DE102018202972A1

DE102018202972A1 - Energieversorgungssystem für ein Unterwasserfahrzeug, Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems sowie Unterwasserfahrzeug mit einem solchen Energieversorgungssystem

Info

Publication number: DE102018202972A1
Application number: DE102018202972.5A
Authority: DE
Inventors: Joachim Hoffmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2019-08-29
Also published as: WO2019166298A1

Abstract

Bei einem Energieversorgungssystem (4) für ein Unterwasserfahrzeug (1), insbesondere für ein U-Boot oder ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzellenanlage (10), die mit reinem Wasserstoff oder mit einem wasserstoffhaltigen Gas als erstem Betriebsgas sowie mit reinem Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas als zweitem Betriebsgas betreibbar ist, und mit einem Betriebsgasbehälter (13) für eines der beiden Betriebsgase, wobei der Betriebsgasbehälter (13) mit der Brennstoffzellenanlage (10) strömungstechnisch verbunden ist, ist das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter (13) erfindungsgemäß in einem überkritischen Zustand gespeichert. Hierdurch können Boil-Off-Gas-Verluste reduziert werden und somit eine lange Einsatzdauer des Unterwasserfahrzeuges ermöglicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem für ein Unterwasserfahrzeug, insbesondere für ein U-Boot oder ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 9 sowie ein Unterwasserfahrzeug mit einem solchen Energieversorgungssystem gemäß Patentanspruch 17.
In einer Brennstoffzelle wird durch eine Zusammenführung von Wasserstoff und Sauerstoff in einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie und Wärme erzeugt, wobei Wasser als Reaktionsprodukt verbleibt.
Während des Betriebs werden einer Brennstoffzelle ein wasserstoffhaltiges Gas - im Folgenden Brenngas genannt - und ein sauerstoffhaltiges Gas - im Folgenden Oxidationsgas genannt - zugeführt. Diese beiden Gase werden im Folgenden als „Betriebsgase“ bezeichnet. Als Brenngas findet beispielsweise Methan, Erdgas, Kohlegas oder auch reiner Wasserstoff (H₂) Verwendung. Als Oxidationsgas wird in der Regel Luft, aber auch reiner Sauerstoff (O₂) verwendet.
Es sind bereits Unterwasserfahrzeuge, wie z.B. U-Boote, mit Energieversorgungssystemen mit Brennstoffzellenanlagen bekannt, durch welche Energie für den Betrieb des Fahrzeugs erzeugt wird.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, diese Betriebsgase zu speichern, z.B. in Form von komprimierten Gasen in Druckbehältern, in Form von verflüssigten Gasen in Kryotanks, oder im Fall von Wasserstoff ad-/absorbiert auf/in einem Trägermaterial, wie z.B. in einem Metallhydridspeicher.
In Bezug auf Metallhydridspeicher wird hierzu beispielhaft auf die EP 1 454 826 A1 und in Bezug auf eine flüssige Speicherung und eine Speicherung in Form von komprimierten Gasen in Druckbehältern wird auf den Aufsatz „Brennstoffzellen als außenluftunabhängige Antriebskomponente für U-Boote“ von H. Pommer in Schiff & Hafen, Seehafen Verlag GmbH, Bd. 44, Nr. 8, 1. August 1992, Seiten 48-51, XP000288856, ISSN: 1436-8498 verwiesen.
Bei den komprimierten Gasen ist der Volumenbedarf für die erforderlichen Druckspeicher ungünstig hoch. Verflüssigte Gase weisen im Gegensatz dazu eine wesentlich höhere Dichte und in der Regel trotz der erforderlichen Isolation einen geringeren Platzbedarf auf (d.h. sie haben eine höhere Speicherdichte).
Wird aber ein Gas in flüssiger Form gespeichert, verdampft immer eine kleine Menge des flüssigen Gases, ein sogenanntes Boil-Off-Gas, da sich die Wärmezufuhr nicht permanent unterdrücken lässt. Solange man das verdampfte Gas an die umgebende Atmosphäre entsorgen kann, entsteht daraus kein Problem. Problematisch ist jedoch die Situation, wenn die Verdampfung innerhalb eines geschlossenen Systems, wie z.B. eines Unterwasserfahrzeugs, stattfindet, welches keinen Austausch mit der Atmosphäre zulässt. In diesem Fall müssen die Boil-Off-Gase im Inneren des Fahrzeugs aufgenommen und gelagert werden, sofern kein im Inneren des Fahrzeugs verfügbarer Prozess zum chemischen Aufbau der Gase (z.B. durch einen Umsatz in einer Brennstoffzellenreaktion oder bei Verbrennung) eingesetzt werden kann.
Zum Speichern der Boil-Off-Gase werden in der Regel Druckbehälter eingesetzt, in welche das freigesetzte Gas hineinströmt. Die Kapazität bzw. der maximal erzielbare Druck eines solchen Druckbehälters wird durch den Auslegungsdruck des Behälters bestimmt. Alternativ lässt man die beiden Betriebsgase Wasserstoff und Sauerstoff in kontrollierten Reaktionen (Verbrennung) abreagieren und erzeugt dabei das einfacher handhabbare Wasser als Produkt.
Aus der EP 2 864 192 B1 und der JP 2003 056799 A sind Betriebsgassysteme für ein Unterwasserfahrzeug, insbesondere für ein U-Boot oder ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug, bekannt, die eine Brennstoffzellenanlage, einen Betriebsgasbehälter, der mit der Brennstoffzellenanlage strömungstechnisch verbunden ist, sowie eine Gasaufnahmevorrichtung umfassen. Die Gasaufnahmevorrichtung ist mit dem Betriebsgasbehälter verbunden und enthält ein Sorbtionsmittel zur Aufnahme von Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter.
Jedoch ist bei reinen flüssigen Gasen die Abdampfrate so hoch, dass keine langfristige Verfügbarkeit der Gase zur Verwertung in Brennstoffzellen gegeben ist. Dies ist besonders problematisch bei unbemannten Unterwasserfahrzeugen, häufig auch als „UUV“ (Unmanned Underwater Vehicle) bezeichnet, die teilweise mehr als 3 Monate unterwegs sind und bei denen die limitierten räumlichen Verhältnisse das Mitführen größerer Brennstoff- und Sauerstoffmengen und damit auch die Einsatzdauer von mit Brennstoffzellen versorgten UUVs beschränken.
Aus der EP 2 151 377 B1 ist ein Verfahren zum Spülen einer Brennstoffzellenanlege eines Unterseebootes bekannt, bei dem Kohlendioxid als Spülgas eingesetzt wird. Das Kohlendioxid wird dabei in einem überkritischen Zustand gespeichert.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Energieversorgungssystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems für ein Unterwasserfahrzeug, insbesondere für ein U-Boot oder ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug, anzugeben, mit denen Boil-Off-Gas-Verluste reduziert werden können und somit eine lange Einsatzdauer des Unterwasserfahrzeuges ermöglicht werden kann.
Die Lösung der auf das Energieversorgungssystem gerichteten Aufgabe gelingt durch ein Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 1. Die Lösung der auf das Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems gerichteten Aufgabe gelingt durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9. Ein Unterwasserfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem ist Gegenstand des Anspruchs 17. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem für ein Unterwasserfahrzeug, insbesondere für ein U-Boot oder ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug, umfasst eine Brennstoffzellenanlage, die mit reinem Wasserstoff oder mit einem wasserstoffhaltigen Gas als erstem Betriebsgas sowie mit reinem Sauerstoff oder mit einem sauerstoffhaltigen Gas als zweitem Betriebsgas betreibbar ist, und einen Betriebsgasbehälter für eines der beiden Betriebsgase, vorzugsweise jeweils einen Betriebsgasbehälter für jedes der beiden Betriebsgase, wobei der Betriebsgasbehälter mit der Brennstoffzellenanlage strömungstechnisch verbunden ist und wobei das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter in einem überkritischen Zustand gespeichert ist.
Unter einem überkritischen Zustand (manchmal auch als „superkritischer“ Zustand bezeichnet) wird dabei ein Zustand oberhalb des kritischen Punktes im Phasendiagramm des Stoffes verstanden, d.h. ein Zustand bei dem das Gas sowohl flüssige als auch gasförmige Komponenten enthält. Flüssigkeit und Gas können dort nicht mehr unterschieden werden.
Die Temperatur des Betriebsgases liegt somit oberhalb der Temperatur, die zum Erhalt eines flüssigen Zustandes notwendig ist. Im Vergleich zu flüssigen Betriebsgasen lässt sich hierdurch die anfallende Menge an Boil-Off-Gas reduzieren. Gegenüber dem Druckspeicher ergibt sich wiederum eine deutlich höhere Speicherdichte und wegen des höheren Drucks ebenfalls eine Verminderung der Boil-Off-Verluste. Die Reduzierung der Boil-Off-Gasmengen erlaubt eine sinnvolle Verwertung der freigesetzten Boil-Off-Gase auch bei einem Betrieb des Unterwasserfahrzeuges mit nur geringem Energieverbrauch, im Falle eines unbemannten Unterwasserfahrzeuges beispielsweise in einer Schlafphase, in der nur noch essentielle Steuerungs- und Kommunikationssysteme im Einsatz sind. Das Energieversorgungssystem und die davon versorgten Verbraucher können dann in Hinblick auf eine maximale Nutzung der Boil-Off-Gase nach Bedarf der jeweiligen Betriebsführung optimiert werden. Es kann somit eine hohe Effizienz bei der Nutzung der Betriebsgase bzw. mit einer bestimmten Speicherfüllung eine längere Einsatzdauer des Unterwasserfahrzeuges ermöglicht werden.
Gegenüber einer Speicherung im flüssigen Zustand lässt sich zudem der Aufwand und Platzbedarf für die Isolation des Gasbehälters reduzieren. Ein einfacher Kryospeicher mit doppelwandiger Ausführung ist ausreichend.
Das in dem Betriebsgasbehälter mit überkritischem Zustand gespeicherte Betriebsgas kann grundsätzlich sowohl das erste Betriebsgas oder das zweite Betriebsgas sein. Die genannten Vorteile kommen aber besonders dann zur Geltung, wenn das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter reiner Wasserstoff ist. Mit anderen Worten kommt reiner Wasserstoff als Betriebsgas zum Einsatz, der in einem überkritischen Zustand in dem Betriebsgasbehälter gespeichert ist. Als Oxidationsgas kommt vorzugsweise reiner Sauerstoff zum Einsatz, der von Vorteil ebenfalls in einem überkritischen Zustand in einem Betriebsgasbehälter gespeichert sein kann. Der Sauerstoff kann aber auch konventionell beispielsweise in flüssiger Form gespeichert sein.
Zur Aufnahme von Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter und zu dessen Zwischenspeicherung kann das Energieversorgungssystem eine Gasaufnahmevorrichtung aufweisen. Die Gasaufnahmevorrichtung enthält vorzugsweise ein Sorbtionsmittel zur Aufnahme von Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter. Je nach Art des Sorptionsmittels kann es das Boil-Off-Gas entweder adsorbieren oder absorbieren. Beispiele und weitere Details hierfür sind der eingangs genannten EP 2 864 192 B1 zu entnehmen.
Die Gasaufnahmevorrichtung ist von Vorteil derart angeordnet, dass eine strömungstechnische Verbindung zum Betriebsgasbehälter auf der einen Seite sowie zur Brennstoffzellenanlage auf der anderen Seite, existiert. Am Einfachsten lässt sich eine solche strömungstechnische Verbindung herstellen, indem von einer Hauptleitung, die den Betriebsgasbehälter mit der Brennstoffzellenanlage verbindet, eine Nebenleitung abgezweigt ist, so dass das Boil-Off-Gas zunächst in die Hauptleitung strömt und anschließend in die Nebenleitung eingeleitet wird. Der Betriebsgasbehälter und die Gasaufnahmevorrichtung sind somit sozusagen parallel zur Brennstoffzellenanlage geschaltet, so dass von beiden Gasspeichern unabhängig voneinander eine Gaszufuhr zur Brennstoffzellenanlage erfolgen kann.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzellenanlage zumindest eine erste Brennstoffzelleneinrichtung und eine zweite Brennstoffzelleneinrichtung, wobei die erste Brennstoffzelleneinrichtung und die zweite Brennstoffzelleneinrichtung strömungstechnisch getrennt voneinander mit dem Betriebsgasbehälter und/oder einer bzw. der Gasaufnahmevorrichtung zur Aufnahme von Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter verbindbar sind. Zur weiteren Erhöhung der Flexibilität kann die Brennstoffzellenanlage auch eine oder mehrere weitere Brennstoffzelleneinrichtungen umfassen, die strömungstechnisch getrennt voneinander und von der ersten und zweiten Brennstoffzelleneinrichtung mit dem Betriebsgasbehälter und/oder einer bzw. der Gasaufnahmevorrichtung zur Aufnahme von Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter verbindbar sind.
Je nach Betriebsart des Unterwasserfahrzeuges, der Menge in dem Betriebsgasbehälter erzeugten Boil-Off-Gases oder der Menge in der Gasaufnahmevorrichtung gespeicherten Boil-Off-Gases können dann flexibel beispielsweise nur die erste Brennstoffzelleneinrichtung, nur die zweite Brennstoffzelleneinrichtung oder beide Brennstoffzelleneinrichtungen zusammen strömungstechnisch mit dem Betriebsgasbehälter und/oder der Gasaufnahmevorrichtung verbunden sein (bzw. verbunden werden) oder davon getrennt sein (bzw. getrennt werden). Die Brennstoffzellenanlage kann dann je nach Bedarf des jeweiligen Betriebszustandes auf eine optimierte Nutzung der Boil-Off-Gase eingestellt werden. Beispielsweise kann sie auf unterschiedliche Betriebsarten des Unterwasserfahrzeuges mit jeweils unterschiedlichen Energieverbräuchen des Unterwasserfahrzeuges optimiert betrieben bzw. eingestellt werden und somit eine optimale Nutzung der Boil-Off-Gase, damit eine optimale Ausnutzung des gespeicherten Betriebsgases und somit eine längere Einsatzdauer des Unterwasserfahrzeuges ermöglichen.
Von Vorteil ist bei einer ersten Betriebsart des Unterwasserfahrzeuges von den beiden Brennstoffzelleneinrichtungen zumindest die erste Brennstoffzelleneinrichtung mit dem Betriebsgasbehälter und/oder der Gasaufnahmevorrichtung für eine Gaszufuhr verbunden und bei einer zweiten Betriebsart ist von den beiden Brennstoffzelleneinrichtungen nur die zweite Brennstoffzelleneinrichtung mit dem Betriebsgasbehälter und/oder der Gasaufnahmevorrichtung für eine Gaszufuhr verbunden. Im Fall der ersten Betriebsart kann die zweite Brennstoffzelleneinrichtung dann entweder von dem Betriebsgasbehälter und/oder der Gasaufnahmevorrichtung getrennt sein oder ebenfalls mit dem Betriebsgasbehälter und/oder der Gasaufnahmevorrichtung verbunden sein.
Die erste Brennstoffzelleneinrichtung kann dann beispielsweise - ggf. zusammen mit der zweiten Brennstoffzelleneinrichtung - als Hauptbrennstoffzelleneinrichtung für einen „Normalbetrieb“ des Unterwasserfahrzeuges dienen und dafür optimiert ausgebildet sein. In diesem Fall kann dann eine normale Gasversorgung der Brennstoffzellen aus dem Betriebsgasbehälter erfolgen. Die zweite Brennstoffzelleneinrichtung kann dagegen für einen „Sonderbetrieb“ des Unterwasserfahrzeuges dienen und dafür optimiert ausgebildet sein. In diesem Fall kann beispielsweise eine Versorgung der Brennstoffzellen mit Boil-off-Gas erfolgen, das entweder aus dem Betriebsgasbehälter und/oder aus einer Gasaufnahmevorrichtung für Boil-Off-Gas der zweiten Brennstoffzelleneinrichtung zugeführt wird.
Wenn das Energieversorgungssystem eine Batterie zur Energieversorgung elektrischer Systeme des Unterwasserfahrzeuges umfasst, ist die zweite Brennstoffzelleeinrichtung in der zweiten Betriebsart vorzugsweise mit der Batterie zu deren Ladung verbunden oder verbindbar. Hierdurch kann das Boil-Off-Gas beispielsweise für ein Nachladen der Batterie z.B. während eines „Sonderbetriebes“ genutzt werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Betriebsart ein Betrieb des Unterwasserfahrzeuges mit einem ersten Energieverbrauch, insbesondere ein Betrieb ohne einen elektrischen Antrieb (zum Beispiel einen elektrischen Antrieb zum Vortrieb des Unterwasserfahrzeuges), und die zweite Betriebsart ist ein Betrieb des Unterwasserfahrzeuges mit einem zweiten Energieverbrauch, insbesondere ein Betrieb ohne einen elektrischen Antrieb (zum Beispiel ohne einen elektrischen Antrieb zum Vortrieb des Unterwasserfahrzeuges), wobei der erste Energieverbrauch größer ist als der zweite Energieverbrauch.
Die erste Brennstoffzelleneinrichtung kann dann für eine optimale Energieerzeugung bei einem normalen oder hohen Energieverbrauch des Unterwasserfahrzeuges ausgebildet sein und die zweite Brennstoffzelleneinrichtung kann dann für eine optimale Verwertung von freigesetzten Boil-Off-Gasen bei einem niedrigen Energieverbrauch des Unterwasserfahrzeuges ausgebildet sein.
Bei der ersten Betriebsart mit dem ersten (höheren) Energieverbrauch kann es sich zum Beispiel um einen Fahrbetrieb oder einen Einsatzbetrieb handeln, in dem alle elektrischen Systeme einschließlich eines elektrischen Antriebs zum Vortrieb des Unterwasserfahrzeuges in Betrieb sind.
Bei der zweiten Betriebsart mit dem zweiten (niedrigeren) Energieverbrauch kann es sich zum Beispiel um einen „Schlafbetrieb“ handeln, in dem ein elektrischer Antrieb zum Vortrieb des Unterwasserfahrzeuges außer Betrieb ist und nur essentielle Steuerungs- und Kommunikationssysteme im Betrieb sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Betrieb des Unterwasserfahrzeuges nacheinander die folgenden Betriebsarten: einen ersten Fahrbetrieb für eine Hinfahrt zu einem Zielort, einen Schlafbetrieb am Zielort, einen Einsatzbetrieb am Zielort und einen zweiten Fahrbetrieb für eine Rückfahrt von dem Zielort, und die Art und Zusammensetzung des Betriebsgases sowie die Größe des Betriebsgasbehälters bzw. dessen Füllung mit Betriebsgas sind derart auf diesen Betrieb angepasst, dass zumindest während des ersten Fahrbetriebes und des Schlafbetriebs, vorzugsweise auch während des Einsatzbetriebes, das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter in einem überkritischen Zustand gespeichert ist. Es ist somit eine optimale Verwertung von Boil-Off- Gas bis zum Ende des Schlafbetriebs gewährleistet. Hierdurch kann beispielsweise sichergestellt werden, dass auch während des Schlafzustandes eine Batterie des Unterwasserfahrzeuges weitgehend geladen bleibt, so dass auch genug Energie für etwaig notwendige spontane Aktionen (z.B. einen „Peak-Start“) zur Verfügung steht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Energieversorgung eines Unterwasserfahrzeuges, insbesondere eines U-Boots oder eines unbemannten Unterwasserfahrzeuges, wobei das Unterwasserfahrzeug eine Brennstoffzellenanlage zur Erzeugung von Energie aufweist, wobei die Brennstoffzellenanlage mit reinem Wasserstoff oder mit einem wasserstoffhaltigen als erstem Betriebsgas sowie mit reinem Sauerstoff oder mit einem sauerstoffhaltigen Gas als zweitem Betriebsgas betrieben wird, wobei zumindest eines der beiden Betriebsgase in einem Betriebsgasbehälter gespeichert wird, vorzugsweise jedes der beiden Betriebsgase in jeweils einem Betriebsgasbehälter gespeichert wird, und von dort der Brennstoffzellenanlage zugeführt wird, wird das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter in einem überkritischen Zustand gespeichert.
Von Vorteil ist das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter reiner Wasserstoff.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter in einer Gasaufnahmevorrichtung gespeichert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzellenanlage eine erste Brennstoffzelleneinrichtung und eine zweite Brennstoffzelleneinrichtung, wobei die erste Brennstoffzelleneinrichtung und die zweite Brennstoffzelleneinrichtung strömungstechnisch getrennt voneinander in Abhängigkeit von einer Betriebsart des Unterwasserfahrzeuges mit dem Betriebsgasbehälter und/oder der Gasaufnahmevorrichtung für Boil-Off-Gas verbunden oder davon getrennt werden.
Bevorzugt wird bei einer ersten Betriebsart von den beiden Brennstoffzelleneinrichtungen zumindest die erste Brennstoffzelleneinrichtung mit Gas aus dem Betriebsgasbehälter und/oder der Gasaufnahmevorrichtung versorgt und bei einer zweiten Betriebsart des Unterwasserfahrzeuges wird von den beiden Brennstoffzelleneinrichtungen nur die zweite Brennstoffzelleneinrichtung mit Gas aus dem Betriebsgasbehälter und/oder der Gasaufnahmevorrichtung versorgt.
Wenn das Energieversorgungssystem eine Batterie zur Energieversorgung elektrischer Systeme des Unterwasserfahrzeuges umfasst, lädt die zweite Brennstoffzelleeinrichtung während der zweiten Betriebsart von Vorteil die Batterie.
Bevorzugt ist die erste Betriebsart ein Betrieb des Unterwasserfahrzeuges mit einem ersten Energieverbrauch, insbesondere ein Betrieb mit einem elektrischen Antrieb (z.B. einem elektrischen Antrieb zum Vortrieb des Unterwasserfahrzeuges), und die zweite Betriebsart ist ein Betrieb des Unterwasserfahrzeuges mit einem zweiten Energieverbrauch, insbesondere ein Betrieb ohne einen elektrischen Antrieb (z.B. ohne einen elektrischen Antrieb zum Vortrieb des Unterwasserfahrzeuges), wobei der erste Energieverbrauch kleiner ist als der zweite Energieverbrauch.
Wenn beim Betrieb des Unterwasserfahrzeuges nacheinander die folgenden Betriebsarten durchlaufen werden: ein erster Fahrbetrieb für eine Hinfahrt zu einem Zielort, ein Schlafbetrieb am Zielort, ein Einsatzbetrieb am Zielort und ein zweiter Fahrbetrieb für eine Rückfahrt von dem Zielort, wird vorzugsweise zumindest während des ersten Fahrbetriebes und des Schlafbetriebs, vorzugsweise auch während des Einsatzbetriebes, das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter in einem überkritischen Zustand gespeichert.
Die für das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem und dessen vorteilhafte Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in entsprechender Weise für das erfindungsgemäße Verfahren und dessen jeweils korrespondierenden vorteilhaften Ausgestaltungen.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert. Darin zeigen:

1 ein Unterwasserfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel für das Energieversorgungssystem von 1,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel für das Energieversorgungssystem von 1,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel für das Energieversorgungssystem von 1,
5 ein viertes Ausführungsbeispiel für das Energieversorgungssystem von 1,
6 ein fünftes Ausführungsbeispiel für das Energieversorgungssystem von 1 und
7 einen beispielhaften Verfahrensablauf für einen Betrieb eines unbemannten Unterwasserfahrzeuges.

1 zeigt in vereinfachter Darstellung ein Unterwasserfahrzeug 1, hier ein autonomes unbemanntes Unterwasserfahrzeug (UUV). Das Unterwasserfahrzeug 1 weist zum Antrieb bzw. Vortrieb einen Propeller 2 auf, der von einem elektrischen Motor 3 angetrieben wird, der von einem Energieversorgungssystem 4 mit elektrischer Energie versorgt wird. Das Unterwasserfahrzeug 1 umfasst weiterhin ein Steuerungssystem 5 und ein Kommunikationssystem 6, die ebenfalls von dem Energieversorgungssystem 4 mit elektrischer Energie versorgt werden. Daneben können natürlich auch noch weitere Systeme von dem Energieversorgungssystem 4 mit elektrischer Energie versorgt werden.
2 zeigt in vereinfachter Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel für das Energieversorgungssystem 4 von 1. Das Energieversorgungssystem 4 umfasst eine Brennstoffzellenanlage 10, die eine erste Brennstoffzelleneinrichtung 11 und eine zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 umfasst. Beide Brennstoffzelleneinrichtungen 11, 12 umfassen jeweils einen Stapel aufeinander gestapelter Brennstoffzellen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Brennstoffzelleneinrichtungen 11, 12 sind ausgangsseitig elektrisch an ein Bordnetz 9 angeschlossen, aus dem das Steuerungssystem 5, das Kommunikationssystem 6 und der Motor 3 mit elektrischer Energie versorgt werden. Zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie umfasst das Energieversorgungssystem 4 zusätzlich noch eine an das Bordnetz 9 angeschlossene Batterie 7. Der Motor 3 ist über einen Wechselrichter 8 an das Bordnetz angeschlossen. In der Praxis werden eine ganze Reihe zusätzlicher Systeme und Verbraucher an das Bordnetz 9 angeschlossen sein und hieraus mit elektrischer Energie versorgt werden. Der von der Brennstoffzelleneinrichtung 11 erzeugte Strom I1 und der von der Brennstoffzelleneinrichtung 12 erzeugte Strom I2 kann wie dargestellt direkt, aber auch über dazwischen geschaltete DC/DC-Steller in das Bordnetz 9 eingespeist werden (siehe 3 - 6).
Die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtungen 11, 12 sind mit reinem Wasserstoff als erstem Betriebsgas sowie mit reinem Sauerstoff als zweitem Betriebsgas betreibbar ist. Der Wasserstoff ist in einem Betriebsgasbehälter 13 gespeichert, der mit den Brennstoffzelleneinrichtungen 11, 12 über einen Entspanner 18 und einen Druckregler 19 strömungstechnisch verbunden ist. Der Wasserstoff ist in dem Betriebsgasbehälter 13 in einem überkritischen Zustand gespeichert, d.h. in einem Zustand oberhalb des kritischen Punktes im Phasendiagramm des Stoffes, bei dem das Gas sowohl flüssige als auch gasförmige Komponenten enthält. Flüssigkeit und Gas können dort nicht mehr unterschieden werden. In dem Entspanner 18 wird das in einem überkritischen Zustand befindliche Gas entspannt und in einen gasförmigen Zustand überführt.
Die Temperatur des Wasserstoffs liegt dabei oberhalb der Temperatur, die zum Erhalt eines flüssigen Zustandes notwendig ist. Somit lässt sich gegenüber einer Speicherung im flüssigen Zustand der Aufwand und Platzbedarf für die Isolation des Betriebsgasbehälters 13 reduzieren. Ein einfacher Kryospeicher mit doppelwandiger Ausführung ist ausreichend. Wichtig ist aber auch, dass sich hierdurch im Vergleich zu flüssigen Betriebsgasen die anfallenden Mengen an Boil-Off-Gas reduzieren lassen. Gegenüber dem Druckspeicher ergibt sich wiederum eine deutlich höhere Speicherdichte und wegen des höheren Drucks eine Verminderung der Boil-Off-Gas Verluste.
Das Energieversorgungssystem 4 umfasst weiterhin eine Gasaufnahmevorrichtung 14, die derart angeordnet ist, dass eine strömungstechnische Verbindung zum Betriebsgasbehälter 13 auf der anderen Seite sowie zur Brennstoffzellenanlage 10 auf der anderen Seite existiert. Hierzu ist von einer Hauptleitung 15, die den Betriebsgasbehälter 13 mit der Brennstoffzellenanlage 10 verbindet, eine Nebenleitung 16 abgezweigt. Ein Boil-Off-Gas, welches im Betriebsbehälter 13 entsteht und welches nicht unmittelbar in der Brennstoffzellenanlage 10 verbraucht werden kann, kann hierdurch aufgesammelt und in der Gasaufnahmevorrichtung 14 gespeichert werden. Hierbei stellen sowohl der Betriebsgasbehälter als auch die Gasaufnahmevorrichtung Gasspeicher dar, die sich bezüglich Aufbau, Funktionalität und Kapazität voneinander unterscheiden und im Hinblick auf ihre Verwendung optimiert sind.
Die Gasaufnahmevorrichtung 14 weist hierzu vorzugsweis ein Sorptionsmittel auf. Je nach Art des Sorptionsmittels kann die Gasaufnahmevorrichtung 14 dann das Boil-Off-Gas entweder adsorbieren oder absorbieren. Durch den Einsatz von Ad-/Absorbern besteht somit die Möglichkeit eine große Menge an Boil-Off-Gas reversibel zu speichern. Das Boil-Off-Gas wird vom Sorptionsmittel aufgenommen und unter geeigneten physikalischen Bedingungen (Druck, Temperatur) im Betriebssystem wird das Boil-Off-Gas wieder freigesetzt und steht dann zu einer Verwertung in der Brennstoffzellenanlage 10 zur Verfügung. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Druckspeicher lässt sich auf diese Weise eine größere Menge an Boil-Off-Gas speichern, was eine optimale Ausnutzung der im Unterwasserfahrzeug mitgeführten Betriebsgase ermöglicht.
Das Boil-Off-Gas strömt zunächst in die Hauptleitung 15 und wird anschließend in die Nebenleitung eingeleitet. Der Betriebsgasbehälter 13 und die Gasaufnahmevorrichtung 14 sind somit sozusagen parallel zur Brennstoffzellenanlage 10 geschaltet, so dass von beiden Gasspeichern 13, 14 unabhängig voneinander eine Gaszufuhr zur Brennstoffzellenanlage 10 erfolgen kann. Der Vorgang ist zusätzlich vereinfacht, da der Betriebsgasbehälter 13 und die Gasaufnahmevorrichtung 14 z.B. über eine gemeinsame Druckregelung 19 verfügen.
Wenn das Boil-Off-Gas für die Reaktion in der Brennstoffzellenanlage 10 benötigt ist, wird über den Druckregler 19 der Druck in der Hauptleitung 15 herabgesetzt. Durch das entstehende Druckgefälle wird das Boil-Off-Gas in der Gasaufnahmevorrichtung 14 desorbiert und in die Brennstoffzellenanlage 10 hineingeleitet.
Alternativ ist jedoch auch möglich, dass die Gasaufnahmevorrichtung 14 direkt an den Betriebsgasbehälter gekoppelt ist, und/oder dass eine separate Leitung 17 von der Gasaufnahmevorrichtung 14 in die Brennstoffzellenanlage 10 (oder in die Hauptleitung 15) mündet.
Durch ein entsprechendes Armaturensystem mit den steuerbaren Ventilen 20, 21, 22, 23 (und falls vorhanden 24) werden die verschiedenen Leitungen 15, 16 (und falls vorhanden 17) bzw. Bereiche dieser Leitungen geöffnet bzw. gesperrt.
Es ist auch möglich, dass die Brennstoffzellenanlage 10, der Betriebsgasbehälter 13 und die Gasaufnahmevorrichtung 14 in Reihe an der Hauptleitung 15 hintereinander geschaltet sind.
Das in 2 bis 6 gezeigte Energieversorgungssystem 4 veranschaulicht lediglich die Speicherung und die Zufuhr von Wasserstoff zur Brennstoffzellenanlage 10. Für den Sauerstoff kann die gleiche oder eine ähnliche Anordnung von einem Betriebsgasbehälter 13 und einer Gasaufnahmevorrichtung 14 vorgesehen sein. Der Sauerstoff ist von Vorteil ebenfalls in einem überkritischen Zustand in einem Betriebsgasbehälter gespeichert. Der Sauerstoff kann aber auch konventionell beispielsweise in flüssiger Form gespeichert sein.
Da die beiden Brennstoffzelleneinrichtungen 11, 12 über jeweils gesonderte Leitungen 15', 15" mit jeweils einem darin angeordneten Ventil 22 bzw. 23 parallel an die Hauptleitung 15 angeschlossen sind, sind die erste Brennstoffzelleneinrichtung 11 und die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 strömungstechnisch getrennt und somit unabhängig voneinander mit dem Betriebsgasbehälter und der Gasaufnahmevorrichtung 14 für eine Gaszufuhr verbindbar.
Je nach Betriebsart des Unterwasserfahrzeuges 1, der Menge in dem Betriebsgasbehälter 13 erzeugten Boil-Off-Gases oder der Menge in der Gasaufnahmevorrichtung 14 gespeicherten Boil-Off-Gases kann dann flexibel beispielsweise nur die erste Brennstoffzelleneinrichtung 11, nur die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 oder beide Brennstoffzelleneinrichtungen 11, 12 zusammen strömungstechnisch für eine Gaszufuhr mit dem Betriebsgasbehälter 13 und/oder der Gasaufnahmevorrichtung 14 verbunden sein. Die Brennstoffzellenanlage 10 kann dann je nach Bedarf des jeweiligen Betriebszustandes auf eine optimierte Nutzung der Boil-Off-Gase eingestellt werden.
Die erste Brennstoffzelleneinrichtung 11 dient hierzu - ggf. auch zusammen mit der zweiten Brennstoffzelleneinrichtung 12 - für eine erste Betriebsart des Unterwasserfahrzeuges mit einem höheren Energieverbrauch des Unterwasserfahrzeuges.
Diese erste Betriebsart kann beispielsweise ein Betrieb sein, bei dem alle elektrische Systeme einschließlich eines elektrischen Antriebs mit elektrischer Energie versorgt werden müssen, beispielsweise ein Fahrbetrieb, bei dem der elektrische Antrieb zum Vortrieb des Unterwasserfahrzeuges dient, oder ein Einsatzbetrieb, bei dem der elektrische Antrieb zum Beispiel für eine Bohrung dient. Die Brennstoffzelleneinrichtung 11 ist hierfür optimiert ausgebildet. In diesem Betrieb erfolgt eine normale Gasversorgung der Brennstoffzellen aus dem Betriebsgasbehälter 13.
Die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 dient für eine zweite Betriebsart des Unterwasserfahrzeuges mit einem niedrigeren Energieverbrauch des Unterwasserfahrzeuges als in der ersten Betriebsart.
Diese zweite Betriebsart kann beispielsweise ein Betrieb sein, bei dem nur wenige elektrische Systeme, aber kein elektrischer Antrieb, mit elektrischer Energie versorgt werden müssen, beispielsweise ein Schlafbetrieb, bei dem nur essentielle Systeme, wie z.B. das Steuerungssystem 5 oder das Kommunikationssystem 6, mit elektrischer Energie versorgt werden müssen.
Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 ist für diesen Betrieb optimiert ausgebildet. In diesem Betrieb erfolgt eine Versorgung der Brennstoffzellen mit Boil-Off-Gas, das entweder aus dem Betriebsgasbehälter 13 und/oder aus der Gasaufnahmevorrichtung 14 der zweiten Brennstoffzelleneinrichtung 12 zugeführt wird. Die von der Brennstoffzelleneinrichtung 12 mit Hilfe des Boil-Off-Gases erzeugte elektrische Energie wird dann für ein Nachladen der Batterie 7 genutzt.
Bei der ersten Betriebsart ist das Ventil 22 geöffnet und die erste Brennstoffzelleneinrichtung 11 ist für eine Gaszufuhr mit dem Betriebsgasbehälter 13 und/oder der Gasaufnahmevorrichtung 14 strömungstechnisch verbunden.
Falls die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 in der ersten Betriebsart keine elektrische Energie erzeugen soll, ist das Ventil 23 geschlossen und somit die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 von einer Gaszufuhr aus dem Betriebsgasbehälter 13 und/oder der Gasaufnahmevorrichtung 14 getrennt.
Falls die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 aber zusammen mit der ersten Brennstoffzelleneinrichtung 11 elektrische Energie erzeugen soll, ist das Ventil 23 dagegen geöffnet und somit die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 für eine Gaszufuhr mit dem Betriebsgasbehälter 13 und/oder der Gasaufnahmevorrichtung 14 verbunden.
Bei der zweiten Betriebsart ist das Ventil 23 geöffnet und die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 11 ist für eine Gaszufuhr mit dem Betriebsgasbehälter 13 und/oder der Gasaufnahmevorrichtung 14 strömungstechnisch verbunden. Das Ventil 22 ist dagegen geschlossen und somit die erste Brennstoffzelleneinrichtung 11 von einer Gaszufuhr aus dem Betriebsgasbehälter 13 und/oder der Gasaufnahmevorrichtung 14 getrennt.
Das Bordnetz 9 hat beispielsweise eine Nennspannung im Bereich von 24 Vdc bis 200 Vdc, insbesondere von 100 Vdc. Die Brennstoffzelleneinrichtungen 11,12 umfassen eine elektrische Reihenschaltung derart vieler Brennstoffzellen, dass sich am Ausgang der Brennstoffzelleneinrichtungen 11, 12 eine derartige Nennspannung einstellt. Die Brennstoffzelleneinrichtungen 11, 12 weisen dann in der Regel die jeweils gleiche Anzahl elektrisch in Reihe geschalteter Brennstoffzellen auf, wobei allerdings die elektrochemisch aktive Fläche der Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtungen 11 größer ist als bei den Brennstoffzellen 12. Der Platzbedarf der Brennstoffzelleneinrichtung 11 ist somit größer als der Platzbedarf der Brennstoffzelleneinrichtung 12.
Ein in 3 gezeigtes Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 dadurch, dass die Brennstoffzelleneinrichtungen 11, 12 über einen gemeinsamen DC/DC-Steller 30 mit dem Bordnetz 9 elektrisch verbindbar bzw. verbunden sind. Mit Hilfe des DC/DC-Stellers 30 ist die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinrichtungen 11, 12 an die Nennspannung des Bordnetzes 9 anpassbar.
Die Brennstoffzelleneinrichtungen 11,12 können dann ausgangsseitig eine Spannung erzeugen, die kleiner als die Nennspannung des Bordnetzes 9 ist, und von dem DC/DC-Steller 31 an die Nennspannung des Bordnetzes 9 angepasst wird. Die Brennstoffzelleneinrichtungen 11, 12 benötigen somit weniger elektrisch in Reihe geschaltete Brennstoffzellen als im Fall von 2 und haben dadurch einen geringeren Platzbedarf.
Ein in 4 gezeigtes Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 dadurch, dass nur die Brennstoffzelleneinrichtung 12 über einen DC/DC-Steller 31 an das Bordnetz 9 angeschlossen ist. Die Brennstoffzelleneinrichtung 11 ist dagegen ohne einen dazwischen geschalteten DC/DC-Steller an das Bordnetz 9 angeschlossen. Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 erzeugt dann ausgangsseitig eine Ausgangsspannung, die kleiner als die Nennspannung des Bordnetzes 9 ist, und von dem DC/DC-Steller 31 an die Nennspannung des Bordnetzes 9 angepasst wird. Die Brennstoffzelleneinrichtung 11 erzeugt ausgangsseitig eine Nennspannung, die gleich der Nennspannung des Bordnetzes 9 ist. Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 benötigt somit weniger elektrisch in Reihe geschaltete Brennstoffzellen als im Fall von 2 und hat einen geringeren Platzbedarf.
Ein in 5 gezeigtes Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 dadurch, dass die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 ein Teil der Brennstoffzelleneinrichtung 11 ist. Beispielsweise ist die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 ein Teilstapel 41 von Brennstoffzellen der ersten Brennstoffzelleneinrichtung 11, der separat mit Betriebsgas versorgt werden kann. Der verbleibende Teilstapel der ersten Brennstoffzelleneinrichtung 11 ohne den Teilstapel 41 ist in 5 mit 42 bezeichnet.
Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 ist hierzu für die erste Betriebsart über die Leitung 15', den Teilstapel 42 und eine Verbindungsleitung 43 zwischen dem Teilstapel 42 und dem Teilstapel 41 mit Gas aus dem Betriebsgasbehälter 13 und/oder der Gasaufnahmevorrichtung 14 versorgbar. Hierzu ist das Ventil 23 geschlossen und das Ventil 25 ist geöffnet. Für die zweite Betriebsart ist die Brennstoffzelleneinrichtung 12 direkt über die Leitung 15" mit Gas aus dem Betriebsgasbehälter 13 und/oder der Gasaufnahmevorrichtung 14 versorgbar. Hierzu ist das Ventil 25 geschlossen und das Ventil 23 ist geöffnet.
Ein in 6 gezeigtes Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 dadurch, dass das Bordnetz 9 eine erstes Teilnetz 9a und ein zweites Teilnetz 9b umfasst. An jedes der beiden Teilnetze 9a, 9b ist jeweils eine Batterie 7a bzw. 7b angeschlossen.
Die essentiellen Systeme wie das Steuerungssystem 5 und das Kommunikationssystem 6 sind über jeweils einen Schalter 51 bzw. 52 sowohl mit dem ersten Teilnetz 9a als auch mit dem zweiten Teilnetz 9b verbindbar. Der elektrische Antrieb 3 für den Propeller 2 ist nur an das erste Teilnetz 9a angeschlossen und aus diesem mit elektrischer Energie versorgbar.
Die erste Brennstoffzelleneinrichtung 11 ist mit dem ersten Teilnetz 9a und die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 ist mit dem zweiten Teilnetz 9b verbindbar bzw. verbunden.
In der ersten Betriebsart ist die erste Brennstoffzelleneinrichtung 11 über den DC/DC-Steller 30a mit dem Teilnetz 9a verbunden. Der Schalter 51 ist geöffnet und der Schalter 52 ist geschlossen, so dass das Steuerungssystem 5 und das Kommunikationssystem 6 ebenfalls elektrisch mit dem ersten Teilnetz 9a verbunden sind, aber dagegen vom dem zweiten Teilnetz 9b getrennt sind. Die erste Brennstoffzelleneinrichtung 11 erzeugt elektrische Energie und speist diese über den DC/DC-Steller 30a in das Teilnetz 9a ein, um die Batterie 7a zu laden bzw. die elektrischen Systeme wie z.B. den elektrischen Antrieb 3, das Steuerungssystem 5 und das Kommunikationssystem 6 mit elektrischer Energie zu versorgen. Die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 ist dagegen außer Betrieb.
Alternativ kann zusätzlich die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 elektrische Energie erzeugen und über einen DC/DC-Steller 30b in das zweite Teilnetz 9b einspeisen, worüber dann - bei geschlossenem Schalter 51 - gemeinsam mit der ersten Brennstoffzelleneinrichtung 11 die Batterien 7a, 7b geladen werden bzw. die elektrischen System wie z.B. der elektrische Antrieb 3, das Steuerungssystem 5 und das Kommunikationssystem 6 mit elektrischer Energie versorgt werden.
In der zweiten Betriebsart ist die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 über den DC/DC-Steller 30b mit dem Teilnetz 9b verbunden. Der Schalter 52 ist geöffnet und der Schalter 51 ist geschlossen, so dass das Steuerungssystem 5 und das Kommunikationssystem 6 nur mit dem zweiten Teilnetz 9b verbunden sind, aber dagegen vom dem ersten Teilnetz 9a getrennt sind. Die erste Brennstoffzelleneinrichtung 11 ist dagegen außer Betrieb. Die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 erzeugt aus Boil-Off-Gas elektrische Energie und speist diese über den DC/DC-Steller 30b in das Teilnetz 9b ein, um die Batterie 7b zu laden bzw. die essentiellen elektrischen Systeme wie z.B. das Steuerungssystem 5 und das Kommunikationssystem 6 mit elektrischer Energie zu versorgen.
7 veranschaulicht beispielhaft einen Verfahrensablauf für einen Betrieb eines unbemannten Unterwasserfahrzeuges. Der Betrieb des Unterwasserfahrzeuges umfasst über der Zeit t nacheinander die folgenden Betriebsarten:

- einen ersten Fahrbetrieb B1 für eine Hinfahrt zu einem Zielort von einem Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt t1 mit einem Energieverbrauch E1,
- einen Schlafbetrieb B2 am Zielort von einem Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t2 mit einem Energieverbrauch E2,
- einen Einsatzbetrieb B3 am Zielort von einem Zeitpunkt t2 bis zu einem Zeitpunkt t3 mit einem Energieverbrauch E3 und
- einen zweiten Fahrbetrieb B4 für eine Rückfahrt von dem Zielort von einem Zeitpunkt t3 bis zu einem Zeitpunkt t4 mit einem Energieverbrauch E4.

Der Zeitraum t1 - t0 beträgt beispielsweise 2 Wochen, der Zeitraum t2 - t1 beträgt beispielsweise 3 Monate, der Zeitraum t3 - t2 beträgt beispielsweise 3 Wochen und der Zeitraum t4 - t3 beträgt beispielsweise 2 Wochen.
Im Fahrbetrieb B1 sind eine große Zahl elektrischer Systeme wie z.B. der elektrische Antrieb 3, das Steuerungssystem 5 und das Kommunikationssystem 6 im Betrieb. Die benötigte (maximale) elektrische Energie E1 wird gemeinsam von den Brennstoffzelleneinrichtungen 11, 12 erzeugt, die mit Gas aus dem Betriebsgasbehälter 13 versorgt werden.
Im anschließenden Schlafbetrieb B2 sind nur die essentiellen Systeme wie z.B. das Steuerungssystem 5 und das Kommunikationssystem 6 im Betrieb. Die benötigte (minimale) elektrische Energie E2 wird nur von der Brennstoffzelleneinrichtung 12 erzeugt, die mit Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter 13 und/oder der Gasaufnahmevorrichtung 14 versorgt wird.
Im anschließenden Einsatzbetrieb B3 sind eine große Zahl elektrischer Systeme wie z.B. der elektrische Antrieb 3 und/oder ein anderer elektrischer Antrieb, das Steuerungssystem 5 und das Kommunikationssystem 6 im Betrieb. Die benötigte elektrische Energie E3 ist kleiner als die maximale Energie E1, aber größer als die minimale Energie E2 und wird nur von der Brennstoffzelleneinrichtung 11 erzeugt, die mit Gas aus dem Betriebsgasbehälter 13 versorgt wird.
Im anschließenden (Rück-)Fahrbetrieb B4 sind eine große Zahl elektrischer Systeme wie z.B. der elektrische Antrieb 3, das Steuerungssystem 5 und das Kommunikationssystem 6 im Betrieb. Die benötigte (maximale) elektrische Energie E4 wird gemeinsam von den Brennstoffzelleneinrichtungen 11, 12 erzeugt, die mit Gas aus dem Betriebsgasbehälter 13 versorgt werden.
Die Art und Zusammensetzung des Betriebsgases sowie die Größe des Betriebsgasbehälters 13 bzw. dessen Füllung mit Betriebsgas sind derart auf diesen Betrieb angepasst, dass zumindest während des ersten Fahrbetriebes B1 und des Schlafbetriebs B2, vorzugsweise auch noch im Einsatzbetrieb B3, das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter 13 in einem überkritischen Zustand gespeichert ist. Es ist somit eine optimale Verwertung von Boil-Off- Gas zumindest bis zum Ende des Schlafbetriebs (vorzugsweise bis zum Ende des Einsatzbetriebes) gewährleistet. Hierdurch kann beispielsweise sichergestellt werden, dass auch während des Schlafzustandes die Batterie 7 (siehe 2) des Unterwasserfahrzeuges 1 weitgehend geladen bleibt, so dass auch genug Energie für etwaig notwendige spontane Aktionen (z.B. einen „Peak-Start“) zur Verfügung steht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1454826 A1 [0006]
EP 2864192 B1 [0010, 0020]
JP 2003056799 A [0010]
EP 2151377 B1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. Pommer in Schiff & Hafen, Seehafen Verlag GmbH, Bd. 44, Nr. 8, 1. August 1992, Seiten 48-51 [0006]

Claims

Energieversorgungssystem (4) für ein Unterwasserfahrzeug (1), insbesondere für ein U-Boot oder ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzellenanlage (10), die mit reinem Wasserstoff oder mit einem wasserstoffhaltigen Gas als erstem Betriebsgas sowie mit reinem Sauerstoff oder mit einem sauerstoffhaltigen Gas als zweitem Betriebsgas betreibbar ist, und mit einem Betriebsgasbehälter (13) für eines der beiden Betriebsgase, vorzugsweise mit jeweils einem Betriebsgasbehälter für jedes der beiden Betriebsgase, wobei der Betriebsgasbehälter (13) mit der Brennstoffzellenanlage (10) strömungstechnisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter (13) in einem überkritischen Zustand gespeichert ist.
Energieversorgungssystem (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter (13) reiner Wasserstoff ist.
Energieversorgungssystem (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Gasaufnahmevorrichtung (14) zur Aufnahme von Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter (13) umfasst.
Energieversorgungssystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanlage (10) zumindest - eine erste Brennstoffzelleneinrichtung (11) und - eine zweite Brennstoffzelleneinrichtung (12) umfasst und wobei die erste Brennstoffzelleneinrichtung (11) und die zweite Brennstoffzelleneinrichtung (12) strömungstechnisch getrennt voneinander mit dem Betriebsgasbehälter (13) und/oder einer bzw. der Gasaufnahmevorrichtung (14) zur Aufnahme von Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter (13) verbindbar sind.
Energieversorgungssystem (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ersten Betriebsart des Unterwasserfahrzeuges von den beiden Brennstoffzelleneinrichtungen (11, 12) zumindest die erste Brennstoffzelleneinrichtung (11) mit dem Betriebsgasbehälter (13) und/oder der Gasaufnahmevorrichtung (14) für eine Gaszufuhr verbunden ist und wobei bei einer zweiten Betriebsart von den beiden Brennstoffzelleneinrichtungen (11, 12) nur die zweite Brennstoffzelleneinrichtung (12) mit dem Betriebsgasbehälter und/oder der Gasaufnahmevorrichtung (7) für eine Gaszufuhr verbunden ist.
Energieversorgungssystem (4) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Batterie (7) zur Energieversorgung elektrischer Systeme (3, 5, 6) des Unterwasserfahrzeuges (1) umfasst und dass die zweite Brennstoffzelleneinrichtung (12) in der zweiten Betriebsart mit der Batterie (7) zu deren Ladung verbunden oder verbindbar ist.
Energieversorgungssystem (4) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Betriebsart ein Betrieb des Unterwasserfahrzeuges (1) mit einem ersten Energieverbrauch, insbesondere ein Betrieb mit einem elektrischen Antrieb (3), ist, und dass die zweite Betriebsart ein Betrieb des Unterwasserfahrzeuges (1) mit einem zweiten Energieverbrauch, insbesondere ein Betrieb ohne einen elektrischen Antrieb (3), ist, und wobei der erste Energieverbrauch größer ist als der zweite Energieverbrauch.
Energieversorgungssystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb des Unterwasserfahrzeuges (1) nacheinander die folgenden Betriebsarten umfasst: einen ersten Fahrbetrieb (B1) für eine Hinfahrt zu einem Zielort, einen Schlafbetrieb (B2) am Zielort, einen Einsatzbetrieb (B3) am Zielort und einen zweiten Fahrbetrieb (B4) für eine Rückfahrt von dem Zielort, und dass die Art und Zusammensetzung des Betriebsgases sowie die Größe des Betriebsgasbehälters (13) bzw. dessen Füllung mit Betriebsgas derart auf diesen Betrieb angepasst ist, dass zumindest während des ersten Fahrbetriebes (B1) und des Schlafbetriebs (B2), vorzugsweise auch während des Einsatzbetriebes (B3), das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter (13) in einem überkritischen Zustand gespeichert ist.
Verfahren zur Energieversorgung eines Unterwasserfahrzeuges (1), insbesondere eines U-Boots oder eines unbemannten Unterwasserfahrzeuges, wobei das Unterwasserfahrzeug eine Brennstoffzellenanlage (10) zur Erzeugung von Energie aufweist, wobei die Brennstoffzellenanlage (10) mit reinem Wasserstoff oder mit einem wasserstoffhaltigen Gas als erstem Betriebsgas sowie mit reinem Sauerstoff oder mit einem sauerstoffhaltigen Gas als zweitem Betriebsgas betrieben wird, wobei zumindest eines der beiden Betriebsgase in einem Betriebsgasbehälter (13) gespeichert wird, vorzugsweise jedes der beiden Betriebsgase in jeweils einem Betriebsgasbehälter gespeichert wird, und von dort der Brennstoffzellenanlage (10) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter (13) in einem überkritischen Zustand gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter (13) reiner Wasserstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter (13) in einer Gasaufnahmevorrichtung (14) gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanlage (10) zumindest - eine erste Brennstoffzelleneinrichtung (11) und - eine zweite Brennstoffzelleneinrichtung (12) umfasst und dass die erste Brennstoffzelleneinrichtung (11) und die zweite Brennstoffzelleneinrichtung (12) strömungstechnisch getrennt voneinander in Abhängigkeit von einer Betriebsart des Unterwasserfahrzeuges mit dem Betriebsgasbehälter (13) und/oder der Gasaufnahmevorrichtung (14) für Boil-Off-Gas verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ersten Betriebsart von den beiden Brennstoffzelleneinrichtungen (11, 12) zumindest die erste Brennstoffzelleneinrichtung (11) mit Gas aus dem Betriebsgasbehälter (13) und/oder der Gasaufnahmevorrichtung (14) versorgt wird und dass bei einer zweiten Betriebsart des Unterwasserfahrzeuges (1) von den beiden Brennstoffzelleneinrichtungen (11, 12) nur die zweite Brennstoffzelleneinrichtung (12) mit Gas aus dem Betriebsgasbehälter (13) und/oder der Gasaufnahmevorrichtung (14) versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem (4) eine Batterie (7) zur Energieversorgung elektrischer Systeme (3, 5, 6) des Unterwasserfahrzeuges (1) umfasst und dass die zweite Brennstoffzelleneinrichtung (12) während der zweiten Betriebsart die Batterie (7) lädt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Betriebsart ein Betrieb des Unterwasserfahrzeuges (1) mit einem ersten Energieverbrauch, insbesondere ein Betrieb mit einem elektrischen Antrieb (3) ist, und dass die zweite Betriebsart ein Betrieb des Unterwasserfahrzeuges (1) mit einem zweiten Energieverbrauch, insbesondere ein Betrieb ohne einen elektrischen Antrieb (3), ist, wobei der erste Energieverbrauch größer ist als der zweite Energieverbrauch.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb des Unterwasserfahrzeuges (1) nacheinander die folgenden Betriebsarten durchlaufen werden: ein erster Fahrbetrieb (B1) für eine Hinfahrt zu einem Zielort, ein Schlafbetrieb (B2) am Zielort, ein Einsatzbetrieb (B3) am Zielort und ein zweiter Fahrbetrieb (B4) für eine Rückfahrt von dem Zielort, und dass zumindest während des ersten Fahrbetriebes (B1) und des Schlafbetriebs (B2), vorzugsweise auch während des Einsatzbetriebs (B3), das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter (13) in einem überkritischen Zustand gespeichert wird.
Unterwasserfahrzeug, insbesondere U-Boot oder unbemanntes Unterwasserfahrzeug, mit einem Energieversorgungssystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.