EP4224104B1 - Strömungsoptimierter plattenwärmetauscher - Google Patents

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EP4224104B1
EP4224104B1 EP23153692.1A EP23153692A EP4224104B1 EP 4224104 B1 EP4224104 B1 EP 4224104B1 EP 23153692 A EP23153692 A EP 23153692A EP 4224104 B1 EP4224104 B1 EP 4224104B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
longitudinal direction
partition walls
connecting elements
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP23153692.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP4224104C0 (de
EP4224104A1 (de
Inventor
Marius Jessen
Tim Kullmann
Jannis KRANZ
Per Nicolai Clausen
Dennis Ruser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp AG, ThyssenKrupp Marine Systems GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of EP4224104A1 publication Critical patent/EP4224104A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4224104C0 publication Critical patent/EP4224104C0/de
Publication of EP4224104B1 publication Critical patent/EP4224104B1/de
Active legal-status Critical Current
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0037—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the conduits for the other heat-exchange medium also being formed by paired plates touching each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0062—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/02—Streamline-shaped elements

Definitions

  • the invention relates to a plate heat exchanger with the lowest possible flow resistance.
  • Fuel cell devices are currently being increasingly used in non-nuclear submarines to increase their operational capability when submerged.
  • One important form of this is the recirculation fuel cell.
  • the gas for the fuel cell comes, for example, and preferably from a tank for liquid oxygen, or from a metal hydride storage unit or a reformer.
  • the gas supplied contains practically no moisture, which in turn shortens the service life of the membrane. Therefore, the reactant gases are preferably humidified in a heat exchanger.
  • a wing pin fin structure and a turbine blade are known.
  • the object of the invention is to provide a heat exchanger which can be used in particular in a humidifier for the reactant gases supplied to a fuel cell device on board a submarine.
  • the heat exchanger according to the invention is designed as a plate heat exchanger.
  • the heat exchanger has corresponding partition walls, by which first areas and second areas are separated.
  • the heat exchanger has corresponding first areas between the partition walls for a first medium and second areas between the partition walls for a second medium.
  • heat is transferred from the first medium to the second medium or from the second medium to the first medium.
  • the first areas and the second areas are thus separated by a plurality of partition walls.
  • First areas and second areas are arranged alternately between two adjacent partition walls. This corresponds to the known structure of a plate heat exchanger.
  • connecting elements are arranged between the partition walls. These connecting elements can perform several tasks.
  • the connecting elements cause a mechanical connection of the partition walls, whereby mechanical stabilization is achieved.
  • the connecting elements thus serve to load-bearingly connect the partition walls, transmit forces and stabilize the heat exchanger as a whole.
  • the connecting elements serve as a contact surface with the first medium. This in turn has several functions. Firstly, the gas flow is specifically influenced by the connecting elements, i.e. guided or mixed. Secondly, the connecting elements also serve as heat transfers. And thirdly, the connecting elements can also serve as condensation nuclei and/or for liquid guidance.
  • the connecting elements have an elongated cross-section.
  • the connecting elements are therefore longer than they are wide.
  • the connecting elements are arranged in the longitudinal direction parallel to the flow direction of the first medium. This has a flow-guiding effect on the gas flow in particular.
  • the connecting elements have a cross-section parallel to the partition walls.
  • the cross-section has a mirror symmetry parallel to the longitudinal direction and perpendicular to the partition walls. This prevents a pressure difference due to different flow speeds according to Bernoulli's law. of the flowing gas and thus a resulting force acting on the connecting element.
  • the cross-section preferably has a continuous change in thickness, with the thickness at both ends approaching zero in the longitudinal direction.
  • the change in thickness is preferably continuous along the longitudinal direction.
  • At least one end can have a discontinuity between the two sides, so the connecting element can, for example, taper at one end.
  • the thickness of the cross-section first increases continuously in the longitudinal direction up to a greatest thickness and then decreases continuously again to zero.
  • the point of greatest thickness is preferably in the range of 0.1 to 0.4 of the length in the direction of the flow.
  • the shape that tapers to a point on both sides reduces the flow resistance and thus minimizes the pressure loss.
  • the cross section has a ratio between the greatest thickness perpendicular to the longitudinal direction divided by the length in the longitudinal direction of at most 0.5, preferably of at most 0.35, more preferably of 0.25, particularly preferably of at most 0.15.
  • the greatest thickness perpendicular to the longitudinal direction in the flow direction is at least 0.05 times, preferably at least 0.1 times, the length in the longitudinal direction from the foremost position in the flow direction in the longitudinal direction.
  • the greatest thickness perpendicular to the longitudinal direction in the flow direction is at most 0.4 times, preferably at most 0.35 times, the length in the longitudinal direction from the foremost position in the flow direction in the longitudinal direction.
  • the connecting element has an outer border.
  • the outer border has a shape that can be described by the slope of the tangent of the surface of the Connecting element of the mirror-symmetrical sides in the longitudinal direction (of the flow), preferably continuously, decreases and the sides meet at one end in a continuous transition, at the other end meet in a discontinuous transition.
  • x is from 0 to 1 along the longitudinal direction and y is perpendicular to x.
  • d is the ratio between the maximum thickness perpendicular to the longitudinal direction divided by the length in the longitudinal direction.
  • the heat exchanger according to the invention can therefore be used particularly efficiently as a humidifier and represents a low flow resistance.
  • the longitudinal extension of the connecting elements is less than the partition walls, particularly preferably the length of the connecting elements is at most 10% of the length of the partition walls and at least 0.5% of the length of the partition walls that it connects.
  • the connecting element is tapered in the middle.
  • the cross-section remains relatively the same, while the length and thickness change proportionally, so that the same cross-sectional shape is only different sizes.
  • This tapering can, for example, increase the surface area, which in turn is useful when used as a humidifier or dehumidifier to create more surface area for condensation or evaporation.
  • the connecting element has a length that is at least 20% shorter in the middle.
  • the connecting element has a length that is at most 50% shorter in the middle.
  • the connecting element has a thickness reduced by at least 20% in the middle.
  • the connecting element has a thickness reduced by a maximum of 50% in the middle.
  • connecting elements are arranged next to one another in rows.
  • connecting elements are arranged in rows in alignment one above the other.
  • the connecting elements are arranged in such a way that the x-value increases along the flow direction of the first medium. This means that the flow first hits the part of the connecting element that spreads faster and is brought together again in a streamlined manner at the long, tapering end of the connecting element.
  • the heat exchanger according to the invention is manufactured by means of additive manufacturing.
  • This heat exchanger according to the invention is preferably used as a humidifier.
  • the humidifier is particularly preferably used to humidify the reactant gases supplied to a fuel cell device.
  • the heat exchanger has a water supply.
  • the water supply is preferably arranged at the top so that the water can flow from top to bottom, preferably via the connecting elements. This creates a comparatively large liquid surface and thus good humidification.
  • the heat exchanger has a water drain arranged on the underside to drain excess water and preferably lead it back to the water supply.
  • the fuel cell device with the humidifier is used on board a submarine.
  • the submarine preferably has a first gas storage device, a first heat exchanger and a fuel cell device.
  • the heat exchanger operated as a humidifier is arranged between the first gas storage device, for example a tank for liquid oxygen with evaporator or a metal hydride storage device, and the fuel cell device, preferably outside an optional recirculation circuit.
  • the submarine has a first gas storage device, for example for oxygen, and a second gas storage device, for example for hydrogen.
  • the submarine has a first heat exchanger and a second heat exchanger.
  • the first heat exchanger is arranged between the first gas storage device and the fuel cell device and the second heat exchanger is arranged between the second gas storage device and the fuel cell device.
  • a reformer can be used, which generates hydrogen, for example, from hydrocarbon or methanol.
  • two heat exchangers according to the invention are arranged one above the other, with the first gaseous medium flowing in from below and being cooled in the first heat exchanger by the second medium, whereby water condenses out.
  • the first medium is then transferred to the second heat exchanger and heated again there by the second medium.
  • a water drain is arranged under the first heat exchanger. This results in a compact and efficient dehumidifier with minimal flow resistance.
  • this humidifier according to the invention is used in the recirculation circuit of a fuel cell device.
  • the fuel cell device with the humidifier is used on board a submarine.
  • the connecting elements connect the adjacent partition walls in a force-fitting manner.
  • the connecting elements therefore primarily serve as a load-bearing element and thus ensure the stability of the heat exchanger.
  • the connecting elements and the adjacent partition walls are formed in one piece. This is particularly preferably done by manufacturing using additive manufacturing techniques, in particular by 3D printing.
  • the one-piece manufacturing enables particularly good force transmission, since there are no transitions or connections that could be a weak point in the force transmission.
  • the invention relates to a fuel cell device with a heat exchanger according to the invention.
  • the fuel cell device is a recirculation fuel cell device.
  • the heat exchanger is preferably arranged within the recirculation circuit of the fuel cell device. Any drop in pressure is particularly relevant within the recirculation circuit, since this must be compensated for by a compressor, for example. The smaller the drop in pressure, the less energy must be used for recompression and the less noise is generated.
  • the heat exchanger is part of a dehumidifier.
  • the dehumidifier has two heat exchangers according to the invention, one for cooling and condensing and a second for subsequent heating by returning the heat.
  • the two heat exchangers of the dehumidifier are preferably arranged one above the other, with the recirculation gas flow flowing through both heat exchangers from bottom to top and the condensed water being discharged downwards.
  • the invention relates to a submarine with a fuel cell device according to the invention.
  • This has the advantage that the pressure loss in the recirculation circuit is reduced due to the heat exchanger according to the invention, which in turn means less need for compression of the recirculating gas, which in turn means that the noise emissions can be reduced and the reduced acoustic signature reduces the probability of the submarine being discovered by the heat exchanger according to the invention.
  • Fig.1 the cross section of a connecting element 50 is shown.
  • x and y are the coordinates parallel to the partition walls 20.
  • L is the length, also called chord.
  • the connecting element 50 begins on the left at the coordinate point [0;0] and ends on the right at the coordinate point [1;0]. d is preferably between 0.1 and 0.2.
  • Fig. 2 shows a cross-section of the heat exchanger 10.
  • First areas 30 and second areas 40 are alternately separated by partition walls 20.
  • a first medium for example the recirculated gas of a fuel cell, flows through the first areas.
  • Water for example, flows through the second areas as a heat exchange medium.
  • connecting elements 50 are arranged in rows and lines. The connecting elements 50 have a taper between the partition walls 20, as indicated here.
  • the first medium would preferably flow from top to bottom.
  • the heat exchanger 10 would preferably be turned over so that the medium can flow from bottom to top.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher mit einem möglichst geringen Strömungswiderstand.
  • In nicht nuklear-betriebenen Unterseebooten werden derzeit zunehmend Brennstoffzellenvorrichtungen eingesetzt, um die Einsatzfähigkeit im getauchten Zustand zu steigern. Eine wichtige Form ist hierbei die Rezirkulationsbrennstoffzelle. Das Gas der Brennstoffzelle stammt beispielsweise und bevorzugt zum einen aus einem Tank für flüssigen Sauerstoff, zum anderen aus einem Metallhydridspeicher oder einem Reformer. In allen Fällen weist das zugeführte Gas praktisch keine Feuchtigkeit auf, was wiederum zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Membran führt. Daher erfolgt bevorzugt eine Befeuchtung der Eduktgase in einem Wärmetauscher.
  • Hieraus ergeben sich einige Anforderungen an die unter diesen Bedingungen eingesetzten Wärmetauscher. Neben einer kompakten Bauweise ist auch eine hohe Effizienz bei möglichst geringem Strömungswiderstand notwendig. Weiter ist ein gewisses Maß an Modularität vorteilhaft, um bei der vergleichsweise geringen Stückzahl eine effiziente Ersatzteillagerung zu haben.
  • Aus der US 2020/0064075 A1 ist ein Gegenflusswärmetauscher mit einem spiralförmigen Aufbau bekannt.
  • Aus der US 10,434,575 B2 ist ein im additiven Fertigungsverfahren hergestellter Wärmetauscher bekannt, welcher eine Vielzahl an Fluiddurchlässen aufweist.
  • Aus der US 2019/0063842 A1 ist ein spiralförmiger Wärmetauscher bekannt.
  • Aus der US 2019/023703A1 ist ein spiralförmiger Wärmetauscher bekannt.
  • Aus der US 9,657,999 B2 ist ein Wärmetauscher mit alternierenden Kanälen bekannt.
  • Aus der DE 10 2020 210 532 B3 ist ein Entfeuchter für einen Rezirkulationskreislauf einer Brennstoffzellenvorrichtung bekannt.
  • Aus der DE 10 2020 210 310 ist ein Plattenwärmetauscher bekannt.
  • Aus der US 10 801 790 B2 ist ein Plattenlamellenwärmetauscher mit flexibler Verteilerstruktur bekannt.
  • Aus der CN 1 11 335 963 A ist eine Tragflächen-Stiftflossenstruktur und eine Turbinenschaufel bekannt.
  • Aus der US 11 168 570 B1 ist eine Kühlvorrichtung für Komponenten von Gasturbinentriebwerken bekannt.
  • Aus der US 2 892 618 A ist ein Wärmetauscher gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie Oberflächenvergrößerungselemente für den Wärmetauscher bekannt.
  • Aus der CN 107 687 780 B ist ein Plattenwärmetauscher mit stromlinienförmigen Rippenelementen bekannt.
  • Aus der WO 2020 / 207 754 A1 ist eine Bipolarplatte für Brennstoffzellen und ein Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten bekannt.
  • Aus der CN 111 335 963 B ist eine Tragflächenstruktur und ein Turbinenblatt bekannt. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher bereitzustellen, der insbesondere in einem Befeuchter für die einer Brennstoffzellenvorrichtung zugeführten Eduktgase an Bord eines Unterseebootes einsetzbar ist.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch den Wärmetauscher mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
  • Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist als Plattenwärmetauscher ausgeführt. Der Wärmetauscher weist entsprechend Trennwände auf, durch welche erste Bereiche und zweite Bereiche getrennt werden. Der Wärmetauscher weist entsprechend erste Bereiche zwischen den Trennwänden für ein erstes Medium und zweite Bereiche zwischen den Trennwänden für zweites Medium auf. Im Wärmetauscher wird Wärme von dem ersten Medium auf das zweite Medium oder vom zweiten Medium auf das erste Medium übertragen. Die ersten Bereiche und die zweiten Bereiche sind somit durch eine Mehrzahl von Trennwände getrennt. Jeweils zwischen zwei benachbarten Trennwänden sind alternierend erste Bereiche und zweite Bereiche angeordnet. Dieses entspricht dem bekannten Aufbau eines Plattenwärmetauschers. Im ersten Bereich sind zwischen den Trennwänden Verbindungselemente angeordnet. Diese Verbindungselemente können mehrere Aufgaben übernehmen. Zum einen bewirken die Verbindungselemente eine mechanische Verbindung der Trennwände, wodurch eine mechanische Stabilisierung erreicht wird. Die Verbindungselemente dienen somit dazu, die Trennwände tragend zu verbinden, Kräfte zu übertragen und den Wärmetauscher insgesamt zu stabilisieren. Darüber hinaus dienen die Verbindungselemente als Kontaktfläche zum ersten Medium. Dieses wiederum hat mehrere Funktionen. Zum ersten wird der Gasstrom durch die Verbindungselemente strömungstechnisch gezielt beeinfluss, also geführt oder vermischt. Zum zweiten dienen die Verbindungselemente auch als Wärmeüberträge. Und zum dritten können die Verbindungselemente auch als Kondensationskeim und/oder zur Flüssigkeitsführung dienen.
  • Erfindungsgemäß weisen die Verbindungselemente einen länglichen Querschnitt auf. Die Verbindungselemente sind damit länger als diese breit sind. Die Verbindungselemente sind in Längsrichtung parallel zur Strömungsrichtung des ersten Mediums angeordnet. Dieses wirkt insbesondere strömungstechnisch führend auf den Gasstrom aus. Die Verbindungselemente weisen einen Querschnitt parallel zu den Trennwänden auf. Der Querschnitt weist parallel zur Längsrichtung und senkrecht zu den Trennwänden eine Spiegelsymmetrie auf. Hierdurch wird verhindert, dass es gemäß dem Gesetz von Bernoulli zu einem Druckunterschied durch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit des umströmenden Gases und somit zu einer resultierenden Kraftwirkung auf das Verbindungselement kommt.
  • Der Querschnitt weißt bevorzugt eine kontinuierliche Veränderung der Dicke auf, wobei die Dicke an den beiden Enden in Längsrichtung jeweils gegen null läuft. Die Veränderung der Dicke ist bevorzugt entlang der Längsrichtung stetig, An wenigstens einem Ende kann zwischen den beiden Seiten eine Unstetigkeit bestehen, das Verbindungselement kann also beispielsweise an einem Ende spitz zulaufen. Die Dicke des Querschnitts nimmt in Längsrichtung erst kontinuierlich zu bis zu einer größten Dicke und nimmt dann wieder kontinuierlich bis auf null ab. Der Punkt der größten Dicke liegt bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 0,4 der Länge in Richtung der Anströmung. Durch die beidseitig spitz zulaufende Form wird der Strömungswiderstand verringert und so der Druckverlust minimiert.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Querschnitt ein Verhältnis zwischen der größten Dicke senkrecht zu Längsrichtung geteilt durch die Länge in Längsrichtung von höchstens 0,5, bevorzugt von höchstens 0,35, weiter bevorzugt von 0,25, besonders bevorzugt von höchstens 0,15 auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die größten Dicke senkrecht zu Längsrichtung in Strömungsrichtung wenigstens das 0,05-fache, bevorzugt wenigstens das 0,1-fache, der Länge in Längsrichtung von der in Strömungsrichtung vordersten Position in Längsrichtung entfernt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die größten Dicke senkrecht zur Längsrichtung in Strömungsrichtung höchstens das 0,4-fache, bevorzugt höchstens das 0,35-fache, der Länge in Längsrichtung von der in Strömungsrichtung vordersten Position in Längsrichtung entfernt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weißt das Verbindungselement eine äußere Umrandung auf. Die äußere Umrandung hat eine Form, die sich dadurch beschreiben lässt, dass die Steigung der Tangente der Oberfläche des Verbindungselements der spiegelsymmetrischen Seiten in Längsrichtung (der Anströmung), bevorzugt stetig, abnimmt und die Seiten sich an dem einen Ende in einem stetigen Übergang treffen, am anderen Ende sich in einem unsteten Übergang treffen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Form der äußeren Umrandung des Querschnitts gegeben über die Formel: y = ± 5 ⋅ d ⋅ 0,2969 x − 0,1260 x − 0,3516 x 2 + 0,2843 x 3 − 0,1015 x 4
    Figure imgb0001
  • Hierbei ist x entlang der Längsrichtung von 0 bis 1 und y ist senkrecht zu x. d ist das Verhältnis zwischen der größten Dicke senkrecht zu Längsrichtung geteilt durch die Länge in Längsrichtung.
  • Diese Form hat sich als besonders strömungsgünstig für ein gasförmiges erstes Medium erwiesen. Somit kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher besonders effizient als Befeuchter verwendet werden und stellt hierbei einen geringen Strömungswiderstand dar.
  • Erfindungsgemäß weist das Verbindungselement zwischen zwei Trennwänden ein zur Mitte zwischen den Trennwänden, also in z-Richtung, sich verjüngenden Querschnitt auf. Da sich damit das Verbindungselement in Längsrichtung verkürzt, hat sich als bevorzugt herausgestellt, dass die Verkürzung am hinteren Ende (x=1) stärker ausfällt als am vorderen Ende (x=0). Somit verschiebt der Mittelpunkt sich entlang der z-Richtung. Die Längsachse bleibt jedoch immer übereinander, sodass die Verjüngung in der Breite symmetrisch ausfallen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Längserstreckung der Verbindungselemente geringer als die Trennwände, besonders bevorzugt ist die Länge der Verbindungselemente höchstens 10 % der Länge der Trennwände und mindestens 0,5 % der Länge der Trennwände, die es verbindet.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Verbindungselement in der Mitte verjüngend ausgeführt. Hierbei bleibt der Querschnitt verhältnismäßig gleich, Länge und Dicke ändern sich proportional, sodass die gleiche Querschnittsform nur in unterschiedlicher Größe gegeben ist. Somit ergibt sich ein Verjüngen de Verbindungselement in der Mitte zwischen den Trennwänden. Durch diese Verjüngung kann beispielsweise die Oberfläche vergrößert werden, was wiederum bei der Verwendung als Befeuchter oder Entfeuchter sinnvoll ist, um mehr Oberfläche zur Kondensation oder Verdampfung zu schaffen.
  • Erfindungsgemäß weist das Verbindungselement in der Mitte eine um wenigstens 20 % kürzere Länge auf. Insbesondere weist das Verbindungselement in der Mitte eine um maximal 50 % kürzere Länge auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verbindungselement in der Mitte eine um wenigstens 20 % verringerte Dicke auf. Insbesondere weist das Verbindungselement in der Mitte eine um maximal 50 % verringerte Dicke auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Verbindungselemente zeilenweise nebeneinander angeordnet.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Verbindungselemente reihenweise fluchtend übereinander angeordnet.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Verbindungselemente derart angeordnet, dass der x-Wert entlang der Strömungsrichtung des ersten Mediums ansteigend ist. Dieses bedeutet, dass die Strömung zunächst auf den sich schneller verbreitenden Teil des Verbindungselements trifft und am lang auslaufenden Ende des Verbindungselements wieder strömungsgünstig zusammengeführt wird.
  • Besonders bevorzugt wird der erfindungsgemäße Wärmetauscher mittels additiver Fertigung hergestellt.
  • Bevorzugt wird dieser erfindungsgemäße Wärmetauscher als Befeuchter verwendet. Besonders bevorzugt wird der Befeuchter zur Befeuchtung der zu einer Brennstoffzellenvorrichtung zugeführten Eduktgase verwendet.
  • Wird der Wärmetauscher als Befeuchter verwendet, so weist der Wärmetauscher eine Wasserzuführung auf. Die Wasserzuführung ist bevorzugt oben angeordnet, damit das Wasser von oben nach unten und zwar bevorzugt über die Verbindungselemente fließen kann. Hierdurch wird eine vergleichsweise große Flüssigkeitsoberfläche und damit eine gute Befeuchtung erreicht. Zusätzlich weist der Wärmetauscher eine an der Unterseite angeordnete Wasserabführung auf, um überschüssiges Wasser abzuführen und bevorzugt zurück zur Wasserzuführung zu führen.
  • Besonders bevorzugt wird die Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Befeuchter an Bord eines Unterseeboots verwendet.
  • In diesem Fall weist das Unterseeboot vorzugsweise einen ersten Gasspeicher, einen ersten Wärmetauscher und eine Brennstoffzellenvorrichtung auf. Bevorzugt ist der als Befeuchter betriebene Wärmetauscher zwischen dem ersten Gasspeicher, beispielsweise einem Tank für flüssigen Sauerstoff mit Verdampfer oder einem Metallhydridspeicher, und der Brennstoffzellenvorrichtung, vorzugsweise außerhalb eines optionalen Rezirkulationskreislaufes, angeordnet. Besonders bevorzugt weist das Unterseeboot einen ersten Gasspeicher, beispielsweise für Sauerstoff, und einen zweiten Gasspeicher, beispielsweise für Wasserstoff auf. Weiter weist das Unterseeboot einen ersten Wärmetauscher und einen zweiten Wärmetauscher auf. Der erste Wärmetauscher ist zwischen dem ersten Gasspeicher und der Brennstoffzellenvorrichtung angeordnet und der zweite Wärmetauscher ist zwischen dem zweiten Gasspeicher und der Brennstoffzellenvorrichtung angeordnet. Alternativ kann anstelle des zweiten Gasspeicher auch beispielsweise ein Reformer verwendet werden, welcher Wasserstoff beispielsweise aus Kohlenwasserstoff oder Methanol erzeugt.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden zwei erfindungsgemäße Wärmetauscher übereinander angeordnet, wobei das erste gasförmige Medium von unten einströmt und in dem ersten Wärmetauscher durch das zweite Medium abgekühlt, wodurch Wasser auskondensiert. Anschließend wird das erste Medium in den zweiten Wärmetauscher überführt und dort durch das zweite Medium wieder erwärmt.
  • Vorzugsweise ist unter dem ersten Wärmetauscher ein Wasserablass angeordnet. Somit ergibt sich ein kompakter und effizienter Entfeuchter mit einem minimalen Strömungswiderstand.
  • Bevorzugt wird dieser erfindungsgemäße Befeuchter im Rezirkulationskreis einer Brennstoffzellenvorrichtung verwendet.
  • Besonders bevorzugt wird die Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Befeuchter an Bord eines Unterseeboots verwendet.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verbinden die Verbindungselemente die benachbarten Trennwände kraftschlüssig. Die Verbindungselemente dienen somit primär auch als tragendes Element und stellen so die Stabilität des Wärmetauschers sicher.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Verbindungselemente und die benachbarten Trennwände einstückig ausgebildet. Dieses erfolgt besonders bevorzugt durch eine Herstellung mittels additiver Fertigungstechniken, insbesondere mittels 3D-Druck. Durch die einstückige Fertigung ist eine besonders gute Kraftübertragung möglich, da es keine Übergänge oder Verbindungen gibt, welche ein Schwachpunkt bei der Kraftübertragung sein können.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher. Insbesondere handelt es sich bei der Brennstoffzellenvorrichtung um eine Rezirkulationsbrennstoffzellenvorrichtung. Bevorzugt ist der Wärmetauscher innerhalb des Rezirkulationskreises der Brennstoffzellenvorrichtung angeordnet. Gerade innerhalb des Rezirkulationskreises ist jeder Druckabfall besonders relevant, da dieser beispielsweise durch einen Kompressor kompensiert werden muss. Je geringer also der Druckabfall ausfällt, umso weniger Energie muss für das erneute Verdichten aufgewendet werden und umso weniger Geräusche entstehen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Wärmetauscher Bestandteil eines Entfeuchters. Insbesondere weist der Entfeuchter zwei erfindungsgemäße Wärmetauscher auf, einen zum Abkühlen und Auskondensieren und einen zweiten zum anschließenden Erwärmen durch Rückführen der Wärme. Bevorzugt die die beiden Wärmetauscher des Entfeuchters übereinander angeordnet, wobei der Rezirkulationsgasstrom von unten nach oben beide Wärmetauscher durchströmt und so das auskondensierte Wasser nach unten abgeführt wird.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Unterseeboot mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung. Hier ergibt sich der Vorteil, dass aufgrund des erfindungsgemäßen Wärmetauschers der Druckverlust im Rezirkulationskreis reduziert wird, was wiederum weniger Bedarf der Verdichtung des rezirkulierendes Gases bedeutet, was wiederum dazu führt, dass die Schallemissionen gesenkt werden können und so durch die reduzierte akustische Signatur die Wahrscheinlichkeit einer Entdeckung des Unterseebootes durch den erfindungsgemäßen Wärmetauscher reduziert wird.
  • Nachfolgend ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
    • Fig. 1
    Querschnitt eines Verbindungselements
    Fig. 2
    Querschnitt des Wärmetauschers
  • Die Figuren sind nur grob schematisch. Insbesondere geben die Verbindungselemente nicht die exakte erfindungsgemäße Form wieder, sondern sind nur eine grobe Annäherung.
  • In Fig. 1 ist der Querschnitt eines Verbindungselements 50 gezeigt. x und y sind die Koordinaten parallel zu den Trennwänden 20. L ist die Länge, auch Akkord genannt. D ist die maximale Dicke. Somit ergibt sich d = D / L. Das Verbindungselements 50 beginnt links am Koordinatenpunkt [0;0] und endet rechts am Koordinatenpunkt [1;0]. d liegt bevorzugt zwischen 0,1 und 0,2.
  • Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Wärmetauschers 10. Durch Trennwände 20 werden erste Bereiche 30 und zweite Bereiche 40 abwechselnd getrennt. Durch die ersten Bereiche strömt ein erstes Medium, beispielsweise das rezirkulierte Gas einer Brennstoffzelle. Durch die zweiten Bereiche strömt beispielsweise als zweites Medium Wasser als Wärmetauschmedium. Innerhalb der ersten Bereiche 30 sind Verbindungselemente 50 reihen- und zeilenweise angeordnet. Die Verbindungselemente 50 weisen eine hier angedeutete Verjüngung zwischen den Trennwänden 20 auf. Im gezeigten Fall würde das erste Medium bevorzugt von oben nach unten strömen. Für die Anordnung in einem Entfeuchter würde man den Wärmetauscher 10 entsprechend bevorzugt umdrehen, damit das Medium von unten nach oben strömen kann.
    • Bezugszeichen
    • 10
    Wärmetauscher
    20
    Trennwand
    30
    erster Bereich
    40
    zweiter Bereich
    50
    Verbindungselement

Claims (14)

  1. Wärmetauscher (10), wobei der Wärmetauscher (10) als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist, wobei der Wärmetauscher (10) Trennwände (20) aufweist, wobei der Wärmetauscher (10) erste Bereiche (30) zwischen den Trennwänden (20) für ein erstes Medium und zweite Bereiche (40) zwischen den Trennwänden (20) für zweites Medium aufweist, wobei die ersten Bereiche (30) und die zweiten Bereiche (40) durch eine Mehrzahl von Trennwände (20) getrennt sind, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten Trennwänden (20) alternierend erste Bereiche (30) und zweite Bereiche (40) angeordnet sind, wobei im ersten Bereich (30) zwischen den Trennwänden (20) Verbindungselemente (50) angeordnet sind, wobei die Verbindungselemente (50) einen länglichen Querschnitt aufweisen, wobei die Verbindungselemente (50) in Längsrichtung parallel zur Strömungsrichtung des ersten Mediums angeordnet sind, wobei die Verbindungselemente (50) einen Querschnitt parallel zu den Trennwänden (20) aufweisen, wobei der Querschnitt parallel zur Längsrichtung und senkrecht zu den Trennwänden (20) eine Spiegelsymmetrie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (50) zwischen zwei Trennwänden (20) ein zur Mitte zwischen den Trennwänden (20) sich verjüngenden Querschnitt aufweist, wobei das Verbindungselement (50) in der Mitte eine um wenigstens 20 % kürzere Länge aufweist.
  2. Wärmetauscher (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt ein Verhältnis zwischen der größten Dicke senkrecht zu Längsrichtung geteilt durch die Länge in Längsrichtung von höchstens 0,5, bevorzugt von höchstens 0,35, weiter bevorzugt von 0,25, besonders bevorzugt von höchstens 0,15 aufweist.
  3. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die größten Dicke senkrecht zu Längsrichtung in Strömungsrichtung wenigstens das 0,05-fache der Länge in Längsrichtung von der in Strömungsrichtung vordersten Position in Längsrichtung entfernt ist.
  4. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die größten Dicke senkrecht zu Längsrichtung in Strömungsrichtung höchstens das 0,35-fache der Länge in Längsrichtung von der in Strömungsrichtung vordersten Position in Längsrichtung entfernt ist.
  5. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt gegeben ist über die Formel: y = ± 5 ⋅ d ⋅ 0,2969 x − 0,1260 x − 0,3516 x 2 + 0,2843 x 3 − 0,1015 x 4
    Figure imgb0002
     wobei x entlang der Längsrichtung von 0 bis 1 ist, wobei y senkrecht zu x ist, wobei d das Verhältnis zwischen der größten Dicke senkrecht zu Längsrichtung geteilt durch die Länge in Längsrichtung ist.
  6. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verbindungselemente (50) zeilenweise nebeneinander angeordnet sind.
  7. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verbindungselemente (50) reihenweise fluchtend übereinander angeordnet sind.
  8. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (50) derart angeordnet sind, dass der X-Wert entlang der Strömungsrichtung des ersten Mediums ansteigend ist.
  9. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (50) die benachbarten Trennwände (20) kraftschlüssig verbinden.
  10. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (50) und die benachbarten Trennwände (20) einstückig ausgebildet sind.
  11. Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
  12. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) innerhalb des Rezirkulationskreises der Brennstoffzellenvorrichtung angeordnet ist.
  13. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) Bestandteil eines Entfeuchters ist.
  14. Unterseeboot mit einer Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13.
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