JP4490319B2 - 水素エネルギー駆動式移動体 - Google Patents

Description

本発明は、水素ガスが供給されて駆動エネルギーを生ずる駆動源を搭載し、駆動源で生ずる駆動エネルギーにより走行する水素エネルギー駆動式移動体に関し、特に燃料電池駆動式鉄道車両に関するものである。

この種の従来の移動体として、特許文献１に記載される鉄道車両が知られている。これは、複数の車軸を有する鉄道車両の駆動装置において、各車軸に設けられた複数の電動機と、該複数の電動機にそれぞれ電力を供給する複数の燃料電池と、前記各電動機に供給する電力量をそれぞれ制御する複数の電動機制御装置と、前記各燃料電池の発電量をそれぞれ制御する複数の燃料電池制御装置と、該鉄道車両の速度制御を行う主制御器とを備えたことを特徴としている。

すなわち、各電動機制御装置には、該制御装置を介して電動機に駆動電力を供給するための燃料電池と二次電池とが接続されており、各燃料電池には、各電池の発電量を制御する燃料電池制御装置と燃料となる水素を供給する水素供給源とが設けられている。電動機制御装置、燃料電池及び燃料電池制御装置は、これらを一体化し、モジュール（ユニット）化した状態で床下に装着されている。

水素供給源には、高圧容器に充填した高圧水素ガスや液体水素のように水素を搭載して燃料電池へ水素を直接供給するものや水素吸蔵合金を使用したもの、メタノール改質器のように液体燃料から触媒によつて水素を取り出すものなどを適当に選択して使用することができる。このとき、鉄道車両においては、その運用形態や走行条件が予め決められていることが多いので、高圧水素ガスや液体水素の充填も車両基地で定期的に行えば良い、としている。
特開２００３−１１１２１０号公報

特許文献１は、水素供給源として水素吸蔵合金を使用することを提案してはいるが、高圧水素ガス、液体水素或いは改質器を使用するものなどと併記されるのみで、水素吸蔵合金の具体的な収容箇所、水素の吸蔵・放出のさせ方等については記載されておらず、水素吸蔵合金をコンパクトに鉄道車両に装備することができない。

請求項１の発明は、水素ガスが供給されて駆動エネルギーを生ずる駆動源（８）を搭載し、駆動源（８）で生ずる駆動エネルギーにより走行する移動体（１Ａ）と、該移動体（１Ａ）と連結器（３２）によつて連結される別車両である移動体（１Ｂ）とを有し、前記移動体（１Ｂ）の筐体（２）の壁部（４）内の隙間又は床部（５）内の隙間にタンク（９）を配置すると共に、該タンク（９）内に水素吸蔵合金（ＭＨ）を収容し、さらに、前記水素吸蔵合金（ＭＨ）に吸蔵させた水素を放出させて、前記駆動源（８）に燃料として供給するべく、前記タンク（９）から前記駆動源（８）へ水素を供給する水素配管（３８）と、前記駆動源（８）と前記タンク（９）との間で熱媒を供給する熱媒配管（３０）、（３１）とを具備することを特徴とする水素エネルギー駆動式移動体である。
請求項２の発明は、前記駆動源（８）から排出される熱をタンク（９）に供給し、水素吸蔵合金（ＭＨ）を加熱して水素を放出させることを特徴とする請求項１の水素エネルギー駆動式移動体である。
請求項３の発明は、前記タンク（９）に熱交換器（３６）を付属させ、熱交換器（３６）に通す熱媒によつてタンク（９）内の水素吸蔵合金（ＭＨ）を加熱して水素を放出させると共に、移動体基地に装備する冷却用の熱媒供給手段（４４）からの熱媒を熱交換器（３６）に通すことによつてタンク（９）内の水素吸蔵合金（ＭＨ）を冷却しながら、水素を水素吸蔵合金（ＭＨ）に吸蔵させることを特徴とする請求項１又は２の水素エネルギー駆動式移動体である。
請求項４の発明は、前記タンク（９）が、移動体（１）に着脱自在に設けられていることを特徴とする請求項１，２又は３の水素エネルギー駆動式移動体である。
請求項５の発明は、前記熱交換器（３６）が、タンク（９）に着脱自在に設けられていることを特徴とする請求項３又は４の水素エネルギー駆動式移動体である。
請求項６の発明は、前記タンク（９）が、移動体（１）の筐体（２）の雪氷が付着する位置に対応して配置され、水素吸蔵合金（ＭＨ）に水素を吸蔵させる際の発熱反応で生ずる熱によつて移動体（１）の筐体（２）を加温し、筐体（２）から雪氷を剥離させることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５の水素エネルギー駆動式移動体である。
請求項７の発明は、前記タンク（９）が、移動体（１）の雪氷が付着する台車（１３）に対向する位置の筐体（２）に配置され、水素吸蔵合金（ＭＨ）に水素を吸蔵させる際の発熱反応で生ずる熱によつて移動体（１）の台車（１３）を加温し、台車（１３）から雪氷を剥離させることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５の水素エネルギー駆動式移動体である。
請求項８の発明は、前記駆動源（８）が、燃料電池であることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６又は７の水素エネルギー駆動式移動体である。
請求項９の発明は、前記駆動源（８）が、水素エンジンであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６又は７の水素エネルギー駆動式移動体である。

独立請求項１によれば、移動体の筐体の壁部内の隙間又は床部内の隙間にタンクを配置すると共に、該タンク内に水素吸蔵合金を収容し、水素吸蔵合金に吸蔵させる水素を駆動源に燃料として供給する。このように、天井部を避けて水素吸蔵合金を配置するため、移動体の重心位置が高まることを抑制しながら余剰空間を有効活用して水素吸蔵合金を収容することができる。加えて、水素吸蔵合金を加熱して水素吸蔵合金から水素を放出させながら移動体が走行する際、昇温した水素吸蔵合金を断熱材又は暖房としても機能させることができる。従つて、寒冷地を走行する移動体に好適である。さらに、駆動源を搭載する移動体と、タンクを配置する移動体とが、連結器によつて連結される別移動体であるから、駆動源及びその付属機器と、水素吸蔵合金を収容するタンクとを、それぞれの移動体に無理なく装備させながら、移動体毎の重量分散を図ることができる。

請求項２によれば、駆動源から排出される熱をタンクに供給し、水素吸蔵合金を加熱して水素を放出させるので、駆動源の排熱が有効活用される。

請求項３によれば、タンクに付属させる熱交換器が水素吸蔵合金を加熱して水素を放出させるために使用されるのみならず、移動体基地に装備する冷却用の熱媒供給手段からの熱媒を熱交換器に通し、水素吸蔵合金を冷却しながら水素を水素吸蔵合金に吸蔵させることにも使用される。このため、熱交換器を有効活用しながら、特に移動体基地において水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることができる。

請求項４によれば、タンクが交換可能である。
請求項５によれば、熱交換器が交換可能である。

請求項６によれば、水素吸蔵合金に水素を吸蔵・補充させる作業と筐体からの雪氷の剥離作業とが同時になされる。その結果、筐体からの雪氷の剥離作業能率が向上する。

請求項７によれば、水素吸蔵合金に水素を吸蔵・補充させる作業と台車からの雪氷の剥離作業とが同時になされる。その結果、台車に付属する機器に付着する雪氷の剥離作業能率が向上する。

図１〜図５は、本発明に係る水素エネルギー駆動式移動体の１実施の形態を示す。図中において符号１は移動体である鉄道車両を示し、鉄道車両１の筐体２は、図１に示すように壁部４、床部５及び天井部３を有し、床部５（床下）に燃料電池８を装備している。図４に示す燃料電池８（図上で５基）は、水素及び酸素（空気）を燃料として発電し、発電した直流電流を充電器２０に蓄え、コンバータ２１でエネルギー形態を変換してインバータ１１に導く。インバータ１１においては、直流電流を交流に変換し、各台車１３に備える電気モータ１２を回転数制御して駆動し、必要に応じて減速装置（図示せず）を介して台車１３に回転自在に支持する車輪７を回転駆動する。従つて、移動体である鉄道車両１は、水素ガスが供給されて駆動エネルギーを生ずる駆動源として燃料電池８を搭載し、駆動源で生ずる駆動エネルギーにより走行するものであり、駆動源が燃料電池８の場合には、搭載する燃料電池８が発電した電力を駆動エネルギーとして走行する。

空気（酸素）は、コンプレッサ１４によつて空気加湿ユニット１５（図上で５個）を通して燃料電池８に供給され、水素は、各水素加湿ユニット１６（図上で５個）を通してそれぞれ燃料電池８に供給される。燃料電池８の稼働・発電に伴つて生ずる熱は、燃料電池冷却装置によつて冷却される。燃料電池冷却装置は、熱媒配管３１から供給され、複数のラジエター１７（図上で４個）を通して冷却した媒体を燃料電池８に供給し、燃料電池８を冷却して自らは昇温した熱媒はポンプ１８によつて熱媒配管３０を通して送り、後記するタンク９の加熱に供する。

水素吸蔵合金ＭＨは、タンク９内に収容し、鉄道車両１に装備する。タンク９を装備する鉄道車両１は、燃料電池８、電気モータ１２等を装備する鉄道車両１と同一であつても良いが、図４に示す第１の鉄道車両１Ａに燃料電池８等を装備し、第１の鉄道車両１Ａに連結器３２を介して連結される図５に示す別の第２の鉄道車両１Ｂにタンク９を装備することが好ましい。これにより、各車両１，１の空間を有効活用すると共に別車両１，１毎の重量バランスを採ることができる。タンク９は、第２の鉄道車両１Ｂの重心位置が高くなることを避けるために、図１に示すように天井部３を除いた筐体２の壁部４内又は床部５内の内の少なくとも一方の隙間に組み込む。壁部４には、窓部２ａ及びドアー部（図示せず）を避けて、タンク９を組み込み、床部５には、少なくとも台車１３に対応する位置として、タンク９を組み込む。タンク９は、現行の鉄道車両１の壁部４内の隙間又は床部５内の隙間に組み込むことが可能であり、設計変更をする必要は格別ない。

タンク９は、好ましくは鉄道車両１の筐体２の雪氷が付着し易い位置に対応して配置させ、水素吸蔵合金ＭＨに水素を吸蔵させる際の発熱反応で生ずる熱によつて鉄道車両１の筐体２を加温し、筐体２から雪氷を剥離させるようにする。タンク９を、鉄道車両１の雪氷が付着し易い台車１３に対向する位置の筐体２の床部５に配置させれば、水素吸蔵合金ＭＨに水素を吸蔵させる際の発熱反応で生ずる熱によつて鉄道車両１の台車１３廻りを加温し、台車１３から雪氷を剥離させることができる。タンク９及び後記する熱交換器３６の車室側には断熱材を介在させ、車室内への熱影響を遮断する。

水素吸蔵合金ＭＨを収容する各タンク９は、図５に示すように分岐用の水素配管３４によつて並列に接続し、各水素配管３４を接続する水素配管３８を介して水素加湿ユニット１７に接続してある。各タンク９は、図１に示されるように矩形状断面を与え、壁部４内の空隙又は床部５内の空隙にコンパクトに配置する。水素吸蔵合金ＭＨを収容した各タンク９を図２に示す。各タンク９による車両１の強度部材としての機能を高める場合には、図３に示すように三角形状断面を与え、床部５内（又は壁部４内）の空隙に配置する。三角形状断面をなすタンク９は、３個のタンク９によつて矩形状をなすように組み合わせて配置すれば、収容空間を削減することができる。その場合、隣接するタンク９同士を強固に結合すれば、車両の長手方向のみならず横（又は縦）方向にも車両の強度部材としての機能を良好に発揮する。各タンク９は、筐体２にボルト・ナット等の締付け手段によつて着脱自在に設け、交換可能な構造にする。

また、各タンク９には、熱交換器３６を付属させ、熱交換器３６に通す熱媒（加熱媒体）によつてタンク９内の水素吸蔵合金ＭＨを加熱して水素を放出させ、また、熱交換器３６に通す熱媒（冷却媒体）によつてタンク９内の水素吸蔵合金ＭＨを冷却しながら水素を吸蔵・補給させる。水素吸蔵合金ＭＨへの水素の吸蔵・補給は、移動体基地（鉄道車両１の車両基地（機関区））で定期的に行えば良いため、水素吸蔵合金ＭＨの冷却のために流す熱媒は、移動体基地に装備する冷却用の熱媒供給手段４４（図５に示す）から供給すればよい。各熱交換器３６は、各タンク９外壁にボルト・ナット等の締付け手段によつて着脱自在に設け、交換可能な構造にする。

水素吸蔵合金ＭＨからの水素の放出は、車両の走行中に必要であるから、燃料電池８から排出される熱を有効活用することが好ましく、燃料電池８から排出される熱をタンク９に供給し、水素吸蔵合金ＭＨを加熱して水素を放出させる。このため、図４に示すように各燃料電池８に接続する冷却用配管４０から排出され、自らは昇温した熱媒をポンプ１８によつて熱媒配管３０を通して送り出し、各熱交換器３６に適宜に供給させて所定のタンク９内の水素吸蔵合金ＭＨを加熱して水素を放出させる。水素吸蔵合金ＭＨの加熱に供された後の熱媒は、熱媒配管３１を通つて還流し、複数のラジエター１７を通して冷却した媒体を燃料電池８に供給し、燃料電池８の冷却に循環使用する。

熱媒配管３０，３１及び水素配管３８は、第１の鉄道車両１Ａと第２の鉄道車両１Ｂとの間で、可撓性を有するチューブ（図示せず）を介して接続可能である。また、充電器２０には二次電池２２が接続され、減速時の回生電力を二次電池２２に蓄え、燃料電池８が発電した電力に加え、二次電池２２に蓄えた電力によつて電気モータ１２を駆動し鉄道車両１が走行する。

このような鉄道車両１において、先ず、移動体基地において各タンク９の水素吸蔵合金ＭＨに水素を吸蔵させる。このとき、水素配管３８（又は３４）に移動体基地の水素源４２を接続し、水素吸蔵合金ＭＨに水素を吸蔵させる。水素吸蔵合金ＭＨによる水素の吸蔵は発熱反応であるから、移動体基地に装備する冷却用の熱媒供給手段４４から供給する熱媒を各熱交換器３６に循環させる。各熱交換器３６への熱媒の循環は、第２の鉄道車両１Ｂのみで行われるように、熱媒配管３０及び３１を使用して行えばよい。水素吸蔵合金ＭＨに十分に水素が吸蔵されたなら、水素配管３８を移動体基地の水素源４２への接続から燃料電池８への接続状態に切り換え、かつ、各熱交換器３６を熱媒供給手段４４への接続から燃料電池８への接続状態に切り換える。第１の鉄道車両１Ａと第２の鉄道車両１Ｂとが非連結状態にあるときは、連結器３２によつて連結させると共に、熱媒配管３０，３１及び水素配管３８を可撓性を有するチューブ（図示せず）を介して接続する。

この状態から燃料電池を稼働する。空気（酸素）は、コンプレッサ１４によつて空気加湿ユニット１５を通して燃料電池８に供給され、水素は、水素吸蔵合金ＭＨから放出されたものが水素配管３８及び水素加湿ユニット１６を通つて燃料電池８に供給される。燃料電池８の稼働に伴つて生ずる熱は、燃料電池冷却装置によつて冷却される。その際、ポンプ１８を駆動して熱媒を循環させ、燃料電池８を冷却して昇温した熱媒を熱媒配管３０を通じてタンク９に付属する各熱交換器３６に適宜に通し、所定の水素吸蔵合金ＭＨを加熱しながら、吸熱反応である水素放出を促す。水素吸蔵合金ＭＨを加熱した後の熱媒は、複数のラジエター１１を通して冷却された後に熱媒配管３１を通じて燃料電池８に戻り、燃料電池８の冷却に供される。

なお、水素吸蔵合金ＭＨから水素を放出させる際は吸熱反応になるが、鉄道車両１が走行する際に水素吸蔵合金ＭＨを加熱して水素吸蔵合金ＭＨから水素を放出させるため、水素吸蔵合金ＭＨとして水素放出温度が零度を超えるものを選定すれば、鉄道車両１の走行中にも融雪を図ることができる。また、鉄道車両１は、振り子式の車両であつてもよい。振り子式の車両に本発明を適用する場合には、現行の振り子式の車両の重心位置を高めることのない位置にタンク９及び水素吸蔵合金ＭＨを配置する。

ところで、上記１実施の形態にあつては、鉄道車両１が移動体であるとしたが、鉄道車両１の他、自動車、産業車両等も移動体に含まれるものである。また、鉄道車両１は、水素ガスが供給されて駆動エネルギーを生ずる燃料電池８を搭載し、燃料電池８で生ずる駆動エネルギーにより走行するものとしたが、燃料電池８は、水素ガスが供給されて駆動エネルギーを生ずる駆動源に置換することができ、燃料電池８は水素エンジンとすることができる。水素エンジンの稼働に伴つて生ずる熱は、熱媒によつて回収し、タンク９の加熱に供することができる。

本発明の１実施の形態に係る鉄道車両のタンクの配置を示す断面図。 同じく水素吸蔵合金の配置を示す断面図。 同じくタンクの構造例を示す断面図。 同じく第１の鉄道車両への燃料電池、電気モータ等の配置を示す概略図。 同じく第２の鉄道車両へのタンクの配置を示す概略図。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ：鉄道車両（移動体）
２：筐体
４：壁部
５：床部
８：燃料電池（駆動源）
９：タンク
１２：電気モータ
１３：台車
３０，３１：熱媒配管
３２：連結器
３４，３８：水素配管
３６：熱交換器
４２：水素源
４４：熱媒供給手段
ＭＨ：水素吸蔵合金

Claims (9)

1. 水素ガスが供給されて駆動エネルギーを生ずる駆動源（８）を搭載し、駆動源（８）で生ずる駆動エネルギーにより走行する移動体（１Ａ）と、該移動体（１Ａ）と連結器（３２）によつて連結される別車両である移動体（１Ｂ）とを有し、前記移動体（１Ｂ）の筐体（２）の壁部（４）内の隙間又は床部（５）内の隙間にタンク（９）を配置すると共に、該タンク（９）内に水素吸蔵合金（ＭＨ）を収容し、さらに、前記水素吸蔵合金（ＭＨ）に吸蔵させた水素を放出させて、前記駆動源（８）に燃料として供給するべく、前記タンク（９）から前記駆動源（８）へ水素を供給する水素配管（３８）と、前記駆動源（８）と前記タンク（９）との間で熱媒を供給する熱媒配管（３０）、（３１）とを具備することを特徴とする水素エネルギー駆動式移動体。
2. 前記駆動源（８）から排出される熱をタンク（９）に供給し、水素吸蔵合金（ＭＨ）を加熱して水素を放出させることを特徴とする請求項１の水素エネルギー駆動式移動体。
3. 前記タンク（９）に熱交換器（３６）を付属させ、熱交換器（３６）に通す熱媒によつてタンク（９）内の水素吸蔵合金（ＭＨ）を加熱して水素を放出させると共に、移動体基地に装備する冷却用の熱媒供給手段（４４）からの熱媒を熱交換器（３６）に通すことによつてタンク（９）内の水素吸蔵合金（ＭＨ）を冷却しながら、水素を水素吸蔵合金（ＭＨ）に吸蔵させることを特徴とする請求項１又は２の水素エネルギー駆動式移動体。
4. 前記タンク（９）が、移動体（１Ｂ）に着脱自在に設けられていることを特徴とする請求項１，２又は３の水素エネルギー駆動式移動体。
5. 前記熱交換器（３６）が、タンク（９）に着脱自在に設けられていることを特徴とする請求項３又は４の水素エネルギー駆動式移動体。
6. 前記タンク（９）が、移動体（１Ｂ）の筐体（２）の雪氷が付着する位置に対応して配置され、水素吸蔵合金（ＭＨ）に水素を吸蔵させる際の発熱反応で生ずる熱によつて移動体（１Ｂ）の筐体（２）を加温し、筐体（２）から雪氷を剥離させることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５の水素エネルギー駆動式移動体。
7. 前記タンク（９）が、移動体（１Ｂ）の雪氷が付着する台車（１３）に対向する位置の筐体（２）に配置され、水素吸蔵合金（ＭＨ）に水素を吸蔵させる際の発熱反応で生ずる熱によつて移動体（１Ｂ）の台車（１３）を加温し、台車（１３）から雪氷を剥離させることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５の水素エネルギー駆動式移動体。
8. 前記駆動源（８）が、燃料電池であることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６又は７水素エネルギー駆動式移動体。
9. 前記駆動源（８）が、水素エンジンであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６又は７の水素エネルギー駆動式移動体。

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