CN101496214A - 用于堆叠燃料电池的系统和方法 - Google Patents

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CN101496214A CNA2007800251614A CN200780025161A CN101496214A CN 101496214 A CN101496214 A CN 101496214A CN A2007800251614 A CNA2007800251614 A CN A2007800251614A CN 200780025161 A CN200780025161 A CN 200780025161A CN 101496214 A CN101496214 A CN 101496214A
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Abstract

本发明在各种实施例中提供多个燃料电池的平板式燃料电池组，该组包括：具有第一阳极和第二阳极的阳极层；电解质层；具有第一阴极和第二阴极的阴极层；以及至少部分地置于电解质层中并且将第一阳极和第二阴极以电力方式和机械方式联接的至少一个互连器。在各种实施例中，提供结构支撑件，该燃料电池的尺寸被确定为是便携式的，并且被制造成产生所期望的功率密度和/或电压。

Description

用于堆叠燃料电池的系统和方法
背景技术
燃料电池利用化学反应发电。化学反应通常使燃料例如氢和空气/氧作为反应物而发生反应，并且产生水蒸汽作为主要副产品。氢能够被以氢气的形式直接地提供，或者能够从被改质以离析氢气的其它材料例如碳氢化合物液体或者气体产生。燃料电池组件可以在与容纳氢和/或碳氢化合物的燃料罐联接的燃料电池壳体中包括一个或者多个燃料电池。被联接到便携、可更换和/或可再填充燃料罐的便携燃料电池壳体，作为一种优选的电源与电池竞相用于为大量便携式消费者电子设备产品例如蜂窝电话和个人数字助理供电。当与电池相比较时，这些燃料电池组件的竞争能力依赖于多种因素，包括它们的尺寸、效率和可靠性。
然而，这些因素受到本技术领域中的限制的制约。例如，现有制造方法限制能够被容纳于具有给定尺寸的燃料电池壳体中的燃料电池单元的数目。另外，壳体中的每一个燃料电池均具有它在其中发电的有限区域，该区域被称作燃料电池的活性面积，并且现有制造方法限制每一个燃料电池单元的活性面积。而且，现有制造方法并未平衡便携式燃料电池所固有的设计折衷。某些燃料电池在极高温度下运行，这使得燃料电池构件经受热应力并且可以使得燃料电池失去能力。现有装置并未足够地支持燃料电池构件承受应力。
因此，存在对用以提供克服本技术领域中的限制的燃料电池的燃料电池组件和制造方法的需求。
发明内容
本发明在各种实施例中通过在燃料电池壳体内的一个或者多个平板式组中布置多个燃料电池单元，并且将燃料电池单元电联接以提供升高的电压、电流和/或功率而解决了现有技术中的缺陷。在特定实施例中，制造商调节设计参数，包括燃料电池构件的物理尺寸以平衡便携平板式燃料电池组所固有的基本折衷。更加具体地，在一个方面，燃料电池单元被有效率地布置于平板式组中从而每一个燃料电池单元均具有大于大约70％的活性面积。在一个方面，平板式组被容纳于小于大约30立方厘米和/或产生大于大约0.1伏特每立方厘米壳体的电压的燃料电池壳体中。在特定构造中，在这里披露的燃料电池组件产生大于大约0.5伏特每立方厘米的电压，并且在其它构造中大于大约2伏特每立方厘米。在另一个方面，平板式组被设于具有在大约0.1立方厘米和大约30立方厘米之间的容积的壳体中，并且具有在大约0.5平方厘米和大约100平方厘米之间的活性面积。在特定构造中，活性面积在大约0.5平方厘米和大约20平方厘米之间，或者在大约2平方厘米和大约10平方厘米之间。在特定实施例中，本发明包括减小来自例如高温和热循环的热应力的、置于燃料电池上的结构支撑件。在一个方面，本发明包括一种使用微米级制造技术例如蚀刻制造燃料电池单元、结构支撑件以及其它结构的方法。在另一个方面，燃料电池单元组被布置于各自的平板式组中。通过改变组中的燃料电池单元数目和/或改变各个燃料电池单元的尺寸，制造商改进了特定性能指标例如功率密度和/或电压输出。
在一个方面，该装置包括多个燃料电池的平板式燃料电池组，该燃料电池组包括具有第一阳极和第二阳极的阳极层、电解质层、具有第一阴极和第二阴极的阴极层、至少部分地置于电解质层中并且将第一阳极和第二阴极以电力方式和机械方式联接的至少一个互连器，以及垂直于延伸通过该平板式组的平面定向并且至少部分地在两个相邻电极之间横向置放的细长结构支撑件。
在一种构造中，该组进一步包括与该组接触并且从细长结构支撑件隔开的第二结构支撑件。该组可以包括绝缘材料。例如，该结构支撑件包括电绝缘涂层。在一个特征中，该结构支撑件包括被氧化的表面。该结构支撑件可以包括硅材料、氧化钇稳定氧化锆(YSZ)材料、氧化镁材料、铁铬材料和陶瓷材料中的一种或者多种。
在特定构造中，该结构支撑件具有在大约30微米和大约200微米之间的宽度，以及大于大约100微米的高度。在一种构造中，该结构支撑件在以后与电解质机械联接。
根据一个特征，第一阳极和第二阳极被第一距离横向地分离，第一阴极和第二阴极被第二距离横向地分离，并且第一距离和第二距离中的至少一个在大约5微米和大约500微米之间。例如，第一距离和第二距离中的至少一个能够在大约5微米和大约200微米之间。
在一个特征中，根据权利要求1的组，其中电解质层包括置于第一阳极和第一阴极之间并且在第一阳极和第一阴极之间提供第一电压差的第一电解质区域、置于第二阳极和第二阴极之间并且在第二阳极和第二阴极之间提供第二电压差的第二电解质区域，并且第一电解质区域和第二电解质区域包括单片电解质结构。
根据特定构造，该组包括固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池中的一个或者多个。
根据一个特征，该组包括电解质层的活性区域，在其中相应的阳极和阴极在电解质层的表面上具有重叠凸起，并且该活性区域包括电解质层表面面积的至少70％。该组可以被容纳于具有小于大约30立方厘米的容积的壳体中。该组可以产生大于大约5伏特，并且在一些构造中大于大约10伏特或者大于大约15伏特的电压差。
该至少一个互连器可以具有小于大约(100微米)2的、平行于延伸通过电解质层的平面的横截面。该组还可包括至少部分地置于电解质层中，并且将第一阳极和第二阴极以电力方式和机械方式联接的多个互连器。该多个互连器可以包括互连器的线性阵列，其中该多个互连器中的相邻互连器的中心到中心间隔是基本相等的。
在一个特征中，该组包括串联电连接的三个或者更多燃料电池，其中该三个或者更多燃料电池构成燃料电池的非线性阵列。该装置可以包括被以并联电连接方式联接的两个或者更多串联电连接燃料电池。
在一个方面，该装置包括多个燃料电池的平板式燃料电池组，该燃料电池组包括具有第一阳极和第二阳极的阳极层、电解质层、具有第一阴极和第二阴极的阴极层、至少部分地置于电解质层中并且将第一阳极和第二阴极以电力方式和机械方式联接的至少一个互连器，以及细长结构支撑件，它垂直于延伸通过平板式组的平面定向并且使得细长结构支撑件的至少一个部分在垂直于延伸通过燃料电池组的平面的轴线上与该至少一个互连器相对准。
该多个燃料电池可以包括固体氧化物燃料电池和/或质子交换膜(PEM)燃料电池中的一个或者多个。该结构支撑件可以具有在大约30微米和大约200微米之间的宽度，以及大于大约100微米的高度。在一种构造中，第一阳极和第二阳极被第一距离横向地分离，第一阴极和第二阴极被第二距离横向地分离，并且第一距离和第二距离中的至少一个在大约5微米和大约500微米之间。
在一个特征中，该组被容纳于具有小于大约30立方厘米的容积的壳体中。该组可以产生大于大约10伏特的电压差。
在另一个方面，该装置具有燃料电池组件，该燃料电池组件包括具有小于大约30立方厘米的容积的壳体、和平板式燃料电池组，该燃料电池组被容纳于壳体中并且具有包括布置于第一平面中的多个阳极的阳极层、包括布置于第二平面中的多个阴极的阴极层，以及置于阳极层和阴极层之间的电解质层，其中该组包括电解质层的活性区域，在其中相应的阳极和阴极在电解质层的表面上具有重叠凸起，并且该活性区域包括电解质层表面面积的至少大约50％。在特定构造中，该活性区域包括至少大约70％或者至少大约85％的电解质层表面面积。
在一个方面，该装置具有燃料电池组件，该燃料电池组件包括壳体和平板式燃料电池组，该平板式燃料电池组被容纳于壳体中并且具有布置于阳极层中的相应的阳极、布置于阴极层中的相应的阴极以及电解质层，其中该燃料电池组件产生大于大约0.1伏特每立方厘米壳体的电压。
根据一个特征，该壳体具有小于大约30立方厘米的容积。
在另一个方面，该装置具有燃料电池组件，该燃料电池组件包括：壳体，该壳体具有在大约0.1立方厘米和大约30立方厘米之间的容积；以及平板式燃料电池组，该平板式燃料电池组具有包括布置于第一平面中的多个阳极的阳极层、包括布置于第二平面中的多个阴极的阴极层和置于阳极层和阴极层之间的电解质层，其中该组包括在其中相应的阳极和阴极在电解质层的表面上具有重叠凸起的电解质层的活性区域，并且该活性区域在电解质层的表面上具有在大约0.5平方厘米和大约100平方厘米之间的面积。
在一个方面，该方法包括制造具有至少一个结构支撑件的平板式燃料电池组的方法，包括提供基片、在基片上方置放电解质层和一个或者多个电极层，并且通过选择性地移除基片的一些部分而从基片形成所述至少一个结构支撑件。
根据一种构造，该至少一个结构支撑件被形成为细长形并且垂直于延伸通过电解质的平面延伸。在一个特征中，选择性地移除基片的一些部分包括蚀刻基片。在一个特征中，该方法包括利用绝缘材料涂覆该至少一个结构支撑件。例如，该方法可以包括氧化该至少一个结构支撑件。该方法可以包括在基片上直接地置放电解质。
在一个特征中，该方法包括提供具有第一阳极和第二阳极的阳极层、提供具有第一阴极和第二阴极的阴极层，并且通过电解质层将第一阳极和第二阴极以电力方式和机械方式相互连接。提供阳极层和提供阴极层中的至少一个可以包括在电解质上提供挡块结构以限定第一电极区域和第二电极区域，并且在第一电极区域和第二电极区域上置放电极材料。该挡块结构可以包括结构支撑件。该方法还可包括移除该挡块结构以形成至少两个电极。
该方法可以包括将第一阳极和第二阴极以电力方式和机械方式相互连接，包括在电解质层中蚀刻微观特征并且在微观特征中置放传导材料。蚀刻微观特征可以包括蚀刻微观特征的线性阵列，其中微观特征中的相邻微观特征的中心到中心间隔是基本相等的。蚀刻多个微观特征可以包括蚀刻微观特征，该微观特征具有各自面积小于大约(100微米)2的各个横截面。在一个特征中，在单片电解质结构中蚀刻该多个微观特征。
因此，在这里描述的系统和方法在其尺寸适用于便携式电子设备装置的单个燃料电池壳体中布置很多燃料电池单元；提供具有高活性面积的燃料电池；输出高功率密度同时尺寸和形状适用于便携式电子设备应用；提供平衡在便携式燃料电池组件中固有的设计折衷的制造方法，并且承受高热应力。
附图说明
参考附图根据下面的示意性说明将更加充分地理解这些和其它特征以及优点，其中相同的元件以相同的引用标记标识并且可能未按比例绘出。
图1示出根据本发明示意性实施例的燃料电池组件；
图2A示出根据本发明示意性实施例的燃料电池单元的平板式组的横截面视图；
图2B示出图2A的组的顶视图；
图3A示出根据本发明示意性实施例的图2的平板式燃料电池组的近视图；
图3B示出一种可替代的平板式组构造，其中相邻燃料电池单元中的电极并不重叠；
图4示出根据本发明示意性实施例的平板式组的横截面视图，该平板式组具有用于将平板式组中的一个燃料电池单元的电极连接到相邻燃料电池单元的电极的可替代互连器；
图5示出图4的平板式燃料电池组的顶视图；
图6示出包括与相应的电极互连器相对准的结构支撑部件的平板式燃料电池组；
图7示出根据本发明示意性实施例的图6的平板式燃料电池组的顶视图；
图8示出具有另外的结构支撑件的图7的组；
图9示出根据本发明示意性实施例的结构支撑件的可替代构造；
图10示出根据本发明示意性实施例的平板式燃料电池组的顶视图；
图11示出图10的顶视图的细节；
图12示出在制造平板式燃料电池组的方法中的步骤，包括提供基片和沉积电解质；
图13示出根据本发明示意性实施例在制造平板式燃料电池组的方法中的步骤，包括形成互连器；
图14示出根据本发明示意性实施例在制造平板式燃料电池组的方法中的步骤，包括蚀刻基片以形成结构支撑件；
图15示出根据本发明示意性实施例在制造平板式燃料电池组的方法中的步骤，包括在电解质膜上沉积电极；
图16示出根据本发明示意性实施例的平板式燃料电池组的竖直堆叠；
图17示出根据本发明示意性实施例的包括多个并联连接的燃料电池单元的串联电连接的平板式燃料电池组，其中利用薄膜连接器形成所述并联连接；
图18示出根据本发明示意性实施例的多个串联连接的燃料电池单元的串联电连接，其中燃料电池单元被布置成多个行并且利用薄膜连接器形成互连器；
图19示出根据本发明示意性实施例的两组燃料电池单元，每一组均具有不同的输出；
图20示出根据本发明示意性实施例的两组燃料电池单元，其中一个组沿着燃料流位于下游并且具有比另一组更高的电流密度；
图21示出根据本发明示意性实施例的包括两组燃料电池单元的燃料电池组件，每一组均具有不同数目的燃料电池，并且还包括燃料电池单元间的串联和并联互连器的各种组合；
图22示出根据本发明示意性实施例的多个燃料电池单元和燃料流，其中根据它们沿着燃料流的相应的位置确定燃料电池单元的尺寸。
具体实施方式
本发明在各种实施例中提供一种用于便携式燃料电池组件的装置和方法。图1示出根据本发明示意性实施例的燃料电池组件5。具体地，燃料电池组件5包括多个燃料电池单元，其中利用引用数字7描绘特定示例性燃料电池单元。每一个燃料电池单元7均包括置于或者电解质/膜层14或者电解质膜层16上的阳极4和阴极6。燃料电池单元7经由将在下面更加详细讨论的电互连器(未示出)而被串联电连接。组件5进一步包括容纳于壳体18中的燃料改质器10和尾气燃烧器12。燃料电池组件5还可以包括燃料罐(未示出)。
当燃料接触阳极4并且氧接触阴极6时，燃料电池单元7发电。示例性的燃料类型包括氢、一氧化碳、基于碳氢化合物的燃料例如甲烷、乙烷、甲醇、丁烷、戊烷、甲醇、蚁酸、乙醇和/或丙烷，和/或基于非碳氢化合物的燃料例如氨或者肼。阳极4和阴极6可以是多孔的，并且催化剂(例如，铂基催化剂)被可选地置于阳极4和电解质层14与16的界面处和/或阴极6和电解质层14与16的界面处。氢和氧与阳极4、阴极6、电解质膜14和16以及催化剂(未示出)电化学反应以在相应的阳极和阴极之间产生电压差。由燃料电池7产生的相应的电压差通过燃料电池7的串联连接相结合，并且能够用于驱动电流并且为负载(未示出)供电。
在运行时，燃料流20通过燃料进口32进入。燃料流20能够包括液体或者气体，并且能够包括上述的示例性燃料类型。为燃料电池单元7提供纯氢可以提高组件5的效率，因此在特定实施例中，例如当使用基于碳氢化合物的燃料时，燃料流20可以经过改质器区域10并且与改质器区域10中的催化剂化学反应以从燃料流20离析/产生氢和/或一氧化碳。然而，如果燃料流20包括纯氢或者如果燃料电池单元7被配置为直接地利用上述其它燃料类型运行，则改质器区域10是不必要的。改质器区域10能够包括一个或者多个流改质器、局部氧化改质器、优先氧化改质器、流变改质器和/或热裂解改质器。所使用的实际改质器将依赖于应用，并且可以使用任何适当的改质器。
包括由改质器区域10产生的氢气的燃料流20然后沿着路径21流动并且在流动通过尾气燃烧器12之前接触阳极4，在此处未被耗尽的燃料利用氧(未示出)燃烧。另外地，能够包括空气和/或氧气的空气流26通过内部径路通道(未示出)流动并且通过空气径路层15接触阴极6。如上所述，阴极6和阳极4包括气孔(未示出)，结果氢和氧/空气流动通过该气孔并且接触电解质膜14和16。当氢和氧接触阴极6、阳极4以及电解质膜14和16时，它们进行电化学反应以发电。
更加具体地，燃料电池组件5包括置于电解质膜层16的外表面16b和电解质膜层14的外表面14b上的多个阳极4、置于电解质膜层16的内表面16a和电解质膜层14的内表面14a上的多个阴极6，以及置于电解质膜14和16上的结构支撑件44。置于表面14a上的阴极6直面置于隔膜16的表面16a上的阴极6。这是有益的，这部分地是因为两个阴极层共享同一空气流26和空气径路通道15，因此并不要求分开的空气径路通道。在特定实施例中，空气径路通道15能够薄至1.0mm或者比大约0.5mm更薄。
阳极4能够由各种材料构造，包括金属陶瓷合成物例如镍和YSZ金属陶瓷、铂、银、钯、铁、钴、二氧化铈其它氧化物基质材料或者其组合。阴极能够由锰酸镧(锶)(LSM)、钴酸镧(锶)(LSC)和镧(锶)钴铁(LSCF)构造。电解质层14和16能够包括氧化钇稳定氧化锆(YSZ)和/或掺杂二氧化铈材料。在通过引用而被整体并入这里的PCT申请WO 2005/030376中描述了用于电解质层14和16的其它材料、构造和制造方法。
由于燃料电池的热循环(例如，当燃料电池被反复地打开和关闭时)，电解质膜14和16易于经受热应力，并且结构支撑件44为电解质膜14和16增加了结构完整性。将在下面更加详细地讨论结构支撑件44。
阳极4、阴极6和电解质膜14与16被容纳于第一/内部壳体18中。内部壳体18能够具有在大约0.1立方厘米和大约100立方厘米之间的容积。在特定实施例中，内部壳体30具有在大约0.1立方厘米和大约30立方厘米之间、在大约0.1立方厘米和大约10立方厘米之间或者在大约1立方厘米和大约5立方厘米之间的容积。
所描绘的壳体18包括热传导材料，因此该壳体包括基本等温区段。这是有益的，从而壳体中的所有构件在基本相同的温度下运行。
在特定实施例中，内部壳体18中的运行温度大于400摄氏度，并且在其它实施例中能够大于750摄氏度。因此，为了保持这个温度并且为了针对这些高温保护终端用户，内部壳体18被容纳于外部壳体30中，外部壳体30通过绝缘空间28与内部壳体18热绝缘。绝缘空间28可以包括具有低热导性的各种绝缘材料，但是在特定实施例中，该绝缘空间包括低压区域并且在一些情形中包括真空。为了保持真空，吸收剂材料42吸收背景气体并且保持类真空状态。在特定实施例中，吸收剂材料42包括不可蒸发的吸收剂，能够通过电加热将其激活。
然而，真空可能不能防止/消除由于辐射引起的热损失。因此外部壳体30在它的内表面上包括辐射反射器40。反射器40能够包括在壁30的内表面上沉积的金属涂层，或者利用被机械地联结到真空壁的内表面的金属或者红外反射材料。另外，一系列的平行红外反射器能够被设于外部壳体30的内和外表面之间。如上所述，燃料电池组件5可以是便携式的，并且在特定实施例中，外部壳体30能够具有在大约0.1立方厘米和大约100立方厘米之间的容积。在特定实施例中，外部壳体30具有在大约0.1立方厘米和大约30立方厘米之间、在大约0.1立方厘米和大约10立方厘米之间或者在大约1立方厘米和大约5立方厘米之间的容积。
图2A示出根据本发明示意性实施例的燃料电池单元54-57的平板式燃料电池组50的横截面视图。具体地，燃料电池单元54-57类似于图1的燃料电池单元7，并且包括类似于图1的电解质膜14和16的电解质膜52。每一个燃料电池单元54-57均包括相应的阳极60-63和相应的阴极65-68。阳极60-63被布置于第一平面中，并且阴极65-68被布置于第二平面中。每一个燃料电池单元的阴极经由电互连器51-53电联接到相邻燃料电池的阳极。具体地，燃料电池单元54的阴极65经由互连器51电联接到燃料电池55的阳极61，燃料电池单元55的阴极66经由互连器52电联接到燃料电池单元56的阳极62，并且阴极67经由互连器53电联接到燃料电池单元57的阳极63。虽然所描绘的阳极60-63位于电解质52的上表面上并且所描绘的阴极60-63位于电解质52的下表面下面，但是可以不是这样的，并且具体地，能够颠倒阳极60-63和阴极60-63的安置。更加一般地，在于这里描述的任何燃料电池组件构造中，燃料电池单元能够被如此对称地重新布置，使得阳极和阴极的安置被颠倒并且燃料和氧/空气的流动被相应地切换从而燃料接触阳极并且氧/空气接触阴极。
在运行时，互连器51-53串联地连接燃料电池单元54-57并且提供加性电压增益。具体地，在运行期间，燃料电池54的电化学反应在阳极60和阴极65之间产生电压差，并且燃料电池55的电化学反应在阳极61和阴极66之间产生电压差。互连器51包括低电阻材料，例如亚铬酸铂和/或镧，因此在阴极65和阳极61之间形成低电阻电连接，因此阴极66被保持在大约等于阴极65的电压加上在阳极61和阴极66之间的电压差的电压处。利用串联连接将另外的燃料电池单元连接能够增加电压增益。在特定实施例中，包括15-20个燃料电池单元的平板式组能够产生大于15伏特的总电压差。在其它实施例中，平板式组产生大于大约3伏特、大于大约5伏特或者大于大约10伏特。这些示例性电压适用于在这里描述的其它燃料电池组。因此，如在这里描述的平板式组能够以小的容积提供较高电压。在便携式壳体中的更高电压是有益的，这至少部分地是因为关于在这里描述的便携式燃料电池组件的很多商业应用例如蜂窝电话或者膝上型计算机要求更高电压。
如所述那样，在运行期间，燃料电池单元54-57的电化学反应在阳极60和阴极65之间产生电压差，并且燃料电池55的电化学反应在阳极61和阴极66之间产生电压差。然而，一般在燃料电池单元54-57的活性面积中产生电压差，在该活性面积中阴极65-68和相应的阳极60-63直接地相互迭覆。作为实例，示出燃料电池单元54的活性面积54a。活性面积54a通常被约束为区域54a，其中阴极65和阳极60在电解质层52的上表面上具有重叠凸起。燃料电池单元55-57类似地具有活性面积55a、56a和57a。如所示那样，在相邻电极之间的间隙(即，在相邻阴极65-58之间和在相邻阳极60-63之间的间隙)和互连器51-53减小了活性面积54a、55a、56a和57a。在一个特征中，在下面讨论的装置和方法通过减少这些间隙并且通过降低互连器51-53的面积而增加了燃料电池组件的活性面积。
图2B示出图2A的组50的顶视图。在所描绘的构造中，阴极65-68从阳极60-63偏移；然而，这不必是这样的。另外地，关于图2B，横截面69描绘了图2A的横截面视图。如所示那样，互连器51-53包括延伸组50的长度50a的互连材料的长的行/沟道。这导致在互连器51-53和其它燃料电池构件，包括电解质层52、阴极65-68和阳极60-63之间具有长的平坦界面。将在下面讨论避免长的平坦界面的可替代的互连器结构。
图3A示出根据本发明示意性实施例的图2A的平板式燃料电池组50的近视图。具体地，图3A描绘阴极65-66、阳极60-61、互连器51和电解质膜52。图3A进一步包括阳极电连接器70和阴极电连接器72。在这个图中，阳极电连接器70电接地。如所述那样，在运行期间，燃料电池单元54产生第一电压差，燃料电池单元55产生第二电压差，并且电连接器72被保持为大约等于第一电压差与第二电压差相加后的大小的电压。这些电压差与由示例性电流通路74描绘的内部电流相关，该电流从阳极60流动到阴极65，通过互连器51，并且从阳极61流动到阴极66。
然而，在一些情形中，在电连接器72处保持的电压可以小于该两个电压差的和，这部分地是由于组50的内部电阻并且部分地是因为与沿着路径74的电流流动相反的泄漏和/或寄生电流。通过调节和/或优化组50的各种构件的尺寸、构造和制造材料能够降低这些电阻、泄漏电流和寄生电流。然而，这些调节可以减小燃料电池组50的活性面积，从而引起能够被平衡的一组设计折衷以提高燃料电池组的效率。
例如，一个内部电阻源是阳极60-61和阴极65-66。通过降低阴极和阳极的横向宽度65a和61a，能够降低这种内部电阻。然而，降低横向宽度65a和61a降低了燃料电池组50的活性面积。可替代地，通过分别地增加阴极65和阳极61的厚度65b和61b，能够降低组50的内部电阻。在特定实施例中，本发明使用上述方案的组合降低内部电阻。具体地，表格1示出对应于被选择以实现较低内部电阻的不同横向宽度65a和61a的电极厚度65b和61b。在括号中注出单位和材料。
表格1
  横向宽度   电流每燃料电池单元   横向电极电阻(对于＜0.1V损失每燃料电池单元)   容许薄层电阻(欧姆每平方)   阴极厚度(LSM)(微米)   阳极厚度(Ni-YSZ)(微米)
  0.5mm   0.06   1.667   33.33   2.1   0.6
  1mm   0.12   0.833   8.33   8.4   2.4
  2mm   0.24   0.417   2.08   33.6   9.6
  3mm   0.36   0.278   0.93   75.6   21.6
在特定实施例中，并且根据表格1的结果，组50被制造成具有小于大约2m的横向宽度65a和61a以及具有小于大约50微米的电极厚度65b和61b。然而，在其它实施例中，横向宽度65a和61a能够在大约5微米和大约500微米之间。在特定构造中，横向宽度65a和61a在大约500微米和大约2mm之间。
降低阳极60-61和阴极65-66的电阻的另一种构造包括集电膜。在这种构造中，具有高导电性的材料(未示出)例如铂作为一个或者多个膜被置于阳极60-61的下面(即，在阳极60-61背离电解质52的表面上)和阴极65-66的上面(即，在阴极65-66背离电解质52的表面上)。在特定实施例中，电极厚度65b和61b较薄(即，小于大约25微米)并且铂膜也较薄(即，小于大约25微米)从而阴极65-66和铂膜的叠片以及阳极60-61和铂膜的叠片具有小于大约50微米的相应厚度。添加高导电性材料降低了内部电阻。然而，在其它实施例中，使用更厚的电极和铂膜层(即，每一个层均小于大约50微米)。铂膜是多孔的，因此允许燃料流动通过铂膜以接触阳极60-61并且允许氧/空气流动通过铂膜以接触阴极65-66。
如所述那样，除了内部电阻，泄漏电流能够降低在电连接器72处保持的电压。由电流通路80和82描绘的泄漏电流部分地从相邻阴极66和65与相邻阳极61和60之间的电压差形成。泄漏电流80和82应该桥接相应的电极间隙86和88。通过增加在相邻阴极65和66与相邻阳极60和61之间的间隙86和86的长度86a和88a，这些泄漏电流能够被降低和/或被消除。在特定实施例中，长度86a和88a大于大约电解质膜52的厚度52a的五倍，并且在其它实施例中，长度86a和88a是电解质膜52的厚度52a的大约五十倍从而降低和/或消除泄漏电流80和82。
然而，如上所指出地，增加间隙86和88的长度86a和88a将减小燃料电池组50的活性面积。因此，在一个方面，电解质膜52的厚度52a被选择成较小。这允许间隙的长度86a和88a几倍于电解质膜层52的厚度52a，同时仍然足够小以保持组50的活性面积。更加具体地，在特定实施例中，电解质膜52的厚度52a小于大约40微米，并且在其它实施例中，该厚度小于大约10微米或者小于大约5微米。相应地，间隙86和88的长度86a和88a在特定实施例中小于大约500微米、小于大约100微米或者小于大约25微米。利用这些尺寸，组50的活性面积能够大于大约50％，并且在特定构造中大于大约70％，或者大于大约85％。利用这些较小的厚度，电解质膜层52可能不向电极提供足够的结构支撑和/或可能不能承受热循环的热应力。因此，在特定实施例中，电解质膜层52设有将在下面更加详细讨论的结构支撑部件。
除了泄漏电流80和82，寄生电流能够降低组50的效率。通常，燃料电池单元通过在阳极和阴极重叠的区域中通过电解质52转移在该燃料电池单元的阳极和阴极之间的离子(即，从阴极65到阳极60，并且从阴极66到阳极61，通过电解质52转移负电荷氧离子)而运行。然而，在所描绘的组50中，在特定区域中，相邻燃料电池的阳极和阴极也重叠。例如，基本靠近互连器51的区域阴极65与阳极61重叠并且在这个区域中离子也可以通过电解质转移(即，负电荷氧离子可以从阴极65转移到阳极61)。因为阴极65通过互连器51而被电连接到阳极61，负电荷电子能够通过互连器51从阳极61传导回阴极65。结果形成寄生电流环，该寄生电流环消耗燃料但是不产生对于由燃料电池组50供电的负载而言有用的电力。
在特定实施例中，通过在电极65和61重叠的区域中放置并不在电解质52与电极65和61中的一个或者二者之间传导离子的屏障材料，这种寄生电流被降低/被消除。该屏障材料能够包括铂、金属和陶瓷材料中的一种或者多种。能够使用在这里其它部分讨论的沉积技术中的任何一种或者多种作为膜沉积所述屏障。
关于上述技术，可替代地或者另外地，通过利用当与燃料或者氧接触时形成很小或者不形成电压差的材料改变或者替代组50在阴极65和阳极61重叠的区域中的材料，寄生电流可以被降低/被消除。例如，制造商可以改变或者更替阴极65和/或阳极61的材料从而它们包括更少的催化材料。另外地或者可替代地，制造商可以避免在阴极65和电解质52之间或者在阳极61和电解质52之间置放催化剂材料。在特定实施例中，材料被选择从而组50在阴极65和阳极60重叠的区域中具有大于大约10倍于在阴极65和阳极61重叠的区域中的功率密度的功率密度。
在其它实施例中，通过如此配置组50使得在相邻燃料电池单元中的电极并不重叠，寄生电流被降低/被消除。图3B描绘了这种组80。组80包括具有阴极82和阳极83的第一燃料电池单元81，以及具有阴极85和阳极86的第二燃料电池单元84。互连器87从阴极82到阳极86跨越并且将阴极82电连接到阳极86。如所描绘那样，阴极82并不与阳极86重叠，因此通过互连器87将仅有很小的/没有寄生电流。将在下面描述使用结构支撑件的、用于降低寄生电流的另一种方法。
图4示出包括用于将一个燃料电池单元108的阴极104连接到另一燃料电池单元111的阳极106的可替代互连器102的平板式组100的横截面视图，并且图5示出根据本发明示意性实施例的平板式组100的顶视图。互连器102被部分地置于电解质层112中并且包括电联接到阴极104的顶盖102a、电联接到阳极106的底盖102c以及置于电解质膜层112中的轴102b。
如在图5中所示意地，在该实施例中多个互连器102将阴极104电联接到阳极106。互连器102包括互连器102的线性阵列。如所描绘那样，互连器的中心到中心间隔127是基本相等的。沿着行在通孔之间的间隔127能够小于大约500微米，并且大于大约160微米。更加具体地，在置于单片电解质膜层112(在图5中未示出)中的孔/通孔中沉积互连器102。利用如上所述能够包括任何低电阻材料的互连器材料填充通孔。通孔具有位于延伸通过电解质膜层112的平面中的圆形横截面。在特定实施例中，圆形横截面的面积小于大约(100微米)2。圆形横截面是有益的，至少这部分地是因为它在互连器102和电解质112之间并不包括长的线性/平坦界面。在高温或者热循环下，这种界面能够受力或者破裂。在特定实施例中，圆形横截面具有为大约40微米直径的或者小于大约20微米直径的直径。这些较小直径保持了组100的活性面积。
在特定实施例中，互连器材料从组100的阳极侧114将组100的阴极侧116密封。该密封防止氢从靠近阳极106的区域114扩散到靠近阴极104的区域116，并且类似地防止空气和/或氧从区域116扩散到区域114。当气体通过膜层112扩散时，组100可以失去效率。为了形成更加紧密的密封，制造商选择一种互连器材料，它具有比电解质层112的热膨胀系数更高的热膨胀系数。结果，当组100被加热至它的运行温度时，互连器102相对于电解质层112膨胀，由此在电解质层112和互连器102的界面处形成紧密密封。
另外，互连器102包括顶盖102a和底盖102c。它们改进了在区域114和116之间的密封。在特定实施例中，轴102b具有直径为大约40微米的圆形横截面，同时顶盖102a和底盖102b在它们与轴102b的相应界面处具有直径为大约80微米的圆形横截面。
在互连器102的中心与在相邻阴极104和105之间的间隙的中心之间的距离120被称为阴极间隔120，并且在相邻阳极106和107之间的距离122被称为阴极间隔122。在特定实施例中，阳极间隔120和阴极间隔122均小于大约100微米，小于大约95微米，或者小于大约70微米。
表格2描述了在本发明的一个示意性实施例中获得的活性面积。在这个示意性实施例中，称为重复距离126的在相邻燃料电池单元中的相应构件之间的距离是2.25mm，但是在其它实施例中重复距离126在大约1mm和大约4mm之间。在这个示意性实施例中的活性面积为大约89％，但是使用上述技术，更高的活性面积是可能的。例如，通过使用更薄电解质层112并且降低在相邻阴极和/或相邻阳极之间的间隙129的长度，制造商能够增加活性面积而不显著地损害电压增益。
表格2
  电极厚度112a   5微米
  顶盖和底盖横截面直径   80微米
  电极间隙129   60微米
  电极到互连器间隔120、122   95微米
  电池的重复距离126   2.25mm
  活性面积的宽度128   2.0mm
  活性面积范围   89％
如上所述，在特定实施例中燃料电池组件在极高温度下运行，从而由于过热并且由于热循环而使燃料电池构件经受应力。具体地，本发明的特定固体氧化物燃料电池实施例在超过400摄氏度、500摄氏度、600摄氏度、700摄氏度或者800摄氏度的温度下运行。在一些情形中，燃料电池在超过1100摄氏度的温度下运行。为便携式消费者电子设备产品供电的燃料电池组件在整个产品寿命期间可能反复地打开和关闭。结果，燃料电池在周边温度和上述高的运行温度之间反复地热循环。因为燃料电池组件的构件能够包括几种材料，并且因为该材料可以具有不同的热膨胀系数，所以在它们与其它构件的界面处，热循环能够使得燃料电池构件经受应力。因此，在特定实施例中，燃料电池组件包括另外的结构支撑件。
图6示出根据本发明的示意性实施例包括与相应的电极互连器158和159相对准的结构支撑部件154和155的平板式燃料电池组150。结构支撑部件154和155被示为细长的并且垂直于延伸通过组150的平面定向。互连器158和159类似于图2的互连器51-53。结构支撑部件154包括涂层154a，并且机械地联接到阳极162和163。类似地，结构支撑部件155包括涂层155a并且机械地联接到阳极163和164。结构支撑部件154-155提供结构支撑件并且缓解和/或吸收由于例如高温和/或热循环引起的应力。另外地或者可替代地，类似于支撑件154-155的结构支撑部件能够与阴极166-168中的一个或者多个机械地联接。所描绘的结构支撑件154和155与相应的电互连器158和159对准，但是更加一般地，在特定实施例中，结构支撑件154和155的至少一个部分与相应的互连器158和159对准。另外地，所描绘的结构支撑件154和155桥接阳极间隙176和177。阳极间隙176和177与阴极间隙180和181具有可以提供路径的界面，通过该路径，燃料从组150的阳极侧178扩散到阴极侧180，如上所述，这能够降低组150的效率。在所描绘的位置中，结构支撑件154和155密封电极间隙176和177，降低和/或消除扩散。在一个方面，因为在阳极间隙176-177、阴极间隙180-181和互连器158与159与电解质膜170重叠的区域对应于组150的非活性区域，所以这种定位是有益的。结果，与这些特征相对准地定位结构支撑件154-155并不影响组150的活性面积。
对于减小/消除寄生电流，所述定位也是有益的。如上所讨论，通常在于其中相邻燃料电池单元的电极重叠并且与例如燃料和氧反应以通过电解质170输送离子的区域中产生寄生电流。在所描绘的组150中，在阳极163与相邻燃料电池的阴极166重叠的区域中，结构支撑件154阻碍燃料到达阳极163。因此，在该区域中，燃料并不与阳极163反应，否则这将引起寄生电流。另外地，或者可替代地，在阴极166与阳极163重叠的区域上，通过在这个区域中防止氧接触阴极166，利用置于阴极166上面的结构支撑件能够降低/消除寄生电流。
在特定实施例中，结构支撑件154-155包括具有与平板式组150中的其它装置类似的热膨胀系数的材料。这在结构支撑部件154-155与组150的其它构件的界面处降低了来自热循环的应力。例如，如果电解质膜170包括YSZ，则支撑结构能够包括氧化锆、氧化镁、铁素体不锈钢(Fe-Cr)和/或其组合。在其它实施例中，结构支撑件的热膨胀系数类似于阳极162-163的热膨胀系数和/或阴极166-168的热膨胀系数。
在特定实施例中，结构支撑件154-155包括电绝缘体，该电绝缘体部分地绝缘利用结构支撑部件154-155中的一个而被机械联接的电极，例如阴极166和167或者阳极162和163。例如，结构支撑件154-155能够具有包括氧化物、非氧化物和/或合成物的陶瓷材料。示例性陶瓷材料包括钛酸盐、氧化物和氮化物。在特定实施例中，结构支撑件154-155包括塑性材料。
然而，在室温下绝缘的特定材料在上述高运行温度下并不绝缘(例如，硅)。因此，结构支撑件154-155包括涂层154a和155a。在特定实施例中，该涂层包括被涂覆到结构支撑件154-155的单独材料。然而，在其它实施例中，经由与结构支撑件154的表面的化学反应形成涂层154a和155a。在特定实施例中，结构支撑件154-155的表面被氧化以形成被氧化的涂层154a和155a。
在特定实施例中，结构支撑件154具有在大约30微米和大约200微米之间的宽度154b，以及大于大约100微米的高度。在一些实施方式中，宽度在大约10微米和大约400微米之间。在一些实施方式中，高度在大约300微米和500微米之间，但是能够如1mm、2mm或者3mm那样大。高度还能够在大约50微米和100微米之间。
在特定实施例中，结构支撑件154-155支撑组150从而电解质层170能够具有小于大约2微米或者小于大约1微米的厚度同时仍然经受热应力。
图7示出图6的平板式燃料电池组150的顶视图。所描绘的结构支撑件154-155基本延伸组150沿着轴线194的全部长度，然而，在其它实施例中，结构支撑件154-155仅仅延伸组150沿着轴线194的一部分长度。另外，图7示出阳极间隔185、阴极间隔188和电池重复距离190。
图8示出图7的组150，连同也被置于组150的阳极下面并且机械地联接到该阳极的另外的结构支撑件156-157。结构支撑件154-157构成结构支撑件154-157的栅格。虽然被描绘为分离的元件，但是结构支撑件154-157在特定实施例中由单个的基片形成并且包括单个的单片结构。因此，结构支撑件限定九个不同的燃料电池单元901、902、903、904、905、906、907、908和909。图8描绘沿着一个方向跨过距离202并且沿着另一方向跨过距离204的、燃料电池单元905的示例性活性面积区域。图8还描绘了沿着一个方向跨过距离206并且沿着另一方向跨过距离208的、燃料电池单元905的示例性总面积区域。被总面积除的活性面积代表活性面积百分比。表格3给出两种不同堆叠设计参数和性能结果的两个实例。
表格3
  电极厚度170a   2微米   2微米
  互连器的宽度170a   10微米   10微米
  电极间隙177a   80微米   20微米
  阴极间隔188和阳极间隔185   65微米   25微米
  支撑结构的宽度154b   250微米   125微米
  单一电池活性面积   1.25×1.35mm1.56mm^2   1.35×1.35mm1.82mm^2
  重复距离190   1.5×1.5mm   1.5×1.5mm
  活性燃料电池面积百分比   69％   84％
图9示出结构支撑件的一种可替代构造。具体地，图9示出根据本发明示意性实施例的平板式燃料电池组220，它包括两个燃料电池单元232和234以及部分地在相邻阳极224和225之间横向地置放的结构支撑部件222，并且图9包括与图4的互连器102类似的互连器221。结构支撑部件222机械地联接到电解质膜226，是细长的，并且垂直于延伸通过组220和电解质226的平面定向。在一个方面，这种定位是有益的，这是因为在相邻阳极224和225之间的间隙228对应于燃料电池的非活性区域，结果，在间隙228中置放结构支撑件222并不影响组220的活性面积。另外地，在该实施例中，结构支撑件222能够使用例如粘结剂而被直接地粘结到电解质226。该粘结能够是紧密的，至少这部分地是因为电解质226是一种稠密结构。结构支撑件222在其它方面类似于图6的结构支撑件154-155。具体地，结构支撑件222可以包括涂层222a，并且可以具有小于大约80微米、小于大约40微米或者小于大约20微米的宽度223。如以上所讨论地，结构支撑部件222能够包括具有与电解质226的热膨胀系数基本类似的热膨胀系数的材料以减小由于在结构支撑件222和电解质226之间的界面处的热膨胀而引起的应力。然而，在特定实施例中，结构支撑件222包括具有与电解质226的热膨胀系数不同的热膨胀系数的材料并且仍然充分地支撑组220。例如，在特定实施例中，结构支撑件222包括硅，而电解质226包括YSZ。
图10示出根据本发明示意性实施例的包括结构支撑件222的平板式燃料电池组220的顶视图。除了燃料电池单元232和234，组220包括几个其它燃料电池单元236、238、240、242、244、246和248，并且除了结构支撑件222，组220包括结构支撑件226、228和230。如关于图8的结构支撑件154-157所讨论地，结构支撑件222、226、228和230包括结构支撑件栅格，并且在特定实施例中由如将在下面讨论的单片基片形成。距离250和252跨越组220的单一燃料电池单元236的示例性活性面积，并且距离254和256跨越组220的单一燃料电池单元238的示例性总面积。
图11示出图10的平板式燃料电池组220的顶视图的细节，并且具体地示出阴极间隔260和阳极间隔262。表格4给出用于组220的一种示例性实施方式的几种设计参数和性能结果。
表格4
  电极厚度226   2微米   2微米
  互连器(包括盖)的横截面直径   20微米   20微米
  电极间隙227   80微米   20微米
  间隔260和262   65微米   30微米
  支撑结构的宽度223   80微米   40微米
  单一电池活性面积   0.85×1.02mm0.87mm^2   0.990×1.06mm1.05mm^2
  重复距离254   1.1×1.1mm   1.1×1.1mm
  活性面积百分比   72％   87％
图12-15描绘用于制造类似于组220的燃料电池组的示例性技术。更加具体地，图12-15示出被采用以形成如在本发明中使用的小尺寸特征图案并且将其对准的示例性方法。通常，制造商提供将最终形成结构支撑件的基片，置放电解质并且利用互连器形成电解质的图案，选择性地移除基片的一些部分以形成结构支撑件，然后将电极置于电解质上。
转至图12，制造商首先提供将形成与图9的结构支撑件222类似的结构支撑件的基片500。然后，制造商使用例如溅射、真空蒸发、化学气相沉积、激光切除、浸渍涂覆和等离子体或者蒸汽喷射技术在基片500上沉积电解质层502。
制造商然后在电解质层中形成通孔504的图案。在示例性技术中，制造商在电解质502上流动和/或涂布正性光敏光阻材料506并且光阻材料506固化。光阻材料506的厚度506c能够在大约1微米和大约50微米之间。制造商使用光掩膜(未示出)将覆在通孔504上面的电解质的区域暴露于可视光线。制造商然后涂覆显影溶液，所述显影溶液将通过光掩膜而被暴露于光线的面积508中的光阻材料移除。当制造商制造通孔504时，光阻材料506a和506b的其余部分保护电解质502的底层区域。
制造商然后蚀刻通孔504。在特定实施例中，蚀刻包括离子铣削，其中氩离子流轰击电解质502。氩离子流能够包括大于大约10mA/cm2的通量和超过500伏特的加速电压。然后在大于大约40埃每分钟的速率下蚀刻通孔504。然而，在其它实施例中，蚀刻包括使用氢氟酸溶液、使用氢氟酸和盐酸的组合的湿润蚀刻以及利用CFCI3气体的等离子体的等离子体蚀刻，和/或激光切除。
可选地，制造商然后形成将互连器成形为杯形的空腔512。在特定实施例中，制造商将结构501暴露于包括苯巴比通的等离子体长于大约10分钟。
然后，制造商电镀通孔504和空腔512以形成互连器。更加具体地，制造商涂覆互连器材料的种层。在特定实施例中，通过在真空或者低压环境中将结构501暴露于一定通量的互连器材料原子而涂覆种层。
转至图13，制造商然后移除光阻材料506。互连器材料被置于通孔504的附近512中以及基片500的后侧514上。
制造商然后电镀空腔512和通孔504。具体地，制造商将结构501暴露于氯铂酸或者硫酸铂的电镀溶液。制造商提供电联接到硅晶片后侧514的晶片夹。电镀电流流动通过硅基片500。除了在区域512中，电解质502将电镀电流从电镀溶液隔离。因此，互连器材料填充空腔512然后填充通孔504。电镀电流继续流动通过基片500直至盖516形成，从而实现互连器518。
制造商然后从基片500形成结构支撑件并且具体地选择性地移除基片500的一些部分以形成结构支撑件。转至图14，制造商向基片500的后侧514涂覆并且固化负性光阻材料520。通过光掩膜，光阻材料520被选择性地暴露于可视光线，然后制造商使用显影溶液移除光阻材料520的一些部分(未示出)，并且蚀刻基片500的不受光阻材料520保护的部分。在这些步骤之后，未通过光掩膜而被暴露于可视光线的区域522得以保留。在特定实施例中，蚀刻包括各向异性干燥蚀刻。具体地，制造商将结构501放于真空腔室内并且利用苯巴比通(SF6)和八氟环丁烷(C4F8)的等离子体交替地填充和激发腔室。制造商在真空腔室中利用负偏压将结构501联结到电极，从而正离子，包括硫离子例如S6+，以与基片500的后侧514正交的角度加速，由此增强被暴露出的硅表面的蚀刻速率。C4F8的等离子体在硅壁的一侧上沉积保护性碳氟化合物层，并且由此降低任何横向蚀刻速率并且加强对于结构支撑件526的最终宽度524的控制。
如上所述，燃料电池组的活性面积受到在相邻电极之间的间隙长度和间隔距离的影响。在特定实施例中小于100微米的、在以上讨论的电极间隙和间隔距离具有较小尺寸，并且期望的是，在这里描述的各种沉积、图案形成和蚀刻步骤以高精度对准。作为实例，如果在图9中，互连器221在制造期间错位并且桥接电极间隙227，则互连器221将阴极间隙227电短接并且消除了在燃料电池单元232和234之间的电压增益。
因此，示例性制造技术以小于大约10微米、小于大约5微米或者小于大约1微米的精度将光掩膜与光阻材料506和/或基片500对准。在特定实施例中，基片500利用在基片500的表面上蚀刻或者以其它方式形成的对准标记加以标记。作为实例，盒形或者圆形对准标记能够被置于基片500上以示意用于互连器518的目标区域。以上讨论的光掩膜也能够包括与基片500上的相应标记对准的匹配标记。能够以上述精度利用光配向组件横向地移动基片500以与光掩膜准确地对准。在特定实施例中，光配向组件定位并且将对准标记成像。成像能够包括红外光学探测从而光配向组件能够从基片500的后侧514探测基片500的表面532上的标记。
图15示出根据本发明示意性实施例的用于在电解质膜502上沉积电极材料540和542的示例性技术。在该技术中，制造商沉积聚合物模或者挡块挡块544。挡块544将一个阴极540与另一阴极542分离并且限定它们的相应边缘。在特定实施例中，聚合物挡块544包括液基光阻材料层，该光阻材料层被固化成具有比阴极540和542的所期厚度大的厚度。制造商可以使用类似于上述光定形技术的光掩膜和显影溶液而以光学方式形成挡块544。
然后，制造商在电解质层502上分配阴极墨水540和542。墨水可以包括上述的示例性阴极材料。在特定实施例中，制造针分配阴极墨水。针可以是静止的，并且对准组件例如上述光配向组件相对于静止针横向地移动电解质502和结构支撑件515。针可以分配每滴小于大约100纳升的墨水。墨滴在电解质膜502上散布直至墨水邻接挡块544。然后，制造商在500摄氏度下在例如氧中点燃阴极墨水540和542因此烧掉墨水系统中的粘结剂或者增塑剂。制造商可以可选地通过例如旋转或者挤压而整平阴极540和542。在被点燃之后，阴极540和542可以处于多孔状态中以允许气体(例如氧或者空气)扩散通过阴极540和542。在其它实施例中，能够使用例如丝网印刷、浸没或者浸渍涂覆、溅射、等离子体或者蒸汽喷射和/或电泳沉积而沉积墨水。
能够类似地形成阳极的图案。在所描绘的实施例中，结构支撑件515自身用作挡块以分离并且限定相邻阳极546和548。在置放阳极墨水546和548与阴极墨水540和542之后，制造商在800摄氏度下在氧中点燃结构501以烧结阳极墨水546和548与阴极墨水540和542中的颗粒。这也利用氧化物涂层515a涂覆支撑结构515。如上所述，涂层515a将支撑结构515从结构501的其余部分隔离。
图2-15示出以串联方式电联接燃料电池单元的平板式燃料电池组。几个这样的平板式燃料电池组能够被以各种构造布置并且在一些情形中，实施例被以各种方式电联接从而在给定壳体中提供更多燃料电池和/或提高它们的运行效率。
更加具体地，图16示出根据本发明示意性实施例的一种燃料电池组件，它包括平板式燃料电池组602、604和606的竖直组600。平板式燃料电池组602、604和606可以包括上述示例性平板式燃料电池组中的任何一种。每一个组602、604和606均包括被布置成共享燃料和空气流的相应的阳极602a、604a和606a与相应的阴极602b、604b和606b。具体地，阳极602a和604a共享燃料流610，并且阴极604b和606b共享空气流612。
平板式燃料电池组的组能够被布置成构成燃料电池单元的多个阵列。图17示出并联连接的多个串联电连接燃料电池单元，其中利用根据本发明示意性实施例的薄膜连接器形成并联连接。包括被并联连接的串联电连接燃料电池的燃料电池组件是有益的，这部分地是因为它们比单个串联连接产生更高电流。更加具体地，图17示出4行620、621、622和623燃料电池单元。每一行620、621、622和623均包括5个燃料电池单元。作为实例，行620包括如上所述通过互连器622而被串联电联接的燃料电池单元620a、620b、620c、620d和620e。行621-623类似于行620。所述的行通过电连接器624和626而被并联电联接。连接器624通过直接地接触燃料电池单元的相应阴极(即，燃料电池620a的阴极)而联接到相邻燃料电池单元。连接器626通过接触被联接到相邻阳极的互连器622(即，与燃料电池620e的阳极联接的互连器622)而电联接到相邻燃料电池单元。
连接器624和626能够包括利用真空蒸发而被沉积到装置的一些部分上的薄膜。制造商能够使用如上关于形成电解质膜层的图案所述的光阻材料和光掩膜而形成连接器624和626的图案。在特定实施例中，制造商在他沉积电极之前和/或在他形成支撑结构的图案之前沉积连接器624和626。因此在电极被烧制成多孔态之后连接器624和626的铂不能污染电极。铂能够或者使用例如溅射或者真空蒸发技术而被形成为稠密薄膜，或者铂能够通过从墨水或者糊膏制剂烧制而被形成，由此利用针分配、丝网印刷、和浸没或者浸渍涂覆沉积墨水或者糊膏。
图18示出多个串联连接的串联电连接燃料电池单元，其中燃料电池单元被布置于多个行中并且利用根据本发明示意性实施例的薄膜连接器形成互连器。包括串联连接的串联连接燃料电池单元的燃料电池组件是有益的，这部分地是因为如上所述，它们比单个串联连接提供更高的输出电压。更加具体地，燃料电池组件630具有包括燃料电池非线性阵列的四行632、633、634和635燃料电池单元。如在图17的组件619中那样，每一行632-635均包括五个燃料电池单元。然而，所述的行沿着交替方向引导电流。具体地，行633和635沿着第一方向638引导电流，而行632和634沿着第二方向640引导电流。电连接器641、642和644联接行632-635以形成行632-635的串联连接。更加具体地，连接器642联接行634和635，连接器641联接行633和634，并且连接器644联接行632和633。连接器646电接地，并且连接器648联接到组件630的输出电压。示例性电流通路650开始于连接器646处并且流动到连接器648，如在图18中所描绘的那样。
在特定实施例中，根据各个燃料电池单元组相对于燃料源的位置将燃料电池单元分组和电联接从而例如产生更高功率、电压、电流和/或提供更高效率。更加具体地，图19示出具有两组662和664燃料电池单元的燃料电池组件660。在该示意性实施例中，氢基燃料流沿着方向666流动，首先与组662中的燃料电池单元的阳极接触，然后与组664中的燃料电池单元的阳极接触。因为燃料电池单元662从氢基燃料流666消耗和反应氢，所以当氢基燃料流666接触组662时，氢基燃料流666含有更高浓度的氢。结果，当氢基燃料流666接触组664中的燃料电池单元的阳极时，氢基燃料流666含有较少的氢气。另外，组662中的燃料电池单元产生副产品例如二氧化碳和水，该副产品稀释氢基燃料流666中的氢浓度。因为这种沿着燃料流666变化的氢浓度，所以组662和664将以不同的功率密度和效率运行。
在一种实施方式中，不同的燃料电池组具有各自不同的燃料电池单元构造从而以不同的电流密度驱动这些组以部分地补偿上述变化的功率密度，并且相应地提高总体功率密度。图20示出两组702和704燃料电池单元，其中组704沿着燃料流706位于下游，并且如现在将讨论地，具有比组702更高的电流密度。更加具体地，组702包括两行706和708，每一行均具有两个燃料电池单元(分别地为706a-b和708a-b)，并且该两个行706和708利用连接器710和712而被并联连接。组704具有两个行714和716，每一行均具有三个燃料电池单元(分别地为714a-c和716a-c)，并且该两个行714和716利用连接器718和720而被并联连接。连接器710和720均电联接到连接器722，并且连接器712和718均电联接到连接器724。因此，组702和704被以并联电连接方式连接，并且这将组702和704的输出电压限制为是相同的。组704包括更多燃料电池单元，因此将具有更低的每燃料电池单元电压以及相应更高的电流密度。
制造商能够通过从组702和704添加或者移除燃料电池单元而为组702和704调节电流密度。在特定实施例中，制造商可以在组702中包括比在组704中更多的燃料电池单元。
图21示出包括两组燃料电池单元的燃料电池组件740，每一组具有不同数目的燃料电池，并且进一步包括根据本发明示意性实施例的燃料电池单元间的串联和并联互连器的各种组合。更加具体地，燃料电池组件740包括两个组742和744。组742包括两个行746和748，每一行具有两个燃料电池单元(分别地为746a-b并且748a-b)。该两个行746和748利用连接器754和756而被并联连接。组744包括两个行750和752，每一行具有三个燃料电池单元(分别地为750a-c和752a-c)。行750和752利用连接器760而被串联连接。组742和744利用在连接器756和连接器758之间的电连接757而被串联连接。连接器766被电接地，并且连接器764提供构造740的输出电压差。因为模块742和744被串联连接，所以流动通过它们的电流被限制成是大约相同的。然而，因为基本上流动通过模块742的全部电流流动通过行750和752，所以在组744中的燃料电池单元的电流密度高于组742中的燃料电池单元的电流密度。
除了基于它们相对于燃料源的各自位置而不同地配置燃料电池单元的组从而调节驱动燃料电池单元的电流密度，能够基于它们相对于燃料源的各自位置而不同地确定各个燃料电池单元的尺寸和形状。更加具体地，图22示出具有多个燃料电池单元的燃料电池组件800和燃料流826。在该示意性实施例中，燃料电池尺寸沿着燃料流826的下游方向降低。例如，沿着燃料流826位于上游位置处的燃料电池单元802和804比沿着燃料流826位于下游位置处的燃料电池单元812和814更大(即，具有更大的活性区域)。在一种示例性制造技术中，制造商顺序地应用光阻材料和光掩膜以改变在燃料电池单元之间横向地置放的互连器828和结构支撑件(未被描绘出)的位置从而改变燃料电池单元的尺寸。
因为下游燃料电池单元例如燃料电池单元812和814具有更小的面积，所以它们将具有比上游燃料电池单元例如燃料电池单元802和804更大的电流密度。然而，在可替代实施例中，下游燃料电池单元具有更大的活性面积，这在特定情形中可能是有利的。
能够以与其它构造、装置和方法可运行组合的方式使用上述构造、装置和方法，包括在全部通过引用而被整体并入这里的美国专利和公开No.2005/0069737；2005/0132648；6,939,632；2004/0241061；2004/0072039；2005/0249993；6,680,139；2004/0028975；6,852,436；6,623,881；2003/0096147；2005/0221131；5,925,477；5,190,834；5,479,178；6,183,897；和5,595,833中所描述的那些。
以上讨论的燃料电池组件可以是任何类型的燃料电池，例如固体氧化物燃料电池和/或质子交换膜燃料电池(PEM)。它们可以设于壳体中，该壳体在一个热区段中集成燃料改质器、一组燃料电池膜、尾气燃烧器以及所有的内部流体歧管的一种或者多种功能，能够通过任何数目的制造技术制造。具体地，能够使用MEMS技术(微型机电系统)或者微型加工技术制造本发明的实施例。这种技术使得能够集成薄膜材料(例如薄膜电解质、阳极、阴极和/或电连接)连同用于对流动到具有热传导性和机械鲁棒性的公共基片上的流体流动进行控制的蚀刻微型通道。
例如，能够从一组基本平坦的的或者非平坦的半导体结构组装一种集成壳体。特别地，五个硅基片能够被粘结到一起以形成各种燃料电池设备构件被集成于其中的“盒子”。将五个硅基片粘结到一起，形成一种组构造。在一个实施例中，基片能够被如下地堆叠：(1)包括流体互连器的燃料改质器基片、(2)膜电极组件、(3)流体径路层、(4)另一膜电极组件，和(5)包括尾气燃烧器的顶部流体径路层。因此，层的堆叠能够形成集成燃料电池设备的一部分或者全部。
在特定实施例中，选择硅作为用于构建燃料电池膜和其它歧管结构的基片。然而，对于在玻璃和陶瓷、具有固体氧化物燃料电池所需要的高温强度的所有材料的刚性晶片中构建流体流道也存在微型加工技术。为了防止在膜组件不同的位置之间的电短接，能够利用氧化硅或者氮化硅的层涂覆硅基片以使其电绝缘。
利用各种技术，包括湿润和干燥化学蚀刻、激光切除、金刚石铣削、流延成形或者注塑成形在以上基片中形成蚀刻流体微型通道。可以使用各种基片或者晶片结合技术，包括熔融结合、阳极结合、利用共晶焊剂材料或者薄膜密封或者利用玻璃粉密封。
能够利用各种薄膜和厚膜沉积技术沉积包括阳极、阴极和电解质的燃料电池组件，该各种薄膜和厚膜沉积技术包括溅射、蒸发、化学气相沉积、激光切除、丝网印刷、浸渍涂覆或者蒸汽喷射技术。
虽然已经参考其优选实施例具体地示出和描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解可以在形式和细节方面作出各种改变而不偏离由所附权利要求涵盖的本发明的范围。

Claims (57)

1.一种多个燃料电池的平板式燃料电池组，包括
包括第一阳极和第二阳极的阳极层，
电解质层，
包括第一阴极和第二阴极的阴极层，
至少一个互连器，所述至少一个互连器至少部分地设置在所述电解质层内，并且使所述第一阳极和所述第二阴极以电力方式和机械方式联接，以及
细长结构支撑件，该细长结构支撑件垂直于延伸通过平板式组的平面定向，并且至少部分地横向设置在两个相邻电极之间。
2.根据权利要求1的燃料电池组，其中，所述多个燃料电池在高于大约400摄氏度的温度下运行。
3.根据权利要求2的燃料电池组，还包括第二结构支撑件，该第二结构支撑件与所述组接触，并且与所述细长结构支撑件间隔开。
4.根据权利要求2的燃料电池组，其中，所述结构支撑件包括绝缘材料。
5.根据权利要求2的燃料电池组，其中，所述结构支撑件包括电绝缘涂层。
6.根据权利要求2的燃料电池组，其中，所述结构支撑件包括被氧化的表面。
7.根据权利要求2的燃料电池组，其中，所述结构支撑件包括硅材料、氧化钇稳定氧化锆(YSZ)材料、氧化镁材料、铁铬材料和陶瓷材料中的一种或者多种材料。
8.根据权利要求2的燃料电池组，其中，所述结构支撑件具有在大约30微米和大约200微米之间的宽度，并具有大于大约100微米的高度。
9.根据权利要求2的燃料电池组，其中，所述结构支撑件与所述电解质层以机械方式联接。
10.根据权利要求2的组，其中，
所述第一阳极和所述第二阳极横向分开第一距离，
所述第一阴极和所述第二阴极横向分开第二距离，并且
所述第一距离和所述第二距离中的至少一个距离在大约5微米和大约500微米之间。
11.根据权利要求10的组，其中，所述第一距离和所述第二距离中的至少一个距离在大约5微米和大约200微米之间。
12.根据权利要求2的组，其中，所述电解质层包括
第一电解质区域，该第一电解质区域设置在所述第一阳极和所述第一阴极之间，并且提供在所述第一阳极和所述第一阴极之间的第一电压差，
第二电解质区域，该第二电解质区域设置在所述第二阳极和所述第二阴极之间，并且提供在所述第二阳极和所述第二阴极之间的第二电压差；并且
所述第一电解质区域和所述第二电解质区域包括单片电解质结构。
13.根据权利要求2的组，包括固体氧化物燃料电池。
14.根据权利要求2的组，其中，
该设备包括电解质层的活性区域，其中相应的阳极和阴极在所述电解质层的表面上具有重叠凸起，并且
该活性区域包括所述电解质层的表面面积的至少70％。
15.根据权利要求2的组，其中，所述组被容纳在具有小于大约30立方厘米的容积的壳体内。
16.根据权利要求15的组，其中，所述组产生大于大约10伏特的电压差。
17.根据权利要求2的组，还包括多个互连器，所述多个互连器至少部分地设置在所述电解质层内，并且使所述第一阳极和所述第二阴极以电力方式和机械方式联接。
18.根据权利要求2的组，包括多个互连器，所述多个互连器包括互连器的线性阵列，其中所述多个互连器中的相邻互连器的中心到中心间隔是基本相等的。
19.根据权利要求2的组，其中，所述至少一个互连器具有小于大约(100微米)2的、平行于延伸通过所述电解质层的平面的横截面。
20.根据权利要求2的设备，还包括
串联电连接的三个或者更多个燃料电池，其中所述三个或者更多个燃料电池包括燃料电池的非线性阵列。
21.根据权利要求2的设备，还包括
以并联电连接方式联接的两个或者更多个串联电连接燃料电池。
22.一种多个燃料电池的平板式燃料电池组，包括
包括第一阳极和第二阳极的阳极层，
电解质层，
包括第一阴极和第二阴极的阴极层，
至少一个互连器，所述至少一个互连器至少部分地设置在所述电解质层内，并且使所述第一阳极和所述第二阴极以电力方式和机械方式联接，以及
细长结构支撑件，所述细长结构支撑件垂直于延伸通过平板式组的平面定向，并且使得所述细长结构支撑件的至少一部分在垂直于延伸通过所述燃料电池组的平面的轴线上与所述至少一个互连器对准。
23.根据权利要求22的燃料电池组，其中，所述多个燃料电池在高于大约400摄氏度的温度下运行。
24.根据权利要求23的组，其中，在所述第一阳极和所述第二阴极在所述电解质层上具有重叠凸起的区域中，所述结构支撑件被定向为用于在所述第一阳极和所述第二阴极中的一个极上形成流体密封。
25.根据权利要求23的组，还包括第二结构支撑件，其中，在所述第一阳极和所述第二阴极在所述电解质层上具有重叠凸起的区域中，所述第一结构支撑件和所述第二结构支撑件被定向为用于在所述第一阳极和所述第二阴极两者上形成流体密封。
26.根据权利要求23的组，其中，所述多个燃料电池包括固体氧化物燃料电池。
27.根据权利要求23的燃料电池组，其中，所述结构支撑件具有在大约30微米和大约200微米之间的宽度，并具有大于大约100微米的高度。
28.根据权利要求23的组，其中，
所述第一阳极和所述第二阳极横向分开第一距离，
所述第一阴极和所述第二阴极横向分开第二距离，并且
所述第一距离和所述第二距离中的至少一个距离在大约5微米和大约500微米之间。
29.根据权利要求23的组，其中，所述组被容纳在具有小于大约30立方厘米的容积的壳体内。
30.根据权利要求29的组，其中，所述组产生大于大约10伏特的电压差。
31.一种燃料电池组件，包括
壳体，所述壳体具有小于大约30立方厘米的容积；和
平板式燃料电池组，所述平板式燃料电池组被容纳在所述壳体中，并且具有
包括布置于第一平面中的多个阳极的阳极层，
包括布置于第二平面中的多个阴极的阴极层，以及
设置在所述阳极层和所述阴极层之间的电解质层，
其中
所述组包括所述电解质层的活性区域，其中相应的阳极和阴极在所述电解质层的表面上具有重叠凸起，并且
所述活性区域包括所述电解质层的表面面积的至少大约50％。
32.根据权利要求31的组件，其中，所述平板式燃料电池组在高于大约400摄氏度的温度下运行。
33.根据权利要求32的组件，其中，所述平板式燃料电池组包括固体氧化物燃料电池。
34.根据权利要求32的组件，其中，所述活性区域包括所述电解质层的表面面积的至少大约70％。
35.根据权利要求32的组件，其中，所述活性区域包括所述电解质层的表面面积的至少大约85％。
36.一种燃料电池组件，包括
壳体，以及
平板式燃料电池组，该平板式燃料电池组被容纳在所述壳体中，并且具有布置于阳极层中的相应的阳极、布置于阴极层中的相应的阴极以及电解质层，其中
所述燃料电池组件产生大于大约0.1伏特每立方厘米壳体的电压。
37.根据权利要求36的组件，其中，所述平板式燃料电池组在高于大约400摄氏度的温度下运行。
38.根据权利要求37的组件，其中，所述平板式燃料电池组包括固体氧化物燃料电池。
39.根据权利要求37的组件，其中，所述燃料电池组件产生大于大约0.5伏特每立方厘米壳体的电压。
40.根据权利要求37的组件，其中，所述壳体具有小于大约30立方厘米的容积。
41.一种燃料电池组件，包括
壳体，所述壳体具有在大约0.1立方厘米和大约30立方厘米之间的容积，以及
平板式燃料电池组，所述平板式燃料电池组具有
包括布置于第一平面中的多个阳极的阳极层，
包括布置于第二平面中的多个阴极的阴极层，和
设置在所述阳极层和所述阴极层之间的电解质层，
其中，所述组包括所述电解质层的活性区域，其中相应的阳极和阴极在所述电解质层的表面上具有重叠凸起，并且所述活性区域在所述电解质层的表面上具有在大约0.5平方厘米和大约100平方厘米之间的面积。
42.根据权利要求41的燃料电池组件，其中，所述平板式燃料电池组在高于大约400摄氏度的温度下运行。
43.根据权利要求42的组件，其中，所述平板式燃料电池组包括固体氧化物燃料电池。
44.一种制造具有至少一个结构支撑件的平板式燃料电池组的方法，包括
提供基片，
在所述基片上方设置电解质层和一个或者多个电极层，以及
通过选择性地移除所述基片的一些部分，而由所述基片形成所述至少一个结构支撑件。
45.根据权利要求44的方法，包括：将所述至少一个结构支撑件形成为细长形并且垂直于延伸通过所述电解质的平面延伸。
46.根据权利要求44的方法，其中选择性地移除所述基片的一些部分包括：蚀刻所述基片。
47.根据权利要求44的方法，还包括：利用绝缘材料涂覆所述至少一个结构支撑件。
48.根据权利要求44的方法，还包括：氧化所述至少一个结构支撑件。
49.根据权利要求44的方法，还包括：将所述电解质直接设置在所述基片上。
50.根据权利要求44的方法，还包括
提供包括第一阳极和第二阳极的阳极层，
提供包括第一阴极和第二阴极的阴极层，并且通过所述电解质层使所述第一阳极和所述第二阴极以电力方式和机械方式相互连接。
51.根据权利要求50的方法，其中
提供阳极层和提供阴极层中的至少一个包括：在所述电解质上提供挡块结构，以限定第一电极区域和第二电极区域，并且
将电极材料设置在所述第一电极区域和所述第二电极区域上。
52.根据权利要求51的方法，其中，所述挡块结构包括所述结构支撑件。
53.根据权利要求51的方法，还包括
移除所述挡块结构，以形成至少两个电极。
54.根据权利要求44的方法，其中
使所述第一阳极和所述第二阴极以电力方式和机械方式相互连接包括：在所述电解质层内蚀刻微观特征，并且将传导材料设置在所述微观特征内。
55.根据权利要求54的方法，其中
蚀刻微观特征包括：蚀刻微观特征的线性阵列，其中所述微观特征中的相邻微观特征的中心到中心间隔是基本相等的。
56.根据权利要求54的方法，还包括
蚀刻多个微观特征，所述多个微观特征具有相应的面积小于大约(100微米)2的相应的横截面。
57.根据权利要求54的方法，还包括
在单片电解质结构内蚀刻所述多个微观特征。
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