KR20100016411A - 연료 전지 장치 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지 장치(10, 100, 200, 300, 400, 500) 및 연료 전지 시스템, 연료 전지 장치 및 시스템의 사용방법, 및 연료 전지 장치(10, 100, 200, 300, 400, 500)의 제조방법에 관한 것이다. 특정 양태에 따르면, 연료 전지 장치(10, 100, 200, 300, 400, 500)는, 길이가 열 팽창 계수가 길이와 동일한 공간에 있는 한 개의 주축만을 갖도록 하는 최대 크기인 신장 기판, 예를 들면, 직사각형 또는 관형 기판을 포함할 수 있다. 또한, 또는 다른 특정 양태에 따르면, 반응 영역(32, 33b)은 작동 반응 온도로의 가열을 위해 길이의 제1 부분을 따라 위치하고, 하나 이상의 냉각 영역(30)은 작동 반응 온도보다 낮은 온도에서 작동하기 위해 길이의 제2 부분을 따라 위치한다. 신장 기판에는 각각 결합 애노드(24, 24L, 24R)를 갖는 하나 이상의 연료 통로(14, 14L, 14R)가 있으며, 신장 기판에는 각각 결합 캐소드(26, 26L, 26R)를 갖는 하나 이상의 산화제 통로(20, 20L, 20R)가 있다. 몇몇 양태에서, 통로(14, 14L, 14R, 20, 20L, 20R)는 구조로부터 용융제거되거나 베이크 아웃(bake out)되는 희생 유기 물질(72) 및/또는 적층 후 빠져나오는 제거 가능한 구조(92)에 의해 형성된다. 베이크-아웃 경로(70)가 희생 유기 물질(72)의 제거를 촉진시키기 위해 사용될 수 있으며, 이러한 경로(70)는 이후에 밀봉된다. 본 발명의 양태는 전류 수집기(122)가 전극(24, 24L, 24R, 26, 26L, 26R)에 오목하게 들어가 있는 방법 및 장치를 추가로 포함한다.
Figure P1020097023467
연료 전지 장치, 연료 전지 시스템, 반응 영역, 냉각 영역, 신장 기판.

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 "고체 산화물 연료 전지 장치 및 시스템"이라는 명칭으로 2007년 5월 10일자로 출원되어 동시 계류중인 미국 가출원 제60/917,262호(대리인 문서 번호 제DEVOFC-05P호)의 이익 및 우선권을 청구한다. 본 출원은 또한, 동시 계류중인 미국 가출원 제11/747,066호(대리인 문서 번호 DEVOFC-03US1) 및 제11/747,073호(대리인 문서 번호 DEVOFC-03US2)에 관한 것으로, 이들 둘 다는 "고체 산화물 연료 전지 장치 및 시스템"이라는 명칭으로 2007년 5월 10일자로 출원되었고, 전문이 본원에 참조로 인용되어 있다. 본 출원은 또한, "고체 산화물 연료 전지 장치 및 시스템"이라는 명칭으로 각각 동시 계류중인 미국 가출원 제11/557,894호(대리인 문서 번호 DEVOFC-04US1), 제11/557,901호(대리인 문서 번호 DEVOFC-04US2) 및 제11/557,935호(대리인 문서 번호 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 제조방법, 보다 특히 다층 모놀리식 연료 전지 StickTM(multi-layer monolithic Fuel Cell StickTM)의 형태의 연료 전지 장치에 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 층을 통하여 이동하여 화학 반응을 완성하도록 한다. 세라믹은 실온에서 산소 원자의 불량한 전도체이기 때문에, 연료 전지는 700℃ 내지 1000℃에서 작동하며, 세라믹 층은 가능한 얇게 만들어진다.
초기의 관형 SOFC는 길고 상당히 큰 지름을 가진 지르코니아 세라믹의 압출 튜브를 사용하여 웨스팅하우스 코포레이션(Westinghouse Corporation)에 의해 제조되었다. 전형적인 튜브 길이는 수 피트이고, 튜브의 지름은 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 달성한다. 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 모양일 수 있다.
매우 얇은 벽을 가진 지름이 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 또는 미만의 벽 두께에서 세라믹 튜브를 만드는 것이 필요하다고 기재되어 있다.
SOFC의 성공적인 수행을 방해하는 몇 가지의 주된 기술적 문제점들이 있다. 문제점 중의 하나는 가열 동안 세라믹 요소들의 열분해를 방지할 필요가 있다는 것이다. 이를 위해, 관형 SOFC 방법이 경쟁적 "스택" 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(furnace)는 지름이 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 팽창 하여 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.
발명의 요약
본 발명은 연료 전지 장치 및 시스템, 장치 및 시스템의 사용방법, 및 장치의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 양태에 따르면, 연료 전지 장치는 최대 치수인 길이를 가짐으로써 상기 길이와 동축으로 연장되는 단지 하나의 우성 축만을 가지는 열 팽창 계수를 갖는 신장 기판을 포함한다. 반응 영역은 작동 반응 온도로 가열되도록 길이의 제1 부분을 따라 배치되고, 하나 이상의 냉각 영역은 작동 반응 온도 이하의 온도에서 작동하도록 길이의 제2 부분을 따라 배치된다. 신장 기판에는 하나 이상의 연료 통로가 있는데, 각각은 냉각 영역에서 연료 투입구로부터 반응 영역을 통해 연장되는 제1 연료 경로, 및 반응 영역으로부터 연료 출구로 연장되는 제2 연료 경로를 갖는다. 신장 기판에는 하나 이상의 산화제 통로가 있는데, 각각은 냉각 영역에서 산화제 투입구로부터 반응 영역을 통해 연장되는 제1 산화제 경로, 및 반응 영역에서부터 산화제 출구로 연장되는 제2 산화제 경로를 갖는다. 각각의 제1 연료 경로 및 각각의 제1 산화제 경로는 각각 반응 영역에서 결합된 애노드 또는 캐소드를 가지며, 상기 애노드 및 캐소드는 반응 영역에서 이들 사이에 배치된 전해질과 대향하는 관계로 배치된다. 각각의 연료 및 산화제 통로는 각각의 제1 연료 및 산화제 경로의 단면적보다 더 작은 단면적을 갖는 각각의 제2 연료 및 산화제 경로에서 넥-다운(neck-down) 지점을 포함한다. 연료 전지 시스템은 추가로 장치의 반응 영역이 위치한 곳으로 가열 영역 체임버, 및 가열 영역 체임버 바깥으로 연장되는 냉각 영역을 가짐을 포함한다. 열 공급원은 작동 반응 온도로 반응 영역을 가열하기 위해 가열 영역 체임버와 연결되고, 연료 및 산화제 공급기는 통로로 각각의 가스를 공급하기 위해 각각의 연료 및 산화제 투입구와 연결된다. 또한, 300℃ 미만의 온도에서 냉각 영역을 지속시키면서 400℃ 초과로 반응 영역을 가열하도록 가열 영역 체임버에 열을 적용시키는 단계를 포함하는 장치의 사용방법을 제공한다. 연료 및 산화제 가스는 이들이 반응하는 가열된 반응 영역에서 통로로 공급된다. 또한, 그린 세라믹, 애노드, 캐소드 및 희생 물질의 층을 포함하는 장치의 제조방법이 제공된다. 제거가능한 구조는 희생 층(sacrificial layer)이 중첩(overlapping)되는 그린 세라믹 층의 대향하는 측면에 배치된다. 적층 후, 와이어가 제거되고, 층 구조물을 가열하여 희생 층을 베이크(bake)한다. 베이크-아웃(bake-out)된 희생 물질로부터 남겨진 갭은 반응 영역에서 제1 경로를 형성하고, 제거가능한 구조로부터 남겨진 갭은 더 작은 단면적의 넥-다운 지점을 형성한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 연료 전지 장치의 제조방법은 제1 측면 상의 애노드 층 및 대향하는 제2 측면 상의 캐소드 층을 적용시킴을 포함하고, 애노드 층과 캐소드 층은 제1 신장 그린 세라믹 층의 제1 부분 내에 일반적으로 정렬되어 있다. 희생 유기 층은 각각의 애노드 층 및 캐소드 층 위에 적용시키고, 하나 이상의 제거가능한 구조는 제1 신장 그린 세라믹 층의 제1 및 제2 측면의 각각에 배치되고, 제1 말단은 각각의 희생 유기 층과 중첩되고, 제2 말단은 제1 신장 그린 세라믹 층의 에지에 적어도 연장된다. 제2 신장 그린 세라믹 층은 제1 신장 그린 세라믹 층과 일반적으로 정렬되어 있는 각각의 제1 및 제2 측면의 희생 유기 층 및 제거가능한 구조 위에 배치된다. 모든 층 및 제거가능한 구조는 함께 적층되어 적층 구조를 형성한 다음, 제거가능한 구조를 제거함으로써 각각의 에지 및 애노드 층 및 캐소드 층 사이의 비-활성 통로를 형성한다. 마지막으로, 적층된 구조를 가열하여 희생 유기 층을 번 아웃함으로써 애노드 층 및 캐소드 층을 따라 활성 통로를 형성한다.
다른 양태에 따르면, 연료 전지 장치의 제조방법은 다수의 세라믹 층, 애노드 층, 캐소드 층, 및 개재된 세라믹 층이 캐소드 층으로부터 애노드 층을 분리시키고, 내부 희생 유기 층은 개재된 세라믹 층에 대향하는 각각의 애노드 및 캐소드 층에 인접하도록 배열된 내부 희생 유기 층을 포함하는 스태킹된(stacked) 구조를 형성하는 단계를 포함하고, 희생 유기 층은 내부 가스 통로를 제공하는 크기이다. 제거가능한 구조는 희생 유기 층과 접촉하고, 스태킹된 구조물의 하나 이상의 에지에 연장하도록 배치된다. 스태킹된 구조는 적층되고, 제거가능한 구조는 제거되어 다수의 베이크-아웃 포트를 형성한다. 이후에, 스태킹된 구조를 가열하여 희생 유기 층의 물질(여기서, 물질은 다수의 베이크-아웃 포트를 통해 배출된다)을 베이크 아웃함으로써 희생 유기 층을 제거하여 내부 가스 통로를 형성한다. 이후에, 베이크-아웃 포트는 차단재로 밀봉된다.
다른 양태에 따르면, 연료 전지 시스템은 두께 T를 가진 체임버 벽을 갖는 가열 영역 체임버를 제공한다. 하나 이상의 연료 전지 장치는 각각 최대 치수인 길이를 가짐으로써 열 팽창 계수가 상기 길이를 따라 동축으로 연장되는 단지 하나의 우성 축을 가지는 신장 직사각형 또는 관형 기판, 작동 반응 온도로 노출시키기 위해 가열 영역 체임버에서 배치된 길이의 제1 부분을 따르는 반응 영역, 작동 반응 온도 이하의 온도에서 유지하도록 가열 영역 체임버 바깥으로 연장되는 길이의 제2 부분을 따르는 하나 이상의 냉각 영역, 및 반응 영역에서의 애노드 및 캐소드 사이에 배치된 전해질을 포함한다. 두께 T와 동일한 연료 전지 장치 각각의 길이의 제3 부분은 체임버 벽 내에 배치되고, 제3 부분은 T ≥ ½L의 길이의 방향을 가 로지르는 비행기에서 최대 치수 L을 가진다. 열 공급원은 반응 영역을 가열 영역 체임버 내의 작동 반응 온도로 가열하도록 가열 영역 체임버에 연결된다.
다른 양태에 따르면, 연료 전지 장치의 제조방법은 제1 희생 층 위에 전류 수집기를 형성하는 단계, 전류 수집기 위에 제2 희생 층을 적용시키는 단계, 그린 세라믹으로 제1 및 제2 희생 층을 실질적으로 둘러싸는 단계, 그린 세라믹을 소결시키고, 소결된 세라믹 내의 갭 내에 배치된 전류 수집기를 남기면서 제1 및 제2 희생 층을 연소시키기 위해 열을 적용하는 단계, 및 가스 통로로서의 역할을 하기 위해 갭 출구의 제2 부분을 유지하면서 전류 수집기 및 소결된 세라믹과 접촉시켜 갭의 제1 부분 내로 전극을 형성시키는 단계를 포함한다.
다른 양태에 따르면, 연료 전지 장치는 최대 치수인 길이를 가짐으로써 상기 길이를 따라 동축으로 연장되는 단지 하나의 우성 축을 가지는 열 팽창 계수를 갖는 신장 기판, 작동 반응 온도로 가열되도록 배치된 제1 길이 부분을 따라 있는 반응 영역, 및 반응 영역이 가열되는 경우에 작동 반응 온도 이하의 저온에서 유지되도록 배치된 제2 길이 부분을 따라 있는 하나 이상의 냉각 영역을 지닌 신장 기판을 포함한다. 전해질은 반응 영역 내 다공성 애노드 및 다공성 캐소드 사이에 배치되고, 연료 통로는 다공성 애노드와 연관되며 반응 영역을 통해 하나 이상의 냉각 영역으로부터 연장되고, 산화제 통로는 다공성 캐소드와 연관되며 반응 영역을 통해 하나 이상의 냉각 영역으로부터 연장되며, 고밀도 전류 수집기는 각각의 다공성 애노드 및 다공성 캐소드의 표면 부분 내로 적어도 부분적으로 오목하게 들어가도록 배치되며, 각각의 연료 및 산화제 통로에 노출된다.
다른 양태에 따르면, 연료 전지 장치의 제조방법은 연료 전지 장치의 활성 전해질 부분으로서 작용할 제1 부분, 및 연료 전지 장치의 활성 지지부로서 작용할 제2 부분을 가진 제1 그린 세라믹 층을 제공함을 포함한다. 애노드 층은 제1 측면에 적용되고, 캐소드 층은 제1 그린 세라믹 층의 제1 부분의 대향하는 제2 측면에 적용되며, 제2 그린 세라믹 층은 제1 그린 세라믹 층의 각각의 제1 및 제2 측면의 제2 부분에 적용되고, 제2 그린 세라믹 층의 두께는 애노드 층과 캐소드 층의 두께와 대략 동일하다. 희생 층은 각각의 애노드 및 캐소드 층 및 제2 그린 세라믹 층 위에 적용되고, 제3 그린 세라믹 층은 각각의 희생 층 위에 적용된다. 층상화된된(layered) 구조를, 모든 층이 소결하고 희생 층이 번 아웃하는데 충분한 온도로 가열하여 활성 지지부에서 이들 사이에 두꺼운 소결된 세라믹, 및 활성 전해질 부분에서 이들 사이에 애노드, 얇은 전해질 및 캐소드를 가진 한 쌍의 가스 통로를 형성한다.
다른 양태에 따르면, 연료 전지 장치는 애노드, 캐소드, 및 이들 사이의 전해질을 갖는 활성 중심부를 포함하고, 3개 이상의 신장부는 활성 중심부로부터 연장되고, 각각은 이에 횡방향의 너비보다 실질적으로 더 큰 길이를 가져서 신장부 각각이 이의 길이와 동축으로 연장되는 하나의 우성 축을 갖는 열 팽창 계수를 가지고, 하나 이상의 연료 통로는 애노드와 결합된 활성 중심부 내로 제1 신장부에서 연료 투입구로부터 연장되고, 하나 이상의 산화제 통로는 캐소드와 결합된 활성 중심부 내로 제2 신장부에서 산화제 투입구로부터 연장되며, 하나 이상의 가스 통로는 제3 신장부 및 활성 중심부에서 개구 사이에 연장된다.
다른 양태에 따르면, 연료 전지 장치는 애노드, 캐소드, 및 이들 사이의 전해질을 갖는 활성 중심부를 포함하고, 4개의 신장부는 활성 중심부로부터 연장되고, 각각은 이에 횡방향의 너비보다 실질적으로 더 큰 길이를 가져서 신장부 각각이 이의 길이와 동축으로 연장되는 하나의 우성 축을 갖는 열 팽창 계수를 가진다. 연료 통로는 애노드와 결합된 활성 중심부 내로 제1 신장부의 연료 투입구로부터 제2 신장부의 출구로 연장되고, 산화제 통로는 캐소드와 결합된 활성 중심부 내로 제3 신장부의 투입구로부터 제4 신장부의 출구로 연장되고, 활성 중심부는 제4 신장부의 각각의 면적보다 더 큰 면적을 갖는다.
여전히 다른 양태에 따르면, 연료 전지 장치의 제조 방법은 연료 전지 장치 내에 가스 통로를 제공하도록 배치된 다수의 희생 유기 층과 교호하는 다수의 그린 세라믹 층의 스태킹된 구조를 형성하는 단계를 포함하고, 희생 유기 층은 탄소 섬유 및 왁스의 복합체를 포함하고, 그린 세라믹 층은 중합체성 결합제를 포함한다. 방법은 탄소 섬유 또는 중합체성 결합제를 번 아웃하지 않고 왁스를 베이크 아웃하는데 충분한 제1 온도, 이후에 중합체성 결합제를 번 아웃하는데 충분한 제2 온도, 및 이후에 그린 세라믹 층을 소결하고 탄소 섬유를 번 아웃하는데 충분한 소결 온도로 스태킹된 구조를 가열시킴으로써 이에 다수의 가스 통로를 가진 소결된 세라믹 구조를 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
첨부한 도면은 본 명세서의 일부를 구체화하고 구성하며, 본 발명의 양태를 예시하고, 위에 제시된 본 발명의 일반적인 설명 및 아래 제시된 상세한 설명과 함 께 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 StickTM 장치의 한 가지 양태를 나타내는 측단면도 및 상부단면도이다.
도 2는 연료 공급 튜브가 연결되어 있는 본 발명의 연료 전지 StickTM 장치의 한 가지 양태의 제1 말단을 나타내는 사시도이다.
도 3A는 본 발명의 한 가지 양태에 따르지만, 변형된 말단을 가지는 연료 전지 StickTM 장치를 나타내는 사시도이다.
도 3B는 도 3A의 장치의 변형된 한쪽 말단에 연결된 연료 공급 튜브를 나타내는 사시도이다.
도 4A는 본 발명의 한 가지 양태에 따라 양전압 노드와 음전압 노드(node)에 전기적 연결을 만들기 위한 다수의 연료 전지 StickTM 장치의 야금술적(metallurgical) 결합 부착 수단을 나타내는 사시도이다.
도 4B는 본 발명의 한 가지 양태에 따라 각 연료 전지 StickTM 장치가 다수의 애노드와 캐소드를 포함하는 다수의 연료 전지 StickTM 장치 사이의 연결을 나타내는 개략적인 말단도이다.
도 5는 본 발명의 한 가지 양태에 따라 양전압 노드와 음전압 노드에 전기적 연결을 만들기 위한 기계적 부착 수단을 나타내는 개략적인 말단도이다.
도 6A와 도 6B는 연료 및 공기 공급 튜브가 부착된 연료 전지 StickTM 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 통로에서의 다수의 지지 기둥(support pillars)을 나타내는 측단면도 및 상부단면도이다.
도 7C와 도 7D는 본 발명의 또 다른 양태에 따라 지지 기둥으로서의 연료 및 공기 통로에서의 구형 볼의 사용을 나타내는 현미경 사진이다.
도 8A는 외부에 병렬로 연결된 두 개의 연료 전지를 함유하는 본 발명의 한 가지 양태를 나타내는 횡단면도이다.
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 디자인을 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 StickTM 장치를 나타내는 개략 적인 측면도이다.
도 10A는 가열 영역이 대향하는 냉각 말단 사이에 배치되어 있는, 도 10의 양태의 변화를 나타내는 개략적인 측면도이다.
도 10B는 라인 10B-10B를 따라 나타낸 도 10A의 연료 전지 StickTM 장치의 상부단면도이다.
도 11 내지 도 24는 본 발명의 다양한 양태를 개략적으로 나타내며, 여기서, 도 11은 도 12 내지 24에 나타낸 부재들에 대한 설명을 제공한다.
도 25A와 도 27A는 개략적인 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 StickTM 장치를 나타내는 개략적인 측면도이다.
도 25B와 도 26A는 개략적인 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 개략적인 측면도이다.
도 28A 내지 도 28D는 나선형 또는 롤링된(rolled), 관형 형상을 가진 본 발명의 한 가지 양태에 따른 연료 전지 StickTM 장치를 나타내며, 여기서, 도 28A 내지 도 28C는 각각 롤링되지 않은 구조를 나타내는 개략적인 상부도, 말단도 및 측면도이며, 도 28D는 나선형 또는 롤링된, 관형 형상을 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 29A 내지 도 29G는 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치의 양태를 나타내는 개략적인 측단면도이고, 도 30B와 도 30C는 각각 30B-30B 라인 및 30C-30C 라인을 따라 나타낸 도 30A의 장치의 개략적인 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 개략적인 측단면도 및 개략적인 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 StickTM 장치의 세로 중심을 지나는 개략적인 측단면도이고, 도 33B는 도 33A의 라인 33B-33B를 따라 나타낸 개략적인 상부 단면도이며, 도 33C는 도 33A의 라인 33C-33C를 따라 나타낸 개략적인 저면 단면도이다.
도 34A와 도 34B는 각각 외부에 직렬로 상호 연결된 다수의 애노드와 캐소드를 갖는 본 발명의 양태를 나타내는 개략적인 경사 정면도 및 개략적인 측면도이다.
도 35는 직렬-병렬 구조를 제공하는 금속 스트라이프에 의해 외부에 연결된 두 개의 구조로 배가된 도 34B의 구조를 나타내는 개략적인 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 개략적인 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 개략적인 측단면도이다.
도 39는 연료 전지 StickTM 장치의 애노드-지지된 버젼(anode-supported version)이라고 하는, 애노드 물질이 지지 구조로서 사용되는 본 발명의 또 다른 양태를 나타내는 개략적인 말단 단면도이다.
도 40A와 도 40B는 각각 장치를 통해 연료를 이동하는 기능을 수행하는 다공성 애노드를 위해 개방 연료 통로가 제거되어 있는 본 발명의 연료 전지 StickTM 장치의 또 다른 양태에 따르는 애노드-지지된 버젼을 나타내는 개략적인 말단 단면도 및 개략적인 측단면도이다.
도 41A와 도 41B는 각각 다수의 공기 통로가 애노드-지지된 구조 내에 제공되고 단일 연료 통로가 다수의 공기 통로에 수직으로 제공되어 있는 본 발명의 연료 전지 StickTM 장치의 애노드-지지된 버젼의 또 다른 양태를 나타내는 개략적인 말단 단면도 및 개략적인 상부 단면도이다.
도 42A 내지 도 42C는 본 발명의 한 가지 양태에 따른 연료 전지 StickTM 장치의 통로에 전극 층을 형성하는 방법을 나타내는 개략적인 횡단면도이다.
도 43은 전극 층을 수용하는데 이용 가능한 표면적을 증가시키기 위해 전해질 층에 불균일한 표면 형태가 제공되어 있는 본 발명의 또 다른 양태를 나타내는 개략적인 측단면도이다.
도 44는 전해질 층에 불균일한 표면 형태를 제공하기 위한 본 발명의 대안적 양태를 나타내는 개략적인 측단면도이다.
도 45A는 개략적인 상부도를 나타내며, 도 45B는 장치의 좌측면과 우측면 각각에 다수의 연료 전지를 갖고, 좌측면과 우측면 사이에 브릿징(bridging) 부분을 가지는 본 발명의 연료 전지 StickTM 장치의 한 가지 양태를 가열 영역을 통해 나타 내는 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 StickTM 장치의 또 다른 양태를 나타내는 개략적인 사시도 및 개략적인 횡단면도이다.
도 47은 소모된 연료와 공기 둘 다를 위한 단일 배출 통로를 갖는 본 발명의 또 다른 양태에 따르는 연료 전지 StickTM 장치를 나타내는 개략적인 측단면도이다.
도 48A 내지 도 48C는 두꺼운 부분과 얇은 롤링된 부분을 가지는 "말단-롤링된 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치를 제작하는 한 가지 양태를 나타내는 개략적인 측단면도이다.
도 49B는 적층 후의 도 49A의 장치를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 49C는 와이어가 제거된 후의 도 49B의 장치를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 50A 내지 도 50C는 와이어 및 갭-형성 테잎의 조합을 사용하여 연료 전지 StickTM 장치를 제작하는 또 다른 양태를 나타내는 개략적인 횡단면도이다.
도 51 및 도 52A는 로 벽을 통과하는 연료 전지 StickTM 장치를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 52B는 로 벽의 경계 내에서 도 52B의 연료 전지 StickTM 장치의 부분을 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 52C는 로 벽을 통과하는 관형 연료 전지 StickTM 장치의 일부를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 53은 다층으로 이루어진 로 벽을 통과하는 연료 전지 StickTM 장치를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 54는 다층 및 공기 갭으로 이루어진 로 벽을 통과하는 연료 전지 StickTM 장치를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 55A 내지 도 55E는 유동 전류 수집기를 갖는 연료 전지 StickTM 장치의 조립을 나타내는 개략적인 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 백필링(backfilling)하는 것을 나타내는 개략적인 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 개략적인 횡단면도이다.
도 60은 애노드 및 캐소드의 표면에서 매장된 전류 수집기를 나타내는 개략적인 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 개략적인 횡단면도이다.
도 62A는 도 62의 상세한 도면이다.
도 63은 햇치 패턴(hatch pattern)으로 전류 수집기의 상부도를 나타내는 현미경 사진이다.
도 64 및 도 65는 다공성 애노드 또는 캐소드에 대한 전류 수집기의 측면도 및 각진 단면도를 나타내는 현미경 사진이다.
도 66A는 연료 전지 StickTM 장치의 말단에서 미끄러진 튜브의 개략적인 횡단면도이다.
도 66B는 도 66A의 연료 전지 StickTM 장치의 말단의 개략적인 사시도이다.
도 67A는 연료 전지 StickTM 장치의 말단에 배치되고, 스프링 전기적 접촉을 포함하는 커넥터의 개략적인 횡단면도이다.
도 67B는 도 67A의 커넥터의 개략적인 사시도이다.
도 68A 및 도 68B는 4개의 출구 지점을 갖는 연료 전지 StickTM 장치를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 69는 다공성 애노드 또는 캐소드 내로 들어가는 전류 수집기 흔적을 나타내는 현미경 사진이다.
도 70은 탄소-왁스 희생 물질을 제거한 후 남겨진 갭을 나타내는 현미경사진 이미지이다.
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 StickTM 장치라고 함)이다. 연료 전지 StickTM 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, 말단은 이에 도달하는 어떠한 열도 빠르게 전도한다. 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 대신 고온 연결이 필요한 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 StickTM 장치는 길고 얇아서 위에서 토의한 열 특성 장점을 가지고 있어 중심은 가열되고 말단은 여전히 냉각되도록 한다. 이것은 온도에 있어서 구조적으로 안전하고, 연료, 공기와 전극을 연결하는데 비교적 용이하게 한다. 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 칩의 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 접근을 사용하여 가능한 반면, 60μm 미만의 전해질 벽 두께를 가진 SOFC 튜브는 상상하기 힘들다. 따라서, 본 발명의 연료 전지 StickTM 장치는 SOFC 튜브보다 약 30배 더 효율적일 수 있다. 마지막으로, 본 발명의 다층 연료 전지 StickTM 장치는 각각 수백개 또는 수천개의 층을 가질 수 있으며, 이것은 최대 면적과 최고 밀도를 제공한다.
선행 기술의 SOFC 튜브 대 본 발명의 연료 전지 StickTM 장치의 표면적을 고려해 보자. 예를 들어, 0.25" 지름 튜브 대 0.25" x 0.25" 연료 전지 StickTM 장치를 고려해 보자. 튜브에서, 원주는 3.14xD, 또는 0.785"이다. 0.25" 연료 전지 StickTM 장치에서, 한 층의 사용가능한 너비는 약 0.2 인치이다. 따라서, 하나의 튜브와 동일한 면적을 제공하기 위해서는 약 4개의 층이 필요하다. 최신식 일본 다층 콘덴서는 기술현재 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 StickTM 장치에 이 제조 기술을 적용함으로써 529개 층을 가진 단일 장치를 생산할 수 있다. 이것은 132개 튜브와 등가물이다. 선행 기술은 더 많은 튜브를 부가하거나, 지름을 늘리고/늘리거나 튜브의 길이를 늘려, 고 전력 출력으로 매우 큰 구조물을 이룬 결과로, 더 많은 전력을 얻는다. 다른 한편으로, 본 발명은 단일 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 양태에서, 큰 면적의 2μm 테잎이 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 StickTM 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 StickTM 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 있어 적층 동안에 층들 사이에 중합체 분자 쇄를 연결하고 층내 유기 결합제를 가교결합시킬 정도로 압력이 충분하다.
이제, 유사한 성분들을 나타내기 위해 전반에 걸쳐 유사한 번호가 사용되는 도면을 참조할 것이다. 이들 도면에서 사용된 도면 부호는 다음과 같다:
10 전체 전지 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
29 세라믹
30 냉각 영역(또는 제 2 온도 영역)
31 전이 영역
32 가열 영역(또는 가열된 영역 또는 제 1 온도 영역)
33a 예열 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 제 1 비아(First via)
58 제 2 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 로 벽
96' 다층 로 벽
96'' 공기 갭을 갖는 다층 로 벽
98a,b,c 단열
100 연료 전지 StickTM 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
200 나선 관형 연료 전지 StickTM 장치
300 동심 관형 연료 전지 StickTM 장치
400 말단-롤링된 연료 전지 StickTM 장치
402 두꺼운 부분
404 얇은 부분
500 연료 전지 StickTM 장치
용어 "영역", "구역", 및 "영역(region)"은 본원 전반에 걸쳐 상호교환가능하게 사용될 수 있고, 동일한 의미를 갖는 것으로 의도된다. 유사하게, 용어 "통로", "채널", 및 "통로(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 StickTM 장치(10)의 한 가지 양태를 나타내는 측단면도 및 상부 단면도이며, 상기 장치는 모놀리식이다. 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)에 적용해야 한다. 본 발명에 따르면, 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 10배 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 냉각 영역(30)에서 이루어진다. 하나의 예시적 양태에서, 애노드(24)와 캐소드(26)는 냉각 영역(30)에서 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 제 1 말단(11a)을 나타내는 사시도이다. 연료 공급기(34)로부터의 연료는 이후에 공급 튜브(50)를 통해 연료 투입구(12)로 공급될 것이다. 제 1 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 제 1 말단(11a) 및 제 2 말단(11b)을 가지는 연료 전지 StickTM 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 제 1 말단(11a)에 연결된 공급 튜브(50)를 나타내는 사시도이다. 예를 들어, 공급 튜브(50)는 탄성에 의해 제 1 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 제 1 말단(11a)에서 연료 투입구(12)를 통해 유입되고, 제 2 말단(11b)에 인접한 출구(16)를 통해 연료 전지 StickTM 장치(10)의 측면으로 배출된다. 공기는 냉각 영역(30) 내 제 2 말단(11b)에 위치한 공기 투입구(18)를 통해 유입되고, 제 1 말단(11a)에 인접한 연료 전지 StickTM 장치(10)의 측면에서 공기 출구(22)로부터 배출된다. 출구(16, 22)는 연료 전지 StickTM 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] 중첩하는 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 StickTM 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 StickTM 장치(10), 이 경우에는 두개의 연료 전지 StickTM 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 StickTM 시스템 또는 조립체 중의 하나의 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 접촉 패드와 재납땜하는 것을 단지 필요로 한다.
도 4B는 각 연료 전지 StickTM 장치(10)가 다수의 애노드(24)와 캐소드(26)를 포함하는 다수의 멀티-연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 우측면에 노출되고, 각 캐소드는 연료 전지 StickTM 장치(10)의 좌측면에 노출된다. 이후에 접촉 패드(44)를 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)는 전극의 한 세트가 각각의 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치(10)내 냉각 영역(30) 덕분에 가능하다. 스프링 클립 또는 기타의 기계적 부착의 사용은 멀티-스틱 조립체에서 단일 연료 전지 StickTM 장치(10)를 교체하는 공정을 더욱 간소화시킨다.
도 6A와 도 6B는 연료 전지 StickTM 장치(10)의 제 1 말단(11a)에 단일 냉각 영역(30)을 가지고, 가열 영역(32)에 제 2 말단(11b)을 갖는 또 다른 양태를 나타내는 사시도이다. 도 6A에서, 연료 전지 StickTM 장치(10)는 병렬로 세 개의 연료 전지를 포함하는 반면, 도 6B의 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 측면에서 제 1 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 StickTM 장치(10)의 길이를 통한 연료의 유동과 동일한 방향이다. 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 둘 다는 말단면에서라기 보다는 연료 전지 StickTM 장치(10)의 측면으로부터 빠져나갈 수 있음을 인지할 수 있다.
도 6B에 도시된 바와 같이, 공급 튜브(50)의 측면을 통해 구멍을 만들고, 측면 구멍을 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 제 1 말단(11a)에 인접하게 만들어진다. 도 6A 및 도 6B는 각각, 연료 전지 StickTM 장치(10)의 한면에서 만들어진 양전압 연결 및 연료 전지 StickTM 장치(10)의 반대면에서 만들어진 음전압 연결을 나타낸다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않음을 인지할 수 있다. 단일 말단 투입 연료 전지 StickTM 장치(10)의 장점은 두 전이 영역(31) 대신에 하나의 냉각-가열간 전이(cold-to-hot transition)가 있어서, 연료 전지 StickTM 장치(10)를 더 짧게 만들 수 있다는 것이다.
본 발명의 하나의 장점은 활성 층을 매우 얇게 만들 수 있는 능력이며, 이로써 연료 전지 StickTM 장치(10)가 단일 장치 내에 다수의 연료 전지를 삽입할 수 있다. 활성 층이 얇아질수록, 연료 전지 StickTM 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 지름 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 떠남으로서(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 제 2 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 StickTM 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. 제 1 비아(56)는 캐소드 층(26a)을 캐소드 층(26b)에 연결하고, 제 2 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 StickTM 장치(10)에서와 같이 동일한 전기적 경로가 도 8B의 연료 전지 StickTM 장치(10)에서 형성된다.
도 9A와 도 9B는 또한 애노드와 캐소드를 공유하는 멀티-연료 전지 구조를 나타내는 횡단면도이다. 도 9A의 양태에서, 연료 전지 StickTM 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. 제 1 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 제 2 애노드 층(24b)이 있다. 제 2 애노드 층(24b)은 제 2 캐소드 층(26b)과 대향하고 애소드와 캐소드 층 사이에 다른 전해질 층(28)을 가짐으로써 제 2 연료 전지를 형성한다. 제 2 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 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 공급기(34)에 연결된다. 당해 양태에서, 연료 통로(14)는 연료 전지 StickTM 장치(10)의 길이를 연장하며, 연료 출구(16)는 제 2 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 StickTM 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, 제 2 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 제 2 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 개략적으로 나타낸 구성 요소에 대한 설명을 제공한다. 연료(F) 또는 공기(A)가 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 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 외부에 있으며, 제 1 온도 영역보다 낮은 온도에서 작동한다. 제 2 온도 영역의 온도는, 전극에 대한 저온 연결 및 적어도 연료 공급을 위한 저온 연결을 허용할 수 있을 정도로 충분히 낮다. 연료 전지 구조물은 부분적으로 제 1 온도 영역으로 연장되고 제 2 온도 영역으로 부분적으로 연장된다. 예를 들면, 도 12, 13 및 17을 참조한다.
본 발명의 하나의 양태에서, 연료 전지는 가열된 영역인 제 1 온도 영역 및 300℃ 이하의 온도에서 작동하는 제 2 온도 영역을 포함한다. 공기와 연료 연결은 고무 튜빙 등을 사용하여 저온 연결처럼 제 2 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 제 1 온도 영역, 즉 가열 영역에서 위치된다. 예를 들면, 도 17을 참조한다.
또 다른 양태에서, 연료 전지 구조물은 가열 영역인 중심 제 1 온도 영역을 가지고, 연료 전지의 각각의 말단은 300℃ 이하에서 작동하는 제 2 온도 영역에서 제 1 온도 영역 외부에 위치한다. 연료 및 공기 투입구는 애노드와 캐소드에 전기적 연결을 위한 납땜 연결 또는 스프링 클립과 같이 제 2 온도 영역에 위치한다. 마지막으로, 이산화탄소, 물 및 고갈된 산소용 출구는 제 2 온도 영역에 위치한다. 예를 들면, 도 19, 20 및 24를 참조한다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 연료 투입구는 300℃ 이하에서 작동하는 제 2 온도 영역에서 우성 CTE 방향에 따라 각 말단에서 제공될 수 있으며, 이때 제 1 온도 영역은 대향하는 제 2 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 제 2 온도 영역에서 가열 영역인 제 1 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 제 2 온도 영역에 사용된다. 하나의 양태에서, 연료 및 공기 투입구는 둘 다 우성 CTE 방향에 따라 한쪽 말단에 있으며, 연료 전지 StickTM 의 다른 말단은 제 1 가열 온도 영역에 있고 이산화탄소, 물 및 고갈된 산소용 출구는 가열 영역에 있다. 예를 들면, 도 17을 참조한다. 따라서, 연료 전지 StickTM 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 제 2 온도 영역 사이에 있다. 예를 들면, 도 20을 참조한다. 다른 대안으로, 연료 및 공기는 제 2 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 제 2 온도 영역에 위치한 대향하는 말단 둘 다에 투입되고 각각의 출구는 투입구로부터 반대 말단에서 제 2 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 StickTM 장치(100)에는 팬핸들 구조(panhandle design)로서 언급될 수 있는 것이 제공된다. 연료 전지 StickTM 장치(100)는 신장 구획(102)을 가지고, 이것은 이전 양태에서 나타낸 연료 전지 StickTM 장치(10)와 크기에 있어서 유사할 수 있으며 하나의 우성 축에 CTE를 가진다(즉, 너비 또는 두께보다 길이가 상당히 더 크다). 연료 전지 StickTM 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 제 2 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 StickTM 장치(100)에 의해 발생하는 전력을 증가시킬 수 있는 것으로 인지될 수 있다.
본 발명의 연료 전지 StickTM 장치(10, 100)의 또 다른 장점은 경량이라는 것이다. 전형적인 연소 기관은 전력 kW당 18 내지 30 파운드 정도로 칭량된다. 본 발명의 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치 또는 나선 관형 연료 전지 StickTM 장치(200)의 길이에 상응하는 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)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 제 2 말단(204)으로 연장하여 연료 출구(16)와 공기 출구(22)는 제 2 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 StickTM 장치(200)를 형성하기 위해, 제 1 말단(202)이 제 2 말단(204)을 향해 롤링되어 도 28D의 개략적인 사시도에서 나타난 장치(200)의 나선 튜브 구조를 형성한다. 공기 공급기(36)는 공기 투입구(18)로의 투입을 위해 나선 관형 연료 전지 StickTM 장치(200)의 한쪽 말단에 위치할 수 있는 반면, 연료 공급기(34)는 연료 투입구(12)로 연료를 투입하기 위해 나선 관형 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치(200)에서 배출될 것이다. 전압 노드(38, 40)를 나선 관형 연료 전지 StickTM 장치(200)의 대향하는 말단에 형성되거나 말단에 인접한 접촉 패드(44)에 납땜할 수 있다.
도 29A 내지 도 29G는 연료 전지 StickTM 장치가 관형 동심 형태인 본 발명의 대안적 양태를 나타낸다. 도 29A는 동심 관형 연료 전지 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 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 StickTM 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 StickTM 장치(300)는 한쪽 말단에 연료 통로(14)를 연결하는 연료 출구(16)를 포함하고, 각가의 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치의 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 StickTM 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 StickTM 장치(10), 및 하나의 가열 말단과 하나의 냉각 말단이 있고 연료 및 공기 투입구 둘 다가 단일 냉각 말단에 있는 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치의 제 1 양태의 개략적인 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 StickTM 장치(10)의 제 1 말단(11a)에 있고, 가열 영역(32)은 대향하는 제 2 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 제 1 말단(11a)을 통해 들어가고, 대향하는 냉각 영역(30)에 위치한 연료 출구(16)를 통해 반대쪽 제 2 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 제 1 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 StickTM 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 제 1 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 제 2 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 StickTM 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 StickTM 장치로 및 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)를 이동하는 경우, 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 종방향 중심을 통한 개략적인 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 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)이 있다. 연료 공급기(34)로부터의 연료는 연료 투입구(12)를 통해 연료 전지 StickTM 장치(10)의 제 1 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 제 1 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 StickTM 장치(10)의 제 2 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 제 2 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)에 층을 더 높은 전압 결합으로 쌓는 것이 바람직할 수 있다. 1KW의 전력을 생산하는 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 내부에서 전극 층을 상호 연결하기보다는, 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 개략적인 경사진 정면도를 제공한다. 연료 전지 StickTM 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 개략적인 측면도에 가장 잘 나타나 있는 바와 같이, 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 중심에 있고, 제 1 말단(11a)과 제 2 말단(11b)은 냉각 영역(30)에 있다. 연료는 제 1 말단(11a)에서 연료 투입구(12)를 통해 투입되고, 공기는 제 2 말단(11b)에서 공기 투입구(18)를 통해 투입된다. 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)에서 우수한 층 밀도를 허용하도록 얇아야하며, 전극이 얇을수록 저항이 높다. 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치의 외부를 따라 냉각 영역(30)으로 연장되는 긴 접촉 패드(44)는 낮은 저항 전도체 경로를 제공함으로써 전력을 낮은 손실로 연료 전지 StickTM 장치(10)로부터 제거할 수 있다. 따라서, 스트리핑 기술이 직렬 및 병렬 연결하여 전력을 증가시키기 위해 연료 전지 StickTM 장치(10)의 활성 영역(가열 영역; 32)에 사용될 수 있고, 장치의 아래에서 냉각 말단으로 긴 스트라이프는 전력을 연료 전지 StickTM 장치(10)로부터 효율적으로 제거되도록 할 수 있다.
도 37은 도 36B에서 나타낸 바와 유사하지만 연료 전지 StickTM 장치(10)의 제 1 말단(11a)에 단일 냉각 영역(30)을 가지고, 장치(10)의 제 2 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 StickTM을 생산하기 위해서는, 연료 전지 StickTM 장치가 길고 넓어야 하며 높은 층 수(high layer count)를 가져야 한다. 예를 들면, 연료 전지 StickTM 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 개략적인 측 횡단면도이다. 도 38A에서 보여지는 바와 같이, 다수의 개구(70)는 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 한면으로 배출되고, 애노드용 베이크-아웃 경로는 장치(10)의 반대면으로 배출되어 대향하는 전극 사이가 단축되는 것을 막는다.
연료 전지 StickTM 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 StickTM 를 통해 충분한 유동이 달성될 수 있어 전력 발생 반응이 일어날 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 도 39의 개략적인 말단 횡단면도이다. 당해 양태는 본질적으로 연료 전지 StickTM 장치(10)의 애노드-지지된 버젼(version)이다. 다른 양태과 같이, 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)는 차단 피복물(60), 예를 들면, 유리 피복믈 또는 세라믹 피복물로 피복되어, 연료가 장치(10)의 측면으로 배출되는 것을 막는다. 연료 전지 StickTM 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 제 1 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 개략적인 말단 횡단면도와 도 41B의 개략적인 상부 횡단면도에서 나타난 또 다른 양태에서, 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)가 먼저 전극없이 형성된다. 다시 말하면, 그린 세라믹 물질을 사용하여 연료 전지 StickTM의 전해질 및 세라믹 지지 부분을 형성하고, 유기 물질을 사용하여 연료 통로(14)와 같은 통로를 형성한다. 연료 전지 StickTM 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 한면마이 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 공기및 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 개략적인 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 개략적인 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 백필(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 개략적인 상부도이고, 도 45B는 가열 영역(32)을 통한 횡단면도이다. 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 제 1 말단(11a)으로부터 연장되고, 제 2 말단(11b)에 인접한 좌측면(80)으로 빠져나가며, 다수의 공기 통로(20R)는 우측면(82)을 통해 길이를 따라 제 1 말단(11a)으로 연장되고, 제 2 말단(11b)에 인접한 우측면에서 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 제 2 말단(11b)으로부터 연장되고 제 1 말단(11a)에 인접한 좌측면(80)에서 빠져나가며, 다수의 연료 통로(14R)는 우측면(82)을 통한 길이를 따라 제 2 말단(11b)으로부터 연장되고 제 1 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 한 면에, 연료 채널(14R)이 결합된 애노드(24R)에 제공되며, 이것은 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 우측 에지로 연장할 수 있다.
유사하게, 좌측면(80)에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 StickTM 장치(10)의 다른 면위에, 단일 공기 통로(20L)가 결합된 캐소드(26L)에 제공되며, 이것은 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치 내에 두 개의 독특한 공기 경로 스택과 두 개의 독특한 연료 경로 스택이 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치(10) 내에 고밀도를 제공한다.
도 46A와 도 46B에는 대안적 양태가 각각 개략적인 사시도 및 개략적인 횡단면도로 나타나 있다. 상기 양태(예: 도 37)는 가열 영역(32)에서부터 냉각 영역(30)으로 연료 전지 StickTM 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 개략적인 횡측단면도에서, 열 교환 원리를 이용하는 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치(400)"를 나타낸다. 연료 및 공기 투입구(12, 18)는 두꺼운 부분(402)의 말단에 있는 제 1 말단(11a)에 인접하여 위치하고, 나타나지는 않았으나, 공기 및 연료 출구(16, 22)는 얇은 부분(404)의 말단에 있는 대향하는 제 2 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 전기 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)는 가스 유동 통로(gas flow passage)(14, 20)가 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)가 점점 더 복잡해짐에 따라, 이러한 와이어 개념을 사용하는 것이 점점 더 유용해질 수 있으며, 예를 들면, 다층 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10) 내의 압력 분배를 도와줄 수 있다는 것이다. 단일 튜브가 공기 또는 연료를 연료 전지 StickTM 장치(10)로 공급하는 경우, 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 출구 지점의 단면을 이러한 단면적이 동일하도록 정확하게 만들 수 있다면, 출구 지점의 단면적이 유동 채널의 면적보다 작다면, 그리고 이러한 모든 출구 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 출구 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, 5mil 직경 통로)를 갖는다.
따라서, 본 발명은 각 층의 출구 지점의 단면적이 유동 경로 단면적 자체보다 더 작은 다층 연료 전지 StickTM 장치(10)를 고려한다. 추가로, 본 발명은 각 층의 출구 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 StickTM 장치(10)를 고려한다. 이러한 양태에서, 출구 지점의 단면적은 층의 활성부의 말단을 넘어서지만 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치(10)로부터 정확하게 출구 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 StickTM 장치(10)의 영역이다. 도 51에 도시된 바와 같이, 로 벽(96)은 총 두께 T를 갖는다. 연료 전지 StickTM 장치(10)는 이러한 로 벽(96)을 통해 통과한다. 벽(96)에서 연료 전지 StickTM 장치(10)의 길이는 X 치수이며, 두께 T와 동일하다. 연료 전지 StickTM 장치(10)가 벽(96)을 통해 통과함에 따라 연료 전지 StickTM 장치(10)의 너비는 Y 치수이다. 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치(10)가 벽(96)을 통해 통과함에 따라 연료 전지 StickTM 장치(10)의 너비 Y보다 커야 한다. T가 Y보다 작으면, 연료 전지 StickTM 장치(10)가 벽(96)을 통해 통과함에 따라 연료 전지 StickTM 장치(10)에 대한 응력이 너무 높을 수 있으며, 연료 전지 StickTM 장치(10)가 균열될 수 있다.
도 52A 내지 52C에 도시된 또 다른 양태에서, 치수 L은 연료 전지 StickTM 장치가 로 벽(96)을 통해 통과하는 부위에서 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치(10)(100, 400)의 경우, 최대 치수 L은 도 52B에 도시된 바와 같이 대각선일 수 있다. 관형 연료 전지 StickTM 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 설계에서, 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 StickTM 장치(10)로 유동하는 공기를 위한 더 긴 예열 영역을 가능케 할 수 있다. 이러한 양태에서, 벽(96")의 한 층의 두께는 연료 전지 StickTM 장치(10)가 벽(96")을 통해 통과함에 따라 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 Y 치수보다 크고/크거나 ½L 이상일 것이다. 이러한 양태는 2개 이상의 절연 층을 추가로 고려한다.
먼저 애노드와 캐소드 없이 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치(10) 내의 공간에 부유하도록 배치되고 동시-발화된다. 이것은 도 55A에 개략적으로 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 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 설계를 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 설계는 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 현존 설계는 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 설계의 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 StickTM 장치(10)에 연결하기 위해 앞서 기재되어 있다. 공급 튜브(50)를 개방된 채로 신장시킴으로써, 이것이 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 말단(11a)(및/또는 11b)을 형성하는 것이다. 이것은 연료 전지 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 말단(11a)(및/도는 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 StickTM 장치(10)의 설계에 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 StickTM 장치(10)가 하나의 극성이 연료 전지 StickTM 장치(10)의 각 말단에서 연료 전지 StickTM 장치(10)를 빠져나가도록 하는 양-종단(two ended) 연료 전지 StickTM 장치(10)인 경우, 보다 낮은 저항 접촉을 제공하기 위해 커넥터(134)는 연료 전지 StickTM 장치(10)의 각 말단에서 여전히 2개 이상의 전기 콘택트(136)를 가질 수 있다. 전기 콘택트(136)는 연료 전지 StickTM 장치(10)의 측면에 있거나 또는 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 StickTM 장치(10)의 개념은 로를 떠나는 2개 이상의 말단 또는 출구 지점을 갖는 장치(500)에 적용할 수 있다. 예를 들면, 도 68A 내지 68B는 4개 출구 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 출구 지점, 예를 들면, 3 또는 6이 사용될 수 있다.
지지체 볼(도 7C 내지 7D 참조)의 사용은 연료 전지 StickTM 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 StickTM 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 출구 지점이 있다. 이것은 공기 측면에도 적용된다. 출구 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 테잎이 갭-형성 테잎(94)으로서 사용된다. 문제는 연료 전지 StickTM 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 2-mil 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 StickTM 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. 그후, 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.
본 발명을 이의 하나 이상의 양태의 설명에 의해 설명하였고, 이러한 양태들을 상당히 상세하게 기술하였지만, 이들은 이러한 상세한 사항들로 첨부된 특허청구범위의 영역을 제한하거나 어떤 방식으로든지 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 추가 장점과 변형은 당해 분야의 숙련가들에게 용잉하게 명백해질 것이다. 따라서, 더 넓은 양태에서 본 발명은 나타나고 기술한 특정 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 (75)

  1. 최대 치수인 길이를 가짐으로써 상기 길이를 따라 동축으로 연장되는 단지 하나의 우성 축(dominant axis)을 가지는 열 팽창 계수, 작동 반응 온도로 가열되도록 배열된 길이의 제1 부분을 따라 있는 반응 영역, 및 반응 영역이 가열되는 경우에 작동 반응 온도 이하의 온도에서 유지되도록 배열된 길이의 제2 부분을 따라 있는 하나 이상의 냉각 영역을 갖는 신장 기판;
    각각이 반응 영역을 통해 하나 이상의 냉각 영역에서 연료 투입구로부터 연장되고 반응 영역에서 결합된 애노드(anode)를 각각 갖는 제1 연료 경로, 및 반응 영역으로부터 연료 출구로 연장되는 제2 연료 통로를 갖는 신장 기판에서의 하나 이상의 연료 통로;
    각각이 반응 영역을 통해 하나 이상의 냉각 영역에서 산화제 투입구로부터 연장되고 결합된 애노드들 중의 각각의 하나와 대향하는 관계로 위치하는 반응 영역에서 결합된 캐소드(cathode)를 갖는 제1 산화제 경로, 및 반응 영역으로부터 산화제 출구로 연장되는 제2 산화제 통로를 갖는 신장 기판에서의 하나 이상의 산화제 통로;
    반응 영역에서 각각의 대향하는 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질을 포함하고,
    하나 이상의 연료 및 산화제 통로 각각이 각각의 제1 연료 및 산화제 경로의 단면적보다 더 작은 단면적을 갖는 각각의 제2 연료 및 산화제 경로에서 넥-다운 지점(neck-down point)을 포함하는 연료 전지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 더 작은 단면적이 넥-다운 지점으로부터 각각의 연료 및 산화제 출구로 연장되는 연료 전지 장치.
  3. 제1항에 있어서, 더 작은 단면적의 값이 각각의 제2 연료 경로의 단면적의 값과 동일한 연료 전지 장치.
  4. 제1항에 있어서, 더 작은 단면적의 값이 각각의 제2 산화제 경로의 단면적의 값과 동일한 연료 전지 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 연료 통로로 연료의 유입을 공급하기 위해 연료 투입구에 연결된 연료 공급기; 및
    하나 이상의 산화제 통로로 산화제의 유입을 공급하기 위해 산화제 투입구에 연결된 산화제 공급기를 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  6. 제5항에 있어서, 각각의 제2 연료 경로에 대한 더 작은 단면적의 합이 연료 투입구의 단면적보다 작은 연료 전지 장치.
  7. 제5항에 있어서, 각각의 제2 산화제 경로에 대한 더 작은 단면적의 합이 산화제 투입구의 단면적보다 작은 연료 전지 장치.
  8. 제5항에 있어서, 더 작은 단면적의 값이 각각의 제2 연료 경로 및 각각의 제2 산화제 경로의 단면적의 값과 동일하고; 각각의 제2 연료 경로에 대한 더 작은 단면적의 합이 연료 투입구의 단면적보다 작으며; 각각의 제2 산화제 경로에 대한 더 작은 단면적의 합이 산화제 투입구의 단면적보다 작은 연료 전지 장치.
  9. 제5항에 있어서, 연료 및 공기 공급기가 각각 각각의 연료 및 산화제 투입구에 대해 고정된 가요성 고무 또는 플라스틱 튜브에 의해 연결되는 연료 전지 장치.
  10. 제1항에 있어서, 반응 영역을 작동 반응 온도로 가열하도록 제1 부분에 인접하게 배치된 열 공급원; 및
    작동 반응 온도 이하의 온도에서 하나 이상의 냉각 영역을 유지하도록 개조된 열 공급원과 하나 이상의 냉각 영역 사이의 절연 영역을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  11. 제1항에 있어서, 애노드 및 캐소드 각각이 작동 반응 온도 이하의 온도에서 전기적 연결을 위해 하나 이상의 냉각 영역의 외부면으로 연장되어 있는 전기적 경로를 가지는 연료 전지 장치.
  12. 제11항에 있어서, 애노드의 전기적 경로와 전기적으로 접촉되는 하나 이상의 냉각 영역에서 외부면에 적용된 제1 금속 접촉 패드, 및 제1 금속 접촉 패드와 음성 전압 노드(node) 사이의 제1 전압 연결; 및
    캐소드의 전기적 경로와 전기적으로 접촉되는 하나 이상의 냉각 영역에서 외부면에 적용된 제2 금속 접촉 패드, 및 제2 금속 접촉 패드와 양성 전압 노드 사이의 제2 전압 연결을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  13. 제12항에 있어서, 애노드의 전기적 경로가 결합된 제1 연료 경로로부터 반응 영역의 제1 외부면 및 하나 이상의 냉각 영역의 각각의 외부면에 대한 반응 영역의 제1 외부면에 적용된 제1 외부 금속화(metallization)로 연장되고, 캐소드의 전기적 경로가 결합된 제1 산화제 경로로부터 반응 영역의 제2 외부면 및 하나 이상의 냉각 영역의 각각의 외부면에 대한 반응 영역의 제2 외부면에 적용된 제2 외부 금속화로 연장되는 연료 전지 장치.
  14. 제1항에 있어서, 하나 이상의 냉각 영역이 제1 냉각 영역과 제2 냉각 영역 사이에 배치된 냉각 영역을 갖는 신장 기판의 각각의 제1 및 제2 말단에 배치된 제1 및 제2 냉각 영역을 포함하고, 여기서 연료 투입구가 제1 냉각 영역에 배치되며, 산화제 투입구가 제2 냉각 영역에 배치되는 연료 전지 장치.
  15. 가열 영역 체임버(hot zone chamber);
    반응 영역이 가열 영역 체임버에 배치되어 있고 하나 이상의 냉각 영역이 가열 영역 체임버 바깥으로 연장되어 있는, 제1항의 다수의 연료 전지 장치;
    가열 영역 체임버에 연결되고 반응 영역을 가열 영역 체임버 내 작동 반응 온도로 가열하도록 개조된 열 공급원;
    하나 이상의 연료 통로 내로 연료 유입물을 공급하도록 연료 투입구에 연결되는 연료 공급기; 및
    하나 이상의 산화제 통로 내로 산화제 유입물을 공급하도록 산화제 투입구에 연결되는 산화제 공급기를 포함하는 연료 전지 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 작동 반응 온도 이하의 온도에서 하나 이상의 냉각 영역을 유지하도록 개조된 열 공급원과 하나 이상의 냉각 영역 사이의 절연 영역을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 더 작은 단면적의 값이 각각의 제2 연료 경로 및 각각의 제2 산화제 경로의 단면적의 값과 동일하고; 각각의 제2 연료 경로에 대한 더 작은 단면적의 합이 연료 투입구의 단면적보다 작으며; 각각의 제2 산화제 경로에 대한 더 작은 단면적의 합이 산화제 투입구의 단면적보다 작은 연료 전지 시스템.
  18. 제15항에 있어서, 애노드와 캐소드 각각이 작동 반응 온도 이하의 온도에서 전기적 연결을 위해 하나 이상의 냉각 영역의 외부면으로 연장되는 전기적 경로를 갖고,
    애노드의 전기적 경로와 전기적으로 접촉하는 하나 이상의 냉각 영역에서의 외부면에 대한 제1 전압 연결; 및
    캐소드의 전기적 경로와 전기적으로 접촉하는 하나 이상의 냉각 영역에서의 외부면에 대한 제2 전압 연결을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  19. 가열 영역 체임버에 있는 반응 영역과 가열 영역 체임버 바깥으로 연장되는 하나 이상의 냉각 영역을 갖는 신장 기판을 배치하는 단계;
    가열 영역 체임버에 열을 적용하여, 하나 이상의 냉각 영역을 300℃ 미만의 온도에서 유지시키면서 반응 영역을 400℃ 초과의 작동 온도로 가열하는 단계; 및
    연료 및 산화제를 가열된 반응 영역에 공급함으로써 연료와 산화제를 반응시키는 단계를 포함하여, 제1항의 장치를 사용하는 방법.
  20. 가열 영역 체임버에 있는 반응 영역과 가열 영역 체임버 바깥으로 연장되는 하나 이상의 냉각 영역을 갖는 신장 기판, 및 가열 영역 체임버 바깥으로 각각의 연료 및 산화제 투입구에 연결된 연료 및 산화제 공급기를 배치하는 단계;
    가열 영역 체임버에 열을 적용하여, 하나 이상의 냉각 영역을 300℃ 미만의 온도에서 유지시키면서 반응 영역을 400℃ 초과의 작동 온도로 가열하는 단계; 및
    연료 및 산화제를 제1 연료 및 산화제 경로를 통해 가열된 반응 영역에 공급 함으로써 연료와 산화제를 반응시키는 단계를 포함하여, 제8항의 장치를 사용하는 방법.
  21. 신장 기판의 길이를 제공하도록 배치된 제1 신장 그린 세라믹 층(first green ceramic layer)을 제공하는 단계;
    제1 신장 그린 세라믹 층의 제1 측면 위에 애노드 층을 적용시키고, 제1 신장 그린 세라믹 층의 대향하는 제2 측면 위에 캐소드 층을 적용시키는 단계[여기서, 애노드 층과 캐소드 층은 신장 기판의 반응 영역에 상응하도록 설계된 면적 내에 일반적으로 정렬되어 있다];
    각각의 애노드 및 캐소드 위에 제1 단면적을 갖는 희생 유기 층(sacrificial organic layer)을 적용시키는 단계;
    제1 신장 그린 세라믹 층의 각각의 제1 및 제2 측면 위에 제거가능한 구조를 배치하고, 여기서 각각의 제거가능한 구조의 제1 말단이 각각의 희생 유기 층과 중첩(overlapping)되고 제2 말단이 제1 신장 그린 세라믹 층의 에지(edge)에 적어도 연장되는 단계[여기서, 각각의 제거가능한 구조는 제1 단면적보다 작은 제2 단면적을 가진다];
    제1 신장 그린 세라믹 층과 일반적으로 정렬되어 있는 각각의 제1 및 제2 측면 위의 희생 유기 층 및 제거가능한 구조 위에 제2 신장 그린 세라믹 층을 적용시키는 단계;
    모든 층과 제거가능한 구조가 함께 적층되어 적층된 구조를 형성하는 단계;
    적층된 구조로부터 제거가능한 구조를 제거하여 제2 연료 및 산화제 경로에서 넥-다운 지점을 형성하는 단계; 및
    적층된 구조를, 희생 유기 층을 베이크 아웃(bake out)하는데 충분한 온도로 가열하여 반응 영역에서 제1 연료 및 산화제 경로를 형성하는 단계를 포함하는, 제1항의 장치의 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서, 각각의 제거가능한 구조의 제2 말단이 각각의 연료 또는 산화제 출구의 위치와 상응하는 에지로 연장되고, 여기서 제거가능한 구조를 제거하여 제2 연료 및 산화제 경로 및 출구를 형성하는 방법.
  23. 제21항에 있어서, 희생 유기 층이 애노드와 캐소드로부터 제1 신장 그린 세라믹 층 위에서 제1 신장 그린 세라믹 층의 에지에 추가로 적용되어, 베이크-아웃 후에, 투입구로부터 반응 영역으로 연료 및 산화제 투입구 및 제1 연료 및 산화제 경로를 형성하는 방법.
  24. 제21항에 있어서, 제1 신장 그린 세라믹 층의 각각의 제1 및 제2 측면 위에 추가의 제거가능한 구조를 배치하고, 여기서 각각의 추가의 제거가능한 구조의 제1 말단이 각각의 희생 유기 층과 중첩되고 제2 말단이 제1 신장 그린 세라믹 층의 다른 에지로 연장되어, 번-아웃(burn-out) 후에, 흡입구에서 반응 영역으로 연료 및 산화제 투입구 및 제1 연료 및 산화제 경로를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방 법.
  25. 제21항에 있어서, 희생 유기 층이 왁스 매트릭스에서 탄소 섬유를 포함하고, 여기서, 가열은 그린 세라믹 층에서 탄소 섬유 또는 중합체 결합제를 번 아웃(burning out)하지 않고 왁스를 용융제거하는데 충분한 제1 온도로 수행하고, 여기서 희생 층의 왁스를 베이크 아웃하기 위해 가열한 후, 온도를 중합체 결합제를 번 아웃하는데 충분한 제2 온도로 상승시킨 다음, 그린 세라믹 층을 소결(sintering)하고 탄소 섬유를 번 아웃하는데 충분한 소결 온도로 상승시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  26. 가열 영역 체임버에 열을 적용하여, 하나 이상의 냉각 영역을 300℃ 미만의 저온에서 유지시키면서 반응 영역을 400℃ 초과의 작동 온도로 가열하는 단계; 및
    연료 공급기로부터 연료 유입 및 산화제 공급기로부터 산화제 유입을 각각의 제1 연료 및 산화제 경로를 통해 가열된 반응 영역에 공급함으로써 연료와 산화제를 반응시키는 단계를 포함하여, 제15항의 시스템을 사용하는 방법.
  27. 제26항에 있어서, 더 작은 단면적의 값이 각각의 제2 연료 경로 및 각각의 제2 산화제 경로의 단면적의 값과 동일하고; 각각의 제2 연료 경로에 대한 더 작은 단면적의 합이 연료 투입구의 단면적보다 작으며; 각각의 제2 산화제 경로에 대한 더 작은 단면적의 합이 산화제 투입구의 단면적보다 작은 방법.
  28. 제1 신장 그린 세라믹 층을 제공하는 단계;
    제1 신장 그린 세라믹 층의 제1 측면 위에 애노드 층을 적용시키고, 제1 신장 그린 세라믹 층의 대향하는 제2 측면 위에 캐소드 층을 적용시키는 단계(여기서, 애노드 층과 캐소드 층은 일반적으로 제1 신장 그린 세라믹 층의 제1 부분 내에 정렬되어 있음);
    각각의 애노드 층 및 캐소드 층 위에 희생 유기 층을 적용시키는 단계;
    제1 신장 그린 세라믹 층의 각각의 제1 및 제2 측면 위에 하나 이상의 제거가능한 구조를 배치하고, 각각의 제거가능한 구조의 제1 말단이 각각의 희생 유기 층과 중첩되고 제2 말단이 제1 신장 그린 세라믹 층의 에지에 적어도 연장되는 단계;
    제1 신장 그린 세라믹 층과 일반적으로 정렬되어 있는 각각의 제1 및 제2 측면 위의 희생 유기 층 및 제거가능한 구조 위에 제2 신장 그린 세라믹 층을 적용시키는 단계;
    모든 층과 제거가능한 구조가 함께 적층되어 적층된 구조를 형성하는 단계;
    적층된 구조로부터 제거가능한 구조를 제거하여 각각의 에지 및 애노드와 캐소드 층 사이에 비-활성 통로를 형성하는 단계; 및
    적층된 구조를, 희생 유기 층을 번 아웃하는데 충분한 온도로 가열하여 애노드 및 캐소드 층을 따라 있는 활성 통로를 형성하는 단계를 포함하는, 연료 전지 장치의 제조방법.
  29. 제28항에 있어서, 각각의 제거가능한 구조가 각각의 희생 유기 층의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 방법.
  30. 제28항에 있어서, 희생 유기 층이 왁스 매트릭스에서 탄소 섬유를 포함하고, 여기서, 가열은 그린 세라믹 층에서 탄소 섬유 또는 중합체 결합제를 번 아웃하지 않고 왁스를 용융제거하는데 충분한 제1 온도로 수행하고, 여기서 희생 층의 왁스를 베이크 아웃하도록 가열한 후, 온도를 중합체 결합제를 번 아웃하는데 충분한 제2 온도로 올린 다음, 그린 세라믹 층을 소결시키고 탄소 섬유를 번 아웃하는데 충분한 소결 온도로 상승시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  31. 다수의 세라믹 층, 애노드 층, 캐소드 층, 및 캐소드 층으로부터 애노드 층을 분리하는 개재된 세라믹 층(intervening ceramic layer)을 제공하도록 배열된 내부 희생 유기 층을 포함하는 스태킹된 구조(stacked structure)를 형성하는 단계[여기서, 내부 희생 유기 층은 개재된 세라믹 층에 대향하는 각각의 애노드 및 캐소드 층에 인접하고, 내부 가스 통로를 제공하는 크기이다];
    희생 유기 층과 접촉하는 다수의 제거가능한 구조를 제공하고 스태킹된 구조의 하나 이상의 에지에 연장되는 단계;
    스태킹된 구조를 적층(laminating)하는 단계;
    제거가능한 구조를 제거하여 다수의 베이크-아웃 포트를 형성하는 단계;
    제거가능한 구조를 제거한 후, 스태킹된 구조를 가열하여 희생 유기 층의 물질을 베이크-아웃함으로써 희생 유기 층을 제거하여 내부 가스 통로를 형성하는 단계[여기서, 물질은 다수의 베이크-아웃 포트를 통해 배출된다]; 및
    이후에, 베이크-아웃 포트를 차단재로 밀봉하는 단계를 포함하는, 연료 전지 장치의 제조방법.
  32. 제31항에 있어서, 제거가능한 구조가 와이어 또는 평평한 리본형 물리적 구조 중의 하나 또는 이들의 조합물을 포함하는 방법.
  33. 제31항에 있어서, 제거가능한 구조를 제거하여 각각의 내부 가스 통로에 연결된 투입구 및 출구를 추가로 형성하고, 희생 유기 층의 물질이 투입구 및 출구를 통해 추가로 배출되는 방법.
  34. 제31항에 있어서, 희생 유기 층이 추가의 베이크-아웃 포트를 제공하도록 내부 가스 통로로부터 스태킹된 구조의 하나 이상의 에지로 연장되는 연장부를 추가로 포함하고, 밀봉하는 단계가 추가의 베이크-아웃 포트를 밀봉함을 포함하는 방법.
  35. 제31항에 있어서, 차단재가 유리 피복(glass coating)을 포함하는 방법.
  36. 제31항에 있어서, 다수의 제거가능한 구조가 애노드 층에 인접한 희생 유기 층과 접촉하는 제1 다수(first plurality)를 포함하고, 제1 다수와 애노드 층의 적어도 한 부분은 스태킹된 구조의 제1 에지로 연장하고, 제2 다수는 캐소드 층에 인접한 희생 유기 층과 접촉하고, 제2 다수와 캐소드 층의 적어도 한 부분은 스태킹된 구조의 제2 에지로 연장하며, 차단재는 애노드 층의 연장된 부분에 대한 제1 전도성 접촉 패드 및 제1 다수로부터 형성된 베이크-아웃 포트, 및 캐소드 층의 연장된 부분에 대한 제2 전도성 접촉 패드 및 제2 다수로부터 형성된 베이크-아웃 포트를 포함하는 방법.
  37. 제36항에 있어서, 스태킹된 구조가 최대 치수인 길이를 가짐으로써 상기 길이와 동축으로 연장되는 단지 하나의 우성 축만을 가지는 열 팽창 계수를 가지고, 작동 반응 온도로 가열되도록 배열된 길이의 제1 부분을 따라 있는 반응 영역을 가지고, 반응 영역에서 각각의 제1 및 제2 에지로 연장되는 애노드 층 및 캐소드 층의 연장된 부분과 대향하는 관계로 배치된 애노드 층 및 캐소드 층을 가지며, 반응 영역이 가열되는 경우 작동 반응 온도 이하의 온도에서 유지되도록 배열된 길이의 제2 부분을 따라 있는 하나 이상의 냉각 영역을 가지고, 내부에 형성된 투입구를 가지는 신장 기판을 형성하고, 제1 및 제2 전도성 접촉 패드를 작동 반응 온도 이하의 저온에서 전기적으로 연결하기 위해 반응 영역에서 하나 이상의 냉각 영역으로 연장되는 방법.
  38. 제31항에 있어서, 희생 유기 층이 왁스 매트릭스에서 탄소 섬유를 포함하고, 제거하는 단계가 세라믹 층에서 탄소 섬유 또는 중합체 결합제를 번 아웃하지 않고 왁스를 용융제거하는데 충분한 제1 온도로 가열하고, 중합체 결합제를 번 아웃하는데 충분한 제2 온도로 가열한 다음, 세라믹 층을 소결하고 탄소 섬유를 번 아웃하는데 충분한 소결 온도로 상승시키는 단계를 포함하는 방법.
  39. 두께 T인 체임버 벽을 갖는 가열 영역 체임버;
    최대 치수인 길이를 가짐으로써 상기 길이와 동축으로 연장되는 단지 하나의 우성 축만을 가지는 열 팽창 계수를 갖는 신장 직사각형 또는 관형 기판, 작동 반응 온도로 노출되도록 가열 영역 체임버에 배치된 길이의 제1 부분을 따라 있는 반응 영역, 작동 반응 온도 이하의 온도에서 유지하도록 가열 영역 체임버 바깥으로 연장되는 길이의 제2 부분을 따라 있는 하나 이상의 냉각 영역, 반응 영역에서의 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질, 및 체임버 벽 내에 배치된 두께 T와 동일한 길이의 제3 부분[여기서, 제3 부분은, T가 ½ L 이상인 길이의 횡방향으로 평면에서 최대 치수 L을 가진다]을 포함하는 하나 이상의 연료 전지 장치; 및
    가열 영역 체임버에 연결되고, 가열 영역 체임버 내에 작동 반응 온도로 반응 영역을 가열하도록 개조된 열 공급원을 포함하는 연료 전지 시스템.
  40. 제39항에 있어서, 기판이 신장 직사각형 기판이고, 최대 치수 L이 제3 부분의 너비 Y인 연료 전지 시스템.
  41. 제40항에 있어서, T가 Y보다 큰 연료 전지 시스템.
  42. 제39항에 있어서, 기판이 신장 관형 기판이고, 최대 치수 L이 제3 부분의 지름인 연료 전지 시스템.
  43. 제39항에 있어서, 체임버 벽이, 각각이 상이한 열 전이 특성을 가지고 반응영역에서 하나 이상의 냉각 영역으로 최적의 온도 전이를 제공하도록 정렬된 다수의 절연 층을 포함하는 연료 전지 시스템.
  44. 제39항에 있어서, 체임버 벽이 공기 갭(air gap)을 개재시킴으로써 분리된 다수의 절연 층을 포함하는 연료 전지 시스템.
  45. 제44항에 있어서, 다수의 절연 층이 반응 영역에 인접한 제1 고온 층, 및 하나 이상의 냉각 영역에 인접한 제2 저온 층을 포함하고, 개재된 공기 갭이 가열 영역 체임버 내 작동 반응 온도와 하나 이상의 냉각 영역의 온도 사이의 중간 온도로 예열 영역을 가열하도록 개조된 열 공급원을 가진 예열 영역인 연료 전지 시스템.
  46. 제39항에 있어서, 하나 이상의 연료 전지 장치 각각이, 각각의 연료 및 산화제 투입구에서 각각의 연료 및 산화제 출구로 제1 및 제2 길이의 각각의 하나 이상 의 부분을 따라 길이방향으로 연장되는 다수의 연료 및 산화제 통로를 포함하고, 애노드는 각각의 연료 통로와 결합되고, 캐소드는 적어도 반응 영역에서 각각의 산화제 통로와 결합되며, 애노드와 캐소드가 이들 사이의 전해질과 서로 대향하는 관계로 배치되어 있는 연료 전지 시스템.
  47. 제46항에 있어서, 애노드에 전기적으로 연결된 하나 이상의 냉각 영역에서 신장 직사각형 또는 관형 기판 위의 제1 외부 접촉 표면, 캐소드에 전기적으로 연결된 하나 이상의 냉각 영역에서 신장 직사각형 또는 관형 기판 위의 제2 외부 접촉 표면, 제1 외부 접촉 표면에 대한 제1 전압 연결, 및 제2 외부 접촉 표면에 대한 제2 전압 연결을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  48. 제46항에 있어서, 연료 통로 내로 연료 유입을 공급하도록 연료 투입구에 연결된 연료 공급기; 및
    산화제 통로 내로 공기 유입을 공급하도록 산화제 투입구에 연결된 공기 공급기를 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  49. 제1 희생 층 위에 전류 수집기를 형성하는 단계;
    전류 수집기 위에 제2 희생 층을 적용시키는 단계;
    제1 및 제2 희생 층을 그린 세라믹으로 실질적으로 둘러싸는 단계;
    열을 가하여 그린 세라믹을 소결하고 제1 및 제2 희생 층을 번 아웃시켜서 소결된 세라믹 내의 갭 내에 배치된 전류 수집기를 남겨두는 단계; 및
    전류 수집기 및 소결된 세라믹과 접촉하여 제1 부분의 갭 내에 전극을 형성하고 갭의 제2 부분이 개방되도록 하여 가스 통로로서 작용하도록 하는 단계를 포함하는, 연료 전지 장치의 제조방법.
  50. 제49항에 있어서, 전류 수집기를 형성하기 이전에 제1 희생 층에서 다수의 홀(hole)을 생성시키는 단계를 추가로 포함하고, 전류 수집기의 형성공정은 제1 희생 층 위에 전류 수집기 물질을 프린팅(printing)하고 다수의 홀 내로 전류 수집기 물질을 침투시킴으로써, 번 아웃 시, 전류 수집기가 갭 내에 배치되고 침투된 전류 수집기 물질에 의해 형성된 다수의 기둥에 지지됨을 포함하는 방법.
  51. 제49항에 있어서, 제1 희생 층이 다수의 세라믹 볼을 포함함으로써, 번 아웃시, 전류 수집기가 갭 내에 배치되고 다수의 볼에 지지되는 방법.
  52. 제49항에 있어서, 전극이, 전극 내로 전류 수집기를 적어도 부분적으로 오목하게 들어가도록 형성되는 방법.
  53. 제49항에 있어서, 전극이, 전극 입자를 함유하는 용액으로 갭을 채우고, 용액을 제거하면서 중력 또는 원심력을 적용하여 갭의 제1 부분의 소결된 세라믹에 전극 입자를 선택적으로 부착시킴으로써 형성하는 방법.
  54. 최대 치수인 길이를 가짐으로써 상기 길이를 따라 동축으로 연장되는 단지 하나의 우성 축만을 가지는 열 팽창 계수, 작동 반응 온도로 가열되도록 배열된 길이의 제1 부분을 따라 있는 반응 영역, 및 반응 영역이 가열되는 경우 작동 반응 온도 이하의 온도에서 유지하도록 배열된 길이의 제2 부분을 따라 있는 하나 이상의 냉각 영역을 갖는 신장 기판;
    반응 영역에서 다공성 애노드와 다공성 캐소드 사이에 배치된 전해질;
    다공성 애노드와 결합되고 반응 영역을 통해 하나 이상의 냉각 영역으로부터 연장되는 연료 통로;
    다공성 캐소드와 결합되고 반응 영역을 통해 하나 이상의 냉각 영역으로부터 연장되는 산화제 통로; 및
    각각의 다공성 애노드 및 다공성 캐소드의 표면 부분 내로 적어도 부분적으로 오목하게 들어가고 각각의 연료 및 산화제 통로에 노출되도록 배치되는 고밀도 전류 수집기를 포함하는 연료 전지 장치.
  55. 제54항에 있어서, 다공성 애노드와 이의 고밀도 전류 수집기 및 다공성 캐소드와 이의 고밀도 전류 수집기 각각이, 작동 반응 온도 이하의 온도에서 전기적 연결을 위해 하나 이상의 냉각 영역의 각각의 외부면으로 연장되는 전기적 경로를 갖는 연료 전지 장치.
  56. 제55항에 있어서, 애노드 및 이의 고밀도 전류 수집기의 전기적 경로와 전기적으로 접촉하는, 하나 이상의 냉각 영역에서 각각의 외부면에 대한 음성 전압 연결; 및
    캐소드 및 이의 고밀도 전류 수집기의 전기적 경로와 전기적으로 접촉하는, 하나 이상의 냉각 영역에서 각각의 외부면에 대한 양성 전압 연결을 추가로 포함하는 연료 전지 장치.
  57. 제56항에 있어서, 전기적 경로 각각이, 반응 영역의 각각의 외부면으로 연장되고 외부면 금속화가 반응 영역의 각각의 외부면과 하나 이상의 냉각 영역의 각각의 외부면 사이에 전기적 접촉으로 배치되는 연료 전지 장치.
  58. 제54항에 있어서, 고밀도 전류 수집기가 라인들 사이의 개방 공간을 갖는 교차 라인의 햇치 패턴(hatch pattern)을 갖는 연료 전지 장치.
  59. 연료 전지 장치의 활성 전해질 부분으로서 작용할 제1 부분 및 연료 전지 장치의 비활성 지지부(passive supporting portion)로서 작용할 제2 부분을 가지는 제1 그린 세라믹 층을 제공하는 단계;
    제1 그린 세라믹 층의 제1 측면의 제1 부분 위에 애노드 층을 적용시키고, 제1 그린 세라믹 층의 대향하는 제2 측면의 제1 부분 위에 캐소드 층을 적용시키는 단계;
    제1 그린 세라믹 층의 제1 및 제2 측면의 각각의 제2 부분 위에 제2 그린 세라믹 층을 적용시키는 단계[여기서, 제2 그린 세라믹 층의 두께는 애노드 층과 캐소드 층의 두께와 대략 동일하다];
    각각의 애노드 층과 캐소드 층 및 제2 그린 세라믹 층 위에 희생 층을 적용시키는 단계;
    각각의 희생 층 위에 제3 그린 세라믹 층을 적용시키는 단계; 및
    모든 층을 소결시키고 희생 층을 번 아웃하는데 충분한 온도로 가열시켜 비활성 지지부에서 이들 사이에 두꺼운 소결된 세라믹, 및 활성 전해질 부분에서 이들 사이에 애노드, 얇은 전해질 및 캐소드를 가진 한 쌍의 가스 통로를 형성하는 단계를 포함하는, 연료 전지 장치의 제조방법.
  60. 제59항에 있어서, 희생 층이 왁스 매트릭스에서 탄소 섬유를 포함하고, 가열하는 단계가 그린 세라믹 층에서 탄소 섬유 또는 중합체 결합제를 번 아웃하지 않고 왁스를 용융제거하는데 충분한 제1 온도로 수행되고, 중합체 결합제를 번 아웃하기에 충분한 제2 온도로 수행된 다음, 그린 세라믹 층을 소결시키고 탄소 섬유를 번 아웃하는데 충분한 소결 온도로 수행되는 방법.
  61. 애노드, 캐소드, 및 이들 사이의 전해질을 갖는 활성 중심부;
    활성 중심부에서 연장되고, 각각이 이에 횡방향의 너비보다 실질적으로 더 큰 길이를 가져서 신장부 각각이 상기 길이와 동축으로 연장되는 하나의 우성 축을 갖는 열 팽창 계수를 갖는 3개 이상의 신장부;
    3개 이상의 신장부 중의 제1 신장부에서 연료 투입구로부터 애노드와 결합된 활성 중심부 내로 연장되는 하나 이상의 연료 통로;
    3개 이상의 신장부 중의 제2 신장부에서 산화제 투입구로부터 캐소드와 결합된 활성 중심부 내로 연장되는 하나 이상의 산화제 통로; 및
    3개 이상의 신장부 중의 제3 신장부 내의 개구와 활성 중심부 사이에서 연장되는 하나 이상의 가스 통로를 포함하는 연료 전지 장치.
  62. 제61항에 있어서, 하나 이상의 가스 통로가 소비된 가스를 위해 하나 이상의 연료 및 산화제 통로에 연결된 배출 가스 통로이고 3개 이상의 신장부 중의 제3 신장부에서의 개구가 배출 가스 출구인 연료 전지 장치.
  63. 제61항에 있어서, 하나 이상의 가스 통로가 하나 이상의 연료 통로의 연장이고 3개 이상의 신장부 중의 제3 신장부에서의 개구가 연료 출구인 연료 전지 장치.
  64. 제63항에 있어서, 3개 이상의 신장부가 하나 이상의 산화제 통로의 연장인 하나 이상의 가스 통로 및 산화제 출구인 개구를 갖는 제4 신장부를 포함하는 연료 전지 장치.
  65. 제61항에 있어서, 활성 중심부가 이의 길이와 동축으로 연장되는 하나의 우 성 축을 갖는 열 팽창 계수를 갖는 신장부인 연료 전지 장치.
  66. 제61항에 있어서, 활성 중심부가 큰 표면적 부분인 연료 전지 장치.
  67. 제61항에 있어서, 활성 중심부가 반응 영역에서 작동되도록 가열 영역 체임버에 배치되고; 제1 및 제2 신장부가 반응 온도 이하의 저온에서 작동하도록 가열 영역 체임버 바깥으로 연장되며; 연료 투입구 및 산화제 투입구가 각각 각각의 연료 및 산화제 공급기에 저온에서 연결되는 연료 전지 장치.
  68. 애노드, 캐소드, 및 이들 사이의 전해질을 갖는 활성 중심부;
    활성 중심부로부터 연장되고, 각각이 이에 횡방향의 너비보다 실질적으로 더 큰 길이를 가져서 신장 기판 각각이 상기 길이와 동축으로 연장되는 하나의 우성 축을 갖는 열 팽창 계수를 갖는 4개의 신장부;
    애노드와 결합된 활성 중심부 내로 4개 신장부 중의 제1 신장부의 투입구로부터 4개의 신장부 중의 제2 신장부의 출구로 연장되는 하나의 연료 통로;
    캐소드와 결합된 활성 중심부 내로 4개 신장부 중의 제3 신장부의 투입구로부터 4개의 신장부 중의 제4 신장부의 출구로 연장되는 하나의 산화제 통로를 포함하고,
    활성 중심부가 4개의 신장부의 각각의 면적보다 더 큰 면적을 가지는 연료 전지 장치.
  69. 제68항에 있어서, 활성 중심부가 이의 길이와 동축으로 연장되는 하나의 우성 축을 갖는 열 팽창 계수를 갖는 신장부인 연료 전지 장치.
  70. 제68항에 있어서, 활성 중심부가 반응 영역에서 작동하도록 가열 영역 체임버에 배치되고; 제1 및 제2 신장부가 반응 온도 이하의 저온에서 작동하도록 가열 영역 체임버 바깥으로 연장되며; 연료 투입구 및 산화제 투입구가 각각 각각의 연료 및 산화제 공급기에 저온에서 연결되는 연료 전지 장치.
  71. 연료 전지 장치 내에 가스 통로를 제공하도록 배치된 다수의 희생 유기 층과 교호하는 다수의 그린 세라믹 층을 포함하는 스태킹된 구조를 형성하는 단계(여기서, 희생 유기 층은 탄소 섬유 및 왁스의 복합체를 포함하고, 그린 세라믹 층은 중합체성 결합제를 포함한다); 및
    탄소 섬유 또는 중합체성 결합제를 번 아웃하지 않고 왁스를 용융하는데 충분한 제1 온도, 중합체 결합제를 번 아웃하는데 충분한 제2 온도, 및 이후에 그린 세라믹 층을 소결시키고 탄소 섬유를 번 아웃하는데 충분한 소결 온도로 스태킹된 구조를 가열함으로써 내부에 다수의 가스 통로를 가진 소결된 세라믹 구조를 형성하는 단계를 포함하는, 연료 전지 장치의 제조방법.
  72. 제71항에 있어서, 탄소 섬유 및 왁스의 복합체가 임의의 탄소 섬유 매트 또 는 왁스가 주입된 제직된 탄소 섬유 시트를 포함하는 방법.
  73. 제71항에 있어서, 캐소드 층으로부터 애노드 층을 분리하는 개재된 그린 세라믹 층, 및 개재된 그린 세라믹 층에 대향하는 각각의 애노드 및 캐소드 층에 인접한 희생 유기 층을 제공하도록 배열된 스태킹된 구조에서 하나 이상의 애노드 층 및 하나 이상의 캐소드 층을 제공함으로써, 가열 후, 다수의 가스 통로 각각에 하나 이상의 결합된 애노드 또는 캐소드를 형성시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  74. 제71항에 있어서, 가열 후, 애노드와 캐소드를 교호적으로 정렬시키면서 다수의 가스 통로 각각에 전극을 적용시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  75. 제74항에 있어서, 전극이, 전극 입자의 용액으로 가스 통로의 적어도 한 부분을 채우고 용액을 제거하면서 중력 또는 원심력을 가하여 가스 통로에서 소결된 세라믹 구조 위에 전극 입자를 선택적으로 부착시킴으로써 적용되는 방법.
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