(57)【要約】液状アノードを有する電気化学的電池が提供される。好ましくは、この液状アノードは、融解塩および燃料を含有し、この燃料は、好ましくは、かなりの炭素原子含有量を有する。この燃料の供給は、好ましくは、このアノードにおいて、連続的に補充される。この燃料が、炭素原子を含有するか、または炭素原子に熱分解する場合、Ｃ＋２Ｏ２−→ＣＯ２＋４ｅ−の反応が、アノードにおいて起こり得る。この電気化学的電池は、好ましくは、固体電解質を有し、この固体電解質は、イットリウムで安定化されたジルコニア（ＹＳＺ）であり得る。この電解質は、固体カソードまたは液状カソードに接続され、このカソードは、空気のような酸化剤の供給を与えられる。Ｏ２−のようなイオンが、この電解質を通過する。Ｏ２−が、アノードからカソードへとこの電解質を通過する場合、このカソードにおける可能な反応は、Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−であり得る。
2007538379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、以下：
（ａ）アノード集電装置として働く導体、
（ｂ）液状アノード、
（ｃ）該液状アノード中に分散する燃料、
（ｄ）固体の酸素イオン伝導性電解質、
（ｅ）固体の気体拡散カソード、
（ｆ）気体酸化剤のための第一の入口、
（ｇ）該燃料電池の作動の間に発生する気体のための出口、
を備える、燃料電池。
【請求項２】
前記液状アノードを再循環させるための、アノード再循環システムをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記液状アノード中の燃料の供給を補充するための、燃料補充システムをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
電池の作動の間に蓄積する前記液状アノードの燃料酸化生成物および不純物を除去するための、液状アノード浄化システムをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード集電装置が、前記液状アノードの通過のためのチャネルを形成する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料が、炭素含有物質、金属、または炭化水素のうちの１つから選択される、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料が、タール、炭素原子、石炭、コークス、バイオマス、炭素含有廃棄物、またはアルミニウムである、請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料が、固体である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記燃料が、固体粒子の形態である、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記燃料が、液状炭化水素または融解炭化水素である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記燃料電池の作動の間に発生した気体のいくらかまたは全てを閉じ込め、これによって、該気体が大気中に分散されることを回避するためのシステムをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１２】
液状アノード出口を備え、該液状アノード出口は、液状アノードと、該燃料電池を離れる気体燃料酸化生成物との熱を利用するための、熱交換器に接続されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
使用済み酸化剤気体のための第二の出口をさらに備え、該第二の出口は、前記燃料電池を離れる使用済み酸化剤気体の熱を利用するための熱交換器に接続されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１４】
石炭およびコークスを燃料として使用して、少なくとも５０ｍＷ／ｃｍ２の電力密度が得られ得る、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１５】
バイオマス、タール、炭素含有廃棄物、または金属を燃料として使用して、少なくとも３５ｍＷ／ｃｍ２の電力密度が得られ得る、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１６】
アセチレンブラックを燃料として使用して、少なくとも５０ｍＷ／ｃｍ２の電力密度が得られ得る、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記液状アノードが、融解塩、融解酸化物、またはこれらの混合物を含有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記液状アノードが、アルカリ塩を含有する、請求項１７に記載の燃料電池。
【請求項１９】
燃料と混合された前記液状アノードが、電子伝導性である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項２０】
前記液状アノードが、酸素イオン伝導性である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項２１】
前記固体電解質が、酸素イオン伝導性である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項２２】
前記カソードが、前記電解質に隣接した多孔性の層を備える、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項２３】
前記カソードが、酸化剤と混合された液体を含有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項２４】
前記カソードが、イオン性液体を含有する、請求項２３に記載の燃料電池。
【請求項２５】
前記電解質が、およそ管状の形状である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項２６】
前記カソードが、前記電解質と同心状のおよそ管状の形態である、請求項２５に記載の燃料電池。
【請求項２７】
前記電解質が、およそ平坦な形状である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項２８】
前記電池が、燃料および酸化剤のためのチャネルを有するモノリシックな構成を有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項２９】
電気的に相互接続された、請求項１に記載の２つ以上の燃料電池を備える、燃料電池アセンブリ。
【請求項３０】
電気的に相互接続された、請求項１に記載の２つ以上の燃料電池を備える、熱併給発電システム。
【請求項３１】
端子を有する負荷装置に電流を供給するためのプロセスであって、該プロセスは、以下の工程：
（ａ）燃料を液状アノードと混合する工程、
（ｂ）該液状アノードを、固体の酸素イオン伝導性電解質と接触させる工程、
（ｃ）該燃料を、該電解質から該液状アノードに入る酸素イオンと反応させて、電子を放出させる工程、
（ｄ）アノード集電装置を介して、放出された電子を収集する工程、
（ｅ）酸化剤を、該固体電解質に接続されたカソードに供給する工程、
（ｆ）カソード集電装置を介して電子を供給することによって、該カソードにおいて還元反応を起こし、これによって、該電解質を通って移動する酸素イオンを生成させる工程、
（ｇ）該カソード集電装置および液状アノード集電装置を、該負荷装置の端子に電気的に接続する工程であって、供給される電流は、電池電力密度５０ｍＷ／ｃｍ２で該負荷装置に対してエネルギーを移動させるために十分である、工程；
を包含する、プロセス。
【請求項３２】
前記燃料は、炭素含有物質、金属、または炭化水素のうちの１つから選択される、請求項３１に記載のプロセス。
【請求項３３】
前記液状アノードを再循環させる工程をさらに包含する、請求項３１に記載のプロセス。
【請求項３４】
前記液状アノード中の燃料の供給を連続的に補充する工程をさらに包含する、請求項３１に記載のプロセス。
【請求項３５】
前記プロセスの間に発生する気体のいくらかまたは全てを閉じ込め、これによって、該気体が大気中に分散されることを回避する工程をさらに包含する、請求項３１に記載のプロセス。
【請求項３６】
前記カソード、前記アノード、および前記電解質が、燃料電池の一部を形成し、前記プロセスが、該カソードまたは電解質の近隣に出る気体の熱を利用して、該燃料電池を加熱する工程をさらに包含する、請求項３１に記載のプロセス。
【請求項３７】
前記液状アノードが、融解塩、融解酸化物、またはこれらの混合物を含有する、請求項３１に記載のプロセス。
【請求項３８】
前記液状アノードが、アルカリ塩を含有する、請求項３７に記載のプロセス。
【請求項３９】
前記電解質が、およそ管状の形状である、請求項３１に記載のプロセス。
【請求項４０】
前記カソードが、前記電解質と同心状のおよそ管状の形状である、請求項３９に記載のプロセス。
【請求項４１】
前記カソード集電装置および前記液状アノード集電装置を電気的に接続する工程が、１つ以上の燃料電池を通過する電気接続を作製する工程を包含する、請求項３１に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電気化学的電池に関し、そして特に、水素以外の燃料を直接使用して、燃料電池として作動することが可能な電気化学的電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学エネルギーを電気に直接（１工程で）変換するための代表的なデバイスは、燃料および酸化剤を、試薬として利用する。両方の試薬は、気体の形態であっても、液体の形態であっても、固体の形態（ペーストを含む）であってもよい。
【０００３】
バッテリーとは、外部回路に電流を供給しながら、これらの試薬を不可逆的に消費するデバイスである。蓄電池とは、これらの試薬を可逆的に消費し、その結果、外部電源からこのデバイスに電流を供給することによって、最初の試薬が回復され得る、デバイスである。全てのバッテリーの主要な制限は、それらの制限された容量であり、通常、アンペア時で表される。蓄電池は、制限された回数の充電−放電サイクルを有し、従って、最終的に、動かなくなる。
【０００４】
燃料電池は、電気を発生させるための、別の型の電気化学的デバイスである。燃料電池は、開放されたアノードとカソードとの反応チャンバを有することによって、特徴付けられる。燃料電池は、燃料がアノードチャンバに供給され、そして酸化剤がカソードチャンバに供給されると、作動する。燃料電池は、制限された容量、および制限された回数の充電−放電サイクルのような欠点を有さない。電気化学的燃料電池の効率は、特定の温度範囲については、温度と共に増加する。代表的な燃料電池は、１ｋＷ未満から数メガワットまでの範囲の電気出力を有し得る。
【０００５】
概略的には、燃料電池は、多層システム（燃料／集電装置／アノード／電解質／カソード／集電装置／酸化剤）として記載され得る。水素で作動する、代表的な固体酸化物燃料電池は、水素／ニッケルサーメット／イットリアで安定化されたジルコニア／ランタンストロンチウムマンガナイト／空気、として記載され得る。集電装置は、アノードおよびカソードに包埋される。
【０００６】
従来の燃料電池設計の主要な欠点は、電極反応が、非効率的な三相境界を使用して進行することである。改善するために、燃料電池の電子の流れが、電子を放出しながらの、燃料酸化の電気化学的反応によって発生される。従来の酸化反応は、三相境界（電極−電解質−気体反応物質）において進行する。この場合、これらの電極の実際の作業表面は、非常に小さく、そして見掛けの電極表面の１％〜４％を越えない。従って、電極面積の９５％より多くが、発電プロセスに関与しない。混合された（電子およびイオンの）伝導体をこの三相境界に導入することによって、これらの電極の有効面積を増加させるための、多数の試みがなされてきた。これがなされる場合、作業面積は、５％〜１０％まで増加し得る。それでもなお、せいぜい、電極面積の約９０％が、使用されない。
【０００７】
燃料電池の開発者は、気体燃料（水素、天然ガス、ＣＯ）で作動する燃料に、主に注意を向ける。固体燃料（例えば、炭素含有物質（石炭、バイオマス、または廃棄物であり、自治によるものと、石油化学産業由来のもの））で作動する電池は、さほど注目されていない。同時に、固体燃料での作動は、以下のような利点を有し得る：より安全な作動（燃料は、可燃性でも爆発性でもない）、より容易な搬送、一般に低い費用、高い電力密度、およびいくつかの場合（例えば、炭素含有燃料が使用される場合）には、より高いエネルギー変換効率。最後の利点は、炭素の完全な電気化学的酸化における、ほぼ０のエントロピー損失の結果である。このことは、７０％を超える効率と解釈される。一方、気体燃料で動く電池の効率は、３０％〜５０％の範囲である。
【０００８】
電気化学的燃料電池（直接炭素燃料電池、すなわちＤＣＦＣ）における発電のための、炭素含有燃料の使用は、燃料酸化の生成物の放出、および大気中への汚染（これは、石炭を燃焼させる発電所に付随する主要な問題である）を排除する機会を与える。
【０００９】
燃料電池の一般的な背景については、非特許文献１および非特許文献２を参照のこと。
【００１０】
直接炭素燃料電池のための、種々のスキームが提唱されている。これらのスキームのうちのいずれも、まだ市場で実現されていない。例えば、ＣｏｃｋｓおよびＬａＶｉｅｒｓに対する特許文献１は、「熱力学的因子は、他の燃料電池設計よりも、固体炭素燃料電池を好む」と記載する。彼らは、「アノードとして働く」「溶媒への炭素の分配」を提唱する。彼らの引き続く特許文献２（ＣｏｃｋｓおよびＬａＶｉｅｒｓ）は、「炭素が溶解した融解金属のアノードと、炭素イオン電解質とを備える燃料電池は、この融解金属を、固体炭素イオン電解質における陽イオンとして使用されるものと同じにすることによって、改善され得る」と教示する。
【００１１】
Ｈｅｍｍｅｓに対する特許文献３は、融解した腐食性塩に含有される、炭素および炭素含有材料の酸化に基づく、燃料電池を議論する。内部成型の可能性が含まれるが、明白に必要とされるわけではない。Ｈｅｍｍｅｓの開示において、融解した腐食性塩は、固体電解質とアノードとの両方と接触する。Ｈｅｍｍｅｓは、このアノードは、多孔性であり得、ニッケルから作製され得、そして固体電解質と接触し得ることを開示する。Ｈｅｍｍｅｓはまた、このアノードが、固体電解質からある距離をおいて位置し得ることを開示する。
【００１２】
Ｔａｏに対する特許文献４は、炭素含有アノードと、このアノードと接触する、約３００℃と約２０００℃との間の融解温度を有する電解質とを有する、燃料電池に取り組む。ＳＡＲＡ，Ｉｎｃ．，Ｃｙｐｒｅｓｓ，ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＰ．Ｐｅｓａｖｅｎｔｏに対する特許文献５は、炭素を含有する、消費可能なアノードを使用して、電気を発生させるための概念を記載する。この概念は、消費可能なアノードを使用するので、本質的に、大きな充電不可能なバッテリーである。引き続いて、Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  ＬａｂｏｒａｔｏｒｙのＳｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，Ｊ．Ｃｏｏｐｅｒは、１９７０年代にＳＲＩ  ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌのＲｏｂｅｒｔ  Ｄ．Ｗｅａｖｅｒによって開発された概念と類似の、融解したカーボネート電解質を使用して、燃料としてカーボンナノ粉末を用いる燃料電池を開発しようと努めた。
【特許文献１】米国特許第５２９８３４０号明細書
【特許文献２】米国特許第５３４８８１２号明細書
【特許文献３】米国特許第６６０７８５３号明細書
【特許文献４】米国特許第６６９２８６１号明細書
【特許文献５】米国特許第６２００６９７号明細書
【非特許文献１】Ｊａｍｅｓ  ＬａｒｍｉｎｉｅおよびＡｎｄｒｅｗ  Ｄｉｃｋｓ，「Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｅｘｐｌａｉｎｅｄ」２００３年、第２版
【非特許文献２】ＥＧ＆Ｇ  Ｓｅｒｖｉｓｅｓら、「Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ」２０００年、第５版
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、当該分野において、市場で実施可能な大きさ（少なくとも、現在の市場のリン酸コジェネレーション燃料電池工場、または融解カーボネート燃料電池の数百キロワットまで）まで効率を拡大され得、そして天然で入手可能な燃料（例えば、石炭、コークス、タール、バイオマス、および種々の形態の炭素含有廃棄物）を用いて効率的に作動し得る、直接炭素燃料電池に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（発明の開示）
本明細書は、化学エネルギーを電気に変換するための燃料電池を記載する。その概念は、３相反応境界（電極−気体−電解質）を、２相の境界の概念（固体電解質によって分離された、燃料または酸化剤と混合された液状電極）で置き換えることに基づく。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態は、アノード集電装置として働く導体、液状アノード、この液状アノード中に分散した燃料、固体の酸素イオン伝導性電解質、気体拡散カソード、気体酸化剤のための入口、および燃料電池の作動の間に発生する気体のための出口を備える、燃料電池を包含する。
【００１６】
本発明のさらなる好ましい実施形態は、より高い電圧および電力を得る目的で、多数の燃料電池を相互接続する。２つの端子を有する電気負荷装置（例えば、ＤＣ／ＡＣインバータ）が、一方の端末を最初の燃料電池のアノード集電装置に接続され、そして他方の端子を最後の燃料電池のカソード集電装置に接続されて、接続される。燃料電池はまた、並列に接続されても、直列と並列とに接続されてもよい。
【００１７】
本発明のさらに好ましい実施形態は、電流を負荷装置に印加するための方法である。燃料が、伝導性液状アノードと混合される。この燃料は、例えば、炭素含有物質（石炭、コークス、バイオマス、タール、または種々の廃棄物の形態）であっても、粉末形態の金属（例えば、アルミニウム）であってもよい。液状アノードと燃料との導電性混合物は、固体の酸素イオン伝導性電解質と接触する。この燃料は、この電解質からこの液状アノードへと入る酸素イオンによって酸化されて、電子を放出する。酸化剤は、固体電解質の反対側に接続されたカソードに供給されて、酸素の還元反応を起こし、この電解質を通る酸素イオンの流れを生じる。液状アノードは、導電性の集電装置を介して、負荷装置の端子に電気的に接続される。この方法を、以下で議論されるような好ましい様式で実施すると、供給される電流は、電池の作業表面積の各平方センチメートルについて、少なくとも１００ｍＷの負荷を移動させるために十分である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（本発明の実施形態の詳細な説明）
本発明を詳細に記載する前に、燃料、材料、またはデバイス構造体は、変化し得るので、本発明は、特別な燃料、材料、またはデバイス構造体に限定されないことが、理解されるべきである。本明細書中で使用される専門用語は、特定の実施形態を記載する目的のためのみであり、そして限定することを意図されないこともまた、理解されるべきである。
【００１９】
本明細書および添付の特許請求の範囲において使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、その文脈がそうではないことを明白に示さない限り、単数の言及と複数の言及との両方を含む。従って、例えば、「出口（ａｎ  ｏｕｔｌｅｔ）」との言及は、複数の出口および単数の出口を含み、「入口（ａｎ  ｉｎｌｅｔ）」との言及は、複数の入口および単数の入口を含む、などである。
【００２０】
本発明は、２相の反応ゾーンを有すると考えられる、電気化学的エネルギー変換のための電気化学的デバイスを導入する。酸化反応のための２相の反応ゾーンは、液状アノードを使用することによって、確立される。還元反応のための２相の反応ゾーンは、液状カソードを使用することによって、確立される。
【００２１】
本発明の１つの実施形態は、片側に気体拡散カソードを有し、そして他方の側に液凹アノードを有する、固体電解質を有する液状電極燃料電池を教示する。この液状アノードは、例えば、導電性燃料粒子と混合された融解塩に基づく導電性媒体である。この液状アノードはまた、燃料キャリアの役割を果たす。この液状アノードは、停滞し得るか、または燃料を一定して供給して燃料酸化生成物および燃料不純物を除去する燃料電池を介して、再循環し得る。この液状電極の導電性は、その集電スキームを、よりずっと効率的にする。なぜなら、この液状電極は、分配された集電装置の一部であるかのように作動するからである。
【００２２】
液状アノードを有する本発明に燃料電池において、このアノードは、合理的に良好に、電子を伝導する傾向がある。従って、電気化学的反応は、燃料と混合された液状アノードと、酸素イオン伝導性電解質との間の境界で起こる（二次元の「２相境界」）。イオン伝導性の液状アノードの場合、この反応ゾーンは、液状アノードの塊にまで及び得る（三次元の反応ゾーン）。燃料が、液状アノード内に微細に分散された固体である場合、電気化学的反応は、大きい表面積で起こり得る。その結果、液状アノードを有する燃料電池は、より高い電力密度を有し、そしてより多くの電気を発生させ得るが、より小さい幾何学的寸法を有する。液状電極を有する燃料電池は、３相反応境界を有する従来の燃料電池（例えば、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ））よりもずっと容易に、数百ｋＷまたは数十ＭＷさえの電気出力まで拡大される。
【００２３】
反応面積の観点での類似の利点は、カソードがイオン性の液体である場合に、酸素の還元のために得られ得る。
【００２４】
電気化学的系における一方または両方の電極を液状にすることによって、大きい反応面積以外にも、他の技術的利点、製造上の利点、および作動上の利点が存在する。熱移動の局面から、固体燃料を含有する液状アノードは、気体燃料よりはるかに高い熱容量を有する傾向があり、熱の差を減少させ、そしてこの電気化学的系において発生する熱の効率的な移動を可能にする。液体は、固体電極が生じるものと同じ熱膨張の不一致の問題を生じず、従って、液状電極の使用に対する長寿命の利点が存在し得る。液状アノードの再循環は、燃料のほぼ完全な利用を達成する手段を提供する。発生する気体のための出口経路を提供し、そして不純物の蓄積を減少させることもまた、液状アノードを有する燃料電池を用いると、より単純である。逆に、気体を燃料とする電池においては、燃料酸化気体が、入ってくる燃料の流れを希釈し、その結果、アノード気体の流れの下流にある燃料電池の部分が、それに匹敵して、燃料の供給が乏しくなり得、効率に不利な影響を与える。
【００２５】
液凹アノードにおいて高い反応表面積を有する、燃料酸化反応は、触媒なしで進み得る。このことは、液状アノードについて、重要なポジティブな性質である。なぜなら、市販の燃料（例えば、石炭およびバイオマス）は、触媒を害する不純物を含有し得るからである。
【００２６】
燃料と酸化剤とを分離するための密封要件は、気体を燃料とする電池の場合ほどには厳密ではない。このことは、低費用、信頼性、および拡大可能性を補助する。
【００２７】
作動の静的モードにおいて、液状電解質（または液体／固体複合電解質／電子伝導体／燃料）は、電池の作動の間、正味の動きを起こさない。しかし、粒子と粒子の接触、および／または粒子と電極との接触を容易にするため、拡散質量移動を増強するため、あるいは捕捉された気泡を追い出すために、攪拌が使用され得る。さらに、液状アノードは、懸濁または溶解した不純物を除去するために、周期的に排液され得、そして新たな液体と交換され得る。
【００２８】
作動の流動モードにおいて、液状アノードおよび／または液状カソードは、電池の作動の間、流れを引き起こされる。この流れは、上のレザバから下のレザバへと、重力によって誘導され得る。あるいは、流体が、連続的に再循環している流れで、電池を通って下方へか、電池に沿ってか、または上方へと、ポンプで送達され得る。この流れの目的は、連続的な再循環において、拡散質量移動を増強すること、捕捉された気泡を追い出すこと、または懸濁および溶解した不純物を除去することであり得る。
【００２９】
本発明の電気化学的デバイスは、例えば、管状、平坦、またはモノリシックな構成であり得る。
【００３０】
図１は、本発明の液状アノードの例示的な構成を、概略的な形態で図示する。液状アノード１０は、黒色の円１２として描かれる、燃料粒子を含有する。この液状アノードはまた、バブル１４として描かれる、アノード反応によって発生する気体を収容する。この液状アノードには、アノード集電装置１６が浸漬される。Ｏ２−イオンは、電解質２０を通過し、液状アノード１０に入る。電解質２０の反対側には、カソード２４が存在する。このカソードは、カソード集電装置２６と接触する。このカソードを超えて、気体酸化剤２８が通過し、この酸化剤は、カソードで還元されて、Ｏ２−イオンを発生させる。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態は、アノード集電装置として働く導体、液状アノード、この液状アノード中に分散した燃料、固体の酸素イオン伝導性電解質、気体拡散カソード、カソード集電装置として働く電子伝導体、気体酸化剤のための入口、液状アノードを補充または再循環するための第二の入口、使用済み気体酸化剤のための出口、必要に応じて、燃料およびこの燃料電池の作動の間に発生した気体を再循環させるための第二の出口を備える。
【００３２】
このような燃料電池の通常の作動において、電気負荷装置の２つの端子が、アノード集電装置とカソード集電装置とに接続される。好ましくは、多数のこのような燃料電池が、相互接続され、ここで、電気負荷装置の１つの端子が、第一の電池のアノード集電装置に接続され、そして他の端子が、最後の電池のカソード集電装置に接続される。電気負荷装置は、代表的に、ＤＣ／ＡＣコンバータを備える。
【００３３】
アノード集電装置は、使用条件と適合性である、任意の適切な金属または他の導体であり得る。好ましくは、アノード集電装置は、メッシュまたはスパイラルの形状である。あるいは、アノード集電装置は、チャネルを規定する固体の形状を有し得、このチャネルの中に、液状アノードが存在する。これらのチャネルは、液状アノードが再循環する場合に、液状アノードを方向付けるために働き得る。
【００３４】
この液状アノードは、燃料粒子と混合される場合に導電性であり、そして作動温度などの条件と適合性である、任意の液体である。好ましくは、液状アノードは、融解塩と融解酸化物との組み合わせである。適切な塩の例としては、Ｋ２ＣＯ３、Ｌｉ２ＣＯ３、および／またはＮａ２ＣＯ３の共融混合物を含有する。
【００３５】
燃料を含有する液状アノードが、自然な循環またはポンプを使用して再循環されることが、好ましい。このような再循環は、例えば、液状アノード内での燃料のより均一な分散を達成するという利点を有する。
【００３６】
適切な固体燃料は、例えば、炭素を含有する燃料であり、この炭素は、Ｏ２−および電子ｅ−または金属のための適切なシンクが十分に供給されると、Ｃ＋２Ｏ２−→ＣＯ２＋４ｅ−の反応を起こす。
【００３７】
炭素を含有する有用な燃料は、例えば、石炭、コークス、タール、バイオマス、およびプラスチック廃棄物であり得る。好ましくは、この燃料は、固体粒子を含有する。
【００３８】
液状アノード中の燃料の濃度は、燃料電池が作動するにつれて、経時的に変動し、そして燃料が消費され、そして補充される。燃料の濃度の選択は、円量電池の効率に影響を与え得る。実験的に観察されたように、アノード抵抗の損失は、より高濃度の燃料によって、かなり低減され得る。
【００３９】
電解質は、固体酸化物の酸素イオン伝導性材料からなる群より選択され得、予測された作動条件において安定であり、そして支持基材上の薄層の形態で、製造され得る。適切な電解質のうちでも、イットリアで安定化されたジルコニア（ＹＳＺ）、ならびにランタン副格子を０％〜約３０％のストロンチウムでドーピングした没食子酸ランタン、およびガリウムの副格子を約０％〜約３０％の酸化リチウムでドーピングした没食子酸ランタンである。添加剤（例えば、アルミナ）が、電解質をさらに安定化させるために、適切な量で含有され得る。
【００４０】
好ましい実施形態において、電解質は、支持カソード上に堆積した、例えば、１ミクロン〜５０ミクロンの厚さを有する、薄膜電解質であり得る。あるいは、この電解質は、例えば、０．３ｍｍ〜０．８ｍｍ間での厚さを有する、自己支持型固体電解質であり得る。
【００４１】
このカソードは、電解質の熱膨張係数（ＣＴＲ）と適合性であるＣＴＲを有する、任意の適切な、気体透過性混合伝導性材料であり得る。このカソードは、「気体拡散」カソードと称される型のものであり得る。好ましいカソードは、ストロンチウムをドープされた亜マンガン酸ランタンである。
【００４２】
本発明の代替の実施形態において、このカソードは、酸化剤を含むイオン性の液体であり得る。
【００４３】
カソード集電装置は、所定の酸化条件下で安定な、金属または合金のような、導電性材料である。このカソード集電装置は、好ましくは、多数の地点でカソードと接触する。カソード集電装置が金属である場合、メッシュまたはスパイラルが、カソード集電装置の好ましい形状である。
【００４４】
好ましい酸化剤は、空気である。
【００４５】
この燃料電池は、作動の条件に適合された、適切な材料の容器に収容される。燃料電池の多数の幾何学的配置が、可能である。燃料電池についての通常の配置は、多数の平坦または管状の燃料要素としてであり、これらは、「スタック」として接続される。
【００４６】
本発明の燃料電池において使用される温度は、アノード反応とカソード反応とを望ましい速度で進行させるために、この燃料電池を離れる気体（例えば、アノード反応がＣ＋２Ｏ２−→ＣＯ２＋４ｅ−である場合、ＣＯ２）は、かなりの使用可能な熱エネルギーを含むことを意味する。この燃料電池の作動は、例えば、抵抗損失を介して、熱を発生させ、この熱は、気体および液状アノードに伝達される。このような配置において、好ましくは、出てくる気体の加熱は、同じ様式の使用によってなされる。この熱は、他の流体（例えば、入ってくる酸化剤、加熱される必要がある水、または構造体を加熱するために使用される流体）に、熱交換機構によって運ばれ得る。出てくる気体の熱、またはいくつかの場合には、循環する液状アノードの熱の使用は、本発明の燃料電池が、熱併給発電所において、リン酸、融解カーボネート電解質、および固体酸化物を用いる既存の燃料電池が使用される様式で、使用されることを可能にする。
【００４７】
地球を温暖化させる温室効果を生じるという考えに基づくと、大気中へのＣＯ２放出に関して、かなりの問題が存在する。従って、アノード反応がＣ＋２Ｏ２−→ＣＯ２＋４ｅ−である場合に生成するＣＯ２は、容易に閉じ込められ、そして何らかの様式で隔離され得るか、または例えば、従来の水素を燃料とする融解カーボネート電解質を用いる燃料電池のカソード気体ストリームにおいて、さらに利用される。アノード反応がＣ＋２Ｏ２−→ＣＯ２＋４ｅ−である場合に生成するＣＯ２の相対純度は、その隔離を容易にする。
【００４８】
本発明の燃料電池において、燃料を、液状アノードに、連続的な様式またはバッチ様式で提供することが、可能である。いくつかの場合において、液状アノードへのアクセスを与える入口を通して、バッチ様式で、燃料を定期的に補充することが、可能であり得る。天然に存在する燃料（例えば、バイオマス）が使用される場合、液状アノードから、この燃料の未反応残留物を除去することもまた、望ましくあり得る。さらに、アノード反応によって生成する気体および燃料不純物は、液状アノード材料に侵出または溶解し得、そして液状アノードの汚染を防止するために除去されなければならない。これらの目的で、液状アノード材料の循環は、いくらかの材料が、燃料残留物および／または溶解した気体の補充、あるいは望ましい場合には、除去の目的で好都合に接近され得る位置にあるような循環であることが好ましい。
【００４９】
本発明の特に好ましい実施形態において、燃料は、粉砕された固体であり、例えば、炭素、石炭、木材、またはアルミニウムである。アノードは、液体であり、例えば、適切な融解塩の共融混合物である。アノード集電装置は、液状アノードに浸漬され、そして固体電解質の表面に隣接する、金属部材である。電解質は、Ｏ２−伝導性の固体であり、例えば、イットリアで安定化されたジルコニアである。カソードは、適切な多孔性混合導体であり、例えば、ランタンストロンチウムマンガンである。カソード集電装置は、かなり多数の地点でカソードと接触する金属部材である。作動温度は、６００℃と１０００℃との間である。
【００５０】
図２は、液状アノードを有する燃料電池の性能を実験的に研究するために使用される、この好ましい実施形態の構成を図示する。見られ得るように、管状の配置が採用され、白金アノード集電装置４８および液状アノード４０（このアノードは、Ｌｉ２ＣＯ３＋Ｋ２ＣＯ３＋Ｎａ２ＣＯ３の融解混合物を含有する）が、収容管５０に収容されている。０．３ｍｍ〜０．８ｍｍの壁厚を有する、固体ＹＳＺ電解質の閉鎖端部管が、このアノードに浸漬され、そしてＬＳＭカソード４６が、１ｍｍの層として、固体電解質管の内側表面に堆積される。カソード集電装置４９は、カソード自体の内側に位置する。燃料電池を収容する管は、両端が閉じられる。空気は、管４５の内側部分を通して供給され、そして同心状の管４４を通して排気される。図２のバージョンは、ＹＳＺ管の直径が１０ｍｍ、カソードの高さが１０ｍｍで構築され、そして２７ｍｍの収容管の内径を使用した。
【００５１】
図３は、本発明のさらなる実施形態における、連続作動する燃料電池５００を図示する。燃料電池５００は、固体のイオン伝導性電解質５０６によって隔離された集電装置（図示せず）を備える液状電極５０２および５０４、燃料分配モジュール５０８、酸化物供給モジュール５１０、反応生成物の分離のためのモジュール５１２、アノード循環モジュール５１４（例えば、ポンプ）、カソード循環モジュール５１６、ならびに２つの熱交換器５１８および５２０を備える。
【００５２】
図４は、本発明の異なる実施形態による、液状電極を有する複数の平坦な燃料電池５５２を有する、燃料電池スタックアセンブリ５５０を図示する。この実施形態においては、アノードとカソードとの両方が液体であること、およびそれぞれのアノード集電装置とカソード集電装置とが、これらの液体の流れのためのチャネルを形成することが、見られる。液状電極は、反応ゾーンにわたって燃料および酸化剤の均一な分散を確立するために、１つ以上の絶縁されたポンプ（図示せず）によって、循環される。
【００５３】
図５は、９５０℃においてＰＲＢ石炭を燃料として用いる、図２に示される燃料電池についての電力密度を、電流密度の関数として図示する。液状アノードにおける燃料の体積含有量は、約４０％であった。約１．４Ｖの起電力が、この実験において観察された。１００ｍＷ／ｃｍ２を超える最大電力密度が、観察された。実際の燃料を用いて達成される電力密度のこのレベルは、市販の融解カーボネート燃料電池（これは、１００ｋＷを超える電力出力および１００ｍＷ／ｃｍ２に近い電力密度を有する）との比較から結論付けられ得る場合、本発明の燃料電池が、かなりの市販の可能性を有することを示唆する。（燃料電池の作動を記載する際に通常であるように、電力密度は、図５において、電力を、電池の作業表面積で除算することによって得られた。図２の構成については、この作業表面積は、ＹＳＺ管の外径に等しい直径を有する円柱の面積である。この円柱の高さは、カソード、カソード集電装置、およびアノード集電装置のうちで、最小の高さである。）。
【００５４】
図６は、石炭および他の実際の燃料（バイオマス（マツのおが屑）およびタール（Ｍａｙａ大気塔の底部））について類似の条件で、図２に示され上に記載された好ましい燃料電池を用いて観察されたピーク電力密度を、作動温度の関数として図示する。
【００５５】
本発明の燃料電池は、スタックとして相互接続されて組み立てられることが、企図される。十分な数のスタックが、望ましい電力出力を独立型ユニットから達成するように、相互接続される。モジュールの原理および結果として得られる拡大可能性は、本発明の魅力的な特徴である。例えば、このプラントは、分配された発電ユニットとして数百キロワットを発生させ得るか、または集中された発電のために、数十メガワットにまで拡大され得る。
【００５６】
本発明は、本発明の好ましい特定の実施形態に関して記載されたが、上記説明およびそれに続く実施例は、本発明の例示であることが意図され、そして本発明の範囲を制限するものではないことが、理解されるべきである。本発明の範囲内の他の局面、利点、および改変は、本発明が属する分野の当業者に明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１は、液状アノードの電気化学的電池の一般的な概略図である。
【図２】図２は、液状アノード電気化学的電池に対する概略的な設計である。
【図３】図３は、本発明のさらなる実施形態における、連続作動の液状アノード燃料電池を図示する。
【図４】図４は、液状アノードおよびカソードを有する多数の燃料電池から形成される、燃料電池スタックアセンブリを図示する。
【図５】図５は、本発明の電気化学的電池についての、電流密度の関数としての電池電力密度を示す。
【図６】図６は、石炭、バイオマス、およびタールを用いて作動する、本発明の電気化学的電池についての、温度の関数としての電池電力密度を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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