(57)【要約】  排気ガスや廃熱用のエネルギー回収変換器が提供される。変換器は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）、第１の分子酸素含有量を有する排気ガス、及び、外部電気負荷を含む。ＭＥＡは、第１の電極、第２の電極、及び、第１の電極と第２の電極との間に挟まれた酸素イオン伝導性膜とを含む。第１及び第２の電極のそれぞれは、電気化学反応を促進するように構成された少なくとも１つの酸化触媒を含む。ＭＥＡの第２の電極は、排気ガスに曝され、ＭＥＡの第１の電極は、第２の分子酸素含有量を有するガスに曝される。第２の分子酸素含有量は、第１の分子酸素含有量よりも高い。外部電気負荷は、ＭＥＡの第１電極と第２電極との間に接続される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極、第２の電極、及び、前記第１の電極と第２の電極との間に挟まれた酸素イオン伝導性膜を含む膜電極アセンブリであって、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれが、電気化学反応を促進するように構成された少なくとも１つの酸化触媒を含む、膜電極アセンブリと、
第１の分子酸素含有量を有する排気ガスであって、前記膜電極アセンブリの第２の電極が、前記排気ガスに曝され、前記膜電極アセンブリの第１の電極が、第２の分子酸素含有量を有するガスに曝され、前記第２の分子酸素含有量が、前記第１の分子酸素含有量よりも高い、排気ガスと、
前記膜電極アセンブリの第１電極と第２電極との間に接続された外部電気負荷と、
を備える、排気ガス又は廃熱用のエネルギー回収変換器。
【請求項２】
前記排気ガスを生成するために、燃料が酸素に富むガスと混合され、燃焼される、請求項１に記載のエネルギー回収変換器。
【請求項３】
前記少なくとも１つの酸化触媒が白金／パラジウム触媒である、請求項１に記載のエネルギー回収変換器。
【請求項４】
少なくとも１つの還元触媒を含む第１のチャンバをさらに備える、請求項１に記載のエネルギー回収変換器。
【請求項５】
前記少なくとも１つの還元触媒が、ロジウム及び白金からなる群から選択される、請求項４に記載のエネルギー回収変換器。
【請求項６】
前記少なくとも１つの還元触媒がロジウムである、請求項５に記載のエネルギー回収変換器。
【請求項７】
前記排気ガスが、炭化水素、窒素酸化物及び水を含み、
前記第１のチャンバにおいて、前記排気ガス中の炭化水素及び水が、前記ロジウム触媒によって水、二酸化炭素、窒素及び一酸化炭素に変換される、請求項６に記載のエネルギー回収変換器。
【請求項８】
前記第２の分子酸素含有量を有するガスからの酸素が、前記第１の電極に入り、そこに含まれる前記少なくとも１つの酸化触媒によって酸化されて、酸素イオンを生成し、
前記酸素イオンが、前記酸素イオン伝導性膜を通って伝導され、電子が、前記外部電気負荷に放出され、
前記電子が、前記外部電気負荷から前記第２の電極に移動し、前記酸素イオンと結合して、前記一酸化炭素及び未反応の炭化水素をそれらのそれぞれの反応電位で酸化する、請求項７に記載のエネルギー回収変換器。
【請求項９】
変換器を使用して機械式エンジンからの排気ガスを精製する方法であって、
前記変換器が、
接触還元チャンバと、
第１の電極、第２の電極、及び、前記第１の電極と前記第２の電極との間に挟まれた酸素イオン伝導性膜を含む膜電極アセンブリであって、記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれが、電気化学反応を促進するように構成された少なくとも１つの酸化触媒を含む、膜電極アセンブリと、
炭化水素、窒素酸化物及び水を含む排気ガスであって、前記排気ガスが、第１の分子酸素含有量を有し、前記膜電極アセンブリの第２の電極が、前記排気ガスに曝され、前記膜電極アセンブリの第１の電極が、前記ガス内に含まれる酸素が前記第１の電極に入るような第２の分子酸素含有量を有するガスに曝され、前記第２の分子酸素含有量が、前記第１の分子酸素含有量よりも高い、排気ガスと、
前記膜電極アセンブリの第１電極と第２電極との間に接続された外部電気負荷と、
を備え、
前記方法が、
前記排気ガスの炭化水素、窒素酸化物及び水が反応ガスに変換されるように、前記排気ガスを前記接触還元チャンバに移送する段階であって、前記反応ガスが、水素元素、一酸化炭素、二酸化炭素及び窒素元素である、移送する段階と、
前記反応ガス、水及び未燃炭化水素を含む流れを前記接触還元チャンバから前記第２の電極に移送する段階と、
前記酸素イオンが、前記酸素イオン伝導性膜を通って伝導され、電子が、同時に前記外部電気回路に放出されるように、前記第２の分子酸素含有量を有する前記ガスからの酸素を酸化して酸素イオンを生成する段階と、
前記酸素イオンと結合するように前記電子を前記外部電気回路から前記第１の電極に移送する段階であって、それらのそれぞれの反応電位で前記一酸化炭素及び未燃炭化水素との酸化反応のために移送する段階と、
を含む、排気ガスを精製する方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの酸化触媒が白金／パラジウム触媒である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記接触還元チャンバが、ロジウム及び白金からなる群から選択される触媒を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記触媒がロジウムである、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１８年８月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／７２０，９９６号の優先権を主張し、その開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、排気ガス又は廃熱用のエネルギー回収変換器に関する。
【背景技術】
【０００３】
機械式エンジン、特に内燃機関の燃料燃焼及びエネルギー変換の効率は、長年の課題であることがよく理解されている。ピストン式内燃機関はオットーサイクルで作動し、低温の周囲空気がピストンによって圧縮され、エンジンのシリンダー内での燃料燃焼によって非常に高温に加熱される。サイクルが続くにつれてピストンに対して加熱された空気が膨張すると、低温での空気の初期の圧縮中に消費されるよりも多くの仕事が発生する。燃焼タービンやスクラムジェットなどの他のエンジンも、異なる熱力学的サイクルで動作するが、内燃機関のカテゴリに含まれる。例えば、そのような他のエンジンは、ピストン又はタービンを使用してシャフト作業が行われ、作動流体を低温で圧縮し、次に作動流体の温度が上昇して、作動流体がピストンやタービンなどの負荷に対して膨張し、それによってシャフトの仕事を生み出すことを可能にする熱力学的サイクルで動作し得る。作動流体を使用するすべてのエンジンの動作の鍵は、高温で作動流体を膨張させることによって生成される仕事よりも、低温で作動流体を圧縮するために必要な仕事が少ないことである。これは、作動流体を使用するすべての熱力学エンジンに当て嵌まる。
【０００４】
図１を参照すると、ピストン型内燃機関の排気ガス温度の代表的なグラフが、毎分回転数（ｒｐｍ）でのエンジン速度の関数として示されている。排気温度がエンジン出力とともに上昇することが一般的に理解されており、エンジンの非効率性とエンジンの廃熱を放散する必要性に直接関係する。エンジンの非効率性に関連する問題は、本質的に２つある：（１）有用な仕事に変換される燃料から利用できるエネルギーの割合が限られている。（２）エンジンからの燃焼生成物には、ＮＯｘ、一酸化炭素、部分燃焼炭化水素などの有毒ガスが含まれる。
【０００５】
触媒変換器は、排気ガス中の有毒ガスを必要に応じて酸化及び低減するために開発されている。しかしながら、触媒変換器は、ＮＯＸの還元と、完全に燃焼していない残りの燃料生成物、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）の完全燃焼を触媒するため、廃熱も発生する。自動車産業は、排気ガスからの廃熱を利用するための努力に長い間取り組んできた。しかし、主に利用可能な技術のコスト及び／又は効率の低さのために、以前の努力は限られた成功しかもたらさなかった。
【０００６】
大きな注目を集めたアプローチの１つは、ゼーベック効果に基づく半導体熱電変換器の使用であった。しかしながら、既存の半導体熱電変換器は、動作エンジン排気温度で、最良で約６％の変換効率を提供するだけである。動作させるには、熱電変換器を一方の側で加熱し、もう一方の側で冷却する必要がある。より具体的には、一方の側はエンジン廃熱によって加熱され、他方の側を冷却するために冷却水フローループ又は他の能動的冷却が必要である。既存の半導体熱電変換器を実装するために必要な熱交換器、セラミックプレート、ポンプ及びファンを含み得る冷却ループに関連する複雑さにより、このアプローチは、特に比較的効率が低く、関連する少量の発電を考慮すると、それらの使用を正当化できないほど高価になった。高温のエンジン排気に対して低温を維持するために必要なプラントコンポーネントのバランスのためのシステムコストは、費用効果の高い解決策を生み出さない。
【０００７】
１５％の最終効率目標を持つ高度な量子熱電ベースのデバイスも開発されている。しかしながら、分子拡散と移動の問題のため、量子井戸デバイスに必要なナノ構造が約２００℃を超える温度での動作中に維持できるかどうかは不明である。量子井戸デバイスの２００℃の温度制限は、性能がカルノーの５０％の範囲であっても、１５％の変換効率を超えることができないことを意味する。量子井戸熱電デバイスの構築が製造の観点から拡張可能であることも明らかではない。
【０００８】
２００３年４月２８日に出願された米国特許第７，１６０，６３９号明細書に開示されている別のタイプの熱電気化学変換器も開発されており、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。この熱電気化学変換器は、イオン化可能なガス（水素又は酸素）を作動流体として使用する電気化学プロセスを使用して、電力を生成する。燃料セルで使用されるものと同様の２つの電気化学膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）セルスタックは、必要なヒートエンジンの圧縮及び膨張プロセスを実行し、一方のＭＥＡスタックは比較的低温で動作し、他方のＭＥＡスタックは比較的高温で動作する。作動流体は、２つのＭＥＡスタック間を連続ループで循環する。作動流体の膨張によって高温ＭＥＡスタックで電力が生成されるので、電力は、作動流体を圧縮するために低温ＭＥＡスタックに適用される。他のエンジンと同様に、高温膨張時には、低温圧縮時に消費されるよりも多くの出力が生成される。
【０００９】
この変換器の性能は、ネルンストの式に従って、高温ＭＥＡスタックよりも低い電圧で動作する低温ＭＥＡスタックの形で表される。つまり、低温のＭＥＡスタックは、比較的低い電圧で水素を圧縮し、高温のＭＥＡスタックは、比較的高い電圧で水素を膨張させる。２つのＭＥＡスタック間の電圧差は、外部負荷に印加される。作動流体（水素など）は、エンジン内を継続的に循環し、消費されることはない。２つのＭＥＡスタック及び外部負荷を流れる電流は同じである。ゼーベック効果に基づく熱電変換器と同様に、このタイプの変換器は、動作するためにエンジンの排気熱に対して温度差を必要とする。このタイプの変換器は、効率が高く、関連する出力が高いため、ゼーベック効果に基づく変換器よりも費用効果が高くなるが、温度差を維持するために冷却が必要なため、実装は比較的複雑である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第７，１６０，６３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の触媒変換器は、機械式エンジンの排気ガス又は廃ガス中の有毒ガスを酸化及び／又は低減するための改良された装置及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一実施形態では、本発明は、排気ガス又は廃熱のためのエネルギー回収変換器に関する。変換器は、膜電極接合体（ＭＥＡ）、第１の分子酸素含有量を有する排気ガス、及び、外部電気負荷を含む。ＭＥＡは、第１の電極、第２の電極、及び、第１の電極と第２の電極との間に挟まれた酸素イオン伝導性膜とを含む。第１及び第２の電極のそれぞれは、電気化学反応を促進するように構成された少なくとも１つの酸化触媒を含む。ＭＥＡの第２の電極は、排気ガスに曝され、ＭＥＡの第１の電極は、第２の分子酸素含有量を有するガスに曝される。第２の分子酸素含有量は、第１の分子酸素含有量よりも高い。外部電気負荷は、ＭＥＡの第１電極と第２電極との間に接続される。
【００１３】
別の実施形態では、本発明は、変換器を使用して機械式エンジンからの排気ガスを精製するための方法に関する。変換器には、触媒還元チャンバ、膜電極接合体（ＭＥＡ）、排気ガス、及び、外部電気負荷が含まれる。ＭＥＡは、第１の電極、第２の電極、及び、第１の電極と第２の電極との間に挟まれた酸素イオン伝導性膜を含む。第１及び第２の電極のそれぞれは、電気化学反応を促進するように構成された少なくとも１つの酸化触媒を含む。排気ガスは、炭化水素、窒素酸化物及び水を含み、第１の分子酸素含有量を有する。ＭＥＡの第２の電極は、排気ガスに曝され、ＭＥＡの第１の電極は、ガス内に含まれる酸素が第１の電極に入るように、第２の分子酸素含有量を有するガスに曝される。第２の分子酸素含有量は、第１の分子酸素含有量よりも高い。外部電気負荷は、ＭＥＡの第１電極と第２電極との間に接続される。この方法は、排気ガスの炭化水素、窒素酸化物及び水が反応ガスに変換されるように、排気ガスを接触還元チャンバに移送する段階であって、反応ガスが、水素元素、一酸化炭素、二酸化炭素及び窒素元素である、移送する段階と、反応ガス、水及び未燃炭化水素を含む流れを接触還元チャンバから第２の電極に移送する段階と、酸素イオンが、酸素イオン伝導性膜を通って伝導され、電子が、同時に外部電気回路に放出されるように、第２の分子酸素含有量を有するガスからの酸素を酸化して酸素イオンを生成する段階と、酸素イオンと結合するように電子を外部電気回路から第１の電極に移送する段階であって、それらのそれぞれの反応電位で一酸化炭素及び未燃炭化水素との酸化反応のために移送する段階と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むと、よりよく理解されるであろう。本発明を説明する目的で、現在好ましい実施形態が図面に示されている。しかしながら、本発明は、示された正確な配置及び手段に限定されないことが理解される。
【００１５】
【図１】エンジン速度の関数としてのピストン型内燃機関の排気ガス温度の代表的なグラフを示す。
【図２】本発明の好ましい実施形態による三元触媒変換器の概略図を提供する。
【図３】本発明の好ましい実施形態によるピストン型内燃機関を含む触媒変換器システムの概略図を提供する。
【図４】本発明の別の好ましい実施形態によるピストン型内燃機関を含む触媒変換器システムの概略図を提供する。
【図４Ａ】図４に示される触媒変換器システムのＭＥＡスタックアセンブリの断面の拡大図を提供する。
【図５】本発明の好ましい実施形態によるタービンエンジンを含む触媒変換器システムの概略図を提供する。
【図５Ａ】図５に示される触媒変換器システムのＭＥＡスタックの拡大図の拡大図を提供する。
【図６】本発明の好ましい実施形態によるスクラムジェットエンジンを含む触媒変換器システムの概略図を提供する。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図２を参照すると、本発明による排気ガス又は廃熱用のエネルギー回収変換器２０、すなわち触媒変換器２０、より具体的には三元型触媒変換器２０が示されている。触媒変換器２０は、内燃機関などからの排気ガス中の有毒ガス及び汚染物質を、より毒性の低い又は有害な排気ガスに還元する。触媒変換器２０は、第１のチャンバ１２及び第２のチャンバ２２を含む。第１のチャンバ１２は、１つ又は複数の還元触媒を含み（従って、触媒還元チャンバである）、第２のチャンバ２２は、１つ又は複数の酸化触媒を含む（従って、触媒酸化チャンバである）。還元触媒の例には、ロジウム、白金、遷移金属大環状化合物、及び、カルゴゲナイドが含まれるが、これらに限定されない。好ましい実施形態では、第１のチャンバ１２の還元触媒は、ロジウム金属であり、より具体的には、細かく分割されたロジウム金属である。
【００１７】
エンジン排気ガス又は廃熱流１１は、本明細書では一般に排気ガスと呼ばれ、触媒変換器２０の第１のチャンバ１２に最初に提供される。第１のチャンバ１２において、第１のチャンバ１２の還元触媒は、以下の反応によって、排気ガス中の未燃炭化水素及び水を還元して、水素元素Ｈ２を生成する：
炭化水素＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ
【００１８】
次に、この反応で生成された水素元素は、排気ガス中の窒素酸化物と反応し、次の反応によってそれらを窒素元素に還元する：
２ＮＯ＋２Ｈ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ
【００１９】
炭化水素と水の還元から生成された一酸化炭素は、次の反応によって、排気ガス中の窒素酸化物を窒素元素と二酸化炭素に還元するためにも利用できる：
２ＮＯ＋２ＣＯ→Ｎ２＋２ＣＯ２
２ＣＯ＋ＮＯ２→Ｎ２＋２ＣＯ２
【００２０】
次に、反応ガス、水、及び、部分的に燃焼した炭化水素の流れ１５は、第１のチャンバ１２を出て、第２のチャンバ２２に移動する。第２のチャンバ２２は、酸素伝導性膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）スタック９を備えているか、それを含み、又はそれによって形成されている。ＭＥＡスタック９は、イオン伝導性膜１８を挟む第１及び第２の電極１４、１６を含む。第１の電極１４は、カソードであり、第２の電極１６は、アノードである。第１及び第２の電極１４、１６のそれぞれは、触媒、より好ましくは酸化触媒を含む。使用できる酸化触媒の例には、白金、パラジウム、金属酸化物、遷移金属大環状化合物、およびカルゴゲナイドが含まれるが、これらに限定されない。好ましくは、第１及び第２の電極１４、１６のそれぞれに含まれる酸化触媒は、白金／パラジウム触媒である。
【００２１】
周囲環境からの周囲空気は、ＭＥＡスタック９を介して第２のチャンバ２２に導入される。より具体的には、周囲空気と排気ガスとの間の酸素分圧差の下で、周囲空気内に含まれる酸素は、アノード１６に入り、そこで、そこに含まれる触媒によって酸化される。得られた酸素イオンは、放出された電子が外部負荷１９又はエネルギー貯蔵装置１７などの外部回路に同時に放出されるときに、イオン伝導性膜１８を介して伝導される。この回路はカソード１４で完了し、外部回路からの電子がイオン伝導性膜１８を介して伝導される酸素イオンと結合して、それぞれの反応電位での一酸化炭素及び未反応の炭化水素との酸化反応を行う。
【００２２】
具体的には、部分的に燃焼した（すなわち、残りの未燃の）炭化水素は、ＭＥＡスタック９を介して伝導された酸素と反応し、二酸化炭素及び水に変換され、第１のチャンバ１２で生成され、第２のチャンバ２２に導入された一酸化炭素は、以下の反応により、ＭＥＡスタック９を介して伝導された酸素と反応し、二酸化炭素を生成する：
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２
炭化水素＋Ｏ２→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２
【００２３】
第２のチャンバ２２における酸化反応に加えて、電力はまた、周囲空気と排気ガスとの間の酸素分圧差の下で、変換器２０によって生成される。ネルンストポテンシャルの下で引き出される電力は、ＭＥＡスタック９を介して変換器２０に導入される追加の酸素のために、排気流中の酸素含有量の増加をもたらす。より具体的には、未反応の燃焼生成物の電気化学反応ポテンシャルに加えて、排気の高温及び周囲空気中の酸素の酸素分圧に対するその低い酸素分圧は、ネルンストの式に従って電圧を生成する：
【数１】
2021535552.tif 000003
【００２４】
ここで、Ｒはガス定数（８．３１Ｊ／ｍｏｌ−Ｋ）、Ｔはセルの動作温度、Ｆはファラデー定数（９６，４８７Ｃ／ｍｏｌ）である。高温の排気ガスは、周囲空気の酸素の膨張熱源であり、それは、分圧差の下で、ＭＥＡスタック９を通って第２のチャンバ２２に伝導される。
【００２５】
例えば、酸素は、周囲大気の２０％であり、空気中の酸素分圧は、２．９４ｐｓｉである。他方、内燃機関などからの排気ガス流は、通常、約０．５％の酸素を含み、酸素の分圧は、０．０７３５ｐｓｉである。従って、周囲空気と一般的なエンジン排気流との間の酸素分圧の結果として生じる比率は、４０である。図１に示すように、２，０００ｒｐｍで動作する代表的なエンジンの排気流の温度は５００℃である。従って、ネルンストの式によって計算された、ＭＥＡスタック９の結果として生じる開回路電圧は、１２３ｍＶである。得られた電気エネルギーは、外部負荷１９に直接供給されてもよく、又は必要になるまでエネルギー貯蔵装置１７内に貯蔵されてもよい。
【００２６】
図３を参照すると、本発明による、排気ガス又は廃熱用のエネルギー回収変換器３０、すなわち触媒変換器システム３０のさらなる実施形態が示されている。変換器システム３０は、ピストン型内燃機関４２、第１のチャンバ２５及びＭＥＡスタック２４を含む。内燃機関は、任意の従来のエンジンであり得、内燃機関４２によって生成された排気ガス２８が通過する排気ガスマニホールド４４を含む。内燃機関４２によって生成される排気ガス２８は、部分的に燃焼された燃料（すなわち、炭化水素）、一酸化炭素、亜酸化窒素（ＮＯｘ）、二酸化炭素及び残留酸素を含む。変換器システム３０は、排気ガス流２８から廃棄物エネルギーを回収することができる三元型触媒変換器として機能する。
【００２７】
第１のチャンバ２５は、好ましくは還元触媒、より好ましくは細かく分割されたロジウム金属を含む。そのようなものとして、第１のチャンバ２５は、接触還元チャンバ２５であり、主に、排気ガス中の炭化水素及び水を元素水素及び一酸化炭素に還元し、窒素酸化物を窒素、二酸化炭素及び水に還元するように機能する。
【００２８】
従って、触媒還元チャンバ２５を出る排気ガス流３６は、水、一酸化炭素、残りの燃料、及び、部分的に燃焼した炭化水素、窒素及び二酸化炭素を含む。利用可能な酸素が一酸化炭素又は炭化水素と反応するため、理想的には、微量の酸素のみが残る。次に、触媒還元チャンバ２５を出る排気ガス流３６は、ＭＥＡスタック２４を通過する。
【００２９】
ＭＥＡスタック２４は、本質的に、排気ガス流３６を酸化するための酸化反応チャンバとして機能する。ＭＥＡスタック２４は、第１及び第２の電極３０、３２の間に挟まれた酸素イオン伝導性膜３１を含む。第１及び第２の電極３０、３２のそれぞれは、触媒、好ましくは酸化触媒、より好ましくは白金／パラジウム触媒を含む。膜３１は、本質的に、周囲空気と排気ガス流３６との間の酸素イオン伝導性障壁として機能し、第１の電極３０は、排気ガス流３６の流れ内に配置され、それと接触し、第２の電極３２は、周囲空気に曝される。周囲空気と排気ガス流３６との間の酸素分圧差の下で、酸素は、第２の電極３２に入り、そこで酸化触媒によって酸化される。得られた酸素イオンは、放出された電子が外部負荷１９の外部に伝導され、外部負荷１９を通過するときに、膜３１を介して伝導される。図２の実施形態に関して上で論じたように、この回路は、第１の電極３０で完了し、ここで、外部回路からの電子は、それぞれの反応電位で一酸化炭素及び未反応炭化水素との酸化反応（そこに含まれる酸化触媒による）のために、膜３１を介して伝導される酸素イオンと結合して、水及び増加した量の二酸化炭素を含む混合物３８を生成する。
【００３０】
従って、触媒還元チャンバ２５及びＭＥＡスタック２４は、エンジン排気ガス流中の反応生成物の酸化及び還元を促進することにより、触媒変換器の要件を満たす。周囲空気／排気ガスの酸素圧力差の下でＭＥＡスタック２４を通って伝導される過剰な酸素のために、酸素含有量も増加する。ＭＥＡスタック２４を介した酸素の伝導によって生成された電気エネルギーは、外部負荷に直接供給されてもよく、又は必要になるまでエネルギー貯蔵装置１７内に貯蔵されてもよい。
【００３１】
図４を参照すると、本発明による排気ガス又は廃熱用のエネルギー回収変換器の別の実施形態が示されている。変換器７０は、ピストン型内燃機関７２及び第１のチャンバ７５に加えて、ＭＥＡスタックアセンブリ７３の形態で有用な電圧及び電流レベルで電力を生成するために、ＭＥＡスタックの直列及び並列電気接続を含むアセンブリを備える。図３の実施形態と同様に、内燃機関は、エンジン７２によって生成された排気ガス７８が通過する排気ガスマニホールド７４を含む。内燃機関７２によって生成される排気ガス７８は、部分的に燃焼された燃料（すなわち、炭化水素）、一酸化炭素、亜酸化窒素（ＮＯｘ）、二酸化炭素及び残留酸素を含む。第１のチャンバ７５は、還元触媒、好ましくは細かく分割されたロジウムを含み、主に排気ガス７８中の炭化水素及び水を元素水素及び一酸化炭素に還元し、窒素酸化物を窒素、二酸化炭素及び水に還元するように機能する。
【００３２】
従って、触媒還元チャンバ７５を出る排気ガス流７６は、水、一酸化炭素、残りの燃料、及び部分的に燃焼した炭化水素、窒素、及び二酸化炭素を含む。利用可能な酸素が一酸化炭素又は炭化水素と反応するため、理想的には、微量の酸素のみが残る。次に、触媒還元チャンバ７５を出る排気ガス流７６は、ＭＥＡスタックアセンブリ７３を通過する。
【００３３】
この実施形態では、ＭＥＡスタックアセンブリ７３は、複数のセクション、好ましくは３つのセクション５７ａ、５７ｂ及び５７ｃで構成される。セクション５７ａ、５７ｂ、５７ｃは、好ましくは、コネクタ５９によって直列に電気的に接続されて、より高い正味出力電圧をもたらす。セクション５７ａの拡大図は、図４Ａに示され、セクション５７ｂ及び５７ｃは、セクション５７ａと同一である。図４Ａを参照すると、ＭＥＡスタックアセンブリ７３の各セクション５７ａ、５７ｂ、５７ｃは、互いに並列に負の端子５３に電気的に接続された第１の複数の電極５８と、互いに並列に正の端子５１に電気的に接続された第２の複数の電極５４とを含む。膜５２は、第１及び第２の電極５８、５４の各対の間に配置される。第１及び第２の電極５８、５４のそれぞれは、触媒、好ましくは白金／パラジウム触媒を含む。第１の複数の電極５８は、周囲空気に曝され、第２の複数の電極５４は、排気ガスと接触している。
【００３４】
周囲空気／排気ガスの酸素圧力差のために、周囲空気からの酸素は、第１の複数の電極５８に入る。入ってくる酸素は、第１の電極５８のそれぞれに含まれる触媒によって酸化され、電子は、負の端子５３に放出され、酸素イオン５６は、それぞれの膜５２を通ってそれぞれの第２の電極５４に伝導される。次に、図２及び図３に関して上記で説明されたものと同じ方法において、電子は、負及び正の端子５３及び５１を介して外部回路を通って、最終的には、それぞれの第２の電極５４に送られ、そこで、一酸化炭素及び未反応の炭化水素との酸化反応のために、第２の電極５４内に含まれる触媒によって、それぞれの反応電位で酸素イオンと結合する。従って、第２の電極５４は、エンジン排気ガス流中の生成物の酸化反応を促進することにより、触媒変換器の要件を満たす。そのようなものとして、部分的に燃焼した燃料（例えば、炭化水素）及び一酸化炭素は、ＭＥＡスタックアセンブリ７３を介して伝導される酸素と反応して、水及び増加した量の二酸化炭素を含む混合物７８を生成する。
【００３５】
図２に関して上記されるように、酸化反応に加えて、電力は、ネルンストの式に従って、周囲空気から得られる豊富な酸素と枯渇した酸素含有量のエンジン排気ガス流との間の酸素分圧差からも生成される。分圧差下での変換器を介した酸素の膨張は、直接的に電気を生成し、排気流中の酸素含有量の増加をもたらす。ＭＥＡスタックアセンブリ７３によって生成された電気エネルギーは、外部負荷１９に直接供給されてもよく、又は必要になるまでエネルギー貯蔵装置（図４には示されていない）内に貯蔵されてもよい。
【００３６】
図５を参照すると、本発明による排気ガス又は廃熱用のエネルギー回収変換器の別の実施形態が示されている。変換器は、タービンエンジン９０の一部であり、タービンエンジン９０からエネルギーを抽出するように構成されている。タービンエンジン９０は、吸気セクション６０、タービン空気圧縮機セクション６２、燃焼室６６、触媒還元セクション（図示しないが、図３に示される触媒還元セクション２５と同様）、及び、パワータービンセクション６４を含む。圧縮機セクション６２からの燃料及び圧縮空気の一部は、燃料が燃焼される燃焼室６６に供給される。残りの圧縮空気は、燃焼室６６の外側の周りを流れる。
【００３７】
燃焼室６６内の排気は、炭化水素燃料／酸素燃焼反応からの水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を含む。さらに、周囲の吸気中の窒素及び酸素は、燃焼室６６内において高温で反応して、亜酸化窒素（ＮＯｘ）を生成する。一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）などの不完全な燃料燃焼生成物もまた、燃焼室６６のエンジン排気中に存在する。燃焼プロセスにより、排気ガスから実質的に酸素が枯渇する。
【００３８】
変換器は、ＭＥＡスタックアセンブリ、より具体的には、第１及び第２のＭＥＡスタック６８を含む。第１及び第２のＭＥＡスタック６８は、燃焼室６６の壁、特に点火後領域に配置されている。ＭＥＡスタック６８のうちの１つの拡大図が図５Ａに示されている。ＭＥＡスタック６８のそれぞれは、一対の電極６１、６３の間に挟まれたイオン伝導性膜６５を含む。ＭＥＡスタック６８のそれぞれは、第１の電極６１がタービンエンジンの燃焼排気ガスに曝され、第２の電極６３が圧縮空気流に曝されるように配置されている。
【００３９】
ＭＥＡスタック６８のそれぞれの膜６５は、周囲空気と排気ガス流との間の酸素イオン伝導性障壁である。第１及び第２の電極６１及び６３のそれぞれは、触媒、好ましくは酸化触媒、より好ましくは白金／パラジウム触媒を含む。圧縮空気と排気ガスとの間の酸素分圧差の下で、酸素は、第２の電極６３に入り、そこで酸化され、結果として生じる酸素イオンは、膜６５を通って伝導され、放出された電子は、負荷（図５に示されない）を通して外部に伝導される。この回路は、第１の電極６１で完了し、ここで、外部回路からの電子は、それぞれの反応電位で一酸化炭素及び排気流中の未反応炭化水素との酸化反応のために酸素イオンと結合して、水と増加した二酸化炭素の含有量を含む混合物を生成する。ＭＥＡスタック６８のそれぞれの第１の電極６１は、エンジン排気流中の反応生成物の酸化を促進することにより、触媒変換器の要件を満たす。
【００４０】
酸化反応に加えて、電力は、ネルンストの式に従って、周囲空気から得られる豊富な酸素と枯渇した酸素含有量のエンジン排気流との間の酸素分圧差からも生成される。分圧差下での変換器を介した酸素の膨張は、直接的に電気を生成し、燃焼室６６を出るガス中の酸素含有量の増加をもたらす。
【００４１】
図６を参照すると、本発明による排気ガス又は廃熱用のエネルギー回収変換器の別の実施形態が示されている。変換器は、スクラムジェットエンジンの一部であり、スクラムジェットエンジンからエネルギーを抽出するように構成されている。スクラムジェットエンジンは、空気入口セクション７０、アイソレータセクション７２、燃焼器セクション７６及びノズルセクション７４を含む。変換器はまた、ＭＥＡアセンブリ、すなわち、第１及び第２のＭＥＡスタック７８を含む。ＭＥＡスタック７８は、燃焼セクション７６を通る流れを、燃料燃焼領域及び空気フロースルー領域に部分的に分離する。燃料及びアイソレータセクション７２からの空気の一部は、燃料燃焼領域に供給される。空気の残りの部分は、ＭＥＡスタック７８のそれぞれの反対側を通過し、その結果、各スタック７８の第１の電極７１は、燃焼ガスに曝され、各スタック７８の第２の電極７３は、アイソレータセクション７２から直接提供される、酸素に富む空気流に曝される。
【００４２】
各ＭＥＡスタック７８の第１及び第２の電極７１、７３の間に配置された膜７５は、第２の電極７３に曝された酸素に富む空気流を、第１の電極７１に曝された酸素枯渇後燃焼ガス流から分離する酸素イオン伝導性障壁である。第１及び第２の電極７１、７３のそれぞれは、触媒、好ましくは酸化触媒、より好ましくは白金／パラジウム触媒を含む。アイソレータセクション７２からの空気と排気ガスとの間の酸素分圧差の下で、酸素は、第２の電極７３に入り、そこに含まれる触媒によってその中で酸化され、結果として生じる酸素イオンは、イオン伝導性膜７５を通って第１の電極７１に伝導され、放出された電子は、負荷（図６には示されていない）を介して外部に伝導される。この回路は、第１の電極７１で完了し、ここで、外部回路からの電子は、それぞれの反応電位で燃焼ガス流中の一酸化炭素及び未反応炭化水素との酸化反応のために、イオン伝導性膜７５を介して伝導される酸素イオンと結合する。変換器は、図３から図５に関して上記したように、触媒還元セクション及び排気ガス組成物を含む。
【００４３】
第１の電極７１は、エンジン排気流中の反応生成物の酸化を促進することにより、触媒変換器の要件を満たす。そのようなものとして、部分的に燃焼した燃料（例えば、炭化水素）及び一酸化炭素は、ＭＥＡを介して伝導される酸素と反応して、水及び増加した二酸化炭素含有量を含む混合物を生成する。
【００４４】
ネルンストの式に従って、酸化反応に加えて、電力は、周囲の空気から得られる豊富な酸素と枯渇した酸素含有量の燃料燃焼生成物との間の酸素分圧差からも生成される。分圧差下での変換器を介した酸素の膨張は、直接的に電気を生成する。
【００４５】
上記の変換器／システムのいずれも、工業施設に処理熱を供給するのに適している可能性がある。例示的な施設は、生の鉱石、木材、又は紙の乾燥プロセスから金属を処理及び分離するために熱が必要とされる施設であろう。基本的に、工業用処理施設は、プロセス熱源として燃料を燃焼させる過程で、酸素に富むガスから酸素が枯渇したガスを生成する。余熱と不完全燃焼生成物は、しばしば無駄になる。
【００４６】
当業者は、その広範な発明概念から逸脱することなく、上記の実施形態に変更を加えることができることを理解されたい。従って、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されないが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神及び範囲内の変更をカバーすることを意図していることが理解される。
【符号の説明】
【００４７】
９  ＭＥＡスタック
１１  廃熱流
１２  第１のチャンバ
１４  第１の電極
１５  炭化水素の流れ
１６  第２の電極
１７  エネルギー貯蔵装置
１８  イオン伝導性膜
１９  外部負荷
２０  変換器
２２  第２のチャンバ
２４  ＭＥＡスタック
２５  第１のチャンバ
２８  排気ガス
３０  第１の電極
３１  酸素イオン伝導性膜
３２  第２の電極
３６  排気ガス流
３８  混合物
４２  ピストン型内燃機関
４４  排気ガスマニホールド
５１  正の端子
５２  膜
５３  負の端子
５４  第２の電極
５６  酸素イオン
５７ａ  セクション
５７ｂ  セクション
５７ｃ  セクション
５８  第１の電極
５９  第２の電極
６０  吸気セクション
６１  電極
６２  タービン空気圧縮機セクション
６３  電極
６４  パワータービンセクション
６５  イオン伝導性膜
６６  燃焼室
６８  ＭＥＡスタック
７０  空気入口セクション
７１  第１の電極
７２  アイソレータセクション
７３  第２の電極
７４  ノズルセクション
７５  イオン伝導性膜
７６  燃焼器セクション
７８  排気ガス
９０  タービンエンジン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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