專利名稱：用于燃料電池車輛的具有陰極氧消耗功能的加熱裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于燃料電池車輛的熱管理系統(tǒng)(TMS)。更具體地， 本發(fā)明涉及用于燃料電池車輛的具有陰極氧消耗(cathode oxygen depletion) (COD)功能的加熱裝置，其中用于提高燃料電池車輛的冷 啟動性能的現(xiàn)有COD和加熱裝置被集成在一起。
背景技術：
為了研制環(huán)保車輛，汽車公司以極大的興趣研制氫燃料電池車輛。 到目前為止研制的氫燃料電池車輛存在許多要解決的問題，其中最重 要和最難的問題之一是提供改善的冷啟動性能。
改善常規(guī)燃料電池車輛的冷啟動性能的一種方案是利用設置在迅 速解凍蓄電池(RTA)中的加熱器迅速解凍純凈水。
然而，如果使用純凈水，存在許多問題，純凈水在低于凝固點的 溫度結冰，其冷卻劑回路復雜化，另外需要設置排水閥。
為了解決這些問題，提出這樣一種方法，將電池堆的防凍液用作 冷卻劑，冷卻劑被迅速加熱以提高電池堆在凝固點以下的溫度的電力 生產(chǎn)效率。
出于這個原因，需要將加熱器連接到電池堆的冷卻劑線路中。而 且，為了防止在燃料電池車輛的啟動和停機過程中由于承載有催化劑 的碳的侵蝕造成的電池堆壽命降低，COD連接到電池堆的兩個末端， 使得由于在氫和氧之間的化學反應產(chǎn)生電能，且氧被消耗以產(chǎn)生熱能。
圖1是表示常規(guī)COD的工作原理的示圖，其中VLD 100A和VLD IOOB是啟動COD， VLD IIO是停機COD。 VLD IOOA和VLD 100B 經(jīng)過繼電器和保險絲連接電池堆模塊的端部，且VLD IIO經(jīng)過兩個繼 電器和兩根保險絲連接兩個電池堆的端部。
在車輛啟動時，VLD100A和VLD100B連接到電池堆，以在氧與 電池堆中殘留的氫之間產(chǎn)生反應以產(chǎn)生熱，在車輛的停機過程中，VLD110連接到電池堆，以去除在電池堆中殘留的氫。
特別是，在停機過程中，引擎通過連接于其上的常閉(N/C)繼電 器而完全停機，即使在車輛停止的情況下，停機COD總是連接至電池 堆的兩端。
然而，常規(guī)地，沒有專門為加熱電池堆冷卻劑的目的研制，以提 高車輛啟動后電池堆在低于凝固點的溫度下的電力生產(chǎn)效率的加熱 器。而且，常規(guī)COD不是用作加熱器，而是通過在車輛啟動或停機過 程中利用殘留在電池堆中的氫和氧產(chǎn)生熱，用作保證電池堆的壽命的 裝置。
因此，除了上述COD之外，需要提供迅速加熱冷卻劑的加熱器，
以便提高車輛啟動后電池堆在低于凝固點的溫度下的電力生產(chǎn)效率。 然而，在用于加熱冷卻劑的加熱器與COD分開設置的情況下，存在車
輛的制造成本增加并且難以保證布局空間的缺點。
同時，如圖2所示，啟動COD 103和停機COD 104設置在圓柱形 殼體100的兩端，冷卻劑入口 101和冷卻劑出口 102形成于殼體100 的兩端。因為圓柱形殼體100的內(nèi)徑大于冷卻劑入口 101和出口 102 內(nèi)徑，當從冷卻劑入口 101流到出口 102時，冷卻劑通過突然膨脹和 突然收縮的管，因此，存在明顯的壓降，其導致給泵施加重負載。
而且，常規(guī)COD具有缺陷，因為它連接到前面的冷卻劑管線，在 不用千斤頂?shù)那闆r下不可能進行維護和修理。而且，因為加熱器可暴 露于空氣，由加熱器產(chǎn)生的熱量會損失。
為了解決上述問題，本發(fā)明的發(fā)明人將具有COD功能的加熱器用 于燃料電池車輛，如在韓國專利申請No. 10-2007-0105369中所公開， 其中用于提高燃料電池車輛的冷啟動性能的加熱器和用于保證燃料電 池堆壽命的現(xiàn)有COD功能集成一體，從而降低車輛的制造成本，保證 布局空間，提高維護效率，通過多級電流控制提高冷啟動性能。
然而，因為在上述加熱器的殼體內(nèi)部提供的筒形加熱器具有大約 3.2kW每單位的發(fā)熱量，高的熱密度，在加熱器中用于提高燃料電池 車輛的冷啟動性能的加熱器和現(xiàn)有的COD功能集成一體，當冷卻劑的 流量是0LPM時，在整個加熱器表面上均勻地形成氣泡，如圖3所示。
在背景技術部分公開的上述信息僅僅是為了增進對本發(fā)明的背景
4的理解，因此，它包含對本國本領域的普通技術人員來說不是現(xiàn)有技 術的信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明努力解決與現(xiàn)有技術相關的上述技術問題。本發(fā)明的目的
之一是提供一種用于燃料電池車輛的具有COD功能的加熱裝置，其可 以防止在構成加熱裝置的加熱器表面上形成氣泡，且可以提高傳熱性 能。
一方面，本發(fā)明提供用于燃料電池車輛的具有COD功能的加熱裝 置，該加熱器包括具有在兩端形成的入口和出口的殼體；在所述殼 體一側上沿與冷卻劑流動方向垂直的方向平行設置的啟動加熱器和停 機加熱器；和用于加熱冷卻劑，在所述殼體另一側上沿與所述冷卻劑 流動方向垂直的方向平行設置的多個加熱器，其中各個加熱器中的每 一個沿所述冷卻劑流動方向的橫截面沿所述加熱器的縱向周期性地變 化，從而造成流動擾動(flowdisturbance)。
優(yōu)選地，各個加熱器的每一個可具有沿所述加熱器縱向交替形成 的多個突起和多個凹槽。
還是優(yōu)選地，每個橫截面的形狀選自三角形、正方形、圓形、正 弦波形、螺旋形及其組合。
合適地，所述加熱器沿所述冷卻劑流動方向布置成一行，使得突 起和凹槽沿所述冷卻劑流動方向交替布置。
應該理解，在此使用的術語"車輛"和"車輛的"和其它類似術 語包括廣義的機動車輛，諸如包括運動型多用途車(SUV)，公交汽車， 卡車，各種商用車的乘用車、包括各種艇和船在內(nèi)的水運工具，飛機 等。
本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點從附圖來看顯而易見或在附圖中詳細描 述，附圖結合到說明書中并且形成本說明書的一部分，附圖和下文中 的詳細描述通過實例的方式說明本發(fā)明的原理。


現(xiàn)在參考附圖所示具體典型實施例來詳細介紹本發(fā)明的上述及其它特征，實施例僅在下文中以舉例的形式給出，而非對本發(fā)明的限制， 附圖中
圖1是表示常規(guī)COD工作原理的示圖； 圖2是表示常規(guī)COD形狀的示圖3是表示在用于燃料電池車輛的具有COD功能的常規(guī)加熱器上
形成氣泡的示圖4是表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的加熱器的形狀的示圖5是表示根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實施例的加熱器的形狀的示圖6A和6B是表示圖4的加熱器的布置方法的示圖7是表示在加熱器表面上開始形成氣泡的表面溫度測量結果的
示圖；并且
圖8是表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例具有COD功能的加熱器的示圖。
在附圖中闡述的附圖標記包括下面進一步討論的下列元件 10、 20:加熱器 11:殼體
應該理解，附圖不必按比例，表示各個優(yōu)選特征的一些簡化圖示 表示本發(fā)明的基本原理。這里公開的本發(fā)明特定的設計特征，例如， 特定的尺寸、方向、位置和形狀可以部分地由所要應用和使用的環(huán)境 來確定。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，后面所附的附示了這些優(yōu)選 實施例的實例，在全部附圖中類似的附圖標記指示類似的元件。下面 通過參照附圖描述實施例，以解釋本發(fā)明。
圖4是表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的加熱器形狀的示圖，圖5是 表示根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實施例的加熱器形狀的示圖。
根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池車輛的具有COD功能的加熱裝置包 括具有在其兩端形成入口和出口的殼體11，在殼體11 一側沿與冷卻劑 流動方向垂直的方向平行設置的啟動加熱器和停機加熱器，和在殼體 11的另一側沿與冷卻劑流動方向垂直的方向平行設置的用于加熱冷卻 劑的多個加熱器。啟動加熱器和停機加熱器利用在電池堆中殘留的氫產(chǎn)生熱，以防止電池堆壽命下降，即使在低于凝固點的溫度下，用于 迅速加熱冷卻劑的加熱器對冷卻劑進行加熱，以提高燃料電池車輛的 冷啟動性能。啟動加熱器、停機加熱器、和用于加熱冷卻劑的加熱器 集成在一個殼體11內(nèi)。
這里，本發(fā)明目的在于改變加熱器io的形狀，以防止在加熱器IO
的表面上形成氣泡。
通過殼體入口引入以及經(jīng)過殼體ll內(nèi)部通過出口排出的冷卻劑的
流動方向垂直于加熱器10的縱向。
根據(jù)本發(fā)明的加熱器10中冷卻劑流動方向的橫截面沿加熱器10
的縱向周期性地改變。
例如，如圖4所示，在加熱器10的內(nèi)部的圓形截面可被設計成沿 加熱器10的縱向按照正弦波變化。圓形截面隨著正弦波周期性地變大 和變小，圓形截面沿徑向整個增大和減小。
加熱器10的外部具有沿其縱向周期性地形成多個突起和多個凹槽 的結構。
在橫截面沿縱向變化的圓柱形加熱器10中，突起和凹槽的橫截面 形狀彼此相同，為圓形，但是，它們的尺寸不同。
在上述圓柱體中，其外表面沿縱向為正弦波形狀，與外表面沿縱 向為直線形狀的圓柱體相比，在圓柱體后部形成的渦流長得多，因此， 具有明顯降低阻力的效果。
結果，由于橫截面變化對流動的擾動效果以及減小圓柱體前端與 后端之間壓差的效果，有可能降低加熱器10的表面溫度，從而防止形 成氣泡。
如果外表面沿縱向為直線形狀的多個圓柱體布置成一行，由于前 加熱器200阻擋后加熱器200 (圖2)的屏蔽效應，當朝冷卻劑出口移 動時，形成氣泡的區(qū)域增加。
圖6A和6B是表示布置圖4的加熱器的方法的示圖。
如圖6A和6B所示，如果加熱器IO布置成一行，并且加熱器IO 的橫截面形狀(即，A-A線)沿流體流動方向周期性變化，傳熱效應 增加，且由于加熱器10的表面溫度下降，有可能防止形成氣泡。
參照圖6A，在凹槽段的區(qū)域a和c，流速較低。另一方面，在突出段的區(qū)域b，流速較高。
圖7是表示通過對用于加熱冷卻劑的一個加熱器施加200V/5.23A 的電力在加熱器表面開始形成氣泡的表面溫度的測量結果的示圖。
如圖7所示，因為具有均勻圓形截面的常規(guī)加熱器200具有非常 高的熱密度，如果表面溫度達到大約IO(TC，開始形成氣泡。與加熱器 200不同，具有正弦波形的加熱器10具有增加的表面面積并且提供擾 動流動的效果，其防止氣泡形成。
而且，在常規(guī)加熱器200布置成一行的情況下，如果流量增加， 會出現(xiàn)流動引發(fā)的振動，加熱器振動。相反，如果改變形狀的加熱器 10布置成具有90。的相位差，如圖6A所示，有可能明顯降低流動引 發(fā)的振動。
優(yōu)選地，通過調(diào)整上述正弦波形圓柱體中突出端和相鄰突出端之 間的距離，有可能制造優(yōu)化的正弦波形圓柱體。
盡管作為實例已經(jīng)描述了具有正弦波形的圓柱形加熱器10，加熱 器IO沿縱向的外表面不限于正弦波形。相反，例如，可以形成螺旋槽 或突起可以有選自有三角形、正方形、圓形及其組合的橫截面。例如， 如圖5所示的加熱器20可以用于本發(fā)明。
同樣優(yōu)選地，除了加熱器橫截面形狀的結構改變之外，如上所述， 多個散熱片可以以規(guī)則的間隔連接到加熱器表面，散熱片的高度、間 隔和/或形狀可以進一步改變。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池車輛的具有COD功能的加 熱裝置，通過改變加熱器的形狀和根據(jù)加熱器的形狀改變加熱器的布 置，有可能提高傳熱性能并防止流動引發(fā)的振動和形成氣泡。
參照本發(fā)明的優(yōu)選實施例已經(jīng)詳細地描述本發(fā)明。然而，本領域 的普通技術人員應該理解，在不脫離本發(fā)明的原理和實質的情況下， 可以對這些實施例進行改變，附屬權利要求及其等同權利要求限定本 發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1. 一種用于燃料電池車輛的具有陰極氧消耗(COD)功能的加熱裝置，所述加熱裝置包括殼體，具有在其兩端形成的入口和出口；在所述殼體一側上沿與冷卻劑流動方向垂直的方向平行設置的啟動加熱器和停機加熱器；和在所述殼體另一側上沿與所述冷卻劑流動方向垂直的方向平行設置，用于加熱冷卻劑的多個加熱器，其中各個加熱器中的每一個的沿所述冷卻劑流動方向的橫截面沿所述加熱器的縱向周期性地變化，從而造成流動擾動。
2. 如權利要求1所述的加熱裝置，其中各個加熱器的每一個具有 沿所述加熱器的縱向交替形成的多個突起和多個凹槽。
3. 如權利要求2所述的加熱裝置，其中所述加熱器沿所述冷卻劑 流動方向布置成一行，使得所述突起和所述凹槽沿所述冷卻劑流動方 向交替布置。
4. 如權利要求l所述的加熱裝置，其中每個橫截面的形狀選自三 角形、正方形、圓形、正弦波形、螺旋形及其組合。
5. 如權利要求4所述的加熱裝置，其中所述加熱器沿所述冷卻劑 流動方向布置成一行，使得突起和凹槽沿所述冷卻劑流動方向交替布 置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于燃料電池車輛的具有陰極氧消耗(COD)功能的加熱裝置，其中現(xiàn)有COD和用于提高燃料電池車輛的冷啟動性能的加熱裝置集成一體。為此，本發(fā)明提供用于燃料電池的具有COD功能的加熱裝置，該加熱裝置包括具有在兩端形成入口和出口的殼體；在殼體一側上沿與冷卻劑流動方向垂直的方向平行設置的啟動加熱器和停機加熱器；和用于加熱冷卻劑，在殼體另一側上沿與冷卻劑流動方向垂直的方向平行設置的多個加熱器，其中各個加熱器中的每一個沿冷卻劑流動方向的橫截面沿加熱器的縱向周期性地變化，從而造成流動擾動。
文檔編號B60L11/18GK101450628SQ200810127260
公開日2009年6月10日 申請日期2008年6月30日 優(yōu)先權日2007年12月4日
發(fā)明者韓秀東 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社