CN103915639B - 用于燃料电池的加热装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于燃料电池的加热装置，其包括加热单元，该加热单元在多个隔板的堆叠方向上、与堆叠的隔板的进气侧的上端和下端接触地延伸。

Description

用于燃料电池的加热装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请基于35U.S.C.§119（a）要求于2012年12月28日提交的韩国专利申请第10-2012-0156289号的权益，其全部内容并入本文以作参考。
技术领域
本发明涉及用于燃料电池的加热装置和方法，其通过基于内部温度分布适当地对燃料电池加热来减少燃料电池车辆的冷启动时间。
背景技术
通常，在燃料电池车辆中，在冷启动过程中由于电池组的内部温度差异而存在时间延迟。更具体地，当车辆在寒冷的天气状态下启动时，由于冰堵塞和隔板内部温度的差异，非反应低温区域和反应区域的温度同时局部上升。
此外，在单元电池的中央出现最高温度Tmax，且在进气口的周围出现最低温度Tmin，其中Tmin为约-10～-5℃且Tmax为约10～30℃，这意味着燃料电池中存在低于零度（T<0℃）的区域（例如，约燃料电池的10～20%）。而且，外部温度越低，单元电池温度的差异越大（最高40℃@T∞=-25℃）。
因此，行业中的一些已经提出对冰冻的燃料电池组进行加热，以减少***中的冰，但该方法难以确定内部温度分布。这是因为当以均匀的电池组温度分布加热电池组时，电池组的高温区域在低温区域解冻之前被过度加热，这可能在电池组内产生问题。因此，需要开发一种减少冷启动燃料电池车辆所花费的时间并且同时基于内部温度分布而适当地对电池组进行加热的技术。
同时，尽管燃料电池组的内部温度分布是要确定的重要参数，但是由于难以安装优良的内部结构传感器，所以仅仅知晓非常有限的信息。因此，由于难以确定冷启动操作过程中的内部温度，经常是根据出气口的温度来估计内部温度，但这些测量仅仅是估计，并不是基于实际分布，因为目前还没有用于准确确定内部分布的技术。
此外，由于缺乏内部信息且没有针对电池组的内部差异的冷启动技术，大部分技术是实施用于电池组的整个***的。因此，需要通过准确地查明温度差异来找到低温区域并对其加热，因为供应较多的热能以改进冷启动是一项可能引起内部局部过热相关问题的技术。
在相关的燃料电池组中，包括电解质膜、阳极和阴极的膜电极组件以及布置在膜电极组件两侧的隔板包含在电池组内。在隔板的一侧形成有冷却水通道，并且在隔板的两端分别形成有冷却水进入歧管和冷却水排出歧管。冷却水进入歧管通过连接通道与冷却水通道连接，并且具有水平面对连接通道的第一空间和布置在第一空间的上方并捕获气泡的第二空间。然而，上述结构并不像本领域技术人员想的那样有效地改进燃料电池的可操作性和稳定性。
以上提供的作为本发明相关技术的说明仅仅是为了帮助理解本发明的背景，不应将其理解为包含在本领域技术人员公知的相关技术内。
发明内容
本发明致力于解决上述与现有技术相关的问题，并且本发明的目的是提供通过基于内部温度分布适当地进行加热从而减少冷启动时间的燃料电池用加热方法和装置。
为了实现本发明的目的，用于燃料电池的加热装置包括加热单元或结构，其在隔板的堆叠方向上、与堆叠的隔板的进气侧的上端和下端紧密接触地延伸。
加热装置还可包括紧固带，其跨过加热单元将堆叠的隔板紧固以使隔板保持堆叠。与隔板接触的加热单元的端部可以涂覆有绝缘材料，并且与隔板相反的加热单元的端部也可以涂覆有绝热材料。
歧管部可以整体地形成于或者单独地连接到隔板的进气侧的侧端，并且加热单元可以被连接为与歧管部的顶部和底部以及隔板的进气侧紧密接触，并横向延伸。加热单元可被连接为与歧管部的气道的侧端紧密接触。加热单元可具有在进气方向上增加的加热能力。
附图说明
现在将参考在附图中图示的某些示例性实施方式对本发明的以上和其它特征进行详细说明，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中：
图1是示出燃料电池的隔板的温度分布的图；
图2是根据本发明示例性实施方式的用于燃料电池的加热装置的透视图；且
图3至图5是示出根据本发明各个示例性实施方式的用于燃料电池的加热装置的配置的视图。
应当理解，所附的附图并非必然是按比例的，而只是呈现说明本发明的基本原理的各种优选特征的一定程度的简化表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、方向、位置和形状将部分取决于特定的既定用途和使用环境。
在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
具体实施方式
应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车（SUV）、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、***式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车（例如，来源于石油以外的资源的燃料）。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
下面将参照附图对根据本发明示例性实施方式的燃料电池用加热装置进行描述。
图1是示出燃料电池的隔板的温度分布的图示，图2是根据本发明示例性实施方式的用于燃料电池的加热装置的透视图，且图3至图5是示出根据本发明各个示例性实施方式的用于燃料电池的加热装置的配置的视图。
本发明的目的是提供通过基于内部温度分布适当地进行加热从而减少冷启动时间的用于燃料电池100的加热装置。
如从图1可见，根据测试确定了燃料电池隔板110在引入空气的部分112而不是在中央部分显示出低温。因此，可以通过选择性地加热相应的进气侧来实现整体热平衡。即，通过加热非常低的温度区域而不加热不需要加热的其它区域，来防止特定部分的温度降低并防止另一部分过热。
为了实现本发明的目的，用于燃料电池100的加热装置包括加热单元（例如，板）300，其与堆叠的隔板110的进气侧的上端和下端紧密接触，并在隔板110的堆叠方向上延伸。
图2是根据本发明示例性实施方式的用于燃料电池的加热装置的透视图，其中加热单元300安装在燃料电池组的进气侧的上端和下端，因为在冷启动过程中，隔板堆的内部温度在进气口处最低且在中央处最高。也就是，加热单元与隔板的顶部和底部接触，且低温区域通过外部加热器而被局部加热，从而有利于使电池组给定部分的温度升高。
紧固堆叠的单元电池的一个紧固带200可被布置为跨过受寒冷条件影响的低温区域，并通过将加热器安装在紧固带200的下面而被用于改进电池组的操作而无需改变现有结构。也就是说，本发明的加热装置还可包括紧固带200，紧固带200跨过加热单元300的外表面的紧固在堆叠的隔板周围，以使隔板保持堆叠。
同时，加热器利用低温电池组中产生的电流来加热电池组的低温部分，并且基于低温区域的温度和热容来确定所施加的热的大小。此外，与隔板110接触的加热单元300的端部可以涂覆有绝缘材料。与隔板110相反的加热单元300的端部也可以由绝热材料制成。
歧管部130可以整体地形成于或者单独地连接到隔板110的进气侧112的侧端，以允许空气、燃料和冷却水流动，并且加热单元可以被连接为与歧管部130的顶部和底部以及隔板的进气侧112紧密接触，并横向延伸，如图3所示。此外，通过将加热单元300布置为与歧管部130的气道132的侧端紧密接触，使得当歧管被加热时仅进气部分被局部地加热，可以更有效地加热隔板，如图4所示。
此外，如图5所示，加热单元300可以形成为朝向进气侧具有更大的加热能力。也就是说，在该实施方式中，通过在用冷却水进行加热的过程中调节热管的横截面积或者通过在使用PTC型电热丝时调节电热丝的横截面积或间隙，可以朝向低温区域增加加热能力。在图5所示的情形中，加热单元的厚度朝向作为低温区域的进气侧增加，然而可以通过调节内部布置的电热丝的厚度或间隙来朝向进气侧施加更多的热而不改变加热单元的厚度。这样设计考虑到了从进气口朝向中央形成的温度梯度，并且通过形成和安装加热器使得产生的热量可以朝向进口增加，可以降低整体温度差。
根据具有上述结构的燃料电池用加热装置，可以在冷启动的早期阶段升高温度，同时去除进气口周围的冰。通过防止低温操作中产生的水凝固而免除冷启动过程中出现故障的可能性，并通过升高低温区域的温度（其使得冷启动时间延迟并使故障可能性增加），高温区域与低温区域之间的差异减小，从而提高冷启动操作的稳定性和可靠性。
由于在室温正常操作条件下水因低温区域的温度升高而不冷凝，并且进气口周围的上/下端是即使在正常操作过程也可能由于低温产生泛溢（flooding）的区域，因此可以通过将部分温度调节为与高温区域的温度接近来防止泛溢。
已经参考本发明的优选实施方式详细描述本发明。然而，本领域的技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式做出改变，本发明的范围由权利要求及其等同方式限定。

Claims (6)

1.一种用于燃料电池的加热装置，包括：
加热单元，安装在堆叠的隔板的外部，在多个隔板的堆叠方向上延伸，与堆叠的隔板的位于歧管侧的进气侧的上端和下端紧密接触，
其中歧管部整体地形成于或者单独地连接到各个隔板的进气侧的侧端，并且所述加热单元被连接为与所述歧管部的顶部和底部以及所述隔板的进气侧紧密接触，并横向延伸。
2.如权利要求1所述的加热装置，还包括紧固带，所述紧固带跨过所述加热单元将堆叠的多个隔板紧固以使所述隔板保持堆叠。
3.如权利要求1所述的加热装置，其中与所述隔板接触的所述加热单元的端部涂覆有绝缘材料。
4.如权利要求1所述的加热装置，其中与所述隔板相反的所述加热单元的端部涂覆有绝热材料。
5.如权利要求1所述的加热装置，其中所述加热单元与所述歧管部的气道的侧端接触。
6.如权利要求1所述的加热装置，其中所述加热单元具有在进气方向上增加的加热能力。
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