專利名稱：燃料電池裝置和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池裝置和系統(tǒng)，以及制造該裝置的方法，且更具體而言，涉及呈 多層單片F(xiàn)uel Cell Stick 形式的燃料電池裝置。
背景技術(shù)：
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)陶瓷管用于固體氧化物燃料電池(SOFC)的制造中。存在若干種類型的 燃料電池，每一種都提供了無需燃燒就轉(zhuǎn)化燃料和空氣來產(chǎn)生電的不同機(jī)理。在SOFC中， 燃料與空氣之間的阻擋層(“電解質(zhì)”)是陶瓷層，該陶瓷層允許氧原子遷移穿過該層以完 成化學(xué)反應(yīng)。由于陶瓷在室溫下是氧原子的不良導(dǎo)體，所以燃料電池在700°C到1000°C下 進(jìn)行操作，并且陶瓷層被制造得盡可能地薄。早期的管狀SOFC由Westinghouse Corporation使用長(zhǎng)的、直徑相當(dāng)大的氧化鋯 陶瓷的擠出管來生產(chǎn)。典型的管長(zhǎng)度是數(shù)英尺長(zhǎng)，且管直徑范圍從1/4英寸到1/2英寸。 燃料電池的完整結(jié)構(gòu)通常包含大約10個(gè)管。經(jīng)過一段時(shí)間，研究者和工業(yè)集團(tuán)選定了包含 8mol % Y2O3的氧化鋯陶瓷的配方。除了別的之外，該材料由日本的Tosoh制造為產(chǎn)品TZ-8Y。另一種制造SOFC的方法利用了與其它陽(yáng)極和陰極堆疊在一起的氧化鋯的平板以 獲得燃料電池結(jié)構(gòu)。與由Westinghouse設(shè)想的高而窄的裝置相比，這些平板結(jié)構(gòu)可以被成 形為立方體，在邊緣上的6到8英寸用夾持機(jī)構(gòu)將整個(gè)堆固定在一起。更新的方法設(shè)想使用較大量的具有非常薄的壁的小直徑管。由于氧離子的傳輸 率受到距離和溫度的限制，所以在SOFC中使用薄壁陶瓷是重要的。如果使用更薄的氧化 鋯層，那么最終的裝置可以在更低的溫度下操作，同時(shí)維持相同的效率。文獻(xiàn)描述了制造 150 μ m或更薄的壁厚度的陶瓷管。存在若干技術(shù)問題防礙了 SOFC的成功實(shí)施。一個(gè)問題是需要防止陶瓷元件在加熱過程中開裂。為此，管狀SOFC方案優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)的“堆”型(由大而平的陶瓷板制造)，這是 因?yàn)楣苁腔旧弦痪S的。該管，例如在中部能夠變熱并膨脹，但是不會(huì)開裂。例如，管狀爐 可以加熱36”長(zhǎng)、直徑為4”的鋁管，且鋁管在其中間將會(huì)變紅熱，并冷卻足夠至端部能夠觸 摸。由于管在中間段被均勻加熱，所以中間段膨脹，這使管變得更長(zhǎng)，但是不會(huì)開裂。僅中 間被加熱的陶瓷板將會(huì)很快破裂成片，這是因?yàn)橹虚g膨脹，而外部仍保持相同的尺寸。管的 主要特性在于其是單軸的或一維的第二個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是與SOFC形成接觸。SOFC理想地在高溫(通常700°C -1000°C ) 下操作，但也需要被連接至空氣和燃料的外界以及還需要建立電連接。理想地，將在室溫下 連接。在高溫下連接是成問題的，這是因?yàn)椴荒苁褂糜袡C(jī)材料，因此必須使用玻璃密封或機(jī) 械密封。這些密封是不可靠的，部分是因?yàn)榕蛎泦栴}。這些密封還可能是昂貴的。因此，前面的SOFC系統(tǒng)存在至少兩個(gè)上述問題的困難。就密封氣體端口而言，板 技術(shù)還存在板的邊緣的困難，以及存在迅速加熱以及開裂的困難。管方案解決了開裂問題， 但仍存在其它問題。SOFC管僅被用作氣體容器。為了發(fā)揮作用，SOFC管必須用在更大的空 氣容器內(nèi)部。這是龐大的。使用管的主要挑戰(zhàn)是必須將熱和空氣施用于管的外部；空氣為 反應(yīng)提供O2，而熱加快反應(yīng)。通常來說，熱將會(huì)通過燃燒燃料來施用，因此替代施用含20% O2的空氣(典型的)，實(shí)際上部分減少了空氣(部分燃燒以提供熱)且這降低了電池的驅(qū) 動(dòng)電勢(shì)。SOFC管在其可縮放性(scalability)方面也受到限制。為了獲得更高的kV輸出， 必須添加更多的管。每一個(gè)管是單電解質(zhì)層，使得增加量是龐大的。就可實(shí)現(xiàn)的電解質(zhì)薄 度而言，固體電解質(zhì)管技術(shù)被進(jìn)一步限制。更薄的電解質(zhì)更有效。2μπι或甚至Ιμπι的電解 質(zhì)厚度對(duì)高功率來說將是最佳的，但在固體電解質(zhì)管中卻非常難以實(shí)現(xiàn)。應(yīng)注意，一燃料電 池面積產(chǎn)生約0. 5V到1V(這是固有的，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，同樣電池產(chǎn)生1. 2V)，但是 電流且因此功率取決于若干因素。更高的電流將源于諸多因素，這使得更多的氧離子在給 定的時(shí)間內(nèi)在電解質(zhì)兩端遷移。這些因素是較高的溫度、更薄的電解質(zhì)和較大的面積。


附圖被并入說明中并且構(gòu)成了此說明書的一部分，附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例， 并且連同上面給出的本發(fā)明的一般描述和下面給出的詳細(xì)描述用于解釋本發(fā)明。圖1和IA分別以側(cè)面截面圖和頂部截面圖示出了本發(fā)明的基本的Fuel Cell Stick 裝置的一個(gè)實(shí)施例，其具有單陽(yáng)極層、陰極層和電解質(zhì)層以及兩端冷區(qū)域之間的熱 區(qū)域。圖2以透視圖示出了本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置的一個(gè)實(shí)施例的第一端，且 具有連接到第一端上的燃料供給管。圖3A以透視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的Fuel Cell Stick 裝置，但具 有改動(dòng)的端部；并且圖3B以透視圖示出了連接到圖3A的裝置的一個(gè)改動(dòng)端部的燃料供給管。圖4A以透視圖示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的到多個(gè)Fuel Cell Stick 裝置的 冶金粘結(jié)連接方式以建立到正電壓節(jié)點(diǎn)和負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)的電連接；并且圖4B以示意性端部 視圖示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多個(gè)Fuel Cell Stick 裝置之間的連接，其中每一個(gè)Fuel Cell Stick 裝置包括多個(gè)陽(yáng)極和陰極。圖5以示意性端部視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的機(jī)械連接方式以便建 立到正電壓節(jié)點(diǎn)和負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)的電連接。圖6A和6B以透視圖示出了在Fuel Cell Stick 裝置的一個(gè)端部處具有燃料供 給和空氣供給連接到其上的單個(gè)冷區(qū)域，且另一端部在熱區(qū)域內(nèi)的替代實(shí)施例。
圖7A和7B分別截面?zhèn)纫晥D和俯視圖，其闡釋了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的空氣通路和燃 料通路內(nèi)的多個(gè)支撐柱；且圖7C和7D是顯微照片，其根據(jù)另一實(shí)施例示出了在燃料通路和 空氣通路中使用球形球作為支撐柱。圖8A以截面圖示出了本發(fā)明的包含在外部連接的平行的兩個(gè)燃料電池的一個(gè)實(shí) 施例。圖8B以截面圖示出了類似于圖8A的另一實(shí)施例，但具有通過使用通孔(via)在內(nèi) 部連接的平行的兩個(gè)燃料電池。圖9A和9B以截面圖示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有共用陽(yáng)極和陰極的多燃 料電池設(shè)計(jì)，其中圖9A示出了平行連接的三個(gè)燃料電池層且圖9B示出了串聯(lián)連接的三個(gè) 燃料電池。圖10以示意性側(cè)視圖示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的Fuel Cell Stick 裝置， 其具有連接到裝置的冷端部的燃料供給管且裝置的側(cè)面在熱區(qū)域內(nèi)對(duì)空氣通路是敞開的 以便將熱區(qū)域內(nèi)的加熱的空氣供給到裝置；圖IOA以示意性側(cè)視圖示出了圖10的實(shí)施例的 變化形式，其中熱區(qū)域被設(shè)置在相對(duì)的冷端部之間；以及圖IOB以沿線10B-10B取的頂部截 面圖示出了圖IOA的Fuel Cell Stick 裝置。圖11-24示意性地示出了本發(fā)明的不同實(shí)施例，其中圖11提供了圖12-24中所示 出的各部件的圖例。圖25A和27A以示意性頂部平面圖示出了且圖27B以示意性側(cè)視圖示出了根據(jù)本 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的Fuel Cell Stick 裝置100，其具有在一個(gè)冷端部處的細(xì)長(zhǎng)部分和在 相對(duì)的熱端部處的大表面積的部分的鍋柄狀樣式；以及圖25B和26A以示意性頂部平面圖 示出了且圖26B以示意性側(cè)視圖示出了在相對(duì)的冷端部處具有兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)部分且在中心的 熱區(qū)域內(nèi)具有中心的大表面積部分的鍋柄狀樣式的可選擇的實(shí)施例。圖28A-28D示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的Fuel Cell Stick 裝置，其具有螺旋 的或卷曲的管狀構(gòu)型，其中圖28A-28C分別以示意性俯視圖、端部視圖和側(cè)視圖示出了未 卷曲的結(jié)構(gòu)，而圖28D以示意性透視圖示出了螺旋的或卷曲的管狀構(gòu)型。圖29A-29G示出了本發(fā)明的另一個(gè)可選擇的實(shí)施例，其中Fuel Cell Stick 裝置 是管狀同心形式，且圖29A以示意性等視軸圖示出了該裝置，圖29B-29E示出了取自圖29A 的截面圖，圖29F示出了空氣輸入端部處的端部視圖，且圖29G示出了燃料輸入端部處的端 部視圖。圖30A以示意性截面?zhèn)纫晥D示出了根據(jù)本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置10的一 個(gè)實(shí)施例，其在熱區(qū)域內(nèi)的活性區(qū)域之前具有集成的預(yù)熱區(qū)域，且圖30B和30C分別以沿線 30B-30B和30C-30C取的示意性截面圖示出了圖30A的裝置。圖31A-31C類似于圖30A-30C，但示出了具有中間的熱區(qū)域的兩個(gè)冷區(qū)域。圖32A-32B分別以沿圖32A的線32B-32B取的示意性截面?zhèn)纫晥D和示意性截面俯 視圖示出了類似于圖31A-31C中所示出的實(shí)施例，但還包括在燃料入口與燃料通路之間和在空氣入口與空氣通路之間延伸的預(yù)熱室，每一個(gè)預(yù)熱室從冷區(qū)域延伸到熱區(qū)域的預(yù)熱區(qū) 域中圖33A-33C示出了用于預(yù)熱空氣和燃料的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，圖33A是穿過 Fuel Cell Stick 裝置的縱向中心的示意性截面?zhèn)纫晥D，圖33B是沿圖33A的線33B-33B 取的示意性截面俯視圖，而圖33C是沿圖33A的線33C-33C取的示意性截面仰視圖。圖34A和34B分別以示意性非垂直的前視圖和示意性側(cè)視圖示出了具有在外部串 連互連的多個(gè)陽(yáng)極和陰極的實(shí)施例。圖35以示意性側(cè)視圖示出了圖34B的結(jié)構(gòu)被加倍成具有通過提供串連_并聯(lián)樣 式的金屬條而在外部連接的兩個(gè)結(jié)構(gòu)。圖36A和36B以示意性側(cè)視圖和透視圖示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方方案，其包 括在熱區(qū)域內(nèi)串連和/或并聯(lián)連接陽(yáng)極和陰極的金屬條和從熱區(qū)域延伸至冷區(qū)域的長(zhǎng)金 屬條以便在冷區(qū)域內(nèi)建立至正電壓節(jié)點(diǎn)和負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)的低溫連接。圖37以示意性等視軸圖示出了類似于圖36B中示出的實(shí)施例，但具有單個(gè)冷區(qū)域 以便建立空氣供給和燃料供給連接和建立電壓節(jié)點(diǎn)連接。圖38A和38B以示意性的截面視圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，其具有沿著裝置的側(cè) 面的多個(gè)出口間隙以便烘烤出有機(jī)材料，用于在結(jié)構(gòu)內(nèi)形成通路。圖39以示意性的截面端部視圖示出了另一個(gè)實(shí)施例，其中陽(yáng)極材料被用作支撐 結(jié)構(gòu)，被稱為Fuel Cell Stick 裝置的陽(yáng)極支撐樣式。圖40A和40B分別以示意性的截面端部視圖和側(cè)視圖示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的 陽(yáng)極支撐樣式，其中消除了敞開的燃料通路以有利于多孔陽(yáng)極起到將燃料輸送穿過裝置的 作用。圖41A和41B分別以示意性的截面端部視圖和俯視圖示出了陽(yáng)極支撐樣式的另一 個(gè)實(shí)施例，其中多個(gè)空氣通路被設(shè)置在陽(yáng)極支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)，且單個(gè)燃料通路被設(shè)置成垂直于 多個(gè)空氣通路。圖42A-42C以示意性的截面圖示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的在本發(fā)明的Fuel Cell St i ck 裝置的通路中形成電極層的方法。圖43和44以示意性的截面?zhèn)纫晥D示出了可選擇的實(shí)施例，其中電解質(zhì)層被設(shè)置 成不均勻的形貌以增大可用于容納電極層的表面積。圖45A以示意性俯視圖示出了且圖45B以穿過熱區(qū)域的截面圖示出了本發(fā)明的 Fuel Cell Stick 裝置，其在該裝置的左側(cè)和右側(cè)的每一個(gè)上具有多個(gè)燃料電池，且燃料 電池中間是橋接部分。圖46A和46B分別以示意性透視圖和示意性截面圖示出了本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置的另一個(gè)實(shí)施例，其具有大的外部接觸焊盤以提供低電阻的大路徑或?qū)捖窂揭?便電子行進(jìn)到裝置的冷端部。圖47以示意性截面?zhèn)纫晥D示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的Fuel Cell Stick 裝置，其具有用于廢燃料和廢空氣的單個(gè)廢棄物通路。圖48A-48C示出了被稱為“端部卷曲的Fuel Cell Stick 裝置”的可選擇的實(shí)施 例，其具有厚部分和薄的卷曲部分，其中圖48A以透視圖示出了未卷曲的裝置，圖48B以截 面?zhèn)纫晥D示出了卷曲的裝置，而圖48C以透視圖示出了卷曲的裝置。
圖49A以示意性截面?zhèn)纫晥D示出了在兩個(gè)陶瓷層之間使用線來構(gòu)建Fuel Cell Stick 裝置的實(shí)施例；圖49B以示意性透視圖示出了層壓之后的圖49A的裝置；以及圖49C 以示意性透視圖示出了去除了線之后的圖49B的裝置。圖50A-50C以示意性截面圖示出了使用線于間隙形成帶的組合來構(gòu)建Fuel Cell Stick 裝置的另一個(gè)實(shí)施例。圖51和52A以示意性透視圖示出了穿過爐壁的Fuel Cell Stick 裝置；圖52B 以示意性透視圖示出了 52B的Fuel Cell Stick 裝置在爐壁界限內(nèi)的部分；以及圖52C以 示意性透視圖示出了穿過爐壁的管狀Fuel Cell Stick 裝置的一部分。圖53以示意性透視圖示出了穿過由多層形成的爐壁的Fuel Cell Stick 裝置。
圖54以示意性透視圖示出了穿過由多層和空氣間隙形成的爐壁的Fuel Cell Stick 裝置。圖55A-55E以示意性截面圖示出了具有浮動(dòng)集電器的Fuel Cell Stick 裝置的 組件。圖56A和56B是示出了支撐浮動(dòng)集電器的氧化鋯球的顯微照片。圖57A和57B以示意性截面圖示出了用懸浮在粘性液體中的陽(yáng)極或陰極顆粒以形 成陽(yáng)極或陰極來反填充圖55D的結(jié)構(gòu)。圖58A、58B和58C是示出了幾乎造成通路堵塞的集電器的顯微照片。圖59以示意性截面圖示出了在陽(yáng)極和陰極表面上的集電器；以及圖60以示意性 截面圖示出了埋置在陽(yáng)極和陰極的表面內(nèi)的集電器。圖61A-61C示出了將集電器埋置在陽(yáng)極或陰極內(nèi)的方法。圖62是示意性的截面圖，其示出了獲得具有兩個(gè)厚度的單個(gè)電解質(zhì)層的方法；以 及圖62A是圖62的放大視圖。圖63是示出了呈窗格圖案(hatch pattern)的集電器的俯視圖的顯微照片；以及 圖64和65是示出了多孔的陽(yáng)極或陰極之上的集電器的側(cè)部的和斜向的截面圖。圖66A是在Fuel Cell Stick 裝置的端部之上滑動(dòng)的管的示意性截面圖；以及圖 66B是圖66A的裝置的端部的示意性透視圖。圖67A是連接器的示意性截面圖，包括設(shè)置在Fuel Cell Stick 裝置的端部上的 彈簧電接觸；以及圖67B是圖67A的連接器的示意性透視圖。圖68A和68B是示出了具有四個(gè)出口點(diǎn)的Fuel Cell Stick 裝置的示意性透視 圖。圖69是示出了下凹入多孔陽(yáng)極或陰極內(nèi)的集電器痕跡的顯微照片；以及圖70是 示出了去除了碳-蠟犧牲材料之后的留下的間隙的顯微照片。圖71以示意性截面圖示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方方案的兩個(gè)電極之間的通孔連接。圖72以示意性截面圖示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的兩個(gè)互連電極。圖73A和73B以透視圖和示意性截面圖示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的互連兩個(gè)電極 的方法。圖74A-74D以示意性截面圖示出了使用覆蓋方法在電池之間建立串連連接的一 個(gè)實(shí)施例。圖75A-75E以透視圖和示意性截面圖示出了用于使用導(dǎo)體法在電池之間產(chǎn)生串連互連的方法的另一個(gè)實(shí)施例。圖76以示意性透視圖示出了使用多個(gè)插入導(dǎo)體建立串連互連的另一個(gè)實(shí)施例。圖77以截面圖示出了根據(jù)圖75A-76的實(shí)施例中的任一個(gè)的呈串連連接的多個(gè)電 池。圖78A-78C以示意性透視圖示出了插入導(dǎo)體法的變化形式。
圖79A-79D以示意性截面圖和透視圖示出了使用通孔進(jìn)行串連互連的實(shí)施例。圖80-81以示意性截面圖和示意圖示出了在單層串連連接中的并聯(lián)的多層連接 的一個(gè)實(shí)施例。圖82以示意性截面圖示出了引入圖74C的串連結(jié)構(gòu)的單層Fuel Cell Stick 裝 置；以及圖83A-83B示意性地示出了圖82的裝置的串連-并聯(lián)組合的實(shí)施例。圖84A和84B以示意性透視圖和示意性截面圖顯示了用于在相同的氣體路徑上的 兩個(gè)電極之間提供并聯(lián)連接的另一個(gè)實(shí)施例。圖85A和85B以示意性透視圖顯示了具有串連樣式的旋轉(zhuǎn)纏繞的多層管狀Fuel Cell Stick 裝置的實(shí)施例。圖86A和86B以示意性透視圖顯示了旋轉(zhuǎn)纏繞的多層管狀Fuel Cell Stick 裝 置的另一個(gè)實(shí)施例；以及圖87A和87B是圖86A和86B的實(shí)施例的放大的示意性截面圖。圖88A和88B以示意性透視圖示出了用于在管狀Fuel Cell Stick 裝置內(nèi)提供 電連接的實(shí)施例。圖89以透視示意圖示出了氣體流動(dòng)路徑的布置。圖90是使用折疊路徑的呈串連的電池的示意圖。圖91-92B以示意性透視圖和截面圖示出了具有使用折疊的堆樣式的呈串連的許 多層的Fuel Cell Stick 裝置的實(shí)施例。圖93A和93B以放大的示意性截面圖顯示了用于連接折疊堆樣式以提供自由浮動(dòng) 區(qū)域的實(shí)施例。圖94A-94D以截面端部視圖和俯視圖示出了連接到裝置的其中一個(gè)側(cè)面且自由 浮動(dòng)在裝置的另一個(gè)側(cè)面上的并聯(lián)的活性層。圖95-97以示意性截面圖示出了呈串連連接的兩個(gè)陰極且中間是阻擋層。圖98A和98B以截面圖和透視示意圖示出了功率連接的實(shí)施例。圖99以示意性截面圖示出了低電阻連接的實(shí)施例。圖100A-103B以示意性透視圖示出了具有永久連接的端管連接的燃料電池裝置 的多個(gè)實(shí)施例。圖104以示意性透視圖示出了陶瓷的若干形式的預(yù)燒核。圖105A和105B以示意性透視圖示出了具有支撐構(gòu)件和通道的扁平管。圖106以示意性截面圖示出了使用在現(xiàn)有技術(shù)的方法中的扁平管。圖107A、圖107B和圖108以部分透視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的扁平管通道 的使用。圖109和110以示意性截面圖示出了從扁平管到多層活性結(jié)構(gòu)的各層的氣體分配 的實(shí)施例。圖111-114以示意性透視圖示出了用于連接扁平管的多個(gè)實(shí)施例。
圖115A是形成微管的纖維的500x的顯微照片。圖115B是形成微管的纖維的200x的顯微照片。圖116A-116C是顯示了形成在燒制電極中的微管的顯微照片。圖117和118是與電極相交的氣體流動(dòng)路徑的實(shí)施例的放大的截面示意圖，氣體 流動(dòng)路徑內(nèi)具有微管。
圖119是串連樣式的頂部向下的示意性截面圖，其中氣體流動(dòng)通過電極進(jìn)入其它 氣體通路。圖120是微型尺寸的Fuel Cell Stick 裝置的實(shí)施例的側(cè)視圖；以及圖121A和 121B以俯視圖和透視圖示出了圖120的裝置的實(shí)施例。圖122是其上具有穩(wěn)定點(diǎn)的圖120的Fuel Cell Stick 裝置的示意性側(cè)視圖。圖123以示意性截面圖示出了流動(dòng)通路在活性區(qū)域內(nèi)是較薄的實(shí)施例。圖124A和124B以透視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有在不同的活性層 內(nèi)供給若干活性流動(dòng)通路的動(dòng)脈流動(dòng)通路的Fuel Cell Stick 裝置且圖124B以俯視圖示 出了具有在單個(gè)活性層內(nèi)供給若干活性流動(dòng)通路的動(dòng)脈流動(dòng)通路的實(shí)施例。圖125A和125B分別以示意性透視圖和示意性截面圖示出了用于制造具有動(dòng)脈流 動(dòng)通路和活性流動(dòng)通路的裝置的坯體組裝法，且圖125C以透視圖示出了圖125B的方法所 得到的裝置。圖126A-126C以透視圖示出了具有成形的邊緣和成形的動(dòng)脈流動(dòng)通路的實(shí)施例。圖127以透視圖示出了具有不同的氣體流動(dòng)通路的實(shí)施例。圖128A-128B分別以示意性透視圖和示意性俯視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè) 實(shí)施例的用于氣體流動(dòng)路徑的進(jìn)口和出口樣式。圖129A以示意性截面圖示出了具有起到用于燃料和空氣流動(dòng)的單一活性流動(dòng)通 路作用的單個(gè)動(dòng)脈流動(dòng)通路的雙動(dòng)脈裝置，以及圖129B和129C以示意性透視圖示出了分 別呈用于一股氣體流動(dòng)的單一活性層裝置和多個(gè)活性層裝置的此實(shí)施例；以及圖130以透 視圖示出了類似于圖129C的裝置，但顯示了兩股氣體流動(dòng)。圖131A-131C以透視圖示出了成形的雙動(dòng)脈Fuel Cell Stick 裝置的實(shí)施例。圖132A和132B分別以示意性端部視圖和示意性內(nèi)部的頂部向下的圖示出了具有 垂直氣體出口孔的雙動(dòng)脈Fuel Cell Stick 裝置；以及圖133是具有用于串連設(shè)計(jì)中的每 一個(gè)電池的垂直出口孔的雙動(dòng)脈Fuel Cell Stick 裝置的透視圖。圖134A和134B分別是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)活性層的示意性俯視圖和部分截面 圖，該活性層具有串連的互連的陽(yáng)極和陰極；圖135A是圖134B的與間隙形成材料堆疊來產(chǎn) 生圖134A的結(jié)構(gòu)的部件的部分分解的截面圖；以及圖135B是用于此實(shí)施例的電子流動(dòng)的 示意性圖示。圖136和137以透視圖示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多層串連-并聯(lián)裝置的另外 的實(shí)施例；圖136A-G和圖137A-G分別以截面圖示出了沿著圖136和137的裝置的多個(gè)點(diǎn) A-G。圖139是根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的呈串連-并聯(lián)樣式的電子流動(dòng)的示意性圖示。圖140A和140B以頂部截面圖示出了用于以串連樣式互連陽(yáng)極和陰極的實(shí)施例。圖141A-141B分別是示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的通過表面動(dòng)脈離開Fuel Cell Stick 裝置的燃料的截面圖和透視142是示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的用于氣體的進(jìn)入和離開的四個(gè)表面動(dòng)脈的 截面圖。圖143A-143C是示意性透視圖且圖143D是示意性側(cè)視圖，它們示出了根據(jù)多個(gè)實(shí) 施例的用于氣體流動(dòng)的出口點(diǎn)的變化形式。圖144以截面圖示出了使用在多個(gè)實(shí)施例中的傳導(dǎo)球。圖145以示意性透視圖示出了用于與Fuel Cell Stick 裝置一起使用的空氣-燃 料-功率插塞。圖146A和146B是示出了根據(jù)實(shí)施例的雙電供給的Fuel Cell Stick 裝置的實(shí) 施例的示意性俯視圖。圖147A-147C示出了可能造成間隙的不對(duì)準(zhǔn)的活性區(qū)域和鄰近區(qū)域的累積，正如 最佳地顯示在圖147C中；以及圖147D和147E分別以分解透視圖和截面圖示出了防止不對(duì) 準(zhǔn)的圖片框架法。
具體實(shí)施例方式在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了 SOFC裝置和系統(tǒng)，其中燃料端口和空氣端口都被 制造在一個(gè)單片結(jié)構(gòu)上。在一個(gè)實(shí)施例中，SOFC裝置是細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，基本上是相對(duì)平的或 矩形的棒(stick)(因此，被稱為Fuel Cell Stick 裝置)，其中長(zhǎng)度顯著大于寬度或厚 度。Fuel Cell Stick 裝置能夠具有冷端部，而中間是熱的(冷端部< 300°C ；熱的中間 > 400°C，且最可能> 700°C)；陶瓷的緩慢熱傳導(dǎo)可以防止熱的中間完全加熱冷端部。此 夕卜，端部快速輻射掉到達(dá)其上的任何熱。本發(fā)明包括下面的實(shí)現(xiàn)結(jié)果通過具有用于連接的 冷端部，可以容易地連接至陽(yáng)極、陰極、燃料入口和H20、CO2出口以及空氣入口和空氣出口。 雖然管狀燃料電池結(jié)構(gòu)也能夠具有熱的中間部分的冷端部，但是現(xiàn)有技術(shù)并未能利用陶瓷 管的該益處，而相反地，將整個(gè)管置于爐或熱區(qū)域中，使得要求高溫連接?，F(xiàn)有技術(shù)認(rèn)識(shí)到 建立燃料輸入的高溫釬焊連接的復(fù)雜性和成本，但并沒有認(rèn)識(shí)到本文提供的解決辦法。本 發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置是長(zhǎng)而瘦的，使得其具有上面討論的允許中間被加熱而仍具 有冷端部的熱性能優(yōu)勢(shì)。這使得在結(jié)構(gòu)上適合于高溫，且相對(duì)容易連接燃料、空氣和電極。 Fuel Cell Stick 裝置是基本上獨(dú)立的系統(tǒng)，為了產(chǎn)生電只需要添加熱、燃料和空氣。該 結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成能夠易于附接這些。 本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置是多層結(jié)構(gòu)且可以采用多層共燒法來制備，這賦 予了許多其它優(yōu)勢(shì))。首先，該裝置是單片，這有助于使該裝置結(jié)構(gòu)合理。第二，該裝置適合 于傳統(tǒng)的大量制造技術(shù)，例如電容器片的MLCC(多層共燒陶瓷)生產(chǎn)中使用的那些。(認(rèn)為 多層電容器生產(chǎn)是技術(shù)陶瓷的大量使用，且該技術(shù)被證明用于大量制造。)第三，在該結(jié)構(gòu) 內(nèi)可以無需額外的成本或復(fù)雜度就獲得薄電解質(zhì)層。2μπι厚度的電解質(zhì)層使用MLCC法是 可能的，而難以設(shè)想具有小于60 μ m的電解質(zhì)壁厚度的SOFC管。因而，本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置的效率可以是SOFC管的約30倍。最后，本發(fā)明的多層Fuel Cell Stick 裝 置的每一個(gè)可以具有數(shù)百層或數(shù)千層，這將提供最大的面積和最大的密度。
考慮現(xiàn)有技術(shù)的SOFC管的表面積與本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置相比。例如， 考慮0. 25”直徑的管對(duì)0. 25”X0. 25”Fuel Cell Stick 裝置。在管中，周長(zhǎng)是3. 14XD，或0.785”。在0.25”的Fuel Cell Stick 裝置中，一層的可用寬度是約0. 2英寸。因 此，其需要約4層以得到與一個(gè)管相同的面積。這些圖示意性地不同于電容器技術(shù)中的那 些。日本多層電容器的現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)目前是600個(gè)2μπι厚度的層。日本在生產(chǎn)中將可能 很快推出1000層部件，它們現(xiàn)在在實(shí)驗(yàn)室中制造了這些。這些具有600層的片電容器僅是 0. 060”(1500 μ m)。將此制造技術(shù)應(yīng)用于本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置，該裝置是0. 25” 的裝置，具有2 μ m的電解質(zhì)厚度且?guī)Ц髯躁帢O/陽(yáng)極的空氣/燃料通路是10 μ m厚度，這 對(duì)生產(chǎn)具有529層的單個(gè)裝置來說將是可行的。這將相當(dāng)于132個(gè)管。現(xiàn)有技術(shù)中的策略 是增加更多的管，增大直徑和/或增加管長(zhǎng)度以產(chǎn)生更大的功率，則結(jié)果是非常大的結(jié)構(gòu) 來用于高功率輸出。另一方面，本發(fā)明向單個(gè)Fuel Cell Stick 裝置增加更多的層以產(chǎn)生 更大的功率和/或在裝置中采用更薄的層或通路，由此使SOFC技術(shù)微型化。而且，本發(fā)明 的益處是直截了當(dāng)?shù)男Ч?，就像電容器中的一樣。?dāng)電解質(zhì)層被制造成一半的厚度，功率加 倍，那么就能夠在裝置中安裝更多的層，從而再次產(chǎn)生加倍的功率。本發(fā)明的另一關(guān)鍵特征是其易于從內(nèi)部連接各層以增大Fuel Cell Stick 裝置 的輸出電壓。假設(shè)每層1伏，那么經(jīng)由孔將12組連接在一起，則通過本發(fā)明的Fuel Ce ll Stick 裝置可以獲得12伏輸出。之后，進(jìn)一步的連接可以并聯(lián)地連接12組以獲得更高的 電流。這可以借助電容器片技術(shù)中使用的現(xiàn)有方法來實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵差別在于本發(fā)明克服了其 它技術(shù)必須使用的釬焊和復(fù)雜的布線。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明還提供了更多種電極選擇。貴金屬將用作陽(yáng)極和陰極。銀 是較便宜的，但對(duì)較高的溫度來說，將需要與Pd、Pt或Au的混合物，且Pd可能是三種中價(jià) 格最低的。許多研究已經(jīng)集中在非貴金屬導(dǎo)體上。在燃料方面，已經(jīng)嘗試使用鎳，但任何暴 露于氧的物質(zhì)都將在高溫下氧化金屬。傳導(dǎo)陶瓷也是已知的，且可以使用在本發(fā)明中?？?之，本發(fā)明可以利用能夠被燒結(jié)的任何種類的陽(yáng)極/陰極/電解質(zhì)系統(tǒng)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，當(dāng)2 μ m的大面積帶是未支撐的，其中空氣/氣體在兩側(cè)，那 么層可能變脆，這是可能的。設(shè)想留下橫跨間隙的柱。這些看起來像其中鐘乳石和石筍相 交的洞穴中的柱。它們被均勻地且頻繁地間隔開，賦予結(jié)構(gòu)更好的強(qiáng)度。為了連接氣體和空氣供給，設(shè)想端部溫度低于300°C，例如低于150°C，使得例如 高溫柔性硅樹脂管或膠乳橡膠管可以用于連接至Fuel Cell Stick 裝置。這些柔性管可 以易于在裝置的端部拉伸，且由此形成密封。這些材料可在標(biāo)準(zhǔn)的McMaster目錄中獲得。 硅樹脂通常作為爐襯墊使用在150°C下或高于150°C，而不會(huì)損失其性能。多棒Fuel Cell Stick 系統(tǒng)的許多硅樹脂或膠乳橡膠管能夠連接至具有倒刺鉤連接的供給。陽(yáng)極材料或陰極材料，或兩種電極材料可以是金屬或合金。用于陽(yáng)極和陰極的合 適的金屬和合金對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是已知的?；蛘?，一種或兩種電極材料可以是導(dǎo) 電的坯體陶瓷(green ceramic)，這對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說也是已知的。例如，陽(yáng)極材料 可以是涂覆有氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯的部分燒結(jié)的金屬鎳，且陰極材料可以是具有鈣鈦礦結(jié) 構(gòu)的亞錳酸鑭。在另一實(shí)施例中，一種或兩種電極材料可以是以足以賦予復(fù)合材料傳導(dǎo)性的量存 在的坯體陶瓷與傳導(dǎo)金屬的復(fù)合材料。一般而言，當(dāng)金屬顆粒開始接觸時(shí)，陶瓷矩陣變得導(dǎo) 電。足以賦予復(fù)合材料傳導(dǎo)性的金屬的量將主要根據(jù)金屬顆粒形態(tài)來變化。例如，對(duì)球形 粉末金屬而言，金屬的量通常將需要比金屬片的高。在示例性的實(shí)施例中，復(fù)合材料包括其間散布有40% -90%的傳導(dǎo)金屬顆粒的坯體陶瓷的矩陣。坯體陶瓷矩陣可以與用于電解質(zhì) 層的坯體陶瓷材料相同或不同。在一種或兩種電極材料包括陶瓷，即導(dǎo)電的坯體陶瓷或復(fù)合材料的實(shí)施例中，電 極材料中的坯體陶瓷和用于電解質(zhì)的坯體陶瓷材料可以包含可交聯(lián)的有機(jī)粘結(jié)劑，使得在 層壓過程中，壓力足夠交聯(lián)層內(nèi)的有機(jī)粘結(jié)劑以及連接分子之間的聚合物分子鏈?，F(xiàn)在將參考附圖，其中在全文中使用相同的數(shù)字以指代相同的部件。使用在附圖 中的附圖標(biāo)記如下10Fuel Cell Stick 裝置14b 薄的燃料通路Ila 第一端部16燃料出口
lib 第二端部18空氣入口12燃料入口19 空氣預(yù)熱室13燃料預(yù)熱室20 空氣通路14 燃料通路21廢棄物通路14a 厚的燃料通路22空氣出口24 陽(yáng)極層/陽(yáng)極130陶瓷帶25 暴露的陽(yáng)極部分132凹陷26 陰極層/陰極134連接器27 暴露的陰極部分136電接觸28 電解質(zhì)層/電解質(zhì)138氣體流動(dòng)路徑29 陶瓷1400型環(huán)30 冷區(qū)域(或第二溫度)142大孔(陶瓷帶中)31 過渡區(qū)域144電極的多孔區(qū)域32 熱區(qū)/加熱區(qū)/第一溫度區(qū)146電極的非多孔區(qū)域33a 預(yù)熱區(qū)/非活性區(qū)148連接器電極(導(dǎo)體帶)33b 活性區(qū)150狹縫34 燃料供給152第一導(dǎo)體36 空氣供給154第二導(dǎo)體38 負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)156非垂直通孔40 正電壓節(jié)點(diǎn)158a、b、c、d插塞(通孔處)42 線160邊緣連接44 接觸焊盤162中心連接46 焊料連接164孔(間隙帶內(nèi))48 彈簧夾166單個(gè)電池50 供給管167共同的路徑52 束帶(tiewarp)168芯軸54 支撐柱170a、b傳導(dǎo)端部56 第一通孔172折疊的堆58 第二通孔174阻擋層60 阻擋涂層176絕緣層
62 表面顆粒 178LSM帶64 織地粗糙的表面層 180內(nèi)部燃料通道66 陽(yáng)極懸浮物 182鎳導(dǎo)體
70開口184端管72 (a、b)有機(jī)材料/犧牲層186被纏繞的端管80左側(cè)190圓柱形端部部分82右側(cè)192端孔84橋接部分194矩形端部部分90橋接物196矩形管92線/物理結(jié)構(gòu) 198形狀過渡端管94間隙形成帶200螺旋管狀Fuel Cell Stick 裝置96、96，、96” 爐壁300 同心的 Fuel Cell Stick 裝置98a、b、c絕緣層400 端卷曲的 Fuel Cell Stick 裝置100Fuel Cell Stick 裝置 402厚部分102細(xì)長(zhǎng)部分404薄部分104大表面積部分500Fuel Cell Stick 裝置106細(xì)長(zhǎng)部分600Fuel Cell Stick 裝置120空氣間隙610板122集電器612矩形板123間隙614圓形管124電極顆粒878固定板126粘性流體900Fuel Cell Stick 裝置128臨時(shí)基板902出口區(qū)域616扁平管904內(nèi)角618支撐構(gòu)件910Fuel Cell Stick 裝置620垂直肋912角622三角形肋914彎曲路徑624通道916裝置的端部624a燃料通道918窄端部區(qū)域624b空氣通道920Fuel Cell Stick 裝置626蓋922頂部出口突起628通孔路徑930傳導(dǎo)球630高溫歧管932陶瓷球632窄扁平管934外部涂層634纖維940爐636布950AFP 插塞638微管952燃料路徑642間隔物954空氣路徑
700Fuel Cell Stick 裝置956導(dǎo)體702a、b棒入口960Fuel Cell Stick 裝置704大區(qū)域962a、b 燃料入口點(diǎn)706穩(wěn)定點(diǎn)964a、b 空氣入口點(diǎn)708書脊(spine)966溝槽710較大的連接968a、b 端部部分800Fuel Cell Stick 裝置970a、b 端部部分814,820動(dòng)脈流動(dòng)通路976邊緣815，821活性流動(dòng)通路978間隙817,823垂直出口孔980額外的材料829，829a、b 坯體陶瓷片982剪切塊837,839表面動(dòng)脈868互連872動(dòng)脈間隙形成材料874薄間隙形成材料術(shù)語(yǔ)“區(qū)域(zone) ”、“區(qū)域(area) ”和“區(qū)域(region) ”可以在全文中互換地使 用，且旨在具有相同的意義。類似地，術(shù)語(yǔ)“通路(passage)”、“通道(channel) ”和“路徑 (path)”可以在全文中互換地使用以及術(shù)語(yǔ)“出口 (outlet)”和“出口 (exit)”( “入口 (inlet)”和“進(jìn)口(entrance)”)可以在全文中互換地使用。圖1和IA分別以側(cè)面截面圖和頂部截面圖示出了本發(fā)明的基本Fuel Cell Stick 裝置10的一個(gè)實(shí)施例，其具有單陽(yáng)極層24、陰極層26和電解質(zhì)層28，其中裝置10 是單片的。Fuel Cell Stick 裝置10包括燃料入口 12、燃料出口 16以及兩者之間燃料通 路14。裝置10還包括空氣入口 18、空氣出口 22以及兩者之間的空氣通路20。燃料通路 14和空氣通路20呈相對(duì)的且平行的關(guān)系，燃料從燃料供給34通過燃料通路14的流動(dòng)是在 與空氣從空氣供給36通過空氣通路20的流動(dòng)相反的方向上。電解質(zhì)層28被設(shè)置在燃料 通路14與空氣通路20之間。陽(yáng)極層24被設(shè)置在燃料通路14與電解質(zhì)層28之間。類似 地，陰極層26被設(shè)置在空氣通路20與電解質(zhì)層28之間。Fuel Cell Stick 裝置10的其 余部分包括陶瓷29，其可以是與電解質(zhì)層28相同的材料或可以是不同的但相容的陶瓷材 料。電解質(zhì)層28被認(rèn)為是陶瓷的置于陽(yáng)極24與陰極26的相對(duì)的區(qū)域之間的那部分，正如 由虛線表示的。如圖1所示，來自空氣供給36的O2前行通過空氣通路20且被陰極層26離 子化以形成20_，20_前行通過電解質(zhì)層28且通過陽(yáng)極24進(jìn)入燃料通路14，在燃料通路14 中，20—與燃料，例如來自燃料供給34的碳?xì)浠衔锓磻?yīng)以首先形成CO和H2，然后形成H2O 和C02。雖然圖1示出了使用碳?xì)浠衔镒鳛槿剂系姆磻?yīng)，但是本發(fā)明并不因此受到限制。通常使用在SOFC中的任一種類型的燃料可以用在本發(fā)明中。燃料供給34可以是例如任何 碳?xì)浠衔镌椿驓湓?。甲?CH4)、丙烷(C3H8)和丁烷(C4Hltl)是碳?xì)浠衔锶剂系氖纠?。?duì)于將發(fā)生的反應(yīng)，必須對(duì)Fuel Cell Stick 裝置10施加熱。根據(jù)本發(fā)明，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10的長(zhǎng)度是足夠長(zhǎng)的，使得裝置可以分成位于裝置10的中心的熱區(qū)域 32 (或被加熱區(qū)域)和位于裝置10的每一端部Ila和lib處的冷區(qū)域30。在熱區(qū)域32與 冷區(qū)域30之間，存在過渡區(qū)域31。熱區(qū)域32通常將在400°C之上進(jìn)行操作。在示例性的實(shí)施例中，熱區(qū)域32將在> 600°C，例如> 700°C的溫度下操作。冷區(qū)域30并不暴露于熱源， 并且由于Fuel Cell Stick 裝置10的長(zhǎng)度和陶瓷材料的熱性能優(yōu)勢(shì)，所以熱消散在熱區(qū) 域32之外，使得冷區(qū)域30具有< 300°C的溫度。認(rèn)為從熱區(qū)域32沿著陶瓷的長(zhǎng)度向下至 冷區(qū)域30的端部的熱傳遞是緩慢的，而從熱區(qū)域32之外的陶瓷材料進(jìn)入空氣中的熱傳遞 是相對(duì)較快的。因此，輸入到熱區(qū)域32中的大部分熱在能夠到達(dá)冷區(qū)域30的端部之前損 耗到空氣(主要在過渡區(qū)域31中)。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，冷區(qū)域30具有< 150°C 的溫度。在另一示例性實(shí)施例中，冷區(qū)域30處于室溫。過渡區(qū)域31溫度處于熱區(qū)域32的 操作溫度與冷區(qū)域30的溫度之間，并且正是在過渡區(qū)域31內(nèi)發(fā)生了大量的熱消散由于主熱膨脹系數(shù)(CTE)是沿著Fuel Cell Stick 裝置10的長(zhǎng)度，并且因此是 基本上一維的，允許中心快速加熱而不會(huì)開裂。在示例性的實(shí)施例中，裝置10的長(zhǎng)度是裝 置寬度和厚度的至少5倍。在另一示例性實(shí)施例中，裝置10的長(zhǎng)度是裝置寬度和厚度的至 少10倍。在又一示例性實(shí)施例中，裝置10的長(zhǎng)度是裝置寬度和厚度的至少15倍。此外， 在示例性的實(shí)施例中，寬度大于厚度，這提供了更大的區(qū)域。例如，寬度可以是厚度的至少 兩倍。通過另一示例，0.2英寸厚的Fuel Cell Stick 裝置10可以具有0. 5英寸的寬度。 應(yīng)該意識(shí)到，附圖并不按比例示出，而僅是給出了相對(duì)尺寸的一般概念。根據(jù)本發(fā)明，在Fuel Cell Stick 裝置10的冷區(qū)域30內(nèi)建立至陽(yáng)極24和陰極 26的電連接。在示例性實(shí)施例中，陽(yáng)極24和陰極26均在冷區(qū)域30內(nèi)暴露于Fuel Cell Stick 裝置10的外表面以允許建立電連接。負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)38經(jīng)由例如線42連接至暴露的 陽(yáng)極部分25，而正電壓節(jié)點(diǎn)40經(jīng)由例如線42連接至暴露的陰極部分27。由于Fuel Cell Stick 裝置10在裝置的每一個(gè)端部IlaUlb處具有冷區(qū)域30，所以可以建立低溫精密 (rigid)電連接，這相比通常要求高溫釬焊法來建立電連接的現(xiàn)有技術(shù)是明顯的優(yōu)勢(shì)。圖2以透視圖示出了 Fuel Cell Stick 裝置10的第一端部11a，其具有連接在 端部Ila上并用束帶52固定的供給管50。接著，將來自燃料供給34的燃料輸送通過供給 管50并進(jìn)入燃料入口 12。由于第一端部Ila處于冷區(qū)域30內(nèi)，柔性的塑料管或其它低溫 類型的連接材料可以用于將燃料供給34連接至燃料入口 12。通過本發(fā)明消除了高溫釬焊 來建立燃料連接的需要。圖3A以透視圖示出了與圖1中示出的類似Fuel Cell Stick 裝置10，但具有改 動(dòng)的第一端部Ila和第二端部lib。已經(jīng)機(jī)械加工端部IlaUlb以形成圓柱形的端部部分 而有助于燃料供給34和空氣供給36的連接。圖3B以透視圖示出了連接至第一端部Ila 的供給管50以便將來自燃料供給34的燃料輸送至燃料入口 12。作為示例，供給管50可 以是硅樹脂或膠乳橡膠，它們借助其對(duì)第一端部Ila的彈性形成了緊密密封。應(yīng)該意識(shí)到， 當(dāng)Fuel Cell Stick 裝置10使用在遭受震動(dòng)的移動(dòng)裝置中時(shí)，供給管50的柔性和彈性可 以為FuelCell Stick 裝置10提供吸收震動(dòng)的穩(wěn)定器。在現(xiàn)有技術(shù)中，管或板被剛性地釬 焊，并且因而如果使用在動(dòng)力環(huán)境中時(shí)，會(huì)遭受開裂失效。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，供給管50 作為減震器的額外功能提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。返回參考圖3A，接觸焊盤44設(shè)置在Fuel Cell Stick 裝置10的外表面上，以便 與暴露的陽(yáng)極部分25和暴露的陰極部分27形成接觸。用于接觸焊盤44的材料應(yīng)該是導(dǎo) 電的，以便將電壓節(jié)點(diǎn)38、40電連接至它們各自的陽(yáng)極24和陰極26。應(yīng)該意識(shí)到，任何合 適的方法可以用于形成接觸焊盤44。例如，金屬焊盤可以印刷到燒結(jié)的Fuel Cell Stick 裝置10的外表面上。線42經(jīng)由焊料連接46固定至接觸焊盤44，例如以建立可靠的連接。 焊料是低溫材料，它們可以通過被設(shè)置在Fuel Cell Stick 裝置10的冷區(qū)域30內(nèi)而被使 用。例如，可以使用常用的10Sn88Pb2Ag焊料。本發(fā)明消除了高溫電壓連接的需要，由此擴(kuò) 大了任何低溫連接材料或方式的可能性。在圖3A中還以透視圖示出了燃料出口 16和空氣出口 22。燃料通過位于一個(gè)冷 區(qū)域30內(nèi)的第一端部Ila處的燃料入口 12進(jìn)入，并且通過鄰近第二端部lib的出口 16從 Fuel Cell Stick 裝置10的側(cè)面出來。空氣通過處于冷區(qū)域30內(nèi)的位于第二端部lib內(nèi) 的空氣入口 18進(jìn)入，并且從鄰近第一端部Ila的Fuel Cell Stick 裝置10的側(cè)面內(nèi)的空 氣出口 22離開。雖然出口 16和22被示出為在Fuel Cell Stick 裝置10的相同側(cè)面上， 但是應(yīng)該意識(shí)到，它們可以設(shè)置在例如相對(duì)的側(cè)面上，如下面在圖4A中所示出的。通過具有靠近燃料入口 12的空氣出口 22 (以及類似地靠近空氣入口 18的燃料出 口 16)以及通過重疊層(陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì))的緊密接近，空氣出口 22起到換熱器的作用， 有用地預(yù)加熱通過燃料入口 12進(jìn)入裝置10的燃料(類似地，燃料出口 16預(yù)加熱通過空氣 入口 18進(jìn)入的空氣)。換熱器提高了系統(tǒng)的效率。過渡區(qū)域31具有廢空氣與新燃料(以 及廢燃料與新空氣)的重疊區(qū)域，使得在新燃料(新空氣)到達(dá)熱區(qū)域32之行進(jìn)行傳熱。 因此，本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置10是包括內(nèi)嵌的換熱器的單片結(jié)構(gòu)。關(guān)于圖4A，以透視圖示 出了多個(gè)Fuel Cell Stick 裝置10的連接，在此情形中 是兩個(gè)Fuel Cell Stick 裝置10，通過對(duì)齊均連接至暴露的陽(yáng)極部分25的接觸焊盤44 并且將連接至負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)38的線42焊接到每一個(gè)接觸焊盤44。類似地，連接至暴露的陰 極部分27的接觸焊盤44被對(duì)齊并且連接正電壓節(jié)點(diǎn)40的線42 (在46處)焊接到那些對(duì) 齊的接觸焊盤44中的每一個(gè)，部分以虛線顯示。如同可以意識(shí)到，因?yàn)檫B接是在冷區(qū)域30 內(nèi)，并且是相對(duì)簡(jiǎn)單的連接，所以如果多Fuel Cell Stick 系統(tǒng)或組件中的一個(gè)Fuel Cell Stick 裝置10需要替換，則只需要斷開至那一個(gè)裝置10的焊料連接，用新的裝置10替換 該裝置并且將線42重新焊接至新的Fuel Cell Stick 裝置10的接觸焊盤44。圖4B以端部視圖示出了多個(gè)Fuel Cell Stick 裝置10之間的連接，其中每個(gè) Fuel Cell Stick 裝置10包括多個(gè)陽(yáng)極24和陰極26。例如，圖4B所示出的特定實(shí)施例 包括三組相對(duì)的陽(yáng)極24和陰極26，并且每個(gè)陽(yáng)極24在Fuel Cell Stick 裝置10的右側(cè) 處是暴露的，而每個(gè)陰極26在Fuel Cell Stick 裝置10的左側(cè)處是暴露的。然后，將接 觸焊盤44設(shè)置于Fuel Cell Stick 裝置10的每一個(gè)側(cè)面上以分別接觸暴露的陽(yáng)極部分 25和暴露的陰極部分27。在暴露陽(yáng)極24的右側(cè)上，通過經(jīng)由焊料連接46將線42固定至 接觸焊盤44而將負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)38連接至暴露的陽(yáng)極部分25。類似地，通過經(jīng)由焊料連接46 將線42固定至接觸焊盤44而將正電壓節(jié)點(diǎn)40連接至Fuel Cell Stick 裝置10的左側(cè) 上的暴露的陰極部分27。因此，雖然圖1-4A示出了與單個(gè)陰極26相對(duì)的單個(gè)陽(yáng)極24，但 是應(yīng)該意識(shí)到，如圖4B所示，每一個(gè)Fuel Cell Stick 裝置10可以包括多個(gè)陽(yáng)極24和陰 極26，并且每一個(gè)暴露于Fuel Cell Stick 裝置10的外表面以便通過應(yīng)用到外表面的接 觸焊盤44連接至各自的電壓節(jié)點(diǎn)38或40而進(jìn)行電連接。結(jié)構(gòu)中的相對(duì)的陽(yáng)極24和陰極 26的數(shù)量可以是數(shù)十個(gè)、數(shù)百個(gè)以及甚至數(shù)千個(gè)。圖5以端部視圖示出了用于在線42與接觸焊盤44之間建立電連接的機(jī)械連接。 在該實(shí)施例中，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10被取向?yàn)槭蛊渲幸唤M電極在每一個(gè)Fuel CellStick 裝置10的頂表面處暴露。已經(jīng)將接觸焊盤44應(yīng)用到冷區(qū)域30內(nèi)的一個(gè)端部(如， Ila或lib)處的每一個(gè)頂表面。彈簧夾48可以隨后用于將線42可去除地固定至接觸焊盤 44。因此，冶金粘結(jié)(metallurgical bonding)可以用于建立電連接，例如示出在圖3A、4A 和4B中的，或可以使用機(jī)械連接方式，如示出在圖5中的。選擇合適的連接方式的靈活性 是通過本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置10內(nèi)的冷區(qū)域30來實(shí)現(xiàn)的。使用彈簧夾48或其 它機(jī)械連接方式進(jìn)一步簡(jiǎn)化了在多棒組件(multi-stick assembly)中替換單個(gè)Fuel Cell Stick 裝置10的過程。圖6A和6B以透視圖示出了在Fuel Cell Stick 裝置10的第一端部Ila處具有 單個(gè)冷區(qū)域30的替代實(shí)施例，其中第二端部lib位于熱區(qū)域32中。在圖6A中，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10包括平行的三個(gè)燃料電池，而圖6B的Fuel CellStick 裝置10包括單個(gè) 燃料電池。因此，本發(fā)明的實(shí)施例可以包括單電池設(shè)計(jì)或多電池設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)燃料和空 氣的單個(gè)端部輸入，空氣入口 18重新取向?yàn)猷徑麱uel Cell Stick 裝置10的側(cè)表面處的 第一端部11a。空氣通路20(未示出)又平行于燃料通路14延伸，但在本實(shí)施例中，空氣的 流動(dòng)是在與燃料通過Fuel Cell Stick 裝置10的長(zhǎng)度的流動(dòng)相同的方向上。在裝置10 的第二端部lib處，空氣出口 22設(shè)置成與燃料出口 16相鄰。應(yīng)該意識(shí)到，燃料出口 16或 空氣出口 22，或兩者可以從Fuel Cell Stick 裝置10的側(cè)表面離開，而不是都在端部表 面處離開。
如圖6B所示出的，用于空氣供給36的供給管50是通過形成穿過供給管50的側(cè) 面的孔并且將裝置10滑動(dòng)穿過側(cè)面的孔來形成的，使得用于空氣供給36的供給管50垂直 于用于燃料供給34的供給管50。而且，硅樹脂橡膠管或類似物可以在本實(shí)施例中使用。粘 結(jié)材料可以應(yīng)用到供給管50與裝置10之間的接合處以形成密封。在冷區(qū)域30內(nèi)的第一 端部Ila處附近也建立電連接。圖6A和6B的每一個(gè)示出了在Fuel Cell Stick 裝置10 的一個(gè)側(cè)面上建立的正電壓連接和在Fuel Cell Stick 裝置10的相對(duì)的側(cè)面上建立的負(fù) 電壓連接。然而，應(yīng)該意識(shí)到，本發(fā)明并不限于此。單個(gè)端部輸入Fuel Cell Stick 裝置 10的優(yōu)點(diǎn)在于只存在一個(gè)冷到熱的過渡，而不是兩個(gè)過渡區(qū)域31，使得Fuel Cell Stick 裝置10能夠制造得更短。本發(fā)明的一個(gè)益處是使活性層非常薄的能力，從而使Fuel Cell Stick 裝置10 能夠在單個(gè)裝置中并入多個(gè)燃料電池?；钚詫釉奖。谥圃霧uel CellStick 裝置10的過 程中，空氣通路20或燃料通路14塌陷的機(jī)會(huì)越大，從而阻礙流動(dòng)通過通路14和/或20。 因此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，示出在圖7A和7B中，多個(gè)支撐柱54，例如陶瓷支撐柱設(shè) 置在通路14和20內(nèi)以防止電解質(zhì)層28的變形和通路14、20的堵塞。圖7A是側(cè)面截面 圖，而7B是穿過空氣通路20的頂部截面圖。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方法，使用流延成型(tape casting)法，可以使用犧牲帶層，其中多個(gè)孔形成于犧牲層中，例如通過激光去除材料。陶 瓷材料隨后用于填充孔，例如通過將陶瓷漿料涂覆在犧牲帶層上以滲透孔。在多個(gè)層組裝 在一起之后，去除犧牲層的犧牲材料，例如通過使用溶劑，留下剩余的支撐柱54。在用于形成支撐柱54的另一實(shí)施例中，可以將大顆粒的預(yù)燒結(jié)陶瓷添加到有機(jī) 載體中，例如溶解在溶劑中的塑料，并且攪拌以形成隨機(jī)混合物。作為示例且并不是限制， 大顆粒可以是球形的，例如直徑為0. 002英寸的球。然后，將隨機(jī)混合物應(yīng)用到坯體結(jié)構(gòu)， 例如通過印刷到將要設(shè)置燃料通路14和空氣通路20的區(qū)域內(nèi)。在燒結(jié)(烘烤/燒制)工藝過程中，有機(jī)載體離開結(jié)構(gòu)(如，被燒掉)，從而形成通路14、20，并且陶瓷顆粒維持以形 成物理保持通路14、20暢通的支撐柱54。最終的結(jié)構(gòu)示出在圖7C和7D的微觀圖中。支撐 柱54隨機(jī)設(shè)置，其中平均距離是有機(jī)載體中的陶瓷顆粒的負(fù)載的函數(shù)。圖8A以截面示出了本發(fā)明的包含平行的兩個(gè)燃料電池的一個(gè)實(shí)施例。每個(gè)活性 電解質(zhì)層28在一側(cè)上具有空氣通路20和陰極層26a或26b，并且在相對(duì)側(cè)上具有燃料通路 14和陽(yáng)極層24a或24b。陶瓷材料29將一個(gè)燃料電池的空氣通路20與第二燃料電池的燃 料通路14隔開。暴露的陽(yáng)極部分25的每一個(gè)經(jīng)由線42連接至負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)38并且暴露的 陰極部分27的每一個(gè)經(jīng)由線42連接至正電壓節(jié)點(diǎn)40。單個(gè)空氣供給36隨后可以用于供 應(yīng)多個(gè)空氣通路20中的每一個(gè)，并且單個(gè)燃料供給34可以用于供應(yīng)多個(gè)燃料通路14中的 每一個(gè)。由活性層的該布置建立的電路示出在該圖的右側(cè)處。
在圖8B的截面圖中，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10類似于示出在圖8A中的，但不是 具有多個(gè)暴露的陽(yáng)極部分25和多個(gè)暴露的陰極部分27，而是僅有陽(yáng)極層24a在25處暴露 并且僅有一個(gè)陰極層26a在27處暴露。第一通孔56將陰極層26a連接至陰極層26b且第 二通孔58將陽(yáng)極層24a連接至陽(yáng)極層24b，作為示例，在形成坯體層的過程中可以使用激 光方法以產(chǎn)生開放的通孔，隨后用導(dǎo)電材料填充通孔以形成通孔連接。如圖8B的右側(cè)處 的電路所示出的，在圖8B的Fuel Cell Stick 裝置10中形成了與圖8A中的Fuel Cell Stick 裝置10相同的電路徑。圖9A和9B還以截面圖示出了多個(gè)燃料電池設(shè)計(jì)，但具有共用的陽(yáng)極和陰極。在 圖9A的實(shí)施例中，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10包括兩個(gè)燃料通路14和兩個(gè)空氣通路20，而 不是具有兩個(gè)燃料電池，該結(jié)構(gòu)包括三個(gè)燃料電池。第一燃料電池形成在陽(yáng)極層24a與陰 極層26b之間，具有中間的電解質(zhì)層28。陽(yáng)極層24a在燃料通路14的一個(gè)側(cè)面上，并且在 燃料通路14的相對(duì)的側(cè)面上是第二陽(yáng)極層24b。第二陽(yáng)極層24b與第二陰極層26b相對(duì)， 且另一電解質(zhì)層28置于其間，從而形成第二燃料電池。第二陰極層26b在空氣通路20的 一個(gè)側(cè)面上且第三陰極層26c在空氣通路20的相對(duì)的側(cè)面上。第三陰極層26c與第三陽(yáng) 極層24c相對(duì)且電解質(zhì)層28置于其間，從而提供第三燃料電池。裝置10的從陽(yáng)極層24a 到陰極層26c的部分能夠在裝置10內(nèi)重復(fù)許多次以提供共用的陽(yáng)極和陰極，從而增加單個(gè) Fuel Cell Stick 裝置10內(nèi)的燃料電池的數(shù)量。每一陽(yáng)極層24a、24b、24c包括暴露的陽(yáng) 極部分25，可以在Fuel Cell Stick 裝置10的外表面處建立到暴露的陽(yáng)極部分25的電 連接，以便例如經(jīng)由線42連接至負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)38。類似地，每一陰極層26a、26b、26c包括暴 露至外表面的陰極部分27，以便例如經(jīng)由線42連接至正電壓節(jié)點(diǎn)40。單個(gè)空氣供給36可 以設(shè)置在一個(gè)冷端部處以供應(yīng)空氣通路20中的每一個(gè)，并且單個(gè)燃料供給34可以設(shè)置在 相對(duì)的冷端部處以供應(yīng)燃料通路14中的每一個(gè)。從而通過該結(jié)構(gòu)形成的電路設(shè)置在圖9A 的右側(cè)。該Fuel Cell Stick 裝置10包含平行的三個(gè)燃料電池層，使可獲得的功率增加 兩倍。例如，如果每一層產(chǎn)生1伏和1安培，那么每一個(gè)燃料電池層產(chǎn)生1瓦的功率輸出 (伏X安培=瓦)。因此，該三層布局將會(huì)產(chǎn)生1伏和3安培而得到總共3瓦的功率輸出。在圖9B中，修改了圖9A的結(jié)構(gòu)以提供至每一個(gè)電壓節(jié)點(diǎn)的單個(gè)電連接以產(chǎn)生串 連的三個(gè)燃料電池，如圖9B右側(cè)的電路所示出。正電壓節(jié)點(diǎn)40在暴露的陰極部分27處連 接至陰極層26a。陽(yáng)極層24a經(jīng)由通孔58連接至陰極層26b。陽(yáng)極層24b經(jīng)由通孔56連 接至陰極層26c。陽(yáng)極層24c在暴露的陽(yáng)極部分25處連接至負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)38。因此，使用相同的1安培/1伏每層的假設(shè)，該三電池結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生3伏和1安培以得到總共3瓦的功率輸
出ο在圖10中以側(cè)視圖示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例。在該實(shí)施例中，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10在第一端部1 Ia處具有單個(gè)冷區(qū)域30并且第二端部1 Ib位于熱區(qū)域32內(nèi)。 就像在其它實(shí)施例中的，燃料入口 12在第一端部Ila處，并且通過供給管50連接至燃料供 給34。在該實(shí)施例中，燃料通路14延伸Fuel Cell Stick 裝置10的長(zhǎng)度且燃料出口 16 處于第二端部lib處。因此，在冷區(qū)域30內(nèi)建立燃料供給連接且燃料反應(yīng)物(例如，0)2和 H2O)的出口在熱區(qū)域32內(nèi)。類似地，陽(yáng)極在冷區(qū)域30內(nèi)具有暴露的陽(yáng)極部分25，以便經(jīng) 由線42連接至負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)38。在圖10的實(shí)施例中，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10在至少一個(gè)側(cè)面處是開放的，并 且可能在兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面處都是開放的以在熱區(qū)域32內(nèi)提供空氣入口 18和空氣通路20。 在該實(shí)施例 中，支撐柱54的使用可能是特別使用在空氣通路20中?？諝獬隹诳梢匀鐖D所 示位于第二端部lib處?；蛘?，雖然未示出，但是如果通路20延伸穿過寬度并且空氣供給 僅被引導(dǎo)朝向輸入側(cè)，或如果通路20并未延伸穿過寬度，則空氣出口可以位于與空氣入口 側(cè)相對(duì)的側(cè)面。與僅向熱區(qū)域32提供熱相反，在該實(shí)施例中，還提供空氣。換句話說，裝置 10的在熱區(qū)域32內(nèi)的側(cè)面對(duì)熱空氣是開放的，而不是通過強(qiáng)迫的空氣管供應(yīng)空氣。圖IOA以側(cè)視圖顯示了示出在圖10中的實(shí)施例的變化形式。在圖IOA中，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10包括相對(duì)的冷區(qū)域30和通過過渡區(qū)域31與冷區(qū)域30隔開的中心熱 區(qū)域32?？諝馊肟?18設(shè)置在中心熱區(qū)域32內(nèi)，在中心熱區(qū)域32的至少一部分內(nèi)以接收加 熱的空氣。然而，在該實(shí)施例中，通路20對(duì)Fuel Cell Stick 裝置10的側(cè)面并不是完全 開放的，而是為如圖10所述的合適的長(zhǎng)度。相反地，如圖IOB中更清楚示出的，空氣通路20 在熱區(qū)域32的一部分內(nèi)是開放的且沿長(zhǎng)度的剩余部分終止于側(cè)面，并且隨后在Fuel Cell Stick 裝置10的第二端部lib的空氣出口 22處離開。該實(shí)施例允許加熱的空氣供應(yīng)在熱 區(qū)域32內(nèi)，而不是強(qiáng)制空氣供給管內(nèi)，而且還允許燃料和空氣在裝置10的在冷區(qū)域30內(nèi) 的一端部lib處離開。雖然已經(jīng)詳細(xì)示出和描述了具體的實(shí)施例，但是本發(fā)明的范圍不限于此。下面描 述了本發(fā)明的更普遍的實(shí)施例并且可以參考示出在圖11-24中的示意圖來更好地理解這 些實(shí)施例。圖11提供了示意性示出在圖12-24中的部件的關(guān)鍵。箭頭示出了燃料(F)或 空氣(A)進(jìn)入Fuel Cell Stick 裝置(例如，SOFC棒)中，這表明強(qiáng)制流動(dòng)，例如通過連 接至輸入入口點(diǎn)(input access point)的管。其中未示出空氣輸入，這表明加熱的空氣通 過非強(qiáng)制流動(dòng)連接被供給在熱區(qū)域內(nèi)，并且Fuel Cell Stick 裝置在熱區(qū)域內(nèi)的入口點(diǎn)處 對(duì)空氣通路是開放的。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是Fuel Cell Stick 裝置10，其包括至少一個(gè)燃料通路和 相關(guān)聯(lián)的陽(yáng)極、至少一個(gè)氧化劑通路和相關(guān)聯(lián)的陰極以及其間的電解質(zhì)，其中電池是基本 上長(zhǎng)于其寬度或厚度的，以便在一個(gè)主軸線(dominant axis)上具有CTTE，并且電池的熱 區(qū)域內(nèi)的一部分具有大于約400°C的溫度。在該實(shí)施例中，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10在 裝置10的一端部處具有根據(jù)主CTE方向的用于空氣輸入和燃料輸入的集成入口點(diǎn)，或根據(jù) 主CTE方向在一端部處具有空氣輸入且在另一端部處具有燃料輸入，以及空氣輸入和燃料 輸入都位于熱區(qū)域的外部。例如，參見圖20和24。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，燃料電池具有第一溫度區(qū)域和第二溫度區(qū)域，其中第 一溫度區(qū)域是熱區(qū)域，該熱區(qū)域在足以執(zhí)行燃料電池反應(yīng)的溫度下操作，第二溫度區(qū)域在 熱區(qū)域的外部并且在比第一溫度區(qū)域低的溫度下操作。第二溫度區(qū)域的溫度是足夠低以允 許建立到電極的低溫連接和用于至少燃料供給的低溫連接。燃料電池結(jié)構(gòu)部分延伸至第一 溫度區(qū)域內(nèi)且部分延伸至第二溫度區(qū)域內(nèi)。例如，參見圖12、13和17。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池包括是熱區(qū)域的第一溫度區(qū)域和在低于 300°C的溫度下操作的第二溫度區(qū)域。使用橡膠管或類似物作為低溫連接在第二溫度區(qū)域 內(nèi)建立空氣和燃料連接。低溫焊料連接或彈簧夾用于建立至陽(yáng)極和陰極的電連接，以便將 陽(yáng)極和陰極連接至各自的負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)和正電壓節(jié)點(diǎn)。而且，用于二氧化碳和水的燃料出口 和用于消耗的氧的空氣出口位于第一溫度區(qū)域內(nèi)，即熱區(qū)域內(nèi)。例如，參見圖17。在另一實(shí)施例中，燃料電池結(jié)構(gòu)具有是熱區(qū)域的中心的第一溫度區(qū)域，并且燃料 電池的每一端部位于第一溫度區(qū)域外部，在低于300°C下操作的第二溫度區(qū)域內(nèi)。燃料和 空氣輸入位于第二溫度區(qū)域內(nèi)，焊料連接或彈簧夾以便電連接至陽(yáng)極和陰極。最后，二氧化 碳、水和消耗的氧的輸出位于第二溫度區(qū)域內(nèi)。例如，參見圖19、20和24。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，燃料輸入可以根據(jù)主CTE方向設(shè)置在低于300°C下操 作的第二溫度區(qū)域內(nèi)的每一端部處，其中第一溫度區(qū)域是被設(shè)置在相對(duì)的第二溫度區(qū)域之 間的中心內(nèi)的熱區(qū)域。二氧化碳、水和消耗的氧的輸出可以位于中心熱區(qū)域內(nèi)。例如，參見 圖15和18。或者，二氧化碳、水和消耗的氧的輸出可以位于第二溫度區(qū)域內(nèi)，即熱區(qū)域的外 部。例如，參見圖16和19。在另一實(shí)施例中，燃料輸入和空氣輸入入口點(diǎn)都位于是熱區(qū)域的第一溫度區(qū)域的 外部，在低于300°C下操作的第二溫度區(qū)域內(nèi)，從而允許使用低溫連接，例如用于空氣和燃 料供給的橡膠管。此外，焊料連接或彈簧夾被使用在第二溫度區(qū)域內(nèi)以便將電壓節(jié)點(diǎn)連接 至陽(yáng)極和陰極。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料輸入和空氣輸入都在根據(jù)主CTE方向的一端部處，并 且Fuel Cell Stick 裝置10的另一端部是在第一加熱的溫度區(qū)域內(nèi)，其中二氧化碳、水和 消耗的氧氣的輸出在熱區(qū)域內(nèi)。例如，參考圖17。因而，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置具有一個(gè) 加熱端和一個(gè)非加熱端。在另一實(shí)施例中，根據(jù)主CTE方向，燃料和空氣輸入到熱區(qū)域外部的一端部中并 且在也處于熱區(qū)域外部的相對(duì)端部處離開，使得熱區(qū)域在兩個(gè)相對(duì)的第二溫度區(qū)域之間。 例如，參見圖20。在又一替代中，燃料和空氣輸入到位于第二溫度區(qū)域內(nèi)的兩個(gè)相對(duì)的端部 內(nèi)，其中燃料和空氣輸出都位于中心區(qū)域內(nèi)。例如，參見圖18。在又一替代中，燃料和空氣輸入到位于第二溫度區(qū)域內(nèi)的兩個(gè)相對(duì)的端部?jī)?nèi)，其 中各自的輸出在第二溫度區(qū)域內(nèi)的與輸入相對(duì)的端部處。例如，參見圖19。因此，燃料電池 具有中心的加熱區(qū)域和加熱區(qū)域外部的相對(duì)的端部，其中燃料和空氣都輸入第一端部中， 其中各自的反應(yīng)出口存在于第二端部附近，燃料和空氣都輸入到第二端部，并且反應(yīng)輸出 出口位于第一端部附近。在又一實(shí)施例中，燃料輸入可以是在加熱區(qū)域外部的一端部處，而空氣輸入可以 是在熱區(qū)域外部的相對(duì)的端部處。例如，參見圖21-24。在該實(shí)施例中，來自空氣和燃料的 反應(yīng)輸出可以在熱區(qū)域內(nèi)(參見圖21)，或它們都可以在熱區(qū)域外部鄰近與各自的輸入相 對(duì)的端部(參見圖24)?；蛘撸趸己退敵隹梢允窃跓釁^(qū)域內(nèi)，而消耗的氧輸出是在熱區(qū)域外部(參見圖22)，或相反地，消耗的氧輸出可以在加熱區(qū)域內(nèi)，而二氧化碳和水輸 出在加熱區(qū)域外部(參見圖23)。示出在圖22和23中的關(guān)于燃料和空氣輸出的變化也可 以適用于示出在圖18-20中的實(shí)施例在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，以頂部平面圖在圖25A和27A中和以側(cè)視圖在圖27B 中進(jìn)行示出，提供了具有可以被稱為鍋柄狀樣式的Fuel Cell Stick 裝置100。Fuel Cell Stick 裝置100具有細(xì)長(zhǎng)部分102，其尺寸可以類似于示出在先前實(shí)施例中的Fuel Cell Stick 裝置10，細(xì)長(zhǎng)部分102在一個(gè)主軸線上具有CTE，即其基本上是長(zhǎng)于其寬度或厚度。 Fuel Cell Stick 裝置100還具有寬度更緊密匹配長(zhǎng)度的大表面積部分104。部分104可 以具有正方形的表面積或矩形的表面積，但是寬度并不是顯著小于長(zhǎng)度，使得CTE在部分 104內(nèi)并不具有單主軸線，而是在長(zhǎng)度方向和寬度方向都具有CTE軸線。大表面積部分104 位于熱區(qū)域32內(nèi)，而細(xì)長(zhǎng)部分102至少部分位于冷區(qū)域30和過渡區(qū)域31內(nèi)。在示例性的 實(shí)施例中，細(xì)長(zhǎng)部分102的一部分延伸到熱區(qū)域32中，但這并不是必需的。例如，燃料和空 氣供給34、36可以按圖6B中所示出的方式以及電連接被連接至細(xì)長(zhǎng)部分102。在圖25B和26A中以頂部平面圖且在圖26B中以側(cè)視圖提供了類似于圖25A、27A 和27B中示出的替代實(shí)施例，但還具有與細(xì)長(zhǎng)部分102相對(duì)的第二細(xì)長(zhǎng)部分106，以便將大 表面積部分104定位在兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)部分102與106之間。細(xì)長(zhǎng)部分106也至少部分位于冷區(qū) 域30和過渡區(qū)域31內(nèi)。在該實(shí)施例中，燃料可以輸入到細(xì)長(zhǎng)部分102內(nèi)且空氣輸入到細(xì) 長(zhǎng)部分106內(nèi)。例如，空氣供給36和燃料供給34隨后可以按照?qǐng)D2或圖3B中示出的方式 分別連接至細(xì)長(zhǎng)部分106和102。如圖25B所示，空氣輸出可以位于細(xì)長(zhǎng)部分102內(nèi)鄰近燃 料輸入，而燃料輸出可以位于細(xì)長(zhǎng)部分106內(nèi)鄰近空氣輸入。或者，空氣輸出和燃料輸出中 的一個(gè)或兩個(gè)可以位于熱區(qū)域32內(nèi)的大表面積部分104內(nèi)，如圖26A和26B分別以頂視圖 和側(cè)視圖所示出的。應(yīng)該意識(shí)到，在圖25A和25B的實(shí)施例中，相對(duì)的陽(yáng)極24和陰極26以 及介入的電解質(zhì)28的表面積可以在熱區(qū)域32內(nèi)被增大以增大反應(yīng)區(qū)域，從而提高由Fuel Cell Stick 裝置100產(chǎn)生的功率。本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置10、100的另一益處是低的重量。典型的內(nèi)燃機(jī) 重量在18-301bs每kw功率的數(shù)量級(jí)。本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置10、100可以被制 成重量在0. 51bs每kw功率的數(shù)量級(jí)。圖28A-28D示出了本發(fā)明的管狀Fuel Cell Stick 裝置200的替代實(shí)施例，具有螺旋狀、卷曲狀或管狀結(jié)構(gòu)。圖28A是裝置200的示意性俯視 圖，處于未卷曲的位置。裝置200的未卷曲的結(jié)構(gòu)具有相同長(zhǎng)度L的第一端部202和第二 端部204，長(zhǎng)度L對(duì)應(yīng)于卷曲的或螺旋管狀Fuel Cell Stick 裝置200的長(zhǎng)度。燃料入口 12和空氣入口 18示出為處于第一端部202附近的相對(duì)的側(cè)面上。燃料通路14和空氣通 路20沿著未卷曲結(jié)構(gòu)的裝置200的寬度延伸至第二端部204，使得燃料出口 16和空氣出口 22處于第二端部204處，如圖28B中的未卷曲結(jié)構(gòu)的裝置200的示意性端部視圖和28C中 的未卷曲結(jié)構(gòu)的裝置200的示意性側(cè)視圖進(jìn)一步示出。燃料通路14和空氣通路20示出為 沿著接近未卷曲結(jié)構(gòu)的裝置200的長(zhǎng)度L延伸，以便使燃料和空氣流動(dòng)最大化，但本發(fā)明并 不限于此。為了形成螺旋管狀Fuel Cell Stick 裝置200，第一端部202朝第二端部204 卷曲以形成以圖28D的示意性透視圖示出的螺旋管結(jié)構(gòu)的裝置200?？諝夤┙o36可以設(shè)置 在螺旋管狀Fuel Cell Stick 裝置200的一端部處以便輸入空氣入口 18中，而燃料供給 34可以設(shè)置在螺旋管狀Fuel Cell Stick 裝置200的相對(duì)的端部處以便將燃料輸入到燃料入口 12中?？諝夂腿剂蠈⒀刂b置200的長(zhǎng)度L通過燃料出口 16和空氣出口 22離開 螺旋管狀Fuel Cell Stick 裝置200。電壓節(jié)點(diǎn)38、40可以焊接到形成在螺旋管狀Fuel Cell Stick 裝置200的相對(duì)端部上或其附近的接觸焊盤44。圖29A-29G示出了本發(fā)明的替代實(shí)施例，其中Fuel Cell Stick 裝置是管狀同心 形式。圖29A以示意性等視軸圖示出了同心的管狀Fuel Cell Stick 裝置300。圖29B-29E 示出了圖29A的同心裝置300的截面圖。圖29F示出了裝置300的空氣輸入端部處的端部 視圖，圖29G示出了裝置300的燃料輸入端部處的端部視圖。所示出的具體實(shí)施例包括三 個(gè)空氣通路20、一個(gè)位于管狀結(jié)構(gòu)的中心且另兩個(gè)與這一個(gè)分隔開且與其同心。同心的管 狀Fuel CellStick 裝置300還具有位于空氣通路20之間且與其同心的兩個(gè)燃料通路14。 如圖29A-29D所示，同心的管狀Fuel Cell Stick 裝置300包括在與它們各自的入口 12、 18相對(duì)的一端部處連接燃料通路14的燃料出口 16和另一端部處連接空氣通路20的空氣 出口 22。每一個(gè)空氣通路20與陰極26成一直線且每一個(gè)燃料通路14與陽(yáng)極24成一直 線，電解質(zhì)28使相對(duì)的陽(yáng)極和陰極隔開。如圖29A-29B和29F-29G所示出的，可以在同心 的管狀Fuel Cell Stick 裝置300的相對(duì)端部處建立至暴露的陽(yáng)極25和暴露的陰極27 的電連接。接觸焊盤44可以被應(yīng)用到端部以連接暴露的陽(yáng)極25和暴露的陰極27，盡管未 示出，接觸焊盤44可以沿著裝置300的外部前行以允許在 沿著裝置300的長(zhǎng)度的位置處而 不是端部處建立電連接。同心的管狀Fuel Cell Stick 裝置300可以包括設(shè)置在空氣通 路14和燃料通路20內(nèi)用于結(jié)構(gòu)支撐的支撐柱54。在本發(fā)明的在相對(duì)端部IlaUlb處具有兩個(gè)冷區(qū)域30，其中空氣輸入和燃料輸出 在一個(gè)端部而燃料輸入和空氣輸出在相對(duì)端部的實(shí)施例中，當(dāng)消耗的燃料或空氣離開中心 的熱區(qū)域32時(shí)，其處于加熱狀態(tài)。當(dāng)加熱的空氣和燃料前行穿過過渡區(qū)域31至冷區(qū)域30 時(shí)，它們冷卻。電極和/或陶瓷/電解質(zhì)的薄層使空氣通路20與平行的燃料通路14分開， 反之亦然。在一個(gè)通路中，加熱的空氣離開熱區(qū)域32，而在相鄰的平行通路中，燃料進(jìn)入熱 區(qū)域32中，且反之亦然。由于熱交換原理，加熱的空氣將對(duì)相鄰的平行通路中進(jìn)入的燃料 進(jìn)行加熱，且反之亦然。因此，存在通過熱交換的一些預(yù)熱的空氣和燃料。然而，由于熱區(qū) 域32外部的熱迅速損耗，如上所述，所以在空氣和燃料進(jìn)入熱區(qū)域32中的活性區(qū)域之前， 熱交換可能不足以將空氣和燃料預(yù)熱至最佳的反應(yīng)溫度。此外，在Fuel Cell Stick 裝置 10包括一個(gè)冷端部(冷區(qū)域30)和一個(gè)熱端部(熱區(qū)域32)的實(shí)施例中，燃料和空氣被輸 入到同一冷端部30中并通過同一個(gè)相對(duì)的熱端部32離開，使得不會(huì)發(fā)生用于熱交換的燃 料和空氣的橫向流。從Fuel Cell Stick 裝置10的電極和陶瓷材料僅可獲得對(duì)進(jìn)入的燃 料和空氣的有限的熱交換。圖30A-33C示出了 Fuel Cell Stick 裝置10的具有集成的預(yù)熱區(qū)域33a以便在 燃料和空氣進(jìn)入活性區(qū)域33b之前加熱它們的各種實(shí)施例，其中陽(yáng)極24和陰極26呈相對(duì) 的關(guān)系。這些實(shí)施例包括存在兩個(gè)冷端部30且中間是熱區(qū)域32以及燃料輸入和空氣輸入 在相對(duì)的冷端部30的Fuel Cell Stick 裝置10，以及存在一個(gè)熱端部32和一個(gè)冷端部 30以及燃料輸入和空氣輸入都在單個(gè)冷端部30的Fuel Cell Stick 裝置10。在這些實(shí) 施例中，所使用的電極材料的量可以被限制到活性區(qū)域33b且只有少量引至冷區(qū)域30以便 外部連接至電壓節(jié)點(diǎn)38、40。這些實(shí)施例中的另一益處(將在稍后更詳細(xì)地描述)是電子 具有前行至外部電壓連接的可能最短的路徑，這提供了低的電阻。
圖30A示出了 Fuel Cell Stick 裝置10的第一實(shí)施例的示意性截面?zhèn)纫晥D，其 具有一個(gè)冷區(qū)域30和一個(gè)相對(duì)的熱區(qū)域32以及集成的預(yù)熱區(qū)域33a。圖30B以截面圖示 出了通過陽(yáng)極24向上朝燃料通路14看到的視圖，圖30C以截面圖示出了通過陰極26向 下朝空氣通路20看到的視圖。如圖30A和30B所示，來自燃料供給34的燃料通過燃料入 口 12進(jìn)入且沿著裝置10的長(zhǎng)度延伸通過燃料通路14，并且通過燃料出口 16從裝置10的 相對(duì)端部離開。冷區(qū)域30位于Fuel Cell Stick 裝置10的第一端部Ila處且熱區(qū)域32 是在相對(duì)的第二端部lib。熱區(qū)域和冷區(qū)域之間是過渡區(qū)域31。熱區(qū)域32包括初始的預(yù) 熱區(qū)33a，所述燃料先前行穿過預(yù)熱區(qū)33a，以及活性區(qū)域33b包括鄰近燃料通路14的陽(yáng)極 24。如圖30B所示的，陽(yáng)極24的橫截面積在活性區(qū)域33b中是大的。陽(yáng)極24延伸至Fuel Cell Stick 裝置10的一個(gè)邊緣且外部的接觸焊盤44沿著裝置10的外部延伸至冷區(qū)域 30以便連接至負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)38。類似地，如圖30A和30C所示，來自空氣供給36的空氣通過設(shè)置在冷區(qū)域30中的 空氣入口 18進(jìn)入，空氣沿著Fuel Cell Stick 裝置10的長(zhǎng)度延伸穿過空氣通路20，且通 過空氣出口 22從熱區(qū)域32離開。由于空氣和燃料在相同端部處進(jìn)入且在同一個(gè)方向上沿 著Fuel Cell Stick 裝置10的長(zhǎng)度前行，所以在熱區(qū)域32之前，存在通過熱交換進(jìn)行的 空氣和燃料的有限預(yù)熱。陰極26在活性區(qū)域33b內(nèi)與陽(yáng)極24成相對(duì)關(guān)系設(shè)置并延伸至 Fuel Cell Stick 裝置10的相對(duì)側(cè)，在該相對(duì)側(cè)處，陰極26暴露并且連接至外 部的接觸焊 盤44，接觸焊盤44從活性熱區(qū)域33b延伸至冷區(qū)域30以便連接至正電壓節(jié)點(diǎn)40。然而， 不需要暴露的陰極27在裝置10的與暴露的陽(yáng)極25相對(duì)的側(cè)上。暴露的陽(yáng)極25和暴露的 陰極27能夠在裝置10的相同側(cè)上且接觸焊盤44可以形成為沿著Fuel Cell Stick 裝置 10的側(cè)面的條。通過這種結(jié)構(gòu)，空氣和燃料在預(yù)熱區(qū)域33a內(nèi)首先被加熱，在預(yù)熱區(qū)域33a 內(nèi)不發(fā)生反應(yīng)，且陽(yáng)極材料和陰極材料的大部分限制到活性區(qū)域33b，在活性區(qū)域33b內(nèi)， 加熱的空氣和燃料進(jìn)入并借助相對(duì)的陽(yáng)極層24和陰極層26反應(yīng)。圖31A-31C中示出的實(shí)施例類似于圖30A-30C中示出的實(shí)施例，但不同的是具有 一個(gè)熱端部32和一個(gè)冷端部30，圖31A-C的實(shí)施例包括相對(duì)的冷區(qū)域30和中間的熱區(qū)域 32。來自燃料供給34的燃料通過冷區(qū)域30內(nèi)的燃料入口 12進(jìn)入裝置10的第一端部Ila 且通過設(shè)置在相對(duì)的冷區(qū)域30內(nèi)的燃料出口 16從相對(duì)的第二端部lib離開。類似地，來 自空氣供給36的空氣通過空氣入口 18進(jìn)入相對(duì)的冷區(qū)域30且通過空氣出口 22在第一冷 區(qū)域30處離開。燃料進(jìn)入熱區(qū)域32且在預(yù)熱區(qū)域33a內(nèi)被預(yù)熱，而空氣在熱區(qū)域32的相 對(duì)側(cè)處進(jìn)入且在另一預(yù)熱區(qū)域33a內(nèi)被預(yù)熱。因而，存在燃料與空氣的交叉流。陽(yáng)極24在 熱區(qū)域32的活性區(qū)域33b內(nèi)與陰極26相對(duì)且在活性區(qū)域33b內(nèi)發(fā)生涉及預(yù)熱的燃料與空 氣的反應(yīng)。而且，大部分電極材料被限制到活性區(qū)域33b。陽(yáng)極24在Fuel Cell Stick 裝 置10的一個(gè)邊緣處被暴露，而陰極26在裝置10的另一側(cè)被暴露。外部接觸焊盤44在熱 區(qū)域32內(nèi)接觸暴露的陽(yáng)極25且朝第-冷端部Ila延伸以便連接至正電壓節(jié)點(diǎn)38。類似 地，外部接觸焊盤44在熱區(qū)域32內(nèi)接觸暴露的陰極27且朝第二冷端部lib延伸以便連接 至正電壓節(jié)點(diǎn)40。預(yù)熱區(qū)域33a提供了在氣體到達(dá)活性區(qū)域之前，將氣體充分加熱至最佳反應(yīng)溫度 的優(yōu)點(diǎn)。如果燃料比最佳溫度冷，那么SOFC系統(tǒng)的效率就將會(huì)降低。當(dāng)空氣和燃料在它們 的路徑上繼續(xù)時(shí)，它們被升溫。當(dāng)它們升溫時(shí)，電解質(zhì)28在那個(gè)區(qū)域內(nèi)的效率就會(huì)提高。當(dāng)燃料、空氣和電解質(zhì)28達(dá)到爐的全溫時(shí)，那么電解質(zhì)就將低于其最佳效率工作。為了節(jié)省 可能由貴金屬制造的陽(yáng)極24和陰極26方面的成本，則在仍低于最佳溫度的那些區(qū)域內(nèi)去 除金屬。就長(zhǎng)度或其它尺寸而言，預(yù)熱區(qū)域33a的量取決于從爐到Fuel Cell Stick 裝置 10的傳熱，以及從Fuel Cell Stick 裝置10到燃料和空氣的傳熱，以及是否發(fā)生因燃料 和空氣的交叉流引起的任何熱交換。該尺寸還取決于燃料和空氣的流速；如果燃料或空氣 沿著Fuel Cell Stick 裝置10的長(zhǎng)度快速移動(dòng)，則較長(zhǎng)的預(yù)熱區(qū)域33a將是有優(yōu)勢(shì)的，而 如果流速緩慢，那么預(yù)熱區(qū)域33a可以較短。圖32A和32B示出了類似于圖31A-31C中示出的實(shí)施例，但Fuel Cell Stick 裝 置10包括燃料入口 12與燃料通路14之間的預(yù)熱室13，預(yù)熱室13延伸至熱區(qū)域32內(nèi)以 便在燃料穿過更窄的燃料通路14進(jìn)入活性區(qū)域33b之前，在預(yù)熱區(qū)域33a內(nèi)預(yù)熱大量的燃 料。Fuel Cell Stick 裝置10類似地包括空氣入口 18與空氣通路20之間的預(yù)熱室19， 預(yù)熱室19延伸入熱區(qū)域32內(nèi)以便在空氣穿過更窄的空氣通路20進(jìn)入活性區(qū)域33b之前， 在預(yù)熱區(qū)域33a內(nèi)預(yù)熱大量的空氣。如在上述實(shí)施例中所公開的，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置 10可以包括多個(gè)燃料通路14和空氣通路20，這些通路中的每一個(gè)都接收來自各自的預(yù)熱 室13、19中的流。相對(duì)于高容積的預(yù)熱室13、19，而不是預(yù)熱通道，僅作為示例，可以設(shè)想如果空氣 分子耗費(fèi)5秒鐘來加熱到最佳溫度的話，則如果空氣分子每秒鐘沿Fuel Cell Stick 裝置 10行進(jìn)1英尺，空氣在進(jìn)入活性區(qū)域33b之前，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10將需要5英寸長(zhǎng) 的預(yù)熱通道。然而，如果設(shè)置大容積的室代替通道，容積使得分子在進(jìn)入更窄的通道至活性 區(qū)域33b之前，在空腔內(nèi)耗費(fèi)額外的時(shí)間，使得空氣分子在室內(nèi)被加熱且短長(zhǎng)度的通道可 以用于將加熱的空氣分子饋送至活性區(qū)域33b。這樣的空腔或預(yù)熱室13、19能夠按照多種 不同的方法來制造，包括取出坯體(即，燒結(jié)之前)組件并鉆孔到組件的端部以形成室，或 通過在保持其形成時(shí)的形式的坯體堆內(nèi)引入大量的有機(jī)材料，由此有機(jī)材料在燒結(jié)過程中 烘烤出Fuel Cell Stick 裝置。圖33A-33C示出了用于在空氣和燃料到達(dá)活性區(qū)域33b之前預(yù)熱空氣和燃料的又 一實(shí)施例。圖33A是示意性截面?zhèn)纫晥D，基本上穿過Fuel Cell Stick 裝置10的縱向中 心。圖33B是沿線33B-33B截取的截面俯視圖，其中燃料通路14與陽(yáng)極24相交，而圖33C 是沿線33C-33C截取的截面仰視圖，其中空氣通路20與陰極26相交。Fuel Cell Stick 裝置10具有兩個(gè)相對(duì)的冷區(qū)域30和中心的熱區(qū)域32，以及每一個(gè)冷區(qū)域30與熱區(qū)域32 之間的過渡區(qū)域31。來自燃料供給34的燃料通過燃料入口 12進(jìn)入Fuel Cell Stick 裝 置10的第一端部Ila并且行進(jìn)通過燃料通路14，燃料通路14朝著熱區(qū)域32的相對(duì)端部 延伸，這形成U形轉(zhuǎn)彎并行進(jìn)回到冷區(qū)域30的第一端部11a，在這里，廢燃料通過燃料出口 16離開。類似地，來自空氣供給36的空氣通過空氣入口 18進(jìn)入Fuel Cell Stick 裝置 10的第二端部lib并行進(jìn)通過空氣通路20，空氣通路20朝著熱區(qū)域32的相對(duì)端部延伸， 這形成U形轉(zhuǎn)彎并行進(jìn)回到第二端部11b，在這里，空氣通過空氣出口 22從冷區(qū)域30離開。 借助這些U形轉(zhuǎn)彎通路，原先通過彎曲(U形轉(zhuǎn)彎)進(jìn)入熱區(qū)域32的燃料通路14和空氣通 路20的一部分構(gòu)成了用于加熱燃料和空氣的預(yù)熱區(qū)域。在通路14、20內(nèi)的彎曲處或U形 轉(zhuǎn)彎之后，通路與各自的陽(yáng)極24或陰極26成一直線，它們與陽(yáng)極24與陰極26之間的電解 質(zhì)成相對(duì)的關(guān)系，此區(qū)域構(gòu)成了熱區(qū)域32內(nèi)的活性區(qū)域33b。因此，燃料和空氣在進(jìn)入活性區(qū)域33b之前在預(yù)熱區(qū)域33a內(nèi)被加熱以提高Fuel Cell Stick 裝置10的效率，且使電 極材料的使用最小化。陽(yáng)極24在冷區(qū)域30內(nèi)延伸至裝置10的外部以便連接至負(fù)電壓節(jié) 點(diǎn)38。類似地，陰極26延伸至裝置10的外部以便電連接至正電壓節(jié)點(diǎn)40。燃料出口 16 和空氣出口 22也可以從冷區(qū)域30離開。在上面示出和描述的許多實(shí)施例中，陽(yáng)極24和陰極26在Fuel Cell Stick 裝置 10的層內(nèi)行進(jìn)，基本上在每一層的中心區(qū)域，即從內(nèi)部到裝置，直到到達(dá)裝置的端部。之后， 陽(yáng)極24和陰極26固定至Fuel Cell Stick 裝置10的外側(cè)，暴露的陽(yáng)極25和暴露的陰極 27用接觸焊盤44金屬化，例如通過施加銀漿，然后將線焊接到接觸焊盤44。例如，參見圖 4A-4B。然而，可以期望在Fuel Cell Stick 裝置10內(nèi)使各層構(gòu)建成更高的電壓組合，如 圖8A-9B所示。如果期望制得產(chǎn)生IKW功率的Fuel Cell Stick 裝置10，則該功率將被 分配在電壓與電流之間。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是使用12伏，使得將需要83安培來產(chǎn)生總共IKW的功 率。在圖8B和9B中，通孔用于對(duì)電極層進(jìn)行互連以形成并連或串連的組合。圖34A到37示出了用于對(duì)電極層進(jìn)行互連的替代實(shí)施例。與在Fuel Cell Stick 裝置10的內(nèi)部對(duì)電極層進(jìn)行互連相反，這些替代實(shí)施例沿著Fuel Cell Stick 裝置10的 側(cè)面使用外部條(窄的接觸焊盤)，如銀漿，具體而言是多個(gè)小條。使用條技術(shù)，形成了簡(jiǎn)單 的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以提供并連或串連的組合以實(shí)現(xiàn)所需的任何電流/電壓比。而且，外部條 將具有比內(nèi)部通孔松散的機(jī)械公差，從而簡(jiǎn)化制造。而且，外部條將可能具有比通孔低的電 阻(或等效的串連電阻)。導(dǎo)體路徑內(nèi)較低的電阻將導(dǎo)致沿著該路徑的較低的功率損耗，使 得外部條賦予了以較低的功率損耗從Fuel Cell Stick 裝置10移除功率的能力?，F(xiàn)在具體參考圖34A和34B，示出了串連互連的外部陽(yáng)極/陰極。圖34A提供了 交替的陽(yáng)極24a、24b、24c與陰極26a、26b、26c的示意性非垂直的前視圖。沿著Fuel Cell Stick 裝置10的長(zhǎng)度，陽(yáng)極24a.24b.24c與陰極26a.26b.26c包括伸出裝置10的邊緣的 小片(tab)以提供暴露的陽(yáng)極25和暴露的陰極27。外部的接觸焊盤44(或條)然后設(shè)置 在Fuel Cell Stick 裝置10的外側(cè)上，在暴露的陽(yáng)極25和陰極27之上，如在圖34B的示 意性側(cè)視圖中最佳顯示的。通過串聯(lián)連接三對(duì)相對(duì)的陽(yáng)極24a、24b、24c與陰極26a、26b、 26c, Fuel Cell Stick 裝置10提供了 3伏和1安培。在圖35中，該結(jié)構(gòu)被加倍且兩個(gè)結(jié) 構(gòu)通過沿著裝置10的側(cè)面的長(zhǎng)條連接，從而提供了串并聯(lián)設(shè)計(jì)的外部陽(yáng)極/陰極互連，這 提供了 3伏和2安培。圖36A和36B提供了用于提供低功率損耗的低的等效串連電阻路徑的實(shí)施例。在 該實(shí)施例中，熱區(qū)域32在Fuel Cell Stick 裝置10的中間，且第一端部Ila和第二端部 lib在冷區(qū)域30內(nèi)。燃料通過第一端部Ila中的燃料入口輸入且空氣通過第二端部lib內(nèi) 的空氣入口 18輸入。在熱區(qū)域32(其是Fuel Cell Stick 裝置10的活性區(qū)域)內(nèi)，陽(yáng)極 24和陰極26暴露于裝置10的側(cè)面，其中陽(yáng)極24暴露于一個(gè)側(cè)面，而陰極26暴露于相對(duì)的 側(cè)面。接觸焊盤44(或條)應(yīng)用于暴露的陽(yáng)極25和陰極27上。然后，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10的邊緣沿著裝置10的側(cè)面的長(zhǎng)度被金屬化，直到金屬化到達(dá)冷區(qū)域30，此處，建立 低溫焊料連接至負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)38和正電壓節(jié)點(diǎn)40。陽(yáng)極24和陰極26不能僅僅為了低電阻 而進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)樗鼈兙哂衅渌δ?。例如，電極必須是多孔的以允許空氣或燃料穿過至 電解質(zhì)28，且多孔性增大了電阻。而且，電極必須是薄的以允許多層Fuel Cell Stick 裝 置10內(nèi)良好的層密度，且電極越薄，電阻越高。通過向Fuel Cell Stick 裝置10的邊緣
31(側(cè)面)添加較厚的接觸焊盤44，可以朝著焊料連接46提供低電阻路徑。接觸焊盤46越 厚，電阻越低。如果電子必須沿著Fuel Cell Stick 裝置10內(nèi)的電極行進(jìn)例如10英寸， 通過電極層內(nèi)的所有空穴，最低電阻的路徑將是行進(jìn)例如0. 5英寸至裝置10的側(cè)面，然后 沿著外部的非多孔性接觸焊盤44行進(jìn)10英寸。因而，沿著Fuel Cell Stick 裝置10的 外部的長(zhǎng)接觸焊盤44延伸至冷區(qū)域30，這允許通過提供較低電阻的導(dǎo)體路徑以較低的損 失從Fuel Cell Stick 裝置10移除功率。因而，條技術(shù)(striping technique)可以使用 在Fuel Cell Stick 裝置10的活性區(qū)域(熱區(qū)域32)內(nèi)用于建立串聯(lián)和并聯(lián)的連接以增 大功率，且沿著Fuel Cell Stick 裝置10的側(cè)面的長(zhǎng)條允許從Fuel Cell Stick 裝置10 有效地移除功率。圖37以示意性的等視軸圖示出了類似于圖36B中示出的實(shí)施例，但在Fuel Cell Stick 裝置10的第一端部Ila處具有單個(gè)冷區(qū)域30，且熱區(qū)域32在裝置10的第二端部 lib處。多個(gè)豎直條或接觸焊盤44設(shè)置在熱區(qū)域32內(nèi)以建立串聯(lián)的和/或并聯(lián)的連接，且 沿著裝置10側(cè)面的水平的長(zhǎng)條或接觸焊盤44從熱區(qū)域32設(shè)置到冷區(qū)域30以便建立至正 電壓節(jié)點(diǎn)40和負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)38的低溫焊料連接46。用于形成燃料通路14和空氣通路20的一種方法是將作為犧牲層的有機(jī)材料置于 坯體、層狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，然后在稍后的燒結(jié)步驟中進(jìn)行烘烤。為了制造具有高功率輸出，例如IKW 或IOKW輸出的單個(gè)Fuel Cell Stick 裝置10，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10必須是長(zhǎng)的、 寬的且具有高的層數(shù)。例如，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置的長(zhǎng)可以在12英寸到18英寸的數(shù)量 級(jí)。當(dāng)烘烤坯體結(jié)構(gòu)以燒結(jié)陶瓷并去除犧牲的有機(jī)材料時(shí)，用于形成燃料通路14的有機(jī)材 料必須通過分別形成燃料入口和燃料出口的開口 12和16離開。類似地，用于形成空氣通 路20的有機(jī)材料必須通過分別形成空氣入口和空氣出口的開口 18和22烘烤掉。裝置越 長(zhǎng)和越寬，有機(jī)材料通過這些開口離開越難。如果裝置在烘烤過程中被加熱得太快，那么多 個(gè)層可以分層，這是因?yàn)橛袡C(jī)材料的分解發(fā)生得比材料可以離開結(jié)構(gòu)快。圖38A和38B以示意性的截面俯視圖示出了替代實(shí)施例，其提供了用于烘烤出有 機(jī)材料(犧牲層)72的多個(gè)出口間隙。如圖38A所示，多個(gè)開口 70設(shè)置在Fue 1 Cell Stick 裝置10的一個(gè)側(cè)面上以提供用于有機(jī)材料72離開結(jié)構(gòu)的多個(gè)烘烤路徑。如圖38B所示出 的，在烘烤之后，通過向Fuel Cell Stick 裝置10的側(cè)面應(yīng)用阻擋涂層60而被閉合。例 如，阻擋涂層60可以是玻璃涂層。在另一示例中，阻擋涂層60可以是包含陶瓷填料的玻璃。 在又一實(shí)施例中，阻擋涂層60可以是接觸焊盤44，如果用漿料填充，這對(duì)于產(chǎn)生的功率也 起到低電阻路徑的作用。銀漿還可以包含玻璃以便增強(qiáng)粘合性。在示例性的實(shí)施例中，用 于陰極26的烘烤路徑被通至Fuel Cell Stick 裝置10的一個(gè)側(cè)面且用于陽(yáng)極24的烘烤 路徑被通至裝置10的相對(duì)側(cè)，以避免相對(duì)的電極之間的短路。在Fuel Cell Stick 裝置10、100、200、300的替代實(shí)施例中，與具有分別與陰極 26或陽(yáng)極24成一直線的開放的空氣通路20和燃料通路14相反，通過使用允許空氣或燃料 流動(dòng)的多孔電極材料，可以組合陰極和空氣通道并且可以組合陽(yáng)極和燃料通道。陰極和陽(yáng) 極必須是多孔的以允許發(fā)生反應(yīng)，因此在與強(qiáng)制空氣和燃料輸入的組合中，通過Fuel Cell Stick 裝置可以實(shí)現(xiàn)足夠的流動(dòng)以允許發(fā)生發(fā)電反應(yīng)。本發(fā)明的另一實(shí)施例以示意性的截面端部視圖示出在圖39中。該實(shí)施例基本上 是Fuel Cell Stick 裝置10的陽(yáng)極支撐樣式。與其它實(shí)施例一樣，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10可以具有熱端部32和冷端部30，或兩個(gè)冷端部30和中間的熱區(qū)域32。與具有由陶 瓷29支撐的裝置10相反，陽(yáng)極支撐的樣式使用陽(yáng)極材料作為支撐結(jié)構(gòu)。在陽(yáng)極結(jié)構(gòu)內(nèi)，燃 料通路14和空氣通路20設(shè)置成相對(duì)的關(guān)系?？諝馔?0與電解質(zhì)層28成一直線，然后 與陰極層26成一直線。化學(xué)氣相沉積可以用于沉積內(nèi)部層，或通過使用粘性糊的溶液。在圖40A和40B中，又一實(shí)施例示出了 Fuel Cell Stick 裝置10的陽(yáng)極支撐樣 式。在該實(shí)施例中，消除了單獨(dú)的開放的燃料通路14，使得多孔陽(yáng)極24也用作燃料通路14。 此外，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10涂覆有阻擋涂層60，例如玻璃涂層或陶瓷涂層，以防止燃 料從裝置10的側(cè)面出來。如有需要，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10可以在陽(yáng)極結(jié)構(gòu)中具有許 多與電解質(zhì)28和陰極26相關(guān)的空氣通路14。如圖40B所示，來自燃料供給34的燃料被迫 使通過多孔陽(yáng)極24 (其起到燃料通路14的作用)進(jìn)入第一端部11a，然后穿過電解質(zhì)層28 和陰極26以與來自空氣供給36的空氣反應(yīng)，然后廢空氣和燃料從空氣出口 22出來。在以示意性的截面端部視圖示出在圖41中和以示意性的截面俯視圖示出在圖 41B中的另一實(shí)施例中，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10可以包括設(shè)置在陽(yáng)極支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)的多個(gè) 空氣通路20，與多個(gè)空氣通路20垂直的單個(gè)燃料通路14以便將來自燃料供給34的燃料通 過單個(gè)燃料入口 12供應(yīng)至多個(gè)空氣通路20。而且，空氣通路20先與電解質(zhì)層28成直線， 然后與陰極26成直線。燃料從單個(gè)燃料通路14穿過陽(yáng)極結(jié)構(gòu)24，穿過電解質(zhì)28陰極穿過 陰極26以在空氣通路20內(nèi)與空氣反應(yīng)，以及廢燃料和空氣從空氣出口 22離開。廢燃料還 可以滲出不包括阻擋涂層60的Fuel Cell Stick 裝置10的側(cè)面，其未涂覆的側(cè)面可以位 于裝置10的與單個(gè)燃料通路14的方位相對(duì)的側(cè)面上。在涉及陽(yáng)極支撐結(jié)構(gòu)的實(shí)施例中，應(yīng)該意識(shí)到該結(jié)構(gòu)可以基本上轉(zhuǎn)變成陰極支撐 結(jié)構(gòu)。涂覆有電解質(zhì)層28和陽(yáng)極層14的燃料通路14將被設(shè)置在陰極結(jié)構(gòu)中。單獨(dú)的空 氣通路20或多個(gè)空氣通路20也可以被設(shè)置，或陰極26的多孔性可以用于空氣流動(dòng)。圖42A-42C示出了在空氣通路20和燃料通路14內(nèi)形成電極的方法。以燃料通路 14和陽(yáng)極24為例，與在本實(shí)施例中使用多層坯體陶瓷和金屬帶層或印刷金屬化來一層接 一層地聚積坯體結(jié)構(gòu)層相反，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10首先被構(gòu)建成無電極。換句話說， 坯體陶瓷材料用于形成Fuel Cell Stick 裝置10的電解質(zhì)28和陶瓷支撐部分29且有機(jī) 材料用于形成通路，例如燃料通路14。在燒結(jié)Fuel Cell Stick 裝置10之后，燃料通路 14填充有陽(yáng)極漿或溶液。漿可以是稠的，就像印刷油墨，或是流狀的(rurmy)，就像高含量 的水溶液。陽(yáng)極材料可以通過任何期望的方式填充到燃料通路14中，例如經(jīng)由真空、通過 毛細(xì)管力吸入陽(yáng)極材料，或經(jīng)由空氣壓力迫使陽(yáng)極材料進(jìn)入。或者，如圖42A-42C所顯示的，陽(yáng)極材料溶解在溶液中，流入燃料通路14中，然后 沉淀。例如，通過改變PH，陽(yáng)極顆?？梢员怀恋?，而溶液被抽吸出。在另一替代實(shí)施例中，陽(yáng) 極顆粒可以僅被允許沉降，然后從燃料通路14干燥或烘烤出液體。該沉降可以伴有產(chǎn)生油 墨或液體載體，這將不會(huì)使顆粒保持懸浮達(dá)任何延長(zhǎng)的時(shí)間段，例如因?yàn)榈偷恼扯取ｋx心機(jī) 也可以用于迫使沉降。離心機(jī)可以易于允許大部分顆粒優(yōu)先沉降到燃料通路14的一個(gè)表 面上以由此保護(hù)電極材料并確保只有燃料通路14的一個(gè)表面用作電解質(zhì)。如圖42A所示，包含陽(yáng)極顆粒的溶液66被引入燃料通路14中，直到通路14完全被 填充，如圖42B所示出的。接著，顆粒沉降到通路14的底部以形成陽(yáng)極層24，如圖24C所示 出的。與通常的毛細(xì)管力相比，溶液66的涌入可以依靠重力、真空或離心機(jī)進(jìn)行加速。當(dāng)然，雖然陽(yáng)極24和燃料通路14被用作示例，但是這些替代實(shí)施例中的任一個(gè)也可以與陰極 漿或溶液一起使用以在空氣通路20內(nèi)產(chǎn)生陰極層26。在另一替代實(shí)施例中，陶瓷電極材料(陽(yáng)極或陰極)可以在液體的溶膠_凝膠狀 態(tài)被注入通路(燃料或空氣)，然后沉積在通路內(nèi)部。還可以重復(fù)多次填充操作，例如在液 體內(nèi)的期望的電極材料的濃度低的情形中，或還可以在電極中提供性能的梯度(諸如在接 近電解質(zhì)的電極中提供不同量的YSZ對(duì)遠(yuǎn)離電解質(zhì)的電極中的YSZ的量)，或如果期望將不 類似材料的多層放置在一起(諸如，在電解質(zhì)附近是LSM，然后為了更好的傳導(dǎo)性在LSM之 上是銀來制造的陰極)。返回參考圖7C和7D，其中陶瓷球體或球用于為空氣通路20和燃料通路14提供結(jié) 構(gòu)支撐，陶瓷顆粒還可以用于增大用于更大的反應(yīng)面積的有效表面積，因而產(chǎn)生更高的輸 出。在涂覆電極層之前，非常細(xì)粒度的陶瓷球或球體可以使用在燃料通路14和空氣通路20 的內(nèi)部。如在圖43中以示意性的截面?zhèn)纫晥D示出的，表面顆粒62填塞通路14以提供具有 不均勻形貌的電解質(zhì)層28，這增大了可用于接收電極層的表面積。陽(yáng)極24隨后被涂覆到不 均勻的形貌上，且陽(yáng)極材料到處涂覆表面顆粒62，由此增大反應(yīng)面積。在以示意性的截面?zhèn)纫晥D示出在圖44中的替代實(shí)施例中，電解質(zhì)層28可以被層 壓，以便提供不均勻的形貌或織地粗糙的表面層(textured surface layer)46，例如通過 靠著具有V形圖案的細(xì)粒度(fine grading)擠壓坯體電解質(zhì)層，該圖案隨后被賦予電解質(zhì) 層28。在燒結(jié)電解質(zhì)層28以固化陶瓷和織地粗糙的表面層之后，然后可以涂覆陽(yáng)極層24， 例如通過使用描述在上文的圖42A-42C的回填工藝中，以提供具有高反應(yīng)面積的陽(yáng)極。圖45A和45B示出了本發(fā)明的又一實(shí)施例。圖45A是示出了空氣和燃料流過空氣 通路和燃料通路以及電極的布置的示意性俯視圖，圖45B是穿過熱區(qū)域32的截面圖。沿著 Fuel Cell Stick 裝置10的長(zhǎng)度，該裝置被分成左側(cè)80和右側(cè)82以及其間的中間物或 橋接部分84。多個(gè)空氣通路20L從Fuel Cell Stick 裝置10的第一端部Ila沿著長(zhǎng)度 延伸通過左側(cè)80并從鄰近第二端部lib的左側(cè)80離開，以及多個(gè)空氣通路20R從第一端 部Ila沿著長(zhǎng)度延伸通過右側(cè)82并從鄰近第二端部lib的右側(cè)82離開Fuel Cell Stick 裝置10?？諝馔?0L偏離空氣通路20R，正如圖45B最佳顯示的。多個(gè)燃料通路14L從 Fuel Cell Stick 裝置10的第二端部lib沿著長(zhǎng)度延伸通過左側(cè)80并從鄰近第一端部 Ila的左側(cè)80離開，以及多個(gè)空氣通路14R從第二端部lib沿著長(zhǎng)度延伸通過右側(cè)82并從 鄰近第一端部Ila的右側(cè)82離開。燃料通路14L偏離燃料通路14R。此外，除了一個(gè)燃料 通路和一個(gè)空氣通路外，每一個(gè)燃料通路14L與空氣通路20R成對(duì)并略微偏離其，且每一個(gè) 空氣通路20L與燃料通路14R成對(duì)并略微偏離其。對(duì)每一對(duì)偏離的燃料通路14L和空氣通 路20R來說，金屬化沿著每一個(gè)燃料通路14L從左側(cè)80延伸到右側(cè)82，然后其沿著略微偏 離的空氣通路20R延伸。類似地，對(duì)每一對(duì)偏離的燃料通路14R和空氣通路20L來說，金屬 化(metallization)沿著每一個(gè)空氣通路20L從左側(cè)80延伸到右側(cè)82，然后其沿著略微偏 離的燃料通路14R延伸。當(dāng)金屬化沿著燃料通路14L或14R延伸時(shí)，金屬化起到陽(yáng)極24L 或24R的作用，而當(dāng)金屬化沿著空氣通路20L或20R延伸時(shí)，金屬化起到陰極26L或26R的 作用。在Fuel Cell Stick 裝置10的橋接部分84中，金屬化并不沿著任何空氣通路或燃 料通路延伸，金屬化僅僅起到陽(yáng)極與陰極之間的橋接物90的作用。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例 中，金屬化可以包括沿著其長(zhǎng)度的相同材料，使得陽(yáng)極24L或24R、橋接物90以及陰極26L或26R的每一個(gè)包括相同的材料。例如，金屬化可以包括鉬金屬，其作為陽(yáng)極或陰極都表現(xiàn) 良好?？蛇x擇地，金屬化可以包括不同的材料。例如，陰極26R或26L可以包括亞錳酸鑭鍶 (LSM)，而陽(yáng)極24R或24L包括鎳、NiO或NiO+YSZ。橋接物90可以包括鈀、鉬、LSM、鎳、NiO 或NiO+YSZ。本發(fā)明設(shè)想適于用作陰極或陽(yáng)極，或其間的橋接材料的任意組合或類型的材 料，且本發(fā)明并不限于上面確定的具體材料。在Fuel Cell Stick 裝置10的一個(gè)側(cè)面上，此處示出為在右側(cè)82上，燃料通路 14R被設(shè)置有相配的陽(yáng)極24R，其延伸至Fuel Cell Stick 裝置10的右邊緣以提供外部的 暴露的陽(yáng)極25。不存在與此燃料通路14R相配的偏離的空氣通路20L，且陽(yáng)極24R并不延 伸到左側(cè)80中。如圖45A所示出的，外部的接觸焊盤44被施用到暴露的陽(yáng)極25上并沿著 Fuel Cell Stick 裝置10的長(zhǎng)度延伸到冷區(qū)域30中。然后負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)38經(jīng)由線42和 焊料連接46被連接到接觸焊盤44。如圖所示，陽(yáng)極24R可以延伸到右邊緣貫穿熱區(qū)域32， 或可以僅延伸小的突出部分以減少所使用的電極材料的量。而且，陽(yáng)極24R可以沿著燃料 通路14R的長(zhǎng)度延伸至Fuel Cell Stick 裝置10的右側(cè)，雖然這樣的實(shí)施例將涉及電極 材料的不必要的使用。類似地，在Fuel Cell Stick 裝置10的另一側(cè)面上，示出為在左側(cè)80上，單個(gè)空 氣通路20L被設(shè)置有相配的陰極26L，其延伸至Fuel Cell Stick 裝置10的左側(cè)以形成 暴露的陰極27。此空氣通路20L并不與偏離的燃料通路14R相配，且不需要陰極26L延伸 至右側(cè)82。接觸焊盤44可以沿著Fuel CellStick 裝置10的左側(cè)80的外部從暴露的陰 極27到冷端部30被施用，在冷端部30處，正電壓節(jié)點(diǎn)40可以經(jīng)由線42和焊料連接46被 連接至接觸焊盤44。在圖45B中，單個(gè)燃料通路14R和相配的陽(yáng)極24R顯示為在右側(cè)82的頂部處，而單 個(gè)空氣通路20L和相配的陰極26L顯示為在Fuel Cell Stick 裝置10的左側(cè)的底部處。 然而，本發(fā)明并不限于此布置。例如，空氣通路20L和相配的陰極26L也可以在左側(cè)80上 被設(shè)置在裝置10的頂部，按照與單個(gè)燃料通路14R和其相配的陽(yáng)極24R類似的偏離方式， 但金屬化將不會(huì)從左側(cè)80通過橋接部分84至右側(cè)82。相反，橋接物90將不存在，使得陽(yáng) 極24R與陰極26L電分離。設(shè)想了另外的布置，其中Fuel Cell Stick 裝置10可以在單 個(gè)Fuel Cell Stick 裝置10內(nèi)被設(shè)置有兩個(gè)獨(dú)特的空氣路徑堆和兩個(gè)獨(dú)特的燃料路徑 堆，且電池成串連連接。圖45A和45B所示出的實(shí)施例具有升高電壓，而不會(huì)升高電流的優(yōu) 勢(shì)，且同時(shí)維持低電阻。而且，此實(shí)施例在Fuel Cell Stick 裝置10內(nèi)提供了高密度。在圖46A和46B中，分別以示意性透視圖和示意性截面圖示出了可選擇的實(shí)施例。 前述實(shí)施例(如，圖37)沿著Fuel Cell Stick 裝置10的外側(cè)面或邊緣從熱區(qū)域32到冷 區(qū)域30設(shè)置了外部條以為電子行進(jìn)到冷端部提供低電阻的路徑。在圖46A和46B的實(shí)施 例中，與沿著裝置10的側(cè)面或邊緣的條相反，接觸焊盤44被沿著一個(gè)側(cè)面和頂表面與底表 面的其中一個(gè)施用以便外部連接至陽(yáng)極24以及另一個(gè)接觸焊盤44被沿著相對(duì)的側(cè)面和頂 表面與底表面中的另一個(gè)施用以便外部連接至陰極26。因而，電子具有大或?qū)挼穆窂剑娮?沿著此路徑行進(jìn)，由此提供均勻的、較低的電阻。被施用到兩個(gè)相鄰表面上的這些大的接觸 焊盤44可以用在本文所公開的實(shí)施例中的任一個(gè)中。在圖47中，以示意性截面?zhèn)纫晥D示出了利用熱交換原理的Fuel Cell Stick 裝 置10的又一實(shí)施例。在加熱的空氣和燃料穿過熱區(qū)域32的活性區(qū)域33b(即，熱區(qū)域32
35的部分，在該部分中，陽(yáng)極24與陰極26成相對(duì)的關(guān)系且中間是電解質(zhì)28)之后，燃料通路 14和空氣通路20被連接成單個(gè)廢棄物通路(exhaust passage) 210當(dāng)與加熱的空氣組合 時(shí)，任何未反應(yīng)的燃料將燃燒，因而產(chǎn)生額外的熱。廢棄物通路21行進(jìn)返回到鄰近活性區(qū) 域33b的冷區(qū)域30，廢棄物(廢燃料和空氣)的流動(dòng)方向與在相鄰的燃料通路14和空氣通 路20中的加入的燃料和空氣的方向是相反的。廢棄物通路21中產(chǎn)生的額外的熱被傳遞至 相鄰的通路14、20以加熱加入的燃料和空氣。。圖48A-48C示出了“端部卷曲的Fuel Cell Stick 裝置”400，其具有厚部分402， 厚部分402具有比薄部分404大的厚度，如圖48A所示出的。燃料入口 12和空氣入口 18被 鄰近第一端部Ila設(shè)置，第一端部Ila在厚部分402的端部處，且雖然未顯示，但是空氣出 口和燃料出口(16、22)可以被設(shè)置在裝置400的鄰近相對(duì)的第二端部lib的側(cè)面處，第二 端部lib在薄部分404的端部處。厚部分402應(yīng)該足夠厚以提供機(jī)械強(qiáng)度。這可以通過在 相鄰的燃料入口 12和空氣入口 18周圍提供厚陶瓷29來實(shí)現(xiàn)。薄部分404將包括活性區(qū) 域33b (未顯示)，其包括與陰極(未顯示)成相對(duì)關(guān)系的陽(yáng)極(未顯示)且電解質(zhì)(未顯 示)在陰極與陽(yáng)極之間(就像現(xiàn)有實(shí)施例中的一樣)。薄部分404應(yīng)該足夠薄以允許其處 于坯體(未燒)狀態(tài)時(shí)被卷曲，如圖48B所示。在薄部分404被卷曲到期望的致密度之后， 燒制裝置400。卷曲的薄部分404可以被加熱以引起反應(yīng)，而厚部分402是冷端部，正如在 其它實(shí)施例中討論的。端部卷曲的Fuel Cell Stick 裝置400是大表面積的裝置，其可以 通過卷曲薄部分404而被安裝到小的空間內(nèi)。而且，活性區(qū)域(33b)在薄部分404內(nèi)的薄 橫截面減少了沿著陶瓷將熱傳出并允許良好的溫度循環(huán)性能。在陽(yáng)極24和陰極26在活性(反應(yīng))區(qū)域32和/或33b內(nèi)，在Fuel Cell Stick 裝置10的邊緣(側(cè)面)處被暴露的實(shí)施例中，裝置10的頂部處的陶瓷29可以被下凹入活 性區(qū)域32和/或33b的區(qū)域內(nèi)。這允許從頂部進(jìn)入陰極26和陽(yáng)極24以便進(jìn)行電連接。接 觸焊盤44 (如，金屬化條)可以沿著Fuel Cell Stick 裝置10的頂表面從活性區(qū)域32和 /或33b到冷區(qū)域30被施用以提供至熱區(qū)域室/爐的外側(cè)的連接。在Fuel Cell Stick 裝置10包括相對(duì)的端部11a、lib處的兩個(gè)冷區(qū)域30和中 間的熱區(qū)域32的另一實(shí)施例中，用于陽(yáng)極24和/或陰極26的接觸焊盤(如，金屬化條) 可以，如從熱區(qū)域32出來朝Fuel Cell Stick 裝置10的兩個(gè)端部11a、lib前行，如圖36B 所示?？梢越⒅陵?yáng)極24和陰極26的兩個(gè)分開的電連接。舉個(gè)例子且并不是限制，一組 連接可以用于監(jiān)測(cè)來自電池的電壓輸出，而另一組連接可以連接負(fù)載并允許電流流動(dòng)。在 電池本身處單獨(dú)測(cè)量電壓的能力具有給出了來自電池的總功率輸出的更好構(gòu)想的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于接觸焊盤44 (例如，金屬化條)來說，可以使用本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的任何 合適的傳導(dǎo)材料。示例包括銀、LSM和NiO。還可以使用材料的組合。在一個(gè)實(shí)施例中，非 貴金屬材料可以在熱區(qū)域32內(nèi)沿著Fuel Cell Stick 裝置的表面被使用。例如，LSM可 以被使用在減少了熱區(qū)域室/爐的氣氛中。然而，在任一種情形中，如果材料在熱區(qū)域室/ 爐外側(cè)延伸，非貴金屬材料損失傳導(dǎo)性，使得金屬化材料必須在Fuel Cell Stick 裝置正 好離開熱區(qū)域室/爐之前，過渡到貴金屬或耐腐蝕材料。銀漿是便利的貴金屬材料。通過 進(jìn)一步的解釋，當(dāng)溫度從反應(yīng)溫度降至室溫時(shí)，諸如LSM的某些材料將會(huì)變成不傳導(dǎo)的，當(dāng) 在裝置10的冷端部30處暴露于空氣時(shí)，諸如鎳的其它材料將變成不傳導(dǎo)的。因而，在Fuel Cell Stick 裝置10的冷端部區(qū)域30內(nèi)用于接觸焊盤44的金屬化材料在空氣(非保護(hù)性氣氛)中和低溫下必須是傳導(dǎo)的。諸如銀的貴金屬橫跨溫度/氣氛過渡區(qū)域發(fā)揮作用， 使得Fuel Cell Stick 裝置10在離開熱區(qū)域室/爐之前，金屬化材料可以被過渡到貴金 屬。使用組合的材料允許基于熱區(qū)域32對(duì)冷區(qū)域30內(nèi)特定的傳導(dǎo)性需要來選擇，且允許 通過減少所使用的昂貴的貴金屬的量來降低成本。如在圖49A-49C中所示出的，在聚積坯體層的工藝過程中(圖49A)，線92或其它 物理結(jié)構(gòu)被置于裝置內(nèi)，各層與線92被層壓在合適的位置(圖49B)且在層壓之后去除線 92(圖49C)。這在，如燃料或空氣的進(jìn)入點(diǎn)處是有用的，在氣體流動(dòng)通路14、20進(jìn)入Fuel Cell Stick 裝置10的熱區(qū)域32 (反應(yīng)區(qū)域)之前，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10可以具有 數(shù)英寸的長(zhǎng)度。與在印刷必須在形成通路的工藝中被緩慢烘烤出來(baked out)的聚合物 相反，線工藝可以用于去除從Fuel Cell Stick 裝置10的那部分烘烤出來的挑戰(zhàn)。舉個(gè) 例子且并不是限制，可以使用具有0. 010英寸直徑的線92，這樣將易于抽出線。線92還可 以被平直地卷曲，以形成具有與線類似體積的帶狀物理結(jié)構(gòu)，但橫截面更短。由于帶具有更 大的表面積，因此脫模劑可以應(yīng)用到帶的表面以避免帶在層壓過程中粘附到陶瓷層。因而， 術(shù)語(yǔ)“線”期望廣義地包括各種物理結(jié)構(gòu)，它們是長(zhǎng)而窄的，無論橫截面是圓形、橢圓形、正 方形、矩形等。圖50A-50C示出了形成用于1層Fuel Cell Stick 裝置10的入口通道的實(shí)施例。 在此實(shí)施例中，與使用間隙形成帶94(如，聚合物或蠟帶)形成整個(gè)燃料通路14和氧化劑 通路20相反，間隙形成帶94僅僅被使用在活性區(qū)域33b內(nèi)，即在陽(yáng)極24和陰極26被設(shè)置 成相對(duì)的關(guān)系且中間是電解質(zhì)29的區(qū)域內(nèi)。在燃料通路14和氧化劑通路20不具有相配 的相對(duì)的陽(yáng)極24和陰極26的非活性區(qū)域內(nèi)，線92被使用，而不是間隙形成帶94。如所顯 示的，線92接觸或覆蓋氣體形成帶94，使得通過線92和間隙形成帶94形成的通路14、20 從入口 12、18到出口 16、22(未顯示)是連續(xù)的。當(dāng)Fuel Cell Stick 裝置10變得越來越復(fù)雜，那么使用此線構(gòu)想就可能變得越 來越有用，例如，可以簡(jiǎn)化多層Fuel Cell Stick 裝置10 (如，50層)的復(fù)雜的烘烤出來的 挑戰(zhàn)。這部分是因?yàn)槿コ辰Y(jié)劑，尤其在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中去除粘結(jié)劑所面臨的挑戰(zhàn)是粘結(jié)劑 烘烤出來的產(chǎn)物必須從它們被產(chǎn)生(因聚合物的分解)的位置處行進(jìn)到Fuel Cell Stick 裝置10的外部。然而，在線92被抽出結(jié)構(gòu)之后，沿著此空位的路徑是空置的和暢通的。如 果線92 (或其它合適的物理結(jié)構(gòu))可以被置于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中，那么線被抽出后，由此產(chǎn)生的 空位可以允許結(jié)構(gòu)內(nèi)的許多區(qū)域?yàn)楹婵境鰜淼漠a(chǎn)物很快地找到從結(jié)構(gòu)中出來的路徑。線構(gòu)想的另一有用的目的是有助于Fuel Cell Stick 裝置10內(nèi)的壓力分配。當(dāng) 單個(gè)管將空氣或燃料供應(yīng)至Fuel Cell Stick 裝置10時(shí)，那么沿著Fuel Cell Stick 裝 置10內(nèi)的許多通路/通道可以存在不同的流速。例如，如果在Fuel Cell Stick 裝置10 內(nèi)存在50條空氣通路20，相當(dāng)于50個(gè)活性層，那么可以有一條截面積略微更大的通路，可 以有一條截面積略微更小的通路。這可能是因?yàn)殚g隙形成材料的尺寸無規(guī)變化引起的。一 個(gè)辦法是限制每一層出口處的截面積。如果可以準(zhǔn)確地形成每一層出口點(diǎn)處的截面積，使 得那些截面積是相同的，且如果出口點(diǎn)處的截面積小于流動(dòng)通道的面積，且如果所有那些 出口點(diǎn)處的面積小于輸入管的截面積，那么每一層上的流量將是相同的。這對(duì)進(jìn)行氣體流 動(dòng)和流體流動(dòng)都是一致的。線構(gòu)想能夠?qū)崿F(xiàn)此辦法。在每一層的出口點(diǎn)處，線92被插入以 建立氣體到外部世界的最終通路。對(duì)50層來說，插入了 50根短的線部件。當(dāng)它們被抽出時(shí)，每一層都具有準(zhǔn)確的出口尺寸(如，5mil直徑的通路)。因此，本發(fā)明設(shè)想多層Fuel Cell Stick 裝置10，其中每一層的出口點(diǎn)的截面積 小于其自身的流動(dòng)路徑截面積。本發(fā)明還設(shè)想多層Fuel Cell Stick 裝置10，其中每一 層的出口點(diǎn)被準(zhǔn)確加工，使得它們?cè)谝恍┙o定的位置處具有準(zhǔn)確的相同的橫截面積。本發(fā) 明又設(shè)想了多層Fuel Cell Stick 裝置10，其中所有出口面積加在一起小于輸入的截面 積。在這些實(shí)施例中，出口點(diǎn)的截面積被界定為是在流動(dòng)路徑內(nèi)超出層的活性部分的端部， 但在Fuel Cell Stick 裝置10的端部輸出點(diǎn)之前的一些位置處。換句話說，此流動(dòng)路徑 內(nèi)的點(diǎn)并不是準(zhǔn)確地在Fuel Cell Stick 裝置10的出口點(diǎn)處，而僅是在活性區(qū)域的稍微 下游的位置。在前面的實(shí)施例中，已經(jīng)討論了熱區(qū)域32和熱區(qū)域室。熱區(qū)域室也可以被稱為 爐。冷區(qū)域或冷端部區(qū)域30被設(shè)置在爐之外。過渡區(qū)域31是Fuel Cell Stick 裝置10 的鄰近爐內(nèi)區(qū)域的區(qū)域。正如圖51所示出的，爐壁96具有總厚度T。Fuel Cell Stick 裝置10穿過此爐壁96。Fuel Cell Stick 裝置10在壁96內(nèi)的長(zhǎng)度是X尺寸且等于厚度 T0當(dāng)Fuel Cell Stick 裝置10穿過壁96時(shí)，其寬度是Y尺寸。Fuel Cell Stick 裝置 10的厚度是Z尺寸?；诖藢?shí)施例的目的，Z小于或等于Y。根據(jù)用于最佳條件的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)Fuel Cell Stick 裝置10穿過壁 96時(shí)，爐壁厚度T應(yīng)該大于Fuel Cell Stick 裝置10的寬度Y。如果小于Y，那么當(dāng)Fuel Cell Stick 裝置10穿過壁96時(shí)，其上的應(yīng)力可能太高，那么Fuel Cell Stick 裝置10 就可能開裂。在另一個(gè)實(shí)施例中，正如示出在圖52A-52C中的，在Fuel Cell Stick 裝置10， (100、200、300或400)穿過爐壁96的部分處，尺寸L是在與Fuel Cell Stick 裝置10， (100、200、300或400)的裝置10的長(zhǎng)度方向相交的平面上(即，在Y-Z平面上)的最大尺 寸。對(duì)矩形的Fuel Cell Stick 裝置10 (100，400)來說，最大尺寸L可以是對(duì)角線，正如 顯示在圖52B中的。對(duì)管狀的Fuel Cell Stick 裝置200、300來說，最大尺寸L可以是直 徑。對(duì)最佳條件來說，該尺寸應(yīng)該是使T >1/2L。壁厚T可以由一種均勻的材料(絕緣)98制成。可選擇地，正如圖53中所示出 的，壁厚度T還可以多個(gè)、分級(jí)的絕緣層制成，諸如三個(gè)絕緣層98a、98b、98c，使得每一層內(nèi) 的傳熱性能被優(yōu)化以產(chǎn)生可能最好的溫度過渡結(jié)果。在多層爐厚96’的情形中，所有層的 總厚度T加在一起應(yīng)該大于Y和/或大于或等于1/2L，但壁96’的一層的厚度可以小于Y 和/或小于1/2L。。在另一實(shí)施例中，正如示出在圖54中，被設(shè)置了多層爐壁96”，其中多層的98a、 98c可以被空氣間隙120分隔開。在此設(shè)計(jì)中，可以是高溫絕緣層98c靠近熱區(qū)域32，而較 低溫度的絕緣層98a靠近冷區(qū)域30。中間的(中間的)溫度區(qū)域，如位于兩個(gè)絕緣層98a、 98c之間，這相當(dāng)于過渡區(qū)域31或預(yù)熱區(qū)域33a。此實(shí)施例可以為流入Fuel Cell Stick 裝置10的空氣實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的預(yù)熱區(qū)域，同時(shí)不會(huì)使?fàn)t的最熱區(qū)域更大。在此實(shí)施例中，當(dāng) Fuel Cell Stick 裝置10穿過壁96”時(shí)，壁96”的一層的厚度可以被制成小于Fuel Cell Stick 裝置10的Y尺寸和/或小于1/2L。但壁96”的總尺寸T包括層98a和98c，且空 氣間隙120將大于Fuel Cell Stick 裝置10的Y尺寸和/或大于或等于1/2L。此實(shí)施 例進(jìn)一步設(shè)想了超過兩個(gè)絕緣層。
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上面的討論是先制造沒有陽(yáng)極和陰極的Fuel Cell Stick 裝置10，然后稍后再 反填充那些元件。這樣做的原因可能是某些陽(yáng)極或陰極材料在&的燒結(jié)溫度下會(huì)過度密 實(shí)，而如果太密實(shí)的話，將不允許良好的反應(yīng)?；蛘吒ǔ５卣f，如果系統(tǒng)的不同部件不希 望用相同的溫度曲線來最佳地?zé)Y(jié)，那么反填充可能是必要的。然而，更難以提供在陽(yáng)極或陰極的頂部部分上提供集電器。正如在下面討論的圖 55A-55E中所顯示的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知集電器122是被設(shè)置成陽(yáng)極或陰極的表面部 分的高密度電極。集電器122通常是高度導(dǎo)電的層或基體，就像細(xì)線一樣，其能夠收集電子 并使它們移動(dòng)到它們需要去的地方。集電器122可以由NiO或LSM，或一些其它低成本材 料，或甚至昂貴的電極。在用于形成陽(yáng)極和陰極的反填充工藝之后，難以按照均勻的方式放 上精確的集電器。但集電器的挑戰(zhàn)不同于陽(yáng)極或陰極的挑戰(zhàn)。期望陽(yáng)極和陰極是多孔的， 這會(huì)造成過燒制的危險(xiǎn)；而集電器是期望密實(shí)的(為了良好的傳導(dǎo)率)，這樣可以，集電器 能夠與Zr —起被供燒制。在反填充之前，當(dāng)集電器122可以被放置到電解質(zhì)28上時(shí)，使得 集電器在陽(yáng)極和陰極之下，接觸電解質(zhì)28，此布置在電解質(zhì)28上阻塞活性區(qū)域，這不必要 地浪費(fèi)了活性區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，且正如描述在圖55A-55E中的，集電器122被設(shè)置并被共燒 制，以便使它們浮動(dòng)在Fuel Cell Stick 裝置10內(nèi)的空間中。這可以通過下述方式實(shí)現(xiàn) 將集電器122印刷到犧牲的第一有機(jī)層72a(如，聚合物)之上，然后在集電器122的頂部 上涂覆犧牲的第二有機(jī)層72b (如，聚合物)，如圖55A示意性顯示的。集電器122由此被 夾在兩個(gè)犧牲的有機(jī)層72a、72b之間，如圖55B所顯示的。Fuel Cell Stick 裝置10被 構(gòu)件，包括將犧牲層/集電器結(jié)構(gòu)置于陶瓷支撐結(jié)構(gòu)29內(nèi)，如圖55C所示，然后被燒結(jié)，由 此犧牲的有機(jī)層72a、72b消失以形成間隙123且集電器122被留置浮動(dòng)在間隙123內(nèi)的空 間中，如圖55D所示。易于將多孔的陽(yáng)極或陰極反填充到間隙123中，以完成陽(yáng)極或陰極的 形成。還可以使用使用如上所述的支撐柱54，使得浮動(dòng)的集電器122置于支撐柱54上，如 圖55E所示，以提供機(jī)械支撐或使該位置標(biāo)準(zhǔn)化。為了實(shí)現(xiàn)此，可以在聚合物的第一犧牲層 72a內(nèi)產(chǎn)生周期性地通孔或小間隙，使得集電器材料將會(huì)周期性地向下印到孔內(nèi)。在粘結(jié)劑 去除之后，此填充的孔變成支撐柱54?？蛇x擇地，氧化鋯球可以被添加到犧牲的聚合物間隙 材料中。由于犧牲的聚合物溶解，所以集電器122將會(huì)粘附到那些球，且球?qū)?huì)粘附到陶瓷 支撐結(jié)構(gòu)29，如圖56A和56B所示，因而提供了支撐。多孔的陽(yáng)極24或陰極26可以反填充 到空間內(nèi)，如圖57A和57B所示，電極顆粒124被固定在粘性液體126中以便反填充，隨后 該裝置被干燥且顆粒沉降并被燒結(jié)以形成陽(yáng)極24或陰極26。陽(yáng)極或陰極顆粒可以被選擇 性地沉積到一個(gè)側(cè)面，如果這是有用(通過重力或通過離心作用)的話。就使用印刷窗格線的集電器形式來說，可以存在空氣通路14或燃料通路20的間 隙尺寸的一些變化，這導(dǎo)致通路在集電器122處被收縮或堵塞。由于燒結(jié)過程中隨機(jī)的尺 寸變化，所以發(fā)生了此變化。圖58A-58C是顯示了幾乎造成通路14、20堵塞的集電器122的 示例的顯微照片。通路14、20的目的是具有暢通的流動(dòng)。使通路更大是可能的，但這將不 必要地降低Fuel Cell Stick 裝置10的密度(通路越厚且層越厚，多層裝置的功率密度 越低)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，為了降低通路14、20在集電器122處被堵塞的可能性， 集電器線可以被埋置在多孔的陽(yáng)極24和陰極26內(nèi)。正如圖59和60所示的，其中圖59顯 示了集電器122在陽(yáng)極24和陰極26的表面上，而圖60顯示了集電器122被埋置在陽(yáng)極24和陰極26的表面內(nèi)，如果集電器122被埋置在多孔的陽(yáng)極24和陰極26 (或基本上被埋置 到陽(yáng)極/陰極中)，那么集電器122將較不可能堵塞氣體流動(dòng)的路徑。圖69顯示了已經(jīng)被 下凹到多孔的陽(yáng)極或陰極中的實(shí)際的集電器痕跡。埋置集電器122的方法顯示在圖61A-61C中。首先，將集電器122分配或印刷到 臨時(shí)基板128上。然后，用電極材料覆蓋此集電器122，諸如通過印刷糊或用含有電極顆粒 124的粘性液體126反填充并干燥。最后，去除臨時(shí)基板128。臨時(shí)基板128可以是一片塑 料且在干燥之后僅適度地粘合到電極材料，使得干燥后的塑料上的電極可以被翻轉(zhuǎn)并玻璃 塑料?？梢酝ㄟ^下述方式獲得相同或類似的結(jié)果將集電器122和陽(yáng)極/陰極24、26印刷 到已經(jīng)被插入到堆中的間隙形成帶94上，且在烘烤出和燒結(jié)過程中，間隙形成帶94將消 失，留下相同的最后結(jié)果。當(dāng)將陽(yáng)極24或陰極26印刷到集電器122的頂部上時(shí)，如果集電器122傾向于稍 微溶解并鋪展，那么可以使用具有不同溶解度的材料(在極端情況下，集電器122可以包含 溶于極性溶劑的樹脂材料，且多孔的電極油墨可以具有溶于非極性溶劑的樹脂材料)。期望 限制此鋪展，集電器122鋪展得過大將會(huì)產(chǎn)生降低氣體擴(kuò)散入多孔的陽(yáng)極24或陰極26中 的作用。因此，將會(huì)發(fā)生集電器122的一些鋪展是可能的，但集電器122的至少一部分被期 望地埋置在多孔的材料中。因而，本發(fā)明設(shè)想集電器122的一些部分被下凹入多孔的陽(yáng)極 24或陰極26中的集電器路徑，以便降低集電器122突起到燃料通路14或空氣通路20中。在多層Fuel Cell Stick 裝置10的活性區(qū)域33b中，將可以具有盡可能薄的電 解質(zhì)28，如ΙΟμπι。但超薄的電解質(zhì)增加了裝置的空氣側(cè)與燃料側(cè)之間的滲漏的可能性。越 薄的電解質(zhì)可以產(chǎn)生越高的功率，但太薄的話將使得開裂或滲漏，且從層中產(chǎn)生零輸出。根 據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，使電解質(zhì)28的可容許的厚度最小的關(guān)鍵是使陽(yáng)極厚度和陰極厚 度也促成了總的厚度，因此促成了總的強(qiáng)度。僅舉個(gè)例子而不是限制，如果期望IOOym的 厚度來防止開裂，且每一個(gè)陽(yáng)極24和陰極26測(cè)得為45 μ m,那么10 μ m的電極厚度將會(huì)工 作良好。(45+45+10 = 100)。在多層Fuel Cell Stick 裝置10的鈍化區(qū)域(沒有相對(duì)的陽(yáng)極和陰極的區(qū)域) 內(nèi)，要求存在不同的厚度。此鈍化區(qū)域擔(dān)負(fù)分配空氣和燃料的作用。這已經(jīng)在許多附圖中 被顯示為空氣和燃料分配通路重疊。本文中的要求也是具有防止開裂的某一厚度，但沒有 陽(yáng)極24和陰極26，本文中的陶瓷29必須比活性區(qū)域33b內(nèi)的電解質(zhì)層29厚。因此，在上 文的實(shí)施例中，鈍化區(qū)域內(nèi)的陶瓷29必須是100 μ m,而活性區(qū)域33b內(nèi)的電解質(zhì)層28可以 更薄，諸如10 μ m。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了用于獲得具有兩個(gè)厚度的陶瓷電解質(zhì)28、29的 單獨(dú)層的方法在鈍化的氣體通路區(qū)域內(nèi)的較厚的陶瓷29和在活性區(qū)域33b內(nèi)的較薄的陶 瓷電解質(zhì)28。示出在圖62-62A中的此方法使用三個(gè)陶瓷帶部件130以在鈍化的氣體流動(dòng) 區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生陶瓷29。帶部件130a、130c中的兩個(gè)終止且僅有中間的帶130b繼續(xù)到活性區(qū) 域33b中以起到相對(duì)的陽(yáng)極24和陰極26之間的陶瓷電解質(zhì)28的作用。以離開爐以便進(jìn)行低溫連接的細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)為背景，在上文呈現(xiàn)了許多構(gòu)想。然而， 許多構(gòu)想也可以被使用在并不離開爐和/或具有板形狀或類似形狀的多層燃料電池裝置 中。本發(fā)明中可獲得的裝置的密度可以在其中在爐內(nèi)建立了至熱燃料電池裝置的連接的其 它燃料電池裝置和系統(tǒng)中獲得。例如，本文公開的可以使用在其它燃料電池裝置中的構(gòu)想
40包括聚合物帶，填充了圓形球的聚合物帶、用于形成出口或進(jìn)入通路的線、起到兩個(gè)電極作 用的一個(gè)通路、槳形裝置、干燥因重力或離心作用而朝一側(cè)懸浮的電極、用于終止和串連樣 式的側(cè)面間隙。集電器122具有允許電極(陽(yáng)極24和陰極26)中產(chǎn)生或消耗的電子在低電阻路 徑中按它們的方式行進(jìn)到負(fù)載(電壓節(jié)點(diǎn)38、40)。最佳的電極樣式并不是非常傳導(dǎo)的，這 是因?yàn)槠浔仨氃试S好幾種情況同時(shí)發(fā)生存在允許氣體流動(dòng)的孔，在電極中存在允許氧離 子朝電解質(zhì)流動(dòng)的陶瓷以及存在允許電子流動(dòng)的電子導(dǎo)體。存在孔和陶瓷意味著整個(gè)電極 將具有比其僅由電子導(dǎo)體制成時(shí)高的電阻。一旦釋放電子，那么重要的是允許電子沿高傳導(dǎo)率路徑行進(jìn)?，F(xiàn)有的集電器的樣 式是基于從導(dǎo)體中去除電解質(zhì)陶瓷，但仍保留孔隙率。這產(chǎn)生了傳導(dǎo)性更強(qiáng)的層。這印刷 在整個(gè)陽(yáng)極或陰極上。在多層結(jié)構(gòu)中此樣式的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是如果在燒結(jié)之后必須添加陽(yáng)極/ 陰極材料的話，那么可能難以按照所描述的產(chǎn)生兩個(gè)不同的層。上文描述了共燒制集電器 的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以使用的集電器122包括按照窗格圖案被印刷的高密度 導(dǎo)體材料(即，很小的孔隙率或無孔隙率，使得如果集電器被印刷到整個(gè)陽(yáng)極24或陰極26 之上時(shí)，其將抑制反應(yīng))。在一個(gè)實(shí)施例中，集電器按照直線圖案(也稱為窗格圖案)被印 刷，在窗格標(biāo)記之間留下敞開的空間以便氣體滲透。多孔的陽(yáng)極24和陰極26內(nèi)的氣體滲 透率是使得進(jìn)入窗格線之間的多孔材料的氣體也將在窗格線之下流動(dòng)。通過改變線到線 的跨距以及線寬度本身，可以找到最佳的幾何圖形。舉個(gè)例子，可以使用0.006”的線寬和 0.030”的線距。圖63示出了具有窗格圖案的集電器122的俯視圖。圖64示出了多孔的陽(yáng) 極或陰極之上的集電器122的側(cè)視圖。圖65示出了傾斜的視圖，按照從頂部到底部的順序 顯示了 集電器窗格、頂部的多孔的電極、電解質(zhì)以及底部的電極(由于斷裂，從電解質(zhì)中 突出)。隨著活性區(qū)域變大，還將可以改變不同區(qū)域內(nèi)的線寬度。小的導(dǎo)體線能夠進(jìn)給到較 大的導(dǎo)體線中，而較大的線能夠進(jìn)給到更加大的導(dǎo)體線中。上面描述了用于將燃料和空氣供給34、36連接至Fuel Cell Stick 裝置10的柔 性的供給管50。通過拉伸供給管50擴(kuò)張，可以使供給管50在Fuel Cell Stick 裝置10 的端部IlaUlb的其中一個(gè)上滑動(dòng)。粘合劑可以將供給管保持在合適的位置。根據(jù)本發(fā)明 的一個(gè)實(shí)施例，備選方案是形成Fuel Cell Stick 裝置10的端部Ila(和/或lib)且在 一側(cè)上由凹陷132，正如圖66A-66B所示出的，使得Fuel Cell Stick 裝置10將供給管50 機(jī)械固定在合適的位置。這得以通過用刳刨工具或立銑刀來機(jī)械加工Fuel Cell Stick 裝置10而最方便地在坯體狀態(tài)實(shí)現(xiàn)?；诖?，還可以使用連接器34，連接器34可以被夾到Fuel Cell Stick 裝置10 的一端部Ila(和/或lib)上，正如圖67A-67B中分別以頂部示意性截面圖和透視圖示出 的。連接器134可以是模制塑料，且具有集成的電接觸136和氣體流動(dòng)路徑138，任一個(gè)或 兩個(gè)，這取決于Fuel Cell Stick 裝置10的樣式，和氣密密封，諸如呈0型環(huán)的形式，以及 任一個(gè)或兩個(gè)用于連接接觸焊盤44的電接觸136。如果Fuel Cell Stick 裝置10是雙 端部Fuel Cell Stick 裝置10，使得一個(gè)極性是在Fuel Cell Stick 裝置10的每一端 部處離開Fuel Cell Stick 裝置10，那么連接器134仍可以在Fuel Cell Stick 裝置10 的每一端部處具有兩個(gè)或更多個(gè)電接觸136，以便產(chǎn)生較低電阻的接觸。電接觸136可以是在Fuel Cell Stick 裝置10的側(cè)面上或在Fuel Cell Stick 裝置10的頂部和底部上， 由于接觸更寬，在Fuel Cell Stick 裝置10的頂部和底部上將產(chǎn)生較低的電阻。雖然未示出，連接器34可以具有兩個(gè)0型環(huán)，由此提供在連接器134內(nèi)的兩部分 的密封一個(gè)部分用于空氣，另一個(gè)部分用于燃料。這樣的連接器可以用作單端Fuel Cell Stick 裝置10上的單個(gè)連接器，這提供了正接觸和負(fù)接觸，以及空氣和燃料輸送。上文描述的實(shí)施例包括用于裝置的兩個(gè)相對(duì)的端部lla、llb。然而，上述Fuel Cell Stick 裝置10的構(gòu)想可以被應(yīng)用到具有超過2個(gè)端部或出口點(diǎn)留在爐內(nèi)的裝置500。 例如，圖68A-68B示出了具有4個(gè)出口點(diǎn)的裝置。四個(gè)位置可以提供空氣入口 18、空氣出口 22、燃料入口 12和燃料出口 16。這可以容易地將未燃燒的燃料循環(huán)到爐加熱操作中?？梢?使用不是2和4的出口點(diǎn)，諸如3或6。所使用的支撐球(參見圖7C-7D)可以被使用在非在Fuel Cell Stick 裝置10 的燃料電池中，如正方形的板裝置。支撐球允許在多層結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生大面積，而不會(huì)使不同的 層在彼此上塌陷。該裝置可以在通常的多層板內(nèi)具有大的、敞開的區(qū)域?；蛘撸撗b置可以 具有0. 5英寸寬，但具有許多英寸長(zhǎng)的路徑來填充該區(qū)域。在任一種情形中，本文所公開的 球技術(shù)將是有優(yōu)勢(shì)的。球的關(guān)鍵構(gòu)想是它們是圓的，這能夠防止戳穿。由于存在使電解質(zhì)、陽(yáng)極和陰極薄 (為了密度和為了更高的性能)的需求，所以因使用不規(guī)則形狀的材料而可能產(chǎn)生戳穿。砂 和砂礫能夠戳進(jìn)電解質(zhì)中并造成滲漏。另一方面，電解質(zhì)可以在球周圍輕微變形而不會(huì)造 成滲漏或撕裂。類似地，圖7A-7B的柱構(gòu)想可以被使用在非Fuel Cell Stick 裝置10形 式的多層燃料電池結(jié)構(gòu)中。在圖38A-38B中，顯示了使用多個(gè)烘烤出來的端口，它們稍后可以被密封。對(duì)SOFC 或其它燃料電池裝置的任何多層方法來說，這都是有優(yōu)勢(shì)的構(gòu)想。而且，考慮到大板，設(shè)計(jì) 者將產(chǎn)生具有大面積的氣體通路，且需要去除填充那些空間的有機(jī)材料。然而，通常僅存在 一個(gè)燃料入口點(diǎn)和一個(gè)燃料出口點(diǎn)?？諝夥矫嬉彩窍嗤那闆r。就這種大面積的有機(jī)材料， 但太少的出口點(diǎn)來說，其中一個(gè)最大的制造挑戰(zhàn)將可能是避免脫層。脫層的解決辦法是產(chǎn)生許多烘烤出來的點(diǎn)，小的開口，這可以允許烘烤出來氣體 或液體(在使用蠟的情形中)以對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最小應(yīng)力的方式從結(jié)構(gòu)出來。在燒結(jié)多 層結(jié)構(gòu)之后，易于稍后返回并用固體材料填充那些小的烘烤出來的點(diǎn)以防止?jié)B漏(諸如玻 璃_陶瓷的組合)。線92的構(gòu)想非常像上面的烘烤出來的點(diǎn)的構(gòu)想，且非常用于多層結(jié)構(gòu)。假設(shè)制造 4英寸的正方形板，且板內(nèi)具有20或50個(gè)活性層。可以產(chǎn)生烘烤出來的端口以便更容易 進(jìn)行有機(jī)物去除。如果這些方便的烘烤出來的端口能夠到達(dá)板的中心，那么這將甚至更好。 這可以通過插入線92然后在層壓之后抽出線92來實(shí)現(xiàn)。線92可以切割橫跨若干區(qū)域，這 些區(qū)域可以另外在板的中間與外部世界之間行進(jìn)非常長(zhǎng)的距離。此構(gòu)想并不必須準(zhǔn)確地是 如上所述的線。那僅僅是最方便的形式，因?yàn)槠渚哂械偷谋砻娣e。物理部件可以是扁平的， 如0.002”厚乘0.200”寬。在那種情形中，可能需要被脫膜劑覆蓋以防止各層被粘附。不 管怎樣，該構(gòu)想是被插入到結(jié)構(gòu)中，然后被去除以便有利于有機(jī)物去除的物理部件。在另一實(shí)施例中，含有蠟的碳帶被用作間隙形成帶94。挑戰(zhàn)是使間隙形成材料均 勻地出來而不會(huì)在Fuel Cell Stick 裝置10內(nèi)造成分裂或脫層。如果材料能夠在正確的
42時(shí)間神奇地消失，留下敞開的通道，使得陽(yáng)極24和陰極26以及電解質(zhì)28內(nèi)的其它聚合物 材料能夠烘烤出來，那將更好。一個(gè)方法是使用蠟。用于熔模鑄造(所謂的脫蠟法)的蠟 表現(xiàn)良好，在高于用于層壓多層結(jié)構(gòu)的層壓溫度之上，但在150°C -300°C的粘結(jié)劑燃燒掉 的溫度之下，約90°C下熔化。但蠟并不是理想的，因?yàn)槿绻麑⑾炶T造成2mil厚的片，它并未 具有期望的強(qiáng)度。蠟摸起來很脆。蠟在薄部分應(yīng)該更結(jié)實(shí)些。此問題的解決辦法是將蠟與 某種纖維組合以賦予蠟強(qiáng)度。一種選擇是碳纖維。碳纖維可以以任意的纖維構(gòu)型被購(gòu)買。 碳/蠟復(fù)合材料可以被置于多層結(jié)構(gòu)中以形成間隙。在層壓之后，將溫度升高到蠟的熔點(diǎn)， 于是蠟就轉(zhuǎn)變成液體并流出Fuel Cell Stick 裝置10。這在碳纖維內(nèi)留下了對(duì)空氣敞開 的路徑，允許易于烘烤出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的周圍的聚合物材料。在接近750°C的溫度之前，碳纖維 并不會(huì)揮發(fā)(轉(zhuǎn)變成C02)。因而，可以制造一種結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，在發(fā)生粘結(jié)劑燃燒掉之 前，其中一種主要的間隙形成材料消失，由此留下暢通的路徑以便去除粘結(jié)劑。于是，在中 等溫度下，聚合物本身可以揮發(fā)。最后，在高溫下，碳纖維可以消失。圖70是使用此碳-蠟 組合，在燒結(jié)之后，當(dāng)蠟和碳消失后留下的間隙的圖像。期望在多層裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)高電流連接。在多層裝置內(nèi)互連的一種方法是使用導(dǎo)通 孔(via hole)。導(dǎo)通孔可以這樣形成通過將孔鉆透一片陶瓷帶130，然后填充它以形成 通孔56，如圖71所示，或?qū)卓梢酝ㄟ^非導(dǎo)體的印刷層來形成，但干燥之后，效果都是相 同的。在圖71中，顯示了通孔56連接，將兩個(gè)電極(陽(yáng)極24或陰極26)連接在一起。在 下面的描述中，為了簡(jiǎn)化，將采用兩個(gè)陽(yáng)極24的實(shí)施例。對(duì)傳送電子信號(hào)，諸如數(shù)據(jù)傳輸來 說，通孔56是勝任的，但對(duì)傳送功率或高電流，通孔56就不理想。對(duì)功率或高電流來說，平 行的多個(gè)通孔56是必須的以具有降低總電阻的效果。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，用于傳送 功率或高電流的改善的方法是去除用于分離感興趣的導(dǎo)體的坯體帶的整個(gè)區(qū)域。就此方法 而言，互連可以是基于大面積。在圖72中，顯示了兩個(gè)電極(陽(yáng)極24)之間通過完全去除 兩個(gè)電極(陽(yáng)極24)之間的陶瓷帶130或材料的互連。由于呈坯體狀態(tài)(帶層或印刷層) 時(shí)，層是軟的，所以發(fā)生變形。如果需要或期望的話，額外的陶瓷材料可以被置于互連區(qū)域 之上，以便在積累過程中維持陶瓷的整個(gè)扁平度。略微變化是在一片坯體陶瓷帶130內(nèi)沖壓大孔142，如圖73A所示，然后將陶瓷帶 130插入多層積累中，或可選擇地，在多層積累內(nèi)印刷帶大孔142的絕緣層，然后將導(dǎo)體印 刷到頂部。在多層方法中，上面的電極向下偏轉(zhuǎn)到孔142中，產(chǎn)生大面積的接觸，如圖73B 所示(下面的電極也可以向上偏轉(zhuǎn)到孔142中)。此實(shí)施例不同于導(dǎo)通孔，因?yàn)閷?dǎo)通孔面積 小且必須被獨(dú)立填充。此外，借助導(dǎo)通孔，頂部和底部上的電極不會(huì)變形到孔內(nèi)。因此，本發(fā)明的實(shí)施例設(shè)想多層Fuel Cell Stick 裝置10，通過去除絕緣材料， 或以其它方式提供絕緣材料的區(qū)域空位來建立電互連，其中絕緣材料任一側(cè)(如，之上和 之下)上的導(dǎo)體變形到空的區(qū)域內(nèi)以彼此接觸。導(dǎo)體接觸的空的區(qū)域可以從Fuel Cell Stick 裝置10的內(nèi)部一直延伸到裝置的邊緣。在特定的區(qū)域內(nèi)可以去除絕緣區(qū)域，諸如 通過沖孔或通過切割出具體的形狀，諸如矩形。根據(jù)另一實(shí)施例，電池的串聯(lián)連接被制造成橫跨單層，這用于增大FuelCell Stick 裝置10的電壓輸出，且這使所產(chǎn)生的功率易于發(fā)揮作用。例如，如果棒產(chǎn)生IKW的 功率，那么更易于設(shè)計(jì)電子設(shè)備和設(shè)計(jì)能夠以IA處理1000V，而不是以1000A處理IV的配 套設(shè)施。正如以小尺度在圖74A中示意性顯示的，坯體陶瓷(如，氧化鋯)帶130的一部分被使用在中心內(nèi)，在頂部和底部上是陽(yáng)極24和陰極26。與在前面的附圖中用于陽(yáng)極24和 陰極26的相同的單影線圖案表示陽(yáng)極24和陰極26內(nèi)的孔隙率，而交叉影線表示非多孔的 導(dǎo)體(如，傳導(dǎo)陶瓷、貴金屬或非氧化性金屬合金)。電池存在于僅多孔的區(qū)域144之間，正 如由單影線圖案所顯示的，這是因?yàn)榉嵌嗫椎膮^(qū)域146并不會(huì)進(jìn)入燃料或空氣。圖74B概念化地示出了多個(gè)部件如何被置于一起(此概念是因?yàn)樗鼈冊(cè)趯訅褐?并不會(huì)像所顯示的那樣保持傾斜，但此概念化的描述期望顯示樣式的覆蓋性質(zhì))。在此三 個(gè)電池的組中，基于討論而不是限制的目的，每一個(gè)電池(或部分)的頂部側(cè)可以包含陽(yáng)極 24，而每一個(gè)電池(或部分)的底部側(cè)可以包含陰極26。如果每一個(gè)電池被想像成小的蓄 電池，那么三個(gè)電池的串可以被看作串聯(lián)的三個(gè)蓄電池。燃料供給34將存在于此串聯(lián)樣式 的一個(gè)側(cè)面上，在頂部處，陽(yáng)極24在頂部上，且空氣供給36將在另一側(cè)上，在底部處，陰極 26在底部上。應(yīng)該避免從一個(gè)側(cè)面到另一個(gè)側(cè)面的氣體滲漏，通過在每一個(gè)電池(或部分) 的端部處提供非多孔的區(qū)域146可以實(shí)現(xiàn)此避免。許多電池(或部分)可以這樣被放置在 一起，以獲得任何期望的電壓。圖74C示出了層壓之后的各層的更準(zhǔn)確的樣式。這將是基本上平的，但在覆蓋點(diǎn) 處具有額外的厚度。圖74D顯示了 3個(gè)電池(或部分)樣式的概念化示意圖。每一個(gè)垂 直的箭頭表示一個(gè)電池，且箭頭的方向界定了極性。不帶箭頭的線表示不會(huì)產(chǎn)生任何電壓 的互連。沿著底部的水平的箭頭線表示電流流動(dòng)的總方向。本發(fā)明并不限于3個(gè)電池的樣 式。圖74A-D中所示出的實(shí)施例在本文中稱為覆蓋法，該方法可以用于將兩個(gè)或更多個(gè)電 池、如5個(gè)或更多個(gè)電池、10個(gè)或更多個(gè)電池、20個(gè)或更多個(gè)電池等串聯(lián)連接。圖75A-E示出了用于產(chǎn)生串連樣式的可選擇的方法，本文中稱為插入導(dǎo)體法 (plunging conductor method)。與將陶瓷帶130切割成多個(gè)部分并使各部分重疊以形成 串聯(lián)的電池相反，使用連續(xù)的陶瓷帶的片，其在一個(gè)側(cè)面上具有陽(yáng)極24的區(qū)域且在另一個(gè) 側(cè)面上具有相對(duì)的陰極26。呈片形式(也稱為互連部件、導(dǎo)體帶或插導(dǎo)體)連接器電極 148(如，傳導(dǎo)陶瓷、貴金屬或非氧化性金屬合金)被插入透過陶瓷帶130。導(dǎo)體帶148可以 是，如由LSM制成的坯體帶。狹縫150被制造在陶瓷帶130中，如圖75A所示，且導(dǎo)體帶的 短部分被插入到穿過陶瓷帶130的一半處。在圖75B中，示出了連續(xù)的陶瓷帶130的片的側(cè)視圖。在此討論中，術(shù)語(yǔ)“電解質(zhì) 片”或“電解質(zhì)帶”被理解成與陶瓷帶130相同。在電解質(zhì)片130的頂表面上是陽(yáng)極24的 兩個(gè)部分。在電解質(zhì)片的底表面上是陰極26的分別與陽(yáng)極24的兩個(gè)部分相對(duì)的兩個(gè)部分。 為了串聯(lián)連接兩個(gè)部分且參考圖75A和75B，首先將第一導(dǎo)體帶148插入透過電解質(zhì)帶130 內(nèi)的狹縫150，由此可以被認(rèn)為是插透了電解質(zhì)。接著，如圖75C所示，導(dǎo)體帶被彎曲到一個(gè) 部分(或電池)的陽(yáng)極24之上和另一個(gè)部分(或電池)的陰極26之上。然后，如圖75D 所示，連接器電極被擠壓貼住陽(yáng)極24和陰極26，即電池被串聯(lián)層壓。圖75E以頂部透視圖 示出了層壓的電池串，以更清楚地顯示重疊的整個(gè)區(qū)域。使單個(gè)電池由短的、寬的部分形成 可能是有優(yōu)勢(shì)的，以便降低從一個(gè)電池到下一個(gè)的電阻。根據(jù)另一實(shí)施例，可以用于使互連的部件148(導(dǎo)體帶)斷裂成若干部分。與坯體 電解質(zhì)帶130內(nèi)的單狹縫150相反，多個(gè)更短的狹縫150將被使用，若干個(gè)部分的導(dǎo)體帶 148被分別插入到多個(gè)狹縫150中，如圖76所示。因而，提供了多個(gè)插入導(dǎo)體。在圖75A-E和76中，插透電解質(zhì)的傳導(dǎo)的互連材料應(yīng)該是非多孔的性質(zhì)，以防止
44或阻止氣體從電解質(zhì)的一個(gè)側(cè)面流到另一個(gè)側(cè)面。另一方面，陽(yáng)極24和陰極26可以是多 孔的，或者是完全多孔的而沒有非多孔的區(qū)域或它們可以在互連部件148覆蓋的端部處具 有非多孔的區(qū)域146。使陽(yáng)極24和陰極26是完全多孔的可能更簡(jiǎn)單些，使得借助非常少的 工藝步驟就可以產(chǎn)生材料。圖77以側(cè)視圖示意性地顯示了根據(jù)圖75A-E和76的實(shí)施例， 通過將電池與插透電解質(zhì)的互連部件148連接得到的串聯(lián)連接的四個(gè)部分(或電池)。因 而，互連部件148可以用于串聯(lián)的任意數(shù)量的電池，包括兩個(gè)或更多個(gè)電池，如5個(gè)或更多 個(gè)電池、10個(gè)或更多個(gè)電池、20個(gè)或更多個(gè)電池等。圖78A-C顯示了上面用于沿著多層電池的單層串聯(lián)連接電池的插入導(dǎo)體技術(shù)的 變化形式。在此實(shí)施例中，如圖78A所示，陽(yáng)極24和陰極26部分的每一個(gè)具有延伸至Fuel Cell Stick 裝置10的側(cè)面的非多孔的區(qū)域146，遠(yuǎn)離燃料和空氣流動(dòng)路徑。電解質(zhì)帶130 內(nèi)的狹縫150被制造到Fuel Cell Stick 裝置10的側(cè)面內(nèi)，而不是Fuel Cell Stick 裝 置10的外周內(nèi)。通過電解質(zhì)帶130連接陽(yáng)極24和陰極26的導(dǎo)體帶148可以被置于正好 在側(cè)面邊沿上，遠(yuǎn)離流動(dòng)路徑，在層壓之前如圖78B所示，而在層壓之后如圖78C所示?，F(xiàn)有的實(shí)施例，例如圖71，詳述了使用通過在一條坯體陶瓷帶130內(nèi)產(chǎn)生導(dǎo)通孔 并印刷電極以填充孔而形成的通孔56。在本發(fā)明的用于沿著多層結(jié)構(gòu)的單層串聯(lián)連接陽(yáng) 極24和陰極26的可選擇的實(shí)施例中，正如圖79A所示出的，第一導(dǎo)體152可以從所填充的 通孔56到一個(gè)電池或部分中的電極(如，陽(yáng)極24)被印刷到Fuel Cell Stick 裝置的一 個(gè)側(cè)面上，以及第二導(dǎo)體154可以從所填充的通孔56到相鄰的電池或部分中的相對(duì)的電極 (如，陰極26)被印刷到Fuel Cell Stick 裝置的另一個(gè)側(cè)面上。填充的通孔56可以被 填充不是用于電極的材料。在所闡釋的實(shí)施例中，通孔56被填充非多孔的導(dǎo)體。插入導(dǎo)體的替代方案是寬的通孔或長(zhǎng)橢圓形的通孔156，如圖79B所示，這可以通 過在電解質(zhì)帶130內(nèi)形成長(zhǎng)橢圓形的通孔156而產(chǎn)生。長(zhǎng)橢圓形的通孔156不同于通常的 通孔56，因?yàn)橥ǔ５膶?dǎo)通孔是圓的。長(zhǎng)橢圓形的導(dǎo)通孔可以被制成與需要的一樣寬，如與用 于圖75E或圖76顯示的插入電極148的狹縫150同樣尺度。長(zhǎng)橢圓形的通孔156應(yīng)該按 照這樣的方式被填充，即其不允許氣體從電解質(zhì)的一個(gè)側(cè)面流到另一個(gè)側(cè)面。使用導(dǎo)通孔的可能的問題是孔內(nèi)材料的收縮可能是不均勻的，或可能比帶材料的 收縮大，這將允許氣體穿過一個(gè)側(cè)面到達(dá)另一個(gè)側(cè)面。因而，在可選擇的或另外的實(shí)施例 中，無論是圓的或長(zhǎng)橢圓形的導(dǎo)通孔包括頂部和/或底部上的插塞以增大滲漏阻力。改善 的帶插塞的通孔的示例示出在圖79C中。插塞可以僅在一個(gè)側(cè)面上，如頂部上產(chǎn)生額外的 密封，就像插塞158a和158b，或在兩個(gè)側(cè)面上的密封，就像插塞158c和158d。插塞158a、 b、c、d可以在一個(gè)或多個(gè)印刷步驟中或通過分配操作獲得。根據(jù)示例性的實(shí)施例，通孔插 塞的材料是使其阻止氣體傳輸，因?yàn)椴牧鲜欠嵌嗫椎?。?dāng)與多孔的陽(yáng)極24和陰極26結(jié)合 時(shí)，最終的部分可以看起來像示出在圖79D中的，其中緊密影線的材料是非多孔的，而由影 線標(biāo)識(shí)的材料(就像在前面的附圖中)是多孔的。擴(kuò)展上面用于串聯(lián)連接單層的實(shí)施例，在Fuel Cell Stick 裝置10內(nèi)使用多層 可以形成并聯(lián)-串聯(lián)連接。圖80顯示了串聯(lián)連接的單層的堆疊的組，其中堆疊的各層還彼 此并聯(lián)連接，并聯(lián)的電連接由一些對(duì)的陽(yáng)極和陰極之間的垂直線160顯示。插入導(dǎo)體148 被描繪用于串聯(lián)連接，但是可以使用其它連接。在所示的具體實(shí)施例中，存在三個(gè)活性層， 每一個(gè)由串聯(lián)的四個(gè)電池(部分)制成。因而，存在所示的總共12個(gè)電池。通過使用一個(gè)燃料路徑來供給兩個(gè)不同的電池路徑可以獲得增大的密度。電池的極性從一層到一層是相 對(duì)的。在頂部層和底部層中，從陰極到陽(yáng)極的方向?qū)⑹窍蛏戏较虻募^；以及在中間層內(nèi)， 從陰極到陽(yáng)極的方向?qū)⑹窍蛳路较虻募^。使用共用的燃料通道以起到成對(duì)電極的作用使 極性從層到層是顛倒方向的特征提供了用于在此實(shí)施例和其它實(shí)施例中獲得更高密度的 Fuel Cell Stick 裝置的方式。圖80A中以沿線80A-80A取的截面圖和圖80B以透視圖顯示了兩個(gè)陰極26或兩 個(gè)陽(yáng)極24之間的并聯(lián)連接。成對(duì)的陽(yáng)極或陰極可以易于通過允許該對(duì)分別在燃料或空氣 通道的邊緣處接觸而連接，產(chǎn)生了邊緣連接160。圖80中的垂直線表示邊緣連接160。在 圖80A所示的實(shí)施例中，邊緣連接160在兩側(cè)(在圖80A的左和右)上；然而，僅在一個(gè)側(cè) 面上被連接也將實(shí)現(xiàn)電連接。此連接使兩個(gè)陽(yáng)極24或陰極26平行地、電放置。還可以使 用通孔連接或其它連接方式。在圖80中，參考從點(diǎn)B到點(diǎn)B的路徑，點(diǎn)B被導(dǎo)體連接，使得 路徑B都處于相同的電勢(shì)。在圖81中，路徑B被表示為直線。圖80、80A和80B中的電池 布置的凈效應(yīng)是大量的串聯(lián)和并聯(lián)組合，正如圖81示意性顯示的。如果裝置內(nèi)的一個(gè)電池 或互連開始失效，那么此布置可以用于轉(zhuǎn)移功率。電流和電壓可以在受損的或降級(jí)的區(qū)域 周圍流到另一個(gè)起作用的電池。圖82以截面圖示意性地顯示了單層Fuel Cell Stick 裝置10，且具有覆蓋層的 串聯(lián)結(jié)構(gòu)，正如先前在圖74C中更詳細(xì)顯示的。陶瓷29形成頂部和底部覆蓋，且顯示了理 想的空氣通路20和理想的燃料通路14。正如在圖1中，空氣出口 22和燃料出口 16垂直 于附圖的平面。正如在圖83A-83B中示意性顯示的，此裝置也可以按照大量的串聯(lián)-并聯(lián) 組合被放置在一起，就像示出在圖80-81中的先前的實(shí)施例。在圖83A中，虛線可以由空氣 和燃料通道邊緣連接160形成，正如圖80A和80B所顯示的。而且，提供了高密度的結(jié)構(gòu)， 其中電池既是串聯(lián)的，又是并聯(lián)的，且電池的各層之間是交替的極性，正如箭頭所示的，且 由此具有下述益處如果特定的電池失效，那么電流可以被圍繞該電池的路徑傳送，正如圖 83B所顯示的。 在圖84和84B中，示出了用于在兩個(gè)處在相同的氣體路徑上的電極之間提供方便 的并聯(lián)連接的另一實(shí)施例。分別對(duì)燃料通路14或空氣通路20的任一側(cè)上的兩個(gè)陽(yáng)極24 或兩個(gè)陰極26來說，這可以實(shí)現(xiàn)。在圖84中，使用了兩個(gè)陽(yáng)極24的示例。陽(yáng)極24被連接 在燃料通路14的中心區(qū)域內(nèi)，而不是正好在通路14的側(cè)面處，就像圖80A所示的。通過將 孔或間隙164置于用于形成氣體通路的犧牲的氣體帶94內(nèi)可以易于建立中心連接162?？?可以是圓形的或長(zhǎng)的(如，圖84A所示的狹縫)，且可以是它們中的許多。在層壓和燒制之 后，頂部和底部陰極或陽(yáng)極將在存在間隙164的區(qū)域內(nèi)接觸。有利地是，形成中心連接162， 使得其不會(huì)顯著減少燃料電池區(qū)域的活性區(qū)域。 對(duì)多層螺旋的管狀Fuel Cell Stick 裝置200來說，上面關(guān)于圖28A-28D通常討 論的，使用了串聯(lián)樣式，使兩個(gè)電連接發(fā)生在螺旋的管狀Fuel Cell Stick 裝置200的外 部上是有優(yōu)勢(shì)的。這允許最容易從陽(yáng)極和陰極點(diǎn)進(jìn)入冷區(qū)域。如果螺旋的管狀Fuel Cell Stick 裝置200被纏繞，使得串聯(lián)組的一端在纏繞之外，且一端在內(nèi)，那么內(nèi)部連接更難以 處置。這是因?yàn)闅怏w連接管被置于螺旋的管狀Fuel Cell Stick 裝置200的端部之上。 因而，如果兩個(gè)電連接都可以在外部上，那么這更好。在圖85A中，顯示了為示意性未卷曲 構(gòu)型的螺旋的管狀Fuel Cell Stick 裝置200，通過使串聯(lián)樣式開始和終止于纏繞區(qū)域的外部，然后向內(nèi)行進(jìn)并形成U形轉(zhuǎn)彎來實(shí)現(xiàn)串聯(lián)連接(也由箭頭示意性顯示的)。單獨(dú)的電池166顯示為分開的矩形塊。塊是短而寬的，使得它們具有低的電阻(從 端部到端部的短的傳導(dǎo)長(zhǎng)度，但更寬的區(qū)域以允許每個(gè)電池更大的電流)。此樣式與上述 形成串連連接的兩種方法(覆蓋部分或采用插入導(dǎo)體行進(jìn)通過電解質(zhì)層)相適宜。對(duì)燃料 通路14和空氣通路20的布置來說，形成從一側(cè)進(jìn)入的路徑，然后相連以沿著如圖所示的共 用路徑167—起離開可能是最方便的。顯示了芯軸168，螺旋的管狀Fuel Cell Stick 200 裝置在芯軸168上被卷曲。此芯軸168可以被犧牲的蠟覆蓋，然后在層壓和蠟熔化之后被 去除。在最終形式中，如圖85B所示出的，螺旋的管狀Fuel Cell Stick 裝置200將具有 從外部行進(jìn)朝向中心，然后返回出來的串連連接路徑。這由表示單獨(dú)電池166的箭頭所顯形成采用串連連接的螺旋的管狀Fuel Cell Stick 裝置200的另一種方法是沿 著Fuel Cell Stick 裝置200的長(zhǎng)度形成串連串。串連路徑將由示出在圖86A中的未卷 曲結(jié)構(gòu)中的箭頭示意性顯示的。由于活性區(qū)域是非常寬的，在卷曲之后，特定的電池166將 從管的內(nèi)部延伸到外部。在此實(shí)施例中，使用插透電解質(zhì)的多個(gè)短導(dǎo)體148建立串連連接。 分開的插入導(dǎo)體148在形成、卷曲和層壓步驟的過程中允許電解質(zhì)層內(nèi)更大的強(qiáng)度。然而， 如示出在圖74中的覆蓋部分也可以用于形成串連連接。圖86B示意性地示出了呈最終的 卷曲形式的此實(shí)施例。正如在圖85B中的，箭頭表示單獨(dú)的電池166。對(duì)于該特定的卷曲樣式來說，使用串聯(lián)的兩層將是有用的，以便增大螺旋的管狀 Fuel Cell Stick 裝置200的容積密度。然而，可能不需要具有超過兩個(gè)的并聯(lián)的層，這是 由于層折疊回到自身的方式。圖87A是一個(gè)長(zhǎng)的圖86B的單獨(dú)的電池166的示意性側(cè)視圖， 從左到右。當(dāng)兩層結(jié)構(gòu)(兩個(gè)電解質(zhì)層28、兩個(gè)陰極26、兩個(gè)陽(yáng)極24、一個(gè)空氣通路20、一 個(gè)燃料通路14)被卷曲到其自身上時(shí)，如圖87B所示，底部陰極26接觸頂部上的空氣通路 20。因而，任何超過兩層都將是多余的。基于上述實(shí)施例的教導(dǎo)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理 解，具有包含許多串聯(lián)樣式的Fuel Cell Stick 200裝置的樣式并聯(lián)工作可能是可行的。根據(jù)本發(fā)明的用于提供至螺旋的管狀Fuel Cell Stick 裝置200或同心的管狀 Fuel Cell Stick 裝置300的電連接的另一實(shí)施例，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置的整個(gè)端部 可以被制成傳導(dǎo)的端部170a、170b，正如在圖88A的未卷曲的示意性結(jié)果中和圖88B的卷 曲的、螺旋(如)的管狀結(jié)構(gòu)所顯示的。為了實(shí)現(xiàn)此結(jié)果，在管狀Fuel Cell Stick 裝置 200,300的端部處，用傳導(dǎo)材料替換絕緣的陶瓷材料。此傳導(dǎo)材料顯示為影線區(qū)域，且可以 是，如LSM或兩種或更多種獨(dú)立材料的組合的收縮匹配的材料，諸如LSM和YSZ的組合，這 將在構(gòu)成了管狀Fuel Cell Stick 裝置200、300的大部分的陶瓷29的燒結(jié)過程中更好 地匹配收縮率。具體而言，對(duì)串聯(lián)樣式的第一個(gè)電池和最后一個(gè)電池來說，纏繞電極的中心 必須能夠接觸到外部世界的連接，以及那個(gè)電池的最外部的纏繞。以影線顯示的傳導(dǎo)區(qū)域 170a、170b將有效地允許建立此連接。接觸內(nèi)部電極部分的可選擇的方法(未顯示)將是 鉆孔入Fuel Cell Stick 裝置中，然后用常規(guī)材料回填。對(duì)圖86A和88A的實(shí)施例來說，氣體流動(dòng)路徑14、22的布置可以按照?qǐng)D89所示出 的那樣。為了供給活性區(qū)域，氣體可以在入口 12、18進(jìn)入棒至大的共用路徑167，然后支路 起到每一個(gè)單獨(dú)電池166的作用。在圖89中，氣體在共用路徑167進(jìn)入，并在多個(gè)小支路 離開，而在圖85A中，這是相反的。
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在包含串聯(lián)部分(或電池166)的Fuel Cell Stick 裝置10中，具有較高的電壓 (更多部分)比易于安裝到一個(gè)Fuel Cell Stick 裝置10的長(zhǎng)度內(nèi)可能是有用的。在此 情形中，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，串聯(lián)部分可以被定位成在離開棒之前，沿著棒的長(zhǎng)度 來回翻倍，以將功率供給外部世界。圖90是Fuel Cell Stick 裝置10的側(cè)視圖，其示意 性地顯示了通過在兩個(gè)位置務(wù)必折疊路徑，是如何能夠?qū)?5個(gè)串聯(lián)連接的部分(電池166) 放置到一個(gè)裝置內(nèi)的。將多個(gè)類似此的部分放置到一個(gè)Fuel Cell Stick 裝置10內(nèi)也是 可能的，使得存在彼此并聯(lián)的15個(gè)的組。根據(jù)另一實(shí)施例，折疊樣式提供了制造具有串聯(lián)的許多層的Fuel Cell Stick 裝 置10的另一種方法。圖91以透視圖顯示了具有6個(gè)串聯(lián)的電池166的電解質(zhì)層29。這 些電池可以用所示的覆蓋法或插入導(dǎo)體法被串聯(lián)連接。為了將此片結(jié)構(gòu)安裝到Fuel Cell Stick 裝置10內(nèi)，電解質(zhì)層29被折疊，如按照手風(fēng)琴的方式?？雌饋磉B續(xù)的片結(jié)構(gòu)，圖 92A確認(rèn)了電池166之間的彎曲點(diǎn)，由箭頭顯示。沿著箭頭彎曲，電池組開始形成折疊堆，如 圖92B的左邊所顯示的。更大程度地逐漸壓縮折疊物，形成了壓縮的折疊堆172，如圖92B 的右側(cè)所顯示的。此壓縮的折疊堆172隨后可以被方便地置于Fuel Cell Stick 裝置或 多層燃料電池內(nèi)。串聯(lián)的電池的數(shù)量?jī)H由設(shè)計(jì)者的喜好限制。多個(gè)折疊堆172可以被并聯(lián) (即，電并聯(lián))地置于Fuel Cell Stick 裝置10內(nèi)，或者通過水平地或垂直地布置組。間 隙形成材料，如間隙形成帶94將被置于陽(yáng)極24和陰極26上，然后被犧牲性地去除以形成 空氣通路20和燃料通路14。基于熱膨脹系數(shù)(CTE)匹配的目的，使折疊堆172的一側(cè)或兩側(cè)不連接到周圍的 裝置材料(意指頂部覆蓋物或側(cè)部邊沿)可能是有用的，使得存在自由浮動(dòng)的區(qū)域。在折 疊堆樣式的實(shí)施例中，折疊堆172內(nèi)的第一個(gè)和最后一個(gè)電池被連接在棒的頂部和底部覆 蓋物處或其附近，但棒的中間部分的全部或一部分是不連接的。在圖93A和93B中，顯示了 Fuel Cell Stick 裝置10的橫截面。圖93A顯示了一種樣式，其中折疊堆172的左側(cè)不 連接到裝置的左壁，而折疊堆172的右側(cè)在中間的彎曲區(qū)域被錨固到右壁。這可以允許遠(yuǎn) 離壁的層的順應(yīng)性，使得當(dāng)裝置燒結(jié)時(shí)，允許折疊層以不同于覆蓋物材料的速率收縮。在圖 93B中，顯示了類似的結(jié)構(gòu)，除了折疊堆172不連接到棒的左壁和右壁，但折疊堆172的兩 端電池處除外。在兩個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)勢(shì)是同時(shí)為電極提供氣體(空氣或燃料)的能力。雖 然圖93A和93B示出了一個(gè)大的連續(xù)的活性區(qū)域被折疊，即折疊堆172，但是可以理解，上 述串聯(lián)和并聯(lián)的電池的實(shí)施例都可以用于獲得相同或類似的作用。圖93A示出了連續(xù)的陽(yáng) 極24和連續(xù)的陰極26，而圖93B示出了多個(gè)被分隔的陽(yáng)極24和陰極26，使得彎曲的區(qū)域 沒有電極材料。與圖92B —樣，圖93B電連接所分隔的電極且因而，使用插入導(dǎo)體148的串 聯(lián)的電池166在彎曲區(qū)域穿過電解質(zhì)28。任一個(gè)實(shí)施例，如連續(xù)的電極或分隔開的電極，可 以用于自由浮動(dòng)樣式。自由浮動(dòng)層的益處是如果與陽(yáng)極和陰極的組合結(jié)構(gòu)的CTE明顯不同于主體的其 余部分(側(cè)邊沿、頂部和底部覆蓋物)的CTE，那么自由浮動(dòng)區(qū)域允許物理斷開?？梢岳?解，除了折疊結(jié)構(gòu)外的其它Fuel Cell Stick 裝置10的結(jié)構(gòu)可以被制造成具有此自由浮 動(dòng)結(jié)果。圖94A以截面圖示出了在側(cè)面是自由的并聯(lián)(與圖93A和93B中的串聯(lián)相反)的 兩個(gè)活性層(每一層包括陽(yáng)極24、電解質(zhì)層28和陰極26)。圖94B示出了沿著圖94A的線 94B-94B取的Fuel Cell Stick 裝置的頂部截面圖，顯示了活性層沿著裝置的三個(gè)側(cè)面是
48自由的，而被錨固在裝置的一個(gè)側(cè)面上。此幾何形狀并不會(huì)為浮動(dòng)層外部上的空氣通路14 內(nèi)的氣體的流動(dòng)路徑增加復(fù)雜性，而是增大了浮動(dòng)層內(nèi)的空氣通路20內(nèi)的氣體流動(dòng)的復(fù) 雜性。此復(fù)雜性可以通過沿著陶瓷29的邊緣橋接空氣通路20，然后轉(zhuǎn)向內(nèi)部空間，橫跨陰 極26并回到陶瓷29而得到解決，如圖94C和94D所顯示的。上面的各種實(shí)施例具有共用空氣或燃料路徑的優(yōu)勢(shì)，這提供了增大的密度。當(dāng)氣 體流動(dòng)路徑起到并聯(lián)操作的陽(yáng)極或陰極的作用時(shí)，那些陽(yáng)極或陰極可以被接觸，在該區(qū)域 的邊緣處或在該區(qū)域的中心內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)處。然而，在其它實(shí)施例中具有起到串聯(lián)操作的陽(yáng) 極或陰極的作用的一個(gè)空氣或燃料路徑可能是有用的，且在這些實(shí)施例中，陽(yáng)極或陰極應(yīng) 該被電隔離以防止裝置內(nèi)的短路。此示例見于圖90的實(shí)施例中，其中期望具有一個(gè)氣體流 動(dòng)路徑起到頂部和底部上的電極的作用，同時(shí)防止電極短路。對(duì)此，可以將阻擋層174的材 料置于氣體流動(dòng)路徑內(nèi)以提供一個(gè)電極與另一個(gè)電極之間的機(jī)械和電隔離，如在兩個(gè)陰極 26的圖95中以橫截面所顯示的。阻擋層174可以是連續(xù)的或在其內(nèi)具有斷裂以允許氣體 從一側(cè)到達(dá)另一側(cè)。阻擋層可以僅存在于活性陽(yáng)極24和陰極26的區(qū)域內(nèi)，或其可以在多 層結(jié)構(gòu)內(nèi)并沿著流動(dòng)路徑進(jìn)一步延伸離開。阻擋層174防止一個(gè)電極與另一個(gè)電極之間的 短路。阻擋層174可以是非常薄的，這可能造成一些變形，只要其保持電隔離。舉個(gè)例子， 阻擋層174的厚度可以在約5μπι到約50μπι之間。可以在犧牲的有機(jī)材料72內(nèi)添加非傳 導(dǎo)的顆粒，諸如氧化鋯或預(yù)燒結(jié)的陶瓷球以賦予阻擋層174支撐，以類似于前面參考圖7Β、 7C和7D描述的用于通過柱54支撐其它層的方式。用于防止在串聯(lián)的兩個(gè)陽(yáng)極24或陰極26之間短路的替代實(shí)施例是將絕緣層176 置于陽(yáng)極24或陰極26之上，如圖96所示。絕緣層176可由，如氧化鋯或電解質(zhì)材料制成。 絕緣層176必須是多孔的，以允許氣體穿過絕緣層176進(jìn)入陽(yáng)極24或陰極26中，且也必須 是非傳導(dǎo)性的。在此多孔的絕緣層176之下，陽(yáng)極24或陰極26仍將需要具有它通常擁有 的所有特性多孔性、傳導(dǎo)性和化學(xué)反應(yīng)位置。舉個(gè)例子，絕緣層176的厚度可在約1 μ m到 約25 μ m之間。在多層燃料電池的高級(jí)應(yīng)用中，電解質(zhì)、陽(yáng)極24和陰極26足夠薄，使得在燒結(jié)之 后的變形成為材料的特征。在上面的設(shè)計(jì)顯示變形且絕緣層176完成其工作的情況下，于 是上面的結(jié)構(gòu)可如圖97所示的出現(xiàn)。在這種情況下，燃料通路14或空氣通路20被假定沒 有完全收縮、封閉，因?yàn)樗谘刂鋵挾鹊哪硞€(gè)其它地方是敞開的。結(jié)果是，陽(yáng)極24或陰極 26接觸，但它們彼此不短路(即，電連接)，因?yàn)橹辽僖粋€(gè)絕緣層176在接近接觸時(shí)是未受 影響的。關(guān)于功率從熱Fuel Cell Stick 裝置10的移除，LSM作為表面導(dǎo)體的使用可能 不如金屬一樣有傳導(dǎo)性。為了在長(zhǎng)距離(很多英寸)上傳輸功率，LSM的電阻可能有助于 功率損耗。該功率損耗可通過使LSM導(dǎo)體變得更厚來克服。為此目的，不是絲網(wǎng)印刷，將 LSM鑄造為L(zhǎng)SM帶178并接著將LSM帶構(gòu)造到Fuel Cell Stick 裝置10的頂部和/或底 部上的結(jié)構(gòu)可能更有用，如分別在圖98A和98B中的橫截面和透視圖中示出的。以這種方 式，厚度可從幾mil厚(.001”-. 005”)到數(shù)十時(shí)1(.01”-.05”)變化，并可覆蓋棒的全寬 度。當(dāng)將一種厚層材料共同燒制到另一種時(shí)，LSM的CTE可能成為挑戰(zhàn)，在這種情況下LSM 可與YSZ混合(正如它在陰極中一樣)，以更緊密地匹配整個(gè)棒的CTE。此外，LSM當(dāng)在低 溫時(shí)不是傳導(dǎo)性的，所以貴金屬例如銀或其它低溫傳導(dǎo)材料應(yīng)放置在將位于爐外部的FuelCellStick 裝置10的區(qū)域中的LSM的頂部上。雖然討論了 LSM，可認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明并沒有 被如此限制?？稍谔岬絃SM的場(chǎng)合使用任何傳導(dǎo)性陶瓷例如非氧化合金或貴金屬，因而LSM 帶178可實(shí)際上由除了 LSM以外的材料制成。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，可使用鎳作為導(dǎo)體產(chǎn)生與Fuel Cell Stick 裝置10 的低電阻連接。然而，每當(dāng)空氣存在且氧化鎳是非傳導(dǎo)性的時(shí)，鎳處于氧化狀態(tài)中。Fuel Cell Stick 裝置10有利地在空氣中被使用，因?yàn)楫?dāng)爐以空氣大氣操作時(shí)，總系統(tǒng)較簡(jiǎn)單 和較便宜。因此，使用鎳作為導(dǎo)體的挑戰(zhàn)是，它必須保留在還原狀態(tài)中。所以，為了克服鎳 的氧化的問題，使用包含移動(dòng)到裝置端部的鎳導(dǎo)體182的內(nèi)部通道，且給內(nèi)部通道180供給 燃料以防止氧化，如圖99所示。鎳具有低于鉬的大約6歐姆-厘米的傳導(dǎo)性，所以它在最 佳可用導(dǎo)體(銅、銀)的數(shù)量級(jí)內(nèi)。所以通過使鎳導(dǎo)體占據(jù)由燃料供給的內(nèi)部通道180內(nèi) 的空間，鎳將保留在還原狀態(tài)中，從而允許其使用。進(jìn)一步參考圖99，在接近管連接的鎳導(dǎo) 體182的端部處，鎳導(dǎo)體182可退出裝置用于在例如接觸焊盤44和連接物134處的電連接， 如前面的附圖所示的。作為例子，銀可在本文中用于從還原性氣氛過渡到空氣氣氛。這個(gè) 實(shí)施例結(jié)合連接物134參考圖67A-67B如前所述被顯示，但絕不被該圖示限制。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，多層陶瓷燃料電池結(jié)構(gòu)Fuel Cell Stick 裝置10、 100、400、500或管狀Fuel Cell Stick 裝置200、300或其它多層裝置可使用生陶瓷技術(shù) 來制造，且端管184可接著被永久連接。端管184可從熱區(qū)域通到冷區(qū)域，在冷區(qū)域中可連 接其它形式的管子或氣體運(yùn)輸工具例如供給管50。可選地，端管184可通到燃料和空氣供 給或排氣移除設(shè)施，而不使用供給管50。多層裝置(例如，10、100、200、300)將位于熱區(qū)域 中，且以永久方式連接的端管184向外過渡到冷區(qū)域。如圖100A和100B所示，具有多個(gè)空 氣和燃料通路的多層(管狀)Fuel Cell Stick 裝置10、100、400、500 (200、300)或任何其 它燃料電池結(jié)構(gòu)設(shè)置有被特別纏繞的端管186，其是端管184的一個(gè)實(shí)施例。裝置10、100、 200、300、400、500的活性結(jié)構(gòu)，即，陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和燃料通路通過這里所述的各種方法 中的任何一個(gè)制成，且接著被纏繞的端管186連接被添加。被纏繞的端管186使用纏繞技術(shù) 被添加，其中管由帶制成，且接著帶纏繞在具有足夠的匝數(shù)來提供足夠強(qiáng)的厚度的棒的端 部周圍，且匝數(shù)繼續(xù)給端管184提供期望長(zhǎng)度。在被纏繞的端管186的未支撐段內(nèi)可能需 要心軸，在這種情況下可使用覆蓋有脫模劑或蠟的臨時(shí)心軸。管的層可被碾壓以實(shí)現(xiàn)完全 的強(qiáng)度和密度。在碾壓之后，心軸可被移除。永久端管184可提供與活性結(jié)構(gòu)的機(jī)械和電 連接。永久連接的端管184連接借助于共同燒結(jié)實(shí)質(zhì)上與活性結(jié)構(gòu)是成整體的。這提供了 對(duì)設(shè)計(jì)的持久性。因此，通過共同燒制最終裝置，所連接的端管184被燒結(jié)到多層裝置(例 如，10、100、200、300、400、500)上，使得它們實(shí)質(zhì)上是整體的。端管184可從傳導(dǎo)性陶瓷例如LSM或從氧化鎳制成。在過渡到冷區(qū)域或空氣大氣 時(shí)，端管184可覆蓋有傳導(dǎo)性金屬或合金。該金屬或合金以及最終管設(shè)計(jì)的冷端部可作為 涂料或作為被纏繞的帶來應(yīng)用。可選地，不是被纏繞的端管186，端管184可為例如通過卷 攏或擠壓制成的管。如果端管184在未加工狀態(tài)中是軟的，則它可通過碾壓到粘結(jié)陶瓷而 連接到陶瓷。被纏繞的管186或添加的端管184也可為兩種或多種材料的合成物。在LSM 的情況下，例如LSM可與YSZ混合以幫助它匹配CTE和純YSZ的燒結(jié)特性。制造多層裝置的復(fù)雜活性結(jié)構(gòu)并接著燒結(jié)它，然后將永久端管184連接到端部可 能是合乎需要的，但這提出了物理挑戰(zhàn)。使裝置的端部成形為容易接受管連接將是有利的，如在圖101中對(duì)裝置10所示的(且也參考圖3A和3B對(duì)非永久管連接被描述為圓柱形端部 部分)?；钚匝b置10的外部端部可例如通過匹配(優(yōu)選地在未加工狀態(tài)中)被成形，以形 成容易安裝到陶瓷端管184中以在軸向方向上提供連接的圓柱形端部部分190。端管184 的軸向連接對(duì)較大系統(tǒng)中的Fuel Cell Stick 裝置10 (或100、400、500、200、300)的緊密 包裝是最佳的?；蛘撸現(xiàn)uel Cell Stick 裝置10的端部IlaUlb的內(nèi)部可被機(jī)器加工以形成一 個(gè)或多個(gè)端孔192，一個(gè)或多個(gè)端管184可插入端孔192中，如圖102A和102B所示的。并 排插入的兩個(gè)或多個(gè)端管184可能在很多設(shè)計(jì)中是有利的。多個(gè)插入的端管184允許小型 化中(例如，在手持裝置中)的方便性或在工廠設(shè)計(jì)的平衡中的簡(jiǎn)單性。當(dāng)兩個(gè)零件(活性裝置10和端管184)是未加工的使得它們可被共同燒結(jié)時(shí)，或 在兩個(gè)零件被單獨(dú)地?zé)Y(jié)之后，或當(dāng)一個(gè)零件是未加工的而一個(gè)零件已經(jīng)被燒結(jié)時(shí)，端管 184的永久連接可能出現(xiàn)。如果在連接出現(xiàn)時(shí)兩個(gè)零件都已經(jīng)被燒結(jié)，則玻璃或玻璃陶瓷 (或較低燒制陶瓷，例如添加有燒結(jié)輔助陶瓷的YSZ，例如氧化鋁)可用于形成結(jié)合。如果 零件被放置在一起未加工，則可使用碾壓方法或上面的接合材料。如果一個(gè)是未加工的而 一個(gè)是已經(jīng)燒制的，則可使用所有這些粘接方法。根據(jù)在圖103A中以示意性透視圖示出的永久管連接的另一個(gè)實(shí)施例，矩形端部 部分194可設(shè)置在活性裝置的端部，且配合的矩形管196用于連接到其以從爐退出。此外， 有端管184將是可能的，其中配合的零件在連接端部處是矩形的，而在另一端部處是圓形 的。圖103B所示的這樣的形狀過渡端管198可通過鑄造或模制來制成。特別是，形狀過渡 端管198可被制造為以兼容形式的模制陶瓷零件。矩形端部可容易被碾壓到矩形端部分 194上，且接著該陶瓷零件可將形狀改變成圓形或其它形狀的管，有利于其從爐中的轉(zhuǎn)移。 再次，這些管和出口路徑可由傳導(dǎo)性材料制成，所以它們可表現(xiàn)為電連接以及氣體連接，以 通過減少部件的數(shù)量簡(jiǎn)化系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)并使它們執(zhí)行更多的功能。描述了坯體帶的使用以建立在不同的實(shí)施例中描述的結(jié)構(gòu)。然而，坯體帶的使用 是不需要的?？蛇x方案是絲網(wǎng)印刷在該結(jié)構(gòu)中使用的所有材料。這消除了帶的使用，但提 供了在布局上看起來非常相似的最終未加工的裝置。實(shí)際上，區(qū)分開使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)放 下的一層氧化鋯和作為一片帶放下的一層氧化鋯非常困難。另一變形是使用分配器來寫材 料。在最簡(jiǎn)單的形式中，這可為像筆一樣寫材料的管，雖然對(duì)此的確切方法隨著時(shí)間的過去 和對(duì)小型化的需要繼續(xù)而將變得更復(fù)雜，如可被本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到的。使用寫方法，可 制造具有小通道和更復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。然而，實(shí)際上，這些方法可能比多層陶瓷 技術(shù)更沒有用。當(dāng)結(jié)構(gòu)被制造得越來越小時(shí)，使用相同數(shù)量的寫入頭，于是制造大裝置所需 的時(shí)間的量變得更長(zhǎng)。該方法可根據(jù)生產(chǎn)率問題戰(zhàn)勝自己。構(gòu)造具有帶的裝置和印刷方法 實(shí)際得多，如通過當(dāng)前電容器生產(chǎn)方法展示的，其中一個(gè)工廠每星期可生產(chǎn)十億小芯片，每 個(gè)芯片具有400層或更多。然而，設(shè)想了用于構(gòu)造本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置的這樣 的方式。也可在多層裝置內(nèi)使用微管而不是層。細(xì)管可在組合時(shí)提供大面積。如果多層裝 置包含數(shù)千微管，則這些管可組合，以便通過端部到端部或側(cè)到側(cè)或在組合過程期間以較 大的層組連接它們來逐步增加電壓。然而，寫入的復(fù)雜性再次可能變成減慢生產(chǎn)的一個(gè)因 素。然而，總的來說，根據(jù)本發(fā)明的“自愿形式”的使用允許該設(shè)計(jì)起作用?！白栽感问健敝副景l(fā)明的具有物理結(jié)構(gòu)的裝置，在該結(jié)構(gòu)內(nèi)材料系統(tǒng)滿足于對(duì)總設(shè)計(jì)目標(biāo)協(xié)作。因?yàn)槲锢?結(jié)構(gòu)與材料特性協(xié)調(diào)起作用，裝置可適應(yīng)沿著裝置的長(zhǎng)度的急劇的溫度差異，允許低溫和 低成本連接點(diǎn)，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)并增加持久性。在上述各種實(shí)施例中，多層陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和間隙在SOFC或其它燃料電池裝 置的“自愿形式”設(shè)計(jì)中被使用。也可使用該“自愿形式”設(shè)計(jì)，其中Fuel Cell Stick 裝置 10、100、200、300的多層活性結(jié)構(gòu)被建立在具有例如板610、長(zhǎng)板612、管614或扁平管616 配置的陶瓷(氧化鎳、YSZ、LSM或任何其它優(yōu)選材料)的預(yù)燒核上，如圖104所示。最終形 式看起來類似于前面描述的設(shè)計(jì)，但制造方法將以固態(tài)的下部材料610、612、614或616開 始，并接著將厚膜層添加到其(厚膜指通過印刷、浸漬或?qū)懭胪繚{料層)。在扁平管616或圓管614設(shè)計(jì)的現(xiàn)有使用中，管的中心包含一種氣體，而管的外表 面被暴露給另一氣體。將扁平管616或圓管614設(shè)計(jì)改變成多層設(shè)計(jì)需要?dú)怏w在管內(nèi)被控 制。扁平管將用作對(duì)額外的討論的例子。在現(xiàn)有使用中，扁平管可具有在內(nèi)部的支撐構(gòu)件， 以便控制空氣或燃料的流動(dòng)。扁平管是多孔的，使得它允許其氣體向外擴(kuò)散到電極24、26 以及電解質(zhì)28。支撐構(gòu)件的一個(gè)實(shí)施例是在圖105A所示的垂直配置(垂直肋620)中或 在圖105B所示的有角度的三角形肋622配置中給它提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的肋。盡管有肋，扁平管 616的內(nèi)部只包括在通道624內(nèi)的一種氣體類型。清楚地標(biāo)為現(xiàn)有技術(shù)的圖106示出了目 前如何使用將一種氣體供給到一個(gè)電極的扁平管。彎曲箭頭示出了氣體如何通過管的多孔 陶瓷向上擴(kuò)散到第一電極(也可向下擴(kuò)散，如果電極被構(gòu)造在扁平管的兩側(cè)上)。根據(jù)本發(fā)明，肋620用于將通道624分成兩個(gè)交替的集合624a、624b，使得一些通 道傳送燃料(燃料通道624a)而一些通道傳送空氣(空氣通道624b)，如圖107A-107B所 示。這些扁平管可為了低成本而被擠壓，所以交替的通道624a、624b可在每端部IlaUlb 處被封鎖，以允許氣體在相反方向上的交替流動(dòng)。密封可使用高溫材料例如玻璃或陶瓷來 完成，或如果在扁平管的冷區(qū)域中，則密封可使用低溫材料例如有機(jī)物或硅樹脂來完成。可 選地，管能以在制造時(shí)封鎖交替的通道的方式被模制。如圖108所示，如果需要，每個(gè)通道 624a、624b可在第一端部Ila處是敞開的，使得空氣和燃料進(jìn)入并在同一方向上通過相鄰 通道624a、624b行進(jìn)。在這種情況下，肋需要是非多孔的且沒有允許兩種氣體混合的缺點(diǎn)。 連接物可接著用于將正確的氣體引導(dǎo)到單端Ila上的正確通道624a或624b，如圖108所
7J\ ο此外，蓋626 (例如玻璃或密度大的陶瓷)可被應(yīng)用以密封在一些區(qū)域中的扁平 管，以控制向上通過多孔管的氣體流動(dòng)，如圖107B所示。被覆蓋的多孔表面可接著允許適 當(dāng)?shù)臍怏w向上擴(kuò)散到多層活性結(jié)構(gòu)中適當(dāng)?shù)耐分?。兩種的任何組合可合并-封鎖多孔管 的表面、以及允許多孔區(qū)域?qū)⑵溥m當(dāng)?shù)臍怏w向上擴(kuò)散到正確的區(qū)域中?；蛘?，扁平管616不必是多孔的，以便在該設(shè)計(jì)中起作用，與現(xiàn)有技術(shù)的一層扁平 多孔管相反。替代地，可產(chǎn)生允許氣體離開通道624a、624b并向上移動(dòng)到多層活性結(jié)構(gòu)中 的孔(其實(shí)施例以后參考圖109被討論)。這些孔可被添加到在未加工狀態(tài)或燒制狀態(tài)中 的扁平管616。扁平管616可從爐延伸出，使得一端部Ila對(duì)一種氣體容易在冷區(qū)域中形成 支管，而另一端部lib對(duì)另一氣體(再次在冷溫度時(shí))在另一端部處形成支管，如在圖111 中看到的?？蛇x地，單端扁平管(例如，如在圖108中的)可退出爐，而空氣和燃料都可在 該冷端部Ila處被提供到通道624a、624b?？墒褂脧?fù)雜的連接物，其與管lib的端部Ila相
52接并將空氣和燃料都提供到適當(dāng)?shù)耐ǖ?24a、624b中。在爐中，扁平管616內(nèi)的孔可允許 氣體向上移動(dòng)到多層活性結(jié)構(gòu)中?？諝馔ǖ?24b可允許氣體流到多層活性結(jié)構(gòu)中，而燃料 通道624a可允許燃料以類似的方式流動(dòng)。單獨(dú)的孔可服務(wù)于單獨(dú)的層，或一個(gè)孔可服務(wù)于 多個(gè)層。在多層活性結(jié)構(gòu)內(nèi)，可能構(gòu)造串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)的任何組合，如在我們的前面附圖 中描述的。如在圖109中對(duì)本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置600描述的，可能使來自扁平 管內(nèi)的供給氣體進(jìn)入通孔路徑628，以將氣體一直吸納到適當(dāng)?shù)膶印？墒褂酶鞣N技術(shù)和設(shè) 計(jì)，例如柱、墻壁突出物、偏移通道等，以便在流動(dòng)的氣體不離開通孔路徑的情況下通孔路 徑628可繼續(xù)。應(yīng)注意，黑體垂直彎曲線是圖示技術(shù)，以指出該圖示不全在相同的平面橫截 面中。圖110所示的備用方法將使氣體通路14、20在其長(zhǎng)度的側(cè)區(qū)域處扭曲，使得氣體路 徑下來與扁平管616相接。這可能較簡(jiǎn)單，給出厚膜材料將被添加到扁平管616的表面以 建立多層活性結(jié)構(gòu)的方法。圖111示出了端部從爐延伸出的自愿形式的Fuel Cell Stick 裝置600，且更具 體地，位于熱區(qū)域32中的具有出現(xiàn)在較冷區(qū)域30中的相對(duì)端部1 la、1 Ib (可以可選地為出 現(xiàn)在較冷區(qū)域中的一端部)的扁平管616、在扁平管616上構(gòu)造的多層活性結(jié)構(gòu)以及氣體向 上擴(kuò)散到多層活性結(jié)構(gòu)中的路徑628的透視圖?？蛇x地，如圖112所示，扁平管616的端部 IlaUlb可在爐的內(nèi)部，并連接到高溫歧管630用于氣體輸送。根據(jù)本發(fā)明的以自愿形式的扁平管616的變形將是窄扁平管632，其中寬度在它
穿過爐壁96的區(qū)域中變得更小，如圖113所示。窄扁平管632的內(nèi)部設(shè)計(jì)可使較窄的端部
以各種方法適合管的主區(qū)域。例如，肋可從窄端部到主區(qū)域變成展開的，使得所有或一些通
道624在尺寸上增加，或額外的肋620、622可在內(nèi)部中，將流量分離到額外的通道624中以
供給更多的區(qū)域。通過使窄扁平管632的寬度在它離開爐的地方更窄，它可能較不易于破 m農(nóng)。在這里所述的扁平管實(shí)施例中，單獨(dú)的端管184可插入爐中以在端孔192處與扁 平管616(632)配合，作為歧管630的可選方案，如圖114所示。管184可被共同燒制，可被 永久連接，或可使用玻璃或機(jī)械壓力被臨時(shí)粘結(jié)。SOFC在高溫時(shí)、傳統(tǒng)上在800°C時(shí)工作得很好。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，使用用于本 發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置(10、100、200、300、400、500、600)的操作的稱為看穿爐的東 西可能是方便的。一種看穿爐是Thermcraft公司制造的Trans Temp 爐。管式爐是加熱 元件在管內(nèi)并具有開口端的絕緣管。管式爐的中心可較快地加熱到操作溫度。在看穿爐中， 絕緣管由多層石英和/或玻璃管制成，通常是兩層但可能更多，且石英層可足夠隔離爐，同 時(shí)允許人看內(nèi)部。通常，石英管之一使用少量的反射金屬例如金被涂在內(nèi)部上，以將額外的 熱反射回爐中。Trans Temp 爐由爐中的螺旋形電線圈供電。此外，Trans Temp 爐可由 其它裝置例如氣體燃燒結(jié)構(gòu)加熱。使用看穿爐作為用于本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置 的操作的格式將允許容易檢查在管式爐內(nèi)操作的Fuel Cell Stick 裝置。例如，摩托車可通過SOFC技術(shù)供電，其中管式爐位于一般用于氣罐的區(qū)域中。汽 車也可以這種方式被供電。類似于在新的費(fèi)拉里機(jī)動(dòng)車設(shè)計(jì)中在發(fā)動(dòng)機(jī)上使用玻璃面板使 得人們可看見發(fā)動(dòng)機(jī)，使用看穿SOFC爐，人們可觀察SOFC發(fā)動(dòng)機(jī)?；蛘咴诜孔又?，SOFC可 給整個(gè)房子供電并使用看穿爐。一個(gè)世紀(jì)以前，壁爐是房子的中心，作為加熱和烹飪的中心；在現(xiàn)代房子中，看穿SOFC爐可為房子的心理中心。在汽車設(shè)計(jì)中，可能有多于一個(gè)的看 穿爐元件?？赡苡胁⑴诺乃膫€(gè)看穿爐元件。或者四個(gè)元件可在“ + ”的形狀中。除了美觀性 以外，SOFC的看穿爐設(shè)計(jì)的功能元件是觀察爐正開啟并正確地運(yùn)行的能力。該設(shè)計(jì)的藝術(shù) 元件可告知較大的產(chǎn)品或情況的其它設(shè)計(jì)方面。當(dāng)Trans Temp 爐涂有金或未被涂覆時(shí)，則爐的顏色實(shí)質(zhì)上是黃-桔黃的。根據(jù) 本發(fā)明，不同的元件可用于涂覆硅石(石英)的內(nèi)部，或給硅石管上涂料，由此顏色可變成 藍(lán)色、綠色或可想象的任何其它顏色。因此，本發(fā)明設(shè)想了 Fuel Cell Stick 裝置，其中熱區(qū)域32由具有清澈的(看 穿)壁96、96，或96”的爐結(jié)構(gòu)提供。此外，熱區(qū)壁96可被包上或摻入使熱區(qū)域32實(shí)質(zhì)上 以不是桔色(例如藍(lán)色)的顏色發(fā)光的元件。爐(熱區(qū)域)32可使用燃燒燃料或使用電阻 導(dǎo)線被加熱。還設(shè)想了全部或部分地由SOFC供電的車輛，其中SOFC的熱區(qū)域32使用看穿 爐或多個(gè)看穿爐被創(chuàng)建。還設(shè)想了具有看穿壁96、96’或96”的至少部分地由如這里所述 的FuelCell Stick 裝置供電的家庭加熱爐。Fuel Cell Stick 裝置的上面所有的實(shí)施 例，包括管狀Fuel Cell Stick 裝置，可包括看穿熱區(qū)域32。關(guān)于SOFC詳細(xì)描述了上面的實(shí)施例。然而，實(shí)施例也可適用于熔融碳酸鹽燃料電 池(MCFC)。概念中的主要差異是電解質(zhì)從氧化鋯改變?yōu)槿廴谔妓猁}(例如，碳酸鋰或碳酸 鈉)。碳酸鹽在高溫時(shí)變得熔化并能夠?qū)⒀蹼x子(以CO2的形式)傳導(dǎo)到另一邊。熔融碳 酸鹽在多孔陶瓷例如LiAIO2內(nèi)保持在毛細(xì)管中。陽(yáng)極和陰極都基于MCFC中的鎳上，而不 是通常在SOFC中使用的LSM。SOFC的結(jié)構(gòu)氧化鋯由在小孔中的有碳酸鹽的多孔LiAIO2代 替。而且，使用氣流添加C02?？蓪?duì)MCFC采用作為本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置的總結(jié) 構(gòu)的自愿形式。本發(fā)明還設(shè)想使用氨(NH3)作為Fuel Cell Stick 裝置的燃料。氨在陽(yáng)極側(cè)上 提供H+離子，正如碳?xì)浠衔锘騂2將這么做一樣。使用氨的優(yōu)點(diǎn)是，與H2 —樣，它不發(fā)射 任何C02。然而NH3作為燃料的缺點(diǎn)是毒性。本發(fā)明還設(shè)想Fuel Cell Stick 裝置將噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變到電動(dòng)機(jī)配置的使用，通 過其可能獲得較高的燃料效率。Fuel Cell Stick 裝置產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)功率的使用將減少燃料 消耗以及還有飛行所必需的燃料負(fù)載。不是被稱為噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)裝置將稱為涵道風(fēng)扇， 或僅僅風(fēng)扇，如果它們沒有外部飛機(jī)引擎罩?？梢怨烙?jì)，如果IOMW的功率是可用的，涵道風(fēng) 扇可代替波音737上的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。使用Fuel Cell Stick 裝置組件的lMW/ft3的高級(jí) 密度目標(biāo)，在飛機(jī)上產(chǎn)生這種功率是合理的。多個(gè)單獨(dú)的單元可用于產(chǎn)生10MW，特別是可能 10個(gè)模塊，每個(gè)模塊產(chǎn)生1MW。通過在翼上有功率產(chǎn)生模塊，它們可盡可能接近于發(fā)送機(jī)， 使得配線內(nèi)的電阻損失減小。在翼上有SOFC的備用設(shè)計(jì)是在機(jī)身中有它們。機(jī)身中的振 動(dòng)將小于翼中的振動(dòng)，因而機(jī)身可證明是較好的位置。將功率從機(jī)身輸送到翼的傳導(dǎo)性問 題可通過在傳輸功率時(shí)在較高的電壓處操作來克服?；蛘?，使用高溫陶瓷超導(dǎo)體來行進(jìn)過 該距離可能是有用的。因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了使用電推進(jìn)系統(tǒng)的飛機(jī)，其中被產(chǎn)生來運(yùn) 行電推進(jìn)系統(tǒng)的功率在多個(gè)SOFC模塊中產(chǎn)生。電推進(jìn)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例是涵道或非涵道 風(fēng)扇。此外，這些模塊可位于飛機(jī)的翼中。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，使用微米或納米尺寸的管，空氣通道和陰極被組合，和 /或燃料通道和陽(yáng)極被組合。通過組合這些特征，可使用較高功率密度(KW/L)和更粗糙的
54設(shè)計(jì)制造Fuel Cell Stick 裝置。不是有用于空氣和燃料的流動(dòng)的分別相鄰于陽(yáng)極24和 陰極26的空氣通路14、20，流動(dòng)間隙通過在陽(yáng)極和陰極內(nèi)提供微米管或納米管(統(tǒng)稱為微 米/納米管)而出現(xiàn)在陽(yáng)極和陰極內(nèi)。這可明顯提高在陽(yáng)極和陰極內(nèi)的氣體分布。目前陽(yáng) 極和陰極是多孔的，且氣體在全部這些孔中擴(kuò)散。實(shí)際上，氣體可不很快擴(kuò)散，可能因?yàn)榭?隨機(jī)地分布，所以氣體流動(dòng)必須通過曲折的路徑。微米/納米管被界定為陽(yáng)極24和陰極26 內(nèi)的路徑或通道，由于具有明顯比隨機(jī)的孔本身更直和更長(zhǎng)的微米/納米管，所以能夠獲 得改善的燃料利用。實(shí)際上，纖維634可插入陽(yáng)極和/或陰極材料中。舉個(gè)例子，可使用碳纖維材料。 纖維可為墊子型布636，使得纖維在長(zhǎng)度上相對(duì)短、被隨機(jī)分布、并被壓碎和擠壓成薄片，如 圖115A(500x放大率)和115B(200x放大率)的顯微照片所示的。預(yù)期可使用任何類型的 有機(jī)布或織物?？蛇x地，長(zhǎng)粒子可分布在電極糊中以在燒制之后給出長(zhǎng)空腔。碳斜紋布織 物可能特別有用，因?yàn)榇蟛糠掷w維可容易在優(yōu)選的流動(dòng)方向上被定向。在圖115A和115B中，纖維634的直徑是5-10 μ m。使它們小得多，即，納米尺寸 是可能的，每面積有較大數(shù)量的纖維。作為例子，可使用具有在I-IOOnm范圍內(nèi)的直徑的納 米管?？蛇x地，可使用具有在1-100 μ m范圍內(nèi)的直徑的微米管。通常，管可具有小至大約 Inm或更小以及大至大約100 μ m,例如在50nm到50 μ m范圍內(nèi)的直徑。纖維634可接著充滿電極糊。該糊已經(jīng)具有多孔性質(zhì)，并包括石墨粉末來幫助提 供在0. 5-3 μ m的規(guī)模上的額外的小孔。在烘干和燒結(jié)之后，圖115A和115B中所示的纖維 和石墨粉末將提供在電極內(nèi)的小孔和微米、納米管的網(wǎng)絡(luò)，其可增加氣體分布。對(duì)于碳纖 維，它們將在燒制分布期間在750°之后消失。圖116A-116C是以增加的放大率示出在燒制 的電極中形成的微米管638的顯微照片，特別是通過烘干5-10 μ m直徑的碳纖維在陽(yáng)極24 中形成的三個(gè)不同的通道。該實(shí)施例給出在陽(yáng)極24和陰極26內(nèi)燃料和空氣的良好分布，并允許消除在陽(yáng)極 和陰極的區(qū)域中的燃料和空氣流動(dòng)通路14、20，因?yàn)槿绻剂虾涂諝饪闪鹘?jīng)陽(yáng)極和陰極，則 不需要有在陽(yáng)極和陰極上流動(dòng)的燃料和空氣。而且，如果在陽(yáng)極和陰極上的間隙被消除，則 陽(yáng)極和陰極可接觸在多層結(jié)構(gòu)中的下一電解質(zhì)28，提供多層結(jié)構(gòu)的顯著提高的強(qiáng)度。應(yīng)該意識(shí)到，微米/納米管638的使用可在任何多層燃料電池結(jié)構(gòu)中得到使用，不 管它是否是具有從熱移動(dòng)到冷的自愿形式的結(jié)構(gòu)。該實(shí)施例可在正方形板上或在管的表面 上使用。當(dāng)設(shè)計(jì)在本質(zhì)上是多層或具有對(duì)設(shè)計(jì)的3D規(guī)模的系統(tǒng)時(shí)，它特別有效。在多層Fuel Cell Stick 裝置中，例如在連續(xù)的電池層之間為大約0. 010”間距， 即，從一個(gè)電解質(zhì)到另一電解質(zhì)的0.010”的樣本被制造。該IOmils對(duì)燃料或空氣的流包 括大約2mils的間隙。通過根據(jù)本發(fā)明消除2mils的氣流厚度，功率密度(KW/L)可增加 20%，這是顯著的。然而，可以認(rèn)識(shí)到，陽(yáng)極和/或陰極中的微米/納米管638可結(jié)合空氣 /燃料通路(間隙)使用以增加流量，而不是作為消除間隙的方式。根據(jù)具有熱區(qū)域32和至少一個(gè)冷區(qū)域30的本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置的另 一個(gè)實(shí)施例，產(chǎn)生燃料和空氣通路14、20的方法將在從冷到熱的路徑的區(qū)域中保持相同， 且在熱區(qū)域中，燃料流將通過電極中的小孔和微米/納米管638出現(xiàn)。敞開通道(14、20) 例如兩mil (.002”)通道提供方便的低流阻路徑以使氣體進(jìn)入。因?yàn)檫@些路徑厚度大約與 陽(yáng)極24和陰極26相同，敞開的氣流通道(14、20)可正好達(dá)到熱區(qū)域32中陽(yáng)極24和陰極
5526的邊緣，如圖117所示。如果需要，通道(14、20)可被定向?yàn)樵试S空氣和燃料從側(cè)面進(jìn)入 陽(yáng)極24或陰極26中。在圖117中，陽(yáng)極24或陰極26服務(wù)于并行示意圖中的兩個(gè)電解質(zhì) 28，一個(gè)在陽(yáng)極24或陰極26之上，而一個(gè)在陽(yáng)極24或陰極26之下。對(duì)于串連樣式，間隔 物642可放置在陽(yáng)極24或陰極26的兩個(gè)部分之間，如圖118所示。間隔物642將為絕緣 層，例如氧化鋯或電解質(zhì)材料。在更復(fù)雜的格式例如使用連接物電極148的串連樣式中，例如該方法可用于立即 供給很多陽(yáng)極24或陰極26。使單獨(dú)的電池短和寬是最佳的，以便減小電阻。微米/納米管 638可用在那個(gè)方面，因?yàn)楣軐⒕哂斜却箝g隙有的更高的流阻，使得電池的短、寬特性將很 好地起作用，以允許足夠的氣流和提高的燃料利用，這是任何燃料電池的主要目標(biāo)之一。串 聯(lián)樣式的頂部向下示意圖示出在圖119中，強(qiáng)調(diào)氣體進(jìn)入電池和從電池出來的流動(dòng)。為了 更清楚的描述，將使用燃料側(cè)的例子。因?yàn)檫@是頂部向下視圖，所看到的表面是陽(yáng)極24的 表面。電解質(zhì)28和陰極26從視圖中隱藏。箭頭表示流入陽(yáng)極24的燃料。燃料進(jìn)入陽(yáng)極 24的側(cè)面，其中它的一部分接著轉(zhuǎn)到電解質(zhì)，而它的一些通過陽(yáng)極繼續(xù)到燃料出口 16。再 次，氣流和陽(yáng)極或陰極的組合區(qū)域的厚度是相同的，且它被最小化，因?yàn)槿剂贤?4與陽(yáng) 極14并排，而不在它們上面。用于低功率產(chǎn)生的小設(shè)備在燃料電池的領(lǐng)域中也是合乎需要的。例如，在100小 時(shí)內(nèi)提供20W的微型電源可由軍隊(duì)使用。為此目的，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置的一個(gè)設(shè)計(jì)是 有進(jìn)入微型裝置的大區(qū)域704中的兩個(gè)棒形入口 702a、b，但都來自同一側(cè)，如圖120中的側(cè) 視圖中所示的。一個(gè)棒入口 702a處理空氣，而另一個(gè)棒入口 702b處理燃料。大區(qū)域704是 位于熱區(qū)域32中的活性區(qū)域。通過使兩種氣體從同一側(cè)進(jìn)入，與在Fuel Cell Stick 裝 置的每側(cè)上有一個(gè)入口比較，大的總體積減小了。此外，當(dāng)與單個(gè)較長(zhǎng)的入口路徑比較時(shí)， 具有對(duì)空氣和燃料的連續(xù)入口的區(qū)域也減小了。圖120所示設(shè)備700的尺寸(按照平方面 積)可為例如1”平方或3” X3”。根據(jù)另一實(shí)施例，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置的大區(qū)域704被分成多個(gè)部分。如果 Fuel Cell Stick 裝置被設(shè)計(jì)有20個(gè)活性層，每個(gè)層填充圖120所示的大區(qū)域，則傳熱使 區(qū)域分開是有利的。分離的區(qū)域可像書中的頁(yè)。氣體供給管進(jìn)入書的書脊處，書脊可完全 是固體的，或完全是分開的，或部分分開的，如分別在圖121A和121B中以俯視圖和透視圖 示出的。最后，在被預(yù)期是便攜式的Fuel Cell Stick 裝置700中，在該裝置上有穩(wěn)定點(diǎn) 706將是有用的，如圖122所示。這些將采取從裝置出現(xiàn)的書脊的形狀，但只用于延伸到微 型爐的絕緣層98中，從而使振動(dòng)衰減并保持FuelCell Stick 裝置穩(wěn)定。書脊708可采取 各種形狀，但理想地將具有小橫截面，以便它們不將熱從裝置傳導(dǎo)走。它們可對(duì)強(qiáng)度非常突 出，較大的連接710在Fuel Cell Stick 裝置的主體處。此外，穩(wěn)定書脊708可用在這里 所述的任何實(shí)施例中，而不管裝置是否是便攜式的。當(dāng)Fuel Cell Stick 裝置的尺寸變得更大以便獲得較高的功率時(shí)，一個(gè)可能的挑 戰(zhàn)是氣體和/或空氣流動(dòng)可能在窄通路(流動(dòng)通道)中被限制。當(dāng)流動(dòng)通路變得較窄、較 細(xì)和較長(zhǎng)時(shí)，流率可能減小。在不希望被理論限制的情況下，流率減小看起來是粘性效應(yīng)。 此外，當(dāng)溫度增加時(shí)，某些橫截面內(nèi)的氣體和/或空氣流動(dòng)可減小。另一考慮因素是需要燃料流動(dòng)的某個(gè)量來獲得功率的每瓦-秒。僅作為例子和估
56計(jì)，初步研究發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置中的氫氣可產(chǎn)生至少大約11瓦-秒 /毫升。在吐的0. lml/s流率時(shí)，本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置可產(chǎn)生1. 1瓦。根據(jù)這 個(gè)研究，較高的功率需要較高的流率。又一考慮因素是Fuel Cell Stick 裝置的總密度(kW/I)取決于各種部件包括流 動(dòng)通路的厚度。使流動(dòng)通路對(duì)較高功率設(shè)備較厚的任何企圖將使較小的設(shè)備的密度達(dá)到偏 移并減小設(shè)計(jì)的總成功率。因此，當(dāng)對(duì)較高的功率增加Fuel Cell Stick 裝置的總尺寸而 不犧牲密度時(shí)存在對(duì)提供良好流率的需要。在例如2英寸長(zhǎng)到6英寸長(zhǎng)的短Fuel Cell Stick 裝置的示例中，每層的瓦特?cái)?shù) 被面積限制，因此細(xì)流動(dòng)通路是可接受的。此外，描述了較粗的流動(dòng)通路14a(例如預(yù)熱室 13)通到活性區(qū)域33b且接著較細(xì)的流動(dòng)通路14b (或微管638)延伸而通過活性區(qū)域33b的 實(shí)施例(例如，圖32A-33B、圖117-118)，如在圖123中以截面圖示意性顯示的，以便最大化 流率，同時(shí)不將額外的厚度增加到Fuel Cell Stick 裝置10。例如，在活性區(qū)域33b中，如 果燃料通路14b是一 mil，而陽(yáng)極24是兩mil (總共三mil或0. 003”)，則三mil燃料通路 14a可通到活性區(qū)域33b，而不犧牲Fuel Cell Stick 裝置10的總密度。三mil燃料通路 14a將允許比活性區(qū)域33b內(nèi)的燃料通路14b的一 mil厚度更大的流率(具有對(duì)流動(dòng)的較 小的電阻)。所以在每層上有單獨(dú)的間隙的短Fuel Cell Stick 裝置中，其中服務(wù)于一層 所需的氣流的每秒毫升不大，通過增加層數(shù)，比如100層，可能仍然有每Fuel Cell Stick 裝置的高功率輸出。另一方面，可能有長(zhǎng)得多的設(shè)備，例如20英寸或更長(zhǎng)，其中總層數(shù)較低，比如20 層，且每層的總功率高得多。在這種情況下，在提供所需的流率中流動(dòng)通路的不同方法將是 有用的，而不犧牲密度。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置設(shè)置有通常沿著Fuel Cell Stick 裝 置的長(zhǎng)度(即，在X方向上)行進(jìn)的在活性區(qū)域外部的較大的流動(dòng)通路，以及在短方向(即， 寬度或y方向)上越過活性區(qū)域的更窄的流動(dòng)路徑。大流動(dòng)通路提供到Fuel Cell Stick 裝置的主動(dòng)脈，并因此在這里稱為動(dòng)脈流動(dòng)通路，而從一側(cè)面到另一側(cè)面的通路供給活性 區(qū)域，因此在這里被稱為具有提高總密度的細(xì)橫截面間隙的活性流動(dòng)通路。根據(jù)需要多少 流量來給Fuel Cell Stick 裝置供電，主動(dòng)脈流動(dòng)通路在它沒有遭受足夠的流動(dòng)限制的橫 截面上(即，在厚度或ζ方向以及寬度或y方向上)足夠大。越過Fuel Cell Stick 裝置 的活性流動(dòng)通路的細(xì)橫截面在兩個(gè)方法中是有用的，即，它們?cè)诰嚯x上(在y方向上)是短 的，且它們?cè)跈M截面上(在χ和ζ方向上)是寬的，對(duì)氣體流動(dòng)提供低電阻。在前面所述和在圖41A-B所示的實(shí)施例中，公開了類似的概念，其中單個(gè)燃料通 路14支持多個(gè)空氣通路20的反應(yīng)。此外，在管狀Fuel Cell Stick 裝置200、300和上面 公開的串連樣式中，圖89和119示出了供給多個(gè)分支通路的單個(gè)公共燃料供給通路。圖124A-124C顯示了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的Fuel Cell Stick 裝置800，其具有利 用沿著Fuel Cell Stick 裝置800的一側(cè)的主動(dòng)脈流動(dòng)通路814、并接著利用越過活性區(qū) 域33b到相對(duì)側(cè)的單獨(dú)的活性流動(dòng)通路815或多個(gè)活性流動(dòng)通路815的流動(dòng)路徑。(為了 簡(jiǎn)單起見，只顯示了兩種氣體_燃料和空氣之一的通路。在后面的實(shí)施例中，將顯示這兩種 氣體的通路，其中附圖標(biāo)記820將用于第二種氣體的動(dòng)脈流動(dòng)通路，而附圖標(biāo)記821將用于 第二種氣體的活性流動(dòng)通路。)根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例，一個(gè)較大的動(dòng)脈流動(dòng)通路814可用作在多個(gè)活性層上的活性流動(dòng)通路815 (例如，在圖124A中以透視圖所示的)，且在一個(gè) 活性層上，動(dòng)脈流動(dòng)通路814可用作并排的(例如，在圖124C中以俯視圖所示的)并在χ方 向上間隔開的多個(gè)活性流動(dòng)通路815。流動(dòng)阻力的減小與所有并排通路815的有效寬度成 比例。有根據(jù)氣流并行延伸的很多活性流動(dòng)通路815被預(yù)期是優(yōu)點(diǎn)與流經(jīng)沿著裝置的寬 度延伸的每個(gè)為1英寸長(zhǎng)和0. 5英寸寬的10個(gè)活性流動(dòng)通路相比，預(yù)期氣流在沿著裝置的 有效長(zhǎng)度延伸的10英寸長(zhǎng)和0. 5英寸寬的薄的單個(gè)活性流動(dòng)通路815中較慢。所設(shè)想的 設(shè)計(jì)將有在Fuel Cell Stick 裝置800的長(zhǎng)度方向χ上延伸的動(dòng)脈流動(dòng)通路814，以及在 短y方向上越過Fuel Cell Stick 裝置800延伸的一個(gè)或多個(gè)活性流動(dòng)通路815 ；然而， 本發(fā)明不限于該特定的布置，因?yàn)槠渌贾檬强赡艿?，而不偏離本發(fā)明的范圍。此外，多個(gè) 活性流動(dòng)通路815具有獨(dú)立地操作的益處，使得如果在活性流動(dòng)通路815之一中出現(xiàn)故障 例如裂縫，其它流動(dòng)通路繼續(xù)起作用。因此有部分功率損耗而不是總功率損耗。圖124A-124B顯示了形成動(dòng)脈流動(dòng)通路814的半圓間隙，以及纏繞在Fuel Cell Stick 裝置800周圍以幫助在間隙周圍形成外殼的一層坯體陶瓷片829，如在圖124B中的 透視圖中最清楚顯示的。在沒有包裝技術(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)這個(gè)相同的設(shè)計(jì)的另一方法是在內(nèi) 部坯體陶瓷片較不寬或內(nèi)部片的某個(gè)部分被移除的區(qū)域中將間隙形成材料插入Fuel Cell Stick 裝置中?？紤]圖125A-125C，不同尺寸的坯體陶瓷片可與間隙形成材料一起使用，以 構(gòu)造坯體結(jié)構(gòu)。在圖125A(部分坯體，組裝的透視圖)中，僅舉個(gè)例子而不是限制，對(duì)于1英寸寬 的Fuel Cell Stick 裝置800，可在裝置800的頂部和底部部分，S卩，在動(dòng)脈流動(dòng)通路814 之上或之下的部分的全寬度處使用多個(gè)1英寸寬的坯體陶瓷片829。例如，對(duì)在每個(gè)部分中 20mil厚的每個(gè)頂部和底部(只顯示了 3個(gè)片)，可使用每個(gè)為2mil厚的10個(gè)片。在中央 部分中，0. 15英寸的段可從多個(gè)坯體陶瓷片829的每個(gè)移除，以留下0. 1英寸的段829a和 0. 75英寸的段829b來放置在0. 15英寸寬的動(dòng)脈間隙形成材料825的任一側(cè)上。例如，對(duì) 于在動(dòng)脈流動(dòng)通路814的每側(cè)上的中心中的SOmil厚的中央部分，可使用每個(gè)為2mil厚的 40個(gè)片(只顯示了 10個(gè)片)。代替一個(gè)或多個(gè)0. 75英寸片829b，薄的間隙形成材料874可 用于形成活性流動(dòng)通路815 (顯示了兩個(gè))。當(dāng)層壓和燒制時(shí)，動(dòng)脈和薄間隙形成材料872、 874從裝置800中燃燒以形成沿著長(zhǎng)度的大側(cè)面動(dòng)脈流動(dòng)通路814和越過寬度的活性流動(dòng) 通路815。在圖125B和125C中，分別示出了部分坯體的組合的截面圖和示意性層壓燒制的 透視圖，類似的方法用于Fuel Cell Stick 裝置800的頂部和底部部分，但在中央部分中， 多個(gè)0. 75英寸坯體陶瓷片829b放置在動(dòng)脈間隙形成材料872的一側(cè)上(在右側(cè)上顯示 了)，且沒有陶瓷放置在另一側(cè)上。當(dāng)層壓時(shí)，來自頂部(和/或底部，未顯示了)的坯體陶 瓷片829形成動(dòng)脈間隙形成材料872 (在左側(cè)上顯示了)，以與相對(duì)的底部片829的0. 1英 寸邊緣部分相接。當(dāng)燒制時(shí)，具有成形的動(dòng)脈流動(dòng)通路814的成形Fuel Cell Stick 裝置 800形成。為了實(shí)現(xiàn)從動(dòng)脈流動(dòng)通路814到單獨(dú)的活性流動(dòng)通路815的互連，在圖125A和 125B中也顯示了在中央部分中從動(dòng)脈間隙形成材料872延伸到Fuel Cell Stick 裝置800 的相對(duì)側(cè)的間隙形成材料874的細(xì)條。當(dāng)所有間隙形成材料872、874用完時(shí)，接著產(chǎn)生流 動(dòng)連接。上面討論了動(dòng)脈流動(dòng)通路814和活性流動(dòng)通路815的間隙形成材料872、874，例如
58有機(jī)物(包括塑料)、碳、蠟或涂有在層壓之后被移除的蠟的固體片。圖126A顯示了三角動(dòng)脈流動(dòng)通路814的部分透視圖。這個(gè)形狀可在層壓過程中 實(shí)現(xiàn)，其中層壓力從頂部下來，且其中Fuel Cell Stick 裝置800的底側(cè)由固定的板支撐。 該力對(duì)機(jī)械擠壓或流體靜壓(也稱為等壓)層壓是共同的。圖126B在部分透視圖中顯示 了類似的三角動(dòng)脈流動(dòng)通路814，但為其中Fuel Cell Stick 裝置800的形狀被更改的通 路。通過擠壓進(jìn)已成形的固定板878中，可能產(chǎn)生對(duì)稱的最終裝置，給出更好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。圖126C顯示了例如通過匹配、成形或謹(jǐn)慎地層壓Fuel Cell Stick 裝置800以 使所有邊緣變圓的最終形式的進(jìn)一步更改的部分透視圖。完全變圓的邊緣形狀可減小機(jī)械 應(yīng)力并減小破裂的風(fēng)險(xiǎn)。在一些實(shí)施例中，動(dòng)脈流動(dòng)通路只幫助一種氣體的流動(dòng)，例如，具有較慢的流動(dòng)速 率(較高的表面粘度)的氣體，而流動(dòng)得較快的氣體使用直通路，如在很多現(xiàn)有實(shí)施例中所 述的。如在圖27的透視圖中顯示了的，例如，在相等尺寸的通路中，氫流動(dòng)得比空氣快，所 以使空氣通過動(dòng)脈流動(dòng)通路820流動(dòng)到活性流動(dòng)通路821可能是有益的，而燃料通過直的 燃料通路14流動(dòng)。在另一實(shí)施例中，設(shè)置類似于入口動(dòng)脈流動(dòng)通路814的出口(靜脈)通路。如果 需要，這允許氣體的進(jìn)一步控制。圖128A-128B(分別為透視圖和示意性俯視圖)顯示了入 口和出口設(shè)計(jì)(為了簡(jiǎn)單起見，只顯示了一種氣體類型)。如所示，氣流通過動(dòng)脈流動(dòng)通路 814在Fuel Cell Stick 裝置800的一側(cè)上沿著長(zhǎng)度，接著越過寬度通過一個(gè)或多個(gè)活性 流動(dòng)通路815，并接著通過出口通路816在Fuel Cell Stick 裝置800的另一側(cè)上沿著長(zhǎng) 度行進(jìn)到活性區(qū)域33b。出口點(diǎn)可出現(xiàn)在熱區(qū)域內(nèi)部或外部，熱區(qū)域從Fuel Cell Stick 裝置800在任何期望位置出現(xiàn)。在圖129A中以示意性截面圖顯示的另一實(shí)施例中，較小的動(dòng)脈流動(dòng)通路814、 820單獨(dú)地放置在活性層上，而不減小Fuel Cell Stick 裝置800的總密度。如果Fuel Cell Stick 裝置800的活性區(qū)域33b中，在電解質(zhì)28的一側(cè)上，陽(yáng)極24是3mil (0. 003，，) 厚而燃料通路14(活性流動(dòng)通路815)是lmil(0.001”)厚，則這兩個(gè)部件的總厚度是 4mils(0. 004”)。在側(cè)邊緣中，氣體動(dòng)脈流動(dòng)通路814設(shè)置為總共4mil厚，而沒有增加到 Fuel Cell Stick 裝置800的總厚度。類似地，陰極26和空氣通路20 (活性流動(dòng)通路821) 具有總厚度并由相等的總厚度的動(dòng)脈流動(dòng)通路814、820提供。根據(jù)液體流動(dòng)的簡(jiǎn)單原理， 在側(cè)面上的4mi 1活性流動(dòng)通路814、820將具有比Imi 1活性流動(dòng)通路815、821 (燃料通路14 和空氣通路20)高得多的流動(dòng)速率(較低的阻力)，因此將能夠用作在Fuel Cell Stick 裝置800中并排延伸的Imil活性流動(dòng)通路815、821的大區(qū)域。圖129B和129C進(jìn)一步在示 意性透視圖中顯示了這個(gè)實(shí)施例，分別顯示了通向單個(gè)活性層的單個(gè)動(dòng)脈流動(dòng)通路814和 通向多個(gè)活性層的多個(gè)動(dòng)脈流動(dòng)通路814 (為了簡(jiǎn)單起見，沒有顯示了相對(duì)的流動(dòng)通路)。在實(shí)踐這個(gè)實(shí)施例中，有被8mil動(dòng)脈流動(dòng)通路814服務(wù)的兩個(gè)活性層或被12mil 通路814服務(wù)的兩個(gè)層可能是有用的。實(shí)際上，在圖120C中的設(shè)計(jì)和圖124A的設(shè)計(jì)之間 可能有折衷設(shè)計(jì)，在圖129C中，一個(gè)動(dòng)脈流動(dòng)通路814服務(wù)于一個(gè)活性層，在圖124A中，一 個(gè)動(dòng)脈流動(dòng)通路814服務(wù)于所有的(給定類型的，陽(yáng)極或陰極)活性層，其可能是數(shù)十個(gè)層 或一百個(gè)層。記住上面的概念，可設(shè)想兩種氣態(tài)材料可受益于動(dòng)脈概念的較高容量流動(dòng)速率。在圖130中在透視圖中顯示了雙動(dòng)脈Fuel Cell Stick 裝置800。第一動(dòng)脈流動(dòng)通路814 從Fuel Cell Stick 裝置800的第一端部Ila進(jìn)入，而第二動(dòng)脈流動(dòng)通路820從Fuel Cell Stick 裝置800的第二端部lib進(jìn)入。這兩個(gè)通路都從側(cè)面出來。如在現(xiàn)有的實(shí)施例中 闡述的，幾何結(jié)構(gòu)的任何組合是可能的，例如兩種氣體從Fuel Cell Stick 裝置800的一 端或兩端進(jìn)入的設(shè)計(jì)。在上面描述的圖25A-27B中，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置100的形狀被描述為允許較 大的活性區(qū)域104(較寬的棒)，同時(shí)仍然允許從爐出來的窄細(xì)長(zhǎng)部分102、106。該設(shè)計(jì)可 與動(dòng)脈概念一起使用。在對(duì)總系統(tǒng)提供簡(jiǎn)單性的方法/裝置中，動(dòng)脈流動(dòng)通路814、820是 直的，而Fuel Cell Stick 裝置800在不同的區(qū)域中成形，如圖131A-131C中在透視圖中 顯示了的(不按比例)。該成形可通過例如用機(jī)器加工來實(shí)現(xiàn)。圖131B中的Fuel Cell Stick 裝置800可在Fuel Cell Stick 裝置800被成形為具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非對(duì)稱形狀。 動(dòng)脈流動(dòng)通路814、820可在Fuel Cell Stick 裝置800的中心或在Fuel Cell Stick 裝 置800的一側(cè)上。動(dòng)脈流動(dòng)通路814、820的放置可增加在Fuel Cell Stick 裝置800內(nèi) 的活性區(qū)域，且在一些實(shí)施例中，有從中心向下的服務(wù)于兩側(cè)上的活性區(qū)域的動(dòng)脈流動(dòng)通 路814、820可能是有利的，如圖131C所示。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，裝置800的彎曲部分保持在 熱區(qū)域32中，且只有窄端部區(qū)域IlaUlb從爐出來并充當(dāng)冷端部。因此，雖然被描述為相 對(duì)短和寬的裝置，附圖并不按比例，且現(xiàn)實(shí)中的裝置可能是長(zhǎng)和窄的，具有配置成允許寬活 性部分完全存在于爐內(nèi)的成形部分和大部分存在于爐外部的窄端部部分。在設(shè)計(jì)具有大動(dòng)脈流動(dòng)通路814、820的Fuel Cell Stick 裝置800的布局中，應(yīng) 對(duì)出口的設(shè)計(jì)給出謹(jǐn)慎的考慮因素。如果側(cè)動(dòng)脈流動(dòng)通路814很大，例如在圖124A-124C 的實(shí)施例中，則使活性流動(dòng)通路815通過Fuel Cell Stick 裝置800的相對(duì)側(cè)出來可能不 是可能的，因?yàn)槌隹诼窂綄⑴c相對(duì)的氣體動(dòng)脈流動(dòng)通路820相交。為了對(duì)某些Fuel Cell Stick 裝置800解決這個(gè)問題，第三維(垂直的ζ方向)被添加到流動(dòng)路徑，使得活性流動(dòng) 通路815、821以垂直的氣體出口孔817、823終止，如圖132A (示意性端部視圖)和132B (示 意性內(nèi)部自頂向下視圖)中顯示了的，并且也稱為垂直流動(dòng)通路。垂直氣體出口孔817必須不與相對(duì)的氣體動(dòng)脈流動(dòng)通路820相交，且它必須不與 相對(duì)的氣體活性流動(dòng)通路821相交(反之亦然)。提供圖132A-B中的陽(yáng)極和陰極的這兩個(gè) 氣體流動(dòng)通路的形狀具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。這些垂直出口孔817、823可類似于在坯體瓷帶中穿孔并被堆疊以給出到表面的 路徑的傳統(tǒng)通孔?？蛇x地，垂直出口孔817、823可簡(jiǎn)單地被鉆到最后加工的未處理的Fuel Cell Stick 裝置800中。根據(jù)這個(gè)設(shè)計(jì)，有從底部到頂部對(duì)齊的電池層的堆疊是有用的， 活性區(qū)域彼此均勻堆疊，使得每個(gè)鉆出的孔可與多個(gè)氣體逸出點(diǎn)相交。圖133顯示了圖126C的具有多個(gè)垂直出口孔817、823的Fuel Cell Stick 裝置 800的外部透視圖。一排中的每個(gè)孔可相關(guān)于與其它電池串聯(lián)的單獨(dú)電池。在Fuel Cell Stick 裝置800的一側(cè)上是陽(yáng)極氣體(燃料側(cè))出口孔817，而另一側(cè)上是陰極氣體(空 氣側(cè))出口孔823。圖132A-133的氣流和出口路徑設(shè)計(jì)在Fuel Cell Stick 裝置800內(nèi)的串聯(lián)電池 設(shè)計(jì)中變得非常有用。使用該技術(shù)是在Fuel Cell Stick 裝置800內(nèi)有在同一活性水平 上的空氣和燃料流的一種方法。在圖134A-134B中顯示了了 Fuel Cell Stick 裝置800
60內(nèi)的一個(gè)水平，其中電解質(zhì)28具有在同一層上的交替的陽(yáng)極24和陰極28 (圖134A是在多 層Fuel Cell Stick 裝置800的構(gòu)造中在單獨(dú)的電解質(zhì)片上向下看)。在某些前面的實(shí) 施例中，例如在圖80、92和119所示的那些實(shí)施例，展示了只包含空氣或燃料通路20、14的 電解質(zhì)28的一側(cè)以及從電解質(zhì)28的頂部到底部互連的多種方法。在圖134A-B的實(shí)施例 中，空氣/陰極26和燃料/陽(yáng)極24將在電解質(zhì)28的同一側(cè)上交替，所以互連868可保持 在電解質(zhì)28的一側(cè)上且不必通過電解質(zhì)28，如在圖134B (只顯示了單個(gè)電解質(zhì)層28和相 對(duì)的陽(yáng)極24和陰極26)的示意性截面圖中顯示了的。相對(duì)的陽(yáng)極24和陰極26對(duì)因此沿 著電解質(zhì)28交替地改變極性，相鄰的對(duì)從電解質(zhì)28的一側(cè)到另一側(cè)以交替的方式被互連 868電連接，如可在圖134B中清楚地看到的。從這個(gè)設(shè)計(jì)中，在圖81和83中看到的大規(guī)模串聯(lián)和并聯(lián)配置是可能的，雖然在這 里物理結(jié)構(gòu)稍微不同。圖135A在部分分解圖中顯示了在圖134B中的具有產(chǎn)生活性流動(dòng)通 路815、821的間隙形成材料94的多個(gè)結(jié)構(gòu)的堆疊，以形成具有圖134A的一般設(shè)計(jì)的多層 結(jié)構(gòu)。注意到對(duì)陽(yáng)極24和陰極26的公共氣體流動(dòng)路徑的使用(意味著在活性區(qū)域內(nèi)的一 個(gè)氣體流動(dòng)路徑服務(wù)于頂部和底部的兩個(gè)陽(yáng)極24或陰極26)，以及在電池之間的互連868 可提供從一層到下一層的接觸。當(dāng)結(jié)構(gòu)被壓縮時(shí)，在間隙形成材料94之間的互連868彼此 短路，因而在互連868被相對(duì)放置的相鄰層中的電池彼此短路。圖135B是電池的因而產(chǎn)生 的電布置以及從負(fù)到正的電子流動(dòng)的圖形表示。可能有在將圖135A所示的層擠壓在一起 時(shí)導(dǎo)致的厚度差異。通過添加額外的材料，例如通過添加數(shù)段陶瓷帶、通過絲網(wǎng)印刷陶瓷墨 水或通過在其它材料上流延使得漿料填充較深的位置，可克服這些厚度差異?？稍O(shè)想幫助 通過添加額外的材料來使不同的層置于同一水平上的其它方法。圖136和137每個(gè)在透視圖中顯示了使用動(dòng)脈流動(dòng)通路814、820和活性流動(dòng)通路 815、821的多層串聯(lián)-并聯(lián)的Fuel Cell Stick 裝置800的額外的實(shí)施例。圖136A-G和 圖137A-G分別顯示了在沿著圖136和137的Fuel Cell Stick 裝置800的不同點(diǎn)A-G處 的截面圖。每個(gè)裝置包括2個(gè)活性層，每個(gè)活性層有3個(gè)電池，總共6個(gè)電池。在圖136和 136A-G中，燃料和空氣的出口路徑沿著裝置800的側(cè)邊緣，每個(gè)空氣和燃料活性流動(dòng)通路 821,815由相應(yīng)的空氣或燃料動(dòng)脈流動(dòng)通路820、814提供，有三個(gè)燃料動(dòng)脈和活性流動(dòng)通 路814、815以及三個(gè)空氣動(dòng)脈和活性流動(dòng)通路820、821。在圖137和137A-G中，燃料和空 氣的出口路徑垂直于裝置800的頂部，3個(gè)空氣活性流動(dòng)通路821和垂直出口通路823中的 每個(gè)由單個(gè)空氣動(dòng)脈流動(dòng)通路820提供，而3個(gè)燃料活性流動(dòng)通路815和垂直出口通路817 中的每個(gè)由單個(gè)燃料動(dòng)脈流動(dòng)通路814提供?？梢岳斫?，在一層中的活性流動(dòng)通路815、821 可與另一層中的活性流動(dòng)通路815、821對(duì)齊或交錯(cuò)。這對(duì)Fuel Cell Stick 裝置800的 設(shè)計(jì)者允許額外的自由度。圖138是由圖136和137的Fuel Cell Stick 裝置800中的 電極布置和互連實(shí)現(xiàn)的串聯(lián)-并聯(lián)組合的圖形表示。圖139是由類似的電極布置和互連實(shí) 現(xiàn)的串聯(lián)-并聯(lián)組合的圖形表示，但有4個(gè)活性層，每個(gè)層有串聯(lián)的4個(gè)電池，總共16個(gè)電 池。端部連接未顯示，但可如所示在早些時(shí)候的附圖中通過將導(dǎo)體從結(jié)構(gòu)的端帶到公共連 接點(diǎn)來產(chǎn)生。關(guān)于使陽(yáng)極24和陰極26互連(即，提供在陽(yáng)極24和陰極26之間的串聯(lián)連接，這 與在同一個(gè)電池組的正側(cè)和下一電池組的負(fù)側(cè)之間的接觸一樣)的方法，一層傳導(dǎo)材料可 被壓制為越過陽(yáng)極24和陰極26之間的整個(gè)區(qū)域的互連868，如在圖IOA中在頂部截面圖中
61示意性顯示了的。因?yàn)樘峁┰陉?yáng)極24和陰極26之間的電連接而被稱為互連868的傳導(dǎo)材 料可從如前所述的各種材料制成，例如傳導(dǎo)陶瓷、貴金屬和包括高溫合金的非貴金屬。雖然是可接受的，存在為什么這個(gè)結(jié)構(gòu)可能受到改進(jìn)的幾個(gè)原因。一個(gè)原因是，互 連868必須致密地?zé)疲以跓频慕Y(jié)構(gòu)中不從在它之上和在它之下的電解質(zhì)28分層?；?連868越過分離空氣和燃料區(qū)域的密封區(qū)行進(jìn)，但因?yàn)榛ミB868的傳導(dǎo)材料與電解質(zhì)28的 陶瓷材料不相同，它可能在燒制狀態(tài)中不是很好的粘接。例如通過將YSZ陶瓷添加到傳導(dǎo) 材料可增加粘接，但這降低了材料的傳導(dǎo)性。對(duì)此進(jìn)一步地，互連868可在多個(gè)層中產(chǎn)生， 例如在三層夾層結(jié)構(gòu)中，純LSM作為內(nèi)部層，LSM-YSZ在頂層和底層，從而在頂部和底部上 提供對(duì)包含YSZ的電解質(zhì)28的良好的粘接以及在三層的中心中的良好傳導(dǎo)性。但這個(gè)解 決方案可能過分復(fù)雜。大互連868的另一可能的缺點(diǎn)可能是成本。使用貴金屬來產(chǎn)生互連 868很方便。通過使用鈀或鈀-銀、利用使用燒結(jié)的添加劑的YSZ的相對(duì)低的燒制溫度以便 使用Pd和Ag的合金可最小化成本。但總的來說減少貴金屬的使用仍然是最佳的。記住這些顧慮，在圖140B中在頂部截面圖中示意性顯示了互連868。不是越過在 陽(yáng)極24和陰極26之間的整個(gè)間隙放置傳導(dǎo)材料，條狀互連868越過間隙被沉積。如果條 具有高傳導(dǎo)性，如來自純金屬(貴重或非貴重)的，則減小的區(qū)域仍然足夠，而不產(chǎn)生電阻 損失。或者，在具有較高的電阻系數(shù)的傳導(dǎo)性陶瓷LSM的情況下，如果越過密封區(qū)的從陽(yáng)極 24到陰極26的距離足夠短，條仍可執(zhí)行得很好。作為例子而不是限制，在陽(yáng)極24和陰極 26之間的0. 2英寸的距離足夠了，但應(yīng)使它盡可能短，以便提供低電阻損失。根據(jù)另一實(shí)施例，條狀互連868被壓制或分配，使得它疊蓋在陽(yáng)極24和陰極26 上。作為結(jié)果，對(duì)于待層壓的陶瓷，在每個(gè)條周圍有更多的空間(條很窄，以便如果在條的 兩側(cè)上的陶瓷層之間有良好的粘接，則對(duì)從陶瓷到互連868的高粘接的要求減小了)。此 外，與如果陽(yáng)極24和陰極26之間的整個(gè)區(qū)域被涂有傳導(dǎo)材料相比，分條技術(shù)使用更少的材 料，且這導(dǎo)致可能昂貴的材料的減少的使用。圖140B的該條狀互連結(jié)構(gòu)也可稱為“梳狀互 連”結(jié)構(gòu)。關(guān)于圖134A-139所述的串聯(lián)-并聯(lián)組合，內(nèi)部電極(陽(yáng)極24和陰極26)必須耦 合到在冷端部區(qū)域中的外表面觸頭，以連接到電壓源。例如，在活性結(jié)構(gòu)的開頭和末尾處， 導(dǎo)體可出現(xiàn)以接觸表面導(dǎo)體，其接著沿著Fuel Cell StickTM裝置800的邊緣延伸到冷端 部。很多可能的方法可被設(shè)計(jì)并在現(xiàn)有實(shí)施例中被公開，例如通孔；到表面的寬導(dǎo)體路徑； 到接著被纏繞到表面的側(cè)面的導(dǎo)體；和其它方法。在鉆孔出口和通孔出口上的變化在圖141A-141B中顯示了(分別是橫截面和透視 圖)?？赡苡蓄~外的燃料以非控制的方式從Fuel Cell Stick 裝置800出來的缺點(diǎn)。如果 燃料在熱區(qū)域32中出來，它將在氧化大氣中立即燃燒，釋放熱。在額外的燃料的量很大的 情況下，于是熱也很大；且這個(gè)過量的熱可能由于局部膨脹而引起裝置800上的機(jī)械應(yīng)力， 這又可能導(dǎo)致裝置800中的裂縫。為了在垂直出口孔817、823的情況下抵制這個(gè)可能的消 極事件，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例使用表面通路或動(dòng)脈837、839來將額外的或消耗的燃料和空 氣引導(dǎo)到期望出口位置，而不管是在爐外部還是在Fuel Cell Stick 裝置800上的不同點(diǎn) 上。這個(gè)實(shí)施例通過對(duì)每種類型的內(nèi)部動(dòng)脈流動(dòng)通路814、820增加至少一個(gè)表面動(dòng)脈837、 839而增加了主動(dòng)脈的數(shù)量。作為例子而不是限制，表面動(dòng)脈837、839可通過將例如半圓形 的動(dòng)脈間隙形成材料872 (見圖125B)放置在垂直出口孔817、823上并接著用坯體陶瓷帶
62覆蓋其來形成。當(dāng)層壓和燒制時(shí)，覆蓋的坯體陶瓷帶在動(dòng)脈間隙形成材料872的任一側(cè)上 粘接到裝置800的下層陶瓷29，而動(dòng)脈間隙形成材料872燒盡，留下表面動(dòng)脈837、839。在圖142中在橫截面中顯示了的Fuel Cell Stick 裝置800的另一實(shí)施例中，該 裝置由4個(gè)對(duì)稱動(dòng)脈包圍，其中兩個(gè)動(dòng)脈是用于給活性流動(dòng)通路815、821提供燃料和空氣 的入口動(dòng)脈流動(dòng)通路814、820，而其中兩個(gè)是用于消耗的(額外的)燃料和空氣的出口表面 動(dòng)脈 837、839。在圖141A-142中，應(yīng)設(shè)想，入口和出口流動(dòng)的布局可被顛倒。特定地，表面動(dòng)脈 837、839(燃料和空氣)可成為入口路徑而不是出口路徑。在那個(gè)顛倒的實(shí)施例中，表面動(dòng) 脈837、839將延伸出熱區(qū)域32到Fuel Cell Stick 裝置800的每端(或接近于每端)。 此外在該實(shí)施例中，內(nèi)部動(dòng)脈流動(dòng)通路814、820可能對(duì)所使用的空氣和燃料變成出口路 徑。在圖141和142的組合所預(yù)期的變形中，燃料和空氣的入口和出口路徑都可出現(xiàn)在(圖 141A、B所示類型的)Fuel Cell Stick 裝置800的表面上的整個(gè)表面動(dòng)脈837、839 (通 路)中是可能的，鉆孔817、823提供對(duì)空氣和燃料的通路以進(jìn)入和退出Fuel Cell Stick 裝置800的中心。最后，在圖141的變形中，裝置800可具有在裝置頂部上的4個(gè)表面動(dòng) 脈，而根本沒有內(nèi)部動(dòng)脈流動(dòng)通路，互連在整個(gè)鉆孔或通孔中產(chǎn)生；或者裝置可具有在裝置 的頂側(cè)上的兩個(gè)表面動(dòng)脈以及在裝置的底側(cè)上的兩個(gè)表面動(dòng)脈，再次根本沒有內(nèi)部動(dòng)脈流 通通路，且互連在整個(gè)鉆孔或通孔中產(chǎn)生。在上述發(fā)明的某些實(shí)施例中，努力將額外的燃料引導(dǎo)到所產(chǎn)生的額外的熱由此相 對(duì)有利的位置。在一個(gè)實(shí)施例中，沿著Fuel Cell Stick 裝置10、100、800的側(cè)邊緣的出 口工作良好(見例如，圖1、3A、18-19、21-24、25B-27B、32A-B、130和136)，在出口處間隙從 裝置的側(cè)面出現(xiàn)。在圖143A中的示意性透視圖中顯示了的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，出口 區(qū)域902在Fuel Cell Stick 裝置900的側(cè)邊緣中形成，以便從裝置900的其余部分突 出。在示例性實(shí)施例中，該側(cè)邊緣突出物的內(nèi)角904具有半徑而不是銳角。燃料逸出的出 口區(qū)域902，即，側(cè)邊緣突出物將變得更熱，但將遠(yuǎn)離Fuel Cell Stick 裝置900向外引起 膨脹，且在裝置900上將有很少的不希望有的應(yīng)力。作為例子而不是限制，在9英寸長(zhǎng)的 Fuel Cell Stick 裝置900上，使出口區(qū)域900突出0. 25英寸可能是有用的，雖然尺寸的 很多組合是可能的。在圖143B中的示意性透視圖中顯示了的另一實(shí)施例中，額外的氣體在成形Fuel Cell Stick 裝置910的角912處和/或彎曲路徑914出來。更具體地，根據(jù)所示的特定實(shí) 施例，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置910的端部916沿著彎曲路徑914從第一寬度W1 (裝置910 的大部分的寬度)逐漸變細(xì)到第二較小的寬度W2,以便提供窄端部區(qū)域918。額外的氣體 沿著彎曲路徑914或在第一寬度W1和彎曲路徑914之間形成的角912出來(如所示)。再 次，對(duì)圖143A討論的膨脹原理指示該設(shè)計(jì)為什么也是有益的。此外，再次，裝置910沒有按 比例顯示了，而是被設(shè)想為長(zhǎng)和細(xì)的，彎曲路徑有利地存在于爐中，且窄端部區(qū)域918從爐 中越過裝置910。根據(jù)在圖143C(示意性透視圖)和143D(示意性側(cè)視圖)中顯示的又一實(shí)施例，有 頂部出口突起922可能是有用的，頂部出口突起922提供從Fuel Cell Stick 裝置920向 上分叉的逸出路徑。實(shí)際上，由于內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制，這個(gè)實(shí)施例被認(rèn)為在Fuel Cell Stick 裝置920具有一個(gè)或非常少的活性層的場(chǎng)合最有用。
63
根據(jù)另一實(shí)施例，在Fuel Cell Stick 裝置 10 (100、200、300、400、500、600、700、 800、900、910、920)(在下文中為“裝置10 (等)”中使用傳導(dǎo)球930。圖144顯示了用在本 發(fā)明中的傳導(dǎo)球930，其包括在內(nèi)部的陶瓷球932和可為任何傳導(dǎo)金屬的外部涂層934。存 在制造在本發(fā)明中使用的傳導(dǎo)球930的各種方法。一種方法是涂覆陶瓷球932。為了方便 起見，陶瓷球932可涂有陰極導(dǎo)體例如LSM或陽(yáng)極導(dǎo)體例如氧化鎳。另一方法是從固態(tài)陰 極導(dǎo)體或陽(yáng)極導(dǎo)體或貴金屬制造傳導(dǎo)球930。又一方法是通過電鍍、噴射或厚膜敷用或各種 其它金屬涂鍍方法來涂覆陶瓷球932。傳導(dǎo)球930的有用性可能在例如圖135A、136A和137A中所示的串聯(lián)并聯(lián)組合中 被重視的。應(yīng)用于電池的活性流動(dòng)通路815、821的傳導(dǎo)球930可連接貼到單個(gè)活性流動(dòng)通 路815或821上的兩個(gè)陽(yáng)極24或陰極26。這幫助形成串聯(lián)-并聯(lián)結(jié)構(gòu)。傳導(dǎo)球930的使 用也消除了使互連868實(shí)際上彼此接觸的需要。傳導(dǎo)球930的使用不是必要的，但給Fuel Cell Stick 裝置800的設(shè)計(jì)者提供了額外的自由度。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，納米尺寸的粉末的使用可增加或提高本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置10(等)的性能。在陶瓷的一般領(lǐng)域中，納米級(jí)粉末的使用提供了各種 益處。較細(xì)的顆粒尺寸可提供較高的電壓擊穿強(qiáng)度和較高的機(jī)械強(qiáng)度。較細(xì)的顆粒尺寸還 可提供較高的表面積，這可有助于表面積限制的反應(yīng)和傳輸現(xiàn)象。此外，較細(xì)的顆粒尺寸可 降低陶瓷的所需燒結(jié)溫度。依照總功率、功率密度和/或效率或性能和特性的各種其它方 面，陶瓷的所有這些益處通?？赊D(zhuǎn)變成本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置10 (等)的增加的 益處。例如，可以使用具有25nm和50nm的顆粒尺寸的電解質(zhì)粉末。如上面對(duì)圖43和44 所示和描述的，細(xì)微粒材料可用于電解質(zhì)28的表面上的表面顆粒62，以增加離子到電解質(zhì) 28中的傳輸。該細(xì)微粒材料可為納米尺寸的顆粒。納米尺寸的顆粒也可為電解質(zhì)28的表 面上的顆粒的分形布置的部分。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，小電解質(zhì)特征例如圖43所示的那些特征將 被覆蓋有更小的電解質(zhì)特征，且其又將被覆蓋有甚至更小的電解質(zhì)特征，一直到最細(xì)的納 米尺寸的顆粒。這個(gè)分形表面布置可導(dǎo)致離子到電解質(zhì)28中的更高傳輸。類似地，納米尺寸的顆粒在本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置10 (等)的陽(yáng)極24 和陰極26中是有用的。需要陽(yáng)極24和陰極26來執(zhí)行化學(xué)反應(yīng)，且可理解，通過增加三元 組點(diǎn)(即，電子、離子和氣體的會(huì)合)的數(shù)量并通過增加給定材料的反應(yīng)性，較細(xì)尺寸的顆 粒將便于此。多層坯體陶瓷制造方法可能是用于生產(chǎn)本發(fā)明的Fuel Cell Stick 裝置10 (等) 的最成本有效和靈活的方法。多層陶瓷在可量測(cè)性和生產(chǎn)率方面已證明其優(yōu)于其它方法的 優(yōu)越性。由于這個(gè)原因，這里討論的實(shí)施例主要集中于多層坯體陶瓷方法。然而，其它技術(shù) 可用于實(shí)現(xiàn)相同的最終目的。一種這樣的技術(shù)是直接寫入，其中筆將材料分配到某些性狀 和三維幾何結(jié)構(gòu)中。另一技術(shù)是3D印刷。又一技術(shù)是傳統(tǒng)厚膜印刷的使用，其中所有材料 以糊劑形式被印刷。作為上面技術(shù)的部分，應(yīng)理解，直接寫入或各種分配技術(shù)可用于分配細(xì) 管，其具有在分配時(shí)存在的核和外殼，例如電解質(zhì)的陽(yáng)極內(nèi)部或電解質(zhì)的陰極內(nèi)部。直接寫 入或分配的細(xì)管的使用是對(duì)Fuel Cell Stick 裝置10 (等)顯示了的設(shè)計(jì)的所設(shè)想的變 形。在最終設(shè)計(jì)中，細(xì)管僅僅是在橫截面體積中較細(xì)的通路。在一層上可能有很多這些細(xì) 管，在該層中共同形成很多氣體通路，這類似于在給定層上顯示了多于一個(gè)的通路的上面
64討論的設(shè)計(jì)。類似地，可預(yù)料，置于Fuel Cell Stick 裝置10 (等)內(nèi)部的細(xì)管可合并到 串聯(lián)-并聯(lián)電子結(jié)構(gòu)中。上面描述了在固體氧化物燃料電池(SOFC)和熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)的場(chǎng)內(nèi) Fuel Cell Stick 裝置10 (等)的使用。然而，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10 (等)在固體 酸燃料電池(SAFC)中也可能是有用的。在這種新的燃料電池類型中，電解質(zhì)是傳導(dǎo)質(zhì)子的 固體。在一種設(shè)計(jì)中，SAFC電解質(zhì)由CsSO4制成。材料被描述為具有類似于鹽和酸的特性。 在較高的溫度時(shí)，它也可傳導(dǎo)質(zhì)子，溫度被描述為在100°C和300°C之間操作。預(yù)期SAFC結(jié) 構(gòu)可受益于Fuel Cell Stick 裝置的總體設(shè)計(jì)，其中陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和氣體通路提供類 型的功能，但組成的材料改變。事實(shí)上，可能其它新類型的燃料電池將被發(fā)明，其中材料變 化但總概念保持相同，且對(duì)于Fuel Cell Stick 裝置10 (等)那些新電池類型也將受益于 這里所述的革新。進(jìn)一步到圖67A-B和相關(guān)的討論，圖145顯示了對(duì)具有在爐940外部的單個(gè)冷端 部Ila的Fuel Cell Stick 裝置10的單個(gè)插塞設(shè)計(jì)，其稱為空氣-燃料-功率(AFP)插 塞950。AFP插塞950通過提供燃料通路952和空氣通路954以及為電連接提供兩個(gè)導(dǎo)體 956來提供空氣和燃料輸送功能。因此，存在到插塞950的連接的4條路徑來傳送氣體和 電。AFP插塞950可包括彈簧觸頭以允許對(duì)導(dǎo)體956的緊密機(jī)械接觸，且它可包含密封裝置 如0形環(huán)以密封氣體。使Fuel Cell Stick 裝置10的端部Ila成形也是有利的，如關(guān)于 圖66A-B所討論的。溝槽132可提供AFP插塞950停留在適當(dāng)位置的額外的能力。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了具有用于操作的兩個(gè)或多個(gè)分立的功率水平的 單個(gè)Fuel Cell Stick 裝置。例如，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置可在20瓦模式或200瓦模式 中操作?？赡艽嬖谄谕械?例如20瓦)電源但有總共產(chǎn)生較高功率(例如200瓦)的 額外能力的應(yīng)用。作為例子而不是限制，在軍事應(yīng)用中，雙電源能力可能對(duì)操作一些電子裝 置并對(duì)其它裝置的電池充電的士兵是有用的，從而需要功率水平變化。圖146A示意性顯示了具有對(duì)燃料和空氣的雙輸入的雙電源Fuel Cell Stick 裝 置960。根據(jù)雙電源Fuel Cell Stick 裝置960的一個(gè)例子，可能有20個(gè)活性層，每個(gè)在 10瓦。對(duì)于20瓦模式，將有只服務(wù)于兩個(gè)活性層的燃料和空氣入口點(diǎn)962a、964a。當(dāng)需要 較高的輸出時(shí)，有服務(wù)于額外的層的燃料和空氣入口點(diǎn)962b、964b。在總功率被期望的情況 下，空氣和燃料接著每個(gè)將進(jìn)入而通過兩個(gè)位置。圖146B示意性顯示了一種變形，其中每 端包括分離開兩個(gè)入口點(diǎn)962a和962b、964a和964b和通路的溝槽966，從而限定四個(gè)端部 部分968a、b和970a、b，每個(gè)能夠與連接器相接?？稍O(shè)想其它幾何結(jié)構(gòu)來滿足最終系統(tǒng)的 需要。雖然被稱為雙電源裝置，當(dāng)一個(gè)分立的功率部分具有比其它分立的功率部分(較 低的瓦特?cái)?shù))更多的活性層(較高的瓦特?cái)?shù))時(shí)，實(shí)際上裝置可在三個(gè)分立的功率水 平-低、中和高-處操作。低功率水平通過將燃料和空氣饋送到燃料和空氣入口點(diǎn)962a、 964a來操作，入口點(diǎn)962a、964a給分立的功率部分提供較少的活性層。中間功率水平通過 將燃料和空氣饋送到燃料和空氣入口點(diǎn)962a、964a來操作，入口點(diǎn)962a、964a給分立的功 率部分提供較多的活性層。高功率水平通過將燃料和空氣饋送到燃料和空氣入口點(diǎn)962a、 964a和962b、964b來操作，入口點(diǎn)962a、964a服務(wù)于分立的功率部分使得所有活性層被供 電。所以，在上面的例子中，有20個(gè)活性層，每個(gè)在10瓦處，如果第一分立的功率部分包括5個(gè)活性層，而第二分立的功率部分包括15個(gè)活性層，則裝置在50瓦、150瓦或200瓦的功 率水平處是可操作的。根據(jù)另一實(shí)施例，可能有多于兩個(gè)分立的功率部分。例如，可能有供給所有活性層 的一個(gè)空氣連接，以及對(duì)不同組的活性層的分立的燃料連接。因此，裝置在多個(gè)功率水平處 可能是可操作的。在另一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)AFP(空氣-燃料-功率)插塞950可服務(wù)于例 如在圖146A的裝置上的多個(gè)入口，其中它可服務(wù)于來自一個(gè)插塞的兩個(gè)燃料或空氣入口。上面討論了犧牲材料72、94、872、874用于形成流動(dòng)通路14、20、814、815、820、821 的實(shí)施例。當(dāng)使用有機(jī)材料形成較厚的通路例如動(dòng)脈流動(dòng)通路814、820時(shí)，那些有機(jī)材料 的烘干變得更有挑戰(zhàn)性。對(duì)于較厚的通路，需要較慢的烘干分布來緩慢移除有機(jī)物，以防止 裝置10(等)內(nèi)的分層。在形成方法的一個(gè)變形中，使用裝有蠟的碳?jí)|(隨機(jī)定向的碳纖 維)或碳織物(編織成傳統(tǒng)布的碳纖維)，但該碳-蠟材料的較厚部分可能引起一些分層。 在沒有被理論限制的情況下，蠟可能在融化時(shí)膨脹，將某個(gè)壓力置于坯體陶瓷帶上，這可能 引起分層。防止蠟所引起的分層的一個(gè)實(shí)施例是獨(dú)立使用碳?jí)|/織物，而不使用蠟。通路因 而形成并在結(jié)構(gòu)內(nèi)保持敞開，甚至在層壓之后。在層壓期間蠟不提供堅(jiān)固的支持和幾何結(jié) 構(gòu)的情況下，碳纖維仍將提供敞開的通路，但燒制的通路的頂部和底部上的陶瓷表面將具 有來自纖維的凹痕。坯體陶瓷帶在層壓時(shí)仍不壓進(jìn)碳纖維中并封鎖通路?；旧?，碳纖維 提供在層壓過程期間(一般是3000到5000psi)將期望通路支撐開的架子。根據(jù)有碳纖維充當(dāng)架子，上面過程中的一個(gè)變量是具有某個(gè)硬度的坯體陶瓷帶， 該硬度阻止它壓進(jìn)纖維之間的空隙中。帶的這個(gè)硬度可通過帶形成中的變量控制較高的 陶瓷裝載和較低的增塑劑數(shù)量將提供較高的硬度，反之亦然。相同的原理將適用于活性區(qū) 域中的陽(yáng)極和陰極層電極的制法可被選擇成提供適當(dāng)?shù)挠捕?，其防止電極壓進(jìn)纖維的基 質(zhì)中以使活性區(qū)域中的通路(即，活性流動(dòng)通路)保持敞開。此外，這個(gè)概念不限于碳織物 和墊，而是延伸到任何犧牲纖維成分中，而不管纖維成分或不管纖維如何放置到結(jié)構(gòu)中。通過使用多層帶來構(gòu)造Fuel Cell Stick 裝置10 (等)，應(yīng)該理解，裝置可在邏 輯上在大晶圓中制成，且晶圓將在未加工狀態(tài)中形成和層壓之后被切割成小片，以提供單 獨(dú)的單元。因此，F(xiàn)uel Cell Stick 裝置10 (等)被示為單個(gè)單元的事實(shí)不應(yīng)被解釋為排 除從晶圓制造裝置的方法，晶圓接著按需要被切割成小片并成形。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，在多層結(jié)構(gòu)的構(gòu)造中，成分可在還原的大氣中被燒制。 例如，氧化鎳可用作陽(yáng)極24。當(dāng)燃料在高溫時(shí)被添加時(shí)，陽(yáng)極24被還原成鎳金屬，這導(dǎo)致 高傳導(dǎo)率。因?yàn)檠趸喚哂袑?duì)氧的高親和力，可能在還原性氣氛條件下燒結(jié)Fuel Cell Stick 裝置10(等)，而不損害氧化鋯，因此使用鎳金屬而不是氧化鎳來構(gòu)造裝置。在還原 性氣氛中燒結(jié)也可便于高溫金屬的使用。存在抗氧化的互連金屬，包括高溫特制金屬，但為 了燒結(jié)這些合金，必須防止金屬顆粒的表面氧化，這可通過在還原性氣氛中燒結(jié)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)使用較薄的層時(shí)，電解質(zhì)28本身可為薄的，使得它可沒有保持完整無缺、無裂 縫和/或無泄漏的強(qiáng)度。然而，活性區(qū)域33b中非常薄的電解質(zhì)28可能是可接受的，因?yàn)?陽(yáng)極24和陰極26將厚度添加到電解質(zhì)28，將活性區(qū)域33b中的總厚度提高到在處理和使 用期間沒有保持無裂縫的強(qiáng)度的水平，如在圖147A中的截面中顯示的。然而為了構(gòu)造完 整的裝置，在電解質(zhì)28的厚度必須在相鄰于活性區(qū)域33b的區(qū)域中增加，或否則活性區(qū)域
6633b可能在邊緣976處破裂，其中從厚活性區(qū)域33b到薄電解質(zhì)28的過渡出現(xiàn)。所以，如 圖147B中的橫截面中所示的，厚度可使用額外的陶瓷電解質(zhì)材料29例如額外的氧化鋯帶 層或使用某種其它惰性材料在活性區(qū)域33B附近被添加到電解質(zhì)28。如果在堆疊電極24、 26和額外的厚度材料29中出現(xiàn)未對(duì)準(zhǔn)，細(xì)斑或間隙978可能沿著活性區(qū)域33b附近的邊緣 976出現(xiàn)，如圖147C中的橫截面中所示的，這可導(dǎo)致缺陷。為了防止或減少未對(duì)準(zhǔn)的可能性，可以根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例添加額外的材料980， 以便它覆蓋到活性區(qū)域33b上。例如，如在圖147D和147E中分別以分解透視圖和截面圖 所示出的，額外的材料980可像圖片框架一樣被置于電極24、26上。額外材料980中的剪 切塊(cutout)982是相同的形狀，但比電極24、26稍小點(diǎn)。當(dāng)額外的材料980置于活性區(qū) 域33b上時(shí)(剪切塊982放置在電極24、26上)，相鄰于剪切塊982的額外的材料980在 所有側(cè)面上覆蓋在活性區(qū)域33b的邊緣976上，確保不會(huì)因?yàn)槲磳?duì)準(zhǔn)而在活性區(qū)域33b的 邊緣976處而產(chǎn)生細(xì)斑(thin spot)。當(dāng)層壓時(shí)，額外的材料980靠著電極24、26被壓緊。 在使用未加工層構(gòu)造裝置10(等)中的這個(gè)圖片框架方法是容忍未對(duì)準(zhǔn)的。正如在上面的各種實(shí)施例中討論的，本文中的附圖并不一定按照比例繪制。例如， 通?？s短了 Fuel Cell Stick 裝置10 (等)的長(zhǎng)度以將該裝置放在該頁(yè)面上，從而給出了 相對(duì)短、寬的裝置而不是長(zhǎng)、瘦的裝置的外觀。應(yīng)該理解，本發(fā)明裝置的尺寸并不限制到所 示出的比例，并且長(zhǎng)度是寬度或厚度的至少好幾倍的裝置被設(shè)想且可以提供附加的益處。 例如，裝置的長(zhǎng)度可以是寬度(在最寬的位置處)的6-20倍。而且，為了清楚地示出裝置 的部件的目的，通常相對(duì)于寬度(和長(zhǎng)度)夸大了裝置的厚度，但應(yīng)該理解，比它們的寬度 薄，如寬度是厚度的好幾倍的裝置被特別設(shè)想且可以提供額外的益處。在每一實(shí)施例中，長(zhǎng) 度、寬度和厚度是可調(diào)整的以滿足設(shè)計(jì)、制造、成本和性能需求，因此，除非權(quán)利要求和/或 說明書明確說明了這樣限制的程度，否則本文描述的實(shí)施例并不應(yīng)該被限制到任何具體的 尺寸。雖然通過描述本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例已經(jīng)闡釋了本發(fā)明，并且雖然已經(jīng)相當(dāng) 詳細(xì)地描述了各實(shí)施例，但是它們不期望是將所附權(quán)利要求的范圍限定或以任何方式限制 到這樣的細(xì)節(jié)。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其它的優(yōu)點(diǎn)和變型將是易于明顯的。因此，本發(fā) 明在其較寬的方面并不是被限制到所示出和描述的具體的細(xì)節(jié)、代表性的裝置和方法以及 示例性的示例。因此，可以偏離這樣的細(xì)節(jié)而并不偏離本發(fā)明通常概念的范圍。
6權(quán)利要求
一種燃料電池裝置，包括陶瓷支撐結(jié)構(gòu)，所述陶瓷支撐結(jié)構(gòu)在x方向上具有從第一端部到第二端部的長(zhǎng)度，在y方向上具有從第一側(cè)到第二側(cè)的寬度，以及在z方向上具有從頂表面到底表面的厚度；反應(yīng)區(qū)，所述反應(yīng)區(qū)沿著所述長(zhǎng)度的第一部分設(shè)置，配置為加熱至工作反應(yīng)溫度并且在所述反應(yīng)區(qū)中具有至少一個(gè)活性層，所述活性層包括電解質(zhì)、活性第一氣體通路以及活性第二氣體通路，所述電解質(zhì)將第一電極與相對(duì)的第二電極分隔開，所述活性第一氣體通路與所述第一電極相鄰，所述活性第二氣體通路與所述第二電極相鄰，其中，所述活性第一氣體通路和所述活性第二氣體通路中的每一個(gè)在z方向上具有厚度；至少一個(gè)冷區(qū)域，所述至少一個(gè)冷區(qū)域從所述第一端部沿著所述長(zhǎng)度的第二部分設(shè)置，并且配置為當(dāng)所述反應(yīng)區(qū)被加熱時(shí)維持在低于所述工作反應(yīng)溫度的溫度；第一動(dòng)脈流動(dòng)通路，所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路在所述x方向上從所述第一端部延伸穿過所述至少一個(gè)冷區(qū)域并且進(jìn)入所述反應(yīng)區(qū)，并且在所述z方向上具有厚度，所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路流體耦合至所述活性第一氣體通路，其中，所述活性第一氣體通路在所述y方向上從所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路朝所述第一側(cè)或第二側(cè)中的至少一個(gè)延伸，并且其中所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路的所述厚度大于所述活性第一氣體通路的所述厚度。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池裝置，其中，所述陶瓷支撐結(jié)構(gòu)是細(xì)長(zhǎng)的基板，其中長(zhǎng) 度是最大的尺寸，從而所述細(xì)長(zhǎng)的基板的熱膨脹系數(shù)僅具有一個(gè)與所述長(zhǎng)度共延伸的主軸 線。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池裝置，其中，所述第一電極和所述第二電極均具有延 伸至所述至少一個(gè)冷區(qū)域的電路徑，用于在低于所述工作反應(yīng)溫度的低溫下進(jìn)行電連接。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池裝置，其中，所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路沿著鄰近所述第 一側(cè)的長(zhǎng)度延伸，并且所述活性第一氣體通路在所述y方向上從所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路朝 著所述第二側(cè)延伸至所述第二側(cè)上的第一氣體出口。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池裝置，還包括第二動(dòng)脈流動(dòng)通路，所述第二動(dòng)脈流動(dòng) 通路在所述χ方向上沿著鄰近所述第二側(cè)的所述長(zhǎng)度從所述第一端部延伸穿過所述至少 一個(gè)冷區(qū)域并進(jìn)入所述反應(yīng)區(qū)，并且在所述ζ方向上具有厚度，所述第二動(dòng)脈流動(dòng)通路流 體耦合至所述活性第二氣體通路，其中，所述活性第二氣體通路在所述y方向上從所述第 二動(dòng)脈流動(dòng)通路朝著所述第一側(cè)延伸至所述第一側(cè)上的第二氣體出口，并且其中所述第二 動(dòng)脈流動(dòng)通路的所述厚度大于所述活性第二氣體通路的所述厚度。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池裝置，其中，所述活性第一氣體通路包括在所述χ方向 上間隔開并且在所述y方向上延伸至所述第二側(cè)上的各自的第一氣體出口的多個(gè)第一子 通路，并且其中所述活性第二氣體通路包括在所述χ方向上間隔開并且在所述y方向上延 伸至所述第一側(cè)上的各自的第二氣體出口的多個(gè)第二子通路。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池裝置，其中，所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路沿著鄰近所述第 一側(cè)的所述長(zhǎng)度延伸，并且所述活性第一氣體通路在所述y方向上從所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通 路朝著所述第二側(cè)延伸。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池裝置，其中，所述至少一個(gè)冷區(qū)域包括從所述第一端 部沿著所述長(zhǎng)度的所述第二部分設(shè)置的第一冷區(qū)域以及從所述第二端部沿著所述長(zhǎng)度的 第三部分設(shè)置的第二冷區(qū)域，其中所述反應(yīng)區(qū)沿著所述長(zhǎng)度的所述第一部分設(shè)置在所述第一冷區(qū)域與所述第二冷區(qū)域之間，并且還包括第二動(dòng)脈流動(dòng)通路，所述第二動(dòng)脈流動(dòng)通路 在所述X方向上沿著鄰近所述第二側(cè)的所述長(zhǎng)度從所述第二端部延伸穿過所述第二冷區(qū) 域并進(jìn)入所述反應(yīng)區(qū)，并且在所述Z方向上具有厚度，所述第二動(dòng)脈流動(dòng)通路流體耦合至 所述活性第二氣體通路，其中，所述活性第二氣體通路在所述y方向上從所述第二動(dòng)脈流 動(dòng)通路朝著所述第一側(cè)延伸，并且其中所述第二動(dòng)脈流動(dòng)通路的所述厚度大于所述活性第 二氣體通路的所述厚度。
9.如權(quán)利要求8所述的燃料電池裝置，其中，所述至少一個(gè)活性層包括多個(gè)活性層，并 且其中所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路耦合至所述活性第一氣體通路中的每一個(gè)，所述第二動(dòng)脈流 動(dòng)通路耦合至所述活性第二氣體通路中的每一個(gè)。
10.如權(quán)利要求9所述的燃料電池裝置，還包括第一垂直流動(dòng)通道和第二垂直流動(dòng)通 道，所述第一垂直流動(dòng)通道在所述ζ方向上從每一個(gè)活性第一氣體通路延伸至鄰近所述第 二側(cè)上的所述第二動(dòng)脈流動(dòng)通路但不與其相交的所述頂表面或底表面中的一個(gè)，所述第二 垂直流動(dòng)通道在所述ζ方向上從每一個(gè)活性第二氣體通路延伸至鄰近所述第一側(cè)上的所 述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路但不與其相交的所述頂表面或底表面中的一個(gè)。
11.如權(quán)利要求10所述的燃料電池裝置，還包括位于所述頂表面或所述底表面中的一 個(gè)上的第一表面流動(dòng)通道和位于所述頂表面或所述底表面中的一個(gè)上的第二表面流動(dòng)通 道，所述第一表面流動(dòng)通道流體耦合至所述第一垂直流動(dòng)通道中的每一個(gè)且在所述χ方向 上沿著所述頂表面或底表面朝著所述第一端部延伸至期望的出口點(diǎn)，所述第二表面流動(dòng)通 道流體耦合至所述第二垂直流動(dòng)通道中的每一個(gè)且在所述χ方向上沿著所述頂表面或底 表面朝著所述第二端延伸至期望的出口點(diǎn)。
12.如權(quán)利要求8所述的燃料電池裝置，其中，所述至少一個(gè)活性層包括多個(gè)活性層， 并且還包括相等的多個(gè)所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路和所述第二動(dòng)脈流動(dòng)通路，其中多個(gè)所述第 一動(dòng)脈流動(dòng)通路中的每一個(gè)耦合至所述活性第一氣體通路中的相應(yīng)一個(gè)，并且多個(gè)所述第 二動(dòng)脈流動(dòng)通路中的每一個(gè)耦合至所述活性第二氣體通路中的相應(yīng)一個(gè)。
13.如權(quán)利要求12所述的燃料電池裝置，其中，所述活性第一氣體通路中的每一個(gè)在 所述y方向上從相應(yīng)的第一動(dòng)脈流動(dòng)通路朝著所述第二側(cè)延伸至所述第二側(cè)上的第一氣 體出口，并且其中所述活性第二氣體通路中的每一個(gè)在所述y方向上從相應(yīng)的第二動(dòng)脈流 動(dòng)通路朝著所述第一側(cè)延伸至所述第一側(cè)上的第二氣體出口。
14.如權(quán)利要求12所述的燃料電池裝置，還包括第一垂直流動(dòng)通道和第二垂直流動(dòng)通 道，所述第一垂直流動(dòng)通道在所述ζ方向上從每一個(gè)活性第一氣體通路延伸至鄰近所述第 二側(cè)上的所述第二動(dòng)脈流動(dòng)通路但不與其相交的所述頂表面或底表面中的一個(gè)，所述第二 垂直流動(dòng)通道在所述ζ方向上從每一個(gè)活性第二氣體通路延伸至鄰近所述第一側(cè)上的所 述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路但不與其相交的所述頂表面或底表面中的一個(gè)。
15.如權(quán)利要求14所述的燃料電池裝置，還包括位于所述頂表面或所述底表面中的一 個(gè)上的第一表面流動(dòng)通道和位于所述頂表面或所述底表面中的一個(gè)上的第二表面流動(dòng)通 道，所述第一表面流動(dòng)通道流體耦合至所述第一垂直流動(dòng)通道中的每一個(gè)且在所述χ方向 上沿著所述頂表面或底表面朝著所述第一端部延伸至期望的出口點(diǎn)，所述第二表面流動(dòng)通 道流體耦合至所述第二垂直流動(dòng)通道中的每一個(gè)且在所述χ方向上沿著所述頂表面或底 表面朝著所述第二端延伸至期望的出口點(diǎn)。
16.如權(quán)利要求7所述的燃料電池裝置，還包括第一垂直流動(dòng)通道，所述第一垂直流動(dòng) 通道在所述ζ方向上從所述活性第一氣體通路延伸至鄰近所述第二側(cè)的所述頂表面或底 表面中的一個(gè)。
17.如權(quán)利要求16所述的燃料電池裝置，還包括位于所述頂表面或所述底表面中的一 個(gè)上的第一表面流動(dòng)通道，所述第一表面流動(dòng)通道流體耦合至所述第一垂直流動(dòng)通道且沿 著所述頂表面或底表面延伸至期望的出口點(diǎn)。
18.如權(quán)利要求7所述的燃料電池裝置，還包括出口路徑，所述出口路徑流體耦合至所 述活性第一氣體通路并在所述χ方向上從所述活性第一氣體通路朝著所述第一端部延伸。
19.如權(quán)利要求1所述的燃料電池裝置，其中，所述活性第一氣體通路流體耦合至第一 垂直流動(dòng)通道，所述第一垂直流動(dòng)通道在所述ζ方向上從所述活性第一氣體通路延伸至所 述頂表面或底表面中的一個(gè)。
20.如權(quán)利要求19所述的燃料電池裝置，還包括位于所述頂表面或所述底表面中的一 個(gè)上的第一表面流動(dòng)通道，所述第一表面流動(dòng)通道流體耦合至所述第一垂直流動(dòng)通道且沿 著所述頂表面或底表面延伸至期望的出口點(diǎn)。
21.如權(quán)利要求1所述的燃料電池裝置，其中，所述活性第一氣體通路包括多個(gè)第一子 通路，所述多個(gè)第一子通路在所述y方向上延伸并在所述χ方向上間隔開。
22.如權(quán)利要求1所述的燃料電池裝置，還包括第二動(dòng)脈流動(dòng)通路，所述第二動(dòng)脈流動(dòng) 通路在所述χ方向上沿著所述長(zhǎng)度從所述第一端部或第二端部中的一個(gè)延伸穿過所述至 少一個(gè)冷區(qū)域并進(jìn)入所述反應(yīng)區(qū)，并且在所述ζ方向上具有厚度，所述第二動(dòng)脈流動(dòng)通路 流體耦合至所述活性第二氣體通路，其中，所述第二動(dòng)脈流動(dòng)通路的所述厚度大于所述活 性第二氣體通路的所述厚度，其中，所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路和所述第二動(dòng)脈流動(dòng)通路分別 鄰近所述第一側(cè)和所述第二側(cè)設(shè)置，并且其中所述活性第一氣體通路和所述活性第二氣體 通路在所述y方向上分別從所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路和所述第二動(dòng)脈流動(dòng)通路分別朝著所 述第二側(cè)和所述第一側(cè)延伸。
23.如權(quán)利要求22所述的燃料電池裝置，其中，所述至少一個(gè)活性層包括多個(gè)成對(duì)的 第一電極與相對(duì)的第二電極，該成對(duì)的第一電極和第二電極在所述χ方向上間隔開且極性 交替，從而所述電解質(zhì)的第一側(cè)包括交替的、間隔開的第一電極和第二電極，并且所述電解 質(zhì)的第二側(cè)包括交替的、間隔開的第二電極和第一電極，其中，每一個(gè)所述第一電極具有與 其鄰近且流體耦合至所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路的相應(yīng)的活性第一氣體通路，并且每一個(gè)所述 第二電極具有與其鄰近且流體耦合至所述第二動(dòng)脈流動(dòng)通路的相應(yīng)的活性第二氣體通路， 以及還包括傳導(dǎo)互連，所述傳導(dǎo)互連對(duì)從所述電解質(zhì)的所述第一側(cè)到所述電解質(zhì)的所述第 二側(cè)呈交替方式的相鄰對(duì)的第一電極與相對(duì)的第二電極進(jìn)行電耦合。
24.如權(quán)利要求23所述的燃料電池裝置，還包括第一垂直流動(dòng)通道和第二垂直流動(dòng)通 道，所述第一垂直流動(dòng)通道在所述ζ方向上從每一個(gè)活性第一氣體通路延伸至鄰近所述第 二側(cè)上的所述第二動(dòng)脈流動(dòng)通路但不與其相交的所述頂表面或底表面中的一個(gè)，所述第二 垂直流動(dòng)通道在所述ζ方向上從每一個(gè)活性第二氣體通路延伸至鄰近所述第一側(cè)上的所 述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路但不與其相交的所述頂表面或底表面中的一個(gè)。
25.如權(quán)利要求24所述的燃料電池裝置，其中，所述至少一個(gè)活性層包括多個(gè)活性層， 并且其中所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路耦合至所述多個(gè)活性層的每一個(gè)中的所述活性第一氣體通路中的每一個(gè)，并且所述第二動(dòng)脈通路耦合至所述多個(gè)活性層的每一個(gè)中的所述活性第 二氣體通路中的每一個(gè)。
26.如權(quán)利要求25所述的燃料電池裝置，其中，所述多個(gè)活性層對(duì)齊，使得在所述多個(gè) 活性層的一個(gè)中的交替的、間隔開的第一電極和第二電極與在所述多個(gè)活性層中的相鄰一 個(gè)中的相應(yīng)交替的、間隔開的第一電極和第二電極相對(duì)，從而對(duì)相鄰的活性層之間的相對(duì) 的第一電極和相鄰的活性層之間的相對(duì)的第二電極提供所述相對(duì)的第一電極之間共用的 活性第一氣體通路和所述相對(duì)的第二電極之間共用的活性第二氣體通路，并且還包括多個(gè) 傳導(dǎo)球，所述傳導(dǎo)球設(shè)置在所述共用的活性第一氣體通路和所述共用的活性第二氣體通路 中的每一個(gè)中以在相鄰的活性層內(nèi)提供相應(yīng)的相對(duì)的第一電極與第二電極之間的電連接。
27.如權(quán)利要求26所述的燃料電池裝置，其中，所述傳導(dǎo)球包括固體傳導(dǎo)金屬、固體陽(yáng) 極導(dǎo)體、固體陰極導(dǎo)體、具有傳導(dǎo)金屬涂層的陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)、具有陽(yáng)極導(dǎo)體涂層的陶瓷內(nèi)部 結(jié)構(gòu)、或具有陰極導(dǎo)體涂層的陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)、或其任意組合。
28.如權(quán)利要求24所述的燃料電池裝置，還包括位于所述頂表面或所述底表面中的一 個(gè)上的第一表面流動(dòng)通道和位于所述頂表面或所述底表面中的一個(gè)上的第二表面流動(dòng)通 道，所述第一表面流動(dòng)通道流體耦合至所述第一垂直流動(dòng)通道中的每一個(gè)，所述第二表面 流動(dòng)通道流體耦合至所述第二垂直流動(dòng)通道中的每一個(gè)，其中，所述第一表面流動(dòng)通道和 所述第二表面流動(dòng)通道沿著所述頂表面或所述底表面延伸至期望的出口點(diǎn)。
29.如權(quán)利要求23所述的燃料電池裝置，其中，所述傳導(dǎo)互連中的每一個(gè)包括多個(gè)傳 導(dǎo)材料的條，所述條在所述y方向上間隔開且在所述χ方向上在第一電極與相對(duì)的第二電 極的相鄰對(duì)之間延伸。
30.如權(quán)利要求1所述的燃料電池裝置，其中，在所述y方向上從第一側(cè)到第二側(cè)的所 述寬度包括在所述反應(yīng)區(qū)內(nèi)沿著所述長(zhǎng)度的所述第一部分的第一寬度W1和在至少一個(gè)冷 區(qū)域內(nèi)沿著所述長(zhǎng)度的所述第二部分的第二寬度W2，其中W2小于W1,以及還包括過渡區(qū)域 和氣體出口，所述過渡區(qū)域沿著所述長(zhǎng)度的中間部分，所述中間部分位于從W1到W2的寬度 減小的所述第一部分與所述第二部分的中間，所述氣體出口耦合至設(shè)置在所述過渡區(qū)域或 所述反應(yīng)區(qū)與所述過渡區(qū)域的交叉處的所述活性第一氣體通路。
31.一種燃料電池裝置，包括細(xì)長(zhǎng)的基板，所述基板的長(zhǎng)度是最大的尺寸，從而所述細(xì)長(zhǎng)的基板的熱膨脹系數(shù)僅具 有一個(gè)與所述長(zhǎng)度共延伸的主軸線，沿著所述長(zhǎng)度的第一部分的反應(yīng)區(qū)配置為被加熱至工 作反應(yīng)溫度，并且沿著所述長(zhǎng)度的第二部分的至少一個(gè)冷區(qū)域配置為當(dāng)所述反應(yīng)區(qū)被加熱 時(shí)維持在低于所述工作反應(yīng)溫度的低溫至少一個(gè)燃料通路，所述至少一個(gè)燃料通路在所述細(xì)長(zhǎng)的基板中從所述至少一個(gè)冷區(qū) 域延伸至所述反應(yīng)區(qū)，并且在所述反應(yīng)區(qū)內(nèi)具有相關(guān)聯(lián)的陽(yáng)極；至少一個(gè)氧化劑通路，所述至少一個(gè)氧化劑通路在所述細(xì)長(zhǎng)的基板內(nèi)從所述至少一個(gè) 冷區(qū)域延伸至所述反應(yīng)區(qū)，并且在所述反應(yīng)區(qū)內(nèi)具有與所述陽(yáng)極設(shè)置成相對(duì)關(guān)系的相關(guān)聯(lián) 的陰極；以及電解質(zhì)，所述電解質(zhì)設(shè)置在所述反應(yīng)區(qū)中的相對(duì)的陽(yáng)極與陰極之間，所述陽(yáng)極和陰極 均具有電路徑，所述電路徑延伸至所述至少一個(gè)冷區(qū)域的外表面，用以在所述工作反應(yīng)溫 度之下的低溫進(jìn)行電連接，其中，所述電解質(zhì)至少包括納米部分，所述納米部分包括由納米尺度的粉末燒結(jié)而成 的陶瓷材料。
32.如權(quán)利要求31所述的燃料電池裝置，其中，所述納米部分是所述電解質(zhì)的表面部 分，其具有所述納米尺度的粉末沿著所述電解質(zhì)表面的分布產(chǎn)生的不均勻的形貌。
33.如權(quán)利要求31所述的燃料電池裝置，其中，所述納米尺度的粉末在所述電解質(zhì)的 表面上具有尺寸向外減小的分形布置。
34.一種燃料電池系統(tǒng)，包括熱區(qū)域室；多個(gè)如權(quán)利要求3所述的燃料電池裝置，其每一個(gè)設(shè)置有在所述熱區(qū)域室中的第一部 分和在所述熱區(qū)域室外部延伸的至少一個(gè)冷區(qū)域；熱源，耦合到所述熱區(qū)域室且適于在所述熱區(qū)域室內(nèi)將所述反應(yīng)區(qū)加熱到工作反應(yīng)溫 度；以及第一電壓連接和第二電壓連接，在所述至少一個(gè)冷區(qū)域內(nèi)與相應(yīng)的第一電極和第二電 極的電路徑電接觸。
35.如權(quán)利要求34所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括第一氣體供給，在所述熱區(qū)域室外部耦合至所述至少一個(gè)冷區(qū)域中的每一個(gè)，與所述 第一動(dòng)脈流動(dòng)通路流體相通，用以將燃料或空氣中的一個(gè)供應(yīng)至所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路；第二氣體供給，在所述熱區(qū)域室外部耦合至所述至少一個(gè)冷區(qū)域中的每一個(gè)，與所述 第二動(dòng)脈流動(dòng)通路流體相通，用以將燃料或空氣中的另一個(gè)供應(yīng)至所述第二動(dòng)脈流動(dòng)通 路。
36.一種燃料電池系統(tǒng)，包括熱區(qū)域室；至少一個(gè)如權(quán)利要求5所述的燃料電池裝置，其設(shè)置有在所述熱區(qū)域室中的第一部分 和在所述熱區(qū)域外部延伸的至少一個(gè)冷區(qū)域，其中，所述第一電極和第二電極均具有延伸 至所述至少一個(gè)冷區(qū)域相應(yīng)的第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域的電路徑；熱源，耦合到所述熱區(qū)域室且適于在所述熱區(qū)域室內(nèi)將所述反應(yīng)區(qū)加熱到工作反應(yīng)溫 度；以及空氣-燃料-功率(AFP)插塞，耦合到第一端部且具有第一氣體路徑、第二氣體路徑、 第一導(dǎo)體元件和第二導(dǎo)體元件，所述第一氣體路徑與所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路流體相通，用 以將燃料或空氣中的一個(gè)供應(yīng)至所述第一動(dòng)脈流動(dòng)通路中，所述第二氣體路徑與所述第二 動(dòng)脈流動(dòng)通路流體相通，用以將燃料或空氣中的另一個(gè)供應(yīng)至所述第二動(dòng)脈流動(dòng)通路中， 所述第一導(dǎo)體元件電耦合至所述第一接觸區(qū)域，用以收集功率輸出；以及所述第二導(dǎo)體元 件電耦合至所述第二接觸區(qū)域，用以收集功率輸出。
37.一種燃料電池裝置，包括細(xì)長(zhǎng)的基板，所述基板的長(zhǎng)度是最大的尺寸，從而所述細(xì)長(zhǎng)的基板的熱膨脹系數(shù)僅具 有一個(gè)與所述長(zhǎng)度共延伸的主軸線，所述基板具有鄰近第一端部的第一冷端部區(qū)域、鄰近 第二端部的第二冷端部區(qū)域以及所述第一冷端部區(qū)域與所述第二冷端部區(qū)域之間的反應(yīng) 區(qū)，其中，所述反應(yīng)區(qū)配置為被加熱至工作反應(yīng)溫度，并且所述第一冷端部區(qū)域和所述第二 冷端部區(qū)域配置為當(dāng)所述反應(yīng)區(qū)被加熱時(shí)維持在低于所述工作反應(yīng)溫度的低溫；在所述反應(yīng)區(qū)內(nèi)的至少兩個(gè)分離的功率部分，所述至少兩個(gè)分離的功率部分中的每 一個(gè)包括一個(gè)或多個(gè)具有陽(yáng)極、相對(duì)的陰極以及所述陽(yáng)極與所述陰極之間的電解質(zhì)的活性 層，所述陽(yáng)極和所述陰極均具有延伸至所述第一冷端部區(qū)域或所述第二冷端部區(qū)域的電路 徑，用以在低于所述工作反應(yīng)溫度的低溫進(jìn)行電連接；至少兩個(gè)分離的燃料通路，在所述細(xì)長(zhǎng)的基板內(nèi)從所述第一冷端部區(qū)域延伸至所述反 應(yīng)區(qū)內(nèi)的所述至少兩個(gè)分離的功率部分的相應(yīng)的陽(yáng)極；以及至少一個(gè)氧化劑通路，在所述細(xì)長(zhǎng)的基板內(nèi)從所述第二冷端部區(qū)域延伸至所述反應(yīng)區(qū) 內(nèi)的所述至少兩個(gè)分離的功率部分的陰極；其中，所述燃料電池裝置是通過使燃料選擇性地流入所述至少兩個(gè)分離的燃料通路中 的一個(gè)或超過一個(gè)而以兩個(gè)或更多個(gè)不同的功率水平進(jìn)行操作。
38.如權(quán)利要求37所述的燃料電池裝置，其中，所述至少一個(gè)氧化劑通路包括延伸至 所述至少兩個(gè)分離的功率部分的陰極的至少兩個(gè)分離的氧化劑通路。
39.如權(quán)利要求38所述的燃料電池裝置，具有第一分離的功率部分和第二分離的功率 部分、第一分離的燃料通路和第二分離的燃料通路以及第一分離的氧化劑通路和第二分離 的氧化劑通路，其中，所述第一冷端部區(qū)域和所述第二冷端部區(qū)域中的每一個(gè)包括第一輸 入部分和第二輸入部分，所述第一冷端部區(qū)域的所述第一輸入部分和所述第二輸入部分向 相應(yīng)的所述第一分離的燃料通路和第二分離的燃料通路提供燃料輸入，并且所述第二冷端 部區(qū)域的所述第一輸入部分和所述第二輸入部分向相應(yīng)的所述第一分離的氧化劑通路和 第二分離的氧化劑通路提供氧化劑輸入，從而所述燃料電池裝置可操作地接收燃料和空氣 進(jìn)入所述第一冷端部區(qū)域和所述第二冷端部區(qū)域的所述第一輸入部分以在所述第一分離 的功率部分內(nèi)為所述一個(gè)或多個(gè)活性層供電，和/或接收燃料和空氣進(jìn)入所述第一冷端部 區(qū)域和所述第二冷端部區(qū)域的所述第二輸入部分以在所述第二分離的功率部分內(nèi)為所述 一個(gè)或多個(gè)活性層供電。
40.如權(quán)利要求39所述的燃料電池裝置，其中，所述第一冷端部區(qū)域和所述第二冷端 部區(qū)域均包括溝槽，所述溝槽將所述第一輸入部分與所述第二輸入部分分隔開。
41.如權(quán)利要求39所述的燃料電池裝置，其中，所述第二分離的功率部分包括比所述 第一分離的功率部分更多數(shù)量的活性層，從而所述燃料電池裝置可操作地接收燃料和空氣 進(jìn)入所述第一冷端部區(qū)域和所述第二冷端部區(qū)域的所述第一輸入部分以在所述第一分離 的功率部分內(nèi)為所述活性層供以低功率供給，或接收燃料和空氣進(jìn)入所述第一冷端部區(qū)域 和所述第二冷端部區(qū)域的所述第二輸入部分以在所述第二分離的功率部分內(nèi)向所述活性 層供以中等功率供給，或所述燃料電池可操作地接收燃料和空氣進(jìn)入所述第一冷端部區(qū)域 和所述第二冷端部區(qū)域的所述第一輸入部分和所述第二輸入部分以在所述第一分離的功 率部分和所述第二分離的功率部分內(nèi)向所述活性層供以高功率供給。
42.如權(quán)利要求37所述的燃料電池裝置，其中，所述至少一個(gè)氧化劑通路流體耦合至 在所述至少兩個(gè)分離的功率部分的每一個(gè)中的陰極，從而所述燃料電池裝置通過使空氣流 入所述至少兩個(gè)分離的功率部分的每一個(gè)同時(shí)選擇性地使燃料流入所述至少兩個(gè)分離的 燃料通路的一個(gè)或超過一個(gè)內(nèi)而以兩個(gè)或更多個(gè)不同的功率水平進(jìn)行操作。
43.一種燃料電池系統(tǒng)，包括熱區(qū)域室；至少一個(gè)如權(quán)利要求37所述的燃料電池裝置，設(shè)置在所述熱區(qū)域室的所述反應(yīng)區(qū)內(nèi)， 并且所述第一冷端部區(qū)域和第二冷端部區(qū)域延伸到所述熱區(qū)域室外部；熱源，耦合至所述熱區(qū)域室且適于在所述熱區(qū)域室內(nèi)將所述反應(yīng)區(qū)加熱到所述工作反 應(yīng)溫度；燃料_功率插塞，耦合至所述第一冷端部區(qū)域，所述第一冷端部區(qū)域具有至少兩個(gè)分 離的燃料輸入路徑和至少兩個(gè)導(dǎo)體元件，所述至少兩個(gè)分離的燃料輸入路徑與相應(yīng)的所述 至少兩個(gè)分離的燃料通路流體相通，所述至少兩個(gè)導(dǎo)體元件電耦合到所述至少兩個(gè)分離的 功率部分的陽(yáng)極或陰極中的一個(gè)的電路徑，用以收集功率輸出；以及空氣_功率插塞，耦合到所述第二冷端部區(qū)域，所述第二冷部端區(qū)域具有至少一個(gè)空 氣輸入路徑和至少兩個(gè)導(dǎo)體元件，所述至少一個(gè)空氣輸入路徑與相應(yīng)的所述至少一個(gè)氧化 劑通路流體相通，所述至少兩個(gè)導(dǎo)體元件電耦合到所述至少兩個(gè)分離的功率部分的陽(yáng)極或 陰極中的另一個(gè)的電路徑，用以收集功率輸出。
44. 一種燃料電池系統(tǒng)，包括 熱區(qū)域室；至少一個(gè)如權(quán)利要求39所述的燃料電池裝置，設(shè)置在所述熱區(qū)域室的所述反應(yīng)區(qū)內(nèi)， 并且所述第一冷端部區(qū)域和第二冷端部區(qū)域延伸到所述熱區(qū)域室外部；熱源，耦合到所述熱區(qū)域室且適于在所述熱區(qū)域室內(nèi)將所述反應(yīng)區(qū)加熱到工作反應(yīng)溫度；燃料_功率插塞，耦合到所述第一冷端部區(qū)域，所述第一冷端部區(qū)域具有第一分離的 燃料輸入路徑和第二分離的燃料輸入路徑以及第一導(dǎo)體元件和第二導(dǎo)體元件，所述第一分 離的燃料輸入路徑和第二分離的燃料輸入路徑與相應(yīng)的所述第一分離的燃料通路和第二 分離的燃料通路流體相同，所述第一導(dǎo)體元件和第二導(dǎo)體元件電耦合到相應(yīng)的所述第一分 離的功率部分和第二分離的功率部分的陽(yáng)極或陰極中的一個(gè)的電路徑，用以收集功率輸 出；以及 空氣-功率插塞，耦合到所述第二冷端部區(qū)域，所述第二冷端部區(qū)域具有第一分離的 空氣輸入路徑和第二分離的空氣輸入路徑以及第一分離的導(dǎo)體元件和第二分離的導(dǎo)體元 件，所述第一分離的空氣輸入路徑和第二分離的空氣輸入路徑與相應(yīng)的所述第一分離的氧 化劑通路和第二分離的氧化劑通路流體相同，所述第一導(dǎo)體元件和第二導(dǎo)體元件電耦合到 相應(yīng)的所述第一分離的功率部分和第二分離的功率部分的陽(yáng)極或陰極中的另一個(gè)的電路 徑，用以收集功率輸出。
全文摘要
提供了燃料電池裝置和系統(tǒng)(10、100、200、300、400、500、600、700、800、900、910、920、960)。在某些實(shí)施例中，燃料電池裝置和系統(tǒng)包括具有一定長(zhǎng)度、寬度和厚度的陶瓷支撐結(jié)構(gòu)(29)。沿著長(zhǎng)度的一部分設(shè)置的反應(yīng)區(qū)(32)配置為被加熱至工作反應(yīng)溫度，且在反應(yīng)區(qū)內(nèi)具有至少一個(gè)活性層，活性層包括將第一電極與相對(duì)的第二電極(24、26)分隔開的電解質(zhì)(28)和鄰近相應(yīng)的第一電極和第二電極(24、26)的活性第一氣體通路和活性第二氣體通路(815、821)。從第一端部(11a)沿著長(zhǎng)度的另一部分設(shè)置的至少一個(gè)冷區(qū)域(30)配置為維持在低于工作反應(yīng)溫度。動(dòng)脈流動(dòng)通路(814)從第一端部(11a)沿著長(zhǎng)度延伸通過冷區(qū)域(30)并進(jìn)入反應(yīng)區(qū)(32)并流體耦合至活性第一氣體通路(815)，活性第一氣體通路(815)從動(dòng)脈流動(dòng)通路(814)朝著至少一個(gè)側(cè)面延伸。動(dòng)脈流動(dòng)通路(814)的厚度大于活性第一氣體通路(815)的厚度。在其它實(shí)施例中，燃料電池裝置(10、100、200、300、400、500、600、700、800、900、910、920、960)包括電解質(zhì)(28)，其至少一部分包括由納米尺度的粉末燒結(jié)而成的陶瓷材料。在另外其它的實(shí)施例中，冷區(qū)域(30)設(shè)置在每一端部(11a、11b)處，且反應(yīng)區(qū)(32)在冷區(qū)域(30)之間并具有至少兩個(gè)分離的功率部分，每一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)活性層，功率部分由分離的燃料通路(962a、b)供給以提供能夠以高于一個(gè)功率水平操作的裝置(960)和系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01M8/12GK101971398SQ200980108023
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2009年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月7日
發(fā)明者A·德沃, L·德沃 申請(qǐng)人:A·德沃;L·德沃