(57)【要約】【課題】化学的なエネルギを電気的および／または機械的なエネルギへと変換するための装置、特に燃料電池ユニットおよび／またはディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンのような燃焼装置を備えた車両であって、少なくとも１つの、酸素を含有する出発原料混合気が提供されている形式の車両を改良して、とりわけエネルギ変換の効率を、特に環境に配慮するために、背景技術に比べて向上させることができるような車両を提供する。【解決手段】少なくとも１つの酸素濃度の高い流体（２）を出発原料混合気（１）の流体残分（３）から分離するための分離装置（７）が設けられているようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学的なエネルギを電気的および／または機械的なエネルギへと変換するための装置（６）、特に燃料電池ユニット（６）および／またはディーゼルエンジンまたはガソリンエンジン（６）のような燃焼装置（６）を備えた車両であって、少なくとも１つの、酸素を含有する出発原料混合気（１）が提供されている形式のものにおいて、少なくとも１つの酸素濃度の高い流体（２）を出発原料混合気（１）の流体残分（３）から分離するための分離装置（７）が設けられていることを特徴とする車両。
【請求項２】
分離装置（７）が、出発原料混合気（１）から酸素（２）を分離するための、少なくとも１つの酸素セパレータ（７）を有している、請求項１記載の車両。
【請求項３】
酸素セパレータ（７）が、酸素（２）を凝縮するための酸素凝縮ユニット（７）として形成されている、請求項１または２記載の車両。
【請求項４】
分離装置（７）が、冷却媒体（４）との熱交換のための、少なくとも１つの熱交換器（７）を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の車両。
【請求項５】
冷却媒体（４）の流れ方向で見て熱交換器（７）の上流に、冷却媒体（４）を少なくとも２つの別個の部分流に分割するための、少なくとも１つの分岐エレメント（９）が配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の車両。
【請求項６】
分岐エレメント（９）に熱交換器（７）の冷却媒体バイパス（１０）が配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の車両。
【請求項７】
冷却媒体（４）が実質的に水素（４，５）から成っている、請求項１から６までのいずれか１項記載の車両。
【請求項８】
液体水素（４）を蓄えるための、少なくとも１つの液体蓄え器（８）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の車両。
【請求項９】
液体蓄え器（８）が、該液体蓄え器（８）の熱絶縁のために、流体残分（３）を含有した少なくとも１つの絶縁装置（１６）を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の車両。
【請求項１０】
液体蓄え器（８）が、該液体蓄え器（８）の熱絶縁のために、酸素濃度の高い流体（２）を含有した少なくとも１つの絶縁ユニット（１５）を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学的なエネルギを電気的および／または機械的なエネルギへと変換するための装置、特に燃料電池ユニットおよび／またはディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンのような燃焼装置を備えた車両であって、少なくとも１つの、酸素を含有する出発原料混合気が提供されている形式のものに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、とりわけ燃料の化学的なエネルギから駆動エネルギを生成するために例えば内燃機関のような熱機関、タービンまたはこれに類するもの、もしくは電動モータを備えた燃料電池を有した種々異なる車両、特に陸・海・空の車両が使用されている。一般に、燃料は酸化により変換され、その際、有利には大気中の空気が使用される。燃料を、酸素を含有した空気により燃焼もしくは酸化した場合、特に水、二酸化炭素、窒素酸化物等が生成される。
【０００３】
例えば環境保護に配慮して近年、特にエネルギ変換の効率ならびに排出ガスの環境重視に対する要求は常に高まってきている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これに対して本発明の課題は、化学的なエネルギを電気的および／または機械的なエネルギへと変換するための装置、特に燃料電池ユニットおよび／またはディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンのような燃焼装置を備えた車両であって、少なくとも１つの、酸素を含有する出発原料混合気が提供されている形式の車両を改良して、とりわけエネルギ変換の効率を、特に環境に配慮するために、背景技術に比べて向上させることができるような車両を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決した本発明の構成では、少なくとも１つの酸素濃度の高い流体を出発原料混合気の流体残分から分離するための分離装置が設けられているようにした。請求項２以下に挙げた手段により、本発明の有利な構成および変化形が可能である。
【発明の効果】
【０００６】
それに応じて、本発明による車両は、少なくとも１つの酸素濃度の高い流体を出発原料混合気の流体残分から分離するための、少なくとも１つの分離装置が設けられている点で優れている。有利には、酸素濃度の高い流体もしくは酸素は大気中の空気から獲得されて、残留空気から分離装置によって有利には分離され、かつ一般にここから別個にエネルギ変換のための装置もしくは燃焼装置および／または燃料電池ユニットへと供給される。酸素濃度を高めること、つまり酸素富裕化の助けを借りて、エネルギ変換器における燃焼もしくは酸化は背景技術に比べて、流動全体における酸素の割合の上昇に基づいて明らかに効率化もしくは改善される。場合によってはほぼ純粋な酸素が流体としてエネルギ変換器のために生成もしくは使用される。さらに、本発明により、例えば廃産物としての窒素酸化物の発生は決定的に減じられる。
【０００７】
酸素富裕化もしくは流動全体における酸素分の上昇により、有利な形式で、装置もしくは装置構成要素の明らかな小型化が実現可能であり、例えば背景技術に比べて構成要素は約４分の１の大きさにまで縮小され得る。これにより、構成要素の重量の減少およびこのことに場合によっては由来する燃料消費の減少の他に、構造上の手間ならびに経済的なコストが有利な形式で減じられる。
【０００８】
酸素濃度の高い流体もしくはほぼ純粋な酸素は本発明により、特に駆動エネルギおよび／または車両の電気的な構成要素に供給するための電気的なエネルギを生成するために使用される。
【０００９】
一般に、酸素濃度の高い流体を製造するための、種々異なる物理的および／または化学的な分離方法が可能であって、例えば膜型分離ユニット（Ｍｅｍｂｒａｎｔｒｅｎｎｅｉｎｈｅｉｔ）を使用する場合には、半透膜がほぼ酸素もしくは酸素分子だけを透過するように形成されていなければならない。
【００１０】
本発明の有利な変化形では、分離装置は少なくとも１つの酸素セパレータ（Ｓａｕｅｒｓｔｏｆｆａｂｓｃｈｅｉｄｅｒ）もしくは酸素凝縮ユニット（Ｓａｕｅｒｓｔｏｆｆ−Ｋｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｓｅｉｎｈｅｉｔ）を、酸素を出発原料混合気から分離もしくは凝縮するために有している。有利にはセパレータもしくは凝縮ユニットを用いて空気を液化することにより、ほぼ純粋な酸素を特に大気中の空気から得ることができる。
【００１１】
有利には冷却装置が設けられており、冷却装置によって、酸素を含有した出発原料混合気もしくは大気中の空気を少なくとも酸素の沸点下に冷却可能である。例えば空気は約１バールの圧力時に約−１８３℃の温度で凝縮する。
【００１２】
有利な形式で、酸素を含有した出発原料混合気もしくは空気は、例えば１バールの圧力時に約−１９６℃の温度にある窒素の沸点を上回る程度にまで冷却される。これにより、液状の酸素と、まだ実質的にガス状の窒素との有利な分離が有利に実現可能である。このことは、空気が、約１バールの圧力時に約１３ケルビンの、存在している「凝縮窓（Ｋｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｓｆｅｎｓｔｅｒ）」内で温度調節されなければならないことを意味し、これにより、酸素／窒素分離が液体／ガス分離として有利に実現され得る。
【００１３】
実際の使用では、例えば空気を約−１９１℃の温度においてワンステップで凝縮する場合、約６％の酸素Ｏ２を含むガスもしくは流体残分が発生する一方、液体もしくは酸素濃度の高い流体が約３８％の酸素Ｏ２を含んでいることが判っている。本発明の有利な変化形では、例えばより多くの分離装置および／または分離ステップの接続もしくは連結によって有利には段階的に順々にほぼ純粋な酸素を生成することが可能である。一般に、富裕化は、若干高い温度、すなわち酸素の凝縮温度に近い温度で、液相にある酸素分もしくは流体内の酸素分が高められるような形で行われる。
【００１４】
酸素凝縮ユニットにより生成された酸素濃度の高い流体は例えば「クライオ運転材料（Ｋｒｙｏ−Ｂｅｔｒｉｅｂｓｓｔｏｆｆ）」もしくは「極低温推進剤」と呼ばれることができ、すなわち、運転材料の沸点は周囲温度下にある。
【００１５】
本発明の特に有利な変化形では、分離装置が、冷却媒体との熱交換のための少なくとも１つの熱交換器を有している。これにより有利な形式で、出発原料混合気の冷却もしくは凝縮が有利な形式で実現可能となる。
【００１６】
本発明の有利な実施形態では、熱交換器の、伝達したい熱エネルギが例えば電子式の制御ユニット、少なくとも１つの制御弁もしくは制御可能な絞りおよび／またはこれに類するものによって制御可能である。この手段の助けを借りて、車両の運転条件に関連した、酸素濃度の高い流体の生成したい量の有利な適合が実現され得る。車両は一般にその運転中に特にダイナミックに変化する運転条件により特徴付けられる。それに応じて、種々異なる大きさの運転材料流、例えば酸素濃度の高い流体もしくは燃料が必要とされる。
【００１７】
有利には、冷却媒体の流れ方向で見て熱交換器の上流に少なくとも１つの分岐エレメントが、冷却媒体を少なくとも２つの別個の部分流に分離もしくは分割するために配置されている。相応に有利に形成された分岐エレメントは別個の部分流の生成を保証し、部分流の助けを借りて、出発原料混合気もしくは空気からの酸素の分離もしくは凝縮が有利な形式で、場合によっては流動する冷却媒体の全体量を変化させることなしに制御可能である。このことは特に、冷却媒体の全体量が実質的に車両の別の運転条件もしくは構成要素に関連している、つまり富裕化には関連していないかもしくは従属的にのみ関連しているような適用事例において特に有利である。
【００１８】
本発明の特に有利な変化形では、分岐エレメントに熱交換器の冷却媒体バイパスが配置されている。冷却媒体バイパスの助けを借りて、有利な形式で、分割された一方の部分流のための、熱交換器の迂回が実現され得るので、例えば電子式の制御ユニットもしくは少なくとも１つの制御弁、制御可能な絞りまたはこれに類するものを用いて、熱交換器を通流する冷却媒体の部分流は富裕化の運転条件に関連して制御可能である。この場合、有利には冷却媒体の全体量は流れ方向で見て熱交換器の下流で実質的に流体量とは無関係に変更することができる。
【００１９】
今日、既に種々異なる燃料が、車両に設けられた内燃機関、タービン、燃料電池等のために使用される。この場合、とりわけ「クライオ燃料（Ｋｒｙｏｋｒａｆｔｓｔｏｆｆ）」もしくは「極低温燃料」、すなわちその沸点が周囲温度下にある燃料も、ますますエネルギ源として例えば貨物自動車、バスおよび／または乗用車のような車両を駆動するために使用される。クライオ燃料として例えば液化天然ガス（ＬＮＧ）、液体水素（ＬＨ２）、メタン、エテン、エタンまたはこれに類するものが役立つ。
【００２０】
本発明の有利な変化形では、冷却媒体がクライオ燃料として形成されており、有利には冷却媒体は実質的に水素から成っている。場合によっては既に車両に存在しているクライオ燃料を使用することにより、特に付加的な冷却媒体は不要となり、これにより、車両における方法技術的な手間も構造上の手間も本発明により決定的に減じられる。例えば、冷却媒体の別個の補給もしくは貯蔵は省略することが可能で、これにより、特にこれに相応する補給インフラストラクチャの拡張は不要となる。
【００２１】
有利には少なくとも１つの液体蓄え器が液体水素（ＬＨ２）を蓄えるために設けられている。これにより、クライオ燃料は比較的に高いエネルギ密度で車両に蓄えられる。水素は例えば約−２５３℃の温度で液体の形で車両に蓄えられることができる。
【００２２】
一般に、相応の液体蓄え器は少なくとも１つの熱絶縁を有している。例えば、液体蓄え器の、少なくとも１つの被覆が熱絶縁のために設けられている。場合によっては、被覆は複数の、有利には大幅に物質的に隔たった絶縁層から成っている。場合によっては、少なくとも１つの絶縁層が部分的に真空化されているか、部分的に、液状の窒素および／またはこれに類するもので満たされている。
【００２３】
有利には、液体蓄え器は、少なくとも１つの、流体残分を有した絶縁装置および／または少なくとも１つの、酸素濃度の高い流体を有した絶縁ユニットを熱絶縁のために有している。この手段により、とりわけ熱交換器によって部分的に強く冷却された流体、流体残分および／または出発原料混合気が、液体蓄え器を周囲温度に対して熱絶縁するために使用可能となる。
【００２４】
通常、液体蓄え器の温度は内から外に上昇する。外側の絶縁層もしくは層は例えば、例えば約−１９６℃の温度にある液化した窒素から成る被覆と、場合によっては真空化された別の絶縁層とから成っている。場合によってはこれに隣接した外側または内側の層もしくは絶縁層内かつ／または液体のもしくは極低温の水素の出口には、酸素の有利な凝縮もしくは空気の凝縮のために使用可能である条件もしくは温度が支配している。例えば、液化された、酸素濃度の高い空気と、残留する少なくとも部分的にまだガスの状態にある窒素とは、場合によっては別の絶縁層もしくは層としてタンクシステム内で使用される。
【００２５】
基本的に、酸素濃度の高い流体および／または流体残分を蓄えるために、その都度少なくとも１つの別個の蓄え器が車両に設けられることができる。相応の蓄え器は有利な形式で、その都度の運転材料の生成とその都度の消費とを大幅に時間的に切り離すことを可能にする。
【００２６】
一般に、車両は少なくとも１つの温度センサおよび／または圧力センサを有しており、これにより有利な形式で、酸素濃度の高い流体を出発原料混合気の流体残分から分離するための運転条件が制御可能である。有利には、せめて熱交換器が少なくとも１つの温度センサおよび／または圧力センサを、適当な運転パラメータを求めるために有している。
【００２７】
さらに、有利な形式で、ポンプ、コンプレッサ、送風機またはこれに類するもののような圧力発生装置が設けられることができ、これにより、例えば出発原料混合気、冷却媒体、燃料および／またはこれに類するものが車両の運転のために有利な形式で使用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に図面を参照しながら本発明の実施例について詳説する。
【００２９】
図１には概略的に、本発明による車両の構造もしくは個々の構成要素の接続回路が示されている。エネルギ変換器６、特に燃料電池ユニット６および／または内燃機関６はタンク８からの燃料５もしくは水素５と、酸化剤１９もしくは酸素濃度の高い流体１９とを必要とする。この場合、エネルギ変換器６は排出口１８を有しており、排出口１８を通して排出ガスもしくは水蒸気が一般に周囲および／または後処理装置へと放出される。
【００３０】
酸素濃度の高い流体１９もしくはほぼ純粋な酸素１９は、分離装置７もしくは熱交換器７を用いて、空気１が例えば任意にコンプレッサ２０により周囲もしくは大気から取り出されて熱交換器７を通して導かれることによって生成される。さらに、有利には極低温のもしくは液状の水素４がタンク８から熱交換器７を通して導かれ、これにより、水素４は若干温められて、場合によっては部分的にガス状の水素５としてエネルギ変換器６に供給される。
【００３１】
水素４はタンク８内で特に約−２５１℃の温度を有しているので、空気１は熱交換器７内で少なくとも約−１８３℃の凝縮温度にまで冷却され、酸素濃度の高い流体２ならびに酸素濃度の低いもしくは窒素濃度の高い流体残分３へと分割もしくは分離される。一般に流体２は実質的に液体２であり、流体残分３はとりわけ窒素３を含有したガスである。
【００３２】
両方の流れ２，３はタンク８の絶縁層１５もしくは１６に導入もしくは一時的に蓄えられる。有利には酸素濃度の高い流体２もしくは液体２は液体水素４とガス状の流体残分３との間に配される。絶縁層１５から、場合によっては圧力負荷された酸素２が、場合によっては僅かなもしくは残留した窒素分を伴って、変換装置６もしくはエネルギ変換器６の運転のために取り出される。場合によって、流体２は車両の比較的温かい領域で気相へと変換され、かつ／または一時的に蓄えられ、ならびに必要に応じてエネルギ変換器６へと供給される。
【００３３】
特に酸素濃度の低い流体残分３は排出口１７により一般に車両内室および／またはエネルギ変換器６の空調のために再利用されるか、もしくは周囲もしくは大気へと放出される。
【００３４】
さらに、別の熱絶縁層１４がタンク８と絶縁層１５との間に設けられることができる。詳細な説明は省くが、絶縁層１６の周囲に別の熱絶縁層もしくは被覆が設けられることができる。少なくとも１つのまたは複数の絶縁層は部分的に真空化されるか、もしくは液状の窒素で満たされることができる。通常、タンク内部の温度は約−２５３℃から外方に向かって上昇する。
【００３５】
とりわけ熱交換器７における凝縮を制御するために、熱交換器７はバイパス１０を有している。これにより、空気１もしくは酸素１の凝縮は、熱交換器７を通流する水素４の量により有利な形式で切り離されるもしくは制御されることができる。このために、流動方向で見て熱交換器７の上流に分岐９が設けられているので、水素４は２つの部分流に分割可能である。例えば熱交換器７を迂回して導かれた部分流１０は制御可能な弁１１もしくは絞り１１でもって調整可能である。弁１１とセンサ１２との間の、単に破線で図示されたライン１３は部分流４，１０の制御を可能にする。
【００３６】
センサ１２は特に熱交換器７の温度および／または圧力を検出するために形成されている。詳細な説明は省くが、温度もしくは圧力を求めるための別のセンサと、装置全体を制御するための電子式の制御ユニットとが設けられることができる。通常、有利な制御を用いて適当な条件、すなわち特に熱交換器７内の圧力関係および温度関係が調節されるので、酸素濃度の高い流体２と、酸素濃度の低いもしくは窒素濃度の高い流体残分流３との有利な分離が実施される。
【００３７】
本発明により、酸素濃度の高い流体２は車両上で生成されて、エネルギ変換器６に供給されることができる。エネルギ変換器６はディーゼルエンジンもしくはガソリンエンジン６、タービン６、燃料電池６および／またはこれに類するものとして形成されることができる。同じく燃焼装置６が燃料電池６に、例えばハイブリッド駆動装置のためにまたはいわゆる「ＡＰＵ」６として組み合わされることができる。本発明による適当なエネルギ変換システムは、特に液体水素またはこれに類するものを運搬するタンカーまたは貨物自動車、乗用車、航空機、潜水艦等に使用されることができる。
【００３８】
通常、本発明により生成および分離される酸素２もしくは酸素濃度の高い流体２は、エネルギ変換器６および／またはその周辺機器、例えば吸気モジュール、コンプレッサ、改質器、浄化ステップ、フィルタ、触媒等の小型化を有利な形式でもたらすことができる。その際、一般に同時にその効率が改善され、エミション、例えば特に内燃機関６の場合にはＮＯＸのエミションが減じられるかもしくは大幅に除去される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による車両の構造もしくは個々の構成要素の接続回路を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  空気、  ２  流体、  ３  流体残分、  ４  水素、  ５  水素、  ６  エネルギ変換器、  ７  熱交換器、  ８  タンク、  ９  分岐、  １０  バイパス、  １１  弁、  １２  センサ、  １３  ライン、  １４  絶縁層、  １５  絶縁ユニット、  １６  絶縁装置、  １７  排出口、  １８  排出口、  １９  流体、  ２０  コンプレッサ
【図１】
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