燃料电池装置和系统的制作方法

专利名称：燃料电池装置和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池装置和系统及制造所述装置的方法，更特别地涉及多层的单 块Fuel Cell Stick 形式的燃料电池装置。
背景技术：
据发现陶瓷管具有制造固体氧化物燃料电池(SOFC)的用途。存在几种类型的燃 料电池，各提供不同的转换燃料和空气以在不燃烧的情况下产生电力的机制。在SOFC中， 燃料和空气之间的屏障层(“电解质”)是陶瓷层，其允许氧原子通过该层迁移以完成化学 反应。因为陶瓷在室温下是氧原子的不良导体，所以燃料电池在700°C至1000°C下工作，且 陶瓷层制造得尽可能薄。早期管状SOFC由Westinghouse Corporation使用氧化锆陶瓷的长的、相当大直 径的挤压管产生。典型的管长度是几英尺长，使得管直径在1/4英寸至1/2英寸的范围内。 燃料电池的完整结构通常包含大致上十根管。随着时间，研究者和工业集团决定了包含8 摩尔％ Y2O3的氧化锆陶瓷的公式。这一材料特别是由日本的Tosoh制造作为TZ-8Y产品。制造SOFC的另一方法采用氧化锆平板，其与其它阳极和阴极堆叠在一起以获得 燃料电池结构。与由Westinghouse预想的高、窄装置相比，这些平板结构可以是管形，边缘 6-8英寸，通过夹持机构将整个堆保持在一起。更新的方法预想使用大量的具有非常薄的壁的小直径管。薄壁陶瓷的使用在SOFC 中是重要的，因为氧离子的转移率受到距离和温度的限制。如果使用更薄的氧化锆层，则最 终的装置可以在更低的温度下工作而同时保持相同的效率。文献中描述了需要制造150 μ m 或更小壁厚的陶瓷管。存在着妨碍SOFC的成功实施的几个主要技术问题。一个问题是需要防止陶瓷元 件在加热过程中开裂。对于这一问题，管形SOFC方式优于竞争的“堆”型(由大的扁平陶 瓷板制造)，因为管本质上是单维的。例如，管可以在中间受热并膨账而不开裂。例如，管式炉可以加热36"长的氧化铝管，直径为4"，且管在中间变得红热，但在端部仍足够凉而可 以触碰。因为管在中间段均勻加热，该中间段膨胀而使得管变得更长，但它不开裂。在中心 加热的陶瓷板只会很快地碎裂成块，因为足以膨胀而外部保持相同尺寸。管的关键特性是， 它是单轴的或一维的。第二个关键难题是形成与SOFC的接触。理想地，SOFC在高温下(通常700-100°C ) 工作，且它还需要与外部世界连接以获得空气和燃料及还需要进行电连接。理想的是在室 温下连接。高温下连接是有问题的，因为不能使用有机材料，因此必须使用玻璃密封或机械 密封。部分地由于膨胀问题，它们是不可靠的。它们也可能是昂贵的。因此，先前的SOFC系统具有存在至少上述两个问题的困难。平板技术在密封气体 出口方面还在板的边缘存在困难，且具有快速加热及开裂的困难。管形式解决了开裂的问 题但仍有其它问题。SOFC管只可用作气体容器。为使其工作，它必须在更大的空气容器中 使用。这是笨重的。使用管形式的关键难题是，你必须将热量和空气都施加到管外面；空气 向反应提供02而热量加速反应。通常，热量通过燃烧燃料施加，因此空气实际上部分地还 原(部分地燃烧以提供热量)而不是具有20% O2的空气(典型的)，因而这降低了电池的 驱动能力。SOFC管在可扩缩性上也受到限制。为获得更大的kV输出，必须添加更多的管。 各管是单电解质层，因而扩增是笨重的。固体电解质管技术在可获得的电解质薄度方面进 一步受到限制。更薄的电解质效率更高。2μπι或甚至Ιμπι的电解质厚度对于高功率是 最佳的，但在固体电解管中非常难以获得这样的电解质厚度。应当注意，单个燃料电池面 积产生大约0. 5-1伏电压(由于化学反应的驱动力，这是固有的；由于是同样的方式，电池 (battey)发出1.2伏电压)，但电流(及因此电压)取决于几个因素。更大的电流由使得 更多的氧离子在给定的时间内跨过电解质迁移的因素产生。这些因素是更高的温度、更薄 的电解质和更大的面积。

发明内容
本发明涉及燃料电池装置和系统及使用该装置和系统的方法和制造该装置和系 统的方法。按照本发明的一个实施方式，燃料装置包括细长的基板，该基板的长度是最大 的维度，从而该细长基板的热膨胀系数仅具有一个与长度同延的主轴。反应区沿长度的第 一部分定位以加热到工作反应温度，且至少一个冷区沿长度的第二部分定位以在低于工作 反应温度的温度下工作。在细长基板中存在一个或多个燃料通道，各具有从该至少一个 冷区中的燃料入口通过反应区延伸的第一燃料路径和从反应区延伸到燃料出口的第二燃 料路径。在细长基板中存在一个或多个氧化剂通道，各具有从该至少一个冷区中的氧化 剂入口通过反应区延伸的第一氧化剂路径和从反应区延伸到氧化剂出口的第二氧化剂路 径。各第一燃料路径和各第一氧化剂路径分别在反应区中具有相关的阳极或阴极，阳极和 阴极在反应区中位置相对，其间安置电解质。各燃料和氧化剂通道中在具有比相应的第一 燃料和氧化剂路径的截面积更小的截面积的相应的第二燃料和氧化剂路径中包括颈缩点 (neck-down point)。进一步提供一种燃料电池系统，具有热区腔，热区腔中安置所述装置 的反应区，使冷区在热区腔外延伸。热源与热区腔连接以将反应区加热到工作反应温度的， 且燃料和氧化剂供应装置与相应的燃料和氧化剂入口连接以将相应的气体供应到所述通道。另外，提供了一种所述装置的方法，包括将热量施加到热区腔以将反应区加热到400°C 以上而同时所述冷区保持在低于300°C的温度。燃料和氧化剂气体供应到加热的反应区的 通道中，燃料和氧化剂在所述通道中反应。还提供了一种制造所述装置的方法，包括未熟化 陶瓷层、阳极、阴极和牺牲材料成层。可移除的结构位于与牺牲层重叠的未熟化陶瓷层的相 对侧上。在层压后，去除金属线并加热成层的结构以烘出所述牺牲层。由烘出的牺牲材料 遗留的空隙在反应区中形成所述第一路径，且由可移除结构遗留的空隙形成较小截面积的 颈缩点。按照本发明的另一个实施方式，一种制造燃料电池装置的方法包括提供将阳极层 施加到第一细长未熟化陶瓷层的第一侧面上并将阴极层施加到第一细长未熟化陶瓷层的 相对的第二侧面上，所述阳极层和阴极层在所述第一细长未熟化陶瓷层的第一部分内整体 对齐。将牺牲有机层施加到各阳极层和阴极层上，且使至少一个可移除的结构位于所述第 一细长未熟化陶瓷层的各第一和第二侧面上，使得第一端部与相应的牺牲有机层重叠和第 二端部至少延伸到所述第一细长未熟化陶瓷层的边缘。然后将第二细长未熟化陶瓷层安置 在各第一和第二侧面的牺牲有机层和可移除结构上与所述第一细长未熟化陶瓷层整体对 齐。使所有层和可移除结构层叠在一起以形成叠层结构，随后移除可移除结构以在相应的 边缘和所述阳极和阴极层之间形成非活性通道。最后，加热所述叠层结构以燃烧所述牺牲 有机层的温度而沿所述阳极和阴极层形成活性通道。按照另一个实施方式，一种制造燃料电池装置的方法包括形成包含多个陶瓷层、 阳极层、阴极层和内部牺牲有机层的堆叠结构，其进行排列以提供分隔所述阳极层和所述 阴极层的插入陶瓷层和与所述插入陶瓷层相对的邻接于各阳极和阴极层的内部牺牲有机 层，其中所述牺牲有机层的大小提供内部气体通道。将可移除结构设置为与所述牺牲有机 层接触，延伸到所述堆叠结构的一个或多个边缘。层压所述堆叠结构并移除所述可移除结 构以形成多个烘出出口。然后，通过加热所述堆叠结构以烘出所述牺牲有机层的材料而除 去所述牺牲有机层以形成所述内部气体通道，其中所述材料经所述多个烘出出口排出。此 后，用屏障材料密封所述烘出出口。按照另一个实施方式，提供了一种燃料电池系统，具有腔壁厚为T的热区腔。一个 或多个燃料电池装置各包含细长的长方形或管形基板，所述基板具有最大维度的长度，从 而该细长的长方形或管形基板的热膨胀系数仅具有一个与长度同延的主轴，沿长度的第一 部分的反应区位于所述热区腔中以暴露于工作反应温度，沿长度的第二部分的至少一个冷 区在所述热区腔的外面延伸以保持在低于工作反应温度的温度下，电解质安置在反应区中 的阳极和阴极之间。等于壁厚T的各燃料电池装置的长度的第三部分位于腔壁内，该第三 部分在横断所述长度方向的平面中具有最大维度L，其中T ^ L/2。热源与所述热区腔连接 以在所述热区腔内将所述反应区加热到所述工作反应温度的。按照另一个实施方式，一种制造燃料电池装置的方法包括在第一牺牲层上形成集 电器，将第二牺牲层施加到所述集电器上，用未熟化陶瓷基本环绕所述第一和第二牺牲层， 施加热量以烧结所述未熟化陶瓷和燃烧所述第一和第二牺牲层，从而在烧结的陶瓷内遗留 位于间隙中的集电器，和在所述间隙的第一部分中形成与所述集电器接触的电极而保持所 述间隙的第二部分开放以用作气体通道。按照另一个实施方式，一种燃料电池装置包括长度为最大维度的细长基板，从而该细长基板的热膨胀系数仅具有一个与长度同延的主轴，沿所述长度的第一部分的反应区 设计为加热到工作反应温度，和沿所述长度的第二部分的至少一个冷区设计为在所述反应 区加热时保持在低于所述工作反应温度的温度下。电解质安置在反应区中的多孔阳极和多 孔阴极之间，燃料通道与所述多孔阳极结合并从所述至少一个冷区延伸通过所述反应区， 氧化剂通道与所述多孔阴极结合并从所述至少一个冷区延伸通过所述反应区，和高密度集 电器位置至少部分地凹入各多孔阳极和多孔阴极的表面部分中并暴露在相应的燃料和氧 化剂通道中。按照另一个实施方式，一种制造燃料电池装置的方法包括提供具有用作所述燃料 电池装置的活性电解质部分的第一部分和用作的所述燃料电池装置的惰性支持部分的第 二部分的第一未熟化陶瓷层。阳极层施加到所述第一未熟化陶瓷层第一部分的第一侧面上 和阴极层施加到所述第一未熟化陶瓷层第一部分的相对的第二侧面上，且第二未熟化陶瓷 层施加到所述第一未熟化陶瓷层的各第一和第二侧面的所述第二部分上，其中所述第二未 熟化陶瓷层的厚度大致等于所述阳极层和所述阴极层的厚度。牺牲层施加到各阳极和阴极 层和第二未熟化陶瓷层上，且第三未熟化陶瓷层施加到各牺牲层上。将成层的结构加热到 足以烧结所有层和燃烧所述牺牲层的温度以在所述惰性支持部分中形成其间具有厚烧结 陶瓷的一对气体通道和在所述活性电解质部分中形成其间的阳极、薄电解质和阴极。按照另一个实施方式，一种燃料电池装置包括具有阳极、阴极和其间的电解质的 活性中心层；从所述活性中心层延伸的至少三个细长部分，各细长部分的长度实质大于与 长度垂直的宽度，从而各所述细长部分的热膨胀系数具有与其长度同延的主轴；从第一细长 部分中的燃料入口延伸到与所述阳极结合的所述活性中心部分中的至少一个燃料通道；从 第二细长部分中的氧化剂入口延伸到与所述阴极结合的所述活性中心部分中的至少一个氧 化剂通道；和在第三细长部分中的开口和所述活性中心部分之间延伸的至少一个气体通道。按照另一个实施方式，一种燃料电池装置包括具有阳极、阴极和其间的电解质的 活性中心层；和从所述活性中心层延伸的四个细长部分，各细长部分的长度实质大于与长 度垂直的宽度，从而各所述细长部分的热膨胀系数具有与其长度同延的主轴。燃料通道从 第一细长部分中的入口延伸到与所述阳极相关的所述活性中心部分中并延伸到第二细长 部分中的出口 ；和氧化剂通道从第三细长部分中的入口延伸到与所述阴极相关的所述活性 中心部分中并延伸到第四细长部分中的出口，其中所述活性中心部分的面积大于所述四个 细长部分中各部分的面积。按照再另一个实施方式，一种制造燃料电池装置的方法包括形成与多个牺牲有机 层交替放置的多个未熟化陶瓷层的堆叠结构以在所述燃料电池装置中提供气体通道，其中 所述牺牲有机层包含碳纤维和蜡的复合物，且其中所述未熟化陶瓷层包含聚合物粘合剂。 该方法进一步包括加热所述堆叠结构到足以熔融所述蜡而不燃烧所述碳纤维或所述聚合 物粘合剂的第一温度，然后加热到足以燃烧所述聚合物粘合剂的第二温度，和再加热到足 以烧结所述未熟化陶瓷层和燃烧所述碳纤维的烧结温度，从而形成其中具有多个气体通道 的烧结陶瓷结构。


并入本说明书中并构成本说明书的一部分的附示说明了本发明的实施方式并与上面给出的对本发明的一般说明和下面给出的详细说明一起用于解释本发明。图1和图IA分别以侧面剖视图和顶面剖视图描绘了本发明的基本Fuel Cell Stick 装置的一个实施方式，具有单一阳极层、阴极层和电解质层及两个末端冷区之间的 热区。图2以透视图描绘了本发明Fuel Cell Stick 装置的一个实施方式的第一端部， 具有与其连接的燃料供应装置。图3A以透视图描绘了按照本发明的一个实施方式的Fuel CellStick 装置，但具 有改良的端部。图3B以透视图描绘了与图3A所示装置的一个改良端部连接的燃料供应管。图4A以透视图描绘了按照本发明的一个实施方式的连接多个Fuel Cell Stick 装置的冶金结合附加装置以进行正和负电压节点的电连接。图4B以示意端视图描绘了按照本发明的一个实施方式的多个Fuel Cell Stick 装置之间的连接，其中各Fuel Cell Stick 装置包括多个阳极和阴极。图5以示意端视图描绘了按照本发明的一个实施方式用于进行正和负电压节点 的电连接的机械附加装置。图6A和图6B以示意图描绘了在燃料和空气供应管连接的FuelCell Stick 装置 的一个端部具有单个冷区的替代实施方式，另一端在热区中。图7A和图7B分别是截面侧视图和顶视图，显示了按照本发明的一个实施方式在 空气和燃料通道中的多个支柱。图7C和图7D是描绘按照本发明的另一实施方式燃料和空气通道中球作为支柱的 用途。图8A以截面描绘了包含外部并联的两个燃料电池的本发明的一个实施方式。图8B以截面视图描绘了与图8A类似的本发明的另一实施方式，但是具有通过使 用通孔内部并联的两个燃料电池。图9A和图9B以截面视图描绘了具有共用的阳极和阴极的按照本发明一个实施方 式的多燃料电池设计，其中图9A描绘了并连的三个燃料电池层和图9B描绘了串联的三个 燃料电池。图10以示意侧视图描绘了按照本发明一个实施方式的Fuel CellStick 装置，具 有与装置的冷端连接的燃料供应管和在在热区中向空气通道开放的装置侧面以在热区中 向装置供应加热的空气。图IOA以示意侧视图描绘了图10的实施方式的变型形式，其中热区位于相对的冷 端之间。图IOB描绘了图IOA的Fuel Cell Stick 装置沿10B-10B线截取的顶面剖视图。图11-24示意性地描绘了本发明的各种实施方式，其中图11提供了图12-24中所 示元件的范例。图25A和图27A以示意性的顶部平面图和图27B以示意性的侧视图描绘了按照本 发明的一个实施方式的具有锅柄设计的Fuel Cell Stick 装置，该锅柄设计在一个冷端具 有细长段而在相对的热端具有大表面积段。图25B和图26A以示意性的顶部平面图和图FIG. 26B以示意性的侧视图描绘了本
15发明的替代实施方式，在相对的冷端具有两个细长段和在中央热区中的中央大表面积段。图28A-28D描绘了按照本发明的一个实施方式的Fuel CellStick 装置，具有螺 旋或滚压的、管形配置，其中图28A-28C分别以示意性顶视图、端视图和侧视图描绘了未滚 压的结构，而图28D以示意性透视图描绘了螺旋或滚压的、管形配置。图29A-29G描绘了本发明的另一替代实施方式，其中Fuel CellStick 装置具有 管状同心形式，且其中图29A以示意性等距视图描绘了该装置，图29B-29E描绘了从图29A 截取的剖视图，图29F描绘了空气输入端的端视图，和图29G描绘了燃料输入端的端视图。图30A以示意性截面侧视图描绘了在热区中的活性区前面具有集成的预加热区 的本发明Fuel Cell Stick 装置的实施方式，且图30B和图30C分别以沿30B-30B和 30C-30C线截取的示意性剖视图描绘了图30A的装置。图31A-31C类似于图30A-30C，但描绘了具有中央热区的两个冷区。图32A-32B分别以示意性截面侧视图和沿图32A的32B-32B线截取的示意性截面 顶视图描绘了与图31A-31C所示实施方式类似的实施方式，但进一步包括在燃料入口和燃 料通道之间及在空气入口和空气通道之间延伸的预加热腔，各预加热腔从冷区延伸到热区 的预加热区。图33A-33C描绘了用于预加热空气和燃料的本发明的另一实施方式，其中图33A 是通过Fuel Cell Stick 装置的示意性截面侧视图，图33B是沿图33A的33B-33B线截取 的示意性截面顶视图，和图33C是沿图33A的33C-33C线截取的示意性截面底视图。图34A和图34B分别以示意性正面斜视图和示意性侧视图描绘了具有多个外部相 互串联的阳极和阴极的本发明的实施方式。图35以示意性侧视图描绘了通过金属条使外部连接的两个结构加倍以提供 串-并设计的图34B结构。图36A和图36B以示意性侧视图和透视图描绘了本发明的另一实施方式，包括用 于在热区中串联和/或并联阳极和阴极的金属条和从热区延伸到冷区用于形成连接到正 和负电压节点的冷区低温连接的长金属条。图37以示意性等距视图描绘了类似于图36B的实施方式，但具有用于空气和燃料 供应连接和用于电压节点连接。图38A和图38B以示意性截面侧视图描绘了具有用于烘出有机材料以在结构内形 成的沿装置侧面的多个出口间隙的本发明实施方式通道。图39以示意性截面端视图描绘了称为Fuel Cell Stick 装置的阳极支持版的本 发明的另一实施方式，其中阳极材料用作支持结构。图40A和图40B分别以示意性截面端视图和示意性截面侧视图描绘了根据本发明 Fuel Cell Stick 装置的另一实施方式的阳极支持版，其中取消了开放燃料通道而被用于 发挥通过装置传输燃料的功能的多孔阳极取代。图41A和图41B分别以示意性截面端视图和示意性截面顶视图描绘了根据本发明 Fuel Cell Stick 装置的阳极支持版的另一实施方式，其中在阳极支持结构中具有多个空 气通道且单个燃料通道与该多个空气通道垂直。图42A-42C以示意性剖视图描绘了按照一个实施方式用于在本发明Fuel Cell Stick 装置的通道中形成电极层的方法。
图43以示意性截面侧视图描绘了本发明的另一实施方式，其中电极层具有不平 坦的外形以增加可用于接受电极层的表面积。图44以示意性截面侧视图描绘了用于提供在电极层上的不平坦外形的本发明的 替代实施方式。图45A以通过热区的示意性顶视图描绘了各在装置的左和右侧具有多个燃料电 池和其间具有桥接部分的本发明Fuel Cell Stick 装置的一个实施方式。图46A和图46B分别以示意性透视图和示意性剖视图描绘了具有大的外接触垫以 提供用于使电子移动到装置冷端的低电阻在大或宽的通路的本发明Fuel Cell Stick 装 置的另一个实施方式。图47以示意性截面侧视图描绘了按照具有用于废燃料和空气的单一排气通道的 本发明另一个实施方式的Fuel Cell Stick 装置。图48A-48C描绘了具有厚部分和薄的滚压部分的称为“末端滚压Fuel Cell Stick 装置”的替代实施方式，其中图48A以透视图描绘了未滚压的装置，图48B以截面侧 视图描绘了滚压的装置，和图48C以透视图描绘了滚压的装置。图49A以示意性截面侧视图描绘了使用两个陶瓷层之间的金属线构建Fuel Cell Stick 装置的实施方式。图49B以示意性透视图描绘了层压后的图49A的装置。图49C以示意性透视图描绘了除去金属线后的图49B的装置。图50A-50C以示意性剖视图描绘了使用金属线和间隙形成带的组合构建Fuel Cell Stick 装置的另一实施方式。图51和图52A以示意性透视图描绘了穿过炉壁的Fuel Ce 11 Stick 装置。图52B以示意性透视图描绘了在炉壁界限内的52B的Fuel CellStick 装置的部 分。图52C以示意性透视图描绘了将穿过炉壁的管形Fuel CellStick 装置的部分。图53以示意性透视图描绘了穿过由多层制成的炉壁的Fuel CellStick 装置。图54以示意性透视图描绘了穿过由多层制成的炉壁的Fuel CellStick 装置的 空气间隙。图55A-55E以示意性剖视图描绘了具有浮动集电器的Fuel CellStick 装置的组 件。图56A和图56B是描绘支持浮动集电器的氧化锆球的显微照片。图57A和图57B以示意性剖视图描绘了用悬浮在粘性液体中的阳极或阴极颗粒回 填(backfilling)图55D结构以形成阳极或阴极。图58A、图58B和图58C是描绘几乎引起通道堵塞的集电器的显微照片。图59以示意性剖视图描绘了阳极和阴极的表面上的集电器。图60以示意性剖视图描绘了埋入阳极和阴极的表面中的集电器。图61A-61C描绘了将集电器埋入阳极和阴极中的方法。图62是描绘获得具有两种厚度的单个电解质层的方法的示意性剖视图。图62A图62的详细图解。图63是描绘填充图案(hatch pattern)中的集电器的顶视图的显微照片。
图64和图65是描绘多孔阳极或阴极上的集电器的侧面和斜角剖视图的显做照 片。图66A是套在Fuel Cell Stick 装置端部的管的示意性剖视图。图66B是图66A的Fuel Cell Stick 装置端部的示意性透视图。图67A是位于Fuel Cell Stick 装置端部的包括弹簧触点的连接器的示意性剖 视图。图67B是图67A的连接器的示意性透视图。图68A和图68B是描绘具有四个出口点的Fuel Cell Stick 装置的示意性透视 图。图69是描绘已凹入多孔阳极或阴极中的集电器轨迹的显微照片。图70是描绘除去碳_蜡牺牲材料后遗留的间隙的显微图象。
具体实施例方式在一个实施方式中，本发明提供了 SOFC装置和系统，其中燃料口和空气口在一个 单体结构中形成。在一个实施方式中，SOFC装置是细长结构，基本上是相对相对扁平或长方 形棒(并此，称作Fuel Cell Stick 装置)，其中长度显著大于宽度或厚度。该Fuel Cell Stick 装置能够具有冷的端部而中央是热的(冷的端部< 300°C;热的中央部> 400°C，且 最可能> 700°C)。陶瓷的缓慢热传导可以防止热的中央部完全加热较冷的端部。另外，端 部快速地辐射掉到达端部的任何热量。本发明包括认识到，通过形成用于连接的冷的端部， 有可能更容易进行与阳极、阴极、燃料入口和H2OCO2出口及空气入口和空气出口的连接。尽 管管状燃料电池结构也能够具有带热中央部的冷端部，但现有技术并没有利用陶瓷管的这 一优势，而是相反将整个管放入炉中或热区中，因而需要高温连接。现有技术认识到用于形 成燃料输入的高温铜焊连接的复杂性和成本，但还没有认识到本文中提出的解决方案。本 发明的Fuel Cell Stick 装置是长的和细薄的，从而它具有使得能够在中央加热而仍具有 冷的端部的上述热性能优势。这使得对于温度来说在结构上是可取的，且相对容易连接燃 料、空气和电极。该Fuel CellStick 装置基本上是独立(stand-alone system)系统，为 获得电力仅需要添加热量、燃料和空气。该结构设计为使得这些事物可以方便地加入。本发明的Fuel Cell Stick 装置是多层结构且可以使用多层共烧方法制造，这提 供了几种另外的优势。第一，该装置是单体的，这有助于使其在结构上是可取的。第二，该 装置有助于传统的高容量制造技术，如在电容器芯片的MLCC(多层共烧陶瓷)生产中使用 的高容量制造技术。(据认为，多层电容器生产是技术陶瓷的最高容量的应用，且该技术用 于高容量制造已经过验证。)第三，可以不需要额外的成本或复杂性而在该结构内获得薄电 解质层。利用MLCC方法获得2 μ m厚度的电解质层是可能的，而具有小于60 μ m电解质壁 厚的SOFC管是难以想象的，因此，本发明的Fuel Cell Stick 装置可能比SOFC管效率高 大约30倍。最后，本发明的多层Fuel Cell Stick 可以各具有几百或几千层，这将提供最 大的面积和最高的密度。考虑现有技术的SOFC与本发明的Fuel Cell Stick 装置相比的表面积。例如， 考虑与0.25〃 X0. 25〃 Fuel Cell Stick 装置相比的0. 25 〃直径的管。在管中，周长是 3. 14xD或0. 785〃。在0.25〃 Fuel Cell Stick 装置中，一层的可用是大约0. 2英寸。因此，需要4层以获得与一个管相同的面积。这些数字明显不同于电容器技术的那些数字。 日本多层电容器的技术状态目前是2 μ m厚度600层。日本很可能不久在生产中投产1000 层的部件，且现在在实验室中进行制造。这些600层的片式电容器仅0.060" (1500 μ m)。 在具有2 μ m电解质厚度和带有10 μ m厚度的相应阴极/阳极的空气/燃料通道的0. 25 “ 装置中将这一制造技术应用于本发明的Fuel Cell Stick 装置，制造具有529层的单一 装置是可行的。这将相当于132个管。现有技术的重力是添加更多的管、加大直径和/或 增加管长度以得到更高功率，结果是为获得高功率的非常大的结构。另一方面，本发明向单 一 Fuel Cell Stick 装置添加更多的层以获得更高的功率和/或在装置中使用更薄的层 或通道，从而使得SOFC技术的微型化成为可能。此外，本发明的利益是平方效应(squared effect)，正如在电容器中一样。当电解质层厚度减半时，功率加倍，这时又可以在装置中安 装更多的层，因而功率再加倍。本发明的另一关键特征是容易将层进行内部联接以提高FuelCell Stick 装置的 输出电压。假定每层1伏电压，可以使用通孔将12个一组联接在一起而由本发明的Fuel Cell Stick 装置获得12伏电压输出。在此之后，进一步的连接可以将12个的一组并联 以获得更高的电流。这可以利用电容器芯片技术中所用的现有方法完成。关键的区别是本 发明取消了其它技术必须使用的铜焊的复杂布线。本发明还提供与现有技术相比更多样的电极选择。贵金属可用作阳极和阴极。银 较便宜，但对于更高的温度，将需要与PcUPt或Au的混合，Pd可能是这三种中价格最低的。 许多的研究非贵金属导体上。在燃料侧，曾经试图使用镍，但任何与氧的接触将在高温下使 金属氧化。导电陶瓷也是已知的，且可以用于本发明中。简言之，本发明可以利用任何可以 被烧结的阳极/阴极/电解质系统。在本发明的一个实施方式中，有可能当2μπι带的大面积未得到支持时，由于在两 个侧面上都是空气/气体，该层可能变得脆弱。可以预想留下跨越间隙的支柱。这看起来 象在钟乳石和石笋相连接的洞中的柱子。它们可以均勻和很近地间隔，从而获得更好的结 构强度。对于气体和空气供应装置的连接，可以预想末端温度低于300°C，例如低于 150°C，从而例如高温柔性硅胶管或胶乳橡胶管可以用于连接到Fuel Cell Stick 装 置上。这些柔性管可以简单地在装置的端部拉伸，而因此形成密封。这些材料可以在标 准McMaster目录中得到。硅胶通常在150°C或以上的温度下用作烘箱衬垫而不丧失其 性能。多棒Fuel Cell Stick 系统的这许多硅胶或胶乳橡胶管可以用倒钩连接(barb connection)连接到供应装置上。阳极材料或阴极材料或者两种电极的材料可以是金属或合金。适用于阳极和阴极 的金属和合金是本领域技术人员已知的。或者，一种或两种电极材料可以是导电的未熟化 陶瓷，这也是本领域技术人员已知的。例如，阳极材料可以是用氧化钇稳定的氧化锆涂覆 的烧结金属镍，且阴极材料可以是改性的亚锰酸镧(lanthanum manganite)，其具有钙钛矿 (perovskite)结构。在另一实施方式中，一种或两种电极材料可以是未熟化陶瓷与导电金属的复合 物，导电金属的存在量足以赋予该复合物导电性。一般，当金属颗粒开始接触时陶瓷基质变 成导电的。足 赋予复合物基质导电性的金属量主要随金属颗粒形态变化。例如，对于球形粉末金属，金属量一般需要高于金属片。在示例性的实施方式中，该复合物包含未熟化陶 瓷的基质和分布在其中的大约40-90%的导电金属颗粒。所述未熟化陶瓷基质与用于电解 质层的未熟化陶瓷材料相同或不同。在其中一种或两种电极材料包括陶瓷，即导电未熟化陶瓷或复合物，的实施方式 中，电极材料中的未熟化陶瓷和用于电解质的未熟化陶瓷材料可以包含可交联有机粘合 剂，从而在层压过程中，压力足以使层内的有机粘合剂交联以及使层间的聚合物分子链联接。现在参照其中类似的数字始终用于指代类似的部件的附图。附图中使用的附图标 记如下
10Full Cell Stick 装置
Ila第一端部
lib第二端部
12燃料入口
13燃料预加热腔
14燃料通道 16燃料出口
18空气入口
19空气预加热腔
20空气通道
21排气通道
22空气出口
24阳极层
25暴露的阳极部分
26阴极层
27暴露的阴极部分
28电解质层
29陶瓷
30冷区(或第二温度)
31过渡区
32热区(或加热的区或第一温度区) 33a预加热区
33b活性区
34燃料供应装置
36空气供应装置
38负电压节点
40正电压节点
42金属线
44接触垫
46焊料连接48弹簧夹
50供应管
52束带(Tie wrap)
54支柱
56第一通孔
58第二通孔
60屏障涂层
62表面颗粒
64变形表面层
66阳极悬浮液
70开口 72 (a, b) 有机材料/牺牲层
80左侧
82右侧
84桥接部分
90桥
92金属线(物理)结构
94间隙形成带
96炉壁
96'多层炉壁
96"具有空气间隙的多层炉壁
98a，b，c 绝缘
100Fuel Cell Stick 装置
102细长段
104大表面积段
106细长段
120空气间隙
122集电器
123间隙
124电极颗粒 126粘性流体 128临时基板 130陶瓷带 132凹口
134连接器
136电触点
138气流路径
1400形环
200螺旋管状Fuel Cell Stick 装置300同心管状Fuel Cell Stick 装置
400末端滚压Fuel Cell Stick 装置
402厚部分
404薄部分
500Fuel Cell Stick 装置术语“区”、“面积”和“区域”始终可以互换使用且意图具有相同的意义。类似地， 术语“通道”、“通路”和“路径”始终可以互换使用，及术语“出口”和“排出口，，始终可以互
换使用。图1和图IA分别以侧面剖视图和顶面剖视图描绘了本发明的基本Fuel Cell Stick 装置10的一个实施方式，具有单一阳极层24、阴极层26和电解质层28，其中装置 10是单体的。Fuel Cell Stick 装置10包括燃料入口 12、燃料出口 16和其间的燃料通 道14。装置10进一步包括空气入口 18、空气出口 22和其间的空气通道20。燃料通道14 和空气通道20处于相对和平行关系，且从燃料供应装置34通过燃料通道14的燃料流方向 与从空气供应装置36通过空气通道20的空气流相反。电解质层28设置于燃料通道14和 空气通道20之间。阳极层24设置在燃料通道14和电解质层28之间。类似地，阴极层26 设置于空气通道20和电解质层28之间。Fuel Cell Stick 装置10的剩余部分包括陶瓷 29，其可以是与电解质层28相同的材料或者可以是不同但相容的陶瓷材料。电解质层28被 认为是阳极24和阴极26的相对面积之间的陶瓷底层(lying)的该部分，如虚线所示。正 是在电解质层28中氧离子从空气20通道传到燃料通道14。如图1中所示，来自空气供应 装置36的O2移动通过空气通道20并被阴极层26离子化以形成20_，其移动通过电解质层 28并通过阳极24进入燃料通道24，在此与来自燃料供应装置34的燃料(例如，碳水化合 物)反应以首先形成CO和H2，然后形成H2O和C02。尽管图1描绘了使用碳水化合物作为 燃料的反应，但本发明不局限于此。通常用于SOFC中的任何类型的燃料都可以用于本发明 中。燃料供应装置34可以是任何碳水化合物源或氢源，例如，甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)和丁 烷(C4Hltl)是碳水化合物燃料的例子。为使反应发生，必须将热量施加于Fuel Cell Stick 装置10。按照本发明，Fuel Cell Stick 装置10的长度足够长以使该装置可以分成在装置10的中央的热区32 (或加 热的区)和在装置10的各端部Ila和lib的冷区30。在热区32和冷区30之间存在过渡 区31。热区32通常在400°C以上工作。在示例性的实施方式中，热区32在> 600°C的温度 下工作，例如> 700°C。冷区30不接触热源，且由于Fuel Cell Stick 装置10的长度和 陶瓷材料的热性能优势，热量在热区32外耗散，以使得冷区30具有< 300°C的温度。据认 为，从热区32沿陶瓷的长度向下到冷区30的端部的热传递是缓慢的，而从热区32外的陶 瓷材料到空气的热传递相对较快。因此，输入到热区32中的大部分热量在可能到达冷区30 端部之前消失在空气中(主要在过渡区31中)。在本发明的示例性实施方式中，冷区30具 有< 150°C的温度。在进一步的示例性实施方式中，冷区30处于室温下。过渡区31具有热 区32的工作温度和冷区30的温度之间的温度，且正是在过渡区31中发生主要的热散逸。因为主热膨胀系数(CTE)是沿着Fuel Cell Stick 装置10的长度，并因而主要 是一维的，因此允许快速加热而不开裂。在示例性的实施方式中，装置10的长度比认真思 考的宽度和厚度至少大5倍。在进一步的示例性实施方式中，装置10的长度比装置的宽度和厚度至少大10倍。在再进一步的示例性实施方式中，装置10的长度比装置的宽度和厚度 至少大15倍。另外，在示例性的实施方式中，宽度大于厚度，这提供了更大的面积。例如， 宽度可以是厚度的至少两倍。进一步举例来说，0.2英寸厚FuelCell Stick 装置10可以 具有0. 5英寸的宽度。可以理解，附图并不是按比例显示的，而只是给出相对尺寸的大意。按照本发明，与阳极24和阴极26的电连接是在Fuel Cell Stick 装置10的冷 区中形成的。在示例性的实施方式中，各阳极24和阴极26在冷区30中暴露于Fuel Cell Stick 装置10的外表面上以允许形成电连接。负电压节点38通过金属线42连接于例如 暴露的阳极部分25，正电压节点40通过金属线42连接于例如暴露的阴极部分27。因为 Fuel Cell Stick 装置10在装置的各端部11a、lib具有冷区30，所以可以形成低温刚性 电连接，这显著优于通常需要高温铜焊方法来形成电连接的现有技术。图2以透视图描绘了 Fuel Cell Stick 装置10的第一端部11a，具有连接在端部 Ila上并用束带固定的供应管50。来自燃料供应装置34的燃料然后通过供应管50进料并 输送到燃料入口 12中。由于将第一端部Ila置于冷区30中，柔性塑料管路或其它低温型 连接材料可用于将燃料供应装置34连接到燃料入口 12上。本发明不需要高温铜焊来形成 燃料连接。图3A以透视图描绘了与图1中所示相似的Fuel Cell Stick 装置10，但具有改 良的第一和第二端部lla、llb。端部IlaUlb经机械加工以形成圆筒形端部，从而有助于燃 料供应装置34和空气供应装置36的连接。图3B以透视图描绘了连接到第一端部Ila用 于从燃料供应装置34将燃料加到燃料入口 12的供应管50。举例来说，供应管50可以是借 助于其弹性形成与第一端部Ila的紧密密封的硅胶或胶乳橡胶管。可以理解，供应管50的 柔性和弹性可以在用于发生振动的便携装置时为Fuel Cell Stick 装置10提供减震座。 在现有技术中，管或板经刚性铜焊，因此如果用于动态环境中会发生开裂故障。因此，供应 管作为减震器的附加功能与现有技术相比提供了特有的优势。回头再看图3A，接触垫44设置在Fuel Cell Stick 装置10的外表面上以形成 与暴露的阳极部分25和暴露的阴极部分27的接触。用于接触垫44的材料应当是导电的 以将电压节点38、40电连接到它们各自的阳极24和阴极26上。可以理解，可用使用任何 合适的方法形成接触垫44。例如，金属垫可以印刷到烧结的Fuel Cell Stick 装置10的 外表面上。金属线42通过焊料连接46固定到接触垫44上，例如，以建立可靠的连接。焊 料是低温材料，其可以通过设置在Fuel Cell Stick 装置10的冷区30中。例如，可以使 用标准10Sn88Pb2Ag焊料。本发明不需要高温电压连接，从而扩大了使用任何低温连接材 料或装置的可能性。图3A还以透视图描绘了燃料出口 16和空气出口 22。燃料通过位于一个冷区30 中的第一端部Ila的燃料入口 12进入并通过与第二端部lib邻近的出口 16排出到Fuel Cell Stick 装置10侧面的外面。空气通过位于冷区30中的第二端部lib的空气入口 18 进入并从邻近第一端部Ila的Fuel Cell Stick 装置10侧面中的空气出口 22排出。尽 管出口 16和22显示为在Fuel Cell Stick 装置10的同一侧，但可以理解它们可以位于 相对侧，例如，如图4A中所示。通过形成接近燃料入口 12的空气出口 22(及类似地，形成接近空气入口 18的燃 料出口 16)及通过重叠层(阳极、阴极、电解质)的紧密接近，空气出口 22起到热交换器的作用，有效地预热通过燃料入口 12进入装置10的燃料(及类似地，燃料出口 16预热通过 空气入口 18进入的空气)。热交换器改善该系统的效率。过渡区31具有废空气和新鲜燃 料(及废燃料和新鲜空气)的重叠面积，从而热量在新鲜燃料(新鲜空气)到达热区32之 前转移。因此，本发明的Fuel Cell Stick 装置10是包括内置的热交换器的单体结构。参照图4A，其中以透视图描绘了通过将连接到暴露的阳极部分25的各接触垫44 对齐并(在46处)将连接到负电压节点38的金属线42焊接到各接触垫44上而连接多个 Fuel Cell Stick 装置10 (在这一情况中是两个Fuel Cell Stick 装置10)。类似地，连 接到暴露的阴极部分27的接触垫44对齐，并且连接正电压节点40的金属线42焊接(在 46处)到那些对齐的接触垫44中的各接触垫上，如部分地在剖视图中所示。可以理解，因 为连接是在冷区30中且是相对简单的连接，如果在多Fuel Cell Stick 系统或组件中的 一个Fuel Cell Stick 装置10需要更换，则仅需要打开到该一个装置10的焊料连接、用 新装置10更换该装置并将金属线42重新焊接到新的FuelCell Stick 装置10的接触垫 44上。图4B以端视图描绘了多个Fuel Cell Stick 装置10之间的连接，其中各Fuel Cell Stick 装置10包括多个阳极和阴极。例如，图4B中描绘的特定实施方式包括三组相 对的阳极24和阴极26，各阳极24暴露在FuelCell Stick 装置10的右侧和各阴极26暴 露在Fuel Cell Stick 装置10的左侧。然后接触垫44安置在Fuel Cell Stick 装置10 的各侧面以接触相应的暴露的阳极部分25和暴露的阴极部分27。在右侧，在阳极24暴露 的情况下，负电压节点38通过经由焊料连接46将金属线42固定到接触垫44上而连接到 暴露的阳极25部分。类似地，正电压节点40通过经由焊料连接46将金属线42固定到接 触垫44上而电连接到Fuel Cell Stick 装置10左侧面上的暴露的阴极部分27，因此，尽 管图1-4A描绘了与单一阴极26相对的单一阳极24，可以理解，如图4B所示，各Fuel Cell Stick 装置10可以包括多个阳极24和阴极26，其各暴露于Fuel Cell Stick 装置10的 外表面以通过施加在外表面上用于连接各自的电压节点38或40的接触垫44进行电连接。 结构中相对的阳极24和阴极26的数目可以是数十、数百和甚至数千。图5以端视图描绘了用于形成金属线42和接触垫44之间的电连接的机械连接装 置。在这一实施方式中，Fuel Cell Stick 装置10定向为使得一组电极在各Fuel Cell Stick 装置10的顶面暴露。接触垫44已施加在冷区30中的一个端部(例如，Ila或lib) 的各顶面上。然后弹簧夹48可以用于可拆卸地将金属线42固定到接触垫44上。因此，冶 金结合可以用于形成电连接，如图3A、4A和4B所示，或者可以使用机械连接装置，如图5中 所示。选择合适的连接装置的灵活性是由本发明Fuel Cell Stick 装置10中的冷区30 而获得的。使用弹簧夹48或其它机械连接装置进一步简化了更换多棒组件(multi-stick assembly)中的单个Fuel Cell Stick 装置10的过程。图6A和6B以透视图描绘了在Fuel Cell Stick 装置10的第一端部Ila具有单 个冷区30的替代实施方式，使第二端部lib置于热区32中。在图6A中，Fuel Cell Stick 装置10包括并列的三个燃料电池，而图6B的Fuel Cell Stick 装置10包括单个燃料电 池。因此，本发明的实施方式可以包括单电池设计或多电池设计。为使燃料和空气的单末 端输入成为可能，空气入口 18经重新定位以在Fuel Cell Stick 装置10侧面与第一端部 Ila邻近。空气通道20(未显示)再与燃料通道14平行伸展，但在这一实施方式中，空气流在Fuel Cell Stick 装置10的整个长度上与燃料流的方向相同。在装置10的第二端 部11b，空气出口 22位置邻近燃料出口 16。可以理解，燃料出口 16或空气出口 22或者两 者可以从Fuel Cell Stick 装置10的侧面退出，而不是都从端面退出。如图6B中所示，空气供应装置36的供应管50通过形成穿过供应管50的侧面的 孔并将10装置通过侧孔滑动从而空气供应装置36的供应管50与燃料供应装置34的供应 管50垂直。再次，硅橡胶管等可以用于这一实施方式中。粘合材料可以施加到供应管50 和装置10之间的接头周围以形成密封，电连接也邻近冷区30中的第一端部11a。图6A和 6B各描绘了在Fuel Cell Stick 装置10的一侧形成的正电压连接和在Fuel Ce 11 Stick 装置10的对侧形成的负电压连接。但是，可以理解，本发明不局限于此。单末端输入Fuel Cell Stick 装置10的优势是仅有一个冷-热过渡而不是两个过渡区31，从而Fuel Cell Stick 装置10可以得更短。本发明的一个益处是使得活性层更薄的能力，从而使得Fuel CellStick 装置10 能够在单一装置中集成多个燃料电池。活性层越薄，在FuelCell Stick 装置10的制造过 程中空气通道20或燃料通道14塌陷的可能性越高，从而堵塞了通过通道14和/或20的流 动。因此，在图7A和7B所示的本发明的一个实施方式中，在通道14和20中提供多个支柱， 例如陶瓷支柱，以防止电解质层28的变形和通道14、20的堵塞。图7A是截面侧视图，而图 7N是通过空气通道20的截面顶视图。按照本发明的一种方法，使用流延法(tape casting method)，可以使用牺牲带层，使得多个孔形成在牺牲层中，例如通过物质的激光消除。然后 陶瓷材料用于填充该孔，例如通过将陶瓷浆涂布在牺牲带层上以渗入孔中。在将各种层组 合到一起后，移除牺牲层的牺牲材料，例如通过使用溶剂，从而保留支柱54。在用于形成支柱54的另一实施方式中，预烧结陶瓷的大颗粒可加入到有机载体 中，如溶于溶剂的塑料，并搅拌以形成随机混合物。仅作为举例而不是限制性的，大颗粒可 以是球体，如0.002in.直径的球。然后随机混合物施加到未熟化结构上，例如通过在燃料 和空气通道14和20所处的区域中进行印刷。在烧结(烘焙/烧制)过程中，有机载体遗 留该结构(例如烧尽)，从而形成通道14、20，且陶瓷颗粒保留以形成物理地保持通道14、 20开放的支柱54。所获得的结构显示图7C和7D的显微照片中。支柱54随机定位，使得 平均距离随陶瓷颗粒在有机载体中的装载变化。图8A以截面描绘了包含平行的两个燃料电池的一个实施方式。各活性电解质层 28在一侧具有空气通道20和阴极层26a或26b，且在对侧具有燃料通道14和阳极层24a 或24b。一个燃料电池的空气通道20通过陶瓷材料29与第二燃料电池隔离。各暴露的阳 极部分25通过金属线42与负电压节点38连接，且各暴露的阴极部分27通过金属线42与 正电压节点40连接。然后单空气供应装置36可用于供应多个空气通道20的各通道，且单 燃料供应装置34可用于供应多个燃料通道14的各通道。通过活性层的这一布置确定的电 路显示在图的右侧。在图8B的剖视图中，Fuel Cell Stick 装置10类似于图8A中显示的装置，但不 是具有多个暴露的阳极部分25和多个暴露的阴极部分27，而是仅阳极层24a在25处暴露 而仅一个阴极层26a在27处暴露。第一通孔56将阴极层26a与阴极层26b连接，且第二通 孔58将阳极层24a与阳极层24b连接。举例来说，可以在形成未熟化层的过程中使用激光 方法以形成开放通孔，然后通孔填充导电材料以形成通孔连接。如图8B右侧的电路所示，在图8B的Fuel Cell Stick 装置中形成如图8A的Fuel Cell Stick 装置10中相同的 电通路。图9A和9B也以剖视图描绘了多燃料电池设计，但具有共享阳极和阴极。在图9A 的实施方式中，Fuel Cell Stick 装置10包括两个燃料通道14和两个空气通道20，但不 是具有两个燃料电池，这一结构包括三个燃料电池。第一燃料电池在具有中间电解质层28 的阳极层24a和阴极层26a之间形成。阳极层24a在燃料通道14的一侧上，而在该燃料通 道14的相对侧上是第二阳极层24b。第二阳极层24b与第二阴极层26b相对，期间有另一 电解质层28，从而形成第二燃料电池。第二阴极层26b在空气通道20的一侧上，且第三阴 极层24c在该空气通道20的相对侧上。第三阴极层26c与第三阳极层24c相对，其间有电 解质层28，因此提供第三燃料电池。从阳极层24a到阴极层26c的装置10的部分可以在 装置10内重复许多次以提供共享的阳极和阴极，从而在单个Fuel Cell Stick 装置10内 倍增燃料电池的数目。例如，各阳极层24a、24b、24c包括暴露的阳极部分25，可以在Fuel Cell Stick 装置10的外表面形成到该暴露的阳极部分25的电连接以通过金属线42连接 到负电压节点38。类似地，例如，各阴极层26a、26b、26c包括暴露于外表面的阴极部分27 以通过金属线42连接到正电压节点42。单空气供应装置36可以在一个冷端提供以供应各 空气通道20，且单燃料供应装置34可以在相对的冷端提供以供应各燃料通道14。由这一 结构形成的电路在图9A的右侧提供。这一 Fuel Cell Stick 装置10包含并列的三个燃 料电池层，使提供的功率增加到原来的三倍。例如，如果各层产生1伏电压和1安电流，则 各燃料电池层产生1瓦的功率输出(伏X安=瓦)。因此，这一种三层的配置于是产生1 伏电压和3安电流而达到总共3瓦的功率输出。在图9B中，图9A的结构经改进以提供到各电压节点的电连接而建立串联的三个 燃料电池，如图9B右侧的电路所示。正电压节点40连接到暴露的阴极部分27的阴极层 26a上。阳极层24a通过通孔58连接到阴极层26b上。阳极层24b通过通孔56连接到阴 极层26c上。然后阳极层24c在暴露的阳极部分25连接到负电压节点38上。因此，使用 相同的每层1安电流Λ伏电压的假设，这一种三电池结构将产生3伏电压和1安电流而达 到总共3瓦的功率输出。本发明的另一实施方式在图10中以侧视图进行了描绘。在这一实施方式中，Fuel Cell Stick 装置10在第一端部Ila具有单个冷区30，使第二端部lib设置于热区32中。 如在其它的实施方式中，燃料入口 12在第一端部Ila并通过供应管50连接到燃料供应装 置34上。在这一实施方式中，燃料通道14延伸Fuel Cell Stick 装置10的长度，使燃料 出口 16处于第二端部lib。因此，燃料供应连接在冷区30中形成，且用于燃料反应物(例 如，CO2和H2O)的出口处于热区32中。类似地，阳极在冷区30中具有暴露的阳极部分以通 过金属线42连接负电压节点38。在图10的实施方式中，Fuel Cell Stick 装置10至少在一侧开放，且可能在相 对的两侧开放，以在热区32中同时提供空气入口 18和空气通道20。支柱54的使用可以在 该实施方式中特别用于空气20通道内。空气出口可以在第二端部11b，如图所示。或者，虽 然未显示，如果通道20延伸整个宽度且空气供应仅引向入口侧或者如果通道20不延伸整 个宽度，则空气出口可以在与空气入口侧相对的侧。在这一实施方式中不是仅向热区供热， 而是还供应空气。换句话说，热区32中装置10的侧面向加热的空气开放而不是通过强迫通风管供应空气。图IOA以侧视图描绘了图10中所示实施方式的变型。在图IOA中，Fuel Cell Stick 装置10包括相对的冷区30，通过过渡区31将中央加热区32与冷区30隔离。空气 入口 18设置在中央加热区32中，至少在其一部分中，以接受加热的空气。但是，在这一实 施方式中，空气通道20在如图10中的可观长度中未完全向Fuel Cell Stick 装置10的 侧面开放。相反，如图IOB中更清楚地显示的，空气通道20在热区32的一部分中开放，然 后在长度的剩余部分中接近侧面并在Fuel Cell Stick 装置10的第二端部lib从空气出 口 22退出。这一实施方式允许加热的空气供应到热区32中而不需强迫空气供应管，但也 允许燃料和空气在冷区30中从装置10的一个端部lib退出。尽管详细地显示和描述了特定的实施方式，但本发明的范围不局限于此。下面描 述更一般的实施方式，且它们可以参照图11-24中的示意图进行更全面的理解。图11提供 了图12-24中示意性地显示的部件的范例。其中燃料(F)或空气(A)通过表示强制流的进 入Fuel Cell Stick 装置(例如SOFC Stick)的箭头显示。其中未描绘表示加热的空气 在热区中通过强制流连接以外的装置供应和的Fuel Cell Stick 装置在热区内的入口点 向空气通道开放的空气输入。本发明的一个实施方式是包括至少一个燃料通道和相关的阳极、至少一个氧化剂 通道和相关的阴极及它们之间的电解质的Fuel CellStick 装置，其中电池长度比其宽度 和硬度显著更大，以使得具有一个主轴的CTE且其一部分在具有高于约400°C的温度的加 热区中工作。在这一实施方式中，Fuel Cell Stick 装置具有按主CTE方向在一个端部的 空气和燃料输入的综合入口点，或者按主CTE方向在一个端部的空气输入和在另一端部 的燃料输入，且空气和燃料输入位于热区外。例如，参见图20和24。在本发明的另一实施方式中，燃料电池具有第一温度区和第二温度区，其中第一 温度区是在足以完成燃料电池反应的温度下工作的热区，而第二温度区在加热区外并在比 第一温度区低的温度下工作。第二温度区的温度足够低以允许形成与电极的低温连接和用 于至少燃料供应的低温连接。燃料电池结构延伸到第一温度区中并部分延伸到第二温度区 中。例如，参见图12、13和17。在本发明的一个实施方式中，燃料电池包括作为加热区的第一温度区和在低于 300°C的温度下工作的第二温度区。使用橡胶管路等作为低温连接在第二温度区中形成空 气和燃料连接。低温焊料连接或弹簧夹用于形成与阳极和阴极的电连接以将它们连接到各 自的负和正电压节点。此外，用于二氧化碳和水的燃料出口和用于耗竭的氧气的空气出口 位于第一温度区(即加热区)中。例如，参见图17。在另一实施方式中，燃料电池结构具有作为加热区的中央第一温度区，且燃料电 池的各端部位于第一温度区外，在低于300°C的温度下工作的第二温度区中。燃料和空气输 入位于第二温度区中，用于与阳极和阴极的电连接的焊料连接或弹簧夹也是如此。最后，用 于二氧化碳、水和耗竭的氧气的输出位于第二温度区中。例如，参见图19、20和24。在本发明的另一实施方式中，燃料输入可以在低于300°C的温度下工作的第二温 度区中设置在按照主CTE方向的各端部，使得第一温度区为设置在相对的第二温度区之间 的中央部分的加热区。用于二氧化碳、水和耗竭的氧气的输出可以位于中央加热区中。例 如，参见图15和18。或者，用于二氧化碳、水和耗竭的氧气的输出可以位于第二温度区中，即位于加热区外。例如，参见图16和19。在另一实施方式中，燃料和空气输入两者的入口点位于作为加热区的第一温度区 外，在低于300°C的温度下工作的第二温度区中，从而允许使用低温连接，如用于空气和燃 料供应的橡胶管路。另外，焊料连接或弹簧夹用于第二温度区中经将电压节点连接到阳极 和阴极。在一个实施方式中，燃料和空气输入都在按照主CTE方向的一个端部，使Fuel Cell Stick 装置的另一端处于第一加热温度区中，二氧化碳、水和耗竭的氧气的输出处于加热 区中。例如，参见图17。因此，Fuel Cell Stick 装置具有一个加热端部和一个非加热端 部。在另一实施方式中，燃料和空气输入到加热区外按照主CTE方向的一个端部中并 在也位于加热区外的相对端部退出，从而加热区在两个相对的第二温度区之间。例如，参见 图20。在再另一实施方式中，燃料和空气输入位于第二温度区中两个相对端部中，使燃料和 空气输出处于中央加热区中。例如，参见图18。在再另一替代方式中，燃料和空气输入到位于第二温度区中的两个相对端部中， 使各自的输出在第二温度区中与输入相对的端部。例如，参见图19。因此，燃料电池具有中 央回返区和加热区外的相对端部，使得燃料和空气都输入第一端部而各自的反应输出靠近 第二端部退出，且燃料和空气都输入第二端部而反应输出靠近第一端部退出。在再另一实施方式中，燃料输入可以在加热区外的一个端部且空气输入可以在加 热区外的相对端部。例如，参见图21-24。在这一实施方式中，来自空气和燃料的反应输出 都可以在加热区内(参见图21)，或者它们都可以在加热区外靠近与相应输入相对的端部 (参见图24)。或者，二氧化碳和水输出可以在热区中而耗竭的氧气输出在热区外(参见图 22)，或者相反，耗竭的氧气输出可以在加热区中和二氧化碳和水的输出在加热区外(参见 图23)。对于图22和23中所示的燃料和空气输出的变型也可以应用于例如图18-20所示 的实施方式中。在图25A和27A以顶部平面图和图27B以侧视图描绘的本发明的另一实施方式 中，Fuel Cell Stick 装置100设置为具有称为锅柄设计的配置。Fuel Cell Stick 装置 100具有细长段102，其在尺寸上可以与具有一个主轴的CTE的前面实施方式中描绘的Fuel Cell Stick 装置10相近，即其长度远大于宽度或厚度。Fuel Cell Stick 装置100具有 宽度更接近地与长度匹配的大表面积段104。该段104可以具有方形表面区域或长方形表 面区域，但宽度不显著小于长度，从而CTE在段104中不具有单一主轴，而是具有沿长度方 向和宽度方向的CTE轴。大表面积段104位于热区32中，而细长段102至少部分位于冷区 30和过渡区32中。在示例性的实施方式中，细长段102的一部分延伸到热区32中，但这不 是必要的。举例来说，燃料和空气供应装置34、36可以在图6B中所示的方式连接到细长段 102以及电连接。在图25B和26A中的顶部平面图和图26B的侧视图中提供了与图25A、27A和27B 中所示实施方式类似的替代实施方式，但进一步具有与细长段102相对的第二细长段106， 以将大表面积段104定位在两个细长段102和106之间。细长段106也至少部分地位于冷 区30和过渡区31中。在这一实施方式中，燃料可以输入到细长段102中且空气可以输入 到细长段106中。举例来说，空气供应装置36和燃料供应装置34随后可以以图2或图3B 中所示的方式分别连接到细长段106和102上。如图25B中所示，空气输出可以位于细长段106中邻近燃料输入，且燃料输出可以位于细长段106中邻近空气输入。或者，空气和燃料 输出中的一个或两个可以位于热区32中的大表面积段104中，分别如图26A和26B以顶视 图和侧视图所示。可以理解，在图25A和25B的实施方式中，具有插入的电解质28的相对 阳极24和阴极26的表面积可以在热区32中增加以增加反应面积，从而提高由Fuel Cell Stick 装置100产生的功率。本发明的Fuel Cell Stick 装置10、100的另一益处是低重量。典型的内燃机重 量在每千瓦功率18-301bs的等级。本发明的Fuel CellStick 装置10、100可以以每千瓦 功率0.51bs等级的重量制造。图28A-28D描绘了本发明的管形Fuel Cell Stick 装置 200的替代实施方式，具有螺旋或滚压的管形配置。图28A是处于展开位置的装置200的 示意性顶视图。装置200的展开结构具有相等长度L的第一端部202和第二端部204，该 长度相当于滚压的或螺旋管形Fuel Cell Stick 装置200的长度。燃料入口 12和空气入 口 18显示在与第一端部202邻近的相对侧上。燃料通道14和空气通道20随后沿装置200 的展开结构的宽度延伸到第二端部204，从而燃料出口 16和空气出口 22在第二端部204， 进一步如图28B中的装置200展开结构的示意性端视图和图28C中装置200展开结构的示 意性侧视图所示。燃料通道14和空气通道20显示为延伸差不多装置200展开结构的长度 L以使燃料和空气流最大化，但本发明不局限于此。为形成螺旋的管形Fuel Cell Stick 装置200，第一端部202随后朝向第二端部204滚压以形成图28D的示意性透视图所示的 装置200的螺旋管结构。然后空气供应装置36可以定位在螺旋管形Fuel Cell Stick 装 置200的一个端部以用于输入空气入口 18，而燃料供应装置34可以定位在螺旋管形Fuel Cell Stick 装置200的相对端部以将燃料输入燃料入口 12。然后空气和燃料沿装置200 的长度L通过燃料出口 16和空气出口 22退出螺旋管形Fuel Cell Stick 装置200。电 压节点38、40可以焊接到在螺旋管形Fuel Cell Stick 装置200的相对端部上或邻近相 对端部形成的接触垫44。图29A-29G描绘了的替代实施方式，其中Fuel Cell Stick 装置是管形同心形 式。图29A以示意性等距视图描绘了同心的管形Fuel CellStick 装置300。图29B-29E 描绘了图29A的同心装置300的剖视图。图29F描绘了装置300的空气输入端，且图29G 描绘了装置300的燃料输入端。所显示的特别实施方式包括三个空气通道20，一个在管形 的中心而另外两个与其间隔开并与其同心。同心管形Fuel Cell Stick 装置300在空气 20通道之间还具有与空气通道同心的两个燃料通道14。如图29A-29D中所示，同心管形 Fuel Cell Stick 装置300包括在一个端部连接燃料通道14的燃料出口 16和在另一端 部连接空气通道20的空气出口 22，与各自的入口 12、18相对。各空气通道20与阴极26相 伴和各燃料通道14与阳极24相伴，使电解质28隔开相对的阳极和阴极。如图29A-29B和 29F-29G中所示，可以在同心管形Fuel Cell Stick 装置300的相对端部形成与暴露的阳 极25和暴露的阴极27的电连接。接触垫44可以施加到端部以连接暴露的阳极25和暴露 的阴极27，且虽然未显示，接触垫44可以沿装置300的外面延伸以允许在沿装置300的长 度的一点而不是在端部形成电连接。同心管形Fuel Cell Stick 装置300可以包括位于 空气和燃料通道14、20内用于结构支持的支柱54。在具有在相对端部IlaUlb的两个冷区30的本发明的实施方式中，空气输入和燃 料输出在一个端部及燃料输入和空气输出在相对的端部，废燃料或空气在退出中央热区32时处于加热状态。加热的空气和燃料随着它们通过过渡区31流到冷区30而冷却。电解质 和/或陶瓷/电解质的薄层将空气通道20与平行的燃料通道14隔离，反之亦然。在一个通 道中，加热的空气退出热区32，且在邻近的平行通道中，燃料进入热区32，反之亦然。通过 热交换原理，加热的空气使邻近的平行通道中的新进燃料变热，反之亦然。因此，空气和燃 料通过交换有一定的预热。但是，由于如上所述在热区32外面热量快速丧失，热交换可能 不足以在空气和燃料进入热区32的活性区域中之前预热空气和燃料到最佳反应温度。另 外，在Fuel CellStick 装置10包括一个冷端部(冷区30)和一个热端部(热区32)的实 施方式中，燃料和空气输入到同一冷端部30中并通过同一相对热端部32退出。从而没有 燃料和空气的交叉流动以使热交换发生。仅可由Fuel Cell Stick 装置10的电极和陶瓷 材料提供有限的新进的燃料和空气的热交换。图30A-33C描绘了具有用于在燃料和空气进入活性区33b前加热燃料和空气的整 合预热区33a的Fuel Cell Stick 装置10的各种实施方式，阳极24和阴极26在活性区 33b中处于对立的关系。这些实施方式包括其中有两个冷端部30和中间区32及在相对冷 端部30的燃料和空气输入的Fuel Cell Stick 装置10，及其中有一个热端部32和一个 冷端部30而使燃料和空气输入都在单个冷端部30的Fuel Cell Stick 装置10。在这些 实施方式中，所使用的电极材料的量可以局限于活性区33b而仅有少量通向冷区30用于与 电压节点38、40的外部连接。将在下面更很详细地的这些实施方式的另一益处是电子具有 流向外部电压连接的可能的最短路径，这提供了低电阻。图30A描绘了具有一个冷区30和一个相对的热区32与整合的预热区33a的Fuel Cell Stick 装置10第一实施方式的示意图截面侧视图。图30B以截面描绘了通过阳极 24朝向空气通道20俯视的视图，和图30C以截面描绘了通过阴极26朝燃料通道24仰视的 视图。如图30A和30B所示，来自燃料供应装置34的燃料通过燃料入口 12进入并沿装置 10的长度通过燃料通道14延展和从装置10的相对端部通过燃料出口 16排出。冷区30在 Fuel Cell Stick 装置10的第一端部Ila和热区32在相对的第二端部lib。在热区和冷 区之间是过渡区31。热区32包括燃料从其中流过的初始预热区33a和包括邻近燃料通道 14的阳极24的活性区33b。如图30B所示，阳极的截面积在活性区33b中较大。阳极24 延伸到Fuel Cell Stick 10装置的一个边缘且外部接触垫44沿装置10的外面延伸到冷 区30以与负电压节点38连接。类似地，如图30A和30C中所示，来自空气供应装置36的空气通过位于冷区30中 的空气入口 18进入并沿Fuel Cell Stick 装置10的长度通过空气通道20延展和从热 区32通过空气出口 22排出。因为空气和燃料在同一端部进入并按同一方向沿Fuel Cell Stick 装置10的长度流动，在热区32之前通过热交换仅有有限的空气和燃料预热。阴极 26位于活性区33b中与阳极24相对并延伸到Fuel Cell Stick 装置10的对侧，它在此暴 露并与从活性热区33b延伸到冷区30以连接正电压节点40的外部接触垫44连接。但是， 暴露的阴极27位于装置10的与暴露的阳极25的相对侧不是必须的。暴露的阳极25和暴 露的阴极27可以在装置10的同一侧且接触垫44可以形成为沿Fuel Cell Stick 装置10 的侧面向下的条带。通过这一结构，空气和燃料首先在预热区33a中加热，在此没有反应发 生，且大多数阳极和阴极材料限制于活性区33b，加热的空气和燃料进入活性区33bd并通 过相对的阳极和阴极层24、26进行反应。
图31A-31C中所示的实施方式类似于图30A-30C中所示的实施方式，但不是具有 一个热端部32和一个冷端部30，图31A-31C的实施方式包括相对的冷区30和中央热区32。 来自燃料供应装置34的燃料通过装置10的第一端部Ila经冷区30中的燃料入口 12进入 并从相对的第二端部lib通过位于相对的冷区30中的燃料出口 16排出。类似地，来自空 气供应装置36的空气通过相对的冷区30经空气入口 18进入并在第一冷区30通过空气出 口 22排出。燃料进入热区32并在预热区33a中预热，而空气在热区32的相对侧进入并在 另一预热区33a中预热。因此存在燃料和空气的流动。阳极24在热区32的活性区33b中 与阴极26相对且在活性区33b中发生涉及预热的燃料和空气的反应。此外，大部分电极材 料限制于活性区33b。阳极24在Fuel Cell Stick 装置10的一个边缘暴露，且阴极26在 装置10的另一侧暴露。外部接触垫44接触热区32中的暴露的阳极25并延伸到第一冷端 部Ila用于连接负电压节点38。类似地，外部接触垫44接触热区32中的暴露的阴极27并 延伸到第二冷端部lib用于连接正电压节点40。预热区33a提供在气体到达活性区前将气体完全加热到最佳反应温度的优势。如 果燃料温度低于最佳温度，则SOFC系统的效率将降低。随着空气和燃料沿它们的路径继续 前进，它们变热。随着它们变热，电解质28的效率在该区域中提高。当燃料、空气和电解 质28达到完全的炉温时，电解质28则在其最佳效率下工作。为节省花在可能由贵金属制 造的阳极24和阴极26上的金钱，可以在仍低于最佳温度的那些区域中消减金属。就长度 或其它尺寸来说，预热区33a的量取决于从加热炉转移到Fuel CellStick 装置10和从 Fuel Cell Stick 装置10转移到燃料和空气的热量，以及是否由于燃料和空气的交叉流 动而发生任何热交换。尺寸进一步取决于燃料和空气的流率；如果燃料和空气沿Fuel Cell Stick 装置10的长度快速流动，则较长的预热区33a是有利的，而如果流速较缓，则预热 区33a可以较短。图32A和32B描绘了与图31A-31C中所示实施方式相似的实施方式，但Fuel Cell Stick 装置10在燃料入口 12和延伸到热区32中的燃料通道14之间的预热腔13用于在 燃料流过较窄的燃料通道14进入活性区33b之前在预热区33a中预热大量的燃料。Fuel Cell Stick 装置10类似地包括空气入口 18和延伸到热区32中的空气通道20之间的预 热腔19用于在空气流过较窄的空气通道20到达活性区33b之前在预热区33a中预热大量 的空气。如上面的实施方式中所公开的，Fuel Cell Stick 装置10可以包括多个燃料通 道14和空气通道20，各通道接受来自各自的预热腔13、19的气流。说到高容量预热腔13、19而非预热通道，可以想象，仅举例来说，如果将空气分子 加热到最佳温度花5秒钟，则如果空气分子以每秒1英寸的速度流过Fuel Cell Stick 装置10，Fuel Cell Stick 装置10需要在空气进入活性区33b之前5英寸长度的预热通 道。但是，如果提供大容量腔而不是通道，该容量允许分子在进入较窄的通道到达活性区 33b之前在空腔中度过更长的时间，从而空气分子在腔中加热，然后较短长度的通道可以用 于将加热的空气分子供给到活性区33b中。这一空腔或预热腔13、19可以制备成多种不同 的方式，包括采用未熟化(即，烧结之前)组件并钻入组件的端部以形成该腔，或者在未熟 化坯体形成时在其中加入大块的有机材料，从而有机材料在烧结过程中烘烤出Fuel Cell Stick 装置。图33A-33C描绘了再另一个用于在空气和燃料到达活性区33b之前进行预热的实施方式。图33A是基本上通过Fuel Cell Stick 装置10的纵向中心的示意性截面侧视 图。图33B是沿33B-33B线截取的截面顶视图，其中燃料通道14和阳极24相交，而图33C 是沿33C-33C线截取的截面底视图，其中空气通道20与阴极26相交。Fuel Cell Stick 装置10具有两个相对的冷区30和一个中央热区32，过渡区31在各冷区30和热区32之 间。来自燃料供应装置34的燃料通过燃料入口 12进入Fuel Cell Stick 装置10的第一 端部Ila并流经延伸到热区32的相对端部的燃料通道14，燃料在热区32中转U字弯并流 回第一端部Ila的冷区30中，废燃料在此通过燃料出口 16排出。类似地，来自空气供应装 置36的空气通过空气入口 18进入Fuel Cell Stick 装置10的第二端部lib并流经延伸 到热区32的相对端部的空气通道20，空气在此拐一个U字弯并流回第二端部11b，在此空 气通过空气出口 22从冷区30排出。通过这些U形弯通道，燃料通道14和空气通道20中 从进入热区32的入口经过弯曲(U字弯)的部分构成用于加热燃料和空气的预热区。在通 道14、20的弯曲或U字弯之后，通道布上各自的阳极24或阴极26，阳极24和阴极26位置 相对并且其间有电解质28，该区域构成热区32中的活性区33b。因此，燃料和空气在赶往 活性区33b之前在预热区33a中加热以提高Fuel Cell Stick 装置10的效率并使电极材 料的使用最少。阳极24在冷区30中延伸到装置10的外面以连接负电压节点38。类似地， 阴极26延伸到装置10的外面以电连接正电压节点40。燃料出口和空气出口 16和22也可 以从冷区30退出。在上面显示和描述的许多实施方式中，阳极24和阴极26在FuelCell Stick 装置 10的层内延伸，基本上在各层的中心区域，即装置的内部，直到它们到达装置的端部。在这 一点，阳极24和阴极26突出到Fuel CellStick 装置10的外面，在此暴露的阳极25和暴 露的阴极27与接触垫44 一起进行金属处理，例如通过涂敷银糊，然后金属线焊接到接触垫 44上。例如，参见图4A-4B。但是希望的是将Fuel Cell Stick 装置10中的层形成较高 电压组合，例如如图8A-9B中所示。如果希望的是制造产生IkW功率的Fuel Cell Stick 装置10，功率在电压和电流之间分配。一个标准是使用12伏电压，则需要83安电流来产生 Ikff的功率。在图8B和9B中，通孔用于将电极层互联以形成并联或串联组合。用于将电极层互联的替代实施方式描绘于图34A至图37中。不是在Fuel Cell Stick 装置10的内部将电极层互联，这些替代实施方式使用沿Fuel Cell Stick 装置10 的侧面的外部条带(窄的接触垫)，例如银糊，特别是多个小条。使用条纹技术，形成可以提 供串联和/或并联组合的简单结构以获得所需要的任何电流/电压比率。此外，外部条带 与内部相比具有宽松的机械容差，从而简化了制造。外部条带也很可能具有比通孔低的电 阻(或等效串联电阻)。导体路径的较低电阻将导致较少的沿该路径的功率损失，从而外部 条带提供以较低的功率损失从Fuel Cell Stick 装置10提出功率的能力。现在具体地参见图34A和34B，描绘了连续互联的外部阳极/阴极。图34A提供 了交替的阳极24a、24b、24c和阴极26a、26b、26c的示意性正面斜视图。沿着Fuel Cell Stick 装置10的长度，阳极24a.24b.24c和阴极26a.26b.26c包括伸出到装置10的边缘 外的突出部以提供暴露的阳极25和暴露的阴极27。外部接触垫44(或条带)随后提供在 Fuel CellStick 装置10的外面在暴露的阳极25和阴极27上面，如图34B的示意性侧 视图最佳地显示的。通过将三对相对的阳极24a、24b、24c和阴极26a、26b、26c串联，Fuel Cell Stick 装置10提供3伏电压和1安电流。在图35中，结构加倍且两个结构通过沿装置10的侧面的条带连接，从而以串并联设计提供产生3伏电压和2安电流的外部阳极/ 阴极互联。图36A和36B提供用于产生低功率损失的低等效串联电阻的实施方式。在这一实 施方式中，热区32在Fuel Cell Stick 装置10的中央而第一端部Ila和第二端部lib在 冷区30中。燃料通过第一端部Ila的燃料入口 12输入和空气通过第二端部lib中的空气 入口 18输入。在作为FuelCell Stick 装置10的活性区域的热区32中，阳极24和阴极 26暴露于装置10的侧面，使得阳极24暴露于一侧而阴极26暴露于相对侧。接触垫44 (或 条带)施加在暴露的阳极25和阴极27上。然后，Fuel Cell Stick 装置10的边缘沿装 置10的侧面长度金属化直到金属镀层达到冷区30，此处形成与负电压节点38和正电压节 点40的低温焊料连接。阳极24和阴极26不能仅对于低电阻进行优化，因为它们具有其它 的功能。例如，电极必须是多孔的以允许空气或燃料从中流过到达电解质28，而多孔性增 加电阻。另外，电阻必须是薄的以允许在多层Fuel Cell Stick 装置10获得良好的层密 度，而电极越薄，电阻越高。通过向Fuel Cell Stick 装置10的边缘(侧面)添加较厚的 接触垫，有可能提供朝向焊料连接46的低电阻路径。接触垫44越厚，电阻越低。如果电子 必须例如沿Fuel Cell Stick 装置10中的电极经过电极层中的所有空穴移动10英寸，则 最低电阻路径是移动0. 5英寸例如到达装置10的侧面边缘，然后沿外部非多孔接触垫44 移动10英寸。因此，延伸到冷区30的沿Fuel Cell Stick 装置的外部的长接触垫44允 许通过提供低电阻导体路径以较低的功率损失从Fuel Cell Stick 装置10提出功率。因 此，条带技术可以用于Fuel Cell Stick 装置10的活性区域(热区32)中以形成串联和 并联组合而提高功率，且沿装置10的侧面到达冷端部30的长条带允许功率有效地从Fuel Cell Stick 装置 10 提取。图37以示意性等距视图描绘了与图36B所示实施方式相似的实施方式，但在Fuel Cell Stick 装置10的第一端部Ila具有单个冷区30，而使热区32在装置10的第二端部 lib。多个垂直条带或接触垫44设置在热区32内以形成串联和/或并联，且沿装置10的 侧面的横向的长条带或接触垫44设置为从热区32到冷区30以形成与正电压节点40和负 电压节点38的低温焊料连接46。用于形成燃料通道14和空气通道20的一种方法是将作为牺牲层的有机材料安置 在未熟化的分层结构内，然后该分层结构可以在后面的烧结步骤中烘出。为建造具有高功 率输出(如 IkW 或 IOkW)的单独 Fuel CellStick 装置 10，该 Fuel Cell Stick 装置 10 心谤腹非是长的、宽的并具有高的层数。举例来说，Fuel Cell Stick 装置可以是12英寸 至18英寸的级别。当焙烧未熟化结构以烧结陶瓷并消除牺牲有机层时，用于形成燃料通道 14的有机材料必须分别通过形成燃料入口和燃料出口的开口 12和16排出。类似地，用于 形成空气通道的有机材料必须分别通过形成空气入口和空气出口的开口 18和22排出。装 置越长和越宽，有机材料通过这些开口排出就越困难。如果装置在烘出过程中加热得太快， 则由于有机材料分解的发生比材料能够排出出该结构更快，各种层可能发生分层。图38A和38B以示意性截面顶视图描绘了提供用于烘出有机材料(牺牲层)72的 多个出口间隙的替代实施方式。如图38A中所示，多个开口 70设置在Fuel Cell Stick 装置10的一侧以提供多个用于有机材料72排出结构的烘出路径。如图38B中所示，在烘 出后，多个开口 70随后通过向Fuel Cell Stick 装置10的侧面涂敷屏障涂层60而封闭。
33举例来说，屏障涂层60可以是玻璃涂层。在另一实施例中，屏障涂层60可以是含陶瓷填料 的玻璃。在再另一实施方式中，屏障涂层60可以是接触垫44，例如用随后也可以用作所产 生的功率的低电阻路径的糊料进行填充。银糊也可以包含玻璃以提高粘附力。在示例性的 实施方式中，阴极26的烘出路径在FuelCell Stick 装置10的一侧形成出口且阳极24的 烘出路径在装置10的相对侧形成出口以避免相对电极之间击穿。在不是具有分别布有阴极26或阳极24的开放空气通道20和燃料通道14的Fuel Cell Stick 装置10、100、200、300的替代实施方式中，可以通过使用允许空气和燃料流的 多孔电极材料将阴极和空气通道组合和将将阳极和燃料通道组合。阴极和阳极必须是多孔 的以允许反应发生，这与强制空气和燃料输入结合，可以获得通过Fuel Cell Stick 装置 的充足气流以使得功率发生反应得以发生。本发明的另一实施方式在图39中以示意性截面端视图描绘。这一实施方式本质 上是Fuel Cell Stick 装置10的阳极支持版。和其它实施方式一样，Fuel Cell Stick 10 装置可以具有一个热区32和一个冷区30或者两个冷区30与一个中间热区32。不是由陶 瓷29支持装置10，阳极支持版使用阳极材料作为支持结构。在阳极结构中，燃料通道14和 空气通道20相对设置。空气通道20布有电解质层28，然后布有阴极层26。化学气相沉积 可用于沉淀内部层，或者使用粘性糊的方案。在图40A和40B中，显示了 Fuel Cell Stick 装置10的阳极支持版的进一步的 实施方式。在这一实施方式中，取消了独立的开放燃料通道14，从而多孔阳极24也用作燃 料通道14。另外，Fuel Cell Stick 装置10涂有屏障涂层60，如玻璃涂层或陶瓷涂层，以 防止燃料排出到装置10的侧面外面。Fuel Cell Stick 装置10可以在阴极结构中具有 和希望的一样多的具有相关电解质28和阴极26的空气通道14。如图40B中所示，来自燃 料供应装置34的燃料强制通过用作燃料通道14的多孔阳极24进入第一端部11a，并流经 电解质层28和阴极26以与来自空气供应装置36的空气反应，且废空气和燃料随后可以排 出空气出口 22夕卜。在图41A以示意性截面端视图和图41B以示意性截面顶视图描绘的另一实施方式 中，Fuel Cell Stick 装置10可以包括设置在阳极支持结构内的多个空气通道20和与该 多个空气通道20垂直以将燃料通过单个燃料入口 12从燃料供应装置34供应到多个空气 通道20的单个燃料通道14。此外，空气通道20首先布置有电解质层28，然后布置阴极26。 燃料从单个燃料通道14流经阳极结构24、电解质28和阴极26以与空气通道20中的空气 反应，且废燃料和空气从空气出口排出。废燃料也可以渗出到不包括屏障涂层60的Fuel Cell Stick 装置10的侧面外面，该未涂层的侧面位于装置10与单个燃料通道14的方位 相对的侧面。。在涉及阳极支持结构的实施方式中，可以理解，该结构可以基本上与阴极支持结 构相反。涂布有电解质层28和阳极层24的燃料通道14然后设置在阴极结构内。也可以 设置单独的空气通道20或多个空气通道20，或者阴极26的多孔性可以用于空气流。图42A-42C描绘了在空气通道20和燃料通道14内形成电极的方法。以燃料通道 14和阳极24为例子，在本实施方式中不是使用未熟化陶瓷层和金属带层构建分层的未熟 化结构或者印刷金属镀层，Fuel CellStick 装置10首先在无电极的情况下构建。换句话 说，未熟化陶瓷材料用于形成Fuel Cell Stick 装置10的电解质28和陶瓷支持部分29且有机材料用于形成通道，如燃料通道14。在Fuel Cell Stick 装置10已经烧结后，燃 料通道14填充阳极糊或溶液。糊料可以与印刷油墨一样稠密，或者与高含量水溶液一样粘 软(runny)。阳极材料可以通过任何希望的方式填入燃料通道14，如通过真空吸入，通过毛 细力或通过空气压力强制进入。或者如图42A-2C中所示，阳极材料溶解于流入燃料通道14中的溶液中，然后沉 淀。例如，通过改变pH，阳极颗粒可以发生沉淀且溶液被吸出。在另一替代方式中，可以直 接使阳极颗粒沉降，然后使液体干燥或烘出到燃料通道14外。这种沉降可以通过制造使得 颗粒不再在延长的时间内保持在悬浮状态(例如，由于低粘度)的墨水或液体载体而完成。 也可以使用离心强制沉降。离心可以很容易地使大部分颗粒优先沉降到燃料通道14的一 个表面上从而保存电极材料并确保仅燃料通道14的一个表面起到电解质的作用。如图42A中所示，含阳极颗粒的溶液66注入燃料通道14中直到通道14完全填满， 如图42B中所示。然后颗粒沉降到通道14的底部以形成阳极层24，如图42C中所示。与正 常毛细力相比，重力、真空或离心可以加速溶液66的灌注。当然，尽管是以阳极24和燃料 通道14作为例子，这些替代实施方式中的任一种也可以用阴极糊或溶液以在空气20通道 中形成阴极层26。在另一替代方式中，陶瓷电极材料(阳极或阴极)可以以液体溶胶-凝胶状态状 态灌注到通道(燃料或空气)中，然后沉积在通道内部。也可能重复填充操作多次，如在液 体中希望的电极材料的浓度较低的情况中，或者有可能在电极中提供性能梯度(如与远离 电解质的电极中的YSZ量相比在电极中提供不同的YSZ量)，或者如果希望将不一样的材 料的多层(如靠近电解质的由LSM制成的阴极，然后是在LSM顶部以获得更好的导电性的 银)安置在一起。回头参见图7C和7D，其中陶瓷球体或球用于提供空气和燃料通道20、14的支持结 构，陶瓷颗粒也可以用于增加有效表面积以获得更大的反应面积，因此获得更高的输出。非 常细尺寸的陶瓷球或颗粒可以在施加电极层之前用于燃料通道14和空气通道20内部。如 图43中以示意性截面侧视图所示，表面颗粒62布置在通道14中以提供具有不平滑外形的 电解质层28，这一外形增加了可用于接受电解质层的表面积。阳极24然后用涂布在表面颗 粒62周围的阳极材料施加在不平滑的外形上，从而增加反应面积。在图44以示意性截面侧视图描绘的替代实施方式中，电解质层28可以层压以提 供不平滑的外形或变形表面层64，如通过迎着具有V形图案的细级配(fine grading)按压 未熟化电解质层，该图案然后传给电解质层28。在电解质层28经烧结以固化陶瓷和变形表 面层64后，然后可以施加阳极层24，如通过使用上述图42A-42C中的回填方法，以提供具有 高反应面积的阳极。本发明的再另一实施方式在图45A和45B中描绘。图45A是描绘通过空气和燃料 通道的空气和燃料流及电极的配置的示意图顶视图，和图45B是通过热区32的剖视图。沿 Fuel Cell Stick 装置10的长度，装置被分成左侧80和右侧82而其间有中间或桥接部分 84。多个空气通道20L从Fuel Cell Stick 装置10的第一端部Ila通过左侧80沿长度 延伸并从邻近第二端部lib的左侧80退出，且多个空气通道20R从第一端部Ila通过右侧 82沿长度延伸并在邻近第二端部lib的右侧82退出Fuel Cell Stick 装置10。如图45B 中清楚地显示的，空气通道20L偏离空气通道20R。多个燃料通道HLWFuel Cell Stick 装置10的第二端部lib通过左侧80沿长度延伸并从邻近第一端部Ila的左侧80退出，且 多个燃料通道14R从第二端部lib通过右侧82沿长度延伸并从邻近第一端部Ila的右侧 82退出。燃料通道14L偏离燃料通道14R。另外，除了一个燃料通道和一个空气通道外，各 燃料通道14L与空气通道20R配对并稍微偏离，且各空气通道20L与燃料通道14R配对并 稍微偏离。对于燃料通道14L和空气通道20R的各偏离对，金属镀层沿各燃料通道14L从 左侧80延伸到右侧82，其中它随后沿稍微偏离的空气通道20R延伸。类似地，对于燃料通 道14R和空气通道20L的各偏离对，金属镀层沿各空气通道20L从左侧80延伸到右侧82， 其中它随后沿稍微偏离的燃料通道14R延伸。当金属镀层沿燃料通道14L或14R时该金属 镀层用作阳极24L或24R，且当金属镀层沿空气通道20L或20R时该金属镀层用作阴极26L 或26R。在Fuel Cell Stick 装置10的桥接部分84中，在金属镀层不沿任何空气或燃料 通道延伸的情况下，金属镀层直接用作阳极和阴极之间的桥。在本发明的一个实施方式中， 金属镀层可以沿其长度包含相同的材料，从而阳极24L或24R、桥90和阴极26L或26R各包 含相同的材料。例如，金属镀层可以各包含钼金属，其很好地作为阳极或阴极发挥作用。或 者，金属镀层可以包含不同的材料。例如，阴极26R或26L可以包含锰酸镧锶(LSM)，而阴极 24R或24L包含镍、NiO或NiO+YSZ。桥90或以包含钯、钼、LSM、镍、NiO或NiO+YSZ。本发 明考虑适于用作阴极或阳极的材料或者其间的桥接材料的任何组合或类型，且本发明不限 于上面确定的特定材料。这里显示在右侧82的Fuel Cell Stick 装置10的一个侧面上，燃料通道14R配 有延伸到Fuel Cell Stick 装置10的右边缘的相关阳极24R以提供外部暴露阳极25。没 有与这一燃料通道14R关联的偏离空气通道20L，且阳极24R不需要延伸到左侧面80。如 图45A中所示，外接触垫44施加在暴露的阳极25上并沿Fuel Cell Stick 装置10的长 度延伸到冷区30中。然后负电压节点38可以通过金属线42和焊料连接46连接到接触垫 44。阳极24R可以如所示的延伸到整个热区32的右边缘，或者可以仅以小的突出部分延 伸以减少所使用的电极材料的量。同样，阳极24R可以沿燃料通道14R的长度延伸到Fuel Cell Stick 装置10的右边缘，虽然这种实施方式将包括不必要地使用电极材料。类似地，在显示为左侧面80的Fuel Cell Stick 装置10的另一侧上，单个空气 通道20L配有延伸到Fuel Cell Stick 装置10的左侧面的关联阴极26L以形成暴露的 阴极27。这一空气通道20L不与偏离的燃料通道14R相关，且阴极26L不需要延伸到右侧 82。接触垫44可以沿从暴露的阴极27到冷区30的Fuel Cell Stick 装置10左侧80的 外部施加，其中正电压节点40可以通过金属线42和焊料连接46连接到接触垫44。在图45B中，单个燃料通道14R和相关的阳极24R显示在右侧82的顶部，而单个空 气通道20L和相关的阴极26L显示在Fuel Cell Stick 装置10的左侧80的底部。但是， 本发明不限于该配置。例如，空气通道20L和相关的阴极26L也可以以与单个燃料通道14R 及其相关阳极24R类似的偏离方式设置在左侧80上装置10的顶部，但金属镀层不从左侧 80通过桥接部分84延伸到右侧82。相反，桥90不存在从而阳极24R与阴极26L电分离。 可以考虑其它的配置，其中Fuel Cell Stick 装置10可以在单个Fuel Cell Stick 装置 10中配备两个独特的空气通路坯体和两个独特的燃料通路坯体，使得电池串联。图45A和 45B中显示的实施方式具有升高电压而不升高电流的优势，且同时保持低电阻。另外，这一 实施方式在Fuel CellStick 装置10内提供高密度。
在图46A和46B中，分别以示意性透视图和示意性剖视图描绘了替代的实施方式。 前面的实施方式(例如，图37)提供了沿Fuel Cell Stick 装置10的外侧或边缘从热区 32到冷区30的条带以提供电子移动到冷端部的低电阻路径。在图46A和46B的实施方式 中，取代沿装置10的侧面或边缘的条带，接触垫44沿一个侧面及顶面和底面中的一个施加 以外部连接阳极24，且另一接触垫44沿相对的侧面及顶面和底面中的另一个施加以外部 连接阴极26。因此，电子具有大或宽的移动路径，从而提供甚至更低的电阻。这些施加在两 个相邻表面上的大的接触垫44可以用于本发明中公开的任何实施方式中。在图47中，以示意性截面侧视图描绘了利用热交换原理的优势的Fuel Cell Stick 装置10的另一实施方式。在加热的空气和燃料流经热区32和活性区33B( S卩，阳 极24与阴极26相对且其间有电解质28的热区32的部分)后，燃料通道14和空气通道20 接合成单一排气通道21。当与加热的空气混合时，任何未反应的燃料将燃烧，因此产生额 外的热量。排气通道21朝向邻近活性区33B的冷区30向后伸展，使得废气(废燃料和空 气)的流动方向与邻近燃料和空气通道14、20中的新进燃料和空气的流动方向相反。在排 气通道21中产生的额外热量被传递到相邻的通道14、20以加热新进的燃料和空气。图48A-48C描绘了具有厚度比薄部分404大的厚部分402的“末端滚压Fuel Cell Stick 装置”400，如图48A中所示。燃料和空气入口 12、18位置邻近处于厚部分402的端 部的第一端部11a，且尽管未显示，空气和燃料出口(16、22)可以设置在装置400邻近相对 的第二端部lib (其在薄部分404的端部)的侧面。厚部分402应当足够厚以提供机械强 度。这可以通过在邻近的燃料和空气入口 12、18周围提供厚陶瓷29来实现。薄部分404 包括活性区33b (未显示)，活性区包括与阴极(未显示)相对的阳极(未显示)和它们之 间的电解质(未显示)(如在前面的实施方式中)。薄部分404应当足够薄以允许其在未熟 化(未焙烧)状态时进行滚压，如48B中所示。在薄部分404滚压到需要的紧密度后，装置 400进行焙烧。然后滚压的薄部分404可以进行加热以引起反应，而厚部分402是冷端部， 如其它实施方式中所说明的。末端滚压Fuel Cell Stick 装置400是可以通过将薄部分 404滚压而装配到小的空间内的大面积装置。此外，薄部分404中活性区(33b)的薄截面减 少了沿陶瓷的热传递并提供良好的温度循环性能。在其中活性(反应)区32和/或33b中阳极24和阴极26暴露在FuelCell Stick 装置10的边缘(侧面)的实施方式中，在装置10的顶部的陶瓷29可以凹入活性区32和 /或33b的区域中。这使得能够从顶部接触阴极26和阳极24以形成电连接。然后接触垫 44(例如，金属镀层条带)可以沿Fuel CellStick 装置10的顶面从活性区32和/或33b 到冷区30施加以提供与热区腔/加热炉的外侧的连接。在其中Fuel Cell Stick 装置10包括处于相对端部11a、lib的两个冷区30和 在中间的热区32的另一实施方式中，用于阳极24和/或阴极26的接触垫44(例如，金属镀 层条带)可以从热区33朝向Fuel Cell Stick 装置10的两个端部11a、lib向外延伸，例 如，如图36B中所示。然后可以形成与各阳极24和阴极26的两个独立的电连接。以非限 制性的实例来说，一组连接可用于监测电池的电压输出，而另一组连接可连接负载并允许 电流流动。独立地测量电池本身的电压的能力给出更好地了解电池的总功率输出的优势。对于接触垫44(例如，金属镀层条带)，可以使用本领域技术人员已知的任何合适 的导电材料。例子包括银、LSM和NiO。也可以使用材料的组合。在一个实施方式中，可以在热区32中沿Fuel Cell Stick 装置10的表面使用非贵金属材料。例如，LSM可以在热 区腔/加热炉的气氛为氧化气氛的情况下使用。例如，NiO可以在热区腔/加热炉的气氛为 还原气氛的情况下使用。但是在任一情况中，如果材料延伸到热区腔/加热炉的外侧则非 贵金属材料丧失导电性，从而金属镀层材料必须恰好在Fuel CellStick 装置10退出热区 腔/加热炉之前转换为贵金属或抗腐蚀材料。银糊是方便的贵金属材料。作为进一步的说 明，特定材料(如LSM)随着温度从反应温度降低到室温会变成非导电的，而其它材料(如 镍)在装置10的冷端部30暴露于空气时会变成非导电的。因此，用于Fuel Cell Stick 装置10的冷端区域30中的接触垫44的金属镀层材料必须是在空气中(即，无保护性气 氛)和在低温下导电的。贵金属(如银)跨温度/气氛过渡区域工作，使得金属镀层材料 可以在Fuel Cell Stick 装置10退出热区腔/加热炉之前转换为贵金属。使用材料的组 合使得能够基于热区32相对于冷区30的特别导电率需要进行材料选择，且使得能够通过 减少昂贵的贵金属的用量来降低成本。如图49A-49C中所示，金属线92或其它物理结构在构建未熟化层的中安置于装 置中(图49A)，然后所述层与金属线92层压入位(图49B)，且然后金属线92在层压后除 去(图49C)。例如，这可以用在燃料或空气的入口点，其中Fuel Cell Stick 装置10可 以在气流通道14、20进入Fuel CellStick 装置10的热区32 (反应区)之前具有几英寸 的长度。与印刷在形成通道的过程中缓慢烘出的聚合物不同，金属线方法可以用于从Fuel CellStick 装置10的该部分消除烘出的难题。以非限制性的例子来说，可以使用具有 0. 010英寸直径的金属线92，其可以很容易地拉出。金属线92也可以轧成扁平以形成具有 与金属线类似体积的带状物理结构，但在截面上更短。因为带具有更大的表面积，隔离剂可 以施加到其表面上以防止其在层压过程中粘连到陶瓷层上。因此，术语“金属线”意图广义 地包括长而因此窄的各种物理结构，无论其截面是否是圆形、卵形、方形、长方形等。图50A-50C描绘了形成1层Fuel Cell Stick 装置10的进入通道的实施例。在 这一实施例中，不是使用间隙形成带94 (例如，聚合物或蜡带)形成整体的燃料和氧化剂通 道14、20，而是间隙形成带94仅用于活性区33b，即在阳极24和阴极26位置相对且其间有 电解质28的区域中。在燃料和氧化剂通道14、20不具有相关的相对阳极24和阴极26的 非活性区域中，使用金属线92而不是间隙形成带94。如所显示的，金属线92和间隙形成带 94从入口 12、18到出口 16、22(未显示)连续。由于Fuel Cell Stick 装置10变得越来越复杂，使用这一金属线设计可能会越 来越有利，例如，多层Fuel Cell Stick 装置10 (例如，50层)的复杂烘出难题可以得到简 化。这部分地因为除去粘合剂的难题(特别是在复杂的结构中)是粘合剂烘出产物必须从 它们产生(由聚合物的分解产生)的位置移动到Fuel Cell Stick 装置10的外面。但是， 在金属线92从结构中抽出后，沿这一空隙的路径是空闲的和无阻碍的。如果金属线92 (或 其它合适的物理结构)可以置于复杂结构中且然后抽出，则由此产生的空隙可以允许结构 内的许多区域用于烘出产物快速地找到排出结构的路径。金属线设计的另一有利效果是帮助Fuel Cell Stick 装置10内的压力分布。当 单管向Fuel Cell Stick 装置10供应空气或燃料时，则沿FuelCell Stick 装置10内的 许多通道/通路可以存在不同的流速。例如，如果在Fuel Cell Stick 装置10中存在对 应于50个活性层的50个空气通道20，则可能存在一个具有稍大截面的通道和一个具有稍小截面的通道。这可能由间隙形成材料尺寸的随机变化产生。一个解决方案是限制各层的 出口的截面积。如果各层的出口点截面可以精确地形成以使得这些截面相等，且如果出口 点的截面小于气流通道的面积，且如果所有这些出口点的面积小于输入管的截面，则各层 上流量相等。这与气流和液流的实际情况一致。金属线设计使得这一解决方案成为可能。 在各层的出口点，金属线92插入以形成到外部世界的最终气体通道。对于50层，50个短的 金属线段被插入。当它们被拉出时，各层具有精度出口尺寸(例如，5mil直径通道)。因此，本发明考虑其中各层的出口点截面小于流径本身的截面的多层Fuel Cell Stick 装置10。本发明进一步考虑其中各层的出口点进行精密加工以使得它们在某些给 定的位置恰好具有相同的截面积的多层FuelCell Stick 装置10。本发明还进一步考虑 其中所有出口面积加起来小于输入的截面积的多层Fuel Cell Stick 装置10。在这些实 施方式中，出口点的截面积定义为处于超出该层的活性部分末端但在Fuel Cell Stick 装 置10的末端输出点之前的流径的某些位置。换句话说，流径中的这一颈缩点不是必须恰好 在Fuel Cell Stick 装置10的排出点，只需要在活性区域下游的某处。在先前的实施方式中，已经讨论了热区32和热区腔。热区腔也可以称作加热炉。 冷区或冷端部区域30位于加热炉外。过渡区31是与加热炉内部区域相邻的Fuel Cell Stick 装置10的区域。如图51中所示，炉壁96具有总厚度T。Fuel Cell Stick 装置 10穿过这一炉壁96。Fuel CellStick 装置10在炉壁96中的长度是X维且等于厚度Τ。 Fuel Cell Stick 装置10穿过炉壁96时的宽度是Y维。Fuel Cell Stick 装置10的厚 度是Z维。对这一实施方式来说，Z小于或等于Y。按照本发明的实施方式，为达到最佳状态，炉壁厚度T应当大于Fuel Cell Stick 装置10穿过炉壁96时的宽度Y。如果T小于Y，则FuelCell Stick 装置10穿过 炉壁96时受到的应力可能太高，因而Fuel CellStick 装置10可能破裂。在图52A-52C描绘的另一实施方式中，尺寸L是Fuel CellStick 装置10、(100、 200、300或400)在其穿过炉壁96的部分在与装置10的长度方向垂直的平面中(S卩，在Y-Z 平面中)的最大尺寸。对于长方形Fuel Cell Stick 装置10 (100、400)，最大尺寸L可以 是对角线，如图52B中所示。对于管形Fuel Cell Stick 装置200、300，最大尺寸L可以 是直径。对于最佳状态，尺寸应当是使得T >0.5L。壁厚T可以由一种均勻的材料(绝缘)98构成。或者如图53中所示，壁厚T也可 以由多个分段的绝缘层(如三个绝缘层98a，98b，98c)构成，以使得传热性能在各层进行优 化而得到最好的可能温度转换结果。在多层炉壁96’的情况中，所有层加在一起的总厚度T 应当大于Y和/或大于或等于0. 5L，但一层的壁96’的厚度可以小于Y和/或小于0. 5L。在图54中描绘了另一实施方式中，提供其中多个绝缘层98a、98c可以由空气间隙 分隔的多层炉壁96”。在这一设计中，可以有靠近热区32的高温绝缘层98c和靠近冷区30 的低温绝缘层98a。然后中间(中介)温度区处于两个绝缘层98a和98c之间，例如，对应 于过渡区31或预热区33a。这一实施方式可以使得为流入Fuel Cell Stick 装置10的 空气提供更长的预热区域所为可能，而不需要使加热炉的最热区域变得更大。在这一实施 方式中，可以使得一层的炉壁96”的厚度小于Fuel Cell Stick 装置10的Y尺寸和/或 在Fuel Cell Stick 装置10穿过炉壁96”时小于0. 5L。但炉壁96”(包括层98a和98c) 和空气间隙120的总尺寸T将大于Fuel Cell Stick 装置10的Y尺寸和/或大于或等于
390.5L。这一实施方式中进一步考虑两个以上的绝缘层。上面讨论的是首先形成没有阳极和阴极的Fuel Cell Stick 装置10，然后在后 面回填这些元件的设计。这样做的理由可能是特定的阳极或阴极材料会在&的烧结温度 下过度致密化，且如果电极材料过于稠密，则不能够提供良好的反应。或者更一般地说，如 果系统的不同组分不希望采用同一温度曲线最适地烧结，回填可能是必要的。但是，在阳极或阴极的顶部提供集电器会更困难。如下面讨论的图55A-55E中所 示，本领域技术人员知道集电器122是安置为阳极或阴极的表面部分的高密度电极。它一 般是可以收集电子并可以在电子需要离去时移动电子的高导电层或基质，如细金属丝。集 电器122可以由NiO或LSM或者某些其它的低成本材料制成，或者甚至由贵电极制成。在 用于形成阳极和阴极的回填过程之后，以均勻的方式安置精确的集电器是困难的。但集电 器的难题与阳极或阴极的问题不同。阳极和阴极希望是多孔的，这导致过度焙烧的危险，而 集电器希望是致密的(为获得良好的导电性)，因此潜在地，它可以与&一起共烧。尽管集 电器122可以在回填前安置在电解质28上以使得集电器在阳极和阴极下面而接触电解质 28，这一配置阻挡了电解质28上的活性区域，这是活性区域的不必要的浪费。按照本发明的实施方式且如图55A-55E所示，集电器122进行定位和共烧以使得 它们浮置在Fuel Cell Stick 装置10内的空间中。这可以通过在牺牲第一有机层72a(例 如，聚合物)的顶部印刷集电器122，然后如图55A中图示的在集电器122的顶部涂布牺牲 第二有机层72b (例如，聚合物)而完成。从而如图55B所示集电器122被夹置在两个牺牲 有机层72a、72b之间。构建Fuel Cell Stick 装置10，包括将牺牲有机层/集电器结构 置于陶瓷支持结构29内，如图55C所示，然后烧结，因而牺牲有机层72a、72b消失以形成间 隙123，且遗留的集电器122浮置在间隙123的空间中，如图55D所示。然后很容易将多孔 阳极或阴极回填到间隙123中以完成阳极或阴极的形成。也可以采用如上所述的利用支柱 54的方式，从而浮置的集电器122如图55E中所示搁置在支柱54上以提供机械支撑或使 位置标准化。为达到这一目的，可以在聚合物的第一牺牲层72a中形成周期性的通孔或小 空隙，从而集电器材料会周期性地印刷到孔洞中。在除去粘合剂后，这一填充的孔变成支柱 54。或者，可以将氧化锆球加入牺牲聚合物空隙材料中。随着牺牲聚合物消失，集电器122 粘附到这些球上，且球将粘附到陶瓷支持结构29上，如图56A和56B所示，因此提供支持。 然后多孔阳极24或阴极26可以回填到空间中，如图57A和57B所示，其中电极颗粒124保 持在用于回填的粘性液体126中，然后装置进行干燥且颗粒沉降和被烧结以形成阳极24或 阴极26。如果有利的话，阳极或阴极颗粒可以选择性地沉积到一个侧面上(通过重力或通 过离心)。通过使用印刷填充线(hatch line)的集电器模式，可能在空气或燃料通道14、20 的空隙尺寸上存在一起变化，导致通道在集电器122处收紧或阻塞。这种变化是由于烧结 过程中的随机尺寸变化而产生的。图58A-58C是显示接近引起通道14、20阻塞的集电器 122的实例显微照片。通道14、20的目的是获得无障碍的流动。有可能使通道更大，但这将 不必要地降低Fuel Cell Stick 装置10的密度(较厚的通道和较厚的层降低了多层装置 的功率密度。按照本发明的一个实施方式，为降低通道14、20在集电器122处被阻塞的可 能性，集电器线可以嵌入多孔阳极24和阴极26内。如图59和60中所示，其中图59显示 了在阳极24和阴极26的表面上的集电器122，而图60显示了嵌入阳极24和阴极26的表
40面中的集电器122，如果集电器122嵌入多孔阳极和阴极24、26层中(或实质上嵌入阳极/ 阴极中)，则集电器122不太可能阻断气流的路径。图69显示了凹入多孔阳极或阴极中的 集电器。嵌埋集电器122的方法显示于图61A-61C中。首先，将集电器122分配或印刷到 临时基板128上。然后，用电极材料覆盖这一集电器122，例如通过印刷糊料或用含电极颗 粒124的粘性液体回填并干燥。最后，移除临时基板128。临时基板128可以是在干燥后对 电极材料仅具有中等粘附力的塑料片，从而干燥的塑料上电极可以翻转且塑料剥离。可以 通过将集电器122和阳极/阴极24、26置于被插入坯件中的空隙形成带94上获得相同或 类似的结果，空隙形成带94将在烘出和烧结过程中消失，从而产生相同的最终结果。当将阳极24或阴极26印刷在集电器122的顶部上时，如果集电器122倾向于少量 溶解并扩散开，则可以使用具有不同溶解性的材料(在极端的情况下，集电器122可以包含 可溶解于极性溶剂的树脂材料，而多孔电极墨水可具有可溶解于非极性溶剂的树脂材料)。 希望的是限制这种扩散，因为集电器122散布太大将起到减少气体在多孔阳极24或阴极26 中的扩散的作用。因此，有可能发生集电器122的一些扩散，但至少集电器122的一部分理 想地嵌入多孔材料中。因此，本发明考虑其中集电器122的某些部分凹入多孔阳极24或阴 极26中以减少集电器122在燃料通道14或空气通道20中的突出部分的集电器路径。在多层Fuel Cell Stick 装置10的活性区33b中，希望电解质28尽可能的薄， 例如10 μ m。但超薄电解质增加了在装置的空气和燃料侧之间出现泄漏的可能性。较薄的 电解质可能产生较高的功率，但太薄将可能产生破裂或泄漏，因而导致该层的零输出。按照 本发明的一个实施方式，活性区33b中电解质28的最小可允许厚度的关键是阳极和阴极厚 度也构成总厚度的一部分，且因此为总强度做出贡献。仅以非限制性的例子来说，如果防止 破裂需要100 μ m的厚度，且各阳极24和阴极26测得为45 μ m,则10 μ m的电解质厚度将运 行良好。(45+45+10 = 100) ο在多层Fuel Cell Stick 装置10的惰性区域(没有相对的阳极和阴极的区域) 中，需要有不同的厚度。这种惰性区域负责空气和燃料的分配。这在许多附图中显示为交 错的空气和燃料分配通道。这里也需要特定的厚度以防止开裂，但没有阳极24和阴极26， 这里的陶瓷层29必须比活性区33b中的陶瓷电解质层28更厚。因此在上述的实施例中， 惰性区域中的陶瓷29必须是100 μ m而活性区33b中的陶瓷电解质层28可以较薄，例如 10 μ m。按照本发明的一个实施方式，提供了获得具有两种厚度的单独陶瓷电解质层28、 29(惰性气体通道区域中的较厚陶瓷29和活性区33b中的较薄陶瓷电解质28)的方法。在 图62-62A中描绘的该方法使用陶瓷带130的三块形成惰性气流区域中的陶瓷29，其中陶瓷 带中的两块130a、130c终止而仅中间层130b延伸到活性区33b中用作相对的阳极24和阴 极26之间的陶瓷电解质28。在上面关于细长结构的说明中提供了许多引出加热炉以进行低温连接的设计。但 是，这些设计中许多也可以用于不退出加热炉和/或具有板形或类似形状的多层燃料电池 装置中。本发明中可获得的装置密度可以在其它装置和系统中获得，其中形成与加热炉中 的热燃料电池装置的连接。例如，本文中公开的可用于其它燃料电池装置的概念包括聚 合物带、填充圆球的聚合物带、用于形成退出和进入通道的金属线、服务两个电极的一个通道、桨形装置、通过使用重力或离心朝向一侧干燥电极悬浮液、用于终止的侧面间隙和串联 设计。集电器122具有使电极(阳极24和阴极26)中产生或消耗的电子在低电阻中沿 通向负载(电压节点38、40)的路线移动。最佳电极设计不是非常导电的，因为使得几件事 情同时发生存在孔隙以使气体流动，电极中存在陶瓷以使氧离子流向电解质，和存在电导 体以允许电子流动。孔隙和陶瓷的存在意味着电极整体上具有比电极仅由电导体制成时更 高的电阻。一旦电子被释放，重要是的使它沿高导电率路径移动。现有的集电器设计是基于 从导体移除电解质陶瓷，但仍保留多孔性。这产生了具有更高导导电性的层。这是被印刷 在整个阳极或阴极上。这一设计在多层结构中的一个缺点是，如果阳极/阴极材料必须在 烧结后加入，它可能很难产生两个如所述的不同的层。共烧集电器的优点如上所述。按照本发明的实施方式，可以使用包含高密度导体材料(即，很少或没有多孔性， 从而如果它被印刷在整个阳极24或阴极26上，它将抑制反应)的集电器122，其以填充图 案进行印刷。在一个实施方式中，集电器以直线图案(也称为填充图案)印刷，从而在填充 标志(hatch mark)之间遗留开放空间以使气体渗透。多孔阳极24和阴极26中的气体渗 透性是使得进入填充线之间的多孔材料的气体也将在填充线下流动。通过改变线与线之间 的线距和线本身的宽度，有可能发现最佳几何形状。举例来说，可以使用0.006"的线宽和 0.030"线距。图63描绘了具有填充图案的集电器122的顶视图。图64描绘了多孔阳极 或阴极上的集电器122的侧视图。图65描绘了倾斜视图，以从顶部到底部的顺序显示了 集电器填充线、顶多孔电极、电解质、底电极(由于折断而从电解质伸出)。随着活性区域变 得更大，也可能在不同的区域改变线宽。小的导体线可以合并成更大的导体线，且该更大的 线可以合并成再更大的导体线。柔性供应管50已在上面描述用于将燃料和空气供应装置34、36连接到Fuel Cell Stick 装置10。通过将供应管50伸展开，它可以滑套在Fuel Cell Stick 装置10的端 部IlaUlb之一上。粘合剂可以将其保持在适当位置。按照本发明的一个实施方式，替代 的方式是如图66A-66B中所示在侧面上使Fuel Cell Stick 装置10的端部Ila(和/或 lib)形成凹口，使得Fuel Cell Stick 装置10将供应管50机械固定在适当位置。这在 未熟化状态中最方便地通过用刻纹机或端铣刀加工Fuel Cell Stick 装置10而实现。基于此，也可以使用可夹在Fuel Cell Stick 装置10的端部Ila(和/或lib) 的连接器134，如图67A-67B分别以顶部示意性剖视图和透视图所示。连接器134可以是 具有整合的电触点136和气流通路138 (取决于Fuel Cell Stick 装置10的设计，有一个 或两个)及气密的密封(如0形环140的形式)的模塑塑料，且一个或两个电触点136用 于接触接触垫44。如果Fuel Cell Stick 装置10是两端部的Fuel Cell Stick 装置10 以使得一个极性在Fuel Cell Stick 装置10和各端部退出Fuel Cell Stick 装置10， 则连接器134仍可以在Fuel Cell Stick 装置10的各端部具有两个或多个电触点136以 提供较低电阻的接触。电触点136可以是在Fuel Cell Stick 装置10的侧面上或在Fuel Cell Stick 装置10的顶部和底部，后者将提供较低的电阻，因此触点较宽。虽然未显示，接触器134可以具有两个0形环，从而在连接器134内提供两个密封 段一个用于空气，另一个用于燃料。这样的连接器可以用作单端部Fuel Cell Stick 装置10上的单一连接器，其提供正和负接触及空气和燃料输送。上述的实施方式包括该装置的两个相对端部lla、llb。但是，上述Fuel Cell Stick 装置10的概念可以应用于具有两个以上端部或离开加热炉的出口点的装置500。例 如，图68A-68B描绘了具有4个出口点的装置。四个位置可以提供空气入口 18、空气出口 22、燃料入口 12、燃料出口 16。这可以使得更容易将未燃烧的燃料循环到加热炉加热作用 中。要、也可以使用2个和4个出口点以外的其它数目的出口点，如3个或6个。支持球的应用(参见图7C-7D)可以用于Fuel Cell Stick 装置10以外的燃料 电池装置，例如方形板装置。支持球允许在多层结构中产生大的面积而没有不同层彼此的 塌陷。该装置可以在一般的多层板中具有大的开放区域。或者，该装置可以具有0.5英寸宽 但许多英寸长的通路，从而填充该区域。在任一情况中，本文中公开的球技术是有利的。球的关键概念是它们是圆的，这可以防止穿孔。因为需要使电解质、阳极和阴极变 薄(为密度，及为更高的性能)，有可能由于使用不规则形状的材料而产生穿孔。沙子或细 石子可能刺入电解质中并引起泄漏。另一方面，电解质可以在球周围温和地变形而不引起 泄漏或裂口。类似地，图7A-7B的支柱概念可以用于Fuel Cell Stick 装置10以外的多 层燃料电池结构中。在图38A-38B中，我们显示了可以随后密封的多个烘出出口的用途。这是对于SOFC 或其它燃料电池装置的任何多层方法的有利概念。再者，对于大的板而言，设计者将需要产 生大面积的气体通道，及需要去除填充在这些空间中的有机材料。但是，通常仅有一个燃料 进入点和一个燃料排出点。空气侧也是如此。具有如此大面积的有机材料，但具有如此少的 排出点，很可能最大的制造难题之一是避免分层。对这一问题的解决方案是产生很多的烘出点，即可以使得烘出气体或液体(在使 用蜡的情况下)流出该结构而对整个结构产生最小应力的小开口。在多层结构烧结后，很容 易随后进行还原并用固体材料填入这些小的烘出点中以防止泄漏(如玻璃_陶瓷组合)。金属线92的构思很像上面的烘出出口的构思，且非常利于多层结构。设想制造4 英寸的方形板，在板中具有20或50个活性层，你会想产生更容易进行有机材料排除的烘出 出口。但如果这些方便的烘出出口可以达到板的中央甚至会更好。通过插入金属线92并 随后在层压后将其抽出，可以实现上述烘出出口。金属线92可以穿过另外在板中间和外部 世界之间可能需要经过非常长的距离的几个区域。该构思不是必须如上所述完全是金属 线。这只是最方便的形式，因为它具有较低的表面积。物理片可以是扁平的，例如0.002" 厚X0. 200"宽。在这种情况中，它可能需要用隔离剂覆盖以防止层发生粘连。无论如何， 该概念是插入结构中且随后按顺序移除以利于有机材料排除的物理片。在另一实施方式中，具有蜡的碳带(carbon tape)用作间隙形成带94。一个难题 是使间隙形成材料均勻出现而不在Fuel Cell Stick 装置10中引起分裂或分层。如果材 料可以在恰当的时间神奇地消失而留下开放通道以便阳极24和阴极26和电解质28中的其 它聚合材料可以烘出，则会更好。一个途径是使用蜡。用于熔模铸造(所谓的失蜡铸造法) 的蜡在大约90°C (高于用于使多层结构层压在一起的层压温度但低于150-300°C的粘合剂 燃烧温度)而很好地发挥作用。但蜡也不是理想的，因为如果你将它铸成2-mil厚的片，它 不会具有希望的强度。它在触摸时是脆弱的。蜡在薄片形式下应当更牢固。对于这一问题 的解决方案是将蜡与某些种类的纤维组合以赋予其强度。一种选择是碳纤维。碳纤维可以以随机纤维结构(称为垫)或以类似于实际布料的纺织纤维结构购得。其它纤维也是可能 的。通过将蜡浸渍到碳纤维中，可以获得最佳的性能。碳/蜡复合物可以置于多层结构中以 形成间隙。在层压后，温度升高到蜡的熔点，然后蜡转变成液体并流出Fuel CellStick 装 置10。这在碳纤维内留下开放空气通路，这使得结构内部的环绕聚合材料易于烘出。碳纤维 不会挥发(转变为CO2)直到温度接近750°C。因此，形成其中在粘合剂发生燃烧前主要间隙 形成材料中的一种消失的结构是有可能的，从而留下用于消除粘合剂的无阻碍通路。然后， 在中间温度下，聚合物本身可以挥发。最后，在高温下，碳纤维可能消失。图70是使用这一 碳_蜡组合一旦蜡和碳纤维在烧结后消失而遗留的间隙的图象。 尽管本发明通过描述其一个或多个实施方式进行了说明和尽管实施方式相当详 细地进行了描述，它们不意图约束或以任何方式限制所附权利要求为这种细节。额外的优 势和改进对于本领域技术人员是很容易明白的。因此本发明在其较广泛的方面不局限于所 显示和描述的特定细节、代表性装置和方法及示例性实施例。因此，可以偏离这类细节而不 脱离总体发明构思的范围。
权利要求
一种燃料装置，包括细长的基板，该基板的长度是最大的维度，从而该细长基板的热膨胀系数仅具有一个与长度同延的主轴，沿长度的第一部分的反应区配置成加热到工作反应温度，且沿长度的第二部分的至少一个冷区配置成在反应区加热时保持在低于工作反应温度的温度下；细长基板中的一个或多个燃料通道，各具有从该至少一个冷区中的燃料入口通过反应区延伸的第一燃料路径和从反应区延伸到燃料出口的第二燃料路径，各第一燃料路径具有在反应区中的相关的阳极；细长基板中的一个或多个氧化剂通道，各具有从该至少一个冷区中的氧化剂入口通过反应区延伸的第一氧化剂路径和从反应区延伸到氧化剂出口的第二氧化剂路径，各第一氧化剂路径具有在反应区中的相关的阴极，其位置与相关的阳极中相应的一个阳极相对；安置在反应区中各相对的阳极和阴极之间的电解质，其中所述一个或多个燃料和氧化剂通道中的各路径在相应的第二燃料和氧化剂路径中包括颈缩点，所述第二燃料和氧化剂路径具有比相应的第一燃料和氧化剂路径的截面积更小的截面积。
2.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中所述的较小的截面积从所述颈缩点延伸到 相应的燃料和氧化剂出口。
3.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中所述的较小的截面积的值在各第二燃料路 径中相同。
4.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中所述的较小的截面积的值在各第二氧化剂 路径中相同。
5.如权利要求1所述的燃料电池装置，进一步包括与燃料入口连接以将燃料输入供应到所述一个或多个燃料通道中的燃料供应装置；和与氧化剂入口连接以将氧化剂输入供应到所述一个或多个氧化剂通道中的氧化剂供应装置。
6.如权利要求5所述的燃料电池装置，其中各第二燃料路径的所述较小截面积的总和 小于所述燃料输入的截面积。
7.如权利要求5所述的燃料电池装置，其中各第二氧化剂路径的所述较小截面积的总 和小于所述氧化剂输入的截面积。
8.如权利要求5所述的燃料电池装置，其中在各第二燃料路径和在各第二氧化剂路径 中所述的较小的截面积的值相同；其中各第二燃料路径的所述较小截面积的总和小于所述 燃料输入的截面积；且其中各第二氧化剂路径的所述较小截面积的总和小于所述氧化剂输 入的截面积。
9.如权利要求5所述的燃料电池装置，其中所述燃料和空气供应装置各通过固定在相 应的燃料和氧化剂入口上的柔性橡胶或塑料管连接。
10.如权利要求1所述的燃料电池装置，进一步包括位置靠近所述第一部分以将反应区加热到工作反应温度的热源；和在所述热源和所述至少一个冷区之间适于将所述至少一个冷区保持在低于工作反应 温度的温度下的绝缘区。
11.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中所述阳极和阴极各具有延伸到所述至少一个冷区的外表面用于在低于工作反应温度的温度下进行电连接的电通路。
12.如权利要求11所述的燃料电池装置，进一步包括在施加于所述至少一个冷区中的外表面上与阳极的电通路形成电接触的第一金属接 触垫，和所述第一金属接触垫与负电压节点之间的第一电压连接；和在施加在所述至少一个冷区中的外表面上与阴极的电通路形成电接触的第二金属接 触垫，和所述第二金属接触垫与正电压节点之间的第二电压连接。
13.如权利要求12所述的燃料电池装置，其中所述阳极的电通路从相关的第一燃料路 径延伸到所述反应区的第一外表面，并延伸到达到所述至少一个冷区的相应外表面的施加 在所述反应区的第一外表面上的第一外金属镀层，且所述阴极的电通路从相关的第一氧化 剂路径延伸到所述反应区的第二外表面，并延伸到达到所述至少一个冷区的相应外表面的 施加在所述反应区的第二外表面上的第二外金属镀层。
14.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中所述至少一个冷区包括位于所述细长基 板的各个第一和第二末端的第一和第二冷区，使得所述反应区位于所述第一和第二冷区之 间，所述燃料入口位于所述第一冷区中，且所述氧化剂入口位于所述第二冷区中。
15.一种燃料电池系统，包括 热区腔；多个权利要求1所述的燃料电池，其各与反应区一起位于热区腔中且所述至少一个冷 区在热区腔外延伸；与热区腔连接并适于在热区腔内将反应区加热到工作反应温度的热源； 与燃料入口连接以将燃料输入供应到所述一个或多个燃料通道中的燃料供应装置；和 与氧化剂入口连接以将氧化剂输入供应到所述一个或多个氧化剂通道中的氧化剂供 应装置。
16.如权利要求15所述的燃料电池系统，进一步包括所述热源和所述至少一个冷区之 间的适于将所述至少一个冷区保持在低于工作反应温度的温度下的绝缘区。
17.如权利要求15所述的燃料电池系统，其中在各第二燃料路径和在各第二氧化剂路 径中所述的较小的截面积的值相同；其中各第二燃料路径的所述较小截面积的总和小于所 述燃料输入的截面积；且其中各第二氧化剂路径的所述较小截面积的总和小于所述氧化剂 输入的截面积。
18.如权利要求15所述的燃料电池系统，其中所述阳极和阴极各具有延伸到所述至少 一个冷区的外表面用于在低于工作反应温度的温度下进行电连接的电通路，所述系统进一 步包括连接到所述至少一个冷区中的外表面上与阳极的电通路形成电接触的第一电压连接；和连接到所述至少一个冷区中的外表面上与阴极的电通路形成电接触的第二电压连接。
19.一种使用权利要求1的装置的方法，包括将具有反应区的所述细长基板定位在热区腔中，且所述至少一个冷区在热区腔外延伸；将热量施加到热区腔中以将反应区加热到400°C以上的工作温度而同时保持所述至少 一个冷区在低于300°C的温度；向加热的反应区供应燃料和氧化剂，从而燃料和氧化剂发生反应。
20.一种使用权利要求8的装置的方法，包括将具有反应区的所述细长基板定位在热区腔中和所述至少一个冷区在热区腔外延伸， 且所述燃料和氧化剂供应装置在所述热区腔外与各自的燃料和氧化剂入口连接；将热量施加到热区腔中以将反应区加热到400°C以上的工作温度而同时保持所述至少 一个冷区在低于300°C的温度；通过所述第一燃料和氧化剂路径向加热的反应区供应燃料和氧化剂，从而燃料和氧化 剂反应。
21.一种制造权利要求1的装置的方法，包括提供第一细长未熟化陶瓷层，其形成所需尺寸以提供所述细胞基板的长度； 将阳极层施加到所述第一细长未熟化陶瓷层的第一侧面上并将阴极层施加到所述第 一细长未熟化陶瓷层的相对的第二侧面上，所述阳极层和阴极层在设计为与所述细长基板 的反应区对应的区域中整体对齐；将牺牲有机层施加到各阳极和阴极上，该牺牲有机层具有第一截面积； 使可移除的结构位于所述第一细长未熟化陶瓷层的各第一和第二侧面上，使得各可移 除结构的第一末端与相应的牺牲有机层重叠和第二末端至少延伸到所述第一细长未熟化 陶瓷层的边缘，各可移除结构具有小于所述第一截面积的第二截面积；将第二细长未熟化陶瓷层施加到在各第一和第二侧面上的牺牲有机层和可移除结构 上与所述第一细长未熟化陶瓷层整体对齐；使所有层和可移除结构层叠在一起以形成叠层结构；从叠层结构中移除可移除结构以在所述第二燃料和氧化剂路径中形成颈缩点；和 加热所述叠层结构到足以烘出所述牺牲有机层的温度以在所述反应区中形成所述第 一燃料和氧化剂路径。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述各可移除结构的第二末端延伸到与相应燃料 或氧化剂出口的位置对应的边缘，且其中移除可移除结构形成第二燃料和氧化剂路径和出
23.如权利要求21所述的方法，其中所述牺牲有机层进一步施加到从所述阳极和阴极 到所述第一细长未熟化陶瓷层的边缘的所述第一细长未熟化陶瓷层上以在烘出步骤后形 成从所述入口到所述反应区的所述燃料和氧化剂入口和所述第一燃料和氧化剂路径。
24.如权利要求21所述的方法，进一步包括将附加可移除结构定位在所述第一细长未熟化陶瓷层的各第一和第二侧面上，使得各 附加可移除结构的第一末端与相应的牺牲有机层重叠和第二末端延伸到所述第一细长未 熟化陶瓷层的另一边缘，以在烘出后形成从所述入口到所述反应区的所述燃料和氧化剂入 口和所述第一燃料和氧化剂路径。
25.如权利要求21所述的方法，其中所述牺牲有机层包含蜡基质中的碳纤维，且其中 加热是达到足以熔融蜡而不燃烧碳纤维或未熟化陶瓷层中的聚合物粘合剂的第一温度，且 其中该方法在加热以烘出牺牲有机层的蜡后进一步包括，将温度升高到足以燃烧聚合物粘 合剂的第二温度，然后升高到足以烧结所述未熟化陶瓷层和燃烧碳纤维的烧结温度。
26.一种使用权利要求15所述的系统的方法，包括将热量应用到所述热区腔中以将反应区加热到400°C以上的工作温度而同时保持所述 至少一个冷区在低于300°C的温度；通过相应的第一燃料和氧化剂路径向加热的反应区提供来自所述燃料供应装置的燃 料输入和来自所述氧化剂供应装置的氧化剂输入，从而燃料和氧化剂发生反应。
27.如权利要求26所述的方法，其中在各第二燃料路径和在各第二氧化剂路径中所述 的较小的截面积的值相同；其中各第二燃料路径的所述较小截面积的总和小于所述燃料输 入的截面积；且其中各第二氧化剂路径的所述较小截面积的总和小于所述氧化剂输入的截 面积。
28.—种制造燃料电池装置的方法，包括 提供第一细长未熟化陶瓷层；将阳极层施加到所述第一细长未熟化陶瓷层的第一侧面上并将阴极层施加到所述第 一细长未熟化陶瓷层的相对的第二侧面上，所述阳极层和阴极层在所述第一细长未熟化陶 瓷层的第一部分内整体对齐；将牺牲有机层施加到各阳极层和阴极层上；使至少一个可移除的结构位于所述第一细长未熟化陶瓷层的各第一和第二侧面上，使 得各可移除结构的第一末端与相应的牺牲有机层重叠和第二末端至少延伸到所述第一细 长未熟化陶瓷层的边缘；将第二细长未熟化陶瓷层施加到在各第一和第二侧面上的牺牲有机层和可移除结构 上与所述第一细长未熟化陶瓷层整体对齐；使所有层和可移除结构层叠在一起以形成叠层结构；从叠层结构中移除可移除结构以在相应的边缘和所述阳极和阴极层之间形成非活性 通道；禾口加热所述叠层结构到足以烘出所述牺牲有机层的温度以沿所述阳极和阴极层形成活 性通道。
29.如权利要求28所述的方法，其中各可移除结构的截面积小于相应牺牲有机层的截 面积。
30.如权利要求28所述的方法，其中所述牺牲有机层包含蜡基质中的碳纤维，且其中 加热是达到足以熔融蜡而不燃烧碳纤维或未熟化陶瓷层中的聚合物粘合剂的第一温度，且 其中该方法在加热以烘出牺牲有机层的蜡后进一步包括，将温度升高到足以燃烧聚合物粘 合剂的第二温度，然后升高到足以烧结所述未熟化陶瓷层和燃烧碳纤维的烧结温度。
31.一种制造燃料电池装置的方法，包括形成包含多个陶瓷层、阳极层、阴极层和内部牺牲有机层的堆叠结构，其经排列以提供 分隔所述阳极层和所述阴极层的插入陶瓷层和邻接于与所述插入陶瓷层相对的各阳极和 阴极层的内部牺牲有机层，其中所述牺牲有机层的大小提供内部气体通道；提供多个与所述牺牲有机层接触并延伸到所述堆叠结构的一个或多个边缘的可移除 结构；层压所述堆叠结构；移除所述可移除结构以形成多个烘出出口；在移除所述可移除结构后，通过加热所述堆叠结构以烘出所述牺牲有机层的材料而除5去所述牺牲有机层以形成所述内部气体通道，其中所述材料经所述多个烘出出口排出；和此后用屏障材料密封所述烘出出口。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述可移除结构包括一条金属线或扁平带状物理 结构或者金属线或扁平带状物理结构的组合。
33.如权利要求31所述的方法，其中移除所述可移除结构进一步形成与各内部气体通 道连接的入口和出口，且所述牺牲有机层的材料进一步通过所述入口和出口排出。
34.如权利要求31所述的方法，其中所述牺牲有机层进一步包括从所述内部气体通道 延伸到所述堆叠结构的一个或多个边缘的延伸部分以提供附加的烘出出口，其中所述密封 包括密封该额外烘出出口。
35.如权利要求31所述的方法，其中所述屏障材料包括玻璃涂层。
36.如权利要求31所述的方法，其中所述多个可移除结构包括与邻接于所述阳极层的 所述牺牲有机层形成接触的多个第一可移除结构，该多个第一可移除结构和所述阳极层的 至少一部分延伸到所述堆叠结构的第一边缘，和与邻接于所述阴极层的所述牺牲有机层形 成接触的多个第二可移除结构，该多个第二可移除结构和所述阴极层的至少一部分延伸到 所述堆叠结构的第二边缘，且其中所述屏障材料包括在所述阳极层的延伸部分上的第一导 电接触垫和由所述多个第一可移除结构形成的烘出出口及在所述阴极层的延伸部分上的 第二导电接触垫和由所述多个第二可移除结构形成的烘出出口。
37.如权利要求36所述的方法，其中所述堆叠结构形成长度为最大维度的细长基板， 从而该细长基板的热膨胀系数仅具有一个与长度同延的主轴，使沿长度的第一部分的反应 区配置成加热到工作反应温度，和使所述阳极和阴极层位置与反应区中延伸到相应的第一 和第二边缘的所述阳极和阴极层的延伸部分相对，且使沿长度的第二部分的至少一个冷区 配置成在反应区加热时保持在低于工作反应温度的低温下并在其中形成入口，且其中所述 第一和第二导电接触垫从反应区延伸到所述至少一个冷区以在低于所述工作反应温度的 低温下进行电连接。
38.如权利要求31所述的方法，其中所述牺牲有机层包含在蜡基质中的碳纤维，且其 中所述除去步骤包括加热到足以熔融蜡而不燃烧碳纤维或陶瓷层中的聚合物粘合剂的第 一温度，然后加热到足以燃烧聚合物粘合剂的第二温度，并再升高到足以烧结所述陶瓷层 和燃烧碳纤维的烧结温度。
39.一种燃料电池系统，包括具有壁厚为T的腔壁的热区腔；各包含细长长方形或管形的基板的一个或多个燃料电池装置，所述基板具有最大维度 的长度，从而该细长长方形或管形基板的热膨胀系数仅具有一个与长度同延的主轴，沿长 度的第一部分的反应区位于所述热区腔中以暴露于工作反应温度，沿长度的第二部分的至 少一个冷区在所述热区腔的外面延伸以保持在低于工作反应温度的温度下，安置在反应区 中的阳极和阴极之间的电解质，和等于壁厚T的所述长度的第三部分位于腔壁内，该第三 部分在横断所述长度方向的平面中具有最大维度L，其中T > L/2 ；和与所述热区腔连接并适于在所述热区腔内将所述反应区加热到所述工作反应温度的 热源。
40.如权利要求39所述的燃料电池系统，其中所述基板是细长的长方形基板且最大维度L是所述第三部分的宽度Y。
41.如权利要求40所述的燃料电池系统，其中T> Y。
42.如权利要求39所述的燃料电池系统，其中所述基板是细长的管形基板且最大维度 L是所述第三部分的直径。
43.如权利要求39所述的燃料电池系统，其中所述腔壁包含多个绝缘层，各绝缘层具 有不同的传热特性并经排列以提供从所述反应区到所述至少一个冷区的最佳温度转移。
44.如权利要求39所述的燃料电池系统，其中所述腔壁包含多个由插入的空气间隙分 隔的绝缘层。
45.如权利要求44所述的燃料电池系统，其中所述多个绝缘层包括与所述反应区相邻 的第一高温层和与所述至少一个冷区相邻的第二低温层，且其中所述插入的空气间隙是预 热区，具有适于将所述预热区加热到所述热区腔内的所述工作反应温度和所述至少一个冷 区的温度之间的中间温度的热源。
46.如权利要求39所述的燃料电池系统，其中所述一个或多个燃料电池装置各包含多个沿从各自燃料和氧化剂入口到各自燃料和氧化剂出口的各第一和第二长度的至少一部分纵向延伸的燃料和氧化剂通道，在至少所述反应区中所述阳极与各燃料通道结合 和所述阴极与各氧化剂通道结合，所述阳极和阴极位置彼此相对且其间具有电解质。
47.如权利要求46所述的燃料电池系统，进一步包括与所述阳极电连接的在所述至少 一个冷区中的所述细长的长方形或管形基板上的第一外接触表面，与所述阴极电连接的在 所述至少一个冷区中的所述细长的长方形或管形基板上的第二外接触表面，连接到所述第 一外接触表面上的第一电压连接和连接到所述第二外接触表面上的第二电压连接。
48.如权利要求46所述的燃料电池系统，进一步包括与所述燃料入口连接以将燃料流供应到所述燃料通道中的燃料供应装置；和与所述氧化剂入口连接以将空气流供应到所述氧化剂通道中的空气供应装置。
49.一种制造燃料电池装置的方法，包括在第一牺牲层上形成集电器；将第二牺牲层施加到所述集电器上；用未熟化陶瓷基本环绕所述第一和第二牺牲层；施加热量以烧结所述未熟化陶瓷和燃烧所述第一和第二牺牲层，从而在烧结的陶瓷内 遗留位于间隙中的集电器；和在所述间隙的第一部分中形成与所述集电器接触的电极和保持所述间隙的第二部分 开放以用作气体通道。
50.如权利要求49所述的方法，进一步包括在形成所述集电器之前在所述第一牺牲层 中产生多个孔，且其中形成集电器包括在所述第一牺牲层上印刷集电器材料以使得所述集 电器材料渗入所述多个孔中，从而在燃烧时，所述集电器位于间隙中并支持在由渗入的集 电器材料形成的多个支柱上。
51.如权利要求49所述的方法，其中所述第一牺牲层包括多个陶瓷球，从而在燃烧时， 所述集电器位于所述间隙中并支持在所述多个球上。
52.如权利要求49所述的方法，其中形成所述电极以使所述集电器至少部分凹入所述 电极中。
53.如权利要求59所述的方法，其中所述电极通过用含电极颗粒的溶液灌注所述间隙 并在施加重力或离心力以选择性地沉积所述电极颗粒到所述间隙的第一部分中的所述烧 结陶瓷上的同时除去所述溶液而形成。
54.一种燃料电池装置，包括具有最大维度的长度的细长基板，从而该细长基板的热膨胀系数仅具有一个与长度 同延的主轴，沿所述长度的第一部分的反应区设计为加热到工作反应温度，和沿所述长度 的第二部分的至少一个冷区设计为在所述反应区加热时保持在低于工作反应温度的温度 下；安置在反应区中的多孔阳极和多孔阴极之间的电解质； 与所述多孔阳极结合并从所述至少一个冷区延伸通过所述反应区的燃料通道； 与所述多孔阴极结合并从所述至少一个冷区延伸通过所述反应区的氧化剂通道；和 位置至少部分地凹入各多孔阳极和多孔阴极的表面部分中并暴露在相应的燃料和氧 化剂通道中的高密度集电器。
55.如权利要求54所述的燃料电池装置，其中所述多孔阳极及其高密度集电器和所述 多孔阴极及其高密度集电器各具有延伸到所述至少一个冷区的相应外表面上用于在低于 所述工作反应温度的温度下进行电连接的电通路。
56.如权利要求55所述的燃料电池装置，进一步包括连接到所述至少一个冷区的相应外表面上与所述阳极及其高密度集电器的电通路形 成电接触的负电压连接；和连接到所述至少一个冷区的相应外表面上与所述阴极及其高密度集电器的电通路形 成电接触的正电压连接。
57.如权利要求56所述的燃料电池装置，其中所述电通路各延伸到所述反应区的相应 外表面且外表面金属镀层的位置使得在所述反应区的相应外表面和所述至少一个冷区的 相应外表面之间形成电接触。
58.如权利要求54所述的燃料电池装置，其中所述高密度集电器具有交叉线的填充图 案，在所述线之间具有空白间隙。
59.一种制造燃料电池装置的方法，包括提供具有用作所述燃料电池装置的活性电解质部分的第一部分和用作的所述燃料电 池装置的惰性支持部分的第二部分的第一未熟化陶瓷层；将阳极层施加到所述第一未熟化陶瓷层第一侧面的所述第一部分上和将阴极层施加 到所述第一未熟化陶瓷层相对的第二侧面上的所述第一部分上；将第二未熟化陶瓷层施加到所述第一未熟化陶瓷层的各第一和第二侧面的所述第二 部分上，其中所述第二未熟化陶瓷层的厚度大致等于所述阳极层和所述阴极层的厚度； 将牺牲层施加到各阳极和阴极层和第二未熟化陶瓷层上； 将第三未熟化陶瓷层施加到各牺牲层上；和加热到足以烧结所有层并燃烧所述牺牲层的温度以在所述惰性支持部分中形成其间 具有厚烧结陶瓷的一对气体通道和在所述活性电解质部分中形成其间的阳极、薄电解质和 阴极。
60.如权利要求59所述的方法，其中所述牺牲层包含蜡基质中的碳纤维，且其中加热是达到足以熔融蜡而不燃烧碳纤维或未熟化陶瓷层中的聚合物粘合剂的第一温度，然后达 到足以燃烧聚合物粘合剂的第二温度，再达到足以烧结所述未熟化陶瓷层和燃烧所述碳纤 维的烧结温度。
61.一种燃料电池装置，包括具有阳极、阴极和其间的电解质的活性中心层；从所述活性中心层延伸的至少三个细长部分，各细长部分的长度实质大于与长度垂直 的宽度，从而各所述细长部分的热膨胀系数具有与其长度同延的主轴；至少一个从所述至少三个细长部分中的第一个中的燃料入口延伸到与所述阳极结合 的所述活性中心部分中的燃料通道；至少一个从所述至少三个细长部分中的第二个中的氧化剂入口延伸到与所述阴极结 合的所述活性中心部分中的氧化剂通道；和至少一个在所述至少三个细长部分中的第三个中的开口和所述活性中心部分之间延 伸的气体通道。
62.如权利要求61所述的燃料电池装置，其中所述至少一个气体通道是与所述至少一 个燃料和氧化剂通道连接的用于废气的排气通道，且所述至少三个细长部分中的第三个中 的开口是排气出口。
63.如权利要求61所述的燃料电池装置，其中所述至少一个气体通道是所述至少一个 燃料通道的延伸，且所述至少三个细长部分中的第三个中的开口是燃料出口。
64.如权利要求63所述的燃料电池装置，其中所述至少三个细长部分包括具有作为所 述至少一个氧化剂通道的延伸的至少一个气体通道和作为氧化剂出口的开口的第四细长 部分。
65.如权利要求61所述的燃料电池装置，其中所述活性中心部分是热膨胀系数具有与 其长度同延的主轴的细长部分。
66.如权利要求61所述的燃料电池装置，其中所述活性中心部分是大表面积部分。
67.如权利要求61所述的燃料电池装置，其中所述活性中心部分位于热区腔中以在反 应温度下工作；其中所述第一和第二细长部分在所述热区腔外延伸以在低于所述反应温度 的低温下工作；且其中各所述燃料入口和氧化剂入口在所述低温下与相应的燃料和氧化剂 供应装置连接。
68.一种燃料电池装置，包括具有阳极、阴极和其间的电解质的活性中心层；从所述活性中心层延伸的四个细长部分，各细长部分的长度实质大于与长度垂直的宽 度，从而各所述细长部分的热膨胀系数具有与其长度同延的主轴；从所述四个细长部分中的第一个中的入口延伸到与所述阳极相关的所述活性中心部 分中并延伸到所述四个细长部分中的第二个中的出口的燃料通道；和从所述四个细长部分中的第三个中的入口延伸到与所述阴极相关的所述活性中心部 分中并延伸到所述四个细长部分中的第四个中的出口的氧化剂通道，其中所述活性中心部 分的面积大于所述四个细长部分中各部分的面积。
69.如权利要求68所述的燃料电池装置，其中所述活性中心部分是热膨胀系数具有与 其长度同延的主轴的细长部分。
70.如权利要求68所述的燃料电池装置，其中所述活性中心部分位于热区腔中以在反 应温度下工作；其中所述第一和第三细长部分在所述热区腔外延伸以在低于所述反应温度 的低温下工作；且其中各所述燃料入口和氧化剂入口在所述低温下与相应的燃料和氧化剂 供应装置连接。
71.—种制造燃料电池装置的方法，包括形成包括与多个牺牲有机层交替放置的多个未熟化陶瓷层的堆叠结构，以在所述燃料 电池装置中提供气体通道，其中所述牺牲有机层包含碳纤维和蜡的复合物，且其中所述未 熟化陶瓷层包含聚合物粘合剂；和加热所述堆叠结构到足以熔融所述蜡而不燃烧碳纤维或聚合物粘合剂的第一温度，然 后加热到足以燃烧聚合物粘合剂的第二温度，和再加热到足以烧结所述未熟化陶瓷层和燃 烧所述碳纤维的烧结温度，从而形成其中具有多个气体通道的烧结陶瓷结构。
72.如权利要求71所述的方法，其中所述碳纤维和蜡的复合物包括用蜡浸渍的随机碳 纤维垫或纺织碳纤维片。
73.如权利要求71所述的方法，进一步包括在所述堆叠结构中提供一个或多个阳极层和一个或多个阴极层，所述阳极层和阴极层 进行排列以提供将所述阳极层与所述阴极层分隔的插入的未熟化陶瓷层和邻接与所述插 入的未熟化陶瓷层相对的各阳极和阴极层的牺牲有机层，从而在加热后在所述多个气体通 道的各通道中形成至少一个相关的阳极或阴极。
74.如权利要求71所述的方法，进一步包括在加热后，以阳极和阴极交替排列的方式将电极施加到所述多个气体通道的各通道中。
75.如权利要求74所述的方法，其中所述电极通过用电极颗粒溶液灌注所述气体通道 的至少一部分并在施加重力或离心力以选择性地沉积所述电极颗粒到所述气体通道中的 烧结陶瓷结构上的同时除去所述溶解而施加。
全文摘要
本发明涉及燃料电池装置(10、100、200、300、400、500)和燃料电池系统、使用燃料电池装置和系统的方法及制造燃料电池装置(10、100、200、300、400、500)的方法。按照特定的实施方式，燃料电池装置(10、100、200、300、400、500)可以包括细长的基板，如长方形或管形的基板，其长度是最大维度以使得热膨胀系数仅具有一个与长度同延的主轴。另外，或者按照其它的特定实施方式，反应区(32，33b)沿长度的第一部分定位以加热到工作反应温度，且至少一个冷区(30)沿长度的第二部分定位以在低于工作反应温度的温度下工作。在细长基板中存在各具有相关的阳极(24，24L，24R)的一个或多个燃料通道(14，14L，14R)，且在细长基板中存在各具有相关的阴极(26，26L，26R)的一个或多个氧化剂通道(20，20L，20R)。在某些实施方式中，通道(14，14L，14R，20，20L，20R)由从结构中熔出或烘出的牺牲有机材料(72)形成和/或由在迭合后抽出的可移除结构(92)形成。烘出路径(70)也可以用于帮助除去牺牲有机材料(72)，该路径(70)随后被密封。本发明的实施方式进一步包括其中集电器(122)凹入电极(24，24L，24R，26，26L，26R)中的方法和装置。
文档编号H01M8/02GK101897064SQ200880023388
公开日2010年11月24日 申请日期2008年5月9日 优先权日2007年5月10日
发明者A·德沃, L·德沃 申请人:A·德沃;L·德沃