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JP7610776B2 - 車両用燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、車両用燃料電池システムに関し、より具体的には、燃料電池スタックの高出力を保障し、安全性及び信頼性を向上させることができる車両用燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、燃料の化学的な反応により電気エネルギーを生産するシステムであって、地球環境問題を解決できる代案として持続的な研究開発が行われている。
燃料電池システムは、用いられる電解質の種類によってリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ；ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ ａｃｉｄ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ；ｍｏｌｔｅｎ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ；ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ；ａｌｋａｌｉｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）及び直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）等で分類され得、用いられる燃料の種類とともに作動温度、出力範囲等によって移動電源用、輸送用、分散発電用等の多様な応用分野に適用され得る。
燃料電池システムは、電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックに燃料（水素）を供給する燃料供給装置、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤である空気中の酸素を供給する空気供給装置、燃料電池スタックの反応熱をシステム外部に除去し、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（ＴＭＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）を含む。
熱管理システム（ＴＭＳ）は、冷却水の役割を担う不凍液を燃料電池スタックに循環させて適正温度（例えば、６０～７０℃）を維持させる一種の冷却装置であって、燃料電池スタックを冷却する冷却水が循環するＴＭＳライン、冷却水が貯蔵されたリザーバ、冷却水を循環させるポンプ、冷却水に含まれたイオンを除去するイオンフィルタ、及び冷却水の熱を外部に放出するラジエータ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、及び冷却水を用いて車両の室内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。
一方、最近、乗用車（または商用車）だけでなく、建設機械にも燃料電池システムを適用するための多様な試みがなされている。
乗用車の場合は、走行中に燃料電池スタックの高出力が要求され、車速により発生する走行風を用いてラジエータを介し燃料電池スタックを冷却させることができる。
その反面、建設機械は、停止状態で作業（例えば、レベリング作業、ローディング作業）が行われるので、停車中に燃料電池スタックの高出力が要求されるが、冷却ファンにより発生する風量では燃料電池スタックを十分に冷却させ難いという問題点があり、燃料電池スタックの安全性及び耐久性が低下するという問題点がある。
これによって、最近、車両の停車中に燃料電池スタックの高出力が要求される状況で燃料電池スタックを効果的に冷却するための多様な研究が行われているが、未だ十分でないためこれに対する開発が要求されている。
本発明の実施形態は、燃料電池スタックの高出力を保障し、安全性及び信頼性を向上させることができる車両用燃料電池システムを提供することを目的とする。
特に、本発明の実施形態は、車両の停車中に燃料電池スタックの高出力が要求される状況で燃料電池スタックを効果的に冷却することができ、燃料電池スタックの作動性能及び作動効率を向上させ得るようにすることを目的とする。
また、本発明の実施形態は、燃料電池スタックに流入される冷却水の流量低下による冷却性能の低下を最小化できるようにすることを目的とする。
実施形態で解決しようとする課題はこれに限定されず、下記で説明する課題の解決手段や実施形態から把握され得る目的や効果も含まれると言える。
前述した本発明の目的を達成するための本発明の好ましい実施形態によれば、 車両用燃料電池システムは、車両の燃料電池スタックを経由し、第１冷却水が循環される第１冷却ライン、第１冷却ラインに設けられ、第１冷却水を冷却する第１冷却部、及び第１冷却ラインに設けられ、第１冷却部と個別的に第１冷却水を冷却する第２冷却部を含む。
これは、燃料電池スタックの高出力を保障し、安全性及び信頼性を向上させるためである。
すなわち、乗用車の場合には、走行中に燃料電池スタックの高出力が要求され、車速により発生する走行風を用いてラジエータを介して燃料電池スタックを冷却させることができる。その反面、建設機械は、停止状態で作業（例えば、レベリング作業、ローディング作業）が行われるので、停車中に燃料電池スタックの高出力が要求されるが、冷却ファンにより発生される風量では燃料電池スタックを十分に冷却させ難いという問題点があり、燃料電池スタックの安全性及び耐久性が低下するという問題点がある。
しかし、本発明の実施形態は、燃料電池スタックに流入される第１冷却水が第１冷却部及び第２冷却部によって個別的に冷却されるようにすることにより、 燃料電池スタックの高出力を保障し、安全性及び信頼性を向上させる有利な効果を得ることができる。
何よりも、本発明の実施形態は、走行風を用いることができない車両（例えば、建設機械）の停車中に第１冷却水の温度をより下げることができるので、 燃料電池スタックの高出力運転を保障し、安全性及び耐久性を向上させる有利な効果を得ることができる。
第１冷却部としては、第１冷却水を冷却させることができる多様な冷却手段が用いられてよい。
一例として、第１冷却部は、第１冷却ラインに設けられ、第１冷却水を冷却する第１ラジエータを含んでよい。
第２冷却部としては、第１冷却部と個別的に第１冷却水を冷却させることができる多様な冷却手段が用いられてよい。
一例として、第２冷却部は、第１冷却ラインから分岐される第１分岐ライン、 及び第１ラジエータと並列に連結されるように第１分岐ラインに設けられ、第１冷却水を冷却する第２ラジエータを含んでよい。
好ましくは、第１分岐ラインの一端は、燃料電池スタックの出口と第１ラジエータの入口との間で第１冷却ラインに連結され、第１分岐ラインの他の一端は、第１ラジエータの出口と燃料電池スタックの入口との間で第１冷却ラインに連結される。
さらに好ましくは、第１分岐ラインには、第１分岐ラインを選択的に開閉する第１開閉バルブが設けられてよい。
第１開閉バルブが第１分岐ラインを開放した状態では、第１冷却水が第１ラジエータを経由して冷却されるとともに、第２ラジエータを経由して冷却され得る。その反面、第１開閉バルブが第１分岐ラインを遮断した状態では、第１冷却水が第２ラジエータを経由せずに第１ラジエータのみを経由することになるので、第１冷却水は第１ラジエータによってのみ冷却され得る。
本発明の好ましい実施形態によれば、車両用燃料電池システムは、第１冷却ラインに設けられ、第１冷却水をポンピングする第１ポンプ、及び第１冷却ライン設けられ、第１ポンプと個別的に燃料電池スタックに流入される第１冷却水の流量を調節する流量調節部を含んでよい。
これは、第１冷却水の流量不足による、燃料電池スタックの冷却効率の低下を防止するためである。すなわち、燃料電池スタックの高出力運転時には、第１冷却水の温度が適正温度範囲であるにもかかわらず、第１冷却水の流量が目標流量（設定流量）よりも小さい場合には、燃料電池スタックの冷却効率が低下するという問題点がある。
しかし、本発明は、第１冷却ライン上に第１冷却水の流量を調節する流量調節部を設けることにより、燃料電池スタックに流入される第１冷却水の流量低下を最小化する有利な効果を得ることができる。
流量調節部は、第１冷却水の流量を調節することができる多様な構造で提供されてよい。
一例として、流量調節部は、第１冷却ラインから分岐される第２分岐ライン、 及び第１ポンプと並列に連結されるように第２分岐ラインに設けられ、第１冷却水をポンピングする第２ポンプを含んでよい。
好ましくは、第２分岐ラインの一端は、第１ラジエータの出口と第１ポンプとの間で第１冷却ラインに連結され、第２分岐ラインの他の一端は、第１ポンプと燃料電池スタックの入口との間で第１冷却ラインに連結される。
さらに好ましくは、第２分岐ラインには、第２分岐ラインを選択的に開閉する第２開閉バルブが設けられてよい。
第２開閉バルブが第２分岐ラインを開放した状態では、第１冷却水が第１ポンプによりポンピングされるとともに、第２ポンプによりポンピングされ得る。その反面、第２開閉バルブが第２分岐ラインを遮断すると、第１冷却水は第１ポンプによってのみポンピングされ、第１ポンプによりポンピングされた第１冷却水が第２ポンプに流入されることを遮断することができる。
本発明の好ましい実施形態によれば、燃料電池システムは、車両の電装部品（ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐａｒｔｓ）を経由して第２冷却水が循環される第２冷却ライン、及び第２冷却ラインに設けられ、第２冷却水を冷却する第３ラジエータを含んでよい。
一例として、電装部品は、燃料電池スタックと前記車両の高電圧バッテリーとの間に備えられるＢＨＤＣ（Ｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ＤＣ－ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）、燃料電池スタックの駆動のための外気を供給するブロワを制御するＢＰＣＵ（Ｂｌｏｗｅｒ Ｐｕｍｐ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、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）、燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する空気圧縮機（ＡＣＰ：Ａｉｒ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）、及びエアクーラー（ａｉｒ ｃｏｏｌｅｒ）のうち少なくともいずれか一つを含んでよい。
好ましくは、第１ラジエータ及び第３ラジエータは並んで配置され、第１ラジエータ及び第３ラジエータに外気を送風する第１冷却ファンを含む。
このように、ただ一つの第１冷却ファンにより第１ラジエータ及び第３ラジエータが同時に冷却されるようにすることにより、構造を簡素化し、設計自由度及び空間活用性を向上させることができ、第１ラジエータ及び第３ラジエータを冷却させるための電力消耗を最小化する有利な効果を得ることができる。
本発明の好ましい実施形態によれば、第２ラジエータに外気を送風する第２冷却ファンを含んでよい。
本発明の好ましい実施形態によれば、車両用燃料電池システムは、一端は、第１ラジエータの出口と燃料電池スタックの入口との間で第１冷却ラインに連結され、他の一端は、燃料電池スタックの出口と第１ラジエータの入口との間で第１冷却ラインに連結される第１連結ライン；第１連結ラインに設けられ、 第１連結ラインに沿って流動する第１冷却水を加熱するヒータ；車両の空調ユニットを経由し、第１ラジエータの出口と燃料電池スタックの入口との間で第１冷却ラインに連結され、第１冷却水が循環する第２連結ライン；を含んでよい。
本発明に係る車両用燃料電池システムを説明するための図である。 本発明に係る車両用燃料電池システムであって、第２冷却部及び流量調節部を説明するための図である。 本発明に係る車両用燃料電池システムであって、第１連結ライン及び第２連結ラインを説明するための図である。
以下、図を参照して本発明の好ましい実施形態を詳しく説明する。
但し、本発明の技術思想は、説明される一部の実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態に具現されてよく、本発明の技術思想の範囲内のものとして、実施形態の間のその構成要素のいずれか一つ以上を選択的に結合、置換して用いることができる。
また、本発明の実施形態で使用される用語（技術及び科学的用語を含む）は、明らかに特別に定義されて記述されない限り、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって一般に理解され得る意味と解釈され得、事前に定義された用語のように一般に使用される用語は、関連技術の文脈上の意味を考慮し、その意味を解釈することができる。
また、本発明の実施形態で使用される用語は、実施形態を説明するためのものであり、本発明を制限しようとするものではない。
本明細書において、単数形は、文言で特別に言及しない限り、複数形も含むことができ、「Ａ及び（と）Ｂ、Ｃのうち少なくとも一つ（または一つ以上）」に記載される場合、Ａ、Ｂ、Ｃで組み合わせることができる全ての組み合わせのうち一つ以上を含むことができる。
また、本発明の実施形態の構成要素を説明することにおいて、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を用いることができる。
このような用語は、その構成要素を他の構成要素と区別するためのものであるだけで、その用語によって当該構成要素の本質や順序または手順などが限定されない。
そして、ある構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」または「接続」されると記載された場合、その構成要素はその他の構成要素に直接的に連結、結合または接続される場合だけでなく、その構成要素とその他の構成要素の間にあるまた他の構成要素によって「連結」、「結合」または「接続」される場合も含むことができる。
また、各構成要素の「上（うえ）または下（した）」に形成または配置されるものと記載される場合、上（うえ）または下（した）は、二つの構成要素が互いに直接接触される場合だけでなく、一つ以上のまた他の構成要素が二つの構成要素の間に形成または配置される場合も含む。また、「上（うえ）または下（した）」と表現される場合、一つの構成要素を基準に上側方向だけでなく、下側方向の意味も含むことができる。
図１から図３を参照すれば、本発明の実施形態による車両用燃料電池システムは、車両の燃料電池スタック１０を経由して第１冷却水が循環される第１冷却ライン１１０、第１冷却ライン１１０に設けられ、第１冷却水を冷却する第１冷却部６０、及び第１冷却ライン１１０に設けられ、第１冷却部６０と個別的に第１冷却水を冷却する第２冷却部８０を含む。
参考までに、本発明の実施形態で第１冷却ライン１１０及び第２冷却ライン１２０は、冷却水（第１冷却水及び第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ラインを構成することができ、冷却水は、ＴＭＳライン上で冷媒（ｃｏｏｌｉｎｇ ｍｅｄｉｕｍ）または熱媒（ｈｅａｔ ｍｅｄｉｕｍ）として用いられ得る。
第１冷却ライン１１０は、燃料電池スタック１０を経由するように構成され、第１冷却水は第１冷却ライン１１０に沿って循環する。
第１冷却ライン１１０は、車両の状態によって第１冷却水を冷却する冷却ループまたは加熱（昇温）する昇温ループを形成するように構成される。一例として、第１冷却ライン１１０は、初期始動状態では冷間始動能力を確保するための加熱ループを形成し、走行中には燃料電池スタック１０で発生する熱を外部に放出できるように冷却ループを形成するように構成されてよい。
参考までに、燃料電池スタック１０は、燃料（例えば、水素）と酸化剤（例えば、空気）の酸化還元反応を介して電気を生産することができる多様な構造で形成されてよい。
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（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）（図示せず）、反応気体を均一に分布させ、発生された電気エネルギーを伝達する役割を行う気体拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）（図示せず）、反応気体及び第１冷却水の気密性と適正締結圧を維持するためのガスケット及び締結機構（図示せず）、そして反応気体及び第１冷却水を移動させる分離板（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）（図示せず）を含む。
より具体的には、燃料電池スタック１０で燃料である水素と酸化剤である空気（酸素）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）に分解され、このうち水素イオンのみが選択的に陽イオン交換膜である電解質膜を通過してカソードに伝達され、同時に電子は導体である気体拡散層と分離板を通してカソードに伝達される。
カソードでは、電解質膜を通して供給された水素イオンと分離板を通して伝達された電子が空気供給装置によりカソードに供給された空気中の酸素と出会い、水を生成する反応を起こす。このとき起こる水素イオンの移動に起因して外部導線を通した電子の流れが発生し、このような電子の流れにより電流が生成される。
第１冷却ライン１１０には、第１冷却水を冷却させるための第１冷却部６０が設けられる。
第１冷却部６０としては、第１冷却水を冷却させることができる多様な冷却手段が用いられてよく、第１冷却部６０の種類及び構造によって本発明が制限されたり限定されたりするものではない。
一例として、第１冷却部６０は、第１冷却ライン１１０に設けられ、第１冷却水を冷却する第１ラジエータ６１を含んでよい。
第１ラジエータ６１は、第１冷却水を冷却させ得るように第１冷却ライン１１０に設けられ、第１ラジエータ６１の構造及び形態は要求される条件及び設計仕様によって多様に変更されてよい。
さらに、第１ラジエータ６１には、第１冷却水が貯蔵される第１リザーバ６４が連結されてよい。
また、第１冷却ライン１１０には、第１冷却水を強制的に流動させるための第１ポンプ３０が設けられる。
第１ポンプ３０としては、第１冷却水をポンピングすることができる通常のポンピング手段が用いられてよく、第１ポンプ３０の種類及び特性によって本発明が制限されたり限定されたりするものではない。
図１及び図２を参照すれば、第２冷却部８０は、第１冷却部６０と個別的に（独立的に）第１冷却水を冷却するように第１冷却ライン１１０に設けられる。
第２冷却部８０としては、第１冷却水を冷却させることができる多様な冷却手段が用いられてよく、第２冷却部８０の種類及び構造によって本発明が制限されたり限定されたりするものではない。
一例として、第２冷却部８０は、第１冷却ライン１１０から分岐される第１分岐ライン１６０、及び第１ラジエータ６１と並列に連結されるように第１分岐ライン１６０に設けられ、第１冷却水を冷却する第２ラジエータ８１を含む。
より具体的に、第１分岐ライン１６０の一端は、燃料電池スタック１０の出口と第１ラジエータ６１の入口との間で第１冷却ライン１１０に連結され、第１分岐ライン１６０の他の一端は、第１ラジエータ６１の出口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に連結される。
好ましくは、第２ラジエータ８１は、外気を送風する第２冷却ファン８２によって冷却されるように構成される。
このように、本発明の実施形態は、燃料電池スタック１０に流入される第１冷却水が、第１冷却部６０及び第２冷却部８０によって個別的に冷却されるようにすることにより、燃料電池スタック１０の高出力を保障し、安全性及び信頼性を向上させる有利な効果を得ることができる。
特に、本発明の実施形態によれば、走行風を用いることができない車両（例えば、建設機械）の停車中に、第１冷却部６０及び第２冷却部８０を用いて第１冷却水の温度を下げることができるので、燃料電池スタック１０の高出力運転を保障し、安全性及び耐久性を向上させる有利な効果を得ることができる。
好ましくは、第１分岐ライン１６０には、第１分岐ライン１６０を選択的に開閉する第１開閉バルブ１６２が設けられてよい。
すなわち、第１開閉バルブ１６２は、第１分岐ライン１６０の他の一端と第２ラジエータ８１の出口との間で第１分岐ライン１６０を選択的に開閉するように設けられる。
第１開閉バルブ１６２としては、第１分岐ライン１６０を選択的に開閉可能な多様なバルブ手段が用いられてよく、第１開閉バルブ１６２の種類及び構造によって本発明が制限されたり限定されたりするものではない。
一例として、第１開閉バルブ１６２としては、通常の二方バルブ（ｔｗｏ ｗａｙ ｖａｌｖｅ）が用いられてよい。
第１開閉バルブ１６２が第１分岐ライン１６０を開放した状態では、第１冷却水が第１ラジエータ６１を経由して冷却されるとともに、第２ラジエータ８１を経由して冷却され得る。その反面、第１開閉バルブ１６２が第１分岐ライン１６０を遮断した状態では、第１冷却水が第２ラジエータ８１を経由せずに第１ラジエータ６１のみを経由することになるので、第１冷却水は第１ラジエータ６１によってのみ冷却され得る。
例えば、燃料電池スタック１０の高放熱量が必要な状況（例えば、車両の停車中の燃料電池スタック１０の高出力運転時）では、第１開閉バルブ１６２を開放することにより、第１ラジエータ６１及び第２ラジエータ８１を共に用いて第１冷却水を冷却することができるので、第１冷却水をより速やか且つ効果的に冷却することができる。その反面、燃料電池スタック１０の低出力運転時には、第１開閉バルブ１６２を遮断し、第１ラジエータ６１だけで第１冷却水を冷却することができる。
本発明の好ましい実施形態によれば、車両用燃料電池システムは、第１冷却ライン１１０に設けられ、第１冷却水をポンピングする第１ポンプ３０、及び第１冷却ライン１１０に設けられ、第１ポンプ３０と個別的に燃料電池スタック１０に流入される第１冷却水の流量を調節する流量調節部１７０を含んでよい。
これは、第１冷却水の流量不足による、燃料電池スタック１０の冷却効率の低下を防止するためである。
すなわち、燃料電池スタック１０の高出力運転時には、第１冷却水の温度が適正温度範囲であるにもかかわらず、第１冷却水の流量が目標流量（設定流量）よりも小さい場合には、燃料電池スタック１０の冷却効率が低下するという問題点がある。
しかし、本発明は、第１冷却ライン１１０上に第１冷却水の流量を調節する流量調節部１７０を設けることにより、燃料電池スタック１０に流入される第１冷却水の流量低下を最小化する有利な効果を得ることができる。
流量調節部１７０は、第１冷却水の流量を調節することができる多様な構造で提供されてよく、流量調節部１７０の構造により本発明が制限されるか限定されるものではない。
一例として、流量調節部１７０は、第１冷却ライン１１０から分岐される第２分岐ライン１７２、及び第１ポンプ３０と並列に連結されるように第２分岐ライン１７２に設けられ、第１冷却水をポンピングする第２ポンプ１７４を含んでよい。
好ましくは、第２分岐ライン１７２の一端は、第１ラジエータ６１の出口と第１ポンプ３０との間で第１冷却ライン１１０に連結され、第２分岐ライン１７２の他の一端は、第１ポンプ３０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に連結される。
第２ポンプ１７４は、第２分岐ライン１７２を通過する第１冷却水を強制的に流動させるために設けられる。
第２ポンプ１７４としては、第１冷却水をポンピングすることができる通常のポンピング手段が用いられてよく、第２ポンプ１７４の種類及び特性によって本発明が制限されたり限定されたりするものではない。
好ましくは、第２分岐ライン１７２には、第２分岐ライン１７２を選択的に開閉する第２開閉バルブ１７６が設けられてよい。
すなわち、第２開閉バルブ１７６は、第２分岐ライン１７２の他の一端と第２ポンプ１７４との間で第２分岐ライン１７２を選択的に開閉するように設けられる。
第２開閉バルブ１７６としては、第２分岐ライン１７２を選択的に開閉可能な多様なバルブ手段が用いられてよく、第２開閉バルブ１７６の種類及び構造により本発明が制限されたり限定されたりするものではない。
一例として、第２開閉バルブ１７６としては、通常の二方バルブ（ｔｗｏ ｗａｙ ｖａｌｖｅ）が用いられてよい。
第２開閉バルブ１７６が第２分岐ライン１７２を開放した状態では、第１冷却水が第１ポンプ３０によりポンピングされるとともに、第２ポンプ１７４によりポンピングされ得る。その反面、第２開閉バルブ１７６が第２分岐ライン１７２を遮断すると、第１冷却水は第１ポンプ３０によってのみポンピングされ、第１ポンプ３０によりポンピングされた第１冷却水が第２ポンプ１７４に流入されることを遮断することができる。
例えば、燃料電池スタック１０の高放熱量が必要な状況（例えば、車両の停車中の燃料電池スタック１０の高出力運転時）では、第２開閉バルブ１７６を開放することにより、第１ポンプ３０及び第２ポンプ１７４を共に用いて第１冷却水をポンピングすることができるので、第１冷却水の流量を十分に保障することができる。その反面、燃料電池スタック１０の低出力運転時には、第２開閉バルブ１７６を遮断し、第１ポンプ３０だけで第１冷却水をポンピングすることができる。
図１及び図３を参照すれば、本発明の好ましい実施形態によれば、燃料電池システムは第１連結ライン１３０を含んでよく、第１連結ライン１３０は第１冷却ライン１１０と相互協調的に第１冷却水を加熱するための加熱ループ（加熱循環経路）を形成することができる。
より具体的に、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に連結される。
ここで、第１ポンプ３０の入口とは、第１冷却水が第１ポンプ３０に流入される入口と定義される。また、第１ポンプ３０の出口とは、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定義される。
そして、第１ポンプ３０の出口と燃料電池スタック１０との間とは、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定義される。また、第１ポンプ３０の入口と燃料電池スタック１０のとの間とは、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定義される。
本発明の好ましい実施形態によれば、第１連結ライン１３０にはヒータ５０が設けられてよく、第１連結ライン１３０に沿って流動する第１冷却水はヒータ５０を通過する中に加熱されてよい。
また、第１冷却ライン１１０には、第１冷却水の流動経路をヒータ５０または燃料電池スタック１０に切り替える第１バルブ２０が設けられる。
一例として、第１バルブ２０は、第１地点に位置するように第１冷却ライン１１０に提供され、第１連結ライン１３０の一端が連結される。
第１バルブ２０としては、第１冷却水の流動経路を選択的にヒータ５０または燃料電池スタック１０に切り替えることができる多様なバルブ手段が用いられてよい。
一例として、第１バルブ２０としては、通常の三方バルブ（ｔｈｒｅｅ ｗａｙ ｖａｌｖｅ）が用いられてよい。より具体的に、第１バルブ２０は、第１ポンプ３０によりポンピングされた第１冷却水が流入されるように第１冷却ライン１１０と連結される第１ポート２１、第１バルブ２０を通過する第１冷却水が燃料電池スタック１０に流入されるように第１冷却ライン１１０と連結される第２ポート２２、及び第１連結ライン１３０の一端が連結される第３ポート２３を含む。
第１バルブ２０の第２ポート２２及び第３ポート２３を開閉することにより、第１冷却水の流動経路を選択的にヒータ５０または燃料電池スタック１０に切り替えることができる。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バルブ２０を通過する第１冷却水は燃料電池スタック１０に流入される。これとは逆に、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バルブ２０を通過する第１冷却水は第１連結ライン１３０を介してヒータ５０に流入される。
本発明の好ましい実施形態によれば、燃料電池システムは、第１冷却ライン１１０に連結され、第１冷却ライン１１０と相互協調的に空調ユニット（ＨＡＶＣ ＵＮＩＴ）９０を冷暖房するための冷暖房ループを形成する第２連結ライン１５０を含んでよい。
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してよい。
より具体的に、第２連結ライン１５０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の出口との間で第１冷却ライン１１０に連結され、第１冷却水のうち一部が循環するように構成される。
ここで、第１地点と燃料電池スタック１０の出口との間とは、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地点を通過する前まで流動する区間と定義される。
一例として、第２連結ライン１５０の一端は、第１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２連結ライン１５０の他の一端は、第１ポンプ３０と第２地点との間で第１冷却ライン１１０に連結される。
また、第２連結ライン１５０には、空調ユニット９０を通過した第１冷却水に含まれたイオンをフィルタリングするイオンフィルタ９５が備えられてよい。
参考までに、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ることになって燃料電池スタック１０が短絡されるか、第１冷却水側へ電流が流れることになる問題点が発生するので、第１冷却水は低い電気伝導度を維持しなければならない。
イオンフィルタ９５は、第１冷却水の電気伝導度を一定程度水準以下に維持できるように、第１冷却水に含まれたイオンを除去するように設けられる。
このように、本発明は、第１冷却水が第２連結ライン１５０に沿っても循環するようにすることにより、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。よって、燃料電池スタック１０に流入される第１冷却水の電気伝導度を一定水準以下に維持させる有利な効果を得ることができる。
また、本発明の実施形態は、第１ポンプ３０と燃料電池スタック１０の出口との間で第１冷却ライン１１０が第１ラジエータ６１を経由するように構成されるが、一端は、第１ラジエータ６１の前方で第１冷却ライン１１０に連結され、他の一端は、第１ラジエータ６１の後方で第１冷却ライン１１０に連結される第３連結ライン１４０を含んでよい。
図１及び図３を参照すれば、第３連結ライン１４０は、第１冷却ライン１１０に連結され、第１冷却ライン１１０と相互協調的に第１冷却水を冷却するための冷却ループを形成するように設けられる。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６１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６１との間で第１冷却ライン１１０に連結され得る。
また、第１冷却ライン１１０には、第１冷却水の流動経路を第１ラジエータ６１または燃料電池スタック１０に切り替える第２バルブ４０が設けられる。
一例として、第２バルブ４０は、第１ポンプ３０と第１ラジエータ６１との間に位置するように第１冷却ライン１１０に提供され、第３連結ライン１４０の一端及び第２連結ライン１５０の出口端（他の一端）が連結される。
第２バルブ４０としては、第１冷却水の流動経路を選択的に第１ラジエータ６１または燃料電池スタック１０に切り替えることができる多様なバルブ手段が用いられてよい。
一例として、第２バルブ４０としては、通常の四方バルブ（ｆｏｕｒ ｗａｙ ｖａｌｖｅ）が用いられてよい。より具体的に、第２バルブ４０は、第３連結ライン１４０と連結される第１ポート４１、第１ラジエータ６１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、第２連結ライン１５０の他の一端が連結される第３ポート４３、及び第２バルブ４０を通過する第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４ポート４４を含む。
第２バルブ４０の第１ポート４１及び第２ポート４２を開閉することにより、第１冷却水の流動経路を選択的に第１ラジエータ６１または燃料電池スタック１０に切り替えることができる。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６１を経ずに燃料電池スタック１０に流入される。これとは逆に、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６１を経た後、燃料電池スタック１０に流入される。
一方、本発明の好ましい実施形態によれば、燃料電池システムは、燃料電池スタック１０と第１地点（第１バルブ）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、第１連結ライン１３０の他の一端と第１ポンプ３０のとの間で第１冷却水の温度を測定する第２温度センサ１１４、及びヒータ５０で第１冷却水の温度を測定する第３温度センサ１１６を含んでよく、第１温度センサ１１２、第２温度センサ１１４、及び第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も低いと、第１冷却水の流入流量を予め設定された設定流量よりも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、第１冷却水の温度偏差（燃料電池スタック１０の内部に停滞された第１冷却水の温度ｖｓ燃料電池スタック１０に流入される第１冷却水の温度）による熱衝撃及び性能低下を最小化する有利な効果を得ることができる。
本発明の好ましい実施形態によれば、燃料電池システムは、車両の電装部品（ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐａｒｔｓ）２００を経由するように設けられる第２冷却ライン１２０を含んでよく、第２冷却ライン１２０に沿って第２冷却水が循環することができる。
ここで、車両の電装部品２００とは、車両の電源をエネルギー源として用いる部品と理解されてよく、車両の電装部品２００の種類及び個数によって本発明が制限されたり限定されたりするものではない。
一例として、電装部品２００は、燃料電池スタック１０と前記車両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（ＡＣＰ：Ａｉｒ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）２４０、及びエアクーラー（ａｉｒ ｃｏｏｌｅｒ）２５０のうち少なくともいずれか一つを含んでよい。
第２冷却ライン１２０には、第２冷却水を強制的に流動させるための第３ポンプ（図示せず）が設けられる。
第３ポンプとしては、第２冷却水をポンピングすることができる通常のポンピング手段が用いられてよく、第３ポンプの種類及び特性によって本発明が制限されたり限定されたりするものではない。
また、第２冷却ライン１２０には、第２冷却水を冷却させるための第３ラジエータ７１が設けられてよい。
第３ラジエータ７１は、第２冷却水を冷却させることができる多様な構造で形成されてよく、第３ラジエータ７１の種類及び構造によって本発明が制限されたり限定されたりするものではない。
さらに、第３ラジエータ７１には、第２冷却水が貯蔵される第２リザーバ７４が連結されてよい。
好ましくは、第１ラジエータ６１及び第３ラジエータ７１は、一つの第１冷却ファン６２によって同時に冷却されるように構成される。一例として、第１ラジエータ６１及び第３ラジエータ７１は並んで配置され、第１冷却ファン６２は、第１ラジエータ６１及び第３ラジエータ７１に外気を送風するように設けられる。
このように、ただ一つの第１冷却ファン６２によって第１ラジエータ６１及び第３ラジエータ７１が同時に冷却されるようにすることにより、構造を簡素化し、設計自由度及び空間活用性を向上させることができ、第１ラジエータ６１及び第３ラジエータ７１を冷却させるための電力消耗を最小化する有利な効果を得ることができる。
以上で実施形態を中心に説明したが、これは単なる例示であるだけで、本発明を限定するものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、本実施形態の本質的な特性から逸脱しない範囲で、以上に例示されていない様々な変形及び応用が可能であることが分かるだろう。例えば、実施形態に具体的に表された各構成要素は、変形して実施できるものである。そして、このような変形及び応用に関係する相違点は、特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈すべきであろう。
前述したように本発明の実施形態によれば、燃料電池スタックの高出力を保障し、安全性及び信頼性を向上させる有利な効果を得ることができる。
特に、本発明の実施形態によれば、車両の停車中に燃料電池スタックの高出力が要求される状況で燃料電池スタックを効果的に冷却することができ、燃料電池スタックの作動性能及び作動効率を向上させる有利な効果を得ることができる。
また、本発明の実施形態によれば、燃料電池スタックに流入される冷却水の流量低下を最小化し、燃料電池スタックの冷却性能の低下を抑制する有利な効果を得ることができる。

Claims (10)

  1. 車両の燃料電池スタックを経由し、第１冷却水が循環される第１冷却ライン；
    前記第１冷却ラインに設けられ、前記第１冷却水を冷却する第１冷却部；
    前記第１冷却ラインに設けられ、前記第１冷却部と個別的に前記第１冷却水を冷却する第２冷却部；
    前記第１冷却ラインに設けられ、前記第１冷却水をポンピングする第１ポンプ；及び
    前記第１冷却ラインに設けられ、前記第１ポンプと個別的に前記燃料電池スタックに流入される前記第１冷却水の流量を調節する流量調節部；
    を含み、
    前記第１冷却部は、
    前記第１冷却ラインに設けられ、前記第１冷却水を冷却する第１ラジエータを含み、
    前記第２冷却部は、
    前記第１冷却ラインから分岐される第１分岐ライン、及び前記第１ラジエータと並列に連結されるように前記第１分岐ラインに設けられ、前記第１冷却水を冷却する第２ラジエータを含み、
    前記流量調節部は、
    前記第１冷却ラインから分岐される第２分岐ライン；及び
    前記第１ポンプと並列に連結されるように前記第２分岐ラインに設けられ、前記第１冷却水をポンピングする第２ポンプ；
    を含む、車両用燃料電池システム。
  2. 車両の燃料電池スタックを経由し、第１冷却水が循環される第１冷却ライン；
    前記第１冷却ラインに設けられ、前記第１冷却水を冷却する第１冷却部；及び
    前記第１冷却ラインに設けられ、前記第１冷却部と個別的に前記第１冷却水を冷却する第２冷却部；
    を含み、
    前記第１冷却部は、
    前記第１冷却ラインに設けられ、前記第１冷却水を冷却する第１ラジエータを含み、
    前記第２冷却部は、
    前記第１冷却ラインから分岐される第１分岐ライン、及び前記第１ラジエータと並列に連結されるように前記第１分岐ラインに設けられ、前記第１冷却水を冷却する第２ラジエータを含む、車両用燃料電池システムであって、
    一端は、前記第１ラジエータの出口と前記燃料電池スタックの入口との間で前記第１冷却ラインに連結され、他の一端は、前記燃料電池スタックの出口と前記第１ラジエータの入口との間で前記第１冷却ラインに連結される第１連結ライン；
    前記第１連結ラインに設けられ、前記第１連結ラインに沿って流動する前記第１冷却水を加熱するヒータ；及び
    前記車両の空調ユニットを経由し、前記第１ラジエータの出口と前記燃料電池スタックの入口との間で前記第１冷却ラインに連結され、前記第１冷却水が循環する第２連結ライン；
    を更に含む、車両用燃料電池システム。
  3. 前記第２分岐ラインの一端は、前記第１ラジエータの出口と前記第１ポンプとの間で前記第１冷却ラインに連結され、
    前記第２分岐ラインの他の一端は、前記第１ポンプと前記燃料電池スタックの入口との間で前記第１冷却ラインに連結される、請求項１に記載の車両用燃料電池システム。
  4. 前記第２分岐ラインの前記他の一端と前記第２ポンプとの間で前記第２分岐ラインに設けられる第２開閉バルブを含む、請求項３に記載の車両用燃料電池システム。
  5. 前記第１分岐ラインの一端は、前記燃料電池スタックの出口と前記第１ラジエータの入口との間で前記第１冷却ラインに連結され、
    前記第１分岐ラインの他の一端は、前記第１ラジエータの出口と前記燃料電池スタックの入口との間で前記第１冷却ラインに連結される、請求項１～４のいずれか一項に記載の車両用燃料電池システム。
  6. 前記第１分岐ラインの前記他の一端と前記第２ラジエータの出口との間で前記第１分岐ラインに設けられる第１開閉バルブを含む、請求項５に記載の車両用燃料電池システム。
  7. 前記車両の電装部品（ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐａｒｔｓ）を経由し、第２冷却水が循環される第２冷却ライン；及び
    前記第２冷却ラインに設けられ、前記第２冷却水を冷却する第３ラジエータ；
    を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の車両用燃料電池システム。
  8. 前記電装部品は、前記燃料電池スタックと前記車両の高電圧バッテリーとの間に備えられるＢＨＤＣ（Ｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ＤＣ－ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）、前記燃料電池スタックの駆動のための外気を供給するブロワを制御するＢＰＣＵ（Ｂｌｏｗｅｒ Ｐｕｍｐ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、前記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）、前記燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する空気圧縮機（ＡＣＰ：Ａｉｒ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）、及びエアクーラー（ａｉｒ ｃｏｏｌｅｒ）のうち少なくともいずれか一つを含む、請求項７に記載の車両用燃料電池システム。
  9. 前記第１ラジエータ及び前記第３ラジエータは並んで配置され、
    前記第１ラジエータ及び前記第３ラジエータに外気を送風する第１冷却ファンを含む、請求項７に記載の車両用燃料電池システム。
  10. 前記第２ラジエータに外気を送風する第２冷却ファンを含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の車両用燃料電池システム。
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