WO2005073075A1 - Brennstoffzelleneinrichtung für ein u-boot - Google Patents

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WO2005073075A1
WO2005073075A1 PCT/EP2004/053724 EP2004053724W WO2005073075A1 WO 2005073075 A1 WO2005073075 A1 WO 2005073075A1 EP 2004053724 W EP2004053724 W EP 2004053724W WO 2005073075 A1 WO2005073075 A1 WO 2005073075A1
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WO
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cell modules
submarine
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Gerd Ahlf
Manfred Eder
Josef Lersch
Arno Mattejat
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
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    • B63H2021/003—Use of propulsion power plant or units on vessels the power plant using fuel cells for energy supply or accumulation, e.g. for buffering photovoltaic energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the PEM device consists of fuel cell modules which are designed to be shock-resistant and are supplied with hydrogen and oxygen via shock-resistant connections. Due to the shockproof design of the fuel cell len-Modules results in a special security of the operation in battle, in which high accelerations due to nearby explosions must always be expected.
  • the shock-resistant design is achieved by an advantageously robust inner design with higher material dimensions than would be necessary for the operation, and an advantageous mutual support of the individual module components. Together with shock-resistant connections for oxygen and hydrogen, this results in a module design that withstands high accelerations. This achieves a level of security that almost corresponds to that of a battery pack.
  • the fuel cell device consists of fuel cell modules that can be inserted into rustproof, gas-tight stainless steel pressure vessels, the stainless steel pressure vessels being smooth-walled.
  • This design of the fuel cell modules results in a gas-tight design of the fuel cell modules, so that a leakage of hydrogen into the boat atmosphere is prevented with certainty ...
  • the use of stainless steel pressure vessels is particularly advantageous, since the long-term Tightness is guaranteed.
  • the boat atmosphere can be corrosive.
  • the smooth-walled design advantageously ensures both that the individual fuel cell interior parts can be easily inserted into the pressure vessel and that the stainless steel pressure vessel can be inserted into a holding frame.
  • the smooth-walled design is advantageously corrosion-proof. No corners and angles can form in which corrosive condensates are held.
  • the fuel cell device consists of a plurality of fuel cell modules which are electrically connected in series and, if appropriate, of a reserve module, the number of which can be selected and depends on the voltage level of the modules and the energy supply system.
  • a reserve module By using several modules and possibly a reserve module, the availability of the electrical energy generated by the fuel cell device is increased considerably. It is provided that at least two modules are available when using powerful individual modules, while when using small modules, e.g. in the 30 to 40 kW range, a large number of modules are used and that a reserve module is always available to compensate for the failure of one of the modules.
  • the individual fuel cell modules have an output of 30 to 70 kW and have dimensions in the length of 1200 mm to 2000 mm and a width of 400 mm to 550 mm and a height of 400 mm to 550 mm, the modules being designed to be insertable, preferably insertable, in a common holding frame.
  • the modules With these dimensions and performance, particularly good stray field intestinal properties for the individual fuel cell modules can be achieved in a simple manner.
  • bar and the modules can be designed at the same time in such a way that they are easy to handle even in smaller submarines with their very limited space.
  • fuel cell modules In contrast to battery packs, which are relatively low-maintenance, fuel cell modules have to expect significantly higher repair and maintenance costs. The individual modules must therefore be easy to handle in the submarine.
  • the fuel cell device consists of fuel cell modules that have an output of 80 to 160 kW and dimensions in the length of 1500 mm to 2300 mm, a width of 450 mm to 650 mm and a height from 450 mm to 650 mm, these modules preferably also being designed to be insertable into a holding frame.
  • a fuel cell device with the aforementioned large fuel cell modules is used in particular for larger submarines operating in deeper water or for retrofitting submarines, since a simpler structure and a simpler media supply (H2, O2, N2 etc. ) than with a larger number of modules.
  • the individual fuel cell modules of the fuel cell device contain between 20 and 500 membranes, the membrane consisting of ion-conducting material. This results in the PEM fuel cell device used according to the invention.
  • the number of membranes depends on the desired voltage of the fuel cell modules.
  • the fuel line device according to the invention can be used not only for newly built submarines, but in particular for retrofitting conventional submarines. Here it can develop its advantages in a particularly good way, since the underwater range of conventional submarines can be significantly increased.
  • the fuel cell device has a current limiter in HTS technology which interacts with the fuel cell modules and which interacts with a circuit breaker.
  • Fuel cell devices require special protection so that they not only have to be designed to be shock-resistant, but also have to be specially protected electrically. Only in this way can the very high costs of a parature or possibly even a new creation, which could result from the occurrence of an arc or a simple short circuit.
  • a current limiter in HTS technology is particularly suitable for this, the current limiter interacting with a circuit breaker. This circuit breaker only switches a low power because the current limiter works, so that after the HTS current limiter has responded, there is very advantageously no voltage drop in the vehicle electrical system. The occurrence of an arc can also be largely avoided.
  • An HTS current limiter which is known per se, works without delay and without the generation of gases. It represents the optimal securing of a fuel cell device and is therefore particularly advantageous for the energy supply device according to the invention.
  • the physical fundamentals of an HTS current limiter have long been known, but now the HTS current limiters have reached a level of maturity that allows them to be cooled with liquid nitrogen.
  • the liquid nitrogen can advantageously be produced by a compressor from the nitrogen in the air, but it is also possible to take liquid nitrogen on board the submarine.
  • the submarine advantageously has a storage container for cryogenic liquid, in particular for liquid nitrogen, which is in particular electrically cooled.
  • the HTS current limiter and the storage container are arranged in the same segment as the energy supply system.
  • AIP Air Independent Propulsion
  • Every HTS current limiter has a non-measurable, negligibly small electrical resistance in the superconducting state.
  • the electrical resistance of the HTS current limiter increases abruptly until its superconducting state changes to its normal conducting state.
  • the HTS current limiter or its superconductor then assumes a finite resistance until it is cooled back down.
  • the HTS current limiter is used in conjunction with a galvanically isolating element with breaking capacity - i.e. a circuit breaker.
  • the galvanically isolating element is controlled automatically, for this the voltage difference is used, which is set in the normally conductive state between the input and output sides of the HTS current limiter.
  • the galvanically isolating element is switched on again by hand when the short circuit has been eliminated and its elimination has been determined by the crew of the submarine.
  • the fuel cell device has a control panel, in which a SIMATIC S 7 automation system for the control and monitoring of the fuel cell modules is arranged, the automation system advantageously having a smart voltage measurement system for measuring and monitoring the cell voltages Fuel cell modules serves as an information level. This is particularly good monitoring and control of the cell voltages and control of the fuel cell modules and thus the performance of the fuel cell device possible.
  • 1 denotes the integrated media connection block, in which, as can be seen, there are individual pipes as media couplings.
  • 2 designates multipole connectors for measuring, controlling and regulating the module and 3 designates the power connections that are connected to the submarine electrical system.
  • the minus poles are advantageously at the top and below, with the plus pole in the middle. This results in a low-stray egg training.
  • 4 indicates arrows on the position of the module-internal busbar.
  • the busbar is a four-wire arrangement, with a pair of wires on each side (1 x minus, 1 x plus).
  • 5 designates the part of the fuel cell device which contains the membranes for power generation, while 7 designates the connection area for the FC block.
  • the front plate of the fuel cell module is designated by 6. This can be shock-proof connected to the stainless steel pressure vessel and is also made of stainless steel.
  • FIGURE 3 shows the sealing plate of a fuel cell module.
  • the individual passage openings 13 or 14 and 15, which are dimensioned according to requirements, are advantageously provided with integrated sealing rings (shown in dark in the illustration).
  • the result is an integrated sealing plate that reliably separates the different media from one another.
  • the sealing plate shown which belongs to a 30 to 40 kW fuel cell module, advantageously has a width between 200 mm and 250 mm, a height between 110 mm and 140 mm and a thickness of approx. 1 mm in the area and from approx. 1.3 mm to 1.5 mm in the sealing area.
  • a sealing plate for a fuel cell module for the power size 120 to 140 kW is correspondingly larger.
  • FC control panel and a FC auxiliary control panel.
  • This can be designed as a "stand alone” control panel, but also as a control panel integrated into the existing main control panel of the boat.
  • the division of functions described below advantageously takes place, from which further inventive details can also be found.
  • the BZ control panel has the following main tasks:
  • FC auxiliary control panel All signals for controlling encoders and valves in the FC system (without FC modules) are first routed to the FC auxiliary control panel and from there to the corresponding encoders and valves (the energy required to control the aforementioned sensors and valves comes from the BZ auxiliary switch panel)
  • the FC auxiliary control panel has the following main tasks: - Supply of the FC control panel
  • FC auxiliary control panel The following hardware components are installed in the FC auxiliary control panel:

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Abstract

Brennstoffzelleneinrichtung mit H2-O2-Brennstoffzellen-modulen für ein U-Boot mit zumindest einem elektrischen Pro-pellermotor, 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 Brennstoffzellemodulen besteht, die in sich schockfest ausgebildet sind und über schockfest ausgebildete Anschlüsse mit Sauerstoff und Wasserstoff versogt werden.

Description

Beschreibung
BrennstoffZelleneinrichtung für ein U-Boot
Die Erfindung betrifft eine BrennstoffZelleneinrichtung mit H2-θ2-Brennstoffzellenmodulen für ein U-Boot mit zumindest einem elektrischen Propellermotor, einem Batteriesatz, einem Ladegenerator mit Antrieb und einem Energieversorgungssystem mit Stromschienen sowie Schalt- und Automatisierungseinrich- tungen, wobei die BrennstoffZelleneinrichtung anforderungsgerecht Elektroenergie erzeugt, die einem Energieübertragungssystem aufgegeben wird und wobei die Brennstoffzelleneinrich- tung als PEM-Einrichtung ausgebildet ist und insbesondere E- lekt'roenergie auf dem Spannungsniveau des Energieübertra- gungssystems 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 Antriebs- System für U-Boote beschrieben, dessen Brennstoffzellenemrichtung dem Vorstehenden entspricht. 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 Detektierbar- keit 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. Durch die schockfeste Ausbildung der Brennstoffzel- len-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 Beschleunigun- gen widersteht. Damit wird eine Sicherheit erreicht, die fast die der eines Batteriesatzes entspricht.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzellenemrichtung aus Brennstoffzellen-Modulen be- steht, 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 Wasser- Stoffaustritt 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 BrennstoffZeileneinrichtung aus Brennstoffzellen-Modulen besteht, die ein internes Stromschienensystem aufweisen, das streufeidarm 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 vorgesehe- nen, 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, vorzugs- weise einschiebbar ausgebildet sind. Bei diesen Abmessungen und Leistungen ist eine besonders gute Streufeldarmut für die einzelnen Brennstoffzellen-Module in einfacher Weise erreich- bar 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 Brennstoffzellenemrichtung 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 Hal- tegerüst einbringbar ausgebildet sind. Eine Brennstoffzellenemrichtung 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 Medienversor- gung (H2, O2, N2 etc.) als bei einer größeren Zahl von Modulen ergibt .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die BrennstoffZeileneinrichtung aus Brennstoffzellen-Modulen besteht, die einen hoch integrierten, schocksicheren Medien- anschlussblock für Gase und Wasser aufweisen, der mit hoch integrierten, schocksicheren Medienkupplungen für Gase und Wasser versehen ist. Die Abdichtung der externen Medienver- und -entsorgung geschieht dabei über hoch integrierte Dicht- platten für Gase und Wasser, 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-Brennstoffzellenemrichtung. 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 Brennstof zellen-Module Schutzgas befindet, das mittels einer Schutzgastrocknungseinrichtung trocken gehalten wird. So werden zum einen der Iso- lationswiderstand 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 2 verwendet.
Die erfindungsgemäße BrennstoffZeileneinrichtung ist nichtnur 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 entschei- dend 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 Brennstoffzellenemrichtung ist vorgesehen, dass sie einen mit den Brennstoffzellen-Modulen zusammenwirkenden Strombegrenzer in HTS- Technik aufweist, der mit einem Leistungsschalter zusammenwirkt. BrennstoffZelleneinrichtungen bedürfen eines besonde- ren 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 Re- paratur 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 Brennstoffzellenemrichtung 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 Flüssig- keit, 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 Aufhei— zen des flüssigen Sauerstoffs, der für den Betrieb der BrennstoffZeileneinrichtung 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 An- Ordnung 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 ent- hält, 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 s ch im normal leitenden Zustand zwischen Ein- und Ausgangsseite des HTS-Strombegrenzers einstellt. Das Wiedereinschalten des galvanisch trennenden Elements erfolgt von Hand, wenn der Kurz- schluss beseitigt und seine Beseitigung durch die Besatzung des U-Boots festgestellt ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzellenemrichtung 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 Brennstoffzellenemrichtung 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 Sicherheits- Standard. 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 Unt.eransprüchen, weitere erfindungswesentliche Einzelheiten entnehmbar sind.
Es zeigen: FIGUR 1 ein Brennstoffzellen-Modul im Leistungsbereich von 30 bis 40 kW ohne Druckbehälter; FIGUR 2 ein Brennstoffzellen-Modul im Leistungsbereich von 120 bis 140 kW im Druckbehälter und FIGUR 3 eine Dichtplatte zur Abdichtung der Medien- räume nach außen und untereinander.
In FIGUR 1 bezeichnet 1 den integrierten Medienanschluss- block, 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 streufeidarme Ausbildung. Mit 4 sind Hinweispfeile auf die Lage der modulinternen Verschienung bezeichnet. Bei der Verschienung handelt es sich um eine Vier- leiteranordnung, 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 Brenn- stoffzellenmoduls bezeichnet. Diese kann schockfest mit dem Edelstahldruckbehälter verbunden werden und ist ebenfalls in Edelstahl ausgeführt.
In FIGUR 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 FIGUR 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 sei- ner 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 FIGUR 2 ersichtlich, ausreichen, um das Brennstoffzellen-Modul hantieren zu können.
FIGUR 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 peri- pheren 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 Einschaltström in der BZ-Anlage.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzelleneinrichtung mit H2-θ2-Brennstoffzellen- modulen für ein U-Boot mit zumindest einem elektrischen Pro- pellermotor, 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 Brennstoffzellenmodu- len besteht, die in sich schockfest ausgebildet sind und über schockfest ausgebildete Anschlüsse mit Sauerstoff und Wasserstoff versorgt werden.
2. Brennsto fzelleneinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie aus Brennsto fzellen-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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie aus Brennstoffzellen-Modulen besteht, die ein internes, streufeidarm ausgebildetes Stromschienensystem aufweisen.
4. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie aus mehreren, elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen- Modulen und ggf. einem Reserve-Modul besteht, deren Anzahl vom Spannungsniveau des Energieversorgungssystems und der Mo- dule abhängt.
5. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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. Brennstof zelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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 einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, Ü d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie aus Brennstoffzellen-Modulen besteht, die einen hochintegrierten, schockfest ausgebildeten Medienanschlussblock für Gase und Wasser aufweisen.
8. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der hochintegrierte, schockfeste Medienanschlussblock für Gase und Wasser hochintegrierte Medienkupplungen für Gase und Wasser aufweist .
9. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die b- dichtung der externen Medienver- und -entsorgung der Brennstoffzellen-Module über hochintegrierte Dichtplatten für Gase und Wasser erfolgt.
10. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie aus Brennstoffzellen-Modulen besteht, die zwischen 20 und 500 Membranen enthalten, wobei die Membrane aus Ionen leitendem Material bestehen.
11. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich in den Druckbehältern der Brennsto fzellen-Module Schutzgas befindet, das mittels einer Schutzgastrocknungseinrichtung trocken gehalten wird.
12. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie zur Nachrüstung von konventionellen U-Booten verwendet wird.
13. Brennstoffzelleneinrichtung - iach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das E- nergieübertragungsSystem des U-Boots einen mit den Brenn- stoffzellen-Modulen zusammenwirkenden Strombegrenzer in HTS- Technik aufweist, der mit einem Leistungsschalter zusammenwirkt .
14. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie zumindest einen mit einem Leistungsschalter zusammenwirkenden HTS-Strombegrenzer aufweist, der mit einer kryogenen Flüssigkeit gekühlt wird.
15. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der HTS- Strombegrenzer mit einem Vorratsbehälter für kryogene Flüssigkeit verbunden ist, der insbesondere elektrisch gekühlt wird.
16. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 14 oder 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der HTS- Strombegrenzer mit einem Vorratsbehälter verbunden ist, dessen Verdampfungswärme zum Aufheizen des flüssigen Sauerstoffes (O2) genutzt wird, der zum Betrieb der Brennstoffzellen- einrichtung dient.
17. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 13, 14, 15 oder 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der HTS-Strombegrenzer und der Vorratsbehälter in demselben Seg- ment des U-Boots wie die Brennstoffzellen-Module angeordnet sind.
18. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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.
19. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 18, d a d u r c h- g e k e n n z e i c h n e t , 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.
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