CN101394914A - 尾气净化系统和尾气的净化方法 - Google Patents
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Abstract
将从发动机(10)排放的包含氮氧化物的尾气供给燃料电池(20)的阴极，并且将通过氢气产生器(30)产生的富氢气体供给燃料电池(20)的阳极。在燃料电池(20)中，该氮氧化物分解并且通过氢气和该氮氧化物之间的电化学反应产生电。氢分离膜燃料电池用作燃料电池(20)，该氢分离膜燃料电池在与从发动机(10)排放的尾气基本相同的温度下工作。
Description
技术领域
[0001]本发明涉及从内燃机排放的含氮氧化物的尾气的净化系统和方法。
背景技术
[0002]内燃机用作运动运输工具例如车辆的驱动力源。通常，此类内燃机燃烧燃料并排放废气。这些废气含有氮氧化物(NOx)。因为氮氧化物污染大气，所以通常通过使用吸附剂的吸附除去它们或使用催化剂例如NOx储存还原催化剂或使用等离子体辐射使它们分解。
[0003]电化学法因此已被建议用来使氮氧化物分解。例如，日本专利申请公开号2001-70748(以下简称＂JP-A-2001-70748＂)描述了使用熔融碳酸盐燃料电池使氮氧化物以电化学方式分解的方法，该氮氧化物包含在从燃烧装置排放的废气中。
[0004]JP-A-2001-70748中描述的方法可以应用于运动运输工具，例如车辆，它们使用内燃机作为驱动力源。然而，熔融碳酸盐燃料电池的操作温度极高，通常在600-700℃的范围内。因此，如果将JP-A-2001-70748中描述的方法应用于使用内燃机作为驱动力源的车辆，则必须将内燃机的废气预加热至接近熔融碳酸盐燃料电池的操作温度，因此还要求预加热装置将内燃机的废气预加热。这导致具有内燃机的系统的能量效率降低，和系统尺寸的增大。
发明内容
[0005]本发明提供将从内燃机排放的包含氮氧化物的废气净化的系统和方法，而不会降低该系统的能量效率或增大系统的尺寸。
[0006]本发明第一个方面涉及将从内燃机排放的包含氮氧化物的废气净化的尾气净化系统。根据该第一个方面的尾气净化系统具有在规定温度范围内操作的燃料电池，该规定温度范围包括废气的温度。该燃料电池通过规定的燃料气和包含在废气中的氮氧化物之间的电化学反应产生电。
[0007]在本发明的第一个方面中，燃料电池使用包含在废气中的氮氧化物作为氧化剂气体，使用氢气作为燃料气通过氢气和氮氧化物之间的电化学反应产生电。在这样进行中，燃料电池的阳极反应可以表示为H2→2H++2e-，阴极反应可以表示为(2/X)NOx+2H++2e-→(1/X)N2+H2O.氮氧化物通过表示为2NOx+XH2→N2+XH2O的反应分解。根据第一个方面，因为该燃料电池在包括废气的温度的规定温度范围中操作，所以有可能将该废气供给燃料电池的阴极而不必将该废气预加热。因此，不必要提供具有将废气预加热的预加热装置的尾气净化系统，从而提高该系统的能量效率并且能够实现该系统的紧凑化。即，本发明的第一个方面能够提供从内燃机排放的包含氮氧化物的废气的净化，而不会降低系统的能量效率或增大该系统的尺寸。
[0008]在本发明的第一个方面中，电化学反应还使氮氧化物分解。
[0009]在本发明的第一个方面中，该燃料电池包括电解质膜，在该电解质膜中层叠了选择性允许氢气渗透的氢气可渗透金属层和具有质子传导性的电解质层。即，氢分离膜燃料电池用作燃料电池。因为氢分离膜燃料电池的操作温度大约为400℃，该操作温度与常规内燃机的废气的温度大致相同，所以该氢分离膜燃料电池可以适合地应用于本发明。此外，因为氢分离膜燃料电池的电解质膜具有较高强度的氢气可渗透金属层，所以有可能使得具有质子传导性的电解质层变薄，同时维持电解质膜的强度。因此，有可能使该电解质层的膜电阻变得较低。结果，通过将氢分离膜燃料电池应用于本发明，有可能产生电同时使氮氧化物有效地分解。
[0010]贵金属例如钯(Pd)或钯合金，或第5族元素，例如钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)等可以用作氢气可渗透金属层。各种电解质，例如，固体氧化物，例如BaCeO3或S rCeO3基陶瓷等可以用作电解质层。
[0011]在本发明的第一个方面中，燃料电池的阴极具有促进电化学反应的铂基催化剂。在此，术语＂铂基催化剂＂包括例如，铂和铂与钌的合金。通过使用铂基催化剂作为燃料电池的阴极，该燃料电池与使用含其它催化剂的阴极的燃料电池相比能够更有效地使氮氧化物分解。
[0012]本发明的第一个方面还包括储存由燃料电池产生的电能的二次电池。这样能够根据需要使用由燃料电池产生的电能同时将电能临时储存在该二次电池中。
[0013]本发明的第二个方面涉及净化具有上述元素作为废气净化系统的废气的方法。本发明可以配置为运动运输工具，其中安装了上述尾气净化系统。此外，上述各种附加元素可以应用于本发明的每一个方面。
附图说明
[0014]本发明的上述和其它目的、特征和优点将通过以下参照附图对实施例实施方案的描述变得明朗，在附图中，同样的编号用来表示同样的元素并且其中：
图1是显示根据本发明一个实施例实施方案的尾气净化系统100的示意图的图示；和
图2是显示燃料电池20的示意图的图示。
具体实施方式
[0015]在以下描述和附图中，将按照尾气净化系统、燃料电池和变体的次序根据实施例实施方案更详细地描述本发明。
[0016]图1是显示根据本发明一个实施例实施方案的尾气净化系统100的示意图的图示。该尾气净化系统100安装在使用内燃机作为驱动力源的车辆中。
[0017]如图1所示，尾气净化系统100具有发动机10、燃料电池20、氢气产生器30和电池40。
[0018]发动机10燃烧从汽油箱(未显示)提供的气油，并排放废气。废气的温度大约为400℃。该废气包含氮氧化物(NOx)。如下所述，这些氮氧化物通过燃料电池20以电化学方式分解。
[0019]作为氢气供应源的氢气产生器30使用汽油、水和空气(氧气)进行重整反应和转移反应等，并产生富氢气体。汽油(其是烃的混合物)的重整反应由方程式(1)和(2)表示。在这些重整反应中，氢气和一氧化碳通过汽油和水蒸气之间的反应，和汽油和氧气之间的反应产生。此外，该转移反应在使用水蒸气的同时将通过该重整反应产生的一氧化碳氧化，并产生氢气。该转移反应由方程式(3)表示。在该转移反应中，产生氢气和二氧化碳。由该氢气产生器30产生的富氢气体的温度大约为400℃。
CnHm+nH2O→nCO+(n+m/2)H2(1)
CnHm+n/2O2→nCO+m/2H2(2)
CO+H2O→H2+CO2(3)
[0020]如下所述，在这个实施方案中的燃料电池20具有电解质膜，其中层叠了选择性允许氢气渗透的氢气可渗透金属层和具有质子传导性的电解质层。即，燃料电池20是氢分离膜燃料电池。燃料电池20通过供给阳极的燃料气和供给阴极的氧化剂气体之间的电化学反应产生电。氢分离膜燃料电池的操作温度大约为400℃。在下面详细地描述燃料电池20的构型。
[0021]将从发动机10排放的包含氮氧化物的废气经由管子52供给燃料电池20的阴极。包含在废气中的氮氧化物用作氧化剂气体。从燃料电池20的阴极排出的阴极尾气经由管子54排到外部。
[0022]将由氢气产生器30产生的富氢气体经由管子56供给燃料电池20的阳极。包含在该富氢气体中的氢气用作燃料气。从燃料电池20的阳极排出的阳极尾气经由管子58排到外部。包含在阳极尾气中的没有在发电中消耗的氢气可以再循环到管子56中。
[0023]在燃料电池20的阳极和阴极，由方程式(4)和(5)表示的反应产生电。当这种发电发生时，由方程式(6)表示的反应以电化学方式使氮氧化物(NOx)分解成氮气和水。这样能够产生电同时通过燃料电池20净化包含氮氧化物的废气。
阳极：H2→2H++2e-(4)
阴极：(2/X)NOx+2H++2e-→(1/X)N2+H2O(5)
2NOx+XH2→N2+XH2O(6)
[0024]电池40临时储存由燃料电池20产生的电能。通过这样，有可能根据需要使用电池40中储存的电能。
[0025]图2是显示燃料电池20的示意图的图示。在此，示意性地示出了组成燃料电池20的单元电池200的横截面结构。通过将膜电极组件210(以下简称＂MEA＂)插在隔板220之间形成单元电池200。
[0026]如图2所示，隔板220具有凹凸形状以形成流路，该流路分别使作为燃料气的氢气流入MEA210的阳极一侧和作为氧化剂气体的来自发动机10的废气流入MEA210的阴极一侧。具有导电性的各种材料例如碳或金属等可以用作隔板220的材料。
[0027]按以下方式配置MEA210，即按顺序层叠选择性允许氢气渗透的氢气可渗透金属层212，具有质子传导性的电解质层214和阴极216。氢气可渗透金属层212还充当阳极。这些层中的每一个可以通过各种方法例如，物理蒸气沉积形成。
[0028]在这个实施方案中，钯薄膜用作氢气可渗透金属层212。钙钛矿固体电解质用作电解质层214。具有促进电化学反应的催化能力的铂用作阴极216。这些材料和薄膜厚度可以任意地选择和设置。
[0029]如上所述，在这个实施方案中的燃料电池20是氢分离膜燃料电池，其中MEA210具有氢气可渗透金属层212，后者具有较高强度。因此，有可能使得具有质子传导性的电解质层214较薄，同时维持MEA210的强度。因此，有可能使该电解质层214的膜电阻变得较低。因此，通过使用氢分离膜燃料电池，有可能产生电同时有效地使氮氧化物分解。
[0030]根据上述尾气净化系统100，燃料电池20使用包含在发动机10的废气中的氮氧化物作为氧化剂气体并使用氢气作为燃料气以通过该氢气和氮氧化物之间的电化学反应产生电。在此，氮氧化物通过方程式(6)表示的电化学反应分解。因为作为燃料电池20的氢分离膜燃料电池在与发动机10的废气基本相同的温度下操作，所以可以在不将该废气预加热的情况下供给燃料电池20的阴极。因此，不必要提供具有将发动机10的废气预加热的预加热装置的尾气净化系统100，从而能够获得具有提高的能量效率和紧凑性的系统。即，根据这一实施方案的尾气净化系统100，可以在不降低系统的能量效率或不增大系统尺寸的情况下净化含氮氧化物的废气。
[0031]虽然已经参照本发明的实施方案描述了本发明，但是本发明不限于所述的实施方案。可以在本发明的范围和精神内将各种实施例实施方案应用于本发明。例如，变体描述如下。
[0032]虽然在上述实施方案中将由氢气产生器30产生的富氢气体供给燃料电池20的阳极，但是本发明不限于此。例如，可以提供作为氢气供应源的氢气箱代替氢气产生器30。
[0033]虽然在上述实施方案中将电池40提供在尾气净化系统100中，但是可以不将电池40提供在尾气净化系统100中。在此，可以连续地使用由燃料电池20产生的电能。
[0034]虽然在上述实施方案中使用铂作为阴极216，但是本发明不限于此。然而，通过使用铂基催化剂作为阴极216，有可能产生电并与其它催化剂相比更有效地使氮氧化物分解。
[0035]虽然使用在大约400℃下操作的燃料电池20，即氢分离膜燃料电池，原因在于发动机10的废气的温度大约为400℃，但是本发明不限于此。可以使用在规定温度范围内操作的燃料电池，该规定温度范围包括内燃机废气的常规温度.
[0036]虽然已经参照本发明的实施例实施方案描述了本发明，但是应该理解的是本发明不限于所述实施方案或构造。与此相反，本发明旨在涵盖各种修改和等效配置。此外，虽然以各种组合和构型示出了实施例实施方案的各种元素，但是其它组合和构型(包括更多、更少或仅单个元素)也在本发明的精神和范围内。
Claims (7)
1.用于将从内燃机排放的包含氮氧化物的尾气净化的尾气净化系统，其特征在于包括：
燃料电池，其在包括该尾气的温度的规定温度范围内工作并且通过包含在规定燃料气中的氢气和包含在该尾气中的氮氧化物之间的电化学反应产生电。
2.根据权利要求1的尾气净化系统，其中该电化学反应还使该氮氧化物分解。
3.根据权利要求1或2的尾气净化系统，其中该燃料电池包括电解质膜，在该电解质膜中层叠了选择性允许氢气渗透的氢气可渗透金属层和具有质子传导性的电解质层。
4.根据权利要求1～3中任一项的尾气净化系统，其中该燃料电池的阴极具有促进该电化学反应的铂基催化剂。
5.根据权利要求1～4中任一项的尾气净化系统，还包括储存该燃料电池产生的电的二次电池。
6.从内燃机排放的包含氮氧化物的尾气的净化方法，其特征在于包括：
提供燃料电池，该燃料电池在包括该尾气的温度的规定温度范围内工作并且通过包含在规定燃料气中的氢气和包含在该尾气中的氮氧化物之间的电化学反应产生电；
将该规定的燃料气供给该燃料电池的阳极并将尾气供给该燃料电池的阴极；和
通过电化学反应使该氮氧化物分解以及产生电。
7.尾气净化系统，具有：
燃烧汽油并放出包含氮氧化物的尾气的内燃机；
供给富氢气体的氢气供给源；和
燃料电池，将所述尾气和富氢气体供给所述燃料电池，其中，所述燃料电池在包括该尾气的温度的规定温度范围内工作并且通过包含在富氢气体中的氢气和包含在该尾气中的氮氧化物之间的电化学反应产生电。
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