(57)【要約】  燃料電池デバイス（１０）は、並列に接続された能動電池（２４ａ、２６ａ、２４ｂ、２６ｂ）を含んだ一つまたは複数の能動層を含む。燃料電池デバイス（１０）は、細長いセラミック支持構造（２９）を含み、その長さが最大寸法であり、熱膨張率が、前記長さと同一の空間に延在する唯一の優勢な軸を有する。
2011503807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池デバイスであって、
動作反応温度まで加熱されるように構成される反応ゾーンを有し、かつ、前記反応ゾーンの中に第１の能動層および第２の能動層を有するセラミック支持構造と、
第１のアノード、第１のカソード、およびそれらの間の第１の電解質を備える前記第１の能動層の中の第１の能動電池と、
第２のアノード、第２のカソード、およびそれらの間の第２の電解質を備える前記第２の能動層の中の第２の能動電池と、
一対の同極性の電極間の電気相互接続であって、前記一対の同極性の電極が、前記第１および第２のアノードであるか、あるいは前記第１および第２のカソードであるかのいずれかであり、また、前記一対の同極性の電極が、前記一対の同極性の電極が物理的に間隔を隔てて配置される平行セクションと、前記一対の同極性の電極が物理的かつ電気的に接触する歪みセクションであって、該電気相互接続を提供することよって前記第１および第２の能動電池を並列に接続する歪みセクションとを含む電気相互接続と
を備える燃料電池デバイス。
【請求項２】
前記セラミック支持構造が、最大寸法である長さを有する細長い基板であることによって、前記細長い基板が、前記長さと同一の空間に延在する唯一の優勢な軸を有する熱膨張率を有する、請求項１に記載の燃料電池デバイス。
【請求項３】
前記反応ゾーンが前記長さの第１の部分に沿って配置され、また、前記セラミック支持構造が、前記長さの第２の部分に沿って配置される少なくとも１つのコールドゾーンであって、前記反応ゾーンが加熱されても前記動作反応温度未満の温度を維持するように構成される少なくとも１つのコールドゾーンをさらに含む、請求項２に記載の燃料電池デバイス。
【請求項４】
前記第１および第２のアノードならびに前記第１および第２のカソードの各々が、前記動作反応温度未満の低温での電気接続のために、前記少なくとも１つのコールドゾーンまで延在する電気通路を有する、請求項３に記載の燃料電池デバイス。
【請求項５】
第３のアノード、第３のカソード、およびそれらの間の第３の電解質を備える前記第２の能動層の中の第３の能動電池と、
一対の極性が異なる電極の間に導電性材料を備える直列相互接続であって、前記一対の極性が異なる電極が、前記第２のアノードおよび前記第３のカソードであるか、あるいは前記第２のカソードおよび前記第３のアノードであるかのいずれかであることによって、前記第２および第３の能動電池を前記第２の能動層の中で直列に接続する直列相互接続と
をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池デバイス。
【請求項６】
前記平行セクション内の前記一対の同極性の電極を分離するガス通路をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池デバイス。
【請求項７】
燃料電池システムであって、
ホットゾーンチャンバと、
請求項４に記載の複数の燃料電池デバイスであって、それぞれ前記第１の部分を前記ホットゾーンチャンバの中にして配置され、かつ、前記少なくとも１つのコールドゾーンが前記ホットゾーンチャンバの外側に延在する、複数の燃料電池デバイスと、
前記ホットゾーンチャンバに結合される熱源であって、前記ホットゾーンチャンバ内の前記動作反応温度まで前記反応ゾーンを加熱するように適合される熱源と、
前記少なくとも１つのコールドゾーン内の負の電圧接続であって、前記第１および第２のアノードの前記電気通路と電気接触する負の電圧接続と、
前記少なくとも１つのコールドゾーン内の正の電圧接続であって、前記第１および第２のカソードの前記電気通路と電気接触する正の電圧接続と
を備える燃料電池システム。
【請求項８】
前記複数の燃料電池デバイスの各々の中の前記第１および第２のアノードの各々に関連する燃料通路であって、前記少なくとも１つのコールドゾーンから前記反応ゾーンを通って延在する燃料通路と、
前記複数の燃料電池デバイスの各々の中の前記第１および第２のカソードの各々に関連する酸化剤通路であって、前記少なくとも１つのコールドゾーンから前記反応ゾーンを通って延在する酸化剤通路と、
前記燃料通路の中に燃料フローを供給するために、前記ホットゾーンチャンバの外側で前記少なくとも１つのコールドゾーンの各々に前記燃料通路との流体連結で結合される燃料供給と、
前記酸化剤通路の中に空気フローを供給するために、前記ホットゾーンチャンバの外側で前記少なくとも１つのコールドゾーンの各々に前記酸化剤通路との流体連結で結合される空気供給と
をさらに備える、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池デバイスであって、
動作反応温度まで加熱されるように構成される反応ゾーンを有し、かつ、前記反応ゾーンの中に少なくとも第１の能動層を有するセラミック支持構造と、
第１のカソードと、前記第１のカソードに対向する第１の多孔性アノード部分および第１の非多孔性アノード部分を含む第１のアノードとを備える前記第１の能動層の中の第１の能動電池と、
第２のアノードと、前記第２のアノードに対向する第２の多孔性カソード部分および第２の非多孔性カソード部分を含む第２のカソードとを備え、前記第１の能動電池に隣接する前記第１の能動層の中の第２の能動電池と、
前記第１のアノードと前記第１のカソードの間、および前記第２のアノードと前記第２のカソードの間の前記第１の能動層の中のセラミック電解質と
を備え、前記第１の非多孔性アノード部分が前記セラミック支持構造内で前記第２の非多孔性カソード部分に電気接続されることによって、前記第１および第２の能動電池を前記第１の能動層の中で直列に接続する、燃料電池デバイス。
【請求項１０】
前記セラミック支持構造が、最大寸法である長さを有する細長い基板であることによって、前記細長い基板が、前記長さと同一の空間に延在する唯一の優勢な軸を有する熱膨張率を有する、請求項９に記載の燃料電池デバイス。
【請求項１１】
前記反応ゾーンが前記長さの第１の部分に沿って配置され、また、前記セラミック支持構造が、前記長さの第２の部分に沿って配置される少なくとも１つのコールドゾーンであって、前記反応ゾーンが加熱されても前記動作反応温度未満の温度を維持するように構成される少なくとも１つのコールドゾーンをさらに含む、請求項１０に記載の燃料電池デバイス。
【請求項１２】
前記動作反応温度未満の低温での電気接続のために、前記第１および第２のアノードならびに前記第１および第２のカソードの各々が、前記少なくとも１つのコールドゾーンまで延在する電気通路を有する、請求項１１に記載の燃料電池デバイス。
【請求項１３】
前記第１の非多孔性アノード部分が、さらに、前記第２の非多孔性カソード部分と直接物理的に接触する、請求項９に記載の燃料電池デバイス。
【請求項１４】
前記第１および第２の能動電池が前記第１の能動層の中に間隔を隔てて配置され、それらの間を前記セラミック電解質が介在支持構造として延在し、また、前記電気接続が、前記第１の非多孔性アノード部分と前記第２の非多孔性カソード部分の間の前記介在支持構造を貫通して延在する導電ビアによって確立される、請求項９に記載の燃料電池デバイス。
【請求項１５】
前記第１および第２の能動電池が前記第１の能動層の中に間隔を隔てて配置され、それらの間を前記セラミック電解質が介在支持構造として延在し、また、前記電気接続が、前記第１の非多孔性アノード部分と前記第２の非多孔性カソード部分の間の前記介在支持構造中のスリットを貫通して延在する導電エレメントによって確立される、請求項９に記載の燃料電池デバイス。
【請求項１６】
燃料電池システムであって、
ホットゾーンチャンバと、
請求項１２に記載の複数の燃料電池デバイスであって、それぞれ前記第１の部分を前記ホットゾーンチャンバの中にして配置され、かつ、前記少なくとも１つのコールドゾーンが前記ホットゾーンチャンバの外側に延在する複数の燃料電池デバイスと、
前記ホットゾーンチャンバに結合される熱源であって、前記ホットゾーンチャンバ内の前記動作反応温度まで前記反応ゾーンを加熱するように適合される熱源と、
前記少なくとも１つのコールドゾーン内の負の電圧接続であって、前記第１および第２のアノードの前記電気通路と電気接触する負の電圧接続と、
前記少なくとも１つのコールドゾーン内の正の電圧接続であって、前記第１および第２のカソードの前記電気通路と電気接触する正の電圧接続と
を備える燃料電池システム。
【請求項１７】
前記複数の燃料電池デバイスの各々の中の前記第１および第２のアノードの各々に関連する燃料通路であって、前記少なくとも１つのコールドゾーンから前記反応ゾーンを通って延在する燃料通路と、
前記複数の燃料電池デバイスの各々の中の前記第１および第２のカソードの各々に関連する酸化剤通路であって、前記少なくとも１つのコールドゾーンから前記反応ゾーンを通って延在する酸化剤通路と、
前記燃料通路の中に燃料フローを供給するために、前記ホットゾーンチャンバの外側で前記少なくとも１つのコールドゾーンの各々に前記燃料通路との流体連結で結合される燃料供給と、
前記酸化剤通路の中に空気フローを供給するために、前記ホットゾーンチャンバの外側で前記少なくとも１つのコールドゾーンの各々に前記酸化剤通路との流体連結で結合される空気供給と
をさらに備える、請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
燃料電池デバイスであって、
動作反応温度まで加熱されるように構成される反応ゾーンを有し、かつ、前記反応ゾーンの中に少なくとも第１の能動層を有するセラミック支持構造と、
前記第１の能動層の中のセラミック電解質層と、
前記セラミック電解質層の第１の側に配置される前記第１の能動層の中に間隔を隔てて配置される複数の第１の電極と、
前記セラミック電解質層の第２の側に配置される前記第１の能動層の中に間隔を隔てて配置される複数の第２の電極であって、前記第１の電極の極性は前記第２の電極の極性とは反対であり、それぞれアノードおよびカソードから選択され、また、間隔を隔てて配置される前記複数の第１の電極の各々が、間隔を隔てて配置される前記複数の第２の電極の対応する１つと対向し、それらの間の前記セラミック電解質層がそれぞれ第１および第２の電極と対向して能動電池を形成することによって、、それにより間隔を隔てて配置される複数の能動電池が前記第１の能動層全体に配置される複数の第２の電極と、
間隔を隔てて配置される前記複数の能動電池の間に延在する複数の導電エレメントであって、前記複数の導電エレメントの各々が、１つの能動電池の前記第１の電極と物理的に接触し、前記１つの能動電池に隣接する空間を前記セラミック電解質層を貫通して延在し、かつ、間隔を隔てて配置される隣接する能動電池の前記第２の電極と物理的に接触することによって、前記複数の能動電池を前記第１の能動層の中で直列に接続する、複数の導電エレメントと
を備える燃料電池デバイス。
【請求項１９】
前記第１の能動層と同一の１つまたは複数の追加能動層であって、間隔を隔てた関係で前記第１の能動層の上に積み重ねられ、かつ、極性が交互に反転する１つまたは複数の追加能動層をさらに備え、第１のガス通路が、間隔を隔てて配置される個々の複数の第１の電極に隣接して配置され、また、第２のガス通路が、間隔を隔てて配置される個々の複数の第２の電極に隣接して配置されることによって、間隔を隔てた関係が提供され、隣接する能動層の間隔を隔てて配置される前記複数の第１の電極が、それらの間に共有される前記第１のガス通路と対向し、また、隣接する能動層の間隔を隔てて配置される前記複数の第２の電極が、それらの間に共有される前記第２のガス通路と対向する、請求項１８に記載の燃料電池デバイス。
【請求項２０】
隣接する能動層の、間隔を隔てて配置される対向する複数の第１の電極の各々の間の第１の電気コネクタ、および隣接する能動層の、間隔を隔てて配置される対向する複数の第２の電極の各々の間の第２の電気コネクタをさらに備えることによって、前記第１の能動層および追加能動層を並列に接続する、請求項１９に記載の燃料電池デバイス。
【請求項２１】
前記第１および第２の電極ならびに前記第１および第２の電気コネクタが多孔性であり、また、前記第１および第２の導電エレメントが非多孔性である、請求項２０に記載の燃料電池デバイス。
【請求項２２】
前記第１の電気コネクタの各々が、共有する前記第１のガス通路の中へ延在する隣接する能動層の間隔を隔てて配置される前記対向する複数の第１の電極の各々の一部を備え、かつ、その中で物理的に接触し、また、前記第２の電気コネクタの各々が、共有する前記第２のガス通路の中へ延在する隣接する能動層の間隔を隔てて配置される前記対向する複数の第２の電極の各々の一部を備え、かつ、その中で物理的に接触する、請求項２１に記載の燃料電池デバイス。
【請求項２３】
前記セラミック支持構造が、最大寸法である長さを有する細長い基板であることによって、前記細長い基板が、前記長さと同一の空間に延在する唯一の優勢な軸を有する熱膨張率を有する、請求項１８に記載の燃料電池デバイス。
【請求項２４】
前記反応ゾーンが前記長さの第１の部分に沿って配置され、また、前記セラミック支持構造が、前記長さの第２の部分に沿って配置される少なくとも１つのコールドゾーンであって、前記反応ゾーンが加熱されても前記動作反応温度未満の温度を維持するように構成される少なくとも１つのコールドゾーンをさらに含む、請求項２３に記載の燃料電池デバイス。
【請求項２５】
前記動作反応温度未満の低温での電気接続のために、前記第１の電極および前記第２の電極の各々が、前記少なくとも１つのコールドゾーンまで延在する電気通路を有する、請求項２４に記載の燃料電池デバイス。
【請求項２６】
前記セラミック支持構造が、第１の末端と第２の末端の間に延在する長さを有し、かつ、外部ロールエッジおよび内部ロールエッジを有する細長い螺旋ロール管状構造であり、前記第１の能動層の中の直列の能動電池が第１および第２の部分に配置され、前記第１の部分が前記第１の末端に隣接し、また、前記第２の部分が前記第２の末端に隣接し、各部分が、前記外部ロールエッジと前記内部ロールエッジの間に間隔を隔てて配置される前記能動電池を備え、前記能動電池のための電気経路が、前記外部ロールエッジから能動電池の前記第１の部分に沿って内側を螺旋状に前記内部ロールエッジまで延在し、次に、能動電池の前記第２の部分に沿って外側を螺旋状に前記外部ロールエッジまで延在する、請求項１８に記載の燃料電池デバイス。
【請求項２７】
前記第１の末端から前記長さに沿って前記第２の末端に隣接する第１の排気通路まで延在する複数の第１のガス通路であって、前記第１のガス通路の各々が、前記第１の末端を介して前記第１および第２の部分の各々の能動電池の前記第１の電極に第１のガスを供給し、前記第１の排気通路が、前記第１のガスを排気するために、前記内部ロールエッジに隣接する前記第１のガス通路から前記外部ロールエッジまで延在する、複数の第１のガス通路と、
前記第２の末端から前記長さに沿って前記第１の末端に隣接する第２の排気通路まで延在する複数の第２のガス通路であって、前記第２のガス通路の各々が、前記第２の末端を介して前記第１および第２の部分の各々の能動電池の前記第２の電極に第２のガスを供給し、前記第２の排気通路が、前記第２のガスを排気するために、前記内部ロールエッジに隣接する前記第２のガス通路から前記外部ロールエッジまで延在する、複数の第２のガス通路と
をさらに備える、請求項２６に記載の燃料電池デバイス。
【請求項２８】
前記セラミック支持構造が、第１の末端と第２の末端の間に延在する長さを有し、かつ、外部ロールエッジおよび内部ロールエッジを有する細長い螺旋ロール管状構造であり、前記第１の能動層の中の直列の能動電池が前記外部ロールエッジと内部ロールエッジの間に延在し、かつ、前記第１の末端と第２の末端の間に間隔を隔てて配置され、前記能動電池のための電気経路が前記第１の末端から前記第２の末端まで延在する、請求項１８に記載の燃料電池デバイス。
【請求項２９】
前記セラミック支持構造の前記第１の末端と一体をなしている第１の導電性末端部分、および前記セラミック支持構造の前記第２の末端と一体をなしている第２の導電性末端部分をさらに備え、前記電気経路がさらに前記第１および第２の導電性末端部分まで延在する、請求項２８に記載の燃料電池デバイス。
【請求項３０】
前記内部ロールエッジに隣接する前記第１の末端から前記長さに沿って隣接する前記第２の末端まで延在する第１の入口通路、および前記第１の入口通路から前記外部ロールエッジまで延在する複数の第１のガス通路であって、前記第１の入口通路が第１のガスを前記第１のガス通路に供給し、また、前記第１のガス通路の各々が前記第１のガスを対応する各能動電池の前記第１の電極に供給し前記外部ロールエッジ部分で排気する、第１の入口通路および複数の第１のガス通路と、
前記内部ロールエッジに隣接する前記第２の末端から前記長さに沿って隣接する前記第１の末端まで延在する第２の入口通路、および前記第２の入口通路から前記外部ロールエッジまで延在する複数の第２のガス通路であって、前記第２の入口通路が第２のガスを前記第２のガス通路に供給し、また、前記第２のガス通路の各々が前記第２のガスを対応する各能動電池の前記第２の電極に供給し前記外部ロールエッジ部分で排気する、第２の入口通路および複数の第２のガス通路と
をさらに備える、請求項２８に記載の燃料電池デバイス。
【請求項３１】
燃料電池システムであって、
ホットゾーンチャンバと、
請求項２５に記載の複数の燃料電池デバイスであって、それぞれ前記第１の部分を前記ホットゾーンチャンバの中にして配置され、かつ、前記少なくとも１つのコールドゾーンが前記ホットゾーンチャンバの外側に延在する、複数の燃料電池デバイスと、
前記ホットゾーンチャンバに結合される熱源であって、前記ホットゾーンチャンバ内の前記動作反応温度まで前記反応ゾーンを加熱するように適合される熱源と、
前記少なくとも１つのコールドゾーン内の負の電圧接続であって、アノードである前記第１または第２の電極のいずれかの前記電気通路と電気接触する負の電圧接続と、
前記少なくとも１つのコールドゾーン内の正の電圧接続であって、カソードである前記第１または第２の電極のいずれかの前記電気通路と電気接触する正の電圧接続と
を備える燃料電池システム。
【請求項３２】
前記複数の燃料電池デバイスの各々の中のアノードである前記第１または第２の電極のいずれかの各々に関連する燃料通路であって、前記少なくとも１つのコールドゾーンから前記反応ゾーンを通って延在する燃料通路と、
前記複数の燃料電池デバイスの各々の中のカソードである前記第１または第２の電極のいずれかの各々に関連する酸化剤通路であって、前記少なくとも１つのコールドゾーンから前記反応ゾーンを通って延在する酸化剤通路と、
前記燃料通路の中に燃料フローを供給するために、前記ホットゾーンチャンバの外側で前記少なくとも１つのコールドゾーンの各々に前記燃料通路との流体連結で結合される燃料供給と、
前記酸化剤通路の中に空気フローを供給するために、前記ホットゾーンチャンバの外側で前記少なくとも１つのコールドゾーンの各々に前記酸化剤通路との流体連結で結合される空気供給と
をさらに備える、請求項３１に記載の燃料電池システム。
【請求項３３】
燃料電池デバイスであって、
頂部カバー部分および底部カバー部分を有し、かつ、動作反応温度まで加熱されるように構成される反応ゾーンを有するセラミック支持構造と、
セラミック電解質層によって逆極性の第２の電極層から分離される第１の電極層を備え、かつ、ジグザグ方式で第１の末端から第２の末端まで延在する連続能動層であって、前記第１の末端が前記頂部カバー部分またはその近傍に取り付けられ、また、前記第２の末端が前記底部カバー部分またはその近傍に取り付けられ、それらの間に中間部分を備え、該中間部分が第１の湾曲部分と第２の湾曲部分の間に能動電池部分を備える、連続能動層と、
前記第１の電極層に隣接する能動電池部分の間の第１のガス通路、および前記第２の電極層に隣接する能動電池部分の間の第２のガス通路と
を備え、前記第１の湾曲または前記第２の湾曲のうちの少なくとも一方が、前記頂部カバー部分と底部カバー部分の間の前記セラミック支持構造への取付けから解放される燃料電池デバイス。
【請求項３４】
前記第１および第２の湾曲部分の各々が前記セラミック支持構造への取付けから解放される、請求項３３に記載の燃料電池デバイス。
【請求項３５】
前記第１の湾曲部分が前記セラミック支持構造への取付けから解放され、また、前記第２の湾曲部分が、前記頂部カバー部分と底部カバー部分の間の前記セラミック支持構造に取り付けられる、請求項３３に記載の燃料電池デバイス。
【請求項３６】
前記第１および第２の電極層の各々が、前記能動電池部分の前記セラミック電解質層に沿って対向する関係で間隔を隔てて配置される複数の電極を備え、前記第１および第２の湾曲が、前記間隔を隔てて配置される電極間の空間に配置され、また、複数の導電エレメントをさらに備え、各導電エレメントが、１つの能動電池部分の前記第１の電極と物理的に接触し、隣接する第１または第２の湾曲中の前記セラミック電解質層を貫通して延在し、かつ、前記隣接する能動電池部分の前記第２の電極と物理的に接触することによって、前記複数の能動電池部分を直列に電気接続する、請求項３３に記載の燃料電池デバイス。
【請求項３７】
燃料電池デバイスであって、
少なくとも１つの能動層を有し、かつ、反応温度のチャンバ内で動作するように構成されるセラミック支持構造であって、前記少なくとも１つの能動層が、アノード、カソードおよびそれらの間の電解質、前記アノードに隣接する燃料通路、および前記カソードに隣接する酸化剤通路を備えるセラミック支持構造と、
前記反応温度未満の温度で動作させるためにチャンバの外側に配置されるように構成されるコールド端、および前記セラミック支持構造の末端部分に永久的に取り付けられるホット端を有する少なくとも１つの細長いセラミック端管であって、前記少なくとも１つの細長いセラミック端管が、前記燃料通路および前記酸化剤通路のうちの一方または両方にガスを供給するために構成され、また、前記少なくとも１つの細長いセラミック端管が、最大寸法である長さを有することによって、前記長さと同一の空間に延在する唯一の優勢な軸を有する熱膨張率を有する、少なくとも１つの細長いセラミック端管と
を備え、前記少なくとも１つの細長いセラミック端管が、
前記少なくとも１つの細長いセラミック端管および前記セラミック支持構造を未焼結状態から共焼結するステップと
前記少なくとも１つの細長いセラミック端管を未焼結状態から焼結状態の前記セラミック支持構造へ焼結するステップと
前記セラミック支持構造を未焼結状態から焼結状態の前記少なくとも１つの細長いセラミック端管へ焼結するステップと
焼結状態の前記少なくとも１つの細長いセラミック端管と焼結状態の前記セラミック支持構造との間にガラスまたはガラスセラミック接着剤を加え、かつ、それらの間の接着剤を焼結するステップと
のうちの１つまたは組合せによって前記セラミック支持構造に永久的に取り付けられる燃料電池デバイス。
【請求項３８】
前記少なくとも１つの細長いセラミック端管が、前記セラミック支持構造の前記末端部分の周り、および細長い一時マンドレルの周りをセラミックテープでラッピングし、前記セラミックテープラッピングを前記末端部分および一時マンドレルまで積層し、かつ、焼結することによって未焼結状態から形成される、請求項３７に記載の燃料電池デバイス。
【請求項３９】
ラッピングの間、前記末端部分が未焼結状態であることによって、前記セラミックテープラッピングおよび末端部分が共焼結され、それによりそれらの間にモノリシック永久アタッチメントが提供される、請求項３８に記載の燃料電池デバイス。
【請求項４０】
前記少なくとも１つの細長いセラミック端管が、未焼結状態のセラミック材料を所望の形状に成形または鋳造し、前記ホット端に、前記セラミック支持構造の前記末端部分の対応する整合形状に整合する整合形状を持たせることによって形成され、前記永久アタッチメントに前記整合形状を結合するステップが含まれる、請求項３７に記載の燃料電池デバイス。
【請求項４１】
前記少なくとも１つの細長いセラミック端管が、前記アノードおよび／またはカソードへの電気接続を提供するのに十分な導電エレメントを含む、請求項３７に記載の燃料電池。
【請求項４２】
前記少なくとも１つの細長いセラミック端管が、前記燃料通路に燃料を供給するために構成される燃料供給端管、および酸素を含有したガスを前記酸化剤通路に供給するために構成される酸化剤供給端管を含む、請求項３７に記載の燃料電池デバイス。
【請求項４３】
前記燃料供給端管が、前記ホット端から前記コールド端まで、前記アノードへの電気接続を提供するのに十分に延在するアノード導電エレメントを含み、また、前記酸化剤供給端管が、前記ホット端から前記コールド端まで、前記カソードへの電気接続を提供するのに十分に延在するカソード導電エレメントを含む、請求項４２に記載の燃料電池デバイス。
【請求項４４】
燃料電池システムであって、
ホットゾーンチャンバと、
請求項３３に記載の複数の燃料電池デバイスであって、それぞれ前記セラミック支持構造、および前記ホット端を含む前記少なくとも１つの細長いセラミック端管の第１の部分を前記ホットゾーンチャンバの中にして配置され、また、前記少なくとも１つの細長いセラミック端管の第２の部分が前記ホットゾーンチャンバの外側に延在する前記コールド端を含む、複数の燃料電池デバイスと、
前記ホットゾーンチャンバに結合される熱源であって、前記ホットゾーンチャンバ内の前記反応温度まで前記少なくとも１つの能動層を加熱するように適合される熱源と、
前記ホットゾーンチャンバの外側で前記少なくとも１つの細長いセラミック端管の前記コールド端に結合される燃料供給および酸化剤供給であって、前記燃料通路の中に燃料フローを供給するために前記燃料供給が前記燃料通路と流体連結し、また、前記酸化剤通路の中に空気フローを供給するために前記酸化剤供給が前記酸化剤通路と流体連結する燃料供給および酸化剤供給と
を備える燃料電池システム。
【請求項４５】
燃料電池システムであって、
ホットゾーンチャンバと、
請求項４３に記載の複数の燃料電池デバイスであって、それぞれ前記セラミック支持構造、前記燃料供給端管の第１の部分、および前記ホット端を含む前記酸化剤供給端管を前記ホットゾーンチャンバの中にして配置され、また、前記燃料供給端管および前記酸化剤供給端管の第２の部分が前記ホットゾーンチャンバの外側に延在する前記コールド端を含む、複数の燃料電池デバイスと、
前記ホットゾーンチャンバに結合される熱源であって、前記ホットゾーンチャンバ内の前記反応温度まで前記少なくとも１つの能動層を加熱するように適合される熱源と、
前記ホットゾーンチャンバの外側で前記燃料供給端管の前記コールド端に結合される燃料供給であって、前記燃料通路の中に燃料フローを供給するために前記燃料通路と流体連結する燃料供給と、
前記ホットゾーンチャンバの外側で前記酸化剤供給端管の前記コールド端に結合される酸化剤供給であって、前記酸化剤通路の中に酸化剤フローを供給するために前記酸化剤通路と流体連結する酸化剤供給と、
前記燃料供給端管の前記コールド端での前記アノード導電エレメントへの負の電圧接続と、
前記酸化剤供給端管の前記コールド端での前記カソード導電エレメントへの正の電圧接続と
を備える燃料電池システム。
【請求項４６】
燃料電池デバイスであって、
高さより幅の方が広く、かつ、第１の末端と第２の末端の間の細長い方向に延在している複数の燃料チャネルおよび複数の酸化剤チャネルを有する細長いセラミックの平らな管であって、前記チャネルが、前記チャネル間の燃料および酸化剤の混合を防止するように構成される内部リブによって分離される、細長いセラミックの平らな管と、
前記細長いセラミックの平らな管の平らな表面に取り付けられる多層能動構造であって、前記多層能動構造が少なくとも２つの能動層を備え、能動層の各々が、アノード、カソードおよびそれらの間の電解質、前記アノードに隣接する燃料通路、および前記カソードに隣接する酸化剤通路を有する少なくとも１つの能動電池を備える多層能動構造と
を備え、各能動電池のための前記燃料通路が、前記細長いセラミックの平らな管の前記複数の燃料チャネルのうちの１つに流体結合され、また、個々の能動電池のための前記酸化剤通路が、前記細長いセラミックの平らな管の前記複数の酸化剤チャネルのうちの１つに流体結合されることによって、燃料および酸化剤ガスが対応する各燃料チャネルおよび酸化剤チャネルに供給され、次に、対応する個々の燃料通路および酸化剤通路に供給されるように構成される燃料電池デバイス。
【請求項４７】
燃料チャネルおよび酸化剤チャネルと、前記燃料通路および酸化剤通路との間の前記流体結合がそれぞれ、前記対応する各燃料チャネルおよび酸化剤チャネルから前記対応する各燃料通路および酸化剤通路への前記燃料および酸化剤ガスの拡散を許容する多孔性セラミック材料を前記細長いセラミックの平らな管の前記平らな表面に備える、請求項４６に記載の燃料電池デバイス。
【請求項４８】
燃料チャネルおよび酸化剤チャネルと、前記燃料通路および酸化剤通路との間の前記流体結合がそれぞれ、前記細長いセラミックの平らな管の前記平らな表面を貫通するビア経路を備える、請求項４６に記載の燃料電池デバイス。
【請求項４９】
前記細長いセラミックの平らな管が、前記第１の末端と第２の末端の間に中間部分を含み、前記中間部分の上に前記多層能動構造が取り付けられ、また、前記中間部分がチャンバ内で反応温度まで加熱されるように構成され、前記第１および第２の末端のうちの少なくとも一方が、前記反応温度未満の温度で燃料供給および酸化剤ガス供給に結合するために、前記チャンバの外側に延在するように構成される、請求項４６に記載の燃料電池デバイス。
【請求項５０】
前記第１および第２の末端の各々が、前記反応温度未満の温度で前記第１の末端を燃料供給に結合し、また、前記反応温度未満の温度で前記第２の末端を酸化剤供給に結合するために、前記チャンバの外側に延在するように構成される、請求項４９に記載の燃料電池デバイス。
【請求項５１】
前記第１および第２の末端の各々の幅の寸法が、前記末端が前記チャンバの外側へ貫通するように構成される領域内で細くなる、請求項５０に記載の燃料電池デバイス。
【請求項５２】
複数の個々の細長い管をさらに備え、各管が、一方の末端で前記複数の燃料チャネルおよび酸化剤チャネルのうちの１つに結合され、また、もう一方の末端で対応する各燃料供給または酸化剤供給に結合されるように構成され、各管が、前記多層能動構造を反応温度まで加熱するように適合されるチャンバのチャンバ壁を貫通するように構成される、請求項４６に記載の燃料電池デバイス。
【請求項５３】
各管がセラミック管であり、前記セラミック管が前記細長いセラミックの平らな管と共焼結されることにより前記対応する各燃料チャネルおよび酸化剤チャネルに永久的に取り付けられることによって、モノリシック管構造が形成される、請求項５２に記載の燃料電池デバイス。
【請求項５４】
複数のアノード層を有する多層能動電池構造を備える燃料電池デバイスであって、前記複数のアノード層の各々が、その中に第１の複数のマイクロ管状および／またはナノ管状通路を含み、前記複数のアノード層と、それぞれその中に第２の複数のマイクロ管状および／またはナノ管状通路を含んだ複数のカソード層が交互に積み重ねられ、また、電解質層が各アノード層を交互に配置されている各カソード層から分離することによって、前記多層能動電池構造の内部部分の前記アノード層およびカソード層がそれぞれ、２つの隣接する電解質層に対して使用される、燃料電池デバイス。
【請求項５５】
前記多層能動電池構造を含んだセラミック支持構造と、前記第１の複数のマイクロ管状および／またはナノ管状通路に燃料を供給するために、前記セラミック支持構造を貫通して前記多層能動電池構造まで延在し、かつ、前記アノード層に結合される燃料通路と、前記第２の複数のマイクロ管状および／またはナノ管状通路に酸化剤ガスを供給するために、前記セラミック支持構造を貫通して前記多層能動電池構造まで延在し、かつ、前記カソード層に結合される酸化剤通路とをさらに備える、請求項５４に記載の燃料電池デバイス。
【請求項５６】
前記セラミック支持構造が、少なくとも１つのコールド端部分、および前記多層能動電池構造が配置されるホットゾーン部分を有する細長い構造であり、前記燃料通路および酸化剤通路が前記少なくとも１つのコールド端部分から前記ホットゾーン部分の中へ延在する、請求項５５に記載の燃料電池デバイス。
【請求項５７】
前記第１および第２の複数のマイクロ管状および／またはナノ管状通路が、犠牲材料の繊維状シートにそれぞれの多孔性アノード材料またはカソード材料を浸み込ませ、前記シートを焼いて前記犠牲材料を焼き出し、次に焼結することによって形成される、請求項５４に記載の燃料電池デバイス。
【請求項５８】
複数のアノード層、複数のカソード層、各アノード層を各カソード層から分離する電解質層、各アノード層と一体をなしている能動燃料通路、および各カソード層と一体をなしている能動酸化剤通路を有する多層能動電池構造を含んだセラミック支持構造を備えた燃料電池デバイスであって、前記セラミック支持構造が、前記多層能動電池構造の一方の縁から外側に向かって延在する第１および第２の細長い部材をさらに有し、前記第１の細長い部材が前記能動燃料通路に結合される燃料供給通路を有し、前記第２の細長い部材が前記能動酸化剤通路に結合される酸化剤供給通路を有する燃料電池デバイス。
【請求項５９】
燃料電池システムであって、
チャンバ壁を有するホットゾーンチャンバと、
前記多層能動電池構造を前記ホットゾーンチャンバの中にして配置される、請求項５８に記載の燃料電池デバイスであって、前記第１および第２の細長い部材が前記チャンバ壁を貫通して前記ホットゾーンチャンバの外側へ延在する燃料電池デバイスと、
前記多層能動電池構造の周囲の前記セラミック支持構造から前記チャンバ壁の中へ延在する複数の安定化部材と、
前記ホットゾーンチャンバに結合される熱源であって、前記ホットゾーンチャンバ内の動作反応温度まで前記多層能動電池構造を加熱するように適合される熱源と
を備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１．７８（ａ）（４）により、２００７年１１月８日に出願した、「Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｄｅｖｉｃｅ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の同時係属仮出願第６０／９８６３６８号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０６Ｐ）の利益および優先権を主張するものである。本出願は、また、２００８年５月８日に出願した、参照によりその開示全体が本明細書に組み込まれている、「Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｄｅｖｉｃｅ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の同時係属米国特許出願第１２／１１７６２２号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０５ＵＳ  １）に関しており、また、同じく、いずれも２００７年５月１０日に出願した、参照によりその開示全体が本明細書に組み込まれている、「Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｄｅｖｉｃｅ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の同時係属米国特許出願第１１／７４７０６６号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０３ＵＳ  １）および第１１／７４７０７３号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０３ＵＳ２）に関している。本出願は、さらに、それぞれ「Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｄｅｖｉｃｅ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の同時係属米国特許出願第１１／５５７８９４号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０４ＵＳ１）、第１１／５５７９０１号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０４ＵＳ２）および第１１／５５７９３５号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０４ＵＳ３）、ならびに「Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｄｅｖｉｃｅ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ，  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｕｓｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｍａｋｉｎｇ」という名称の第１１／５５７９３４号（整理番号ＤＥＶＯＦＣ−０４ＵＳ４）に関しており、これらはすべて２００６年１１月８日に出願されたもので、参照によりそれらの開示全体が本明細書に組み込まれている。
【０００２】
本発明は、燃料電池デバイスおよびシステム、ならびにこれらのデバイスを製造する方法に関し、より詳細には、多層モノリシックＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）の形態の燃料電池デバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
セラミック管は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ，Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）の製造における使用が見出されている。いくつかのタイプの燃料電池が存在しており、それらの各々が、燃焼を伴うことなく電気を生成するための異なる燃料および空気変換機構を提供している。ＳＯＦＣの場合、燃料と空気の間の障壁層（「電解質」）は、層を介した酸素原子の移動を許容して化学反応を完成させるセラミック層である。セラミックは、室温では酸素原子の貧弱な伝導体であるため、燃料電池は７００℃ないし１０００℃で動作し、また、セラミック層は、可能な限り薄い層になるように製造される。
【０００４】
初期の管状ＳＯＦＣは、長く、かつ、極めて太い酸化ジルコニウムセラミックの押出し管を使用してＷｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造された。典型的な管の長さは数フィートの長さであり、管の直径は１／４インチから１／２インチまでの範囲であった。燃料電池のための完全な構造には、通常、大体１０本の管が含まれていた。研究者や産業グループは、やがて、８モル％のＹ２Ｏ３を含有した酸化ジルコニウムセラミックの化学式を発見した。この材料は、とりわけ日本のＴｏｓｏｈが製品ＴＺ−８Ｙとして製造している。
【０００５】
ＳＯＦＣを製造する他の方法には、燃料電池構造を達成するために他のアノードおよびカソードと共に積み重ねられた酸化ジルコニウムの平らなプレートが利用されている。Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅが想定した、高く、かつ、細いデバイスと比較すると、これらの平らなプレート構造は、スタック全体を一体に保持するためのクランピング機構を備えた、一辺が６インチないし８インチの立方体の形にすることができる。
【０００６】
より新しい方法には、直径が小さい、壁の厚さが極めて薄い管をより大量に使用することが想定されている。酸素イオンの移動速度は、距離および温度によって制限されるため、セラミックを薄い壁にして使用することは、ＳＯＦＣにおいては重要である。使用される酸化ジルコニウムの層が薄いほど、より低い温度で最終デバイスを動作させることができ、その一方で同じ効率を維持することができる。文献には、セラミック管を１５０μｍ以下の壁厚で製造する必要性が記述されている。
【０００７】
ＳＯＦＣの実現の成功を妨害しているいくつかの大きな技術的な問題が存在している。問題の１つは、加熱中におけるセラミックエレメントのひび割れを防止しなければならないことである。そのためには、管は本質的に一次元であるため、競合する「スタック」タイプ（大きい平らなセラミックプレートから製造される）よりも管状ＳＯＦＣ手法の方が良好である。管は、例えば中央部分を熱くして、ひび割れを生じることなく膨張させることができる。例えば、管状炉は、長さ３６インチ、直径４インチの酸化アルミニウム管を加熱することができ、管は、中央部分が赤熱し、また、その末端部分は、触れることができるほど十分に冷たくなる。管は中央セクションが一様に加熱されるため、その中央セクションが膨張して管をより長くするが、ひび割れが生じることはない。中央部分のみが加熱されるセラミックプレートは、中央部分が膨張し、一方、外側は同じサイズを維持するため、すぐに粉々に破壊されることになる。管の重要な特性は、管が一軸性であること、つまり一次元であることである。
【０００８】
第２の重要な課題は、ＳＯＦＣに接触させることである。ＳＯＦＣは、高温（一般的には７００〜１０００℃）で動作させることが理想的であるが、尚かつ外界の空気および燃料に接続しなければならず、また、電気接続する必要がある。理想的には室温での接続が期待される。有機材料を使用することは不可能であり、したがってガラスシールまたは機械的なシールを使用しなければならないため、高温での接続は問題である。これらは、一部には膨張問題のため、信頼性に欠ける。また、それらは場合によっては高価である。
【０００９】
したがって従来のＳＯＦＣシステムは、上で言及した少なくとも２つの問題に関連する困難性を有している。また、プレート技術は、ガスポートを密閉する点に関して、プレートの縁に関連する困難性を有しており、また、高速加熱ならびにひび割れに関連する困難性を有している。管手法はひび割れの問題を解決しているが、依然として他の問題を抱えている。ＳＯＦＣ管が有用であるのは、ガスコンテナとしてのみにすぎない。ＳＯＦＣ管を働かせるためには、より大きい空気コンテナの中で使用しなければならない。これは、嵩張る。管の使用に対する重要な課題は、熱および空気の両方、つまり反応のためのＯ２を提供する空気、および反応を加速させる熱を管の外部に印加しなければならないことである。空気は、実際に部分的に還元され（熱を提供するために部分的に燃焼される）、そのために電池の駆動電位が低下するため、したがって、通常、熱は、Ｏ２が２０％（典型値）である空気を印加する代わりに燃料を燃焼させることによって印加される。
【００１０】
また、ＳＯＦＣ管は、そのスケーラビリティが制限されている。より大きいｋＶ出力を達成するためには、より多くの管を追加しなければならない。個々の管は単一の電解質層であり、そのためにますます嵩張っている。固体電解質管技術は、さらに、達成可能な電解質の薄さの点で制限されている。電解質は、薄ければ薄いほど、より有効である。電力をより大きくするためには、２μｍ、さらには１μｍの厚さの電解質が最適であるが、固体電解質管では、それを達成することは極めて困難である。単一の燃料電池面積は、約０．５ボルトないし１ボルトを生成するが（これは、電池が１．２ボルトを出力する方法と同様、化学反応の推進力により固有である）、電流、したがって電力は、いくつかの要因によって決まることに留意されたい。所与の時間内により多くの酸素イオンを電解質を横切って移動させる要因によってより大きい電流が得られる。これらの要因は、より高い温度、より薄い電解質およびより広い面積である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／１０５００３号明細書
【特許文献２】米国特許第６２９１０８９号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、燃料電池デバイスおよびシステム、これらのデバイスおよびシステムの使用方法、ならびにこれらのデバイスの製造方法に関している。本発明の一実施形態によれば、燃料電池デバイスは、動作反応温度まで加熱されるように構成される反応ゾーンを有し、かつ、該反応ゾーンの中に第１の能動層および第２の能動層を有するセラミック支持構造を備えている。第１の能動層の中の第１の能動電池は、第１のアノード、第１のカソード、およびそれらの間の第１の電解質を備える。また、第２の能動層の第２の能動電池は、第２のアノード、第２のカソード、およびそれらの間の第２の電解質を備える。一対の同極性の電極間には電気相互接続が存在しており、この一対の同極性の電極は、第１および第２のアノードであるか、あるいは第１および第２のカソードであるかのいずれかであり、また、この一対の同極性の電極には、この一対の同極性の電極が物理的に間隔を隔てて配置される平行セクション、およびこの一対の同極性の電極が物理的かつ電気的に接触する歪みセクションであって、電気相互接続を提供することによって、第１および第２の能動電池を並列に接続する歪みセクションが含まれている。さらに、複数のデバイスの反応ゾーンが中に配置されるホットゾーンチャンバであって、個々のコールドゾーンが該ホットゾーンチャンバの外側に延在するホットゾーンチャンバを有する燃料電池システムが提供される。反応ゾーンを動作反応温度まで加熱するための熱源がホットゾーンチャンバに結合されており、また、それぞれアノードおよびカソードと電気接触しているコールドゾーンには負および正の電圧接続が提供されている。
【００１３】
他の実施形態では、燃料電池デバイスは、動作反応温度まで加熱されるように構成される反応ゾーンを有し、かつ、該反応ゾーンの中に少なくとも第１の能動層を有するセラミック支持構造を備えている。第１の能動層の中の第１の能動電池は、第１のカソードおよび第１のアノードを備える。第１のアノードは、第１のカソードに対向する第１の多孔性アノード部分および第１の非多孔性アノード部分を備えている。また、第２の能動電池も、第１の能動電池に隣接する第１の能動層中に存在して、第２のアノードおよび第２のカソードを備える。第２のカソードは、第２のアノードに対向する第２の多孔性カソード部分、および第２の非多孔性カソード部分を備えている。第１のアノードと第１のカソードの間、および第２のアノードと第２のカソードの間の第１の能動層にはセラミック電解質が提供されている。第１の非多孔性アノード部分が、セラミック支持構造内で第２の非多孔性カソード部分に電気接続されていることによって、第１および第２の能動電池を第１の能動層の中で直列に接続している。さらに、上で説明した、この実施形態の複数のデバイスを備える燃料電池システムが提供される。
【００１４】
他の実施形態では、燃料電池デバイスは、動作反応温度まで加熱されるように構成される反応ゾーンを有し、かつ、該反応ゾーンの中に少なくとも第１の能動層を有するセラミック支持構造を備えている。第１の能動層には、セラミック電解質層、セラミック電解質層の第１の面に配置される、間隔を隔てた複数の第１の電極、およびセラミック電解質層の第２の面に配置される、間隔を隔てた複数の第２の電極が含まれており、第１の電極の極性は第２の電極の極性とは反対であり、それぞれアノードおよびカソードから選択され、また、間隔を隔てた複数の第１の電極の各々が、間隔を隔てた複数の第２の電極の対応する各々と対向し、それらの間にセラミック電解質層を備えている。対向する第１および第２の電極の各々は能動電池を形成しており、間隔を隔てた複数の能動電池が第１の能動層全体に配置される。複数の導電エレメントが、間隔を隔てた複数の能動電池の間に延在しており、これらの複数の導電エレメントの各々が１つの能動電池の第１の電極と物理的に接触し、その１つの能動電池に隣接する空間をセラミック電解質層を貫通して延在し、かつ、隣接する間隔を隔てた能動電池の第２の電極と物理的に接触し、それにより複数の能動電池を第１の能動層の中で直列に接続している。さらに、上で説明した、この実施形態の複数のデバイスを備える燃料電池システムが提供される。
【００１５】
本発明の他の実施形態では、燃料電池デバイスは、頂部カバー部分および底部カバー部分を有し、かつ、動作反応温度まで加熱されるように構成される反応ゾーンを有するセラミック支持構造を備えている。このデバイスは、さらに、セラミック電解質層によって相対する極性の第２の電極層から分離される第１の電極層を備え、かつ、第１の末端から第２の末端までジグザグ方式で延在している連続能動層を備えている。第１の末端は、頂部カバー部分またはその近傍に取り付けられており、また、第２の末端は、底部カバー部分またはその近傍に取り付けられており、それらの間の中間部分は、第１の湾曲部分と第２の湾曲部分の間の能動電池部分を備えている。第１の電極層に隣接する能動電池部分の間に第１のガス通路が提供されており、また、第２の電極層に隣接する能動電池部分の間に第２のガス通路が提供されており、第１の湾曲または第２の湾曲のうちの少なくとも一方は、頂部カバー部分と底部カバー部分の間のセラミック支持構造への取付けから解放されている。
【００１６】
さらに他の実施形態では、燃料電池デバイスは、その中に少なくとも１つの能動層を有する、反応温度のチャンバ内で動作するように構成されるセラミック支持構造を備えており、少なくとも１つの能動層は、アノード、カソードおよびそれらの間の電解質、アノードに隣接する燃料通路、およびカソードに隣接する酸化剤通路を備えている。反応温度より低い温度で動作させるためにチャンバの外側に配置されるように構成されるコールド端、およびセラミック支持構造の末端部分に永久的に取り付けられるホット端を有する少なくとも１つの細長いセラミック端管が提供される。この端管は、燃料通路および酸化剤通路のうちの一方または両方にガスを供給するように構成されており、また、この端管は、最大寸法である長さを有しており、したがって熱膨張率は、その長さと同一の空間に延在する唯一の優勢な軸を有している。セラミック端管は、少なくとも１つの細長いセラミック端管およびセラミック支持構造を未焼結状態から共焼結するステップと、少なくとも１つの細長いセラミック端管を未焼結状態から焼結状態のセラミック支持構造へ焼結するステップと、セラミック支持構造を未焼結状態から焼結状態の少なくとも１つの細長いセラミック端管へ焼結するステップと、焼結状態の少なくとも１つの細長いセラミック端管と焼結状態のセラミック支持構造との間にガラスまたはガラスセラミック接着剤を加え、かつ、それらの間の接着剤を焼結するステップとのうちの１つまたは組合せによってセラミック支持構造に永久的に取り付けられる。
【００１７】
他の実施形態では、燃料電池デバイスは、高さより幅の方が広く、かつ、第１の末端と第２の末端の間の細長い方向に延在している複数の燃料チャネルおよび複数の酸化剤チャネルを有する細長いセラミックの平らな管を備えており、チャネルは、チャネル間の燃料および酸化剤の混合を防止するように構成される内部リブによって分離されている。細長いセラミックの平らな管の平らな表面には、少なくとも２つの能動層を備える多層能動構造が取り付けられており、これらの能動層の各々は、アノード、カソードおよびそれらの間の電解質、アノードに隣接する燃料通路、およびカソードに隣接する酸化剤通路を有する少なくとも１つの能動電池を備えており、個々の能動電池のための燃料通路は、細長いセラミックの平らな管の複数の燃料チャネルのうちの１つに流体結合されており、また、個々の能動電池のための酸化剤通路は、細長いセラミックの平らな管の複数の酸化剤チャネルのうちの１つに流体結合されており、それにより燃料および酸化剤ガスが対応する個々の燃料および酸化剤チャネルに供給され、次に、対応する個々の燃料通路および酸化剤通路に供給されるように構成されている。
【００１８】
他の実施形態では、燃料電池デバイスは、複数のアノード層を有する多層能動電池構造を備えており、これらのアノード層の各々には、その中に第１の複数のマイクロ管状および／またはナノ管状通路が含まれており、これらのアノード層と、それぞれその中に第２の複数のマイクロ管状および／またはナノ管状通路が含まれている複数のカソード層が交互に積み重ねられており、電解質層がこれらの個々のアノード層を交互に配置されている個々のカソード層から分離しており、それにより多層能動電池構造の内部部分のアノード層およびカソード層は、それぞれ２つの隣接する電解質層として機能している。
【００１９】
他の実施形態では、燃料電池デバイスは、複数のアノード層、複数のカソード、個々のアノード層を個々のカソード層から分離している電解質層、個々のアノード層と一体をなしている能動燃料通路、および個々のカソード層と一体をなしている能動酸化剤通路を有する多層能動電池構造を含んだセラミック支持構造を備えており、このセラミック支持構造は、さらに、多層能動電池構造の一方の縁から外側に向かって延在している第１および第２の細長い部材を有しており、第１の細長い部材は、能動燃料通路に結合される燃料供給通路を有しており、また、第２の細長い部材は、能動酸化剤通路に結合される酸化剤供給通路を有している。さらに、チャンバ壁を備えるホットゾーンチャンバを有する燃料電池システムが提供され、該ホットゾーンチャンバの中に多層能動電池構造が配置され、第１および第２の細長い部材は、チャンバ壁を貫通してホットゾーンチャンバの外側へ延在している。多層能動電池構造の周囲のセラミック支持構造からチャンバ壁の中へ複数の安定化部材が延在しており、また、ホットゾーンチャンバに結合される熱源は、多層能動電池構造をホットゾーンチャンバ内で動作反応温度まで加熱するように適合されている。
【００２０】
本明細書に組み込まれ、かつ、本明細書の一部をなしている添付の図面は、本発明の実施形態を示したものであり、上で説明した本発明についての一般的な説明および以下の詳細な説明と共に本発明を説明する役割を担っている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】単一のアノード層、カソード層および電解質層、ならびに２つの端コールドゾーンの間のホットゾーンを有する本発明の基本Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を示す横断面側面図である。
【図１Ａ】単一のアノード層、カソード層および電解質層、ならびに２つの端コールドゾーンの間のホットゾーンを有する本発明の基本Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を示す横断面上面図である。
【図２】燃料供給管が接続された本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態の第１の末端を示す斜視図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による、修正された末端を有するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ａのデバイスの修正された一方の末端に接続された燃料供給管を示す斜視図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による、正および負の電圧接続点に電気接続するための複数のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスに対する金属結合アタッチメント手段を示す斜視図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による複数のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス間の接続であって、個々のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスが複数のアノードおよびカソードを含む接続を示す略端面図である。
【図５】本発明の一実施形態による、正および負の電圧接続点に電気接続するための機械式アタッチメント手段を示す略端面図である。
【図６Ａ】Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一方の末端であって、燃料供給管および空気供給管が取り付けられる末端に単一のコールドゾーンを有し、もう一方の末端がホットゾーンである一代替実施形態を示す斜視図である。
【図６Ｂ】Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一方の末端であって、燃料供給管および空気供給管が取り付けられる末端に単一のコールドゾーンを有し、もう一方の末端がホットゾーンである一代替実施形態を示す斜視図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態による、空気通路および燃料通路内の複数の支柱を示す横断面側面図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による、空気通路および燃料通路内の複数の支柱を示す上面図である。
【図７Ｃ】本発明の他の実施形態による、燃料通路および空気通路内における支柱としての球面ボールの使用を示す顕微鏡写真である。
【図７Ｄ】本発明の他の実施形態による、燃料通路および空気通路内における支柱としての球面ボールの使用を示す顕微鏡写真である。
【図８Ａ】外部で並列に接続された２つの燃料電池を含んだ本発明の一実施形態を示す横断面図である。
【図８Ｂ】ビアを使用して内部で並列に接続された２つの燃料電池を有する、図８Ａと同様の本発明の他の実施形態を示す横断面図である。
【図９Ａ】アノードおよびカソードを共有した本発明の一実施形態による多重燃料電池設計であって、３つの燃料電池層が並列に接続された多重燃料電池設計を示す横断面図である。
【図９Ｂ】アノードおよびカソードを共有した本発明の一実施形態による多重燃料電池設計であって、３つの燃料電池が直列に接続された多重燃料電池設計を示す横断面図である。
【図１０】デバイスのコールド端に接続され、かつ、加熱された空気をホットゾーン中のデバイスに供給するための空気通路にホットゾーン中で通じているデバイスの側面に接続された燃料供給管を有する、本発明の一実施形態によるＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す略側面図である。
【図１０Ａ】図１０の実施形態の一変形形態であって、互いに反対側に位置しているコールド端とコールド端の間にホットゾーンが配置される変形形態を示す略側面図である。
【図１０Ｂ】線１０Ｂ−１０Ｂに沿って取った図１０ＡのＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す横断面上面図である。
【図１１】図１２〜２４に示されているコンポーネントのためのキーを提供している本発明の実施形態を示す略図である。
【図１２】本発明の実施形態を示す略図である。
【図１３】本発明の実施形態を示す略図である。
【図１４】本発明の実施形態を示す略図である。
【図１５】本発明の実施形態を示す略図である。
【図１６】本発明の実施形態を示す略図である。
【図１７】本発明の実施形態を示す略図である。
【図１８】本発明の実施形態を示す略図である。
【図１９】本発明の実施形態を示す略図である。
【図２０】本発明の実施形態を示す略図である。
【図２１】本発明の実施形態を示す略図である。
【図２２】本発明の実施形態を示す略図である。
【図２３】本発明の実施形態を示す略図である。
【図２４】本発明の実施形態を示す略図である。
【図２５Ａ】一方のコールド端に細長いセクションを有し、反対側のホット端に広い表面積セクションを有するパンハンドル設計を有する、本発明の一実施形態によるＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す略平面図である。
【図２５Ｂ】互いに反対側に位置しているコールド端に２つの細長いセクションを有し、中央のホットゾーンに表面積が広い中央セクションを有するパンハンドル設計の一代替実施形態を示す略平面図である。
【図２６Ａ】互いに反対側に位置しているコールド端に２つの細長いセクションを有し、中央のホットゾーンに表面積が広い中央セクションを有するパンハンドル設計の一代替実施形態を示す略平面図である。
【図２６Ｂ】互いに反対側に位置しているコールド端に２つの細長いセクションを有し、中央のホットゾーンに表面積が広い中央セクションを有するパンハンドル設計の一代替実施形態を示す略側面図である。
【図２７Ａ】一方のコールド端に細長いセクションを有し、反対側のホット端に広い表面積セクションを有するパンハンドル設計を有する、本発明の一実施形態によるＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す略平面図である。
【図２７Ｂ】一方のコールド端に細長いセクションを有し、反対側のホット端に広い表面積セクションを有するパンハンドル設計を有する、本発明の一実施形態によるＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す略側面図である。
【図２８Ａ】螺旋管状構成すなわち巻かれた管状構成を有する、本発明の一実施形態によるＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスであって、巻かれていない構造を示す略上面図である。
【図２８Ｂ】螺旋管状構成すなわち巻かれた管状構成を有する、本発明の一実施形態によるＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスであって、巻かれていない構造を示す略端面図である。
【図２８Ｃ】螺旋管状構成すなわち巻かれた管状構成を有する、本発明の一実施形態によるＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスであって、巻かれていない構造を示す略側面図である。
【図２８Ｄ】螺旋管状構成すなわち巻かれた管状構成を有する、本発明の一実施形態によるＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスであって、螺旋管状構成すなわち巻かれた管状構成を示す略斜視図である。
【図２９Ａ】Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスが管状同心形態を有する本発明の他の代替実施形態を示す略等角図である。
【図２９Ｂ】図２９Ａから取った横断面図である。
【図２９Ｃ】図２９Ａから取った横断面図である。
【図２９Ｄ】図２９Ａから取った横断面図である。
【図２９Ｅ】図２９Ａから取った横断面図である。
【図２９Ｆ】空気入口端における端面図である。
【図２９Ｇ】燃料入口端における端面図である。
【図３０Ａ】ホットゾーン中の能動ゾーンの前段に統合予熱ゾーンを有する本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を示す略横断面側面図である。
【図３０Ｂ】図３０Ａのデバイスを示す、線３０Ｂ−３０Ｂに沿って取った略横断面図である。
【図３０Ｃ】図３０Ａのデバイスを示す、線３０Ｃ−３０Ｃに沿って取った略横断面図である。
【図３１Ａ】２つのコールドゾーンを中央ホットゾーンと共に示す、図３０Ａと同様の図である。
【図３１Ｂ】２つのコールドゾーンを中央ホットゾーンと共に示す、図３０Ｂと同様の図である。
【図３１Ｃ】２つのコールドゾーンを中央ホットゾーンと共に示す、図３０Ｃと同様の図である。
【図３２Ａ】図３２Ａの線３２Ｂ−３２Ｂに沿って取った略横断面側面図であって、燃料インレットと燃料通路の間、および空気インレットと空気通路の間に延在している複数の予熱チャンバをさらに含み、個々の予熱チャンバがコールドゾーンからホットゾーンの予熱ゾーンの中へ延在している、図３１Ａ〜３１Ｃに示されている実施形態と同様の実施形態を示す略横断面側面図である。
【図３２Ｂ】図３２Ａの線３２Ｂ−３２Ｂに沿って取った略横断面上面図であって、燃料インレットと燃料通路の間、および空気インレットと空気通路の間に延在している複数の予熱チャンバをさらに含み、個々の予熱チャンバがコールドゾーンからホットゾーンの予熱ゾーンの中へ延在している、図３１Ａ〜３１Ｃに示されている実施形態と同様の実施形態を示す略横断面上面図である。
【図３３Ａ】空気および燃料を予熱するための本発明の他の実施形態を示す図であって、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの長手方向の中心に沿った略横断面側面図である。
【図３３Ｂ】図３３Ａの線３３Ｂ−３３Ｂに沿って取った略横断面上面図である。
【図３３Ｃ】図３３Ａの線３３Ｃ−３３Ｃに沿って取った略横断面底面図である。
【図３４Ａ】外部で直列に相互接続された複数のアノードおよびカソードを有する本発明の一実施形態を示す略斜め正面図である。
【図３４Ｂ】外部で直列に相互接続された複数のアノードおよびカソードを有する本発明の一実施形態を示す略側面図である。
【図３５】直列−並列設計を提供するために、金属条片によって外部接続された２つの構造を使用して二重化された図３４Ｂの構造を示す略側面図である。
【図３６Ａ】ホットゾーン内でアノードおよびカソードを直列および／または並列に接続するための金属条片、およびホットゾーンからコールドゾーンまで延在している、コールドゾーン内で正および負の電圧接続点に低温接続するための長い金属条片を含んだ本発明の他の実施形態を示す略側面図である。
【図３６Ｂ】ホットゾーン内でアノードおよびカソードを直列および／または並列に接続するための金属条片、およびホットゾーンからコールドゾーンまで延在している、コールドゾーン内で正および負の電圧接続点に低温接続するための長い金属条片を含んだ本発明の他の実施形態を示す略斜視図である。
【図３７】空気および燃料供給接続のため、および電圧接続点接続のための単一のコールドゾーンを有する、図３６Ｂの実施形態と同様の実施形態を示す略等角図である。
【図３８Ａ】構造内に通路を形成するために使用される有機材料を焼き出すための複数の出口ギャップをデバイスの側面に沿って有する本発明の一実施形態を示す略横断面側面図である。
【図３８Ｂ】構造内に通路を形成するために使用される有機材料を焼き出すための複数の出口ギャップをデバイスの側面に沿って有する本発明の一実施形態を示す略横断面側面図である。
【図３９】Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのアノード支持バージョンと呼ばれている支持構造としてアノード材料が使用される、本発明の他の実施形態を示す略横断面端面図である。
【図４０Ａ】デバイスを介して燃料を運ぶ機能を果たしている多孔性アノードの方を選んで開放燃料通路が除去される、本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの他の実施形態によるアノード支持バージョンを示す略横断面端面図である。
【図４０Ｂ】デバイスを介して燃料を運ぶ機能を果たしている多孔性アノードの方を選んで開放燃料通路が除去される、本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの他の実施形態によるアノード支持バージョンを示す略横断面側面図である。
【図４１Ａ】複数の空気通路がアノード支持構造内に提供され、かつ、単一の燃料通路がこれらの複数の空気通路に対して直角に提供される、本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのアノード支持バージョンの他の実施形態を示す略横断面端面図である。
【図４１Ｂ】複数の空気通路がアノード支持構造内に提供され、かつ、単一の燃料通路がこれらの複数の空気通路に対して直角に提供される、本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのアノード支持バージョンの他の実施形態を示す略横断面上面図である。
【図４２Ａ】一実施形態による、本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの通路内に電極層を形成するための方法を示す略横断面図である。
【図４２Ｂ】一実施形態による、本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの通路内に電極層を形成するための方法を示す略横断面図である。
【図４２Ｃ】一実施形態による、本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの通路内に電極層を形成するための方法を示す略横断面図である。
【図４３】電解質層が、電極層を受け入れるために利用することができる表面積を広くするために非一様なトポグラフィを備えた、本発明の他の実施形態を示す略横断面側面図である。
【図４４】電解質層の上に非一様なトポグラフィを提供するための本発明の一代替実施形態を示す略横断面側面図である。
【図４５Ａ】デバイスの左側および右側の各々に複数の燃料電池を有し、かつ、それらの間に橋絡部分を有する、本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を示す略上面図である。
【図４５Ｂ】ホットゾーンに沿った、デバイスの左側および右側の各々に複数の燃料電池を有し、かつ、それらの間に橋絡部分を有する、本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を示す横断面図である。
【図４６Ａ】デバイスのコールド端へ移動する電子に抵抗が小さい大きい経路、あるいは幅の広い経路を提供するために大きい外部コンタクトパッドを有する、本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの他の実施形態を示す略斜視図である。
【図４６Ｂ】デバイスのコールド端へ移動する電子に抵抗が小さい大きい経路、あるいは幅の広い経路を提供するために大きい外部コンタクトパッドを有する、本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの他の実施形態を示す略横断面図である。
【図４７】使用済みの燃料および空気の両方のための単一の排気通路を有する、本発明の他の実施形態によるＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す略横断面側面図である。
【図４８Ａ】分厚い部分および薄く巻かれた部分を有する「エンドロールＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス」と呼ばれている一代替実施形態であって、巻かれていないデバイスを示す斜視図である。
【図４８Ｂ】分厚い部分および薄く巻かれた部分を有する「エンドロールＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス」と呼ばれている一代替実施形態であって、巻かれたデバイスを示す横断面側面図である。
【図４８Ｃ】分厚い部分および薄く巻かれた部分を有する「エンドロールＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス」と呼ばれている一代替実施形態であって、巻かれたデバイスを示す斜視図である。
【図４９Ａ】２つのセラミック層の間に１本のワイヤを使用してＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを構築するための一実施形態を示す略横断面側面図である。
【図４９Ｂ】積層後の図４９Ａのデバイスを示す略斜視図である。
【図４９Ｃ】ワイヤが除去された後の図４９Ｂのデバイスを示す略斜視図である。
【図５０Ａ】ワイヤおよびギャップ形成テープの組合せを使用してＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを構築するための他の実施形態を示す略横断面図である。
【図５０Ｂ】ワイヤおよびギャップ形成テープの組合せを使用してＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを構築するための他の実施形態を示す略横断面図である。
【図５０Ｃ】ワイヤおよびギャップ形成テープの組合せを使用してＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを構築するための他の実施形態を示す略横断面図である。
【図５１】炉壁を通過するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す略斜視図である。
【図５２Ａ】炉壁を通過するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す略斜視図である。
【図５２Ｂ】炉壁の境界内における５２ＢのＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一部を示す略斜視図である。
【図５２Ｃ】炉壁を通過することになる管状Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一部を示す略斜視図である。
【図５３】複数の層で構築された炉壁を通過するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す略斜視図である。
【図５４】複数の層およびエアギャップで構築された炉壁を通過するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す略斜視図である。
【図５５Ａ】フローティング集電体を有するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのアセンブリを示す略横断面図である。
【図５５Ｂ】フローティング集電体を有するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのアセンブリを示す略横断面図である。
【図５５Ｃ】フローティング集電体を有するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのアセンブリを示す略横断面図である。
【図５５Ｄ】フローティング集電体を有するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのアセンブリを示す略横断面図である。
【図５５Ｅ】フローティング集電体を有するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのアセンブリを示す略横断面図である。
【図５６Ａ】フローティング集電体を支持している酸化ジルコニウムボールを示す顕微鏡写真である。
【図５６Ｂ】フローティング集電体を支持している酸化ジルコニウムボールを示す顕微鏡写真である。
【図５７Ａ】アノードまたはカソードを形成するための、粘性液の中に懸濁したアノード粒子またはカソード粒子の図５５Ｄの構造への充填を示す略横断面図である。
【図５７Ｂ】アノードまたはカソードを形成するための、粘性液の中に懸濁したアノード粒子またはカソード粒子の図５５Ｄの構造への充填を示す略横断面図である。
【図５８Ａ】通路をほぼ遮断している集電体を示す顕微鏡写真である。
【図５８Ｂ】通路をほぼ遮断している集電体を示す顕微鏡写真である。
【図５８Ｃ】通路をほぼ遮断している集電体を示す顕微鏡写真である。
【図５９】アノードおよびカソードの表面の集電体を示す略横断面図である。
【図６０】アノードおよびカソードの表面に埋め込まれた集電体を示す略横断面図である。
【図６１Ａ】アノードまたはカソードの中に集電体を埋込む方法を示す図である。
【図６１Ｂ】アノードまたはカソードの中に集電体を埋込む方法を示す図である。
【図６１Ｃ】アノードまたはカソードの中に集電体を埋込む方法を示す図である。
【図６２】２つの厚さを有する電解質の個々の層を達成する方法を示す略横断面図である。
【図６２Ａ】図６２の詳細図である。
【図６３】ハッチパターンの集電体の上面図を示す顕微鏡写真である。
【図６４】多孔性アノードまたはカソードの上方の集電体の側面図を示す顕微鏡写真である。
【図６５】多孔性アノードまたはカソードの上方の集電体の角度が付いた横断面図を示す顕微鏡写真である。
【図６６Ａ】Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの末端にかぶせるように挿入された管の略横断面図である。
【図６６Ｂ】図６６ＡのＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの末端の略斜視図である。
【図６７Ａ】Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの末端に配置された、ばね電気コンタクトを含んだコネクタの略横断面図である。
【図６７Ｂ】図６７Ａのコネクタの略斜視図である。
【図６８Ａ】４つの出口点を有するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す略斜視図である。
【図６８Ｂ】４つの出口点を有するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す略斜視図である。
【図６９】多孔性アノードまたはカソード中に引っ込んだ集電体トレースを示す顕微鏡写真である。
【図７０】炭素−ワックス犠牲材料を除去した後に残されるギャップを示す顕微鏡写真イメージである。
【図７１】一実施形態による２つの電極間のビア接続を示す略横断面図である。
【図７２】一実施形態による２つの相互接続電極を示す略横断面図である。
【図７３Ａ】他の実施形態による、２つの電極を相互接続する方法を示す斜視図である。
【図７３Ｂ】他の実施形態による、２つの電極を相互接続する方法を示す略横断面図である。
【図７４Ａ】オーバラッピング方法を使用した電池間の直列接続の一実施形態を示す略横断面図である。
【図７４Ｂ】オーバラッピング方法を使用した電池間の直列接続の一実施形態を示す略横断面図である。
【図７４Ｃ】オーバラッピング方法を使用した電池間の直列接続の一実施形態を示す略横断面図である。
【図７４Ｄ】オーバラッピング方法を使用した電池間の直列接続の一実施形態を示す略横断面図である。
【図７５Ａ】プランジングコンダクタ方法を使用して電池間の直列相互接続を生成するための方法の他の実施形態を示す斜視図である。
【図７５Ｂ】プランジングコンダクタ方法を使用して電池間の直列相互接続を生成するための方法の他の実施形態を示す略横断面図である。
【図７５Ｃ】プランジングコンダクタ方法を使用して電池間の直列相互接続を生成するための方法の他の実施形態を示す略横断面図である。
【図７５Ｄ】プランジングコンダクタ方法を使用して電池間の直列相互接続を生成するための方法の他の実施形態を示す略横断面図である。
【図７５Ｅ】プランジングコンダクタ方法を使用して電池間の直列相互接続を生成するための方法の他の実施形態を示す斜視図である。
【図７６】複数のプランジングコンダクタを使用した直列相互接続の他の実施形態を示す略斜視図である。
【図７７】図７５Ａ〜７６の実施形態のうちの任意の１つに従って直列に接続された複数の電池を示す横断面図である。
【図７８Ａ】プランジングコンダクタ方法の一変形形態を示す略斜視図である。
【図７８Ｂ】プランジングコンダクタ方法の一変形形態を示す略斜視図である。
【図７８Ｃ】プランジングコンダクタ方法の一変形形態を示す略斜視図である。
【図７９Ａ】ビアを使用して直列相互接続するための実施形態を示す略横断面図である。
【図７９Ｂ】ビアを使用して直列相互接続するための実施形態を示す略斜視図である。
【図７９Ｃ】ビアを使用して直列相互接続するための実施形態を示す略横断面図である。
【図７９Ｄ】ビアを使用して直列相互接続するための実施形態を示す略横断面図である。
【図８０】単一層直列接続のうちの並列複数層接続の一実施形態を示す略横断面図である。
【図８０Ａ】単一層直列接続のうちの並列複数層接続の一実施形態を示す略横断面図である。
【図８０Ｂ】単一層直列接続のうちの並列複数層接続の一実施形態を示す略斜視図である。
【図８１】単一層直列接続のうちの並列複数層接続の一実施形態を示す略図である。
【図８２】図７４Ｃの直列構造を組み込んだ単一層Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを示す略横断面図である。
【図８３Ａ】図８２のデバイスのための直列−並列組合せの一実施形態を示す略図である。
【図８３Ｂ】図８２のデバイスのための直列−並列組合せの一実施形態を示す略図である。
【図８４Ａ】同じガス通路上に存在している２つの電極間の並列接続を提供するための他の実施形態を示す略斜視図である。
【図８４Ｂ】同じガス通路上に存在している２つの電極間の並列接続を提供するための他の実施形態を示す略横断面図である。
【図８５Ａ】直列設計を有する、螺旋状に巻かれた多層Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を示す略斜視図である。
【図８５Ｂ】直列設計を有する、螺旋状に巻かれた多層Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を示す略斜視図である。
【図８６Ａ】螺旋状に巻かれた多層Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの他の実施形態を示す略斜視図である。
【図８６Ｂ】螺旋状に巻かれた多層Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの他の実施形態を示す略斜視図である。
【図８７Ａ】図８６Ａおよび８６Ｂの実施形態の略詳細横断面図である。
【図８７Ｂ】図８６Ａおよび８６Ｂの実施形態の略詳細横断面図である。
【図８８Ａ】Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス内の電気接続を提供するための一実施形態を示す略斜視図である。
【図８８Ｂ】Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス内の電気接続を提供するための一実施形態を示す略斜視図である。
【図８９】ガスフロー通路のレイアウトを示す略斜視図である。
【図９０】折畳み通路を使用した直列電池の略図である。
【図９１】折畳みスタック設計を使用して直列に接続された多くの層を備えたＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を示す略斜視図である。
【図９２Ａ】折畳みスタック設計を使用して直列に接続された多くの層を備えたＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を示す略横断面図である。
【図９２Ｂ】折畳みスタック設計を使用して直列に接続された多くの層を備えたＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態を示す略横断面図である。
【図９３Ａ】自由フローティング面積を提供するための折畳みスタック設計のアタッチメントのための実施形態を示す詳細略横断面図である。
【図９３Ｂ】自由フローティング面積を提供するための折畳みスタック設計のアタッチメントのための実施形態を示す詳細略横断面図である。
【図９４Ａ】デバイスの一方の面に接続された並列能動層、およびデバイスのもう一方の面の自由フローティングを示す断面端面図である。
【図９４Ｂ】デバイスの一方の面に接続された並列能動層、およびデバイスのもう一方の面の自由フローティングを示す断面上面図である。
【図９４Ｃ】デバイスの一方の面に接続された並列能動層、およびデバイスのもう一方の面の自由フローティングを示す断面端面図である。
【図９４Ｄ】デバイスの一方の面に接続された並列能動層、およびデバイスのもう一方の面の自由フローティングを示す断面上面図である。
【図９５】２つの直列接続カソードであって、それらの間に障壁層を備えた２つの直列接続カソードを示す略横断面図である。
【図９６】２つの直列接続カソードであって、それらの間に障壁層を備えた２つの直列接続カソードを示す略横断面図である。
【図９７】２つの直列接続カソードであって、それらの間に障壁層を備えた２つの直列接続カソードを示す略横断面図である。
【図９８Ａ】電力接続の一実施形態を示す横断面図である。
【図９８Ｂ】電力接続の一実施形態を示す略斜視図である。
【図９９】低抵抗接続のための一実施形態を示す略横断面図である。
【図１００Ａ】永久的に取り付けられた端管接続を備えた燃料電池デバイスの実施形態を示す略斜視図である。
【図１００Ｂ】永久的に取り付けられた端管接続を備えた燃料電池デバイスの実施形態を示す略斜視図である。
【図１０１】永久的に取り付けられた端管接続を備えた燃料電池デバイスの実施形態を示す略斜視図である。
【図１０２Ａ】永久的に取り付けられた端管接続を備えた燃料電池デバイスの実施形態を示す略斜視図である。
【図１０２Ｂ】永久的に取り付けられた端管接続を備えた燃料電池デバイスの実施形態を示す略斜視図である。
【図１０３Ａ】永久的に取り付けられた端管接続を備えた燃料電池デバイスの実施形態を示す略斜視図である。
【図１０３Ｂ】永久的に取り付けられた端管接続を備えた燃料電池デバイスの実施形態を示す略斜視図である。
【図１０４】セラミックの予備焼結済みコアのいくつかの形態を示す略斜視図である。
【図１０５Ａ】支持部材およびチャネルを有する平らな管を示す略斜視図である。
【図１０５Ｂ】支持部材およびチャネルを有する平らな管を示す略斜視図である。
【図１０６】従来技術による方法に使用されている平らな管を示す略横断面図である。
【図１０７Ａ】本発明の実施形態による平らな管チャネルの使用を示す部分斜視図である。
【図１０７Ｂ】本発明の実施形態による平らな管チャネルの使用を示す部分斜視図である。
【図１０８】本発明の実施形態による平らな管チャネルの使用を示す部分斜視図である。
【図１０９】平らな管から多層能動構造の層へのガス分配の実施形態を示す略横断面図である。
【図１１０】平らな管から多層能動構造の層へのガス分配の実施形態を示す略横断面図である。
【図１１１】ホットゾーンの外側に平らな管を接続するための一実施形態を示す略斜視図である。
【図１１２】ホットゾーンの中に平らな管を接続するための一実施形態を示す略斜視図である。
【図１１３】ホットゾーン外へ移行する平らな管の一実施形態を示す略斜視図である。
【図１１４】ホットゾーン中の平らな管の中に接続するための個々の管の一実施形態を示す略斜視図である。
【図１１５Ａ】マイクロ管を形成するための繊維の倍率が５００倍の顕微鏡写真である。
【図１１５Ｂ】マイクロ管を形成するための繊維の倍率が２００倍の顕微鏡写真である。
【図１１６Ａ】焼成電極中に形成されたマイクロ管を示す顕微鏡写真である。
【図１１６Ｂ】焼成電極中に形成されたマイクロ管を示す顕微鏡写真である。
【図１１６Ｃ】焼成電極中に形成されたマイクロ管を示す顕微鏡写真である。
【図１１７】中にマイクロ管を有する電極が交差するガスフロー経路の実施形態の詳細略横断面図である。
【図１１８】中にマイクロ管を有する電極が交差するガスフロー経路の実施形態の詳細略横断面図である。
【図１１９】ガスが電極を通って他のガス通路へ流入する直列設計を上から見下ろした略横断面図である。
【図１２０】小型サイズのＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一実施形態の側面図である。
【図１２１Ａ】図１２０のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの実施形態を示す上面図である。
【図１２１Ｂ】図１２０のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの実施形態を示す斜視図である。
【図１２２】安定化ポイントをその上に有する、図１２０のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
一実施形態では、本発明により、燃料ポートおよび空気ポートが１つのモノリシック構造で製造されるＳＯＦＣデバイスおよびシステムが提供される。一実施形態では、ＳＯＦＣデバイスは、本質的には、比較的平らまたは長方形のスティックである細長い構造であり（したがってＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスと呼ばれている）、その長さは、幅または厚さより著しく長くなっている。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、中央部分が熱い一方で、コールド端を有することができる（コールド端は３００℃未満であり、熱い中央部分は４００℃より高く、最も可能性の高い温度は７００℃より高い温度である）。セラミックの低速熱伝導は、熱い中央部分がより冷たい末端を完全に加熱するのを防止することができる。さらに、これらのコールド端は、コールド端に到達するあらゆる熱を速やかに発散する。本発明には、接続のためのコールド端を有することにより、アノード、カソード、燃料インレットおよびＨ２Ｏ  ＣＯ２アウトレット、ならびに空気インレットおよび空気アウトレットへの接続をより容易にすることができる、という認識が含まれている。また、管状燃料電池構造も、中央部分が熱い一方で、コールド端を有することができるが、従来技術には、セラミック管のこの利点が利用されておらず、その代わりに、高温接続が必要である場合には、管全体が炉またはホットゾーンの中に置かれている。従来技術では、燃料入口のための高温ろう付け接続が、複雑で、かつ、コストが掛かることは認識されているが、本明細書において示されている解決法については認識されていない。本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、長く、かつ、薄いため、上で説明した、中央部分を加熱することができ、かつ、依然としてコールド端を有することができる有利な熱特性を有している。この有利な熱特性は、温度に対してＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを構造的に頑丈にし、また、燃料、空気および電極の接続を比較的容易にしている。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、本質的に独立型システムであり、発電のために必要であるのは、熱、燃料および空気を加えることのみである。構造は、これらの物を容易に取り付けることができるように設計されている。
【００２３】
本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは多層構造であり、いくつかの他の利点を提供する多層共焼成手法を使用して製造することができる。第１に、このデバイスはモノリシックであり、デバイスを構造的に頑丈にするのを補助している。第２に、このデバイスは、コンデンサチップのＭＬＣＣ（多層共焼成セラミック，ｍｕｌｔｉ−ｌａｙｅｒ  ｃｏ−ｆｉｒｅｄ  ｃｅｒａｍｉｃ）生産に使用されている技法などの従来の大量製造技法に身を入れている。（多層コンデンサの生産には、最も大量の技術セラミックが使用されているとされており、また、大量製造のための技術が立証されている。）第３に、コストを追加することなく、あるいは複雑性を増すことなく、構造中に薄い電解質層を達成することができる。ＭＬＣＣ手法を使用して厚さ２μｍの電解質層が可能であるが、それに反して、電解質の壁厚が６０μｍ未満のＳＯＦＣ管を想像することは困難である。したがって、本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、ＳＯＦＣ管より約３０倍以上有効にすることができる。最後に、本発明の多層Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、それぞれ数百または数千の層を有することができ、したがって最大の面積および最大の密度が提供される。
【００２４】
従来技術によるＳＯＦＣ管の表面積と本発明によるＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの表面積について考察する。例えば、直径０．２５インチの管と０．２５インチ×０．２５インチＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスについて考察する。管の場合、円周は３．１４×Ｄすなわち０．７８５インチである。０．２５インチＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの場合、１つの層の使用可能な幅は約０．２インチである。したがって、１本の管の面積と同じ面積を得るためには約４層が必要である。これらの形状は、コンデンサ技術のための形状とは劇的に異なっている。日本の多層コンデンサの最新技術は、現在、６００層であり、厚さは２μｍである。日本は、まもなく１０００層パーツの生産を開始することが予想され、現在、研究室で製造している。６００層のこれらのチップコンデンサは、０．０６０インチ（１５００μｍ）にすぎない。この製造技術を本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスに適用することにより、厚さ２μｍの電解質を有し、かつ、厚さ１０μｍの対応する個々のカソード／アノードを備える空気／燃料通路を有する０．２５インチデバイスの場合、５２９層の単一デバイスの製造が可能になる。それは１３２本の管と等価である。従来技術の戦略は、大きい電力を出力するために構造が極めて大きくなっても、もっと多くの管を追加して直径を大きくするか、および／または管の長さを長くしてより多くの電力を得るかのいずれかである。一方、本発明は、単一のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスにもっと多くの層を追加してより多くの電力を得るか、および／またはより薄い層または通路をデバイスに使用するかのいずれかによって、ＳＯＦＣ技術のための小型化を可能にしている。さらに、本発明における利点は、コンデンサの場合と全く同様、二乗化効果である。電解質層の厚さが半分になると電力が２倍になり、したがってより多くの層をデバイス中に適合させてさらに電力を２倍にすることができる。
【００２５】
本発明の他の重要な特徴は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの出力電圧を高くするために、層を内部で容易にリンクさせることができることである。１層当たり１ボルトであると仮定すると、ビアホールを使用して１２個のグループを一体にリンクさせている本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスによって１２ボルトの出力を得ることができる。引き続いて、他の接続によって１２個のグループを並列にリンクさせることにより、より大きい電流を達成することができる。これは、コンデンサチップ技術に使用されている既存の方法を使用して実施することができる。重要な相違は、本発明によれば、他の技術が使用しなければならないろう付けおよび複雑な配線が克服されることである。
【００２６】
また、本発明によれば、従来技術と比較すると、より広範囲にわたる多様な電極オプションが提供される。貴金属は、アノードおよびカソードのいずれにも動作させることができる。銀は、より安価ではあるが、より高い温度のためには、Ｐｄ、ＰｔまたはＡｕとのブレンドが必要になり、これらの３つのうち、Ｐｄとのブレンドが恐らく最も安価である。研究の多くは非貴金属導体に的が絞られてきた。燃料の観点からすると、ニッケルの使用が試行されてきたが、高温で少しでも酸素に露出されると金属が酸化される。また、導電性セラミックも知られており、本発明に使用することができる。つまり、本発明は、焼結させることができるあらゆる種類のアノード／カソード／電解質システムを利用することができる。
【００２７】
本発明の一実施形態では、両側に空気／ガスを有する、面積が広い２μｍのテープが支持されていない場合、層が脆くなる可能性がある。ギャップの両端間に柱を残すことが想定されている。これらは、洞窟の中の、鍾乳石と石筍が合体した柱か何かのように見える。これらの柱は、一様に間隔を隔てて配置することができ、はるかに良好な強度を構造に付与することがしばしばである。
【００２８】
ガスおよび空気供給のアタッチメントに対しては、例えば高温可撓性シリコーン管またはラテックスゴム管を使用してＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスに取り付けることができるよう、末端温度は３００℃未満、例えば１５０℃未満であることが想定されている。これらの可撓管は、デバイスの末端の上方で単純に引き伸ばすことができ、それによりシールを形成することができる。これらの材料は、標準的なＭｃＭａｓｔｅｒカタログの中から入手可能である。シリコーンは、オーブンガスケットとして１５０℃以上の温度で、その特性を失うことなく広く使用されている。バーブ接続を使用して、多重スティックＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）システムの多くのシリコーン管またはラテックスゴム管をサプライに接続することができる。
【００２９】
アノード材料またはカソード材料あるいは両方の電極材料は、金属または合金であってもよい。アノードおよびカソードのための適切な金属および合金は当業者に知られている。別法として、一方または両方の電極材料は、同じく当業者に知られている、電子的に導電性の未焼結セラミックであってもよい。例えば、アノード材料は、酸化イットリウム安定化酸化ジルコニウムがコーティングされた部分焼結金属ニッケルであってもよく、また、カソード材料は、ペロブスカイト構造を有する改質ランタンマンガナイトであってもよい。
【００３０】
他の実施形態では、電極材料のうちの一方または両方は、未焼結セラミックと、複合物を導電性にするだけの十分な量で存在している導電性金属との複合物であってもよい。一般に、セラミック基質は、金属粒子が接触し始めると、電子的に導電性になる。複合物基質を導電性にするだけの十分な金属の量は、主として金属粒子形態学に応じて様々である。例えば、金属の量は、球面粉末金属の場合、一般的には金属薄片の場合より多くしなければならない。一例示的実施形態では、複合物には、約４０〜９０％の導電性金属粒子が中に分散している未焼結セラミックの基質が含まれている。未焼結セラミック基質は、電解質層のために使用される未焼結セラミック基質と同じであっても、あるいはそれとは異なっていてもよい。
【００３１】
一方または両方の電極材料がセラミック、つまり電子的に導電性の未焼結セラミックまたは複合物を含有している実施形態では、電極材料中の未焼結セラミックおよび電解質のための未焼結セラミック材料は、積層中、圧力が有機結合剤を層中で交差結合させるだけの十分な圧力になるよう、また、層と層の間の重合体分子鎖をリンクさせるだけの十分な圧力になるよう、交差結合可能な有機結合剤を含有することができる。
【００３２】
以下、図面を参照するが、すべての図面を通して、同様のコンポーネントは同様の数表示を使用して参照されている。
【００３３】
「ゾーン」、「面積」および「領域」という用語は、すべてを通して交換可能に使用することができ、また、同じ意味を有することが意図されている。同様に、「通路」、「チャネル」および「経路」という用語も、すべてを通して交換可能に使用することができ、また、「アウトレット」および「出口」という用語も、すべてを通して交換可能に使用することができる。
【００３４】
図１および１Ａは、単一のアノード層２４、カソード層２６および電解質層２８を有する本発明の基本Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一実施形態をそれぞれ横断面側面図および横断面上面図で示したもので、デバイス１０はモノリシックである。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０には、燃料インレット１２、燃料アウトレット１６およびそれらの間の燃料通路１４が含まれている。デバイス１０には、さらに、空気インレット１８、空気アウトレット２２およびそれらの間の空気通路２０が含まれている。燃料通路１４および空気通路２０は、互いに対向しており、かつ、平行の関係にあり、また、燃料供給３４から燃料通路１４を通る燃料の流れは、空気供給３６から空気通路２０を通る空気の流れと逆方向である。電解質層２８は、燃料通路１４と空気通路２０の間に配置されている。アノード層２４は、燃料通路１４と電解質層２８の間に配置されている。同様に、カソード層２６は、空気通路２０と電解質層２８の間に配置されている。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の残りの部分は、電解質層２８の材料と同じ材料であっても、あるいはそれとは異なっていてもよいが、互いに両立するセラミック材料であるセラミック２９を備えている。電解質層２８は、ダッシュ線で示されているように、セラミックのうちの、互いに対向しているアノード２４の面積とカソード２６の面積の間に位置している部分であると見なされる。酸素イオンが空気通路２０から燃料通路１４へ引き渡されるのは電解質層２８の中である。図１に示されているように、空気供給３６からのＯ２は空気通路２０を通って移動し、カソード層２６によってイオン化されて２Ｏ−が形成され、この２Ｏ−が電解質層２８を通り、かつ、アノード２４を通って燃料通路１４の中へ移動し、そこで燃料供給３４からの燃料、例えば炭化水素と反応して最初にＣＯおよびＨ２が形成され、次に、Ｈ２ＯおよびＣＯ２が形成される。図１には、炭化水素を燃料として使用した反応が示されているが、本発明はそれには限定されない。本発明には、ＳＯＦＣに広く使用されている任意のタイプの燃料を使用することができる。燃料供給３４は、例えば任意の炭化水素源または水素源であってもよい。メタン（ＣＨ４）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）およびブタン（Ｃ４Ｈ１０）は炭化水素燃料の例である。
【００３５】
反応を生じさせるためには、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に熱を印加しなければならない。本発明によれば、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さは十分な長さであり、したがってデバイスをデバイス１０の中央部分のホットゾーン３２（すなわち加熱されるゾーン）、およびデバイス１０の個々の末端１１ａおよび１１ｂのコールドゾーン３０に分割することができる。ホットゾーン３２とコールドゾーン３０の間には移行ゾーン３１が存在している。ホットゾーン３２は、通常、４００℃より高い温度で動作させることができる。例示的実施形態では、ホットゾーン３２は、６００℃より高い温度、例えば７００℃より高い温度で動作させることができる。コールドゾーン３０は、熱源に露出されることはなく、また、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さおよびセラミック材料の有利な熱特性のため、コールドゾーン３０の温度が３００℃未満になるよう、ホットゾーン３２の外部へ熱が散逸される。ホットゾーン３２からセラミックの長さを介したコールドゾーン３０の末端までの熱伝達は低速であり、一方、ホットゾーン３２の外側のセラミック材料から空気中への熱伝達は比較的より高速であるとされている。したがって、ホットゾーン３２に投入される熱は、コールドゾーン３０の末端に到達することができる前にそのほとんどが空気中に失われる（主として移行ゾーン３１の中で）。本発明の例示的実施形態では、コールドゾーン３０は１５０℃未満の温度を有している。他の例示的実施形態では、コールドゾーン３０は室温である。移行ゾーン３１は、ホットゾーン３２の動作温度とコールドゾーン３０の温度の間の温度を有しており、熱のかなりの量が散逸するのは、この移行ゾーン３１の中である。
【００３６】
優勢な熱膨張率（ＣＴＥ，ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さに沿っており、したがって本質的に一次元であるため、ひび割れを生じることなく中央部分を高速加熱することができる。例示的実施形態では、デバイス１０の長さは、デバイスの幅および厚さより少なくとも５倍長い。他の例示的実施形態では、デバイス１０の長さは、デバイスの幅および厚さより少なくとも１０倍長い。さらに他の例示的実施形態では、デバイス１０の長さは、デバイスの幅および厚さより少なくとも１５倍長い。さらに、例示的実施形態では、厚さより幅の方が広く、より広い面積を提供している。例えば、幅は、厚さの少なくとも２倍にすることができる。他の例として、厚さ０．２インチのＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、０．５インチの幅を有することができる。図面は、スケール通りには示されておらず、単に相対寸法の一般的な着想を示したものにすぎないことは理解されよう。
【００３７】
本発明によれば、アノード２４およびカソード２６への電気接続は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のコールドゾーン３０の中で実施されている。一例示的実施形態では、アノード２４およびカソード２６は、電気接続の実施を許容するために、それぞれ、コールドゾーン３０内のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外部表面に露出することができる。負の電圧接続点３８は、ワイヤ４２を介して、例えば露出したアノード部分２５に接続されており、また、正の電圧接続点４０は、ワイヤ４２を介して、例えば露出したカソード部分２７に接続されている。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、デバイスの個々の末端１１ａ、１１ｂにコールドゾーン３０を有しているため、低温剛直電気接続を実施することができ、これは、電気接続を実施するために一般的には高温ろう付け方法を必要とする従来技術に優る重要な利点である。
【００３８】
図２は、末端１１ａの上方に供給管５０が取り付けられ、かつ、タイラップ５２で固着されたＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第１の末端１１ａを斜視図で示したものである。次に、燃料供給３４からの燃料が供給管５０を介して燃料インレット１２に供給される。第１の末端１１ａがコールドゾーン３０に存在しているため、可撓プラスチック配管または他の低温タイプの接続材料を使用して燃料供給３４を燃料インレット１２に接続することができる。本発明によれば、燃料を接続するための高温ろう付けの必要性が除去される。
【００３９】
図３Ａは、図１に示されているＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に類似しているが、修正された第１および第２の末端１１ａ、１１ｂを有するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を斜視図で示したものである。末端１１ａ、１１ｂは、燃料供給３４および空気供給３６の接続を容易にするための円筒状末端部分を形成するために機械加工されている。図３Ｂは、燃料供給３４から燃料インレット１２へ燃料を供給するために第１の末端１１ａに接続された供給管５０を斜視図で示したものである。一例として、供給管５０は、第１の末端１１ａに対するその弾性によって緊密なシールを形成するシリコーン管またはラテックスゴム管であってもよい。供給管５０の可撓性および弾性は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が振動にさらされる移動デバイスに使用される場合に、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に緩衝ホルダを提供することができることは理解されよう。従来技術では、管またはプレートは剛直にろう付けされており、したがって動的環境で使用されるとひび割れ故障が生じることになる。したがって、従来技術と比較すると、振動減衰器としての供給管５０の追加機能は独自の利点を提供している。
【００４０】
もう一度図３Ａを参照すると、露出したアノード部分２５と露出したカソード部分２７を接触させるために、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外部表面にコンタクトパッド４４が提供されている。電圧接続点３８、４０をそれぞれ対応するアノード２４およびカソード２６に電気接続するためには、コンタクトパッド４４のための材料は導電性でなければならない。コンタクトパッド４４、任意の適切な方法を使用して形成することができることは理解されよう。例えば、焼結されたＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外部表面に金属パッドを印刷することができる。コンタクトパッド４４には、例えば信頼性の高い接続を確立するために、はんだ接続４６によってワイヤ４２が固着されている。はんだは、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のコールドゾーン３０に配置されることに基づいて使用することができる低温材料である。例えば、一般的な１０Ｓｎ８８Ｐｂ２Ａｇはんだを使用することができる。本発明によれば高温電圧接続の必要性が除去され、したがって任意の低温接続材料または手段に対する可能性が拡張される。
【００４１】
図３Ａには、さらに、燃料アウトレット１６および空気アウトレット２２が斜視図で示されている。燃料は、一方のコールドゾーン３０に位置している第１の末端１１ａ部分の燃料インレット１２から流入し、第２の末端１１ｂに隣接しているアウトレット１６を通ってＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面から流出する。空気は、コールドゾーン３０に位置している第２の末端１１ｂに配置されている空気インレット１８から流入し、第１の末端１１ａに隣接しているＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面の空気アウトレット２２から流出する。アウトレット１６および２２は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の同じ側面に存在しているものとして示されているが、例えば、図４Ａの下側に示されているように、互いに反対側の側面にそれらを配置することができることは理解されよう。
【００４２】
空気アウトレット２２を燃料インレット１２の近傍に有し（また、同様に燃料アウトレット１６を空気インレット１８の近傍に有し）、かつ、重畳する層（アノード、カソード、電解質）のすぐ近くに有することにより、空気アウトレット２２は熱交換器として機能し、有用なことには、燃料インレット１２からデバイス１０に流入する燃料を予熱する（また、同様に燃料アウトレット１６は、空気インレット１８から流入する空気を予熱する）。熱交換器によってシステムの効率が改善される。移行ゾーン３１は、新しい燃料（新しい空気）がホットゾーン３２に到達する前に熱が伝達されるよう、使用済みの空気と新しい燃料（および使用済みの燃料と新しい空気）が重畳する面積を有している。したがって、本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、内蔵熱交換器を含んだモノリシック構造である。
【００４３】
図４Ａを参照すると、露出したアノード部分２５に接続された個々のコンタクトパッド４４を整列させ、かつ、負の電圧接続点３８に接続されたワイヤ４２をコンタクトパッド４４の各々にはんだ付けする（４６の部分で）ことによる複数のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、この場合は２つのＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の接続が斜視図で示されている。同様に、仮想線で部分的に示されているように、露出したカソード部分２７に接続されるコンタクトパッド４４が整列され、正の電圧接続点４０を接続しているワイヤ４２が、これらの整列したコンタクトパッド４４の各々にはんだ付けされる（４６の部分で）。理解されるように、接続はコールドゾーン３０に存在しており、また、比較的単純な接続であるため、多重Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）システムまたはアセンブリ内の１つのＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を交換する必要が生じた場合、必要なことは、その１つのデバイス１０に対するはんだ接続を破壊してデバイスを新しいデバイス１０と交換し、かつ、ワイヤ４２を新しいＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のコンタクトパッド４４にもう一度はんだ付けすることのみである。
【００４４】
図４Ｂは、複数のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０間の接続であって、個々のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が複数のアノード２４およびカソード２６を含む接続を端面図で示したものである。例えば、図４Ｂに示されている特定の実施形態には、３組の互いに対向するアノード２４およびカソード２６が含まれており、個々のアノード２４は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の右側に露出し、また、個々のカソード２６は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の左側に露出している。したがってコンタクトパッド４４は、対応する個々の露出したアノード部分２５および露出したカソード部分２７に接触させるために、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の個々の側面に配置されている。アノード２４が露出している右側では、負の電圧接続点３８は、ワイヤ４２をはんだ接続４６を介してコンタクトパッド４４に固着することにより、露出したアノード部分２５に接続されている。同様に、正の電圧接続点４０は、ワイヤ４２をはんだ接続４６を介してコンタクトパッド４４に固着することにより、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の左側で露出したカソード部分２７に電気接続されている。したがって、図１〜４Ａには、単一のカソード２６と対向している単一のアノード２４が示されているが、図４Ｂに示されているように、個々のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、対応する個々の電圧接続点３８または４０への接続のために外部表面に加えられるコンタクトパッド４４による電気接続のために、それぞれＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外部表面に露出している複数のアノード２４およびカソード２６を含むことができることは理解されよう。構造中の互いに対向するアノード２４およびカソード２６の数は、数十個、数百個さらには数千個にすることができる。
【００４５】
図５は、ワイヤ４２とコンタクトパッド４４の間を電気接続するための機械式アタッチメントを端面図で示したものである。この実施形態では、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、１組の電極が個々のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の頂部表面に露出するように配向されている。コンタクトパッド４４は、コールドゾーン３０の一方の末端（例えば１１ａまたは１１ｂ）部分の個々の頂部表面に加えられている。次に、ばねクリップ４８を使用して、ワイヤ４２をコンタクトパッド４４に取外し可能に固着することができる。したがって、図３Ａ、４Ａおよび４Ｂに示されているように金属結合を使用して電気接続することができ、あるいは図５に示されているように機械式接続手段を使用することができる。本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０におけるコールドゾーン３０により、適切なアタッチメント手段を柔軟に選択することができる。ばねクリップ４８または他の機械式アタッチメント手段を使用することにより、多重スティックアセンブリにおける単一のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の交換プロセスがさらに単純化される。
【００４６】
図６Ａおよび６Ｂは、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第１の末端１１ａに単一のコールドゾーン３０を有し、第２の末端１１ｂがホットゾーン３２である一代替実施形態を斜視図で示したものである。図６Ａでは、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０には、３つの並列の燃料電池が含まれており、一方、図６ＢのＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０には、単一の燃料電池が含まれている。したがって本発明の実施形態は、単一電池設計または多重電池設計を含むことができる。空気インレット１８は、燃料および空気の両方の単一末端投入を可能にするために、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側表面で第１の末端１１ａに隣接するように再配向されている。空気通路２０（図示せず）は、この場合も燃料通路１４と平行に通っているが、この実施形態の場合、空気が流れる方向は、燃料がＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さにわたって流れる方向と同じ方向である。空気アウトレット２２は、デバイス１０の第２の末端１１ｂに、燃料アウトレット１６に隣接して配置されている。これらの両方を末端表面から外部へ出すのではなく、燃料アウトレット１６または空気アウトレット２２のいずれか一方または両方を、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側表面から外部へ出すことも可能であることは理解されよう。
【００４７】
図６Ｂに示されているように、空気供給３６のための供給管５０は、供給管５０の側面を貫通する孔を穿ち、かつ、空気供給３６のための供給管５０と燃料供給３４のための供給管５０が直角をなすよう、この側孔を通してデバイス１０をスライドさせることによって形成されている。この場合も、シリコーンゴム管、等々をこの実施形態に使用することができる。供給管５０とデバイス１０の間の継目の周囲に結合材料を加えてシールを形成することができる。また、コールドゾーン３０の第１の末端１１ａに隣接して電気接続されている。図６Ａおよび６Ｂには、それぞれ、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の側面でなされている正の電圧接続、およびＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の反対側の側面でなされている負の電圧接続が示されている。しかしながら、本発明はそれに限定されないことは理解されよう。単一末端投入Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の利点は、より短いＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を製造することができるよう、２つの移行ゾーン３１の代わりに１つのコールド−ホット移行しか存在していないことである。
【００４８】
本発明の利点の１つは、能動層を極めて薄くすることができ、それによりＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０による単一デバイス内への複数の燃料電池の組込みを可能にする能力である。能動層が薄ければ薄いほど、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の製造中に空気通路２０または燃料通路１４が陥没する機会が増加し、したがって通路１４および／または２０を通る流れが妨害される。したがって、図７Ａおよび７Ｂに示されている本発明の一実施形態では、電解質層２８の歪みおよび通路１４、２０の妨害を防止するために、複数の支柱５４、例えばセラミック支柱が通路１４および２０内に提供されている。図７Ａは横断面側面図であり、一方、図７Ｂは、空気通路２０に沿って取った横断面上面図である。テープ鋳造方法を使用している本発明の一方法によれば、材料のレーザ除去などによって中に複数の孔が形成された犠牲テープ層を使用することができる。次に、これらの孔にしみ込ませるために、セラミック材料を使用して、例えば犠牲テープ層の上方にセラミックスラリを拡散させる、等々によってこれらの孔が充填される。様々な層が一体にアセンブルされると、例えば溶媒の使用、等々によって犠牲層の犠牲材料が除去され、後に支柱５４が残される。
【００４９】
支柱５４を形成するための他の実施形態では、予備焼結済みセラミックの大きい粒子を、例えば溶媒中に溶解されたプラスチック、およびランダムな混合物を形成するためにかき混ぜられたプラスチックなどの有機ビークルに添加することができる。非制限の一例として、これらの大きい粒子は、直径０．００２インチのボールなどの球であってもよい。次に、例えば燃料通路１４および空気通路２０が配置される面積内への印刷などによって未焼結構造にランダムな混合物が加えられる。焼結（焼付／焼成）プロセスの間に有機ビークルが構造から除去され（例えば燃焼され）、それにより通路１４、２０が形成され、また、セラミック粒子が残留して、通路１４、２０を開いた状態に物理的に保持する支柱５４が形成される。図７Ｃおよび７Ｄの顕微鏡写真は、結果として得られる構造を示したものである。支柱５４はランダムに配置されており、その平均距離は、有機ビークル中のセラミック粒子のローディングの関数である。
【００５０】
図８Ａは、２つの並列の燃料電池を含んだ本発明の一実施形態を横断面図で示したものである。個々の能動電解質層２８は、一方の面に空気通路２０およびカソード層２６ａまたは２６ｂを有しており、また、反対側の面に燃料通路１４およびアノード層２４ａまたは２４ｂを有している。一方の燃料電池の空気通路２０は、セラミック材料２９によって第２の燃料電池の燃料通路１４から分離されている。露出したアノード部分２５は、それぞれ、ワイヤ４２を介して負の電圧接続点３８に接続されており、また、露出したカソード部分２７は、それぞれ、ワイヤ４２を介して正の電圧接続点４０に接続されている。次に、単一の空気供給３６を使用して、複数の空気通路２０の各々に供給することができ、また、単一の燃料供給３４を使用して、複数の燃料通路１４の各々に供給することができる。図の右側は、能動層のこの構造によって確立される電気回路を示したものである。
【００５１】
図８Ｂは、図８Ａに示されているＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に類似しているが、複数の露出したアノード部分２５および複数の露出したカソード部分２７を有する代わりに、アノード層２４ａのみが２５で露出し、また、１つのカソード層２６ａのみが２７で露出しているＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を横断面図で示したものである。第１のビア５６は、カソード層２６ａをカソード層２６ｂに接続しており、また、第２のビア５８は、アノード層２４ａをアノード層２４ｂに接続している。一例として、貫通ビアを生成するために未焼結層を形成している間、レーザ方法を使用することができ、この貫通ビアには、ビア接続を形成するために引き続いて導電性の材料が充填される。図８Ｂの右側の回路によって示されているように、図８ＢのＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０には、図８ＡのＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に形成される電気経路と同じ電気経路が形成される。
【００５２】
また、図９Ａおよび９Ｂは、アノードおよびカソードを共有した多重燃料電池設計を横断面図で示したものである。図９Ａの実施形態では、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０には、２つの燃料通路１４および２つの空気通路２０が含まれているが、この構造には、２つの燃料電池を有する代わりに３つの燃料電池が含まれている。第１の燃料電池は、中間電解質層２８を備えたアノード層２４ａとカソード層２６ａの間に形成されている。アノード層２４ａは燃料通路１４の一方の側に存在しており、また、その燃料通路１４の反対側は第２のアノード層２４ｂである。第２のアノード層２４ｂは第２のカソード層２６ｂと対向し、それらの間にもう１つの電解質層２８を備えており、それにより第２の燃料電池を形成している。第２のカソード層２６ｂは、空気通路２０の一方に側に存在しており、また、第３のカソード層２６ｃは、その空気通路２０の反対側に存在している。第３のカソード層２６ｃは第３のアノード層２４ｃと対向し、それらの間に電解質層２８を備えており、したがって第３の燃料電池を提供している。アノード層２４ａからカソード層２６ｃまでのデバイス１０の部分は、共有アノードおよびカソードを提供するためにデバイス１０内で多数回にわたって繰り返すことができ、それにより単一Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内の燃料電池の数を増やすことができる。個々のアノード層２４ａ、２４ｂ、２４ｃには露出したアノード部分２５が含まれており、その部分に電気接続することにより、例えばワイヤ４２を介した負の電圧接続点３８への接続をＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外部表面で実施することができる。同様に、個々のカソード層２６ａ、２６ｂ、２６ｃには、外部表面露出した、例えばワイヤ４２を介した正の電圧接続点４０への接続のためのカソード部分２７が含まれている。一方のコールド端に単一の空気供給３６を提供して空気通路２０の各々に供給することができ、また、反対側のコールド端に単一の燃料供給３４を提供して燃料通路１４の各々に供給することができる。図９Ａの右側は、この構造によって形成される電気回路を示したものである。このＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０には、３つの並列の燃料電池層が含まれており、３倍の電力を利用することができる。例えば、個々の層が１ボルト、１アンペアを生成すると仮定すると、個々の燃料電池層は１ワットの電力出力を生成することになる（ボルト×アンペア＝ワット）。したがってこの３層レイアウトは、１ボルト、３アンペア、合計３ワットの電力出力を生成することになる。
【００５３】
図９Ｂでは、図９Ｂの右側の回路によって示されているように、電圧接続点の各々に単一の電気接続を提供し、それにより直列の３つの燃料電池を生成するために図９Ａの構造が修正されている。正の電圧接続点４０は、露出したカソード部分２７でカソード層２６ａに接続されている。アノード層２４ａは、ビア５８によってカソード層２６ｂに接続されている。アノード層２４ｂは、ビア５６によってカソード層２６ｃに接続されている。次に、アノード層２４ｃは、露出したアノード部分２５で負の電圧接続点３８に接続される。したがって、１層当たり同じｌアンペア／１ボルトの仮定を使用すると、この３電池構造は、３ボルト、１アンペア、合計３ワットの電力出力を生成することになる。
【００５４】
図１０は、本発明の他の実施形態を側面図で示したものである。この実施形態では、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、第１の末端１１ａに単一のコールドゾーン３０を有しており、第２の末端１１ｂはホットゾーン３２の中に存在している。他の実施形態の場合、燃料インレット１２は第１の末端１１ａに存在しており、供給管５０によって燃料供給３４に接続されている。この実施形態では、燃料通路１４は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さにわたって延在しており、燃料アウトレット１６は第２の末端１１ｂに存在している。したがって燃料供給接続はコールドゾーン３０の中で実施されており、また、燃料反応物（例えばＣＯ２およびＨ２Ｏ）のためのアウトレットは、ホットゾーン３２の中に存在している。同様に、アノードは、ワイヤ４２を介した負の電圧接続点３８への接続のために、露出したアノード部分２５をコールドゾーン３０の中に有している。
【００５５】
図１０の実施形態では、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、空気インレット１８および空気通路２０の両方をホットゾーン３２の中に提供するために、少なくとも一方の側が開いており、場合によっては両側が開いている。この実施形態の場合、空気通路２０内に支柱５４を使用することが場合によってはとりわけ有用である。空気アウトレットは、図に示されているように第２の末端１１ｂに配置することができる。別法としては、図には示されていないが、通路２０が幅全体にわたって延在し、かつ、空気供給が投入側へ向かってのみ導かれる場合、あるいは通路２０が幅全体にわたって延在していない場合、空気インレット側とは反対側に空気アウトレットを配置することも可能である。この実施形態の場合、熱のみをホットゾーン３２に提供する代わりに、空気を提供することも可能である。つまり、強制された空気管を介して空気を供給する代わりに、ホットゾーン３２のデバイス１０の両側が加熱された空気に開放される。
【００５６】
図１０Ａは、図１０に示されている実施形態の一変形形態を側面図で示したものである。図１０Ａでは、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０には、互いに反対側に位置しているコールドゾーン３０が含まれており、中央の加熱ゾーン３２は、移行ゾーン３１によってこれらのコールドゾーン３０から分離されている。空気インレット１８は、中央の加熱ゾーン３２に提供されており、その少なくとも一部で加熱空気が受け取られる。しかしながら、この実施形態では、空気通路２０は、図１０の場合のように適当な長さにわたってＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面まで完全に開いていない。そうではなく、図１０Ｂにより明確に示されているように、空気通路２０は、ホットゾーン３２の一部の中で開き、次に、残りの長さにわたって側面まで閉じて、次に、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第２の末端１１ｂの空気アウトレット２２で外に出ている。この実施形態の場合、加熱された空気を、強制された空気供給管にではなく、ホットゾーン３２に供給することができるが、コールドゾーン３０のデバイス１０の一方の末端１１ｂから燃料および空気を流出させることも可能である。
【００５７】
以上、特定の実施形態について、図に示し、かつ、詳細に説明したが、本発明の範囲をそれらに限定してはならない。以下、本発明のより一般的な実施形態について説明するが、図１１〜２４に示されている略図を参照することにより、より完全に理解することができる。図１１は、図１２〜２４に概略的に示されているコンポーネントのためのキーを提供している。燃料（Ｆ）または空気（Ａ）がＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス（例えばＳＯＦＣ  Ｓｔｉｃｋ）に流入する矢印で示されている場合、それは、例えば投入アクセスポイントに接続された管を通る流れなどの強制された流れであることを示している。空気の投入が示されていない場合、それは、加熱された空気が強制された流れ接続以外の手段によってホットゾーンに供給されており、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスがホットゾーン内のアクセスポイントで空気通路に対して開いていることを示している。
【００５８】
本発明の一実施形態は、少なくとも１つの燃料通路および関連するアノード、少なくとも１つの酸化剤通路および関連するカソード、およびそれらの間の電解質を含んだＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスであり、電池は、１つの優勢な軸方向のＣＴＥを有するように、また、その一部が約４００℃より高い温度を有する加熱ゾーン内で動作するよう、その幅または厚さより実質的に長くなっている。この実施形態では、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、優勢なＣＴＥ方向に沿ったデバイスの一方の末端における空気入口および燃料入口の両方のための統合アクセスポイントを有しているか、あるいは優勢なＣＴＥ方向に沿った一方の末端における空気入口およびもう一方の末端における燃料入口のための統合アクセスポイントを有しており、空気入口および燃料入口は、加熱ゾーンの外側に配置されている。例えば図２０および２４を参照されたい。
【００５９】
本発明の他の実施形態では、燃料電池は、第１の温度ゾーンおよび第２の温度ゾーンを有しており、第１の温度ゾーンは、燃料電池反応を実行するだけの十分な温度で動作するホットゾーンであり、また、第２の温度ゾーンは、加熱ゾーンの外側に位置しており、第１の温度ゾーンより低い温度で動作している。第２の温度ゾーンの温度は、電極への低温接続の実施を可能にするだけの十分な低さの温度であり、また、少なくとも燃料供給のための低温接続を可能にするだけの十分な低さの温度である。この燃料電池構造は、部分的に第１の温度ゾーンの中へ延在し、また、部分的に第２の温度ゾーンの中へ延在している。例えば図１２、１３および１７を参照されたい。
【００６０】
本発明の一実施形態では、燃料電池には、加熱ゾーンである第１の温度ゾーン、および３００℃未満の温度で動作する第２の温度ゾーンが含まれている。空気接続および燃料接続は、低温接続としてゴム配管、等々を使用して第２の温度ゾーンで実施される。低温はんだ接続またはばねクリップを使用してアノードおよびカソードへの電気接続が実施され、それによりアノードおよびカソードが対応する個々の負および正の電圧接続点に接続される。さらに、第１の温度ゾーン、すなわち加熱ゾーンには、二酸化炭素および水のための燃料アウトレット、および減損酸素のための空気アウトレットが配置されている。例えば図１７を参照されたい。
【００６１】
他の実施形態では、燃料電池構造は、加熱ゾーンである中央の第１の温度ゾーンを有しており、燃料電池の個々の末端は、この第１の温度ゾーンの外側の、３００℃未満で動作する第２の温度ゾーンに配置されている。燃料入口および空気入口は、アノードおよびカソードへの電気接続のためのはんだ接続またはばねクリップの場合と同様、第２の温度ゾーンに配置されている。最後に、第２の温度ゾーンには、二酸化炭素、水および減損酸素のための出口が配置されている。例えば図１９、２０および２４を参照されたい。
【００６２】
本発明の他の実施形態では、優勢なＣＴＥ方向に沿った、３００℃未満で動作する第２の温度ゾーン内の個々の末端に燃料入口を提供することができ、互いに反対側に位置している第２の温度ゾーンの間の中央部分に加熱ゾーンである第１の温度ゾーンを提供することができる。この中央の加熱ゾーンには、二酸化炭素、水および減損酸素のための出口を配置することができる。例えば図１５および１８を参照されたい。別法として、第２の温度ゾーン、すなわち加熱ゾーンの外側に、二酸化炭素、水および減損酸素のための出口を配置することも可能である。例えば図１６および１９を参照されたい。
【００６３】
他の実施形態では、燃料入口アクセスポイントおよび空気入口アクセスポイントの両方が、加熱ゾーンである第１の温度ゾーンの外側の、３００℃未満で動作する第２の温度ゾーンに配置され、それにより空気供給および燃料供給のためのゴム配管などの低温接続の使用を可能にしている。さらに、電圧接続点をアノードおよびカソードに接続するために、はんだ接続またはばねクリップが第２の温度ゾーンの中で使用される。一実施形態では、燃料入口および空気入口は、いずれも、優勢なＣＴＥ方向に沿った一方の末端に配置されており、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのもう一方の末端は第１の加熱温度ゾーンの中に存在しており、また、二酸化炭素、水および減損酸素の出口は加熱ゾーンの中に存在している。例えば図１７を参照されたい。したがってＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、１つの加熱端および１つの非加熱端を有している。
【００６４】
他の実施形態では、燃料および空気は、互いに反対側に位置している２つの第２の温度ゾーンの間に加熱ゾーンが位置するよう、優勢なＣＴＥ方向に沿った、加熱ゾーンの外側の一方の末端に投入され、また、同じく加熱ゾーンの外側の反対側の末端から流出する。例えば図２０を参照されたい。さらに他の代替では、燃料および空気は、第２の温度ゾーンに配置された、互いに反対側に位置している末端の両方に投入され、燃料および空気の出口は、中央の加熱ゾーンに配置されている。例えば図１８を参照されたい。
【００６５】
さらに他の代替では、燃料および空気は、第２の温度ゾーンの中に配置されている、互いに反対側に位置している両方の末端に投入され、対応する個々の出口は、第２の温度ゾーン内の、投入側とは反対側の末端に配置されている。例えば図１９を参照されたい。したがって燃料電池は、中央加熱ゾーン、および加熱ゾーンの外側の互いに反対側に位置している末端を有しており、燃料および空気は、いずれも第１の末端に投入され、対応する個々の反応物は、隣接する第２の末端から流出し、また、燃料および空気は、いずれも第２の末端に投入され、反応物は、隣接する第１の末端から流出する。
【００６６】
さらに他の実施形態では、加熱ゾーンの外側の一方の末端に燃料入口を配置することができ、また、加熱ゾーンの外側の反対側の末端に空気入口を配置することができる。例えば図２１〜２４を参照されたい。この実施形態では、空気および燃料の両方からの反応物は加熱ゾーン内であっても（図２１参照）、あるいはそれらはいずれも、対応する個々の投入とは反対側の末端に隣接する加熱ゾーンの外側であってもよい（図２４参照）。別法としては、二酸化炭素および水の出口をホットゾーン内に配置し、一方、減損酸素の出口をホットゾーンの外側に配置することも可能であり（図２２参照）、あるいはその逆に減損酸素の出口をホットゾーン内に配置し、また、二酸化炭素および水の出口をホットゾーンの外側に配置することも可能である（図２３参照）。図２２および２３に示されている燃料出口および空気出口に対する変形形態は、例えば図１８〜２０に示されている実施形態に適用することも可能である。
【００６７】
図２５Ａおよび２７Ａに平面図で示され、また、図２７Ｂに側面図で示されている本発明の他の実施形態では、パンハンドル設計と呼ぶことができる設計を有するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１００が提供される。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１００は、これまでの実施形態に示されている、１つの優勢な軸方向にＣＴＥを有するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、つまり幅または厚さより実質的に長いＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０と同様の寸法であってもよい細長いセクション１０２を有している。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１００は、さらに、長さとより緊密に整合している幅を有する広い表面積セクション１０４を有している。セクション１０４は、正方形の表面積または長方形の表面積を有することができるが、幅は、ＣＴＥがセクション１０４内に単一の優勢な軸を有するのではなく、長さ方向および幅方向にＣＴＥ軸を有するよう、実質的に長さ以上である。広い表面積セクション１０４はホットゾーン３２の中に配置されており、一方、細長いセクション１０２は、少なくとも部分的にコールドゾーン３０および移行ゾーン３１の中に配置されている。一例示的実施形態では、細長いセクション１０２の一部はホットゾーン３２の中へ延在しているが、これは本質ではない。一例として、燃料供給および空気供給３４、３６は、図６Ｂに示されている方法で細長いセクション１０２に接続し、かつ、電気接続することができる。
【００６８】
図２５Ｂおよび２６Ａには、図２５Ａ、２７Ａおよび２７Ｂに示されている実施形態に類似しているが、さらに、細長いセクション１０２の反対側に第２の細長いセクション１０６を有し、したがって広い表面積セクション１０４がこれらの２つの細長いセクション１０２と１０６の間に配置されている一代替実施形態の平面図が示されており、また、図２６Ｂにはその側面図が示されている。この細長いセクション１０６も、少なくとも部分的にコールドゾーン３０および移行ゾーン３１の中に配置されている。この実施形態では、細長いセクション１０２に燃料を投入し、また、細長いセクション１０６に空気を投入することができる。一例として、次に、図２または図３Ｂに示されている方法で、空気供給３６および燃料供給３４をそれぞれ細長いセクション１０６および１０２に接続することができる。図２５Ｂに示されているように、空気出口は、細長いセクション１０２の中に、燃料入口に隣接して配置することができ、また、燃料出口は、細長いセクション１０６の中に、空気入口に隣接して配置することができる。別法として、それぞれ図２６Ａおよび２６Ｂに上面図および側面図で示されているように、空気出口および燃料出口のうちの一方または両方をホットゾーン３２内の広い表面積セクション１０４の中に配置することも可能である。図２５Ａおよび２５Ｂの実施形態では、互いに対向し、かつ、電解質２８が介在しているアノード２４およびカソード２６の表面積は、反応面積を広くし、それによりＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１００によって生成される電力を大きくするために、ホットゾーン３２内で広くすることができることは理解されよう。
【００６９】
本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、１００の他の利点は、軽量であることである。典型的な燃焼機関の重量は、１ｋＷ電力当たり１８〜３０ポンド程度である。本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、１００は、１ｋＷ電力当たり０．５ポンド程度の重量で製造することができる。図２８Ａ〜２８Ｄは、螺旋管状構成すなわち巻かれた管状構成を有する、本発明のＴｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の代替実施形態を示したものである。図２８Ａは、巻かれていない位置におけるデバイス２００の略上面図である。デバイス２００の巻かれていない構造は、同じ長さＬの第１の末端２０２および第２の末端２０４を有しており、この長さＬは、巻かれた、すなわち螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の長さに対応することになる。燃料インレット１２および空気インレット１８は、第１の末端２０２に隣接して互いに反対側に示されている。次に、燃料通路１４および空気通路２０は、図２８Ｂにデバイス２００の巻かれていない構造の略端面図でさらに示されているように、また、図２８Ｃにデバイス２００の巻かれていない構造の略側面図でさらに示されているように、燃料アウトレット１６および空気アウトレット２２が第２の末端２０４に位置するよう、デバイス２００の巻かれていない構造の幅に沿って第２の末端２０４まで延在している。図に示されているように、燃料通路１４および空気通路２０は、燃料および空気の流れを最大化するために、デバイス２００の巻かれていない構造のほぼ長さＬにわたって延在しているが、本発明はそれには限定されない。次に、螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００を形成するために、第１の末端２０２が第２の末端２０４に向かって巻かれ、図２８Ｄの略斜視図に示されているデバイス２００の螺旋管構造が形成される。次に、空気インレット１８に投入するために空気供給３６を螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の一方の末端に配置することができ、一方、燃料を燃料インレット１２に投入するために燃料供給３４を螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の反対側の末端に配置することができる。次に、空気および燃料をデバイス２００の長さＬに沿って、燃料アウトレット１６および空気アウトレット２２を介して螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００から流出させることができる。電圧接続点３８、４０は、螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の互いに反対側に位置している末端または末端に隣接して形成されたコンタクトパッド４４にはんだ付けすることができる。
【００７０】
図２９Ａ〜２９Ｇは、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスが管状同心形態である本発明の一代替実施形態を示したものである。図２９Ａは、同心Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００を略等角図で示したものである。図２９Ｂ〜２９Ｅは、図２９Ａの同心デバイス３００の横断面図を示したものである。図２９Ｆは、デバイス３００の空気入口端部分の端面図を示したものであり、また、図２９Ｇは、デバイス３００の燃料入口端部分の端面図を示したものである。図に示されている特定の実施形態には３つの空気通路２０が含まれており、１つは管状構造の中心に存在しており、また、他の２つは中心から距離を隔てて同心をなしている。また、同心Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００は、これらの空気通路２０の間に、これらの空気通路２０と同心をなしている２つの燃料通路１４を有している。図２９Ａ〜２９Ｄに示されているように、同心Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００には、一方の末端で燃料通路１４を接続している燃料アウトレット１６、および対応する個々のインレット１２、１８とは反対側のもう一方の末端で空気通路２０を接続している空気アウトレット２２が含まれている。個々の空気通路２０はカソード２６と整列し、また、個々の燃料通路１４はアノード２４と整列しており、電解質２８は、互いに対向しているアノードおよびカソードを分離している。図２９Ａ〜２９Ｂおよび図２９Ｆ〜２９Ｇに示されているように、電気接続は、同心Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００の互いに反対側に位置している末端部分で、露出したアノード２５および露出したカソード２７に対して実施することができる。これらの末端には、露出したアノード２５および露出したカソード２７を接続するためのコンタクトパッド４４を加えることができ、また、図には示されていないが、デバイス３００の外側に沿ってコンタクトパッド４４を走らせることも可能であり、それにより、これらの末端部分でではなく、デバイス３００の長さに沿った一点で電気接続を実施することができる。同心Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００は、空気通路および燃料通路１４、２０の中に配置される、構造を支持するための支柱５４を含むことができる。
【００７１】
互いに反対側に位置している末端１１ａ、１１ｂに２つのコールドゾーン３０を有し、空気入口および燃料出口を一方の末端に備え、また、燃料入口および空気出口を反対側の末端に備える本発明の実施形態では、使用済みの燃料または空気は、中央ホットゾーン３２から流出する際には加熱された状態にある。加熱された空気および燃料は、それらが移行ゾーン３１を通ってコールドゾーン３０へ移動する際に冷たくなる。電極および／またはセラミック／電解質の薄い層は、空気通路２０を平行燃料通路１４から分離しており、あるいはその逆に燃料通路１４を平行空気通路２０から分離している。１つの通路内で、加熱された空気がホットゾーン３２から流出し、また、隣接する平行通路内で、燃料がホットゾーン３２に流入しており、また、その逆に、１つの通路内で、加熱された燃料がホットゾーン３２から流出し、また、隣接する平行通路内で、空気がホットゾーン３２に流入している。加熱された空気は、熱交換原理により、隣接する平行通路に流入する燃料を加熱することになり、また、その逆に、加熱された燃料は、熱交換原理により、隣接する平行通路に流入する空気を加熱することになる。したがって、熱交換によって空気および燃料がある程度予熱される。しかしながら、上で説明したように、ホットゾーン３２の外側の熱は急激に失われるため、熱交換は、場合によっては、空気および燃料がホットゾーン３２内の能動領域に流入する前にそれらを最適反応温度まで予熱するには不十分である場合がある。さらに、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が１つのコールド端（コールドゾーン３０）および１つのホット端（ホットゾーン３２）を含んでいる実施形態では、熱交換のための燃料および空気の交差流が生じないよう、燃料および空気は、同じコールド端３０に投入され、かつ、反対側の同じホット端３２から流出する。流入する燃料および空気に対する熱交換を利用することができるのは、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の電極材料およびセラミック材料からの限られた熱交換にすぎない。
【００７２】
図３０Ａ〜３３Ｃは、アノード２４およびカソード２６が互いに対向する関係で存在している能動ゾーン３３ｂに燃料および空気が流入する前にそれらを加熱するための統合予熱ゾーン３３ａを有するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の様々な実施形態を示したものである。これらの実施形態には、中間ホットゾーン３２を備えた２つのコールド端３０、および互いに反対側に位置しているコールド端３０に燃料入口および空気入口が存在しているＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、および１つのホット端３２および１つのコールド端３０が存在し、単一のコールド端３０に燃料入口および空気入口の両方を備えたＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が含まれている。これらの実施形態では、使用される電極材料の量を能動ゾーン３３ｂに限定し、電圧接続点３８、４０への外部接続のためにごく少量をコールドゾーン３０にもたらすことができる。これらの実施形態における他の利点は、追ってより詳細に説明するが、電極が、小さい抵抗を提供する外部電圧接続へ移動するための最短可能経路を有していることである。
【００７３】
図３０Ａは、統合予熱ゾーン３３ａを備えた１つのコールドゾーン３０および反対側の１つのホットゾーン３２を有するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第１の実施形態の略横断面側面図を示したものである。図３０Ｂは、アノード２４を通して燃料通路１４に向かって見上げた図を横断面図で示したものであり、また、図３０Ｃは、カソード２６を通して空気通路２０に向かって見下ろした図を横断面図で示したものである。図３０Ａおよび３０Ｂに示されているように、燃料供給３４からの燃料は、燃料インレット１２から流入し、燃料通路１４を通ってデバイス１０の長さに沿って延在し、燃料アウトレット１６を介してデバイス１０の反対側の末端から流出する。コールドゾーン３０は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第１の末端１１ａに位置しており、また、ホットゾーン３２は、反対側の第２の末端１１ｂに位置している。ホットゾーンとコールドゾーンの間は移行ゾーン３１である。ホットゾーン３２には、燃料が最初に通過して移動する初期予熱ゾーン３３ａ、および燃料通路１４に隣接するアノード２４を含んだ能動ゾーン３３ｂが含まれている。図３０Ｂに示されているように、アノード２４の断面積は、能動ゾーン３３ｂでは広くなっている。アノード２４は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の縁まで延在しており、また、外部コンタクトパッド４４は、負の電圧接続点３８への接続のために、デバイス１０の外側に沿ってコールドゾーン３０まで延在している。
【００７４】
同様に、図３０Ａおよび３０Ｃに示されているように、空気供給３６からの空気は、コールドゾーン３０に配置されている空気インレット１８から流入し、空気は、空気通路２０を通ってＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さに沿って延在し、空気アウトレット２２を介してホットゾーン３２から流出する。空気および燃料は、同じ末端から流入し、かつ、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さに沿って同じ方向に移動しているため、ホットゾーン３２の前段での熱交換による空気および燃料の予熱は限られている。カソード２６は、アノード２４と互いに対向する関係で能動ゾーン３３ｂの中に配置されており、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の反対側の面まで延在してそこで露出し、正の電圧接続点４０への接続のために能動ホットゾーン３３ｂからコールドゾーン３０まで延在している外部コンタクトパッド４４に接続されている。しかしながら、露出したカソード２７を露出したアノード２５としてデバイス１０の反対側の面に配置する必要はない。露出したアノード２５および露出したカソード２７は、デバイス１０の同じ面に配置することができ、また、コンタクトパッド４４は、条片（ストリップ、帯状体）としてＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の下側に形成することができる。この構造によれば、空気および燃料は、最初に、反応が生じない予熱ゾーン３３ａの中で加熱され、アノード材料およびカソード材料の大部分が、加熱された空気および燃料が流入して、対向するアノード層およびカソード層２４、２６によって反応する能動ゾーン３３ｂに限定される。
【００７５】
図３１Ａ〜３１Ｃに示されている実施形態は、図３０Ａ〜３０Ｃに示されている実施形態に類似しているが、１つのホット端３２および１つのコールド端３０を有する代わりに、図３１Ａ〜Ｃの実施形態には、中央ホットゾーン３２を備えた、互いに反対側に位置しているコールドゾーン３０が含まれている。燃料供給３４からの燃料は、コールドゾーン３０の燃料インレット１２を介してデバイス１０の第１の末端１１ａから流入し、反対側のコールドゾーン３０に配置されている燃料アウトレット１６を介して反対側の第２の末端１１ｂから流出する。同様に、空気供給３６からの空気は、空気インレット１８を介して反対側のコールドゾーン３０から流入し、空気アウトレット２２を介して第１のコールドゾーン３０から流出する。燃料はホットゾーン３２に流入し、予熱ゾーン３３ａの中で予熱され、一方、空気は、ホットゾーン３２の反対側の面から流入し、もう１つの予熱ゾーン３３ａの中で予熱される。したがって燃料および空気の交差流が存在している。アノード２４は、ホットゾーン３２の能動ゾーン３３ｂの中でカソード２６と互いに対向しており、予熱された燃料および空気を必要とする能動ゾーン３３ｂの中で反応が生じる。この場合も、電極材料の大部分が能動ゾーン３３ｂに限定される。アノード２４は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の縁で露出しており、また、カソード２６は、デバイス１０の反対側の面で露出している。外部コンタクトパッド４４は、露出したアノード２５とホットゾーン３２の中で接触し、負の電圧接続点３８への接続のために、第１のコールド端１１ａに向かって延在している。同様に、外部コンタクトパッド４４は、露出したカソード２７とホットゾーン３２の中で接触し、正の電圧接続点４０への接続のために、第２のコールド端１１ｂに向かって延在している。
【００７６】
予熱ゾーン３３ａは、ガスが能動領域に到達する前にガスを最適反応温度まで完全に加熱する利点を提供している。燃料が最適温度より冷たい場合、ＳＯＦＣシステムの効率が低下することになる。空気および燃料はそれらの経路上に留まるため、温かくなる。空気および燃料が温かくなると、その領域の電解質２８の効率が高くなる。燃料、空気および電解質２８が炉の全温度に到達すると、電解質２８は、その最適効率の下で動作する。貴金属で製造することになるアノード２４およびカソード２６に要する金額を節約するために、依然として最適温度未満の領域の金属を除去することができる。長さまたは他の寸法の形での予熱ゾーン３３ａの量は、炉からＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０への熱伝達の量、およびＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から燃料および空気への熱伝達の量で決まり、また、燃料および空気の交差流による何らかの熱交換が生じているかどうかで決まる。これらの寸法は、さらに、燃料および空気の流量で決まり、例えば燃料または空気がＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さにわたって高速で移動している場合は、より長い予熱ゾーンが有利であり、一方、流量が少ない場合、予熱ゾーン３３ａは、より短くすることができる。
【００７７】
図３２Ａおよび３２Ｂは、図３１Ａ〜３１Ｃに示されている実施形態に類似しているが、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が、燃料インレット１２と燃料通路１４の間の予熱チャンバ１３であって、燃料がより狭い燃料通路１４を通って能動ゾーン３３ｂの中へ通過する前に、予熱ゾーン３３ａの中で大量の燃料を予熱するためにホットゾーン３２の中へ延在している予熱チャンバ１３を含んだ一実施形態を示したものである。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０には、同様に、空気インレット１８と空気通路２０の間の予熱チャンバ１９であって、空気がより狭い空気通路２０を通って能動ゾーン３３ｂの中へ通過する前に、予熱ゾーン３３ａの中で大量の空気を予熱するためにホットゾーン３２の中へ延在している予熱チャンバ１９が含まれている。これまでの実施形態で説明したように、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、複数の燃料通路１４および空気通路２０を含むことができ、それらの各々が対応する個々の予熱チャンバ１３、１９から流れを受け取ることができる。
【００７８】
予熱チャネルに代わる大容量予熱チャンバ１３、１９に関連して、単なる一例にすぎないが、例えば空気の分子を最適温度まで加熱するのに５秒を要すると仮定し、次に、空気の分子がＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を毎秒１インチで移動していると仮定すると、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０には、空気が能動ゾーン３３ｂに流入する前に長さ５インチの予熱チャネルが必要であることを想像することが可能である。しかしながら、チャネルの代わりに大容量チャンバが提供されると、その体積により、能動ゾーン３３ｂへのより狭いチャネルに流入する前に空気分子がチャンバ内で加熱され、次に、加熱された空気分子を短い長さのチャネルを使用して能動ゾーン３３ｂに供給することができるよう、分子を余分の時間だけ空洞内に留まらせることができる。このような空洞すなわち予熱チャンバ１３、１９は、未焼結（つまり焼結前の）アセンブリを取り上げ、アセンブリの末端に孔を空けてチャンバを形成するか、あるいは未焼結スタックを形成する際に大量の有機材料をその中に組み込み、焼結中にＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスからその有機材料を燃き出す、などを始めとする多くの異なる方法で準備することができる。
【００７９】
図３３Ａ〜３３Ｃは、空気および燃料が能動ゾーン３３ｂに到達する前にそれらを予熱するためのさらに他の実施形態を示したものである。図３３Ａは、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長手方向の中心に実質的に沿った略横断面側面図である。図３３Ｂは、線３３Ｂ〜３３Ｂに沿って取った、燃料通路１４およびアノード２４が交差している横断面上面図であり、一方、図３３Ｃは、線３３Ｃ〜３３Ｃに沿って取った、空気通路２０がカソード２６と交差している横断面底面図である。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、２つの互いに反対側に位置しているコールドゾーン３０および中央のホットゾーン３２を有しており、コールドゾーン３０の各々とホットゾーン３２の間に移行ゾーン３１を備えている。燃料供給３４からの燃料は、燃料インレット１２からＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第１の末端１１ａに流入し、ホットゾーン３２の反対側の末端に向かって延在している燃料通路１４を通って移動し、そこでＵターンして、第１の末端１１ａのコールドゾーン３０に向かって移動して戻り、そこで使用済み燃料が燃料アウトレット１６から流出する。同様に、空気供給３６からの空気は、空気インレット１８からＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第２の末端１１ｂに流入し、ホットゾーン３２の反対側の末端に向かって延在している空気通路２０を通って移動し、そこでＵターンして、第２の末端１１ｂに向かって移動して戻り、そこで空気アウトレット２２を介してコールドゾーン３０から空気が流出する。これらのＵターン通路により、ホットゾーン３２への湾曲（Ｕターン）を介した初期流入からの燃料通路１４および空気通路２０の部分が、燃料および空気を予熱するための予熱ゾーンを構成する。通路１４、２０内で湾曲すなわちＵターンした後、これらの通路は、互いに対向した関係にあり、かつ、それらの間に電解質２８を備えた対応するアノード２４またはカソード２６と整列する。この領域は、ホットゾーン３２内の能動ゾーン３３ｂを構成している。したがって、燃料および空気は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の効率を高くし、かつ、電極材料の使用を最小化するために、能動ゾーン３３ｂへの流入に先立って予熱ゾーン３３ａで加熱される。アノード２４は、負の電圧接続点３８への接続のために、コールドゾーン３０内でデバイス１０の外部へ延在している。同様に、カソード２６は、正の電圧接続点４０への電気接続のために、デバイス１０の外部へ延在している。また、燃料アウトレットおよび空気アウトレット１６および２２も、コールドゾーン３０から出すことができる。
【００８０】
図に示し、かつ、上で説明した多く実施形態では、アノード２４およびカソード２６は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の層の中、本質的には個々の層の中央領域の中、つまりデバイスの内部をそれらがデバイスの末端に到達するまで延在している。アノード２４およびカソード２６は、デバイスの末端部分で、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外側に垂れが付けられ、露出したアノード２５および露出したカソード２７が、例えば銀ペーストを塗布することによってコンタクトパッド４４で金属化され、次に、コンタクトパッド４４にワイヤがはんだ付けされる。例えば図４Ａ〜４Ｂを参照されたい。しかしながら、例えば図８Ａ〜９Ｂに示されているように、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の中に層を積み重ねてより高い電圧の組合せにすることが場合によっては望ましい。例えば１ＫＷの電力を生成するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を製造することが望ましい場合、電圧と電流の間で電力が分割される。規格の１つは、合計１ＫＷの電力を生成するためには８３アンペアが必要になるよう、１２ボルトを使用することである。図８Ｂおよび９Ｂでは、並列または直列の組合せを形成するために、ビアを使用して電極層が相互接続されている。
【００８１】
図３４Ａないし３７は、電極層を相互接続するための代替実施形態を示したものである。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の内部で電極層を相互接続する代わりに、これらの代替実施形態には、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の両側に沿って、例えば銀ペーストの外部条片（細いコンタクトパッド）が使用されており、詳細には複数の微小条片が使用されている。条片技法を使用することにより、必要な任意の電流／電圧比を達成するための直列および／または並列組合せを提供することができる単純な構造が形成される。さらに、外部条片は、内部ビアと比較すると緩い機械公差を有することができ、したがって製造が単純化される。また、外部条片は、ビアより小さい抵抗（すなわち等価直列抵抗）を有していることが期待される。導体経路の抵抗は、小さければ小さいほど、その経路に沿った電力損失が小さくなり、したがってこれらの外部条片を使用することにより、より小さい電力の損失でＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から電力を取り出す能力が提供される。
【００８２】
次に、とりわけ図３４Ａおよび３４Ｂを参照すると、直列外部アノード／カソード相互接続が示されている。図３４Ａには、交互に配置されたアノード２４ａ、２４ｂ、２４ｃおよびカソード２６ａ、２６ｂ、２６ｃの略斜め正面図が示されている。アノード２４ａ、２４ｂ、２４ｃおよびカソード２６ａ、２６ｂ、２６ｃには、露出したアノード２５および露出したカソード２７を提供するために、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さに沿って、デバイス１０の縁から突出している垂れが含まれている。次に、図３４Ｂの略側面図に最も良好に示されているように、露出したアノード２５およびカソード２７の上方のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外側に外部コンタクトパッド４４（すなわち条片）が提供される。互いに対向している３対のアノード２４ａ、２４ｂ、２４ｃおよびカソード２６ａ、２６ｂ、２６ｃを直列に接続することにより、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、３ボルト、１アンペアを提供する。図３５では、構造が二重化され、デバイス１０の両側の長い条片によって２つの構造が接続されており、それにより３ボルト、２アンペアを提供する直列並列設計の外部アノード／カソード相互接続を提供している。
【００８３】
図３６Ａおよび３６Ｂは、低電力損失を提供するための低等価直列抵抗経路のための一実施形態を示したものである。この実施形態では、ホットゾーン３２は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の中央部分に存在しており、第１の末端１１ａおよび第２の末端１１ｂはコールドゾーン３０に存在している。燃料は、第１の末端１１ａの燃料インレット１２から投入され、また、空気は、第２の末端１１ｂの空気インレット１８から投入される。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の能動面積であるホットゾーン３２内では、アノード２４およびカソード２６がデバイス１０の両側に露出しており、一方の側にアノード２４が露出し、また、反対側にカソード２６が露出している。コンタクトパッド４４（すなわち条片）が露出したアノード２５およびカソード２７の上方に加えられる。次に、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の縁が、デバイス１０の側面の長さに沿って、メタライゼーションがコールドゾーン３０に達するまで金属化され、そこで負の電圧接続点３８および正の電圧接続点４０への低温はんだ接続４６が実施される。アノード２４およびカソード２６は他の機能を有しているため、抵抗を小さくする目的のためだけでそれらを最適化することはできない。例えば、空気または燃料を電解質２８へ通過させるためには電極を多孔性にしなければならないが、その多孔性によって抵抗が大きくなる。さらに、多層Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０中の良好な層密度を可能にするためには電極を薄くしなければならないが、電極を薄くすればするほど、抵抗が大きくなる。より分厚いコンタクトパッド４４をＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の縁（側面）に加えることにより、はんだ接続４６に向かって抵抗の小さい経路を提供することが可能である。コンタクトパッド４４は、分厚ければ分厚いほど、抵抗が小さくなる。例えば電子がＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内の電極を、電極層中のすべてのボイドを通過して１０インチ移動しなければならない場合、最小抵抗の経路の長さは、例えばデバイス１０の側縁まで０．５インチであり、次に、外部非多孔性コンタクトパッド４４まで１０インチである。したがって、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外側に沿ってコールドゾーン３０まで延在している長いコンタクトパッド４４を使用して、抵抗がより小さい導体経路を提供することにより、より小さい損失でＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から電力を取り出すことができる。したがって、条片技法をＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の能動面積（ホットゾーン３２）に使用して直列接続および並列接続を実施することによって電力を大きくすることができ、また、デバイス１０の側面に沿ってコールド端３０まで長い条片を使用することにより、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から効率的に電力を取り出すことができる。
【００８４】
図３７は、図３６Ｂに示されている実施形態に類似しているが、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第１の末端１１ａに単一のコールドゾーン３０を有し、ホットゾーン３２がデバイス１０の第２の末端１１ｂに位置している一実施形態を略等角図で示したものである。直列接続および／または並列接続を実施するための複数の垂直方向の条片すなわちコンタクトパッド４４がホットゾーン３２内に提供されており、また、正の電圧接続点４０および負の電圧接続点３８への低温はんだ接続４６を実施するための、デバイス１０の両側に沿った水平方向の長い条片すなわちコンタクトパッド４４が、ホットゾーン３２からコールドゾーン３０まで提供されている。
【００８５】
燃料通路１４および空気通路２０を形成するための方法の１つは、層状未焼結構造内に、次に後の焼結ステップの間に焼き出すことができる有機材料を犠牲層として配置することである。１ＫＷ出力または１０ＫＷ出力などの大きい電力を出力する個々のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を構築するためには、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を長くし、かつ、その幅を広くしなければならず、また、層の数を多くしなければならない。一例として、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスは、１２インチないし１８インチ程度の長さにすることができる。未焼結構造を焼いてセラミックを焼結させ、かつ、犠牲有機材料を除去する場合、燃料通路１４を形成するために使用される有機材料は、それぞれ燃料インレットおよび燃料アウトレットを形成している開口１２および１６から取り出さなければならない。同様に、空気通路２０を形成するために使用される有機材料は、それぞれ空気インレットおよび空気アウトレットを形成している開口１８および２２から焼き出さなければならない。デバイスが長ければ長いほど、また、デバイスの幅が広ければ広いほど、有機材料をこれらの開口から取り出すことが困難になる。焼出し中にデバイスが極端に急速加熱されると、有機材料を構造から取り出すことができる前にそれらの分解が生じるため、様々な層が層間剥離することがある。
【００８６】
図３８Ａおよび３８Ｂは、有機材料（犠牲層）７２を焼き出すための複数の出口ギャップを提供する一代替実施形態を略横断面上面図で示したものである。図３８Ａに示されているように、有機材料７２を構造から取り出すための複数の焼出し経路を提供するために、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の側に複数の開口７０が提供されている。図３８Ｂに示されているように、焼出しの後、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のその面に障壁コーティング６０を加えることによってこれらの複数の開口７０が密閉される。一例として、障壁コーティング６０はガラスコーティングであってもよい。他の例では、障壁コーティング６０は、セラミック充填剤を含有したガラスであってもよい。さらに他の実施形態では、障壁コーティング６０は、例えば、生成される電力のための抵抗が小さい経路としても機能することになるペーストが充填されたコンタクトパッド４４であってもよい。銀ペーストは、粘着を強化するためにガラスを含有することも可能である。一例示的実施形態では、カソード２６のための焼出し経路は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の面に通気されており、また、アノード２４のための焼出し経路は、互いに対向している電極間の短絡を回避するために、デバイス１０の反対側の面に通気されている。
【００８７】
Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、１００、２００、３００のための一代替実施形態では、それぞれカソード２６またはアノード２４と整列した開放空気通路２０および燃料通路１４を有する代わりに、空気または燃料の流れを許容する多孔性電極材料を使用して、カソードと空気チャネルを結合し、また、アノードと燃料チャネルを結合することができる。カソードおよびアノードは、反応の発生を許容するためには必ず多孔性でなければならないため、強制された空気および燃料の投入と組み合わせることにより、電力生成反応の発生を許容するだけの十分な流れをＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを介して達成することができる。
【００８８】
図３９は、本発明の他の実施形態を略横断面端面図で示したものである。この実施形態は、本質的には、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のアノード支持バージョンである。他の実施形態の場合と同様、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、ホット端３２およびコールド端３０を有することができ、あるいは中間ホットゾーン３２を備えた２つのコールド端３０を有することができる。セラミック２９によって支持されたデバイス１０を有する代わりに、このアノード支持バージョンには、アノード材料が支持構造として使用されている。アノード構造内には、燃料通路１４および空気通路２０が互いに対向する関係で提供されている。空気通路２０は電解質層２８と整列しており、また、カソード層２６とも整列している。化学気相成長を使用して内部層を堆積させることができ、あるいは粘性ペーストの溶液を使用することによって堆積させることができる。
【００８９】
図４０Ａおよび４０Ｂは、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のアノード支持バージョンのための他の実施形態を示したものである。この実施形態では、多孔性アノード２４が同じく燃料通路１４ａとして作用するよう、個別の開放燃料通路１４が除去されている。さらに、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０には、デバイス１０の側面から燃料が流出するのを防止するために、ガラスコーティングまたはセラミックコーティングなどの障壁コーティング６０がコーティングされている。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、必要に応じて、関連する電解質２８およびカソード２６と共に多くの空気通路１４をアノード構造内に有することができる。図４０Ｂに示されているように、燃料供給３４からの燃料は、燃料通路１４として作用している多孔性アノード２４を介して第１の末端１１ａの中へ強制され、電解質層２８およびカソード２６を通過して空気供給３６からの空気と反応した後、使用済みの空気および燃料は、空気アウトレット２２から流出することができる。
【００９０】
図４１Ａに略横断面端面図で、また、図４１Ｂに略横断面上面図で示されている他の実施形態では、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、アノード支持構造内に提供されている複数の空気通路２０、およびこれらの複数の空気通路２０に対して直角の単一の燃料通路１４であって、燃料を燃料供給３４から単一の燃料インレット１２を介して複数の空気通路２０へ供給するための単一の燃料通路１４を含むことができる。この場合も、空気通路２０は、最初に電解質層２８と整列し、次にカソード２６と整列している。燃料は、単一の燃料通路１４からアノード構造２４、電解質２８およびカソード２６を通過して空気通路２０の中で空気と反応し、空気アウトレット２２から使用済みの燃料および空気が流出する。使用済みの燃料は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の、障壁コーティング６０が含まれていない、コーティングされていない面がデバイス１０の単一の燃料通路１４の配向とは反対側に配置されることになる方の側から除去することも可能である。
【００９１】
アノード支持構造に関連する実施形態の場合、その構造は、本質的に、カソード支持構造になるように反転させることができることは理解されよう。この場合、電解質層２８およびアノード層２４がコーティングされた燃料通路１４がカソード構造内に提供されることになる。また、個別の空気通路２０または複数の空気通路２０を提供することも可能であり、あるいはカソード２６の多孔性を空気流のために使用することも可能である。
【００９２】
図４２Ａ〜４２Ｃは、空気通路２０および燃料通路１４内に電極を形成するための方法を示したものである。一例として燃料通路１４およびアノード２４を取り上げると、未焼結セラミックの層および金属テープ層を使用して１層ずつ未焼結構造を蓄積する代わりに、あるいはメタライゼーションを印刷する代わりに、この実施形態では、電極のないＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が最初に構築される。言い換えると、未焼結セラミック材料を使用してＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の電解質２８およびセラミック支持部分２９が形成され、また、有機材料を使用して燃料通路１４などの通路が形成される。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が焼結されると、燃料通路１４にアノードペーストまたは溶液が充填される。このペーストは、印刷インキの場合のように濃くすることも、あるいは高濃度水溶液の場合のように薄くすることも可能である。アノード材料は、真空による吸込み、毛管力、または空気圧による強制などの所望の任意の手段によって燃料通路１４に充填することができる。
【００９３】
別法として、図４２Ａ〜４２Ｃに示されているように、アノード材料が溶液中に溶解され、燃料通路１４に流し込まれ、次に、沈殿される。例えば、ｐＨの変化を介してアノード粒子を沈殿させ、溶液を取り除くことができる。他の代替では、単純にアノード粒子を沈殿させ、次に液体を乾燥させるか、あるいは燃料通路１４から焼き出すことも可能である。この沈殿は、例えば低粘性によって一時たりとも粒子を懸濁状態に維持しないインキまたは液体キャリアを生成することによって達成することができる。また、遠心分離機を使用して沈殿を強制することも可能である。遠心分離機は、容易に、ほとんど粒子を燃料通路１４の一方の表面に優先的に沈殿させることができ、それにより電極材料を節約することができ、かつ、燃料通路１４の一方の表面のみが電解質として作用することを保証することができる。
【００９４】
図４２Ａに示されているように、アノード粒子を含有した溶液６６は、図４２Ｂに示されているように、通路１４が完全に充填されるまで燃料通路１４の中に引き込まれる。次に、図４２Ｃに示されているように、通路１４の底に粒子が沈殿し、アノード層２４が形成される。溶液６６の注入は、通常の毛管力と比較して、重力、真空または遠心分離機によって加速することができる。一例としてアノード２４および燃料通路１４が使用されたが、当然、これらの代替実施形態は、いずれも、カソードペーストまたは溶液と共に使用して空気通路２０の中にカソード層２６を生成することも可能である。
【００９５】
他の代替では、セラミック電極材料（アノードまたはカソード）を液体ゾル−ゲル状態で通路（燃料または空気）の中に注入し、次に通路の内側に堆積させることができる。また、例えば液体中における所望の電極材料の濃度が低い場合、または特性の勾配を電極に提供する場合（例えば、電解質に近い電極に電解質から離れた電極のＹＳＺの量に対して異なる量のＹＳＺを提供する場合など）、あるいは種類が異なる材料の複数の層を一緒にすることが望ましい場合（例えば、より良好な導電率にするために、電解質の近傍にＬＳＭ製のカソードを置き、次にＬＳＭの頂部の上方に銀を置くことが望ましい場合など）、充填動作を複数回にわたって繰り返すことも可能である。
【００９６】
セラミックの球すなわちボールを使用して構造的な支持が空気通路および燃料通路２０、１４に提供されている図７Ｃおよび７Ｄをもう一度参照すると、セラミック粒子を使用して実効表面積を広くし、それにより反応面積をより広くすることも可能であり、したがってより大きい出力が得られる。電極層を加える前に、サイズが極めて小さいセラミックボールすなわち粒子を燃料通路１４および空気通路２０の内側に使用することができる。図４３に略横断面側面図で示されているように、表面粒子６２は、電極層を受け入れるために利用することができる表面積を広くする非一様なトポグラフィを電解質層２８に提供するために、通路１４に沿って整列している。次に、非一様なトポグラフィの上方にアノード２４が加えられ、表面粒子６２のすべての周囲にアノード材料がコーティングされ、それにより反応面積が広くなる。
【００９７】
図４４に略横断面側面図で示されている一代替実施形態では、非一様なトポグラフィすなわち織り目が付けられた表面層６４が提供されるよう、例えばＶ字形パターンを有し、このパターンが電解質層２８に付与されることになる微細グレーディングへの未焼結電解質層の押付けなどによって電解質層２８を積層することができる。電解質層２８が焼結され、セラミックおよび織り目が付けられた表面層６４が凝固すると、反応面積が広いアノードを提供するために、例えば図４２Ａ〜４２Ｃに関連して上で説明した充填プロセスの使用などによってアノード層２４を加えることができる。
【００９８】
図４５Ａおよび４５Ｂは、本発明のさらに他の実施形態を示したものである。図４５Ａは、空気通路および燃料通路を通って流れる空気および燃料、ならびに電極の配置を示す略上面図であり、また、図４５Ｂは、ホットゾーン３２に沿った横断面図である。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、その長さに沿って左側８０および右側８２に分割されており、それらの間に中間すなわち架橋部分８４を備えている。複数の空気通路２０ＬがＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第１の末端１１ａから左側８０を通ってその長さに沿って延在し、第２の末端１１ｂに隣接する左側８０から出ており、また、複数の空気通路２０Ｒが第１の末端１１ａから右側８２を通ってその長さに沿って延在し、第２の末端１１ｂに隣接する右側８２でＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から出ている。空気通路２０Ｌは、図４５Ｂに最も良好に示されているように空気通路２０Ｒからオフセットしている。複数の燃料通路１４ＬがＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の第２の末端１１ｂから左側８０を通ってその長さに沿って延在し、第１の末端１１ａに隣接する左側８０から出ており、また、複数の燃料通路１４Ｒが第２の末端１１ｂから右側８２を通ってその長さに沿って延在し、第１の末端１１ａに隣接する右側８２から出ている。燃料通路１４Ｌは、燃料通路１４Ｒからオフセットしている。さらに、１つの燃料通路および１つの空気通路を除き、個々の燃料通路１４Ｌは、１つの空気通路２０Ｒと対をなし、かつ、その空気通路２０Ｒから若干オフセットしており、また、個々の空気通路２０Ｌは、１つの燃料通路１４Ｒと対をなし、かつ、その燃料通路１４Ｒから若干オフセットしている。燃料通路１４Ｌおよび空気通路２０Ｒのオフセットした個々の対毎に、メタライゼーションが個々の燃料通路１４Ｌに沿って左側８０から右側８２へ延在しており、右側８２では、メタライゼーションは、若干オフセットした空気通路２０Ｒに沿って延在している。同様に、燃料通路１４Ｒおよび空気通路２０Ｌのオフセットした個々の対毎に、メタライゼーションが個々の空気通路２０Ｌに沿って左側８０から右側８２へ延在しており、右側８２では、メタライゼーションは、若干オフセットした燃料通路１４Ｒに沿って延在している。メタライゼーションは、メタライゼーションが燃料通路１４Ｌまたは１４Ｒに沿って延在している場合、アノード２４Ｌまたは２４Ｒとして作用し、また、メタライゼーションは、メタライゼーションが空気通路２０Ｌまたは２０Ｒに沿って延在している場合、カソード２６Ｌまたは２６Ｒとして作用する。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の、メタライゼーションがどの空気通路または燃料通路に沿っても延在していない架橋部分８４では、メタライゼーションは、アノードとカソードの間のブリッジ９０として単純に作用する。本発明の一実施形態では、メタライゼーションは、アノード２４Ｌまたは２４Ｒ、ブリッジ９０およびカソード２６Ｌまたは２６Ｒがそれぞれ同じ材料を備えるよう、その長さに沿って同じ材料を備えることができる。例えば、メタライゼーションは、それぞれ、アノードまたはカ���ードのいずれかとして良好に機能する白金族金属を備えることができる。別法としては、メタライゼーションは異なる材料を備えることができる。例えば、カソード２６Ｒまたは２６Ｌは、ランタンストロンチウム水マンガン鉱（ＬＳＭ，ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｍａｎｇａｎｉｔｅ）を備えることができ、一方、アノード２４Ｒまたは２４Ｌは、ニッケル、ＮｉＯまたはＮｉＯ＋ＹＳＺを備えている。ブリッジ９０は、パラジウム、白金、ＬＳＭ、ニッケル、ＮｉＯまたはＮｉＯ＋ＹＳＺを備えることができる。本発明には、カソードまたはアノードとしての使用に適した、あるいはそれらの間の架橋材料としての使用に適した材料の任意の組合せまたはタイプが企図されており、本発明は、上で識別した特定の材料に限定されない。
【００９９】
燃料通路１４Ｒは、露出した外部アノード２５を提供するためにＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の右側の縁まで延在している関連するアノード２４Ｒと共に、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の一方の側、ここでは右側８２に示されている側に提供されている。この燃料通路１４Ｒに関連するオフセットした空気通路２０Ｌは存在しておらず、また、アノード２４Ｒを左側８０へ延在させる必要はない。図４５Ａに示されているように、外部コンタクトパッド４４は、露出したアノード２５の上方に加えられており、また、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さに沿ってコールドゾーン３０の中へ延在している。次に、ワイヤ４２およびはんだ接続４６によって負の電圧接続点３８をコンタクトパッド４４に接続することができる。アノード２４Ｒは、図に示されているように、ホットゾーン３２を横切って右側の縁まで延在させることができ、あるいは使用される電極材料の量を少なくするために、単に微小垂れ部分まで延在させることも可能である。また、アノード２４Ｒは、燃料通路１４Ｒの長さに沿ってＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の右側の縁まで延在させることも可能であるが、このような実施形態は、場合によっては不必要な電極材料の使用が必要になる。
【０１００】
同様に、単一の空気通路２０Ｌは、露出したカソード２７を形成するためにＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の左側まで延在している関連するカソード２６Ｌと共に、左側８０として示されているＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のもう一方の側に提供されている。この空気通路２０Ｌには、オフセットした燃料通路１４Ｒは関連しておらず、また、カソード２６Ｌを右側８２へ延在させる必要はない。コンタクトパッド４４は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の左側８０の外側に沿って、露出したカソード２７からコールド端３０まで加えることができ、そこで正の電圧接続点４０をワイヤ４２およびはんだ接続４６を介してコンタクトパッド４４に接続することができる。
【０１０１】
図４５Ｂには、右側８２の一番上に単一の燃料通路１４Ｒおよび関連するアノード２４Ｒが示されており、一方、単一の空気通路２０Ｌおよび関連するカソード２６Ｌは、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の左側８０の一番下に示されている。しかしながら、本発明はこの構造に限定されない。例えば、単一の燃料通路１４Ｒおよびその関連するアノード２４Ｒと同様のオフセット方法で、左側８０のデバイス１０の一番上に空気通路２０Ｌおよび関連するカソード２６Ｌを提供することも可能であるが、左側８０から架橋部分８４を通って右側８２までメタライゼーションを走らせることはできない。その代わりに、アノード２４Ｒがカソード２６Ｌから電気的に分離されるよう、ブリッジ９０を除去することができる。２つの独自の空気通路スタックおよび２つの独自の燃料通路スタックを単一のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内に備え、電池が直列に接続されたＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を提供することができる追加構造が企図されている。図４５Ａおよび４５Ｂに示されている実施形態は、電流を大きくすることなく電圧を高くし、一方、小さい抵抗を維持する利点を有している。さらに、この実施形態によれば、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内に高い密度が提供される。
【０１０２】
図４６Ａおよび４６Ｂは、一代替実施形態をそれぞれ略斜視図および略横断面図で示したものである。これまでの実施形態（例えば図３７）には、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外面または縁に沿って、ホットゾーン３２から１つまたは複数のコールドゾーン３０まで、電子がコールド端まで移動するための抵抗が小さい経路を提供するための外部条片が提供されていた。図４６Ａおよび４６Ｂの実施形態では、デバイス１０の側面または縁に沿った条片の代わりに、アノード２４への外部接続のためのコンタクトパッド４４が、一方の側面ならびに頂部表面および底部表面のうちのいずれか一方に沿って加えられており、また、カソード２６への外部接続のための他のコンタクトパッド４４が、上記とは反対側のもう一方の側面ならびに同じく上記とは反対側の頂部表面および底部表面のうちの一方に沿って加えられている。したがって電子は、電子が移動するための大きい経路または幅の広い経路を有しており、それによりさらに小さい抵抗が提供される。２つの隣接する表面に加えられるこれらの大きいコンタクトパッド４４は、本明細書において説明されているすべての実施形態に使用することができる。
【０１０３】
図４７は、熱交換原理を利用しているＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のさらに他の実施形態を略横断面側面図で示したものである。加熱された空気および燃料がホットゾーン３２の能動ゾーン３３ｂ（すなわちホットゾーン３２の一部であって、アノード２４がカソード２６と互いに対向している関係にあり、かつ、それらの間に電解質２８を備えている部分）を通過すると、燃料通路１４および空気通路２０は、結合されて単一の排気通路２１になる。すべての非反応燃料は、加熱された空気と結合すると燃焼し、したがって余分の熱を生成する。排気通路２１は、能動ゾーン３３ｂに隣接しているコールドゾーン３０に向かって戻っており、したがって排気ガス（使用済み燃料および空気）が流れる方向は、隣接する燃料通路および空気通路１４、２０に流入する燃料および空気の方向とは逆方向である。排気通路２１の中で生成される余分の熱は、流入する燃料および空気を加熱するために隣接する通路１４、２０に伝達される。
【０１０４】
図４８Ａ〜４８Ｃは、図４８Ａに示されているように、薄い部分４０４より分厚い厚さを有する分厚い部分４０２を有する「エンドロールＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス」４００を示したものである。燃料インレットおよび空気インレット１２、１８は、分厚い部分４０２の末端に位置している第１の末端１１ａに隣接して配置されており、一方、図には示されていないが、空気アウトレットおよび燃料アウトレット（１６、２２）は、デバイス４００の側面の、薄い部分４０４の末端に位置している反対側の第２の末端１１ｂに隣接して提供することができる。分厚い部分４０２は、機械的強度を提供するためには十分に分厚くしなければならない。これは、隣接する燃料インレットおよび空気インレット１２、１８の周りに分厚いセラミック２９を提供することによって達成することができる。薄い部分４０４は、カソード（図示せず）と互いに対向する関係でアノード（図示せず）を含み、それらの間に電解質（図示せず）を備えた能動ゾーン３３ｂ（図示せず）を含むことができる（これまでの実施形態の場合と同様）。薄い部分４０４は、図４８Ｂに示されているように、未焼結（非焼成）状態にある間に巻くことができるようにするためには十分に薄くしなければならない。薄い部分４０４が所望の厚さに巻かれると、デバイス４００が焼成される。次に、巻かれた薄い部分４０４を加熱して反応させることができ、一方、分厚い部分４０２は、他の実施形態で説明したようにコールド端である。エンドロールＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス４００は、薄い部分４０４を巻くことによって微小空間に適合させることができる表面積が広いデバイスである。さらに、薄い部分４０４の能動ゾーン（３３ｂ）の断面が薄いため、セラミックに沿った熱伝達が小さくなり、したがって良好な温度サイクル性能が得られる。
【０１０５】
アノード２４およびカソード２６が能動（反応）ゾーン３２および／または３３ｂのＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の縁（側面）で露出している実施形態の場合、デバイス１０の頂部のセラミック２９は、能動ゾーン３２および／または３３ｂの面積中に凹ますことができる。そのようにすることにより、電気接続を実施するために頂部からカソード２６およびアノード２４の両方にアクセスすることができる。次に、ホットゾーンチャンバ／炉の外部への接続を提供するために、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の頂部表面に沿って、能動ゾーン３２および／または３３ｂから１つまたは複数のコールドゾーン３０までコンタクトパッド４４（例えばメタライゼーション条片）を加えることができる。
【０１０６】
Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が、互いに反対側に位置している末端１１ａ、１１ｂに２つのコールドゾーン３０を含み、かつ、中央部分にホットゾーン３２を含んでいる他の実施形態では、１つまたは複数のアノード２４および／または１つまたは複数のカソード２６のための１つまたは複数のコンタクトパッド４４（例えばメタライゼーション条片）を、例えば、図３６Ｂに示されているように、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のホットゾーン３２から両方の末端１１ａ、１１ｂに向かって延在させることができる。次に、これらの１つまたは複数のアノード２４および１つまたは複数のカソード２６の各々に対する２つの個別の電気接続を実施することができる。非制限の一例として、１つの接続セットを使用して、電池から出力される電圧をモニタすることができ、一方、他の接続セットは、負荷を接続して電流を流すことができる。電圧を電池自体で個別に測定する能力には、電池から出力される総電力に対するより良好な着想が得られるという利点がある。
【０１０７】
コンタクトパッド４４（例えばメタライゼーション条片）には、当業者に知られている任意の適切な導電性材料を使用することができる。銀、ＬＳＭおよびＮｉＯはその一例である。材料の組合せを使用することも可能である。一実施形態では、ホットゾーン３２のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の表面に沿って非貴金属材料を使用することができる。ホットゾーンチャンバ／炉の大気が酸化している場合、例えばＬＳＭを使用することができる。ホットゾーンチャンバ／炉の大気が還元している場合、例えばＮｉＯを使用することができる。しかしながら、いずれの場合においても、材料がホットゾーンチャンバ／炉の外側に延在しており、したがってメタライゼーション材料を貴金属に移行させるか、あるいはＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の直前の耐食性材料をホットゾーンチャンバ／炉から出さなければならない場合、非貴金属材料は導電性を失うことになる。銀ペーストは便利な貴金属材料である。さらに説明を加えると、ＬＳＭなどの特定の材料は、温度が反応温度から室温まで降下すると非導電性になり、また、ニッケルなどの他の材料は、デバイス１０のコールド端３０で空気に露出されると非導電性になる。したがって、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のコールド端領域３０のコンタクトパッド４４のためのメタライゼーション材料は、空気中（つまり非保護性大気中）および低温では導電性でなければならない。銀などの貴金属は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０がホットゾーンチャンバ／炉から出る前にメタライゼーション材料を貴金属に移行させることができるよう、温度／大気移行面積全体で動作する。材料の組合せを使用することにより、コールドゾーン３０に対するホットゾーン３２内のコンダクタンスの特定の要求に基づいて材料を選択することができ、また、使用される高価な貴金属の量を少なくすることによってコストを低減することができる。
【０１０８】
図４９Ａ〜４９Ｃに示されているように、未焼結層を積み上げるプロセスの間に、ワイヤ９２または他の物理構造がデバイスの中に置かれ（図４９Ａ）、次に、所定の位置にワイヤ９２を備えた状態でこれらの層が積層され（図４９Ｂ）、次に、積層が完了するとワイヤ９２が除去される（図４９Ｃ）。例えば、ガスフロー通路１４、２０がＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のホットゾーン３２（反応領域）に入る前にＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が数インチの長さを有することができる燃料または空気の入口点では、これは有用である。通路を形成するプロセスの中で徐々に焼き出さなければならない重合体を印刷する代わりに、ワイヤプロセスを使用することにより、焼出しの課題をＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のその部分から除去することができる。非制限の一例として、容易に引っぱり出すことができる直径０．０１０インチのワイヤ９２を使用することができる。また、ワイヤ９２は、平らに巻いて、ワイヤと同様の体積を有し、かつ、断面がより短いリボン様物理構造を形成することも可能である。リボンは、より広い表面積を有しているため、その表面に離型剤を加えることにより、積層中、セラミック層への粘着を維持することができる。したがって「ワイヤ」という用語には、断面が円形であれ、楕円形であれ、正方形であれ、あるいは長方形等々であれ、長く、かつ、次に細い様々な物理構造を広義に含むことが意図されている。
【０１０９】
図５０Ａ〜５０Ｃは、１層Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のための入口チャネルを形成する一例を示したものである。この例では、ギャップ形成テープ９４（例えば重合体テープまたはワックステープ）を使用して燃料通路および酸化剤通路１４、２０全体を形成する代わりに、ギャップ形成テープ９４は、能動ゾーン３３ｂ、すなわちアノード２４およびカソード２６が互いに対向する関係で配置され、かつ、それらの間に電解質２８を備えた領域にのみ使用されている。燃料通路および酸化剤通路１４、２０が、関連する、互いに対向しているアノード２４およびカソード２６を有していない非能動領域では、ギャップ形成テープ９４の代わりにワイヤ９２が使用されている。図に示されているように、ワイヤ９２は、ワイヤ９２によって通路１４、２０が形成されるよう、ギャップ形成テープ９４と接触しているか、あるいは重畳しており、また、ギャップ形成テープ９４は、インレット１２、１８からアウトレット１６、２２（図示せず）まで連続している。
【０１１０】
このワイヤ概念の使用は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が複雑になればなるほど、ますます有用になるものと思われ、例えば多層Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（例えば５０層）の複雑な焼出し課題を単純化することができる。これは、一部には、とりわけ複雑な構造における結合剤除去のための課題は、結合剤焼出し生成物をそれらが生成される場所から（重合体が分解する場所から）Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の外部へ移動させなければならないことによるものである。しかしながら、ワイヤ９２が構造から引っぱり出されると、このボイドに沿った経路は、自由で、障害物は存在していない。ワイヤ９２（または他の適切な物理構造）を複雑な構造にし、かつ、引っぱり出すことができる場合、それによって生成されるボイドのため、焼出し生成物のための構造内の多くの領域は、その構造の外部につながっている経路を速やかに見出すことができる。
【０１１１】
ワイヤ概念の他の有用な目的は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内の圧力分布を補助することである。単一の管がＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に空気または燃料を供給していると、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内の多くの通路／チャネルに沿って異なる流量が存在する場合がある。例えば５０個の能動層に対応する５０個の空気通路２０がＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内に存在している場合、若干より広い断面積を有する１つの通路、および若干より狭い断面積を有する１つの通路が存在している可能性がある。これは、場合によってはギャップ形成材料の寸法のランダムな変化によって生じる。１つの解決法は、個々の層からの出口の断面積を制限することである。これらの断面積が等しくなるよう、個々の層からの出口点の断面を正確に製造することができる場合、また、出口点の断面積がフローチャネルの面積より狭い場合、さらに、すべてのこれらの出口点の面積が入口管の断面積より狭い場合、流れは個々の層で等しくなる。これは、ガスおよび流体の流れの実際的可能性に対応している。ワイヤ概念はこの解決法を可能にしている。ワイヤ９２は、外界へのガスの最終通路を構築するために個々の層の出口点から挿入される。５０層の場合、５０本の短いワイヤ片が挿入される。それらが引っぱり出されると、個々の層は正確な出口寸法を有している（例えば直径５ミルの通路）。
【０１１２】
したがって、本発明には、個々の層の出口点の断面積がフロー経路の断面積自体より狭い多層Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が企図されている。本発明には、さらに、個々の層の出口点がいくつかの所定の位置で正確に同じ断面積を有するよう、個々の層の出口点が正確に機械加工される多層Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が企図されている。本発明には、さらに、一緒にされるすべての出口面積が入口の断面積より狭い多層Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が企図されている。これらの実施形態では、出口点の断面積は、層の能動部分の末端を通り過ぎるが、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の末端出口点より手前のフロー経路内のいくつかの位置に存在するものとして画定されている。言い換えると、フロー経路内のこのネックダウン点は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０からの出口点に正確に配置する必要はなく、能動面積から幾分か下流側であってもよい。
【０１１３】
これまでの実施形態では、ホットゾーン３２およびホットゾーンチャンバが説明されている。ホットゾーンチャンバは、炉として参照することも可能である。コールドゾーンすなわちコールド端領域３０は、炉の外側に配置されている。移行ゾーン３１は、炉の内側の領域に隣接するＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の領域である。図５１に示されているように、炉壁９６は、全厚さＴを有している。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、この炉壁９６を貫通している。炉壁９６内におけるＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さは、寸法Ｘであり、厚さＴに等しい。炉壁９６を貫通する際のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の幅は寸法Ｙである。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の厚さは寸法Ｚである。この実施形態に対しては、ＺはＹ以下である。
【０１１４】
本発明の一実施形態によれば、最適条件のためには、炉壁の厚さＴは、炉壁９６を貫通する際のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の幅Ｙより分厚くしなければならない。ＴがＹ未満である場合、炉壁９６を通過する際にＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に掛かる応力が場合によっては強くなりすぎ、したがってＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０にひび割れが生じることがある。
【０１１５】
図５２Ａ〜５２Ｃに示されている他の実施形態では、寸法Ｌは、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、（１００、２００、３００または４００）が炉壁９６を貫通する部分におけるＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、（１００、２００、３００または４００）のデバイス１０の長さの方向に対して横方向の平面における（つまりＹ−Ｚ平面における）最大寸法である。長方形のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（１００、４００）の場合、最大寸法Ｌは、図５２Ｂに示されているように対角線であってもよい。管状Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００、３００の場合、最大寸法Ｌは直径であってもよい。最適条件のためには、寸法は、Ｔ≧１／２Ｌになるようにしなければならない。
【０１１６】
壁の厚さＴは、１つの一様な材料（絶縁）９８から構築することができる。別法としては、図５３に示されているように、壁の厚さＴは、熱伝達特性が個々の層で最適化され、それにより最良の可能温度遷移結果が得られるよう、３つの絶縁層９８ａ、９８ｂ、９８ｃなどの複数の傾斜絶縁層から構築することも可能である。多層炉壁９６’の場合、一緒にされるすべての層の総合厚さＴは、Ｙより分厚くしなければならず、および／または１／２Ｌ以上にしなければならないが、炉壁９６’の１つの層の厚さは、Ｙ未満および／または１／２Ｌ未満であってもよい。
【０１１７】
図５４に示されている他の実施形態では、エアギャップ１２０によって複数の絶縁層９８ａ、９８ｃを分離することができる多層炉壁９６”が提供される。この設計の場合、ホットゾーン３２の近傍に高温絶縁層９８ｃを配置することができ、また、コールドゾーン３０の近傍により低い温度の絶縁層９８ａを配置することができる。次に、これらの２つの絶縁層９８ａと９８ｃの間に、例えば移行ゾーン３１または予熱ゾーン３３ａに対応する中間（中央）温度ゾーンが配置される。この実施形態によれば、炉の最も熱い面積をより広くすることなく、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に流入する空気のためのより長い予熱面積を可能にすることができる。この実施形態では、炉壁９６”の１つの層の厚さは、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のＹ寸法未満および／またはＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が炉壁９６”を貫通する際の１／２Ｌ未満にすることができる。しかしながら、層９８ａおよび９８ｃ、ならびにエアギャップ１２０を含む炉壁９６”の総合寸法Ｔは、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０のＹ寸法より長くすることができ、および／または１／２Ｌ以上にすることができる。この実施形態には、さらに、３つ以上の絶縁層が企図されている。
【０１１８】
上記の説明は、アノードおよびカソードがないＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を最初に製造し、次に、後でこれらのエレメントを充填する着想である。そのようにする理由は、特定のアノード材料またはカソード材料の濃度が焼結温度Ｚｒで過度に濃くなることがあり、これらの材料の濃度が過度に濃くなると、良好な反応が得られないことによるものである。あるいは、より一般的に言えば、システムの異なるコンポーネントを同じ温度プロファイルを使用して最適に焼結させたくない場合、場合によっては充填が必要である。
【０１１９】
しかしながら、アノードまたはカソードの頂部部分の上に集電体を提供することはより困難である。以下で説明する図５５Ａ〜５５Ｅに示されている集電体１２２は、それがアノードまたはカソードの表面部分として配置された高密度電極になることは当業者に知られている。集電体１２２は、通常、微細ワイヤと同様、電子を収集し、かつ、必要とする場所へそれらを移動させることができる高度に導電性の層または基質である。集電体１２２は、ＮｉＯまたはＬＳＭあるいはいくつかの他の低コスト材料で製造することができ、さらには高価な電極であってもよい。アノードおよびカソードを形成するための充填プロセスの後に、一様な方法で集電体を正確に配置することは困難である。しかしながら、集電体の課題は、アノードまたはカソードの課題とは異なっている。アノードおよびカソードの場合、過剰焼成の危険を伴うことになるが、それらを多孔性にすることが望ましく、一方、集電体は稠密であることが望ましく（良好な導電率のために）、したがって潜在的にはＺｒで共焼成することが可能である。集電体１２２は、集電体がアノードおよびカソードの下方に位置し、電解質２８と接触するよう、充填に先立って電解質２８の上に置くことができるが、この構造は、電解質２８の上の能動面積を阻止し、能動面積が不必要に無駄に使用されることになる。
【０１２０】
本発明の一実施形態によれば、図５５Ａ〜５５Ｅに示されているように、集電体１２２は、それらがＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内の空間にフローティングを有するように配置され、かつ、共焼成される。これは、図５５Ａに概略的に示されているように、第１の犠牲有機層７２ａ（例えば重合体）の頂部の上に集電体１２２を印刷し、次に、第２の犠牲有機層７２ｂ（例えば重合体）を集電体１２２の頂部の上方にコーティングすることによって達成することができる。したがって集電体１２２は、図５５Ｂに示されているように、２つの犠牲有機層７２ａと７２ｂの間にはさまれている。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、図５５Ｃに示されているように、犠牲層／集電体構造をセラミック支持構造２９の中に配置し、次に、図５５Ｄに示されているように、焼結によって犠牲有機層７２ａ、７２ｂを消滅させてギャップ１２３を形成し、かつ、該ギャップ１２３内の空間に集電体１２２をフローティングで残すことによって構築される。次に、多孔性アノードまたはカソードをギャップ１２３の中に容易に充填してアノードまたはカソードの形成を完成することができる。また、機械的な支持を提供するために、あるいは位置を標準化するために、上で説明した支柱５４を使用することにより、図５５Ｅに示されているように、フローティング集電体１２２を支柱５４の上に載せることも可能である。これを達成するために、集電体材料が周期的に孔の中に印刷されるよう、重合体の第１の犠牲層７２ａの中に周期的なビアホールまたは微小ギャップを生成することができる。結合剤が除去されると、充填されたこの孔は支柱５４になる。別法としては、犠牲重合体ギャップ材料の中に酸化ジルコニウムボールを加えることも可能である。犠牲重合体が溶解すると、図５６Ａおよび５６Ｂに示されているように、これらのボールに集電体１２２が粘着し、また、これらのボールがセラミック支持構造２９に粘着し、したがって支持が提供される。次に、図５７Ａおよび５７Ｂに示されているように、多孔性アノード２４またはカソード２６を空間の中に充填することができ、その中に電極粒子が１２４が充填のために粘性液１２６の中で保持され、次に、デバイスが乾燥され、粒子が沈殿し、かつ、焼結されてアノード２４またはカソード２６が形成される。アノード粒子またはカソード粒子は、そうすることが有用である場合、一方の面に選択的に堆積させることができる（重力によって、あるいは遠心分離機によって）。
【０１２１】
印刷ハッチラインを使用している集電体スタイルの場合、空気通路または燃料通路１４、２０のギャップ寸法にある程度の変化が存在することがあり、そのために通路が集電体１２２によって締め付けられるか、あるいは遮断されることになる。この変化は、焼結中のランダムな寸法変化によって生じる。図５８Ａ〜５８Ｃは、通路１４、２０をほぼ遮断している集電体１２２の一例を示す顕微鏡写真である。通路１４、２０の目的は、障害物が存在しない流れを有することである。通路をより大きくすることは可能であるが、そのためにＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の密度が不必要に小さくなる（通路が分厚いほど、また、層が分厚いほど、多層デバイスの出力密度が小さくなる）。本発明の一実施形態によれば、通路１４、２０が集電体１２２で遮断される可能性を小さくするために、集電体のラインを多孔性アノード２４およびカソード２６の中に埋め込むことができる。図５９は、アノード２４およびカソード２６の表面の集電体１２２を示したものであり、また、図６０は、アノード２４およびカソード２６の表面に埋め込まれた集電体１２２を示したものであるが、これらの図５９および６０に示されているように、集電体１２２が多孔性アノードおよびカソード２４、２６の厚みの中に埋め込まれると（あるいはアノード／カソードの中に実質的に埋め込まれると）、集電体１２２がガス流の経路を遮断する可能性が小さくなるように思われる。図６９は、多孔性アノードまたはカソードの中に凹まされた実際の集電体トレースを示したものである。
【０１２２】
図６１Ａ〜６１Ｃは、集電体１２２を埋め込む方法を示したものである。最初に、集電体１２２が一時基板１２８の上に塗布または印刷される。次に、ペーストの印刷または電極粒子１２４を含有した粘性液１２６の充填、および乾燥などによってこの集電体１２２が電極材料で覆われる。最後に、一時基板１２８が除去される。一時基板１２８は、乾燥したプラスチック上電極を引っくり返してプラスチックを剥がすことができるよう、乾燥後における電極材料への粘着が極めて穏やかなプラスチック片であってもよい。スタックの中に挿入されるギャップ形成テープ９４の上に集電体１２２およびアノード／カソード２４、２６を置くことにより、同じまたは同様の結果を達成することができ、また、焼出し中および焼結中にギャップ形成テープ９４を消滅させて同じ最終結果を残すことができる。
【０１２３】
集電体１２２の頂部の上方にアノード２４またはカソード２６を印刷する場合に、集電体１２２に多少溶解して広がる傾向がある場合、溶解度が異なる材料を使用することができる（極端な場合、集電体１２２は、極性溶媒中に溶解させることができる樹脂材料を含有することができ、また、多孔性電極インキは、非極性溶媒中に溶解させることができる樹脂材料を有することができる）。集電体１２２の過剰な広がりは、多孔性アノード２４またはカソード２６中へのガスの拡散を抑制するように作用するため、この広がりを制限することが望ましい。したがって、集電体１２２のある程度の広がりはそれを許容することができるが、少なくとも集電体１２２の一部は、多孔性材料の中に埋め込むことが望ましい。したがって、本発明には、燃料通路１４または空気通路２０中への集電体１２２の突出を抑制するために、集電体１２２のいくつかの部分が多孔性アノード２４またはカソード２６の中に凹まされた集電体経路が企図されている。
【０１２４】
多層Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の能動ゾーン３３ｂでは、電解質２８を可能な限り薄くし、例えば１０μｍにすることが望ましい。しかしながら、超薄型の電解質の場合、デバイスの空気側と燃料側の間に漏れを有する可能性が高くなる。電解質は、薄ければ薄いほど、大きい電力を提供することができるが、極端に薄いと、ひび割れまたは漏れが生じ、層から得られる電力がゼロになることがある。本発明の一実施形態によれば、能動ゾーン３３ｂの電解質２８の最小許容厚さに対する重要な要因は、アノードおよびカソードの厚さは、同じく総合厚さにも寄与していることであり、したがって総合強度にも寄与していることである。非制限の単なる一例にすぎないが、ひび割れを防止するために例えば１００μｍの厚さが望ましく、また、個々のアノード２４およびカソード２６の厚さが４５μｍである場合、厚さ１０μｍの電解質で良好に動作することになる。（４５＋４５＋１０＝１００）。
【０１２５】
多層Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の受動面積（互いに対向しているアノードおよびカソードが存在しない面積）には、必要とする異なる厚さが存在している。この受動面積は、空気および燃料の分配に関する責任を担っている。これは、重畳する空気分配通路および燃料分配通路として多くの図面に示されている。ここでの要求事項は、同じく、ひび割れを防止するために特定の厚さを有することであるが、アノード２４およびカソード２６が存在していないため、ここではセラミック２９を能動ゾーン３３ｂのセラミック電解質層２８より分厚くしなければならない。したがって上記の例では、受動面積内のセラミック２９は１００μｍでなければならず、一方、能動ゾーン３３ｂのセラミック電解質層２８はもっと薄くすることができ、例えば１０μｍなどにすることができる。
【０１２６】
本発明の一実施形態によれば、２つの厚さを有するセラミック電解質２８、２９、つまり受動ガス通路面積内のより分厚いセラミック２９および能動ゾーン３３ｂ内のより薄いセラミック電解質２８の個々の層を達成するための方法が提供される。図６２〜６２Ａに示されているこの方法には、受動ガスフロー領域にセラミック２９を生成するために３片のセラミックテープ１３０が使用されており、互いに対向しているアノード２４とカソード２６の間のセラミック電解質２８として作用するために、２つのテープ片１３０ａ、１３０ｃの末端と、それに中央のテープ１３０ｂのみが能動ゾーン３３ｂの中へ連続している。
【０１２７】
上記の多くの着想は、低温接続のために炉から出ている細長い構造のコンテキストの中で示されている。しかしながら、これらの着想の多くは、炉から出ていない多層燃料電池デバイスおよび／またはプレート形状、等々を有する多層燃料電池デバイスに使用することも可能である。本発明において達成可能なデバイスの密度は、他の燃料電池デバイスでも達成することができ、また、接続が炉の中の熱い燃料電池デバイスに対して実施されるシステムでも達成することができる。例えば、本明細書において開示されている、他の燃料電池デバイスにも使用することができる概念には、重合体テープ、丸いボールが充填された重合体テープ、出口通路または入口通路を形成するために使用されるワイヤ、２つの電極の役割を果たす１つの通路、パドル形デバイス、重力または遠心分離機を使用した一方の面に向かう電極懸濁液の乾燥、終端のためのサイドギャップおよび直列設計が含まれている。
【０１２８】
集電体１２２は、電極（アノード２４およびカソード２６）の中で生成され、あるいは消費される電子の負荷（電圧接続点３８、４０）へ向かう途中の低抵抗経路内の移動を可能にする目的を有している。ガスの流れを許容するための細孔が存在し、電解質に向かう酸素イオンの流れを許容するためのセラミックが電極中に存在し、また、電子を流すための電子導体が存在しており、いくつかの事象の同時発生を許容しなければならないため、最適電極設計はほとんど導電性ではない。細孔およびセラミックの存在は、電極全体が電子導体のみでできている場合よりも大きい抵抗を有することになることを意味している。
【０１２９】
電子が解放されると、解放された電子の高導電率経路上の移動を可能にすることが重要である。集電体のための既存の設計は、導体から電解質セラミックを除去することに基づいているが、依然として多孔性が残っている。そのため、より導電性の高い層が生成される。これは、アノードまたはカソード全体にわたって印刷される。多層構造におけるこの設計の欠点の１つは、焼結後にアノード／カソード材料を加えなければならない場合、上で説明した２つの全く異なる層の生成が場合によっては困難であることである。集電体を共焼成する利点は、上で説明されている。
【０１３０】
本発明の一実施形態によれば、高密度導体材料（つまり、アノード２４またはカソード２６全体にわたって印刷されると反応を禁止することになるよう、ほとんど多孔性がないか、あるいは非多孔性の材料）からなる、ハッチパターンで印刷される集電体１２２を使用することができる。一実施形態では、集電体は、同じくハッチパターンとも呼ばれている直線パターンで印刷され、ガスを浸透させるための開放空間がハッチマークとハッチマークの間に残される。多孔性アノード２４およびカソード２６中におけるガス浸透率は、ハッチラインとハッチラインの間の多孔性材料に流入するガスが同じくハッチラインの下方を流れるようになっている。ラインからラインまでのピッチを変化させ、また、ライン幅自体を変化させることにより、最適幾何構造を見出すことができる。一例として、０．００６インチのライン幅、０．０３０インチのラインピッチを使用することができる。図６３は、ハッチパターンを備えた集電体１２２の上面図を示したものである。図６４は、多孔性アノードまたはカソードの上方の集電体１２２の側面図を示したものである。図６５は、上から下の順に集電体ハッチ、頂部多孔性電極、電解質、底部電極（破砕のため、電解質から突出している）を示す、角度が付いた図を示したものである。また、能動面積が広くなるにつれて、異なる領域でライン幅を変化させることができる。細い導体ラインをより太い導体ラインに送り込み、また、より太いラインをさらに太い導体ラインに送り込むことができる。
【０１３１】
以上、燃料供給および空気供給３４、３６をＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に接続するための可撓供給管５０について説明した。供給管５０を開いた状態で引き伸ばすことにより、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の末端１１ａ、１１ｂの一方にかぶせるように挿入することができる。接着剤を使用して可撓供給管５０を所定の位置に保持することができる。本発明の一実施形態による代替は、図６６Ａ〜６６Ｂに示されているように、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が供給管５０を所定の位置に機械的に保持することができるよう、両側に刻み目１３２が施されたＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の末端１１ａ（および／または１１ｂ）を形成することである。これは、ルータまたはエンドミルを使用してＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を機械加工することにより、未焼結状態で最も都合よく達成される。
【０１３２】
これに基づいて、図６７Ａ〜６７Ｂにそれぞれ略上面断面図および略斜視図で示されているように、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の末端１１ａ（および／または１１ｂ）にクランプすることができるコネクタ１３４を使用することも可能である。コネクタ１３４は、電気コンタクト１３６、およびＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の設計に応じて１つまたは２つのいずれかであるガスフロー経路１３８、および例えばＯリング１４０の形態などのガス気密シール、ならびに１つまたは２つのいずれかである、１つまたは複数のコンタクトパッド４４を接続するための電気コンタクト１３６が統合された成形プラスチックであってもよい。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が、一方の極性がＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の個々の末端でＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から出るよう、２末端Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０である場合、コネクタ１３４は、抵抗がより小さいコンタクトを得るために、依然として複数の電気コンタクト１３６をＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の個々の末端に有することができる。電気コンタクト１３６は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の両側に配置することも、あるいはＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の頂部および底部に配置することも可能であり、後者の場合、コンタクトがより広くなるため、より小さい抵抗が得られる。
【０１３３】
図には示されていないが、コネクタ１３４は２つのＯリングを有することができ、それにより、空気のための密閉セクションおよび燃料のための密閉セクションの２つの密閉セクションがコネクタ１３４の中に提供される。このようなコネクタは、正および負のコンタクトを提供し、かつ、空気および燃料を引き渡す単一のコネクタとして、単一末端Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０上で使用することができる。
【０１３４】
上で説明した実施形態には、デバイスのための、互いに反対側に位置している２つの末端１１ａ、１１ｂが含まれている。しかしながら、上で説明したＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の概念は、炉から離れる３つ以上の末端または出口点を有するデバイス５００に適用することが可能である。例えば、図６８Ａ〜６８Ｂは、４つの出口点を有するデバイスを示したものである。４つの位置が、空気インレット１８、空気アウトレット２２、燃料インレット１２、燃料アウトレット１６を提供することができる。これは、炉加熱操作への未燃焼燃料のリサイクルをより容易にすることができる。例えば３つまたは６つなどの２つおよび４つ以外の出口点を使用することも可能である。
【０１３５】
支持ボール（図７Ｃ〜７Ｄ参照）の使用をＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０以外の燃料電池デバイス、例えば正方形プレートデバイスに使用することができる。支持ボールを使用することにより、互いに重畳している異なる層を崩壊させることなく、広い面積を多層構造の中に生成することができる。デバイスは、汎用多層プレート内に、広く、開放された面積を有することができる。あるいは、デバイスは、幅は０．５インチであるが、長さは数インチに及ぶ、その面積を占有することになる経路を有することができる。いずれの場合においても、本明細書において開示されているボール技術は有利である。
【０１３６】
ボールの重要な着想は、それらが、破壊を防止することができる丸い形をしていることである。電解質、アノードおよびカソードは、それらを薄くする必要があるため（密度のため、およびより高い性能のために）、不規則な形状の材料を使用することに起因する破壊の可能性がある。砂または小砂が電解質中に混入し、漏れの原因になる可能性がある。一方、電解質は、漏れまたは裂けの原因になることなく、ボールの周囲で緩やかに変形することができる。同様に、図７Ａ〜７Ｂの柱概念は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０形態以外の多層燃料電池構造に使用することができる。
【０１３７】
図３８Ａ〜３８Ｂには、後でその上方を密閉することができる複数の焼出しポートの使用が示されている。これは、ＳＯＦＣまたは他の燃料電池デバイスに対するあらゆる多層手法にとって有利な概念である。この場合も、大型プレートに関して、設計者は、面積が広い生成中のガス通路を有することになり、これらの空間を充填している有機材料を除去しなければならない。しかしながら、一般的には、１つの燃料入口点および１つの燃料出口点のみが存在している。空気側についても同じことが言える。有機材料の面積がこのように広く、かつ、出口点が非常に少ない場合、最大の製造課題のうちの１つは、層間剥離を回避することになりそうである。
【０１３８】
この課題に対する解決法は、構造全体に対する最小の応力でガスまたは液体（ワックスが使用される場合）を構造から除去することができるよう、それらを焼き出すことができる開口が小さい多数の焼出し点を生成することである。多層構造が焼結されると、後で容易に復旧し、漏れを防止するためにこれらの微小焼出し点に固体材料を充填することができる（ガラス−セラミックの組合せなど）。
【０１３９】
ワイヤ９２概念は、上記焼出しポート概念に極めて類似しており、多層構造のためには非常に有用である。４インチ平方のプレートであって、その中に２０層または５０層の能動層を有するプレートを製造する場合を想像されたい。有機材料の除去をより容易にするために焼出しポートの生成を期待することになる。しかしながら、これらの便利な焼出しポートをプレートの中央部分に到達させることができる場合、その方が場合によってはより良好である。これは、ワイヤ９２を挿入し、次に、積層が完了した後にそれを引っぱり出すことによって達成することができる。ワイヤ９２は、さもなければプレートの中央部分と外界の間に到達するまで極めて長い距離を有することになるいくつかの面積を横切って切断することができる。この概念は、上で説明したように、厳密にワイヤである必要はない。ワイヤは、表面積が狭いため、単に最も便利な形態にすぎない。物理片は平らであってもよく、例えば厚さ０．００２インチ×幅０．２００インチにすることができる。その場合、層の粘着を防止するために、場合によっては物理片を離型剤で覆う必要がある。しかしながら、この着想は、有機除去を容易にするために構造の中に挿入され、次に、除去される物理片である。
【０１４０】
他の実施形態では、ワックス付き炭素テープがギャップ形成テープ９４として使用されている。課題は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内における裂けまたは層間剥離の原因になることなくギャップ形成材料を一様に除去することである。アノード２４およびカソード２６ならびに電解質２８中の他の重合体材料を焼き出すことができるよう、材料を適切な時間内に魔法のように消滅させ、開放チャネルを残すことができればそれに越したことはない。手法の１つはワックスを使用することである。インベストメント鋳造法（いわゆるロストワックス法）のために使用されるワックスは、多層構造を積層するために使用される積層温度より高く、かつ、１５０〜３００℃の結合剤バーンアウト温度より低い約９０℃で良好に融解する。しかしながらワックスは、例えばそれを厚さ２ミルのシートに鋳造する場合、そのシートは望ましい強度を有していないため、理想的ではない。ワックスは、触れると壊れやすい。ワックスは、薄いセクションではより強力でなければならない。ワックスをより強力にするための解決法は、ワックスを何らかの種類の繊維と組み合わせることによってワックスに強度を付与することである。炭素繊維は選択肢の１つである。炭素繊維は、マットと呼ばれているランダムな繊維構成で購入することも、あるいは実際の布に似ている織込み済み繊維構成で購入することも可能である。場合によっては他の繊維も可能である。ワックスを炭素繊維に浸み込ませることによって最適特性を得ることができる。炭素／ワックス合成物は、それを多層構造にしてギャップを形成することができる。積層が完了すると、ワックスの融点まで温度が上げられ、ワックスが液体の状態に復帰してＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０から消滅する。ワックスが消滅すると、炭素繊維内に開放空気通路が残され、構造の内側に存在している周りの重合体材料を容易に焼き出すことができる。炭素繊維は、温度が７５０℃に近くなるまで揮発しない（ＣＯ２に復帰しない）。したがって、結合剤のバーンアウトが生じる前に主要なギャップ形成材料のうちの１つが消滅し、それにより、結合剤を除去するための障害物のない経路が残される構造を構築することができる。次に、中間温度で重合体自体を揮発させることができる。最後に、高い温度で炭素繊維を消滅させることができる。図７０は、この炭素−ワックスの組合せを使用した焼結後における、ワックスおよび炭素繊維が消滅した後に残されるギャップのイメージである。
【０１４１】
多層デバイス内で大電流接続が達成されることが望ましい。多層デバイス内で相互接続する方法の１つは、ビアホールを使用することである。ビアホールは、セラミックテープ１３０片を貫通する孔を穿ち、次に、図７１に示されているようにその孔を充填してビア５６を形成することによって構築することができ、あるいは絶縁体の印刷層を介して構築することができるが、乾燥後における効果は同じである。図７１は、２つの電極（アノード２４またはカソード２６のいずれか）を一体に接続するビア５６接続を示したものである。以下の説明には、簡潔にする重要性から、２つのアノード２４の一実施形態が使用されている。ビア５６は、データ伝送などの電気信号を運ぶためには良好であるが、電力または大電流を運ぶためには理想的ではない。電力または大電流の場合、総合抵抗を小さくする効果を有するためには並列の複数のビア５６が必要になる。本発明の一実施形態によれば、電力または大電流を運ぶための改良型方法は、重要な導体を分離するために使用される未焼結テープの面積全体を除去することである。この方法によれば、相互接続は、広い面積に基づくことができる。図７２は、２つの電極（アノード２４）の間のセラミックテープ１３０または材料を完全に除去することによる２つの電極（アノード２４）の間の相互接続を示したものである。未焼結状態（テープ層または印刷層のいずれかとしての）ではこれらの層が軟らかいため、変形が生じる。必要に応じて、あるいはそうすることが望ましい場合、蓄積プロセスの間、セラミックの総合平面度を維持するために、相互接続面積の上に余分のセラミック材料を置くことができる。
【０１４２】
若干の変形形態は、図７３Ａに示されているように、未焼結セラミックテープ１３０片に大きな孔１４２を押し抜き、次に、多層蓄積物にこのセラミックテープ１３０を挿入することであり、あるいは別法として、中に大きな孔１４２を備えた絶縁層を印刷し、次に、その頂部の上方に導体を印刷することである。多層方法の場合、上方からの電極が孔１４２の中へ偏向し、図７３Ｂに示されているように面積が広いコンタクトが生成される（下方からの電極を上に向かって孔１４２の中へ偏向させることも可能である）。ビアホールは面積が小さく、また、個別に充填しなければならない点で、この実施形態はビアホールとは全く異なっている。さらに、ビアホールの場合、頂部および底部の電極が孔の中へ歪むことはない。
【０１４３】
したがって、本発明の実施形態には、絶縁材料を除去することによって、あるいは絶縁材料の面積ボイドを提供することによって電気相互接続が実施される多層Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０であって、絶縁材料の両側（例えば上方および下方）の導体がボイド面積の中へ歪んで互いに接触する多層Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０が企図されている。導体が出会うボイド面積は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの内部からデバイスの縁まで、その全体にわたって延在することができる。絶縁面積は、例えば孔を押し抜くことによって、あるいは例えば長方形などの特定の形状を切断することなどによって特定の面積にわたって除去することができる。
【０１４４】
他の実施形態によれば、電池の直列接続が単一の層の両端間で実施され、これは、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの電圧出力を高くするためには有用であり、また、共に動作してより容易に電力を生成することができる。例えば、スティックが１ＫＷの電力を生成している場合、電子工学の設計がより容易になり、また、１Ｖ、１０００Ａではなく、１０００Ｖ、１Ａを処理することができるプラントのバランスの設計がより容易になる。図７４Ａに微小スケールで概略的に示されているように、未焼結セラミック（例えば酸化ジルコニウム）テープ１３０のセクションが中央部分に使用されており、また、その頂部および底部にアノード２４およびカソード２６が配置されている。これまでの図のアノード２４およびカソード２６に使用されているパターンと同じ単一ハッチングパターンは、アノード２４およびカソード２６の多孔性を表しており、一方、交差ハッチングパターンは、非多孔性導体（例えば導電性セラミック、貴金属または非酸化性金属合金）を表している。非多孔性面積１４６は、燃料または空気へのアクセスを有していないため、電池は、単一ハッチングパターンで示されているように、正しく多孔性面積１４４と多孔性面積１４４の間に存在している。
【０１４５】
図７４Ｂは、複数の片を一緒にすることができる方法を概念的に示したものである（それらの片は、積層後は図に示されているような傾斜した状態を維持しないため、概念的であるが、この概念的な描写には、設計の重畳の性質を示すことが意図されている）。３つの電池のこのグループには、非制限の説明を目的として、個々の電池の頂面（またはセクション）はアノード２４を含むことができ、また、個々の電池の底面（またはセクション）はカソード２６を含むことができる。個々の電池が微小蓄電池として視覚化されると、３つの直列蓄電池として３つの電池のストリングを見ることができる。燃料供給３４は、この直列設計の一方の側の、その頂部に配置されるアノード２４の頂部に存在することになり、また、空気供給３６は、この直列設計の反対側の、その底部に配置されるカソード２６の底部に存在することになる。一方の側からもう一方の側へのガス漏れを回避しなければならないが、これは、個々の電池の末端（またはセクション）に非多孔性面積１４６を提供することによって達成することができる。この方法で多くの電池（またはセクション）を一緒にし、必要な任意の電圧を達成することができる。
【０１４６】
図７４Ｃは、積層後の層のより正確なバージョンを示したものである。これらの層は実質的に平らであるが、重畳点の厚さが増している。図７４Ｄは、３電池（またはセクション）設計の概念の概要を示したものである。垂直方向の矢印は、それぞれ１つの電池を表しており、矢印の方向は極性を定義している。矢の頭がない線は、電圧を全く生成しない相互接続を表している。底面に沿った水平方向の矢印線は、電流の総合的な方向を表している。本発明は３電池設計に限定されない。図７４Ａ〜Ｄに示されている、本明細書においてはオーバラッピング方法と呼ばれている実施形態を使用して、複数の電池、例えば５個以上の電池、１０個以上の電池、２０個以上の電池、等々を直列に結合することができる。
【０１４７】
図７５Ａ〜Ｅは、本明細書においてはプランジングコンダクタ方法と呼ばれている直列設計を生成するための一代替方法を示したものである。セラミックテープ１３０をセクションに切断し、これらのセクションを重畳させて直列の電池を形成する代わりに、一方の面にアノード２４の面積を有し、また、反対側の面に互いに対向するカソード２６を有するセラミックテープ１３０の連続シートが使用される。シートの形態のコネクタ電極１４８（例えば導電性セラミック、貴金属または非酸化性金属合金）（相互接続片、導体テープまたはプランジングコンダクタとも呼ばれている）がセラミックテープ１３０を貫通して挿入される。導体テープ１４８は、例えばＬＳＭを使用して製造された未焼結テープ片であってもよい。図７５Ａに示されているように、セラミックテープ１３０の中にスリット１５０が製造され、導体テープの短いセクションがセラミックテープ１３０を貫通して途中まで挿入される。
【０１４８】
図７５Ｂは、セラミックテープ１３０の連続シートの側面図を示したものである。この説明においては、「電解質シート」または「電解質テープ」という用語は、セラミックテープ１３０と同じものであることを理解されたい。電解質シート１３０の頂部表面には、アノード２４の２つのセクションが存在している。電解質シートの底部には、それぞれアノード２４の２つのセクションと互いに対向しているカソード２６の２つのセクションが存在している。これらの２つのセクションを直列に接続するために、図７５Ａおよび７５Ｂを参照すると、最初に導体テープ１４８が電解質テープ１３０中のスリット１５０を貫通して挿入されるため、電解質を貫通して突き刺す、と言うこともあるいは可能である。次に、図７５Ｃに示されているように、導体テープが一方のセクション（または電池）のアノード２４の上方で曲げられ、また、もう一方のセクション（または電池）のカソード２６の上方で曲げられる。次に、図７５Ｄに示されているように、コネクタ電極がアノード２４およびカソード２６に押し付けられ、つまり電池が直列に積層される。図７５Ｅは、全重畳面積をより明確に示すために、直列に積層された電池を上面斜視図で示したものである。電池間の抵抗を小さくするためには、短い、幅の広いセクションでできた個々の電池を有することが場合によっては有利である。
【０１４９】
他の実施形態によれば、いくつかのセクションに分割された相互接続片１４８（導体テープ）を有することが場合によっては有用である。未焼結電解質テープ１３０中の単一のスリット１５０の代わりに、図７６に示されているように複数のより短いスリット１５０を使用し、それらを介して導体テープ１４８のいくつかのセクションがそれぞれ挿入される。したがって複数のプランジングコンダクタが提供される。
【０１５０】
図７５Ａ〜Ｅおよび７６では、電解質を貫通して突き刺される導電性相互接続材料は、電解質の一方の側からもう一方の側へのガスの流れを防止し、あるいは妨げるためには、非多孔性の性質の材料でなければならない。一方、アノード２４およびカソード２６は多孔性であってもよく、非多孔性面積がない完全な多孔性であっても、あるいは相互接続片１４８が重畳する末端に非多孔性面積１４６を有していてもよい。アノード２４およびカソード２６を完全な多孔性にすることは場合によってはより単純であり、したがってより少ないプロセスステップで材料を製造することができる。図７７は、図７５Ａ〜Ｅおよび７６の実施形態に従って、電解質を貫通して挿入された相互接続片１４８を使用して電池を結合することによって直列に接続された４つのセクション（または電池）を側面図で概略的に示したものである。したがって、相互接続片１４８を使用して、複数の電池、例えば５個以上の電池、１０個以上の電池、２０個以上の電池、等々を始めとする任意の数の電池を直列に結合することができる。
【０１５１】
図７８Ａ〜Ｃは、多層電池の単一の層に沿って電池を直列に接続するための上記プランジングコンダクタ技法の一変形形態を示したものである。図７８Ａに示されているこの実施形態では、アノード２４セクションおよびカソード２６セクションは、それぞれ、燃料フロー経路および空気フロー経路から遠ざかってＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面まで延在している非多孔性面積１４６を有している。電解質テープ１３０中のスリット１５０は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の周囲の内側ではなく、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面に製造されている。次に、積層前の図７８Ｂおよび積層後の図７８Ｃに示されているように、電解質テープ１３０を介してアノード２４およびカソード２６を接続する導体テープ１４８を、フロー経路から離れたサイドマージンの中にぴったりと配置することができる。
【０１５２】
これまでの実施形態、例えば図７１には、未焼結セラミックテープ１３０片の中にビアホールを生成し、かつ、ビアホールを充填するために電極を印刷することによって形成されるビア５６の使用が詳細に記述されている。図７９Ａに示されている、多層構造の単一の層に沿ってアノード２４およびカソード２６を直列に接続するための本発明の一代替実施形態では、１つの電池またはセクションの中で、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの一方の面の充填済みビア５６から電極（例えばアノード２４）まで第１の導体１５２を印刷することができ、また、隣接する電池またはセクションの中で、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのもう一方の面の充填済みビア５６から反対側の電極（例えばカソード２６）まで第２の導体１５４を印刷することができる。充填済みビア５６には、電極のために使用される材料以外の材料を充填することも可能である。図に示されている実施形態では、ビア５６には非多孔性導体が充填されている。
【０１５３】
突刺し電極に対する一代替は、幅の広いビア、つまり、図７９Ｂに示されている、電解質テープ１３０の中に長方形のビアホールを形成することによって生成することができる長方形ビア１５６である。長方形ビア１５６は、従来のビアホールが丸い点で、通常のビア５６とは全く異なっている。長方形ビアホールは、例えば図７５Ｅまたは図７６に示されている電極１４８を突き刺すためのスリット１５０のスケールと同じスケールで、必要な広さの幅で製造することができる。長方形ビア１５６は、電解質層の一方の側からもう一方の側へのガスの流れを許容しない方法で充填しなければならない。
【０１５４】
ビアホールが抱えている潜在的な問題は、ビアホール中の材料の収縮が場合によっては一様でないこと、あるいは場合によってはテープ材料の収縮より大きく、そのために一方の側からもう一方の側へのガスの通過を許容する可能性があることである。したがって、一代替または他の実施形態では、丸いものであれ、あるいは長方形のものであれ、ビアホールには、漏れ抵抗を改善するためのプラグが頂部および／または底部に含まれている。図７９Ｃは、プラグを備えた改良型ビアの例を示したものである。プラグは、プラグ１５８ａおよび１５８ｂの場合のように、一方の側、例えば頂部のみに余分のシールを生成することができ、あるいはプラグ１５８ｃおよび１５８ｄの場合のように両側に余分のシールを生成することができる。プラグ１５８ａ、ｂ、ｃ、ｄは、１つまたは複数の印刷ステップで達成することができ、あるいは塗布操作を介して達成することができる。例示的実施形態によれば、ビアプラグのための材料は、非多孔性の材料の場合のようにガスの移動を止めることができるような材料である。多孔性アノード２４およびカソード２６と結合されると、最終セクションは、緊密にハッチングされた材料が非多孔性であり、また、これまでの図の場合と同様のハッチングによって識別されている材料が多孔性である、図７９Ｄに示されているような形態になる。
【０１５５】
単一の層を直列に接続するための上記実施形態を拡張し、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０内の複数の層を使用して並列−直列接続を形成することができる。図８０は、直列に接続された単一の層が積み重ねられた１つのグループを示したもので、積み重ねられたこれらの層も互いに並列に接続されており、この並列電気接続は、いくつかの対のアノードおよびカソードの間の垂直方向の線１６０によって示されている。直列接続のためのプランジングコンダクタ１４８が示されているが、他の接続手段を使用することも可能である。図に示されている特定の実施形態には、それぞれ直列の４つの電池（セクション）からできている３つの能動層が存在している。したがって合計１２個の電池が示されている。１つの燃料経路を使用して２つの異なる電池経路に供給することによって高い密度を達成することができる。これらの電池の極性は、層毎に反転している。頂部層および底部層では、上向きの方向の矢印がカソードからアノードへの方向であり、中間層では、下向きの方向の矢印がカソードからアノードへの方向である。電極対に供給するために共通の燃料チャネルを使用して層毎に極性の方向が反転するこの特徴により、この実施形態および他の実施形態の中でより高い密度のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを達成するための手段が提供される。
【０１５６】
図８０の線８０Ａ−８０Ａに沿って取った図８０Ａの断面図、および図８０Ｂの斜視図は、２つのカソード２６間または２つのアノード２４間の並列接続を示したものである。アノードまたはカソードの対は、エッジ接続１６０を生成するために、これらの対をそれぞれ燃料チャネルまたは空気チャネルの縁で接触させることによって容易に結合することができる。図８０の垂直方向の線はこのエッジ接続１６０を表している。図８０Ａに示されている実施形態では、エッジ接続１６０は両側（図８０Ａの左側および右側）に存在しているが、一方の側のみの接続でも電気接続を達成することができる。この接続により、２つのアノード２４またはカソード２６が電気的に並列に置かれる。ビア接続または他の接続手段を使用することも可能である。図８０の点Ｂから点Ｂまでの経路を参照すると、これらの点Ｂは、導体によって、経路Ｂがすべて同じ電位になるように接続されている。図８１には、経路Ｂは直線として示されている。図８０、８０Ａおよび８０Ｂに示されている電池の構造の正味効果は、図８１に概略的に示されているように、量のある直列および並列の組合せである。この構造は、デバイス内の１つの電池または相互接続が故障し始めた場合に、電力をそらせるために場合によっては有用である。電流および電圧は、損傷または劣化した面積を迂回し、正常に機能している他の電池へ流れることができる。
【０１５７】
図８２は、図７４Ｃに既により詳細に示されている、重畳層の直列構造を備えた単一層Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を断面図で概略的に示したものである。セラミック２９は、頂部カバーおよび底部カバーを形成しており、また、理想化された空気通路２０および理想化された燃料通路１４が示されている。図１の場合と同様、空気アウトレット２２および燃料アウトレット１６は、図面の平面に対して直角をなしている。図８３Ａ〜８３Ｂに概略的に示されているように、このデバイスも、図８０〜８１に示されているこれまでの実施形態の場合と全く同様、量のある直列−並列組合せで一緒にすることができる。図８３Ａでは、ダッシュ線は、図８０Ａおよび８０Ｂに示されているように、空気チャネルおよび燃料チャネルのエッジ接続１６０から描くことができる。この場合も、電池が直列および並列の両方で存在し、かつ、矢印で示されているように極性が電池の層毎に交互に反転し、それにより、図８３Ｂに示されているように、特定の電池が故障した場合に、その電池を迂回する経路によって電流を運ぶことができる利点を有する高密度構造が提供される。
【０１５８】
図８４Ａおよび８４Ｂは、同じガス通路上の２つの電極間の便利な並列接続を提供するための他の実施形態を示したものである。これは、それぞれ燃料通路１４または空気通路２０のいずれかの側面の２つのアノード２４または２つのカソード２６のいずれかに対して実施することができる。図８４Ｂには２つのアノード２４の例が使用されている。アノード２４は、図８０Ａに示されているように通路１４の両側でではなく、燃料通路１４の中央の領域で接続されている。中央接続１６２は、ガス通路を形成するために使用される犠牲ギャップテープ９４の中に孔またはギャップ１６４を配置することによって容易に実施することができる。孔は円形であっても、あるいは長くてもよく（例えば図８４Ａに示されているようなスリットであってもよく）、また、それらが多数存在していてもよい。積層および焼成が完了すると、頂部および底部のカソードまたはアノードが、ギャップ１６４が存在していた領域で接触することになる。有利には、中央接続１６２は、燃料電池面積の能動面積を著しく狭くしないように形成される。
【０１５９】
図２８Ａ〜２８Ｄに関連して上で概ね説明した、直列設計が使用されている多層螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の場合、両方の電気接続を螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の外部で生じさせることが有利である。そのようにすることにより、アノード点およびカソード点からコールドゾーンへ最も容易にアクセスすることができる。直列グループの一方の末端が覆いの外側に存在し、また、もう一方の末端が覆いの内側に存在するように螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００が覆われている場合、内部接続は、その取扱いがより困難である。それは、ガス接続管は螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の末端の上方に配置されるが、電気接続は内側で実施しなければならないことによるものである。したがって両方の電気接続を外部で実施することができればそれに越したことはない。巻かれていない構成の螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００を概略的に示している図８５Ａでは、直列接続（同じく矢印によって概略的に示されている）は、覆われている面積の外側で直列設計を開始し、かつ、終了し、次に、内側へ移動してＵ−ターンを形成することによって達成されている。
【０１６０】
個々の電池１６６は、個別の長方形ブロックとして示されている。これらのブロックは、短く、かつ、幅が広いため、それらは小さい抵抗を有している（導電性である末端から末端までの長さが短いが、面積がより広いため、電池当たりの電流をより大きくすることができる）。この設計は、上で説明した直列接続を形成する両方の方法（セクションを重畳させるか、あるいは１つまたは複数のプランジングコンダクタを電解質層を貫通して延在させる方法）と両立している。燃料通路１４および空気通路２０のレイアウトに対しては、図に示されているように、これらの通路を側面から引き込み、次に、合流させて、共通通路１６７に沿ってまとめて外に出すことが場合によっては最も便利である。螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）２００デバイスがその上方に巻かれることになるマンドレル１６８が示されている。このマンドレル１６８は、犠牲ワックスで覆うことができ、次に、積層し、かつ、ワックスを融解させた後に除去することができる。図８５Ｂに示されている最終形態では、螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）２００デバイスは、外側から中心に向かって中へ延在し、次に、元に戻って外へ出て行く直列接続経路を有することになる。これは、個々の電池１６６を示す矢印によって示されている。
【０１６１】
直列接続を備えた螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００を形成するための他の方法は、Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の長さに沿って直列ストリングを形成することである。この直列経路は、図８６Ａに示されている巻かれていない構造の中の矢印によって概略的に示されているような経路になる。巻かれた後の能動面積は極めて広いため、特定の電池１６６は、管の内側から外側まで延在することができる。この実施形態では、直列接続は、電解質を貫通して突き刺される複数の短い導体１４８を使用して実施されている。個別のプランジングコンダクタ１４８を使用することにより、形成ステップ、巻込みステップおよび積層ステップの間、より大きい強度を電解質層に得ることができる。しかしながら、図７４Ｃに示されている重畳セクションを使用して直列接続を形成することも可能である。図８６Ｂは、巻かれた最終形態のこの実施形態を概略的に示したものである。図８５Ｂの場合と同様、矢印は個々の電池１６６を表している。
【０１６２】
とりわけこの巻かれた設計の場合、Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００の体積密度を高くするためには、２つの直列の層を使用することが有用であると思われる。しかしながら、層が自らの上に折り返される方法であるため、場合によっては必ずしも３つ以上の並列の層を有する必要はない。図８７Ａは、左側から右側へ延在している、図８６Ｂの１つの長い個々の電池１６６の略側面図である。図８７Ｂに示されているように、２層構造（２つの電解質層２８、２つのカソード２６、２つのアノード２４、１つの空気通路２０、１つの燃料通路１４）が自らの上に巻かれると、底部のカソード２６と頂部の空気通路２０が接触する。したがって３つ以上のすべての層は重複することになる。上で説明した実施形態の教示に基づいて、多くの直列設計の組合せを含んだＴｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）２００デバイス設計を並列で動作させることが場合によっては可能であることは当業者には理解されよう。
【０１６３】
螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００または同心Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス３００に対する電気接続を提供するための本発明の他の実施形態によれば、図８８Ａの巻かれていない概略構造および図８８Ｂの巻かれた螺旋（例えば）管状構造に示されているように、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの１つまたは複数の末端全体を導電性末端１７０ａ、１７０ｂにすることができる。これを達成するために、Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００、３００の末端の絶縁セラミック材料の代わりに導電性材料が使用される。この導電性材料は、図にはハッチングされた面積として示されており、例えばＬＳＭであっても、あるいはＴｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００、３００の大部分からなるセラミック２９を焼結させている間、その収縮とより良好に整合する複数の独立した材料の組合せ、例えばＬＳＭとＹＳＺの組合せなどの収縮整合材料であってもよい。特に、直列設計における最初および最後の電池の場合、巻かれた電極の中心部分は、その電池の一番外側の巻きと全く同様、外界への接続に接触させることができなければならない。ハッチングで示されているこの導電性末端面積１７０ａ、１７０ｂにより、この接続を効果的に実施することができる。内部電極セクションに接触させるための一代替方法（図示せず）は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス中に孔を穿ち、次に、導電性材料を充填することである。
【０１６４】
図８６Ａおよび８８Ａの実施形態の場合、ガスフロー通路１４、２２のためのレイアウトは、図８９に示されているようなレイアウトにすることができる。ガスは、能動面積に供給するために、インレット１２、１８からスティックに流入し、大きい共通通路１６７を経て分岐し、個々の電池１６６の各々に供給することができる。図８９では、ガスは、共通通路１６７に流入し、複数の微小分岐から流出しているが、図８５Ａでは、その逆である。
【０１６５】
直列のセクション（または電池１６６）を含んだＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の場合、１つのＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の長さに安易に適合させるよりも、より高い電圧（より多くのセクション）を有する方が場合によっては有用である。その場合、本発明の他の実施形態によれば、直列セクションは、外界に電力を供給するためにスティックから出る前に、スティックの長さに沿って２回前後するように配向することができる。図９０は、直列に接続された１５個のセクション（電池１６６）を、通路を本質的に２つの場所で折り畳むことによって１つのデバイスにする方法を概略的に示す、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の側面図である。また、互いに並列の１５のグループが存在するよう、このような複数のセクションを１つのＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０にすることも可能である。
【０１６６】
他の実施形態によれば、折畳み設計により、直列の多くの層を備えたＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０を製造するための他の方法が提供される。図９１は、直列の６個の電池１６６を備えた電解質層２９を斜視図で示したものである。これらの電池は、図に示されているように、オーバラッピング方法またはプランジングコンダクタ方法のいずれかを使用して直列に接続することができる。このシート構造をＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０に適合させるために、電解質層２９は、例えばアコーディオンの方法で折り畳まれる。シート構造の末端を調べると、図９２Ａには、矢印で示されているように、電池１６６と電池１６６の間の湾曲点が識別されている。矢印に沿って湾曲させることにより、電池グループは、図９２Ｂの左側に示されているように折畳みスタックの形成を開始する。折畳みをさらに連続的に圧縮すると、図９２Ｂの右側に示されているように、圧縮された折畳みスタック１７２が形成される。この圧縮された折畳みスタック１７２は、次に、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスまたは多層燃料電池の中に便利に配置することができる。直列の電池の数は、設計者の好みによってのみ制限される。グループを水平方向に配置するか、あるいは垂直方向に配置するかのいずれかによって、複数の折畳みスタック１７２をＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の中に並列に（つまり電気的に並列に）配置することができる。ギャップ形成材料、例えばギャップ形成テープ９４をアノード２４およびカソード２６の上に配置し、次に、犠牲的に除去して空気通路２０および燃料通路１４を形成することができる。
【０１６７】
熱膨張率（ＣＴＥ）を整合させる場合、自由フローティング面積が存在するよう、折畳みスタック１７２の一方の側または両側を周囲のデバイス材料（つまり頂部カバーまたはサイドマージン）への取付けから解放することが場合によっては有用である。折畳みスタック設計のこの実施形態では、折畳みスタック１７２内の最初および最後の電池は、スティックの頂部カバーおよび底部カバーまたはそれらの近傍に取り付けられているが、スタックの中間部分のすべてまたは一部は、取付けから解放されている。図９３Ａおよび９３Ｂは、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の断面を示したものである。図９３Ａは、折畳みスタック１７２の左側がデバイスの左側の壁への取付けから解放され、一方、折畳みスタック１７２の右側の中間湾曲面積部分が右側の壁に固定される設計を示している。この設計によれば、壁から離れた層のコンプライアンスが許容され、したがってデバイスを焼結させる際に、折り畳まれた層は、カバー材料とは異なる速度での収縮が許容される。図９３Ｂには、類似した構造が示されているが、折畳みスタック１７２が、折畳みスタック１７２の２つの末端の電池部分を除き、スティックの左側および右側の両方の壁からの取付けから解放されている点が異なっている。いずれの実施形態においても、利点は、ガス（空気または燃料）を多くの電極に同時に提供する能力である。図９３Ａおよび９３Ｂには、折り畳まれた１つの広い連続能動面積、つまり折畳みスタック１７２が示されているが、上で説明した直列および並列電池実施形態を利用して同じまたは同様の効果を達成することができることは理解されよう。図９３Ａには、連続アノード２４および連続カソード２６が示されており、一方、図９３Ｂには、湾曲面積に電極材料が存在しないよう、複数の間隔を隔てたアノード２４およびカソード２６が示されている。図９２Ｂ、図９３Ｂの場合と同様、湾曲面積中の電解質２８を貫通するプランジングコンダクタ１４８を使用して、間隔を隔てた電極、したがって電池１６６が電気的に直列に接続される。例えば連続電極であれ、あるいは間隔を隔てた電極であれ、いずれの実施形態も自由フローティング設計のために使用することができる。
【０１６８】
自由フローティング層の利点は、アノードおよびカソードを組み合わせた構造のＣＴＥがボディの残りの部分（サイドマージン、頂部カバーおよび底部カバー）のＣＴＥと著しく異なる場合に、自由フローティング面積によって物理的断路が許容されることである。この自由フローティングの成果を使用して、折畳み構造に加えて他のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０構造を製造することができることは理解されよう。図９４Ａは、側面が自由である、並列（図９３Ａおよび９３Ｂの直列ではなく）の２つの能動層（個々の層は、アノード２４、電解質層２８およびカソード２６を備えている）を断面図で示したものである。図９４Ｂは、図９４Ａの線９４Ｂ−９４Ｂに沿って取ったＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの上面断面図を示したもので、３つの面に沿って自由であり、かつ、デバイスの一方の面に固定された能動層が示されている。この幾何構造の場合、フローティング層の外側の空気通路１４内のガスのフロー経路に対してはその複雑性が増すことはないが、フローティング層内の空気通路２０内のガスフローの複雑性が増すことになる。その複雑性は、図９４Ｃおよび９４Ｄに示されているように、空気通路２０をセラミック２９内の縁に沿って導入し、次に、カソード２６に沿って内部空間を廻り、再びセラミック２９内に戻ることによって対処することができる。
【０１６９】
以上の様々な実施形態は、密度の改善を提供する、空気通路または燃料通路を共有する利点を有している。ガスフロー経路が並列で動作しているアノードまたはカソードの役割を果たしている場合、面積の縁または面積の中央部分の複数のポイントのいずれかでこれらのアノードまたはカソードを接触させることができる。しかしながら、他の実施形態では、直列で動作しているアノードまたはカソードの役割を果たしている１つの空気通路または燃料通路を有することが場合によっては有用であり、これらの実施形態の場合、アノードまたはカソードは、デバイス内における短絡を防止するために電気的に分離しなければならない。頂部および底部の電極の役割を果たし、一方では電極の短絡を防止する１つのガスフロー経路を有することが望ましい図９０の実施形態にこの一例が示されている。そのために、図９５に２つのカソード２６に対する断面図で示されているように、一方の電極ともう一方の電極の間に機械的および電気的な分離を提供するために、ガスフロー経路内に材料の障壁層１７４を配置することができる。障壁層１７４は、連続していても、あるいは一方の側からもう一方の側へのガスの通過を許容するためにガスフロー経路内で分割されていてもよい。障壁層は、能動アノード２４およびカソード２６の領域にのみ存在させることができ、あるいは多層構造の中をフロー経路に沿ってさらに延在させることも可能である。障壁層１７４は、一方の電極ともう一方の電極の間の短絡を防止している。障壁層１７４は、若干の歪みが生じることはあっても、電気的な分離を維持する限りは極めて薄くすることができる。一例として、障壁層１７４の厚さは、約５μｍと約５０μｍの間にすることができる。障壁層１７４サポートを得るために、図７Ｂ、７Ｃおよび７Ｄを参照して既に説明した、柱５４によって他の層を支持するための方法と同様の方法で、犠牲有機材料７２中の酸化ジルコニウムまたは予備焼結済みセラミック球などの非導電性粒子を加えることができる。
【０１７０】
直列の２つのアノード２４またはカソード２６の間の短絡を防止するための一代替実施形態は、図９６に示されているように、アノード２４またはカソード２６の頂部に絶縁層１７６を置くことである。絶縁層１７６は、例えば酸化ジルコニウムまたは電解質材料から構築することができる。絶縁層１７６は、絶縁層１７６を介したアノード２４またはカソード２６中へのガスの通過を許容するために多孔性でなければならず、また、非導電性でなければならない。通常は有しているすべての特性、つまり多孔性、導電率および化学反応サイトを持たせるためには、場合によっては、この多孔性絶縁層１７６の下方には依然としてアノード２４またはカソード２６が必要である。一例として、絶縁層１７６の厚さは、約１μｍと約２５μｍの間にすることができる。
【０１７１】
多層燃料電池の進歩したアプリケーションでは、電解質、アノード２４およびカソード２６は十分に薄く、焼結後の歪みが材料の１つの特徴になっている。上記設計が歪みを示し、かつ、絶縁層１７６がそれらの役割を果たしている場合、上記構造は、図９７に示されているように表すことができる。この場合、燃料通路または空気通路１４、２０は、その幅に沿ったどこかで開放されているため、完全に締め付けられて遮断されることはないことが仮定されている。したがって、絶縁層１７６のうちの少なくとも１つが接触点で接触しているため、アノード２４またはカソード２６は、互いに接触しているが短絡はしないことになる（つまり電気的に接触している）。
【０１７２】
熱いＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０からの電力の取出しに関して、表面導体としてのＬＳＭの使用は、金属と同じように導電性であるとは思われない。長い距離（数インチ）にわたって電力を輸送する場合、ＬＳＭの抵抗は電力の損失に寄与することがある。この電力損失は、ＬＳＭ導体をより分厚くすることによって克服することができる。そのためには、スクリーン印刷ではなく、それぞれ図９８Ａおよび９８Ｂに横断面図および斜視図で示されているように、ＬＳＭをＬＳＭテープ１７８として鋳造し、次に、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の頂部および／または底部の構造の中にそのＬＳＭテープ１７８を組み込む方が場合によってはより有用である。このようにして数ミルの厚さ（０．００１インチ−０．００５インチ）から数十ミル（０．０１インチ−０．０５インチ）まで厚さを変えることができ、また、スティックの幅全体を覆うことができる。ＬＳＭのＣＴＥは、１つの材料の分厚い層を他の層に共焼成する場合に課題になることがあり、その場合、ＬＳＭは、スティック全体のＣＴＥにより緊密に整合させるためにＹＳＺと混合することができる（カソードの場合と全く同様に）。また、ＬＳＭは低温では導電性ではないため、炉の外側に位置することになるＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の面積中のＬＳＭの頂部に、銀または他の低温導電性材料などの貴金属を置かなければならない。ＬＳＭが説明されているが、本発明はそれに限定されないことは理解されよう。ＬＳＭが引用されているところには任意の導電性セラミック、非酸化性合金または貴金属を使用することができ、したがってＬＳＭテープ１７８は、ＬＳＭ以外の材料を使用して実際に製造することができる。
【０１７３】
本発明の他の実施形態によれば、ニッケルを導体として使用してＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の末端に低抵抗接続を実施することができる。しかしながら、ニッケルは空気の存在下では常に酸化した状態にあり、また、酸化したニッケルは非導電性である。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０は、空気大気を使用した炉動作の場合、システム全体がより単純で、かつ、より安価であるため、空気中で有利に使用される。したがって、ニッケルを導体として使用するための課題は、ニッケルを還元状態に維持しなければならないことである。したがって、ニッケルの酸化の問題を解決するために、図９９に示されているように、デバイスの末端まで延在している、ニッケル導体１８２を含んだ内部チャネル１８０が使用されており、その内部チャネル１８０には、酸化を防止するために燃料が供給されている。ニッケルは、白金より小さい約６μオーム・ｃｍの導電率を有しており、したがってその導電率は、入手可能な最良の導体（銅、銀）の一桁以内である。したがって、燃料が供給される内部チャネル１８０内の空間をニッケル導体で占有することにより、ニッケルを還元状態に維持することができ、それによりその使用が許容される。図９９をさらに参照すると、ニッケル導体１８２は、これまでの図に示されているようなコンタクトパッド４４およびコネクタ１３４などでの電気接続のために、管接続の近傍のその末端でデバイスから外に出すことができる。一例として、ここでは銀を使用して還元大気から空気大気へ移行させることができる。この実施形態は、図６７Ａ〜６７Ｂを参照して既に説明したコネクタ１３４との組合せで示されているが、この図解には何ら限定されない。
【０１７４】
本発明の他の実施形態によれば、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、１００、４００、５００であれ、Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス２００、３００であれ、あるいは他の多層デバイスであれ、多層セラミック燃料電池構造は、未焼結セラミック技術を使用して製造することができ、また、次に、端管１８４を永久的に取り付けることができる。端管１８４は、ホットゾーンからコールドゾーンまで通すことができ、そこで供給管５０などの他の形態の配管またはガス輸送機構を取り付けることができる。別法として、供給管５０を使用することなく、燃料供給および空気供給まで、あるいは排気ガス除去設備まで端管１８４を通すことも可能である。多層デバイス（例えば１０、１００、２００、３００）はホットゾーン内に配置することができ、また、永久的な方法で取り付けられている端管１８４は、コールドゾーンへ移行させることができる。図１００Ａおよび１００Ｂに示されているように、多層（Ｔｕｂｕｌａｒ）Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、１００、４００、５００（２００、３００）、または複数の空気チャネルおよび燃料チャネルを備えた任意の他の燃料電池構造は、端管１８４の一実施形態である、特別にラップされた端管１８６を備えている。デバイス１０、１００、２００、３００、４００、５００の能動構造、すなわちアノード、カソード、電解質および燃料通路が本明細書において説明されている様々な方法のうちの任意の方法によって製造され、次に、ラップされた端管１８接続が加えられる。ラップされた端管１８６は、ラッピング技法を使用して加えられるが、このラッピング技法によれば、テープを使用して管が製造され、次に、スティックの末端の周囲に、適切な強度の厚みを与えるだけの十分な巻数であって、所望の長さを端管１８４に与えるために連続している巻数でテープがラップされる。ラップされた端管１８６の非支持セクション内には、場合によってはマンドレルが必要であり、その場合、離型剤またはワックスで覆われた一時マンドレルを使用することができる。管の層は、全強度および密度が達成されるまで積層することができる。積層が完了すると、マンドレルを除去することができる。永久端管１８４は、能動構造への機械的な取付けおよび電気的な取付けの両方を提供することができる。永久的に取り付けられる端管１８４接続は、共焼結のため、能動構造を備えた実質的にモノリシックである。これは、設計に耐久性を提供している。したがって、最終デバイスを共焼成することにより、取り付けられた端管１８４が多層デバイス（例えば１０、１００、２００、３００、４００、５００）の上に焼結され、したがって実質的にモノリシックになる。
【０１７５】
端管１８４は、ＬＳＭなどの導電性セラミックから製造することができ、あるいは酸化ニッケルから製造することができる。コールドゾーンへの移行部分または空気大気への移行部分で、端管１８４を導電性金属または合金で覆うことができる。この金属または合金および最終管設計のコールド端をペイントとして、あるいはラップされたテープとして加えることができる。別法として、ラップされた端管１８６の代わりに、例えば圧延または押出しによって端管１８４を製造することも可能である。端管１８４が未焼結状態で軟らかい場合、ボンドセラミックに積層することによって端管１８４をセラミックに取り付けることができる。ラップされる管１８６または加えられる端管１８４は、複数の材料の複合物であってもよい。例えばＬＳＭの場合、ＬＳＭをＹＳＺとブレンドし、純粋なＹＳＺのＣＴＥおよび焼結特性との整合を促進することができる。
【０１７６】
複雑な能動構造の多層デバイスを製造し、次に、それを焼結した後に永久端管１８４を末端に取り付けることが場合によっては望ましいが、それには物理的な課題がある。デバイス１０のための図１０１に示されているように（また、同じく、非永久管アタッチメントのための図３Ａおよび３Ｂを参照して、円筒状末端部分として説明されている）、デバイスの末端を管接続を容易に受け入れる形にすることが場合によっては有利である。能動デバイス１０の外側の末端は、例えば機械加工などによって整形し（未焼結状態にあることが好ましい）、セラミック端管１８４中に容易に嵌合して軸方向のアタッチメントを提供する円筒状末端部分１９０を形成することができる。端管１８４の軸方向のアタッチメントは、より大きいシステム内のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０（または１００、２００、３００、４００、５００）を緊密にパッキングするためには最適である。
【０１７７】
別法として、図１０２Ａおよび１０２Ｂに示されているように、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０の末端１１ａ、１１ｂの内側を機械加工し、１つまたは複数の端管１８４を挿入することができる１つまたは複数の末端孔１９２を形成することも可能である。隣り合わせで挿入される複数の端管１８４は、場合によっては多くの設計で有利である。複数の端管１８４を挿入することにより、便利に小型化することができ（例えばハンドヘルドデバイスにおける）、あるいはプラント設計のバランスを単純化することができる。
【０１７８】
端管１８４は、両方の片（能動デバイス１０および端管１８４）を共焼結することができるよう、それらが未焼結である間に、もしくは両方の片が個別に焼結された後に、または一方が未焼結で、もう一方が既に焼結済みである間に永久的に取り付けることができる。両方が既に焼結済みである場合、取付けが完了すると、ガラスまたはガラスセラミック（すなわち酸化アルミニウムなどの焼結促進セラミックが添加されたＹＳＺなどのより低い焼成セラミック）を使用して結合を形成することができる。これらの片を一緒に未焼結にする場合、積層方法または上記結合材料を使用することができる。一方が未焼結で、もう一方が既に焼成済みである場合、これらの接着方法のすべてを使用することができる。
【０１７９】
図１０３Ａに略斜視図で示されている永久管アタッチメントのための他の実施形態によれば、能動デバイスの末端に長方形末端部分１９４を提供することができ、また、炉から出すためにその長方形末端部分１９４に取り付けるために使用される、長方形末端部分１９４と整合する長方形管１９６が使用されている。また、整合片の取付け端部分が長方形であり、かつ、整合片のもう一方の末端部分が丸い端管１８４を有することも場合によっては可能である。図１０３Ｂに示されているこのような形状移行端管１９８は、鋳造または成形によって製造することができる。詳細には、形状移行端管１９８は、迎合形態の成形セラミック片として製造することができる。長方形の末端は、長方形末端部分１９４に容易に積層することができ、次に、炉から移行させるために、このセラミック片の形を丸い形に変えることができ、あるいは他の形の管に変えることができる。この場合も、これらの管および出口経路は、コンポーネントの数を少なくし、かつ、それらに複数の機能を実行させることによってシステムの最終設計を単純化するために、これらの管および出口経路が電気接続としての役割ならびにガス接続としての役割を果たすことができるよう、導電性材料から製造することができる。
【０１８０】
未焼結テープの使用については、様々な実施形態で説明されている構造を蓄積するために既に説明済みである。しかしながら、未焼結テープの使用は不要である。一代替は、構造に使用されるすべての材料をスクリーン印刷することである。それによりテープの使用が除去され、かつ、極めて類似したレイアウトに見える最終未焼結デバイスが得られる。実際には、スクリーン印刷技法を使用して下に置かれる酸化ジルコニウムの層と、１枚のテープとして下に置かれる層との間の相違を述べることは場合によっては極めて困難である。他の変形形態は、ディスペンサを使用して材料を書き込むことである。最も単純な形態では、このディスペンサは、ペンのように材料を書き込む管であってもよいが、当業者には理解されるように、材料を書き込むための的確な方法は、時間と共に、また、小型化の必要性が継続する限り、ますます精巧になるものと思われる。この書込み方法を使用することにより、小さいチャネルおよびより複雑な３Ｄ構造を使用して、複雑な構造を製造することができる。しかしながら、実際には、これらの方法は、場合によっては多層セラミック技術よりその有用性が劣ることがある。書込みヘッドの数をそのままにして構造がさらに小型化されると、大きいデバイスを製造するために必要な時間はますます長くなる。この方法は、その生産性が問題になる。個々のチップが４００以上の層を備える微小チップを１つの工場が１週間に十億個製造することができる現在のコンデンサ製造方法によって立証されているように、テープおよび印刷方法を使用してデバイスを構築する方がはるかに実際的である。それにもかかわらず、本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを構築するためのこのような手段が企図されている。
【０１８１】
また、層の代わりにマイクロ細管を多層デバイス内に使用することも可能である。細管は、それらを組み合わせることによって広い面積を得ることができる。多層デバイスに数千個のマイクロ細管が含まれている場合、それらをエンドツーエンドまたはサイドツーサイドで接続することによって、あるいは蓄積プロセスの間により大きい層状構造のグループにすることによって電圧を逓昇するために、これらの管を組み合わせることができる。しかしながら、この場合も、書込みの複雑さが生産速度を遅くする要因になる可能性がある。しかしながら、総合的には、この設計の成功は、本発明による「自発形態」の使用によるものである。「自発形態」とは、ある物理構造であって、その中で材料システムが総合設計目標に向かって進んで協同する物理構造を有する本発明のデバイスを意味している。この物理構造は材料特性と調和して作用するため、デバイスは、デバイスの長さに沿った劇的な温度差に適応することができ、したがって低温および低コスト接続点、構造の単純化および耐久性の改善を可能にしている。
【０１８２】
上で説明した様々な実施形態では、アノード、カソード、電解質およびギャップの複数の層は、ＳＯＦＣまたは他の燃料電池デバイスのための「自発形態」設計に使用されている。また、この「自発形態」設計は、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス１０、１００、２００、３００の多層能動構造が、例えば図１０４に示されているように、プレート６１０、長いプレート６１２、管６１４構成または平らな管６１６構成を有するセラミック（酸化ニッケル、ＹＳＺ、ＬＳＭまたは任意の他の好ましい材料）の予備焼結済みコアの上に蓄積される場合にも使用することができる。最終形態は、上で説明した設計に類似しているように場合によっては見えるが、製造方法は、材料６１０、６１２、６１４または６１６の下方の固体で開始することができ、次に、それに厚膜層が加えられる（厚膜層とは、印刷、ディップまたは書込みのいずれかによるペーストの層の塗布を意味している）。
【０１８３】
平らな管６１６設計または丸い管６１４設計の既存の使用では、管の中央部分に１つのガスが含まれており、また、管の外部表面は他のガスに露出されている。平らな管６１６設計または丸い管６１４設計を多層設計に変更するためには、管の中のガスを制御する必要がある。平らな管は、追加説明のための例として使用される。既存の使用では、平らな管は、空気または燃料のいずれかの流れを制御するための支持部材をその中に有することができる。平らな管は多孔性であり、したがってそのガスを外側に向かって電極２４、２６および電解質２８まで拡散させることができる。支持部材の一実施形態は、平らな管に構造的強度を付与する、図１０５Ａに示されている垂直構成のリブ（垂直リブ６２０）であるか、あるいは図１０５Ｂに示されている、角度が付いた三角リブ６２２構成のリブのいずれかである。リブを有しているにもかかわらず、平らな管６１６の内部のチャネル６２４には、１つのタイプのガスしか含まれていない。従来技術であることが明確に表示されている図１０６は、平らな管の現在の使用方法を示したもので、１つの電極に１つのガスが供給されている。湾曲した矢印は、管の中をガスが第１の電極に向かって上昇し、管の多孔性セラミックを介して拡散する様子を示している（電極が平らな管の両側に構築されている場合、ガスは下に向かって拡散することもできる）。
【０１８４】
本発明によれば、図１０７Ａ〜１０７Ｂに示されているように、リブ６２０を使用してチャネル６２４が２つの交互のセット６２４ａ、６２４ｂに分割され、したがって一部が燃料を運び（燃料チャネル６２４ａ）、また、一部が空気を運んでいる（空気チャネル６２４ｂ）。これらの平らな管は、コストを低減するために押し出すことができ、したがって交互のチャネル６２４ａ、６２４ｂを個々の末端１１ａ、１１ｂで密閉し、ガスを交互に反対方向に流すことができる。密閉は、ガラスまたはセラミックなどの高温材料を使用して実施することができ、あるいは平らな管のコールド領域に存在している場合は、有機またはシリコーンなどの低温材料を使用して密閉することができる。別法としては、製造時にチャネルを交互に密閉する方法で管を成形することも可能である。図１０８に示されているように、必要に応じて、空気および燃料の両方が流入し、かつ、隣接するチャネル６２４ａ、６２４ｂを通って同じ方向に移動するよう、すべてのチャネル６２４ａ、６２４ｂを第１の末端１１ａで開放することも可能である。その場合、場合によってはリブを非多孔性にし、また、これらの２つのガスが混ざることがないよう、完全なものでなければならない。次に、コネクタを使用して、図１０８に示されているように、正しいガスを単一の末端１１ａで正しいチャネル６２４ａまたは６２４ｂに導くことができる。
【０１８５】
さらに、図１０７Ｂに示されているように、平らな管のいくつかの面積を密閉し、多孔性管を通過して上昇するガスの流れを制御するために、カバー６２６（例えばガラスまたは稠密セラミック）を加えることができる。この場合、非カバー多孔性表面は、適切なガスによる、多層能動構造内の適切な通路への上に向かう拡散を許容する。多孔性管の表面を密閉するのと、多孔性面積を開放し、適切なガスが上昇して適切な面積に拡散するの許容するのと、この２つの任意の組合せを組み込むことができる。
【０１８６】
別法としては、従来技術の１層の平らな多孔性管ではなく、この設計で動作させるために平らな管６１６を多孔性にする必要はない。その代わりに、ガスをチャネル６２４ａ、６２４ｂから流出させ、かつ、上に向かって多層能動構造の中へ移動させる孔を生成することができる（この孔の一実施形態について、後で図１０９を参照して説明する）。これらの孔は、未焼結状態または焼成状態において平らな管６１６に加えることができる。平らな管６１６は、炉の外部へ延在させることができ、したがって、図１１１に示されているように、一方の末端１１ａは、１つのガスのためのコールド面積内で容易にマニホルド化され、また、もう一方の末端１１ｂは、他のガス（この場合も冷たい温度のガス）を有する他の末端でマニホルド化される。別法としては、平らな１端管（例えば図１０８の場合と同様の）を炉から出し、その１つのコールド端１１ａで空気および燃料の両方をチャネル６２４ａ、６２４ｂの中に提供することも可能である。管６１６の末端１１ａに合致し、かつ、空気および燃料の両方を適切なチャネル６２４ａ、６２４ｂの中に提供する複雑なコネクタを使用することができる。炉の中では、平らな管６１６内の孔は、ガスが上に向かって多層能動構造の中へ移動するのを許容することができる。空気チャネル６２４ｂは、多層能動構造への空気の流入を許容することができ、また、燃料チャネル６２４ａは、同様の方法で燃料の流れを許容することができる。個々の孔は、個々の層に供給することができ、あるいは１つの孔は、複数の層に供給することができる。
【０１８７】
多層能動構造内には、これまでの図面で説明したように、任意の組合せの直列構造または並列構造を構築することができる。本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス６００のための図１０９に示されているように、適切な層へ向けてガスを上昇させるために、平らな管内からの供給ガスをビア経路６２８に流入させることができる。流れるガスがビア経路から漏れることなくビア経路６２８を連続させることができるよう、コラム、壁突起、オフセット通路、等々などの様々な技法および設計を使用することができる。垂直方向の太い湾曲した線は、図解がすべて同じ平面断面に存在しているわけではないことを指し示すための図解技法であることに留意されたい。図１１０に示されている一代替方法は、ガス経路が下に向かって曲がって平らな管６１６と合致するよう、ガス通路１４、２０をそれらの範囲の側面領域で歪ませることである。この方法は、場合によってはより単純であり、平らな管６１６の表面に厚膜材料を加えて多層能動構造を蓄積することができる方法が得られる。
【０１８８】
図１１１は、自発形態のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス６００を斜視図で示したもので、末端が炉の外、より具体的にはホットゾーン３２の中に配置されている平らな管６１６であって、互いに反対側に位置している、より冷たいゾーン３０に出現する末端１１ａ、１１ｂ（別法としては、より冷たいゾーンに出現する１つの末端であってもよい）の外へ延在し、平らな管６１６およびガスを上に向かって多層能動構造の中へ拡散させるための経路６２８の上に多層能動構造が蓄積されている。別法としては、図１１２に示されているように、炉の内側に平らな管６１６の末端１１ａ、１１ｂを配置し、ガスを引き渡すための高温マニホルド６３０に取り付けることも可能である。
【０１８９】
本発明による自発形態の平らな管６１６の変形形態は、徐々に細くなる平らな管６３２であり、図１１３に示されているように、この徐々に細くなる平らな管６３２が炉壁９６を貫通する領域で幅が徐々に狭くなっている。徐々に細くなる平らな管６３２の内部設計は、より細い末端を様々な方法で管の主面積に適合させることができる。例えば、リブは、細い末端から主面積まで徐々に広げることができるため、すべてまたはいくつかのチャネル６２４のサイズを大きくすることができ、あるいは追加リブ６２０、６２２を内部に配置して、より広い面積に供給するために流れを追加チャネル６２４に分割することができる。徐々に細くなる平らな管６３２の幅を、炉から離れる部分でさらに狭くすることにより、ひび割れを生じ難くすることができる。
【０１９０】
本明細書において説明されている平らな管実施形態の場合、マニホルド６３０に対する一代替として、図１１４に示されているように、末端孔１９２で平らな管６１６（６３２）と整合させるために個々の端管１８４を炉の中に挿入することができる。管１８４は、共焼成することができ、永久的に取り付けることができ、あるいはガラスまたは機械的圧力を使用して一時的に接着することができる。
【０１９１】
ＳＯＦＣは、伝統的には８００℃の高温で良好に動作する。本発明の一実施形態によれば、本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス（１０、１００、２００、３００、４００、５００、６００）の動作のためのいわゆるシースルー炉を使用することが場合によっては便利である。シースルー炉の１つは、Ｔｈｅｒｍｃｒａｆｔ社が製造しているＴｒａｎｓ  Ｔｅｍｐ（商標）炉である。この管炉は絶縁管であり、管の内部に発熱体を備えており、また、開放端を備えている。管炉の中央部分は、動作温度まで速やかに加熱することができる。シースルー炉の場合、絶縁管は、水晶の複数の層および／または一般的には２つであるが場合によっては３つ以上のガラス管でできており、水晶の層は、炉を適切に絶縁することができ、一方、人は内部を見ることができる。通常、水晶管のうちの１つは、余分の熱を反射して炉の中に戻すために、その内側に金などの微少量の反射性金属がコーティングされている。Ｔｒａｎｓ  Ｔｅｍｐ（商標）炉は、炉内の螺旋電気コイルによって電力が供給される。さらに、ガス燃焼構造などの他の手段によってＴｒａｎｓ  Ｔｅｍｐ（商標）炉を加熱することも可能である。本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの動作のための形式としてシースルー炉を使用することにより、管炉内で動作しているＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを容易に検査することができる。
【０１９２】
一例として、通常はガスタンクのために使用される面積の中に管炉が配置されるＳＯＦＣ技術によってモータサイクルに電力を供給することができる。また、この方法で自動車に電力を供給することも可能である。Ｆｅｒｒａｒｉの新しい自動車設計では、人がエンジンを見ることができるよう、エンジンの上にガラスパネルが使用されているが、その概念と同様、シースルーＳＯＦＣ炉を使用することにより、人はＳＯＦＣエンジンの中を見ることができる。あるいは、家の中では、ＳＯＦＣは、家全体に電力を供給することができ、また、シースルー炉を使用することができる。一世紀前は、暖炉は、暖房および調理の中心として家の中心であったが、近代の家では、シースルーＳＯＦＣ炉が家の精神的な中心であると言える。自動車設計の場合、複数のシースルー炉エレメントが存在することが考えられる。隣り合わせに４つのシースルー炉エレメントが存在することが考えられる。あるいは、４つのエレメントは、「＋」の形をしていることも考えられる。見栄えだけではなく、ＳＯＦＣのためのシースルー炉設計における機能的要素は、炉が動作中であり、かつ、適切に機能していることを観察する能力である。この設計の美術的要素は、より大きい製品または状況の他の設計面を伝えることができる。
【０１９３】
Ｔｒａｎｓ  Ｔｅｍｐ（商標）炉が金でコーティングされている場合、あるいはコーティングされていない場合、炉の色は実質的に黄色−赤黄色である。本発明によれば、異なる元素を使用してシリカ（水晶）の内側をコーティングし、あるいはシリカ管をドープすることができ、それにより色を青色、未焼結色または考えられる限りの任意の他の色に変えることができる。
【０１９４】
したがって、本発明には、透明な（シースルー）壁９６、９６’または９６”を有する炉構造によってホットゾーン３２が提供されるＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスが企図されている。さらに、実質的に赤黄色ではない色（例えば青色）でホットゾーン３２を輝かせる元素でホットゾーン壁９６をコーティングするか、あるいはドープすることも可能である。炉（ホットゾーン）３２は、燃焼燃料を使用して、あるいは抵抗線を使用して加熱することができる。また、すべての電力または電力の一部がＳＯＦＣによって供給される車両であって、ＳＯＦＣのためのホットゾーン３２が１つのシースルー炉または複数のシースルー炉を使用して生成される車両が企図されている。さらに、シースルー壁９６、９６’または９６”を備えた家庭用加熱炉であって、本明細書において説明されているＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスによって少なくとも部分的に電力が供給される家庭用加熱炉が企図されている。管状Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを始めとするＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのための上記のすべての実施形態は、シースルーホットゾーン３２を含むことができる。
【０１９５】
上記実施形態は、ＳＯＦＣに関連して詳細に説明されている。しかしながら、これらの実施形態は、溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）に適用することも可能である。概念の主な相違は、電解質が酸化ジルコニウムから溶融炭酸塩（例えば炭酸リチウムまたは炭酸ナトリウム）に変わっていることである。炭酸塩は、より高い温度で溶融状態になり、酸素イオンを全体にわたって導くことができる（ＣＯ３の形態で）。溶融炭酸塩は、ＬｉＡｌＯ２などの多孔性セラミック内の毛管内に保持される。アノードおよびカソードは、いずれも、ＳＯＦＣに広く使用されているＬＳＭではなく、ＭＣＦＣ中のニッケルに基づいている。ＳＯＦＣのための構造酸化ジルコニウムは、多孔性ＬｉＡｌＯ２に置き換わっており、炭酸塩は細孔の中に存在している。また、ＣＯ２が空気流と共に加えられる。本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのための総合構造である自発形態をＭＣＦＣのために採用することができる。
【０１９６】
本発明には、さらに、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのための燃料としてのアンモニア（ＮＨ３）の使用が企図されている。炭化水素またはＨ２の場合と全く同様、アンモニアによってアノード側にＨ＋イオンが供給される。アンモニアを使用する利点は、Ｈ２と同様、ＣＯ２を全く放出しないことである。しかしながら、燃料としてのＮＨ３の欠点は、毒性であることである。
【０１９７】
また、本発明には、ジェットエンジンを電気エンジン構成に変換するためのＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの使用が企図されており、それにより、より高い燃料効率を得ることができる。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを使用してエンジン出力を生成することにより、場合によっては燃料消費を少なくすることができ、また、飛行のために必要な燃料負荷を少なくすることも可能である。ジェットエンジンが外部カウリングを有していない場合、ジェットエンジンと呼ぶ代わりに、この推進デバイスをダクテッドファンまたは単にファンと呼ぶことも可能である。１０ＭＷの電力を利用することが可能である場合、ダクテッドファンは、Ｂｏｅｉｎｇ  ７３７に搭載されているジェットエンジンに取って代わることが可能であることが予測されている。Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスアセンブリに対する１ＭＷ／ｆｔ３の拡張型密度目標を使用すると、航空機上でこの種の電力を生成することは道理に適っている。複数の個別ユニットを使用して１０ＭＷを生成することができ、詳細には、それぞれ１ＭＷを生成するモジュールを恐らく１０個使用して１０ＭＷを生成することができる。翼の上に発電モジュールを有することにより、それらを可能な限りエンジンに近づけることができ、したがって配線内における抵抗損失が減少する。翼の中にＳＯＦＣを有することに対する一代替設計は、それらを胴体の中に置くことである。胴体内の振動は、翼の中の振動より少ないことが期待され、したがって胴体は、胴体がより良好な場所であることを証明することになるものと思われる。胴体から翼に電力を引き渡す際の導電率の問題は、電力を搬送する際により高い電圧で動作させることによって解決することができる。あるいは、高温セラミック超伝導体を使用してその距離を移動させることも場合によっては有用である。したがって、本発明によれば、電気推進システムを使用している航空機であって、電気推進システムを運転するために生成される電力が複数のＳＯＦＣモジュールの中で生成される航空機が提供される。電気推進システムの一実施形態はファンであり、ダクテッドファンまたは非ダクテッドファンのいずれかである。さらに、これらのモジュールは、航空機の翼の中に配置することも可能である。
【０１９８】
本発明の他の実施形態によれば、マイクロサイズまたはナノサイズの管を使用して空気チャネルとカソードが組み合わされ、および／または燃料チャネルとアノードが組み合わされる。これらの特徴を組み合わせることにより、より高い電力密度（ＫＷ／Ｌ）およびより頑丈な設計を使用してＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを製造することができる。それぞれアノード２４およびカソード２６に隣接する燃料および空気の流れのための燃料通路および空気通路１４、２０を有する代わりに、アノードおよびカソード内にマイクロ管またはナノ管（集合的にマイクロ／ナノ管と呼ばれている）を提供することによってアノードおよびカソード内にフローギャップが生じる。これにより、アノードおよびカソード内におけるガスの分散を著しく改善することができる。現在、アノードおよびカソードは多孔性であり、ガスはこれらの細孔全体に拡散する。実際には、恐らく細孔はランダムに分布しており、したがってガスフローは、拷問的な経路を通り抜けなければならないため、ガスは速やかに拡散することはできない。ランダムな細孔自体より著しく直線的で、かつ、長いアノード２４およびカソード２６内の経路またはチャネルとして画定されるマイクロ／ナノ管を有することにより、改良された燃料利用を達成することができる。
【０１９９】
実際には、繊維６３４をアノード材料および／またはカソード材料の中に挿入することができる。一例として、炭素繊維材料を使用することができる。繊維は、図１１５Ａの顕微鏡写真（倍率５００倍）および図１１５Ｂの顕微鏡写真（倍率２００倍）に示されているように、その長さが比較的短くなり、薄いシート中にランダムに分布し、押しつぶされ、あるいは圧縮されるよう、マットタイプの布６３６であってもよい。任意のタイプの有機布または織物を使用することができることが期待されている。別法としては、焼成後に長いボイドを付与するために、電極ペースト中に長い粒子を分布させることも可能である。炭素斜文織は、繊維の大部分を好ましい流れ方向に容易に配向させることができるため、場合によってはとりわけ有用である。
【０２００】
図１１５Ａおよび１１５Ｂでは、繊維６３４の直径は５〜１０μｍである。それらをはるかに小さくすること、つまりナノサイズにし、面積当たりの繊維の数を多くすることも場合によっては可能である。一例として１〜１００ｎｍの範囲の直径を有するナノ管を使用することができる。別法としては、０．１〜１００μｍの範囲の直径を有するマイクロ管を使用することも可能である。通常、これらの管は、約１ｎｍ以下程度の小さい直径、および約１００μｍ程度の大きい直径、例えば５０ｎｍないし５０μｍの範囲の直径を有することができる。
【０２０１】
次に、繊維６３４に電極ペーストを浸み込ませることができる。このペーストは、もともとその性質が多孔性であり、スケールが０．５〜３μｍの追加細孔の提供を促進する黒鉛粉末を含有している。焼出しおよび焼結が完了すると、図１１５Ａおよび１１５Ｂに示されている繊維、および黒鉛粉末によって、ガスの分散を拡大することができる細孔およびマイクロ／ナノ管のネットワークが電極内に提供される。炭素繊維の場合、それらは、焼成プロファイルの間の約７５０℃後に消失する。図１１６Ａ〜１１６Ｃは、倍率を大きくした顕微鏡写真であって、焼成された電極の中に形成されたマイクロ管６３８、具体的には、直径５〜１０μｍの炭素繊維の焼出しによってアノード２４の中に形成された３つの異なるチャネルを示す顕微鏡写真である。
【０２０２】
この実施形態によれば、アノード２４およびカソード２６内の燃料および空気の良好な分布が得られ、また、燃料および空気をアノードおよびカソードを通して流すことができる場合、アノードおよびカソードの上方に燃料および空気を流す必要がないため、アノードおよびカソードの領域の燃料フロー通路および空気フロー通路１４、２０を除去することができる。さらに、アノードおよびカソードの上方のギャップが除去されると、アノードおよびカソードを多層構造内の隣の電解質２８に接触させることができ、劇的に改善された強度が多層構造に付与される。
【０２０３】
ホットからコールドへ延在している自発形態を備えた構造であれ、あるいは備えていない構造であれ、マイクロ／ナノ管６３８の使用は、あらゆる多層燃料電池構造における使用を見出すことができることは理解されよう。この実施形態は、正方形プレートの上または管の表面で使用することができる。この実施形態は、その性質が多層であるシステムを設計する場合、あるいは設計に対して３Ｄスケールを有している場合にとりわけ強力である。
【０２０４】
多層Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスでは、例えば、電池の連続する層と層の間のピッチが０．０１０インチ程度、つまり電解質から電解質まで０．０１０インチ程度である見本が製造された。この１０ミルには、燃料または空気の流れのための約２ミルのギャップが含まれている。この実施形態に従ってこの２ミルのガスフロー厚さを除去することにより、電力密度（ＫＷ／Ｌ）を２０％高くすることができ、これは劇的である。しかしながら、アノードおよび／またはカソード内のマイクロ／ナノ管６３８は、ギャップを除去するための手段としてではなく、流量を多くするために空気／燃料通路（ギャップ）と組み合わせて使用することができることは理解されよう。
【０２０５】
ホットゾーン３２および少なくとも１つのコールドゾーン３０を有する本発明のＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスのための他の実施形態によれば、燃料通路および空気通路１４、２０を製造する方法は、コールドからホットまでの経路の領域およびホットゾーンにおける方法と同じ方法を維持することができ、電極内の細孔およびマイクロ／ナノ管６３８を介して燃料を流すことができる。開放チャネル（１４、２０）、例えば２ミル（０．００２インチ）のチャネルにより、ガスが流入するための便利な低流動抵抗経路が提供される。これらの経路は、アノード２４およびカソード２６の厚さと同程度の厚さであるため、開放ガスフローチャネル（１４、２０）は、図１１７に示されているように、ホットゾーン３２のアノード２４およびカソード２６の縁まで直接到達させることができる。チャネル（１４、２０）は、必要に応じて、側面からアノード２４またはカソード２６への空気および燃料の流入を許容するように配向することができる。図１１７では、アノード２４またはカソード２６は、一方がアノード２４またはカソード２６の上側で、もう一方が下側である２つの電解質２８に並列図式で供給している。直列設計の場合、図１１８に示されているように、アノード２４またはカソード２６の２つの部分の間に分割器６４２を置くことができる。分割器６４２は、酸化ジルコニウムまたは電解質材料などの絶縁体であってもよい。
【０２０６】
例えば、コネクタ電極１４８を使用した直列設計などのより複雑な形式では、この方法を使用して多くのアノード２４またはカソード２６に同時に供給することができる。抵抗を小さくするためには、個々の電池を短くし、かつ、幅を広くすることが最適である。その点に関して、管は、短く、かつ、幅が広い電池の性質が良好に働いて適切なガスフローを許容し、また、あらゆる燃料電池の主要な目標の１つである燃料利用が改善されるよう、大きいギャップが有することになる流動抵抗より場合によっては大きい流動抵抗を有しているため、マイクロ／ナノ管６３８を使用することができる。図１１９は、直列設計を上から見下ろした略図を示したもので、電池に流入し、かつ、電池から流出するガスの流れが強調されている。説明を分かり易くするために、燃料側の例が使用されている。図１１９は上から見下ろした図であるため、見えている表面は、アノード２４の表面である。電解質２８およびカソード２６は、図から隠れている。矢印は、アノード２４に流入する燃料を表している。燃料は、アノード２４の両側から流入し、次に燃料の一部が電解質に向かって方向を変え、一方、燃料の一部は、引き続いてアノードを通って燃料アウトレット１６へ向かう。この場合も、燃料通路１４は、アノード２４の上方ではなく、アノードに沿っているため、ガスフローの領域およびアノードまたはカソードを組み合わせた厚さは同じであり、かつ、最小化される。
【０２０７】
また、燃料電池の分野では、低電力発電のための小型デバイスも同じく望ましい。例えば、軍隊は、１００時間にわたって２０Ｗを提供する小型電源を使用することができる。そのために、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス７００のための設計の１つは、図１２０に側面図で示されているように、小型デバイスの広い面積７０４にいずれも同じ側から入る２つのスティック形入口７０２ａ、ｂを有することである。一方のスティック入口７０２ａは空気を取り扱い、もう一方のスティック入口７０２ｂは燃料を取り扱っている。広い面積７０４は、ホットゾーン３２に配置された能動面積である。両方のガスを同じ側から流入させることにより、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス７００のそれぞれの側に１つの入口を有する場合と比較すると、総合体積が小さくなる。さらに、空気および燃料のための連続する入口を備えた単一のより長い入口経路を有する場合と比較しても面積が狭くなる。図１２０に示されているデバイス７００のサイズ（平方面積の形でのサイズ）は、例えば１平方インチまたは３インチ×３インチにすることができる。
【０２０８】
他の実施形態によれば、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスの広い面積７０４は、複数のセクションに分割されている。例えば、図１２０に示されている広い面積をそれぞれ満たしている２０個の能動層を使用してＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイスを設計する場合、熱伝達のためには面積を分割することが場合によっては有利である。分割された面積は、本のページのようなものである。ガス供給管が入る本の背は、完全に固体化することができ、あるいはそれぞれ図１２１Ａおよび１２１Ｂに上面図および斜視図で示されているように、完全に分割することも、部分的に分割することも可能である。
【０２０９】
最後に、携帯型にすることが意図されているＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス７００の場合、図１２２に示されているように、デバイスの上に安定化ポイント７０６を有することが場合によっては有用である。これらは、デバイスから出現する背骨７０８の形を取ることができるが、小型炉の絶縁体９８の中に延在する役割しか担っていないため、振動を減衰させてＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス７００を安定した状態に保持する。背骨７０８は、様々な形を取ることができるが、断面が小さく、したがってデバイスから熱を伝達しない形であることが場合によっては理想的である。背骨７０８は、強度のために先を尖らすことができ、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス７００のメインボディ部分での接続７１０をより大きくすることができる。さらに、安定化背骨７０８は、デバイスを携帯型にするかどうかに無関係に、本明細書において説明されているすべての実施形態に使用することができる。
【０２１０】
以上、本発明について、本発明の１つまたは複数の実施形態の説明によって例解し、また、これらの実施形態についてかなり詳細に説明したが、それらには、特許請求の範囲をこのような詳細に限定し、あるいは何らかの方法で制限することは意図されていない。当業者には追加利点および修正が容易に明らかであろう。したがって、そのより広義の態様における本発明は、図に示され、かつ、説明されている特定の詳細、代表的な装置および方法ならびに実例に限定されない。したがって、一般的な本発明の概念の範囲を逸脱することなく、このような詳細から逸脱することができる。
【符号の説明】
【０２１１】
１０  Ｆｕｌｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
１１ａ  第１の末端
１１ｂ  第２の末端
１２  燃料インレット
１３  燃料予熱チャンバ
１４  燃料通路
１６  燃料アウトレット
１８  空気インレット
１９  空気予熱チャンバ
２０  空気通路
２１  排気通路
２２  空気アウトレット
２４  アノード層
２５  露出したアノード部分
２６  カソード層
２７  露出したカソード部分
２８  電解質層
２９  セラミック
３０  コールドゾーン（または第２の温度）
３１  移行ゾーン
３２  ホットゾーン（または加熱ゾーンあるいは第１の温度ゾーン）
３３ａ  予熱ゾーン
３３ｂ  能動ゾーン
３４  燃料供給
３６  空気供給
３８  負の電圧接続点
４０  正の電圧接続点
４２  ワイヤ
４４  コンタクトパッド
４６  はんだ接続
４８  ばねクリップ
５０  供給管
５２  タイラップ
５４  支柱
５６  第１のビア
５８  第２のビア
６０  障壁コーティング
６２  表面粒子
６４  織り目が付けられた表面層
６６  アノード懸濁液
７０  開口
７２（ａ、ｂ）  有機材料犠牲層
８０  左側
８２  右側
８４  架橋部分
９０  ブリッジ
９２  ワイヤ（物理）構造
９４  ギャップ形成テープ
９６  炉壁
９６’  多層炉壁
９６”  エアギャップを備えた多層炉壁
９８ａ、ｂ、ｃ  絶縁体
１００  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
１０２  細長いセクション
１０４  広い表面積セクション
１０６  細長いセクション
１２０  エアギャップ
１２２  集電体
１２３  ギャップ
１２４  電極粒子
１２６  粘性流体
１２８  一時基板
１３０  セラミックテープ
１３２  刻み目
１３４  コネクタ
１３６  電気コンタクト
１３８  ガスフロー通路
１４０  Ｏリング
１４２  大きい孔（セラミックテープ中の）
１４４  電極の多孔性面積
１４６  電極の非多孔性面積
１４８  コネクタ電極（導体テープ）
１５０  スリット
１５２  第１の導体
１５４  第２の導体
１５６  長方形ビア
１５８ａ、ｂ、ｃ、ｄ  プラグ（ビア部分の）
１６０  エッジ接続
１６２  中央接続
１６４  孔（ギャップテープ中の）
１６６  個別電池
１６７  共通通路
１６８  マンドレル
１７０ａ、ｂ  導電性末端
１７２  折畳みスタック
１７４  障壁層
１７６  絶縁層
１７８  ＬＳＭテープ
１８０  内部燃料チャネル
１８２  ニッケル導体
１８４  端管
１８６  ラップされた端管
１９０  円筒状末端部分
１９２  末端孔
１９４  長方形末端部分
１９６  長方形管
１９８  形状移行端管
２００  螺旋Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
３００  同心Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
４００  エンドロールＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
４０２  分厚い部分
４０４  薄い部分
５００  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
６００  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
６１０  プレート
６１２  長方形プレート
６１４  丸い管
６１６  平らな管
６１８  支持部材
６２０  垂直リブ
６２２  三角リブ
６２４  チャネル
６２４ａ  燃料チャネル
６２４ｂ  空気チャネル
６２６  カバー
６２８  ビア経路
６３０  高温マニホルド
６３２  徐々に細くなる平らな管
６３４  繊維
６３６  布
６３８  マイクロ管
６４２  分割器
７００  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｉｃｋ（商標）デバイス
７０２ａ、ｂ  スティック入口
７０４  広い面積
７０６  安定化ポイント
７０８  背骨
７１０  より大きい接続
【図１】
2011503807.tif 000003
【図１Ａ】
2011503807.tif 000004
【図２】
2011503807.tif 000005
【図３Ａ】
2011503807.tif 000006
【図３Ｂ】
2011503807.tif 000007
【図４Ａ】
2011503807.tif 000008
【図４Ｂ】
2011503807.tif 000009
【図５】
2011503807.tif 000010
【図６Ａ】
2011503807.tif 000011
【図６Ｂ】
2011503807.tif 000012
【図７Ａ】
2011503807.tif 000013
【図７Ｂ】
2011503807.tif 000014
【図７Ｃ】
2011503807.tif 000015
【図８Ａ】
2011503807.tif 000016
【図８Ｂ】
2011503807.tif 000017
【図９Ａ】
2011503807.tif 000018
【図９Ｂ】
2011503807.tif 000019
【図１０】
2011503807.tif 000020
【図１０Ａ】
2011503807.tif 000021
【図１０Ｂ】
2011503807.tif 000022
【図１１】
2011503807.tif 000023
【図１２】
2011503807.tif 000024
【図１３】
2011503807.tif 000025
【図１４】
2011503807.tif 000026
【図１５】
2011503807.tif 000027
【図１６】
2011503807.tif 000028
【図１７】
2011503807.tif 000029
【図１８】
2011503807.tif 000030
【図１９】
2011503807.tif 000031
【図２０】
2011503807.tif 000032
【図２１】
2011503807.tif 000033
【図２２】
2011503807.tif 000034
【図２３】
2011503807.tif 000035
【図２４】
2011503807.tif 000036
【図２５Ａ】
2011503807.tif 000037
【図２５Ｂ】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
2011503807.tif 000040
【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２８Ｄ】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図２９Ｃ】
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【図２９Ｄ】
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【図２９Ｅ】
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【図２９Ｆ】
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【図２９Ｇ】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３０Ｃ】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３３Ｃ】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３５】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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【図３７】
2011503807.tif 000070
【図３８Ａ】
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【図３８Ｂ】
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【図３９】
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【図４０Ａ】
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【図４０Ｂ】
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【図４１Ａ】
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【図４１Ｂ】
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【図４２Ａ】
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【図４２Ｂ】
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【図４２Ｃ】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５Ａ】
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【図４５Ｂ】
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【図４６Ａ】
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【図４６Ｂ】
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【図４７】
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【図４８Ａ】
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【図４８Ｂ】
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【図４８Ｃ】
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【図４９Ａ】
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【図４９Ｂ】
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【図４９Ｃ】
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【図５０Ａ】
2011503807.tif 000094
【図５０Ｂ】
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【図５０Ｃ】
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【図５１】
2011503807.tif 000097
【図５２Ａ】
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【図５２Ｂ】
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【図５２Ｃ】
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【図５３】
2011503807.tif 000101
【図５４】
2011503807.tif 000102
【図５５Ａ】
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【図５５Ｂ】
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【図５５Ｃ】
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【図５５Ｄ】
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【図５５Ｅ】
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【図５６Ａ】
2011503807.tif 000108
【図５６Ｂ】
2011503807.tif 000109
【図５７Ａ】
2011503807.tif 000110
【図５７Ｂ】
2011503807.tif 000111
【図５８Ａ】
2011503807.tif 000112
【図５８Ｂ】
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【図５８Ｃ】
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【図５９】
2011503807.tif 000115
【図６０】
2011503807.tif 000116
【図６１Ａ】
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【図６１Ｂ】
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【図６１Ｃ】
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【図６２】
2011503807.tif 000120
【図６２Ａ】
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【図６３】
2011503807.tif 000122
【図６４】
2011503807.tif 000123
【図６５】
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【図６６Ａ】
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【図６６Ｂ】
2011503807.tif 000126
【図６７Ａ】
2011503807.tif 000127
【図６７Ｂ】
2011503807.tif 000128
【図６８Ａ】
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【図６８Ｂ】
2011503807.tif 000130
【図６９】
2011503807.tif 000131
【図７０】
2011503807.tif 000132
【図７１】
2011503807.tif 000133
【図７２】
2011503807.tif 000134
【図７３Ａ】
2011503807.tif 000135
【図７３Ｂ】
2011503807.tif 000136
【図７４Ａ】
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【図７４Ｂ】
2011503807.tif 000138
【図７４Ｃ】
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【図７４Ｄ】
2011503807.tif 000140
【図７５Ａ】
2011503807.tif 000141
【図７５Ｂ】
2011503807.tif 000142
【図７５Ｃ】
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【図７５Ｄ】
2011503807.tif 000144
【図７５Ｅ】
2011503807.tif 000145
【図７６】
2011503807.tif 000146
【図７７】
2011503807.tif 000147
【図７８Ａ】
2011503807.tif 000148
【図７８Ｂ】
2011503807.tif 000149
【図７８Ｃ】
2011503807.tif 000150
【図７９Ａ】
2011503807.tif 000151
【図７９Ｂ】
2011503807.tif 000152
【図７９Ｃ】
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【図７９Ｄ】
2011503807.tif 000154
【図８０】
2011503807.tif 000155
【図８０Ａ】
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【図８０Ｂ】
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【図８１】
2011503807.tif 000158
【図８２】
2011503807.tif 000159
【図８３Ａ】
2011503807.tif 000160
【図８３Ｂ】
2011503807.tif 000161
【図８４Ａ】
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【図８４Ｂ】
2011503807.tif 000163
【図８５Ａ】
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【図８５Ｂ】
2011503807.tif 000165
【図８６Ａ】
2011503807.tif 000166
【図８６Ｂ】
2011503807.tif 000167
【図８７Ａ】
2011503807.tif 000168
【図８７Ｂ】
2011503807.tif 000169
【図８８Ａ】
2011503807.tif 000170
【図８８Ｂ】
2011503807.tif 000171
【図８９】
2011503807.tif 000172
【図９０】
2011503807.tif 000173
【図９１】
2011503807.tif 000174
【図９２Ａ】
2011503807.tif 000175
【図９２Ｂ】
2011503807.tif 000176
【図９３Ａ】
2011503807.tif 000177
【図９３Ｂ】
2011503807.tif 000178
【図９４Ａ】
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【図９４Ｂ】
2011503807.tif 000180
【図９４Ｃ】
2011503807.tif 000181
【図９４Ｄ】
2011503807.tif 000182
【図９５】
2011503807.tif 000183
【図９６】
2011503807.tif 000184
【図９７】
2011503807.tif 000185
【図９８Ａ】
2011503807.tif 000186
【図９８Ｂ】
2011503807.tif 000187
【図９９】
2011503807.tif 000188
【図１００Ａ】
2011503807.tif 000189
【図１００Ｂ】
2011503807.tif 000190
【図１０１】
2011503807.tif 000191
【図１０２Ａ】
2011503807.tif 000192
【図１０２Ｂ】
2011503807.tif 000193
【図１０３Ａ】
2011503807.tif 000194
【図１０３Ｂ】
2011503807.tif 000195
【図１０４】
2011503807.tif 000196
【図１０５Ａ】
2011503807.tif 000197
【図１０５Ｂ】
2011503807.tif 000198
【図１０６】
2011503807.tif 000199
【図１０７Ａ】
2011503807.tif 000200
【図１０７Ｂ】
2011503807.tif 000201
【図１０８】
2011503807.tif 000202
【図１０９】
2011503807.tif 000203
【図１１０】
2011503807.tif 000204
【図１１１】
2011503807.tif 000205
【図１１２】
2011503807.tif 000206
【図１１３】
2011503807.tif 000207
【図１１４】
2011503807.tif 000208
【図１１５Ａ】
2011503807.tif 000209
【図１１５Ｂ】
2011503807.tif 000210
【図１１６Ａ】
2011503807.tif 000211
【図１１６Ｂ】
2011503807.tif 000212
【図１１６Ｃ】
2011503807.tif 000213
【図１１７】
2011503807.tif 000214
【図１１８】
2011503807.tif 000215
【図１１９】
2011503807.tif 000216
【図１２０】
2011503807.tif 000217
【図１２１Ａ】
2011503807.tif 000218
【図１２１Ｂ】
2011503807.tif 000219
【図１２２】
2011503807.tif 000220
【図７Ｄ】
2011503807.tif 000221
【国際調査報告】
2011503807.tif 000222
2011503807.tif 000223
2011503807.tif 000224
2011503807.tif 000225
2011503807.tif 000226
2011503807.tif 000227
2011503807.tif 000228