[发明专利]排气能量回收转化器

说明书

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。

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NO_x、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NO_X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。