(57)【要約】  水素を用いて稼動可能な燃焼機関用、又は燃料電池用の燃料供給装置であって、水素タンクを備え、この水素タンクが、深冷却された液状の水素を貯蔵するために設けられていて、熱交換器を備え、この熱交換器が、深冷却された水素を予熱するために設けられていて、更にこの熱交換器が、少なくとも１つの燃料入口を有し、この燃料入口が水素タンクと流体接続状態にあり、燃料入口と流体接続状態にある少なくとも１つの燃料出口を有し、この燃料出口を介し、予熱された水素が熱交換器から排出され、少なくとも１つの冷却剤入口を有し、この冷却剤入口を介し、燃焼機関或いは燃料電池の冷却循環路からの熱い冷却剤が熱交換器に供給され、冷却剤入口と流体接続状態にある少なくとも１つの冷却剤出口を有し、この冷却剤出口を介し、熱を水素へと放出した冷却された冷却剤が熱交換器から排出される。熱交換器が液密なジャケットにより包囲されている。熱交換器とジャケットの間には中間空間が設けられていて、この中間空間が、熱を熱交換器へと放出し且つ熱交換器を周囲に対して断熱する流体により通流されている。
2008513654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を用いて稼動可能な燃焼機関（２）用、又は燃料電池用の燃料供給装置（１）であって、
−  水素タンク（３）を備え、この水素タンク（３）が、深冷却された液状の水素を貯蔵するために設けられていて、
−  熱交換器（４）を備え、この熱交換器（４）が、深冷却された水素を予熱するために設けられていて、更にこの熱交換器（４）が、
少なくとも１つの燃料入口（８、９）を有し、この燃料入口（８、９）が水素タンク（３）と流体接続状態にあり、
燃料入口（８、９）と流体接続状態にある少なくとも１つの燃料出口（１０、１１）を有し、この燃料出口（１０、１１）を介し、予熱された水素が熱交換器（４）から排出され、
少なくとも１つの冷却剤入口（１６）を有し、この冷却剤入口（１６）を介し、燃焼機関（２）或いは燃料電池の冷却循環路からの熱い冷却剤が熱交換器（４）に供給され、
冷却剤入口（１６）と流体接続状態にある少なくとも１つの冷却剤出口を有し、この冷却剤出口を介し、熱を水素へと放出した冷却された冷却剤が熱交換器（４）から排出される、
前記燃料供給装置において、
熱交換器（４）が液密なジャケット（１９）により包囲されていて、熱交換器（４）とジャケット（１９）の間には中間空間（２０）が設けられていて、この中間空間（２０）が、熱を熱交換器（４）へと放出し且つ熱交換器（４）を周囲に対して断熱する流体により通流されていることを特徴とする燃料供給装置。
【請求項２】
ジャケット（１９）が水素を通さないことを特徴とする、請求項１に記載の燃料供給装置。
【請求項３】
中間空間（２０）が、水素センサの配設されている流体循環路に接続されていて、この水素センサが、熱交換器（４）から流体循環路内への水素の流出を検知することを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料供給装置。
【請求項４】
水素タンク（３）が複数の流体通路（６、７）を介して熱交換器（４）と接続されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
【請求項５】
流体通路（６、７）に各々取り外し可能なダクト連結器が配設されていて、それにより水素タンク（３）が取り外し可能に熱交換器（４）と接続されていることを特徴とする、請求項４に記載の燃料供給装置。
【請求項６】
深冷却された水素により通流されるダクト連結器が、中間空間（２０）内を流れる流体と熱接続状態にあり、それにより、予め定められた最低稼動温度より上に維持されることを特徴とする、請求項５に記載の燃料供給装置。
【請求項７】
中間空間（２０）が燃焼機関（２）の冷却循環路に接続されていて、熱い冷却剤により通流されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
【請求項８】
中間空間（２０）が、燃焼機関（２）の冷却循環路とは分離されている別個の冷却循環路に接続されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
【請求項９】
燃焼機関（２）の冷却循環路内にサーモスタットバルブ（１８）が配設されていて、このサーモスタットバルブ（１８）により、熱交換器（４）の冷却剤出口（１７）における冷却剤の温度が、予め定められた目標温度に調整されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
【請求項１０】
冷却剤出口（１７）と冷却剤入口（１６）がサーモスタットバルブ（１８）を介して互いに流体接続状態にもたらされ得ることを特徴とする、請求項９に記載の燃料供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特許請求項１の前提部に従う燃料供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
かなり以前より、水素稼動式燃焼機関を備えた車両が研究されている。燃焼機関（内燃機関）の稼動のために必要な水素の貯蔵に関しては相反する２つのアプローチがある。即ち、周囲温度で極めて高圧でガス状の水素を貯蔵することと、ほぼ−２５０℃の温度で比較的低圧で液状の極低温水素を貯蔵することである。極低温水素の貯蔵は、ガス状の水素の貯蔵におけるよりもより高いエネルギー密度が達成されるという長所を有する。水素を比較的長時間、即ち数週間に渡って液状に保持するためには水素タンクが極めて良好に絶縁（断熱）されていなくてはならない。しかし水素タンク内へのある程度の熱入力、及びそれに起因する少量の液状の水素の絶え間ない気化、即ち蒸発は不可避である。車両の停止時間が比較的長い場合、水素タンク内の圧力上昇を制限するためには少量の気化した水素が絶え間なく周囲へと排出されなくてはならない。この際、排出すべき水素は水へと酸化され、即ち「危険のない」状態へともたらされ得る。
【０００３】
燃焼機関の稼動のために液状の極低温水素は、ほぼ−２５０℃から、周囲温度より上に位置する温度へと予熱されなくてはならない。このことは、そのような低温では燃料装置のシーリングが脆化し、密でなくなり、このことが燃料装置の様々なコンポーネント、例えばバルブにおける機能障害を結果としてともなってしまうために既に必要である。
【０００４】
水素タンクからの流出時に水素が予熱されないのであれば、個々の「燃料装置コンポーネント」の表面において、即ち燃料ダクトの表面やバルブにおいて等、同様に極めて低い温度が発生することになる。再度このことは、周囲空気内に含まれる湿気が局部的に凝結するということを結果として伴う。析出した水は部材表面上で直ちに凍結し、このことは徐々に燃料装置の完全な氷結をもたらすことになる。水素の温度が極端に低いことに基づき、周囲空気がこれらの極めて冷たいコンポーネントの領域で局部的に液化する、或いは酸素が周囲空気から蒸留除去されるという危険がむしろ存在する。これらの全ての作用は望まれず、多大な危険を含んでいる。
【０００５】
既に従来技術からは、燃焼のために設けられている水素を熱交換器（ヒートエクスチェンジャ）内で、周囲温度より上に位置する温度に予熱することが知られていて、この際、予熱のために必要な熱出力は、試験機関では２０ＫＷと２５ＫＷの間の範囲内に位置し、燃焼機関の冷却循環路から引き出される。つまり、従来の燃焼機関において冷却器を介して利用されずに周囲へと放出される熱が水素の予熱のために使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、水素タンクから取り出された水素が予熱され、その際には、燃料装置の個々のコンポーネントの表面における温度が少なくとも周囲空気の温度と同じであるが保証されている、水素を用いて稼動可能な燃焼機関用、又は燃料電池用の燃料供給装置を創作することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の課題は、特許請求項１の特徴により解決される。本発明の有利な構成と他の構成は下位請求項から見てとれる。
【０００８】
本発明は、水素を用いて稼動可能な燃焼機関用、又は燃料電池用の燃料供給装置から出発し、この際、水素タンクと熱交換器が設けられている。水素タンク内には深冷却された液状の水素が貯蔵されている。貯蔵されている水素は、ほぼ−２５０℃の範囲に位置する温度を有する。熱交換器は、水素タンクから取り出された水素を加熱するために設けられている。熱交換器により水素は、水素タンク内を占める温度から、周囲温度と同じ又は周囲温度以上の温度へと予熱される。熱交換器は、水素タンクに接続されている燃料入口を有する。この燃料入口から水素が熱交換器の「水素領域」を燃料出口に向かって通流し、その燃料出口を介し、予熱された水素が熱交換器から排出される。熱交換器は更に冷却剤入口を有し、この冷却剤入口を介し、燃焼機関或いは燃料電池の冷却循環路からの熱い冷却剤が、「水素領域」と「熱接続」状態にある熱交換器の「冷却剤領域」内へと流入する。熱交換器内において熱い冷却剤は熱を水素へと放出し、引き続き、冷却剤出口を介して再び熱交換器から流れ出てゆく。
【０００９】
本発明の核は、熱交換器が液密な「ジャケット（外被）」或いは液密な「被い」により取り囲まれていることにある。このジャケット或いは被いは「箱」の形式を有し得る。またこのジャケットは、管、円筒、又は、タンク車両から知られている如く凸状端面を有する「タンク」の形式を有し得る。ジャケットと熱交換器の間には中間空間が設けられていて、この中間空間が流体により通流されている。中間空間を通じて流れる流体の温度及び容積流は、ジャケットの表面における温度が少なくとも周囲温度と同じ又はこれ以上に位置することが保証されているように調整されている。それにより、周囲空気も、周囲空気内に含まれる湿気も、熱交換器の領域、即ちジャケットの表面で凝結しないことが保証されている。従って熱交換器或いは熱交換器を取り囲むジャケット、及び「後続する」燃料装置のコンポーネントの氷結が回避される。特に、周囲空気が局部的に熱交換器の領域で液化する、即ち酸素が周囲空気から蒸留除去されることが回避される。熱交換器の「後に」配設されている燃料装置のコンポーネントは、同様に少なくとも周囲空気温度を有し、その理由は、それらのコンポーネントが、熱交換器内で既に予熱された水素により通流されるためである。
【００１０】
熱交換器を取り囲むジャケットは直接的に水素タンクへとフランジ止めされ得る。それにより、極低温水素を内在する燃料装置の全てのコンポーネントがそれらの表面において少なくとも周囲空気温度を有することが保証されている。
【００１１】
熱交換器を取り囲むジャケットは、好ましくは水素を通さない。従って熱交換器の「水素領域」内で漏れがある場合、或いはジャケット内部において水素が通流する燃料装置のコンポーネントの１つで漏れがある場合にでさえ、水素が管理されずに周囲空気内に漏れ出すことはない。追加的に、ジャケットと熱交換器の間の中間空間内、或いは中間空間に流体を供給する流体循環路内に水素センサが配設され得て、この水素センサは、燃料装置における水素を導くコンポーネント内に漏れのある場合、熱交換器から中間空間内、従って流体循環路内への水素の流出を検知する。
【００１２】
熱交換器は、水素が通流する複数のダクトを介し、水素タンクと接続され得る。好ましくは、熱交換器は所謂「中央連結器（セントラルカップリング）」を介し、水素タンクと接続されている。「中央連結器」の概念のもとでは、水素タンクと熱交換器の間の個々の接続ダクトに各々取り外し可能な「ダクト連結器」が配設されていることとして理解される。従って水素タンクと熱交換器は取り外し可能に互いに接続されている。このことは組立或いは分解の観点で有利あるばかりか、水素タンクと熱交換器が互いに依存しないで製造され、検査され或いは最適化され得ることを可能にする。
【００１３】
バルブ及び様々なセンサが水素タンクと熱交換器の間の領域で所謂「サブシステムカプセル」内で「シールド（遮蔽）」され得る。好ましくは、このサブシステムカプセルには熱い冷却剤が流れてきて当たり又はそれを通流する。それにより、サブシステム内に配設されているバルブとセンサが、ある特定の最低稼動温度に維持されることが保証され得て、このことはこれらのコンポーネントの問題のない機能にとって重要である。バルブが「加熱」されないのであれば、それらのシーリングは脆化され、このことは非密閉性をもたらすことになる。
【００１４】
ジャケットと熱交換器の間の中間空間は燃焼機関の冷却循環路に接続され得る。燃料電池の適用時、中間空間は燃料電池の冷却循環路に接続され得る。中間空間は直接的に熱交換器の「冷却剤領域」に接続され得る。それに対する選択肢として中間空間は、燃焼機関或いは燃料電池の冷却循環路とは分離されている別個の冷却循環路にも接続され得る。つまり中間空間は、必ずしも燃焼機関或いは燃料電池の冷却循環路の冷却剤で通流される必要はなく、別の適した媒体によっても通流され得る。
【００１５】
ジャケットは極めて剛性の高い「保護ジャケット」として形成され得て、この保護ジャケットは、熱交換器と、ジャケット内部に配設されているダクトシステムとを、事故の場合に機械的な損傷から保護する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、図面と関連して本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、水素を用いて稼動可能な燃焼機関（内燃機関）２用の燃料供給装置１を示している。燃料供給装置１は、液状の水素が貯蔵されている水素タンク３と、熱交換器（ヒートエクスチェンジャ）４と、ここでは極めて概要的にのみ示されているが熱交換器４を燃焼機関２と接続し、ダクト、バルブ、噴射ノズルなどを含み得て、主として水素を熱交換器４から燃焼機関２に供給する「流体システム」５とを有している。
【００１８】
水素タンクである燃料タンク３は、部分流ダクト６並びに主流ダクト７を介し、熱交換器４の第１燃料入口８並びに第２燃料入口９と接続されている。第１燃料入口８は第１燃料出口１０と、第２燃料入口９は第２燃料出口１１と流体接続状態にある。燃料出口１０、１１の方は、接続ダクト１２、１３を介し、流体システム５と接続状態にあり、流体システム５は、一方では予熱された水素を燃焼機関２に供給し、必要のある場合、ダクト１４を介し、予熱された水素の少量部分を水素タンク３内へと返送する。水素タンク３内への予熱された水素の返送により、燃焼機関２の稼動中には水素タンク３内に含まれる液状の水素の一部分が気化され得る。それにより燃焼機関２の稼動中には絶えず十分な高圧が水素タンク３内で維持され得て、従って低温ポンプの使用が不必要となる。
【００１９】
燃焼機関２は冷却器１５により冷却される。熱い冷却剤は、ここでは非図示の冷却剤ポンプにより冷却剤入口１６を介して熱交換器４内へとポンピングされる。熱交換器４内では冷却剤が熱を水素へと放出し、水素を予熱する。冷却された冷却剤は、冷却剤出口１７を介して冷却器１５の方向に流れて戻ってゆく。冷却剤入口１６と冷却剤出口１７はサーモスタットバルブ１８を介して短絡され得る。サーモスタットバルブ１８は、熱交換器４の冷却剤出口１７において例えば５０℃の予め定められた温度が保持されるように調整される。
【００２０】
図１から見てとれるように、熱交換器４はジャケット（外被）１９により包囲されている。ジャケット１９は、ここで示されている実施例では、直接的に燃料タンク３にフランジ止めされている。ジャケット１９は熱交換器４から間隔をおいて配設されている。ジャケット１９と熱交換器４の間の「中間空間」２０は冷却循環路の冷却剤で通流され、このことはここでは概要的にのみ矢印２１〜２５により示唆されている。それにより、ジャケット１９の表面における温度が少なくとも外温を有する又はそれ以上に位置することが保証されている。
【００２１】
水素タンク３を熱交換器４と接続させているダクト６、７には、各々、ダクト連結器（非図示）が配設され得る。これらのダクト連結器を介し、水素タンク３は取り外し可能に熱交換器４と接続されている。ダクト連結器並びに様々なセンサ（非図示）が、水素タンク３と熱交換器４の間に配設されている「サブシステムカプセル」（非図示）内に独立して配設され得る。サブシステムカプセルには熱い冷却剤が流れてきて当たり又はそれを通流し、それにより、その中に配設されているバルブとセンサが、問題のない機能にとって必要なある特定の最低稼動温度に維持されることが保証されている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の基本原理を示す概要図である。
【符号の説明】
【００２３】
１          燃料供給装置
２          燃焼機関
３          水素タンク
４          熱交換器
５          流体システム
６          部分流ダクト
７          主流ダクト
８          第１燃料入口
９          第２燃料入口
１０          第１燃料出口
１１          第２燃料出口
１２          接続ダクト
１３          接続ダクト
１４          ダクト
１５          冷却器
１６          冷却剤入口
１７          冷却剤出口
１８          サーモスタットバルブ
１９          ジャケット
２０          中間空間
２１〜２５    冷却剤の流れ
【図１】
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【国際調査報告】
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2008513654.tif 000007
2008513654.tif 000008
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