JP2022179296A - 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

Abstract

【課題】電装部品の熱管理を効率的に制御して冷却性能を確保し、電装部品の寿命低下を防止する。
【解決手段】制御部３２０は、燃料電池スタック入口の冷却水温度と第１外気温に基づいて冷却ファンの回転数を決定し、複数の電装部品の消費電力に基づいて前期電装部品の目標冷却性能を決定し、及び前記電装部品の目標冷却性能、前記冷却ファンの回転数、及び第２外気温に基づいて第２ポンプの回転数を決定するように設定される。
【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。

燃料電池システムを含む車両の走行時に燃料電池の高出力が要求される一方、走行風により燃料電池が冷却され得る。一方、建設機械は、停車時にもレベリングやローディングのような作業を行うので、燃料電池や電装部品で高出力が要求されるが、走行風が実質的にないので、全体の冷却量が不足する可能性がある。冷却量が不足すると、冷却水の温度が上昇し、これは、燃料電池と電装部品の安全性及び耐久性に悪影響を与えることができる。

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冷却水をポンピングするように設定された第１ポンプ、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、複数の電装部品、前記複数の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、前記第２冷却ライン上に配置され、前記第２冷却水をポンピングするように設定された第２ポンプ、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、前記第１ラジエーター及び前記第２ラジエーターのうち少なくとも一つに外気を送風するように設定された冷却ファン、及び前記第１ポンプ、前記第２ポンプ、及び前記冷却ファン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冷却水温度と第１外気温に基づいて冷却ファンの回転数を決定し、前記複数の電装部品の消費電力に基づいて電装部品の目標冷却性能を決定し、及び前記電装部品の目標冷却性能、前記冷却ファンの回転数、及び第２外気温に基づいて第２ポンプの回転数を決定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、燃料電池スタック入口の冷却水温度と第１外気温に基づいて冷却ファンの回転数を決定する動作、複数の電装部品の消費電力に基づいて電装部品の目標冷却性能を決定する動作、及び前記電装部品の目標冷却性能、前記冷却ファンの回転数、及び第２外気温に基づいて、前記複数の電装部品を経由する冷却水をポンピングするように設定されたポンプの回転数を決定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、燃料電池の高出力を保障すると同時に、安全性と耐久性を確保することができる。

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、電装部品の熱管理を効率的に制御して冷却性能を確保し、電装部品の寿命低下を防止することができる。

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冷却水温度を管理するための燃料電池システムの動作フローを示す。 多様な実施形態によりポンプの回転数を決定するための動作フロー図を示す。 多様な実施形態により目標冷却性能を決定するための動作フロー図を示す。 多様な実施形態によりポンプの回転数及び冷却ファンの回転数を決定するための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。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、及び第３温度センサー１１６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。このような冷却ファン８０の構造は、「デュアルタイプ」と参照され得る。

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。このような冷却ファン８０、８５の構造は、「マルチタイプ」と参照され得る。

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。

建設機械のように、停車時にも高出力が要求される車両の場合、電装部品２００の冷却性能を保障されなければならないので、実施形態による燃料電池システムは、冷却ファン８０又は８５の回転数、外気温、及び電装部品２００の目標冷却性能を考慮して、第２ポンプ２０５の回転数を決定することができる。また、燃料電池システムは、熱交換器３００の配置、冷却ファンの構造（例えば、デュアルタイプ又はマルチタイプ）、ラジエーター６０、７０の流入風量のうち少なくとも一つを考慮して第２ポンプ２０５の回転数を決定することにより、第１冷却ライン１１０と第２冷却ライン１２０とが共存する燃料電池システム内の冷却性能を最適化することができる。

図３は、多様な実施形態により燃料電池システムのブロック図を示す。図３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３を参照すると、温度測定部３１２は、図１乃至図２に示された温度センサー１１２、１１４、１１６のうち少なくとも一つを含むことができる。温度測定部３１２は、燃料電池スタック１０又は電装部品２００を経由する冷却水の温度を測定することができる。消費電力測定部３１４は、電装部品２００の消費電力を測定することができる。外気温測定部３１６は、燃料電池システムの外気温を指定された周期毎に測定することができる。

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３２０は、温度測定部３１２、消費電力測定部３１４、及び外気温測定部３１６を介して測定された情報に基づいて第１ポンプ３０、冷却ファン８０又は８５、及び第２ポンプ２０５の回転数を決定することができる。これを具現するために、制御部３２０は、第１目標冷却性能算出部３２１、第２目標冷却性能算出部３２２、冷却ファン制御部３２３、第１ポンプ制御部３２４、及び第２ポンプ制御部３２５を含むことができる。第１目標冷却性能算出部３２１は、燃料電池スタック１０の出力と効率に基づいて燃料電池スタック１０の目標冷却性能を算出することができる。第２目標冷却性能算出部３２２は、電装部品２００の消費電力及び非効率に基づいて電装部品２００の目標冷却性能を算出することができる。冷却ファン制御部３２３は冷却ファン８０又は８５の回転数を、第１ポンプ制御部３２４は第１ポンプ３０の回転数を、第２ポンプ制御部３２５は第２ポンプ２０５の回転数を決定することができる。実施形態において、制御部３２０に含まれた構成のそれぞれは、別途のモジュール、チップ、又はプログラムとして具現されるか、又は一つの統合されたモジュールに具現され得る。
図４は、多様な実施形態により冷却水温度を管理するための燃料電池システムの動作フローを示す。

図４を参照すると、制御部３２０は、燃料電池スタック１０入口の冷却水温度と外気温（第１外気温）に基づいて冷却ファン８０の回転数を決定し、電装部品２００の消費電力に基づいて電装部品２００の目標冷却性能を決定し、その後、再び測定された外気温（第２外気温）と冷却ファン８０の回転数、及び電装部品２００の目標冷却性能に基づいて第２ポンプ２０５の回転数を決定することができる。制御部３２０は、電装部品２００が目標冷却性能を満たすための第２冷却水の流量を決定し、決定された流量に基づいて第２ポンプ２０５の回転数を決定することができる。燃料電池システムがマルチタイプの冷却ファン８０、８５を含む場合、制御部３２０は、冷却ファン８５の回転数を用いて第２ポンプ２０５の回転数を決定することができる。

制御部３２０は、電装部品２００の目標冷却性能、冷却ファン８０の回転数、外気温、及び第２ポンプ２０５の回転数の関係を示すテーブル情報（例：ルックアップ（ｌｏｏｋ－ｕｐ）テーブル）をデータベースとして格納することができる。例えば、テーブル情報は、下記の［表１］で表現され得る。

［表１］において、目標冷却性能及び冷却ファンの回転数は、それぞれ０＜Ａ＜Ｂ、０＜ａ＜ｂの関係を有し得る。第２ポンプ２０５の性能は有限であるので、制御部３２０は、一定の水準以上の第２ポンプ２０５の回転数を最大回転数に設定し、これに反して、第２ポンプ２０５が一定の水準以下に回転すると、冷却性能に影響がないので、制御部３２０は、一定の水準以下の第２ポンプ２０５の回転数を最小回転数に設定することができる。外気温、目標冷却性能、及び冷却ファンの回転数を示す値は、離散的（ｄｉｓｃｒｅｔｅ）であるので、テーブル情報に示された値の間の値は、補間法（ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）で処理され得る。

制御部３２０は、燃料電池スタック１０の目標冷却性能と、第１ポンプ３０の回転数のうち少なくとも一つに基づいて冷却ファン８０の回転数を決定することができる。この場合、制御部３２０は、燃料電池スタック１０の出力及び効率に基づいて燃料電池スタック１０の目標冷却性能を決定し、決定された目標冷却性能と燃料電池スタック１０出口の冷却水温度に基づいて第１ポンプ３０の回転数を決定することができる。

制御部３２０は、電装部品２００の消費電力及び非効率に基づいて電装部品２００の目標冷却性能を決定することができる。例えば、第２目標冷却性能算出部３２２は、下記の［数式１］により電装部品２００の目標冷却性能（ｃｏｏｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ、ＣＰ）を決定することができる。

［数式１］において、ｐｏｗｅｒ_ｎは電装部品２００の構成（例：２１０、２２０、２３０、２４０、２５０）のそれぞれの消費電力を、１－Ｅｆｆｎは電装部品２００の構成のそれぞれの非効率を、ａは加重値を示す。Ｎは自然数であって、電装部品２００の構成個数に応じて変更され得る。

制御部３２０は、ラジエーター６０、７０が、冷却ファン８０を共有するデュアルタイプであっても、ラジエーター６０、７０それぞれの面積及び通気抵抗に応じてラジエーター６０、７０に流入される風量が異なる可能性があるので、実施形態による制御部３２０は、冷却ファン８０の回転数と第２ラジエーター７０の面積及び通気抵抗を考慮して第２ラジエーター７０の流入風量を算出し、算出された流入風量をさらに考慮して、第２ポンプ２０５の回転数を決定することができる。

第２ポンプ２０５の回転数が最大であれば、制御部３２０は、電装部品２００の冷却性能を保障するために、冷却ファン８０の回転数を増加させることができる。冷却ファン８０の回転数も最大であれば、燃料電池システムは、熱交換器３００をさらに含み、第１冷却水と第２冷却水とを熱交換することができる。

図５は、多様な実施形態によりポンプの回転数を決定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、燃料電池システム又は燃料電池システムの構成（例：制御部３２０）により具現され得る。

図５を参照すると、動作５１０において、制御部３２０は、燃料電池スタック１０入口の冷却水温度と第１外気温に基づいて冷却ファン８０の回転数を決定することができる。

動作５２０において、制御部３２０は、第２ラジエーター７０の面積及び通気抵抗に基づいて第２ラジエーター７０の流入風量を算出することができる。実施形態により、制御部３２０は動作５２０を省略してよい。

動作５３０において、制御部３２０は、消費電力に基づいて電装部品２００の目標冷却性能を決定することができる。

動作５４０において、制御部３２０は、電装部品２００の目標冷却性能、冷却ファン８０の回転数、及び第２外気温に基づいて第２ポンプ２０５の回転数を決定することができる。第２外気温は、第１外気温が測定された後に測定された外気温であってよい。

図６は、多様な実施形態により目標冷却性能を決定するための動作フロー図を示す。図６に示された動作は、図５の動作５３０の一例であってよい。

図６を参照すると、動作６１０において、制御部３２０は、電装部品２００の消費電力を測定することができる。電装部品２００は、複数の構成を意味し得、この場合、制御部３２０は、複数の電装部品２００のそれぞれの消費電力を測定することができる。

動作６２０において、制御部３２０は、測定された消費電力及び電装部品２００の非効率（１－効率）に基づいて電装部品２００のそれぞれの発熱量を算出することができる。

動作６３０において、制御部３２０は、算出されたそれぞれの発熱量を合算して、電装部品２００全体の目標冷却性能を決定することができる。

図７は、多様な実施形態によりポンプの回転数及び冷却ファンの回転数を決定するための動作フロー図を示す。

図７を参照すると、動作７１０において、制御部３２０は、外気温（例：第２外気温）を測定することができる。

動作７２０において、制御部３２０は、外気温及び冷却ファン８０の回転数に基づいて第２ポンプ２０５の回転数を決定することができる（例：図５の動作５４０）。

動作７３０において、制御部３２０は、決定された第２ポンプ２０５の回転数において、電装部品２００の冷却性能が目標冷却性能を満たすか否かを確認することができる。電装部品２００の冷却性能が目標冷却性能を満たす場合は、動作７４０において、制御３２０は、決定された第２ポンプ２０５の回転数及び冷却ファン８０の回転数を格納することができる。制御部３２０は、格納された回転数に基づいて第２ポンプ２０５及び冷却ファン８０の動作を制御することができる。

電装部品２００の冷却性能が目標冷却性能を満たさない場合は、動作７５０において、制御３２０は、第２ポンプ２０５の回転数が最大回転数以上であるか否かを確認することができる。第２ポンプ２０５の回転数が最大回転数未満であれば、制御部３２０は、動作７６０において、第２ポンプ２０５の回転数を増加させ、動作７１０乃至７３０を繰り返すことができる。第２ポンプ２０５の回転数が最大回転数以上であれば、制御部３２０は、動作７７０において、冷却ファン８０の回転数を増加させ、動作７１０乃至７３０を繰り返すことができる。

Claims (13)

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冷却水をポンピングするように設定された第１ポンプと、
   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、
   複数の電装部品と、
   前記複数の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冷却水をポンピングするように設定された第２ポンプと、
   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ラジエーター及び前記第２ラジエーターのうち少なくとも一つ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ポンプ、前記第２ポンプ、及び前記冷却ファン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冷却水温度と第１外気温に基づいて冷却ファンの回転数を決定し、
   前記複数の電装部品の消費電力に基づいて電装部品の目標冷却性能を決定し、及び
   前記電装部品の目標冷却性能、前記冷却ファンの回転数、及び第２外気温に基づいて第２ポンプの回転数を決定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２ラジエーターの面積及び通気抵抗にさらに基づいて前記ポンプの回転数を決定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。
3. 前記制御部は、
   前記複数の電装部品のそれぞれの消費電力を測定し、
   前記消費電力及び前記複数の電装部品のそれぞれの非効率に基づいて前記複数の電装部品のそれぞれの発熱量を算出し、及び
   前記発熱量を合算して前記電装部品の目標冷却性能を決定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。
4. 前記制御部は、
   前記第２ポンプの回転数において、電装部品の冷却性能が前記電装部品の目標冷却性能を満たす場合、前記第２ポンプの回転数及び前記冷却ファンの回転数を格納し、及び
   前記第２ポンプの回転数において、電装部品の冷却性能が前記電装部品の目標冷却性能を満たさない場合、前記第２ポンプの回転数又は前記冷却ファンの回転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。
5. 前記制御部は、
   前記第２ポンプの回転数が最大回転数未満であれば、前記第２ポンプの回転数を増加させ、及び
   前記第２ポンプの回転数が前記最大回転数以上であれば、前記冷却ファンの回転数を増加させるように設定された、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部は、
   前記燃料電池スタックの出力、前記燃料電池スタックの効率、及び第１ポンプの回転数のうち少なくとも一つにさらに基づいて前記冷却ファンの回転数を決定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。
7. 前記第１冷却ライン及び前記第２冷却ライン上に配置され、前記第１冷却水と前記第２冷却水を熱交換するように設定された熱交換器と、をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 燃料電池システムの動作方法であって、
   燃料電池スタック入口の冷却水温度と第１外気温に基づいて冷却ファンの回転数を決定する動作と、
   複数の電装部品の消費電力に基づいて電装部品の目標冷却性能を決定する動作と、
   前記電装部品の目標冷却性能、前記冷却ファンの回転数、及び第２外気温に基づいて前記複数の電装部品を経由する冷却水をポンピングするように設定されたポンプの回転数を決定する動作と、を含む、方法。
9. 前記冷却水を冷却するように設定されたラジエーターの面積及び通気抵抗にさらに基づいて前記ポンプの回転数を決定する動作と、をさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記電装部品の目標冷却性能を決定する動作は、
    前記複数の電装部品のそれぞれの消費電力を測定する動作と、
    前記消費電力及び前記複数の電装部品のそれぞれの非効率に基づいて前記複数の電装部品のそれぞれの発熱量を算出する動作と、
    前記発熱量を合算して前記電装部品の目標冷却性能を決定する動作と、を含む、請求項８に記載の方法。
11. 前記ポンプの回転数において、電装部品の冷却性能が前記電装部品の目標冷却性能を満たす場合、前記ポンプの回転数及び前記冷却ファンの回転数を格納する動作と、
    前記ポンプの回転数において、電装部品の冷却性能が前記電装部品の目標冷却性能を満たさない場合、前記ポンプの回転数又は前記冷却ファンの回転数を増加させる動作と、をさらに含む、請求項８に記載の方法。
12. 前記ポンプの回転数又は前記冷却ファンの回転数を増加させる動作は、
    前記ポンプの回転数が最大回転数未満であれば、前記ポンプの回転数を増加させる動作と、
    前記ポンプの回転数が前記最大回転数以上であれば、前記冷却ファンの回転数を増加させる動作と、を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記冷却ファンの回転数を決定する動作は、
    前記燃料電池スタックの出力、前記燃料電池スタックの効率、及び前記燃料電池を経由する冷却水をポンピングするように設定されたポンプの回転数のうち少なくとも一つ以上にさらに基づいて前記冷却ファンの回転数を決定する動作と、を含む、請求項８に記載の方法。

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