JP2009528207A - 極低温で貯蔵される燃料を使用して運転されるユニットを搭載した自動車両 - Google Patents

Abstract

本発明は、雰囲気温度では気体であるが、車載タンク（１）内では極低温で貯蔵され、ユニットへの供給時にはより高温の媒体との熱交換により加熱される燃料を使用して運転されるユニット、特に駆動ユニットを搭載した自動車両に関する。そこでは、前記ユニットの運転のために前記車載タンク（１）から取り出される燃料を、特に所謂ゼーベック素子の形態をとる熱電発電機（７）の所謂コールドサイドに接触させることで、前記熱電発電機（７）により車載電気系統のための電流を発生する。前記熱電発電機（７）の他方の所謂ウォームサイドには、前記低温燃料と熱交換を行うためにも用いられる前記より高温の媒体を当てることが好ましく、その場合は前記熱電発電機（７）が、前記タンク（７）から取り出された燃料と前記より高温の媒体との間の熱交換を行うための熱交換器（５）の内部に組み込まれているとよい。

Description

本発明は、雰囲気温度（周囲温度）では気体であるが、車載タンク内では極低温で貯蔵され、ユニットへの供給時にはそれよりも高温の媒体との熱交換により加熱される燃料を使用して運転されるユニット、特に駆動ユニットを搭載した自動車両（モータビークル）に関する。

背景技術については、特許文献１ならびに特許文献２を参照されたい。
好ましくは車両の駆動ユニット用の、しかし場合によってはほかにも車両の補助ユニット用の燃料として、好ましくは水素が、低温状態、特に極低温状態で貯蔵される、所謂クリオタンクを搭載した自動車両は、現在開発段階にある。この駆動ユニットは、たとえば内燃機関であるとよく、また補助ユニットは、たとえば車載電気系統だけに供給するための、またはほかにも一つまたは複数の電気駆動モータに供給するための電気エネルギを発生する燃料電池であるとよい。

車載燃料タンクに貯蔵される液体水素は、そこから気体としてこれを燃焼するユニットの使用に供されなければならず、このためその供給の枠内で気化プロセスが挿入されるが、そこでは適切な熱交換器の内部で熱媒からの熱の吸収が行われるようになっている。熱媒としては、たとえば内燃機関のクーラントを使用することができるが、これについてはたとえば上記で最初に掲げた特許文献１を参照されたい。

ドイツ特許発明第１９５０６４８６号明細書 ドイツ特許出願公開第１９８５４５８１号明細書

基本的には、システムを最大限の高効率で運転することが模索されている。この意味で本発明の課題は、請求項１の上位概念（所謂おいて部分、プリアンブル部分）に記載される自動車両を対象として、改良策を提示することにある。

この課題の解決手段は、ユニットの運転のために車載タンクから取り出される燃料を、特に所謂ゼーベック素子の形態をとる熱電発電機に接触させることで、この熱電発電機により車載電気系統用の電流を発生することを特徴としている。有利な展開構成例は、従属請求項の内容となっている。

すなわち、タンクから取り出される燃料、特に水素の冷熱を、少なくとも部分的に電気エネルギの発生に利用して、これを車載電気系統の使用に供することが提案されるのであって、それにより自動車両に通常備えられる発電機の負担が軽減されるようになる。そこでは燃料の冷熱からの電気エネルギの発生を、通常は熱と電気を通すように互いに接続された二つの異なる電気半導体材料から構成される所謂熱電発電機を介して行うことができるようにしている。この材料対を熱源とヒートシンク間の温度勾配に晒すと、この材料対の内部には電圧が生じる。そのような材料対を多数組み合わせることによって、熱源およびヒートシンクが相応に高性能のものである場合は、経済的に有用な電力を達成することができる。そのような要素は、ゼーベック素子とも呼ばれるが、これは、公知のペルチェ素子の機能を逆にしたものである。

ところで、極低温で貯蔵される燃料用のタンク、特にクリオタンクを搭載した自動車両には、極低温水素である場合は、数ケルビンの温度にしか過ぎないこの極低温水素が燃料としてタンクから取り出されるために、極めて高性能のヒートシンクが存在していることになる。

クリオタンクを搭載した自動車両で熱電発電機を使用することについては、上記で二つ目に掲げた特許文献２から既に知られてはいるが、しかしこの文献によると、この熱電発電機は、所謂ボイルオフガスの燃焼時に放出される熱から電気エネルギを発生するために利用されるようになっている。この公知である従来技術は、次の二点で本発明とは基本的に相違している：第一に、本発明においては、利用されるのがタンクから取り出された燃料の冷熱であって、その燃焼時に発生する熱ではない；第二に、電気エネルギの獲得が行われるのは、上記ユニットの運転の間であって、ボイルオフガスだけが発生し得るその停止時ではない。

熱電発電機の所謂コールドサイドにタンクから取り出された（極低温）燃料の冷熱を当てるだけでなく、それ以外に熱電発電機の所謂ウォームサイドにも、低温の燃料との熱交換のために用いられるそれよりも高温の媒体を当てる場合は、右肩上がりの温度勾配に比例して増大する熱電発電機の効率を、さらに高めることができる。一般にこのより高温の媒体は、さもなければ熱電発電機の「ウォームサイド」に加えられることになる雰囲気温度と比べ、かなりの高温となっている。タンクから取り出された燃料の周囲には、燃料を気体状態で上記ユニットに供給できるようにするために、上述のこのより高温の媒体を燃料との熱交換を行うために導かなければならないことからして既に、この対策は非常に有利である。これとの関係では、設計上の観点から、熱電発電機が、タンクから取り出された燃料とより高温の媒体間の熱交換を行うためのいずれか一つのまたはこの熱交換器の内部に構造上組み込まれていると、非常に有利である。

有利な展開構成例の主意に沿って、本発明にしたがった自動車両は、ほかにもさらに、ボイルオフガス用の燃焼装置、ならびにこの変換プロセスにおいて放出される熱から電気エネルギを獲得するための別の熱電発電機から成る、車載タンクのボイルカフガスを変換するための装置を備えて構成されるとよい。この技術は、既述の特許文献２により基本的に既に知られている。この文献には、当業者には基本的に周知であるためにここではそれ以上詳しく説明しないクリオ燃料タンクがらみの所謂ボイルオフ問題が説明されるだけでなく、そこにはほかにも、クリオ車載タンクから吹き出される望ましくないボイルオフガスの不可欠な燃焼時に放出される排熱を、そこでは伝熱素子の形態をとる所謂エネルギ変換器にこの排熱を当て、それにより電流を発生できるようにすることで、利用することが提案されている。したがってこの伝熱素子も同様に、熱電発電機ないしはゼーベック素子であるとよい。

今ではこれについて、別の効率ないしは発生可能な電力を増大するための対策、具体的には、ボイルオフガスの変換との関係で備えられる別の熱電発電機の所謂ウォームサイドに、特にボイルオフガスの触媒燃焼時に放出される熱を当てる間に、この別の熱電発電機の他方の所謂コールドサイドに、燃料タンクから排出される低温のボイルオフガスを当てることが提案される。

この対策により、ずっと上のところで指摘した請求項１の特徴部分に記載される熱電発電機に追加して備えられるこの別の熱電発電機においては、熱源、すなわち燃焼後のボイルオフガスと、ヒートシンク、すなわちクリオタンクから排出されたばかりのボイルオフガスとの間の、たとえば雰囲気空気をヒートシンクとして援用する場合と比べて格段と大きな温度差を具現することができる。低温の未燃ボイルオフガスの温度が数ケルビン程度であることからも、実に数百度の規模にもなり得るそのような大きな温度差により、この熱電発電機の内部で発生可能な電気エネルギは、当然ながら大幅に増大されることになる。

一つのバッテリ、換言すればさらに別の複数の熱電発電機が、触媒燃焼装置のケースをジャケットのように包み隠すように配置されて、これらの熱電発電機が、触媒燃焼装置のケースとは反対側で、燃焼装置をこれらの熱電発電機ともどもジャケットのように包み隠す、低温のボイルオフガスが通り流れる一つの環状通路に熱が伝達されるように接続される場合は、構成上非常に長所の多い、取付け空間面からも、またそれぞれの要素間の最良の伝熱性の観点からも有利な構成上の配列がもたらされる。しかしこのさらに別の熱電発電機については、そのように構成する代わりに、これをマトリックス構造体として、片側でボイルオフガス用の触媒燃焼装置のケースと接触し、反対側でこの触媒燃焼装置にボイルオフガスを酸化のために供給する適切な形状に成形された通路またはその類と接触するように構成することも可能である。

この別の熱電発電機において生じる、ないしは放出される電気エネルギは、好適には、所謂ボイルオフプロセスの監視と制御を行う安全システムの使用に供されるようにするとよい。というのも、クリオ燃料タンクを搭載した自動車両では、ボイルオフ管理システムへのエネルギの連続供給が問題となる場合があるからである。詳しくいうと、ボイルオフガスは制御されて車載タンクからが吹き出されて、いずれか一つのまたはこの燃焼装置に供給されるのであるが、このプロセス制御のための適切なセンサ系、バルブ類、および電子監視ユニット、ならびに場合によってはこの燃焼装置の点火装置にも、電気エネルギを事情次第では比較的長時間にわたり供給する必要が生じる場合がある。今ではそのために必要なエネルギが、いわばボイルオフガスの不可欠である燃焼により発生されて、適切なバッファに一時的に貯蔵されることになり、それにより上述のエネルギ供給問題を好都合にも効率にとり有利となるように絶妙に解決することができる。

添付の図面を利用して、本発明の請求項１から３についてさらに詳しく説明する。従属請求項４から６に記載される展開構成例は、これには含まれていない。
符号１により、液体水素を極低温状態で貯蔵するための自動車両のクリオタンク（＝車載タンク）が示されているが、そこからは、弁２を介して水素を燃料として取り出して、燃焼のためにライン３を介して図示されない車載ユニットに供給できるようになっている。このライン３は、所謂サブシステムカプセル４に通して取り廻されているが、そこには熱交換器５が備えられており、その内部でライン３は、別のライン６ａを介して供給され、ライン６ｂを介して排出されるより高温の媒体に接してこれと熱交換を行うようになっており、それによりライン３内の低温の水素は、この熱交換器５の内部で加熱され、それに伴い気体状態に遷移するようになっている。ライン３内の水素の輸送に関しては、所謂サブシステムカプセル４内のこの熱交換器５の上流側に熱電発電機７が備えられているが、そのコールドサイドは、ライン３に接続され、それによりその内部を導かれる低温の水素に接してこれと熱交換を行うようになっており、またそのウォームサイドは、ライン６ｂを介して供給されラインを介して供給されライン６ｃを介して排出される上述のより高温の媒体に接してこれと熱交換を行うようになっている。したがってこの熱電発電機７で生じる温度勾配は数百度の規模となるために、この熱電発電機を使用して、一般的な効率、ならびに、容認し得る熱電発電機の寸法諸元およびこれに当たる特に低温水素の体積流量で、かなりの、ないしは特記し得る高さの電流ないしは電力を得ることができる。それにより得られた電気エネルギは、車両の車載電気系統に供給することで利用可能となり、それに伴い今後も引き続き備えられることになる電気エネルギ発生器の負担が軽減されるために、車両の総合効率をこれにより増大することができるが、細部の多くについては、特許請求範囲の内容から逸脱することなく、上記の説明とは異なる態様に構成されたものであっても全く問題がない点をここに付言しておく。

本発明に係る構成を示す概念図である。

符号の説明

１ クリオタンク
２ 弁
３ ライン
４ サブシステムカプセル
５ 熱交換機
６ａ ライン
６ｂ ライン
６ｃ ライン
７ 熱電発電機

Claims (6)

1. 雰囲気温度では気体であるが車載タンク（１）内では極低温で貯蔵される燃料であって、ユニットへの供給時にはより高温の媒体との熱交換により加熱される燃料を使用して運転されるユニット、特に駆動ユニットを搭載した自動車両において、
   前記車載タンク（１）から前記ユニットの運転のために取り出される燃料を、特に所謂ゼーベック素子の形態をした熱電発電機（７）に接触させることで、前記熱電発電機（７）により車載電気系統のための電流を発生することを特徴とする、自動車両。
2. 請求項１に記載の自動車両において、
   前記熱電発電機（７）の所謂コールドサイドに、前記タンクから取り出される低温の燃料を当てる一方で、前記熱電発電機（７）の他方の所謂ウォームサイドに、前記低温燃料と熱交換を行うためにも用いられる前記より高温の媒体を当てることを特徴とする、自動車両。
3. 請求項１または２に記載の自動車両において、
   前記熱電発電機（７）が、前記タンクから取り出された燃料と前記より高温の媒体との間の熱交換を行うための熱交換器（５）の内部に組み込まれることを特徴とする、自動車両。
4. 前記車載タンクのボイルオフガスを変換するためのボイルオフガス用燃焼装置、ならびにこの変換プロセスにて放出される熱から電気エネルギを獲得するための別の熱電発電機から構成される装置を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の自動車両において、
   前記別の熱電発電機の所謂ウォームサイドに、前記ボイルオフガスの特に触媒燃焼時に放出される熱を当て、前記別の熱電発電機の他方の所謂コールドサイドに、前記燃料タンクから排出される低温のボイルオフガスを当てることを特徴とする、自動車両。
5. 請求項４に記載の自動車両において、
   さらに別の複数の熱電発電機から成るバッテリが、触媒燃焼装置のケースを、ジャケットのように包み隠すように、またはこれにマトリックス構造体として正接するように配置されること、および、
   前記さらに別の複数の熱電発電機が、前記触媒燃焼装置のケースとは反対側で、前記燃焼装置を前記さらに別の複数の熱電発電機ともどもジャケットのように包み隠す、前記低温のボイルオフガスを流通する管状通路、または前記マトリックス構造体に適合化した通路に接して熱交換を行うことを特徴とする、自動車両。
6. 請求項４または５に記載の自動車両において、
   獲得した電気エネルギを、前記ボイルオフガスの監視と制御を行う安全システムの使用に供することを特徴とする、自動車両。

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