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HINTERGRUND
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(a) Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung und ein Verfahren für eine Brennstoffzelle, die eine Kaltstartzeit von einem Brennstoffzellenfahrzeug durch geeignetes Erwärmen der Brennstoffzelle auf der Grundlage einer Innentemperaturverteilung verringert.
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(b) Stand der Technik
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Typischerweise gibt es in einem Brennstoffzellenfahrzeug eine Zeitverzögerung beim Kaltstart aufgrund eines Unterschiedes der inneren Temperatur eines Stapels. Genauer gesagt gibt es eine lokale und gleichzeitige Temperaturerhöhung eines nichtreagierenden Niedertemperaturbereichs und eines reagierenden Bereichs aufgrund einer Eisblockade und der Unterschiede der Innentemperatur eines Separators, wenn das Fahrzeug bei kaltem Wetter gestartet wird.
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Ferner tritt die maximale Temperatur Tmax in der Mitte einer Einheitszelle auf und die minimale Temperatur Tmin tritt in der Nähe des Lufteinlasses auf, wobei Tmin ungefähr –10~5°C und Tmax ungefähr 10~30°C beträgt, was bedeutet, dass es einen Bereich der Brennstoffzelle gibt, der sich unter Null befindet (T < 0°C) (z. B. ungefähr 10~20% der Brennstoffzelle). Je niedriger ferner die Außentemperatur ist, desto größer ist der Unterschied in der Einheitszellen-Temperatur (maximal 40°C @ T∞ = –25°C).
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Dementsprechend haben einige in der Industrie ein Erwärmen des gefrorenen Brennstoffzellenstapels vorgeschlagen, um das Eis in dem System zu vermindern, aber in diesem Verfahren ist es schwierig, die Innentemperaturverteilung zu bestimmen. Dies liegt daran, weil, wenn ein Stapel mit einer gleichmäßigen Stapeltemperaturverteilung erwärmt wird, der Hochtemperaturbereich des Stapels überhitzt wird, bevor der Niedrigtemperaturbereich aufgetaut wird, was Probleme innerhalb des Stapels verursachen kann. Demzufolge war es notwendig, eine Technologie zu entwickeln, die die Zeit verringert, die benötigt wird, um einen Kaltstart bei einem Brennstoffzellenfahrzeug durchzuführen, während zur gleichen Zeit der Stapel auf der Grundlage der Innentemperaturverteilung in geeigneter Weise erwärmt wird.
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Unterdessen, obwohl die Verteilung der inneren Temperatur eines Stapels von einer Brennstoffzelle einen wichtigen zu bestimmenden Parameter darstellt, sind nur sehr begrenzte Informationen aufgrund der Schwierigkeit beim Montieren eines internen Sensors mit einer feinen Struktur bekannt geworden. Demzufolge, da es schwierig ist, um die Innentemperatur während eines Kaltstart-Betriebs zu bestimmen, wird die Innentemperatur oft aus der Temperatur des Luftauslasses geschätzt, aber diese Messungen stellen eine reine Schätzung dar und basieren nicht auf einer tatsächlichen Verteilung, da es derzeit keine Technologien zum genauen Bestimmen der inneren Verteilung gibt.
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Ferner wurden die meisten Technologien aufgrund der Abwesenheit von internen Informationen für das gesamte System eines Stapels angewendet und es gibt keine Kaltstart-Technologie für innere Unterschiede eines Stapels. Dementsprechend wurde es erforderlich, einen Niedertemperaturbereich durch genaues Feststellen der Temperaturunterschiede zu finden und zu erwärmen, weil ein Zuführen von mehr thermischer Energie zum Verbessern des Kaltstarts eine Technologie darstellt, die wahrscheinlich Probleme in Bezug auf ein lokales inneres Überhitzen verursacht.
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In einem in Beziehung stehenden Brennstoffzellenstapel sind eine Membran-Elektroden-Einheit einschließlich einer Elektrolyt-Membran, einer Anode und einer Kathode, und ein an beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit angeordneter Separator innerhalb des Stapels umfasst. Ein Kühlwasserkanal ist an einer Seite des Separators gebildet und ein Kühlwasser-Einlassverteiler und ein Kühlwasser-Auslassverteiler sind an beiden Enden des Separators gebildet. Der Kühlwasser-Einlassverteiler ist mit dem Kühlwasserkanal durch einen Verbindungskanal verbunden und weist einen ersten dem Verbindungskanal horizontal zugewandten Raum und einen zweiten über dem ersten Raum angeordneten und Blasen auffangenden Raum auf. Jedoch verbessert die oben beschrieben Anordnung nicht die Funktionsfähigkeit und Stabilität einer Brennstoffzelle so effizient, wie es der Fachmann auf dem Gebiet wünschen würde.
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Die oben angegebene Beschreibung als Stand der Technik der vorliegenden Erfindung dient lediglich dem besseren Verständnis des Hintergrundes der vorliegenden Erfindung und sollte nicht dahingehend ausgelegt werden, dass diese Informationen den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann bereits bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Die vorliegende Erfindung ist im Bestreben gemacht worden, um die obigen mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Heizverfahren und eine Heizvorrichtung für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die eine Kaltstartzeit durch ein geeignetes Erwärmen auf der Grundlage einer Innentemperaturverteilung verringern.
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Um die Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu lösen, umfasst eine Heizvorrichtung für eine Brennstoffzelle Heizeinheiten oder -Anordnungen, die sich in der Stapelrichtung der Separatoren in engem Kontakt mit den oberen Enden und den unteren Enden von Lufteinlassseiten des gestapelten Separators erstrecken.
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Die Heizvorrichtung kann ferner Befestigungsbänder umfassen, die die gestapelten Separatoren befestigen, so dass die Separatoren über den Heizeinheiten gestapelt bleiben. Die Enden der Heizeinheiten, die in Kontakt mit den Separatoren stehen, können mit einem isolierenden Material beschichtet werden, und die Enden der Heizeinheiten, die den Separatoren gegenüberliegen, können außerdem mit wärmeisolierenden Materialien beschichtet werden.
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Ein Verteilerteil kann mit einem seitlichen Ende der Lufteinlassseite des Separators einstückig gebildet werden oder kann separat daran gekoppelt werden, und die Heizeinheiten können derart gekoppelt werden, um in engem Kontakt mit der Oberseite und der Unterseite des Verteilerteils zusammen mit der Lufteinlassseite des Separators zu stehen, die sich seitlich erstreckt. Die Heizeinheiten können derart gekoppelt sein, um in engem Kontakt mit dem seitlichen Ende eines Luftkanals des Verteilerteils zu stehen. Die Heizeinheiten können eine Heizleistung aufweisen, die sich in der Lufteinlassrichtung erhöht.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon ausführlicher beschrieben, welche durch die beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, und welche im Folgenden nur zur Veranschaulichung dienen, und somit nicht für die vorliegende Erfindung einschränkend sind, und wobei:
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1 zeigt ein Bild, das eine Temperaturverteilung eines Separators einer Brennstoffzelle darstellt;
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Heizvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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3 bis 5 zeigen die Konfigurationen von Heizvorrichtungen für eine Brennstoffzelle gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, die der Veranschaulichung der Grundsätze der Erfindung dienen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorte und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und die Arbeitsumgebung bestimmt.
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In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Erfindung überall in den einzelnen Figuren der Zeichnungen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es ist zu beachten, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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Heizvorrichtungen für eine Brennstoffzelle gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt eine Darstellung, die eine Temperaturverteilung eines Separators einer Brennstoffzelle darstellt, 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Heizvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 3 bis 5 zeigen Ansichten, die die Konfigurationen von Heizvorrichtungen für eine Brennstoffzelle gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Heizvorrichtung für eine Brennstoffzelle 100 bereitzustellen, die eine Kaltstartzeit durch ein geeignetes Erwärmen auf der Grundlage einer inneren Temperaturverteilung verringert.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, wurde aus einem Test bestimmt, dass ein Brennstoffzellen-Separator 110 eine niedrige Temperatur eher an dem Abschnitt, wo Luft zugeführt wird 112, als an dem mittleren Abschnitt aufzeigt. Demzufolge ist es möglich, eine gesamte Wärmebilanz durch wahlweises Erwärmen der entsprechenden Lufteinlassseite zu erreichen. Das heißt, ein Temperaturabfall an einem bestimmten Abschnitt wird verhindert und ein Überhitzen an einem anderen Abschnitt wird verhindert, indem ein Abschnitt mit einer sehr niedrigen Temperatur erwärmt wird und andere Abschnitte, für die ein Erwärmen nicht notwendig ist, nicht erwärmt werden.
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Um die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu lösen, umfasst eine Heizvorrichtung für eine Brennstoffzelle 100 Heizeinheiten (z. B. Platten) 300, die in engem Kontakt mit dem oberen Ende und dem unteren Ende der Lufteinlassseite an gestapelten Separatoren 110 stehen und sich in der Stapelrichtung des Separators 110 erstrecken.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Heizvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in der die Heizeinheiten 300 an dem oberen Ende und dem unteren Ende der Lufteinlassseite des Brennstoffzellenstapels angebracht sind, weil die innere Temperatur des Stapels der Separatoren die niedrigste an dem Lufteinlass ist und die höchste in der Mitte während eines Kaltstarts ist. Das heißt, die Heizeinheiten stehen in Kontakt mit der Oberseite und Unterseite der Separatoren und die Niedrigtemperaturbereiche werden lokal durch ein externes Heizelement erwärmt, wodurch zu einer Erhöhung der Temperatur an einem gegebenen Abschnitt des Stapels beigetragen wird.
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Eines von Befestigungsbändern 200, das gestapelte Einheitszellen befestigt, kann über dem durch die kalten Bedingungen verursachten Niedrigtemperaturbereich angeordnet sein und verwendet werden, um den Betrieb des Stapels ohne Ändern der bestehenden Struktur zu verbessern, indem ein Heizelement unterhalb der Befestigungsbänder 200 angebracht wird. Das heißt, die Heizvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann ferner die Befestigungsbänder 200 umfassen, die um die gestapelten Separatoren befestigt sind, so dass die Separatoren über den Außenflächen der Heizeinheiten 300 gestapelt bleiben.
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Unterdessen verwendet ein Heizelement einen in dem Stapel mit niedriger Temperatur erzeugten Strom, um den Abschnitt des Stapels mit niedriger Temperatur zu erwärmen und die Menge der zugeführten Wärme wird auf der Grundlage der Temperatur des Niedrigtemperaturbereichs und der Wärmekapazität bestimmt. Darüber hinaus können die Enden der Heizeinheiten 300, die in Kontakt mit den Separatoren 110 stehen, mit einem isolierenden Material beschichtet werden. Die Enden der den Separatoren 110 gegenüberliegenden Heizeinheiten 300 können ebenso aus einem wärmeisolierenden Material hergestellt sein.
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Ein Verteilerteil 130 kann einstückig mit einem seitlichen Ende der Lufteinlassseite 112 des Separators 110 gebildet sein oder separat daran gekoppelt sein, um zu ermöglichen, dass Luft, Brennstoff und Kühlwasser strömen/fließen können, und die Heizeinheiten können derart gekoppelt sein, um in engem Kontakt mit der Oberseite und der Unterseite des Verteilerteils 130 zusammen mit der Lufteinlassseite 112 des Separators zu stehen, die sich seitlich erstreckt, wie dies in 3 dargestellt ist. Zusätzlich ist es möglich, die Separatoren durch Anordnen der Heizeinheiten 300 in engem Kontakt mit den seitlichen Enden von Luftkanälen 132 des Verteilerteils 130 effektiver zu erwärmen, so dass nur der Lufteinlassabschnitt lokal erwärmt wird, wenn der Verteiler erwärmt wird, wie dies in 4 dargestellt ist.
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Ferner können wie in 5 dargestellt, die Heizeinheiten 300 derart gebildet sein, um eine größere Leistung in Richtung der Lufteinlassseite aufzuweisen. Das heißt, in dieser Ausführungsform ist es möglich, die Heizleistung in Richtung des Niedrigtemperaturbereichs zu erhöhen, indem die Querschnittsfläche eines Heizrohrs während eines Erwärmens mit Kühlwasser eingestellt wird, oder die Querschnittsfläche oder der Abstand von Heizdrähten eingestellt wird, wenn Heizdrähte des PTC-Typs verwendet werden. In dem in 5 dargestellten Fall nimmt die Dicke der Heizeinheit in Richtung der Lufteinlassseite zu, die einen Niedrigtemperaturbereich darstellt, wohingegen es möglich ist, mehr Wärme in Richtung der Lufteinlassseite zuzuführen, indem die Dicke oder der Abstand von Heizdrähten, die innerhalb angeordnet sind, eingestellt wird, wobei die Dicke der Heizeinheit unverändert bleibt. Dies wird unter Berücksichtigung eines von dem Lufteinlass zu der Mitte gebildeten Temperaturgradienten ausgeführt und es ist möglich, den gesamten Temperaturunterschied durch Bilden und Anbringen eines Heizelements zu verringern, so dass die erzeugte Wärmemenge in Richtung des Einlasses erhöht werden kann.
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Gemäß einer Heizvorrichtung für eine Brennstoffzelle mit der oben beschriebenen Struktur ist es möglich, die Temperatur beim Entfernen von Eis in der Nähe des Lufteinlasses in der frühen Phase eines Kaltstarts zu erhöhen. Der Unterschied zwischen einem Hochtemperaturbereich und einem Niedrigtemperaturbereich wird durch Beseitigen der Möglichkeit eines Fehlers beim Kaltstart durch Verhinderung der Erstarrung von Wasser, das in einem Niedrigtemperaturbereich erzeugt wird, und durch Erhöhen der Temperatur des Niedrigtemperaturbereichs, der die Kaltstartzeit verzögert und die Möglichkeit eines Fehlers erhöht, verringert, wodurch die Stabilität und Zuverlässigkeit des Kaltstartbetriebs erhöht werden.
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Da verhindert wird, dass Wasser durch eine Erhöhung der Temperatur eines Niedrigtemperaturbereichs unter normalen Betriebsbedingungen bei Raumtemperatur kondensiert und die oberen/unteren Enden in der Nähe des Lufteinlasses Bereiche darstellen, wo ein Überlaufen aufgrund einer geringen Temperatur selbst während eines normalen Betriebs erzeugt werden kann, kann ein Überlaufen durch Einstellen der Temperatur eines Abschnitts, der sich nahe dem des Hochtemperaturbereichs befindet, verhindert werden.
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Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen davon ausführlich beschrieben worden. Allerdings wird der Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne von den Grundsätzen und dem Geist der Erfindung abzuweichen, wobei deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten festgelegt ist.
