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Dokumentenidentifikation DE102006038195A1 16.08.2007
Titel Katalytische Vorrichtung mit Brennstoffzellenteil und katalytischem Umwandlungsteil
Anmelder Ford Global Technologies, LLC, Dearborn, Mich., US
Erfinder Elwart, Shane, Ypsilanti, .., US;
Kerns, James Michael, Trenton, .., US;
Surnilla, Gopichandra, West Bloomfield, Mich., US;
Bidner, David Karl, Livonia, .., US
Vertreter Rechts- und Patentanwälte Lorenz Seidler Gossel, 80538 München
DE-Anmeldedatum 16.08.2006
DE-Aktenzeichen 102006038195
Offenlegungstag 16.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.08.2007
IPC-Hauptklasse F01N 3/08(2006.01)A, F, I, 20060816, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F01N 5/00(2006.01)A, L, I, 20060816, B, H, DE   B01D 53/86(2006.01)A, L, I, 20060816, B, H, DE   H01M 8/06(2006.01)A, L, I, 20060816, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird eine Vorrichtung offenbart, welche einen Verbrennungsmotor, eine Abgasanlage zum Leiten der vom Motor abgestoßenen Abgase und eine der Abgasanlage zugeordnete katalytische Vorrichtung umfasst, wobei die katalytische Vorrichtung einen katalytischen Umwandlungsteil und einen Brennstoffzellenteil umfasst.

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Anmeldung betrifft im Allgemeinen Emissionssysteme für Verbrennungsmotoren.

Hintergrund und Kurzdarstellung

Verbrennungsmotoren nutzen typischerweise nur einen Teil (zum Beispiel in manchen Fällen etwa 31% bis 38%) der Energie in zugeführtem Kraftstoff aufgrund Abwärme, Reibung, unvollständiger Verbrennung und anderen derartigen Faktoren. Ferner können eventuell etwa 3–17% der zugeführten Kraftstoffenergie genutzt werden, um den Motorbetrieb während Betriebsbereitschaft aufrechtzuerhalten, und weitere 1–2% können zum Betreiben von Zusatzeinrichtungen verwendet werden. Daher kann es vorteilhaft sein, die Verlustenergie, typischerweise in Form von thermischer und chemischer Energie, zur Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit insgesamt zu nutzen.

Ein Vorgehen zur Nutzung der Verlustenergie ist das Anordnen einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors. Die U.S. Patentanmeldung 2004/0177607 beschreibt zum Beispiel einen Verbrennungsmotor mit einer SOFC in einer Abgasanlage. Diese Schrift beschreibt ferner in der Abgasanlage stromaufwärts und stromabwärts der SOFC angeordnete oxidative Katalysatoren. Der stromaufwärts befindliche oxidative Katalysator wird zum Reformieren von Kraftstoff für die SOFC verwendet, und der stromabwärts befindliche oxidative Katalysator wird zum Behandeln von nicht oxidierten oder teilweise oxidierten Abgasbestandteilen, die nicht von der SOFC verbraucht werden, verwendet. Eine solche Anlage kann aber immer noch Energie vergeuden, nicht effizient nutzen. Die Wärme aus oxidativen Reaktionen, die im oxidativen Katalysator ablaufen, kann zum Beispiel in einer solchen Anlage verloren gehen.

Die vorliegenden Erfinder haben erkannt, dass Verlustenergie durch eine Vorrichtung effizienter genutzt werden kann, die einen Verbrennungsmotor, eine Abgasanlage zum Leiten des aus dem Motor ausgestoßenen Abgases und eine der Abgasanlage zugeordnete katalytische Vorrichtung umfassen kann, wobei die katalytische Vorrichtung einen katalytischen Umwandlungsteil und einen Brennstoffzellenteil umfasst. Eine solche Vorrichtung kann zulassen, dass Wärme aus chemischen Reaktionen in dem katalytischen Umwandlungsteil beim Erhitzen des Brennstoffzellenteils der katalytischen Vorrichtung mitwirkt, und kann auch andere Vorteile bieten.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Ausführung eines Verbrennungsmotors.

2 ist ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Ausführung einer katalytischen Vorrichtung, die einen Brennstoffzellenteil und einen katalytischen Umwandlungsteil umfasst.

3 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführung einer katalytischen Vorrichtung, die einen Brennstoffzellenteil und einen katalytischen Umwandlungsteil umfasst, wobei ein erster beispielhafter Oxidanseinlass veranschaulicht wird.

4 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführung einer katalytischen Vorrichtung, die einen Brennstoffzellenteil und einen katalytischen Umwandlungsteil umfasst, wobei ein zweiter beispielhafter Oxidanseinlass veranschaulicht wird.

5 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführung einer katalytischen Vorrichtung, die mehrere Brennstoffzellenteile umfasst.

6 ist eine schematische Ansicht einer anderen beispielhaften Ausführung einer katalytischen Vorrichtung, die mehrere Brennstoffzellenteile umfasst.

7 ist eine schematische Ansicht einer anderen beispielhaften Ausführung einer katalytischen Vorrichtung, die mehrere Brennstoffzellenteile umfasst.

Eingehende Beschreibung der dargestellten Ausführungen

1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführung eines Verbrennungsmotors 10. Der Motor 10 weist typischerweise mehrere Zylinder auf, wovon einer in 1 gezeigt wird, und wird von einem elektronischen Steuergerät 12 gesteuert. Der Motor 10 weist einen Brennraum 14 und Zylinderwände 16 mit einem darin positionierten und mit einer Kurbelwelle 20 verbundenen Kolben 18 auf. Der Brennraum 14 steht mittels eines jeweiligen Einlassventils 26 und Auslassventils 28 mit einem Ansaugkrümmer 22 und einem Abgaskrümmer 24 in Verbindung. Ein Abgassauerstoffsensor 30 ist mit dem Abgaskrümmer 24 des Motors 10 gekoppelt. Eine katalytische Vorrichtung 34 ist mit dem Abgaskrümmer 24 verbunden und nimmt Abgase von diesem auf. Die katalytische Vorrichtung 34 weist sowohl einen Brennstoffzellenteil als auch einen katalytischen Umwandlungsteil auf, wie nachstehend eingehend erläutert wird.

Der Motor 10 ist als fremdgezündeter Kanaleinspritz-Benzinmotor dargestellt. Es versteht sich aber, dass die hierin offenbarten Systeme und Verfahren mit einem beliebigen geeigneten Motor, einschließlich Direkteinspritzmotoren und Motoren mit Selbstzündung einschließlich aber nicht ausschließlich Dieselmotoren, verwendet werden können.

Der Ansaugkrümmer 22 steht mit einem Drosselgehäuse 42 mittels einer Drosselplatte 44 in Verbindung. Der Ansaugkrümmer 22 wird ebenfalls mit einem damit gekoppelten Kraftstoffeinspritzventil 46 zum Zuführen von Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des Signals (fpw) vom Steuergerät 12 gezeigt.

Alternativ kann ein (nicht dargestellter) Direkteinspritzmechanismus, bei dem Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt wird, verwendet werden. Der Kraftstoff wird dem Kraftstoffeinspritzventil 46 durch eine (nicht dargestellte) herkömmliche Kraftstoffanlage zugeführt, die einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und ein Verteilerrohr (nicht dargestellt) aufweist. Ferner weist der Motor 10 eine herkömmliche verteilerlose Zündanlage 48 zum Liefern eines Zündfunken zum Brennraum 30 mittels einer Zündkerze 50 als Reaktion auf das Steuergerät 12 auf. In der hierin beschriebenen Ausführung ist das Steuergerät 12 ein herkömmlicher Mikrocomputer, welcher umfasst: eine Mikroprozessoreinrichtung 52, Eingangs-/Ausgangs-Ports 54, einen elektronischen Speicherchip 56, der in diesem bestimmten Beispiel ein elektronisch programmierbarer Speicher ist, einen Direktzugriffsspeicher 58 und einen herkömmlichen Datenbus.

Das Steuergerät 48 empfängt verschiedene Signale von mit dem Motor 10 gekoppelten Sensoren, darunter: Messungen der angesaugten Luftmasse (MAF) von einem mit dem Drosselklappengehäuse 42 gekoppelten Luftmassenmesser 60; Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von einem mit einem Kühlmantel 64 gekoppelten Temperaturfühler 62; eine Messung des Ansaugluftdrucks (MAP) von einem mit dem Ansaugkrümmer 22 gekoppelten Krümmerunterdrucksensor 66; eine Messung der Drosselstellung (TP) von einem mit der Drosselplatte 44 gekoppelten Drosselstellungssensor 68; und ein Zündungsprofilaufnehmersignal (PIP) von einem mit der Kurbelwelle 40 gekoppelten Hallgeber 70, das eine Motordrehzahl (N) anzeigt.

Durch eine mit dem Abgaskrümmer 24, einer AGR-Ventilanordnung 74 und einem AGR-Anschluss 76 in Verbindung stehende herkömmliche AGR-Leitung 72 wird dem Ansaugkrümmer 22 Abgas zugeführt. Alternativ könnte die Leitung 72 ein intern geführter Durchlass im Motor sein, der zwischen Abgaskrümmer 24 und Ansaugkrümmer 22 verbindet. Ein Unterdruckregler 78 ist mit der AGR-Ventilanordnung 74 gekoppelt. Der Unterdruckregler 78 empfängt ein Betätigungssignal an Leitung 80 von dem Steuergerät 12 zum Steuern der Ventilstellung der AGR-Ventilanordnung 74.

Die katalytische Vorrichtung 34 weist eine innere Struktur mit einem Brennstoffzellenteil und einem katalytischen Umwandlungsteil auf. 2 zeigt ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Ausführung einer inneren Struktur 110 der katalytischen Vorrichtung 34. Die innere Struktur 110 weist einen Träger 112, eine von einer ersten Oberfläche des Trägers 110 getragene Anode 114, eine von einer zweiten Oberfläche des Trägers 110 getragene Kathode 116 und eine von der ersten Oberfläche des Trägers 110 getragene katalytische Umwandlungsstruktur 118 auf. 2 zeigt die Anode 114 und Kathode 116 an gegenüberliegenden Seiten des Trägers 112 angeordnet und die katalytische Umwandlungsstruktur 118 an der Anode 114 angeordnet. Es versteht sich aber, dass zwischen diesen Schichten andere dazwischen liegende Schichten verwendet werden können. Ferner versteht sich, dass die katalytische Umwandlungsstruktur 118 nur über Teilen der Anode 114 angeordnet sein kann oder die Anode 114 im Wesentlichen abdecken kann. Analog können die Anode 114 und die Kathode 116 jeweils die jeweiligen Trägerflächen vollständig bedecken oder die Trägerflächen nur teilweise bedecken. Zwar wird der Begriff „innere Struktur" zur Beschreibung der Struktur verwendet, die die Brennstoffzellen- und katalytischen Umwandlungsstrukturen bildet und/oder trägt, doch versteht sich ferner, dass mindestens Teile der inneren Struktur 110 der Atmosphäre außerhalb der katalytischen Vorrichtung 34 ausgesetzt werden können, wie nachstehend eingehender beschrieben wird.

Der Träger 112, die Anode 114 und die Kathode 116 bilden zusammen eine Brennstoffzellenstruktur 120 zum Erzeugen eines elektrischen Potenzials aus nicht oxidierten und/oder teilweise oxidierten Abgasbestandteilen, die der Anode 114 zugeführt werden, in Kombination mit Sauerstoff (oder einem anderen sauerstoffhaltigen Oxidans), der der Kathode 116 zugeführt wird. Beispiele für Abgasbestandteile, die als Brennstoff von der Brennstoffzellenstruktur 120 verwendet werden können, umfassen Wasserstoff, Kohlenmonoxid sowie nicht oxidierte und teilweise oxidierte Kohlenwasserstoffe, sind aber nicht hierauf beschränkt.

Die katalytische Umwandlungsstruktur 118 kann porös oder anderweitig gegenüber Abgasen permeabel ausgelegt sein, so dass Abgase jene Teile der Anode 114, die von der katalytischen Umwandlungsstruktur 118 bedeckt sind, zum Aufbrauchen durch die Brennstoffzellenstruktur 120 erreichen können. Ferner kann die katalytische Umwandlungsstruktur 118 dazu beitragen, Kohlenwasserstoffe im Abgas zu reformieren, wodurch mehr Brennstoff für die Brennstoffzellenstruktur 120 gebildet wird. Die katalytische Umwandlungsstruktur 118 kann weiterhin Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und andere oxidierbare Abgasbestandteile oxidieren, die nicht von der Brennstoffzellenstruktur 120 aufgebracht werden, und kann ferner zur Reduzierung von NOx-Emissionen ausgelegt sein. Auf diese Weise können die katalytische Umwandlungsstruktur 118 und die Brennstoffzellenstruktur 120 gemeinsam ein elektrisches Potenzial aus Abgasen erzeugen und die Konzentration unterwünschter Emissionen im Abgas des Motors 10 reduzieren.

Die Verwendung der katalytischen Vorrichtung 34 kann verschiedene Vorteile gegenüber der Verwendung separater oxidativer katalytischer Vorrichtungen und Brennstoffzellen in einem Emissionssystem bieten. Bei Anwendungen, bei denen zum Beispiel ein Katalysator von einer Brennstoffzelle entlang einer Abgasanlage getrennt ist, kann Wärme, die von den katalytischen Reaktionen in der katalytischen Umwandlungsvorrichtung erzeugt wird, verloren gehen. Die Auslegung der Brennstoffzellenstruktur 120 und der katalytischen Umwandlungsstruktur 118 kann dagegen ermöglichen, dass Wärme, die durch von der katalytischen Umwandlungsstruktur 118 katalysierte Reaktionen erzeugt wird, zum Erhitzen der Brennstoffzellenstruktur 120 verwendet wird. Dies kann hilfreich sein, da die Wärmeenergie, die andernfalls in einer herkömmlichen Katalysatoranlage verloren gehen würde, zum Erhitzen der Brennstoffzellenstruktur 120 auf ihre üblichen Betriebstemperaturen verwendet werden kann, die in der Größenordnung von 800°C–1.000°C liegen können. Weiterhin kann die Verwendung der katalytischen Vorrichtung 34 dazu beitragen, die in einem Emissionssystem verwendete Anzahl an Komponenten gegenüber der Verwendung eines separaten Katalysators und einer separaten Brennstoffzelle zu verringern.

Der Motor 10 kann so betrieben werden, dass der Motor abwechselnde Zeiträume mit fettem und magerem Abgas erzeugt. Eine solche Schwankung des Kraftstoff-/Luftverhältnisses wird zum Beispiel häufig bei Dreiwegekatalysatoren für den gewöhnlichen Katalysatorbetrieb verwendet. Im Zusammenhang mit der katalytischen Vorrichtung 34 können Zeiträume mit fettem Abgas zum Zuführen von Brennstoff zur Brennstoffzellenstruktur 120 verwendet werden, und Zeiträume mit magerem Abgas können zum Erhöhen des Sauerstoffgehalts der katalytischen Umwandlungsstruktur 118 verwendet werden, um die katalytische Oxidation der Abgasbestandteile zu erleichtern. In manchen Ausführungen kann die Schwankung des Kraftstoff-/Luftverhältnisses im Wesentlichen symmetrisch um den stöchiometrischen Punkt herum gelenkt werden, während in anderen Ausführungen das Kraftstoff-/Luftverhältnis um einen vom stöchiometrischen Punkt versetzten Mittelpunkt entweder zur fetten Seite oder zur mageren Seite der Stöchiometrie hin schwanken kann. Das Schwanken des Kraftstoff-/Luftverhältnisses um einen mittleren Punkt, der fetter als der stöchiometrische Punkt ist, kann mehr Brennstoff in Form von nicht oxidierten und teilweise oxidierten Abgaserzeugnissen zur Brennstoffzellenstruktur 120 gegenüber dem Schwanken des Kraftstoff-/Luftverhältnisses um den stöchiometrischen Punkt oder ein magereres Verhältnis bieten.

In manchen Ausführungen kann ein Gleichrichter 122 verwendet werden, um den Ausgang der Brennstoffzellenstruktur 120 zu glätten. Der Gleichrichter 122 kann zum Beispiel in Ausführungen verwendet werden, bei denen ein schwankendes oder anderweitig veränderliches Kraftstoff-/Luftverhältnis zum Betreiben des Motors 10 verwendet wird, da die Schwankung des Kraftstoff-/Luftverhältnisses einen ungleichmäßigen Brennstoffzellenausgang erzeugen kann. Als Gleichrichter 122 kann jede geeignete Gleichrichtungsschaltung bzw. -schaltungen verwendet werden. Geeignete Schaltungen umfassen Schaltungen, die zur Ausgabe einer geeigneten Spannung und/oder eines geeigneten elektrischen Stroms für eine erwünschte Anwendung ausgelegt sind. Zum Beispiel kann der Gleichrichter 122 eine oder mehrere Dioden oder ähnliche Schaltungselemente umfassen, die dazu beitragen, ein Umkehren des Stromflusses im Fall von Veränderungen der Abgaszusammensetzung zu verhindern.

Als Träger 112 kann jedes geeignete Material verwendet werden. In manchen Ausführungen kann der Träger 112 zum Beispiel zumindest teilweise aus Festelektrolytmaterial gefertigt sein, das Sauerstoffionen zwischen der Kathode 116 und der Anode 114 leiten kann. In anderen Ausführungen kann der Träger 112 aus einem Material gefertigt sein, dass nicht ionisch leitend ist, aber das mit einem Ionenleiter beschichtet ist, so dass eine ionisch leitende Strecke zwischen der Kathode 116 und der Anode 114 vorliegt. In noch anderen Ausführungen kann der Träger 112 aus mehr als einem ionisch leitenden Material gebildet sein. Beispiele für geeignete ionisch leitenden Materialien für den Träger 112 können auf Zirconiumoxid beruhende Materialien umfassen, sind aber nicht hierauf beschränkt. Der Träger 112 kann eine wabenartige Struktur haben, die typischerweise bei der Konstruktion von Dreiwegekatalysatoren verwendet wird, oder kann eine andere geeignete Struktur aufweisen.

Analog können die Anode 114 und die Kathode 116 aus einem beliebigen geeigneten Material oder Materialien gebildet werden. Geeignete Materialien zur Verwendung als Anode 114 und Kathode 116 umfassen Materialien mit ähnlichen Wärmeausdehnungseigenschaften wie der Träger 112 auf, da die innere Struktur 110 der katalytischen Vorrichtung 34 periodische Wärmeänderungen von sehr kalten Temperaturen (zum Beispiel während der Motor sich in einem kalten Klima im Ruhezustand befindet) zu sehr heißen Temperaturen, die häufig zum Betreiben von Festoxidbrennstoffzellen verwendet werden, durchläuft. Als prophetisches Beispiel kann es möglich sein, Materialien zu verwenden, die im Design EGO-, UEGO, NOx-Sensoren ähneln, bei denen die thermischen Ausdehnungsraten der Materialien so gewählt werden, dass die Übertragung einer Spezies von der Anoden- und Kathodenschicht reduziert oder eliminiert wird. Denn diese Arten von Sensoren werden zum Beispiel allgemein so ausgelegt, dass sie unter den gleichen Umgebungsbedingungen wie eine Festoxidbrennstoffzelle betriebsfähig sind.

Die katalytische Umwandlungsstruktur 118 kann auch aus jedem geeigneten Material bzw. Materialien gebildet werden. Geeignete Materialien umfassen herkömmliche Dreiwegekatalysator-Reaktionsprimer, sind aber nicht hierauf beschränkt. Solche Reaktionsprimer können Barium und Cerium sowie Metalle der Platingruppe, einschließlich aber nicht ausschließlich Platin, Palladium und Rhodium umfassen, sind aber nicht hierauf beschränkt.

Eine katalytische Vorrichtung 34 kann eine Struktur zum Verhindern, dass Oxidans und Brennstoff die falschen Elektroden erreichen, umfassen. Der Träger 112 kann zum Beispiel eine wabenartige innere Konfiguration und eine durchgehende Außenfläche aufweisen, die zumindest teilweise aus einem ionenleitenden Material gebildet (oder mit einem ionenleitenden Material beschichtet) ist, das das Wabenmaterial umgibt, wodurch Abgase im Wabenmaterial gehalten werden. In diesen Ausführungen kann die Anode 114 über Innenflächen des Trägers 112 aufgebracht sein, und die Kathode 116 kann über der Außenseite der durchgehenden Außenfläche des Trägers 112 aufgebracht sein. Abgas vom Motor 10 kann in die inneren Teile des Trägers 112 geleitet werden, und die durchgehende Außenfläche des Trägers kann verhindern, dass Abgase die Kathode 116 erreichen.

Die katalytische Vorrichtung 34 kann dafür ausgelegt sein, der Kathode 116 Oxidans in geeigneter Weise zu liefern. Zum Beispiel kann die katalytische Vorrichtung 34 dafür ausgelegt sein, der Kathode 116 Luft zu liefern. 3 zeigt eine schematische Abbildung einer Struktur zum Liefern von Umgebungsluft zur Kathode 116 und zum Verhindern, dass Luft die Anode 114 erreicht. Die katalytische Vorrichtung 34 weist ein Außengehäuse 200 auf, das im Wesentlichen die innere Struktur 110 einschließt. Das Außengehäuse 200 weist eine oder mehrere Öffnungen 202 auf, die dafür ausgelegt sind, Luft die an der Außenfläche des Trägers 112 angeordnete Kathode 116 erreichen zu lassen. Weiterhin kann eine Dichtung 204 zwischen einem stromaufwärtigen Ende der inneren Struktur 110 und dem Außengehäuse 200 vorgesehen werden, wodurch verhindert wird, dass Abgase die Kathode 116 erreichen. Eine weitere Dichtung 206 kann zwischen einem stromabwärtigen Ende der inneren Struktur 110 und dem Außengehäuse 200 vorgesehen werden, wodurch weiterer Schutz davor geboten wird, dass Sauerstoff die Anode erreicht und Abgase die Kathode erreichen.

In manchen Ausführungen kann die katalytische Vorrichtung 34 dafür ausgelegt sein, Oxidansgase von einer anderen Quelle als Umgebungsluft aufzunehmen. Zum Beispiel kann die katalytische Vorrichtung in manchen Ausführungen dafür ausgelegt sein, Oxidansgase zur Verwendung durch die Kathode 116 von einem oder von mehreren Motorzylindern aufzunehmen, die zur Erzeugung von magerem Abgas ausgelegt sind. In diesen Ausführungen können verschiedene Zylinder im Motor 10 zum gleichzeitigen Arbeiten bei verschiedenen Kraftstoff-/Luftverhältnissen ausgelegt sein.

4 zeigt allgemein bei 300 eine schematische Abbildung einer Ausführung einer katalytischen Vorrichtung, die dafür ausgelegt ist, Oxidansgase von einem oder von mehreren Motorzylindern aufzunehmen. Die katalytische Vorrichtung 300 ist dafür ausgelegt, Abgase von einer ersten Abgasleitung 302 zum Vorsehen einer ersten Einspeisung zu einer ersten Elektrode und Abgas von einer zweiten Abgasleitung 304 zum Vorsehen einer zweiten Einspeisung zu einer zweiten Elektrode aufzunehmen. Eine innere Struktur 306 weist eine Brennstoffzellenstruktur und eine katalytische Umwandlungsstruktur auf, wie vorstehend im Zusammenhang mit der Ausführung von 2 beschrieben wurde. Die (nicht dargestellte) erste Elektrode ist an oder neben einer Innenfläche 308 der inneren Struktur 306 ausgebildet (oder anderweitig dadurch gelagert), und die (nicht dargestellte) zweite Elektrode ist an oder neben einer Außenfläche 310 der inneren Struktur 306 ausgebildet (oder anderweitig dadurch gelagert).

In manchen Ausführungen kann die erste Einspeisung von der ersten Abgasleitung 302 Abgas von fett brennenden Zylindern sein und die zweite Einspeisung von der zweiten Abgasleitung 304 kann Abgas von mager brennenden Zylindern sein. In diesen Ausführungen kann die erste Elektrode eine Anode und die zweite Elektrode eine Kathode sein.

In anderen Ausführungen kann die erste Einspeisung von der ersten Abgasleitung 302 Abgas von mager brennenden Zylindern und die zweite Einspeisung von der zweiten Abgasleitung 304 Abgas von fett brennenden Zylindern sein. In diesen Ausführungen kann die erste Elektrode eine Kathode und die zweite Elektrode eine Anode sein. In jedem Fall kann eine Dichtung 312 zwischen einem stromaufwärtigen Ende der inneren Struktur 306 und einem Außengehäuse 314 vorgesehen werden, um zu verhindern, dass Abgase von der ersten Abgasleitung 302 die zweite Elektrode neben der Außenfläche 310 der Struktur 306 erreichen, und um zu verhindern, dass Abgase von der zweiten Abgasleitung 304 die erste Elektrode neben der Innenfläche 308 erreichen.

Weiterhin kann das Gehäuse 314 dafür ausgelegt sein, Abgase so zu beinhalten, dass die Abgase, die durch die zweite Abgasleitung 304 in die katalytische Vorrichtung 300 strömen und nicht von der Brennstoffzellenstruktur verzehrt werden, durch die zweite Abgasleitung 304 aus dem Gehäuse 314 strömen. Weitere katalytische Vorrichtung können bei Bedarf in der zweiten Abgasleitung 304 und/oder der ersten Abgasleitung angeordnet werden. Es versteht sich, dass eine katalytische Umwandlungsstruktur (zum Beispiel ein Dreiwegekatalysator-Reaktionsprimer) teilweise oder vollständig über entweder der ersten Elektrode an der Innenfläche 308 der inneren Struktur 306 und/oder über der zweiten Elektrode an der Außenfläche 310 der inneren Struktur 306 angeordnet werden kann.

5 zeigt allgemein bei 400 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführung einer katalytischen Vorrichtung mit einem Brennstoffzellenteil und einem katalytischen Umwandlungsteil. Die katalytische Vorrichtung 400, die in einem Gehäuse angeordnet werden kann, wie sie vorstehend offenbart werden, weist eine erste Brennstoffzellenstruktur 402 und eine zweite Brennstoffzellenstruktur 402' auf. Jede Brennstoffzellenstruktur weist einen Träger (404, 404'), eine erste Elektrode (406, 406'), eine zweite Elektrode (408, 408') und eine katalytische Umwandlungsstruktur (410, 410') auf. Der Betrieb jeder einzelnen Brennstoffzellenstruktur 402, 402' ähnelt dem vorstehend für die katalytische Vorrichtung 34 beschriebenen Betrieb und wird daher nicht eingehender beschrieben. Der Ausgang der Brennstoffzellenstrukturen 402, 402' kann in Reihe geschaltet werden, um die gesamte Ausgangsspannung zu erhöhen, wie schematisch bei 412 gezeigt. Dies kann das Verwenden der katalytischen Vorrichtung 400 bei Anwendungen mit höherer Spannung als bei der katalytischen Vorrichtung 34 ermöglichen. Ein oder mehrere Gleichrichter 414, 414' können zum Glätten des Ausgangs der Brennstoffzellenstrukturen verwendet werden. Die Gleichrichter 414, 414' können eine oder mehrere Dioden oder ähnliche Schaltungselemente aufweisen, um dazu beizutragen, eine Umkehr des Stromflusses im Fall von Schwankungen der Abgaszusammensetzung zu verhindern.

Während die Ausführung von 5 die Kombination von zwei Brennstoffzellenstrukturen in Reihe zeigt, versteht sich, dass mehr als zwei Brennstoffzellenstrukturen in Reihe kombiniert werden können, um noch höhere Ausgangsspannungen zu erzielen. 6 zeigt allgemein bei 500 eine Ansicht einer beispielhaften Ausführung einer inneren Struktur der katalytischen Vorrichtung mit mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellenstrukturen. Die innere Struktur 500 weist die Konfiguration eines Dreiwegekatalysator-Wabenbrick auf. Abgase strömen in eine Stirnfläche 502 der inneren Struktur 500 und durch kleine Kanäle, die durch eine (nicht dargestellte) wabenartige Innenstruktur gebildet werden, welche mehrere kleine Kanäle ausbildet, durch welche Abgase strömen können. Die innere Struktur 500 hat auch eine durchgehende Außenwand 504.

Wie vorstehend bezüglich der Ausführung von 2 beschrieben, kann die die Außenwand 504 aufweisende innere Struktur 500 einen aus einem Festelektrolyt gebildeten oder damit beschichteten Träger aufweisen, der zum Leiten von zum Beispiel Sauerstoffionen ausgelegt ist. Die innere Struktur 500 kann auch ein erstes Elektrodenmaterial (zum Beispiel ein Anodenmaterial), das über einer Innenfläche der wabenartigen Kanäle der Struktur 500 ausgebildet ist, und ein zweites Elektrodenmaterial (zum Beispiel ein Kathodenmaterial), das über einer Außenfläche 506 der Wand 504 ausgebildet ist, aufweisen, wodurch eine Brennstoffzellenstruktur gebildet wird. Eine Katalysatorstruktur (zum Beispiel ein Dreiwegekatalysator-Reaktionsprimer) kann über einem oder über beidem von ersten Elektrodenmaterial und zweiten Elektrodenmaterial angeordnet sein.

Durch die Elektrodenschichten der inneren Struktur 500 können mehrere Abtrennungen 508 gebildet werden, wodurch Abschnitte der Elektrodenschichten voneinander elektrisch isoliert werden, um mehrere Brennstoffzellenteile 510 zu bilden. Die Abtrennungen 508 erstrecken sich die über die Länge der inneren Struktur 500 entlang einer Abgasströmrichtung durch die innere Struktur 500. Dadurch erstreckt sich jeder Brennstoffzellenteil 510 entlang einer ganzen Länge der inneren Struktur 500. Alternativ können sich ein oder mehrere Brennstoffzellenteile 510 nur teilweise entlang der Länge der inneren Struktur 500 erstrecken.

Jeder Brennstoffzellenteil 510 kann mit benachbarten Brennstoffzellenteilen 510 in Reihe geschaltet sein, wobei lediglich eine Anode 512 und eine Kathode 514 unverbunden bleiben können, um einen Ausgang 516 zu bilden. Eine solche Konfiguration kann als Brennstoffzellenstack dienen, um die Ausgangsspannung der Vorrichtung verglichen mit einer einzelnen Brennstoffzelle anzuheben. Es versteht sich, dass die Brennstoffzellenteile 510 in beliebiger Weise elektrisch verbunden werden können, um eine geeignete Anzahl an Ausgängen zu bilden. Weiterhin weist die dargestellte innere Struktur 500 zwar sechs separate Brennstoffzellenteile 510 auf, doch versteht sich, dass eine innere Struktur für eine katalytische Vorrichtung entweder eine größere oder kleinere Anzahl an separaten Brennstoffzellenteilen aufweisen kann.

7 zeigt allgemein bei 600 eine schematische Darstellung einer anderen beispielhaften Ausführung einer katalytischen Vorrichtung mit einem Dreiwegekatalysatorteil und mehreren an einem Träger 602 ausgebildeten Brennstoffzellenteilen. Die katalytische Vorrichtung 600 ist dafür ausgelegt, ein schwankendes fettes/mageres Abgas-Kraftstoff-/Luftverhältnis zu nutzen, um elektrisches Potenzial entlang einer Länge der katalytischen Vorrichtung in einer Luftströmungsrichtung zu erzeugen. Jeder Brennstoffzellenteil ist bei 604 gezeigt und weist eine erste Elektrodenstruktur 606, eine zweite Elektrodenstruktur 608 und ein Festelektrolyt 610 auf, das zwischen der ersten Elektrodenstruktur 606 und der zweiten Elektrodenstruktur 608 angeordnet ist. Einzelne Brennstoffzellenteile 604 können durch eine isolierende Schicht 612 getrennt werden, die dafür ausgelegt ist, ein Fließen von elektrischem Strom zwischen benachbarten Brennstoffzellenteilen 604 zu verhindern. Im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen anderen Ausführungen sind beide Elektrodenstrukturen 606 und 608 an einer Innenfläche des Trägers 602 angeordnet. Daher besteht keine Notwendigkeit, einer an einer Außenfläche des Trägers 602 angeordneten Elektrode ein Oxidans oder einen Brennstoff zuzuführen. Weiterhin kann eine katalytische Umwandlungsstruktur 614 teilweise oder vollständig über oder benachbart zu Elektrodenstrukturen 606 und 608, Elektrolyt 610 und isolierender Schicht 612 angeordnet sein.

Wie vorstehend beschrieben kann der Motor 10 so ausgelegt sein, dass er abwechselnde Zeiträume fetten und mageren Abgases erzeugt. Solche Schwankungen oder Veränderungen des Kraftstoff-/Luftverhältnisses können zum Beispiel zum Betreiben eines gewöhnlichen Dreiwegekatalysators verwendet werden. Diese Veränderungen können so ausgelegt werden, dass sie unabhängig von Motordrehzahl und Drehmomentbetriebsbedingungen erfolgen, und können stattdessen dafür ausgelegt werden, eine Funktion des chemischen Speicherpotenzials des Dreiwegekatalysators zum Steuern der Sauerstoffspeicherung im Katalysator für eine ordnungsgemäße Katalysatorfunktion zu sein. Diese Veränderungen erzeugen durch Veränderungen der Konzentrationen von nicht oxidierten/teilweise oxidierten Abgasbestandteilen und Sauerstoff im Abgas zu jeder vorgegebenen Zeit ein chemisches Potenzial zwischen zwei Punkten entlang der Länge der katalytischen Vorrichtung 600. Wenn sich die Veränderungen in der Abgaszusammensetzung durch die katalytische Vorrichtung 600 ausbreiten, kann das chemische Potenzial von den Brennstoffzellenteilen 604 genutzt werden, um elektrische Potenziale über den Brennstoffzellenteilen 604 zu erzeugen. Die Ausgänge der Brennstoffzellenteile 604 können mittels einer geeigneten Gleichrichtungsschaltung 616 gleichgerichtet werden, wodurch eine Ausgangsspannung zur Verwendung durch elektrische Systeme des Motors 10 oder andere elektrische Geräte erzeugt wird.

Die katalytische Vorrichtung 600 kann eine beliebige geeignete Anzahl an Brennstoffzellenteilen 604 aufweisen, die entlang ihrer Länge angeordnet sind. Die Anzahl und/oder Positionierung der Brennstoffzellenteile 604 kann auf beliebigen geeigneten Faktoren beruhen, einschließlich aber nicht ausschließlich Häufigkeit, Abstand und/oder Geschwindigkeit der Veränderungen der Abgaszusammensetzung, die sich durch die katalytische Vorrichtung 600 ausbreiten. Analog kann die Anzahl und/oder Positionierung der Brennstoffzellenteile 604 von einer erwünschten Ausgangsspannung oder einem erwünschten elektrischen Strom der Brennstoffzellenteile 604 abhängen.

Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Ausführungen von katalytischen Vorrichtungen beispielhafter Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungen nicht einschränkend aufgefasst werden dürfen, da zahlreiche Abänderungen möglich sind. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst weiterhin alle neuartigen und nicht nahe liegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Konfigurationen von katalytischen Umwandlungsteilen und Brennstoffzellenteilen und andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart werden. Die folgenden Ansprüche zeigen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen auf, welche als neuartig und nicht nahe liegend betrachtet werden. Diese Ansprüche können auf „ein" Element oder „ein erstes" Element oder eine Entsprechung desselben verweisen. Diese Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie das Integrieren eines oder mehrerer solcher Elemente umfassen, wobei sie zwei oder mehrere dieser Elemente weder fordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden, ob sie nun gegenüber dem Schutzumfang der ursprünglichen Ansprüche breiter, enger, gleich oder unterschiedlich sind, ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.


Anspruch[de]
Vorrichtung, welche umfasst:

einen Verbrennungsmotor;

eine Abgasanlage zum Leiten von aus dem Motor ausgestoßenem Abgas; und

eine der Abgasanlage zugeordnete katalytische Vorrichtung, wobei die katalytische Vorrichtung einen katalytischen Umwandlungsteil und einen Brennstoffzellenteil umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Vorrichtung einen Träger mit einer Innenfläche und einer Außenfläche umfasst und dass der Brennstoffzellenteil eine neben der Außenfläche des Trägers angeordnete Kathodenstruktur und eine neben der Innenfläche des Trägers anordnete Anodenstruktur umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der katalytische Umwandlungsteil eine an mindestens einem Teil der Anodenstruktur ausgebildete Dreiwegekatalysatorstruktur umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 2, welche weiterhin ein den Träger enthaltendes Gehäuse umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein stromaufwärts befindliches Ende umfasst, das an dem Gehäuse mittels einer Dichtung abgedichtet ist, die die Außenfläche gegenüber in der Abgasanlage strömenden Abgasen abdichtet. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen Oxidanseinlass umfasst, der zum Liefern eines Oxidans für die Kathode ausgelegt ist. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidanseinlass dafür ausgelegt ist, der Kathode Luft zu liefern. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidanseinlass dafür ausgelegt ist, der Kathode mageres Abgas zu liefern. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenteil ein erster Brennstoffzellenteil ist und dass die katalytische Vorrichtung weiterhin einen zweiten Brennstoffzellenteil umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Vorrichtung einen Träger mit einer Innenfläche und einer Außenfläche umfasst und dass der erste Brennstoffzellenteil und der zweite Brennstoffzellenteil jeweils eine an einem Teil der Außenfläche des Trägers ausgebildete Kathode und eine an einem Teil der Innenfläche des Trägers ausgebildete Anode umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Vorrichtung weiterhin einen dritten Brennstoffzellenteil umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoffzellenteil mit dem zweiten Brennstoffzellenteil elektrisch verbunden ist. Katalytische Vorrichtung zum Behandeln von Emissionen eines Verbrennungsmotors, wobei die katalytische Vorrichtung umfasst:

eine Trägerstruktur mit einer Außenfläche und einer Innenfläche, wobei die Trägerstruktur ein Festelektrolytmaterial aufweist;

eine Schicht aus einem Anodenmaterial, die auf mindestens einem Teil der Innenfläche der Trägerstruktur angeordnet ist;

eine Schicht aus einem Kathodenmaterial, die auf mindestens einem Teil der Außenfläche der Trägerstruktur angeordnet ist; und

eine Dreiwegekatalysatorschicht, die auf mindestens einem Teil der Schicht aus Anodenmaterial angeordnet ist.
Katalytische Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenmaterial über im Wesentlichen der gesamten Innenfläche der Trägerstruktur angeordnet ist. Katalytische Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenmaterial über im Wesentlichen der gesamten Außenfläche der Trägerstruktur angeordnet ist. Katalytische Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht des Kathoden- und die Schicht des Anodenmaterials jeweils in mehrere Abschnitte zum Bilden von mehreren Brennstoffzellenteilen unterteilt sind. Katalytische Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich jeder Abschnitt im Wesentlichen über eine Länge des Trägers in einer Abgasströmungsrichtung erstreckt. Katalytische Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Brennstoffzellenteile elektrisch in Reihe geschaltet sind. Katalytische Vorrichtung nach Anspruch 13, welche weiterhin ein Gehäuse mit einem Oxidanseinlass umfasst, der zum Zuführen eines Oxidans zu dem Kathodenmaterial ausgelegt ist. Vorrichtung, welche umfasst:

einen Verbrennungsmotor;

eine Abgasanlage zum Leiten von aus dem Motor ausgestoßenem Abgas; und

eine der Abgasanlage zugeordnete katalytische Vorrichtung, wobei die katalytische Vorrichtung einen katalytischen Umwandlungsteil und mehrere Brennstoffzellenteile umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Vorrichtung einen Träger mit einer Innenfläche und einer Außenfläche umfasst und dass jeder Brennstoffzellenteil der mehreren Brennstoffzellenteile eine neben einem Teil der Außenfläche des Trägers ausgebildete Kathode und eine neben einem Teil der Innenfläche des Trägers ausgebildete Anode umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass jede Anode und jede Kathode sich im Wesentlichen eine Länge des Trägers entlang einer Abgasströmungsrichtung erstrecken. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der katalytische Umwandlungsteil eine an mindestens einem Teil der Anodenstruktur ausgebildete Dreiwegekatalysatorstruktur umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 21, welche weiterhin ein den Träger enthaltendes Gehäuse umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein stromaufwärts befindliches Ende umfasst, das an dem Gehäuse mittels einer Dichtung abgedichtet ist. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen Oxidanseinlass umfasst, der zum Liefern eines Oxidans für die Kathode ausgelegt ist. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidanseinlass dafür ausgelegt ist, der Kathode Luft zu liefern. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidanseinlass dafür ausgelegt ist, der Kathode mageres Abgas zu liefern. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Brennstoffzellenteile der mehreren Brennstoffzellenteile elektrisch in Reihe geschaltet sind.






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