DE19954031A1

DE19954031A1 - Verfahren und Anordnung zur Stromversorgung von Hilfseinrichtungen in Schienenfahrzeugen bei abgeschalteter Hauptenergieversorgung

Info

Publication number: DE19954031A1
Application number: DE19954031A
Authority: DE
Inventors: Gert Eibisch
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Bombardier Transportation GmbH
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2001-06-07
Also published as: CZ20012723A3; HUP0105196A3; CA2373283A1; PL349218A1; HUP0105196A2; EP1142046A1; WO2001033653A1

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stromversorgung von Steuer-, Melde-, Beleuchtungs- und Anzeigeeinrichtungen o. dgl. in Schienenfahrzeugen unabhängig von der Antriebsanlage zu betreiben, Gewicht bei gleichzeitiger Verbesserung der Wartungsfreundlichkeit und des Umweltschutzes einzusparen. DOLLAR A Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Stromversorgungseinrichtung ein Brennstoffzellen-Aggregat verwendet wird. Dieses Methanol verarbeitende Aggregat setzt sich aus einem Tank 3 für entionisiertes Wasser, einem Tank 2 für Methanol, einem Verdampfer 4 zum Vermischen des Wassers und Methanols, einem Reformierer 6 zum Umwandeln des Methanols in Wasserstoff und Kohlendioxid, einer Gasreinigungseinrichtung 7 zum Entfernen des Kohlenmonoxids, mehreren zusammengefaßten protonenleitenden Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzellen 8, in der der Wasserstoff und mit einem Kompressor 14 komprimierte Luft als Oxidationsmittel kontinuierlich zu- und abgeführt werden, einem Kühlkreislauf K zum Kühlen der Brennstoffzellen 8, einer das Reaktionswasser ableitenden, in den Tank 3 einmündenden Leitung 16, und einer das aus der Reaktion in der Brennstoffzelle resultierende Restgas ableitenden Leitung 18 zusammen, die mit einem katalytischen Brenner 5 in Verbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stromversorgung von Hilfseinrichtungen, beispielsweise Steuer-, Melde-, Beleuchtungs- und Anzeigeeinrichtungen o. dgl. in Schienenfahrzeugen bei abgeschalteter Hauptenergieversorgung, insbesondere Eisenbahn-, Straßenbahn- und Nahverkehrsfahrzeuge, bei dem eine gesonderte Stromversorgungseinrichtung die Stromversorgung für die Hilfseinrichtungen übernimmt.

Die Erfindung betrifft ferner auch eine Anordnung zur Stromversorgung von Hilfseinrichtungen, beispielsweise Steuer-, Melde-, Beleuchtungs- und Anzeigeeinrichtungen o. dgl. in Schienenfahrzeugen, insbesondere Eisenbahn, Straßenbahn- und Nahverkehrsfahrzeuge, bei abgeschalteter Hauptenergieversorgung, mit einer gesonderten Stromversorgungseinrichtung, die in einem von der Wagenkonstruktion gehaltenen Gehäuse aufgenommen ist und die Verbraucher der Hilfseinrichtungen mit Strom versorgt.

Die Speisung elektrischer Verbraucher in Schienenfahrzeugen wird bekanntlich bei abgeschalteter Hauptenergieversorgung von Bleiakkumulatoren übernommen, die u. a. die Beleuchtung im Fahrgastraum sicherstellt, Signalleuchten, Zugzielanzeigen und andere elektrische Verbraucher wie Gebläse u. ä. für einen gewissen Zeitraum mit Strom versorgt. Diese Bleiakkumulatoren befinden sich zusammen mit den Sicherungen und dem Ladegerät in einem kastenförmigen Batteriemodul, das am Untergestell eines jeden Wagens befestigt ist. Dieses Modul hat ein hohes Gewicht und mindert die Traktionsleistung des Antriebsaggregates entsprechend.

Des weiteren erfordern die Bleiakkumulatoren eine ständige Kontrolle, Wartung und Pflege. Bleiakkumulatoren gehören nach ihrem Verbrauch zum Sondermüll und sind daher umweltgefährdend.

Es ist bekannt, Brennstoffzellen auf Methanonalbasis zur stationären und mobilen Stromgewinnung, beispielsweise für Straßenfahrzeuge, einzusetzen (ÖZE 40, 3(1987) und Prospekt der Firma Daimler Benz 1996 "A Methanol Car Hits the Roads"). Die Brennstoffzellen liefern eine Zellenspannung von etwa 0,6 V, so daß mehrere Zellen hintereinandergeschaltet werden müssen, um entsprechende Antriebsleistungen zu erreichen.

Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Stromversorgung von Steuer-, Melde-, Beleuchtungs- und Anzeigeeinrichtungen u. dgl. in Schienenfahrzeugen unabhängig von der Antriebsanlage zu betreiben, Gewicht bei gleichzeitiger Verbesserung der Wartungsfreundlichkeit und Umweltschutzes einzusparen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und durch eine Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 4 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Brennstoffzellentechnik auf Methanolbasis im Schienenfahrzeugbau einzusetzen und die Stromversorgung unabhängig vom Hauptantrieb zu betreiben. Dadurch, daß der Batteriemodul entfällt, wird das Gewicht der Stromversorgung merklich reduziert. Die direkte Energieumwandlung von chemischer in elektrischer Energie in den Brennstoffzellen verläuft mit einem besserem Wirkungsgrad als über die mechanische Energie als Zwischenstufe. Dies bedeutet, daß für die Stromversorgung der Hilfseinrichtungen weniger Leistung bereitgestellt werden muß und die gesamte Leistung des Hauptantriebes für die Traktion zur Verfügung steht.

Die aufwendige Wartung der Batteriemodule an jedem Wagen ist nicht mehr erforderlich.

Die Erfindung soll nachstehend in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher veranschaulicht werden.

Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 eine Einzelheit X gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 eine Variante der Integration der erfindungsgemäßen Anordnung in das Bordnetz eines Schienenfahrzeuges.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung eines Brennstoffzellen-Aggregates 1 gezeigt, das in die Wagenkonstruktion eines nichtdargestellten Schienenfahrzeuges kompakt integriert ist.

In einem Tank 2 befindet sich als Brennstoff Methanol, das mit Nutzung konventioneller Tankstellentechnik in den Tank einfüllbar ist. Der Tank 3 ist für die Aufnahme des entionisierten Wassers bzw. Reaktionswassers vorgesehen. Das entionisierte Wasser wird, wie in Fig. 1 gezeigt, mit dem Methanol gemischt und im Verdampfer 4 verdampft. Dieser Methanol-Wasserdampf wird unter Erhitzung auf etwa 250°C mittels eines katalytischen Brenners 5 im Reformierer 6 in Wasserstoff, Kohlendioxid und Restgase wie Kohlenmonoxid usw. gespalten. Die nachfolgende Gasreinigung 7 trennt den Wasserstoff von Kohlendioxid und den Restgasen ab. Der so gewonnene Wasserstoff wird dem Brennstoffzellen-Aggregat 1 zu- und das Kohlendioxid in die Atmosphäre abgeführt.

Die Brennstoffzelle 8 selbst besteht im wesentlichen aus einer Proton-Exchange- Membran (PEM) 9 als Elektrolyt, die beidseitig mit einer Platinbeschichtung 10 versehen ist, einer Elektrode 11 und Kühl/Bipolarelementen 12 mit Gaskanälen (siehe Fig. 2).

Beim Passieren des Wasserstoffes durch die Membran 9 gibt das Wasserstoffmolekül unter Einwirkung der katalytisch wirkenden Platinbeschichtung 10 an der Anode seine Elektronen ab, die über den äußeren Stromkreis zum Verbraucher fließen. Gleichzeitig wird der vom Kompressor 13 geförderte Luftstrom der Membran 9 zugeführt, wobei der im Luftstrom enthaltene Sauerstoff an der Kathode reduziert wird. Die Sauerstoffmoleküle reagieren mit den durch die Membran 9 wandernden Wasserstoffionen und den vom Verbraucher kommenden Elektronen zu Wasser. Pro Brennstoffzelle entsteht eine Spannung von 0,6 V. Durch den Zusammenschluß vieler derartiger Zellen zu einer Packung lassen sich problemlos die für die Stromversorgung der in Schienenfahrzeugen installierten Hilfseinrichtungen erforderlichen höheren Spannungen erreichen.

Eine in einen Kühlkreislauf K eingebundene Kühlpumpe 14 fördert Kühlluft in die Gaskanäle der Bipolarelementes 12 der Brennstoffzelle 8. Die bei der Reaktion entstehende Reaktionswärme wird an die Kühlluft abgegeben, die ihrerseits durch Wärmetausch diese Wärme an einen Kühler 15 abgibt. Das bei der Reaktion entstehende Wasser gelangt über eine Zuleitung 16 in den Wassertank 2.

Da bei der Reaktion in der Brennstoffzelle 8 keine 100%ige Umsetzung des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff erfolgt, entsteht ein Restgas, das durch eine Ableitung 18 dem katalytischen Brenner 5 zugeführt wird. Für den Fall, daß der Heizwert des Restgases nicht für den Betrieb des Brenners 5 ausreicht, wird zusätzlich Methanol aus dem Tank 2 abgezogen und im Brenner 5 verbrannt, um die erforderliche Reaktionstemperatur für die Umsetzung des Wasser-Methanol-Dampfes einzuhalten.

Fig. 2 zeigt schematisch die Adaption der erfindungsgemäßen Anordnung in das Bordnetz B_N eines Schienenfahrzeuges. Ausgangsseitig ist das Brennstoffzellen- Aggregat 7 ist mit einer Spannungsanpassung 16 verbunden, mit der die für die einzelnen Verbraucher V₁, V₂, V_n erforderlichen Spannungen eingestellt werden.

Liste der Bezugszeichen

1

Brennstoffzellen-Aggregat

2

Tank für Methanol

3

Tank für Wasser

4

Verdampfer

5

Katalytischer Brenner

6

Reformierer

7

Gasreinigung

8

Einzelne Brennstoffzelle

9

Proton-Exchange (PEM)-Membran

10

Platinbeschichtung

11

Elektrode

12

Kühl/Bipolarelement

13

Kompressor

14

Kühlpumpe

15

Kühler

16

Zuleitung

17

Spannungsanpassung

18

Rohrleitung für Restgas
B_N

Bordnetz
K Kühlkreislauf
V₁

, V₂

, V_n

Verbraucher

Claims

1. Verfahren zur Stromversorgung von Hilfseinrichtungen, beispielsweise Steuer-, Melde-, Beleuchtungs- und Anzeigeeinrichtungen oder dgl. in Schienenfahrzeugen bei abgeschalterer Hauptenergieversorgung, insbesondere Eisenbahnfahrzeuge, Straßenbahnfahrzeuge, Nahverkehrsfahrzeuge, bei denen eine gesonderte Stromversorgungseinrichtung die Stromversorgung für die Hilfseinrichtungen übernimmt, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromversorgungseinrichtung ein Brennstoffzellen-Aggregat verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffzellen-Aggregat mit Methanol betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Brennstoffzellen-Aggregat hintereinandergeschaltete protonenleitende Elektrolyt- Membran (PEM)-Brennstoffzellen eingesetzt werden.

4. Anordnung zur Stromversorgung von Hilfseinrichtungen, beispielsweise Steuer-, Melde-, Beleuchtungs- und Anzeigeeinrichtungen o. dgl., in Schienenfahrzeugen bei abgeschalteter Hauptenergieversorgung, insbesondere Eisenbahnfahrzeuge, Straßenbahnfahrzeuge, Nahverkehrsfahrzeuge, mit einer gesonderten Stromversorgungseinrichtung, die in einem von der Wagenkonstruktion gehaltenen Gehäuse aufgenommen ist und die Verbraucher mit Strom versorgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung aus einem Tank (3) für entionisiertes Wasser, einem Tank (2) für Methanol, einem Verdampfer (4) zum Vermischen des Wassers und Methanols, einem Reformierer (6) zum Umwandeln des Methanols in Wasserstoff und Kohlendioxid, einer Gasreinigungseinrichtung (7) zum Entfernen des Kohlenmonoxids und anderen unerwünschten Gasbestandteilen, mehreren zusammengefaßten protonenleitenden Elektrolyt-Membran (PEM)- Brennstoffzellen (8), in der der Wasserstoff als Brennstoff und mit einem Kompressor (14) komprimierte Luft als Oxidationsmittel kontinuierlich zu- und abgeführt werden, einem Kühlkreislauf (K) zum Kühlen der Brennstoffzellen (8), einer das Reaktionswasser ableitenden, in den Tank (3) einmündenden Leitung (16) und eine das aus der Reaktion in der Brennstoffzelle resultierende Restgas ableitende Leitung (18) besteht, die mit einem dem Reformierer (6) vorgeordneten katalytischen Brenner (5) in Verbindung steht.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die PEM- Brennstoffzelle (7) aus einer Packung besteht, die sich aus einen endseitigen Kühl- /Bipolarelement (11) mit integrierten Gaskanälen, einer beidseitig mit Platin als Katalysator beschichteten Membran (9), einer jeder Seite der Membran zugeordneten Elektrode (11) und einem weiteren endseitigen Kühl/Bipolarelement (12) zusammensetzt.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Packung zusammensteckbar ausgebildet ist.