JP4009536B2 - 内燃機関と、燃料電池と、触媒コンバータとを備えた車両 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載した、内燃機関と、燃料電池と、触媒コンバータとを備えた車両に関する。

内燃機関を備え、排出ガス後処理のために触媒コンバータを有する車両において、正に冷間始動段階に問題のあることは知られている。この稼動状態において触媒コンバータは未だその稼動温度にはなく、その結果、触媒コンバータは必要な範囲で未だ効力を発揮することはない。この理由から、触媒コンバータを冷間始動条件時に出来るだけ迅速にその稼動温度へともたらすという一連の措置が知られている。１つの措置として、触媒コンバータを電気的に加熱することが知られている。更には動力燃料の燃焼を用いる加熱も知られていて、この加熱では、通常、内燃機関のために設けられている燃料手段が触媒コンバータのための特別なバーナ（燃焼器）内で使用される。更に、内燃機関を冷間始動時に特別な稼動条件で稼動させることも知られていて、それにより例えば、特に、高い排出ガス温度又は少ない有害物質エミッションが生じることになる。

本発明が解決しようとする課題は、特に冷間始動領域において触媒コンバータを迅速に加熱するための他の措置を提供することである。

前記の課題は、請求項１に記載した構成要件により解決される。

それに従い、本発明の本質的な思想は、内燃機関と、触媒コンバータと、燃料電池とを備えた車両において、燃料電池内で発生する廃熱の少なくとも一部分を、燃料電池と触媒コンバータとの間の熱連結部を用い、触媒コンバータに供給することにある。この際、特に、排出ガス中に含まれる熱量が触媒コンバータのために使用可能とされる。

このことは、実施形態に従い、燃料電池の熱い排出ガスが少なくとも必要な場合に触媒コンバータを通じて案内されてこの触媒コンバータを加熱することにより行われ得る。触媒コンバータがその稼動温度にない場合、又は、燃料電池がそもそも対応的な熱容量を有する排出ガスを発生する場合にだけ前記の措置が実施されるのであれば、切換装置が設けられるべきであり、この切換装置を用い、排出ガスが選択的に触媒コンバータを通じて案内される又は他の場合には例えば周囲環境へと案内されるという方式で切換が行われ得る。そのために本発明の特別な実施形態では制御装置が設けられていて、この制御装置は切換装置を対応的に制御する。

燃料電池の排出ガス中に蓄えられている熱を利用するという他の試みは、熱交換器を設けるということにあり、この熱交換器に対し、燃料電池の排出ガスがその熱の一部分を引き渡し、この熱は、その後、再び触媒コンバータのために使用可能とされる。この種の熱交換器の簡単な形式は管渦巻部であり得て、この管渦巻部は、螺旋状に触媒コンバータの周りに配設されている。排出ガスが管渦巻部を通じて案内されると、この排出ガスが触媒コンバータを同様に加熱する。

第１選択肢においてもそうであるが、排出ガスを用いた熱交換器の通過案内は選択的に例えば冷間始動段階で行われ得る。通過案内が考慮されていない場合、排出ガスは、前記したように、直接的に換気へと放出される。

特に有利な実施形態は、燃料電池の後に更にアフタバーナ（再燃焼器）が後続接続されていることによって得られ、このアフタバーナ内には、燃料電池内で変換されず未だ反応力のある燃焼ガスが含まれている。この際、このガスは、アフタバーナ内で対応的な熱放出のもと燃焼され、その後、上述した同様の方式で触媒コンバータのために直接的に又は熱交換器を介して使用可能とされ得る。この際、アフタバーナを用い、1100℃に至るまで温度が達成される。アフタバーナは、内燃機関の冷却水循環路に接続され得て、内燃機関を同様に温度上昇させ得るし、触媒コンバータのための熱を発生させ得る。

燃料電池が既に内燃機関の始動前に稼動される場合、紹介されたこのシステムは特に有利であり、この場合には触媒コンバータが比較的短期間で稼動温度の近傍へともたらされ得て、その結果、通常の冷間始動の短所は回避され得る。

本発明を用い、全体として、燃料電池又は後続接続されているアフタバーナの残留排出ガス熱を直接的な通流又は熱交換器を介して連結することにより、内燃機関の排出ガスシステム内の触媒コンバータが熱的にその動作温度へともたらされ得る。従って電気的な触媒コンバータ加熱は排除され得る。

次に、添付の図面に関連し、本発明を更に詳細に説明する。

本発明の実施形態において、図１及び図２には、燃焼機関としての内燃機関１０と、燃料電池１２と、触媒コンバータ１６とを備えたシステムの概要が描かれている。内燃機関１０は排出ガス路１８を介して触媒コンバータ１６と接続されていて、この触媒コンバータ１６は、再び排出ガス路を介し、排出ガス後処理されたエミッションを周囲環境へと排出する。

内燃機関１０には燃料電池１２が熱技術的に連結され且つ構造的に機関ブロックに固定されている。この燃料電池は供給部２０（概要だけが描かれている）を介して電気化学反応のために必要な反応物質を獲得し、これらの反応物質はエネルギー要求に応じて燃料電池１２内で変換される。燃料電池の排出ガスは排出ガス路２２を介してアフタバーナ（再燃焼器）１４に供給される。燃料電池の排出ガスは、一方では消費された反応物質を含むが、他方では未だ互いに反応されていない反応物質を含んでいて、これらの反応物質は、燃料電池に対して存在する出力要求において電気エネルギーに変換されなかったものである。未だ反応力のあるこれらの反応物質はアフタバーナ１４で燃焼され、それにより、1100℃に至るまでの領域の熱発生が行なわれ得る。このアフタバーナは構造的に内燃機関の冷却水循環路と連結されていて、これは図１において矢印２８及び３０により示されていて、これらの矢印は冷却水入口３０及びアフタバーナからの冷却水出口２８を表している。

更に、アフタバーナ１４からは、このアフタバーナ１４で発生した排出ガスが排出される。ここで詳細には描かれていない切換弁が設けられていて符号２６で示されている分岐部において、アフタバーナ１４の熱い排出ガスは２つの異なる管路へと接続され得る。一方では排出ガスが管路２４内に導入され、この管路２４はこの排出ガスを周囲環境へと案内する。また排出ガスは管路１８内に、即ち触媒コンバータ１６の上流側にも導入され得て、それによりこの排出ガスが触媒コンバータ１６を通流してその際に触媒コンバータ１６を加熱する。

図２による選択的な実施形態において同じ符号は本発明の同じ部材を示している。図２の選択的な実施形態は、図１のものと比べ、アフタバーナ１４からの熱い排出ガスが直接的に触媒コンバータ１６を通じるようには導入されないということで異なっている。詳しく述べると螺旋状渦巻部４０が触媒コンバータの周りに設けられていて、排出ガスは、切換弁２６’（再び詳細には描かれていない）を介し、選択的に螺旋状渦巻部４０を通じて案内され得る。その後、排出ガス螺旋部４０の端部においてアフタバーナ１４からの排出ガスは再び周囲環境へと放出される。

勿論、燃料電池１２からの熱い排出ガスは、図１及び図２で描かれている方式で、直接的にも、触媒コンバータを通じて導かれ得る又は触媒コンバータの外側で触媒コンバータに沿って導かれ得るが、その際、排出ガス温度は、ほぼ1100℃から800℃以下に減少される。

本発明は、簡単で構造的に有利な方式で、内燃機関と、排出ガス触媒コンバータと、場合によりアフタバーナを有する燃料電池とから成るシステムにおいて、燃料電池／アフタバーナと触媒コンバータとの間の熱連結が確立されていて、それにより、このシステム内で燃料電池／アフタバーナから発生する熱が触媒コンバータを加熱するために用いられ得る。

本発明による装置の第１実施形態の構造配置を示す概要図である。 図１に対応させて第２実施形態の構造配置を示す概要図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 燃料電池
１４ アフタバーナ
１６ 触媒コンバータ
１８ 排出ガス路
２０ 供給部
２２ 排出ガス路
２４ 管路
２６ 分岐部（切換弁）
２６’ 分岐部（切換弁）
２８ 冷却水出口
３０ 冷却水入口
４０ 螺旋状渦巻部
４２ 管路

Claims (5)

1. 内燃機関（１０）と燃料電池（１２）とを含んでいる車両であって、内燃機関（１０）の排出ガスが触媒コンバータ（１６）へと送り出され、燃料電池（１２）が発電のために設けられていて熱い排出ガスを放出し、更には、燃料電池（１２）からその排出ガスを介して排出された熱が少なくとも部分的に触媒コンバータ（１６）へと案内可能であるように燃料電池（１２）と触媒コンバータ（１６）との間に熱連結部が設けられている、前記車両において、
   燃料電池（１２）の排出ガス路（２４、３２）内に切換装置（２６、２６’）が設けられていて、この切換装置を用い、燃料電池（１２）の排出ガスを介して排出された熱が触媒コンバータ（１６）へと案内可能であるか、又は、燃料電池（１２）の排出ガスが触媒コンバータ（１６）を迂回して周囲環境へと導かれることを特徴とする車両。
2. 燃料電池（１２）からの熱い排出ガスが触媒コンバータ（１６）を通じて案内可能であるように、燃料電池（１２）の排出ガス路（３２）が形成されていて触媒コンバータ（１６）と接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の車両。
3. 熱交換器（４０）が設けられていて、この熱交換器に対し、燃料電池（１２）の排出ガスがその熱の一部を引き渡し、この熱が、その後、触媒コンバータ（１６）のために使用可能とされていることを特徴とする、請求項１に記載の車両。
4. 熱交換器（４０）が管渦巻部を有し、この管渦巻部が螺旋状に触媒コンバータ（１６）の周りに配設されていることを特徴とする、請求項３に記載の車両。
5. アフタバーナ（１４）が設けられていて、このアフタバータ内で、反応されなかった燃料電池（１２）からの反応物質が燃焼され、このアフタバーナが一方では燃料電池（１２）と他方では触媒コンバータ（１６）又は熱交換器（４０）との間に中間接続されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両。

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