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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Schienenfahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Brennstoffzellensystem für ein elektrisches Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug, welches auf vorteilhafte Weise Energieeinsparungen erlaubt und die Reichweite eines mit einem derartigen Brennstoffzellensystem ausgestatteten Schienenfahrzeugs erhöht.
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An Antriebssysteme etwa für Schienenfahrzeuge werden immer höhere Anforderungen hinsichtlich der Nachhaltigkeit gestellt. Bekannt ist es deshalb, batteriebasierte Antriebssysteme zu verwenden. Darüber hinaus sind wasserstoffgespeiste Schienenfahrzeuge mit alternativen Antrieben basierend auf Brennstoffzellensystemen bekannt, welche vermutlich zukünftige Fahrzeuge, die heute mit Diesel betrieben sind, ersetzen. Aufgrund der geringeren volumetrischen Energiedichte reichen die heutigen verwendeten Volumina für die Kraftstoffsysteme an Bord der wasserstoffbetriebenen Fahrzeuge nicht aus für ein 1:1 Substitut in Bezug auf die Reichweite. Kernaspekt für einen betrieblichen Einsatz der Fahrzeuge ist die verfügbare Reichweite auf Basis der an Bord befindlichen Kraftstoffmenge beziehungsweise Wasserstoffmenge.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen weisen somit noch weiteres Verbesserungspotential auf.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, durch welche auf vorteilhafte Weise der Energieverbrauch eines Brennstoffzellensystems gesenkt und/oder die Reichweite eines mit einem derartigen Brennstoffzellensystem ausgestatteten Schienenfahrzeugs erhöht werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß zumindest zum Teil durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß ferner zumindest zum Teil durch ein Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Schienenfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den abhängigen Patentansprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
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Beschrieben wird ein Brennstoffzellensystem für ein Schienenfahrzeug, wobei das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle und einen Wasserstofftank zum Bereitstellen von die Brennstoffzelle versorgendem Wasserstoff aufweist, wobei das Brennstoffzellensystem ferner eine Hauptstromversorgung und eine Hilfsstromversorgung aufweist, wobei die Hauptstromversorgung Energie zum Versorgen zumindest eines Antriebsmotors bereitstellt und wobei die Hilfsstromversorgung Energie zum Versorgen von dem Antriebsmotor verschiedener Komponenten bereitstellt, wobei Wasserstoff in dem Wasserstofftank in Form von Kaltwasserstoff speicherbar ist und wobei aus dem Wasserstofftank entnommener Wasserstoff als Kältequelle für wenigstens eine durch die Hilfsstromversorgung versorgte Komponente anwendbar ist.
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Das beschriebene Brennstoffzellensystem weist zumindest eine Brennstoffzelle zum Betreiben zumindest eines Antriebsmotors auf. Entsprechend dient das Brennstoffzellensystem dazu, Energie für einen Antrieb eines Schienenfahrzeugs bereitzustellen.
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Das Schienenfahrzeug kann dabei grundsätzlich jegliches elektrisch angetriebene Schienenfahrzeug sein, wobei beispielhafte Schienenfahrzeuge für die Personenbeförderung auch als EMUs (Electric Multiple Unit) bezeichnet werden können. Derartige Schienenfahrzeuge können beispielsweise Untergrundbahnen, Straßenbahnen, Regionalzüge, Fernzüge oder ähnliches sein. Für eine verbesserte Nachhaltigkeit weist ein derartiges Schienenfahrzeug einen elektrischen Antrieb basierend auf einer Brennstoffzelle auf.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner einen Wasserstofftank zum Bereitstellen des die Brennstoffzelle versorgenden Wasserstoffs. Der Wasserstofftank ist somit derart mit der Brennstoffzelle verbunden, dass dem Wasserstofftank entnommener Wasserstoff in die Brennstoffzelle geleitet wird.
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Das Brennstoffzellensystem stellt Energie für eine Hauptstromversorgung und eine Hilfsstromversorgung bereit. Die Hauptstromversorgung stellt Energie zum Versorgen des bzw. der Antriebsmotoren bereit und dient damit maßgeblich dem Antrieb des Schienenfahrzeugs. Die Hilfsstromversorgung stellt Energie zum Versorgen von dem bzw. den Antriebsmotoren verschiedener Komponenten bereit. Beispielhafte Anwendungen der Hilfsstromversorgung umfassen somit beispielsweise eine Klimaanlage zum Temperieren des Schienenfahrzeugs, wie insbesondere des Führerstandes und/oder des Fahrgastraumes des Schienenfahrzeugs, oder auch dem Kühlen elektrischer Komponenten. Grundsätzlich versorgt die Hilfsstromversorgung alle Verbraucher, die nicht dem Antrieb des Schienenfahrzeugs dienen, wie etwa Klimaanlage, Bordküche, Stromversorgung etc. Sowohl die Hauptstromversorgung als auch die Hilfsstromversorgung werden durch die Brennstoffzelle mit Energie versorgt.
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Hinsichtlich des Wasserstoffs ist es vorgesehen, dass dieser in dem Wasserstofftank in Form von Kaltwasserstoff vorliegt. Unter der Bezeichnung Kaltwasserstoff ist im Sinne der vorliegenden Erfindung Wasserstoff zu verstehen, der eine Temperatur gleich oder unterhalb von 0°C, bevorzugt gleich oder unterhalb von -100 °C, aufweist. Insbesondere ist unter Kaltwasserstoff derartiger Wasserstoff zu verstehen, der zumindest teilweise, beispielsweise vollständig, als flüssiger Wasserstoff vorliegt. Beispielsweise kann Kaltwasserstoff in kryokomprimierter Form oder anders ausgedrückt als transkritischer Wasserstoff vorliegen. Entsprechend ist der Wasserstofftank ausgebildet, um Wasserstoff in Form von Katwasserstoff halten zu können. Dadurch, dass der Wasserstoff in derartiger Form gehalten wird, wird es möglich, dass aus dem Wasserstofftank entnommener Wasserstoff als Kältequelle für wenigstens eine durch die Hilfsstromversorgung versorgte Komponente anwendbar ist. Unter aus dem Wasserstofftank entnommenem Wasserstoff ist dabei insbesondere zu verstehen, dass der Wasserstoff, der zur Speisung der Brennstoffzelle verwendet wird, dem Wasserstofftank entnommen wird und auf seinem Weg von dem Wasserstofftank zu der Brennstoffzelle als entsprechende Kältequelle dient beziehungsweise verwendet wird.
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Ein derartiges Brennstoffzellensystem erlaubt gegenüber Lösungen aus dem Stand der Technik deutliche Vorteile. Insbesondere kann das hier beschriebene Brennstoffzellensystem gegenüber Lösungen aus dem Stand der Technik eine verbesserte Reichweite und/oder einen reduzierten Energieverbrauch bei einfacher Implementierung in bestehende Systeme erlauben.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird ausgenutzt, dass Kaltwasserstoff eine sehr niedrige Temperatur, etwa eine Temperatur von -253°C für flüssigen Wasserstoff, aufweist und daher ein hohes Potenzial hat, als Kühlquelle zu dienen. Darüber hinaus wird ausgenutzt, dass insbesondere bei der Verwendung von Kaltwasserstoff dieser in einem vergleichsweise geringen Volumen lagerbar ist, so dass einem grundsätzlichen Problem bei der Lagerung von Wasserstoff bei Schienenfahrzeugen, nämlich einem nur geringen vorhandenen Volumen, entgegengewirkt wird.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt, eine Wärmesenke ohne weitergehende Implementierung von Kühlsystemen zu verwirklichen, wobei die Wärmesenke problemlos für Kühlanwendungen nutzbar ist. Dies ist neben einer effizienten Kühlung deshalb von Vorteil, da eine Kühlung stets einen vergleichsweise großen Energieverbrauch zeigt, welcher von einer gegebenen Energiekapazität, welche in einem Schienenfahrzeug speicherbar ist, einen vergleichsweise großen Anteil benötigt. Daher kann ein Problem des Stands der Technik überwunden werden, wonach durch eine Kühlung meist ein signifikanter Anteil der auch als Antriebsenergie nutzbaren Energie verbraucht wird und nicht mehr für einen Antrieb zur Verfügung steht. Entsprechend wird im Stand der Technik durch den Betrieb von Kühlsystemen die Reichweite des Schienenfahrzeugs drastisch reduziert. Denn die für die Kühlung verwendete Energie kann entsprechend nicht mehr als Energie für den Antrieb zur Verfügung stehen.
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Die benötigte Kälteleistung wird somit nicht über einen elektrisch betriebenen Kälteprozess gewonnen, sondern direkt aus dem tiefkalten Kraftstoffvorrat beziehungsweise Wasserstoffvorrat bezogen. Dieser Kältevorrat wird anderweitig nicht genutzt und schränkt die Reichweite des Fahrzeuges bei Verwendung nicht ein, da der kalte Wasserstoff ohnehin vor einer Verwendung in einer Brennstoffzelle auf eine Temperatur von beispielsweise über 60°C oder auch höher gebracht werden muss. Das ohnehin bei der Aufheizung des Wasserstoffs entstehende Kühlpotential wird somit erfindungsgemäß für eine Kühlung anderer Komponenten genutzt.
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Es werden weiterhin keine zusätzlichen Kältemittelkreisläufe und spezielle Kältemittel benötigt, der Aufbau der Klimaanlage ist somit sehr einfach, kostengünstig und umweltfreundlich.
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Eine Kühlung ist ferner sehr verlässlich, da die Kälteleistung unabhängig von der Außentemperatur ist. Insbesondere kann eine verbesserte Verfügbarkeit gegeben sein, da ein Rückkühler nicht notwendig ist, der etwa einfrieren könnte und somit eine Kühlung unabhängig der Außentemperaturen möglich ist.
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Es wird somit berücksichtigt, dass neben der reinen Antriebsleistung die Nebenbetriebe und Komfortsysteme, welche durch die Hilfsstromversorgung gespeist werden, wesentliche Verbraucher darstellen. Somit erlaubt insbesondere die Anwendung von Kaltwasserstoff als Kühlquelle für Komponenten der Hilfsstromversorgung eine effektive Energieeinsparung im Betrieb und dadurch eine signifikante Reichweitensteigerung.
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Im Detail können durch die Verwendung von Kaltwasserstoff eine höhere Reichweite und bessere Wirkungsgrade erzielt werden. Die Reichweite eines mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ausgestatteten Schienenfahrzeugs kann gegenüber herkömmlichen Antrieben mit 350 bar Tanks ungefähr verdoppelt werden bei gleichem Tanksystemvolumen.
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Ferner erlaubt die beschriebene Erfindung die Verwendung kompakterer Komponenten, wie etwa kompakterer Hilfsbetriebeumrichter bzw. APS (Auxiliary Power Supply) als Hilfsstromversorgung, DC/DC Steller, Batterie, Klimaanlage. Dadurch kann Gewicht eingespart werden und ferner kann der so gewonnene Bauraum für die Speicherung von Wasserstoff verwendet werden, was sich weiter positiv auf die Kraftstoffkapazität an Bord und entsprechend auf die Reichweite auswirkt.
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Darüber hinaus kann der Betrieb des Schienenfahrzeugs besonders kosteneffizient sein.
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Bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass aus dem Wasserstofftank entnommener Wasserstoff als Kältequelle für zumindest eine Klimaanlage des Schienenfahrzeugs anwendbar ist. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die Klimatisierung des Schienenfahrzeugs beziehungsweise eine Klimaanlage mit ihrer technologiebedingen schlechten Wirkungsgradkette und einem entsprechend hohen Energieverbrauch die Reichweite derartiger Fahrzeuge deutlich mindern kann.
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Rein beispielhaft sei diesbezüglich ausgeführt, dass typische Werte für Klimaanlagen zur Bereitstellung der Kühlenergie in den einzelnen Wagen im Bereich von 10 bis 40 KW Leistung liegen, um auch bei hohen Außentemperaturen die Fahrzeuginnenräume ausreichend kühlen zu können. Die Energieversorgung der HVAC Einheiten (Heating, Ventilation and Air Conditioning) erfolgt mittels der Hilfsstromversorgung, welche etwa bei lokbespannten Zügen, Triebzügen und grundsätzlich schienengebundenen Fahrzeugen bis zu 1 MW Leistung bereitstellen kann, etwa auch bedingt durch Redundanzanforderungen. Diese benötigte Energie wird aus dem Antriebssystem, beispielsweise einem Gleichspannungszwischenkreis, bzw. konkret aus der Brennstoffzelle bezogen und mindert somit die bereitstellbare Antriebsenergie. Genauer kann eine Klimaanlage bis zu 50% der bereitgestellten Energie der Hilfsstromversorgung verbrauchen beziehungsweise in einem Bereich von bis zu 20 % der benötigten Primärenergie. Entsprechend kann insbesondere eine Energieeinsparung in diesem Bereich eine signifikante Reichweitenverbesserung ermöglichen.
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Es kann weiterhin von Vorteil sein, dass aus dem Wasserstofftank entnommener Wasserstoff als Kältequelle zum Kühlen einer elektrischen Komponente anwendbar ist, die Komponente der Hilfsstromversorgung somit eine Kühleinrichtung zur Kühlung einer elektrischen Komponente ist. In dieser Ausgestaltung wird ausgenutzt, dass auch elektrische Komponenten meist während des Betriebs Wärme freigeben und somit für einen dauerhaft stabilen und sicheren Betrieb gekühlt werden müssen. Beispiele für entsprechende elektrische Komponenten umfassen etwa Leistungselektronik und dem Antriebsmotor. Entsprechend ist es in dieser Ausgestaltung vorgesehen, dass entnommener Wasserstoff als Kältequelle für eine Kühlung jeglicher elektrischer Komponenten dient, die als eine durch die Hilfsstromversorgung versorgte Komponente anzusehen ist.
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Bei der Verwendung des Kaltwasserstoff als Kühlquelle für eine Klimaanlage kann es ferner bevorzugt sein, dass aus dem Wasserstofftank entnommener Wasserstoff als Kältequelle für eine Klimaanlage des Schienenfahrzeugs prioritär anwendbar ist. In dieser Ausgestaltung ist es somit möglich, dass selbst, wenn grundsätzlich das Verwenden des Kaltwasserstoff als Kühlquelle für eine Mehrzahl an Anwendungen vorgesehen und möglich ist, vorrangig die Klimaanlage versorgt wird. Die weiteren Komponenten können dann beispielsweise von der Kühlleistung des Kaltwasserstoff profitieren, wenn ein aktiver Kühleffekt der Klimaanlage gerade nicht vorhanden beziehungsweise nicht notwendig oder nur reduziert notwendig ist. In dieser Ausgestaltung wird somit ermöglicht, dass der verhältnismäßig starke Verbraucher Klimaanlage zunächst versorgt wird, jedoch weitere Komponenten ebenfalls von der Verwendung des Kaltwasserstoff profitieren können, wenn dies bei einer Klimaanlage gerade nicht notwendig ist. Dadurch können zum einen eine hohe Adaptivität des Verfahrens möglich und eine breite Anwendung realisierbar sein. Darüber hinaus können jedoch insbesondere in dieser Ausgestaltung eine besonders effektive Reduzierung des Energieverbrauchs einhergehend mit einer besonders signifikanten Reichweitenoptimierung möglich sein.
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Es kann weiterhin von Vorteil sein, dass das Brennstoffzellensystem einen Wärmetauscher aufweist, für den aus dem Wasserstofftank entnommener Wasserstoff als Kältequelle dient. In dieser Ausgestaltung kann durch eine besonders effiziente Nutzung des Kühlpotentials des verwendeten Wasserstoffs die Energieeinsparung des Hilfsstromkreises besonders ausgeprägt sein, was wiederum die Reichweitenoptimierung ebenfalls besonders stark ausprägt. In dieser Ausgestaltung kann es bevorzugt sein, wenn aus dem Wasserstofftank entnommener Wasserstoff den Wärmetauscher durchfließt und von dem Wärmetauscher weiter zur Brennstoffzelle geleitet wird.
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Weiter bevorzugt kann das Brennstoffzellensystem ein insbesondere intelligentes Steuersystem aufweisen, durch welches der Flussweg des aus dem Wasserstofftank entnommenen Wasserstoffs basierend auf einem Betriebsmodus des Schienenfahrzeugs bevorzugt intelligent steuerbar ist. In dieser Ausgestaltung kann somit ermöglicht werden, dass anhand sich ändernder Parameter der Wasserstofffluss angepasst wird beziehungsweise, dass die Verwendung der Kühlleistung des Wasserstoffs gezielt eingestellt wird. Beispielsweise kann dann, wenn eine verstärkte Kühlwirkung und/oder eine besonders große Antriebsenergie benötigt wird, der Wasserstofffluss zu einer Klimaanlage erhöht beziehungsweise ermöglicht werden, wohingegen etwa bei Zuständen beziehungsweise Betriebsmodi, bei denen etwa eine Kühlung nicht oder nur begrenzt notwendig ist und/oder eine hohe Antriebsenergie notwendig ist, der Wasserstofffluss nicht oder nur begrenzt zu der Klimaanlage fließen. Beispiele umfassen etwa eine Steigung oder ein Gefälle oder auch ein zu befahrender Streckenplan für veränderte Ansprüche an die Antriebsenergie oder starke Sonneneinstrahlung oder eben Schattenzeiträume oder auch die Tageszeit für veränderbare Anforderungen der Kühlung.
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Besonders bevorzugt kann der Betriebsmodus anhand einer Prädiktion des Fahrverhaltens oder der Umgebungsbedingungen des Schienenfahrzeugs bestimmt werden. Diese Ausgestaltung nutzt aus, dass Schienenfahrzeuge meist fahrplangebunden und nach einem vorgegebenen Streckenplan fahren. Entsprechend ist eine Vielzahl an Prädiktionen möglich, welche den notwendigen Energieverbrauch sowohl für den Hauptstromkreis als auch für den Nebenstromkreis betreffen. Beispiele für meist sehr verlässliche Vorhersagen beziehungsweise Prädiktionen umfassen etwa Vorhersagen von Beschleunigungs- oder Bremsphasen, Höhenprofil der Strecke, Wetterbedingungen usw. Dadurch lässt sich die Anforderung der Energie beziehungsweise der Kühlleistung bereits im Vorfeld planen und dadurch ein besonders effizientes Kraftstoffmanagement erreichen. Ermöglicht wird somit eine optimale Betriebsführung etwa für Klimaanlage, Traktionsstromrichter oder DC/DC Steller, APS, Stromrichter, Motor.
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Bevorzugt kann das Brennstoffzellensystem einen Puffertank zum Puffern von Wasserstoff stromaufwärts der Brennstoffzelle aufweisen. In dieser Ausgestaltung wird es möglich, dass beispielsweise auch dann, wenn in einem Betriebsmodus des Schienenfahrzeugs keine oder nur eine geringe Anforderung an Energie vorliegt und damit grundsätzlich nur wenig Wasserstoff verstromt werden müsste, dennoch eine effektive Kühlung erlaubt werden kann. Denn der zur Kühlung benötigte aber gerade nicht zu verstromende Wasserstoff kann dann in dem Puffertank zwischengepuffert werden, bis dieser entsprechend verstromt wird. Der Puffertank kann entsprechend dazu ausgestaltet sein, Wasserstoff in gasförmiger Form zu speichern.
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Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass das Brennstoffzellensystem eine Pufferbatterie zum Zwischenspeichern von der Brennstoffzelle erzeugter Energie aufweist. In dieser Ausgestaltung kann sehr dynamisch auf sich ändernde Energieanforderungen reagiert werden. Denn auch ohne eine Anpassung des Wasserstoffflusses kann die erzeugte Energie zwischengespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt individuell verwendet werden. Dadurch kann auch dann, wenn ein hoher Kühlbedarf besteht, also etwa viel Wasserstoff dem Tank entnommen werden muss, jedoch die Anforderungen an die Antriebsenergie gering sind, problemlos der entnommene Wasserstoff für eine Kühlung verwendet und anschließend verstromt werden. Die nicht unmittelbar verwendete Energie kann dann zwischengespeichert werden. Somit können Verluste weiter reduziert und die Reichweite entsprechend erhöht werden.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Brennstoffzellensystems wird hiermit auf die Beschreibung des Antriebssystems, des Schienenfahrzeugs, die Figur und die Beschreibung der Figur verwiesen.
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Beschrieben wird ferner ein Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug, wobei das elektrische Antriebssystem dem Antreiben einer Mehrzahl von Rädern oder Radsätzen dient, wobei das Antriebssystem ein vorstehend beschriebenes Brennstoffzellensystem aufweist.
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Das Antriebssystem ist in einem Schienenfahrzeug angeordnet beziehungsweise ist Teil des Schienenfahrzeugs, so dass eine gute Implementierung in bereits bestehende Systeme sowie eine breite Anwendbarkeit gegeben ist. In diesem Fall kann das Antriebssystem, mit Umrichtern, Antriebsmotoren, verbundenen Getrieben, und Radsatzwellen mit jeweils daran angeordneten Rädern umfassen. Denkbar sind jedoch grundsätzlich auch getriebelose Antriebssysteme, bei welchen ein Antriebsmotor ein Rad bzw. eine Radsatzwelle direkt antreibt.
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Die spezifischen Vorteile eines derartigen Antriebssystems können insbesondere darin gesehen werden, dass eine verbesserte Reichweite und/oder ein reduzierter Energieverbrauch bei einfacher Implementierung in bestehende Systeme möglich ist.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Antriebssystems wird hiermit auf die Beschreibung des Brennstoffzellensystems, des Schienenfahrzeugs, die Figur und die Beschreibung der Figur verwiesen.
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Beschrieben wird ferner ein Schienenfahrzeug, wobei das Schienenahrzeug wenigstens eines von einem Brennstoffzellensystem und einem Antriebssystem aufweist, wie diese vorstehend beschrieben sind.
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Beispielsweise kann das Schienenfahrzeug ein Triebzug mit zwei Endwagen sowie einer Anzahl Mittelwagen sein. Insbesondere für Schienenfahrzeuge ergibt sich die Problematik, dass aufgrund begrenzter Bauraumgegebenheiten nur eine begrenzte Menge an Kraftstoff mitgeführt werden kann und die Reichweite dadurch limitiert ist. Dies kann erfindungsgemäß signifikant abgemildert werden.
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Die vorstehend beschriebenen Vorteile sind auch für ein beschriebenes Schienenfahrzeug einschlägig. Sie können insbesondere darin gesehen werden, dass eine verbesserte Reichweite und/oder ein reduzierter Energieverbrauch bei einfacher Implementierung in bestehende Systeme möglich ist.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Schienenfahrzeugs wird hiermit auf die Beschreibung des Brennstoffzellensystems, des Antriebssystems, die Figur und die Beschreibung der Figur verwiesen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der Figur. Dabei zeigt:
- 1 eine Darstellung zeigend Brennstoffzellensystem für ein Schienenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 zum elektrischen Antreiben eines Schienenfahrzeugs gezeigt.
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Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 12 und einen Wasserstofftank 14 zum Bereitstellen von die Brennstoffzelle 12 versorgendem Wasserstoff. Der Wasserstoff liegt in dem Wasserstofftank 14 in Form von Kaltwasserstoff, beispielsweise in flüssiger Form, vor.
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Das Brennstoffzellensystem 10 weist ferner eine Hauptstromversorgung und eine Hilfsstromversorgung auf. Die Hauptstromversorgung stellt Antriebsenergie zum Versorgen des hier nicht gezeigten Antriebsmotors bereit. Die Hilfsstromversorgung versorgt ferner von dem Antriebsmotor verschiedene Komponenten mit Energie. Grundsätzlich können sowohl die Hauptstromversorgung als auch die Hilfsstromversorgung durch die Brennstoffzelle 12 mit Energie versorgt werden. Zumindest ein Teil dieser Energie wird gemäß dem Stand der Technik verwendet, um bei verschiedenen Komponenten einen Kühleffekt hervorzurufen. Insbesondere dieser Anteil an verbrauchter Energie kann erfindungsgemäß signifikant reduziert werden, da die Kühlung unter Verwendung von Kaltwasserstoff erfolgt, wie nachfolgend beschrieben.
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Entsprechend ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass aus dem Wasserstofftank 14 entnommener Wasserstoff als Kältequelle für eine durch die Hilfsstromversorgung versorgte Komponente anwendbar ist.
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Beispielsweise zeigt 1, dass der Wasserstoff dem Wasserstofftank 14 entnommen wird und zu der Brennstoffzelle 12 gelangt. Auf dem Weg zur Brennstoffzelle 12 kann der kalte Wasserstoff durch Kaltleitungen 16 strömen. Unter Kaltleitungen 16 ist im Sinne der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass der durch diese Kaltleitungen 16 fließende Wasserstoff kalter Wasserstoff ist, etwa mit einer Temperatur von -253°C, beispielsweise von kleiner oder gleich -200°C, und von dem Wasserstofftank 14 zu einer entsprechenden Kühlanwendung fließt. Die Warmleitungen 18 sollen ferner derartige Leitungen beschreiben, in denen der Wasserstoff bereits eine erhöhte Temperatur aufweist, etwa in einem Bereich von größer oder gleich 0°C und von der Kühlanwendung zu der Brennstoffzelle 12 fließt.
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Entsprechend ist gezeigt, dass der Wasserstoff von dem Wasserstofftank 14 durch eine Kaltleitung 16 zu einem Wärmetauscher 20 fließt. Dieser dient dazu, eine Kühlanlage 22 zum Kühlen elektrischer Komponenten zu speisen oder auch unmittelbar die elektrischen Komponenten 24 zu kühlen. Von dem Wärmetauscher 20, in welchem der Wasserstoff erhitzt wurde, fließt dieser durch eine Warmleitung 18 zu der Brennstoffzelle 12 oder einem vorgelagerten Puffertank 26 zum Zwischenpuffern von Wasserstoff.
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Alternativ oder zusätzlich kann der aus dem Wasserstofftank 14 entnommene Wasserstoff durch eine Kaltleitung 16 eine Klimaanlage 28 durchfließen, dort seine Kälte abgeben und aufgeheizt weiter durch eine Warmleitung 18 zu der Brennstoffzelle 12 oder dem vorgelagerten Wasserstoffpuffer 26 strömen. Die Klimaanlage 28 kann einen Verdampfer mit Gebläse umfassen und so durch den Wasserstoff erzeugt kalte Luft als Gebläsestrom 30 ausbringen, welcher in einem Fahrgastraum oder einem Führerstand, beispielsweise, Kühlleistung bereitstellen kann.
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Die vorgezeigte Ausgestaltung ermöglicht somit beispielsweise die Verwendung von Flüssigwasserstoff (lH2) als primäre Kältequelle für die Abfuhr von Verlusten beziehungsweise Wärme. Dies ist deshalb besonders effizient möglich, da bei der Verwendung von Flüssigwasserstoff oder im Allgemeinen von Kaltwasserstoff dieser vor der Verwendung in der Brennstoffzelle 12 ohnehin vorgewärmt werden muss, etwa auf eine Temperatur von 60°C < T < 80°C. Kaltwasserstoff kann dabei als „Rückkühler“ prioritär eingesetzt werden, wobei nur ein Wärmetauscher 20 benötigt wird. Es wird somit ein bauraumarmer Betrieb, was ferner Kosten und Gewicht einspart. Der Wärmetauscherkreis kann etwa bei Zugwagen oder auch bei angeschlossenen Reisezugwagen ausgebildet werden.
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Darüber hinaus kann so effizient eine Energieeinsparung ermöglicht werden, da die Kühlung unmittelbar durch den Kaltwasserstoff erfolgt und es nicht oder nur begrenzt notwendig ist, Kühlsysteme elektrisch zu betreiben. Dies kann insbesondere für wasserstoffbetriebeme Systeme von Vorteil sein. Denn insbesondere wasserstoffbetriebene Systeme weisen meist einen verbesserungswürdigen Wirkungsgrad beziehungsweise Wirkungsgradkette auf: Wasserstoff muss in der Brennstoffzelle 12 verstromt werden, es muss ein DC/DC Steller betrieben werden, die Batterie muss geladen beziehungsweise entladen werden, ein APS etwa mit einer Klimaanlage muss betrieben werden und ein Rückkühler zur Abgabe der Wärme an die Umgebung muss betrieben werden.
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Pro kW Nettoleistung einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle als Brennstoffzelle 12, beispielsweise, bei Volllast werden ca. 0.02g/s Wasserstoff benötigt. Wird die Brennstoffzelle 12 mit 60°C warmen Wasserstoffgas beschickt, welcher durch Verdampfen von gesättigtem Kaltwasserstoff (20K) gewonnen wird, so entsteht eine Kühlleistung von 0.1kW (Verdampfungswärme: 446J/g, Erwärmung um 313K: 4476J/g). Dies zeigt, dass eine Innenraumkühlung erfindungsgemäß problemlos möglich ist. Pro Wagen des Schienenfahrzeugs werden ca. 30kW Kälteleistung bzw. 20kW elektrische Leistung benötigt. Besonders vorteilhaft ist es hier, dass die eingesparte Energie in dem Schienenfahrzeug die Energieaufwände etwa bei der H2-Verflüssigung wenigstens kompensieren kann, jedoch die Reichweite signifikant erhöht wird.
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Unabhängig vom grammatikalischen Geschlecht eines bestimmten Begriffes sind Personen mit männlicher, weiblicher oder anderer Geschlechteridentität mit umfasst.
