EP4224104A1 - Strömungsoptimierter plattenwärmetauscher - Google Patents

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EP4224104A1
EP4224104A1 EP23153692.1A EP23153692A EP4224104A1 EP 4224104 A1 EP4224104 A1 EP 4224104A1 EP 23153692 A EP23153692 A EP 23153692A EP 4224104 A1 EP4224104 A1 EP 4224104A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
partitions
connecting elements
longitudinal direction
fuel cell
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.)
Granted
Application number
EP23153692.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP4224104B1 (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 EP4224104B1 publication Critical patent/EP4224104B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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 used increasingly in non-nuclear submarines to increase submerged operational capability.
  • An important form here is the recirculation fuel cell.
  • the gas of the fuel cell originates, for example and preferably, on the one hand from a tank for liquid oxygen, on the other hand from a metal hydride reservoir or a reformer. In all cases, the supplied gas has practically no moisture, which in turn leads to a reduction in the life of the membrane. Therefore, the educt gases are preferably humidified in a heat exchanger.
  • the object of the invention is to provide a heat exchanger which can be used in particular in a humidifier for the educt gases fed 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 correspondingly has partition walls, which separate first areas and second areas.
  • the heat exchanger correspondingly has 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 in each case between two adjacent partition walls. This corresponds to the known structure of a plate heat exchanger.
  • connecting elements are arranged between the partitions.
  • the connecting elements bring about a mechanical connection of the partition walls, as a result of which mechanical stabilization is achieved.
  • the connecting elements thus serve to connect the partitions in a load-bearing manner, to transmit forces and to stabilize the heat exchanger as a whole.
  • the connecting elements serve as a contact surface to the first medium. This in turn has several functions. Firstly, the gas flow through the connecting elements is influenced in a targeted manner in terms of flow technology, i.e. it is guided or mixed. Secondly, the connecting elements also serve as heat transfer devices. And thirdly, the connecting elements can also serve as a condensation nucleus and/or for guiding liquids.
  • the connecting elements have an elongated cross section.
  • the connecting elements are thus longer than they are wide.
  • the connecting elements are arranged in the longitudinal direction parallel to the direction of flow of the first medium. This has a leading effect on the gas flow, in particular in terms of flow technology.
  • the connecting elements have a cross-section parallel to the partitions.
  • the cross section has mirror symmetry parallel to the longitudinal direction and perpendicular to the partition walls. This prevents, according to Bernoulli's law, a pressure difference from occurring due to different flow speeds of the gas flowing around, and thus a resulting force effect on the connecting element.
  • the cross-section preferably shows a continuous change in thickness, with the thickness approaching zero at the two ends in the longitudinal direction.
  • the change in thickness is preferably continuous along the longitudinal direction.
  • the thickness of the cross-section first increases continuously in the longitudinal direction up to a maximum thickness and then decreases again continuously 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 flow. Due to the shape tapering on both sides, the flow resistance is reduced and the pressure loss is minimized.
  • 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 at most 0.35, more preferably at most 0.25, particularly preferably at most 0, 15 on.
  • the maximum thickness perpendicular to the longitudinal direction is in the flow direction at least 0.05 times, preferably at least 0.1 times, the length in the longitudinal direction away from the most upstream position 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 longitudinal direction in the flow direction.
  • the connecting element has an outer border.
  • the outer border has a shape that can be described by the fact that the gradient of the tangent of the surface of the connecting element of the mirror-symmetrical sides in the longitudinal direction (of the flow), preferably steadily, decreases and the sides meet at one end in a continuous transition, meet at the other end in an unsteady transition.
  • x is from 0 to 1 along the longitudinal direction and y is perpendicular to x.
  • d is the ratio of the maximum thickness perpendicular to the longitudinal direction divided by the longitudinal length.
  • the heat exchanger according to the invention can be used particularly efficiently as a humidifier and represents a low flow resistance.
  • the length of the connecting elements is less than the partitions, more preferably the length of the connecting elements is at most 10% of the length of the partitions and at least 0.5% of the length of the partitions it connects.
  • the connecting element tapers in the middle.
  • the cross-section remains relatively the same, length and thickness change proportionally, so that the same cross-sectional shape is only given in different sizes.
  • This tapering can, for example, increase the surface area, which in turn makes sense when used as a humidifier or dehumidifier, in order to create more surface area for condensation or evaporation.
  • the connecting element has a length that is at least 20% shorter in the middle. In particular, the length of the connecting element 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 one above the other in alignment.
  • the connecting elements are arranged in such a way that the x-value increases along the direction of flow of the first medium. This means that the flow first meets the part of the connecting element that spreads faster and is brought together again in a streamlined manner at the long outflowing end of the connecting element.
  • the heat exchanger according to the invention is particularly preferably produced by means of additive manufacturing.
  • This heat exchanger according to the invention is preferably used as a humidifier.
  • the humidifier is particularly preferably used for humidifying the educt gases fed 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 over the connecting elements. As a result, a comparatively large liquid surface and thus good humidification is achieved.
  • the heat exchanger has a water discharge arranged on the underside in order to discharge excess water and preferably lead it back to the water supply.
  • the fuel cell device is used with the humidifier on board a submarine.
  • the submarine preferably has a first gas storage tank, a first heat exchanger and a fuel cell device.
  • the heat exchanger operated as a humidifier is preferably located between the first gas store, for example a tank for liquid oxygen with an evaporator or a metal hydride store, and the fuel cell device, preferably outside an optional recirculation circuit arranged.
  • the submarine particularly preferably has a first gas reservoir, for example for oxygen, and a second gas reservoir, for example for hydrogen.
  • the submarine also has a first heat exchanger and a second heat exchanger.
  • the first heat exchanger is arranged between the first gas storage tank and the fuel cell device, and the second heat exchanger is arranged between the second gas storage tank and the fuel cell device.
  • a reformer can also be used, for example, which generates hydrogen from hydrocarbons or methanol, for example.
  • 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, as a result of which water condenses out.
  • the first medium is then transferred to the second heat exchanger and heated up again there by the second medium.
  • a water outlet is preferably 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 preferably used in the recirculation circuit of a fuel cell device.
  • the fuel cell device is used with the humidifier on board a submarine.
  • the connecting elements connect the adjacent partition walls in a non-positive manner.
  • the connecting elements therefore also serve primarily as a supporting 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 using 3D printing. Due to the one-piece production, a particularly good power transmission is possible, since there are no transitions or connections that can be a weak point in the power 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. Every pressure drop is particularly relevant within the recirculation circuit, as it has to be compensated for by a compressor, for example. The lower the pressure drop, the less energy has to be used for renewed compression 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 recycling the heat.
  • the two heat exchangers of the dehumidifier are preferably arranged one above the other, with the recirculation gas stream flowing through both heat exchangers from bottom to top, and the water that has condensed out is thus discharged downwards.
  • the invention relates to a submarine with a fuel cell device according to the invention.
  • the pressure loss in the recirculation circuit is reduced, 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 probability of a Discovery of the submarine is reduced by the heat exchanger according to the invention.
  • x and y are the coordinates parallel to the partitions 20.
  • L is the length, also called the chord.
  • the connecting element 50 begins on the left at coordinate point [0;0] and ends on the right at 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.
  • FIG. A first medium for example the recirculated gas of a fuel cell, flows through the first regions.
  • water as the heat exchange medium flows through the second areas as the second medium.
  • connecting elements 50 are arranged in rows and rows.
  • the connecting elements 50 have a taper between the partition walls 20 which is 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 the bottom to the top.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen 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

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.
  • 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.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung 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.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung 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 (16)

  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, dadurch gekennzeichnet, dass 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.
  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 das Verbindungselement (50) zwischen zwei Trennwänden (20) ein zur Mitte zwischen den Trennwänden (20) sich verjüngenden Querschnitt aufweist.
  7. Wärmetauscher (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (50) in der Mitte eine um wenigstens 20 % kürzere Länge aufweist.
  8. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verbindungselemente (50) zeilenweise nebeneinander angeordnet sind.
  9. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verbindungselemente (50) reihenweise fluchtend übereinander angeordnet sind.
  10. 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.
  11. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (50) die benachbarten Trennwände (20) kraftschlüssig verbinden.
  12. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (50) und die benachbarten Trennwände (20) einstückig ausgebildet sind.
  13. Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
  14. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) innerhalb des Rezirkulationskreises der Brennstoffzellenvorrichtung angeordnet ist.
  15. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) Bestandteil eines Entfeuchters ist.
  16. Unterseeboot mit einer Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15.
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