[发明专利]用于运输相关辅助动力装置的熔融金属阳极固体氧化物燃料电池

说明书

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

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年5月19日提交的美国申请第15/158,637号的优先权，所述申请通过引用以其整体并入。

背景技术

本公开涉及先进的阳极材料，以允许使用直接(即未重整的)烃作为固体氧化物燃料电池(SOFC)的燃料。更具体地，本公开涉及可用于运输辅助动力装置(APU)的基于熔融金属阳极(MMA)的SOFC(MMA-SOFC)。

APU可用作在重型运输操作中提供补充动力的方式。一个值得注意的例子是它们在牵引拖车和相关商用车辆上的使用，以响应在延长的停留期间对过度主发动机怠速的更严格的审查。在一种传统形式中，APU被配置为小型内燃机(ICE)，其除了提供热量之外还可以通过合适的发电机供应电力，以便在发动机关闭的这些延长的时间段期间操作车辆内的各种电气系统。虽然这些APU对于它们的预期目的是有用的，但是它们有问题地消耗相对大量的化石燃料。而且，它们存在维护问题；当它们在故障之后没有得到修复时，后一个问题尤其成问题，因为车辆的操作者恢复到怠速运行车辆动力装置(即主发动机)的旧方法，作为满足辅助动力需要的方式。

燃料电池通过其电化学反应而不是通过其燃烧将燃料转化为可用能量。因此，除了具有更少的易于出故障的机械部件之外，燃料电池相对于ICE和相关的发电源具有若干环境优势。在基于燃料电池的电力系统领域，SOFC特别有益，因为它们利用其提供直接利用含碳燃料的能力，而以其他燃料电池配置例如质子交换膜或聚合物电解质膜(在任何一种情况下为PEM)不能够的方式无需提供燃料的重大改造。

在一种形式中，SOFC的阳极可以由含燃料的熔融金属构成，使得在将含氧反应物(例如，空气)引入电池的阴极时，在阴极处产生的氧离子迁移通过固体电解质至阳极处的熔融金属和电离燃料。在其固体对应物上使用熔融金属阳极的一个显著优点是可以捕获否则将被排放到周围环境的大多数有害排放物(通常以CO₂、SO₂、NO_X和颗粒物质的形式)。不幸的是，使一个燃料电池部件处于类似液体的状态导致了显著的处理问题，特别是因为它涉及可以考虑用于移动应用的燃料电池配置。

发明内容

尽管存在上述缺点，但本发明人已经发现使用MMA-SOFC作为基于车辆的APU的动力源可以解决与主发动机怠速相关的问题，同时相对于不仅ICE而且其他形式的燃料电池提供改进的性能。根据本公开的一个实施例，车辆动力系统包括动力装置和APU，APU包括设置在其内的SOFC燃料电池的容器，以及与燃料电池协作的电路，使得由燃料电池的运行产生的电流可以输送到车辆负载。燃料电池由许多半电池组成，而这些半电池又由阴极和固体电解质组成。除了各半电池之外，燃料电池还包括阳极，该阳极与半电池的至少一部分电解质相邻设置。以这种方式，空气或相关的含氧反应物流过多个半电池的阴极和电解质，以与包含在液态金属阳极浴中的燃料发生电化学反应。APU还包括炉子，该炉子可以由一个或多个加热元件构成，所述加热元件放置成与容器或各个半电池直接或间接热交换，以选择性地向其提供热量，以便在APU操作期间将阳极置于其基本上熔化的金属状态。

根据本公开的另一实施例，车辆由具有轮式底盘的平台、与轮式底盘协作的引导装置(诸如转向、制动和加速机构中的一个或多个)和乘客室组成，乘客室与气候控制系统热协作。该车辆还包括动力装置和APU，两者都固定在平台上。如前所述，APU除了还具有一个或多个发电机或交流发电机和基于处理器的控制器之外，还包括容器、SOFC燃料电池、炉子和电路。