DE10206726A1

DE10206726A1 - Diesel-elektrische regenerative Hydroleistungszelleneinheit

Info

Publication number: DE10206726A1
Application number: DE10206726A
Authority: DE
Inventors: B Eckstein Annandale Donald
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2002-02-18
Publication date: 2002-11-07
Also published as: US20020117857A1; CA2371297A1

Abstract

Ein elektrisches Energiespeicher- und Regenerationssystem weist folgendes auf: eine primäre Bewegungsvorrichtung, die folgendes aufweist: einen Motor zur Leistungsversorgung der Bewegung der Hauptbewegungsvorrichtung; Bremsmittel zum Verlangsamen und Stoppen der Hauptbewegungsvorrichtung; Mittel zur Erzeugung von Elektrizität aus der Energie verwendet zur Verlangsamung der primären Bewegungsvorrichtung während des Betriebes der Bremsmittel; sowie eine Hydropowerzelleneinheit die folgendes aufweist: Wasserspeichermittel zum Aufnehmen einer Versorgung an Wasser; eine Hydroelektrolyseeinheit zum Umwandeln der elektrischen Energie in Wasserstoffgas und Sauerstoffgas unter Verwendung der Elektrizität, die durch die elektrischen Erzeugungsmittel in der primären Bewegungsvorrichtung und mit Wasser von der Wasserversorgung erzeugt werden; sowie eine Brennstoffzelleneinheit einschließlich mindestens einer Brennstoffzelle strukturiert und angeordnet zur Erzeugung von Elektrizität aus der Energie des Wasserstoffgases und Sauerstoffgases; und Mittel zur gesonderten Speicherung oder Aufbewahrung des Wasserstoffgases und des Sauerstoffgases erzeugt durch die erwähnte Hydroelektrolyseeinheit für die darauffolgende Lieferung an die Brennstoffzelleneinheit.

Description

Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Speicherung und zur Regene ration von Elektrizität und insbesondere auf eine Hydroleistungszelle, die Elektrizität speichert und regeneriert, und zwar erzeugt durch die dynamische und die Reibungsbremsung einer primären Bewegungsquelle, wie beispiels weise einer Diesel-elektrischen Lokomotive. Die Hydroleistungszelle wandelt die durch die Lokomotivenbremsen erzeugte elektrische Energie in Wasser stoffgas und Sauerstoffgas um, und zwar durch die Hydroelektrolyse. Brenn stoffzellen werden zur Regeneration von Elektrizität aus der Energie von Ga sen gewonnen.

Diskussion von in Beziehung stehendem Stand der Technik

Diesel-elektrische Lokomotiven wurden seit über 60 Jahren verwendet, um Dienstleistungen auszuführen auf dem Gebiet des Rangierens, sowie Passa gier- und Langstreckenfrachtdienstleistungen. Rangier- und Passagierzüge sind hinsichtlich ihrer Größe und ihres Gewichtes beschränkt, und zwar in Folge der Natur ihrer Verwendung. Beispielsweise werden Rangierzüge dazu verwendet, um in Rangierbahnhöfen lange Fernfrachtzüge zusammenzustel len, und sie brauchen nicht schwere Lasten über lange Distanzen zu ziehen. Passagierlokomotiven, die annähernd 8000 Tonnen wiegen, müssen in der Lage sein, schnell vom Stehen bis zu hohen Geschwindigkeiten zu beschleu nigen und sie müssen in einer glatten nicht-unterbrochenen Art und Weise zum Halt kommen können. Frachtlokomotiven benötigen andererseits eine enorme Leistung, um schwere Lasten zu ziehen, insbesondere dann, wenn lange Steigungen über bergiges Terrain hinweg überwunden werden müssen. Frachtzüge wiegen typischerweise 7000 oder mehr Tonnen und machen meh rere Lokomotiven (zusammengekoppelt) erforderlich, wobei die vordere Lo komotive (bzw. Zugführer) die anderen Lokomotiven bzw. Maschinen steuert. Sehr schwere Frachtzüge können vier bis sechs Lokomotiven erfordern, um den Zug zu ziehen, wobei weitere zwei bis drei Einheiten an solchen Stellen schieben, wo steile Steigungen zu überwinden sind.

Die gut erprobte Konstruktion der Diesel-elektrischen Lokomotive verwendet einen Dieselmotor verbunden mit einem Generator (DC) oder einem Alternator (AC) (DC = Gleichstrom, AC = Wechselstrom), um die Gleichstromzugmotoren anzutreiben, die in den Achsen der Lokomotiven angebracht sind. Die Zu ganordnung weist die Räder und die Achsen auf, wobei ein Zugmotor an jeder Achse angebracht ist. Die Zugrahmenanordnung ist an einer Anordnung mit einer Aufhängung angebracht, und zwar einschließlich von Federn, Kissen, Schwingelementen oder einer Kombination dieser Komponenten, die dazu dienen, um eine glatte ungestörte Fahrt vorzusehen. Der Bolster ist an dem Rahmen der Lokomotive angebracht und wird durch Schwerkraft an seinem Platz gehalten. Massive elektrische Kabel liefern die Leistung für die Zugmo toren, und Luftleitungen liefern unter Druck stehende Luft zur Betätigung der pneumatischen Bremsen der Lokomotive.

Ältere Lokomotiven, die in den 80ern und früher hergestellt sind, besitzen Nennleistungen von 2000 bis 4000 PS und verwenden Gleichstromzugmoto ren. In den 1990ern fingen die General Motors Electro-Motive Division (EMD) und die General Electric (GE), die zwei verbleibenden US-Hersteller in der Industrie an, effizientere (und teurere) Wechselstromzugmotoren in ihre 4000 Pferdestärken Lokomotiven einzubauen, und zwar die Gleichstrommotortech nologie ersetzend, die der Lokomotivenstandard für über 100 Jahre war. Später in diesem Dezennium wurde ein weiterer Sprung vorwärts hinsichtlich der Pferdestärkenleistung erreicht, als EMD die SD90MAC-Lokomotive ein führte und als GE die AGC6000-Lokomotive einführte, wobei beide Lokomoti ven 6000 Pferdestärken mit Wechselstromzugmotoren lieferten, um so eine bisher nicht bekannte Zugleistung vorzusehen.

In der Theorie ist ein Wechselstromzugantrieb effizienter und hat eine größere potentielle Performance als Gleichstrom. In der Praxis konnte dieser Vorteil nicht in effektiver Weise realisiert werden bis in die späten 90er Jahre als fortgeschrittene elektronische Mittel und Mikroprozessoren verfügbar wurden, die benötigt werden, um die Wechselstromzugmotoren zu steuern, wobei sich eine Verbesserung und Erhöhung der Zuverlässigkeit ergab. Die erhöhte Pferdestärkenleistung und die Zugleistung der neuen SD90MAC- und AC6000-Lokomotiven gestatten die Ersetzung der älteren Lokomotiven gemäß einem 2 : 3 oder sogar einem 1 : 2 Verhältnis. Diese Ersetzungsverhältnisse vermindern in signifikanter Weise die Betriebs- und Wartungskosten, wobei die älteren Lokomotiven, die ersetzt werden, in weniger anfordernden Ran gierbahnhöfen oder örtlichen Frachtaufgaben eingesetzt werden können.

Diesel-elektrische Lokomotiven verwenden sowohl luftbetätigte pneumatische Reibungsbremsen und dynamische Bremsen, und zwar entweder individuell oder in Verbindung, um die Lokomotive zu stoppen, oder um die Geschwin digkeit der Lokomotive dann zu steuern, wenn diese längs einer Steigung läuft. Luftbremsen, die im wesentlichen unverändert seit der Dampfzeit blie ben, sind derart ausgelegt, dass sie die Reibungsbremsen weg von den Rä dern dann halten, wenn sie unter Druck stehen, so dass jedweder Verlust an Druckluft den Zug im Falle einer Fehlfunktion zum Stoppen bringen würde. Dynamische Bremsen sehen ein kosteneffektiveres Bremssystem vor und be nutzen den Vorteil der Tatsache, dass Elektromotoren Elektrizität erzeugen können. Wenn die dynamischen Bremsen angelegt sind, werden die Zugmoto ren in Generatoren umgewandelt. Wenn die Geschwindigkeit und das Moment des Zuges entgegen dem Widerstand der Magnetfelder des Motors arbeiten, so erzeugt die den Zug verlangsamende Arbeit die Elektrizität. Die erzeugte elektrische Energie wird an Widerstandsgitter angelegt, wo die Elektrizität in Wärme umgewandelt wird und durch Ablasskanäle in der Abdeckung der Lo komotive ventiliert (verteilt) wird. Dynamische Bremsen ergänzen aber erset zen in der Tat nicht die unabhängigen Luftbremsen und sind typischerweise am meisten effektiv bei ungefähr 10-25 mph (miles per hour). Das dynami sche Bremssystem kann Tausende von Malen mit geringer oder keiner War tung verwendet werden, während Luftzugbremsen ein tägliches visuelles Te sten erfordern und signifikante Wartungskosten hervorrufen hinsichtlich Ar beitsstunden und Ersatzkosten. Auf diese Weise hilft die Verwendung der dy namischen Bremse derart, dass signifikanter Abrieb und Abnutzung gespart werden können bei jedem Luft/Reibungsbremssystem jeder Lokomotive oder jedes Zugwagens.

Die Tatsache, dass die letzten Diesel-elektrischen Lokomotiven Dieselmoto ren mit 4000-6000 Pferdestärken besitzen und äquivalente elektrische Zug motoren eingebaut sind, um die Vorwärtszugkraft zu erzeugen, wobei die glei chen Zugmotoren dazu verwendet werden, diese Vorwärtsbewegung während des dynamischen Bremsens zu beseitigen, so ist es außerordentlich ineffizient und es bietet sich hier eine außerordentliche Gelegenheit, um in wirtschaftli cher Weise die Kohlenwasserstoffemissionen zu reduzieren. Die bei diesem Prozess pro Jahr in den USA alleine verschwendete Energiemenge kann leicht in Hunderte von Megawatt Energie umgewandelt werden, und mögli cherweise reicht diese Energiemenge in den Bereich von Gigawattstunden. Der einfache Grund für diese Verschwendung besteht darin, dass es derzeit kein bekanntes verfügbares elektrisches Speichermedium gibt, welches in ef fizienter Weise diese großen Mengen kinetischer/elektrischer Energie spei chern kann, die ständig erzeugt werden und verteilt werden müssen bei einem typischen modernen Frachtzug (d. h. vier bis sechs Lokomotiven mit 10-25 000 Pferdestärken zum Ziehen von 5-10 000 Tonnen).

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung sieht eine Diesel-elektrische regenerative Hydrolei stungszelle vor, die zwei erwiesene und in einzigartiger Weise komplementäre elektrochemische Umwandlungsverfahren verwendet, um große Mengen an elektrischer Energie erzeugt durch die dynamischen Bremsen von Diesel- elektrischen Lokomotiven zu speichern und wiederzugewinnen, wobei diese Energiemenge derzeit als Wärme abgegeben wird. Speziell die Hydrolei stungszelle der vorliegenden Erfindung verwendet die Hydroelektrolyse, um die elektrische Energie in Wasserstoff- und Sauerstoffgas umzuwandeln. Das Wasserstoff- und Sauerstoffgas wird unter Druck gesetzt und gespeichert und darauffolgend verwendet, um Brennstoffzellen zu versorgen, die Elektrizität über eine chemische Wechselwirkung mit diesen zwei Elementen erzeugen, wobei das einzige Nebenprodukt Wasser und Wärme sind. Die chemische Theorie und die praktischen Anwendungsmöglichkeiten der Wasserelektrolyse und der Brennstoffzellen sind technischen Spezialisten auf diesem Gebiet be kannt. Durch Kombination dieser zwei Prozesse nützt die vorliegende Erfin dung große Mengen an Elektrizität aus, die erzeugt werden durch die dynami schen Bremsen der Diesel-elektrischen Lokomotive, und ferner wird die ex trem hohe Effizienz ausgenutzt bei der Regenerierung von Elektrizität unter Verwendung von Brennstoffzellen. Somit werden die Wasserelektrolyse und die Brennstoffzellen in einem Zyklus kombiniert verwendet, um das Wasser in seine Gaslängenelemente (d. h. Wasserstoff und Sauerstoff) aufzubrechen und diese Elemente zurück in Elektrizität und Wasser zu verwandeln.

Die erfindungsgemäße Diesel-elektrische regenerative Hydroleistungszelle verwendet eine Hydroelektrolyseeinheit, um Energie der großen Über schussenergiemengen an Elektrizität umzuwandeln, die routinemäßig beim dynamischen Bremsen der Lokomotive erzeugt werden, und zwar geschieht die Umwandlung in Wasserstoffgas und Sauerstoffgas. Die erzeugten Was serstoff und Sauerstoffgase werden komprimiert und in Tankwagen gespei chert, bis sie benötigt werden. Wenn zusätzliche Leistung erforderlich ist, so werden die gespeicherten Sauerstoff- und Wasserstoffgase dazu verwendet, um Brennstoffzellen zu versorgen. Die durch die Brennstoffzellen erzeugte elektrische Energie wird dann dazu verwendet, um die Lokomotivmotoren mit Leistung zu versorgen und das Wasserprodukt (von der elektrischen Energie erzeugung der Brennstoffzelle) wird gesammelt und aufbewahrt, bis der Zy klus wiederum startet.

Ziele und Vorteile der Erfindung

Im Hinblick auf die obenstehenden Ausführungen ist es ein Hauptziel der vor liegenden Erfindung, eine Diesel-elektrische regenerative Hydroleistungszelle vorzusehen, und zwar zum effizienten und effektiven Speichern und Regene rieren der enormen Mengen an kinetischer/elektrischer Energie, die routine mäßig erzeugt werden und verteilt werden durch einen typischen Frachtzug, der durch eine oder mehrere Diesel-elektrische Lokomotiven gezogen wird.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Diesel-elektrische regenerative Hydroleistungszelle vorzusehen, die große Mengen an Elektrizi tät speichern, und zwar erzeugt durch die dynamischen Bremsen eines Frachtzuges, und zwar geschieht dies mit nahezu 100% Effizienz.

Ein noch weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine regenerative Hydro powerzelle vorzusehen, und zwar zum Speichern und Regenerieren von Elektrizität in einer Art und Weise, dass die Freigabe von Kohlenwasserstoff oder anderen Verunreinigungen vermieden wird.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin eine regenerative Hydroleistungszelle vorzusehen, und zwar zum Speichern und Regenerieren großer Mengen an Elektrizität unter Verwendung der Hydroelektrolyse und von Brennstoffzellen in Kombination, und zwar in einem geschlossenen Sy stem, um überschüssige Elektrizität und Wasser in Wasserstoff- und Sauer stoffkomponenten umzuwandeln und zurück in Elektrizität mit nahezu 100% Wirkungsgrad.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine regenerative Hydrolei stungszelle vorzusehen, die zur mobilen Hilfsleistungserzeugung verwendet werden kann mit einer signifikanten inhärenten Ausgabeanstiegskapazität.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Hydroleistungszelle vorzu sehen, die Wasserstoff und Sauerstoff für industrielle Zwecke erzeugt, und zwar mit geringeren Kosten als dies für die derzeitigen traditionellen chemi schen Verfahren gilt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Hydroleistungszelle vorzu sehen, die verwendet werden kann, um Lokomotiven mit Leistung zu versor gen, und zwar mit einer nur Elektrizität verwendenden geräusch- und verun reinigungsfreien Betriebsart für signifikante Distanzen oder Zeitperioden, und zwar unter Verwendung der elektrischen Leistung gespeichert und regeneriert durch die Hydroleistungszelle, wodurch der Brennstoffverbrauch vermindert wird und die Kosten des Lokomotivenbetriebs abgesenkt werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Diesel-elektrische regene rative Hydroleistungszelle vorzusehen, die in signifikanter Weise die Lebens dauer existierender Diesel-elektrischer Lokomotiven erhöht, und zwar durch Maximierung der Verwendung von deren Zugmotoren und durch Minimierung der Verwendung der Dieselmotoren.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Diesel-elektrische regene rative Hydroleistungszelle vorzusehen, die in signifikanter Weise die Lebens dauer von Zugreibungsbremssystemen verlängert, und zwar durch Verwen dung zusätzlicher dynamischer Bremsmittel zur Maximierung der Elektrolyse brennstoffzellenleistungserzeugung.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Diesel-elektrische regene rative Hydroleistungszelle vorzusehen, die in älteren Lokomotivbauarten ein gesetzt werden kann, und zwar in einer Art und Weise, die gestattet, dass die älteren Lokomotiven Zugmotoren verwenden mit den höchsten Pferdestär ken/Leistungen, um dadurch die Zugkraft und die dynamische Bremsleistung der Lokomotive zu erhöhen, und zwar um einen Faktor von 2-3 verglichen mit der Verwendung von Zugmotoren, die den ursprünglich eingebauten Die selausgangsleistungen entsprechen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Diesel-elektrische regenerative Hydroleistungszelle vorzusehen, die die Verwendung von sich bewegenden Teilen minimiert, wodurch die Effizienz erhöht und die Wartungskosten ver mindert werden.

Diese und weitere Ziele sowie Vorteile der Erfindung ergeben sich ohne weite res aus der detaillierten Beschreibung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Für ein besseres Verständnis der Natur der vorliegenden Erfindung sei auf die folgende detaillierte Beschreibung Bezug genommen, und zwar in Zusam menhang mit den Zeichnungen; in den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein funktionelles Blockdiagramm der Hauptkomponenten eines Diesel elektrischen Lokomotivensystems unter Verwendung der Diesel-elektrischen regenerativen Hydroleistungszelle der Erfindung;

Fig. 2 ist ein funktionelles Blockdiagramm der Diesel-elektrischen regenera tiven Hydroleistungszellenkomponenten; und

Fig. 3 ist ein funktionelles Blockdiagramm einer mehrere Einheiten aufwei senden Diesel-elektrischen Lokomotive verbunden mit der regenerativen Hy droleistungszelleneinheit und den Wasserstoff- und Sauerstoffgastankspei cherwagen der Erfindung.

In den verschiedenen Zeichnungsdarstellungen bezeichnen die gleichen Be zugszeichen gleiche Teile.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

In den Fig. 1 bis 3 ist das regenerative Hydroleistungszellensystem 10 der Erfindung gezeigt, und zwar in Verbindung mit einer oder mehreren Diesel elektrischen Lokomotiven 100 und einem Zug entsprechend einem bevorzug ten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die konventionelle Diesel-elektrische Lokomotivenkonstruktion umfasst einen Dieselmotor 102, der einen Gleichstromgenerator oder einen Wechselstro malternator 104 betreibt, um elektrische Leistung an die Zugmotoren 108 zu liefern. Zugmotoren treiben Räder 106 an und sehen das dynamische Brem sen vor. Bei der konventionellen Konstruktion wird die gesamte von den Zug motoren 108 erzeugte regenerierte Leistung direkt an das dynamische Bremswiderstandsgitter 110 der Lokomotive geleitet. Elektrizität wird in Wär me in diesen großen toastartigen Gittern umgewandelt, und die umgewandelte Wärme wird durch Belüftungen an der Oberseite der Lokomotive herausge blasen. Die vorliegende Erfindung modifiziert dieses konventionelle Design und leitet die regenerierte Leistung zu seinem elektrischen Element oder Git ter 14 einer regenerativen Hydroleistungszelle, und zwar bestehend aus jeder Diesel-elektrischen Lokomotive in einer Mehrfacheinheit, und zwar elektrisch verbunden mit einander und der Hydroleistungszelle (HPC = hydro power cell) Einheit 12 der Erfindung. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die HPC-Einheit 12 in einem unabhängigen Eisenbahnwagen eingebaut, der di rekt hinter einer mehrere Einheiten aufweisenden Lokomotive angeordnet ist, und zwar bestehend aus einem Frachtzug oder sogar einem Passagierzug.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 sei bemerkt, dass die HPC-Einheit 12 ei nen Wasserspeichertank 20 aufweist, ferner eine Hydroelektrolyseeinheit 30, eine Brennstoffzelleneinheit 41 und eine Sauerstoffkonzentriereinheit 50. Wasserstoffspeichertanks 60 mit Hochdruckkompressor 62 und Sauer stoffspeichertanks 70 mit Hochdruckkompressor 72 können von dem gleichen Wagen oder einem gesonderten Wagen getragen werden.

Im Betrieb wird elektrische Leistung von der Lokomotiveneinheit in die Hydro elektrolyseeinheit 30 in dem HPC 12 eingespeist. Die Hydroelektrolyseeinheit 30 erzeugt, wenn mit Leistung versorgt, Sauerstoffgas und Wasserstoffgas. Diese Gase werden aus der Hydroelektrolyseeinheit durch Niederdruckkom pressoren entfernt. Die einen niedrigen Druck besitzenden Sauerstoff- und Wasserstoffgase werden sodann über Leitungen 32 entsprechenden Wasser stoff und Sauerstoffspeichertanks 60, 70 zugeführt. Die Hochdruckkompresso ren 62, 72 sind vorgesehen, um die Wasserstoff- und Sauerstoffspeichertanks zu füllen, die isoliert sind, und zwar geschieht dies unter Verwendung von ei nem thermosartigen Design. Vor dem Eintritt in die Tanks werden die Hoch druckgase durch Kühleinheiten geführt, um diese zu kühlen und dadurch in signifikanter Weise die Gasmenge, die in den Tanks 60, 70 gespeichert wer den kann, zu erhöhen. Wasser, welches an den Kühlschlangen in den Küh leinheiten kondensiert, wird gesammelt und zurück zu der HPC-Einheit 12 geführt, wo es gespeichert wird, und zwar in Wasserspeichertank(s) 20 zur zukünftigen Verwendung in einem darauffolgenden Leistungsspei cher/Regenerationszyklus.

Sobald der Druck in den Niederdrucksauerstoff- und Wasserstoffübertra gungsleitungen oder -rohren 32 einen vorgeschriebenen Pegel erreicht, wer den die Hochdruckkompressoren und Tankwagenkühler eingeschaltet, die durch das regenerative Leistungsgitter oder -netz mit Leistung versorgt wer den. Die Niederdrucksauerstoff- und Wasserstoffleitungen gestatten, dass Mehrfachspeichertankwagen mit der HPC-Einheit 12 verbunden werden kön nen. Die HPC-Einheit 12 ist derart bemessen, dass sie die Kapazität besitzt, um 10-25 000 Pferdestärken an regenerierter Elektrizität zu handhaben. Dies ist eine ausreichende Kapazität, um die regenerative dynamische Ausgangs größe der maximalen Anzahl von Lokomotiven zu handhaben, die normalwei se einen gegeben schweren Frachtzug ziehen würden. Diese Kapazität ist auch hinreichend, um (über die Brennstoffzellen) die maximale elektrische Energiemengenausgangsgröße zu erzeugen, welche dielektrische Zugmoto ren der Lokomotive antreiben können. Die Anzahl der Wasserstoff- und Sau erstoffspeichertanks, demgemäss die Anzahl der Tankwagen, kann entspre chend der erforderlichen Speicherkapazitäten verwendet werden.

Wenn zur Belieferung der Brennstoffzellen in der Brennstoffzelleneinheit 40 Sauerstoff und Wasserstoff benötigt wird, so schickt die elektrische Steuervor richtung ein Signal zur Freigabe jeden Gases von den entsprechenden Tanks, so dass der Druck in den Niederdruckröhren 32 auf einem bestimmten Pegel gehalten wird. Das Gas, (d. h. Wasserstoff und Sauerstoff) von diesen Röhren wird zu den Brennstoffzellen zur Erzeugung von Elektrizität geleitet. Da die Brennstoffzellen Gleichstrom erzeugen, sind Inverter 16 vorgesehen, um die elektrische Ausgangsgröße der HPC-Einheit an die Erfordernisse von Elek trostromlokomotiven anzupassen, wenn dies erforderlich ist.

Es kann notwendig sein, dass man die verfügbare Sauerstoffmenge für die Brennstoffzellen derart erhöht, dass der Sauerstoff mit der gleichen Proportion vorgesehen wird, wie der durch die Elektrolyse erzeugte Wasserstoff. Dies vermeidet eine Situation wo Überschusswasserstoffgas vorhanden ist infolge der größeren Sauerstoffmengen, die durch die Hydroelektrolyse erzeugt wer den (d. h. 2 Teile Wasserstoff für 1 Teil Sauerstoff). Um zusätzlichen Sauer stoff, wenn erforderlich, zu erzeugen, ist eine Sauerstoffkonzentriereinheit 50 vorgesehen. Die Sauerstoffkonzentriereinheit kann eine oder eine Vielzahl von Sauerstoffkonzentriervorrichtungen aufweisen, und zwar verwenden diese einen Kompressor, um die atmosphärische Luft durch eine permeable Mem bran zu drücken. Die Sauerstoffkonzentriervorrichtungen trennen sodann den Sauerstoff vom Stickstoff und von Spurengasen in der atmosphärischen Luft. Das von den Sauerstoffkonzentriervorrichtungen erzeugte Sauerstoffgas kann sodann für die Ergänzung der Sauerstoffgasversorgung verwendet werden, die in die Brennstoffzellen eingespeist wird.

Die Brennstoffzelleneinheit 40 besteht aus einer oder mehreren Brennstoff zellen wie oben erwähnt. Jede Brennstoffzelle besteht aus einem Leistungs abschnitt wo die chemische Reaktion auftritt und aus einem Unterstützungs abschnitt, der die Performance des Leistungsabschnitts steuert und über wacht. Der Leistungsabschnitt, wo Wasserluftgas und Sauerstoffgas in elektri sche Leistung umgewandelt werden, d. h. Wasser und Wärme, besteht aus einer Vielzahl von Zellen enthalten in mehreren Unterstapeln. Sammelleitun gen laufen entlang der Länge jedes der Unterstapel und verteilen Wasser stoffgas, Sauerstoffgas und Kühlmittel zu den Zellen. Die Zellen enthalten Elektrolyt bestehend aus Kaliumhyroxid und Wasser, eine Sauerstoffelektrode (Kathode) und eine Wasserstoffelektrode (Anode). Der Zubehörabschnitt überwacht den Fluss des Reaktionsmittels, entfernt Abfallwärme und Wasser aus der chemischen Reaktion und steuert die Temperatur des Stapels. Der Zubehörabschnitt besteht aus dem Wasserstoff und Sauerstoffsteuerungssy stem, dem Kühlmittelverlauf und der Kühlmittelschleife und der elektrischen Steuereinheit. Im Betrieb wird Sauerstoff zu der Elektrode der Brennstoffzelle geleitet, wo dieser mit Wasser reagiert und mit zurückkehrenden Elektronen zur Erzeugung von Hydroxylionen. Die Hydroxylionen wandern dann zur Was serstoffelektrode, wo sie in die Wasserstoffreaktion eintreten. Wasserstoff wird zur Wasserstoffelektrode der Brennstoffzellen geführt, wo dieser mit den Hydroxylionen von dem Elektrolyten reagiert. Diese elektrochemische Reakti on erzeugt Elektronen (Elektrizität) Wasser und Wärme. Die erzeugte Elektri zität wird selektiv zur Leistungsversorgung der Zugmotoren des Frachtzuges geleitet. Alternativ kann die Elektrizität zu einem örtlichen oder regionalen Versorgernetzwerk wie unten beschrieben geleitet werden. Das Wasserne benprodukt der elektrochemischen Reaktion und der Brennstoffzelle wird zum Wasserspeichertank für die darauffolgende Verwendung in der Hydroelektro lyse geleitet.

Die oben beschriebene Brennstoffzelleneinheit 40 repräsentiert ein bevor zugtes und praktisches Ausführungsbeispiel gemäß der besten Ausführungs art der Erfindung und ist der Brennstoffzellenleistungsanlage in dem Spaces huttle nachgebildet, wobei Einzelheiten davon in dem Spaceshuttle Bezugs manual am NASA Kennedy Space Center Internet Webseite gefunden werden können. Die einzelnen Brennstoffzellen sind in Serie und parallel geschaltet, um die erforderliche Spannung und den Strom zu erzeugen. Die Brennstoff zelleneinheit 40 der Erfindung ist von größerem Maßstab als die beim Spaceshuttle wahrscheinlich in der Größenordnung von 100-200 Mal der Größe. Speziell kann die Brennstoffzelleneinheit der vorliegenden Erfindung im Bereich zwischen 500 Kubikfuß (beispielsweise 5 Fuß Mal 5 Fuß Mal 20 Fuß lang) bis 1000 Kubikfuß (beispielsweise 5 Fuß Mal 5 Fuß Mal 40 Fuß lang) sein. Eine 500 Kubikfuß Brennstoffzelle wiegt ungefähr 26 000 englische Pfund mit einer Kapazität von 700 kW kontinuierlicher Leistung und 1,2 mW Anstiegsausgangsgröße bis 15 Minuten Länge. Das Verdoppeln der Größe der Brennstoffzelleneinheit auf 1000 Kubikfuß erhöht in proportionaler Weise Gewicht und Kapazität. Speziell wiegt eine 1000 Kubikfuß Brennstoffzellen einheit annähern 52 000 englische Pfund mit einer Kapazität von 1,4 mW kon tinuierlicher Leistung und 2,4 mW Anstiegsausgangsleistung für bis zu 15 Mi nuten Länge.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die Hydroelektrolyseeinheit 30 eine ähnliche Kapazität wie die Brennstoffzelle 40. Diese zwei Einheiten zu sammen mit dem Wasserspeichertank 20, den Pumpen, den Wechsel strom/Gleichstromwandlern 60, den Niederdruckkompressoren und den zuge hörigen Steuerelektronikschaltungen 112 können leicht derart ausgebildet werden, dass sie in einen einzigen HPC-Eisenbahnwagen passen. Alternativ kann die HPC-Einheit 12 auf ein Lokomotivenchassis aufgebaut werden, und zwar mit den Dieselbrennstofftanks, dem Dieselmotor 102, dem Genera tor/Alternatorsatz 104 und den zugehörigen Unterstützungssystemen ersetzt durch die Hydroelektrolyseeinheit 30, die Brennstoffzelleneinheit 40, die Nie derdruckkompressoren und die zugehörigen Elektronikschaltungen.

Der Betrieb der HPC-Einheit 12 für die elektrische Energiespeicherung und -regeneration wird automatisch gesteuert von der Führungslokomotive. Der Zugführer ist mit den Steuerungen 112 versehen, um die Schwellen auszu wählen für die dynamische (regenerative) Bremsung, die Elektrolyse des Wassers, welche Tankwagen und in welcher Ordnung das Gas aufgenommen werden muss und bis zu welchem Pegel. Umgekehrt, wenn zusätzliche Lei stung erforderlich ist, so kann der Zugführer die Schwellen für die HPC- Leistungserzeugung einstellen, und zwar mit der Steuerung über die Tankwa gen (und Tanks) und für die notwendige Versorgung der Brennstoffzellenein heit 40.

Es gibt eine Anzahl von unterschiedlichen wirtschaftlichen und Umweltaspek ten hinsichtlich der Verwendung unterschiedlicher Regeneration, Speicherung und Brennstoffzellenerzeugungsstrategien oder -Programmen. Beispielsweise kann Dieselkraftstoff sehr teuer in einem Gebiet und billig in einem anderen Gebiet sein. Das HPC-System 10 der vorliegenden Erfindung ermöglicht ei nem Frachtzug seinen Bereich derart zu maximieren, dass Dieselkraftstoff an der billigsten Stelle gekauft wird. Von einem Umweltstandpunkt aus gesehen kann das HPC-System 10 dazu genutzt werden, um die Kohlenwasserstoffe missionen zu minimieren, insbesondere in Gebieten mit Verunreinigungspro blemen. Dieselmotoren für Lokomotiven sind steigend strenger werdenden Emissionsstandards ausgesetzt, und das HPC-System der Erfindung bildet die Kapital- und Kosteneffizientesten Mittel zur signifikanten Verminderung der Emissionen von Diesel-elektrischen Lokomotiven. Beispielsweise hat die Los Angeles Ebene sehr hohe Pegel von Luftverschmutzung. Frachtzüge, die auf den östlichen und westlichen Routen aus Los Angeles herausfahren, be nutzen den Cajon Pass, der eine sehr signifikante Höhenänderung bringt. Nach Westen fahrende Züge ausgerüstet mit dem HPC-System 10 könnten große Mengen an Sauerstoff und Wasserstoff erzeugen und speichern, wobei diese Mengen dazu auf örtliche Frachtzüge transferiert werden könnten. Dies würde es möglichen machen, dass jeder Zug, der in dem Los Angeles Bassin arbeitet, die meiste oder selbst die gesamte Menge seiner Elektrizität über das HPC-System erzeugt und nicht den Dieselmotor verwendet, wodurch sich eine signifikante Verminderung der Kohlenwasserstoffemissionen ergeben würde, wobei aber kein Verlust an wirtschaftlicher Effizienz aufträte. Demge mäss ermöglicht die Verwendung des HPC-Systems 10 der vorliegenden Er findung, die Sauerstoff- und Wasserstofftankwagen zu beladen, um eine Die sel-elektrischen Lokomotive in eine elektrische Lokomotive umzuwandeln. Diese Flexibilität gestattet, das, örtliche Passagierzüge ohne Verwendung ih rer Dieselmotoren betrieben werden können, auf welche Weise sowohl die Luftverschmutzung als auch die zugehörigen Geräuschpegel reduziert wer den. Diese Betriebsart mit nur Elektrizität unter Verwendung des HPC- Systems 10 gestattet auch, dass individuelle Diesellokomotivmotoren ausge schaltet bleiben können bis sie für lange Steigungen benötigt werden, auf welche Weise der Kraftstoffverbrauch und die damit verbundene Verschmut zung nach längerem Leerlaufen oder gering belasteten Fahren eliminiert wer den.

Obwohl die letzten EMD SD90MAC und GE AC6000 Lokomotiven derzeit die größte dynamische (regenerative) Bremskapazität besitzen, ist es sowohl technisch als auch wirtschaftlich zweckmäßig, diese Kapazität auch den älte ren Lokomotiven ausgerüstet mit dem HPC-System 10 der vorliegenden Er findung zuzuweisen. Früher machte es keinen Sinn Zugmotoren mit größeren Endleistungen einzubauen als den eingebauten Dieselmotor, da die Diesel- elektrische Lokomotive konventioneller Bauart nur die Leistung verbrauchen kann, die erzeugt wird. Die Speicherungs- und Regenerierungskapazität des HPC-Systems 10 macht es jedoch logisch, die größten Zugmotoren einzubau en, die in die existierende Zugmaschinenkonstruktion hineinpassen. Speziell liefert der Einbau von größeren Zugmotoren bei älteren 2000-3000 Pferde stärken Lokomotiven drei Hauptvorteile. Als erstes wird die Größe der dyna mischen (regenerierten) Bremsleistung die verfügbar ist maximiert, wobei der Abrieb und der Verschleiß an den pneumatischen Reibungsbremsen der Lo komotive und des Zuges minimiert wird. Zum zweiten maximiert die Verwen dung von größeren Zugmotoren die Menge an regenerativer Leistung die für die HPC-Einheit 12 verfügbar ist. Zum dritten gestattet die zusätzliche von der HPC-Einheit 10 verfügbare Leistung, dass die Lokomotive die Nennzuglei stung des eingebauten Dieselmotors (bei Anbringung an einem geladenen HPC) stark übersteigt. Darüber hinaus ist der Umbau älterer 2000-3000 Pferdestärken Lokomotiven mit größeren Zugmotoren (d. h. denjenigen wie sie in 4000-6000 Pferdestärken Lokomotiven verwendet werden) signifikant mehr kosteneffektiv als das Kaufen neuer 4000-6000 Pferdestärken Loko motiven. Und, da die neuen 4000-6000 Horsepower Einheiten die älteren zwei bis zwei Horsepower Einheiten mit einem Verhältnis von 2 : 3 oder sogar 1 : 2 ersetzen, gibt es viele ältere Einheiten zur Umwandlung und zum "Upgra den".

Eine interessante alternative Verwendung der Leistung erzeugt durch das HPC-System 10 ist die Fähigkeit sehr große Menge von verunreinigungsfreier Elektrizität an ein örtliches oder regionales Versorgungsnetz abzuliefern. Bei spielsweise könnten statische HPC-Einheiten 10 anstelle ihrer Verwendung zur Regeneration zur Erhöhung der Energieeffizienz von Zügen mit dem örtli chen oder regionalen Netz verbunden werden. Die Brennstoffversorgung die ser HPC-Einheit 12 kann dadurch erhalten bleiben, dass man leere HPC- Tankwagen gegenüber vollen austauscht oder aber man lässt mit HPC- modifizierte Lokomotiven je nach Benötigung zur Versorgung des Landnetzes und/oder zur Wiederaufladung der HPC-Tankwagen laufen. Der Vorteil dieser "Dualkraftstoff" Option besteht darin, dass die durch die Kombination von Lo komotiven und HPC-System erzeugte Leistung eine viel größere Flexibilität dann vorsieht, wenn kurzzeitige und langzeitige Leistungsbelastungen gema naged werden. Mit dem HPC-System 10 ausgerüstete Lokomotiven repräsen tieren einen Typ der Kapazität mit begrenzten Reserven, während HPC- Einheiten 12 die Fähigkeit besitzen schnell auf Belastungen anzusprechen, die in signifikanter Weise ihre kontinuierliche Nennausgangsgröße für kurze Zeitperioden übersteigen. Anders ausgedrückt repräsentiert die Verwendung von statischen HPC-Einheiten 12 eine billige Leistungsreserve die dann ver fügbar ist, wenn sie und wo sie benötigt wird, und zwar verglichen mit dem Bau zusätzlicher Kraftwerke die Jahre benötigen um gebaut zu werden infolge von Verwaltungsvorschriften. Darüber hinaus gilt folgendes: Wenn es durch ein Naturereignis zu einem örtlichen oder regionalen Leistungsausfall kommt (beispielsweise bei Wärmewellen, Erdbeben, Hurrikane usw.) so können die HPC-Einheiten 12 schnell zu dem speziellen Gebiet transportiert werden wo Not am Mann ist. Sobald diese Einreiten dort sind, können sie in erschöpfli cher Weise große Leistungsmengen für kurzfristige oder langfristige Zeiträu me liefern und sie können auch schnell abgebaut werden wenn dies notwen dig ist.

Die vorliegende Erfindung wurde anhand praktischer und bevorzugter Ausfüh rungsbeispiele gezeigt und beschrieben, und man erkennt, dass Abweichun gen von Offenbarung innerhalb des Rahmens und des Bereichs der Erfindung liegen, die mit den folgenden Ansprüchen definiert werden und gemäß der Äquivalenzlehre interpretiert werden sollen.

Übersetzung der Zeichnungslegende Fig. 1 Hauptsächliche Diesel-elektrische Lokomotivsystemkomponenten Zugführerlok und elektrische Steuerungen

102

Lokomotivdieselmotor

104

Generator/Alternator

16

Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler

Motor & Elektrische Steueranzeigen

110

Dynamische Bremse Widerstandsgitter

14

/

108

Wechselstrom/Gleichstrom-Zugmotoren

106

Lokomitvaxen/Räder

10

/

12

Regenerative Hydroleistungs-Zelleneinheit und Tankspeicher-Wagen

Legende

Fig. 2 Regenerative Hydroleistungszelleneinheit mit Tankspeicherwagen

102

Dieselmotor

100

/

104

Alternator/Generator

16

/

108

Wechselstrom/Gleichstrom Inverter und Zugmotoren

112

Motor & Elektrische Steueranzeigen

30

Hydroelektrolyseeinheit

40

Brennstoffzelleneinheit

32

/

20

Wasserspeichertank & Pumpen

50

Sauerstoffkonzentriereinheit

62

Wasserstoffspeichertank & Kompressor

70

/

72

Sauerstoffspeichertank und Kompressor

Legende

Fig. 3 Mehrfacheinheit-diesel-elektrische Lokomotivenanordnung mit rege nerativer Hydroleistungszelleneinheit und Tankspeicherwagen Lokomotivenmotor & Elektrische Steuerungen

100

a Diesel-elektrische Lokomotive #1

100

b Diesel-elektrische Lokomotive #2

100

c Diesel-elektrische Lokomotive #3

100

d Diesel-elektrische Lokomotive #4

12

Regenerative Hydroleistungszelleneinheit

20

Wasserspeichertank & Pumpeneinheit

60

/

62

Wasserstoffspeichertank & Kompressor

70

/

72

Sauerstoffspeichertankkompressor

Legende

Claims

1. Ein elektrisches Energiespeicher- und Regenerationssystem, welches folgendes aufweist:
eine primäre Bewegungsvorrichtung, die folgendes aufweist:
einen Motor zur Leistungsversorgung der Bewegung der Hauptbewegungsvor richtung;
Bremsmittel zum Verlangsamen und Stoppen der Hauptbewegungsvorrich tung;
Mittel zur Erzeugung von Elektrizität aus der Energie verwendet zur Verlang samung der primären Bewegungsvorrichtung während des Betriebes der Bremsmittel;
eine Hydropowerzelleneinheit die folgendes aufweist:
Wasserspeichermittel zum Aufnehmen einer Versorgung an Wasser;
eine Hydroelektrolyseeinheit zum Umwandeln der elektrischen Energie in Wasserstoffgas und Sauerstoffgas unter Verwendung der Elektrizität, die durch die elektrischen Erzeugungsmittel in der primären Bewegungsvorrich tung und mit Wasser von der Wasserversorgung erzeugt werden;
eine Brennstoffzelleneinheit einschließlich mindestens einer Brennstoffzelle strukturiert und angeordnet zur Erzeugung von Elektrizität aus der Energie des Wasserstoffgases und Sauerstoffgases; und
Mittel zur gesonderten Speicherung oder Aufbewahrung des Wasserstoffga ses und des Sauerstoffgases erzeugt durch die erwähnte Hydroelektrolyse einheit für die darauffolgende Lieferung an die Brennstoffzelleneinheit.

2. System nach Anspruch 1, wobei die primäre Bewegungsvorrichtung ei ne Diesel-elektrische Lokomotive ist.

3. System nach Anspruch 2, wobei die erwähnten Bremsmittel dynamische Bremsen und Reibungsbremsen umfassen.

4. System nach Anspruch 3, wobei die dynamischen Bremsen Bremsen zugmotoren sind und wobei ferner die Zugmotoren die Elektrizitätserzeu gungsmittel definieren.

5. System nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelleneinheit eine Viel zahl von Brennstoffzellen aufweist.

6. System nach Anspruch 5, wobei ferner Kompressormittel vorgesehen sind zum Komprimieren des Wasserstoffgases und des Sauerstoffgases in gesonderten Speichermitteln.

7. System nach Anspruch 6, wobei die gesonderten Speichermittel für das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas eine Vielzahl von isolierten Gasspei chertanks aufweisen.

8. System nach Anspruch 7, wobei ferner Kühlmittel vorgesehen sind zum Kühlen des Wasserstoffgases und des Sauerstoffgases zur Speicherung in der Vielzahl von isolierten Gasspeichertanks.

9. System nach Anspruch 8, wobei die Hydroleistungszelleneinheit ferner eine Sauerstoffkonzentriereinheit aufweist zur Erzeugung von Sauerstoffgas, um das Sauerstoffgas erzeugt durch die Hydroelektrolyseeinheit zu ergänzen.

10. System nach Anspruch 9, wobei die Hydroleistungszelleneinheit und die erwähnte Vielzahl von isolierten Speichertanks in einem oder mehreren Zug wagen enthalten sind und zwar gezogen durch eine oder mehrere Diesel- elektrische Lokomotiven, und wobei die erwähnte eine oder mehrere Diesel- elektrische Lokomotive(n) die primäre Bewegungsvorrichtung bilden.

11. System nach Anspruch 10, wobei die durch die Brennstoffzelleneinheit erzeugte Elektrizität zu der einen oder den mehreren Diesel-elektrischen Lo komotive(n) geleitet werden, um die Zugmotoren mit Leistung zu versorgen, um die Diesel-elektrischen Lokomotiven zu bewegen und eine Vielzahl von Zugwagen, die damit verbunden sind.

12. System nach Anspruch 10, wobei die durch die Brennstoffzelleneinheit erzeugte elektrische Energie in ein örtliches Versorgungsnetzwerk eingespeist wird.

13. System nach Anspruch 10, wobei ferner Steuermittel vorgesehen sind, um den Betrieb der Hydroleistungszelleneinheit selektiv zu steuern.

14. Ein Hydroleistungszellensystem zum Speichern und Regenerieren elektrischer Energie erzeugt durch Reibungs- und Dynamikbremsen von einer oder mehreren Diesel-elektrischen Lokomotiven und einer Vielzahl von Zug wagen verbunden damit, wobei das System folgendes aufweist:
Wasserspeichermittel, die einen Vorrat an Wasser enthalten;
eine Hydroelektrolyseeinheit zum Umwandeln elektrischer Energie in Wasser stoffgas und Sauerstoffgas unter Verwendung der elektrischen Energie er zeugt durch die Bremsen des Zuges und die Lokomotive und von Wasser von der Wasserversorgung;
eine Brennstoffzelleneinheit einschließlich mindestens einer Brennstoffzelle strukturiert und angeordnet zur Regenerierung von Elektrizität aus der Ener gie des Wasserstoffgases und des Sauerstoffgases; und
Mittel zur gesonderten Speicherung des Wasserstoffgases und des Sauer stoffgases erzeugt durch die erwähnte Hydroelektrolyseeinheit für die darauf folgende Lieferung an die Brennstoffzelleneinheit.

15. System nach Anspruch 14, wobei die Brennstoffzelleneinheit eine Viel zahl von Brennstoffzellen aufweist.

16. System nach Anspruch 15, wobei ferner Kompressormittel vorgesehen sind zum Komprimieren des Wasserstoffgases und des Sauerstoffgases in gesonderten Speichermitteln.

17. System nach Anspruch 16, wobei die gesonderten Speichermittel für das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas eine Vielzahl von isolierten Gas speichertanks aufweisen.

18. System nach Anspruch 17, wobei ferner Kühlmittel vorgesehen sind zum Kühlen des Wasserstoffgases und des Sauerstoffgases zur Speicherung in der Vielzahl von isolierten Gasspeichertanks.

19. System nach Anspruch 18, wobei ferner eine Sauerstoffkonzentrierein heit vorgesehen ist, um Sauerstoffgas zu erzeugen zur Ergänzung des durch die Hydroelektrolyseeinheit erzeugten Sauerstoffgases.

20. System nach Anspruch 19, wobei ferner Mittel vorgesehen sind, um die Elektrizität regeneriert durch die Brennstoffzelleneinheit zu einer oder mehre ren Diesel-elektrischen Lokomotiven zu leiten, um elektrische Leistung zu lie fern für die Bewegung einer oder mehrerer Diesel-elektrischer Lokomotiven und der damit verbundenen Vielzahl von Zugwagen.

21. System nach Anspruch 19, wobei ferner Mittel vorgesehen sind zum Leiten der durch die Brennstoffzelleneinheit erzeugten elektrischen Energie zu einem örtlichen Versorgungsnetz.