(57)【要約】アイドルまたは軽負荷状態の間にシリンダ遮断方式を使用する水素動力内燃機関（１）を有するハイブリッド車両である。連続的な空気流が、水素内燃機関に供給される。エンジン速度とアクセルペダル位置とに反応する制御システムは、連続的な空気流に噴射する水素の特定な量を計算する。結果として得られた流れはエンジン（１）において燃焼され、車両に動力を供給する。アイドリングまたは軽負荷状態の間、シリンダへの空気の流れが維持されながら、１つ又は一つ以上のシリンダへの水素供給は停止される。再充電可能な電池（７）および電池（７）からの電力を受ける電気モータ（８）は、水素動力内燃機関（１）を補うために使用される。
2005530085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイブリッド電気車両であって、
それぞれに連続的な空気流が供給される複数のシリンダを有する水素動力内燃機関と、
前記連続的な空気流のそれぞれに水素量を供給するように適合され、前記水素が圧縮されて前記複数のシリンダ内で燃焼される、複数の水素噴射器と、
前記水素内燃機関を補足するように適合された電気モーターと、
前記電気モーターに動力を供給する再充電可能な電池と、
前記水素動力内燃機関に水素を供給する水素源と、
を有するハイブリッド電気車両。
【請求項２】
１つ又は一つ以上の前記水素噴射器が、アイドリングまたは軽負荷状態のときに１つ又は一つ以上の前記連続的な空気流への水素の噴射を停止する、請求項１に記載のハイブリッド電気車両。
【請求項３】
水素燃料制御システムを更に含む、請求項１に記載のハイブリッド電気車両。
【請求項４】
前記水素燃料制御システムが、アクセル・ペダルの位置と、前記水素内燃機関の速度とに基づく燃料制御信号を、前記水素噴射器に供給して、前記連続的な空気流に配分される水素の量を調整する、請求項３に記載のハイブリッド電気車両。
【請求項５】
複数のシリンダを有する水素動力内燃機関に連続的な主空気流を供給し、
前記主空気流を、それぞれが前記複数のシリンダの何れかに供給される複数の副空気流に分割し、
前記副空気流が前記シリンダに供給される前に、前記副空気流のそれぞれに水素量を配分させ、
前記複数のシリンダにおいて前記水素を燃焼させて、前記ハイブリッド電気車両に動力を供給し、
アイドリングまたは軽負荷状態のときに１つ又は一つ以上の前記副空気流への水素の配分を停止しつつ、前記シリンダへの連続的な空気の流れを維持し、
前記水素動力内燃機関を、電池を動力源とする電気エンジンで補うことを含む、ハイブリッド電気車両に動力を供給する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本発明は、同時継続の米国特許出願０９／９６３，８６４号の一部継続出願であり、これは２００１年９月２５日出願の現在の出願「水素動力内燃機関および高出力Ｎｉ−ＭＨ電池パックを含む統合推進システムを組み込んだ超低公害ハイブリッド車両」と同一の譲受人に譲渡されているものであり、その開示はここに引用して本願に編入する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は一般に、統合推進システムを組み込んだ超低公害ハイブリッド電気車両に関するものである。特に、本発明は、ハイブリッド車両で使用される水素動力内燃機関に関するものである。水素動力内燃水素機関は、スロットルなしで動作し、アイドルまたは軽負荷状態で出力を低減するシリンダ遮断方式を使用する。
【背景技術】
【０００３】
世界の人口が拡大し、その経済活動が高まるにつれて、二酸化炭素の大気濃度が地球を暖め、気候に変化をもたらしている。しかし、世界のエネルギーシステムは、その燃焼が有害ガスを生成する炭素を多く含む燃料から着実に移行している。専門家は、二酸化炭素の大気レベルが次世紀の終りまでに産業革命以前のレベルの２倍になると述べているが、しかし１００年以上続いている低炭素燃料への傾向が無かったならば、レベルは更に高くなっていたであろうと述べている。また、化石燃料は、公害を引き起こし、国同士の戦略的軍事闘争の原因になっている。
【０００４】
約１世紀半の間に、炭素を多量に含む燃料は、炭素の量が非常に少ない燃料に徐々に代わってきている。最初に、木材、そしてこの炭素の多い燃料は、１９世紀後半には、より炭素含有量の少ない石炭に置き換えられた。更に炭素の含有量の少ない石油が、１９６０年代に「帝王石炭」を王の座から退位させた。その道の専門家達は、現在は炭素量の少ない天然ガスが全盛期に突入しつつあり、炭素を全く含まない水素の時代がついに始まろうとしているようであると述べている。その結果、専門家は、今日の世界の経済活動で燃焼する炭素は単位エネルギー当たりで、１８６０年に生成された単位エネルギー当たりの炭素の２／３未満であると推定している。
【０００５】
米国においては、低炭素燃料への傾向は、エネルギー効率の向上と伴い、１９５０年以来、吐き出された炭素量は各経済生産単位につき半分に減少している。従って、過去二十年のシステムを検討した結果の最も重要な事実はエネルギーシステムの炭素脱出である。この進展により、炭素を含まないエネルギーシステムが２１世紀末に作られるであろうと予測されている。本発明は、その期間をわずか数年に縮小するものである。軌道上を飛行する宇宙船にすでに動力を与えているように、水素は、短期間において、車、トラック、工場などの燃料電池に使用されるようになる。しかし、最終的には、水素は一般的な無炭素燃料を供給して、全ての燃料のニーズを満たすようにもなるであろう。
【０００６】
最近の新聞記事に記載されているように、特に米国における大きな産業は、地球が温暖化しつつあるという主張に長年疑念を抱き、気候変動の科学を強硬に否定していた。電力事業は、天候変動についての国際条約が経済成長を停止させ、失業をまねくという恐怖を民間の中でかき立てようとさえした。そのため、２つの巨大な欧州の石油会社であるロイヤル・ダッチシェルやＢＰアモコなど、世界最大の企業の幾つかが一時は異端とされていた考え、すなわち、地球の温暖化は現実であり、素早い対策を講じる価値がある、と率直に述べたことは非常に明るい話題である。多数の米国公益企業は、その発電所によって大気に与えられた悪影響を減少させる方法を見つけると誓っている。世界最大の化学会社であるデュポンは、１０年以内に温暖化ガスの放出を、１９９０年におけるレベルの３５％に自主的に減少させると宣言までした。（車両対象の排気の減少にもかかわらず）温暖化ガス放出と他の公害の重要な原因となっている自動車産業は、その電気車両およびハイブリッド車両でも明らかなように、現在は改革が必要であることに気が付ている。
【０００７】
水素は、「究極の燃料」である。事実上、次の１０００年間の「一番の」燃料であることが常識であり、またそれは無尽蔵である。水素は、宇宙において最も豊富に存在する元素であり（９５％以上）、「ビッグバン」によって作られた最初の元素である。水素は、水を水素と酸素に分離する様々な処理によって生成可能な、地球にとって尽きることのない汚染の無いエネルギー源を供給する。水素は、固体形状で貯蔵および輸送が可能である。本願により、このような水素に基づく経済活動の完全な生成／貯蔵／輸送／配送システムを作ることが可能になる。例えば、米国特許第４，６７８，６７９号（その開示を引用により本願に含める）に述べられているような経済的で軽量な３点接合非晶質シリコン太陽電池（本願の発明者の一人であるＳｔａｎｆｏｒｄ  Ｒ．  Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙによって開拓された発明）は、水域に隣接して簡単に配置することができ、本質的に高い開回路電圧を使用して、水をその構成ガスに分離し、それによって生成される水素を収集することができる。また、これらの高性能太陽電池パネルを、近くの農場、水中、また陸地に設置することでも可能である。電気を生成して、ここに開示する発明の金属水素化物合金を含む金属水素化物蓄電床に水素を輸送および供給することが可能である。これらの合金が超大容量を持つため、安全で経済的な形で、荷船、タンカー、列車またはトラックにより輸送し終点で使用するために、この水素を固形で貯蔵することが可能となる。エネルギーは、今日のあらゆる社会の生活および文明の基本的必需品であり、また本願において説明するような基本的エネルギー源としての水素の使用は、化石燃料を掌握するための戦争を終わらせる。今日使われている「油田から自動車まで」という表現は「水素源から自動車まで」となるであろう。
【０００８】
過去において、燃料または燃料補助としての水素の使用には大きな関心が払われていた。世界の石油備蓄が減少する一方、水素の供給は殆ど制限がない。水素は、石炭、天然ガスおよび他の炭化水素から生成可能であり、また好ましくは、主に水素からなり、それ自身が巨大な水素「燃焼炉」として考えられる太陽からのエネルギーを利用して、水電解によって形成可能である。また、水素は、原子または太陽エネルギー、あるいはその他の経済的エネルギー（例えば、風、波、地熱など）を使用する水電解によって、化石燃料を使用せずに生成可能である。更に、現在は水素は石油よりも高価であるが、本質的には低コスト燃料である。水素は、何れの化学燃料に比べてもその単位重量当たりのエネルギー密度が最も高く、また水素を「燃焼」するとその主な副産物は水であるため、殆ど無公害である。従って、水素は、気候変動、公害、石油への戦略的依存などの世界のエネルギー関連問題の多くを解決し、また発展途上国を手助けする方法を提供する手段となりうる。
【０００９】
水素は燃料として幅広い潜在的用途を有しているが、その利用、特に車両の動力供給などの自動車への利用における主な欠点は、適当な軽量水素貯蔵媒体の欠如であった。従来、水素は、高圧下で耐圧容器で貯蔵、または極低温まで冷却された低温液体として貯蔵されていた。圧縮ガスまたは液体としての水素の貯蔵では、大きくかつ重い容器の使用が必要であるため、車両へ動力を供給するための水素の使用は不可能である。
【００１０】
別法としては、特定の金属および合金が、水素の可逆的な貯蔵と放出を可能にすることが知られている。この点について、これらの金属および合金は、その高水素貯蔵率により、優れた水素貯蔵材料として考えられている。固体水素化物として水素を貯蔵することにより、圧力タンクの中で圧縮ガスまたは液体として貯蔵するよりも単位容積あたりの貯蔵密度が高くなる。また、固体水素化物として水素を貯蔵する場合、気体または液体として容器に貯蔵された水素に比べて、安全性の問題が少なくなる。これらの合金は、米国特許第６，１９３，９１９の「水素系のエコシステムを可能にする高吸蔵能力合金」において十分に説明されており、これをここに引用して本願に取り入れる。
【００１１】
これらの水素貯蔵法の開発により、水素は車両に動力を与える燃料として使用可能となっている。固相の金属または合金系は、高密度で水素を吸収し、また特定の温度／圧力あるいは電気化学状態で金属水素化物を形成することにより、多量の水素を貯蔵でき、またこれらの状態を変化させることにより水素は容易に放出可能となる。
【００１２】
水素が車両の実現可能な動力源となっている現在では、化石燃料ではなく水素で作動するエンジンの設計についてかなりの研究が行われている。これらの設計において、水素混合物は、ガソリンおよび他の炭化水素が現在の内燃機関で燃焼されるのと同様に、内燃機関内で燃焼される。しかし、水素では、排気基準を守るために排気中に存在する炭化水素および一酸化炭素を処理するための触媒式排気ガス浄化装置は不要である。ガソリンまたは他の炭化水素燃料を使用する内燃機関は一般に、排気基準に抵触しないためには触媒および排気組成センサに頼っている。これらのエンジンにおいて、空気流をそれに比例して減少または遮断することなく、１つ又は一つ以上のシリンダへの燃料の流れを減少または遮断することは困難である（すなわち、排気組成センサおよび触媒を効率よく機能させるために、全てのシリンダにおいて均一の空気燃料比を維持しなければならない）。排気中に空気が存在すると、これらの装置の効率が低下する。水素内燃機関は、排気炭化水素または一酸化炭素触媒を必要としないので、１つ又は一つ以上のシリンダへの燃料供給が低下または削除されたときも作動し続けることが可能である。本発明においては、特定のシリンダに対する燃料遮断を利用して、アイドリング時や、エンジンが軽負荷状態にあるときなどの低出力所用期間中のエンジン出力を減少させている。
【００１３】
ハイブリッド電気車両（ＨＥＶ）は、内燃機関のみにより作動する車両に代わるものとして、次の１０年間で自動車燃料効率を３倍にするという目標を実現する技術的能力があるので、その人気が高まっている。ハイブリッド車両は、内燃機関と電池により駆動される電気モータとの組合せを利用するものであって、それの種々の様態が提案されている。
【００１４】
ハイブリッドシステムは、２つの大きな形式、すなわち直列および並列型に分かれている。通常の直列型においては、電気推進モータを使用して車両を駆動し、またエンジンは電池を再充電するのに使われている。並列型においては、内燃エンジンおよび電気モータの両者を使用して車両を駆動しており、この目的のために並列に作動することが可能である。
【００１５】
これら２つの大きな形式中には別の変形例も存在する。例えば、直列および並列型両者の組合せを使用する型が存在する。いわゆる「デュアルモード」型においては、運転者またはコンピュータシステムの何れかにより、推進モードは「全電気」または「全エンジン」の推進モードを選択することができる。「走行距離拡張」型においては、推進の場合は主電気システムを使用し、エンジンはピーク負荷および／または電池再充電の場合に使用する。「パワーアシスト」型においては、ピーク負荷は電池駆動の電気モータによって処理される。
【００１６】
その他の範疇としては、「電荷減少」型と、「電荷維持」型とに分類される。電荷減少型においては、電池電荷はシステムが使用されている間に徐々に減少するので、電池は、電力会社の外部電力に接続するなど、外部電源から周期的に再充電しなければならない。電荷維持型においては、電池は、回生制動およびエンジンの駆動により発電機から供給される電気により、車両の使用中に再充電されるので、電池の電荷は作動中に維持される。
【００１７】
「電荷減少」および「電荷維持」の範疇に含まれる両型には様々な種類があるので、異なる種類の一般的な説明のために簡略化した上記例には多数の変形例が存在する。しかし、一般的には、商業的に十分適切な走行距離（再充電から次の再充電までのマイル数）が運転中に達せられる場合、「電荷減少」型のシステムは、「荷電維持」型のシステムよりも高い充電能力（そしてより高い比エネルギー）を有する電池が通常必要となる。「直列」、「並列」および「デュアルモード」を含む様々な型のＨＥＶシステムと、このようなシステムに応用できる本発明とを、以下に更に詳しく説明する。
【００１８】
本出願において、「水素動力内燃機関」、「内燃機関」、「エンジン」および「ＨＰ−ＩＣＥ」という用語は、水素燃料を使用するエンジンを指すために使用している。
【００１９】
ハイブリッド・ドライブシステムを使用することにより、燃料節約と超低排ガスの両方について重要な利点が得られる。内燃機関は、設計点での速度および負荷状態で、あるいはこれらに近い状態で作動されているときに、最高効率と最小排ガスを達成する。小さな電気モータは、非常に高いピーク・トルクと動力を供給することができる。従って、最高効率で動作する電気モータに結合された最高効率で作動する小さな内燃機関が使用可能であれば、排ガスを最低に抑制し、優れた燃料節約を実現し、加速度を最大化することができる。
【００２０】
ＨＥＶを可能にする重要な技術は、高エネルギー密度と組み合わさった非常に高いパルス・パワーを供給し、また同時に非常に高い効率で高回生制動電流を受容することの可能なエネルギー貯蔵システムである。また、ピーク出力を利用する場合の稼動率では、特に電荷減少型において、低深度放電下での優れたサイクル寿命が必要となる。
【００２１】
このエネルギー貯蔵システムに必要な条件は純電気車両のエネルギー貯蔵システムに必要な条件とは異なることを理解することが重要である。行動半径が実用のＥＶの重要な要素であり、エネルギー密度が決定的な評価パラメータとなる。ＥＶにおいて出力とサイクル寿命はたしかに重要ではあるが、これらはエネルギー密度に比べれば二次的なものである。軽量で小型の高容量電池は、純ＥＶ実用化のための目標である。
【００２２】
このような電池の例は、オボニック・ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池である。オボニック・ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池は、ＥＶ開発の高度な段階に達している。オボニック電気車両電池は、電気車両を（約９０Ｗｈ／Ｋｇのエネルギー密度により）３７０マイル以上走行させることができ、また長いサイクル寿命（８０％ＤＯＤで１０００サイクル以上）と、乱用耐性と、迅速な再充電能力（１５分間で６０％以上）とを実現することができる。また、オボニック電池は、ＥＶ貯蔵エネルギー源としての使用を評価したときに、高い出力密度を示した。
【００２３】
本発明は、水素内燃機関の革新的な設計を有するハイブリッド車両を記述している。従来の水素内燃機関と異なり、本発明はスロットルを使用せず、軽負荷およびアイドリング状態のときにシリンダ遮断方式を利用する。高出力ニッケル水素電池と共に開示される水素動力内燃機関は、車両の動力供給に汚染の無い代替手段を提供し、世界は「水素基盤のエコシステム」に一歩近づくことになる。
【００２４】
（発明の開示）
本発明は、水素動力内燃機関と、水素動力内燃機関を補足する電気モータと、水素源と、水素燃料制御システムと、場合によっては高出力再充電可能な電池であってもよい再充電可能な電池とを含むハイブリッド車両を開示している。水素内燃機関は、スロットルなしで作動するように設計されている。空気流は連続してエンジンに送られ、それはエンジン内部のシリンダに達する複数の小空気流に分割される。シリンダに達する前に、計算された水素量が各小空気流に噴射される。エンジンは希薄混合気状態で作動され、ＮＯｘ生成を最小に抑える。
【００２５】
各空気流に噴射される水素量は、アクセルペダルの位置と、エンジンの速度とに応じて、制御システムによって計算される。制御システムは、車両の操作者からの入力に応じて出力必要条件を感知するためにアクセルペダル位置検出器を組み込んでいる。
【００２６】
水素内燃機関は、通常作動モードと、シリンダ遮断（不発）モードとで動作する。アイドリングまたは軽負荷状態では、水素内燃機関はシリンダ遮断モードで作動する。シリンダ遮断モードでは、１つ又は一つ以上の水素燃料噴射器が、空気流への燃料噴射を停止する。水素が空気流に噴射されない間でも連続する空気流はそのままの状態を保ち、エンジンへ流れ続ける。
【００２７】
電気モータは、水素動力内燃機関を補うために使用される。電気モータは、高エネルギー密度再充電可能な電池によって、動力の供給を受ける。電池は、水素動力内燃機関の作動中に、再充電することが可能である。電池システムは、炭化水素系燃料の代わりに水素燃料を内燃機関に供給することによって起こる出力損失の補償の助けになるように改変されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明は、様々な状態の下で性能と燃料効率を最適化するために複数の手段を利用する水素内燃機関（ＩＣＥ）を有するハイブリッド車両を開示している。複数の手段を利用して、燃料消費を最適化するとともに、エンジンからのＮＯｘ放出を減少または絶無にする。本発明は、出力必要条件に応じて、広範な速度範囲で作動するように設計されている。本発明はまた、車両を駆動する際に水素動力内燃機関を補うために、電気モータと共に使用される電池システムも含んでいる。
【００２９】
本発明の水素エンジンシステムの概念は、図１において例示されている。システムは、水素動力内燃機関１と、水素源２と、制御システム３とを含んでいる。制御システム３は、ＲＰＭセンサ４で決定されるエンジン１の速度と、アクセルペダル位置検出器６で決定されるアクセルペダル５の位置とに制御される。
【００３０】
水素動力内燃機関１の作動中、主空気流２０が水素内燃機関１に供給される。主空気流２０はスロットルを使用せず、連続的な流速を維持する。主空気流２０は、それぞれがエンジンシリンダに送りこまれる複数の副空気流２１に分離される。水素燃料噴射器２２は各副空気流２１に接続されており、各副空気流２１に計算された水素量を分配する。作動中、水素燃料噴射器は、エンジンの速度と、アクセルペダルの位置とに基づく制御信号に反応する。制御信号に応じて、水素燃料噴射器によって副空気流へ分配される水素量が、増加、減少、または維持される。
【００３１】
水素動力内燃機関は、ＮＯｘ生成を最小に抑えるために希薄混合気状態で作動する。エンジンは、λ（実際の空燃比／理論空燃比）が１よりも大きい場合は希薄混合気状態で作動している。逆に、エンジンは、λが１未満である場合は濃混合気状態で作動している。理論空燃比は、水素が燃料の場合には約３４Ｋｇ空気／Ｋｇ  Ｈ２である。この比においては、水素を完全燃焼させるために必要な空気の過不足が無くなる。図２は、λの関数として本発明の水素エンジンの出力を示している。
【００３２】
本発明に記載する水素エンジンは、１〜１０の間のλ値で作動する。好ましくは、３〜８の間のλ値で作動する。更に好ましくは、５〜７の間のλ値で作動する。
【００３３】
始動の際は、水素エンジンは１のλ値で作動して、最大出力を供給することができる。始動後、水素エンジンは２．５よりも大きなλ値で作動して、ＮＯｘ放出を最小に抑えることができる。
【００３４】
水素動力内燃機関は、それぞれが吸気弁と排気弁とを有する複数のシリンダを含んでいる。吸気弁および排気弁は、シリンダ内部の水素の燃焼に関連して作動される。シリンダ内部に位置するピストンは、燃焼の前に空気／水素混合気を圧縮するのに使用され、また空気／水素混合気の燃焼の後でクランク・シャフトを作動させるために使用される。
【００３５】
吸気および排気弁は、カムシャフトによって駆動される。空気／水素混合気は、吸気弁を介してシリンダに供給される。吸気弁は閉じ、ピストンは空気／水素混合気を圧縮し、そして混合気は火花によって点火される。好ましくは、空気／水素混合気の圧縮比は１３：１であるが、他の圧縮比も１２：１〜１５：１の範囲で使用することができる。空気／水素混合気の燃焼により、ピストンは下方に押されて動き、クランク・シャフトを作動させる。次に、クランク・シャフトの回転からピストンが上方に移動すると、カムシャフトは排気弁を開き、シリンダから排気させる。
【００３６】
アイドリング状態および軽負荷状態のとき、従来のエンジン・スロットリングではなく、シリンダ遮断を行って、エンジンの出力を減少させることができる。シリンダ遮断により、スロットリングの必要性と、スロットリングから生じる燃料消費の増加がなくなる。シリンダ遮断は、様々な方法で行なうことができる。好ましい方法は、各シリンダへの空気の一定の流れを維持しながら、１つ又は一つ以上のシリンダへの燃料供給を単に遮断することである。この方法では、燃料噴射器は、アクセルペダル位置とエンジン速度とに基づいて計算された出力必要条件に基づいて、空気流に水素量を分配する。空気流はそのままの状態を保つので、１つ又は一つ以上のシリンダへの燃料を遮断することの終局的な効果は、全てのシリンダに均等に燃料が供給される場合の点を越えて水素内燃機関の希薄混合気での作動限界が基本的に拡張され、そのためスロットリングを行わなくてもエンジン出力を減少させることが可能なことである。
【００３７】
シリンダ遮断の別の方式は、１つ又は一つ以上のシリンダへの燃料供給と共に空気供給を遮断することである。これは、作動されたシリンダの吸気および排気弁の作動を中断することによって実行され、複雑な機構を実現させることが必要である。この方法は複雑であるため、これは本発明の作動の好ましい方法ではない。シリンダ遮断の中間的方法は、弁の可変タイミングである。この方法では、弁のタイミングは、燃料が供給されていないシリンダを流れる空気流を減少させるが削減はしないように維持される。
【００３８】
エンジンの速度と、アクセルペダルの位置とを測定する制御システムを使用して、シリンダへ噴射される水素量を制御する。シリンダ遮断および通常作動中の制御ループを示す流れ図を、図３（流れ図）に示す。制御システムは、水素ＩＣＥが一旦作動を始めると始動する。制御システムは、最初にアクセルペダル位置（Ｐ）を測定する。アクセルペダル位置は、車両操作者が所望する出力を表している。アクセルペダル位置に基づいて、制御システムは水素ＩＣＥの通常作動を維持するか、あるいは水素ＩＣＥ内でシリンダ遮断を採用する。通常状態においては、ペダル位置は維持され、またペダル位置の変化に基づいて、燃料の流量が増減される。ペダルが閉位置（アイドル）にある場合、制御システムはシリンダ遮断方式を実行し始める。作動中いかなる時でも水素動力内燃機関の速度（ＲＰＭ）が指定量（Ｇ）を超えたときは、燃料の流量を減少させて、過速度によるエンジンの損傷を防止する。
【００３９】
エンジン燃料供給制御システムは、（過速度とエンストを防止するために）アイドルおよび最大アクセルペダル位置でのエンジン速度に対する燃料供給を制御するプログラム制御電気式調速機を含んでいてもよい。他の全ての場合では、供給およびエンジントルクは、ペダル変換器によって測定されるドライバのアクセルペダル位置によって決定される。アクセルペダル位置をエンジン速度に関連付ける制御マップを、図４に示す。
【００４０】
水素は、金属水素化物水素貯蔵ユニットから水素動力内燃機関に供給される。エンジンからの排気を使用して、金属水素化物体からの水素放出を助長することが出来る。このような場合、排気ガスは水素吸蔵合金と熱接触する管を通るか、あるいは容器を別の方法で排気ガスで加熱させることができる。このような容器の内部を熱伝導材料で区画することにより容器全体での熱伝達をより良く行わせ、容器の壁に（水素が充填されたときの）歪を生じさせる水素吸蔵合金の高密度化とその後の膨張を防止する。このような水素貯蔵容器は、２００２年５月９日出願の米国特許出願番号１０／１４３，２４３「ハニカム水素貯蔵構造」に説明されており、その開示はここに引用することにより本願の一部とする。水素はまた、気体または液体の形で容器に貯蔵可能であるが、このような容器内に水素を貯蔵するのに必要な極端な条件があるため、安全性のリスクは高くなり、また設計の制限が生じる。
【００４１】
金属水素化物水素貯蔵ユニット内で使用する合金は、このような目的の既知の技術のいずれであってよい。特定の合金は、例えば希土類ニッケル合金、チタン−マンガン合金、チタン−ジルコニウム合金、チタン鉄合金、マグネシウム合金などのＡＢ２型およびＡＢ５型合金を含んでいる。このような合金の例は、米国特許第６，１９３，９２９、６，１０３，０２４、５，９７６，２７６、５，９１６，３８１、５，８４０，４４０、４，８３２，９１３、４，４３１，５６１および米国特許出願番号０９／５７３，２４０、０９／６０９，４８７、０９／９０２，３２０、０９／９０１，８１６、０９／４４４，８１２、０９／８７３，８６３に記載されており、これら全てをここに引用することにより本願に取り入れる。
【００４２】
マグネシウム合金の１つの種類は、マグネシウム系水素吸蔵合金粉の形で速い反応速度を有する大容量、低コストかつ軽量の熱水素吸蔵合金である。合金は約９０重量％又はそれ以上のマグネシウムを含んでおり、またａ）少なくとも６重量％の水素吸蔵容量と、ｂ）合金粉が３００℃で５分以内にその総容量の８０％を吸収するような吸収反応速度と、ｃ）３０〜７０ミクロンの粒径範囲と、ｄ）適当な微構造とを有している。更に好ましくは、合金粉は少なくとも６．５重量％、また最も好ましくは、少なくとも６．９重量％の水素吸蔵容量を有している。また、合金粉は、好ましくは３００℃で２分以内に、また最も好ましくは１．５分以内にその総容量の８０％を吸収する。合金を生成するためのマグネシウムに添加される変性剤元素は主に、ＮｉおよびＭｍ（ミッシュメタル）を含んでおり、またＡｌ、ＹおよびＳｉなどの別の元素も含んでいてよい。従って、合金は一般に０．５〜２．５重量％のニッケルと、約１．０〜４．０重量％のＭｍ（主にＣｅおよびＬａおよびＰｒを含む）を含むことになる。合金はまた、３〜７重量％のＡｌ、０．１〜１．５重量％のＹ、０．３〜１．５重量％のシリコンのうち１つ又は一つ以上を含んでいてもよい。
【００４３】
有用な水素吸蔵合金の別の例は、雰囲気に曝されても自然非発火性である低温水素吸蔵合金である。合金は特に、水素充填／放出サイクルの後でも自然非発火性である。合金は、原子レベルで加工されたＴｉＭｎ２型の合金である。自然非発火性低温水素吸蔵合金の好ましい例は、チタン、ジルコニウム、バナジウム、クロミウム、マンガンを含んでいる。合金は更に、鉄とアルミニウムとを含むことも出来る。合金の原子レベルでの加工は、合金の組成を調整して、従来のＴｉＭｎ２合金よりもクロミウムのレベルを高くすることを含んでいる。つまり、合金のクロミウム含有量が高くなると、自然発火性の傾向が減少する。特に好ましい合金の組成は、０．５〜１０原子％のＺｒと、２９〜３５原子％のＴｉと、１０〜１５原子％のＶと、１３〜２０原子％のＣｒと、３２〜３８原子％のＭｎと、１．５〜３．０原子％のＦｅと、０．０５〜０．５原子％のＡｌとを含んでいる。合金は更に、Ｂａ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｃｓ、Ｋ、Ｌｉ、Ｍｍ、Ｍｏ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｒｂ、Ｔａ、Ｔｌ、Ｗからなるグループから選択された少なくとも１つの元素の合計１〜１０原子％を含んでいてもよい。有用な合金の特定の例は、組成Ｚｒ１  Ｔｉ３３  Ｖ１２．５４  Ｃｒ１５  Ｍｎ３６  Ｆｅ２．２５  Ａｌ０．２１と、組成Ｚｒ１．５  Ｔｉ３２．５  Ｖ１２．５４  Ｃｒ１５  Ｍｎ３６  Ｆｅ２．２５  Ａｌ０．２１とを含んでいる。
【００４４】
本発明の水素動力ＩＣＥは、ハイブリッド電気車両（ＨＥＶ）用電池と併せて使用することが出来る。電池は好ましくは、高出力密度ニッケル水素電池であるが、同様の出力密度を有する他の電池も使用することができる。このようなシステムにおいては、電気モータは、水素動力内燃機関と並行して作動する。電気モータおよび水素動力内燃機関の両者は、ハイブリッド電気車両に動力を供給し、またニッケル水素電池の充電および放電を行うために、最大効率で動作する。
【００４５】
水素動力内燃機関および金属水素化物水素貯蔵ユニットは、電池パックおよび電気モータと共同して作動してハイブリッド車両に推進力を与える。本発明のニッケル水素電池は、ＨＥＶの用途において特に有利な高められた比出力および再充電速度が得られるように構成されている。これらの特性は、高エネルギー密度を維持しつつ得られる。これは、一つには、増大した内部導電率を有する正および負電極を使用することによって、本発明で可能となる。このような電極は、金属水素化物活性物質の粉末を高導電率の多孔質金属基板に圧入することによって形成される。これらの多孔質金属基板は、銅、銅合金、あるいは銅または銅合金で被覆されたニッケルから形成される。また、基板は、導電性で、電池環境における金属基板の腐食を防止する材料例えばニッケルでメッキされてもよい。
【００４６】
純電気車両（ＥＶ）とは異なるこのエネルギー貯蔵システムの必要条件を理解することは重要である。走行距離は実用になる純電気車両の重要な要因であるため、エネルギー密度は重要な評価パラメータとなる。出力およびサイクル寿命は確かに重要であるが、これらはＥＶにとってはエネルギー密度に比べると二次的なものである。軽量で小型、かつ高容量の電池は、純ＥＶ実用のための目標である。
【００４７】
これと対照的に、ＨＥＶ用途においては、単位重量および単位容量あたりの出力密度が圧倒的な考慮対象である。３０〜６０％ＤＯＤ（放電深度）における優れたサイクル寿命もまた、ＥＶ用途において不可欠な８０％ＤＯＤのサイクル寿命よりも重要である。同様に、迅速な再充電も、効率的な回生制動を可能にするために絶対不可欠であり、また充電／放電効率は、外部充電がない場合に電池の充電状態を維持するために重要である。更に、熱管理および優れた気体再結合は、迅速な再充電および多数のサイクル作動のために重要な二次的考慮対象である。
【００４８】
図５を参照すると、ＨＥＶ用途での使用のために設計された先行技術によるＮｉＭＨ電池は、約２５０Ｗ／Ｋｇのピーク出力密度能力を供給しながらも、約７５Ｗｈ／Ｋｇの最大可能エネルギー密度を示している。エネルギー密度とピーク出力密度とのこの組合せを、図５のＡ点に示す。幾つかの小さな技術改良が可能なことを仮定すれば、このエネルギー密度での先行技術によるＮｉＭＨ電池で可能なピーク出力密度は、図５のＢ点に示す約７０Ｗｈ／Ｋｇのエネルギー密度で、約３００Ｗ／Ｋｇに上昇する。ＨＥＶシステムで使用されるこのような従来の電池のピーク出力密度を上昇させるためには、より高いピーク出力密度を得るためのトレードオフとしてエネルギー密度を犠牲にすることが必要である。これは、電池のエネルギー密度を減少させるので、図５のＣ点に示すように、例えばピーク出力密度をＨＥＶ性能向上のために２５０Ｗ／Ｋｇから約６５０Ｗ／Ｋｇに上昇させると、エネルギー密度は約７０Ｗｈ／Ｋｇから約４５Ｗｈ／Ｋｇに減少する。またここでもいくらかの技術改良が可能になると仮定すると、４５Ｗｈ／Ｋｇで可能なピーク出力密度は、図５のＤ点である約７００Ｗ／Ｋｇに上昇する。これらＡ、Ｂ、ＣおよびＤ点は、ＨＥＶシステムで使用される先行技術によるＮｉＭＨ電池で得られる領域Ｐ（この領域は、高出力密度と高エネルギー密度との組合せを規定する）の上限を表す変動幅Ｅを定義する。本発明は、ＨＥＶ用途で使用されるように構成された電池モジュールを実現するために可能であったものよりも更に高いエネルギー密度と高い出力密度の独特な組合せを生じる領域Ｎにおいて、改善された性能を提供する。図５の斜線部分の変動幅Ｅの上限について、ＨＥＶ用途で使用される従来のＮｉＭＨ電池モジュールの特定のエネルギー密度Ｅに対して実現可能なピーク出力Ｐ密度の上限は、以下の式で表すことが可能である。
【００４９】
Ｐ＝１３７５−１５Ｅ  式（１）
ここで、Ｐは、あるエネルギー密度Ｅ（単位はＷｈ／Ｋｇ）において実現可能な最大可能ピーク出力密度（単位はＷ／Ｋｇ）である。本発明は、エネルギー密度の関数としてのピーク出力密度レベルで既存の従来例の限度を超える領域において、即ち上記式（１）によって規定されるものよりもより高いレベルで、全種類のＨＥＶシステムの作動を可能にする。例えば、本発明を具体化した約７０Ｗｈ／Ｋｇのエネルギー密度を有する電池モジュールは通常少なくとも６００Ｗ／Ｋｇのピーク出力密度を示し（図５のＦ点で示す）、また１０００Ｗ／Ｋｇ程度の高いピーク出力密度（図５のＧ点で示す）を有することも可能である。これらの点は、ＨＥＶ用途に特に適し、従来のＮｉＭＨ電池の能力を遥かに超えているピーク出力対エネルギー密度の関係の変動幅を規定している。具体的な例を示すと、本発明に基づいた約７０Ｗｈ／Ｋｇのエネルギー密度を有するオボニック６０ＡｈのＨＥＶ電池のピーク出力は、約６００Ｗ／Ｋｇである。別の例では、本発明に基づいた約５５Ｗｈ／Ｋｇのエネルギー密度を有するオボニック３０ＡｈのＨＥＶ電池のピーク出力は、約５５Ｗ／Ｋｇである。３つ目の例では、本発明に基づいた約５０Ｗｈ／Ｋｇのエネルギー密度を有するオボニック２０ＡｈのＨＥＶ電池のピーク出力は、約６００Ｗ／Ｋｇである。
【００５０】
電池は最初に、電力会社に接続されたコンセントを介すなど、別個の電源から充電してもよい。電池はまた、減速中に回生制動によってある程度再充電することもできる。
【００５１】
並列型ハイブリッド電気車両システムを図６に示す。並列型のシステムにおいては、電池７は、クラッチ９を介して車両駆動システム１０に接続可能な電気駆動モータ８に電力を供給するように接続されている。電池７、モータ８およびクラッチ９によって形成される電気駆動経路に並列に接続されているのは、車両駆動システム１０に接続可能な水素動力内燃機関１である。車両は、クラッチ９のみが係合されるときには電気モータ８によって、またクラッチ１１のみが係合されるときにはエンジン１によって、あるいはクラッチ９および１１の両者が同時に係合されるときにはモータ８とエンジン１とによって同時に駆動される。
【００５２】
図６に示すように並列型において、電気モータ８が内燃機関１と共に係合されて所望の加速を行うので、内燃機関１は適当な車両加速特性を得るために単独で必要となるサイズよりも更に小型化することができる。これは、内燃機関を主駆動モードで使用する場合、負荷および速度両方の定常状態で非常に改善された効率で作動可能であることを意味している。
【００５３】
並列型のシステムでは電気モータ８と内燃機関１の様々な組合せが使用される。例えば、都市環境下で使用向きのシステムにおいては、車両が都市内で操作されている場合に、車両は電気モータ８のみによって推進される。都市外部では、車両を推進させるために内燃機関を使用することができる。様々な他の組合せも、図６に示すような並列タイプの接続を使用して採用される。
【００５４】
図６に示すような並列型のシステムも、電荷維持または電荷減少モードで作動出来る。図６の略図に示すように、出力再生発電を回生制動中に電池に与えることが可能である。水素動力内燃機関１が再充電電力を電池７に供給して、作動の電荷維持モードを実現できるようにその他の接続（図示せず）も設けることができる。
【００５５】
「デュアルモード」型と呼ばれることもある「直列―並列」型または「複合」ＨＥＶシステムにおいては、動力分割装置を使用して、内燃機関からの動力の一部を移して、電池に再充電電力を与える発電器を駆動する。電池が作動中に再充電される電荷維持型の場合、低エネルギー密度が容認され、性能向上のために、より高いピーク出力に重きが置かれ、出力密度の上昇のトレードオフとして低エネルギー密度が容認される。
【００５６】
図５は、様々な型のＨＥＶシステムの作動可能な領域を示す部分に分割されている。領域ＣＤでは、例えば、電荷減少型であるシステムが一般に作動できる。これは、電池が動作中に再充電されないために、走行距離を最大にするために高エネルギー密度が重視されるからである。この領域は、「走行距離拡張」領域とも呼ばれる。電池が作動中に再充電される電荷維持型の場合、低エネルギー密度が容認され、性能向上のためにより高いピーク出力密度に重きが置かれ、出力密度上昇のトレードオフとして低エネルギー密度が容認される。この領域は、図５の略図に示されたＣＳである。この領域は「パワーアシスト」領域とも呼ばれる。複合またはデュアルモード型は、図５に示すように領域ＣＤとＣＳとの間の領域ＤＳにおいて作動される。ピーク出力の測定条件は、米国先進電池開発組合（ＵＳＡＢＣ）によって確立された標準に従って決定される。これらの標準により、ピーク出力は、放電深度５０％まで放電された電池モジュールで測定される。この状態で、電池の電圧を１０秒間維持出来る開回路電圧をその２／３に減少させるまでの電流と出力が、電池のピーク電力規格である。この測定は、約３０℃〜３５℃の範囲において通常の温度条件で行われる。
【００５７】
エネルギー密度または比エネルギーＥは、ＨＥＶ用に使用されるように設計された電池モジュールについて測定される。この測定も、約３０℃〜３５℃の範囲において通常の温度条件で行われる。
【００５８】
電池モジュールとは、互いに接続され、ケーシング内に収容され、また外部回路または負荷への接続用の外部電気接続部を有する単電池の組み立て上がった集まりである。上述したように、本発明は、全ての型のＨＥＶシステム、すなわち電荷減少型、電荷維持型およびデュアル型、の変動幅Ｅよりも上の高性能領域における作動を可能にする。ＨＥＶ用の先行技術によるＮｉＭＨ電池システムは、この高性能領域での性能を提供することができない。前記ニッケル水素電池の最大効率での内燃機関および電気モータの作動を制御する本発明の動力制御手段は、既知の制御機器の何れであってもよい。好ましくは、動力制御手段は、適当なセンサと、自己制御および自己調整サブルーチンとを取り入れた人工知能アルゴリズムを含む固体集積マイクロ電子デバイスである。これらにより、運転タイプ、平均運転速度、大気温度などの多数の外部要素と、エンジン温度、充電／放電回数および充放電率、電池温度、燃料消費率などのシステム要素とに基づいて制御パラメータの連続調整が可能となり、最大効率が実現される。電極は更に、その基板に電流収集線を含むことも出来る。このような電流収集線は、基板の他の部分よりも高い導電性を有している。この構成により、電極上の電流収集タブから離れた点から電流収集タブまでの高導電性経路が確保される。電流収集線の１つの実施例は、多孔性金属基板の一部分の密度を大きくすること含んでいる。別の実施例は、多孔性金属基板に電気的に取り付けられているか、あるいは埋め込まれている電線、リボンまたは焼結粉を含んでいる。これらの取付または埋込み構成要素は、ニッケル、銅、銅合金、銅又は銅合金で被覆されたニッケル、あるいはニッケルで被覆された銅材料から形成可能である。本発明の主目標は、再充電可能なオボニック・ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池の出力の改善を含んでいる。（特にオボニックＮｉＭＨ電池を引用にしたが、ここに説明する原理は、その名称にかかわらずあらゆる種類の金属水素電池システムに適用可能である。）一般に、出力は、電池の内部抵抗を下げることによって増加可能である。内部抵抗を下げると、電池内の熱放散によって消耗される電力が減少するので、外部負荷を駆動するのに使用できる電力を増加させることが可能である。ニッケル水素電池の内部抵抗は、電池構成要素の導電率と構成要素間の接続部の導電率を上げることによって低下させることができる。更に具体的には、内部抵抗は、電池の正および負電極の両者の導電率を上げることによって低下させることができる。本発明電池のピーク出力の単位容積あたりの密度は一般に≧１５００Ｗ／Ｌであり、好ましくは≧１８００Ｗ／Ｌ、また最も好ましくは≧２７００Ｗ／Ｌである。本発明の電池のピーク出力比密度は一般に＞６００Ｗ／ｋｇであり、好ましくは≧７００Ｗ／ｋｇ、また最も好ましくは≧１０００Ｗ／ｋｇである。本発明の電池において、通常、出力密度のためにエネルギー密度を犠牲にすることが必要である。この点を考慮して、本発明の電池のピークエネルギーの単位容積あたりの密度は一般に１３０〜２５０Ｗｈ／Ｌの間であり、好ましくは≧１５０Ｗｈ／Ｌ、また最も好ましくは≧１６０Ｗｈ／Ｌである。
【００５９】
炭化水素燃料と比較して、内燃機関に動力を供給するために水素を使用することの欠点の１つは、水素を使用すると出力が低下することである。炭化水素系燃料の代わりに水素を使用することによる水素動力内燃機関におけるこの出力損失を補償するために、電池を改良することができる。電池は、電池の電圧または出力を上げることによって改良できる。改良された電池は、従来の１２ボルト電池よりも少なくとも１０％高い電圧を有することができる。好ましくは、改良された電池は、１２ボルトよりも高い電圧を供給する。更に好ましくは、改良された電池は、２４ボルト又はそれ以上の電圧を供給する。最も好ましくは、電池は３６ボルト又はそれ以上の電圧を供給する。
【００６０】
上記は、本発明の好適な実施例を説明し、また開示する目的で与えられている。上述の実施例、特にシリンダ遮断方式、水素エンジンの作動状態、および制御システムを含む、を変更しおよび転用することは、当業者には明らかである。これらの変更その他のことは、以下の請求項にある本発明の範囲または精神から逸脱することなく実行することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、本発明の水素動力内燃機関および制御システムの図を示している。
【図２】図２は、実際の空燃比を理論空燃比で割った比の関数として本発明の水素エンジンの出力を示している。
【図３】図３は、本発明の制御システムの流れ図を示している。
【図４】図４は、アクセルペダル位置を本発明の水素内燃機関の速度に関連付ける制御マップを示している。
【図５】図５は、本発明による並列型ハイブリッド電気車両システムの概略図を示している。
【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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【図６】
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【国際調査報告】
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