JP2005065398A

JP2005065398A - 燃料電池を搭載した鉄道車両とその運行方法及び鉄道システム

Info

Publication number: JP2005065398A
Application number: JP2003291156A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Ozawa; 由行小澤
Original assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Current assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】比較的小型の水素タンクを搭載した場合であっても，円滑な運行が可能な燃料電池を搭載した鉄道車両とその運行方法及び鉄道システムを提供する。
【解決手段】
水素と酸素との反応を行って電力を発生させる燃料電池２０と，水素タンク３０とを搭載した鉄道車両１であって，パンタグラフ１０を介して架線１１から供給された電力を鉄道車両１の駆動装置２２に給電する状態と，燃料電池２０で発生させた電力を鉄道車両１の駆動装置２２に給電する状態とに切替える切替装置２１を備えている。架線１１のある線路区間では，切替装置２１の切替により，架線１１から供給された電力で走行し，架線１１の無い線路区間では，燃料電池で発生させた電力で走行することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は，水素と酸素との反応を行って電力を発生させる燃料電池を搭載した鉄道車両とその運行方法，鉄道システムに関する。

水素と酸素とを反応させてエネルギーを発生させる燃料電池は，発電効率が高く，地球環境にも優しいため，次世代型のエネルギ機器として注目を浴びている。燃料電池に関し，従来より多くの文献が発表されているが，その用途は，自動車用の動力としての利用がほとんどである。多くの魅力をもつエネルギー媒体である水素は，自動車に限らず，他の分野でも幅広く利用される可能性を持っている。そのような中で，特開２００１−２１３１４９号には，車両に燃料電池を搭載し，発生させた電気で車両を駆動する技術が開示されている。

特開２００１−２１３１４９号公報

しかしながら，燃料電池を搭載した車両では，その燃料となる水素タンクも一緒に車両に搭載しなければならない。水素タンクとしては，水素吸蔵合金などが用いられるが，それらは大型で重量が重いため，車両全体の重量も重くなり，車両も大型になってしまう。他方，小型の水素タンクでは水素の貯蔵量が少なく，運行距離が短くなってしまう。また，頻繁な燃料補充が必要となり，車両の円滑な運行を妨げてしまう。更に，燃料補充基地を多数設けると設備コストが高騰し，保守管理も面倒となる。

本発明の目的は，比較的小型の水素タンクを搭載した場合であっても，円滑な運行が可能な燃料電池を搭載した鉄道車両とその運行方法及び鉄道システムを提供することにある。

本発明は，水素と酸素との反応を行って電力を発生させる燃料電池と，水素タンクとを搭載した鉄道車両であって，パンタグラフを介して架線（電車線）から供給された電力を鉄道車両の駆動装置に給電する状態と，前記燃料電池で発生させた電力を鉄道車両の駆動装置に給電する状態とに切替える切替装置を備えることを特徴としている。

本発明の鉄道車両は，架線のある線路区間では，切替装置の切替により，パンタグラフを介して架線から供給された電力を鉄道車両の駆動装置に給電して走行し，架線の無い線路区間では，燃料電池で発生させた電力を鉄道車両の駆動装置に給電して走行することができる。

前記燃料電池は，燃料電池運用と水電解運用とが可能な再生型燃料電池であり，この再生型燃料電池に供給する水を貯蔵する水タンクを鉄道車両に搭載することが好ましい。鉄道車両に搭載した水素タンクに，外部から水素を直接供給して貯蔵しても良いが，この再生型燃料電池に外部から電気エネルギを供給して，水電解運用させることにより，水タンクから再生型燃料電池に供給された水を電気分解して，水素を発生させ，その水素を鉄道車両に搭載した水素タンクに貯蔵しても良い。なお，このように再生型燃料電池を水電解運用させるために必要となる電気エネルギは，パンタグラフを介して架線から供給された電力を利用しても良いし，適当な燃料補充基地などに鉄道車両が停車してる間に，パンタグラフを通さずに，別の箇所から再生型燃料電池に電気エネルギを供給しても良い。

また，本発明の運行方法は，この鉄道車両の運行方法であって，架線（電車線）のある線路区間では，パンタグラフを介して架線（電車線）から供給された電力を鉄道車両の駆動装置に給電して走行し，架線（電車線）の無い線路区間では，燃料電池で発生させた電力を鉄道車両の駆動装置に給電して走行することを特徴としている。

前記架線の無い線路区間では，パンタグラフを通じた電力の供給が停止するので，パンタグラフを降ろして走行しても良い。パンタグラフを降ろすことにより，鉄道車両全体の高さを低くすることができる。例えば，地下鉄，トンネルなどといった閉鎖空間内を運行する場合，パンタグラフを降ろして鉄道車両全体の高さを低くすれば，その分，地下鉄，トンネルなどといった閉鎖空間の断面積を小さくできるので，掘削労力が減り，施工コストを安くできる。また，閉鎖空間の断面積が小さくなれば，内壁補強などといった工事コストも廉価になる。更に，地下鉄，トンネルなどといった閉鎖空間については，架線の設置を省略することによって，施工コストを更に下げることができ，また，閉鎖空間の断面積も更に小さくすることができる。

また，本発明の運行システムは，以上のような鉄道車両を運行させる運行システムであって，鉄道車両が走行する線路を備え，この線路の一部に，鉄道車両に搭載された水素タンクに水素を貯蔵させる燃料補充基地を配置したことを特徴としている。

この運行システムにおいて，前記線路には，架線（電車線）のある線路区間と，架線（電車線）の無い線路区間が設けられていても良い。その場合，前記架線の無い線路区間は，例えば閉鎖空間内を通る線路区間であり，該閉鎖空間の地面から天井面までの高さは，パンタグラフを降ろした状態の鉄道車両は通過することができるが，パンタグラフが立ち上った状態では鉄道車両は通過できない高さに設定されている。

本発明によれば，パンタグラフを介して架線から供給された電力で走行する状態と，燃料電池で発生させた電力で走行する状態とに適宜切替えて運行することにより，比較的小型の水素タンクを搭載した場合であっても，円滑に鉄道車両を運行させることができる。そのため，車両を小型化，軽量化でき，燃料補充の手間も軽減でき，設備コストも安くできる。

以下，本発明の実施の形態を，図面を参照にして説明する。図１，２は，いずれも本発明の実施の形態に係る鉄道車両１の説明図であり，図１は，鉄道車両１の上方に架線（鉄道車両１より高い位置に敷設された電車線（以下同じ））１１が設けられている線路区間である開放空間内を運行している状態を示し，図２は，鉄道車両１の上方に架線１１が設けられていない線路区間である閉鎖空間内を運行している状態を示している。図３は，本発明の実施の形態に係る運行システム２の説明図である。図４は，この運行システム２に設けられる燃料補充基地３の説明図である。

図１，２に示すように，鉄道車両１の上面には，パンタグラフ１０が装着されている。図１に示すように，開放空間内を運行している状態では，パンタグラフ１０は上方に立ち上げられている。この場合，開放空間とは，例えば屋外であり，鉄道路線を構築する際に，掘削や内壁補強などといった施工を必要としない線路区間である。かような開放空間では，鉄道車両１の上方に架線１１が設置されており，開放空間を運行する鉄道車両１の上面に設けられたパンタグラフ１０が，この架線１１に下方から接触している。これにより，架線１１からパンタグラフ１０を通じた電力供給が行われている。

一方，図２に示すように，閉鎖空間内を運行している状態では，パンタグラフ１０は降ろされて，鉄道車両１の上面に接近した状態になっている。この場合，閉鎖空間とは，例えば地下鉄やトンネルなどであり，鉄道路線を構築する際に，掘削や内壁補強などといった施工を必要とする線路区間である。この閉鎖空間の地面から天井面９までの高さは，鉄道車両１の上面よりも僅かに高い程度であり，従来一般的な地下鉄などの天井面よりも低く抑えられている。そして，かような閉鎖空間では，鉄道車両１の上方に架線１１が設置されておらず，パンタグラフ１０を通じた電力供給は行われない。そして，図２に示すように，パンタグラフ１０を降ろした状態であれば，鉄道車両１は閉鎖空間を通過することができるが，図１に示すように，パンタグラフ１０が立ち上った状態では，鉄道車両１は閉鎖空間を通過することができない。このため，後に詳しく説明するように，屋外などの開放空間内を通る場合は，鉄道車両１の上面に装着されたパンタグラフ１０を上方に立ち上げさせて運行するが，地下鉄等の閉鎖空間内では，パンタグラフ１０を降ろして鉄道車両１の上面にパンタグラフ１０を接近した姿勢にすることにより，鉄道車両１の全体の高さを低くして運行するようになっている。

図１，２に示すように，鉄道車両１の下面には，複数の車輪１２が装着してある。開放空間及び閉鎖空間を通じて，地面１３上にレール１４が敷設してある。このレール１４に沿って車輪１２を回転させながら，鉄道車両１は，開放空間と閉鎖空間を運行するようになっている。

鉄道車両１には，燃料電池２０と，切替装置２１と，駆動装置２２が搭載してある。切替装置２１には，パンタグラフ１０から電力を供給するケーブル２５と，燃料電池２０から電力を供給するケーブル２６と，駆動装置２２に電力を供給するケーブル２７が接続されている。また，ケーブル２５とケーブル２６の間には，キャパシタなどの蓄電器２８が配置されている。

燃料電池２０の周りには，水素タンク３０と，酸素タンク３１と，水タンク３２が設けられている。水素タンク３０は，例えば水素貯蔵合金を備えている。燃料電池２０と水素タンク３０との間には，水素経路３３が接続してあり，燃料電池２０と酸素タンク３１との間には，酸素経路３４が接続してあり，燃料電池２０と水タンク３２との間には，水経路３５が接続してある。なお，これら水素経路３３，酸素経路３４及び水経路３５はいずれも配管で構成され，図示はしないが，これら水素経路３３，酸素経路３４及び水経路３５には，必要に応じてポンプやバルブが介装されている。

燃料電池２０は，燃料電池運用と水電解運用とが可能な再生型燃料電池である。再生型燃料電池には，水電解運用を行うセルスタックと燃料電池運用を行うセルスタックとを別に備え，コンソールを一つにしたタイプと，同じセルスタックで水電解運用と燃料電池運用の両方を行う可逆セルスタックを用いたタイプの２種類がある。燃料電池２０は，これらのいずれのタイプの再生型燃料電池でも良い。

燃料電池２０において燃料電池運用を行う場合は，水素タンク３０に貯蔵された水素が，水素経路３３を介して燃料電池２０に供給され，また，酸素タンク３１に貯蔵された酸素が，酸素経路３４を介して燃料電池２０に供給される。そして，燃料電池２０は，水素と酸素との反応を行い，その反応によって発生させた電力を，ケーブル２６を通じて切替装置２１に供給する。また，燃料電池２０において水素と酸素との反応で発生した水は，水経路３５を通じて水タンク３２に供給されて貯蔵される。

一方，燃料電池２０において水電解運用を行う場合は，水タンク３２に貯蔵された水が，水経路３５を介して燃料電池２０に供給される。また，例えばケーブル２６などを通じて，燃料電池２０に電力が供給される。そして，燃料電池２０は，水を電気分解することにより水素と酸素を発生させ，水素は水素経路３３を通じて水素タンク３０に供給されて貯蔵され，酸素は酸素経路３４を通じて酸素タンク３１に供給されて貯蔵される。

切替装置２１は，ケーブル２５とケーブル２６の間の通電をオン／オフさせるスイッチ４０と，ケーブル２５とケーブル２７を通電させた状態と，ケーブル２６とケーブル２７を通電させた状態とに切替えるスイッチ４１を備えている。

図１に示すように，架線１１のある開放空間内を鉄道車両１が運行している状態では，切替装置２１において，スイッチ４０は，ケーブル２５とケーブル２６の間を通電させ，スイッチ４１は，ケーブル２５とケーブル２７を通電させた状態に切替える。これにより，架線１１からパンタグラフ１０を介して供給された電力が，ケーブル２５とケーブル２７を通じて鉄道車両１の駆動装置２２に給電され，駆動装置２２は，車輪１２に回転駆動力を与える。こうして，架線１１のある開放空間内では，鉄道車両１は，架線１１からパンタグラフ１０を介して供給された電力によって走行することとなる。この時，燃料電池２０では水電解運用が行われる。即ち，架線１１のある開放空間内を運行中は，水タンク３２から燃料電池２０に水が供給され，また，スイッチ４０を通じて，架線１１から供給された電力の一部が燃料電池２０に供給される。そして，燃料電池２０は，水を電気分解することにより水素と酸素を発生させ，水素は水素タンク３０に貯蔵し，酸素は酸素タンク３１に貯蔵する。

一方，図２に示すように，架線１１の無い閉鎖空間内を鉄道車両１が運行している状態では，切替装置２１において，スイッチ４０は，ケーブル２５とケーブル２６の間を通電させず，スイッチ４１は，ケーブル２６とケーブル２７を通電させた状態に切替える。そして，燃料電池２０では燃料電池運用が行われる。即ち，燃料電池２０は，水素タンク３０から供給された水素と，酸素タンク３１から供給された酸素を反応させることにより電力を発生させる。そして，この電力が，ケーブル２６とケーブル２７を通じて鉄道車両１の駆動装置２２に給電され，駆動装置２２は，車輪１２に回転駆動力を与える。こうして，架線１１の無い閉鎖空間内では，鉄道車両１は，燃料電池２０から供給された電力によって走行することとなる。

駆動装置２２は，モータと回生発電機を機能を兼ね備えている。従って，鉄道車両１の減速時には，車輪１２の制動によって駆動装置２２で電力を回収することができる。このように，駆動装置２２によって電力回収する場合は，図２に示すように，切替装置２１において，スイッチ４１を，ケーブル２６とケーブル２７を通電させた状態に切替える。そして，駆動装置２２によって回収した電力を，ケーブル２７とケーブル２６を通じて燃料電池２０に供給し，水電解運用を行わせる。そして，燃料電池２０は，水を電気分解することにより水素と酸素を発生させ，水素は水素タンク３０に貯蔵し，酸素は酸素タンク３１に貯蔵する。

鉄道車両１を運行させる運行システム２は，図３に示すように，鉄道車両１が走行する線路４５を備えている。もちろん，この線路４５に沿って，先に説明したレール１４が連続して敷設してあり，鉄道車両１は，線路４５の端から端まで往復運行することができる。

線路４５には，開放空間内を通る線路区間４５ａと，閉鎖空間内を通る線路区間４５ｂが設けられている。線路区間４５ａは，例えば屋外であり，線路区間４５ａを運行する鉄道車両１の上方には，架線１１が設置されている。一方，線路区間４５ｂは，例えば地下鉄やトンネルなどであり，線路区間４５ｂには，架線１１が設置されていない。先に図２で説明したが，この線路区間４５ｂを構成する閉鎖空間の地面（レール１４）から天井面９までの高さは，鉄道車両１の上面よりも僅かに高い程度であり，従来一般的な地下鉄などの天井面よりも低く抑えられている。

開放空間内を通る線路区間４５ａの終端には，燃料補充基地３が配置されている。一方，閉鎖空間内を通る線路区間４５ｂの終端は，終着駅４６になっている。燃料補充基地３と終着駅４６の間には，複数の駅４７が設けられている。そして，鉄道車両１が線路４５に沿って燃料補充基地３と終着駅４６の間で運行することにより，各駅４７の間を結ぶ交通機関が構成されている。

図４に示すように，燃料補充基地３に停車した鉄道車両１の側方には，水素供給装置５０と，酸素供給装置５１と，水供給装置５２と，電力供給装置５３が設けてある。これら水素供給装置５０，酸素供給装置５１，水供給装置５２及び電力供給装置５３は，例えばスタンド型に構成されており，水素供給装置５０，酸素供給装置５１及び水供給装置５２は，燃料補充基地３に停車した鉄道車両１に対して，水素供給，酸素供給及び水供給をするために必要な各種ノズル，配管，流量調整手段としてのポンプ・バルブ等を適宜備えている。また，電力供給装置５３は，鉄道車両１に対して電力を供給するためのケーブル，スイッチ等を適宜備えている。また，燃料補充基地３は，鉄道車両１に搭載された燃料電池２０と同様の，燃料電池運用と水電解運用とが可能な再生型の燃料電池５５を備えている。燃料電池５５と水素供給装置５０との間は，例えば水素貯蔵合金を備える水素タンク５６を介在させた水素経路５７で接続されている。燃料電池５５と酸素供給装置５１との間は，酸素タンク５８を介在させた酸素経路５９で接続されている。燃料電池５５と水供給装置５２との間は，水タンク６０を介在させた水経路６１で接続されている。なお，これら水素経路５７，酸素経路５９及び水経路６１はいずれも配管で構成され，図示はしないが，これら水素経路５７，酸素経路５９及び水経路６１には，必要に応じてポンプやバルブが介装されている。燃料電池５５と電力供給装置５３との間は，ケーブル６２で接続されている。燃料電池５５と電力供給装置５３には，ケーブル６３，６４を介して，商用電源がそれぞれ供給されるようになっている。

この燃料補充基地３では，例えば夜間電力などを利用することによって，水電解運用を行い，水素タンク５６に水素を貯蔵し，酸素タンク５８に酸素を貯蔵させる。即ち，水電解運用を行う場合は，水タンク６０に貯蔵された水を，水経路６１を介して燃料電池５５に供給し，ケーブル６３を通じて，燃料電池５５に電力を供給する。そして，燃料電池５５は，水を電気分解することにより水素と酸素を発生させ，水素は水素経路５７を通じて水素タンク５６に供給されて貯蔵され，酸素は酸素経路５９を通じて酸素タンク５８に供給されて貯蔵される。この場合，夜間電力を利用して電解運用を行うことにより，日中よりも低廉な電力で水素と酸素を作ることができる。また，鉄道事業の場合，深夜間はほとんど電力消費が無いのが一般的であるが，このような夜間電力を利用した電解運用を行うことにより，一日の電力負荷を平準化させることができる。

そして，図４に示すように，燃料補充基地３に停車した鉄道車両１に搭載された水素タンク３０に水素を貯蔵させる場合は，燃料補充基地３の水素タンク５６に貯蔵された水素を，水素供給装置５０から，鉄道車両１に搭載された水素タンク３０に直接供給することができる。この場合，鉄道車両１の側面に水素の受け入れ口を設けておき，その受け入れ口から気密な水素用配管を通じて，鉄道車両１に搭載された水素タンク３０に水素を供給できるようにすると便利である。

また，燃料補充基地３に停車した鉄道車両１に搭載された酸素タンク３１に酸素を貯蔵させる場合も同様に，燃料補充基地３の酸素タンク５８に貯蔵された酸素を，酸素供給装置５１から，鉄道車両１に搭載された酸素タンク３１に直接供給することができる。この場合も，鉄道車両１の側面に酸素の受け入れ口を設けておき，その受け入れ口から気密な酸素用配管を通じて，鉄道車両１に搭載された酸素タンク３１に酸素を供給できるようにすると便利である。

一方，燃料補充基地３に停車した鉄道車両１に電力を供給することによって，鉄道車両１に搭載された水素タンク３０に水素を貯蔵させることもできる。即ち，図４に示すように，燃料補充基地３に停車した鉄道車両１に対して，電力供給装置５３から電力を供給し，鉄道車両１に搭載された燃料電池２０に給電することにより，水電解運用を行わせる。この場合，電力供給装置５３から燃料電池２０への給電を容易にさせるため，鉄道車両１の側面に給電用の端子を設けておくと便利である。また，燃料補充基地３に設けた架線１１からパンタグラフ１０を介して燃料電池２０へ給電することにより，そのような端子を省略することもできる。

また，燃料補充基地３において，鉄道車両１に搭載された燃料電池２０で行われる電気分解に必要な水は，鉄道車両１に搭載された水タンク３２から供給すれば良い。そのため，鉄道車両１に搭載された水タンク３２には，水供給装置５２から予め水を供給しておくと良い。また，燃料補充基地３において，鉄道車両１に搭載された燃料電池２０で水電解運用を行う場合，水供給装置５２から鉄道車両１に搭載された燃料電池２０に対して直接給水しても良い。なお，水供給装置５２から水タンク３２や燃料電池２０へ給水を容易にさせるため，鉄道車両１の側面に給水用の受け入れ口を設けておき，その受け入れ口から液密な給水用配管を通じて，鉄道車両１に搭載された水タンク３２や燃料電池２０に水を供給できるようにすると便利である。

そして，燃料補充基地３において，鉄道車両１に搭載された燃料電池２０に，このように電力と水が供給されることにより，燃料電池２０は，水を電気分解することにより水素と酸素を発生させ，水素は水素経路３３を通じて水素タンク３０に供給されて貯蔵され，酸素は酸素経路３４を通じて酸素タンク３１に供給されて貯蔵される。

このように，燃料補充基地３に停車した鉄道車両１に電力を供給することによって，鉄道車両１に搭載された水素タンク３０に水素を貯蔵させる場合，ケーブル６４を介して電力供給装置５３に供給された商用電源を，電力供給装置５３から鉄道車両１に搭載された燃料電池２０にそのまま給電しても良いし，燃料補充基地３の燃料電池５５に燃料電池運用を行わせ，それによって発生した電力を，ケーブル６２を介して電力供給装置５３から鉄道車両１に搭載された燃料電池２０に給電しても良い。即ち，燃料補充基地３の燃料電池５５によって燃料電池運用を行う場合は，水素タンク５６に貯蔵された水素を，水素経路５７を介して燃料電池５５に供給し，また，酸素タンク５８に貯蔵された酸素を，酸素経路５９を介して燃料電池５５に供給する。そして，燃料電池５５は，水素と酸素との反応を行い，その反応によって発生させた電力を，ケーブル６２から電力供給装置５３を通じて，鉄道車両１に搭載された燃料電池２０に給電することもできる。また，燃料電池５５において燃料電池運用を行ったことにより発生した水は，水経路６１を通じて水タンク６０に供給し貯蔵する。

例えば，ケーブル６４を介して電力供給装置５３に供給された商用電源をそのまま利用して，鉄道車両１に搭載された水素タンク３０に水素を貯蔵させるのであれば，水素の貯蔵は，なるべく電力の安い深夜に行うことが好ましい。一方，燃料補充基地３において，日中に電力供給装置５３から鉄道車両１に電力を供給して，鉄道車両１に搭載された水素タンク３０に水素を貯蔵させる場合は，燃料補充基地３では，深夜電力を利用して燃料電池５５で水電解運用を予め行うことにより，水素タンク５６に水素を貯蔵する共に，酸素タンク５８に酸素を貯蔵しておき，日中に燃料補充基地３に停車した鉄道車両１に電力を供給する際には，燃料電池５５に燃料電池運用を行わせ，それによって発生した電力を，ケーブル６２を介して電力供給装置５３から鉄道車両１に搭載された燃料電池２０に給電することが好ましい。このように，日中よりも低廉な深夜電力を活用することにより，ランニングコストを低減でき，一日の電力負荷を平準化させることができるようになる。

燃料補充基地３においては，以上のようにして，鉄道車両１に搭載された水素タンク３０に水素を貯蔵させ，酸素タンク３１に酸素を貯蔵させ，更に，水タンク３２に水を供給しておく。そして，このように燃料（水素と酸素）と水を燃料補充基地３で充填した状態で，鉄道車両１を，図３に示した線路４５に沿って走行させ，燃料補充基地３と終着駅４６の間で運行させる。

かような運行中，例えば屋外などの開放空間内を通る線路区間４５ａでは，鉄道車両１の上面に装着されたパンタグラフ１０を上方に立ち上げさせ，鉄道車両１の上方に設置された架線１１にパンタグラフ１０を下方から接触させる。これにより，架線１１からパンタグラフ１０を通じた電力供給が行われる。そして，線路区間４５ａでは，切替装置２１の切替により，架線１１からパンタグラフ１０を介して供給された電力が，鉄道車両１の駆動装置２２に給電されるので，鉄道車両１は，架線１１から供給された電力によって走行する。

また，線路区間４５ａでは，鉄道車両１に搭載された燃料電池２０では水電解運用が行われる。即ち，架線１１のある線路区間４５ａを運行中は，水タンク３２から燃料電池２０に水が供給され，架線１１から供給された電力の一部が燃料電池２０に供給される。そして，燃料電池２０は，水を電気分解することにより水素と酸素を発生させ，水素を水素タンク３０に貯蔵し，酸素を酸素タンク３１に貯蔵する。

そして，鉄道車両１が，開放空間内を通る線路区間４５ａから，例えば地下鉄やトンネルなどといった閉鎖空間内を通る線路区間４５ｂに移行する際には，パンタグラフ１０を降ろし，鉄道車両１の上面にパンタグラフ１０を接近した姿勢にする。これにより，鉄道車両１の全体の高さを低くすることができるので，線路区間４５ａを構成する閉鎖空間の地面（レール１４）から天井面９までの高さが，従来一般的な地下鉄などの天井面よりも低くなっていても，パンタグラフ１０を天井面９にぶつけることなく，円滑に鉄道車両１が走行できる。また，パンタグラフ１０を下げる分，地下鉄，トンネルなどといった閉鎖空間の天井面９の高さを低くして，閉鎖空間の断面積を小さくでき，地下鉄やトンネルなどを掘削する際に労力が減り，施工コストを安くできる。また，閉鎖空間の断面積が小さくなれば，内壁補強などといった工事コストも廉価になる。更に，地下鉄，トンネルなどといった閉鎖空間については，架線１１の設置を省略することによって，施工コストを更に下げることができ，また，閉鎖空間の断面積も更に小さくすることができるようになる。特に地中空間の利用度が高い昨今において，このように閉鎖空間の断面積も小さくすることによって，高密度に地下鉄やトンネルなどを構築できるようになる。この場合，車両自体をコンパクト化することも考えられるが，そうすると，乗客に狭い感じを与えたり，収容人員が少なくなり，一日当たりの運転本数が多くなってしまう。本発明によれば，車両自体をコンパクト化することなく，閉鎖空間の断面積も小さくすることができる。

そして，閉鎖空間内を通る線路区間４５ｂを運行中は，鉄道車両１に搭載された燃料電池２０では燃料電池運用が行われる。即ち，架線１１の無い線路区間４５ｂを運行中は，鉄道車両１に搭載された水素タンク３０に貯蔵された水素が，水素経路３３を介して燃料電池２０に供給され，また，鉄道車両１に搭載された酸素タンク３１に貯蔵された酸素が，酸素経路３４を介して燃料電池２０に供給される。そして，燃料電池２０は，水素と酸素との反応を行い，その反応によって発生させた電力を，ケーブル２６を通じて切替装置２１に供給する。また，燃料電池２０において水素と酸素との反応で発生した水は，水経路３５を通じて水タンク３２に供給されて貯蔵される。

そして，線路区間４５ｂでは，切替装置２１の切替により，燃料電池２０で発生した電力が，ケーブル２６とケーブル２７を通じて鉄道車両１の駆動装置２２に給電されるので，鉄道車両１は，燃料電池２０から供給された電力によって走行する。これにより，架線１１の無い線路区間４５ｂにおいても，鉄道車両１は円滑な運行を続行することができる。

なお，線路区間４５ｂを運行中，燃料電池２０で発生させた電力は，鉄道車両１において，照明や空調（例えば送風機動力）等にも利用できる。また，燃料電池運用を行うことにより燃料電池２０から熱が発生し，一方では，水素タンク３０に備えられた水素貯蔵合金では，吸熱反応により冷熱が発生する，これらの温冷熱は，鉄道車両１内の冷暖房にも利用できる。

また，モータと回生発電機を機能を兼ね備えた駆動装置２２を用いたことにより，線路区間４５ａ，４５ｂのいずれを運行中も，鉄道車両１の減速時に車輪１２の制動によって生ずるエネルギを，駆動装置２２によって電力として回収することができる。この場合，先に図２で説明したように，切替装置２１において，スイッチ４１を，ケーブル２６とケーブル２７を通電させた状態に切替えることにより，回収電力を燃料電池２０に供給すれば，水電解運用によって水素と酸素を発生させ，水素は水素タンク３０に貯蔵し，酸素は酸素タンク３１に貯蔵することができるようになる。

なお，鉄道車両１が，開放空間内を通る線路区間４５ａから，閉鎖空間内を通る線路区間４５ｂに移行する際には，今まで架線１１から鉄道車両１の駆動装置２２に給電されていた状態から，燃料電池２０から駆動装置２２に給電される状態に切り替ることになる。その場合，切替の直後では，燃料電池２０の出力が一定になるまでの間，給電が不安定になるおそれがある。そのような場合は，ケーブル２５とケーブル２６の間に配置した蓄電器２８に予め蓄えておいた電力を，補助的に駆動装置２２に供給することにより，安定した走行が可能となる。なお，架線１１から鉄道車両１の駆動装置２２に給電されていた状態から，燃料電池２０から駆動装置２２に給電される状態への切り替えを走行中に行うと，切り替えの瞬間に給電が弱まることによって乗客に振動や照明の変動を感じさせるおそれがある場合は，駅４７等に停車した際に切り替えを行うこととし，その間の電力の不足は，蓄電器２８に予め蓄えておいた電力で補うようにすると良い。

以上，本発明の一例を説明したが，本発明は以上に説明した形態に限定されない。例えば，鉄道車両１に搭載される燃料電池２０は，必ずしも再生型燃料電池でなくても良い。水電解運用機能を持たない燃料電池２０を鉄道車両１に搭載し，燃料（水素と酸素）は専ら外部から補給するようにしても良い。また，鉄道車両１に搭載される酸素タンク３１や燃料補充基地３に備えられる酸素タンク５８を省略し，大気中に含まれる酸素を利用しても良い。

鉄道車両１に搭載する燃料電池２０，水素タンク３０などは，例えば鉄道車両１の床下に配置することができる。一般的な鉄道車両１の場合，床下には，長さ２０ｍ程度，幅２から３．５ｍ程度，高さ（プラットホームの高さにほぼ等しい）１ｍ程度あるので，燃料電池２０，水素タンク３０などは，鉄道車両１の床下に格納することが可能である。但し，燃料電池２０，水素タンク３０などの配置は，床下に限定する必要はない。例えば，鉄道車両１の天井，屋根，あるいはそれらの間，運転台，鉄道車両１内の隅であっても良く，また，専用の格納ブースを設けても良い。

燃料補充基地３において，鉄道車両１に搭載された鉄道車両１に搭載された水素タンク３０に水素を貯蔵させる場合，予め水素を充填しておいた水素タンクを鉄道車両１に積み込んだり，あるいは，水素ボンベを利用して，水素を供給しても良い。この場合，燃料補充基地３から水素供給装置５０を省略することもできる。酸素供給装置５１についても同様である。

本発明の鉄道車両１は，最初に水素タンク３０に水素を貯蔵させれば，後は，再生型燃料電池からなる燃料電池２０で，水素を自ら作り出すことによって，水素の追加補給は不要となるはずである。しかしながら，補助的な水素供給は避け難いため，鉄道車両１の水素タンク３０に水素を貯蔵させる機能を備えた燃料補充基地３を設けることが望ましい。

なお，郊外の広い土地を利用して敷地面積の広い燃料補充基地３を設けることにより，太陽光発電を利用した施設を構成することが可能となる。例えば，１０，０００ｍ^２程度の広さの燃料補充基地３では，最大出力で１，０００ｋＷ程度の電力供給が期待できる。

燃料補充基地３で製造した水素は，鉄道車両１への供給の他，各施設への水素供給，電力供給など，多目的に利用できる。また，燃料補充基地３から各駅４７へ電力供給するようにしても良い。また，燃料補充基地３で発生する熱や冷熱は，周辺設備の空調などにも利用できる。

また，燃料補充基地３には，燃料電池５５で作った水素から水分を除去するための水分除去装置や乾燥装置を設けることが望ましい。また，燃料補充基地３は，必ずしも郊外に設ける必要は無い。例えば，都市圏内に燃料補充基地３を設けても良い。

その他，鉄道車両１の上方に架線（電車線）１１が設けられていない線路区間４５ｂには，地下鉄線路区間やトンネルなどのほか，長尺鉄橋，電力設備の無い路面鉄道区間，給電が不可能もしくは困難な区間なども含まれる。

本発明の鉄道車両に搭載される燃料電池と水素タンクの仕様について，シミュレーションした。鉄道車両は４両編成とし，運行に消費される電力は，往復で６００ｋｗｈである。運行に要する全駆動力は，１車両に１４０ｋW級発電機２基搭載したと仮定し，１４０ｋＷ×８基とした。これに要する燃料電池の仕様は，各車両について，２８０ｋWであり，体積にして２．３ｍ^３，重量にして０．６４トン程度である。水素タンク（水素吸蔵合金タンク）の仕様は，各車両について，水素貯蔵量として２００Nｍ^３，タンク体積にして０．３１ｍ^３，重量にして１．７トン程度である。

本発明の実施の形態に係る鉄道車両の説明図であり，鉄道車両の上方に架線が設けられている線路区間である開放空間内を運行している状態を示している。本発明の実施の形態に係る鉄道車両の説明図であり，架線が設けられていない線路区間である閉鎖空間内を運行している状態を示している。本発明の実施の形態に係る運行システムの説明図である。本発明の運行システムに設けられる燃料補充基地の説明図である。

符号の説明

１鉄道車両
２運行システム
３燃料補充基地
１０パンタグラフ
１１架線
２０燃料電池
２１切替装置
２２駆動装置
２８蓄電器
３０水素タンク
３１酸素タンク
３２水タンク
４５線路
４５ａ開放空間内を通る線路区間
４５ｂ閉鎖空間内を通る線路区間
５０水素供給装置
５１酸素供給装置
５２水供給装置
５３電力供給装置
５５燃料電池

Claims

水素と酸素との反応を行って電力を発生させる燃料電池と，この燃料電池に供給する水素を貯蔵する水素タンクとを搭載した鉄道車両であって，
パンタグラフを介して架線から供給された電力を鉄道車両の駆動装置に給電する状態と，前記燃料電池で発生させた電力を鉄道車両の駆動装置に給電する状態とに切替える切替装置を備えることを特徴とする，鉄道車両。
前記燃料電池は，燃料電池運用と水電解運用とが可能な再生型燃料電池であり，この再生型燃料電池に供給する水を貯蔵する水タンクを鉄道車両に搭載したことを特徴とする，請求項１に記載の鉄道車両。
請求項１又は２に記載の鉄道車両の運行方法であって，架線のある線路区間では，パンタグラフを介して架線から供給された電力を鉄道車両の駆動装置に給電して走行し，架線の無い線路区間では，燃料電池で発生させた電力を鉄道車両の駆動装置に給電して走行することを特徴とする，運行方法。
前記架線の無い線路区間では，パンタグラフを降ろして走行することを特徴とする，運行方法。
請求項１又は２に記載の鉄道車両を運行させる運行システムであって，鉄道車両が走行する線路を備え，この線路の一部に，鉄道車両に搭載された水素タンクに水素を貯蔵させる燃料補充基地を配置したことを特徴とする，運行システム。
前記線路には，架線のある線路区間と，架線の無い線路区間が設けられていることを特徴とする，請求項５に記載の運行システム。
前記架線の無い線路区間は，閉鎖空間内を通る線路区間であり，該閉鎖空間の地面から天井面までの高さは，パンタグラフを降ろした状態の鉄道車両は通過することができるが，パンタグラフが立ち上った状態では鉄道車両は通過できない高さに設定されていることを特徴とする，請求項６に記載の運行システム。