[发明专利]用于燃料电池组的端板的加热装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池组的端板的加热装置。更特别地，本发明涉及通过提供一种使从燃料电池组排放的高温冷却剂在端板中循环的结构，能够防止围绕燃料电池组末端的单元电池的温度降低的用于燃料电池组的端板的加热装置。由此可防止在燃料电池组中的非均匀的温度分布。

背景技术

首先，参考下面的图6和图8简要描述燃料电池组(在下文中也称为电池组)的结构。

膜电极组件(MEA)被安置在燃料电池组的每个单元电池的中心，并且MEA包括输送氢离子(质子)的固态聚合物电解质膜10，以及设置在聚合物电解质膜10的两侧的电极/催化剂层，例如阴极(“空气电极”)12和阳极(“燃料电极”)14，在此，在氢和氧之间发生电化学反应。

此外，气体扩散层(GDL)16和衬垫18顺序地堆叠在设置有阴极12和阳极14的MEA的两侧。包括流场的隔板20设置在每个GDL16的外侧，反应气体(例如作为燃料的氢和作为氧化剂的氧)通过该隔板供应，并且冷却剂穿过该隔板。

在堆叠几百个单元电池之后，用于支撑和固定单元电池的端板30连接到燃料电池组的每端。

进一步地，收集在电池组中生成的电，并且向外供电的集电器32被安装在每个端板30的内侧。

氢的氧化反应发生在电池组的阳极14，从而通过设置在电极/催化剂层中的催化剂产生氢离子(质子，H⁺)和电子(e^-)。氢离子和电子通过电解质膜10和隔板20传输到阴极12。在阴极12，通过在从阳极14传输的氢离子和电子与含氧空气之间的电化学反应产生水。通过电子的流动生成的电能通过端板30的集电器32被供应到使用电能的负载。

氢入口和出口歧管、空气入口和出口歧管，以及冷却剂入口和出口歧管在隔板20和端板30上彼此相邻地进一步形成。

冷却电池组的单元电池的冷却剂的流动如下。如图6所示，通过冷却剂入口歧管34供应的冷却剂冷却电池组的单元电池，并且然后通过冷却剂出口歧管36排放。

然而，在测量冷却剂出口歧管36中的冷却剂的温度时，从显示电池组中多个单元电池的温度的图7的曲线中可知，在上游的冷却剂的温度高，并且在下游的冷却剂的温度逐渐降低。换句话说，冷却剂的温度随着它冷却电池组的单元电池而升高，并且，然后随着冷却剂通过冷却剂出口歧管流向端板的出口而逐渐降低。

如果冷却剂的温度随着冷却剂通过冷却剂出口歧管流向端板出口而降低，那么邻近端板的单元电池的温度也降低，因此，在全部的单元电池中发生不均匀的温度分布。

典型的聚合物电解质薄膜燃料电池通常在从室温到80℃的温度范围展现优越的性能。然而，如果由于若干单元电池的温度降低而在全部的单元电池中发生非均匀温度分布，那么由反应活性的降低和电解质膜的离子传导性的降低而使性能降低。

特别地，如果在车辆中安装的电池组的温度降低到凝固点以下(例如，如果外部温度低于零度，例如在冬天条件下)，则在电池组中的包括阴极和阳极的电极的活性降低。此外，在电池组中的电解质膜中负载氢离子的水凝固，其降低了电解质膜的离子传导性，由此使电池组的性能劣化。

进一步地，如果在增湿气体供应到电池组时电池组的温度低，那么由水的冷凝引起溢流问题。这对电池组的性能和耐久性具有关健的影响。因此，为了在合适温度操作燃料电池组，将其中几百个单元电池堆叠在一起的燃料电池组的温度分布均匀地维持在预定的范围非常重要。

考虑这些因素，许多方法是试图防止邻近端板的单元电池的温度降低的装置。例如，提出了插入一种装置以隔热或加热在端板和堆叠的单元电池之间的区域的方法。

例如，美国专利No.6,824,901描述在端板和隔板之间插入厚绝缘体，从而将发生反应的区域隔热，或在端板和隔板之间设置平面加热器，从而在冷起动期间将全部燃料电池组的温度维持在预定水平的方法。

韩国专利No.10-2006-0077284描述了一种燃料电池组，其中，提供具有不同热膨胀系数的不同类型的集电器以生成热，由此将围绕端板的单元电池绝热。

韩国专利No.10-2006-0074397描述了用于燃料电池车辆的冷起动的堆叠固定结构，其中覆盖端板外侧的外罩连接到燃料电池组，从而形成用于绝热的空气层。

然而，在全部端板被热隔离的情况下，用于隔热的绝缘体的厚度要增加，其增加了整个燃料电池组的厚度。在外罩连接到端板外侧的情况下，不能防止在电极中生成的热被传递到端板。此外，在加热器被设置在端板和隔板之间的情况下，必需为加热器的操作提供外部电源，因此控制加热器和电源的系统变得复杂。