TW200810228A - Systems and methods for stacking fuel cells - Google Patents

Description

200810228 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用於堆積燃料電池的系統及方法。 【先前技術】 燃料電池會經由化學反應來產生電力。該等化學反 通常會讓一作為反應劑的燃料發生反應，例如氫、以及空 氣/氧，且所產生的主要副產物為水蒸氣。氫可以氫氣的形 式直接提供，或是可經由其它材料來產生，例如碳氫液體 或氣體，該等材料會經過轉化（ref〇rm)以便隔離氬氣。燃 料電池組件可能會在一燃料電池殼體之中包含一或多個燃 料電池，錢體會純—含有該氫及/或該等碳氫材料的燃 料罐。和可攜式、可更換、及/或可再填充的燃料罐進行可 攜耦接的燃料電池殼體可媲美電池，作為較佳電源，用以 提供電力給各種可攜式消f性電子產&，例如蜂巢式“舌 及個人數位助理。相較於電池，該些燃料電池組件的競爭 性會相依於眾多因辛，1々入6 7 ^ 夕LJ言，其包含它們的尺寸、效率、以 靠性。 京部g受限於本技術的Α ψ，厂平例采 現有的製造方法會限制处糾 曰限制此夠被置入一給定尺寸之婵 设體内的燃料電池單元 μ電池 I早兀的數1。除此之外，一 一個燃料電池均包含_古^ ^ & 成篮冏的母 ^ ^有限區域，其會在其中產生雷六 該區域稱為該燃料電池 书力， ^ > 卞用£域，而且現有的盤谇f、+ 還會限制每一個嗲笪K I坆方法 Μ 4燃料電池單元的作 有的製造方法亦；^£域。再者，現 场衡可払式燃料電池固有的設計取拾 5 200810228 條件。特定的燃料電池會運作在極高的溫度，其會對燃料 电池組件造成熱應力並且可能會讓該燃料電池失能。現有 的裝置並未充份地支援該等燃料電池組件使它們能夠耐受 該等應力。 因此，需要有可提供會克服本技術中之限制的燃料電 池的燃料電池組件及製造方法。 【發明内容】

本發明的各實施例藉由將複數個燃料電池單元排列在 燃料電池殼體内的一或多個平面堆疊之中並且電耦接該 ^燃料電池單元以提供高電壓、電流、及/或功率來解決先 :支衍中的缺。於特^的實施例中，製造商會調整設計 參數(其包含燃料電池組件的實體維度)以平衡可攜式平面 ^枓電池堆疊时的基礎取捨條件。更明㈣說，在Μ ::觀點中’_料電池單元會有效地排列在該等平面 :内，俾使每一個燃料電池單元的作用區域會大於約 在其巾—項觀財’該等平面堆疊仙含在-小於 立 方Α刀的燃料電池殼體之中及/或會在該殼體的每 所Γ分中產生大於約°，1料。於特定的組態中，本文 “的燃料電池組件會在每立方公分中產生大於約〇5 約寸’而在其它實施例中’則會在每立方公分中產生大於 伏特。在另-項觀點中，該等平面堆疊係設置在一體 矛貝’丨於約〇·!立方公分盥 而卫於 ，、、力30立方公分之間的殼體之中， 作用區域則介於約〇5平 間。 十方公分與約100平方公分之 於碎寸疋的組態中，該等作用區域係介於約〇5平方公 6 200810228 为與約20平方公分之間，或者介於約2平方公分與約i 〇 平方公分之間。於特定的實施例中，本發明包含設置在該 燃料電池之上的結構性支撐，用以降低因高溫與熱循環所 造成的熱應力。在其中一項觀點中，本發明包含利用微米 級製造技術（例如蝕刻）來製造該等燃料電池單元、該等結 構性支撐、以及其它結構的方法。在另一項觀點中，會將 複數群燃料電池單元排列在個別的平面堆疊之中。藉由改 ^該等群之中的燃料電池單元數量及/或改變個別燃料電池 單兀的尺寸’製造商便可改良特定的效能度量值，例如功 率密度及/或電壓產量。 在其中一項觀點中，該等裝置包含一由複數個燃料電 池所^成的平面燃料電池堆疊，《包括：—陽極層，其包 3乐極與一第二陽極；一電解層；一陰極層，並包 含：第-陰極與一第二陰極；至少一互連，其至少一部份 係设置在該電解声內，* ㈢ 亚且㈢電性與機械性耦接該第一陽 極與該第二陰極·以芬_ , e ^ ，及一、、、田長的結構性支撐，其定向备垂 直一延伸穿過該平面堆疊的 " 且的千面亚且至少一部份係橫向設 置在兩個相鄰電極之間。 於其中-組態中，該堆疊還進 支撐，其會接觸嗲M晶并 匕3弟一、、、口構性 Μ隹$並且與該細長的結構 該堆疊可能包含一绍绦傅I又备&開。 八+巴緣材料。舉例來說，該結構性支俨句 含-電絕緣塗層。於其 諸支撐包 ^ ^ 4寸點中，該結構性支撐包含一 乳化表面。該結構性切可能包含下面—或多者 料、釔安定氧化鍅（γ 夕貝材 材枓、氧化鎂材料 '鉻鐵材料、 7 200810228 以及陶瓷材料。 與約組態中，該結構性切的寬度介於約微米 該結:T撐：^ 根據其中一^ 轉接該電解層。 分隔-第-距離、寸點’該第—陽極與該第二陽極會橫向 第二距離，且：第該第一陰極與該第二陰極會橫向分隔-介於約5微^約—距離與該第二距離中至少其中一者係 盘該第二距雛：微米之間。舉例來說，該第-距離 微米之間。至少其中一者可能介於約5微米與約200 Φ 中一項特點中，申請專利範圍帛1項之堆疊，盆 中，该電解層包含· 楚 ^ 陽㈣，-電解層區，其係設置在該第- =;弟：陰極之間並且會在該第-陽極與該第-陰極 ί 差；一第二電解層區，其係設置在該 ==:陰極之間並且會在該第二陽極與該第二 -解声匚合：電壓差’且該第—電解層區與該第二 电解層區會構成一整體的電解層結構。 根據本發明特^的組態，該堆疊包括下面—或多者. 固態氧化物燃料電池以及質子交換膜燃料電池。 根據其中-項特點，該堆疊包含該電解層的作用區域， 其中，個別的陽極與陰極會在該電解層的一表面上具有重 且的大出部’且该等作用區域會構成該電解層之表面積的 至少70%。該堆疊可能係内含在一體積小於約⑽立方公 分的殼體内。該堆疊可產生大於约5伏特的電壓差，且=

S 200810228 特定的組態中則可產生大於約w 產生大於約15伏特的電壓差。特的電Μ差，甚至可 可= :互連平行於延伸穿過該電解層之平面的剖面 口J月b會小於約（1〇n保 4 w 條互連，它們俜二、。i堆豐可能還進-步包含複數 匕們係至少部份設置在該電 、， 與機械性耦接該第一陽 3 ’亚且“電性 可能包括-線性的互連陣歹;：:; =二該等複數條互連 ^ ^ , 八中 5亥寺衩數條互連中相 鄰互連的中心至中心間隔實質上相等。 料電在池其:;項:Γ戈”叠包含三或多個電串聯的燃 料電池陣列。料電池包括-非線性的燃 Μ 4衣置可此包含由被耦接在一平行電連接 線之中的燃料電池所組成的二或更多條串聯電連接線。 在其中-項觀點中，該等裝置包含一由複數個燃料電 /所組成的平面燃料電池堆疊，其包括：一陽極層，且包 含一第一陽極與-第二陽極；-電解層；-陰極層， 含：第-陰極與一第二陰極；至少一互連，其至少一部份 係设置在該電解層内，並且會電性與機械性搞接該第—陽 極與該第二陰極；以及一細長的結構性支樓’其定向合垂 直:延伸穿過該平面堆疊的平面且該㈣的結構性支ς中 至y °卩知會在垂直一延伸穿過該燃料電池堆疊之平面的 一軸線上對齊該至少一互連。 該等複數個燃料電池可能包括下面一或多者：固態氧 化物燃料電池及/或質子交換膜（PEM)燃料電池。該結構性 支撐的寬度介於約30微米與約2〇〇微米之間，高度則大 9 200810228 於約100微米。在其中一組態中，該第一陽極與該第二陽 極會橫向分隔—第一距離’該第一陰極與該第二陰極：橫 向分隔一第二距離，且該第一距離與該第二距離中至少1 中一者係介於約5微米與約500微米之間。 y八 在其中一項特點中，該堆疊係内含在一體積小於約3〇 立方公分的殼體内。該堆疊可產生大於約1〇伏特的電壓 差。

在另一項觀點中，該等裝置包含一燃料電池組件，其 包括：一體積小於約30立方公分的殼體；以及—平面燃 料電池堆疊’其係内含於該殼體之中並且具有-陽極層， 其包含被排列在一第一平面之中的複數個陽極，一陰極 層^其包含被排列在一第二平面之中的複數個陰極，以及 电％層，其係設置在該陽極層與該陰極層之間，其中， 該堆疊包含該電解層的作用區域，其+，個別的陽極盘陰 極會在該電解層的—表面上具有重疊的突出部，且該等作 用=域會構成該電解層之表面積的至少約5()%。在特定的 組。態中’料作用區域會構成該電解層之表面積的至少約 7〇%，甚至會構成該電解層之表面積的至少約85%。 在其中—項觀點中，該等裝置包含一燃料電池組件， 其士括’—殼體；以及一平面燃料電池堆疊，其係内含於 f Λ又體之中亚且具有被排列在一陽極層之中的複數個個別 η破排列在一陰極層之中的複數個個別陰極、以及— 电解層&中’該燃料電池組件會在該殼體的每立方公分 中產生大於約0 · 1伏特。 10 200810228 分 根據其中一項特點，該殼體的體積小於約3〇立方公 在另-項觀點中，該等裝置包含—燃料電池組件，其 包括：一體積介於約立方公分與约3〇立方公分之間的 殼體；以及-平面燃料電池堆疊，其具有一陽極層，其包 含被排列在一第一平面之中的複數個陽極，—陰極層4 包含被排列在一第二平面之中的複數個陰極，以及二電解 層，其係設置在該陽極層與該陰極層之間，其中，該堆最 包含該電解層的作用區域，其中’個別的陽極與陰：會： 該電解層的一表面上具有重疊的突出部，且該等作用區域 在該電解層的表面上的面積係介於約G 5平方公分與約⑽ 平方公分之間。 在其中-項觀點中，該等方法包含一種製造一具有至 少-結構性支撐的平面燃料電池堆疊的方法，其包括：提 供-基板’在該基板上方放置一電解層與一或多個電極 層；以及藉由選擇性地移除部份該基板以從該基板中形成 該至少一結構性支撐。 根據其中-種組態，該至少一結構性支撐在形成之後 係細長的且係垂直於一延伸穿過該電解層之平面來延伸。 =其中一項特點中，選擇性地移除部份該基板包括敍刻該 j。在其中一項特點中，該等方法包含利用一絕緣材料 來塗佈該至少-結構性支择。舉例來說，該等方法可能包 :乳化该至少一結構性支择。該方法可能包含將該電解層 直接放置在該基板之上。 11 200810228 甘在其t 一項特點中，該等方法包含··提供一陽極層， 、：3帛帛極與-第二陽極；提供-陰極層，其包含 罘陰極與一第二陰極；以及經由該電解層來 械性互連該第-陽極與該第二陰極。提供一陽極層與= :陰：層中至少其中一者可能包含：在該電解層之上提供 屏早結構’用以界定一第一電極區及一第二電極區；以 及在該第-電極區及該第二電極區之上放置電極材料。咳 屏障結構可能包括該結構性支撐。該等方法可能還進—二 包含移除該屏障結構，用以界定至少兩個電極。 y 該等方法可能包含電性與機械性互連該第一陽極盘該 弟二陰極，其包含蝕刻該電解層内的微特徵圖案並且在泫 等微特徵圖案内放置導體材料。钱刻微特徵圖案可能包‘ ==性微特徵圖案陣列，該等微特徵圖案中相鄰的微 案的中心至中心間隔實質上相等。姓刻複數個微特 h木可成包含㈣具有個別面積小於約（⑽㈣）2之個 闕面的微特徵圖案。在其中-項特點中，係在-整體電 解層結構内蝕刻該等複數個微特徵圖案。 因此，本文所述的系統與方法會：在單一燃料電池殼 體中排列眾多燃料電池單元，該燃料電池殼體的尺寸會經 過設計以用在可攜式電子裝置之中；提供具有高作用區域 的燃料電池；產生高功率密度，且其尺寸與形狀會經過設 叶以用在可攜式電子應用之中；提供製造方法，用以平衡 可攜式燃料電池組件固有的設計取捨條件，並且耐受極高 的熱應力。 12 200810228 【實施方式】 本發明的各實施例提供用於可攜式燃料電池組件的裝 置與方法。圖1所示的係根據本發明一解釋性實施例的燃 料私池〔且It5。明確地說，該燃料電池組件5包含複數個 燃料電池單元，元株爲缺7 _ 牛付旒7所示的便係特定的示範燃料電 池單元。每一個該等燃料電池單元7均包含-陽極4盘一 陰極6,其係設置在-電解層/膜層14或一電解膜層^之 上。該等燃料電池單元7合^ 早兀7 i透過將在下文作更詳細討論的 電互連（圖中並未顯示）來進行電串聯。該組件5還進一步 包含内含在一殼體18之中的一燃料轉化器“一尾氣姆 ，機12。該燃料電池組件5可能還包含-燃料罐(圖中並 未顯示）。 當燃料接觸該等陽極4而氧接觸該等陰極6時， 燃料電池單元7便會產生電力。燃料的示範類型包含:氯： 一乳化碳；以碳氫化合物為主的燃料，例如甲燒、乙烧、 甲醇、丁炫、戊烧、甲醇、f酸 尸 夂&岭、及/或丙烷；及/ ，非Μ化合物為主的燃料，例如氨或聯氨。該等陽極* 與陰極6可能有孔’而且視情況可將催化劑（舉例來說，以 始為主催化劑）放置在該等陽極4與該等電解層Μ· =處及/或該等陰極6與該等電解層14與16的介面處。 虱Μ會與該等陽極4、該等陰極6、該等電解膜14與16、 ^催化劑（圖中並未顯示）進行電化學反應，以便在個別 、％極與陰極之間產生電屡差。由該等燃料電池7所產生 的個別電壓差會經由燃料電幻的串聯而結合，並且可用 13 200810228 來驅動電流並且供電給一負載（圖中並未顯示）。 在運作中，一燃料流20會經由燃料入口 32進入▲ 燃料流2。可能包含液體或氣體’並且可能包括上：所： =燃料類型。供應純氯給該等燃料電池單★ 7便可改 ^牛5的效率，因此，於敎的實施例中，例如當使用 碳虱化合物為主的燃料時’該燃料流20 m經過一轉 化區10並且會與該轉化區1〇中的催化劑進行化學反應， 以：從該燃料流20之中隔離/產生氫及/或一氧化碳。不：， 若該燃料流2G包括純氫的話’或者偽若該等燃料電池 早兀7被配置成用以直接使用上面所述之其它燃料類型的 運^的話’那麼便可能不需要該轉化 1()。該轉化區1〇 可能包括T面一或多者：燃料流轉化器、部份氧化轉化器、 優先氧化轉化器、水變換轉化器、及/或熱裂解轉化器。實 際使用的轉化器將視應用而定，且任何合宜的轉化哭均可 運用。 接著，包含該轉化區10所產生的氫氣的燃料流2Θ變 曰&著路徑21流動並且會在流經尾氣燃氣機Η之前先接 角1 4等陽極4，未耗盡的燃料會在尾氣燃氣機丨2處與氧（圖 中並未頦示）進行燃燒。除此之外，一空氣流26(其可能包 括空虱及/或氧氣）也會流過内繞送通道（圖中並未顯示）並且 曰、、二由二氣％送層1 5而接觸該等陰極6。如上面所述，該 寺陰極6與陽極4包含小孔（圖中並未顯示），因此，該氫 人氧二氣便會流經該等小孔並且接觸該等電解膜14與 田氫14氧接觸忒專陰極6、陽極4、以及電解膜Μ與 200810228 16時，它們便會進行化學反應以產生電力。 更明確地說，燃料電池組件5包含：複數個陽極4, 它們係設置在該電解膜層16的外表面⑽與電解膜層Μ 的外表面 14b之上；複數個哈托 .7 α 後歎個陰極6，它們係設置在該電解 膜層16的内表面l6a與電解膜層14的内表面i鈍之上，· 以及結構性支撐44,它們係設置在電解膜14與16之上。 設置在表面14a之上的該等陰極6會面向設置在膜16之表 面16a之上的該等陰極6。其好處係部份因為兩個陰極層 響會共用相同的空氣流26與空氣繞送通道15，因而不需要 分離的空氣繞送通道。於特定的實施例中，該空氣繞送通 逼15的厚度可能為i.〇mm，甚至薄於約〇 5瓜瓜。 該等陽極4可由各種材料所構成，其包含：金屬陶瓷 複合物，例如鎳與YSZ金屬陶瓷；鉑；銀，·鈀；鐵；鈷； 鈽；其它氧化物母質材料；或是其組合。該等陰極可由下 面所構成：錳酸鑭锶（LSM)、鈷酸鑭锶（LSC)、以及鈷鐵鑭 Φ 锶（LSCF)。該等電解層14與16可能包括釔安定氧化錘（YSZ) 及/或摻雜鈽的材料。在PCT申請案第w〇 2005/030376號 中便說明過該等電解層14與16的其它材料、組態、以及 製造方法，本文以引用的方式將其完整併入。 δ亥專電解膜14與16很容易因該燃料電池的熱循環（舉 例來說，當該燃料電池反覆地開啟與關閉時）所造成的熱應 力而受到損害，而結構性支撐44則會提高該等電解膜14 與1 6的結構完整性。下文將會更詳細地討論該等結構性 支撐44。 15 200810228 該等陽極4、陰極6、以及電解膜14與16係内含在一 第一 /内殼體18之中。内殼體18的體積可能介於約〇.1立 方公分與約1 〇〇立方公分之間。於特定的實施例中，内殼 體18的體積可能介於約〇1立方公分與約30立方公分之 間’介於約〇· 1立方公分與約i〇立方公分之間，或是介於 約1立方公分與約5立方公分之間。 圖中所示的殼體18包括一導熱材料，因而，該殼體會

包括 κ質的等溫帶。其好處係，該殼體内的所有組件會 運作在實質相同的溫度。 於4寸疋的貫施例中，該内殼體1 8内的操作溫度會大於 攝氏400度，而於其它的實施例中則可能大於攝氏750度。 為、、隹持此溫度並且為保護末端使用者不受到前述高 /里的知吾，该内殼體1 8會被放置在一外殼體3 0之中，該 ::^二〇會藉由一絕緣體28來與内殼體18產生熱隔離。 ^ =體28彳能包括各種低導熱性的絕緣㈣ 例中’此絕緣體則會包括一低厂堅區，且於特定 氣體並且維掊_吉咖 及風材枓42會吸收 材料包括兀开# 行疋的負轭例中，該吸氣 不可療發吸氣材料，直可婉由 動。 τ 八j、、二由電加熱而被啟 不過，直处一 乂二口Ρ可月色無法防止/消除 失。因此，外殼體3。會在1内J除因“射所導致的熱損 該等反射體4〇可处 乂上包含輻射反射體40。 金屬塗層4是二 被沉積在壁部3G之内表面上的 疋使用一被機械性附著至該真空壁部之内表 16 200810228 面上的金屬或紅外線 的内外表面之Pih “ 亦可在外殼體30 之間k供一連串平行的紅外 所述’該燃料電池組件5可為W卜線反射體。如上面 外歧3 0的體積可能介於 方公分> „ 立方公分與約1〇〇立 4。於特定的實施例中，卜 介於約η ^ ^ 外设體30的體積可能 ==::與…方公分之間，介於… 約5立方公:之:方公分之間’或是介於…方公分與 圖2A所示的係根據本發 婵料電池罝；〇 胛样性貝鉍例由複數個 的叫面s 至57所組成的-平面燃料電池堆疊50 的^面圖。明確地說，該等燃料電池 的燃料電池單元7 ·同，“、a 至57和圖！ ^ π . _ . 田。、’匕3和圖1的電解膜14與16 =的電解膜52。每一個燃料電池單元54 個別的陽極60 $ μ也 ^ 3 6〇至二： 的陰極65至68。該等陽極 至，係被排列在一第一平面之中，而該陰極65“8 則係被排列在一第二平而 士 — ^ ^ 千面之中。母一個燃料電池單元的險 極均會透過電互連51至 " 電耦接至一相鄰燃料電池的陽 月確地說，燃料電池單元54的陰極65會透過互 2轉接至燃料電池55的陽極61，燃料電池單元55的陰極 會透過互連52電輕接至燃料電池單元56的陽極62， 而陰極67則會透過互連53電純至燃料電池單元$ 陽極63。雖然圖中所示的嗒托” 的 口 r所不的知極6〇至63係位於電解層52 上表面之上㈣中所示的陰極65至68係位於電解層52 的下表面之上’不過，情況並未必係如此，且明確地;兒， 17 200810228 亦可倒置陽極60至63與呤 體言之，/ 士 … ^ 至68的佈置方式。更大 ° 在本文所述的任何錄 稱地會靳她η “、、抖電池組件組態中，均可對 聃地重新排列該等燃料 極的佈¥ t ^早7^，倒置該等陽極與該等陰 位旳佈置方式並且相應地 以便讓該燃料會接觸該等陽2枓與減/或μ的流動， 陰極。 極而該氧及/或空氣會接觸該等 在運作中，該等互連51 元〇 主53會串聯該等燃料電池單 兀54至57並且提供相 作期間，燃料電池54的電化確地說，在運 之間產生一雷芦# %化予反應會在陽極60與陰極65 7生土 冤壓差，而燁料 極61與降極6fi夕的電化學反應會在陽 τ才玉6 6之間產生一帝廠辛 值材料，以， 书壓差。互連51包括一低阻 ^ 例如鈾及/或絡酸觸，甘 極61*之門“ / 亚且從而會在陰極65與陽 i± ^ ^ 良，且陰極66會因而維 =等於陰極65之電壓加上陽極61與陰極“ 壓處。利用串聯連接線來連接額外的燃料電池單 “夠增加„增益。於特定的實施例中 個燃料雷、冰蒂 5 ^20 15料 平面堆疊所產生㈣電^可能大於 約3 =於其它的實施例中，該等平面堆疊則會產生大於 ^ 寸，大於約5伏特’或是大於約1G伏特。該些示 巳电整適用於本文所述的其它燃料電池堆疊。因此，本 ::的，面堆疊能夠在很小的體積，提供比較高的電壓。 网式《内較高電壓的好處至少部份係因為用於本文 处之可攜式燃料電池組件的眾多商業應用(例如蜂 或膝上型電腦）需要較高的電壓。 电" 200810228 如本文所述，在運作期間，燃料電池單元54至57的 該等電化學反應會在陽極60與陰極65之間產生一電壓 差’而燃料電池55的電化學反應會在陽極61與陰極66 之間產生一電壓差。不過，該等電壓差通常係產生在燃料 電池單元54至57的作用區域内，其中，陰極65至68與 對應的陽極60至63會直接彼此疊置。舉例來說，圖中所 不的係燃料電池單元54作用區域54a。作用區域54a通常 會侷限在區域54a，其中，陰極65與陽極6〇會在電解層52 的上表面之上具有重疊的突出部。同樣地，燃料電池單元 Η至57具有作用區域55a、56a、以及57a。如圖所示， 相鄰電極之間的間隙（也就是相鄰陰極65至68之間的間隙 及相鄰陽極60至63之間的間隙）以及該等互連51至η合 =減該等作用區域54a、55a、56a、以及57am_^ _中τ文所# ew的裝置與方法則會藉由縮減該些間隙 且猎由縮減該等互連s C ο . 的作用區^ 的面積來提高燃料電池組件 圖2B所示的係圖2A的堆疊5〇 不的組離中，昤托G ^ 牧團中所 。中&極65至68會偏離陽極的至 十月況並未必係如此。除 不過， 陈此之外，剖面69 圖的圖2A剖面。 旳係相對於 w 如圖所不，互連51至53 溝槽的互連材料，A合 匕括長列/ 、查ςι 其會延伸堆疊50的長度50a。这合乂 至53與其它燃料電池組件（其包含電解# 52 至68、以及陽極6G至63)之間 ^日、陰極65 將討論避免出現冗a 成 面介面。下文 見几長千面介面的替代互連組態。 19 200810228

圖3 A所不的係根據本發明一解釋性實施例，圖2A的 平面燃料電池堆疊50的放大圖。明確地說，圖3A所示的 係陰極65至66、陽極60至61、互連51、以及電解膜52。 圖3 A還進一步包含一陽極電連接器7〇以及一陰極電連接 裔72。在此圖中，陽極電連接器7〇會耦接至電接地。如 本文所述，在運作期間，燃料電池單元54會產生一第一 電麼差，燃料電池單元55會產生—第二電遂^，而電連 接器72料維持在約等於第一電壓差加上第二電壓差之 大小的電塵處。該些電盧差與内部電流（如示範的電流路握 74所示）相關聯，其係從陽極6〇流至陰極65，經過互連η， 並且從陽極61流至陰極66。 不過，於特定的情況中，電連接器' 72處所維持的電屢 可能會小於兩個電壓差的總和，部份係因為㈣5〇的内 =的關係而部份料因為和路彳f 74之電流反向的茂漏 及/或寄生電流的關係。藉由調整及/或最佳化堆疊50 之各組件的維度、組態、以及製造材料，便可降低前述阻 洩漏％机、以及寄生電流。不過，該些調整卻可能合 =料電池堆疊50的作用區域，從而產生一組設料 :二：、:該組設計取捨條件可能必須加以平衡方能提高該 Μ枓U池堆疊的效率。 +例來η兄’内Ρ且值的其中一個來源為陽極⑽至㈠及 陰極 65 $ 朴丄 鱼 66。猎由縮小該等陰極與陽極的橫向寬度65a 與61更可，低此内阻值。不過，縮小該等横向寬度65a ” a部會縮小燃料電池堆疊5G的作用區域。或者，藉由 20 200810228 刀^同陰極65的厚度价與陽極ό1的厚度心亦可降 一隹且5 〇的内阻值。於特定的實施例中，本發明則係使 用上述方式之組合來降低内阻值。明確地說，表丨所示的 係經過選擇用以達到較低内阻值目的之對應於不同橫向寬 度65a與61a的電極厚度价與川。請注意，括弧中所 示的係單位與材料。

表

許可的片阻值 每平方的歐姆） 陰極的厚度 (LSM) (微米） 橫向電樹且值 (針對每個燃（ 料電池單元 損失< 0.1V 的情況） 陽極的厚度 (Ni-YSZ) (微米）

於特定的實施例中，並且根據表丨的結果，堆疊5〇係 利用小於約2mm的橫向寬度65a與61a以及小於約5〇微 米的電極厚度65b與61b製作而成。不過，於其它實施例 中’該等橫向寬度65a與61a則可能介於約5微米與約5〇〇 微米之間。於特定的組態中，該等橫向寬度65a與6U則 係介於約500微米與約2mm之間。 用以降低陽極60至61及陰極65至66之阻值的另一 種組態包含電流收集膜。於此組態中，會將一具有高導恭 率的材料（例如鉑，圖中並未顯示）設置成該等陽極6〇至〇 21 200810228

下方（也就疋，在該等陽極6〇至61中背向電解層52的表 面上）以及該等陰極65至66上方（也就是，在該等陰極^ 至中背向電解層52的表面上)的一或多層薄膜。於特定 的貝施例中，电極厚度_與6 lb非常地薄（也就是小於約 25微米）且該等鉑質膜也非常地薄（也就是小於約25微 米），所以’㈣陰極65至66與#質膜的層疊層以及該等 陽極6〇至與銷質膜的層疊層個別厚度會小於約50微 米。加入該高導電率的材料會降低内阻值。不過，於其它 貫施例中，則會使用較厚的電極與㈣膜層（也就是各小於 勺50微米），亥等鉑質膜係有孔的，且因而可讓燃料流經 該等翻質膜以接觸該箄陽搞, 啁通寺險極60至61，並且讓氧/空氣流經 該等鉑質膜以接觸該等陰極65至66。 如上所述，除了内阻值之外 漏電流亦可能會降低 在電連接器72處所維持的電壓。茂漏電流，如電流路徑80 與82所示，部份係因為相鄰陰極&與65之間的電壓差 以及相鄰陽極61與6〇之間的電壓差所產生的。該等電流 路！ 80與82必需橋接個別的電極間隙％肖88。藉由辦 加相鄰陰極65與66之間的間隙88的長度⑽以及㈣‘ 極60與61之間的之間的間隙％的長度^，便可降低及 /或消除該些②漏電流。於特定的實施例中，該等長度_ 與W大於約電解膜52的厚度52a的五倍，而於其它實施 例中，該等長度86a與88a則大於約電解膜52的厚度仏 的五十倍，以便降低及/或消除該些茂漏電流。 不過，如上所述’增加間隙86的長度_及間隙Μ 22 200810228 的長度88a卻會縮減燃 在其中-項觀點中，電解 且5〇的作用區域。因此， 冤解膜52的厚度52a會被 °此可讓該等間隙的長度心與88a為電解膜”的：。 的數倍，同時又仍非當 、的厗度52a ，爷小而足以保留堆疊5〇 更明確地說，於特定的每 ㈣用£域。 小於約微米，而於φ€^52的厚度…會 微米甚至小於約5微米。、Μ，該；度則會小於約10 據此，於特定的實施例中， 88的長度88a會小於 “ /又86a及間隙 川做木、小於約1〇〇與丰 於約25微米。利用前沭給廢 田 ⑽铖未、或小 大於約50%，於特定…Γ ’堆$ 5〇的作用區域可能會 約85卜利用：疋的組怨中會大於約㈣，甚至大於 為千 非常小的厚度，電解膜層52可能盈法 為電極提供足夠的結構性支 了此無法 熱應力。所以，於特=或可能無法对受熱循環的 偌丁 、寺的爲也例中，電解膜層52便會具 文將作更詳細討論的結構性支撐部件。 〃 除了戌漏電流80盘82,卑；i堂、去+ 的,Λ+ ^ 82寄生電流亦可能會降低堆疊50 的放率。-般來說，燃料電池 電池單元的陽極與陰極重属的巴抒^作方式係在該燃料 9a I $的區域中在該陽極盥該险;^ > =輪離子，使其通過電解層52(也就是，帶負、電= I;從陰極65傳輸通過電解層”而抵達陽極6〇，並且合 :陰二“傳輸至陽叫不過，在圖中所示的堆疊；〇 與目郧燃枓電池的陽極與陰極也會在特定區域中重疊。 :例來說，陰極65通常會在互連51的區域附近重疊陽極 且離子亦可傳輸通過此區域中的電解層(也就是，帶負 23 200810228 :的乳離子可從陰極65傳輸至陽極61)。因為陰極Β會 ::互連5"皮電連接至陽極61，所以，帶負電的電子便 :^亥互連51從陽極61被回傳至陰極Μ。結果便係產 ::可生電流迴圈，其會消耗燃料但卻不會產生實用的電 力i、由該燃料電池堆疊50所供電的負载來使用。 於特定的實施例中，藉由在電極65與6ι重疊的區域 之中佈置-不會在該電解層52與該等電本玉Μ盘Η 一或 二者之間導通離子的屏障材料便會降低/消除此寄生電流。 ::障材料可能包括下面一或多者：#、金屬、以及陶究 〜科。该屏障材料可利用本文中其它地方所討論的沉積技 術中任何一或多項技術來沉積成一薄膜。 或者，甚至除了上述技術之外，當接觸燃料或氧時， 在陰極65與陽極61重疊的區域之中制會產生極低甚至 不會產生任何電壓差的材料來更換或置換堆疊5〇的材料 亦可降低/消除該等寄生電流。舉例來說，製造商可更換或 置換陰極65及/或陽極61的材料，俾使它們包括較少的催 $匕材料。或者，甚至除此之外，製造商亦可避免在陰極65 /、電解層52之間，或是在陽極61與電解層52之間，放 置催化材料。於特定的實施例中，該等材料會經過選擇， 俾使堆g 50在陰極65與陽極6〇重疊的區域中的功率密 度會大於陰極65與陽極61重疊的區域中的功率密度約汕 倍。 wη 丁 ，則係： 料電池單元中的電極不會重 於其它實施例中，則係藉由將堆疊50配置成讓相鄰燃 的電極不舍番疊來降低/消除該寄生電流。圖 24 200810228 3B所示的便係此堆疊8〇。堆疊8〇包含··一第一燃料電池 單兀81，其具有一陰極82與一陽極83 ;以及一第二燃料 包池單兀84，其具有一陰極85與一陽極86。一互連 冒k陰極82展開至陽極86並且會將陰極82電連接至陽 極86。如圖所示，陰極82並未重疊陽極％，因此，經由 互連87所產生的寄生電流將會非常少/甚至完全沒有寄生 電流。下文將說明使用結構性支撐來降低寄生電流的另一 種方法。

圖4所不的係根據本發明一解釋性實施例的一平面堆 疊1〇〇的剖面圖，其包含替代的互連1〇2用以將一燃料電 池單元1〇8的一陰極104連接至另-燃料電池單元1U的 -陽極1〇6;而圖5所示的則係該平面堆疊ι〇〇的俯視圖。 該等互連1G2係部份設置在電㈣112内並且包含：一頂 蓋部102a，其會電輕接至陽極1()6;以及—軸部贿，其 係設置在電解膜層112之内。 〃 如圖5中所示’於此實施例中，複數條互連102會將 陰極104電耦接至陽極1〇6。 θ 次H連102包括一線性的 互連陣列1G2。如圖中所示，該等互連的中心至中 127實質上相等。介於一列 %之中通運之間的間1¾ 127可能 小於約5 0 0说米並且大於约】6 〇 穴於約160微未。更明確地說，該 互連H)2係沉積在位於—整體電解膜層叫圖$中並 示）之中的孔崎道之中。”通道會填充著該互連材料: 如上所述’該互連材料可能包括任何録值材料。該等通 這在延伸穿過該電解膜層112 J 十面之中具有圓形剖 25 200810228 p。，於特定的實施射，該㈣形剖面的面積小於約（刚 议米）。该圓形剖面的好處至少一部份係因為其在該互連 102與該電㈣112之間並不包含冗長的線性/平面介面。 此類介面在高溫或熱循環下可能會產生應力與裂解。於特 定的實施例中’該等圓形剖面的直徑約為4G㈣或是小 於約20微米。前述較小的直徑會保留該堆疊⑽的作用 區域。 於特定的實施例中，該互連材料會密封堆疊ι〇〇的陰 極側116使用者其隔離堆疊_的陽極侧ιΐ4。該密封: 防止氫從陽極106附近的區域114擴散至陰極1〇4附近: 區域116，並且同樣會防止空氣及/或氧從區域ιΐ6擴散至 區域Π4。當氣體擴散穿過膜層112時，堆疊1〇〇便可能 會喪失效率。為形成更緊密的密封，廠商會選擇一熱膨脹 係數高於電解層112之熱膨脹係數的互連材料。因此，當 堆疊100加熱至其運作溫度時，該互連1〇2便會相對於^ 解層112而膨脹，並且從而會在該電解層112與該互連 的介面處形成一緊密的密封。 此外，該等互連102還包含一頂蓋部！ 〇2a與一底蓋部 102c，其會改良區域114與116之間的密封效果。於特定 的實施例中，軸部102b具有直徑約4〇微米的圓形剖面， 而頂蓋部102a與底蓋部102c在它們與該軸部1〇2b的個別 介面處則具有直徑約80微米的圓形剖面。 η於互連102的中心與相鄰陰極1 〇4與1Q5間之間隙 的中心之間的距離120稱為陽極螺柱12〇，而介於相鄰陽 26 200810228 2 ’與107之間的距離122則稱為陰極螺柱122。於特 疋的貫施例中，陽極螺柱120與陰極螺柱122兩者均小於 約1〇〇微米，小於約95微米，或小於約7〇微米。 表2說明的係在本發明其中一解釋性實施例中所獲得 的作用區域。在此解釋性實施例中，介於相鄰燃料電=單 元中對應組件之間的距離（稱為反覆距離126)為2 25職， 不過’於其它實施例中，該反覆距離126則係介於約lmm 鲁舁約4mm之間。在此解釋性實施例中的作用區域約為 8 9/〇，*過，使用上面所述之技術亦可獲得t高的作用區 或舉例來5兒，製造商只要使用較薄的電解層丨丨2並且縮 知相姊陰極及/或相鄰陽極之間的間隙工Μ的長度便可提高 作用區域而不會大幅地損及電壓增益。 表2

微米 80微米 微米 95微米 2.25微米 2·0微米 89% 農厚度112a ~--：--

1臺部與底蓋部剖面直徑 間隙129 复^至互連螺柱120、122 的反覆距離126 區域的寬度128 ili區域涵蓋範圍 如上面所述，於特定實施例中的燃料電池組件係運作 在極南的溫度，其會因過度加熱及因熱循環的關係而對燃 ;斗包池組件產生應力。明讀地說，本發明特定實施例中的 27 200810228 固態氧化物燃料電池會運作在超過攝氏4〇〇度、攝氏5〇〇 度、攝氏600度、攝氏7〇〇度、或攝氏_度的溫度。於 ~疋的情況中，該等燃料電池會運作在超過攝氏丨丨度 的溫度。供電給可攜式消費性電子產品的燃料電池組件〇 旎會在該產品的使用壽命期間反覆地開啟與關閉。因此， 亥L:料笔池便會在環境溫度及上面所述的高操作溫度之間 反覆地進行熱循環。因為燃料電池組件的組件可能包括數 φ 種材料’且因為該等材料可能會具有不同的熱膨脹係數， 所以，熱循環便可能會在燃料電池組件與其它組件的介面 處產生應力。因此，於特定的實施例中，該燃料電池組件 便會包含額外的結構性支撐。 圖6所示的係根據本發明一解釋性實施例的平面燃料 黾'也堆$ 5 〇 ’其包含和個別電極互連1 5 8與1 5 9對齊的 結構性支撐部件1 54與1 55。圖中所示的結構性支撐部件 54/、155為細長狀並且定向成垂直於一延伸穿過堆疊mo _ 的平面。該等互連158與159和圖2的互連51至53雷同。 結構性支撐部件154包含一塗層154a，並且會機械性耦接 至陽極162與163。同樣地，結構性支撐部件155亦包含 一塗層155a，並且會機械性耦接至陽極163與ι64。結構 性支撐部件154至155會提供結構性支撐並且會減少及/或 吸收因南溫及/或熱循環所造成的應力。此外，或者在替代 例中’與支撐1 54至155雷同的結構性支撐部件亦能夠機 械性耦接陰極166至168中一或多者。圖中所示的結構性 支# 154與155係對齊個別的電極互連158與159，不過 28 200810228 更大體言之，於特定的實施例中，結構性支撐154與155 中至少一部份會對齊個別的互連158與159。此外，圖中 所示的結構性支撐154與155還會橋接陽極間隙176與 177。陽極間隙176與177以及陰極間隙18〇與包含 介面，其可提供路徑讓燃料藉以從堆疊15〇的陽極側178 擴散至陰極側18〇，如上所述，其可能會降低堆疊15〇的 效率。在圖中所示的位置中，結構性支撐丨54與丨會密 φ 封电極間隙1 76與177，從而降低及/或消除擴散。在其中 一項觀點中，此定位的好處在於陽極間隙丨76至丨77、陰 極間隙18〇至181、以及互連158# 159重疊該電解膜^ 的區域會對應於堆疊15〇的非作用區域。因此，將結構性 支撐154至155定位成對齊該些特徵圖案並不會影響堆疊 15〇的作用區域。 該定位的好處還有降低/消除寄生電流。如上面的討 論，寄生電流通常發生在相鄰燃料電池單元的電極重疊且 _ 與燃料及氧進行反應以傳輸離子經過該電解層17〇的區域 之中。在圖中所示的堆疊150之中，結構性支撐154會在 陽極163重疊相鄰燃料電池的陰極166的區域之中阻i燃 料觸及陽極163。因此，燃料便不會在該區域中和陽極163 產生反應從而導致寄生電流。除此之外，或者，藉由陰極 166重疊陽極163的區域上方被設置在陰極166上方的結 構性支撐來防止氧接觸到此區域中的陰極166便可降低^肖 除該等寄生電流。 於特定的實施例中，該等結構性支撐154至155包括 29 200810228 一熱膨服係數和平面堆疊150中其它裝置雷同的材料。這 冒P牛低因熱循環而出現在結構性支撐部件154至155與堆 $ 1 5〇之其它組件的介面絀的應力。舉例來說，倘若電解 膜17〇包括YSZ的話，那麼，該結構性支撐便可能包括： 氧化錯、氧化鎂、鐵素不銹鋼（Fe-Cr)、及/或前述之組合。 於其匕貝知例中’該等結構性支撐的熱膨脹係數會與陽極 162至163及/或陰極166至168雷同。 φ 於特定的實施例中，該等結構性支撐154至155包括 私乡巴緣體’用以部份絕緣被該等結構性支撐部件154至I” 中/、中者機械性耦接的電極，例如陰極1 66與1 67或陽 極162與163。舉例來說，該等結構性支撐154至155可 月:：括陶瓷材料’其包含氧化物、非氧化物、及，或複合物。 二：性陶瓷材料包含：鈦酸鹽、氧化物、以及氮化物。於 斗寸疋的貝^例中，該等結構性支撐i 54至i 55包括塑膠材 料。 φ 不過’在室溫處絕緣的特定材料在上面所述的高操作 溫f卻可能會不絕緣（舉例來說，石夕）。因此，該等結構性 至155會包含塗層！54a與155a。於特定的實施 例t +忒塗層包括被塗敷至該等結構性支撐154至155的 ^ 材料不過，於其它貫施例中，該等塗層1 54a與1 55a 與結構性支撐154的表面進行化學反應而形成的。 /二定的貝苑例中，該等結構性支撐i 54至丨55的表面會 被氧化以形成氧化塗層154a與155a。 於特定的實施例中，結構性支撐154的寬度⑽介於 30 200810228 约30微米與约2〇〇微 _ 於特定的實行方式中二二 約100微米。 微米之間。於特定^ μ見又係介於㉟10微米與约400 米與約5〇〇Γ^Γ行方式中，該高度係介於、約谓微 該言产亦哥::二不過，亦可能為lmm、2mm、或3匪。 /门又°旎介於約50微米與約1〇〇微米之間。 拷?特定的實施例中’該等結構性支撐1541 155會支 撑堆璺1 5 〇，俾借雷紐g 曰 t解層170的厚度可能小於約2微米或 疋，、；、，、、1微米，同時仍可耐受熱應力。 ::所不的係圖6的平面燃料電池堆疊的俯視圖。 回=的結構性支撐154 i 155係沿著軸線194實質延 伸在堆豐150的整個具择μ 、 们長度上，不過，於其它實施例中，該 寻、，，。構性支撐154i 155則僅會沿著軸線194延伸在堆疊 150的一部份長度上。此外，圖7還顯示出陽極螺柱185、 陰極螺柱188、以及電池反覆距離19〇。 圖8所不的係圖7的堆疊15〇 ’以及同樣被設置在堆 疊bo之陽極下方且被機械性輕接至堆4 15〇之陽極的額 外結構性支撐156至157。該等結構性支推154至157包 括一結構性支撐154至157格柵。雖然圖中顯示成分離的 元件，不過，於特定的實施例中，該等結構性支撐154至 則係由單一基板所構成並且包括單一整體結構。因此， 該等結構性支撐會界定九個不同的燃料電池單元9〇ι、 902、903、904、905、906、9〇7、9〇8、以及 9〇9。圖 8 中 顯示出燃料電池單元905的示範作用區域會在其中一個方 向中擴展距離202並且在另一個方向中擴展距離2〇4。圖 31 200810228 8還顯示出燃料電池單元905的示範總區域會在其中一個 方向中擴展距離206並且在另一個方向中擴展距離208。 作用區域除以總區域代表的係作用區域百分比。表3提出 兩個不同堆疊設計參數與效能結果範例。 表3 電解層厚度170a 2微米 2微米 互連寬度17〇a 10微米 10微米 電極間隙177a ， 80微米 20微米 陰極螺柱188與陽極螺柱185 65微米 25微米 支撐結構的寬度154b 250微米 125微米 單一電池作用區域 1.25x1.35mm 1.35xl.35mm 1.56mmA2 1.82mmA2 反覆距離190 1.5x1.5mm 1.5x1.5mm 作用燃料電池區域百分比 69% 84% # 圖9所示的係結構性支撐的一替代性組態。明確地說， 圖9所示的係根據本發明一解釋性實施例的平面燃料電池 堆疊220，其包含兩個燃料電池單元232與234以及一部 份橫向設置在相鄰陽極224與225之間的結構性支撐部件 222，並且包含和圖4之互連102雷同的互連221。結構性 支撐部件222會機械性耦接至電解膜226，結構性支撐部 件222係細長狀並且被定向成垂直於一延伸穿過堆疊220 與電解層226的平面。在其中一項觀點中，此定位的好處 在於相鄰陽極224與225之間的間隙228會對應於該燃料 32 200810228 電池的非作用區域，^ ??〇 ^ „ α此’將結構性支撐222設置在間隙 228内亚不會影鍥格田 例中，亦可利用二 20的作用區域。此外，於此實施 八 黏著性接合劑將結構性支撐222直接接 口至电％層226。諸拉人a ^ φ ^ 接合作用非常緊密的部份原因可能係 因為電解層226丰_ # ’、緊推、、Ό構的關係。該結構性支撲222 和圖6的結構性古 .^ 〇〇 按I54至I55雷同。明確地說，結構性 支接222可能包含一涂 叫止 主層222a，而且寬度可能小於約80

被水，小於約40捭伞 ^ ^ ^ 微未，甚至小於約20微米。如上面的討 确，该結構性支撐部件 i ★ 仟222可此包括一熱膨脹係數實質上 和笔解層226之埶膨眼在t + 合 熱膨脹係數雷同的材料，以便在結構性支 一電解層226之間的介面處降低因熱膨脹所造成的 心 不k於特疋的貫施例中，該結構性支撐222則包 括熱％脹係數異於電解層226之熱膨脹係數且仍足以支 撐該堆疊22〇的材料。舉例來說，於特定的實施例中，結 構生支撐222包括♦，而電解層226則包括γ§ζ。 ^圖1 〇所不的係根據本發明一解釋性實施例的平面燃料 電池堆疊220的俯視圖，其包含結構性支撐⑵。除了燃 料電池單元232與234之外，堆疊22〇還包含數個其它燃 料電池單元236、238、240、242、244、246、以及 248; 且除了結構性支撐222之外，堆疊22〇還包含結構性支撐 226、228、以及230。如上面參考圖8的結構性支撐154 至157所作的討論，結構性支撐222、226、228、以及23〇 包括一結構性支撐袼柵，且於特定的實施例中係由一整體 基板所構成’下文將作討論。距離2 5 〇與2 5 2會擴展出堆 33 200810228 疊220的單一燃料電池單元 25 4與256則會擴展出堆疊 的示範總區域。 236的示範作用區域，而距離 〇的單一燃料電池單元2 3 $ 圖11所示的係圖1 〇的平 十燃枓電池堆疊220的俯視 放大圖，且明確地說，圖中顯 尼 甲.、肩丁出陰極螺柱26〇與陽極 柱262。表4為堆疊220的一 + ^ α 、

的不乾性施行方式的數種設計 芩數與效能結果。 T 表4 互連剖面的直徑 電極間隙227 — ~~._. 262 —--—— 結構的！度223 單一電池作用區域 微米 40微米

丄舞米 65微米 2微米 20微米 20微米 30微米 圖12至15所示的係用於製造一和堆疊22〇雷同的燃 料兒池堆®的示範性技術。更明確地說，圖12至1 5所示 的係用於圖案化與對齊本發明中所使用之小維度特徵圖案 ^不耗性方法。一般來說，製造商會：提供一最後會構成 構I*生支撐的基板；放置一電解層並且對該電解層進行圖 本化使其具有互連；選擇性地移除該基板的一部份，以便 34 200810228 形成该等結構性支撐，·並且接著會在該電解層之上放置該 等電極。 現在芬考圖12,製造商會先提供一將會構成和圖9之 結構性支撐222雷同的結構性支擇的基板5〇〇。接著，製 造商便會利用誠技術、真Μ發技術、化學氣相沉積技 術、雷射燒純術、滴塗技術、以及電漿或氣相喷塗技術 在该基板500之上沉積一電解層$〇2。 接著，衣造商便會在該電解層之中圖案化通道孔5〇4。 在不fe f生技術中，製造商會讓一正向光活化光阻材料5⑽ 在電解層502之上流動及/或擴散且該光阻通會固化。光 阻駕的厚度506c可能介於約i微米與約5〇微米之間。 衣、商曰利用光罩（圖中並未顯示）讓該電解層中位於通 道504上方的區域曝露在可見光之中。接著，製造商便會 塗敷-顯影料，該顯影溶液將會移除經由該光罩曝露在 該光之中的區域之中的光阻。剩餘的光阻部份⑽鱼 鳩b則會在該製造商製造通道5()4時用以保護下方的電解 層502區域。 接著，製造商便會蝕刻通道504。於特定的實施例中， 該敍刻包括離子研磨法，其中，會有_氬離子流撞擊該電 解層502。該氬離子流的通量可能大於約i〇mA/cm2而加 速電壓則超過500伏特。接著便會在大於約每分鐘4〇埃 的速率處來餘刻通if 504。$過，於其它實施财，該姓 刻則包括：濕式㈣法，其會使用氫n容液、使用氯敗 酸與氫氯酸之組合溶液；電㈣収，其會㈣CP%氣 35 200810228 體電漿來進行蝕刻；及/或雷射燒蝕法。 視^况接著，製造商便會形成凹腔512，其將會塑 形成-互連的蓋部形狀。於特定的實施射，製造商會讓 、、。構〇 1曝路在含有六氟化硫的電漿之中超過約1 〇分鐘。 接著，製造商便會電鍍通道504與凹腔512，以便形 成互連£ a月確地§兄，製造商會塗敷一互連材料的晶種 層於4寸疋的只施例中，係'藉由讓結構5 〇 i於真空或低壓 環境之中冑露在一互連材料原+通量之中來塗敷該晶種 層。 麥考圖13，接著，製造商便會移除光阻5〇6。互連材 料會被放置在通道孔504的附近位置512之中並且放置在 基板500的背側5 14之上。 接著，製造商便會電鍍凹腔512與通道5〇4。明確地 說，製造商會讓結構501曝露在氯鉑酸或硫酸鉑的電鍍溶 液之中。製造商會提供一晶圓夾盤，該夾盤會電耦接至該 矽晶圓的背側514。電鍍電流會流過該矽基板5〇〇。電解 層502會讓該電鍍電流與區域512之中以外的電鍍溶液產 生絶緣。因此，該互連材料便會填充凹腔5丨2並且接著會 填充通道504。該等電鍍電流會流過基板5〇0，直到一蓋 部5 16形成為止，從而便會完成該互連$丨8。 接著’製造商便會從基板500之中形成該等結構性支 撐，並且明確地說，會選擇性地移除部份的基板5〇〇以形 成結構性支撐。現在參考圖14，製造商會在基板5〇〇的背 側5 14之上塗敷且固化一負向光阻5 2 〇。光阻5 2 0會經由 36 200810228 -光罩而選擇性地曝露在可見光之中，且接著，製造商便 會利用-顯影溶液來移除部份光阻52〇(圖中並未顯示）， 並且蚀刻基板500中未受到光阻52〇保護的部份。在前述 步驟之後，未經由該光罩曝露在可見光之中的區域^便 會殘留。於特定的實施例中，該餘刻包括各向異性的乾式 蝕刻。明確地說，製造商會將結構5〇1放進一冑空反應^ 内，並且利用由六氣化硫（SF6)與八氣環丁烧（c⑸所:成 的電漿來交替地填充與激發該反應室。製造商會將結構501 附接至該真空反應室中具有一負偏壓的電極處，俾使正離 子（其包含硫離子，例如s“）會在正交於基板500之背側514 7角度處進行加速，從而提高該曝露石夕表面的韻刻速率。 广電漿會在該等石夕壁的侧邊上沉積一保護性碳氟化合物 二亚且從？降❹何橫向蝕刻速率，並且提高對結構性 支b 526之隶終寬度524的控制性。 :上面所述，燃料電池堆疊的作^域會因相鄰電極 ==長度以及螺柱距離而受到影響。上面所討論的 中極^及螺柱距離具有非常小的維度（於特定的實施例 積心f二於：1()°从未)，而且希望本文所述的各種沉 圖案化步驟、以及餘刻步驟均具有非常高的對齊 :確度。舉例來說，禍若在圖”，互連221在製造期間 出現對齊誤差並且橋接電極間隙： :路陰極一並且消除燃料電池單元= 的電壓增益。 ” 之間 因此’示範性製造技術便會以小於約ι〇微米、小於約 37 200810228 5 k米、甚至小於肖丨微米的精確度來對齊該等光罩與光 阻506及/或基板5〇〇。於特定的實施例中，會利用經㈣ 或形成在基板500之表面上的對齊標記來標記基板5〇〇。 舉例來說’可將盒形或圓形的對齊標記設置在基板綱之 用以表不互連518 @目標區域。上面所討論的光罩還 可能包含匹配標記’該等匹配標記會對齊基板谓上對應 的標記。基板5 0 0可μ ; &丨士丄

Γ以上面所述的精確度藉由一光對齊組 件來橫向移動’以便精確地對齊料光罩。於特定的實施 例中’該光對齊組件對定位且成像該等對齊標記。該成像 可能包含紅外光光學偵測，俾使該光對齊組件能夠從基板 _的背側514處幻貞測基板5⑽之表面m上的標記。 “圖15所示的係根據本發明—解釋性實施㈣於在電解 膜502之上沉積電極材# 54()與542。於此項技術中，製 造商會沉積一聚合物模具或屏障544。屏障5料會讓一陰 極540與另一陰極542隔離並且會界定它們的個別邊緣Γ 於特定的實施例中，聚合物屏障544包括一層液體型的光 阻’其會被固化至大於陰極54G肖542之所希厚度的厚度 處。製造商可利用一光罩以及和上面所述之光界定技術； 同的顯影溶液來光界定該屏障544。 田 接著，製造商便會在電解層502之上滴塗陰極油墨54〇 與542。該油墨可能包括上面所述的示範性陰極材料。於 特定的實施例中’製造商會針頭滴塗該陰極油墨。該針頭 可能係靜jL的’而-對齊組件（例如上面所述的光對齊組件、 則會相對於該靜止針頭來橫向移動該電解層5〇2與結構性 38 200810228 支· 5 1 5。該針頭的滴塗劑量可能每滴小於約i 〇〇奈升的 :墨：該等微滴會擴散在電解膜5〇2之上，直到該油墨緊 靠屏障544為止。接著，製造商便會在氧之中於攝氏5〇〇 度處來點燃陰極油,墨54〇與542，並且接著會燃燒該油墨 系統之中的接合劑或增塑劑。製造商可視情況藉由旋轉或 擠壓來平坦化該等陰極54〇肖542。在被點燃之後，該等 陰極540與542便可能處於有孔的狀態之中，以便讓氣體（例 如氧或空氣）經由該等陰極54〇與542來擴散。於其它實施 例中，可利用網印法、沉浸法、浸塗法、濺鍍法、電聚或 氣相喷塗法、及/或電泳沉積法來沉積該油墨。 可以同樣的方式來圖案化陽極。在圖中所示的實施例 中，結構性支撐515本身係充當該屏障，用以隔離且界定 該等相鄰的陽極546與548。在放置陽極油墨546與548 以及陰極油墨540與542之後，製造商便會在氧之中於攝 氏800度處來點燃點燃結構5〇1，用以燒結該陽極546與 548以及陰極540與542之中的顆粒。這也會利用一氧化 物塗層515a來塗佈該支撐結構515。如上面所述，塗層515& 會讓該支撐結構515與結夠501的其餘部份產生絕緣。 圖2至15所示的係串聯電耦接複數個燃料電池單元的 平面燃料電池堆疊。可以各種組態來排列數個此等平面燃 料電池堆疊，且於特定的實施例中，可以各種方式來電耦 接數個此等平面燃料電池堆疊，以便在一給定的殼體之中 提供更多的燃料電池及/或提高它們的運作效率。 更明確地說，圖16所示的係根據本發明一解釋性實施 39 200810228 例的燃料電池組件，其包含一由平面燃料電池堆疊6〇2、 6〇4、以及606所組成的垂直堆疊6〇〇。該等平面燃料電池 堆疊6〇2、6()4、以及_可能包含上面所述之任何示範性 平面燃料電池堆疊。每一個堆疊6〇2、6〇4、以及6〇6均包 含個別的陽極6023、6043、與6063以及個別的陰極6〇21?、 6〇4b、與606b ’它們會被排列成用以共享燃料與空氣流。 π —平面燃料電池堆疊群可被排列成包括複數個燃料電池 單元陣列。圖1 7所不的係根據本發明一解釋性實施例之 並聯的複數條燃料電池單元串聯電連接線，其中，該等並 聯連接線係由薄膜連接器所構成。包含並聯的燃料電池串 聯電連接線的燃料電池組件的好處部份係因為它們所產生 的電流會大於個別的串聯連接線。更明確地說，圖丨了顯 不出4列燃料電池單元62〇、621、622、以及6之3。每一 列620、621、622、以及623均包含5個燃料電池單元。 舉例來說，列620包含燃料電池單元62〇a、62〇b、62〇c、 620d、620e，如上面所述，它們會藉由互連622被串聯電 耦接。列621至623均和列620雷同。該等列會藉由電連 接器624與626被並聯電耦接。連接器624會藉由直接接 觸該等燃料電池單元的個別陰極（也就是，燃料電池62〇& 的陰極）而耦接至相鄰的燃料電池單元。連接器626會藉由 接觸被耦接至相鄰陽極的互連622(也就是，與燃料電池 620e的陽極耦接的互連622)而電耦接至相鄰的燃料電池單 元。 該等連接器624與626可能包括鉑質薄膜，該等薄膜 40 200810228

會藉由真空蒸發法被沉積在該裝置的一部份之上。製造商 可利用上面針對圖案化電解膜層所述的光阻以及一光罩來 圖案化该等連接器624與626。於特定的實施例中，製造 商會在沉積電極之前及/或在圖案化支撐結構之前先沉積該 等連接1§ 624與626。接著，在該等電極被點火燃燒成有 孔狀態之後，該等連接器624與626的鉑便無法污染該等 電極。該鉑可利用濺鍍法或真空蒸發法之類的技術形成一 益集薄膜’或者該鉑亦可藉由點火燃燒而從油墨來形成或 是藉由膏狀物構形法來形成，從而可利用針頭滴塗法、網 印法、以及沉浸或浸塗法來沉積油墨或膏狀物。 圖18所示的係根據本發明一解釋性實施例之串聯的複 數條燃料電池單元串聯電連接線，其中，該等燃料電池單 係被排歹】在複數列之中且該等互連係由薄膜連接器所構 成。如上所述，包含串聯的燃料電池單元串聯連接線的燃 料電池組件的好處部价在& P伤係口為匕們所產生的輸出電壓 於個別的串聯連接線。更明確地說，燃料電池組件630包 ==料= 也單元 632、633、634、_ 635，該_ :二:二 非線性的燃料電池陣列。如同… 母"'列632至635均包含五個燃料電池單元。 不過’該等燃料雷冰一 产。明確地-“ ^早兀列卻會在交錯的方向中導送電 :明杨况，列633肖635會在第—方向 電流，而列632與634則合 中涂込 電連接器⑷、642、以及/—方向64G之中導送電流。 形成該等列632至认+ 于〜至635以 、串聯連接線。更明確地說，連接 41 200810228 器642會耦接列634與635，連接器641會耦接列633與 634 ’而連接器644則會耦接列632與633。連接器646會 耦接至電接地，而電連接器648則會耦接至組件63〇的輸 出電壓。如圖18中所示，一示範性電流路徑65〇係起始 在連接裔646並且流至連接器648。 於特定的實施例中，燃料電池單元會分群並且根據配 合一燃料源的個別燃料電池單元群的位置來進行電耦接， 以便產生更多功率、電壓、電、流、及/或提供更高的效率。 更月確地„兒，圖19所示的係一燃料電池組件66〇，其具有 兩個燃料電池單謂662與664。在此解釋性實施例中， 以氫為主賴料流會在方向666 <巾流動，其會純觸到 ¥ 2之中的燃料電池單元的陽極’並且接著會接觸到群 664之中的燃料電池單元的陽極。該以氫為主的燃料流㈤ 在接觸群662 _會含有較高的氫濃度，因為該等燃料電池 單元662會消耗且與來自該以氫為主的燃料流_的氫進 亍反應口此該以氫為主的燃料流666在接觸群之 中的燃料電池單元的陽極時便會含有較少的氣。此外，群 662之中的燃料電池單元還會產生二氧化碳與水之類的副 產物，該等副產物會稀釋該以氫為主的燃料流666之中的 氫的濃度。因為燃料流66…具有不同氫濃度的關係， 所以’群662與664便會運作在不同的功率密度與效率處。 於特疋的實行方式中，不同的燃料電池群會包含個別 不同的燃料電池單元έ且能，f、，篇w m , 、，且恶以便利用不同的電流密度來驅 動該等群，用以部份满舍 I伤補彳貝上面所述的不同功率密度，且因 42 200810228 文良、.心功率在度。圖2〇所不的係兩個燃:料電池單元群M2 與7〇4，其中，_ 704係位於燃料流的下游處而且電 流搶度尚於群702，現在將作討論。更明輕說，群加 包含各由兩個燃料電池單元(分別為·a至b以及·8至 b)所組成的兩歹,J 706與708，且該等兩列706與708會辨 由連接器710與712來並聯。 曰曰 ^ ^ % 鮮704具有各由三個燃料電 池單元（分別為714 a至c u 71 β 主c以及716a至c)所組成的兩列714 與716，且該等兩列71 、 〃 716會糟由連接器718與720 來並聯。連接器71〇盥7 /、/2ϋ兩者會電耦接至連接器722， 而連接器712貞718兩者則會電_接至連接器、724。因此， 群7〇2與7〇4係被連接在一並聯電連接線之中，而且群加 與7〇4的輸出電壓會相同。群7〇4包含較多的燃料電池單 口此每個燃料電池單元的電壓會較低且因 高的電流密度。 ’ ^ 藉由在群702與704夕ώ丄 、 之中加入燃料電池單元或是從群 702與704之中移除姆料雷％ w …、枓電池早元製造商便能夠調整群702 與704的電流密度。於拉 , 又於特疋的實施例中，製造商可能會讓 群702之中的燃料雷抽萤 一 早70夕過群704之中的燃料電池單 元。 、圖21料的係根據本發明-解釋性實施例的-燃料電 池組件740 ’其包含兩群燃料電池單元，每一群均呈有不 同數量的燃料電池，並且還進一步包含介於該等燃料電池 早7"之間的串聯互連與並聯互連的各種組合。更明確地 說，燃料電池組件740包含兩群742與74[群742包含 43 200810228 各由兩個燃料電池單元（分別為74以至b以及74“至b)所 組成的兩列746與748。該等兩列746與748會藉由連接 裔754與756來並聯。群744具有各由三個燃料電池單元（分 別為75 0a至c以及752a至c)所組成的兩列75〇與752。 該等兩列750與752會藉由連接器760來串聯。群742與 744會藉由連接器756與連接器758之間的電連接線 來串聯。連接器766會被電耦接至接地，而連接器764則 鲁 會提供組態740的輸出電壓差。因為區塊742與744係被 串聯，所以，流經它們的電流便會被限制成約為相同。不 過，因為流經區塊742的所有電流實質上均會流經列75〇 與752，所以，群744中的燃料電池單元的電流密度便會 高於群742中的燃料電池單元的電流密度。 除了依據燃料電池單元群相對於一燃料源的個別位置 以不同的方式來配置燃料電池單元群以調整用於驅動該等 燃料電池單it的電流密度之外，，亦可依據燃料電池單元群 •:對^一燃料源的個別位置以不同的方式來設計個別燃料 甩池單元的尺寸與形狀。更明確地說，圖所示的係一 包含複數個燃料電池單元的燃料電池組件8〇〇及一燃料流 826。在此解釋性實施例中，在該燃料流8%的越下游方 向中的燃料電池的尺寸會越小。舉例來說，位於燃料流826 之上游位置處的燃料電池單元8〇2與會大於（也就是具 有，大的作用區域）位於燃料流826之下游位置處的燃料電 單元8 12與814。在一示範性製造技術中，製造商會塗 敷光阻及一光罩，以便改變互連828及橫向設置在燃料電 44 200810228 池單元之間的結構性支撐（圖中並未顯示）的位置，用以改 變該等燃料電池單元的尺寸。 因為下游的燃料電池單元（例如燃料電池單元812與 8 1 4)具有較小的面積，所以，它們的電流密度會高於上游 的燃料電池單元（例如燃料電池單元802與804)。不過， 在替代實施例中，下游的燃料電池單元則具有較大的作用 區域，這可能有利於特定的情況。 上面所述的組態、裝置、以及方法可與其它組態、裝 置、以及方法進行任何運作組合來使用，其包含下面的美 國專利案與專利申請案中所述者：第2 0 0 57 0 0 6 9 7 3 7號、第 2005/0132648 號、第 6,939,632 號、第 2004/0241061 號、 第 2004/0072039 號、第 2005/0249993 號、第 6,680，139 號、 第 2004/0028975 號、第 6,852,436 號、第 6,623,881 號、 第 2003/0096147 號、第 2005/0221 13 1 號、第 5,925,477 號、 第 5，190,834 號、第 5,479，178 號、第 6，183,897 號、以及 第5,595,833號，本文以引用的方式將它們全部完整併入。 上面所討論的燃料電池組件可攜式能係任何類型的燃 料電池，例如，固態氧化物燃料電池及/或質子交換膜（PEM) 燃料電池。它們可設置在一殼體之中用以整合一燃料轉化 器、一組燃料電池膜、一尾氣燃氣機、以及一熱帶之中的 所有内部流體歧管中的一或多項功能，其可利用任何數量 的製造技術來製造。明確地說，本發明的實施例可利用 MEMS技術（微電機系統）或微加工技術來製造。此等技術 使其能夠整合薄膜材料（舉例來說，薄膜電解層、陽極、陰 45 200810228 極、及/或電連接線）以及經蝕刻的微通道，用以在具導熱 性與機械耐用性的一共用基板之上控制流體流動。 …、 “舉例來說，可從一群實質平面或非平面的半導體結構 中來組裝_整合殼體。明確地說，可將五個石夕質基板接合 「 I用以形成可在其中整合各種燃料電池設備組件的 「盒體」。將該等五個矽質基板接合在一起會造成一堆疊 組恶。於其中—實施例中，彳以下面的順序來堆疊該等基 板.⑴含有流體互連的燃料轉化器基板；⑺一膜電極組件； (3)一流體繞送層；（4)另一膜電極組件；以及（5)—含有尾 氣燃氣機的頂端流體繞送層。因&，一料疊可形成該整 合燃料電池設備的一部份或全部。 —於特定的實施例中，係選擇料為用來建立該等燃料 :池膜共其匕歧官結構的基板。不過，微加工技術亦可用 ^在门]丨生的玻螭與陶瓷晶圓之中建立流體流動通道，所有 的材料均具有固態氧化物燃料電池所需要的高溫強度。為 防止在該膜組件的不同點之間出現電短路， 層或氮切層來㈣1隸，讀使其具有電絕緣夕 經蝕刻的流體微通道係藉由各種技術形成在上面的基 板之中，該等技術包含：濕式與乾式化學餘刻技術、雷射 燒蝕技術、鑽石研磨技術、帶狀澆鑄技術、或射出成形技 術可用的各種基板或晶圓接合技術包含··融熔接合法 b〇nding)、除極接合法（anodic bonding)、利用共溶 焊接材料或是薄膜來進行密封、或是利用玻璃熔塊來進行 46 200810228 包含％極、陰極、以及電解層的燃料電池組件可利用 各種薄膜與厚膜沉積技術來沉積，其包含：濺鍍技術、蒸 發技術、化學氣相沉積技術、雷射燒蝕技術、網印技術、 滴塗技術、或氣相噴塗技術。

雖然本文已經參考本發明的較佳實施例來特別顯示與 ^明本發明，不過，熟習本技術的人士便會瞭解，在不脫 離Ik附申明專利範圍所涵蓋的本發明範轉下，仍可對其形 式與細節進行各種變更。 【圖式簡單說明】 從上文的解釋性說明中，參考圖式，便會完全瞭解前 逃：其它特點及優點，丨中’相同的元件標示著相同的元 件符唬’且該等圖式並未依比例繪製。 圖1所示的係根據本發明一解釋性實施例的燃料電池 圖2A所示的係根據本發 ...... 肝怦性貰施例 九暑电池單元所組成的一平面堆疊的剖面圖 =所示的係圖2A的堆疊的俯視圖。 :3A所示的係根據本發明一解釋 千面燃料電池堆疊的放大圖。 揪料：所不的係一替代的平面堆疊組態，其中，相鄰 .，、、枓包池單元中的電極並未重疊。 疊的剖面4所^的係根據本發明—解釋性實施例的一平面堆 疊中的—81 °亥平面堆豐具有替代的互連用以將該平面堆 —燃料電池單元的-電極連接至-相鄰燃料電池單 200810228 元的一電極。 圖5所不的係圖4的平面燃料電池堆疊的俯視圖。 圖6所不的係一平面燃料電池堆疊，其包含和個別電 極互連對齊的結構性支撐部件。 圖所不的係根據本發明一解釋性實施例，圖6的平 面燃料電池堆疊的俯視圖。 圖8所不的係圖7的堆疊，其具有額外的結構性支撐。 圖9所示的係根據本發明_解釋性實施例的結構性支 撐的一替代性組態。 斤丁的係根據本發明—解釋性實施例的平面燃料 包池堆豎的俯視圖。 圖U所示的係圖10的俯視放大圖。 的半=Μ不^係用於製造—平面燃料電池堆疊的方法中 的步驟’其包含提供一基板及沉積一電解層。 圖13所示的係根據本發 平面燃料電池堆疊的方法中的步驟解釋::：例用於製造-R Ί/1 γ的步驟，其包含形成互連。 圖Μ所示的係根據本發 平面揪， 鮮桿性貝知例用於製造一 : = 疊的方…步驟，其包含〜以 β 5所示的係根據本發一 平面婵料+Α 解樺眭貝轭例用於製造一 上沉積電極。 、匕3在一電解膜之 圖16所示的係根據本發明一 電池堆叠所組成的-垂直堆疊。解釋14^例由平面燃料 48 200810228 圖17所示的係根據本發明一解釋性實施例的平面燃料 電池堆疊，其包含並聯的複數條燃料電池單元串聯電連接 線，其中，該等並聯連接線係由薄膜連接器所構成。 圖18所示的係根據本發明一冑釋性實施例串聯的複數 條燃料電池單it串聯電連接線，纟中，該等燃料電池單元 係被排列在複數列之中且贫i $、当 傻叛幻t T且4 ♦互連係由薄膜連接器所構 成0

圖19所示的係根據本發明一解釋性實施例的兩群燃料 電池單7〇，每一者均具有不同的輸出。 圖所示的係根據本發明—解釋性實施例的兩群辦料 Γ池早元’其中，#中—群係位於-燃料流的下游處而且 電流密度高於另一群。 ^所不的係根據本發明一解釋性實施例的一燃料電 牛包含兩群燃料電池單元，每—群均具有不同數 :門然枓電池，並且還進一步包含介於該等燃料電池單元 曰的串聯互連與並聯互連的各種組合。 圖 2 2斯- / 料+、也⑽不的係根據本發明一解釋性實施例的複數個燃 ^及—燃料流，其中，該等燃料電池單元的尺寸 ι豕匕們在該燃料流中的個別位置來設計。 【主要元件符號說明】 4 陽極 燃料電池組件 陰極 燃料電池單元 49 200810228

10 燃料轉化器 12 尾氣燃氣機 14 電解膜層 14a 内表面 14b 外表面 15 空氣繞送層 16 電解膜層 16a 内表面 16b 外表面 18 内殼體 20 燃料流 21 路徑 26 空氣流 28 絕緣體 30 外殼體 32 燃料入口 40 輻射反射體 42 吸氣材料 44 結構性支撐 50 燃料電池堆疊 50a 長度 51 互連 52 互連 52 電解膜層 50 200810228

53 互連 54 燃料電池單元 54a 作用區域 55 燃料電池單元 55a 作用區域 56 燃料電池單元 56a 作用區域 57 燃料電池單元 57a 作用區域 60 陽極 61 陽極 61a 寬度 61b 厚度 62 陽極 63 陽極 65 陰極 65a 寬度 65b 厚度 66 陰極 67 陰極 68 陰極 70 陽極電連接器 Ί1 陰極電連接器 74 電流路徑 51 200810228

80 燃料電池堆疊 81 燃料電池單元 82 陰極 83 陽極 84 燃料電池單元 85 陰極 86 電極間隙 86a 長度 87 互連 88 電極間隙 8 8 a 長度 100 燃料電池堆疊 102 互連 102a 頂蓋部 102b 軸部 102c 底蓋部 104 陰極 105 陰極 106 陽極 107 陽極 108 燃料電池單元 111 燃料電池單元 112 電解膜層 112a 厚度 52 200810228

114 陽極侧 116 陰極側 120 陽極螺柱 122 陰極螺柱 126 反覆距離 127 中心至中心間隔 128 作用區域的寬度 129 電極間隙 150 燃料電池堆疊 154 結構性支撐 154a 塗層 154b 寬度 155 結構性支撐 155a 塗層 156 結構性支撐 157 結構性支撐 158 互連 159 互連 162 陽極 163 陽極 164 陽極 166 陰極 167 陰極 168 陰極 53 200810228

170 電解膜層 170a 厚度 176 陽極間隙 177 陽極間隙 177a 電極間隙 178 陽極侧 180 陰極側 180 陰極間隙 181 陰極間隙 185 陽極螺柱 188 陰極螺柱 190 反覆距離 194 轴線 202 擴展距離 204 擴展距離 206 擴展距離 208 擴展距離 220 燃料電池堆疊 221 互連 222 結構性支撐 222a 塗層 223 支撐結構的寬度 224 陽極 225 陽極 54 200810228

226 結 構性支撐 227 電 極 間 隙 228 結構性支撐 230 結構性支撐 23 2 ψχ 料 電 池 單 元 234 燁 料 電 池 單 元 236 烬 料 電 池 單 元 238 燁 /#、、、 料 電 池 單 元 240 辦 料 電 池 單 元 242 少缺 / i\w 料 電 池 單 元 244 辦 / i\w 料 電 池 單 元 246 / 4\\\ 料 電 池 單 元 248 ψχ 料 電 池 單 元 250 擴 展 距 離 252 擴 展 距 離 254 擴 展 距 離 256 擴 展 距 離 260 陰 極 螺 柱 262 陽 極 螺 柱 5 00 基板 501 結構 502 電 解 層 504 通道孔 506 正 向 光 阻 55 200810228

506a 正向光阻 506b 正向光阻 506c 厚度 508 顯影區域 512 凹腔 514 背侧 515 結構性支撐 515a 塗層 516 蓋部 518 互連 520 負向光阻 522 殘留區域 524 最終寬度 526 結構性支撐 532 表面 540 電極 542 電極 544 屏障 546 陽極 548 陽極 600 垂直燃料電池堆疊 602 燃料電池堆璺 602a 陽極 602b 陰極 56 200810228

604 燃料電池堆疊 604a 陽極 604b 陰極 606 燃料電池堆疊 606a 陽極 606b 陰極 619 燃料電池組件 620 燃廣電池單元列 620a 燃料電池單元 620b 燃料電池單元 620c 燃料電池單元 620d 燃料電池單元 620e 燃料電池單元 621 燃料電池早元列 622 燃料電池單元列 622 互連 623 燃料電池單元列 624 電連接器 626 電連接器 630 燃料電池組件 632 燃料電池單元 633 燃料電池單元 634 燃料電池單元 635 燃料電池單元 57 200810228

638 電流方向 640 電流方向 641 電連接器 642 電連接器 644 電連接器 646 電連接器 648 電連接器 650 電流路徑 660 燃料電池組件 662 燃料電池單元群 664 燃料電池單元群 666 燃料流 702 燃料電池單元群 704 燃料電池單元群 706 燃料流 706 燃料電池單元列 706a 燃料電池單元 706b 燃料電池單元 708 燃料電池單元列 708a 燃料電池單元 708b 燃料電池單元 710 連接器 712 連接器 714 燃料電池單元列 58 200810228

714a 燃料電池單元 714b 燃料電池單元 714c 燃料電池單元 716 燃料電池單元列 716a 燃料電池單元 716b 燃料電池早元 716c 燃料電池單元 718 連接器 720 連接器 722 連接器 724 連接器 740 燃料電池組件 742 燃料電池單元群 744 燃料電池單元群 746a 燃料電池單元 746b 燃料電池單元 748a 燃料電池單元 748b 燃料電池單元 750a 燃料電池單元 750b 燃料電池單元 750 c 燃料電池單元 752a 燃料電池單元 752b 燃料電池單元 752c 燃料電池單元 59 200810228

754 連接器 756 連接器 757 電連接線 758 連接器 760 連接器 764 連接器 766 連接器 800 燃料電池組件 802 燃料電池早元 804 燃料電池單元 812 燃料電池單元 814 燃料電池單元 826 燃料流 828 互連 901 燃料電池單元 902 燃料電池單元 903 燃料電池單元 904 燃料電池單元 905 燃料電池單元 906 燃料電池單元 907 燃料電池單元 908 燃料電池單元 909 燃料電池早元 60

Claims (1)

1. 200810228 十、申請專利範圍： 1 · 一種由複數個燃料電 疊，其包括.· ’也所組成的平面燃料電池堆 一陽極層，其包含一第 一電解層， 一陽極與一第二陽極

   一陰極層，其包含一第 至少一互連，其至少一 且會電性與機械性耦接該第 一陰極與一第二陰極， 部份係設置在該電解層内， 一陽極與該第二陰極，以及 並 一細長的結構性支撐 面堆疊的平面並且至少一 之間。 ，其定向會垂直一延伸穿過該平 邛伤係横向設置在兩個相鄰電極 2·如申請專利範圍帛！項之燃料電池堆疊，其中，該 等複數個燃料電池係運作在大於約攝氏4〇〇度的溫度。μ 如申請專利範㈣2項之燃料電池堆疊，其進一步 包括-第二結構性支撐’其會接觸該堆疊並且與該細長的

   結構性支#隔開。 4.如申請專利範圍第2項之燃料電池堆疊，其中，該 結構性支撐包含一絕緣材料。 Λ 5.如申請專利範圍第2項之燃料電池堆疊，其中，該 結構性支撐包含一電絕緣塗層。 ^ 6.如申請專利範圍第2項之燃料電池堆疊，其中，該 結構性支撐包含一氧化表面。 “ 疊，其中，該 紀安定氧化懿 7·如申請專利範圍第2項之燃料電池堆 結構性支撐包含下面一或多者：矽質材料、 61 200810228 (YSZ)材料、氧化鎂材料、鉻 0 、Ό ’载材料、以及陶窨去 8·如申請專利範圍第. 尤#料。 項之燃料電池;I金晶 該 而 該 以 結構性支撐的寬度介於約 隹宜，其中， ^ 微米與約200微半 咼度則大於約1〇〇微米。 U木之間， 9·如申睛專利範圍第 2項之燃料電池堆疊， 結構性支撐會機械性耦接該電解層。 其中， 10 ·如申請專利範圍第 国弟2項之燃料電池堆疊，甘丄 该弟一 1¼極與該第-陪 /、中， /罘一％極會橫向分隔一第— 該第一陰極與該第二_ 巨離， 距離 k極會橫向分隔一第 及 該第一距離與該第二距離中至少其中 微米與約500微米之間。 者係介 於約 11·如申請專利範圍第1〇項之堆聶，直 ^ 離與該第二距離中至少1巾备 丘’、，该第一距 夕八中一者係介於約5 微米之間。 俽木與約200 12.如申請專利範圍第2項之燃料電池堆疊，其中， 電解層包含 該 該第一陰 第一 一第一電解層區’其係設置在該第一陽極盘 極之間並且會在該第一陽極與該第一陰極之間提； 電壓差， 陰 -第二電解層區’其係設置在該第二陽極與二 極之間亚且會在該第二陽極與㈣二陰極之間提供 電壓差，以及 體的電 該第-電解層區與該第二電解層區會構成一整 62 200810228 解層結構。 13’如申》月專利範圍第2項之燃料電池堆疊，並包一 固態氧化物燃料電池。 〃 14. 如申請專利範圍第2項之燃料電池堆疊，其中， 該設備包含該電解層的作用區域，其中，個別的陽極 與陰極會在該電解層的一表面上具有重疊的突出部，以及 該等作用區域會構成該電解層之表面積的至少70%。 15. 如申4專利範圍第2項之燃料電池堆疊， 堆疊係内含在-體積小於約3〇立方公分的殼體内:、- > 如巾請專利範㈣15項之㈣電池堆疊，其中， 汶堆宜會產生大於約1〇伏特的電壓差。 17.如申請專利範圍第2項之燃料電池堆疊，i進一牛 包^數條互連’它們係至少部份設置在該電解層内，二 且會電性與機械性輕接該第—陽極與該第：陰極。 數條第2項之燃料電池堆疊，其包含複 該等複數條互料Λ 括—線性的互料列，其中， 等。 目郴互連的中心至中心間隔實質上相 至少1 一9.:遠申請專利範圍第2項之燃料電池堆疊，其中，該 約〇〇。微米二行於延伸穿過該電解層之平面的剖面會小於 包括：申°月專利祀圍第2項之燃料電池堆疊，其進-步 —或多個電争聯的燃料電池，其中，該等三或多個燃 63 200810228 料電池包括一非線性的燃料電池陣列。 21·如申請專利範圍第2項之燃料電池堆疊，其進一步 包括： 由被耦接在一平行電連接線之中的燃料電池所組成的 二或更多條串聯電連接線。 22· —種由複數個燃料電池所組成的平面燃料電池堆 疊，其包括： 一陽極層，其包含一第一陽極與一第二陽極， 一電解層， 一陰極層，其包含一第一陰極與一第二陰極， 至〆互連，其至少一部份係設置在該電解層内，並 且會電性與機械性#接該第_陽極與該第二陰極，以及 、田長的、、、。構性支撐，其定向會垂直—延伸穿過該平 面=疊的平面且該細長的結構性支撐中至少一部份會在垂 :二延伸穿過該燃料電池堆疊之平面的一軸線上對齊該至 少一互連。 23·如申請專利範圍第22項之燃料電池堆疊，1中， 該等複數健料電池係運作在大於約攝氏_度的^度 24.如申請專利範圍第23項之燃料電池堆疊，： 该結構性支料定向係用於在—區域之陽 該第二陰極中其中-者之上形成-流體密封，；中= 一陽極與該第二陰極會在、μ弟 电解僧之上具有重豐突出部。 m μ請專利範圍帛23項之燃料電池堆疊，其進- 乂已一第二結構性支撐，其中，該第一έ士 μ μ： + τ通弟結構性支撐與該 64 200810228 第二結構性支撐的定向係用於在該區域之中的該 ^ ¥極 與該第二陰極中其中一者之上形成一流體密封，其中，兮 第一陽極與該第二陰極會在該電解層之上具有重疊今亥 部。 足犬出 26·如申請專利範圍第23項之燃料電池堆疊，其中 該等複數個燃料電池包括固態氧化物燃料電池。

   27.如申請專利範圍第 該結構性支撐的寬度介於约 南度則大於約1 〇 〇微米。 23項之燃料電池堆疊，其中 30微米與約200微米之間 28·如申請專利範圍第23項之燃料電池堆疊，其中， 。亥第陽極與該第二陽極會橫向分隔一第一距離， 該第陰極與該第二陰極會橫向分隔一第二距離 及 雕，以 該第一距離與該第 微米與約500微米之間 二距離中至少其中一者係介於約 5

   29·如申請專利範圍第23項之燃料電池堆疊，其 該堆疊係内含在一體積小於約3〇立方公分的殼體内’： ^ 3/·如申凊專利範圍第29項之燃料電池堆疊，其中 該堆疊會產生大於約1〇伏特的電壓差。 ” 3 1 · —種燃料電池組件，其包括： 有·· 體孝貝j於約3 0立方公分的殼體，以及 -平面燃料電池堆疊，其係内含於該殼體之中並且具 一 1¼極層 其包含被排列在一第 一平面之中的複數個 65 200810228 陽極， 一陰極層，其包含被排列在一第二平面之中的複數個 陰極，以及 電解層’其係設置在該陽極層與該陰極層之間， 其中，該堆疊包含該電解層的作用區域，其中，個別 的陽極與陰極會在該電解層的一表面上具有重疊的突出 部， 該等作用區域會構成該電解層之表面積的至少約 攀 5 0〇/〇。 32·如申請專利範圍第31項之組件，其中，該平面燃 料電池堆疊係運作在大於約攝氏4〇〇度的溫度。 33·如申請專利範圍第32項之組件，其中，該平面燃 料電池堆疊包括固態氧化物燃料電池。 _ 34·如申明專利範圍第32之組件，其中，該等作用區 域會構成该電解層之表面積的至少約70%。 φ _ 35·如申明專利範圍第32之組件，其中，該等作用區 域會構成該電解層之表面積的至少約85%。 36·—種燃料電池組件，其包括： 一殼體，以及 一平面燃料電池堆疊，其係内含於該殼體之中並且具 有被排列在一陽極層之中的複數個㈣陽才虽、被排列在一 陰極層之中的複數個個別陰極、以及一電解層，其中， 该燃料電池組件會在該殼體的每立方公分中產生大於 約〇·1伏特。 66 200810228 ‘申明專利乾圍第30項之組件，复 料電池堆疊係運作Λ 士认 其中，該平面燃 且糸連作在大於約攝氏400度的溫度。 38·如申請專利範圍第37項之組件，： 料電池堆疊包括固態氧化物燃料電池。、’面燃 39·如申請專利範圍第37項之組件， 池組件會在令杯辦― 一中’該燃料電 午曰在該设體的每立方公分中產生大於約 後如申請專利範圍帛 ·寸 體積小於約3〇立方公分。 、，、件其中，該殼體的 41· 一種燃料電池組件，其包括： 體，:Γ介於約°，1立方公分與約30立方公分之間的殼 一平面燃料電池堆疊，其具有： %極層’其包含被排一一 陽極， 在弟一平面之中的複數個 陰極層，其包含被排一-陰極，以及 弟一千面之中的複數個 Α ^其係5又置在該陽極層與該陰極層之間， ’、，該堆疊包含該電解層的作用F 0 ^ , 部，且該::： 的一表面上具有重疊的突出 〇.5平方公分與…方公=表面上的面積係介於約 該平4面請專利^第41項之燃料電隸件，其中， V枓電池堆疊係運作在大於約攝氏400度的溫度。 3·如申請專利範圍第42項之組件，其中， 67 200810228 料電池堆疊包括固態氧化物燃料電池。 44. 一種製造一具有至少一結構性支撐的平面燃料電池 堆疊的方法，其包括： 提供一基板， 在該基板上方放置一電解層與一或多個電極層，以及 藉由選擇性地移除部份該基板以從該基板中形成該至 少一結構性支撐。 45. 如申請專利範圍第44項之方法，其包括該至少 結構性支撐在形成之後係細長的且係垂直於一延伸穿過 該電解層之平面來延伸。 。 46·如申請專利範圍第44項之方法，其中，選擇性地 移除部份該基板包括蝕刻該基板。 47·如申請專利範圍第44項之方法，其進一步包括利 用一絕緣材料來塗佈該至少一結構性支撐。 48·如申請專利範圍第44項之方法，其進一步包括氧 化该至少一結構性支撐。 49·如申請專利範圍第44項之方法，其進一步包括將 該電解層直接放置在該基板之上。 5〇.如申請專利範圍第44項之方法，其進一步包括： 提供一陽極層，其包含一第一陽·極與一第二陽極， 提供一陰極層，其包含一第一陰極與一第二陰極，以 及 經由該電解層來電性與機械性互連該第一陽極與該 ^陰極。 68 200810228 51·如申請專利範圍第5〇項之方法，其中， 提供-陽極層與提供一陰極層中至少其中一者 該電解層之上提供一展暗灶維 田 卜 捉仏屏？早結構，用以界定一第一電極區及 一第二電極區，以及 第电極區及該第二電極區之上放置電極材料。 52.如申請專利範圍第51項之方法，其中，該屏障結 構包括該結構性支撐。

   53·如申請專利範圍第51項之方法，其進一步包括 移除該屏障結構，用以界定至少兩個電極。 54·如申請專利範圍第44項之方法，其中， 電性與機械性互連該第 該電解層内的微特徵圖案並 體材料。 一 ％極與該第二陰極包含餘刻 且在該等微特徵圖案内放置導 55·如申請專利範圍第54項之方法，其中， 斤姓刻微特徵圖案包含飯刻—線性微特徵車列，該

   等微特徵圖案中相鄰的微特徵圖案的中心至中心間隔實質 上相等。 56·如申請專利範圍第54項之方法，其進一步包括： 蝕刻具有個別面積小於約（1〇〇微米）2之個別剖面的複 數個微特徵圖案。 57.如申請專利範圍第54項之方法，其進一步包括： 在一整體電解層結構内蝕刻該等複數個微特徵圖案。 69