(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属アノード固体酸化物燃料電池（ＭＭＡ−ＳＯＦＣ）システムであって、
第１のカソード、第１の溶融金属アノード、及び前記第１のカソードと前記第１の溶融金属アノードとの間に配置される第１の固体電解質を備える第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣと、
第２のカソード、第２の溶融金属アノード、及び前記第２のカソードと前記第２の溶融金属アノードとの間に配置される第２の固体電解質を備える第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣと、
溶融金属を前記第１の溶融金属アノードから前記第２の溶融金属アノードへ移送するように構成される溶融金属導管と、
前記第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣと一体型であるか、前記第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣと流体連通している燃料コンタクタと、
１つ以上の外部電気回路と、を備え、
前記第１の溶融金属アノードが、前記溶融金属を酸化させて金属酸化物及び電子を生成するように構成される酸化領域を備え、
前記燃料コンタクタが、前記金属酸化物を還元するように構成される再生領域を備え、かつ硫黄含有燃料と反応すると前記溶融金属内に金属硫化物を生成し、
前記第２の溶融金属アノードが、前記金属硫化物含有溶融金属内の前記金属硫化物を酸化させて金属及び電子を生成するように構成され、
前記外部電気回路が、前記第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ及び前記第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣの両方において生成される前記電子から電力を発生させるように構成され、
固体金属アノードが、前記第２の溶融金属アノードと前記第２の固体電解質との間に配置される、システム。
【請求項２】
前記固体金属アノードが、金属または金属セラミックを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記固体金属アノードが、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される金属を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１の溶融金属アノード、前記第２の溶融金属アノード、またはそれらの両方が、スズ（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、水銀（Ｈｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、ヒ素（Ａｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、テルル（Ｔｅ）、セレン（Ｓｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、金（Ａｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タリウム（Ｔｌ）、カドミウム（Ｃｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、バナジウム（Ｖ）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される金属を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の溶融金属アノード、前記第２の溶融金属アノード、またはそれらの両方が、アンチモンを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１の固体電解質、前記第２の固体電解質、またはそれらの両方が、ジルコニア系電解質またはセリア系電解質を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ジルコニア系電解質が、イットリア安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ＺｒＯ２（ＳｃＳＺ）、カルシア安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の固体電解質、前記第２の固体電解質、またはそれらの両方が、イットリア安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記セリア系電解質が、希土類ドープセリアを含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記セリア系電解質が、ガドリニウムドープセリア（ＧＤＣ）、イットリアドープセリア（ＹＤＣ）、サマリウムドープセリア（ＳｍＤＣ）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項６に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１のカソード、前記第２のカソード、またはそれらの両方が、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、イットリア安定化ＺｒＯ２／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）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第１の溶融金属アノード及び前記第２の溶融金属アノードと流体連通している燃料コンタクタをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記燃料コンタクタが、多孔質セラミック、金属、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第２の溶融金属アノードの下流にあり、かつ前記金属酸化物を金属に還元するように構成される犠牲還元剤をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記犠牲還元剤が、グラファイト棒、または鉄（Ｆｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マンガン（Ｍｎ）、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、もしくはチタン（Ｔｉ）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるものである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第２の溶融金属アノードの下流にＳＯ２除去及び処理設備をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記ＳＯ２除去及び処理設備が、湿式スクラバユニット、噴霧乾燥ユニット、湿式Ｈ２ＳＯ４処理ユニット、ＳＮＯＸ排煙脱硫ユニット、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される１つ以上のユニットを備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第２の溶融金属アノードの下流にＣｌａｕｓユニットの触媒部をさらに備え、前記Ｃｌａｕｓユニットの前記触媒部が、ＳＯ２副生成物を利用してＨ２Ｓを元素硫黄に触媒的に変換するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
さらに前記硫黄含有燃料が、水素燃料、炭素燃料、炭化水素燃料、硫化水素、及びそれらの混合物からなる群より選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記燃料コンタクタが、前記第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ内に一体化される、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記燃料コンタクタが、別個であるが前記第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣと流体連通している、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記第２の溶融金属アノードと流体連通している追加の燃料コンタクタをさらに備え、前記追加の燃料コンタクタが、前記溶融金属内で金属硫化物を生成するように構成される硫酸化領域を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
溶融金属アノード固体酸化物燃料電池（ＭＭＡ−ＳＯＦＣ）システムであって、
第１のカソード、第１の溶融金属アノード、及び前記第１のカソードと前記第１の溶融金属アノードとの間に配置される第１の固体電解質を備える第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣであって、前記第１の溶融金属アノードが、溶融金属を酸化させて金属酸化物及び電子を生成するように構成される、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣと、
第２のカソード、第２の溶融金属アノード、及び前記第２のカソードと前記第２の溶融金属アノードとの間に配置される第２の固体電解質を備える第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣと、
前記第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ及び前記第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣと流体連通している燃料コンタクタと、
溶融金属を、前記第１の溶融金属アノード、前記第２の溶融金属アノード、及び前記燃料コンタクタの間で移送するように構成される溶融金属導管と、
前記第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ及び前記第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣの両方において生成される前記電子から電力を発生させるように構成される１つ以上の外部電気回路と、を備え、
前記燃料コンタクタが、前記金属酸化物を還元し、かつ硫黄含有燃料と反応すると前記溶融金属内で金属硫化物を生成するように構成される再生領域と、前記第２の溶融金属アノードによって移送される溶融金属内の金属から金属硫化物を生成するように構成される硫酸化領域と、を備え、
前記第２の溶融金属アノードが、金属硫化物含有溶融金属内の金属硫化物を酸化させて金属及び電子を生成するように構成され、
固体金属アノードが、前記第２の溶融金属アノードと前記第２の固体電解質との間に配置される、システム。
【請求項２４】
前記溶融金属導管が、前記燃料コンタクタの前記硫酸化領域内で生成される金属硫化物を前記第２の溶融金属アノードに戻して再循環させるように構成される、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記溶融金属導管が、前記燃料コンタクタの前記再生領域内で生成される金属を前記第１の溶融金属アノードに戻して再循環させるように構成される、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
前記硫酸化領域が、Ｈ２Ｓを利用して金属を金属硫化物に変換し、Ｈ２も生成する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２７】
前記第２の溶融金属アノードの下流にあり、かつ前記金属酸化物を金属に還元するように構成される犠牲還元剤をさらに含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２８】
前記第２の溶融金属アノードの下流にＳＯ２除去及び処理設備をさらに備える、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２９】
前記第２の溶融金属アノードの下流にＣｌａｕｓユニットの触媒部をさらに備え、前記Ｃｌａｕｓユニットの前記触媒部が、ＳＯ２副生成物を利用してＨ２Ｓを元素硫黄に触媒的に変換するように構成される、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３０】
２つの別個の溶融金属アノード固体酸化物燃料電池（ＭＭＡ−ＳＯＦＣ）内で電気を共発生させるための方法であって、
第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣの第１の溶融金属アノード内で溶融金属を酸化させることによって、金属酸化物及び電子を生成することと、
前記溶融金属及び金属酸化物を硫黄含有燃料と反応させることによって、金属及び金属硫化物を生成することと、
第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣの第２の溶融金属アノード内で前記金属硫化物を酸化させることによって、金属及び電子を生成することと、
外部電気回路内で前記第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ及び前記第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣからの前記電子を収集することによって、電気を共発生させることと、
固体金属アノードが、前記第２の溶融金属アノードと前記第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣの第２の固体電解質との間に配置されること、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１４年４月２８日提出の表題「Ｓｕｌｆｕｒ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ａｎｄ  Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ  Ｉｎ  Ｍｏｌｔｅｎ  Ｍｅｔａｌ  Ａｎｏｄｅ  Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ」（整理番号ＳＡ  ６００６  ＰＡ）の米国特許出願第１４／２６３，４４２号の優先権を主張するものであり、その内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本開示の実施形態は、概して、溶融金属アノード固体酸化物燃料電池（ＭＭＡ−ＳＯＦＣ）に関し、より具体的には、金属硫化物副生成物から電気を発生させるように構成される第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣを含むＭＭＡ−ＳＯＦＣシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
従来既知であるように、燃料電池は、電気化学的酸化が発生するアノード、電気化学的還元が発生するカソード、及び特定の温度範囲で純イオン導電性またはイオン電子混合導電性を呈する緻密な気体不透過のイオン輸送膜である電解質膜の３つの主要部分からなる。カソードが、酸素イオンを生成し、次いでこの酸素イオンは、電解質膜を通ってアノード電極へ移動する。酸素イオンは、アノード内の燃料を酸化させ、それにより電子を生成し、この電子は、外部電気回路を通って流れてカソードに戻り、それにより電気エネルギーを発生させる。
【０００４】
図１を参照すると、従来の溶融金属アノード固体酸化物燃料電池１０（ＭＭＡ−ＳＯＦＣ）は、溶融金属アノード４０を含む。溶融金属アノード４０内で酸化される溶融金属４１（溶融金属浴または溶融メルトとも称される）は、作動温度をその中の金属及び金属酸化物４２の融点より上に維持することによって液相に保たれる。溶融金属アノード４０は、固体電解質３０と接触し、燃料（気体、液体、または固体）、例えば、硫黄含有燃料にも曝露され得る。空気の存在下でカソード金属のＯ２（ｇ）還元を行って酸素イオンをもたらすカソード２０は、固体電解質３０の反対側に置かれる。アノード４０における集電のため、金属ワイヤ７２、または作動条件で固体かつ不活性である任意の他の電子伝導材料が、電気回路７０を通ってカソード２０へ戻る電子の収集を促進するために、アノードメルト４１内に浸漬され得る。
【０００５】
再び図１を参照すると、金属がアノード４０内で電気化学的に酸化して金属酸化物になり、次いで燃料によって還元されるように、金属／金属酸化物サイクルが使用される。この燃料による還元は、金属酸化物から金属を再生する。燃料内に硫黄化合物が存在するとき、金属硫化物４６が生じ、燃料による溶融金属４１内の金属酸化物４２の還元を不利益に抑制し得る。燃料内の硫黄汚染はまた、金属硫化物の形成に起因して、ＭＭＡ−ＳＯＦＣの性能を低下させ、さらには電池を被毒し得る。燃料／アノード界面で生じる金属硫黄物は、溶融金属４１及び金属酸化物４２の双方よりも軽いため、溶融金属４１浴の上部に浮かび上がる。これにより、燃料による金属酸化物４２種の還元、ならびにアノード再循環及び燃料電池作動が抑制される。
【０００６】
したがって、硫化物副生成物の改善された取扱い及び利用を提供するＭＭＡ−ＳＯＦＣシステムが現在も必要とされている。
【発明の概要】
【０００７】
図３を参照すると、本開示の実施形態は、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０内で生成される金属硫化物種を電気化学的に酸化させ、かつＳＯ２（ｇ）、金属種（及び／または金属酸化物）、及び電気を発生させるために使用される電子を生成するために使用される第２の溶融金属固体酸化物燃料電池（ＭＭＡ−ＳＯＦＣ）１１０を対象とする。本質的に、本ＭＭＡ−ＳＯＦＣシステム５は、第１及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０及び１１０の両方において電気を発生させることができるため、電気を共発生させると見なされる。本開示のシステムは、石油ガス貯蔵槽内での硫黄濃度の継続的上昇に起因して特に石油ガス及び電力産業における産業上の利用可能性、ならびに処理施設及びオフグリッド遠隔地における電気に対する高まる需要を有する。
【０００８】
一実施形態に従って、ＭＭＡ−ＳＯＦＣシステムが提供される。本システムは、第１のカソード、第１の溶融金属アノード、及び第１のカソードと第１の溶融金属アノードとの間に配置される第１の固体電解質を備える第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣと、第２のカソード、第２の溶融金属アノード、及び第２のカソードと第２の溶融金属アノードとの間に配置される第２の固体電解質を備える第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣとを備える。本システムは、溶融金属を第１の溶融金属アノードから第２の溶融金属アノードへ移送するように構成される溶融金属導管と、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣと一体型であるか、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣと流体連通している燃料コンタクタと、１つ以上の外部電気回路とをさらに備える。第１の溶融金属アノードは、溶融金属を酸化させて金属酸化物及び電子を生成するように構成される酸化領域を備え、燃料コンタクタは、金属酸化物を還元するように構成される再生領域を備え、かつ硫黄含有燃料と反応すると前記溶融金属内に金属硫化物を生成する。さらに、第２の溶融金属アノードは、金属硫化物含有溶融金属内の金属硫化物を酸化させて金属及び電子を生成するように構成され、外部電気回路は、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣの両方において生成される電子から電力を発生させるように構成される。
【０００９】
明確にするため、第１の溶融金属アノードは、溶融金属内の金属の電気化学的酸化が発生する第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣの領域であり、第２の溶融金属アノードは、溶融金属内の金属硫化物の電気化学的酸化が発生する第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣの領域である。溶融金属は、第１の溶融金属アノード及び第２の溶融金属アノードにおいて組成的に異なるにもかかわらず、即ち、溶融金属は、第２の溶融金属アノードへの移送時の方が第１の溶融金属アノードへの移送時よりも硫化物が豊富であるにもかかわらず、両アノードは、溶融金属浴を共有する。
【００１０】
代替的なＭＭＡ−ＳＯＦＣシステム実施形態において、本システムは、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣと流体連通している燃料コンタクタを備え得、該燃料コンタクタは、第１の溶融金属アノードによって移送される金属酸化物含有溶融金属流内の金属酸化物の還元によって金属を生成するように構成される再生領域と、第２の溶融金属アノードによって移送される溶融金属流内の金属から金属硫化物を生成するように構成される硫酸化領域とを備える。
【００１１】
さらなる実施形態において、２つの別個のＭＭＡ−ＳＯＦＣ内で電気を共発生させるための方法が提供される。本方法は、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣの第１の溶融金属アノード内の溶融金属を酸化させることによって金属酸化物及び電子を生成することと、溶融金属及び金属酸化物を硫黄含有燃料と反応させることによって金属及び金属硫化物を生成することと、第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣの第２の溶融金属アノード内の金属硫化物を酸化させることによって金属酸化物及び電子を生成することと、外部電気回路内で第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣからの電子を収集することによって電気を共発生させることとを含む。
【００１２】
さらに別の実施形態において、個々の溶融金属アノード固体酸化物燃料電池（ＭＭＡ−ＳＯＦＣ）内の金属硫化物から電気を発生させるための方法が提供される。本方法は、カソード、溶融金属アノード、カソードと溶融金属アノードとの間に配置される固体電解質を備えるＭＭＡ−ＳＯＦＣを提供するステップであって、該ＭＭＡ−ＳＯＦＣが燃料コンタクタと流体連通している、提供するステップと、溶融金属を、Ｈ２Ｓのみ、またはＨ２Ｓ、硫黄、スルホン、スルホキシド、もしくはそれらの組み合わせのうちの１つ以上を含む硫黄含有燃料と反応させることによって、溶融金属流内の生成する金属硫化物及びＨ２と溶融金属を反応させることによって、溶融金属流内で金属硫化物及びＨ２を生成するステップと、ＭＭＡ−ＳＯＦＣの溶融金属アノード内の金属硫化物を酸化させることによって金属及び電子を生成するステップと、外部電気回路内でＭＭＡ−ＳＯＦＣからの電子を収集することによって電気を発生させるステップとを含む。
【００１３】
本明細書に記載される実施形態の追加の機能及び利点は、後に続く詳細説明において明らかにされるものとし、一部は、当業者にはその説明から容易に明白であるか、後に続く詳細説明、特許請求の範囲、ならびに添付の図面などの本明細書に記載される実施形態を実施することにより認識されるものとする。
【００１４】
先述の概要及び以下の詳細説明は、様々な実施形態について説明するものであり、特許請求される主題の性質及び特徴を理解するための概観または枠組みを提供することを目的とすることが理解される。添付の図面は、様々な実施形態のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書内に組み込まれ、かつその一部を構成するものである。図面は、本明細書に記載される様々な実施形態を例証し、説明文と一緒に、特許請求される主題の原理及び運用を説明する役目を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来のＭＭＡ−ＳＯＦＣの概略図である。
【図２】管式ＭＭＡ−ＳＯＦＣの前部断面図である。
【図３】本開示の１つ以上の実施形態に従って、金属硫化物を電気化学的に酸化させて電気を共発生させる第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣと連結した平面デザインを有するＭＭＡ−ＳＯＦＣシステムを描写する。
【図４】第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣの側面断面図を描写するが、燃料再生ステップは、本開示の１つ以上の実施形態に従って別個の燃料コンタクタ内で実行される。
【図５】本開示の１つ以上の実施形態に従って、金属硫化物を電気化学的に酸化させる第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣの側面断面図である。
【図６】第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣの側面断面図であるが、硫酸化ステップは、本開示の１つ以上の実施形態に従って別個の燃料コンタクタ内で実行される。
【図７】本開示の１つ以上の実施形態に従って、溶融金属アノードに加えて固体金属アノードを有する第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣの側面断面図である。
【図８】本開示の１つ以上の実施形態に従って、燃料コンタクタが第１及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣと一体化される、ハイブリッドＭＭＡ−ＳＯＦＣシステムを描写する。
【図９Ａ】金属アンチモンの電気化学的酸化の可逆（最大）電位に対する温度の影響を描写するグラフ図である。
【図９Ｂ】アンチモン硫化物の金属アンチモンへの電気化学的酸化の可逆（最大）電位に対する温度の影響を描写するグラフ図である。
【図９Ｃ】アンチモン硫化物のアンチモン酸化物（Ｓｂ２Ｏ３）への電気化学的酸化の可逆（最大）電位に対する温度の影響を描写するグラフ図である。
【図１０Ａ】金属アンチモンの電気化学的酸化の電気効率（等式Ｅ２）に対する温度の影響を描写するグラフ図である。
【図１０Ｂ】アンチモン硫化物の金属アンチモンへの電気化学的酸化の電気化学的酸化の電気効率（等式Ｅ２）に対する温度の影響を描写するグラフ図である。
【図１０Ｃ】アンチモン硫化物のアンチモン酸化物（Ｓｂ２Ｏ３）への電気化学的酸化の電気化学的酸化の電気効率（等式Ｅ２）に対する温度の影響を描写するグラフ図である。
【図１１Ａ】グラファイト炭素燃料を使用したときのＳｂ２Ｏ３還元反応の自由エネルギー（ΔＧ）に対する温度の影響を描写するグラフ図である。
【図１１Ｂ】水素燃料を使用したときのＳｂ２Ｏ３還元反応の自由エネルギー（ΔＧ）に対する温度の影響を描写するグラフ図である。
【図１１Ｃ】メタン燃料を使用したときのＳｂ２Ｏ３還元反応の自由エネルギー（ΔＧ）に対する温度の影響を描写するグラフ図である。
【図１２Ａ】チオフェン脱硫反応のエンタルピーに対する温度の影響を描写するグラフ図である。
【図１２Ｂ】チオフェン脱硫反応の自由エネルギーに対する温度の影響を描写するグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
これより本開示の溶融金属固体酸化物燃料電池システムの実施形態に関して詳細に言及する。図２〜８のシステムが例として提供されるが、本システム及び方法は他の構成を包含することを理解されたい。
【００１７】
図３の実施形態を参照すると、溶融金属アノード固体酸化物燃料電池（ＭＭＡ−ＳＯＦＣ）システム５が示される。システム５は、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０を備える。本明細書で使用される場合、「第１の」は、金属の金属酸化物への電気化学的酸化によって電気を生成する第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０と関連する構成要素を定義するために使用される一方、「第２の」は、金属硫化物の電気化学的酸化によって電気を生成する第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０と関連する構成要素を定義するために使用される。図２及び３に示されるように、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０は、第１のカソード２０、第１の溶融金属アノード４０、及び第１のカソード２０と第１の溶融金属アノード４０との間に配置される第１の固体電解質３０を備える。同様に、図３を参照すると、第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０は、第２のカソード１２０、第２の溶融金属アノード１４０、及び第２のカソード１２０と第２の溶融金属アノード１４０との間に配置される第２の固体電解質１３０を備える。本明細書で使用される場合、「との間」は、必ずしも直接接触していることを意味せず、ＭＭＡ−ＳＯＦＣアノード、カソード、または電解質の間に追加の構成要素が好適であることを企図する。
【００１８】
図３に示されるように、溶融金属４１を第１の溶融金属アノード４０から第２の溶融金属アノード１４０へ移送するように構成される溶融金属導管８０が存在する。要するに、溶融金属４１は、第１の溶融金属アノード４０及び第２の溶融金属アノード１４０間で再循環され、かつそれらによって使用される。溶融金属導管８０については、様々な実施形態、例えば、配管系または管系が企図される。具体的には示されないが、溶融金属導管は、バルブ、ポンプ、または第１の溶融金属アノード４０と第２の溶融金属アノード１４０との間の溶融金属４１の流れを支援または制御する任意の他の好適な装置を含み得る。
【００１９】
さらには、図３に示されるように、ＭＭＡ−ＳＯＦＣシステム５は、第１の溶融金属アノード４０及び第２の溶融金属アノード１４０から電子を収集して電気を発生させる１つ以上の外部電気回路７０を備える。図１に示されるように、外部電気回路７０は、電気回路７０を介して第１のカソード２０または第２のカソード１２０に戻る電子の収集を促進するために、第１及び／または第２の溶融金属アノード４０及び１４０内にワイヤ、または作動条件で固体かつ不活性である任意の他の電子伝導材料を備え得る。各ＭＭＡ−ＳＯＦＣには別個の外部回路が企図されるが、第１及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０及び１１０が電気エネルギーの共発生に使用される外部回路を共有し得ることも企図される。本明細書で使用される場合、「共発生」とは、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０からの電気の収集である。「共発生」は、化学物質及び電気が燃料電池内で同時に生成されることを示すために文献内では使用されることが多いが、本明細書内では、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０内での電気の二重収集を表すために使用される。
【００２０】
図３に示される作動において、第１のカソードは、以下の反応（Ｒ１）のとおりに入口気流内のＯ２を還元する。
【００２１】
0006545706.tif 000002
【００２２】
酸素イオンが第１の固体電解質３０を通って移動した後、第１の溶融金属アノード４０は、溶融金属４１を酸化させて、金属酸化物４２と、電気を発生させるために使用される電子とを生成するように構成される酸化領域を備える。（図１も参照のこと）。本明細書で使用される場合、「酸化領域」は、酸素イオンが溶融金属４１に接触し得る、アノード−電解質界面及び第１の溶融金属アノード４０の任意の領域を包含する。電気化学的酸化反応を以下に示す。
【００２３】
0006545706.tif 000003
【００２４】
加えて図１、３、及び４に示されるように、ＭＭＡ−ＳＯＦＣシステム５は、金属酸化物４２を還元するように構成される再生領域を備え得、かつ硫黄含有燃料と反応すると溶融金属４１内に金属硫化物４６を生成する。本明細書で使用される場合、「再生領域」は、溶融金属４１と硫黄含有燃料との接触区域を包含し得る。図３及び４を参照すると、この再生は、燃料コンタクタ５０内で起こり得、燃料コネクタは、図３に描写されるように第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０と一体型であるか、それに隣接してもよく、または図４に描写されるように別個であるが第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０と流体連通していてもよい。図１に示されるように、金属酸化物４２は、密度差によって溶融金属４１の上部に動かされ、そこで以下の等式Ｒ３に示されるように燃料によって還元される。形成された金属種は、メルトの底に戻り、サイクルを完了する。
【００２５】
0006545706.tif 000004
【００２６】
反応Ｒ３のとおり、使用される燃料によっては、水素が形成され得る。追加の実施形態（示されない）として、Ｈ２は、さらなる金属酸化物還元のためにインサイチュで使用され得るか、代替使用のために再循環され得る。燃料内に硫黄が存在するとき、金属種は、反応Ｒ４のとおり、Ｈ２の存在下で硫黄成分（ＣＨＳ）と反応して金属硫化物種及び「改良された」燃料を形成する（以下のＲ４ではＣｍＨｚとして示される）。「改良された」燃料は、さらなる金属酸化物還元（Ｒ３と類似）のためにインサイチュで使用することができる。当業者は、様々な燃料を好適であると考えるであろうが、硫黄含有燃料は、水素燃料、炭素燃料、炭化水素燃料、硫化水素、低値固体硫黄、ならびに石油ガス由来のスルホン及びスルホキシド、ならびにそれらの混合物である。
【００２７】
0006545706.tif 000005
【００２８】
理論に拘束されるものではないが、炭素含有燃料との還元反応は、より大きな自由エネルギーを有するため（以下の実施例ならびに図１２Ａ及び１２Ｂを参照のこと）、炭素含有燃料が望ましい場合がある。
【００２９】
実施形態図４に示されるように、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０の第１の溶融金属アノード４０内で酸化が起こった後、溶融金属４１は、燃料を金属酸化物含有溶融金属へ移送する別個の燃料コンタクタ５０へ輸送され得る。燃料コンタクタ５０内の点線は、溶融金属４１に向かう燃料拡散のみを許し、溶融金属４１が逃げることを許さない多孔質管系、例えば、セラミックまたは金属管系を表す。溶融金属４１と燃料（気体、液体、または固体）との間の好適な接触表面区域を確立する任意の多孔質コンタクタが使用され得る。例えば、気体燃料の場合、気体種だけが孔を通過することができる（燃料内向き拡散及び生成物逆拡散）多孔質セラミックまたは金属パイプが使用され得る。固体燃料、または気体／液体燃料熱分解生成物の場合、多孔質チューブよりも、開放自在の容器が代わりに使用され得る。任意に、不適切なメルト流量の場合は、ポンプシステム、ならびに物質（または熱）移動制限されたプロセスの場合は、溶融金属酸化物４２拡散及びこれによる電気化学的反応の加速のために撹拌システムも使用され得る。
【００３０】
上記のように、再生ステップは、金属硫化物副生成物をもたらす。図３ならびに以下の等式Ｒ５及びＲ６を参照すると、第２の溶融金属アノード１４０は、金属硫化物含有溶融金属４１内の金属硫化物を電気化学的に酸化させて金属または金属酸化物及び電子を生成するように構成される。
【００３１】
0006545706.tif 000006
【００３２】
0006545706.tif 000007
【００３３】
外部電気回路７０は、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０の両方において生成される電子から電力を発生させる。
【００３４】
示されないが、いくつかの従来の加熱法（例えば、炉からの廃棄熱を利用すること）、非従来的な加熱法（即ち、再生可能な、太陽光発電（ＰＶ）または集光型太陽熱発電（ＣＳＰ）、風力など）、または併用加熱法を使用して、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０及び１１０の要求される高作動温度範囲を達成することができる。ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０及び１１０の長期的な安定性及び高い作動性能を確実にするためには、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ構成要素のために選択される組成物が主として重要である。
【００３５】
第１及び第２の溶融金属アノード４０及び１４０で使用される溶融金属４１については、金属、金属酸化物、及び金属硫化物の融点などの材料特性、ならびに上記３つの金属相の密度、及び硫酸化反応の動力学を考慮しなければならない。第１の溶融金属アノード４０及び第２の溶融金属アノード１４０の金属には、様々な組成物が企図される。例えば、限定するものではないが、第１の溶融金属アノード４０または第２の溶融金属アノード１４０は、スズ（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、水銀（Ｈｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、ヒ素（Ａｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、テルル（Ｔｅ）、セレン（Ｓｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、金（Ａｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タリウム（Ｔｌ）、カドミウム（Ｃｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、バナジウム（Ｖ）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される金属を含む。例示的な実施形態において、第１の溶融金属アノード４０または第２の溶融金属アノード１４０は、アンチモンを含み得る。表１内で以下に示されるように、アンチモンは、金属、酸化物、または硫化物のどの形態にあってもその融点が比較的均一であるため、好適な選択である。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
第１及び第２の固体電解質３０または１３０の場合、高イオン導電性及びアノードとのわずかな化学的相互作用が必要とされる。そうは言っても、第１または第２の固体電解質３０または１３０には、酸素イオン導電性であるという主な要件を伴って、様々な化合物が好適である。好適な固体電解質は、純イオン、またはイオン電子混合であり得る。
【００３８】
例えば、限定するものではないが、第１の固体電解質３０または第２の固体電解質１３０は、ジルコニア系電解質またはセリア系電解質を含み得る。特定の実施形態において、ジルコニア系電解質は、イットリア安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ＺｒＯ２（ＳｃＳＺ）、カルシア安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択され得る。例示的な実施形態において、第１の固体電解質３０または第２の固体電解質１３０は、イットリア安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）を含み得る。代替的に、セリア系電解質は、希土類ドープセリアを含み得る。例えば、セリア系電解質は、ガドリニウムドープセリア（ＧＤＣ）、イットリアドープセリア（ＹＤＣ）、サマリウムドープセリア（ＳｍＤＣ）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される。
【００３９】
第１の固体電解質３０または第２の固体電解質１３０のために組成物を選択するときは、以下の要素を検討するべきである。１．燃料電池に破壊的な影響を及ぼし得る、電極のいずれかとの任意の化学的相互作用の可能性。２．燃料電池作動温度範囲。及び３．イオン／電子導電性比値。結果として、これらの要素を確実に満たすために、２つ以上の固体電解質の組み合わせが使用され得る。例えば、不安定な固体電解質（溶融金属アノードと相互作用する）が、所望の作動温度でのその優れたイオン導電性に起因して燃料電池内で使用される必要がある場合、化学的に安定した固体電解質の薄被覆が、アノードと固体電解質との間の直接接触を回避するために電解質／アノード界面で使用され得る。同じ技術を、高導電性のイオン電子混合固体電解質が所望の温度範囲で呈し得る電子導電性を妨害するために使用することができる。そのような場合、純イオン導電体（例えば、ＹＳＺ）の薄被膜が有益であり得る。
【００４０】
一方、より高い作動温度範囲で低いＯ２（ｇ）還元過電位を呈するが電解質とのわずかな相互作用を有する任意のカソード材料が、第１のカソード２０及び第２のカソード１２０で使用され得る。例えば、限定するものではないが、第１のカソード２０または第２のカソード１２０は、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、イットリア安定化ＺｒＯ２／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）、及びそれらの組み合わせを含み得る。例示的な実施形態において、第１のカソードまたは第２のカソードは、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）を含み得る、
【００４１】
再び図３を参照すると、追加の実施形態において、第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０には硫酸化領域を含むことが望ましい場合がある。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４１と硫黄含有燃料との接触区域を包含し、この金属硫化物は、次いで電気化学的に酸化されて電気を発生させる。図３及び６を参照すると、この硫酸化は、燃料コンタクタ２１０内で起こり得、燃料コネクタは、図３に描写されるように第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０と一体型であるか、それに隣接してもよく、または図６に描写されるように別個であるが第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０と流体連通していてもよい。別個の燃料コンタクタユニット５０及び２１０は、それぞれ再生及び硫酸化での使用のためと上では論じられているが、発明者らは、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０が再生及び硫酸化のために同じ燃料コンタクタ２２０を共有する図８の燃料コンタクタ２２０実施形態についても論じる。上記のように、これらの金属硫化物は、インサイチュで電気化学的に酸化されて電気をさらに発生させ得る。図６に示される代替的な実施形態において、硫酸化領域は、第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０と流体連通している燃料コンタクタ２１０内に別個に含まれ得る。図４に描写される金属／金属酸化物サイクルで使用される燃料コンタクタのように、燃料コンタクタ２１０は、溶融金属４１に向かう燃料拡散のみを許し、溶融金属４１が逃げることを許さない多孔質管系、例えば、セラミックまたは金属管系を含み得る。
【００４２】
記載されるように、溶融金属は、硫黄担体／捕捉剤、第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０の「実際の」燃料、及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０の第２の溶融金属アノード１４０として本質的に機能する。しかしながら、電気触媒活性が小さい場合、図６及び７に示されるように、電気化学的酸化速度をさらに高めるために従来の固体多孔質金属／金属酸化物アノード１４５が加えて使用され得る。様々な構成が企図されるが、第２の固体金属アノード１４５は、第２の溶融金属アノード１４０と第２の固体電解質１３０との間に配置される。作動中、金属酸化物種は金属種に還元されるものとし、新たな金属硫化物種が第２の固体金属アノード１４５で形成されるものとする。次いで後者は、第２の固体電解質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て、電気及びＳＯ２（ｇ）を生成する。
【００４３】
酸化に好適な様々な金属、例えば、金属または金属セラミックが第２の固体金属アノード１４５で利用され得る。一実施形態において、第２の固体金属アノード１４５は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、及びそれらの組み合わせなど、溶融金属アノードの金属よりも硫酸化に対する感受性の低い金属またはセラミック金属材料（即ち、より不安定な金属硫化物）を含む。別の実施形態において、第２の固体金属アノード１４５は、Ｆｅを使用し得、アンチモン（Ｓｂ）が、溶融金属４１で使用され得る。第２の固体金属アノード１４５及び溶融金属４１の他の組成上の組み合わせもまた、本開示の範囲内である。
【００４４】
先に論じたように、金属酸化物はまた、上の副反応Ｒ６のとおり、第２の溶融金属アノード１４０内の金属形成と並行して、電気化学的に形成され得る。金属酸化物種がメルト内で望ましくない場合、図６に示されるように、犠牲還元剤（ＳＲＡ）１６０が第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０の下流で使用され得る。一実施形態において、ＳＲＡ１６０は、金属酸化物種を金属及びＣＯ２に還元するグラファイト棒、または溶融金属アノードの金属よりも酸化に対する感受性の高い金属（固体相にある）であり得る。ＳＲＡ１６０がグラファイト棒である実施形態において、ＳＲＡ１６０は、システムからＣＯ２を取り除くための隣接する開口部を有し得る。金属の酸化に対する感受性の尺度は、金属酸化物形成自由エネルギーであり得、故に、Ｓｂ溶融金属アノードの場合、ＳＲＡの金属は、群鉄（Ｆｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マンガン（Ｍｎ）、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、または（Ｔｉ）、及びそれらの組み合わせのうちの１つであり得る。この部分は、限られた寿命を有し、完全に酸化されたときに交換されることとなる。
【００４５】
加えて、図５〜７に示されるように、ＳＯ２除去及び処理設備が、第２の溶融金属アノード１４０の下流に含まれ得る。例えば、ＳＯ２除去設備は、湿式スクラバユニット、噴霧乾燥ユニット、湿式Ｈ２ＳＯ４処理ユニット、ＳＮＯＸ排煙脱硫ユニット、及びそれらの組み合わせなどの１つ以上のユニットを備え得る。
【００４６】
代替的に、図６に示されるように、Ｃｌａｕｓユニットの触媒部と類似した触媒ユニット２００が第２の溶融金属アノード１４０の下流に組み込まれ得る。このユニット２００は、ＳＯ２副生成物を利用してＨ２Ｓを元素硫黄に触媒的に変換するように構成される。概して、Ｃｌａｕｓユニット内で、Ｈ２Ｓ（ｇ）は、Ｔ約１０００℃で準化学量論的な燃焼を経て、ＳＯ２（ｇ）を形成し（Ｒ７）、次いでこれがＨ２Ｓ（ｇ）と反応して以下の元素硫黄を形成する（Ｒ８）。硫黄の触媒還元（Ｒ８）は、加熱（約２００〜３００℃）、触媒反応、及び冷却に加えて濃縮の３つのサブステップからなる。これらの３つのステップは通常、最大３回繰り返される。
0006545706.tif 000009
0006545706.tif 000010
【００４７】
形成されたＳ２は、高反応性であるため、組み合わさって専らＳ８同素体になる（Ｒ９）。
0006545706.tif 000011
【００４８】
理論に拘束されるものではないが、Ｃｌａｕｓプロセスは、Ｈ２Ｏ（ｇ）へと酸化される（Ｒ７）、Ｈ２Ｓの水素原子の破壊プロセスである。それは、熱交換器における硫黄及び蒸気の他には、製油所にとっていかなる有用な生成物ももたらさないが、Ｒ７が発生する高温燃焼炉をＭＭＡ−ＳＯＦＣ内の電気化学的酸化と置き換えることによる、Ｒ８が発生するＣｌａｕｓユニットの触媒部の統合は、有益である。
【００４９】
図８を参照すると、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０は、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０と流体連通している燃料コンタクタ２２０を有するハイブリッド配置に配向され得る。燃料コンタクタ２２０は、第１の溶融金属アノード４０によって移送される金属酸化物含有溶融金属流内の金属酸化物の還元によって金属を生成するように構成される再生領域と、第２の溶融金属アノード１４０によって移送される溶融金属流内の金属から金属硫化物を生成する硫酸化領域とを備える。本質的に、第１の溶融金属アノード４０のための金属酸化物からの金属の再生、第２の溶融金属アノード１４０のための金属硫化物を生成するための硫酸化は、同じ燃料コンタクタ２２０内で実行される。示されるように、燃料コンタクタ２２０は、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０と流体連通しており、溶融金属導管８０は、溶融金属４１を、第１の溶融金属アノード４０、第２の溶融金属アノード１４０、及び燃料コンタクタ２２０管の間で移送する。
【００５０】
さらに示されるように、溶融金属導管８０は、燃料コンタクタ２２０の硫酸化領域内で生成される金属硫化物を第２の溶融金属アノード１４０へ戻して再循環させ得、かつ燃料コンタクタ２２０の再生領域内で生成される金属を第１の溶融金属アノード４０へ戻して再循環させ得る。
【００５１】
さらに図８に示されるように、金属酸化物及び金属種が出会う点線で示された合流点１８０及び１９０は、溶融金属４１の方向、容量、及び速度を制御して望ましくない逆流現象の可能性を回避する様々な構成要素（例えば、パイプ、バルブ、またはポンプ）を含み得る。
【００５２】
再び図６を参照すると、さらなる実施形態は、以下（Ｒ１０）のとおり、燃料としてＨ２Ｓを利用して、金属を金属酸化物に変換し、Ｈ２も生成する硫酸化領域を対象とする。溶融金属４１は、Ｈ２Ｓ燃料と接触したときに硫酸化を経て、金属硫化物を形成し得る。第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０では、金属硫化物は、電気化学的に酸化されて、ＳＯ２（ｇ）及び金属種、ならびに電池におけるイオン電流密度によっては金属酸化物も形成する。
【００５３】
0006545706.tif 000012
【００５４】
先に論じたように、提案されたプロセスの機能の可能性は、有機硫黄化合物を含有する炭化水素流をＨ２Ｓ（ｇ）流と一緒に共供給し、Ｈ２Ｓによって生成される水素を利用して、インサイチュで有機硫黄化合物を脱硫化することである。溶融アンチモンアノード及びジベンゾチオフェン有機硫黄化合物の例が調査される（Ｒ１１及びＲ１２）。Ｈ２Ｓ及び有機硫黄化合物の両方からの硫黄は、除去されて金属硫化物種を形成する一方、溶融アンチモンにおけるＨ２Ｓ還元から還元される水素は、溶融金属の硫黄原子の除去後、インサイチュで使用されてジベンゾチオフェンの２個の炭素原子を飽和させる（Ｒ１２）。この脱硫プロセスの利点は、Ｈ２Ｓ（ｇ）を脱硫化することによって水素がインサイチュで生成されるため（Ｒ１１）、典型的な水素処理工業プロセスのように外部の水素源を必要としないことである。さらには、金属硫化物再生中、電気エネルギーが生成され、プロセスの価値に大いに追加する。
【００５５】
0006545706.tif 000013
【００５６】
0006545706.tif 000014
【００５７】
上記の二重ＭＭＡ−ＳＯＦＣシステムに加えて、本開示の追加の実施形態は、単一の溶融金属アノード固体酸化物燃料電池を使用して金属硫化物副生成物から電気を発生させるための方法を対象とする。第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０は、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０と連結して電気を共発生すると上に記載されているが、第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０、及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０と流体連通している燃料コンタクタ２１０もまた、金属硫化物の電気化学的酸化により個別に電気を発生させることも企図される。この実施形態において、金属硫化物及びＨ２は、溶融金属を、Ｈ２Ｓのみ、またはＨ２Ｓ、硫黄、スルホン、スルホキシド、もしくはそれらの組み合わせのうちの１つ以上を含む硫黄含有燃料と反応させることによって、燃料コンタクタ２１０内で生成される。次いで、金属硫化物が豊富な溶融金属は、ＭＭＡ−ＳＯＦＣ１１０の溶融金属アノード内で酸化されて、金属、及び外部電気回路を介して電気を発生させるために使用され得る電子を生成する。
【実施例】
【００５８】
上の実施形態のうちの１つ以上の例証について、図８に描写される例示的なシステムが以下に提供されている。この例示的なシステムにおいて、アンチモン（Ｓｂ）、アンチモン酸化物（Ｓｂ２Ｏ３）、及びアンチモン硫化物（輝安鉱−Ｓｂ２Ｓ３）の融点は、それぞれ６３０℃、６５６℃、及び５５０℃であるため、溶融金属アノードにはアンチモンが選択されている。さらには、上の種の密度は、それぞれ６．５３、５．２０、及び４．６３ｇ／ｍｌである。
【００５９】
先に詳細に記載されたように、全プロセスは、金属／金属硫化物サイクル及び金属／金属酸化物サイクルの２つのサイクルからなる。図８に示されるように、燃料コンタクタ２２０は、第１及び第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣ１０及び１１０に共通している。
【００６０】
この実施例では、以下の金属及び金属硫化物電気化学的酸化反応が発生する（Ｒ１３〜Ｒ１５）。
【００６１】
0006545706.tif 000015
【００６２】
0006545706.tif 000016
【００６３】
0006545706.tif 000017
【００６４】
図９Ａ〜１０Ｃは、アンチモン酸化（図９Ａ及び１０Ａを参照のこと）、金属アンチモンへのアンチモン硫化物酸化（図９Ｂ及び１０Ｂを参照のこと）、及びアンチモン酸化物へのアンチモン硫化物酸化（図９Ｃ及び１０Ｃを参照のこと）の場合の可逆（最大）電位（図９Ａ〜９Ｃ）及び電気効率（図１０Ａ〜１０Ｃ）に対する温度の影響を示す。反応の可逆電位及び電気効率は、以下によって画定される。
【００６５】
【数１】
0006545706.tif 000018
【００６６】
【数２】
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【００６７】
式中、ΔＨＲ，Ｔ及びΔＧＲ，Ｔは、Ｔでの反応のエンタルピー及び自由エネルギーであり、ｎは、輸送された電子の数であり、Ｆは、ファラデー定数である。
【００６８】
図９Ａ〜９Ｃに示されるように、６８０℃（９５３Ｋ）での溶融Ｓｂアノードの場合、Ｓｂ酸化（図９Ａ）、ＳｂへのＳｂ２Ｓ３酸化（図９Ｂ）、及びＳｂ２Ｏ３へのＳｂ２Ｓ３酸化（図９Ｃ）の可逆電位値は、それぞれ０．７３Ｖ、０．５８Ｖ、及び０．５７Ｖである。したがって、金属／金属硫化物サイクル内での電力の生成は、金属／金属酸化物サイクル内よりも約２０％低くなるが、それは、金属硫化物を電気化学的に酸化させることによって電気エネルギーを生成しない従来のシステムと比べて大きな改善である。電気効率値は図（１０Ａ〜１０Ｃ）に示され、Ｓｂ酸化の場合は、図１０Ａに示されるように約６０％であるが、Ｓｂ（図１０Ｂに示される）またはＳｂ２Ｏ３（図１０Ｃに示される）へのＳｂ２Ｓ３酸化の場合、それは約６５％である。
【００６９】
この実施例では、Ｓｂ２Ｏ３は、炭化水素燃料によってＳｂに還元され、ここでオクタン（Ｃ８Ｈ１８）、及びＨ２が形成される（Ｒ１６）。
【００７０】
0006545706.tif 000020
【００７１】
水素は、金属酸化物種を還元するために使用されるか、有機硫黄化合物が燃料混合物内に存在するときに、有機硫黄化合物の脱硫を促進するために使用されるかのいずれかであり得る。
【００７２】
図１１Ａ〜１１Ｃは、炭素（図１１Ａ）、水素（図１１Ｂ）、及びメタン燃料（図１１Ｃ）それぞれの場合のＳｂ２Ｏ３還元反応の自由エネルギー（ΔＧ）に対する温度の影響を示す。示されるように、高温での還元反応の自由エネルギーは、炭素含有燃料において有益により高い（図１１Ａ及び１１Ｃ）。
【００７３】
有機硫黄化合物が炭化水素燃料混合物内に存在するため（ここではチオフェンが例として使用される）、金属硫化物が形成されることとなるが、（Ｒ１６）または（Ｒ１１）によって形成される水素は、脱硫有機化合物の炭素原子の飽和を促進することとなる（Ｒ１７）。
【００７４】
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【００７５】
チオフェン脱硫反応（Ｒ１７）のエンタルピー（ΔＨ）及び自由エネルギー（ΔＧ）に対する温度の影響は、図１２Ａ及び１２Ｂに示される。示されるように、反応は、調査された温度範囲（８００〜１３００Ｋまたは５２７〜１０２７℃）において吸熱性である一方、アンチモン（Ｓｂ）の融点と合致する９００Ｋ（６３０℃）を超える温度で自発性となる。
【００７６】
図１２Ａ及び１２Ｂは、チオフェン脱硫反応のエンタルピー（左）及び自由エネルギー（右）に対する温度の影響を示す。アンチモン（Ｓｂ）は、アンチモン硫化物（Ｓｂ２Ｓ３）に変換されて炭化水素燃料混合物を改良する。
【００７７】
様々な修正及び変形形態が、特許請求される主題の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載される実施形態になされ得ることは当業者にとっては明白であるものとする。したがって、本明細書は、本明細書に記載される様々な実施形態の修正及び変形形態を網羅することが意図されるが、但し、そのような修正及び変形形態が添付の特許請求項及びそれらの均等物の範囲内にあることを条件とする。
【００７８】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００７９】
実施形態１
溶融金属アノード固体酸化物燃料電池（ＭＭＡ−ＳＯＦＣ）システムであって、
第１のカソード、第１の溶融金属アノード、及び前記第１のカソードと前記第１の溶融金属アノードとの間に配置される第１の固体電解質を備える第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣと、
第２のカソード、第２の溶融金属アノード、及び前記第２のカソードと前記第２の溶融金属アノードとの間に配置される第２の固体電解質を備える第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣと、
溶融金属を前記第１の溶融金属アノードから前記第２の溶融金属アノードへ移送するように構成される溶融金属導管と、
前記第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣと一体型であるか、前記第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣと流体連通している燃料コンタクタと、
１つ以上の外部電気回路と、を備え、
前記第１の溶融金属アノードが、前記溶融金属を酸化させて金属酸化物及び電子を生成するように構成される酸化領域を備え、
前記燃料コンタクタが、前記金属酸化物を還元するように構成される再生領域を備え、かつ硫黄含有燃料と反応すると前記溶融金属内に金属硫化物を生成し、
前記第２の溶融金属アノードが、前記金属硫化物含有溶融金属内の前記金属硫化物を酸化させて金属及び電子を生成するように構成され、
前記外部電気回路が、前記第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ及び前記第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣの両方において生成される前記電子から電力を発生させるように構成される、システム。
【００８０】
実施形態２
第２の固体金属アノードをさらに備える、実施形態１に記載のシステム。
【００８１】
実施形態３
前記第２の固体金属アノードが、前記第２の溶融金属アノードと前記第２の固体電解質との間に配置される、実施形態２に記載のシステム。
【００８２】
実施形態４
前記第２の固体金属アノードが、金属または金属セラミックを含む、実施形態２に記載のシステム。
【００８３】
実施形態５
前記第２の固体金属アノードが、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される金属を含む、実施形態２に記載のシステム。
【００８４】
実施形態６
前記第１の溶融金属アノード、前記第２の溶融金属アノード、またはそれらの両方が、スズ（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、水銀（Ｈｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、ヒ素（Ａｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、テルル（Ｔｅ）、セレン（Ｓｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、金（Ａｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タリウム（Ｔｌ）、カドミウム（Ｃｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、バナジウム（Ｖ）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される金属を含む、実施形態１に記載のシステム。
【００８５】
実施形態７
前記第１の溶融金属アノード、前記第２の溶融金属アノード、またはそれらの両方が、アンチモンを含む、実施形態１に記載のシステム。
【００８６】
実施形態８
前記第１の固体電解質、前記第２の固体電解質、またはそれらの両方が、ジルコニア系電解質またはセリア系電解質を含む、実施形態１に記載のシステム。
【００８７】
実施形態９
前記ジルコニア系電解質が、イットリア安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ＺｒＯ２（ＳｃＳＺ）、カルシア安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、実施形態８に記載のシステム。
【００８８】
実施形態１０
前記第１の固体電解質、前記第２の固体電解質、またはそれらの両方が、イットリア安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）を含む、実施形態１に記載のシステム。
【００８９】
実施形態１１
前記セリア系電解質が、希土類ドープセリアを含む、実施形態８に記載のシステム。
【００９０】
実施形態１２
前記セリア系電解質が、ガドリニウムドープセリア（ＧＤＣ）、イットリアドープセリア（ＹＤＣ）、サマリウムドープセリア（ＳｍＤＣ）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、実施形態８に記載のシステム。
【００９１】
実施形態１３
前記第１のカソード、前記第２のカソード、またはそれらの両方が、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、イットリア安定化ＺｒＯ２／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）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、実施形態１に記載のシステム。
【００９２】
実施形態１４
前記第１の溶融金属アノード及び前記第２の溶融金属アノードと流体連通している燃料コンタクタをさらに備える、実施形態１に記載のシステム。
【００９３】
実施形態１５
前記燃料コンタクタが、多孔質セラミック、金属、またはそれらの組み合わせを含む、実施形態１４に記載のシステム。
【００９４】
実施形態１６
前記第２の溶融金属アノードの下流にあり、かつ前記金属酸化物を金属に還元するように構成される犠牲還元剤をさらに備える、実施形態１に記載のシステム。
【００９５】
実施形態１７
前記犠牲還元剤が、グラファイト棒、または鉄（Ｆｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マンガン（Ｍｎ）、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、もしくはチタン（Ｔｉ）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるものである、実施形態１６に記載のシステム。
【００９６】
実施形態１８
前記第２の溶融金属アノードの下流にＳＯ２除去及び処理設備をさらに備える、実施形態１に記載のシステム。
【００９７】
実施形態１９
前記ＳＯ２除去及び処理設備が、湿式スクラバユニット、噴霧乾燥ユニット、湿式Ｈ２ＳＯ４処理ユニット、ＳＮＯＸ排煙脱硫ユニット、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される１つ以上のユニットを備える、実施形態１８に記載のシステム。
【００９８】
実施形態２０
前記第２の溶融金属アノードの下流にＣｌａｕｓユニットの触媒部をさらに備え、前記Ｃｌａｕｓユニットの前記触媒部が、ＳＯ２副生成物を利用してＨ２Ｓを元素硫黄に触媒的に変換するように構成される、実施形態１に記載のシステム。
【００９９】
実施形態２１
さらに前記硫黄含有燃料が、水素燃料、炭素燃料、炭化水素燃料、硫化水素、及びそれらの混合物からなる群より選択される、実施形態１に記載のシステム。
【０１００】
実施形態２２
前記燃料コンタクタが、前記第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ内に一体化される、実施形態１に記載のシステム。
【０１０１】
実施形態２３
前記燃料コンタクタが、別個であるが前記第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣと流体連通している、実施形態１に記載のシステム。
【０１０２】
実施形態２４
前記第２の溶融金属アノードと流体連通している追加の燃料コンタクタをさらに備え、前記追加の燃料コンタクタが、前記溶融金属内で金属硫化物を生成するように構成される硫酸化領域を備える、実施形態１に記載のシステム。
【０１０３】
実施形態２５
溶融金属アノード固体酸化物燃料電池システム（ＭＭＡ−ＳＯＦＣ）であって、
第１のカソード、第１の溶融金属アノード、及び前記第１のカソードと前記第１の溶融金属アノードとの間に配置される第１の固体電解質を備える第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣであって、前記第１の溶融金属アノードが、溶融金属を酸化させて金属酸化物及び電子を生成するように構成される、第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣと、
第２のカソード、第２の溶融金属アノード、及び前記第２のカソードと前記第２の溶融金属アノードとの間に配置される第２の固体電解質を備える第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣと、
前記第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ及び前記第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣと流体連通している燃料コンタクタと、
溶融金属を、前記第１の溶融金属アノード、前記第２の溶融金属アノード、及び前記燃料コンタクタの間で移送するように構成される溶融金属導管と、
前記第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ及び前記第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣの両方において生成される前記電子から電力を発生させるように構成される１つ以上の外部電気回路と、を備え、
前記燃料コンタクタが、前記金属酸化物を還元し、かつ硫黄含有燃料と反応すると前記溶融金属内で金属硫化物を生成するように構成される再生領域と、前記第２の溶融金属アノードによって移送される溶融金属内の金属から金属硫化物を生成するように構成される硫酸化領域と、を備え、
前記第２の溶融金属アノードが、金属硫化物含有溶融金属内の金属硫化物を酸化させて金属及び電子を生成するように構成される、システム。
【０１０４】
実施形態２６
前記溶融金属導管が、前記燃料コンタクタの前記硫酸化領域内で生成される金属硫化物を前記第２の溶融金属アノードに戻して再循環させるように構成される、実施形態２５に記載のシステム。
【０１０５】
実施形態２７
前記溶融金属導管が、前記燃料コンタクタの前記再生領域内で生成される金属を前記第１の溶融金属アノードに戻して再循環させるように構成される、実施形態２５に記載のシステム。
【０１０６】
実施形態２８
前記硫酸化領域が、Ｈ２Ｓを利用して金属を金属硫化物に変換し、Ｈ２も生成する、実施形態２５に記載のシステム。
【０１０７】
実施形態２９
前記第２の溶融金属アノードと前記第２の固体電解質との間に配置される第２の固体金属アノードをさらに備える、実施形態２５に記載のシステム。
【０１０８】
実施形態３０
前記第２の溶融金属アノードの下流にあり、かつ前記金属酸化物を金属に還元するように構成される犠牲還元剤をさらに含む、実施形態２５に記載のシステム。
【０１０９】
実施形態３１
前記第２の溶融金属アノードの下流にＳＯ２除去及び処理設備をさらに備える、実施形態２５に記載のシステム。
【０１１０】
実施形態３２
前記第２の溶融金属アノードの下流にＣｌａｕｓユニットの触媒部をさらに備え、前記Ｃｌａｕｓユニットの前記触媒部が、ＳＯ２副生成物を利用してＨ２Ｓを元素硫黄に触媒的に変換するように構成される、実施形態２５に記載のシステム。
【０１１１】
実施形態３３
２つの別個の溶融金属アノード固体酸化物燃料電池（ＭＭＡ−ＳＯＦＣ）内で電気を共発生させるための方法であって、
第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣの第１の溶融金属アノード内で溶融金属を酸化させることによって、金属酸化物及び電子を生成することと、
前記溶融金属及び金属酸化物を硫黄含有燃料と反応させることによって、金属及び金属硫化物を生成することと、
第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣの第２の溶融金属アノード内で前記金属硫化物を酸化させることによって、金属及び電子を生成することと、
外部電気回路内で前記第１のＭＭＡ−ＳＯＦＣ及び前記第２のＭＭＡ−ＳＯＦＣからの前記電子を収集することによって、電気を共発生させることと、を含む、方法。
【０１１２】
実施形態３４
個々の溶融金属アノード固体酸化物燃料電池（ＭＭＡ−ＳＯＦＣ）内の金属硫化物から電気を発生させるための方法であって、
カソード、溶融金属アノード、前記カソードと前記溶融金属アノードとの間に配置される固体電解質を備えるＭＭＡ−ＳＯＦＣであって、燃料コンタクタと流体連通している、ＭＭＡ−ＳＯＦＣを提供することと、
溶融金属を、Ｈ２Ｓのみ、またはＨ２Ｓ、硫黄、スルホン、スルホキシド、もしくはそれらの組み合わせのうちの１つ以上を含む硫黄含有燃料と反応させることによって、溶融金属流内で金属硫化物及びＨ２を生成することと、
前記ＭＭＡ−ＳＯＦＣの前記溶融金属アノード内の前記金属硫化物含有溶融金属を酸化させることによって、金属及び電子を生成することと、
外部電気回路内で前記ＭＭＡ−ＳＯＦＣからの前記電子を収集することによって、電気を発生させることと、を含む、方法。
【０１１３】
実施形態３５
前記溶融金属アノードの下流で犠牲還元剤を利用することによって、金属酸化物副生成物を金属に還元することをさらに含む、実施形態３４に記載の方法。
【０１１４】
実施形態３６
前記溶融金属アノードの下流でＳＯ２除去及び処理設備を利用することによって、ＳＯ２副生成物を除去または処理することをさらに含む、実施形態３４に記載の方法。
【０１１５】
実施形態３７
前記溶融金属アノードの下流にＣｌａｕｓユニットの触媒部をさらに提供し、前記Ｃｌａｕｓユニットの前記触媒部が、ＳＯ２副生成物を利用してＨ２Ｓを元素硫黄に触媒的に変換する、実施形態３４に記載の方法。
【０１１６】
実施形態３８
前記溶融金属アノードが、溶融金属導管を介して前記燃料コンタクタに接続される、実施形態３４に記載の方法。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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