CN109314255B - 用于运输相关辅助动力装置的熔融金属阳极固体氧化物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

车辆动力系统、车辆和提供辅助动力至车辆的方法，其利用使用熔融金属阳极固体氧化物燃料电池的辅助动力装置而不是内燃机。辅助动力装置包括容器，其中设置有多个燃料电池，使得当金属阳极被加热时，金属转变成熔融状态，该熔融状态分别地可以通过存在于熔融金属中的氧气和燃料在氧化态和还原态之间电化学循环。辅助动力装置还包括炉子，其选择性地向燃料电池提供热量，以便将阳极置于其熔融金属状态。密封件可在容器内的熔融金属与周围环境之间提供流体隔离。

Description

用于运输相关辅助动力装置的熔融金属阳极固体氧化物燃料 电池
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年5月19日提交的美国申请第15/158,637号的优先权，所述申请通过引用以其整体并入。
背景技术
本公开涉及先进的阳极材料，以允许使用直接(即未重整的)烃作为固体氧化物燃料电池(SOFC)的燃料。更具体地，本公开涉及可用于运输辅助动力装置(APU)的基于熔融金属阳极(MMA)的SOFC(MMA-SOFC)。
APU可用作在重型运输操作中提供补充动力的方式。一个值得注意的例子是它们在牵引拖车和相关商用车辆上的使用，以响应在延长的停留期间对过度主发动机怠速的更严格的审查。在一种传统形式中，APU被配置为小型内燃机(ICE)，其除了提供热量之外还可以通过合适的发电机供应电力，以便在发动机关闭的这些延长的时间段期间操作车辆内的各种电气系统。虽然这些APU对于它们的预期目的是有用的，但是它们有问题地消耗相对大量的化石燃料。而且，它们存在维护问题；当它们在故障之后没有得到修复时，后一个问题尤其成问题，因为车辆的操作者恢复到怠速运行车辆动力装置(即主发动机)的旧方法，作为满足辅助动力需要的方式。
燃料电池通过其电化学反应而不是通过其燃烧将燃料转化为可用能量。因此，除了具有更少的易于出故障的机械部件之外，燃料电池相对于ICE和相关的发电源具有若干环境优势。在基于燃料电池的电力系统领域，SOFC特别有益，因为它们利用其提供直接利用含碳燃料的能力，而以其他燃料电池配置例如质子交换膜或聚合物电解质膜(在任何一种情况下为PEM)不能够的方式无需提供燃料的重大改造。
在一种形式中，SOFC的阳极可以由含燃料的熔融金属构成，使得在将含氧反应物(例如，空气)引入电池的阴极时，在阴极处产生的氧离子迁移通过固体电解质至阳极处的熔融金属和电离燃料。在其固体对应物上使用熔融金属阳极的一个显著优点是可以捕获否则将被排放到周围环境的大多数有害排放物(通常以CO2、SO2、NOX和颗粒物质的形式)。不幸的是，使一个燃料电池部件处于类似液体的状态导致了显著的处理问题，特别是因为它涉及可以考虑用于移动应用的燃料电池配置。
发明内容
尽管存在上述缺点，但本发明人已经发现使用MMA-SOFC作为基于车辆的APU的动力源可以解决与主发动机怠速相关的问题，同时相对于不仅ICE而且其他形式的燃料电池提供改进的性能。根据本公开的一个实施例，车辆动力系统包括动力装置和APU，APU包括设置在其内的SOFC燃料电池的容器，以及与燃料电池协作的电路，使得由燃料电池的运行产生的电流可以输送到车辆负载。燃料电池由许多半电池组成，而这些半电池又由阴极和固体电解质组成。除了各半电池之外，燃料电池还包括阳极，该阳极与半电池的至少一部分电解质相邻设置。以这种方式，空气或相关的含氧反应物流过多个半电池的阴极和电解质，以与包含在液态金属阳极浴中的燃料发生电化学反应。APU还包括炉子，该炉子可以由一个或多个加热元件构成，所述加热元件放置成与容器或各个半电池直接或间接热交换，以选择性地向其提供热量，以便在APU操作期间将阳极置于其基本上熔化的金属状态。
根据本公开的另一实施例，车辆由具有轮式底盘的平台、与轮式底盘协作的引导装置(诸如转向、制动和加速机构中的一个或多个)和乘客室组成，乘客室与气候控制系统热协作。该车辆还包括动力装置和APU，两者都固定在平台上。如前所述，APU除了还具有一个或多个发电机或交流发电机和基于处理器的控制器之外，还包括容器、SOFC燃料电池、炉子和电路。
根据本公开的又一实施例，公开了一种向车辆提供辅助动力的方法，该方法包括动力装置和APU。该方法包括操作炉子以向APU提供热量，该APU由位于安装到车辆的容器内的燃料电池构成。炉子产生的热量足以确保燃料电池的阳极部分处于熔融状态，以便当含氧反应物流过许多半电池的阴极和固体电解质时在阳极处促进一个或多个电化学反应。在燃料电池内产生的电流可用于向各种负载供应电力，例如气候控制系统、照明、信息或娱乐设备、电器或位于车辆上的其他设备。
尽管本文中主要参考某些特定的燃料电池系统配置描述了本公开的概念，但是可以考虑的是，这些概念不限于此，并且因此适用于基于运输的使用的任何SOFC系统。
附图说明
当结合以下附图阅读时，可最好地理解本公开的具体实施例的以下详细描述，其中相同的结构用相同的附图标号表示，并且其中：
图1示出了使用固体阳极的常规SOFC；
图2A示出了根据本发明的MMA-SOFC组件的简化分解等距视图；
图2B示出了来自图2A的MMA-SOFC组件的单个半电池；
图3示出了组装形式的图2A的熔融金属阳极SOFC组件；和
图4示出了图3的MMA-SOFC组件的假想放置的细节，其作为位于牵引拖车的牵引车上的APU。
具体实施方式
首先参考图1，根据现有技术的实施例，以示意性横截面图示出了传统SOFC的单个燃料电池1。在传统的燃料电池1中，有阴极10和阳极20，阳极20由多孔氧化物基陶瓷制成，和阴极10由锰酸镧锶(LSM)制成，以促进离子化的反应物的流动，如将在下一段中描述。固体电解质(或更简单地，电解质)30放置在阴极10和阳极20之间。互连40可以用于将各个单独的电池电连接在一起(例如，串联)，而电路50可以耦合到阳极20和阴极10或互连40，以传送电池中产生的电流通过合适的负载60。同样地，吸收层(未示出)可用于帮助去除硫，如果硫保持不减弱则可能妨碍正常的阳极20性能。值得注意的是，因为燃料电池1在非常高的温度下操作，所以避免了对昂贵的贵金属基催化剂的需求，因为轻质和重质烃燃料都可以直接被重整。
在操作中，气态燃料(在此也称为含燃料的反应物)被供给到通道45中，通道45形成在互连40中并且与阳极20相邻，同时氧化剂(例如，空气，这里也被称为含氧反应物)被送入与阴极10相邻的相当的通道中。空气中的氧与阴极10之间的接触导致氧在阴极10和电解质30之间形成的界面层附近电离。这些带负电荷的氧离子-ve传导通过电解质30到达阳极20，在那里它们可以与燃料发生电化学反应(燃料可以是H2、CO、CH4等的一种或多种)，形成H2O或CO2的一种或多种。这些反应(使用氢作为示例性燃料)通过如下式表示：
H2+O2 -→H2O+2e- (1)
CO+O2→CO2+2e- (2)
1/2O2+2e-→O2- (3)
在替代配置(未示出)中，燃料电池1的电解质30可以配置成传导氢离子。
接下来参考图2A、2B和3，示出了根据本发明的MMA-SOFC 100(在此也称为燃料电池100)的一个实施例，其中图2B特别示出了在本文中称为半电池105的部分。每个半电池105由彼此接触的阴极110和电解质130构成；两者都是多孔的，以促进在阴极130处电离的氧气流朝向阳极120，这将在下面更详细地讨论。不同于传统的燃料电池配置——其中每个具有阳极、阴极和中间电解质的多个单独电池以堆叠或相关结构布置以实现更高的功率输出，在本公开的上下文中的完整MMA-SOFC 100是单个阳极120设置在多个半电池105周围的组合，每个半电池105由阴极110和电解质130构成。以这种方式，具有单个阳极120促进了构造的容易性。
例如但不限于，电解质130可以由基于氧化锆的电解质或基于二氧化铈的电解质制成。在具体的实施例中，基于氧化锆的电解质可选自氧化钇稳定的ZrO2(YSZ)、氧化钪稳定的ZrO2(ScSZ)、氧化钙稳定的ZrO2(CSZ)及其组合。或者，基于二氧化铈的电解质可包含稀土掺杂的二氧化铈。例如，基于二氧化铈的电解质选自掺杂钆的二氧化铈(GDC)、掺杂氧化钇的二氧化铈(YDC)、掺杂钐的二氧化铈(SmDC)及其组合。
当选择用于电解质130的组合物时，应考虑许多因素，包括(i)是否可能发生与任何电极的任何可能的化学相互作用，因为这些可能对燃料电池100具有灾难性影响，(ii)燃料电池100的工作温度范围，和(iii)离子/电子传导率比值。结果，可以使用两种或更多种固体电解质130的组合来确保满足这些因素。例如，在由于其在所需操作温度下显著的离子导电性而需要不稳定的固体电解质(其与熔融金属阳极120相互作用)的情况下，在电解质/阳极界面可以使用化学稳定的固体电解质的薄涂层，以避免阳极120和固体电解质130之间的直接接触。可以使用相同的技术来阻断高导电性混合离子-电子固体电解质130可以在期望的温度范围内表现出的电子传导性。在那种情况下，纯离子导体(例如YSZ)的薄涂层可能是有益的。
另一方面，在阴极110中可以使用在较高操作温度范围内表现出低O2(g)还原过电位同时与电解质130具有可忽略的相互作用的任何阴极材料。例如但不限于，阴极110可以由锰酸镧锶(LSM)、氧化钇稳定的ZrO2/镧锰酸锶(YSZ-LSM)、镧锶钴铁氧体(LSCF)及其组合制成。在示例性实施例中，阴极110由LSM构成。
优选地，每个半电池105限定如图所示的细长管状结构；将在下面更详细地讨论；这种结构不仅促进了MMA-SOFC 100内的高效燃料电池包装，而且便于移出以维护半电池105。在一种形式中，半电池105的尺寸包括约5000μm的阴极壁厚度、约500μm的电解质壁厚度、约500,000μm的高度和约50mm的内部电解质直径。另外的基于陶瓷的管状结构(未示出)也可用于帮助促进熔融金属表面张力和液体压头之间的平衡，作为确保紧邻电解质130的区域中的足够量金属的方式。优选使电解质130相对薄，以保持低离子传输阻力，作为提高操作效率的方式。另外优选的是，电解质130材料也被配置为保持低电流泄漏相关的电导率。进一步优选的是，电解质130具有高离子(例如氧)导电性和与阳极120的可忽略的化学相互作用。这些电解质130的合适固体形式可以是纯离子的或混合离子电子的。
上述方程(1)至(3)可用于解释MMA-SOFC 100的一般电化学操作，其中根据方程(3)阴极110还原入口空气流中的O2，之后氧离子通过电解质130迁移，直到它们遇到熔融金属阳极120，熔融金属阳极120由氧化区域组成，在那里熔融金属被氧化，产生金属氧化物和电子。在本发明的上下文中，术语“氧化区域”包括阳极120和电解质130之间的界面，以及熔融金属阳极120的任何区域，在其中氧离子可以与熔融金属接触。因此，一个广义形式的方程(2)可表示如下：
xM(l)+yO2-→MxOy(l)+2ye-
MMA-SOFC 100可另外包括再生区域，以使金属氧化物还原，以及在熔融金属与含硫燃料反应的情况下产生金属硫化物。如本文所用，术语“再生区域”可包括熔融金属和含硫燃料的接触区域。这种再生可以在燃料接触器(未示出)中发生，该燃料接触器可以设置在容器180内或以其他方式形成为容器180的一部分，下面将更详细地讨论。较不致密的金属氧化物迁移到熔融金属浴的顶部，在那里它们以下面所示的方式被燃料还原，其是上面方程(1)的概括。
aMxOy(l)+bCmHn→cM(l)+dCO2+eH2O+fH2
形成的金属物质返回到熔体的底部并完成循环。根据上述反应，可以根据使用的燃料形成氢。在备选方案(未示出)中，氢可以原位用于进一步的金属氧化物还原，或者可以回收用于其他用途。应当理解，当燃料中存在硫时，金属物质在氢气存在下与硫组分(CHS)反应形成金属硫化物物质和所谓的“升级”燃料；这在下面的反应中描述为CmHz。
aM(l)+bCmHnSk+cH2→dMxSy(l)+eCmHz
这种升级的燃料可以原位用于进一步的金属氧化物还原，例如在上面方程(1)的概括中描述的。虽然本领域普通技术人员会认为各种燃料是合适的，但含硫燃料也可以是氢燃料(如上所述)，以及碳燃料、烃燃料、硫化氢、以及来自石油和天然气的低价值固体硫和砜和亚砜及其混合物。不受理论束缚，含碳燃料可能是期望的，因为与含碳燃料的还原反应理想地具有更大的自由能。
在熔融金属阳极120中发生氧化之后，熔融金属可以转移到单独的燃料接触器，该燃料接触器将燃料输送到含金属氧化物的熔融金属。在一种这样的形式中，可以使用优先允许单向扩散的陶瓷或金属多孔管。例如，在气体燃料的情况下，只有气态物质可以通过孔(燃料向内扩散和产物反向扩散)。在固体燃料以及气体/液体燃料的情况下，可以使用按意愿打开的容器代替多孔管。任选地，在熔体流动速率不足的情况下，也可以使用泵送系统(未示出)，以及用于加速熔融金属氧化物扩散和相关电化学反应的搅拌系统。
具体参考图2A和3，这些半电池105的阵列A可以放置在炉子170中，炉子170又嵌套在罐180形式的大致不透流体的容器内。具有阵列孔195的盖子190可用于覆盖炉子170或罐180中的开口，同时高温金属密封件(在图2A中显示为一对L形金属垫片状高温刚性插入件197沿着炉子170和盖子190之间的接触表面设置，并且在图2A和2B中作为环198放置在每个半电池近端105A及其各自的孔195之间)以确保熔融金属阳极120的容纳基本上保持无泄漏。在优选形式中，熔融金属阳极120表面上方的小体积空间(即，在场172中)和盖190的内表面将具有惰性气体环境。在任选的形式中，容器180包括邻近其外表面设置的热绝缘体，以形成周围环境与高温熔融金属阳极120的板或毯状隔离。在一个优选形式中，板或毯状隔热材料的厚度约为50mm，导热率低至0.15W/mK；这应该允许熔融金属达到其理想的工作温度高达1300℃(或1573K)，同时保持暴露于APU其余部分的MMA-SOFC 100部分(下面将详细讨论)足够低的温度，以避免损坏APU组件。
可以看出，阵列孔195的尺寸和形状可以接纳各半电池105。值得注意的是，半电池105和带有孔195的穿孔盖190之间的开放式设计将允许每个半电池105的简单插入和取出作为可拆卸模块组件的一部分；这对于促进易于维护不仅仅半电池105而且设置在罐180内的加热元件或其他部件也是有价值的。以这种方式，可以从上方容易地接近一个或多个半电池105并沿着凸缘表面(这里也称为凸缘105C)抓握，使得在一个或多个半电池105需要维修或更换的情况下，它们与盖子190之间的可拆卸连接促进了半电池105的移除和插入的容易性。以这种方式，盖子190和半电池105构成模块化组件，其中至少半电池105以及在一些配置中盖子190也可从容器移除而不需要使用复杂的工具。虽然可以理解，在一般意义上，实际上任何与较大组件的连接部件可以可拆卸地彼此连接，但在本上下文中，它更具限制性，因为它指的是半电池105被接纳在盖子190中或者设置在盖子190上以便插入或移除，而不需要工具、相关的复杂组装/拆卸程序或对一个或两个部件的损坏。在另一个实施例中，这种模块化组件也可以与一个或多个密封件197、198如上所述结合，以进一步促进熔融金属阳极120与MMA-SOFC 100的其余部分或周围环境的流体隔离。
与图1的燃料电池1不同——在图1中阳极20由金属化多孔陶瓷(金属陶瓷)制成，阳极120构造成在MMA-SOFC 100的操作期间可以占据熔融状态的金属。因为在MMA-SOFC100操作期间阳极120可以以流体状态存在，所以通过使单个阳极120放置为与多个阴极110和电解质130电化学协作，不仅相对于传统燃料电池简化了MMA-SOFC 100，这种阳极120还可以设计为非结构部件，允许在APU 280的结构中具有更大的设计灵活性，这将在下面更详细地讨论。例如，这种类型的设计使得可以在MMA-SOFC 100操作伴随的温度或化学变化期间与阳极120中可能发生的MMA-SOFC 100的其余结构变化隔离，这反过来允许更换在MMA-SOFC 100内的阳极120不是更刚性的固定部件。在一种形式中，阳极120可以表现出类似复合材料的性质，其中金属可以是锡(Sn)或锡基合金，其可以注入陶瓷基质中。一个理想的属性是构成阳极120的材料表现出高氧离子迁移率。重要的是，使用熔融金属阳极120的MMA-SOFC 100与已知形式的碳基燃料相容，例如通过现有燃料基础设施容易获得的低硫柴油。也可以使用其他金属。例如，阳极120可以使用熔融锑(Sb)，其中高电功率密度(在973K下超过300mW/cm2)可以有助于减小MMA-SOFC 100的尺寸。同样，除了锡-铋(Bi)、铟(In)和铅(Pb)之外，锑还可以与各种其他金属混合使用。也可以使用其他金属组合，包括铝(Al)、镓(Ga)、铊(Tl)和钋(Po)，以及相邻的过渡金属IB和IIB，例如银(Ag)、汞(Hg)或镉(Cd)。在一种优选形式中，用于阳极20的金属或金属组合设计成具有低于约750℃(1023K)的熔点。在所有情况下，阳极120因此可以使用具有较高氧化倾向的金属；这些优先被氧化，使得MMA-SOFC 100的表现与纯金属形式的金属一样。在由这种优先氧化形成的氧化物具有比电池的操作温度更高的熔点的情况下(例如，熔化温度为约1903K的SnO2或熔化温度为约2185K的In2O3在约1000K或更低操作的电池中)，氧化物可能沉积在电解质130和阳极120之间的界面上，导致电池性能下降。在Sb-Pb系统中，虽然PbO在约1161K的温度下熔化，其显著大于MMA-SOFC 100的973K工作温度，但是锑优先被氧化，使得每个半电池105的行为类似于如果阳极120使用纯锑的情况。如下表1所示，锑是合适的选择，因为它的熔点相对均匀，无论是金属、氧化物还是硫化物形式。
表1
Figure BDA0001868747170000081
可能需要包括MMA-SOFC 100的硫酸化区域。如本文所用，“硫酸化区域”包括熔融金属和含硫燃料的接触区域以进一步产生金属硫化物，然后金属硫化物可以被电化学氧化以产生电。如上所讨论，这种硫酸化可以以类似于用于再生的方式在燃料接触器中发生。如上所述，这些金属硫化物可以原位电化学氧化以进一步产生电。在替代实施例中，硫酸化区域可以单独地包括在与MMA-SOFC 100流体连通的燃料接触器中。与上面讨论的金属/金属氧化物循环中使用的燃料接触器类似，这种燃料接触器可包括用于选择性(或单向优先)燃料扩散的多孔管。
如本文所述，阳极120的熔融金属可基本上用作硫载体/捕获剂；然而，在电催化活性小的情况下，常规的固体多孔金属/金属氧化物阳极(未示出)也可用于进一步提高电化学氧化速率。例如，在熔融金属阳极120和电解质130之间包括第二固体金属阳极(未示出)可以有助于促进金属氧化物物质还原成金属物质，其中在该第二固体金属阳极处形成新的金属硫化物物质。然后，后者将被电解质130提供的氧离子物质电化学氧化，产生电和气态SO2。适合于氧化的各种金属可以用于第二固体金属阳极，例如金属或陶瓷金属材料，其具有比熔融金属阳极120的金属更低的硫酸化敏感性(即，不太稳定的金属硫化物)；实例包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)及其组合。在另一个实施例中，这种第二固体金属阳极可以使用Fe，而Sb可以用于熔融金属中。第二固体金属阳极和熔融金属阳极120的其他组成组合也在本公开的范围内。
如前所述，金属氧化物也可以与阳极120中的金属形成并行地电化学形成。如果熔体中不希望金属氧化物物质，则可以在MMA-SOFC 100的下游使用牺牲还原剂(SRA，未示出)。在一个实施例中，SRA可以是石墨棒以将金属氧化物物质还原成金属和CO2。在这种情况下，它可以另外具有相邻的开口以从系统中清除CO2。在另一个实施例中，SRA可以是金属(固相)，其具有比构成熔融金属阳极120的金属更高的氧化敏感性。对金属氧化敏感性的量度可以是金属氧化物形成自由能。例如，在Sb作为熔融金属阳极120的情况下，SRA的金属可以是Fe、锆(Zr)、锰(Mn)、钽(Ta)、硅(Si)或钛(Ti)和其组合。这样的部件被理解为牺牲性质，因为它将具有有限的寿命并且在完全氧化时需要被替换。
SO2去除和处理设备可以包括在MMA-SOFC 100的下游。例如，SO2去除设备可包括一个或多个单元，例如湿式洗涤器单元、喷雾干燥单元、湿式H2SO4处理单元、SNOX烟道气脱硫单元及其组合。在另一种形式中，催化单元(例如，类似于Claus单元的催化部分的催化单元)可以结合在阳极120的下游，以将H2S转化为元素硫。一般地，这样的单元会导致气态的H2S在约1000℃的温度下经历亚化学计量燃烧以形成气态的SO2，如下所示。
Figure BDA0001868747170000091
这又与气态H2S反应形成如下所示的元素硫以除去SO2。
Figure BDA0001868747170000092
具体参考图2B，构成每个半电池105的阴极110和电解质130的管状性质类似于试管。阴极110在管的内表面内形成体积V，其限定反应物流场通道，其在近端105A处的入口和封闭的底部或远端105B之间延伸。凸缘105C在近端105A处围绕反应物入口形成，使得半电池105可以通过相应的孔195支撑在盖190上。由体积V限定的流场配置成将来自近端105A的含氧反应物RO流引导通过阴极流场，并通过近端105A引出半电池105。由于每个半电池105的封闭的远端构造，有利的是使含氧反应物在封闭的远端105B附近引入(例如通过细长管(未示出)，其尺寸适合于安装在体积V中)而不是开放的近端105A，以促进持续流动(在加压条件下)和避免流体停滞。
再次参考图2A，场172是与管状半电池105的阵列A相邻的限定空间，使得当阳极120处于熔融状态时，它充当在半电池105周围形成的浴以浸没它们，从而通过具有正电极和负电极来完成MMA-SOFC 100。这种浸入可以是部分的、完全的或在其间的任何地方，而由场172限定的阳极120浴可以直接在炉子170中进行(在炉子170嵌套在较大的罐180内的构造中，如图所示)或直接在罐180中进行，期中炉子170通过加热元件、热交换器等远程起作用。还可能存在这样的情况：阳极120浴可以设置在炉子170和容器180(示出后者)之一或两者中，以及这两个容器之间。在高达800℃(即1073K)的温度下将碳质燃料(例如，柴油燃料)与阳极120混合，以确保阳极120处于熔融形式。应当理解，在使用不同金属组合(例如上述那些)的配置中，可以相应地调节由炉子170或其他加热装置产生的局部温度，以确保在操作期间阳极120处于合适的熔融状态。除了上述金属的选择之外，螯合剂可以分散在阳极120中以帮助捕获CO2和SO2；这种螯合可以帮助减少不需要的排放，以及减少硫的存在，否则硫将作为阳极120周围的毒物起作用。
如上所述，炉子170可以被配置为可以放置在罐180的内部或外部的各种离散的电阻或其他加热元件，并且因此可以与各个半电池105和周围的阳极120处于直接或间接的热交换关系以实现这种选择性加热。在远程提供加热的结构中(例如通过使用具有或不具有伴随热交换导管或相关电路的加热元件，均未示出)，不需要由盒状炉子170结构提供的含有流体的冗余。应当理解，所有这些形式都在本公开的范围内，并且因此可以全部包含在炉子170的定义之下。因此，在本发明的上下文中，应当理解，炉子170是在操作时向MMA-SOFC100提供足够热量以确保阳极120在正常操作模式期间处于熔融金属状态的任何装置。无论炉子配置如何，可以使用恒温控制器(未示出)将MMA-SOFC 100保持在优选的操作温度，例如确保阳极120在操作期间保持熔融状态所需的操作温度。
接下来参考图4，示出了牵引拖车装置的牵引车形式的车辆200。除了放置在轮式平台或底盘220上的驾驶室210之外，轮式平台或底盘220又由轮子230支撑，轮子230的运动可由方向盘、加速器、制动器或相关的引导装置控制，车辆200包括从用作动力装置的主发动机240接收旋转机械动力的传动系统。在优选形式中，主发动机240是柴油发动机，其从燃料箱(未示出)接收柴油燃料。驾驶室210包括许多电动装置，包括照明、计算机、电视、收音机、空调、微波炉、冰箱、风扇等，它们都通过电路250连接，电路250在一种形式中可以从与主发动机240旋转地配合的发电机或交流发电机260接收电流，或者从一个或多个底盘安装的电池270接收电流，所述电池270用于在主发动机240的启动期间提供主起动功率。
安装到底盘220的APU 280还可用于向这些装置中的一些或全部提供电力，以及在驾驶室210暴露于寒冷环境温度的气候中为驾驶员提供舒适的热量。此外，APU 280(以及发电机或交流发电机260)可用于给电池270充电；无论主发动机240是否在运行，都可以进行这种再充电，而发电机或交流发电机260仅在主发动机240运行期间可操作。在一个优选形式中，APU 280流体连接到与主发动机240相同的燃料供应(未示出)，使得它可以通过电路250提供电流以为各种装置供电，其中驾驶室210构成负载L的显著部分。
如图所示，APU 280安装在底盘220上，使得它直接位于驾驶室210后面。与传统的牵引拖车APU(其中主要动力源是小型柴油发动机)不同，根据本公开的一个方面的APU 280的动力源是上面讨论的MMA-SOFC 100。构成APU 280的配套设备(balance-of-plant)(BOP)的附加部件(未示出)包括加热系统、具有压缩机的空调系统、蒸发器、冷凝器和相关的管道和基于处理器的控制器；如本领域技术人员将理解的，一些单独的加热和冷却功能可以集成为更大的气候控制系统的一部分，也称为加热、通风和空调(HVAC)系统，以根据需要提供暖空气或冷空气到驾驶室210。在本发明的上下文中，术语“气候控制系统”意味着包括加热和空调系统中的一个或两个，并且根据上下文，其相应的讨论将是显而易见的。此外，APU280包括马达/发电机、发电机或交流发电机系统(带或不带逆变器)和基于处理器的控制器以及相应的电路，以允许个人根据需要选择性地操作来自驾驶室210的各种部件。构成APU280BOP的这些部件中的许多或全部优选地容纳在容器或合适的外壳中，并且如上所述安装到框架导轨或其他底架构件220中的一个上。另外，APU 280可用于在车辆200内提供电力给动力部件，例如以加热主发动机240的块或输送到主发动机240的燃料以辅助启动寒冷气候。
在优选形式中，APU 280的尺寸设计成提供大约10kW的功率输出。此外，虽然它可以在各种燃料(包括氢气、天然气等)上运行，但是在一种优选形式中，APU 280可以使用已经存在于车辆200上并用于提供燃料到主发动机240的原有柴油燃料供应。通过将燃料直接转换成电能，而不需要在发动机中存在的典型的热-机械转换，所有ICE中固有的最大卡诺效率不再适用，从而允许实现高得多的效率。除了提高效率之外，更低的排放和降低的操作噪音也是APU 280的特征。
出于描述和定义本公开中讨论的特征的目的，应注意，本文中对作为参数或另一变量的“函数”的变量的引用并不旨在表示该变量仅是所列参数或变量的函数。而是，本文中提及为所列参数的“函数”的变量旨在是开放式的，使得该变量可以是单个参数或多个参数的函数。同样要注意的是，本文中以特定方式“配置”或“编程”以特定方式体现特定属性或功能的本公开的组件的叙述是结构性叙述，而不是预期用途的叙述。更具体地，本文中对组件“编程”或“配置”的方式的引用表示组件的现有物理条件，并且因此，将被视为组件的结构特征的明确叙述。
已经详细地并且通过参考其特定实施例描述了本公开的主题，应注意，本文中公开的各种细节不应被视为暗示这些细节与作为本文描述的各种实施例的基本组分的元件相关，即使在本说明书随附的每个附图中示出了特定元件的情况下也是如此。此外，显然在不脱离所附权利要求的范围的情况下可以进行修改和变化，包括但不限于所附权利要求中限定的实施例。更具体地，尽管本公开的一些方面在本文中被标识为优选的或特别有利的，但是考虑本公开不必限于这些方面。
注意，以下权利要求中的一个或多个使用术语“其中”作为过渡短语。出于定义本公开讨论的特征的目的，应注意，所述术语在权利要求中作为开放式过渡短语引入，所述短语用于引入结构的一系列特征的叙述，并且应当以与更常用的开放式前导词术语“包含”同样方式地理解。
应注意，诸如“优选地”、“一般地”和“通常地”的术语在此不用于限制权利要求的范畴或暗示某些特征对本文公开的结构或功能是关键的、必要的或甚至是重要的。相反，这些术语仅旨在突出可能在或可能不在公开的主题的特定实施例中利用的替代或额外特征。同样，应注意，术语“基本上”和“近似”及其变体在本文中用于表示可归因于任何定量比较、值、测量或其他表示的固有不确定度。因此，这些术语的使用表示定量表示可以与所述参考不同而不会导致所讨论主题的基本功能发生变化的程度。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下，对本文所述的实施例进行各种修改和变化。因此，意图是本说明书覆盖本文中所描述的各种实施例的修改和变化，其条件是，此类修改和变化落在所附权利要求及其等效物的范围内。

Claims (13)

1.一种车辆动力系统，其包括：
动力装置；和
辅助动力装置，其包括：
容器；
模块化组件，其设置在所述容器中，所述模块化组件包括：
熔融金属阳极固体氧化物燃料电池，其包含：
多个半电池，每个半电池包括阴极和固体电解质；和
包含熔融金属和螯合剂的阳极浴，其中所述半电池至少部分地浸没在所述浴中，并且其中在所述辅助动力装置运行时，含氧反应物流过所述半电池以与所述浴中的熔融金属和含燃料反应物的至少一种发生电化学反应；
嵌套在所述容器内并与所述燃料电池进行热协作的炉子，使得在所述炉子运行时，所述浴中的熔融金属保持基本上熔融金属状态；
穿孔盖，其中限定了多个孔，使得所述穿孔盖中限定的每个孔接收相应的一个半电池，使得所述穿孔盖和所述多个半电池一起限定了模块组件，所述穿孔盖与所述容器协作，使得所述半电池可拆卸地接收在其中；
设置在所述辅助动力装置内的至少一个密封件，以确保在所述容器内的浴基本上完全流体隔离；
惰性气体环境，其位于熔融金属阳极表面上方的小体积空间和盖的内表面之间；和
与所述燃料电池协作的电路，使得由所述燃料电池产生的电流可以通过所述电路输送到车辆负载。
2.根据权利要求1所述的车辆动力系统，其中所述熔融金属选自锡、锑、铋、锡和它们的组合。
3.根据权利要求1所述的车辆动力系统，其中所述炉子设置在所述容器和所述燃料电池之间。
4.根据权利要求3所述的车辆动力系统，还包括热绝缘体，其设置在邻近所述容器的表面，以减小所述浴和邻近所述辅助动力装置的周围环境之间的热连通。
5.根据权利要求1所述的车辆动力系统，其中每个半电池的所述阴极和电解质限定了细长管状结构，在其浸没在所述浴中的远端具有闭合，在其近端内限定没有浸没在所述浴中但与所述含氧反应物流体协作的孔。
6.根据权利要求5所述的车辆动力系统，其中所述细长管状结构限定邻近所述近端的凸缘表面。
7.根据权利要求1所述的车辆动力系统，其中所述辅助动力装置还包括以下的至少一种：(a)发电机或交流发电机及(b)基于处理器的控制器以调节电流通过所述电路到车辆负载的流动。
8.一种车辆，其包括：
平台，其包括轮式底盘、与所述轮式底盘协作的引导装置和与气候控制系统热协作的乘客室；
固定在所述平台上的动力装置；和
固定在所述平台上的辅助动力装置，所述辅助动力装置包括：
容器；
模块化组件，其设置在所述容器中，所述模块化组件包括：
熔融金属阳极固体氧化物燃料电池，其包含：
多个半电池，每个半电池包括阴极和固体电解质；和
包含熔融金属和螯合剂的阳极浴，其中所述半电池至少部分地浸没在所述浴中，并且其中在所述辅助动力装置运行时，含氧反应物流过所述半电池以与所述浴中的熔融金属和含燃料反应物的至少一种发生电化学反应；
嵌套在所述容器内并与所述燃料电池进行热协作的炉子，使得在所述炉子运行时，所述熔融金属阳极浴中的熔融金属保持基本上熔融金属状态；
穿孔盖，其中限定了多个孔，使得所述穿孔盖中限定的每个孔接收相应的一个半电池，使得所述穿孔盖和所述多个半电池一起限定了模块组件，所述穿孔盖与所述容器协作，使得所述半电池可拆卸地接收在其中；
设置在所述辅助动力装置内的至少一个密封件，以确保在所述容器内的浴基本上完全流体隔离；
惰性气体环境，其位于熔融金属阳极表面上方的小体积空间和盖的内表面之间；
至少一个发电机或交流发电机；
基于处理器的控制器；和
电路，其与以下协作：(a)所述燃料电池，(b)所述发电机或交流发电机中的至少一个以及(c)所述控制器，使得所述燃料电池产生的电流可以通过所述电路输送至所述动力装置和所述气候控制系统的至少一个。
9.根据权利要求8所述的车辆，其中所述动力装置包括柴油发动机，使得所述柴油发动机和所述辅助动力装置都与存储在车辆上的共同的燃料源流体地协作。
10.一种提供辅助动力至包括动力装置和辅助动力装置的车辆的方法，所述方法包括：
操作炉子以向所述辅助动力装置提供热量，所述辅助动力装置包括设置在安装到所述车辆的容器内的燃料电池，其中所述热量确保包含在所述燃料电池的阳极浴内的金属处于基本熔融状态；
使含氧反应物通过多个半电池并进入所述浴中，其中每个半电池包括阴极和固体电解质，并且其中多个半电池至少部分地浸没在所述浴中，使得所述半电池限定的细长管状结构包括限定浸没在所述浴中的闭合的远端和其限定未浸没在所述浴内但是与所述含氧反应物流体协作的孔的近端，以促进其在近端和远端之间的管状结构内的流动，所述细长管状结构限定邻近近端的凸缘表面，使得每个管状结构配合在形成为容器的上部的穿孔盖内并且在结构上由所述穿孔盖支撑；
用所述含氧反应物氧化至少一部分所述熔融金属；
用所述浴中存在的含燃料反应物还原氧化的熔融金属；和
将所述燃料电池产生的电流提供给位于所述车辆上的电负载和气候控制系统中的至少一个。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述辅助动力装置的操作在没有操作所述动力装置的期间发生。
12.根据权利要求10所述的方法，其中在所述辅助动力装置中使用的含燃料反应物与所述动力装置使用的相同。
13.根据权利要求10所述的方法，其中在所述穿孔盖中限定的每个孔通过与所述凸缘表面接触接收相应的一个半电池，使得所述半电池可拆卸地接收在其中。
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