 투입구(12)를 통해 장치로 들어가는 연료를 유용하게 예열시키는 작용을 한다[및 유사하게, 연료 출구(16)도 공기 투입구(18)를 통해 들어가는 공기를 예열함]. 열 교환기는 시스템의 효율을 향상시킨다. 전이 영역은 소모된 공기와 새로운 연료(및 소모된 연료와 새로운 공기)의 겹쳐지는 지역을 가지며, 이 열은 새 연료(새 공기)가 가열 영역에 도달하기 이전에 전이된다. 따라서, 본 발명의 SOFC StickTM 장치(10)는 내장된 열 교환기가 포함된 모노리식 구조물이다.
도 4A와 관련하여, 이는 다수의 SOFC StickTM 장치(10)의 연결을 나타내는 사시도이며, 이 두 SOFC StickTM 장치(10)의 경우, 노출된 애노드 부분(25)에 연결된 접촉 패드(44)와 음성 전압 노드(38)에 연결된 납땜(납땜 연결; 46에 있음) 와이어(42)를 각각의 접촉 패드(44)와 일직선으로 연결한다. 이와 유사하게, 상에서 부분적으로 보여지는 것처럼, 노출된 캐소드 부분(27)에 연결된 접촉 패드(44)는 일직선으로 되고, 양성 전압 노드(40)를 연결하는 와이어(42)를 각각의 일직선으로 된 접촉 패드(44)에 납땜한다. 연결은 냉각 영역(30) 내에, 상대적으로 간단한 연결이기 때문에, 멀티-SOFC StickTM 시스템 또는 조립 내 하나의 SOFC StickTM 장치(10)가 교체를 필요로 하는 경우, 하나의 장치(10)로 납땜 연결하는 것을 차단하고, 새 장치(10)를 가진 장치로 교체시켜 와이어(42)를 새로운 SOFC StickTM 장치(10) 의 접촉 패드와 재 납땜하는 것을 단지 필요로 하는 것이 인정될 수 있다.
도 4B는 각 SOFC StickTM 장치(10)가 다수의 애노드와 캐소드를 포함하는, 다수의 멀티-SOFC StickTM 장치(10) 사이에서 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 SOFC StickTM 장치(10)의 우측에 노출되고, 각 캐소드는 SOFC StickTM 장치(10)의 좌측에 노출된다. 접촉 패드는 이후에 SOFC StickTM 장치(10)의 각 면에 위치되어, 각 노출된 애노드 부분(25)과 노출된 캐소드 부분(25)에 접촉한다. 애노드(24)가 노출되는 우측에서는, 음성 전압 노드(38)를 납땜 연결(46)을 통해 접촉 패드(44)에 와이어(42)를 보호함으로써 노출된 애노드 부분(25)과 연결한다. 유사하게, SOFC StickTM 장치(10)의 좌측에서는, 양성 전압 노드(40)를 납땜 연결(46)을 통해 접촉 패드(44)에 와이어(42)를 보호함으로써 노출된 캐소드 부분(27)과 전기적으로 연결한다. 따라서, 도 1 내지 4A가 단일 캐소드(26)와 상반하는 단일 애노드(24)를 나타내는 반면, 도 4B에서 보여지는 것처럼 각 SOFC StickTM 장치(10)는 다수의 애노드(24)와 캐소드(26)를 포함할 수 있고, 각각은 SOFC StickTM 장치(10)의 외부 표면에 노출된 채로, 각각의 전압 노드(38 또는 40)로 연결하기 위해 외부 표면에 적용된 접촉 패드(44)를 수단으로 하여 전기적 연결을 한다. 본 구조에서 대향하는 애노드와 캐소드의 수는 10개일 수 있고, 100개, 심지어 1000개일 수 있다.
도 5는 와이어(42)와 접촉 패드(44) 사이에 전기적 연결을 만드는 기계 부착을 나타내는 말단도이다. 이 양태에서, SOFC StickTM 장치(10)는 전극의 한 세트가 각 SOFC StickTM 장치(10)의 상부 표면에 노출되도록 조정한다. 접촉 패드(44)는 냉각 영역(30) 내 하나의 말단(예: 11a, 11b)에서 각 상부 표면에 적용되어왔다. 스프링 클립(48)은 이후에 접촉 패드(44)로 와이어(42)를 보호하기 위해 제거되어 사용되어 질 수 있다. 따라서, 야금술적 결합은 도 3A, 4A 및 4B에서 나타난 것처럼, 전기적 연결을 만드는 것으로 사용될 수 있거나 또는 도 5에서 나타난 것처럼, 기계적 연결 수단으로 사용될 수 있다. 적합한 부착 수단을 선택하는 가요성은 본 발명의 SOFC StickTM 장치(10)내 냉각 영역(30)에 의해 가능하다. 추가로 스프링 클립 또는 다른 기계적 부착의 사용은 멀티-스틱(multi-stick) 조립 하에 단일 SOFC StickTM 장치(10)를 교체하는 공정을 단순화한다.
도 6A와 도 6B는 SOFC StickTM 장치(10)의 제 1 말단(11a)에서 단일 냉각 영역(30)을 가지고, 가열 영역(32)에서 제 2 말단(11b)을 갖는 다른 양태를 나타내는 사시도이다. 도 6A에서, SOFC StickTM 장치(10)는 병렬로 세 개의 연료 전지를 포함하고, 도 6B에서는 단일 연료 전지를 포함한다. 따라서, 본 발명의 양태는 단일 전지 또는 멀티-전지 구조(design)를 포함할 수 있다. 연료와 공기 두 가지의 단일 말단 투입구를 가능하게 하기 위해, 공기 투입구(18)에 SOFC StickTM 장치(10)의 측면에서 제 1 말단(11a)과 인접하도록 재조정한다. 공기 통로(20; 나타나지 않음)는 다시 연료 통로(14)와 평행하게 이동하지만, 그러나 이 양태에서, 공기의 유동은 SOFC StickTM 장치(10)의 길이를 통하는 연료의 유동과 동일한 방향에 있다. 장치(10)의 제 2 말단(11b)에서, 공기 출구(22)는 연료 출구(16)와 인접하게 위치한다. 연료 출구(16) 또는 공기 출구(22) 중의 하나, 또는 모두 말단 표면에서 존재하는 것보다 SOFC StickTM 장치(10)의 측면으로부터 존재할 수 있는 것으로 인식할 수 있다.
도 6B에서 도시된 바와 같이, 공기 공급(36)용 공급 튜브(50)를 공급 튜브(50)의 측면을 통해 구멍을 만들고, 옆 구멍을 통해 장치(10)를 미끄러지게 형성하여, 공기 공급(36)을 위한 공급 튜브(50)를 연료 공급(34)을 위한 공급 튜브(50)와 일직선이 되도록 한다. 또한 실리콘 고무 튜브 또는 이와 비슷한 것이 본 양태에서 사용될 수 있다. 결합 물질을 튜브(50)와 장치(10) 사이에 조인트(joint) 주위에 적용시켜 실(seal)을 형성할 수 있다. 전기적 연결은 또한 냉각 영역(30) 내에 제 1 말단(11a)에 인접하게 만들어진다. 도 6A는 SOFC StickTM 장치(10)의 한 면에서 만들어진 양성 전압 연결을 나타내고, 도 6B는 SOFC StickTM 장치(10)의 다른 면에서 만들어진 음성 전압 연결을 각각 나타낸다. 그러나, 본 발명은 매우 제한적이지 않다는 것이 인식될 수 있다. 단일 말단 입력 SOFC StickTM 장치(10)의 장점은 두 전이 영역(31) 대신에 하나의 냉각에서 가열로의 전이(cold-to-hot transition)가 있어서, SOFC StickTM 장치가 더 작아질 수 있다.
본 발명의 하나의 장점은 활성 층이 매우 얇아지는 능력이며, 이로써 단일 장치 내 다수의 연료 전지를 삽입하는 SOFC StickTM 장치가 가능하다는 것이다. 활성 층이 얇아질수록, SOFC StickTM 장치의 제조 동안에 생긴 공기 통로(20) 또는 연료 통로(14)의 기회는 더 많아지며, 통로를 통해 유동을 차단하게 된다. 따라서, 도 7A와 7B에서 나타나듯, 본 발명의 하나의 양태에서, 다수의 세라믹 기둥(54)은 통로(14와 20)에서 제공되고, 통로의 차단과 전해질 층의 뒤틀림을 방지한다. 도 7A는 측단면도인 반면, 도 7B는 공기 통로(20)를 통한 상부 횡단면도이다. 본 발명의 하나의 방법에 따라, 테잎 캐스팅 방법(tape casting method)을 사용하여, 새크러피셜(sacrificial) 테입 층이 새크러피셜 층에서 형성된 다수의 구멍을 가지고, 물질의 레이저 제거의 수단과 같은 것으로 사용될 수 있다. 이후에, 세라믹 물질은 구멍을 채우는데 사용되는데, 구멍을 관통하는 새크러피셜 테잎 층 위에 세라믹 현탁액을 칠하는 것과 같다. 다양한 층이 함께 조립된 후에, 새크러피셜 층의 새크러피셜 물질이 용매의 사용에 의해 제거되고, 세라믹 기둥(54)이 남겨진다.
세라믹 기둥(54)을 형성하는 다른 양태에서, 미리-소결된 세라믹의 큰 입자는 유기 비히클(organic vehicle, 예: 용매에 용해된 플라스틱과 같음)에 첨가될 수 있고, 교반되어 임의의 혼합물을 형성한다. 예로서 제공되며 제한되지는 않지만, 큰 입자는 지름 0.002 인치의 공과 같은 구형일 수 있다. 임의의 혼합물은 이후에 그린 구조물에 적용시키며 연료 통로(14)와 공기 통로(20)가 위치되는 지역에서 프린트함으로써 소결[베이크(bake)/파이어(fire)] 공정 동안에, 유기 비히클은 구조물(예: 태워버림)을 남기고, 이로써 통로를 형성하고 세라믹 입자는 물리적으로 통로를 열도록 유지하는 기둥(54)을 형성도록 유지한다. 수득된 구조물은 도 7C와 도 7D의 현미경 사진에서 보여진다. 기둥(54)은 유기 비히클에서 세라믹 입자의 로딩(loading)의 기능을 하는 평균 거리를 가지고 임의로 위치된다.
도 8A는 병렬로 두 연료 전지를 포함하는 본 발명의 하나의 양태를 나타내는 횡단면도이다. 각 활성 전해질 층(28)은 공기 통로(20)를 가지며, 한 면에 캐소드 층(26a) 또는 (26b)를, 대향하는 면에는 애노드 층(24a) 또는 (24b)를 가진다. 하나의 연료 전지의 공기 통로(20)가 세라믹 물질(29)에 의해 제 2 연료 전지의 연료 통로(14)로 분리된다. 노출된 애노드 부분(25)은 음성 전압 노드(38)에 와이어(42)를 통해 각각 연결되고 노출된 캐소드 부분(27)은 양성 전압 노드(40)에 와이이어(42)를 통해 각각 연결된다. 단일 공기 공급(36)은 이후에 각각의 다수의 공기 통로(20)를 공급하는 것으로 사용될 수 있고, 단일 연료 공급(34)은 각각의 다수 연료 통로(14)를 공급하는데 사용될 수 있다. 활성 층의 이 배열에 의해 정립된 전기적 회로가 그림의 우측에 나타난다.
도 8B의 횡단면도에서, SOFC StickTM 장치(10)는 도 8A와 유사하지만, 대신에 다수의 노출된 애노드 부분(25)과 다수의 노출된 캐소드 부분(27)을 가지고, 단지 하나의 캐소드 층(26a)이 노출된 캐소드 부분(27)에 노출되어 있다. 제 1 비아(56)는 캐소드 층(26a)과 캐소드 층(26b)을 연결하고, 제 2 비아(58)는 애노드 층(24a)과 애노드 층(24b)을 연결한다. 예로서, 레이저 방법은 그린 층을 형성하는 동안에 비아들을 여는 것을 생성하도록 사용될 수 있고, 이후에 순차적으로 비아 연결을 형성하는 전기적으로 전도력 있는 물질로 충전된다. 도 8B의 우측에서 회로에 의해 나타난 것처럼, 동일한 전기적 경로가 도 8A의 SOFC StickTM 장치(10)에서 처럼 도 8B의 SOFC StickTM 장치(10)에서 형성된다.
도 9A와 도 9B는 또한 횡단면도에서, 멀티-연료 전지 구조를 나타내지만, 애노드와 캐소드를 공유한다. 도 9A의 양태에서, SOFC StickTM 장치(10)는 두 개의 연료 통로(14)와 두 개의 공기 통로(20)를 포함하고, 두 개의 연료 전지를 갖는 대신에 이 구조물은 세 개의 연료 전지를 포함한다. 제 1 연료 전지는 중간 전해질 층(28)을 가지고 애노드 층(24a)과 캐소드 층(26a) 사이에서 형성된다. 애노드 층(24a)은 연료 통로(14)의 한 쪽 면에 있고, 연료 통로(14)의 반대 면에는 제 2 애노드 층(24b)이 있다. 제 2 애노드 층(24b)은 애소드와 캐소드 층 사이에 다른 전해질 층을 가지고 제 2 캐소드 층(26b)과 대향하여 제 2 연료 전지를 형성한다. 제 2 캐소드 층(26b)은 공기 통로(20)의 한 면에 있고 제 3 캐소드 층(26c)은 공기 통로(20)의 반대 면에 있다. 제 3 캐소드 층(26c)은 애소드와 캐소드 층 사이에 전해질 층(28)을 가지고 제 3 애노드 층(24c)과 대향한다. 애노드 층(24a)으로부터 캐소드 층(26c)으로 장치(10)의 부분은 단일 SOFC StickTM 내에서 연료 전지의 수를 겹침으로써, 공유된 애노드와 캐소드를 제공하여 장치 내에서 수차례 반복될 수 있다. 각 애노드 층(24a, 24b, 24c)은 노출된 애노드 부분(25)을 포함하여, 예를 들어 전기적 연결이 SOFC StickTM 장치(10)의 외부 표면에서 와이어(42)를 통해 음성 전압 노드(38)에 연결하도록 제조될 수 있다. 유사하게, 각 캐소드 층(26a, 26b, 26c)은 노출된 캐소드 부분(27)을 포함하여, 예를 들어 연결이 외부 표면에서 와이어(42)를 통해 양성 전압 노드(38)에 연결하도록 제조될 수 있다. 단일 공기 공급(36)은 하나의 냉각 말단에서 각 공기 통로(20)를 공급하도록 제공될 수 있으며, 단일 연료 공급(34)은 반대 냉각 말단에서 각 연료 통로(14)를 공급하도록 제공될 수 있다. 이 구조물에 의해 형성된 전기적 회로는 도 9A의 우측에 제공된다. 이러한 SOFC StickTM 장치(10)는 병렬로 이용가능한 전력을 3 배 화하는데 세 개의 연료 전지 층을 포함한다. 예를 들어, 각 층이 1 볼트와 1 암페어(1 amp)를 생산하는 경우, 이후에 각 연료 전지 층은 1 와트의 출력(볼트 x 암페어 = 와트)을 생산한다. 그러므로, 이러한 3층 배치는 이후에 1 볼트와 3 암페어로 전체가 3 와트의 전력 출력을 생산한다.
도 9B에서, 도 9A의 구조물은 도 9B의 우측에서 회로에 의해 나타난 것처럼, 변형하여 각 전압 노드에 단일 전기적 연결을 제공하고 세 개의 연료 전지를 직렬로 생성한다. 양성 전압 노드(40)는 노출된 캐소드 부분(27)에서 캐소드 층(26a)과 연결한다. 애노드 층(24a)은 제 2 비아(58)를 통해 캐소드 층(26b)과 연결한다. 애노드 층(24b)은 제 1 비아(56)를 통해 캐소드 층(26c)과 연결한다. 이후에, 애노드 층(24c)을 노출된 애노드 부분(25)에서 음성 전압 노드(38)와 연결한다. 따라서, 층 소비 당 동일한 1 암페어/1 볼트를 사용하여, 이 세 개의 전지 구조물은 3 볼트와 1 암페어를 생산하여 총 3 와트의 출력량이 된다.
본 발명의 다른 양태는, 도 10에서 나타난 측면도이다. 이 양태에서, SOFC StickTM 장치(10)는 제 1 말단(11a)에 단일 냉각 영역(30)을 가지고, 제 2 말단(11b)에 가열 영역(32)을 가진다. 다른 양태에서와 같이, 연료 투입구(12)는 제 1 말단(12a)에 있고, 공급 튜브(50)에 의해 연료 공급(34)과 연결된다. 이 양태에서, 연료 통로(14)는 제 2 말단(11b)에서 연료 출구(16)를 가지는 SOFC StickTM 장치(10)의 길이를 연장한다. 그러므로, 연료 공급 연결은 냉각 영역(30)에서 만들어지고, 연료 반응물(예: 이산화탄소와 물)용 출구는 가열 영역(32)에 있다. 유사하게, 애노드는 냉각 영역(30)에서 노출된 애노드 부분(25)을 가지고, 와이어(42)를 통해 음성 전압 노드(38)를 연결한다.
도 10의 양태에서, SOFC StickTM 장치(10)는 하나 이상의 면, 및 잠재적으로 두 반대 면에서 개방되고, 가열 영역(32)에서 공기 투입구(18)와 공기 통로(20) 모두를 제공한다. 세라믹 기둥(54)을 지지하는 용도는 특히 본 양태에서 공기 통로(20) 내에서 유용할 수 있다. 공기 출구는 제 2 말단(11b)에서 나타날 수 있다. 대안적으로, 나타나지는 않았지만, 공기 출구는 통로(20)가 너비를 통해 연장되고 공기 공급이 투입구 내부로만 향하는 경우, 또는 통로(20)가 너비를 통해 연장하지 않는 경우, 공기 투입구 면으로부터 반대 면에 놓일 수 있다. 이 양태에서, 가열 영역(32)으로 열만 제공하는 것 대신에, 공기도 또한 제공된다. 다시 말해, 가열 영역(32)에서 장치(10)의 측면은 압력을 받은 공기 튜브를 통해 공기를 공급하는 것 대신에 가열된 공기로 개방된다.
도 10A는 도 10에서 도시된 양태의 변형을 보여주는 측면도이다. 도 10A에서, SOFC StickTM 장치(10)는 전이 영역(31)에 의해 냉각 영역(30)으로부터 분리된 중심 가열 영역(32)을 가진 대향하는 냉각 영역(30)을 포함한다. 공기 투입구(18)는 중심 가열 영역(32)에서 제공되고, 이의 하나 이상의 부분에서 가열 공기를 수득한다. 그러나, 이 양태에서, 공기 통로는 도 10에서와 같이 상당한 길이를 위해 SOFC StickTM 장치(10)의 측면으로 완전하게 개방하지는 않는다. 오히려, 도 10b에서 더 선명하게 나타나듯이, 공기 통로(20)는 가열 영역(32)의 부분에서 개방되고 이후에 길이의 잔여를 위해 측면을 클로징하고나서 SOFC StickTM 장치(10)의 제 2 말단(11b)에서 공기 출구(22)로 배출한다. 이 양태는 가열된 공기가 압력을 받은 공기 공급 튜브보다 가열 영역(32)에서 공급되도록 하고, 또한 연료와 공기가 냉각 영역(30)에서 장치(10)의 제 1 말단(11b)에서 배출되도록 한다.
특정 양태가 상세히 나타나고 설명되지만, 본 발명의 범위가 제한되어서는 안된다. 본 발명의 보다 일반적인 양태가 아래 설명되고, 도 11 내지 24에 도시된 개략도를 참고하여 보다 전체적으로 이해될 수 있다. 도 11은 도 12 내지 24에서 개략적으로 나타낸 구성 요소를 위한 핵심을 제공한다. 연료(F) 또는 공기(A)는 SOFC StickTM 장치로 진행되는 화살표를 나타내고, 투입 접근 포인트(input access point)로 연결된 튜브를 통한 것과 같은 강제된 유동(forced flow)을 가리킨다. 공기 투입이 나타나지 않는 곳은, 표시된 유동 연결과 SOFC StickTM 장치가 가열 영역 내에 접근 포인트에서 공기 통로로 개방되는 것이 아니라 수단에 의해 가열 영역에서 가열된 공기가 공급되는 것을 가리킨다.
본 발명의 하나의 양태는 하나 이상의 연료 통로와 결합된 애노드, 하나 이상의 산화제 경로와 결합된 캐소드, 및 이들 사이에 전해질을 포함하는 SOFC StickTM 장치이고, 전지는 너비 또는 두께보다 상당히 길어서, 하나의 우성 축 내에서 CTE를 가지고, 약 400℃ 이상의 온도를 가진 가열 영역에서 이의 부분을 가지고 작동한다. 이 양태에서, SOFC StickTM 장치는 우성 CTE 방향에 따르는 장치의 하나의 말단에서 공기와 연료 투입구 모두, 또는 우성 CTE 방향에 따른 하나의 말단에서 공기 투입구와 다른 말단에서 연료 투입구, 및 가열 영역 밖에 위치한 공기와 연료 입구를 위한 접근 포인트를 통합해 왔다. 그 예로, 도 20과 도 24를 참조하라.
본 발명의 다른 양태에서, 연료 전지는 제 1 온도 영역과 제 2 온도 영역을 가지고, 여기서 제 1 온도 영역은 가열 영역으로, 연료 전지 반응을 수행하기에 충분한 온도에서 작동하고, 제 2 온도 영역은 가열 영역의 외부로, 제 1 온도 영역보다 더 낮은 온도에서 작동한다. 제 2 온도 영역의 온도는 충분히 낮아서 적어도 연료 공급을 하는 저온 연결을 전극으로 작동하도록 한다. 연료 전지 구조물은 부분적으로 제 1 온도 영역으로 연장하고 제 2 온도 영역으로 부분적으로 연장한다. 그 예로, 도 12, 13 및 17을 참조하라.
본 발명의 한 양태에서, 연료 전지는 가열된 영역인 제 1 온도 영역을 포함하고, 제 2 온도 영역은 300℃ 이하의 온도에서 작동한다. 공기와 연료 연결은 고무 튜브 또는 비슷한 것을 사용하여 저온 연결처럼 제 2 온도 영역에서 만들어진다. 저온 납땜 연결 또는 스프링 클립은 애노드와 캐소드로 전기적 연결을 만드는데 사용되고 이들을 각각 음성과 양성 전압 노드로 연결한다. 추가로, 이산화탄소용 연료 출구와 고갈된 산소용 공기 출구는 제 1 온도 영역, 즉 가열 영역에서 위치된다. 그 예로, 도 17을 참조하라.
다른 양태에서, 연료 전지 구조물은 가열 영역인 중심 제 1 온도를 가지고, 연료 전지의 말단의 각각은 300℃ 이하에서 작동하는 제 2 온도 영역에서 제 1 온도 영역 외부에 위치한다. 연료 투입구와 공기 투입구는 애노드와 캐소드에 전기적 연결용 납땜 연결 또는 스프링 클립으로서 제 2 온도 영역에 위치한다. 마지막으로, 이산화탄소용 배출, 물과 고갈된 산소는 제 2 온도 영역에 위치한다. 그 예로, 도 19, 20 및 24를 참조하라.
본 발명의 다른 양태에서, 연료 투입구는 대향하는 제 2 온도 영역 사이에 중심에서 제공되는 가열 영역인 제 1 온도 영역과 함께 300℃ 이하에서 작동하는 제 2 온도 영역에서 우성 CTE 방향에 따른 각 말단에서 제공될 수 있다. 이산화탄소 배출, 물, 및 고갈된 산소는 제 2 온도 영역, 즉 가열 영역의 밖에서 위치될 수 있다. 그 예로, 도 16과 19를 참조하라.
다른 양태에서, 연료와 공기 투입 접근 포인트 모두는 가열 영역인, 300℃ 이하에서 작동하는 제 2 온도 영역에서 제 1 온도 영역 밖에 위치하고, 공기와 연료 공급용 고무 튜브와 같은 저온 연결의 사용을 가능하게 한다. 게다가, 납땜 연결 또는 스프링 클립은 애노드와 캐소드에 전압 노드를 연결하는 제 2 온도 영역에 사용된다. 한 양태에서, 연료와 공기 투입은 모두 우성 CTE 방향을 따르는 하나의 말단에 있으며, 가열 영역에서 이산화탄소 배출, 물과 고갈된 산소를 가진 제 1 가열 온도 영역인 SOFC StickTM 의 다른 말단을 가진다. 그 예로, 도 17을 참조하라. 따라서, SOFC StickTM 은 하나의 가열 말단과 하나의 비-가열 말단을 가진다.
다른 양태에서, 연료와 공기는 가열된 영역 밖으로 우성 CTE 방향을 따르는 하나의 말단으로 투입되고, 또한 가열 영역 밖의 다른 말단에서 배출하며, 가열 영역은 두 대향하는 제 2 온도 영역 사이에 있다. 그 예로, 도 20을 참조하라. 다른 대안으로, 연료와 공기를 중심 가열 영역인 연료와 공기 출구를 가지고 제 2 온도 영역에 위치한, 대향하는 말단 모두에 투입한다. 그 예로, 도 18을 참조하라.
여전히 다른 대안으로, 연료와 공기는 투입으로부터 대향하는 말단에서 제 2 온도 영역 내 각 출구를 가지고 제 2 온도 영역에 위치한 상반하는 말단 모두에 투입한다. 그 예로, 도 19를 참조하라. 따라서, 연료 전지는 제 2 말단에 인접하여 존재하는 각 반응 출구를 가지고 제 1 말단으로 투입된 연료와 및 공기 모두, 제 1 말단에 인접하게 존재하는 반응 출구와 제 2 말단 내로 투입되는 연료 및 공기 모두를 가진, 가열된 영역 밖으로, 중심 가열 영역과, 대향하는 말단을 가진다.
여전히 다른 양태에서, 연료 투입은 가열 영역 밖으로 하나의 말단에서 있을 수 있고, 공기 투입은 가열 영역 밖으로 반대 말단에서 있을 수 있다. 그 예로, 도 21 내지 도 24를 참조하라. 이 양태에서, 공기와 연료 모두로부터 반응물 배출이 가열 영역(도 21 참조) 내에서 이루어질 수 있거나 또는, 모두 각각의 투입(도 24 참조)으로부터 대향하는 말단에 인접하게 가열 영역 밖으로 배출될 수 있다. 대안적으로, 이산화탄소와 물의 배출이 가열 영역 내에서 이루어질 수 있는 반면, 고갈된 산소 배출이 가열 영역(도 22 참조) 밖으로, 또는 반대로, 고갈된 산소 배출이 가열 영역 내에서 이루어지거나, 이산화탄소와 물이 가열 영역(도 23 참조) 밖으로 배출된다. 도 22와 도 23에 나타난 연료와 공기 배출에 관한 변형은 또한 예를 들어, 도 18 내지 도 20에서 나타난 양태에서 적용될 수 있다.
도 25A와 27A의 상부 평면도이며, 도 27B에서 측면도를 나타내는 본 발명의 다른 양태에서, SOFC StickTM 장치(100)는 팬핸들 디자인(panhandle design)으로서 언급될 수 있는 것을 제공한다. SOFC StickTM 장치(100)는 신장 단면(102)을 가지고, 이는 이전 양태에서 나타난 SOFC StickTM 장치와 유사한 차원일 수 있고, 하나의 우성 축(즉, 너비 또는 두께보다 길이가 상당히 길다)에서 CTE를 가진다. SOFC StickTM 장치(100)는 추가로 넓은 표면적 영역 단면(104)을 가지고 길이와 매우 근접하게 매치하는 너비를 가진다. 단면(104)은 정사각형 표면적 또는 직사각형 표면적을 가질 수 있지만, 너비는 길이 이상이며, CTE는 단면(104)에서 단일 우성 축을 가지지 않고, 오히려 길이와 너비 방향으로 CTE 축을 가진다. 넓은 표면적 영역 단면(104)은 가열 영역(32)에 위치하고, 신장 단면(102)은 적어도 가열 영역(30)과 전이 영역(31)에 부분적으로 위치한다. 예시적 양태에서, 신장 단면(102)의 부분은 가열 영역(32)으로 연장하지만, 그러나 필수적인 것은 아니다. 한 예로서, 연료와 공기 공급은 도 6B에서 나타난 방식에서 전기적 연결뿐만 아니라 신장 단면(102)으로 연결될 수 있다.
도 25B와 도 26A에서, 상부 평면도가 제공되고, 도 26B 측면도에서, 도 25A, 도 27A 및 도 27B에서 나타난 것과 유사한 다른 양태를 제공하지만, 두 개의 신장 단면(102)과 신장 단면(106) 사이에 넓은 표면적 단면(104)을 위치하기 위해, 추가로 신장 단면(102)과 대향하여 제 2 신장 단면(106)을 가진다. 신장 단면(106)은 또한 적어도 냉각 영역(30)과 전이 영역(31)에서 부분적으로 위치한다. 이 양태에서, 연료는 신장 단면(102) 내로 투입될 수 있고, 공기는 신장 단면(106) 내로 투입될 수 있다. 예로서, 이후에 공기 공급과 연료 공급이 도 2 또는 도 3에서 나타난 방식에서 각각 신장 단면(106과 102)으로 연결될 수 있다. 도 25B에서 나타난 것처럼, 공기 출구는 연료 투입구와 인접한 신장 단면(102)에서 위치될 수 있고, 연료 출구는 공기 투입구와 인접한 신장 단면(106)에 위치될 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 공기와 연료 출구는 도 26A와 도 26B에서 상부와 측면도를 각각 나타내는 것처럼, 가열 영역(32)에서 넓은 표면적 단면(104)에 위치될 수 있다. 도 25A와 도 25B의 양태에서, 방해하는 전해질을 가지고 대향하는 애노드와 캐소드의 표면적이, SOFC StickTM 장치(100)에 의해 발생하는 전력을 증가시킴으로써 반응 영역을 증가시켜 가열 영역에서 증가할 수 있다.
본 발명의 SOFC StickTM 장치(10, 100)의 다른 장점은 작은 무게이다. 전형적인 연소 기관은 출력량의 킬로와트(kW)당 18 내지 30 파운드의 순서대로 중량을 측정한다. 본 발명의 SOFC StickTM 장치(10, 100)는 출력량의 킬로와트당 0.5 파운드의 순서로 중량을 가지고 이루어질 수 있다.
도 28A 내지 도 28D는 나선 또는 롤링된, 관형 배열을 가진 본 발명의 관형 SOFC StickTM 장치(200)의 대안적 양태를 나타낸다. 도 28A는 롤링되지 않은 위치에서, 장치(200)의 상부 개략도이다. 장치(200)의 롤링되지 않은 구조는 롤링된 관형 SOFC StickTM 장치 또는 나선 관형 SOFC StickTM 장치(200)의 길이에 상응하게 될 동일한 길이(L)의 제 1 말단(202)과 제 2 말단(204)을 가진다. 연료 투입구(12)와 공기 투입구(18)는 제 1 말단(202)과 인접한 반대 면에서 보여진다. 이후에, 추가로 도 28B에서 장치(200)의 롤링되지 않은 구조의 말단 개략도와 도 28C에서 장치(200)의 롤링되지 않은 구조의 측 개략도에서 보여지는 것처럼, 연료 통로(14)와 공기 통로(20)를 장치(200)의 롤링되지 않은 구조물의 너비를 따라 제 2 말단(204)으로 연장하고, 연료 출구(16)와 공기 출구(22)는 제 2 말단(204)에 있다. 연료 통로(14)와 공기 통로(20)는 장치(200)의 롤링되지 않은 구조의 길이(L)에 가깝게 연장하여 연료와 공기의 유동이 최대가 되도록 보여지지만, 본 발명이 제한되지는 않는다. 나선 관형 SOFC StickTM 장치(200)를 형성하기 위해, 이후에 제 1 말단(202)이 제 2 말단(204)으로 롤링되고 도 28D의 개략적인 사시도에서 나타난 장치(200)의 관형 튜브 구조물을 형성한다. 공기 공급(36)은 이후에 공기 투입구(18) 안으로 투입하기 위한 나선 관형 SOFC StickTM 장치(200)의 하나의 말단에 위치할 수 있고, 연료 공급(34)은 연료 투입구(12) 안으로 투입하기 위한 나선 관형 SOFC StickTM 장치(200)의 다른 말단에서 위치될 수 있다. 이후에, 공기와 연료는 연료 출구(16)와 공기 출구(22)를 통해 장치(200)의 길이(L)를 따라 나선 관형 SOFC StickTM 장치(200)에서 배출될 것이다. 전압 노드(38, 40)를 나선 관형 SOFC StickTM 장치(200)의 대향하는 말단에 인접하거나 또는 말단 위에 형성된 접촉 패드(44)에 납땜할 수 있다.
도 29A 내지 29G는 SOFC StickTM 장치가 관형 동심 형태인 본 발명의 대안적 양태를 나타낸다. 도 29A는 동심 관형 SOFC StickTM 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 투입 말단에서 말단도를 나타내고, 도 29G는 장치(300)의 연료 투입 말단에서 말단도를 나타낸다. 나타낸 특정 양태는 세 개의 공기 통로(20)를 포함하고, 하나는 관형 구조물의 중심에 있고 다른 두 개는 이격되어 동심을 가진다. 동심 관형 SOFC StickTM 장치(300)는 또한 두 개의 연료 통로(14)를 가지고 이들 사이에 공기 통로(20)와 함께 동심을 가진다. 도 29A 내지 도 29D에서 나타난 것처럼, 동심 관형 SOFC StickTM 장치(300)는 하나의 말단에 연료 통로(14)를 연결하는 연료 출구(16)를 포함하고, 다른 말단에서 대향하는 각각의 투입구를 공기 통로(20)와 연결하는 공기 출구를 포함한다. 각 공기 통로(20)는 캐소드(26)와 연결되고, 각 연료 통로(14)는 애노드(24)와 연결되며, 마주보는 애노드와 캐소드를 분리하는 전해질(28)을 가진다. 도 29A 내지 29B와 도 29F 내지 29G에서 나타난 것처럼, 전기적 연결은 동심 관형 SOFC StickTM 장치(300)의 대향하는 말단에서 노출된 애노드(25)와 노출된 캐소드(27)로 만들어 질 것이다. 접촉 패드(44)는 노출된 애노드(25)와 노출된 캐소드(27)와 연결하는 말단에 적용될 수 있고, 보여지지는 않지만, 접촉 패드(44)가 말단보다는 오히려 포인트에서 장치(300)의 길이를 따라 만들어질 전기적 연결을 허용하여 장치(300)의 외부를 따라 작동할 수 있다. 동심 관형 SOFC StickTM 장치(300)는 구조적 지지를 위해 공기 통로(14)와 연료 통로(20) 내에 위치한 기둥(54)을 포함할 수 있다.
본 발명의 양태에서, 하나의 말단에 공기 투입구와 연료 출구와, 대향하는 말단에 연료 투입구와 공기 출구와 함께, 대향하는 말단(11a와 11b)에서 두 개의 냉각 영역(30)을 가지고, 소모된 연료 또는 공기가 중심 가열 영역(32)으로 배출하는 것처럼 가열된 상태에 있다. 가열된 공기와 연료는 전이 영역(31)을 통해 냉각 영역(30)으로 이동하면서 냉각된다. 전극 및/또는 세라믹/전해질의 얇은 층은 평형 연료 통로로부터 공기 통로를 분리하고, 반대로 공기 통로로부터 연료 통로를 분리한다. 하나의 통로에서, 가열된 공기는 가열 영역으로 방출하고, 인접한 병렬 통로에서, 연료는 가열 영역으로 들어가고, 이와 반대로도 반응이 일어난다. 가열된 공기는, 열 교환 원리를 통해, 인접한 평행 통로에서 들어오는 연료를 가열시킬 것이고, 이와 반대로도 반응이 일어날 것이다. 따라서, 열 교환을 통한 약간의 공기와 연료의 예열이 존재한다. 그러나, 가열 영역 외부로 열의 빠른 손실때문에, 위에서 토의한대로, 열 교환은 가열 영역에서 활성 영역으로 들어가기 전에 최적 반응 온도로 공기와 연료를 예열시키기에 충분하지 않을 것이다. 게다가, 관형 SOFC StickTM 장치(10)는 하나의 냉각 말단과 하나의 가열 말단을 포함하는 양태에서, 연료와 공기가 동일한 냉각 말단으로 투입되고, 동일한 대향하는 가열 말단을 통해 방출되어, 발생되는 열-교환용 연료와 공기의 교차-유동이 존재하지 않는다. 투입되는 연료와 공기로 제한되는 열 교환은 전극과 SOFC StickTM 장치의 세라믹 물질로부터 이용가능하다.
도 30A 내지 33C는 SOFC StickTM 장치(10)의 다양한 양태를 나타내며, 애노드(24)와 캐소드(26)가 대향하는 관계에 있는 활성 영역(33b)으로 들어가기 전에, 연료와 공기를 가열하는 통합된 예열 영역(33a)을 가진다. 이 양태들은 SOFC StickTM 장치(10)를 포함하고, 내부에 대향하는 냉각 말단에서 중간 가열 영역과 공기 투입구를 가지는 두 개의 냉각 말단이 있으며, 단일 냉각 말단에 연료와 공기 투입구 둘 다를 가지는 하나의 가열 말단과 하나의 냉각 말단이 있는 SOFC StickTM 장치이다. 이들 양태에서, 사용된 전극 물질의 양은 전압 노드(38, 40)에 외부 연결을 위해 냉각 영역으로 도달하는 단지 작은 양을 가진 활성 영역(33b)으로 제한될 수 있다. 추후 더 자세히 기술되는, 이 양태에서의 다른 장점은, 전극은 외부 전압 연결로 이동하는 최단 가능 경로를 가지고, 낮은 저항을 제공한다는 점이다.
도 30A는 SOFC StickTM 장치의 제 1 양태의 개략적인 횡측단면도를 나타내고, 통합된 예열 영역(33a)과 함께 하나의 냉각 영역(30)과 하나의 대향하는 가열 영역(32)을 가진다. 도 30B는 공기 통로를 향해 내려다보는 애노드(24)를 통해 나타낸 횡단면도이고, 도 30C를 연료 통로를 향해 올려다 보는 캐소드를 통해 나타낸 횡단면도이다. 도 30A와 도 30B에서 나타나듯, 연료 공급(34)으로부터 연료는 연료 투입구(12)를 통해 들어가고, 연료 통로(14)를 통해 장치(10)의 길이를 따라 연장하고 연료 출구(16)를 통해 장치(10)의 대향하는 말단으로부터 배출된다. 냉각 영역(30)은 SOFC StickTM 장치(10)의 제 1 말단(11a)에 있고, 가열 영역(32)은 대향하는 제 2 말단(11b)에 있다. 가열과 냉각 영역 사이에는 전이 영역(31)이 있다. 가열 영역(32)은 연료가 처음 이동하는 곳을 지나 초기 예열 영역(33a)을 포함하고, 공기 통로(14)에 인접한 애노드(24)를 포함하는 활성 영역(33b)을 포함한다. 도 30B에서 나타나듯, 애노드(24)의 횡단면 영역은 활성 영역(33b)에서 넓게 차지한다. 애노드(24)는 SOFC StickTM 장치(10)의 한 에지로 연장하고, 외부 접촉 패드(44)는 음성 전압 노드(38)로 연결하기 위해, 장치(10)의 외측을 따라 냉각 영역(30)으로 연장한다.
유사하게, 도 30A와 30C에서 나타난 것처럼, 공기 공급(36)으로부터 공기는 냉각 영역(30)에 위치한 공기 투입구(18)를 통해 들어가고, 공기는 공기 통로(20)를 통해 SOFC StickTM 장치(10)의 길이를 따라 연장하고 공기 출구(22)를 통해 가열 영역(32)으로부터 배출한다. 공기와 연료가 동일한 말단에서 들어가고, 동일한 방향에서 SOFC StickTM 장치(10)의 길이를 따라 이동하기 때문에, 가열 영역(32) 이전에 열 교환에 의해 공기와 연료의 예열이 제한된다. 캐소드(26)는 애노드(24)와 대향하는 관계에 있는 활성 영역(33b)에서 위치되고, SOFC StickTM 장치(10; 노출되어 있고, 외부 접촉 패드(44)에 연결되어 있고, 이 패드는 양성 전압 노드(40)로 연결하기위한 활성 가열 영역(33b)으로부터 냉각 영역(30)으로 연장함)의 대향하는 측면으로 연장한다. 그러나, 노출된 캐소드(27)가 노출된 애노드(25)로서 장치(10)의 대향하는 측면에 있는 것은 불필요하다. 노출된 애노드(25)와 노출된 캐소드(27)는 장치의 동일한 측면에 있을 수 있고 접촉 패드(44)는 SOFC StickTM 장치(10)의 측면에 스트라이프 다운(stripe down)으로서 형성될 수 있다. 이 구조에 의해, 공기와 연료는 아무 반응이 일어나지 않는 예열 영역(33a)에서 처음 가열되고, 대다수의 애노드와 캐소드 물질은 활성 영역(33b; 가열된 공기와 연료가 들어가고 대향하는 애노드 층(24)과 캐소드 층(26)에 의해 반응하는 영역)에 제한된다.
도 31A 내지 도 31C에서 나타난 양태는 도 30A 내지 도 30C에서 나타난 것과 유사하지만, 하나의 가열 말단과 하나의 냉각 영역을 가지는 면을 제외하고, 도 31A 내지 도 31C의 양태는 중심 가열 영역(32)을 가지고 대향하는 냉각 영역(30)을 포함한다. 연료 공급(34)으로부터 연료는 냉각 영역(30) 내 연료 투입구(12)를 지나 장치(10)의 제 1 말단(11a)을 통해 들어가고, 대향하는 냉각 영역(30)에 위치한 연료 출구(16)를 통해 대향하는 제 2 말단(11b)으로 배출된다. 유사하게, 공기 공급(36)으로부터 공기는 공기 투입구(18)를 지나 대향하는 냉각 영역(30)을 통해 들어가고 공기 출구(22)를 통해 제 1 냉각 영역(30)에서 배출한다. 연료는 가열 영역(32)으로 들어가고, 예열 영역(33a)에서 예열되지만, 공기는 가열 영역(32)의 대향하는 측면에서 들어가고 다른 예열 영역(33a)에서 예열된다. 따라서, 연료와 공기는 교차-유동이 된다. 애노드(24)는 가열 영역(32)의 활성 영역(33b) 내 캐소드(26)와 대향하고, 반응은 예열된 연료와 공기를 포함하는 활성 영역(33b) 내에서 일어난다. 다시, 대다수의 전극 물질은 활성 영역(33b)에 제한된다. 애노드는 SOFC StickTM 장치(10)의 한 모서리에 노출되고, 캐소드는 장치(10)의 다른 측면에서 노출된다. 외부 접촉 패드(44)는 가열 영역(32)에서 노출된 애노드(25)와 접촉하고, 음성 전압 노드(38)로 연결하기 위해 제 1 냉각 말단(11a)을 향해 연장한다. 유사하게, 외부 접촉 패드(44)는 가열 영역(32) 내 노출된 캐소드(27)와 접촉하고 양성 전압 노드(40)로 연결하기 위해 제 2 냉각 말단(11b)을 향해 연장한다.
예열 영역(33a)은 가스가 활성 영역으로 도달하기 이전에 최적 반응 온도로 가스를 충분히 가열하는 장점을 제공한다. 연료가 최적 온도보다 더 낮은 경우, SOFC StickTM 장치의 효율은 더 낮아질 것이다. 공기와 연료가 경로로 진행되면서, 따뜻해진다. 따뜻해짐에 따라, 전해질의 효율성은 이 영역에서 증가한다. 연료, 공기 및 전해질이 용광로의 최고 온도에 도달하고 나면, 전해질은 최적 효율 하에 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 차원의 관점에서, 용광로로부터 SOFC StickTM 장치로, SOFC StickTM 장치로부터 연료와 공기로, 이동하는 열의 양에 의존한다. 차원들은 추가로 연료와 공기의 유동률에 의존하며, 연료 또는 공기가 SOFC StickTM 장치의 길이에 빠르게 움직이는 경우, 더 긴 예열 영역이 유리할 것이며, 반면 유동률이 느린 경우, 예열 영역이 더 짧아질 것이다.
도 32A와 도 32B가 도 31A 내지 도 31C에서 나타난 것과 유사한 양태를 나타내지만, 여기서 SOFC StickTM 장치(10)는 연료 투입구(12)와 연료 통로(14) 사이에 예열 체임버(13)를 포함하며, 예열 영역(33a) 연료의 넓은 부피에서 예열을 위한 가열 영역(32)으로 연장하고, 활성 영역(33b) 내로 더 좁은 연료 통로(14)를 통해 이동한다. SOFC StickTM 장치(10)는 이와 유사하게 공기 투입구(18)와 공기 통로(20) 사이에 예열 체임버(19)를 포함하며, 예열 영역(33a) 내에 공기의 많은 부피를 예열하기 위한 가열 영역(32)으로 연장하고, 활성 영역(33b)으로 더 좁은 공기 통로(20)를 통해 이동한다. 상기 토의한 양태에서처럼, SOFC StickTM 장치(10)는 다수의 연료 통로(14)와 공기 통로(20)를 포함할 수 있고, 각각은 각각의 예열 체임버(13, 19)로부터 유동을 접수할 것이다.
예열 채널 대신의 고-부피 예열 체임버와 관련하여, 예를 들자면, 공기의 분자가 최적 온도까지 가열하는데 5초가 걸리는 경우, 이후에 공기 분자가 1초당 1 인치로 SOFC StickTM 장치(10)를 이동하는 경우, SOFC StickTM 장치는 공기가 활성 영역(33b)으로 들어가기 전에 길이에서 5인치의 예열 채널이 필요한 것으로 생각할 수 있다. 그러나, 큰 부피 체임버가 채널 대신 제공되는 경우, 부피로 인해 분자가 캐비티(cavity)에서 추가적 시간을 소모하고, 활성 영역으로 더 좁은 채널로 들어가며, 공기 분자는 체임버에서 가열되고, 이후에 채널의 작은 길이는 활성 영역으로 가열된 공기 분자를 공급하는데 사용될 수 있다. 이러한 캐비티 또는 예열 체임버는 다수의 다른 방식으로 제조될 수 있고, 그린(즉, 소결 이전) 조립하고 체임버를 형성하는 조립의 말단으로 구멍을 뚫는 것을 포함하거나, 또는 형성된 그린 층 내에서 유기 물질의 큰 무게를 삽입함으로써 이로 인해 유기 물질을 소결하는 동안 SOFC StickTM 장치의 외부로 베이크한다.
도 33A 내지 도 33C는 공기와 연료가 활성 영역(33b)에 도달하기 이전에 공기와 연료를 예열하는 다른 양태를 나타낸다. 도 33A는 개략적인 횡단면도로서, 본질적으로 SOFC StickTM 장치(10)의 종방향 중심을 통한다. 도 33B는 연료 통로(14)와 애노드(24)가 교차하는 지점인 라인 33B-33B를 가지는 상부 횡단면도이고, 도 33C는 공기 통로(20)가 캐소드(26)와 교차하는 라인 33C-33C을 따르는 저면 횡단면도이다. SOFC StickTM 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)을 가진다. 연료 공급(34)으로부터의 연료는 연료 투입구(12)를 통해 SOFC StickTM 장치(10)의 제 1 말단(11a)으로 들어가고 연료 통로(14)를 통해 이동하며, 가열 영역(32)의 대향하는 말단을 향해 연장하는데, 이는 유-턴(U-turn)을 만들고 제 1 말단(11a)의 냉각 영역(30)으로 되돌아 이동하며, 소모된 연료를 연료 출구(16)를 통해 배출한다. 유사하게, 공기 공급(36)으로부터의 공기는 공기 투입구(18)를 통해 SOFC StickTM 장치(10)의 제 2 말단(11b)으로 들어가고, 공기 통로(20)를 통해 이동하며, 가열 영역(32)의 대향하는 말단을 향해 연장하고, 유-턴을 만들며, 제 2 말단(11b)으로 되돌아 이동하고 난 공기는 공기 출구(22)를 통해 냉각 영역(30)으로부터 배출한다. 이러한 유-턴된 통로에 의해, 연료 통로(14)와 공기 통로(20)의 부분은 시작 입구로부터 가열 영역(32) 내로 벤드(bend; U-turn)를 통해 연료와 공기를 가열시키기 위한 예열 영역을 구성한다. 통로(14, 20)에서 벤드 또는 유-턴 이후에, 통로는 각각의 대향하는 관계인 애노드(24) 또는 캐소드(26)와 연결되고, 이들 사이에 전해질(28)을 가지며, 이들 영역이 가열 영역(32) 내 활성 영역(33b)을 구성한다. 따라서, 연료와 공기는 활성 영역(33b)으로 들어가기 이전에 예열 영역(33a) 내에서 가열되어 SOFC StickTM 장치(10)의 효율성을 증가하고, 전극 물질의 사용을 최소화한다. 애노드(24)는 음성 전압 노드(38)로 연결하기 위한 냉각 영역(30)에서 장치(10)의 외부로 연장된다. 유사하게, 캐소드(26)는 양성 전압 노드(40)로 전기적 연결을 위한 장치(10)의 외부로 연장된다. 연료와 공기 출구(16과 22)는 또한 냉각 영역(30)으로부터 배출할 수 있다.
위에서 나타나고 설명된 많은 양태에서, 애노드(24)와 캐소드(26)는 본질적으로 각 층, 즉, 장치 내부의 중심 영역에서 장치의 말단에 도달할 때까지, SOFC StickTM 장치(10)의 층 안으로 이동한다. 이 지점에서, 애노드(24)와 캐소드(26)는 SOFC StickTM 장치(10)의 외부에서 지정되고(tab), 노출된 애노드(25)와 노출된 캐소드(27)는 은 페이스트(silver paste)를 적용시키는 것과 같이, 접촉 패드와 금속화되고, 이후에 와이어는 접촉 패드와 소결된다. 그 예로, 도 4A 내지 도 4B를 참조하라. 그러나, 더 높은 전압 결합으로 SOFC StickTM 장치(10)에서 층을 쌓는 것이 바람직할 수 있고, 그 예가 도 8A 내지 도 9B에서 나타난다. 1 킬로 와트의 전력을 생산하는 SOFC StickTM 장치(10)를 만드는 것이 바람직한 경우, 전력은 전압과 전류 사이에서 분리된다. 한가지 기준은 12 볼트를 사용하여, 83 암페어가 총 1 킬로 와트의 전력을 생산하는데 필요할 것이다. 도 8B와 9B에서, 비아는 병렬 또는 직렬 결합을 형성하는 전극 층을 상호 연결하는데 사용되어졌다.
전극 층들을 상호 연결하는 대안적 양태는 도 34A 내지 도 37에서 나타난다. 이러한 대안적 양태는 SOFC StickTM 장치(10)의 내부에서 전극 층을 상호 연결하는 것보다는, 외부 스트라이프(exterior stripes; 좁은 접촉 패드)를 사용하는데, 은 페이스트의 예를 들자면, SOFC StickTM 장치(10)의 측면을 따라, 특히 다수의 작은 스트라이프를 따라 사용한다. 스트라이프 기술을 사용하여, 필요한 전류/전압 비율을 성취하기 위해 직렬 및/또는 병렬 결합을 제공할 수 있도록 형성된다. 게다가, 외부 스트라이프는 내부 비아와 비교하여 느슨한 기계적 저항성을 가질 것이다. 또한, 외부 스트라이프는 비아보다 낮은 저항(또는 동일한 직렬 저항)을 가지기 쉬울 것이다. 전도체 경로에서 낮은 저항은 경로를 따라 낮은 전력 손실을 가져올 것이고, 외부 스트라이프는 전력의 낮은 손실을 가지는 SOFC StickTM 장치(10)로부터 전력을 제거하는 능력을 제공한다.
이제 도 34A와 도 34B를 구체적으로 참고하면, 외부 애노드/캐소드를 직렬로 상호 연결하는 것이 나타난다. 도 34A는 애노드 (24a), (24b), (24c)와 캐소드 (26a), (26b), (26c)를 교류하는 개략적인 경사진 정면도를 제공한다. SOFC StickTM 장치(10)의 길이를 따라, 애노드 (24a), (24b), (24c)와 캐소드 (26a), (26b), (26c)는 노출된 애노드(25)와 노출된 캐소드(27)를 제공하는 장치(10)의 에지 외부로 탭을 포함한다. 외부 접촉 패드(44 또는 스트라이프)는 도 34B의 개략적인 측면에서 나타난 것처럼, 이후에 노출된 애노드(25)와 캐소드(27) 위에 SOFC StickTM 장치의 외부에서 제공된다. 3쌍의 대향하는 애노드(24a, 24b, 24c) 및 캐소드(26a, 26b, 26c)를 직렬로 연결함으로서, SOFC StickTM 장치(10)는 3 볼트와 1 암페어를 제공한다. 도 35에서, 이 구조는 두 배가 되고, 두 구조물은 장치(10)의 긴 스트라이프 다운 측면에 의해 연결되고, 이로써 3 볼트와 2 암페어를 제공하는 직렬 병렬 구조로 상호연결한 외부 애노드/캐소드를 제공한다.
도 36A와 도 36B는 낮은 전력 손실을 제공하는 저 당량 직렬 저항 경로를 위해 양태를 제공한다. 이 양태에서, 가열 영역(32)은 냉각 영역(30) 내 제 1 말단(11a)과 제 2 말단(11b)을 가지는 SOFC StickTM 장치(10)의 중심에 있다. 연료는 제 1 말단(11a)에서 연료 투입구(12)를 통해 들어가고 공기는 제 2 말단(11b)에서 공기 투입구(18)를 통해 들어간다. SOFC StickTM 장치(10)의 활성 영역인 가열 영역(32) 내에, 애노드(24)와 캐소드(26)가 장치의 측면에 노출되고, 한 측면에 노출된 애노드(24)와, 대향하는 측면에 노출된 캐소드(26)를 가진다. 접촉 패드(44 또는 스트라이프)는 노출된 애노드(25)와 캐소드(27)에 적용된다. 이후에, SOFC StickTM 장치(10)의 에지는 금속화가 냉각 영역(30), 저온 납땜 연결이 음성 전압 노드(38)와 양성 전압 노드(40)에 된 지역에 도달할 때까지, 장치(10)의 측면의 길이를 따라 금속화한다. 애노드(24)와 캐소드(26)는 이들이 다른 기능을 가지기 때문에 단지 낮은 저항을 최적화할 수 없다. 예를 들어, 전극은 공기 또는 연료가 전해질을 통해 지나가도록 다공성이어야 하고, 다공성은 저항을 증가시킨다. 추가로, 전극은 다층 SOFC StickTM 장치(10)에서 좋은 층 밀도를 허용하도록 얇아야한다. SOFC StickTM 장치의 에지(측면)에 두꺼운 접촉 패드(44)를 첨가함으로서, 납땜 연결(46)을 향해 낮은 저항 경로를 제공하는 것이 가능하다. 접촉 패드(44)가 두꺼울수록, 저항은 낮아진다. 예를 들어, 전자가 SOFC StickTM 장치(10) 내 전극 아래로 10인치를 이동해야만 하는 경우, 전극 층 내 모든 공백(void)을 지나가고, 예를 들어, 최소 저항의 경로가 장치(10)의 측 에지로 0.5인치를 이동하고, 이후에 외부 비-다공성 접촉 패드(44) 아래로 10인치 이동한다. 따라서, SOFC StickTM 장치의 외부를 따라 긴 접촉 패드(44)를 냉각 영역(30)으로 연장하여, 전력이 낮은 손실을 가진 SOFC StickTM 장치(10)로부터 제거되도록 하여 낮은 저항 전도 경로를 제공한다. 따라서, 스트라이프 기술은 전력을 증가하는 직렬 및 병렬 연결을 만들기 위한 SOFC StickTM 장치(10)의 활성 영역(가열 영역; 32)내에 사용될 수 있고, 냉각 말단으로 장치의 긴 스트라이프 다운 측면은 전력을 SOFC StickTM 장치(10)로부터 효율적으로 제거되도록 허용한다.
도 37은 도 36B에서 나타난 것과 유사한 양태를 나타내는 동일 크기의 개략도이고, SOFC StickTM 장치(10)의 제 1 말단(11a)에서 단일 냉각 영역(30)을 가지고, 장치(10)의 제 2 말단(11b)에서 가열 영역(32)을 가진다. 다수의 수직 스트라이프 또는 접촉 패드(44)는 직렬 및/또는 병렬 연결을 만드는 가열 영역(32) 내에 제공되고, 장치(10)의 측면을 수평 긴 스트라이프(44)는 가열 영역(32)으로부터 냉각 영역(30)으로 양성 전압 노드(40)와 음성 전압 노드(38)에 저온 납땜 연결(46)을 하여 제공된다.
연료 통로(14)와 공기 통로(20)를 형성하는 하나의 방법은 그린, 층을 이룬 구조물(green, layered structure) 내에 유기 물질을 위치시키고, 이후에 늦은 소결 단계 동안에 베이크 아웃(bake-out) 할 수 있다. 1 킬로와트 또는 10 킬로와트 출력과 같은 고 전력 출력을 가진 개별 SOFC StickTM 을 생산하기 위해서, SOFC StickTM 장치는 길고, 넓어야만 하며 높은 층 수(high layer count)를 가진다. 그 예로, SOFC StickTM 장치는 12인치에서 18인치 길이의 순서에 있을 수 있다. 세라믹을 소결하고 유기 물질을 제거하기 위해 그린 구조물을 베이크하는 경우, 연료 통로(14)를 형성하는데 사용된 유기 물질은 각각 연료 투입구와 연료 출구를 형성하는 투입구(12)와 투입구(16)를 통해 배출해야 한다. 유사하게, 공기 통로(20)를 형성하는데 사용된 유기 물질은 각각 공기 투입구와 공기 출구를 형성하는 입구(18)와 입구(22)를 통해 베이크되어야 한다. 장치가 베이크-아웃 동안에 너무 빨리 가열되는 경우, 다양한 층은 얇은 층으로 갈라지는데, 유기 물질의 분해가 물질이 구조물을 배출할 수 있는 것보다 빠르게 발생하기 때문이다.
도 38A와 38B는 유기 물질(72)의 베이크-아웃을 위한 다양한 배출 갭을 제공하는 다른 양태를 나타내는 개략적인 측 횡단면도이다. 도 38A에서 보여지듯, 다양한 개구(70)는 SOFC StickTM 장치(10)의 한 측면에 제공되고 구조물에서 배출되는 유기 물질(72)을 위한 다양한 베디크-아웃 경로를 제공한다. 도 38B에서 나타나듯, 베이크-아웃 후에, 다양한 개구(70)는 SOFC StickTM 장치(10)의 측면으로 차단 피복(60)을 적용시킴으로서 닫힌다. 한 예로, 차단 피복은 유리 피복(glass coating)일 수 있다. 다른 예에서, 차단 피복은 세라믹 충전재(filler)를 포함하는 유리일 수 있다. 다른 양태에서, 차단 피복(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 부착력을 위해 유리를 포함할 수 있다. 예시적 양태에서, 캐소드용 베이크-아웃 경로는 SOFC StickTM 장치(10)의 한 면으로 벤트(vent)되고, 애노드용 베이크-아웃 경로는 장치(10)의 대향하는 면으로 벤트되어 대향하는 전극 사이가 좁아지는 것을 막는다.
SOFC StickTM 장치(10, 100, 200, 300)의 대안적 양태에서, 캐소드(26) 또는 애노드(24)와 각각 연결된 입구 연료 통로(14)와 공기 통로(20)를 가지는 것이 아니라, 공기 또는 연료의 유동을 허용하는 다공성 전극 물질의 사용을 통해 캐소드와 공기 채널은 결합될 수 있고, 애노드와 연료 채널은 결합될 수 있다. 결국 캐소드와 애노드는 반응을 발생시키도록 다공성이어야 하고, 따라서 영향을 받은 공기 및 연료 투입구와 함께 SOFC StickTM 를 통해 발생할 전력 발생 반응을 허용하도록 충분한 유동이 성취될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 개략적인 횡단면 말단도인 도 39에서 나타난다. 이 양태는 본질적으로 SOFC StickTM 장치(10)의 애노드-지지된 버젼(version)이다. 다른 양태처럼, SOFC StickTM 장치(10)는 가열 말단과 냉각 말단 또는 중간 가열 영역을 가진 두 개의 냉각 말단을 가질 수 있다. 세라믹(29)에 의해 제공된 장치(10)를 가지는 것이 아니라, 애노드-지지된 버젼은 제공하는 구조물로서 애노드 물질을 사용한다. 애노드 구조물 내에, 연료 통로(14)와 공기 통로(20)는 대향하는 관계로 제공된다. 공기 채널(20)은 전해질 층(28)과 연결되고, 이후에 캐소드 층(26)과 연결된다. 화학적 증기 침전물은 내층을 침전시키거나, 또는 점성이 있는 페이스트의 용액을 사용함으로서 사용될 수 있다.
도 40A와 도 40B에서, 추가적 양태는 SOFC StickTM 장치(10)의 애노드-지지된 버젼을 보여준다. 이 양태에서, 각각의 개방 연료 통로(14)는 제거되고, 다공성 애노드(24)는 또한 연료 통로(14)로서 역할을 한다. 게다가, SOFC StickTM 장치(10)는 차단 피복(60), 유리 피복 또는 세라믹 피복으로 피복되어, 장치(10)의 측면으로 배출되는 연료를 막는다. SOFC StickTM 장치(10)는 바람직하게 애노드 구조물 내 결합된 전해질과 캐소드를 가진 많은 공기 통로를 가질 수 있다. 도 40B에서 나타난 것처럼, 연료 공급(34)으로부터 연료는 다공성 애노드(24)를 통해 제 1 말단(11a) 내로 영향을 받아, 연료 통로(14)로서 역할을 수행하고, 전해질 층(28)과 캐소드(26)를 통해 이동하며 공기 공급(36)으로부터 공기와 반응하여, 이후에 소모된 공기와 연료는 공기 출구(22) 외부로 배출할 수 있다.
도 41A에서 개략적인 횡단면 말단도와 도 41B에서 개략적인 횡단면 상부도에서 나타난 다른 양태에서, SOFC StickTM 장치(10)는 애노드-지지된 구조물 내에 제공된 다수의 공기 통로(20)를 포함할 수 있고, 다수의 공기 통로와 수직인 단일 연료 통로(14)를 포함하여 연료 공급(34)에서부터 단일 연료 투입구(12)를 관통하여 다수의 공기 통로(20)로 연료를 주입한다. 다시 말해, 공기 통로(20)는 전해질 층(28)과 처음 연결되고 이후에 캐소드(26)와 연결된다. 연료는 연료 통로(14)로부터 애노드 구조물(24), 전해질(28)을 지나고, 캐소드(26)를 지나고 공기 통로(20) 내 공기와 반응하며, 소모된 연료와 공기는 공기 출구(22)로 배출한다. 소모된 연료는 또한 차단 피복(60)을 포함하지 않는 SOFC StickTM 장치(10)의 측면으로 스며나올 수 있고, 피복되지 않은 측면은 단일 연료 통로(14)의 배향(orientation)으로부터 장치의 대향하는 면에 위치될 수 있다.
애노드-지지된 구조물에 부속한 양태에서, 구조물은 캐소드-지지된 구조물이 되기 위해 본질적으로 상반될 수 있다. 전해질 층과 애노드 층으로 피복된 연료 통로는 이후에 캐소드 구조물 내에 제공될 수 있다. 각각의 공기 채널 또는 다수의 공기 채널은 또한 제공될 수 있거나, 또는 캐소드의 다공성이 공기 유동을 위해 사용될 수 있다.
도 42A 내지 도 42C는 공기와 연료 통로 내에 전극을 형성하는 방법을 나타낸다. 한 예로서 연료 통로(14)와 애노드(24)를 가지는 것은, 본 발명에서 그린 세라믹 층과 금속 테잎 층을 사용하거나, 또는 금속을 프린트하여 층에 의한 그린 구조물 층을 형성하는 것이 아니라, SOFC StickTM 장치(10)는 처음으로 전극없이 형성된다. 다시 말하면, 그린 세라믹 물질은 SOFC StickTM 의 전해질과 세라믹 지지 부분을 형성하는데 사용되고, 유기 물질은 연료 통로(14)와 같은, 통로를 형성하는데 사용된다. SOFC StickTM 장치는 소결된 후, 연료 통로(14)는 애노드 페이스트와 용액으로 충전된다. 페이스트는 프린팅 잉크처럼 두꺼울 수 있거나, 또는 고-용량 수용액과 같이 흐를 수 있다. 진공을 통해 빨아들이고, 모세혈관 압력에 의하거나, 또는 공기 압력을 통해 압박하는 것과 같은 특정 바람직한 수단에 의해 애노드 물질로 연료 통로(14) 내부를 채울 수 있다.
대안적으로, 도 42A 내지 도 42C에서 보여진 것처럼, 애노드 물질은 용액에서 용해되고, 연료 통로(14) 내부로 유동 되고나서 침전된다. 예를 들어, pH의 변화를 통해, 애노드 입자는 침전될 수 있고, 용액은 제거될 수 있다. 다른 대안에서, 애노드 입자는 간단하게 침전될 수 있고, 상기 액체는 건조되거나 또는 연료 통로(14) 외부로 베이크될 수 있다. 이 침전은 예를 들어, 저 점도 때문에 특정 연장된 기간의 시간을 위해 현탁액에서 입자가 유지되지 않을 잉크 또는 액체 담체를 생성함으로서 성취될 수 있다. 원심분리는 또한 침전에 영향을 주는데 사용될 수 있다. 원심 분리는 연료 통로(14)의 한 표면 위로 대부분의 입자의 우선 침전을 쉽게 허용하여 전극 물질을 보호하고 전해질로서 활동하는 연료 통로(14)의 한 표면만을 확실히 한다.
도 42A에서 나타나는 것처럼, 애노드 입자-함유 용액(66)은 통로(14)가 완전히 충전될 때까지, 연료 통로(14) 내부로 당겨지고 도 42B에서 보여진다. 이후에 입자는 도 42C에서 보여지듯 통로(14)의 아래로 침전되어 애노드 층(24)을 형성한다. 대량의 용액(66)은 저상 모세관력과 비교하여, 중력, 진공 또는 원심 분리로 가속화될 수 있다. 물론, 애노드(24)와 연료 통로(14)가 한 예로 사용되었지만, 특정 대안적 양태는 또한 캐소드 페이스트 또는 용액을 가지고 사용되어 공기 통로(20) 내 캐소드 층(26)을 형성할 수 있다.
다른 대안에서, 세라믹 전극 물질(애노드 또는 캐소드)은 액체 졸-겔 상태에서 통로(연료 또는 공기) 내부로 주입될 수 있고, 이후에 통로 내부로 침전될 수 있다. 주입 과정을 다수 반복하거나(액체 내 바람직한 전극 물질의 농도가 낮은 것과 같은 경우), 또는 전극에서 증감 특성을 제공하거나(전해질로부터 먼 전극에서 YSZ의 양에 대한 전해질과 가까운 전극에서 YSZ의 상이한 양을 제공하는 것과 같음), 또는 유사하지 않은 물질의 다층을 놓는 것이 바람직한 경우(전해질 근처에 LSM, 및 이후에 더 나은 전도력을 위해 LSM의 탑 위에 은으로 만들어진 캐소드와 같음) 또한 가능하다.
도 7C 내지 도 7D로 돌아가 언급하면, 세라믹 구형 또는 볼들이 공기와 연료 통로(20과 14)에 구조적 지지를 제공하는 것으로 사용되고, 세라믹 입자는 또한 더 큰 반응 영역을 위해 효율적인 표면 영역을 증가시키는 것으로 사용될 수 있고, 따라서 고 출력을 제공한다. 매우 미세하게 규격화한 세라믹 볼 또는 입자는 전극 층으로 적용하기 이전에 공기 통로(20)와 연료 통로(14) 내부에 사용될 수 있다. 도 43의 개략적인 측면도에서 보여지듯, 표면 입자(62)들은 통로(14)에 정렬되어 불균일한 형태를 가진 전해질 층(28)을 제공하고, 전극 층을 수득하기위해 이용가능한 표면적을 증가시킨다. 이후에 표면 입자(62) 주위를 모두 피복하는 애노드 물질을 가진 불균일한 형태 상에 애노드(24)를 적용하여 반응 영역을 증가시킨다.
도 44에서 개략적인 횡단면 측도에서 나타난 대안적 양태에서, 전해질 층(28)은 V-형태의 패턴을 가지는 정교한 그레이딩(grading)에 대항하는 그린 전해질 층을 압축(press)시키는 것과 같은 불균일한 형태 또는 조직화된 표면 층(64)을 제공하기 위해 라미네이팅(laminating)할 수 있고, 이후에 패턴은 소결되어 전해질 층(28)으로 준다. 전해질 층(28)은 세라믹과 조직화된 표면 층(64)을 고체화하기위해 소결된 이후에, 도 42A 내지 도 42C에서 위에 설명된 백필(backfill) 공정을 사용하는 것과 같이 애노드 층(24)이 적용되고, 높은 반응 영역을 가진 애노드를 제공한다.
본 발명의 다른 양태는 도 45A와 45B에 도시된다. 도 45A는 공기와 연료 통로와 전극의 배열을 통해 공기와 연료 유동을 나타내는 개략적인 상부도이고, 도 45B는 가열 영역(32)을 통하는 횡단면도이다. SOFC StickTM 장치(10)의 길이를 따라, 장치는 좌측면(80)과 우측면(82)으로 나뉘어지고 이들 사이에 중간지점 또는 브릿징 부분(84)을 가진다. 다수의 공기 통로(20L)는 좌측면(80)을 통해 길이를 따라 SOFC StickTM 장치(10)의 제 1 말단(11a)으로부터 연장하고, 제 2 말단(11b)에 인접한 좌측면(80)으로 배출하며, 다수의 공기 통로(20R)는 우측면(82)을 통해 길이를 따라 제 1 말단(11a)으로 연장하고, SOFC StickTM 장치의 제 2 말단(11b)에 인접한 우측면에 배출한다. 도 45B에서 나타난 것처럼, 공기 통로(20L)는 공기 통로(20R)로부터 상쇄된다. 다수의 연료 통로(14L)는 좌측면(80)을 통해 길이를 따라 SOFC StickTM 장치(10)의 제 2 말단(11b)으로부터 연장하고 제 1 말단(11a)에 인접한 좌측면(80)에 배출하고, 다수의 연료 통로(14R)는 우측면(82)을 통한 길이를 따라 제 2 말단(11b)으로부터 연장하고 제 1 말단(11a)에 인접한 우측면(82)에 배출한다. 연료 통로(14L)는 연료 통로(14R)로부터 상쇄된다. 게다가, 하나의 연료 통로와 하나의 공기 통로를 제외하고, 각 연료 통로(14L)는 짝을 이루고 공기 통로(20R)로부터 조금씩 상쇄되고, 각 공기 통로(14L)는 짝을 이루고 공기 통로(14R)로부터 조금씩 상쇄된다. 연료 통로(14L)와 공기 통로(20R)의 각 상쇄 짝을 위해, 금속화는 좌측면(80)에서부터 우측면(82)으로 각 연료 통로(14L)를 따라 연장하고, 이후에 조금씩 상쇄된 공기 통로(20R)를 따라 연장한다. 유사하게, 연료 통로(14R)와 공기 통로(20L)의 각 상쇄 짝을 위해, 좌측면(80)으로부터 우측면(82)까지 각 공기 통로(20L)를 따라 금속화를 연장하고, 이후에 조금씩 상쇄된 연료 통로(14R)를 따라 연장한다. 금속화는 연료 통로(14L 또는 14R)를 따라 연장하는 경우, 애노드(24L 또는 24R)로서 역할을 하고, 공기 통로(20L 또는 20R)를 따라 연장하는 경우, 캐소드(26L 또는 26R)로서 역할을 한다. SOFC StickTM 장치(10)의 브릿징 부분(84)은, 금속화가 어떠한 공기 또는 연료 통로를 따라 연장하지 않고, 금속화는 단순하게 애노드와 캐소드 사이에서 브릿지(90)로서 역할을 한다. 본 발명의 하나의 양태에서, 금속화는 길이를 따라 동일한 물질을 포함할 수 있고, 애노드(24L 또는 24R), 브릿지(90) 및 캐소드(26L 또는 26R)는 각각 동일한 물질을 포함한다. 예를 들어, 금속화는 애노드 또는 캐소드 중에 하나로서 잘 작용하는 백금 금속을 각각 포함할 수 있다. 대안적으로, 금속화는 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐소드(26R 또는 26L)는 란탄 스트론튬 아망간산염(LSM)을 포함할 수 있고, 애노드(24R 또는 24L)는 니켈, 산화니켈, 또는 산화니켈 + YSZ를 포함한다. 브릿지(90)는 팔라듐, 백금, LSM, 니켈, 산화니켈, 또는 산화니켈 + YSZ을 포함할 수 있다. 본 발명은 캐소드 또는 애노드, 또는 이들 사이에 브릿징 물질로서 사용하는데 적합한 물질의 어떠한 조합 또는 유형도 고려하며, 본 발명은 위에 확인된 특정 물질에 제한되지 않는다.
본원 좌측면(82)에 나타낸, SOFC StickTM 장치(10)의 한 측면에, 연료 통로(14R)를 결합된 애노드(24R)와 제공하고, SOFC StickTM 장치(10)의 오른쪽 에지로 연장하여 외부 노출된 애노드(25)를 제공한다. 이 연료 통로(14R)와 결합된 공기 통로(20L)를 상쇄하지 않고, 애노드(24R)는 좌측면(80) 내부로 연장할 필요가 없다. 도 45A에서 나타난 것처럼, 외부 접촉 패드(44)를 노출된 애노드(25) 위에 적용하고, 냉각 영역(30) 내로 SOFC StickTM 장치의 길이를 따라 연장한다. 음성 전압 노드(38)는 이후에 접촉 패드(44)에 납땜 연결(46)한 와이어(42)에 의해 연결될 수 있다. 애노드(24R)는 나타난 것처럼, 가열 영역(32)을 통해 오른쪽 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 SOFC StickTM 장치(10)의 오른쪽 에지로 연장할 수 있다.
유사하게, 좌측면(80)에서 나타나듯, SOFC StickTM 장치(10)의 다른 측면위에, 단일 공기 통로(20L)가 결합된 캐소드(26L)와 제공되며 노출된 캐소드(27)를 형성하기 위해 SOFC StickTM 장치(10)의 좌측면으로 연장한다. 이 공기 통로(20L)는 상쇄 연료 통로(14R)와 결합되지 않고, 캐소드(26L)는 우측면(82)으로 연장하는 것이 불필요하다. 접촉 패드(44)는 노출된 캐소드(27)로부터 냉각 말단(30)으로 SOFC StickTM 장치(10)의 좌측면(80)의 외부를 따라 적용될 수 있으며, 양성 전압 노드(40)는 와이어(42)와 납땜 연결(46)을 통해 접촉 패드(44)와 연결할 수 있다.
도 45B에서, 단일 연료 통로(14R)와, 결합된 애노드(24R)는 우측면(82)의 상부에서 보여지고, 단일 공기 통로(20L)와 결합된 캐소드(26L)는 SOFC StickTM 장치(10)의 좌측면(80)의 하부에서 보여진다. 그러나, 본 발명은 이러한 배열에 제한되지 않는다. 예를 들어, 공기 통로(20L)와, 결합된 캐소드(26L)는 좌측면(80) 상 장치(10)의 상부에서 또한 제공될 수 있고, 이와 유사한 상쇄 방식에서, 단일 연료 통로(14R)와 결합된 애노드(24R)가 포함될 수 있으나, 금속화는 좌측면(80)으로부터 브릿징 부분(84)을 지나 우측면(82)으로 이어지지는 않는다. 오히려, 브릿지(90)는 부재하여 애노드(24R)가 전기적으로 캐소드(26L)로부터 분리된다. 추가 배열이 고려되어, SOFC StickTM 장치(10)는 직렬로 연결된 전지를 가진 장치 내에 두 개의 유일한 공기 경로 층과 두 개의 연료 경로 층을 가지고 제공될 수 있다. 도 45A와 도 45B에서 나타난 양태는 전류를 올리지 않고 낮은 저항을 유지하면서 전압을 올리는 장점을 가진다. 추가로, 양태는 SOFC StickTM 장치(10) 내에 고밀도를 가진다.
도 46A와 도 46B에서, 대안적 양태는 각각 개략적인 사시도와 개략적인 횡단면도로 나타낸다. 이전 양태(예: 도 37)는 가열 영역(32)으로부터 냉각 영역(30)으로 SOFC StickTM 장치(10)의 외부 측면 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)는 애노드(24)와 외부 연결을 위해 한 측면과 위와 아래 표면의 하나를 따라 적용하고, 다른 접촉 패드(44)는 캐소드(26)와 외부 연결을 휘애 대향하는 면과 위와 아래 표면의 다른 면을 따라 적용한다. 따라서, 전자는 이동을 따라 크거나 또는 넓은 경로를 가지고 이로써 심지어 더 낮은 저항을 제공한다. 이 넓은 전도체 패드(44)는 두 개의 인접한 표면에 적용하여 본원에 기재된 어떤 양태에서도 사용될 수 있다.
도 47의 개략적인 횡측단면도에서, 열 교환 원리의 장점을 가지는 SOFC StickTM 장치(10)의 다른 양태가 도시되어 있다. 가열된 공기와 연료가 가열 영역(32; 즉, 애노드(24)가 캐소드(26)와 대향하는 관계에 있고, 이들 사이에 전해질을 가짐)의 활성 영역(33b)을 통해 이동한 후에, 연료 통로(14)와 공기 통로(20)는 단일 배출 통로(21) 안으로 합류한다. 어떠한 비-반응 연료라도 가열된 공기와 함께 혼합되어 연소 될 것이고 따라서 추가의 열이 발생한다. 배출 통로(21)는 활성 영역(33b)에 인접한 냉각 영역(30)을 향하여 뒤로 이동하고, 배출(소모된 연료와 공기)의 유동 방향은 인접한 연료와 공기 통로(14, 20) 내로 들어오는 연료와 공기의 상반되는 방향이다. 배출 통로(21)에서 발생된 추가의 열은 들어오는 연료와 공기를 가열하기 위해 인접한 통로(14, 20)로 이동한다.
도 48A 내지 도 48C는 도 48A에서 나타나듯 얇은 부분(404)보다 더 두꺼운 두께를 가지는 두꺼운 부분(402)을 가지는 "말단 롤링된 SOFC StickTM 장치(400)"를 나타낸다. 연료와 공기 투입구(12, 18)는 두꺼운 부분(402)의 말단에서 인접한 제 1 말단(11a)에 위치하고, 나타나지는 않으나, 공기와 연료 출구(16, 22)는 얇은 부분(404)의 말단에서 대향하는 제 2 말단(11b)에 인접한 장치(400)의 측면에서 제공될 수 있다. 두꺼운 부분(402)은 기계적인 힘을 제공하기 위해 충분히 두꺼울 수 있다. 이것은 연료와 공기 투입구(12, 18)와 인접한 주위로 두꺼운 세라믹(29)을 제공함으로서 성취할 수 있다. 얇은 부분(404)은 활성 영역(33b; 나타나지 않음)을 포함할 것이고 활성 영역은 캐소드(나타나지 않음)와 대향하는 관계인 애노드(나타나지 않음), 이 사이에 전해질(나타나지 않음)을 포함할 수 있다(이전 양태와 같음). 도 48B에서 나타나듯, 얇은 부분(404)은 충분히 얇아서 그린(발화되지 않음) 상태에서 롤링되어야 한다. 얇은 부분(404)은 바람직한 경도(tightness)로 롤링된 후, 장치(400)는 발화한다. 다른 양태에서 토의한 대로 두꺼운 부분(402)은 냉각 말단인 반면, 롤링된 얇은 부분(404)은 이후에 반응을 일으키도록 가열될 수 있다. 말단 롤링된 SOFC StickTM 장치(400)는 큰 표면적 장치로 얇은 부분(404) 롤링에 의해 작은 공간에 적합할 수 있다. 게다가, 얇은 부분(404) 내 활성 영역(33b)의 얇은 횡단면은 세라믹을 따라 열 교환을 줄이고 더 나은 온도 순환 성능을 허용한다.
본 발명은 이의 하나 이상의 양태를 기술하여 설명하였고, 이러한 양태들을 상당히 상세하게 기술하였지만, 이들은 이러한 상세한 사항들로 첨부된 특허청구범위의 영역을 제한하거나 어떤 방식으로든지 제한하지는 않는 것을 의도한다. 추가 장점과 변형은 당해 분야의 숙련가들에게 즉시 명백해질 것이다. 따라서, 더 넓은 양태에서 본 발명은 나타나고 기술한 특정 상세한 설명, 대표적인 장치와 방법 및 설명적 실시예에 제한되지 않는다. 따라서, 일반적인 본 발명의 개념의 범위로부터 벗어나지 않고 이러한 상세한 설명으로부터 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (139)

  1. 신장 기판이 최대 치수인 길이를 가져서, 당해 신장 기판이 당해 길이와 동축으로 연장되는 하나의 우성 축(dominant axis)만을 가지는 열 팽창 계수, 작동 반응 온도로 가열되도록 배치된 길이의 제 1 부분을 따른 반응 영역, 및 반응 영역이 가열되는 경우 작동 반응 온도 이하의 저온에서 남아있도록 배치된 길이의 제 2 부분을 따른 하나 이상의 냉각 영역을 가지는 신장 기판; 및
    반응 영역에서 애노드와 캐소드[여기서, 당해 애노드와 캐소드는 각각 작동 반응 온도 이하의 저온에서 전기적 연결을 위한 하나 이상의 냉각 영역의 외부 표면으로 연장하는 전기적 경로를 가짐] 사이에 배치된 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 애노드의 전기적 경로를 가지고 전기적으로 접촉한 하나 이상의 냉각 영역에서 외부 표면으로 적용된 제 1 금속성 접촉 패드, 및 제 1 금속성 접촉 패드와 음성 전압 노드 사이의 제 1 전기적 연결; 및
    캐소드의 전기적 경로를 가지고 전기적으로 접촉한 하나 이상의 냉각 영역에서 외부 표면으로 적용된 제 2 금속성 접촉 패드, 및 제 2 금속성 접촉 패드와 양성 전압 노드 사이의 제 2 전기적 연결을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  3. 제2항에 있어서, 제 1 및 제 2 전기적 연결이 각각 제 1 및 제 2 금속성 접 촉 패드로 와이어 납땜(wire soldering)하는 연료 전지 장치.
  4. 제2항에 있어서, 제 1 및 제 2 전기적 연결이 각각 제 1 및 제 2 금속성 접촉 패드와 기계적으로 와이어로 연결된 연료 전지 장치.
  5. 제1항에 있어서, 애노드와 결합되고 반응 영역을 통한 하나 이상의 냉각 영역으로부터 연장하는 연료 통로; 및
    캐소드와 결합되고 반응 영역을 통한 하나 이상의 냉각 영역으로부터 연장 하는 산화제 통로를 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  6. 제5항에 있어서, 연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하는 연료 통로를 가진 유동 전달에 하나 이상의 냉각 영역으로 결합된 연료 공급을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  7. 제6항에 있어서, 연료 공급이 가요성 고무 또는 장치의 말단에 보호된 플라스틱 튜브에 의해 결합된 연료 전지 장치.
  8. 제5항에 있어서, 산화제 통로로 공기 유동을 공급하기 위해 산화제 통로를 가진 유체 전달에서 하나 이상의 냉각 영역과 결합된 공기 공급을 포함하는 연료 전지 장치.
  9. 제8항에 있어서, 공기 공급이 가요성 고무 또는 장치의 말단에 보호된 플라스틱 튜브에 의해 결합된 연료 전지 장치.
  10. 제5항에 있어서, 제 1 부분이 하나 이상의 냉각 영역과 반응 영역 사이에 예열 영역을 추가로 포함하고, 애노드와 캐소드가 이 사이의 전해질을 가진 반응 영역에서 신장 기판 내에 대향하는 관계로 각각의 연료와 산화제 통로와 결합되며, 예열 영역은 내부에서 대향하는 관계로 애노드와 캐소드가 존재하지 않는 연료 전지 장치.
  11. 제10항에 있어서, 애노드의 전기적 경로가 결합된 연로 통로로부터 반응 영역의 제 1 외부 표면, 및 하나 이상의 냉각 영역의 각 외부 표면에 반응 영역의 제 1 외부 표면에 적용된 제 1 외부 금속화로 연장하고; 및 캐소드의 전기적 경로는 결합된 산화제 경로로부터 반응 영역의 제 2 외부 표면, 하나 이상의 냉각 영역의 각 외부 표면으로 반응 영역의 제 2 외부 표면에 적용된 제 2 외부 금속화로 연장하는 연료 전지 장치.
  12. 제10항에 있어서, 연료 통로와 산화제 통로가 각각 하나 이상의 냉각 말단에서 예열 체임버를 포함하고, 적어도 부분적으로 예열 영역으로 연장하여 각 예열 체임버가 반응 영역에서 각 연료 및 산화제 통로의 부피보다 더 큰 부피를 갖는 연 료 전지 장치.
  13. 제5항에 있어서, 연료 통로는 하나 이상의 냉각 말단에서 연료 투입구로부터 제 1 부분으로 연장하고, 벤드(bend)하여 하나 이상의 냉각 말단에서 연료 출구로 되돌아 연장하고, 및 산화제 통로는 하나 이상의 냉각 말단에서 공기 투입구로부터 제 1 부분으로 연장하고, 벤드하여 하나 이상의 냉각 말단에서 공기 출구로 되돌아 연장하며, 애노드와 캐소드는 사이에 전해질을 가지고 벤드와 각각의 연료 및 공기 출구 사이에서 반응 영역의 신장 기판 내 대향하는 관계에서 각각의 연료 및 산화제 통로와 결합되고, 연료 및 산화제 통로는 각각의 연료 및 공기 투입구와 벤드 사이에서 각각의 결합된 애노드와 캐소드가 존재하지 않는 연료 전지 장치.
  14. 제1항에 있어서, 하나 이상의 냉각 영역이 제 1 및 제 2 냉각 영역 사이에서 위치된 반응 영역을 가진 신장 기판의 각 제 1 및 제 2 말단에 위치한 제 1 및 제 2 냉각 영역을 포함하는 연료 전지 장치.
  15. 제14항에 있어서, 애노드와 결합하고, 제 1 냉각 영역에서 인접한 제 1 말단 연료 투입구로부터 제 2 냉각 영역에서 인접한 제 2 말단 연료 출구로 연장하는 공기 통로; 및 캐소드와 결합하고, 제 2 냉각 영역에서 인접한 제 2 말단 공기 투입구로부터 제 1 냉각 말단에서 인접한 제 1 말단 공기 출구로 연장하는 산화제 통로를 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  16. 제15항에 있어서, 연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하는 연료 투입구와 결합된 연료 공급; 및 산화제 통로 안으로 공기 유동을 공급하는 공기 투입구와 결합된 공기 공급을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  17. 제14항에 있어서, 애노드와 결합되고, 제 1 냉각 영역에서 인접한 제 1 말단 연료 투입구로부터 제 2 냉각 영역에서 인접한 제 2 말단 연료 출구로 연장하는 공기 통로; 및 캐소드와 결합되고, 반응 영역에서 공기 투입구로부터 제 2 냉각 영역에서 인접한 제 2 말단 공기 출구로 연장하는 산화제 통로를 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  18. 제17항에 있어서, 연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하는 연료 투입구와 결합된 연료 공급; 및 산화제 통로 안으로 가열된 공기 유동을 공급하는 반응 영역 내 가열된 공기 공급을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  19. 제17항에 있어서, 산화제 통로는 제 1 부분의 상당한 부분을 따라 신장 기판의 한 측면으로 개방하고, 공기 투입구는 상당한 부분을 따라 산화제 통로에 적합한 연료 전지 장치.
  20. 제19항에 있어서, 산화제 통로에서 다수의 지지 기둥(support pillar)을 추 가로 포함하는 연료 전지 장치.
  21. 제1항에 있어서, 하나 이상의 냉각 영역이 신장 기판의 제2 대향하는 말단에서 위치된 반응 영역을 가지고 신장 기판의 제 1 말단에서 위치된 단일 냉각 영역을 포함하는 연료 전지 장치.
  22. 제21항에 있어서, 애노드와 결합되고, 단일 냉각 영역에서 인접한 제 1 말단 연료 투입구로부터 반응 영역에서 인접한 제 2 말단 연료 출구로 연장하는 연료 통로; 및 캐소드와 결합되고, 반응 영역에서 공기 투입구로부터 반응 영역에서 공기 출구로 연장하는 산화제 통로를 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  23. 제22항에 있어서, 연료 통로 안으로 연료 유동을 제공하기 위해 연료 투입구와 결합된 연료 공급; 및 산화제 통로 내부로 가열된 공기 유동을 제공하기 위해 반응 영역에서 가열된 공기 공급원을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  24. 제22항에 있어서, 산화제 통로는 제 1 부분의 상당한 일부를 따라 신장 기판의 한 측면으로 개방하고, 공기 투입구는 상당한 일부를 따른 산화제 통로에 적합한 연료 전지 장치.
  25. 제21항에 있어서, 애노드와 결합되고, 단일 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접 한 연료 투입구로부터 반응 영역에서 연료 출구로 연장하는 연료 통로; 및
    캐소드와 결합되고, 단일 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 공기 투입구로부터 반응 영역에서 공기 출구로 연장하는 산화제 통로를 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  26. 제21항에 있어서, 반응 영역 내 인접한 제 2 대향하는 말단으로부터 길이의 제 2 부분에 배출 출구로 연장하는 배출 통로;
    단일 냉각 영역에서 제1 말단에 인접한 연료 투입구로부터 반응 영역을 통해 배출 통로까지 연장하는 연료 통로[여기서, 애노드는 반응 영역 내 연료 통로와 결합됨]; 및
    단일 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 공기 투입구로부터 반응 영역을 통해 배출 통로까지 연장하는 산화제 통로[여기서, 캐소드는 애노드와 대향하는 관계에서 반응 영역에서 산화제 통로와 결합됨]를 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  27. 제1항에 있어서, 작동 반응 온도로 반응 영역을 가열하는 제 1 부분에 인접하게 위치한 열 공급원; 및
    열 공급원과, 작동 반응 온도 이하의 저온에서 하나 이상의 냉각 영역을 유지하도록 개조한 하나 이상의 냉각 영역 사이의 절연 영역(insulating region)을 추가로 포함하는 전지 연료 장치.
  28. 가열 영역 체임버;
    각각 가열 영역 체임버에서 제 1 부분과 위치하고, 하나 이상의 냉각 영역이 가열 영역 체임버 외부로 연장하는, 제1항의 다수의 고체 산화물 연료 전지 장치;
    가열 영역 체임버와 결합되고, 가열 영역 체임버 내에 작동 반응 온도로 반응 영역을 가열하도록 개조한 열 공급원;
    애노드의 하나 이상의 전기적 경로를 가진 전기적 접촉에서 하나 이상의 냉각 영역에서 하나 이상의 외부 표면으로 음성 전압 연결; 및
    캐소드의 하나 이상의 전기적 경로를 가진 전기적 접촉에서 하나 이상의 냉각 영역에서 하나 이상의 외부 표면으로 양성 전압 연결을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  29. 제28항에 있어서, 음성과 양성 전압 연결이 하나 이상의 애노드와 캐소드의각각의 전기적 경로를 가진 전기적 접촉에서 외부 표면으로 적용된 하나 이상의 각각의 제 1 및 제 2 금속성 접촉 패드로 납땜한 제 1 및 제 2 와이어를 포함하는 연료 전지 시스템.
  30. 제28항에 있어서, 음성과 양성 전압 연결이 하나 이상의 애노드와 캐소드의각각의 전기적 경로를 가진 전기적 접촉에서 외부 표면으로 적용된 하나 이상의 각각의 제 1 및 제 2 금속성 접촉 패드로 기계적으로 연결된 제 1 및 제 2 와이어를 포함하는 연료 전지 시스템.
  31. 제28항에 있어서, 각각의 애노드와 결합되고, 하나 이상의 냉각 영역로부터 반응 영역을 통해 연장하는 연료 통로; 및
    각각의 캐소드와 결합되고, 하나 이상의 냉각 영역로부터 반응 영역을 통해 연장하는 산화제 통로를 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  32. 제31항에 있어서, 연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하는 연료 통로를 가진 유체 전달에서 하나 이상의 냉각 영역의 각각으로 가열 영역 체임버 외부와 결합된 연료 공급을 추가로 포함하는, 연료 전지 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 연료 공급이 가요성 고무 또는 장치의 말단 위에 보호된 플라스틱 튜브와 결합된 연료 전지 시스템.
  34. 제31항에 있어서, 산화제 통로 안으로 공기 유동을 공급하기 위한 산화제 통로를 가진 유체 전달에서 하나 이상의 냉각 영역의 각각으로 가열 영역 체임버 외부와 결합된 공기 공급을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  35. 제34항에 있어서, 공기 공급이 가요성 고무 또는 장치의 말단 위에 보호된 플라스틱 튜브와 결합된 연료 전지 시스템.
  36. 제31항에 있어서, 제 1 부분의 각각이 하나 이상의 냉각 영역과 반응 영역 사이의 가열 영역 체임버에서, 애노드와 캐소드는 반응 영역에서 신장 기판 내 대향하는 관계에서 각각의 연료와 산화제 통로와 결합되고, 이 사이에 전해질을 가지고; 및 예열 영역은 이의 대향하는 관계에서 애노드와 캐소드가 존재하지 않는 예열 영역을 추가로 포함하는, 연료 전지 시스템.
  37. 제36항에 있어서, 각 장치에서, 애노드의 전기적 경로는 결합된 연료 통로로부터 반응 영역의 제 1 외부 표면, 및 가열 영역 체임버 외부로 하나 이상의 냉각 영역의 각각의 외부 표면으로 가열 영역 체임버에서 반응 영역의 제 1 외부 표면으로 적용된 제 1 외부 금속화로 연장하고; 및 캐소드의 전기적 경로는 결합된 산화제 통로로부터 반응 영역의 제 2 외부 표면, 및 가열 영역 체임버 외부로 하나 이상의 냉각 영역의 각각의 외부 표면으로 가열 영역 체임버에서 반응 영역의 제 2 외부 표면으로 적용된 제 2 외부 금속화로 연장하는 연료 전지 시스템.
  38. 제36항에 있어서, 각 장치에서, 각각 하나 이상의 냉각 영역에서 예열 영역을 포함하고 가열 영역 체임버에서 예열 영역 안으로 적어도 부분적으로 연장하는 연료 통로와 산화제 통로[여기서, 예열 영역은 반응 영역에서 각각의 연료와 산화제 통로의 부피보다 더 큰 부피를 가진다]를 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  39. 제31항에 있어서, 각 장치에서, 연료 통로는 가열 영역 체임버에서 제 1 부 분 안으로 가열 영역 체임버 외부 하나 이상의 냉각 영역에서 연료 투입구로부터 연장하고, 벤드(bend)하여 가열 영역 체임버 외부로 하나 이상의 냉각 영역에서 연료 출구로 되돌아 연장하고, 및 산화제 통로는 가열 영역 체임버에서 제 1 부분 안으로 가열 영역 체임버 외부 하나 이상의 냉각 영역에서 공기 투입구로부터 연장하고, 벤드(bend)하여 가열 영역 체임버 외부로 하나 이상의 냉각 영역에서 공기 출구로 되돌아 연장되며, 여기서, 애노드와 캐소드는 벤드 및 각각의 연료 및 공기 출구 사이의 반응 영역에서 신장 기판 내 대향하는 관계에서 각각의 연료 및 산화제 통로와 결합되고, 이 사이에 전해질을 가지고; 및 연료 및 산화제 통로는 각각의 연료 및 공기 투입구와 벤드 사이에서 각각의 결합된 애노드와 캐소드가 존재하지 않는 연료 전지 시스템.
  40. 제 28항에 있어서, 신장 기판의 각각의 제 1 및 제 2 말단에서 위치된 제 1 및 제 2 냉각 영역을 포함하고, 가열 영역 체임버 내에 제 1 및 제 2 냉각 영역 사이에 위치된 반응 영역을 가진 가열 영역 체임버의 대향하는 측면 외부로 연장하는 하나 이상의 냉각 영역을 포함하는 연료 전지 시스템.
  41. 제40항에 있어서, 각 장치가 애노드와 결합되고 제 1 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 연료 투입구로부터 제 2 냉각 영역에서 제 2 말단에 인접한 연료 출구로 연장하는 연료 통로; 및
    캐소드와 결합되고 제 2 냉각 영역에서 제 2 말단에 인접한 공기 투입구로부 터 제 1 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 공기 출구로 연장하는 산화제 통로를 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  42. 제41항에 있어서, 각 장치가 연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하기 위해 각각의 연료 투입구와 가열 영역 체임버 외부로 결합된 연료 공급; 및
    산화제 통로 안으로 공기 유동을 공급하기 위해 각각의 공기 투입구와 가열 영역 체임버 외부로 결합된 공기 공급을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  43. 제40항에 있어서, 각 장치는 애노드와 결합되고, 제 1 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 연료 투입구로부터 제 2 냉각 영역에서 제 2 말단에 인접한 연료 출구로 연장하는 연료 통로; 및
    캐소드와 결합되고, 제 2 냉각 영역에서 제 2 말단에 인접한 공기 투입구로부터 제 1 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 공기 출구로 연장하는 산화제 통로를 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  44. 제43항에 있어서, 각 장치가 연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하기 위해 각각의 연료 투입구와 가열 영역 체임버 외부로 결합된 연료 공급; 및
    산화제 통로 안으로 가열된 공기 유동을 공급하기 위해 반응 영역에서 열 공급원과 결합된 공기 공급원을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  45. 제43항에 있어서, 각 장치에서, 산화제 통로는 제 1 부분의 상당한 일부를 따른 신장 기판의 한 측면으로 개방되고, 공기 투입구는 상당한 일부를 따른 산화제 통로에 적합한 연료 전지 시스템.
  46. 제45항에 있어서, 산화제 통로에서 다수의 지지 기둥을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  47. 제28항에 있어서, 각 장치에서, 하나 이상의 냉각 영역이 가열 영역 체임버 내 신장 기판의 제 2 대향하는 말단에서 위치된 반응 영역을 가진 가열 영역 체임버 외부로 신장 기판의 제 1 말단에서 위치한 단일 냉각 영역을 포함하는 연료 전지 시스템.
  48. 제47항에 있어서, 각각의 애노드와 결합되고, 단일 냉각 영역에서 제 1 말단과 인접한 연료 투입구로부터 반응 영역에서 제 2 말단에 인접한 연료 출구로 연장하는 연료 통로; 및
    각각의 캐소드와 결합되고, 반응 영역 내 공기 투입구로부터 반응 영역 내 공기 출구로 연장하는 산화제 통로를 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  49. 연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하기 위해 각각의 연료 투입구와 가열 영역 체임버 외부로 결합된 연료 공급; 및
    산화제 통로 안으로 가열된 공기 유동을 공급하는 반응 영역의 열 공급원과 결합된 공기 공급을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  50. 제48항에 있어서, 각 장치에서, 산화제 통로가 제 1 부분의 상당한 일부를 따라 신장 기판의 한 측면으로 개방되고 공기 투입구는 상당한 일부를 따라 산화제 통로와 적합한 연료 전지 시스템.
  51. 제47항에 있어서, 각각의 애노드와 결합되고, 단일 냉각 영역에서 제 1 말단과 인접한 연료 투입구로부터 반응 영역에서 연료 출구로 연장하는 연료 통로; 및
    각각의 캐소드와 결합되고, 단일 냉각 영역 내 제 1 말단에 인접한 공기 투입구로부터 반응 영역 내 공기 출구로 연장하는 산화제 통로를 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  52. 제47항에 있어서, 각 장치에서, 가열 영역 체임버에서 반응 영역 내 인접한 제 2 대향하는 말단로부터 가열 영역 체임버 외부로 길이의 제 2 부분에서 배출 출구로 연장하는 배출 통로;
    단일 냉각 영역에서 제1 말단에 인접한 연료 투입구로부터 반응 영역을 통해 배출 통로로 연장하는 연료 통로[여기서, 애노드는 반응 영역 내 연료 통로와 결합됨]; 및
    단일 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 공기 투입구로부터 반응 영역을 통 해 배출 통로로 연장하는 산화제 통로[여기서, 캐소드는 애노드와 대향하는 관계로 반응 영역에서 산화제 통로와 결합됨]를 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  53. 가열 영역 체임버의 제 1 부분, 및 가열 영역 체임버 외부의 제 2 부분을 가진 신장 기판을 위치시키고;
    가열 영역 체임버 내에 열을 적용시켜 300℃ 미만의 저온에서 하나 이상의 냉각 영역을 유지하는 동안 400℃ 초과의 작동 온도에서 반응 영역을 가열하며;
    가열된 반응 영역으로 연료와 공기를 공급함으로써, 연료와 공기를 반응시키고, 하나 이상의 냉각 영역에서 각각의 전기적 연결로 애노드와 캐소드의 전기적 경로를 따라 이동하는 전자를 생산하는 것을 포함하는, 제1항의 장치의 사용 방법.
  54. 가열 영역 체임버 내에 열을 적용시켜, 300℃ 미만의 저온에서 하나 이상의 냉각 영역을 유지하는 동안 400℃ 초과의 작동 온도에서 반응 영역을 가열하고;
    연료와 공기가 반응하고 하나 이상의 냉각 영역에서 각각의 전기적 연결로 애노드와 캐소드의 전기적 경로를 따라 이동하는 전자를 생산하는 가열된 반응 영역으로 연료와 공기를 공급하는 것을 포함하는, 제28항의 장치의 사용 방법.
  55. 신장 기판이 최대 치수인 길이를 가져서 신장 기판이 당해 길이와 동축으로 연장하는 하나의 우성 축만을 가지는 열 팽창 계수, 작동 반응 온도로 가열되도록 배치된 길이의 제 1 부분을 따른 반응 영역, 및 반응 영역이 가열되는 경우 작동 반응 온도 이하의 저온에서 남아있도록 배치된 길이의 제 2 부분을 따른 하나 이상의 냉각 영역을 가지는 신장 기판;
    하나 이상의 냉각 영역로부터 반응 영역으로 연장하는 신장 기판 내 다수의 연료 통로[여기서, 각각은 반응 영역에서 결합된 애노드를 가짐];
    하나 이상의 냉각 영역로부터 반응 영역으로 연장하는 신장 기판 내 다수의 산화제 통로[여기서, 각각은 각각의 결합된 애노드와 대향하는 관계에서 위치된 반응 영역에서 결합된 캐소드를 가짐]; 및
    반응 영역에서 각각의 대향하는 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 장치.
  56. 제55항에 있어서, 하나 이상의 애노드가 하나 이상의 냉각 영역에서 신장 기판의 제 1 외부 표면에서 노출된 애노드 부분을 포함하고, 및 하나 이상의 캐소드가 하나 이상의 냉각 영역에서 신장 기판의 제 2 외부 표면에서 노출된 캐소드 부분을 포함하며;
    노출된 애노드 부분을 가진 전기적 접촉에서 하나 이상의 냉각 영역에서 제 1 외부 표면으로 적용된 제 1 금속성 접촉 패드, 및 제 1 금속성 접촉 패드와 음성 전압 노드 사이에 제 1 전기적 연결; 및
    노출된 캐소드 부분을 가진 전기적 접촉에서 하나 이상의 냉각 영역에서 제 2 외부 표면으로 적용된 제 2 금속성 접촉 패드, 및 제 2 금속성 접촉 패드와 음성 전압 노드 사이에 제 2 전기적 연결을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  57. 제55항에 있어서, 각 애노드는 신장 기판의 외부 표면에서 노출된 애노드 부분을 포함하고, 및 각 캐소드는 신장 기판의 외부 표면에서 노출된 캐소드 부분을 포함하며; 장치는,
    병렬 및/또는 직렬 전기적 연결을 형성하기 위한 하나 이상의 노출된 애노드 부분 및/또는 노출된 캐소드 부분을 가진 전기적 접촉에서 외부 표면으로 적용된 다수의 금속화 영역을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  58. 제55항에 있어서, 애노드 각각은 각각의 캐소드와 대향하는 관계가 아닌 비-대향된 애노드 부분을 포함하고, 및 캐소드 각각은 각각의 애노드와 대향하는 관계가 아닌 비-대향된 캐소드 부분을 포함하며;
    비-대향된 애노드 부분은 연결을 통해 전기적으로 전도력 있는 애노드에 의해 신장 기판 내 전기적으로 상호 연결하고, 비-대향된 캐소드 부분은 연결을 통해 전기적으로 전도력 있는 캐소드에 의해 신장 기판에서 전기적으로 상호 연결하며; 및
    하나의 애노드는 하나 이상의 냉각 영역에서 신장 기판의 제 1 외부 표면에서 노출된 애노드 부분을 포함하고, 및 하나의 캐소드는 하나 이상의 냉각 영역에서 신장 기판의 제 2 외부 표면의 노출된 애노드 부분을 포함하고;
    노출된 애노드 부분과 전기적 접촉에서 하나 이상의 냉각 영역에서 제 1 외부 표면으로 적용된 제 1 금속성 접촉 패드, 및 당해 제 1 금속성 접촉 패드와 음 성 전압 노드 사이의 제 1 전기적 연결; 및
    노출된 캐소드 부분과 전기적 접촉에서 하나 이상의 냉각 영역에서 제 2 외부 표면으로 적용된 제 2 금속성 접촉 패드, 및 당해 제 2 금속성 접촉 패드와 양성 전압 노드 사이의 제 2 전기적 연결을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  59. 제55항에 있어서, 다수의 연료 통로가 제 1 연료 통로와 하나 이상의 제 2 연료 통로를 포함하고, 다수의 산화제 통로가 제 1 산화제 통로와 하나 이상의 제 2 산화제 통로를 포함하고, 여기서 제 2 연료 통로는 제 1 연료 통로와 제 1 산화제 통로 사이의 제 2 산화제 통로와 교호적인 연료 전지 장치.
  60. 제59항에 있어서, 제 1 연료 통로의 결합된 애노드가 인접한 제 2 산화제 통로와 가장 근접한 제 1 연료 통로의 표면에서 배치되고, 제 1 산화제 통로의 결합된 애노드는 인접한 제 2 연료 통로와 가장 근접한 제 1 산화제 통로의 표면에서 배치되고, 및 각각의 제 2 연료 통로와 결합된 애노드는 제 1 및/또는 제 2 산화제 통로에 인접한 제 2 연료 통로의 각각의 대향하는 표면에서 애노드를 포함하고, 각각의 제 2 산화제 통로와 결합된 캐소드는 제 1 및/또는 제 2 연료 통로에 인접한 각각의 제 2 산화제 통로와 대향하는 표면에서 캐소드를 포함하는 연료 전지 장치.
  61. 제55항에 있어서, 연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하는 다수의 연료 통로를 가진 유체 전달에서 하나 이상의 냉각 영역과 결합된 유동 공급을 추가로 포함 하는 연료 전지 장치.
  62. 제61항에 있어서, 연료 공급이 가요성 고무 또는 장치의 말단 위에 보호된 플라스틱 튜브와 결합된 연료 전지 장치.
  63. 제55항에 있어서, 산화제 통로 안으로 공기 유동을 공급하는 다수의 산화제 통로를 가진 유체 전달에서 하나 이상의 냉각 영역과 결합된 공기 공급을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  64. 제63항에 있어서, 공기 공급이 가요성 고무 또는 장치의 말단 위에 보호된 플라스틱 튜브에 의해 결합된 연료 전지 장치.
  65. 제55항에 있어서, 제 1 부분이 하나 이상의 냉각 영역과 반응 영역 사이의 예열 영역을 추가로 포함하고, 여기서, 예열 영역이 내부에서 대향하는 관계로 애노드와 캐소드가 존재하지 않는 연료 전지 장치.
  66. 제65항에 있어서, 하나 이상의 애노드가 반응 영역의 제 1 외부 표면으로 연장하고, 제 1 외부 금속화는 반응 영역의 제 1 외부 표면로부터 하나 이상의 냉각 영역의 각각의 외부 표면으로 연장하며, 및 하나 이상의 캐소드는 반응 영역의 제 2 외부 표면으로 연장하고, 제 2 외부 금속화는 반응 영역의 제 2 외부 표면으로부 터 하나 이상의 냉각 영역의 각각의 외부 표면으로 연장하는 연료 전지 장치.
  67. 제65항에 있어서, 연료 통로와 산화제 통로 각각은 하나 이상의 냉각 영역에서 예열 체임버를 포함하고, 적어도 부분적으로 예열 영역 안으로 연장하며, 각 예열 체임버는 반응 영역에서 각각의 연료와 산화제 통로의 부피보다 더 많은 부피를 가지는 전지 연료 장치.
  68. 제55항에 있어서, 연료 통로는 하나 이상의 냉각 영역에서 연료 투입구로부터 하나 이상의 부분으로 연장하고, 벤드하며, 하나 이상의 냉각 영역에서 연료 출구로 되돌아 연장하고, 및 산화제 통로는 하나 이상의 냉각 영역에서 공기 투입구로부터 제 1 부분으로 연장하고, 벤드하며 하나 이상의 냉각 영역에서 공기 출구로 되돌아 연장하고, 여기서 애노드와 캐소드는 이 사이에 전해질을 가지고 벤드와 각각의 연료 및 공기 출구 사이의 반응 영역에서 신장 기판 내 대향하는 관계에 있고, 연료와 산화제 통로는 각각의 연료 및 공기 투입구와 벤드 사이의 각각의 결합된 애노드와 캐소드가 존재하지 않는 연료 전지 장치.
  69. 제 55항에 있어서, 하나 이상의 냉각 영역이 제 1 및 제 2 냉각 영역 사이에 위치한 반응 영역을 가진 신장 기판의 각각의 제 1 및 제 2 말단에서 위치한 제 1 및 제 2 냉각 영역을 포함하는 연료 전지 장치.
  70. 제69항에 있어서, 연료 통로가 제 1 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 연료 투입구로부터 반응 영역을 통해 제 2 냉각 영역에서 제 2 말단에 인접한 각각의 연료 출구로 연장되고; 산화제 통로가 제 2 냉각 영역에서 제 2 말단에 인접한 공기 투입구로부터 제 1 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 각각의 공기 출구로 연장되는 연료 전지 장치.
  71. 제70항에 있어서, 연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하는 연료 투입구와 결합된 연료 공급; 및
    산화제 통로 안으로 공기 유동을 공급하는 공기 투입구와 결합된 공기 공급을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  72. 제69항에 있어서, 연료 통로가 제 1 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 연료 투입구로부터 반응 영역을 통해 제 2 냉각 영역에서 제 2 말단에 인접한 각각의 연료 출구로 연장되고; 산화제 통로가 반응 영역에서 공기 투입구로부터 제 2 냉각 영역에서 제 2 말단에 인접한 각각의 공기 출구로 연장되는 연료 전지 장치.
  73. 제72항에 있어서, 연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하는 연료 투입구와 결합된 연료 공급; 및
    산화제 통로 안으로 가열된 공기 유동을 공급하는 반응 영역에서 가열된 공기 공급원을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  74. 제55항에 있어서, 하나 이상의 냉각 영역이 신장 기판의 제 2 대향하는 말단에서 위치한 반응 영역을 가진 신장 기판의 제 1 말단에 위치한 단일 냉각 영역을 포함하는, 연료 전지 장치.
  75. 제74항에 있어서, 연료 통로가 단일 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 연료 투입구로부터 반응 영역에서 제 2 말단에 인접한 연료 출구로 연장되고, 산화제 통로는 반응 영역에서 공기 투입구로부터 반응 영역에서 각각의 공기 출구로 연장되는 연료 전지 장치.
  76. 제75항에 있어서, 연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하기 위해 연료 투입구와 결합된 연료 공급; 및
    산화제 통로 안으로 가열된 공기 유동을 공급하기 위해 반응 영역에서 가열된 공기 공급원을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  77. 제74항에 있어서, 연료 통로가 단일 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 연료 투입구로부터 반응 영역에서 제 2 말단에 인접한 연료 출구로 연장되고, 산화제 통로가 단일 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 공기 투입구로부터 반응 영역에서 제 2 말단에 인접한 각각의 공기 출구로 연장되는 연료 전지 장치.
  78. 제74항에 있어서, 다수의 배출 통로 각각이 한 쌍의 대향하는 연료 및 공기 통로와 결합하고, 각각은 반응 영역 내에 인접한 제 2 대향하는 말단으로부터 길이의 제 2 부분에서 각각의 배출 출구로 연장되는 것을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  79. 제55항에 있어서, 작동 반응 온도로 반응 영역을 가열하는 제 1 부분에 인접하게 위치한 열 공급원; 및
    열 공급원과 작동 반응 온도 이하의 저온에서 하나 이상의 냉각 영역을 유지하도록 개조된 하나 이상의 냉각 영역 사이의 절연 영역을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  80. 가열 영역 체임버;
    각각의 가열 영역 체임버에서 제 1 부분과 위치하고, 하나 이상의 냉각 영역을 가열 영역 체임버 외부로 연장하는, 제55항의 다수의 고체 산화물 연료 전지 장치;
    열 공급원이 가열 영역 체임버와 결합되고 가열 영역 체임버 내에 작동 반응 온도로 반응 영역을 가열하도록 개조된 열 공급원;
    연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하기 위한 연료 통로를 가진 유체 전달에서 하나 이상의 냉각 영역과 가열 영역 체임버 외부로 결합된 연료 공급을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  81. 제80항에 있어서, 각 애노드는 하나 이상의 냉각 영역에서 신장 기판의 제 1 외부 표면에서 노출된 애노드 부분을 포함하고, 각 캐소드는 하나 이상의 냉각 영역에서 신장 기판의 제 2 외부 표면에서 노출된 캐소드 부분을 연장하고;
    하나 이상의 노출된 애노드 부분을 가진 전기적 연결에서 하나 이상의 냉각 영역에서 제 1 외부 표면으로 음성 전압 연결; 및
    하나 이상의 노출된 캐소드 부분을 가진 전기적 연결에서 하나 이상의 냉각 영역에서 제 2 외부 표면으로 양성 전압 연결을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  82. 제80항에 있어서, 연료 공급이 가요성 고무 또는 장치의 말단에 보호된 플라스틱 튜브에 의해 결합된 연료 전지 시스템.
  83. 제80항에 있어서, 공기 공급이 산화제 통로 안으로 공기 유동을 공급하기 위해 산화제 통로를 가진 유체 전달에서 하나 이상의 냉각 영역과 가열 영역 체임버 외부로 결합된 공기 공급을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  84. 제83항에 있어서, 공기 공급이 가요성 고무 또는 장치의 말단 위에 보호된 플라스틱 튜브에 의해 결합된 연료 전지 시스템.
  85. 제80항에 있어서, 제 1 부분이 각각 하나 이상의 냉각 영역과 반응 영역 사이에서 가열 영역 체임버 내 예열 영역을 추가로 포함하고, 당해 예열 영역이 내부에서 대향하는 관계인 애노드와 캐소드가 존재하지 않는 연료 전지 시스템.
  86. 제85항에 있어서, 각 장치에서, 애노드는 반응 영역의 제 1 외부 표면으로 연장하고, 제 1 외부 금속화는 가열 영역 체임버 내 반응 영역의 제 1 외부 표면으로부터 가열 영역 체임버 외부로 하나 이상의 냉각 영역의 각각의 외부 표면으로 연장하고, 캐소드는 반응 영역의 제 2 외부 표면으로 연장하고, 제 2 외부 금속화는 가열 영역 체임버 내 반응 영역의 제 2 외부 표면으로부터 가열 영역 체임버 외부로 하나 이상의 냉각 영역의 각각의 외부 표면으로 연장하는 연료 전지 시스템.
  87. 제85항에 있어서, 각 장치에서, 각각 하나 이상의 냉각 영역에서 예열 영역을 포함하고 가열 영역 체임버에서 예열 영역[여기서, 예열 영역은 반응 영역에서 각각의 연료와 산화제 통로의 부피보다 더 큰 부피를 가진다] 안으로 적어도 부분적으로 연장하는 연료 통로와 산화제 통로를 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  88. 제85항에 있어서, 각 장치에서, 연료 통로는 하나 이상의 냉각 영역에서 연료 투입구로부터 제 1 부분으로 연장하고, 벤드하며, 및 하나 이상의 냉각 영역에서 연료 출구로 되돌아 연장하고, 및 산화제 통로는 하나 이상의 냉각 영역에서 공기 투입구로부터 제 1 부분으로 연장하고, 벤드하며, 및 하나 이상의 냉각 영역에 서 공기 출구로 되돌아 연장하고, 여기서 애노드와 캐소드는 이 사이에 전해질을 가지고 벤드와 각각의 연료 및 공기 출구 사이의 반응 영역에서 신장 기판 내 대향하는 관계에 있고, 연료와 산화제 통로는 각각의 연료 및 공기 투입구와 벤드 사이에서 각각의 결합된 애노드와 캐소드가 존재하지 않는 연료 전지 장치.
  89. 제80항에 있어서, 각 장치에서, 하나 이상의 냉각 영역이 신장 기판의 각각의 제 1 및 제 2 말단에서 위치되고, 가열 영역 체임버 내 제 1 및 제 2 냉각 영역사이에서 위치된 반응 영역을 가진 가열 영역 체임버의 대향하는 측면 외부로 연장하는 제 1 및 제 2 냉각 영역을 포함하는 연료 전지 시스템.
  90. 제89항에 있어서, 연료 통로를 제 1 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 연료 투입구로부터 반응 영역을 통해 제 2 냉각 영역에서 제 2 말단에 인접한 각각의 연료 출구로 연장하고; 및 산화제 통로를 제 2 냉각 영역에서 제 2 말단에 인접한 공기 투입구로부터 제 1 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 각각의 공기 출구로 연장하는 연료 전지 장치.
  91. 제90항에 있어서, 연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하기 위해 연료 투입구와 가열 영역 체임버 외부로 결합된 연료 공급; 및
    산화제 통로 안으로 공기 유동을 공급하기 위해 공기 투입구와 가열 영역 체임버 외부로 결합된 공기 공급을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  92. 제89항에 있어서, 연료 통로가 제 1 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 연료 투입구로부터 반응 영역을 통해 제 2 냉각 영역에서 제 2 말단에 인접한 각각의 연료 출구로 연장되고; 산화제 통로가 반응 영역에서 공기 투입구로부터 제 2 냉각 영역에서 제 2 말단에 인접한 각각의 공기 출구로 연장되는 연료 전지 시스템.
  93. 제92항에 있어서, 연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하기 위해 연료 투입구와 가열 영역 체임버 외부로 결합된 연료 공급; 및
    산화제 통로 안으로 가열된 공기 유동을 공급하기 위해 반응 영역에서 열 공급원과 결합된 공기 공급을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  94. 제80항에 있어서, 각 장치에서, 하나 이상의 냉각 영역이 가열 영역 체임버 내 신장 기판의 제 2 대향하는 말단에서 위치된 반응 영역을 가진 가열 영역 체임버 외부로 신장 기판의 제 1 말단에서 위치된 단일 냉각 영역을 포함하는 연료 전지 시스템.
  95. 제94항에 있어서, 연료 통로가 단일 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 연료 투입구로부터 반응 영역에서 제 2 말단에 인접한 연료 출구로 연장되고, 산화제 통로가 반응 영역에서 공기 투입구로부터 반응 영역에서 각각의 공기 출구로 연장되는 연료 전지 시스템.
  96. 제95항에 있어서, 연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하기 위해 연료 투입구와 가열 영역 체임버 외부로 결합된 연료 공급; 및
    산화제 통로 안으로 가열된 공기 유동을 공급하기 위해 반응 영역에서 열 공급원과 결합된 공기 공급을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  97. 제94항에 있어서, 연료 통로가 단일 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 연료 투입구로부터 반응 영역에서 제 2 말단에 인접한 연료 출구로 연장되고, 산화제 통로가 반응 영역에서 공기 투입구로부터 단일 반응 영역에서 제 1 말단에 인접한 공기 투입구로부터 반응 영역에서 제 2 말단에 인접한 각각의 공기 출구로 연장되는 연료 전지 시스템.
  98. 제94항에 있어서, 각 장치에서, 다수의 배출 통로 각각은 한 쌍의 대향하는 연료 및 공기 통로와 결합하고, 각각은 반응 영역 내 인접한 제 2 대향하는 말단으로부터 가열 영역 체임버 외부로 길이의 제 2 부분에서 각각의 배출 출구로 연장하는 것을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  99. 제55항에 있어서, 하나 이상의 냉각 영역이 제 1 및 제 2 냉각 영역 사이에 위치된 반응 영역을 가진 신장 기판의 각각의 제 1 및 제 2 말단에 위치된 제 1 및 제 2 냉각 영역을 포함하고;
    신장 기판이 길이 방향에서 제 1 측면 부분, 제 2 측면 부분, 및 이 사이의 중간 부분으로 분할하고, 각각은 제 1 및 제 2 말단 사이에서 연장하며,
    다수의 연료 통로와 다수의 산화제 통로는 제 1 냉각 영역으로부터 제 2 냉각 영역으로 제 1 측면 부분에서 연장하는 다수의 제 1 산화제 통로를 가진 대향하는 관계에서 다수의 제 1 연료 통로, 및 제 1 냉각 영역으로부터 제 2 냉각 영역으로 제 2 측면 부분에서 연장하는 다수의 제 2 산화제 통로를 가진 대향하는 관계에서 다수의 제 2 연료 통로를 포함하고,
    다수의 제 1 전극은, 각각 제 1 측면 부분에서 제 1 연료 통로로부터 중간 부분을 통해 제 2 측면 부분에서 인접한 제 2 산화제 통로로 연장[여기서, 각 제 1 전극은 제 1 측면 부분에서 결합된 애노드, 제 2 측면 부분에서 결합된 캐소드, 및 중간 부분에서 제 1 브릿징 부재(bridging member)임]하고; 및
    다수의 제 2 전극은, 각각 제 1 측면 부분에서 제 1 연료 통로로부터 중간 부분을 통해 제 2 측면 부분에서 인접한 제 2 산화제 통로로 연장[여기서, 각 제 2 전극은 제 1 측면 부분에서 결합된 캐소드, 제 2 측면 부분에서 결합된 애노드, 및 중간 부분에서 제 2 브릿징 부재임]하는 연료 전지 장치.
  100. 제99항에 있어서, 제 1 및 제 2 연료 통로가 제 1 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 각각의 제 1 및 제 2 연료 투입구로부터 반응 영역을 통해 제 2 냉각 영역에서 제 2 말단에 인접한 각각의 제 1 및 제 2 연료 출구로 연장되고, 제 1 및 제 2 산화제 통로가 제 2 냉각 영역에서 제 2 말단에 인접한 각각의 제 1 및 제 2 공기 투입구로부터 제 1 냉각 영역에서 제 1 말단에 인접한 각각의 공기 출구로 연장되는 연료 전지 장치.
  101. 가열 영역 체임버 내 제 1 부분과 가열 영역 체임버 외부로 제 2 부분을 가진 신장 기판을 위치시키고;
    가열 영역 체임버 외부로 하나 이상의 냉각 영역에서 다수의 연료 통로로 연료 공급을 결합하고;
    가열 영역 체임버 외부로 하나 이상의 냉각 영역에서 다수의 산화제 통로로 공기 공급을 결합하고;
    가열 영역 체임버에 열을 적용하여 300℃ 미만의 저온에서 하나 이상의 냉각 영역을 유지하는 동안 400℃ 초과의 작동 온도로 반응 영역을 가열하며;
    각각의 연료 및 공기 공급으로부터의 연료와 공기를 각각의 연료 및 산화제 통로 안으로 공급하여 가열된 반응 영역으로 공급함으로써 연료와 공기를 반응시키는 것을 포함하는, 제55항의 장치의 사용 방법.
  102. 가열 영역 체임버에 열을 적용하여 300℃ 미만의 저온에서 하나 이상의 냉각 영역을 유지하는 동안 400℃ 초과의 작동 온도로 반응 영역을 가열하고;
    연료 공급으로부터의 연료를 연료 통로 안으로 공급하여 가열된 반응 영역으로 공급함으로써 산화제 통로 내의 공기와 반응시키는 것을 포함하는, 제80항의 시스템의 사용 방법.
  103. 제 1 말단에 인접한 제 1 냉각 말단 영역, 제 2 말단에 인접한 제 2 냉각 말단 영역, 및 제 1 및 제 2 냉각 말단 영역 사이의 가열 반응 영역을 가진 신장 기판[여기서, 가열 반응 영역은 작동 반응 온도로 가열하도록 배치하고, 및 제 1 및 제 2 냉각 말단 영역은 작동 반응 온도 이하의 저온에서 유지하도록 배치함];
    제 1 냉각 말단 영역에서 연료 투입구 및 가열 반응 영역 또는 제 2 냉각 말단 영역 중의 하나에서 각각의 연료 출구[연료 투입구 및 연료 출구가 신장 기판 내 가열 반응 영역을 통해 적어도 부분적으로 연장하는 신장 연료 통로에 의해 이 사이에 결합됨];
    제 2 냉각 말단 영역에서 산화제 투입구 및 가열 반응 영역 또는 제 1 냉각 말단 영역 중의 하나에서 각각의 산화제 출구[산화제 투입구 및 산화제 출구가 신장 연료 통로와 병렬 및 대향하는 관계에서 신장 기판 내 가열 반응 영역을 통해 적어도 부분적으로 연장하는 신장 산화제 통로에 의해 이 사이에 결합됨];
    신장 기판 내 가열 반응 영역에서 연료 통로와 인접하고 하나 이상의 제 1 및 제 2 냉각 말단 영역에서 신장 기판 위 제 1 외부 접촉 표면과 전기적으로 결합한 애노드;
    신장 기판 내 가열 반응 영역에서 산화제 통로와 인접하고 하나 이상의 제 1 및 제 2 냉각 말단 영역에서 신장 기판 위 제 2 외부 접촉 표면과 전기적으로 결합한 캐소드;
    애노드와 캐소드 사이에서 고체 전해질;
    제 1 외부 접촉 표면으로 음성 전기적 연결; 및
    제 2 외부 접촉 표면으로 양성 전기적 연결을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 장치.
  104. 제103항에 있어서, 제 1 말단 및 제 2 말단 사이의 길이가 신장 기판의 너비 및 두께보다 상당히 초과하고, 신장 기판은 길이와 동축으로 연장하는 하나의 우성 축만을 가지는 열 팽창 계수를 가지는 연료 전지 장치.
  105. 제103항에 있어서, 연료 출구가 제 2 냉각 말단 영역에 인접한 가열 반응 영역 내에 있는 연료 전지 장치.
  106. 제103에 있어서, 연료 출구가 제 2 말단에 인접한 제 2 냉각 말단 영역에 있는 연료 전지 장치.
  107. 제103항에 있어서, 산화제 출구가 제 1 냉각 말단 영역에 인접한 가열 반응 영역 내에 있는 연료 전지 장치.
  108. 제103항에 있어서, 산화제 출구가 제 1 말단에 인접한 제 1 냉각 말단 영역에 있는 연료 전지 장치.
  109. 제103항에 있어서, 제 1 말단 및 가열 반응 영역 사이에서 제 1 길이, 여기에 횡단하는 제 1 너비에 의해 한정된 제 1 신장 부분,
    제 2 말단 및 가열 반응 영역 사이에서 제 2 길이, 여기에 횡단하는 제 2너비에 의해 한정된 제 2 신장 부분, 및
    제 3 길이 및 제 3 너비에 의해 한정된 가열 반응 영역에서 넓은 표면적 단면,
    여기서 각각의 제 1 및 제 2 신장 부분에서 신장 기판의 각각의 제 1 및 제 2 너비와 두께보다 상당히 초과해, 1 및 제 2 신장 부분은 각각 각각의 제 1 및 제 2 길이와 동축으로 연장하는 우성 축을 가진 열 팽창 계수를 가지고 각각의 제 1 및 제 2 신장 부분의 제 1 및 제 2 길이, 및
    제 3 너비보다 상당히 이하여서, 큰 표면적 단면이 제 3 길이와 동축으로 연장하는 제 1 축과, 제 3 너비와 동축으로 연장하는 제 2 축을 가지는 열 팽창 계수를 가지는 제 3 길이를 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  110. 제109항에 있어서, 연료 출구가 제 2 냉각 말단 영역에 인접한 가열 반응 영역 내에 있고, 산화제 출구가 제 1 냉각 말단 영역에 인접한 가열 반응 영역 내에 있는 연료 전지 장치.
  111. 제109항에 있어서, 연료 출구가 제 2 말단에 인접한 제 2 냉각 말단 영역에 있고, 산화제 출구가 제 1 말단에 인접한 제 1 냉각 말단 영역에 있는 연료 전지 장치.
  112. 제103항에 있어서, 연료 출구가 제 2 냉각 말단 영역에 인접한 가열 반응 영역에 있고, 산화제 출구가 제 1 냉각 말단 영역에 인접한 가열 반응 영역에 있는 연료 전지 장치.
  113. 제103항에 있어서, 연료 출구가 제 2 말단에 인접한 제 2 냉각 말단 영역에 있고, 산화제 출구가 제 1 말단에 인접한 제 1 냉각 말단 영역에 있는 연료 전지 장치.
  114. 가열 영역 체임버;
    제103항에 있어서, 각각이 가열 영역 체임버에서 가열 반응 영역과 위치시키고, 제 1 및 제 2 냉각 말단 영역이 가열 영역 체임버 외부로 연장하는 다수의 고체 산화물 연료 전지 장치;
    열 공급원이 가열 영역 체임버와 결합되고, 가열 영역 체임버 내에 작동 반응 온도로 가열 반응 영역을 가열하도록 개조된 열 공급원;
    연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하기 위해 연료 통로를 가진 유체 전달에서 제 1 냉각 말단 영역과 가열 영역 체임버 외부로 결합된 연료 공급;
    산화제 통로 안으로 공기 유동을 공급하기 위해 산화제 통로를 가진 유체 전달에서 제 2 냉각 말단 영역과 가열 영역 체임버 외부로 결합된 공기 공급을 포함 하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  115. 제114항에 있어서, 열 공급원과 제 1 냉각 말단 영역 사이에서 제 1 절연 영역, 및 작동 반응 온도 이하의 온도에서 하나 이상의 냉각 영역을 유지하도록 개조된 열 공급원과 제 2 냉각 말단 영역 사이에서 제 2 단열 영역을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  116. 제114항에 있어서, 제 1 말단 및 제 2 말단 사이에서 길이가 신장 기판의 너비 및 두께보다 상당히 초과하고, 신장 기판은 길이와 동축으로 연장하는 하나의 우성 축만을 가지는 열 팽창 계수를 가지는 연료 전지 장치.
  117. 제114항에 있어서, 연료 출구가 제 2 냉각 말단 영역에 인접한 가열 반응 영역에 있고, 산화제 출구가 제 1 냉각 말단 영역에 인접한 가열 반응 영역에 있는 연료 전지 장치.
  118. 제114항에 있어서, 연료 출구가 제 2 말단에 인접한 제 2 냉각 말단 영역에 있고, 산화제 출구가 제 1 말단에 인접한 제 1 냉각 말단 영역에 있는 연료 전지 장치.
  119. 제114항에 있어서, 제 1 말단 및 가열 반응 영역 사이에서 제 1 길이, 여기 에 횡단하는 제 1 너비에 의해 한정된 제 1 신장 부분,
    제 2 말단 및 가열 반응 영역 사이에서 제 2 길이, 여기에 횡단하는 제 2너비에 의해 한정된 제 2 신장 부분, 및
    제 3 길이 및 제 3 너비에 의해 한정된 가열 반응 영역에서 넓은 표면적 단면,
    여기서, 각각의 제 1 및 제 2 신장 부분에서 신장 기판의 각각의 제 1 및 제 2 너비와 두께보다 상당히 초과여서, 제 1 및 제 2 신장 부분은 각각 각각의 제 1 및 제 2 길이와 동축으로 연장하는 우성 축을 가진 열 팽창 계수를 가지고 각각의 제 1 및 제 2 신장 부분의 제 1 및 제 2 길이, 및
    길이가 제 3 너비보다 상당히 이하이고, 큰 표면적 단면이 제 3 길이와 동축으로 연장하는 제 1 축과, 제 3 너비와 동축으로 연장하는 제 2 축을 가지는 열 팽창 계수를 가지는 제 3 길이를 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  120. 가열 영역 체임버 내 가열 반응 영역, 및 가열 영역 체임버 외부로 연장한 제 1 및 제 2 냉각 말단 영역을 가진 신장 기판을 위치시키고;
    연료 투입구와 유체 전달에서 제 1 냉각 말단 영역과 가열 영역 체임버 외부로 연료 공급을 결합하고;
    산화제 투입구와 유체 전달에서 제 2 냉각 말단 영역과 가열 영역 체임버 외부로 공기 공급을 결합하고;
    가열 영역 체임버에 열을 적용하여 300℃ 미만의 저온에서 제 1 및 제 2 냉 각 말단 영역을 유지하는 동안 400℃ 초과의 작동 온도로 반응 영역을 가열하며;
    각각의 연료 및 산화제 투입구를 통해 가열된 반응 영역에서 각각의 연료 및 산화제 통로로 연료와 공기를 공급하고, 이 연료와 공기는 반응하여, 각각의 제 1 및 제 2 외부 접촉 표면, 및 각각의 음성과 양성 전기적 연결로 이동하는 전극을 생산하는 것을 포함하는, 제103항의 장치의 사용 방법.
  121. 가열 영역 체임버에 열을 적용하여 300℃ 미만의 저온에서 제 1 및 제 2 냉각 말단 영역을 유지하는 동안 400℃ 초과의 작동 온도로 반응 영역을 가열하고;
    각각의 연료 및 공기 공급으로부터의 연료와 공기를 각각의 연료 및 산화제 통로 안으로 공급하여 각각의 제 1 및 제 2 외부 접촉 표면 및 각각의 음성 및 양성 전기적 연결로 이동하는 전극을 생산하는 가열된 반응 영역으로 공급함으로써 연료와 공기를 반응시키는 것을 포함하는, 제114항의 시스템의 사용 방법.
  122. 제 1 말단, 및 대향하는 제 2 말단과, 이 사이에 길이를 가진 신장 기판, 제 1 말단에 인접한 길이의 제 1 부분을 따른 냉각 영역, 및 제 2 말단에 인접한 길이의 제 2 부분을 따른 가열 반응 영역[여기서, 가열 반응 영역은 작동 반응 온도로 가열되도록 배치하고, 및 냉각 영역은 작동 반응 온도 이하의 저온에서 유지하도록 배치함],
    제 1 말단에 인접한 각각의 연료 출구로 신장 기판 내 가열 반응 영역을 통해 연장하는 신장 연료 통로와 결합된 냉각 영역 내 연료 투입구;
    제 1 말단에 인접한 각각의 산화제 출구로 신장 연료 통로와 병렬 및 직렬 관계에서 신장 기판 내 가열 반응 영역을 통해 연장한 신장 산화제 통로와 결합된 냉각 영역 내 산화제 투입구;
    신장 기판 내 가열 반응 영역에서 연료 통로와 인접하고, 냉각 영역에서 신장 기판 위 제 1 외부 접촉 표면과 전기적으로 결합한 애노드;
    신장 기판 내 가열 반응 영역에서 산화제 통로와 인접하고, 냉각 영역에서 신장 기판 위 제 2 외부 접촉 표면과 전기적으로 결합한 캐소드;
    애노드와 캐소드 사이에서 고체 전해질;
    제 1 외부 접촉 표면으로 음성 전기적 연결; 및
    제 2 외부 접촉 표면으로 양성 전기적 연결을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 장치.
  123. 제122항에 있어서, 제 1 말단 및 제 2 말단 사이에서 길이가 신장 기판의 너비 및 두께보다 상당히 초과하고, 신장 기판은 길이와 동축으로 연장하는 하나의 우성 축만을 가지는 열 팽창 계수를 가지는 연료 전지 장치.
  124. 제122항에 있어서, 제 1 부분이 두께와 너비보다 상당히 더 긴 신장 부분이고, 제 1 부분이 길이의 제 1 부분과 동축인 우성 축을 가진 열 팽창 계수를 가지며, 여기서, 가열 반응 영역은 너비보다 상당히 이하인 큰 표면적 단면을 포함하고, 큰 표면적 단면은 길이를 따른 제 1 축 및 길이를 횡단하는 제 2 축을 가진 열 팽창 계수를 갖는 연료 전지 장치.
  125. 제122항에 있어서, 제 2 부분이 제 1 부분보다 더 얇고, 제 2 부분이 자체로 롤링된 연료 전지 장치.
  126. 가열 영역 체임버;
    각각 가열 영역 체임버에서 가열 반응 영역 및 가열 영역 체임버 외부로 연장하는 냉각 영역과 위치시킨, 제 122항의 다수의 고체 산화물 연료 전지 장치;
    열 공급원이 가열 영역 체임버와 결합되고, 가열 영역 체임버 내 작동 반응 온도로 반응 영역을 가열하도록 개조된 열 공급원;
    연료 통로 안으로 연료 유동을 공급하기 위한 연료 통로를 가진 유체 전달에서 냉각 영역과 가열 영역 체임버 외부로 결합된 연료 공급;
    산화제 통로 안으로 공기 유동을 공급하기 위한 산화제 통로를 가진 유체 전달에서 냉각 영역과 가열 영역 체임버 외부로 결합된 공기 공급을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  127. 제126항에 있어서, 열 공급원과 작동 반응 온도 이하의 온도에서 냉각 영역을 유지하도록 개조된 냉각 영역 사이에서 절연 영역을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  128. 제126항에 있어서, 제 1 말단 및 제 2 말단 사이에서 길이가 신장 기판의 너비 및 두께보다 상당히 초과하고, 신장 기판은 길이와 동축으로 연장하는 하나의 우성 축만을 가지는 열 팽창 계수를 가지는 연료 전지 시스템.
  129. 제126항에 있어서, 제 1 부분이 두께와 너비보다 상당히 더 긴 신장 부분이고, 제 1 부분이 길이의 제 1 부분과 동축인 우성 축을 가진 열 팽창 계수를 가지고, 및 가열 반응 영역이 너비보다 상당히 길지 않은 큰 표면적 단면을 포함하고, 큰 표면적 단면이 길이를 따른 제 1 축 및 길이를 횡단하는 제 2 축을 가진 열 팽창 계수를 가지는 연료 전지 시스템.
  130. 제126항에 있어서, 제 2 부분이 제 1 부분보다 더 얇고, 제 2 부분이 자체로 롤링되어 가열 영역 체임버 내에 위치된, 연료 전지 시스템.
  131. 가열 영역 체임버 내 가열 반응 영역과, 가열 영역 체임버 외부로 연장하는 냉각 영역을 가진 신장 기판을 위치시키고;
    연료 투입구를 가진 유체 전달에서 냉각 영역과 가열 영역 체임버 외부로 연료 공급을 결합하고;
    산화제 투입구를 가진 유체 전달에서 냉각 영역과 가열 영역 체임버 외부로 공기 공급을 결합하고;
    가열 영역 체임버에 열을 적용하여 300℃ 미만의 저온에서 냉각 영역을 유지 하는 동안, 400℃ 초과의 작동 온도로 반응 영역을 가열하며;
    각각의 연료 및 산화제 투입구를 통해 가열된 반응 영역에서 각각의 연료 및 산화제 통로로 연료와 공기를 공급하고, 이 연료와 공기는 반응하여, 각각의 제 1 및 제 2 외부 접촉 표면, 및 각각의 음성과 양성 전기적 연결로 이동하는 전극을 생산하는 것을 포함하는, 제122항의 장치의 사용 방법.
  132. 가열 영역 체임버에 열을 적용하여 300℃ 미만의 저온에서 냉각 영역을 유지하는 동안 400℃ 초과의 작동 온도로 반응 영역을 가열하고;
    각각의 연료 및 공기 공급으로부터 가열된 반응 영역으로 각각의 연료 및 공기 통로 안으로 연료와 공기를 공급하고, 이 연료와 공기는 반응하여, 각각의 제 1 및 제 2 외부 접촉 표면, 및 각각의 음성과 양성 전기적 연결로 이동하는 전극을 생산하는 것을 포함하는, 제126항의 장치의 사용 방법.
  133. 신장 모놀리식 소결된 세라믹 기판이 최대 치수인 길이를 가지고, 당해 신장 기판이 길이와 동축으로 연장하는 하나의 우성 축만을 가지는 열 팽창 계수를 가지고, 다수의 제 1 통로의 각각의 하나와 대향하는 관계에서 위치된 다수의 제 1 통로 및 다수의 제 2 통로를 포함하는 신장 기판을 제공하는 것;
    애노드 입자 및 제 1 액체를 포함하는 유체 애노드 물질을 가진 제 1 통로를 충전하는 것;
    제 1 액체를 제거하고, 제 1 통로의 각각의 표면에 애노드 입자의 층을 형성 하는 것;
    캐소드 입자 및 제 2 액체를 포함하는 유체 애노드 물질을 가진 제 2 통로를 채우는 것;
    제 2 액체를 제거하고, 제 2 통로의 각각의 표면에 애노드 입자의 층을 형성하는 것을 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 만드는 방법.
  134. 제133항에 있어서, 유체 애노드 물질의 pH와 유체 캐소드 물질의 pH의 변화로, 각각의 애노드와 캐소드 입자가 제 1 및 제 2 통로의 각각의 표면 위로 침전하여 제 1 및 제 2 통로 밖으로 각각의 제 1 및 제 2 액체를 추출하는 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  135. 제133항에 있어서, 각각의 애노드 및 캐소드 입자가 제 1 및 제 2 통로의 각각의 표면으로 침전시키고, 이후에 제 1 및 제 2 통로 밖으로 각각의 제 1 및 제 2 액체를 드라이 또는 베이크하는 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  136. 제135항에 있어서, 원심 분리를 사용하여 각각의 애노드 및 캐소드 입자가 제 1 및 제 2 통로의 각각의 표면으로 침전시키도록 하는 침전을 포함하는 방법.
  137. 제133항에 있어서, 제 1 및 제 2 통로의 표면이 불균일한 형태를 제공하는 방법.
  138. 제137항에 있어서, 불균일한 형태를 충전 단계 이전에 표면 입자를 표면에 라인시켜 제공하는 방법.
  139. 제137항에 있어서, 불균일한 형태가 패턴된 물품(patterned article)을 가지고 표면에 대향하여 압축(press)되어 제공되며, 여기서, 표면에 패턴을 첨가하도록 소결되기 이전에 물질 그린 상태이고, 패턴된 표면을 굳히도록 소결되는 방법.
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