JP2022179295A - 燃料電池システムで冷却水温度を制御するための方法 - Google Patents

燃料電池システムで冷却水温度を制御するための方法 Download PDF

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Abstract

Figure 2022179295000001
【課題】バルブの開度量により冷却水温度をより細やかに制御すること。
【解決手段】制御部は、燃料電池スタック（１０）入口の目標温度とバルブ（２０，４０）の開度量制御のための補正係数を設定し、前記燃料電池スタック（１０）出口の第１冷却水温度と第１ラジエーター（６０）出口の第２冷却水温度を測定し、前記第１冷却水温度、前記第２冷却水温度、前記目標温度、及び前記補正係数に基づいて前記バルブ（２０，４０）の開度量を算出し、前記開度量が指定された第１範囲以内であれば、前記燃料電池スタック（１０）入口の第３冷却水温度と前記目標温度との間の比較に基づいて、前記補正係数を補正するように設定されてよい。
【選択図】図３

Description

本文書に開示される実施形態は、燃料電池システムで冷却水温度を制御するための技術に関する。
燃料電池システムは、燃料電池スタックを用いて電気エネルギーを発生させることができる。例えば、水素が燃料電池スタックの燃料として使用される場合、地球環境問題を解決する代案となり得るので、燃料電池システムに対する持続的な研究開発が行われている。燃料電池システムは、電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックに燃料（水素）を供給する燃料供給装置、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤である空気中の酸素を供給する空気供給装置、燃料電池スタックの反応熱をシステムの外部に除去し、燃料電池スタックの運転温度を制御し、水管理機能を行う熱管理システム（ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ、ＴＭＳ）を含むことができる。
熱管理システムは、冷却水の役割をする不凍液を燃料電池スタックに循環させて適正温度（例えば、６０～７０℃）を維持させる冷却装置の一種類であって、冷却水が循環するＴＭＳライン、冷却水が貯蔵されたリザーバー、冷却水を循環させるポンプ、冷却水に含まれたイオンを除去するイオンフィルター、及び冷却水の熱を外部に放出するラジエーターを含むことができる。また、熱管理システムは、冷却水を加熱するヒーター、及び冷却水を用いて燃料電池システムが含まれた装置（例：車）の内部を冷暖房する空調ユニット（例えば、暖房用ヒーター）などを含むことができる。熱管理システムは、燃料電池スタックだけでなく、車両の電装部品の適正温度を維持させることができる。
熱管理システムの機能の一つは、燃料電池スタックで発生した熱を、ラジエーターを介して大気に放出することにより、燃料電池スタック入口に流入される冷却水の温度を目標温度に合わせることである。冷却水温度を目標温度に合わせるためには、ポンプ及び冷却ファンの回転数を制御することが重要な課題である。しかし、ポンプと冷却ファンの回転数は変動幅が大きいので、冷却水温度と目標温度との間の差を減らすためには、より細やかな制御が必要である。
本文書に開示される一実施形態による燃料電池システムは、燃料電池スタック、前記燃料電池スタックを経由する第１冷却水が循環される第１冷却ライン、前記第１冷却ライン上に配置され、前記第１冷却水を冷却させるように設定された第１ラジエーター、前記第１冷却水の流動経路を前記燃料電池スタック又は前記第１ラジエーターに切り替えるように設定されたバルブ、及び前記バルブと連結される制御部を含み、前記制御部は、前記燃料電池スタック入口の目標温度と前記バルブの開度量制御のための補正係数を設定し、前記燃料電池スタック出口の第１冷却水温度と前記第１ラジエーター出口の第２冷却水温度を測定し、前記第１冷却水温度、前記第２冷却水温度、前記目標温度、及び前記補正係数に基づいて前記バルブの開度量を算出し、前記開度量が指定された第１範囲以内であれば、前記燃料電池スタック入口の第３冷却水温度と前記目標温度との間の比較に基づいて、前記補正係数を補正するように設定されてよい。
本文書に開示される一実施形態による燃料電池スタックを含む燃料電池システムの動作方法は、前記燃料電池スタック入口の目標温度とバルブの開度量制御のための補正係数とを設定する動作、前記燃料電池スタック出口の第１冷却水温度と第１ラジエーター出口の第２冷却水温度とを測定する動作、前記第１冷却水温度、前記第２冷却水温度、前記目標温度、及び前記補正係数に基づいて前記バルブの開度量を算出する動作、前記開度量が指定された第１範囲以内であれば、前記燃料電池スタック入口の第３冷却水温度と前記目標温度との間の比較に基づいて前記補正係数を補正する動作を含むことができる。
本文書に開示される実施形態によれば、燃料電池システムは、バルブの開度量により冷却水温度をより細やかに制御することができる。
本文書に開示される実施形態によれば、燃料電池システムは、燃料電池スタック入口の冷却水温度をより迅速に目標温度まで調節することができる。
本文書に開示される実施形態によれば、燃料電池システムは、ポンプ、冷却ファン、及びバルブの複合的な制御を介して、負荷変動に迅速に対応しながら、冷却水温度を制御することができる。
この他、本文書を介して直接的又は間接的に把握される多様な効果が提供され得る。
多様な実施形態による燃料電池システムを示す。 多様な実施形態による燃料電池システムを示す。 多様な実施形態により第１冷却水が流れる燃料電池システムのブロック図を示す。 多様な実施形態によるバルブ開度による冷却水の流れを示す。 多様な実施形態によるバルブ開度による冷却水の流れを示す。 多様な実施形態によるバルブ開度による冷却水の流れを示す。 多様な実施形態による燃料電池システムのブロック図を示す。 多様な実施形態によりバルブの開度量及び補正係数を制御するための動作フロー図を示す。 多様な実施形態によりバルブの開度量及び補正係数を制御するためのより詳細な動作フロー図を示す。
図面の説明に関連し、同一又は類似の構成要素に対しては、同一又は類似の参照符号が用いられてよい。
以下、本発明の多様な実施形態が図を参照しつつ記載される。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の実施形態の多様な変更（ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、均等物（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ）、及び／又は代替物（ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ）を含むものとして理解されなければならない。
本文書の多様な実施形態及びこれに用いられた用語は、本文書に記載された技術的特徴を特定の実施形態に限定しようとするものではなく、当該実施形態の多様な変更、均等物、又は代替物を含むものとして理解されなければならない。図面の説明と関連し、類似又は関連の構成要素に対しては、類似の参照符号が用いられてよい。アイテムに対応する名詞の単数形は関連された文脈上明白に異なるように指示しない限り、前記アイテム一つ又は複数を含んでよい。本文書において、「Ａ又はＢ」、「Ａ及びＢのうち少なくとも一つ」、「Ａ又はＢのうち少なくとも一つ」、「Ａ、Ｂ又はＣ」、「Ａ、Ｂ及びＣのうち少なくとも一つ」、及び「Ａ、Ｂ、又はＣのうち少なくとも一つ」のような文句それぞれは、その文句のうち該当する文句に共に並べられた項目のうち何れか一つ、又はそれらの全ての可能な組み合わせを含んでよい。「第１」、「第２」、又は「一番目」又は「二番目」のような用語は、単に当該構成要素を他の当該構成要素と区分するために用いられてよく、当該構成要素を他の側面（例：重要性又は順番）において限定しない。ある（例：第１）構成要素が他の（例：第２）構成要素に、「機能的に」又は「通信的に」という用語とともに又はこのような用語がなく「カップルド」又は「コネクテッド」と言及された場合、それは、前記ある構成要素が前記他の構成要素に直接的に（例：有線で）、無線で、又は第３構成要素を介して連結され得るということを意味する。
本文書の多様な実施形態で用いられた用語「モジュール」は、ハードウェア、ソフトウェア又はファームウエアに具現されたユニットを含んでよく、例えば、ロジック、論理ブロック、部品、又は回路のような用語と相互互換的に用いられてよい。モジュールは、一体でなる部品、或いは一つ又はそれ以上の機能を行う、前記部品の最小単位又はその一部となり得る。例えば、一実施形態によれば、モジュールはＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）の形態に具現されてよい。
本文書の多様な実施形態は、機器（ｍａｃｈｉｎｅ）で読み取り可能な記憶媒体（ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉｕｍ）（例：内蔵メモリ又は外装メモリ）に格納された一つ以上の命令語を含むソフトウェア（例：プログラム）に具現されてよい。例えば、機器は、記憶媒体から格納された一つ以上の命令語のうち少なくとも一つの命令を呼び出し、それを行うことができる。これは、機器が前記呼び出された少なくとも一つの命令語によって少なくとも一つの機能を行うよう運営されることを可能にする。前記一つ以上の命令語は、コンパイラーにより生成されたコード又はインタプリターにより行うことができるコードを含んでよい。機器で読み取り可能な記憶媒体は、非一時的（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）記憶媒体の形態で提供されてよい。ここで、「非一時的」とは、記憶媒体が実在（ｔａｎｇｉｂｌｅ）する装置であり、信号（ｓｉｇｎａｌ）（例：電磁気波）を含まないということを意味するだけで、この用語は、データが記憶媒体に半永久的に格納される場合と臨時的に格納される場合を区分しない。
一実施形態によれば、本文書に開示された多様な実施形態による方法は、コンピュータープログラム製品（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｐｒｏｇｒａｍ ｐｒｏｄｕｃｔ）に含まれて提供されてよい。コンピュータープログラム製品は、商品として販売者及び購買者の間に取り引きされてよい。コンピュータープログラム製品は、機器で読み取り可能な記憶媒体（例：ｃｏｍｐａｃｔ ｄｉｓｃ ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ（ＣＤ－ＲＯＭ））の形態で配布されるか、又はアプリケーションストアを介して又は二つの使用者装置の間に直接、オンラインで配布（例：ダウンロード又はアップロード）されてよい。オンライン配布の場合、コンピュータープログラム製品の少なくとも一部は、製造社のサーバ、アプリケーションストアのサーバ、又は中継サーバのメモリのような機器で読み取り可能な記憶媒体に少なくとも一時格納されるか、臨時的に生成されてよい。
多様な実施形態によれば、前記で記述した構成要素のそれぞれの構成要素（例：モジュール又はプログラム）は単数又は複数の個体を含んでよく、複数の個体のうち一部は他の構成要素に分離配置されてもよい。多様な実施形態によれば、前述の当該構成要素のうち一つ以上の構成要素又は動作が省略されるか、或いは一つ以上の他の構成要素又は動作が追加されてよい。代替的に又は追加的に、複数の構成要素（例：モジュール又はプログラム）は一つの構成要素に統合されてよい。このような場合、統合された構成要素は、前記複数の構成要素それぞれの構成要素の一つ以上の機能を、前記統合以前に前記複数の構成要素のうち当該構成要素によって行われることと同一又は類似に行える。多様な実施形態によれば、モジュール、プログラム又は他の構成要素によって行われる動作は、順次、並列的、反復的又はヒューリスティックに実行されるか、前記動作のうち一つ以上が異なる順に実行されるか、省略されるか、又は一つ以上の他の動作が追加されてよい。
図１ないし図２は、多様な実施形態による燃料電池システムを示す。
図１を参照すると、車両用燃料電池システムは、車両の燃料電池スタック１０を経由する第１冷却水が循環される第１冷却ライン１１０と、車両の電装部品（ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐａｒｔｓ）２００を経由する第２冷却水が循環される第２冷却ライン１２０とを含むことができる。実施形態において、燃料電池システムは、第１冷却水と第２冷却水とを相互熱交換させる熱交換器３００をさらに含むことができるが、省略可能である。
燃料電池システムは、第１冷却ライン１１０と加熱ループ（加熱循環経路、又は暖房ループ）を形成するか、又は第１冷却ライン１１０と冷却ラインを形成するために第１連結ライン１３０、第２連結ライン１５０、及び第３連結ライン１４０を含むことができる。第１冷却水は、第１連結ライン１３０、第２連結ライン１５０、又は第３連結ライン１４０を循環しながら冷却又は加熱され得る。一例として、第１冷却ライン１１０は、車両の初期始動状態では、冷間始動能力を確保するために第１連結ライン１３０及び第３連結ライン１４０と加熱ループを形成し、走行中には燃料電池スタック１０で発生する熱を外部に放出できるように、第１冷却水が第１ラジエーター６０を通過する冷却ループを形成することができる。他の実施形態において、外気が指定された温度ほど高い場合、第１冷却ライン１１０は、加熱ループを形成せず、燃料電池システムは、燃料電池スタック１０の熱により始動能力を確保することができる。第１冷却水が循環する第１冷却ライン１１０上には、燃料電池スタック１０、第１バルブ２０、第１ポンプ３０、第２バルブ４０、及び第１ラジエーター６０が配置されてよい。
燃料電池スタック１０（又は、「燃料電池」と参照され得る）は、燃料（例えば、水素）と酸化剤（例えば、空気）の酸化還元反応を介して電気を生産することができる構造に形成され得る。一例として、燃料電池スタック１０は、水素イオンが移動する電解質膜を中心に膜の両方に電気化学反応が起きる触媒電極層が付着した膜電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）、反応気体を均一に分布させて発生された電気エネルギーを伝達する役割を行う気体拡散層（ｇａｓ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ、ＧＤＬ）、反応気体及び第１冷却水の気密性と適正締結圧を維持するためのガスケット及び締結器具、そして反応気体及び第１冷却水を移動させる分離板（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）を含むことができる。
燃料電池スタック１０で燃料である水素と酸化剤である空気（酸素）とが分離板の流路を介して膜電極接合体のアノード（ａｎｏｄｅ）とカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）にそれぞれ供給され、水素はアノードに供給され、空気はカソードに供給され得る。アノードに供給された水素は、電解質膜の両方に構成された電極層の触媒により水素イオン（ｐｒｏｔｏｎ）と電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）に分解され、この中、水素イオンのみが選択的に陽イオン交換膜である電解質膜を通過してカソードに伝達され、同時に電子は導体である気体拡散層と分離板を介してカソードに伝達され得る。カソードでは、電解質膜を介して供給された水素イオンと、分離板を介して伝達された電子が、空気供給装置によってカソードに供給された空気中の酸素と会って水を生成する反応を起こすことができる。この際、起きる水素イオンの移動に起因して、外部導線を通じた電子の流れが発生し、このような電子の流れにより電流が生成され得る。
第１バルブ２０は、第１冷却ライン１１０上で第１冷却水の流動経路を、ヒーター５０が配置された第１連結ライン１３０又は燃料電池スタック１０に切り替えることができる。例えば、第１バルブ２０は、第１冷却ライン１１０上で第１ポンプ３０の一端、第１連結ライン１３０の一端、及び燃料電池スタック１０の一端と連結されてよい。第１バルブ２０は、第１冷却水の流動経路を選択的に切り替え可能な多様なバルブ手段を含むことができる。一例として、第１バルブ２０は、三方バルブ（ｔｈｒｅｅ ｗａｙ ｖａｌｖｅ）であってよい。この場合、第１バルブ２０は、第１ポンプ３０によってポンピングされた第１冷却水が流入されるように第１冷却ライン１１０と連結される第１ポート２１、第１バルブ２０を通過する第１冷却水が燃料電池スタック１０に流入されるように第１冷却ライン１１０と連結される第２ポート２２、及び第１連結ライン１３０の一端と連結される第３ポート２３を含むことができる。第１バルブ２０の第２ポート２２及び第３ポート２３が開閉されることにより、第１冷却水の流動経路が第１連結ライン１３０のヒーター５０又は燃料電池スタック１０に切り替わってよい。すなわち、第２ポート２２が開放され、第３ポート２３が遮断されれば、第１冷却水は燃料電池スタック１０に流入され、これに反して、第３ポート２３が開放され、第２ポート２２が遮断されれば、第１冷却水は第１連結ライン１３０を介してヒーター５０に流入され得る。
第１連結ライン１３０は、第１冷却水を加熱するために、第１冷却ライン１１０と加熱ループ（加熱循環経路）を形成することができる。例えば、第１連結ライン１３０に沿って流動する第１冷却水は、第１連結ライン１３０に設けられたヒーター５０を通過する中に加熱され得る。第１連結ライン１３０の一端は、第１ポンプ３０の出口と燃料電池スタック１０との間に位置する第１地点で第１冷却ライン１１０に連結され、第１連結ライン１３０の他の一端は、第１ポンプ３０の入口と燃料電池スタック１０との間に位置する第２地点で第１冷却ライン１１０に連結されてよい。ここで、第１ポンプ３０の入口は、第１冷却水が第１ポンプ３０に流入される入口として定義され得る。また、第１ポンプ３０の出口は、第１ポンプ３０を通過した第１冷却水が排出される出口として定義され得る。また、第１ポンプ３０の出口と燃料電池スタック１０との間は、第１ポンプ３０から排出された第１冷却水が燃料電池スタック１０の第１冷却水流入口（未図示）まで流動する区間として定義され得る。また、第１ポンプ３０の入口と燃料電池スタック１０との間は、燃料電池スタック１０の冷却水排出口（未図示）から排出された第１冷却水が第１ポンプ３０の入口まで流動する区間として定義され得る。
第１ポンプ３０は、第１冷却水を強制的に流動させるように設定されてよい。第１ポンプ３０は、第１冷却水をポンピング可能な多様な手段を含むことができ、第１ポンプ３０の種類及び個数が、本文書で制限されるものではない。
第２バルブ４０は、第１冷却ライン１１０上で第１冷却水の流動経路を第１ラジエーター６０又は燃料電池スタック１０に切り替えることができる。例えば、第２バルブ４０は、第１ポンプ３０と第１ラジエーター６０との間に位置するように第１冷却ライン１１０上に提供され、第３連結ライン１４０の一端及び第１ラジエーター６０の出口に連結されてよい。第２バルブ４０は、第１冷却水の流動経路を選択的に第１ラジエーター６０又は燃料電池スタック１０に切り替え可能な多様なバルブ手段を含むことができる。一例として、第２バルブ４０は、四方バルブ（ｆｏｕｒ ｗａｙ ｖａｌｖｅ）又は三方バルブ（ｔｈｒｅｅ ｗａｙ ｖａｌｖｅ）であってよい。三方バルブの場合、第２バルブ４０は、第３連結ライン１４０と連結される第１ポート４１、第１ラジエーター６０を通過する第１冷却水が流入されるように第１冷却ライン１１０と連結される第２ポート４２、及び第１冷却水が第１ポンプ３０に流入されるように第１冷却ライン１１０と連結される第３ポート４４を含み、四方バルブである第２バルブ４０は、第２連結ライン１５０の一端に連結される第３ポート４３をさらに含むことができる。第２バルブ４０の第１ポート４１又は第２ポート４２が開閉されることにより、第１冷却水の流動経路が第１ラジエーター６０又は燃料電池スタック１０に切り替わってよい。すなわち、第１ポート４１が開放され、第２ポート４２が遮断されれば、第１冷却水は第１ラジエーター６０を経由せず燃料電池スタック１０に流入され、これに反して、第２ポート４２が開放され、第１ポート４１が遮断されれば、第１冷却水は、第１ラジエーター６０を経由した後に燃料電池スタック１０に流入され得る。
第２連結ライン１５０は、空調ユニット（ＨＶＡＣ ＵＮＩＴ）９０を加熱するために、第１冷却ライン１１０と暖房ループを形成することができる。一例として、第２連結ライン１５０は、空調ユニット９０の暖房用ヒーター（未図示）を加熱するループを形成することができる。第２連結ライン１５０の一端は、第１地点（第１連結ライン１３０の一端が第１冷却ライン１１０に連結される地点）と燃料電池スタック１０入口との間で第１冷却ライン１１０に連結され、第１冷却水の一部が、第２連結ライン１５０を介して循環することができる。第２連結ライン１５０の他の一端は、第１ポンプ３０と第２地点（第１連結ライン１３０の他の一端が第１冷却ライン１１０に連結される地点）との間で第１冷却ライン１１０に連結されてよい。
第２連結ライン１５０には、空調ユニット９０を通過した第１冷却水のイオンをフィルタリングするイオンフィルター９５が備えられてよい。システムの腐食や湧出（ｅｘｕｄａｔｉｏｎ）などにより第１冷却水の電気伝導度が増加すると、第１冷却水に電気が流れるようになって、燃料電池スタック１０が短絡されるか、第１冷却水側に電流が流れるようになる問題点が発生するので、第１冷却水は、低い電気伝導度を維持しなければならない。イオンフィルター９５は、第１冷却水の電気伝導度を一定の水準以下に維持できるように、第１冷却水に含まれたイオンを除去するように設定されてよい。このように、燃料電池スタック１０に流動される第１冷却水の供給が遮断（第１バルブ２０の第２ポート２２遮断）される冷始動中に、第１冷却水は、第１連結ライン１３０のヒーター５０を経由して循環（昇温ループ）すると同時に、第２連結ライン１５０に沿っても循環するようにすることにより、冷始動時にも第２連結ライン１５０に備えられたイオンフィルター９５によるフィルタリング（第１冷却水に含まれたイオン除去）が可能である。したがって、冷始動直後に燃料電池スタック１０に流入される第１冷却水の電気伝導度を一定の水準以下に維持させる有利な効果を得ることができる。
第３連結ライン１４０は、第１冷却水を冷却するために、第１冷却ライン１１０と冷却ループを形成することができる。一例として、第３連結ライン１４０の一端は、第１ポンプ３０と第１ラジエーター６０との間で第１冷却ライン１１０に連結され、第３連結ライン１４０の他の一端は、燃料電池スタック１０の冷却水排出口と第１ラジエーター６０との間で第１冷却ライン１１０に連結されてよい。
第１ラジエーター６０は、第１冷却水を冷却させるように設定されてよい。第１ラジエーター６０は、第１冷却水を冷却させ得る多様な構造に形成されてよく、第１ラジエーター６０の種類及び構造により本発明が制限されるか限定されるものではない。第１ラジエーター６０は、第１冷却水が貯蔵される第１リザーバー６２に連結されてよい。
燃料電池システムは、燃料電池スタック１０と第１地点（第１バルブ２０）との間で第１冷却水の温度を測定する第１温度センサー１１２、第１連結ライン１３０の他の一端と第１ポンプ３０との間で第１冷却水の温度を測定する第２温度センサー１１４、及びヒーター５０で第１冷却水の温度を測定する第３温度センサー１１６を含むことができる。また、燃料電池システムは、第１ラジエーター６０の出口で第１冷却水の温度を測定する第４温度センサー１１８を含むことができる。燃料電池システムは、第１温度センサー１１２、第２温度センサー１１４、第３温度センサー１１６、及び第４温度センサー１１８で測定された温度に基づいて、燃料電池スタック１０に流入される第１冷却水の流入流量を制御することができる。一例として、第１冷却ライン１１０に沿って循環する第１冷却水の測定温度が予め設定された目標温度より低いと、第１冷却水の流入流量を予め設定された設定流量より低く制御することができる。このように、第１冷却水の測定温度が低いと、燃料電池スタック１０に流入される第１冷却水の流入流量を低く制御することにより、燃料電池スタック１０の内部に停滞された第１冷却水温度と燃料電池スタック１０に流入される第１冷却水の温度との間の偏差による熱衝撃及び性能低下を最小化する有利な効果を得ることができる。
第２冷却ライン１２０は、車両の電装部品２００を経由するように構成され、第２冷却水は、第２冷却ライン１２０に沿って循環することができる。ここで、車両の電装部品２００は、車両の電源をエネルギー源として使用する部品として理解されてよく、電装部品２００の種類及び個数により本発明が制限されるか限定されるものではない。一例として、電装部品２００は、燃料電池スタック１０と車両の高電圧バッテリー（未図示）との間に備えられるＢＨＤＣ（ｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ＤＣ－ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）２１０、燃料電池スタック１０の駆動のための外気を供給するブロアー（未図示）を制御するＢＰＣＵ（ｂｌｏｗｅｒ ｐｕｍｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）２２０、高電圧バッテリーで供給された直流高電圧を直流低電圧に変換するＬＤＣ（ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ ＤＣ－ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）２３０、燃料電池スタック１０に供給される空気を圧縮する空気圧縮機（ａｉｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ、ＡＣＰ）２４０、及びエアクーラー（ａｉｒ ｃｏｏｌｅｒ）２５０のうち少なくとも何れか一つを含むことができる。図１ないし２に示されていないが、電装部品２００は、ＤＣ－ＤＣバック／ブースト（ｂｕｃｋ／ｂｏｏｓｔ）コンバーターをさらに含むことができる。
第２冷却ライン１２０上には、第２冷却水を強制的に流動させるための第２ポンプ２０５が配置されてよい。第２ポンプ２０５は、第２冷却水をポンピングできるポンピング手段を含むことができ、第２ポンプ２０５の種類及び特性が制限されるか限定されるものではない。
第２冷却ライン１２０上には、第２冷却水を冷却させるための第２ラジエーター７０が配置されてよい。第２ラジエーター７０は、第２冷却水を冷却させ得る多様な構造に形成されてよく、第２ラジエーター７０の種類及び構造が制限されるか限定されるものではない。第２ラジエーター７０は、第２冷却水が貯蔵される第２リザーバー７２に連結されてよい。
実施形態において、第１ラジエーター６０及び第２ラジエーター７０は、図１に示されたように、一つの冷却ファン８０により同時に冷却されるように構成されてよい。一例として、第１ラジエーター６０及び第２ラジエーター７０は並んで配置され、冷却ファン８０は、第１ラジエーター６０及び第２ラジエーター７０に外気を送風するように設定されてよい。一つの冷却ファン８０により第１ラジエーター６０及び第２ラジエーター７０が同時に冷却されるようにすることにより、燃料電池システムの構造は簡素化され、設計自由度及び空間活用性が向上することができ、第１ラジエーター６０及び第２ラジエーター７０を冷却させるための電力消耗が最小化され得る。
他の実施形態において、図２に示されたように、第１ラジエーター６０を冷却させるための第１冷却ファン８０と第２ラジエーター７０を冷却させるための第２冷却ファン８５とが別途配置されてよい。この場合、燃料電池システムは、第１冷却ファン８０の回転数を制御する際に、電装部品２００の熱負荷に関するパラメーターを排除することができる。以下で説明される実施形態は、図１の燃料電池システム構造に基づくが、同一の原理が図２の燃料電池システム構造に適用されてよい。
熱交換器３００は、第１冷却水と第２冷却水とを相互熱交換させるように設定されてよい。熱交換器３００が含まれる場合、第１冷却ライン１１０及び第２冷却ライン１２０は、第１冷却水及び第２冷却水が熱交換を行いながら流動可能なＴＭＳ（ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ）ラインを構成することができ、この場合、第１冷却水又は第２冷却水は、ＴＭＳライン上で冷媒（ｃｏｏｌｉｎｇ ｍｅｄｉｕｍ）又は熱媒（ｈｅａｔ ｍｅｄｉｕｍ）として使用されてよい。例えば、電装部品を冷却する第２冷却水の温度が、燃料電池スタック１０を冷却する第１冷却水の温度より相対的に低く形成されるので、燃料電池システムは、第１冷却水と第２冷却水とを相互熱交換させることにより、第１ラジエーター６０及び冷却ファン８０の容量を増加させることなく第１冷却水の温度を下げることができ、燃料電池スタック１０の冷却効率を向上させ得、安全性及び信頼性を向上させる有利な効果を得ることができる。また、燃料電池システムは、走行風が使用できない車両（例えば、建設機械）の停車中に第１冷却水の温度を下げることができるので、燃料電池スタック１０の高出力運転を保障し、安全性及び耐久性を向上させる有利な効果を得ることができる。
実施形態において、熱交換器３００は、第１ラジエーター６０の出口と燃料電池スタック１０との間で第１冷却ライン１１０に連結され、第２冷却ライン１２０は、熱交換器３００を経由するように第２ラジエーター７０の出口と電装部品とを連結することができる。例えば、第１冷却水は、第１冷却ライン１１０に連結された熱交換器３００に沿って流動されてよく、第２冷却ライン１２０は、第１冷却水に露出（例えば、第１冷却水が第２冷却ライン１２０の周りに沿って流動）されるように、熱交換器３００の内部を通過することができる。このように、燃料電池システムは、第１冷却水と第２冷却水との相互熱交換により燃料電池スタック１０に流入される第１冷却水の温度を下げることができる。第１ラジエーター６０を通過した第１冷却水の第１温度は、第２ラジエーター７０を通過した第２冷却水の第２温度より高く形成され、熱交換器３００を通過した第１冷却水の第３温度は、第１温度より低く形成されてよい。一例として、第１冷却水の第１温度は、第２冷却水の第２温度よりおよそ１０℃高く形成されてよく、熱交換器３００を通過（第２冷却水と熱交換）した第１冷却水の第３温度は、第１温度より１℃低く形成されてよい。
図１ないし図２による熱交換器３００は、第１ラジエーター６０と別途配置されるが、他の実施形態において、熱交換器３００は、第１ラジエーター６０に直接連結されてよい。例えば、熱交換器３００は、第１ラジエーター６０の指定された位置（左側上端部）に連結され得るが、これに制限されない。
第１冷却水が流れる第１冷却ライン１１の場合、燃料電池システムは、第１温度センサー１１２を介して燃料電池スタック１０入口の第１冷却水温度を測定し、測定された第１冷却水温度が目標温度まで達するように、第１ポンプ３０又は冷却ファン８０のうち少なくとも一つの回転数を制御することができる。しかし、第１ポンプ３０及び冷却ファン８０の回転数は、変動幅が大きいので、第１温度センサー１１２を介して測定された温度と目標温度との間の差を狭めることに困難があり得る。実施形態による燃料電池システムは、第２バルブ４０の開度調節を介して第１冷却水温度を目標温度まで細やかに制御することができる。また、実施形態による燃料電池システムは、第２温度センサー１１４を介して測定された燃料電池スタック１０出口の第１冷却水温度と第４温度センサー１１８を介して測定された第１ラジエーター６０出口の第１冷却水温度を用いて第２バルブ４０の開度を調節することにより、第１冷却水温度をより正確に制御することができる。
図３は、多様な実施形態により第１冷却水が流れる燃料電池システムのブロック図を示し、図４ａないし４ｃは、バルブ開度による冷却水の流れを示す。図３に示された構成中、参照番号が同一の構成は、図１又は図２に示された構成と同一の機能を行い、以下で重複する説明は省略する。
図３を参照すると、ｍは、第１冷却水の流量を意味する。例えば、ｍ１は、燃料電池スタック１０から出て第１ラジエーター６０を経由せず第２バルブ４０に入る第１冷却水の流量を、ｍ２は、燃料電池スタック１０から出て第１ラジエーター６０を経由して第２バルブ４０に入る第１冷却水の流量を、ｍ３は、燃料電池スタック１０に入って第２バルブ４０から出る第１冷却水の流量を、ｍ４は、第１バルブ２０から出てイオンフィルター９５を経由して第１ポンプ３０に入る第１冷却水の流量を、ｍ５は、第１ポンプ３０から出て第１バルブ２０を通過する第１冷却水の流量を意味し得る。また、Ｔは、第１冷却水の温度を意味する。例えば、Ｔ１は、燃料電池スタック１０出口の第１冷却水温度を、Ｔ２は、第１ラジエーター６０出口の第１冷却水温度を、Ｔ３は、燃料電池スタック１０入口の冷却水温度を、Ｔ４は、ヒーター５０を通過する第１冷却水の温度を意味し得る。第１冷却水の流量及び温度は、下記の［数式１］のように表現されてよい。
Figure 2022179295000002
燃料電池システムは、第２バルブ４０の開度調節を介して第１冷却水が混合する割合及び第１冷却水の温度を調節することができる。例えば、図４ａは、第２バルブ４０が閉まった（遮断された、ｃｌｏｓｅｄ）状態（開度量＝０）を示し、この場合、第２バルブ４０の第２ポート４２が遮断されるので、燃料電池スタック１０から出た第１冷却水は、第１ラジエーター６０を経由せず第３連結ライン１４０上に流れてよい。図４ｂは、第２バルブ４０の一部が開度された（ｏｐｅｎｅｄ）状態（０＜開度量＜１）を示し、この場合、第２バルブ４０の第１ポート４１及び第２ポート４２が一部ずつ開放されるので、第１冷却水の一部は第３連結ライン１４０上に流れ、残りの一部は第１ラジエーター６０を経由することができる。図４ｃは、第２バルブ４０が完全に開度された状態（開放状態）（開度量＝１）を示し、この場合、第２バルブ４０の第１ポート４１が遮断されるので、燃料電池スタック１０から出た第１冷却水は、全て第１ラジエーター６０を経由することができる。
燃料電池スタック１０入口の第１冷却水温度Ｔ１は、下記の［数式２］のように表現されてよい。
Figure 2022179295000003
数式２で、ＯＲ（ｏｐｅｎ ｒａｔｉｏ）は、第２バルブ４０の開度量を示す。ＣＫは、第２バルブ４０の開度量を決定するために用いられる補正係数を意味し得る。燃料電池システムは、補正係数の設定を介して燃料電池スタック１０入口の第１冷却水温度Ｔ３がより細やかに目標温度に達するように、第２バルブ４０の開度量を決定することができる。
燃料電池システムは、Ｔ３が目標温度Ｔ３ｃを満たすように、第２バルブ４０の開度量（ＯＲ）を下記の［数式３］により算出することができる。
Figure 2022179295000004
図５は、多様な実施形態による燃料電池システムのブロック図を示す。図５に示された構成は、ハードウェア装置であるか、命令語を含むプログラム（又は、アプリケーション）であってよい。
図５を参照すると、第１温度センサー５１２、第２温度センサー５１４、及び第３温度センサー５１６それぞれは、図１の第１温度センサー１１２、第２温度センサー１１４、及び第４温度センサー１１８と同一又は類似の構造を有し、同一又は類似の機能を行うことができる。バルブ５３２、ポンプ５３４、及び冷却ファン５３６は、それぞれ図１の第２バルブ４０、第１ポンプ３０、及び冷却ファン８０と同一又は類似の構造を有し、同一又は類似の機能を行うことができる。
制御部５２０は、プロセッサー（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）やＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）のようなハードウェア装置であるか、又はプロセッサーにより具現されるプログラムであってよい。制御部５２０は、複数の温度センサー５１２、５１４、５１６、バルブ５３２、ポンプ５３４、及び冷却ファン５３６と連結され、冷却水温度を制御するための燃料電池システムの全般的な機能を行うことができる。このために、制御部５２０は、補正係数設定部５２２、開度量算出部５２４、バルブ制御部５２６、ポンプ制御部５２８、及び冷却ファン制御部５３０を含むことができる。制御部５２０に含まれたそれぞれの構成は別途存在するか、一つの統合されたモジュールに具現され得る。
補正係数設定部５２２は、バルブ５３２の開度量制御のための補正係数を設定することができる。例えば、補正係数設定部５２２は、補正係数の初期値を１に設定し、第１温度センサー５１２を介して測定された燃料電池スタック１０入口の冷却水温度と目標温度との間の差に基づいて、補正係数を調節することができる。
開度量算出部５２４は、第２温度センサー５１４を介して測定された燃料電池スタック１０出口の冷却水温度、第３温度センサー５１６を介して測定された第１ラジエーター６０出口の冷却水温度、既設定された目標温度、及び補正係数に基づいて、バルブ５３２の開度量を算出することができる。例えば、開度量算出部５２４は、前述した数式３を用いてバルブ５３２の開度量を算出することができる。
バルブ制御部５２６は、開度量算出部５２４により決定された開度量に応じてバルブ５３２の開度を調節し、ポンプ制御部５２８及び冷却ファン制御部５３０は、それぞれポンプ５３４及び冷却ファン５３６の回転数を制御することができる。
図６は、多様な実施形態によりバルブの開度量及び補正係数を制御するための動作フロー図を示す。以下で説明される動作は、燃料電池システムにより具現されるか、又は燃料電池システムに含まれた構成（例：制御部５２０）により具現され得る。
図６を参照すると、動作６１０において、制御部５２０は、燃料電池スタック１０入口の目標温度とバルブ５３２の開度量制御のための補正係数を設定することができる。
動作６２０において、制御部５２０は、燃料電池スタック１０出口の冷却水温度（以下、「第１冷却水温度」と参照され得る）と第１ラジエーター６０出口の冷却水温度（以下、「第２冷却水温度」と参照され得る）を測定することができる。
動作６３０において、制御部５２０は、第１冷却水温度、第２冷却水温度、目標温度、及び補正係数に基づいてバルブ開度量を算出することができる。
動作６４０において、制御部５２０は、算出された開度量が指定された範囲（例：０超過１以下）以内であれば、燃料電池スタック入口の冷却水温度（以下、「第３冷却水温度」と参照され得る）と目標温度との間の比較に基づいて補正係数を補正することができる。
図７は、多様な実施形態によりバルブの開度量及び補正係数を制御するためのより細部的な動作フロー図を示す。
図７を参照すると、動作７０５において、制御部５２０は、補正係数を設定することができる。例えば、制御部５２０は、補正係数の初期値を１に設定することができる。
動作７１０において、制御部５２０は、目標温度を設定し、第１、第２冷却水温度を測定することができる。
動作７１５において、制御部５２０は、第１、第２冷却水温度、目標温度、及び補正係数に基づいてバルブ５３２の開度量を算出することができる。
動作７２０において、制御部５２０は、算出された開度量が１を超過するか否かを確認することができる。
開度量が１を超過すると、制御部５２０はこれ以上バルブ５３２の開度を介して第３冷却水温度を目標温度まで制御することができないので、動作７２５において、ポンプ５３４及び冷却ファン５３６の回転数を制御することができる。
開度量が１を超過しないと、動作７３０において、制御部５２０は、開度量が０であるか否かを確認することができる。開度量が０であれば、制御部５２０は、バルブ５３２を開度せず（閉まった状態）動作７０５ないし動作７２０を繰り返すことができる。例えば、燃料電池システムが初期昇温過程である時、第３冷却水温度が目標温度より小さいので、制御部５２０は、バルブ５３２を開度する必要がない可能性がある。
開度量が１を超えず０でなければ、動作７３５において、制御部５２０は、第３冷却水温度が目標温度と同一であるか否かを確認することができる。他の例として、制御部５２０は、第３冷却水温度が目標温度と同一でなくても、差が指定された範囲（例：１％）以内であるか否かを確認することができる。第３冷却水温度が目標温度と同一であるか、差が指定された範囲以内であれば、制御部５２０は、補正係数を補正することなく、動作７０５ないし７２０を繰り返すことができる。
第３冷却水温度と目標温度との間の差が指定された範囲を超えると、動作７４０において、制御部５２０は、目標温度が第３冷却水より大きいか否かを確認することができる。目標温度がより大きいと制御部５２０は補正係数を減少させ（動作７４５）、逆に目標温度がより小さいと制御部５２０は補正係数を増加させることができる（動作７５０）。

Claims (12)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックを経由する第１冷却水が循環される第１冷却ラインと、
    前記第１冷却ライン上に配置され、前記第１冷却水を冷却させるように設定された第１ラジエーターと、
    前記第１冷却水の流動経路を前記燃料電池スタック又は前記第１ラジエーターに切り替えるように設定されたバルブと、
    前記バルブと連結される制御部と、を含み、前記制御部は、
    前記燃料電池スタック入口の目標温度と前記バルブの開度量制御のための補正係数を設定し、
    前記燃料電池スタック出口の第１冷却水温度と前記第１ラジエーター出口の第２冷却水温度を測定し、
    前記第１冷却水温度、前記第２冷却水温度、前記目標温度、及び前記補正係数に基づいて前記バルブの開度量を算出し、
    前記開度量が指定された第１範囲以内であれば、前記燃料電池スタック入口の第３冷却水温度と前記目標温度との間の比較に基づいて前記補正係数を補正するように設定された、燃料電池システム。
  2. 前記制御部は、
    前記第３冷却水温度と前記目標温度との間の差が指定された第２範囲以内であれば、前記補正係数を以前値と同一に設定し、
    前記第３冷却水温度と前記目標温度との間の差が前記第２範囲を超え、前記目標温度が前記第３冷却水温度より大きいと、前記補正係数を減少させ、及び
    前記第３冷却水温度と前記目標温度との間の差が前記第２範囲を超え、前記目標温度が前記第３冷却水温度より小さいと、前記補正係数を増加させるように設定された、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池スタック入口に配置される第１温度センサーと、
    前記燃料電池スタック出口に配置される第２温度センサーと、
    前記ラジエーターの出口に配置される第３温度センサーと、をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記第１冷却ライン上に配置され、前記第１ラジエーターに外気を送風するように設定された冷却ファンと、
    前記第１冷却ライン上に配置され、前記第１冷却水をポンピングするように設定されたポンプと、をさらに含み、
    前記制御部は、
    前記開度量が前記第１範囲を超えると、前記冷却ファン及び前記ポンプのうち少なくとも一つの回転数を制御するように設定された、請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御部は、
    前記冷却ファンの回転数の減少及び前記ポンプの回転数の増加により、前記第３冷却水温度が前記目標温度に達しながら、消費電力の合計が最小になるように、前記冷却ファンの回転数及び前記ポンプの回転数を制御するように設定され、ここで、前記消費電力の合計は、前記冷却ファンの回転数に対応する消費電力及び前記ポンプの回転数に対応する消費電力の合計を示す、請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記制御部は、
    前記バルブの開度量を制御するバルブ制御部と、
    前記冷却ファンの回転数を制御する冷却ファン制御部と、
    前記ポンプの回転数を制御するポンプ制御部と、を含む、請求項４に記載の燃料電池システム。
  7. 前記バルブ制御部、前記冷却ファン制御部、及び前記ポンプ制御部は、一つのモジュールに統合された、請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 電装部品を経由する第２冷却水が循環される第２冷却ラインと、
    前記第２冷却ライン上に配置され、前記第２冷却水を冷却させるように設定された第２ラジエーターと、
    前記第１冷却水及び前記第２冷却水を熱交換するように設定された熱交換器と、をさらに含み、
    前記冷却ファンは、前記第１ラジエーター又は前記第２ラジエーターのうち少なくとも一つを冷却させるように設定された、請求項１に記載の燃料電池システム。
  9. 燃料電池スタックを含む燃料電池システムの動作方法であって、
    前記燃料電池スタック入口の目標温度とバルブの開度量制御のための補正係数を設定する動作と、
    前記燃料電池スタック出口の第１冷却水温度と第１ラジエーター出口の第２冷却水温度を測定する動作と、
    前記第１冷却水温度、前記第２冷却水温度、前記目標温度、及び前記補正係数に基づいて前記バルブの開度量を算出する動作と、
    前記開度量が指定された第１範囲以内であれば、前記燃料電池スタック入口の第３冷却水温度と前記目標温度との間の比較に基づいて前記補正係数を補正する動作と、を含む、方法。
  10. 前記補正係数を補正する動作は、
    前記第３冷却水温度と前記目標温度との間の差が指定された第２範囲以内であれば、前記補正係数を以前値と同一に設定する動作と、
    前記第３冷却水温度と前記目標温度との間の差が前記第２範囲を超え、前記目標温度が前記第３冷却水温度より大きいと、前記補正係数を減少させる動作と、
    前記第３冷却水温度と前記目標温度との間の差が前記第２範囲を超え、前記目標温度が前記第３冷却水温度より小さいと、前記補正係数を増加させる動作と、を含む、請求項９に記載の方法。
  11. 前記開度量が前記第１範囲を超えると、冷却ファン及びポンプのうち少なくとも一つの回転数を制御する動作と、をさらに含む、請求項９に記載の方法。
  12. 前記冷却ファン及び前記ポンプのうち少なくとも一つの回転数を制御する動作は、
    前記冷却ファンの回転数の減少及び前記ポンプの回転数の増加により、前記第３冷却水温度が前記目標温度に達しながら、消費電力の合計が最小になるように、前記冷却ファンの回転数及び前記ポンプの回転数を制御する動作と、を含み、ここで、前記消費電力の合計は、前記冷却ファンの回転数に対応する消費電力及び前記ポンプの回転数に対応する消費電力の合計を示す、請求項１１に記載の方法。
JP2021190520A 2021-05-21 2021-11-24 燃料電池システムで冷却水温度を制御するための方法 Pending JP2022179295A (ja)

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