(57)【要約】  本発明は、特に、ディーゼル等の炭化水素で動作可能な乗物で用いるためのエネルギー生成ユニット（１）であって、燃料電池（２）と、空気及び炭化水素を供給し、電気エネルギーを排出するための接続部（３、４、５）と、を有するエネルギー生成ユニット（１）に関する。本発明によると、前記エネルギー生成ユニットは、３つの実質的に空間的に分離した機能ユニット（７、８、９）を有しており、第１の機能ユニット（７）は、媒体を供給するために構成され、かつ、主に燃料及び空気を供給するための装置を有しており、第２の機能ユニット（８）は、改質のために構成され、かつ、主に炭化水素をプロセスガスに変換するための装置を有しており、第３の機能ユニット（９）は、電気エネルギーを生成するために構成され、かつ、主に燃料電池（２）を有しており、前記第３の機能ユニット（９）には、前記第２の機能ユニット（８）内で生成されたプロセスガスが供給される。
2016505200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に、炭化水素、特にディーゼルで動作可能な乗物で用いるためのエネルギー生成ユニット（１）であって、燃料電池（２）と、空気及び炭化水素を供給し、電気エネルギーを排出するための接続部（３、４、５）と、を有するエネルギー生成ユニット（１）において、
前記エネルギー生成ユニットは、３つの実質的に空間的に分離した機能ユニット（７、８、９）を有しており、第１の機能ユニット（７）は、媒体を供給するために構成され、かつ、主に燃料及び空気を供給するための装置を有しており、第２の機能ユニット（８）は、改質のために構成され、かつ、主に炭化水素をプロセスガスに変換するための装置を有しており、第３の機能ユニット（９）は、電気エネルギーを生成するために構成され、かつ、主に前記燃料電池（２）を有しており、前記第３の機能ユニット（９）には、前記第２の機能ユニット（８）内で生成されたプロセスガスが供給されることを特徴とするエネルギー生成ユニット（１）。
【請求項２】
前記３つの機能ユニット（７、８、９）が、特に吸入された空気が前記３つの機能ユニット（７、８、９）を通って流れる方向に関して、及び／又は、主に共通の長手軸（Ｌ）に沿って、実質的に連続的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー生成ユニット（１）。
【請求項３】
前記エネルギー生成ユニット（１）の装置のプロセス温度が、実質的に、前記第１の機能ユニット（７）から、前記第３の機能ユニット（９）を通って、前記第２の機能ユニット（８）まで増加することを特徴とする請求項１又は２に記載のエネルギー生成ユニット（１）。
【請求項４】
前記エネルギー生成ユニット（１）の略全ての装置が、共通の支持構造（６、１５）に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のエネルギー生成ユニット（１）。
【請求項５】
前記支持構造（６）が、前記第１の機能ユニット（７）の領域において、前記第２の機能ユニット（８）に背向する側に、第１のフレームプレート（１０）を有しており、前記第１の機能ユニット（７）と前記第２の機能ユニット（８）との間に第２のフレームプレート（１１）を有しており、及び／又は、前記第２の機能ユニット（８）と前記第３の機能ユニット（９）との間に第３のフレームプレート（１２）を有しており、これらのフレームプレートは、特に金属から構成されており、前記支持構造（６、１５）によって接続されていることを特徴とする請求項４に記載のエネルギー生成ユニット（１）。
【請求項６】
前記第１の機能ユニット（７）には、前記第２の機能ユニット（８）に背向する側において、第１の固定プレート（２３）が配置されており、前記第１の機能ユニット（７）と前記第２の機能ユニット（８）との間には、第２の固定プレート（１３）が、特に前記第１の機能ユニット（７）及び／若しくは前記第２の機能ユニット（８）の装置を固定するために配置されており、並びに／又は、前記第２の機能ユニット（８）と前記第３の機能ユニット（９）との間には、さらに、第３の固定プレート（１４）が配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のエネルギー生成ユニット（１）。
【請求項７】
前記第３の固定プレート（１４）が、上側プレート（１４ａ）及び下側プレート（１４ｂ）から成るアダプタープレートとして構成されており、前記第２の機能ユニット（８）の装置を、前記燃料電池（２）と熱的及び／又は流体連結的に接続していることを特徴とする請求項６に記載のエネルギー生成ユニット（１）。
【請求項８】
前記第１の固定プレート（２３）、前記第２の固定プレート（１３）、及び／又は、前記第３の固定プレート（１４）が、少なくとも１つの柔軟な固定用留め具（２２）によって、前記支持構造（６、１５）と接続されていることを特徴とする請求項６又は７に記載のエネルギー生成ユニット（１）。
【請求項９】
前記燃料電池（２）及び／又は前記アダプタープレート（１４）、特に前記下側プレート（１４ｂ）の少なくとも一部が分解可能であり、それによって、前記第２の機能ユニット（８）の摩耗部分、特に改質装置触媒コンバータ（３７）を容易に交換することが可能であることを特徴とする請求項７又は８に記載のエネルギー生成ユニット（１）。
【請求項１０】
絶縁体（１６）を有しており、前記絶縁体によって前記エネルギー生成ユニット（１）が実質的に断熱であり、前記絶縁体は特に前記機能ユニット（７、８、９）に沿って３つの絶縁領域（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ）を有していることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のエネルギー生成ユニット（１）。
【請求項１１】
ハウジング（１５）を有しており、前記ハウジングは特にハウジング部分（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）から構成され、前記ハウジング部分はそれぞれ、実質的に前記機能ユニット（７、８、９）の内１つを覆っており、個別に分解可能であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のエネルギー生成ユニット（１）。
【請求項１２】
送風機若しくは圧縮機（１７、１８）、弁（１９、２０、３４）、及び／又は、炭化水素ポンプ（２１ａ、２１ｂ）等の、媒体を供給するための少なくとも１つの装置が、前記ハウジング（１５）及び／又は前記絶縁体（１６）の外側に配置されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のエネルギー生成ユニット（１）。
【請求項１３】
前記ハウジング（１５）が、少なくとも部分的に、前記支持構造を形成していることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のエネルギー生成ユニット（１）。
【請求項１４】
前記支持構造（６、１５）が、実質的に、フレーム、特に金属から成るフレームによって形成されていることを特徴とする請求項４から１３のいずれか一項に記載のエネルギー生成ユニット（１）。
【請求項１５】
改質のための前記第２の機能ユニット（８）が、媒体の供給のための前記第１の機能ユニット（７）と、電気エネルギーの生成のための前記第３の機能ユニット（９）と、の間に配置されていることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載のエネルギー生成ユニット（１）。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか一項に記載のエネルギー生成ユニット（１）を有する乗物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、ディーゼル等の炭化水素で動作可能な乗物内で用いるためのエネルギー生成ユニットに関するものであり、当該エネルギー生成ユニットは、燃料電池と、空気及び炭化水素を供給し、電気エネルギーを排出するための接続部と、を有する。
【背景技術】
【０００２】
このようなエネルギー生成ユニットは、例えば自動車において、コンパクトかつ効率的なエネルギー源として、特に電気エネルギー及び／又は熱エネルギーを供給するために用いられ得る。
【０００３】
特にトラックにおいては、例えば米国では、運転手がトラックの運転台で長距離を走行するので、トラックの停止中又はトラック運転手の睡眠中等の停止している時間の間にも、電気エネルギーが必要となる。当該エネルギーは、トラック内で、建物関連技術（Haustechnik）（例えば暖房）、マルチメディア技術（例えばラジオ、テレビ及びそれに付属する受信機器）及び光を供給するために用いられる。
【０００４】
これまで、このために必要なエネルギーは一般的に、いわゆる「アイドリング」によって生成されてきた。つまり、トラックの停止時間中に、そのエンジンは、持続的又はある間隔を置いて空運転を行い、それによって、発電機を通じて必要なエネルギーが生成される。先行技術からは、発電機を駆動し、トラックの停止時間の間にエネルギーを生成するためだけに当該トラックの車内に付加的に配置された小型の内燃機関も知られている。
【０００５】
生成された電気エネルギーに関する当該システムの効率は低い。なぜなら、内燃機関内でのディーゼルの変換プロセスにおいては、自明のことながら、燃焼プロセスにおける熱の生成、及び、シャフトの機械的動作の際の摩擦によって、大きなエネルギー損失が生じるからである。
【０００６】
効率が低いことによって、エネルギーが浪費されるだけではなく、環境に負荷を与える大量のエミッションが生じる。さらに、停止している乗物又は外部の動力源によって駆動される乗物において稼働している内燃機関は、著しい騒音源となる。最終的に、「アイドリング」は高い費用の原因となる。なぜなら、不必要に多くの燃料が消費され、場合によってはトラックの動作時間数が不必要に多くなるからである。
【０００７】
先行技術からは、燃料電池を用いて電気エネルギーを生成するエネルギー生成ユニットが知られている。燃料電池の効率は、内燃機関の効率よりもはるかに良い。なぜなら、連続的に供給される燃料と酸化剤との化学反応エネルギーが電気エネルギーに直接変換され、内燃機関／発電機の連結、又は、機械的動作を通じた迂回によるエネルギーの損失が生じないからである。
【０００８】
しかしながら、燃料電池は、燃料として純粋な形態の水素、メタノール、ギ酸、メタン等を必要とする。トラック内で直接利用可能であるディーゼル又はベンジン等の長鎖炭化水素を、一般的な種類の燃料電池が直接消費することはできない。
【０００９】
別個の燃料を乗物内に持ち込まずにすむように、先行技術では、改質装置を備えたシステムが開示されている。改質装置によって、炭化水素はまず、燃料電池によって消費され得るプロセスガスに改質され、その後で初めて、燃料電池によって消費される。とはいえ、当該システムは、炭化水素の改質に多くのエネルギーを必要とするので、やはりシステムの効率が低下する。
【００１０】
このようなエネルギー生成システムの効率を増大させるために、特許文献１は、一方では、改質装置、改質に必要なさらなる要素、及び、コンパクトな構造の燃料電池スタックを、共に外部からの絶縁体の内側に配置することを開示している。さらに、特許文献１は、アノード排ガスを改質装置に再循環させ、当該排ガスに含まれる熱エネルギーを利用し、含まれる化学物質を改質に利用することを提案している。当該システムの供給、及び、改質のためには、多くの出発物質の供給及び精製が必要である。これは、多数の補助ユニットを必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００７０３９５９４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、コンパクトであり、自在に使用可能であり、取り付けの準備ができた独立型ユニットとして購入し得る燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本課題は、請求項１に記載のエネルギー生成ユニットによって解決される。本発明の有利な構成は、従属請求項に主張されている。
【００１４】
本発明において乗物とは、あらゆる種類の、特に乗用車、トラック、キャンピングカー、宿泊車両、戦車等の陸用車両、特に飛行機等の航空機、特に船及び潜水艦等の船舶、又は宇宙船である。
【００１５】
本発明において燃料電池とは、連続的に供給される燃料と酸化剤との化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換するガルバニセルである。より高い電圧を得るために、一般的には、複数のセルを１つのスタック（「積層」の英語）になるように直列に接続する。
【００１６】
本発明において装置とは、エネルギー生成ユニットによって実施されるエネルギー生成の全工程の部分的なプロセスを実施するために用いられる要素である。
【００１７】
本発明において機能ユニットとは、エネルギー生成ユニットの機能的な部分であり、当該部分において、エネルギー生成の全工程の複数の部分的なプロセスがそれぞれ行われる。
【００１８】
本発明において媒体の供給とは、エネルギー生成の全工程にとって必要な物質又は物質の混合物の供給である。
【００１９】
本発明において改質とは、少なくとも水素を含有する合成ガスを生成するためのあらゆる種類の改質であり、特に水蒸気改質、部分酸化（ＣＰＯＸ）及び／又は自己熱改質である。改質装置は、本発明によると、改質するための装置である。
【００２０】
本発明において配置されているとは、少なくとも２つの要素が、互いに対して決定された位置に保たれていることである。
【００２１】
本発明において連続的にとは、順番に配置されていることであり、２つの連続的に配置された要素はそれぞれ、直接の接続部及び／又は接触面を有している。
【００２２】
本発明において長手軸とは、物体の大きさが最大となる方向に一致する軸である。
【００２３】
本発明においてプロセス温度とは、装置内で、それぞれの部分的なプロセスを通常運転において実施する際に到達する温度である。
【００２４】
本発明において減衰手段とは、振動及び／又は衝撃の減衰に適した手段である。
【００２５】
本発明においてフレームプレートとは、力の吸収に適したあらゆる種類の２次元構造である。
【００２６】
本発明において固定プレートとは、装置の受容又は固定に適したあらゆる種類の２次元構造である。
【００２７】
本発明において柔軟な固定用留め具（Befestigungslasche）とは、固定に適しており、振動又は衝撃を減衰し、及び／又は、熱膨張若しくは収縮を補償するあらゆる種類の手段である。
【００２８】
本発明において絶縁とは、熱エネルギーの通過を減少させるためのあらゆる種類の断熱である。
【００２９】
本発明において自己熱とは、エネルギー生成ユニットの全工程において、発熱反応と吸熱反応とが並行して行われるので、全工程が外部の熱供給源から実質的に独立しているということを意味している。本発明において断熱（adiabat）とは、エネルギー生成ユニットの全工程において、発熱反応と吸熱反応とが並行して行われるので、全工程が外部の熱供給源から実質的に独立しており、供給された炭化水素に含まれるエネルギーの大部分、特に２５％以上、好ましくは３０％以上、さらに好ましくは３５％以上、最も好ましくは４０％以上が、電気エネルギーに変換されることを意味している。
【００３０】
本発明においてハウジングとは、内容物を汚染及び／又は外部の力から保護する、あらゆる種類のケースである。
【００３１】
発電ユニットを３つの機能ユニットに分割することによって、発電ユニットに特に単純な構造が与えられ、それぞれの要素には、故障の場合に、修理のために容易に接近可能である。なぜなら、類似の動作温度を必要とする装置が、それぞれ１つの機能ユニットにまとめられているからである。機能ユニット内で故障が発生した場合は、当該機能ユニットの絶縁体を除去することによって、実質的に、当該機能ユニットの全ての装置に接近することができる。
【００３２】
有利な一態様では、これらの３つの機能ユニットは、特に吸入された空気が３つの機能ユニットを通って流れる方向に関して、及び／又は、共通の長手軸に実質的に沿って、実質的に連続的に配置されている。
【００３３】
３つの機能ユニットを連続的に配置することには、機能ユニットの装置内でそれぞれ処理された生成物及び媒体を、別の機能ユニット内での次のプロセスステップにそれぞれ、比較的長い導管を通さずとも、直接供給することが可能であり、それによって、例えば熱放射によるエネルギー損失を伴わないという利点がある。
【００３４】
３つの機能ユニットが、支持構造内の共通の長手軸に沿って配置されている場合、エネルギー生成ユニットの場所の要求に関して、特にコンパクトな配置が生じる。始動燃焼器、再熱器及び改質装置の長手軸に沿った「左右対称の」配置もまた、再熱器内でのそれぞれのプロセスガスの一様な変換を促進する。
【００３５】
さらなる有利な一態様では、エネルギー生成ユニットの装置のプロセス温度が、実質的に、第１の機能ユニットから第３の機能ユニットを通って第２の機能ユニットまで上昇する。
【００３６】
吸入された空気に関して、この配置は、空気がまず、その流れる方向において第１の機能ユニット内で圧縮され、次に、高いプロセス温度によって燃料電池内で熱せられ、最後に、第２の機能ユニットに到着した際には、改質のために可能な限り高い温度を有しており、それによって、再熱器内での燃焼又は改質が促進されるという利点を有する。同様のことは、第１の機能ユニットに輸送され、第２の機能ユニットにおいて気化し、改質のための高温プロセスガスに精製され、リフォメートとして第３の機能ユニット内で、燃料電池によって、高温において、空気又は酸素と反応させられる燃料にも当てはまる。類似のプロセス温度を有する装置を１つの機能ユニットにまとめることによって、それぞれの機能ユニットの絶縁体を、それに応じて寸法設計することができる。さらに、有利には、装置をそれぞれ、それぞれの装置に有害な熱的効果を与えることがない機能ユニット内に配置できる。
【００３７】
さらなる有利な一態様では、エネルギー生成ユニットの略全ての装置が、共通の支持構造に配置されている。
【００３８】
この配置によって、エネルギー生成ユニットを、特にコンパクトに構成することができる。支持構造は、発電ユニットの複数の要素のための共通のフレームであり、したがって、装置の安定化のためにも、乗物又はその他の外部の影響によって発電ユニットに加えられる外部の力の吸収のためにも用いられる。支持構造によって、発電ユニットをさらに乗物に固定することができる。
【００３９】
さらなる有利な一態様では、支持構造は、固定手段を、特に乗物に取り付けるために有している。
【００４０】
支持構造の固定手段によって、エネルギー生成ユニットを特に容易に、それぞれの使用箇所に取り付けることができる。その際、支持構造は、エネルギー生成ユニットを決められた位置に保持する。エネルギー生成ユニットの各装置を使用箇所に固定することは不要である。
【００４１】
さらなる有利な一態様では、支持構造は、減衰手段を有しており、当該減衰手段は、特に乗物で使用される場合、支持構造と乗物との間に配置されている。
【００４２】
減衰手段によって、例えば乗物で用いる際の振動は、減衰された形でのみ、エネルギー生成ユニットに作用する。振動の直接の伝達は、例えば、媒体の不連続な供給によって、改質装置の機能を侵害し得る。
【００４３】
さらなる有利な一態様では、第１の機能ユニットにおいて、第２の機能ユニットに背向する側に第１の固定プレートが配置されており、第１の機能ユニットと第２の機能ユニットとの間に第２の固定プレートが、特に第１の機能ユニット及び／若しくは第２の機能ユニットの装置を固定するために配置されており、並びに／又は、第２の機能ユニットと第３の機能ユニットとの間にはさらに、第３の固定プレートが配置されている。さらに、有利なことに、第３の固定プレートは、上側プレート及び下側プレート（１４ｂ）から成るアダプタープレートとして構成されており、第２の機能ユニットの装置を燃料電池と熱的及び／又は流体連結的に接続している。
【００４４】
第３の固定プレートが、プロセスガス、空気及び燃料のその都度の排気（Abluft）の分配を行うアダプタープレート又は分配プレートとして構成されることによって、管を通じたガスの複雑かつ空間を消費する分配を回避することができる。アダプタープレートを上側プレート及び下側プレートで構成することは、下側プレートを除去することによって、アダプタープレート又は分配プレート内の分配経路の浄化を可能にする。さらに、場合によっては、改質装置触媒コンバータを、下側プレートを除去した後に、交換することができる。
【００４５】
さらなる有利な一態様において、第１の固定プレート、第２の固定プレート、及び／又は、第３の固定プレートは、支持構造を有する少なくとも１つの柔軟な固定用留め具と接続されている。
【００４６】
柔軟な固定用留め具によって、各装置の熱変形が補償され得る。さらに、固定用留め具は、減衰機能を有し得る。
【００４７】
さらなる有利な一態様において、エネルギー生成ユニットは絶縁体を有しており、当該絶縁体によって、当該エネルギー生成ユニットは実質的に断熱であり、機能ユニットに応じて、特に３つの絶縁領域を有している。
【００４８】
絶縁体によって、全工程において放出された熱の大部分が、エネルギー生成ユニット内に保持され得るので、全工程は実質的に断熱である。
【００４９】
さらなる有利な一態様において、エネルギー生成ユニットはハウジングを有しており、当該ハウジングは特に、それぞれ実質的に３つの機能ユニットの内１つを覆っており、個別に分解され得るハウジング部分から構成されている。
【００５０】
ハウジングは、汚染物質がエネルギー生成ユニットに侵入することを防止し、エネルギー生成ユニットを外部の力の作用から保護する。好ましくは、各機能ユニットは、それぞれ個別に分解され得る１つのハウジング部分によって覆われる。このように、機能領域又は機能領域内の装置での修理作業を、その他のハウジング部分を分解せずに行うことができる。
【００５１】
さらなる有利な一態様では、送風機若しくは圧縮機、弁及び／又は炭化水素プンプ等の、媒体を供給するための少なくとも１つの装置が、ハウジング及び／又は絶縁体の外側に配置されている。
【００５２】
媒体を供給するための装置の内いくつかは、高温に対して敏感である。これはなぜなら、当該装置は、例えば部分的に玉軸受を具備しているか、又は、容易には熱に耐えられない制御装置を有しているからである。したがって、絶縁体の外側に配置することは、機能ユニット内の各装置を、機能ユニット内で支配的な温度から解放することができる。
【００５３】
さらなる有利な一態様では、ハウジングは、少なくとも部分的に、支持構造を形成する。
【００５４】
ハウジングが支持構造を形成するので、フレームを省略することが可能である。場合によっては、支持構造としてフレームをハウジングと組み合わせることも可能であり、このとき、ハウジングは少なくとも部分的に支持構造を形成している。
【００５５】
本発明のさらなる利点、特徴及び応用可能性は、図面と関連した以下の説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係るエネルギー生成ユニットの一実施形態の部分的に概略的なプロセス図である。
【図２】本発明に係るエネルギー生成ユニットの一実施形態の部分的に概略的な横断面の図である。
【図３】部分的に取り除かれたハウジング及び部分的に取り除かれた、及び／又は、横断面で図示された絶縁体を有する、本発明に係るエネルギー生成ユニットの一実施形態の部分的に概略的な斜視上面図である。
【図４】部分的に取り除かれたハウジング及び部分的に取り除かれた、及び／又は、横断面で図示された絶縁体を有する、本発明に係るエネルギー生成ユニットの一実施形態のさらなる部分的に概略的な斜視上面図である。
【図５】閉じられたハウジングを有する、本発明に係るエネルギー生成ユニットの一実施形態のさらなる部分的に概略的な斜視外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
本発明に係るエネルギー生成ユニットの機能原理を、図１のプロセス図を用いて以下に説明する。
【００５８】
炭化水素接続部４によって、好ましくは炭化水素ポンプ２１ａ及び２１ｂを通じて、炭化水素、好ましくはディーゼルが、エネルギー生成ユニットにポンプで送り込まれる。始動段階では、このポンプによる輸送のプロセスは、好ましくは炭化水素ポンプ２１ｂを通じて行われ、それによって、始動燃焼器２４に炭化水素が供給される。さらに、空気送風機１７を用いて、空気接続部３によって、エネルギー生成ユニット１に、好ましくはろ過された空気が供給される。
【００５９】
始動燃焼器２４に空気を供給するために好ましくは存在している弁１９は、始動段階の間は開かれているが、改質装置２８に空気を供給するために好ましくは存在する弁３４は、始動段階では閉じられている。空気及び炭化水素は、好ましくは始動燃焼器２４内で熱せられ、点火される。これを通じて、始動燃焼器２４は、好ましくは改質装置２８の周囲に配置された再熱器２７の燃焼室３２と改質装置２８とを熱する。
【００６０】
再熱器２７の燃焼室３２から流れる始動燃焼器２４の排ガスは、好ましくは、熱交換器３０を通って、好ましくは排気装置である排ガス接続部３１に誘導される。これに対して、好ましくは存在する、好ましくは絞り弁であるカソード空気弁３３が、すでに開弁されていない場合には開弁されるので、空気は、燃料電池２のカソードＫまで流れることが可能であり、熱交換器３０内で熱せられる。
【００６１】
好ましくは存在する改質装置空気弁３４も開弁されると、空気は、再循環送風機１８を用いて改質装置２８に送られる。当該改質装置内では、空気は、始動燃焼器２４の排ガスによって熱せられ、好ましくは存在する第３の固定プレート又はアダプタープレート１４を通って、燃料電池２のアノードＡに誘導される。
【００６２】
さらに、アノード排ガスは、好ましくは存在する、開弁された再循環弁２０を経由して、気化装置２５に流入する。この時点で、炭化水素も、炭化水素ポンプ２１ａによって、気化装置に送られ、当該炭化水素は、熱せられたアノード排ガスによって、気化装置２５内で気化する。この混合気は、好ましくは再循環送風機１８内の空気と混合され、反応ガス、改質装置プロセスガスとなり、管を通じて燃焼室３２を通り、改質装置２８に導入される。改質装置は、好ましくは始動燃焼器２４によって、改質装置プロセスガスの水素及び副生成物への改質が生じる範囲で熱せられる。
【００６３】
このリフォメートは再び、第３の固定プレート又はアダプタープレート１４を通って、燃料電池２のアノードに誘導され、アノードでは、主に水素及び酸素の水及び電気エネルギーへの変換が行われる。電気エネルギーは、好ましくは、電気接続部５を通じて、電気機器に送られる。変換の際には、熱エネルギーが放出される。
【００６４】
第３の固定プレート又はアダプタープレート１４において、貫流の際に、全てのガスの温度は、均一のレベルに合わせられる。
【００６５】
熱せられたカソード排気は、再熱器２７の燃焼室３２に誘導される。熱せられたアノード排ガスの一部は、好ましくは再び気化装置２５に供給される。アノード排ガスの残りの部分は、好ましくは存在する、開弁した燃焼器アノード排ガス弁３５を経由して、再熱器２７の燃焼室３２に誘導される。
【００６６】
当該アノード排ガスは、環状の再熱器２７の燃焼室３２内で、カソード排気と混合され、好ましくは触媒コンバータを用いて、発熱反応において変換される。このとき放出される熱エネルギーは、一方では、改質装置２８の加熱又は絶縁に用いられ、他方では、改質装置２８内での熱分配を改善する。始動燃焼器２４は、好ましくは停止される。熱損失及び改質装置２８又は好ましくは存在する改質装置触媒コンバータ内での自己熱反応を活性化するためのエネルギーは、燃料電池２内での発熱反応の熱と再熱器２７内での発熱反応の熱とによって補償されるので、システム全体は実質的に断熱である。
【００６７】
任意で、始動燃焼器２４からのバイパス導管（図示せず）を、好ましくは直接熱交換器３０内に設けても良い。それによって、要求された電気出力とは無関係に、より多くの熱的出力を供給することができる。このことは特に、燃料電池２が極度の低温にさらされている場合、及び／又は、乗物によって、内部空間の暖房又は冷房のための多くの熱が必要とされる場合に有利である。
【００６８】
図１のプロセス図に示されたエネルギー生成ユニット１の装置は、実質的に３つの機能ユニットに区分される。
【００６９】
媒体を供給するための第１の機能ユニット７は、好ましくは、空気送風機１７、再循環送風機１８、始動燃焼器空気弁１９、好ましくは存在する再循環弁２０、炭化水素ポンプ２１ａ及び２１ｂ、熱交換器３０、カソード空気弁３３、並びに／又は改質装置空気弁３４を有している。
【００７０】
好ましくは、始動燃焼器２４も、少なくとも部分的に、第１の機能ユニット７内に配置されており、並びに／又は、第１の機能ユニット７及び第２の機能ユニット８の共通の構成要素である。
【００７１】
プロセス図から明らかであるように、エネルギー生成ユニット１には、第１の機能ユニット７によって、主にエネルギー生成の全工程のための出発物質である空気及び炭化水素が媒体として供給される。好ましくは、当該媒体は、第１の機能ユニット７内で精製された後、第２の機能ユニット８及び／又は第３の機能ユニット９の装置に供給される。
【００７２】
第２の機能ユニット８は、好ましくは、燃焼室３２を有する再熱器２７、改質装置２８、気化装置２５、排ガスチャンバ２６（図１には図示せず）、及び／又は、再熱器アノード排ガス弁３５を有している。
【００７３】
したがって、第２の機能ユニット８には、主に燃料電池２のためのプロセスガスに炭化水素を変換するための装置が集約されている。
【００７４】
好ましくは、始動燃焼器２４も、少なくとも部分的に、第２の機能ユニット８の構成要素であり、及び／又は、第１の機能ユニット７及び第２の機能ユニット８の共通の構成要素である。
【００７５】
リフォメートは、改質装置２８から、燃料電池２を主要装置として有する第３の機能ユニット９に導入される。好ましくは、複数の燃料電池２が、例えば１つの積層又はスタックとして機能ユニット９内に存在しても良いし、又は、さらに好ましくは、複数のスタックが存在しても良い。
【００７６】
機能ユニット７、８、９の装置は、好ましくは、プロセス温度が、第１の機能ユニット７から第３の機能ユニット９を経由して第２の機能ユニット８まで概ね上昇するように、それぞれの機能ユニット７、８、９内に配置されている。
【００７７】
第１の機能ユニット７内では、好ましくは、４５０℃までの周囲温度が優勢であり、好ましくは３００℃まで、特に好ましくは２００℃まで、さらに好ましくは１００℃まで、最も好ましくは６０℃までの周囲温度が優勢であり、第２の機能ユニット８内では、好ましくは主に、２００℃から１０００℃の温度、好ましくは３００℃から８００℃、特に好ましくは４００℃から７００℃、より好ましくは４５０℃から６５０℃、最も好ましくは５５０℃の温度が優勢であり、及び／又は、第３の機能ユニット９内では、好ましくは５５０℃から８５０℃の温度、好ましくは６００℃から８００℃、特に好ましくは６５０℃から７５０℃、最も好ましくは７００℃の温度が優勢である。これらの温度には、特にエネルギー生成ユニット１の通常の（eingefahren）動作状態において到達する。
【００７８】
プロセス図に示されているように、３つの機能ユニット７、８、９は、好ましくは実質的に、空間的に分離している。好ましくはまた、これらの機能ユニットは、図１のプロセス図に示されているように、連続的に配置されている。特に、３つの機能ユニット７、８、９は、空気送風機１７によってシステムに送られる空気の流れる方向に関して連続的に配置されている。このことは、空気が３つの機能ユニット７、８、９を通って燃料電池２へ向かう途中で徐々に暖められ、それによって、燃料電池が動作温度に到達する、及び／又は、動作温度に保たれるという利点を有している。
【００７９】
図２は、本発明に係るエネルギー生成ユニットの一実施形態の構成を、長手軸Ｌを含む面で示している。すでに図１に示されているように、エネルギー生成ユニット１は、３つの機能ユニット７、８、９に区分される。第１の機能ユニット７は、特にエネルギー生成ユニット１の個々の装置への媒体供給、及び／又は、媒体供給の中断、若しくは媒体供給の調整に用いられる装置を有している。当該装置は、例えば、送風機、様々な弁、及び、炭化水素ポンプである。さらに、第１の機能ユニット７内には、好ましくは、エネルギー生成ユニット１のための媒体を精製するための装置が配置されている。
【００８０】
それゆえ、好ましくは、吸入された空気が燃料電池２のカソードＫに供給される前に当該空気を熱する熱交換器３０が存在している。好ましくは、様々な媒体の圧縮及び混合も、第１の機能ユニット７内で行われ得る。
【００８１】
さらに、好ましくは、図２の実施形態に示されているように、始動燃焼器２４は、少なくとも部分的に、第１の機能ユニット７内に配置されている。始動燃焼器２４は、特に、始動段階におけるエネルギー生成ユニット１に熱を供給するために用いられる。例えばグロープラグ及び炭化水素のための気化装置等の、点火するための要素は、好ましくは、第１の機能ユニット７内に配置されており、始動燃焼器２９は、好ましくは、第２の機能ユニット８の一部である再熱器２７の燃焼室３２内に突出している。しかしながら、始動燃焼器２４を完全に第２の機能ユニット８の内に配置することも可能である。また、熱交換器３０を完全に第２の機能ユニット８内に配置することも可能である。
【００８２】
第２の機能ユニット８は、主に、炭化水素をリフォメート又は燃料電池２のためのプロセスガスに改質又は変換するための装置を有している。図２に示された実施形態によると、改質装置は好ましくは、再熱器２７の燃焼室３２内に配置されている。他方、再熱器２７は、好ましくは、排ガスチャンバ２６内に配置されており、当該排ガスチャンバ内では、再熱器２７の排ガス及び／又は始動燃焼器２４の排ガスが、熱交換器３０に誘導される。さらに、排ガスチャンバ２６内には、好ましくは気化装置２５が配置されており、当該気化装置は、炭化水素が改質装置２８に導入される前に、炭化水素を、燃料電池２によって再循環させられたアノード排ガス内で気化させる。始動燃焼器２４及び／又は再熱器２７は、改質装置２８を熱するために用いられる。他方、排ガスチャンバ２６は、再熱器２７の外壁を熱するか、又は、再熱器を絶縁体１６に対して付加的に隔離し、同時に、気化装置２５内で炭化水素を気化するための熱エネルギーを供給する。燃料電池２のアノードＡのためのリフォメート、又はプロセスガス及びカソードＫのための空気は、最終的に、好ましくは上側プレート１４ａと下側プレート１４ｂとから構成される第３の固定プレート１４又はアダプタープレートを通って、第３の機能ユニット９内に誘導され、それぞれの接続部へ誘導される。燃料電池２からのカソード排気及びアノード排ガスも、好ましくは、第３の固定プレート１４又はアダプタープレートを通って、第２の機能ユニット８のそれぞれの接続部に接続される。好ましくは、改質装置２８は、改質装置触媒コンバータ３７を有しており、再熱器２７は、再熱器触媒コンバータ３８を有している。
【００８３】
第１の機能ユニット７に比べて、第２の機能ユニット８は、そのそれぞれの機能を果たすために、第１の機能ユニット７の動作温度よりも高い動作温度を必要とする装置を有している。したがって、好ましくは、第２の機能ユニット８全体における温度は、第１の機能ユニット７内の温度よりも高いレベルに保たれる。好ましくは、第２の機能ユニット８の全体積は、再熱器２７を包囲する排ガスチャンバ２６によって満たされる。
【００８４】
第３の機能ユニット９は、図示された実施形態において、２つの燃料電池スタック２を有している。ここでは、これら両方の燃料電池スタック２の固定、並びに／又は、プロセスガス及びその他の媒体の分配若しくはカソード排気及びアノード排ガスの排出は、好ましくは第３の固定プレート又はアダプタープレート１４に接続されている分配プレート３６を通じて行われる。
【００８５】
好ましくは、１つのスタックを有する燃料電池２又は２つ以上のスタックを有する燃料電池を用いることも可能である。燃料電池２は、好ましくはＳＯＦＣ燃料電池であるが、例えばアルカリ型燃料電池、高分子電解質型燃料電池、直接メタノール型燃料電池、ギ酸燃料電池、リン酸燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、直接炭素型燃料電池、及び／もしくはマグネシウム空気燃料電池、又は、これらの組み合わせのような、別のタイプの燃料電池を用いることも可能である。
【００８６】
エネルギー生成ユニット１は、好ましくは、図２では示されていない絶縁体１６によって包囲される。
【００８７】
図３は、さらなる別の実施形態におけるエネルギー生成ユニット１の部分的に概略的な斜視図である。当該実施形態は、主に、燃料電池２がスタックを１つのみ有しているという点において、図１の実施形態とは異なっている。当該実施形態及び前記実施形態の各態様は、問題無く互いに組み合わされ得る。
【００８８】
図３からは、機能ユニットが、好ましくは実質的に、第２のフレームプレート１１が、第１の機能ユニット７と第２の機能ユニット８との間を分離するために決定し、第３のフレームプレート１２が、第２の機能ユニット８と第３の機能ユニット９との間を分離するために決定する面によって分離されていることが明らかである。
【００８９】
図３からさらに明らかであるように、エネルギー生成ユニット１は、好ましくは絶縁体１６によって包囲されている。当該絶縁体は、様々な部分的なプロセスにおいてエネルギー生成ユニット１内で放出される熱エネルギーが環境に流出することを防止する。好ましくは、絶縁体１６は、絶縁プレートを有しており、当該絶縁プレートは、例えばフライス加工によって、各機能ユニット７、８、９の形状に適応し得る。さらに好ましくは、絶縁体１６は、泡によって実現され得る。その際、ハウジングとエネルギー生成ユニット１の装置との間の空間は、泡で満たされる。本発明に係るエネルギー生成ユニットの絶縁のためにこの泡を用いることは、明確に規定される。
【００９０】
好ましくは、絶縁体１６は、３つの領域１６ａ、１６ｂ、１６ｃに分割され、これらの領域はそれぞれ、機能領域７、８、９を絶縁している。これによって、絶縁領域１６ａ、１６ｂ、１６ｃを、個別に取り除くことが可能であり、それによって、別の機能ユニット７、８、９を分解せずとも、各機能ユニット７、８、９の装置に到達することができる。
【００９１】
好ましくは、エネルギー生成ユニット１は、少なくとも部分的にハウジング１５によって包囲される。ハウジング１５もやはり、好ましくはハウジング部分１５ａ、１５ｂ、１５ｃから構成されており、これらの部分はそれぞれ機能ユニット７、８、９を個別に覆っている。好ましくは、ハウジング１５は、特に金属及び／もしくはプラスチックから成る複数のシェル又は層から構成されている。当該ハウジングは、エネルギー生成ユニット１を、外部からの汚染物質及び／又は機械的影響の侵入から保護する。
【００９２】
環境に対して隔離する必要のない、若しくは、隔離すべきではない装置、又は、環境との熱エネルギーの交換がむしろ望ましいような装置は、好ましくはハウジング１５又は絶縁体１６の外側に配置されている。図３で示された本発明の実施形態では、これは、例えば炭化水素ポンプ２１ａ、２１ｂ及び弁１９、２０、３４及び絞り弁／弁３３（図示せず）である。
【００９３】
エネルギー生成ユニット１は、好ましくは支持構造を有しており、当該支持構造には、機能ユニット７、８、９の装置が配置されている。当該支持構造は、好ましくは、フレーム６によって形成され得るか、又は、ハウジング１５が自立したハウジング１５として構成され得る。好ましくは、支持構造６、１５は、フレーム部分及びハウジング部分の両方から構成される。
【００９４】
フレーム６もハウジング１５も、金属、プラスチック、又は、繊維複合材料から構成され得る。好ましくは、フレームとハウジング１５とは互いにネジでつながれるが、その他の従来の接続方法も可能である。
【００９５】
支持構造６、１５を、機能ユニット７、８、９の各装置と接続するために、エネルギー生成ユニット１は、好ましくはさらなる要素を有している：例えば、フレーム６は、第１のフレームプレート１０、第２のフレームプレート１１及び／又は第３のフレームプレート１２によって強化され得る。さらに、第１の固定プレート２３、第２の固定プレート１３及び第３の固定プレート１４を設けることが可能であり、これらの固定プレートは、好ましくは、固定用留め具２２を介して、それぞれ第１のフレームプレート１０、第２のフレームプレート１１及び／又は第３のフレームプレート１２に接続されており、それによって、固定プレートは所定の位置に保たれる。さらに好ましくは、固定用留め具２２は、柔軟な材料から構成されており、それによって、構造全体の熱膨張が補償され得る。さらに、固定用留め具２２は、振動を減衰する機能を有し得る。
【００９６】
固定プレート１３、１４、２３及び／又はフレームプレート１０、１１、１２には、好ましくはエネルギー生成ユニット１の略全ての装置が固定されている。
【００９７】
図４は、図３の実施形態を、部分的に概略的な斜視図で示しており、エネルギー生成ユニット１は、図２に対して、長手軸Ｌの周囲に１８０°回転している。
【００９８】
さらに、当該図面では、空気送風機１７及び再循環送風機１８が示されており、これらは、好ましくは、同様にハウジング１５又は絶縁体１６の外側に配置されている。さらに、第１のフレームプレート１０が視認できるが、当該フレームプレートには、第１の機能ユニット７の装置の内いくつかが好ましくは固定されている。当該実施形態において、フレーム６は、好ましくは付加的なフレーム要素６を有しており、当該フレーム要素は、ハウジング１５の外面において面を形成するので、エネルギー生成ユニット１を、例えば乗物に取り付けることが可能である。取り付けるために、当該フレーム要素には、好ましくは減衰手段を配置することが可能であり、当該減衰手段は、乗物からエネルギー生成ユニット１への振動を減衰するものである。さらに、熱交換器３０と、固定プレート１３の一部とが視認される。
【００９９】
図５は、完全に閉じられたハウジング１５を有するエネルギー生成ユニット１を示しており、全てのハウジング部分１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、エネルギー生成ユニット１に取り付けられている。当該図面はやはり、部分的に概略的な斜視図であり、エネルギー生成ユニット１は、やはり図３のように構成されている。このとき、ハウジング部分１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、好ましくはネジによって、特にフレーム６に固定されている。
【符号の説明】
【０１００】
１  エネルギー生成ユニット
２  燃料電池
３  空気接続部
４  炭化水素接続部
５  電気接続部
６  支持構造
７  第１の機能ユニット
８  第２の機能ユニット
９  第３の機能ユニット
１０  第１のフレームプレート
１１  第２のフレームプレート
１２  第３のフレームプレート
１３  第２の固定プレート
１４  第３の固定プレート
１４ａ  上側プレート
１４ｂ  下側プレート
１５  ハウジング
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ  ハウジング部分
１６  絶縁体
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ  絶縁領域
１７  空気送風機
１８  再循環送風機
１９  始動燃焼器空気弁
２０  再循環弁
２１ａ、２１ｂ  炭化水素ポンプ
２２  固定用留め具
２３  第１の固定プレート
２４  始動燃焼器
２５  気化装置
２６  排ガスチャンバ
２７  再熱器
２８  改質装置
２９  始動燃焼器の炎管
３０  熱交換器
３１  排ガス接続部
３２  燃焼室
３３  カソード空気弁
３４  改質装置空気弁
３５  再熱器アノード排ガス弁
３６  分配プレート
３７  改質装置触媒コンバータ
３８  再熱器触媒コンバータ
【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５】
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【国際調査報告】
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