JP2016096020A - 燃料電池システムとその始動方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】氷点下始動時のユーザーが覚えることのある、レディオン状態になるまで待つ際の苛立ちや不快感、レディオン後にアクセルを踏んでも所望の出力が得られないときの違和感を低減ないし払拭できるようにする。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池４０内の含水量と、氷点下始動時の燃料電池４０内の温度と、に基づいて、氷点下始動後の燃料電池４０が、当該燃料電池システムのユーザーが所望ないしは期待する所期出力あるいは該所期出力に応じた所定出力を発揮できるようになるまでの目標出力到達所要時間を推定する目標出力到達所要時間推定手段３００と、該目標出力到達所要時間推定手段３００が推定した所要時間をユーザーに知らせる目標出力到達所要時間通知手段１６０，１６５と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムとその始動方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、氷点下で始動されることのある燃料電池システムの構成および始動方法の改良に関する。
一般に、燃料電池システムは、燃料電池を起動してから、ある一定の電力供給が可能な状態（レディオン(Ready on)と呼ばれる起動完了状態）になるまでにある程度の時間を要するものであり、通常、起動時には、燃料電池の温度を発電に適切な温度まで昇温するための暖機運転が行われる。この暖機運転は、燃料電池システムの効率を考慮して、燃料電池を昇温するための外部ヒーター等を用いることなく、燃料電池の自己発熱によって行われることが多い。
従来、このように自己発熱を利用して燃料電池を速やかに起動するための種々の技術が提案されており、例えば、低温状況下での起動時、燃料電池の昇温を速やかに行うために、燃料電池に循環させる冷却媒体の循環流量を低減させたり、冷却媒体の循環を停止したりすることが行われている。あるいは、燃料電池起動の途中で冷却媒体の循環流量を逆に増加させることもある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１３−２１８９２３号公報
しかしながら、氷点下での始動直後における燃料電池は、多くの場合、始動開始まで氷点下に放置された状態となっていることから、ＭＥＧＡ（膜−電極−拡散層接合体(Membrane Electrode ＆ Gas Diffusion Layer Assembly)）の一部に残存した水が凍結しており、速やかに起動するための種々の技術を適用したとしても起動までに相当程度の時間を要する。このような状況下では、凍結量が多いほど解凍に時間がかかり、また始動時の燃料電池温度が低いほど昇温に時間がかかる。このため、氷点下での始動後、一定の出力（レディオン出力）が発揮可能なレディオンの状態になるまで漠然と待たなければならないユーザーが苛立ちや不快感を覚えることは起こりうる。
また、凍結により発電面積が減少していると発電能力が低下しがちといった事情から、レディオン状態になった後の燃料電池車をＷＯＴ（wide-open throttle：スロットル（絞り弁）を全開にした状態）にしても、常温始動時のそれに比べて出力および出力上昇が緩いことがある。このため、アクセルを踏んでも期待あるいは予想されるような所望の出力が得られず、このことがユーザーに違和感を与えることがある。このとき、ユーザーに対してこういった事情に関する情報が事前に提供されていれば、ユーザーは所望する出力（アクセルを踏んだ際に期待しあるいは予想される出力）と実際の出力とが乖離していてもさほど気にしないかもしれないが、実際には期待したイメージとかけ離れていることから違和感を覚えざるを得ない。
そこで、本発明は、氷点下始動時のユーザーが覚えることのある、レディオン状態になるまで待つ際の苛立ちや不快感、レディオン後にアクセルを踏んでも所望の出力が得られないときの違和感を低減ないし払拭できるようにした燃料電池システムとその始動方法を提供することを目的とする。
かかる課題を解決するべく本発明は、燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池内の含水量を取得する含水量取得手段と、
前記燃料電池内の温度を取得する温度取得手段と、
前記取得された含水量、及び温度により、前記燃料電池内部に存在する氷の量を推定する推定手段と、
前記推定された氷の量が所定値以下となるまでの所要時間をユーザーに通知する、通知手段と、
を備える。
本発明は、上述した実情を考慮し、燃料電池スタックの温度と含水量とから氷点下始動時の凍結量、および昇温時間を推定できるとの知見に着目し、また、燃料電池の所定の出力を確保できるまでの推定手段として燃料電池内部に残存する氷の量に着目し、想到したものであり、これらの各ファクター（温度、含水量）に基づき、氷点下始動後の燃料電池の氷の量が所定値以下となるまでの所要時間を推定し、ユーザーに知らせる。
かかる燃料電池システムにおいて、前記燃料電池内の含水量と、氷点下始動時の前記燃料電池内の温度と、に基づいて、氷点下始動後の前記燃料電池が、当該燃料電池システムのユーザーが所望ないしは期待する所期出力あるいは該所期出力に応じた所定出力を発揮できるようになるまでの目標出力到達所要時間を推定する目標出力到達所要時間推定手段と、
該目標出力到達所要時間推定手段が推定した所要時間をユーザーに知らせる目標出力到達所要時間通知手段と、
をさらに備えるというものである。
本発明は、上述した実情を考慮し、燃料電池スタックの温度と含水量とから氷点下始動時の凍結量、および昇温時間を推定できるとの知見、特に、燃料電池の所定の出力を確保できるまでの推定手段として燃料電池内部に残存する含水量（もしくは氷の量）に着目した結果得られた知見に基づき想到するに至ったものであり、これらの各ファクター（温度、含水量）に基づき、氷点下始動後の燃料電池が、ユーザーが所望する出力を発揮できるようになるまでの目標出力到達所要時間を推定し、ユーザーに知らせる。これによれば、ユーザーに、当該目標出力到達所要時間が経過するまでは、所望する出力と実際の出力とが乖離しているという状況を理解してもらうことができる。これにより、アクセルを踏んでも所望の出力が得られないユーザーの違和感を低減ないし払拭することができる。また、燃料電池がレディオン状態となる前の段階であれば、レディオン状態となるまでの目標出力到達所要時間を推定し、ユーザーに知らせるので、いつまで待てばレディオン状態になるかわからないというユーザーの不快感を低減ないし払拭することができる。
前記目標出力到達所要時間の好適な一例は、前記燃料電池をイグニッションオンにしてから、ある一定の電力供給をするレディオン出力を前記燃料電池が発揮するレディオン状態になるまでの時間である。
前記目標出力到達所要時間の好適な他の一例は、ある一定の電力供給をするレディオン出力を前記燃料電池が発揮するレディオン状態になってから、前記ユーザーによる当該時点でのアクセルの開度に応じた出力が発揮されるようになるまでの時間である。この場合における、前記ユーザーによる当該時点でのアクセルの開度は、例えば全開である。
また、燃料電池システムは、前記燃料電池内の含水量および氷点下始動時の前記燃料電池温度と、前記目標出力到達所要時間とを関連付けしたマップを備えており、該マップを用いて前記目標出力到達所要時間を推定するものであってもよい。
本発明に係る方法は、燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムを氷点下で始動する際の始動方法であって、
前記燃料電池内の含水量と、氷点下始動時の前記燃料電池内の温度と、に基づいて、氷点下始動後の前記燃料電池が、当該燃料電池システムのユーザーが所望ないしは期待する所期出力あるいは該所期出力に応じた所定出力を発揮できるようになるまでの目標出力到達所要時間を推定し、
該推定した所要時間をユーザーに知らせる、というものである。
本発明によれば、氷点下始動時のユーザーが覚えることのある、レディオン状態になるまで待つ際の苛立ちや不快感、レディオン後にアクセルを踏んでも所望の出力が得られないときの違和感を低減ないし払拭することができる。
本発明の一実施形態における燃料電池システムの要部構成例を示す図である。 燃料電池システムにおける通知処理等を説明するためのブロック図である。 排気終了予定時間の推定処理の一例を示すフローチャートである。 燃料電池システムのユーザーが所望ないしは期待する所期出力あるいは該所期出力に応じた所定出力を氷点下始動後の燃料電池が発揮できるようになるまでの目標出力到達所要時間を推定し、推定結果をユーザーに知らせるまでの処理の一例を示すフローチャートである。 氷点下始動時の出力推移をモデル化したグラフの一例を示す図である。 氷点下始動時の出力推移モデルにおける計算例を当該モデルとともに示す図である。 氷点下始動時の出力推移モデル等についての検討結果をマップ化した一例を示す図である。
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載されることが予定された燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。すなわち、ここでは燃料電池車両（Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして適用可能なシステムの一例を示すが、かかる燃料電池システム１は各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても利用することが可能である。
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、ＭＥＧＡなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック４２を有している。この燃料電池４０の出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ１４０及び電流センサ１５０によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源１０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源７０から空気などの酸化ガスが供給される。
燃料ガス供給源１０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。酸化ガス供給源７０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。
バッテリ６０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ６０の代わりに二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０を介して燃料電池４０と並列に接続されている。
インバータ１１０は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御ユニット８０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ６０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ１１５へ供給する。トラクションモータ１１５は、車輪１１６Ｌ、１１６Ｒを駆動するためのモータ（すなわち移動体の動力源）であり、かかるモータの回転数はインバータ１１０によって制御される。このトラクションモータ１１５及びインバータ１１０は、燃料電池４０側に接続されている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、バッテリ６０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０などから入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ６０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の機能により、バッテリ６０の充放電が実現される。
バッテリ６０とＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類１２０が接続されている。バッテリ６０は、これら補機類１２０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど）をいう。
制御ユニット（制御装置）８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、電圧センサ１４０や電流センサ１５０、燃料電池４０の温度を検出する温度センサ５０、バッテリ６０の充電状態を検出するＳＯＣセンサ、アクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサなどから入力される各センサ信号に基づき当該システム各部を中枢的に制御する。また、本実施形態に係る制御ユニット８０は、システム停止時に実行する掃気処理（低温対策用の制御）を行う。
表示装置１６０は、液晶表示装置や各種ランプなどから構成され、音声出力装置１７０は、スピーカ、アンプ、フィルタなどから構成されている。制御ユニット８０は、表示装置１６０及び音声出力装置を用いて各種制御内容をユーザーに通知する。この制御内容には、システム停止時に実行する掃気処理の制御内容（例えば、掃気処理の終了メッセージの表示や掃気処理終了までに要する時間の算出、あるいは後述する目標出力到達所要時間など）も含まれる。
図２は、本実施形態に係る通知処理等を説明するためのブロック図である。制御ユニット８０は、タイミング決定部１８と、インピーダンス測定部１８０と、掃気終了予定時間推定部２８０と、通知制御部３８０、掃気制御部４８０の機能を実現する。
＜タイミング決定部１８＞
タイミング決定部１８は、インピーダンス測定の開始タイミングを決定するものである。タイミング決定部１８は、イグニッションキーがオンされたことを検知すると、インピーダンス測定を開始すべきと判断し、インピーダンス測定の開始命令を重畳信号生成部１８２に送る。なお、本実施形態ではイグニッションキーがオンされたことを契機としてインピーダンス測定の開始命令を送るが、どのようなタイミングでインピーダンス測定の開始命令を送るかは任意である。
＜インピーダンス測定部１８０＞
インピーダンス測定部１８０は、目標電圧決定部１８１、重畳信号生成部１８２、電圧指令信号生成部１８３、演算部１８４、を備えている。
目標電圧決定部１８１は、アクセルペダルセンサやＳＯＣセンサなどから入力される各センサ信号に基づいて出力目標電圧を決定し、これを電圧指令信号生成部１８３に出力する。
重畳信号生成部１８２は、タイミング決定部１８から送出されるインピーダンス測定の開始命令に従い、出力目標電圧に重畳すべきインピーダンス測定用信号（例えば振幅値２Ｖの特定周波数のサイン波など）を生成し、これを電圧指令信号生成部１８３に出力する。なお、インピーダンス測定用信号の各パラメータ（波形の種類、周波数、振幅値）は、システム設計などに応じて適宜設定すれば良い。
電圧指令信号生成部１８３は、出力目標電圧にインピーダンス測定用信号を重畳し、電圧指令信号ＶｆｃｒとしてＤＣ／ＤＣコンバータ１３０に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、与えられる電圧指令信号Ｖｆｃｒに基づき燃料電池４０等の電圧制御を行う。
演算部１８４は、電圧センサ１４０によって検出される燃料電池４０の電圧（ＦＣ電圧）Ｖｆ及び電流センサ１５０によって検出される燃料電池４０の電流（ＦＣ電流）Ｉｆを所定のサンプリングレートでサンプリングし、フーリエ変換処理（ＦＦＴ演算処理やＤＦＴ演算処理）などを施す。演算部１８４は、フーリエ変換処理後のＦＣ電圧信号をフーリエ変換処理後のＦＣ電流信号で除するなどして燃料電池４０のインピーダンスを求める。演算部１８４は、このようにして求めた燃料電池４０のインピーダンス（以下、スタックインピーダンス）をスタック残水量演算部２８１に出力する。
＜掃気終了予定時間推定部２８０＞
掃気終了予定時間推定部２８０は、スタック残水量演算部２８１、スタック水分低減量演算部２８２、推定部２８３、残水量比較部２８４を備えている。
図３は、排気終了予定時間の推定処理の一例を示すフローチャートである。スタック残水量演算部２８１は、演算部１８４から供給されるスタックインピーダンスをもとに、スタック内の残水量（スタック残水量あるいはスタック含水量）を演算する（ステップＳＰ１０１）。スタック残水量演算部２８１には、スタックインピーダンスとスタック残水量との関係をあらわす関数Ｆが予め格納されている。スタック残水量演算部２８１は、この関数Ｆにスタックインピーダンスを代入することでスタック残水量を求める。スタック残水量演算部２８１は、このように求めたスタック残水量を残水量比較部２８４に出力する（ステップＳＰ１０２）。
残水量比較部２８４は、スタック残水量演算部２８１から供給されるスタック残水量Ｗｓと、予め設定されている目標残水量Ｗｏとを比較し、掃気処理が必要か否かを判断する（ステップＳＰ１０３、ＳＰ１０４）。残水量比較部２８４は、スタック残水量Ｗｓが目標残水量Ｗｏ以下である場合には、掃気処理は不要であると判断し、掃気処理の終了指令を通知制御部３８０に送る（ステップＳＰ１０５）。
一方、残水量比較部２８４は、スタック残水量Ｗｓが目標残水量Ｗｏを超えている場合には、掃気処理が必要であると判断し、スタック残水量Ｗｓから目標残水量Ｗｏを減算することで低減すべき水分量（以下、低減必要水分量）Ｗｄを求め、これを推定部２８３に送る（ステップＳＰ１０６）。
スタック水分低減量演算部２８２は、単位時間あたりのスタック水分低減量を演算するものであり、持ち去り水量演算部２８２ａ、スタック生成水量演算部２８２ｂ、回収水量演算部２８２ｃを備えている。
推定部２８３は、残水量比較部２８４から供給される低減必要水分量Ｗｄと、スタック水分低減量演算部２８２から供給される単位時間あたりのスタック水分低減量とを用いて、掃気処理に要する時間（以下、掃気所要時間）を推定する（ステップＳＰ１０７）。
＜目標出力到達所要時間推定部３００＞
目標出力到達所要時間推定部３００は、燃料電池４０内の含水量と、氷点下始動時の燃料電池４０内の温度と、に基づいて、氷点下始動後の燃料電池４０が、燃料電池システム１のユーザーが所望ないしは期待する所期出力あるいは該所期出力に応じた所定出力を発揮できるようになるまでの目標出力到達所要時間を推定する。燃料電池４０内の含水量および燃料電池４０内の温度は、それぞれ、スタック残水量演算部２８１、燃料電池４０内の所定箇所（例えば、燃料電池（ＦＣ）スタックの水出口）の温度を検出する温度センサ５２の検出結果から得られる（図２参照）。
なお、上述した、燃料電池システム１のユーザーが所望ないしは期待する所期出力とは、ユーザーが、氷点下ではない通常的な状況であれば得られるであろうと考える出力、あるいは、レディオン状態となって発揮されてほしい出力（レディオン出力）のことであり、該所期出力に応じた所定出力とは、ユーザーが所望ないしは期待する所期出力はユーザーの感覚毎に異なるものであるから定量的に示すのが難しいとしても、およそ多くのユーザーの期待度を満たすことができる（別言すれば、違和感を覚えさせない）程度の出力のことである。また、このような、燃料電池システム１のユーザーが所望ないしは期待する所期出力を発揮できるようになるまでの目標出力到達所要時間は状況に応じてさまざまである。例えば、燃料電池４０をイグニッションオンにした場合であれば、レディオン出力を燃料電池が発揮するレディオン状態になるまでの時間が、目標出力到達所要時間に該当する。また、レディオン状態になった後は、例えば、ユーザーによる当該時点でのアクセルの開度に応じた出力（一例としてＷＯＴ出力）が発揮できるようになるまでの時間が、目標出力到達所要時間に該当する。
＜通知制御部３８０＞
通知制御部３８０は、残水量比較部２８４からの通知、または推定部２８３から出力される掃気所要時間に基づき、表示装置１６０及び音声出力装置１６５からの出力内容を制御する。具体的には、残水量比較部２８４から掃気処理の終了指令が通知された場合には、例えば掃気終了メッセージを表示装置１６０に表示するとともに、該掃気処理が終了したことをあらわす音声メッセージや警告音を音声出力装置１６５から出力する。
一方、推定部２８３から掃気所要時間が出力された場合には、例えば推定部２８３によって推定された掃気所要時間（掃気終了までの予想時間）をあらわすメッセージを表示装置１６０に表示するとともに、該予想時間をあらわす音声メッセージを音声出力装置１６５から出力する。以下、本システムの終了時の動作について説明する。
さらに、本実施形態の通知制御部３８０は、目標出力到達所要時間推定部３００からの出力に基づき、表示装置１６０及び音声出力装置１６５からの出力内容を制御する。具体的には、目標出力到達所要時間推定部３００から目標出力到達所要時間が出力された場合に、当該目標出力到達所要時間を表示装置１６０に表示し、及び／または、当該目標出力到達所要時間の音声メッセージを音声出力装置１６５から出力する。
＜目標出力到達所要時間の推定などの説明＞
図４は、ユーザーが所望ないしは期待する所期出力あるいは該所期出力に応じた所定出力を氷点下始動後の燃料電池４０が発揮できるようになるまでの目標出力到達所要時間を推定し、推定結果をユーザーに知らせるまでの処理の一例を示すフローチャートである。
イグニッションキーがオンされる（ＩＧ ＯＮ）と（ステップＳＰ１）、目標出力到達所要時間推定部３００は、氷点下始動時の燃料電池４０の出口温度（始動時の燃料電池スタックの水出口温度）と、前回システム停止時における当該燃料電池４０の含水量と、を読み込む（ステップＳＰ２−１）。始動時ＦＣ出口温度は、温度センサ５２による検出結果に基づいて得ることができる。前回システム停止時における当該燃料電池４０の含水量は、前回システム停止時までのスタック残水量演算部２８１による演算結果に基づいて得ることができる。
続いて、目標出力到達所要時間推定部３００は、必要タイム（所要時間）のマップを読み、上述の情報を入力し、対応付けされた表から結果（目標出力到達所要時間）を得る（ステップＳＰ２−２）。なお、マップの具体例、および目標出力到達所要時間を求めるモデルの具体例については後述する（図５〜図７参照）。
その後、目標出力到達所要時間推定部３００は、上記マップから得られた所定の燃料電池出力（一例として、ＷＯＴ時の推定出力○○ｋＷ（アクセル全開のときその時点で得られる出力のことで、○○にはマップから得られた所定の数値が入る））、目標出力到達所要時間Ｔｃ（一例として、最大出力Ｃ[ｋＷ]に到達するまでに必要な待ち時間）を出力する（ステップＳＰ２−３）。
続いて、目標出力到達所要時間推定部３００は、ＷＯＴ時の推定出力と、レディオン（ＲＥＡＤＹ ＯＮ）許可出力とについて、大きさを比較する（ステップＳＰ３）。レディオン許可出力（単にレディオン出力もいう）とは、レディオン状態となるための最低の出力のことであり、ここではＢ[ｋＷ]と例示しているが（図４参照）、具体的な数値は適宜設定され得る。
この判断の結果、ＷＯＴ時の推定出力がレディオン（ＲＥＡＤＹ ＯＮ）許可出力を上回っていれば、出力告知をし（ステップＳＰ４）、レディオン状態として（ステップＳＰ８）、ＲＥＡＤＹ ＯＮタイミングとなったことを示す。
一方で、ＷＯＴ時の推定出力がレディオン（ＲＥＡＤＹ ＯＮ）許可出力を上回っていなければ、制御ユニット８０が、急速運転による暖機処理（例えば、高負荷状態で発電を行うことにより燃料電池４０を発熱させるなど）の開始を指示する（ステップＳＰ５）。併せて、目標出力到達所要時間推定部３００はレディオン状態になるまでの時間（目標出力到達所要時間）Ｔを出力し、表示装置１６０に当該時間を表示させることと、音声出力装置１６５に当該時間を音声出力させることのいずれか一方または両方を実施し、目標出力到達所要時間をドライバー等のユーザーに知らせる（ステップＳＰ６）。このようにして目標出力到達所要時間をユーザーに事前に知らせることで、いつまで待てばレディオン状態になるかわからないというユーザーの不快感を低減ないしは払拭することができる。なお、ユーザーへのこれら通知手段に代え、またはこれら通知手段と併せて、光、音、映像、熱、振動といった体感媒体を利用することもできる。
ステップＳＰ５およびステップＳＰ６の後、暖機処理の完了を待ち（ステップＳＰ７）、暖機処理の完了後にレディオン状態として（ステップＳＰ８）、ＲＥＡＤＹ ＯＮタイミングとなったことを示す。
その後、目標出力到達所要時間推定部３００は、ステップＳＰ２−３で出力した目標出力到達所要時間Ｔｃ（一例として、最大出力Ｃ[ｋＷ]に到達するまでに必要な待ち時間）に基づき、レディオン状態になってから当該最大出力を発揮できるようになるまでの目標出力到達所要時間Ｔｃを算出して出力し、表示装置１６０に当該時間を表示させることと、音声出力装置１６５に当該時間を音声出力させることのいずれか一方または両方を実施してドライバー等のユーザーに知らせる。
＜目標出力到達所要時間の推定の別の例＞
燃料電池をイグニッションオンにしてからレディオン状態になるまでの時間を目標出力到達所要時間とし、これを推定し、推定結果をユーザーに知らせるようにしてもよい。この場合の処理は、上記に準ずるため特に図示しないが、例示すれば以下のように進めることができる。
すなわち、イグニッションキーがオンされる（ＩＧ ＯＮ）と、目標出力到達所要時間推定部３００が、氷点下始動時の燃料電池４０の出口温度（始動時の燃料電池スタックの水出口温度）と、前回システム停止時における当該燃料電池４０の含水量と、を読み込む。続いて、目標出力到達所要時間推定部３００は、必要タイム（所要時間）のマップを読み、上述の情報を入力し、対応付けされた表から結果（目標出力到達所要時間Ｔｂ）を得る。
その後、目標出力到達所要時間推定部３００は、上記マップから得られた所定の燃料電池出力（レディオン出力）、目標出力到達所要時間Ｔｂ（氷点突破するまでに必要な待ち時間）を出力し、表示装置１６０に当該時間を表示させることと、音声出力装置１６５に当該時間を音声出力させることのいずれか一方または両方を実施し、目標出力到達所要時間をドライバー等のユーザーに知らせる。このようにして目標出力到達所要時間をユーザーに事前に知らせることで、いつまで待てばレディオン状態になるかわからないというユーザーの不快感を低減ないしは払拭することができる。
＜氷点下始動時の出力推移のモデル化例＞
図５は、氷点下始動時の出力推移をモデル化したグラフの一例である。この図５を用いつつ、氷点下始動時の出力推移モデルについて説明する。
なお、本明細書では、燃料電池温度（一例として、燃料電池スタックの水出口温度）が氷点を突破することを氷点突破という。氷点突破のタイミングは、本実施形態のように、レディオン状態になるタイミングと非常に近似したものとなる場合がある。
この出力推移モデルにおけるパラメータ（推定対象）には、(1)燃料電池の初期出力、(2)出力低下勾配（ただし氷点突破前のもの）、(3)氷点突破までの時間、そして(4)出力上昇勾配（ただし氷点突破後のもの）がある。それぞれのパラメータにおける想定影響因子は後述するとおりであり、また図５中において各パラメータの横にカッコ書きで記す（図５参照）。
(1)イグニッションキーがオンされた後における燃料電池４０の初期出力Ａは、始動前の燃料電池温度（例えばスタック温度）および燃料電池４０の初期含水量に応じて変化すると想定される。
(2)氷点突破する（燃料電池温度が氷点を突破する）までの燃料電池出力の低下勾配は、生成水量および燃料電池温度（例えばスタック温度）に応じて変化すると想定される。例えば、氷点下で始動すると生成水が燃料電池のセパレータ間の空隙で凍結し、発電面積が減っていくため、この影響で燃料電池出力が徐々に低下する。なお、氷点突破時に近いタイミングで極小となる燃料電池の出力を本実施形態ではＢとおく。
(3)氷点突破するまでの時間は、燃料電池スタックの熱容量および燃料電池スタックの発熱量の大きさに応じて変化すると想定される。
(4)氷点突破した後の燃料電池出力の上昇勾配は、生成水量および燃料電池温度（例えばスタック温度）に応じて変化すると想定される。
これら各パラメータに対する想定影響因子について考慮すると、「生成水量」、「燃料電池スタック温度」、「燃料電池スタックの熱容量」、「燃料電池スタックの発熱量」の各因子は、既知であるか、温度センサ５０等の各センサによって検出可能であるか、あるいは各種情報に基づいて制御ユニット８０において算出可能なものである。したがって、氷点下始動前の燃料電池温度（一例として、スタック温度）、および始動時における初期含水量に基づけば、図５に例示した出力推移モデルを使って、燃料電池出力が所定の目標出力値となるまでの待ち時間（目標出力到達所要時間）を求めることができる。一例として、氷点下始動時のＲＥＡＤＹ ＯＮタイミングとなる出力がＢ[ｋＷ]だとしたら、Ｂ[ｋＷ]を目標出力値とした場合の経過時間（目標出力到達所要時間、この場合はｔ1）をこの出力推移モデルを使って求めることができる（図５参照）。
＜氷点下始動時の出力推移モデルにおける計算例＞
図６は、氷点下始動時の出力推移モデルにおける計算例を当該モデルとともに示すものである。本例では、初期含水量が中程度、始動開始時の温度が−１５℃の状態を想定している。なお、図６中では、一般式の傍に具体的数値例をカッコ書きで併記し、または式中に具体的数値例を入れ込んで示している。図中の符号ｔ１は、燃料電池システム１の始動直後から氷点突破に至るまでの目標出力到達所要時間であり、符号ｔ２は、氷点突破に至ってから所期出力（一例としてＣ[ｋＷ]）を発揮できるようになるまでの目標出力到達所要時間である。
＜マップの例＞
図７は、氷点下始動時の出力推移モデル等についての検討結果をマップ化した一例を示すものである。上述したように、本実施形態では、このようなマップを読み込み、対応付けされた表から目標出力到達所要時間を得るようにしている。
図７に示すマップは、始動時における初期含水量（Ｗ1ｇ、Ｗ2ｇ、Ｗ3ｇ、Ｗ4ｇ、Ｗ5ｇ、Ｗ6ｇ）と、氷点下始動時温度（−２０℃、−１５℃、−１４℃、−１３℃、−１２℃、−１１℃、−１０℃）とから、対応付けされた始動直後の初期出力Ａ(ｋＷ)、最低出力Ｂ(ｋＷ)、そして出力Ｃ[ｋＷ]到達時の経過時間（すなわち目標出力到達所要時間）Ｔｃがそれぞれ得られるようにしたものである。なお、初期含水量が同じであれば（例えばＷ1）、始動時温度が上がるにつれ、初期出力Ａ(ｋＷ)および最低出力Ｂ(ｋＷ)は上がり（例えば、Ａ(W1,-20)＜Ａ(W1,-15)＜・・・＜Ａ(W1,-10) 、 Ｂ(W1,-20)＜Ｂ(W1,-15)＜・・・＜Ｂ(W1,-10)）、一方で、出力Ｃは下がる傾向にある（例えば、初期含水量Ｗ5のとき、Ｃ(W5,-20)＞Ｃ(W5,-15)＞・・・＞Ａ(W5,-10) ）。また、出力Ｃ[ｋＷ]到達時の経過時間Ｔｃの欄に棒線が引かれ数値が記入されていない場合は、出力Ｃ[ｋＷ]到達時の経過時間Ｔｃが無い、すなわちレディオン状態になればすぐにＣ[ｋＷ]の出力が可能だということである。
なお、図中、網目模様で表された枠は、始動後ただちにレディオン状態とすることが困難な場合を意味する。別言すれば、これらは、燃料電池４０の使用ないしは始動を避けるべき状態ということができる。
なお、図７に示したマップに記載の数値は好適な一例にすぎないことはいうまでもなく、各数値は、燃料電池４０の大きさ、仕様、燃料電池スタックの熱容量といった因子に応じて変化しうる。また、初期含水量や始動時温度をさらに細分化したマップを用意してもよいし、マップに記載された数値に近似した数値に対応するデータを補間法や最小二乗法によって算出してもよい。
以上説明したように、本実施形態によれば、氷点下起動時の燃料電池システム１において、ＷＯＴ時必要最低出力が得られるＲＥＡＤＹ ＯＮタイミングになるまでに時間（目標出力到達所要時間）を要する場合に、当該目標出力到達所要時間（あるいは目標出力未到達であること）を文字メッセージや音声メッセージなどによってユーザーに通知する。このため、氷点下始動時、アクセルを踏んでも所望の出力が得られない場合に、ユーザーは、その間はそのような状況下にあるということを理解することができるので、所望の出力が得られないことに起因する違和感が低減される。
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態においては、燃料電池４０の出口温度（始動時ＦＣ出口温度）を用いることについて説明したが、ここでいう出口温度の具体例は特に限定されるものではない。要は、本実施形態の燃料電池システム１においては、氷点下始動時の燃料電池４０内における水分凍結量が多いほど凍結に時間がかかり、また始動時の燃料電池温度が低いほど昇温に時間がかかるということを前提に、始動時の燃料電池温度を利用して氷点下始動時の凍結量および昇温時間を推測するというモデルに基づいているのであって、同じように氷点下始動時の凍結量および昇温時間を推測するモデルに基づいているのであれば燃料電池温度の測定箇所の詳細は問わない。また、同様に、氷点下始動時の凍結量を推測するモデルに基づいているのであれば、前回のシステム停止時における含水量以外のファクターを利用することもできる。
また、本実施形態では、ＷＯＴ時の目標出力到達所要時間を推定する形態を説明したが、これはユーザーが所望ないしは期待する所期出力の一例にすぎない。例えば、ユーザーによるアクセル開度が８０％である場合、その時点における所期出力はアクセル開度８０％に対応した燃料電池出力ということになり、上述した実施形態と同様、目標出力到達所要時間推定部３００は、当該所期出力、あるいは該所期出力に応じた所定出力を燃料電池４０が発揮できるようになるまでの目標出力到達所要時間を推定する。
本発明は、氷点下で始動されることがある燃料電池システムに適用して好適なものである。
１…燃料電池システム
４０…燃料電池
４２…スタック（燃料電池スタック）
５０…温度センサ（温度取得手段）
８０…制御ユニット（制御装置）
１６０…表示装置（目標出力到達所要時間通知手段）
１７０…音声出力装置（目標出力到達所要時間通知手段）
２８１…スタック残水量演算部（含水量取得手段）
３００…目標出力到達所要時間推定部（目標出力到達所要時間推定手段）

Claims (7)

  1. 燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池内の含水量を取得する含水量取得手段と、
    前記燃料電池内の温度を取得する温度取得手段と、
    前記取得された含水量、及び温度により、前記燃料電池内部に存在する氷の量を推定する推定手段と、
    前記推定された氷の量が所定値以下となるまでの所要時間をユーザーに通知する、通知手段と、
    を備える、燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池内の含水量と、氷点下始動時の前記燃料電池内の温度と、に基づいて、氷点下始動後の前記燃料電池が、当該燃料電池システムのユーザーが所望ないしは期待する所期出力あるいは該所期出力に応じた所定出力を発揮できるようになるまでの目標出力到達所要時間を推定する目標出力到達所要時間推定手段と、
    該目標出力到達所要時間推定手段が推定した所要時間をユーザーに知らせる目標出力到達所要時間通知手段と、
    をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記目標出力到達所要時間は、前記燃料電池をイグニッションオンにしてから、ある一定の電力供給をするレディオン出力を前記燃料電池が発揮するレディオン状態になるまでの時間である、請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記目標出力到達所要時間は、ある一定の電力供給をするレディオン出力を前記燃料電池が発揮するレディオン状態になってから、前記ユーザーによる当該時点でのアクセルの開度に応じた出力が発揮されるようになるまでの時間である、請求項２に記載の燃料電池システム。
  5. 前記ユーザーによる当該時点でのアクセルの開度が全開である、請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池内の含水量および氷点下始動時の前記燃料電池温度と、前記目標出力到達所要時間とを関連付けしたマップを備えており、該マップを用いて前記目標出力到達所要時間を推定する、請求項２から５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  7. 燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムを氷点下で始動する際の始動方法であって、
    燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの氷点下始動方法において、
    前記燃料電池内の含水量と、氷点下始動時の前記燃料電池内の温度と、に基づいて、氷点下始動後の前記燃料電池が、当該燃料電池システムのユーザーが所望ないしは期待する所期出力あるいは該所期出力に応じた所定出力を発揮できるようになるまでの目標出力到達所要時間を推定し、
    該推定した所要時間をユーザーに知らせる、燃料電池システムの始動方法。
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