(57)【要約】【課題】燃料電池と内燃機関との組み合わせにより、速やかな発進が可能で、かつ、燃料電池の立ち上げ後は、環境に優しい燃料電池により車の走行を行うようにするハイブリッド自動車を提供する。【解決手段】内燃機関と、燃料電池と、内燃機関で駆動される発電機と、発電機で発電した電気、および燃料電池で発電した電気を貯える蓄電手段と、発電機で発電した電気または燃料電池で発電した電気により回転されるモーターとを有する。内燃機関の駆動力およびモーターの駆動力の少なくとも一方により車輪を駆動させて自動車を走行させる。【選択図】  図１
2004229480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と、
燃料電池と、
内燃機関で駆動される発電機と、
発電機で発電した電気、および燃料電池で発電した電気を貯える蓄電手段と、
発電機で発電した電気または燃料電池で発電した電気により回転されるモーターと、
前記内燃機関の駆動力およびモーターの駆動力の少なくとも一方により駆動される車輪とを有することを特徴とするハイブリッド電気自動車。
【請求項２】
内燃機関は、液化炭化水素ガスを燃料とすることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド電気自動車。
【請求項３】
液化炭化水素ガスがメタン、エタン、プロパンおよびブタンの少なくとも一種類を主成分とすることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド電気自動車。
【請求項４】
内燃機関が水素ガスを燃料とすることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド電気自動車。
【請求項５】
蓄電手段は、バッテリーまたはキャパシターまたはＳＭＥＳ（超電導磁気エネルギー貯蔵装置）あるいはこれらの組み合わせたものであることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載のハイブリッド電気自動車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド電気自動車に関するものである。特に、燃料電池を電源としてモーターを駆動して走る燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ：Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）に、内燃機関を付加し、内燃機関とモーターによるハイブリッドシステムを構築して車輪を駆動させて走る燃料電池ハイブリッド電気自動車（ＨＦＣＥＶ：Ｈｙｂｒｉｄ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題、資源問題により燃料電池電気自動車の開発が促進され、少数ではあるが路上を走るようになってきている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
現在使用されている燃料電池電気自動車は、図３のブロック図に示すように、燃料電池（ＦＣ）１０１で発電された直流電気が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２で必要な直流電気に変換されてバッテリー１０３に蓄えられる構成である。
【０００４】
バッテリー１０３に蓄えられた直流電気は、インバーター１０４を通して必要な電圧の交流電気に戻される。そして交流電気により電気モーター１０５が回転されて車輪１０６が駆動されることにより燃料電池電気自動車は走行するようになっている。尚、バッテリー１０３及び場合によってはコンバーター１０２が省略される場合もある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３０７７５８号公報（図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した燃料電池電気自動車は、以下のような問題がある。
▲１▼完全停止時から燃料電池電気自動車を活性化するには、燃料電池を作動温度まで昇温させるプロセスが必要となり、車の即時発進が困難となる。
▲２▼特に、−５℃以下の寒冷地では、燃料電池の立ち上げにヒーターが必要であり、かつ、時間がかかる。
▲３▼車停止時のアイドリングオフ操作時、または、急激に加速または減速する時において燃料電池電気自動車の追従性が必ずしも良くない。
▲４▼未だ水素ガスの供給インフラが十分でなく、燃料電池電気自動車で走っている時に水素ガスの燃料切れが生じると、水素ガスを再充填できず走れなくなるケースが生ずる場合がある。
【０００７】
従って、本発明の主目的は、燃料電池と内燃機関との組み合わせにより、速やかな発進が可能で、かつ、燃料電池の立ち上げ後は、環境に優しい燃料電池により車の走行を行うようにするハイブリッド自動車を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、自動車に内燃機関と燃料電池を搭載することにより上記の目的を達成する。
【０００９】
すなわち、本発明のハイブリッド電気自動車は、内燃機関と、燃料電池と、内燃機関で駆動される発電機と、発電機で発電した電気、および燃料電池で発電した電気を貯える蓄電手段と、発電機で発電した電気または燃料電池で発電した電気により回転されるモーターと、前記内燃機関の駆動力およびモーターの駆動力の少なくとも一方により駆動される車輪とを有することを特徴とする。
【００１０】
上記の構成により、内燃機関の駆動力により発電機のみを作動させ、これによって発電した電気を用いてバッテリーを充電したり、さらにモーターを駆動することによって走行させる他、内燃機関とモーターを組み合わせて走行させることもできる。
【００１１】
内燃機関の種類としては、レシプロ式のエンジンやロータリー式のエンジンが挙げられる。内燃機関の燃料としては、ガソリン、軽油、液化天然ガス（ＬＮＧ：Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ  Ｎａｔｕｒａｌ  Ｇａｓ）や液化石油ガス（ＬＰＧ：Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ  Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ  Ｇａｓ）、水素ガスなどが挙げられる。
【００１２】
特に、内燃機関には、ＬＮＧ，ＬＰＧなどの液化炭化水素ガスを燃料とすることが好ましい。液化炭化水素ガスは、メタン、エタン、プロパンおよびブタンの少なくとも一種類を主成分とすることがさらに好ましい。
【００１３】
これらの液化ガスを燃料とする内燃機関は、ＨＣ、ＣＯ、ＣＯ２、ＮＯｘ、黒鉛、浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）などの排出量がガソリンエンジンに比べて少なく、水素を用いる燃料電池とともに環境上好ましい。また、これらのガスは常温加圧で容易に液化し、積載容量を増加させることができる。
【００１４】
内燃機関の燃料として液化炭化水素ガスを用いることにより、自動車に後述する改質装置を搭載しておけば、内燃機関の燃料を燃料電池にも使用することができ燃料タンクの共通化が図れる。
【００１５】
その他、内燃機関は、水素ガスを燃料とすることが好ましい。水素ガスを燃料とする内燃機関を用いてハイブリッド車化しておけば、共通の車載燃料タンクを用いて燃料電池に水素燃料の供給を行うことができる。その結果、燃料タンクを減らすことができながら、よりクリーンに内燃機関を駆動させることができ、しかも、車の即時発進が可能となり、クリーン排気の点においてもより好ましい。
【００１６】
燃料電池の種類としては、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、固体電解質型（ＳＯＦＣ）、りん酸型（ＰＡＦＣ）などがある。固体高分子型の作動温度は常温から１００℃である。固体電解質型の作動温度は約１０００℃である。りん酸型の作動温度は約２００℃である。このように、燃料電池は、作動温度が高いので、立ち上げるのに時間を要する。
【００１７】
また、燃料電池に使用される水素ガスの供給方法としては、水素ガスを直接供給する方法と、改質装置を用いてガソリン、メタノール、天然ガス、液化石油ガスなどから水素を得る方法がある。
【００１８】
燃料電池は、改質装置で水素ガスを得るよりも、直接水素ガスを供給する方が排出物が水のみで環境負荷が低く、しかも、重量の重い改質装置を搭載しなくてよいという利点がある。そのため、前記したように内燃機関の燃料を水素ガスとすることにより、燃料タンクの共通化が図れるだけでなく、より環境にやさしく、軽量化が図れるハイブリッド車を提供できる。
【００１９】
内燃機関の燃料を水素ガスとする場合は、都市部などで十分水素燃料の供給が受けられる地域を主として走る車両、例えばスクールバスなどに適用することが好ましい。
【００２０】
さらに、本発明のハイブリッド電気自動車の蓄電手段としては、バッテリーまたはキャパシターまたはＳＭＥＳ（超電導磁気エネルギー貯蔵装置）あるいはこれらの組み合わせたものが挙げられる。
【００２１】
蓄電手段を搭載することにより、蓄電手段に蓄電されている電力を、燃料電池に使用するヒーターや改質装置に用いたり、自動車の他の各電気機器に用いることができる。
【００２２】
本発明のハイブリッド電気自動車は、内燃機関を駆動させ、この内燃機関の駆動力により直接車輪を駆動させて自動車を走行させたり、発電機を発電させることができる。
【００２３】
また、前記内燃機関の駆動力により発電機のみを作動させ、これによって発電した電気を用いてバッテリーを充電したり、さらにモーターを駆動することによって走行させるようにすることもできる。なお、このようなハイブリッド電気自動車を、以下、シリーズハイブリッド電気自動車という。
【００２４】
このようなシリーズハイブリッド電気自動車の場合には、内燃機関によって直接車輪を駆動することはない。しかしながら、このハイブリッド自動車は、内燃機関によってモーターを駆動させたり、発電機を作動させる場合のハイブリッド電気自動車と、モーターを介して車輪を駆動し、自動車を走行可能にする点は同様である。
【００２５】
また、燃料電池で電気を発電させ、この電気によりモーターを駆動させて車輪を駆動させて自動車を走行させることもできる。
【００２６】
本発明では、燃料電池の立ち上げに時間がかかる場合でも、燃料電池を立ち上げている間は、内燃機関の駆動力や、発電機で発電された電気により回転されるモーターにより自動車を走行させることができる。
【００２７】
例えば、自動車が長時間停止している時には、燃料電池も停止して冷えている。このように燃料電池が冷え切っているときに、自動車を発進させる場合、まず、内燃機関の駆動力や、発電機で発電された電気により回転されるモーターで自動車を走行させ、燃料電池の立ち上げが完了した後は、燃料電池で発電した電気によりモーターを回転させて自動車を走行させることができる。
【００２８】
その結果、燃料電池のみで駆動させる電気自動車に比べて、自動車の即時発進が可能となる。そして、燃料電池が立ち上がった後は、内燃機関を停止させて、クリーンで高効率の燃料電池で発電した電力で車を走らせることができる。
【００２９】
本発明では、内燃機関の駆動力で自動車を走行させているときに、内燃機関の駆動力で発電機も駆動させて電力を得ることができる。また、前記したシリーズハイブリッド電気自動車では、内燃機関の駆動力により発電機を駆動させることによって電力を得る。
【００３０】
このようにして得られた電力を用いて燃料電池のスタートアップ条件を整えることができる。例えば、燃料電池のヒーターに発電機で発電された電気を通電して昇温させる。また、改質装置が必要な燃料電池では、改質装置の運転に発電機で発電された電気を用いる。
【００３１】
このように、内燃機関を搭載することによって、速やかな発進が可能となるばかりか、燃料電池の立ち上げに必要な電力を内燃機関で得ることができ、十分余裕持って燃料電池を立ち上げることができる。
【００３２】
また、水素ガスを直接供給するタイプの燃料電池を搭載している自動車の場合、燃料となる水素の供給インフラ（水素ステーション）の完備がされていない地域を走行しているときに、水素燃料が切れてしまう場合が生じる虞がある。
【００３３】
このような場合には、水素燃料切れと同時に内燃機関を作動させる。内燃機関の燃料は適宜既設の供給インフラから随時補給を受けることができるので、燃料電池が搭載されたハイブリッド車であっても走行が可能となり、走行できない場所が存在することは無くなり、安心して走行することができる。
【００３４】
さらに、内燃機関の駆動力とモーターの駆動力とは、各々単独であるいは併用して自動車を走行させることができる。内燃機関の駆動力とモーターの駆動力の組み合わせ方式には、既に述べてきた通りシリーズ、パラレルが挙げられる。
【００３５】
シリーズハイブリッド方式の場合、燃料電池で発電した電気は、発電後そのまま、または蓄電手段（バッテリー）に充電された後、モーターを駆動させるために使用され自動車を走行させる。また内燃機関は発電のみを行い、その発電した電気を発電後そのまま、またはバッテリーに蓄電した後に、モーターを駆動させるために使用して自動車を走行させる。シリーズ方式では、車輪を回すのはモーターだけで、内燃機関の駆動力で直接車輪は回さない。
【００３６】
シリーズハイブリッド方式では、発進時には、内燃機関の駆動力で発電機を発電させて、発電した電気でモーターを駆動させることにより自動車を走行させる。又、発電した電気の一部を燃料電池立ち上げにも用いる。そして、燃料電池が立ち上がった時点で、内燃機関を停止させ、燃料電池で発電させた電気でモーターを駆動させることにより自動車を走行させる。又、制動時にはモーターを発電機として作動させ、回生電力をバッテリーに蓄電させることができる。
【００３７】
パラレルハイブリッド方式の場合、内燃機関とモーターの２つの動力源により各々車輪を直接駆動させて走行させる。同方式による利用例としては、内燃機関の駆動力で走行を行うか、または、発電機または燃料電池で発電した電気でモーターを駆動させて走行を行うことが挙げられる。このとき、場合により内燃機関で発電機を駆動させて発電した電気、または、燃料電池で発電した電気をバッテリーに充電させる。
【００３８】
パラレルハイブリッド方式では、発進や加速時には、内燃機関の駆動力で車輪を直接駆動させながら、内燃機関の駆動力で発電機を駆動させてモーターを作動させることにより走行の駆動力を補助することができる。そして発進時に燃料電池を立ち上げる。また、制動時には、モーターを発電機として作動させ、回生電力をバッテリーに蓄電させることができる。
【００３９】
また、発進や加速時には、内燃機関の駆動力で車輪を直接駆動させながら、内燃機関の駆動力で発電機を駆動させて発電してバッテリーに蓄電しておくこともできる。このバッテリーに充電されている電気を燃料電池の立ち上げに利用することができる。
【００４０】
さらに、燃料電池で発電させた電気で自動車を走行させながら、内燃機関の駆動力で発電機により発電させ、その発電電力をバッテリーに蓄電することもできる。なお、パラレルハイブリッド方式には、一方の動力源が前輪を、他方の動力源が後輪を駆動する方式と、両方の動力源が同一の車輪を駆動する方式がある。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
＜シリーズハイブリッド方式＞
図１はシリーズハイブリッド方式の本発明自動車の駆動機構を示す概略構成図である。
【００４２】
本発明自動車は、内燃機関となるエンジン１と、発電機２と、コンバーター３と、インバーター４と、モーター５と、バッテリー６と、タイヤ７と、燃料電池（ＦＣ）９と、ＤＣ／ＤＣコンバーター１０とを具える。エンジン１は、プロパンなどのＬＰＧを燃料として駆動される内燃機関である。このエンジン１の作動により発電機２を回転させる。なお、内燃機関の燃料は、燃料電池と同様の水素ガスを用いるようにすることもできる。この場合は同一水素ガスを内燃機関と燃料電池の両方に用いることにより燃料タンクの共通化が図れる。
【００４３】
発電機２はエンジン１の駆動力により回転されて発電を行う。一般に電気自動車の発電機には交流発電機が用いられることが多く、本例でも交流発電機を用いている。発電機２で発電された電気は、コンバーター３で直流に変換され、さらにインバーター４を介して適正な周波数の交流に変換されてモーター５へと供給される。
【００４４】
モーター５には、種々のモーターが利用できるが、ここでは交流同期モーターを用いている。また、必要に応じて、発電電力はバッテリー６の充電にも利用される。バッテリー６には、鉛電池、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル・水素電池、ニッケル・鉄電池、ニッケル・亜鉛電池、ナトリウム・硫黄電池、リチウム電池などが利用できる。
【００４５】
また、燃料電池９は、燃料を水素としており、燃料電池９で発電された直流電気はそのまま用いられるか必要時ＤＣ／ＤＣコンバーター１０において必要な直流電気に変換されて用いられる。この燃料電池によって発電された電気は、発電機２で発電された電気と同様に、さらにインバーター４を介して適正な周波数の交流に変換されてモーター５へと供給される。
【００４６】
また、燃料電池から直接に、あるいはＤＣ／ＤＣコンバーター１０によって所要の電圧の直流に変換された電気は、バッテリー６に蓄えることもできる。バッテリー６に蓄えられた直流電気も、インバーター４を介して適正な周波数の交流に変換されてモーター５へと供給される。
【００４７】
発電電気をバッテリー６側にも供給するかどうかを、コンバーター３またはＤＣ／ＤＣコンバーター１０と、バッテリー６との間に設けられたスイッチ８のオンオフにより行ってもよい。その他、インバーター制御により電気的にスイッチングしても良い。
【００４８】
そして、モーター５の駆動力をタイヤ７の車軸に伝達して、自動車を走行させる。なお、図ではタイヤ７を２輪しか示していないが、実際には４輪存在する。
【００４９】
このシリーズハイブリッド方式では、エンジン１は専ら発電機２の駆動に利用され、同エンジン１の駆動力を直接タイヤ７の回転に用いることはない。つまり、エンジン１はタイヤ７の駆動とは切り離されて、最高効率運転をしながら発電に専念できるため、エネルギー効率を高めることができる。自動車の走行は、発電機２で発電された電気、燃料電池９で発電された電気、あるいはバッテリー６からの放電電気により回転されたモーター５の駆動力により行われる。
【００５０】
シリーズハイブリッド方式においては、自動車の発進時においては、エンジン１による発電機２で発電した電気によりモーター５を駆動させて自動車を走行させる。燃料電池９が立ち上がった時点で、エンジン１を停止させて燃料電池９で発電させた電気によりモーター５を駆動させ、自動車を走行させる。
【００５１】
＜パラレルハイブリッド方式＞
図２はパラレルハイブリッド方式の本発明自動車の駆動機構を示す概略構成図である。
【００５２】
本発明自動車は、エンジン１と、モーター（兼発電機）５と、コンバーター３と、インバーター４と、バッテリー６と、タイヤ７と、燃料電池（ＦＣ）９と、必要時ＤＣ／ＤＣコンバーター１０とを具える。図１に示すシリーズ方式と共通する構成要素の説明は省略し、以下、相違点を主として説明する。
【００５３】
パラレル方式では、エンジン１の駆動力とモーター５の駆動力の各々をタイヤ７の駆動に利用する。エンジン１は、変速機（図示せず）を介してその駆動力を直接タイヤ７に伝達し、また、発電機２を介してモーター５を駆動させ、その駆動力をタイヤ７に伝達することができるように構成されている。
【００５４】
この方式により、エンジン１の駆動により、▲１▼エンジン１の駆動力だけでタイヤ７を回転する、▲２▼モーター５の駆動力だけでタイヤ７を回転する、▲３▼エンジン１とモーター５の両駆動力でタイヤ７を回転する、といった駆動方式を選択することができる。
【００５５】
さらに、本実施形態においても、シリーズ方式と同様に、燃料電池９で発電された電気により、モーター５を駆動させることができる。
【００５６】
例えば、発進時はエンジン１で直接タイヤ７を回転させるには効率が低いため、エンジン１の駆動力で発電機２を駆動させ、このときの電気でモーター５を駆動させて走行を行う。
【００５７】
自動車が一定速度以上に達し、エンジン１の駆動力でタイヤ７を回転させる方が高効率となる範囲になると、モーター５の駆動をやめてエンジン１の駆動力で走行する。その際、エンジン１の駆動力の一部で発電機を駆動させ、発電された電力をバッテリー６に蓄電することが好ましい。
【００５８】
そして、燃料電池９が立ち上がった時点で、エンジン１を停止させて燃料電池９で発電させた電気によりモーター５を駆動させ、自動車を走行させる。
【００５９】
また、燃料電池９で発電させた電気により平地高速走行を行っていた状態から登坂する場合、エンジン１の駆動力も併用して走行することで、より高い馬力やトルクを得ることができる。
【００６０】
さらに、燃料電池９で発電させた電気により平地高速走行を行っていた状態から加速する場合、エンジン１の駆動力も併用して走行することで、優れた加速力を得ることができる。
【００６１】
シリーズ方式により高速運転させるには、モーター５の高速回転が必要であるが、モーター５からギアーを用いて大トルクを取り出すことが困難になる場合がある。パラレル方式では、エンジン１の駆動力とモーター５の駆動力の両方を直接タイヤ７の回転に利用できるため、高い高速走行性能も得ることができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明ハイブリッド自動車によれば、燃料電池と内燃機関を併用することで、即時発進を可能としながら、環境に優しく、高い走行性能と高い燃費効率の両方を得ることができる。特に、発進時、加速時、登坂時において燃料電池電気自動車よりもはるかに優れた走行性能を得ることができる。
【００６３】
又、燃料電池の大きな欠点であった、停止から立ち上げ時の必要な電気エネルギーを内燃機関から得ることができ、特に寒冷地での発進に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリーズ方式の本発明自動車の駆動機構を示す概略構成図である。
【図２】パラレル方式の本発明自動車の駆動機構を示す概略構成図である。
【図３】従来の燃料電池電気自動車の駆動機構を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１  エンジン
２  発電機
３  コンバーター
４  インバーター
５  モーター
６  バッテリー
７  タイヤ
８  スイッチ
９  燃料電池
１０  ＤＣ／ＤＣコンバーター
【図１】
2004229480.tif 000003
【図２】
2004229480.tif 000004
【図３】
2004229480.tif 000005