DE102018220739A1 - Device for operating a fuel cell unit for a rail vehicle and rail vehicle - Google Patents

Device for operating a fuel cell unit for a rail vehicle and rail vehicle Download PDF

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Markus Antrack
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Abstract

Eine Vorrichtung (10) zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit (2) für ein Schienenfahrzeug (1) umfasst einen mehrstufig ausgebildeten Kompressor mit einer ersten Verdichterstufe (11) und einer strömungstechnisch nachfolgenden zweiten Verdichterstufe (12), wobei die erste Verdichterstufe (11) einen Einlass zum Einbringen von Luft in den Kompressor aufweist, der strömungstechnisch mit einer Einlassleitung (15) koppelbar ist, und wobei die zweite Verdichterstufe (12) einen Auslass zum Bereitstellen eines komprimierten Luftmassestroms aufweist, der strömungstechnisch mit einer Auslassleitung (18) koppelbar ist. Die Vorrichtung (10) weist ferner die Brennstoffzelleneinheit (2) auf, die mit dem Kompressor gekoppelt und strömungstechnisch zwischen der ersten Verdichterstufe (11) und der zweiten Verdichterstufe (12) angeordnet ist. Der Kompressor ist dazu eingerichtet, einen komprimierten, ersten Luftmassestrom für die Brennstoffzelleneinheit (2) und einen von dem ersten Luftmassestrom unterschiedlichen komprimierten, zweiten Luftmassestrom für einen an den Auslass koppelbaren Verbraucher (4, 6) bereitzustellen.

Figure DE102018220739A1_0000
A device (10) for operating a fuel cell unit (2) for a rail vehicle (1) comprises a multi-stage compressor with a first compressor stage (11) and a second compressor stage (12) in terms of flow technology, the first compressor stage (11) having an inlet for Introducing air into the compressor, which can be fluidly coupled to an inlet line (15), and wherein the second compressor stage (12) has an outlet for providing a compressed air mass flow, which can be fluidly coupled to an outlet line (18). The device (10) also has the fuel cell unit (2), which is coupled to the compressor and is arranged in terms of flow between the first compressor stage (11) and the second compressor stage (12). The compressor is set up to provide a compressed, first air mass flow for the fuel cell unit (2) and a compressed, second air mass flow different from the first air mass flow for a consumer (4, 6) that can be coupled to the outlet.
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit für ein Schienenfahrzeug und ein korrespondierendes Schienenfahrzeug.The present invention relates to a device for operating a fuel cell unit for a rail vehicle and a corresponding rail vehicle.

Ein Brennstoffzellensystem kann als Antriebsquelle für ein Schienenfahrzeug dienen. Darin wird zum Beispiel Wasserstoff als Betriebsmittel mit in einem Luftstrom befindlichen Sauerstoff oxidiert, um elektrische Antriebsenergie für das Schienenfahrzeug zu generieren und bereitzustellen.A fuel cell system can serve as a drive source for a rail vehicle. In it, for example, hydrogen is oxidized as operating material with oxygen in an air stream in order to generate and provide electrical drive energy for the rail vehicle.

Es ist eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit für ein Schienenfahrzeug bereitzustellen, die einen effizienten und kostengünstigen Betrieb eines Brennstoffzellensystems ermöglicht. Es ist ferner eine Aufgabe, ein Schienenfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit bereitzustellen.It is an object of the invention to provide a device for operating a fuel cell unit for a rail vehicle which enables an efficient and inexpensive operation of a fuel cell system. It is also an object to provide a rail vehicle with such a device for operating a fuel cell unit.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung bzw. ein Schienenfahrzeug mit den Merkmalen der betreffenden unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The object is achieved by a device or a rail vehicle with the features of the relevant independent claims. Refinements and developments of the device are specified in the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt umfasst eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit für ein Schienenfahrzeug einen mehrstufig ausgebildeten Kompressor mit einer ersten Verdichterstufe und einer strömungstechnisch nachfolgenden zweiten Verdichterstufe, wobei die erste Verdichterstufe einen Einlass zum Einbringen von Luft in den Kompressor aufweist, der strömungstechnisch mit einer Einlassleitung koppelbar ist, und wobei die zweite Verdichterstufe einen Auslass zum Bereitstellen eines komprimierten Luftmassestroms aufweist, der strömungstechnisch mit einer Auslassleitung koppelbar ist. Die Vorrichtung weist ferner die Brennstoffzelleneinheit auf, die mit dem Kompressor gekoppelt und strömungstechnisch zwischen der ersten Verdichterstufe und der zweiten Verdichterstufe angeordnet ist. Der Kompressor ist dazu eingerichtet, einen komprimierten, ersten Luftmassestrom für die Brennstoffzelleneinheit und einen von dem ersten Luftmassestrom unterschiedlichen komprimierten, zweiten Luftmassestrom für einen an den Auslass koppelbaren Verbraucher bereitzustellen.According to a first aspect, a device for operating a fuel cell unit for a rail vehicle comprises a multi-stage compressor with a first compressor stage and a second compressor stage following in terms of flow technology, the first compressor stage having an inlet for introducing air into the compressor, which can be coupled with an inlet line in terms of flow technology is, and wherein the second compressor stage has an outlet for providing a compressed air mass flow, which is fluidically coupled to an outlet line. The device also has the fuel cell unit, which is coupled to the compressor and is arranged in terms of flow between the first compressor stage and the second compressor stage. The compressor is set up to provide a compressed, first air mass flow for the fuel cell unit and a compressed, second air mass flow different from the first air mass flow for a consumer that can be coupled to the outlet.

Mittels der beschriebenen Vorrichtung ist es auf einfache Weise möglich, eine Brennstoffzelleneinheit energiesparend und effizient zu betreiben sowie zu einem umweltschonenden und kostengünstigen Betrieb eines entsprechenden Schienenfahrzeugs beizutragen. Insbesondere kann eine solche Vorrichtung ein Antriebssystem für das Schienenfahrzeug realisieren oder mit ausbilden.By means of the described device, it is possible in a simple manner to operate a fuel cell unit in an energy-saving and efficient manner and to contribute to an environmentally friendly and inexpensive operation of a corresponding rail vehicle. In particular, such a device can implement or form a drive system for the rail vehicle.

Schienenfahrzeuge, wie Lokomotiven, Waggons, Triebzüge, Straßen- oder Untergrundbahnen, benötigen eine zuverlässige Druckluftversorgung für verschiedene Luftmasseverbraucher. Mittels eines Kompressors kann eine dafür erforderliche Druckluft bereitgestellt werden. Weist ein solches Schienenfahrzeug ferner ein Brennstoffzellensystem als ein Antriebssystem auf, wird Sauerstoff benötigt, um die chemische Reaktion von beispielsweise als Betriebsmittel verwendetem Wasserstoff mit diesem Sauerstoff zur Stromerzeugung zu ermöglichen.Rail vehicles, such as locomotives, wagons, multiple units, trams or subways, require a reliable compressed air supply for various air mass consumers. The compressed air required for this can be provided by means of a compressor. If such a rail vehicle furthermore has a fuel cell system as a drive system, oxygen is required in order to enable the chemical reaction of hydrogen used, for example, as operating material, with this oxygen to generate electricity.

Die beschriebene Vorrichtung umfasst lediglich einen einzigen leistungsstarken Kompressor, welcher die Versorgung der Brennstoffzelleneinheit und zudem weiterer Luftmasseverbraucher gleichzeitig ermöglicht. Somit kann ein separater Kompressor für die Brennstoffzelleneinheit eingespart werden und das Ansprechverhalten oder eine Reaktionszeit der Brennstoffzelleneinheit durch einen solchen kombinierten Kompressor verbessert werden.The device described comprises only a single powerful compressor, which enables the supply of the fuel cell unit and also other air mass consumers at the same time. A separate compressor for the fuel cell unit can thus be saved and the response behavior or a reaction time of the fuel cell unit can be improved by such a combined compressor.

Der Kompressor der Vorrichtung übernimmt zwei unterschiedliche Funktionalitäten. Zum einen übernimmt er die Druckluftversorgung angeschlossener Verbraucher, wie Bremssystem, Luftfederung und Türmechanismen des Schienenfahrzeugs. Zum anderen übernimmt er die Sauerstoffversorgung der Brennstoffzelleneinheit, die einen Luftmassestrom mit anderen Eigenschaften benötigt als die zuvor beschriebenen Druckluftverbraucher.The compressor of the device performs two different functions. On the one hand, it takes over the compressed air supply for connected consumers, such as the braking system, air suspension and door mechanisms of the rail vehicle. On the other hand, it takes over the oxygen supply to the fuel cell unit, which requires an air mass flow with different properties than the compressed air consumers described above.

Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung ist der Kompressor dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von einer Betriebsleistung der Brennstoffzelleneinheit eine vorgegebene Kompressorleistung bereitzustellen. Die Kompressorleistung ist in Abstimmung auf die zu versorgende Brennstoffzelleneinheit ausgebildet, um ein zuverlässiges und durchgängiges Betreiben der Brennstoffzelleneinheit zu ermöglichen.According to a development of the device, the compressor is set up to provide a predetermined compressor output as a function of an operating output of the fuel cell unit. The compressor output is designed in coordination with the fuel cell unit to be supplied in order to enable reliable and continuous operation of the fuel cell unit.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist der Kompressor dazu eingerichtet, eine Kompressorleistung von mindestens 10 kW, bevorzugt mindestens 15 kW, beispielsweise 15 kW - 17 kW, bereitzustellen. Ein zu einer solchen Kompressorleistung befähigter Kompressor ermöglicht eine sichere und zuverlässige Versorgung angeschlossener Luftmassestromverbraucher mit Druckluft und der Brennstoffzellenleitung mit Sauerstoff.According to a preferred embodiment of the device, the compressor is set up to provide a compressor output of at least 10 kW, preferably at least 15 kW, for example 15 kW-17 kW. A compressor capable of such a compressor performance enables a safe and reliable supply of connected air mass flow consumers with compressed air and the fuel cell line with oxygen.

Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist der Kompressor dazu eingerichtet, mittels der ersten Verdichterstufe einen ersten Luftmassestrom von mindestens 90 g/s oder mindestens 100 g/s mit einem Luftdruck von mindestens 1,2 bar oder mindestens 1,4 bar und mittels der zweiten Verdichterstufe einen zweiten Luftmassestrom von mindestens 3 g/s oder mindestens 4 g/s mit einem Luftdruck von mindestens 7 bar oder mindestens 8 bar bereitzustellen. Insbesondere ist der Kompressor dazu ausgebildet, mittels der ersten Verdichterstufe einen ersten Luftmassestrom von 120 g/s mit einem Luftdruck von 1,5 - 2,0 bar und mittels der zweiten Verdichterstufe einen zweiten Luftmassestrom von 5 g/s mit einem Luftdruck von 10,0 bar bereitzustellen.According to a further preferred embodiment of the device, the compressor is set up to use the first compressor stage to produce a first air mass flow of at least 90 g / s or at least 100 g / s with an air pressure of at least 1.2 bar or at least 1.4 bar and by means of the second compressor stage to provide a second air mass flow of at least 3 g / s or at least 4 g / s with an air pressure of at least 7 bar or at least 8 bar. In particular, the compressor is designed to use the first compressor stage to produce a first air mass flow of 120 g / s with an air pressure of 1.5-2.0 bar and by means of the second compressor stage a second air mass flow of 5 g / s with an air pressure of 10. 0 bar to provide.

Der erste Luftmassestrom mit den beschriebenen Eigenschaften repräsentiert einen bevorzugten Volumenstrom, welcher für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit benötigt wird. Der zweite Luftmassestrom mit den beschriebenen Eigenschaften stellt einen bevorzugten Volumenstrom dar, welcher für eine kontrollierte Druckluftversorgung angeschlossener Verbraucher des Schienenfahrzeugs benötigt wird.The first air mass flow with the properties described represents a preferred volume flow, which is required for safe and reliable operation of the fuel cell unit. The second air mass flow with the described properties represents a preferred volume flow, which is required for a controlled compressed air supply to connected consumers of the rail vehicle.

Der Kompressor der Vorrichtung ist hinsichtlich seiner Leistungsstärke so ausgebildet, dass er eine zuverlässige Zugdruckluftversorgung ermöglicht und zudem in der Lage ist, die zusätzlich benötigte Druckluftmenge für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit bereitzustellen. Somit ist es nicht erforderlich zwei oder mehrere separate Kompressoren vorzusehen, die getrennt voneinander eine jeweilige Funktionalität übernehmen und einen jeweiligen Luftmassestrom bereitstellen.With regard to its performance, the compressor of the device is designed in such a way that it enables a reliable supply of draft air and is also able to provide the additionally required amount of compressed air for the operation of the fuel cell unit. It is therefore not necessary to provide two or more separate compressors, which take over a respective functionality separately and provide a respective air mass flow.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Vorrichtung einen Luftmassespeicher auf, der strömungstechnisch mit der Brennstoffzelleneinheit und dem Kompressor gekoppelt ist. Auf diese Weise kann eine fortwährende zuverlässige Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit einem Luftmassestrom und Bereitstellung von Sauerstoff erreicht werden. Der Luftmassespeicher ist daher insbesondere dazu ausgebildet, einen ersten Luftmassestrom mit zuvor beschriebenen Eigenschaften aufzunehmen, zu speichern und bei Bedarf an die Brennstoffzelleneinheit abzugeben.According to a preferred development, the device has an air mass accumulator which is fluidly coupled to the fuel cell unit and the compressor. In this way, a continuous, reliable supply of the fuel cell unit with an air mass flow and provision of oxygen can be achieved. The air mass storage device is therefore in particular designed to receive a first air mass flow with the properties described above, to store it and to deliver it to the fuel cell unit if required.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Vorrichtung einen oder mehrere Druckluftspeicher auf, der bzw. die strömungstechnisch nachfolgend zu der zweiten Verdichterstufe mit dem Kompressor gekoppelt ist bzw. sind und zum Koppeln mit einem Luftmasseverbraucher ausgebildet ist bzw. sind. Auf diese Weise kann eine fortwährende und zuverlässige Versorgung an der Vorrichtung angeschlossener Verbraucher mit Druckluft erreicht werden. Der Druckluftspeicher ist daher insbesondere dazu ausgebildet, einen zweiten Luftmassestrom mit zuvor beschriebenen Eigenschaften aufzunehmen, zu speichern und bei Bedarf an die angeschlossenen Verbraucher des Schienenfahrzeugs abzugeben.According to a further preferred development, the device has one or more compressed air reservoirs, which is or are fluidically coupled to the compressor downstream of the second compressor stage and is or are designed to be coupled to an air mass consumer. In this way, a continuous and reliable supply of compressed air to consumers connected to the device can be achieved. The compressed air accumulator is therefore designed in particular to receive a second air mass flow with the properties described above, to store it and, if necessary, to deliver it to the connected consumers of the rail vehicle.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Vorrichtung ein Regelungsventil zum Regeln eines Luftmassestroms, das strömungstechnisch zwischen der ersten Verdichterstufe und der zweiten Verdichterstufe angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Regelungsventil strömungstechnisch zwischen der ersten Verdichterstufe und der Brennstoffzelleneinheit angeordnet. Somit kann ein Luftmassestrom gezielt kontrolliert und der Brennstoffzelleneinheit und/oder der zweiten Verdichterstufe zugeführt werden. Beispielsweise ist das Regelungsventil als Kreuzventil ausgebildet, an dessen strömungsseitigen Eingang die erste Verdichterstufe angeschlossen ist und an dessen zwei strömungsseitigen Ausgängen einerseits die Brennstoffzelleneinheit und andererseits die zweite Verdichterstufe angeschlossen sind.According to a preferred development, the device comprises a control valve for regulating an air mass flow, which is arranged in terms of flow between the first compressor stage and the second compressor stage. In terms of flow technology, the control valve is preferably arranged between the first compressor stage and the fuel cell unit. An air mass flow can thus be controlled in a targeted manner and fed to the fuel cell unit and / or the second compressor stage. For example, the control valve is designed as a cross valve, to the flow-side input of which the first compressor stage is connected and to whose two flow-side outputs on the one hand the fuel cell unit and on the other hand the second compressor stage are connected.

Die beschriebene Vorrichtung mit dem einen Kompressor, welcher mit der Versorgung der Brennstoffzelleneinheit und dem Bereitstellen von Zugdruckluft unterschiedliche Funktionalitäten kombiniert, ermöglicht Vorteile im Vergleich zu einer Anordnung, welche mehrere separate Kompressoren aufweist. Unter anderem kann mittels der Vorrichtung, insbesondere durch Verwendung eines optionalen Luftmassespeichers für die Brennstoffzelleneinheit, die Dynamik der Brennstoffzelleneinheit verbessert werden. Die für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit benötigte Luftmasse kann vorsorglich im Luftmassenspeicher schon mit dem entsprechenden Luftdruck gespeichert werden und bei Bedarf sofort in die Brennstoffzelleneinheit geleitet werden.The device described with the one compressor, which combines different functionalities with the supply of the fuel cell unit and the provision of draft air, enables advantages compared to an arrangement which has several separate compressors. Among other things, the dynamics of the fuel cell unit can be improved by means of the device, in particular by using an optional air mass storage for the fuel cell unit. As a precaution, the air mass required for the operation of the fuel cell unit can already be stored in the air mass storage device with the appropriate air pressure and, if necessary, can be passed directly into the fuel cell unit.

Darüber hinaus ermöglicht die beschriebene Vorrichtung mit dem lediglich einen kombinierten Kompressor ein effizienteres Betreiben der Brennstoffzelleneinheit und weist zudem einen Gewichtsvorteil auf, welcher zu einer erhöhten Reichweite eines Schienenfahrzeugs und zu verringerten Treibstoffkosten beitragen kann. Außerdem werden Geräuschemissionen durch einen zusätzlichen Kompressor vermieden. Ferner bietet die Vorrichtung mit dem kombinierten Kompressor einen kompakteren Aufbau und bedarf eine geringere Leistungsaufnahme als mehrere separate Kompressoren, die jeweils nur eine Funktion bedienen.In addition, the described device with the only one combined compressor enables the fuel cell unit to be operated more efficiently and also has a weight advantage, which can contribute to an increased range of a rail vehicle and to reduced fuel costs. An additional compressor also prevents noise emissions. Furthermore, the device with the combined compressor offers a more compact structure and requires less power than several separate compressors, each of which serves only one function.

Der kombinierte Kompressor ist mehrstufig, zumindest zweistufig, ausgeführt und weist daher zwei oder mehr Verdichterstufen auf. Die Luftentnahme für die Versorgung der Brennstoffzelleneinheit wird nach der ersten Verdichterstufe angesetzt, um zu einem geringen Gesamtenergieverbrauch beizutragen. Darüber hinaus ergeben sich weitere Kosteneinsparungen, da der eine kombinierte Kompressor kostengünstiger ist als mehrere separate Kompressoren. Weitere Einsparpotentiale in Bezug auf laufende Kosten ergeben sich insbesondere bei der Instandhaltung der Vorrichtung. Instandhaltungskosten eines Kompressors für die Brennstoffzelleneinheit tragen zum Beispiel zu fast 50 % der jährlichen Instandhaltungskosten eines Brennstoffzellensystems bei, welche mittels der beschriebenen Vorrichtung und des multifunktionalen Kompressors deutlich reduziert werden können.The combined compressor is multi-stage, at least two-stage, and therefore has two or more compressor stages. The air extraction for the supply of the fuel cell unit is set after the first compressor stage in order to contribute to a low total energy consumption. In addition, there are further cost savings, since the one combined compressor is cheaper than several separate ones Compressors. Further savings potential with regard to running costs arise in particular in the maintenance of the device. Maintenance costs of a compressor for the fuel cell unit contribute, for example, to almost 50% of the annual maintenance costs of a fuel cell system, which can be significantly reduced by means of the described device and the multifunctional compressor.

Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Schienenfahrzeug eine Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit sowie einen Luftmassestromverbraucher, der mit der Vorrichtung gekoppelt ist. Das Schienenfahrzeug realisiert zum Beispiel einen Antriebszug, welcher sich der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie bedient. Die Brennstoffzelleneinheit stellt einen Verbraucher von einem Luftmassestrom dar, der strömungstechnisch nachfolgend zu der ersten Verdichterstufe angeordnet ist und mit dem mittels des Kompressors bereitgestellten ersten Luftmassestrom versorgt werden kann. Der Luftmassestromverbraucher ist beispielsweise ein Bremssystem, eine Luftfederung, eine WC - Anlage und/oder ein Türmechanismus des Schienenfahrzeugs, welche mit Druckluft betrieben werden. According to a further aspect, a rail vehicle comprises an embodiment of the device described above for operating a fuel cell unit and an air mass flow consumer which is coupled to the device. The rail vehicle realizes, for example, a drive train which uses the device for providing electrical energy. The fuel cell unit represents a consumer of an air mass flow which is arranged downstream of the first compressor stage in terms of flow technology and can be supplied with the first air mass flow provided by means of the compressor. The air mass flow consumer is, for example, a brake system, an air suspension, a toilet system and / or a door mechanism of the rail vehicle, which are operated with compressed air.

Alternativ oder zusätzlich können weitere mit Druckluft zu versorgende Verbraucher mit der Vorrichtung gekoppelt sein. Ein solcher Luftmassestromverbraucher ist strömungstechnisch nachfolgend zu der zweiten Verdichterstufe angeordnet und kann mit dem mittels des Kompressors bereitgestellten zweiten Luftmassestrom versorgt werden.Alternatively or additionally, further consumers to be supplied with compressed air can be coupled to the device. Such an air mass flow consumer is arranged downstream of the second compressor stage in terms of flow technology and can be supplied with the second air mass flow provided by means of the compressor.

Auf diese Weise kann mittels der beschriebenen Vorrichtung und eines kombinierten Kompressors ein effizienter, kostengünstiger und wartungsarmer Betrieb des Schienenfahrzeugs ermöglicht werden. Dadurch, dass das Schienenfahrzeug eine Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Vorrichtung umfasst, sind, sofern zutreffend, beschriebene Eigenschaften und Merkmale der Vorrichtung auch für das Schienenfahrzeug offenbart und umgekehrt.In this way, an efficient, cost-effective and low-maintenance operation of the rail vehicle can be made possible by means of the described device and a combined compressor. Characterized in that the rail vehicle includes a configuration of the device described above, if applicable, described properties and features of the device are also disclosed for the rail vehicle and vice versa.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs mit einer Brennstoffzelleneinheit, und
  • 2 ein schematisches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Betreiben der Brennstoffzelleneinheit nach 1.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the schematic drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of a rail vehicle with a fuel cell unit, and
  • 2 a schematic embodiment of a device for operating the fuel cell unit according to 1 ,

1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Schienenfahrzeug 1 mit einer Vorrichtung 10, die zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit 2 des Schienenfahrzeugs 1 und zum Versorgen von an der Vorrichtung 10 angeschlossenen Verbrauchern 4, 6 mit komprimierter Druckluft ausgebildet ist. Die Verbraucher 4 und 6 sind Luftmasseverbraucher, wobei der Verbraucher 4 beispielsweise ein Bremssystem und der Verbraucher 6 einen Türmechanismus repräsentiert, welcher mittels Druckluft betrieben werden. Alternativ oder zusätzlich können andere Verbraucher, wie eine WC-Anlage oder eine Luftfederung, des Schienenfahrzeugs 1 mit der Vorrichtung 10 gekoppelt sein. Wie nachfolgend beschrieben wird, ermöglicht die Vorrichtung 10 aufgrund eines mehrstufigen kombinierten Kompressors, welcher unterschiedliche Funktionalitäten bedient, ein effizientes und kostengünstiges Betreiben des Schienenfahrzeugs 1. 1 shows a schematic representation of a rail vehicle 1 with one device 10 that are used to operate a fuel cell unit 2 of the rail vehicle 1 and to power the device 10 connected consumers 4 . 6 is formed with compressed compressed air. The consumers 4 and 6 are air mass consumers, the consumer 4 for example a braking system and the consumer 6 represents a door mechanism operated by compressed air. Alternatively or additionally, other consumers, such as a toilet system or air suspension, can use the rail vehicle 1 with the device 10 be coupled. As described below, the device enables 10 efficient and cost-effective operation of the rail vehicle due to a multi-stage combined compressor that serves different functions 1 ,

2 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung 10, die einen zweistufig ausgebildeten Kompressor mit einer ersten Verdichterstufe 11 und einer strömungstechnisch nachfolgenden zweiten Verdichterstufe 12 umfasst, die mit einer Antriebswelle oder Kompressorwelle 14 gekoppelt sind. Die erste Verdichterstufe 11 weist einen Einlass zum Einbringen von Luft in den Kompressor auf, der strömungstechnisch mit einer Einlassleitung 15 gekoppelt ist. Die zweite Verdichterstufe 12 weist einen Auslass zum Bereitstellen eines komprimierten Luftmassestroms auf, der strömungstechnisch mit einer Auslassleitung 18 gekoppelt ist. An der Auslassleitung 18 sind die Verbraucher 4 und 6 gekoppelt und können mittels der Vorrichtung mit Druckluft versorgt werden. 2 shows a schematic representation of the device 10 , which is a two-stage compressor with a first compressor stage 11 and a second compressor stage downstream in terms of flow technology 12 includes that with a drive shaft or compressor shaft 14 are coupled. The first compressor stage 11 has an inlet for introducing air into the compressor, which is fluidly connected to an inlet line 15 is coupled. The second compressor stage 12 has an outlet for providing a compressed air mass flow, the fluidic with an outlet line 18th is coupled. On the outlet pipe 18th are consumers 4 and 6 coupled and can be supplied with compressed air by means of the device.

Die Vorrichtung 10 umfasst ferner die Brennstoffzelleneinheit 2, die mit dem Kompressor gekoppelt und strömungstechnisch zwischen der ersten Verdichterstufe 11 und der zweiten Verdichterstufe 12 angeordnet ist. Der Kompressor ist dazu eingerichtet, mittels der ersten Verdichterstufe 11 einen komprimierten, ersten Luftmassestrom für die Brennstoffzelleneinheit 2 und mittels der zweiten Verdichterstufe 12 einen von dem ersten Luftmassestrom unterschiedlichen komprimierten, zweiten Luftmassestrom für die an dem Auslass gekoppelten Verbraucher 4, 6 bereitzustellen.The device 10 further includes the fuel cell unit 2 that are coupled to the compressor and fluidly between the first compressor stage 11 and the second compressor stage 12 is arranged. The compressor is set up for this by means of the first compressor stage 11 a compressed, first air mass flow for the fuel cell unit 2 and by means of the second compressor stage 12 a compressed second air mass flow, different from the first air mass flow, for the consumers coupled to the outlet 4 . 6 to provide.

Durch die Einlassleitung 15 kann zum Beispiel gefilterte Umgebungsluft mit einem Luftmassestrom von 125 g/s mit einem Luftdruck von etwa 1 bar zu der ersten Verdichterstufe 11 geführt werden. Mittels der ersten Verdichterstufe 11 wird dann beispielsweise ein erster Luftmassestrom von 120 g/s mit einem Luftdruck von 1,5 - 2,0 bar generiert und durch ein Regelungsventil 16 und eine Zuleitung 17 zu der Brennstoffzelleneinheit 2 geführt. Mittels der zweiten Verdichterstufe 12 wird zum Beispiel ein zweiter Luftmassestrom von 5 g/s mit einem Luftdruck von 10,0 bar generiert und den Verbrauchern 4, 6 des Schienenfahrzeugs 1 zur Verfügung gestellt.Through the inlet pipe 15 can, for example, filtered ambient air with an air mass flow of 125 g / s with an air pressure of about 1 bar to the first compressor stage 11 be performed. By means of the first compressor stage 11 For example, a first air mass flow of 120 g / s with an air pressure of 1.5-2.0 bar is then generated and by a control valve 16 and a supply line 17 to the fuel cell unit 2 guided. By means of the second compressor stage 12 For example, a second air mass flow of 5 g / s with an air pressure of 10.0 bar is generated and the consumers 4 . 6 of the rail vehicle 1 made available.

Das Regelungsventil 16 ist strömungstechnisch nachfolgend zu der ersten Verdichterstufe 11 und vorausgehend zu der zweiten Verdichterstufe 12 angeordnet. Das Regelungsventil 16 ist ferner strömungstechnisch zwischen der ersten Verdichterstufe 11 und der Brennstoffzelleneinheit 2 angeordnet. Es ist beispielsweise wie dargestellt als Kreuzventil realisiert und ermöglicht eine einfache Durchflusskontrolle des ersten Luftmassestroms. Somit kann der erste Luftmassestrom anteilig oder vollständig zu der Brennstoffzelleneinheit 2 geleitet oder der zweiten Verdichterstufe 12 zugeführt werden. The control valve 16 is fluidically subsequent to the first compressor stage 11 and preceding the second compressor stage 12 arranged. The control valve 16 is also fluidically between the first compressor stage 11 and the fuel cell unit 2 arranged. As shown, for example, it is implemented as a cross valve and enables simple flow control of the first air mass flow. The first air mass flow can thus be proportional or complete to the fuel cell unit 2 headed or the second compressor stage 12 be fed.

Ein zum Betreiben der Brennstoffzelleneinheit 2 erforderlicher Luftmassestrom wird somit nach der ersten Verdichterstufe 11 des Kompressors abgegriffen und stellt den für einen Brennstoffzellenbetrieb benötigten Sauerstoff bereit. Die Brennstoffzelleneinheit 2 ist strömungstechnisch mit einem Betriebsmittelbehälter 5 gekoppelt, welcher beispielsweise Wasserstoff als Betriebsmittel für die Brennstoffzelleneinheit 2 bereitstellt, und bildet somit ein Brennstoffzellensystem, das als Antriebsquelle für das Schienenfahrzeug 1 dienen kann. Bei einem Betrieb des Brennstoffzellensystems wird Wasserstoff als Betriebsmittel oxidiert und der in dem ersten Luftmassestrom befindliche Sauerstoff reduziert, um elektrische Antriebsenergie für das Schienenfahrzeug 1 bereitzustellen.One for operating the fuel cell unit 2 The required air mass flow is thus after the first compressor stage 11 tapped from the compressor and provides the oxygen required for fuel cell operation. The fuel cell unit 2 is flow-related with an equipment container 5 coupled, which, for example, hydrogen as a resource for the fuel cell unit 2 provides, and thus forms a fuel cell system that acts as a drive source for the rail vehicle 1 can serve. When the fuel cell system is in operation, hydrogen as the operating medium is oxidized and the oxygen in the first air mass flow is reduced by electrical drive energy for the rail vehicle 1 to provide.

Die Vorrichtung 10 weist ferner einen Luftmassespeicher 3 auf, der strömungstechnisch mit der Brennstoffzelleneinheit 2 gekoppelt ist. Der Luftmassespeicher 3 ist dazu ausgebildet, den ersten Luftmassestrom aufzunehmen, zu speichern und bei Bedarf an die Brennstoffzelleneinheit 2 abzugeben. Der Luftmassespeicher 3 kann alternativ oder zusätzlich eine andere strömungstechnische Kopplung zu dem Kompressor aufweisen, die nachfolgend zu der ersten Verdichterstufe 11 angeordnet ist und ein anteiliges Einbringen des ersten Luftmassestroms in den Luftmassespeicher 3 und/oder Auslassen des gespeicherten ersten Luftmassestroms in den Kompressor und/oder die Brennstoffzelleneinheit 2 ermöglicht. Auf diese Weise kann eine fortwährende zuverlässige Versorgung der Brennstoffzelleneinheit 2 mit dem ersten Luftmassestrom und Bereitstellung von Sauerstoff erreicht werden.The device 10 also has an air mass storage 3 on the fluidic with the fuel cell unit 2 is coupled. The air mass storage 3 is designed to record the first air mass flow, to store it and, if necessary, to the fuel cell unit 2 to deliver. The air mass storage 3 can alternatively or additionally have a different fluidic coupling to the compressor, which follows the first compressor stage 11 is arranged and a proportional introduction of the first air mass flow into the air mass storage 3 and / or discharging the stored first air mass flow into the compressor and / or the fuel cell unit 2 enables. In this way, an ongoing reliable supply to the fuel cell unit 2 can be achieved with the first air mass flow and provision of oxygen.

Die Vorrichtung 10 weist weiter einen Druckluftspeicher 7 auf, der strömungstechnisch nachfolgend zu der zweiten Verdichterstufe 12 mit dem Kompressor gekoppelt ist und eine zuverlässige Versorgung der an der Vorrichtung 10 angeschlossenen Verbraucher 4, 6 mit Druckluft ermöglicht. Der Druckluftspeicher 7 kann direkt mit dem Kompressor und/oder über die Verbraucher 4, 6 mit dem Kompressor gekoppelt sein und ein Aufnehmen, Speichern und Abgeben von Druckluft beziehungsweise des zweiten Luftmassestroms ermöglichen.The device 10 also has a compressed air reservoir 7 in terms of flow technology downstream to the second compressor stage 12 is coupled to the compressor and a reliable supply to the device 10 connected consumers 4 . 6 with compressed air. The compressed air reservoir 7 can be directly with the compressor and / or through the consumer 4 . 6 be coupled to the compressor and enable the intake, storage and delivery of compressed air or the second air mass flow.

Die beschriebene Vorrichtung 10 umfasst lediglich den einen kombinierten Kompressor, welcher die Versorgung der Brennstoffzelleneinheit 2 und zudem die weiterer Luftmasseverbraucher 4, 6 ermöglicht. Somit kann ein separater Kompressor für die Brennstoffzelleneinheit 2 eingespart werden und das Ansprechverhalten der Brennstoffzelleneinheit 2, insbesondere im Zusammenwirken mit dem Luftmassespeicher 3, verbessert werden. Der kombinierte Kompressor ist dabei auf eine Betriebsleistung der Brennstoffzelleneinheit 2 abgestimmt und stellt beispielsweise eine Kompressorleistung von 15 kW - 17 kW bereit.The device described 10 includes only the one combined compressor, which supplies the fuel cell unit 2 and also the other air mass consumers 4 . 6 enables. Thus, a separate compressor for the fuel cell unit 2 be saved and the response behavior of the fuel cell unit 2 , especially in cooperation with the air mass storage 3 , be improved. The combined compressor is based on an operating performance of the fuel cell unit 2 coordinated and provides, for example, a compressor output of 15 kW - 17 kW.

Die beschriebene Vorrichtung 10 weist somit lediglich einen leistungsstarken Kompressor auf, welcher unterschiedliche Luftmasseströme bereitstellt und mit der Versorgung der Brennstoffzelleneinheit 2 und dem Bereitstellen von Druckluft für die Verbraucher 4, 6 unterschiedliche Funktionalitäten bedient. Im Vergleich zu einer Anordnung, welche mehrere separate Kompressoren aufweist, kann mittels der Vorrichtung 10 die Dynamik der Brennstoffzelleneinheit 2 verbessert werden. Darüber hinaus ermöglicht die Vorrichtung 10 ein effizienteres Betreiben der Brennstoffzelleneinheit 2 und weist zudem ein geringeres Gewicht auf, sodass eine größere Reichweite des Schienenfahrzeugs 1 und verringerte Treibstoffkosten möglich sind. Außerdem werden Geräuschemissionen verringert und die Vorrichtung 10 bietet mit nur einem Kompressor einen übersichtlichen und kompakten Aufbau. Weitere Kosteneinsparungen sind insbesondere bei der Anschaffung und Wartung des kombinierten Kompressors möglich, da insbesondere Instandhaltungskosten eines Kompressors etwa 50 % der jährlichen Instandhaltungskosten eines Brennstoffzellensystems bilden. The device described 10 thus only has a powerful compressor, which provides different air mass flows and with the supply of the fuel cell unit 2 and providing compressed air to consumers 4 . 6 different functionalities served. In comparison to an arrangement which has several separate compressors, the device can 10 the dynamics of the fuel cell unit 2 be improved. In addition, the device enables 10 a more efficient operation of the fuel cell unit 2 and also has a lower weight, so that the rail vehicle has a greater range 1 and reduced fuel costs are possible. It also reduces noise emissions and the device 10 offers a clear and compact design with just one compressor. Further cost savings are possible, in particular when purchasing and maintaining the combined compressor, since maintenance costs for a compressor in particular make up around 50% of the annual maintenance costs for a fuel cell system.

Auf diese Weise kann daher mittels der beschriebenen Vorrichtung 10 ein effizientes Antriebs- und Versorgungssystem für das Schienenfahrzeug 1 realisiert und im laufenden Betrieb die Energie- und Umweltbilanz des Schienenfahrzeugs 1 verbessert werden.In this way, therefore, by means of the device described 10 an efficient drive and supply system for the rail vehicle 1 realizes and the running balance of the energy and environmental balance of the rail vehicle 1 be improved.

BezugszeichenlisteReference list

11
SchienenfahrzeugRail vehicle
22
BrennstoffzelleneinheitFuel cell unit
33
LuftmassenspeicherAir mass storage
44
Verbraucher / BremssystemConsumer / braking system
55
BetriebsmittelbehälterEquipment container
66
Verbraucher / TürmechanismusConsumer / door mechanism
77
DruckluftspeicherCompressed air reservoir
1010
Vorrichtungcontraption
1111
erste Verdichterstufefirst compressor stage
1212th
zweite Verdichterstufesecond compressor stage
1414
KompressorwelleCompressor shaft
1515
EinlassleitungInlet pipe
1616
RegelungsventilControl valve
1717
ZuleitungSupply
1818th
AuslassleitungExhaust pipe

Claims (10)

Vorrichtung (10) zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit (2) für ein Schienenfahrzeug (1), umfassend: - einen mehrstufig ausgebildeten Kompressor mit einer ersten Verdichterstufe (11) und einer strömungstechnisch nachfolgenden zweiten Verdichterstufe (12), wobei die erste Verdichterstufe (11) einen Einlass zum Einbringen von Luft in den Kompressor aufweist, der strömungstechnisch mit einer Einlassleitung (15) koppelbar ist, und wobei die zweite Verdichterstufe (12) einen Auslass zum Bereitstellen eines komprimierten Luftmassestroms aufweist, der strömungstechnisch mit einer Auslassleitung (18) koppelbar ist, und - die Brennstoffzelleneinheit (2), die mit dem Kompressor gekoppelt und strömungstechnisch zwischen der ersten Verdichterstufe (11) und der zweiten Verdichterstufe (12) angeordnet ist, wobei der Kompressor dazu eingerichtet ist, einen ersten komprimierten Luftmassestrom für die Brennstoffzelleneinheit (2) und einen von dem ersten Luftmassestrom unterschiedlichen zweiten komprimierten Luftmassestrom für einen an die Auslassleitung (18) koppelbaren Luftmasseverbraucher (4, 6) bereitzustellen.Device (10) for operating a fuel cell unit (2) for a rail vehicle (1), comprising: - A multi-stage compressor with a first compressor stage (11) and a fluidically subsequent second compressor stage (12), the first compressor stage (11) having an inlet for introducing air into the compressor, which can be fluidically coupled to an inlet line (15) , and wherein the second compressor stage (12) has an outlet for providing a compressed air mass flow which can be fluidly coupled to an outlet line (18), and - The fuel cell unit (2), which is coupled to the compressor and is arranged fluidically between the first compressor stage (11) and the second compressor stage (12), the compressor being set up to provide a first compressed air mass flow for the fuel cell unit (2) and one to provide a second compressed air mass flow that is different from the first air mass flow for an air mass consumer (4, 6) that can be coupled to the outlet line (18). Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei dem der Kompressor dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einer Betriebsleistung der Brennstoffzelleneinheit (2) eine vorgegebene Kompressorleistung bereitzustellen.Device (10) after Claim 1 , in which the compressor is set up to provide a predetermined compressor output as a function of an operating output of the fuel cell unit (2). Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Kompressor dazu eingerichtet ist, eine Kompressorleistung von mindestens 10 kW bereitzustellen.Device (10) after Claim 1 or 2 , in which the compressor is set up to provide a compressor output of at least 10 kW. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Kompressor dazu eingerichtet ist, mittels der ersten Verdichterstufe (11) einen ersten Luftmassestrom von mindestens 100 g/s mit einem Luftdruck von mindestens 1,4 bar und mittels der zweiten Verdichterstufe (12) einen zweiten Luftmassestrom von mindestens 4 g/s mit einem Luftdruck von mindestens 8 bar bereitzustellen.Device (10) according to one of the Claims 1 to 3 , in which the compressor is set up to use the first compressor stage (11) to produce a first air mass flow of at least 100 g / s with an air pressure of at least 1.4 bar and by means of the second compressor stage (12) a second air mass flow of at least 4 g / s s to be provided with an air pressure of at least 8 bar. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Kompressor dazu eingerichtet ist, mittels der ersten Verdichterstufe (11) einen ersten Luftmassestrom von 120 g/s mit einem Luftdruck von 1,5 - 2,0 bar und mittels der zweiten Verdichterstufe (12) einen zweiten Luftmassestrom von 5 g/s mit einem Luftdruck von 10,0 bar bereitzustellen.Device (10) according to one of the Claims 1 to 4 , in which the compressor is set up by means of the first compressor stage (11) a first air mass flow of 120 g / s with an air pressure of 1.5 - 2.0 bar and by means of the second compressor stage (12) a second air mass flow of 5 g / s with an air pressure of 10.0 bar. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend: einen Luftmassespeicher (3), der strömungstechnisch mit der Brennstoffzelleneinheit (2) und dem Kompressor gekoppelt ist.Device (10) according to one of the Claims 1 to 5 , comprising: an air mass accumulator (3) which is fluidly coupled to the fuel cell unit (2) and the compressor. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend: einen Druckluftspeicher (7), der strömungstechnisch nachfolgend zu der zweiten Verdichterstufe (11) mit dem Kompressor gekoppelt ist und zum Koppeln mit einem Verbraucher (4, 6) ausgebildet ist.Device (10) according to one of the Claims 1 to 6 , comprising: a compressed air reservoir (7) which is fluidically coupled to the compressor downstream of the second compressor stage (11) and is designed for coupling to a consumer (4, 6). Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend: ein Regelungsventil (16) zum Regeln eines Luftmassestroms, das strömungstechnisch zwischen der ersten Verdichterstufe (11) und der zweiten Verdichterstufe (12) angeordnet ist.Device (10) according to one of the Claims 1 to 7 , comprising: a control valve (16) for regulating an air mass flow, which is arranged in terms of flow between the first compressor stage (11) and the second compressor stage (12). Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, bei der das Regelungsventil (16) strömungstechnisch zwischen der ersten Verdichterstufe (11) und der Brennstoffzelleneinheit (2) angeordnet ist.Device (10) after Claim 8 , in which the control valve (16) is arranged fluidically between the first compressor stage (11) and the fuel cell unit (2). Schienenfahrzeug (1), umfassend: - einen Luftmassestromverbraucher (4, 6), und - eine Vorrichtung (10) zum Betreiben der Brennstoffzelleneinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Auslass der zweiten Verdichterstufe (12) mittels einer Auslassleitung (18) mit dem Luftmassestromverbraucher (4, 6) gekoppelt ist.Rail vehicle (1), comprising: - an air mass flow consumer (4, 6), and - a device (10) for operating the fuel cell unit (2) according to one of the Claims 1 to 9 , in which the outlet of the second compressor stage (12) is coupled to the air mass flow consumer (4, 6) by means of an outlet line (18).
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