JP2007104773A - 鉄道車両およびその運行管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料補充基地の建設費やメンテナンス費がいらなくなり、省コストな燃料電池搭載の鉄道車両及び、その鉄道車両において燃料タンクを速やかに交換でき、円滑な運行を可能とする運行管理システムを提供すること。
【解決手段】複数の車両で構成される鉄道車両において、燃料タンクを複数設け、鉄道車両が駅に停車する毎にタンクを交換する。ただし、はずすタンクと搭載するタンクを分けることで、燃料タンクの入れ替え時間を減らすことができ、円滑な運行が可能となる。
【選択図】図６

Description

少なくとも１つの燃料電池を備えた鉄道車両とその運行管理システムに関する。

近年、自動車，バス，鉄道車両など車両の動力源として、エネルギー効率が高くかつ環境に優しい発電装置である燃料電池もしくは、その燃料電池と鉛電池，リチウムイオン電池，電気二重層キャパシタなどの電力貯蔵装置とのハイブリッド方式が注目されている。

燃料電池は、水素と酸素の電気化学反応により発電する装置であり、生成されるものは水および熱である。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搭載しなければいけないが、水素タンクを搭載するスペースは限られており、できるだけ小さくする必要がある。そこで、比較的小型の水素タンクを搭載した場合であっても、円滑な運行を可能とする技術が特許文献１に開示されている。

特開２００５−６５３９８号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術の場合、駅間に燃料補充基地を設ける必要が生じることから、設備コスト，保守管理が大変である。特に、１日あたりの走行本数が低い路線で燃料補充基地を設けることは大変である。鉄道車両にはダイヤという遵守すべきものがあることから、ダイヤによっては燃料補充基地で必ずしも燃料を供給することが可能とはいえない。また、仮に燃料補充基地を端末駅の２つに限った場合でも、その駅間を走行するのに十分な容量を水素タンクに搭載しなければならず、重量の面からも問題である。

本発明の目的は、燃料補充基地の建設費やメンテナンス費がいらなくなり、省コストな燃料電池搭載の鉄道車両及び、その鉄道車両において燃料タンクを速やかに交換でき、円滑な運行を可能とする運行管理システムを提供することにある。

鉄道車両は、その特性として決まった軌道を走行し、定時運行を遵守する。また、駅に停止することで、乗客を運ぶものである。このことから、燃料タンクを次の停車駅まで走行できるほど小さくし、次の駅に停車する際に、燃料タンクを入れ替えることで、燃料タンクの重量を小さくすることができる。しかしながら、燃料タンクを一度はずした後、同じ燃料タンクに搭載する場合時間がかかりすぎ、当初予定していた停車時間を超えてしまうことが考えられる。そこで、燃料タンクを複数設け、はずすタンクと搭載するタンクを分けることで、燃料タンクの入れ替え時間を減らすことができ、円滑な運行が可能となる。

本発明の鉄道車両は、水素と酸素との反応により電力を発生させる少なくとも１つ以上の燃料電池を有し、燃料タンクの取り外しが簡単に行うことができるタンク口を２個以上有する。

また、本発明の鉄道車両は、複数の車両の少なくとも１つの車両自体が燃料タンクとなるように構成される。

本発明によれは、燃料補充基地の建設費やメンテナンス費がいらなくなり、省コストな燃料電池搭載の鉄道車両及び、その鉄道車両において燃料タンクを速やかに交換でき、円滑な運行を可能とする運行管理システムを提供できる。

以下、本発明の実施の形態を、図１，図２，図３，図４を用いて説明する。

図１，図２，図３，図４は、本発明の１つの形態である鉄道車両を示しており、図１は、電力貯蔵装置とのハイブリッド車両、図２は、燃料電池車両を表している。なお、図１の電力貯蔵装置としては、リチウムイオン電池，ニッケル水素電池，鉛電池などが考えられる。また、エネルギーを貯蔵する装置であれば代換することも可能であることから、電気二重層キャパシタなどでも可能である。

図３は、複数の車両がつながる編成車両をあらわし、複数の車両それぞれに複数のタンクが設置され、それぞれの車両の接続部を通して水素および酸素を供給する車両を表している。

図４は、燃料タンクのみで構成される車両と燃料電池や発電機をあらわし、車両の接続部を通して水素および酸素を供給する車両を表している。

これらのどの鉄道車両であっても、本発明は適用される。それぞれについて説明する。

図１のハイブリッド車両は、燃料電池１とその燃料である水素を保存する燃料タンク２−１，２−２，…，２−ｎ（ｎは２以上）を有しており、また、水素タンクを簡単に交換できるように、燃料タンク口３−１，３−２，…，３−ｎ（ｎは２以上）を有する。燃料電池１を発電させるためのもうひとつの要素である酸素は、酸素タンク４−１，４−２，…，４−ｍ（ｍは１以上）で保存されており、水素タンクと同様、酸素タンクを簡単に交換できるように酸素タンク口５−１，５−２，…，５−ｍ（ｍは１以上）を有する。列車制御装置１３は、運転台１２から運転手の指令を受け取って、燃料電池１の制御装置１６，電力貯蔵装置の充放電制御装置１１，水素タンクである燃料タンク２−１，２−２，…，２−ｎ（ｎは２以上）の水素供給制御装置６および酸素タンク４−１，…，４−ｎ（ｎは１以上）の酸素供給制御装置７を制御する。水素供給制御装置６および酸素供給制御装置７は、燃料タンク２−１，…，２−ｎ（ｎは２以上）および酸素タンク４−１，…，４−ｎ（ｎは１以上）の設置状況から、水素および酸素を供給するタンクを決定し、運転台
１２の指令を受け取った列車制御装置１３からの指令量を燃料電池１に供給するように制御する。供給された水素および酸素から燃料電池１は、発電を行う。それと同時に、列車制御装置１３は、充放電制御装置１１に指令を伝達し電力貯蔵装置１０の充放電を行う。これにより、燃料電池１の発電量と充放電制御装置１１の充放電電力の和が、鉄道車両の動力に使用されることとなる。すなわち、前記燃料電池１の発電量と充放電制御装置１１の充放電電力の和が、列車制御装置１３からの指令を受け取った電力変換装置８および電動機９を経由し、車輪に動力が伝達されることで動く鉄道車両である。

図２の燃料電池車両は、燃料電池１とその燃料である水素を保存する燃料タンク２−１，２−２，…，２−ｎ（ｎは２以上）を有しており、また、水素タンクを簡単に交換できるように、燃料タンク口３−１，３−２，…，３−ｎ（ｎは２以上）を有する。燃料電池１を発電させるためのもうひとつの要素である酸素は、酸素タンク４−１，４−２，…，４−ｎ（ｎは１以上）で保存されており、また、水素タンクと同様、酸素タンクを簡単に交換できるように酸素タンク口５−１，５−２，…，５−ｍ（ｍは１以上）を有する。列車制御装置１３は、運転台１２から運転手の指令を受け取って、燃料電池１の制御装置
１６，電力貯蔵装置の充放電制御装置１１，燃料タンク２−１，２−２，…，２−ｎ（ｎは２以上）の水素供給制御装置６および酸素タンク４−１，…，４−ｎ（ｎは１以上）の酸素供給制御装置７を制御する。水素供給制御装置６および酸素供給制御装置７は、燃料タンク２−１，…，２−ｎ（ｎは２以上）および酸素タンク４−１，…，４−ｍ（ｍは１以上）の設置状況から、水素および酸素を供給するタンクを決定し、運転台１２の指令を受け取った列車制御装置１３からの指令量を燃料電池１に供給するように制御する。供給された水素および酸素から燃料電池１は、発電を行い、列車制御装置１３からの指令を受け取った電力変換装置８および電動機９を経由し、車輪に動力が伝達されることで動く鉄道車両である。

図３は、燃料タンク２−１，…，２−ｎ（ｎは２以上）および酸素タンク４−１，…，４−ｍ（ｍは１以上）が異なる複数の車両に搭載され、車両と車両を結ぶ接続部１４を介して、水素供給制御装置６および酸素供給制御装置７が、各車両に搭載されているタンクに、運転台１２の指令を受け取った列車制御装置１３からの指令量を満足するよう供給指令を行い、接続部１４を介して燃料電池１に供給されるように制御する車両である。供給された水素および酸素から燃料電池１は、発電を行い、列車制御装置１３からの指令を受け取った電力変換装置８および電動機９を経由し、車輪に動力が伝達することで動作する鉄道車両でも良い。なお、電力変換装置８，電動機９は車両すべてに搭載されている必要はない。また、電力貯蔵装置１０および燃料電池１は、先頭車にある必要はなく他車両にあってもよい。また、電力貯蔵装置１０および燃料電池１は、１車両に限らず複数の車両に分けて設置しても良く、電力貯蔵装置１０を複数設置する場合には、充放電制御装置
１１を、燃料電池１を複数設置する場合には、水素供給制御装置６および酸素供給制御装置７をそれぞれ必要数設置する。なお、列車制御装置１３は、運転台１２から運転手の指令を受け取って、燃料電池１の制御装置１６，電力貯蔵装置の充放電制御装置１１，燃料タンク２−１，２−２，…，２−ｎ（ｎは２以上）の水素供給制御装置６および酸素タンク４−１，…，４−ｎ（ｎは１以上）の酸素供給制御装置７を制御する。

図４は、燃料タンク２および酸素タンク４でのみ構成されたタンク車両と電力変換装置８，電動機９を搭載させた車両および燃料電池１を搭載させた車両が連結することで走行する鉄道車両である。

なお、図３，図４は燃料電池と２次電池などの蓄電装置を有するハイブリッド車両を前提として記述しているが、蓄電装置を有しない車両でも、本発明を適用できる。

また、図１から図４のいずれにおいても酸素タンクを搭載しているが、酸素タンクおよび酸素制御装置を設置せず空気を送り込む空気制御装置を有する車両でも良い。例として、図１の酸素タンクおよび酸素制御装置を空気制御装置に変更した車両である図５について説明する。

図５のハイブリッド車両は、燃料電池１とその燃料である水素を保存する燃料タンク２−１，２−２，…，２−ｎ（ｎは２以上）を有しており、また、水素タンクを簡単に交換できるように、燃料タンク口３−１，３−２，…，３−ｎ（ｎは２以上）を有する。水素供給制御装置６は、燃料タンク２−１，…，２−ｎ（ｎは２以上）の設置状況から、水素を供給するタンクを決定し、運転台１２の指令を受け取った列車制御装置１３からの指令量を燃料電池１に供給するように制御する。また、燃料電池１を発電させるためのもうひとつの要素である酸素は、空気制御装置１５により、大気中の空気を取り込むことで供給するように制御する。燃料電池１は、供給された水素および酸素から発電を行う。それと同時に、列車制御装置１３は、充放電制御装置１１に指令を伝達し電力貯蔵装置１０の充放電を行う。これにより、燃料電池１の発電量と充放電制御装置１１の充放電電力の和が、鉄道車両の動力に使用されることとなる。すなわち、前記燃料電池１の発電量と充放電制御装置１１の充放電電力の和が、列車制御装置１３からの指令を受け取った電力変換装置８および電動機９を経由し、車輪に動力が伝達されることで動く鉄道車両である。なお、列車制御装置１３は、運転台１２から運転手の指令を受け取って、燃料電池１の制御装置１６，電力貯蔵装置の充放電制御装置１１，燃料タンク２−１，２−２，…，２−ｎ
（ｎは２以上）の水素供給制御装置６および酸素タンク４−１，…，４−ｎ(ｎは１以上)の酸素供給制御装置７を制御する。

その鉄道車両は、ダイヤを遵守する必要があることから、燃料タンクの速やかな交換が求められることから、あらかじめ各駅で交換する燃料タンクの位置を明記し、データとして記憶しておくか、もしくは図示していない外部との通信手段を持ち、燃料タンクの状況を地上システムに伝達することで、交換員の速やかな配置を可能とする。

次に、図６を用いて交換方法について説明する。

図６は、鉄道車両１００−１から１００−３までの３両が接続部１４を用いてつながる１つの編成とする鉄道車両であり、燃料タンク２−１および２−２を有する。なお、この鉄道車両は図１〜図４のいずれかの鉄道車両に置き換えても可能である。この車両によってある路線のＡ駅からＤ駅まで運行する場合には、Ａ駅を出発しＢ駅に向かうとき、燃料タンクは２−１を搭載し、走行する。Ｂ駅に到着したならば、燃料タンクは２−１をはずして２−２を搭載し、Ｃ駅に向かう。次に、Ｃ駅に到着したならば、燃料タンクは２−２をはずして２−１を搭載し、Ｄ駅に向かう。次に、Ｄ駅に到着したならば、燃料タンクは２−１をはずして２−２を搭載するということを示しており、各駅毎に燃料タンクを入れ替える。ただし、はずす燃料タンクと搭載する燃料タンクは別々の場所にあることが前提である。

以上述べた車両および交換方法により、駅間を走行するために必要な最低限の燃料タンクのみを有する状態で、鉄道車両を運行させることにより、その重量を低減させることによる省エネ効果を生み出すことが可能となる。また、各駅での燃料タンクの交換は、２個以上タンク口を有することから、取り外しと取り付けを同時に行うことができ、停車時間内での交換を可能にするとともに、燃料補充基地の建設費やメンテナンス費がいらなくなることから、省コストとなる。さらに、あらかじめ燃料電池の交換予定を記したデータベースを作成し、それに従って、交換の指令を与えるとともに、トラブルなどにより余分にエネルギーを使用した場合であっても、地上システムとの通信を行うことにより、予定では交換対象外の燃料電池であっても、必要とあれば速やかに交換を行うことが可能となり、円滑な運行を可能とする。

なお、本発明は鉄道車両のように決まった軌道を走行する車両には利用できることから、モノレールなどの新交通システムや、路面電車にも利用することができる。

本発明に係る鉄道車両の一実施形態を示す図である。 本発明に係る鉄道車両の他の実施形態を示す図である。 本発明に係る鉄道車両の他の実施形態を示す図である。 本発明に係る鉄道車両の他の実施形態を示す図である。 本発明に係る鉄道車両の他の実施形態を示す図である。 本発明に係る鉄道車両に搭載される燃料タンクの入替例を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池、２，２−１，２−２，２−ｎ…燃料タンク、３，３−１，３−２，３−ｎ…燃料タンク口、４，４−１，４−２，４−ｍ…酸素タンク、５，５−１，５−２，５−ｍ…酸素タンク口、６…水素供給制御装置、７…酸素供給制御装置、８…電力変換装置、９…電動機、１０…電力貯蔵装置、１１…充放電制御装置、１２…運転台、１３…列車制御装置、１４…接続部、１５…空気制御装置、１６…制御装置。

Claims (6)

1. 複数の車両で構成される鉄道車両において、
   燃料電池と、
   水素および酸素を燃料として発電する発電装置と、
   水素を保存し、タンク口を少なくとも２つ有する燃料タンクと、
   前記燃料タンクの設置状況から、水素を供給する燃料タンクを決定し、前記燃料電池に供給する手段と、を有することを特徴とする鉄道車両。
2. 請求項１の鉄道車両において、
   前記燃料タンクの使用状況を地上システムに伝達する手段を有することを特徴とする鉄道車両。
3. 複数の車両で構成される鉄道車両において、
   燃料電池と、
   水素および酸素を燃料として発電する発電装置と、を有し、
   前記複数の車両のうち少なくとも１つの車両は、燃料タンクであることを特徴とする鉄道車両。
4. 請求項１記載の鉄道車両を運行させる運行管理システムであって、
   駅に停車する毎に前記燃料タンクの入れ替えを行うためのデータベースを有し、
   前記データベースに従い燃料タンクの入れ替えを行うことを特徴とする運行管理システム。
5. 請求項２記載の鉄道車両を運行させる運行管理システムであって、
   駅に停車する毎に前記燃料タンクの入れ替えを行うためのデータベースを有し、
   前記鉄道車両との通信により入手した燃料タンクの使用状況により、前記燃料タンクの入れ替えを行うことを特徴とする運行管理システム。
6. 請求項３記載の鉄道車両を運行させる運行管理システムであって、
   前記鉄道車両が停車中に燃料タンクである前記車両の入れ替えを行うことを特徴とする運行管理システム。
   

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