(57)【要約】本発明は、電気化学デバイスに関する。本デバイスは、デバイスを化学的に再充電可能とするような材料で構成された負極を特徴とする。それに加え、本デバイスは燃料電池又はバッテリーとしての作動の間を切り替えることができる。この切り替えは、電気出力を停止することなく起きうる。本発明の一部の側面では、本デバイスは１０００℃未満で作動できる。その他の側面では、液体負極を特徴とし、それにより出力が高まり、燃料が分散され、負極を含む界面での応力が最小化される。好ましくは、その負極は１０００℃未満で液体である。本発明はエネルギー変換方法にも関し、その方法では、燃料が存在して負極を消費しない場合及び燃料が存在しない場合の両方で、連続的な電気出力が生成できる。
2004501483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極が化学的に再充電可能であるような材料で構成された負極；及び
負極に露出可能な燃料源；
を備えた電気化学デバイス。
【請求項２】
負極を化学的に再充電する化学的還元剤源をさらに備えた請求項１のデバイス。
【請求項３】
化学的還元剤源が燃料源である請求項２のデバイス。
【請求項４】
負極が金属から構成される請求項１のデバイス。
【請求項５】
標準水素電極に対する金属の標準還元電位が−０．７０Ｖより大きい請求項４の負極。
【請求項６】
負極が少なくとも２つの金属を含む請求項１の負極。
【請求項７】
標準水素電極に対する各々の金属の標準還元電位が−０．７０Ｖより大きい請求項６の負極。
【請求項８】
金属酸化物及び複合金属酸化物からなる群より選択される酸化物を含む酸化状態から還元状態へ、負極が化学的に再充電される、請求項１の負極。
【請求項９】
燃料が存在しない場合にデバイスが発電可能な請求項１のデバイス。
【請求項１０】
負極とイオン的に連通した電解質をさらに備える請求項１のデバイス。
【請求項１１】
電解質が固体電解質である請求項１０のデバイス。
【請求項１２】
固体電解質が、式：
（ＺｒＯ２） （ＨｆＯ２）ａ （ＴｌＯ２）ｂ （Ａｌ２Ｏ３）ｃ （Ｙ２Ｏ３）ｄ （ＭｘＯｙ） ｅ
（ａは０から約０．２、ｂは０から約０．５、ｃは０から約０． ５、ｄ は０から約０． ５、 ｘは０より大きく２以下、ｙは０より大きく３以下、ｅは０から約０．５、Ｍはカルシウム、マグネシウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、及び亜鉛からなる群より選択される。）
である請求項１１のデバイス。
【請求項１３】
固体電解質が：
（ＺｒＯ２）， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８， （ＺｒＯ２）（ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０８， （ＺｒＯ２）（ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０５， （ＺｒＯ２）（ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＴｉＯ２）０．１０， （ＺｒＯ２） （ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０８（Ａｌ２Ｏ３）０．１０， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（Ｆｅ２０３）０．０５， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＣｏＯ）０．０５， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＺｎＯ）０．０５， （ＺｒＯ２） （Ｙ２Ｏ３）０．８（ＮｉＯ）０．０５， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＣｕＯ）０．０５， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＭｎＯ）０．０５ 及びＺｒＯ２ＣａＯ；
からなる群より選択される請求項１２のデバイス。
【請求項１４】
電解質とイオン的に連通した正極をさらに備えた請求項１０のデバイス。
【請求項１５】
正極が固体正極である請求項１４のデバイス。
【請求項１６】
固体正極が金属酸化物及び複合金属酸化物からなる群より選択される請求項１５のデバイス。
【請求項１７】
固体正極が、スズドープＩｎ２Ｏ３、アルミニウムドープ酸化亜鉛、及びジルコニウムドープ酸化亜鉛からなる群より選択される、請求項１６のデバイス。
【請求項１８】
固体正極がペロブスカイト型酸化物である請求項１６のデバイス。
【請求項１９】
ペロブスカイト型酸化物が、式：
ＬａｘＭｎｙＡａＢｂＣｃＯｄ
（Ａはアルカリ土類金属であり、Ｂは：スカンジウム、イットリウム、ランタノイド金属；からなる群より選択され、Ｃは：チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、及びアンチモン；からなる群より選択され、ｘは０から約１．０５であり、ｙは０から約１であり、ａは０から約０．５であり、ｂは０から約０．５であり、ｃは０から約０．５であり、ｄは約１以上約５以下であり、ｘ、ｙ、ａ、ｂ及びｃの少なくとも１つは０より大きい。）
で表される請求項１８のデバイス。
【請求項２０】
ペロブスカイト型酸化物が：
ＬａＭｎＯ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６ＭｎＯ３， Ｌａ０．８４Ｃａ０．１６ＭｎＯ３， Ｌａ０．８４Ｂａ０．１６ＭｎＯ３，
Ｌａ０．６５Ｓｒ０．３５Ｍｎ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３， Ｌａ０．７９Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８５Ｃｏ０．１５Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８Ｎｉ０．２Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８Ｃｅ０．２Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８Ｃｒ０．２Ｏ３， Ｌａ０．６Ｓｒ０．３５Ｍｎ０．８Ａｌ０．２Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｃ０．１６ＭｎＯ３， Ｌａ０．８４Ｙ０．１６ＭｎＯ３， Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＣｏＯ３， ＬａＣｏＯ３， Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＦｅＯ３， Ｌａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３；
からなる群より選択される請求項１９のデバイス。
【請求項２１】
正極が金属を含む請求項１５のデバイス。
【請求項２２】
金属が：白金、パラジウム、金、銀、銅、ロジウム、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２１のデバイス。
【請求項２３】
約１５００℃未満の温度で作動可能な請求項１のデバイス。
【請求項２４】
約１３００℃未満の温度で作動可能な請求項１のデバイス。
【請求項２５】
約１０００℃未満の温度で作動可能な請求項１のデバイス。
【請求項２６】
約３００℃から約１５００℃の温度で作動可能な請求項２３のデバイス。
【請求項２７】
約３００℃から約１３００℃の温度で作動可能な請求項２６のデバイス。
【請求項２８】
負極が：銅、モリブデン、水銀、イリジウム、パラジウム、アンチモン、レニウム、ビスマス、白金、銀、ヒ素、ロジウム、テルル、セレン、オスミウム、金、鉛、ゲルマニウム、スズ、インジウム、タリウム、カドミウム、ガドリニウム、クロム、ニッケル、鉄、タングステン、バナジウム、マンガン、コバルト、亜鉛、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のデバイス。
【請求項２９】
負極が：アンチモン、インジウム、スズ、ビスマス、水銀、及び鉛；からなる群より選択される請求項２８のデバイス。
【請求項３０】
負極が：銅、モリブデン、水銀、イリジウム、パラジウム、アンチモン、レニウム、ビスマス、白金、銀、ヒ素、ロジウム、テルル、セレン、オスミウム、金、鉛、ゲルマニウム、スズ、インジウム、タリウム、カドミウム、ガドリニウム、クロム、ニッケル、鉄、タングステン、バナジウム、マンガン、亜鉛及びコバルト；からなる群より選択される少なくとも１つの元素を含む合金である請求項１のデバイス。
【請求項３１】
燃料が負極に露出される場合、燃料が負極と接触する請求項１のデバイス。
【請求項３２】
燃料が負極に露出される場合、燃料が負極の酸化された部分と接触する請求項１のデバイス。
【請求項３３】
燃料源が燃料リザーバーからなる請求項１のデバイス。
【請求項３４】
負極に向けられた入口にリザーバーを接続するガイドにより、燃料源が負極に露出可能である請求項３３のデバイス。
【請求項３５】
燃料が：炭素質材料、硫黄、硫黄含有有機化合物、窒素含有有機化合物、アンモニア、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のデバイス。
【請求項３６】
炭素質材料が：導電性カーボン、グラファイト、疑似グラファイト、石炭、コーク、木炭、フラーレン、バックミンスターフラーレン、カーボンブラック、活性炭、脱色炭、炭化水素、含酸素炭化水素、一酸化炭素、脂肪、油、木材、バイオマス、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３５のデバイス。
【請求項３７】
炭化水素材料が飽和及び不飽和炭化水素からなる群より選択される請求項３６のデバイス。
【請求項３８】
炭化水素材料が：脂肪族化合物、脂環式化合物、芳香族化合物、及びそれらの混合物；からなる群より選択される請求項３６のデバイス。
【請求項３９】
炭化水素材料が：ガソリン、ディーゼル、ケロセン、メタン、プロパン、ブタン、天然ガス、及びそれらの混合物；からなる群より選択される請求項３８のデバイス。
【請求項４０】
含酸素炭化水素がアルコールである請求項３６のデバイス。
【請求項４１】
アルコールがＣ１−Ｃ２０のアルコール及びＣ１−Ｃ２０のアルコールの組み合わせからなる群より選択される請求項４０のデバイス。
【請求項４２】
アルコールが：メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、及びそれらの混合物；からなる群より選択される請求項４１のデバイス。
【請求項４３】
燃料源が、少なくとも２つの異なる燃料について可変である供給源を備えた、請求項１のデバイス。
【請求項４４】
燃料源が、異なる燃料源と交換可能である請求項１のデバイス。
【請求項４５】
燃料源が、異なる燃料の異なる燃料源と交換可能である請求項４４のデバイス。
【請求項４６】
電気出力が少なくとも約１０ｍＷ／ｃｍ２である能力のある請求項１のデバイス。
【請求項４７】
電気出力が少なくとも約１００ｍＷ／ｃｍ２である能力のある請求項１のデバイス。
【請求項４８】
電気出力が少なくとも約２００ｍＷ／ｃｍ２である能力のある請求項１のデバイス。
【請求項４９】
自己修復性を有する請求項１のデバイス。
【請求項５０】
負極がさらに封止剤前駆体を含む請求項４７のデバイス。
【請求項５１】
負極が、酸素に露出された場合に固体電解質の傷を封止する封止剤前駆体を含む、請求項４８のデバイス。
【請求項５２】
負極が化学的に再充電可能な負極４４であるような材料で構成された負極。
【請求項５３】
液体をなす負極；及び
負極に露出可能な燃料源；
を備え、１００℃以下の温度でデバイスが作動可能である電気化学デバイス。
【請求項５４】
負極が液体を含む請求項５３の負極。
【請求項５５】
負極が金属を含む請求項５４の負極。
【請求項５６】
負極；及び
デバイスから連続的な電気出力を生成するため、負極に輸送可能である間欠的な燃料源；
を備えた電気化学デバイス。
【請求項５７】
負極が液体である請求項５６のデバイス。
【請求項５８】
負極；及び
負極に露出可能な燃料源であって、燃料が存在して負極を消費しない場合及び燃料が存在しない場合の両方で、負極を用いることによりデバイスが発電可能であるような材料で負極が構成される、上記燃料源；
を備えた電気化学デバイス。
【請求項５９】
負極が液体である請求項５８のデバイス。
【請求項６０】
第一と第二の電気化学デバイスであって、各々のデバイスが液体を含む負極を包含し、その負極は電解質とイオン的に連通し、その電解質は正極とイオン的に連通し；
第一のデバイスの負極及び第二のデバイスの正極の両者の中間にあって、両者に隣接して位置する内部接続；
を備えた電気化学デバイスのスタック。
【請求項６１】
スタックが実質的に平面状である請求項６０のスタック。
【請求項６２】
各々のデバイスが実質的に平面状である請求項６０のスタック。
【請求項６３】
各々のデバイスが管状である請求項６０のスタック。
【請求項６４】
各々のスタックが直列に配置されている請求項６０のスタック。
【請求項６５】
各々のスタックが並列に配置されている請求項６０のスタック。
【請求項６６】
スタックが直列−並列構成を備えた請求項６０のスタック。
【請求項６７】
各々のデバイスがケーシング内に設置されている請求項６０のデバイス。
【請求項６８】
各々のデバイスがケーシング内に非永続的に設置されている請求項６７のデバイス。
【請求項６９】
スタックが少なくとも２つのデバイスを含む請求項６０のデバイス。
【請求項７０】
内部接続及び正極の熱膨張係数の差が約１５００℃未満の温度で約３０％未満である請求項６０のスタック。
【請求項７１】
熱膨張係数の差が約１５００℃未満の温度で約２０％未満である請求項７０のスタック。
【請求項７２】
熱膨張係数の差が約１５００℃未満の温度で約１０％未満である請求項７０のスタック。
【請求項７３】
内部接続及び正極が同じ組成を有する請求項７０のスタック。
【請求項７４】
負極を備えた電気化学デバイスを準備し；
負極に供給する燃料の存在下において、負極を消費することなく発電し；
負極に燃料を供給せずに、デバイス内で発電する；
工程を含むエネルギー変換方法。
【請求項７５】
発電工程の何れか又は両者が、負極とイオン的に連通した電解質及びその電解質とイオン的に連通した正極の準備を含む請求項７４の方法。
【請求項７６】
発電工程の何れか又は両者が、含酸素ガス流の正極への誘導をさらに含む請求項７５の方法。
【請求項７７】
発電工程の何れか又は両者が、約３００℃から約１５００℃の温度へのデバイスの加熱をさらに含む請求項７６の方法。
【請求項７８】
加熱によって負極を液体にする請求項７７の方法。
【請求項７９】
負極が約１０００℃未満の温度で液体となる請求項７８の方法。
【請求項８０】
電気出力が少なくとも約１０ｍＷ／ｃｍ２である請求項７４の方法。
【請求項８１】
電気出力が少なくとも約１００ｍＷ／ｃｍ２である請求項７４の方法。
【請求項８２】
電気出力が少なくとも約２００ｍＷ／ｃｍ２である請求項７４の方法。
【請求項８３】
負極が液体をなす請求項７４の方法。
【請求項８４】
デバイスが自己修復性を有する請求項７４の方法。
【請求項８５】
負極が封止剤前駆体をさらに含む請求項８４の方法。
【請求項８６】
負極が金属を含み、封止剤が金属酸化物及び複合金属酸化物からなる群より選択される材料を含む、請求項８５の方法。
【請求項８７】
負極を化学的に再充電するため燃料を負極に供給する工程をさらに含む請求項７４の方法。
【請求項８８】
負極を準備し；
負極に間欠的に燃料を輸送し、負極を用いて連続的な電気出力を生成する；
工程を含むエネルギー変換方法。
【請求項８９】
負極を準備し；
発電するよう負極の一部を酸化し；
負極の酸化部分を化学的還元剤に露出して酸化部分を還元する；
工程を含む方法。
【請求項９０】
還元部分が負極として作用しうる請求項８９の方法。
【請求項９１】
負極が電気化学デバイスの構成部材であり、化学的還元剤が燃料である、請求項８９の方法。
【請求項９２】
負極が金属で構成される請求項８９の方法。
【請求項９３】
負極が液体をなす請求項９２の方法
【請求項９４】
酸化された負極が、金属酸化物及び複合金属酸化物からなる群より選択される材料を含む請求項９２の方法。
【請求項９５】
標準水素電極に対する金属の標準還元電位が−０．７０Ｖより大きい請求項９２の方法。
【請求項９６】
負極が少なくとも２つの金属を含む請求項８９の方法。
【請求項９７】
各々の金属の標準水素電極に対する標準還元電位が−０．７０Ｖより大きい請求項９６の方法。
【請求項９８】
発電工程が、負極とイオン的に連通した固体電解質と、正極とイオン的に連通した電解質との準備をさらに含む請求項８９の方法。
【請求項９９】
酸化工程が約３００℃から約１５００℃の温度へのデバイスの加熱をさらに含む請求項９８の方法。
【請求項１００】
酸化工程が負極の燃料への露出をさらに含む請求項９８の方法。
【請求項１０１】
標準水素電極に対する各々の金属の標準還元電位が−０．７０Ｖより大きい合金を含む液体負極を備えた電気化学デバイス。
【請求項１０２】
負極；及び
負極へ燃料を露出する手段であって、燃料が存在し負極を消費しない場合及び燃料が存在しない場合の両方で、負極が関与してデバイスが発電可能であるような材料を負極が含む、上記手段；
を備えた電気化学デバイス。
【請求項１０３】
負極；及び
デバイスから連続的な電気出力を生成するため、燃料を負極に間欠的に露出する手段；
を含む電気化学デバイス。
【請求項１０４】
負極を備えたバッテリー；
負極を備えた燃料電池；及び
負極と異なる材料を含む燃料；
を備えた電気化学デバイス。
【請求項１０５】
負極が化学的に再充電可能である請求項１０４のデバイス。
【請求項１０６】
バッテリーを準備し；
バッテリーの負極に燃料を供給し、その燃料が負極と異なる材料で作られている；
工程を含むエネルギー変換方法。
【請求項１０７】
燃料を負極に供給する工程により、バッテリーが燃料電池に切り替わる請求項１０６の方法。
【請求項１０８】
燃料電池を準備し；
燃料電池内での燃料の負極への供給を休止することにより、燃料電池をバッテリーに切り替える；
工程を含むエネルギー変換方法。
【請求項１０９】
少なくとも２つの異なる種類の燃料をデバイスに供給するため、少なくとも２つの燃料源を含む電気化学デバイスであって、その２つの燃料源が燃料の種類を選択するため交換可能である上記デバイス。
【請求項１１０】
液体負極を含有し、固体電解質材料を備えたハウジング。
【請求項１１１】
液体負極を備えたデバイスを準備し；
負極の一部を酸化して金属酸化物を形成しつつ発電する；
工程を含むエネルギー変換方法。
【請求項１１２】
燃料を負極に露出することにより酸化工程が開始される請求項１１１の方法。
【請求項１１３】
デバイスが１０００℃未満の温度で作動可能である請求項１１１の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願
本非仮出願は、アメリカ合衆国法典３５章１１９（ｅ）条に基づき、Ｔａｏ　Ｔ．　Ｔａｏらによる２０００年４月１８日出願の同時継続出願である米国仮出願シリアルＮｏ．６０，１９７，９９８の利益を請求し、ここに参照して取り込む。
【０００２】
発明の分野
本発明は、燃料電池又はバッテリー（ｂａｔｔｅｒｙ）のどちらとしても作動可能な電気化学デバイスに関する。本デバイスの特徴は、特に金属又は合金といった液体を含む、化学的に再充電可能な負極である。燃料のある場合、又は燃料のない場合に発電する方法も開示する。
【０００３】
本発明の背景
固体電解質を備えた燃料電池では、正極が酸素を酸素イオンに還元し、負極が燃料を酸化し、それに伴って燃料が供給した電子を放出する。酸化された燃料は酸素イオンと結合し、外部回路を通じた放出電子の生成流を妨げる。この負極は、燃料電池の作動の間には消費されない。理論的には、燃料が負極に供給される限り、燃料電池は作動することができる。
【０００４】
電気出力は、電極、電解質という構成部材に加え、用いられる燃料の種類及び作動温度を包含する幾つかの要素に依存する。電気出力を高くするため、高作動温度に耐えうる新しい材料が考え出されてきた。しかし、多くの用途にとってそのような高温は現実的ではない。それに加え、現在知られている材料の組み合わせではデバイスが重くなり、可変負荷用途にとって現実的ではない。負極、電解質、及び正極の構成部材についての新材料の発見を含め、燃料電池の性能を改善する試みがなされてきた。しかし各々のデバイスは、一般的に、一定の種類の燃料に限定されている。
【０００５】
空気／負極バッテリーでは、燃料電池と類似した方式で正極が酸素を還元して酸素イオンとするが、負極自体が酸化されて外部回路に放出される電子を供給する。このように、負極が消費される。チャージバランスのため、酸化される負極は、正極で生成された酸素イオンと反応する。このバッテリーは、発電するために燃料を必要としない。しかしバッテリーは、負極の寿命で決定される限られた寿命しか有しない。
【０００６】
燃料電池とバッテリーの属性を結合する試みがなされてきた。例えば、デバイスが別々のバッテリーと燃料電池との構成部材を備え、バッテリーの蓄電能力を燃料電池の長寿命を組み合わせることができる。しかしこの配置では、デバイスの重量を増やすだけである。
【０００７】
特に、構成部材の軽量化と出力の増加が必須である移動用途のため、燃料電池とバッテリーの性能を改良する多くの努力がなされており、その努力が続いている。
【０００８】
本発明の要旨
本発明の１つの側面では、電気化学デバイスを提供する。デバイスは、負極が化学的に再充電可能であるような材料で構成された負極を備える。デバイスは、負極に露出可能な（ｅｘｐｏｓａｂｌｅ）燃料源も備える。
【０００９】
本発明の別の側面では、負極が化学的に再充電可能であるような材料で構成された負極を提供する。
本発明の別の側面では、液体をなす負極を備えた電気化学デバイスを提供する。デバイスは、１０００℃以下で作動可能である。デバイスは、負極に露出可能な燃料源も備える。
【００１０】
本発明の別の側面では、負極と；デバイスの連続的な電気出力を生成するため、負極に輸送可能な間欠的な燃料源と；を備えた電気化学デバイスを提供する。
本発明の別の側面では、負極と、負極に露出可能な燃料源とを備えた電気化学デバイスを提供する。燃料が存在して負極を消費しない場合、及び、燃料が存在しない場合の両方の場合に、その負極を使用してデバイスが発電できるような材料で負極が構成されている。
【００１１】
本発明の別の側面では、合金で構成される液体負極を備えた電気化学デバイスを提供する。合金の各々の金属の標準水素電極に対する標準還元電位は、−０．７０Ｖより大きい。
【００１２】
本発明の別の側面では、電気化学デバイスのスタックを提供する。スタックは、第一と第二の電気化学デバイスを備える。各々のデバイスは、液体をなす負極を包含する。負極は電解質とイオン導電性があり、電解質は正極とイオン的に連通する。スタックは、第一のデバイスの負極及び第二のデバイスの正極の両者の中間にあって、両者に隣接して位置する内部接続を備える。
【００１３】
本発明の別の側面では、エネルギー変換方法を提供する。この方法は、負極を備えた電気化学デバイスを準備する工程を含む。この方法は、負極に供給する燃料の存在下において、負極を消費することなく発電する工程も含む。この方法はさらに、負極に燃料を供給せずにデバイス内で発電する工程も含む。
【００１４】
本発明の別の側面では、負極を準備し；負極へ間欠的に燃料を輸送し、その負極を用いて連続的に電気出力を生成する；工程を含むエネルギー変換方法を提供する。
【００１５】
本発明の別の側面では、負極を準備し；負極の一部を酸化して発電する；工程を含む方法を提供する。この方法はさらに、負極の酸化部分を化学的還元剤に露出して酸化部分を還元する工程を含む。
【００１６】
本発明の別の側面では、負極を備えたバッテリーと、その負極を備えた燃料電池とを備えた電気化学デバイスを提供する。燃料は負極に露出可能であり、負極と異なる材料を含む。
【００１７】
本発明の別の側面では、バッテリーを準備し；そのバッテリーの負極に燃料を供給する；工程を含むエネルギー変換方法を提供する。燃料は負極とは異なる材料で作られる。
【００１８】
本発明の別の側面では、燃料電池を準備し；燃料電池の負極への燃料の供給を停止することによって、燃料電池をバッテリーに切り替える；工程を含むエネルギー変換方法を提供する。
【００１９】
本発明の別の側面では、デバイスに少なくとも２つの異なる種類の燃料を供給するための少なくとも２つの燃料源を備えた電気化学デバイスを提供し、この２つの燃料源は、燃料の種類を選択するため交換可能である。
【００２０】
本発明の別の側面では、固体電解質材料、液体負極を含有するハウジングを提供する。
本発明の別の側面では、エネルギー変換方法を提供する。この方法は、液体金属負極を備えたデバイスを準備し；負極の一部を酸化して、発電と同時に金属酸化物を形成する；工程を含む。
【００２１】
その他の利点、新規な特徴、及び本発明の課題は、以下の本発明の詳細な説明から、添付の図を併せて考慮することにより明らかとなるが、図は概略的であって縮尺に合わせて描くことを意図していない。図では、同一又はほとんど同一である各々の部材が様々な図で示される場合、１つの数字で表されている。当業者が本発明を理解するために説明が必要でない場合には、明瞭化の目的から、全ての部材があらゆる図で表示されているというわけではなく、本発明の実施態様各々のあらゆる部材が示されてるわけではない。
【００２２】
詳細な説明
本発明は、以下の有利な特徴の少なくとも１つ、又は任意の組み合わせを示す新しい電気化学デバイスを提供する：（１）化学的再充電能力；（２）簡素化された構成；（３）電気出力の増加；（４）機械的及び熱的応力が小さい電気化学デバイスのスタックを提供する能力。本発明の一定の側面では、異なる種類の燃料の使用とあわせて負極材料の構成を活用する。本発明の様々な実施態様も、新規な発電方法を提供する。
【００２３】
本発明の１つの側面では、電気化学デバイスを提供する。１つの実施態様では、本発明の電気化学デバイスは、電気化学反応により、化学的エネルギーを電気的エネルギーに変換して電気出力を生成する。電気化学デバイスの例は、燃料電池及びバッテリーを包含する。その他の例は、酸素精製機及び酸素センサーを包含する。
【００２４】
１つの実施態様では、電気化学デバイスは、燃料電池及びバッテリーの両者として作動可能なデュアルモード能力を有する。この様に、負極が燃料源を酸化して電子を放出できるだけでなく（例えば、燃料電池として）、負極自身が電子の放出により酸化されることもできる（例えば、バッテリーとして）。
【００２５】
このデュアルモード能力は、以下のシナリオによって説明できる。典型的な従来技術の燃料電池は、燃料の供給がある場合に限り電力を生成できる。燃料の供給を使い果たすと、電気出力はほとんど同時に終了する。この状況は、特に燃料電池デバイスが可変負荷用途で使用される場合、燃料を直ぐには交換できず、危険な場合がある。この問題を回避するため、従来技術における燃料電池の一部は、バッテリーバックアップを備えていた。しかし、別個にバッテリーを付加すると、重量が増えて燃料電池デバイスが複雑となり、特に可変負荷用途について好ましくない。
【００２６】
単一の電源としてバッテリーを使用することには不利な点がある。典型的なバッテリーでは、負極が消費されて電子を放出するため、発電は負極の消費を犠牲とする。この負極の消費により、バッテリーは限られた寿命を有し、その寿命は多くの場合、負極の寿命によって決定される。この問題を回避するため、従来技術において開発された電気的に再充電可能なバッテリーの一部では、外部源から電子を投入して消費された負極を還元し、負極を初期状態に回復する。しかし、外部の電源は電気的な再充電を必要とする。
【００２７】
対照的に、本発明のデバイスは“バッテリーモード”と“燃料電池モード”の間を切り替えることができる。例えば、燃料の供給を使い果たす場合、デバイスはバッテリーモードで作動して発電を続けることができ、それによって外部のバッテリーバックアップを必要としない。さらに燃料供給が再補充されると、望まれる場合には、バッテリーモードのデバイスを燃料電池モードに切り替えて戻すことができる。これらの特徴をさらに充分に以下に述べる。
【００２８】
本発明の別の側面では、負極が化学的に再充電可能であるような材料で構成された負極を備えた電気化学デバイスを提供する。
“化学的に再充電可能な負極（ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ　ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ　ａｎｏｄｅ）”とは、従来の電気的に再充電可能なデバイスとは反対に、化学的還元剤の添加によって再充電できる負極を指す。ここで用いられる“化学的に再充電可能なデバイス”は、化学的に充電可能な負極を備えたデバイスを指す。作動に先立ち、本発明のこの側面におけるデバイスは、初期酸化状態の負極を準備する。デバイスをバッテリーモードで作動させる場合、負極の少なくとも一部が消費され、電子が放出される。“消費された”負極又はその負極の一部とは、初期酸化状態よりも高い酸化状態の負極を指し、つまり、負極が酸化されている。化学的な再充電は、消費された負極の一部を化学的還元剤に露出することにより開始され、結果としてその部分がより還元された状態（例えば、初期酸化状態）へ還元される。この様に、電気（従来技術のデバイスのように）ではなく、化学的還元剤が、少なくとも部分的に負極を再充電する。１つの実施態様では、化学的還元剤のみにより負極が還元される。別の実施態様では、化学的及び電気的再充電の組み合わせにより負極の回復が起きる。化学的再充電の利点は、デバイス自身の中に再充電種（つまり、化学品）を用意できることである。従って、外部の再充電種は必要とされない。この特徴は、電気的な再充電のための電源が容易には利用できない領域での使用にとって特に望ましい。
【００２９】
ある種の金属電極は、２より大きい酸化状態、又は非整数の酸化状態を取ることができる。金属又は合金は、電荷が中性である金属を含む。ある種の金属は１以上の酸化状態に酸化することができ、これらの状態の何れか１つは、燃料を酸化するのに充分な電気化学ポテンシャルにある。逆に、その金属が最も高い酸化状態に酸化されると、１より多い低酸化状態（少なくとも１つは中性よりも高い酸化状態である）へ還元することができ、負極はこれらの状態の何れでも機能しうる。あるいはまた、金属酸化物又は複合金属酸化物は集合的に燃料を酸化する場合があり、金属イオンは形式的には非整数の値に還元される。
【００３０】
１つの実施態様では、化学的還元剤は燃料自身である。この実施態様の利点は、デバイスをバッテリーモードで作動させる前述のシナリオで説明することができる。負極が消耗すると、デバイスを、発電するため燃料が消費される燃料電池モードに戻すことができる。それに加え化学反応により、燃料が、酸化された負極を初期状態に化学的に充電することができる。燃料の一部が負極を還元し、燃料の別の部分が発電するため酸化される。負極が還元状態（例えば初期状態）に回復すると（部分的に回復すると）、デバイスは将来の緊急事態のため、内部“バッテリーバックアップ”を再度手に入れる。燃料自身を再充電源として使用することによって、デバイスが自動的に再充電源を含有するという別の利点が生じ、従ってデバイスに追加の化学品を蓄える必要がなくなる。しかし他の実施態様では、特に負極を再充電し、この機能を果たすのに充分な電気化学活性を有するため、別の化学品を組み込む。
【００３１】
１つの実施態様では、化学的に再充電可能なデバイスは、化学的な再充電能力に加えて電気でも再充電できるように構成することができる。ある種の負極材料及び燃料の種類では、そのような電力供給が容易に使用できる場合、電気的な再充電が、より容易な場合がある。移動用途では、上記の理由と同様に、負極が化学的に再充電可能であることが好ましく、軽量なデバイスのため別個のバッテリーバックアップを持ち運ぶ必要がない。
【００３２】
１つの実施態様では、負極は、好ましくはデバイスの作動温度で液体をなす。液体は流動性を示す材料である。１つの実施態様では、液体は、温度及び圧力についての所定の作動条件下で印加される力に応答して流動する傾向を示す材料である。
【００３３】
一般に、液体は自発的に分散する傾向を、殆ど又は全く有しない。好ましくは、人間の眼で視覚的に感知できない時間スケール内で流動する材料は、この定義から一般的に除外される。
【００３４】
液体負極の有利な特徴の１つは、燃料の物理的な状態に関わらず、燃料を負極全体にわたって分散できる、つまり、気体、液体、固体燃料が、負極全体にわたってに分散できるということである。負極表面積を増加させることによって電気出力を増加しうるということが知られている。負極全体にわたり燃料を分散させることにより、燃料に露出する負極表面積を最大化できる。それに加え、撹拌又はバブリング（又はその他の任意の撹拌方法）によって液体を撹拌し、燃料がその液体全体にわたって分散するのを助けることができる。１つの実施態様では、負極を撹拌することにより、負極が消費される場合の酸化物形成の進行においてさらに利点が得られる。負極の酸化部分を撹拌により動かし、負極の非酸化部分を燃料に露出することができる。対照的に、固体負極は負極／燃料界面で酸化部分を形成し、その酸化部分は燃料が負極に近づくのを妨げる場合がある。さらに、液体負極は、デバイス部材の収納に用いられる任意の形状のケーシングに適合することができるため、負極を加工する必要が減少する。電解質が固体電解質である場合、負極は電解質の形状に適合し、負極及び電解質間の接触表面積を最大化する。
【００３５】
１つの実施態様では、約１５００℃未満、好ましくは約１３００℃未満、より好ましくは約１２００℃未満、さらにより好ましくは約１０００℃未満、さらにより好ましくは約８００℃未満の温度で、液体の負極を有するデバイスが作動可能である。“作動可能（ｏｐｅｒａｂｌｅ）”では、負極が液体である場合に燃料電池又はバッテリーの何れかとしてデバイスが発電できることを意味しており、負極が必ずしも室温で液体でなくてもよい。当業者には、負極温度は負極材料の選択により制御しうること、合金の場合には、各々の金属成分の組成及びパーセンテージ、つまり、組成が負極の融点に影響しうることが理解される。その他の例示的な作動温度範囲は、約３００℃以上約１５００℃以下、約５００℃以上約１３００℃以下、約５００℃以上約１２００℃以下、約５００℃以上約１０００℃以下、約６００℃以上約１０００℃以下、 約７００℃以上約１０００℃以下、約８００℃以上約１０００℃以下、約５００℃以上約９００℃以下、 約５００℃以上約８００℃以下、及び約６００℃以上約８００℃以下である。
【００３６】
１つの実施態様では、固体である構成部材（例えば正極又は電解質）の何れもが容易にクラックを生じやすくない温度で、デバイスが作動可能である。つまり、固体構成部材がデバイスの作動温度で構造の完全性を維持すべきである。別の実施態様では、正極が電解質と反応しない温度で、デバイスが作動可能である。別の実施態様では、負極が液体をなす温度でデバイスが作動可能である。これらの要素の１つ又は任意の組み合わせを、独立に又は組み合わせて実施することができ、作動温度の上昇が一般には電気出力の増大に帰着するという知識の下で、当業者はこれらの要素のバランスをとることができる。
【００３７】
１つの実施態様では、負極は純粋な液体であってよく、又は、負極が全体として液体的な特性を示す限り、固体と液体成分とを有することもできる。
１つの実施態様では、負極は金属を含む。金属は純金属であってよく、又は、２つ又は３つの金属で構成される合金を含むこともできる。負極の一部が消費されると、その負極の一部は酸化され、酸化物を形成する。負極が合金の場合、複合酸化物を形成しうる。１つの実施態様では、標準水素電極に対する金属の標準還元電位が−０．７０Ｖより大きい（室温で測定）。これらの値は、標準参照材料から得ることができ、又は当業者に知られた方法を用いて測定することができる。負極が１以上の金属を含む別の実施態様では、標準水素電位に対する全ての金属の標準還元電位が、−０．７０Ｖより大きいことが好ましい。当業者は、様々な電気化学ポテンシャルの要求のバランスを定めることができる。実施態様の一部では、少なくとも１つの金属の標準還元電位が標準水素電極に比べ−０．７０Ｖ以下である合金を使用することができるが、その金属は流動特性、粘度、又は電気化学ポテンシャルと関係のないその他の特性を改良するために、その合金に包含されている。その他の実施態様では、流動特性、粘度、又は電気化学ポテンシャルと関係のないその他の特性を改良するため、負極が金属と非金属との混合物を含みうる。
【００３８】
１つの実施態様では、負極が導電性ポリマーを含む。典型的な導電性ポリマーは、ポリマー骨格の相当の部分を通じて伸びる共役π系を有する。この共役により、導電性ポリマーを多くの回数にわたり還元、酸化することができ、その骨格の少なくとも一部に局在化しうるラジカルが発生する。導電性ポリマーは有機成分、又は、有機及び金属成分の混合物を含むことができる。後者の状況では、金属それ自身が酸化又は還元されうる。好ましくは、導電性ポリマー負極は、ここに開示する作動温度で液体である。導電性ポリマーの例は、”Ｄｅｓｋ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，” Ｒ． Ａｒｓｈａｄｙ編集， Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，
Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ， Ｄ． Ｃ． （１９９７）に見出すことができ、導電性ポリマーに関する部分をここに取り込む。
【００３９】
１つの実施態様では、負極が導電性セラミック、好ましくはここに開示する任意の作動温度で溶融する導電性セラミックを含む。
１つの実施態様では、燃料が化学的に負極を再充電するために用いられ、燃料の酸化ポテンシャルが負極組成に影響しうる。つまり、負極の酸化状態が燃料の酸化に充分な電気化学ポテンシャルにある。
【００４０】
１つの実施態様では、負極が酸化状態から化学的に再充電可能である。例えば、酸化状態が金属酸化物又は複合金属酸化物である場合、化学的な再充電によって負極が金属又は金属合金へ回復（つまり、還元）される。別の実施態様では、化学的な再充電によって、燃料を酸化できる酸化状態に負極が還元される。
【００４１】
１つの実施態様では、負極が、金属；又は：遷移金属、典型金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ランタノイド、アクチノイドの少なくとも１つ、及びそれらの組み合わせ、を含む合金；を含む。別の実施態様では、負極が銅、モリブデン、水銀、イリジウム、パラジウム、アンチモン、レニウム、ビスマス、白金、銀、ヒ素、ロジウム、テルル、セレン、オスミウム、金、鉛、ゲルマニウム、スズ、インジウム、タリウム、カドミウム、ガドリニウム、クロム、ニッケル、鉄、タングステン、コバルト、亜鉛、バナジウム、又はそれらの組み合わせといった材料を含む。例えば、負極がアンチモン、イリジウム、スズ、ビスマス、水銀、及び鉛といった純金属を含みうる。別の実施態様では、負極が：銅、モリブデン、水銀、イリジウム、パラジウム、アンチモン、レニウム、ビスマス、白金、銀、ヒ素、ロジウム、テルル、セレン、オスミウム、金、鉛、ゲルマニウム、スズ、インジウム、タリウム、カドミウム、ガドリニウム、クロム、ニッケル、鉄、タングステン、バナジウム、マンガン、コバルト、亜鉛、といった少なくとも１つの元素の合金、及びこれらの組み合わせの合金を含む。合金の例は、微量のアンチモンを有する５％の鉛、微量のアンチモンを含む５％の白金、微量のインジウムを含む５％の銅、２０％の鉛、１０％の銀、４０％のインジウム、５％の銅を包含する。
【００４２】
本発明の１つの側面では、負極は燃料組成物と異なる材料を含み、従って本発明のデバイスは金属／空気バッテリーと区別される。金属／空気バッテリーは負極材料を加えることによって寿命を延ばすことができるため、“燃料電池”と呼ばれることがある。しかしこれらのバッテリーは、ここに記載するように本発明のデバイスの利点を提供しない。１つの実施態様では、本発明は：バッテリーを準備し；バッテリーの負極に燃料を供給する；工程を含むエネルギー変換方法を提供する。燃料は負極材料と異なる材料である。この実施態様では、デバイスが燃料電池及びバッテリーとして作動する。他のバッテリーでは、負極材料と異なる材料である燃料を供給することは無関係な工程であり、機能を果たさない。
【００４３】
本発明の１つの側面では、デバイスが、負極に露出可能な燃料源を備える。“負極に露出可能”とは、負極に燃料を輸送する能力を指す。例えば、燃料を負極に直接加えることができる。あるいはまた、燃料はリザーバーに蓄えられ、必要な場合に、リザーバーから負極へ導くコンジットにより、負極へ輸送することができる。デバイスがバッテリーモードで作動している場合、燃料源を閉じることができるが、燃料電池モードが望まれる場合には、後に負極に露出可能な、つまり負極に露出することができる状態を維持する。あるいはまた、燃料を負極と接触させることができる。つまり、作動及び／又は充電の間に負極全体にわたって分散し、負極表面に置き、あるいは、別な方法で負極と接触させることができる。負極が金属であるその他の実施態様では、燃料を、負極から形成された金属酸化物と接触させることができる。新たに補給する燃料を、連続的又は周期的の何れかで負極に供給することができる。これは、固体燃料について適した処置である場合がある。燃料の物理的な状態（つまり、固体、液体、又は気体）、及びその他の物性（粉体、粘性液体、等）に依存して、当業者は燃料を負極に露出する輸送機構を容易に構築することができる。
【００４４】
燃料の種類の例は、炭素質材料；硫黄；硫黄含有有機化合物（例えばチオフェン）；チオウレア及びチオフェノール；窒素含有有機化合物（例えばナイロン又はタンパク質）；アンモニア、水素、及びそれらの混合物；を包含する。典型的には、デバイスに選択される燃料は目的による。
【００４５】
炭素質材料を含む燃料の例は、炭素質材料が：導電性カーボン、グラファイト、疑似グラファイト（ｑｕａｓｉ−ｇｒａｐｈｉｔｅ）、石炭、コーク、木炭、フラーレン、バックミンスターフラーレン、カーボンブラック、活性炭、脱色炭、炭化水素、含酸素炭化水素、一酸化炭素、脂肪、油、木材、バイオマス、及びそれらの組み合わせを含む。炭化水素燃料の例は、飽和及び不飽和の炭化水素、脂肪族化合物、脂環式化合物、芳香族化合物、及びそれらの混合物を包含する。炭化水素燃料のその他の例は、ガソリン、ディーゼル、ケロセン、メタン、プロパン、ブタン、天然ガス、及びそれらの混合物を包含する。含酸素炭化水素燃料の例はアルコールを包含し、さらにＣ１−Ｃ２０のアルコール及びそれらの組み合わせを包含する。特定の例は、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、及びそれらの混合物を包含する。しかし、殆ど全ての含酸素炭化水素燃料が、ここに開示した負極材料によって酸化することができ、作動温度で爆発又は何れの危険も存在しない限り、使用することができる。
【００４６】
気体燃料（例えば、水素及びシンガス（水素及び一酸化炭素の混合物））も、本発明の実施態様の一部で用いることができる。
本発明の別の側面では、電気化学デバイスが１より多い燃料で作動することができる。従来技術の大多数の燃料電池は特定の種類の燃料で作動するように設計されており、通常は水素、それと比較すると頻度は少ないがメタノールが用いられる。本発明のこの側面により、異なる種類の燃料の利益を利用することができる。例えば、１つの種類の燃料が高出力を提供し、その一方、別の種類が低出力ではあるが軽量であるという特性をもたらす場合がある。１種類の燃料により性能を向上できるが、さらに別の種類の燃料によって、負極をより効率的に再充電する。異なる種類の燃料を使用する他の利点は、例えば、１つの種類の燃料の価格が上昇して、経済的に安価な燃料の使用が求められる場合に実現することがある。環境への関心も、燃料の種類を変更する決定要因となる場合がある。短期的な利点は、例えば、１つの種類の燃料の供給を使い果たし、別の種類の燃料のみが容易に使用できるという状況で実現する場合がある。
【００４７】
１つの実施態様では、デバイスは、少なくとも２つの異なる燃料のための可変である燃料源を備える。例えば、燃料源は、２以上の異なる燃料のための少なくとも２つの異なるリザーバーを備えることができる。各々の種類の燃料を、要求に応じて個別に、又は組み合わせて利用することができる。別の実施態様では、燃料源が、異なる燃料源と交換可能である。例えば、気体燃料で動作する電気化学デバイスが、負極全体にわたって分散した固体炭素質燃料で動作することもできる。当業者は、様々な供給機構を備えたデバイスを容易に考え出すことができる。
【００４８】
本発明の電気化学デバイスの例を、図１及び２に説明する。図１は、負極４が電解質５とイオン的に連通した電気化学デバイス２の概略的な断面図を示す。“イオン的に連通した（ｉｏｎｉｃ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）”とは、電極及び電解質の間をイオンが移動できるよう電極を電解質と設置及び／又は接触させることを指す。負極４が電解質５とイオン的に連通する場合、マイナスイオンが電解質５から負極４へ移動することができる。代替的な配置（ここには示していない）では、負極４と電解質５の間に別の材料の中間層を配置し、その中間層が両者と接している場合であっても、負極４が電解質５とイオン的に連通する。例えば触媒層を中間層として用いて、酸化される燃料と酸素アニオン間の反応速度を向上することができる。電解質５は正極６とイオン的に連通し、負に荷電したイオンが正極６から電解質５に移動できる。図１に示した特定の実施例では、電極（負極４及び正極６）並びに電解質５が固体層として示されており、電解質層５は負極層４及び正極層６の間に配置され、両者と接している。
【００４９】
リード（又は集電体）８ａ及び８ｂは、負極４及び正極６とそれぞれ電気伝導性がある。“電気伝導性（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）”とは、電気の輸送を提供する任意の経路を指す。電気化学回路は、リード８ａ及び８ｂと電気的に接続した外部回路９で完成する。回路９は、典型的には、金属ワイヤ、又は導電性のある任意の材料である。１つの実施態様では、リード８ａはグラファイトを含み、少なくとも一部が負極４に浸積される場合、集電と燃料供給との二つの機能を果たすことができる。
【００５０】
入口１０は負極に燃料を導入するコンジットである。入口１０は、少なくとも一部は負極４中に設置することができ、負極全体にわたって効果的に燃料を分散させる。あるいはまた、入口１０は負極４と接しなくともよいが、入口１０から放出される燃料の全てが負極４と接触できる最小限に近い距離で設置することができる。さらに、コンジットを有する場合にも有さない場合にも、入口１０を燃料限を備えたリザーバー（ここには示してない）に接続することができる。様々なリザーバーが固体、気体、又は液体燃料の輸送のために開発されてきており、そして開発することができる。例えば、リザーバーは気体又は液体燃料の圧力タンクを備えることができる。加圧により燃料の体積が圧縮される利点があるが、必ずしも液体燃料を加圧形態で提供する必要はない。固体燃料を、粉末又はその他の輸送可能な形態で提供し、注入、噴霧、又は別の方法で、純粋な形態又はスラリーとして、リザーバーから分配することができる。場合により、リザーバーからコンジット及び入口１０を通過して燃料を通すその他の機構を付加することができる。
【００５１】
デバイス２を含有及び／又は保護するケーシングは、図１には示していない。ケーシングは、望ましい作動温度に耐えうる材料で構成されることが好ましい。負極を大気中の酸素から隔離するハウジングも図１に示していないが、このハウジングは、デバイス２を含有するケーシングと同じであっても異なってもよい。これらの実施態様では、含酸素流７を正極６に輸送するために、ケーシング及び／又はハウジングを貫通するコンジットを提供することができる。デバイスはさらに、ケーシング及び／又はハウジングからの廃生成物（例えば、気体又は液体）を放出するため、別のコンジットを備えることができる。
【００５２】
正極は、式１に示す電気化学半反応で表されるように、酸素を酸素イオンに酸化する。
１／２ Ｏ２ ＋ ２ｅ− →　Ｏ２−　　（１）
このイオン化は、デバイスがバッテリー又は燃料電池モードで作動する場合に起きる。正極を、空気、純酸素又は任意の含酸素ガス７に、大気圧以上の圧力で露出することができる。あるいはまた、デバイスが、正極６を含酸素ガス７に露出する入口を包含することができる。典型的には、酸素は正極６と含酸素ガス７との間の界面で還元される。正極６は、酸素イオンが正極６を通って移動し電解質に入ることのできる材料を含むことが好ましい。
【００５３】
燃料電池がバッテリーモードで作動する場合、式２の電気化学半反応式によって表されるように、負極自身が消費される。
Ｍ → Ｍｎ＋ ＋ ｎ ｅ−　　　　 （２）
（Ｍは金属又は合金を表し（従って、Ｍｎ＋は酸化された金属又は合金を表す）、“ｅ−”は電子を示し、ｎは１以上であり、金属又は合金に依存する。）Ｍｎ＋は、典型的には金属酸化物（又は複合金属酸化物）を表す。前記のように、酸化される負極の一部は、式２に示すように、負極上で又は負極内に酸化部分を形成する。
【００５４】
デバイスが燃料電池モードの場合、様々な反応が起きうる。式３に表されるように、燃料は負極で酸化され、それにより電子を放出する。
１／２ ｎＯ２− ＋ 燃料 →
ａＣＯｘ ＋ ｂＮＯｙ ＋ ｃＳＯｚ ＋ ｄＨ２Ｏ ＋（場合により他の酸化生成物）＋ ｎ ｅ−
（３）
式３の酸素アニオンの大半は、式（１）の正極反応により供給される。式３は、可能性のある様々な酸化生成物の一部を表すことを意図している。係数ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｘ、ｙ、及びｚは同じであっても異なってもよく、それぞれが０以上であり、それらの値は用いる燃料の種類に依存し、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｘ、ｙ、及びｚの少なくとも１つは０より大きい。係数“ｎ”は０より大きい。燃料は、“ａ”個の炭素原子及び／又は“ｂ”個の窒素原子及び／又は“ｃ”個の硫黄原子及び／又は“ｄ”個の水素原子等を含んでもよい。例えば、ＣＯｘはＣＯ２、ＣＯ又はそれらの混合物を表すことができる。水素が燃料である場合、水が唯一の酸化生成物である。可能性のある全ての酸化生成物が式３に表されているわけではなく、燃料組成に依存し、当業者は生じる酸化生成物を決定することができる。このように、燃料電池モードでの負極の正味の反応は、負極を消費しない正極の酸化を伴う。
【００５５】
何れの理論にも拘泥される意図はないが、負極の燃料による再充電は式４で表される。
ｎＭＯｖ ＋ 燃料 →
ｎＭ ＋ ａＣＯｘ ＋ ｂＮＯｙ ＋ ｃＳＯｚ ＋ ｄＨ２Ｏ
＋（場合により他の酸化生成物）　　　　　　　（４）
式（４）の反応は式（３）と類似しているが、酸素イオンの少なくとも一部が、金属又は金属酸化物“ＭＯｖ”（“ｖ”は０より大きい）により供給される点が異なっている。
【００５６】
１つの実施態様では、デバイスの電気出力が少なくとも約１０ｍＷ／ｃｍ２である能力があり、好ましくは少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ２であり、好ましくは少なくとも約１００ｍＷ／ｃｍ２であり、さらに好ましくは少なくとも約２００ｍＷ／ｃｍ２であり、さらに好ましくは少なくとも約３００ｍＷ／ｃｍ２であり、さらに好ましくは少なくとも約５００ｍＷ／ｃｍ２である。
【００５７】
１つの実施態様では、正極が固体正極である。固体正極の例は、金属酸化物及び複合金属酸化物を包含する。特定の例は、スズドープＩｎ２Ｏ３、アルミニウムドープ酸化亜鉛、及びジルコニウムドープ酸化亜鉛を包含する。固体正極の別の例は、一般式ＡＢＯ３を有するペロブスカイト型酸化物である（”Ａ”及び”Ｂ”は立方晶の２つのカチオンサイトを表す。）。ペロブスカイト型酸化物の特定の例は、
ＬａｘＭｎｙＡａＢｂＣｃＯｄ
の構造を有する（Ａはアルカリ土類金属であり、Ｂは：スカンジウム、イットリウム、ランタノイド金属；からなる群より選択され、Ｃは：チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、及びアンチモン；からなる群より選択され、ｘは０から約１．０５であり、ｙは０から約１であり、ａは０から約０．５であり、ｂは０から約０．５であり、ｃは０から約０．５であり、ｄは約１以上約５以下であり、ｘ、ｙ、ａ、ｂ及びｃの少なくとも１つは０より大きい。）。ペロブスカイト型酸化物のより特定の例は；ＬａＭｎＯ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６ＭｎＯ３， Ｌａ０．８４Ｃａ０．１６ＭｎＯ３， Ｌａ０．８４Ｂａ０．１６ＭｎＯ３，
Ｌａ０．６５Ｓｒ０．３５Ｍｎ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３， Ｌａ０．７９Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８５Ｃｏ０．１５Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８Ｎｉ０．２Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８Ｃｅ０．２Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８Ｍｇ０．２ Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８Ｃｒ０．２Ｏ３， Ｌａ０．６Ｓｒ０．３５Ｍｎ０．８Ａｌ０．２Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｃ０．１６ＭｎＯ３， Ｌａ０．８４Ｙ０．１６ＭｎＯ３， Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＣｏＯ３， ＬａＣｏＯ３， Ｌａ０．７Ｓｒ０．３Ｆｅ Ｏ３， Ｌａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３；を包含する。
【００５８】
固体正極のその他の例は、ＬａＣｏＯ３， ＬａＦｅＯ３， ＬａＣｒＯ３， 及びＬａＭｎＯ３−系ペロブスカイト酸化物正極（例えば、Ｌａ０．７５Ｓｒ０．２５ＣｒＯ３， （Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）０．９ＣｒＯ３，
Ｌａ０．６Ｓｒ０．４ＦｅＯ３， Ｌａ０．６Ｓｒ０．４ＣｏＯ３ 又はＬｎ０．６Ｓｒ０．４ ＣｏＯ３（ＬｎはＬａ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｓｍ， 又はＧｄの何れか１つでありうる。））を包含する。
【００５９】
あるいはまた、正極は金属を含むことができる。例示的な金属正極は、白金、パラジウム、金、銀、銅、ロジウム、及びそれらの組み合わせを包含する。
電解質により、正極及び負極間のイオン伝導が可能となる。電解質により、酸素イオンが正極から負極へ移動できる。１つの実施態様では、電解質は固体電解質である。固体電解質の例は、金属酸化物及び複合金属酸化物を包含する。
【００６０】
固体電解質の例は、式
（ＺｒＯ２） （ＨｆＯ２）ａ （ＴｌＯ２）ｂ （Ａｌ２Ｏ３）ｃ （Ｙ２Ｏ３）ｄ （ＭｘＯｙ） ｅ
（ａは０から約０．２、ｂは０から約０．５、ｃは０から約０． ５、ｄ は０から約０． ５、 ｘは０より大きく２以下、ｙは０より大きく３以下、ｅは０から約０．５、Ｍはカルシウム、マグネシウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、及び亜鉛からなる群より選択される。）
を有する電解質である。より具体的には、固体電解質の例は：
（ＺｒＯ２）， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８， （ＺｒＯ２）（ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０８， （ＺｒＯ２）（ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０５， （ＺｒＯ２）（ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＴｉＯ２）０．１０， （ＺｒＯ２） （ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０８（Ａｌ２Ｏ３）０．１０， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（Ｆｅ２０３）０．０５， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＣｏＯ）０．０５， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＺｎＯ）０．０５， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．８（ＮｉＯ）０．０５， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＣｕＯ）０．０５， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＭｎＯ）０．０５ 及びＺｒＯ２ＣａＯ；
を包含する。
【００６１】
固体電解質のその他の例は、ＣｅＯ２系ペロブスカイト（例えばＣｅ０．９Ｇｄ０．１０２ 又は Ｃｅｌ−ｘＧｄＸ０２（ｘは約０．５以下である）；ランタンドープセリア（例えば （ＣｅＯ）１−ｎ（ＬａＯ５）ｎ （ｎ は約０． ０１から約０． ２）；ＬａＧａＯ３−系ペロブスカイト酸化物（例えば、Ｌａｌ−ｘＡｘＧａｌ−ｙＢｙ０３ （ＡはＳｒ又はＣａでありうる、 Ｂ はＭｇ， Ｆｅ， Ｃｏ でありうる、ｘは約０． １ から約０． ５である、ｙは約０． １から約０． ５（例えば、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２０３）；ＰｒＧａＯ３−系ペロブスカイト酸化物電解質（例えば、Ｐｒ０．９３Ｓｒ０．０７Ｇａ０．８５Ｍｇ０．１５０３又はＰｒ０．９３Ｃａ０．０７Ｇａ０．８５Ｍｇ０．１５Ｏ３）；Ｂａ２Ｉｎ２０５−系ペロブスカイト酸化物電解質（例えばＢａ２（Ｉｎ１−ｘＧａｘ）２Ｏ５又は（Ｂａ１−ｘＬａｘ）Ｉｎ２Ｏ５（ｘは約０． ２以上約０． ５以下である）））を包含する。
【００６２】
１つの実施態様では、電気化学デバイスは、前記の固体正極及び電解質部材を備えた固体デバイスである。好ましくは、負極は前記の液体である。
１つの実施態様では、デバイスは厚みの薄い電解質を備える。薄いため、（１）効率的なイオン移動；（２）比較的低圧力で含酸素ガスの供給；（３）小型デバイスの容易な設計；といった多くの有利な特徴の少なくとも１つを備える。１つの実施態様では、電解質の厚みは約２００μｍ未満であり、より好ましくは約１００μｍ未満である。
【００６３】
図１は、各々の部材が平面層又は成形層（ｓｈａｐｅｄ　ｌａｙｅｒ）として提供できるデバイスの断面図を示す。例えば図１は、管状デバイスといった成形デバイスの断面図も表すことができる。“成形デバイス”とは、当業者に知られているように、電極−電解質の構成が平面層を除く任意の形状として提供できることを意味している。
【００６４】
図２は、成形層の１つの種類、つまり管状デバイス１２の概略的な断面図を示す。図２のデバイス１２は、図１のデバイス２と類似した部材を有する。図２では、負極１４が確実に電解質１５内に設置され、封入されている。正極層１６が電解質１５を取り巻いている。リード１８ａ及び１８ｂは、負極１４と正極１６にそれぞれ接している。入口２０は、適用される場合には気体又は液体燃料を導入することを目的とし、負極中に浸積しているが、燃料が負極に露出可能である何れの場所にも設置することができる。正極層は典型的には薄層として準備されるので、場合により、正極層１６を破損から保護するためケーシング内に設置することができる。ケーシングは、酸素が正極層１６に近づけるよう充分多孔性である場合がある。あるいはまた、含酸素ガス流１７を正極に供給するため、又はデバイスからの排出物を除去するため、デバイス１２が１以上のコンジット（示していない）をさらに備えることができる。
【００６５】
本発明の別の側面では、固体電解質材料を含む負極のためのハウジングを提供する。この特徴により、固体電解質が：（１）電解質を出入りするイオン輸送のための媒体としての機能；及び（２）液体負極を含有するための機能；という２つの機能を果たすように、電気化学デバイスを効率的に設計できる。効率的な設計は、特に電気化学デバイスのスタックが使われる場合に有利である。この側面では分離したハウジングを用いないため、材料コストを削減し、より軽量なデバイスに帰着する。電解質ハウジングは、電解質材料のみで構成することができ、一部を電解質材料で構成することもできる。理想的には、例えば図２（電解質が基本的にハウジング全体を成す）又は図３および４（電解質が壁２５のみを成す）のように、負極の寸法全体に及ぶのに充分な電解質でハウジングが構成されるべきである。当然ながら、電解質材料は、電気出力及び／又は経済的な要求に依存して何れの寸法もとることができる。一般的には、電極／電解質部材間のイオン伝導をもたらす表面積の最大化により、効率的なデバイス設計が生じる。
【００６６】
あるいはまた、ハウジングを電解質及び非電解質材料の混合物で構成しうる。この混合物での好ましい非電解質の熱膨張係数は、電解質材料と実質的に類似している。１つの実施態様では、電解質及び非電解質材料の熱膨張係数の差が、約１５００℃未満の温度で約３０％未満であり、好ましくは約２０％未満、より好ましくは約１０％未満である。この混合物に包含できる非電解質材料の例は、α−Ａｌ２Ｏ３でありうる。
【００６７】
１つの実施態様では電解質ハウジングが正極材料に囲まれ、正極材料とイオン的に連通する。この実施態様では、正極は電解質の形状に従い、又は少なくとも、負極の寸法全体に及ぶ電解質の寸法に従う。図２は、電解質１５とイオン的に連通した正極１６を示し、その電解質１５も負極のハウジングとして機能する。図３は別の実施態様を示し、正極２６は電解質の壁部を囲むのみであり、底部２９は正極と接触しない。
【００６８】
一部の実施態様における液体負極の別の有利な特徴は、負極が封止剤前駆体として作用してデバイスの傷を塞ぐ能力を含む。この実施態様では、デバイスは“自己修復性”を有し、修復のための人間の能動的な干渉を必要としない。例えば、固体電解質にクラック又は他の傷が生じた場合、液体金属負極が流動してクラックを実質的に覆う、及び／又は、実質的に埋めることができる。次に、負極が酸素と反応して金属酸化物（又は、負極が合金の場合には複合金属酸化物）を形成する。生じた酸化物は、当初液体であった負極の流動性により、クラックの形状に実質的に一致する。負極の液体性により、本デバイスでは熱的及び機械的応力は最小化されてはいるが、特に修復が容易ではない場合（例えば、システムの作動の間）、この自己修復能力はデバイスの完全性を確実にする助けとなる。
【００６９】
図３及び４は、負極を燃料源に露出する様々な方法を示す。図３は、負極２４及び正極２６とイオン的に連通した電解質２５を有する管状デバイス２２の概略的な断面図を示す。底部２９は電解質２５と同じ材料であっても異なってもよく、電解質２５及び底部２９の間の接続は完全であっても不完全であってもよい。リード２８ａ（グラファイト材料を含みうる）は負極２４に浸積しており、正極２６とイオン的に連通したリード２８ｂと電気的に接触している。燃料２３は負極２４の上に設置されており、この方式で消費されても負極全体にわたって分散してもよい。燃料を入口から容易に推進できない状況の場合（例えば、一定の固体燃料の場合）、この配置が有用である。場合によっては、デバイスがさらに、燃料２３が消費されるよう負極へ推進する機構を備えることができる。推進機構（ｕｒｇｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）により、燃料２３及び負極２４の間の接触表面積が最大となる。移送機構の例は、様々な機械的デバイス（例えば、スプリング、クランプ、ロッド又はダイアフラム、又は当業者に知られたその他の移送機構）を包含する。混合または撹拌によっても推進がなされる。
【００７０】
図４は管状デバイス３２の概略的な断面図を示し、デバイス３２に対して入口４０が別の位置にあるという特徴がある。デバイス３２は、負極３４及び正極３６とイオン的に連通した電解質３５を備える。底部３９は電解質３５と同じ材料であっても異なってもよく、電解質３５と底部３９のとの間の接続は完全であっても不完全であってもよい。リード３８ａは負極３４に部分的に浸積しているが、底部３９まで達しているわけではない。入口４０は、入口４０とリード３８ａの間に空間が生じる程度まで、底部３９を貫通している。燃料４１を入口４０を通じて負極３４に放出すると、燃料は負極３４の最大限の部分に容易に拡散できる。この配置の別の利点は、廃生成物が、反対側にある又は入口４０から離れた開口部（例えば、負極３４が大気と接する領域４２）に自然に移動することである。あるいはまた、本発明のデバイスはさらに、デバイスからの任意の廃棄物を除去する排出コンジットを備えることができる。
【００７１】
従来技術のデバイスの一部では、１０００℃を越える温度での作動が必要である。一般的には、デバイスに供給する熱エネルギーを最小にするため、作動温度を低くすることが望ましい。極めて高い温度では、デバイス中で電解質又は正極のクラック生成又は他の傷の形成にもつながることがある。それに加え、電力が直ちに必要とされる状況では、迅速な起動加熱時間は有利である。しかし作動温度が高くなるほど、デバイスの起動加熱に必要な時間は長くなる。
【００７２】
そこで、本発明の別の側面では、約１０００℃未満の温度で液体をなす負極を備えた電気化学デバイスを提供する。より低い作動温度（例えば、１０００℃未満）で液体負極を提供できるため、起動加熱に必要な温度範囲が低下する。起動加熱時間の低減に加え、温度がより低いため、異なる部材（例えば、負極／電解質又は電解質／正極部材）間の界面の完全性を維持するのに適した環境が提供される。
【００７３】
本発明の別の側面では、負極と、負極に輸送可能な間欠的な燃料源（ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ　ｆｕｅｌ　ｓｏｕｒｃｅ）とを備えた電気化学デバイスを提供し、デバイスから連続的な電気出力を生成する。“間欠的な燃料源”とは、燃料を負極に輸送する期間に休止を入れることができるよう配置された任意の燃料源を指す。１つの実施態様では、休止は周期的に、又はランダムに起こりうる。休止は複数回起きていもよいが、一回でもよい。燃料輸送の休止によっても連続的な電気出力が生成されるということは、本発明のこの側面での特徴である。１つの実施態様では、燃料電池モードから燃料が負極に輸送されないバッテリーモードへデバイスを切り替える場合に、間欠的な燃料源を用いることができる。燃料がデバイスに供給される場合、燃料電池の作動により発電できる。連続的な発電のため、負極への燃料輸送の休止により、デバイスはバッテリーモードに切り替わる。ここに記載した方法と材料とを用い、連続的に電力を得る電気デバイスを製造することができ、電気デバイスが燃料電池及びバッテリーモード間を切り替わることにより、停止時間を最小とし、又は殆ど停止時間が無くなる。間欠的な燃料輸送の間、燃料源を変更し、又は再補給することができる。
【００７４】
１つの実施態様では、燃料電池モードからバッテリーモードに、そしてその反対方向に自動的に切り替わる。例えば燃料を使い果たすまで、本発明のデバイスが燃料電池モードで作動できる。負極の酸化が始まり、それにより電子放出される場合に自動切り替えをがされる；つまり、デバイスが自動的にバッテリーモードで作動する。１つの実施態様では、負極への燃料輸送を単に遮断することにより、又は燃料源を作動させることにより、切り替えが起きうる。あるいはまた、燃料の負極への導入を停止／開始するスイッチを作ることができる。当業者は、その他の切り替え機構を容易に想像することができる。
【００７５】
１つの実施態様では、デバイスが燃料電池及びバッテリーモードで同時に作動することができる。この実施態様では、負極による燃料の消費と燃料の酸化が同時に起きる。燃料が負極に低流量で、及び／又は少量で供給される場合に、このことが起きる場合がある。あるいはまた、燃料がデバイスに供給される場合に燃料電池及びバッテリーの同時作動が本質的に起きる場合がある。燃料電池及びバッテリーモード間の切り替えは、急峻なオン／オフの事象としてではなく、負極に供給される燃料の量が増加し又は減少するように徐々に起きうる。
【００７６】
本発明の別の側面では、燃料と燃料に露出可能な燃料源とを備えた電気化学デバイスを提供する。燃料が存在して負極を消費しない（又は負極の正味の消費がない、つまり負極の消費が再生される量より少ない）場合、及び燃料が存在しない場合の両者の場合において、デバイスが負極を用いて発電できる（負極が発電回路に包含される）ような材料で負極が構成される。１つの実施態様では、“燃料が存在し負極を消費しない場合に、負極が関与して発電できる”とは、燃料電池の作動による発電を指す。反対に、デバイスがバッテリーモードで作動する場合のように、燃料に露出することなく同じ負極がデバイスに電子を供給することができ、負極が消費される。１つの実施態様では、電気化学デバイスが、燃料電池又はバッテリーモードのいずれかで作動可能な燃料電池／バッテリー　ハイブリッドであり、連続的な電気出力を生成する。
【００７７】
本発明の別の側面では、電気化学デバイスのスタックを提供する。上記のデバイスの多数を１つのシステムに供給することにより、電気出力を増やすことができる。可変負荷用途のため、通常、スタックが軽量であり小型化できることが望ましい。図５は、平面型電気化学デバイスのスタック１００の例を示す。スタック１００の各々のデバイスは、電解質１０５とイオン的に連通した負極１０４を備える。次に電解質１０５は、正極１０６とイオン的に連通する。スタック１００はさらに、ガイド１１１により各々のデバイスに供給される液体又は気体燃料のための入口１１０を包含する。入口１１２によって、ガイド１１３を経て各々の正極１０６へ酸素が供給される。コンジット１１４及び出口１５は、スタック１００からの任意の排出ガスを除去するために作用する。このマルチデバイスシステムは、ケーシング１０２内に設置される。スタック１００は、各々のデバイスを作動温度へ加熱するための予備加熱チャンバー１１６をさらに包含する。
【００７８】
この側面では、液体負極がその成形性のため特に有利である。この液体は、各々のデバイス間の封止剤として機能できる。さらにこの液体は、液体負極と隣接するデバイスとの間を柔らかく接触させ、デバイス間の機械的及び熱的応力を低減する。
【００７９】
図５は、繰り返しの配列で配置し設置されたスタック内の各々のデバイスを示し、同じ方向に同一の部材が配置されている。特に負極による柔らかな接触の利点を用いることによって、この配置により各々のデバイスにかかる応力を緩和できる。ガイド１１１から燃料を受けるデバイスの数を最大化するため、スタック内のデバイスの様々な配置を想像することができる。
【００８０】
その他の実施態様では、スタック内のデバイスを直列、並列に配置することができ、又は直列−並列構成を備えることができる。
スタックは必ずしも平面の構造に配置される必要はなく、任意の配列で、例えば長方形又は六角形の配列で配置することができる。
【００８１】
液体負極の別の有利な特徴は、固体部材に隣接して液体を設置することにより、非永続的な封止が形成されることである。この非永続的な連結により、各々のデバイスを隣接するデバイスに保持するさらなる部材（例えば、接着による連結又は機械的な連結）を加える必要がない。１つの実施態様では、ケーシングが連続したスロットを提供することができる。各々のデバイスを、スタックを提供するスロットを通じて単に導くのみとすることができる。個別のデバイスの故障が起きると、故障したデバイスを除去して新しいデバイスに容易に交換できる。他の従来技術のデバイスでは、１つの個別のデバイスの故障が起きた場合、その個別のデバイスを交換するために永続的な封止を壊さなければならないか、スタック全体を修理しなければならないか、いずれかであった。その他の実施態様で、用途に応じて永続的な封止を付け加えうることは当然である。
【００８２】
図６は、固体燃料を使用するスタックの代替的な例を示す。図６は、負極１２４が電解質１２５に隣接して設置され、次に電解質１２５が正極１２６に隣接して設置されたスタック１２０を示す。入口１３２は、コンジット１３３を経てこのデバイスへ酸素を誘導する。固体燃料１３０は、負極１２４内に設置される。固体燃料１３０は、負極から集電するリードとしても作用する。各々のデバイスをケーシング１２２内に設置することができる。ケーシング１２２はさらに、デバイスへ固体燃料をさらに供給するための入口、又は追加の固体燃料源のリザーバーを備えることができる。スタック１２０の各々のデバイスは管状又は平面状でありうる。
【００８３】
１つの実施態様では、スタックがさらに、第一のデバイスの負極と第二のデバイスの正極に隣接して設置される内部接続を備えることができる。内部接続は、酸素をスタックに出入りさせて流す空気流路パターンを有する。それに加え内部接続は、各々のデバイスから電流及び／又は熱エネルギーを運ぶことができる。好ましくは、内部接続はこの機能を果たすために充分な電気伝導性と伝熱性を有する。デバイス内でのクラック形成等を低減するため、内部接続及び正極は類似の熱係数を有することが望ましい。１つの実施態様では、正極と内部接続の各熱膨張係数の差が約１５００℃未満の温度で約３０％未満であり、好ましくは約２０％未満であり、より好ましくは約１０％未満である。１つの実施態様では、内部接続が正極と実質的に同じ材料で構成されており、従って熱係数の差が理論的には約０％である。
【００８４】
図５及び６を再び参照すると、内部接続１０７及び１２７が、それぞれ正極１０６及び１２６に、並びに負極に隣接して設置されるように示されている。図７は、図５のスタックの拡大図である。スタック１００では、内部接続１０７が正極１０６に隣接して設置されているという特徴がある。内部接続１０７は負極とも隣接して設置されている。
【００８５】
図８は、本発明の管状デバイス２つを一緒に連結して内部接続によりスタックを形成する、別の例示的な配置を示す。図８では、スタック１４０は個々のユニットを備え、そのユニット各々は、電解質層１４５ａ及び１４５ｂにそれぞれ隣接しそしてその中に設置される負極１４４ａ及び１４４ｂを備える。正極１４６ａ及び１４６ｂは、電解質１４５ａ及び１４４ｂの少なくとも一部を覆う層として準備される。燃料源１５０ａ及び１５０ｂは、負極１４４ａ及び１４４ｂに隣接して設置することができる。燃料が固体燃料である場合、燃料源１５０ａ及び１５０ｂは固体のロッド（例えば、グラファイト）を含みうる。それに加え、固体のロッドは集電体としても機能しうる。あるいはまた、液体、気体、又は固体粉末状燃料では、燃料源１５０ａ及び１５０ｂが負極１４４ａ及び１４４ｂの内部に又は近くに設置される入口を備え、燃料を負極１４４ａ及び１４４ｂに導き分散させることができる。何れの状況でも、リードが負極１４４ｂ内に設置される必要があり、リード１５４は正極１４６ａに隣接して設置することができる。内部接続１５２は、電解質層１４５ａ及び正極層１４６ｂに隣接して設置される。内部接続１５２を負極１４４ａと接触させるため、内部接続１５２と接触する電解質１４５ａの一部に穴をあけることができる。このようにして、負極１４４ａはこの穴を通じて流通し、結局内部接続１５２と接触する。図８は管状の配置を示すが、当業者は、ここに提供する記載により、類似した平面型デバイスを容易に設計することができる。
【００８６】
前述のように、典型的な燃料電池の内部接続はガス流路パターンを包含する。１つの実施態様では、特に液体負極が用いられる場合、本発明の内部接続にはガス流路パターンがない。燃料及び廃出物が負極に分散可能であり、液体負極により各々のデバイスに出入りできるため、ガス流路パターンは本発明の内部接続に不可欠ではない。その他の種類の燃料では、デバイス性能を高めるため、ガス流路パターンを有する内部接続が必要とされる。
【００８７】
前述のように、内部接続は液体負極に隣接して設置され、それにより、デバイスを高温に加熱する場合に生じることがある熱係数の不整合に関する多くの問題を軽減する。従ってそのような液体負極の成型性により、内部接続が多くの従来技術の内部接続よりずっと薄い寸法をとることができる。これにより、内部接続がより軽量でより安価となり、これらの利益がデバイス製造者にももたらされる。
【００８８】
このように、本発明は以下の利点の少なくとも１つを提供する：（１）従来技術の内部接続と比較して、少なくとも２０％、好ましくは少なくとも３０％、より好ましくは少なくとも約４０％の重量減少；（２）コスト及び製造時間を低減する、複雑で機械加工されたガス流路パターンの除去；（３）隣接する負極及び正極材料と接触することにより生ずる熱的及び機械的応力を最小化することによる、迅速で繰り返されるスタックの起動加熱。
【００８９】
図９は、本発明の負極により行うことのできる様々な電気化学過程を要約した概略図である。図９では、負極２００が“Ｍ”で表され、負極２００は金属又は合金で構成される。図９の式２０２は、バッテリーとして機能する負極２００を概略的に表す。式２０２では、負極２００が正極から生成される“ｙ”モルのＯ２−と結合する。バッテリーモードでは、負極２００がＭの酸化で生じる電子を放出し、金属酸化物又は複合金属酸化物ＭｘＯｙを形成する。式２０３は、負極が化学的に再充電可能であることを概略的に示し、負極が燃料の存在下で金属負極２００に還元される。式２０３では、金属酸化物が燃料と結合して燃料酸化物を生成する。“ＭｘＯｙ”は燃料を還元するのに充分な電気化学ポテンシャルであるべきである。何れの理論にも拘泥される意図はないが、式２０２及び２０３の組み合わせは、負極の正味の消費がない燃料電池モードで作用する場合に負極２００により進行する過程を概略的に示す。このように、図９は負極２００が：（１）式２０２に示すように、燃料なしに酸化されて発電し；（２）式２０３に示すように、対応する金属酸化物から再生し；（３）式２０２及び２０３によって表されるように、負極の正味の消費せずに燃料を酸化する；能力を示す。
【００９０】
従って、本発明の別の側面では、エネルギー変換の方法を提供する。この方法は、負極（例えば、ここに記載する任意の負極）を備えた電気化学デバイスを準備する工程を伴う。この方法は、負極が燃料に露出される場合、負極が消費されることなく発電するように（つまり負極が触媒として作用する）発電する工程を伴う。１つの実施態様では、この工程は図９の式２０２及び２０３によって例示される。この方法は、負極に燃料を供給することなく、デバイス内で発電する工程を含む。この工程は、燃料の供給が使い果たされる場合に別の負極を有するバックアップバッテリー源を準備する他のデバイスとの違いを示す。この発明により、燃料の存在する場合（つまり、燃料電池モードで）及び燃料が存在しない場合に、同じ負極で発電することができる。１つの実施態様では、この工程は図９の式２０２により例示される。
【００９１】
１つの実施態様では、燃料の存在する場合又は存在しない場合に発電する工程の何れかが、負極とイオン的に連通した電解質及びその電解質とイオン的に連通した正極の準備を伴う。これらの工程は、正極への含酸素ガス流の誘導も伴う。１つの実施態様では、発電工程が約３００℃から約１５００℃の温度、又は前記のその他の温度範囲へのデバイスの加熱も伴うことがある。好ましくは、選択される温度範囲で液体状態の負極が生成する。
【００９２】
燃料が存在しない場合に発電する実施態様では、典型的には負極が消費される。従って１つの実施態様では、この方法はさらに、化学的に負極を再充電するために負極に燃料を供給する工程を含む。１つの実施態様では、この工程は図９の式２０３によって例示される。
【００９３】
本発明の別の側面では、エネルギー変換方法が提供される。この方法は、負極を準備し；燃料を負極に間欠的に輸送し、その負極を用いて連続的な電気出力を生成する；工程を伴う。前記のように、“間欠的に”とは、負極の燃料への輸送の任意の休止を含むことができる。“負極を用いた連続的な電気出力の生成”とは、燃料が負極に間欠的に供給されるにも関わらず、負極を連続的に使用することを指す。燃料電池及び別個のバッテリーバックアップを備えたデバイスは、本発明のこの側面からは除外されるが、その理由は、燃料が供給される場合に燃料電池の負極が発電のために用いられるからである。燃料の輸送がバッテリーバックアップのために休止する場合、バッテリーの負極が発電のために用いられ、燃料電池の負極は用いられない。このように、燃料電池の負極は、連続的な発電において連続的に使用されるわけではない。
【００９４】
本発明の別の側面では、負極を準備し；負極の一部を酸化して発電する；工程を伴う方法を提供する。１つの実施態様では、図９の式２０２で例示されるように、バッテリーとして負極が作動する場合にこの発電工程が起きる。“負極の一部”について以下に記載する。電解質に直に隣接する負極の一部は、正極から放出される酸素イオンが負極に接近できる最短の拡散経路を表すため、初めに酸化される。デバイスの作動が継続すると、この酸化部分が負極／電解質界面から負極バルクに向けて成長し、負極の消費が続く。
【００９５】
負極消費の任意の段階で、初期又は負極全体が消費された場合の何れの場合でも（つまり、負極の少なくとも一部が消費された場合）、この方法は、化学的還元剤を負極の酸化部分に露出して酸化部分を還元する工程を伴う。１つの実施態様では、この酸化部分の還元は負極を初期状態に再生する。１つの実施態様では、負極は金属であり、酸化されて金属酸化物となり、その金属酸化物を化学的還元剤に露出することによって金属負極の再形成が起き、又は、燃料を酸化できる酸化状態とする。使用可能な燃料によって負極の酸化部分を初期状態に還元できるためデバイスに新たな材料が必要でないという点で、上記の点は有利である。
【００９６】
１つの実施態様では、酸化部分の還元により生じた還元部分が再び負極として機能することができる。“負極として機能する”とは、バッテリー又は燃料電池の何れかとして負極が機能することを含む。
【００９７】
本発明の別の側面ではエネルギー変換方法を提供し、その方法は液体金属負極を備えたデバイスを準備する工程を含む。負極の一部が酸化され、デバイスでの発電と同時に金属酸化物が形成される。負極が酸素アニオンに露出された場合に、ここで開示した好ましい作動可能温度の何れかにデバイスを加熱することにより、負極を酸化することができる。あるいはまた、好ましくはここに開示した温度で負極を燃料に露出することにより、酸化された正極を還元することができる。
【００９８】
本発明のこれら及びその他の実施態様の機能と利点は、下の実施例からより完全に理解される。以下の実施例は、本発明の利益を説明することを意図しており、本発明の範囲全体を例示するものではない。
【００９９】
実施例１：電気化学デバイス
図２に例示される単一の電気化学デバイスを、以下の通り構成する。管状の電解質１５はＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア、（ＺｒＯ２）（ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０８））で作成され、厚みが１８０μｍである。管状正極１６はＬＳＭ（Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６ＭｎＯ３）で作成され、厚みが３００μｍである。白金ワイヤが正極集電体（リード１８ｂ）として機能し、グラファイトのロッドが負極集電体（リード１８ａ）として機能する。管の長さは３ｃｍ、直径が１ｃｍである。負極は８ｇのアンチモン；５％の鉛を含むアンチモン合金；インジウム；鉛；１０％スズを含むアンチモン合金；５％銀を含むアンチモン合金；５０％インジウムを含むアンチモン合金；スズ；又は５％Ｐｂを含むスズ合金；の何れかで構成された。デバイスは温度制御された加熱ブロック上に置かれた。
【０１００】
実施例２：再充電燃料としてのプロパンガス及び天然ガス
本発明のデバイスが追加の燃料なしで作動できることを示すため、実施例１のデバイスを加熱して９６０℃に維持した。デバイスは開回路電圧０．７８Ｖを示し、短絡電流は１．５Ａであった。３０分作動させた後、出力に減少は見られなかった。２−８時間の後、電流は０に減少し、開回路電圧は０．３−０．６Ｖであった。
【０１０１】
プロパンガス（Ｂｅｎｚｏｍａｔｉｃ）又は天然ガスをα−アルミナ管（外径１．２ｍｍ、内径０．８ｍｍ）を通じて液体金属負極に導入した。この管の末端を液体表面の下に沈め、ガス流量は５０ｍＬ／分であった。
【０１０２】
２分間デバイスをプロパンガスで充電した後、短絡電流が０から０．３Ａに増加し、開回路電圧が０．７９Ｖと測定された。７分間の充電の後、デバイスの電流は１．２Ａ、電圧は０．７６Ｖを示した。排出ガスはいくらか煙又は炭素の煤煙を呈し始めた。さらに２分間充電し、電流は１．５Ａ、電圧は０．７６Ｖに達した。薄い煙の量は、充電の程度の別の指標であった。さらに充電しても、電流と電圧に変化はなかった。
【０１０３】
プロパンガスの輸送を休止し、デバイスを使い切るまで１時間以上動作させ続けた。そしてデバイスを、この実施例で記載したとおりプロパンガスで充電した。このサイクルを３日間繰り替えしたが、出力に顕著な変化は生じなかった。
【０１０４】
実施例３：再充電燃料としてのディーゼル、ガソリン及びアルコール（変性）
燃料を加えることなく、実施例１のデバイスを加熱し９９０℃に維持した。セルを使い切った後（電流が０で開回路電圧が０．３−０．６Ｖ）、５μＬのガソリンをマイクロシリンジを通して液体金属負極に注入した。合計５回の注入を、５分以内に５μＬ／分の速度で行った。各々の注入の間、灰色の煙が観察された。ガソリンで再充電した後、セルの電流は２．０Ａであり（０から増加）、電圧は０．７５Ｖであった。
【０１０５】
異なる燃料でもデバイスが作動できることを示すため、セルを加熱して９９０℃に維持した。セルを使い切った後（電流が０で開回路電圧が０．３−０．６Ｖ）、２μＬの変性アルコールをマイクロシリンジを通じて液体燃料に注入した。合計４０回の注入を、１３分で６．２μＬ／分の速度で行った。各々の注入の間、煙は少ししか観察されなかった。アルコールで再充電した後、セルの電流は０．３から０．５Ａであり、電圧は０．７２Ｖであった。
【０１０６】
そしてセルを加熱し、９９０℃に維持した。セルを使い切った後（電流が０で開回路電圧が０．３−０．６Ｖ）、４μＬのディーゼルをマイクロシリンジを通じて液体金属負極の表面まで注入した。合計２０回の注入を２０分以内で４μＬ／分の速度で行った。各々の注入の間、濃い煙が観察された。ディーゼルで再充電した後、セルの電流が０．３から０．５Ａであり、電圧が０．７２Ｖであった。
【０１０７】
実施例４：再充電燃料としてのカーボンブラック
この実施例は、本発明のデバイスが固体燃料で作動できることを示す。実施例１のデバイスを加熱し、９８０℃で維持した。セルを使い切った後（電流がゼロで開回路電圧が０．３−０．６Ｖ）、炭素粒子（サイズ０．３−０．６ｃｍ）をセル内部に加えた。０．１ｇの炭素で再充電した後、セルの電流は０．３から０．５Ａであり、電圧は０．７２Ｖであった。さらに０．１ｇの炭素で再充電した後、セルの電流は０．５−１．０Ａで電圧は０．７６３Ｖであった。さらに０．２１ｇの炭素で再充電した後、セルの電流は１．１から１．３Ａであり、電圧は０．７９から０．８７Ｖであった。さらに０．１７ｇの炭素で再充電した後、セルの電流は１．５Ａであり、０．９から０．９２Ｖであった。
【０１０８】
実施例５：液体燃料のための複数のユニットについての重量解析
図５は、本発明のスタックの例示的な寸法を示す。表１は、スタックの各々の部材の重量を列記する。ガソリン、ケロセン、及びディーゼルといった液体燃料の重量は、出力密度４ｋＷ／ｍ２に基づく。燃料とタンクは含まれていない。
【０１０９】
【表１】
2004501483.tif 000003
実施例のスタックは、平面型電気化学デバイスの６０スタックを備える。各々のスタックは８インチ（２０３ｃｍ）ｘ８インチ（２０３ｃｍ）＝６４インチ２（４１２ｃｍ２）のサイズで、各々が４１２ｃｍ２ｘ０．４Ｗ／ｃｍ２＝１６５Ｗの出力を有しうる。各々のスタックの厚みは０．４ｃｍでありうる（電解質について０．０１ｃｍ、正極について０．０２ｃｍ、内部接続について０．２２ｃｍ、及び液体金属負極部材について０．１５ｃｍ）。この実施例では、スタックの全長が６０ｘ０．４ｃｍ＝２４ｃｍ（９．５インチ）である。
【０１１０】
液体燃料電池は、スタックサイズが８インチ（２０３ｃｍ）ｘ８インチ（２０３ｃｍ）ｘ９．５インチ（２４ｃｍ）で、１０ｋＷ（１６５Ｗ／スタック　ｘ　６０スタック）と評価される。
【０１１１】
絶縁体（１．５インチの厚み）、ケースと支持体、空気及び排出流コンジット、及び予備加熱を含め、スタックの容積は１立方フィートで重量が１３１ｌｂでありうる。これは、燃料と燃料タンクは含まない。
【０１１２】
実施例６：固体燃料のための複数ユニットスタックについての重量解析
図６は、炭素といった固体燃料のための本発明のスタックの例示的な寸法を示す。炭素をデバイスの一部として内部に置き、又は外部から周期的に充填することができる。表２は、スタックの各々の部材の重量を列記する。４６ｌｂの炭素をデバイスの内部に蓄えることができる。内部に蓄えられる炭素量が、目的に応じてそれより多くても少なくてもよいことは当然である。
【０１１３】
【表２】
2004501483.tif 000004
実施例のスタックは、平面型燃料電池スタックの６０スタックを備える。この実施例では、各々のスタックは８インチ（２０３ｃｍ）ｘ８インチ（２０３ｃｍ）＝６４インチ２（４１２ｃｍ２）の表面積で、各々について４１２ｃｍ２ｘ０．４Ｗ／ｃｍ２＝１６５Ｗの出力が計画されている。それぞれのスタック間の間隙０．６ｃｍは、液体燃料の場合（ｃｆ．０．４ｃｍ）よりも長くてよい。例示的な寸法：電解質＝０．０１ｃｍ；正極＝０．０２ｃｍ；内部接続＝０．２２ｃｍ；炭素及び液体負極＝０．３５ｃｍ。この実施例では、全スタック長は６０ｘ０．６ｃｍ＝３６ｃｍ（１４インチ）である。
【０１１４】
スタックから外部に伸びる追加のガイド（５ｌｂ）を、炭素板を導入して過剰な液体金属を蓄えるために提供しうる。
炭素セルは１０ｋＷ（１６５Ｗ／スタック　ｘ　６０スタック）と評価され、１５インチｘ１６インチｘ１２インチの寸法で重量が１８７ｌｂであり、４６ｌｂの炭素が燃料として内部に蓄えられる。
【０１１５】
４６ｌｂの炭素燃料と４０％の燃料効率より、このユニットは７３ｋＷ−時間を生成し、８６０Ｗ−時間／ｋｇに当たる。
炭素燃料の積載量を増加させると、エネルギー密度が改善する。炭素の理論限界は、４０％の燃料効率で３，５２０Ｗ−時間／ｋｇである。
【０１１６】
実施例７：作動後のデバイス部材解析
実施例２に記載したとおり実施例１のデバイスを作動させた後、デバイスを分解して内部部材の観察を行った。負極と電解質との界面には、黄色の粉末又は白色の粉末が観察された。厳密にいえば、黄色又は白色の粉末は消費された負極、つまり金属酸化物（例えば、アンチモン酸化物又は複合アンチモン／鉛、アンチモン／スズ、アンチモン／スズ、アンチモン／銀、スズ、アンチモン／インジウム酸化物）を含むと提案される。興味深いことに、燃料源に直に隣接している負極／電解質界面では、粉末は観察されなかった。セルのこの部分に粉末が存在しないことは、燃料が任意の金属酸化物を金属に還元することができるということを証明している。
【０１１７】
当業者は、ここに記した全てのパラメータは例であることを意味しており、実際のパラメータは、本発明の方法及び装置が用いられる特定の用途に依存することを容易に認識する。従って、前述の実施態様は単に例として表されたにすぎず、添付の請求項の範囲内及びその均等物内で、具体的に記載したのとは別の方法で本発明を実施できるということが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のデバイスの概略的な断面図を示し、電極と電解質部材とを強調している。
【図２】図２は、本発明の管状デバイスの概略的な断面図を示し、電極と電解質部材とを強調している。
【図３】図３は、本発明の管状デバイスの概略的な断面図を示し、負極上に位置する固体燃料の位置を強調している。
【図４】図４は、本発明の管状デバイスの概略的な断面図を示し、負極の一方の端に位置する入口の位置を強調している。この入口により、負極のもう一方の端から排出物が出る。
【図５】図５は、液体又は気体燃料を使用する本発明の平面型スタックの概略的な断面図を示す。
【図６】図６は、固体燃料を使用する本発明の平面型スタックの概略的な断面図を示す。
【図７】図７は、図５の平面型スタックの３次元の概略的な表現を示す。
【図８】図８は、本発明の２つの管状デバイス間に位置する内部接続を示す。
【図９】図９は、本発明の負極により単独のデバイス内で行うことのできる様々な電気化学過程のスキームを示す。
【図１】
2004501483.tif 000005
【図５】
2004501483.tif 000006
【図６】
2004501483.tif 000007
【図９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年6月21日(2002.6.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学デバイスであって：
負極を化学的に再充電可能とするような材料で構成され、かつデバイス作動温度で液体をなす負極；
負極とイオン的に連通した固体電解質；及び
負極に露出可能な燃料源；
を備えた電気化学デバイス。
【請求項２】
負極を化学的に再充電する化学的還元剤源をさらに備えた請求項１のデバイス。
【請求項３】
化学的還元剤源が燃料源である請求項２のデバイス。
【請求項４】
負極が金属を含む請求項１のデバイス。
【請求項５】
標準水素電極に対する金属の標準還元電位が−０．７０Ｖより大きい請求項４の負極。
【請求項６】
負極が少なくとも２つの金属を含む請求項１の負極。
【請求項７】
標準水素電極に対する各々の金属の標準還元電位が−０．７０Ｖより大きい請求項６の負極。
【請求項８】
金属酸化物及び複合金属酸化物からなる群より選択される酸化物を含む酸化状態から還元状態へ、負極が化学的に再充電される請求項１の負極。
【請求項９】
燃料が存在しない場合にデバイスが発電可能な請求項１のデバイス。
【請求項１０】
固体電解質が、式：
（ＺｒＯ２） （ＨｆＯ２）ａ （ＴｌＯ２）ｂ （Ａｌ２Ｏ３）ｃ （Ｙ２Ｏ３）ｄ （ＭｘＯｙ） ｅ
（ａは０から約０．２、ｂは０から約０．５、ｃは０から約０． ５、ｄ は０から約０． ５、 ｘは０より大きく２以下、ｙは０より大きく３以下、ｅは０から約０．５、Ｍはカルシウム、マグネシウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、及び亜鉛からなる群より選択される。）
である請求項１のデバイス。
【請求項１１】
固体電解質が：
（ＺｒＯ２）， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８， （ＺｒＯ２）（ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０８， （ＺｒＯ２）（ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０５， （ＺｒＯ２）（ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＴｉＯ２）０．１０， （ＺｒＯ２） （ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０８（Ａｌ２Ｏ３）０．１０， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（Ｆｅ２０３）０．０５， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＣｏＯ）０．０５， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＺｎＯ）０．０５， （ＺｒＯ２） （Ｙ２Ｏ３）０．８（ＮｉＯ）０．０５， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＣｕＯ）０．０５， （ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＭｎＯ）０．０５ 及びＺｒＯ２ＣａＯ；
からなる群より選択される請求項１０のデバイス。
【請求項１２】
電解質とイオン的に連通した正極をさらに備えた請求項１のデバイス。
【請求項１３】
正極が固体正極である請求項１２のデバイス。
【請求項１４】
固体正極が金属酸化物及び複合金属酸化物からなる群より選択される請求項１３のデバイス。
【請求項１５】
固体正極が、スズドープＩｎ２Ｏ３、アルミニウムドープ酸化亜鉛、及びジルコニウムドープ酸化亜鉛からなる群より選択される、請求項１４のデバイス。
【請求項１６】
固体正極がペロブスカイト型酸化物である請求項１５のデバイス。
【請求項１７】
ペロブスカイト型酸化物が、式：
ＬａｘＭｎｙＡａＢｂＣｃＯｄ
（Ａはアルカリ土類金属であり、Ｂは：スカンジウム、イットリウム、ランタノイド金属；からなる群より選択され、Ｃは：チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、及びアンチモン；からなる群より選択され、ｘは０から約１．０５であり、ｙは０から約１であり、ａは０から約０．５であり、ｂは０から約０．５であり、ｃは０から約０．５であり、ｄは約１以上約５以下であり、ｘ、ｙ、ａ、ｂ及びｃの少なくとも１つは０より大きい。）
で表される請求項１６のデバイス。
【請求項１８】
ペロブスカイト型酸化物が：
ＬａＭｎＯ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６ＭｎＯ３， Ｌａ０．８４Ｃａ０．１６ＭｎＯ３， Ｌａ０．８４Ｂａ０．１６ＭｎＯ３，
Ｌａ０．６５Ｓｒ０．３５Ｍｎ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３， Ｌａ０．７９Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８５Ｃｏ０．１５Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８Ｎｉ０．２Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８Ｃｅ０．２Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６Ｍｎ０．８Ｃｒ０．２Ｏ３， Ｌａ０．６Ｓｒ０．３５Ｍｎ０．８Ａｌ０．２Ｏ３， Ｌａ０．８４Ｓｃ０．１６ＭｎＯ３， Ｌａ０．８４Ｙ０．１６ＭｎＯ３， Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＣｏＯ３， ＬａＣｏＯ３， Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＦｅＯ３， Ｌａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３；
からなる群より選択される請求項１７のデバイス。
【請求項１９】
正極が金属を含む請求項１３のデバイス。
【請求項２０】
金属が：白金、パラジウム、金、銀、銅、ロジウム、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１９のデバイス。
【請求項２１】
約１５００℃未満の温度で作動可能な請求項１のデバイス。
【請求項２２】
約１３００℃未満の温度で作動可能な請求項１のデバイス。
【請求項２３】
約１０００℃未満の温度で作動可能な請求項１のデバイス。
【請求項２４】
約３００℃から約１５００℃の温度で作動可能な請求項２３のデバイス。
【請求項２５】
約３００℃から約１３００℃の温度で作動可能な請求項２６のデバイス。
【請求項２６】
負極が：銅、モリブデン、水銀、イリジウム、パラジウム、アンチモン、レニウム、ビスマス、白金、銀、ヒ素、ロジウム、テルル、セレン、オスミウム、金、鉛、ゲルマニウム、スズ、インジウム、タリウム、カドミウム、ガドリニウム、クロム、ニッケル、鉄、タングステン、バナジウム、マンガン、コバルト、亜鉛、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のデバイス。
【請求項２７】
負極が：アンチモン、インジウム、スズ、ビスマス、水銀、及び鉛；からなる群より選択される請求項２８のデバイス。
【請求項２８】
負極が：銅、モリブデン、水銀、イリジウム、パラジウム、アンチモン、レニウム、ビスマス、白金、銀、ヒ素、ロジウム、テルル、セレン、オスミウム、金、鉛、ゲルマニウム、スズ、インジウム、タリウム、カドミウム、ガドリニウム、クロム、ニッケル、鉄、タングステン、バナジウム、マンガン、亜鉛及びコバルト；からなる群より選択される少なくとも１つの元素を含む合金である請求項１のデバイス。
【請求項２９】
燃料が負極に露出される場合、燃料が負極と接触する請求項１のデバイス。
【請求項３０】
燃料が負極に露出される場合、燃料が負極の酸化された部分と接触する請求項１のデバイス。
【請求項３１】
燃料源が燃料リザーバーからなる請求項１のデバイス。
【請求項３２】
負極に向けられた入口にリザーバーを接続するガイドにより、燃料源が負極に露出可能である請求項３１のデバイス。
【請求項３３】
燃料が：炭素質材料、硫黄、硫黄含有有機化合物、窒素含有有機化合物、アンモニア、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のデバイス。
【請求項３４】
炭素質材料が：導電性カーボン、グラファイト、疑似グラファイト、石炭、コーク、木炭、フラーレン、バックミンスターフラーレン、カーボンブラック、活性炭、脱色炭、炭化水素、含酸素炭化水素、一酸化炭素、脂肪、油、木材、バイオマス、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３３のデバイス。
【請求項３５】
炭化水素材料が飽和及び不飽和炭化水素からなる群より選択される請求項３４のデバイス。
【請求項３６】
炭化水素材料が：脂肪族化合物、脂環式化合物、芳香族化合物、及びそれらの混合物；からなる群より選択される請求項３４のデバイス。
【請求項３７】
炭化水素材料が：ガソリン、ディーゼル、ケロセン、メタン、プロパン、ブタン、天然ガス、及びそれらの混合物；からなる群より選択される請求項３６のデバイス。
【請求項３８】
含酸素炭化水素がアルコールである請求項３４のデバイス。
【請求項３９】
アルコールがＣ１−Ｃ２０のアルコール及びＣ１−Ｃ２０のアルコールの組み合わせからなる群より選択される請求項３８のデバイス。
【請求項４０】
アルコールが：メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、及びそれらの混合物；からなる群より選択される請求項３９のデバイス。
【請求項４１】
燃料源が、少なくとも２つの異なる燃料について可変である供給源を備えた、請求項１のデバイス。
【請求項４２】
燃料源が、異なる燃料源と交換可能である請求項１のデバイス。
【請求項４３】
燃料源が、異なる燃料の異なる燃料源と交換可能である請求項４２のデバイス。
【請求項４４】
電気出力が少なくとも約１０ｍＷ／ｃｍ２である能力のある請求項１のデバイス。
【請求項４５】
電気出力が少なくとも約１００ｍＷ／ｃｍ２である能力のある請求項１のデバイス。
【請求項４６】
電気出力が少なくとも約２００ｍＷ／ｃｍ２である能力のある請求項１のデバイス。
【請求項４７】
自己修復性を有する請求項１のデバイス。
【請求項４８】
負極がさらに封止剤前駆体を含む請求項４７のデバイス。
【請求項４９】
負極が、酸素に露出された場合に固体電解質の傷を封止する封止剤前駆体を含む、請求項４８のデバイス。
【請求項５０】
負極；及び
デバイスから連続的な電気出力を生成するため、負極に輸送可能である間欠的な燃料源；
を備えた電気化学デバイス。
【請求項５１】
負極が液体である請求項５０のデバイス。
【請求項５２】
第一と第二の電気化学デバイスであって、各々のデバイスが液体をなす負極を包含し、その負極は電解質とイオン的に連通し、その電解質は正極とイオン的に連通しているデバイス；及び
第一のデバイスの負極及び第二のデバイスの正極の両者の中間にあって、両者に隣接して位置する内部接続；
を備えた電気化学デバイスのスタック。
【請求項５３】
スタックが実質的に平面状である請求項５２のスタック。
【請求項５４】
各々のデバイスが実質的に平面状である請求項５２のスタック。
【請求項５５】
各々のデバイスが管状である請求項５２のスタック。
【請求項５６】
各々のスタックが直列に配置されている請求項５２のスタック。
【請求項５７】
各々のスタックが並列に配置されている請求項５２のスタック。
【請求項５８】
スタックが直列−並列構成を有する請求項５２のスタック。
【請求項５９】
各々のデバイスがケーシング内に設置されている請求項５２のデバイス。
【請求項６０】
各々のデバイスがケーシング内に非永続的に設置されている請求項５９のデバイス。
【請求項６１】
スタックが少なくとも２つのデバイスを含む請求項５２のデバイス。
【請求項６２】
内部接続及び正極の熱膨張係数の差が約１５００℃未満の温度で約３０％未満である請求項５２のスタック。
【請求項６３】
熱膨張係数の差が約１５００℃未満の温度で約２０％未満である請求項６２のスタック。
【請求項６４】
熱膨張係数の差が約１５００℃未満の温度で約１０％未満である請求項６２のスタック。
【請求項６５】
内部接続及び正極が同じ組成を有する請求項６２のスタック。
【請求項６６】
負極を備えた電気化学デバイスを準備し；
負極に供給する燃料の存在下において、負極を消費することなく発電し；
負極に燃料を供給せずに、デバイス内で発電する；
工程を含むエネルギー変換方法。
【請求項６７】
発電工程の何れか又は両者が、負極とイオン的に連通した電解質及びその電解質とイオン的に連通した正極の準備を含む、請求項６６の方法。
【請求項６８】
発電工程の何れか又は両者が、含酸素ガス流の正極への誘導をさらに含む請求項６７の方法。
【請求項６９】
発電工程の何れか又は両者が、約３００℃から約１５００℃の温度へのデバイスの加熱をさらに含む請求項６８の方法。
【請求項７０】
加熱によって負極を液体にする請求項６９の方法。
【請求項７１】
負極が約１０００℃未満の温度で液体となる請求項７０の方法。
【請求項７２】
電気出力が少なくとも約１０ｍＷ／ｃｍ２である請求項６６の方法。
【請求項７３】
電気出力が少なくとも約１００ｍＷ／ｃｍ２である請求項６６の方法。
【請求項７４】
電気出力が少なくとも約２００ｍＷ／ｃｍ２である請求項６６の方法。
【請求項７５】
負極が液体をなす請求項６６の方法。
【請求項７６】
デバイスが自己修復性を有する請求項６６の方法。
【請求項７７】
負極が封止剤前駆体をさらに含む請求項７６の方法。
【請求項７８】
負極が金属で構成され、封止剤が金属酸化物及び複合金属酸化物からなる群より選択される材料で構成される、請求項７７の方法。
【請求項７９】
負極を化学的に再充電するため燃料を負極に供給する工程をさらに含む請求項６６の方法。
【請求項８０】
負極を準備し；
負極に間欠的に燃料を輸送し、負極を用いて連続的な電気出力を生成する；
工程を含むエネルギー変換方法。
【請求項８１】
作動温度で液体をなす負極を準備し；
負極とイオン的に連通した固体電解質を準備し；
負極の一部を酸化して発電し；
負極の酸化部分を化学的還元剤に露出して酸化部分を還元する；
工程を含む方法。
【請求項８２】
還元部分が負極として作用しうる請求項８１の方法。
【請求項８３】
負極が電気化学デバイスの構成部材であり、化学的還元剤が燃料である、請求項８１の方法。
【請求項８４】
負極が金属を含む請求項８１の方法。
【請求項８５】
酸化された負極が金属酸化物及び複合金属酸化物からなる群より選択される材料を含む請求項８４の方法。
【請求項８６】
標準水素電極に対する金属の標準還元電位が−０．７０Ｖより大きい請求項８４の方法。
【請求項８７】
負極が少なくとも２つの金属を含む請求項８１の方法。
【請求項８８】
標準水素電極に対する各々の金属の標準還元電位が−０．７０Ｖより大きい請求項８７の方法。
【請求項８９】
負極とイオン的に連通した固体電解質を準備する工程が、正極とイオン的に連通した電解質の準備をさらに含む、請求項８１の方法。
【請求項９０】
酸化工程が約３００℃から約１５００℃の温度へのデバイスの加熱をさらに含む請求項８９の方法。
【請求項９１】
酸化工程が負極の燃料への露出をさらに含む請求項８９の方法。
【請求項９２】
負極；及び
デバイスから連続的な電気出力を生成するため、燃料を負極に間欠的に露出する手段；
を含む電気化学デバイス。
【請求項９３】
バッテリーを準備し；
含酸素ガスをバッテリーの正極に供給し；
バッテリーの負極に燃料を供給する；工程を含み、
その負極がバッテリーの作動温度で液体をなし、その燃料が負極と異なる材料で作られている、エネルギー変換方法。
【請求項９４】
燃料を負極に供給する工程によりバッテリーが燃料電池に切り替わる請求項９３の方法。
【請求項９５】
少なくとも２つの異なる種類の燃料をデバイスに供給するため、少なくとも２つの燃料源を備えた電気化学デバイスであって、その２つの燃料源が燃料の種類を選択するため交換可能である上記デバイス。
【請求項９６】
化学的に再充電可能な液体負極を含有し、固体電解質材料を備えたハウジング。
【請求項９７】
液体金属負極と固体電解質とを備えたデバイスを準備し；
発電と同時に負極の一部を酸化して金属酸化物を形成する；
工程を含むエネルギー変換方法。
【請求項９８】
燃料を負極に露出することにより酸化工程が開始される請求項９７の方法。
【請求項９９】
デバイスが１０００℃未満の温度で作動可能である請求項９７の方法。
【請求項１００】
負極が化学的に再充電可能でありデバイス作動温度で液体をなすような材料で構成された負極；
負極とイオン的に連通した酸素イオン伝導電解質；及び
負極に露出可能な燃料源；
を備えた電気化学デバイス。
【国際調査報告】
2004501483.tif 000060
2004501483.tif 000061
2004501483.tif 000062
2004501483.tif 000063