Fahrzeug und Betriebsverfahren für ein Fahrzeug

Es wird ein Fahrzeug angegeben. Darüber hinaus wird ein Be triebsverfahren für ein Fahrzeug angegeben.

Die Druckschrift EP 2 924 793 Al betrifft eine Brennstoffzel le .

In der Druckschrift EP 1 238 881 Al ist ein Schienenfahrzeug angegeben .

Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, einen Transportschlauch anzugeben, mit dem Wasserstoffgas sicher und zuverlässig über einen Wagenübergang eines Zuges transportiert werden kann.

Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Fahrzeug und durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Pa tentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegen stand der übrigen Ansprüche.

Bei dem hier beschriebenen Fahrzeug wird insbesondere ein Transportschlauch für Wasserstoffgas zwischen benachbarten Fahrzeugteilen verwendet. Der Transportschlauch weist einen Außenschlauch auf, der bevorzugt Druckluft führt. In dem Au ßenschlauch befindet sich ein Innenschlauch für Wasserstoff gas .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Schienenfahrzeug wie einen Zug. Insbesondere ist das Fahrzeug ein Regionalzug, auch als Commuter Train be zeichnet . Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Fahrzeug mehrere Fahrzeugteile. Die Fahrzeugteile sind längs einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs miteinander verbunden. Die Fahr zeugteile können gegeneinander beweglich sein. Eine Verbin dung zwischen den Fahrzeugteilen kann bestimmungsgemäß lösbar sein, insbesondere über Kupplungen. Alternativ ist es mög lich, dass die Fahrzeugteile fest miteinander verbunden sind und die einzelnen Fahrzeugteile nicht zum eigenständigen Be trieb eingerichtet sind. Eine Verbindung der Fahrzeugteile erfolgt dann beispielsweise über Drehgestelle. Die Fahrzeug teile können Waggons sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Fahrzeug eine oder mehrere Brennstoffzellen. Die mindestens eine

Brennstoffzelle ist zur Erzeugung von elektrischem Strom mit tels Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser ein gerichtet. Der Wasserstoff wird aus einem Trägergas heraus umgesetzt. Das Trägergas umfasst bevorzugt den Wasserstoff. Bei dem Trägergas für Wasserstoff handelt es sich beispiels weise um Wasserstoffgas , kurz H2. Ebenso ist es möglich, dass als Trägergas für den Wasserstoff Erdgas und/oder Methan und/oder Reformatgas dient. Der Sauerstoff für die Brenn stoffzelle entstammt bevorzugt der Umgebungsluft, kann aber auch als reiner Sauerstoff zugeführt werden. Insbesondere ist es möglich, dass der Sauerstoff zum Betreiben der Brennstoff zelle aus einer Luftleitung wie einer Hauptdruckluftleitung zum Betrieb von Bremsen des Fahrzeugs stammt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Fahrzeug einen oder mehrere Transportschläuche . Der mindestens eine Transportschlauch ist insbesondere zwischen den Fahrzeugtei len angeordnet und zum Transport eines Trägergases für den Wasserstoff zur Brennstoffzelle eingerichtet. Der Transport schlauch ist mechanisch flexibel und insbesondere um mindes tens 10° oder um mindestens 20° reversibel biegbar, bezogen auf eine Längsachse des Transportschlauchs in ungebogenem, geradem Zustand. Es ist möglich, dass der Transportschlauch eine oder mehrere Verzweigungen und/oder mehrere Anschlüsse aufweist .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Transport schlauch einen Außenschlauch. In dem Außenschlauch befindet sich ein Innenschlauch für das Trägergas für den Wasserstoff. Der Transportschlauch ist zwischen dem Außenschlauch und dem Innenschlauch zum Transport eines weiteren Gases wie Druck luft eingerichtet. Das weitere Gas enthält bevorzugt Sauer stoff, der für die Brennstoffzelle genutzt werden kann.

Der Transportschlauch ist bevorzugt Teil einer Hauptdruck luftleitung des Fahrzeugs.

In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Fahrzeug meh rere Fahrzeugteile, die längs einer Fahrtrichtung miteinander verbunden sind. Mindestens eine Brennstoffzelle ist zur Er zeugung eines elektrischen Stroms mittels Umsetzung von Was serstoff und Sauerstoff zu Wasser eingerichtet. Mindestens ein Transportschlauch zwischen den Fahrzeugteilen dient zum Transport eines Trägergases für den Wasserstoff zur Brenn stoffzelle. Der Transportschlauch ist mechanisch flexibel und um mindestens 10° reversibel biegbar. Der Transportschlauch umfasst einen Außenschlauch, in dem ein Innenschlauch für das Trägergas für den Wasserstoff liegt. Der Transportschlauch ist zwischen dem Außenschlauch und dem Innenschlauch zum Transport eines weiteren Gases eingerichtet. Regionalzüge, auch als Commuter Trains bezeichnet, haben für die Druckluftsysteme, wie das pneumatische Bremssystem, eine Hauptdruckluftleitung, kurz HL. Die HL verbindet jeden Wagen im Teilerverband oder Zugverband miteinander. Für den Wasser stofftransport über den Wagenübergang hinweg wird als Basis vorliegend die schon vorhandene Hauptdruckluftleitung verwen det oder durch den hier beschriebenen Transportschlauch er setzt oder ergänzt.

Im inneren Schlauch wird somit Wasserstoff geführt und im äu ßeren Schlauch Luftsauerstoff . Sauerstoff und Wasserstoff bilden bei Kontakt ein explosives Gemisch, weshalb beide Gase räumlich getrennt voneinander geführt werden müssen. Eine erste räumliche Trennung erfolgt durch den inneren Schlauch, der wasserstoffundurchlässig ist und beispielsweise aus Perfluoralkoxy-Polymeren, kurz PFA, gefertigt ist. Um eine zusätzliche Wasserstoffundurchlässigkeit zu gewährleisten, wird der innere Schlauch bevorzugt mit einer Keramikschicht überzogen, deren Porendurchmesser kleiner ist als der von Wasserstoffmolekülen. Ein Wasserstoffmolekül hat einen Durch messer von ungefähr 0,24 nm.

Im äußeren Schlauch erfolgt somit der Transport des Sauer stoffs, welcher einen deutlich größeren Moleküldurchmesser aufweist als Wasserstoff. Damit kann eine absolute räumliche Trennung beider Gase in dem Transportschlauch gewährleistet werden. Es lassen sich also durch eine vergleichsweise kleine Modifikation des aktuellen Druckluftschlauchs in Zügen beide Gase ohne größere technische Änderungen am Fahrzeug in einem einzigen Schlauch sicher transportieren.

Somit können neue Wasserstoffleitungswege mit vergleichsweise geringen Änderungen der gegebenen Fahrzeugarchitektur und der gegebenen Fahrzeugkomponenten in das Fahrzeug integriert wer den. Trotz Einbindung einer neuen Technologie bleibt das vor handene Fahrzeugkonzept annähernd unverändert. Die im Wesent lichen einzige Veränderung ist der Ersatz des aktuellen

Druckluftschlauchs durch den hier beschriebenen Transport schlauch. Die damit verbundenen Kosten sind, verglichen mit einer kompletten Neuplanung und Neuinstallation von Wasser stoffrohrsystemen, gering.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Innenschlauch an einer Außenseite eine oder mehrere Beschichtungen auf. Die mindestens eine Beschichtung ist undurchlässig für H2-Gas.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Beschich tung mindestens eine Keramik. Bevorzugt besteht die Keramik aus einem Titanoxid oder umfasst ein Titanoxid. Die Keramik kann Titandioxid sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Beschichtung eine Dicke von mindestens 2 nm oder mindestens 10 nm oder mindestens 20 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Beschichtung bei höchstens 200 nm oder höchstens 100 nm oder höchstens 50 nm.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Beschichtung eine mittlere Porengröße auf, die bei höchstens 0,24 nm oder höchstens 0,2 nm oder höchstens 0,1 nm liegt. Es ist möglich, dass die Beschichtung frei von Poren ist und eine durchgängi ge, dichte Schicht darstellt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Innenschlauch einen Durchmesser von mindestens 0,5 cm oder mindestens 1 cm oder mindestens 4 cm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt der Innendurchmesser des Innenschlauchs bei höchstens 15 cm oder höchstens 6 cm oder höchstens 3 cm.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Außenschlauch einen Innendurchmesser von mindestens 2 cm oder mindestens 2,5 cm oder mindestens 3 cm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt der Innendurchmesser des Außenschlauchs bei höchstens 25 cm oder höchstens 15 cm oder höchstens 10 cm oder höchs tens 5 cm.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Innenschlauch eine Wandstärke von mindestens 0,15 mm oder mindestens

0,25 mm oder mindestens 0,5 mm auf. Alternativ oder zusätz lich liegt die Wandstärke des Innenschlauchs bei höchstens 3 mm oder höchstens 2 mm oder höchstens 1 mm oder höchstens 0,5 mm.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Fahrzeug mehrere Brennstoffzellen. Die Brennstoffzellen sind über meh rere Fahrzeugteile hinweg verteilt. Ferner umfasst das Fahr zeug einen oder mehrere Trägergastanks für das Trägergas für den Wasserstoff. Insbesondere ist genau ein Trägergastank vorhanden, der auf einen der Fahrzeugteile beschränkt ist.

Das Trägergas für den Wasserstoff wird über den Transport schlauch zwischen den Fahrzeugteilen transportiert.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt der Transport schlauch stellenweise zwischen den Fahrzeugteilen nach außen frei. Das heißt, der Transportschlauch ist zumindest zeitwei se einer Umgebungsluft und/oder einer Umgebungsstrahlung aus gesetzt. Mit anderen Worten kann der Transportschlauch Witte rungseinflüssen wie Regen oder Schnee und UV-Strahlung aus der Sonnenstrahlung ausgesetzt sein. Der Transportschlauch ist widerstandsfähig gegenüber solchen Umwelteinflüssen. Bei spielsweise weist der Transportschlauch im bestimmungsgemäßen Gebrauch eine Lebensdauer von mindestens 30 Jahren auf.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Trägergas für den Wasserstoff, insbesondere H2 Gas, mit einem Druck von mindestens 3 bar oder mindestens 5 bar oder mindestens 7 bar und/oder von höchstens 20 bar oder höchstens 16 bar oder 10 bar durch den Transportschlauch geleitet. Insbesondere liegt dieser Druck bei ungefähr 8 bar.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Transport schlauch für einen Betriebstemperaturbereich von

-30 °C bis 80 °C oder mehr vorgesehen. Es ist möglich, dass der Betriebstemperaturbereich eine Temperaturspanne von

-50 °C bis 120 °C abdeckt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Wellrohr eine Länge von mindestens 0,2 m oder mindestens 0,4 m auf. Alter nativ oder zusätzlich liegt diese Länge bei höchstens 50 m oder höchstens 30 m oder höchstens 5 m oder höchstens 1,5 m oder höchstens 0,7 m. Insbesondere liegt die Länge des Well rohrs um 0,5 m.

Darüber hinaus wird ein Betriebsverfahren für ein solches Fahrzeug angegeben. Merkmale des Fahrzeugs sind auch für das Betriebsverfahren offenbart und umgekehrt.

In mindestens einer Ausführungsform des Verfahrens wird die mindestens eine Brennstoffzelle betrieben, um elektrischen Strom zu erzeugen und damit das Fahrzeug zu bewegen. Mit an deren Worten verfügt das Fahrzeug über einen Brennstoffzel lenantrieb. Der Brennstoffzellenantrieb kann der einzige An- trieb des Fahrzeugs sein oder es liegt noch ein weiterer An trieb vor.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird zum Betrieb der Brennstoffzelle das Trägergas für den Wasserstoff, insbeson dere H2 Gas, zwischen den Fahrzeugteilen durch den Transport schlauch hindurch transportiert.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Betriebsdruck des Innenschlauchs mit einer Toleranz von höchstens 40 % oder höchstens 20 % oder höchstens 10 % und/oder von höchstens 1 bar oder höchstens 0,5 bar bei einem Betriebsdruck des Au- ßenschlauchs . Das heißt, zwischen dem Innenschlauch und dem Außenschlauch liegt kein oder kein großer Druckunterschied vor. Somit kann der Innenschlauch vergleichsweise dünnwandig gestaltet werden und kann relativ zu einer äußeren Umgebung vergleichsweise druckfrei betrieben werden, da ein Innendruck des Innenschlauchs ungefähr einem Außendruck entspricht. Es ist möglich, dass durch eine Sicherheitsschaltung die Be triebsdrücke im Innenschlauch und im Außenschlauch aneinander angepasst werden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird zwischen dem In nenschlauch und dem Außenschlauch gefilterte Luft transpor tiert. Die gefilterte Luft dient beispielsweise auch zum Be trieb der Bremsen des Fahrzeugs. Bei der gefilterten Luft handelt es sich bevorzugt um das Trägergas für den Sauerstoff für die Brennstoffzelle. Der Transportschlauch wird damit be vorzugt auch als Teil der Hauptdruckluftleitung des Fahrzeugs betrieben .

Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Fahrzeug und ein hier beschriebenes Verfahren unter Bezugnahme auf die Zeich- nung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Glei che Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzel nen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Be züge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum bes seren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.

Es zeigen:

Figuren 1, 5, 6 und 7 schematische Schnittdarstellungen von

Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Fahrzeu gen, und

Figuren 2, 3 und 4 schematische Schnittdarstellungen von Aus führungsbeispielen von Transportschläuchen für hier beschriebene Fahrzeuge.

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs 1 ge zeigt. Das Fahrzeug 1 ist ein Zug mit mehreren Fahrzeugteilen 2. Die Fahrzeugteile 2 sind durch aneinander kuppelbare Wag gons gebildet. Eine mechanische Verbindung zwischen den Fahr zeugteilen 2 ist über Kopplungen 10 erzielt.

Zumindest einige der Fahrzeugteile 2 umfassen jeweils eine Brennstoffzelle 3 zum Antrieb des Fahrzeugs 1. In zumindest einem der Fahrzeugteile 2 ist ein Trägergastank 6 für Wasser stoffgas vorhanden. Zum Transport des Wasserstoffgases über die Fahrzeugteile 2 hinweg zu den jeweiligen Brennstoffzellen 3 sind zumindest zwischen den Fahrzeugteilen 2 jeweils Trans portschläuche 4 vorhanden.

Die Transportschläuche 4 sind hinreichend mechanisch flexi bel, um Bewegungen der Fahrzeugteile 2 relativ zueinander während der Fahrt und während eines Koppelvorgangs ausglei- chen zu können. Ferner sind die Transportschläuche 4 witte rungsbeständig und erfüllen die für den Betrieb des Fahrzeugs 1 notwendigen Voraussetzungen.

In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel für den Transport schlauch 4 illustriert. Der Transportschlauch 4 umfasst einen Innenschlauch 44, in dem ein Trägergas 51 für Wasserstoff ge führt wird. Bei dem Trägergas 51 handelt es sich beispiels weise um H2-Gas. Der Innenschlauch ist beispielsweise aus ei nem Perfluoralkoxy-Polymer, kurz PFA, wie

Perfluorvinylpropylether .

Besonders bevorzugt ist eine Außenseite des Innenschlauchs 44 mit einer Beschichtung 42 versehen. Bei der Beschichtung 42 handelt es sich um eine keramische Schicht, beispielsweise basierend auf einem Titanoxid. Die Beschichtung 42 weist ins besondere eine Dicke von ungefähr 20 nm auf. Eine Porengröße der Beschichtung 42 ist so gewählt, dass die Beschichtung 42 undurchlässig für H2 Gas ist.

Ferner umfasst der Transportschlauch 4 einen Außenschlauch 45, beispielsweise einen Kunststoffschlauch . Ein solcher Kunststoffschlauch für den Außenschlauch 45 kann durch ein Gewebe, etwa aus Metall, verstärkt sein. Der Innenschlauch 44 mit der Beschichtung 42 liegt innerhalb des Außenschlauchs 45, bevorzugt mittig innerhalb des Außenschlauchs 45.

Der Außenschlauch 45 ist dazu eingerichtet, ein Trägergas 52 für Sauerstoff zu führen. Das Trägergas 52 ist insbesondere gereinigte Druckluft. Die Trägergase 51, 52 werden bevorzugt mit näherungsweise dem gleichen Druck geführt, sodass ein Überdruck oder Unterdrück des Innenschlauchs 44 gegenüber dem Außenschlauch 45 vernachlässigbar sein kann. In Figur 3 ist gezeigt, dass optional eine Verstrebung 41 zwischen dem Außenschlauch 45 und dem Innenschlauch 44 vor liegen kann. Eine solche Verstrebung 41 ist beispielsweise speichenförmig gestaltet. Mittels der Verstrebung 41 ist sicherstellbar, dass der Innenschlauch 44 in einer definier ten Lage innerhalb des Außenschlauchs 45 verläuft. Eine sol che Verstrebung 41 kann auch in allen anderen Ausführungsbei spielen vorhanden sein.

Beim Ausführungsbeispiel des Transportschlauchs 4, wie in Fi gur 4 gezeigt, sind optional Endstücke 9 vorhanden. Über die Endstücke 9 ist der Transportschlauch 4 bevorzugt anschließ bar und befestigbar. Die Endstücke 9 können Ventile enthal ten, mit denen auch der nicht angeschlossene Transport schlauch 4 gasdicht sein kann. Solche Endstücke 9 können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein.

Weiterhin ist es möglich, dass insbesondere außen an dem Au ßenschlauch 45 eine Umhüllung 43 vorhanden ist. Die Umhüllung 43 schließt beispielsweise radial bündig mit den Endstücken 9 ab. Entsprechende Umhüllungen 43 und Endstücke 9 können in allen anderen Ausführungsbeispielen genauso verwendet werden.

Beim Ausführungsbeispiel der Figur 5 sind die Fahrzeugteile 2 des Fahrzeugs 1 über Drehgestelle aneinander gekoppelt. Die Fahrzeugteile 2 sind bestimmungsgemäß nicht dazu eingerich tet, regelmäßig voneinander separiert zu werden. Wiederum ist ein Trägergastank 6 vorhanden, von dem ausgehend die Brenn stoffzellen 3 über Wasserstoffleitungen 7 mit einem Trägergas 51 für Wasserstoff, insbesondere H2 Gas, versorgt werden. Ein

Trägergas 52 für Sauerstoff wird zum Beispiel der Umgebungs luft entnommen oder, bevorzugt, einer Hauptdruckluftleitung des Fahrzeugs 1. Das Fahrzeug 1 ist insbesondere ein Regio nalzug .

In Figur 6 ist illustriert, dass die Wasserstoffleitungen 7 jeweils durch ein Ventil 8 abgeschlossen sind. Das Ventil 8 kann innerhalb der Fahrzeugteile 2 angebracht sein oder sich außen an einem Fahrzeugteil 2 befinden. Entlang der Fahrzeug teile 2 aufeinanderfolgende Ventile 8 sind über den Trans portschlauch 4 miteinander verbunden. Dazu verfügt der Trans portschlauch 4 bevorzugt über die Endstücke 9, die auf die Ventile 8 abgestimmt sind. Das heißt, der Transportschlauch 4 ist lediglich zur Überbrückung eines Zwischenraums zwischen den Fahrzeugteilen 2 eingerichtet.

Eine mechanische Verbindung und Kopplung zwischen den Fahr zeugteilen 2 ist zur Vereinfachung der Darstellung in Figur 6 nicht dargestellt, ebenso wenig wie in Figur 7.

Demgegenüber erstreckt sich der Transportschlauch 4 gemäß Fi gur 7 durchgehend oder im Wesentlichen durchgehend zwischen den Brennstoffzellen 3 und/oder dem nicht gezeichneten Trä gergastank. Das heißt, der Transportschlauch 4 zwischen den Fahrzeugteilen 2 kann einstückig mit der Wasserstoffleitung 7 innerhalb der Fahrzeugteile 2 gestaltet sein. Damit können Ventile an einem Zwischenbereich zwischen den Fahrzeugteilen 2 entfallen.

Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschrei bung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr um fasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkma len in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Bezugszeichenliste

1 Fahrzeug

2 Fahrzeugteil

3 Brennstoffzelle

4 Transportschlauch

41 Verstrebung

42 Beschichtung

43 Umhüllung

44 Innenschlauch

45 Außenschlauch

51 Trägergas für Wasserstoff

52 Trägergas für Sauerstoff 6 Trägergastank

7 Wasserstoffleitung

8 Ventil

9 Endstück

10 Kopplung