(57)【要約】  本発明は発電システム，該発電システムを備えた電動装置並びに燃焼機関（１２）の燃料消費量を低減する方法に関する。前記発電システムは，燃焼機関（１２）と，前記燃焼機関により発生する排気ガスにより少なくとも部分的に駆動する電力供給ユニット（１８，２６）と，前記電力供給ユニットと前記燃焼機関とに接続され，逆に作動する燃料電池（３０）とを備える。この逆に作動する燃料電池が，前記電力供給ユニットにより電力が供給され，前記燃焼機関の運転に使用するために，水素を該燃焼機関に送出するよう配置される。こうして燃料消費量は低減する。
2008523306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼機関（１２）と，
前記燃焼機関により排出される排気ガスにより少なくとも部分的に駆動する電力供給ユニット（３６，２４，２６；５０；５２；５４）と，
前記電力供給ユニットと前記燃焼機関とに接続され，逆に作動する燃料電池（３０）とを備え，
前記電力供給ユニットにより電力が前記逆に作動する燃料電池に供給され，該逆に作動する燃料電池が前記燃焼機関の運転に使用するために，水素を前記燃焼機関に送出するよう配置される発電システム。
【請求項２】
前記電力供給ユニットが発電機（２６）を備え，該発電機へ機械的回転エネルギーを供給し，該機械的回転エネルギーを電力に変換するために前記排気ガスにより駆動される回転要素（３６）をさらに備える請求項２記載の発電システム。
【請求項３】
前記回転要素が前記燃焼機関に接続されるターボ過給ユニット（１８）に設けられる請求項２記載の発電システム。
【請求項４】
前記水素が前記ターボ過給ユニットからの圧縮空気と共に前記機関に供給される請求項３記載の発電システム。
【請求項５】
前記発電機がさらに前記燃焼機関により回転する軸（１４）を介して機械的回転エネルギーを受ける請求項２記載の発電システム。
【請求項６】
前記電力供給ユニットが，温度差に基づいて電力を供給するために設けられる熱電気ユニット（５０）を備える請求項１〜５いずれか１項記載の発電システム。
【請求項７】
前記電力供給ユニットが電池（５４）を備える請求項１〜６いずれか１項記載の発電システム。
【請求項８】
前記電力供給ユニットが少なくとも一個の太陽電池（５２）を備える請求項１〜７いずれか１項記載の発電システム。
【請求項９】
前記燃料電池が前記燃焼機関に熱的に接続される請求項１〜８いずれか１項記載の発電システム。
【請求項１０】
前記燃料電池と前記機関との間に接続される水素容器（５６）をさらに備え，該容器が水素を前記機関に供給するよう制御可能に構成されている請求項１〜９いずれか１項記載の発電システム。
【請求項１１】
スロットルとブレーキの双方が前記機関に関連している場合，前記システムの使用者によりブレーキが起動されるのと同時にスロットルが緩められると，前記燃料電池に電力を供給するよう電力供給ユニットが配置される請求項１０記載の発電システム。
【請求項１２】
前記燃料電池が水素を生成するために空気，場合によっては水の形態で燃料を収容する請求項１〜１１いずれか１項記載の発電システム。
【請求項１３】
前記水素が少なくとも一つの個別のダクト（３２；３２，５８）を介して前記燃焼機関に供給される請求項１〜１２いずれか１項記載の発電システム。
【請求項１４】
前記燃焼機関に設けられた標準吸気口を介して，前記水素が空気と共に前記機関に供給される請求項１〜１２いずれか１項記載の発電システム。
【請求項１５】
前記燃焼機関が該燃焼機関に噴射される燃料により運転可能である請求項１〜１４いずれか１項記載の発電システム。
【請求項１６】
燃焼機関（１２）と，
前記燃焼機関により発生する排気ガスにより少なくとも部分的に駆動する電力供給ユニット（３６，２４，２６；５０；５２；５４）と，
前記電力供給ユニットと前記燃焼機関とに接続され，逆に作動する燃料電池（３０）とを備え，
前記逆に作動する燃料電池が，前記電力供給ユニットにより電力が供給され，該逆に作動する燃料電池が，前記燃焼機関の運転に使用するために，水素を前記燃焼機関に送出するよう配置される発電システムを備えた電動装置（１０）。
【請求項１７】
前記燃焼機関が該燃焼機関に噴射された燃料により運転可能である請求項１６記載の電動装置。
【請求項１８】
少なくとも部分的に前記燃焼機関により発生する排気ガスに基づいて，電力を生成するステップ（ステップ４０，４２）と，  
逆に作動する燃料電池（３０）に電力を供給するステップ（ステップ４４）と，
前記燃料電池内で水素を生成するステップ（ステップ４６）と，
前記水素を前記燃焼機関に噴射するステップ（ステップ４８）と
を含む燃焼機関（１２）の燃料消費量を低減する方法。
【請求項１９】
前記燃焼機関を運転するために該燃焼機関に燃料を噴射するステップをさらに含む請求項１８記載の方法。（ステップ３８）。
【請求項２０】
電力を生成する前記ステップが，
前記機関からの排気ガスにより回転要素を駆動するステップ（ステップ４０）と，
タービン翼車の回転エネルギーを電力に変換するステップ（ステップ４２）とを含む請求項１８又は１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃焼機関の分野，より詳細には発電システム，該発電システムを備えた電動装置並びに燃焼機関の燃料消費量を低減する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃焼機関を備えた自走車両のような電動装置の分野では，燃料消費量を低減する傾向がある。低い燃料消費量は，燃料の経済性及び排気ガスの排出の低減の双方にとって極めて重要である。
【０００３】
燃焼機関がもたらす消極的な環境的影響のため，多くの国や州では燃焼機関からの排出制限が設定されている。これらの制限を満たすために，機関における燃焼プロセスの効率の向上を求められることが多い。
【０００４】
機関からの空気の排出に基づき，空気を圧縮する過給機を設け，この圧縮空気を機関へ送出する等，機関の効率を上げるために歴史的に提供されてきた多くの方策が存在する。
【０００５】
燃料消費量を低減する一つの方法は，燃料電池と共に機関を設けることであり，燃料電池は水素及び酸素を基に電力を生成する。例えば，米国特許公開第２００３／０１６８２６３号公報には，燃料電池燃焼機関結合体が記載されており，そこでは，燃料電池は機関からの排気ガス及び空気の形態で燃料を収容する。その後，燃料電池は電力を生成し，該電力は前記結合体が設けられた車両の様々な部品に動力を供給するために使用される。ここでは車両等の電池がより弱い電力を様々な機能部品へ供給するために燃料消費量が低減し，したがって，電池を充電するための発電機は電池を再充電する必要がなくなる。
【０００６】
しかし，同時に燃焼機関をより強力にしつつ，燃料消費量を低減する別の方法を提供することに関心が寄せられるであろう。
【０００７】
発明の要約
本発明は，同時に燃焼機関をより強力にしつつ，電動装置の燃焼機関の燃料消費量を低減する別の方法を提供することにより，この問題を解決することを目的としている。
【０００８】
本発明の目的の一つは，同時に燃焼機関をより強力にしつつ，電動装置の燃焼機関の燃料消費量を低減する発電システムを提供することにある。
【０００９】
本発明によると，この目的は，
燃焼機関と，
前記燃焼機関により発生する排気ガスにより少なくとも部分的に駆動する電力供給ユニットと，
前記電力供給ユニットと前記燃焼機関とに接続され，逆に作動する(reversely operated)燃料電池とを備え，
前記逆に作動する燃料電池が，前記電力供給ユニットにより電力が供給され，該逆に作動する燃料電池が，前記燃焼機関の運転に使用するために，水素を該燃焼機関に送出するよう配置される発電システム
により達成される。
【００１０】
この発電システムは，同時に機関をより強力にしつつ，燃料消費量を低減する利点を有する。本発明はさらに，既存の発電システムを大幅に変更することなく，既存の装置に適応することが出来る。これは，機関の運転中に水素の生成が可能となる利点を有する。したがって，必要とされる水素の危険な蓄積が無い。さらに水素は機関の性能に依存する。機関がより頻繁，かつ激しく運転される程，より多くの水素が生成される。本発明は，水素がいつ及びどの程度機関に噴射されるかを制御する特別な制御機構を使用せずに実施される手段である。
【００１１】
本発明により電力を生成する一つの方法は，燃焼機関により生成された排気ガスにより駆動される発電機と回転要素とを使用し，機械的回転エネルギーを発電機に供給して電力に変換することである。
【００１２】
一実施形態では，この回転要素は燃焼機関に接続されたターボ過給ユニットに設けられる。このことは，本発明が機関の既存の要素と組み合わせられるという利点を有し，本発明のコストを低減する。
【００１３】
本発明の別の変形例では，機械的回転エネルギーは燃焼機関により回転される軸を介して発電機にさらに供給される。
【００１４】
電力を生成するさらなる方法は，温度差に基づいて電力を供給するために配置される熱電気ユニットを使用することによる。
【００１５】
電池又は少なくとも一個の太陽電池の使用によっても電力は生成可能である。
【００１６】
本発明の別の変形例によると，燃料電池は燃焼機関に熱的に接続される。このように，燃料電池の効率を高めることが可能である。
【００１７】
本発明を変形させる別の方法は，燃料電池と機関との間の水素容器を設けることであり，該容器は前記機関に水素を供給するよう制御可能である。このように，機関に昇圧効果をもたらすことが可能である。
【００１８】
スロットルとブレーキの双方が機関に関連している場合，システムの使用者によりブレーキが起動されるのと同時にスロットルが緩められると，前記燃料電池に電力を供給するよう，電力供給ユニットが，さらに配置されることが可能である。この特徴は，この装置を大幅に変更することなく，エネルギーを保持することを可能にする。
【００１９】
前記燃料電池が，水素を生成するために，空気，場合によっては水の形態で燃料を収容し得る。
【００２０】
前記水素が，少なくとも一つの個別のダクトを介して前記燃焼機関に供給可能である。この特徴は生成される水素に関する安全性をさらに提供する。
【００２１】
代替例として，前記機関に設けられた標準吸気口を介して，前記水素が前記ターボ過給ユニットからの圧縮空気と共に前記燃焼機関に供給され得る。
【００２２】
本発明の別の目的は，燃焼機関の燃料消費量を低減する発電システムを有する装置を提供することであって，それにより，同時に燃焼機関をより強力にしつつ，燃焼機関の燃料消費量を低減する。
【００２３】
本発明によると，この目的は，
燃焼機関と，
前記燃焼機関により発生する排気ガスにより少なくとも部分的に駆動する電力供給ユニットと，
前記電力供給ユニットと前記燃焼機関とに接続され，逆に作動する燃料電池とを備え，
前記逆に作動する燃料電池が，前記電力供給ユニットにより電力が供給され，該逆に作動する燃料電池が，前記燃焼機関の運転に使用するために，水素を該燃焼機関に送出するよう配置される発電システムを備えた電動装置
により達成される。
【００２４】
本発明のさらに別の目的は燃焼機関の燃料消費量を低減する方法を提供することであって，それにより，同時に燃焼機関をより強力にしつつ，燃焼機関の燃料消費量を低減する。
【００２５】
本発明によると，この目的は燃焼機関の燃料消費量を低減する方法により達成され，
少なくとも部分的に前記燃焼機関により発生する排気ガスに基づいて，電力を生成するステップと，
逆に作動する燃料電池に電力を供給するステップと，  
前記燃料電池内で水素を生成するステップと，
前記水素を前記燃焼機関に噴射するステップとを含む。
【００２６】
ここで本発明を，添付図面に関してより詳細に説明する。
【００２７】
実施形態の詳細な説明
本発明は，様々なタイプの電動装置の燃料消費量の低減に関する。図１は，そのような装置の一つを概略的に示し，装置は，自動車１０の形態の車である。本発明は，飛行機，船舶及び芝刈機又はチェーンソー等の他のタイプの装置のみならずバス，トラック，オートバイ等の他のタイプの車両にも適用できることを理解されたい。しかし，重要なことは，装置は燃焼機関を使用することである。
【００２８】
図２は，図１に示す自動車に設けられる発電システムを概略的に示す。発電システムは例えばガソリン又はディーゼルのように同じ種類の液体で運転される内燃機関１２を備え，第一の軸１４は，機関１２により回転する。既知のように，機関１２の燃焼プロセスにおいて排気ガスが排出される。これらの排気ガスは，第一のダクト１６を介してターボ過給ユニット１８へ導かれ，機関１２から放出される。このターボ過給ユニット１８は，第二のダクト２０を介して，機関１２へ圧縮空気を供給し，又，第二の軸２４を駆動する。第二の軸２４の駆動及び圧縮空気は，排気ガスを使用してもたらされ，該排気ガスは第三のダクト２２を介してターボ過給ユニット１８から放出される。第二の軸２４は機械的回転エネルギーを電力に変換する発電機２６に該回転エネルギーを供給し，電力は，燃料電池３０に供給される。そのような発電機はこの分野では周知であるため，ここではさらに詳説しない。ターボ過給ユニット１８及び発電機２６の少なくとも一部は，本発明による電力供給ユニットの第一の例を構成する。燃料電池では水及び／又は空気の形態で燃料を収容するための投入口３１を有する。燃料電池３０は逆に作動し，場合によっては酸素と共に水素が生成される。水素は第四のダクト３２を介して機関１２に供給される。該機関１２に入る前に水素と空気とを混合しないために，第四のダクト３２は，機関と連通する他のダクトから分離されている。本発明においては，ターボ過給ユニット１８全体を使用する必要がないが，電力を生成するために，ターボ過給ユニット１８内のタービン翼車のみの使用に限定され得ることをここでは理解されたい。
【００２９】
本発明により使用され得る燃料電池には，多数の様々なタイプのものがある。本発明の第一の実施形態によると，燃料電池は，水を燃料として使用する固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）である。  
【００３０】
しかし，他のタイプの燃料電池も使用可能である。第二の及び好適なタイプの燃料電池は，固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）である。このような電池の一つが，図３に概略的に示されている。この燃料電池３０は電力のほかに熱によっても作動される。したがって，該燃料電池は温まるとより効率的に動作する。したがって，燃料電池３０と機関１２との間は熱的に接続され，この図では，これは機関１２に直接接触して配置される燃料電池により示されている。この燃料電池はさらに空気を燃料として使用することが出来る。正確な構成は，図３に示されていないが，機関１２に水素を供給するために，ここでは燃料電池は，図２のターボ過給ユニット及び発電機により電力が供給される。第二の実施形態及び現在の好適な実施形態及び本発明の意図されるベストモードは，機関に熱的に接続され，図２に概略的に示すように電力が供給される図３の燃料電池を使用する。勿論，この燃料電池は熱的な接続無しに提供され得るが，その性能については最善とは言えないであろう。
【００３１】
図２に示すシステムにより電力を生成する方法は，さらに図４に示されており，図４では，本発明に関連するターボ過給ユニットの部品の断面図を示している。機関により排出される排気ガスは，第一のダクト１６を介して機関を通過し，ターボ過給ユニットのチャンバ３４に入る。該チャンバ３４では，回転要素がタービン翼車３６の形態で設けられ，チャンバ３４に入る排気ガスにより回転する。その後，排気ガスは，ダクト２２を介してチャンバ３４を通過する。タービン翼車３６は，第二の軸２４を回転させ，電力へ変換するために機械的回転エネルギーが発電機に移送される。前述のように，ターボ過給ユニットは，圧縮機を備えてもよく，該圧縮機も機関に噴射される空気を圧縮するためのタービン翼車により駆動される。前述のように，本発明は，空気又はターボ過給ユニットの圧縮に全く依存しない。実際，図４に示す部品のみが燃料電池に電力を供給可能にするために使用される電力供給ユニットの一部として設けられるであろう。タービン翼車の使用に加えて，燃料電池に電力を供給する方法は他にもあり，詳細は後に記載する。
【００３２】
したがって，本発明の方法及び発電システムは，本発明による方法のフローチャートを示す図５を参照して，以下の様に要約され得る。まず，機関は該機関中のガソリン又はディーゼル等の噴射燃料により運転される（ステップ３８）。その後，運転中の前記機関は燃焼工程により排気ガスを排出し，これらの排気ガスは，ターボ過給ユニットのタービン翼車を駆動するために使用される（ステップ４０）。その後，タービン翼車によりもたらされた回転エネルギーは，第二の軸を介して発電機に供給され，発電機は，回転エネルギーを電力に変換する（ステップ４２）。
【００３３】
その後，燃料電池を逆に作動するために，電力は燃料電池に供給される（ステップ４４）。燃料電池は水素を生成し（ステップ４６），該水素は，機関に噴射される（ステップ４８）。
【００３４】
上記の方法は多くの長所を有する。水素を噴射することにより，燃料消費量が低減する。機関が運転される際，水素はさらにその場で生成される。必要とされる水素の危険な蓄積が無い。さらに水素は，機関の性能に依存する。機関がより頻繁，かつ激しく運転される程，より熱くなり，全ては第一の軸の回転速度に依存し，より多くの水素が生成される。したがって，機関の燃料消費量を大幅に低減することが可能となる。電力を生成するためにタービン翼車による解決方法を使用することにより，自動車の既存の要素がさらに使用され，それにより発電システムのコストが低減する。さらに，本発明は，既存の発電システムをわずかに変更することにより提供され得る。
【００３５】
前述のように，燃料電池へさらなる電力を供給することが可能である。例えば，機関により回転される第一の軸から直接発電機へ回転エネルギーを得ることも可能である。機関の性能にも依存する別のさらなる電力源は，図６に概略的に示され，熱電気ユニット５０は，機関１２に設けられ，温度に基づいて電力を生成する。これは，温度差に基づき電力を生成する所謂ペルチェ素子の形態の熱電気ユニットとなり得る。この差は機関の温度と外気との差であり得る。寒い気候において，この差は機関と雪との温度差でもある。機関の運転に基づいて燃料電池のための電力を生成する利点は，別個の制御機構により工程を制御することなく，単純な方法で必要なときに自動的に燃料電池が水素を生成することである。
【００３６】
機関の性能に依存しない燃料電池のためのさらなる電力を生成するさらに他の方法があり，別の変形例は，図７に示されている。ここでは電力供給ユニットは一個又はそれ以上の太陽電池を備える太陽電池パネル５２として設けられ，図１では該太陽電池パネル５２は車の外側に設けられ得る。ここでは，この太陽電池パネル５２は太陽光を受け，該太陽光の太陽エネルギーを燃料電池の電力に変換する。別の変形例は，図８に示されており，電力供給ユニットは電池５４であり，燃料電池に電力を供給するために使用する標準の自動車電池又は別の別個の電池であり得る。この場合，車を使用していない時に電池が負荷をかけられることを可能とする。そのような負荷をかけられることが，例えば太陽電池パネルを使用することにより行われる。機関の運休時に電力を供給しないために，図７及び図８では，電力供給ユニットと燃料電池との間の電気的接続２８にスイッチ５３が設けられる。その後，車が始動した際，又は一定の回転速度で機関が第一の軸を回転する際にスイッチ５３が閉じ得る。生成される水素の変形例が必要とされる場合，例えば第一の軸の回転速度についての情報を受ける適切な論理回路を設けることにより別個の制御機構を提供し，それにより供給される電力を変えることが可能となる。
【００３７】
さらなる電力を供給する別の可能な方法は，風力変換要素を使用することによる。
【００３８】
本発明のさらに別の可能な変形例は，水素が直接的に使用されない。これはレースカーへの用途における場合であり得る。この場合の変形例は図８に示され，図３の燃料電池３０が使用される。ここでは，第四のダクト３２は，水素容器５６へ連通し，第五のダクト５８を介して機関１２へ接続される。その後，運転手により選択される時間における特定点で，駆動中にこの容器５６は充填され，例えば別の車を追い越すために余分な力を必要とする際に，内容物は機関に噴射される。このため，第五のダクト５８に弁６０が設けられ，車の運転手がスイッチを押すと，弁６０は機械的又は電気的に操作することにより開放される。このように，運転手は，機関への水素の供給を制御することが可能である。
【００３９】
図８の装置はさらに改変され，運転手はスロットルを緩め，ブレーキを起動させると，それにより車は減速し，車の標準の発電機は軸１４に接続され，燃料電池３０に電力を供給するよう構成され得る。その後，水素は容器５６に貯蔵され，一旦車が加速すると該水素が使用され得る。代替例として，このように使用される発電機は車の標準の発電機から分離可能であり，制動しながら直線的に第一の軸に接続される。太陽エネルギー，風力又は電池に依存して上記の方法の一つにより制動の間に電力が燃料電池に供給されるさらに他の方法がある。
【００４０】
上述のものとは別に，多くの他の変形例は本発明を構成する。上記水素は個別のダクトを介して機関に供給される。ターボ過給ユニットからの圧縮空気と共に，或いは前記機関の標準吸気口を介して機関に供給される空気と共に水素を機関に供給することも可能である。
【００４１】
本発明は特定の実施形態に関連して記載されるが，ここに示す特定の形態に限定されることは意図されない。むしろ，本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によりのみ限定される。特許請求の範囲において含まれている用語は他の要素又はステップの存在を除外しない。
【００４２】
さらに個々の特徴は様々な請求項に含まれるが，これらはおそらく有利に結合され，様々な請求項における含意は特徴の組み合わせが実施可能及び／又は有利ではないことを意味するのではない。さらに単数の参照は複数を除外しない。したがって，「一つの（a）」，「一つの（an）」，「第一の」，「第二の」等の参照は複数を除外しない。特許請求の範囲の参照符号は単に明確な実施例として提供され，多少なりとも特許請求の範囲を限定されるように解釈されてはならない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明による装置の概略図，
【図２】本発明の第一の実施形態による発電システムの概略図，
【図３】本発明の発電システムの第二の実施形態による燃焼機関に関する燃料電池の好適な配置の概略図，
【図４】燃料電池の電力を生成するために使用されるターボ過給ユニットの概略断面図，
【図５】本発明による燃料消費量の低減方法のフローチャート，
【図６】燃料電池に電力を供給するための電力供給ユニットの第一の変形例の概略図，
【図７】燃料電池に電力を供給する電力供給ユニットの第二の変形例の概略図，
【図８】燃料電池に電力を供給する電力供給ユニットの第三の変形例の概略図，及び
【図９】燃料電池と機関との間に接続された図３の燃料電池の概略図。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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