(57)【要約】  エンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム（１０）は、運転時に電気エネルギーと蒸気含有燃料電池排ガスを発生させる為に適合される燃料電池（１２）を具備する。燃料タンク（３８）は運転時にエンジン（４４）に供給される燃料を貯蔵するように働く。蒸気含有燃料電池排ガスが凝縮装置（３２）に供給できるように凝縮装置（３２）は燃料電池（１２）の排ガス排気口（１６）に接続される。凝縮装置（３２）は、水／燃料混合物を形成するように燃料電池排ガス中に含まれる蒸気を凝縮によりその液体凝集状態へ変換し、その凝縮工程の結果として得られるその水を燃料の中に運ぶように用いることができる。水／燃料混合物がエンジン（４４）に供給できるように水／燃料混合物ライン（９６）はエンジン（４４）に接続される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム（１０）であって、
運転時に、電気エネルギーと蒸気含有燃料電池排ガスを発生させるように適合される燃料電池（１２）と、
運転時に、エンジン（４４）に供給される燃料を貯蔵するための燃料タンク（３８）と、
蒸気含有燃料電池排ガスが凝縮装置（３２）に供給できるように前記燃料電池（１２）の排ガス排気口（１６）に接続され、前記燃料電池排ガス中に含まれる前記蒸気を凝縮によりその液体凝集状態へ変換し、前記凝縮工程の結果として得られた前記水を水／燃料混合物を形成するために前記燃料へ導入するように適合される凝縮装置（３２）と、及び
水／燃料混合物が前記エンジン（４４）へ供給できるように前記エンジン（４４）に接続された水／燃料混合物ライン（９６）とを有することを特徴とするエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム。
【請求項２】
前記凝縮装置（３２）は蒸気含有燃料電池排ガスと燃料が前記凝縮装置（３２）に供給できるように、さらに前記燃料タンク（３８）の燃料排出口（４０）に接続され、
前記凝縮装置（３２）は前記燃料電池排ガス中に含まれる前記蒸気を凝縮によりその液体凝集状態へ変換するために、前記蒸気含有燃料電池排ガスを前記燃料と接触させるように適合され、及び
前記水／燃料混合物ライン（９６）は前記凝縮装置（３２）内で形成された前記水／燃料混合物が前記エンジン（４４）に供給できるように、前記凝縮装置（３２）の排出口に接続されるものであることを特徴とする請求項１に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム。
【請求項３】
前記システムは、前記水／燃料混合物を均質化するための均質化装置（９２）、及び／又は前記水／燃料混合物の一時貯蔵のための貯蔵容器（１１８）を具備するものであって、
前記均質化装置（３２）は特に超音波場を形成するための装置、及び／又は機械的攪拌装置を具備するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム。
【請求項４】
前記凝縮装置（３２）に前記燃料が供給される前に、運転時に前記燃料電池（１２）又は他の熱源により発生した熱を利用して少なくともいくらかの前記燃料を所望の温度にまで加熱するために、前記燃料電池（１２）または前記他の熱源に熱的に結合され、前記燃料タンク（３８）の前記燃料排出口（４０）に接続された予熱装置（５２）を有するものであることを特徴とする請求項２乃至請求項３のいずれか１項に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム。
【請求項５】
前記エンジン（４４）に前記水／燃料混合物が供給される前に、運転時に前記燃料電池（１２）又は他の熱源により発生した熱を利用して前記凝縮装置（３２）内で形成された少なくともいくらかの前記水／燃料混合物を所望の温度にまで加熱するために、前記燃料電池（１２）又は前記他の熱源と熱的に結合され、前記凝縮装置（３２）の排出口に接続され、前記凝縮装置（３２）の下流に設置される後方の加熱用装置（９４）を有するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム。
【請求項６】
前記燃料タンク（３８）は燃料電池排ガスライン（８８）に接続されるものであり、前記燃料電池排ガスラインを介して前記燃料タンクを不活性化する目的で低酸素燃料電池排ガスを前記燃料タンク（３８）に供給できるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム。
【請求項７】
エンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法であって、
燃料電池（１２）運転時に発生した蒸気含有燃料電池排ガスを凝縮装置（３２）へ供給する工程と、
前記燃料電池排ガス中に含まれる前記蒸気を、前記凝縮装置（３２）内で凝縮によりその液体凝集状態へ変換する工程と、
水／燃料混合物を形成するために、前記凝縮過程の結果として得られた前記水を運転時にエンジン（４４）に供給される燃料へ導入する工程と、及び
前記エンジン（４４）へ前記水／燃料混合物を供給する工程とを有する方法であることを特徴とするエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法。
【請求項８】
運転時に前記エンジン（４４）に供給される前記燃料を前記凝縮装置（３２）に供給し、
前記燃料電池排ガス中に含まれる前記蒸気を凝縮によりその液体凝集状態へ変換するために、前記凝縮装置（３２）内で前記蒸気含有燃料電池排ガスを前記燃料と接触し、
前記凝縮工程の結果として前記凝縮装置（３２）内で形成された前記水／燃料混合物を前記エンジン（４４）に供給することを特徴とする請求項７に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法。
【請求項９】
前記凝縮装置（３２）内で形成された前記水／燃料混合物を均質化装置（９２）内で、特に超音波場を形成するための装置及び／又は機械的攪拌装置を用いて均質化し、及び／又は
前記凝縮装置（３２）内で形成された前記水／燃料混合物を貯蔵容器（１１８）内に一時的に貯蔵することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法。
【請求項１０】
前記燃料電池（１２）又は他の熱源と熱的に結合され、燃料タンク（３８）の燃料排出口（４０）と接続された予熱装置（５２）内で、少なくともいくらかの前記燃料を、前記凝縮装置（３２）に供給される前に運転時に前記燃料電池（１２）又は前記他の熱源によって発生された熱を利用して所望の温度にまで加熱することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法。
【請求項１１】
前記燃料電池（１２）又は他の熱源と熱的に結合され、前記凝縮装置（３２）の排出口に接続され、前記凝縮装置（３２）の下流に配置された後方の加熱用装置（９４）内で、前記凝縮装置（３２）内で形成された少なくともいくつかの前記水／燃料混合物を、前記エンジン（４４）に供給される前に運転時に前記燃料電池（１２）又は前記他の熱源により発生された熱を利用して所望の温度にまで加熱することを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれか１項に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法。
【請求項１２】
前記燃料タンクを不活性化する目的のために、低酸素燃料電池排ガスを燃料電池排ガスライン（８８）を介して前記燃料タンク（３８）に供給することを特徴とする請求項７乃至請求項１１のいずれか１項に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法。
【請求項１３】
前記凝縮装置（３２）内で形成された前記水／燃料混合物を、特に運転段階中のみ前記エンジン（４４）に供給することを特徴とする請求項８乃至請求項１２のいずれか１項に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法。
【請求項１４】
前記エンジン（４４）により駆動される航空機の発進段階及び上昇段階時に、前記凝縮装置（３２）内で形成された前記水／燃料混合物を前記エンジン（４４）に供給することを特徴とする請求項１３に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の前記エンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム（１０）の航空機における使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機、特に飛行機内で現在使われ、ガスタービンの運転原理に基づいて機能するエンジン内で、外気はコンプレッサーによって圧縮され、次に燃焼室に供給される。燃焼室内では、その外気は燃料と混合され点火される。その燃焼プロセスの結果として発生したその排ガスは、タービンと一緒に共通のシャフト上に設置される又はギアによってそのタービンと隔てられるコンプレッサーを駆動するタービン、及び実際の推進ユニット、例えばターボファン又はプロペラに導かれる。炭化水素混合物を含有する燃料、例えばケロシンが飛行機エンジンの燃焼室内で空気と燃焼したとき、窒素酸化物（ＮＯｘ）に加えてさらにＣＯ２、ＣＯ、及び不完全燃焼炭化水素のような燃焼生成物を生成する。特に、その燃焼プロセス時に形成されるそれらの窒素酸化物の量はその燃焼室内の燃焼温度に非常に左右される。高い燃焼温度は窒素酸化物の形成を促進する。さらに、その燃焼室内の高い燃焼温度はエンジン内で大きな機材負荷と高い応力をもたらす。特に、高い燃焼温度は推力条件に合うように最大負荷のもとでエンジンが駆動する飛行機の発進段階で達せられる。故に、その燃焼室内の高い燃焼温度で運転される飛行機エンジンは特に高いメンテナンスコストを必要とする。
【０００３】
そのため、窒素酸化物の排出を減少し、熱負荷を低減するためには、飛行機エンジンは最低限の燃焼室内の燃焼温度で運転されるべきである。飛行機エンジンの燃焼室内の燃焼温度の減少は例えばその燃焼プロセス時に水を注入することにより実現される。その水はコンプレッサーに供給されることができ、又はエンジンの燃焼室内に注入されることもでき、その為の水は通常は飛行機内の個別のタンク内で運ばれなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は特に効果的にエンジンの燃焼室内の燃焼温度の減少を可能にし、これによりそのエンジンの運転時の有害物質の排出の大幅な減少を可能にするシステム及び方法を提供することに基づく。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的を達成するために、本発明に係るエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステムは、その運転時に電気エネルギーと蒸気含有燃料電池排ガスを発生させるように適合される燃料電池を具備する。この燃料電池は、例えば機内電力供給のために飛行機内で電気エネルギーを発生させるように適合されることができる。本発明に係るエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム内で使用される燃料電池はカソード領域と電解質によりそのカソード領域と隔てられたアノード領域を具備する。その燃料電池の運転時に、燃料、例えば水素が燃料電池のアノード側に供給され、酸素含有酸化剤、例えば空気、特に飛行機キャビンから出る空気が燃料電池のカソード側に供給される。高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池の場合では、その水素分子はアノード領域にあるアノード触媒で、例えば反応式（１）により反応し、この間に電極へ電子を失い、そして正に帯電した水素イオンを形成する。
【化１】
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【０００６】
その後、アノード領域で形成されたそのＨ＋イオンはカソードへ電解質中を拡散し、それらはカソード領域にあるカソード触媒でカソードに供給される酸素、及び外部電気回路によりカソードに伝導された電子と供に反応式（２）により反応し、水を形成する。この燃料電池の運転温度は燃料電池内で使われる電解質の種類に左右される。しかしながら、運転時に燃料電池により発生した水は通常はすくなくとも部分的に気体凝集状態として存在し、すなわち運転時にその燃料電池は蒸気飽和燃料電池排ガスを発生させる。
【化２】
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【０００７】
さらに、本発明に係るエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステムは、運転時に、エンジン、特に飛行機エンジンに供給される燃料を貯蔵するための燃料タンクを具備することが好ましい。均質な炭化水素又は炭化水素混合物、例えばケロシンをその燃料として用いることが好ましい。この燃料タンクは飛行機の飛行状態で通常である温度のような低温で燃料を貯蔵するようにも適合されることが好ましい。
【０００８】
本発明に係るエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステムの凝縮装置は、前記燃料電池の排ガス排気口に接続される。これにより、運転時にその燃料電池により発生する蒸気含有燃料電池排ガスは凝縮装置に供給されることができる。その凝縮装置は燃料電池排ガス中に含まれる蒸気を凝縮によりその液体凝集状態へ変換するよう適合される。さらに、凝縮装置はこの凝縮工程の結果として得られるその水を燃料中へ導入し、水／燃料混合物を形成するように適合される。
【０００９】
最後に、本発明に係るエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステムは、エンジンに接続された水／燃料混合物ラインを具備する。水／燃料混合物はその水／燃料混合物ラインを介してエンジンへ供給されることができる。その水／燃料混合物の燃焼時に、エンジンの燃焼室で生じる温度は純粋な燃料の燃焼時に生じる温度より低い。例えば飛行機の発進段階時にエンジンの燃焼室内の燃焼温度が低減される結果として、有害物質の排出、特に窒素酸化物の排出はエンジン運転時において大幅に減少されることができる。さらに、エンジンに対する熱応力が減少され、それはエンジンの耐用年数の増大とエンジンのメンテナンスコストの減少をもたらす可能性がある。最後に、エンジンコンプレッサーのクリーニングがより容易になり、それはエンジン性能に対して有利な効果があり、その為エンジンの燃料消費量に対しても有利な効果がある可能性がある。
【００１０】
従来の水注入システムと比較して、本発明に係るエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステムでは、運転時に電極反応産物として燃料電池により発生する蒸気がエンジンに供給される燃料を加湿するために用いられる。その為、本発明に係るシステムでは、燃料と混合するための全ての水を貯蔵するための多量の貯水槽の設備を省くことが可能である。しかしながら、燃料電池により発生される蒸気含有排ガスが不十分な燃料電池の運転段階においてもエンジンに供給される燃料の適切な加湿が可能なように、本発明に係る有害物質を減少させるためのシステムは別の貯水槽を具備することができる。燃料電池の運転時に発生し、エンジンに供給される燃料を加湿する為に必要とされない蒸気は、例えば別の凝縮装置内で凝縮され、その後その水は飛行機の水供給ネットワークに送られることができる。
【００１１】
本発明に係るエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステムを使用したとき、特別なエンジンへの水注入装置はもはや必要ない。本発明に係る有害物質を減少させるためのシステムはどんなエンジンとも容易に組み合わせることができ、その為にエンジンの構造的な変更を必要としない。最後に、水がエンジンのコンプレッサーに直接注入されたときに起こり得るコンプレッサーブレードに対するキャビテーションのような効果を防ぐことができる。
【００１２】
前記燃料電池排ガス中に含まれる蒸気の凝縮に必要なエネルギーを供給するために、本発明に係るエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステムの前記凝縮装置は、熱を減少させるように外気を用いる凝縮装置とすることができる。しかしながら、これに代えて、又はこれに加えて、蒸気含有燃料電池排ガスと燃料タンクからの燃料が凝縮装置に供給されることができるように、凝縮装置はその燃料タンクの燃料排出口に接続されることもできる。さらに、その凝縮装置は蒸気含有燃料電池排ガスを燃料と接触させるように用いることができる。燃料タンクに貯蔵された燃料は周囲の温度におおよそ相当する温度を有するので、特に飛行機が飛行状態において、排ガスがその低温の燃料と接触しているときに燃料電池排ガス中に含まれる蒸気は凝縮によりその液体凝集状態に変換することができる。それ故に、凝縮装置内では、この凝縮工程の結果として得られる水は燃料タンクからその凝縮装置に供給される燃料に導入されることができる。最後に、この凝縮装置内で形成される前記水／燃料混合物がエンジンに供給されることができるように、前記水／燃料混合物ラインは凝縮装置の排出口に接続されることができる。
【００１３】
さらに、本発明に係るエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステムは、前記凝縮装置内で形成される前記水／燃料混合物を均質化するための均質化装置を具備することが好ましい。その均質化装置は凝縮装置の下流に接続される別の装置の形式で構成され、若しくは凝縮装置内に統合されることができる。この装置は水と燃料が複数の層に分離することを防ぎ、その代わりに均質な水／燃料エマルジョンを発生させるように働く。
【００１４】
前記均質化装置は超音波場を形成するための装置を具備することができる。その超音波場形成するための装置は、例えばいわゆるλ／４若しくはλ／２オシレーターとして知られる超音波ソノトロードを具備することができる。しかしながら、これに代えて又はこれに加えて、均質化装置は均一な水／燃料エマルジョンを発生させる為の機械的攪拌装置も具備することができる。その均質化装置は一定の期間において安定な水／燃料エマルジョンを発生させるように適合されることが好ましい。
【００１５】
前記凝縮装置内で形成され、前記均質化装置内で均質化されたであろう水／燃料混合物は、前記水／燃料混合物ラインを介し、既存の周辺コンポーネント、例えば、ライン、ポンプ、バルブ等を用いてエンジンに直接注入されることができる。しかしながら、これに代えて、水／燃料混合物の一時的な貯蔵の為に水／燃料混合物ライン中に貯蔵容器を設置することもできる。その貯蔵容器の結果として、例えば燃料電池排ガス中に含まれる湿気が他の目的で必要とされる燃料電池の停止段階、若しくは運転段階を乗り越えることができる。さらに、燃料温度が燃料電池排ガス中に含まれる蒸気の適切な凝集を保証するために十分低くない場合には、その貯蔵容器は本発明に係る有害物質を減少させるためのシステムが正しく機能することも保証する。
【００１６】
さらに、本発明に係るエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステムは、前記凝縮装置の上流に設置されることができる予熱装置を具備することができる。その予熱装置は燃料電池又は他の熱源と熱的に結合され、燃料が凝縮装置へ供給される前に運転時にその燃料電池又は他の熱源により発生した熱を利用して少なくともいくらかのその燃料を所望の温度にまで加熱するために燃料タンクの燃料排出口に接続されることが好ましい。結果として、ライン断熱材を省くことができる。さらに、燃料を予熱することによって燃料消費量を減少することができる。
【００１７】
前記予熱装置と燃料電池の熱統合は予熱装置を燃料電池の排ガス排気口と接続することにより実現されることができることにより、その結果、燃料電池の運転温度により上昇された温度の燃料電池排ガスが例えば熱交換器形式で構成された予熱装置に供給されることができる。しかしながら、これに代えて、燃料電池の冷却用回路の中に予熱装置を統合し、その冷却剤を経由して運転時に燃料電池により発生した余熱を予熱装置に伝導することも考えられる。凝縮装置に供給されたその燃料を予熱した結果として、飛行機の飛行時に生じうる最高−４０℃の非常に低い燃料温度で凝縮装置内に氷が形成されることを確実に防ぐこともできる。
【００１８】
さらに、本発明に係るエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステムは、前記凝縮装置の下流に設置されうる後方の加熱用装置を具備することができる。その後方の加熱用装置は、水／燃料混合物がエンジンに供給される前に運転時にその燃料電池又は他の熱源により発生した熱を利用して凝縮装置内で形成される少なくともいくらかのその水／燃料混合物を所望の温度にまで加熱するように、燃料電池又は他の熱源と熱的に結合され、凝縮装置の排出口に接続されることが好ましい。有害物質を減少させるための前記システムが均質化装置を具備するとき、前記後方の加熱用装置はその均質化装置の下流に設置されることが好ましい。後方の加熱用装置と燃料電池の熱的な統合は、燃料電池の運転時に発生する暖かい燃料電池排ガスがその後方の加熱用装置供給されるように、例えば熱交換器形式で構成されたその後方の加熱用装置と燃料電池の排ガス排気口の間の接続により実現されることができる。しかしながら、これに代えて、運転時に燃料電池により発生した熱が冷却剤を経由して後方の加熱用装置へ伝導するように、その後方の加熱用装置は燃料電池の冷却用回路内に統合されることもできる。
【００１９】
本発明に係る有害物質を減少させるためのシステムの好ましい実施態様においては、前記燃料タンクは燃料電池排ガスラインに接続され、その燃料電池排ガスラインを介して低酸素燃料電池排ガスを燃料タンクに供給させることができる。上記反応式（１）及び（２）で示されるように、酸素は本発明に係る有害物質を減少させるためのシステムの燃料電池の運転時に消費される。空気が酸化剤として燃料電池に、例えばそのカソード側に供給される場合、この空気は排ガスとして燃料電池から出る前に燃料電池反応時の酸素消費により使い果たされる。燃料電池により発生したその低酸素排ガスは非常に不活性で、燃料タンク内での引火性ガス混合物の形成を妨げる。その結果、その低酸素燃料電池排ガスを利用した燃料タンクの不活性は、タンク爆発の危険性を確実に最小化できる。燃料タンクは燃料電池の排ガス排気口に直接接続されることができる。これに代えて、既に凝縮装置、予熱装置、又は後方の加熱用装置を流れた燃料電池排ガスがその燃料タンクに供給されることもできる。
【００２０】
本発明に係るエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法では、燃料電池の運転時に発生する蒸気含有燃料電池排ガスが凝縮装置に供給される。その凝縮装置内で、燃料電池排ガス中に含まれる蒸気は凝縮によりその液体凝集状態に変換される。その凝縮工程の結果として得られる水は水／燃料混合物を形成するために運転時にエンジンに供給される燃料に導入される。その水／燃料混合物は最終的にエンジンに供給される。
【００２１】
さらに、運転時にエンジンに供給される燃料は前記凝縮装置に供給されることが好ましい。その凝縮装置内では、蒸気含有燃料電池排ガスはその燃料に接触されることができる。その蒸気含有燃料電池排ガスが比較的低い温度を有する燃料と接触されたとき、燃料電池排ガス中に含まれる蒸気は凝縮によりその液体凝集状態に変換されることができ、その凝縮工程の結果として得られるその水は燃料に導入されることができる。凝縮装置内で形成されたその水／燃料混合物は最終的にエンジンに供給されることができる。
【００２２】
前記凝縮装置内で形成された前記水／燃料混合物は分離を妨げるように、また均質な水／燃料エマルジョンを形成するように、超音波場形成するための装置及び／又は機械的攪拌装置を具備することができる均質化装置内で均質化されることが好ましい。
【００２３】
前記凝縮装置内で形成される水／燃料混合物はエンジンに直接注入されることができる。しかしながら、これに代えて、前記凝縮装置内で形成され、均質化装置内で均質化される可能性がある水／燃料混合物は一時的に貯蔵容器内に貯蔵されることもできる。再循環は均質化装置をより小型に設計することを可能にする。
【００２４】
前記凝縮装置に供給される前に、少なくともいくらかの燃料は前記凝縮装置の上流に設置され、前記燃料電池又は他の熱源と熱的に結合され、前記燃料タンクの燃料排出口に接続される予熱装置内で、運転時に前記燃料電池又は前記他の熱源により発生した熱を利用して所望の温度にまで加熱されることができる。
【００２５】
さらに、エンジンに供給される前に、前記凝縮装置内で形成される少なくともいくらかの前記水／燃料混合物は、前記凝縮装置の下流に設置され、前記燃料電池又は他の熱源と熱的に結合され、前記凝縮装置の排出口に接続される後方の加熱用装置内で、運転時に前記燃料電池又は前記他の熱源により発生した熱を利用して所望の温度にまで加熱されることができる。
【００２６】
低酸素燃料電池排ガスは、前記燃料タンクを不活性にする目的のために燃料電池排ガスラインを介してその燃料タンクに供給されることができる。
【００２７】
もっぱら前記凝縮装置内でのみ形成される水／燃料混合物は基本的にエンジンに供給されることができる。しかしながら、これに代えて、単に純粋な燃料又は純粋な燃料と水／燃料混合物の混合物をエンジンに供給することもできる。本発明に係るエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法の好ましい実施態様では、凝縮装置内で形成される水／燃料混合物はエンジン、特に運転段階のエンジンにのみ供給される。
【００２８】
エンジンにより駆動される航空機の発進段階及び上昇段階時に、前記凝縮装置内で形成される前記水／燃料混合物はそのエンジンに供給されることが好ましい。結果として、この段階時のエンジンの燃焼室内で生じる特に高い温度は効果的に減少されることができる。一方で、燃焼室内が十分に低い燃焼温度となるようなエンジンの運転段階においては、水／燃料混合物の供給を省くことが可能である。
【００２９】
本発明に係るエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステムは航空機内、特に飛行機内で特に有利に使用されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】エンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステムの第一実施態様を示す。
【図２】エンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステムの第二実施態様を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明に係るエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステムの二つの好ましい典型的な実施態様について以下の添付の概略図を参照してより詳細に説明する。
【００３２】
図１は、飛行機内で使用するために設置された、エンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム１０を示す。このシステム１０は、カソード領域と電解質によりカソード領域と隔てられたアノード領域を有する燃料電池１２を具備する。燃料電池１２の運転時に、水素はアノード領域に供給され飛行機の客室キャビンからの空気は酸素含有酸化剤としてカソード領域に供給される。電流調節装置１４を経由して、燃料電池１２は運転時に燃料電池１２により発生する電気エネルギーを押し出すためのネットワーク、例えば飛行機の機内電力供給のネットワークに接続される。
【００３３】
その排ガスは前記燃料電池１２からカソード排ガス排気口１６に接続されるカソード排ガスライン１８及びアノード排ガス排気口２０に接続されるアノード排ガスライン２２を介して運ばれる。そのアノード排ガスライン２２内に設置されるフラッシュバルブ２４は燃料電池１２のアノード領域がフラッシュされることを可能にする。その結果、燃料電池１２の運転時にカソード側からアノード側へ拡散することができる燃料電池１２のカソード領域に供給される空気由来の窒素は、燃料電池１２のアノード領域から除かれることができる。燃料電池１２の近傍にある水素を排出するために、アノード排ガスライン２４はベンチュリノズル２６を経由してカソード排ガスライン１８に接続されるので、その結果、カソード排ガスライン１８を流れるカソード排ガスの吸引効果が前記アノード排ガスライン２２からカソード排ガス流の中へフラッシュガスを引き寄せる。燃料電池１２のカソードを流れるガス流を運ぶために、吸引コンプレッサー３０が燃料電池排ガスライン２８内のベンチュリノズル２６の下流に設置される。しかしながら、燃料電池１２を通る流れを運ぶ他の方法も考えることができる。
【００３４】
前記燃料電池排ガスライン２８は凝縮装置３２に通じる。その凝縮装置３２の方向へ燃料電池排ガスライン２８を通る燃料電池排ガス流は、燃料電池排ガスライン２８内に設置されるコントロールバルブ３４と、そのコントロールバルブ３４の下流に設置される逆流防止弁３６とにより制御される。
【００３５】
燃料タンク３８は燃料ライン４２を介して前記凝縮装置３２に接続される燃料排出口４０を有する。その燃料タンク３８は運転時にエンジン４４に供給される燃料、例えばケロシンを貯蔵するように働く。燃料ライン４２を通る燃料の流れを制御するために、燃料ポンプ４６とコントロールバルブ４８は燃料ライン４２内に設置される。
【００３６】
前記燃料タンク３８からの燃料は前記燃料ライン４２を経由して前記凝縮装置３２に直接供給されることができる。しかしながら、前記燃料タンク３８からの少なくともいくらかの燃料は、燃料予熱ライン５０を介して、熱交換器の形式で構成された予熱装置５２を介して導かれることもできる。前記予熱装置５２に熱エネルギーを供給するために、前記予熱装置５２は予熱排ガスライン５４を介して前記燃料電池排ガスライン２８に接続される。活性カーボンフィルター５６とコントロールバルブ５８が中に設置された前記予熱排ガスライン５４を介して、運転時に燃料電池１２により発生した暖かい排ガスが予熱装置５２に供給される。
【００３７】
燃料電池１２の運転時に、水は前記燃料電池のカソード領域内で前記電極反応の結果として発生する。この為、蒸気で飽和した排ガス流は前記燃料電池１２の前記カソード排ガス排気口１６から流れる。前記燃料電池排ガス流の温度はその燃料電池１２の運転温度によって左右される。従来の高分子電解質膜低温燃料電池は一般的に約６０〜８０℃の運転温度で運転する。一方で、高分子電解質膜高温燃料電池は１８０℃までの運転温度に達する。それぞれの場合において、前記燃料電池排ガス流の温度は、特に飛行機の飛行中には前記燃料タンク３８内で受け取られるケロシンの温度より非常に高く、おおよそ周囲温度と一致する。
【００３８】
前記燃料電池排ガスライン２８中の圧力と温度は圧力センサー６０と温度センサー６２を用いて記録される。圧力センサー６４は前記燃料ライン４２内の圧力を測定するために設置される。最終的に、二つの温度センサー６６、６８は燃料ライン４２内の温度を記録するために設置される。最終的に温度センサー７０は前記予熱排ガスライン５４内の温度を測定するために設置される。
【００３９】
前記予熱装置５２を流れた後、前記燃料電池排ガスは排ガス除去ライン７２を通るように導かれる。燃料電池排ガス中に含まれる蒸気を凝縮し分離するために、凝縮分離器７４と凝縮分流器７６は前記排ガス除去ライン７２内に設置される。その凝縮工程時に得られた水は、水除去ライン７８を経由して飛行機の水供給ネットワークに供給される。水除去ライン７８内に設置される流量計８０は水除去ライン７８を通るその流れを記録するように働く。一方で、排ガス除去ライン７２内の圧力、温度そして流量は圧力センサー８２、温度センサー８４及び流量計８６を用いて測定される。
【００４０】
前記排ガス除去ライン７２から出る前記燃料電池排ガスは周囲の大気へ除かれることができる。しかしながら、これに代えて、低酸素燃料電池排ガスは前記燃料タンク３８を不活性化するために有利に適合されることもできる。この為に、コンデンサー排気ライン８８は前記燃料タンク３８に接続される。前記コンデンサー排気ライン８８は低酸素で低水燃料電池排気を、前記燃料タンク３８の中へ導き、その燃料電池排気が前記燃料タンク３８を不活性化するよう働く。それにより、爆発の危険性を減少する。前記燃料タンク３８は換気ライン９０を経由して換気される。
【００４１】
前記凝縮装置３２内では、前記蒸気含有燃料電池排ガスは前記燃料タンク３８からの燃料と接触される、すなわち前記燃料タンク３８からの燃料へ導入される。その低い燃料の温度のため、前記燃料電池排ガス中に含まれる蒸気は、前記燃料タンク３８からの燃料に接触しその液体凝集状態へ変換される。これにより、水／燃料混合物が前記凝縮装置３２内で形成される。前記凝縮装置３２内に導入される前に、前記燃料タンク３８からの燃料は常に前記予熱装置５２を利用して凝縮工程時に氷が形成されることが確実に防げるまで加熱される。
【００４２】
前記凝縮装置３２内で水とケロシンが複数の層に分離することを防ぐために、均質化装置９２は前記凝縮装置３２内で形成される前記水／燃料混合物を均質化するために設置される。前記均質化装置９２は、超音波場を発生することを可能にするいわゆるλ／４若しくはλ／２オシレーターとして知られる超音波ソノトロードを具備する。超音波を前記水／燃料混合物に当てることは一定期間安定な均質な水／燃料エマルジョンを形成することを保証する。均質性は再循環により改善される。
【００４３】
前記エンジン４４内へ注入される前に、その水／燃料エマルジョンは前記凝縮装置３２と前記均質化装置９２を接続した水／燃料混合物ライン９６内に設置される後方の加熱用装置９４を通りエンジン４４に導かれる。前記後方の加熱用装置９４は、さらに、冷却剤ポンプ１００、冷却器１０２、均圧ベッセル１０４及び二つのコントロールバルブ１０６、１０８が設置される前記燃料電池１２の冷却用回路９８内に統合される。その冷却用回路９８を流れるその冷却剤の温度は二つの温度センサー１１０、１１２を用いてモニターされる。もし必要ならば、その水／燃料エマルジョンは重力により動かされて前記水／燃料混合物ライン９６を通って受動的に運ばれることができる。
【００４４】
その水／燃料混合物が前記後方の加熱用装置９４を流れた後、水／燃料混合物はエンジン４４に注入される。流量計１１４と温度センサー１１６は前記水／燃料混合物ライン９６内の流量と温度を記録する。水／燃料混合物をエンジン４４の中へ注入する結果として、エンジン４４の燃焼室内の燃焼温度は純粋な燃料の燃焼の場合と比べ非常に低減される。これは運転時にエンジンの窒素酸化物の排気の大幅な減少を可能にする。さらに、運転時にエンジン４４にかかるその熱負荷は減少されるので有利である。
【００４５】
水／燃料エマルジョンをエンジン４４に常に供給することは基本的に可能である。しかしながら、エンジン４４に水／燃料エマルジョンを特定の運転段階時のみ、例えば飛行機の発進段階と上昇段階時に供給し、その他の運転段階時に純粋な燃料を供給することも可能である。このため、前記燃料タンク３８はさらなる燃料ライン（図１不示図）を用いて、すなわち前記凝縮装置３２と前記均質化装置９２をバイパスしながらエンジン４４に直接接続されることができる。
【００４６】
エンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム１０（図２に示す）は図１中に示す配置とは、前記凝縮装置３２と前記均質化装置９２より生成したその水／燃料エマルジョンの一時的な貯蔵のための別のエマルジョンバッファータンク１１８が前記水／燃料混合物ライン９６内に設置される点で異なる。このエマルジョンバッファータンク１１８の換気は換気用ライン１２０を介して達成される。充填レベルセンサー１２２，１２４は温度センサー１２６がそのエマルジョンバッファータンク１１８内の水／燃料エマルジョンの温度を測定中にエマルジョンバッファータンク１１８の充填レベルを監視する。その水／燃料エマルジョンをエマルジョンバッファータンク１１８から運ぶために、エマルジョンポンプ１２８が前記水／燃料混合物ライン９６中のエマルジョンバッファータンク１１８の下流に設置される。逆流防止弁１３０が前記水／燃料混合物ライン９６内の前記エマルジョンポンプ１２８の下流に設置される。
【００４７】
さらに、エンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのそのシステム１０（図２に示す）は逆転バルブ１３４を経由して前記燃料ライン４２から分岐する更なる燃料ライン１３２を具備する。その更なる燃料ライン１３２はそのエマルジョンバッファータンク１１８、前記エマルジョンポンプ１２８、及び逆流防止弁１３０の下流から前記水／燃料混合物ライン９６へ通じている。逆流防止弁１３６はその水／燃料エマルジョンが前記水／燃料混合物ライン９６から更なる燃料ライン１３２へ浸透することを防ぐ。
【００４８】
有害物質を減少させるためのこのシステム１０（図２に示す）では、水／燃料エマルジョン又は純粋な燃料のどちらかが逆転バルブ１３４を作動させることにより前記燃料タンク３８から前記エンジン４４へ状況に応じて注入されることができる。例えば、水／燃料混合物は、飛行機の発進段階と上昇段階において前記エンジン４４に供給されることができ、前記エンジン４４の燃焼室内の燃焼温度を減少する。しかしながら、飛行機が巡航高度になるとすぐに、純粋な燃料が前記燃料タンク３８から、もはや最大負荷で運転されない前記エンジン４４へ注入されることができる。その結果、前記燃料電池排ガス中に含まれるその水は、全て飛行機の水供給ネットワークへ送られることができる。そのほかの点では、図２に係るシステム１０の構造と運転態様は図１内で示される配置の構造と運転態様に一致する。
【図１】
2011514464.tif 000005
【図２】
2011514464.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成22年11月2日(2010.11.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム（１０）であって、
運転時に、電気エネルギーと蒸気含有燃料電池排ガスを発生させるように適合される燃料電池（１２）と、
運転時に、エンジン（４４）に供給される燃料を貯蔵するための燃料タンク（３８）と、
蒸気含有燃料電池排ガスが凝縮装置（３２）に供給できるように前記燃料電池（１２）の排ガス排気口（１６）に接続され、前記燃料電池排ガス中に含まれる前記蒸気を凝縮によりその液体凝集状態へ変換し、前記凝縮工程の結果として得られた前記水を水／燃料混合物を形成するために前記燃料へ導入するように適合される凝縮装置（３２）と、及び
水／燃料混合物が前記エンジン（４４）へ供給できるように前記エンジン（４４）に接続された水／燃料混合物ライン（９６）とを有することを特徴とするエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム。
【請求項２】
前記凝縮装置（３２）は蒸気含有燃料電池排ガスと燃料が前記凝縮装置（３２）に供給できるように、さらに前記燃料タンク（３８）の燃料排出口（４０）に接続され、
前記凝縮装置（３２）は前記燃料電池排ガス中に含まれる前記蒸気を凝縮によりその液体凝集状態へ変換するために、前記蒸気含有燃料電池排ガスを前記燃料と接触させるように適合され、及び
前記水／燃料混合物ライン（９６）は前記凝縮装置（３２）内で形成された前記水／燃料混合物が前記エンジン（４４）に供給できるように、前記凝縮装置（３２）の排出口に接続されるものであることを特徴とする請求項１に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム。
【請求項３】
前記システムは、前記水／燃料混合物を均質化するための均質化装置（９２）、及び／又は前記水／燃料混合物の一時貯蔵のための貯蔵容器（１１８）を具備するものであって、
前記均質化装置（３２）は特に超音波場を形成するための装置、及び／又は機械的攪拌装置を具備するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム。
【請求項４】
前記凝縮装置（３２）に前記燃料が供給される前に、運転時に前記燃料電池（１２）又は他の熱源により発生した熱を利用して少なくともいくらかの前記燃料を所望の温度にまで加熱するために、前記燃料電池（１２）または前記他の熱源に熱的に結合され、前記燃料タンク（３８）の前記燃料排出口（４０）に接続された予熱装置（５２）を有するものであることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム。
【請求項５】
前記エンジン（４４）に前記水／燃料混合物が供給される前に、運転時に前記燃料電池（１２）又は他の熱源により発生した熱を利用して前記凝縮装置（３２）内で形成された少なくともいくらかの前記水／燃料混合物を所望の温度にまで加熱するために、前記燃料電池（１２）又は前記他の熱源と熱的に結合され、前記凝縮装置（３２）の排出口に接続され、前記凝縮装置（３２）の下流に設置される後方の加熱用装置（９４）を有するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム。
【請求項６】
前記燃料タンク（３８）は燃料電池排ガスライン（８８）に接続されるものであり、前記燃料電池排ガスラインを介して前記燃料タンクを不活性化する目的で低酸素燃料電池排ガスを前記燃料タンク（３８）に供給できるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム。
【請求項７】
エンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法であって、
燃料電池（１２）運転時に発生した蒸気含有燃料電池排ガスを凝縮装置（３２）へ供給する工程と、
前記燃料電池排ガス中に含まれる前記蒸気を、前記凝縮装置（３２）内で凝縮によりその液体凝集状態へ変換する工程と、
水／燃料混合物を形成するために、前記凝縮過程の結果として得られた前記水を運転時にエンジン（４４）に供給される燃料へ導入する工程と、及び
前記エンジン（４４）へ前記水／燃料混合物を供給する工程とを有する方法であることを特徴とするエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法。
【請求項８】
運転時に前記エンジン（４４）に供給される前記燃料を前記凝縮装置（３２）に供給し、
前記燃料電池排ガス中に含まれる前記蒸気を凝縮によりその液体凝集状態へ変換するために、前記凝縮装置（３２）内で前記蒸気含有燃料電池排ガスを前記燃料と接触し、
前記凝縮工程の結果として前記凝縮装置（３２）内で形成された前記水／燃料混合物を前記エンジン（４４）に供給することを特徴とする請求項７に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法。
【請求項９】
前記凝縮装置（３２）内で形成された前記水／燃料混合物を均質化装置（９２）内で、特に超音波場を形成するための装置及び／又は機械的攪拌装置を用いて均質化し、及び／又は
前記凝縮装置（３２）内で形成された前記水／燃料混合物を貯蔵容器（１１８）内に一時的に貯蔵することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法。
【請求項１０】
前記燃料電池（１２）又は他の熱源と熱的に結合され、燃料タンク（３８）の燃料排出口（４０）と接続された予熱装置（５２）内で、少なくともいくらかの前記燃料を、前記凝縮装置（３２）に供給される前に運転時に前記燃料電池（１２）又は前記他の熱源によって発生された熱を利用して所望の温度にまで加熱することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法。
【請求項１１】
前記燃料電池（１２）又は他の熱源と熱的に結合され、前記凝縮装置（３２）の排出口に接続され、前記凝縮装置（３２）の下流に配置された後方の加熱用装置（９４）内で、前記凝縮装置（３２）内で形成された少なくともいくつかの前記水／燃料混合物を、前記エンジン（４４）に供給される前に運転時に前記燃料電池（１２）又は前記他の熱源により発生された熱を利用して所望の温度にまで加熱することを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれか１項に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法。
【請求項１２】
前記燃料タンクを不活性化する目的のために、低酸素燃料電池排ガスを燃料電池排ガスライン（８８）を介して前記燃料タンク（３８）に供給することを特徴とする請求項７乃至請求項１１のいずれか１項に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法。
【請求項１３】
前記凝縮装置（３２）内で形成された前記水／燃料混合物を、特に運転段階中のみ前記エンジン（４４）に供給することを特徴とする請求項８乃至請求項１２のいずれか１項に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法。
【請求項１４】
前記エンジン（４４）により駆動される航空機の発進段階及び上昇段階時に、前記凝縮装置（３２）内で形成された前記水／燃料混合物を前記エンジン（４４）に供給することを特徴とする請求項１３に記載のエンジン排ガス中の有害物質を減少させるための方法。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の前記エンジン排ガス中の有害物質を減少させるためのシステム（１０）の航空機における使用。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
その排ガスは前記燃料電池１２からカソード排ガス排気口１６に接続されるカソード排ガスライン１８及びアノード排ガス排気口２０に接続されるアノード排ガスライン２２を介して運ばれる。そのアノード排ガスライン２２内に設置されるフラッシュバルブ２４は燃料電池１２のアノード領域がフラッシュされることを可能にする。その結果、燃料電池１２の運転時にカソード側からアノード側へ拡散することができる燃料電池１２のカソード領域に供給される空気由来の窒素は、燃料電池１２のアノード領域から除かれることができる。燃料電池１２の近傍に到達する水素を防ぐために、アノード排ガスライン２２はベンチュリノズル２６を経由してカソード排ガスライン１８に接続されるので、その結果、カソード排ガスライン１８を流れるカソード排ガスの吸引効果が前記アノード排ガスライン２２からカソード排ガス流の中へフラッシュガスを引き寄せる。燃料電池１２のカソードを流れるガス流を運ぶために、吸引コンプレッサー３０が燃料電池排ガスライン２８内のベンチュリノズル２６の下流に設置される。しかしながら、燃料電池１２を通る流れを運ぶ他の方法も考えることができる。
【国際調査報告】
2011514464.tif 000007
2011514464.tif 000008
2011514464.tif 000009
2011514464.tif 000010
2011514464.tif 000011
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