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Dokumentenidentifikation DE102004004623B4 29.12.2005
Titel Brennstoffzelleneinrichtung für ein U-Boot
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Ahlf, Gerd, 91369 Wiesenthau, DE;
Eder, Manfred, 91334 Hemhofen, DE;
Lersch, Josef, 91336 Heroldsbach, DE;
Mattejat, Arno, Dr., 91056 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 29.01.2004
DE-Aktenzeichen 102004004623
Offenlegungstag 01.09.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.12.2005
IPC-Hauptklasse B63G 8/08
IPC-Nebenklasse B60L 11/18   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinrichtung mit H2-O2-Brennstoffzellenmodulen für ein U-Boot mit zumindest einem elektrischen Propellermotor, einem Batteriesatz, einem Ladegenerator mit Antrieb und einem Energieversorgungssystem mit Stromschienen sowie Schalt- und Automatisierungseinrichtungen, wobei die Brennstoffzelleneinrichtung anforderungsgerecht Elektroenergie erzeugt, die einem Energieübertragungssystem aufgegeben wird und wobei die Brennstoffzelleneinrichtung als PEM-Einrichtung ausgebildet ist und insbesondere Elektroenergie auf dem Spannungsniveau des Energieübertragungssystems liefert.

Aus dem Prospekt der SIEMENS AG, Titel: ELECTRICAL SYSTEMS FOR SUBMARINES, 174 D 6076 WS 06011, ist auf Seite 10 unter der Überschrift: "AIR-INDEPENDENT PROPULSION" ein Antriebssystem für U-Boote beschrieben, dessen Brennstoffzelleneinrichtung dem Vorstehenden entspricht.

Zum Stand der Technik wird zusätzlich auf die WO 02/27833 A2 und die DE 92 13 863 U1 verwiesen. Die WO 02/27833 A2 offenbart eine Brennstoffzellenanlage mit einem Brennstoffzellenmodul, das aus Sicherheitsgründen in einem gasdichten Druckbehälter eingeschlossen ist. Die DE 92 13 863 U1 zeigt eine Sicherung eines Akkublockes gegen ein Hochspringen bei einer Minen- oder Wasserbombenexplosion unter einem U-Boot. Auf die Schockfestigkeit wird jedoch nicht im Einzelnen eingegangen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, das aus dem Prospekt bekannte System mit seinen Brennstoffzellen-Modulen derart auszugestalten, dass es für U-Boote besonders geeignet ausgebildet ist. Die innerhalb des Systems gebildete Brennstoffzelleneinrichtung soll dabei insbesondere den Sicherheitsanforderungen, die an eine U-Boot-Antriebseinrichtung gestellt werden, entsprechen und dabei der Besatzung eine erhöhte Sicherheit im Gefechtsfall bieten. Darüber hinaus soll auch die Signatur, d.h. die Detektierbarkeit der elektrischen und elektromagnetischen Emissionen des U-Boots, verringert werden.

Die Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, dass die PEM-Einrichtung aus Brennstoffzellen-Modulen besteht; die in sich schockfest ausgebildet sind und über schockfest ausgebildete Anschlüsse mit Wasserstoff und Sauerstoff versorgt werden, die einen hoch integrierten, schockfest ausgebildeten Medienanschlussblock mit hoch integrierten Medienkupplungen für Gase und Wasser aufweisen. Durch die schockfeste Ausbildung der Brennstoffzellen-Module ergibt sich eine besondere Sicherheit des Betriebs im Gefecht, bei dem immer mit hohen Beschleunigungen aufgrund naher Explosionen gerechnet werden muss. Die schockfeste Ausbildung wird durch eine vorteilhaft robuste innere Ausführung mit höheren Materialdimensionen als es für den Betrieb notwendig wäre, und eine vorteilhafte gegenseitige Abstützung der einzelnen Modulkomponenten erreicht. Zusammen mit schockfest ausgebildeten Anschlüssen für Sauerstoff und Wasserstoff ergibt sich so eine Modulausbildung, die hohen Beschleunigungen widersteht. Damit wird eine Sicherheit erreicht, die fast der eines Batteriesatzes entspricht.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinrichtung aus Brennstoffzellen-Modulen besteht, die in nicht rostende, gasdichte Edelstahldruckbehälter einschiebbar ausgebildet sind, wobei die Edelstahldruckbehälter glattwandig ausgebildet werden. Durch diese Ausbildung der Brennstoffzellen-Module ergibt sich eine gasdichte Ausbildung der Brennstoffzellen-Module, so dass ein Wasserstoffaustritt in die Bootsatmosphäre mit Sicherheit verhindert wird. Die Verwendung von nicht rostenden Edelstahldruckbehältern ist dabei besonders vorteilhaft, da so auch die Langzeit-Dichtigkeit gewährleistet ist. Die Bootsatmosphäre kann korrosiv wirken. Die glattwandige Ausbildung sorgt dabei vorteilhaft sowohl für eine gute Einschiebbarkeit der einzelnen Brennstoffzelleninnenteile in die Druckbehälter als auch für eine gute Einschiebbarkeit der Edelstahldruckbehälter in ein Haltegerüst. Die glattwandige Ausführung ist dabei vorteilhaft korrosionssicher. Es können sich keine Ecken und Winkel bilden, in denen korrosiv wirkende Kondensate festgehalten werden.

In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinrichtung aus Brennstoffzellen-Modulen besteht, die ein internes Stromschienensystem aufweisen, das streufeldarm ausgeführt ist. Bei einem internen streufeldarmen Stromschienensystem sind die einzelnen Leiter so angeordnet, dass sich ihre Felder weitgehend gegeneinander aufheben. Beispielsweise wird ein Pluspol in dem Brennstoffzellen-Modul zwischen zwei Minuspolen angeordnet, insbesondere ausgangsseitig. Im Inneren wird mit einer modulinternen Verschienung gearbeitet, die eine Vier-Leiter-Anordnung aufweist, wobei auf jeder Seite des rechteckförmig ausgebildeten Moduls ein Leiterpaar (1 x Minus, 1 x Plus) angeordnet ist. Die auftretenden Felder kompensieren sich nicht vollständig, die Abstrahlung ist jedoch so gering, dass sie im Inneren des U-Bootes ohne weiteres hingenommen werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinrichtung aus mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen-Modulen und ggf. aus einem Reserve-Modul besteht, deren Anzahl wählbar ist und vom Spannungsniveau der Module und des Energieversorgungssystems abhängt. Durch die Verwendung mehrerer Module und ggf. eines Reserve-Moduls wird die Verfügbarkeit der Elektroenergie, die durch die Brennstoffzelleneinrichtung erzeugt wird, erheblich gesteigert. Es ist dabei vorgesehen, dass bei Verwendung von leistungsstarken einzelnen Modulen mindestens zwei Module vorhanden sind, während bei der Verwendung von kleinen Modulen, z.B. im 30 bis 40 kW-Bereich, eine Vielzahl von Modulen verwendet wird und dass ständig ein Reserve-Modul bereit steht, um den Ausfall eines der Module kompensieren zu können.

In einer, insbesondere für relativ kleine U-Boote vorgesehenen, Ausführung weisen die einzelnen Brennstoffzellen-Module eine Leistung von 30 bis 70 kW auf und haben Abmessungen in der Länge von 1200 mm bis 2000 mm, einer Breite von 400 mm bis 550 mm und einer Höhe von 400 mm bis 550 mm, wobei die Module in ein gemeinsames Haltegerüst einbringbar, vorzugsweise einschiebbar ausgebildet sind. Bei diesen Abmessungen und Leistungen ist eine besonders gute Streufeldarmut für die einzelnen Brennstoffzellen-Module in einfacher Weise erreichbar und die Module sind gleichzeitig so ausgestaltbar, dass sie auch in kleineren U-Booten mit ihrem sehr beschränkten Platz gut hantierbar sind. Bei Brennstoffzellen-Modulen muss im Gegensatz zu Akku-Blöcken, die relativ wartungsarm sind, mit einem wesentlich höheren Reparatur- und Wartungsaufwand gerechnet werden. Die einzelnen Module müssen also im U-Boot gut hantierbar ausgebildet sein.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinrichtung aus Brennstoffzellen-Modulen besteht, die eine Leistung von 80 bis 160 kW haben sowie Abmessungen in der Länge von 1500 mm bis 2300 mm, einer Breite von 450 mm bis 650 mm und einer Höhe von 450 mm bis 650 mm, wobei diese Module vorzugsweise ebenfalls in ein Haltegerüst einbringbar ausgebildet sind. Eine Brennstoffzelleneinrichtung mit vorgenannten großen Brennstoffzellen-Modulen wird besonders für größere, im tieferen Wasser operierende U-Boote bzw. für die Nachrüstung von U-Booten eingesetzt, da sich ein einfacherer Aufbau und eine einfachere Medienversorgung (H2, O2, N2 etc.) als bei einer größeren Zahl von Modulen ergibt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abdichtung der externen Medienver- und -entsorgung dabei über hoch integrierte Dichtplatten für Gase und Wasser geschieht, so dass sich insgesamt eine klein bauende, schockfeste Versorgungseinheit für die externen Medien ergibt. Im Bereich der Dichtplatten sind auch die Energieversorgungsleitungen mit ihren Plus- und Minus-Polen gasdicht angeordnet. Die integrierte Medienkupplung befindet sich vorteilhaft an einer der Stirnseiten der nicht rostenden, schockfesten, gasdichten Edelstahldruckbehälter und wird schockfest mit diesen verschraubt. Insgesamt ergibt sich also eine besonders für U-Boote geeignete Ausbildung einer Brennstoffzelleneinrichtung.

Die einzelnen Brennstoffzellen-Module der Brennstoffzelleneinrichtung enthalten zwischen 20 und 500 Membranen, wobei die Membrane aus Ionen leitendem Material bestehen. So ergibt sich die erfindungsgemäß verwendete PEM-Brennstoffzelleneinrichtung. Die Zahl der Membranen ist dabei von der gewünschten Spannung der Brennstoffzellen-Module abhängig.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich in den Druckbehältern der Brennstoffzellen-Module Schutzgas befindet, das mittels einer Schutzgastrocknungseinrichtung trocken gehalten wird. So werden zum einen der Isolationswiderstand der BZ-Module hoch gehalten und zum anderen auch im Inneren der Druckbehälter Korrosionsprobleme vermieden und die Lebensdauer der Brennstoffzellen-Module erheblich gesteigert. Als Schutzgas wird erfindungsgemäß N2 verwendet.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinrichtung ist nicht nur für neu gebaute U-Boote sondern insbesondere zur Nachrüstung von konventionellen U-Booten verwendbar. Hier kann sie ihre Vorteile in besonders guter Weise entfalten, da die Unterwasserreichweite von konventionellen U-Booten so entscheidend gesteigert werden kann. Die hohen Kosten für neue U-Boote können vermieden werden, gleichzeitig werden alle Vorteile, die sich durch die Energieerzeugung durch Brennstoffzelleneinrichtungen für die U-Boote ergeben, erreicht.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Brennstoffzelleneinrichtung ist vorgesehen, dass sie einen mit den Brennstoffzellen-Modulen zusammenwirkenden Strombegrenzer in HTS-Technik aufweist, der mit einem Leistungsschalter zusammenwirkt. Brennstoffzelleneinrichtungen bedürfen eines besonderen Schutzes, so dass sie nicht nur schockfest ausgebildet werden müssen, sondern auch elektrisch besonders geschützt werden müssen. Nur so können die sehr hohen Kosten einer Reparatur oder evtl. sogar einer Neuerstellung vermieden werden, die sich ggf. durch das Entstehen eines Lichtbogens oder auch eines einfachen Kurzschlusses ergeben könnten. Ein Strombegrenzer in HTS-Technik ist dafür besonders geeignet, wobei der Strombegrenzer mit einem Leistungsschalter zusammenwirkt. Dieser Leistungsschalter schaltet nur eine geringe Leistung, da der Strombegrenzer wirkt, so dass nach dem Ansprechen des HTS-Strombegrenzers sehr vorteilhaft kein Spannungseinbruch im Bordnetz entsteht. Auch das Auftreten eines Lichtbogens kann weitestgehend vermieden werden.

Ein HTS-Strombegrenzer, der an sich bekannt ist, arbeitet ohne Verzögerung und ohne die Erzeugung von Gasen. Er stellt die optimale Sicherung einer Brennstoffzelleneinrichtung dar und ist deshalb besonders vorteilhaft für die erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung. Die physikalischen Grundlagen eines HTS-Strombegrenzers sind bereits des Längeren bekannt, nunmehr haben die HTS-Strombegrenzer jedoch eine Reife erreicht, die es erlaubt, sie mit flüssigem Stickstoff zu kühlen. Der flüssige Stickstoff kann vorteilhaft durch einen Verdichter aus dem in der Luft befindlichen Stickstoff hergestellt werden, es ist aber auch eine Mitnahme von flüssigem Stickstoff an Bord des U-Boots möglich. Hierzu weist das U-Boot vorteilhaft einen Vorratsbehälter für kryogene Flüssigkeit, insbesondere für flüssigen Stickstoff auf, der insbesondere elektrisch gekühlt wird. Es ist dabei für ein U-Boot, welches eine Brennstoffzelleneinrichtung an Bord hat, besonders günstig, wenn der HTS-Strombegrenzer mit einem Vorratsbehälter verbunden ist, dessen Verdampfungswärme zum Aufheizen des flüssigen Sauerstoffs, der für den Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung vorgesehen ist, benutzt wird. So ergibt sich ein vorteilhafter Energieverbund an Bord eines U-Boots mit Brennstoffzellen.

Von besonderem Vorteil ist dabei, wenn der HTS-Strombegrenzer und der Vorratsbehälter in demselben Segment wie die Energieversorgungsanlage angeordnet sind. Insbesondere bei einer Anordnung des HTS-Strombegrenzers in einem z.B. nachgerüsteten AIP-U-Bootssegment (AIP = Air Independent Propulsion) ergibt sich ein Nachrüstungssegment für das U-Boot, das in optimaler Weise die nachzurüstenden Energieversorgungskomponenten enthält, so dass diese nicht in dem ursprünglichen Bootskörper, der ja bis zum letzten Winkel ausgenutzt ist, angeordnet werden müssen.

Jeder HTS-Strombegrenzer hat im supraleitenden Zustand einen nicht messbaren, vernachlässigbar kleinen elektrischen Widerstand. Im Falle eines Stromes, der oberhalb des Bemessungsstroms liegt, steigt der elektrische Widerstand des HTS-Strombegrenzers sprungartig an, bis sein supraleitender Zustand in seinen normal leitenden Zustand überwechselt. Der HTS-Strombegrenzer bzw. dessen Supraleiter nimmt dann einen endlichen Widerstand an, bis er wieder zurückgekühlt wird. In einem Energieversorgungsnetz wird der HTS-Strombegrenzer in Verbindung mit einem galvanisch trennenden Element mit Ausschaltvermögen eingesetzt – also einem Leistungsschalter.

Das galvanisch trennende Element wird automatisch angesteuert, hierzu wird die Spannungsdifferenz benutzt, die sich im normal leitenden Zustand zwischen Ein- und Ausgangsseite des HTS-Strombegrenzers einstellt. Das Wiedereinschalten des galvanisch trennenden Elements erfolgt von Hand, wenn der Kurzschluss beseitigt und seine Beseitigung durch die Besatzung des U-Boots festgestellt ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinrichtung eine Steuertafel aufweist, in der ein SIMATIC S 7-Automatisierungssystem für die Steuerung und Überwachung der Brennstoffzellen-Module angeordnet ist, wobei dem Automatisierungssystem vorteilhaft ein Smart-Spannungsmesssystem zur Messung und Überwachung der Zellspannungen der Brennstoffzellen-Module als Informationsebene dient. So ist eine besonders gute Überwachung und Steuerung der Zellspannungen und Steuerung der Brennstoffzellen-Module und damit der Leistung der Brennstoffzelleneinrichtung möglich.

Des weiteren weist die erfindungsgemäße Einrichtung. SIMATIC S 7 Automatisierungskomponenten für die Steuerung und Überwachung der Brennstoffzelleneinrichtung sowie insbesondere für die Sicherheitsautomatik der Brennstoffzelleneinrichtung auf. So ergibt sich auch in Bezug auf die Steuerung und Überwachung der Brennstoffzelleneinrichtung ein hoher Sicherheitsstandard. Dazu gehört auch ein DC/DC-Wandler zur potential getrennten Versorgung der Geber und Ventile in den Brennstoffzellen-Modulen. Bedienung und Beobachtung erfolgt dabei vorteilhaft vor Ort über einen ICOS-PC, der dem Bedienen und Beobachten der Brennstoffzelleneinrichtung dient und einen vor Ort angeordneten Steuerstand der Brennstoffzelleneinrichtung bildet. Insgesamt ergibt sich also eine Brennstoffzelleneinrichtung, die mechanisch und elektrisch höchsten Sicherheitsanforderungen entspricht.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, ` aus denen, ebenso wie aus den Unteransprüchen, weitere Einzelheiten entnehmbar sind.

Es zeigen:

1 ein Brennstoffzellen-Modul im Leistungsbereich von 30 bis 40 kW ohne Druckbehälter;

2 ein Brennstoffzellen-Modul im Leistungsbereich von 120 bis 140 kW im Druckbehälter und

3 eine Dichtplatte zur Abdichtung der Medienräume nach außen und untereinander.

In 1 bezeichnet 1 den integrierten Medienanschlussblock, in dem sich, wie ersichtlich, Einzelrohre als Medienkupplungen befinden. 2 bezeichnet vielpolige Steckverbinder für das Messen, Steuern und Regeln des Moduls und 3 bezeichnet die Stromanschlüsse, die mit dem U-Boot-Bordnetz verbunden sind. Die Minus-Pole befinden sich vorteilhaft oben und unten, während sich der Plus-Pol in der Mitte befindet. So ergibt sich eine streufeldarme Ausbildung. Mit 4 sind Hinweispfeile auf die Lage der modulinternen Verschienung bezeichnet. Bei der Verschienung handelt es sich um eine Vierleiteranordnung, dabei befindet sich auf jeder Seite ein Leiterpaar (1 x Minus, 1 x Plus). Mit 5 ist der Teil der Brennstoffzelleneinrichtung bezeichnet, der die Membranen zur Stromerzeugung enthält, während 7 den Anschlussbereich für den BZ-Block bezeichnet. Mit 6 ist die Frontplatte des Brennstoffzellenmoduls bezeichnet. Diese kann schockfest mit dem Edelstahldruckbehälter verbunden werden und ist ebenfalls in Edelstahl ausgeführt.

In 2, die ein Brennstoffzellen-Modul der Leistungsgröße 120 bis 140 kW zeigt, ist der Medienanschlussblock mit 8 bezeichnet. 9 bezeichnet die Energieübertragungsanschlüsse, die wie in 1 angeordnet sind. Auch hier ist der Plus-Pol in der Mitte und die beiden Minus-Pole befinden sich außen. Der glatte Edelstahldruckbehälter ist mit 10 bezeichnet, an seiner Frontseite befindet sich eine Flanschplatte 11, ebenfalls aus Edelstahl. Diese weist vorteilhaft ebenso wie die nicht näher gezeigte hintere Flanschplatte Gewindebohrungen zum Einschrauben von Halteösen 12 auf. So ergibt sich die bereits im Text erwähnte leichte Hantierbarkeit, da relativ kleine Hebezeuge, wie aus 2 ersichtlich, ausreichen, um das Brennstoffzellen-Modul hantieren zu können.

3 zeigt die Dichtplatte eines Brennstoffzellen-Moduls. Wie ersichtlich, sind die einzelnen Durchtrittsöffnungen 13 bzw. 14 und 15, die anforderungsgerecht dimensioniert sind, vorteilhaft mit integrierten Dichtungsringen (in der Darstellung dunkel gezeichnet) versehen. So ergibt sich eine integrierte Dichtplatte, die eine zuverlässige Trennung der unterschiedlichen Medien voneinander bewirkt. Die dargestellte Dichtplatte, die zu einem 30 bis 40 kW Brennstoffzellen-Modul gehört, weist vorteilhaft eine Breite zwischen 200 mm und 250 mm, eine Höhe zwischen 110 mm und 140 mm und eine Dicke von ca. 1 mm im Flächenbereich und von ca. 1,3 mm bis 1,5 mm im Dichtungsbereich auf. Insgesamt ergibt sich eine sehr hohe Integration der Medien-Durchlassöffnungen bei guter, schockfester Abdichtung. Eine Dichtplatte für ein Brennstoffzellen-Modul für die Leistungsgröße 120 bis 140 kW ist entsprechend größer dimensioniert.

Die Überwachung und Steuerung der Brennstoffzellenmodule erfolgt durch eine BZ-Steuertafel und eine BZ-Hilfsschalttafel. Diese kann als „stand alone"-Schalttafel, aber auch als in die vorhandene Haupt-Schalttafel des Bootes integrierte Schalttafel ausgebildet sein. Vorteilhaft erfolgt dabei die im folgenden ausgeführte Funktionsaufteilung, aus der auch weitere erfinderische Einzelheiten entnehmbar sind.

Die BZ-Steuertafel hat folgende Hauptaufgaben:

  • – Steuerung und Überwachung der BZ-Module (die in den BZ-Modulen eingebauten Geber und Ventile erhalten die benötigte Energie über 24VDC/DC-Wandler von der BZ-Steuertafel aus, die Hauptenergie für die vorgenannten 24VDC/DC-Wandler kommt aus der BZ-Hilfsschalttafel)
  • - Steuerung und Überwachung der gesamten BZ-Anlage inkl. der peripheren Ver- und Entsorgungssysteme für H2, O2, Kühlwasser, Stickstoff, Deionat, Vakuum etc.; alle Signale zur Ansteuerung von Gebern und Ventilen in der BZ-Anlage (ohne BZ-Module) werden zunächst zur BZ-Hilfsschalttafel geleitet und von dort an die entsprechenden Geber und Ventile weitergeleitet (die benötigte Energie für die Ansteuerung vorgenannter Geber und Ventile kommt aus der BZ-Hilfsschalttafel)
  • – Bedienung der BZ-Anlage vor Ort durch den in die BZ-Steuertafel eingebauten PC
  • – Bereitstellung der Signale für das übergeordnete Leitsystem zur Visualisierung der BZ-Anlagenzustände (nicht AIP-Nachrüstung)

In der BZ-Steuertafel sind unter anderem folgende Hardwarekomponenten eingebaut:

  • – Simatic S7-Automatisierungssysteme für die Steuerung und Überwachung der BZ-Module
  • – Simatic S7-Automatisierungssysteme für die Steuerung und Überwachung der BZ-Anlage
  • Simatic S7-Automatisierungssysteme für die Sicherheitsautomatik der BZ-Anlage
  • – DC/DC-Wandler zur potential getrennten Versorgung der Geber und Ventile in den BZ-Modulen
  • – Smart Spannungsmesssysteme zur Messung und Überwachung der Zellspannungen der BZ-Module
  • – ICOS-PC inkl. Keyboard mit Trackball, für Bedienung und Beobachtung der BZ-Anlage vor Ort
  • – Optical Link Module zur Weitergabe der Signale an das übergeordnete Leitsystem zur Visualisierung der BZ-Anlagenzustände (nicht AIP-Nachrüstung)

Die BZ-Hilfsschalttafel hat folgende Hauptaufgaben:

  • – Versorgung der BZ-Steuertafel
  • – Elektrische Versorgung der gesamten Geber, Ventile, Pumpen etc., der gesamten BZ-Anlage inkl. der peripheren Ver- und Entsorgungssysteme für H2, O2, Kühlwasser, Stickstoff, Deionat, Vakuum etc., mit der benötigten Energie (DC 24V, DC 160 – 330V, 3 AC 6ßHz 115V)
  • – Bedienung (Handsteuerung) der Pumpen und der Vorwärmheizung der BZ-Anlage vor Ort
  • - Isolationsmessung und -anzeige der BZ-Anlage
  • – Sammlung und Weiterleitung von Signalen diverser Boots-Systeme, z.B. Fahranlage, Bordnetz, BZ-Anlage etc.

In der BZ-Hilfsschalttafel sind unter anderem folgende Hardwarekomponenten eingebaut:

  • – Messeinrichtungen zur Isolationsmessung der BZ-Anlage
  • – Stromversorgungsgeräte DC 330V / DC 24V
  • – Kondensatoren zur Spannungspufferung
  • – 3-polige Leistungsschalter zum Ein- und Ausschalten der Pumpen und Verbraucher mit hohem Einschaltstrom in der BZ-Anlage.


Anspruch[de]
  1. Brennstoffzelleneinrichtung mit H2-O2-Brennstoffzellenmodulen für ein U-Boot mit zumindest einem elektrischen Propellermotor, einem Batteriesatz, einem Ladegenerator mit Antrieb und einem Energieversorgungssystem mit Stromschienen sowie Schalt- und Automatisierungseinrichtungen, wobei die Brennstoffzelleneinrichtung anforderungsgerecht Elektroenergie erzeugt, die einem Energieübertragungssystem aufgegeben wird und wobei die Brennstoffzelleneinrichtung als PEM-Einrichtung ausgebildet ist und insbesondere Elektroenergie auf dem Spannungsniveau des Energieübertragungssystems liefert und wobei die PEM-Einrichtung aus Brennstoffzellenmodulen besteht, die in sich schockfest ausgebildet sind, wozu sie eine robuste innere Ausführung mit höheren Materialdimensionen als es für den Betrieb notwendig wäre und eine gegenseitige Abstützung der einzelnen Modulkomponenten aufweisen und wobei diese durch schockfest ausgebildete Anschlüsse mit Sauerstoff und Wasserstoff versorgt werden, die einen hoch integrierten, schockfest ausgebildeten Medienanschlussblock mit hoch integrierten Medienkupplungen für Gase und Wasser aufweisen.
  2. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Brennstoffzellen-Modulen besteht, die in nicht rostende, gasdichte Edelstahldruckbehälter einschiebbar ausgebildet sind, wobei die Edelstahldruckbehälter insbesondere glattwandig ausgebildet sind.
  3. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Brennstoffzellen-Modulen besteht, die ein internes, streufeldarm ausgebildetes Stromschienensystem aufweisen.
  4. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mehreren, elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen-Modulen und ggf. einem Reserve-Modul besteht, deren Anzahl vom Spannungsniveau des Energieversorgungssystems und der Module abhängt.
  5. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Brennstoffzellen-Modulen besteht, die eine Leistung von 30 bis 70 kW haben und Abmessungen in der Länge von 1200 mm bis 2000 mm, Breite von 400 mm bis 550 mm und Höhe von 400 mm bis 550 mm aufweisen und wobei die Brennstoffzellen-Module in ein gemeinsames Haltegerüst einbringbar, vorzugsweise einschiebbar sind.
  6. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Brennstoffzellen-Modulen besteht, die eine Leistung von 80 bis 160 kW haben sowie Abmessungen in der Länge von 1500 mm bis 2300 mm, Breite von 450 mm bis 650 mm und Höhe von 450 mm bis 650 mm aufweisen und wobei die Brennstoffzellen-Module in einem Haltegerüst befestigbar sind.
  7. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung der externen Medienver- und -entsorgung der Brennstoffzellen-Module über hoch integrierte Dichtplatten für Gase und Wasser erfolgt.
  8. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Brennstoffzellen-Modulen besteht, die zwischen 20 und 500 Membranen enthalten, wobei die Membrane aus Ionen leitendem Material bestehen.
  9. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in den Druckbehältern der Brennstoffzellen-Module Schutzgas befindet, das mittels einer Schutzgastrocknungseinrichtung trocken gehalten wird.
  10. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Nachrüstung von konventionellen U-Booten verwendet wird.
  11. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieübertragungssystem des U-Boots einen mit den Brennstoffzellen-Modulen zusammenwirkenden Strombegrenzer in HTS-Technik aufweist, der mit einem Leistungsschalter zusammenwirkt.
  12. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest einen mit einem Leistungsschalter zusammenwirkenden HTS-Strombegrenzer aufweist, der mit einer kryogenen Flüssigkeit gekühlt wird.
  13. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der HTS-Strombegrenzer mit einem Vorratsbehälter für kryogene Flüssigkeit verbunden ist, der insbesondere elektrisch gekühlt wird.
  14. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der HTS-Strombegrenzer mit einem Vorratsbehälter verbunden ist, dessen Verdampfungswärme zum Aufheizen des flüssigen Sauerstoffes (O2) genutzt wird, der zum Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung dient.
  15. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 11, 12, 14 oder dadurch gekennzeichnet, dass der HTS-Strombegrenzer und der Vorratsbehälter in demselben Segment des U-Boots wie die Brennstoffzellen-Module angeordnet sind.
  16. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuertafel aufweist, in der Smart-Spannungsmesssysteme zur Messung und Überwachung der Zellspannungen der Brennstoffzellen-Module sowie ein Automatisierungssystem, vorzugsweise in Form einer SIMATIC S 7 der Firma SIEMENS für die Steuerung und Überwachung der Brennstoffzellen-Module angeordnet sind.
  17. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuertafel ein Automatisierungssystem auf der Basis der SIMATIC S 7 von SIEMENS für die Steuerung und Überwachung der gesamten Brennstoffzelleneinrichtung sowie ein Automatisierungssystem auf der Basis der SIMATIC S 7 von SIEMENS für die Sicherheitsautomatik der Brennstoffzelleneinrichtung angeordnet ist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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