Die Erfindung betrifft ein Unterseeboot, wobei das Unterseeboot Energie mittels einer Brennstoffzelle erzeugt, wobei der für die Brennstoffzelle notwendige Wasserstoff in einem Reformer aus Methanol gewonnen wird. Zur Lagerung des Methanols und des Wassers weist das Unterseeboot wenigstens drei Tanks auf in welchen wechselweise Methanol bzw. Wasser gelagert wird.

Im Bereich nicht nuklearbetriebener Unterseeboote ist die Verwendung von Brennstoffzellen bekannt, beispielsweise die Klasse 212 A. Der für den Betrieb der Brennstoffzelle benötigte Wasserstoff wird in Metallhydridspeichern gelagert.

Metallhydridspeicher haben sich für Boote mit einer Verdrängung von etwa 2000 t als sehr gut einsetzbar erwiesen. Für Boote mit einer deutlich höheren Verdrängung kann es jedoch effizienter sein, zusätzlich oder anstelle der Metallhydridspeicher einen Reformer in das Boot zu integrieren und dafür Methanol in kompakter Lagerform mitzuführen.

Während des Einsatzes werden Methanol und Sauerstoff verbraucht und Wasser und Kohlendioxid erzeugt. Werden erzeugtes Wasser und Kohlendioxid aus dem Boot ausgebracht, so verringert sich das Gewicht, der Auftrieb des Bootes verändert sich dadurch. Um dieses zu kompensieren müsste Ballastwasser aufgenommen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Unterseeboot zu schaffen, welches Methanol als Brennstoff mitnimmt und eine möglichst geringe Veränderung des Auftrieb beim Verbrauch des Methanol aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Unterseeboot mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, sowie durch das Verfahren mit den in Anspruch 22 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung.

Das erfindungsgemäße Unterseeboot weist wenigstens eine erste Brennstoffzelle und wenigstens einen ersten Reformer auf. Der wenigstens eine erste Reformer ist zur Herstellung von Wasserstoff aus Methanol ausgebildet. Das Unterseeboot weist wenigstens einen ersten Tank, einen zweiten Tank und einen dritten Tank auf. Der erste Tank ist mit dem Reformer für Fluidtransport verbindbar, der zweite Tank ist mit dem Reformer für Fluidtransport verbindbar und der dritte Tank ist mit dem Reformer für Fluidtransport verbindbar. Weiter ist der erste Tank mit dem zweiten Tank für Fluidtransport verbindbar, der erste Tank ist mit dem dritten Tank für Fluidtransport verbindbar und der zweite Tank ist mit dem dritten Tank für Fluidtransport verbindbar.

Zur Herstellung von Wasserstoff aus Methanol muss der Reformer sowohl mit Methanol als auch mit Wasser versorgt werden. Um dieses effizient tun zu können weist das Unterseeboot wenigstens drei Tanks auf, vorzugsweise mehr als drei Tanks. In diesen Tanks kann Methanol oder Wasser gelagert werden. Da es somit keine definierten Methanollagertanks und Wasserlagertanks gibt, muss jeder Tank mit dem Reformer verbunden sein. Zusätzlich ist es notwendig Fluide auch von einem in den anderen Tank umpumpen zu können, so dass jeder Tank mit jedem anderen Tank verbindbar ist.

Im Sinne der Erfindung ist mit Wasser insbesondere Prozesswasser gemeint, das im Zusammenhang mit dem Betrieb des Reformers oder der Brennstoffzelle benötigt oder erzeugt wird. Das an Bord mitgeführte Trinkwasser ist hiervon zu unterscheiden. Im Regelfall weist Wasser im Sinne der Erfindung Verunreinigungen auf, insbesondere Methanol, es ist kein chemisch reines Wasser gemeint.

Typischerweise wird vor Abfahrt eines Schiffes ein Tank Wasser aufweisen, alle anderen Tanks werden mit Methanol gefüllt sein. Vorzugsweise ist der Tank, welcher Wasser aufweist, zu einem geringen Anteil gefüllt, sodass dieser Tank entstehendes Reaktionswasser und Kondensat vom Reformer und/oder der Brennstoffzelle aufnehmen kann. Während der Fahrt wird Methanol entnommen und sobald ein Tank, in welchem Methanol gelagert war, leer ist, wird in diesen entstehendes Reaktionswasser und Kondensat vom Reformer und/oder der Brennstoffzelleeingeleitet. Hierdurch kann die Lagerung beider Fluide, Methanol und Wasser, in sehr kompakter Weise erfolgen. Gleichzeitig kann der Auftrieb des Unterseebootes beim Betrieb nahezu konstant gehalten werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Tank an der Unterseite mit einem ersten Auslassventil und an der Oberseite mit einem ersten Einlassventil verbunden. Der zweite Tank ist an der Unterseite mit einem zweiten Auslassventil und an der Oberseite mit einem zweiten Einlassventil verbunden. Der dritte Tank ist an der Unterseite mit einem dritten Auslassventil und an der Oberseite mit einem dritten Einlassventil verbunden.

Bevorzugt ist jeder Tank mit einem einzigen Einlassventil auf der Oberseite für den Transport von Methanol und/oder Wasser versehen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind das erste Auslassventil, das zweite Auslassventil und das dritte Auslassventil über eine Auslassverbindung verbunden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind das erste Einlassventil, das zweite Einlassventil und das dritte Einlassventil über eine Einlassverbindung verbunden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Einlassverbindung und die Auslassverbindung über eine Pumpe miteinander verbunden. Hierdurch kann besonders einfach und mit nur einem einzigen aktiven Pumpelement Flüssigkeit aus jedem Tank in jeden anderen Tank befördert werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Einlassverbindung mit einer Betankungskupplung verbunden. Über die Betankungskupplung kann Methanol oder Wasser in die Einlassverbindung und über die Einlassverbindung in einen ausgewählten Tank befördert werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Tank an der Unterseite mit einem ersten Methanolablassventil verbunden. Der zweite Tank ist an der Unterseite mit einem zweiten Methanolablassventil verbunden und der dritte Tank ist an der Unterseite mit einem dritten Methanolablassventil verbunden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind das erste Methanolablassventil, das zweite Methanolablassventil und das dritte Methanolablassventil über eine Methanolablassverbindung verbunden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Methanolablassverbindung über wenigstens eine erste Methanolablasspumpe mit dem wenigstens einen ersten Reformer verbunden. Durch diesen Aufbau kann Methanol aus jedem Tank in den ersten Reformer befördert werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Tank an der Unterseite mit einem ersten Wasserablassventil verbunden. Der zweite Tank ist an der Unterseite mit einem zweiten Wasserablassventil verbunden. Der dritte Tank ist an der Unterseite mit einem dritten Wasserablassventil verbunden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind das erste Wasserablassventil, das zweite Wasserablassventil und das dritte Wasserablassventil über eine Wasserablassverbindung verbunden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Wasserablassverbindung über wenigstens eine erste Wasserablasspumpe mit dem wenigstens einen ersten Reformer verbunden. Durch diesen Aufbau kann Wasser aus jedem Tank in den ersten Reformer befördert werden.

In einer besonders bevorzugten Ausdrucksform sind das Auslassventil, das Methanolablassventil und das Wasserablassventil eines Tank jeweils über eine gemeinsame Verbindung mit dem Tank verbunden, sodass an der Unterseite nur eine Öffnung für eine Verbindung zu den drei Ventilen vorhanden ist.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der erste Tank, der zweite Tank und der dritte Tank gegenüber der Atmosphäre des Unterseeboots abgeschlossen, wobei das Unterseeboot eine Vorrichtung zur Einleitung von Inertgas in wenigstens den ersten Tank, den zweiten Tank und den dritten Tank aufweist. Da Methanol giftig ist, sollte Methanol nicht in gasförmiger Form in die Atmosphäre abgegeben werden. Dieses kann insbesondere durch eine Schutzgasatmosphäre erreicht werden. Gleichzeitig ist hierdurch auch ein Explosionsschutz gewährleistet. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Inertgas Stickstoff, Kohlendioxid, Helium, Neon, Argon oder ein Gemisch hieraus. Besonders bevorzugt wird Stickstoff, Kohlendioxid oder Argon verwendet, da diese Gase zu verschiedenen Zwecken an Bord eines Unterseeboots sein können.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens zwei Tanks zueinander benachbart angeordnet. Die zwei zueinander benachbarten Tanks sind an der Oberseite mit einem Überlaufrohr verbunden, wobei die Verbindungen zwischen dem Überlaufrohr und den Tanks jeweils auf der dem benachbarten Tank gegenüberliegenden Seite angeordnet sind. Diese Anordnung stellt sicher, dass auch bei extremer Schräglage des Unterseeboots keine Flüssigkeit aus einem Tank in einen benachbarten Tank fließt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Unterseeboot wenigstens einen Ausgasungstank auf. Das Wasser kann nach dem Ausgasen aus dem Ausgasungstank über die Einlassverbindung in einen ausgewählten Tank befördert werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Unterseeboot einen kathodenseitigen Wasserabscheider auf, wobei der kathodenseitige Wasserabscheider mit der Kathodenseite der wenigstens einen Brennstoffzelle verbunden ist, wobei der kathodenseitige Wasserabscheider mit dem Ausgasungstank verbunden ist. Reaktionswasser von der Kathodenseite der Brennstoffzelle wird zunächst in den Ausgasungstank befördert. Das Reaktionswasser von der Kathodenseite der Brennstoffzelle ist mit Sauerstoff angereichert. Dieser Sauerstoff kann im Ausgasungstank an die Atmosphäre abgegeben werden. Reaktionswasser von der Anodenseite der Brennstoffzelle fällt in deutlich geringerem Mengen an, da das Produkt auf der Kathodenseite anfällt. Da dieses Wasser aber Wasserstoff enthalten kann wird es vorzugsweise in einem getrennten Tank gelagert oder zur Befeuchtung des Wasserstoffstroms in der Zuführung zur Anodenseite der Brennstoffzelle verwendet. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Ausgasungstank mit dem Reformer zur Überführung von Kondensat aus dem Reformer in den Ausgasungstank verbunden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Ausgasungstank mit der Atmosphäre des Unterseeboots verbunden. Da hier hauptsächlich Sauerstoff abgegeben wird, welcher von der Besatzung verbraucht wird, entstehen keine weiteren Anforderungen an Lagerung oder Entsorgung.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Unterseeboot eine gerade Anzahl an Tanks auf, wobei die eine Hälfte der Tanks auf der Steuerbordseite und die andere Hälfte der Tanks auf der Backbordseite angeordnet sind. In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform sind weist das Unterseeboot insgesamt acht Tanks auf, wobei vier Tanks auf der Steuerbordseite und vier Tanks auf der Backbordseite angeordnet sind. Besonders bevorzugt handelt es sich bei einem der Tanks um einen Ausgasungstank. Beim Verlassen des Hafens können somit sechs Tanks mit Methanol und ein Tank mit etwas Wasser gefüllt sein. Hieraus ergibt sich die effizienteste Platznutzung an Bord.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Unterseeboot einen Druckkörper auf und die Tanks sind außerhalb des Druckkörpers angeordnet. Bevorzugt sind diese zwischen dem Druckkörper des Unterseeboots und einer weiteren Verkleidung angeordnet. Besonders bevorzugt sind diese um einen weiteren Tank, insbesondere den Sauerstofftank herum angeordnet.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist jeder Tank nur einen Einlass für Flüssigkeiten auf der Oberseite und einen Auslass für Flüssigkeiten auf der Unterseite auf. Zusätzlich weist jeder Tank bevorzugt wenigstens einen Einlass für Schutzgas auf. Weiter bevorzugt weist jeder Tank wenigstens ein Überlaufrohr auf. Zusätzlich kann jeder Tank einen Sensor für den Füllstand und gegebenenfalls Druck- und/oder Temperatursensoren aufweisen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bildet der Druckkörper wenigstens einen Teil des Tanks.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist wenigstens ein Tank eine Blase auf, wobei die Blase zur Aufnahme von Flüssigkeit ausgebildet ist. Unter einer Blase wird eine flexible Vorrichtung zur Aufnahme von Flüssigkeit verstanden, welche üblicherweise aus einem Kunststoff gebildet ist. Die Blase vergrößert ihr Volumen, wenn Flüssigkeit hineingegeben wird bzw. verkleinert ihr Volumen, wenn Flüssigkeit entnommen wird. Durch die Blase kann ein Kontakt zwischen der Flüssigkeit und der Tankwand vermeiden werden. Vorteil der Verwendung einer Blase kann beispielsweise der Verzicht auf eine Schutzgasatmosphäre sein, da Methanoldämpfe nicht aus der Blase nach außen gelangen können. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Unterseeboots. Der wenigstens eine erste Tank ist mit Methanol befüllt, der wenigstens eine zweite Tank ist mit Wasser befüllt. Methanol wird aus dem ersten Tank in wenigstens einen ersten Reformer befördert. Wasser wird aus dem zweiten Tank in den wenigstens einen ersten Reformer befördert. Reaktionswasser wird von der Brennstoffzelle in den zweiten Tank befördert wird. Kondensat wird vom Reformer in den zweiten Tank befördert. Hierbei muss das Reaktionswasser von der Brennstoffzelle bzw. das Kondensat vom Reformer nicht unmittelbar in den zweiten Tank befördert werden, sondern kann zunächst in einen Ausgasungstank und aus dem Ausgasungstank in den zweiten Tank befördert werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird Methanol aus dem ersten Tank entnommen, bis der Füllstand unter 5 % des Tankvolumens, bevorzugt unter 3 % des Tankvolumens, besonders bevorzugt unter 2 % des Tankvolumens ist, wobei der Füllstand über 1 % des Tankvolumens ist.

Durch einen Mindestfüllstand wird ein Trockenlaufen der Pumpen verhindert.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in den ersten Tank mit einem Füllstand von 1 bis 5 %, bevorzugt von 1 bis 3 %, besonders bevorzugt von 1 bis 2 % des Tankvolumens Methanol Reaktionswasser von der Brennstoffzelle und/oder Kondensat vom Reformer befördert.

Vorteil bei dieser Vermischung ist, dass die Toxizität des Gemisches aus Wasser und Methanol ausreichend gering ist, sodass das Gemisch ohne weitere Aufreinigung in die Umgebung abgegeben werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird Wasser aus dem zweiten Tank entnommen, bis der Füllstand unter 5 % des Tankvolumens, bevorzugt unter 3 % des Tankvolumens, besonders bevorzugt unter 2 % des Tankvolumens ist, wobei der Füllstand über 1 % des Tankvolumens ist.

Durch einen Mindestfüllstand wird ein Trockenlaufen der Pumpen verhindert. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in den zweiten Tank mit einem Füllstand von 1 bis 5 %, bevorzugt von 1 bis 3 %, besonders bevorzugt von 1 bis 2 % des Tankvolumens Wasser Methanol befördert wird. Dieses Auffüllen erfolgt üblicher Weise durch Betanken von außen, beispielsweise im Hafen oder durch einen Einsatzgruppenversorger.

Dieser Restgehalt an Wasser ist nicht störend, da die Stöchiometrie von Wasser zu Methanol im Reformer hierdurch nicht maßgeblich verändert wird. Außerdem stellt es ein Optimum zwischen maximal möglicher Lagermenge an Methanol und Trockenlaufschutz für die Pumpen dar. Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Unterseeboot anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 schematische Zeichnung In Fig. 1 ist das Tanksystem eines erfindungsgemäßen Unterseeboots gezeigt. Das Tanksystem weist acht Tanks 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 auf, wobei ein Tank 13 als Ausgasungstank ausgeführt ist. Die acht Tanks 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 sind schiffbautechnisch ausgeführt, wobei vier Tanks Steuerbord und vier Tanks Backbord angeordnet sind. Die sieben Tanks 10, 11, 12, 14, 15, 16, 17 können mit Methanol oder Wasser gefüllt sein. Vor Verlassen des Hafens sind beispielsweise sechs Tanks 10, 11, 12, 14, 15, 16 mit Methanol als Treibstoff voll gefüllt, während ein Tank 17 Wasser enthält, wobei der Füllstand gering ist.

Die Tanks 10, 11, 12, 14, 15, 16, 17 sind mit Auslassventil 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27 verbunden. Weiter sind die Tanks 10, 11, 12, 14, 15, 16, 17 mit Einlassventilen 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37 verbunden. Die Auslassventile 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27 sind über eine Auslassverbindung 40 miteinander verbunden, die Einlassventile 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37 sind über eine Einlassverbindung 50 miteinander verbunden. Die Auslassverbindung 40 ist über eine Pumpe 60 mit der Einlassverbindung 50 verbunden. Hierdurch ist möglich Methanol oder Wasser von einem beliebigen Tank in einen anderen beliebigen Tank zu befördern, um beispielsweise das Boot zu trimmen.

Über die Betankungskupplung 70 kann Methanol in die Einlassverbindung 50 und über die Einlassverbindung 50 und die Einlassventile 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37 in die Tanks 10, 11, 12, 14, 15, 16, 17 befördert werden. Die Betankungskupplung 70 ist vorzugsweise so angeordnet, dass das Unterseeboot leicht betankt werden kann, beispielsweise ist die Betankungskupplung 70 im Turm angeordnet.

Die Tanks 10, 11, 12, 14, 15, 16, 17 sind mit Methanolablassventilen 80, 81, 82, 84, 85, 86, 87 verbunden, die Methanolablassventile 80, 81, 82, 84, 85, 86, 87 sind über eine Methanolablassverbindung 90 miteinander verbunden. Hierdurch kann Methanol aus den Tanks 10, 11, 12, 14, 15, 16, 17 mittels einer Pumpe 100 zu einem ersten Reformer 200 befördert werden. Im gezeigten Beispiel kann über eine weitere Pumpe 101 Methanol zu einem zweiten Reformer 210 befördert werden. Die redundante Ausführung erhöht die Sicherheit der Energieversorgung.

Die Tanks 10, 11, 12, 14, 15, 16, 17 sind mit Wasserablassventilen 110, 111, 112, 114, 115, 116, 117 verbunden, die Wasserablassventile 110, 111, 112, 114, 115, 116, 117 sind über eine Wasserablassverbindung 150 miteinander verbunden. Hierdurch kann Wasser aus den TankslO, 11, 12, 14, 15, 16, 17 mittels einer Pumpe 120 zu einem ersten Reformer einer 20 befördert werden. Im gezeigten Beispiel kann über eine weitere Pumpe 121 Methanol zu einem zweiten Reformer 230 befördert werden. Die redundante Ausführung erhöht die Sicherheit der Energieversorgung. Aus einem Inertgasvorrat 130 kann über eine Inertgasleitung 132 Inertgas in die Tanks 10, 11, 12, 14, 15, 16, 17 geleitet werden. Zur Regelung wird vorzugsweise eine Inertgasregelung 134 eingesetzt.

Die Tanks 140, 141, 142, 143, 144 sind mittels Überläufen 140, 141, 142, 143, 144 verbunden. Durch die Anordnung der Überläufe 140, 141, 142, 143, 144 ist gewährleistet, dass auch bei Schräglage des Unterseebootes Wasser und Methanol nicht von einem in den anderen Tank gelangen können. Hierzu verbindet ein Überlauf zwei benachbarte Tanks an der Oberseite jeweils an der dem angrenzenden Tank entgegengesetzten Seite. Bevorzugt ist jeweils unterhalb jedes Tanks die eine ausgehende Verbindung mittels eines manuellen Absperrventils 300 verschließbar. Zum Schutz der Gesamtanlage können an verschiedenen Stellen Filter 310 integriert sein. Um die Filter 310 austauschen zu können, befindet sich jeweils am Eingang und Ausgang des Filters 310 ein manuelles Absperrventil 300. Um Wasser wieder abgeben zu können ist eine Enttankungskupplung 260 vorgesehen. Diese Enttankungskupplung 260 ist vorzugsweise so hinter der Auslassverbindung 40 und der Pumpe 60 angeordnet, dass über die Auslassverbindung 40 und die Pumpe 60 Wasser, aber auch Methanol, zur Entleerung der Tanks 140, 141, 142, 143, 144 vom Unterseeboot gebracht werden kann.

Es kann vorgesehen sein, dass Methanol welches im Reformer nicht vollständig umgesetzt wurde über eine Verbindung 270 zurückgeführt werden kann.

Bezugszeichen 90 Methanolablassverbindung

10 Tank 100 Pumpe

11 Tank 101 Pumpe

12 Tank 110 Wasserablassventil

13 Tank 111 Wasserablassventil

14 Tank 112 Wasserablassventil

15 Tank 114 Wasserablassventil

16 Tank 115 Wasserablassventil

17 Tank 116 Wasserablassventil

20 Auslassventil 117 Wasserablassventil

21 Auslassventil 120 Pumpe

22 Auslassventil 121 Pumpe

24 Auslassventil 130 Inertgasvorrat

25 Auslassventil 132 Inertgasleitung

26 Auslassventil 134 Inertgasregelung

27 Auslassventil 140 Überlauf

30 Einlassventil 141 Überlauf

31 Einlassventil 142 Überlauf

32 Einlassventil 143 Überlauf

34 Einlassventil 144 Überlauf

35 Einlassventil 150 Wasserablassverbindung

36 Einlassventil 200 zum ersten Reformer

37 Einlassventil 210 zum zweiten Reformer

40 Auslassverbindung 220 zum ersten Reformer

50 Einlassverbindung 230 zum zweiten Reformer

60 Pumpe 240 von der Brennstoffzelle

70 Betankungskupplung 250 vom Reformer

80 Methanolablassventil 260 Enttankungskupplung

81 Methanolablassventil 270 vom Reformer

82 Methanolablassventil 300 manuelles Absperrventil

84 Methanolablassventil 310 Filter

85 Methanolablassventil

86 Methanolablassventil

87 Methanolablassventil