DE1950495B2

DE1950495B2 - Antriebsanlage, insbesondere fur Unterseeboote

Info

Publication number: DE1950495B2
Application number: DE1950495A
Authority: DE
Inventors: Otto Von Vaesteraas Krusenstierna (Schweden)
Original assignee: Allmanna Svenska Elektriska AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1968-10-09
Filing date: 1969-10-07
Publication date: 1973-10-25
Also published as: FR2030053A1; DE1950495C3; SE324756B; GB1280870A; DE1950495A1; US3683622A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antrieb^anlase. insbesonder für Unterseeboote, die aus einem elektrischen Antrieb, bestehend aus einer mit Wasserstoff und Sauerstoff arbeitenden Brennf.offzellenbatterie zur Stromerzeugung, einem elektrischen Akkumulator und einem Elektromotor, und aus einer mit Sauerstoff und Brennstoff betriebenen Kraftmaschine mit vorgeschaltetem Verbrennungsraum besteht.

Bei Unterseebooten ist es bekannt (französische Patentschrift 1 484 918). zum Antrieb des Bootes bei langsamer Fahrt einen elektrischen Motor, der von einer mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebenen Brennstoffzellenbatterie mit Strom versorgt wird, und für schnelle Fahrt des Bootes eine Dampfturbine zu verwenden, die mit überhitztem Dampf gespeist wird, der in einem Verbrennungsraum durch Verbrennen von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt wird. Bei der bekannten Anlage werden Wasserstoff und Sauerstoff in flüssiger Form in Brennstoffbehältern in dem Fahrzeug mitgeführt. Die Aufbewahrung von Wasserstoff in flüssiger Form erfordert einen erheblichen Aufwand, da einerseits die Aufbewahrung bei sehr niedrigen Temperaturen erfolgen muß und andererseits die Behälter sehr fest und stoßsicher ausgeführt sein müssen, um eine Explosions- oder Feuergefahr auszuschalten. Das hat zur Folge, daß das Gewicht der Vorratsbehälter für Wasserstoff im Verhältnis zu ihrem Aufnahmevlumen sehr groß ist.

Aus der britischen Patentschrift 1 109 314 ist eine Anlage zur Stromerzeugung mittels einer Brennstoffzellenbaiterie bekannt, bei der ein unter normalen Druck- und Temperaturverhältnissen flüssiger oder fester hydroaromatischer Kohlenwasserstoff als Brennstoff für die Brennstoffzellen verwendet wird. Dabei wird der Wasserstoff von dem Kohlenwasserstoff abgespalten und den Brennstoffzellen zugeführt. Der bei der Spaltung gleichzeitig entstehende aromatische Kohlenwasserstoff wird durch Reaktion mit Wasserstoff wieder in das Ausgangsmaterial, nämlich hydroaromatischem Kohlenwasserstoff, zurückgebildet. Der hierzu erforderliche Wasserstoff wird durch Elektrolyse gewonnen unter Verwendung elektrischer Energie in den Zeiten, in denen das elektrische Netz schwach belastet ist. Zur Trennung der Spaltprodukte werden Membranen aus Palladium-Silber verwendet, die nur für den Wasserstoff durchlässig sind. Die bekannte Anlage dient in erster Linie der Befriedigung eines Spitzenbedarfes elektrischer Energie. Der auftretende aromatische Kohlenwasserstoff zirkuliert somit lediglich als temporärer Träger für den Wasserstoff in einem geschlossenen Kreis.

Aus einer anderen Veröffentlichung (Zeitschrift »The Marine Engineer and Naval Architect«, 1964, September-Heft, S. 444, 446) ist ein elektrischer Antrieb für Unterseeboote bekannt, dessen Elektromotor von einer mit Sauerstoff und Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellenbatterie gespeist wird. Der Wasserstoff wird hierbei in einem Zersetzer aus dem mitgeführten Brennstoff abgespalten. Für die Tren-

nung des Wasserstoffes von den übrigen Spaltprodukten wird ebenfalls die Verwendung von Membranen aus Palladium-Silber vorgeschlagen, die nur für das Wasserstoi'fgas durchlässig sind. Über eine weitere Verwendung der bei der Abspaltung des Wasserstoffs entstehenden Restprodukte ist nichts ausgeführt.

Der Er^findung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanlage der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß das Gewicht für die Behälter zur Aufbewahrung des Brennstoffes wesentlich verkleinert wird, ohne daß die Sicherheit des Fahrzeuges gefährdet wird.

Zur Lösung dieser Aufgab wird eine Antriebsanlage der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist. daß als gemeinsamer Ausganesstoll für den der Brennstoffzellenbatterie für den Elektromotor zuzuführenden Wasserstoff und für den dem vorgeschalteten Verbrennungsraum der Kraftmaschine zuzuführenden Brennstoff ein für die Verwendung bei Brennstoffzellen bekannter hydroaromatischer Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch von mindestens zwei solcher Kohlenwasserstoffe dient, aus dem der der ßrennstoffzellenbatterie zuzuführende Wasserstoff in bekannter Weise in einem Zersetzer abgespalten wird und der Wasserstoff mit dem dabei entstehenden, dem Verbrennungsraum als Brennstoff zuzuführenden hydrogenärmeren Kohlenwasserstoff bzw. dem Gemisch von solchen, einem Separator zugeführt wird, in de;.i die beiden entstehenden Stoffe getrennt werden.

Die Antriebsanlage nach der Erfindung hat den Vorteil, daß hydroaromatische Kohlenwasserstoffe bei Zimmertemperatur flüssig oder fest sind und daher in einfachen und leichten Brennstoffbehältern gelagert werden können. Weiter hat es sich gezeigt, daß der bei der Zersetzung gebildete aromatische Kohlenwasserstoff im vorgeschalteten Verbrennungsraum der Kraftmaschine, z. B. einer Gasturbine, vollständig verbrannt werden kann. Auf diese Weise erhält man ein in Hinsicht auf die Energiedichte äußerst kompaktes Brennstoffsystem für das Antriebsaggregat.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Antriebsanlage ist nicht auf Unterseeboote beschränkt; sie ist überall dort von Vorteil, wo eine hohe Energiedichte des Brennstoffsysicms verlangt wird, wie beispielsweise in Raumschiffen.

Besonders geeignet sind hydroaromatische Kohlenwasserstoffe, die bei Zimmertemperatur flüssig sind, z. B. Hexahydrobenzol C₀H₁₂ (Cyclohexan), Dekahydronaphthalin C₁₀H,_s (Dekalin), Tetrahydronaphthalin C₁₀H₁., (Tetralin) 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.

An Hand des in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles einer Antriebsanlage für ein Unterseeboot soll die Erfindung näher erläutert werden.

In der Figur bezeichnet 10 eine mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebene Brennstoffzellenbatterie, die elektrische Energie erzeugt. Die Brennstoffzellenbatterie lädt über die Leitung 11 einen Akkumulator 12. z. B. einen Bleiakkumulator. Der Akkumulator 12 ist mit Leitungen 13 an einen Elektromotor 14. einen Gleichstrommotor, angeschlossen, der die Propeiierwelle 15 eines Unterseebootes direkt antreibt.

Die Antriebsanlage enthält weiter ein zweites Antriebssystem, bestehend aus einer Kraftmaschine 15 mit vorgeschaltetem Verbrennungsraum 17. im Ausführuüisbeispicl eine Gasturbine. An Stelle einer

ίο Gasturbine als Kr; ■ tmaschine kann beispielsweise auch ein Stirling-Heißgasmotor oder eine Dampfturbine verwendet werden. Die Gasturbine ist über ein Getriebe 18 und eine Kupplung 19 mit der Propellerwelle 15 gekuppelt. Wenn die Kupplung 19 eingelegt ist. treiben die Gasturbine und der Gleichstrommotor gleichzeitig die Propellerwelle 15. wobei die größte Antriebsleistung erreicht wird. Das ist bei schneller Fah-t erforderlich. Bei langsamer Fahrt sind die Gasturbine und das Getrie' .. 18 mit Hilfe der Kupplung ί9 getrennt.

Der Brennstoff für die Antriebsanlage wird im Behälter 20 verwahrt und besteht im Ausführungsbeispiel aus Hexahydrobenzol C₁₁H₁., (Cylohexan). Fr \.ird über die Leitung 21 einem erwärmten Zersetzer 22 zugeführt, der einen Katalysator, z. B. aus Platin. Palladium oder Nickel enthält. Das Hexahydrobenzol wild im Zersetzer 22 bei 200 bis 300^: C in Wasserstoffgas und Benzol C₀H₁₁ zersetzt. Das Gemisch von Wasserstoffgas und Benzol wird über eine Leitung 23 in einen als Kühler ausgebildeten Separator 24 geleitet, in dem das Benzol kondensiert, während das Wasserstoffgas 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 zurückgeleitet. Das Benzol wird über die Leitung 27 in einen Vorratsbehälter 36 und von dort in den Verbrennungsraum 17 der Gasturbine geleitet.

Das Oxydationsmittel für die Antriebsanlage wird im Behälter 28 verwahrt und besteht in diesem Fall aus flüssigem Sauerstoff. Der Sauerstoff wird über eine Leitung 29, die durch den als Kühler ausgebildeten Separator 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. Über die Leitung 31 wird auch Sauerstoff zu dem Verbrennungsraum 17 der Gasturbine geleitet, wo er boi hohe,· Temperatur mit dem Benzol reagiert, etwa bei 800 bis 1000° C. Vom Verbrennungsraum 17 werden die entstandenen gasförmigen Reaktionsprodukte durch die Leitung 32 zu der als Kraftmaschine 16 verwendeten Gasturbine und von dort zu einem Kondensator 33 geleitet, in dem der Druck mit Hilfe einer Vakuumpumpe 34 sehr niedrig gehalten wird. Das Kondensat wird über die Leitung 35 abgeleitet.

An Stelle von Sauerstoff kann unter anderem Wasserstoffperoxyd als Oxydationsmittel verwendet werden. Dabei können sowohl der als Brennstoff verwendete hydroaromatische Kohlenwasserstoff als auch das Oxydationsmittel als Flüssigkeiten bei normalem Druck gelagert werden. Die Zerfallwärme des Wasserstoffperoxyds beim Zerfall in Sauerstoff und Wasser, was z. B. mit Platin als Katalysator erreicht

werden kann, kann dabei für die katalytische Wasserstoffgasabspaltung vom Hexahydrobenzol oder von anderen verwendeten hydroaromatischen Kohlenwasserstoffen ausgenutzt werden.

An Stelle der Trennung von Wasserstoffgas und Benzol im Kühler kann auch eine Membrane als Separator 24 verwendet werden, die nur Wasserstoffgas durchläßt. Diese Membrane kann z. B. aus Palladium-Silber bestehen und wird unmittelbar hinter dem Zersetzer 22 angebracht; sie 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Antriebsanlage, insbesondere für Unterseeboote, die aus einem elektrischen Antrieb, bestehend aus einer mit Wasserstoff und Sauerstoff arbeitenden Brennstoffzellenbatterie zur Stromerzeugung, einem elektrischen Akkumulator und einem Elektromotor, und aus einer mit Sauerstoff und Brennstoff betriebenen Kraftmaschine mit vorgeschaltetem Verbrennungsraum besteht, dadurch gekennzeichnet, daß als gemeinsamer Ausgangsstoff für den der Brennstoffzellenbatterie (ίθ) für den Elektromotor (14) zuzuführenden Wasserstoff und für den dem vorgeschalteten Verbrennungsraum (17) der Kraftmaschine (16) zuzuführenden Brennstoff ein für die Verwendung !ei Brennstoffzellen bekannter hydroaromatischer Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch von mindestens zwei solcher Kohlenwasserstoffe dient, aus dem der der Brennstoffzellenbatterie (10) zuzuführende Wasserstoff in bekannter Weise in einem Zersetzer (22) abgespalten wird und der Wasserstoff mit dem dabei entstehenden, dem Verbrennungsraum (17) als Brennstoff zuzuführenden hydrogenärmeren Kohlenwasserstoff bzw. dem Gemisch von solchen, einem Separator (24) zugeführt wird, in dem die beide;, entstehenden Stoffe getrennt werden.

2. Antriebsanlage na<~h Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als hydro?"omatischer Kohlenwasserstoff Hexahydrobenzol dient.

3. Antriebsanlage nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß als hydroaromatischer Kohlenwasserstoff Dekahydronaphthalin dient.

4. Antriebsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als hydroaromatischer Kohlenwasserstoff Tetrahydronaphthalin dient.

5. Antriebsanlage anch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gemisch von hydroaromatischen Kohlenwasserstoffen ein Gemisch von mindestens zwei der Stoffe Hexahydrobenzol, Dekahydronaphthalin und Tetrahydronaphthalin dient.

6. Antriebsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Zersetzer (22) als Separator (24) ein Kühler für die Kondensierung des aromatischen Kohlenwasserstoffes angeschlossen ist und daß der Kühler sowohl mit der Brennstoffzellenbatterie (10) zur Zuleitung des vom Zersetzer (22) kommenden Wasserstoffs als Brennstoff für die Brennstoffzellenbatterie (10) als auch mit dem Verbrennungsraum (17) der Kraftmaschine (16) für die Zuführung des aromatischen Kohlenwasserstoffes als Brennstoff zum Verbrennungsraum (17) in Verbindung steht.

7. Antriebsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Zersetzer (22) als Separator (24) eine Membrane,

z. B. aus Palladium-Silber, angeschlossen ist, die nur für Wasserstoffgas durchlässig ist, und daß der Zersetzer (22) sowohl mit der Brennstoffzellenbatterie (10) für die Zuleitung des vom Zersetzer (22) kommenden Wasserstoffs als Brennstoff für die Brennstoffzellenbatterie (10) als auch mit dem Verbrennungsraum (17) der Kraftmaschine

(16) für die Zuführung des aromatischen Kohlenwasserstoffes als Brennstoff in Verbindung steht.