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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-10-24
(45)【発行日】2023-11-01
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04858 20160101AFI20231025BHJP
H01M 8/04313 20160101ALI20231025BHJP
H01M 8/04955 20160101ALI20231025BHJP
H01M 8/04537 20160101ALI20231025BHJP
H01M 8/04225 20160101ALI20231025BHJP
H01M 8/04302 20160101ALI20231025BHJP
B60L 58/40 20190101ALI20231025BHJP
B60L 58/31 20190101ALI20231025BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20231025BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04858
H01M8/04313
H01M8/04955
H01M8/04537
H01M8/04225
H01M8/04302
B60L58/40
B60L58/31
H01M8/10 101
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020129654
(22)【出願日】2020-07-30
(65)【公開番号】P2022026272
(43)【公開日】2022-02-10
【審査請求日】2023-02-13
(73)【特許権者】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(73)【特許権者】
【識別番号】317015294
【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100091487
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 行孝
(74)【代理人】
【識別番号】100105153
【弁理士】
【氏名又は名称】朝倉 悟
(74)【代理人】
【識別番号】100107582
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 毅
(74)【代理人】
【識別番号】100150717
【弁理士】
【氏名又は名称】山下 和也
(72)【発明者】
【氏名】木村 俊介
(72)【発明者】
【氏名】田中 正俊
【審査官】笹岡 友陽
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１１－３６１０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１３４６０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２０７９５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－００８６９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２３８５８９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／２４９５
Ｂ６０Ｌ ５８／４０
Ｂ６０Ｌ ５８／３１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
鉄道車両に搭載される燃料電池システムであって、走行駆動モータと、
前記走行駆動モータを駆動するための電力を発電可能な燃料電池と、
前記燃料電池を作動させるための燃料電池補機と、
充放電可能な二次電池と、
ループ回路と、
前記ループ回路に設けられた、第１電路制御部、第２電路制御部および第３電路制御部と、
鉄道走行パターンに基づいて、前記第１電路制御部、前記第２電路制御部および前記第３電路制御部を制御する制御回路と、を備え、
前記ループ回路は、前記走行駆動モータと前記燃料電池とを接続する第１電路と、前記燃料電池と前記燃料電池補機とを接続する第２電路と、前記燃料電池補機と前記二次電池とを接続する第３電路と、前記二次電池と前記走行駆動モータとを接続する第４電路と、を含み、
前記第１電路制御部は、前記第１電路における電力供給を許可または遮断し、
前記第２電路制御部は、前記第２電路における電力供給を許可または遮断し、
前記第３電路制御部は、前記第３電路における電力供給を許可または遮断し、
前記制御回路は、前記鉄道走行パターンの減速走行時、前記第１電路における電力供給および前記第３電路における電力供給を遮断し、前記第２電路における電力供給を許可するように、前記第１電路制御部、前記第２電路制御部および前記第３電路制御部を制御する、燃料電池システム。
【請求項2】
前記制御回路は、前記鉄道走行パターンの減速走行後の停止時、前記第１電路における電力供給および前記第２電路における電力供給を許可し、前記第３電路における電力供給を遮断するように、前記第１電路制御部、前記第２電路制御部および前記第３電路制御部を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項3】
前記二次電池の充電量を検出する充電量検出部を更に備え、前記制御回路は、前記鉄道走行パターンの減速走行後の停止時、前記充電量検出部により検出された前記二次電池の充電量に基づいて前記二次電池が満充電になったと判断した場合に、前記第１電路における電力供給を遮断するように、前記第１電路制御部を制御する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項4】
前記制御回路は、前記鉄道走行パターンの車両停止時に前記燃料電池を起動する場合、前記第１電路における電力供給および前記第２電路における電力供給を遮断し、前記第３電路における電力供給を許可するように、前記第１電路制御部、前記第２電路制御部および前記第３電路制御部を制御する、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項5】
前記制御回路は、前記鉄道走行パターンの車両停止時に前記燃料電池の運転を開始する場合、前記第１電路における電力供給および前記第３電路における電力供給を許可し、前記第２電路における電力供給を遮断するように、前記第１電路制御部、前記第２電路制御部および前記第３電路制御部を制御する、請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項6】
前記制御回路は、前記鉄道走行パターンの加速走行時および定速走行時、前記第１電路における電力供給および前記第３電路における電力供給を許可し、前記第２電路における電力供給を遮断するように、前記第１電路制御部、前記第２電路制御部および前記第３電路制御部を制御する、請求項１～５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項7】
前記第１電路制御部は、前記燃料電池から前記第１電路を通って前記走行駆動モータへの電力供給を許可するとともに、前記走行駆動モータから前記第１電路を通って前記燃料電池への電力供給を遮断する整流器を含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施の形態は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、燃料電池を、鉄道車両等の移動体の駆動電源として活用することが研究されている。
【0003】
しかしながら、鉄道車両の走行時には、鉄道車両は走行と停止を繰り返す。例えば、鉄道車両を加速させる場合には、走行駆動モータを駆動するために、燃料電池の発電電力が走行駆動モータに供給される。一方、鉄道車両を減速させる場合や停止させる場合には、走行駆動モータを駆動させるための電力は不要となる。鉄道車両を減速させる場合や停止させる場合に、燃料電池の運転を停止することも考えられる。しかしながら、この場合、鉄道車両の加速と停止に合わせて燃料電池の運転と停止が繰り返される。このため、燃料電池の起動停止回数が増え、燃料電池の劣化が懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００４－２４８４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、鉄道車両の走行駆動モータを駆動するための燃料電池の起動停止回数を減らすことができる燃料電池システム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】
【0006】
実施の形態による燃料電池システムは、鉄道車両に搭載される。この燃料電池システムは、走行駆動モータと、走行駆動モータを駆動するための電力を発電可能な燃料電池と、燃料電池を作動させるための燃料電池補機と、充放電可能な二次電池と、ループ回路と、ループ回路に設けられた、第１電路制御部、第２電路制御部および第３電路制御部と、鉄道走行パターンに基づいて、第１電路制御部、第２電路制御部および第３電路制御部を制御する制御回路と、を備えている。ループ回路は、走行駆動モータと燃料電池とを接続する第１電路と、燃料電池と燃料電池補機とを接続する第２電路と、燃料電池補機と二次電池とを接続する第３電路と、二次電池と走行駆動モータとを接続する第４電路と、を含んでいる。第１電路制御部は、第１電路における電力供給を許可または遮断する。第２電路制御部は、第２電路における電力供給を許可または遮断する。第３電路制御部は、第３電路における電力供給を許可または遮断する。制御回路は、鉄道走行パターンの減速走行時、第１電路における電力供給および第３電路における電力供給を遮断し、第２電路における電力供給を許可するように、第１電路制御部、第２電路制御部および第３電路制御部を制御する。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、鉄道車両の走行駆動モータを駆動するための燃料電池の起動停止回数を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、図面を参照して、本実施の形態による燃料電池システムについて説明する。
【0010】
まず、図１を用いて、本実施の形態による燃料電池システム１について説明する。本実施の形態による燃料電池システム１は、鉄道車両２に搭載され、燃料電池の発電電力は、鉄道車両２の駆動電力として用いられる。
【0011】
図１に示すように、本実施の形態による燃料電池システム１は、走行駆動モータ１０と、第１電力変換回路１５と、燃料電池２０と、第２電力変換回路２５と、燃料電池補機３０と、第３電力変換回路３５と、二次電池４０と、第４電力変換回路４５と、充電量検出部５０と、ループ回路６０と、第１電路スイッチ７１と、第２電路スイッチ７２と、第３電路スイッチ７３と、制御回路８０と、を備えている。
【0012】
走行駆動モータ１０は、鉄道車両２を走行させるための駆動源である。走行駆動モータ１０には、駆動電力が供給されて、鉄道車両２の駆動輪（図示せず）を駆動する。走行駆動モータ１０は、交流モータであってもよい。
【0013】
第１電力変換回路１５は、ループ回路６０と走行駆動モータ１０との間で供給される電力を変換するための回路である。力行モード時には、第１電力変換回路１５は、ループ回路６０から供給される直流電力を変換して交流電力を走行駆動モータ１０に供給する。この場合、第１電力変換回路１５は、インバータとして機能する。なお、走行駆動モータ１０が直流モータである場合には、第１電力変換回路１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。この場合、ループ回路６０から供給される直流電力の電圧を変換して走行駆動モータ１０に供給することができる。一方、回生モード時には、第１電力変換回路１５は、走行駆動モータ１０から供給される回生電力を直流電力に変換してループ回路６０に供給する。この場合、第１電力変換回路１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。
【0014】
燃料電池２０は、発電可能になっている。すなわち、燃料電池２０は、燃料ガスと、酸化剤ガスとを用いて発電を行う発電装置である。燃料ガスとしては、水素ガス、水素ガスを含む混合ガス等が挙げられる。酸化剤ガスとしては空気等が挙げられる。図示しないが、燃料電池２０は、セルスタックと、マニホールドと、収納容器と、を含んでいてもよい。セルスタックは、積層された複数の燃料電池セルを含んでいる。各燃料電池セルにおいて、燃料ガスと酸化剤ガスとが電気化学反応して、発電が行われる。マニホールドは、燃料ガスや酸化剤ガスを各燃料電池セルに導入するとともに各燃料電池セルから排出させるための部材である。収容容器には、セルスタックがマニホールドとともに収容されている。燃料電池２０の発電電力は、走行駆動モータ１０を駆動するための駆動電力として用いられたり、燃料電池補機３０を駆動するための駆動電力として用いられたりする。また、燃料電池２０の発電電力は、二次電池の充電電力として用いられてもよい。なお、燃料電池は、固体高分子形燃料電池であってもよいが、これに限られることはなく、リン酸型燃料電池など他の形式の燃料電池であってもよい。
【0015】
第２電力変換回路２５は、燃料電池２０の発電電力の電圧を変換可能な回路である。第２電力変換回路２５は、燃料電池２０から供給される発電電力の電圧を変換して直流電力をループ回路６０に供給する。また、第２電力変換回路２５は、燃料電池２０の発電電力の電圧が所定値に達したことを確認した後に、直流電力を出力する。このような第２電力変換回路２５は、ＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。
【0016】
燃料電池補機３０は、燃料電池２０を作動させるための機器である。例えば、燃料電池２０に燃料ガスを供給するブロワ、燃料電池２０に酸化剤ガスを供給するブロワ、および燃料電池２０に冷却水を供給するポンプなどが、燃料電池補機３０に該当する。燃料電池補機３０には、燃料電池２０の発電電力または二次電池４０の放電電力が供給されて、燃料電池補機３０の駆動電力として用いられる。
【0017】
第３電力変換回路３５は、燃料電池補機３０に供給する電力の電圧を変換可能な回路である。第３電力変換回路３５は、ループ回路６０から供給される直流電力の電圧を、燃料電池補機３０の駆動に適した電圧に変換して、燃料電池補機３０に供給する。この場合、第３電力変換回路３５は、ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。また、燃料電池補機３０が交流電力で駆動される場合には、第３電力変換回路３５は、ＡＣ／ＤＣコンバータとして機能する。この場合、ループ回路６０から供給される直流電力を交流電力に変換して燃料電池補機３０に供給する。なお、ループ回路６０の直流電力で燃料電池補機３０を駆動できる場合には、第３電力変換回路３５は省略されていてもよい。
【0018】
二次電池４０は、走行駆動モータ１０に対して充放電可能になっている。二次電池４０は、走行駆動モータ１０に、駆動電力として放電電力を供給可能であるとともに、走行駆動モータ１０の回生電力を充電可能になっている。また、二次電池４０は、燃料電池２０の発電電力を充電可能になっている。さらに、二次電池４０は、燃料電池補機３０の駆動電力として、放電電力を燃料電池補機３０に供給可能になっている。二次電池４０は、充放電可能な電池であれば任意の電池を用いることができ、例えば、リチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、鉛電池などを用いてもよい。
【0019】
第４電力変換回路４５は、二次電池４０の充放電の制御を行うための回路である。より具体的には、充電モード時には、第４電力変換回路４５は、ループ回路６０から供給される直流電力の電圧を変換して二次電池４０に供給する。放電モード時には、第４電力変換回路４５は、二次電池４０から供給される放電電力の電圧を変換してループ回路６０に供給する。第４電力変換回路４５は、ＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。
【0020】
充電量検出部５０は、二次電池４０の充電量を検出する。検出された充電量は、制御回路８０に送信される。充電量検出部５０は、二次電池４０に組み込まれていてもよく、別体で構成されていてもよい。
【0021】
ループ回路６０は、走行駆動モータ１０、燃料電池２０、燃料電池補機３０および二次電池４０を接続している。ループ回路６０は、第１接続点Ｐ１と、第２接続点Ｐ２と、第３接続点Ｐ３と、第４接続点Ｐ４と、を含んでいる。
【0022】
第１接続点Ｐ１は、走行駆動モータ１０とループ回路６０とが接続する点である。第１接続点Ｐ１には、第１電力変換回路１５を介して走行駆動モータ１０が接続されている。
【0023】
第２接続点Ｐ２は、燃料電池２０とループ回路６０とが接続する点である。第２接続点Ｐ２には、第２電力変換回路２５を介して燃料電池２０が接続されている。
【0024】
第３接続点Ｐ３は、燃料電池補機３０とループ回路６０とが接続する点である。第３接続点Ｐ３には、第３電力変換回路３５を介して燃料電池補機３０が接続されている。
【0025】
第４接続点Ｐ４は、二次電池４０とループ回路６０とが接続する点である。第４接続点Ｐ４には、第４電力変換回路４５を介して二次電池４０が接続されている。
【0026】
また、ループ回路６０は、第１電路６１と、第２電路６２と、第３電路６３と、第４電路６４と、を含んでいる。
【0027】
第１電路６１は、走行駆動モータ１０と燃料電池２０を接続する電路である。より具体的には、第１電路６１は、第１接続点Ｐ１と第２接続点Ｐ２との間に位置しており、第１接続点Ｐ１と第２接続点Ｐ２とを接続している。
【0028】
第２電路６２は、燃料電池２０と燃料電池補機３０を接続する電路である。より具体的には、第２電路６２は、第２接続点Ｐ２と第３接続点Ｐ３との間に位置しており、第２接続点Ｐ２と第３接続点Ｐ３とを接続している。
【0029】
第３電路６３は、燃料電池補機３０と二次電池４０を接続する電路である。より具体的には、第３電路６３は、第３接続点Ｐ３と第４接続点Ｐ４との間に位置しており、第３接続点Ｐ３と第４接続点Ｐ４とを接続している。
【0030】
第４電路６４は、二次電池４０と走行駆動モータ１０を接続する電路である。より具体的には、第４電路６４は、第４接続点Ｐ４と第１接続点Ｐ１との間に位置しており、第４接続点Ｐ４と第１接続点Ｐ１とを接続している。
【0031】
第１電路６１、第２電路６２、第３電路６３および第４電路６４は、この順番で接続されている。第４電路６４が第１電路６１に接続されることにより、４つの電路６１～６４によって、ループ回路６０が構成されている。
【0032】
第１電路スイッチ７１は、ループ回路６０の第１電路６１に設けられている。第１電路スイッチ７１は、第１電路制御部の一例である。第１電路スイッチ７１は、第１電路６１における電力供給を許可または遮断するように構成されている。
【0033】
第２電路スイッチ７２は、ループ回路６０の第２電路６２に設けられている。第２電路スイッチ７２は、第２電路制御部の一例である。第２電路スイッチ７２は、第２電路６２における電力供給を許可または遮断するように構成されている。
【0034】
第３電路スイッチ７３は、ループ回路６０の第３電路６３に設けられている。第３電路スイッチ７３は、第３電路制御部の一例である。第３電路６３は、第３電路６３における電力供給を許可または遮断するように構成されている。
【0035】
制御回路８０は、鉄道走行パターンに基づいて、各機器を制御する。制御回路８０は、鉄道走行パターンを記憶した記憶部（図示せず）を含んでいる。鉄道車両２を運行する場合には、制御回路８０は、記憶部に記憶された鉄道走行パターンを読み出して、各機器を制御する。
【0036】
制御回路８０は、鉄道走行パターンに基づいて、燃料電池補機３０を制御する。より具体的には、鉄道走行パターンのうち燃料電池２０を起動する場合および駆動する場合、燃料電池２０を構成するセルスタックに、燃料ガスの供給と酸化剤ガスの供給と冷却水の供給とを行うように、燃料電池補機３０を制御する。
【0037】
また、制御回路８０は、鉄道走行パターンに基づいて、第１電力変換回路１５、第２電力変換回路２５および第４電力変換回路４５を制御する。
【0038】
より具体的には、制御回路８０は、鉄道走行パターンに基づいて、第１電力変換回路１５の力行モードと回生モードとを切り替える。制御回路８０は、力行モード時には、ループ回路６０の直流電力を交流電力に変換するように、第１電力変換回路１５を制御する。一方、回生モード時には、走行駆動モータ１０の回生電力を交流電力から直流電力に変換するように、第１電力変換回路１５を制御する。制御回路８０は、第１電力変換回路１５の走行駆動モータ１０の側の電圧が低い場合に力行モードを選択し、当該電圧が高い場合に回生モードを選択するようにしてもよい。
【0039】
制御回路８０は、鉄道走行パターンに基づいて第２電力変換回路２５を制御することにより、燃料電池２０からループ回路６０への発電電力の供給を制御する。より具体的には、制御回路８０は、燃料電池２０の発電電力の電圧を変換した直流電力をループ回路６０に供給するように、第２電力変換回路２５を制御する。そして、制御回路８０は、第２電力変換回路２５からループ回路６０への電力の出力を制御する。このことにより、燃料電池２０からループ回路６０に供給される電力の電力量（例えば、電流）が調整される。
【0040】
制御回路８０は、鉄道走行パターンに基づいて、第４電力変換回路４５の充電モードと放電モードとを切り替える。より具体的には、制御回路８０は、充電モード時には、ループ回路６０の直流電力の電圧を変換するように、第４電力変換回路４５を制御する。一方、放電モード時には、二次電池４０の放電電力の電圧を変換してループ回路６０に供給するように、第４電力変換回路４５を制御する。
【0041】
制御回路８０は、鉄道走行パターンに基づいて、第１電路スイッチ７１、第２電路スイッチ７２および第３電路スイッチ７３を制御する。制御回路８０は、鉄道走行パターンの段階に応じて、第１電路スイッチ７１の開閉、第２電路スイッチ７２の開閉および第３電路スイッチ７３の開閉を制御する。
【0042】
より具体的には、制御回路８０は、鉄道走行パターンの車両停止時、第１電路６１における電力供給および第３電路６３における電力供給を遮断し、第２電路６２における電力供給を許可するように、各電路スイッチ７１～７３を制御する（図３参照）。本実施の形態では、制御回路８０は、第１電路スイッチ７１および第３電路スイッチ７３を開き、第２電路スイッチ７２は閉じる。
【0043】
また、制御回路８０は、鉄道走行パターンの車両停止時に燃料電池２０を起動する場合、第１電路６１における電力供給および第２電路６２における電力供給を遮断し、第３電路６３における電力供給を許可するように、各電路スイッチ７１～７３を制御する（図４参照）。本実施の形態では、制御回路８０は、第１電路スイッチ７１および第２電路スイッチ７２を開き、第３電路スイッチ７３を閉じる。
【0044】
また、制御回路８０は、鉄道走行パターンの車両停止時に燃料電池２０の運転を開始する場合、第１電路６１における電力供給および第３電路６３における電力供給を許可し、第２電路６２における電力供給を遮断するように、各電路スイッチ７１～７３を制御する（図５参照）。本実施の形態では、制御回路８０は、第１電路スイッチ７１および第３電路スイッチ７３を閉じ、第２電路スイッチ７２を開く。
【0045】
また、制御回路８０は、鉄道走行パターンの加速走行時および定速走行時、第１電路６１における電力供給および第３電路６３における電力供給を許可し、第２電路６２における電力供給を遮断するように、各電路スイッチ７１～７３を制御する（図６、図７参照）。本実施の形態では、制御回路８０は、第１電路スイッチ７１および第３電路スイッチ７３を閉じ、第２電路スイッチ７２を開く。
【0046】
また、制御回路８０は、鉄道走行パターンの減速走行時、第１電路６１における電力供給および第３電路６３における電力供給を遮断し、第２電路６２における電力供給を許可するように、各電路スイッチ７１～７３を制御する（図８参照）。本実施の形態では、制御回路８０は、第１電路スイッチ７１および第３電路スイッチ７３を開き、第２電路スイッチ７２を閉じる。
【0047】
また、制御回路８０は、鉄道走行パターンの減速走行後の停止時、第１電路６１における電力供給および第２電路６２における電力供給を許可し、第３電路６３における電力供給を遮断するように、各電路スイッチ７１～７３を制御する（図９参照）。本実施の形態では、制御回路８０は、第１電路スイッチ７１および第２電路スイッチ７２を閉じ、第３電路スイッチ７３を開く。
【0048】
また、制御回路８０は、鉄道走行パターンの減速走行後の停止時、充電量検出部５０により検出された二次電池４０の充電量に基づいて二次電池４０が満充電になったと判断した場合に、第１電路６１における電力供給を遮断するように、第１電路スイッチ７１を制御する（図１０参照）。本実施の形態では、制御回路８０は、第１電路スイッチ７１を開く。第２電路スイッチ７２は閉状態で維持され、第３電路スイッチ７３は開状態で維持される。
【0049】
次に、このような構成からなる本実施の形態による燃料電池システム１の運転方法について説明する。ここでは、図２に示す鉄道走行パターンに基づいた燃料電池システム１の運転方法について説明する。以下の説明では、上述した制御回路８０によって制御される各機器の動作について説明する。
【0050】
鉄道走行パターンは、主として、鉄道車両２の停止段階、加速走行段階、定速走行段階、減速走行段階、停止段階で構成されている。図２に示す鉄道走行パターンでは、始発駅を出発してから終着駅に到着するまでに１つの駅（途中駅）に停車する例を示している。
【0051】
（始発駅停止時）
鉄道走行パターンの始発駅停止時、始発駅出発時刻が近づくまでは燃料電池２０を停止する。この場合、図３に示すように、第１電路スイッチ７１および第３電路スイッチ７３は開く。第２電路スイッチ７２は閉じていてもよいが、開いていてもよい。二次電池４０は満充電されているが、鉄道車両２も停止しているため、電流は流れない。燃料電池補機３０も停止している。
鉄道走行パターンの始発駅停止時、始発駅出発時刻が近づくまでは燃料電池２０を停止する。この場合、図３に示すように、第１電路スイッチ７１および第３電路スイッチ７３は開く。第２電路スイッチ７２は閉じていてもよいが、開いていてもよい。二次電池４０は満充電されているが、鉄道車両２も停止しているため、電流は流れない。燃料電池補機３０も停止している。
【0052】
鉄道走行パターンにおける燃料電池２０の起動開始時刻に達すると、燃料電池２０が起動される。
【0053】
この場合、図４に示すように、第１電路スイッチ７１および第２電路スイッチ７２を開くとともに第３電路スイッチ７３を閉じる。第４電力変換回路４５が放電モードに切り替えられ、二次電池４０の放電電力がループ回路６０に供給される。第３電路スイッチ７３が閉じられていることにより、二次電池４０の放電電力は、第３電路６３および第３電力変換回路３５を通って燃料電池補機３０に供給される。そして、燃料電池補機３０は駆動されて、燃料電池２０に、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水が供給される。この間、図２に示すように、二次電池４０の充電量が減少する。なお、燃料電池２０の起動開始時刻は、始発駅出発時刻から燃料電池２０の起動に要する時間を逆算して設定することができる。
【0054】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが燃料電池２０の燃料電池セルに到達して電気化学反応が行われると、発電が開始される。すなわち、燃料電池２０の運転が開始する。燃料電池２０の運転が開始して発電電力の電圧が所定値に達すると、第２電力変換回路２５が、発電電力の電圧を変換した直流電力を出力する。
【0055】
この場合、図５に示すように、第１電路スイッチ７１および第３電路スイッチ７３を閉じるとともに、第２電路スイッチ７２を開く。このことにより、燃料電池２０の発電電力が第２電力変換回路２５を通ってループ回路６０に供給される。一方、燃料電池２０の運転開始に伴い、第４電力変換回路４５が充電モードに切り替えられる。第１電路スイッチ７１が閉じられていることにより、燃料電池２０の発電電力は、第１電路６１および第４電路６４を通って二次電池４０に供給され、二次電池４０が充電される。また、第３電路スイッチ７３が閉じられていることにより、燃料電池２０の発電電力は、第１電路６１、第４電路６４、第３電路６３および第３電力変換回路３５を通って燃料電池補機３０にも供給される。そして、燃料電池補機３０の駆動は継続される。この間、図２に示すように、二次電池４０の充電量が増大する。なお、図５において、第２電路スイッチ７２を閉じるとともに第３電路スイッチ７３を開くようにしてもよい。この場合においても、燃料電池補機３０の駆動を継続することができる。
【0056】
（加速走行時）
鉄道走行パターンの加速走行開始時刻（始発駅出発時刻に相当）に達すると、鉄道車両２が走行し始めて、加速する。燃料電池２０の運転は継続される。
鉄道走行パターンの加速走行開始時刻（始発駅出発時刻に相当）に達すると、鉄道車両２が走行し始めて、加速する。燃料電池２０の運転は継続される。
【0057】
この場合、図６に示すように、第１電路スイッチ７１および第３電路スイッチ７３を閉じるとともに、第２電路スイッチ７２を開く。このことにより、燃料電池２０の発電電力が第２電力変換回路２５を通ってループ回路６０に供給される。一方、加速走行開始時刻に達したことに伴い、第１電力変換回路１５が力行モードに切り替えられる。第１電路スイッチ７１が閉じられていることにより、燃料電池２０の発電電力は、第１電路６１を通って第１電力変換回路１５に供給される。第１電力変換回路１５において、燃料電池２０の発電電力は交流電力に変換される。交流電力は、駆動電流として走行駆動モータ１０に供給されて、走行駆動モータ１０が駆動される。このことにより、走行駆動モータ１０は、駆動輪を駆動して、鉄道車両２が加速する。
【0058】
また、加速走行開始時刻に達したことに伴い、第４電力変換回路４５が放電モードに切り替えられる。このことにより、二次電池４０の放電電力が、第４電路６４および第１電力変換回路１５を通って、駆動電力として走行駆動モータ１０に供給される。このことにより、走行駆動モータ１０の駆動電流を増大させて、鉄道車両２の加速を高めている。この間、図２に示すように、二次電池４０の充電量が減少する。
【0059】
また、加速走行時には、第３電路スイッチ７３が閉じられていることにより、燃料電池２０および二次電池４０からループ回路６０に供給された直流電力の一部は、第３電路６３および第３電力変換回路３５を通って燃料電池補機３０に供給される。そして、燃料電池補機３０の駆動は継続される。
【0060】
（定速走行時）
鉄道走行パターンの定速走行開始時刻に達すると、鉄道車両２はほぼ一定の速度で走行を継続する。燃料電池２０の運転も継続される。
鉄道走行パターンの定速走行開始時刻に達すると、鉄道車両２はほぼ一定の速度で走行を継続する。燃料電池２０の運転も継続される。
【0061】
この場合、図７に示すように、第１電路スイッチ７１および第３電路スイッチ７３を閉じるとともに、第２電路スイッチ７２を開く。すなわち、図７に示すスイッチの開閉状態は、図６に示す加速走行時におけるスイッチの開閉状態と同じである。このため、第１電路スイッチ７１および第３電路スイッチ７３は、閉状態に維持されるとともに、第２電路スイッチ７２は、開状態に維持される。
【0062】
定速走行時においても、第１電力変換回路１５は、力行モードに維持される。しかしながら、走行駆動モータ１０で必要な駆動電力は少ない。このことにより、定速走行開始時刻に達したことに伴い、第４電力変換回路４５が充電モードに切り替えられる。このことにより、燃料電池２０の発電電力の一部は、第１電路６１、第４電路６４および第４電力変換回路４５を通って二次電池４０に供給され、二次電池４０が充電される。この間、図２に示すように、二次電池４０の充電量が増大する。
【0063】
また、定速走行時には、加速走行時と同様に、燃料電池２０の発電電力の一部は、第３電路６３および第３電力変換回路３５を通って燃料電池補機３０に供給される。そして、燃料電池補機３０の駆動は継続される。
【0064】
（減速走行時）
鉄道走行パターンの減速走行開始時刻に達すると、鉄道車両２が減速する。燃料電池２０の運転は継続される。なお、鉄道車両２の減速は、制御回路８０が図示しないブレーキを制御することにより実現され得る。
鉄道走行パターンの減速走行開始時刻に達すると、鉄道車両２が減速する。燃料電池２０の運転は継続される。なお、鉄道車両２の減速は、制御回路８０が図示しないブレーキを制御することにより実現され得る。
【0065】
減速走行時では、図８に示すように、第１電路スイッチ７１および第３電路スイッチ７３を開くとともに、第２電路スイッチ７２を閉じる。
【0066】
減速走行開始時刻に達したことに伴い、第１電力変換回路１５が回生モードに切り替えられる。このことにより、走行駆動モータ１０で発生した回生電力が、第１電力変換回路１５を通ってループ回路６０に供給される。減速走行時においても、第４電力変換回路４５は充電モードに維持される。このことにより、走行駆動モータ１０の回生電力は、第４電路６４および第４電力変換回路４５を通って二次電池４０に供給され、二次電池４０が充電される。この間、図２に示すように、二次電池４０の充電量が増大する。なお、減速走行時には、走行駆動モータ１０で発生する回生電力の供給先は、実質的に二次電池４０のみとなる。このため、図２においては、減速走行時の二次電池４０の充電量の増大速度が、定速走行時の二次電池４０の充電量の増大速度よりも大きくなっている。しかしながら、二次電池４０の充電量の増大速度は、これに限られることはなく、第２電力変換回路２５を制御することにより、燃料電池２０からループ回路６０に供給される電力量を任意に調整してもよい。
【0067】
また、減速走行時には、第２電路スイッチ７２が閉じられていることにより、燃料電池２０からループ回路６０に供給された直流電力は、第２電路６２および第３電力変換回路３５を通って燃料電池補機３０に供給される。そして、燃料電池補機３０の駆動は継続される。なお、減速走行時には、第２電力変換回路２５を制御することにより、燃料電池２０からループ回路６０に供給される電流を低減させてもよい。このことにより、燃料電池２０の発電電力が、余剰になることを抑制できる。
【0068】
また、減速走行時には、第１電路スイッチ７１および第３電路スイッチ７３が開いている。このことにより、走行駆動モータ１０の回生電力が、燃料電池２０に供給されることを防止できる。すなわち、燃料電池２０は、充電されると劣化しやすい。このため、第１電路スイッチ７１および第３電路スイッチ７３を開くことにより、燃料電池２０の劣化を抑制できる。また、燃料電池補機３０の駆動電力として燃料電池２０の発電電力を用いることができ、燃料電池２０の運転を継続することができる。また、燃料電池補機３０の駆動電力に二次電池４０を放電することを不要にでき、二次電池４０の充電量の低減を抑制できる。
【0069】
（途中駅停止時）
鉄道走行パターンの途中駅停止時刻に達すると、鉄道車両２が停止する。燃料電池２０の運転は継続される。
鉄道走行パターンの途中駅停止時刻に達すると、鉄道車両２が停止する。燃料電池２０の運転は継続される。
【0070】
この場合、図９に示すように、第１電路スイッチ７１および第２電路スイッチ７２を閉じるとともに、第３電路スイッチ７３を開く。このことにより、燃料電池２０の発電電力が第２電力変換回路２５を通ってループ回路６０に供給される。途中駅停止時においても、第４電力変換回路４５が充電モードに維持される。このことにより、燃料電池２０の発電電力の一部は、第１電路６１、第４電路６４および第４電力変換回路４５を通って二次電池４０に供給され、二次電池４０が充電される。この間、図２に示すように、二次電池４０の充電量が増大する。なお、途中駅停止時には、燃料電池２０の発電電力の多くが、二次電池４０に供給される。このため、図２においては、途中駅停止時の二次電池４０の充電量の増大速度が、減速走行時の二次電池４０の充電量の増大速度よりも大きくなっている。
【0071】
また、途中駅停止時には、第２電路スイッチ７２が閉じられていることにより、燃料電池２０の発電電力の一部は、第２電路６２および第３電力変換回路３５を通って燃料電池補機３０に供給される。そして、燃料電池補機３０の駆動は継続される。なお、図９において、第２電路スイッチ７２を開くとともに第３電路スイッチ７３を閉じるようにしてもよい。この場合においても、燃料電池補機３０の駆動を継続することができる。
【0072】
鉄道走行パターンの途中駅出発時刻に達すると、上述した加速走行時の運転、定速走行時の運転、減速走行時の運転が行われる。
【0073】
（終着駅停止時）
鉄道走行パターンの終着駅停止時刻に達すると、鉄道車両２が停止する。燃料電池２０の運転は継続される。
鉄道走行パターンの終着駅停止時刻に達すると、鉄道車両２が停止する。燃料電池２０の運転は継続される。
【0074】
この場合、図９に示すように、上述した途中駅停止時と同様にして、第１電路スイッチ７１および第２電路スイッチ７２を閉じるとともに、第３電路スイッチ７３を開く。このことにより、燃料電池２０の発電電力の一部が二次電池４０に供給されて、二次電池４０が充電される。この間、図２に示すように、二次電池４０の充電量が増大する。また、終着駅停止時には、燃料電池２０の発電電力の一部は、燃料電池補機３０に供給される。
【0075】
終着駅停止時、充電量検出部５０により、二次電池４０の充電量が検出される。充電量検出部５０により検出された二次電池４０の充電量に基づいて二次電池４０が満充電になるまで、二次電池４０の充電が継続される。
【0076】
二次電池４０が満充電になると、燃料電池２０の運転を停止する。
【0077】
この場合、図１０に示すように、第１電路スイッチ７１および第３電路スイッチ７３を開く。第２電路スイッチ７２は閉じていてもよいが、開いていてもよい。二次電池４０は満充電されているが、鉄道車両２は停止しているため、電流は流れない。燃料電池補機３０も停止している。
【0078】
このようにして、鉄道走行パターンに基づいて燃料電池システム１の運転を行うことができる。とりわけ、上述した鉄道走行パターンでは、始発駅停止時に燃料電池２０を起動してから、終着駅停止時まで燃料電池２０の運転を継続することができる。
【0079】
このように本実施の形態によれば、鉄道走行パターンの減速走行時、ループ回路６０の第１電路６１における電力供給および第３電路６３における電力供給を遮断し、第２電路６２における電力供給を許可する。このことにより、燃料電池２０の発電電力を、第２電路６２を通って燃料電池補機３０に供給することができる。このため、燃料電池２０の発電電力の供給先を確保することができ、燃料電池２０の運転を継続することができる。この結果、燃料電池２０の運転停止を回避することができ、鉄道車両２の走行駆動モータ１０を駆動するための燃料電池２０の起動停止回数を低減することができる。この場合、燃料電池２０の劣化を抑制することができる。
【0080】
また、本実施の形態によれば、第１電路６１における電力供給および第３電路６３における電力供給が遮断される。このことにより、走行駆動モータ１０の回生電力が、燃料電池２０に供給されることを防止できる。このため、燃料電池２０が、回生電力で充電されることを防止でき、燃料電池２０の劣化を抑制することができる。
【0081】
また、本実施の形態によれば、鉄道走行パターンの減速走行後の停止時、第１電路６１における電力供給および第２電路６２における電力供給を許可し、第３電路６３における電力供給を遮断する。このことにより、燃料電池２０の発電電力を、第１電路６１および第４電路６４を通って二次電池４０に供給することができるとともに、第２電路６２を通って燃料電池補機３０に供給することができる。このため、燃料電池２０の発電電力の供給先を確保することができ、燃料電池２０の運転を継続することができる。この結果、燃料電池２０の運転停止を回避することができ、燃料電池２０の起動停止回数を低減することができる。また、二次電池４０が充電されて、二次電池４０の充電量を増大させることができる。このため、次の走行のための準備を行うことができる。
【0082】
また、本実施の形態によれば、充電量検出部５０により検出された二次電池４０の充電量に基づいて、二次電池４０が満充電になった場合に、第１電路６１における電力供給が遮断される。このことにより、燃料電池２０の発電電力が二次電池４０に供給されることを防止できる。
【0083】
また、本実施の形態によれば、鉄道走行パターンの車両停止時に燃料電池２０を起動する場合、第１電路６１における電力供給および第２電路６２における電力供給を遮断し、第３電路６３における電力供給を許可する。このことにより、二次電池４０の放電電力を、第３電路６３を通って燃料電池補機３０に供給することができる。このため、燃料電池補機３０を駆動させて、燃料電池２０を起動させることができる。
【0084】
また、本実施の形態によれば、鉄道走行パターンの車両停止時に燃料電池２０の運転を開始する場合、第１電路６１における電力供給および第３電路６３における電力供給を許可し、第２電路６２における電力供給を遮断する。このことにより、燃料電池２０の発電電力を、第１電路６１および第４電路６４を通って二次電池４０に供給することができる。このため、二次電池４０を充電させて、充電量を増大させることができる。また、燃料電池２０の発電電力を、第１電路６１、第４電路６４および第３電路６３を通って燃料電池補機３０に供給することができる。このため、燃料電池補機３０の駆動を継続することができる。
【0085】
また、本実施の形態によれば、鉄道走行パターンの加速走行時および定速走行時に、第１電路６１における電力供給および第３電路６３における電力供給を許可し、第２電路６２における電力供給を遮断する。このことにより、燃料電池２０の発電電力を、走行駆動モータ１０に供給することができる。加速走行時には、二次電池４０の充電電力を走行駆動モータ１０に供給することができ、走行駆動モータ１０の駆動電力を増大させることができる。定速走行時には、二次電池４０を燃料電池２０の発電電力で充電することができる。また、燃料電池２０の発電電力を、第１電路６１、第４電路６４および第３電路６３を通って燃料電池補機３０に供給することができる。このため、燃料電池補機３０の駆動を継続することができる。
【0086】
なお、上述した本実施の形態においては、ループ回路６０の第１電路６１に、第１電路スイッチ７１が設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、図１１に示すように、第１電路スイッチ７１の代用として整流器９０が設けられていてもよい。図１１に示す整流器９０は、燃料電池２０から第１電路６１を通って走行駆動モータ１０への電力供給を許可するとともに、走行駆動モータ１０から第１電路６１を通って燃料電池２０への電力供給を遮断する。より具体的には、整流器９０は、第２接続点Ｐ２から第１接続点Ｐ１への電力供給を許可するとともに、第１接続点Ｐ１から第２接続点Ｐ２への電力供給を遮断する。すなわち、整流器９０は、第１接続点Ｐ１から第２接続点Ｐ２への電流の逆流を防止するように構成されている。
【0087】
以上述べた実施の形態によれば、鉄道車両の走行駆動モータを駆動するための燃料電池の起動停止回数を減らすことができる。
【0088】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0089】
１：燃料電池システム、２：鉄道車両、１０：走行駆動モータ、２０：燃料電池、３０：燃料電池補機、４０：二次電池、５０：充電量検出部、６０：ループ回路、６１：第１電路、６２：第２電路、６３：第３電路、６４：第４電路、７１：第１電路スイッチ、７２：第２電路スイッチ、７３：第３電路スイッチ、８０：制御回路、９０：整流器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】