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公開番号2025042168
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-27
出願番号2023149020
出願日2023-09-14
発明の名称鉄道車両を駆動するシステムおよび方法
出願人株式会社日立製作所
代理人弁理士法人サンネクスト国際特許事務所
主分類B60L 50/70 20190101AFI20250319BHJP(車両一般)
要約【課題】本発明の目的は、燃料電池を搭載した鉄道車両において、水の電気分解により生成した水素を効率的に貯蔵し、燃料電池の発電に再利用することである。
【解決手段】本発明は、燃料電池を動力源として鉄道車両を駆動する鉄道車両駆動システムであって、高圧で充填された水素を貯蔵する高圧水素貯蔵装置と、水素を燃料として用いて発電を行う燃料電池と、燃料電池が発電の際に生成した水を貯蔵する水貯蔵装置と、水貯蔵装置に貯蔵された水を余剰電力により電気分解する電気分解装置と、水の電気分解により生じた水素を高圧水素貯蔵装置の水素貯蔵圧力よりも低圧で貯蔵する補助水素貯蔵装置とを備え、補助水素貯蔵装置に貯蔵された水素は燃料電池の発電に利用される鉄道車両駆動システムに関する。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
燃料電池を動力源として鉄道車両を駆動する鉄道車両駆動システムであって、
高圧で充填された水素を貯蔵する高圧水素貯蔵装置と、
水素を燃料として用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池が発電の際に生成した水を貯蔵する水貯蔵装置と、
前記水貯蔵装置に貯蔵された水を余剰電力により電気分解する電気分解装置と、
水の電気分解により生じた水素を前記高圧水素貯蔵装置の水素貯蔵圧力よりも低圧で貯蔵する補助水素貯蔵装置と
を備え、
前記補助水素貯蔵装置に貯蔵された水素は燃料電池の発電に利用される
鉄道車両駆動システム。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記高圧水素貯蔵装置から放出される水素の制御を行う第１弁と、
前記補助水素貯蔵装置から放出される水素の制御を行う第２弁と
をさらに備え、
前記第１弁を通して放出された水素と前記第２弁を通して放出された水素とが合算されて前記燃料電池へと供給されて、当該燃料電池の発電に利用される、
請求項１に記載の鉄道車両駆動システム。
【請求項３】
前記第１弁および前記第２弁は、前記燃料電池の発電時に前記補助水素貯蔵装置に貯蔵された水素を優先して当該燃料電池へ送るように制御される、請求項２に記載の鉄道車両駆動システム。
【請求項４】
前記第１弁および前記第２弁は、前記高圧水素貯蔵装置から放出される水素および前記補助水素貯蔵装置から放出される水素の和が任意に制御される、請求項１～３のいずれか一項に記載の鉄道車両駆動システム。
【請求項５】
電気分解により生成された水素を昇圧し、前記補助水素貯蔵装置へと水素を送り込むための圧縮機をさらに備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の鉄道車両駆動システム。
【請求項６】
前記水貯蔵装置が、前記燃料電池の排水以外の外部給水手段をさらに備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の鉄道車両駆動システム。
【請求項７】
請求項１～６のいずれか一項に記載の鉄道車両駆動システムによって駆動される、鉄道車両。
【請求項８】
燃料電池を動力源として鉄道車両を駆動する鉄道車両駆動方法であって、
水素を燃料とした燃料電池が発電した際に生成した水を水貯蔵装置に貯蔵し、
前記水貯蔵装置に貯蔵された水を余剰電力により電気分解し、
水の電気分解により生じた水素を、高圧で充填された水素を貯蔵する高圧水素貯蔵装置の水素貯蔵圧力よりも低圧で補助水素貯蔵装置に貯蔵し、
前記補助水素貯蔵装置に貯蔵された水素を前記燃料電池の発電に利用する、
鉄道車両駆動方法。
【請求項９】
前記高圧水素貯蔵装置から放出される水素の制御を行う第１弁を通して放出された水素と、前記補助水素貯蔵装置から放出される水素の制御を行う第２弁を通して放出された水素とを合算して前記燃料電池へと供給する、
請求項８に記載の鉄道車両駆動方法。
【請求項１０】
前記燃料電池の発電時に前記補助水素貯蔵装置に貯蔵された水素を優先して当該燃料電池へ送るように前記第１弁および前記第２弁を制御する、請求項９に記載の鉄道車両駆動方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両（以下、単に「車両」とも称する）を駆動するための技術に関する。
続きを表示（約 1,800 文字）【背景技術】
【０００２】
地球環境への負荷の低減が産業界全体において喫緊の課題とされる昨今、鉄道輸送業界においても、軽油を燃料とするディーゼルエンジンのような内燃機関に代わる新たな動力源として、燃料電池を搭載した鉄道車両の実用化が推進されている。燃料電池は、水素等の燃料を酸化剤とともに外部から補給して発電を行う電池の一種であり、化石燃料を燃料とする内燃機関と比較して環境負荷を大幅に低減可能であることから、鉄道車両の動力源としても大いに期待されている。
【０００３】
燃料電池を動力源として鉄道車両に搭載するこうした取り組みに関連して、例えば、特表２０１９－５２７０１２号公報（以下、「特許文献１」と称する）には、「制動エネルギーリサイクルシステムは、ハイブリッド鉄道交通に応用される場合、ハイブリッド鉄道交通車両が水素ガスタンクを持つという特徴に基づいて、構造上、電解槽のみが追加され、既存の車載水素ガスタンクがそのまま水素の貯蔵に使用され、構造が簡単であり、車体の自重が低減され、エネルギー変換効率が高く、同時に水素ガスの補給が減少され、運転コストが低減される」こと（段落［００１３］参照）が記載されている。
【０００４】
また、水素を燃料とする一般的な燃料電池に関連して、例えば、国際公開第２０１８／０９６７１３号（以下、「特許文献２」と称する）には、「水素貯蔵用タンクおよび酸素貯蔵用タンクは、それぞれ、例えば１～３０ＭＰａの高圧で水素または酸素を貯蔵する」こと（段落［００３９］参照）や、「水電解装置で生成された水素を昇圧する際には、水電解装置が水素を生成し排出している状態で、切替弁を閉とする。この状態において、切替弁よりも上流側の配管内では、水素が徐々に昇圧されていく。そこで、別途センサー等により水素の圧力を計測し、水素の圧力が水素貯蔵用タンクの圧力よりも高くなったときに切替弁を開とすれば、水電解装置で生成された水素は、水素貯蔵用タンクに好適に導入され得る」こと（段落［００４０］参照）等が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特表２０１９－５２７０１２号公報
国際公開第２０１８／０９６７１３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明者は、燃料電池を鉄道車両に搭載する取り組みの一環として、水素燃料から発電を行う燃料電池と、水素貯蔵装置と、水の電気分解装置とを備えた鉄道車両駆動システムについて鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。
【０００７】
第一に、特許文献１に記載の技術では、電解により生成された水素ガスが、そのまま既存の車載水素ガスタンク内に貯蔵される。この既存の車載水素ガスタンク内の圧力は、通常、十分な量の水素ガスが当該水素ガスタンク内に圧縮された状態で貯蔵されていることから、大気圧よりも高圧である場合が殆どである。そのため、特許文献１に記載の技術には、水の電気分解で生成した大気圧相当の水素を圧縮せずに、そのまま水素ガスタンク内に貯蔵することができない、という問題があった。
【０００８】
第二に、特許文献２に記載の技術では、水素配管系に設けられた切替弁を適宜に開閉させることで、１～３０ＭＰａの高圧で水素を貯蔵する水素貯蔵用タンク内に水素が導入される。しかしながら、鉄道車両に搭載される水素貯蔵用タンク内の圧力は、通常、当該水素貯蔵用タンクの容積が地上設置型のものと比較して相対的に小さいことから、３０ＭＰａよりも高圧である場合が殆どである。そのため、特許文献２に記載の切替弁には、水素を十分な圧力に昇圧して、鉄道車両に搭載された水素貯蔵用タンク内に送り込む役割を果たすことが難しい、という問題があった。
【０００９】
一方で、例えば圧縮機を使用して水素を水素貯蔵用タンク内の圧力以上に昇圧する場合には、圧縮機が大型化して鉄道車両への搭載が困難となることや、圧縮時の消費電力量が大きく鉄道車両内のエネルギー効率が却って悪化することが考えられる。
【００１０】
本発明の目的は、燃料電池を搭載した鉄道車両において、水の電気分解により生成した水素を効率的に貯蔵し、燃料電池の発電に再利用することである。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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