(57)【要約】【課題】  液体水素を燃料とする燃料電池電車において、水素置換用不活性ガスを、車上に高圧ボンベや断熱容器で保存すると設備やコストの増大を招く問題がある。【解決手段】  液体水素を燃料とする燃料電池電車搭載窒素発生装置において、液体水素タンク７に接続される気化及び熱交換器８と、この気化及び熱交換器８に接続される空気吸入装置９と、該気化及び熱交換器８に接続される液化分離装置１０と、この液化分離装置１０に接続される窒素用気化器１１と、前記気化及び熱交換器８に接続され、水素が供給されるとともに、前記窒素用気化器１１から窒素が供給される燃料電池１を備え、前記気化及び熱交換器８において前記空気吸入装置９から導入した空気と熱交換させ、この気化及び熱交換器８において、空気中の窒素を液化させ、前記液化分離装置１０に送り、この液化分離装置１０において選択的に窒素を液化分離し、この液化分離された窒素を前記窒素用気化器１１によりガス化し燃料電池１に供給する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体水素タンクに接続される気化及び熱交換器と、該気化及び熱交換器に接続される空気吸入装置と、該気化及び熱交換器に接続される液化分離装置と、該液化分離装置に接続される窒素用気化器と、前記気化及び熱交換器に接続され、水素が供給されるとともに、前記窒素用気化器から窒素が供給される燃料電池を備え、前記気化及び熱交換器において前記空気吸入装置から導入した空気と熱交換させ、該気化及び熱交換器において、空気中の窒素を液化させ、前記液化分離装置に送り、該液化分離装置において選択的に窒素を液化分離し、該液化分離された窒素を前記窒素用気化器によりガス化し燃料電池に供給することを特徴とする液体水素を燃料とする燃料電池電車搭載窒素発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体水素を燃料とする燃料電池電車に搭載する窒素発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今、燃料電池車両の開発が行われている（下記非特許文献１、２参照）。
【０００３】
燃料電池電車に搭載された燃料電池、特に固体高分子膜型燃料電池においては、セルスタックの発電を停止した後、高分子膜の保護や不純物の混入を防ぐため、水素極側の水素を窒素ガス等の不活性ガスにより置換している。当該不活性ガスは、通常圧縮窒素の形態で車上に搭載もしくは地上設備に保存されている。圧縮窒素の形態で保存するためには、高圧ボンベを使用せねばならず、安全性、重量、体積の制限を受けることとなる。また、液体窒素の形態で保存する場合は、高圧ボンベの代わりに断熱容器を使用する必要があり、上記と同様な制約を受ける。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】山本  貴光，古谷  勇真，米山  崇，小川  賢一、「燃料電池車両の開発」，ＲＲＲ  ２００７．８，ｐｐ．１４−１７
【非特許文献２】山本  貴光，長谷川  均，古谷  勇真，小川  賢一、「燃料電池・バッテリーハイブリッド試験電車の概要」，ＲＲＲ  ２００９．３，ｐｐ．２−５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、水素置換用不活性ガスを車上に、蓄積用高圧ボンベや断熱容器で保存すると設備やコストの増大を招く問題がある。
【０００６】
この問題を解決するには、燃料として使用する液体水素の気化熱を利用して、空気中の窒素を液化分離し、不要な酸素等を除去して、純度の高い窒素ガスを生成し、当該窒素ガスを水素置換用不活性ガスとして使用すればよい。
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑みて、蓄積用高圧ボンベや断熱容器を使用せずに、車上で純度の高い窒素ガスを発生させることができる液体水素を燃料とする燃料電池電車搭載窒素発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕液体水素を燃料とする燃料電池電車搭載窒素発生装置において、液体水素タンク（７）に接続される気化及び熱交換器（８）と、この気化及び熱交換器（８）に接続される空気吸入装置（９）と、この気化及び熱交換器（８）に接続される液化分離装置（１０）と、この液化分離装置（１０）に接続される窒素用気化器（１１）と、前記気化及び熱交換器（８）に接続され、水素が供給されるとともに、前記窒素用気化器（１１）から窒素が供給される燃料電池（１）を備え、前記気化及び熱交換器（８）において前記空気吸入装置（９）から導入した空気と熱交換させ、この気化及び熱交換器（８）において、空気中の窒素を液化させ、前記液化分離装置（１０）に送り、この液化分離装置（１０）において選択的に窒素を液化分離し、この液化分離された窒素を前記窒素用気化器（１１）によりガス化し燃料電池（１）に供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、水素置換用の不活性ガスが、液体水素の気化熱により空気中の窒素を液化分離することで得られる。このため液体水素を燃料とする燃料電池電車上に蓄積用高圧ボンベや断熱容器を搭載する必要がなく、安全で、軽量かつ小型の燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例を示す燃料用液体水素の気化熱を利用して空気中の窒素を液化分離する窒素発生装置を搭載した燃料電池電車システムの全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の液体水素を燃料とする燃料電池電車搭載窒素発生装置は、液体水素タンクに接続される気化及び熱交換器と、この気化及び熱交換器に接続される空気吸入装置と、この気化及び熱交換器に接続される液化分離装置と、この液化分離装置に接続される窒素用気化器と、前記気化及び熱交換器に接続され、水素が供給されるとともに、前記窒素用気化器から窒素が供給される燃料電池を備え、前記気化及び熱交換器において前記空気吸入装置から導入した空気と熱交換させ、この気化及び熱交換器において、空気中の窒素を液化させ、前記液化分離装置に送り、この液化分離装置において選択的に窒素を液化分離し、この液化分離された窒素を前記窒素用気化器によりガス化し燃料電池に供給する。
【実施例】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施例を示す燃料用液体水素の気化熱を利用して空気中の窒素を液化分離する窒素発生装置を搭載した燃料電池電車の全体構成図である。
【００１４】
この図において、１は燃料電池（セルスタック）、２は電圧調整用電力変換器、３は平滑リアクトル、４は平滑コンデンサ、５は主電動機駆動用電力変換器、６は主電動機、７は液体水素タンク、８は気化及び熱交換器、９は空気吸入装置、１０は液化分離装置、１１は窒素用気化器である。図中の実線は電気回路、破線は燃料供給系統を示している。
【００１５】
ここで、液体水素タンク７に蓄えられている液体水素は、気化及び熱交換器８により液体からガスとなり、燃料電池１に供給される。燃料電池１では当該水素ガス及び空気中の酸素（図示せず）により発電を行い、電圧調整用電力変換器２により電圧を昇降圧調整し、平滑リアクトル３及び平滑コンデンサ４により高調波成分を除去し、主電動機駆動用電力変換器５に電力が供給される。主電動機駆動用電力変換器５では、運転指令に応じて主電動機６を駆動する。なお、図１の電力変換の電気回路部分は一例であり、他の電力変換方法を使用した方式でも、本発明に含まれる。
【００１６】
ここで、気化及び熱交換器８では、通常は、周囲の空気と気化熱の熱交換を行い、水素を液体からガスに変化させる。本発明では、当該気化及び熱交換器８に、空気吸入装置９から導入した空気と熱交換させる。当該熱交換過程で、液体水素は窒素や酸素よりも沸点が低いため、空気中の窒素や酸素は液化され、液化分離装置１０に送られる。液化分離装置１０においては、窒素と酸素の沸点が違うため、選択的に窒素を液化分離することが可能である。こうして分離された窒素は酸素等の不純物をほとんど含まない純度の高いもので、当該高純度の窒素を必要に応じて、窒素用気化器１１によりガス化し燃料電池１に供給することができる。
【００１７】
上記システムで必要とする窒素は、通常は燃料電池１の停止時のみに使用するため、空気吸入装置９または窒素系統内に設置したバルブ等（図示せず）により調整し、過不足なく蓄積できるようにする。
【００１８】
このように、本発明によれば、水素置換のための不活性ガスを、液体水素の気化熱を利用して空気中の窒素を液化分離して得ることができる。
【００１９】
また、液体水素を燃料とする燃料電池電車において、水素置換のための不活性ガスを、液体水素の気化熱を利用して空気中の窒素を液化分離して得ることができる。
【００２０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の液体水素を燃料とする燃料電池電車搭載窒素発生装置は、車上に高圧ボンベや断熱容器等を搭載する必要がなく、安全、軽量、小型なシステムが提供でき、ひいては車両全体の軽量化に利用することができる。
【符号の説明】
【００２２】
１    燃料電池（セルスタック）
２    電圧調整用電力変換器
３    平滑リアクトル
４    平滑コンデンサ
５    主電動機駆動用電力変換器
６    主電動機
７    液体水素タンク
８    気化及び熱交換器
９    空気吸入装置
１０    液化分離装置
１１    窒素用気化器
【図１】
2010267391.tif 000003