KR101575336B1 - Air and coolant circuit configurations and control of fuel cell systems as power source in automotive stationary and portable applications - Google Patents

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KR101575336B1 KR1020090034818A KR20090034818A KR101575336B1 KR 101575336 B1 KR101575336 B1 KR 101575336B1 KR 1020090034818 A KR1020090034818 A KR 1020090034818A KR 20090034818 A KR20090034818 A KR 20090034818A KR 101575336 B1 KR101575336 B1 KR 101575336B1
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Abstract

공기를 유입 받고, 열을 생성하고, 냉각수를 유입 받고, 유입 받은 냉각수를 냉각수 출구로 안내하고, 그리고 생성된 열을 유입 받은 냉각수에 전달하고, 그것에 의하여 냉각수가 열원 밖으로 안내됨에 따라 생성된 열을 열원으로부터 제거하도록 되어 있는 열원; 공기를 상기 열원에 공급하도록 되어 있는 공기 공급원; 공기 공급원으로부터 열원으로의 공기 공급을 열원으로부터의 동적 피드백 온도 특성에 기초하여 조절하도록 되어 있는 공기 공급 제어 장치; 냉각수를 상기 열원에 공급하도록 되어 있는 냉각수 공급원; 그리고 추정된 피드 포워드 열원 특성에 기초하여 냉각수 유량을 조절하도록 되어 있고, 동적 피드백 온도 특성에 기초하여 냉각수 온도를 조절하도록 되어 있는 냉각수 제어 장치를 포함하는 공기 및 냉각수 제어 장치.

Figure R1020090034818

The heat is generated, the heat is generated, the cooling water is introduced, the introduced cooling water is guided to the cooling water outlet, and the generated heat is transferred to the introduced cooling water, whereby the heat generated as the cooling water is guided out of the heat source A heat source adapted to be removed from the heat source; An air supply source adapted to supply air to the heat source; An air supply control device adapted to regulate air supply from an air source to a heat source based on dynamic feedback temperature characteristics from a heat source; A cooling water supply source adapted to supply cooling water to the heat source; And a cooling water control device adapted to regulate the cooling water flow rate based on the estimated feed-forward heat source characteristics and adapted to regulate the cooling water temperature based on the dynamic feedback temperature characteristic.

Figure R1020090034818

Description

공기와 냉각수 회로 형상 및 차량용, 고정용, 휴대용 장치의 동력원인 연료전지 시스템 제어{AIR AND COOLANT CIRCUIT CONFIGURATIONS AND CONTROL OF FUEL CELL SYSTEMS AS POWER SOURCE IN AUTOMOTIVE, STATIONARY, AND PORTABLE APPLICATIONS} BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention [0001] The present invention relates to a fuel cell system, a fuel cell system, a fuel cell system, and a fuel cell system.

본 발명은 연료 전지 장치 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 장치의 공기 및 냉각수 특성들을 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 차량 분야에 적합하나, 이와 동일하게 다른 분야에도 적합하다. 더 나아가, 본 발명은 특히 연료 전지 장치에 적합하나, 이와 동일하게 열을 발생시키는 다른 동력원에도 적합하다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell device field, and more particularly, to an apparatus and method for controlling air and cooling water characteristics of a fuel cell device. The present invention is particularly suitable for the vehicle field, but is also suitable for other fields as well. Furthermore, the present invention is particularly suitable for fuel cell devices, but is also suitable for other power sources that generate heat as well.

PEM(Polymer Electolyte Membrane) 연료 전지 스택(stack)의 공기 유량 및 온도 제어는 상기 스택의 성능과 내구성을 위하여 결정적인 문제이다. 급작스런 전류 변화에서 산소의 불충분한 공급은 촉매 내에 산소 부족을 야기시킬 수 있고, 필요한 동력을 충분히 만들어낼 수 없다. 발생된 열의 부적절한 저지는 층들 사이에 과열점을 야기하거나 상기 층들에 열적으로 응력을 가하게 되는데, 이는 상기 스택의 수명을 단축시킨다. 따라서, 전지 내에서 반응물과 온도는 상기 스택의 작동 한 계를 유지함과 함께 가능한 한 최적의 성능을 유지함으로써 관리되어야 한다.PEM (Polymer Electrolyte Membrane) Air flow and temperature control of the fuel cell stack is a critical issue for the performance and durability of the stack. Insufficient supply of oxygen at sudden current changes can cause oxygen deficiency in the catalyst and can not produce the necessary power sufficiently. Inadequate blocking of the generated heat causes an overheating point between the layers or thermally stresses the layers, which shortens the lifetime of the stack. Therefore, the reactants and temperature in the cell must be managed by maintaining the performance of the stack as well as maintaining the best possible performance.

온도는 부하 전류가 변함에 따라 연속적으로 변화한다. 온도는 물체의 열응력뿐만 아니라 화학 반응과 수분 이동에 직접적으로 영향을 끼친다. 동력 장치의 성능과 내구성을 향상시키는 것은 중요한 문제이다. 역으로, 상승된 온도는 촉매 내에서 생성된 물의 제거를 용이하게 하고, 막 내에서 수증기의 이동성을 증가시킬 수 있는데, 이는 과전위를 완화시켜준다. 게다가, 전기 냉각수 펌프를 작동시키기 위하여 필요한 소모 동력을 줄이는 것은 동력 장치의 효율을 확보할 수 있게 한다. 따라서, 온도 제어 전략의 개발은 신뢰할만한 작동과 함께 성능을 향상시켜야 하는 걱정을 해결하기 위한 주요한 관심사이다. The temperature changes continuously as the load current changes. Temperature directly affects thermal stresses of objects as well as chemical reactions and moisture transfer. Improving the performance and durability of power units is an important issue. Conversely, elevated temperatures can facilitate the removal of water produced in the catalyst and increase the mobility of water vapor within the membrane, which alleviates overvoltage. In addition, reducing the power consumption required to operate the electric cooling water pump makes it possible to ensure the efficiency of the power plant. Therefore, the development of temperature control strategies is a major concern to address concerns that need to improve performance with reliable operation.

이 명세서를 통하여 다음의 명칭(알파벳들, 윗첨자들, 아래첨자들, 그리스 기호 등)이 사용된다. Throughout this specification, the following names (alphabets, superscripts, subscripts, Greek symbols, etc.) are used.

A 면적 m2 Area A m 2

C 질량 농도 kg·m-3 C Mass Concentration kg · m -3

Cp 비열 W·m-2·℃-1 Cp Specific heat W · m -2 · ° C -1

F 패러데이 상수 F Faraday constant

Fr 라디에이터 전면 면적 m2 Fr Radiator Overall area m 2

i 전류 밀도 A·m-2 i Current density A · m -2

J 회전 관성 kg·m2 J Rotational inertia kg · m 2

m 질량 kgm mass kg

M 몰 질량 kg·mol-1 M mol mass kg · mol -1

N 몰 플럭스 mol·s-1·m-3 N molar flux mol · s -1 · m -3

n 개수n number

p (부분)압력 Pap (partial) Pressure Pa

Q 열전달 JQ heat transfer J

R 기체 상수R gas constant

R 저항 ΩR resistance Ω

s 엔트로피 J·mol-1·K-1 s entropy J · mol -1 · K -1

t 두께 mt thickness m

T 온도 KT temperature K

w 질량 플럭스 kgw mass flux kg

amb 주위around amb

an 애노드an anode

bl 송풍기bl blower

c 냉각수c cooling water

ca 캐소드ca cathode

catl 촉매층catl catalyst layer

cond 전도cond conduction

conv 대류conv convection

cv 검사 체적cv Inspection volume

diff 확산diffusion diff

elec 전기의elec electric

g 가스g gas

i 모터i motor

membr 막층membrane membrane layer

pl 연관류 pl associative flow

rad 라디에이터rad radiator

res 저장소res store

s 스테이터s stator

sou 소스sou sauce

st 스택st stack

ε 기공률ε porosity

τ 비틀림, 토크τ torsion, torque

λ 수분 함량, 비율λ moisture content, ratio

ρ 밀도 kg·m-3 ρ density kg · m -3

ω 각속도 rad·s-1 ω angular velocity rad · s -1

η 효율η Efficiency

다발 이음 V·s·rad-1 Bundle joint V · s · rad -1

PEM 연료 전지는 전기 동력을 생성하고 화학 반응의 부산물로서 열과 물(예를 들어, 산소와 수소)을 방출하는 화학 장치이다. 따라서, 연료 전지는 대기 오염과는 무관한 것으로 여겨지며, 이것이 PEM 연료 전지를 미래의 차량 및 고정 장비 분야에서 잠재적이고 대체적인 동력원으로 생각하도록 한다. PEM fuel cells are chemical devices that generate electrical power and release heat and water (for example, oxygen and hydrogen) as a by-product of chemical reactions. Thus, fuel cells are considered to be independent of air pollution, which makes PEM fuel cells a potential and alternative power source for future vehicle and stationary equipment.

종래의 동력원을 대체하기 위하여, 연료 전지 장치는 성능, 효율 그리고 신뢰성에 대하여 분석되고 평가되어야 한다. PEM 연료 전지의 특성은 반응물과 부산물의 이동, 전기 화학 반응에 이나 전지를 지나가는 전류에 의해 생성되는 열의 처리, 그리고 적당한 전해질 전도성을 유지하기 위한 습도의 제어를 포함하는 인자들과 상호 관계를 갖고 있다. In order to replace conventional power sources, fuel cell devices must be analyzed and evaluated for performance, efficiency, and reliability. The properties of PEM fuel cells are correlated with factors including the transport of reactants and byproducts, the treatment of heat generated by an electric current through an electrochemical reaction or through the cell, and the control of humidity to maintain proper electrolyte conductivity .

연료 전지 주변 장치(Balance-Of-Plant; BOP)는 반응물을 공급하고, 생성된 열을 제거하고, 생성된 물을 관리하고, 그리고 액츄에이터를 제어하는 장치 부품들의 그룹이다. 도 1에 도시된 종래의 PEM 연료 전지 장치(100)와 같은 PEM 연료 전지 장치를 작동시키기 위하여 필요한 전형적인 구성 요소들은 연료를 저장하기 위한 수소 탱크(110)와 에어 컴프레서 또는 송풍기(120)이며, 그것들은 각각 대응하는 입구/출구 매니폴드들(115, 125, 185, 195)을 구비하고 있다. 상기 수소 탱 크(110)와 상기 송풍기(120)는 PEM 연료 전지(140)와 유체가 흘러가도록 결합되어 있다. 상기 장치(100)는 또한 축축한 산소를 공급하는 가습기(130), 바이패스 밸브(150), 팬을 구비한 라디에이터(160), 유체 저장소(170), 냉각수 펌프(180), 그리고 생성된 열을 적절하게 처리하기 위한 몇 개의 제어 밸브들(113, 123, 187, 197)과 제어기들을 포함하고 있다. Fuel cell peripherals (BOPs) are a group of device components that supply reactants, remove generated heat, manage the generated water, and control the actuator. Typical components needed to operate a PEM fuel cell device, such as the conventional PEM fuel cell device 100 shown in Figure 1, are a hydrogen tank 110 for storing fuel and an air compressor or blower 120, Respectively, have corresponding inlet / outlet manifolds 115, 125, 185, 195, respectively. The hydrogen tank 110 and the blower 120 are connected to the PEM fuel cell 140 so that a fluid flows. The apparatus 100 also includes a humidifier 130 that supplies moist oxygen, a bypass valve 150, a radiator 160 with a fan, a fluid reservoir 170, a coolant pump 180, Several control valves 113, 123, 187, and 197 for proper processing, and controllers.

연료 전지 동력 장치를 제어하기 위해서는 다른 BOP 구성 요소들과 상호 작용하는 스택들의 동적 거동들을 잘 이해하고 있어야 한다. 장치의 복잡성 때문에, 효율적으로 설계하고 효율적으로 제어기들을 평가하기 위하여 동적 모델이 사용된다. PEM 연료 전지 스택, 공기 공급기, 그리고 열적 장치를 위한 모델은 아래에 간략하게 기재하였다. In order to control the fuel cell power system, it is necessary to understand the dynamic behavior of the stacks interacting with other BOP components. Because of the complexity of the device, a dynamic model is used to efficiently design and efficiently evaluate the controllers. Models for PEM fuel cell stacks, air feeders, and thermal devices are briefly described below.

대부분의 연료 전지 모델들은, PEM 연료 전지의 물리적 거동을 기술하고 있는데, 특별한 성극 특성의 곡선에 맞추어진 실험식이나 질량과 전하 이동을 풀기 위한 전산 유체 동역학(Computational Fluid Dynamics; CFD)에 기초하고 있다. 전자는 공기 공급 장치를 위한 제어기의 설계에 제안되었다. 전지에서 필요로 하는 동역학은 전극과 전해질 사이의 경계에 있는 이중층의 충전 및 방전 거동을 반영함으로써 향상되었다. 그러나, 상기 모델은 유동 통로를 통해 그리고 전류가 가해지는 전지에서 일어나는 기체와 온도 동역학을 완전하게 포함하고 있지 못하다. 게다가, 화학 반응율에 영향을 끼치는 네트 압력에 영향을 끼치고 과전위를 증가시키는 가스 확산층(Gas Diffusion Layer; GDL)의 기공들을 따라 부분압의 강하를 고려하지 않았다. 수분 제거를 용이하게 하고 화학 반응을 증가시키며, 결과적으로 전지 의 출력 전압에 영향을 끼치는 온도 상승은 고려되지 않았다. Most fuel cell models describe the physical behavior of a PEM fuel cell, which is based on empirical equations that fit the curve of a particular stiffness characteristic, or computational fluid dynamics (CFD) to solve mass and charge transfer. The former was proposed in the design of the controller for the air supply. The dynamics required in the cell were improved by reflecting the charging and discharging behavior of the bilayer at the interface between the electrode and the electrolyte. However, the model does not completely contain the gas and temperature dynamics that occur in the flow path and in the current-carrying cell. In addition, we did not consider the partial pressure drop along the pores of the Gas Diffusion Layer (GDL), which affects the net pressure affecting the chemical reaction rate and increases the overvoltage. The temperature rise that facilitates moisture removal and increases the chemical reaction and consequently affects the output voltage of the battery is not considered.

한편, CFD에 기초한 모델은 질량과 전하의 이동 메커니즘과 하나의 전지에서 그것들의 공간적인 분포를 분석하기 위하여 널리 사용되었으나, BOP와 전원 장치의 구성 요소들과 함께 스택의 동역학적 특성을 나타내는 데에 제한되었다. 게다가, 언스테디(unsteady) 분석을 위해 필요한 계산 시간의 기하급수적인 증가는 스택을 위한 모델의 응용을 방해한다. On the other hand, CFD-based models have been widely used to analyze the mass and charge transfer mechanisms and their spatial distribution in a single cell, but with the BOP and the components of the power supply, Limited. In addition, the exponential increase in computation time required for unsteady analysis hampers the application of the model for the stack.

이 명세서에서 사용되는 모델은 실험식에 기초하고 세 가지 주요한 효과 -후술한 바와 같이 막에서의 수분 균형, 가스 확산층에서의 기체 동역학, 및 전지에서의 온도 분포-를 고려하였다. The models used in this specification are based on empirical formulas and take into account three major effects: moisture balance in the membrane, gas dynamics in the gas diffusion layer, and temperature distribution in the cell as described below.

전지는 층들을 구성하는 각 모델들의 연결에 의하여 형성된다. I-V 특성은 개회로 전압과 막에서의 저항 과전위, 캐소드 측의 촉매에서 구동기 과전위, 및 농도 과전위를 포함하는 과전위 사이의 차이를 통하여 구해진다. 하나의 전지를 위한 관계식은 반응물 부분압, 온도, 전류 및 막 수분 함량과 같은 물리적 파라미터들의 함수로 쓰여진다. 스택의 출력 특성은 하나의 전지의 출력과 전지 개수의 곱에 의하여 추정된다. The cell is formed by the connection of each model constituting the layers. The I-V characteristics are determined by the difference between the open-circuit voltage and the resistance and potential at the membrane, the driver over-current at the cathode-side catalyst, and the over-potential including the concentration over-potential. The relationship for one cell is written as a function of physical parameters such as reactant partial pressure, temperature, current and film moisture content. The output characteristics of the stack are estimated by multiplying the output of one cell by the number of cells.

Figure 112009024172010-pat00001
Figure 112009024172010-pat00001

연료 전지 장치의 동역학은 공기와 물의 질량 흐름을 포함한다. 공급된 공기는 기체 흐름 경로와 촉매에 도달하기 전 GDL을 통하여 흘러가고, 동시에 가습기로 부터 수분을 흡수한다. 촉매에서 생성된 물은 막을 통하여 확산된다. 상기 막에서는 양자가 애노드 측에서 캐소드 측으로 수분을 흡수한다. 화학 반응과 전하 이동에 의하여 생성된 열은 전지 내의 온도를 상승시킨다. 이러한 변화의 모든 것들이 전지의 동역학적 거동에 영향을 끼친다. 동역학의 더욱 많은 개선이 다음의 세 가지 효과를 고려하여 만들어진다. 1) 막에서의 수분 동역학, 2) GDL에서의 부분압 강하, 및 3) 온도 변화.The dynamics of a fuel cell system include mass flow of air and water. The supplied air flows through the GDL before reaching the gas flow path and the catalyst, at the same time absorbing moisture from the humidifier. The water produced in the catalyst is diffused through the membrane. In the film, both absorb moisture from the anode side to the cathode side. The heat generated by the chemical reaction and charge transfer elevates the temperature in the cell. All of these changes affect the dynamic behavior of the cell. More improvements in dynamics are made taking into account the following three effects: 1) moisture kinetics in the membrane, 2) partial pressure drop in the GDL, and 3) temperature change.

막에서의 수분 함량은 양자 전도성을 결정한다. 수분 함량의 동력학은, 애노드와 캐소드에서 서로 다른 전기화학 전위에 의한 전기 삼투 구동력과, 상기 애노드와 캐소드의 경계에서 수분 농도 기울기에 의하여 유발되는 확산, 이 두 개의 효과로 설명된다. 막층의 경계에서 흘러가는 수분 질량을 고려하여, 막의 수분 농도 동력학은 다음의 식으로 발전되었다. 여기에서, C는 질량 농도(kg·m-3), M은 몰 질량(kg·mol-1), b는 파라미터(참고서적 P.C. and Wasynczuk. (1989) O, Electrochemical Motion Devices, first ed., McGraw-Hill Book Company, New York에 주어짐), ρ는 막 건조 밀도, 그리고 Acell은 연료 전지 면적(m2)이다. The moisture content in the film determines the proton conductivity. The kinetics of the moisture content are explained by the two effects of electroosmotic driving force due to different electrochemical potentials at the anode and the cathode and diffusion caused by the moisture concentration gradient at the boundary between the anode and the cathode. Considering the water mass flowing from the boundary of the film layer, the dynamics of film moisture concentration was developed to the following equation. Here, C is the mass concentration (kg · m -3 ), M is the molar mass (kg · mol -1 ), b is the parameter (reference PC and Wasynczuk. (1989) O, Electrochemical Motion Devices, McGraw-Hill Book Company, New York), ρ is the membrane dry density, and A cell is the fuel cell area (in m 2 ).

Figure 112009024172010-pat00002
Figure 112009024172010-pat00002

전지에 들어오는 반응물은 촉매 층에 도달하기 전에 GDL을 통하여 확산되고, 반응물의 전체 동력학에 중대한 영향을 미친다. 이러한 확산 효과는 아래와 같은 질량 연속성과 Stefan-Maxwell 방정식을 사용함으로써 반영된다.  Reactants entering the cell diffuse through the GDL before reaching the catalyst bed, and have a significant impact on the overall kinetics of the reactants. This diffusion effect is reflected by using the following mass continuity and the Stefan-Maxwell equation.

Figure 112009024172010-pat00003
Figure 112009024172010-pat00003

여기에서, i, k∈(1,3)는 각 종류의 부분압을 합하기 위한 것으로, p1은 산소 부분압, p2=psat(T), 그리고 p3는 수증기와 질소의 부분압을 각각 의미하고, 확산 계수 pcaDik는 캐소드 압력 pca를 포함한다. 파라미터 τ와 εg는 GDL의 기공 곡률을 나타내기 위한 상수이다. Here, i, k∈ (1,3) are for summing partial pressure of each kind, p 1 is oxygen partial pressure, p 2 = p sat (T), and p 3 is partial pressure of steam and nitrogen , And the diffusion coefficient p ca D ik includes the cathode pressure p ca. The parameters τ and ε g are constants to represent the pore curvature of the GDL.

만약 전지가 열물성이 등방성이고 일정한 정육면체층이 모여 이루어졌다면, 에너지 보존 법칙에 따라서, 검사 체적에서의 전체 에너지 변화는 경계와 내부 에너지원에서 에너지 교환의 합계와 같다. 사실, 경계에서 에너지 교환은 a) 전지를 가로지르는 전도와 b) 냉각수를 가지는 양극판, 반응물, 그리고 물 사이의 대류, 이 두 가지 요인에 의하여 일어난다. 열동력학적 거동은 이에 따라 다음의 에너지 보존 법칙으로 나타날 수 있다. If the cell is isotropic in thermal properties and is made up of regular cubic layers, then according to the law of conservation of energy, the total energy change in the test volume is equal to the sum of energy exchange in the boundary and internal energy sources. In fact, energy exchange at the boundary occurs by a) conduction across the cell and b) bipolar plates with cooling water, reactants, and convection between the water and the two factors. The thermodynamic behavior can thus be represented by the following energy conservation laws.

Figure 112009024172010-pat00004
Figure 112009024172010-pat00004

내부 에너지원은 엔트로피 손실과 두 개의 촉매층에서 과전위 장벽을 양자가 극복하기 위하여 필요한 화학적 에너지로 구성된다. 또한, 다른 것들은 전지 내에서 전자와 양자의 이동에 의하여 유발된 저항 손실이다. 내부 에너지원은 다음의 식에 의하여 나타난다. The internal energy source consists of the entropy loss and the chemical energy required to overcome the overvoltage barrier in the two catalyst beds. In addition, others are resistance losses caused by the movement of electrons and protons in the cell. The internal energy source is expressed by the following equation.

Figure 112009024172010-pat00005
Figure 112009024172010-pat00005

여기서, Δs는 -65.0(J·mol-1K-1)이고, νact는 참고문헌 Amphlett, J. C., Baumert, R. M., Mann, R. F., Peppley, B.A. and Roberge, P.R., (1995) Performance modeling of the Ballard Mark Ⅳ solider polymer electrolyte fuel cell, J. Elecrochem. Soc., 142 1 9-15에 주어져 있으며, Rmembr는 막 저항이다. Here, Δs is -65.0 (J · mol -1 K -1 ) and ν act is the model of the performance modeling of the Amphlett, JC, Baumert, RM, Mann, RF, Peppley, BA and Roberge, Ballard Mark IV solider polymer electrolyte fuel cell, J. Elecrochem. Soc., 142 1 9-15, and R membr is membrane resistance.

공기 공급 장치는 부하가 변함에 따라 계속적으로 공기를 연료 전지 스택에 공급하여야 한다. 상기 공기 공급 장치는, 공기 공급기, 가습기, 스택에서 압력을 조절하는 레귤레이터를 가지는 입구 및 출구 매니폴드 등 네 개의 하위 장치로 구성된다. The air supply must continuously supply air to the fuel cell stack as the load changes. The air supply device consists of four sub-devices, an air supply, a humidifier, an inlet and an outlet manifold with a regulator to regulate the pressure in the stack.

장치의 효율성 덕택에, 송풍기가 공기를 공급하기 위하여 널리 사용된다. 본명세서에서 가습기는 관련된 동력학이나 에너지 손실이 없는 이상적인 것으로 간략화한다. Thanks to the efficiency of the device, blowers are widely used to supply air. The humidifier herein simplifies to an ideal without any associated kinetics or energy loss.

송풍기는 통상적으로 전기 모터에 의하여 구동된다. 송풍기 장치의 동력학적 특징은 모터와 임펠러의 모든 관성 모멘트의 합과 모터에 의하여 생성되는 토크에 의하여 기술된다. 여기에서는, 모터에 의하여 생성되는 토크(τbl,m(J))는 스테이터 저항(Rs,bl,m(ohm)), 다발 이음(φbl,m(V·s·rad-1), 그리고 스테이터 전압(Vbl,m(V))과 함께 극의 개수(nbl,m,pl)의 함수이다. The blower is typically driven by an electric motor. The dynamic characteristics of the blower unit are described by the sum of all inertia moments of the motor and the impeller and the torque generated by the motor. Here, the torque τ bl, m (J) generated by the motor is determined by the stator resistance R s, bl, m (ohm), the bundle joint φ bl, m (V 揃 s 揃 rad -1 ) And is a function of the number of poles n bl, m, pl with the stator voltage V bl, m (V).

Figure 112009024172010-pat00006
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여기서, ω는 각속도(rad·s-1), J는 회전 관성(kg·m2), η는 효율, p는 압력(Pa), 그리고 ρ는 공기 밀도(kg·m-3)를 나타낸다. 공기 송풍기의 유량은 각속도와 압력의 함수로 나타나고, 효율은 유량과 각속도의 함수로 나타나는데, 다음과 같다. Where ω is the angular velocity (rad · s -1 ), J is the rotational inertia (kg · m 2 ), η is efficiency, p is pressure (Pa), and ρ is air density (kg · m -3 ). The flow rate of the air blower is a function of angular velocity and pressure, and the efficiency is expressed as a function of flow rate and angular velocity.

Figure 112009024172010-pat00007
Figure 112009024172010-pat00007

여기서,

Figure 112009024172010-pat00008
이다. here,
Figure 112009024172010-pat00008
to be.

송풍기의 파라미터들은 특성 데이터와 PADT(Phoenix Analysis & Design Technologies)의 명세서에서 추출되었는데, 상기 명세서는 유동 파라미터와 헤드 파라미터에 대한 전체 효율을 포함하고 있다. The parameters of the blower were extracted from the specification data and the specification of PADT (Phoenix Analysis & Design Technologies), which contains the overall efficiency for flow parameters and head parameters.

입구 및 출구 매니폴드 압력의 동적 특성은 질량 보존 방정식을 사용하여 다음과 같이 기술된다. The dynamic properties of the inlet and outlet manifold pressures are described as follows using the mass conservation equations.

Figure 112009024172010-pat00009
Figure 112009024172010-pat00009

열회로는 스택에서 발생된 과도한 열을 배출할 수 있어야 한다. 상기 회로는 냉각수가 파이패스되도록 하거나 주변 매체와 열을 교환하도록 라디에이터로 유입시키고, 열 대류의 효율성을 증가시키도록 팬으로 유입시키며, 그리고 냉각수를 저장하고 열적으로 절연시키도록 저장소로 유입시키는 삼방향 밸브를 포함한다. 마지막으로, 냉각 펌프는 냉각수를 열원에 공급하도록 되어 있다. The thermal circuit must be capable of discharging excess heat generated in the stack. The circuitry is configured to introduce cooling water into the fan to pump the cooling water into the radiator to exchange heat with the surrounding medium, to increase the efficiency of thermal convection, and to flow into the reservoir to store and thermally isolate the cooling water. Valve. Finally, the cooling pump is adapted to supply cooling water to the heat source.

바이패스 밸브의 개도량은 계수(k)에 선형적으로 관계된 것으로 추정되고, 저장소 입구에서의 냉각수 온도는 k, 스택 출구에서의 냉각수 온도(Tst,c,out), 그리고 라디에이터 출구에서의 냉각수 온도(Trad,c,out)의 함수로서 다음과 같이 표현된다. The opening amount of the bypass valve is assumed to be linearly related to the coefficient k, the cooling water temperature at the storage inlet is k, the cooling water temperature at the stack outlet (T st, c, out ), and the cooling water at the radiator outlet Is expressed as a function of temperature (T rad, c, out ) as:

Figure 112009024172010-pat00010
Figure 112009024172010-pat00010

라디에이터의 거동은 열역학 원칙에 의하여 기술되는데, Kroger, D.G., (1984) Radiator Characterization and Optimization, SAE paper 840380에서 라디 에이터의 열전달 계수(hrad)(kW·m-2-1)와 라디에이터의 압력 강하(pr)(kPa)를 공기 유량(Wair)(kg·s-1)의 함수로 표현한 실험식을 다음과 같이 제안하였다. The radiator behavior is described by the thermodynamic principle. In Kroger, DG, (1984) Radiator Characterization and Optimization, SAE paper 840380, the radiator heat transfer coefficient (h rad ) (kW · m -2-1 ) and the radiator pressure The empirical formula for expressing the drop (p r ) (kPa) as a function of air flow (W air ) (kg · s -1 ) is as follows.

Figure 112009024172010-pat00011
Figure 112009024172010-pat00011

만약 냉각수의 열이 손실 없이 라디에이터로 완전히 전달되면, 냉각수의 열용량은 라디에이터의 열용량과 동일하다. 따라서, 라디에이터 출구 냉각수 온도는 라디에이터 기하학과 주위 공기와 라디에이터에서 나가는 공기 사이의 온도차에 의하여 유발된 열 대류의 함수로 다음과 같이 표현된다. If the heat of the cooling water is completely transferred to the radiator without loss, the heat capacity of the cooling water is equal to the heat capacity of the radiator. Thus, the radiator outlet cooling water temperature is expressed as a function of the heat convection caused by the radiator geometry and the temperature difference between the ambient air and the air leaving the radiator as follows.

Figure 112009024172010-pat00012
Figure 112009024172010-pat00012

여기서, Frarea는 라디에이터의 정면 면적(m2)을 지칭하고, Trad,c,in은 라디에이터 입구 냉각수 온도를 지칭한다. 팬을 위한 전기 동력은 압력 강하와 공기 유량 사이의 열적 동력학 관계식에 따라 다음과 같은 식에 의하여 계산된다. Here, Fr area refers to the front surface area (m 2 ) of the radiator , and T rad, c, in refers to the radiator inlet cooling water temperature. The electric power for the fan is calculated by the following equation according to the thermodynamic relation between the pressure drop and the air flow rate.

Figure 112009024172010-pat00013
Figure 112009024172010-pat00013

여기서, pfan은 팬의 전기 동력(W)을 지칭한다. Here, p fan refers to the electric power (W) of the fan.

라디에이터에서 대류에 의하여 열 교환이 있은 후에는 저장소는 열적으로 절 연되어야 한다. 저장소 내의 열의 변화는 냉각수가 전달하는 열과 주위와 교환된 열의 합이다. 따라서, 주어진 기간이 끝난 시점에서 저장소 출구 냉각수 온도(Tres,c,out)(˚K)는 다음의 식에 의하여 표현된다. After convection has caused heat exchange in the radiator, the reservoir must be thermally insulated. The change in heat in the storage is the sum of the heat transferred by the coolant and the heat exchanged around. Therefore, at the end of a given period, the storage outlet coolant temperature (T res, c, out ) (˚K) is expressed by the following equation.

Figure 112009024172010-pat00014
Figure 112009024172010-pat00014

여기서, Tres,p는 이전 단계에서 저장소 온도(K)이고, Δt는 기간(sec)이며, Mres는 저장소 내의 냉각수의 질량(kg)과 같으며, Tres,c,in은 저장소 입구 냉각수 온도(K)이고, h·Apl은 연관류에서 주위로의 열 전달(J·K-1)을 의미한다. Here, T res, p is a storage temperature (K) in the previous step, Δt is the duration (sec), M res is the same as the weight (kg) of the cooling water in the reservoir, T res, c, in the storage inlet water Is the temperature (K), and h A pl means the heat transfer (J · K -1 ) around the associated flow.

스택에서 생성된 모든 열이 냉각수로 완전히 전달된다고 가정하자. 그러면,냉각수 유량은 열원과 다음의 관계식에 의하여 표현된다. Assume that all the heat generated in the stack is completely transferred to the cooling water. Then, the cooling water flow rate is expressed by the following relation with the heat source.

Figure 112009024172010-pat00015
Figure 112009024172010-pat00015

평형 상태에서, 냉각수에 의하여 배출되는 과도한 열은 저장소가 저장하는 열과 라디에이터에서 주위와 교환하는 열의 합과 같다. 먼저, 최대 냉각수 유량이라고 가정하면, 냉각수 유동 통로를 따라 온도 강하는 스택에서 생성된 최대 열은 냉각수 유량에 의하여 배출되어야 한다는 사실을 고려함으로써 계산될 수 있다. 만약 촉매 온도가 80℃이면, 촉매로부터 냉각수 통로까지의 온도 기울기는 최대 부하 전류에서 8˚K에 이르므로 냉각수의 출구 온도가 72℃라고 가정된다. 따라서, 입구 온도는 12℃의 온도 강하와 3kg/sec의 최대 유량에서 얻어진다. 라디에이터의 열 전달 계수와 저장소의 체적은 저장되고 배출되는 최대 열 용량에 기초하여 선택된다. In equilibrium, the excess heat emitted by the cooling water is equal to the heat stored by the reservoir and the heat exchanged with the surroundings in the radiator. First, assuming the maximum coolant flow rate, the temperature drop along the coolant flow path can be calculated by considering the fact that the maximum heat generated in the stack must be discharged by the coolant flow rate. If the catalyst temperature is 80 ° C, it is assumed that the temperature gradient from the catalyst to the cooling water passage reaches 8 ° K at the maximum load current, so that the outlet temperature of the cooling water is 72 ° C. Thus, the inlet temperature is obtained at a temperature drop of 12 ° C and a maximum flow rate of 3 kg / sec. The heat transfer coefficient of the radiator and the volume of the reservoir are selected based on the maximum heat capacity to be stored and discharged.

도 2는 공기와 냉각수 유량을 제어하는 두 개의 제어기를 포함하는 전형적인 제어 장치(200)를 보인 블록도이다. 상기 장치(200)는 연료 전지 스택(240)에 압력 경감 밸브와 같은 밸브(235)를 통하여 유체가 흘러가도록 결합된 수소 탱크(210)를 포함한다. 상기 수소 탱크(210)는 수소(WH2)를 연료 전지 스택(240)에 공급한다. 2 is a block diagram illustrating a typical control device 200 including two controllers for controlling air and cooling water flow rates. The apparatus 200 includes a hydrogen tank 210 coupled to the fuel cell stack 240 for fluid flow through a valve 235, such as a pressure relief valve. The hydrogen tank 210 supplies hydrogen (W H2 ) to the fuel cell stack 240.

송풍기(220)는 공기(Wair)를 연료 전지 스택(240)에 (몇 개의 실시예들에서는, 입구 매니폴드(225)를 통하여)공급하도록 연료 전지 스택(240)에 유체가 흘러가도록 결합되어 있다. 공기압(Pim)의 일부는 입구 매니폴드(225)로부터 스테이터(230)를 통하여 상기 밸브(235)로 우회될 수 있다. 공기 공급율은 공기 공급 제어 장치(215)에 의하여 제어된다. 공기 공급 제어 장치(215)는 기준 부하 전류(Iref)와 제어기(217)에서 함수(f(Ist))를 사용하는 보간된 맵 데이터를 사용하여 송풍기(220)의 전압(Vbl)을 결정하고 제공하며, 이것에 의하여 연료 전지 스택(240)으로의 공기 공급을 제어한다. The blower 220 is coupled to flow the fuel cell stack 240 to supply air W air to the fuel cell stack 240 (in some embodiments, through the inlet manifold 225) have. A portion of the air pressure P im may be diverted from the inlet manifold 225 via the stator 230 to the valve 235. The air supply rate is controlled by the air supply controller 215. The air supply controller 215 uses the interpolated map data using the reference load current I ref and the function f (I st ) in the controller 217 to calculate the voltage V bl of the blower 220 And controls the air supply to the fuel cell stack 240 by this.

냉각수 펌프(280)는 냉각수(Wc)를 저장소(270)로부터 연료 전지 스택(240)에공급하기 위하여 저장소(270)를 연료 전지 스택(240)에 유체가 흘러갈 수 있도록 결합시킨다. 라디에이터와 팬(260)은 연료 전지 스택(240)의 애노드와 캐소드 측에서의 냉각수(Wc,an, Wc,ca)를 냉각하고 나중의 사용을 위하여 냉각된 냉각수를 저장 소(270)에 공급하도록 연료 전지 스택(240)의 출구측에서 저장소(270)에 유체가 흘러갈 수 있도록 결합되어 있다. 연료 전지 스택(240)으로 냉각수의 유량은 냉각수 흐름 제어 장치(250)에 의하여 제어된다. 냉각수 흐름 제어 장치(250)는 논리 요소(255)를 사용하여 기준 냉각수 온도(Tc,ref)를 스택으로부터의 평균 냉각수 온도(Tc,ave)와 비교한다. 이러한 비교는 냉각수 펌프(280)로의 제어 신호를 결정하고 공급하기 위하여 비례-적분(PI) 제어기(257)에 의하여 사용되고, 이것에 의하여 연료 전지 스택(240)으로 냉각수 공급을 제어한다. 평균 냉각수 온도(Tc,ave)는 연료 전지 스택(240)의 하류 및 냉각수 흐름 제어 장치(250)의 상류에 배치된 온도 센서들을 사용하여 얻어진다. 상기 센서들은 연료 전지 스택의 애노드 측으로부터 및 연료 전지 스택의 캐소드 측으로부터 냉각수 온도들(Tc,an, Tc,ca)을 논리 요소들(245, 253)에 전달하고, 여기에서는 평균 냉각수 온도(Tc,ave)를 형성하기 위하여 상기 온도들이 더해지고 반으로 나누어진다. The coolant pump 280 couples the reservoir 270 to the fuel cell stack 240 so that the coolant W c can flow from the reservoir 270 to the fuel cell stack 240. The radiator and fan 260 cool the cooling water (W c, an , W c, ca ) at the anode and cathode sides of the fuel cell stack 240 and supply cooled cooling water to the storage 270 for later use And is connected to the reservoir 270 at the outlet side of the fuel cell stack 240 so that the fluid can flow. The flow rate of the cooling water to the fuel cell stack 240 is controlled by the cooling water flow control device 250. Coolant flow controller 250 uses logic element 255 to compare the reference coolant temperature T c, ref with the average coolant temperature T c, ave from the stack. This comparison is used by a proportional-integral (PI) controller 257 to determine and supply a control signal to the coolant pump 280, thereby controlling the supply of coolant to the fuel cell stack 240. The average coolant temperature (T c, ave ) is obtained using temperature sensors located downstream of the fuel cell stack 240 and upstream of the coolant flow control device 250. The sensors transmit cooling water temperatures ( Tc, an , Tc, ca ) from the anode side of the fuel cell stack and from the cathode side of the fuel cell stack to the logic elements 245, 253, The temperatures are added and divided in half to form the temperature (T c, ave ).

물과 같은 추가적인 배출물은 출구 매니폴드(285), 밸브(287), 그리고 스테이터(290)를 통하여 연료 전지 스택(240)과 장치(200)로부터 나가도록 안내된다. Additional emissions, such as water, are directed through exit manifold 285, valve 287, and stator 290 to exit fuel cell stack 240 and apparatus 200.

공기 유량 제어의 목적은 최적의 산소 과잉율을 유지하고, 그 결과로서 전류 부하의 급격한 변화 동안 발생할 수 있는 산소 부족을 방지하는 것이다. 여기에서, 산소 과잉율은 소비되는 산소에 대한 공급되는 산소의 비로 정의되는데, 소비되는 산소는 스택 전류에 의존된다. 스택에 공급된 산소는 공기 송풍기에 의하여 전달된 공기 유량에 직접적으로 비례하고, 결국에는 송풍기 모터 전압의 크기에 직접적으로 비례한다. 따라서, 공기 유량을 위한 제어기, 즉, 스태틱 피드 포워드(static feed-forward; sFF) 제어기는 맵 데이터를 보간하는 다항식을 이용하여 설계된다. 상기 데이터는 산소 과잉율을 2로 유지하기 위하여 필요한 스택 전류와 송풍기 전압 사이의 최적의 관계식을 포함하는데, 이것은 다른 설계자들(Domenico, A. D., Miotti, A., Alhetairshi, M., Guezennec, Y. G., Rajagopalan, S. S. V. and Yurkovich, S., (2006) Multi-variable control for an automotive traction PEM fuel cell system, Proc. The 2006 American Control Conference, Minneapolis, Minnesota; Rodatz, P.., Paganelli, G and Guzella, L., (2003) Optimization air supply control of a PEM Fuel Cell system, IEEE Proc. American Control conference; Vahidi, A., Stefanopoulou, A. G. and Peng, H., (2004) Model Predictive Control for Starvation Prevention in a Hybrid Fuel Cell system, IEEE Proc. American Control conference)에 의하여 집중적으로 다루어졌다. 도 7에서 보이듯이, 제어의 성능은, 특히 외란 하에서 산소 과잉율 배출 거동이 우수하다. 그러나, 상기 제어기들의 설계를 위해 사용되는 모델은 스택의 작동 온도가 일정하다고 가정하는데, 이것은 작동 중의 스택의 실제 거동에 부합하지 않는다. The purpose of air flow control is to maintain an optimal oxygen excess rate and, as a result, to prevent oxygen shortage that can occur during abrupt changes in the current load. Here, the oxygen excess rate is defined as the ratio of oxygen supplied to the consumed oxygen, which depends on the stack current. The oxygen supplied to the stack is directly proportional to the air flow delivered by the air blower, and ultimately directly proportional to the magnitude of the blower motor voltage. Therefore, a controller for the air flow rate, that is, a static feed-forward (sFF) controller, is designed using a polynomial interpolating map data. The data includes an optimal relationship between the stack current and the blower voltage required to keep the excess oxygen rate at 2, which is different from that of other designers (Domenico, AD, Miotti, A., Alhetairshi, M., Guezennec, YG, Rajagopalan, SSV and Yurkovich, S., (2006) Multi-variable control for an automotive traction PEM fuel cell system, Proc. The 2006 American Control Conference, Minneapolis, Minnesota; Rodatz, P., Paganelli, G and Guzella, L (2003) Optimization Air Supply Control of a PEM Fuel Cell System, IEEE Proc. American Control Conference; Vahidi, A., Stefanopoulou, AG and Peng, Cell system, IEEE Proc. American Control conference). As shown in FIG. 7, the performance of the control is excellent, especially in the case of excessive disturbance, the oxygen excess rate discharge behavior. However, the model used for the design of the controllers assumes that the operating temperature of the stack is constant, which does not correspond to the actual behavior of the stack during operation.

본 발명은 동적 부하 변화시 촉매에서 온도 상승을 감소시키고, 소모 동력을 최소화하며, 공기 공급 장치에서 산소 결핍을 최적화하는 온도 회로를 위한 새로운 제어 전략을 제공한다. 하나의 전지를 위한 모델은 가스 확산 층의 기하학, 온도 편차의 영향, 그리고 결과적으로 막에서 양자 전도층의 수분 함량을 고려한다. The present invention provides a new control strategy for temperature circuitry that reduces temperature rise in the catalyst during dynamic load changes, minimizes power consumption, and optimizes oxygen deficiency in the air supply. The model for a single cell considers the geometry of the gas diffusion layer, the effect of temperature drift, and consequently the moisture content of the proton conducting layer in the film.

몇몇 실시예에서는, 온도 회로는 바이패스 밸브, 팬을 가지는 라디에이터, 저장소, 그리고 냉각수 펌프를 포함한다. 몇몇 실시예에서는, 공기 공급 장치는 송풍기와 입구 및 출구 매니폴드들을 포함한다. 구성 요소 모델에 기초하여, 소모 동력뿐만 아니라 산소 과잉율과 촉매에서 온도 상승의 양상 하에서 공기 및 냉각수 흐름을 위한 제어는 설계되고 비교된다. 특히, 냉각수 유량은 부하 형상에서 전지의 과잉열이 추정되고 이 잉여의 열을 보상하는 냉각수 제어 루프에 피드 포워드(feed-forward)되도록 제어된다. 온도 회로를 위한 고전적인 PI 제어기들과 상태 피드백 제어 방법이 설계되었다. 부하 전류에 의존하는 열원 항목은 폐루프에 피드 포워드되고, 공기 유량에 대한 온도 효과는 보상된다. In some embodiments, the temperature circuit includes a bypass valve, a radiator having a fan, a reservoir, and a coolant pump. In some embodiments, the air supply device includes a blower and inlet and outlet manifolds. Based on the component model, control for air and cooling water flow under the aspect of excess power and temperature rise in the catalyst as well as consuming power are designed and compared. In particular, the coolant flow rate is controlled such that the excess heat of the battery in the load configuration is estimated and feed-forwarded to a cooling water control loop that compensates for this excess heat. Conventional PI controllers and state feedback control methods for temperature circuits are designed. A heat source item that depends on the load current is fed forward to the closed loop and the temperature effect on the air flow rate is compensated.

설계된 제어기들의 동역학과 성능은 다단계 전류 및 연방 도심 주행 장치(Federal Urban Driving System; FUDS)에 의하여 측정된 전류 형상에서 동적 연료 전지 장치 모델을 사용하는 시뮬레이션에 의하여 평가되고 분석된다. 결과는 본 발명의 제어 전략이 공기 및 냉각수 펌프의 작동을 위해 필요한 소모 동력을 처리할 뿐만 아니라 촉매 층에서 온도 상승과 산소 결핍을 완화시키는 것을 보여준다. The dynamics and performance of the designed controllers are evaluated and analyzed by simulation using a dynamic fuel cell device model in a multistage current and current profile measured by a Federal Urban Driving System (FUDS). The results show that the control strategy of the present invention not only treats the power consumed for the operation of the air and coolant pumps but also relieves the temperature rise and oxygen deficiency in the catalyst bed.

냉각수 흐름을 위한 제어는 에너지 방정식에 기초한다. 사실, 전지들로 구성 된 스택은 하나의 열 용량을 가지는 하나의 열 질량으로 규제될 수 있다. 만약 복사에 의한 열교환이 무시할만하고 스택 온도가 애노드와 캐소드 측에서 스택 출구 냉각수 온도들의 평균과 같다면, 스택에서 온도 변화는 상기 스택에서 열원 항목들과 냉각수 및 주위와 교환된 열의 합과 동일하며, 이는 다음과 같이 나타난다. The control for the cooling water flow is based on the energy equation. In fact, a stack of cells can be regulated to one thermal mass with one heat capacity. If heat exchange by radiation is negligible and the stack temperature is equal to the average of the stack outlet cooling water temperatures at the anode and cathode sides, the temperature change in the stack is equal to the sum of the heat source items and the heat exchanged with the cooling water and ambient , Which appears as follows.

Figure 112009024172010-pat00016
Figure 112009024172010-pat00016

여기에서, mstCpst는 스택의 열 용량(J·K-1)이고, Wc는 제어 변수로서 냉각수 유량(kg·s-1)이며, Qsou는 부하 전류의 함수인 내부 에너지원(J·s-1)이다. 위의 한 덩어리의 열적 스택 및 저장소 모델에서 방정식의 비선형성 때문에, 작동점에서 선형 방정식을 구하기 위하여 테일러 전개가 사용되는데, 상기 작동점에서는 냉각수 온도와 유량이 각각 64℃와 0.93kg/sec이다. 스택 전류와 전압은 각각 140A와 198V이다. 상태 방정식들과 변수들은 다음과 같이 정의된다. Here, m st Cp st is the heat capacity of the stack (J · K -1 ), W c is the cooling water flow (kg · s -1 ) as a control variable, and Q sou is the internal energy source J · s -1 ). Due to the non-linearity of the equation in the above one mass of thermal stack and storage model, Taylor expansion is used to obtain linear equations at the operating point, where the cooling water temperature and flow rate are 64 ° C and 0.93 kg / sec, respectively. The stack current and voltage are 140A and 198V, respectively. The state equations and variables are defined as follows.

Figure 112009024172010-pat00017
Figure 112009024172010-pat00017

선형화된 방정식은 라플라스 영역에서 다음과 같이 변환된다. The linearized equation is transformed as follows in the Laplace domain.

Figure 112009024172010-pat00018
Figure 112009024172010-pat00018

여기에서, 위첨자(˚)는 작동점에서 상수를 가리킨다. Here, the superscript () indicates a constant at the operating point.

사실, 첫째항은 열원 항목이고, 반면에 셋째항 및 넷째항은 일정값을 보여준다. 스택 온도와 냉각수 유량 사이의 전달 함수는 고전적 PI 제어기의 설계를 위하여 사용된 다음과 같은 제1차 미분 방정식으로 귀결된다. In fact, the first term is a heat source item, while the third and fourth terms show constant values. The transfer function between the stack temperature and the cooling water flow results in a first order differential equation used for the design of a classical PI controller.

Figure 112009024172010-pat00019
Figure 112009024172010-pat00019

여기에서, 열원 항목(Qsou)은 열적 장치의 외란으로 여겨지고, 이것은 가능한 한 빨리 억제되어야 한다. 따라서, PI 제어기의 두 개의 게인값들은 열적 장치의 대역폭보다 세 배 높은 폐회로의 대역폭(bandwidth) 및 0.707의 감쇠비로 선택된다. 결과적인 게인값들은 각각 Kp=0.2734 및 KI=0.0443(sec-1)이다. Here, the heat source item Q sou is regarded as a disturbance of the thermal device, which should be suppressed as soon as possible. Thus, the two gain values of the PI controller are selected with a bandwidth of the closed circuit three times higher than the bandwidth of the thermal device and a damping ratio of 0.707. The resulting gain values are K p = 0.2734 and K I = 0.0443 (sec -1 ), respectively.

스택으로부터 끌어낸 전류가 급격하게 변할 때, 상기 스택에 생성된 열은 시정수를 가지고 전류를 따라가는 경향이 있다. 그런데, 전형적인 냉각수 제어는 단순히 냉각수 출구에서 온도를 검출하기 때문에 이러한 열을 완전하게 제거하지 못한다. 결과적으로, 제거된 열은 생성된 열보다 적게 된다. When the current drawn from the stack changes abruptly, the heat generated in the stack tends to follow the current with a time constant. However, the typical cooling water control simply does not remove this heat completely because it detects the temperature at the cooling water outlet. As a result, the removed heat is less than the generated heat.

이에 대한 대책으로, 본 발명은 전류 부하에 의하여 직접 야기되는 스택에서의 온도 상승을 추정하고, 이 정보를 온도 제어 회로에 피드 포워드한다. 전류와 스택 온도 사이의 관계는 다음의 전달 함수를 산출한다. As a countermeasure, the present invention estimates the temperature rise in the stack directly caused by the current load, and feeds this information to the temperature control circuit. The relationship between current and stack temperature yields the following transfer function.

Figure 112009024172010-pat00020
Figure 112009024172010-pat00020

여기에서, Ract는 활성화 과전위를 위한 등가 저항을 나타낸다. Here, R act represents the equivalent resistance for the activation overvoltage.

다른 한편으로는, 냉각수 제어 회로의 온도는 스택에서 열의 제거를 위하여 스택의 온도보다 낮게 설정되는데, 이것은 공기 유동 통로에서 온도를 변화시키고, 결과적으로 압력을 변화시키게 된다. 상기 통로에서의 온도가 낮아지면, 주어진 체적에서 이상 기체 법칙에 따른 압력 강하와 그 때 입구 매니폴드에 대한 압력차는 커지게 된다. 결과적으로, 스택의 입구에서 질량 유량은 노즐 방정식(Pukrushpan, J.T., Peng, H. and Stefanopoulou, A. G., (2002) Simulation and Analysis of Transient Fuel Cell System Performance based on a Dynamic Reactant Flow Model, Proc. OfIMEXE'01, 2002 ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition, New Orleans, LA)에 따라 증가하게 되고, 결과적으로 산소 과잉율도 증가하게 된다. 증가된 공기 질량 유량은 유량을 냉각수 온도 상승 및 소모된 산소를 결정하는 전류에 따라 보상하는 보상기를 제어 전략에 추가함으로써 감소될 수 있다. 최적 산소 과잉율에서 송풍기 전압과 다른 전류들 및 온도들 사이의 비선형 관계 때문에, 한 조의 데이터는 다른 전류들과 온도들 하에서 전체 모델을 다중 실행(multi-run) 시킴으로써 얻어지는데, 이것은 후에 효과들을 보상하기 위하여 사용된다. On the other hand, the temperature of the cooling water control circuit is set to be lower than the temperature of the stack for the removal of heat from the stack, which changes the temperature in the air flow path and consequently changes the pressure. As the temperature in the passage lowers, the pressure drop in accordance with the ideal gas law at a given volume and the pressure difference to the inlet manifold then becomes large. As a result, the mass flow rate at the inlet of the stack is determined by the nozzle equation (Pukrushpan, JT, Peng, H. and Stefanopoulou, AG, (2002) Simulation and Analysis of Transient Fuel Cell System Performance Based on Dynamic Reactant Flow Model, 01, 2002 ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition, New Orleans, LA), resulting in an increase in the oxygen excess rate. The increased air mass flow rate can be reduced by adding a compensator to the control strategy that compensates for the flow rate with respect to the coolant temperature rise and the current determining the consumed oxygen. Because of the non-linear relationship between the blower voltage and other currents and temperatures at the optimal oxygen excess rate, a set of data is obtained by multi-running the entire model under different currents and temperatures, .

본 발명의 일 실시예에서는, 공기와 냉각수 제어 장치가 제공된다. 상기 장치는 열원, 공기 공급원, 공기 공급 제어 장치, 냉각수 공급원, 그리고 냉각수 제어 장치를 포함한다. In one embodiment of the present invention, an air and cooling water control device is provided. The apparatus includes a heat source, an air source, an air supply controller, a coolant source, and a coolant control device.

몇몇 실시예에서는, 열원은 공기 입구, 냉각수 입구, 상기 냉각수 입구와 열원을 통하여 유체가 흘러갈 수 있도록 결합된 냉각수 출구를 포함한다. 몇몇 실시예에서는, 열원은 상기 공기 입구를 통하여 공기를 받고, 상기 공기를 입력 받는 것에 대응하여 열을 발생시키며, 상기 냉각수 입구를 통하여 냉각수를 입력 받고, 입력 받은 냉각수를 냉각수 출구로 안내하며, 발생시킨 열의 일부를 입력 받은 냉각수에 전달하고, 그것에 의하여 냉각수가 냉각수 출구를 통하여 상기 열원 밖으로 안내될 때 상기 발생시킨 열의 일부를 상기 열원으로부터 제거하도록 되어 있다. 몇몇 실시예에서는, 상기 열원은 연료 전지 스택이다. 예를 들어, 상기 열원은 PEM(Polymer Electrolyte Membrane) 연료 전지 스택일 수 있다. 그러나, 본 발명은 다른 열원에 동일하게 적용될 수 있도록 고안되었다. In some embodiments, the heat source includes an air inlet, a cooling water inlet, a cooling water inlet, and a cooling water outlet coupled to allow the fluid to flow through the heat source. In some embodiments, the heat source receives air through the air inlet, generates heat corresponding to the input of the air, receives cooling water through the cooling water inlet, guides the input cooling water to the cooling water outlet, To the cooling water that has been input, thereby removing part of the generated heat from the heat source when the cooling water is guided out of the heat source through the cooling water outlet. In some embodiments, the heat source is a fuel cell stack. For example, the heat source may be a PEM (Polymer Electrolyte Membrane) fuel cell stack. However, the present invention is designed to be equally applicable to other heat sources.

상기 공기 공급원은 상기 열원의 공기 입구에 유체가 흘러갈 수 있도록 결합되어 있고, 공기를 상기 열원에 공급하도록 되어 있다. 몇몇 실시예에서는, 상기 공기 공급 제어 장치는 상기 열원으로부터 동적 피드백 온도 특성에 기초하여 상기 공기 공급원으로부터 상기 열원으로의 공기 유량을 조절하도록 되어 있다. The air supply source is coupled to the air inlet of the heat source so that the air can be supplied to the heat source. In some embodiments, the air supply control device is adapted to regulate the air flow rate from the air source to the heat source based on dynamic feedback temperature characteristics from the heat source.

상기 냉각수 공급원은 상기 열원의 상기 냉각수 입구에 유체가 흘러갈 수 있도록 결합되어 있고, 냉각수를 상기 열원에 공급하도록 되어 있다. 몇몇 실시예에서는, 상기 냉각수 제어 장치는 추정된 피드 포워드 열원 특성에 기초하여 열원에 공급되는 냉각수의 유량을 조절하도록 되어 있다. 몇몇 실시예에서는, 상기 냉각수 제어 장치는 상기 동적 피드백 온도 특성에 기초하여 열원에 공급되는 냉각수 온도를 조절하도록 되어 있다. The cooling water supply source is coupled to the cooling water inlet of the heat source so that the cooling water can be supplied to the heat source. In some embodiments, the cooling water control device is adapted to regulate the flow rate of the cooling water supplied to the heat source based on the estimated feed-forward heat source characteristics. In some embodiments, the cooling water control device is adapted to regulate the cooling water temperature supplied to the heat source based on the dynamic feedback temperature characteristic.

몇몇 실시예에서는, 상기 장치는 상기 열원에 유체가 흘러갈 수 있도록 결합되어 있으며 연료를 상기 열원에 공급하도록 되어 있는 연료원을 포함한다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서는, 수소를 상기 연료 전지 스택에 공급하도록 수소 탱크가 상기 연료 전지 스택에 유체가 흘러갈 수 있도록 결합되어 있다. In some embodiments, the apparatus includes a fuel source coupled to allow the fluid to flow to the heat source and adapted to supply fuel to the heat source. For example, in some embodiments, a hydrogen tank is coupled to the fuel cell stack to allow fluid to flow to supply hydrogen to the fuel cell stack.

비록 본 명세서는 일정한 제어/조절 메커니즘에 사용되는 동적 피드백 온도 데이터와 추정된 피드 포워드 열원 온도 데이터의 상세한 구성을 개시하고 있으나, 이러한 제어/조절 메커니즘은 명백하게 토의된 적 없는 다른 데이터뿐만 아니라 여 기에 개시된 데이터와 토의된 적 없는 데이터 모두를 사용할 수도 있다. 상기 동적 피드백 온도 데이터는 피드백 회로를 통하여 제공되는 어떤 데이터도 될 수 있고, 어떤 형태의 상기 열원의 최신 온도 상태를 보여준다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서는, 상기 동적 피드백 온도 특성은 열원의 냉각수 출구에서 측정된 냉각수의 온도를 가리키는 정보를 포함한다. 상기 추정된 피드 포워드 열원 특성은 부하 형상에서 열원의 과다열의 추정을 포함한다. 피드 포워드 제어기는 냉각수의 유량을 부하 형상과 보간된 맵 데이터를 기초로 조절할 수 잇다. Although the present specification discloses a detailed configuration of the dynamic feedback temperature data and the estimated feedforward heat source temperature data used in certain control / regulating mechanisms, this control / regulating mechanism is not limited to other data that have not been explicitly discussed, Both data and untested data may be used. The dynamic feedback temperature data can be any data provided through the feedback circuit and shows the latest temperature state of some form of the heat source. For example, in some embodiments, the dynamic feedback temperature characteristic includes information indicative of the temperature of the cooling water measured at the cooling water outlet of the heat source. The estimated feed-forward heat source characteristics include an estimate of the extreme heat of the heat source in the load configuration. The feedforward controller can adjust the flow rate of the cooling water based on the load shape and the interpolated map data.

몇몇 실시예에서는, 냉각수 제어 장치는 비례-적분 제어기와 상태 피드백 제어기로 구성되는 제어기들의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 제어기를 포함한다. In some embodiments, the cooling water control apparatus includes at least one controller selected from the group of controllers consisting of a proportional-integral controller and a state feedback controller.

냉각수 온도는 여러 가지 방법으로 조절될 수 있도록 고안되었다. 몇몇 실시예에서는, 상기 장치는 열원으로 그리고 열원을 통하여 안내될 냉각수를 저장하도록 되어 있는 냉각수 저장소, 상기 냉각수 저장소로부터 열원으로 냉각수를 펌핑하도록 되어 있으며 냉각수 유량은 냉각수 제어 장치에 의하여 제어되는 냉각수 펌프, 상기 열원으로부터의 냉각수를 냉각하도록 되어 있으며 냉각된 냉각수를 상기 냉각수 저장소로 제공하는 냉각 장치, 그리고 냉각을 위해 열원으로부터 냉각 장치에 공급되는 냉각수의 양을 조절하도록 되어 있는 바이패스 밸브를 포함한다. 몇몇 실시예에서는, 냉각수의 양 조절은 상기 열원 주위의 동적 온도 정보에 기초한다. Coolant temperature is designed to be adjusted in several ways. In some embodiments, the apparatus includes a cooling water reservoir adapted to store cooling water to be guided to a heat source and through a heat source, a cooling water pump configured to pump cooling water from the cooling water reservoir to a heat source, the cooling water flow rate being controlled by a cooling water control device, A cooling device adapted to cool the cooling water from the heat source and providing the cooled cooling water to the cooling water reservoir and a bypass valve adapted to regulate the amount of cooling water supplied from the heat source to the cooling device. In some embodiments, the adjustment of the amount of cooling water is based on dynamic temperature information around the heat source.

본 발명의 다른 실시예에서는, 열원 장치를 제어하는 방법이 제공된다. 몇몇 실시예에서는, 상기 열원 장치는 열원, 상기 열원을 위한 부하 형상, 공기 공급원, 그리고 냉각수 공급원을 포함한다. In another embodiment of the present invention, a method of controlling a heat source device is provided. In some embodiments, the heat source device includes a heat source, a load configuration for the heat source, an air source, and a coolant source.

몇몇 실시예에서는, 상기 방법은 공기 공급원으로부터 열원으로 공기 유량으로 공기를 흘러가게 하는 것을 포함한다. 몇몇 실시예에서는, 상기 공기 유량은 동적 피드백 온도 특성에 기초하여 조절된다. 상기 열원은 공기 공급원으로부터 공기를 입력 받는 것에 대응하여 열을 발생시킨다. 냉각수는 냉각수 공급원으로부터 열원으로 그리고 열원을 통하여 냉각수 유량과 냉각수 온도를 가지고 흘러간다. 몇몇 실시예에서는, 상기 냉각수 유량은 동적 피드백 온도 특성에 기초하여 조절되고 상기 냉각수 온도는 피드 포워드 열원 특성에 기초하여 조절된다. 열원은 발생된 열의 일부를 냉각수로 전달하고, 그것에 의하여 냉각수가 열원 밖으로 흘러갈 때 발생된 열의 일부를 열원으로부터 제거한다. In some embodiments, the method includes causing air to flow from the air source to the heat source at an air flow rate. In some embodiments, the air flow rate is adjusted based on dynamic feedback temperature characteristics. The heat source generates heat in response to receiving air from an air supply source. The cooling water flows from the cooling water source to the heat source and through the heat source with the cooling water flow rate and the cooling water temperature. In some embodiments, the cooling water flow rate is adjusted based on dynamic feedback temperature characteristics and the cooling water temperature is adjusted based on feedforward heat source characteristics. The heat source transfers part of the generated heat to the cooling water, thereby removing part of the heat generated when the cooling water flows out of the heat source from the heat source.

본 발명의 장치에 관하여 여기에서 검토된 모든 설계 변경은 상기 방법에 동일하게 적용된다. All design changes discussed herein for the device of the present invention apply equally to the above method.

본 발명은 여기에서 개시된 공기 유량, 냉각수 유량, 그리고 냉각수 온도 조절 메커니즘의 어떠한 조합도 사용할 수 있도록 되어 있다. The present invention is capable of using any combination of air flow rate, cooling water flow rate, and cooling water temperature control mechanisms disclosed herein.

이하의 기술 내용은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 제작하거나 사용할 수 있도록 주어지고, 특허 출원서 및 그 요구사항이 연계되어 제공된다. 기술된 실시예에 대한 다양한 변형들은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가 진 자에게 명백할 것이며, 여기에 있는 일반적인 원리는 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에서 보인 실시예들에 제한되지 않으며 여기에서 기재된 특징들과 원리들에 부합하는 가장 넓은 범위에 주어져야 할 것이다. The following description is given to enable a person having ordinary skill in the art to make or use the present invention, and the patent application and its requirements are provided in connection with each other. Various modifications to the described embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the generic principles herein may be applied to other embodiments. Accordingly, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and features described herein.

이 명세서는 본 발명의 몇 개의 실시예들을 제공한다. 어느 하나의 실시예의 어느 하나의 특징은 다른 실시예의 어떠한 특징과도 결합될 수 있도록 고안되었다. 이와 같이, 예시된 실시예들의 혼합적인 특징들도 모두 본 발명의 범위에 포함된다. This specification provides several embodiments of the present invention. Any one feature of any one embodiment is contemplated to be combinable with any feature of the other embodiment. As such, all of the mixed features of the illustrated embodiments are included in the scope of the present invention.

위에서 구해진 상태 방정식은 다중 입력, 다중 출력 구조를 보이는데, 이러한 구조에서는 두 개의 제어 입력 변수, 즉 냉각수 온도와 냉각수 유량은 서로 의존적인 관계에 있다. 이러한 의존성은 만약 두 개의 피드백 회로의 시정수가 서로 다른 차수를 갖도록 설정된다면 최소화될 수 있다. 그러면, 스택에서 온도는 개도량 계수(k)에 의하여 제어되는 냉각수 온도와는 독립적으로 냉각수 유량에 의하여 제어될 수 있다. 다음의 식은 스택 온도와 냉각수 유량의 관계를 포함하고 있으며, 전달 함수는 아래와 같다. The state equation obtained above shows a multi-input, multi-output structure in which the two control input variables, coolant temperature and coolant flowrate, are dependent on each other. This dependence can be minimized if the time constants of the two feedback circuits are set to have different orders. Then, the temperature in the stack can be controlled by the cooling water flow rate independently of the cooling water temperature controlled by the opening amount coefficient (k). The following equation includes the relationship between the stack temperature and the cooling water flow rate, and the transfer function is as follows.

Figure 112009024172010-pat00021
Figure 112009024172010-pat00021

다음의 식은 저장소의 온도와 바이패스 밸브의 개도량을 위한 계수의 관계를 포함하고 있으며, 전달 함수는 아래와 같다. The following equation contains the relationship between the temperature of the reservoir and the coefficient for opening of the bypass valve, and the transfer function is as follows.

Figure 112009024172010-pat00022
Figure 112009024172010-pat00022

유사하게, PI 제어기를 위한 게인값들은 폐회로의 대역폭이 냉각수 흐름 피드백 외부 회로의 시정수보다 다섯 배 높도록 선택된다. 또한, 감쇠비는 0.707로 설정된다. 결과적인 게인값들은 각각 Kp,b=0.1902 및 KI,b=0.0546(sec-1)이다.Similarly, the gain values for the PI controller are chosen such that the bandwidth of the closed circuit is five times higher than the time constant of the coolant flow feedback external circuitry. In addition, the damping ratio is set to 0.707. The resulting gain values are K p, b = 0.1902 and K I, b = 0.0546 (sec -1 ), respectively.

비록 그것이 충분히 열을 배출하고 효율적으로 층에서의 온도 상승을 억누르기는 하였지만, 고전적인 PI 제어기는 냉각수 펌프에서 소모 동력을 제어 목표로 여기지 않았다. 하나의 대안은 상태 피드백 제어를 사용하는 것인데, 거기에서는 냉각수 펌프에서 낭비되는 소모 동력이 편리하게 제어 목표들 중 하나로 여겨질 수 있다. 한편, 냉각수 펌프의 소모 동력은 냉각수 유량에 직접적으로 비례한다. 따라서, 냉각수 유량을 아래의 비용 함수의 파라미터로서 포함시킨다. 게인값들의 최적화는 LQR(linear quadratic regulator) 방법에 의하여 행해지는데, LQR 방법은 기본적으로 오차의 제곱을 합한다. The classic PI controller did not consider consuming power as a control target in the coolant pump, although it would discharge enough heat and effectively suppress the temperature rise in the bed. One alternative is to use state feedback control, where the wasting power wasted in the coolant pump can conveniently be regarded as one of the control goals. On the other hand, the consumption power of the cooling water pump is directly proportional to the cooling water flow rate. Therefore, the coolant flow rate is included as a parameter of the following cost function. The gain values are optimized by a linear quadratic regulator (LQR) method, which basically sums the square of the error.

Figure 112009024172010-pat00023
Figure 112009024172010-pat00023

Qx는 제어 목표의 오차를 증폭하는 가중 행렬을 나타내는데 반하여, 다른 가중 행렬 R은 처리된 변수들의 효과를 억누르기 위하여 사용된다. While Q x represents a weighting matrix that amplifies the error of the control target, the other weighting matrix R is used to suppress the effects of the processed variables.

제어기의 상태 방정식은 2*2 행렬을 나타내는데, 변수들은 서로 연결되어 있 다. 두 개의 회로로 분리는 두 개의 폐회로에 서로 다른 시정수를 할당함으로써 성취된다. 사실, 저장소 온도는 냉각수 유량보다 밸브 개도량 계수에 강하게 영향을 받는 반면에 밸브 개도량 계수는 스택 온도의 동역학에 직접적으로 영향을 끼치지 않는다. 여기에서, 스택 온도와 냉각수 유량 사이의 전달함수의 시정수는 스택 온도와 밸브 개도량 계수 사이의 전달함수의 시정수보다 5배 빠르게 설정된다. The state equation of the controller represents a 2 * 2 matrix, in which the variables are connected to each other. Separation into two circuits is accomplished by assigning different time constants to the two closed circuits. In fact, while the storage temperature is strongly influenced by the valve opening factor rather than the coolant flow, the valve opening factor coefficient does not directly affect the stack temperature dynamics. Here, the time constant of the transfer function between the stack temperature and the cooling water flow rate is set five times faster than the time constant of the transfer function between the stack temperature and the valve opening amount coefficient.

한편, 적분기는 어떤 정상 상태 오차도 억제하기 위하여 필요로 한다. 따라서, 폐회로 양자의 오차는 상기 비용 함수에서 고려되는 새로운 상태 변수로서 다음과 같이 정의된다. On the other hand, the integrator is needed to suppress any steady-state error. Therefore, the error of both closed circuits is defined as a new state variable considered in the cost function as follows.

Figure 112009024172010-pat00024
Figure 112009024172010-pat00024

여기서, QI는 적분기를 위한 가중 행렬이다. 그러면, 최적 제어 입력을 위한 규칙은 다음과 같이 구해진다. Where Q I is a weighting matrix for the integrator. Then, the rule for the optimal control input is obtained as follows.

Figure 112009024172010-pat00025
Figure 112009024172010-pat00025

여기서, 제어기 게인은 이다. P는 다음과 같이 주어지는 리카티 방정식(Algebraic Riccati Equation)의 해이다. Here, the controller gain is. P is the year of the Algebraic Riccati Equation given as:

Figure 112009024172010-pat00026
Figure 112009024172010-pat00026

여기서,

Figure 112009024172010-pat00027
이고,
Figure 112009024172010-pat00028
이다. here,
Figure 112009024172010-pat00027
ego,
Figure 112009024172010-pat00028
to be.

가중 행렬 R이 가중 행렬 Q보다 크면, 비용 함수에서 냉각수 유량의 역할은 증가하고, 결과적으로 제어기의 게인값들은 소모 동력을 최소화하도록 선택된다. 다른 가중 계수들을 가지고 몇 번의 반복을 한 후, 최적의 제어 행렬 Kp 및 KI는 다음과 같이 주어진다. If the weighted matrix R is greater than the weighted matrix Q, the role of the coolant flow in the cost function increases, and consequently the gain values of the controller are chosen to minimize power consumption. After several iterations with different weighting factors, the optimal control matrices K p and K I are given by:

Figure 112009024172010-pat00029
Figure 112009024172010-pat00029

스택에서 발생한 열은 스택으로부터 얻은 전류를 따라가는 경향이 있다. 전류 의존형 열은 제어 회로에서 외란으로 여겨지는데, 이것은 냉각수 출구에서 온도를 측정하는 전형적인 냉각수 제어에 의하여 완전히 제거되지 못한다. 결과적으로, 배출된 열은 생산된 열보다 작아진다. 대응책은 전류 부하의 크기에 직접적으로 관련된 층에서의 온도 상승을 추정하고 그것을 도 5A 및 도 6A에서 보이는 온도 제어 회로에 피드 포워드 시키는 것이다. 전류와 스택 온도 사이의 관계는 다음의 전달 함수를 산출하는데, 여기에서 vact는 활성화 과전위를 나타낸다. The heat generated in the stack tends to follow the current from the stack. Current-dependent heat is considered disturbance in the control circuit, which is not completely removed by typical cooling water control which measures the temperature at the cooling water outlet. As a result, the heat released is smaller than the heat produced. The countermeasure is to estimate the temperature rise in the layer directly related to the magnitude of the current load and feed it forward to the temperature control circuit shown in Figures 5A and 6A. The relationship between current and stack temperature yields the following transfer function, where v act represents the activation potential.

Figure 112009024172010-pat00030
Figure 112009024172010-pat00030

그런데, 이전에 발표된 모든 공기 공급 제어 설계는 일정한 전지 작동 온도를 가정하였다. 사실, 평면에 걸친 각 층에서의 온도 분포는 화학 반응에서 발생하는 비가역적 에너지의 다양한 열원 및 전하의 이동과 관련된 줄의 손실 때문에 변화한다. 스택에서 열의 배출이 일어나도록 하기 위하여, 냉각수 제어 회로의 온도는 스택에서의 온도보다 낮게 설정되고, 그것에 의하여 가스 유동 통로에서 온도를 변화시킨다. 통로에서 온도가 낮아지면, 주어진 체적에서 이상 기체 법칙에 따른 압력 강하와 그 때 입구 매니폴드에 대한 압력 차는 커지게 된다. 한편, 스택의 입구에서 질량 유량은 노즐 방정식(nozzle equation)에 따라 증가하고, 결과적으로 산소 과잉율은 증가한다. 잉여의 공기는 제어에서 소비된 산소를 결정하는 전류뿐만 아니라 냉각수 온도에 의존하는 추가적인 요소에 의하여 감소된다. 최적의 산소 과잉율에서 송풍기 전압과 서로 다른 전류 및 온도 사이의 비선형적 관계 덕택에, 한 조의 데이터가 효과들을 보상하기 위하여 사용되는 서로 다른 전류 및 온도 하에서 전체 모델을 다중 실행시킴으로써 구해진다. However, all previously announced air supply control designs assumed a constant cell operating temperature. In fact, the temperature distribution at each layer across the plane changes due to the various heat sources of irreversible energy generated in the chemical reaction and the loss of the line associated with charge transfer. In order to allow the discharge of heat to occur in the stack, the temperature of the cooling water control circuit is set lower than the temperature in the stack, thereby changing the temperature in the gas flow path. As the temperature in the passages decreases, the pressure drop over the ideal gas law at a given volume and the pressure differential to the inlet manifold at that time increases. On the other hand, at the inlet of the stack, the mass flow rate increases with the nozzle equation and consequently the oxygen excess rate increases. The surplus air is reduced by an additional factor depending on the coolant temperature as well as the current which determines the oxygen consumed in the control. Due to the nonlinear relationship between the blower voltage and the different currents and temperatures at the optimal oxygen excess rate, a set of data is obtained by multiplying the entire model under different currents and temperatures used to compensate for the effects.

도 3은 본 발명의 원리에 따른 피드 포워드 냉각수 제어기 및 온도-보상된 공기 공급원을 가지는 공기 및 냉각수 제어 장치(300)의 일반화된 실시예를 도시하였다. 장치(300)는 열원(340), 공기 공급원(320), 공기 공급 제어 장치(315), (냉각수 펌프(380)와 유체 저장소(370)를 포함하는) 냉각수 공급원, 그리고 냉각수 제어 장치(325)를 포함한다. FIG. 3 shows a generalized embodiment of an air and cooling water control device 300 having a feed-forward cooling water controller and a temperature-compensated air source in accordance with the principles of the present invention. The apparatus 300 includes a heat source 340, an air source 320, an air supply controller 315, a coolant source (including a coolant pump 380 and a fluid reservoir 370), and a coolant control device 325 .

열원(340)은 공기 공급원(320)과 유체가 흘러갈 수 있도록 결합된 공기 입구(341), 냉각수 공급원과 유체가 흘러갈 수 있도록 결합된 냉각수 입구(342), 그 리고 열원(340)을 통하여 냉각수 입구(342)와 유체가 흘러갈 수 있도록 결합된 냉각수 출구(343)를 포함한다. 열원(340)은 공기를 공기 입구(341)를 통하여 입력 받도록 되어 있고, 공기를 입력 받는 것에 대응하여 열을 발생시키도록 되어 있으며, 냉각수 입구(342)를 통하여 냉각수를 입력 받도록 되어 있고, 입력된 냉각수를 냉각수 출구(343)에 안내하도록 되어 있으며, 발생시킨 열의 일부를 입력 받은 냉각수에 전달하도록 되어 있고, 그것에 의하여 냉각수가 냉각수 출구(343)를 통하여 상기 열원(340) 밖으로 안내될 때 열원(340)으로부터 발생시킨 열의 일부를 제거한다. 몇몇 실시예에서는, 상기 열원(340)은 PEM 연료 전지 스택을 포함한다. 그러나, 몇몇 실시예에서는, 상기 열원(340)은 다른 타입의 연료 전지 스택 또는 연료 전지 스택과 함께 다른 장치 또는 연료 전지 스택 대신 다른 장치를 포함한다. The heat source 340 includes an air inlet 341 coupled to the air supply source 320 to allow the fluid to flow therethrough, a cooling water inlet 342 coupled with the cooling water supply source to flow the fluid, And includes a cooling water inlet 342 and a cooling water outlet 343 coupled to flow the fluid. The heat source 340 is configured to receive air through the air inlet 341 and generate heat in response to the input of air. The cooling water is inputted through the cooling water inlet 342, The cooling water is guided to the cooling water outlet 343 and a part of the generated heat is transferred to the inputted cooling water so that when the cooling water is guided out of the heat source 340 through the cooling water outlet 343, To remove a portion of the heat generated from the heat source. In some embodiments, the heat source 340 includes a PEM fuel cell stack. However, in some embodiments, the heat source 340 includes other types of fuel cell stacks or other devices in lieu of the fuel cell stacks or other devices in place of the fuel cell stacks.

공기 공급원(320)은 열원(340)의 공기 입구(341)에 유체가 흘러갈 수 있도록 결합되어 있고 공기를 상기 열원(340)에 공급하도록 되어 있다. 몇몇 실시예에서는, 상기 공기 공급원(320)은 에어 컴프레서 또는 송풍기이다. The air supply source 320 is coupled to the air inlet 341 of the heat source 340 to supply the air to the heat source 340. In some embodiments, the air source 320 is an air compressor or blower.

공기 공급 제어 장치(315)는 강성의 전선을 통하여 또는 무선 연결 등에 의하여 작동하도록 상기 공기 공급원(320)에 결합되어 있고, 열원(340)의 동적 피드백 온도 특성에 기초하여 상기 공기 공급원(320)으로부터 열원(340)으로의 공기 공급을 조절하도록 되어 있다. 이러한 동적 피드백 온도 특성은 열원의 하나 또는 그 이상의 요소의 온도를 나타낸다. 몇몇 실시예에서는, 동적 피드백 온도 특성은 열원으로부터의 냉각수 온도를 포함하고, 이것은 열원(340)의 냉각수 출구에 결합된 하나 또는 그 이상의 온도 센서에 의하여 이상적으로 결정된다. 이 온도 정보는 냉 각수가 센서들과 접촉하게 될 때 센서들에 의하여 결정되고, 공기 공급 제어 장치(315)에 전달되는데, 그것은 상기 공기 공급원(320)을 제어하기 위한 적당한 제어 신호를 결정하기 위하여 제어기에 의하여 조작되고 사용된다. 상기 열원(340)에 관한 온도 정보에 기초하여, 상기 공기 공급 제어 장치(315)는 열원(340)에 공급될 공기량을 조절할 것이다. 공기 유량을 위한 전류 제어는 열원 요소 또는 냉각수의 온도의 공기 유량에 대한 효과를 고려하지 않는데, 이것은 결과적으로 더 많은 소모 동력이 소모되도록 한다. 공기 유량에 대한 온도의 보상은 소모 동력을 감소시킨다. 상기 피드백 온도 정보와 더불어, 공기 공급 제어 장치는 또한 공기 공급원(320)의 제어를 상기 장치(300)에 가해지는 부하 형상에 기초할 수 있다. The air supply control device 315 is coupled to the air source 320 to operate by means of a rigid wire or by a wireless connection and is connected to the air supply source 320 from the air supply source 320 based on the dynamic feedback temperature characteristic of the heat source 340 So as to control the air supply to the heat source 340. This dynamic feedback temperature characteristic represents the temperature of one or more elements of the heat source. In some embodiments, the dynamic feedback temperature characteristic includes the cooling water temperature from a heat source, which is ideally determined by one or more temperature sensors coupled to the cooling water outlet of the heat source 340. This temperature information is determined by the sensors when the cold water number comes into contact with the sensors and is transmitted to the air supply controller 315 which determines the appropriate control signal for controlling the air supply 320 It is operated and used by the controller. Based on the temperature information about the heat source 340, the air supply control device 315 will regulate the amount of air to be supplied to the heat source 340. Current control for the air flow rate does not take into account the effect of the temperature of the heat source element or cooling water on the air flow rate, which results in more consumption of power. The compensation of the temperature to the air flow rate reduces the power consumption. In addition to the feedback temperature information, the air supply control device may also be based on the load shape applied to the apparatus 300 to control the air supply 320.

냉각수 공급원은 열원(340)의 냉각수 입구에 유체가 흘러갈 수 있도록 결합되어 있고, 냉각수를 상기 열원(340)에 공급하도록 되어 있다. 몇몇 실시예에서는, 냉각수 공급원은 냉각수를 저장하도록 되어 있는 유체 저장소(370)와, 냉각수를 상기 유체 저장소(370)로부터 열원으로 펌핑하도록 되어 있는 냉각수 펌프(380)를 포함한다. 냉각수의 유량은 냉각수 제어 장치(325)에 의하여 제어된다. 몇몇 실시예에서는, 열원(340)으로부터의 냉각수를 냉각하고 냉각된 냉각수를 냉각수 저장소(370)에 제공하도록 라디에이터와 팬과 같은 냉각 장치(360)가 구비된다. 몇몇 실시예에서는, 열원(340)으로부터 냉각 장치(360)에 공급되는 냉각수의 양 대 열원(340)으로부터 상기 냉각수 저장소(370)로 가는 도중에 상기 냉각 장치(360)를 우회하는 냉각수의 양을 규제하기 위한 바이패스 밸브(350)가 구비된다. 몇몇 실시예에서는, 이러한 규제는 열원(340) 주위의 동적 온도 정보에 기초한다. The cooling water supply source is coupled to the cooling water inlet of the heat source 340 to supply the cooling water to the heat source 340. In some embodiments, the cooling water source includes a fluid reservoir 370 adapted to store cooling water and a cooling water pump 380 adapted to pump cooling water from the fluid reservoir 370 to a heat source. The flow rate of the cooling water is controlled by the cooling water control device 325. In some embodiments, a cooling device 360, such as a radiator and a fan, is provided to cool the cooling water from the heat source 340 and provide cooled cooling water to the cooling water reservoir 370. In some embodiments, the amount of cooling water supplied from the heat source 340 to the cooling device 360 may be regulated by regulating the amount of cooling water bypassing the cooling device 360 on the way from the heat source 340 to the cooling water reservoir 370 A bypass valve 350 is provided. In some embodiments, such regulation is based on dynamic temperature information around the heat source 340.

냉각수 제어 장치(325)는 제어 장치(300)의 적어도 하나의 냉각수 특성을 조절하도록 되어 있다. 그러한 냉각수 특성들의 예는 열원(340)으로 공급되는 냉각수 유량(이것은 냉각수 펌프(380)를 제어함으로써 제어될 수 있다.), 열원(340)에 공급되는 냉각수 온도(이것은 냉각 장치(360)를 통과하거나 우회하는(바이패스 밸브의 개도각을 변경시키 것 등에 의하여) 열원(340)으로부터의 냉각수의 양을 제어함으로써 제어될 수 있다.)를 포함한다. The cooling water control device 325 is adapted to control at least one cooling water characteristic of the control device 300. An example of such cooling water characteristics is a cooling water flow rate (which can be controlled by controlling the cooling water pump 380) supplied to the heat source 340, a cooling water temperature that is supplied to the heat source 340 Or by controlling the amount of cooling water from the heat source 340 (e.g., by changing the opening angle of the bypass valve).

냉각수 유량의 조절은 추정된 피드 포워드 열원 특성에 기초한다. 이러한 추정된 피드 포워드 열원 특성은 상기 장치(300)에 가해지는 부하 형상에 기초한 온도 형상이다. 가상의 온도 형상을 계산하고 그것을 피드 포워드 제어에 의하여 보상하기 위한 알고리즘들이 사용된다. 몇몇 실시예에서는, 이 부하 형상은 공기 공급 제어 장치(315)가 공기 공급원(320)을 제어하기 위하여 사용한 부하 형상과 동일하고, 공기 공급 제어 장치(315)로부터 냉각수 제어 장치(325)로 전송될 수 있다. 추가적으로 또는 대체하는 방식으로, 부하 형상은 공기 공급 제어 장치(315)와 독립적으로 구비될 수 있다(즉, 그것은 공기 공급 제어 장치(315)에 의하여 냉각수 제어 장치(325)에 공급될 필요가 없다.). Control of the coolant flow rate is based on the estimated feed-forward heat source characteristics. This estimated feed forward heat source characteristic is a temperature profile based on the load shape applied to the device 300. [ Algorithms are used to calculate the virtual temperature profile and compensate it by feedforward control. In some embodiments, the load configuration is the same as the load configuration used by the air supply controller 315 to control the air supply 320, and is transmitted from the air supply controller 315 to the cooling water controller 325 . Additionally or alternatively, the load configuration may be provided independently of the air supply control device 315 (i.e., it need not be supplied to the cooling water control device 325 by the air supply control device 315). ).

냉각수 온도 조절은 위에서 검토한 동적 피드백 온도 특성에 기초한다. 이러한 관점에서, 장치(300)는 열원 온도에 대한 정보를 냉각수 제어 장치(325)에 전달하기 위하여 유사한 센서와 통신 특성을 사용할 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 이러한 정보는 열원(340)의 냉각수 통로 출구에서 측정된 실제 온도값에 기초할 수 있다. 추가적으로 또는 대체하는 방식으로, 이러한 정보는 다른 측정값 또는 데이터 에 동일하게 기초할 수 있다. Coolant temperature control is based on the dynamic feedback temperature characteristics discussed above. In this regard, the device 300 may use a similar sensor and communication characteristic to communicate information about the heat source temperature to the cooling water control device 325. [ In some embodiments, this information may be based on the actual temperature value measured at the cooling water passage outlet of the heat source 340. Additionally or alternatively, such information may be equally based on other measures or data.

냉각수 외에 추가적인 물질(부산물, 공기, 연료 등등)이 열원(340)에 유체가 흘러갈 수 있도록 결합된 하나 또는 그 이상의 출력 라인들을 통하여 출력된다.In addition to the cooling water, additional materials (byproducts, air, fuel, etc.) are output through one or more output lines coupled to the heat source 340 to allow fluid to flow.

도 4는 본 발명의 원리에 따른 PI 제어기를 사용하는 공기 및 냉각수 제어 장치(400)의 보다 구체적인 실시예를 도시하였다. 상기 장치(400)는 연료 전지 스택(440), (송풍기와 같은) 공기 공급원(420), 공기 공급 제어 장치(415), 냉각수 공급원(몇몇 실시예에서는, 냉각수 펌프(480), 유체 저장소(470), 그리고 라디에이터와 팬(460)을 포함한다.), 그리고 냉각수 흐름 제어 장치(450)를 포함한다. FIG. 4 shows a more specific embodiment of the air and cooling water control device 400 using the PI controller according to the principles of the present invention. The apparatus 400 includes a fuel cell stack 440, an air source 420 (such as a blower), an air supply controller 415, a coolant source (in some embodiments, a coolant pump 480, a fluid reservoir 470 ), And a radiator and fan 460), and a coolant flow control device 450.

연료 전지 스택(440)은 공기 공급원(420)에 유체가 흘러갈 수 있도록 결합되어 있는 공기 입구, 냉각수 공급원에 유체가 흘러갈 수 있도록 결합되어 있는 냉각수 입구, 그리고 상기 연료 전지 스택(440)을 통하여 냉각수 입구에 유체가 흘러갈 수 있도록 결합되어 있는 냉각수 출구를 포함한다. The fuel cell stack 440 includes an air inlet coupled to the air supply source 420 for flowing the fluid, a cooling water inlet coupled to the cooling water supply source to allow the fluid to flow therethrough, And a cooling water outlet coupled to allow the fluid to flow into the cooling water inlet.

공기 공급원(420)은 연료 전지 스택(440)의 공기 입구에 유체가 흘러갈 수 있도록 결합되어 있고, 공기를 상기 연료 전지 스택(440)에 공급하도록 되어 있다. 공기 공급 제어 장치(415)는 강성의 전선을 통하여 또는 무선 연결 등에 의하여 작동적으로 상기 공기 공급원(420)에 결합되어 있고, 연료 전지 스택으로부터의 동적 피드백 온도 특성에 기초하여 공기 공급원(420)으로부터 열원(440)으로의 공기 공급을 조절하도록 되어 있다. 이러한 동적 피드백 온도 특성은 연료 전지 스택의 하나 또는 그 이상의 요소들(예를 들어, 촉매)의 온도를 나타낸다. 몇몇 실시예에서는, 상기 동적 피드백 온도 특성은 연료 전지 스택으로부터의 냉각수 온도를 포함 하고, 이것은 연료 전지 스택(440)의 냉각수 출구에 결합된 하나 또는 그 이상의 온도 센서들에 의하여 이상적으로 결정된다. 이 온도 정보는 냉각수가 센서들과 접촉하게 될 때 센서들에 의하여 결정되고, 공기 공급 제어 장치(415)에 전달되는데, 그것은 공기 공급원(420)을 제어하기 위한 적당한 제어 신호를 결정하기 위하여 제어기에 의하여 조작되고 사용된다. 연료 전지 스택(440) 주위의 온도 정보(Tc,ave)에 기초하여, 공기 공급 제어 장치(415)는 연료 전지 스택(440)에 공급될 공기의 양을 조절할 것이다. 몇몇 실시예에서는, 이 온도 정보는 공기 공급 제어 장치(415) 내의 보상기(416)에 전달된다. 보상기(416)는 기준 전류(Iref)와 같은 다른 정보와 함께 이 온도 정보를 연료 전지 스택(440)의 동적 상태를 보상하기 위하여 사용한다. 공기 공급 제어 장치(415)는 상기 기준 부하 전류(Iref)를 사용하고 제어기(412) 내의 함수(f(Iref))를 사용하여 맵 데이터를 보간한다. 몇몇 실시예에서는, 제어기(412)와 보상기(416)로부터의 결과를 처리하기 위하여 논리 요소(414)가 사용된다. The air supply source 420 is coupled to the air inlet of the fuel cell stack 440 so as to allow the air to flow to the fuel cell stack 440. The air supply control device 415 is operatively coupled to the air source 420 via a rigid wire or by a wireless connection and is connected to the air supply 420 from an air supply 420 based on dynamic feedback temperature characteristics from the fuel cell stack And adjusts the air supply to the heat source 440. This dynamic feedback temperature characteristic represents the temperature of one or more elements (e.g., catalyst) of the fuel cell stack. In some embodiments, the dynamic feedback temperature characteristic includes the cooling water temperature from the fuel cell stack, which is ideally determined by one or more temperature sensors coupled to the cooling water outlet of the fuel cell stack 440. This temperature information is determined by the sensors when the coolant is brought into contact with the sensors and is transmitted to the air supply controller 415 which is connected to the controller to determine the appropriate control signal for controlling the air supply 420 Are manipulated and used. Based on the temperature information (T c, ave ) around the fuel cell stack 440, the air supply control device 415 will regulate the amount of air to be supplied to the fuel cell stack 440. In some embodiments, this temperature information is communicated to the compensator 416 in the air supply control device 415. The compensator 416 uses this temperature information together with other information, such as the reference current I ref , to compensate for the dynamic state of the fuel cell stack 440. The air supply control device 415 interpolates the map data using the reference load current I ref and using the function f (I ref ) in the controller 412. In some embodiments, a logic element 414 is used to process the results from the controller 412 and the compensator 416.

냉각수 공급원은 연료 전지 스택(440)의 냉각수 입구에 유체가 흘러갈 수 있도록 결합되어 있고, 냉각수를 연료 전지 스택(440)에 공급하도록 되어 있다. 몇몇 실시예에서는, 냉각수 공급원은 냉각수를 저장하도록 되어 있는 냉각수 저장소(470)와 냉각수를 상기 냉각수 저장소(470)로부터 연료 전지 스택(440)에 펌핑하도록 되어 있는 냉각수 펌프(480)를 포함한다. 냉각수의 유량은 냉각수 흐름 제어 장치(450)에 의하여 제어된다. 몇몇 실시예에서는, 연료 전지 스택으로부터의 냉각 수를 냉각하고 냉각된 냉각수를 냉각수 저장소(470)에 제공하기 위하여 라디에이터와 팬과 같은 냉각 장치(460)가 구비된다. The coolant supply source is coupled to the coolant inlet of the fuel cell stack 440 so as to allow the coolant to flow and to supply the coolant to the fuel cell stack 440. In some embodiments, the coolant supply includes a coolant reservoir 470 adapted to store coolant and a coolant pump 480 configured to pump coolant from the coolant reservoir 470 to the fuel cell stack 440. The flow rate of the cooling water is controlled by the cooling water flow control device 450. In some embodiments, a cooling device 460, such as a radiator and a fan, is provided to cool the cooling water from the fuel cell stack and provide cooled cooling water to the cooling water reservoir 470.

냉각수 흐름 제어 장치(450)는 연료 전지 장치(440)에 공급되는 냉각수의 유량을 조절하도록 되어 있고, 이것은 냉각수 펌프(480)를 제어함으로써 제어된다. 냉각수 유량의 조절은 앞에서 토의된 추정된 피드 포워드 열원 특성에 기초한다. 이 추정된 피드 포워드 열원 특성은 상기 장치(400)에 가해지는 부하 형상에 기초한 온도 형상이다. 가상의 온도 형상을 계산하고 피드 포워드 제어에 의하여 그것을 보상하기 위하여 알고리즘들이 사용된다. 몇몇 실시예에서는, 이 부하 형상은 공기 공급 제어 장치(415)가 공기 공급원(420)을 제어하기 위하여 사용하는 부하 형상과 동일하고, 이에 따라 공기 공급 제어 장치(415)로부터 냉각수 흐름 제어 장치(450)에 전송될 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 냉각수 흐름 제어 장치(450)는 상기 기준 부하 전류(Iref)를 사용하고 제어기(452) 내의 함수(g(Iref))를 사용하여 맵 데이터를 보간한다. 몇몇 실시예에서는, 제어기(452)로부터의 결과와 냉각수 기준 온도(Tc,ref)를 처리하기 위하여 논리 요소(454)가 사용된다. 논리 요소(454)는 그것의 결과를 논리 요소(456)에 전달하고, 이것은 그 결과를 PI 제어기(458)에 전달하기 전에 연료 전지 스택(440)으로부터의 동적 피드백 온도 특성을 병합한다. PI 제어기(458)는 냉각수 펌프(480)의 작동을 제어하고, 그것에 의하여 연료 전지 스택으로의 냉각수 유량을 조절한다. The cooling water flow control device 450 is adapted to regulate the flow rate of the cooling water supplied to the fuel cell device 440, which is controlled by controlling the cooling water pump 480. Control of the cooling water flow rate is based on the estimated feed forward heat source characteristics discussed above. This estimated feed forward heat source characteristic is a temperature shape based on the load shape applied to the apparatus 400. [ Algorithms are used to calculate the virtual temperature profile and compensate it by feed-forward control. In some embodiments, this load configuration is the same as the load configuration used by the air supply control device 415 to control the air supply 420, and thus from the air supply control device 415 to the cooling water flow control device 450 ). ≪ / RTI > In some embodiments, the coolant flow control device 450 interpolates the map data using the reference load current I ref and using the function g (I ref ) in the controller 452. In some embodiments , a logic element 454 is used to process the results from the controller 452 and the coolant reference temperature (T c, ref ). The logic element 454 passes its result to a logic element 456 which merges the dynamic feedback temperature characteristic from the fuel cell stack 440 before delivering the result to the PI controller 458. The PI controller 458 controls the operation of the coolant pump 480 and thereby regulates the coolant flow rate to the fuel cell stack.

몇몇 실시예에서는, 장치(400)는, 도 2에 제시된 대응하는 요소들의 구성과 유사하게, 수소 탱크(410), 입구 매니폴드(430), 출구 매니폴드(485), 스테이터들(435, 490), 그리고 밸브들(437, 487)을 포함한다. In some embodiments, the apparatus 400 includes a hydrogen tank 410, an inlet manifold 430, an outlet manifold 485, stators 435, 490 (not shown), similar to the configuration of the corresponding elements shown in FIG. ), And valves 437 and 487.

도 5A는 본 발명의 원리에 따른 PI 제어기와 바이패스 밸브를 사용하는 공기 및 냉각수 제어 장치(500A)의 다른 실시예를 도시하였다. 몇몇 실시예에서는, 장치(500A)는 유사한 연결과 기능을 가지는 수소 탱크(510), 공기 공급원(520), 공기 공급 제어 장치(515), 제어기(512), 논리 요소(514), 비교기(516), 냉각수 흐름 제어 장치(550), 제어기(552), 논리 요소들(554, 556), PI 제어기(558), 냉각수 펌프(580), 냉각수 저장소(570), 라디에이터와 팬(560), 연료 전지 스택(540), 입구 매니폴드(530), 출구 매니폴드(585), 스테이터들(535, 590), 그리고 밸브들(537, 587)을 포함한다. 5A shows another embodiment of an air and coolant control apparatus 500A using a PI controller and a bypass valve in accordance with the principles of the present invention. In some embodiments, the apparatus 500A includes a hydrogen tank 510 having similar connections and functions, an air source 520, an air supply controller 515, a controller 512, a logic element 514, a comparator 516 ), A cooling water flow control device 550, a controller 552, logic elements 554 and 556, a PI controller 558, a cooling water pump 580, a cooling water reservoir 570, a radiator and a fan 560, A battery stack 540, an inlet manifold 530, an outlet manifold 585, stators 535 and 590, and valves 537 and 587.

그러나, 장치(500A)는 연료 전지 스택(540) 및 라디에이터와 팬(560) 사이에서 유체가 흘러갈 수 있도록 결합된 바이패스 밸브(545)와, 상기 바이패스 밸브(545)에 작동되도록 결합된 바이패스 밸브 제어 장치(565)를 추가적으로 포함한다. 상기 바이패스 밸브(545)는 연료 전지 스택(540)으로부터 라디에이터와 팬(560)으로 공급되는 냉각수의 양 대 냉각수 저장소(570)로 가는 도중에 라디에이터와 팬(560)을 우회하는 연료 전지 스택(540)으로부터 공급되는 냉각수의 양을 조절하도록 되어 있다. 몇몇 실시예에서는, 이러한 조절은 연료 전지 스택(540) 주위의 동적 온도 정보에 기초한다. Device 500A includes a bypass valve 545 coupled to allow fuel to flow between the fuel cell stack 540 and the radiator and the fan 560 and a bypass valve 542 coupled to the bypass valve 545 And further includes a bypass valve control device 565. The bypass valve 545 is connected to the fuel cell stack 540 that bypasses the radiator and the fan 560 on the way to the cooling water reservoir 570 from both the radiator and the fan 560 to the cooling water from the fuel cell stack 540. [ To control the amount of the cooling water to be supplied from the cooling water supply unit. In some embodiments, this adjustment is based on dynamic temperature information around the fuel cell stack 540.

바이패스 밸브 제어 장치(565)는 연료 전지 스택(540)으로부터 라디에이터와 팬(560)을 통과하거나 우회하는 냉각수의 양을 제어하도록 되어 있다. 앞에서 언급 한 바와 같이, 상기 바이패스 밸브 제어 장치(565)는 연료 전지 스택(540) 주위의 동적 온도 정보에 기초하여 바이패스 밸브(545)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 온도 센서들은 냉각수 저장소(570) 내에 저장된 냉각수의 온도를 결정할 수 있다. 그러면, 이 온도 정보(Tres)는 바이패스 밸브 제어 장치(565)에 전달되고, 거기에서 그것들은 연료 전지 스택(540) 내에서 온도 변화의 정도를 결정하기 위하여 논리 요소(557)에 의하여 기준 저장소 온도(Tres,ref)와 비교된다. 그 결과는 PI 제어기(569)에 전달되고, PI 제어기(569)는 냉각수 저장소(570)에 도달하기 전 냉각되어야 할 냉각수의 적당한 비율(k)(즉, 라디에이터와 팬(560)을 통과함으로써)을 결정한다. 냉각수의 남은 부분(1-k)은 냉각 장치(560)를 우회한다. PI 제어기(569)는 이에 따라 상기 밸브를 제어하도록 제어 신호를 바이패스 밸브(545)에 전달할 수 있다. The bypass valve control device 565 is adapted to control the amount of cooling water passing or bypassing the radiator and the fan 560 from the fuel cell stack 540. As described above, the bypass valve control device 565 can control the bypass valve 545 based on dynamic temperature information around the fuel cell stack 540. For example, the temperature sensors may determine the temperature of the cooling water stored in the cooling water reservoir 570. This temperature information T res is then passed to the bypass valve controller 565 where they are stored in the fuel cell stack 540 by a logic element 557 to determine the degree of temperature change Is compared with the storage temperature (T res, ref ). The result is communicated to the PI controller 569 and the PI controller 569 calculates the appropriate ratio k of cooling water to be cooled before it reaches the cooling water reservoir 570 (i.e., by passing through the radiator and fan 560) . The remaining portion (1-k) of the cooling water bypasses the cooling device (560). The PI controller 569 can thus communicate a control signal to the bypass valve 545 to control the valve.

도 5B는 공기 및 냉각수 제어 장치(500B)의 또 다른 실시예를 도시하였는데, 이것은 도 5A의 장치(500A)의 변형이다. 장치(500B)는, 냉각수 흐름 제어 장치(550)가 피드 포워드 열원 특성을 병합하지 않는 점을 제외하고는, 도 5A와 동일한 구성 요소들과 기능을 갖는다. 대신에, 그것은 추정된 부하 형상을 적용하지 않고 적절한 냉각수 유량을 결정하기 위하여 동적 피드백 온도 특성을 사용한다. Figure 5B shows another embodiment of the air and coolant control device 500B, which is a variation of the device 500A of Figure 5A. The apparatus 500B has the same components and functions as those of Fig. 5A except that the cooling water flow control device 550 does not merge the feed-forward heat source characteristics. Instead, it uses dynamic feedback temperature characteristics to determine the appropriate cooling water flow rate without applying the estimated load geometry.

도 6A는 본 발명의 원리에 따른 상태 피드백 및 적분 제어기와 바이패스 밸브를 사용하는 공기 및 냉각수 제어 장치(600A)의 다른 실시예를 도시하였다. 몇몇 실시예에서는, 장치(600A)는, 도 5A에 제시된 대응하는 요소들의 구성과 유사하며 유사한 연결과 기능을 가지는, 수소 탱크(610), 공기 공급원(620), 공기 공급 제어 장치(615), 제어기(612), 논리 요소(614), 비교기(616), 냉각수 펌프(680), 냉각수 저장소(670), 라디에이터와 팬(660), 바이패스 밸브(645), 연료 전지 스택(640), 입구 매니폴드(630), 출구 매니폴드(685), 스테이터들(635, 690), 그리고 밸브들(637, 697)을 포함한다. 그러나, 상기 장치(600A)는 냉각수 흐름 제어 장치(550)와 바이패스 밸브 제어 장치(565)를 적분 제어 장치(655)와 상태 피드백 제어 장치(650)로 대체하였다. 6A shows another embodiment of an air and coolant control apparatus 600A using a status feedback and integral controller and a bypass valve in accordance with the principles of the present invention. In some embodiments, the apparatus 600A includes a hydrogen tank 610, an air source 620, an air supply control device 615, and an air supply controller 620, which are similar in construction to the corresponding elements shown in FIG. A controller 612, a logic element 614, a comparator 616, a coolant pump 680, a coolant reservoir 670, a radiator and fan 660, a bypass valve 645, a fuel cell stack 640, Manifold 630, outlet manifold 685, stators 635 and 690, and valves 637 and 697. [ However, the apparatus 600A has replaced the cooling water flow control device 550 and the bypass valve control device 565 with the integral control device 655 and the state feedback control device 650. [

적분 제어 장치(655)는 기준 냉각수 온도(Tc,ref), 기준 저장소 온도(Tres,ref), 실제 저장소 온도(Tres), 그리고 연료 전지 스택(640)으로부터의 냉각수의 실제 평균 온도(Tc,ave)를 처리하기 위하여 논리 요소(656)를 사용한다. 그 결과(q)는 적분 제어기(658)에 전달된다. The integral controller 655 calculates the actual average temperature of the cooling water from the fuel cell stack 640 and the reference cooling water temperature T c, ref , the reference storage temperature T res, ref , the actual storage temperature T res , T c, ave ). ≪ / RTI > The result (q) is passed to the integral controller 658.

상태 피드백 제어 장치(650)는 실제 저장소 온도(Tres)와 연료 전지 스택(640)으로부터의 냉각수의 실제 평균 온도(Tc,ave)를 처리하기 위하여 상태 피드백 제어기(652)를 사용한다. 그 결과는 논리 요소(654)로 전달되고, 상기 논리 요소(654)는 이 결과를 기준 온도들(Tc,ref, Tres,ref)과 함께 처리한 후 그 결과를 논리 요소(677)로 전달한다. 논리 요소(677)는 라디에이터와 팬(660)을 통과하여야만 하는 연료 전지 스택(640)으로부터의 냉각수의 비율(k)을 결정하기 위하여 이 결과를 적분 제어기(658)로부터의 결과와 함께 처리한다. 그러면, 제어 신호는 이 비율을 가리키기 위하여 바이패스 밸브(645)에 전달된다. The state feedback controller 650 uses the state feedback controller 652 to process the actual storage temperature T res and the actual average temperature T c, ave of the cooling water from the fuel cell stack 640. The result is passed to a logic element 654 which processes the result together with the reference temperatures T c, ref , T res, ref and sends the result to the logic element 677 . Logic element 677 processes this result with the results from integral controller 658 to determine the ratio k of cooling water from fuel cell stack 640 that must pass through radiator and fan 660. The control signal is then passed to the bypass valve 645 to indicate this ratio.

논리 요소(677)의 결과는 또한 논리 요소(679)에 전달되고, 거기에서 그 결과는 제어기(675)로부터의 추정된 피드 포워드 열원 특성과 함께 적당한 냉각수 유량을 결정하기 위하여 처리된다. 적당한 냉각수 유량이 결정되면, 냉각수 펌프(680)를 그에 따라 조절하도록 신호가 냉각수 펌프(680)에 전달된다. The result of logic element 677 is also passed to logic element 679 where the result is processed to determine the appropriate cooling water flow rate with the estimated feed forward heat source characteristics from controller 675. Once the appropriate coolant flow rate is determined, a signal is communicated to the coolant pump 680 to adjust the coolant pump 680 accordingly.

도 6B는 공기 및 냉각수 제어 장치(600B)의 또 다른 실시예를 도시하였는데, 이것은 도 6A의 장치(600A)의 변형이다. 장치(600B)는, 피드 포워드 열원 특성이 냉각수 유량 제어에 병합되지 않는 점을 제외하고는, 도 6A와 동일한 구성 요소들과 기능을 갖는다. 대신에, 그것은 추정된 부하 형상을 적용하지 않고 적절한 냉각수 유량을 결정하기 위하여 동적 피드백 온도 특성을 사용한다. 6B shows another embodiment of air and cooling water control apparatus 600B, which is a variation of apparatus 600A of FIG. 6A. The apparatus 600B has the same components and functions as those of Fig. 6A except that the feed-forward heat source characteristic is not incorporated into the cooling water flow rate control. Instead, it uses dynamic feedback temperature characteristics to determine the appropriate cooling water flow rate without applying the estimated load geometry.

공기 유량, 냉각수 유량, 및/또는 냉각수 온도를 최적화하기 위하여, 상기 추정된 피드 포워드 열원 특성과 동적 피드백 온도 특성은 어떠한 조합에서든 사용될 수 있도록 고안되었다. In order to optimize air flow rate, cooling water flow rate, and / or cooling water temperature, the estimated feed forward heat source characteristics and dynamic feedback temperature characteristics are designed to be used in any combination.

공기 공급, 열적 장치, 및 관련된 제어 전략을 갖는 스택의 동적 거동을 분석하기 위하여 시뮬레이션이 행해진다. 막 내의 수분 함량, 온도 변화, 산소 과잉율, 및 부하 전류에서 응답들의 동역학은 아래에서 분석된다. 선택된 모델을 위한 파라미터들과 기준 데이터는 도 7의 테이블에 기재되어 있으며, 그것은 부분적으로 실험값이다. 모든 모델들은 MATLAB/Simulink에서 주어진 블록에 의하여 코드화되었다. Simulations are conducted to analyze the dynamic behavior of the stack with air supply, thermal devices, and associated control strategies. The dynamics of the responses in moisture content, temperature change, oxygen excess rate, and load current in the film are analyzed below. The parameters and reference data for the selected model are described in the table of FIG. 7, which is an experimental value in part. All models were coded by the given block in MATLAB / Simulink.

도 9는 도 8에 도시된 계단식 부하 전류에서 실험 모델과 제안된 모델 사이 에서 막의 수분 함량을 비교한 그래프이다. 우선, 막의 수분 함량은 표준 증기압에 의하여 결정되는 상대 습도에 의존하고, 상기 표준 증기압은 캐소드와 애노드 측의 온도 및 증기압들에 의존한다. 실험 모델은 막에서 80℃의 일정한 온도를 가정하였기 때문에, 수분 이동의 동역학은 수반하지 않으며, 결과적으로 증기압은 단지 부하 전류의 변화를 추종한다. 역으로, 막에서의 수분 평형과 온도는 막의 수분 함량에 강한 영향을 끼친다. 캐소드 측의 촉매층의 온도가 80℃로 제어될 때 수분 함량은 높아지고, 가스 통로의 온도는 80℃ 아래로 떨어진다. 그러면, 포화 증기압이 감소하고 상대 습도는 높아지게 된다. 높은 부하 전류에 의한 스택의 상승된 온도가 전지의 양 측에서 높은 포화 증기압과 낮은 상대 습도로 이끄는 것을 볼 수 있다. 결과적으로, 막의 수분 함량은 감소한다. 9 is a graph comparing the moisture content of the membrane between the experimental model and the proposed model at the stepped load current shown in FIG. First, the moisture content of the film depends on the relative humidity determined by the standard vapor pressure, and the standard vapor pressure depends on the temperature and the vapor pressures on the cathode and the anode side. Since the experimental model assumed a constant temperature of 80 ° C in the membrane, there is no kinetic dynamics of moisture transfer, and consequently the vapor pressure just follows the change in load current. Conversely, water equilibrium and temperature in the membrane have a strong influence on the moisture content of the membrane. When the temperature of the catalyst layer on the cathode side is controlled to 80 캜, the moisture content is increased, and the temperature of the gas passage falls below 80 캜. Then, the saturation vapor pressure decreases and the relative humidity becomes higher. It can be seen that the elevated temperature of the stack due to the high load current leads to a high saturation vapor pressure and low relative humidity on both sides of the cell. As a result, the moisture content of the membrane decreases.

도 10은 외란의 피드 포워드를 가진 경우와 가지지 않은 경우의 촉매와 냉각수 통로에서 온도를 보여준다. 작동 중에 촉매층의 온도에 접근하기 어렵기 때문에, 실제 온도는 통상적으로 애노드와 캐소드 측의 스택 출구의 냉각수에서 측정된 후, 평균을 내게 된다. 촉매와 막에서 온도의 최대 한계를 고려하여, 냉각수 제어를 위한 기준 온도는 76℃로 설정된다. Figure 10 shows the temperatures in the catalyst and coolant passages with and without disturbance feed forward. Since it is difficult to approach the temperature of the catalyst layer during operation, the actual temperature is typically measured in the cooling water at the stack outlet of the anode and cathode sides and then averaged. In consideration of the maximum limit of the temperature in the catalyst and the membrane, the reference temperature for cooling water control is set at 76 占 폚.

상기 스택에 다단계 전류가 인가될 때, 스택의 온도는, 특히 캐소드 측의 촉매에서 급격히 상승하는데, 거기에서는 냉각수 온도가 76℃의 기준 온도를 위하여 전적으로 제어된다(도 10에서 점선으로 된 Tcatl,control only와 Tcoolant,control only를 보라.). 촉매와 막 층들은 과열되고 손상되는 것을 주목해야 한다. When a multi-stage current is applied to the stack, the temperature of the stack rises sharply, especially on the cathode side catalyst, where the cooling water temperature is exclusively controlled for a reference temperature of 76 [deg.] C ( Tcatl, see control only and T coolant, control only ). It should be noted that the catalyst and membrane layers are overheated and damaged.

층들 사이에서 온도 차이는 이 과잉열을 가능한 한 빨리 배출하는 냉각수 제어 회로로 외란을 피드 포워드(FF) 함으로써 감소될 수 있다. 외란의 전달 함수는 이다. 제안된 제어 전략의 결과는 실선으로 도 10에 도시되었는데, 거기에서 촉매층의 온도는 거의 80℃로 유지된다. 냉각수 온도는 촉매 온도의 변화를 추종한다. 그러나, 스택의 높은 열질량과 큰 열용량 때문에 온도의 순간적인 증가는 완전히 억제되지 못한다. 게다가, 냉각수 통로와 촉매층 사이의 온도 차에 의하여 유발되는 정상 상태 오차가 남아 있다. 그럼에도 불구하고, 전지의 냉각은 효과적이고 각 층에서 열의 존속은 최소화된다. The temperature difference between the layers can be reduced by feedforwarding (FF) the disturbance with a cooling water control circuit that discharges this excess as soon as possible. The transfer function of the disturbance is. The result of the proposed control strategy is shown in solid line in FIG. 10, where the temperature of the catalyst bed is maintained at approximately 80 ° C. The cooling water temperature follows the change of the catalyst temperature. However, due to the high thermal mass of the stack and the large heat capacity, the instantaneous increase in temperature is not completely suppressed. In addition, a steady-state error caused by the temperature difference between the cooling water passage and the catalyst layer remains. Nevertheless, the cooling of the cell is effective and the heat uptake in each layer is minimized.

도 11은 냉각수 제어가 전지의 평면에 걸친 온도 분포에 끼치는 영향을 보여준다. 전류의 크기가 0.5A에서 0.55A, 0.65A, 0.7A로 단계적으로 변화함에 따라, 스택 온도도 따라서 높아지게 된다. 피드 포워드가 적용될 때, 전체 스택 온도가 낮아지고 촉매 온도는 353.5˚K에 유지되는데, 이 값은 이전 보다 상당히 낮은 값이다. 마찬가지로, 캐소드 측의 촉매와 냉각수 통로 사이의 최대 온도 차이가 이전 보다 낮은 4˚K가 된다. 결과적으로, 스택의 냉각은 이전 보다 더 효과적이다. Figure 11 shows the effect of cooling water control on the temperature distribution across the plane of the cell. As the magnitude of the current changes step by step from 0.5A to 0.55A, 0.65A, and 0.7A, the stack temperature also increases accordingly. When feed forward is applied, the overall stack temperature is lowered and the catalyst temperature is maintained at 353.5 ° K, which is significantly lower than before. Likewise, the maximum temperature difference between the catalyst on the cathode side and the cooling water passage becomes 4 [deg.] K lower than before. As a result, cooling of the stack is more effective than before.

도 12는 냉각수 흐름 제어를 가지는 경우 일정한 및 동적으로 변화하는 온도에서 산소 과잉율을 도시하였다. 스택 온도의 변화에 의하여 유발되는 가스 흐름 통로에서의 압력 변화 때문에, 산소 과잉율은 전류가 변화하는 방향에 의하여 역으로 영향을 받는다. Figure 12 shows the oxygen excess rate at constant and dynamically varying temperatures with cooling water flow control. Because of the pressure change in the gas flow path caused by the change in stack temperature, the oxygen excess rate is adversely affected by the direction in which the current changes.

도 13은 공기 제어 회로에 영향을 끼치는 온도의 보상 전 및 후의 산소 과잉율의 비교를 보여 준다. 스택에 인가되는 전류가 단계적으로 변화하는 경우에도 보 상은 산소 과잉율을 2 정도에 유지되도록 하는데, 이것은 송풍기에서 소모 동력이 적어지는 것을 의미한다.Fig. 13 shows a comparison of the oxygen excess rate before and after the compensation of the temperature affecting the air control circuit. Even when the current applied to the stack changes stepwise, the overheating ensures that the oxygen excess rate is maintained at about 2, which means that the power consumed by the blower is reduced.

PI 제어 및 상태 피드백 제어 사이의 비교는 계단식 부하 전류에서 상태 피드백 제어의 소모 동력이 PI 제어의 소모 동력에 비하여 5% 작은 것을 보여준다. 그러나, 동적 응답은 상태 피드백 제어에 의하여 많이 향상된다. 도 14에서, 두 제어의 계단 응답은 앞에서 언급한 모델들로 시뮬레이션 되었다. 출력 상태들은 냉각수 유량과 스택 입구 냉각수 온도이다. 상태 피드백 제어에 의한 냉각수 유량의 상승 시간은 6초로, PI 제어에 의한 상승시간에 비하여 4배 빠르다. 동일하게, 상태 피드백 제어에 의한 스택 입구 냉각수 온도의 상승 시간은 PI 제어에 의한 상승 시간에 비하여 3배 빠르다.The comparison between the PI control and the state feedback control shows that the power consumption of the state feedback control at the stepped load current is 5% less than the power consumption of the PI control. However, the dynamic response is greatly improved by the state feedback control. In Fig. 14, the step response of the two controls was simulated with the aforementioned models. The output states are the coolant flow rate and the stack inlet coolant temperature. The rise time of the cooling water flow rate by the state feedback control is 6 seconds, which is four times faster than the rise time by the PI control. Likewise, the rise time of the temperature of the stack inlet cooling water by the state feedback control is three times faster than the rise time by the PI control.

소모 동력은 송풍기와 냉각수 펌프를 구동하기 위하여 필요한 전기 동력을 합함으로써 계산된다. 냉각수를 위한 밸브와 PI 제어 회로를 가지지 않는 제어 전략은 106kWs를 필요로 하는 반면에, 제안된 상태 피드백 제어를 가지는 제어 전략들은 다단계 전류에서 100kWs를 필요로 한다. The consumed power is calculated by adding the electric power required to drive the blower and the coolant pump. Control strategies that do not have valves for cooling water and PI control circuitry require 106 kWs, while control strategies with the proposed state feedback control require 100 kWs at multi-stage currents.

더 나아가, 연방 도심 주행 장치(FUDS)에서 테스트된 차량으로부터 얻어진 부하 형상을 이용하여 상태 피드백 제어의 반응을 종래의 것과 비교하였다. 도 15는 상기 전류에서 두 개의 다른 제어 전략의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 냉각수가 도 15b에서 보이는 설정된 기준 온도 주위로 적절히 제어되는 경우에도, FF(피드 포워드) 없는 제어에 의하면 촉매층에서 최고치 온도는 작동 스택의 온도보다 6˚K 높았다. 도 15c는 외란의 피드 포워드(FF)가 있는 경우의 촉매와 냉각수의 온 도를 보여준다. 처음 200초 동안 온도의 최고치는 다른 것들과 유사하지만, 이어지는 기간에서는 도 15b와 비교하여 온도의 최고치가 상당히 저감되었다. 촉매 온도의 진동 기간이 줄어들고, 얇은 층에 부과하는 열 에너지가 결국 감소하게 되는데, 이것은 층에서의 열 응력을 상당히 감소시키게 된다. 상응하여, 산소 과잉율은, 도 15d에서 보이는 것처럼, 보상에 의하여 최적 값으로 상당히 유지되게 된다. Furthermore, the response of the state feedback control was compared with the conventional one using the load shape obtained from the vehicle tested in Federal City Driving Apparatus (FUDS). Figure 15 shows the simulation results of two different control strategies for the current. Even if the cooling water is appropriately controlled around the set reference temperature shown in FIG. 15B, according to the control without FF (feed forward), the maximum temperature in the catalyst layer is 6 占 보다 higher than the temperature of the working stack. 15C shows the temperatures of the catalyst and the cooling water in the case of the feed forward (FF) of disturbance. The maximum value of the temperature for the first 200 seconds is similar to that of the others, but in the subsequent period, the maximum value of the temperature is considerably reduced as compared with Fig. 15B. The oscillation period of the catalyst temperature is reduced, and the thermal energy to be imposed on the thin layer is eventually reduced, which significantly reduces the thermal stress in the layer. Correspondingly, the oxygen excess rate is considerably maintained at the optimum value by compensation, as shown in Fig. 15D.

본 발명은 온도 제어 전략의 설계와 동역학 및 성능에 대한 그것의 효과를 제시한다. 제어성은 GDL에서 가스 확산, 막에서 동적 수분 수지와 온도 변화, 그리고 공기 공급 및 온도 장치의 요소들을 가지는 동적 스택 모델을 사용함으로써 부여된다. The present invention presents the design of a temperature control strategy and its effect on dynamics and performance. Controllability is attributed to the use of a dynamic stack model with elements of gas diffusion in the GDL, dynamic moisture balance in the membrane and temperature changes, and air supply and temperature devices.

동적 스택 거동의 개선점은 막에서 및 GDL에서의 부분압 강하를 통한 동적 수분 수지와 온도 분포를 추가함으로써 이루어진다. 결과는 평면에 걸친 온도 분포는 비대칭이고 온도 상승량은 3-7℃인 것을 보여주는데, 이것은 높은 전류 부하에서 층을 잠재적으로 손상시킬 수 있다. 따라서, 내구성을 확보하고 효율을 증대시키기 위하여 공기와 온도의 적절한 제어가 필요로 할 수가 있다. Improvements in dynamic stack behavior are achieved by adding dynamic moisture and temperature distributions through the membrane and partial pressure drop in the GDL. The results show that the temperature distribution across the plane is asymmetric and the temperature rise is 3-7 ° C, which can potentially damage the layer at high current loads. Therefore, proper control of air and temperature may be required to ensure durability and increase efficiency.

대부분의 전략은 공기 공급 장치의 최적화에 초점을 맞추었는데, 거기에서는 연료 전지 스택의 작동 온도는 일정한 것으로 가정하였다. 그러나, 산소 과잉율이 온도 변화에 역으로 변화함이 증명되었다. 따라서, 산소 결핍을 방지하기 위해 필요한 이상적인 산소 과잉율은 최적 값인 2로 유지되지 못하였다. Most strategies focused on optimizing the air supply, where the operating temperature of the fuel cell stack was assumed to be constant. However, it has been proved that the oxygen excess rate changes inversely to the temperature change. Therefore, the ideal oxygen excess rate required to prevent oxygen deficiency was not maintained at the optimal value of 2.

본 발명의 제어 전략은 외란의 피드 포워드와 공기 유량에 대한 온도 효과를최소화하기 위한 보상기를 가지는 상태 피드백 제어를 포함한다. 온도 제어기의 설계 를 위하여, 열적 회로는 2차수 장치로 근사시킨다. 고전적 PI 및 상태 피드백 제어들이 냉각의 효율성을 비교하기 위하여 사용된다. 그 결과는 촉매에서 온도 상승이 허용할만한 값 및 기간으로 유지될 수 있다는 것을 보여 준다. 게다가, 상소 과잉율은 가스 흐름 통로에서 온도 변화의 영향을 최소화함으로써 최적값으로 유지될 수 있다. 결과적으로, 다단계 부하 형상에서 송풍기의 전력 소모는 보상에 의하여 15%, 바이패스 밸브를 제어함으로써 5% 감소될 수 있다. 전체 소모 동력의 감소는 궁극적으로 대략 7% 정도가 이루어진다. The control strategy of the present invention includes a state feedback control having a compensator for minimizing the temperature effect on the feed forward of the disturbance and the air flow rate. For the design of the temperature controller, the thermal circuit is approximated by a second order device. Classic PI and state feedback controls are used to compare the efficiency of cooling. The results show that the temperature rise in the catalyst can be maintained at acceptable values and durations. In addition, the oversupply rate can be maintained at an optimal value by minimizing the influence of temperature changes in the gas flow passages. As a result, the power consumption of the blower in a multistage load configuration can be reduced by 15% by compensation and by 5% by controlling the bypass valve. The overall reduction in power consumption is ultimately about 7%.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, And all changes to the scope that are deemed to be valid.

도 1은 종래의 PEM 연료 전지 장치를 도시하였다. 1 shows a conventional PEM fuel cell device.

도 2는 종래의 공기 및 냉각수 제어 장치를 도시하였다. 2 shows a conventional air and cooling water control device.

도 3은 본 발명에 원리에 따른 피드 포워드 냉각수 제어 및 온도가 보상된 공기 공급을 가지는 공기 및 냉각수 제어 장치의 일반화된 실시예를 도시하였다. 3 shows a generalized embodiment of an air and cooling water control device having a feed-forward cooling water control and a temperature-compensated air supply in accordance with the principles of the present invention.

도 4는 본 발명의 원리에 따른 PI 제어기를 사용하는 공기 및 냉각수 제어 장치의 보다 구체적인 실시예를 도시하였다. FIG. 4 shows a more specific embodiment of the air and cooling water control device using the PI controller according to the principles of the present invention.

도 5A는 본 발명의 원리에 따른 PI 제어기와 바이패스 밸브를 사용하는 공기 및 냉각수 제어 장치의 다른 실시예를 도시하였다. 5A shows another embodiment of an air and cooling water control apparatus using a PI controller and a bypass valve according to the principles of the present invention.

도 5B는 본 발명의 원리에 따른 PI 제어기와 바이패스 밸브를 사용하는 공기 및 냉각수 제어 장치의 또 다른 실시예를 도시하였다. 5B shows another embodiment of an air and cooling water control apparatus using a PI controller and a bypass valve according to the principles of the present invention.

도 6A는 본 발명의 원리에 따른 상태 피드백 및 적분 제어기와 바이패스 밸브를 사용하는 공기 및 냉각수 제어 장치의 다른 실시예를 도시하였다. 6A shows another embodiment of an air and cooling water control apparatus using a state feedback and integral controller and a bypass valve according to the principles of the present invention.

도 6B는 본 발명의 원리에 따른 상태 피드백 및 적분 제어기와 바이패스 밸브를 사용하는 공기 및 냉각수 제어 장치의 또 다른 실시예을 도시하였다. 6B shows another embodiment of an air and cooling water control device that uses a status feedback and integral controller and a bypass valve in accordance with the principles of the present invention.

도 7은 선택된 모델을 위한 파라미터와 기준 데이터를 보인 테이블이다. 7 is a table showing parameters and reference data for the selected model.

도 8은 계단식 부하 전류를 도시한 그래프이다. 8 is a graph showing a stepwise load current.

도 9는 실험 모델과 제안된 모델 사이에서 막의 수분 함량을 비교한 그래프이다. 9 is a graph comparing the moisture content of the membrane between the experimental model and the proposed model.

도 10은 외란의 피드 포워드를 가진 냉각수 흐름 제어 및 외란의 피드 포워 드를 가지지 않은 냉각수 흐름 제어에 의한 촉매층과 냉각수 통로의 온도를 도시한 그래프이다. 10 is a graph showing the temperatures of the catalyst layer and the coolant passage by the cooling water flow control with the feed forward of the disturbance and the cooling water flow control without the disturbance feed forward.

도 11은 외란의 피드 포워드를 가진 냉각수 제어 및 외란의 피드 포워드를 가지지 않은 냉각수 제어에서 전류에 의존하는 전지의 온도 변화에 대한 냉각수 제어의 효과를 도시한 그래프이다. 11 is a graph showing the effect of cooling water control on the temperature change of the battery depending on the current in cooling water control without cooling water control with disturbance feed forward and without feedforward of disturbance.

도 12는 일정한 온도 및 동적으로 변화는 온도에서 산소 과잉율의 비교를 도시한 그래프이다. 12 is a graph showing a comparison of the oxygen excess rate at constant temperature and dynamically varying temperature.

도 13은 공기 제어 회로에 영향을 끼치는 온도의 보상 전 및 후의 산소 과잉율의 비교를 도시한 그래프이다.13 is a graph showing a comparison of the oxygen excess rate before and after the compensation of the temperature affecting the air control circuit.

도 14는 주어진 전류 단계를 가지는 냉각수 유량 및 스택 입구 냉각수 온도를 PI 제어와 상태 피드백 제어 사이에서 비교한 것을 도시한 그래프이다. 14 is a graph showing a comparison of the cooling water flow rate and the stack inlet cooling water temperature with a given current step between the PI control and the state feedback control.

도 15(a)는 전류 형상을 보인 그래프이다. 15 (a) is a graph showing a current shape.

도 15(b)는 피드 포워드가 없는 경우 촉매와 냉각수의 온도를 도시한 그래프이다. 15 (b) is a graph showing the temperatures of the catalyst and the cooling water in the absence of feed forward.

도 15(c)는 피드 포워드가 있는 경우 촉매와 냉각수의 온도을 도시한 그래프이다.15 (c) is a graph showing the temperatures of the catalyst and the cooling water in the case of feed forward.

도 15(d)는 온도 보상 후의 산소 과잉율을 도시한 그래프이다. 15 (d) is a graph showing the oxygen excess ratio after temperature compensation.

Claims (33)

공기 입구, 냉각수 입구, 그리고 냉각수 출구를 포함하는 열원;A heat source including an air inlet, a cooling water inlet, and a cooling water outlet; 상기 열원의 상기 공기 입구에 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며, 상기 열원에 공기를 공급하도록 되어 있는 공기 공급원;An air source coupled to the air inlet of the heat source for flowing fluid therethrough and adapted to supply air to the heat source; 상기 열원으로부터 동적 피드백(feedback) 온도 특성에 기초하여 상기 공기 공급원으로부터 상기 열원으로 공기 유량을 조절하도록 되어 있는 공기 공급 제어 장치;An air supply control device adapted to regulate the air flow rate from the air source to the heat source based on a dynamic feedback temperature characteristic from the heat source; 상기 열원의 상기 냉각수 입구에 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며, 냉각수를 상기 열원에 공급하도록 되어 있는 냉각수 공급원; 그리고A cooling water supply source coupled to flow the fluid to the cooling water inlet of the heat source and configured to supply cooling water to the heat source; And 추정된 피드 포워드(feed-forward) 열원 특성에 기초하여 상기 열원에 공급되는 냉각수 유량을 조절하도록 되어 있으며, 상기 동적 피드백 온도 특성에 기초하여 상기 열원에 공급되는 냉각수 온도를 조절하도록 되어 있는 냉각수 제어 장치;A cooling water control device adapted to regulate a cooling water flow rate supplied to the heat source based on an estimated feed-forward heat source characteristic and to adjust a cooling water temperature supplied to the heat source based on the dynamic feedback temperature characteristic, ; 를 포함하며,/ RTI > 상기 냉각수 출구는 상기 열원을 통하여 상기 냉각수 입구와 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며, Wherein the cooling water outlet is coupled to the cooling water inlet through the heat source so as to flow, 상기 열원은 공기 입구를 통하여 공기를 입력 받고, 공기를 입력 받는 것에 대응하여 열을 발생시키며, 냉각수 입구를 통하여 냉각수를 입력 받고, 입력 받은 냉각수를 냉각수 출구로 안내하며, 발생시킨 열의 일부를 입력 받은 냉각수에 전달 하고, 그것에 의하여 냉각수가 냉각수 출구를 통하여 상기 열원 밖으로 안내될 때 상기 발생시킨 열의 일부를 상기 열원으로부터 제거하는 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.The heat source receives air through the air inlet, generates heat corresponding to the input of air, receives cooling water through the cooling water inlet, guides the input cooling water to the cooling water outlet, and receives a part of the generated heat Cooling water from the heat source, thereby removing part of the generated heat from the heat source when the cooling water is guided out of the heat source through the cooling water outlet. 제 1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 열원은 연료 전지 스택(fuel cell stack)인 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Wherein the heat source is a fuel cell stack. 제 2항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 연료 전지 스택은 PEM(Polymer Electrolyte Membrane) 연료 전지 스택인 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Wherein the fuel cell stack is a PEM (Polymer Electrolyte Membrane) fuel cell stack. 제 2항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 연료 전지 스택과 유체가 흘러가도록 결합되어 있는 수소 탱크를 더 포함하며, 상기 수소 탱크는 수소를 상기 연료 전지 스택에 공급하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Further comprising a hydrogen tank coupled to the fuel cell stack so as to flow therethrough, wherein the hydrogen tank is adapted to supply hydrogen to the fuel cell stack. 제 1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 동적 피드백 온도 특성은 상기 열원의 상기 냉각수 출구에서 측정된 냉각수 온도를 나타내는 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Wherein the dynamic feedback temperature characteristic comprises information indicative of the cooling water temperature measured at the cooling water outlet of the heat source. 제 1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 추정된 피드 포워드 열원 특성은 부하 형상(load profile)에서 열원의 과다열의 추정을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Wherein the estimated feedforward heat source characteristic comprises an estimate of the extreme heat of the heat source in a load profile. 제 6항에 있어서,The method according to claim 6, 상기 부하 형상과 보간된 맵 데이터를 기초로 냉각수 유량을 조절하도록 되어 있는 피드 포워드 제어기를 더 포함하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Further comprising a feed forward controller adapted to regulate the cooling water flow rate based on the load profile and the interpolated map data. 제 1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 냉각수 제어 장치는 PI(proportional-integral) 제어기와 상태 피드백 제어기로 구성되는 제어기들의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Wherein the cooling water control device comprises at least one controller selected from the group of controllers consisting of a proportional-integral (PI) controller and a state feedback controller. 제 1항에 있어서,The method according to claim 1, 열원으로 그리고 열원을 통하여 안내될 냉각수를 저장하도록 되어 있는 냉각수 저장소;A cooling water reservoir adapted to store cooling water to be guided to and through a heat source; 상기 냉각수 저장소로부터 상기 열원으로 냉각수를 펌핑하도록 되어 있으며,냉각수의 유량은 상기 냉각수 제어 장치에 의하여 제어되는 냉각수 펌프;A cooling water pump for pumping cooling water from the cooling water reservoir to the heat source, the cooling water flow rate being controlled by the cooling water control device; 상기 열원으로부터의 냉각수를 냉각하도록 되어 있으며, 냉각된 냉각수를 상기 냉각수 저장소로 제공하는 냉각 장치; 그리고A cooling device adapted to cool the cooling water from the heat source and to provide cooled cooling water to the cooling water reservoir; And 냉각을 위해 열원으로부터 냉각 장치에 공급되는 냉각수의 양을 조절하도록 되어 있으며, 상기 냉각수의 양 조절은 상기 열원 주위의 동적 온도 정보를 기초로 하는 바이패스 밸브;The amount of cooling water to be supplied to the cooling device from the heat source for cooling is controlled, and the amount of the cooling water is adjusted by a bypass valve based on dynamic temperature information about the heat source; 를 더 포함하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Further comprising: an air and cooling water control device. 공기 입구, 냉각수 입구, 그리고 냉각수 출구를 포함하는 열원;A heat source including an air inlet, a cooling water inlet, and a cooling water outlet; 상기 열원의 상기 공기 입구에 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며, 상기 열원에 공기를 공급하도록 되어 있는 공기 공급원;An air source coupled to the air inlet of the heat source for flowing fluid therethrough and adapted to supply air to the heat source; 상기 열원으로부터 동적 피드백 온도 특성에 기초하여 상기 공기 공급원으로부터 상기 열원으로 공기 유량을 조절하도록 되어 있는 공기 공급 제어 장치; 그리고An air supply control device adapted to regulate the air flow rate from the air source to the heat source based on dynamic feedback temperature characteristics from the heat source; And 상기 열원의 상기 냉각수 입구에 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며, 냉각수를 상기 열원에 공급하도록 되어 있는 냉각수 공급원;A cooling water supply source coupled to flow the fluid to the cooling water inlet of the heat source and configured to supply cooling water to the heat source; 을 포함하며,/ RTI > 상기 열원은 공기 입구를 통하여 공기를 입력 받고, 공기를 입력 받는 것에 대응하여 열을 발생시키며, 냉각수 입구를 통하여 냉각수를 입력 받고, 입력 받은 냉각수를 냉각수 출구로 안내하며, 발생시킨 열의 일부를 입력 받은 냉각수에 전달하고, 그것에 의하여 냉각수가 냉각수 출구를 통하여 상기 열원 밖으로 안내될 때 상기 발생시킨 열의 일부를 상기 열원으로부터 제거하는 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.The heat source receives air through the air inlet, generates heat corresponding to the input of air, receives cooling water through the cooling water inlet, guides the input cooling water to the cooling water outlet, and receives a part of the generated heat Cooling water from the heat source, thereby removing part of the generated heat from the heat source when the cooling water is guided out of the heat source through the cooling water outlet. 제 10항에 있어서,11. The method of claim 10, 추정된 피드 포워드 열원 특성에 기초하여 상기 열원에 공급되는 냉각수 유량을 조절하도록 되어 있는 냉각수 제어 장치를 더 포함하는 공기 및 냉각수 제어 장치.And a cooling water control device adapted to adjust a cooling water flow rate supplied to the heat source based on the estimated feed-forward heat source characteristics. 제 11항에 있어서,12. The method of claim 11, 상기 추정된 피드 포워드 열원 특성은 부하 형상에서 열원의 과다열 추정을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Wherein the estimated feed-forward heat source characteristic comprises an over-heat estimate of a heat source in a load configuration. 제 12항에 있어서,13. The method of claim 12, 상기 부하 형상과 보간된 맵 데이터를 기초로 냉각수 유량을 조절하도록 되어 있는 피드 포워드 제어기를 더 포함하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Further comprising a feed forward controller adapted to regulate the cooling water flow rate based on the load profile and the interpolated map data. 제 10항에 있어서,11. The method of claim 10, 상기 동적 피드백 온도 특성은 상기 열원의 상기 냉각수 출구에서 측정된 냉각수 온도를 나타내는 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Wherein the dynamic feedback temperature characteristic comprises information indicative of the cooling water temperature measured at the cooling water outlet of the heat source. 제 10항에 있어서,11. The method of claim 10, 상기 동적 피드백 온도 특성에 기초하여 상기 열원에 공급되는 냉각수 온도를 조절하도록 되어 있는 냉각수 제어 장치를 더 포함하는 공기 및 냉각수 제어 장치.And a cooling water control device adapted to adjust a cooling water temperature supplied to the heat source based on the dynamic feedback temperature characteristic. 제 10항에 있어서,11. The method of claim 10, 상기 열원은 연료 전지 스택인 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Wherein the heat source is a fuel cell stack. 제 16항에 있어서,17. The method of claim 16, 상기 연료 전지 스택은 PEM(Polymer Electrolyte Membrane) 연료 전지 스택인 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Wherein the fuel cell stack is a PEM (Polymer Electrolyte Membrane) fuel cell stack. 제 16항에 있어서,17. The method of claim 16, 상기 연료 전지 스택과 유체가 흘러가도록 결합되어 있는 수소 탱크를 더 포함하며, 상기 수소 탱크는 수소를 상기 연료 전지 스택에 공급하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Further comprising a hydrogen tank coupled to the fuel cell stack so as to flow therethrough, wherein the hydrogen tank is adapted to supply hydrogen to the fuel cell stack. 제 10항에 있어서,11. The method of claim 10, 열원으로 그리고 열원을 통하여 안내될 냉각수를 저장하도록 되어 있는 냉각수 저장소;A cooling water reservoir adapted to store cooling water to be guided to and through a heat source; 상기 냉각수 저장소로부터 상기 열원으로 냉각수를 펌핑하도록 되어 있으며,냉각수의 유량은 상기 냉각수 제어 장치에 의하여 제어되는 냉각수 펌프;A cooling water pump for pumping cooling water from the cooling water reservoir to the heat source, the cooling water flow rate being controlled by the cooling water control device; 상기 열원으로부터의 냉각수를 냉각하도록 되어 있으며, 냉각된 냉각수를 상기 냉각수 저장소로 제공하는 냉각 장치; 그리고A cooling device adapted to cool the cooling water from the heat source and to provide cooled cooling water to the cooling water reservoir; And 냉각을 위해 열원으로부터 냉각 장치에 공급되는 냉각수의 양을 조절하도록 되어 있으며, 상기 냉각수의 양 조절은 상기 열원 주위의 동적 온도 정보를 기초로 하는 바이패스 밸브;The amount of cooling water to be supplied to the cooling device from the heat source for cooling is controlled, and the amount of the cooling water is adjusted by a bypass valve based on dynamic temperature information about the heat source; 를 더 포함하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Further comprising: an air and cooling water control device. 공기 입구, 냉각수 입구, 그리고 냉각수 출구를 포함하는 열원;A heat source including an air inlet, a cooling water inlet, and a cooling water outlet; 상기 열원의 상기 공기 입구에 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며, 상기 열원에 공기를 공급하도록 되어 있는 공기 공급원;An air source coupled to the air inlet of the heat source for flowing fluid therethrough and adapted to supply air to the heat source; 상기 열원의 상기 냉각수 입구에 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며, 냉각수를 상기 열원에 공급하도록 되어 있는 냉각수 공급원; 그리고A cooling water supply source coupled to flow the fluid to the cooling water inlet of the heat source and configured to supply cooling water to the heat source; And 추정된 피드 포워드 열원 특성에 기초하여 상기 열원에 공급되는 냉각수 유량을 조절하도록 되어 있는 냉각수 제어 장치;A cooling water control device adapted to regulate a cooling water flow rate supplied to the heat source based on an estimated feed-forward heat source characteristic; 를 포함하되,, ≪ / RTI & 상기 열원은 공기 입구를 통하여 공기를 입력 받고, 공기를 입력 받는 것에 대응하여 열을 발생시키며, 냉각수 입구를 통하여 냉각수를 입력 받고, 입력 받은 냉각수를 냉각수 출구로 안내하며, 발생시킨 열의 일부를 입력 받은 냉각수에 전달하고, 그것에 의하여 냉각수가 냉각수 출구를 통하여 상기 열원 밖으로 안내될 때 상기 발생시킨 열의 일부를 상기 열원으로부터 제거하며, The heat source receives air through the air inlet, generates heat corresponding to the input of air, receives cooling water through the cooling water inlet, guides the input cooling water to the cooling water outlet, and receives a part of the generated heat Cooling water to thereby remove part of the generated heat from the heat source when the cooling water is guided out of the heat source through the cooling water outlet, 상기 추정된 피드 포워드 열원 특성은 부하 형상에서 열원의 과다열 추정을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Wherein the estimated feed-forward heat source characteristic comprises an over-heat estimate of a heat source in a load configuration. 삭제delete 제 20항에 있어서,21. The method of claim 20, 상기 부하 형상과 보간된 맵 데이터를 기초로 냉각수 유량을 조절하도록 되어 있는 피드 포워드 제어기를 더 포함하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Further comprising a feed forward controller adapted to regulate the cooling water flow rate based on the load profile and the interpolated map data. 공기 입구, 냉각수 입구, 그리고 냉각수 출구를 포함하는 열원;A heat source including an air inlet, a cooling water inlet, and a cooling water outlet; 상기 열원의 상기 공기 입구에 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며, 상기 열원에 공기를 공급하도록 되어 있는 공기 공급원;An air source coupled to the air inlet of the heat source for flowing fluid therethrough and adapted to supply air to the heat source; 상기 열원의 상기 냉각수 입구에 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며, 냉각수를 상기 열원에 공급하도록 되어 있는 냉각수 공급원; 그리고A cooling water supply source coupled to flow the fluid to the cooling water inlet of the heat source and configured to supply cooling water to the heat source; And 추정된 피드 포워드 열원 특성에 기초하여 상기 열원에 공급되는 냉각수 유량을 조절하도록 되어 있는 냉각수 제어 장치;A cooling water control device adapted to regulate a cooling water flow rate supplied to the heat source based on an estimated feed-forward heat source characteristic; 를 포함하되,, ≪ / RTI & 상기 열원은 공기 입구를 통하여 공기를 입력 받고, 공기를 입력 받는 것에 대응하여 열을 발생시키며, 냉각수 입구를 통하여 냉각수를 입력 받고, 입력 받은 냉각수를 냉각수 출구로 안내하며, 발생시킨 열의 일부를 입력 받은 냉각수에 전달하고, 그것에 의하여 냉각수가 냉각수 출구를 통하여 상기 열원 밖으로 안내될 때 상기 발생시킨 열의 일부를 상기 열원으로부터 제거하며, The heat source receives air through the air inlet, generates heat corresponding to the input of air, receives cooling water through the cooling water inlet, guides the input cooling water to the cooling water outlet, and receives a part of the generated heat Cooling water to thereby remove part of the generated heat from the heat source when the cooling water is guided out of the heat source through the cooling water outlet, 상기 냉각수 제어 장치는 상기 열원의 동적 피드백 온도 특성에 기초하여 상기 열원으로 공급되는 냉각수 온도 또한 조절하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Wherein the cooling water control device controls the temperature of the cooling water supplied to the heat source based on the dynamic feedback temperature characteristic of the heat source. 제 20항 또는 제 23항에 있어서,24. The method according to claim 20 or 23, 상기 열원은 연료 전지 스택인 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Wherein the heat source is a fuel cell stack. 제 24항에 있어서,25. The method of claim 24, 상기 연료 전지 스택은 PEM(Polymer Electrolyte Membrane) 연료 전지 스택인 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Wherein the fuel cell stack is a PEM (Polymer Electrolyte Membrane) fuel cell stack. 제 24항에 있어서,25. The method of claim 24, 상기 연료 전지 스택과 유체가 흘러가도록 결합되어 있는 수소 탱크를 더 포함하며, 상기 수소 탱크는 수소를 상기 연료 전지 스택에 공급하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Further comprising a hydrogen tank coupled to the fuel cell stack so as to flow therethrough, wherein the hydrogen tank is adapted to supply hydrogen to the fuel cell stack. 공기 입구, 냉각수 입구, 그리고 냉각수 출구를 포함하는 열원;A heat source including an air inlet, a cooling water inlet, and a cooling water outlet; 상기 열원의 상기 공기 입구에 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며, 상기 열원에 공기를 공급하도록 되어 있는 공기 공급원;An air source coupled to the air inlet of the heat source for flowing fluid therethrough and adapted to supply air to the heat source; 상기 열원의 상기 냉각수 입구에 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며, 냉각수를 상기 열원에 공급하도록 되어 있는 냉각수 공급원; 그리고A cooling water supply source coupled to flow the fluid to the cooling water inlet of the heat source and configured to supply cooling water to the heat source; And 추정된 피드 포워드 열원 특성에 기초하여 상기 열원에 공급되는 냉각수 유량을 조절하도록 되어 있는 냉각수 제어 장치;A cooling water control device adapted to regulate a cooling water flow rate supplied to the heat source based on an estimated feed-forward heat source characteristic; 를 포함하되,, ≪ / RTI & 상기 열원은 공기 입구를 통하여 공기를 입력 받고, 공기를 입력 받는 것에 대응하여 열을 발생시키며, 냉각수 입구를 통하여 냉각수를 입력 받고, 입력 받은 냉각수를 냉각수 출구로 안내하며, 발생시킨 열의 일부를 입력 받은 냉각수에 전달하고, 그것에 의하여 냉각수가 냉각수 출구를 통하여 상기 열원 밖으로 안내될 때 상기 발생시킨 열의 일부를 상기 열원으로부터 제거하며, The heat source receives air through the air inlet, generates heat corresponding to the input of air, receives cooling water through the cooling water inlet, guides the input cooling water to the cooling water outlet, and receives a part of the generated heat Cooling water to thereby remove part of the generated heat from the heat source when the cooling water is guided out of the heat source through the cooling water outlet, 열원으로 그리고 열원을 통하여 안내될 냉각수를 저장하도록 되어 있는 냉각수 저장소;A cooling water reservoir adapted to store cooling water to be guided to and through a heat source; 상기 냉각수 저장소로부터 상기 열원으로 냉각수를 펌핑하도록 되어 있으며,냉각수의 유량은 상기 냉각수 제어 장치에 의하여 제어되는 냉각수 펌프;A cooling water pump for pumping cooling water from the cooling water reservoir to the heat source, the cooling water flow rate being controlled by the cooling water control device; 상기 열원으로부터의 냉각수를 냉각하도록 되어 있으며, 냉각된 냉각수를 상기 냉각수 저장소로 제공하는 냉각 장치; 그리고A cooling device adapted to cool the cooling water from the heat source and to provide cooled cooling water to the cooling water reservoir; And 냉각을 위해 열원으로부터 냉각 장치에 공급되는 냉각수의 양을 조절하도록 되어 있으며, 상기 냉각수의 양 조절은 상기 열원 주위의 동적 온도 정보를 기초로 하는 바이패스 밸브;The amount of cooling water to be supplied to the cooling device from the heat source for cooling is controlled, and the amount of the cooling water is adjusted by a bypass valve based on dynamic temperature information about the heat source; 를 더 포함하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Further comprising: an air and cooling water control device. 공기 입구, 냉각수 입구, 그리고 냉각수 출구를 포함하는 열원;A heat source including an air inlet, a cooling water inlet, and a cooling water outlet; 상기 열원의 상기 공기 입구에 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며, 상기 열원에 공기를 공급하도록 되어 있는 공기 공급원;An air source coupled to the air inlet of the heat source for flowing fluid therethrough and adapted to supply air to the heat source; 상기 열원의 상기 냉각수 입구에 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며, 냉각수를 상기 열원에 공급하도록 되어 있는 냉각수 공급원; 그리고A cooling water supply source coupled to flow the fluid to the cooling water inlet of the heat source and configured to supply cooling water to the heat source; And 동적 피드백 온도 특성에 기초하여 상기 열원에 공급되는 냉각수 온도를 조절하도록 되어 있는 냉각수 제어 장치;A cooling water control device adapted to regulate a cooling water temperature supplied to the heat source based on a dynamic feedback temperature characteristic; 를 포함하되, , ≪ / RTI & 상기 열원은 공기 입구를 통하여 공기를 입력 받고, 공기를 입력 받는 것에 대응하여 열을 발생시키며, 냉각수 입구를 통하여 냉각수를 입력 받고, 입력 받은 냉각수를 냉각수 출구로 안내하며, 발생시킨 열의 일부를 입력 받은 냉각수에 전달하고, 그것에 의하여 냉각수가 냉각수 출구를 통하여 상기 열원 밖으로 안내될 때 상기 발생시킨 열의 일부를 상기 열원으로부터 제거하는 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.The heat source receives air through the air inlet, generates heat corresponding to the input of air, receives cooling water through the cooling water inlet, guides the input cooling water to the cooling water outlet, and receives a part of the generated heat Cooling water from the heat source, thereby removing part of the generated heat from the heat source when the cooling water is guided out of the heat source through the cooling water outlet. 제 28항에 있어서,29. The method of claim 28, 상기 동적 피드백 온도 특성은 상기 열원의 상기 냉각수 출구에서 측정된 냉각수 온도를 나타내는 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Wherein the dynamic feedback temperature characteristic comprises information indicative of the cooling water temperature measured at the cooling water outlet of the heat source. 제 28항에 있어서,29. The method of claim 28, 상기 열원은 연료 전지 스택인 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Wherein the heat source is a fuel cell stack. 제 30항에 있어서,31. The method of claim 30, 상기 연료 전지 스택은 PEM(Polymer Electrolyte Membrane) 연료 전지 스택인 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Wherein the fuel cell stack is a PEM (Polymer Electrolyte Membrane) fuel cell stack. 제 30항에 있어서,31. The method of claim 30, 상기 연료 전지 스택과 유체가 흘러가도록 결합되어 있는 수소 탱크를 더 포함하며, 상기 수소 탱크는 수소를 상기 연료 전지 스택에 공급하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Further comprising a hydrogen tank coupled to the fuel cell stack so as to flow therethrough, wherein the hydrogen tank is adapted to supply hydrogen to the fuel cell stack. 제 28항에 있어서,29. The method of claim 28, 열원으로 그리고 열원을 통하여 안내될 냉각수를 저장하도록 되어 있는 냉각수 저장소;A cooling water reservoir adapted to store cooling water to be guided to and through a heat source; 상기 냉각수 저장소로부터 상기 열원으로 냉각수를 펌핑하도록 되어 있으며,냉각수의 유량은 상기 냉각수 제어 장치에 의하여 제어되는 냉각수 펌프;A cooling water pump for pumping cooling water from the cooling water reservoir to the heat source, the cooling water flow rate being controlled by the cooling water control device; 상기 열원으로부터의 냉각수를 냉각하도록 되어 있으며, 냉각된 냉각수를 상기 냉각수 저장소로 제공하는 냉각 장치; 그리고A cooling device adapted to cool the cooling water from the heat source and to provide cooled cooling water to the cooling water reservoir; And 냉각을 위해 열원으로부터 냉각 장치에 공급되는 냉각수의 양을 조절하도록 되어 있으며, 상기 냉각수의 양 조절은 상기 열원 주위의 동적 온도 정보를 기초로 하는 바이패스 밸브;The amount of cooling water to be supplied to the cooling device from the heat source for cooling is controlled, and the amount of the cooling water is adjusted by a bypass valve based on dynamic temperature information about the heat source; 를 더 포함하는 공기 및 냉각수 제어 장치.Further comprising: an air and cooling water control device.
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