DE102018202973A1 - Energy supply system for an underwater vehicle, method for operating a power supply system and underwater vehicle with such a power supply system - Google Patents

Energy supply system for an underwater vehicle, method for operating a power supply system and underwater vehicle with such a power supply system Download PDF

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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, einen Betriebsgasbehälter (13) für eines der beiden Betriebsgase, wobei der Betriebsgasbehälter (13) mit der Brennstoffzellenanlage (10) strömungstechnisch verbunden ist, und eine Gasaufnahmevorrichtung (14) zur Aufnahme von Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter (13), umfasst die Brennstoffzellenanlage (10) erfindungsgemäß zumindest
- eine erste Brennstoffzelleneinrichtung (11) und
- eine zweite Brennstoffzelleneinrichtung (12) wobei die erste Brennstoffzelleneinrichtung (11) und die zweite Brennstoffzelleneinrichtung (12) strömungstechnisch getrennt voneinander mit dem Betriebsgasbehälter (13) und/oder der Gasaufnahmevorrichtung (14) verbindbar sind. Hierdurch kann Boil-Off-Gas optimal genutzt und somit eine lange Einsatzdauer des Unterwasserfahrzeuges ermöglicht werden.

Figure DE102018202973A1_0000
In an energy supply system (4) for an underwater vehicle (1), in particular for a submarine or an unmanned underwater vehicle, comprising a fuel cell system (10) with pure hydrogen or with a hydrogen-containing gas as the first operating gas and with pure oxygen or an oxygen-containing Gas as the second operating gas is operable, an operating gas container (13) for one of the two operating gases, wherein the operating gas container (13) with the fuel cell system (10) is fluidically connected, and a gas receiving device (14) for receiving boil-off gas from the Operating gas tank (13), the fuel cell system (10) according to the invention comprises at least
- A first fuel cell device (11) and
- A second fuel cell means (12) wherein the first fuel cell means (11) and the second fuel cell means (12) fluidly separated from each other with the operating gas container (13) and / or the gas receiving device (14) are connectable. As a result, Boil-off gas can be used optimally and thus a long service life of the underwater vehicle can be made possible.
Figure DE102018202973A1_0000

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 8 sowie ein Unterwasserfahrzeug mit einem solchen Energieversorgungssystem gemäß Patentanspruch 15.The invention relates to a power supply system for an underwater vehicle, in particular for a submarine or an unmanned underwater vehicle, according to the preamble of claim 1. The invention further relates to a method for operating a power supply system according to the preamble of claim 8 and an underwater vehicle with such a power supply system according to claim 15th

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.In a fuel cell, combining hydrogen and oxygen in an electrochemical reaction generates electrical energy and heat leaving water as the reaction product.

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.During operation of a fuel cell, a hydrogen-containing gas - hereinafter called fuel gas - and an oxygen-containing gas - referred to below as the oxidizing gas - supplied. These two gases are referred to below as "operating gases". As fuel gas is, for example, methane, natural gas, coal gas or pure hydrogen (H 2 ) use. As the oxidizing gas usually air, but also pure oxygen (O 2 ) is used.

Es sind bereits Unterwasserfahrzeuge, wie z.B. U-Boote, mit Energieversorgungssystemen mit Brennstoffzellenanlagen bekannt, durch welche Energie für den Betrieb des Fahrzeugs erzeugt wird.There are already underwater vehicles, such as Submarines known with fuel cell power systems that generate power for the operation of the vehicle.

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.There are several ways to store these operating gases, e.g. in the form of compressed gases in pressure vessels, in the form of liquified gases in cryogenic tanks, or in the case of hydrogen ad- / absorbed on / in a carrier material, such as e.g. in a metal hydride storage.

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.With respect to metal hydride storage is exemplified on the EP 1 454 826 A1 and in terms of liquid storage and storage in the form of compressed gases in pressure vessels is applied to the essay "Fuel cells as an air-independent propulsion component for submarines" by H. Pommer in Schiff & Hafen, Seehafen Verlag GmbH, Vol. 44, No. 8, 1 August 1992, pages 48-51, XP000288856, ISSN: 1436-8498 directed.

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).With the compressed gases, the volume requirement for the required accumulators is unfavorably high. Liquefied gases, by contrast, have a much higher density and, generally despite the required isolation, require less space (i.e., have a higher storage density).

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.But if a gas is stored in liquid form, always evaporates a small amount of the liquid gas, a so-called boil-off gas, since the heat can not be permanently suppressed. As long as you can dispose of the vaporized gas to the surrounding atmosphere, no problem arises. However, the problem is the situation where evaporation within a closed system, such as e.g. An underwater vehicle, takes place, which does not allow exchange with the atmosphere. In this case, the boil-off gases must be taken up and stored inside the vehicle unless a process available inside the vehicle can be used to chemically build up the gases (e.g., by conversion in a fuel cell reaction or combustion).

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.To store the Boil-off gases pressure vessels are usually used, in which the released gas flows into it. The capacity or the maximum achievable pressure of such a pressure vessel is determined by the design pressure of the container. Alternatively, the two operating gases hydrogen and oxygen are allowed to react in controlled reactions (combustion), thereby producing the easier-to-handle water as a product.

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.From the EP 2 864 192 B1 and the JP 2003 056799 A Operating gas systems for an underwater vehicle, in particular for a submarine or an unmanned underwater vehicle, are known, which include a fuel cell system, an operating gas tank, which is fluidically connected to the fuel cell system, and a gas receiving device. The gas receiving device is connected to the operating gas container and contains a Sorbtionsmittel for receiving boil-off gas from the operating gas container.

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.However, with pure liquid gases, the evaporation rate is so high that there is no long-term availability of the gases for utilization in fuel cells. This is particularly problematic in unmanned underwater vehicles, often referred to as "UUV" (Unmanned Underwater Vehicle), some of which are more than 3 months on the road and where the limited space conditions carrying larger amounts of fuel and oxygen and thus the duration of use with Limit fuel cell supplied UUVs.

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.From the EP 2 151 377 B1 a method is known for purging a fuel cell application of a submarine, in which carbon dioxide is used as purge gas. The carbon dioxide is stored in a supercritical state.

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 eine vergleichsweise längere Einsatzdauer des Unterwasserfahrzeuges ermöglicht werden kann.Based on this, it is an object of the present invention, a power supply system and to provide a method for operating a power supply system for an underwater vehicle, in particular for a submarine or an unmanned underwater vehicle, with which a comparatively longer service life of the underwater vehicle can be made possible.

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 8. Ein Unterwasserfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem ist Gegenstand des Anspruchs 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.The solution to the object directed to the energy supply system is achieved by an energy supply system according to claim 1. The solution to the method for operating an energy supply system directed object succeeds by a method according to claim 8. An underwater vehicle with a power supply system according to the invention is the subject of claim 15. Advantageous embodiments are each the subject of the dependent claims.

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, 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 eine Gasaufnahmevorrichtung zur Aufnahme von Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter, wobei die Brennstoffzellenanlage zumindest

  • - eine erste Brennstoffzelleneinrichtung und
  • - eine zweite Brennstoffzelleneinrichtung umfasst und wobei die erste Brennstoffzelleneinrichtung und die zweite Brennstoffzelleneinrichtung strömungstechnisch getrennt voneinander mit dem Betriebsgasbehälter und/oder der Gasaufnahmevorrichtung verbindbar sind.
A power supply system according to the invention for an underwater vehicle, in particular for a submarine or an unmanned underwater vehicle, comprises a fuel cell system which can be operated with pure hydrogen or with a hydrogen-containing gas as the first operating gas and with pure oxygen or with an oxygen-containing gas as the second operating gas Operating gas tank for one of the two operating gases, preferably in each case an operating gas container for each of the two operating gases, the operating gas tank is fluidly connected to the fuel cell system, and a gas receiving device for receiving boil-off gas from the operating gas tank, the fuel cell system at least
  • - A first fuel cell device and
  • - A second fuel cell device comprises and wherein the first fuel cell means and the second fuel cell means are fluidly separated from each other with the operating gas container and / or the gas receiving device connectable.

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 maximale Ausnutzung des gespeicherten Betriebsgases und somit eine längere Einsatzdauer des Unterwasserfahrzeuges ermöglichen.Depending on the mode of operation of the underwater vehicle, the amount of boil-off gas generated in the operating gas tank or the amount of boil-off gas stored in the gas pickup device, only the first fuel cell device, only the second fuel cell device or both fuel cell devices can then flexibly together with the operating gas container and / or the gas sampling device may be connected (or connected) or be separated from (or be separated from). The fuel cell system can then be set to an optimized use of Boil-off gases depending on the needs of each operating condition. For example, it can be optimally operated or adjusted to different modes of operation of the underwater vehicle, each with different energy consumption of the underwater vehicle and thus optimal use of boil-off gases, thus allowing maximum utilization of the stored operating gas and thus a longer service life of the underwater vehicle.

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.The gas receiving device preferably contains a sorbent for receiving boil-off gas from the operating gas container. Depending on the type of sorbent, it can either adsorb or absorb the boil-off gas. Examples and further details for this are the aforementioned EP 2 864 192 B1 refer to.

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.The gas receiving device is advantageously arranged such that a fluidic connection to the operating gas container on one side and to the fuel cell system on the other side exists. The easiest way to produce such a fluidic connection by a main line which connects the operating gas tank with the fuel cell system, a secondary line is branched off, so that the boil-off gas first flows into the main line and then introduced into the secondary line. The operating gas container and the gas receiving device are thus connected, so to speak, parallel to the fuel cell system, so that gas supply to the fuel cell system can take place independently of both gas storages.

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 der Gasaufnahmevorrichtung zur Aufnahme von Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter verbindbar sind.To further increase the flexibility, the fuel cell system may also comprise one or more further fuel cell devices, which are fluidically separated from each other and from the first and second fuel cell device with the operating gas container and / or the gas receiving device for receiving boil-off gas from the operating gas container can be connected.

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.Advantageously, in a first mode of operation of the underwater vehicle of the two fuel cell devices at least the first fuel cell device connected to the operating gas container and / or the gas receiving device for a gas supply and in a second mode of the two fuel cell devices only the second fuel cell device with the operating gas container and / or Gas intake device connected to a gas supply. In the case of the first mode of operation, the second fuel cell device may then be either separate from the operating gas container and / or the gas receiving device or also be connected to the operating gas container and / or the gas receiving device.

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.The first fuel cell device may then, for example - possibly together with the second fuel cell device - as the main fuel cell device for a "normal operation" of Underwater vehicle serve and designed to be optimized. In this case, then a normal gas supply of the fuel cell can be made from the operating gas tank. On the other hand, the second fuel cell device can be used for a "special operation" of the underwater vehicle and designed to be optimized for this purpose. In this case, for example, a supply of fuel cells with boil-off gas take place, which is supplied either from the operating gas tank and / or from a gas receiving device for boil-off gas of the second fuel cell device.

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.When the power supply system includes a battery for powering electrical systems of the underwater vehicle, the second fuel cell device in the second mode of operation is preferably connected or connectable to the battery for charging. This allows the boil-off gas to be recharged, for example, for recharging the battery e.g. be used during a "special operation".

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.According to a particularly advantageous embodiment, the first operating mode is an operation of the underwater vehicle with a first energy consumption, in particular an operation without an electric drive (for example an electric drive for propulsion of the underwater vehicle), and the second operating mode is an operation of the underwater vehicle with a second energy consumption , In particular, an operation without an electric drive (for example, without an electric drive for propulsion of the underwater vehicle), wherein the first energy consumption is greater than the second energy consumption.

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.The first fuel cell device may then be configured for optimal power generation with normal or high power consumption of the underwater vehicle, and the second fuel cell device may then be configured for optimal recovery of released boil-off gases with low power consumption of the underwater vehicle.

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.The first operating mode with the first (higher) energy consumption may be, for example, a driving operation or an operating operation in which all electrical systems including an electric drive for propulsion of the underwater vehicle are in operation.

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.For example, the second (lower) power consumption second mode may be a "sleep mode" in which an electric propulsion device for propulsion of the submersible is out of service and only essential control and communication systems are in operation.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter in einem überkritischen Zustand gespeichert.According to a further advantageous embodiment, the operating gas is stored in the operating gas container in a supercritical state.

Unter einem überkritischen Zustand (manchmal auch als „superkritischer“ Zustand bezeichnet) wird dabei ein Zustand oberhalb des kritischen Punktes im Phasendiagramm des Stoffes verstanden, bei dem das Gas sowohl flüssige als auch gasförmige Komponenten enthält. Flüssigkeit und Gas können dort nicht mehr unterschieden werden.By a supercritical state (sometimes referred to as a "supercritical" state) is meant a state above the critical point in the phase diagram of the substance in which the gas contains both liquid and gaseous components. Liquid and gas can not be distinguished there.

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 Betriebsdauer bzw. Einsatzdauer des Unterwasserfahrzeuges ermöglicht werden.Compared to liquid operating gases, this can reduce the amount of boil-off gas produced. Compared to the pressure accumulator again results in a significantly higher storage density and because of the higher pressure also a reduction in Boil-off losses. The reduction of Boil-off gas volumes allows a meaningful recovery of the released boil-off gases even when operating the underwater vehicle with low energy consumption, in the case of an unmanned underwater vehicle, for example, in a sleep phase, in the only essential control and communication systems in the Use are. The energy supply system and the consumers supplied by it can then be optimized to maximize the use of boil-off gases as needed by the respective operations management. It can thus be a high efficiency in the use of the operating gases or with a specific storage filling longer operating time or duration of use of the underwater vehicle are possible.

Die Temperatur des Betriebsgases liegt zudem 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 Gasbehälters reduzieren. Ein einfacher Kryospeicher mit doppelwandiger Ausführung ist ausreichend.The temperature of the operating gas is also above the temperature, which is necessary to obtain a liquid state. Thus, compared to a storage in the liquid state, the effort and space required for the insulation of the gas container can be reduced. A simple cryo storage with double-walled design is sufficient.

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.According to a further advantageous embodiment, the operation of the underwater vehicle successively comprises the following operating modes: a first driving operation for a journey to a destination, a sleep operation at the destination, an operation at the destination and a second driving operation for a return from the destination, and the nature and composition the operating gas and the size of the operating gas tank or its filling with operating gas are adapted to this operation, that at least during the first driving operation and the sleep mode, preferably also during the operation, the operating gas is stored in the operating gas container in a supercritical state. It is thus an optimal utilization of boil-off gas guaranteed until the end of sleep. This can For example, it can be ensured that even during the sleep state, a battery of the underwater vehicle remains largely charged, so that enough energy is available for any spontaneous actions that may be necessary (for example, a "peak start").

Das in dem Gasbehälter 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 Gasbehälter reiner Wasserstoff ist. Mit anderen Worten kommt reiner Wasserstoff als Betriebsgas zum Einsatz, der in einem überkritischen Zustand in dem Gasbehälter gespeichert ist. Als Oxidationsgas kommt vorzugsweise reiner Sauerstoff zum Einsatz, der von Vorteil ebenfalls in einem überkritischen Zustand in einem Gasbehälter gespeichert sein kann. Der Sauerstoff kann aber auch konventionell beispielsweise in flüssiger Form gespeichert sein.The operating gas stored in the gas container with supercritical state can basically be both the first operating gas or the second operating gas. However, the advantages mentioned come into their own when the operating gas in the gas container is pure hydrogen. In other words, pure hydrogen is used as the operating gas which is stored in a supercritical state in the gas container. Pure oxygen is preferably used as the oxidizing gas, which may advantageously also be stored in a supercritical state in a gas container. The oxygen can also be stored conventionally, for example in liquid form.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Energieversorgung eines Unterwasserfahrzeuges, insbesondere eines U-Boot oder eines unbemannten Unterwasserfahrzeuges, wobei das Unterwasserfahrzeug eine Brennstoffzellenanlage zur Erzeugung von Energie aufweist, wobei die Brennstoffzellenanlage mit reinem Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen als erstem Betriebsgas sowie mit reinem Sauerstoff oder 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, und wobei Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter in einer Gasaufnahmevorrichtung gespeichert wird, 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 Gasbehälter und/oder der Gasaufnahmevorrichtung zur Aufnahme von Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter verbunden werden.In the inventive method for powering an underwater vehicle, in particular a submarine or an unmanned underwater vehicle, the underwater vehicle having a fuel cell system for generating energy, the fuel cell system with pure hydrogen or a hydrogen-containing as the first operating gas and with pure oxygen or an oxygen-containing gas operated as a second operating gas, wherein at least one of the two operating gases is stored in an operating gas tank, preferably each of the two operating gases is stored in each case a working gas tank, and from there the fuel cell system is supplied, and wherein Boil-off gas from the operating gas tank in a Gas storage device is stored, the fuel cell system comprises a first fuel cell device and a second fuel cell device, wherein the first fuel cell device and the second Bre fuel cell device fluidly separated from each other depending on an operating mode of the underwater vehicle with the gas tank and / or the gas receiving device for receiving boil-off gas from the operating gas tank are connected.

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.In a first operating mode, at least the first fuel cell device is supplied with gas from the operating gas container and / or the gas receiving device by the two fuel cell devices, and in a second operating mode of the underwater vehicle, only the second fuel cell device is supplied with gas from the operating gas container and / or the two fuel cell devices Gas intake device supplied.

Wenn das Energieversorgungssystem eine Batterie zur Energieversorgung elektrischer Systeme des Unterwasserfahrzeuges umfasst, lädt die zweite Brennstoffzelleeinrichtung während der zweiten Betriebsart von Vorteil die Batterie.When the power supply system includes a battery for powering electrical systems of the underwater vehicle, the second fuel cell device advantageously charges the battery during the second mode of operation.

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.The first operating mode is preferably an operation of the underwater vehicle with a first energy consumption, in particular an operation with an electric drive (eg an electric drive for propulsion of the underwater vehicle), and the second operating mode is an operation of the underwater vehicle with a second energy consumption, in particular an operation without an electric drive (eg without an electric drive for propulsion of the underwater vehicle), wherein the first power consumption is smaller than the second power consumption.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Betriebsgas in dem Gasbehälter in einem überkritischen Zustand gespeichert.According to a further advantageous embodiment, the operating gas is stored in the gas container in a supercritical state.

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.When the following operating modes are consecutively run during operation of the underwater vehicle: a first travel operation for a journey to a destination, a sleep operation at the destination, a deployment operation at the destination and a second travel operation for a return journey from the destination, is preferably at least during the first driving operation and the sleep mode, preferably also during the operation, the operating gas stored in the operating gas container in a supercritical state.

Von Vorteil ist das Betriebsgas in dem Gasbehälter reiner Wasserstoff.Advantageously, the operating gas in the gas tank is pure hydrogen.

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.The advantages mentioned for the energy supply system according to the invention and its advantageous embodiments apply in a corresponding manner to the method according to the invention and its respectively corresponding advantageous embodiments.

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 unbemanntes Unterwasserfahrzeug.
The invention and further advantageous embodiments of the invention according to features of the subclaims are explained in more detail below with reference to exemplary embodiments in the figures. Show:
  • 1 an underwater vehicle with a power supply system according to the invention,
  • 2 a first embodiment of the power supply system of 1 .
  • 3 A second embodiment of the power supply system of 1 .
  • 4 a third embodiment of the energy supply system of 1 .
  • 5 A fourth embodiment of the energy supply system of 1 .
  • 6 a fifth embodiment of the energy supply system of 1 and
  • 7 an exemplary process flow for operation of an unmanned underwater vehicle.

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. 1 shows a simplified representation of an underwater vehicle 1 , here an autonomous unmanned underwater vehicle (UUV). The underwater vehicle 1 has a propeller to drive or propulsion 2 on top of an electric motor 3 powered by a power system 4 is supplied with electrical energy. The underwater vehicle 1 also includes a control system 5 and a communication system 6 also from the power system 4 be supplied with electrical energy. In addition, of course, other systems of the energy supply system 4 be supplied with electrical energy.

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). 2 shows a simplified representation of a first embodiment of the power system 4 from 1 , The energy supply system 4 includes a fuel cell system 10 that is a first fuel cell device 11 and a second fuel cell device 12 includes. Both fuel cell devices 11 . 12 each comprise a stack of stacked fuel cells electrically connected in series. The fuel cell devices 11 . 12 are electrically connected to a vehicle electrical system on the output side 9 connected, from which the control system 5 , the communication system 6 and the engine 3 be supplied with electrical energy. For intermediate storage of electrical energy includes the energy supply system 4 additionally one to the electrical system 9 connected battery 7 , The motor 3 is about an inverter 8th connected to the electrical system. In practice, a whole range of additional systems and consumers to the electrical system 9 be connected and be supplied from this with electrical energy. The fuel cell device 11 generated electricity I1 and that of the fuel cell device 12 generated electricity I2 can as shown directly, but also via interposed DC / DC controller in the electrical system 9 be fed (see 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.The fuel cells of the fuel cell devices 11 . 12 are operated with pure hydrogen as the first operating gas and with pure oxygen as the second operating gas. The hydrogen is in a working gas tank 13 stored with the fuel cell devices 11 . 12 about a relaxer 18 and a pressure regulator 19 fluidically connected. The hydrogen is in the operating gas tank 13 stored in a supercritical state, ie in a state above the critical point in the phase diagram of the substance, where the gas contains both liquid and gaseous components. Liquid and gas can not be distinguished there. In the relaxer 18 For example, the gas in a supercritical state is depressurized and converted to a gaseous state.

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.The temperature of the hydrogen is above the temperature, which is necessary to obtain a liquid state. Thus, compared to a storage in the liquid state, the effort and space required for the isolation of the operating gas container 13 to reduce. A simple cryo storage with double-walled design is sufficient. But it is also important that this can reduce the amount of boil-off gas compared to liquid operating gases. Compared to the pressure accumulator again results in a significantly higher storage density and because of the higher pressure, a reduction in Boil-off gas losses.

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.The energy supply system 4 further comprises a gas receiving device 14 , which is arranged such that a fluidic connection to the operating gas container 13 on the other side as well as the fuel cell system 10 on the other side exists. This is from a main line 15 that the operating gas tank 13 with the fuel cell system 10 connects, a secondary line 16 diverted. A boil-off gas, which is in the operating tank 13 arises and which not directly in the fuel cell system 10 can be consumed thereby collected and in the gas collecting device 14 get saved. In this case, both the operating gas container and the gas receiving device represent gas storage, which differ from each other in terms of structure, functionality and capacity and are optimized with regard to their use.

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.The gas sampling device 14 this preferably has a sorbent. Depending on the type of sorbent, the gas sampling device 14 then either adsorb or absorb the boil-off gas. Through the use of adsorbers / absorbers, it is therefore possible to store a large amount of boil-off gas reversibly. The boil-off gas is absorbed by the sorbent and under suitable physical conditions (pressure, temperature) in the operating system, the boil-off gas is released again and is then available for recycling in the fuel cell system 10 to disposal. Compared to a conventional pressure accumulator can store in this way a larger amount of Boil-off gas, which is an optimal Utilization of the entrained in the underwater vehicle operating gases allows.

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.The boil-off gas first flows into the main line 15 and is then introduced into the secondary line. The operating gas tank 13 and the gas collection device 14 are thus, so to speak, parallel to the fuel cell system 10 switched so that from both gas stores 13 . 14 independently of each other, a gas supply to the fuel cell system 10 can be done. The process is additionally simplified, since the operating gas tank 13 and the gas collection device 14 eg via a common pressure control 19 feature.

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.When the boil-off gas for the reaction in the fuel cell system 10 needed is via the pressure regulator 19 the pressure in the main 15 reduced. Due to the resulting pressure gradient, the boil-off gas in the gas sampling device 14 desorbed and into the fuel cell system 10 introduced therein.

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.Alternatively, however, it is also possible that the gas receiving device 14 is coupled directly to the operating gas tank, and / or that a separate line 17 from the gas sampling device 14 in the fuel cell system 10 (or in the main line 15 ) opens.

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.Through a corresponding fitting system with the controllable valves 20 . 21 . 22 . 23 (and if available 24 ) become the different lines 15 . 16 (and if available 17 ) or areas of these lines open or locked.

Es ist auch möglich, dass die Brennstoffzellenanlage 10, der Betriebsgasbehälter 13 und die Gasaufnahmevorrichtung 14 in Reihe an der Hauptleitung 15 hintereinander geschaltet sind.It is also possible that the fuel cell system 10 , the operating gas tank 13 and the gas collection device 14 in series at the main 15 are connected in series.

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.This in 2 to 6 shown power supply system 4 only illustrates the storage and supply of hydrogen to the fuel cell plant 10 , For the oxygen, the same or a similar arrangement of a service gas tank 13 and a gas collection device 14 be provided. The oxygen is also advantageously stored in a supercritical state in a service gas tank. The oxygen can also be stored conventionally, for example in liquid form.

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.Because the two fuel cell devices 11 . 12 via separate lines 15 ' . 15 " each with a valve disposed therein 22 or. 23 parallel to the main line 15 are connected, are the first fuel cell device 11 and the second fuel cell device 12 fluidly separated and thus independently of each other with the operating gas tank and the gas sampling device 14 connectable to a gas supply.

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.Depending on the operating mode of the underwater vehicle 1 , the amount in the operating gas tank 13 generated Boil-off gas or the amount in the gas sampling device 14 stored boil-off gas can then flexibly, for example, only the first fuel cell device 11 , only the second fuel cell device 12 or both fuel cell devices 11 . 12 together fluidically for a gas supply with the operating gas tank 13 and / or the gas sampling device 14 be connected. The fuel cell system 10 can then be adjusted depending on the needs of the respective operating condition on an optimized use of boil-off gases.

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.The first fuel cell device 11 serves for this purpose - possibly also together with the second fuel cell device 12 for a first operating mode of the underwater vehicle with a higher energy consumption of the underwater vehicle.

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.This first operating mode can be, for example, an operation in which all electrical systems, including an electric drive, have to be supplied with electrical energy, for example a driving operation in which the electric drive is used to propel the underwater vehicle, or a deployment operation in which the electric drive for Example of a hole is used. The fuel cell device 11 is optimized for this purpose. In this operation, a normal gas supply of fuel cells from the operating gas tank 13 ,

Die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 dient für eine zweite Betriebsart des Unterwasserfahrzeuges mit einem niedrigeren Energieverbrauch des Unterwasserfahrzeuges als in der ersten Betriebsart.The second fuel cell device 12 Serves for a second mode of operation of the underwater vehicle with a lower energy consumption of the underwater vehicle than in the first mode.

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.This second mode can be, for example, an operation in which only a few electrical systems, but no electric drive, must be supplied with electrical energy, for example, a sleep operation, in which only essential systems, such as the control system 5 or the communication system 6 , must be supplied with electrical energy.

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.The fuel cell device 12 is designed optimized for this operation. In this operation, a supply of fuel cells with boil-off gas, which is either from the operating gas tank 13 and / or from the gas collection device 14 the second fuel cell device 12 is supplied. The fuel cell device 12 With Help of boil-off gas generated electrical energy is then used for recharging the battery 7 used.

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.In the first operating mode is the valve 22 opened and the first fuel cell device 11 is for a gas supply with the operating gas tank 13 and / or the gas sampling device 14 fluidically connected.

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.If the second fuel cell device 12 in the first mode of operation should generate no electrical energy, is the valve 23 closed and thus the second fuel cell device 12 from a gas supply from the operating gas tank 13 and / or the gas sampling device 14 separated.

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.If the second fuel cell device 12 but together with the first fuel cell device 11 To generate electrical energy is the valve 23 on the other hand opened and thus the second fuel cell device 12 for a gas supply with the operating gas tank 13 and / or the gas sampling device 14 connected.

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.In the second mode, the valve 23 opened and the second fuel cell device 11 is for a gas supply with the operating gas tank 13 and / or the gas sampling device 14 fluidically connected. The valve 22 on the other hand is closed and thus the first fuel cell device 11 from a gas supply from the operating gas tank 13 and / or the gas sampling device 14 separated.

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.The electrical system 9 has, for example, a rated voltage in the range of 24 Vdc to 200 Vdc, in particular 100 Vdc. The fuel cell devices 11 . 12 comprise an electrical series connection of so many fuel cells, that at the output of the fuel cell devices 11 . 12 sets such a nominal voltage. The fuel cell devices 11 . 12 then generally have the same number of electrically connected in series fuel cells, although the electrochemically active surface of the fuel cell of the fuel cell devices 11 is larger than the fuel cells 12 , The space requirement of the fuel cell device 11 is thus greater than the space requirement of the fuel cell device 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.An in 3 shown embodiment differs from the embodiment according to 2 in that the fuel cell devices 11 . 12 via a common DC / DC controller 30 with the electrical system 9 electrically connected or connected. With the help of the DC / DC controller 30 is the output voltage of the fuel cell devices 11 . 12 to the rated voltage of the vehicle electrical system 9 customizable.

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.The fuel cell devices 11 . 12 can then generate a voltage on the output side, which is smaller than the rated voltage of the electrical system 9 is, and from the DC / DC adjuster 31 to the rated voltage of the vehicle electrical system 9 is adjusted. The fuel cell devices 11 . 12 thus require less electrically series connected fuel cells than in the case of 2 and thus have a smaller footprint.

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.An in 4 shown embodiment differs from the embodiment according to 3 in that only the fuel cell device 12 via a DC / DC controller 31 to the electrical system 9 connected. The fuel cell device 11 is, however, without an intermediate switched DC / DC controller to the electrical system 9 connected. The fuel cell device 12 then generates an output voltage on the output side which is smaller than the rated voltage of the electrical system 9 is, and from the DC / DC adjuster 31 to the rated voltage of the vehicle electrical system 9 is adjusted. The fuel cell device 11 generates on the output side a rated voltage equal to the rated voltage of the vehicle electrical system 9 is. The fuel cell device 12 thus requires less electrically series connected fuel cells than in the case of 2 and has a smaller footprint.

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.An in 5 shown embodiment differs from the embodiment according to 4 in that the second fuel cell device 12 a part of the fuel cell device 11 is. For example, the second fuel cell device 12 a partial stack 41 of fuel cells of the first fuel cell device 11 , which can be supplied separately with operating gas. The remaining part of the stack of the first fuel cell device 11 without the partial stack 41 is in 5 With 42 designated.

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.The fuel cell device 12 is this for the first mode over the line 15 ' , the partial stack 42 and a connection line 43 between the partial stack 42 and the partial stack 41 with gas from the operating gas tank 13 and / or the gas sampling device 14 supplied. This is the valve 23 closed and the valve 25 it is open. For the second mode, the fuel cell device 12 directly over the line 15 " with gas from the operating gas tank 13 and / or the gas sampling device 14 supplied. This is the valve 25 closed and the valve 23 it is open.

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.An in 6 shown embodiment differs from the embodiment according to 4 in that the electrical system 9 a first subnet 9a and a second subnet 9b includes. To each of the two subnets 9a . 9b is each a battery 7a or. 7b connected.

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. The essential systems like the control system 5 and the communication system 6 are each a switch 51 or. 52 both with the first subnet 9a as well as the second subnet 9b connectable. The electric drive 3 for the propeller 2 is only to the first subnet 9a connected and supplied from this with electrical energy.

Die erste Brennstoffzelleneinrichtung 11 ist mit dem ersten Teilnetz 9a und die zweite Brennstoffzelleneinrichtung 12 ist mit dem zweiten Teilnetz 9b verbindbar bzw. verbunden. The first fuel cell device 11 is with the first subnet 9a and the second fuel cell device 12 is with the second subnet 9b connectable or connected.

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.In the first mode, the first fuel cell device 11 via the DC / DC controller 30a with the subnet 9a connected. The desk 51 is open and the switch 52 is closed, leaving the control system 5 and the communication system 6 also electrically with the first subnetwork 9a connected, but against the second subnet 9b are separated. The first fuel cell device 11 generates electrical energy and feeds it via the DC / DC controller 30a in the subnet 9a one to the battery 7a to charge or the electrical systems such as the electric drive 3 , the control system 5 and the communication system 6 to supply with electrical energy. The second fuel cell device 12 is on the other hand out of service.

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.Alternatively, additionally, the second fuel cell device 12 generate electrical energy and via a DC / DC controller 30b into the second subnet 9b Feeding about what then - with the switch closed 51 - Together with the first fuel cell device 11 the batteries 7a . 7b be loaded or the electrical system such as the electric drive 3 , the control system 5 and the communication system 6 be supplied with electrical energy.

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.In the second mode, the second fuel cell device 12 via the DC / DC controller 30b with the subnet 9b connected. The desk 52 is open and the switch 51 is closed, leaving the control system 5 and the communication system 6 only with the second subnet 9b but against the first subnet 9a are separated. The first fuel cell device 11 is on the other hand out of service. The second fuel cell device 12 generates electric energy from boil-off gas and feeds it via the DC / DC controller 30b in the subnet 9b one to the battery 7b to load or the essential electrical systems such as the control system 5 and the communication system 6 to supply with electrical energy.

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.
7 exemplifies a procedure for an operation of an unmanned underwater vehicle. The operation of the underwater vehicle includes over time t successively the following modes of operation:
  • - a first driving operation B1 for a travel to a destination from a time t0 to a time t1 with an energy consumption E1 .
  • - a sleep operation B2 at the destination from a time t1 to a time t2 with an energy consumption E2 .
  • - an operation company B3 at the destination from a time t2 to a time t3 with an energy consumption E3 and
  • - a second driving operation B4 for a return from the destination from a time t3 to a time t4 with an energy consumption 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.For example, the period t1 - t0 is 2 weeks, the period t2 - t1 is for example 3 months, the period t3 - t2 is for example 3 weeks and the period t4 - t3 is for example 2 weeks.

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.While driving B1 are a large number of electrical systems such as the electric drive 3 , the control system 5 and the communication system 6 operational. The required (maximum) electrical energy E1 is shared by the fuel cell facilities 11 . 12 generated with gas from the operating gas tank 13 be supplied.

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.In the subsequent sleep operation B2 are only the essential systems such as the control system 5 and the communication system 6 operational. The required (minimum) electrical energy E2 is only from the fuel cell device 12 generated with boil-off gas from the operating gas tank 13 and / or the gas sampling device 14 is supplied.

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.In the subsequent operation B3 are a large number of electrical systems such as the electric drive 3 and / or another electric drive, the control system 5 and the communication system 6 operational. The required electrical energy E3 is less than the maximum energy E1 but greater than the minimum energy E2 and only by the fuel cell device 11 generated with gas from the operating gas tank 13 is supplied.

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.In the subsequent (return) driving mode B4 are a large number of electrical systems such as the electric drive 3 , the control system 5 and the communication system 6 operational. The required (maximum) electrical energy E4 is shared by the fuel cell facilities 11 . 12 generated with gas from the operating gas tank 13 be supplied.

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.The type and composition of the operating gas and the size of the operating gas tank 13 or its filling with operating gas are adapted to this operation so that at least during the first driving operation B1 and sleep operation B2 , preferably also in operation B3 , the operating gas in the operating gas tank 13 stored in a supercritical state. It is thus an optimal utilization of boil-off gas guaranteed at least until the end of sleep operation (preferably until the end of the operation). As a result, it can be ensured, for example, that the battery is also during the sleep state 7 (please refer 2 ) of the underwater vehicle 1 remains largely charged, so that also enough energy for any necessary spontaneous actions (eg a "peak start") is available.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1454826 A1 [0006]EP 1454826 A1 [0006]
  • EP 2864192 B1 [0010, 0017]EP 2864192 B1 [0010, 0017]
  • JP 2003056799 A [0010]JP 2003056799 A [0010]
  • EP 2151377 B1 [0012]EP 2151377 B1 [0012]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • „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 [0006]"Fuel cells as an air-independent propulsion component for submarines" by H. Pommer in Schiff & Hafen, Seehafen Verlag GmbH, Vol. 44, No. 8, August 1, 1992, pages 48-51, XP000288856, ISSN: 1436-8498 [0006 ]

Claims (15)

Energieversorgungssystem (4) für ein Unterwasserfahrzeug (1), insbesondere 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, - einen Betriebsgasbehälter (13) für eines der beiden Betriebsgase, wobei der Betriebsgasbehälter (13) mit der Brennstoffzellenanlage (10) strömungstechnisch verbunden ist, - eine Gasaufnahmevorrichtung (14) zur Aufnahme von Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter (13), 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 mit dem Betriebsgasbehälter (13) und/oder der Gasaufnahmevorrichtung (14) verbindbar sind.Energy supply system (4) for an underwater vehicle (1), in particular an unmanned underwater vehicle, comprising - a fuel cell system (10) which can be operated with pure hydrogen or with a hydrogen-containing gas as the first operating gas and with pure oxygen or an oxygen-containing gas as the second operating gas, - An operating gas container (13) for one of the two operating gases, wherein the operating gas container (13) with the fuel cell system (10) is fluidically connected, - a gas receiving device (14) for receiving boil-off gas from the operating gas container (13), characterized characterized in that the fuel cell system (10) at least - a first fuel cell means (11) and - a second fuel cell means (12) and that the first fuel cell means (11) and the second fuel cell means (12) fluidly separated from each other with the operating gas container (13) and / or the Gasaufna hmevorrichtung (14) are connectable. Energieversorgungssystem (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ersten Betriebsart des Unterwasserfahrzeuges von den beiden Brennstoffzelleneinrichtungen (11, 12) zumindest die erste Brennstoffzelleneinrichtung (11) mit dem Gasbehälter (13) und/oder der Gasaufnahmevorrichtung (14) für eine Gaszufuhr verbunden ist und dass bei einer zweiten Betriebsart von den beiden Brennstoffzelleneinrichtungen (11, 12) nur die zweite Brennstoffzelleneinrichtung (12) mit dem Betriebsgasbehälter (13) und/oder der Gasaufnahmevorrichtung (14) für eine Gaszufuhr verbunden ist.Energy supply system (4) after Claim 1 , characterized in that in a first mode of operation of the underwater vehicle of the two fuel cell devices (11, 12) at least the first fuel cell device (11) to the gas container (13) and / or the gas receiving device (14) is connected to a gas supply and that in a second mode of operation of the two fuel cell devices (11, 12), only the second fuel cell device (12) is connected to the operating gas container (13) and / or the gas intake device (14) for a gas supply. Energieversorgungssystem (4) nach Anspruch 2, 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.Energy supply system (4) after Claim 2 , characterized in that it comprises a battery (7) for supplying power to electrical systems (3, 5, 6) of the underwater vehicle (1), and in that the second fuel cell device (12) in the second operating mode is connected to the battery (7) for its charging or connectable. Energieversorgungssystem (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, 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 dass der erste Energieverbrauch größer ist als der zweite Energieverbrauch.Energy supply system (4) according to one of Claims 2 to 3 characterized in that the first operating mode is an operation of the underwater vehicle (1) with a first energy consumption, in particular an operation with an electric drive (3), and that the second operating mode is an operation of the underwater vehicle (1) with a second energy consumption, in particular, an operation without an electric drive (3), and that the first energy consumption is greater than the second energy consumption. Energieversorgungssystem (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter (13) in einem überkritischen Zustand gespeichert ist.Energy supply system (4) according to one of the preceding claims, characterized in that the operating gas is stored in the operating gas container (13) in a supercritical state. Energieversorgungssystem (4) nach Anspruch 5, 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.Energy supply system (4) after Claim 5 , characterized in that the operation of the underwater vehicle (1) successively comprises the following modes: a first driving operation (B1) for a journey to a destination, a sleep operation (B2) at the destination, an operation (B3) at the destination and a second driving operation (B4) for a return from the destination, and that the type and composition of the operating gas and the size of the operating gas container (13) or its filling with operating gas adapted to this operation so that at least during the first driving operation (B1) and the Sleep operation (B2), preferably also during use operation (B3), the operating gas is stored in the operating gas container (13) in a supercritical state. Energieversorgungssystem (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter (13) reiner Wasserstoff ist.Energy supply system (4) according to one of the preceding claims, characterized in that the operating gas in the operating gas container (13) is pure hydrogen. Verfahren zur Energieversorgung eines Unterwasserfahrzeuges (1), insbesondere 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 und von dort der Brennstoffzellenanlage (10) zugeführt wird, und wobei Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter (13) in einer Gasaufnahmevorrichtung (14) gespeichert wird, 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) zur Aufnahme von Boil-Off-Gas aus dem Betriebsgasbehälter (13) verbunden werden.Method for powering an underwater vehicle (1), in particular an unmanned underwater vehicle, wherein the underwater vehicle has a fuel cell system (10) for generating energy, wherein the fuel cell system (10) with pure hydrogen or with a hydrogen-containing gas as the first operating gas and with pure oxygen or is operated with an oxygen-containing gas as the second operating gas, wherein at least one of the two operating gases in an operating gas container (13) is stored and from there the fuel cell system (10) is supplied, and wherein boil-off gas from the operating gas container (13) in one gas receiving device (14) is stored, characterized in that the fuel cell system (10) comprises at least - a first fuel cell device (11) and - comprising a second fuel cell device (12) and that the first fuel cell device (11) and the second fuel cell device (12) str from each other mung technically separated, depending on a mode of operation of the underwater vehicle with the operating gas reservoir (13) and / or the gas receiving device (14) for receiving boil-off gas from the operating gas reservoir (13) to be connected. Verfahren nach Anspruch 8, 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.Method according to Claim 8 , characterized in that in a first mode of the two fuel cell devices (11, 12) at least the first fuel cell device (11) with Gas from the operating gas container (13) and / or the gas receiving device (14) is supplied and that in a second mode of the underwater vehicle (1) of the two fuel cell devices (11, 12) only the second fuel cell device (12) with gas from the operating gas container ( 13) and / or the gas receiving device (14) is supplied. Verfahren nach Anspruch 9, 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.Method according to Claim 9 , characterized in that the energy supply system (4) comprises a battery (7) for supplying power to electrical systems (3, 5, 6) of the underwater vehicle (1) and that the second fuel cell device (12) charges the battery (7) during the second operating mode , Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, 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.Method according to one of Claims 9 to 10 characterized in that the first operating mode is an operation of the underwater vehicle (1) with a first energy consumption, in particular an operation with an electric drive (3), and that the second operating mode is an operation of the underwater vehicle (1) with a second energy consumption, in particular, an operation without an electric drive (3), wherein the first energy consumption is greater than the second energy consumption. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter (13) in einem überkritischen Zustand gespeichert wird.Method according to one of Claims 8 to 11 , characterized in that the operating gas is stored in the operating gas container (13) in a supercritical state. Verfahren nach Anspruch 12, 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.Method according to Claim 12 , characterized in that during operation of the underwater vehicle (1) the following operating modes are successively run through: a first driving operation (B1) for a journey to a destination, a sleep operation (B2) at the destination, a deployment operation (B3) at the destination and a second Driving (B4) for a return from the destination, and that at least during the first driving (B1) and the sleep mode (B2), preferably also during the operation (B3), the operating gas stored in the operating gas container (13) in a supercritical state becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsgas in dem Betriebsgasbehälter (13) reiner Wasserstoff ist.Method according to one of Claims 8 to 13 , characterized in that the operating gas in the operating gas container (13) is pure hydrogen. Unterwasserfahrzeug, insbesondere unbemanntes Unterwasserfahrzeug, mit einem Energieversorgungssystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Underwater vehicle, in particular unmanned underwater vehicle, with an energy supply system (4) according to one of Claims 1 to 7 ,
DE102018202973.3A 2018-02-28 2018-02-28 Energy supply system for an underwater vehicle, method for operating a power supply system and underwater vehicle with such a power supply system Withdrawn DE102018202973A1 (en)

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