JP2019517124A - 輸送に関連する補助電力ユニットのための溶融金属アノード固体酸化物燃料電池 - Google Patents

Abstract

内燃機関ではなく、溶融金属アノード固体酸化物燃料電池を使用する、車両電力系統、車両、および補助電力ユニットを用いて車両に補助電力を与える方法。補助電力ユニットは、多くの燃料電池がその中に配置された容器を備えており、金属アノードが加熱されると、金属が溶融状態に変換され、溶融金属中に存在する酸素および燃料によって、それぞれ、酸化状態と還元状態の間を電気化学的に入れ替わることができる。補助電力ユニットは、さらに、アノードを溶融金属状態にするために、燃料電池に熱を選択的に与える炉を備えている。密封部は、容器の中の溶融金属と周囲環境との間の流体の隔離を与えてもよい。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１６年５月１９日に出願された米国出願第１５／１５８，６３７号に対する優先権を主張し、その全体が本明細書に参考として組み込まれる。

本開示は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）のための燃料としての直接的な（すなわち、改変されていない）炭化水素を使用することが可能な、進化したアノード材料に関する。 より特定的には、本開示は、輸送補助電力ユニット（ＡＰＵ）に使用可能な溶融金属アノード（ＭＭＡ）系ＳＯＦＣ（ＭＭＡ−ＳＯＦＣ）に関する。

ＡＰＵは、重量貨物の輸送操作において補助的な出力を与えるという様式で有用である。 １つの顕著な例は、長期間にわたる停止期間中の過剰なメインエンジンのアイドリングによる精密検査の増加に応答して、トラクター−トレーラーおよび関連する商業的な車両でのその使用である。 従来の１つの形態では、ＡＰＵは、小さな内燃機関（ＩＣＥ）として構成され、熱を与えることに加えて、これらのメインエンジンが停止している長期間にわたる時間の間に、車両内で種々の電気系を操作するために、適切な発電機によって、電力を供給することもできる。 このようなＡＰＵは、これらの意図した目的には有用であるが、問題を生じるような様式で比較的大量の化石燃料を消費する。 さらに、これらは、メンテナンスの課題を示しており、この後者の問題点は、故障後に修理されないときに、車両の操作者が、古い年代の車両の起電力ユニット（すなわち、メインエンジン）のアイドリング時に、保持電力の必要性を満足する様式で動かすことに戻るという点で、特に問題である。

燃料電池は、燃料を、その燃焼によってではなく、電気化学反応によって、使用可能なエネルギーに変換する。 このように、いくつかの欠陥がある可能性がある機械部品を有することに加えて、燃料電池は、ＩＣＥおよび関連する発電源と比較して、いくつかの環境上の利点を有する。 燃料電池系電力系統の範囲内で、ＳＯＦＣは、他の燃料電池構成（例えば、プロトン交換膜またはポリマー電解質膜（いずれかの場合に、ＰＥＭ）では不可能な、燃料の顕著な再生をする必要なく、炭素含有燃料を直接利用することができる能力を利用するという点で、特に有益である。

一形態では、ＳＯＦＣのアノードは、酸素を生じる反応剤（例えば、空気）を電池のカソードに導入すると、酸素イオンがカソードで作られ、これが固体電解質を通って、アノードの溶融金属およびイオン化燃料へと移動するように、燃料含有溶融金属で構成されていてもよい。 対応する固体金属アノードと比較して、溶融金属アノードを使用する顕著な利点の１つは、このアノードでなければ周囲環境に排気される大部分の有害な排気物（典型的には、ＣＯ_２、ＳＯ_２、ＮＯ_ｘおよび粒子状物質の形態）を捕捉することができることである。 残念なことに、燃料電池の構成要素の１つが液体のような状態で含まれると、特に、携帯用途で想定され得る燃料電池の構成に関連する場合には、顕著な取り扱いの問題が生じる。

上述の欠点にもかかわらず、本願発明者らは、ＭＭＡ−ＳＯＦＣを車両系ＡＰＵの電力源として使用すると、ＩＣＥだけではなく、他の形態の燃料電池でもみられない改良された性能を与えつつ、メインエンジンのアイドリングに関連する問題を解決することができることを発見した。 本開示の一実施形態によれば、車両電力系統は、起電力ユニットと、ＡＰＵとを備えており、後者のＡＰＵは、燃料電池の操作によって作られる電流を、車両の負荷に伝えることができるように、ＳＯＦＣ燃料電池が中に配置された容器と、燃料電池と協働する電気回路とを備えている。 燃料電池は、多くの半電池で構成されており、この半電池は、カソードと固体電解質とで構成される。 種々の半電池に加え、燃料電池は、半電池の電解質の少なくとも一部に隣接して配置されるアノードを備えている。 この様式で、空気または関連する酸素を生じる反応剤は、カソードおよび多くの半電池の電解質を通って流れ、液体金属アノードの浴内に含まれる燃料と電気化学的に反応する。 ＡＰＵは、さらに、ＡＰＵ操作中にアノードをその実質的に溶融金属の状態におくために選択的に熱を与えるために、容器または個々の半電池との直接的または間接的な熱交換において配置される１つ以上の加熱要素で構成されていてもよい炉を備えている。

本開示の別の実施形態によれば、車両は、ホイール付きシャーシと協働するガイダンス装置（例えば、ステアリング、ブレーキングおよびアクセラレーション機構のうち１つ以上）、クライメートコントロールシステムと熱的に協働する乗客コンパートメントを備えるプラットフォームで構成される。 車両は、さらに、起電力ユニットとＡＰＵとを備えており、両方ともプラットフォームに固定されている。 従来通り、ＡＰＵは、発電機またはオルタネーターおよびプロセッサ系コントローラのうち１つ以上も有することに加え、容器と、ＳＯＦＣ燃料電池と、炉と、電気回路とを備えている。

本開示のさらに別の実施形態によれば、起電力ユニットとＡＰＵとを備える車両に補助電力を与える方法が開示される。 本方法は、炉を操作し、車両に設置される容器内に配置される燃料電池で構成されるＡＰＵに熱を与えることを含む。 炉によって作られる熱は、酸素を生じる反応剤が、多くの半電池のカソードおよび固体電解質を通って流れるときに、アノードでの１つ以上の電気化学反応を容易にするために、燃料電池のアノード部分が溶融状態になるのに十分な熱である。 燃料電池内で作られる電流を使用し、例えば、クライメートコントロールシステム、照明、情報または娯楽機器、車両に適した他の設備または他の装置など、種々の負荷に電力を供給することができる。

本開示の概念が、特定の燃料電池システム構成を主に参照しつつ、本明細書に記載されるが、その概念は、そのように限定されず、輸送に基づく使用のための任意のＳＯＦＣシステムに適用可能であることが想定される。

本開示の具体的な実施形態の以下の詳細な記載は、以下の図面と組み合わせて読めば、最も良く理解することができ、同様の構造は、同様の参照番号を用いて示されている。
図１は、固体アノードを使用する従来のＳＯＦＣを示す。 図２Ａは、本開示に係るＭＭＡ−ＳＯＦＣアセンブリの単純化された分解等角図である。 図２Ｂは、図２ＡのＭＭＡ−ＳＯＦＣアセンブリからの１個の半電池を示す。 図３は、組み立てられた形態での図２Ａの溶融金属アノードＳＯＦＣアセンブリを示す。 図４は、トラクター−トレーラーのトラクターに配置されたＡＰＵとしての図３のＭＭＡ−ＳＯＦＣアセンブリの概念的な配置の詳細を示す。

図１を参照すると、従来のＳＯＦＣの１個の燃料電池が、従来技術の一実施形態に係る模式的な断面図で示されている。 この従来の燃料電池１において、次の段落で記載されるように、カソード１０とアノード２０は、両方とも、硫黄化反応剤の流れを容易にするために、アノード２０については多孔性酸化物系セラミックから作られ、カソード１０についてはランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）から作られる。 固体電解質（またはさらに単純には、電解質）３０は、カソード１０とアノード２０との間に配置される。 インターコネクト４０は、種々の個々の電池を一緒に（例えば、直列に）電気的に接続するために使用されてもよく、一方、電気回路５０は、アノード２０とカソード１０またはインターコネクト４０に連結し、適切な負荷６０を通って電池内で生成する電流を運ぶことができる。 同様に、吸収層（図示せず）は、減少させないままでいると適切なアノード２０の性能を妨害し得る硫黄を除去するのに役立つように使用されてもよい。 意義深いことに、燃料電池１は、非常に高温で操作するので、軽質および重質の炭化水素燃料を直接的に改変することができるため、高価な貴金属系触媒の必要性が避けられる。

操作において、気体形態の燃料（本明細書では、燃料を生じる反応剤とも呼ばれる）は、インターコネクト４０の中に作られる経路４５に供給され、アノード２０に隣接して流れ、一方、酸化剤（例えば、空気、本明細書では、酸素を生じる反応剤とも呼ばれる）は、カソード１０に隣接して、相当する経路に供給される。 空気中の酸素とカソード１０との接触によって、カソード１０と電解質３０との間に作られた界面層の付近で酸素がイオン化する。 これらの負に帯電した酸素イオン−ｖｅは、電解質３０を介して伝わり、アノード２０に到達し、燃料（Ｈ_２、ＣＯ、ＣＨ_４などのうち１つ以上であってもよい）と電気化学的に反応し、Ｈ_２ＯまたはＣＯ_２のうち１つ以上を生成することができる。 これらの反応（例示的な燃料として水素を用いる）は、以下のように式で表される。
Ｈ_２＋Ｏ_２ ⁻→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ （１）
ＣＯ＋Ｏ_２→ＣＯ_２＋２ｅ⁻ （２）
_１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− （３）
代替的な構成（図示せず）において、燃料電池１の電解質３０は、水素イオンを伝導するような構成であってもよい。

次に、図２Ａ、２Ｂおよび３を参照すると、本開示に係るＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００（本明細書では燃料電池１００とも呼ばれる）の一実施形態が示されており、図２Ｂは、特に、本明細書で半電池１０５と呼ばれる部分を示している。 それぞれの半電池１０５は、電解質１３０を含む、互いに接触するカソード１１０で構成され、両方とも、以下にさらに詳細に記載する、アノード１２０に対するカソード１３０でイオン化された酸素の流れを促進するために、多孔性である。 従来の燃料電池の構成（それぞれアノード、カソードおよび中間の電解質がスタック状または関連する構成で並べられ、高い出力（完全なＭＭＡ）を達成する多くの個々の電池）とは異なり、本開示の内容に含まれるＳＯＦＣ１００は、多くの半電池１０５の周囲に配置された１個のアノード１２０の組み合わせであり、それぞれの半電池１０５が、カソード１１０と電解質１３０で構成されている。 この様式で、１つのアノード１２０を有することは、構築の容易さを促進する。

例えば、限定されないが、電解質１３０は、ジルコニア系電解質またはセリア系電解質から作られてもよい。 特定の実施形態では、ジルコニア系電解質は、イットリアで安定化されたＺｒＯ_２（ＹＳＺ）、スカンジアで安定化されたＺｒＯ_２（ＳｃＳＺ）、カルシアで安定化されたＺｒＯ_２（ＣＳＺ）およびこれらの組み合わせから選択されてもよい。 または、セリア系電解質は、希土類がドープされたセリアを含んでいてもよい。 例えば、セリア系電解質は、ガドリニウムがドープされたセリア（ＧＤＣ）、イットリアがドープされたセリア（ＹＤＣ）、サマリウムがドープされたセリア（ＳｍＤＣ）およびこれらの組み合わせからなる群から選択される。

電解質１３０の組成を選択するとき、（ｉ）燃料電池１００に対して壊滅的な影響を及ぼし得るため、いずれかの電極との可能な化学相互作用が起こり得るかどうか、（ｉｉ）燃料電池１００の操作温度範囲、および（ｉｉｉ）イオン／電気伝導比の値を含め、多くの因子を考慮すべきである。 結果として、これらの因子を確実に充足するために、２種類以上の固体電解質１３０の組み合わせを使用してもよい。 例えば、所望な操作温度で顕著なイオン伝導率に起因して、不安定な固体電解質（溶融金属アノード１２０と相互作用する）が必要な場合には、アノード１２０と固体電解質１３０との間の直接的な接触を避けるために、化学的に安定な固体電解質の薄いコーティングを、電解質／アノード界面で使用してもよい。 同じ技術を使用し、混合したイオン−電気固体電解質１３０が、所望の温度範囲で高い伝導率を示し得る電気伝導率を遮断してもよい。 この場合に、純粋なイオン伝導体（例えば、ＹＳＺ）の薄いコーティングが有益な場合がある。

一方、電解質１３０との無視できる相互作用を有しつつ、さらに高い操作温度範囲で低いＯ_２還元過電位を示す任意のカソード材料を、カソード１１０に使用してもよい。 例えば、限定されないが、カソード１１０は、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、イットリアで安定化されたＺｒＯ_２／ランタンストロンチウムマンガナイト（ＹＳＺ−ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）およびこれらの組み合わせで構成されていてもよい。 例示的な実施形態では、カソード１１０は、ＬＳＭで構成される。

好ましくは、各半電池１０５は、示されているように、細長管状構造を規定し、以下にさらに詳細に記載されるように、このような構成が、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００内での燃料電池の効率的な充填を促進するだけではなく、半電池１０５のメンテナンスのための除去も容易になる。 一形態では、半電池１０５の寸法は、カソード肉厚が約５０００μｍ、電解質肉厚が約５００μｍ、高さが約５００，０００μｍ、内部電解質直径が約５０ｍｍである。 電解質１３０にすぐそばに隣接する領域内で広範囲の金属を確保する様式で、溶融金属の表面張力と、液体ヘッド圧との均衡を促進するのに役立つように、さらなるセラミック系管状構造（図示せず）を使用してもよい。 操作効率を高める様式で、イオン輸送抵抗を低く保つために、電解質１３０を比較的薄くすることが好ましい。 電解質１３０材料が、電流の漏れ（関連する電気伝導率）が同様に低い状態に保持されるような構成であることが、さらに好ましい。 電解質１３０が、高いイオン（例えば、酸素）伝導率と、アノード１２０との無視できる化学相互作用を有することがさらに好ましい。 これらの電解質１３０の適切な固体態様は、純粋なイオンであってもよく、イオン−電気電解質の混合であってもよい。

上の式（１）〜（３）を使用し、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００の一般的な電気化学操作を説明してもよく、ここで、式（３）によれば、カソード１１０は、入口空気流の中のＯ_２を還元し、その後、酸素イオンは、酸化領域で構成される溶融金属アノード１２０に出会うまで、電解質１３０を通って移動し、このアノード１２０で、溶融金属が酸化され、金属酸化物と電子が生成する。 本内容では、「酸化領域」との用語は、アノード１２０と電解質１３０との界面と、酸素イオンが溶融金属と接触し得る溶融金属アノード１２０の任意の領域を包含する。 従って、式（２）の一般化された形態は、以下のように表されてもよい。
ｘＭ（１）＋ｙＯ^２−→ＭｘＯｙ（１）＋２ｙ^ｅ−

ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００は、さらに、溶融金属が硫黄含有燃料と反応する状況で、金属酸化物を還元し、金属硫化物を生成することが可能な再生領域を含んでいてもよい。 本明細書で使用される場合、「再生領域」との用語は、溶融金属と硫黄含有燃料の接触域を包含してもよい。 この再生は、容器１８０の中に配置されていてもよく、または他の方法で以下にさらに詳細に記載する容器１８０の一部として作られる燃料接触部（図示せず）の中で起こってもよい。 密度の低い金属酸化物は、溶融金属浴の上部に移動し、その場で、上の式（１）の一般化である以下に示す様式で、金属酸化物が燃料によって還元される。
ａＭ_ｘＯ_ｙ（１）＋ｂＣ_ｍＨ_ｎ→ｃＭ（１）＋ｄＣＯ_２＋ｅＨ_２Ｏ＋ｆＨ_２

生成した金属種は、溶融物の底部に戻り、サイクルが完成する。上の反応によれば、使用する燃料によっては、水素が生成することがある。 代替例（図示せず）では、さらなる金属酸化物還元のために水素を系内で使用してもよく、または他の用途のために再利用してもよい。 硫黄が燃料内に存在すると、水素存在下、金属種が硫黄成分（ＣＨＳ）と反応し、金属硫化物種といわゆる「アップグレードされた」燃料を生成し、これは、以下の反応では、Ｃ_ｍＨ_ｚとして示されている。
ａＭ（１）＋ｂＣ_ｍＨ_ｎＳ_ｋ＋ｃＨ_２→ｄＭ_ｘＳ_ｙ（１）＋ｅＣ_ｍＨ_ｚ

このアップグレードされた燃料を、上述のものからの式（１）の一般化で示されるように、さらなる金属酸化物還元のために系内で使用することができる。 当業者は、種々の燃料が適していると考えるが、硫黄含有燃料は、水素燃料（上述のような）および炭素燃料、炭化水素燃料、油および気体、およびこれらの混合物に由来する、固体硫黄およびスルホン、スルホキシドが低い値の水素硫化物であってもよい。 炭素含有燃料との還元反応は、望ましいことに、大きな自由エネルギーを有するため、理論により束縛されないが、炭素含有燃料が望ましいだろう。

溶融金属アノード１２０で酸化が起こった後、溶融金属が、金属酸化物を含有する溶融金属に燃料を運ぶ別個の燃料接触部へと移されてもよい。 この一形態では、一方向の拡散を優先的に可能にするセラミックまたは金属の多孔性管を使用してもよい。 例えば、気体燃料の場合、気体種のみが孔を通過することができる（燃料の内側への拡散と、生成物は外側への拡散）。 固体燃料および気体／液体燃料の場合には、多孔性管の代わりに、意のままに開けられる容器を使用してもよい。 場合により、溶融流の速度が不十分な場合、溶融金属酸化物の拡散と関連する電気化学反応を促進するために、圧送システム（図示せず）および撹拌システムを使用してもよい。

特に、図２Ａおよび図３を参照すると、これらの半電池１０５のアレイＡは、炉１７０の中に配置されていてもよく、これが、タンク１８０の形態の一般的に液密容器の中に入れられる。 アレイの開口部１９５を有する蓋１９０を使用し、炉１７０またはタンク１８０のいずれかの開口部を覆ってもよく、一方、高温金属密封部（ここで、図２Ａでは、炉１７０と蓋１９０の間の接触表面に沿って配置されるＬ字形状の金属ガスケット状高温剛性インサート１９７の対として示され、図２Ａおよび２Ｂでは、各半電池の近位端１０５Ａとそのそれぞれの開口部１９５との間に配置されるリング１９８として示される）は、溶融金属アノード１２０の内容物が、実質的に漏れの無い状態に確実に留まるようにしてもよい。 好ましい形態では、溶融金属アノード１２０表面と蓋１９０の内表面の上にある小さな体積空間（すなわち、場１７２）は、不活性ガス環境にされる。 任意の形態では、容器１８０は、高温の溶融金属アノード１２０から周囲環境をボード状またはブランケット状に隔離するために、その外側表面に隣接して配置される断熱材を含む。 １つの好ましい形態では、ボード型またはブランケット型の断熱は、厚みが約５０ｍｍであり、０.１５Ｗ／ｍＫの低い熱伝導率を有し、これにより、ＡＰＵ成分に対する損傷を避けるのに十分に低い温度に、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００の一部が、ＡＰＵ（以下にさらに詳細に記載される）の残りにさらされた状態に保持しつつ、溶融金属は、１３００℃（または１５７３Ｋ）までの所望な操作温度が可能になるはずである。

ここからわかるように、アレイ開口部１９５は、種々の半電池１０５を受け入れるような大きさおよび形状を有している。 意義深いことに、半電池１０５と、開口部１９５を有する穴の開いた蓋１９０との間の開放端の設計によって、除去可能なモジュラーアセンブリの一部として各半電池１０５を単純に挿入し、引き抜くことができ、半電池１０５だけではなく、タンク１８０内に配置された加熱要素または他の構成要素のためのメンテナンスの容易さを促進するという点で価値が高いだろう。 この様式で、１つ以上の半電池１０５は、上から容易に接近可能であり、フランジが付いた表面（本明細書ではフランジ１０５Ｃとも呼ばれる）に沿って容易につかむことができ、１つ以上の半電池１０５の保守点検または交換をする必要がある場合には、これらの半電池１０５と蓋１９０との間の放出可能なカップリングによって、半電池１０５の除去および挿入がますます容易になる。 この様式で、蓋１９０と半電池１０５は、モジュラーアセンブリを構成し、少なくとも半電池１０５と、ある構成では、蓋１９０も同様に、複雑な工具を使用する必要なく、容器から除去可能である。 一般的な意味で、さらに大きなアセンブリと実際に接合した構成要素は、互いに放出可能に接続することが可能なことが理解されるが、本文中、工具、関連する複雑な組み立て／分解手順を必要とせずに、または１つまたは両方の構成要素に対する損傷が起こらずに、挿入または除去のために蓋１９０の中に受け入れられるか、または蓋１９０の上に配置される半電池１０５を有することを指すという点で、より制限的である。 別の実施形態では、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００の残りまたは周囲環境からの溶融金属アノード１２０の流体の隔離をさらに促進するために、このモジュラーアセンブリを、上述のような密封部１９７、１９８の１つ以上と組み合わせてもよい。

アノード２０が金属多孔性セラミック（サーメット）から作られる図１の燃料電池１とは異なり、アノード１２０は、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００の操作中に溶融状態を占め得る金属であるように構成される。 アノード１２０は、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００操作の間、流体状態で存在していてもよいため、多くのカソード１１０および電解質１３０と電気化学的に協働しつつ配置される、１個のアノード１２０を含むことによって、従来の燃料電池に対してＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００が単純化されるだけではなく、このようなアノード１２０を、非構造的な要素として設計することができ、以下にさらに詳細に記載するＡＰＵ２８０の構築において、大きな設計の柔軟性が可能になる。 例えば、この種の設計によって、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００操作を伴う温度変化または化学変化中にアノード１２０内で起こり得るＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００構造変化の残りから隔離することができ、ひいては、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００内の剛性の固定された構成要素とは異なり、アノード１２０を交換することができる。 一形態では、アノード１２０は、コンポジット様の特性を示してもよく、金属は、セラミックマトリックスに組み込むことができるスズ（Ｓｎ）またはスズ系アロイであってもよい。 望ましい属性の１つは、アノード１２０を構成する材料が、高い酸素イオン移動性を示すことである。 意義深いことに、溶融金属アノード１２０を用いたＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００は、既存の燃料の内部構造に容易に利用可能な既知の形態の炭素系燃料（例えば、低硫黄ディーゼル）と適合性である。 他の金属も同様に使用されてもよい。 例えば、アノード１２０は、溶融アンチモン（Ｓｂ）を使用してもよく、高い電力密度（９７３Ｋで３００ｍＷ／ｃｍ^２を超える）は、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００の大きさを小さくするのに役立つだろう。 同様に、アンチモンを、スズに加え、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）および鉛（Ｐｂ）を含む種々の他の金属との混合物で使用してもよい。 アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、タリウム（Ｔｌ）およびポロニウム（Ｐｏ）、および隣接するＩＢ族およびＩＩＢ族の遷移金属、例えば、銀（Ａｇ）、水銀（Ｈｇ）またはカドミウム（Ｃｄ）を含む、他の金属の組み合わせも同様に使用してもよい。 １つの好ましい形態では、アノード２０に使用される金属または金属の組み合わせは、融点が約７５０℃（１０２３Ｋ）より低くなるように設計される。 全ての場合に、アノード１２０は、これに従って、酸化する傾向が高い金属を使用してもよい。これらの金属は、優先的に酸化し、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００が、その金属が純粋な形態であるように挙動する。 この優先的な酸化から生成する酸化物が、電池の操作温度より高い融点を有する場合（例えば、ほぼ１０００Ｋ以下で操作する電池において、融点が約１９０３ＫのＳｎＯ_２、または融点が約２１８５ＫのＩｎ_２Ｏ_３）、酸化物は、電解質１３０とアノード１２０の間の界面に堆積する場合があり、電池の性能を悪化させる。 Ｓｂ−Ｐｂ系において、ＰｂＯは約１１６１Ｋの温度で溶融し、意義深いことに、これはＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００の操作温度である９７３Ｋより高いが、アンチモンは優先的に酸化され、各半電池１０５は、アノード１２０が純粋なアンチモンを用いている場合と同様に挙動することができる。 以下の表１に示されるように、金属、酸化物または硫化物形態のいずれかによらず、融点が比較的均一であるため、アンチモンが適切な選択肢である。

ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００のための硫酸化領域を含むことが望ましいだろう。 本明細書で使用される場合、「硫酸化領域」は、金属硫化物をさらに生成するための溶融金属と硫黄含有燃料の接触域を包含し、次いで、これを電気化学的に酸化させ、電気を作り出してもよい。 この硫酸化は、上述の再生に使用されるのと同様の様式で、燃料接触部で起こり得る。 上述のように、これらの金属硫化物は、系中で電気化学的に酸化され、電気をさらに作り出してもよい。 代替的な実施形態では、硫酸化領域は、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００と液体連通状態で、燃料接触部内に別個に含まれていてもよい。 上述の金属／金属酸化物サイクルで使用される燃料接触部と同様に、このような燃料接触部は、選択的な（または一方向の優先的な）燃料拡散のための多孔性管を含んでいてもよい。

本明細書に記載されるように、アノード１２０の溶融金属は、硫黄担体／捕捉剤として本質的に機能してもよい。しかし、小さな電気触媒活性の場合には、電気化学酸加速度をさらに高めるために、従来の固体多孔性金属／金属酸化物アノード（図示せず）も使用可能である。 例えば、溶融金属アノード１２０と電解質１３０の間に第２の固体金属アノード（図示せず）を含むと、この第２の固体金属アノードで作られる新しい金属硫化物種を用い、金属酸化物種から金属種への還元を促進するのに役立つだろう。 次いで、後者の電解質１３０が、電解質１３０から供給される酸素イオン種によって電気化学的に酸化され、電気と気体状ＳＯ_２が生成する。 酸化に適した種々の金属を、第２の固体金属アノード（例えば、溶融金属アノード１２０の金属よりも硫化されやすさが低い（すなわち、安定性が低い金属硫化物）金属またはセラミック−金属材料）で利用してもよい。例としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）およびこれらの組み合わせが挙げられる。 別の実施形態では、このような第２の固体金属アノードは、Ｆｅを使用してもよく、一方、溶融金属にＳｂを使用してもよい。 第２の固体金属アノードと溶融金属アノード１２０の他の組成の組み合わせも、本開示の範囲内である。

既に記載したように、アノード１２０での金属生成と並行して、金属酸化物も電気化学的に生成してもよい。 金属酸化物種が溶融物において望ましくない場合、犠牲還元剤（ＳＲＡ、図示せず）をＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００の下流に使用してもよい。 一実施形態では、ＳＲＡは、金属酸化物種を金属とＣＯ_２に還元するためのグラファイトロッドであってもよい。 このような状況では、この系からＣＯ_２をパージするための隣接する開口部をさらに有していてもよい。 別の実施形態では、ＳＲＡは、溶融金属アノード１２０を構成する金属よりもきわめて酸化されやすい金属（固相）であってもよい。 金属の酸化されやすさの指標は、金属酸化物生成自由エネルギーであってもよい。 例えば、溶融金属アノード１２０としてＳｂの場合には、ＳＲＡの金属は、Ｆｅ、ジルコニウム（Ｚｒ）、マンガン（Ｍｎ）、タンタル（Ｔａ）、ケイ素（Ｓｉ）またはチタン（Ｔｉ）、およびこれらの組み合わせであってもよい。 このような部分は、寿命が限られており、完全に酸化されると交換する必要があるという点で、犠牲の性質を有すると理解される。

ＳＯ_２除去および処理装置が、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００の下流に含まれていてもよい。 例えば、ＳＯ_２除去装置は、例えば、湿式スクラバーユニット、スプレー乾燥ユニット、湿式Ｈ_２ＳＯ_４処理ユニット、ＳＮＯ_ｘ燃焼排気脱硫ユニットおよびこれらの組み合わせなどの１つ以上のユニットを備えていてもよい。 代替的な形態では、触媒ユニット（例えば、Ｃｌａｕｓユニットの触媒部分と同様のもの）を、アノード１２０の下流に組み込み、Ｈ_２Ｓを原子状硫黄に変換してもよい。 一般的に、このようなユニットは、気体状Ｈ_２Ｓに、約１０００℃の温度で準化学量論的な燃焼を行わせ、以下に示す気体状のＳＯ_２を生成する。

これにより、気体状Ｈ_２Ｓと反応し、以下に示すような原子状硫黄が生成し、ＳＯ_２を除去する。

特に図２Ｂを参照すると、それぞれの半電池１０５を構成するカソード１１０および電解質１３０の管状の性質は、試験管に似ている。 カソード１１０は、管の内表面の中に体積Ｖを形成し、この体積Ｖは、近位端１０５Ａの入口と、閉じた底部または遠位端１０５Ｂとの間に伸びる反応剤の流れ場の経路を規定する。 フランジ１０５Ｃは、近位端１０５Ａにある反応剤入口の周囲に形成されており、半電池１０５は、それぞれの開口部１９５を介し、蓋１９０の上に支えられていてもよい。 体積Ｖによって規定される流れ場は、近位端１０５Ａからの酸素を生じる反応剤Ｒ_Ｏを、カソード流れ場を通り、半電池１０５を出て近位端１０５Ａを通るように向けさせる構成である。 各半電池１０５の閉じた遠位端の構造のため、連続した流れを促進し（加圧条件下で）、流体の澱みを避けるために、開放近位端１０５Ａではなく、閉じた遠位端１０５Ｂに隣接して導入される（例えば、体積Ｖ内に適合する大きさの細長い管（図示せず）を介して）酸素を生じる反応剤を含むことが利点であろう。

図２Ａを再び参照すると、場１７２は、管状半電池１０５のアレイＡに隣接して規定された空間であり、アノード１２０が溶融状態にある場合、半電池１０５の周囲に形成され、半電池１０５を沈める浴として作用し、それによって、正電極および不電極の両方を有するＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００が完成する。 このような浸漬は、部分的、完全、またはそのあいだのどこかであってもよく、一方、場１７２によって規定されるアノード１２０の浴は、炉１７０の中で直接的に行われてもよく（炉１７０が、これより大きなタンク１８０の中に入れられる構成で）、または炉１７０が遠隔から加熱要素、熱交換器などとして作用するタンク１８０中で直接的に行われてもよい。 アノード１２０浴が、炉１７０および容器１８０のいずれかまたは両方に配置されていてもよい状況（後者が示されている）、これら２つの容器の間に配置されていてもよい状況も存在し得る。 アノード１２０を確実に溶融形態にするために、炭素系燃料（例えば、ディーゼル燃料）を、８００℃（すなわち、１０７３Ｋ）程度の温度でアノード１２０と混合する。 異なる金属の組み合わせ（例えば上述のもの）を使用する構成において、炉１７０または他の加熱機器によって作られる局所的な温度は、アノード１２０が操作中に適切な溶融状態に確実になるようにこれに従って調整されてもよいことが理解されるだろう。 上述の金属の選択に加え、金属イオン封鎖剤は、ＣＯ_２およびＳＯ_２を捕捉するのに役立つように、アノード１２０の中に分散していてもよい。このような金属封鎖は、望ましくない排気を減らし、その他アノード１２０の周囲の毒として作用し得る硫黄の存在を減らすのに役立つだろう。

上述のように、炉１７０は、種々の別個の抵抗要素または他の加熱要素として構成さえていてもよく、タンク１８０の内側または外側に配置されていてもよく、このような選択的な加熱を達成するために、それ自身が、個々の半電池１０５および周囲のアノード１２０との直接的または間接的な熱交換関係にあってもよい。 加熱が遠隔によって与えられる構成（付随する熱交換路または関連する回路を伴い、または伴わず、加熱要素を使用することによって、どれも図示されていない）では、ボックス状の炉１７０構造によって与えられる流体を含有する余剰物の必要がない。 これらの形態は全て、本開示の範囲内であり、炉１７０の定義に含まれ得ることが理解されるだろう。 従って、本発明の内容では、炉１７０が、操作すると、通常の操作モード中にアノード１２０が溶融金属状態であることを確実にするためにＭＭＡ−ＳＯＦＣ １００に十分な熱を与える任意の機器であることが理解されるだろう。 炉の構成にかかわらず、温度自動調節コントローラ（図示せず）を使用し、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００を好ましい操作温度、例えば、アノード１２０を操作中に溶融状態に確実にするのに必要な温度に維持してもよい。

次に図４を参照すると、トレーラー牽引トラクターの、トラクターの形態の車両２００が示されている。 牽引されるプラットフォームまたはシャーシ２２０の上に配置され、ホイール２３０によって支えられ、その移動がステアリングホイール、アクセラレータ、ブレーキまたは関連するガイダンス装置によって制御可能な運転室２１０に加え、車両２００は、起電力ユニットとして作用するメインエンジン２４０からの機械的な回転力を受け入れるドライブトレインを備えている。 好ましい形態では、メインエンジン２４０は、燃料タンク（図示せず）からのディーゼル燃料を受け入れるディーゼルエンジンである。 運転室２１０は、照明、コンピュータ、テレビジョン、ラジオ、空調機、マイクロ波オーブン、冷蔵庫、ファンなどの多くの電力機器を備えており、全てが電気回路２５０を介して接続しており、一形態では、メインエンジン２４０と回転可能に協働する発電機またはオルタネーター２６０または１つ以上のシャーシに設けられた電池２７０からの電流を受け入れてもよく、これらを使用し、メインエンジン２４０のスタートアップ中に主要なクランク力を与える。

シャーシ２２０に設置されたＡＰＵ２８０を使用し、これらの機器の一部または全てに、運転室２１０が冷たい外気温にさらされる気候において、運転手の快適さのために電力と熱を与えてもよい。 さらに、ＡＰＵ２８０（および発電機またはオルタネーター２６０）を使用し、電池２７０を充電してもよい。このような充電は、メインエンジン２４０が操作中であるか否かに拘わらず行われてもよく、一方、発電機またはオルタネーター２６０は、メインエンジン２４０が操作中の間にのみ、操作可能である。 １つの好ましい形態では、ＡＰＵ２８０は、メインエンジン２４０としての同じ燃料供給（図示せず）に流体的に接続しており、電気回路２５０を介して電流を与え、負荷Ｌの顕著な部分を構成する運転室２１０と共に種々の機器に電力を与える。

示されているように、ＡＰＵ２８０が、運転室２１０のすぐ後ろにあるようにシャーシ２２０に設置される。 一次電力源が小さなディーゼルエンジンである従来のトラクター−トレーラーＡＰＵとは異なり、本開示の一態様に係るＡＰＵ２８０の電力源は、上述のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１００である。 ＡＰＵ２８０のバランスオブプラント（ＢＯＰ）を構成するさらなる構成要素（図示せず）は、加熱システム、コンプレッサ、エバポレータ、コンデンサおよび関連する経路を備える空調システム、プロセッサ系コントローラを備えており、当業者に理解されるだろうが、別個の加熱冷却機能のいくつかは、その必要に応じて運転室２１０に温かい空気または冷たい空気を与えるために、さらに大きなクライメートコントロールシステムの一部として組み込まれてもよい（加熱換気空調（ＨＶＡＣ）システムとも呼ばれる）。 本内容では、「クライメートコントロールシステム」との用語は、加熱システムおよび空調システムの片方または両方を包含することを意味しており、対応する記載は、本文から明らかであろう。 これに加え、ＡＰＵ２８０は、モータ／発電機、発電機またはオルタネーターシステム（インバータを伴うか、または伴わない）およびプロセッサ系コントローラを、対応する電気回路と共に備えており、必要性が生じたときに、運転室２１０から種々の構成要素を個々に選択的に操作することができる。 ＡＰＵ２８０のＢＯＰを構成するこれらの構成要素の多くまたは全ては、好ましくは、容器または適切な封止部に収容され、上述のようなフレームレイルまたは他のシャーシ部材２２０の１つに設置される。 さらに、ＡＰＵ２８０を使用し、車両２００内の電力駆動力要素を与えてもよく、例えば、メインエンジン２４０またはメインエンジン２４０によって運ばれる燃料のブロックを加熱し、冷温時の開始を補助してもよい。

好ましい形態では、ＡＰＵ２８０は、約１０ｋＷの出力を与えるような大きさである。 さらに、種々の燃料（水素、天然ガスなどを含む）を操作することができるが、ある好ましい形態では、ＡＰＵ２８０は、車両２００に既に存在し、メインエンジン２４０に対する燃料を与えるために使用される天然のディーゼル燃料供給を使用することができる。 燃料を電気エネルギーに直接変換することによって、エンジンで見られる典型的な熱−機械変換を行うことなく、全てのＩＣＥに固有の最大のＣａｒｎｏｔ効率はもはや適用されず、高い効率を達成することができる。 効率の向上に加え、排気が少なく、操作ノイズが少ないことも、ＡＰＵ２８０の特徴である。

本開示に記載される特徴を記載し、定義する目的で、あるパラメータまたは別の変数の「関数」である変数に対する本明細書での言及は、その変数が、排他的に、列挙されたパラメータまたは変数の関数であることを示すことを意図したものではない。 むしろ、列挙したパラメータの「関数」である変数に対する本明細書での言及は、その変数が、１個のパラメータまたは複数のパラメータの関数であってもよいという包括的なものであることを意図している。 本開示の構成要素の本明細書での引用は、意図した使用の引用とは対照的に、特定の性質または機能を特定の様式で実現するために、特定の様式で「構成」されるか、または「プログラミング」されており、構造的に引用されていることを同様に示す。 より特定的には、ある構成要素が「プログラミング」され、または「構成」されている様式に対する本明細書での言及は、その構成要素の既存の物理的状態を示し、それ自体が、その構成要素の構造的特徴の明確な引用と解釈されるべきである。

本開示の特定事項を詳細に、具体的な実施例を参照することによって記載したが、本明細書に開示される種々の詳細は、本記載に添付するそれぞれの図面に特定の要素が示されている場合であっても、これらの詳細が、本明細書に記載する種々の実施形態の必須要素である要素に関連することを暗示すると解釈すべきではないことを注記しておく。 さらに、改変および変更が、限定されないが、添付の特許請求の範囲に定義される実施形態を含め、本開示の範囲から逸脱することなく可能であることは明らかであろう。 より特定的には、本開示のいくつかの態様が、好ましいまたは特に有利であると本明細書で特定されているが、本開示は、これらの態様に必ずしも限定されないことが想定される。

以下の特許請求の範囲の１つ以上が、遷移句として「ｗｈｅｒｅｉｎ」という用語を利用することを注記しておく。 本開示に記載される特徴を定義するために、この用語は、構造の一連の特徴の引用を導入するために使用される特許請求の範囲では包括的な遷移句として導入され、さらに一般的に使用される包括的な用語である「〜を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と同様の様式で解釈すべきであることを注記しておく。

「好ましくは」、「一般的に」および「典型的に」などの用語は、本明細書で特許請求の範囲を限定するためには利用されず、または特定の特徴が、本明細所に記載する構造または機能にとって重要であるか、必須であるか、またはさらに重要であることを暗示するためには利用されない。 むしろ、これらの用語は、単に、開示される特定事項の特定の実施形態で利用されてもよく、または利用されなくてもよい、代替の特徴またはさらなる特徴を強調することを意図している。 同様に、「実質的に」および「おおよそ」という用語、およびこれらの変更語が、任意の定量的な比較、値、測定または他の表示に属し得る固有の不確かさの程度を表すために本明細書で利用されることを注記しておく。 このように、これらの用語の使用は、定量的な表示が、問題としている特定事項の基本的な機能を変えることなく、標準的な参照から変動し得る程度を表す。

特許請求の範囲の特定事項の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の実施形態に対し、種々の改変および変更がなされてもよいことは当業者には明らかであろう。 したがって、本明細書が、改変および変更が、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲にある限り、本明細書に記載する種々のこのような実施形態の改変および変更を包含することを意図している。

Claims (21)

1. 車両電力系統であって、
   起電力ユニットと、
   補助電力ユニットとを備え、補助電力ユニットが、
   容器と、
   前記容器内に配置される燃料電池であって、前記燃料電池が、
   それぞれがカソードと固体電解質とを有する複数の半電池と、
   溶融金属を含むアノード浴とを備え、前記半電池の少なくとも一部が前記浴に部分的に沈んでおり、前記補助電力ユニットを操作すると、酸素を生じる反応剤が前記半電池を通って流れ、前記浴の中の前記溶融金属および燃料を生じる反応剤のうち少なくとも１つと電気化学的に反応する、燃料電池と、
   前記燃料電池と熱的に協働する炉であって、前記炉を操作すると、前記浴中の前記溶融金属が実質的に溶融金属の状態で維持される、炉と、
   前記燃料電池によって作られる電流が、前記電気回路を通って車両の負荷に運ばれてもよいように、前記燃料電池と協働する、電気回路とを備える、車両電力系統。
2. 前記容器の中の前記浴の流体の実質的に完全な隔離を確保するために、前記補助電力ユニットの中に配置された少なくとも１つの密封部をさらに備えている、請求項１に記載の車両電力ユニット。
3. 前記溶融金属が、スズ、アンチモン、ビスマス、スズおよびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項３に記載の車両電力系統。
4. 前記炉が、前記容器と前記燃料電池との間に配置される、請求項１に記載の車両電力系統。
5. 前記浴と、前記補助電力ユニットに近接する周囲環境との熱的な連結を減らすために、前記容器の表面に隣接して配置された断熱材をさらに含む、請求項４に記載の車両電力系統。
6. それぞれの半電池の前記カソードと前記電解質が、前記浴に沈められた遠位端で閉じており、その近位端は、前記浴に沈められていないが、前記酸素を生じる反応剤と流体的に協働する開口部を規定する細長管状構造を規定する、請求項１に記載の車両電力系統。
7. 前記細長管状構造が、前記近位端に隣接するフランジが付いた表面を規定する、請求項６に記載の車両電力系統。
8. 前記容器と協働する穴の開いた蓋をさらに備えており、容器の上に配置されると、前記穴の開いた蓋に規定されたそれぞれの開口部が、前記フランジが付いた表面との接触によって、対応する半電池の１つを受け入れ、それにより前記半電池がその中に放出可能に受け入れられる、請求項７に記載の車両電力系統。
9. 前記負荷が、車両のクライメートコントロールシステムおよび前記起電力ユニットからなる群から選択される、請求項１に記載の車両電力系統。
10. 前記浴が、浴の中に配置された金属イオン封鎖剤をさらに含む、請求項１に記載の車両電力系統。
11. 前記補助電力ユニットが、（ａ）発電機またはオルタネーターおよび（ｂ）前記電気回路を通る前記車両の負荷への前記電流の流れを制御するためのプロセッサ系コントローラのうち少なくとも１つをさらに備える、請求項１に記載の車両電力系統。
12. ホイール付きシャーシ、前記ホイール付きシャーシと協働するガイダンス装置、クライメートコントロールシステムと熱的に協働する乗客コンパートメントを備えるプラットフォームと、
    前記プラットフォームに固定された起電力ユニットと、
    前記プラットフォームに固定された補助電力ユニットとを備え、補助電力ユニットが、
    容器と、
    前記容器内に配置される燃料電池であって、前記燃料電池が、
    それぞれがカソードと固体電解質とを有する複数の半電池と、
    溶融金属を含むアノード浴とを備え、前記半電池の少なくとも一部が前記浴に部分的に沈んでおり、前記補助電力ユニットを操作すると、酸素を生じる反応剤が前記半電池を通って流れ、前記浴の中の前記溶融金属および燃料を生じる反応剤のうち少なくとも１つと電気化学的に反応する、燃料電池と、
    前記燃料電池と熱的に協働する炉であって、前記炉を操作すると、前記溶融金属アノード浴中の前記溶融金属が実質的に溶融金属の状態で維持される、炉と、
    発電機またはオルタネーターのうち少なくとも１つと、
    プロセッサ系コントローラと、
    （ａ）前記燃料電池、（ｂ）発電機またはオルタネーターのうち前記少なくとも１つ、（ｃ）前記燃料電池によって作られる電流が、前記電気回路を介し、前記起電力ユニットおよび前記クライメートコントロールシステムのうち少なくとも１つに運ばれてもよい前記コントローラと協働する、電気回路を備える、車両。
13. 前記車両のプラットフォームが、トラック、バス、車、バン、二輪者、船、飛行機および宇宙船からなる群から選択される、請求項１２に記載の車両。
14. 前記起電力ユニットが、ディーゼルエンジンを備えている、請求項１２に記載の車両。
15. 前記ディーゼルエンジンおよび前記補助電力ユニットが、両方とも、前記車両に備蓄される共通の燃料源と流体的に協働する、請求項１４に記載の車両。
16. 前記補助電力ユニットが、さらに、前記容器の中の前記溶融金属アノードの実質的に敢然な流体の隔離を確実にするために、その中に配置される少なくとも１つの密封部を備えている、請求項１２に記載の車両。
17. 起電力ユニットと補助電力ユニットを備える車両に補助電力を与える方法であって、当該方法は、
    炉を操作し、前記車両に設置される容器内に配置された燃料電池を備える前記補助電力ユニットに熱を与え、前記熱が、前記燃料電池のアノード浴に含まれる金属を実質的に溶融状態に確実にすることと、
    酸素を生じる反応剤を、複数の半電池を通り、前記浴へと通し、各半電池が、カソードと固体電解質とを備え、前記複数の半電池の少なくとも一部が、前記浴に沈められていることと、
    前記溶融金属の少なくとも一部を、前記酸素を生じる反応剤を用いて酸化することと、
    前記酸化された溶融金属を、前記浴内に存在する燃料を生じる反応剤を用いて還元することと、
    前記燃料電池によって作られる電流を、前記車両に配置された電気負荷およびクライメートコントロールシステムのうち少なくとも１つに供給することと、
    を含む、方法。
18. 前記補助電力ユニットの操作が、前記起電力ユニットが操作されない期間に起こる、請求項１７に記載の方法。
19. 前記補助電力ユニットで使用される前記燃料を生じる反応剤が、前記起電力ユニットに使用されるものと同じである、請求項１７に記載の方法。
20. 前記半電池が、それぞれの遠位端が、前記浴に沈められた封止部を規定し、その近位端が、前記浴に沈められていないが、前記近位端と遠位端との間の前記管状構造内を流れるのを容易にするために前記酸素を生じる反応剤と流体的に協働する開口部を規定する細長管状構造を規定し、前記細長管状構造が、前記管状構造のそれぞれがその中に適合するように前記近位端に隣接するフランジが付いた表面を規定し、前記容器の上側部分として形成された穴の開いた蓋によって構造的に支えられる、請求項１７に記載の方法。
21. 前記穴の開いた蓋に規定されるそれぞれの開口部が、前記フランジが付いた表面との接触によって前記半電池の対応する１つを受け入れ、前記半電池が、その中に放出可能に受け入れられる、請求項２０に記載の方法。

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