JP4779562B2

JP4779562B2 - 燃料補充システム

Info

Publication number: JP4779562B2
Application number: JP2005299547A
Authority: JP
Inventors: 努宮内; 嶋田　　基巳
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2025-10-14
Also published as: JP2007106276A

Description

本発明は、少なくとも１つの燃料タンクを備えた鉄道車両の燃料補充方法に関する。

近年、自動車，バス，鉄道車両など車両の動力源として、エネルギー効率が高くかつ環境に優しい発電装置である燃料電池もしくは、前記燃料電池と鉛電池，リチウムイオン電池，電気二重層キャパシタなどの電力貯蔵装置とのハイブリッド方式が注目されている。燃料電池は、水素と酸素の電気化学反応により発電する装置であり、生成されるものは水および熱である。しかしながら燃料電池を搭載した車両では、その燃料となる水素タンクも一緒に搭載しなければいけないが、水素タンクを搭載するスペースは限られており、できるだけ小さくする必要がある。そこで、比較的小型の水素タンクを搭載した場合であっても、円滑な運行を可能とする技術が開示されている。

しかしながら、この場合、駅間に燃料補充基地を設ける必要が生じるが、鉄道車両にはダイヤという遵守すべきものがあることから、ダイヤによっては燃料補充基地で必ずしも燃料を供給することが可能とはいえない。

特開２００５−６５３９８号公報

本発明では、燃料タンクへの速やかな燃料の補充方法を提供することにある。

本発明では、燃料を供給する方法として燃料補充基地から供給するのではなく、あらかじめ、駅など決まった位置でタンクに燃料を充填しておき、車両に搭載されているタンクと交換することによって行う。

具体的には、両端が決まっている路線の両端末に燃料充填システムを設置し、両端末に置いてある燃料タンクに燃料を充填する。また、車両の運行位置を把握することができる地上システムで端末に到着予定の車両の燃料タンクの残量を予測するとともに、前記到着予定の車両が端末に到着するまでに、現在端末で充填しているタンクがどの程度充填されるかを予測し、車両に搭載されているタンクと充填中のタンクの予測残量を比較して交換するかどうかを決定する。車両に搭載されているタンクの燃料残量の方が少ない場合には、タンク交換を行い、車両に搭載されているタンクの燃料残量の方が多い場合には、行わないことになる。ただし、一般的には充填されているタンクの方が多くなるようにしなければ、円滑な運行が実現できない場合があることから、タンクを数個用意し充填する時間を確保することが必要である。

以上の動作を繰り返すことにより両端での燃料の充填時間を０にし、タンクの交換時間のみとすることが可能となり、円滑な運行が可能となる。

また、両端が決まらない環状線などの場合には、あらかじめ決めておいた位置で上記交換を行うことで、円滑な運行を実現できる。

また、両端にこだわらず停車する駅ごとに上記交換を行っても良い。

以上の方法により燃料タンクを駅あるいか端末など決められた位置で取り外し、その位置においてある充填された燃料タンクを搭載することで運行を行い、次の車両が到着するまでに、前記取り外した燃料タンクを満充する、これを繰り返すことで小型の燃料タンクあるいは電力貯蔵装置での運行を可能にする。

図１，図２は本発明を実施するための車両であり、図１は燃料により発電する装置と燃料タンクを搭載した燃料発電装置車両であり、図２は、図１の車両に電力貯蔵装置を加えたハイブリッド車両である。図２の電力貯蔵装置としては、リチウムイオン電池，ニッケル水素電池，鉛電池などが考えられる。また、エネルギーを貯蔵する装置であれば代換することも可能であることから、電気二重層キャパシタなどでも可能である。

図１の燃料電池車両は、燃料電池１とその燃料である水素を保存する燃料タンク２−１，２−２，…，２−ｎ（ｎは１以上）を有しており、また、水素タンクを簡単に交換できるように、タンク口３−１，３−２，…，３−ｎ（ｎは１以上）を有する。燃料電池１を発電させるためのもうひとつの要素である酸素は、酸素タンク４−１，４−２，…，４−ｍ（ｍは１以上）で保存されており、また、水素タンクと同様、酸素タンクを簡単に交換できるようにタンク口５−１，５−２，…，５−ｍ（ｍは１以上）を有する。列車制御装置１３は、運転台１２から運転手の指令を受け取って、燃料電池１の制御装置１６，電力貯蔵装置の充放電制御装置１１，燃料タンク（水素タンク）２−１，２−２，…，２−ｎ
（ｎは１以上）の水素供給制御装置６および酸素タンク４−１，…，４−ｍ(ｍは１以上)の酸素供給制御装置７を制御する。水素供給制御装置６および酸素供給制御装置７は、燃料タンク２−１，…，２−ｎ（ｎは１以上）および酸素タンク４−１，…，４−ｍ（ｍは１以上）の設置状況から、水素および酸素を供給するタンクを決定し、運転台１２の指令を受け取った列車制御装置１３からの指令量を燃料電池１に供給するように制御する。供給された水素および酸素から燃料電池１は、発電を行い、列車制御装置１３からの指令を受け取った電力変換装置８および電動機９を経由し、車輪に動力が伝達されることで動く鉄道車両である。

図２のハイブリッド車両は、燃料電池１とその燃料である水素を保存する燃料タンク２−１，２−２，…，２−ｎ（ｎは１以上）を有しており、また、水素タンクを簡単に交換できるように、タンク口３−１，３−２，…，３−ｎ（ｎは１以上）を有する。燃料電池１を発電させるためのもうひとつの要素である酸素は、酸素タンク４−１，４−２，…，４−ｍ（ｍは１以上）で保存されており、水素タンクと同様、酸素タンクを簡単に交換できるようにタンク口５−１，５−２，…，５−ｍ（ｍは１以上）を有する。列車制御装置１３は、運転台１２から運転手の指令を受け取って、燃料電池１の制御装置１６，電力貯蔵装置の充放電制御装置１１，燃料タンク（水素タンク）２−１，２−２，…，２−ｎ
（ｎは１以上）の水素供給制御装置６および酸素タンク４−１，…，４−ｍ(ｍは１以上)の酸素供給制御装置７を制御する。水素供給制御装置６および酸素供給制御装置７は、燃料タンク２−１，…，２−ｎ（ｎは１以上）および酸素タンク４−１，…，４−ｍ（ｍは１以上）の設置状況から、水素および酸素を供給するタンクを決定し、運転台１２の指令を受け取った列車制御装置１３からの指令量を燃料電池１に供給するように制御する。供給された水素および酸素から燃料電池１は、発電を行う。それと同時に、列車制御装置
１３は、充放電制御装置１１に指令を伝達し電力貯蔵装置１０の充放電を行う。これにより、燃料電池１の発電量と充放電制御装置１１の充放電電力の和が、鉄道車両の動力に使用されることとなる。すなわち、前記燃料電池１の発電量と充放電制御装置１１の充放電電力の和が、列車制御装置１３からの指令を受け取った電力変換装置８および電動機９を経由し、車輪に動力が伝達されることで動く鉄道車両である。

なお、図１から図２のいずれにおいても酸素タンクを搭載しているが、酸素タンクおよび酸素制御装置を設置せず空気を送り込む空気制御装置を有する車両でも良い。例として、図１の酸素タンクおよび酸素制御装置を空気制御装置に変更した車両である図３について説明する。

図３のハイブリッド車両は、燃料電池１とその燃料である水素を保存する燃料タンク２−１，２−２，…，２−ｎ（ｎは１以上）を有しており、また、水素タンクを簡単に交換できるように、タンク口３−１，３−２，…，３−ｎ（ｎは１以上）を有する。水素供給制御装置６は、燃料タンク２−１，…，２−ｎ（ｎは１以上）の設置状況から、水素を供給するタンクを決定し、運転台１２の指令を受け取った列車制御装置１３からの指令量を燃料電池１に供給するように制御する。また、燃料電池１を発電させるためのもうひとつの要素である酸素は、空気制御装置１５により、大気中の空気を取り込むことで供給するように制御する。燃料電池１は、供給された水素および酸素から発電を行う。それと同時に、列車制御装置１３は、充放電制御装置１１に指令を伝達し電力貯蔵装置１０の充放電を行う。これにより、燃料電池１の発電量と充放電制御装置１１の充放電電力の和が、鉄道車両の動力に使用されることとなる。すなわち、前記燃料電池１の発電量と充放電制御装置１１の充放電電力の和が、列車制御装置１３からの指令を受け取った電力変換装置８および電動機９を経由し、車輪に動力が伝達されることで動く鉄道車両である。なお、列車制御装置１３は、運転台１２から運転手の指令を受け取って、燃料電池１の制御装置
１６，電力貯蔵装置の充放電制御装置１１，燃料タンク（水素タンク）２−１，２−２，…，２−ｎ（ｎは１以上）の水素供給制御装置６および酸素タンク４−１，…，４−ｍ
（ｍは１以上）の酸素供給制御装置７を制御する。

次に、図４は両端が定まっている路線をあらわしており、端末ＡおよびＢの間に、駅が複数ある場合を示している。ただし、端末ＡおよびＢの間に、駅がない場合および１つの場合でも本発明は成立する。図５は、両端がない場合である環状線の例である。この場合は、交換を行う駅をあらかじめ１つ以上決定しておき、その駅で交換を行い、車両を運行させれば、本発明は成立する。

図６および図７を用いてその交換について説明する。

図６は、本発明を達成するために必要なシステム構成であり、決まった場所を走行する車両，地上システム，充填システム，ダイヤデータにより構成される。図７は図６の地上システムの処理フローを示している。地上システムは、車両より位置情報と車両に搭載されている燃料タンクの残量情報を取得する（ステップ７０２）。次に、充填システムで燃料を充填しているタンクの燃料残量とダイヤデータから取得する車両の到着時刻から、車両の到着時刻に、充填システムで充填されているタンクの燃料残量がどの程度になるかを予測し、前記、車両に搭載されている燃料タンクの残量情報と比較する(ステップ７０３)。これを到着時刻の１分前から行い（ステップ７０１）、前記充填システムにあるタンクの燃料残量が前記車両に搭載されている燃料タンクの残量情報よりも多い場合は、タンクの交換指令を出力し終了する（ステップ７０４）。そうでなければ、車両が到着するかをチェックし（ステップ７０５）、到着していれば終了、していなければステップ７０２の処理に戻り、この処理を繰り返す。なお、１分前とあるが、０秒よりも大きい数字であれば、本発明は適用可能である。

以上の動作により燃料タンクの交換指令が発行される。この交換指令により燃料タンクの交換が行われる。その交換のイメージとしては次の図８のようになる。

図８は図４の路線を車両Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４車両が燃料タンクを搭載して走行した場合を示している。燃料タンクは、各車両に１つずつ積むとし、また、端末で交換するためのタンクをそれぞれ１つ用意することから、図８では燃料タンクをＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの６個示している。また、車両Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは図１あるいは図２あるいは図３に示される車両が１両もしくは複数につながった車両である。また、車両Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは図１あるいは図２あるいは図３に示される車両が１両もしくは複数につながり、さらに客車が１両以上つながる構成であっても良い。

まず、図８（ａ）は、車両Ａが燃料タンクＡを搭載し駅２に停車、車両Ｃが燃料タンクＣを搭載し端末Ａに停車、車両Ｂが燃料タンクＢを搭載し駅２に停車、車両Ｄが燃料タンクＤを搭載し端末Ｂに停車している状態であり、車両Ａ，Ｃは端末Ａから端末Ｂに向かい、車両Ｂ，Ｄは端末Ｂから端末Ａに向かうことを示している。さらに、燃料タンクＥが端末Ａで、燃料タンクＦが端末Ｂで燃料を充填中である。ここから時間Ｔ１経過後が図８
（ｂ）に示される状態であり、車両Ａが端末Ｂに到着し、搭載していた燃料タンクＡの残量と充填していた燃料タンクＦの残量を比較し、燃料タンクＦの残量が多いことから、燃料タンクＡをはずし燃料タンクＦを搭載した状態で端末Ｂに停車、燃料タンクＡは燃料を充填中となる。また、車両Ｃが燃料タンクＣを搭載し駅２に停車し、車両Ｄが燃料タンクＤを搭載し駅２に停車している。さらに、車両Ｂが端末Ａに到着し、搭載していた燃料タンクＢの残量と充填していた燃料タンクＥの残量を比較し、燃料タンクＥの残量が多いことから、燃料タンクＢをはずし燃料タンクＥを搭載した状態で端末Ａに停車、燃料タンクＢは燃料を充填中となる。なお、この時間では、車両Ｂ，Ｃが端末Ａから端末Ｂに向かい、車両Ａ，Ｄが端末Ｂから端末Ａに向かうことになっている。ここから、さらに時間Ｔ２経過後が図８（ｃ）に示される状態であり、車両Ｃが端末Ｂに到着し、搭載していた燃料タンクＣの残量と充填していた燃料タンクＡの残量を比較し、燃料タンクＡの残量が多いことから、燃料タンクＣをはずし燃料タンクＡを搭載した状態で端末Ｂに停車、燃料タンクＣは燃料を充填中となる。また、車両Ｂが燃料タンクＥを搭載し駅２に停車し、車両Ａが燃料タンクＦを搭載し駅２に停車している。さらに、車両Ｄが端末Ａに到着し、搭載していた燃料タンクＤの残量と充填していた燃料タンクＢの残量を比較し、燃料タンクＢの残量が多いことから、燃料タンクＤをはずし燃料タンクＢを搭載した状態で端末Ａに停車、燃料タンクＤは燃料を充填中となる。なお、この時間では、車両Ｂ，Ｄが端末Ａから端末Ｂに向かい、車両Ａ，Ｃが端末Ｂから端末Ａに向かうことになっている。以上の動作は、端末駅に停車するたびに、搭載しているタンクと端末で充填しているタンクの燃料残量の多いタンクを搭載し運行を行い、はずした燃料タンクに燃料を充填し、次の車両が到着した際の交換用タンクとすることであり、これを繰り返すことにより、燃料を供給する時間を減らすことが可能となるため、円滑な運行を可能とする。

また、図４では端末駅でタンクを交換、図５では交換を行う駅を決定しその駅でタンクを交換としているが、全ての駅で交換を行っても本発明は成立する。そのため、小型の燃料タンクであっても交換を行うタイミングを考慮することで十分円滑な運行を可能とする。

なお、本発明は鉄道車両のように決まった軌道を走行する車両には利用できることから、モノレールなどの新交通システムや、路面電車にも利用することができる。

本発明の一実施形態である鉄道車両。本発明の一実施形態である鉄道車両。本発明の一実施形態である鉄道車両。本発明の一実施形態で考慮される路線の一例。本発明の一実施形態で考慮される路線の一例。本発明の一実施形態で考慮されるシステム構成の一例。本発明の一実施形態である燃料タンクの交換指令。本発明の一実施形態である鉄道車両に搭載される燃料タンクの交換イメージ。

符号の説明

１…燃料電池、２−１，２−２，２−ｎ…燃料タンク、３−１，３−２，３−ｎ，５−１，５−２，５−ｎ…タンク口、４−１，４−２，４−ｎ…酸素タンク、６…水素供給制御装置、７…酸素供給制御装置、８…電力変換装置、９…電動機、１２…運転台。

Claims

車両の運行位置を把握する地上システムと燃料タンクに燃料を充填する燃料充填システムとを有する燃料補充システムにおいて、両端の決まっている路線の両端末に前記燃料充填システムを設置し、前記地上システムは車両の運行ダイヤから定まる該当端末への車両の到着時刻と、前記燃料充填システムに設置され燃料の充填を開始した時刻から、該当端末に次の車両が到着するまでに充填できる燃料の充填量を予測することを特徴とし、該当端末に到着する車両の燃料タンクの充填量と比較することで交換を行うことを決定する燃料補充システム。
車両の運行位置を把握する地上システムと燃料タンクに燃料を充填する燃料充填システムとを有する燃料補充システムにおいて、路線のあらかじめ決められた位置に前記燃料充填システムを設置し、前記地上システムは車両の運行ダイヤから定まる前記該当位置への車両の到着時刻と、前記燃料充填システムに設置され燃料の充填を開始した時刻から、前記該当位置に次の車両が到着するまでに充填できる燃料の充填量を予測することを特徴とし、該当位置に到着する車両の燃料タンクの充填量と比較することで交換を行うことを決定する燃料補充システム。
請求項１または請求項２に記載の燃料補充システムにより燃料の補充を受ける車両であって、前記車両は、燃料により発電する発電装置を搭載することを特徴とする車両。