DE102022211066A1

DE102022211066A1 - Schienenfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb

Info

Publication number: DE102022211066A1
Application number: DE102022211066.8A
Authority: DE
Inventors: Lars Löwenstein
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2022-10-19
Filing date: 2022-10-19
Publication date: 2024-04-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (BSZ) und mit einem Wasserstoff-Behälter (BEH), der mit dem Brennstoffzellensystem (BSZ) verbunden ist. Das Brennstoffzellensystem (BSZ) ist in einem ersten Bereich (BER1) und der Behälter (BEH) ist in einem zweiten Bereich (BER2) des Schienenfahrzeugs (SFZ) angeordnet. Das Brennstoffzellensystem (BSZ) ist auf einem Prozess beruhend betrieben, bei dem bei der Erzeugung von elektrischer Energie aus Frischluft (FL) eine Abluft (ABL-NREZ) mit einem im Vergleich zur Frischluft (FL) deutlich reduziertem Sauerstoffanteil gebildet wird. Die Abluft (ABL-NREZ) ist in den ersten Bereich (BER1) geleitet, um dort Komponenten des Brennstoffzellensystems (BSZ) zu umspülen. Dabei ist der Sauerstoffanteil der Abluft (ABL-NREZ) derart gewählt, dass eine bei einer Leckage entstehende Konzentration eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches durch die Abluft (ABL-NREZ) reduziert wird bzw. dass ein zündfähiger Konzentrationswert des Gemisches unterschritten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb.
Schienenfahrzeuge, deren Antrieb auf Wasserstoff basieren, werden Diesel-betriebene Schienenfahrzeuge zunehmend ersetzen. Der Wasserstoff wird dabei mit Hilfe von Brennstoffzellen gemäß dem Stand der Technik in elektrische Energie umgewandelt, die dann zum Antrieb von Elektromotoren des Schienenfahrzeugs verwendet wird.
Der benötigte Wasserstoff wird in größere Mengen in Behältern in unterschiedlichen Zuständen mitgeführt.
Es ist bekannt, gasförmigen Wasserstoff in Druckbehältern auf dem Fahrzeugdach mitzuführen. Dies ermöglicht es, im Schadensfall bzw. bei einer auftretenden Leckage den gespeicherten Wasserstoff an die Umgebung bzw. Umwelt des Schienenfahrzeugs kontrolliert abzugeben.
Durch die Abgabe wird eine explosionsfähige Konzentration eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches in einem betrachteten Bereich reduziert bzw. verhindert und damit eine geforderte Betriebssicherheit des Schienenfahrzeugs erhöht.
Wasserstoff-basierte Schienenfahrzeuge weisen im Vergleich zu Diesel-betriebenen Schienenfahrzeugen eine geringere Reichweite auf.
Ein Grund dafür ist die Anordnung des Druckbehälters auf dem Dach des Schienenfahrzeugs, die zwar die Betriebssicherheit des Schienenfahrzeugs erhöht, jedoch aufgrund des nur eingeschränkt nutzbaren Daches ein dort gewünschtes bzw. erreichbares Speichervolumen begrenzt.
Für eine Erhöhung der Reichweite des Schienenfahrzeugs ist eine Vergrößerung des Wasserstoff-Vorrats bzw. der verwendeten Behälter oder eine bezüglich des Volumens optimierte Zustandsform des Wasserstoffs denkbar. Damit einhergehend könnte eine Änderung der Position der Behälter am Schienenfahrzeug nötig werden.
Dabei ist stets sicherzustellen, dass bei einer Leckage im Behälterumfeld eine zündfähige Konzentration des Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches abgesenkt ist bzw. abgesenkt wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schienenfahrzeug mit einem Brennstoffzellenantrieb derart weiterzubilden, dass bei einer Leckage eine zündfähige Konzentration eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches vermieden bzw. zumindest deutlich begrenzt wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und mit einem Wasserstoff-Behälter, der mit dem Brennstoffzellensystem verbunden ist.
Das Brennstoffzellensystem ist in einem ersten Bereich und der Behälter ist in einem zweiten Bereich des Schienenfahrzeugs angeordnet.
Das Brennstoffzellensystem wird auf einem Prozess beruhend betrieben, bei dem bei der Erzeugung von elektrischer Energie aus Frischluft eine Abluft mit einem zugeordneten Sauerstoffanteil gebildet wird, wobei der Sauerstoffanteil der Abluft im Vergleich zum Sauerstoffanteil der Frischluft deutlich reduziert ist.
Die Abluft mit reduziertem Sauerstoffanteil wird in den ersten Bereich geleitet und umspült dort Komponenten des Brennstoffzellensystems.
Der Sauerstoffanteil der Abluft ist dabei derart gewählt, dass bei einer Leckage bzw. Komponenten-Leckage im ersten Bereich eine im ersten Bereich entstehende Konzentration eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches durch die Abluft reduziert wird, so dass ein vorbekannter bzw. vorgegebener (zündfähiger) Konzentrationswert des Gemisches im ersten Bereich unterschritten wird.
Bevorzugt wird die Frischluft dem natürlichen Umfeld des Schienenfahrzeugs entnommen. Deren Sauerstoffgehalt liegt typischerweise in einem Bereich von 21 Vol%.
Der Sauerstoffanteil der Abluft liegt typischerweise in einem Bereich von <10Vol%.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird die Abluft in den zweiten Bereich geleitet und umspült dort den Behälter bzw. zugehörige Komponenten des Behälters. Durch die Abluft wird auch dort bei einer Leckage bzw. Komponenten-Leckage eine entstehende Konzentration eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches sicher reduziert wird, so dass ein zündfähiger Konzentrationswert des Gemisches im zweiten Bereich unterschritten wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird das Brennstoffzellensystem auf dem bekannten Rezirkulations-Prozess beruhend betrieben.
Dabei wird dem Brennstoffzellensystem Frischluft mit einem ersten Sauerstoffanteil (typischerweise im Bereich von 21 Vol%) und Wasserstoff aus dem Behälter zugeführt.
Im Rahmen der Energiegewinnung wird am Ausgang des Brennstoffzellensystems eine erste Abluft mit einem zweiten Sauerstoffanteil (typischerweise im Bereich von <15 Vol%) gebildet, der im Vergleich zum ersten Sauerstoffanteil reduziert ist.
Die erste Abluft wird dann im Rahmen der Rezirkulation erneut dem Brennstoffzellensystem zugeführt. Im Rahmen der Energiegewinnung wird am Ausgang des Brennstoffzellensystems eine zweite Abluft mit einem dritten Sauerstoffanteil (typischerweise im Bereich von < 10 Vol%) gebildet, der im Vergleich zum zweiten Sauerstoffanteil weiter reduziert. Diese zweite Abluft wird dann - wie vorstehend beschrieben - als Abluft zur Reduzierung der Konzentration verwendet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Abluft in einen dritten Bereich des Schienenfahrzeugs geleitet, in dem beispielsweise elektrische Baugruppen des Schienenfahrzeugs angeordnet sind. Durch die Abluft wird auch dieser Bereich entsprechend geschützt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest einer der Bereiche von einer Einhausung umgeben bzw. umfasst, um die Spülung des Bereichs bzw. der darin befindlichen Komponenten mit der Abluft definiert durchzuführen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest einer der Bereiche als Bestandteil eines Maschinenraums des Schienenfahrzeugs ausgebildet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist jeder Bereich von einer individuell zugeordneten, eigenen Einhausung umfasst bzw. umgeben.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind zumindest zwei Bereiche von einer gemeinsamen Einhausung umfasst bzw. umgeben.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Einhausung Einrichtungen auf, über die der jeweils zugeordnete Bereich mit Blick auf die Abluft kontrolliert belüftbar bzw. entlüftbar ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein vierter Bereich des Schienenfahrzeugs als Führerstand ausgebildet. Der vierte Bereich ist vom Maschinenraum bzw. von zumindest einem der anderen Bereiche über dichtschließende Türen abgetrennt, um Personal im Führerstand vor einem dauerhaften Einfluss der sauerstoff-abgereicherten Abluft oder vor einer zündfähigen Konzentration des Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches zu schützen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die jeweilige Einleitung der Abluft in den jeweiligen Bereich durchspülend oder aufstauend realisiert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Sauerstoffanteil der jeweiligen Abluft am Ausgang des Brennstoffzellensystems geregelt durch eine Betriebsführung des Brennstoffzellensystems, durch eine durchgeführte Anzahl an Rezirkulationen und durch die Menge an zugeführter Frischluft.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der für die Wasserstoff-Lagerung benötigte Behälter im Schienenfahrzeug, bevorzugt im Inneren des Wagenkastens, beispielswiese im Maschinenraum, oder in einem Unterflurbereich des Wagenkastens angeordnet.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass ausgehend von einer normalen Frischluft-Zusammensetzung (78% Stickstoff, 20,9% Sauerstoff, 0,03% Kohlendioxid) ein Brand bzw. eine Zündung bei einem entsprechend reduzierten Sauerstoffanteil wirksam unterbunden wird.
Durch die vorliegende Erfindung wird die beim Betrieb der Brennstoffzelle ohnehin entstehende Abluft zur Brandverhinderung bzw. zur Reduzierung der Zündfähigkeit des Sauerstoff-Wasserstoff-Gemisches verwendet.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, auf eine Mitführung von entsprechenden Schutzgasen, wie beispielsweise Stickstoff oder Halon zur Reduktion der Zündfähigkeit im Falle einer Leckage zu verzichten.
Durch die Nutzung der vorliegenden Erfindung wird im Schienenfahrzeug wertvoller Bauraum bzw. Volumen eingespart.
Durch die vorliegende Erfindung wird beim Schienenfahrzeug ein erhöhter Anlagenschutz vor Brand und Zündung bzw. Explosion realisiert.
Die vorliegende Erfindung ist kostengünstig realisierbar.
Durch die vorliegende Erfindung wird begünstigt, für die Wasserstoff-Lagerung benötigte Behälter im Schienenfahrzeug auch an anderen Orten bzw. Positionen als auf dem Dach vorzusehen.
Bevorzugt wird zumindest ein oder mehrere Behälter im Inneren des Wagenkastens, beispielswiese im Maschinenraum, oder in einem Unterflurbereich des Wagenkastens ggf. verteilt angeordnet.
Durch die vorliegende Erfindung wird aufgrund der kompakten Bauweise der beteiligten Komponenten nur ein geringer Volumenanteil im Schienenfahrzeug benötigt.
Nachfolgend wird die Erfindung mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt 1 die vorliegende Erfindung in einer prinzipiellen Darstellung.
In einem ersten Bereich BER1 eines Schienenfahrzeugs SFZ ist ein Brennstoffzellensystem BSZ angeordnet, während in einem zweiten Bereich BER2 des Schienenfahrzeugs SFZ ein Behälter BEH mit Wasserstoff angeordnet ist.
Beide Bereiche BER1, BER2 bilden einen Teil eines Maschinenraums des Schienenfahrzeugs SFZ.
Sowohl der erste Bereich BER1 als auch der zweite Bereich BER2 ist mit einer Einhausung EINH versehen.
Dabei ist entweder, wie hier gezeigt, jedem Bereich BER1, BER2 eine jeweilige, eigene Einhausung EINH zugeordnet, wobei jeweils eine Einhausung EINH jeweils einen der beiden Bereich BER1, BER2 umfasst.
Alternativ dazu (hier nicht gezeigt) ist es möglich, beide Bereiche BER1, BER2 mit einer gemeinsamen Einhausung EINH zu umfassen.
Das Brennstoffzellensystem BSZ wird zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet und basiert hier beispielhaft auf dem bekannten Prinzip der „Rezirkulation“.
Dabei wird dem Brennstoffzellensystem BSZ zur Energieerzeugung Frischluft mit einem Sauerstoffanteil von ca. 21 Vol% zugeführt.
Zusätzlich wird dem Brennstoffzellensystem BSZ zur Energieerzeugung Wasserstoff aus dem Behälter BEH zugeführt bzw. der Wasserstoff wird in eine Anode des Brennstoffzellensystems BSZ eingeblasen.
Der natürliche, in der Umgebungsluft enthaltene Sauerstoff wird bei der Energieerzeugung nicht vollständig verbraucht, so dass am Brennstoffzellensystem BSZ ausgangsseitig eine Abluft ABL-VREZ mit einem Sauerstoffanteil von ca. <15 Vol% vorliegt.
Die Abluft ABL-VREZ, die neben Sauerstoff noch Rest-Wasserstoff enthält, wird erneut dem Brennstoffzellensystem BSZ für einen weiteren Durchgang zugeführt.
Nachfolgend wird am Brennstoffzellensystem BSZ ausgangsseitig eine Abluft ABL-NREZ gebildet, die einen Sauerstoffanteil von ca. <10 Vol% aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Abluft ABL-NREZ verwendet, um den ersten Bereich BER1 bzw. um den zweiten Bereich BER2 zu fluten bzw. mit der Abluft ABL-NREZ zu spülen.
Durch den sehr geringen Sauerstoffanteil in der Abluft ABL-NREZ wird in den Bereichen BER1, BER2 eine dort ggf. durch eine Leckage entstehende, zündfähige Konzentration eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches unter einen vorgegebenen bzw. vorbekannten (Zünd-) Grenzwert abgesenkt.
In einem dritten Bereich BER3 sind elektrische Baugruppen EBAUG, wie beispielsweise Wandler, Umrichter, etc., des Schienenfahrzeugs SFZ angeordnet, bei deren Betrieb Wärme entsteht.
Der dritten Bereich BER3 ist ebenfalls mit einer Einhausung EINH versehen und bildet üblicherweise einen Teil eines Maschinenraums (hier nicht näher dargestellt) des Schienenfahrzeugs SFZ.
Der dritte Bereich wird zur Absicherung gegenüber Brand bzw. Zündung ebenfalls mit der Abluft ABL-VREZ gespült.

Claims

Schienenfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (BSZ) und mit einem Wasserstoff-Behälter (BEH), der mit dem Brennstoffzellensystem (BSZ) verbunden ist, - bei dem das Brennstoffzellensystem (BSZ) in einem ersten Bereich (BER1) und bei dem der Behälter (BEH) in einem zweiten Bereich (BER2) des Schienenfahrzeugs (SFZ) angeordnet ist, - bei dem das Brennstoffzellensystem (BSZ) auf einem Prozess beruhend betrieben ist, bei dem bei der Erzeugung von elektrischer Energie aus Frischluft (FL) eine Abluft (ABL-NREZ) mit einem im Vergleich zur Frischluft (FL) deutlich reduziertem Sauerstoffanteil gebildet wird, - bei dem die Abluft (ABL-NREZ) in den ersten Bereich (BER1) geleitet ist, um dort Komponenten des Brennstoffzellensystems (BSZ) zu umspülen, - bei dem der Sauerstoffanteil der Abluft (ABL-NREZ) derart gewählt ist, dass eine bei einer Leckage entstehende Konzentration eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches durch die Abluft (ABL-NREZ) reduziert ist, um einen vorgegebenen Konzentrationswert des Gemisches im ersten Bereich zu unterschreiten.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 1, bei dem die Frischluft (FL) dem natürlichen Umfeld des Schienenfahrzeugs entnommen ist und einen Sauerstoffgehalt aufweist, der in einem Bereich von 21 Vol% liegt.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Abluft einen Sauerstoffanteil aufweist, der in einem Bereich von <10Vol% liegt.
Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abluft (ABL-NREZ) in den zweiten Bereich (BER2) des Schienenfahrzeugs geleitet ist, um dort den Behälter (BEH) bzw. zugehörige Komponenten des Behälters (BEH) zu umspülen.
Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abluft (ABL-NREZ) in einen dritten Bereich (BER3) des Schienenfahrzeugs geleitet ist, in dem elektrische Baugruppen des Schienenfahrzeugs angeordnet sind.
Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest einer der Bereiche (BER1, BER2, BER3) von einer Einhausung (EINH) umgebenen ist.
Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest einer der Bereiche (BER1, BER2, BER3) von einer individuell zugeordneten, eigenen Einhausung (EINH) umfasst ist.
Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest zwei Bereiche (BER1, BER2) von einer gemeinsamen Einhausung (EINH) umfasst sind.
Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest einer der Bereiche (BER1, BER2, BER3) als Bestandteil eines Maschinenraums des Schienenfahrzeugs (SFZ) ausgebildet ist.
Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine Einhausung Einrichtungen aufweist, über die der zugeordnete Bereich mit Blick auf die Abluft kontrolliert belüftbar bzw. entlüftbar ist.
Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - bei dem ein vierter Bereich des Schienenfahrzeugs (SFZ) als Führerstand ausgebildet ist, und - bei dem der vierte Bereich von zumindest einem der anderen Bereiche (BER1, BER2, BER3) über dichtschließende Türen abgetrennt ist.
Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einleitung der Abluft (ABL-VREZ, ABL-NREZ) in den jeweiligen Bereich (BER1 bis BER3) durchspülend oder aufstauend realisiert ist.
Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sauerstoffanteil der Abluft (ABL-VREZ, ABL-NREZ) geregelt ist durch eine Betriebsführung des Brennstoffzellensystems (BSZ), durch eine durchgeführte Anzahl an Rezirkulationen und durch die Menge an zugeführter Frischluft (FL).
Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der für die Wasserstoff-Lagerung benötigte Behälter im Schienenfahrzeug, bevorzugt im Inneren des Wagenkastens, beispielswiese im Maschinenraum, oder in einem Unterflurbereich des Wagenkastens angeordnet ist.
Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - bei dem das Brennstoffzellensystem (BSZ) auf einem Rezirkulations-Prozess beruhend betrieben ist, wobei dem Brennstoffzellensystem (BSZ) die Frischluft (FL) und Wasserstoff aus dem Behälter (BEH) zugeführt wird, am Ausgang des Brennstoffzellensystems (BSZ) eine erste Abluft (ABL-VREZ) mit einem reduzierten zweiten Sauerstoffanteil gebildet wird, die erste Abluft (ABL-VREZ) im Rahmen der Rezirkulation erneut dem Brennstoffzellensystem (BSZ) zugeführt wird, so dass am Ausgang des Brennstoffzellensystems (BSZ) eine zweite Abluft (ABL-NREZ) mit einem weiter reduzierten dritten Sauerstoffanteil gebildet wird, und - bei dem die zweite Abluft (ABL-NREZ) zur Reduzierung der Konzentration verwendet ist.