CN112601599A - 排气能量回收转化器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于排气或废热的能量回收转化器。该转化器包括膜电极组件(MEA)、具有第一分子氧含量的排气和外部电负载。该MEA包括第一电极、第二电极和夹在第一电极和第二电极之间的氧离子传导膜。该第一电极和第二电极中的每一个包括被配置为促进电化学反应的至少一种氧化催化剂。该MEA的第二电极暴露于排气，并且该MEA的第一电极暴露于具有第二分子氧含量的气体。该第二分子氧含量高于该第一分子氧含量。该外部电负载连接在该MEA的第一电极和第二电极之间。

Description

排气能量回收转化器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年8月22日提交的申请号为62/720,996的美国临时专利的优先权，其全部公开内容通过引用并入本申请。
背景技术
本发明涉及一种用于排气或废热的能量回收转化器。
众所周知，机械发动机，特别是内燃机的燃料燃烧效率和能量转换效率是长期存在的挑战。活塞式内燃机以奥托循环运行，其中低温环境空气被活塞压缩，然后通过发动机气缸内的燃料燃烧被加热到很高的温度。随着循环的继续，被加热的空气相对活塞的膨胀产生的功比在低温下空气的初始压缩过程中消耗的功更多。其他发动机，例如燃气轮机和超燃冲压发动机，也属于内燃机类别，尽管它们以不同的热力循环运行。例如，此类其他发动机可以以热力循环运行，其中使用活塞或涡轮在低温下压缩工作流体来执行轴工作，然后增加工作流体的温度以使工作流体抵抗诸如活塞或涡轮的负载膨胀，从而产生轴功。所有采用工作流体的发动机运转的关键在于，与在高温下膨胀产生的功相比，在低温下压缩工作流体所需的功更少。对于所有采用工作流体的热力发动机来说都是如此。
参照图1，示出了活塞式内燃机的排气温度随发动机转速(每分钟转数(rpm))变化曲线示意图。通常认为，排气温度随发动机功率输出而升高，并且与发动机效率低下和发动机散发废热的需求直接相关。与发动机效率低下相关的问题基本上有两个方面：1)来自燃料转化为有用功的可用能量百分比有限；2)来自发动机的燃烧产物包括有毒气体(例如NOx、一氧化碳和部分燃烧的碳氢化合物)。
催化转化器已被开发出来，用于适当地氧化和还原排气流中的有毒气体。但是，催化转化器会催化NOX的还原并完全燃烧剩余的未完全燃烧的一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)等燃料产品，因此也会产生废热。汽车工业长期以来一直致力于排气废热的利用。但是，先前的努力取得的成功有限，这主要是因为现有技术的成本和/或低效率。
一种受到广泛关注的方法是使用基于塞贝克效应的半导体热电转化器。但是，现有的半导体热电转化器在发动机排气温度下充其量只能提供大约6％的转换效率。为了运行，热电转化器必须在一侧加热，在另一侧冷却。更具体地说，一侧被发动机废热加热，并且需要冷却剂流动回路或其他主动冷却方式来冷却另一侧。与实现现有半导体热电转化器所需的冷却剂回路(可能包括热交换器、陶瓷板、泵和风扇)相关的复杂性，使得这种方法成本很高，以致无法合理使用它们，特别是考虑到效率相对较低以及产生相关的少量电力。平衡工厂组件的系统成本尚未产生具有成本效益的解决方案，工厂组件是相对于热的发动机排气保持低温所需的工厂组件。
具有15％最终效率目标的先进的基于量子热电的设备也被开发了。然而，由于分子扩散和迁移问题，尚不确定量子阱器件所需的纳米结构在200℃以上的温度下运行期间能否维持。量子阱器件的温度限制为200℃，这意味着即使其性能在卡诺循环的50％范围内，它们也无法超过15％的转换效率。从制造的角度看，量子阱热电器件的构造是否可扩展还不清楚。
在2003年4月28日提交的专利号为7,160,639的美国专利中公开了另一种类型的热电化学转化器，该专利的公开内容通过引用并入本文。该热电化学转化器利用电化学过程，将可电离的气体(氢气或氧气)用作工作流体以产生电能。两个电化学膜电极组件(MEA)电池堆(与燃料电池中使用的电池组类似)执行所需的热机压缩和膨胀过程，其中一个MEA堆在相对较低的温度下运行，另一个MEA堆在相对较高的温度下运行。工作流体在两个MEA堆之间以连续回路循环。向低温MEA堆施加电功率以压缩工作流体，因为高温MEA堆通过工作流体的膨胀产生动力。像在任何发动机中一样，在高温膨胀期间产生的功率大于在低温压缩期间消耗的功率。
根据能斯特方程，该转化器的性能表现为低温MEA堆的工作电压低于高温MEA电池堆的工作电压。即，低温MEA电池堆在相对较低的电压下压缩氢气，而高温MEA堆在相对较高的电压下膨胀氢气。两个MEA堆之间的电压差施加在外部负载上。工作流体(例如氢气)在发动机内部连续循环，并且从不被消耗。流过两个MEA堆和外部负载的电流相同。类似于基于塞贝克效应的热电转化器，这种类型的转化器需要相对于发动机废热的温度差才能运行。由于其更高的效率和更高的功率输出，这种类型的转化器比基于塞贝克效应的转化器更具成本效益，但是由于需要冷却以保持温度差，因此实现起来仍然相对复杂。
本发明的催化转化器提供了一种改进的装置和方法，用于氧化和/或还原机械发动机的排气或废热中的有毒气体。
发明内容
在一个实施例中，本发明涉及一种用于排气或废热的能量回收转化器。该转化器包括膜电极组件(MEA)、具有第一分子氧含量的排气和外部电负载。所述MEA包括第一电极、第二电极和夹在第一和第二电极之间的氧离子导电膜。所述第一电极和第二电极中的每一个包括被配置为促进电化学反应的至少一种氧化催化剂。所述MEA的所述第二电极暴露于排气，并且所述MEA的所述第一电极暴露于具有第二分子氧含量的气体。所述第二分子氧含量高于所述第一分子氧含量。所述外部电负载连接在所述MEA的所述第一电极和第二电极之间。
在另一个实施例中，本发明涉及一种使用转化器净化来自机械发动机的排气的方法。该转化器包括催化还原室、膜电极组件(MEA)、排气和外部电负载。所述MEA包括第一电极、第二电极和夹在第一电极和第二电极之间的氧离子传导膜。所述第一电极和第二电极中的每一个包括被配置为促进电化学反应的至少一种氧化催化剂。所述排气包含碳氢化合物、氮氧化物和水，并具有第一分子氧含量。所述MEA的第二电极暴露于排气，并且所述MEA的第一电极暴露于具有第二分子氧含量的气体，使得该气体中包含的氧气进入所述第一电极。所述第二分子氧含量高于所述第一分子氧含量。所述外部电负载连接在所述MEA的所述第一电极和第二电极之间。该方法包括将所述排气输送到所述催化还原室，以使所述排气中的碳氢化合物、氮氧化物和水转化为反应气体，所述反应气体为氢气元素、一氧化碳、二氧化碳和氮气元素；将包含所述反应气体、水和任何未燃碳氢化合物的流从所述催化还原室输送到所述第二电极；氧化来自具有所述第二分子氧含量的气体中的氧气以产生氧离子，从而所述氧离子通过氧离子传导膜传导并且电子同时被释放到外部电路；将所述电子从外部电路传输到所述第一电极以与所述氧离子结合，并在其各自的反应电势下与所述一氧化碳和未燃碳氢化合物进行氧化反应。
附图说明
以下对本发明的优选实施方式的详细描述，当结合附图阅读时将更好地理解。为了说明本发明的目的，在附图中示出了目前优选的实施例。然而，应当理解，本发明不限于示出精确布置和手段。在附图中：
图1示出了活塞式内燃机的排气温度与发动机转速的关系曲线示意图；
图2提供了根据本发明优选实施例的三元催化转化器(three-way catalyticconverter)的示意图；
图3提供了根据本发明的优选实施例的包括活塞式内燃机的催化转化器系统的示意图；
图4提供了根据本发明的另一优选实施例的包括活塞式内燃机的催化转化器系统的示意图；
图4A提供了图4中所示的催化转化器系统的MEA堆组件的一个部分的放大图；
图5提供了根据本发明的优选实施方式的包括涡轮发动机的催化转化器系统的示意图；
图5A提供了图5所示的催化转化器系统的MEA堆的放大示意图；和
图6提供了根据本发明的优选实施例的包括超燃冲压发动机的催化转化器系统的示意图。
具体实施方式
参照图2，示出了根据本发明的用于排气或废热的能量回收转化器20，即催化转化器20，并且更具体地是三元型催化转化器20。催化转化器20将排气(例如来自内燃机的排气)中的有毒气体和污染物还原成毒性较小或有害性较低的排气。催化转化器20包括第一室12和第二室22。第一室12包括一种或多种还原催化剂(因此是催化还原室)，第二室22包括一种或多种氧化催化剂(因此是催化氧化室)。还原催化剂的例子包括但不限于铑、铂、过渡金属大环化合物和硫族化合物。在一个优选的实施例中，第一室12的还原催化剂是铑金属，并且更具体地是细碎的铑金属。
首先将发动机排气或废热流11(在本文中通常称为排气)提供给催化转化器20的第一室12。在第一室12中，第一室12中的还原催化剂通过以下反应还原排气中未燃碳氢化合物和水以产生氢气元素(elementalhydrogen)H2：
碳氢化合物+H2O→H2+CO
然后，该反应中产生的氢气元素与排气中的氮氧化物反应，从而通过以下反应将其还原为氮气元素：
2NO+2H2→N2+2H2O
由碳氢化合物和水的还原产生的一氧化碳还可用于通过以下反应将排气中的氮氧化物还原为氮气元素和二氧化碳：
2NO+2CO→N2+2CO2
2CO+NO2→N2+2CO2
然后，反应气体、水和部分燃烧的碳氢化合物的流15离开第一室12并流向第二室22。第二室22配备有，包括氧气传导膜电极组件(MEA)堆9或由其形成。MEA堆9包括将离子传导膜18夹在中间的第一和第二电极14、16。第一电极14是负极，第二电极16是正极。第一电极14和第二电极16中的每一个均包含催化剂，并且更优选地包含氧化催化剂。可以使用的氧化催化剂的例子包括但不限于铂、钯、金属氧化物、过渡金属大环化合物和硫族化合物等。优选地，包含在第一电极14和第二电极16中的每一个中的氧化催化剂是铂/钯催化剂。
来自周围环境的环境空气通过MEA堆9被引入第二室22。更特别地，在环境空气与排气之间的氧分压差下，环境空气中包含的氧气进入正极16，在正极16中其被包含在其中的催化剂氧化。当释放的电子同时释放到外部电路(例如外部负载19或能量存储设备17)时，生成的氧离子通过离子传导膜18传导。该电路在负极14处完成，其中来自外部电路的电子与通过离子传导膜18传导的氧离子结合，与一氧化碳和任何未反应的碳氢化合物在它们各自的反应电势下进行氧化反应。
特别地，部分燃烧的(即任何剩余未燃烧的)碳氢化合物与通过MEA堆9传导的氧气通过以下反应转化为二氧化碳和水，以及在第一室12内产生的一氧化碳引入到第二室22中与通过MEA堆9传导的氧气通过以下反应而生成二氧化碳：
2CO+O2→2CO2
碳氢化合物+O2→H2O+CO2
除了第二室22中的氧化反应之外，转化器20还在环境空气与排气之间的氧分压差下产生功率。由于额外的氧气经由MEA堆9被引入转化器20，在能斯特电位下产生的功率导致排气中氧气含量的增加。更特别地，除了未反应的燃烧产物的电化学反应电势外，排气的高温及其低氧分压(相对于环境空气中氧气的氧分压)根据能斯特方程产生电压：
Figure BDA0002945976340000061
其中，R是气体常数(8.31J/mol-K)，T是电池的工作温度，F是法拉第常数(96,487C/mol)。热排气是用于环境空气中氧气的膨胀热源，该氧气在分压差下通过MEA堆9传导到第二室22中。
例如，氧气占环境空气的20％，空气中氧气的分压为2.94psi。另一方面，排气流(例如来自内燃机的排气流)通常包含大约0.5％的氧气，氧气的分压为0.0735psi。因此，环境空气与典型发动机排气流之间的氧分压产生的比率为40。如图1所示，以2,000rpm运行的典型发动机的排气流温度为500℃。因此，通过能斯特方程计算出的MEA堆9产生的开路电压为123mV。所产生的电能可以直接提供给外部负载19，或者可以存储在能量存储装置17内直到被需要。
参照图3，示出了根据本发明的用于排气或废热的能量回收转化器30的另一实施方式，即催化转化器系统30。转化器系统30包括活塞式内燃机42、第一室25和MEA堆24。内燃机可以是任何常规发动机，并且包括排气歧管44，由发动机42产生的排气28通过排气歧管44行进。内燃机42产生的排气28包括部分燃烧的燃料(即碳氢化合物)、一氧化碳、氮氧化物(NOx)、二氧化碳和残余氧气。转化器系统30用作三元型催化转化器，能够从排气流28中回收废能。
第一室25优选地包含还原催化剂，并且更优选地包含细碎的铑金属。如此，第一室25是催化还原室25，并且其主要作用是将排气中的碳氢化合物和水还原为氢气元素和一氧化碳，并将氮氧化物还原为氮气、二氧化碳和水。
因此，离开催化还原室25的排气流36包含水、一氧化碳、任何剩余的燃料以及部分燃烧的碳氢化合物、氮气和二氧化碳。理想情况下，仅保留微量的氧气，因为任何可用的氧气都会与一氧化碳或碳氢化合物反应。离开催化还原室25的排气流36然后穿过MEA堆24。
MEA堆24基本上用作氧化排气流36的氧化反应室。MEA堆24包括夹在第一电极30和第二电极32之间的氧离子传导膜31。第一电极30和第二电极32中的每一个均包含催化剂，优选为氧化催化剂，并且更具体地为铂/钯催化剂。膜31基本上用作环境空气和排气流36之间的氧离子传导阻挡层，其中第一电极30位于排气流36的流体中并与之接触，第二电极32暴露于环境空气中。在环境空气与排气流36之间的氧分压差下，氧气进入第二电极32，并在第二电极32中被氧化催化剂氧化。当释放的电子从外部传导到外部负载19并通过外部负载19时，所产生的氧离子通过膜31传导。该电路在第一电极30处完成，其中，来自外部电路的电子与通过膜31传导的氧离子结合，以便在其各自的反应电位下与一氧化碳和未反应的碳氢化合物进行氧化反应(通过其中包含的氧化催化剂)，从而形成如上述关于图2的实施例所讨论的包含水和增加的二氧化碳含量的混合物38。
因此，催化还原室25和MEA堆24通过促进发动机排气流中的反应产物的氧化和还原来满足催化转化器的要求。由于在环境空气/排气氧压差下通过MEA堆24传导的过量氧，氧含量也增加。由通过MEA堆24的氧气的传导产生的电能可以直接提供给外部负载，或者可以存储在能量存储装置17中直到被需要。
参照图4，示出了根据本发明的用于排气或废热的能量回收转化器的另一实施例。除了活塞式内燃机72和第一室75之外，转化器70还包括一个组件，该组件包括MEA堆的串联电连接和并联电连接，以便以MEA堆组件73的形式在有用电压水平和电流水平下产生功率。类似于图3的实施例，内燃发动机包括排气歧管74，由发动机72产生的排气78通过排气歧管74行进。内燃机72产生的排气78包括部分燃烧的燃料(即碳氢化合物)、一氧化碳、氮氧化物(NOx)、二氧化碳和残余氧气。第一室75包含还原催化剂，优选为细碎的铑，并且主要用于将排气78中的碳氢化合物和水还原为氢气元素和一氧化碳，并将氮氧化物还原为氮气、二氧化碳和水。
因此，离开催化还原室75的排气流76包含水、一氧化碳、任何剩余的燃料以及部分燃烧的碳氢化合物、氮气和二氧化碳。理想情况下，仅保留微量的氧气，因为任何可用的氧气都会与一氧化碳或碳氢化合物反应。离开催化还原室75的排气流76然后通过MEA堆组件73。
在该实施例中，MEA堆组件73构造成多个部分，优选地为三个部分57a、57b和57c。部分57a、57b和57c优选地通过连接器59串联电连接以产生更高的净输出电压。图4A中示出了部分57a的放大图，其中部分57b和57c与部分57a相同。参照图4A，MEA堆组件73的每个部分57a、57b、57c包括彼此并联电连接至负极端子53的多个第一电极58，以及彼此并联电连接到正极端子51的多个第二电极54。膜52位于每对第一电极58和第二电极54之间。第一电极58和第二电极54中的每一个均包含催化剂，优选铂/钯催化剂。多个第一电极58暴露于环境空气，并且多个第二电极54与排气接触。
由于环境空气/排气的氧压差，来自环境空气的氧气进入多个第一电极58。进入的氧气被包含在每个第一电极58中的催化剂氧化，电子释放到负极端子53，并且氧离子56通过相应的膜52传导到相应的第二电极54。然后，电子经由负极端子53和正极端子51通过外部电路，最终到达相应的第二电极54，在第二电极54它们与氧离子结合，以便通过第二电极54内包含的催化剂在各自的反应电位下与一氧化碳和任何未反应的碳氢化合物发生氧化反应，其反应方式与关于图2和图3所述的相同。因此，第二电极54通过促进发动机排气流中的产物的氧化反应来满足催化转化器的要求。如此，部分燃烧的燃料(例如，碳氢化合物)和一氧化碳与通过MEA堆组件73传导的氧气进行反应，以形成包含水和含量增加的二氧化碳的混合物78。
除了氧化反应以外，还根据能斯特方程，由可从环境空气中获取的富氧与发动机排气流的贫氧含量之间的氧分压差来产生功率，如上文关于图2所述的。在分压差下氧气通过转化器的膨胀直接产生电能，并导致排气流中的氧气含量增加。MEA堆组件73产生的电能可以直接提供给外部负载19，或者可以存储在能量存储装置(图4中未示出)中直到被需要。
参照图5，示出了根据本发明的用于排气或废热的能量回收转化器的另一实施例。转化器是涡轮发动机90的一部分并且被配置为从涡轮发动机90提取能量。涡轮发动机90包括进气部分60、涡轮空气压缩机部分62、燃烧室66、催化还原部分(未示出，但是类似于图3所示的催化还原部分25)和动力涡轮部分64。来自压缩机部分62的燃料和一部分压缩空气被供应到燃烧室66，在燃烧室66中燃料被燃烧。其余的压缩空气环绕燃烧室66的外侧流动。
燃烧室66中的排气包括来自碳氢化合物燃料/氧气燃烧反应的水(H2O)和二氧化碳(CO2)。此外，环境进气中的氮气和氧气在燃烧室66中在高温下反应以产生氮氧化物(NOx)。燃烧室66中的发动机排气中还存在燃料的不完全燃烧产物，例如一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)。燃烧过程使排气中的氧气基本耗尽。
该转化器包括MEA堆组件，并且更具体地包括第一MEA堆和第二MEA堆68。第一MEA堆和第二MEA堆68位于燃烧室66的壁中，特别是在点火后区域中。图5A中示出了MEA堆68之一的放大图。每个MEA堆68包括夹在一对电极61、63之间的离子传导膜65。每个MEA堆68被定位成使得第一电极61暴露于涡轮发动机燃烧排气，并且第二电极63暴露于压缩后的空气流。
每个MEA堆68的膜65是环境空气和排气流之间的氧离子传导性屏障。第一电极61和第二电极63中的每一个均包含催化剂，优选地为氧化催化剂，并且更具体的为铂/钯催化剂。在压缩空气和排气之间的氧分压差下，氧气进入第二电极63并在其中被氧化，所得的氧离子通过膜65传导，而释放的电子通过负载(图5中未示出)在外部传导。该电路在第一电极61处完成，在第一电极61来自外部电路的电子与氧离子结合，以它们各自的反应电势与排气中的一氧化碳和任何未反应的碳氢化合物发生氧化反应，从而形成含有水和增加的二氧化碳含量的混合物。每个MEA堆68的第一电极61通过促进发动机排气流中的反应产物的氧化来满足催化转化器的要求。
除了氧化反应之外，还可以根据能斯特方程，从环境空气中可用的富氧与发动机排气流中的贫氧量之间的氧分压差产生功率。氧气在分压差下通过转化器的膨胀直接产生电能，并导致离开燃烧室66的气体中的氧气含量增加。
参照图6，示出了根据本发明的用于排气或废热的能量回收转化器的另一实施例。该转化器是超燃冲压发动机的一部分，并配置成从超燃发动机中提取能量。超燃冲压发动机包括进气口部分70、隔离器部分72、燃烧室部分76和喷嘴部分74。该转化器还包括MEA组件，即第一MEA堆和第二MEA堆78。MEA堆78将通过燃烧部分76的流部分地分成燃料燃烧区域和空气流通区域。燃料和来自隔离器部分72的一部分空气被供应到燃料燃烧区域。其余部分空气在每个MEA堆78的相反侧通过，以使每个堆78的第一电极71暴露于燃烧气体，每个堆78的第二电极73暴露于直接从隔离器部分72提供的富氧气流。
定位在每个MEA堆78的第一电极71和第二电极73之间的膜75是氧离子传导阻挡层，其将暴露于第二电极73的富氧空气流和暴露于第一电极71的贫氧燃烧后气体流分离。第一电极71和第二电极73中的每一个均包含催化剂，优选为氧化催化剂，并且更具体地为铂/钯催化剂。在来自隔离器部分72的空气与排气之间的氧分压差下，氧气进入第二电极73并被其中包含的催化剂氧化，所产生的氧离子通过离子传导膜75传导至第一电极71，而释放的电子通过负载(图6中未示出)在外部传导。该电路在第一电极71处完成，其中来自外部电路的电子与通过离子传导膜75传导的氧离子结合，以在它们各自的反应电势下与一氧化碳和燃烧气流中的任何未反应的碳氢化合物进行氧化反应。该转化器包括催化还原部分和如以上关于图3-5所述的排气成分。
第一电极71通过促进发动机排气流中的反应产物的氧化来满足催化转化器的要求。这样，部分燃烧的燃料(例如，碳氢化合物)和一氧化碳与通过MEA传导的氧气发生反应，从而形成包含水和二氧化碳含量增加的混合物。
除氧化反应外，还可以根据能斯特方程，从环境空气中可用的富氧与燃料燃烧产物的贫氧含量之间的氧分压差产生功率。在分压差下氧气通过转化器的膨胀直接产生电能。
任何上述转化器/系统都可以适用于向工业设施供应加工热。示例性设施是需要热量来从原矿石中处理和分离金属、木材或纸张的干燥过程的设施。从本质上讲，是一种在燃烧燃料作为加工热源的过程中从富氧气体中产生贫氧气体的工业加工设施。残留的热量和不完全燃烧的产物经常被浪费。
本领域技术人员应当理解，可以在不脱离上述实施例的广泛发明构思的情况下对其进行更改。因此，应当理解，本发明不限于所公开的特定实施例，而是旨在涵盖由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的修改。

Claims (12)

1.一种用于排气或废热的能量回收转化器，其特征在于，所述转化器包括：
膜电极组件，所述膜电极组件包括第一电极、第二电极和夹在所述第一电极和所述第二电极之间的氧离子传导膜，所述第一电极和所述第二电极中的每一个包括至少一种氧化催化剂，所述至少一种氧化催化剂被配置成促进电化学反应；
具有第一分子氧含量的排气，所述膜电极组件的所述第二电极暴露于所述排气，并且所述膜电极组件的所述第一电极暴露于具有第二分子氧含量的气体，所述第二分子氧含量高于所述第一分子氧含量；和
外部电负载，所述外部电负载连接在所述膜电极组件的所述第一电极和所述第二电极之间。
2.根据权利要求1所述的能量回收转化器，其特征在于，燃料与富氧气体混合并燃烧以产生所述排气。
3.根据权利要求1所述的能量回收转化器，其特征在于，所述至少一种氧化催化剂是铂/钯催化剂。
4.根据权利要求1所述的能量回收转化器，其特征在于，还包括第一室，所述第一室包含至少一种还原催化剂。
5.根据权利要求4所述的能量回收转化器，其特征在于，所述至少一种还原催化剂选自包含铑和铂的组。
6.根据权利要求5所述的能量回收转化器，其特征在于，所述至少一种还原催化剂是铑。
7.根据权利要求6所述的能量回收转化器，其特征在于，所述排气包括碳氢化合物、氮氧化物和水，以及
其中在所述第一室内，通过所述铑催化剂将所述排气中的碳氢化合物和水转化为水、二氧化碳、氮气和一氧化碳。
8.根据权利要求7所述的能量回收转化器，其特征在于，所述具有第二分子氧含量的气体中的氧气进入所述第一电极并被所述第一电极包含的所述至少一种氧化催化剂氧化以产生氧离子，
其中，所述氧离子通过氧离子传导膜传导并且电子被释放到所述外部电负载，以及
其中，所述电子从所述外部电负载转移到所述第二电极并与所述氧离子结合，以在其各自的反应电势下氧化所述一氧化碳和任何未反应的碳氢化合物。
9.一种使用转化器净化来自机械发动机的排气的方法，其特征在于，
所述转化器包括：
催化还原室；
膜电极组件，所述膜电极组件包括第一电极、第二电极和夹在所述第一电极和所述第二电极之间的氧离子传导膜，所述第一电极和所述第二电极中的每一个包括至少一种氧化催化剂，该至少一种氧化催化剂被配置成促进电化学反应；
包含碳氢化合物、氮氧化物和水的排气，所述排气具有第一分子氧含量，所述膜电极组件的所述第二电极暴露于所述排气，所述膜电极组件的所述第一电极暴露于具有第二分子氧含量的气体，使得所述气体中所含的氧气进入所述第一电极，所述第二分子氧含量高于所述第一分子氧含量；和
外部电负载，所述外部电负载连接在所述膜电极组件的所述第一电极和所述第二电极之间，
所述方法包括：
将所述排气输送到所述催化还原室，使所述排气中的碳氢化合物、氮氧化物和水转化为反应气体，所述反应气体为氢气元素、一氧化碳、二氧化碳和氮气元素；
将包含所述反应气体、水和任何未燃碳氢化合物的流从所述催化还原室输送到所述第二电极；
氧化来自所述具有第二分子氧含量的气体中的氧气以产生氧离子，从而所述氧离子通过所述氧离子传导膜传导并且同时将电子释放到所述外部电路；和
将所述电子从所述外部电路传输到所述第一电极以与所述氧离子结合，并在其各自的反应电势下与所述一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物进行氧化反应。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述至少一种氧化催化剂是铂/钯催化剂。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述催化还原室包含选自包含铑和铂的组的催化剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述催化剂是铑。
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