燃料電池鉄道車両の開発

省エネルギーや環境負荷低減を目的として、水素を燃料として発電する燃料電池を鉄道車両の電源に適用する研究を行っています。

1.はじめに

省エネ・環境負荷低減を目的とした車両技術の一つとして、水素を燃料として発電を行う燃料電池を、鉄道車両の電源に適用する研究を行っています。

2.燃料電池鉄道車両の開発について

  • 2001年度より燃料電池鉄道車両の開発を開始し、3つのフェーズに分けて研究開発を進めています。(表1)
  • 2005年度、鉄道車両の走行用電源を想定した燃料電池システム(図1)と、燃料となる水素を貯蔵し、システムへ供給する高圧水素タンクシステム(図2)を試作しました。

表1 燃料電池試験電車の開発フェーズ
図1 試作した固体高分子形燃料電池システム
図2 試作した高圧水素タンクシステム

2006年度、燃料電池のみを鉄道車両の走行用電源に適用した走行試験を行い、鉄道車両1両を駆動することに成功しました。

3.100kW級固体高分子形燃料電池システムの試作

  • 燃料電池を鉄道車両の電源として利用するためには、始動性、負荷追従性などさまざまな要求があります。
  • 低温動作が可能な固体高分子形を採用し、高温部をなくして始動時間を90秒程度と短くしました。
  • 鉄道車両特有の変動負荷に対して、空気量を変化させて負荷に追従させています。

4.高圧水素タンクシステムの試作

  • 試作した高圧水素タンクシステムは、水素を350気圧で高圧圧縮し、総量約17.2kgを貯えることができます。(図2)
  • システム内には4本の高圧容器が搭載されており、燃料電池自動車用として実績のある「TYPEⅢ」と呼ばれる容器を使用しています。
  • 一段で10気圧に減圧して燃料電池へ供給し、燃料電池内部でさらに1気圧に減圧して使用します。

5.燃料電池試験電車

  • これらの機器を試験電車に搭載して、燃料電池を電源として1両で双方向に運転可能な車両を開発しました。(図3)
  • 走行用の電源とする燃料電池、駆動用インバータは車内に搭載し、高圧水素タンクは床下に取り付けました。
  • 主回路部に使用している機器は、すべてハードは一般のDC1,500Vの鉄道車両と同じものを使用しており、燃料電池電源に対応したソフト改良を行っています。
  • 今回は室内灯や電動コンプレッサー等の電力は架線から供給する構成としましたが、将来的には燃料電池出力を増大し、この電力も燃料電池から供給する構成を検討しています。

図3 試作した燃料電池試験電車

燃料電池試験電車の走行試験結果を紹介します。

なお、この技術開発の一部は、国土交通省からの補助金を受けて実施しました。

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参考文献

  1. 山本貴光、米山崇、小川賢一:「固体高分子型燃料電池の制御方法と最近の開発動向」、鉄道総研報告、第20巻、第7号、pp.41-46、2006.07
  2. 山本貴光:「トピックス 燃料電池車両の開発」、RRR、Vol.63、No.11、pp.39、2006.11
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