WO2005073076A1 - Submarine fuel cell device, especially for a retrofittable segment of a submarine - Google Patents

Submarine fuel cell device, especially for a retrofittable segment of a submarine Download PDF

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WO2005073076A1
WO2005073076A1 PCT/EP2005/050222 EP2005050222W WO2005073076A1 WO 2005073076 A1 WO2005073076 A1 WO 2005073076A1 EP 2005050222 W EP2005050222 W EP 2005050222W WO 2005073076 A1 WO2005073076 A1 WO 2005073076A1
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WO
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fuel cell
cell device
submarine
control panel
auxiliary
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/050222
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German (de)
French (fr)
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Gerd Ahlf
Manfred Eder
Albert Hammerschmidt
Josef Lersch
Armin Quante
Sönke KLEINE
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Siemens Aktiengesellschaft
Howaldtswerke-Deutsche Werft Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/08—Propulsion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor

Definitions

  • Submarine fuel cell device in particular for a retrofittable boat segment of a submarine
  • the invention relates to a submarine fuel cell device with H 2 - ⁇ 2 fuel cells in a modular design in a submarine with at least one electric propeller motor, a battery pack, a charging generator with drive and a busbar system, and switching and automation devices, the Fuel cell device has a control panel, which is preferably arranged in the same segment of the submarine as the fuel cell device.
  • a submarine with a fuel cell device described above is known from the magazine NAVAL FORCES SPECIAL ISSUE, SUBCON 2003 AIP PLUG-IN SECTIONS: "A NEW SUBMARINE STANDARD”.
  • control panel is supplemented by at least one fuel cell (FC) control panel which System control, an automatic safety system and electronics for FC modules.
  • FC fuel cell
  • the fuel cell device By supplementing the known, also multi-part, control panels according to the invention with electronic components at the same location, that is to say in the same cupboards, a particularly compact design of the fuel cell device which meets the safety requirements of a submarine is achieved.
  • an auxiliary center for the fuel cell device is thus created, which allows the fuel cell device to function independently of the boat and also keeps the FC energy supply of the boat safe, regardless of the functioning of the boat control center.
  • the fuel cell device also contains all components which are necessary for adaptation to the on-board power supply system and its main busbar.
  • a safety standard is to be achieved which meets the safety standard of the usual battery packs.
  • Fuel cell device are taken into account.
  • the special automatic safety function which monitors all important components of the fuel cell device, serves for this purpose. switches and a system control system that monitors the interaction of the individual components and switches if necessary, and the module electronics that each monitor and control the individual fuel cell modules for themselves.
  • the submarine fuel cell device has an FC auxiliary control panel which takes over the connection to type-specific, special ship-technical components of the respective submarine type.
  • the fuel cell device is particularly suitable for retrofitting existing diesel submarines, of which there are many different types.
  • the BZ auxiliary switchboard thus serves, so to speak, as an adapter to the respective submarines, whose on-board networks are available in different execution.
  • This adapter function is particularly advantageous for retrofitting existing submarines, since this results in a clear technical separation between the old submarine energy supply part and the new energy supply part through the fuel cell device.
  • the fuel cell device thus has a core, unchanged for existing and new submarines, in the form of the fuel cell modules which are operated via a fuel cell device control panel, the FC auxiliary control panel adapting to the different types.
  • the BZ auxiliary switchboard can be omitted, here the auxiliary switchboard is integrated into the main switchboard of the boat. This is possible with new buildings.
  • the BZ auxiliary switchboard takes over the adaptation.
  • it is designed as an independent component, which is advantageously arranged in the retrofit segment of the submarine.
  • the submarine fuel cell device contains an FC control panel with components for operating, switching on and off, and for testing and checking purposes of the fuel cell device.
  • FC control panel By supplementing the control panel with the usual components for operation, for switching on and off with components for test and inspection purposes, an FC control panel is created which particularly advantageously meets the requirements of a submarine fuel cell device.
  • a fuel cell device cannot be kept in an operational state like a battery device. Before switching on, the proper functioning of the fuel cell must first be checked and tested. Components are required for this dig that put the auxiliary units into operation and carry out a test run with a check of the operational readiness and the following operating behavior as well as a component test.
  • the fuel cell device has a FC control panel with the following dimensions: (dimensions seen from the front) width from 1100 mm to 2000 mm depth from 500 mm to 700 mm height from 1000 mm to 2100 mm.
  • the FC auxiliary control panel contains devices for adapting the fuel cell device to different submarine designs.
  • the auxiliary switchboard should have the following dimensions: (dimensions seen from the front) width from 500 mm to 1300 mm depth from 500 mm to 700 mm height from 1000 mm to 2100 mm. This also results in dimensions for the auxiliary control panel with its devices for adapting the fuel cell device to different submarine designs, which can accommodate all the necessary equipment of an auxiliary control panel and the space available on board of retrofitted submarines is not too great Claim.
  • the control panel has at least one circuit breaker for at least 1000 A and, if appropriate, a target melting point.
  • the circuit breaker in the control panel advantageously offers the possibility of connecting the fuel cell device to the vehicle electrical system and of disconnecting it again from the vehicle electrical system.
  • a predetermined melting point may also be provided, which corresponds to the special requirements of the DC network existing on board submarines.
  • circuit breaker Together with the circuit breaker, it ensures safe separation of the fuel cell device from the submarine electrical system, in which very short-circuit currents can occur due to the effects of combat.
  • control panel has the following dimensions: (dimensions seen from the front) width from 500 mm to 1300 mm depth from 500 mm to 1300 mm height from 1000 mm to 2100 mm.
  • the FC control panel has at least one programmable logic controller (PLC), such as a SIMATIC S 7 from Siemens. This results in a particularly favorable manner on board a modern submarine, which is usually automated with programmable logic controls, a homogeneous automation network.
  • PLC programmable logic controller
  • At least one of the switching and control devices that is to say the FC control panel or the FC auxiliary control panel, advantageously has a control and monitoring device with a monitor and the required control switches / buttons and measuring devices. This results in an operating and monitoring device for the fuel cell device in the area of the fuel cell device, which enables complete monitoring and operation of the fuel cell device on site. This can be done visually through the various devices and the monitor with the aid of the hearing and even the impressions of the trained operating personnel of the state of the fuel cell device.
  • an HTS current limiter is arranged in the busbar system, which is cooled with a cryogenic liquid and interacts with a circuit breaker.
  • the HTS current limiter is advantageously connected to a storage container for cryogenic liquid, which is in particular electrically cooled.
  • a HTS current limiter provides a particularly advantageous way of disconnecting the sensitive fuel cell device in the event of short circuits from the vehicle electrical system.
  • HTS current limiters are known per se, but when used to secure fuel cell devices on board a submarine, there is a particularly high level of safety with regard to reactions from the submarine power supply system. This is particularly advantageous in the event of a battle, in which voltage dips in the network that occur when circuit breakers respond are to be prevented. This very advantageously prevents sensitive electronic devices from "getting out” and improves the functional reliability of the electronic components present in the submarine.
  • the HTS current limiter is connected to a storage container, the heat of vaporization of which is used to heat up the liquid oxygen that is required to operate the fuel cell device. This results in a particularly low energy consumption of the HTS system, since no electrical energy has to be provided for cooling the cryogenic liquid. In this way, the electrical system can be relieved. At the same time, there is an advantageous energy network between the fuel cell device with its supply units and the safety switching system.
  • the fuel cell device, the HTS current limiter and its storage container with cryogenic liquid are advantageously arranged in the area of the control panel and the FC auxiliary control panel. There is space in one of the few places of a submarine and there are short cable lengths. This increases the security of the submarine's energy supply system and corresponds to the limited space in the submarine.
  • the above arrangement is particularly advantageous if the fuel cell device for retrofitting a submarine, ie in a new segment inserted into the existing submarine. ment is used. It goes without saying that the pumps for gas and water and a starter unit are arranged together with all other auxiliary devices and components in this segment.
  • the retrofit segment gives existing submarines a significantly longer, low-noise dive trip. For reasons of space, this extension cannot be achieved by enlarging the battery blocks.
  • FIGURE 1 shows a schematic overview of a fuel cell device control panel with its connections to the fuel cell modules and the auxiliary control panel for retrofitting
  • FIGURE 2 shows the individual facilities of the fuel cell facility for retrofitting in schematic form
  • FIGURE 3 is a front view of the control panel of the fuel cell device;
  • FIGURE 4 is a fuel cell module and
  • FIGURE 5 is a schematic diagram of an HTS current limiter.
  • 1 denotes a first fuel cell module and 2 a second fuel cell module.
  • the fuel cell modules for a retrofittable fuel cell device generally have an output of 120 to 140 kW. Depending on requirements, this performance can also be increased or decreased by adding or removing further stacks in the fuel cell module.
  • the fuel cell modules 1, 2 are connected to the fuel cell device control panel 5 by process signal cables 3, 4.
  • the use of two process signal cable sets, one for each fuel cell module, results in ne particularly high availability, since the failure of one fuel cell module has no repercussions on the function of the other fuel cell module.
  • the process signals from the fuel cell modules 1, 2 are processed in the fuel cell module electronics unit 6, which is connected to the fuel cell system controller 7.
  • the fuel cell system controller 7 is in turn connected to the automatic fuel cell safety system 8, which enables safe operation of the fuel cell device.
  • the fuel cell device control panel 5 furthermore has an operating station 9 with which the individual functions, in particular for test and inspection purposes, can be set.
  • the fuel cell device control panel 5 is connected to a fuel cell auxiliary switch panel 11, which adapts the fuel cell device to the various submarine types.
  • the fuel cell control panel is connected to the ship's control center 15 via the auxiliary control panel 11. This is indicated by the arrows 12 and 13.
  • the ship's control center and one sub-station are only indicated as they have no direct function with respect to the fuel cell device. This is designed as an autonomously functional unit.
  • auxiliary units for the fuel cell device such as pumps, a starter device, a DC actuator, the ship's main switch and the various controls for the ship's operating devices are indicated.
  • auxiliary systems peripheral of the fuel cell device
  • the cooling system e.g. the cooling system, the reaction water system, the nitrogen system, the oxygen system and the hydrogen system.
  • all of these components are provided by the shipyard and with the
  • Fuel cell control panel connected for signal and control purposes. They are not the subject of the invention.
  • FIGURE 2 shows the individual components again with their technical interfaces, regardless of their arrangement in the boat.
  • the fuel cell control panel 20, which contains two module electronics, is used for operating and monitoring the fuel cell device; furthermore the fuel cell device control and the fuel cell device safety automatics; also an operator station.
  • the so-called fuel cell battery contains two fuel cell modules, but if necessary, even more modules can be combined in one fuel cell device.
  • the standard modules have an output of approx. 120 - 140 kW, a second version of standard modules has an output of between 30 and 40 kW.
  • a wide variety of fuel cell devices can be formed from these modules, for example eight to ten fuel cell modules of 30 to 40 kW each can form a fuel cell device, but also two or possibly three 120 kW modules can form a fuel cell device.
  • Fuel cell batteries which are formed by the fuel cell modules, generally contain two fuel cell modules for retrofitting, each of which has a process signal cable set for the fuel cell control panel. Furthermore, the fuel cell battery advantageously has media couplings for the individual media, such as hydrogen, oxygen, water, nitrogen, etc., which are introduced into the fuel cell battery with seals.
  • the fuel cell battery also has connection adapters for the power cables, which transfer the electrical power generated to the power rail system of the submarine. Since the fuel cell modules have to be operated under protective gas, they also have a pump unit, a dryer unit and a valve unit for protective gas.
  • the fuel cell device has the technical interfaces 23 which contain the heavy current interface, for example to the DC / DC controller, for the MSR (measuring, controlling, regulating) from and to the fuel cell device, and a data interface, for example for a data bus SINEC-H 1 to the boat control system ,
  • the technical interface 24 symbolizes the connection to the hydrogen supply, the oxygen supply, the nitrogen supply, the residual gas disposal, the product water disposal and the cooling devices.
  • the input which is symbolized via the technical interface 26, is the environmental condition, ie the temperature, the air humidity, the inclined position, the installation site, the impact of shock and the space available, as well as compliance with the H 2 -0 2 concentration in accordance with the regulations of the navies and the acceptance companies entered.
  • the output symbolized by arrow 25, results in a greatly extended diving time, noiseless energy generation, emission-free energy generation with low EMC and magnetic signatures with high availability, high reliability and low residual gas quantities.
  • FIGURE 3 shows a typical design of a fuel cell control panel.
  • the monitor 30, on which the various state diagrams required depending on the requirements can be displayed, is located in an upper segment of the control panel, particularly advantageously at the top right.
  • the individual segments are filled with the components required for control, operation and monitoring and are accessible through the segment doors on the front. Cable inlets and the cooling water inlet and outlet are located under the individual segment cabinets, with the cooling water When entering the water from the front, the bottom left is advantageous and the cooling water outlet is at the bottom right.
  • the design of the control panel corresponds to an actually executed control panel, but it is not mandatory, but can be varied.
  • FIG. 4 shows a 120 kW fuel cell module in its pressure vessel.
  • the pressure vessel consists of rustproof stainless steel and has high-voltage connections 35 on its end face and multipole plug connectors (not shown in the illustration) for the process signal cables shown in FIG. 1. Furthermore, the end face has a highly integrated media connection block 36 for supplying the fuel cell module with H2 and O2.
  • FIG. 5 shows the basic illustration of the HTS current limiter supplementing the switching devices of the fuel cell device with its periphery. It works with a circuit breaker. Its individual components are briefly explained in the illustration.
  • the BZ control panel has the following main tasks:
  • FC auxiliary control panel passed and forwarded from there to the corresponding sensors and valves (the energy required to control the aforementioned sensors and valves comes from the FC auxiliary control panel)
  • FC control panel The following hardware components are installed in the FC control panel:
  • the FC auxiliary control panel has the following main tasks: - Supply of the FC control panel
  • FC auxiliary control panel The following hardware components are installed in the FC auxiliary control panel:

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
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Abstract

The invention relates to a submarine fuel cell device comprising H2-02 fuel cells with a modular structure (1, 2), in a submarine comprising at least one electric propeller motor, a set of batteries, a charge generator comprising a drive, a conductor rail system, and switching and automation devices. Said fuel cell device comprises a control panel (5) that is preferably arranged in the same segment of the submarine as the fuel cell device, and the control panel is completed by at least one fuel cell (FC) control panel comprising a fuel cell device control system, an automatic safety mechanism (8), and module electronics (6).

Description

Beschreibungdescription
U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung, insbesondere für ein nachrüstbares Bootsegment eines U-BootsSubmarine fuel cell device, in particular for a retrofittable boat segment of a submarine
Die Erfindung bezieht sich auf eine U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung mit H2-θ2-Brennstoffzellen in modularem Aufbau in einem U-Boot mit zumindest einem elektrischen Propellermotor, einem Batteriesatz, einem Ladegenerator mit Antrieb und einem Stromschienensystem sowie Schalt- und Automatisierungseinrichtungen, wobei die Brennstoffzelleneinrichtung eine Schalttafel aufweist, die vorzugsweise in demselben Segment des U-Bootes wie die Brennstoffzelleneinrichtung angeordnet ist .The invention relates to a submarine fuel cell device with H 2 -θ2 fuel cells in a modular design in a submarine with at least one electric propeller motor, a battery pack, a charging generator with drive and a busbar system, and switching and automation devices, the Fuel cell device has a control panel, which is preferably arranged in the same segment of the submarine as the fuel cell device.
Aus der Zeitschrift NAVAL FORCES SPECIAL ISSUE, SUBCON 2003 AIP PLUG-IN SECTIONS: "A NEW SUBMARINE STANDARD" ist ein U- Boot mit einer vorstehend beschriebenen Brennstoffzelleneinrichtung bekannt .A submarine with a fuel cell device described above is known from the magazine NAVAL FORCES SPECIAL ISSUE, SUBCON 2003 AIP PLUG-IN SECTIONS: "A NEW SUBMARINE STANDARD".
Es .^,st Aufgabe der Erfindung, die in dem vorgenannten Aufsatz auf Seite 35 und 36 beschriebene und in einer Zeichnung im Prinzip dargestellte Brennstoffzelleneinrichtung so auszugestalten, dass sie eine besonders sichere und den Betriebsan- forderungen eines U-Boots mit Brennstoffzellen gerecht werdende Ausführung aufweist. Darüber hinaus soll sie auch noch besondere Sicherungsfunktionen für das elektrische Netz eines U-Boots mit einer Brennstoffzelleneinrichtung angeben. Insgesamt soll eine Anordnung angegeben werden, die ein U-Boot bei einer Nachrüstung oder bei einer Neuausrüstung mit Brennstoffzellen für eine Zeit von 20 bis 30 Jahren auf dem höchsten technischen Stand der Unterwasserfahrzeuge hält.It is the object of the invention to design the fuel cell device described in the aforementioned article on pages 35 and 36 and shown in principle in a drawing in such a way that it has a particularly safe design which meets the operating requirements of a submarine with fuel cells having. In addition, it should also specify special security functions for the electrical network of a submarine with a fuel cell device. Overall, an arrangement is to be specified which keeps a submarine at the highest technical level of the underwater vehicles for a period of 20 to 30 years when retrofitting or when refitting with fuel cells.
Die Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, dass die Schalttafel durch zumindest eine Brennstoffzellen- (BZ) Steuertafel ergänzt wird, die eine Einrichtungs- Systemsteuerung, eine Sicherheitsautomatik und Elektroniken für BZ-Module aufweist .The object is essentially achieved in that the control panel is supplemented by at least one fuel cell (FC) control panel which System control, an automatic safety system and electronics for FC modules.
Durch die erfindungsgemäße Ergänzung der bekannten, auch mehrteiligen, Schalttafeln durch Elektronikkomponenten am gleichen Ort, also in den gleichen Schränken, wird eine be- sonders kompakte und den Sicherheitsanforderungen eines U- Boots Rechnung tragende Ausführung der Brennstoffzelleneinrichtung erreicht. Am Ort der Brennstoffzelleneinrichtung im U-Boot entsteht also eine Hilfszentrale für die Brennstoffzelleneinrichtung, die die Brennstoffzelleneinrichtung gegenüber dem Boot unabhängig funktionsfähig sein lässt und auch die BZ-Energieversorgung des Bootes unabhängig von dem Funktionieren des Bootsleitstandes sicher arbeitsfähig hält. Auf- gabengemäß enthält die Brennstoffzelleneinrichtung auch alle Komponenten, die zur Anpassung an das Bordstromversorgungssystem sowie seine Hauptstromschiene notwenig sind. Dabei soll ein Sicherheitsstandard erreicht werden, der den Sicherheitsstandard der üblichen Batteriesätze erreicht. Insbeson- dere soll den besonderen Sicherheitsanforderungen in derBy supplementing the known, also multi-part, control panels according to the invention with electronic components at the same location, that is to say in the same cupboards, a particularly compact design of the fuel cell device which meets the safety requirements of a submarine is achieved. At the location of the fuel cell device in the submarine, an auxiliary center for the fuel cell device is thus created, which allows the fuel cell device to function independently of the boat and also keeps the FC energy supply of the boat safe, regardless of the functioning of the boat control center. According to the task, the fuel cell device also contains all components which are necessary for adaptation to the on-board power supply system and its main busbar. A safety standard is to be achieved which meets the safety standard of the usual battery packs. In particular, the special security requirements in the
Brennstoffzelleneinrichtung Rechnung getragen werden. Dazu dient die spezielle Sicherheitsautomatik, die alle wichtigen Komponenten der Brennstof zelleneinrichtung überwacht, gg . schaltet sowie eine Einrichtungs-Systemsteuerung, die das Zu- sammenwirken der einzelnen Komponenten überwacht und ggf. schaltet sowie die Modulelektroniken, die die einzelnen Brennstoffzellenmodule je für sich überwachen und steuern.Fuel cell device are taken into account. The special automatic safety function, which monitors all important components of the fuel cell device, serves for this purpose. switches and a system control system that monitors the interaction of the individual components and switches if necessary, and the module electronics that each monitor and control the individual fuel cell modules for themselves.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die U- Boot-Brennstoffzelleneinrichtung eine BZ-Hilfsschalttafel aufweist, die die Verbindung zu typspezifischen speziellen schiffstechnischen Komponenten des jeweiligen U-Boot-Typs ü- bernimmt . So wird die Brennstoffzelleneinrichtung besonders für eine Nachrüstung von vorhandenen Diesel-U-Booten geeig- net, von denen ja viele unterschiedliche Typen existieren. Die BZ-Hilfsschalttafel dient also sozusagen als Adapter zu den jeweiligen U-Booten, deren Bordnetze in unterschiedlichs- ter Ausführung vorliegen. Für eine Nachrüstung von vorhandenen U-Booten ist diese Adapterfunktion von besonderem Vorteil, da sich so eine klare technische Trennung zwischen dem alten U-Boot-Energieversorgungsteil und dem neuen Energiever- sorgungsteil durch die Brennstoffzelleneinrichtung ergibt.In an embodiment of the invention, it is provided that the submarine fuel cell device has an FC auxiliary control panel which takes over the connection to type-specific, special ship-technical components of the respective submarine type. The fuel cell device is particularly suitable for retrofitting existing diesel submarines, of which there are many different types. The BZ auxiliary switchboard thus serves, so to speak, as an adapter to the respective submarines, whose on-board networks are available in different execution. This adapter function is particularly advantageous for retrofitting existing submarines, since this results in a clear technical separation between the old submarine energy supply part and the new energy supply part through the fuel cell device.
Die Brennstoffzelleneinrichtung weist so einen für vorhandene und neue U-Boote unveränderten Kern in Form der Brennstoffzellenmodule auf, die über eine Brennstoffzelleneinrichtungs- Steuertafel bedient werden, wobei die BZ-Hilfsschalttafel die Adaption an die unterschiedlichen Typen vornimmt.The fuel cell device thus has a core, unchanged for existing and new submarines, in the form of the fuel cell modules which are operated via a fuel cell device control panel, the FC auxiliary control panel adapting to the different types.
Falls die U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung mit H2-O2- Brennstoffzellen in modularem Aufbau in neue U-Boot-Typen eingebaut wird, z.B. in die Typen 212 oder 214, kann die BZ- Hilfsschalttafel entfallen, hier wird die Hilfsschalttafel in die HauptSchalttafel des Bootes mit integriert . Dies ist bei Neubauten möglich.If the submarine fuel cell device with H2-O2 fuel cells in a modular design is installed in new submarine types, e.g. in the types 212 or 214, the BZ auxiliary switchboard can be omitted, here the auxiliary switchboard is integrated into the main switchboard of the boat. This is possible with new buildings.
Bei einer Ergänzung der Antriebseinrichtung eines vorhandenen Diesel-U-Boots übernimmt die BZ-Hilfsschalttafel die Adaption. Hierfür wird sie als eigenständige Komponente ausgeführt, die vorteilhaft mit in dem Nachrüstungssegment des U-Boots angeordnet ist .When the drive device of an existing diesel submarine is supplemented, the BZ auxiliary switchboard takes over the adaptation. For this purpose, it is designed as an independent component, which is advantageously arranged in the retrofit segment of the submarine.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung eine BZ-Steuertafel mit Komponenten zum Betrieb, zum Ein/Ausschalten sowie für Test- und Prüfzwecke der Brennstoffzelleneinrichtung enthält. Durch die Ergänzung der Steuertafel über die üblichen Kompo- nenten zum Betrieb, zum Ein- und Ausschalten mit Komponenten für Test- und Prüfzwecke entsteht eine BZ-Steuertafel, die den Anforderungen einer U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung besonders vorteilhaft entspricht. Eine Brennstoffzelleneinrichtung kann nicht wie eine Batterieeinrichtung ständig in betriebsbereitem Zustand gehalten werden. Vor dem Einschalten muss zunächst die ordnungsgemäße Funktion der Brennstoffzelle geprüft und getestet werden. Hierfür sind Komponenten notwen- dig, die die Hilfsaggregate in Betrieb setzen und einen Testlauf mit Prüfung der Betriebsbereitschaft und des folgenden Betriebsverhaltens sowie einen Komponententest durchführen. Erst wenn alle Tests und Prüfungen positiv ausfallen, kann die Brennstoffzelleneinrichtung in Betrieb genommen werden, ohne dass eine Fehlfunktion zu befürchten ist. Die Tests und Prüfungen müssen insbesondere nach einer längeren Liegezeit des U-Boots durchgeführt werden, wobei neben der Wasserstoffanlage, der Sauerstoffanlage und der Stickstoffanlage, der Reaktionswasseranlage und dem Kühlsystem insbesondere dieIn a further embodiment of the invention, it is provided that the submarine fuel cell device contains an FC control panel with components for operating, switching on and off, and for testing and checking purposes of the fuel cell device. By supplementing the control panel with the usual components for operation, for switching on and off with components for test and inspection purposes, an FC control panel is created which particularly advantageously meets the requirements of a submarine fuel cell device. A fuel cell device cannot be kept in an operational state like a battery device. Before switching on, the proper functioning of the fuel cell must first be checked and tested. Components are required for this dig that put the auxiliary units into operation and carry out a test run with a check of the operational readiness and the following operating behavior as well as a component test. Only when all tests and examinations are positive can the fuel cell device be put into operation without fear of a malfunction. The tests and examinations must be carried out in particular after the submarine has been lying down for a longer period, in addition to the hydrogen system, the oxygen system and the nitrogen system, the reaction water system and the cooling system
Dichtigkeit der Zellen sowie die Funktionsfähigkeit der Geber, Sensoren und Ventile in den BZ-Modulen zu testen und zu prüfen sind.Leak tightness of the cells as well as the functionality of the sensors, sensors and valves in the FC modules must be tested and checked.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinrichtung eine BZ-Steuertafel mit folgenden Abmessungen aufweist: (Maße von vorne gesehen) Breite von 1100 mm bis 2000 mm Tiefe von 500 mm bis 700 mm Höhe von 1000 mm bis 2100 mm.In a further embodiment of the invention it is provided that the fuel cell device has a FC control panel with the following dimensions: (dimensions seen from the front) width from 1100 mm to 2000 mm depth from 500 mm to 700 mm height from 1000 mm to 2100 mm.
So ergibt sich eine Steuertafel mit optimierten Abmessungen, die es erlaubt, alle Steuereinrichtungen, die notwendig sind, aufzunehmen, ohne dass Abmessungen derart groß werden, dass die BZ-Steuertafel nicht mehr in dem U-Boot ohne weiteres integrierbar ist, insbesondere nicht in einem nachrüstbaren Bootssegment .This results in a control panel with optimized dimensions, which allows all control devices that are necessary to be accommodated without the dimensions becoming so large that the BG control panel can no longer be easily integrated into the submarine, in particular not in one retrofittable boat segment.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die BZ-Hilfsschalttafel Geräte zum Anpassen der Brennstoffzelleneinrichtung an unterschiedliche U-Boot- Ausführungen enthält. Dabei soll die Hilfsschalttafel die folgenden Abmessungen aufweisen: (Maße von vorne gesehen) Breite von 500 mm bis 1300 mm Tiefe von 500 mm bis 700 mm Höhe von 1000 mm bis 2100 mm. So ergeben sich auch für die Hilfsschalttafel mit ihren Geräten zur Adaption der Brennstoffzelleneinrichtung an unterschiedliche U-Boot-Ausführungen Maße, die sowohl alle notwendigen Einrichtungen einer Hilfsschalttafel aufnehmen können als auch den an Bord von nachgerüsteten U-Booten zur Verfügung stehenden Platz nicht zu sehr in Anspruch nehmen.In a further embodiment of the invention, it is provided that the FC auxiliary control panel contains devices for adapting the fuel cell device to different submarine designs. The auxiliary switchboard should have the following dimensions: (dimensions seen from the front) width from 500 mm to 1300 mm depth from 500 mm to 700 mm height from 1000 mm to 2100 mm. This also results in dimensions for the auxiliary control panel with its devices for adapting the fuel cell device to different submarine designs, which can accommodate all the necessary equipment of an auxiliary control panel and the space available on board of retrofitted submarines is not too great Claim.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schalttafel zumindest einen LeistungsSchalter für mindestens 1000 A sowie ggf. eine Sollschmelzstelle aufweist. Der Leistungsschalter in der Schalttafel bietet vorteilhaft die Möglichkeit, die Brennstoffzelleneinrichtung auf das Bordnetz aufzuschalten sowie wieder von dem Bordnetz zu trennen. Bei DC-Netzen mit hohen Summenkurzschlussströmen ist ggf. auch eine Sollschmelzstelle vorgesehen, die den besonderen Anforderungen des an Bord von U-Booten bestehenden DC- Netzes entspricht.In a further embodiment of the invention, it is provided that the control panel has at least one circuit breaker for at least 1000 A and, if appropriate, a target melting point. The circuit breaker in the control panel advantageously offers the possibility of connecting the fuel cell device to the vehicle electrical system and of disconnecting it again from the vehicle electrical system. In the case of DC networks with high total short-circuit currents, a predetermined melting point may also be provided, which corresponds to the special requirements of the DC network existing on board submarines.
Zusammen mit dem Leistungsschalter sorgt sie für eine sichere Trennung der Brennstoffzelleneinrichtung vom U-Boot-Bordnetz, in dem durch Gefechtseinwirkungen ganz erhebliche Kurzschlussströme auftreten können.Together with the circuit breaker, it ensures safe separation of the fuel cell device from the submarine electrical system, in which very short-circuit currents can occur due to the effects of combat.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schalttafel folgende Abmessungen aufweist: (Maße von vorne gesehen) Breite von 500 mm bis 1300 mm Tiefe von 500 mm bis 1300 mm Höhe von 1000 mm bis 2100 mm.In a further embodiment of the invention it is provided that the control panel has the following dimensions: (dimensions seen from the front) width from 500 mm to 1300 mm depth from 500 mm to 1300 mm height from 1000 mm to 2100 mm.
Aus den Abmessungen der BZ-Steuertafel, der BZ-Hilfsschalttafel und der Schalttafel ergibt sich ein vorteilhaftes Schaltschranksystem an Bord eines U-Bootes, das größenmäßig ohne weiteres in dem U-Boot, insbesondere in einem nachgerüs- teten Brennstoffzelleneinrichtungssegment, unterzubringen ist und dabei die Möglichkeit bietet, alle Schalteinrichtungen, Automatisierungseinrichtungen und ihre Hilfseinrichtungen in kompakter Weise und trotzdem ausreichend zugänglich zusammen zu fassen. So wird den besonderen Platzanforderungen an Bord eines U-Boots in optimaler Weise Rechnung getragen. In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die BZ-Steuertafel zumindest eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) , wie z.B. eine SIMATIC S 7, der Firma Siemens aufweist. So ergibt sich in besonders günstiger Weise an Bord eines modernen U-Boots, das in der Regel mit speicherprogram- mierbaren Steuerungen automatisiert ist, ein homogenes Automatisierungsnetz. Dabei ist es möglich, eine durchgehende Software zu verwenden, die den besonderen Sicherheitsanforderungen an Bord eines U-Boots entspricht. Es ist dabei vorgesehen, dass vorteilhaft zumindest eine der Schalt- und Steuereinrichtungen, also etwa die BZ-Steuertafel bzw. die BZ-Hilfsschalttafel, ein Steuer- und Überwachungsgerät mit Monitor sowie benötigte Steuerschalter/Taster und Messgeräte aufweist. So ergibt sich im Bereich der Brenn- stoffzelleneinrichtung eine Bedien- und Beobachtungseinrichtung für die Brennstoffzelleneinrichtung, die vor Ort eine vollständige Überwachung und Bedienung der Brennstoffzelleneinrichtung ermöglicht. Diese kann also visuell durch die verschiedenen Geräte und den Monitor unter Zurhilfenahme des Gehörs und sogar der Eindrücke des geschulten Bedienungspersonals vom Zustand der Brennstoffzelleneinrichtung erfolgen.The dimensions of the BZ control panel, the BZ auxiliary control panel and the control panel result in an advantageous control cabinet system on board a submarine that can easily be accommodated in size in the submarine, in particular in a retrofitted fuel cell device segment, and thereby Possibility offers all switching devices, automation devices and their auxiliary devices in compact and yet sufficiently accessible to summarize. In this way, the special space requirements on board a submarine are optimally taken into account. In a further embodiment of the invention, it is provided that the FC control panel has at least one programmable logic controller (PLC), such as a SIMATIC S 7 from Siemens. This results in a particularly favorable manner on board a modern submarine, which is usually automated with programmable logic controls, a homogeneous automation network. It is possible to use end-to-end software that meets the special safety requirements on board a submarine. It is provided that at least one of the switching and control devices, that is to say the FC control panel or the FC auxiliary control panel, advantageously has a control and monitoring device with a monitor and the required control switches / buttons and measuring devices. This results in an operating and monitoring device for the fuel cell device in the area of the fuel cell device, which enables complete monitoring and operation of the fuel cell device on site. This can be done visually through the various devices and the monitor with the aid of the hearing and even the impressions of the trained operating personnel of the state of the fuel cell device.
' In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der U-Boot- Brennstoffzelleneinrichtung ist vorgesehen, dass im Strom- Schienensystem ein HTS-Strombegrenzer angeordnet ist, der mit einer kryogenen Flüssigkeit gekühlt wird und mit einem Leistungsschalter zusammenwirkt.In a particularly advantageous embodiment of the submarine fuel cell device, it is provided that an HTS current limiter is arranged in the busbar system, which is cooled with a cryogenic liquid and interacts with a circuit breaker.
Der HTS-Strombegrenzer ist vorteilhaft mit einem Vorratsbe- hälter für kryogene Flüssigkeit verbunden, der insbesondere elektrisch gekühlt wird. Durch einen HTS-Strombegrenzer ergibt sich eine besonders vorteilhafte Trennmöglichkeit der empfindlichen Brennstoffzelleneinrichtung bei Kurzschlüssen von dem Bordnetz. HTS-Strombegrenzer sind an sich bekannt, bei dem Einsatz zum Sichern von BrennstoffZelleneinrichtungen an Bord eines U-Bootes ergibt sich jedoch eine besonders hohe Sicherheit in Bezug auf Rückwirkungen aus dem U-Boot- Stromversorgungssystem. Dies gilt vorteilhaft insbesondere im Gefechtsfall, bei dem insbesondere Spannungseinbrüche im Netz verhindert werden sollen, die beim Ansprechen von Leistungsschaltern auftreten. So wird sehr vorteilhaft ein "Ausstei- gen" empfindlicher elektronischer Geräte verhindert und die FunktionsSicherheit der im U-Boot vorhandenen elektronischen Komponenten verbessert.The HTS current limiter is advantageously connected to a storage container for cryogenic liquid, which is in particular electrically cooled. A HTS current limiter provides a particularly advantageous way of disconnecting the sensitive fuel cell device in the event of short circuits from the vehicle electrical system. HTS current limiters are known per se, but when used to secure fuel cell devices on board a submarine, there is a particularly high level of safety with regard to reactions from the submarine power supply system. This is particularly advantageous in the event of a battle, in which voltage dips in the network that occur when circuit breakers respond are to be prevented. This very advantageously prevents sensitive electronic devices from "getting out" and improves the functional reliability of the electronic components present in the submarine.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der HTS-Strombegrenzer mit einem Vorratsbehälter verbunden ist, dessen Verdampfungswärme zum Aufheizen des flüssigen Sauerstoffs genutzt wird, der zum Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung benötigt wird. So ergibt sich ein besonders geringer Energieverbrauch des HTS-Systems, da keine elektri- sehe Energie zur Kühlung der kryogenen Flüssigkeit zur Verfügung gestellt werden muss. So kann das Bordnetz entlastet werden. Gleichzeitig ergibt sich ein vorteilhafter Energieverbund zwischen der Brennstoffzelleneinrichtung mit ihren Versorgungsaggregaten und dem Sicherheits-Schaltsystem.In a further embodiment of the invention, it is provided that the HTS current limiter is connected to a storage container, the heat of vaporization of which is used to heat up the liquid oxygen that is required to operate the fuel cell device. This results in a particularly low energy consumption of the HTS system, since no electrical energy has to be provided for cooling the cryogenic liquid. In this way, the electrical system can be relieved. At the same time, there is an advantageous energy network between the fuel cell device with its supply units and the safety switching system.
Vorteilhaft ist die Brennstof zelleneinrichtung, der HTS- Strombegrenzer und sein Vorratsbehälter mit kryogener Flüssigkeit im Bereich der Schalttafel und der BZ-Hilfsschalttafel angeordnet. Hier steht an einer der wenigen Stellen ei- nes U-Boots Platz zur Verfügung und es ergeben sich kurze Leitungslängen. So wird die Sicherheit des Energieversorgungssystems des U-Boots erhöht und dem begrenzten Platz im U-Boot entsprochen.The fuel cell device, the HTS current limiter and its storage container with cryogenic liquid are advantageously arranged in the area of the control panel and the FC auxiliary control panel. There is space in one of the few places of a submarine and there are short cable lengths. This increases the security of the submarine's energy supply system and corresponds to the limited space in the submarine.
Die vorstehende Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn die Brennstoffzelleneinrichtung zur Nachrüstung eines U-Boots, d.h. in einem in das vorhandene U-Boot eingefügten neuen Seg- ment, verwendet wird. Es versteht sich, dass in diesem Segment auch die Pumpen für Gas und Wasser sowie eine Startereinheit zusammen mit allen übrigen Hilfseinrichtungen und Komponenten angeordnet werden. Durch das Nachrüstungssegment ergibt sich für vorhandene U-Boote eine ganz erheblich verlängerte geräuscharme Tauchfahrt. Diese Verlängerung ist, unter anderem aus Platzgründen, nicht durch eine Vergrößerung der Akku-Blöcke erreichbar.The above arrangement is particularly advantageous if the fuel cell device for retrofitting a submarine, ie in a new segment inserted into the existing submarine. ment is used. It goes without saying that the pumps for gas and water and a starter unit are arranged together with all other auxiliary devices and components in this segment. The retrofit segment gives existing submarines a significantly longer, low-noise dive trip. For reasons of space, this extension cannot be achieved by enlarging the battery blocks.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen, ebenso wie aus den Unteransprüchen, weitere erfindungswesentliche Angaben entnehmbar sind.The invention is explained in more detail with reference to drawings, from which, as well as from the subclaims, further information essential to the invention can be gathered.
Es zeigen: FIGUR 1 eine schematische Übersicht über eine Brennstoff- Zelleneinrichtungs-Steuertafel mit ihren Verbindungen zu den Brennstoffzellenmodulen und der Hilfsschalttafel für Nachrüstungen; FIGUR 2 die einzelnen Einrichtungen der Brennstoffzellen- Einrichtung für Nachrüstungen in schematischer Form;FIGURE 1 shows a schematic overview of a fuel cell device control panel with its connections to the fuel cell modules and the auxiliary control panel for retrofitting; FIGURE 2 shows the individual facilities of the fuel cell facility for retrofitting in schematic form;
FIGUR 3 eine Ansicht-.von vorn der Steuertafel der Brennstoffzelleneinrichtung; FIGUR 4 ein Brennstoffzellenmodul undFIGURE 3 is a front view of the control panel of the fuel cell device; FIGURE 4 is a fuel cell module and
FIGUR 5 eine Prinzipdarstellung eines HTS-Strombegrenzers .FIGURE 5 is a schematic diagram of an HTS current limiter.
In FIGUR 1 bezeichnet 1 ein erstes Brennstoffzellenmodul sowie 2 ein zweites Brennstoffzellenmodul. Die Brennstoffzel- lenmodule für eine nachrüstbare Brennstoffzelleneinrichtung haben in der Regel eine Leistung von 120 bis 140 kW. Diese Leistung kann je nach Anforderung auch durch das Hinzufügen oder Wegnehmen von weiteren Stacks im Brennstoffzellenmodul erhöht oder erniedrigt werden.In FIGURE 1, 1 denotes a first fuel cell module and 2 a second fuel cell module. The fuel cell modules for a retrofittable fuel cell device generally have an output of 120 to 140 kW. Depending on requirements, this performance can also be increased or decreased by adding or removing further stacks in the fuel cell module.
Die Brennstoffzellenmodule 1, 2 sind durch Prozesssignalkabel 3, 4 mit der Brennstoffzelleneinrichtungssteuertafel 5 verbunden. Durch die Verwendung von zwei Prozesssignalkabelsät- zen, je einer zu einem Brennstoffzellenmodul, ergibt sich ei- ne besonders hohe Verfügbarkeit, da der Ausfall eines Brennstoffzellenmoduls keine Rückwirkungen auf die Funktion des anderen Brennstoffzellenmoduls hat. Die Prozesssignale aus den Brennstoffzellenmodulen 1, 2 werden in der Brennstoffzel- lenmodulelektronikeinheit 6 verarbeitet, die mit der Brennstoffzellenanlagensteuerung 7 in Verbindung steht. Die Brennstoffzellenanlagensteuerung 7 steht wiederum mit der Brennstoffzellensicherheitsautomätik 8 in Verbindung, die einen sicheren Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung ermöglicht.The fuel cell modules 1, 2 are connected to the fuel cell device control panel 5 by process signal cables 3, 4. The use of two process signal cable sets, one for each fuel cell module, results in ne particularly high availability, since the failure of one fuel cell module has no repercussions on the function of the other fuel cell module. The process signals from the fuel cell modules 1, 2 are processed in the fuel cell module electronics unit 6, which is connected to the fuel cell system controller 7. The fuel cell system controller 7 is in turn connected to the automatic fuel cell safety system 8, which enables safe operation of the fuel cell device.
Die Brennstoffzelleneinrichtungs-Steuertafel 5 weist weiterhin eine Bedienstation 9 auf, mit der die einzelnen Funktionen, insbesondere für Test- und Prüfzwecke, eingestellt wer- den können. Die Brennstoffzelleneinrichtungssteuertafel 5 ist mit einer Brennstoffzellenhilfsschalttafel 11 verbunden, die die Adaption der Brennstoffzelleneinrichtung an die verschiedenen U-Boot-Typen vornimmt. Die Brennstoffzellensteuertafel ist mit dem schiffstechnischen Leitstand 15 über die Hilfs- Schalttafel 11 verbunden. Dies ist durch die Pfeile 12 und 13 angedeutet. Der schiffstechnische Leitstand und s-eine Unterstationen sind nur angedeutet dargestellt, da sie keine unmittelbare Funktion in Bezug auf die Brennstoffzelleneinrichtung ausüben. Diese ist ja als autonom funktionsfähige Ein- heit ausgebildet.The fuel cell device control panel 5 furthermore has an operating station 9 with which the individual functions, in particular for test and inspection purposes, can be set. The fuel cell device control panel 5 is connected to a fuel cell auxiliary switch panel 11, which adapts the fuel cell device to the various submarine types. The fuel cell control panel is connected to the ship's control center 15 via the auxiliary control panel 11. This is indicated by the arrows 12 and 13. The ship's control center and one sub-station are only indicated as they have no direct function with respect to the fuel cell device. This is designed as an autonomously functional unit.
Die Hilfsaggregate für die Brennstoffzelleneinrichtung, wie Pumpen, eine Starteinrichtung, ein DC-Steller, der Schiffshauptschalter und die unterschiedlichen Steuerungen für die Schiffsbetriebseinrichtungen sind andeutungsweise bezeichnet. Das gleiche gilt für die Hilfsanlagen (Peripherie der Brennstoffzelleneinrichtung) , wie z.B. das Kühlsystem, die Reaktionswasseranlage, die Stickstoffanläge, die Sauerstoffanlage und die Wasserstoffanläge. Alle diese Komponenten werden bootstypabhängig von der Werft bereitgestellt und mit derThe auxiliary units for the fuel cell device, such as pumps, a starter device, a DC actuator, the ship's main switch and the various controls for the ship's operating devices are indicated. The same applies to the auxiliary systems (periphery of the fuel cell device), e.g. the cooling system, the reaction water system, the nitrogen system, the oxygen system and the hydrogen system. Depending on the boat type, all of these components are provided by the shipyard and with the
Brennstoffzellensteuertafel Signal- und steuertechnisch verbunden. Sie sind nicht Gegenstand der Erfindung. In FIGUR 2 sind die einzelnen Komponenten unabhängig von ihrer Anordnung im Boot mit ihren technischen Schnittstellen noch einmal dargestellt . Für das Bedienen und Beobachten der Brennstoffzelleneinrichtung dient die Brennstoffzellensteuertafel 20, die zwei Modulelektroniken enthält; darüber hinaus die Brennstoffzelleneinrichtungs-Steuerung und die Brennstoffzelleneinrichtungs-Sicherheitsautomatik; des weiteren eine Bedienstation. Die sog. Brennstoffzellenbatterie enthält zwei Brennstoffzellenmodule, ggf. können jedoch auch noch mehr Module in einer Brennstoffzelleneinrichtung vereinigt werden. Die Standardmodule weisen eine Leistung von ca. 120 - 140 kW auf, eine zweite Ausführung von Standardmodulen liegt in der Leistung zwischen 30 und 40 kW. Aus diesen Modu- len können die verschiedensten BrennstoffZelleneinrichtungen gebildet werden, z.B. können acht bis zehn Brennstoffzellenmodule von je 30 bis 40 kW eine Brennstoffzelleneinrichtung bilden, aber auch zwei oder ggf. drei 120 kW Module eine Brennstoffzelleneinrichtung.Fuel cell control panel connected for signal and control purposes. They are not the subject of the invention. FIGURE 2 shows the individual components again with their technical interfaces, regardless of their arrangement in the boat. The fuel cell control panel 20, which contains two module electronics, is used for operating and monitoring the fuel cell device; furthermore the fuel cell device control and the fuel cell device safety automatics; also an operator station. The so-called fuel cell battery contains two fuel cell modules, but if necessary, even more modules can be combined in one fuel cell device. The standard modules have an output of approx. 120 - 140 kW, a second version of standard modules has an output of between 30 and 40 kW. A wide variety of fuel cell devices can be formed from these modules, for example eight to ten fuel cell modules of 30 to 40 kW each can form a fuel cell device, but also two or possibly three 120 kW modules can form a fuel cell device.
Die.».sog. Brennstoffzellenbatterie, die von den Brennstoffzel- lenmodulen gebildet wird, enthält für Nachrüstungen in der Regel zwei Brennstoffzellenmodule, die je einen Prozesssig- nalkabelsatz zur Brennstoffzellensteuertafel aufweisen. Des weiteren weist die Brennstoffzellenbatterie vorteilhaft Medienkupplungen für die einzelnen Medien, wie Wasserstoff, Sauerstoff, Wasser, Stickstoff etc. auf, die mit Dichtungen vers'ehen in die Brennstoffzellenbatterie eingeführt werden. Die Brennstoffzellenbatterie weist darüber hinaus Anschluss- adapter für die Leistungskabel auf, die die erzeugte elektrische Leistung auf das Stromschienensystem des U-Boots übertragen. Da die Brennstoffzellenmodule unter Schutzgas gefahren werden müssen, weisen sie auch eine Pumpeneinheit, eine Trocknereinheit und eine Ventileinheit für Schutzgas auf.called. The.. " Fuel cell batteries, which are formed by the fuel cell modules, generally contain two fuel cell modules for retrofitting, each of which has a process signal cable set for the fuel cell control panel. Furthermore, the fuel cell battery advantageously has media couplings for the individual media, such as hydrogen, oxygen, water, nitrogen, etc., which are introduced into the fuel cell battery with seals. The fuel cell battery also has connection adapters for the power cables, which transfer the electrical power generated to the power rail system of the submarine. Since the fuel cell modules have to be operated under protective gas, they also have a pump unit, a dryer unit and a valve unit for protective gas.
All die vorstehenden Komponenten sind Serienkomponenten für BrennstoffZelleneinrichtungen, wie sie unabhängig von dem Bootstyp verwendet und zusammengestellt werden. Dies erlaubt eine vorteilhafte Serienbildung der sehr kostenaufwendigen BrennstoffZelleneinrichtungen. Die Brennstoffzelleneinrichtung weist die technischen Schnittstellen 23 auf, die die Starkstromschnittstelle, etwa zum DC/DC-Steller, für die MSR (Messen, Steuern, Regeln) von und zur Brennstoffzelleneinrichtung beinhalten sowie eine Datenschnittstelle, etwa für einen Datenbus SINEC-H 1 zum Bootsleitsystem. Die technische Schnittstelle 24 symbolisiert die Verbindung zur Wasserstoff- Versorgung, zur Sauerstoffversorgung, zur Stickstoffversorgung, zur Restgasentsorgung, zur Produktwasserentsorgung und zu den Kühleinrichtungen. Als Input, der über die technische Schnittstelle 26 symbolisiert wird, wird die Umgebungsbedingung, d.h. die Temperatur, die Luftfeuchte, die Schräglage, der Aufstellungsort, die Schockeinwirkung und die Platzverhältnisse sowie die Einhaltung der H2-02-Konzentration entsprechend den Vorschriften der Marinen und der Abnahmegesellschaften eingegeben. Als Output, symbolisiert durch den Pfeil 25, ergibt sich eine stark verlängerte Tauchzeit, eine ge- räuschlose Energieerzeugung, eine emissionsfreie Energieerzeugung mit geringen EMV- und magnetischen Signaturen mit hoher Verfügbarkeit, hoher Zuverlässigkeit und geringen Restgasmengen.All of the above components are series components for fuel cell devices as independent of that Boat type used and compiled. This allows an advantageous series formation of the very expensive fuel cell devices. The fuel cell device has the technical interfaces 23 which contain the heavy current interface, for example to the DC / DC controller, for the MSR (measuring, controlling, regulating) from and to the fuel cell device, and a data interface, for example for a data bus SINEC-H 1 to the boat control system , The technical interface 24 symbolizes the connection to the hydrogen supply, the oxygen supply, the nitrogen supply, the residual gas disposal, the product water disposal and the cooling devices. The input, which is symbolized via the technical interface 26, is the environmental condition, ie the temperature, the air humidity, the inclined position, the installation site, the impact of shock and the space available, as well as compliance with the H 2 -0 2 concentration in accordance with the regulations of the navies and the acceptance companies entered. The output, symbolized by arrow 25, results in a greatly extended diving time, noiseless energy generation, emission-free energy generation with low EMC and magnetic signatures with high availability, high reliability and low residual gas quantities.
Aus FIGUR 3 ist eine typische Ausführung einer Brennstoffzel- leneinrichtungs-Steuertafel ersichtlich. Der Monitor 30, auf dem die verschiedensten, je nach Anforderung benötigten, Zu- standsschaubilder dargestellt werden können, befindet sich in einem oberen Segment der Steuertafel, besonders vorteilhaft oben rechts. Daneben befindet sich ein Segment mit Messgeräten 31 und Kontrolllampen 32 sowie Tastern, wobei die Taster vorteilhaft gleichzeitig als Kontrolllampen dienen. Die einzelnen Segmente sind mit den für die Steuerung, das Bedienen und Beobachten notwendigen Komponenten ausgefüllt und durch die Segmenttüren an der Vorderseite zugänglich. Kabelzuführungen und der Kühlwassereintritt sowie Austritt befindet sich unter den einzelnen Segmentschränken, wobei der Kühlwas- sereintritt vorteilhaft von vorn gesehen links unten stattfindet und der Kühlwasseraustritt rechts unten. Die Ausführung der Steuertafel entspricht einer tatsächlich ausgeführten Steuertafel, sie ist jedoch nicht zwingend, sondern kann variiert werden.FIGURE 3 shows a typical design of a fuel cell control panel. The monitor 30, on which the various state diagrams required depending on the requirements can be displayed, is located in an upper segment of the control panel, particularly advantageously at the top right. Next to it is a segment with measuring devices 31 and control lamps 32 and buttons, the buttons advantageously serving as control lamps at the same time. The individual segments are filled with the components required for control, operation and monitoring and are accessible through the segment doors on the front. Cable inlets and the cooling water inlet and outlet are located under the individual segment cabinets, with the cooling water When entering the water from the front, the bottom left is advantageous and the cooling water outlet is at the bottom right. The design of the control panel corresponds to an actually executed control panel, but it is not mandatory, but can be varied.
In FIGUR 4 ist ein 120 kW-Brennstoffzellenmodul in seinem Druckbehälter dargestellt . Der Druckbehälter besteht aus nicht rostendem Edelstahl und weist an seiner Stirnseite Starkstromanschlüsse 35 sowie aus der Darstellung nicht ersichtliche vielpolige Steckverbinder für die aus FIGUR 1 ersichtlichen Prozesssignalkabel auf. Des weiteren weist die Stirnseite einen hoch integrierten Medienanschlussblock 36 zur Versorgung des Brennstoffzellenmoduls mit H2 und O2 auf.FIG. 4 shows a 120 kW fuel cell module in its pressure vessel. The pressure vessel consists of rustproof stainless steel and has high-voltage connections 35 on its end face and multipole plug connectors (not shown in the illustration) for the process signal cables shown in FIG. 1. Furthermore, the end face has a highly integrated media connection block 36 for supplying the fuel cell module with H2 and O2.
Aus FIGUR 5 ist der die Schaltgeräte der Brennstoffzelleneinrichtung ergänzende HTS-Strombegrenzer mit seiner Peripherie in Prinzipdarstellung ersichtlich. Er arbeitet mit einem Leistungsschalter zusammen. Seine einzelnen Komponenten sind in der Darstellung kurz erläutert.FIG. 5 shows the basic illustration of the HTS current limiter supplementing the switching devices of the fuel cell device with its periphery. It works with a circuit breaker. Its individual components are briefly explained in the illustration.
Die auch schon für sich und in ihren Einzelheiten erfinderische Aufgabenaufteilung zwischen der BZ-Steuertafel und der BZ-Hilfsschalttafel ergibt sich aus der nachfolgenden Auflis- tung für alle Air Independent Propulsion (AIP) -Anwendungen.The division of tasks between the FC control panel and the FC auxiliary control panel, which is also inventive in itself and in its details, results from the following list for all Air Independent Propulsion (AIP) applications.
Die BZ-Steuertafel hat folgende Hauptaufgaben:The BZ control panel has the following main tasks:
- Steuerung und Überwachung der BZ-Module (die in den BZ-Modulen eingebauten Geber und Ventile erhalten die benötigte Energie über DC/DC-Wandler DC 24V von der BZ- Steuertafel aus, die Hauptenergie für die vorgenannten DC/DC-Wandler kommt aus der BZ-Hilfsschalttafel)- Control and monitoring of the FC modules (the encoders and valves installed in the FC modules receive the required energy via DC / DC converter DC 24V from the FC control panel, the main energy for the aforementioned DC / DC converter comes from the FC auxiliary control panel)
- Steuerung und Überwachung der gesamten BZ-Anlage inkl. der peripheren Ver- und Entsorgungssysteme für H2, 02, Kühl- wasser, Stickstoff, Deionat, Vakuum etc.; alle Signale zur Ansteuerung von Gebern und Ventilen in der BZ-Anlage (ohne BZ-Module) werden zunächst zur BZ-Hilfsschalttafel geleitet und von dort an die entsprechenden Geber und Ventile weitergeleitet (die benötigte Energie für die An- steuerung vorgenannter Geber und Ventile kommt aus der BZ- Hilfsschalttafel)- Control and monitoring of the entire FC system including the peripheral supply and disposal systems for H2, 02, cooling water, nitrogen, deionized water, vacuum, etc .; all signals for controlling encoders and valves in the FC system (without FC modules) initially become the FC auxiliary control panel passed and forwarded from there to the corresponding sensors and valves (the energy required to control the aforementioned sensors and valves comes from the FC auxiliary control panel)
- Bedienung der BZ-Anlage vor Ort durch den in die BZ-Steuertafel eingebauten PC- Operation of the FC system on site using the PC built into the FC control panel
- Bereitstellung der Signale für das übergeordnete Leitsystem zur Visualisierung der BZ-Anlagenzustände (nicht bei AIP-Nachrüstung)- Provision of the signals for the higher-level control system to visualize the FC system status (not with AIP retrofitting)
In der BZ-Steuertafel sind unter anderem folgende Hardwarekomponenten eingebaut :The following hardware components are installed in the FC control panel:
- Simatic S7-Automatisierungssysteme für die Steuerung und Überwachung der BZ-Module - Simatic S7-Automatisierungssysteme für die Steuerung und Überwachung der BZ-Anlage- Simatic S7 automation systems for the control and monitoring of the FC modules - Simatic S7 automation systems for the control and monitoring of the FC system
- Simatic S7-Automatisierungssysteme für die Sicherheitsautomatik der BZ-Anlage- Simatic S7 automation systems for the safety automation of the FC system
- DC/DC—Wandler zur potential getrennten Versorgung der Geber und Ventile in den BZ-Modulen- DC / DC converter for the potential-separate supply of the sensors and valves in the FC modules
- Sma -rt Spannungsmesssysteme zur Messung und .Überwachung der ZeilSpannungen der BZ-Module- Sma -rt voltage measuring systems for measuring and monitoring the line voltages of the FC modules
- ICOS-PC inkl. Keyboard mit Trackball, für Bedienung und Beobachtung der BZ-Anlage vor Ort - Optical Link Module zur Weitergabe der Signale an das übergeordnete Leitsystem zur Visualisierung der BZ- Anlagenzustände (nicht AIP-Nachrüstung)- ICOS-PC incl. Keyboard with trackball, for operating and monitoring the FC system on site - Optical Link Module for forwarding the signals to the higher-level control system for visualizing the FC system status (not AIP retrofitting)
Die BZ-Hilfsschalttafel hat folgende Hauptaufgaben: - Versorgung der BZ-SteuertafelThe FC auxiliary control panel has the following main tasks: - Supply of the FC control panel
- Elektrische Versorgung der gesamten Geber, Ventile, Pumpen etc., der gesamten BZ-Anlage inkl. der peri- pheren Ver- und Entsorgungssysteme für H2, O2, Kühlwasser, Stickstoff, Deionat, Vakuum etc., mit der benötigten Energie (DC 24V, DC 160 - 330V, 3 AC 60Hz 115V)- Electrical supply of the entire encoder, valves, pumps etc., the entire FC system including the peripheral supply and disposal systems for H2, O2, cooling water, nitrogen, deionized water, vacuum etc., with the required energy (DC 24V , DC 160 - 330V, 3 AC 60Hz 115V)
- Bedienung (Handsteuerung) der Pumpen und der Vorwärmheizung der BZ-Anlage vor Ort - Isolationsmessung und -anzeige der BZ-Anlage- Operation (manual control) of the pumps and preheating of the FC system on site - Insulation measurement and display of the FC system
- Sammlung und Weiterleitung von Signalen diverser Boots- Systeme, z.B. Fahranlage, Bordnetz, BZ-Anlage etc.- Collection and forwarding of signals from various boat systems, e.g. Driving system, electrical system, BZ system etc.
In der BZ-Hilfsschalttafel sind unter anderem folgende Hardwarekomponenten eingebaut:The following hardware components are installed in the FC auxiliary control panel:
- Messeinrichtungen zur Isolationsmessung der BZ-Anlage- Measuring devices for insulation measurement of the FC system
- DC 330V / DC 24V Stromversorgungsgeräte- DC 330V / DC 24V power supply devices
- Kondensatoren zur Spannungspufferung - 3-polige Leistungsschalter zum Ein- und Ausschalten der Pumpen und Verbraucher mit hohem Einschaltstrom in der BZ-Anlage . - Capacitors for voltage buffering - 3-pole circuit breakers for switching the pumps and consumers on and off with a high inrush current in the FC system.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung mit H2-θ2-Brennstoff- zellen in modularem Aufbau in einem U-Boot mit zumindest ei- nem elektrischen Propellermotor, einem Batteriesatz, einem1. Submarine fuel cell device with H2-θ2 fuel cells in a modular structure in a submarine with at least one electric propeller motor, one battery pack, one
Ladegenerator mit Antrieb und einem Stromschienensystem sowie Schalt- und Automatisierungseinrichtungen, wobei die Brennstoffzelleneinrichtung eine Schalttafel aufweist, die vorzugsweise in demselben Segment des U-Boots wie die Brenn- stoffzelleneinrichtung angeordnet ist und wobei die Schalttafel durch zumindest eine Brennstoffzellen (BZ) -Steuertafel ergänzt wird, die eine Brennstoffzelleneinrichtungs-System- steuerung, eine Sicherheitsautomatik und Modulelektroniken aufweist .Charging generator with drive and a busbar system as well as switching and automation devices, wherein the fuel cell device has a control panel which is preferably arranged in the same segment of the submarine as the fuel cell device and wherein the control panel is supplemented by at least one fuel cell (BZ) control panel , which has a fuel cell device system control, an automatic safety system and module electronics.
2. U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie eine BZ-Hilfsschalttafel aufweist, die die Verbindung zu typspezifischen schiffstechnischen Komponenten des jeweiligen U-Boot- Typs übernimmt, z.B. zu einem DC-Starter, den Pumpen der Brennstoffzelleneinrichtung etc.2. Submarine fuel cell device according to claim 1, characterized in that it has an auxiliary fuel cell switch panel that provides the connection to type-specific ship technology components of the respective submarine type, e.g. to a DC starter, the pumps of the fuel cell device, etc.
3. U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c-h n e t , dass die BZ- Hilfsschalttafel Geräte zum Anpassen der Brennstoffzellen- Betriebseinrichtungen und elektronischen Komponenten der Brennstoffzelleneinrichtung an unterschiedliche U-Boot- Ausführungen enthält .3. Submarine fuel cell device according to claim 2, characterized in that the fuel cell auxiliary control panel contains devices for adapting the fuel cell operating devices and electronic components of the fuel cell device to different submarine versions.
4. U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die BZ-Hilfsschalttafel die folgenden Abmessungen aufweist: Breite von 500 mm bis 1300 mm, Tiefe von 500 mm bis 700 mm und Höhe von 100 mm bis 2100 mm.4. Submarine fuel cell device according to claim 2 or 3, characterized in that the FC auxiliary switchboard has the following dimensions: width from 500 mm to 1300 mm, depth from 500 mm to 700 mm and height from 100 mm to 2100 mm.
5. U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die BZ-Steuertafel Komponenten zum Betrieb, zum Ein/Ausschalten sowie für Test- und Prüfzwecke der Brennstoffzelleneinrichtung enthält.5. Submarine fuel cell device according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the fuel cell control panel has components for operation Switching on/off as well as for testing and inspection purposes of the fuel cell device.
6. U-Boot-Brennstoff zelleneinrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die BZ-Steuertafel folgende Abmessungen aufweist: Breite von 1100 mm bis 2000 mm, Tiefe von 500 mm bis 700 mm und Höhe von 1000 mm bis 2100 mm.6. Submarine fuel cell device according to claim 1, 2, 3, 4 or 5, so that the fuel cell control panel has the following dimensions: width from 1100 mm to 2000 mm, depth from 500 mm to 700 mm and height from 1000 mm to 2100 mm.
1. U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schalttafel zumindest einen Leistungsschalter für mindestens 1000 A sowie ggf. eine Sollschmelzstelle aufweist.1. Submarine fuel cell device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the control panel has at least one circuit breaker for at least 1000 A and possibly a predetermined melting point.
8. U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schalttafel folgende Abmessungen aufweist: Breite von 500 mm bis 1300 mm, Tiefe von 500 mm bis 1300 mm und Höhe von 1000 mm bis 2100 mm.8. Submarine fuel cell device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the control panel has the following dimensions: width from 500 mm to 1300 mm, depth from 500 mm to 1300 mm and height from 1000 mm to 2100 mm.
9. U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die BZ- Steuertafel zumindest eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), wie z.B. eine SIMATIC S 7, aufweist.9. Submarine fuel cell device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the FC control panel has at least one programmable logic controller (PLC), such as a SIMATIC S 7.
10. U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehre- ren der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest die BZ-Steuertafel oder/und eine der Schalttafeln ein Steuer- und Überwachungsgerät mit Monitor sowie benötigte Steuerschalter/Taster und Messgeräte aufweist.10. Submarine fuel cell device according to one or more of the preceding claims, characterized in that at least the fuel cell control panel and/or one of the switch panels has a control and monitoring device with a monitor as well as the required control switches/buttons and measuring devices.
11. U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Stromschienensystem ein HTS-Strombegrenzer angeordnet ist, der mit einer kryogenen Flüssigkeit gekühlt wird und mit einem Leistungsschalter zusammenwirkt.11. Submarine fuel cell device according to one or more of the preceding claims, characterized in that an HTS current limiter is arranged in the busbar system, which is cooled with a cryogenic liquid and interacts with a circuit breaker.
12. U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der HTS- Strombegrenzer mit einem Vorratsbehälter für kryogene Flüssigkeit verbunden ist, der insbesondere elektrisch gekühlt wird.12. Submarine fuel cell device according to claim 11, characterized in that the HTS current limiter is connected to a storage container for cryogenic liquid, which is in particular electrically cooled.
13. U-Boot-Brennstof zelleneinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der HTS-Strombegrenzer mit einem Vorratsbehälter verbunden ist, dessen Verdampfungswärme zum Aufheizen des flüssigen Sauerstoffes genutzt wird, der zum Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung benötigt wird.13. Submarine fuel cell device according to claim 11 or 12, so that the HTS current limiter is connected to a storage container, the heat of evaporation of which is used to heat the liquid oxygen that is required to operate the fuel cell device.
14. U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der HTS-Strombegrenzer und sein Vorratsbehälter mit kryogener Flüssigkeit in demselben Segment wie die Brennstoffzelleneinrichtung mit ihrer Schalttafel, der BZ-Steuertafel und ggf. der Hilfsschalttafel angeordnet sind.14. Submarine fuel cell device according to claim 11, 12 or 13, characterized in that the HTS current limiter and its storage container with cryogenic liquid are arranged in the same segment as the fuel cell device with its control panel, the FC control panel and, if applicable, the auxiliary control panel.
15. U-Boot-Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie zusammen mit ihren notwendigen Hilfsanlagen, wie Pumpen für Gas und Wasser sowie einer Startereinheit in einem nachrüstbaren Bootsegment angeordnet ist. 15. Submarine fuel cell device according to one or more of the preceding claims, so that it is arranged in a retrofittable boat segment together with its necessary auxiliary systems, such as pumps for gas and water and a starter unit.
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