JP2004112921A - 燃料電池駆動式鉄道車両及び燃料電池駆動式鉄道車両ユニット - Google Patents
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Abstract
【課題】空気圧縮機の設置スペースを低減し、車両全体を小型軽量化できる燃料電池駆動式鉄道車両を提供する。
【解決手段】圧縮空気が供給される燃料電池３と、この燃料電池３の発電した電力により駆動する走行用電動機６と、圧縮空気により制御される空気ブレーキ９と、圧縮空気により開閉駆動される開閉扉装置１０と、圧縮空気が供給される空気ばね１１と、容積比可変機構を備えた共通の１つの空気圧縮機２と、この空気圧縮機２で発生した圧縮空気を、燃料電池３側、または空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、空気ばね１１側へ切り換えて供給する電磁切換弁５と、空気圧縮機２から導入された圧縮空気を一旦貯留した後に空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、空気ばね１１へそれぞれ供給するための空気槽４と、この空気槽４内の圧縮空気の一部を燃料電池３へ導入可能とする補助用制御弁１２及び空圧配管１３とを有する。
【選択図】 図１
【解決手段】圧縮空気が供給される燃料電池３と、この燃料電池３の発電した電力により駆動する走行用電動機６と、圧縮空気により制御される空気ブレーキ９と、圧縮空気により開閉駆動される開閉扉装置１０と、圧縮空気が供給される空気ばね１１と、容積比可変機構を備えた共通の１つの空気圧縮機２と、この空気圧縮機２で発生した圧縮空気を、燃料電池３側、または空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、空気ばね１１側へ切り換えて供給する電磁切換弁５と、空気圧縮機２から導入された圧縮空気を一旦貯留した後に空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、空気ばね１１へそれぞれ供給するための空気槽４と、この空気槽４内の圧縮空気の一部を燃料電池３へ導入可能とする補助用制御弁１２及び空圧配管１３とを有する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を搭載し、その燃料電池の発電した電力を動力源として走行する燃料電池駆動式鉄道車両に係わり、特に、燃料電池に圧縮空気を供給する空気圧縮機を搭載した燃料電池駆動式鉄道車両及び燃料電池駆動式鉄道車両ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両は、一般的に、車輪を制動（ブレーキ）する制動手段（空気ブレーキ等）と、停車時に開閉駆動する開閉扉と、車体振動を低減する空気ばね等を備えている。そして、これら制動手段、開閉扉、及び空気ばね等に利用する圧縮空気を供給する空気圧縮機が備えられている。
【０００３】
一方、近年、この鉄道車両に燃料電池を適用しようという試みが提唱されている（例えば、非特許文献１参照）。この燃料電池は、例えば水素含有燃料の改質により生じる水素を大気中の酸素と結合させ、その化学反応により電力を発電するものである。このとき、燃料電池の出力向上あるいは小型化を目的として、水素との反応を促進するために空気圧縮機を用いて燃料電池に圧縮空気を供給する手法が既に提唱されている。
【０００４】
【非特許文献１】
宮本岳史、他４名，「燃料電池を適用した鉄道車両のフィジービリティスタディ」，鉄道車両と技術，（有）レールアンドテック出版，平成１４年４月，第７２巻，ｐ．２〜６
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記制動手段等の従来用途に利用される圧縮空気の圧力は例えば０．５〜０．６ＭＰａ程度であり、上記燃料電池に供給する圧縮空気の圧力は例えば０．２〜０．３ＭＰａ程度が適している。このように供給圧が異なるので制動手段用と燃料電池用の圧縮機を別々に設ける必要が生じ、鉄道車両の小型軽量化を阻害することとなる。
【０００６】
本発明の目的は、空気圧縮機の設置スペースを低減し、車両全体を小型軽量化できる燃料電池駆動式鉄道車両を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、圧縮空気が供給される燃料電池と、この燃料電池の発電した電力により駆動する走行用電動機と、圧縮空気により制御される制動手段と、共通の１つの空気圧縮機と、この空気圧縮機で発生した圧縮空気を、前記燃料電池側または前記制動手段側へ切り換えて供給する第１切換供給手段とを有する。
【０００８】
本発明においては、例えば容積比可変機構を備えた１つの定容積比圧縮機を共用して、制動手段等の従来用途の圧縮空気生成用と燃料電池駆動への圧縮空気生成用との両方に用いる。すなわち、車両が運転操作されて力行中である場合等においては、例えば空気圧縮機の容積比を小さくして０．２〜０．３ＭＰａ程度の圧縮空気を生成するとともに、第１切換供給手段を切り換えてその圧縮空気を燃料電池側に供給する。これによって、燃料電池内における水素と酸素が結合する反応を促進し、燃料電池の出力を向上する。
【０００９】
一方、車両がブレーキ操作されて制動中又は停止中である場合等においては、例えば空気圧縮機の容積比を大きくして０．５〜０．６ＭＰａ程度の圧縮空気を生成するとともに、第１切換供給手段を切り換えてその圧縮空気を制動手段側に供給する。これによって、従来どおりの空気ブレーキ機能を維持することができる。
【００１０】
以上のようにして、１つの空気圧縮機を共用して制動手段用と燃料電池駆動用との両方に用いることにより、それぞれに別々に圧縮機を設ける場合に比べ、設置のために必要なスペースを低減できる。これにより、車両全体の小型軽量化を図ることができる。
【００１１】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記空気圧縮機は、容積比可変機構を備えた定容積比圧縮機である。
【００１２】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記燃料電池側に圧縮空気を供給するときには前記空気圧縮機の容積比を小さく、前記制動手段側に圧縮空気を供給するときには前記空気圧縮機の容積比を大きくするように、前記容積比可変機構を制御する容積比制御手段を備える。
【００１３】
（４）上記（１）〜（３）のいずれか１つにおいて、好ましくは、車両の力行、制動、停止を運転者が指示する運転制御手段を有し、前記第１切換供給手段は、前記運転制御手段で車両の力行が指示されているときには前記圧縮空気を主として前記燃料電池側に供給し、前記運転制御手段で車両の制動または停止が指示されているときには前記圧縮空気を主として前記制動手段側に供給する。
【００１４】
（５）上記（１）〜（４）のいずれか１つにおいて、好ましくは、前記制動手段側へ供給された圧縮空気の一部を前記燃料電池側へ導入可能な補助導入手段を備える。
【００１５】
（６）上記（１）〜（４）のいずれか１つにおいて、また好ましくは、圧縮空気により開閉駆動される開閉扉及び圧縮空気が供給される空気ばねの少なくとも一方をさらに有し、前記第１切換供給手段は、前記空気圧縮機で発生した圧縮空気を、前記燃料電池側、または前記制動手段、前記開閉扉、前記空気ばね側へ切り換えて供給する。
【００１６】
（７）上記（１）〜（４）のいずれか１つにおいて、さらに好ましくは、前記第１切換供給手段から導入された圧縮空気を一旦貯留した後に前記制動手段側へ供給するための空気槽を備える。
【００１７】
（８）上記目的を達成するために、また本発明は、圧縮空気が供給される燃料電池と、この燃料電池の発電した電力により駆動する走行用電動機と、圧縮空気により制御される制動手段と、低圧用空気圧縮機と、この低圧用空気圧縮機で発生した圧縮空気をさらに昇圧し前記制動手段側へ供給する高圧用空気圧縮機と、前記低圧用空気圧縮機で発生した圧縮空気を、前記燃料電池側または前記高圧用空気圧縮機側へ切り換えて供給する第２切換供給手段とを有する。
【００１８】
本発明においては、制動手段等の従来用途の圧縮空気生成に必要な昇圧機能（０．５〜０．６ＭＰａ程度）と燃料電池駆動への圧縮空気生成に必要な昇圧機能（例えば０．２〜０．３ＭＰａ程度）のうち、相対的に低圧である燃料電池駆動用の昇圧機能（０．２〜０．３ＭＰａ程度）までについては共用化を図る。すなわち、まず低圧用空気圧縮機によって０．２〜０．３ＭＰａ程度の圧縮空気を生成し、車両が運転操作されて力行中である場合等においては、第２切換供給手段を切り換えてその圧縮空気を燃料電池側に供給する。これによって、燃料電池内における水素と酸素が結合する反応を促進し、燃料電池の出力を向上する。
【００１９】
一方、車両がブレーキ操作されて制動中又は停止中である場合等においては、第２切換供給手段を切り換えてその圧縮空気を高圧用空気圧縮機に供給し、高圧用空気圧縮機でさらに０．５〜０．６ＭＰａ程度にまで昇圧した後に制動手段側に供給する。これによって、従来どおりの空気ブレーキ機能を維持することができる。
【００２０】
以上のようにして、相対的に低圧である燃料電池駆動用相当（０．２〜０．３ＭＰａ）までの昇圧機能については低圧用空気圧縮機として共用化し、さらに高圧側である制動手段用相当（０．５〜０．６ＭＰａ）までの昇圧機能についてのみ別途高圧空気圧縮機として分離する構成としている。これにより、大気圧から燃料電池駆動用相当（０．２〜０．３ＭＰａ）までの昇圧機能の燃料電池用空気圧縮機と大気圧から制動手段用相当（０．５〜０．６ＭＰａ）までの昇圧機能の制動手段用空気圧縮機とをそれぞれ別々に設ける場合に比べ、高圧空気圧縮機の昇圧量が制動手段用空気圧縮機より小さく圧縮機を小型化できる分、圧縮機設置のために必要なスペースを低減できる。これにより、車両全体の小型軽量化を図ることができる。
【００２１】
（９）上記（８）において、好ましくは、車両の力行、制動、停止を運転者が指示する運転制御手段を有し、前記第２切換供給手段は、前記運転制御手段で車両の力行が指示されているときには前記圧縮空気を主として前記燃料電池側に供給し、前記運転制御手段で車両の制動または停止が指示されているときには前記圧縮空気を主として前記高圧用空気圧縮機側に供給する。
【００２２】
（１０）上記目的を達成するために、また本発明は、第１車両及び第２車両を備えた燃料電池駆動式鉄道車両ユニットにおいて、圧縮空気が供給される燃料電池と、この燃料電池の発電した電力により駆動する走行用電動機と、圧縮空気により制御される制動手段と、空気圧縮機と、この空気圧縮機で発生した圧縮空気を一旦貯留した後に前記制動手段側又は前記燃料電池側へ供給するための空気槽と、この空気槽と前記燃料電池との間に設けた第１制御弁と、前記空気槽と前記制動手段との間に設けた第２制御弁と、前記第１制御弁を介し前記空気槽から導かれた圧縮空気を減圧する減圧手段とを有し、かつ、前記燃料電池及び前記減圧手段を前記第１車両に配置し、前記空気圧縮機を前記第２車両に配置する。
【００２３】
本発明においては、制動手段等の従来用途の圧縮空気生成に必要な昇圧機能（０．５〜０．６ＭＰａ程度）と燃料電池駆動への圧縮空気生成に必要な昇圧機能（例えば０．２〜０．３ＭＰａ程度）に関し、まず相対的に高圧である制動手段用の圧縮空気（０．５〜０．６ＭＰａ程度）を生成すると共に、燃料電池側へはこれを減圧して用いるようにすることで共用化を図る。
【００２４】
すなわち、まず空気圧縮機によって０．５〜０．６ＭＰａ程度の圧縮空気を生成し、車両がブレーキ操作されて制動中又は停止中である場合等においては、第２制御弁を開き、その圧縮空気を第２制御弁を介してそのまま制動手段側に供給する。これによって、従来どおりの空気ブレーキ機能を維持することができる。一方、車両が運転操作されて力行中である場合等においては、第１制御弁を開いてその圧縮空気を減圧手段に供給し、ここで例えば０．２〜０．３ＭＰａ程度に減圧した後に燃料電池側に供給する。これによって、燃料電池内における水素と酸素が結合する反応を促進し、燃料電池の出力を向上する。
【００２５】
以上のようにして、一旦共用の空気圧縮機で相対的に高圧な制動手段用相当（０．５〜０．６ＭＰａ）まで昇圧することとして共用化し、その後低圧である燃料電池駆動用相当（０．２〜０．３ＭＰａ）までの降圧機能についてのみ別途分離する構成としている。これにより、大気圧から燃料電池駆動用相当（０．２〜０．３ＭＰａ）までの昇圧機能の燃料電池用空気圧縮機と大気圧から制動手段用相当（０．５〜０．６ＭＰａ）までの昇圧機能の制動手段用空気圧縮機とをそれぞれ別々に設ける場合に比べ、空気圧縮機が１つで足りることから減圧手段設置のためのスペースを差し引いても全体の機器設置スペースを低減できる。これにより、車両全体の小型軽量化を図ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２７】
本発明の第１実施形態を図１〜図６により説明する。
図１は、本発明の燃料電池駆動式鉄道車両の第１実施形態の概略構成を表す側面図であり、図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本実施形態を構成する空気ブレーキ及び開閉扉装置の概略構造を表す側面図であり、図２（ａ）は空気ブレーキが解除状態かつ開閉扉装置が閉じ状態のときを示し、図２（ｂ）は空気ブレーキが制動状態かつ開閉扉装置が開き状態のときを示している。
【００２８】
これら図１、図２（ａ）、及び図２（ｂ）において、燃料電池式鉄道車両１は、圧縮空気を生成する例えばオイルフリー式（圧縮作動室内を潤滑油のない状態で運転する）空気圧縮機（ＣＰ）２と、この空気圧縮機２から圧縮空気が供給される燃料電池（ＦＣ）３と、空気圧縮機２から導入された圧縮空気を一旦貯留する空気槽（ＡＲ）４と、空気圧縮機２の圧縮空気を燃料電池３側または空気槽４側に切り換えて供給する電磁切換弁５と、燃料電池３で発電した電力により駆動する走行用電動機６と、燃料電池３で発電した電力の一部が供給される車両電気系統（例えば照明又は空調機等を含む）７と、空気槽４からそれぞれ圧力調整手段であるレギュレータ（制御弁）８Ａ，８Ｂ，８Ｃを介して圧縮空気が供給される空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ばね１１と、空気槽４に接続され空気槽４内の圧縮空気の一部を燃料電池３に供給可能とする補助用制御弁１２及び空圧配管１３とを備えている。なお、図１において、走行用電動機６、空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ばね１１はそれぞれ代表して１つのみ図示したが、実際には例えば各台車ごとに複数備えている。
【００２９】
燃料電池３は、詳細は図示しないが、例えば、水素含有燃料（例えば天然ガス、メタノール等）を貯蓄する燃料タンクと、この燃料タンクからの水素含有燃料を改質して水素を生成する改質器と、この改質器からの水素と上記空気圧縮機２からの圧縮空気中の酸素とを反応させる燃料電池本体等で構成され、水素と酸素との化学反応により発電するようになっている。
【００３０】
空気ブレーキ９は、車体１４下部に設けられており、例えば、上記空気槽４から圧縮空気が供給されて伸縮駆動するブレーキ用エアシリンダ１５と、中心ピン１６で回転支承され、一方側（図２中上側）端部がブレーキ用エアシリンダ１５に連結された支持部材１７と、この支持部材１７の他方側（図２中下側）端部に設けられ車輪１８に当接可能なブレーキシュー１９とを備えている。そして、図２（ａ）に示すように、ブレーキ用エアシリンダ１５に圧縮空気が供給される場合は、ブレーキ用エアシリンダ１５が伸びて、ブレーキシュー１９は車輪１８から離れるようになっている。また、図２（ｂ）に示すように、ブレーキ用エアシリンダ１５に圧縮空気が供給されない（言い換えれば放気される）場合は、ブレーキ用エアシリンダ１５がばね２０の付勢力により縮んで、ブレーキシュー１９は車輪１８に当接するようになっている。この結果、車輪１８はブレーキシュー１９との摩擦力が作用して制動（ブレーキ）される。このような構成により、空気ブレーキ９はフェイルセーフ機構（例えば何らかの故障でブレーキ用エアシリンダ１５内の圧縮空気が抜ける場合、車輪１８は制動される）を有する。
【００３１】
開閉扉装置１０は、車体１４両側面に設けられており、例えば、上記空気槽４から圧縮空気が供給されて伸縮駆動する扉用エアシリンダ２１と、この扉用エアシリンダ２１に連結され、その上・下側（図２中上・下側）に配設した扉レール２２Ａ，２２Ｂに支持され左右方向（図２中左右方向）にスライド可能な開閉扉２３とを備えている。そして、図２（ａ）に示すように、扉用エアシリンダ２１のボトム側（図２中左側）に圧縮空気が供給される場合は、扉用エアシリンダ２１が伸びて、開閉扉２３は閉じ位置（図２中右側位置）に移動するようになっている。また、図２（ｂ）に示すように、扉用エアシリンダ２１のロッド側（図２中右側）に圧縮空気が供給される場合は、扉用エアシリンダ２１が縮んで、開閉扉２３は開き位置（図２中左側位置）に移動するようになっている。
【００３２】
空気ばね１１は、この種のものとして公知であり、上記走行用電動機６及び車輪１８等が設けられた台車２４と車体１４との間に設けられ、車体１４の振動を低減するようになっている。
【００３３】
図３は、上記空気圧縮機２の詳細構造を表す径方向縦断面図であり、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、図３中ＩＶ−ＩＶ断面による水平断面図であり、図４（ａ）は空気圧縮機２の容積比が比較的小さく設定されたときを示し、図４（ｂ）は空気圧縮機２の容積比が比較的大きく設定されたときを示している。
【００３４】
これら図３、図４（ａ）、及び図４（ｂ）において、オイルフリー式空気圧縮機２は、図示のように容積比可変機構を備えたスクリュー圧縮機であり、回転軸が平行でかつねじ状の歯が噛み合うようにそれぞれ回転する雄ロータ２５及び雌ロータ２６と、これら雄ロータ２５及び雌ロータ２６を収納するケーシング２７とを備えている。
【００３５】
ケーシング２７は、吸入口（図示せず）及び吐出口２８が設けられ、その内部に雄ロータ２５及び雌ロータ２５を収納する略円筒状ボア２９ａが形成されたメインケーシング２９と、このメインケーシング２９の吸入側（図４中上側）にボルト等により締結固定された吸入側ケーシング３０と、メインケーシング２９の吐出側（図４中下側）にボルト等により締結固定された吐出側ケーシング３１とで構成されている。
【００３６】
雄ロータ２５は、吸入側に設けた軸受３２Ａ及び吐出側に設けた軸受３２Ｂ，３３により回動可能に支持され、雌ロータ２６は、吸入側に設けた軸受３４Ａ及び吐出側に設けた軸受３４Ｂ，３５により回動可能に支持されている。また、雄ロータ２５の吸入側端部には例えばプーリ３６等が設けられ、雄ロータ２５及び雌ロータ２６の吐出側端部には一対のタイミングギヤ３７，３８が嵌合されている。そして、プーリ３６にベルト（図示せず）等を介して電動機３９（後述の図５参照）の回転動力が伝達されると、雄ロータ２５及び雌ロータ２６は同期して回転駆動するようになっている。このとき、雄ロータ２５及び雌ロータ２６とメインケーシング２９のボア２９ａ内壁とで囲まれた圧縮作動室４０は、吸入側から吐出側に移動しながら容積が縮小されている。
【００３７】
吸入側ケーシング３０は、内部に上記軸受３２Ａ，３４Ａに潤滑油を導く油室３０ａが形成されており、吐出側ケーシング３６は、内部に上記軸受３２Ｂ、３３，３４Ｂ，３５及び上記タイミングギヤ３７，３８に潤滑油を導く油室３１ａと、例えば雄ロータ２５及び雌ロータ２６等を冷却する冷却流路等（図示せず）が形成されている。そして、吸入側ケーシング３０の雄ロータ２５貫通部には軸封装置４１が設けられ、吸入側ケーシング３０の油室３０ａから潤滑油が外部に流出しないようになっている。また、軸受３２Ａ，３４Ａと圧縮作動室４０との間には軸封装置４２，４３が設けられ、軸受３２Ｂ，３４Ｂと圧縮作動室４０との間には軸封装置４４，４５が設けられており、圧縮作動室４０内へ潤滑油が流入しないようになっている。
【００３８】
メインケーシング２９の内部の吐出側には、容積比可変機構として、例えば軸方向にスライド可能なスライダ４６と、このスライダ４６を駆動させるスライダ駆動回路４７（後述の図５参照）とが設けられている。スライダ４６は、圧縮作動室４０側（図３中下側）に設けた開口である吐出ポート４８と、この吐出ポート４８から上記吐出口２８へ圧縮空気を導く吐出流路４９とを有する。そして、スライダ４６が軸方向に移動することにより、吐出時の圧縮作動室４０Ａの容積Ｖｏが変動し、空気圧縮機２の容積比（圧縮作動室４０の吸入完了時の容積Ｖｉと吐出時の容積Ｖｏとの比＝Ｖｉ／Ｖｏ）が設定変更される。
【００３９】
すなわち、図４（ａ）に示すように、スライダ４６の吐出ポート４８が吸入側に配置される場合は、吐出時の圧縮作動室４０Ａの容積Ｖｏが比較的大きくなって空気圧縮機２の容積比Ｖｉ／Ｖｏは比較的小さく設定され、例えば吐出圧が０．２〜０．３ＭＰａ程度となる。また、図４（ｂ）に示すように、スライダ４６の吐出ポート４８が吐出側に配置される場合は、吐出時の圧縮作動室４０Ａの容積Ｖｏが比較的小さくなって空気圧縮機２の容積比Ｖｉ／Ｖｏは比較的大きく設定されて、例えば吐出圧が０．５〜０．６ＭＰａ程度となる。
【００４０】
以上、説明した構成において、燃料電池３、ブレーキ用エアシリンダ１５、扉用エアシリンダ２１、及び空気ばね１１は、空気圧縮機２で生成した圧縮空気が供給される装置である。
【００４１】
図５は、空気圧縮機２で生成した圧縮空気の供給系統を表す空気回路図である。
【００４２】
この図５において、圧縮空気を生成する上記空気圧縮機２と、この空気圧縮機２を駆動する上記電動機３９と、この電動機３９の回転数を制御するインバータ５０と、空気圧縮機２から圧縮空気が供給される上記燃料電池３と、空気圧縮機２から導入された圧縮空気を一旦貯留する上記空気槽４と、この空気槽４の内圧を検出する圧力センサ５１と、空気圧縮機２の吐出側に接続され、空気圧縮機２の圧縮空気を燃料電池３側または空気槽４側に切り換えて供給する上記電磁切換弁５と、燃料電池３で発電した電力により駆動する上記走行用電動機６と、この走行用電動機６の回転数を制御するインバータ５２とが設けられている。
【００４３】
さらに、空気槽４からフィルタ（粉塵を除去する装置）５３、上記レギュレータ８Ａ、ルブリケータ（潤滑油を少量注入する装置）５４等を介して圧縮空気が供給されて駆動する上記ブレーキ用エアシリンダ１５と、空気槽４からブレーキ用エアシリンダ１５への圧縮空気の流れを制御するブレーキ用制御弁５５と、空気槽４からフィルタ５３、上記レギュレータ８Ｂ、ルブリケータ５４等を介して圧縮空気が供給されて駆動する上記扉用エアシリンダ２１と、空気槽４から扉用エアシリンダ２１への圧縮空気の流れを制御する扉用制御弁５６と、空気槽４からフィルタ５３、上記レギュレータ８Ｃ等を介して圧縮空気が供給される上記空気ばね１１と、台車２４と車体１４との間に設けられ車体１４の高さ（または傾き）を検出する位置センサ５７と、空気槽４に上記空圧配管１３及びフィルタ５３等を介して接続され、空気槽４から燃料電池３への圧縮空気の流れを制御する上記補助用制御弁１２と、例えば前後方向に操作することで鉄道車両の力行・惰性走行・制動を指示する走行レバー（マスコン）５８を備えた操作装置５９と、開閉扉２３の駆動を指示する扉スイッチ６０と、コントローラ６１とが設けられている。
【００４４】
なお、走行レバー５８及び扉スイッチ６０は、例えば運転室内に設けられている。また、図５において、ブレーキ用エアシリンダ１５、扉用エアシリンダ２１、空気ばね１１は、実際にはそれぞれ複数設けられているが、１つを代表して関連部品とともに図示している。
【００４５】
位置センサ５７は、車体１４高さ（例えば車体１４下側と台車２４上側との距離）を検出して、この検出信号（図２では電気信号として図示したが、例えば油圧信号等でもよい）をレギュレータ８Ｃのソレノイド駆動部８Ｃａに出力するようになっている。レギュレータ８Ｃは、この検出信号に応じて、空気ばね１１に供給する圧縮空気の圧力を調整する。
【００４６】
扉スイッチ６０は、そのＯＮ・ＯＦＦ切換操作に応じた操作信号を扉用制御弁５６のソレノイド駆動部５６ａに出力し、これによって扉用制御弁５６を切り換えるようになっている。すなわち、例えば扉スイッチ６０からの操作信号がＯＮ状態であれば、扉用制御弁５６は切換位置５６Ａに切り換えられ、扉用エアシリンダ２１が縮むようになっている。また、例えば扉スイッチ６０からの操作信号がＯＦＦ状態であれば、ばね５６ｂの付勢力で扉用制御弁５６は切換位置５６Ｂに復帰し、扉用エアシリンダ２１が伸びるようになっている。
【００４７】
操作装置５９は、前後方向（詳細には力行指示位置、惰性走行指示位置、制動指示位置等）に操作可能な上記走行レバー５８と、その変位を検出するレバー変位量検出器（図示せず）とを備えており、このレバー変位検出器は走行レバー５８の変位量を検出し、これに応じた操作信号をコントローラ６１に出力するようになっている。
【００４８】
コントローラ６１は、まず第１の機能として、操作装置５９からの操作信号を入力して所定の演算処理を行い、生成した制御信号を走行用電動機６のインバータ５２またはブレーキ用制御弁５５のソレノイド駆動部５５ａへ出力する。これにより、インバータ５２が走行用電動機６の回転数を制御し、またブレーキ用制御弁５５が切り換えられてブレーキ用エアシリンダ１５が駆動する。すなわち、例えばブレーキ用制御弁５５が切換位置５５Ａに切り換えられると、空気槽４からの圧縮空気が供給されてブレーキ用エアシリンダ１５が伸びるようになっている。また、例えばブレーキ用制御弁５５が切換位置５５Ｂに切り換えられると、空気槽４からの圧縮空気が供給されてブレーキ用エアシリンダ１５が縮むようになっている。
【００４９】
ここで、本実施形態の大きな特徴として、コントローラ６１は、第２の機能として、操作装置５９からの操作信号に応じて所定の演算処理を行い、生成した制御信号を空気圧縮機２のスライダ駆動回路４７及び電磁切換弁５のソレノイド駆動部５ａへ出力するようになっている。これにより、空気圧縮機２で生成した例えば圧力０．２〜０．３ＭＰａ程度の圧縮空気が燃料電池３に供給されるか、若しくは空気圧縮機２で生成した例えば圧力０．５〜０．６ＭＰａ程度の圧縮空気が空気槽４に供給されるようになっている。
【００５０】
次に、上記コントローラ６１の上記第２の機能の制御手順を説明する。図６は、コントローラ６１の制御処理内容を表すフローチャートである。
【００５１】
この図６において、まずステップ１００で、走行レバー５８が制動指示であるどうかを、操作装置５９からの操作信号により判定する。走行レバー５８が制動指示である場合は、ステップ１００の判定が満たされて、ステップ１１０に移る。ステップ１１０では、操作装置５９からの操作信号に対し所定の演算処理が行われ、制御信号を生成する。そして、この制御信号を空気圧縮機２のスライダ駆動回路４７に出力し、この制御信号によりスライダ４６の吐出ポート４８が高圧側に配置され、空気圧縮機２の容積比が比較的大きく設定されて、吐出圧は例えば０．５〜０．６ＭＰａ程度となる。その後、ステップ１２０に進み、制御信号を電磁切換弁５に出力し、これにより電磁切換弁５が空気槽４側（言い換えれば空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、空気ばね１１側）の切換位置５Ａに切り換えられる。その後、ステップ１３０に進み、制御信号を補助用制御弁１２に出力し、これにより補助用制御弁１２が連通位置に切り換えられる。
【００５２】
そして、ステップ１４０で、空気槽４の圧力センサ５１から入力された圧力信号に対し所定の演算処理が行われ、生成した制御信号を電動機３９のインバータ５０に出力する。これにより、電動機３９の回転数が制御され、空気圧縮機２で生成する圧縮空気の容量が制御される。この結果、空気槽４内の圧力が所定の範囲に維持される。
【００５３】
一方、走行レバー５８が制動指示でない（言い換えれば力行指示または惰性走行指示である）場合は、ステップ１００の判定が満たされず、ステップ１５０に移る。ステップ１５０では、操作装置５９からの操作信号に対し所定の演算処理が行われ、制御信号を生成する。そして、この制御信号を補助用制御弁１２に出力し、これにより補助用制御弁１２が遮断位置に切り換えられる。その後、ステップ１６０に進み、制御信号を電磁切換弁５に出力し、これにより電磁切換弁５が燃料電池４側の切換位置５Ｂに切り換えられる。その後、ステップ１７０に進み、制御信号を空気圧縮機２のスライダ駆動回路４７に出力し、この制御信号によりスライダ４６の吐出ポート４８が低圧側に配置され、空気圧縮機２の容積比が比較的小さく設定されて、吐出圧は例えば０．２〜０．３ＭＰａ程度となる。
【００５４】
そして、ステップ１８０で、操作装置５９からの操作信号（または例えば燃料電池３の負荷を検出するセンサ等を設け、このセンサから入力した検出信号等）に対し所定の演算処理が行われ、生成した制御信号を電動機３９のインバータ５０に出力する。これにより、電動機３９の回転数が制御され、空気圧縮機２で生成する圧縮空気の容量が制御される。
【００５５】
なお、以上において、空気ブレーキ９は、各請求項記載の圧縮空気により制御される制動手段を構成する。また、電磁切換弁５は、空気圧縮機で発生した圧縮空気を、燃料電池側、または制動手段、開閉扉、空気ばね側へ切り換えて供給する第１切換供給手段を構成する。
【００５６】
また、空気圧縮機２のスライダ駆動回路４７及びコントローラ６１の行う図６のステップ１１０及びステップ１７０は、燃料電池側に圧縮空気を供給するときには空気圧縮機の容積比を小さく、制動手段側に圧縮空気を供給するときには空気圧縮機の容積比を大きくするように、容積比可変機構を制御する容積比制御手段を構成する。
【００５７】
また、操作装置５９は、車両の力行、制動、停止を運転者が指示する運転制御手段を構成し、補助用制御弁１２及び空圧配管１３は、制動手段側へ供給された圧縮空気の一部を燃料電池側へ導入可能な補助導入手段を構成する。
【００５８】
次に、本実施形態の動作及び作用・効果を説明する。
【００５９】
まず鉄道車両１が駅に停車し制動しているときは、走行レバー５８は手前側（詳細には制動指示位置）に操作されている。これにより、操作装置５９から操作信号がコントローラ６１に入力され、ステップ１００の判定が満たされて、ステップ１１０においてコントローラ６１から制御信号が空気圧縮機２のスライダ駆動回路５７に入力され、空気圧縮機２の容積比が比較的大きく設定され、ステップ１２０においてコントローラ６１から制御信号が電磁切換弁５に入力され、電磁切換弁５を切換位置５Ａに切り換える。この結果、空気圧縮機２で圧力０．５〜０．６ＭＰａ程度の圧縮空気が生成され、この圧縮空気が空気槽４に供給されて、この後の空気ブレーキ９の解除用に一旦貯留される。
【００６０】
そして、ステップ１３０においてコントローラ６１から制御信号が補助用制御弁１２に入力され、補助用制御弁１２を連通位置に切り換える。これにより、空気槽４内の圧縮空気の一部が燃料電池３に供給されて比較的少量の電力を発電する。この電力は車両電気系統７に供給されて、照明及び空調機等が駆動する。
【００６１】
一方、扉スイッチ６０はＯＮ状態に操作されており、扉スイッチ６０からの操作信号が扉用制御弁５６に入力されて、これにより扉用制御弁５６が切換位置５６Ａに切り換えられ、空気槽４から圧縮空気が供給されて扉用エアシリンダ２１が駆動し、開閉扉２３が開き状態になっている。
【００６２】
この状態から鉄道車両１を発車させるときは、運転士（または車掌）が扉スイッチ６０をＯＦＦ状態に操作し、この結果、扉用制御弁５６が切換位置５６Ｂに復帰して扉用エアシリンダ２１が駆動し、開閉扉２３が閉じ状態となる。その後、運転士が鉄道車両１を力行または惰性走行させようとして、例えば走行レバー５８を奥側（詳細には力行指示位置または惰性走行指示位置）に操作すると、操作装置５９から操作信号がコントローラ６１に入力される。これにより、図６のステップ１００の判定が満たされず、ステップ１５０においてコントローラ６１から制御信号が補助用制御弁１２に入力され、補助用制御弁１２を遮断位置に切り換え、ステップ１６０においてコントローラ６１から制御信号が電磁切換弁５に入力され、電磁切換弁５を切換位置５Ｂに切り換え、ステップ１７０においてコントローラ６１から制御信号が空気圧縮機２のスライダ駆動回路５７に入力され、空気圧縮機２の容積比を比較的小さく設定する。これにより、空気圧縮機２で圧力０．２〜０．３ＭＰａ程度の圧縮空気が生成され、この圧縮空気が燃料電池３に供給される。これによって、燃料電池３内における水素と酸素とが結合する反応を促進し、燃料電池３の出力を向上する。そして、ステップ１８０においてコントローラ６１から制御信号がインバータ５２に入力され、これによりインバータ５２が回転数を制御して走行用電動機３を駆動させる。また、このとき、操作装置５９から操作信号がコントローラ６１に入力され、コントローラ６１で所定の演算処理が行われて、生成した制御信号がブレーキ用制御弁５５に出力される。これにより、ブレーキ用制御弁５５を切換位置５５Ａに切り換え、空気槽４から圧縮空気が供給されてブレーキ用エアシリンダ２１が駆動し、空気ブレーキ９が解除状態になり、鉄道車両１は発車する。
【００６３】
そして、この走行状態から次の駅に停車するために減速し、そして停止するときは、運転士が再び走行レバー５８を手前側に操作する。これにより、前述と同様、ステップ１００、１１０、１２０により、空気圧縮機２で圧力０．５〜０．６ＭＰａ程度の圧縮空気が生成され、空気槽４に供給され一旦貯留される。また、ステップ１３０で空気槽４内の圧縮空気の一部が燃料電池３に供給されて比較的少量の電力を発電する。鉄道車両１の停止後は、運転士または車掌が扉スイッチ６０をＯＮ状態に操作することにより、空気槽４から圧縮空気が供給されて扉用エアシリンダ２１が駆動し、開閉扉２３が開き状態になる。
【００６４】
以上説明した本実施形態によれば、容積比可変機構を備えたスクリュー式空気圧縮機２を共用して、空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ばね１１用と、燃料電池３用との両方に用いることにより、それぞれに別々に圧縮機を設ける場合に比べ、設置のために必要なスペースを低減できる。これにより、鉄道車両１全体の小型軽量化を図ることができる。
【００６５】
なお、上記実施形態においては、オイルフリー式の空気圧縮機２を例に取り説明したが、これに代えて、油冷式の空気圧縮機を設け、この空気圧縮機と燃料電池３との間に例えばオイルミストフィルタ等の油成分除去手段を設けてもよい。また、上記実施形態においては、鉄道車両１の力行・惰性走行・制動を指示する走行レバー５８を備えた操作装置５９を例に取り説明したが、これに代えて、鉄道車両の力行・惰性走行を指示するアクセルレバーと、鉄道車両の制動を指示するブレーキレバーとを備えた操作装置としてもよい。これらの場合も上記同様の効果を得ることができる。
【００６６】
また、上記実施形態においては、空気圧縮機２で生成する圧縮空気の容量制御として、電動機３９の回転数をインバータ５０で制御する方法を例に取り説明したが、これに限らない。すなわち、例えば、電動機３９の駆動をＯＮ・ＯＦＦ制御してもよく、また空気圧縮機２に吸入する空気量を制御弁等で制御する吸入絞り制御でもよい。これらの場合も上記同様の効果を得ることができる。
【００６７】
本発明の第２実施形態を図７により説明する。
【００６８】
本実施形態は、上記実施形態の可変容量機構を備えたスクリュー空気圧縮機２に代えて、直列に接続した低圧用空気圧縮機及び高圧用空気圧縮機を設けた実施形態である。図７は、本実施形態による燃料電池駆動式鉄道車両の概略構成を表す側面図である。なお、この図７において、上記実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００６９】
本実施形態において、燃料電池駆動式鉄道車両６２には、圧縮空気を生成する例えばオイルフリー式の低圧用空気圧縮機（ＣＰＬ）６３と、この低圧用空気圧縮機６３から圧縮空気が供給される燃料電池３と、低圧用空気圧縮機６３からの圧縮空気をさらに昇圧する例えば油冷式の高圧用空気圧縮機（ＣＰＨ）６４と、低圧用空気圧縮機６３の圧縮空気を燃料電池３側または高圧用空気圧縮機６４側に切り換えて供給する制御弁６５と、高圧用空気圧縮機６４から導入された圧縮空気を一旦貯留する空気槽４とが設けられている。なお、図７において、走行用電動機６、空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ばね１１はそれぞれ代表して１つのみ図示したが、実際には例えば各台車２４ごとに複数備えている。
【００７０】
なお、以上において、制御弁６５は、各請求項記載の低圧用空気圧縮機で発生した圧縮空気を、燃料電池側または高圧用空気圧縮機側へ切り換えて供給する第２切換供給手段を構成する。
【００７１】
本実施形態においては、まず低圧用空気圧縮機６３によって例えば０．２〜０．３ＭＰａ程度の圧縮空気を生成し、鉄道車両６２を力行させる場合等においては、制御弁６５を切り換えてその圧縮空気を燃料電池３側に供給する。これによって、燃料電池３内における水素と酸素が結合する反応を促進し、燃料電池３の出力を向上する。一方、鉄道車両６２を制動または停止させる場合等においては、制御弁５を切り換えてその圧縮空気を主として高圧用空気圧縮機６４に供給し（このとき詳細には、車両電気系統７に電力を供給するため、圧縮空気の一部については燃料電池３に供給する）、高圧用空気圧縮機６４でさらに例えば０．５〜０．６ＭＰａ程度にまで昇圧した後に空気槽４に供給する。これによって、従来通りの空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ばね１１等の機能を維持する。
【００７２】
以上のようにして、相対的に低圧である燃料電池３用相当（０．２〜０．３ＭＰａ）までの昇圧機能については低圧用空気圧縮機６３として共用化し、さらに高圧側である、空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ばね１１等の従来用途用相当（０．５〜０．６ＭＰａ）までの昇圧機能についてのみ別途高圧用空気圧縮機６４として分離する構成としている。これにより、大気圧から燃料電池３用相当までの昇圧機能の燃料電池用空気圧縮機と大気圧から従来用途用相当までの昇圧機能の従来用途用空気圧縮機とをそれぞれ別々に設ける場合に比べ、高圧用空気圧縮機６４の昇圧量が従来用途用空気圧縮機より小さく圧縮機を小型化できる分、圧縮機設置のために必要なスペースを低減できる。これにより、鉄道車両全体６２の小型軽量化を図ることができる。
【００７３】
本発明の第３実施形態を図８により説明する。
【００７４】
本実施形態は、例えば連結運行する第１車両及び第２車両を備えた燃料電池駆動式車両ユニットに本発明を適用した実施形態である。図８は、本実施形態による燃料電池駆動式鉄道車両ユニットの概略構成を表す側面図である。なお、この図８において、上記第１及び第２実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００７５】
本実施形態において、第１車両６６及び第２車両６７を備えた燃料電池駆動式鉄道車両ユニット６８には、例えば、第２車両６７に設けられ圧縮空気を生成する空気圧縮機６９と、第２車両６７に設けられ空気圧縮機６９からの圧縮空気を一旦貯留する空気槽４と、この空気槽４からそれぞれ上記レギュレータ８Ａ，８Ｂ，８Ｃを介して圧縮空気が供給される上記空気ブレーキ９、上記開閉扉装置１０、及び上記空気ばね１１と、第１車両６６に設けた燃料電池３と、第２車両６７の空気槽４から第１車両６６の燃料電池３まで延設された空圧配管７０と、この空圧配管７０を連通・遮断可能とする燃料電池用制御弁７１と、これら空圧配管７０及び燃料電池用制御弁７１を介し空気槽４から燃料電池３へ供給される圧縮空気を減圧するレギュレータ７２と、第１車両６６または第２車両６７に設けられ燃料電池３で発電した電力により駆動する走行用電動機６とが設けられている。なお、走行用電動機６は第１車両６６及び第２車両６７の両方に設けてもよい。また、図８において、空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ばね１１はそれぞれ代表して１つのみ図示したが、実際には例えば第１車両６６及び第２車両６７にそれぞれ複数備えている。
【００７６】
なお、以上において、燃料電池用制御弁７１は各請求項記載の第１制御弁を構成し、レギュレータ８Ａは各請求項記載の第２制御弁を構成し、レギュレータ７２は、第１制御弁を介し空気槽から導かれた圧縮空気を減圧する減圧手段を構成する。
【００７７】
本実施形態においては、空気圧縮機６９で例えば０．５〜０．６ＭＰａ程度の圧縮空気を生成し、その圧縮空気を空気槽４に供給する。これによって、従来通りの空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ブレーキ１１の機能を維持する。そして、鉄道車両ユニット６８を力行させる場合等においては、燃料電池用制御弁７１を連通位置に切り換えて、空圧配管７０を介し空気槽４から導かれた圧縮空気をレギュレータ７２で例えば０．２〜０．３ＭＰａ程度に減圧した後に燃料電池３に供給する。これによって、燃料電池３内における水素と酸素が結合する反応を促進し、燃料電池３の出力を向上する。
【００７８】
以上のようにして、まず空気圧縮機６９で相対的に高圧である、空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ブレーキ１１等の従来用途用相当（０．５〜０．６ＭＰａ）まで昇圧することとして共用化し、その後低圧である燃料電池駆動３用相当（０．２〜０．３ＭＰａ）までの降圧機能についてのみ別途分離する構成としている。これにより、大気圧から燃料電池３用相当までの昇圧機能の燃料電池用空気圧縮機と大気圧から従来用途用相当までの昇圧機能の従来用途用空気圧縮機とをそれぞれ別々に設ける場合に比べ、空気圧縮機が１つで足りることからレギュレータ７２等のためのスペースを差し引いても全体の機器設置スペースを低減できる。これにより、鉄道車両ユニット６８全体の小型軽量化を図ることができる。
【００７９】
また、本実施形態においては、燃料装置３及び空気圧縮機６９等を第１車両６６及び第２車両６７に分担して搭載している。これにより、第１車両６６及び第２車両６７の重量配分が分散化され、部品劣化が集中せず信頼性が高まるとともに、鉄道車両ユニット６８の加減速等の操作特性を向上することができる。また、燃料電池３に圧縮空気を供給する側に空気槽４を備えているので、空気圧縮機６９の起動に時間がかかる場合でも燃料電池３の起動を促進することができる。また、レギュレータ７２に至るまでは高い圧力で送気するため、第１車両６６及び第２車両６７を跨ぐ長い空圧配管７０の流路抵抗が比較的小さく、効率的な送気が可能である。
【００８０】
なお、上記第１、第２、及び第３実施形態においては、１つの空気圧縮機２または６９（または低圧用空気圧縮機６３と高圧用空気圧縮機６４との１組合せ）と１つの燃料電池３とで構成する例について説明したが、これに限らない。すなわち、例えば複数の空気圧縮機を並列して接続する構成により、いずれか１つの空気圧縮機が故障しても、正常な空気圧縮機を駆動させて運転継続を可能とする。また、例えば複数の燃料電池を並列して接続する構成により、いずれか１つの燃料電池が故障しても、正常な燃料電池により運転継続を可能とする。これらの場合も上記第１、第２、及び第３実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によれば、空気圧縮機の設置スペースを低減し、車両全体を小型軽量化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池駆動式鉄道車両の第１実施形態の概略構成を表す側面図である。
【図２】本発明の燃料電池駆動式鉄道車両の第１実施形態を構成する空気ブレーキ及び開閉扉装置の概略構造を表す側面図であり、空気ブレーキが解除状態かつ開閉扉装置が閉じ状態のとき、及び空気ブレーキが制動状態かつ開閉扉装置が開き状態のときを示している。
【図３】本発明の燃料電池駆動式鉄道車両の第１実施形態を構成する空気圧縮機の詳細構造を表す径方向縦断面図である。
【図４】図３中ＩＶ−ＩＶ断面による、本発明の燃料電池駆動式鉄道車両の第１実施形態を構成する空気圧縮機の詳細構造を表す水平断面図であり、容積比が比較的小さく設定されたとき、及び容積比が比較的大きく設定されたときを示している。
【図５】本発明の燃料電池駆動式鉄道車両の第１実施形態を構成する空気圧縮機で生成した圧縮空気の供給系統を表す空気回路図である。
【図６】本発明の燃料電池駆動式鉄道車両の第１実施形態を構成するコントローラの制御処理内容を表すフローチャートである。
【図７】本発明の燃料電池駆動式鉄道車両の第２実施形態の概略構成を表す側面図である。
【図８】本発明の燃料電池駆動式鉄道車両ユニットの第３実施形態の概略構成を表す側面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池駆動式鉄道車両
２ 空気圧縮機
３ 燃料電池
４ 空気槽
５ 電磁切換弁（第１切換供給手段）
５Ａ 切換位置（制動手段、開閉扉、空気ばね側）
５Ｂ 切換位置（燃料電池側）
６ 走行用電動機
８Ａ レギュレータ（第２制御弁）
９ 空気ブレーキ（制動手段）
１０ 空気ばね
１１ 開閉扉
１２ 補助用制御弁（補助導入手段）
１３ 空圧配管（補助導入手段）
４６ スライダ（容積比可変機構）
４７ スライダ駆動回路（容積比制御手段）
５９ 操作装置（運転制御手段）
６１ コントローラ（容積比制御手段）
６２ 燃料電池駆動式鉄道車両
６３ 低圧用空気圧縮機
６４ 高圧用空気圧縮機
６５ 第２切換供給手段
６６ 第１車両
６７ 第２車両
６８ 燃料電池駆動式鉄道車両ユニット
６９ 空気圧縮機
７１ 燃料電池用制御弁（第１制御弁）
７２ レギュレータ（減圧手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を搭載し、その燃料電池の発電した電力を動力源として走行する燃料電池駆動式鉄道車両に係わり、特に、燃料電池に圧縮空気を供給する空気圧縮機を搭載した燃料電池駆動式鉄道車両及び燃料電池駆動式鉄道車両ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両は、一般的に、車輪を制動（ブレーキ）する制動手段（空気ブレーキ等）と、停車時に開閉駆動する開閉扉と、車体振動を低減する空気ばね等を備えている。そして、これら制動手段、開閉扉、及び空気ばね等に利用する圧縮空気を供給する空気圧縮機が備えられている。
【０００３】
一方、近年、この鉄道車両に燃料電池を適用しようという試みが提唱されている（例えば、非特許文献１参照）。この燃料電池は、例えば水素含有燃料の改質により生じる水素を大気中の酸素と結合させ、その化学反応により電力を発電するものである。このとき、燃料電池の出力向上あるいは小型化を目的として、水素との反応を促進するために空気圧縮機を用いて燃料電池に圧縮空気を供給する手法が既に提唱されている。
【０００４】
【非特許文献１】
宮本岳史、他４名，「燃料電池を適用した鉄道車両のフィジービリティスタディ」，鉄道車両と技術，（有）レールアンドテック出版，平成１４年４月，第７２巻，ｐ．２〜６
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記制動手段等の従来用途に利用される圧縮空気の圧力は例えば０．５〜０．６ＭＰａ程度であり、上記燃料電池に供給する圧縮空気の圧力は例えば０．２〜０．３ＭＰａ程度が適している。このように供給圧が異なるので制動手段用と燃料電池用の圧縮機を別々に設ける必要が生じ、鉄道車両の小型軽量化を阻害することとなる。
【０００６】
本発明の目的は、空気圧縮機の設置スペースを低減し、車両全体を小型軽量化できる燃料電池駆動式鉄道車両を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、圧縮空気が供給される燃料電池と、この燃料電池の発電した電力により駆動する走行用電動機と、圧縮空気により制御される制動手段と、共通の１つの空気圧縮機と、この空気圧縮機で発生した圧縮空気を、前記燃料電池側または前記制動手段側へ切り換えて供給する第１切換供給手段とを有する。
【０００８】
本発明においては、例えば容積比可変機構を備えた１つの定容積比圧縮機を共用して、制動手段等の従来用途の圧縮空気生成用と燃料電池駆動への圧縮空気生成用との両方に用いる。すなわち、車両が運転操作されて力行中である場合等においては、例えば空気圧縮機の容積比を小さくして０．２〜０．３ＭＰａ程度の圧縮空気を生成するとともに、第１切換供給手段を切り換えてその圧縮空気を燃料電池側に供給する。これによって、燃料電池内における水素と酸素が結合する反応を促進し、燃料電池の出力を向上する。
【０００９】
一方、車両がブレーキ操作されて制動中又は停止中である場合等においては、例えば空気圧縮機の容積比を大きくして０．５〜０．６ＭＰａ程度の圧縮空気を生成するとともに、第１切換供給手段を切り換えてその圧縮空気を制動手段側に供給する。これによって、従来どおりの空気ブレーキ機能を維持することができる。
【００１０】
以上のようにして、１つの空気圧縮機を共用して制動手段用と燃料電池駆動用との両方に用いることにより、それぞれに別々に圧縮機を設ける場合に比べ、設置のために必要なスペースを低減できる。これにより、車両全体の小型軽量化を図ることができる。
【００１１】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記空気圧縮機は、容積比可変機構を備えた定容積比圧縮機である。
【００１２】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記燃料電池側に圧縮空気を供給するときには前記空気圧縮機の容積比を小さく、前記制動手段側に圧縮空気を供給するときには前記空気圧縮機の容積比を大きくするように、前記容積比可変機構を制御する容積比制御手段を備える。
【００１３】
（４）上記（１）〜（３）のいずれか１つにおいて、好ましくは、車両の力行、制動、停止を運転者が指示する運転制御手段を有し、前記第１切換供給手段は、前記運転制御手段で車両の力行が指示されているときには前記圧縮空気を主として前記燃料電池側に供給し、前記運転制御手段で車両の制動または停止が指示されているときには前記圧縮空気を主として前記制動手段側に供給する。
【００１４】
（５）上記（１）〜（４）のいずれか１つにおいて、好ましくは、前記制動手段側へ供給された圧縮空気の一部を前記燃料電池側へ導入可能な補助導入手段を備える。
【００１５】
（６）上記（１）〜（４）のいずれか１つにおいて、また好ましくは、圧縮空気により開閉駆動される開閉扉及び圧縮空気が供給される空気ばねの少なくとも一方をさらに有し、前記第１切換供給手段は、前記空気圧縮機で発生した圧縮空気を、前記燃料電池側、または前記制動手段、前記開閉扉、前記空気ばね側へ切り換えて供給する。
【００１６】
（７）上記（１）〜（４）のいずれか１つにおいて、さらに好ましくは、前記第１切換供給手段から導入された圧縮空気を一旦貯留した後に前記制動手段側へ供給するための空気槽を備える。
【００１７】
（８）上記目的を達成するために、また本発明は、圧縮空気が供給される燃料電池と、この燃料電池の発電した電力により駆動する走行用電動機と、圧縮空気により制御される制動手段と、低圧用空気圧縮機と、この低圧用空気圧縮機で発生した圧縮空気をさらに昇圧し前記制動手段側へ供給する高圧用空気圧縮機と、前記低圧用空気圧縮機で発生した圧縮空気を、前記燃料電池側または前記高圧用空気圧縮機側へ切り換えて供給する第２切換供給手段とを有する。
【００１８】
本発明においては、制動手段等の従来用途の圧縮空気生成に必要な昇圧機能（０．５〜０．６ＭＰａ程度）と燃料電池駆動への圧縮空気生成に必要な昇圧機能（例えば０．２〜０．３ＭＰａ程度）のうち、相対的に低圧である燃料電池駆動用の昇圧機能（０．２〜０．３ＭＰａ程度）までについては共用化を図る。すなわち、まず低圧用空気圧縮機によって０．２〜０．３ＭＰａ程度の圧縮空気を生成し、車両が運転操作されて力行中である場合等においては、第２切換供給手段を切り換えてその圧縮空気を燃料電池側に供給する。これによって、燃料電池内における水素と酸素が結合する反応を促進し、燃料電池の出力を向上する。
【００１９】
一方、車両がブレーキ操作されて制動中又は停止中である場合等においては、第２切換供給手段を切り換えてその圧縮空気を高圧用空気圧縮機に供給し、高圧用空気圧縮機でさらに０．５〜０．６ＭＰａ程度にまで昇圧した後に制動手段側に供給する。これによって、従来どおりの空気ブレーキ機能を維持することができる。
【００２０】
以上のようにして、相対的に低圧である燃料電池駆動用相当（０．２〜０．３ＭＰａ）までの昇圧機能については低圧用空気圧縮機として共用化し、さらに高圧側である制動手段用相当（０．５〜０．６ＭＰａ）までの昇圧機能についてのみ別途高圧空気圧縮機として分離する構成としている。これにより、大気圧から燃料電池駆動用相当（０．２〜０．３ＭＰａ）までの昇圧機能の燃料電池用空気圧縮機と大気圧から制動手段用相当（０．５〜０．６ＭＰａ）までの昇圧機能の制動手段用空気圧縮機とをそれぞれ別々に設ける場合に比べ、高圧空気圧縮機の昇圧量が制動手段用空気圧縮機より小さく圧縮機を小型化できる分、圧縮機設置のために必要なスペースを低減できる。これにより、車両全体の小型軽量化を図ることができる。
【００２１】
（９）上記（８）において、好ましくは、車両の力行、制動、停止を運転者が指示する運転制御手段を有し、前記第２切換供給手段は、前記運転制御手段で車両の力行が指示されているときには前記圧縮空気を主として前記燃料電池側に供給し、前記運転制御手段で車両の制動または停止が指示されているときには前記圧縮空気を主として前記高圧用空気圧縮機側に供給する。
【００２２】
（１０）上記目的を達成するために、また本発明は、第１車両及び第２車両を備えた燃料電池駆動式鉄道車両ユニットにおいて、圧縮空気が供給される燃料電池と、この燃料電池の発電した電力により駆動する走行用電動機と、圧縮空気により制御される制動手段と、空気圧縮機と、この空気圧縮機で発生した圧縮空気を一旦貯留した後に前記制動手段側又は前記燃料電池側へ供給するための空気槽と、この空気槽と前記燃料電池との間に設けた第１制御弁と、前記空気槽と前記制動手段との間に設けた第２制御弁と、前記第１制御弁を介し前記空気槽から導かれた圧縮空気を減圧する減圧手段とを有し、かつ、前記燃料電池及び前記減圧手段を前記第１車両に配置し、前記空気圧縮機を前記第２車両に配置する。
【００２３】
本発明においては、制動手段等の従来用途の圧縮空気生成に必要な昇圧機能（０．５〜０．６ＭＰａ程度）と燃料電池駆動への圧縮空気生成に必要な昇圧機能（例えば０．２〜０．３ＭＰａ程度）に関し、まず相対的に高圧である制動手段用の圧縮空気（０．５〜０．６ＭＰａ程度）を生成すると共に、燃料電池側へはこれを減圧して用いるようにすることで共用化を図る。
【００２４】
すなわち、まず空気圧縮機によって０．５〜０．６ＭＰａ程度の圧縮空気を生成し、車両がブレーキ操作されて制動中又は停止中である場合等においては、第２制御弁を開き、その圧縮空気を第２制御弁を介してそのまま制動手段側に供給する。これによって、従来どおりの空気ブレーキ機能を維持することができる。一方、車両が運転操作されて力行中である場合等においては、第１制御弁を開いてその圧縮空気を減圧手段に供給し、ここで例えば０．２〜０．３ＭＰａ程度に減圧した後に燃料電池側に供給する。これによって、燃料電池内における水素と酸素が結合する反応を促進し、燃料電池の出力を向上する。
【００２５】
以上のようにして、一旦共用の空気圧縮機で相対的に高圧な制動手段用相当（０．５〜０．６ＭＰａ）まで昇圧することとして共用化し、その後低圧である燃料電池駆動用相当（０．２〜０．３ＭＰａ）までの降圧機能についてのみ別途分離する構成としている。これにより、大気圧から燃料電池駆動用相当（０．２〜０．３ＭＰａ）までの昇圧機能の燃料電池用空気圧縮機と大気圧から制動手段用相当（０．５〜０．６ＭＰａ）までの昇圧機能の制動手段用空気圧縮機とをそれぞれ別々に設ける場合に比べ、空気圧縮機が１つで足りることから減圧手段設置のためのスペースを差し引いても全体の機器設置スペースを低減できる。これにより、車両全体の小型軽量化を図ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２７】
本発明の第１実施形態を図１〜図６により説明する。
図１は、本発明の燃料電池駆動式鉄道車両の第１実施形態の概略構成を表す側面図であり、図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本実施形態を構成する空気ブレーキ及び開閉扉装置の概略構造を表す側面図であり、図２（ａ）は空気ブレーキが解除状態かつ開閉扉装置が閉じ状態のときを示し、図２（ｂ）は空気ブレーキが制動状態かつ開閉扉装置が開き状態のときを示している。
【００２８】
これら図１、図２（ａ）、及び図２（ｂ）において、燃料電池式鉄道車両１は、圧縮空気を生成する例えばオイルフリー式（圧縮作動室内を潤滑油のない状態で運転する）空気圧縮機（ＣＰ）２と、この空気圧縮機２から圧縮空気が供給される燃料電池（ＦＣ）３と、空気圧縮機２から導入された圧縮空気を一旦貯留する空気槽（ＡＲ）４と、空気圧縮機２の圧縮空気を燃料電池３側または空気槽４側に切り換えて供給する電磁切換弁５と、燃料電池３で発電した電力により駆動する走行用電動機６と、燃料電池３で発電した電力の一部が供給される車両電気系統（例えば照明又は空調機等を含む）７と、空気槽４からそれぞれ圧力調整手段であるレギュレータ（制御弁）８Ａ，８Ｂ，８Ｃを介して圧縮空気が供給される空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ばね１１と、空気槽４に接続され空気槽４内の圧縮空気の一部を燃料電池３に供給可能とする補助用制御弁１２及び空圧配管１３とを備えている。なお、図１において、走行用電動機６、空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ばね１１はそれぞれ代表して１つのみ図示したが、実際には例えば各台車ごとに複数備えている。
【００２９】
燃料電池３は、詳細は図示しないが、例えば、水素含有燃料（例えば天然ガス、メタノール等）を貯蓄する燃料タンクと、この燃料タンクからの水素含有燃料を改質して水素を生成する改質器と、この改質器からの水素と上記空気圧縮機２からの圧縮空気中の酸素とを反応させる燃料電池本体等で構成され、水素と酸素との化学反応により発電するようになっている。
【００３０】
空気ブレーキ９は、車体１４下部に設けられており、例えば、上記空気槽４から圧縮空気が供給されて伸縮駆動するブレーキ用エアシリンダ１５と、中心ピン１６で回転支承され、一方側（図２中上側）端部がブレーキ用エアシリンダ１５に連結された支持部材１７と、この支持部材１７の他方側（図２中下側）端部に設けられ車輪１８に当接可能なブレーキシュー１９とを備えている。そして、図２（ａ）に示すように、ブレーキ用エアシリンダ１５に圧縮空気が供給される場合は、ブレーキ用エアシリンダ１５が伸びて、ブレーキシュー１９は車輪１８から離れるようになっている。また、図２（ｂ）に示すように、ブレーキ用エアシリンダ１５に圧縮空気が供給されない（言い換えれば放気される）場合は、ブレーキ用エアシリンダ１５がばね２０の付勢力により縮んで、ブレーキシュー１９は車輪１８に当接するようになっている。この結果、車輪１８はブレーキシュー１９との摩擦力が作用して制動（ブレーキ）される。このような構成により、空気ブレーキ９はフェイルセーフ機構（例えば何らかの故障でブレーキ用エアシリンダ１５内の圧縮空気が抜ける場合、車輪１８は制動される）を有する。
【００３１】
開閉扉装置１０は、車体１４両側面に設けられており、例えば、上記空気槽４から圧縮空気が供給されて伸縮駆動する扉用エアシリンダ２１と、この扉用エアシリンダ２１に連結され、その上・下側（図２中上・下側）に配設した扉レール２２Ａ，２２Ｂに支持され左右方向（図２中左右方向）にスライド可能な開閉扉２３とを備えている。そして、図２（ａ）に示すように、扉用エアシリンダ２１のボトム側（図２中左側）に圧縮空気が供給される場合は、扉用エアシリンダ２１が伸びて、開閉扉２３は閉じ位置（図２中右側位置）に移動するようになっている。また、図２（ｂ）に示すように、扉用エアシリンダ２１のロッド側（図２中右側）に圧縮空気が供給される場合は、扉用エアシリンダ２１が縮んで、開閉扉２３は開き位置（図２中左側位置）に移動するようになっている。
【００３２】
空気ばね１１は、この種のものとして公知であり、上記走行用電動機６及び車輪１８等が設けられた台車２４と車体１４との間に設けられ、車体１４の振動を低減するようになっている。
【００３３】
図３は、上記空気圧縮機２の詳細構造を表す径方向縦断面図であり、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、図３中ＩＶ−ＩＶ断面による水平断面図であり、図４（ａ）は空気圧縮機２の容積比が比較的小さく設定されたときを示し、図４（ｂ）は空気圧縮機２の容積比が比較的大きく設定されたときを示している。
【００３４】
これら図３、図４（ａ）、及び図４（ｂ）において、オイルフリー式空気圧縮機２は、図示のように容積比可変機構を備えたスクリュー圧縮機であり、回転軸が平行でかつねじ状の歯が噛み合うようにそれぞれ回転する雄ロータ２５及び雌ロータ２６と、これら雄ロータ２５及び雌ロータ２６を収納するケーシング２７とを備えている。
【００３５】
ケーシング２７は、吸入口（図示せず）及び吐出口２８が設けられ、その内部に雄ロータ２５及び雌ロータ２５を収納する略円筒状ボア２９ａが形成されたメインケーシング２９と、このメインケーシング２９の吸入側（図４中上側）にボルト等により締結固定された吸入側ケーシング３０と、メインケーシング２９の吐出側（図４中下側）にボルト等により締結固定された吐出側ケーシング３１とで構成されている。
【００３６】
雄ロータ２５は、吸入側に設けた軸受３２Ａ及び吐出側に設けた軸受３２Ｂ，３３により回動可能に支持され、雌ロータ２６は、吸入側に設けた軸受３４Ａ及び吐出側に設けた軸受３４Ｂ，３５により回動可能に支持されている。また、雄ロータ２５の吸入側端部には例えばプーリ３６等が設けられ、雄ロータ２５及び雌ロータ２６の吐出側端部には一対のタイミングギヤ３７，３８が嵌合されている。そして、プーリ３６にベルト（図示せず）等を介して電動機３９（後述の図５参照）の回転動力が伝達されると、雄ロータ２５及び雌ロータ２６は同期して回転駆動するようになっている。このとき、雄ロータ２５及び雌ロータ２６とメインケーシング２９のボア２９ａ内壁とで囲まれた圧縮作動室４０は、吸入側から吐出側に移動しながら容積が縮小されている。
【００３７】
吸入側ケーシング３０は、内部に上記軸受３２Ａ，３４Ａに潤滑油を導く油室３０ａが形成されており、吐出側ケーシング３６は、内部に上記軸受３２Ｂ、３３，３４Ｂ，３５及び上記タイミングギヤ３７，３８に潤滑油を導く油室３１ａと、例えば雄ロータ２５及び雌ロータ２６等を冷却する冷却流路等（図示せず）が形成されている。そして、吸入側ケーシング３０の雄ロータ２５貫通部には軸封装置４１が設けられ、吸入側ケーシング３０の油室３０ａから潤滑油が外部に流出しないようになっている。また、軸受３２Ａ，３４Ａと圧縮作動室４０との間には軸封装置４２，４３が設けられ、軸受３２Ｂ，３４Ｂと圧縮作動室４０との間には軸封装置４４，４５が設けられており、圧縮作動室４０内へ潤滑油が流入しないようになっている。
【００３８】
メインケーシング２９の内部の吐出側には、容積比可変機構として、例えば軸方向にスライド可能なスライダ４６と、このスライダ４６を駆動させるスライダ駆動回路４７（後述の図５参照）とが設けられている。スライダ４６は、圧縮作動室４０側（図３中下側）に設けた開口である吐出ポート４８と、この吐出ポート４８から上記吐出口２８へ圧縮空気を導く吐出流路４９とを有する。そして、スライダ４６が軸方向に移動することにより、吐出時の圧縮作動室４０Ａの容積Ｖｏが変動し、空気圧縮機２の容積比（圧縮作動室４０の吸入完了時の容積Ｖｉと吐出時の容積Ｖｏとの比＝Ｖｉ／Ｖｏ）が設定変更される。
【００３９】
すなわち、図４（ａ）に示すように、スライダ４６の吐出ポート４８が吸入側に配置される場合は、吐出時の圧縮作動室４０Ａの容積Ｖｏが比較的大きくなって空気圧縮機２の容積比Ｖｉ／Ｖｏは比較的小さく設定され、例えば吐出圧が０．２〜０．３ＭＰａ程度となる。また、図４（ｂ）に示すように、スライダ４６の吐出ポート４８が吐出側に配置される場合は、吐出時の圧縮作動室４０Ａの容積Ｖｏが比較的小さくなって空気圧縮機２の容積比Ｖｉ／Ｖｏは比較的大きく設定されて、例えば吐出圧が０．５〜０．６ＭＰａ程度となる。
【００４０】
以上、説明した構成において、燃料電池３、ブレーキ用エアシリンダ１５、扉用エアシリンダ２１、及び空気ばね１１は、空気圧縮機２で生成した圧縮空気が供給される装置である。
【００４１】
図５は、空気圧縮機２で生成した圧縮空気の供給系統を表す空気回路図である。
【００４２】
この図５において、圧縮空気を生成する上記空気圧縮機２と、この空気圧縮機２を駆動する上記電動機３９と、この電動機３９の回転数を制御するインバータ５０と、空気圧縮機２から圧縮空気が供給される上記燃料電池３と、空気圧縮機２から導入された圧縮空気を一旦貯留する上記空気槽４と、この空気槽４の内圧を検出する圧力センサ５１と、空気圧縮機２の吐出側に接続され、空気圧縮機２の圧縮空気を燃料電池３側または空気槽４側に切り換えて供給する上記電磁切換弁５と、燃料電池３で発電した電力により駆動する上記走行用電動機６と、この走行用電動機６の回転数を制御するインバータ５２とが設けられている。
【００４３】
さらに、空気槽４からフィルタ（粉塵を除去する装置）５３、上記レギュレータ８Ａ、ルブリケータ（潤滑油を少量注入する装置）５４等を介して圧縮空気が供給されて駆動する上記ブレーキ用エアシリンダ１５と、空気槽４からブレーキ用エアシリンダ１５への圧縮空気の流れを制御するブレーキ用制御弁５５と、空気槽４からフィルタ５３、上記レギュレータ８Ｂ、ルブリケータ５４等を介して圧縮空気が供給されて駆動する上記扉用エアシリンダ２１と、空気槽４から扉用エアシリンダ２１への圧縮空気の流れを制御する扉用制御弁５６と、空気槽４からフィルタ５３、上記レギュレータ８Ｃ等を介して圧縮空気が供給される上記空気ばね１１と、台車２４と車体１４との間に設けられ車体１４の高さ（または傾き）を検出する位置センサ５７と、空気槽４に上記空圧配管１３及びフィルタ５３等を介して接続され、空気槽４から燃料電池３への圧縮空気の流れを制御する上記補助用制御弁１２と、例えば前後方向に操作することで鉄道車両の力行・惰性走行・制動を指示する走行レバー（マスコン）５８を備えた操作装置５９と、開閉扉２３の駆動を指示する扉スイッチ６０と、コントローラ６１とが設けられている。
【００４４】
なお、走行レバー５８及び扉スイッチ６０は、例えば運転室内に設けられている。また、図５において、ブレーキ用エアシリンダ１５、扉用エアシリンダ２１、空気ばね１１は、実際にはそれぞれ複数設けられているが、１つを代表して関連部品とともに図示している。
【００４５】
位置センサ５７は、車体１４高さ（例えば車体１４下側と台車２４上側との距離）を検出して、この検出信号（図２では電気信号として図示したが、例えば油圧信号等でもよい）をレギュレータ８Ｃのソレノイド駆動部８Ｃａに出力するようになっている。レギュレータ８Ｃは、この検出信号に応じて、空気ばね１１に供給する圧縮空気の圧力を調整する。
【００４６】
扉スイッチ６０は、そのＯＮ・ＯＦＦ切換操作に応じた操作信号を扉用制御弁５６のソレノイド駆動部５６ａに出力し、これによって扉用制御弁５６を切り換えるようになっている。すなわち、例えば扉スイッチ６０からの操作信号がＯＮ状態であれば、扉用制御弁５６は切換位置５６Ａに切り換えられ、扉用エアシリンダ２１が縮むようになっている。また、例えば扉スイッチ６０からの操作信号がＯＦＦ状態であれば、ばね５６ｂの付勢力で扉用制御弁５６は切換位置５６Ｂに復帰し、扉用エアシリンダ２１が伸びるようになっている。
【００４７】
操作装置５９は、前後方向（詳細には力行指示位置、惰性走行指示位置、制動指示位置等）に操作可能な上記走行レバー５８と、その変位を検出するレバー変位量検出器（図示せず）とを備えており、このレバー変位検出器は走行レバー５８の変位量を検出し、これに応じた操作信号をコントローラ６１に出力するようになっている。
【００４８】
コントローラ６１は、まず第１の機能として、操作装置５９からの操作信号を入力して所定の演算処理を行い、生成した制御信号を走行用電動機６のインバータ５２またはブレーキ用制御弁５５のソレノイド駆動部５５ａへ出力する。これにより、インバータ５２が走行用電動機６の回転数を制御し、またブレーキ用制御弁５５が切り換えられてブレーキ用エアシリンダ１５が駆動する。すなわち、例えばブレーキ用制御弁５５が切換位置５５Ａに切り換えられると、空気槽４からの圧縮空気が供給されてブレーキ用エアシリンダ１５が伸びるようになっている。また、例えばブレーキ用制御弁５５が切換位置５５Ｂに切り換えられると、空気槽４からの圧縮空気が供給されてブレーキ用エアシリンダ１５が縮むようになっている。
【００４９】
ここで、本実施形態の大きな特徴として、コントローラ６１は、第２の機能として、操作装置５９からの操作信号に応じて所定の演算処理を行い、生成した制御信号を空気圧縮機２のスライダ駆動回路４７及び電磁切換弁５のソレノイド駆動部５ａへ出力するようになっている。これにより、空気圧縮機２で生成した例えば圧力０．２〜０．３ＭＰａ程度の圧縮空気が燃料電池３に供給されるか、若しくは空気圧縮機２で生成した例えば圧力０．５〜０．６ＭＰａ程度の圧縮空気が空気槽４に供給されるようになっている。
【００５０】
次に、上記コントローラ６１の上記第２の機能の制御手順を説明する。図６は、コントローラ６１の制御処理内容を表すフローチャートである。
【００５１】
この図６において、まずステップ１００で、走行レバー５８が制動指示であるどうかを、操作装置５９からの操作信号により判定する。走行レバー５８が制動指示である場合は、ステップ１００の判定が満たされて、ステップ１１０に移る。ステップ１１０では、操作装置５９からの操作信号に対し所定の演算処理が行われ、制御信号を生成する。そして、この制御信号を空気圧縮機２のスライダ駆動回路４７に出力し、この制御信号によりスライダ４６の吐出ポート４８が高圧側に配置され、空気圧縮機２の容積比が比較的大きく設定されて、吐出圧は例えば０．５〜０．６ＭＰａ程度となる。その後、ステップ１２０に進み、制御信号を電磁切換弁５に出力し、これにより電磁切換弁５が空気槽４側（言い換えれば空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、空気ばね１１側）の切換位置５Ａに切り換えられる。その後、ステップ１３０に進み、制御信号を補助用制御弁１２に出力し、これにより補助用制御弁１２が連通位置に切り換えられる。
【００５２】
そして、ステップ１４０で、空気槽４の圧力センサ５１から入力された圧力信号に対し所定の演算処理が行われ、生成した制御信号を電動機３９のインバータ５０に出力する。これにより、電動機３９の回転数が制御され、空気圧縮機２で生成する圧縮空気の容量が制御される。この結果、空気槽４内の圧力が所定の範囲に維持される。
【００５３】
一方、走行レバー５８が制動指示でない（言い換えれば力行指示または惰性走行指示である）場合は、ステップ１００の判定が満たされず、ステップ１５０に移る。ステップ１５０では、操作装置５９からの操作信号に対し所定の演算処理が行われ、制御信号を生成する。そして、この制御信号を補助用制御弁１２に出力し、これにより補助用制御弁１２が遮断位置に切り換えられる。その後、ステップ１６０に進み、制御信号を電磁切換弁５に出力し、これにより電磁切換弁５が燃料電池４側の切換位置５Ｂに切り換えられる。その後、ステップ１７０に進み、制御信号を空気圧縮機２のスライダ駆動回路４７に出力し、この制御信号によりスライダ４６の吐出ポート４８が低圧側に配置され、空気圧縮機２の容積比が比較的小さく設定されて、吐出圧は例えば０．２〜０．３ＭＰａ程度となる。
【００５４】
そして、ステップ１８０で、操作装置５９からの操作信号（または例えば燃料電池３の負荷を検出するセンサ等を設け、このセンサから入力した検出信号等）に対し所定の演算処理が行われ、生成した制御信号を電動機３９のインバータ５０に出力する。これにより、電動機３９の回転数が制御され、空気圧縮機２で生成する圧縮空気の容量が制御される。
【００５５】
なお、以上において、空気ブレーキ９は、各請求項記載の圧縮空気により制御される制動手段を構成する。また、電磁切換弁５は、空気圧縮機で発生した圧縮空気を、燃料電池側、または制動手段、開閉扉、空気ばね側へ切り換えて供給する第１切換供給手段を構成する。
【００５６】
また、空気圧縮機２のスライダ駆動回路４７及びコントローラ６１の行う図６のステップ１１０及びステップ１７０は、燃料電池側に圧縮空気を供給するときには空気圧縮機の容積比を小さく、制動手段側に圧縮空気を供給するときには空気圧縮機の容積比を大きくするように、容積比可変機構を制御する容積比制御手段を構成する。
【００５７】
また、操作装置５９は、車両の力行、制動、停止を運転者が指示する運転制御手段を構成し、補助用制御弁１２及び空圧配管１３は、制動手段側へ供給された圧縮空気の一部を燃料電池側へ導入可能な補助導入手段を構成する。
【００５８】
次に、本実施形態の動作及び作用・効果を説明する。
【００５９】
まず鉄道車両１が駅に停車し制動しているときは、走行レバー５８は手前側（詳細には制動指示位置）に操作されている。これにより、操作装置５９から操作信号がコントローラ６１に入力され、ステップ１００の判定が満たされて、ステップ１１０においてコントローラ６１から制御信号が空気圧縮機２のスライダ駆動回路５７に入力され、空気圧縮機２の容積比が比較的大きく設定され、ステップ１２０においてコントローラ６１から制御信号が電磁切換弁５に入力され、電磁切換弁５を切換位置５Ａに切り換える。この結果、空気圧縮機２で圧力０．５〜０．６ＭＰａ程度の圧縮空気が生成され、この圧縮空気が空気槽４に供給されて、この後の空気ブレーキ９の解除用に一旦貯留される。
【００６０】
そして、ステップ１３０においてコントローラ６１から制御信号が補助用制御弁１２に入力され、補助用制御弁１２を連通位置に切り換える。これにより、空気槽４内の圧縮空気の一部が燃料電池３に供給されて比較的少量の電力を発電する。この電力は車両電気系統７に供給されて、照明及び空調機等が駆動する。
【００６１】
一方、扉スイッチ６０はＯＮ状態に操作されており、扉スイッチ６０からの操作信号が扉用制御弁５６に入力されて、これにより扉用制御弁５６が切換位置５６Ａに切り換えられ、空気槽４から圧縮空気が供給されて扉用エアシリンダ２１が駆動し、開閉扉２３が開き状態になっている。
【００６２】
この状態から鉄道車両１を発車させるときは、運転士（または車掌）が扉スイッチ６０をＯＦＦ状態に操作し、この結果、扉用制御弁５６が切換位置５６Ｂに復帰して扉用エアシリンダ２１が駆動し、開閉扉２３が閉じ状態となる。その後、運転士が鉄道車両１を力行または惰性走行させようとして、例えば走行レバー５８を奥側（詳細には力行指示位置または惰性走行指示位置）に操作すると、操作装置５９から操作信号がコントローラ６１に入力される。これにより、図６のステップ１００の判定が満たされず、ステップ１５０においてコントローラ６１から制御信号が補助用制御弁１２に入力され、補助用制御弁１２を遮断位置に切り換え、ステップ１６０においてコントローラ６１から制御信号が電磁切換弁５に入力され、電磁切換弁５を切換位置５Ｂに切り換え、ステップ１７０においてコントローラ６１から制御信号が空気圧縮機２のスライダ駆動回路５７に入力され、空気圧縮機２の容積比を比較的小さく設定する。これにより、空気圧縮機２で圧力０．２〜０．３ＭＰａ程度の圧縮空気が生成され、この圧縮空気が燃料電池３に供給される。これによって、燃料電池３内における水素と酸素とが結合する反応を促進し、燃料電池３の出力を向上する。そして、ステップ１８０においてコントローラ６１から制御信号がインバータ５２に入力され、これによりインバータ５２が回転数を制御して走行用電動機３を駆動させる。また、このとき、操作装置５９から操作信号がコントローラ６１に入力され、コントローラ６１で所定の演算処理が行われて、生成した制御信号がブレーキ用制御弁５５に出力される。これにより、ブレーキ用制御弁５５を切換位置５５Ａに切り換え、空気槽４から圧縮空気が供給されてブレーキ用エアシリンダ２１が駆動し、空気ブレーキ９が解除状態になり、鉄道車両１は発車する。
【００６３】
そして、この走行状態から次の駅に停車するために減速し、そして停止するときは、運転士が再び走行レバー５８を手前側に操作する。これにより、前述と同様、ステップ１００、１１０、１２０により、空気圧縮機２で圧力０．５〜０．６ＭＰａ程度の圧縮空気が生成され、空気槽４に供給され一旦貯留される。また、ステップ１３０で空気槽４内の圧縮空気の一部が燃料電池３に供給されて比較的少量の電力を発電する。鉄道車両１の停止後は、運転士または車掌が扉スイッチ６０をＯＮ状態に操作することにより、空気槽４から圧縮空気が供給されて扉用エアシリンダ２１が駆動し、開閉扉２３が開き状態になる。
【００６４】
以上説明した本実施形態によれば、容積比可変機構を備えたスクリュー式空気圧縮機２を共用して、空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ばね１１用と、燃料電池３用との両方に用いることにより、それぞれに別々に圧縮機を設ける場合に比べ、設置のために必要なスペースを低減できる。これにより、鉄道車両１全体の小型軽量化を図ることができる。
【００６５】
なお、上記実施形態においては、オイルフリー式の空気圧縮機２を例に取り説明したが、これに代えて、油冷式の空気圧縮機を設け、この空気圧縮機と燃料電池３との間に例えばオイルミストフィルタ等の油成分除去手段を設けてもよい。また、上記実施形態においては、鉄道車両１の力行・惰性走行・制動を指示する走行レバー５８を備えた操作装置５９を例に取り説明したが、これに代えて、鉄道車両の力行・惰性走行を指示するアクセルレバーと、鉄道車両の制動を指示するブレーキレバーとを備えた操作装置としてもよい。これらの場合も上記同様の効果を得ることができる。
【００６６】
また、上記実施形態においては、空気圧縮機２で生成する圧縮空気の容量制御として、電動機３９の回転数をインバータ５０で制御する方法を例に取り説明したが、これに限らない。すなわち、例えば、電動機３９の駆動をＯＮ・ＯＦＦ制御してもよく、また空気圧縮機２に吸入する空気量を制御弁等で制御する吸入絞り制御でもよい。これらの場合も上記同様の効果を得ることができる。
【００６７】
本発明の第２実施形態を図７により説明する。
【００６８】
本実施形態は、上記実施形態の可変容量機構を備えたスクリュー空気圧縮機２に代えて、直列に接続した低圧用空気圧縮機及び高圧用空気圧縮機を設けた実施形態である。図７は、本実施形態による燃料電池駆動式鉄道車両の概略構成を表す側面図である。なお、この図７において、上記実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００６９】
本実施形態において、燃料電池駆動式鉄道車両６２には、圧縮空気を生成する例えばオイルフリー式の低圧用空気圧縮機（ＣＰＬ）６３と、この低圧用空気圧縮機６３から圧縮空気が供給される燃料電池３と、低圧用空気圧縮機６３からの圧縮空気をさらに昇圧する例えば油冷式の高圧用空気圧縮機（ＣＰＨ）６４と、低圧用空気圧縮機６３の圧縮空気を燃料電池３側または高圧用空気圧縮機６４側に切り換えて供給する制御弁６５と、高圧用空気圧縮機６４から導入された圧縮空気を一旦貯留する空気槽４とが設けられている。なお、図７において、走行用電動機６、空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ばね１１はそれぞれ代表して１つのみ図示したが、実際には例えば各台車２４ごとに複数備えている。
【００７０】
なお、以上において、制御弁６５は、各請求項記載の低圧用空気圧縮機で発生した圧縮空気を、燃料電池側または高圧用空気圧縮機側へ切り換えて供給する第２切換供給手段を構成する。
【００７１】
本実施形態においては、まず低圧用空気圧縮機６３によって例えば０．２〜０．３ＭＰａ程度の圧縮空気を生成し、鉄道車両６２を力行させる場合等においては、制御弁６５を切り換えてその圧縮空気を燃料電池３側に供給する。これによって、燃料電池３内における水素と酸素が結合する反応を促進し、燃料電池３の出力を向上する。一方、鉄道車両６２を制動または停止させる場合等においては、制御弁５を切り換えてその圧縮空気を主として高圧用空気圧縮機６４に供給し（このとき詳細には、車両電気系統７に電力を供給するため、圧縮空気の一部については燃料電池３に供給する）、高圧用空気圧縮機６４でさらに例えば０．５〜０．６ＭＰａ程度にまで昇圧した後に空気槽４に供給する。これによって、従来通りの空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ばね１１等の機能を維持する。
【００７２】
以上のようにして、相対的に低圧である燃料電池３用相当（０．２〜０．３ＭＰａ）までの昇圧機能については低圧用空気圧縮機６３として共用化し、さらに高圧側である、空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ばね１１等の従来用途用相当（０．５〜０．６ＭＰａ）までの昇圧機能についてのみ別途高圧用空気圧縮機６４として分離する構成としている。これにより、大気圧から燃料電池３用相当までの昇圧機能の燃料電池用空気圧縮機と大気圧から従来用途用相当までの昇圧機能の従来用途用空気圧縮機とをそれぞれ別々に設ける場合に比べ、高圧用空気圧縮機６４の昇圧量が従来用途用空気圧縮機より小さく圧縮機を小型化できる分、圧縮機設置のために必要なスペースを低減できる。これにより、鉄道車両全体６２の小型軽量化を図ることができる。
【００７３】
本発明の第３実施形態を図８により説明する。
【００７４】
本実施形態は、例えば連結運行する第１車両及び第２車両を備えた燃料電池駆動式車両ユニットに本発明を適用した実施形態である。図８は、本実施形態による燃料電池駆動式鉄道車両ユニットの概略構成を表す側面図である。なお、この図８において、上記第１及び第２実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００７５】
本実施形態において、第１車両６６及び第２車両６７を備えた燃料電池駆動式鉄道車両ユニット６８には、例えば、第２車両６７に設けられ圧縮空気を生成する空気圧縮機６９と、第２車両６７に設けられ空気圧縮機６９からの圧縮空気を一旦貯留する空気槽４と、この空気槽４からそれぞれ上記レギュレータ８Ａ，８Ｂ，８Ｃを介して圧縮空気が供給される上記空気ブレーキ９、上記開閉扉装置１０、及び上記空気ばね１１と、第１車両６６に設けた燃料電池３と、第２車両６７の空気槽４から第１車両６６の燃料電池３まで延設された空圧配管７０と、この空圧配管７０を連通・遮断可能とする燃料電池用制御弁７１と、これら空圧配管７０及び燃料電池用制御弁７１を介し空気槽４から燃料電池３へ供給される圧縮空気を減圧するレギュレータ７２と、第１車両６６または第２車両６７に設けられ燃料電池３で発電した電力により駆動する走行用電動機６とが設けられている。なお、走行用電動機６は第１車両６６及び第２車両６７の両方に設けてもよい。また、図８において、空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ばね１１はそれぞれ代表して１つのみ図示したが、実際には例えば第１車両６６及び第２車両６７にそれぞれ複数備えている。
【００７６】
なお、以上において、燃料電池用制御弁７１は各請求項記載の第１制御弁を構成し、レギュレータ８Ａは各請求項記載の第２制御弁を構成し、レギュレータ７２は、第１制御弁を介し空気槽から導かれた圧縮空気を減圧する減圧手段を構成する。
【００７７】
本実施形態においては、空気圧縮機６９で例えば０．５〜０．６ＭＰａ程度の圧縮空気を生成し、その圧縮空気を空気槽４に供給する。これによって、従来通りの空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ブレーキ１１の機能を維持する。そして、鉄道車両ユニット６８を力行させる場合等においては、燃料電池用制御弁７１を連通位置に切り換えて、空圧配管７０を介し空気槽４から導かれた圧縮空気をレギュレータ７２で例えば０．２〜０．３ＭＰａ程度に減圧した後に燃料電池３に供給する。これによって、燃料電池３内における水素と酸素が結合する反応を促進し、燃料電池３の出力を向上する。
【００７８】
以上のようにして、まず空気圧縮機６９で相対的に高圧である、空気ブレーキ９、開閉扉装置１０、及び空気ブレーキ１１等の従来用途用相当（０．５〜０．６ＭＰａ）まで昇圧することとして共用化し、その後低圧である燃料電池駆動３用相当（０．２〜０．３ＭＰａ）までの降圧機能についてのみ別途分離する構成としている。これにより、大気圧から燃料電池３用相当までの昇圧機能の燃料電池用空気圧縮機と大気圧から従来用途用相当までの昇圧機能の従来用途用空気圧縮機とをそれぞれ別々に設ける場合に比べ、空気圧縮機が１つで足りることからレギュレータ７２等のためのスペースを差し引いても全体の機器設置スペースを低減できる。これにより、鉄道車両ユニット６８全体の小型軽量化を図ることができる。
【００７９】
また、本実施形態においては、燃料装置３及び空気圧縮機６９等を第１車両６６及び第２車両６７に分担して搭載している。これにより、第１車両６６及び第２車両６７の重量配分が分散化され、部品劣化が集中せず信頼性が高まるとともに、鉄道車両ユニット６８の加減速等の操作特性を向上することができる。また、燃料電池３に圧縮空気を供給する側に空気槽４を備えているので、空気圧縮機６９の起動に時間がかかる場合でも燃料電池３の起動を促進することができる。また、レギュレータ７２に至るまでは高い圧力で送気するため、第１車両６６及び第２車両６７を跨ぐ長い空圧配管７０の流路抵抗が比較的小さく、効率的な送気が可能である。
【００８０】
なお、上記第１、第２、及び第３実施形態においては、１つの空気圧縮機２または６９（または低圧用空気圧縮機６３と高圧用空気圧縮機６４との１組合せ）と１つの燃料電池３とで構成する例について説明したが、これに限らない。すなわち、例えば複数の空気圧縮機を並列して接続する構成により、いずれか１つの空気圧縮機が故障しても、正常な空気圧縮機を駆動させて運転継続を可能とする。また、例えば複数の燃料電池を並列して接続する構成により、いずれか１つの燃料電池が故障しても、正常な燃料電池により運転継続を可能とする。これらの場合も上記第１、第２、及び第３実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によれば、空気圧縮機の設置スペースを低減し、車両全体を小型軽量化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池駆動式鉄道車両の第１実施形態の概略構成を表す側面図である。
【図２】本発明の燃料電池駆動式鉄道車両の第１実施形態を構成する空気ブレーキ及び開閉扉装置の概略構造を表す側面図であり、空気ブレーキが解除状態かつ開閉扉装置が閉じ状態のとき、及び空気ブレーキが制動状態かつ開閉扉装置が開き状態のときを示している。
【図３】本発明の燃料電池駆動式鉄道車両の第１実施形態を構成する空気圧縮機の詳細構造を表す径方向縦断面図である。
【図４】図３中ＩＶ−ＩＶ断面による、本発明の燃料電池駆動式鉄道車両の第１実施形態を構成する空気圧縮機の詳細構造を表す水平断面図であり、容積比が比較的小さく設定されたとき、及び容積比が比較的大きく設定されたときを示している。
【図５】本発明の燃料電池駆動式鉄道車両の第１実施形態を構成する空気圧縮機で生成した圧縮空気の供給系統を表す空気回路図である。
【図６】本発明の燃料電池駆動式鉄道車両の第１実施形態を構成するコントローラの制御処理内容を表すフローチャートである。
【図７】本発明の燃料電池駆動式鉄道車両の第２実施形態の概略構成を表す側面図である。
【図８】本発明の燃料電池駆動式鉄道車両ユニットの第３実施形態の概略構成を表す側面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池駆動式鉄道車両
２ 空気圧縮機
３ 燃料電池
４ 空気槽
５ 電磁切換弁（第１切換供給手段）
５Ａ 切換位置（制動手段、開閉扉、空気ばね側）
５Ｂ 切換位置（燃料電池側）
６ 走行用電動機
８Ａ レギュレータ（第２制御弁）
９ 空気ブレーキ（制動手段）
１０ 空気ばね
１１ 開閉扉
１２ 補助用制御弁（補助導入手段）
１３ 空圧配管（補助導入手段）
４６ スライダ（容積比可変機構）
４７ スライダ駆動回路（容積比制御手段）
５９ 操作装置（運転制御手段）
６１ コントローラ（容積比制御手段）
６２ 燃料電池駆動式鉄道車両
６３ 低圧用空気圧縮機
６４ 高圧用空気圧縮機
６５ 第２切換供給手段
６６ 第１車両
６７ 第２車両
６８ 燃料電池駆動式鉄道車両ユニット
６９ 空気圧縮機
７１ 燃料電池用制御弁（第１制御弁）
７２ レギュレータ（減圧手段）
Claims (10)
- 圧縮空気が供給される燃料電池と、
この燃料電池の発電した電力により駆動する走行用電動機と、
圧縮空気により制御される制動手段と、
共通の１つの空気圧縮機と、
この空気圧縮機で発生した圧縮空気を、前記燃料電池側または前記制動手段側へ切り換えて供給する第１切換供給手段とを有することを特徴とする燃料電池駆動式鉄道車両。 - 請求項１記載の燃料電池駆動式鉄道車両において、前記空気圧縮機は、容積比可変機構を備えた定容積比圧縮機であることを特徴とする燃料電池駆動式鉄道車両。
- 請求項２記載の燃料電池駆動式鉄道車両において、前記燃料電池側に圧縮空気を供給するときには前記空気圧縮機の容積比を小さく、前記制動手段側に圧縮空気を供給するときには前記空気圧縮機の容積比を大きくするように、前記容積比可変機構を制御する容積比制御手段を備えることを特徴とする燃料電池駆動式鉄道車両。
- 請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料電池駆動式鉄道車両において、車両の力行、制動、停止を運転者が指示する運転制御手段を有し、前記第１切換供給手段は、前記運転制御手段で車両の力行が指示されているときには前記圧縮空気を主として前記燃料電池側に供給し、前記運転制御手段で車両の制動または停止が指示されているときには前記圧縮空気を主として前記制動手段側に供給することを特徴とする燃料電池駆動式鉄道車両。
- 請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池駆動式鉄道車両において、前記制動手段側へ供給された圧縮空気の一部を前記燃料電池側へ導入可能な補助導入手段を備えることを特徴とする燃料電池駆動式鉄道車両。
- 請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池駆動式鉄道車両において、圧縮空気により開閉駆動される開閉扉及び圧縮空気が供給される空気ばねの少なくとも一方をさらに有し、前記第１切換供給手段は、前記空気圧縮機で発生した圧縮空気を、前記燃料電池側、または前記制動手段、前記開閉扉、前記空気ばね側へ切り換えて供給することを特徴とする燃料電池駆動式鉄道車両。
- 請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池駆動式鉄道車両において、前記第１切換供給手段から導入された圧縮空気を一旦貯留した後に前記制動手段側へ供給するための空気槽を備えることを特徴とする燃料電池駆動式鉄道車両。
- 圧縮空気が供給される燃料電池と、
この燃料電池の発電した電力により駆動する走行用電動機と、
圧縮空気により制御される制動手段と、
低圧用空気圧縮機と、
この低圧用空気圧縮機で発生した圧縮空気をさらに昇圧し前記制動手段側へ供給する高圧用空気圧縮機と、
前記低圧用空気圧縮機で発生した圧縮空気を、前記燃料電池側または前記高圧用空気圧縮機側へ切り換えて供給する第２切換供給手段とを有することを特徴とする燃料電池駆動式鉄道車両。 - 請求項８記載の燃料電池駆動式鉄道車両において、車両の力行、制動、停止を運転者が指示する運転制御手段を有し、前記第２切換供給手段は、前記運転制御手段で車両の力行が指示されているときには前記圧縮空気を主として前記燃料電池側に供給し、前記運転制御手段で車両の制動または停止が指示されているときには前記圧縮空気を主として前記高圧用空気圧縮機側に供給することを特徴とする燃料電池駆動式鉄道車両。
- 第１車両及び第２車両を備えた燃料電池駆動式鉄道車両ユニットにおいて、
圧縮空気が供給される燃料電池と、
この燃料電池の発電した電力により駆動する走行用電動機と、
圧縮空気により制御される制動手段と、
空気圧縮機と、
この空気圧縮機で発生した圧縮空気を一旦貯留した後に前記制動手段側又は前記燃料電池側へ供給するための空気槽と、
この空気槽と前記燃料電池との間に設けた第１制御弁と、
前記空気槽と前記制動手段との間に設けた第２制御弁と、
前記第１制御弁を介し前記空気槽から導かれた圧縮空気を減圧する減圧手段とを有し、
かつ、前記燃料電池及び前記減圧手段を前記第１車両に配置し、前記空気圧縮機を前記第２車両に配置したことを特徴とする燃料電池駆動式鉄道車両ユニット。
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