JPH0937412A - 再生型燃料電池 - Google Patents

再生型燃料電池

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JPH0937412A
JPH0937412A JP7184542A JP18454295A JPH0937412A JP H0937412 A JPH0937412 A JP H0937412A JP 7184542 A JP7184542 A JP 7184542A JP 18454295 A JP18454295 A JP 18454295A JP H0937412 A JPH0937412 A JP H0937412A
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JP
Japan
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power
regenerative
ground
fuel cell
substation
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JP7184542A
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Koji Oki
康次 大木
Hitoshi Hasegawa
均 長谷川
Toshikatsu Ito
利勝 伊東
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Railway Technical Research Institute
Original Assignee
Railway Technical Research Institute
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力を利用する分野において発生する受給バ
ランスの調整装置として、瞬時負荷として機能する水電
解装置と瞬時発電としての燃料電池の両者組み合わせた
再生型パワー装置である再生型燃料電池を導入すること
により、受給バランスを瞬時に調整することを常に可能
とする。 【解決手段】 地上・車上の発変電装置に、水電解装置
９、水素・酸素貯蔵装置１０、熱交換器８、燃料電池１
１、再生制御装置１２から構成させれた再生型燃料電池
７を付加させることにより、電力分野に発生する受給の
アンバランスが発生した場合、すなわち、発変電装置か
ら供給される電力が余剰になった場合には、水電解装置
９、水素・酸素貯蔵装置１０を負荷として作動させ、不
足なった場合は、その不足電力を燃料電池で発電するこ
とにより補償する方式により、電力のアンバランスを調
整する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、車の所要ロードあるい
は、電力系統に接続されるロードに対して、発電所、あ
るいは、車上・地上変電所で電力が余剰になった場合
に、水素電解装置としてのロードを作り、また、不足す
る場合は、その水素・酸素エネルギから電力を再生させ
ることを特徴とする再生型燃料電池で、特に急峻なロー
ドとして機能すると同時に瞬時力の高い電力供給の能力
としての機能を併せ持つ再生型ハイブリッド・パワー装
置は過不足の電力受給調整に即応する能力が高い。した
がって、機械・電気等あらゆるパワーの発生から最終パ
ワーの利用形態の全系において、その一部、または、全
部が、電力パワーである分野において、電力を利用する
限り、かななず、多かれ、少なかれ、電力の過不足が不
可避・突発的な瞬間的、短時間に発生する外、また、ロ
ード・レベリングのように過不足を意図的に解消しよう
とする場合などに、その電力過不足調整用として利用さ
れる再生型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】本発明を使用しない従来の車上蓄電池再
生方式の再生型ハイブリッド・パワー供給装置につい
て、図６を用いて説明する。エネルギ貯蔵装置としての
軽油貯蔵装置２６、エネルギ変換装置としてのディーゼ
ルエンジン２７、発電装置３、回生等車上発電装置４、
蓄電池２８、電力調整装置２９で構成され、駆動等ロー
ド１３に電力を供給する車上蓄電池再生型ハイブリッド
・パワー装置である。
【０００３】ハイブリッド・パワー装置として、内燃機
関と蓄電池(Intersociety Energy Conversion Engoneer
ing Conference:IECEC, 15th, 1980, Vol.3, p1760) 、
外燃機関と蓄電池のハイブリッド・パワー装置(IECEC,
27th, 1992, Vol.3, p3.167)があるが、蓄電池の蓄電力
速度である充電能が著しく低い問題があった。
【０００４】ハイブリッド・パワー装置として、内燃機
関とフライホイール(IECEC, 25th,1994, p205,p211)の
ハイブリッド・パワー装置があるが、フライホイールの
蓄電力量が著しく低い問題があった。
【０００５】ハイブリッド・パワー装置として、内燃機
関と熱電変換装置(IECEC, 25th, 1994, p1419)のハイブ
リッド・パワー装置があるが、熱電変換効率が著しく低
い問題があった。
【０００６】次に、その他のハイブリッド・パワー装置
として、燃料電池と蓄電池(IECEC,23th, 1988, p227)
とのハイブリッド・パワー装置があるが、蓄電池の重量
エネルギ効率と充電能が非常に低い問題があった。
【０００７】このように、前述した例のようなハイブリ
ッド・パワー装置として、実用的な複数のパワー発生機
の組み合わせによるハイブリッド・パワー装置が可能で
あり、単独のパワー装置より、そのパワー発生源が複数
となることにより、相互の弱点と強い点を相互に補い合
う相互補完関係、さらには、その関係から生じるシナジ
ー効果により、より高度なパワー供給系が構成される場
合があることから、一部に実用化されているが、いずれ
も、重量・容積当りの充電能、放電能、蓄電量などの再
生能に問題があった。
【０００８】さらに、再生型パワー装置としては、車の
運動エネルギの回収として、回生ブレーキにより得られ
たパワーをエネルギ蓄積装置に蓄積し、パワーが必要と
なった場合に所要パワーとして引き出す回生再生型パワ
ー装置(IECEC, 25th, 1994,p1430)があるが、回生再生
に伴う効率が低い問題があった。
【０００９】さらに、また、再生型パワー装置としての
宇宙用としては、太陽電池により水を水電解装置によ
り、水素・酸素を発生させ、貯蔵した水素・酸素を燃料
として、パワーを必要とするとき、燃料電池により、電
力を発生させる再生型燃料電池(IECEC, 24th, 1989, p1
631)があるが、エネルギ蓄積・再生用としての利用であ
り、高位のパワー維持を目的としていない。
【００１０】その地上用としては、同様な再生型燃料電
池(International Hydrogen and Clean Energy Symposi
um sponsered by NEDO, 1995, p31)システムがあるが、
エネルギ蓄積・再生用としての利用であり、発電能力の
最高効率運転による余剰パワーのエネルギ蓄積とエネル
ギ放出による必要とする高位のパワー維持を目的として
いない。
【００１１】その地上用としては、同様な再生型発電
（電気学会論文誌、Vol.115-B, 6,1995, p447）システ
ムとして揚水発電があるが、揚水発電の電源立地条件か
ら、一般に、需要地から遠隔となるため、送電ロスが不
可避である問題があった。
【００１２】前記のほか、電力系統においては、電力ロ
ードの変動と発電装置の異常解列などによる発電パワー
の変動とによる受給バランスの調整を図るため、調速機
などにより対応しているが、変動調整速度が必ずしも期
待されるほど速くない問題があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】解決しようとする課題
は、需要近くに設置可能な、すなわち、オン・サイト、
オン・ボード装置として、高効率なハイ・パワー・エネ
ルギ変換・蓄積・発生と言う再生エネルギ変換によるパ
ワーの高品質化であり、この高品質化によって、車のエ
ネルギ総合変換効率の向上、また、電力系統の電力品質
の向上、さらに、それら向上に伴う電力利用機器の高レ
ベル利用である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、一般に、別に
パワー発生源を有するハイブリッド構成が成立する系に
おいて、オン・サイト、オン・ボード装置としてのハイ
・パワーなエネルギ変換・蓄積・発生、すなわち、再生
エネルギ変換機能を有するハイブリッドな再生装置によ
り、余剰パワーが発生した場合、その余剰パワーによ
り、高効率な水電解装置で水電解し、その水電解により
発生した水素・酸素を水素・酸素貯蔵装置に貯蔵して、
パワーが不足する時に、適宜適応して、その蓄積エネル
ギを燃料とする燃料電池により電力を発生させ、ハイブ
リッドにパワーを供給することを最も主要な特徴とす
る。その特徴のため、ハイ・パワーなエネルギ変換・蓄
積とハイ・パワーな発電という目的を、高いエネルギ重
量・容積効率を維持する形で実現した。
【００１５】
【作 用】この再生型燃料電池システムが地上・車上変
電所に導入されれば、つぎの様な可能性が引き出され
る。
【００１６】（既存の変電所容量の中でスピードアッ
プ）十分な変電所容量がある、または、定電圧制御装置
が導入されていた変電所であったとしても、変電所から
遠ざかるにつれて、き電回路定数だけ電圧降下すること
となる。したがって、列車走行の基準運転時分の設定条
件となるランカーブは、その電圧降下を前提に、線区に
対して最低電圧を割り込まない前提として、すなわち、
ある一定の電圧が維持される（その電圧以上に供給され
る場合は、余裕運転時分となる。）と考え、一般にラン
カーブが描出されることになる。したがって、再生型燃
料電池システム電車の導入により、その供給源と地上キ
電とのハイブリッド供給システムが可能となることか
ら、高い最低電圧の設定と車上負荷から見た定電圧電源
が可能となるので、スピードアップが可能となる。
【００１７】（標準的な列車編成線区を少頻度走行する
ハイ・パワーな列車に対応する変電所容量増加・新設の
回避、最低電圧割り込み回避効果）変電所容量はその線
区に走行する標準的列車編成には十分対応できるが、大
出力電気機関車や長大列車編成の特急列車等のハイ・パ
ワーな列車が、その線区を少頻度走行したい場合があ
る。しかしながら、変電所容量の不足か、電圧降下によ
る最低電圧割り込みの発生が予想される場合は、その列
車編成を走行させることができない。したがって、変電
所容量の不足か、電圧降下による最低電圧の割り込みを
回避する目的で、再生型燃料電池システム電車の導入に
より、その供給源と地上キ電とのハイブリッド供給シス
テムが可能となることから、変電所容量増加・新設、最
低電圧割り込みが回避可能となる。
【００１８】（列車頻度の少ない新線を走行する列車に
対する変電所間隔の延伸による新線建設資本費の低減効
果）再生型燃料電池システム電車の導入により、隣接変
電所の中間、方送り変電所の末端区間において、不足す
るパワー、電圧に対して、車上補償発電することが可能
となることから、変電所間延伸が可能となる。
【００１９】（電化区間の気動車運転、電化・非電化区
間乗客乗り換え回避によるサービス向上効果）電化・非
電化・電化区間走行列車として、気動車と電車併結運転
の例があるが、さらに、再生型燃料電池システム電車の
導入により、サービス性が高い蓄電池電車併合の全電車
列車構成が可能となり、中抜け非電化線区が短区間の場
合、電化・非電化区間直通電車走行が可能となる。ま
た、肋骨線電化する場合、狭小トンネルのトンネル改修
を回避して、そのトンネルだけ非電化走行することが可
能となれば、高価なトンネル回収費が低減できることか
ら、電化の投資効果が向上する。
【００２０】（回生ブレーキ発電による回生失効分の再
生電力による省エネ運転）回生電力は、基本的には近隣
走行する車両に供給することが基本であるが、近隣走行
する列車がないなど、回生電力が余剰となった場合は、
電圧上昇を引き起こすため、キ電回路保護の考えから、
回生失効することとなる。そこで、再生型燃料電池シス
テム電車の導入により、このような回生失効する失効電
力を充電することが可能となることから、省エネルギ効
果と変電所容量低減効果、ブレーキ舟消耗低減効果など
が期待できる。
【００２１】（予備変成機器の配備不要による資本費低
減効果）普通鉄道構造規則第１０９条第２項によれば、
常用変成機器の故障時の列車運転支障回避義務が規定さ
れ、再生型燃料電池システム電車の導入により、列車運
転支障回避可能と考えられるので、予備変成機器の配置
を回避できることとなる。
【００２２】以上の可能性のほか、電力会社との基本料
金の設定は、計測デマンド・ピーク値により決定される
訳であるが、そのピーク値の低減降下も可能となること
などから、この車上・地上電源ハイブリッド電源によ
り、経費節減効果も期待できる。
【００２３】電力系統における安定的な電力伝送を考え
る場合、電力に関する定態安定と過渡安定の外に電圧安
定があり、これらの安定を確保することが必要である。
電力安定のためには、SVC 、SVG や同期調相機などによ
る進み・遅れ無効電力の制御により、電力の安定化を図
る一方、電圧安定化としては、電源の適正配置による電
力系統の潮流偏差の解消、送電電圧の格上げ、送電線、
変電所増強などにより電圧安定化を図っている。これら
従来の方式は電力伝送にともなうインピーダンス制御
（主としてリアクタンス制御）と電圧源制御であり、そ
の制御速度が早いことが要請される。
【００２４】ここに発明した再生型燃料電池は、それら
の方法に比して制御速度が早いので、この再生型燃料電
池を利用すれば、容易に問題の解決が図れる。また、再
生型燃料電池は電流源であることから、電流増加に対す
る問題も対応でき、さらに、電源立地として需要地に近
接したオンサイト発電が可能であることから、電力の定
態安定化、過渡安定化、電圧安定化が同時に実施できる
メリットがある。
【００２５】このような再生電力の発生の可能性として
は、電力系統において、ピークの設備余裕率である供給
予備率は、１０％以下とタイトであるが、終日および
月、季、年間など時間平均の電力設備の利用効率は、か
ならずしも高くないため、ロード・レベリング用ロード
として、水電解装置の作動と水素・酸素エネルギ貯蔵が
対応でき、その蓄積された水素・酸素エネルギにより、
電力の定態安定化、過渡安定化、電圧安定化のため、再
生型燃料電池の利用が考えられる。
【００２６】
【実施例】本発明における再生型燃料電池の１実施例に
ついて、図１を用いて説明する。図１は車上自励再生方
式の再生型燃料電池であつて、エネルギ蓄積装置１、エ
ネルギ変換装置２、発電装置３で構成される車上に電力
を発生する装置を自ら搭載し、または、自ら回生電力に
よる回生等車上発電装置４を備え、その外の電力源とし
て、他の車の回生等車上発電装置４、地上発変電所５、
送配電線路６、さらに、車上に搭載する再生型燃料電池
７は、熱交換器８、水電解装置９、水素貯蔵装置１０、
燃料電池１１、再生制御装置１２で構成され、この再生
制御装置１２で電力の過不足条件を判断して、不足する
場合は、駆動等ロード１３が必要とする交流または、直
流電源に必要により変成し、あるいは、直接に、電力と
して駆動等ロード１３に供給される車上自励再生方式２
０の再生型燃料電池である。
【００２７】本発明における再生型燃料電池の１実施例
について、図２を用いて説明する。図２は車上他励再生
方式の再生型燃料電池であつて、回生等車上発電装置
４、地上発変電所５、送配電線路６、さらに、車上に搭
載する再生型燃料電池７は、熱交換器８、水電解装置
９、水素貯蔵装置１０、燃料電池１１、再生制御装置１
２で構成され、この再生制御装置１２で駆動等ロード１
３が必要とする交流または、直流電源に必要により変成
し、あるいは、直接に、電力として駆動等ロード１３に
供給される車上他励再生方式２１の再生型燃料電池であ
る。また、過剰と判断される場合は、再生制御装置１２
で、水電解装置９、水素貯蔵装置１０、熱交換器８を作
動させ、水素エネルギを蓄積させる。
【００２８】本発明における再生型燃料電池の１実施例
について、図３を用いて説明する。図３は地上自他励再
生方式の再生型燃料電池であつて、エネルギ蓄積装置
１、エネルギ変換装置２、発電装置３で構成される地上
変電所を持ち、その他の電力源として、回生等車上発電
装置４、地上発変電所５、送配電線路６、さらに、地上
変電所に再生型燃料電池7を備え、その再生型燃料電池
７は、熱交換器８、水電解装置９、水素貯蔵装置１０、
燃料電池１１、再生制御装置１２で構成され、この再生
制御装置１２で、電力の過不足条件を判断して、不足す
る場合は、駆動等ロード１３が必要とする交流または、
直流電源に必要により変成し、あるいは、直接に、送配
電線路６を通じて、それらの電源から電力を駆動等ロー
ド１３に供給する地上自他励再生方式２３による再生型
燃料電池である。また、過剰と判断される場合は、再生
制御装置１２で、水電解装置９、水素貯蔵装置１０、熱
交換器８を作動させ、水素エネルギを蓄積させる。
【００２９】本発明における再生型燃料電池の１実施例
について、図４を用いて説明する。図４は地上他励再生
方式の再生型燃料電池であつて、地上変電所に自らの発
電設備を備ず、回生等車上発電装置４と送電線１４から
電力が供給される地上他励再生方式２４の本発明の１実
施例の構成図であつて、送電線１４から供給される電力
が商用周波の交流の場合は、受電変成機器１５を必要と
する場合、その変成機器から供給される電力を整流器１
６で整流して、再生制御装置１２に供給する一方、地上
変電所に設置された再生型燃料電池７は、熱交換器８、
水電解装置９、水素貯蔵装置１０、燃料電池１１、再生
制御装置１２で構成され、この再生制御装置12で電力の
過不足条件を判断して、不足する場合は、駆動等ロード
１３が必要とする交流または、直流電源に必要により変
成し、あるいは、直接に、配電線路６を通じて、駆動等
ロード１３に電力を供給する地上他励再生方式２４の再
生型燃料電池である。また、過剰と判断される場合は、
再生制御装置１２で、水電解装置９、水素貯蔵装置１
０、熱交換器８を作動させ、水素エネルギを蓄積させ
る。
【００３０】本発明における再生型燃料電池の１実施例
について、図５を用いて説明する。図５は地上・車上連
携再生方式の再生型燃料電池であつて、車上再生方式１
９と地上再生方式２２の再生型燃料電池７が相互に連携
して、駆動等ロード１３に電力を供給する地上・車上連
携再生方式の再生型燃料電池である。
【００３１】
【発明の効果】本発明の再生型燃料電池によれば、電力
供給装置において、再生エネルギ変換によりパワーを高
品質化して、移動体のエネルギ総合変換効率や電力系統
の電力品質を向上できる。さらに、これらが向上するこ
とによって、電力利用機器を高レベルで利用することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における再生型燃料電池の１実施例で車
上自励再生方式の再生型燃料電池の構成図である。
【図２】本発明における再生型燃料電池の１実施例で車
上他励再生方式の再生型燃料電池の構成図である。
【図３】本発明における再生型燃料電池の１実施例で地
上自他励再生方式の再生型燃料電池の構成図である。
【図４】本発明における再生型燃料電池の１実施例で地
上他励再生方式の再生型燃料電池の構成図である。
【図５】本発明における再生型燃料電池の１実施例で地
上・車上連携再生方式の再生型燃料電池の構成図であ
る。
【図６】本発明を使用しない従来の車上蓄電池再生方式
の再生型ハイブリッド・パワー供給装置の構成図であ
る。
【符号の説明】
１ エネルギ蓄積装置 ２ エネルギ変換装置 ３ 発電装置 ４ 回生等車上発電装置 ５ 地上発変電所 ６ 送配電線路 ７ 再生型燃料電池 ８ 熱交換器 ９ 水電解装置 １０ 水素・酸素貯蔵装置 １１ 燃料電池 １２ 再生制御装置 １３ 駆動等ロード １４ 送電線 １５ 受電変成器 １６ 整流器 １７ 車上変電所 １８ 地上変電所 １９ 車上再生方式 ２０ 車上自励再生方式 ２１ 車上他励再生方式 ２２ 地上再生方式 ２３ 地上自他励再生方式 ２４ 地上他励再生方式 ２５ 連携線 ２６ 軽油貯蔵装置 ２７ ディーゼルエンジン ２８ 蓄電池 ２９ 電力調整装置

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 移動体（以下、車という。）が自ら車上
    で発生するパワー、 または、地上の発電および送電された電力を変成する電
    力供給装置（以下において、発電機能を有する意味を含
    め、地上変電所という。）ならびに他の車で余剰となっ
    ている電力を外部に供給する車（以下、地上変電所と同
    様に車上変電所という。）、すなわち、地上および車上
    変電所（以下、一括して、変電所という。）から電力供
    給されるパワーと車上の再生型パワー発生・変換装置
    （以下、再生型パワー装置という。）から供給されるパ
    ワーとによる車上の再生型ハイブリッド・パワー供給装
    置（以下、再生型ハイブリッド・パワー装置（ＲＨＰ）
    という。）により、 車が必要とする駆動用主要ロードおよびその駆動用ロー
    ド以外の補助ロード（以下、両者を一括してロードとい
    う。）、すなわち、所要ロードに対して所要のパワーを
    確保する車において、 再生型パワー装置として、水電解装置、水素・酸素貯蔵
    装置（以下、空気中の酸素で対応できる場合は、酸素貯
    蔵装置は不要とする。）、熱交換器、燃料電池等により
    構成する再生型燃料電池、同燃料電池の再生制御装置を
    備え、 その再生型ハイブリッド・パワー装置から供給されるパ
    ワーにより車の所要ロードを賄うことを特徴とする再生
    型燃料電池。
  2. 【請求項２】 請求項１の車およびその他の車に電力を
    供給する地上変電所において、地上・車上の再生型パワ
    ー装置として、水電解装置、水素・酸素貯蔵装置、熱交
    換器、燃料電池等により構成する再生型燃料電池、同燃
    料電池の再生制御装置を備え、 その車において、電力が回生された場合、地上・車上の
    変電所から電力供給がなされるパワーと自らが発生する
    パワーのいずれかのパワー、または、両者を合わせた両
    パワーが上回ったとき、必要に応じて、 地上・車上水電解装置を作動させ、発生する水素・酸素
    を地上・車上の水素・酸素貯蔵装置に貯蔵し、 逆に、下回ったときに、地上・車上変電所から供給する
    か、再生型地上・車上変電所として供給するか経済的等
    から所要の判断を行い、必要に応じて、 再生型地上・車上変電所として作動させる場合は、その
    地上・車上貯蔵水素・酸素により、地上・車上の燃料電
    池を作動させて電力を発生させて、 その下回った不足電力を補償するように地上・車上変電
    所から電力を供給すること、すなわち、地上・車上の再
    生型ハイブリッド・パワー装置により過不足の電力に対
    応することを特徴とする再生型燃料電池。
  3. 【請求項３】 請求項２の地上変電所において、契約電
    力を上回らない範囲で、供給パワーに余裕がある場合、 または、回生車から供給される電力が余剰となって、回
    生失効電圧に達しないように再生制御装置により制御す
    ることが可能な場合、 さらに、回生車から供給される余剰電力がその地上変電
    所で再生する能力を上回った場合、あるいは、その余剰
    電力を供給電気事業者に帰還整調させることが優位であ
    る場合、必要に応じて、 その変電所において、余剰電力を回収するため、地上水
    電解装置を作動させ、発生する水素・酸素を水素・酸素
    貯蔵装置に貯蔵し、 逆に、下回ったときに、地上変電所として供給するか、
    再生型地上変電所として供給するか経済的等から所要の
    判断を行い、再生型地上変電所として作動させる場合
    は、その貯蔵水素・酸素により、燃料電池を作動させて
    電力を発生させて、その下回った不足電力を確保するよ
    うに地上変電所から電力を供給すること、すなわち、再
    生型ハイブリッド・パワー装置により過不足の電力に対
    応することを特徴とする再生型燃料電池。
  4. 【請求項４】 請求項１または請求項２または請求項３
    の車上・地上変電所において、必要に応じて、車と地上
    変電所が相互に連携し合うことにより、請求項１または
    請求項２または請求項３に記述する再生作動を促進させ
    ること、すなわち、再生型ハイブリッド・パワー装置に
    より過不足の電力に対応することを特徴とする再生型燃
    料電池。
  5. 【請求項５】 請求項１または請求項２または請求項３
    の車上・地上変電所において、両者のエネルギ変換装置
    の最高効率運転により余剰となる電力を再生させるた
    め、必要に応じて、相互の連携、もしくは、単独で再生
    作動させること、すなわち、再生型ハイブリッド・パワ
    ー装置により過不足の電力に対応することを特徴とする
    再生型燃料電池。
  6. 【請求項６】 発電から電力負荷（ロード）に連なる電
    力系統において、再生型パワー装置として、水電解装
    置、水素・酸素貯蔵装置、熱交換器、燃料電池等により
    構成する再生型燃料電池、同燃料電池の再生制御装置を
    備えた再生型ハイブリッド・パワー装置により、 電力系統において変動する発電電力とロードとの受給差
    に対して、発電電力の供給過剰の場合、必要に応じて、
    その余剰電力で水電解装置を作動させ、その発生水素・
    酸素を貯蔵し、不足する場合は、貯蔵水素・酸素により
    燃料電池から電力を再生させることにより、電力系統に
    発生する過不足の電力に対応することを特徴とする再生
    型燃料電池。
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