CN101144408B - 具有燃料电池部分和催化转化部分的催化装置 - Google Patents

Abstract

一种设备，包含：内燃发动机；用于传导所述发动机排放气体的排气系统；以及与所述排气系统关联的催化装置，其中，催化装置包含催化转换部分和燃料电池部分。这种设备可以使催化转换部分中化学反应产生的热量用于加热催化装置的燃料电池部分，并且可提供其它益处。

Description

具有燃料电池部分和催化转化部分的催化装置

技术领域

本发明总体涉及内燃机的排放系统。

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。

利用损耗能量的一种方法是在内燃机排气系统中配置固态氧化物燃料电池(SOFC)。例如，美国专利申请No.2004/0177607描述了一种在排气系统中具有SOFC的内燃机。该专利申请也描述了在排气系统中位于SOFC上下游的氧化催化剂。上游氧化催化剂用于重整SOFC的燃料，而下游氧化催化剂用于处理未被SOFC消耗的任何未被氧化的或部分被氧化的排气成分。但是，这种系统仍然浪费了未被充分利用的能量。例如，在这种系统中，氧化催化剂中的氧化反应产生的热量可能流失。

发明内容

发明人于此认识到，通过包含内燃机、传导发动机排放气体的排气系统以及与排气系统关联的催化装置的设备可以更有效地利用损耗能量，其中，催化装置包含催化转换部分和燃料电池部分。

根据另一个方面，一种用于处理内燃发动机的排放的催化装置，所述催化装置包含具有外表面和内表面的支撑结构，其中，所述支撑结构包括固体电解质材料；位于支撑结构的至少部分内表面上的阳极材料层；位于支撑结构的至少部分外表面上的阴极材料层；位于阳极材料层的至少部分之上的三元催化层。

上述设备可以使催化转换部分中化学反应产生的热量用于加热催化装置的燃料电池部分，并且可提供其它益处。

根据再一个方面，一种设备包含内燃发动机；用于传导所述发动机排放气体的排气系统；以及与所述排气系统关联的催化装置，其中，所述催化装置包含催化转换部分和多个燃料电池部分。

相对于单燃料电池，这样的构造可充当燃料电池组来增大装置的输出电压。并且燃料电池部分可以任何方式电气连接以形成任何适宜数量的输出。

附图说明

图1是内燃机的示范实施例的示意图。

图2是包含燃料电池部分和催化转换部分的催化装置的示范实施例的示意图。

图3是包含燃料电池部分和催化转换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4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，了第二示范氧化剂入口。

图5是包含多个燃料电池部分的催化装置的示范实施例的示意视图。

图6是包含多个燃料电池部分的催化装置的另一示范实施例的示意视图。

图7是包含多个燃料电池部分的催化装置的另一示范实施例的示意视图。

具体实施方式

图1显示内燃机10的示范实施例的示意描述。发动机10典型地包含多个汽缸并受电子发动机控制器12控制，其中的一个汽缸如图1所示。发动机10包括燃烧室14和带有活塞18的汽缸壁16，活塞18设于其中并连接到曲轴20。燃烧室14分别经由进气门26和排气门28与进气歧管22和排气歧管24相通。排气氧含量传感器30连接到发动机10的排气歧管24。催化装置34连接排气歧管24并从中接收排气。催化装置34包含燃料电池部分和催化转换部分，如下详述。

发动机10描述为进气口喷射火花点火式汽油发动机。但是，应当意识到，在这里公开的系统和方法可用于其它适宜发动机，包括直喷发动机以及包括但不限于柴油机的压缩点火式发动机。

进气歧管22通过节气门片44与节气门体42相通。所示的进气歧管22也具有连接到其中的燃料喷射器46，其供给的燃料与来自控制器12的信号(fpw)的脉宽成比例。可选的，可使用将燃料直接喷射入燃烧室的直喷机制(图中未画)。燃料通过包括燃料箱、燃料泵及燃料分供管(图中未画)的传统燃料系统(图中未画)供给到燃料喷射器46。发动机10进一步包括传统无分电盘的点火系统48，经由火花塞50向燃烧室30提供点火火花以响应控制器12。这里所述的实施例中，控制器12为传统的微计算机包括：微处理器单元52，输入/输出端口54，电子存储芯片56(在此特定实例中为电子可编程存储器)，随机存储器58及传统的数据总线。

控制器12接收与发动机10连接的传感器传来的各种信号，包括：与节气门体42连接的质量式空气流量传感器60传来的感应质量气流(MAF)的大小；与冷却套64连接的温度传感器62传来的发动机冷却液温度(ECT)；与进气歧管22连接的歧管绝对压力传感器66传来的歧管压力(MAP)的大小；与节气门片44连接的节气门位置传感器68传来的节气门位置(TP)的测量；以及与指示发动机转速(N)的曲轴40连接的霍尔效应传感器70传来的表面点火感测信号(PIP)。

通过与排气歧管24、EGR阀总成74和EGR口76相通的传统EGR管72，排气传输到进气歧管22。可选的，管72可以是发动机内排气歧管24和进气歧管22之间相通的内部选路通道。真空调节器78连接到EGR阀总成74。真空调节器78从控制器12接收线路80上的触发信号以控制EGR阀总成74的阀门位置。

催化装置34包括具有燃料电池部分和催化转换部分的内部结构。图2显示催化装置34的内部结构110的示范实施例的示意图。内部结构110包括支撑结构112、由支撑结构112第一表面支撑的阳极114、由支撑结构112第二表面支撑的阴极116，以及由支撑结构112第一表面支撑的催化转换结构118。图2显示位于支撑结构112相对侧的阳极114和阴极116，以及位于阳极114的催化转换结构118。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，应能理解，催化转换结构118可设于阳极114的仅部分表面上，或者充分覆盖阳极114。同样地，阳极114和阴极116都可完全覆盖各自的支撑面，或者仅部分地覆盖支撑面。另外，当使用“内部结构”术语描述形成和/或支撑燃料电池的结构和催化转化结构的结构时，应当意识到，至少部分内部结构110可暴露于催化装置34外部的空气，如下面更详细的描述。

支撑结构112、阳极114和阴极116相互配合形成燃料电池结构120，以通过供给阳极114的未被氧化和/或部分被氧化排气成分结合供给阴极116的氧气(或其它含氧氧化剂)生成电位。被燃料电池结构120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118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118覆盖的阳极114部分，以供燃料电池结构120消耗。进一步的，催化转换结构118有助于重整排气中的碳氢化合物，从而为燃料电池结构120形成更多燃料。另外，催化转换结构118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120消耗的可氧化的排气成分，也可对催化转换结构118进行配置以减少NOx排放。以这种方式，催化转换结构118和燃料电池结构120可相互配合由排气生成电位，并减少发动机10的排气系统中的不良排放的浓度。

比起在排放系统中使用分离的氧化催化装置和燃料电池，使用催化装置34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，比较起来，燃料电池结构120和催化转换结构118的构造允许由催化转化结构118的催化反应所产生的热量用来加热燃料电池结构120。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120加热到800-1000摄氏度等级的通常工作温度。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34有助于减少排放系统使用的元件数量。

发动机10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，空燃比的这种波动通常与例如三元催化剂一起用于普通催化剂工作。在具有催化装置34的上下文中，浓排气周期用于向燃料电池结构120供给燃料，而稀排气周期用于增加催化转换结构118的氧含量以促进排气成分的催化氧化。在一些实施例中，可操作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，对比围绕稀于化学计量点的中间点波动空燃比，可向燃料电池结构118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122使燃料电池结构120的输出变平滑。例如，因为空燃比的波动可能产生不平坦的燃料电池输出，整流器122可用于使用波动或其他形式的可变空燃比来运行发动机10的实施例中。任何适宜的整流电路可用作整流器122。适宜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122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112。例如，在一些实施例中，支撑结构112至少部分由能够在阴极116和阳极114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112由不具有离子传导能力但覆盖有离子导体从而在阴极116和阳极114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112可由多于一种离子传导材料形成。用于支撑结构112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112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适宜结构。

同样地，阳极114和阴极116可由任何适宜材料形成。用作阳极114和阴极116的适宜材料包括具有与支撑结构112相似的热膨胀特性的材料，因为催化装置34的内部结构110可承受从极低温度(例如，当发动机10在寒冷天气中静止时)到通常用来操作固态氧化物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的物种(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化物燃料电池一样的环境条件下工作。

催化转化结构118也可由任何适宜材料形成。适宜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。

催化装置34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112可具有蜂巢型的内部构造，并具有至少部分由包围蜂巢材料的离子传导材料形成(或覆盖有离子传导材料)的连续外表面，因而在蜂巢材料内容纳排气。在这些实施例中，阳极114位于支撑结构112的内表面上，并且阴极116位于支撑结构112的连续外表面的外侧面上。发动机10的排气可直接进入支撑结构112的内部，并且支撑结构的连续外表面可阻止排气到达阴极116。

催化装置34可配置成以任何适宜方式向阴极116提供氧化剂。例如，催化装置34可配置成向阴极116提供空气。图3显示向阴极116提供环境空气和阻止空气到达阳极114的结构的示意描述。催化装置34包括基本包围内部结构110的外壳200。外壳200包括配置成允许空气到达位于支撑结构112的外表面的阴极116的一个或多个开口202。而且，在内部结构110的上游端和外壳200之间提供密封204，因而阻止排气到达阴极116。在内部结构110的下游端和外壳200之间提供额外的密封206，从而提供进一步的保护以阻止氧气到达阳极和排气到达阴极。

在一些实施例中，催化装置34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116使用的氧化剂气体。在这些实施例中，发动机10的不同汽缸可配置成以不同空燃比同时运行。

图4在300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300配置成从第一排气管道302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304接收排气以向第二电极提供第二输入。内部结构306包括燃料电池结构和催化转换结构，如上面图2的实施例的上下文中所述。第一电极(图中未画)形成在内部结构306的内表面308上或与内表面308邻接(或由其支撑)，第二电极(图中未画)形成在内部结构306的外表面310上或与外表面310邻接(或由外表面310支撑)。

在一些实施例中，第一排气管道302的第一输入可以是浓燃汽缸的排气，并且第二排气管道304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302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304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，并且第二电极可以是阳极。在这两种情况下，可在内部结构306的上游端和外壳314之间提供密封312以阻止第一排气管道302的排气到达与结构306的外表面310邻接的第二电极，并且阻止第二排气管道304的排气到达与内表面308邻接的第一电极。

进一步的，外壳314可配置成容纳排气，使得经过第二排气管道304流入催化装置300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304流出外壳314。在需要时额外的催化装置可位于第二排气管道304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306的内表面308的第一电极上，和/或内部结构306的外表面310的第二电极上。

图5在400处总体显示子具有燃料电池部分和催化转换部分的催化装置的另一实施例的示意描述。设置于如上述公开的外壳内的催化装置400包括第一燃料电池结构402和第二燃料电池结构402’。每种燃料电池结构包括支撑结构(404，404’)、第一电极(406，406’)、第二电极(408，408’)和催化转换结构(410，410’)。每个单个燃料电池结构402、402’的工作类似于上面所述的催化装置34，因此不再详述。燃料电池结构402、402’的输出可串连以增加总电压输出，如412处示意图示。这使得催化装置400可用于比催化装置34更高的电压应用中。一个或多个整流器414、414’用于平滑燃料电池结构的输出。整流器414、414’可包括一个或多个二极管或类似的电路元件，以在排气成分发生变化时有助于阻止电流反向。

虽然图5的实施例说明了两个燃料电池结构的串连组合，应当意识到，多于两个的燃料电池结构可串连组合以实现更高输出电压。图6在500处总体显示了具有多个串连的燃料电池结构的催化装置的内部结构的示范实施例的视图。内部结构500具有三元催化剂蜂巢体的构造。排气流入内部结构500的正面502，并流经蜂巢型内部结构(图中未画)形成的小通路，其中，蜂巢型内部结构设置了多个排气可流通的小通路。内部结构500也具有连续的外壁504。

如上面关于图2中实施例的描述，包括外壁504的内部结构500可包括由配置成传导例如氧离子的固体电解质形成的或覆盖有该固体电解质的支撑结构。内部结构500也包括在结构500的蜂巢通路的内表面上形成的第一电极材料(例如，阳极材料)，以及在壁504的外表面506上形成的第二电极材料(例如，阴极材料)，从而形成燃料电池结构。催化转换结构(例如，三元催化剂涂层(wash coat))可位于第一电极材料和/或第二电极材料上。

可使多个分隔物508形成通过内部结构500的电极层，从而使电极层之间相互电气绝缘，以形成多个燃料电池部分510。分隔物508沿排气流经内部结构500的方向延伸内部结构500的长度。结果，每个燃料电池部分510沿着内部结构500的总长延伸。可选的，一个或多个燃料电池部分510仅部分地沿着内部结构500的长度延伸。

每个燃料电池部分510可串连到邻接的燃料电池部分510，只保留一个阳极512和一个阴极514不连接以形成输出516。相对于单燃料电池，这样的构造可充当燃料电池组来增大装置的输出电压。应当意识到，燃料电池部分510可以任何方式电气连接以形成任何适宜数量的输出。进一步的，尽管所述的内部结构500包括六个单独的燃料电池部分510，应当意识到，催化装置的内部结构可具有数量更多或更少的单独燃料电池部分。

图7在600处总体显示具有三元催化部分和多个形成在支撑结构602上的燃料电池部分的催化装置的另一示范实施例的示意描述。催化装置600配置成利用波动的浓/稀排气空燃比，在空气流动方向上沿催化装置长度生成电位。在604处示出了每个燃料电池部分，而每个燃料电池部分包括第一电极结构606、第二电极结构608，以及位于第一电极结构606和第二电极结构608之间的固体电解质610。单个的燃料电池部分604可通过配置成阻止邻接燃料电池部分604之间电流的绝缘层612所分隔。和上面所述其它实施例相比，电极结构606和608都是位于支撑结构602的内表面上。因此，不必向支撑结构602的外表面上的电极供给氧化剂或燃料。进一步的，催化转换结构614可部分或完全位于电极结构606和608、电解质610和绝缘层612之上或与其邻接。

如上所述，发动机10可配置成产生交替周期的浓排气和稀排气。可利用空燃比的这种波动或变化，例如用于操作普通的三元催化剂。可配置这些变化的发生独立于发动机转速和转矩工作条件，替代地，这些变化的发生可配置成三元催化剂的化学存储势的函数，以控制对于适当的催化剂功能的催化剂中的氧气存储。由于排气系统中未被氧化/部分被氧化排气成分和氧气的浓度的变化，在特定时间，这些变化引起沿催化装置600的长度的两点之间的化学势。因为排气成分的变化通过催化装置600传播，燃料电池部分604可利用化学势生成穿过燃料电池部分604的电位。燃料电池部分604的输出可通过适宜的整流电路616整流，从而产生供发动机10的电气系统或其它电力装置使用的输出电压。

催化装置600具有沿长度方向配置的任意适宜数量的燃料电池部分604。燃料电池部分604的数量和/或位置可基于任何适宜因素，包括但不限于频率、间距和/或通过催化装置600传播的排气成分的变化速度。同样地，燃料电池部分604的数量和/或位置可依赖于燃料电池部分604的所需输出电压或电流。

应当意识到，这里公开的催化装置的实施例本质上是示范的，并且因为存在许多变体，这些实施例不应当被认为具有限制的意义。本发明公开的主题包括在本文中公开的各种催化转换部分和燃料电池部分的构造和其它特征、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是新颖的和非显而易见的某些组合和子组合。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 (30)

1.一种用在车辆系统中的设备，包括：

内燃发动机；以及

用于传导所述发动机排放的气体的排气系统，所述排气系统包括配置为产生电压和处理来自发动机的排放的催化装置，其中所述催化装置包含：

具有内表面和外表面的支撑结构，

包含设置在邻接于支撑结构外表面的阴极结构和设置在邻接于支撑结构内表面的阳极结构的燃料电池部分，及

设置在邻接于所述燃料电池部分且配置为通过催化放热反应提供热量到所述燃料电池部分的催化转化部分。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述催化转换部分包含在阳极结构的至少一部分上形成的三元催化结构。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包含容纳支撑结构的外壳。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述支撑结构包含通过密封封到外壳的上游端，所述密封封住外表面阻止排气流入排气系统内。

5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述外壳包含配置成向阴极提供氧化剂以供所述燃料电池部分消耗的氧化剂入口。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述氧化剂入口配置成向阴极提供空气。

7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述氧化剂入口配置成向阴极提供稀排气。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述燃料电池部分是第一燃料电池部分，并且其中，所述催化装置还包含第二燃料电池部分。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述第一燃料电池部分和第二燃料电池部分各自包括成形在支撑结构的部分外表面上的阴极和成形在支撑结构的部分内表面上的阳极。

10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述催化装置还包含第三燃料电池部分。

11.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述第一燃料电池部分串联方式电气连接到第二燃料电池部分。

12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述燃料电池部分配置为消耗排气中未被氧化和/或部分被氧化排气成分。

13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述催化装置具有包括所述燃料电池部分和所述催化转换部分的内部结构。

14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述催化转化部分还配置为重整排气中的碳氢化合物以使形成更多燃料为所述燃料电池部分。

15.一种用于处理内燃发动机的排放的催化装置，所述催化装置包含：

具有外表面和内表面的支撑结构，其中，所述支撑结构包括固体电解质材料；

位于支撑结构的至少部分内表面上的阳极材料层；

位于支撑结构的至少部分外表面上的阴极材料层；

位于阳极材料层的至少部分之上的三元催化层，所述三元催化层配置为通过催化放热反应提供热量到所述阳极材料。

16.根据权利要求15所述的催化装置，其特征在于，所述阳极材料基本位于所述支撑结构的整个内表面上。

17.根据权利要求15所述的催化装置，其特征在于，所述阴极材料基本位于所述支撑结构的整个外表面上。

18.根据权利要求15所述的催化装置，其特征在于，所述阴极材料层和阳极材料层每个被划分为多个区域以形成多个燃料电池部分。

19.根据权利要求18所述的催化装置，其特征在于，每个区域在排气流的方向上基本延伸支撑结构的长度。

20.根据权利要求18所述的催化装置，其特征在于，所述多个燃料电池部分串联方式电气连接。

21.根据权利要求18所述的催化装置，其特征在于，还包含具有配置成向阴极材料供给氧化剂的氧化剂入口的外壳。

22.一种用在车辆系统中的设备，包括：

内燃发动机；以及

用于传导所述发动机排放的气体的排气系统，所述排气系统包括配置为产生电压和处理来自发动机的排放的催化装置，其中所述催化装置包含多个燃料电池结构，所述燃料电池结构包含：

具有内表面和外表面的支撑结构；

邻接于支撑结构的部分外表面所形成的阴极和邻接于支撑结构部分内表面所形成的阳极；以及

设置为位于所述燃料电池结构的阳极和/或阴极上的催化转化部分。

23.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，每个阳极和每个阴极沿排气流的方向基本延伸支撑结构的长度。

24.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，所述催化转换部分包含在至少部分阳极结构上形成的三元催化结构。

25.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，还包含容纳支撑结构的外壳。

26.根据权利要求25所述的设备，其特征在于，所述支撑结构包含通过密封封到外壳的上游端。

27.根据权利要求25所述的设备，其特征在于，所述外壳包含配置成向阴极提供氧化剂以供所述多个燃料电池结构消耗的氧化剂入口。

28.根据权利要求27所述的设备，其特征在于，所述氧化剂入口配置成向阴极提供空气。

29.根据权利要求27所述的设备，其特征在于，所述氧化剂入口配置成向阴极提供稀排气。

30.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，所述多个燃料电池结构中的至少两个燃料电池以串联方式电气连接。

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