DE1950495A1

DE1950495A1 - Verfahren zur Versorgung eines Antriebsaggregats mit Brennstoff

Info

Publication number: DE1950495A1
Application number: DE19691950495
Authority: DE
Inventors: Otto Von Krusenstierna
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1968-10-09
Filing date: 1969-10-07
Publication date: 1970-10-29
Also published as: FR2030053A1; GB1280870A; US3683622A; SE324756B; DE1950495B2; DE1950495C3

Description

Verfahren zur Versorgung eines Antriebsaggregat 3 mit Brennstoff

Me Erfindung bezieht sich auf Antriebsaggregate, wie sie in erster linie für Unterseeboote verwendet werden, und zwar auf Antriebsaggregate mit zwei Antriebssystemen.

Bei Unterseebooten ist es bekannt, zum Antrieb des Bootes mit langsamer Fahrt einen elektrischen Motor zu verwenden, der von einer mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebenen Brennstoffzellenbatterie mit Strom versorgt wird, und für schnelle Fahrt des Bootes eine Dampfturbine, die mit überhitztem Dampf gespeist wird, der in einem Verbrennungsraum durch Verbrennen von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt wird. Der Wasserstoff und der Sauerstoff werden in flüssiger Form in Brennstoffbehältern im Unterseeboot mitgeführt, lin Heckteil dieser bekannten Antriebsaggregate sind die Schwierigkeiten der Brennstoffverwahrung und die Verletzbarkeit des Bootes auf Grund der extremen Temperaturrorderungen. Ein weiterer Fachteil ^{is;fc das} große Gewicht der Vorratsbehälter im Verhältnis zu dem.Gewicht der darin verwahrten Brennstoffe,,

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brennstoffversorgung der genannten Aggregate, das die zuvor erwähnten Nachteile vermeidet und mit dem zusätzlich wesentliche Vorteile erreicht werden. Brfindungsgemäß wird bei der Brennstoffversorgung von Antriebsaggregaten, die aus einem ersten Antriebssystem mit einem elektrischen Motor, der von einer Brennstoffzellenbatterie mit Strom versorgt wird, und aus einem zweiten Antriebssystem bestehen, das eine Maschine mit einem Verbrennungsraum für die Verbennung eines Brennstoffes, wie z.B. einen Verbrennungsmotor, einen Stirling-Motor, eine Dampfturbine oder eine Gasturbine umfaßt, so verfahren, daß der Brennstoff für das Antriebsaggregat neben dem Antriebsaggregat in Form von hydroaromatisehern Kohlenwasserstoff oder einem Gemisch von mindestens zwei hydroaromatischen Kohlenwasserstoffen verwahrt wird, der bzw. das beim Betrieb des Antriebssystems in Wasserstoff und entsprechenden aromatischen Kohlenwasserstoff bzw. Kohlenwasserstoffe zersetzt wird, wobei der entstehende Wasserstoff den Brennstoffzellen und der bzw. die entstehenden aromatischen Kohlenwasser-

) stoffe der Maschine mit Verbrennungsraum als Brennstoff zuge-

daß führt werden. Das Verfahren hat den Vorteil,/hydroaromatisehe Kohlenwasserstoffe bei Zimmertemperatur flüssig oder fest sind und daher in einfachen und leicliten Brennst off behältern gelagert werden können. Weiter hat es sich gezeigt, daß der bei der Zersetzung gebildete aromatische Kohlenwasserstoff im Verbrennungsraum d©r Dampfturbine od.dglo vollständig verbrannt werden kann» Aui diese I^eise erhält man @ia in Hinsicht auf die Energiediofate äußerst kompaktes Brennstoffsystem für das An-

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Der Einsatz des erfindungsgemäßen Antriebsaggregats "beschränkt sieh nicht auf Unterseeboote, sondern ist auch da von Interesse, wo eine hohe Energiedichte des Brennstoffsystems verlangt wird, z.B. in Raumschiffen.

Der hydroaromatische Kohlenwasserstoff kann u.a. aus Hexahydrobenzol CgH₁J₂ (Cyclohexan), Dekahydronaphthalin C-qH-o (Dekalin) Tetrahydronaphthalin C-qH^C tetralin), Dihydrobenzol CgHg Cyclohexadien), Tetrahydrobenzol CgH.*₀ (Qyclohexen), Dihydronaphthalin ⁰Iq¹¹IO ^vaLä' Hexahydronaphthalin C-qH-. oder aus Mischungen von solchen Kohlenwasserstoffen bestehen«. In gewissen Fällen sind auch hydroaromatische Kohlenwasserstoffe mit mehreren Benzolringen anwendbare Besonders geeignet sind hydroaromatische Kohlenwasserstoffe, die bei Zimmertemperatur flüssig sind, z.B. Hexahydrobenzol, Dekahydronaphthalin und Tetrahydronaphthalin oder Mischungen dieser Kohlenwasserstoffe. Hexahydrobenzol wird besonders bevorzugt, da dieses Material die größte Energiemenge je Gewichtseinheit abgibt. Auch feste hydroaromatische Kohlenwasserstoffe sind verwendbar, zweckmäßigerweise sollten sie aber mit anderen Kohlenwasserstoffen verwendet werden, die zusammen mit dem festen Kohlenwasserstoff ein flüssiges Gemisch ergeben.

Die Erfindung betrifft auch eine Torriehtung zur Durchführung den angegebenen Verf ilirt^3> die &us eineis Antriebsaggi-eg&t besteh+, <3a8 ein erstts /;r.tr^.obr;systGm sit einem elektrischen Motor bat, der yc*i β:*Ώ.&"· l^oiJictoxfzellenbf^tiQTle mit Strom

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versorgt wird, und ein zweites Antriebssystem mit einer Maschine mit einem Verbrennungsraum für die Verbrennung von Brennstoff, wie z.B. eimern Verbrennungsmotor, einem Stirling-Motor, einer Dampfturbine oder Gasturbine. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Reaktor zur Zersetzung von hydroaromatisehen Kohlenwasserstoffen in Wasserstoff und entsprechenden aromatischen Kohlenwasserstoff am Antriebsaggregat angeschlossen ist, der eine Verbindung für die Zuführung von Wasserstoff als Brennstoff Kur Brennstoffzelle und eine Verbindung für die Zuführung von aromatischen Kohlenwasserstoff zum Verbrennungsraum der Maschine hat.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigen" ;

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des

Verfahrens gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle

der Brennstoffzellenbatterie der Vorrichtung und Fig. 3 eine schematische Darstellung einer gemeinsamen Kraftübertragung von den beiden im An^triebsaggregat vorhandenen Antriebssystemen.

In Fig. 1 bezeichnet 10 eine mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebene Brennstoffzellenbatterie, die auf bekannte Weise elektrische Energie erzeugt. Die Brennstoffzellenbatterie lädt über die Leitung 11 eine Akkumulatorbatterie 12, z.B. eine Bleibatterie. Die Akkumulatorbatterie ist mit Leitungen 13 an einem Gleichstrom-

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motor 14 angeschlossen, der die Propellerwelle eines Unterseebootes direkt antreibt. Dadurch, daß der Gleichstrommotor direkt mit der Propellerwelle gekuppelt ist, kann ein Motor mit niedriger Drehzahl verwendet werden, was einen leisen Lauf gewährleistet, da kein geräuscherzeugendes G-etriebe in dem Antriebssystem enthalten ist. Bei langsamer Fahrt verwendet man zweckmäßigerweise nur dieses aus Brennstoffzexlenbatterie mit Akkumulator und Motor bestehende Antriebssystem für den Antrieb des Unterseebootes.

Das Antriebsaggregat enthält weiter ein zweites Antriebssystem, bestehend aus einer Maschine mit Verbrennungsraum, im AusführungsbeJspiel eine Gasturbine 16 mit einem Verbrennungsraum 17· Die Turbine ist über ein Getriebe 18 und eine Kupplung 19 mit der Propellerwelle 15 gekuppelt. Wenn die Kupplung 19 eingelegt ist, treiben die Turbine 16 und der Gleichstrommotor 14 gleichzeitig die Propellerwelle 15, wobei die größte Antriebsleistung erreicht wird. Das ist bei schneller Fahrt erforderlich. Bei langsamer Fahrt sind die Turbine 16 und das Getriebe 18 mit Hilfe der Kupplung 19 getrennt.

Der Brennstoff für das Antriebsaggregat wird im Behälter 20 verwahrt und besteht im Ausführungsbeispiel aus Hexahydrobenzol CrH-2 (Cyclohexan). Er wird über die Leitung 21 einem erwärmten Reaktor 22 zugeführt, der einen Katalysator, z.B. aus Platin, Palladium oder Hickel enthält. Das Hexahydrobenzol wird im Reaktor bei 200 bis 500⁰C in Wasserstoffgas und Benzol CgHg

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zersetzt. Das Gemisch, von Wasserstoffgas und Benzol wird über eine Leitung 23 in einen Kühler 24 geleitet, in dem das Benzol -kondensiert, während das Wässerstoffgas gasförmig bleibt. Das Wasserstoffgas wird vom Kühler über die Leitung 25 zum Brennstoffraum in der Brennstoffzellenbatterie 10 geleitet. Unverbrauchtes Wasserstoffgas wird aus der Brennstoffzellenbatterie über die Leitung 26 in den Kühler 24 zurückgeleitet. Das Benzol wird über die Leitung 27 in einen Vorratsbehälter 36 und von dort in den Verbrennungsraum 17 der Turbine geleitet.

Das Oxydationsmittel für das Antriebsaggregat wird im Behälter 28 verwahrt und besteht in diesem Fall aus flüssigem Sauerstoff. Der Sauerstoff wird über eine Leitung 29, die durch den Kühler 24 läuft, zum Oxydationsmittelraum in der Brennstoffzellenbatterie geleitet. Von dort wird der unverbrauchte Sauerstoff über eine Leitung 30 mit einer nicht gezeigten Zirkulationspumpe zur Leitung 29 zurückgeführt. Der Sauerstoff, der auf dem Weg zur Brennstoffzellenbatterie verdunstet, dient als Kühlmittel im Kühler 24. Über die Leitung 31 wird auch Sauerstoff zu dem Verbrennungsraum 17 der Turbine geleitet, wo er bei hoher Temperatur mit dem Benzol reagiert, vorzugsweise bei 800 - 1000°0. Vom Verbrennungsraum werden die entstandenen gasförmigen Reaktionsprodukte durch, die Leitung 32 zur Turbine 16 und von dort zu einem Kondensator 33 geleitet, in dem der Druck mit Hilfe einer Vakuumpumpe 34 auf bereits bekannte Art sehr niedrig gehalten wird. Das Kondensat wird über die Leitung 35 abgeleitet.

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Anstelle von Sauerstoff kann u.a. Wasserstoffperoxyd als Oxydationsmittel verwendet werden. Dabei können sowohl der Brennstoff ■wie das Oxydationsmittel als Flüssigkeiten bei normalem Druck gelagert werden. Die Zerfallwärme des Wasserstoffperoxyds beim Zerfall in Wasserstoff und Wasser, was z.B. mit Platin als Katalysator erreicht werden kann, kann dabei vorteilhaft für die katalytische Wasserstoffgasabspaltung vom Hexahydrobenzol oder von anderen verwendeten hydroaromatisehen Kohlenwasserstoffen ausgenutzt werden.

Anstelle der Trennung von Wasserstoffgas und Benzol im Kühler 24 kann auch eine Membran verwendet werden, die nur Wasserstoffgas durchläßt. Diese Membran kann z.B. aus Palladium-Silber bestehen und wird vorteilhaft unmittelbar hinter dem Reaktor angebracht und erhält so auf einfache Weise ihre erforderliche Arbeitstemperatur. Das Wasserstoffgas wird von der Rückseite der Membrane zur Brennstoffzelle geleitet, während das Benzol, das auf der Vorderseite der Membrane bleibt, zu einem kleineren Kühler zur Kondensierung und von dort zum Vorratsbehälter 36 geleitet wird.

Eine Brennstoffzellenbatterie besteht gewöhnlich aus einer sehr großen Anzahl aufeinander gestapelter Brennstoffelektroden und Oxydationsmittelelektroden, zwischen denen Räume zur Aufnahme von Brennstoff, Oxydationsmittel und Elektrolyt angtordnet sind. Ein Teil einer solchen Brennstoffzellenbatterie ist in Pig. 2 gezeigt. Er enthält die porösen Brennstoffelektroden 40, die z.B. aus mit Platin aktiviertem Nickel bestehen, und die porösen

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Oxydationsmittelelektroden 41, die z.B. aus mit Silber aktiviertem Nickel bestehen. Die Elektroden 40 sind in Rahmen 42 befestigt und die Elektroden 41 in Rahmen 43. Die Rahmen können z.B. aus Thermoplast sein. Die Rahmen werden in Stapelrichtung mit einer nicht gezeigten Klemmvorrichtung zusammengehalten und können gegeneinander mit O-Ringen oder Schweißfugen aus Thermoplast abgedichtet sein. Die Elektroden sind über äußere nicht gezeigte Stromschienen zueinander parallel oder in Reihe geschaltet. Die porösen Elektroden 40 bilden Trennwände .zwischen dem Brennstoff in den Gasräumen 44 und dem Elektrolyt in den Elektrolyträumen 45. Auf dieselbe Weise bilden die porösen Elektroden 41 Trennwände zwischen dem Oxydationsmittel in den Gasräumen 46 und dem Elektrolyt in den Elektrolyträumen 45.

Der Brennstoff, d.h. das Wasserstoffgas, wird über einen an der Leitung 25 angeschlossenen Kanal 47 zu den Gasräumen 44 geleitet und über einen an der Leitung 26 angeschlossenen Kanal 48 abgeleitet. Das Oxydationsmittel, d.h.der Sauerstoff, wird über einen an der Leitung 29 angeschlossenen Kanal 49 zu den Gasräumen 46 geleitet und über einen an der Leitung 30 angeschlossenen Kanal 50 abgeleitet. Der Elektrolyt, z.B. Kalilut, für das als Beispiel angeführte Elektrodenmaterial, wird über einen Kanal

51 zu den Elektrolyträumen 45 geleitet und über einen Kanal

52 wieder abgeleitet. Der Elektrolyt gehört somit zu einem äusseren Zirkulationskreis, der in Pig· 1 nicht gezeigt ist.

In Fig. 3 ist ein Ausführungebeispiel für eine gemeinsame Kraftübertragung des ersten Antriebssystems mit Gleichstrommotoren und des zweiten Antriebssystems mit Turbine gezeigt.

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Der Motor 14 enthält einen Stator 60 und einen Rotor 61. Der Stator 60 ist mit Lagern 62 direkt auf der Propellerwelle 15 gelagert. Der Rotor 61 wird von einer Hohlwelle 63 getragen, die mit Lagern 64 ebenfalls auf der Propellerwelle 15 gelagert ist. Mit Hilfe einer Kupplung 65 kann der Rotor 61 mit der Welle 15 verbunden oder von dieser gelöst werden. Besteht die Forderung nicht, den Motor 14 von der Propellerwelle 15 freizukuppein, so kann die Kupplung 65 fest sein. Die Turbine 16 ist wie bereits beschrieben über das Zahnradgetriebe 18 und die Kupplung 19 mit der Propellerwelle 15 verbunden.· Die Propellerwelle kann also entweder von dem Motor 14 oder der Turbine 16 oder von beiden gleichzeitig getrieben werden.

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Claims

Patentansprüche i

1. Verfahren zur Versorgung eines Antriebsaggregate mit Brennstoff, das ein erstes Antriebssystem mit einem elektrischen Motor hat, der von einer BrennstoffZellenbatterie mit Strom versorgt wird,· und ein zweites Antriebssystem mit einer Maschine mit einem Verbrennungsraum zur Verbrennung von Brennstoff, wie z.B» mit einem Verbrennungsmotor, einem Stirling-Motor, einer Dampfturbine oder einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff für das Antriebsaggregat neben dem Antriebsaggregat in Form von hydroaromatischen Kohlenwasserstoff oder einem Gemisch von mindestens zwei hydroaromatischen Kohlenwasserstoffen verwahrt wird, der bzw_Q das beim Betrieb des Antriebssystems in Wasserstoff und entsprechenden aromatischen Kohlenwasserstoff bzw. Kohlenwasserstoffe zersetzt wird, wobei der entstehende Wasserstoff den Brennstoffzellen und der bzw. die entstehenden aromatischen Kohlenwasserstoffe der Maschine mit Verbrennungsraum als Brennstoff zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als hydroaromatischer Kohlenwasserstoff Hexahydrobenzol verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als hydroaromatischer Kohlenwasserstoff Dekahydronaphthalin verwendet wird. ί· ■

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß al* hydroaromatischer Kohlenwasserstoff Tetrahydronaphthalin verwende wird. .

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gemisch von hydroarmonatischen Kohlenwasserstoffen ein Gemisch von mindestens zwei der Stoffe Hexahydrobenzol, Dekahydronaphthalin und Tetrahydronaphthalin verwendet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, "bestehend aus einem Antriebsaggregat, das ein erstes Antriebssystem mit einem elektrischen Motor hat, der von einer Brennstoffzellenbatterie mit Strom versorgt wird, und ein zweites Antriebssystem mit einer Maschine mit einem Verbrennungsraum zur Verbrennung von Brennstoff, wie z.B. mit einem Verbrennungsmotor, einem Stirling-Motor, einer Dampfturbine oder einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reaktor zur Zersetzung von hydroaromatischen Kohlenwasserstoffen in Wasserstoff und entsprechenden aromatischen Kohlenwasserstoff am Antriebsaggregat angeschlossen ist, der eine Verbindung für die Zuführung von Wasserstoff als Brennstoff zur Brennstoffzelle und eine Verbindung für die Zuführung von aromatischen Kohlenwasserstoff zum Verbrennungsraum der Maschine hat.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, *daß der Reaktor an einem Kühler für die Kondensierung des aromatischen Kohlenwasserstoffes angeschlossen ist und der Kühler in Verbindung mit der Brennstoffzelle zur Weiterbeförderung des vom Reaktor kommenden Wasserstoffs als Brennstoff für die Brennstoffzelle und in Verbindung mit dem Verbrennungsraum der Maschine für die Zuführung des aromatischen Kohlenwasserstoffes als Brennstoff zum

Verbrennungsraum steht·

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8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Reaktor an einein Separator in Form einer Membrane, z.B. aus Palladium-Silber, angeschlossen ist, die nur für Wasserstoffgas durchlässig ist, und daß der Separator sowohl in Verbindung mit der Brennstoffzelle für die Zuleitung des vom Reaktor kommenden Wasserstoffs als Brennstoff für die Brennstoffzelle und in Verbindung mit dem Verbrennungsraum der Maschine für die Zuführung des aromatischen Kohlenwasserstoffes als Brennstoff steht.

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