(57)【要約】【課題】車両のための暖房システムを提供して、該暖房システムが簡単な構造形式で車両の種々のシステム領域の効率的な加熱を可能にする。【解決手段】車両のための暖房システムが、炭化水素／添加物質・混合物から水素を発生させるためのリホーミング装置１２、リホーミング装置内で発生した水素を受容して燃焼させるための燃焼装置１４、並びに燃焼装置内で生じた燃焼熱を加熱媒体へ伝達するための熱交換装置１６を備えている。【選択図】図１
2004115013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　車両のための暖房システムであって、炭化水素と添加物質との混合物から水素を発生させるためのリホーミング装置（１２）、リホーミング装置（１２）内で発生した水素を受容して燃焼させるための燃焼装置（１４）、並びに燃焼装置（１４）内で生じた燃焼熱を加熱媒体へ伝達するための熱交換装置（１６）を備えていることを特徴とする、車両のための暖房システム。
【請求項２】
　リホーミング装置（１２）と燃焼装置（１４）の燃焼室（２４）との間にフレームアレスタ（２２）が配置されている請求項１記載の暖房システム。
【請求項３】
　リホーミング装置（１２）内で発生した水素を、水素の消費のための別の少なくとも１つのシステム（４６，６０）へ供給するための供給手段（１４，１６；５２，５４，５８）が設けられている請求項１又は２記載の暖房システム。
【請求項４】
　水素の消費のためのシステム（４６，６０）が、内燃機関（４４）の排ガス後処理システム（４６）及び／又は燃料電池（６０）を含んでいる請求項３記載の暖房システム。
【請求項５】
　供給手段（５２，５４，５８）が、リホーミング装置（１２）内で発生した水素を燃焼装置（１４）と水素の消費のための少なくとも１つのシステム（４６，６０）とに分配する分配手段（５２）を備えている請求項３又は４記載の暖房システム。
【請求項６】
　分配手段（５２）の分配比が変化可能である請求項５記載の暖房システム。
【請求項７】
　燃焼装置（１４）の出口領域が供給手段（１４，１６）によって、水素の消費のための少なくとも１つのシステム（４６）に接続されている請求項３又は４記載の暖房システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、車両のための暖房システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
　現代の自動車においては、技術的な種々の要求並びに高い快適性の要求から、駆動装置、即ち例えば内燃機関の運転に左右されることなく、燃料と空気との混合気の燃焼によって熱を発生し得る暖房システムの必要性が高まっている。さらにコストの理由から、車両及び該車両内に配置された種々のシステム（機構）を改善して、機能及び構成要素の統合によって所要スペースの小さい経済的なシステムが要求されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
　本発明の課題は、車両のための暖房システムを提供して、該暖房システムが簡単な構造形式で車両の種々のシステム領域の効率的な加熱を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
　前記課題を解決するために本発明の構成では、車両のための暖房システムが、炭化水素／添加物質・混合物から水素を発生させるためのリホーミング装置、リホーミング装置内で発生した水素を受容して燃焼させるための燃焼装置、並びに燃焼装置内で生じた燃焼熱を加熱媒体、例えば空気若しくは水へ伝達するための熱交換装置を備えている。
【０００５】
　本発明では、車両の１つのシステム領域、即ち例えば燃料電池の運転のために水素を生成するリホーミング装置が、暖房システムの１つの構成部分をも成すものであり、リホーミング装置によって生成された水素が燃焼され、その際に発生した燃焼熱が種々の車両システム領域の加熱に利用される。
【０００６】
　暖房システムの本発明に基づく構成では燃焼装置内でリホーミング装置からの水素の燃焼が行われるので、リホーミング装置と燃焼装置の燃焼室との間にフレームアレスタ若しくは火炎バリアを配置してあると有利である。これによって、燃焼装置内での燃焼に際してリホーミング装置内への逆火が、両方のシステム領域、即ちリホーミング装置と燃焼装置とを互いに接近して配置してある場合にも効果的に阻止される。
【０００７】
　有利な別の実施態様では、リホーミング装置内で発生した、即ち生成された水素を、水素を消費する別の少なくとも１つのシステムへ供給するための供給手段が設けられている。この場合、水素を消費するシステムが、内燃機関の排ガス後処理システム及び／又は燃料電池を含んでいる。
【０００８】
　特に、車両に付加的な水素消費器を設けてある場合にリホーミング装置を極めて効率的に活用するために、本発明の別の実施態様では供給手段が、リホーミング装置内で発生した水素を燃焼装置と、水素を消費する少なくとも１つのシステム、即ち水素消費器とに分配する分配手段を備えている。
【０００９】
　水素を消費する種々のシステム領域を種々の運転段階で作動させる場合、若しくは一方のシステム領域に水素を供給するのに対して、他方のシステム領域に水素を供給しない場合のために、本発明の別の実施態様では分配手段の分配比が変化可能である。
【００１０】
　暖房システムを構造的に著しく簡単に構成してかつ簡単に運転するために、別の実施態様では、燃焼装置の出口領域が供給手段によって、水素を消費する少なくとも１つのシステムに接続されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
　本発明を図示の実施例に基づき詳細に説明する。図１に示す本発明に基づく暖房システム１０は、実質的に３つの領域、即ち上流側に位置するリホーミング装置１２、該リホーミング装置の下流側に続く燃焼装置１４、並びに該燃焼装置に続けて配置された熱交換装置１６から構成されている。簡単な構造の観点から有利な実施例では、これらのすべてのシステム領域（リホーミング装置１２、燃焼装置１４、熱交換器１６）は管状の唯一のケーシング領域１８内に収容されていてよい。
【００１２】
　リホーミング装置１２は、概略的に示す触媒コンバーター２０を備えており、触媒コンバーター内で空気及び炭化水素、例えばディーゼル燃料からなる矢印Ｐ１で示す混合物が必要に応じて水を添加して分解され、若しくは純粋な水・炭化水素混合物が分解され、従ってリホーミング装置１２がガス状の混合物を流過させ、該混合物には比較的高い割合の水素が含まれている。リホーミング装置１２は分解すべき混合物の形成のためにエバポレータ装置を備えていてよく、エバポレータ装置が予熱され、若しくはエバポレータ装置に混合物の形成のための既に予熱された原料物質（出発材料）が供給されてもよい。触媒コンバーター２０に対応して加熱装置を配置することも可能であり、加熱装置が触媒反応に必要な温度を生ぜしめるようになっており、必要な温度は炭化水素としてディーゼル燃料を使用する場合に３２０℃の範囲である。
【００１３】
　リホーミング装置１２を通過したガスは、フレームアレスタ２２を経て燃焼装置１４内に、若しくは燃焼装置の燃焼室２４内に流入する。燃焼室２４内にはさらに、図２に示す空気供給システム２６を介して燃焼空気が供給される。空気供給システム２６が、外部からの空気Ｐ３の案内のための通路区分（管路区分）２８、リング状（環状）の分配通路区分３２及び燃焼室２４内へ延びる空気供給区分３２を有している。これによって、燃焼室２４内へ導入された水素と一緒に燃焼すべき空気の均一な供給が達成される。空気及び水素からなる混合気を点火して、燃焼を生ぜしめるために、点火手段３４を設けてあり、点火手段がらせん状フィラメント若しくは類似のものを有していてよい。
【００１４】
　燃焼装置１４内での燃焼に際して一般的にガスの形で発生した燃焼生成物が、同じく燃焼に際して発生した熱を熱交換装置１６に向けて輸送する。熱交換装置が概略的に示す熱交換器３６を有しており、熱交換器内に入口区分３８を介して、熱すべき媒体、例えば空気若しくは液体が供給されて、かつ熱交換器から出口区分４０を介して再び排出される。熱交換器３６を貫通する複数の流過通路４２が、燃焼装置１４からの燃焼生成物によって貫流され、その結果、熱交換器３６内を貫流する加熱すべき媒体への熱伝達が行われる。矢印Ｐ２によって暗示してあるように、燃焼生成物若しくは燃焼排ガスが熱交換装置１６を流過して、次いで例えば車両に存在する排ガス系内に供給され、若しくは後に述べるように種々の方法でさらに利用される。
【００１５】
　図１及び図２に示すシステムにおいては、リホーミング装置１２内で発生した水素ガスが、例えばエンジン停止時暖房モードで空気を加熱するために、若しくは駆動装置、例えばエンジンの予熱のための予熱モードで駆動装置の冷却媒体を加熱するために、若しくは駆動装置を該駆動装置の運転のための適切な温度にするために、燃料として利用される。
【００１６】
　車両システム内への、図１及び図２に示す形式のシステム１０の統合が、図３に示してある。車両システムが、駆動装置として投入された内燃機関４４を有している。内燃機関の燃焼排ガスが、有害物質排出量の減少のために排ガス後処理システム４６内で後処理される。排ガス後処理システムは一般的に触媒コンバーターを備えている。
【００１７】
　さらに図３に、本発明に基づく暖房システム１０を示してあり、暖房システムが流れ方向で順次にリホーミング装置１２、燃焼装置１４並びに熱交換装置１６を有している。リホーミング装置１２が、矢印Ｐ１で概略的に示してあるように、炭化水素と別の混合物質、例えば空気及び／又は水から成る分解すべき混合物を受け取るようになっている。該混合物が前に述べてあるように分解され、その際に発生した水素が、概略的に矢印Ｐ３で示してあるように空気を加えることによって燃焼させられる。この場合に発生した熱が、熱交換装置１６内で媒体に伝達されて、該媒体が熱すべきシステム領域１８、即ち例えば車両室内を暖める。燃焼装置１４の燃焼運転に際して、熱交換装置１６を通過した燃焼排ガスは、加熱すべき媒体を循環させた場合でも、比較的高い温度を有していて、該高い温度で自動車の排ガス案内システム５０内に流入する。該燃焼排ガスはさらに排ガス後処理システム４６内に流入して、そこで排ガス後処理に有効な触媒コンバーターに沿って流過する。内燃機関４４がまだ運転されておらず、排ガス案内システム５０全体が比較的低い温度しか有していない段階では、排ガス後処理システム４６の予熱、特に排ガス後処理システム４６の触媒コンバーターの予熱に基づき、内燃機関４４の運転の開始から排ガス後処理システム４６が、内燃機関４４によって排出された排ガスを所望の形に変換し、特に酸化窒素の含有量を減少させるようになっている。
【００１８】
　内燃機関４４がすでに運転されていて、一方で車両室内へ供給すべき空気の加熱のための熱源として有効であり、他方で排ガス案内システム５０、ひいては排ガス後処理システム４６が内燃機関４４からの高い熱エネルギーを有する燃焼排ガスによって必要な運転温度に保たれている場合に、排ガス浄化のさらなる改善のために、本発明に基づく暖房システム１０を次のように運転することが、即ちリホーミング装置１２が水素を生成するものの、燃焼装置１４は作動されず、即ち燃焼装置内に供給された水素がそこでは燃焼されず、場合によっては付加的な空気を混合されることもない。リホーミング装置１２を通過して多量の水素を含むガスが、作用することなく熱交換装置１６を流過して、排ガス案内システム５０、ひいては排ガス後処理システム４６内に達する。これによって、内燃機関４４の排ガス内に多量の水素が供給されて、酸化窒素量を減少させるために、ＮＯ２並びにＮＯでＮ２及びＨ２Ｏを形成するために変換される。
【００１９】
　本発明に基づく暖房システム１０は前述の説明から明らかなように、車両に組み込まれて、種々の要求がある、例えば種々のシステム領域の予熱に対する要求があり、若しくはさらなる処理のための水素の供給が必要である種々の運転段階で多様な方法で運転される。
【００２０】
　全体の機能性を高めるために本発明に基づく暖房システムを組み込まれた別のシステムが、図４に示してある。該システム（機構）も、駆動装置としての内燃機関４４、該内燃機関の排ガス案内システム５０、並びに排ガス後処理システム４６を備えている。該暖房システム１０においてはリホーミング装置１２と燃焼装置１４との間に弁装置５２が設けられている。リホーミング装置１２を通過したガス混合気が、前記弁装置５２によって通路分岐部５４を介して直接に内燃機関４４の排ガス案内システム（排気系）５０内へ導かれ、若しくは通路区分５６を介して燃焼装置１４へ導かれ、若しくは通路区分５８を介して燃料電池システム６０へ導かれる。燃料電池システムが、流れ方向で順次に位置するガス洗浄化システム６２と本来の燃料電池６４とを有している。ほぼ８０℃の温度範囲で作動する低温形燃料電池を使用する場合には、リホーミング装置１２からのガス混合気を水素で富化して、一酸化炭素含有量をできるだけ少なくする必要がある。このために、ガス清浄化システム６２が通常は触媒コンバーターも備えており、触媒コンバーターが２００℃乃至５００℃の温度範囲で作動する。このことは、燃料電池６４の運転開始の前に少なくともガス清浄化システム６２を適切に予熱し、有利には燃料電池６４自体も適切な運転温度にする必要があることを意味する。このことは、図４に示す本発明に基づくシステムにおいて次のように実施される。
【００２１】
　燃料電池６４の運転開始の前の段階で、内燃機関４４を運転していない場合に、リホーミング装置１２を通過したガス混合気が、弁装置５２によって燃焼装置１４内に導かれて、そこで燃焼される。該燃焼ガスが燃焼装置１４を流過し、かつ熱交換装置１６を通過して別の弁装置６６へ向かって流れ、該弁装置が該段階では燃焼装置１４の燃焼排ガスをガス清浄化システム６２の上流側の通路区分５８内へ供給するように切り換えられている。もちろん該運転段階で熱交換装置１６が、加熱媒体（暖房媒体）、例えば車両室内へ供給すべき空気を加熱して所定の暖房を行うために作動されてよい。通路区分５８内へ流入する熱い燃焼排ガスが、ガス清浄化システム６２並びに燃料電池６４を貫流し、かつ必要に応じて燃料電池６４をも貫流して、これらを加熱し、次いで例えば通路区分６８を経て内燃機関４４の排ガス案内システム５０内に達して、少なくともまだ残っている残留熱で排ガス後処理システム４６の触媒コンバーターをも予熱する。
【００２２】
　ガス清浄化システム６２が適切な運転温度にある場合には、弁装置５２の切換によって、リホーミング装置１２を流過したガス混合気の少なくとも一部分が通路区分５８内へ流入させられ、その結果、燃料電池６４のために水素で富化されかつ汚れの除去されたガス若しくはガス混合気が形成されて、燃料電池６４が運転される。該運転段階では、弁装置６６は次のように切り換えられてよく、即ち燃焼装置１４並びに熱交換装置１６を流過した燃焼排ガスは、内燃機関４４の排ガス案内システム５０へ通じる通路区分５４内に流入して、もはや燃料電池システムへ通じる通路区分５８内には流入しないようになっていてよい。燃料電池６４が電気エネルギーの形成のために運転されて、電気エネルギーによって例えば駆動装置若しくは補助駆動装置が運転され、若しくは電気エネルギーが配電網に供給される。該運転段階では内燃機関４４も同時に運転されてよく、この場合には弁装置５２が次のように切り換えられていてよく、即ちリホーミング装置１２を流過したガス混合気が両方の通路区分５４，５８内へ分配され、通路区分５６内へは流入させられない。これによって、一方では水素が燃料電池６４の運転のために供給され、他方では水素が内燃機関４４の燃焼排ガス内へ供給されて、該燃焼排ガスの、排ガス後処理システム４６内での後処理の改善のために利用される。該運転段階で燃焼装置１４によっても付加的に熱を発生させて補助暖房機能を得たい場合には、弁装置５２が次のように切り換えられ、即ち水素を含むガス混合気が所望の分配割合で３つのすべての通路区分５４，５６，５８内へ導入される。
【００２３】
　図４に示すシステムはもちろん種々に変更されてよい。例えば破線の矢印で示してあるように、燃焼装置１４を流過した燃焼排ガスが、適当な切換手段によって直接に通路区分５８内へ供給され、その結果、熱交換装置１６内で発生する熱損失が避けられる。通路区分５４を省略することもでき、排ガス後処理システム４６内での排ガス清浄化の改善のために水素を内燃機関４４の排ガス案内システム５０内に供給したい場合には、弁装置５２が次のように切り換えられ、即ち水素を含むガス混合気の少なくとも一部分がリホーミング装置１２から通路区分５６内へ流入するようになっており、この場合、燃焼装置１４は作動されておらず、従ってガス混合気は弁装置６６の適切な切換によって排ガス案内システム５０内に達する。さらに可能な別の例では、ガス清浄化システム６２及び／又は燃料電池６４及び／又はリホーミング装置１２の触媒コンバーター２０が熱交換装置１６を利用して加熱され、例えばガス清浄化システム６２の場合にはガス清浄化システムが直接に燃焼装置１４の燃焼排ガスによって貫流されるのではなく、熱交換装置１６とガス清浄化システム６２との間を循環する加熱媒体によって熱がガス清浄化システム６２に伝達される。同様のことが前記システム領域、例えば燃料電池６４にも当てはまる。
【００２４】
　図４に示してあり、各運転段階にとって最適な割合でリホーミング装置１２からのガス混合気の分配を行い、若しくは所定の通路区分を完全に閉鎖できる弁装置５２の代わりに、配分比の一定な装置を設けることも可能であり、この場合には例えば通路区分５４内へ供給されるガス量と通路区分５８内へ供給されるガス量とは、設定された１つのシステムにおいて常に一定の割合である。この場合には例えば１つの管が、分配比に対応して分割された横断面を有していてよい。
【００２５】
　さらに可能な別の例として、本発明に基づく前述のシステム１０において、リホーミング装置１２を流過する水素含有のガス混合気の一部分若しくは全部が、酸素を消費するシステムへ直接に導かれるのではなく、中間貯蔵部内に導かれてよく、中間貯蔵部内にガス混合気が圧力下で貯蔵される。この種の貯蔵部を、例えば図３に示すシステムにおいてリホーミング装置１２と燃焼装置１４との間に配置してよく、該貯蔵部がリホーミング装置１２及び／又は燃焼装置１４に対して弁装置若しくは類似のものによって遮断可能であってよい。図４のシステムでは、前記貯蔵部がリホーミング装置１２と弁装置５２との間に配置されていてよい。このような配置においては、リホーミング装置１２が、実際の水素需要に左右されることなく、即ち水素を実際に必要するか否かに左右されることなく運転でき、従って、水素を必要としない若しくはわずかにしか必要としない段階では貯蔵部が充填され、多量の水素量を必要とする段階では貯蔵部が放出を行う。例えば水素需要の著しく高い段階では、水素を消費するシステムが貯蔵部からも、直接にリホーミング装置１２からも供給を受ける。これによって、水素を消費するシステムは、リホーミング装置１２が触媒反応に必要な温度に達していない運転状態でも、供給を受けられる。さらに、リホーミング装置１２を実際の水素要求に左右されることのない最適な運転パラメータで運転して、効率を高めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に基づく暖房システムの概略的な縦断面図
【図２】図１の暖房システムの燃焼装置の領域の横断面図
【図３】本発明に基づく暖房システムを車両内に組み込んだ実施例のブロック図
【図４】本発明に基づく暖房システムを車両内に組み込んだ別の実施例のブロック図
【符号の説明】
【００２７】
　１０　暖房システム、　１２　リホーミング装置、　１４　燃焼装置、　１６　熱交換装置、　１８　ケーシング領域、　２０　触媒コンバーター、　２２　フレームアレスタ、　２４　燃焼室、　２６　空気供給機構、　２８　通路区分、　３０　分配通路区分、　３２　空気供給区分、　３４　点火手段、　３６　熱交換器、　３８　入口区分、　４０　出口区分、　４２　流過通路、　４４　内燃機関、　４６　排ガス後処理システム、　５０　排ガス案内システム、　５２　弁装置、　５４　通路分岐部、　５６，５８　通路区分、　６０　燃料電池システム、　６２　ガス清浄化システム、　６４　燃料電池、　６６　弁装置
【図１】
2004115013.tif 000003
【図２】
2004115013.tif 000004
【図３】
2004115013.tif 000005
【図４】
2004115013.tif 000006