特開 2022-111972 燃料電池システム及び燃料電池システムの動作方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022111972

(43)【公開日】2022-08-01

(54)【発明の名称】燃料電池システム及び燃料電池システムの動作方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20220725BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20220725BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20220725BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20220725BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

H01M8/04858

H01M8/04701

H01M8/0432

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021110872

(22)【出願日】2021-07-02

(31)【優先権主張番号】10-2021-0008345

(32)【優先日】2021-01-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(71)【出願人】

【識別番号】507098483

【氏名又は名称】ヒュンダイ・モービス・カンパニー・リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000154

【氏名又は名称】特許業務法人はるか国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】チョイ スン キュン

(72)【発明者】

【氏名】ウォン ジョン ボ

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB04

5H127AB24

5H127AC15

5H127BA02

5H127BB02

5H127CC07

5H127CC10

5H127DB47

5H127DB74

5H127DC75

5H127DC76

5H127DC79

5H127DC90

5H127FF07

(57)【要約】

【課題】燃料電池システムの冷却性能を保障し、且つ熱管理システムの効率性を高める。
【解決手段】燃料電池システムは、冷却水を冷却するように設定された冷却ファン５２０と、冷却水をポンピングするように設定されたポンプ５３０と、冷却ファン５２０およびポンプ５３０と連結される制御部５１０とを含み、制御部５１０は、予め設定された冷却ファン回転数およびポンプ回転数を呼び出し、前記冷却ファン回転数の減少および前記ポンプ回転数の増加により、燃料電池スタック入口の冷却水の温度が指定された温度条件を満たすとともに消費電力の総和が最小になるように、前記冷却ファン回転数および前記ポンプ回転数を最適化し、ここで、前記消費電力の総和は、前記冷却ファンの回転数に対応する消費電力および前記ポンプの回転数に対応する消費電力の総和を示し、前記最適化した冷却ファン回転数およびポンプ回転数を格納するように設定され得る。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池システムであって、
冷却水を冷却するように設定された冷却ファンと、
冷却水をポンピングするように設定されたポンプと、
前記冷却ファンおよび前記ポンプと連結される制御部とを含み、
前記制御部は、
予め設定された冷却ファン回転数およびポンプ回転数を呼び出し、
前記冷却ファン回転数の減少および前記ポンプ回転数の増加により、燃料電池スタック入口の冷却水の温度が指定された温度条件を満たすとともに消費電力の総和が最小になるように、前記冷却ファン回転数および前記ポンプ回転数を最適化し、ここで、前記消費電力の総和は、前記冷却ファンの回転数に対応する消費電力および前記ポンプの回転数に対応する消費電力の総和を示し、
前記最適化した冷却ファン回転数およびポンプ回転数を格納するように設定されている、燃料電池システム。

【請求項2】

前記制御部は、
前記冷却ファンの回転数を制御する冷却ファン制御部と、
前記ポンプの回転数を制御するポンプ制御部とを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記冷却ファン制御部および前記ポンプ制御部は、一つのモジュールとして統合されている、請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記制御部は、
前記呼び出された冷却ファン回転数およびポンプ回転数で前記冷却水の温度が目標温度を超えるかを確認し、
前記冷却水の温度が前記目標温度を超えると、前記冷却水の温度が前記目標温度以下になるように、前記冷却ファン回転数およびポンプ回転数を最適化し、
前記冷却水の温度が前記目標温度以下であると、前記冷却水の温度と前記目標温度との差が臨界値以内であり、且つ前記消費電力の総和が最小になるように、前記冷却ファン回転数および前記ポンプ回転数を最適化するように設定されている、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記制御部は、
前記冷却水の温度が前記目標温度以下であると、前記冷却ファン回転数の減少および前記ポンプ回転数の増加を行い、
前記減少した冷却ファン回転数および増加したポンプ回転数に対応する第１消費電力の総和を、以前の冷却ファン回転数およびポンプ回転数に対応する第２消費電力の総和と比較し、
前記第１消費電力の総和が前記第２消費電力の総和より小さいと、前記冷却ファン回転数の減少および前記ポンプ回転数の増加を行い、
前記第１消費電力の総和が前記第２消費電力の総和より大きいか一致すると、前記以前の冷却ファン回転数およびポンプ回転数を最適化した値として決定するように設定されている、請求項４に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記制御部は、
前記冷却水の温度が前記目標温度を超えると、前記冷却ファン回転数が指定された最大回転数であるかを確認し、
前記冷却ファン回転数が前記指定された最大回転数であると、前記ポンプ回転数の増加により、前記冷却水の温度が前記目標温度を満たすように、前記ポンプ回転数を最適化するように設定されている、請求項４に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記制御部は、
前記冷却ファン回転数および前記ポンプ回転数が最大であると、冷却負荷限界通知を出力するように設定されている、請求項６に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記燃料電池スタックを経由して第１冷却水が循環する第１冷却ラインと、
前記第１冷却ライン上に配置され、前記第１冷却水を冷却させるように設定された第１ラジエータと、
電装部品を経由して第２冷却水が循環する第２冷却ラインと、
前記第２冷却ライン上に配置され、前記第２冷却水を冷却させるように設定された第２ラジエータと、
前記第１冷却水および前記第２冷却水を熱交換するように設定された熱交換器とをさらに含み、
前記ポンプは、前記第２冷却ライン上に配置され、
前記冷却ファンは、前記第１ラジエータまたは前記第２ラジエータのうち少なくとも一つを冷却させるように設定されている、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項9】

前記燃料電池スタックを経由して第１冷却水が循環する第１冷却ラインと、
前記第１冷却ライン上に配置され、前記第１冷却水を冷却させるように設定された第１ラジエータと、
電装部品を経由して第２冷却水が循環する第２冷却ラインと、
前記第２冷却ライン上に配置され、前記第２冷却水を冷却させるように設定された第２ラジエータと、
前記第１冷却水および前記第２冷却水を熱交換するように設定された熱交換器とをさらに含み、
前記ポンプは、前記第１冷却ライン上に配置され、
前記冷却ファンは、前記第１ラジエータまたは前記第２ラジエータのうち少なくとも一つを冷却させるように設定されている、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項10】

燃料電池システムの動作方法であって、
予め設定された冷却ファン回転数およびポンプ回転数を呼び出す動作と、
前記冷却ファン回転数の減少および前記ポンプ回転数の増加により、前記冷却水の温度が前記指定された温度条件を満たすとともに消費電力の総和が最小になるように、前記冷却ファン回転数および前記ポンプ回転数を最適化する動作（ここで、前記消費電力の総和は、前記冷却ファンの回転数に対応する消費電力および前記ポンプの回転数に対応する消費電力の総和を示す）と、
前記最適化した冷却ファン回転数およびポンプ回転数を格納する動作とを含む、方法。

【請求項11】

前記冷却ファン回転数および前記ポンプ回転数を最適化する動作は、
前記呼び出された冷却ファン回転数およびポンプ回転数で前記冷却水の温度が目標温度を超えるかを確認する動作と、
前記冷却水の温度が前記目標温度を超えると、前記冷却水の温度が前記目標温度以下になるように、前記冷却ファン回転数およびポンプ回転数を最適化する動作、または前記冷却水の温度が前記目標温度以下であると、前記冷却水の温度と前記目標温度との差が臨界値以内であり、且つ前記消費電力の総和が最小になるように、前記冷却ファン回転数および前記ポンプ回転数を最適化する動作とを含む、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記冷却ファン回転数および前記ポンプ回転数を最適化する動作は、
前記冷却水の温度が前記目標温度以下であると、前記冷却ファン回転数の減少および前記ポンプ回転数の増加を行う動作と、
前記減少した冷却ファン回転数および増加したポンプ回転数に対応する第１消費電力の総和を、以前の冷却ファン回転数およびポンプ回転数に対応する第２消費電力の総和と比較する動作と、
前記第１消費電力の総和が前記第２消費電力の総和より小さいと、前記冷却ファン回転数の減少および前記ポンプ回転数の増加を行う動作、または前記第１消費電力の総和が前記第２消費電力の総和より大きいか一致すると、前記以前の冷却ファン回転数およびポンプ回転数を最適化した値として決定する動作とを含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記冷却ファン回転数および前記ポンプ回転数を最適化する動作は、
前記冷却水の温度が前記目標温度を超えると、前記冷却ファン回転数が指定された最大回転数であるかを確認する動作と、
前記冷却ファン回転数が前記指定された最大回転数であると、前記ポンプ回転数の増加により、前記冷却水の温度が前記目標温度を満たすように、前記ポンプ回転数を最適化する動作とを含む、請求項１１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの動作方法に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムは、燃料電池スタックを用いて、電気エネルギーを発生させることができる。例えば、水素が燃料電池スタックの燃料として使用される場合、地球環境問題を解決する代案になることができ、燃料電池システムに関する研究開発が行われ続けている。燃料電池システムは、電気エネルギーを発生させる燃料電池スタックと、燃料電池スタックに燃料（水素）を供給する燃料供給装置と、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤である空気中の酸素を供給する空気供給装置と、燃料電池スタックの反応熱をシステムの外部に除去し、燃料電池スタックの運転温度を制御し、水管理機能を行う熱管理システム（ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ、ＴＭＳ）とを含むことができる。

【0003】

熱管理システムは、冷却水の役割を果たす不凍液を燃料電池スタックで循環させて適正温度（例えば、６０～７０℃）を維持させる冷却装置の一種であり、冷却水が循環するＴＭＳラインと、冷却水が貯蔵されたリザーバと、冷却水を循環させるポンプと、冷却水に含まれたイオンを除去するイオンフィルタと、冷却水の熱を外部に放出するラジエータとを含むことができる。また、熱管理システムは、冷却水を加熱するヒータと、冷却水を用いて、燃料電池システムが含まれた装置（例えば、車両）の内部を冷暖房する空調ユニット（例えば、暖房用ヒータ）などを含むことができる。熱管理システムは、燃料電池スタックだけでなく、車両の電装部品の適正温度を維持させることができる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

燃料電池システムは、冷却性能を向上させるために、冷却ファンとポンプを制御することができる。冷却ファンとポンプの回転数が増加すると、燃料電池システムにおいて冷却量（ｃｏｏｌｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ）が増加し得るが、回転数の増加によって冷却ファンおよびポンプの消費電力も増加する可能性がある。特に、回転数の上昇に伴う消費電力の増加の傾向は、二次関数の形態で現れるため、冷却性能の保障が、燃料電池システムの効率性を低下させるという問題を引き起こし得る。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書に開示されている一実施形態による燃料電池システムは、冷却水を冷却するように設定された冷却ファンと、冷却水をポンピングするように設定されたポンプと、前記冷却ファンおよび前記ポンプと連結される制御部とを含み、前記制御部は、予め設定された冷却ファン回転数およびポンプ回転数を呼び出し、前記冷却ファン回転数の減少および前記ポンプ回転数の増加により、燃料電池スタック入口の冷却水の温度が指定された温度条件を満たすとともに消費電力の総和が最小になるように、前記冷却ファン回転数および前記ポンプ回転数を最適化し、ここで、前記消費電力の総和は、前記冷却ファンの回転数に対応する消費電力および前記ポンプの回転数に対応する消費電力の総和を示し、前記最適化した冷却ファン回転数およびポンプ回転数を格納するように設定され得る。

【0006】

本明細書に開示されている一実施形態による燃料電池システムの動作方法は、予め設定された冷却ファン回転数およびポンプ回転数を呼び出す動作と、前記冷却ファン回転数の減少および前記ポンプ回転数の増加により、前記冷却水の温度が前記指定された温度条件を満たすとともに消費電力の総和が最小になるように、前記冷却ファン回転数および前記ポンプ回転数を最適化する動作（ここで、前記消費電力の総和は、前記冷却ファンの回転数に対応する消費電力および前記ポンプの回転数に対応する消費電力の総和を示す）と、前記最適化した冷却ファン回転数およびポンプ回転数を格納する動作とを含むことができる。

【発明の効果】

【0007】

本明細書に開示されている実施形態によると、燃料電池システムは、冷却性能を保障し、且つ熱管理システムの効率性を高めることができる。

【0008】

本明細書に開示されている実施形態によると、燃料電池システムは、燃料電池スタックの冷却水と電装部品の冷却水との効率的な熱交換を図ることができる。

【0009】

その他、本文書により直接または間接に把握される様々な効果が提供され得る。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】様々な実施形態による燃料電池システムを示す図である。

【図2】様々な実施形態による燃料電池システムを示す図である。

【図3】様々な実施形態による燃料電池システムの他の例を示す図である。

【図4】様々な実施形態による燃料電池システムの他の例を示す図である。

【図5】様々な実施形態によって冷却ファンを制御する燃料電池システムのブロック図である。

【図6】回転数および消費電力の関係を示すグラフである。

【図7】様々な実施形態によって冷却ファン回転数およびポンプ回転数を最適化するための動作のフローチャートである。

【図8】様々な実施形態によって冷却ファン回転数およびポンプ回転数を最適化するための他の動作のフローチャートである。

【図9】様々な実施形態によって冷却ファン回転数およびポンプ回転数を最適化するための他の動作のフローチャートである。

【図10】様々な実施形態によって冷却ファン回転数およびポンプ回転数を最適化するための他の動作のフローチャートである。

【図11】様々な実施形態によって冷却ファン回転数およびポンプ回転数を最適化するための他の動作のフローチャートである。

【0011】

図面の説明と関連し、同一または類似した構成要素に対しては、同一または類似した参照符号が使用され得る。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の様々な実施形態を添付の図面を参照して記載する。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に対して限定するものではなく、本発明の実施形態の様々な変更（ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、均等物（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ）、および／または代替物（ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ）を含むものと理解すべきである。

【0013】

本文書の様々な実施形態およびこれに使用された用語は、本文書に記載の技術的特徴を特定の実施形態で限定するものではなく、当該実施形態の様々な変更、均等物、または代替物を含むものと理解すべきである。図面の説明と関連して、類似したまたは関連する構成要素に対しては類似した参照符号が使用され得る。アイテムに対応する名詞の単数型は、関連文脈上、明らかに異なるように指示しない限り、前記アイテムの一つまたは複数個を含むことができる。本文書において、「ＡまたはＢ」、「ＡおよびＢのうち少なくとも一つ」、「ＡまたはＢのうち少なくとも一つ」、「Ａ、ＢまたはＣ」、「Ａ、ＢおよびＣのうち少なくとも一つ」、および「Ａ、Ｂ、またはＣのうち少なくとも一つ」のような句それぞれは、その句のうち該当する句にともに並べられた項目のいずれか一つ、またはそれらのすべての可能な組み合わせを含むことができる。「第１」、「第２」、または「一番目」または「二番目」のような用語は、単に当該構成要素を他の当該構成要素と区別するために使用され得、当該構成要素を他の面（例えば、重要性または順序）で限定しない。ある（例えば、第１）構成要素が他の（例えば、第２）構成要素に、「機能的に」または「通信的に」という用語とともに、またはかかる用語なしに、「カップルド」または「コネクテッド」と言及された場合、それは、前記ある構成要素が前記他の構成要素に直接（例えば、有線で）、無線で、または第３構成要素を介して連結され得ることを意味する。

【0014】

本文書の様々な実施形態で使用されている用語「モジュール」は、ハードウェア、ソフトウェアまたはファームウエアで具現されたユニットを含むことができ、例えば、ロジック、論理ブロック、部品、または回路のような用語と相互互換的に使用され得る。モジュールは、一体に構成された部品もしくは一つまたはそれ以上の機能を行う、前記部品の最小単位またはその一部になり得る。例えば、一実施形態によると、モジュールは、ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ‐ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）の形態に具現され得る。

【0015】

本文書の様々な実施形態は、機器（ｍａｃｈｉｎｅ）により読み取り可能な記憶媒体（ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉｕｍ）（例えば、内蔵メモリまたは外装メモリ）に格納された一つ以上の命令語を含むソフトウェア（例えば、プログラム）として具現され得る。例えば、機器は、記憶媒体から格納された一つ以上の命令語のうち少なくとも一つの命令を呼び出し、それを実行することができる。これは、機器が前記呼び出した少なくとも一つの命令語にしたがって少なくとも一つの機能を行うように運営されることを可能にする。上述の一つ以上の命令語は、コンパイラによって生成されたコードまたはインタプリタによって実行され得るコードを含むことができる。機器で読み取り可能な記憶媒体は、非一時的（ｎｏｎ‐ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）記憶媒体の形態で提供され得る。ここで、「非一時的」は、記憶媒体が実在（ｔａｎｇｉｂｌｅ）する装置であり、信号（ｓｉｇｎａｌ）（例えば、電磁波）を含まないことを意味するだけであって、この用語は、データが記憶媒体に半永久に格納される場合と臨時に格納される場合を区別しない。

【0016】

一実施形態によると、本文書に開示されている様々な実施形態による方法は、コンピュータプログラム製品（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｐｒｏｇｒａｍ ｐｒｏｄｕｃｔ）に含まれて提供され得る。コンピュータプログラム製品は、商品として、販売者と購買者との間で取り引きされ得る。コンピュータプログラム製品は、機器で読み取り可能な記憶媒体（例えば、ｃｏｍｐａｃｔ ｄｉｓｃ ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ（ＣＤ‐ＲＯＭ））の形態で配布されるか、またはアプリケーションストアを介してまたは二つのユーザ装置の間で直接、オンラインで配布（例えば、ダウンロードまたはアップロード）され得る。オンライン配布の場合に、コンピュータプログラム製品の少なくとも一部は、メーカーのサーバ、アプリケーションストアのサーバ、または中継サーバのメモリのような機器で読み取り可能な記憶媒体に少なくとも一時格納されるか、臨時に生成され得る。

【0017】

様々な実施形態によると、上記の構成要素のそれぞれの構成要素（例えば、モジュールまたはプログラム）は、単数または複数の個体を含むことができ、複数の個体のうち一部は、他の構成要素に分離配置されることもある。様々な実施形態によると、上述の当該構成要素のうち一つ以上の構成要素または動作が省略されるか、または一つ以上の他の構成要素または動作が追加され得る。概してまたはさらに、複数の構成要素（例えば、モジュールまたはプログラム）は、一つの構成要素として統合され得る。この場合、統合された構成要素は、前記複数の構成要素それぞれの構成要素の一つ以上の機能を、前記統合の前に前記複数の構成要素のうち当該構成要素によって行われることと同一または類似して行うことができる。様々な実施形態によると、モジュール、プログラムまたは他の構成要素によって行われる動作は、順に、並列に、繰り返して、またはヒューリスティックに実行されるか、前記動作のうち一つ以上が異なる順序で実行されるか、省略されるか、または一つ以上の異なる動作が追加され得る。

【0018】

図１～図２は様々な実施形態による燃料電池システムを示す。

【0019】

図１を参照すると、車両用燃料電池システムは、車両の燃料電池スタック１０を経由する第１冷却水が循環する第１冷却ライン１１０と、車両の電装部品（ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐａｒｔｓ）２００を経由する第２冷却水が循環する第２冷却ライン１２０と、第１冷却水と第２冷却水を相互熱交換させる熱交換器３００とを含むことができる。第１冷却ライン１１０および第２冷却ライン１２０は、第１冷却水および第２冷却水が熱交換を行いながら流動することができるＴＭＳ（ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ）ラインを構成することができ、この場合、第１冷却水または第２冷却水は、ＴＭＳライン上で冷媒（ｃｏｏｌｉｎｇ ｍｅｄｉｕｍ）または熱媒（ｈｅａｔ ｍｅｄｉｕｍ）として使用され得る。

【0020】

また、燃料電池システムは、第１冷却ライン１１０と加熱ループ（加熱循環経路、または暖房ループ）を形成するか、または第１冷却ライン１１０と冷却ラインを形成するために第１連結ライン１３０と、第２連結ライン１５０と、第３連結ライン１４０とを含むことができる。第１冷却水は、第１連結ライン１３０、第２連結ライン１５０、または第３連結ライン１４０を循環しながら冷却または加熱され得る。一例として、第１冷却ライン１１０は、車両の初期始動状態では冷間始動能力を確保するために、図２に図示されているように、加熱ループを形成し、走行中には燃料電池スタック１０から発生する熱を外部に放出するように、図１に図示されているように、冷却ループを形成することができる。他の実施形態において、外気が指定された温度だけ高い場合、第１冷却ライン１１０は、加熱ループを形成せず、燃料電池システムは、燃料電池スタック１０の熱により始動能力を確保することができる。第１冷却水が循環する第１冷却ライン１１０上には、燃料電池スタック１０、第１バルブ２０、第１ポンプ３０、第２バルブ４０、および第１ラジエータ６０が配置され得る。

【0021】

燃料電池スタック１０（または、「燃料電池」として参照され得る）は、燃料（例えば、水素）と酸化剤（例えば、空気）の酸化還元反応により電気を生産することができる構造に形成され得る。一例として、燃料電池スタック１０は、水素イオンが移動する電解質膜を中心に膜の両側に電気化学反応が起こる触媒電極層が付着された膜電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）と、反応ガスを均一に分布させ、発生した電気エネルギーを伝達する役割を行うガス拡散層（ｇａｓ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ、ＧＤＬ）と、反応ガスおよび第１冷却水の気密性と適正締結圧を維持するためのガスケットおよび締結機構と、反応ガスおよび第１冷却水を移動させる分離板（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）とを含むことができる。

【0022】

燃料電池スタック１０において、燃料である水素と酸化剤である空気（酸素）が分離板の流路を介して膜電極接合体のアノード（ａｎｏｄｅ）とカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）にそれぞれ供給されるが、水素はアノードに供給され、空気はカソードに供給され得る。アノードに供給された水素は、電解質膜の両側に構成された電極層の触媒によって水素イオン（ｐｒｏｔｏｎ）と電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）とに分解され、このうち、水素イオンだけが、選択的に陽イオン交換膜である電解質膜を通過してカソードに伝達され、且つ電子は、導体であるガス拡散層と分離板を介してカソードに伝達され得る。カソードでは、電解質膜を介して供給された水素イオンと分離板を介して伝達された電子が空気供給装置によってカソードに供給された空気中の酸素と接して水を生成する反応を起こすことができる。この時に起こる水素イオンの移動に起因して外部導線による電子の流れが発生し、かかる電子の流れによって電流が生成され得る。

【0023】

第１バルブ２０は、第１冷却ライン１１０上で、第１冷却水の流動経路をヒータ５０が配置された第１連結ライン１３０または燃料電池スタック１０に切り替えることができる。例えば、第１バルブ２０は、第１冷却ライン１１０上で第１ポンプ３０の一端、第１連結ライン１３０の一端、および燃料電池スタック１０の一端と連結され得る。第１バルブ２０は、第１冷却水の流動経路を選択的に切り替えることができる様々なバルブ手段を含むことができる。一例として、第１バルブ２０は、三方バルブ（ｔｈｒｅｅ ｗａｙ ｖａｌｖｅ）であり得る。この場合、第１バルブ２０は、第１ポンプ３０によってポンピングされた第１冷却水が流入されるように第１冷却ライン１１０と連結される第１ポート２１と、第１バルブ２０を通過する第１冷却水が燃料電池スタック１０に流入されるように第１冷却ライン１１０と連結される第２ポート２２と、第１連結ライン１３０の一端と連結される第３ポート２３とを含むことができる。第１バルブ２０の第２ポート２２および第３ポート２３が開閉することで、第１冷却水の流動経路が、第１連結ライン１３０のヒータ５０または燃料電池スタック１０に切り替えられ得る。すなわち、第２ポート２２が開放され、第３ポート２３が遮断されると、第１冷却水は、燃料電池スタック１０に流入され、逆に、第３ポート２３が開放され、第２ポート２２が遮断されると、第１冷却水は、第１連結ライン１３０を介してヒータ５０に流入され得る。

【0024】

第１連結ライン１３０は、第１冷却水を加熱するために、第１冷却ライン１１０との加熱ループ（加熱循環経路）を形成することができる。例えば、第１連結ライン１３０に沿って流動する第１冷却水は、第１連結ライン１３０に設置されたヒータ５０を通過する間に加熱され得る。第１連結ライン１３０の一端は、第１ポンプ３０の出口と燃料電池スタック１０との間に位置する第１地点で第１冷却ライン１１０に連結され、第１連結ライン１３０の他の一端は、第１ポンプ３０の入口と燃料電池スタック１０との間に位置する第２地点で第１冷却ライン１１０に連結され得る。ここで、第１ポンプ３０の入口は、第１冷却水が第１ポンプ３０に流入される入口として定義され得る。また、第１ポンプ３０の出口は、第１ポンプ３０を通過した第１冷却水が排出される出口として定義され得る。また、第１ポンプ３０の出口と燃料電池スタック１０との間は、第１ポンプ３０から排出された第１冷却水が燃料電池スタック１０の第１冷却水流入口（図示せず）まで流動する区間として定義され得る。また、第１ポンプ３０の入口と燃料電池スタック１０との間は、燃料電池スタック１０の冷却水排出口（図示せず）から排出された第１冷却水が、第１ポンプ３０の入口まで流動する区間として定義され得る。

【0025】

第１ポンプ３０は、第１冷却水を強制に流動させるように設定され得る。第１ポンプ３０は、第１冷却水をポンピングすることができる様々な手段を含むことができ、第１ポンプ３０の種類および個数は、本文書で制限されない。

【0026】

第２バルブ４０は、第１冷却ライン１１０上で第１冷却水の流動経路を第１ラジエータ６０または燃料電池スタック１０に切り替えることができる。例えば、第２バルブ４０は、第１ポンプ３０と第１ラジエータ６０との間に位置するように第１冷却ライン１１０上に提供され、第３連結ライン１４０の一端および第１ラジエータ６０の出口に連結され得る。第２バルブ４０は、第１冷却水の流動経路を選択的に第１ラジエータ６０または燃料電池スタック１０に切り替えることができる様々なバルブ手段を含むことができる。一例として、第２バルブ４０は、三方バルブ（ｔｈｒｅｅ ｗａｙ ｖａｌｖｅ）であり得る。この場合、第２バルブ４０は、第３連結ライン１４０と連結される第１ポート４１と、第１ラジエータ６０を通過する第１冷却水が流入されるように第１冷却ライン１１０と連結される第２ポート４２と、第１冷却水が第１ポンプ３０に流入されるように第１冷却ライン１１０と連結される第３ポート４４とを含むことができる。第２バルブ４０の第１ポート４１または第２ポート４２が開閉することで、第１冷却水の流動経路が、第１ラジエータ６０または燃料電池スタック１０に切り替えられ得る。すなわち、第１ポート４１が開放され、第２ポート４２が遮断されると、第１冷却水は、第１ラジエータ６０を経らずに燃料電池スタック１０に流入され、逆に、第２ポート４２が開放され、第１ポート４１が遮断されると、第１冷却水は、第１ラジエータ６０を経た後、燃料電池スタック１０に流入され得る。

【0027】

第２連結ライン１５０は、空調ユニット（ＨＡＶＣ ＵＮＩＴ）９０を加熱するために、第１冷却ライン１１０との暖房ループを形成することができる。一例として、第２連結ライン１５０は、空調ユニット９０の暖房用ヒータ（図示せず）を加熱するループを形成することができる。第２連結ライン１５０の一端は、第１地点（第１連結ライン１３０の一端が第１冷却ライン１１０に連結される地点）と燃料電池スタック１０の入口との間で第１冷却ライン１１０に連結され、第１冷却水の一部が第２連結ライン１５０を介して循環することができる。第２連結ライン１５０の他の一端は、第１ポンプ３０と第２地点（第１連結ライン１３０の他の一端が第１冷却ライン１１０に連結される地点）との間で第１冷却ライン１１０に連結され得る。

【0028】

第２連結ライン１５０には、空調ユニット９０を通過した第１冷却水のイオンをフィルタリングするイオンフィルタ９５が備えられ得る。システムの腐食や溶出（ｅｘｕｄａｔｉｏｎ）などによって第１冷却水の電気伝導度が増加すると、第１冷却水に電気が流れて燃料電池スタック１０が短絡されるか、第１冷却水の方に電流が流れるという問題が発生するため、第１冷却水は、低い電気伝導度を維持しなければならない。イオンフィルタ９５は、第１冷却水の電気伝導度を所定水準以下に維持するために、第１冷却水に含まれたイオンを除去するように設定され得る。このように、燃料電池スタック１０に流動する第１冷却水の供給が遮断（第１バルブ２０の第２ポート２２の遮断）される冷始動中に、第１冷却水は、第１連結ライン１３０のヒータ５０を経由して循環（昇温ループ）するとともに、第２連結ライン１５０に沿っても循環するようにすることで、冷始動時にも、第２連結ライン１５０に備えられたイオンフィルタ９５によるフィルタリング（第１冷却水に含まれたイオンの除去）が可能である。したがって、冷始動直後、燃料電池スタック１０に流入される第１冷却水の電気伝導度を所定水準以下に維持する有利な効果を得ることができる。

【0029】

第３連結ライン１４０は、第１冷却水を冷却するために、第１冷却ライン１１０との冷却ループを形成することができる。一例として、第３連結ライン１４０の一端は、第１ポンプ３０と第１ラジエータ６０との間で第１冷却ライン１１０に連結され、第３連結ライン１４０の他の一端は、燃料電池スタック１０の冷却水排出口と第１ラジエータ６０との間で第１冷却ライン１１０に連結され得る。

【0030】

第１ラジエータ６０は、第１冷却水を冷却させるように設定され得る。第１ラジエータ６０は、第１冷却水を冷却させることができる様々な構造に形成され得、第１ラジエータ６０の種類および構造によって本発明が制限または限定されるものではない。第１ラジエータ６０は、第１冷却水が貯蔵される第１リザーバ６２に連結され得る。

【0031】

燃料電池システムは、燃料電池スタック１０と第１地点（第１バルブ２０）との間で第１冷却水の温度を測定する第１温度センサ１１２と、第１連結ライン１３０の他の一端と第１ポンプ３０との間で第１冷却水の温度を測定する第２温度センサ１１４と、ヒータ５０で第１冷却水の温度を測定する第３温度センサ１１６とを含むことができる。燃料電池システムは、第１温度センサ１１２、第２温度センサ１１４、および第３温度センサ１１６で測定された温度に基づいて、燃料電池スタック１０に流入される第１冷却水の流入流量を制御することができる。一例として、第１冷却ライン１１０に沿って循環する第１冷却水の測定温度が、予め設定された目標温度より低いと、第１冷却水の流入流量を予め設定された設定流量より低く制御することができる。このように、第１冷却水の測定温度が低いと、燃料電池スタック１０に流入される第１冷却水の流入流量を低く制御することにより、燃料電池スタック１０の内部に停滞している第１冷却水の温度と、燃料電池スタック１０に流入される第１冷却水の温度との偏差による熱衝撃および性能の低下を最小化するという有利な効果を得ることができる。

【0032】

第２冷却ライン１２０は、車両の電装部品（ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐａｒｔｓ）２００を経由するように構成され、第２冷却水は、第２冷却ライン１２０に沿って循環することができる。ここで、車両の電装部品２００は、車両の電源をエネルギー源として使用する部品として理解され得、車両の電装部品２００の種類および個数によって本発明が制限または限定されるものではない。一例として、電装部品２００は、第２冷却水をポンピングするための第２ポンプ２０５、燃料電池スタック１０と前記車の高電圧バッテリー（図示せず）との間に備えられるＢＨＤＣ（ｂｉ‐ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ＤＣ‐ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）２１０、燃料電池スタック１０の駆動のための外気を供給するブロワ（図示せず）を制御するＢＰＣＵ（ｂｌｏｗｅｒ ｐｕｍｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）２２０、高電圧バッテリーから供給を受けた直流高電圧を直流低電圧に変換するＬＤＣ（ｌｏｗ‐ｖｏｌｔａｇｅ ＤＣ‐ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）２３０、燃料電池スタック１０に供給される空気を圧縮する空気圧縮機（ａｉｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ、ＡＣＰ）２４０、およびエアクーラ（ａｉｒ ｃｏｏｌｅｒ）２５０のうち少なくともいずれか一つを含むことができる。

【0033】

第２冷却ライン１２０上には、第２冷却水を強制に流動させるための第２ポンプ（図示せず）が配置され得る。第２ポンプは、第２冷却水をポンピングすることができるポンピング手段を含むことができ、第２ポンプの種類および特性が制限または限定されるものではない。

【0034】

第２冷却ライン１２０上には、第２冷却水を冷却させるための第２ラジエータ７０が配置され得る。第２ラジエータ７０は、第２冷却水を冷却させることができる様々な構造に形成され得、第２ラジエータ７０の種類および構造が制限または限定されるものではない。第２ラジエータ７０は、第２冷却水が貯蔵される第２リザーバ７２に連結され得る。

【0035】

実施形態において、第１ラジエータ６０および第２ラジエータ７０は、一つの冷却ファン８０によって同時に冷却されるように構成され得る。一例として、第１ラジエータ６０および第２ラジエータ７０は、並行して配置され、冷却ファン８０は、第１ラジエータ６０および第２ラジエータ７０に外気を送風するように設定され得る。一つの冷却ファン８０によって第１ラジエータ６０および第２ラジエータ７０が同時に冷却されるようにすることで、燃料電池システムの構造を簡素化し、設計自由度および空間活用性を向上することができ、第１ラジエータ６０および第２ラジエータ７０を冷却させるための電力消耗が最小化することができる。

【0036】

熱交換器３００は、第１冷却水と第２冷却水を相互熱交換させるように設定され得る。電装部品を冷却する第２冷却水の温度が、燃料電池スタック１０を冷却する第１冷却水の温度より相対的に低く形成されるため、燃料電池システムは、第１冷却水と第２冷却水を相互熱交換させることで、第１ラジエータ６０および冷却ファン８０の容量を増加させなくても第１冷却水の温度を下げることができ、燃料電池スタック１０の冷却効率を向上させることができ、安全性および信頼性を向上させるという有利な効果を得ることができる。また、燃料電池システムは、走行風を使用できない車両（例えば、建設機械）の停車中に第１冷却水の温度を下げることができ、燃料電池スタック１０の高出力運転を保障し、安全性および耐久性を向上させるという有利な効果を得ることができる。

【0037】

実施形態において、熱交換器３００は、第１ラジエータ６０の出口と燃料電池スタック１０との間で第１冷却ライン１１０に連結され、第２冷却ライン１２０は、熱交換器３００を経由するように第２ラジエータ７０の出口と電装部品を連結することができる。例えば、第１冷却水は、第１冷却ライン１１０に連結された熱交換器３００に沿って流動することができ、第２冷却ライン１２０は、第１冷却水に露出（例えば、第１冷却水が第２冷却ライン１２０の周縁に沿って流動）するように熱交換器３００の内部を通過することができる。このように、燃料電池システムは、第１冷却水と第２冷却水の相互熱交換によって燃料電池スタック１０に流入される第１冷却水の温度を下げることができる。第１ラジエータ６０を通過した第１冷却水の第１温度は、第２ラジエータ７０を通過した第２冷却水の第２温度より高く形成され、熱交換器３００を通過した第１冷却水の第３温度は、第１温度より低く形成され得る。一例として、第１冷却水の第１温度は、第２冷却水の第２温度より略１０℃高く形成され得、熱交換器３００を通過（第２冷却水と熱交換）した第１冷却水の第３温度は、第１温度より１℃低く形成され得る。

【0038】

燃料電池スタック１０に流入される第１冷却水の温度を下げるために、燃料電池システムは、冷却ファン８０の回転数を増加させるか、第１ポンプ３０の回転数を増加させることができる。また、燃料電池システムは、第２ポンプ（２０５）の回転数を増加させることで、第２冷却水に対する流量を増加させることができる。この場合、熱交換器３００での熱交換量が増加し、熱交換量の増加によって第１冷却水に対する冷却量が増加することができる。冷却ファン８０もしくは、ポンプ３０または２０５の回転数の増加は、冷却量を増加させることができるが、冷却ファン８０もしくは、ポンプ３０または２０５の消費電力も増加し得る。実施形態による燃料電池システムは、燃料電池スタック１０の入口の第１冷却水の温度を目標温度に維持し、且つ消費電力を効率的に管理するように、冷却ファン８０、および、ポンプ３０または２０５の回転数を最適化することができる。

【0039】

図３～図４は様々な実施形態による燃料電池システムの他の例を示す図である。

【0040】

図１～図２による熱交換器３００は、第１ラジエータ６０とは別に配置されるが、図３による実施形態において、熱交換器３００´は、第１ラジエータ６０に直接連結され得る。熱交換器３００´は、第１ラジエータ６０と連結され得る様々な構造に形成され得、熱交換器３００´の構造および連結構造が制限または限定されるものではない。例えば、熱交換器３００´は、第１ラジエータ６０の指定された位置（左側上端部）に連結され得るが、熱交換器３００´が連結される第１ラジエータ６０の指定された位置は変更され得る。

【0041】

図４を参照すると、第１ラジエータ６０を冷却させるための第１冷却ファン８０と、第２ラジエータ７０を冷却させるための第２冷却ファン１００が別に配置され得る。この場合、燃料電池システムは、第１冷却ファン８０の回転数を制御する時に電装部品２００の熱負荷と関連するパラメータを排除することができる。

【0042】

図１～図２で言及している最適化する原理は、図３～図４の燃料電池システムにおいて同様に適用され得る。この場合、燃料電池システムのポンプ３０または２０５の回転数と、第１冷却ファン８０または第２冷却ファン１００の回転数を最適化することができる。

【0043】

図５は様々な実施形態によって冷却ファンを制御する燃料電池システムのブロック図である。図５を参照すると、燃料電池システムは、制御部５１０と、冷却ファン５２０と、ポンプ５３０とを含むことができる。冷却ファン５２０は、図１～図４に記載の冷却ファン８０、または９０に対応することができる。ポンプ５３０は、図１～４に記載の第１ポンプ３０または第２ポンプ２０５に対応することができる。

【0044】

制御部５１０は、冷却ファン５２０およびポンプ５３０を最適化するためのハードウェアまたはソフトウェアモジュールであり得る。制御部５１０は、冷却ファン５２０およびポンプ５３０と電気的に連結され、冷却ファン５２０およびポンプ５３０の回転数を制御する燃料電池システムの全般的な動作を行うことができる。例えば、制御部５１０は、予め設定された冷却ファン５２０の回転数およびポンプ５３０の回転数を呼び出し、冷却ファン５２０の回転数の減少およびポンプ５３０の回転数の増加により、燃料電池スタック１０の入口の冷却水（すなわち、第１冷却水）の温度が指定された条件を満たし、且つ消費電力の総和が最小になるように、冷却ファン５２０の回転数およびポンプ５３０の回転数を最適化することができる。消費電力の総和は、特定の回転数での冷却ファン５２０の消費電力と、特定の回転数でのポンプ５３０の消費電力との和を意味し得る。制御部５１０は、最適化した冷却ファン５２０の回転数およびポンプ５３０の回転数を格納することができる。

【0045】

制御部５１０は、燃料電池スタック１０の入口の冷却水の温度を測定するように設定された温度測定部５１２（例えば、図１の第１温度センサ１１２）と、冷却ファン５２０およびポンプ５３０の消費電力を測定するように設定された消費電力測定部５１４と、冷却ファン５２０の回転数を制御するように設定された冷却ファン制御部５１６と、ポンプ５３０の回転数を制御するように設定されたポンプ制御部５１８とを含むことができる。実施形態によると、温度測定部５１２、消費電力測定部５１４、冷却ファン制御部５１６、およびポンプ制御部５１８は、一つのモジュールとして統合されるか、または別のモジュールとして構成され得る。

【0046】

図６は回転数および消費電力の関係を示すグラフである。

【0047】

図６を参照すると、グラフの横軸は、冷却ファン５２０またはポンプ５３０の回転数（単位：ＲＰＭ）を示し、グラフの縦軸は、冷却ファン５２０またはポンプ５３０の消費電力を示すことができる。回転数の増加に伴う消費電力の増加は、二次関数の形態で現れるため、冷却ファン５２０またはポンプ５３０の回転数が最大回転数に達するにつれて消費電力が急増し得る。また、回転数に対する消費電力の増加幅は、冷却ファン５２０がポンプ５３０より大きいため、ポンプ５３０の回転数が減少しても、冷却ファン５２０の回転数の増加によって消費電力の総和は増加し得る。

【0048】

実施形態による燃料電池システムは、冷却ファン５２０の回転数を減少させながらポンプ５３０の回転数を増加させることで、冷却性能を失わない状態で消費電力を減少させることができる。例えば、冷却ファン５２０の回転数が、最大回転数ＲＰＭ_{冷却ファン、Ｍａｘ}から最適の回転数ＲＰＭ_{冷却ファン、Ｏｐｔ}に減少すると（Ａ１）、冷却ファン５２０の消費電力は、最大消費電力Ｐ_{冷却ファン、Ｍａｘ}から最適の消費電力Ｐ_{冷却ファン、Ｏｐｔ}に減少し（Ａ２）、ポンプ５３０の回転数が、予め設定された回転数ＲＰＭ_ポンプから最適の回転数ＲＰＭ_{ポンプ、Ｏｐｔ}に増加すると（Ｂ１）、ポンプ５３０の消費電力は、既存の消費電力Ｐ_ポンプから最適の消費電力Ｐ_{ポンプ、Ｏｐｔ}に増加することができる（Ｂ２）。この場合、増加したポンプ５３０の消費電力Ｂ２より減少した冷却ファン５２０の消費電力Ａ２が大きいため、消費電力の総和は減少することができる。

【0049】

図７は様々な実施形態によって冷却ファン回転数およびポンプ回転数を最適化するための動作のフローチャートである。以下の図７～図１１の動作のフローチャートに含まれた動作は、燃料電池システムによって具現されるか、もしくは燃料電池システムの構成要素によって具現され得る。

【0050】

図７を参照すると、動作７０５において、燃料電池システムは、冷却ファン５２０の予め設定された冷却ファン回転数Ａ_Ｎ‐１およびポンプ５３０の予め設定されたポンプ回転数Ｂ_Ｎ‐１を呼び出すことができる。ここで、Ｎは、自然数を意味し得る。一実施形態において、燃料電池システムは、冷却ファン５２０およびポンプ５３０の消費電力の総和ＳＵＭ_Ｎ‐１を算出することができる。例えば、制御部５１０は、消費電力測定部５１４を介して呼び出された冷却ファン回転数およびポンプ回転数に対応する消費電力をそれぞれ測定し、測定した消費電力の和を算出することができる。

【0051】

動作７１０において、燃料電池システムは、呼び出された冷却ファン回転数およびポンプ回転数での燃料電池スタック１０の入口の冷却水の温度（または、「スタック入口温度」として参照され得る）が、目標温度を超えるかを確認することができる。目標温度は、例えば、燃料電池スタック１０を効率的に作動させることができる最適の温度値（または範囲）を意味し得る。スタック入口温度が目標温度であるかまたは目標温度未満であると、燃料電池システムは、消費電力効率を高めるために、動作７１５～７４０を行うことができる。スタック入口温度が目標温度を超えると、燃料電池システムは、冷却性能を確保するために、動作７４５～７８０を行うことができる。

【0052】

動作７１５において、燃料電池システムは、冷却ファン回転数を減少させることができる（例えば、Ａ_Ｎ‐１→Ａ_Ｎ）。一実施形態において、燃料電池システムは、回転数が減少した冷却ファン５２０の消費電力を測定することができる。

【0053】

動作７２０において、燃料電池システムは、ポンプ回転数を増加させることができる（例えば、Ｂ_Ｎ‐１→Ｂ_Ｎ）。一実施形態において、燃料電池システムは、回転数が増加したポンプ５３０の消費電力を測定することができる。一実施形態において、燃料電池システムは、回転数が減少した冷却ファン５２０の消費電力と、回転数が増加したポンプ５３０の消費電力との和ＳＵＭ_Ｎを算出することができる。

【0054】

動作７２５において、燃料電池システムは、変更された冷却ファンおよびポンプの回転数に対応するスタック入口温度と目標温度との差が、指定された臨界値以内（例えば、目標温度のａ％以内）であるかを確認することができる。スタック入口温度と目標温度との差が指定された臨界値を超えると、燃料電池システムの冷却効率が低下し得るため、動作７３５において、燃料電池システムは、以前の冷却ファン回転数Ａ_Ｎ‐１およびポンプ回転数Ｂ_Ｎ‐１を使用して、動作７４０において最適化を完了することができる。

【0055】

スタック入口温度と目標温度との差が指定された臨界値以内であると、動作７３０において燃料電池システムは、変更された回転数での消費電力の総和ＳＵＭ_Ｎが以前の回転数での消費電力の総和ＳＵＭ_Ｎ‐１より小さいかを確認することができる。変更された回転数での消費電力の総和ＳＵＭ_Ｎが以前の回転数での消費電力の総和ＳＵＭ_Ｎ‐１より小さいと、スタック入口温度が目標温度を維持しながら消費電力が減少することができる冷却ファンおよびポンプの回転数をさらに確認するために、燃料電池システムは、動作７１５～動作７３０を繰り返して行うことができる。変更された回転数での消費電力の総和ＳＵＭ_Ｎが以前の回転数での消費電力の総和ＳＵＭ_Ｎ‐１と一致するか大きいと、燃料電池システムは、冷却ファン５２０およびポンプ５３０の以前の回転数Ａ_Ｎ‐１、Ｂ_Ｎ‐１を最適化した値として決定し、所定の値を格納することで、最適化を完了することができる。

【0056】

動作７４５において、燃料電池システムは、呼び出された冷却ファン回転数Ａ_Ｎ‐１が指定された最大回転数であるかを確認することができる。冷却ファン回転数が指定された最大回転数ではないと、動作７５０において燃料電池システムは、冷却ファン回転数を増加させ、動作７０５～動作７１０をまた行うことができる。

【0057】

冷却ファン回転数が指定された最大回転数であると、動作７５５において、燃料電池システムは、呼び出されたポンプ回転数Ｂ_Ｎ‐１が指定された最大回転数であるかを確認することができる。ポンプ回転数が指定された最大回転数であると、燃料電池システムは、これ以上、冷却ファン回転数およびポンプ回転数の制御により燃料電池スタック１０を冷却させることができないため、動作７６０において冷却負荷限界通知を出力することができる。

【0058】

ポンプ回転数が指定された最大回転数ではないと、燃料電池システムは、ポンプ回転数の増加により、スタック入口温度を目標温度まで冷却させることができる。例えば、動作７６５において燃料電池システムは、ポンプ回転数を増加させることができる。動作７７０において燃料電池システムは、増加したポンプ回転数が指定された最大回転数であるかを確認することができる。増加したポンプ回転数が指定された最大回転数であると、動作７６０において燃料電池システムは、冷却負荷限界通知を出力することができる。増加したポンプ５３０回転数が指定された最大回転数ではないと、動作７７５において、燃料電池システムは、増加したポンプ回転数に対応するスタック入口温度が目標温度と一致するかを確認することができる。スタック入口温度が目標温度を超えると、燃料電池システムは、動作７６５～動作７７５を繰り返して行うことができる。スタック入口温度が目標温度以内であると、燃料電池システムは、増加したポンプ回転数を使用し、動作７８０において、冷却ファンおよびポンプの回転数の最適化を完了することができる。

【0059】

実施形態によると、制御部５１０は、燃料電池スタック１０の入口の冷却水の温度と目標温度との差に応じて必要なポンプ回転数増加量を示すテーブル情報に基づいて、ポンプ５３０の回転数を調節することができる。例えば、テーブル情報は、下記の［表１］のように表現され得る。

【0060】

【表1】

【0061】

［表１］のテーブル情報は、Ａ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｄ＜Ｅおよびａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ＜ｅの関係を前提することができる。

【0062】

図８は様々な実施形態によって冷却ファン回転数およびポンプ回転数を最適化するための他の動作のフローチャートである。

【0063】

図８を参照すると、動作８１０において、燃料電池システムは、予め設定された冷却ファン回転数およびポンプ回転数を呼び出すことができる。実施形態によると、予め設定された冷却ファン回転数を有する冷却ファン５２０は、第１ラジエータ６０または第２ラジエータ７０のうち少なくとも一つを冷却するように設定され得る。また、予め設定されたポンプ回転数を有するポンプ５３０は、車両の電装部品２００を経由する第２冷却水をポンピングするように設定され得る。第２冷却水の温度が、燃料電池スタック１０を経由する第１冷却水の温度より低い場合、ポンプ回転数が増加すると、第２冷却水の流動量が増加するため、熱交換によって第１冷却水の温度が減少し、第１冷却水の温度が減少すると、燃料電池スタック１０の温度が減少し得る。他の実施形態において、予め設定されたポンプ回転数を有するポンプ５３０は、燃料電池スタック１０を経由する第１冷却水をポンピングするように設定され得る。

【0064】

動作８２０において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１０の入口の冷却水の温度が温度条件を満たすとともに消費電力の総和が最小になるように、冷却ファン回転数の減少およびポンプ回転数の増加により、最適化を行うことができる。

【0065】

動作８３０において、燃料電池システムは、最適化した冷却ファン回転数およびポンプ回転数を格納することができる。

【0066】

図９は様々な実施形態によって冷却ファン回転数およびポンプ回転数を最適化するための他の動作のフローチャートである。図９に図示されている動作は、例えば、図８の動作８２０の一実施形態であり得る。

【0067】

図９を参照すると、動作９１０において、燃料電池システムは、現在の冷却ファン回転数およびポンプ回転数でスタック入口温度が第１温度条件を満たすかを確認することができる。例えば、燃料電池システムは、スタック入口温度が目標温度未満であると、第１温度条件を満たすものと決定することができる。目標温度は、燃料電池スタック１０を効率的に作動させることができる最適の温度値（または範囲）を意味し得る。

【0068】

冷却水の温度が第１温度条件を満たすと、動作９２０において、燃料電池システムは、スタック入口温度が第２温度条件を満たすとともに消費電力の総和が最小になるように、冷却ファン回転数およびポンプ回転数を最適化することができる。例えば、燃料電池システムは、調節された冷却ファン回転数およびポンプ回転数に対応するスタック入口温度が目標温度より低いとともに、スタック入口温度と目標温度との差が臨界値未満であると、スタック入口温度が第２温度条件を満たすものとして決定することができる。消費電力の総和は、調節された冷却ファン回転数に対応する冷却ファン５２０の消費電力と、調節されたポンプ回転数に対応するポンプ５３０の消費電力との和であり得る。

【0069】

冷却水の温度が第１温度条件を満たさないと、動作９３０において燃料電池システムは、スタック入口温度が第１温度条件を満たすように、冷却ファン回転数およびポンプ回転数を最適化することができる。

【0070】

図１０は様々な実施形態によって冷却ファン回転数およびポンプ回転数を最適化するための他の動作のフローチャートである。図１０に図示されている動作は、図９の動作９２０の一実施形態であり得る。

【0071】

図１０を参照すると、動作１０１０において、燃料電池システムは、呼び出された冷却ファン回転数を減少させ、呼び出されたポンプ回転数を増加させることができる。動作１０２０において、燃料電池システムは、現在の冷却ファン回転数およびポンプ回転数に対応するスタック入口温度が、第２温度条件を満たすかを確認することができる。スタック入口温度が第２温度条件を満たさないと、動作１０４０において燃料電池システムは、以前の冷却ファン回転数および以前のポンプ回転数を最適化した値として決定することができる。

【0072】

スタック入口温度が第２温度条件を満たすと、動作１０３０において、燃料電池システムは、現在消費電力の総和が、以前の消費電力の総和より小さいか否かを確認することができる。現在の消費電力の総和が、以前の消費電力の総和より小さいと、燃料電池システムは、動作１０１０～１０３０を繰り返して行うことができる。現在の消費電力の総和が、以前の消費電力の総和より大きいか一致すると、動作１０４０において燃料電池システムは、以前の冷却ファン回転数および以前のポンプ回転数を最適化した値として決定することができる。上述の動作により、燃料電池システムは、温度条件を満たすとともに消費電力を最小化する冷却ファン回転数およびポンプ回転数を決定することができる。

【0073】

図１１は様々な実施形態によって冷却ファン回転数およびポンプ回転数を最適化するための他の動作のフローチャートである。図１１に図示されている動作は、図９の動作９３０の一実施形態であり得る。

【0074】

図１１を参照すると、動作１１１０において燃料電池システムは、呼び出された冷却ファン回転数が、指定された最大回転数であるかを確認することができる。呼び出された冷却ファン回転数が指定された最大回転数ではないと、動作１１７０において燃料電池システムは、冷却ファン回転数を増加させ、動作１１５０において増加した冷却ファン回転数と呼び出されたポンプ回転数を格納することができる。次に、燃料電池システムは、図８の動作８２０をまた行うことができる。

【0075】

呼び出された冷却ファン回転数が指定された最大回転数であると、動作１１２０において燃料電池システムは、呼び出されたポンプ回転数が指定された最大回転数であるかを確認することができる。呼び出されたポンプ回転数が指定された最大回転数であると、冷却ファン５２０およびポンプ５３０の回転数の制御により、スタック入口温度を下げることができないため、動作１１６０において燃料電池システムは、冷却負荷限界通知を出力することができる。

【0076】

呼び出されたポンプ回転数が指定された最大回転数ではないと、燃料電池システムは、動作１１３０においてポンプ回転数を増加させ、動作１１４０において増加したポンプ回転数に対応するスタック入口温度が、第１温度条件を満たすかを確認することができる。スタック入口温度が第１温度条件を満たさないと、燃料電池システムは、動作１１２０～１１４０を繰り返して行うことができる。

【0077】

スタック入口温度が第１温度条件を満たすと、動作１１５０において、燃料電池システムは、呼び出された冷却ファン回転数と変更されたポンプ回転数を格納することができる。

【符号の説明】

【0078】

１０ 燃料電池スタック、２０ 第１バルブ、２１ 第１ポート、２２ 第２ポート、２３ 第３ポート、３０ 第１ポンプ、４０ 第２バルブ、４１ 第１ポート、４２ 第２ポート、４４ 第３ポート、５０ ヒータ、６０ 第１ラジエータ、６２ 第１リザーバ、７０ 第２ラジエータ、７２ 第２リザーバ、８０ 冷却ファン（第１冷却ファン）、９０ 空調ユニット、９５ イオンフィルタ、１００ 第２冷却ファン、１１０ 第１冷却ライン、１１２ 第１温度センサ、１１４ 第２温度センサ、１１６ 第３温度センサ、１２０ 第２冷却ライン、１３０ 第１連結ライン、１４０ 第３連結ライン、１５０ 第２連結ライン、２００ 電装部品、２０５ 第２ポンプ、２１０ ＢＨＤＣ、２２０ ＢＰＣＵ、２３０ ＬＤＣ、２４０ 空気圧縮機、２５０ エアクーラ、３００ 熱交換器、５１０ 制御部、５１２ 温度測定部、５１４ 消費電力測定部、５１６ 冷却ファン制御部、５１８ ポンプ制御部、５２０ 冷却ファン、５３０ ポンプ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】