CN101020422A - 运行内燃机排气系统中的燃料电池的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种具有带排气系统的发动机的车辆系统，包含连接到发动机排气系统内的燃料电池，其中，燃料电池具有输出电路；与燃料电池连接的电池；以及控制器，所述控制器接收指示燃料电池输出电路的电气输出的信号以及响应所述信号调整供给发动机的燃料量或空气量从而影响发动机排气系统的空燃比。这样，燃料电池的电气输出可用作排气信息的指示，例如排气空燃比，用于调整发动机运行。例如，在一个实施例中，燃料电池可作为能斯脱电池工作。

Description

运行内燃机排气系统中的燃料电池的系统和方法

技术领域

本申请涉及一种运行内燃机排气系统中燃料电池的系统和方法，其中，可根据燃料电池的工作条件对发动机的运行进行调整。

背景技术

由于热损耗、摩擦、不完全燃烧以及其它因素，内燃机利用的燃料能量仅仅是所供燃料能量的一部分(例如，有些情况下大约31％到38％)。另外，所供燃料能量大约3-17％被用于维持待机时发动机的运行，并且，另有1-2％用于运转附件。因此，利用这些损耗的能量，尤其是热能和化学能形式的能量有利于提高总体车辆系统燃效。

例如美国专利申请2004/0177607(以下简称为‘607)所述的一种使用安装在内燃机排气系统内的燃料电池的方法。该系统使用发动机未燃燃料将化学能转化为可为车辆使用的电能。该系统包括多种与燃料电池分离的排气传感器，例如控制运行的空燃比传感器。此外，‘607描述了不依靠燃料电池的条件来运行发动机。

发明人于此认识到，当使用分离的空燃比传感器时，至少在一些情况下也有可能使用燃料电池来提供用于控制或调整发动机运行的信息。例如，燃料电池的条件可用于确定、估计或提供排气系统中关于空燃比或相对氧气量的信息。因此，有可能使用燃料电池的电流、电压和/或阻抗来提供排气空燃比或排气系统其它条件的指示。

发明内容

因此，根据一个方面，提供一种用于车辆的系统，所述车辆具有带排气系统的发动机，所述系统包含连接到发动机排气系统内的燃料电池，其中，燃料电池具有输出电路；与所述燃料电池连接的电池；和控制器，该控制器接收指示燃料电池输出电路电气输出的信号，并响应所述信号调整供给发动机的燃料量或空气量从而影响发动机排气系统的空燃比。

这样，燃料电池的电气输出可用作排气信息的指示，例如排气空燃比，用于调整发动机运行。例如，在一个实施例中，燃料电池可作为能斯脱电池工作。

因此，在一个实施例中，可减少多个排气空燃比传感器，从而减小系统成本。在另一个实施例中，燃料电池可用作附加的空燃比传感器以补充其它的空燃比传感器信息。进一步的，在一些实例中，燃料电池输出可用于确定燃料电池和/或其它排气空燃比传感器的降级。因此，燃料电池可用作多个功能，例如发电、传感和/或诊断。

根据另一个方面，一种运行车辆内燃发动机的方法，所述发动机也包括位于发动机下游并连接到发动机排气系统内的燃料电池，以及与燃料电池连接的电池。该方法包括调整发动机的运行参数以响应接入发动机排气系统内的燃料电池的电气输出。

这样，有可能利用燃料电池位置和工作条件来提供关于发动机运行的信息，例如，可用于调整发动机运行的信息。

根据再一个方面，一种运行车辆内燃机的方法，所述发动机也具有位于发动机下游的燃料电池以及与燃料电池连接的电池。该方法包含：通过控制电池供给燃料电池的电流来产生燃料电池的电气输出；以及调整发动机运行参数以响应所述燃料电池的电气输出。

这样的系统具有多种优势。例如，电流在燃料电池上的运用允许产生电气输出，该电气输出可提供关于排气的信息，例如空燃比。例如在一实施例中，通过确定电流的变化，使用结合组成特性的能斯脱方程式，有可能推断出排气空燃比。进一步的，应用电流使产生将NOx还原为N2和02的电气化学反应。这样的方法可使燃料电池用作多个功能，例如发电、传感和/或减少排放。

附图说明

图1是示例的混合动力系统中发动机的示意图。

图2是内燃机一实施例的示意图。

图3是示范系统的一实施例的示意图，其中，燃料电池位于发动机排气系统内。

图4是运行发动机向燃料电池供给空气和燃料的方法的一实施例的流程图。

图5是为提高进入燃料电池的排气的温度的发动机运行方法的一实施例的流程图。

图6是具有燃料电池和催化剂的发动机系统的一实施例的示意图。

图7是具有燃料电池和催化剂的发动机系统的另一实施例的示意图。

图8是包含燃料电池部分和催化转化部分的催化装置的示范实施例的示意图。

图9是包含燃料电池部分和催化转化部分的催化装置的示范实施例的示意视图，说明了第一示范氧化剂入口。

图10是包含燃料电池部分和催化转化部分的催化装置的示范实施例的示意视图，说明了第二示范氧化剂入口。

图11是通过调整发动机空燃比控制排放的方法的一实施例的流程图。

图12是使用燃料电池作为空燃比传感器的方法的一实施例的流程图。

图13是诊断燃料电池及空燃比传感器机能的方法的一实施例的流程图。

图14是确定排气组成特性的示范性系统的一个实施例的示意图。

具体实施方式

本申请的系统和方法可用于混合动力电动汽车(HEV)。图1只是说明一种可能的配置，具体地说是并联式/串连式混合动力电动汽车(混联式)配置。然而，可以用其它混合配置，例如串行式、并行式、集成式起动器-交流发电机，或其它。

在HEV中，发动机24连接到行星齿轮组20的行星架22。单向离合器26允许发动机和行星架正转并阻止反转。行星齿轮组20也将太阳齿轮28机械地连接到发电机电动机30和环形(输出)齿轮32。发电机电动机30也机械地连接到发电机制动器34，并电气连接到电池36。牵引电动机38通过第二齿轮组40机械地连接到行星齿轮组20的环形齿轮32，并电气连接到电池36。行星齿轮组20的环形齿轮32和牵引电动机38通过输出轴44机械地连接到驱动轮42。

燃料电池25位于发动机24的排气系统内。另外，燃料电池25电气连接到电池36。

行星齿轮组20将发动机24输出能量分成从发动机24到发电机电动机30之间的一条串行路径和从发动机24到驱动轮42之间的一条并行路径。通过并行路径保持机械连接同时，通过改变到串行通路的划分可以控制发动机24的转速。通过第二齿轮组40，牵引电动机38增大发动机24供给并行路径上的驱动轮42的功率。牵引电动机38也提供机会使用直接来自串行路径的能量，基本上用尽发电机电动机30产生的功率。这样减小了将能量转换成电池36内的化学能量及反向转换相关联的损耗，并且允许发动机24在去除转换损耗后的全部能量到达驱动轮42。

因此，图1说明，在这个实例中，发动机24直接连接到行星架22，例如，没有用能使它们彼此断开的离合器。单向离合器26允许轴在正向方向自由转动，但是当转矩试图反向转动轴时，其将轴置于动力系的固定结构中。制动器34不中断太阳齿轮28和发电机电动机30之间的连接，但是当通电时，制动器34将太阳齿轮28和发电机电动机30之间的轴置于动力系的固定结构中。

车辆系统控制器(VSC)46通过连接每个部件的控制器来控制HEV配置中的多个部件。发动机控制单元(ECU)48经由硬件接口(更多细节见图2)连接到发动机24。在一实例中，ECU 48和VSC 46可设置在同一单元内，但实际上是分离的控制器。可供选择的，ECU 48和VSC 46可以是相同的控制器，或设置在分离的单元内。VSC 46通过例如控制局域网(CAN)33这样的通信网络，与ECU 48、电池控制单元(BCU)45及驱动桥管理单元(TMU)49相通。BCU 45经由硬件接口连接到电池36。TMU 49经由硬件接口控制发电机电动机30和牵引电动机38。控制单元46、48、45、49以及控制局域网33可包括一个或多个微处理器、计算机或中央处理器；一个或多个计算机可读存储装置；一个或多个存储管理单元；以及一个或多个与各种传感器、传动器和控制电路通信的输入/输出装置。

应当意识到，本申请的系统和方法可用于任何其它HEV配置。下面更详细地描述发动机24和燃料电池25以及其它部件的另外的细节和实例，例如图2-3所示。

图2是内燃机24的一实施例的示意图。例如，发动机24可以是汽油发动机或柴油发动机。因此，图2的实例显示了带火花塞的汽油发动机，但是，发动机24可以是不带火花塞的柴油发动机，或任何其它类型发动机。内燃机24包含数个汽缸，其中一个汽缸如图2所示，内燃机24受电子发动机控制器48控制。发动机24包括燃烧室29和汽缸壁31，汽缸壁31中具有与曲轴39连接的活塞35。燃烧室29分别通过进气门52和排气门54与进气歧管43和排气歧管47相通。尽管所示仅为一个进气门和一个排气门，如果需要的话，可使用更多的进气门和排气门。例如，可使用两个进气门和单个排气门，也可使用两个进气门和两个排气门。

在本例中，可由可变凸轮正时提供可变气门正时。尽管在本例中所示的是独立的进气凸轮正时和排气凸轮正时，可变的进气凸轮正时可与固定的排气凸轮正时一起使用，反之亦然。而且，可使用各种类型的可变的气门正时，例如液压叶片式传动器53和55，从控制器48接收各自的凸轮正时控制信号VCTE和VCTI。通过比较曲轴信号PIP和分别来自凸轮传感器50和51的信号，可提供凸轮正时(排气和进气)的位置反馈。

在可选的实施例中，如果需要的话，凸轮传动排气门可与电气传动进气门一起使用。在这种情况下，控制器能够确定是否停止发动机，或将发动机预置于使排气门至少部分开放的状态，如果这样的话，至少在发动机的部分停止时间内保持进气门是关闭的，以减小进气歧管和排气歧管之间的相通。

所示的进气歧管43也具有与其连接的燃料喷射器65，以使传送的液体燃料与控制器48的信号FPW的脉宽成比例。燃料通过包括燃料箱、燃料泵及燃料分供管(图中未示出)的燃料系统传送到燃料喷射器65。另外，所示的进气歧管43与可选电子节气门125相通。

无分电盘的点火系统88响应控制器48，通过火花塞92向燃烧室29提供点火火花。

图2所示的控制器48为常规的微计算机，包括：微处理器单元102，输入/输出端口104，以及只读存储器106，随机存取存储器108，保活存储器110及常规的数据总线。所示的控制器48除了接收前面讨论所述的信号外，还接收与发动机24连接的传感器传来的各种信号，包括：与冷却套筒114连接的温度传感器112传来的发动机冷却剂温度(ECT)；与加速踏板连接的位置传感器119；与进气歧管43连接的压力传感器122传来的发动机歧管压力(MAP)大小；温度传感器117传来的发动机进气温度或歧管温度的大小；以及来自霍尔效应传感器的发动机位置传感器118传感的曲轴39位置。在本发明的一个方面，在曲轴每次旋转周期中，发动机位置传感器118产生预定数量等距脉冲以确定发动机转速(RPM)。

在可选实施例中，可使用直喷型发动机，其中，喷射器65位于燃烧室29内，其位置或者在类似于火花塞92的汽缸盖上，或者在燃烧室侧面。

图3显示了示例发动机系统的一实施例，其中，燃料电池225位于发动机224的排气系统内。发动机224可以是图2所述的发动机和其它内燃机。发动机224和燃料电池225可用于图1所述的示例HEV或其它HEV实施例。

在发动机运行时，发动机224消耗燃料并产生转矩输出，没有用于转矩输出的燃料能量以未燃燃料、重整燃料例如氢和一氧化碳(CO)和热的形式释放。另外，依据空燃比，例如发动机是否以稀燃或浓燃运行，可在排气系统中包含氧气。在一些实例中，根据燃料电池的状态例如温度、功效等，可以调整发动机空燃比的浓度，从而可改变提供给燃料电池225的未燃及重整燃料的数量。进一步的，在其它实施例中，例如通过使一些汽缸稀燃而其它汽缸浓燃，可以调整发动机同时向燃料电池供给燃料和氧气。

如图3所示，燃料电池225位于排气系统内和发动机224的下游。燃料电池225可使用燃料、空气以及发动机224释放的热量来生成电力。燃料电池225可以是固态氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜(PEM)燃料电池，等等。

一些类型燃料电池可工作在高于室温的温度下。例如，SOFC燃料电池的工作温度大约在700到1,000之间。燃料电池中的反应中所使用的燃料可以是重整燃料例如氢(H2)和一氧化碳(CO)，其他燃料等。例如，对于SOFC燃料电池，H2或CO在阳极或燃料电极与电解液传递的氧离子发生反应生成H2O或CO2，并且释放四个电子。空气中的氧在阴极或空气电极获得四个电子，并且变成一个氧离子。氧离子向阳极移动。这样，化学反应产生了电流或电力。燃料电池225的产物可以是H2O、CO2、氧气、发动机224生成的NOx以及经过燃料电池225而没有发生反应的燃料，例如CO和H2。另外，燃料电池225释放排气热量。

燃料电池225生成的电流可存储在电池内，例如电池236，或者直接用于供给车辆的电气附件动力，或者直接供给电动机用于帮助发动机运转或驱动车轮。

在一些实施例中，电池236向燃料电池225供给电流，以确定进出燃料电池225的气体流的组成特性，如本文所详细描述的。在一个实施例中，燃料电池225和电池236由控制器248控制，控制器也控制结合图2所描述的发动机运行。在另一个实施例中，燃料电池225和电池236可共用一个共同的控制器。在再一个实施例中，燃料电池225和电池236可以各自具有单独的控制器。

可以以这样的方法来运行发动机224，使发动机运行期间排出的燃料能量能够被下游的燃料电池225充分地使用。或者，可运行发动机224使维持下游燃料电池的工作，以生成所需的电力。

除了生成电力，燃料电池可提供有关排气的信息。例如，结合，每个燃料电池的组成特性可由相应每个燃料电池的模拟温度的模拟的发动机输出组成特征来确定。包含跨过催化扩散层和燃料电池的电极将提供一种方法来周期地应用输入燃料电池的电流。图14是示例性系统的一个实施例的示意图，在这里可以确定排气组成特性。应用于一种电池或多种电池的抽运电流对应于抽运电压的关系可随空燃比或与空燃比有关的参数改变，如1412所示。因此在一些实施例中，抽运电流/电压的关系可用于直接获取一个给定电池的空燃比。

进一步的，通过使用发动机运行参数例如发动机转速(N)、负载、空气质量(AM)或气流、凸轮正时、火花正时、发动机冷却剂温度(ECT)等，可由1414所示的模式推断排气温度。而且，可由基于发动机参数、例如发动机转速、负载、空气质量或气流、凸轮正时、火花正时、发动机冷却剂温度等的模式推断燃料电池的给排气组成特性，如1416所示。。基于来自1414的信息，在每个电池的燃料电池温度可由1420的模式推断。根据电池空燃比、推断的电池温度、推断的给气组成特性、电池空速以及催化电池的还原/氧化方法的模式，可推断每个燃料电池的燃料电池组成特性，如1430所示。因此，可以获得排气组成特性或排气信息。

在一些实施例中，通过应用电流使电流穿过催化层、燃料电池，和/或反转穿过电池的电位，可使用这种确定组成特性的方法进一步减小每个燃料电池的某些排放，例如NOx排放，如下面更详细的描述。

现在参见图4，图4说明了运行发动机以向燃料电池供给空气和燃料的控制方法的示范实施例，其中，在发动机运行时，一些汽缸以不同于其他汽缸的空燃比进行工作。例如，一些汽缸以浓燃运行，同时其它汽缸以稀燃运行，从而向燃料电池同时提供空气和燃料。进一步的，在一些情况下，有可能调整汽缸各自的稀和浓空燃比以提供期望的燃料电池发电水准。但是，在其它情况下，稀燃汽缸和/或浓燃汽缸的标准和/或数量可随燃料电池的条件、例如生成的功率或电流而改变，从而减少排放同时保持生成的功率。

具体地说，方法400包括，在402，运转选定的稀燃汽缸向发动机排气系统下游的燃料电池供给空气。当选定的汽缸以稀燃运行时，排气系统可包含氧气，因此为燃料电池内的反应提供氧气。

在一些实施例中，选定的汽缸可以是发动机一排中的一组汽缸。在一实施例中，选定的汽缸工作在无燃料喷射的喷射器切断模式。可选的，通过在冷启动后燃烧燃料，选定的汽缸可用来向车辆供给功率。接下来，在燃料电池暖和并能起作用后，这些汽缸可以以燃料切断模式运行以向燃料电池供给空气。进一步的，稀燃或没有喷射燃料的汽缸的数量可以根据排气温度、燃料电池状态、所需发动机输出或其它因素而改变。

因此，在一些实施例中，选定的发动机汽缸可用作空气泵以向燃料电池供给空气。在一实施例中，选定的汽缸可具有与发动机主汽缸不同的结构。例如，汽缸可具有不同的排量或活塞结构。在另一实例中，汽缸可不配备燃料供给、点燃源和/或可变的气门正时。

其次，方法400包括，在404，运转选定的浓燃汽缸向燃料电池供给燃料。在一些实施例中，选定的汽缸可在发动机的一排中。可选的，可随机选定汽缸进行浓燃运行，其中，这些汽缸的数量或先后顺序能根据工作条件例如温度、燃料电池状态或其它因素而改变。

接下来，如果需要的话，方法400包括，在406，向排气系统喷射燃料以进行重整并供给燃料电池燃料。在一些工作条件下，发动机不能为燃料电池提供足够的氢和一氧化碳。方法400通过喷射燃料到排气系统以重整并供给燃料。在一些实施例中，燃料可连同一些数量的空气喷射入排气歧管。在一实施例中，这些空气可来自燃料电池空气供应装置例如空气泵。在另一实施例中，通过运行发动机为更稀燃料模式来供给空气。例如使用来自排气歧管的热量，可重整这些喷射燃料为适于燃料电池反应的氢和/或一氧化碳。

在一些实施例中，蒸汽或水汽可在排气系统中与燃料和空气混合以提高燃料再形成。在一实施例中，发动机排气歧管可配置具有大的容积并隔热以保持高温。这样，排气歧管可作为燃料重整的热反应器。可选的，借助直喷发动机，在排气行程中燃料可喷射入选定的汽缸。在一些实施例中，选定的汽缸可在发动机的一排中，并且，在排气行程中，以延迟喷射运行的汽缸的数量及和/或延迟喷射量可根据燃料电池工作条件，例如生成的功率或电流，以及排气条件例如温度，而改变。可选的，在排气行程中可随机选择进行燃料喷射的汽缸，或汽缸可以预选模式中改变。动力行程后的高温有助于汽缸中燃料的重整，这样，在某些情况下提供了改善的延迟喷射性能。进一步的，在排气歧管中可继续进行燃料重整以提高重整燃料量。

以上方法具有多种优势，例如，一些发动机汽缸可用作空气泵向燃料电池供给所需氧气。因此，在一实施例中，有可能去除或补充向燃料电池提供氧气的空气泵，因此减小了系统成本。在一些实施例中，在空气泵性能下降的情况下，汽缸以稀燃或喷射器切断状态运行可向排气系统和燃料电池提供额外的空气。进一步的，在空气泵不能供给足够氧气的情况下，以上操作也可用于补充空气。

进一步的，在一些实施例中，因为一些发动机汽缸浓燃运行，这些汽缸可向燃料电池供给所需的燃料。另外，例如当发动机不能向燃料电池提供足够的燃料时，燃料喷射入排气系统可提供额外的燃料。进一步的，借助直喷发动机可在排气行程时喷射燃料，因此不需要单独的燃料喷射器。因此，在一些实施例中，通过延迟喷射补充单独的排气喷射，可以消除或减小分离的燃料供给系统和重整器的成本。

现在参见图5，图5显示了增大进入燃料电池的排气温度的发动机运行方法的一实施例的流程图。具体地说，方法500包括，在502，确定燃料电池温度。其次，在504，方法将温度与阈值进行比较。阈值可取最小温度或大于最小温度，在最小温度时燃料电池能够以特定性能级起作用。如果在504确定温度大于阈值，则无需任何动作。如果在504确定温度低于期望值，则方法包括，在506，调整发动机工作条件以增大排气系统的热流。在一些实施例中，结合更大的空燃流(维持转矩)使发动机运行具有更大延迟点火正时，从而增大发动机的热输出。可选的，发动机可浓燃运行，并且空气可喷射入排气流。在一实施例中，喷射空气可来自供给燃料电池空气的泵。在另一实施例中，一些汽缸以浓燃运行而一些汽缸以稀燃运行。这样，发动机浓燃运行的燃烧产物可与空气以放热反应形式发生反应，从而释放热量及提高温度。

如上所述，燃料电池的温度可维持在适合于所需操作的选定范围内。当发动机用作燃料电池的热源时，在一些情况下，例如冷启动或减速断燃料时，可能要花时间将燃料电池加热到所需工作温度。通过执行例程500，燃料电池温度可快速升到燃料电池所需操作要求的温度范围。

参见图6，图6显示具有燃料电池和催化剂的发动机系统的一个实施例的示意图。如图6所示，NOx还原催化剂620置于位于发动机624的下游和燃料电池625上游的发动机排气通道612。NOx还原催化剂的排气经由通道622进入燃料电池625。燃料电池625与电池636电气地相通。

所示的空燃比传感器652置于燃料电池625之前，并且所示的空燃比传感器654置于燃料电池625之后。传感器652和654可以是HEGO传感器、通用排气氧含量(UEGO)传感器或其它空燃比传感器。可选的，双态排气氧含量传感器可取代传感器652和654。

燃料电池温度可由温度传感器656进行测量，和/或基于工作条件例如发动机转速、负载、气温、发动机温度和/或气流或其组合进行估计。

除了上面结合图2所描述的信号，发动机控制器648接收传感器传来的信号。

在图6说明的实施例中，通过燃料供给系统640将燃料添加到发动机排气系统。可选的，如果发动机是直喷发动机，在排气行程中，燃料可添加到排气歧管或喷射入汽缸。在一些实施例中，发动机可以浓燃模式运行，并且可以提供燃料电池625运行所需的全部燃料。

同样地，空气泵660可以供给燃料电池625所需的空气。可选的，发动机可以能够供给所需空气的方式运行。例如，如上所述，空气泵可以是发动机624的选定汽缸或指定汽缸，其中，汽缸可工作在切断燃料状态。在一些实施例中，可由具有稀燃运行的选定汽缸的发动机供给空气。

在燃料电池电联产时，发动机可以浓燃运行。在浓燃运行模式下，具有相对低的NOx排放。在图示实施例中，NOx还原催化剂620位于发动机排气系统下游和燃料电池625上游。NOx还原催化剂可以是NOx催化剂或稀燃NOx捕集器。在NOx还原催化剂，当未燃燃料、重整燃料、CO、H2等进入燃料电池625时，NOx还原为N2和O2。

在燃料电池中，CO、H2和HC氧化成CO2和H2O。因此，通过适当控制燃料电池的工作条件，燃料电池可将CO、H2和HC排放减小到期望的水平。具体地说，基于传感器650和/或传感器652以及燃料电池状态和其它工作条件，通过调整发动机空燃比可以控制燃料电池的氧化反应。下面详细描述各种实例控制策略。

在一些实施例中，燃料电池625加入铂族金属(PGM)以提高燃料电池的氧化功效。PGM可以是铂、钯或其它稀有金属。在这样的结构中，CO、H2和HC可在PGM表面的反应中以及燃料电池电极处的反应中被氧化。

如上所述的系统具有多种优势。例如，特别设计用于去除NOx的NOx还原催化剂减少了NOx排放。这样，可对催化剂进行优化以提高去除NOx的功效。进一步的，当发动机浓燃运行时，NOx还原催化剂处于缺氧环境中。这样有助于NOx还原反应。进一步的，因为NOx还原反应是放热反应，燃料电池上游处的NOx还原催化剂有利于燃料电池的工作。例如，放热反应释放的热量可将燃料电池的温度升到产生改善燃料电池工作的程度。另外，因为NOx还原催化剂620和排气通道622的温度更高，当发动机和/或燃料供给系统的未燃燃料经过NOx还原催化剂620和排气通道622时，更多的燃料得以重整。

应当意识到，如果起因于浓燃运行的NOx排放能满足排放标准，或如果可使用其它方法满足规定的排放程度，在一些实施例中可去除控制NOx的排放控制装置。

此外，燃料电池可作为排放控制装置，在产生功率时通过将CO、H2、HC氧化为CO2、H2O，从而减少CO、H2、HC的排放。因此，有可能去除氧化催化剂或三元催化转化器。

图7是减量排放系统的另一个实施例的示意图。系统包含发动机724、发动机724下游的NOx还原催化剂720、NOx还原催化剂720下游的燃料电池725，以及氧化催化剂760。NOx还原催化剂720通过排气通道712与发动机724相通。燃料电池725通过排气通道722与NOx还原催化剂720相通，并且通过排气通道732与氧化催化剂相通。系统进一步包含向燃料电池725供给燃料的燃料供给系统740，以及向燃料电池725和氧化催化剂760供给空气的空气泵760。燃料电池725与电池736电气相通。传感器750和752可选择置于燃料电池725之前和之后，传感器754置于氧化催化剂之后。传感器向控制系统运行的控制器748发送排气信息。

图7所示的实施例和图6所示的实施例相类似，但是，图7的实施例添加了燃料电池725下游的氧化催化剂760和氧化催化剂760的空气供给。氧化催化剂760的作用在于可以进一步减少经过燃料电池725未反应的CO、H2、HC排放。可选的，三元催化转化器(TWC)可取代氧化催化剂760以减少NOx、CO、H2、HC等的排放。在这样的结构中，传感器、例如氧气传感器可设置于TWC中。因此，在TWC中的排气信息可及时发送到控制器以调整发动机运行。

图8显示催化装置的示范实施例的内部结构。内部结构可以是燃料电池和催化剂的组合。催化装置包括具有燃料电池部分和催化转换部分的内部结构。图8显示催化装置的内部结构810的示范实施例的示意图。内部结构810具有燃料电池部分和催化转换部分。内部结构810包括支撑结构812、支撑结构812第一表面支撑阳极814、支撑结构812第二表面支撑阴极816，以及支撑结构812第一表面支撑催化转换结构818。图8显示设于支撑结构812相对侧的阳极814和阴极816，以及位于阳极814侧的催化转换结构818。但是应当意识到，可使用这些层之间的其它中间层。进一步的，应理解，催化转换结构818可设于阳极814的仅部分表面上，或者充分覆盖阳极814。同样地，阳极814和阴极816都可完全覆盖各自的支撑面，或者仅部分地覆盖支撑面。此外，当使用“内部结构”术语描述形成和/或支撑燃料电池和催化转化结构的结构时，应当意识到，至少部分内部结构810可暴露于催化装置外部的空气，如下面更详细的描述。

支撑结构812、阳极814和阴极816相互配合形成燃料电池结构820，以通过供给阳极814的未被氧化和/或部分被氧化的排气成分结合供给阴极816的氧气(或其它含氧氧化剂)生成电位。被燃料电池结构820用作燃料的排气成分的实例包括但不限于氢、一氧化碳以及未被氧化和部分被氧化的碳氢化合物。

催化转换结构818可配置成多孔的或对排气有渗透性的其他形式，因此，这些排气可到达由催化转换结构818覆盖的阳极814部分，以供燃料电池结构820消耗。进一步的，催化转换结构818有助于重整排气中的碳氢化合物，从而为燃料电池结构820形成更多燃料。另外，催化转换结构818可以氧化任何氢、一氧化碳、碳氢化合物以及其它未被燃料电池结构820消耗的可氧化的排气成分，也可对催化转换结构818进行配置以减少NOx排放。以这种方式，催化转换结构818和燃料电池结构820可相互配合由排气生成电位，并减少发动机24的排气系统的不良排放的浓度。

比起在排放系统中使用分离的氧化催化装置和燃料电池，使用带图8所述的内部结构的催化装置可提供多种优势。例如，在催化转换器沿排气系统与燃料电池分离的应用中，催化转换装置内催化反应产生的热量可能流失。相反，燃料电池结构820和催化转换结构818的构造允许催化转化结构818产生的热量用来加热燃料电池结构820。这是很有益的，因为传统催化转换器系统不同方式浪费的热能可用来将燃料电池结构820加热到普通工作温度，对于一些燃料电池类型例如SOFC，普通工作温度在800-1000摄氏度的等级。进一步的，相对于使用分离的催化转换器和燃料电池，使用催化装置有助于减少排放系统使用的元件数量。

发动机24可以这样的方式运行，即发动机产生交替的浓排气和稀排气周期。例如，这种空燃比的波动通常与例如三元催化剂一起用于普通催化剂工作。在具有内部结构810的催化装置上下文中，可用浓排气周期来供给燃料电池结构820燃料，以及可用稀排气周期用于增加催化转换结构818的氧含量以促进排气成分的催化氧化。在一些实施例中，使空燃比基本围绕化学计量点波动，而在其它实施例中，可以使空燃比围绕偏离化学计量点的一中间点进行波动，可以是化学计量点的浓侧或稀侧。围绕浓于化学计量点的中间点波动空燃比，对比围绕化学计量点的中间点波动空燃比或稀空燃比，可向燃料电池结构820提供更多的未被氧化的和部分被氧化的排气产物形式的燃料。

在一些实施例中，可利用整流器822使燃料电池结构820的输出变平滑。例如，因为空燃比的波动可能产生不平坦燃料电池输出，整流器822可用于使用波动或其他形式的可变空燃比来运行发动机24的实施例中。任何合适的整流电路可用作整流器822。合适的电路包括配置成输出用于所需应用的合适电压和/或电流的电路。例如，整流器822可包括一个或多个二极管或类似的电路元件，以有助于在排气成分发生变化时阻止电流反向。

任何适宜材料可用作支撑结构812。例如，在一些实施例中，支撑结构812至少部分由能够在阴极816和阳极814之间传导氧离子的固体电解质材料制成。在其它实施例中，支撑结构812由不具有离子传导能力但覆盖有离子导体从而在阴极816和阳极814之间存在离子传导路径的材料制成。甚至在其它实施例中，支撑结构812可由多于一种离子传导材料成形。用于支撑结构812的适宜离子传导材料的实例包括但不限于氧化锆基材料。支撑结构812可具有典型地使用在三元催化转换器结构中的蜂巢型结构，或者可具有任何其它合适的结构。

同样地，阳极814和阴极816可由任何合适的材料形成。用作阳极814和阴极816的合适的材料包括具有与支撑结构812相似的热膨胀特性的材料，因为催化装置的内部结构810可承受从极低温度(例如，当发动机24在寒冷天气中静止时)到通常用来操作固态氧燃料电池的极高温度的热循环。作为预测的实例，有可能使用设计上类似EGO、UEGO、NOx传感器的材料，其中，选定材料的热膨胀率以减小或消除从阳极层到阴极层物种(species)的传递。例如，这是因为这些类型传感器通常配置成能够在与固态氧燃料电池一样的环境条件下工作。

催化转化结构818也可由任何合适的材料形成。合适的材料包括但不限于传统的三向催化涂层。这些涂层包括但不限于钡、铈以及包括但不限于铂、钯和铑的铂族金属。

具有内部结构810的催化装置可包括阻止氧化剂和燃料到达不正确电极的结构。例如，支撑结构812可具有蜂巢型的内部构造，和具有至少部分由包围蜂巢材料的离子传导材料(或覆盖离子传导材料)形成的连续外表面，因而在蜂巢材料内包含排气。在这些实施例中，阳极814位于支撑结构812的内表面上，并且阴极816位于支撑结构812的连续外表面的外侧面上。发动机24的排气可直接进入支撑结构812的内部，并且支撑结构的连续外表面可阻止排气到达阴极816。

具有内部结构810的催化装置可配置成以任何合适方式向阴极816提供氧化剂。例如，催化装置可配置成向阴极816提供空气。图9显示向阴极816提供环境空气和阻止空气到达阳极814的结构的示意描述。催化装置900包括基本包围内表面810的外壳920。外壳920包括一个或多个开口902，开口902配置成允许空气到达位于支撑结构812的外表面的阴极816。进一步的，在内部结构810的上游端和外壳920之间提供密封904，因而阻止排气到达阴极816。在内部结构810的下游端和外壳920之间提供额外的密封906，从而提供进一步的保护阻止氧气到达阳极和排气到达阴极。

在一些实施例中，具有内部结构810的催化装置可配置成从不同于环境空气的源头接收助燃气。例如，在一些实施例中，可配置催化装置从配置成产生稀排气的一个或多个发动机汽缸接收供阴极816使用的氧化剂气体。在这些实施例中，发动机24的不同汽缸可配置成以不同空燃比同时运行。

图10在1000处总体显示了配置成从一个或多个发动机汽缸接收助燃气的催化装置的实施例的示意描述。催化装置1000配置成从第一排气管道1002接收排气以向第一电极提供第一输入，以及从第二排气管道1004接收排气以向第二电极提供第二输入。内部结构1006包括燃料电池结构和催化转换结构，如上面图8的实施例的上下文中所述。第一电极(图中未示)形成在内部结构1006的内表面1008上或与内表面1008邻接(或由内表面1008支撑)，第二电极(图中未示)形成在内部结构1006的外表面1010上或与外表面1010邻接(或由外表面1010支撑)。

在一些实施例中，第一排气管道1002的第一输入可以是浓燃汽缸的排气，并且第二排气管道1004的第二输入可以是稀燃汽缸的排气。在这些实施例中，第一电极可以是阳极，并且第二电极可以是阴极。

在其它实施例中，来自第一排气管道1002的第一输入可以是来自稀燃汽缸的排气，并且来自第二排气管道1004的第二输入可以是来自浓燃汽缸的排气。在这些实施例中，第一电极可以是阴极，而第二电极可以是阳极。在这两种情况下，可在内部结构1006的上游端和外壳1014之间提供密封1212以阻止来自第一排气管道1002的排气到达与结构1006的外表面1010邻接的第二电极，并且阻止第二排气管道1004的排气到达与内表面1008邻接的第一电极。

进一步的，外壳1014可配置成能包含排气，使得经过第二排气管道1004流入催化装置1000的排气和燃料电池结构没有消耗的排气经过第二排气管道1004流出外壳1014。在需要时额外的催化装置可位于第二排气管道1004和/或第一排气管道。应当意识到，催化转换结构(例如，三元催化剂涂层)可部分或完全位于内部结构1006的内表面1008的第一电极上，和/或内部结构1006的外表面1010的第二电极上。

应当意识到，可使用图4所示的控制方法400及上述相应描述操作具有催化装置1000的发动机。在一实施例中，第一管道1002或第二管道1004可连接到被用作空气泵向燃料电池供给空气的汽缸。

除了如上所述优点，图8-10描述的催化装置可节约成本并提供排气系统设计的灵活性。例如，在一实施例中，因为催化装置既用作燃料电池又用作催化剂，例如，可以代替如图6或图7所示的分离的燃料电池或分离的催化剂。

图11是使用燃料电池工作条件来控制排放的方法或例程的一实施例。该方法包括，在1104处确定进入燃料电池的排气所需的空燃比，其中，空燃比和氧化剂/还原剂的比率成比例。因此，至少在一些情况下，控制空燃比能够控制氧化剂/还原剂比率。在一些实施例中，例如，所需的空燃比可根据燃料电池的实际性能进行确定，例如生成的电流或电压，和/或来自燃料电池上游和下游的传感器的排气信息。此外，所需的空燃比可基于所需的发电水准，或基于发动机或车辆信息，例如发动机启动后的时间，或其它信息。

其次，方法1100包括，在1106处根据燃料电池工作条件和期望值调整发动机的空燃比。燃料电池的工作条件可以基于排气信息，排气信息可包括自排气空燃比传感器的反馈(例如燃料电池上下游的传感器)，以及燃料电池排气空燃比指示，如下面关于图12的详细描述。在一些实施例中，可通过改变进入发动机进气歧管的空燃比调整发动机空燃比和/或排气空燃比。在其它实施例中，可通过改变喷射入排气中的空气和/或燃料调整排气空燃比。在又一个实施例中，可以使用以上调整的组合。

例如，在一实施例中，一些汽缸浓燃运行而一些汽缸稀燃运行，其中，可通过改变单个汽缸的稀空燃比和/或浓空燃比调整汽缸的排气混合空燃比。在另一实施例中，操作选定的汽缸作为无燃料喷射的空气泵，并且通过改变这种汽缸的数量来调整混合空燃比。在又一实施例中，如果发动机是直喷发动机，在排气行程中喷射燃料以调整排气空燃比。可选的，与发动机供给系统分离的空气供给装置或燃料供给系统可用于将空气和燃料引入排气中。

下一个，方法1100包括，在1108处确定进入氧化催化剂的排气系统中所需的空气量，因为氧化催化剂需要氧气进行氧化反应。例如，比较从氧化催化剂前后传感器获取的排气信息以确定所需量。其次，方法1100包括，在1110根据氧化催化剂的工作条件将进入氧化催化剂的空气量调整到期望值。可通过混合来自燃料电池空气泵的空气和来自燃料电池的排气，来调整空气量。燃料电池空气泵可以是与发动机空气供给装置分离的泵。可选的，选定的稀燃运行汽缸可提供空气。在一些实施例中，发动机和燃料电池的排气流的结合可与进入氧化催化剂前的空气或与在氧化催化剂中的空气进行混合。

可选的，可使用TWC代替氧化催化剂。通过调整进入TWC的空气量也可控制TWC中的反应。

这种方法，例如在发动机的运行依赖燃料电池的工作条件的情况下，能够提供多种优势。在一个实施例中，根据指示在燃料电池前面、后面或燃料电池中的排气的排气空燃比的燃料电池的信息，调整发动机空燃比。具体地说，通过以这种方式调整发动机的空燃比，可减少燃料电池的排放和/或可能增大燃料电池的发电。换句话说，当发动机作为主功率源运行时，也可调整发动机使得燃料电池的排放完全受控。

参见图12，图12显示了基于空燃比传感器和/或指示空燃比的燃料电池信息而控制发动机运行的示范方法或例程的实施例。方法1200包括，在1202处根据工作条件确定发动机所需的空燃比。工作条件可以是发动机、变速器或催化剂的工作条件。其次，方法1200包括，在1204处根据所需空燃比和工作条件，比如歧管气流(MAF)，确定开环燃料喷射及空气量。

其次，方法1200包括，在1206处根据工作条件确定是否进行反馈调整。如果答案为否，例程基于1216处的开环调整燃料喷射和空气吸入。如果答案为是，方法1200包括，在1208处，如果系统具有空燃比传感器则读取一个或更多空燃比传感器的数值。空燃比传感器可以是HEGO传感器、UEGO传感器或其它适宜传感器。其次，方法1200包括，在1210处诊断燃料电池和/或空燃比传感器是否起作用，例如是否能够提供关于空燃比测量的信息。如果答案为否，例程在1216根据开环值调整燃料喷射和空气吸入。如果答案是，方法1200包括，在1212处根据空燃比传感器和/或燃料电池输出，例如电流、电压等，确定反馈调整。其次，方法1200包括，在1214处根据开环和反馈调整，调整进入发动机或排气系统的燃料喷射及空气吸入，以实现所需的空燃比。这样，通过开环和/或闭环燃料喷射可获取所需空燃比。

这样，方法1200将燃料电池用作传感器中的空燃比传感器。在将燃料电池构造成类似于能斯脱电池的实例中，可将空燃比定为关于电气输出例如电流、电压或阻抗的函数。例如，结合发动机组成特性和温度模型，能够运用能斯脱方程式确定燃料电池组成特性。可选的，通过供给电流给上游燃料电池和观察由于先前的引进产生的电流变化，可以推断燃料电池的燃料供给和排气组成特性。因而确定了空燃比。

需特别注意，当电流用于燃料电池时，阳极的NOx可接收电子并且还原为N2和O2。这样，通过供给每摩尔NOx大约5.8kJ或每摩尔NOx大约0.002hpxhr，有可能配置燃料电池还原NOx以形成N2和O2。每摩尔NOx 5.8kJ或每摩尔NOx 0.002hpxhr的常数或数量是在大气条件下分离NOx所需的吉布斯能(gibbs energy)的变化，其可能随着燃料电池的环境条件而变化。在一些实施例中，可使电流流经催化层和/或燃料电池。在其它实施例中，通过反转燃料电池电位应用电流。

除了将燃料电池用作发电和减量排放装置使用，将燃料电池用作传感器，具有多种优势。首先，有可能减少许多排气空燃比传感器从而减小系统成本。进一步地，燃料电池可用作额外的空燃比传感器以补充其它空燃比传感器信息。另外在一实施例中，当将电池电流应用于燃料电池时，通过将NOx还原为N2和O2减少NOx排放。因此，燃料电池可用作多个功能，例如发电、传感及和/或排放控制。

进一步地，在另一实施例中，可运用如燃料电池产生的电压或电流信息来调整除了燃烧或排气空燃比以外的发动机操作。例如，响应测量的燃料电池条件，来调整发动机以改变排气组成特性，从而调整燃料电池工作。

图13说明诊断空燃比传感器和/或燃料电池功能的方法或例程的实施例。例程1300包括，在1320处确定是否能够进行基于燃料电池的诊断。如果答案否，结束诊断例程。如果答案是，例程包括，在1340处根据燃料电池的电气输出确定空燃比传感器和/或燃料电池的状况。其次，例程1300包括，在1360处确定电气输出值是否在预定范围之外。预定范围可以是期望燃料电池和空燃比传感器在给定的电流工作条件内的范围。如果答案否，认为燃料电池和空燃比传感器在起作用，并且诊断例程终止。如果答案是，例程1300在1380处诊断出燃料电池及空燃比传感器性能下降。

因此，在一个实例中，例程使用燃料电池的状态诊断空燃比传感器的功能。在另一实例中，例程使用空燃比传感器的状态确定燃料电池的功能。这样，例程允许燃料电池除了发电还具有诊断功能。

正如本技术领域内的普通技术人员所认可的，下面流程图中所述的具体例程和框图可表示任意数量的处理策略中的一个或多个，例如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程，等等。同样地，图示的各个步骤或功能可根据所示的次序执行，或并行执行，或在一些忽略的情况下执行。同样地，处理次序并非实现本发明公开的特征和优势所必要的，只是易于进行图解和描述。尽管没有明确说明，本技术领域内的普通技术人员应该意识到，可以根据要使用的具体策略重复地执行一个或多个图示步骤或功能。进一步地，这些图形表示要编程到控制器48中的计算机可读存储媒体中的代码。

应当意识到，这里公开的步骤本质上是示范性的，并且这些具体实施例不应视为具有限制意义，因为可能存在许多变体。本发明的主题包括在本文中公开的各种凸轮轴和/或气门正时、燃料喷射正时和其它特征、功能和/或属性的全部新颖的和非显而易见的组合和子组合。

本申请的权利要求特别指出视为新颖和非显而易见的特定组合及子组合。这些权利要求可能引用“一个”元素或“第一”元素或其等价。这样的权利要求应被理解为包括对一个或一个以上这样的元素的结合，而不是要求或排除两个或两个以上这样的元素。所公开的特征、功能、元素和/或属性的其它组合及子组合可以通过本发明权利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提供新的权利要求来请求保护。这样的权利要求，无论是在范围上比原始权利要求更宽、更窄、等价或不同，都应被视为包括在本发明的主题之内。

Claims (19)

1.一种具有带排气系统的发动机的车辆系统，所述车辆系统包含：

连接到发动机排气系统内的燃料电池，其中，所述燃料电池具有输出电路；

与所述燃料电池连接的电池；以及

接收指示所述燃料电池输出电路的电气输出的信号以及响应所述信号调整供给发动机的燃料量或空气量从而影响发动机排气的空燃比的控制器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电气输出是电流、电压和阻抗之一。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器根据从电气输出和排气温度推断的排气率调整燃料量和空气量。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步调整应用于燃料电池的电流，并且所述信号指示燃料电池电流的变化。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料电池的电气输出用于诊断燃料电池的性能下降。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包含至少一个空气燃料传感器，其中，燃料电池的电气输出用于诊断空气燃料传感器的性能下降。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料电池是固态氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池之一。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统在燃料电池直接上游和直接下游不具有空燃比传感器。

9.一种运行车辆内燃发动机的方法，所述发动机也具有位于发动机下游并连接到发动机排气系统内的燃料电池，以及与燃料电池连接的电池，该方法包含：

调整发动机的运行参数以响应发动机排气系统内连接的燃料电池的电气输出。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述电气输出是电流、阻抗和电压之一，其中，所述电气输出向存储装置提供能量，并且所述存储装置向车辆电动机驱动轮选择性提供能量。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述发动机运行参数是燃料喷射量、空气吸入量、可变气门正时和排气再循环量之一。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，调整所述发动机内燃料喷射量以响应所述电气输出。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，基于所述电气输出执行发动机闭环燃料喷射。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，由所述电气输出推断排气空燃比。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，通过向燃料电池供给电流以生成提供关于排气空燃比信息的电气输出，推断排气空燃比。

16.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述燃料电池是固态氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池之一。

17.一种运行车辆内燃发动机的方法，所述发动机具有位于发动机下游的燃料电池以及与所述燃料电池连接的电池，该方法包含：

通过控制从电池供给燃料电池的电流，产生燃料电池的电气输出；以及

调整发动机运行参数以响应所述燃料电池的电气输出。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，从所述燃料电池的电气输出的变化推断进入燃料电池的混合物的空燃比。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包含向燃料电池供给电流以减小发动机排放的NOx。

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