JP2004224336A - 自動車をコンディショニングする装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車に設けられていて自動車をコンディショニングするのに働く系構成部材を、より効果的に利用する。
【解決手段】自動車をコンディショニングする装置に、少なくとも１つの電気式に運転されるコンディショニング装置２４，２８，３２，３６と、熱源及び加熱された空気を自動車内室２０に送るための搬送装置１８を備えた暖気供給系と、少なくとも１つのコンディショニング装置２４，２８，３２，３６及び／又は搬送装置１８用の電気エネルギを準備するための燃料電池系３８とが設けられており、暖気供給系が、熱源としての燃料電池系１８の他に、燃料電池系３８の領域において発生する熱を自動車内室２０内に送られる空気に伝達するための熱交換器６０を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車をコンディショニングする装置に関する。

今日の自動車は、益々多く次のような系、すなわち例えば走行開始前に自動車をコンディショニングするため、つまりドライバによって望まれている状態にするため、例えば暖めるため、又は種々様々な系を準備するために働き、このような系の準備によって例えば駆動ユニットとして働く内燃機関の始動時にスタート段階においても有害物質の放出を可能な限り少なくすることができる。

自動車をコンディショニングするために燃料運転式のヒータをいわゆる補助ヒータもしくは独立ヒータ（Standheizung）として使用すること、並びにシートヒータのような電気運転式の系を使用することが公知である。電気運転式の系は、特に比較的低温の際に、自動車に通常設けられているバッテリを極めて強く負荷するので、このような場合には、燃料電池を自動車内に組み込むことが益々望まれている。そして燃料電池を自動車に組み込むことによって、駆動ユニットがなお電気エネルギ生ぜしめるのに利用できないような状態においても、又は駆動ユニットが運転されているが駆動ユニットが電気エネルギの獲得に良好に寄与できないような状態においても、電気エネルギを消費機に十分に供給することが可能になる。

本発明の課題は、自動車に設けられていて自動車をコンディショニングするのに働く系構成部材を、より効果的に利用することである。

この課題を解決するために本発明の第１の構成では、自動車をコンディショニングする装置であって、少なくとも１つの電気式に運転されるコンディショニング装置と、熱源及び加熱された空気を自動車内室に送るための搬送装置を備えた暖気供給系と、少なくとも１つのコンディショニング装置及び／又は搬送装置用の電気エネルギを準備するための燃料電池系とが設けられており、暖気供給系が、熱源としての燃料電池系の他に、燃料電池系の領域において発生する熱を自動車内室内に送られる空気に伝達するための熱交換器を有しているようにした。

この第１の発明において重要なことは、十分な電気エネルギを準備するために働く燃料電池系が同時に、熱エネルギ源、つまり暖められた空気を自動車内室つまり例えば客室又は場合によっては荷物室に供給するのに必要な熱エネルギの源をも形成していることである。これによって、従来技術において一般的に用いられているような燃料運転式の付加的なヒータを、準備する必要がなくなる。

例えばコンディショニング装置は、シートヒータとウインドヒータと外部ミラーとステアリングホイールヒータとを有しているか又はそのうちの少なくとも１つを有している。

これらすべての装置は、一方では快適性を高めるために働き、かつ他方では、走行開始時において比較的低い外気温時においてもすべてのウインド及び場合によってはサイドミラーのような外部ミラーから氷もしくは霜を取ることによって、安全性をも高めることができる。

本発明の別の構成では、燃料電池系が、水素含有の改質燃料を生ぜしめるリフォーマと燃料電池とを有しており、熱交換器によって、リフォーマの領域において発生する熱及び／又は燃料電池の領域において発生する熱が、自動車内室に送られる空気に伝達可能である。また燃料電池系はそれ自体、系の運転時に熱を生ぜしめる種々様々な領域を有しているので、これによって、廃熱として生じるエネルギを極めて効果的に利用することが可能になる。特に燃料電池がいわゆるＰＥＭ型式の燃料電池として形成されている場合には、リフォーマを出る水素含有の改質燃料を予め浄化することが、有利もしくは必要である。そこで本発明の別の構成では、燃料電池系がリフォーマと燃料電池との間に改質燃料浄化段を有しており、熱交換器によって改質燃料浄化段の領域において発生する熱が、自動車内室に送られる空気に伝達可能である。このようにすると、自動車において生じる熱をさらに良好に利用することができる。

燃料電池に供給されたすべての水素を電気エネルギ獲得のために使用することは、実際には不可能であるので、燃料電池を出たガス混合物はある程度の残留水素成分を含んでいる。そこで本発明の別の有利な構成では、燃料電池系が、燃料電池から出た残留水素を空気と共に燃焼させるバーナを有しており、熱交換器によってバーナの領域において発生する熱が、自動車内室に送られる空気に伝達可能である。このようにすることによって、さらなる熱エネルギ獲得手段を得ることが可能になり、これによって得られた熱エネルギは、他の系構成部材を暖めるために利用することができる。

前記課題を解決するために有利な本発明の第２の構成では、自動車をコンディショニングする装置において、電気エネルギを準備する燃料電池系と、該燃料電池系の領域において発生する熱を、自動車の少なくとも１つの加熱すべき系領域に伝達する熱交換器とが設けられているようにした。

つまり自動車をコンディショニングするというのは、快適性又は安全性を高めることだけを含むのではなく、自動車における種々様々な運転系、例えば排ガス後処理系もしくは駆動ユニットのような運転系を準備もしくは予加熱することをも含んでいる。すなわちこれによって、燃料電池系において発生する廃熱もしくは余熱を用いて前記のような系領域を予加熱もしくはコンディショニングすることによって、例えば駆動ユニットは始動時に既に行われている予加熱に基づいて僅かな有害物質しか放出しなくなり、また排ガス後処理系が適宜に予加熱されていることによって排ガス後処理系は始動段階においても既に、駆動ユニットから放出される有害物質を極めて効果的に分解することが可能になる。

もちろん、この第２の発明の構成を第１の発明の構成と組み合わせることが可能であり、かつ第１の発明の実施態様として記載されたその他の構成、特に燃料電池系の領域における実施態様を、第２の発明において実施することも可能である。

次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。

図１には自動車１０が示されており、この自動車１０は本発明の原理に基づいてコンディショニングすることができる。

自動車１０は、駆動ユニットとして内燃機関１２を有している。内燃機関１２において発生した排ガスは、排ガス案内系１４と排ガス後処理系１６とを介して、外方に向かって排出される。さらにブロワ１８が設けられており、このブロワ１８によって空気を自動車１０の内室２０に導入することができる。空気は、以下に記載のように、予加熱されることができ、このことは、通常の走行状態では例えば内燃機関１２によって生ぜしめられる熱を使用して行うことができる。自動車１０の内室２０には、複数のシート又はベンチシート２２が設けられており、これらのシートのうち、図面にはドライバーズシートだけが示されている。ドライバーズシート２２は、場合によってはその他のシートも、電気的に運転可能なシートヒータ２４を有している。さらにステアリングホイール２６にも、同様に電気的に運転可能なステアリングホイールヒータ２８が設けられている。

自動車１０の様々なウインドガラス３０には、電気的に運転可能なウインドヒータ３２を設けることができ、このようなヒータは有利には少なくともリヤウインド及びフロントウインドに設けられている。またサイドミラーのような外部ミラー３４にも、電気的に運転可能なミラーヒータ３６を設けることができる。

自動車の電気的に運転可能なすべての系のために十分な電気エネルギが供給されることを、すべての運転状態において保証するために、自動車１０は略示された燃料電池系３８を有しており、この燃料電池系３８については後で図２及び図３を参照しながら詳説する。この燃料電池系３８は、特に、内燃機関１２がまったく又は、電気エネルギの発生に加えて付加的に利用され得ないような運転状態においても、十分な電気エネルギが存在することを保証する。これによって、自動車１０を走行前にかつまた内燃機関１２の運転開始前に熱を準備すること、つまり例えば上に述べた種々様々な電気的に運転可能なヒータ２４，２８，３２，３６の励起によって、かつ場合によっては排ガス後処理系１６の励起によって、走行開始時から特に比較的低い外気温に際してもドライバに対して快適な車内雰囲気が存在するような状態に、しかしながらまた他方では、運転に際して有効な種々様々な系が既にほぼ最適に作動できるような状態に、自動車をもたらすことが可能になる。ブロワ１８もまた、搭載電源を介して、ひいては燃料電池系３８から供給される電気エネルギによって運転可能である。

本発明の原理によればしかしながら、燃料電池系３８から供給される電気エネルギが使用されるだけではなく、電気エネルギの発生時に燃料電池系３８において生じる熱をも利用することができる。このような熱は、種々様々な熱交換器の使用下で、自動車内室２０に導入される空気に伝達することができ、そしてこの空気はブロワ１８によって自動車内室２０へと送られる。これによって、特に燃料電池系３８の領域において準備されたエネルギ、つまり電気エネルギのみならず熱エネルギもまた、自動車１０を準備するため、つまり付加的に加熱するために、最適に利用することができる。この場合、電気エネルギの発生時に燃料電池系３８において生じる熱は、自動車内室２０を暖めるためにのみ使用されるのではなく、例えば内燃機関１２及び排ガス案内系１４、特に排ガス後処理系１６を予加熱するためにも使用することができる。このようにして特に内燃機関１２の運転開始時に、比較的低い外気温においても内燃機関１２からの有害物質の放出を減じることができる。この場合しかしながら燃料電池系３８は、停止状態及び比較的低い外気温において、燃料電池系３８で生じる熱が使用され得るのみならず、例えば内燃機関１２がディーゼルエンジンである場合には、走行運転中にも作動するいわゆる付加ヒータとしても運転されることができる。

例えば、図１に示された自動車１０において使用することができる燃料電池系３８が、図２及び図３に示されている。図２に示された燃料電池系３８は、いわゆるＰＥＭタイプであり、このような型式の燃料電池系３８では、燃料電池４０が８０℃の範囲における比較的低い温度で作動する。燃料電池系３８は燃料電池４０の他にリフォーマ（Reformer）４４を有しており、このリフォーマ４４には空気４４と燃料４６と水４８とが導入される。空気４４と水４８は、熱交換器５０，５２において予加熱されることができるので、空気４４及び水４８は燃料４６と一緒に導入されても、リフォーマ４２において素早く蒸発し、そして水素含有の改質燃料（Reformat）に変換されることができる。この水素含有の改質燃料は、リフォーマ４４を出た後、熱交換器５０において冷却され、そしてその熱を又は熱の一部を空気４４に伝達する。改質燃料は熱交換器５０の後でガス浄化段５４に流入し、このガス浄化段５４もまた同様に極めて高い温度で作動する。ガス浄化段５４を出た水素含有ガスは、適宜な温度で燃料電池４０に流入する前に、別の熱交換器５６を貫流する。燃料電池４０では、水素含有の水素が空気酸素と反応させられ、この際に電気エネルギが生ぜしめられる。燃料電池４０を出たガスは今なお水素残留成分を含んでおり、この水素残留成分は別の空気５８を加えられて燃焼させられる。この燃焼時に発生した熱は、熱交換器５２において少なくとも部分的に、リフォーマ４２に導入される水へと伝達される。

特に、熱交換器５６において水素含有ガスから取り出された熱は、例えば別の熱交換器６０において、自動車内室２０にブロワ１８の作用下で送られる空気へと伝達されることができる。さらに、熱交換器６０及び又は別の熱交換器において、この燃料電池系３８において生じる熱は、内燃機関１２の冷媒に伝達することができるので、これにより内燃機関１２を既に予加熱することが可能である。さらに、熱交換器５２から出たガスを内燃機関及び排ガス案内系１４を通して導くことも可能であり、これによってこれらの系構成部材を予加熱することが可能である。もちろん、両熱交換器５０，５２を、例えば自動車内室に送られる空気のような他の媒体に熱を伝達するために使用することも可能である。

図３に示された燃料電池系３８は、ＳＯＦＣタイプの系である。この型式では燃料電池４０は６５０℃又はそれ以上の温度で作動する。この場合においてもリフォーマ４２には燃料４６と、熱交換器５２において予加熱され得る空気４４とが供給される。リフォーマ４２から出た比較的高い温度を有する改質燃料は、燃料電池４０に流入する前に熱交換器５０を貫流する。同様に燃料電池４０に導入される空気６２、もしくはその中に含有された空気酸素と、水素は反応し、電気エネルギを発生させる。酸素が乏しくなった（sauerstoffentreichert）空気は別の熱交換器６４を介して燃料電池４０から流出する。さらに、酸素が乏しくなったガスは熱交換器５２に向かって燃料電池４０から流出する。このガスにはしかしながら熱交換器５２に達する前に、再び空気５８が添加され、このガス内に含有された残留酸素と一緒に燃焼させられ、そしてこの際に生じる熱を熱交換器５２においてさらに利用することができる。

図３に示された燃料電池系３８においても、特に熱交換器６４，５０，５２では、そこで酸素が乏しくなった空気もしくは改質燃料から引き出された熱を、例えば自動車内室に送られる空気又は内燃機関の冷媒のような他の媒体に、伝達することが可能である。

図２に示された系においても、図３に示された系におけると同様に、燃料電池４０を通して導かれた空気、つまり燃料電池４０から例えば８０℃を上回る高い温度の空気を、図３に示された系の熱交換器６４のような熱交換器を通して案内することができる。この空気においてまず初めなお運ばれる熱もまた、本発明ではさらに利用することが可能である。

このような燃料電池系を次のような状態においても、例えば走行開始前に低い外気温で燃料電池系の領域、特にリフォーマの領域、ガス浄化段の領域及び燃料電池自体の領域に、なお十分に高い運転温度が存在していないような状態においても、運転できるようにするために、例えば、まず初めにリフォーマにおいて、該リフォーマに供給されたもしくはそこで生ぜしめられた燃焼空気と燃料とから成る混合体を、燃料運転されるヒータの形式で燃焼すること、つまり点火することが可能であり、このようにすると、リフォーマから出た極めて高温の排ガスは、リフォーマ自体及び、場合によってはガス浄化段並びに燃料電池を貫流する際に、これらの構成部材を加熱するのに役立つ。

図２及び図３に示された両燃料電池系は、ただの例であり、このような燃料電池系の種々様々な領域において、これらの領域において必要な作業温度、例えば９００℃に到る範囲の作業温度に基づいて、熱が、すなわち本発明の原理によれば自動車をコンディショニングするため、つまり例えば自動車内室に暖められた空気を導入するため又は種々様々な系構成部材を予加熱もしくは加熱するために利用できる熱が発生するということを、示したものである。しかしながら本発明では、燃料電池系が電気エネルギを発生させるためにだけ利用されるのではなく、この際に生じる熱もまた利用され、損失熱として周囲に放出されないということが、基本である。この場合特に、排ガス後処理系１６の加熱、つまり例えばそこに設けられた触媒コンバータ又は微粒子フィルタの加熱もまた、運転開始時における有害物質の放出を減じるために、大きな意味がある。

さらになお付言すると、本発明において「自動車内室」というのは、単にドライバ室もしくはコックピット又は客室のようないわゆる車室内だけを示すのではなく、例えば荷物室又はこれに類したもののような温度調整が望まれているその他の自動車内の空間をも意味している。

自動車を概略的に示す図である。 ＰＥＭタイプの燃料電池系を示す回路図である。 ＳＯＦＣタイプの燃料電池系を示す回路図である。

符号の説明

１０ 自動車、 １２ 内燃機関、 １４ 排ガス案内系、 １６ 排ガス後処理系、 １８ ブロワ、 ２０ 内室、 ２２ シート、 ２４ シートヒータ、 ２６ ステアリングホイール、 ２８ ステアリングホイールヒータ、 ３０ ウインドガラス、 ３２ ウインドヒータ、 ３４ 外部ミラー、 ３６ ミラーヒータ、 ３８ 燃料電池系、 ４０ 燃料電池、 ４２ リフォーマ、 ４４ 空気、 ４６ 燃料、 ４８ 水、 ５０，５２ 熱交換器、 ５４ ガス浄化段、 ５６，６０ 熱交換器、 ５８ 空気

Claims (7)

1. 自動車をコンディショニングする装置であって、少なくとも１つの電気式に運転されるコンディショニング装置（２４，２８，３２，３６）と、熱源及び加熱された空気を自動車内室（２０）に送るための搬送装置（１８）を備えた暖気供給系と、少なくとも１つのコンディショニング装置（２４，２８，３２，３６）及び／又は搬送装置（１８）用の電気エネルギを準備するための燃料電池系（３８）とが設けられており、暖気供給系が、熱源としての燃料電池系（１８）の他に、燃料電池系（３８）の領域において発生する熱を自動車内室（２０）内に送られる空気に伝達するための熱交換器（６０）を有していることを特徴とする、自動車をコンディショニングする装置。
2. コンディショニング装置（２４，２８，３２，３６）が、シートヒータ（２４）とウインドヒータ（３２）と外部ミラー（３６）とステアリングホイールヒータ（２８）とを有しているか又はそのうちの少なくとも１つを有している、請求項１記載の装置。
3. 燃料電池系（３８）が、水素含有の改質燃料を生ぜしめるリフォーマ（４２）と燃料電池（４０）とを有しており、熱交換器（６０）によって、リフォーマ（４２）の領域において発生する熱及び／又は燃料電池（４０）の領域において発生する熱が、自動車内室（２０）に送られる空気に伝達可能である、請求項１又は２記載の装置。
4. 燃料電池系（３８）がリフォーマ（４２）と燃料電池（４０）との間に改質燃料浄化段（５４）を有しており、熱交換器（６０）によって改質燃料浄化段（５４）の領域において発生する熱が、自動車内室（２０）に送られる空気に伝達可能である、請求項３記載の装置。
5. 燃料電池系（３８）が、燃料電池（４０）から出た残留水素を空気と共に燃焼させるバーナを有しており、熱交換器（６０）によってバーナの領域において発生する熱が、自動車内室（２０）に送られる空気に伝達可能である、請求項３又は４記載の装置。
6. 自動車をコンディショニングする装置であって、電気エネルギを準備する燃料電池系（３８）と、該燃料電池系（３８）の領域において発生する熱を、自動車の少なくとも１つの加熱すべき系領域に伝達する熱交換器（６０）とが設けられていることを特徴とする自動車をコンディショニングする装置。
7. 自動車の少なくとも１つの加熱すべき系領域が、排ガス後処理系及び駆動ユニット又はそのいずれか一方を有している、請求項６記載の装置。

Images